JPH0282186A - ２次電子検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 ２次電子検出装置、特に、検出対象に対して電子ビーム
を照射することにより該検出対象から放出される２次電
子を検出する装置に関し、信号処理系における増幅率の
変動にかかわらず分配雑音の発生を防止し、ひいては２
次電子検出信号のＳ／Ｎ比の低下を抑制することを目的
とし、電子ビームの光軸に関して対称に配置され、それ
ぞれが前記放出された２次電子の一部に応答して該電子
の個数に応じた光信号を出力する複数の第１の変換手段
と、該複数の第１の変換手段の各個に対応して配設され
、対応する第１の変換手段から出力された光信号を電気
信号に変換する複数の第２の変換手段と、該複数の第２
の変換手段の各個に対応して配設され、対応する第２の
変換手段から出力された電気信号を所定の高周波の帯域
幅において増幅し、該増幅に基づき、対応する第１の変
換手段に入射された２次電子の個数に対応するパルス列
を出力する複数の増幅器と、該複数の増幅器からそれぞ
れ出力されるパルス列のパルス数を計数し、該計数した
パルス数をディジタル信号の形態または該パルス数に比
例したアナログ信号の形態で指示するカウンタ手段とを
具備し、所定の時間ウィンドウにおいて該カウンタ手段
が指示するパルス数の信号を加算して得られる信号を２
次電子検出信号とし”ζ取り出すように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、２次電子検出装置に関し、特に、検出対象に
対して電子ビームを照射するごとにより該検出対象から
放出される２次電子を検出する装置に関する。

本発明による２次電子検出装には、例えば電子ビームプ
ローバ（ＥＢプローハ）、測長走査電子顕微鏡（測長Ｓ
ＥＭ）等を含むＳＥＭ装置において利用され得る。

〔従来の技術〕

ＳＥＭ装置においては、２次電子検出装置に用いられる
検出器の個数は通常１個である。そのため、電子ビーム
鏡筒は電子ビームの光軸に対して軸対称に配置すること
はできるが、２次電子検出器については軸対称に配置す
ることはできない。

その結果、あたかもＳＥＭ像に影が生じたように見える
シャドー効果が起こる。このシャドー効果は、ＥＢプロ
ーバによる電圧測定や測長ＳＥＭの観測に悪影響を与え
るので、好ましくない。

従来、このシャドー効果を除くため、２次電子検出器を
複数の検出器により構成することが行われている。ごの
場合、複数の２次電子検出器は電子ビームの光軸に対し
て軸対称に配置され、同一の条件で動作するように設計
されている。例えば第２図を参照すると、ｎ（ｎ≧２）
個の２次電子検出器（代表してシンチレータ面１１ａ、
〜ｌｌａ、で表示）は、１次電子ビームＥ０の光軸に対
してｎ回回転対称性を持つように配置されている。これ
は、各検出器において２次電子検出効率と増幅率を等し
くし、かつ、各検出器を同等の条件で動作させるように
するためである。

第４図には従来形の一例としての２次電子検出装置の構
成が一部模式的に示される。以下、従来形装置の作用に
ついて第２図を併用しながら説明する。

ステージ２０上に載置された試料（例えばＬＳＩ）２１
に１次電子ビームＥ０を照射すると、該照射によって２
次電子ｅ、〜ｅ、が放出される。この放出された２次電
子は、各検出器１０．゛〜１０．　’のシンチレータ面
１１ａ＋〜１１ａ７に衝突し、衝突した電子の個数に応
じた光量で発光する。この場合、微視的に見れば、各シ
ンチレータ面に２次電子が１個衝突する毎にパルス状の
光信号が生成される。

各シンチレータで生成された光信号は、それぞれ対応の
導光管（ライトパイプ）Ｌ、〜Ｌ７を介して信号処理系
２３内の対応するＰＭＴ１２＋　〜１２、に導かれ、そ
ごで電子に変換された後、対応の増幅器（ＡＭ　Ｐ　）
　１３．’〜１３７゛　に入力され、増幅後、電気信号
として取り出される。

各増幅器においては、概ね１ＭＩＩｚ前後（２次電子検
出装置としては比較的低い周波数）の帯域で信号増幅が
行われる。従って、各増幅器から出力される信号は、上
述のパルス状の光信号に対応する電気信号を積分したよ
うな形態、すなわち比較的平坦な波形（第３図（ａ）参
照）を有する。増幅器（ＡＭＰ）　１３１’〜１３７°
の出力信号、すなわち２次電子検出器１０．〜ｌＯ０°
からの各信号は、信号加算器１４゛　においてアナログ
的に加算され、２次電子検出信号ＯＵＴ’として出力さ
れる。

なお、第２図において、２２は試料２１から放出された
２次電子のエネルギを分析するためのエネルギ分析器、
２４は１次電子ビームを集束させるための対物レンズを
示す。

〔発明が解決しようとする課題〕

今仮に、１次電子ビームＥ０の照射によって試料２１か
ら放出された２次電子ｅｌ”−ｅ、がすべて検出器ｌＯ
０゛〜１０７゛　に分配され、しかも、分配率が各検出
器で等しいとものと仮定する。また、各検出器を構成す
るシンチレータ１１．〜ｂＭＴ１２．’〜１２．ｌ’　
および増幅器１３．°〜１３７゛　で発生する雑音は無
視され得るものとする。

すべての検出器が雑音を発生せず、かつ、それぞれの増
幅率が等しい場合には、各検出器からの信号（各増幅器
の出力）を再び加算しても、２次電子検出信号ＯＵＴ’
のＳ／Ｎ比は、試料から放出された直後の２次電子ｅ１
〜ｅ７のＳ／Ｎ比と等しくなるので、不都合は生じない
。

しかしながら、各検出器の増幅率すなわち感度が異なる
と、以下に記述するように不都合が生じる。

例えば、１個の検出器の増幅率が他の検出器のそれに比
して相対的に小さい場合には、２次電子検出器全体の検
出効率をλとすると、 λ＝（ｎ−１）／ｎ となる。そのため、２次電子が各検出器に実質的に分配
されたごとになり、それによっ°ζ分配雑音が生じる。

逆に、１個の検出器の増幅率が他の検出器のそれに比し
て極端に大きくなった場合には、その１個の検出器を除
いて他の検出器は２次電子信号の検出に寄与しないため
、２次電子検出器全体の検出効率λは、 λ＝　ｌ　／　ｎ となる。そのため、やはり２次電子が実質的に分配され
、それによって分配雑音が生じる。

概して、各検出器を構成するシンチレータやフォトマル
チプライヤ（ＰＭＴ）は性能のばらつきが多く、そのた
め、検出器単体の検出感度については経験則から２倍程
度のばらつきが生じることは避けがたい。従って、第４
図に示されるような信号処理系を有する２次電子検出装
置においては、検出器単体の感度のばらつきに起因して
分配雑音が生じ、それによって２次電子検出信号のＳ／
Ｎ比が悪化するという問題が生じる。

これは、各検出器の増幅率すなわち感度を厳密に同じに
調整することができれば解消されるが、従来形装置にお
いてはそれを実現するための有効な手段は見出されてお
らず、仮にそのような手段があったとしても、各検出器
の増幅率が何らかの原因により変動した場合には、その
度に各検出器の増幅率が同じになるよう調整しなければ
ならないため、２次電子検出に際しての手間が煩雑なも
のとなり、好ましくない。

本発明は、かかる従来技術における課題に鑑み創作され
たもので、信号処理系における増幅率の変動にかかわら
ず分配雑音の発生を防止し、ひいては２次電子検出信号
のＳ／Ｎ比の低下を抑制することができる２次電子検出
装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上述した従来技術における課題は、２次電子検出器から
出力される信号が、該検出器に入射された２次電子の個
数に応じたレベル（検出器の増幅率に依存するアナログ
量）を指示するのではなく、該検出器に入射された２次
電子の個数（検出器の増幅率に依存しないディジタル量
）を指示するように回路構成を工夫することにより、解
決される。

従ゲで、本発明による２次電子検出装置は、検出対象に
対して電子ビームを照射することにより該検出対象から
放出される２次電子を検出するごとを前提とし、前記電
子ビームの光軸に関して対称に配置され、それぞれが前
記放出された２次電子の一部に応答して該電子の個数に
応じた光信号を出力する複数の第１の変換手段と、該複
数の第１の変換手段の各個に対応して配設され、対応す
る第１の変換手段から出力された光信号を電気信号に変
換する複数の第２の変換手段と、該複数の第２の変換手
段の各個に対応して配設され、対応する第２の変換手段
から出力された電気信号を所定の高周波の帯域幅におい
”ζ増幅し、該増幅に基づき、対応する第１の変換手段
に入射された２次電子の個数に対応するパルス列を出力
する複数の増幅器と、該複数の増幅器からそれぞれ出力
されるパルス列のパルス数を計数し、該計数したパルス
数をディジタル信号の形態または該パルス数に比例した
アナログ信号の形態で指示するカウンタ手段とを具備し
、所定の時間ウィンドウにおいて該カウンタ手段が指示
するパルス数の信号を加算して得られる信号を２次電子
検出信号として取り出すようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

上述した構成によれば、複数の増幅器の各個は、対応す
る第１の変換手段に入射された２次電子の個数に対応す
るパルス列を出力するようになっている。このパルス列
はディジタル量によって規定されるので、カウンタ手段
において計数されるパルスの数は、増幅器の増幅率に依
存することな（２次電子の検出個数に比例し、しかも、
検出対象から放出される２次電子の個数にも比例する。

従って、従来形に見られたような分配雑音の発生を防止
することができ、これは、２次電子検出信号のＳ／Ｎ比
の低下を抑制するごとに寄与するものである。

なお、本発明の他の構成上の特徴および作用の詳細につ
い”ζは、添付図面を参照しつつ以下に記述される実施
例を用いて説明する。

〔実施例〕

第１図には本発明の一実施例としての２次電子検出装置
の構成が一部模式的に、ブロック図の形態で示される。

第１図において、２０はステージ、２１は該ステージ上
に載置されたＬＳＩ等の試料、Ｅｏはパルス化された電
子ビーム、ｅ１〜ｅ、、は該電子ビームの照射によって
試料２１から放出される２次電子を示す。パルス状の電
子ビームＥ０は、図示はしないが、電子銃で発生された
電子ビームを偏向器によってパルス状に切断し、さらに
電子レンズによっ′ζ集束させるごとにより生成される
。

１０、〜工ＯＩ、は２次電子検出器であって、それぞれ
シンチレータ１１．〜１１７と、フォトマルチプライヤ
（ＰＭＴ）１２．〜１２１と、増幅器（ＡＭＰ）１３、
〜１３１１　とから構成されている。シンチレータＩＬ
〜１１１は、第２図に示されるように電子ビームＥ０の
光軸に関してその周囲に対称に配置されており、それぞ
れのシンチレータ面１１ａ＋〜１１ａ７には、試料２１
から放出された２次電子の一部ｅ。

〜ｅ、、が入射されるようになっている。シンチレータ
１１．〜１１ｎの各個は、それぞれ入射された２次電子
の個数に応じた光信号、すなわち１個の２次電子の衝突
によっ”ζ生じるパルス状の信号が集合されてなる光信
号、を出力する機能を有し°Ｃいる。

ＰＭＴ１２＋〜１２．以降の回路は信号処理系を構成し
、ＰＭＴ自体は、対応するシンチレータから出力された
パルス状の光信号を電気信号に変換する機能を有する。

また、増幅器１３．〜１３ｎの各個は、対応のＰＭＴか
ら出力された電気信号の増幅を行うが、この場合、所定
の高周波の帯域幅（本実施例では１００Ｍ１ｌｚ前後）
において増幅を行う。

２次電子検出器における検出周波数帯域と増幅器出力の
関係を示す第３図を参照すると、各増幅器が仮にＩＭＩ
Ｉｚ前後の帯域で信号増幅を行った場合には、従来形に
おいて説明したように各増幅器の出力は上述のパルス状
の光信号に対応する電気信号を積分したような形態、す
なわち比較的平坦な波形（同図（ａ）参照）を呈する。

これは、検出器系の増幅率に依存するアナログ量であり
、何らかの原因で増幅率が変動すると増幅器出力（検出
器に入射された２次電子の個数に応じたレベル）も変動
するので、好ましくない。

これに対し、極め”Ｃ高い周波数帯域で信号増幅を行う
と、各増幅器の出力は上述のパルス状の光信号に応じた
パルス状の波形（同図（ｃ）参照）を呈する。これは、
検出器に入射された２次電子の個数を指示するものであ
り、検出器系の増幅率に依存しないディジタル量によっ
て規定されるので、仮に増幅率が変動した場合でも２次
電子の個数を高精度に検出することができる。これに鑑
み本実施例では、上述したように１００ＭＩｌｚ前後の
帯域幅で信号増幅を行うように構成した。第３図（ｃ）
に図示の例では、２次電子検出器から出力される信号は
、２次電子が１個シンチレータに入射した場合に生じる
１０ｎｓ程度の時間幅を有する鋭いパルスの集合体によ
っ゛ζ規定される。つまり、増幅器１３〜１３．ｌの各
個は、対応のシンチレータに入射された２次電子の個数
に対応するパルス列を出力することができる。

第１図に戻って、１５．〜１５、はそれぞれ対応の増幅
器１３＋〜１３．、から出力されるパルス列のパルス数
を計数するパルスカウンタ、１６１〜１６７はそれぞれ
対応のパルスカウンタ１５．〜１５、から出力されるデ
ィジタル信号（対応のシンチレータ面に入射された２次
電子の個数に対応するディジタル値）をそのディジタル
量に比例したアナログ電圧に変換するＤ／Ａ変換器、１
４は各Ｄ／Ａ変換器から出力されるアナログ電圧を加算
して２次電子検出信号ＯＵＴとして出力する加算器、を
それぞれ示す。

以上説明した本実施例装置の作用について、以下簡単に
説明する。

１次電子ビームＥ０の照射によって試料２１から放出さ
れた２次電子ｅ１〜ｅｎは、各検出器１０１〜１０．１
の対応するシンチレータ１１１−１１．ｌに入射され、
そごで、入射された２次電子の個数に応じたパルス状の
光信号に変換される。各シンチレータで生成された光信
号は、それぞれ対応の２ＭＴ１２１〜１２１に導かれて
電子に変換された後、対応の増幅器１３１〜１３．、に
入力され、１００ＭＩｌｚ前後の帯域幅で信号増幅がな
される。増幅器１３．〜１３．の出力信号は、上述した
ように、入射された２次電子の個数を指示するパルス状
の波形を呈する。

ごのパルス状の信号は、対応のパルスカウンタ１３１〜
１３７に入力されてそのパルス数が計数され、さらに次
段のＤ／Ａ変換器１６．〜１６ｎにおいてそのディジタ
ル量に比例したアナログ電圧に変換される。各Ｄ　／　
Ａ’変換器１６．〜１６ｆｌから出力されたアナログ電
圧は、信号加算器１４において加算され、２次電子検出
信号０ＬＩＴとして出力される。

従っ°ζ、所定の時間ウィンドウにおいて２次電子検出
器から出力されるパルスの数を計数することにより、検
出器系の増幅率の変動にかかわらず、該所定の時間ウィ
ンドウにおいて２次電子検出器に入射された２次電子の
個数を検出することができる。また、パルスカウンタ１
３１〜１３．％において計数されるパルスの数は２次電
子の検出個数に比例しており、これは、試料２１から放
出される２次電子の個数にも比例しているので、従来形
に見られたような分配雑音の発生を防止することができ
る。

本実施例では、上述した所定の時間ウィンドウの幅は、
好適には、電子ビームＥ０のパルス幅の二乗と検出器系
における帯域幅（ｌｏＯＭｌｌｚ）の逆数を１７３倍に
した時間の二乗の和の平方根により規定される。すなわ
ち、 Ｔｏ　＝　（（ＴＩ）”　＋（１／３７２）”　）　”
”ただし、Ｔ６は時間ウィンドウの幅、 Ｔ、は電子ビームＥ０のパルス幅、 Ｔ２は検出器系における帯域幅、 と表される。これについて、以下簡単に説明する。

時刻１＝０に検出器系にインパルスを入力すると、１＞
０における検出器系の出力５（ｔ）は、Ｓ　（ｔ）　＝
Ｃ＋　・ｅｘｐ（−ｔ　／　ｒ　）ただし、τ＝１／３
Ｔ２、Ｃ，は定数、と表される。

電子ビームＥ０のパルス幅の時間的な強度分布が時刻１
＝０を中心としてガウス分布に従っているものと仮定す
ると、その強度分布ｒ（ｔ）は、１（ｔ）　＝Ｃｇ・ｅ
ｘｐ　（（６・ｔ／Ｔ＋　）　２）ただし、Ｃ２は定数
、 と表される。

時刻１．に強度分布の中心を持つ電子ビームバルスが入
射した場合、時刻ｔにおける検出器系の構成してもよい
。

ただし、Ｃ３は定数、 と表される。ごの場合、信号Ｓ０，７の時間的な広がり
は、概ね上述した時間ウィンドウの幅Ｔ０程度となる。

従って、パルスの検出を行う時間ウィンドウの幅Ｔ０を
、上述したように電子ビームＥ０のパルス幅Ｔ、の二乗
と検出器系における帯域幅Ｔ２の逆数を１７３倍にした
時間の二乗の和の平方根程度に規定すれば、電子ビーム
による信号を全て検出することが可能となり、しかも、
バックグラウンドのノイズを極小に抑えることができる
。

なお、上述した実施例ではパルスカウンタ１５＋〜１５
１から出力されたディジタル信号をいったんアナログ信
号に変換した後で加算するように構成したが、これは、
パルスカウンタからのディジタル信号をディジタル量の
ままで直接加算することによって２次電子検出信号ｏｕ
Ｔを取り出すように〔発明の効果〕 以上説明したように本発明によれば、２次電子検出器に
入射された２次電子の個数を指示する信号を２次電子検
出信号として取り出すようにしているので、仮に信号処
理系において増幅率が変動したとしても分配雑音の発生
を防止することができ、ひい°Ｃは２次電子検出信号の
Ｓ／Ｎ比の低下を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例としての２次電子検出装置の
構成を一部模式的に示したブロック図、第２図は典型的
な２次電子検出装置における２次電子検出部の構成を一
部断面的に示した斜視図、第３図（ａ）〜（ｃ）は２次
電子検出器における検出周波数帯域と増幅器出力の関係
を示す図、第４図は従来形の一例としての２次電子検出
装置の構成を一部模式的に示したブロック図、である。 （符号の説明） １０、〜１０．・・・２次電子検出器、１１１〜１１゜
・・・シンチレータ（第１の変換手段）、１２１〜１２
゜・・・フォトマルチプライヤ（第２の変換手段）、 １３＋〜１３７・・・増幅器、 １５、〜１５７・・・パルスカウンタ（カウンタ手段）
、２１・・・試料（検出対象）、 Ｅｏ・・・電子ビーム、 ｅ１〜ｅ７・・・２次電子、 ＯＵＴ・・・２次電子検出信号。 忙）検出周波数帯域が〜Ｉ　ＭＨ２の場合（ｂ）検出周
波数帯域が〜ＩＯＭＨｚの場合忙〕検出周波数帯域が〜
ｌｏＯＭＨｚの場合第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、検出対象（２１）に対して電子ビーム（Ｅ＿０）を
   照射することにより該検出対象から放出される２次電子
   （ｅ＿１〜ｅ＿ｎ）を検出する装置であって、前記電子
   ビームの光軸に関して対称に配置され、それぞれが前記
   放出された２次電子の一部に応答して該電子の個数に応
   じた光信号を出力する複数の第１の変換手段（１１＿１
   〜１１＿ｎ）と、該複数の第１の変換手段の各個に対応
   して配設され、対応する第１の変換手段から出力された
   光信号を電気信号に変換する複数の第２の変換手段（１
   ２＿１〜１２＿ｎ）と、 該複数の第２の変換手段の各個に対応して配設され、対
   応する第２の変換手段から出力された電気信号を所定の
   高周波の帯域幅において増幅し、該増幅に基づき、対応
   する第１の変換手段に入射された２次電子の個数に対応
   するパルス列を出力する複数の増幅器（１３＿１〜１３
   ＿ｎ）と、該複数の増幅器からそれぞれ出力されるパル
   ス列のパルス数を計数し、該計数したパルス数をディジ
   タル信号の形態または該パルス数に比例したアナログ信
   号の形態で指示するカウンタ手段（１５＿１〜１５＿ｎ
   ）とを具備し、 所定の時間ウィンドウにおいて該カウンタ手段が指示す
   るパルス数の信号を加算して得られる信号を２次電子検
   出信号（ＯＵＴ）として取り出すようにしたことを特徴
   とする２次電子検出装置。 ２、前記電子ビーム（Ｅ＿０）はパルス化されたビーム
   であり、前記所定の時間ウィンドウの幅は、該電子ビー
   ムのパルス幅の二乗と前記所定の高周波の帯域幅の逆数
   を１／３倍にした時間の二乗の和の平方根により規定さ
   れることを特徴とする請求項１に記載の装置。