電子顕微鏡
【課題】本発明は、ビーム条件が変化するごとにエネルギー幅や分解能等を測定することなく、これらのパラメータを容易に把握することが可能な電子顕微鏡の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために、電子銃と、当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】上記目的を達成するために、電子銃と、当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子顕微鏡に係り、特にビームのエネルギー分布や分解能の評価を可能とする電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡装置には、電子ビームを形成するための電子の発生源として、電子銃が搭載されている。電子銃から放出される電子の条件を調整するための設定パラメーターは複数存在し、これらのパラメーターを適切に調整することで、高輝度，高分解能の電子ビーム照射を行うことができる。通常は、電子銃からの電子放出電流や、放出電子を絞って装置内の電子光学系に通すことによって形成された電子ビームの電流がモニターできるようになっている。電子銃の設定パラメーターは、ユーザーによって、これらの電流値を目安として参照しながら随意に設定される。
【０００３】
また、電子銃から放出される電子は、通常ある程度のエネルギー幅を持ち、このエネルギー幅は上記設定パラメーターによって変化する。特許文献１には、電子ビームのエネルギー幅の測定を実施することが説明されている。また、特許文献２には、電子のエネルギー分布を測定可能なエネルギーアナライザーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２２１６３号公報
【特許文献２】特開平１１−３１４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エネルギー幅（分布）は、装置の分解能を決定する要因の１つであり、重要な指標である。よって、例えば電子顕微鏡を、半導体デバイス等のパターンの絶対寸法を測定するために使用する使用者は、電子ビームのエネルギー幅を知ることによって、装置条件が適正に設定されているか、或いは得られた測定結果が持つ意味を正確に把握することが可能となる。特許文献１に説明されているように、エネルギー幅を実際に測定する（例えば特許文献２に開示されているようなエネルギーアナライザーを用いて）ことは可能であるが、ビーム条件が変化する度に、エネルギー幅を測定することは非常に手間がかかり、且つ多くの試料を連続的に測定する半導体測定用の電子顕微鏡に適用することは現実的ではない。
【０００６】
以下に、ビーム条件が変化するごとにエネルギー幅や分解能等を測定することなく、これらのパラメーターを容易に把握することを目的とする電子顕微鏡を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、電子銃と、当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、エネルギー幅等をいちいち測定しなくとも、ビーム条件ごとのエネルギー幅や分解能を認識することができるため、装置条件の設定が適正になされているか、或いは測定結果の信頼性等の状況を正確に把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電子銃の概略構成図。
【図２】ショットキー型電子銃から放出される電子のエネルギー分布を示した図。
【図３】電子源陰極先端の推定電界強度と、電子銃の引出し電圧Ｖe，抑制電圧Ｖsの関係を示した図。
【図４】電子顕微鏡の概略構成図。
【図５】調整素子条件設定に基づいて、エネルギー幅等のパラメーターを表示する処理プロセスを説明するフローチャート。
【図６】電子顕微鏡の解像度のエネルギー幅依存特性を調べる手順を示すフローチャート。
【図７】ビーム調整素子の設定画面の一例を説明する図。
【図８】電子顕微鏡による測定結果とビームのエネルギー幅等を併せて表示した測定結果表示画面の一例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電子銃の設定パラメーターを変更することによって変わるのは電子放出量（電子電流）だけではない。放出される電子は通常、ある程度（数分の１〜１電子ボルト程度）のエネルギー分布を持つが、このエネルギー幅も、電子銃の設定パラメーターによって変わる。エネルギー幅は、試料に照射される電子ビームの径に影響を与える要因のひとつであり、分解能を左右するという意味で重要な指標である。それにもかかわらず、電子顕微鏡装置内部にエネルギー幅を簡便にモニターする機構を設置することは一般に困難でコストもかかるので、通常は電子顕微鏡の使用状態において、使用している電子ビームが含む電子のエネルギー幅をユーザーが知ることはできない。
【００１１】
電子銃から放出される電子エネルギー分布の設定パラメーターに対する依存性は、電子銃の設計に依存して決まっているものである。その特性は、同じ型の電子銃を、別途、電子線エネルギーアナライザーに搭載して測定しておくことが可能である。したがって、顕微鏡装置内部にエネルギー幅を直接計測する手段を用意しなくとも、そのようにしてあらかじめ得ておいたデータを、数表、もしくは関係式の形にして電子顕微鏡装置の制御部に記憶させておいて、装置の使用時に電子銃の設定パラメーターの値からエネルギー幅を推定して、モニター的に表示させるという簡便な手段を用意しておくことが可能である。表示される情報は、電子顕微鏡のユーザーにとって、取得した画像データを評価・利用する際の有用な参考情報になる。
【００１２】
図１は、走査電子顕微鏡に用いられているショットキー型電子銃の電子源付近の典型的な電極構造（断面図）と、各電極への電圧設定の方法の実例を模式的に表したものである。電子源として用いる針状の陰極自体には、顕微鏡の電子光学系（電子レンズ系）の設計に基づいてあらかじめ決めてある電圧−Ｖaccを与えておく。陰極の先端から１mm程度以内のところに、電子を通す丸穴を設けた引出し電極が設置されており、電子源に対して正の電圧（引出し電圧Ｖe）を印加してある。電子は主としてこの電極によって電子源表面に形成される電界の影響を受け、電子源の外へ放出されることになる。他方、電子ビームを形成するための放出電子の放射角は狭くてよいので、電子源から側面方向への電子の放出を抑制するために、電子源の先端よりも後方において周囲を囲むように抑制電極が設置されており、抑制電極（サプレッサ電極）には電子源に対して負の電圧（抑制電圧−Ｖs）が印加される。また、ショットキー電子源を使用するためには電子源を絶対温度１７００ケルビン程度まで加熱する必要があり、この加熱通電のための導線が陰極と結合している。ショットキー型電子源を搭載した電子銃を使用する場合には、引出し電圧Ｖe，抑制電圧Ｖs、および加熱電流（通常、フィラメント電流と呼ぶ）Ｉfの３つが電子銃の標準的な設定パラメーターとなる。これらの電子銃の調整素子に対する調整パラメーターは、電子顕微鏡に接続される設定装置によって設定される。図４は電子顕微鏡の概略構成図である。電子銃５から放出される電子ビーム６は電子レンズ系８を通過した後、試料７に到達する。試料から放出された信号電子１７は、検出系１４によって検出され、装置制御部１０に送られる。装置制御部１０は、電子顕微鏡に関わる構成要素を制御するためのものであり、主に電子銃制御電源系９，ステージ駆動系１６を制御する。また、操作部（設定装置）から入力される上記設定パラメーターに基づいて、後述するようなエネルギー幅や分解能に関する情報を、データ保存部１３から読み出し、表示系１１に表示させる。
【００１３】
電子源から放出される電子のエネルギー分布を、あらかじめ電子銃の設定パラメーターに対する依存性という形で知るためには、一度、電子銃を電子のエネルギーアナライザーに搭載して、放出電子のエネルギー分布の測定を行っておく必要がある。
【００１４】
エネルギーアナライザーによる測定結果の例を図２に示すが、このように引出し電圧や抑制電圧を変更することで、放出される電子の電流量とエネルギー幅が変わっており、後者は電子顕微鏡装置の分解能に影響を及ぼす。一般の電子顕微鏡装置では、電子銃の使用条件によってエネルギー幅が変わることを直接に確認できない。しかし、あらかじめ別途エネルギーアナライザーを用いて電子銃から放出される電子のエネルギー幅のＶe，Ｖs，Ｉfへの依存性を計測し、データを電子顕微鏡装置の制御系に記憶させておくならば、その記憶された特性に基づいてＶe，Ｖs，Ｉfからエネルギー幅を推定することは可能である。
【００１５】
Ｖe，Ｖs，Ｉfの設定値に基づくエネルギー幅の具体的な推定方法については、最も単純な方法としては、特性を表す数表を記憶させておいて、該当する数値を読み出す方法がある。しかし電子源の物理的な電子放出特性の式を利用し、少数のパラメーターを登録しておく方法もあり得る。
【００１６】
たとえば、拡張ショットキーモデルと呼ばれる理論式によると、絶対温度Ｔケルビンの電子源の先端に電界Ｆが印加されたときに放出される電子電流密度のエネルギー分布ｄＪ(Ｅ)／ｄＥは、次のようにあらわされる。
【００１７】
【数１】
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
【００２０】
Ｅは陰極における電子の真空準位を基準とした放出電子のエネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｗは陰極材料の仕事関数、α，Ｃ1，Ｃ2は基礎物理定数から算出される普遍定数である。図２の細線は、（式１）を用いたデータに対するフィッティング曲線であり、実験データと概ねよく一致している。エネルギー分布の拡がり（半値全幅）ΔＥは、（式１）によるｄＪ(Ｅ)／ｄＥ−Ｅ曲線を計算した上で、そこから最大値の半値となるエネルギーＥ1とＥ2を求め、ΔＥ＝｜Ｅ1−Ｅ2｜として求めてもよいが、次のように半値を求める近似式も知られている。
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】
したがって、陰極温度Ｔと陰極先端電界Ｆの値を与えることができれば、放出電子のエネルギー幅ΔＥが推定可能である。ΔＥは電界Ｆに強く依存する。ショットキー電子源としての使用範囲内で温度Ｔへの依存性はさほど大きくないが、正確なエネルギー幅の推定のためには温度も無視できない。
【００２４】
陰極温度Ｔはフィラメント電流から、たとえば１次式によって推定可能である。
【００２５】
【数６】
【００２６】
Ｉfoは標準フィラメント電流、Ｔoは標準陰極温度、Ｃは定数である。これらの定数は通常、陰極試料の校正データとして既知のものである。
【００２７】
また、通常は陰極先端の電界強度を直接知る方法はないが、放出電子のエネルギー分布のピークとなるエネルギー値は、（式１）に基づいて電界Ｆと温度Ｔの関数として決まる。したがって、ある温度ＴにおいてＶe，Ｖsを変えて、エネルギーアナライザーによって測定したピークエネルギー値との対応関係を調べると、たとえば１次の近似式を決めることが可能である。
【００２８】
【数７】
【００２９】
図３は、Ｖeの値を５通り、Ｖsの値を４通りに変更した種々の条件下で、図２のように放出電子のエネルギー分布のデータに対して（式１）によるフィッティングを行って陰極先端の電界強度Ｆを推定し、（式７）の右辺のようにＶeとＶsの線形結合として与えられるパラメーターに対してプロットした結果である。ａ，ｂは電子銃の設計に依存して決まる定数であり、一度このように電子銃の電子放出特性のＶe，Ｖs依存性をエネルギーアナライザーで包括的に調べてａ，ｂの値を決めておけば、同じ設計の電子銃における陰極先端の電界強度Ｆは、ＶeとＶsの設定値から推定できる。
【００３０】
したがって、あらかじめ電子銃の型式から決まる特性値としてａとｂが決まっていれば、（式１）を通じて、Ｖe，Ｖs，Ｔの値からエネルギー幅が推定できることになる。
【００３１】
走査電子顕微鏡において、放出電子のエネルギー幅は、試料に照射される電子ビームの径を決める要因のひとつであり、分解能に直接影響するという意味で重要な数値である。
【００３２】
試料に入射する電子ビームの半径Ｒpを推定する方法はいろいろあるが、最もよく知られた簡単な式は、次のように与えられる。
【００３３】
【数８】
【００３４】
Ｒoは試料面に結像した光源像（電子源像）の半径、Ｒsは球面収差、Ｒdは回折収差で、電子光学系の設計によって決まる。放出電子のエネルギー幅ΔＥに依存するのは色収差と呼ばれる因子Ｒcで、これは、
【００３５】
【数９】
【００３６】
と表される。すなわち色収差はエネルギー幅ΔＥに比例する。Ｃcは電子光学系の設計から決まる色収差係数（長さの次元を持つ）、Ｅaccは電子の加速エネルギー、αは試料の表面で集束する電子ビームの開き半角であって、これも電子光学系に含まれるビーム絞りの径から決まる。
【００３７】
走査電子顕微鏡のユーザーの立場から、分解能は重要な数値である。通常はあまり意識されていないが、上述の関係に基づき電子銃の使用条件（Ｖe，Ｖs，Ｉf）によってエネルギー幅ΔＥが変わりうるので、ビーム径も分解能も変わる。すなわち分解能は同じ走査電子顕微鏡において同様の焦点調整を行っても、電子銃の使用条件によって異なる。このような事情を把握せずに顕微鏡画像を取得するのであれば、たとえば別の日時に取得した画像の間で精細度の違いが認められたとしても、それが観察対象となる試料自体の構造の違いを反映しているのか、電子銃の使用条件の違いによるビーム径の違いによるものなのか、判断することができない。
【００３８】
そこでたとえば、電子銃のＶe，Ｖs，Ｉfの設定値に基づいて、あらかじめ電子銃のエネルギー幅の特性をまとめておいた数表からΔＥを自動的に算出し、走査電子顕微鏡の画像表示画面に、顕微像と併せて常にΔＥの数値を表示しておけば（図５（ａ））、ユーザーが以前の使用時と比較して、色収差の違いの有無を意識することができ、必要に応じて電子銃の設定を変更してΔＥをユーザーの望む値に調整することも可能となる。
【００３９】
電子銃の特性を数表の形で記憶する代わりに、たとえば（式１），（式６），（式７）を用いたエネルギー幅の推定方法を採用するならば、ＶeとＶsから陰極先端電界強度Ｆを決めるための定数ａとｂ、およびフィラメント電流Ｉfから陰極温度Ｔを決めるための定数Ｔo，Ｃ，Ｉfoを調べておいて登録しておけばよい。前者は電子銃の型式に固有の値、後者は陰極試料毎の値であるが、通常、後者はあらかじめ陰極試料の校正データとして既知である。このような方法で、電子顕微鏡の使用時に推定されるエネルギー幅を表示してもよい（図５（ｂ））。
【００４０】
また、単純に電子ビームを径という指標で捉えるのではなく、ユーザー側の意向として仮にビーム内の電流分布の違いまでを把握する必要があるとすると、単純にエネルギーの半値全幅ΔＥだけではなく、エネルギー分布全体の情報が与えられることが望ましい。（式１）を利用して、電子銃の設定パラメーターＶe，Ｖs，Ｉfから、推定されるエネルギー分布形状を算出して、図２のようなグラフの形で画面に表示することも可能である（図５（ｃ））。
【００４１】
あるいは、分解能に直接対応するビーム径の推定値Ｒpを、（式８）および（式９）のような何らかの推定式に基づいて算出し、画面に表示しておくと、顕微像を見るための参考指標として有用となり得る（図５（ｄ））。
【００４２】
画像データは、試料を観察する際に顕微鏡装置の表示部に表示されるだけでなく、装置のデータ保存部に残されて、後から活用されることも、通常の電子顕微鏡装置の使用において想定される。そのような場合に、画像取得時のエネルギー幅推定値やエネルギー分布，推定ビーム径などのいずれかの情報が、倍率などとともに画像情報と対応する形で記憶され、保存された画像データを読み出す際に同時にそれらの情報も読み出される機能が装置に備わっていれば、画像データに付随する参考情報として有用である。
【００４３】
以上は、電子顕微鏡装置の画像取得時における装置状態のモニターとしての意味合いで、エネルギー幅等の情報の推定と表示を考えたものであるが、電子のエネルギー分布がどのように分解能に影響するか、定量的に完全な予測できるわけではなく、この技術分野の現状として、理論的な解明が充分になされているとは言えない。したがって、電子銃の特性を調べてあれば、逆に電子顕微鏡装置の光学系における色収差成分の影響を実験的に調べて確定する手段として、電子銃のパラメーターの変更を利用することも考えられる。
【００４４】
このような観点で電子顕微鏡の光学系における、画像解像度の放出電子エネルギー幅への依存性を確認する手順を図６に示す。電子銃の引出し電圧について、あらかじめ有限個の設定値Ｖe(１)〜Ｖe(ｎmax)を決めておく。設定値を順次変更しながら顕微画像を取得し、画像データの処理によって算出したそれぞれの画像解像度Ｒ(ｎ)と、それぞれの条件下のエネルギー幅ΔＥ(ｎ)に対する関係をプロットする。得られた結果は、電子顕微鏡の光学系に固有の、電子のエネルギー分散（色収差）に関する特性を実験的に確認したデータとして意味を持つことになり、たとえば電子顕微鏡の製造メーカーからユーザーへ提供する性能データとして有用なものとなり得る。
【００４５】
図７は、電子顕微鏡の設定画面の一例を説明する図である。当該設定画面は、上述のエネルギー幅と分解能を表示するための表示領域を備えている。オペレーターは、自信が設定したビーム条件に基づいて表示されるパラメーターを確認しつつ、条件設定を行うことが可能となる。
【００４６】
図８は、電子顕微鏡によるパターン幅等の測定結果や取得画像（Image）と、エネルギー幅（Energy Width：ＥＷ）や分解能（Resolution：Ｒｅｓ）を関連付けて表示する表示画面の一例を説明する図である。また、パターンの種類も併せて表示されている。このような表示を行うことによって、分解能等のパラメーターと測定結果の因果関係を明確にすることができる。例えば、測定結果が所定の条件を満たしていない場合、その要因がパターン側にあるのか、ビーム条件の設定にあるのか、その判断を行うことが可能となる。より具体的には、パターン測定結果と理想値との間に相当の乖離がある場合、その原因がパターンの形成状態にあるのか、分解能等に起因するのか、その判断を行うことが可能となる。
【００４７】
また、パターンの種類（例えばラインパターン，ホールパターン）や、パターンの部位（例えばホールパターンの場合、上面（top），中間層（Middle Layer），底部（bottom））の別を併せて表示することによって、パターンの種類等ごとに、分解能の測定結果に対する影響を把握することが可能となる。ビーム条件は頻繁に変化させるものではないが、異なるビーム条件で取得された画像に基づく測定結果を併せて表示可能とすることによって、分解能と測定結果との因果関係を容易に把握することが可能となる。また、レシピ単位で測定結果を表示することによって、各レシピのビーム条件の適正さを判断することも可能となる。よって、図８の「ＩＤ」に替えて、「レシピ１，レシピ２…」でも良いし、「ビーム条件１，ビーム条件２…」としても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１ 抑制電極
２ 引出し電極
３ 陰極
４ 放出電子
５ 電子銃
６ 電子ビーム
７ 試料
８ 電子レンズ系
９ 電子銃制御電源系
１０ 装置制御部
１１ 表示系
１２ 操作部
１３ データ保存部
１４ 検出系
１５ ステージ
１６ ステージ駆動系
１７ 信号電子
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子顕微鏡に係り、特にビームのエネルギー分布や分解能の評価を可能とする電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡装置には、電子ビームを形成するための電子の発生源として、電子銃が搭載されている。電子銃から放出される電子の条件を調整するための設定パラメーターは複数存在し、これらのパラメーターを適切に調整することで、高輝度，高分解能の電子ビーム照射を行うことができる。通常は、電子銃からの電子放出電流や、放出電子を絞って装置内の電子光学系に通すことによって形成された電子ビームの電流がモニターできるようになっている。電子銃の設定パラメーターは、ユーザーによって、これらの電流値を目安として参照しながら随意に設定される。
【０００３】
また、電子銃から放出される電子は、通常ある程度のエネルギー幅を持ち、このエネルギー幅は上記設定パラメーターによって変化する。特許文献１には、電子ビームのエネルギー幅の測定を実施することが説明されている。また、特許文献２には、電子のエネルギー分布を測定可能なエネルギーアナライザーが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２２２１６３号公報
【特許文献２】特開平１１−３１４７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エネルギー幅（分布）は、装置の分解能を決定する要因の１つであり、重要な指標である。よって、例えば電子顕微鏡を、半導体デバイス等のパターンの絶対寸法を測定するために使用する使用者は、電子ビームのエネルギー幅を知ることによって、装置条件が適正に設定されているか、或いは得られた測定結果が持つ意味を正確に把握することが可能となる。特許文献１に説明されているように、エネルギー幅を実際に測定する（例えば特許文献２に開示されているようなエネルギーアナライザーを用いて）ことは可能であるが、ビーム条件が変化する度に、エネルギー幅を測定することは非常に手間がかかり、且つ多くの試料を連続的に測定する半導体測定用の電子顕微鏡に適用することは現実的ではない。
【０００６】
以下に、ビーム条件が変化するごとにエネルギー幅や分解能等を測定することなく、これらのパラメーターを容易に把握することを目的とする電子顕微鏡を説明する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、電子銃と、当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
上記構成によれば、エネルギー幅等をいちいち測定しなくとも、ビーム条件ごとのエネルギー幅や分解能を認識することができるため、装置条件の設定が適正になされているか、或いは測定結果の信頼性等の状況を正確に把握することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電子銃の概略構成図。
【図２】ショットキー型電子銃から放出される電子のエネルギー分布を示した図。
【図３】電子源陰極先端の推定電界強度と、電子銃の引出し電圧Ｖe，抑制電圧Ｖsの関係を示した図。
【図４】電子顕微鏡の概略構成図。
【図５】調整素子条件設定に基づいて、エネルギー幅等のパラメーターを表示する処理プロセスを説明するフローチャート。
【図６】電子顕微鏡の解像度のエネルギー幅依存特性を調べる手順を示すフローチャート。
【図７】ビーム調整素子の設定画面の一例を説明する図。
【図８】電子顕微鏡による測定結果とビームのエネルギー幅等を併せて表示した測定結果表示画面の一例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
電子銃の設定パラメーターを変更することによって変わるのは電子放出量（電子電流）だけではない。放出される電子は通常、ある程度（数分の１〜１電子ボルト程度）のエネルギー分布を持つが、このエネルギー幅も、電子銃の設定パラメーターによって変わる。エネルギー幅は、試料に照射される電子ビームの径に影響を与える要因のひとつであり、分解能を左右するという意味で重要な指標である。それにもかかわらず、電子顕微鏡装置内部にエネルギー幅を簡便にモニターする機構を設置することは一般に困難でコストもかかるので、通常は電子顕微鏡の使用状態において、使用している電子ビームが含む電子のエネルギー幅をユーザーが知ることはできない。
【００１１】
電子銃から放出される電子エネルギー分布の設定パラメーターに対する依存性は、電子銃の設計に依存して決まっているものである。その特性は、同じ型の電子銃を、別途、電子線エネルギーアナライザーに搭載して測定しておくことが可能である。したがって、顕微鏡装置内部にエネルギー幅を直接計測する手段を用意しなくとも、そのようにしてあらかじめ得ておいたデータを、数表、もしくは関係式の形にして電子顕微鏡装置の制御部に記憶させておいて、装置の使用時に電子銃の設定パラメーターの値からエネルギー幅を推定して、モニター的に表示させるという簡便な手段を用意しておくことが可能である。表示される情報は、電子顕微鏡のユーザーにとって、取得した画像データを評価・利用する際の有用な参考情報になる。
【００１２】
図１は、走査電子顕微鏡に用いられているショットキー型電子銃の電子源付近の典型的な電極構造（断面図）と、各電極への電圧設定の方法の実例を模式的に表したものである。電子源として用いる針状の陰極自体には、顕微鏡の電子光学系（電子レンズ系）の設計に基づいてあらかじめ決めてある電圧−Ｖaccを与えておく。陰極の先端から１mm程度以内のところに、電子を通す丸穴を設けた引出し電極が設置されており、電子源に対して正の電圧（引出し電圧Ｖe）を印加してある。電子は主としてこの電極によって電子源表面に形成される電界の影響を受け、電子源の外へ放出されることになる。他方、電子ビームを形成するための放出電子の放射角は狭くてよいので、電子源から側面方向への電子の放出を抑制するために、電子源の先端よりも後方において周囲を囲むように抑制電極が設置されており、抑制電極（サプレッサ電極）には電子源に対して負の電圧（抑制電圧−Ｖs）が印加される。また、ショットキー電子源を使用するためには電子源を絶対温度１７００ケルビン程度まで加熱する必要があり、この加熱通電のための導線が陰極と結合している。ショットキー型電子源を搭載した電子銃を使用する場合には、引出し電圧Ｖe，抑制電圧Ｖs、および加熱電流（通常、フィラメント電流と呼ぶ）Ｉfの３つが電子銃の標準的な設定パラメーターとなる。これらの電子銃の調整素子に対する調整パラメーターは、電子顕微鏡に接続される設定装置によって設定される。図４は電子顕微鏡の概略構成図である。電子銃５から放出される電子ビーム６は電子レンズ系８を通過した後、試料７に到達する。試料から放出された信号電子１７は、検出系１４によって検出され、装置制御部１０に送られる。装置制御部１０は、電子顕微鏡に関わる構成要素を制御するためのものであり、主に電子銃制御電源系９，ステージ駆動系１６を制御する。また、操作部（設定装置）から入力される上記設定パラメーターに基づいて、後述するようなエネルギー幅や分解能に関する情報を、データ保存部１３から読み出し、表示系１１に表示させる。
【００１３】
電子源から放出される電子のエネルギー分布を、あらかじめ電子銃の設定パラメーターに対する依存性という形で知るためには、一度、電子銃を電子のエネルギーアナライザーに搭載して、放出電子のエネルギー分布の測定を行っておく必要がある。
【００１４】
エネルギーアナライザーによる測定結果の例を図２に示すが、このように引出し電圧や抑制電圧を変更することで、放出される電子の電流量とエネルギー幅が変わっており、後者は電子顕微鏡装置の分解能に影響を及ぼす。一般の電子顕微鏡装置では、電子銃の使用条件によってエネルギー幅が変わることを直接に確認できない。しかし、あらかじめ別途エネルギーアナライザーを用いて電子銃から放出される電子のエネルギー幅のＶe，Ｖs，Ｉfへの依存性を計測し、データを電子顕微鏡装置の制御系に記憶させておくならば、その記憶された特性に基づいてＶe，Ｖs，Ｉfからエネルギー幅を推定することは可能である。
【００１５】
Ｖe，Ｖs，Ｉfの設定値に基づくエネルギー幅の具体的な推定方法については、最も単純な方法としては、特性を表す数表を記憶させておいて、該当する数値を読み出す方法がある。しかし電子源の物理的な電子放出特性の式を利用し、少数のパラメーターを登録しておく方法もあり得る。
【００１６】
たとえば、拡張ショットキーモデルと呼ばれる理論式によると、絶対温度Ｔケルビンの電子源の先端に電界Ｆが印加されたときに放出される電子電流密度のエネルギー分布ｄＪ(Ｅ)／ｄＥは、次のようにあらわされる。
【００１７】
【数１】
【００１８】
【数２】
【００１９】
【数３】
【００２０】
Ｅは陰極における電子の真空準位を基準とした放出電子のエネルギー、ｋはボルツマン定数、Ｗは陰極材料の仕事関数、α，Ｃ1，Ｃ2は基礎物理定数から算出される普遍定数である。図２の細線は、（式１）を用いたデータに対するフィッティング曲線であり、実験データと概ねよく一致している。エネルギー分布の拡がり（半値全幅）ΔＥは、（式１）によるｄＪ(Ｅ)／ｄＥ−Ｅ曲線を計算した上で、そこから最大値の半値となるエネルギーＥ1とＥ2を求め、ΔＥ＝｜Ｅ1−Ｅ2｜として求めてもよいが、次のように半値を求める近似式も知られている。
【００２１】
【数４】
【００２２】
【数５】
【００２３】
したがって、陰極温度Ｔと陰極先端電界Ｆの値を与えることができれば、放出電子のエネルギー幅ΔＥが推定可能である。ΔＥは電界Ｆに強く依存する。ショットキー電子源としての使用範囲内で温度Ｔへの依存性はさほど大きくないが、正確なエネルギー幅の推定のためには温度も無視できない。
【００２４】
陰極温度Ｔはフィラメント電流から、たとえば１次式によって推定可能である。
【００２５】
【数６】
【００２６】
Ｉfoは標準フィラメント電流、Ｔoは標準陰極温度、Ｃは定数である。これらの定数は通常、陰極試料の校正データとして既知のものである。
【００２７】
また、通常は陰極先端の電界強度を直接知る方法はないが、放出電子のエネルギー分布のピークとなるエネルギー値は、（式１）に基づいて電界Ｆと温度Ｔの関数として決まる。したがって、ある温度ＴにおいてＶe，Ｖsを変えて、エネルギーアナライザーによって測定したピークエネルギー値との対応関係を調べると、たとえば１次の近似式を決めることが可能である。
【００２８】
【数７】
【００２９】
図３は、Ｖeの値を５通り、Ｖsの値を４通りに変更した種々の条件下で、図２のように放出電子のエネルギー分布のデータに対して（式１）によるフィッティングを行って陰極先端の電界強度Ｆを推定し、（式７）の右辺のようにＶeとＶsの線形結合として与えられるパラメーターに対してプロットした結果である。ａ，ｂは電子銃の設計に依存して決まる定数であり、一度このように電子銃の電子放出特性のＶe，Ｖs依存性をエネルギーアナライザーで包括的に調べてａ，ｂの値を決めておけば、同じ設計の電子銃における陰極先端の電界強度Ｆは、ＶeとＶsの設定値から推定できる。
【００３０】
したがって、あらかじめ電子銃の型式から決まる特性値としてａとｂが決まっていれば、（式１）を通じて、Ｖe，Ｖs，Ｔの値からエネルギー幅が推定できることになる。
【００３１】
走査電子顕微鏡において、放出電子のエネルギー幅は、試料に照射される電子ビームの径を決める要因のひとつであり、分解能に直接影響するという意味で重要な数値である。
【００３２】
試料に入射する電子ビームの半径Ｒpを推定する方法はいろいろあるが、最もよく知られた簡単な式は、次のように与えられる。
【００３３】
【数８】
【００３４】
Ｒoは試料面に結像した光源像（電子源像）の半径、Ｒsは球面収差、Ｒdは回折収差で、電子光学系の設計によって決まる。放出電子のエネルギー幅ΔＥに依存するのは色収差と呼ばれる因子Ｒcで、これは、
【００３５】
【数９】
【００３６】
と表される。すなわち色収差はエネルギー幅ΔＥに比例する。Ｃcは電子光学系の設計から決まる色収差係数（長さの次元を持つ）、Ｅaccは電子の加速エネルギー、αは試料の表面で集束する電子ビームの開き半角であって、これも電子光学系に含まれるビーム絞りの径から決まる。
【００３７】
走査電子顕微鏡のユーザーの立場から、分解能は重要な数値である。通常はあまり意識されていないが、上述の関係に基づき電子銃の使用条件（Ｖe，Ｖs，Ｉf）によってエネルギー幅ΔＥが変わりうるので、ビーム径も分解能も変わる。すなわち分解能は同じ走査電子顕微鏡において同様の焦点調整を行っても、電子銃の使用条件によって異なる。このような事情を把握せずに顕微鏡画像を取得するのであれば、たとえば別の日時に取得した画像の間で精細度の違いが認められたとしても、それが観察対象となる試料自体の構造の違いを反映しているのか、電子銃の使用条件の違いによるビーム径の違いによるものなのか、判断することができない。
【００３８】
そこでたとえば、電子銃のＶe，Ｖs，Ｉfの設定値に基づいて、あらかじめ電子銃のエネルギー幅の特性をまとめておいた数表からΔＥを自動的に算出し、走査電子顕微鏡の画像表示画面に、顕微像と併せて常にΔＥの数値を表示しておけば（図５（ａ））、ユーザーが以前の使用時と比較して、色収差の違いの有無を意識することができ、必要に応じて電子銃の設定を変更してΔＥをユーザーの望む値に調整することも可能となる。
【００３９】
電子銃の特性を数表の形で記憶する代わりに、たとえば（式１），（式６），（式７）を用いたエネルギー幅の推定方法を採用するならば、ＶeとＶsから陰極先端電界強度Ｆを決めるための定数ａとｂ、およびフィラメント電流Ｉfから陰極温度Ｔを決めるための定数Ｔo，Ｃ，Ｉfoを調べておいて登録しておけばよい。前者は電子銃の型式に固有の値、後者は陰極試料毎の値であるが、通常、後者はあらかじめ陰極試料の校正データとして既知である。このような方法で、電子顕微鏡の使用時に推定されるエネルギー幅を表示してもよい（図５（ｂ））。
【００４０】
また、単純に電子ビームを径という指標で捉えるのではなく、ユーザー側の意向として仮にビーム内の電流分布の違いまでを把握する必要があるとすると、単純にエネルギーの半値全幅ΔＥだけではなく、エネルギー分布全体の情報が与えられることが望ましい。（式１）を利用して、電子銃の設定パラメーターＶe，Ｖs，Ｉfから、推定されるエネルギー分布形状を算出して、図２のようなグラフの形で画面に表示することも可能である（図５（ｃ））。
【００４１】
あるいは、分解能に直接対応するビーム径の推定値Ｒpを、（式８）および（式９）のような何らかの推定式に基づいて算出し、画面に表示しておくと、顕微像を見るための参考指標として有用となり得る（図５（ｄ））。
【００４２】
画像データは、試料を観察する際に顕微鏡装置の表示部に表示されるだけでなく、装置のデータ保存部に残されて、後から活用されることも、通常の電子顕微鏡装置の使用において想定される。そのような場合に、画像取得時のエネルギー幅推定値やエネルギー分布，推定ビーム径などのいずれかの情報が、倍率などとともに画像情報と対応する形で記憶され、保存された画像データを読み出す際に同時にそれらの情報も読み出される機能が装置に備わっていれば、画像データに付随する参考情報として有用である。
【００４３】
以上は、電子顕微鏡装置の画像取得時における装置状態のモニターとしての意味合いで、エネルギー幅等の情報の推定と表示を考えたものであるが、電子のエネルギー分布がどのように分解能に影響するか、定量的に完全な予測できるわけではなく、この技術分野の現状として、理論的な解明が充分になされているとは言えない。したがって、電子銃の特性を調べてあれば、逆に電子顕微鏡装置の光学系における色収差成分の影響を実験的に調べて確定する手段として、電子銃のパラメーターの変更を利用することも考えられる。
【００４４】
このような観点で電子顕微鏡の光学系における、画像解像度の放出電子エネルギー幅への依存性を確認する手順を図６に示す。電子銃の引出し電圧について、あらかじめ有限個の設定値Ｖe(１)〜Ｖe(ｎmax)を決めておく。設定値を順次変更しながら顕微画像を取得し、画像データの処理によって算出したそれぞれの画像解像度Ｒ(ｎ)と、それぞれの条件下のエネルギー幅ΔＥ(ｎ)に対する関係をプロットする。得られた結果は、電子顕微鏡の光学系に固有の、電子のエネルギー分散（色収差）に関する特性を実験的に確認したデータとして意味を持つことになり、たとえば電子顕微鏡の製造メーカーからユーザーへ提供する性能データとして有用なものとなり得る。
【００４５】
図７は、電子顕微鏡の設定画面の一例を説明する図である。当該設定画面は、上述のエネルギー幅と分解能を表示するための表示領域を備えている。オペレーターは、自信が設定したビーム条件に基づいて表示されるパラメーターを確認しつつ、条件設定を行うことが可能となる。
【００４６】
図８は、電子顕微鏡によるパターン幅等の測定結果や取得画像（Image）と、エネルギー幅（Energy Width：ＥＷ）や分解能（Resolution：Ｒｅｓ）を関連付けて表示する表示画面の一例を説明する図である。また、パターンの種類も併せて表示されている。このような表示を行うことによって、分解能等のパラメーターと測定結果の因果関係を明確にすることができる。例えば、測定結果が所定の条件を満たしていない場合、その要因がパターン側にあるのか、ビーム条件の設定にあるのか、その判断を行うことが可能となる。より具体的には、パターン測定結果と理想値との間に相当の乖離がある場合、その原因がパターンの形成状態にあるのか、分解能等に起因するのか、その判断を行うことが可能となる。
【００４７】
また、パターンの種類（例えばラインパターン，ホールパターン）や、パターンの部位（例えばホールパターンの場合、上面（top），中間層（Middle Layer），底部（bottom））の別を併せて表示することによって、パターンの種類等ごとに、分解能の測定結果に対する影響を把握することが可能となる。ビーム条件は頻繁に変化させるものではないが、異なるビーム条件で取得された画像に基づく測定結果を併せて表示可能とすることによって、分解能と測定結果との因果関係を容易に把握することが可能となる。また、レシピ単位で測定結果を表示することによって、各レシピのビーム条件の適正さを判断することも可能となる。よって、図８の「ＩＤ」に替えて、「レシピ１，レシピ２…」でも良いし、「ビーム条件１，ビーム条件２…」としても良い。
【符号の説明】
【００４８】
１ 抑制電極
２ 引出し電極
３ 陰極
４ 放出電子
５ 電子銃
６ 電子ビーム
７ 試料
８ 電子レンズ系
９ 電子銃制御電源系
１０ 装置制御部
１１ 表示系
１２ 操作部
１３ データ保存部
１４ 検出系
１５ ステージ
１６ ステージ駆動系
１７ 信号電子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃と、
当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、
当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、
前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、
前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記調整素子は、前記電子銃の陰極、当該陰極から電子を引出すための引出電極、当該陰極から放出される電子の放出を抑制するサプレッサ電極の少なくとも１つであることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターに基づいて、電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の幅を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３において、
電子銃の設定パラメーターとして、電子銃を構成する複数の電極の電位と、電子源の温度を制御するフィラメント電流を設定する機能を有する電子銃を搭載した電子顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項３において、
取得した画像に、推定したエネルギー幅の情報を対応させて記憶する機能を有する電子顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項３において、
装置使用時に推定されたエネルギー幅の履歴情報を自動的に記憶する機能を備えた電子顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項３において、
取得した画像から画像上分解能を評価する手段を有し、電子銃のパラメーターを自動的に順次変更して画像を取得して画像分解能を評価し、推定されるエネルギー幅と画像分解能の関係を表示する機能を有する電子顕微鏡装置。
【請求項８】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターに基づいて、電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の分布形状を推定し、その形状を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項９】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターと光学系の設計パラメーターから、集束電子ビームの径を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１０】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃において、設定パラメーターに基づいて
電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の幅を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子銃。
【請求項１】
電子銃と、
当該電子銃から放出される電子の条件を調整する調整素子と、
当該調整素子条件を設定する設定装置を備えた電子顕微鏡において、
前記設定装置によって設定される調整素子条件に対する前記電子銃から放出される電子のエネルギー幅、或いは分解能に関する情報、或いは前記調整素子条件と前記エネルギー幅、或いは分解能との関連式を記憶する記憶媒体と、
前記設定装置による前記調整素子条件の設定に基づいて、前記記憶された、或いは前記関連式に基づいて演算されるエネルギー幅、或いは分解能に関する情報を表示する表示装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記調整素子は、前記電子銃の陰極、当該陰極から電子を引出すための引出電極、当該陰極から放出される電子の放出を抑制するサプレッサ電極の少なくとも１つであることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターに基づいて、電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の幅を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３において、
電子銃の設定パラメーターとして、電子銃を構成する複数の電極の電位と、電子源の温度を制御するフィラメント電流を設定する機能を有する電子銃を搭載した電子顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項３において、
取得した画像に、推定したエネルギー幅の情報を対応させて記憶する機能を有する電子顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項３において、
装置使用時に推定されたエネルギー幅の履歴情報を自動的に記憶する機能を備えた電子顕微鏡装置。
【請求項７】
請求項３において、
取得した画像から画像上分解能を評価する手段を有し、電子銃のパラメーターを自動的に順次変更して画像を取得して画像分解能を評価し、推定されるエネルギー幅と画像分解能の関係を表示する機能を有する電子顕微鏡装置。
【請求項８】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターに基づいて、電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の分布形状を推定し、その形状を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項９】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃を搭載し、集束電子ビームを形成して試料上に照射する電子光学系と、試料から発生した電子を検出する手段と、検出した電子の信号を画像化して表示する手段を備えた電子顕微鏡装置において、
前記設定パラメーターと光学系の設計パラメーターから、集束電子ビームの径を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１０】
電子放出特性を調節するための設定パラメーターを有する電子銃において、設定パラメーターに基づいて
電子源から放出されている電子が持つエネルギー分布の幅を推定し、その値を表示する機能を有することを特徴とする電子銃。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１９８９９９（Ｐ２０１０−１９８９９９Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−４５０３８（Ｐ２００９−４５０３８）
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２７日（２００９．２．２７）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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