JP2019186112A - 超高速電子検出器および該検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、超高速電子検出器および該検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置に関し、サンプルからの電子を一定エネルギーにして増幅・検出し、超高速検出かつ高効率および定量的に電子を検出して画像のＳＮＲおよびスループットを向上させることを目的とする。【構成】サンプルから放出して加速される電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは前記両者の電子ビームを一定エネルギーの電子ビームにするエネルギー一定化手段と、エネルギー一定化手段によってエネルギーが一定化された電子ビームを光に変換する第１の検出器と、第１の検出器で変換された光を入力し、増幅して電気信号を出力する第２の検出器とを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、１次電子をサンプル表面に照射あるいは走査することによってサンプルから放出あるいは反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器および該検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置に関するものである。

半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段
階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが２０ｎｍを切っている。小さなフィー
チャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。

従来は波長１９３ｎｍのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる
寸法限度を既に大きく超えているため、近年では波長が１３．５ｎｍのＥＵＶ光を利用する露光技術が精力的に進められている。

この技術は日本発と言われる技術であるが、１０年以上昔からＡＳＭＬ（登録商標）等の会社で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、数年前までＥＵＶ露光装置は経済的量産に必要とされる１００Ｗから２００Ｗの光源パワーを得ることが出来ないため、２０ｎｍ世代の露光に使用することはスキップされた。

その代わりに既存の波長１９３ｎｍを用いた露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が発展した。

原理上は波長１９３ｎｍのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返す
ことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能である。しかし、従来よりも１ケタ高い精度のｎｍオーダーのアライメント精度が必要なことや１９３ｎｍ露光に最適化した化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを２回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、２０ｎｍから１６ｎｍのライン＆スペースを実現するために利用されている。

構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、ＣＰＵやロジックデバイスも機能拡充や消
費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返し
の無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で
作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来１回の露光で実現出来るパターンを
複数回の露光で利用可能な様に２枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常
に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果
が得られない場合がある。

これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主
にインテル（登録商標）が提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なＬ＆Ｓの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいＬ＆Ｓパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は８ｎｍ程度まで行くとされている。

以上述べたようにダブルパターニングやトリプルパターニング等の複雑な露光方法が使用されると、必要なフォトマスクは分割露光する度に増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、２枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、２枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折光まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。マスクの生産に当たっては、従来は無視できていた大きさの欠陥がデバイス歩留まりに効いてくるなど、従来以上に欠陥密度を下げる必要があるし、細かいパーティクルも観察の対象になる。

これらの傾向は従来の１９３ｎｍ露光に留まらず、今後、ＥＵＶが実用化されると、将来さらに小さなサイズで同様のマルチパターンング技術が使用されるため、検査必要量は指数関数的に増大していく傾向がある。

以上の要求のため、フォトマスクには常にさらに高分解能で高速な欠陥検査が要求され
続けている。これらの要求に答える有力な方法に、超高速電子ビーム検査装置がある。

従来の電子ビーム検査装置は分解能に対しては十分であるが、検査速度に関しては要求とは程遠く遅いという問題があった。

その大きな理由は、従来の電子ビーム検査装置で利用可能な電子検出装置にはダイナミックレンジが狭くてリニアリティーが劣化する飽和特性や応答速度、寿命に問題があり、速度を上げると画像ＳＮＲが劣化するため、分解能と検査速度を両立できないという問題があった。

それを克服するために発明者は以前にＡＰＤに直接電子を照射して電子を検出する超高速電子検出デバイスを提案している（特開２０１５−２１０９９８参照）。

しかしながら、１つのＡＰＤを用いて大量の電流を高感度で検出しようとすると、従来よりは遥かに性能が良いが、ＡＰＤの不感時間のため、数え落としが生じ、入出力関係が一定に成らず、取得した画像のＳＮＲが劣化および直線性が劣化するという新たな課題が生じた。

本発明は、電子ビームによる高速検査を実現可能にする超高速電子検出装置および該
検出装置を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、サンプルから放出あるいはサンプルで反射された電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、サンプルから放出された二次電電子あるいはサンプルで反射された電子を一旦信号電子検出に必要な大きさを有する応答時間がｐｓからｎｓオーダーの超高速シンチレータ板に当てて光に変換した後に、シンチレータで発生した光を直接あるいはライトガイドあるいは光学レンズにて縮小し、面積の小さな光検出素子に照射する。

そのため、本発明は、サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは両者の電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、サンプルから放出して加速される電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは両者の電子ビームを一定エネルギーの電子ビームにするエネルギー一定化手段と、エネルギー一定化手段によってエネルギーが一定化された電子ビームを光に変換する第１の検出器と、第１の検出器で変換された光を入力し、増幅して電気信号を出力する第２の検出器とを備るようにしている。

この際、エネルギー一定化手段は、サンプルとあるいはサンプルの表面の近傍に設けたメッシュと、第１の検出器とあるいは第１の検出器の表面の近傍に設けたメッシュとの間に所定の電圧を印加し、電子ビームのエネルギーを一定化するようにしている。

また、第１の検出器は、電子ビームを光に高速変換するシンチレータとするようにしている。

また、第２の検出器は、複数のアバランシェダイオードを並列に配置したＭＰＰＣ素子とするようにしている。

また、第２の検出器は、１次電子ビームを通過させる中心に穴を有するリング状円板であって、リング状円板を円周方向に複数に分割した複数の独立した検出器を備えるようにしている。

また、エネルギー一定化手段に印加する電圧を調整し、サンプルから放出された電子あるいはサンプルで反射した電子のみが第１の検出器および第２の検出器で検出・増幅するようにしている。

また、超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置とするようにしている。

本発明は、第２の検出器は、ＡＰＤを大量に並べて電気的に並列に組んだ回路から成るＭＰＰＣ素子からなるため、応答速度が速く、かつ、ＡＰＤの不感時間が無視できるほど小さく出来るため、従来課題であった、大量に電子を照射した際に起こる数え落とし現象を避けることが可能となる。

また、サンプルから放出あるいは反射された電子を一旦光に変換するため、電子ビームと相互作用しないので、自由に別の場所に無損失で運ぶことも出来る。これにより複数のシンチレータ発光源などが有っても、それぞれ独立に効率よく検出できるようになる。

また、大きな入出力ダイナミックレンジを有する電子検出装置を得ることが出来る。電子あるいはフォトン大量入射時に独立動作する多数のＡＰＤがそれぞれ電子や光子を検出するため、実質的に不感時間を生じることなく電子あるいは光子を検出できる。少量の電子から大量の電子までリニアリティー良く検出できる。

また、シンチレータで発光した光を縮小してより小さな面積を有するＭＰＰＣに照射して検出することが可能なため、ＭＰＰＣ面積に比例する熱雑音によるダークノイズを減らすことが出来る。

また、サンプル表面で発生し広がりながら漂う電子群を圧縮あるいは縮小しながら加速し小さなシンチレータに照射することにより，小さなシンチレータと小さいフォトン検出装置でフォトンを検出することにより，フォトン検出デバイスが発生する熱雑音を減らすことが出来る。シンチレータを小さく出来るので低コスト化出来るし、コラム内に複数配置することが容易となる。

また、電子を検出するために必要な大きさあるいはサイズを有したシンチレータを利用できる。あるいは電子レンズで四方に広がった信号電子を集めてシンチレータに照射出来るので、サンプル表面で発生した信号電子をほぼ完全に検出できる、
また、シンチレータ上に設けた開口率の大きな導電性メッシュおよびシールド管を用いて２次電子加速に利用する電界を局所化出来るため、１次電子のビーム軌道や収差に悪影響を与えないように出来る。

また、シンチレータの寿命は非常に長いため、電子検出デバイス全体の寿命も非常に長く、ほとんどメインテナンスフリーに出来る。

また、本発明の超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置では、サンプル（例えばマスクや半導体ウエハー）から放出あるいは反射された電子ビームを超高速に検出して寸法測長、欠陥検出などの短時間に行い、スループットを大幅に向上できる。メインテナンスが殆ど無いので、装置の稼働率を上げることが出来る。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。図１は１次電子ビーム３１をサンプル１３に照射しつつ平面走査し、発生した２次電子、反射された反射電子を第１の検出器であるシンチレータ９で光に超高速変換し、この変換された光を第２の検出器であるＭＰＰＣ４により増幅して信号を出力する構成により、超高速に信号電子（２次電子、反射電子など）を検出することが可能となる。

図１において、電子銃１は、１次電子ビーム３１を発生する熱陰極型、ＴＦＥ、フィールドエミッタ、光励起型等の公知のものである。

電子銃制御装置２は、電子銃１が１次電子ビーム３１を発生するように、高電圧、バイアス電圧、熱陰極型電子銃の場合にはフィラメント加熱電源などを供給する公知のものである。

偏向電極３は、２段の偏向電極である偏向電極（上）３−１、偏向電極（下）３−２から構成され、Ｘ方向、Ｙ方向に対となって所定の偏向電圧を印加し、１次電子ビーム３１を２段偏向し、サンプル１３の上でＸおよびＹ方向に走査する公知のものである。

電子ビーム走査制御装置３２２は、偏向電極３に所定の走査用の電圧を印加し、サンプル１３の上に１次電子ビーム３１を細く絞ってＸおよびＹ方向に走査するためのものである。

シールド管４１は、サンプル１３から放出された２次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ９の方向に向かわせるために負の電圧を印加するためのものである。

通過阻止用バイアス５は、サンプル１３から放出された２次電子が軸上を上方向に通過しないようにするための、シールド管４２に通過阻止用の負のバイアス電圧である。

バイアス回路６１は、ＭＰＰＣ４にバイアス電圧を印加するものである（図６などを用いて後述する）。

ＭＰＰＣ４は、Multi-Pixel Photon Counterの略であって、ガイガーモードＡＰＤ（アバランシェダイオート）をマルチピクセル化したフォトンカウンテイングデバイスである（図６などを用いて詳述する）。

増幅器６は、ＭＰＰＣ４で増幅された信号を増幅するものである。

ＰＣ７は、パソコンであって、プログラムに従い各種処理、制御を行うものである。

表示装置８は、画像などを表示するディスプレイである。

シンチレータ９は、電子（２次電子、反射電子など）を光に超高速に変換・増幅するものである（後述する）。

メッシュ１０は、サンプル１３から放出された２次電子などを吸引する加速用の電圧を印加するものである。

傘１１は、サンプル１３から放射された２次電子などが、メッシュ１０に印加された電圧により加速されシンチレータ９に効率良好に衝突するような電界を形成するものである。傘１１は非磁性で導電性の金属等からできている。

対物レンズ１２は、１次電子ビーム３１を細く絞ってサンプル１３に照射するものである。

サンプル１３は、観察、検査、測長対象の試料（フォトマスク、ウェハーなど）であって、必要に応じてサンプルバイアス回路１４によってバイアス電圧を印加するものである。

サンプルバイアス回路１４は、サンプル１３にバイアス電圧を印加するものである。

次に、図２から図５に従い、サンプル１３から放出・反射された電子（２次電子、反射電子など）を図１のシンチレータ９およびＭＰＰＣ４を用いて高感度、かつ超高速に検出・増幅する構成について詳細に説明する。

図２は、本発明の要部説明図（その１）を示す。図２の（ａ）はメッシュ１０を検出器（第１検出器＋第２検出器）の前面の全体（反射電子検出部３３１および＋２次電子検出部３２１）に配置した例を示し、図２の（ｂ）はメッシュ１０を検出器（第１検出器＋第２検出器）の前面の２次電子検出部３２１に配置した例を示す。それ以外は同じ構成である。

図２の（ａ）において、検出器（第１検出器＋第２検出器）３４は、図１の第１の検出器であるシンチレータ９と、第２の検出器であるＭＰＰＣ４とを重ねた構造を有する検出器であって（図６から図１０およびその説明参照）、内側に反射電子検出部３３１を有し、外側に２次電子検出部３２１を有するものである。高いエネルギーの反射電子は中心に集まり、低いエネルギーの２次電子は周辺部に集まるので、中心部分に反射電子検出部３３１を設け、その外側に２次電子検出部３２１を設け、反射電子と２次電子とを分離してそれぞれ検出可能にしたものである。

メッシュ１０は、正の電圧を印加し、サンプル１３から放出された低いエネルギーの２次電子を加速するものであって、ここでは、検出器３４の反射電子検出部３３１および２次電子検出部３２１の両者の全面の前方に配置した例を示す。この場合には、サンプル１３から反射したエネルギーの高い反射電子は軸の上方向にガウス分布となり、軸により近い図示の反射電子検出部３３１で多くが検出される。一方、サンプル１３から放出されたエネルギーの低い２次電子は高電圧の印加されたメッシュ１０の方向に加速され、図示の２次電子検出部３２１、更に若干は内側の反射電子検出部３３１に衝突して増幅・検出される。しかし、全体として２次電子検出部３２１における２次電子成分の方が多くなり、結果として２次電子を検出しているとみなすことができる。

また、図２の（ｂ）において、メッシュ１０が２次電子検出部３２１の前面の部分にのみ配置し、反射電子検出部３３１の前面の部分にないので、２次電子は全部２次電子検出部３２１に加速・吸引された２次電子の全部を増幅・検出することが可能となる。

以上のように、検出器（第１検出器＋第２検出器）３４の前面にメッシュ１０を配置して正の電圧を印加することにより、サンプル１３から放出された低いエネルギーの２次電子などを加速・吸引して外側の２次電子検出部３２１で増幅・検出し、一方、サンプル１３で反射した高いエネルギーの反射電子などは内側の反射電子検出部３３１で検出・増幅することが可能となる。

この際、１次電子ビーム３１を対物レンズ１２で細く絞ってサンプル１３に照射したときに放出される２次電子のエネルギーは０．１ｅＶないし１．数ｅＶであり、これがメッシュ１０に印加された１０ＫＶで加速されるので、検出器３４を構成する第１検出器であるシンチレータ９に衝突するときの当該２次電子の変動割合は（０．１ｅＶ〜１．数ｅＶ）／１０，０００であり、約±０．０１％となる。即ち、サンプル１３から放出された２次電子はメッシュ１０に印加した１０ＫＶで加速され、シンチレータ９に衝突するときの当該２次電子のエネルギーの変動は約±０．０１％ないしそれ以下に一定のエネルギーになるように調整されることとなる。その結果、サンプル１３から放出された２次電子のエネルギーを一定（ここでは１０ＫＶ±０．０１％に一定）にしてシンチレータ９に入力し、２次電子の数に正確に対応した光の量（数）に変換することが可能となる。そして、光に変換した後、第２検出器である例えばＭＰＰＣ４で増幅して当該２次電子の数に対応した信号を検出することが可能となる。

また、サンプル１３で反射した反射電子は、１次電子の例えば１０ＫＶとほぼ同じエネルギーを有するので、第１検出器であるシンチレータ９に入力するときには、上述した２次電子の場合と同様に、その変動は約０．０１％ないしそれ以下であり、サンプル１３から反射電子の数に対応した信号を検出器３４から出力することが可能となる。以下順次詳細に説明する。

図３は、本発明の要部説明図（その２）を示す。図３は、エネルギーフィルター１０１をサンプル１３と検出器（第１検出器＋第２検出器）３４との間に配置し、エネルギーの高い反射電子３３と、エネルギーの低い２次電子３２とを分離し、反射電子検出部３３１および２次電子検出部３２１で分離してぞれぞれ増幅・検出する構成にしたものである。

図３において、ＥＸＢ１０１は、エネルギーフィルターであって、電界と磁界の両者を印加して電子（反射電子、２次電子）のエネルギーの違いにより図示のように偏向角を異ならせて分離し、それぞれを独立して検出するためのものである。ＥＸＢ１０１を設けて電子のエネルギーの低い電子（２次電子など）を外側の２次電子検出部３２１で増幅・検出し、電子のエネルギーの高い電子（反射電子など）を内側の反射電子検出部３３１で増幅・検出することが可能となる。

以上のように、サンプル１３と検出器（第１検出器＋第２検出器）３４との間のエネルギーフィルター１０１を配置し、エネルギーの低い電子（２次電子など）を外側の２次電子検出部３２１で増幅・検出し、エネルギーの高い電子（反射電子など）を内側の反射電子検出部３３１で増幅・検出することが可能となる。

図４は、本発明の要部説明図（その３）を示す。図４は、図２の（ｂ）の２次電子検出部３２１を下方向に下げてサンプル１３に可及的に近づけ、該サンプル１３から放出された２次電子を効率良好に補集できるように工夫、即ち、サンプル１３から見て開口を大きくし、かつ前面にメッシュ１０を設けて高電圧（例えば１０ＫＶ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を加速・吸引し、効率良好に増幅・検出を可能にしたものである。

以上のように、２次電子検出部３２１をサンプル１３に近づけて開口を大きくし、該サンプル１３から放出された２次電子を、該２次電子検出部３２１の前面に配置したメッシュ１０に高電圧（例えば１０ＫＶ）を印加して効率良好に加速して補集し、増幅・検出することが可能となる。

図５は、本発明の要部説明図（その４）を示す。図５は、メッシュ１０の電位を制御して差分を検出するようにしたものである。

図５の（ａ）は、バイアス無し（メッシュ１０に正の１０ＫＶ印加した通常の状態）の例を示す。この図５の（ａ）の場合には、図示のように、検出器３４で反射電子＋２次電子の両者を検出できる。

図５の（ｂ）は、バイアス有りの状態を示す。この図５の（ｂ）の場合には、例えばメッシュ１０に２次電子が反射されて検出できない程度の電圧（数Ｖないし数十Ｖの負の電圧）を印加するので、２次電子が検出できなく、エネルギーの高い反射電子を増幅・検出できる。

以上のように、任意の電圧をメッシュ１０に印加すれば、印加電圧以上のエネルギーの電子のみが検出器３４に衝突して増幅・検出することが可能となる。両者の差分を取ればどちらか一方の電子数あるいは電子量を正確に検出できる。

図６は、本発明の検出器例を示す。図６は、検出器３４を構成する第２検出器であるＭＰＰＣ４の概略構成を示すものであって、図６の（ａ）はＭＰＰＣ写真（斜視図）を示し、図６の（ｂ）は模式図を示し、図６の（ｃ）はＭＰＰＣの等価回路例を示す。

図６の（ａ）において、１次電子通過穴は、１次電子ビームが通過する穴である。当該穴を通過した１次電子ビームは対物レンズ１２で細く絞られてサンプル１３の上を照射しつつ平面走査され、２次電子を放出および反射電子を反射する。

図６の（ｂ）は、下方向からＭＰＰＣ４とその前面に配置したメッシュ１０を見た概略図（シンチレータ９は省略）である。中心に１次電子通過穴があり、ＭＰＰＣ４の前面にメッシュ１０が配置され、当該メッシュ１０には正の高電圧（例えば１０ＫＶ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を一定エネルギーに加速した後に、当該ＭＰＰＣ４とメッシュ１３との間に配置したシンチレータ９（図示しない）に衝突させて光に変換し、この光を図示のＭＰＰＣ４に入射して増幅を行い、信号を出力する。

図６の（ｃ）は、ＭＰＰＣの等価回路例を示す。ＭＰＰＣ４は、複数のＤ１（アバランシェダイオード）を図示のように並列配置し、更に、Ｒ１（クエンチング抵抗）をそれぞれに直列に接続したものを並列接続して構成される。光がある１つのＤ１（アバランシェダイオード）に入力するとガイガーモードにある当該Ｄ１が放電して電流を流し、電流が流れるとＲ１（クエンチング抵抗）により電流制限されて放電電圧以下となり当該放電が停止し、１つのパルスが出力される。２つの光子が同時入力すると並列になり、約２倍のピークを有するパルスが出力される。同様に、ｎ個の光子が同時入力されるとｎ倍のパルスが出力されることとなる。

バイアス電源４３は、Ｄ１に印加してガイガーモード状態に保持するためのバイアス電圧を印加する電源である。

電流検出装置４４は、Ｄ１で生成されたパルス電流を検出し、電圧信号に変換するものである。

以上のような構成を有するＭＰＰＣ４を用いることにより、サンプル１３から放出された２次電子、反射された反射電子を一定エネルギーにしてシンチレータ９で光に変換した後、当該ＭＰＰＣ４で超高速かつ高精度に増幅して検出することが可能となる。
次に、図６のＭＰＰＣについて特徴を説明する。

図６に示すような数ミクロン角の小さなＡＰＤ（Ｄ１）を数十から数万個以上の大量に並列配置した全体として数ｍｍ角のデバイスがＭＰＰＣ４である。このＭＰＰＣ４は浜松フォトニクス（登録商標）等から購入できる。これよりも小さなデバイスを作製して用いても良い。従来のＰＭＴ（光増倍管）と比較して１万分の１以下の体積しかない。シリコンからなる板状の固体素子であり、ＰＭＴのようなガラスや真空封じ部分を持たないため非常に堅牢である。デバイス単体の重さはｇオーダーと非常に軽い。

ＭＰＰＣ４を構成する各ＡＰＤ（Ｄ１）は、図６の（ｃ）に示すように、クエンチング抵抗Ｒ１と呼ばれる、雪崩増幅制御用の抵抗を介して電気的に並列に接続されている。並列回路の一端は５０Ｖから１００Ｖ程度の雪崩現象を制御するためのバイアス電源４３に接続され、もう一端はヴァーチャルアース入力の電流検出装置４４に接続される。ＭＰＰＣ４のアレイを構成する各ＡＰＤ（Ｄ１）には僅かながら特性バラつきがあるので、アレイ全体に印加するバイアス電圧はアレイを形成する全てのＡＰＤ（Ｄ１）素子がガイガーモードになるように実験的に決定する。各ガイガーモードにあるＡＰＤは光子が一個入力されると増幅率が１００万倍にも達する雪崩増幅が起こる。もちろん他の増幅率を持つ電圧に設定してもよい。

各ＡＰＤには電流制限用の決まった値を持つクエンチング抵抗Ｒ１が接続されており、端子には一定の電圧が印加されているので、雪崩増幅が起こるとＡＰＤの電気抵抗は無視できるほど小さくなり、丁度スイッチのように働くためクエンチング抵抗Ｒ１に一定の電流が流れる。各ＡＰＤは並列に接続されているので、出力端に接続された電流検出装置４４には、各ＡＰＤで生じた雪崩電流の総和が出力される。

ＭＰＰＣ４には大量のＡＰＤが空間的に広がって配置してあるので、入射された光子が同じＡＰＤに入射する確率は極めて小さい。そのため例えばＭＰＰＤ４に１個の光子が入力されれば１単位の電流が生じ、同時にＮ個の光子が入力されればＮ単位の電流が生じる。この性質から何個の光子あるいは電子がＭＰＰＣ４に同時入射したかを出力電流から知ることが出来る。出力信号は入射光子数に比例したアナログ信号なので、ＡＤ変換装置を使ってデジタル信号に変換しＰＣに取り込んで画像化に用いる。各ＡＰＤ素子が出力する電流はクエンチング抵抗Ｒ１の値に依存し厳密には一定ではないので、厳密に一定になるように、コンピュータ上で規格化処理を行っても良い。

また、信号加算方式として各ＡＰＤが雪崩状態にあるか否かをシリコンチップ内部で一旦０，１のデジタル信号に変換した後に、デジタル積和演算を行って、雪崩状態にあるＡＡＰＤの個数を算出しＭＰＰＣ４全体の総出力とする方式のデジタルＭＰＰＣを用いることも出来る。この場合は予め出力がデジタル信号に変換されているので、ＡＤ変換装置でデジタル信号に変換する必要は無い。また、信号加算結果は非常に正確である。このような集積化ＩＣでは、チップ内部で画像処理を行うことも出来る。

図７は、本発明の検出器機例（その２）を示す。図７は、検出器３４を構成する第１検出器、第２検出器であるシンチレータ９、ＭＰＰＣ４を、図１の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。

図７の（ａ−１）は検出器３４の上面図を示し、図７の（ａ−２）は断面図を示し、これらはメッシュ１０が無い場合の構成例を示す。

図７の（ａ−１）において、ＭＰＰＣ４は中心に１次電子ビーム用穴を開けられ、この穴の部分を上から下方向に１次電子ビームが通過し、図１の対物レンズ１２で細く絞られてサンプル１３の上を照射しつつ平面走査する。

図７の（ａ−２）は、断面図を示す。サンプル１３から放出された２次電子は、シンチレータ９に印加された正の電圧（例えばここでは５ＫＶ）で加速・吸引されて当該シンチレータ９に衝突し、２次電子を光に変換する。変換された光は、ＭＰＰＣ４に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管４１に負の電圧を印加し、２次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ９に印加された正の電圧の方向に走行し、２次電子の集光効率を良好にする。

また、図７の（ｂ−１），（ｂ−２）は、メッシュ１０を図示のサンプル１３とシンチレータ９との間に設け、メッシュ１０とシンチレータ９との間に正の加速電圧（図示では５ＫＶ）を印加（図７の（ａ−１），（ａ−２）では正の電圧をサンプル１３とシンチレータ９との間に印加）し、かつサンプル１３とメッシュ１０との間にも正の電圧（例えば数Ｖないし数十Ｖ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図７の（ａ−１），（ａ−２）と同様であるので、説明を省略する。

ここで、図７の構成を詳細に説明する。

図７において、図１の電子銃１で発生して加速した１次電子ビーム３１をサンプル１３の直上に配置した対物レンズ１２で所望のビームスポットサイズに成るように縮小してからサンプル１３の表面に走査し、サンプル１３の表面で生じた２次電子や反射電子などの信号電子をシンチレータ９とＭＰＰＣ４とかなる検出器で検出する。信号電子は１次電子ビーム３１が照射されたサンプル１３の表面の点から垂直方向に円錐状に広がりながら上昇してくるため、信号電子は１次電子ビーム軸に対して軸対称に分布しやすい。信号電子を効率よく検出するためには、１次電子が通過するための穴（１次電子ビーム用穴）を検出器の中心に設け、１次電子ビーム軸の近傍に配置する必要がある。

そのため、図７の（ａ−１），（ｂ−１）に示すように、ＭＰＰＣ４の受光面に直接にシンチレータ９を設け、シンチレータ９の表面には薄いアルミ導電性薄膜が被覆してある。アルミ薄膜は、入射する電子がシンチレータ９の表面に帯電するのを防止するのが主な目的であるが、シンチレータ９が発生した光がＭＰＰＣ４の外に漏れて来ないように反射防止膜としても機能する。ＭＰＰＣ４の上のシンチレータ９は屈折率を考慮した接着剤で付けても良いし、シンチレータ９を直接蒸着やＣＶＤあるいはスパッタ等で堆積しても良い。シンチレータ９としては、無機シンチレータ、直接遷移型半導体シンチレータ、セラミック材料や重原子含有プラスチック・シンチレータ、内殻遷移の発光を用いるハロゲン化物シンチレータあるいは液体等を用いることができる。

また、１次電子ビームが通過する穴（１次電子ビーム用穴）があり、周辺部の電界や磁界が１次電子ビームに影響しないようにシールド管４１が設けられている。１次電子ビームはシールド管４１の中を通過する。シールド管４１は非磁性材料で出来ており、直径数ｍｍ幅、厚みは１ｍｍ以下である。検出器とシールド管４１の間にはどうしても隙間が出来る。隙間に電子が当たると検出されないため、導電性の傘形状をした部材を用いて電界を外に張り出し、電子を反発させて、隙間に電子が入り込まずに検出器の方に向かうようにしている。

また、検出器の目前でシンチレータ９を光らせるための電子加速を行う場合は、図７（ｂ−１），（ｂ−２）に示すように、シンチレータ９から数ｍｍ離した所に開口率が高い（９０％以上が望ましい）導電性のメッシュ１０を配置して、メッシュ１０とシンチレータ表面に設けた導電性薄膜の間に１から１０ｋV程度の電圧を掛ける。メッシュ１０
自身にも、サンプル１３の表面で発生した信号電子が到達するように、サンプル１３に対して１０Ｖ程度僅かにプラスに電位を掛けておくことが望ましい。放電しないようにこの空間は１０のマイナス３乗パスカルより高い真空状態に保つことが望ましい。

図８は、本発明の検出器例（その３）を示す。１次電子ビームをリング状にし、対物レンズ１２で１つの細い点に絞ってサンプル１３を照射しつつ平面走査する場合の概略構成を示す。他は図７と同様であるので説明を省略する。

図８の（ａ−１）は検出器３４の上面図を示し、図８の（ａ−２）は断面図を示し、これらはメッシュ１０が無い場合の構成例を示す。

図８の（ａ−１）において、ＭＰＰＣ４はリング状に１次電子ビーム用リング状穴を開けられ、この穴の部分を上から下方向にリング状の１次電子が通過し、対物レンズ１２で細く絞られて点となり、サンプル１３の上を照射しつつ平面走査する。

図８の（ａ−２）は、断面図を示す。サンプル１３から放出された２次電子は、シンチレータ９に印加された正の電圧（例えば５ＫＶ）で加速・吸引されて当該シンチレータ９に衝突し、２次電子を光に変換する。変換された光は、ＭＰＰＣ４に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、リング状のシールド管４１に負の電圧を印加し、２次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、シンチレータ９に印加された正の電圧の方向に走行し、２次電子の集光効率を良好にする。この際、シンチレータ９、ＭＰＰＣ４とから構成される検出器の中心部分で２次電子、反射電子を検出することが可能となり、検出効率を高めることが可能となる。

また、図８の（ｂ−１），（ｂ−２）は、メッシュ１０を図示のサンプル１３とシンチレータ９との間に設け、メッシュ１０とシンチレータ９との間に正の加速電圧（図示では５ＫＶ）を印加（図８の（ａ−１），（ａ−２）では正の電圧をサンプル１３とシンチレータ９との間に印加）し、かつサンプル１３とメッシュ１０との間にも正の電圧（例えば数Ｖないし数十Ｖ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図８の（ａ−１），（ａ−２）と同様であるので、説明を省略する。この際、シンチレータ９、ＭＰＰＣ４とから構成される検出器の中心部分で２次電子、反射電子を検出することが可能となり、検出効率を高めることが可能となる。

ここで、図８は、１次電子ビームとして中空電子ビーム（ホロビーム）を用いることに特徴がある。中空電子ビームはリング状のビームであり、大電流電子ビームを利用する時に電子同士の反発を防止する意味で使用される場合がある。通常のビームと同じように対物レンズ１２によってサンプル１３の表面の１点に絞ることが出来る、
図８の（ａ−１）、（ｂ−１）に示すように、中心部にもシンチレータ９を配置してその周辺部に１次電子が通過するリング状のシールド管４１を設ける。必要に応じて、リング状のシールド管４１の外側にもシンチレータ９を配置することが出来る。このようにすることで、サンプル１３の表面で発生した電子（２次電子、反射電子など）が完全に垂直方向に上昇した場合でも、真上に存在するシンチレータ９できちんと検出できる特徴がある。１次電子ビーム軸の周辺部に飛んだ信号電子はリング状のシールド管４１の外側に配置したシンチレータ９で検出される。

図９は、本発明の検出器例（その４）を示す。図９は、検出器３４を構成する第１検出器、第２検出器であるシンチレータ９、ＭＰＰＣ４を円周方向に例えば４分割し、図１の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。

図９の（ａ−１）は検出器３４の上面図を示し、図９の（ａ−２）は断面図を示し、これらはメッシュ１０が無い場合の構成例を示す。

図９の（ａ−１）において、ＭＰＰＣ４は中心に１次電子ビーム用穴を開けられ、周囲の部分は円周方向に４分割され、各部分は衝立４３１で電子や光が隣接する各部分に入らないように遮断され、中心の穴の部分を上から下方向に１次電子ビームが通過し、図１の対物レンズ１２で細く絞られてサンプル１３の上を照射しつつ平面走査する。

図７の（ａ−２）は、断面図を示す。サンプル１３から放出された２次電子は、４分割されたシンチレータ９に印加された正の電圧（例えば５ＫＶ）で加速・吸引されて当該シンチレータ９に衝突し、２次電子を光に変換する。変換された光は、４分割されたＭＰＰＣ４に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管４１に負の電圧を印加し、２次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、４分割されたシンチレータ９に印加された正の電圧の方向に走行し、２次電子の集光効率を良好にする。

また、図９の（ｂ−１），（ｂ−２）は、メッシュ１０を図示のサンプル１３とシンチレータ９との間に設け、サンプル１３と４分割されたシンチレータ９との間に正の加速電圧（図示では５ＫＶ）を印加し、かつ４分割されたシンチレータ９とメッシュ１０との間にも正の電圧（例えば５０Ｖ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を効率良好に補集するようにしたものである。他は、図７の（ａ−１），（ａ−２）と同様であるので、説明を省略する。

ここで、図９の構成を詳細に説明する。図９は４ＣＨ（４分割）の検出器を利用した場合を示す。４ＣＨの検出器は、サンプル１３の表面で発生する電子の飛び出す方向に関する情報を得るために利用する。検出された各ＣＨの信号を足したり引いたりすることで、必要な成分を抽出して電子の飛び出している方向を知ることが出来る。３Ｄの情報を得ることが出来る。各検出器が出力する感度は必ずしも均一では無いので、適当な係数を掛けることで各チャンネルの出力感度が同じに成るように校正して用いる。これらの情報を利用するとサンプル１３の表面構造のエッジ情報の強調や、３Ｄ情報を取得することが出来るようになる。

また、図９に示すように１次電子ビームが通過する場所にはシールド管４１を設け、１次電子ビームの軸に対して軸対称になるように電気的に独立した検出器を配置する。高さも同じに成るようにする。検出器の配置は平面状だけでなく、１次電子ビーム軸に沿って高さ方向に立体的に配置しても良い。

また、１次電子ビームが通過するシールド管４１から四方に衝立状の電極を伸ばして、シンチレータ９を取り囲んで検出器に飛来する信号電子の検出範囲を分離することが出来る。シールド管４１および衝立４３１には、信号電子に対して反発力を生じるバイアス電圧が印加されている。サンプル１３から来た電子はこの反発力により、シンチレータ９の方に曲がって飛んでいく。信号電子はそれぞれの検出器で検出され、増幅装置に電気信号が送られる。

図１０は、本発明の検出器例（その５）を示す。図１０は、検出器３４を構成する第１検出器、第２検出器であるシンチレータ９、ＭＰＰＣ４を円周方向に例えば４分割、かつライトガイド４５（図１０の（ａ−１），（ａ−２））、レンズ４６（図１０の（ｂ−１）、（ｂ−２））で光を集束してより小さいＭＰＰＣ４を用い、これを図１の装置に組み込んだ場合の概略構成を示すものである。

図１０の（ａ−１）は検出器３４の上面図を示し、図１０の（ａ−２）は断面図を示し、これらはメッシュ４８が無い場合の構成例を示す。

図１０の（ａ−１）において、ＭＰＰＣ４は中心に１次電子ビーム用穴を開けられ、周囲の部分は円周方向に４分割され、各部分は衝立４７で電子や光が隣接する各部分に入らないように遮断され、中心の穴の部分を上から下方向に１次電子ビームが通過し、図１の対物レンズ１２で細く絞られてサンプル１３の上を照射しつつ平面走査する。

図１０の（ａ−２）は、断面図を示す。サンプル１３から放出された２次電子は、４分割されたシンチレータ９に印加された正の電圧（例えば５ＫＶ）で加速・吸引されて当該シンチレータ９に衝突し、２次電子を光に変換する。変換された光は、４分割されたＭＰＰＣ４に入射し、増幅されて信号を出力する。この際、シールド管４１に負の電圧を印加し、２次電子が軸上を上方向に走行することを抑止し、４分割されたシンチレータ９に印加された正の電圧の方向に走行し、２次電子の収集効率を良好にする。

また、図１０の（ｂ−１），（ｂ−２）は、メッシュ４８を図示のサンプル１３とシンチレータ９との間に設け、サンプル１３と４分割されたシンチレータ９との間に正の加速電圧（図示では５０Ｖ）を印加し、かつ４分割されたシンチレータ９とメッシュ１０との間にも正の電圧（例えば５ＫＶ）を印加し、サンプル１３から放出された２次電子を効率良好に補集するようにしたものである。また、図１０の（ｂ−２）では、図１０の（ａ−２）のライトガイド４５の代わりに、レンズ４６を用いてシンチレータ９で発生した光を小さいＭＰＰＣ４に導くようにしている。他は、図１０の（ａ−１），（ａ−２）と同様であるので、説明を省略する。

ここで、図１０の構成を詳細に説明する。図１０は、電子ビーム照射によりシンチレータ９で発生した光を縮小してＭＰＰＣ４に照射する例を示す。ＭＰＰＣ４は単一のＡＰＤとは異なり、ＭＰＰＣ４の全体の面積を増やしても、各ＡＰＤの電気容量が増加しないため、電子検出速度の劣化は見られないという優れた特徴がある。しかしながら、ＭＰＰＣ４の面積が大きくなると、面積に比例してダークノイズと呼ばれる、熱雑音に起因したノイズが増加する。このノイズは絶対温度に比例するので、冷却すれば減少できるが、真空装置内部に冷却装置を持つと、装置が極めて複雑となり、体積が増加し、かつ、コストも上がりメインテナンスも大変になるため、ＭＰＰＣ４の良いところが消えてしまいかねない。一方、ＭＰＰＣ４の面積を小さくすると電子の検出効率が下がり、画像ＳＮＲが劣化する。

本発明では、この点に注目し、電子検出効率を高く保ちながら、ＭＰＰＣ４の面積は出来るだけ小さくすることに成功した。まず、サンプル１３の表面で発生する電子を光に変換するシンチレータ９の面積は必要十分に出来るだけ大きく取る。具体的には、実験あるいは電子軌道シミュレーションを用いて、信号電子が飛来する場所を求め、その場所に必要十分な大きさを持つシンチレータ９を配置する。

これにより、サンプル１３の表面で発生した信号電子の検出効率を高める。一方、シンチレータ９で発生した光は光学素子を用いて収束あるいはその断面積を縮小した後（図１０の（ａ−２）のライトガイド４５、図１０の（ｂ−２）のレンズ４６などで縮小した後）に、ＭＰＰＣ４に照射する。このようにすると、電子検出効率の高さは大きなシンチレータ９によって担保され、ダークノイズの小ささは出来るだけ小さなＭＰＰＣ４を用いることで実現される。

ここで、用いるＭＰＰＣ４には出来る限りＡＰＤアレイを構成する各ＡＰＤの寸法が小さく（数ミクロン以下）素子数が数万個以上、ＭＰＰＣ４の面積が１平方ｍｍ以下が望ましい。シンチレータ９で発生した光を縮小するためには、図１０の（ａ−２）に示すように、ライトガイド４５を用いる方法や図１０の（ｂ−２）に示す光学レンズ４６を用いる方法などがある。更に、反射鏡、フレネルレンズやホログラフィックレンズ、回折素子を用いることで縦方向の寸法を短くする効果を得ることも出来る。ライトガイド等をフォトン検出デバイスに接触させて用いる場合には、不要な反射が起こって信号損失を起こさないように接触する部材の屈折率を合わせ、反射防止用の膜を新たに挿入することが望ましい。更に、ＭＰＰＣ４に入射する波長成分を選択するために、波長選択用光学フィルターを間に入れてもよい。

図１１は、本発明の他の実施例構成図（その１）を示す。この図１１は、サンプル１３から放出された電子が加速されてシンチレータ９を発光させた光を、ライトガイド９１で面積縮小し、シンチレータ９の面積よりも小さなＭＰＰＣ４に入射する例を示す。他の構成は図１と同様であるので、説明を省略する。

図１１において、ライトガイド９１は、ガラスやアクリル等の単一素材やガラスファイバー等の束からなるものである。

ＭＰＰＣ４は、一辺が数ミクロン角のＡＰＤを大量にアレイ状に並べたデバイスである。ＡＰＤはバイアス電圧を印加していくと、最初は普通のフォトダイオードが示す増幅率である。しかし、５０Ｖ程度の閾値電圧を超えると一気に増幅率が上昇し、ついにはガイガーモードと呼ばれる、１個の電子（あるいは光子）が入射すると１００万倍近くの増幅を行う動作モードに達する。ガイガーモードではＭＰＰＣ４の外部から入射した一個の電子を検出出来る感度を持つが、内部の熱揺らぎによって１個の電子が発生した場合も同様の増幅を行うため、１つだけ入射した電子（光子）と熱によって発生した電子を区別することは出来ない。従ってこれらはノイズの原因に成る。熱電子の発生は、ＡＰＤの面積に比例する。つまり、ＡＰＤの面積が大きいほど熱電子の発生頻度は多くなり、雑音が増加する。

一方、サンプル１３から放出される信号電子は、広い範囲に渡って散らばって放出されるため、信号電子を効率よく検出するためには、検出器は出来るだけ大きな面積を持っていた方が有利である。

以上のように２つの要求はお互いに矛盾する。本発明ではこの矛盾を解決するために、電子を検出するためのシンチレータ９の面積は出来るだけ大きく取り、シンチレータ９で発生した光を縮小することで、出来るだけ小さな面積を持つＭＰＰＣ４に入力することにより、高検出効率と低雑音を両立する方法を見つけた。図１１では、入射側と出射側の面積比が異なるライトガイド９１を用い、面積の広い方はシンチレータ９に接続を行い、面積の小さい方はフォトン検出装置であるＭＰＰＣ４に接続した例を示す。

大きな面積を持つシンチレータ９で発生した光は、ライトガイド９１により縮小されて、小さな面積を持つフォトン検出装置であるＭＰＰＣ４に導かれ、電流に変換される。このようにすることで高効率検出と低ダークノイズの両立が実現できる。

図１２は、本発明の他の実施例構成図（その２）を示す。この図１２は、サンプル１３から放出された電子が加速されてシンチレータ９を発光させた光を、レンズ５１で面積縮小し、シンチレータ９の面積よりも小さなＭＰＰＣ４に入射する例を示す。他の構成は図１と同様であるので、説明を省略する。

図１２において、レンズ５１は、光を縮小するレンズである。図では１枚レンズ構成を示しているが、複数のレンズを用いても良い。例えば平行ビームを入射すると縮小された平行ビームが出射するようなレンズ系を用いても良い。サンプル１３に１次電子ビームを照射して発生した信号電子はメッシュ１０などに印加された正の電圧（例えば１０ＫＶ）に加速・吸引されてシンチレータ９に衝突する。衝突した電子は大量に光を放出する。放出された光をレンズ５１で断面積が１０分の１以下になるように集光して面積縮小し、フォトン検出デバイスであるＭＰＰＣ４に入射する。入射した光を受けてＭＰＰＣ４は増幅して検出電流を出力する。

以上のような構成を採用することにより、ＭＰＰＣ４の面積はシンチレータ９の面積の１０分の１以下になるため、シンチレータ９と同じ面積のＭＰＰＣ４を用いた場合と比較してダークノイズを１０分の１以下にすることが可能となる。

図１３は、本発明の他の実施例構成図（その３）を示す。図１３は、電子レンズ５３を用い信号電子（２次電子、反射電子など）を縮小して検出器（シンチレータ９＋ＭＰＰＣ４）に入力した構成例である。他の構成は図１１、図１２と同じであるので説明を省略する。

図１３において、電子レンズ５３は、サンプル１３からの信号電子（サンプル１３から放出された２次電子、反射された反射電子など）を当該電子レンズ５３１の開口よりも小さい面積に縮小する電子レンズであって、静電レンズ、磁界レンズである。ここでは、シンチレータ９に入射する前に、サンプル１３の表面で発生して漂っている信号電子（２次電子など）を予め第１の開口を持つ静電レンズあるいは磁界レンズ等の電子レンズ５３１を用いて断面積を縮小してエネルギー加速した後に、第１の開口よりも小さな面積を有するシンチレータ９あるいはその部分に照射する構成に特徴がある。信号電子を第１の開口よりも小さなサイズのフォトン検出装置であるＭＰＰＣ４で検出する。

以上のように構成することにより、シンチレータ９もＭＰＰＣ４も双方とも小さくすることが出来る。そのため、ダークノイズを下げることはもちろん、小さなシンチレータ９のサイズで良いためシンチレータ９のコストを下げることが出来る。また、ＭＰＰＣ４のサイズを小さく出来るので鏡筒内の配置に自由度が生まれる。レンズやライトガイドを介さないので、信号損失が小さく出来、高品質な画像形成に寄与する。このように検出器が非常に小さく出来るので、１つの電子ビーム装置の中に、多数を配置し多くの電子ビームを同時にサンプル１３の表面に照射したさいに生じる信号電子群を同時に測定できるようになる。

図１４は、本発明の他の検出器説明図（その１）を示す。図１４の（ａ）は全体構成図を示し、図１４の（ｂ）は電子ビームアパチャの例を示す。

図１４の（ａ）において、照射レンズ５１は、電子銃１で発生させた１次電子ビームを並行にするものである。

電子ビームアパチャ５２は、並行にされた１次電子ビームから所定の細い部分を複数、抽出して複数の１次電子ビームを形成するためのものであって、例えば図１４の（ｂ）に示すように、円形の絞りを複数設けたものである。このようなアパチャーは電気的に開閉できるブランキング式のアパチャーを用いても良い。

支持部５３は、ＭＰＰＣ５４，シンチレータ５３からなる検出器を保持するものである。

第１縮小レンズ５６は、電子ビームアパチャ５２を通過した複数の１次電子ビームを縮小する第１番目のレンズである。

第２縮小レンズ５７は、第１縮小レンズ５６で縮小された複数の１次電子ビームを、更に縮小して細く絞った複数の１次電子ビームを、サンプル１３の上に照射しつつ平面走査するためのものである。

次に、図１４の構成の動作を詳細に説明する。

（１）図１４において、電子銃１で発生した１次電子ビーム３１を照明レンズ５１で一旦並行ビームに変換した後、１次電子ビームアパチャ５２を通過させて、複数本の１次電子ビームに成型する。１次電子ビームの本数に比例してサンプル１３の表面に同時照射される１次電子ビームの本数が増加する。電子ビームアパチャ５２の中心に１次電子ビームを通過させてしまうと、１次電子と２次電子の軌道が別々になるように２次電子検出装置の配置が困難となるため、複数の穴は周辺部に設けることが望ましい。

（２）成型した複数の１次電子ビームは当該１次電子ビームが通過できるように穴を設けた支持部５３を通過して第１縮小レンズ５６および第２縮小レンズ５７を通過してビーム径が圧縮された後、サンプル１３の表面にほぼ垂直に照射する。

（３）照射された電子はサンプル１３の表面にて２次電子を発生させる。発生した２次電子はサンプル１３とシンチレータ５５の表面に設けられた導電性膜との間に印可されたバイアス電圧（例えば１０ＫＶ）によって加速され第２縮小レンズ、第１縮小レンズと通過したのちシンチレータ５５に入射される。シンチレータの高さが２次電子の焦点位置になるようにバイアス電圧を調整する。つまりシンチレータ表面において１次電子スポットの像が出来るように調整する。

（４）シンチレータ５５、ＭＰＰＣ５４からなる検出器は２次電子軌道計算を行って、２次電子が戻ってくる場所に設置する。検出器は予めアレイ状に大量に配置しておいて、各素子に対してアドレス等を設け必要に応じてコンピュータ等から電気的に選択利用できるようにしても良い。この機能により、バイアス電圧変更に伴う２次電子の軌道変化に対応できる。

以上のようにして、分割された複数の１次電子ビームをサンプル１３に照射して発生した２次電子はそれぞれの検出器（シンチレータ５５、ＭＰＰＣ５４）にて同時並行的に検出されるため、高速に画像取得を行うことが可能となる。

図１５は、本発明の他の検出器説明図（その２）を示す。図１４が支持部５３、ＭＰＰＣ５４，シンチレータ５５から構成されるのに対し、当該図１５はＭＰＰＣ５４，透明支持部５３１、シンチレータ５５の構成したものである。他の構成は図１４と同じであるので説明を省略する。

図１５において、透明支持部５３１は、検出を行うシンチレータ５５を透明な部材で支持したことに特徴があるものである。透明支持部５３２に使う透明部材は、レンズ、ホログラム等種々の光学素子を使用する。これら光学素子を利用したことを、シンチレータ５５で発生した光を縮小あるいは拡大あるいは位置を移動させることが可能となる。つまり、電子検出器をどこにでも配置できるようになる。

図１６は、本発明の他の検出器説明図（その３）を示す。図１６は、図１５のサンプル１３の上にメッシュ５８を設け、サンプル１３の表面にて発生した２次電子を第２縮小レンズ５７に入射する前に所望の加速エネルギーに加速し、２次電子の検出効率を向上させることに特徴がある。

図１６において、メッシュ５８は、サンプル１３の上に設けたメッシュであって、該サンプル１３から放出された２次電子を加速（例えば５ＫＶ）するものである。このメッシュ５６をサンプル１３の上に設け、これに加速電圧（例えば５ＫＶ）を印加して当該２次電子を加速し、加速された２次電子が第２縮小レンズ５７、第１縮小レンズ５６を通過し、さらに加速されて最終的にシンチレータ５５に衝突する。２次電子の発生後、直ぐに加速することで、発生した２次電子が分散して散るのを避けることが可能であり検出効率を向上できる。

図１７は、本発明の他の検出器説明図（その４）を示す。図１７は、図１６に対して更にメッシュ５９をシンチレータ５５の上に設け、第２縮小レンズ５７、第１縮小レンズ５６を通過する２次電子のエネルギーが一定の状態にあるようにし、設計どおりに軌道を進む（第２縮小レンズ５７、第１縮小レンズ５６の機械的な形状などの影響を受けないようにして設計どおりの軌道を進む）ようにしたものである。

図１７において、メッシュ５９は、シンチレータ５５の前面に設けたメッシュである。

メッシュ５８は、サンプル１３の前面に設けたメッシュである。ここでは、メッシュ５９，５８は、同一電位に保持し、第２縮小レンズ５７、第１縮小レンズ５６を通過する２次電子に周囲の幾何的構造が影響しなく、設計どおりに軌跡を通るようにしたものである。そして、ここでは、メッシュ５８には図示のように例えば５ＫＶ（２次電子を加速する電圧）、メッシュ５９には１０ＫＶ（当該メッシュ５９を通過した２次電子を加速する電圧）を印加する。

以上のように構成することにより、複数の１次電子ビームをサンプル１３の上に照射しつつ並列に平面走査すると、サンプル１３から複数の１次電子ビームに対応した２次電子、反射電子がそれぞれ放出、反射され、これら放出、反射された複数の２次電子、反射電子がメッシュ５８で上方向に並列にそれぞれ加速され、一定エネルギーで第２収縮レンズ５７、第１縮小レンズ５６を通過し、メッシュ５９を通過し、当該メッシュ５９とシンチレータ５５との間に印加された正の電圧（例えば１０ＫＶ）で並行に複数の２次電子、反射電子をそれぞれ加速しシンチレータ５５でそれぞれ並列に光に変換され、これら変換された複数の光がそれぞれ並列にＭＰＰＣ５４でそれぞれ増幅・検出され、信号を並列出力することが可能となる。

この際、高いエネルギーに加速された電子（反射電子など）は内側に、低いエネルギーに加速された電子（２次電子など）は外側に軌道を取るので、分割された複数の検出器（シンチレータ５５、ＭＰＰＣ５４）によりそれぞれ並列に検出され、出力されることとなる。

図１８は、本発明の検出器説明図（その５）を示す。図１８は、照射した１次電子ビームのサイズよりも高い分解能が実現し、かつ、スループットが向上できることに特徴がある。以下詳細に説明する。

（１）図１８において、電子銃１から１次電子を放出させたのち所望エネルギーになるように加速し中空状の電子ビーム（図１８の（ｂ）参照）を発生させて対物レンズ１２１により1点に収束させてサンプル１３に照射する。加速電圧は１ＫＶから５０ＫＶ程度を利用する。

（２）中空電子ビーム（ホロビーム）は同心円状にくり抜いた電子ビームアパチャ５２に対して並行電子ビームを照射レンズ５１により均一に照射することで発生できる。同心円状の穴は小さな穴を多数用いて同心円状にしても良いし、四角形を用いたり、２重に取り囲んでも良い。これらのアパチャーは大量のアパチャーアレイを電気的に開閉できるようなブランキングアパチャー形式でもよい。そのアレイの一部を選択的に開閉して同心円状のアパチャーを形成しても良い。さらに収差を小さくするために凹レンズとなる格子レンズや薄膜レンズを用いても良い。

電子ビームアパチャ５２は、チタンやＭＯ，Ｗ等の非磁性材料で作製し、コンタミ防止のため１００℃以上に加熱しておくことが望ましい。帯電防止のため導電性を有することが望ましい。

（３）発生させた中空電子ビームは対物レンズ１２１により一点に絞られる。絞られた１次電子ビームは偏向電極１２２により、ＸＹ平面を走査する。偏向電極１２２は対物レンズ１２１の上、下などの必要な場所に配置できる（図１８では対物レンズ１２１の下側に静電電極１２２を配置）。

（４）絞られた１次電子ビームはサンプル１３に照射され、２次電子を発生する。発生した２次電子は非常に低いエネルギーをもち、あらゆる方向に放出されるため、そのままでは対物レンズ１２１で点像を形成できない。本実施例ではサンプル１３の直上のメッシュ５８に正の加速電圧を印加し、発生した２次電子のほぼ全てが所望のエネルギーになるように加速される。この加速電圧によって２次電子群の持つエネルギーばらつきが相対的に減少し、１つの均一なエネルギーを持つ２次電子ビームとなる。したがって、このエネルギーは高いほど、エネルギーの均一度は向上する。

（５）所望のエネルギーに加速された２次電子は対物レンズ１２１を通過し、最終的にシンチレータ５５に衝突して発光が最適になるようにメッシュ５９で加減速された後、当該シンチレータに衝突し発光する。発光した光は、直接的あるいは反射鏡を介してＭＰＰＣ４の複数に分割された各部分で検出される（高感度のＣＣＤあるいはＣＭＯＳデバイスでもよい）．
（６）図１８に示すように、検出される光の点は対物レンズ１２１によって所望のサイズに絞られた１次電子ビームによって発生する２次電子の拡大像である。また、この点像は１次電子ビームの偏向に対応して動的にＸＹ走査されたものになる。光の点の拡大像は１次電子ビームの照射点における２次電子発生量分布情報を有している。１次電子ビームの走査周期を利用して画像解析を行って光の点の詳細な輝度分布を画像から抽出するとスポットサイズよりも小さな領域におけるサンプル表面の変化を抽出できる。つまり、１次電子ビーム光学系の分解能を上げることが出来る。これは丁度１０本の鉛筆の芯を束ねて絵を書いたようなもので、輝度分布測定を行って１０本に分離すれば、それぞれの鉛筆が書いた分解能画像が得られるのと同じである。

（７）例えば、１０ｎｍの１次電子ビームのスポットサイズから発生した２次電子を電子光学系と光学系を用いて１０，０００倍に拡大すると１００ミクロン程度の点になる。現在の２次元光検出デバイスの最小ピクセルサイズは１ミクロン程度なので、これらの点の輝度分布は２次元光検出デバイスで十分に分離検出可能である。この点像をコンピュータで連続的に抽出しそれぞれのピクセルに対応するように各部分の輝度に分け、適正な画像を形成するように回転補正や輝度補正などの画像処理を高速で行い、１枚の画像を再構成できるようにピクセルを正しい順番に並び替えると、ビームサイズよりも小さい分解能の画像を得ることができる。これらの処理は必ずしもリアルタイムで行う必要はないので、画像を取得後、画像処理用のコンピュータで必要な処理を行ってもよい。

（８）例えば光の点を４分割してそれぞれのピクセルに対応させれば実質的に２．５ｎｍのビームサイズで照射したのと同じ分解能が得られ、かつ、４倍のスループットが得られる。通常は分解能を上げるとスループット低下が起こるが、本方式では分解能とスループットを両方上げることが出来ることが特徴である。

（９）より高い分解能を得るためには、シンチレータ構成物が均一細かいことが非常に重要である。粒子状シンチレータを用いる場合には粒子のサイズをナノメートルオーダーにすることによって、高い分解能を得ることが可能となる。プラスチック・シンチレータなどでは、ナノレベルで均一である。蛍光顕微鏡ではナノオーダーの分解能が実現できるので、その程度に分離できていれば、１つの点を複数のビーム成分に分離できる。

（１０）以上の方法はマルチビーム形式の複数ビームを極近傍に集めたのと同じ効果がある。一方、通常知られているマルチビーム方式とは逆にレンズの軸中心部だけを利用するためレンズ歪が小さく、収差補正が不要となり、容易にマルチビーム検査装置を実現できる。この効果は、ビームスポットサイズを大きくしても小さくしても得られるため、高分解能で超高速あるいは低分解能で超々高速の検査装置を実現することが可能となる。逆に、ビームサイズを最初から小さくし、光検出装置の分解能を上げれば、従来では実現不可能な１ｎｍを切る分解能かつ、高いスループットを実現できる。特に、高分解能を実現する場合、ホロービームでは、静電反発による電子ビーム広がりが起こりにくいため、電子ビームを細く絞ることが容易となる。

従来のマルチビーム検査装置とは異なり、検出した２次電子を垂直方向に引き上げビームセパレータを使用しないで直接電子を検出するため収差が小さくより高い分解能や効率が実現できる。

さらに、以上の方法では画像解析によってビームを分離するため、マルチビーム検査装置で問題となるビームの並んでいる方向が問題とならないため、ＸＹステージを等速度連続的に移動させて高速検査を行う形式の検査装置に容易に展開できる。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の要部説明図（その１）である。 本発明の要部説明図（その２）である。 本発明の要部説明図（その３）である。 本発明の要部説明図（その４）である。 本発明の検出器例（その１）である。 本発明の検出器例（その２）である。 本発明の検出器例（その３）である。 本発明の検出器例（その４）である。 本発明の検出器例（その５）である。 本発明の他の実施例構成図（その１）である。 本発明の他の実施例構成図（その２）である。 本発明の他の実施例構成図（その３）である。 本発明の他の検出器説明図（その１）である。 本発明の他の検出器説明図（その２）である。 本発明の他の検出器説明図（その３）である。 本発明の他の検出器説明図（その４）である。 本発明の他の検出器説明図（その５）である。

１：電子銃
２：電子銃制御装置
３：偏向電極
３−１：偏向電極（上）
３−２：偏向電極（下）
３１：１次電子ビーム
３２：２次電子
３２１：２次電子検出部
３２２：電子ビーム走査制御装置
３３：反射電子
３３１：反射電子検出部
３４：検出器（第１検出器＋第２検出器）
４、５４：ＭＰＰＣ
４１：シールド管
４１１：クエンチング抵抗
４２：アバランシェホトダイオード
４２１：支持ガラス
４３：バイアス電源
４３１、４７：衝立
４４：電流検出装置
４４１：支持部
４５、９１：ライトガイド
４６：レンズ
５：通過阻止用バイアス
５１：照射レンズ
５２：電子ビームアパチャ
５２１：中空ビーム
５２２：反射鏡
５２３：光拡大レンズ
５２４：光学２次元検出器
５３：支持部
５３１：電子レンズ
５３２：透明支持部
５６：第１縮小レンズ
５７：第２縮小レンズ
６：増幅器
６１：バイアス回路
７：ＰＣ
８：表示装置
９，５５：シンチレータ
１０、４８、９３、５８，５９：メッシュ
１０１：エネルギーフィルター（ＥＸＢ）
１１：傘
１２、１２１：対物レンズ
１２２：偏向電極
１３：サンプル
１３１：レンズ制御回路
１４：サンプルバイアス回路

Claims (7)

1. サンプルから放出された電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは前記両者の電子ビームを超高速に検出する超高速電子検出器において、
   前記サンプルから放出されて加速される電子ビームあるいはサンプルで反射された電子ビームあるいは前記両者の電子ビームを一定エネルギーの電子ビームにするエネルギー一定化手段と、
   前記エネルギー一定化手段によってエネルギーが一定化された電子ビームを光に変換する第１の検出器と、
   前記第１の検出器で変換された光を入力し、増幅して電気信号を出力する第２の検出器と
   を備えたことを特徴とする超高速電子検出器。
2. 前記エネルギー一定化手段は、前記サンプルとあるいは前記サンプルの表面の近傍に設けたメッシュと、前記第１の検出器とあるいは前記第１の検出器の表面の近傍に設けたメッシュとの間に所定の電圧を印加し、電子ビームのエネルギーを一定化したことを特徴とする請求項１記載の超高速電子検出器。
3. 前記第１の検出器は、電子ビームを光に高速変換するシンチレータとしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の超高速電子検出器。
4. 前記第２の検出器は、複数のアバランシェダイオードを並列に配置したＭＰＰＣ素子としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の超高速電子検出器。
5. 前記第２の検出器は、１次電子ビームを通過させる中心に穴を有するリング状円板であって、当該リング状円板を円周方向に複数に分割した複数の独立した検出器を備えることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の超高速電子検出器。
6. 前記エネルギー一定化手段に印加する電圧を調整し、サンプルから放出された電子あるいはサンプルで反射した電子のみが前記第１の検出器および前記第２の検出器で検出・増幅することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の超高速電子検出器。
7. 請求項１から請求項６に記載のいずれかの超高速電子検出器を組み込んだ走査型電子ビーム検査装置。

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