(57)【要約】      （修正有）【課題】高い縦分解能と高い横分解能を同時に実現する。【解決手段】粒子ビーム顕微鏡は、リング状の円錐形状を有する粒子ビームを生成する照明系を備える。選択的検出系は、対象物領域を通過した粒子の２つの粒子グループにおける一方を選択的に検出するように構成する。第１粒子グループは、散乱せずに、または小さい散乱量で散乱して対象物領域を通過した粒子を含む。第２粒子グループは、対象物領域においてより大きい散乱量で散乱した粒子を含む。【選択図】図１３
2010245046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物領域を通過するビーム経路を生ずる粒子ビーム顕微鏡であって、前記粒子ビーム顕微鏡は、
前記ビーム経路内で前記対象物領域の上流域に配置し、第１粒子用光学レンズを有する照明系であって、粒子が、前記ビーム経路の主軸に対して所定の内側頂角よりも大きい角度を持って指向する方向からのみ前記対象物領域に入射するように、粒子を前記対象物領域へと方向付けるよう構成した、該照明系と、
前記ビーム経路内で前記対象物領域の下流域に配置し、前記対象物領域を通過した粒子の２つのグループにおける一方のグループのみを選択的に検出するよう構成した選択的検出系であって、前記２つの粒子グループの第１グループは、前記対象物領域を直線に沿って通過した粒子、および前記対象物領域において散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱した粒子のみを含み、前記２つの粒子グループの第２グループは、前記対象物領域において散乱限界角度よりも大きい散乱角度で散乱した粒子のみを含むものとした、該選択的検出系と、
を備える粒子ビーム顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、さらに、前記粒子が、前記ビーム経路の主軸に対して所定の外側頂角よりも小さい角度を持って指向する方向からのみ前記対象物領域に入射するように、粒子を前記対象物領域へと方向付けるよう構成したものである、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項３】
請求項１または２記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記内側頂角が、３０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄおよび９０ｍｒａｄのいずれか１つよりも大きい、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記外側頂角と前記内側頂角との比が、１．１、１．０２、１．００５のうち、少なくとも１つよりも小さい、若しくはこれと等しい、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記外側頂角と前記内側頂角の差が、０．１ｍｒａｄ、０．５ｍｒａｄおよび５．０ｍｒａｄのうち、少なくとも１つよりも大きい、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項６】
請求項１〜５のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記外側頂角と前記内側頂角との差が、２０ｍｒａｄ、１０ｍｒａｄおよび５ｍｒａｄのうち、少なくとも１つよりも小さい、若しくはこれと等しい、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項７】
請求項１〜６のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、粒子を、前記対象物領域に配置した対象物平面における拡張した領域に方向付けるよう構成したものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項８】
請求項１〜６のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、粒子を、前記対象物領域における合焦ロケーションに合焦するよう構成した粒子ビーム顕微鏡。
【請求項９】
請求項８記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、前記合焦ロケーションを、主軸に対して交差する方向に変位させるよう構成した、少なくとも１個の偏向子を備えたものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１〜９のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、前記ビーム経路の主軸の方向を、前記照明系の合焦レンズの光軸に対して相対的に変化させるよう構成した、少なくとも１個の偏向子を備えたものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１１】
請求項１〜１０のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、前記内側頂角と前記外側頂角の少なくとも一方を、０.１ｍｒａｄよりも大きく変化させるよう構成したものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１２】
請求項１〜１１のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は、前記光軸から離れて位置する半径方向内方端縁を有する少なくとも１個の開口を有する第１開口プレートを備えたものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１２記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記照明系は合焦レンズを備え、前記第１開口プレートは、前記粒子用光学レンズの前側焦点面、または前記粒子用光学レンズの前記前側焦点面に共役な平面のいずれか一方に配置した、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１４】
請求項１〜１３のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記検出系は、前記光軸から離間して位置する半径方向内方端縁および半径方向外方端縁の少なくとも一方を有する少なくとも１個の開口を有する少なくとも１個の第２開口プレートを備えるものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１４記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記検出系は、前記第２開口プレートの下流域に配置した第１検出器を備えるものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１６】
請求項１４または１５記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記第２開口プレートは、第２検出器を有するものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１７】
請求項１４〜１６のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記第２開口は、前記第１グループの粒子のみが通過できるような寸法を有するものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１８】
請求項１４〜１７のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記第２開口は、前記第２グループが有する２つの粒子サブグループのうち少なくとも一方が前記第２開口プレートに入射し、また前記第１粒子グループの少なくとも一方、および前記第２粒子グループの前記粒子サブグループの一方のみが前記第２開口を通過するような寸法を有し、前記第１粒子サブグループは、前記対象物領域において前記光軸に向かって散乱した前記第２グループの粒子のみを含み、また、前記第２サブグループの粒子は、前記対象物領域において前記光軸から離れる方向に向かって散乱した前記第２グループの粒子のみを含むものである粒子ビーム顕微鏡。
【請求項１９】
請求項１４〜１８のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記第２開口プレートは、第１開口部分および第２開口部分を有し、前記第２開口部分の半径方向内方端縁は、前記光軸から、前記第１開口部分の半径方向外方端縁よりも大きい距離で離間して位置する、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項２０】
請求項１〜１９のうちいずれか一項記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記検出系は、前記対象物領域に配置した対象物平面を結像平面に結像する粒子用光学レンズを備える粒子ビーム顕微鏡。
【請求項２１】
請求項２０記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記第２開口プレートは、前記検出系の前記粒子用光学レンズの後側焦点面、および前記検出系の前記粒子用光学レンズの後側焦点面に共役な平面のうち一方に配置する、粒子ビーム顕微鏡。
【請求項２２】
請求項２０または２１記載の粒子ビーム顕微鏡であって、前記検出系は、結像平面および結像平面に共役な平面のうち一方に配置する第２偏向素子を備える粒子ビーム顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年４月８日にドイツ国で出願された、発明の名称を「粒子ビーム顕微鏡」とする特許出願第１０２００９０１６８６１．３号の優先権を主張するものであり、参照のため本明細書にその内容を全体的に付記する。
【０００２】
本発明は、粒子ビームを検査対象のサンプルに指向させ、またサンプルを通過した粒子を検出する、粒子ビーム顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００３】
関連技術の説明
従来の粒子ビーム顕微鏡は、粒子ビームとして、電子ビーム、陽子ビーム、イオンビーム、Ｘ線ビームなどを用いる。若干の粒子ビーム顕微鏡では、粒子ビームは、サンプルにおける、あるロケーションに微細に合焦される。このような顕微鏡において、粒子ビームを合焦させるロケーションは、主粒子ビーム方向に対して相対的に、軸線方向ならびに側方（横方向）に変位させ、サンプル全体にわたりビーム焦点を走査することができる。サンプルと相互作用した粒子の信号検出を、ビームを合焦したロケーションに基づいて記録して、サンプルの二次元画像または三次元体積画像を得ることができるようにする。このような状況においては、粒子ビーム焦点の延在範囲が、顕微鏡の空間的分解能を決定する。高横分解能の観点から、焦点領域の横寸法は小さくすべきであり、また、より高い縦分解能の観点から、焦点領域の縦寸法は小さくすべきである。
【０００４】
合焦した粒子ビームの粒子は、異なる方向からサンプルに入射する。通常、これら異なる方向は、主ビーム方向に対して、＋α〜−αの角度をなし全体頂角が２αとなる円錐内に存在する。縦分解能は、粒子ビームの合焦に用いられる光学系の焦点深度に関連し、この焦点深度は、１／α２ に比例する。高縦分解能の観点から、円錐の頂角は高い値にすべきである。しかしながら、粒子ビームを合焦するのに用いられる粒子用光学レンズは、典型的には、α3に比例する球面収差を示す。頂角の値が高いと、横分解能が比較的低くなる。従来の粒子ビーム顕微鏡においては、高い横分解能と高い縦分解能とを同時に実現することが難しい。
【０００５】
従来の粒子ビーム顕微鏡の例としては、特許文献１（米国特許第６５４８８１０号）に開示されている走査型透過電子顕微鏡がある。本明細書に特許文献１の全開示を参照として付記する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６５４８８１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明は、上述の問題を考慮してなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明のいくつかの実施形態では、サンプルに指向する粒子ビームの粒子が、選択した方向からサンプルに入射する粒子ビーム顕微鏡を提供する。
【０００９】
いくつかの実施形態に従う粒子ビーム顕微鏡では、粒子ビームのパラメータをフレキシブルに選択し、横分解能および縦分解能を調整することができる。
【００１０】
いくつかの実施形態において、粒子ビーム顕微鏡は、粒子ビームをサンプルのロケーションに合焦させる照明系であって、合焦させたビーム中の粒子密度が高い領域が、主ビーム方向に対して横方向および主ビームに対して平行な縦方向の双方向において比較的小さい寸法を有するように構成した照明系を備える。
【００１１】
さらに他の実施形態において、粒子ビーム顕微鏡の照明系は、粒子ビームの粒子がサンプルに選択した角度方向から入射するように、粒子ビームをサンプルに指向させるものとして構成する。この実施形態において、サンプルに入射する全てのビームの粒子は、主ビーム方向に対して、所定の第１限界角度よりも大きい入射角度を有する。特に、方向付けられた粒子ビームは、主ビーム方向に沿って伝搬する粒子を含まないものとすることもできる。
【００１２】
さらに他の実施形態によれば、合焦した粒子ビームの粒子は、主ビーム方向に対して、所定の第２限界角度よりも小さい角度で指向する方向からサンプルに入射する。
【００１３】
この実施形態において、粒子ビームの粒子は、第１限界角度よりも大きいまたはこれと等しい角度、かつ、第２限界角度よりも小さいかまたはこれと等しい角度で主ビーム方向に対して指向する方向からサンプルに入射する。特定の実施形態において、粒子ビームは、リング状の円錐形状を有するものとしてもよく、このとき、その円錐の内側頂角が第１限界角度に、円錐の外側頂角が第２限界角度に対応する。
【００１４】
さらに他の実施形態において、粒子ビーム顕微鏡は、少なくとも１個の検出器を有し、対象物領域の下流域に配置した検出系を備え、この場合、サンプルは顕微鏡のビーム経路に配置することができる。検出系の検出器を使用して、対象物領域に指向し、また対象物領域を通過した粒子を検出する。対象物領域を通過した粒子は、２つのグループに分けることができる。第１粒子グループは、ほとんど散乱せずに対象物領域を通過した粒子のみを含む。これら粒子は、対象物領域を直線に沿って通過する、またはサンプルにおいて所定の散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱する。２つの粒子グループのうち第２グループは、サンプルにおいて、相当な量で散乱し、サンプルへの元々の入射方向から偏向した粒子を含む。これら粒子は、対象物領域において、所定の散乱限界角度よりも大きい散乱角度で散乱する。
【００１５】
いくつかの実施形態において、検出系は、少なくとも１個の検出器が、これら２つの粒子グループにおける一方のグループの粒子のみを検出するよう構成する。検出系は、１つのグループの粒子がこの検出器に入射し、他のグループの粒子はこの検出器に入射しないように構成するものとすることができる。
【００１６】
例示的実施形態において、検出系は、顕微鏡の光軸から離間して位置する開口を有する開口プレートを備える。この開口は、第１グループの粒子のみが開口を通過でき、他の粒子は開口を通過できないように構成したリング状の開口として形成することもできる。第１検出器は、顕微鏡のビーム経路においてこの開口の下流域に配置し、開口を通過した第１グループの粒子を検出するものとすることができる。第１検出器は、サンプル上で合焦し、サンプルにおいて有意には散乱しなかった粒子ビームの粒子を検出する。第１検出器の検出信号から生成されたサンプルの顕微鏡画像は、従来の粒子ビーム方法で使われる明視野像と称することができる。
【００１７】
他の例示的実施形態において、検出系は、第２グループの粒子のみが開口を通過でき、他の粒子は開口を通過できないような構成の開口プレートを備える。第２検出器は、顕微鏡のビーム経路において、この開口プレートの下流域に配置し、開口プレートを通過した第２グループの粒子を検出するものとする。第２検出器は、サンプル上で合焦し、サンプルにおいて有意に散乱した粒子ビームの粒子を検出する。第２検出器の検出信号から生成されたサンプルの顕微鏡画像は、従来の粒子ビーム方法で使われる暗視野像と称することができる。
【００１８】
例示的実施形態によれば、第２グループの粒子が通過することのできる開口プレートは、顕微鏡の光軸から異なる距離に位置する２つの開口を備えるものとすることができる。この実施形態によれば、２つの開口の一方は、光軸から離間して位置する内側周端縁を有するリング状の開口として形成し、プレートの第２開口は、第１開口の内側周端縁よりも短い距離に位置する外側周端縁を有する。第２開口もまた、内側周端縁を有するリング状の開口として形成してもよく、または、半径方向に光軸まで延在する完全円形開口として形成することもできる。
【００１９】
いくつかの実施形態において、検出系は、上述の第１検出器のみを備え、第２検出器を有さず、第１グループの粒子のみ検出するようにする。代替の実施形態において、検出系は第２検出器のみを備え、第１検出器を有さないようにし、第２グループの粒子のみ検出するようにする。
【００２０】
さらに他の実施形態において、検出系は、第１検出器および第２検出器の双方を備え、第１グループおよび第２グループの粒子がそれぞれ独立して検出されるようにする。
【００２１】
ここで例示的実施形態によれば、第１粒子グループを検出するための検出器、および第２粒子グループを検出するための検出器は、対象物領域から異なる距離に配置する。対象物領域により近く配置した検出器は、光軸に対して制限された半径寸法の検出面を有することで、対象物領域からより遠く配置された検出器により検出されるべき粒子が、検出器をその検出面に入射することなく通過できるようにする。対象物領域により近く位置した検出器は、外側周端縁の内側に設けた検出面で粒子を検出するための外側周端縁を有する。代替的に、または付加的に、検出器は、内側周端縁の外側に延在する検出面で粒子を検出するための、中心開口を画定する内側周端縁を有する。
【００２２】
対象物領域において相当大きな散乱量で散乱した第２粒子グループの粒子は、２つのサブグループに分けられる。第２グループの第１サブグループは、顕微鏡の光軸に向かって散乱した粒子ビームの粒子を含むとともに、第２グループの第２サブグループは、光軸から離れる方向に散乱した粒子を含むものとする。２つのサブグループの粒子を選択的に検出するために、別個の検出器を設けることができる。いくつかの実施形態において、２つのサブグループを選択的に検出するための検出器は、主ビーム方向に沿って対象物領域から異なる距離に配置することができ、また、開口プレートは、２つのサブグループの粒子を選択するために開口プレートを設けても良く、この開口プレートは、光軸から選択された距離を有する内側周端縁および／または外側周端縁を有する適切な開口を備えるものとしても良い。
【００２３】
いくつかの実施形態において、粒子ビーム顕微鏡は、粒子ビーム経路において対象物領域の上流域に配置し、荷電粒子を対象物領域に方向付けて、粒子が、主ビーム方向に対してあらかじめ定められた内側円錐角度より大きい角度を有する方向から入射するように構成した照明系を備え、また、粒子ビーム顕微鏡は、リング状の開口を有し、対象物領域の下流域に配置した開口プレートを備える。
【００２４】
この実施形態において、開口プレートのリング状の開口は、対象物領域を直線に沿って通過した、または対象物領域において、散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱した第１粒子グループが、リング状開口を通過し、他方、対象物領域にて散乱限界角度よりも大きい散乱角度で散乱した第２粒子グループが開口プレートのプレートに入射するよう構成する。
【００２５】
さらに他の実施形態において、粒子ビーム顕微鏡は、対象物領域が位置する対象物平面を有する粒子用光学レンズを備え、リング状の開口を有する開口プレートは、粒子用光学レンズの画像側焦点面またはこの画像側焦点面に共役な平面に配置される。
【００２６】
いくつかの実施形態において、粒子ビームが合焦するサンプルのロケーションは、サンプルに対して相対的に変位させることができる。この例示的実施形態において、粒子ビーム顕微鏡は、粒子ビーム顕微鏡の照明系に対してサンプルを変位させるためのアクチュエータを有するサンプルマウント（取り付け部）を備える。アクチュエータは、顕微鏡の光軸に対して横方向、および／または光軸に沿った方向にサンプルを移動させるように構成してもよく、また、アクチュエータは、光軸に対して相対的にサンプルの向きを変化させるように構成してもよい。
【００２７】
他の実施形態によれば、粒子ビーム顕微鏡の照明系は、サンプルを照明系に対して相対的に変位させること無く、ビーム焦点をサンプルに対して相対的に横方向または縦方向に変位させる、または主ビーム方向をサンプルに対して相対的に変位させることを可能とする粒子ビームマニピュレータを備える。
【００２８】
この実施形態によれば、このようなビームマニピュレータは偏向子を備える。例示的な実施形態によれば、照明系は、粒子ビームが合焦するロケーションを、光軸に対して横方向に変位させるように構成した少なくとも１個の偏向子を備える。粒子ビームが合焦するロケーションを２つの独立した方向に変位させるために、２つのこのような偏向子を設けて、例えばビーム焦点のｘｙ‐走査を行うようにすることができる。このような偏向子は、粒子用光学レンズの焦点面に配置して、粒子ビームを対象物平面に合焦させることができる。
【００２９】
さらに他の実施形態によれば、偏向子は、対象物領域で合焦する粒子ビームの主ビーム方向を照明系の光軸に対して変化させるよう構成する。これにより、粒子ビームの入射の主方向が光軸に対して傾く。このような偏向を得るための偏向子は、粒子ビームを対象物平面に合焦させるための粒子用光学レンズの対象物平面に対して共役な平面に設けることができる。
【００３０】
さらに他の実施形態において、粒子ビームの焦点領域を光軸に対して縦方向に変位させるためのビームマニピュレータは、照明系の粒子用光学レンズを備える。例えば、合焦レンズの屈折力を変化させることで、粒子が合焦するロケーションを光軸に沿って変位させることが可能である。
【００３１】
本発明の、上述および他の有利な特徴は、添付図面に基づき以下に記載する本発明の例示的実施形態に関する詳細な説明からより明確となるであろう。本発明の可能な実施形態の全ては、必ずしも本明細書に記載した利点のそれぞれすべて、またはいくつかを示すわけではないことに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図２】図１に示す粒子ビーム顕微鏡の開口（アパーチャ）プレートの線的説明図である。
【図３】第２実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図４】図３に示す粒子ビーム顕微鏡に用いる開口プレートの線的説明図である。
【図５】第３実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図６】図５に示す粒子ビーム顕微鏡に用いる開口プレートの線的説明図である。
【図７】第４実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図８】第５実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図９】図８に示す粒子ビーム顕微鏡に用いる開口プレートの線的説明図である。
【図１０】第６実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図１１】第７実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図１２】粒子ビーム顕微鏡で用いることができる照明系の一部分におけるビーム経路の線的説明図である。
【図１３】第８実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【図１４】第９実施形態による粒子ビーム顕微鏡の線的説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下に記載する例示的実施形態において、機能的および構造的に類似する構成部材は、可能な限り類似の参照符号で示す。そのため、特定の実施形態における個々の構成部材の特徴を理解するには、他の実施形態の説明および発明の要約の説明を参照すべきである。
【００３４】
図１は、粒子ビーム顕微鏡のビーム経路および構成部材の線的説明図である。粒子ビーム顕微鏡１は、粒子ビーム５を、対象物領域９に配置したサンプル１１の、あるロケーション７にて合焦するための照明系３を有する。粒子ビーム５の粒子の少なくとも若干は、サンプル１１を通過し、検出系１３により検出することができる。
【００３５】
照明系３は、ロケーション７に合焦される粒子ビーム５を発生する粒子を供給するよう構成した粒子ビーム源１５を有する。図示の実施形態において、粒子源１５は、電子源とする。粒子源１５はある角度範囲に粒子を放射し、これにより、ビームの形状は、図１に参照符号１７で示した円錐の外表面によって規定される。粒子ビーム顕微鏡１の粒子ビーム源および粒子ビーム顕微鏡１の他の構成部材は、光軸１９に対して対称的に配置し、これにより、粒子源１５が放射する粒子ビーム５の主ビーム方向は光軸１９に沿って指向する。
【００３６】
主平面２０を有する粒子用光学レンズ２１は、粒子源１５が放射する粒子ビームを平面２３に合焦するよう構成する。図示の、粒子ビームの粒子を電子とした実施形態において、レンズ２１、ならびに顕微鏡における他の全てのレンズは電子レンズとし、電子レンズとしては、静電気レンズ、磁気レンズ、および、静電気レンズと磁気レンズとの組合せによるレンズがある。
【００３７】
開口（アパーチャ）プレート２５を、ビーム経路の、レンズ２１と平面２３との間に配置する。以下、図２につき開口プレートを説明する。
【００３８】
開口プレート２５は、粒子が通過できるリング状の開口２７を設けたプレート２６を有する。リング状開口２７は、光軸１９の周囲に距離ｒ１の位置に延在する内側周端縁２９により画定される。リング状開口２９は、光軸１９の周囲に、距離ｒ１よりも大きい距離ｒ２の位置に延在する外側周端縁３０を有する。光軸１９から、ｒ１より小さい距離またはｒ２より大きい距離の位置で開口プレートに入射する粒子は、プレート２６に吸収される。光軸からｒ１より大きく、ｒ２より小さい距離の位置で、開口プレート上に入射する粒子のみが、開口２７を経て開口プレートを通過することができる。
【００３９】
実用上の理由から、リング状の開口２７は、理想的、すなわち、光軸１９の周りを中断せずに延在するリング状開口ではない。内側周端縁２９を画定するプレート２６の内側部分を、外側周端縁１３を画定するプレート２６の外側部分に互いに結び付ける必要がある。この目的のため、プレート２６の双方の部分を互いに連結する複数のリンク３１を設ける。
【００４０】
再び図１につき説明する。開口プレート２５に入射した粒子ビームは、開口プレート２５により、リング状の断面を有する粒子ビームに変形させられる。ビームの断面は、円錐形状を有する外側エンベロープ表面３５により画定される。さらに、ビームは、やはり円錐形を有する内側エンベロープ表面３７により画定される。ビームの粒子は、光軸１９に対して、エンベロープ表面３７の内側頂角よりも大きく、エンベロープ表面３５の外側頂角よりも小さい角度を有する軌道に沿って伝播する。
【００４１】
ビーム断面は平面２３に向かって縮小し、平面２３の下流域で、ビームが主平面４２を有する粒子用光学レンズ４１に進入するまで、連続的に延びる。レンズ４１は、ビームをロケーション７に合焦するよう構成する。さらに、レンズ４２は、平面２３を、ビームが合焦されるロケーション７が存在する平面８に結像する。ビームは、平面８のすぐ上流域においても、リング状の断面を有する。この結果として、ロケーション７に入射する全ての粒子が、平面８の上流域において、ビームの内側頂角よりも大きく、かつビームの外側頂角よりも小さい角度で光軸１９に対して指向する方向から由来するものとなる。特に、ロケーション７のすぐ上流域において、光軸１９に平行な軌道に沿って伝播する粒子、または光軸１９に対して、ビームの内側頂角より小さい角度で指向する粒子は、ロケーション７に入射することはない。
【００４２】
サンプル１１内において粒子ビームの密度が高くなる焦点領域は、高い分解能を達成するために、可能な限り小さく選択すべきである。焦点領域の寸法については、通常は、混同されることがほとんどない非混同円の半径で記述される。リング円錐形の粒子ビームに関しては、非混同円は、
δSＨ＝α2・Δα
の式で表すことができる。ここで、αは、焦点ロケーション７のすぐ上流域におけるビームの外側頂角を表し、Δαは、外側頂角と内側頂角との差を表す。
【００４３】
ビーム断面が完全な円錐の形状を有しており、粒子が光軸に沿って、および光軸に対して小さな角度をなして伝播する、従来の粒子ビーム顕微鏡の場合、非混同円は、
δSＨ＝１／４α３
の式で表すことができ、ここで、αは、ビームの外側頂角を表す。
【００４４】
リング状の円錐形である粒子ビームを使うことで、球面収差が、完全な円錐である粒子ビームを使った場合と比べて減少することは明らかである。例示的にαの値を１００mradとし、Δαを１mradとすると、分解能は、完全な円錐であり、１００mradの外側円錐角度を有するビームと比較して２５倍向上する。
【００４５】
サンプル１１に入射するビームの粒子は、サンプルを通過する間、サンプルと相互作用し得る。ここで、サンプルとの相互作用が小さければ、粒子は直線に沿ってサンプル１１を通過し、またはサンプルとの相互作用が小さければ、小さな散乱角度で散乱し得る。他方、サンプルとの相互作用が有意なものである場合、粒子は有意な散乱角度で散乱し得る。このように、サンプル１１を通過した粒子は、２つのグループに分けることができる。２つのグループのうち第１グループは、サンプルを直線に沿って通過する、または散乱リミット角度よりも小さな散乱角度で散乱する粒子を包含する。２つのグループのうち第２グループは、サンプルを通過する間に、散乱リミット角度よりも大きな散乱角度で散乱した粒子を包含する。
【００４６】
この第２グループは、さらに２つのサブグループに分けることができる。
２つのサブグループのうち第１サブグループは、サンプルを通過する間に有意な量の、光軸へ向かう散乱を経験した粒子を包含し、２つのサブグループのうち第２サブグループは、サンプルを通過する間に、有意な量の光軸１９から離れる方向へ向かう散乱を経験した粒子を包含する。
【００４７】
第１グループの粒子が形成するビームは、図１中、リング状の円錐形を有するビーム束のエンベロープ線４１および４３で表す。第２グループの第１サブグループの粒子が形成するビームは、図１中、円錐形状のエンベロープ線５４で表し、第２グループの第２サブグループの粒子が形成するビームは、図１中、それぞれリング状の円錐形の外側エンベロープ線４７および内側エンベロープ線４９で表す。
【００４８】
対象物領域９を通過した、発散ビームは、主平面５２を有するレンズ５１に進入する。このレンズ５１は、ビームを合焦し、この場合、そのリング状断面が、レンズ５１の下流域にレンズ５１からの距離が増えるにしたがって連続的に縮小するよう構成する。
【００４９】
検出系１３は、粒子検出器５３を備える。この粒子検出器５３は、粒子が対応する信号、例えば電気信号または光信号をトリガーすることにより入射粒子を検出するよう構成し、この信号を粒子が入射する際に処理することができる。粒子ビームが電子ビームである場合、検出器５３は電子検出器とする。
【００５０】
検出系１３は、第１グループの粒子のみが検出器５３に入射するよう構成し、したがって、この検出系は、第１グループの粒子のみを選択的に検出するよう構成する。この目的のため、開口プレート５５は、レンズ５１の焦点面５４またはレンズ５１の焦点面に共役な平面に設ける。開口プレート５５は、半径方向内側周端縁５６と半径方向外側周端縁５７とにより画定されるリング状の開口を有する。開口プレート５５は、開口プレート２５に関して図２につき上述したのと類似する構成を持つものとしても良い。開口プレート５５におけるリング状の開口の内側周端縁５６および外側周端縁５７は、第１グループの粒子のみがリング状の開口を通過して検出器５３に入射するような寸法および配置にする。サンプル１１を通過した、第２グループの第１サブグループの粒子は、光軸１９から、リング状の開口内側周端縁５６の半径よりも小さい距離で開口プレート５４に入射し、そのため開口プレートに吸収される。同様に、サンプルを通過した、第２グループの第２サブグループの粒子は、光軸１９から、リング状開口の外側周端縁５７の半径よりも大きい距離で開口プレート５５に入射し、そのため、これらの粒子もまた開口プレート５５に吸収される。
【００５１】
上述のとおり、検出系１３は、サンプルに入射し、リング状円錐形の粒子ビームのうち、１つのグループの粒子のみを選択的に検出するよう構成する。この場合、図１に示す実施形態における検出器５３により検出されるのは、粒子の第１グループである。このため、この検出系は、サンプルにて散乱しなかった、またはサンプルによって小さい散乱角度で散乱した粒子のみを検出するよう構成する。したがって、検出器５３の検出信号から生成したサンプルの顕微鏡画像は、明視野像と称することができる。
【００５２】
このような画像を記録するためには、ビームが対象物領域９で合焦されるロケーション７を、対象物領域に対して相対的に変位させ、異なる変位位置と関連付けた多くの検出信号を記録すると有利である。この目的のため、照明系３は、光軸１９に沿って互いに離間させて配置した２個の偏向子６３および６５を有する偏向系６１を備える。粒子ビームの粒子が電子である、上述の実施形態において、顕微鏡１の偏向子６３，６５、ならびに他の全ての偏向子は、静電気偏向子、磁気偏向子、またはこれら静電気偏向子および磁気偏向子の組合せとすることができる。
【００５３】
上述した例において、偏向子６３は、平面２３に配置し、ビーム５を偏向させる。また、平面２３は、レンズ４１により対象物平面８に結像される平面である。他の実施形態によれば、偏向子は、平面２３とは異なる平面に配置することもできる。図１に偏向ビームの一例を破線で示し、同じ参照符号の実線で示すのは、偏向されていないビームである。ここで偏向ビームの参照符号にはアポストロフィを付して示す。偏向子６３を付勢することで、主ビーム方向が光軸１９に対して角度αに指向するようビームを偏向させることができる。偏向されたビームは、そのリング状の断面を維持し、偏向子６３によって変化しない。偏向されたビームは、外側円錐エンベロープ表面３５′および内側円錐エンベロープ表面３７′によって画定される。
【００５４】
偏向子６５は、偏向子６３の偏向方向と反対方向にビームを偏向させ、偏向されたビームが、レンズ４１のフロント焦点面６７を、偏向されないビームと同一のリング状断面で通過するようにする。結果として、偏向されたビーム３５′，３７′は対象物平面８上でロケーション７′に合焦され、このロケーション７′は、偏向されないビームが合焦するロケーション７から離間して位置する。偏向子６３および６５を操作することで、ビームが合焦されるサンプル内のロケーション７を、光軸に対して横方向に変位させることができる。偏向子６３および６５を操作することによるロケーション７の変位は、対象物領域を系統的に走査することにより行うことができ、例えば、平面８におけるＸ方向をメイン走査方向とし、Ｘ方向に直交するＹ方向をサブ走査方向とする。
【００５５】
さらに、粒子用光学レンズ４１のパワー（屈折力）を変化させて、粒子ビームが対象物領域９内で合焦されるロケーション７を、光軸１９に平行な方向に変化させることもできる。したがって、偏向系６１を操作し、またレンズ４１の屈折力を変化させることで、対象物領域９の体積を系統的に走査（スキャン）することができ、ここでは、例えば、光軸９に沿う方向は、走査プロセスのＺ方向またはサブ−サブ走査方向を表す。検出器５３が生成する検出信号は、サンプル１１の走査された領域の記録した粒子光学画像の立体画素またはボクセルを表す画像信号に変換することができる。
【００５６】
図３は、図１および図２につき説明した粒子ビーム顕微鏡に類似した構成を有する粒子ビーム顕微鏡の、構成部材およびビーム経路を示す線的説明図である。図１および図２に示す顕微鏡に対する粒子ビーム顕微鏡１ａの主な相違点は、検出系１３ａに、図１に示す粒子ビーム顕微鏡の開口プレート５５とは異なる機能を有する開口プレート１０１を設けた点である。図４に示すのは、開口プレート１０１の線的正面図である。開口プレート１０１は、粒子ビーム顕微鏡１ａの光軸１９ａに対して半径方向距離に互いに離間するように配置した２個の開口１０５および１０７を有するプレート１０３を備える。半径方向内方の開口１０７は、光軸１９ａから距離ｒ１に位置する外側周端縁１０６に画定される円形開口である。開口１０５は、光軸１９ａから、距離ｒ１より大きい距離ｒ２に位置する内側周端縁１０９と、光軸１９ａから、ｒ２よりも大きい距離ｒ３に位置する外側周端縁１０７と、により画定されるリング状の開口である。プレート１０３は、開口１０７の外側周端縁１０６と、開口１０５の内側周端縁１０９との間に延在するリング１１１を生じ、このリング１１１は、プレート１０３のリンク３１ａにより担持する。
【００５７】
開口プレート１０１は、顕微鏡１ａのビーム経路において、対象物領域９ａの下領域で、レンズ５１ａの焦点面５４ａに配置し、実質的に散乱せずに対象物領域９ａを通過した第１グループの粒子が、リング１１１に入射してプレート１０３に吸収されるような寸法の開口１０５および１０７を有する。対象物領域９ａにおいて散乱プロセスを受け、散乱限界角度より大きい散乱角度で散乱した第２グループの粒子のみが、開口プレート１０１を、開口１０５および１０７のいずれかを通じて通過する。光軸１９ａに向かって散乱した、第２グループの第１サブグループの粒子は、開口プレート１０１を、開口１０７を経て通過し、光軸から離れる方向に散乱した、第２グループの第２サブグループの粒子は、開口プレート１０１を、開口１０５を経て通過する。開口プレート１０１を通過した第２グループの粒子を検出するための検出器１１３は、ビーム経路において開口プレート１０１の下流域に配置する。検出器１１３の検出信号から生成された粒子光学画像は、サンプル１１ａにおいて有意な散乱を受ける粒子による検出事象から生成されているため、暗視野像と称することができる。
【００５８】
さらに他の実施形態における粒子ビーム顕微鏡１ｂを図５に示す。粒子ビーム顕微鏡１ｂは、図１〜４につき説明した粒子ビーム顕微鏡に類似の構成を有するが、その検出系１３ｂの構成および機能において、主に相違する。検出系１３ｂは、ビーム経路において、対象物領域９ｂの下流域に配置し、第１グループの粒子を検出するよう構成した検出器５３ｂを備える。検出系１３ｂは、さらに、ビーム経路において検出器５３ｂの下流域に配置し、第２グループの粒子を検出するよう構成した第２検出器１１１ｂを備える。検出系１３ｂは、さらに、画像平面８ｂがレンズ５１ｂによって結像される平面１３２に配置した開口プレート１６３を備える。開口プレート１６３は、第２グループの第２サブグループの粒子が、開口プレート１６３によって吸収されるとともに、第２グループの第１サブグループの粒子が開口１６５を通過するような寸法の中心開口１６５を有する。このようにして、検出器１１１ｂは、第２グループの第１サブグループの粒子を検出する。
【００５９】
開口５５ｂおよび検出器５３ｂの正面図を図６に示す。検出器５３ｂは、リング状の検出面１２１を備え、この検出面１２１は、その半径方向において、光軸１９ｂから距離ｒ１に位置する、中央開口１２５の外側周端縁１２３によって画定する。第２グループの第１サブグループの粒子は、検出器５３をその開口１２５から通過して、検出器１１１ｂに入射することができる。
【００６０】
ビーム経路において検出器５３ｂの上方に配置した開口プレート５５ｂは、光軸１９ｂから距離ｒ２に位置する外側周端縁５７ｂによって画定される中心開口を有するプレート２６ｂを備える。第２グループの第２サブグループの粒子は、全てプレート２６ｂに入射し、プレート２６ｂに吸収される一方で、第１グループの粒子は、開口プレート５５ｂを、その開口５７ｂから通過し、検出器５３ｂの検出面１２１に入射して、この検出器５３ｂによって検出することができる。
【００６１】
このようにして、粒子ビーム顕微鏡１ｂは、検出器５３ｂの検出信号から明視野画像を生成し、検出器１１１ｂの検出信号から暗視野像を生成するよう構成する。
【００６２】
図７に示すのは、さらに他の実施形態における粒子ビーム顕微鏡１ｃであって、図１〜６につき説明した粒子顕微鏡と類似点を有するが、これらの顕微鏡とは検出系１３ｃの構成および機能において異なる。
【００６３】
検出系１３ｃは、第１グループの粒子を検出するように構成した検出器５３ｃと、第２グループの第１サブグループの粒子を検出するよう構成した検出器１１１ｃ１と、第２グループの第２サブグループの粒子を検出するように構成した検出器１１１ｃ２とを備える。
【００６４】
主平面５２ｃを有する粒子用光学レンズ５１ｃはビーム経路において対物領域９ｃの下流域に配置し、レンズ５１ｃの対象物平面８ｃが対象物領域９ｃに位置するよう配置する。検出器１１１ｃ２はビーム経路においてレンズ５１ｃの下方に配置し、検出器１１１ｃ２の検出面１１２ｃが、レンズ５１ｃの後側焦点面５４ｃに位置するよう配置する。検出器１１１ｃ２は中心開口を備え、検出面１１２ｃが中心開口の外側周端縁１０７ｃによって画定されるようにする。開口の外側周端縁１０７ｃは、第２グループの第２サブグループの粒子のみが、検出面１１２ｃに入射して検出器１１１ｃ２によって検出されるような寸法を有する。検出器１１１ｃ２は、サンプル１１ｃを通過する間に、光軸から離れる方向に散乱した粒子を検出する。他の粒子は、検出器１１１ｃ２の開口および第２粒子用光学レンズ１３１を通過する。レンズ１３１は、対象物平面８ｃが、粒子用光学レンズ１３１の主平面１３２に結像されるように配置した主平面１３２を有する。レンズ１３１は、レンズ５１ｃの後側焦点面５４ｃを平面１３３に結像し、一方で、検出器５３ｃの検出面もまた、画像平面１３３に位置する。検出器５３ｃは中心開口を有し、検出器５３ｃの検出面はその中心開口の外側周端縁１２３ｃによって画定し、中心開口の寸法は、第１グループの粒子が、検出器５３ｃの検出面に入射するように決める。第２グループの第２サブグループの粒子は、検出器５３ｃを、その中心開口を経て通過し、検出器１１１ｃ１に入射して検出される。
【００６５】
図７中の破線はリング円錐状ビームのビーム経路を示し、このビームは、対象物平面８ｃにおいて、光軸９ｃからある距離に位置するロケーション７ｃ′に合焦される。合焦ロケーション７ｃの位置を光軸１９ｃから変位するのは、対象物平面８ｃの上流域に配置した、図示しない偏向系により行う。図７中、破線で示すビーム経路は、粒子用光学レンズ１３１の機能を示す。レンズの機能により、入射ビームが合焦するロケーション７ｃに関わりなく、ほとんど散乱せずにサンプルを通過した第１グループの粒子を検出することができる。同様に、検出器１１１ｃ１は、対象物平面８ｃで入射ビームが合焦するロケーション７ｃ′に関わりなく、第２グループの第１サブグループの粒子も検出する。
【００６６】
図７に示す実施形態の粒子ビーム顕微鏡によれば、検出器５３ｃおよび１１１ｃ１を、異なる２つの平面にではなく、同じ平面に配置することが可能である。検出器５３ｃおよび１１１ｃ１が配置される同じ平面は、この場合、レンズ５１ｃの後側焦点面５４ｃが、レンズ１３１により結像される図７中の平面１３３とすることができる。このような検出器５３ｃおよび１１１ｃ１の構成は、セグメント化したリング部分を有するセグメント化した検出器により達成でき、このとき、検出器の中央部分を検出器１１１ｃ１とし、検出器の外側リング部分を検出器５３ｃとする。同様に、平面１３３に検出素子またはピクセルの二次元アレイを有する検出器を設けることも可能であり、この場合、中央グループのピクセルの検出信号を組み合わせて、検出器１１１ｃ１の検出信号に対応する検出信号を供給し、外側リング状のグループにおけるピクセルの検出信号を組み合わせて、検出器５３ｃの検出信号に対応する検出信号を供給する。
【００６７】
図８に示すのはさらに他の実施形態における粒子ビーム顕微鏡１ｄの一部分の線的説明図である。粒子ビーム顕微鏡１ｄは、透過型電子顕微鏡であり、照明系３ｄが、サンプル１１ｄを配置できる対象物平面８ｄの拡張した領域を照らす。平面８ｄの照らされた領域は、開口プレート２５ｄにより画定し、この開口プレート２５ｄは、粒子用光学レンズ４１ｄによって対象物平面８ｄに結像される平面２３ｄに配置する。開口プレート１４１は、レンズ４１ｄの前側焦点面６７ｄに配置する。開口プレート１４１は、内側周端縁１４７および外側周端縁１４５により画定されるリング状の開口４３ｄを有する。リング状の開口４３ｄは、図８に示す例示的なロケーション７ｄおよび７ｄ′の双方が、開口プレート１４１により形成されたリング円錐形状の粒子ビームにより照らされるという効果を有し、この場合、ロケーション７ｄおよびロケーション７ｄ′に入射するビームは、同一の内側頂角および同一の外側頂角を有し、また、内側頂角は内側周端縁１４７により規定され、外側頂角は外側周端縁１４５により規定される。
【００６８】
ビーム経路において対象物平面８ｄの下流域に配置した検出系１３ｄは、対象物平面８ｄを画像平面１００ｄに結像するための、主平面５２ｄを有する粒子用光学レンズ５１ｄを備える。検出器５３ｄは、画像平面１００ｄに配置する。対象物平面８ｄにおいて互いに離間するロケーション７ｄおよび７ｄ′は、それぞれ画像平面１００ｄのロケーション１０ｄおよび１０ｄ′に結像されて、サンプル１１ｄの空間的に解像された画像を、位置検出器５３ｄで検出することができる。
【００６９】
開口プレート１０１ｄは、レンズ５１ｄの後側焦点面５４ｄに配置する。図９に示すのは開口プレート１０１ｄの正面図である。リング状の開口１０７ｄの外側周端縁１０６は、サンプル１１ｄを、ほとんど散乱せずに通過する粒子が、開口１０７ｄを通過できるような寸法を有する。これら粒子の軌道は、図８中の線４１ｄの半径方向内方、かつ、図８中の線４３ｄの半径方向外方に延在する。開口プレート１０１ｄの外側周端縁１０６および内側周端縁１５１は、さらに、散乱しなかった粒子４１ｄ，４３ｄとは別に、サンプル１１ｄにて有意な散乱角度で散乱した粒子も、開口１０７を通過し得るよう構成する。これら粒子の軌道は、図８中の線４１ｄ′で示し、開口１０７ｄの外側周端縁１０６によって画定される外側円錐表面の半径方向内側にて延在し、図８中の線４３ｄ′で示した、リング状の開口１０７ｄの内側周端縁１５１に画定される内側円錐表面の半径方向外方に位置する。
【００７０】
検出器５３ｄの検出信号は、ほとんど散乱せずにサンプル１１ｄを通過した粒子、または、散乱限界角度よりも小さい角度で散乱した、サンプル１１ｄを通過した粒子を示す。このような検出信号で生成した画像は、比較的大きいコントラストを有する。このコントラストは、位相変化素子１５２をリング状の開口１０７ｄの内に設けることでさらに改善される。位相変化素子１５２は、ほとんど散乱せずにサンプル１１ｄを通過した粒子の位相を、サンプル１１ｄにて一定の角度で散乱した粒子に対して相対的にシフトさせる。位相変化に適した位相変化素子の実施形態例は、例えば、参照として本明細書に付記する米国特許出願公開第２００３／０１３２３８３号に開示されている。
【００７１】
図１０に示すのは、さらに他の粒子ビーム顕微鏡１ｅにおける一部の線的説明図である。粒子ビーム顕微鏡１ｅは、図１〜９ににつき説明した顕微鏡と類似した構成を有する。また、粒子ビーム顕微鏡１ｅは、リング状の断面を有する粒子ビームを、サンプル１１ｅのロケーション７ｅにて合焦させるよう構成した照明系（図１０には示さない）を備える。サンプル１１ｅで散乱した、またはほとんど散乱せずにサンプル１１ｅを通過する粒子を、粒子用光学レンズ５１ｅによって、平面１３２ｅにて合焦させる。小さい開口を有する開口１６３ｅは、平面１３２ｅに配置する。開口プレート１６３ｅは、合焦した領域７ｅの外側でサンプルにおいて散乱した粒子を吸収する。したがって、開口プレート１６３ｅは、焦点領域７ｅからの粒子のみが開口１６５ｅを通過させることができる。開口プレート１６３ｅを通過する粒子は、その後、検出することができる。
【００７２】
走査補償（デスキャン）系１６７を、ビーム経路において、レンズ５１ｅと平面１３２ｅとの間に配置する。この走査補償系１６７は、ビーム経路に沿って２個の互いに離間する偏向素子１６９および１７１を備え、これらは、平面８ｅ上でロケーション７ｅを変位させるのに用いられる照明系の走査系（図１０に示さない）と同時に付勢する。照明系の走査系は、図１につき説明したのと同じ構成を備えるものとすることができる。走査補償系１６７を使用して、合焦したロケーション７ｅの走査を平面８ｅで補償して、合焦したロケーション７ｅが、走査系による、合焦ロケーション７ｅの走査位置に関わりなく、開口プレート６３ｅの開口１６５ｅに結像されるようにする。
【００７３】
１個または複数の粒子用光学レンズを備える投射系１７１は、顕微鏡１ｅのビーム経路において、開口プレート１６３ｅの下流域に配置する。投射系１７１は、レンズ５１ｅの後側焦点面５４ｅをエネルギー損失スペクトロメータ（分光計）１７９の入射面１７３に結像する。リング状の開口１７７を有する開口プレート１７５は、平面１７３に配置する。リング状の開口１７７の位置決めおよび寸法決めは、ほとんど散乱せずにサンプル１１ｅを通過した、またはサンプル１１ｅにおいて、散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱した粒子が通過できるように行う。これら粒子は、開口プレート１７５の下流域で検出し、やはり明視野画像信号と称することができる画像信号に寄与する。
【００７４】
図１０に示す、粒子ビーム顕微鏡１ｅの例示的実施形態によれば、開口プレート１７５は、リング状の開口１７７を有する粒子検出器の機能を達成するように構成することができる。ほとんど散乱せずにサンプル１１ｅを通過した、またはサンプル１１ｅにおいて散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱した粒子は、検出器のリング状の開口１７７を通過し、エネルギー損失スペクトロメータ１７９を通過した後に検出器５３ｅで検出される。サンプルにおいて散乱リミット角度よりも大きい散乱角度で散乱した粒子は、平面１７３に配置した検出器の検出面に入射し、暗視野信号と称することができる画像信号に寄与する。
【００７５】
図１０に示す、粒子ビーム顕微鏡１ｅのさらに他の実施形態によれば、検出器を平面５４ｅに配置することも可能であり、この場合、この検出器は中心開口を有し、ほとんど散乱せずにサンプル１１ｅを通過した、または光軸１９ｃに向かって散乱した粒子がこの中心開口を通過することで、この検出器は、サンプル１１ｅを通過する際に光軸１９ｅから離れる方向に散乱した粒子を検出することができる。平面５４ｅに配置するこのような検出器の構成例は、図６中、検出器１１１ｃ２として示す。平面５４ｅに配置される検出器の利点は、図１０に示す実施形態と比べると、開口プレート１６３の開口１６５の径を縮小することができる点にある。開口１６５ｅの径を縮小することで、開口の下流域における粒子検出の選択性が向上するという利点が得られる。さらに、中心円形検出面を有する検出器は、平面１７３に配置することができ、この場合、このような検出面の外側周端縁は、開口プレート１７５の開口１７７における半径方向内方の端縁となる。この検出器は、サンプル１１ｅで光軸１９ｅに向かって、散乱限界角度より大きく散乱した粒子を有する第２グループの第１サブグループの粒子を検出する。
【００７６】
図１０に示す粒子ビーム顕微鏡１ｅの平面１７３におけるリング状の開口１７７を通過した粒子は、平面１７３の下流域に配置したエネルギー損失スペクトロメータ１７９を通過し、またエネルギー損失スペクトロメータ１７９の出力平面１８３に配置した検出器５３ｅに入射する。エネルギー損失スペクトロメータ１７９の分散に起因して、平面１８３において、ラインフォーカス（線状焦点）が形成される。換言すると、異なる運動エネルギーを有する粒子は、検出器５３ｅ上のラインフォーカスにおける異なるロケーションに入射する。検出器５３ｅは、サンプル１１ｅを通過した粒子のエネルギー損失スペクトラムを検出する位置検出器とする。この場合、ラインフォーカスが形成される平面１８３を、このとき検出器５３ｅを位置決めする後続の平面に結像するための、さらに他の結像系を使うことができる。このような結像は、検出のエネルギー分解能を向上させるために拡大結像とすることができる。
【００７７】
図１０に示す粒子ビーム顕微鏡１ｅの一実施形態によれば、スリット状の開口を有する開口プレートを平面１８３に配置することも可能であり、この場合、サンプル１１ｅで非弾性散乱プロセスを受けた粒子がプレートに吸収され、サンプルで弾性散乱を受けた粒子が、開口を通過して、後続の検出器により検出することができる。このような検出器は、弾性明視野信号と称することができる検出信号を生成する。
【００７８】
図１１に示すのは、図１〜１０につき説明した粒子ビーム顕微鏡と類似した構成および機能を有する粒子ビーム顕微鏡１ｆの線的説明図である。また、粒子ビーム顕微鏡１ｆは、リング状の断面を有する粒子ビームをサンプル１１ｆのロケーション７ｆに合焦させるように構成した照明系３ｆを有する。しかしながら、粒子ビーム顕微鏡１ｆは、ロケーション７ｆに合焦されたビームの主ビーム方向１７１を、粒子ビーム顕微鏡１ｆの光軸１９ｆに対して傾けるように構成する。この目的のため、照明系３ｆには、粒子源１５ｆ、集光レンズ２１ｆ、および集光レンズ２１ｆの下流域に配置した、リング状の開口２７ｆを有する開口プレート２５ｆを備え、この場合、この開口プレート２５ｆは、リング状の断面を有し、平面２３ｆに合焦されるビームのみが通過することができる。
【００７９】
粒子用光学レンズ４１ｆは、平面２３ｆを、ロケーション７ｆがサンプル１１ｆ内に位置する対象物平面８ｆに結像する。２個の偏向子６３ｆおよび６５ｆは、ビーム経路において、開口プレート２５ｆとレンズ４１ｆとの間に配置する。偏向子６３ｆおよび６５ｆは、ビームが合焦するロケーション７ｆを平面８ｆ内で変位できるよう、また、主ビーム方向１７１を、電子ビーム顕微鏡１ｆの光軸１９ｆに対して相対的に傾けることができるように構成し、コントローラにより付勢するよう構成する。このようにして、主ビーム方向１７１の異なる傾き角度における、サンプル１１ｆの粒子顕微鏡画像を得ることが可能である。主ビーム方向をこのように傾けることで、以下のような利点が達成される。
【００８０】
図１１には、対象物平面８ｆの外側に配置し、粒子ビームの粒子を高い吸収率で吸収する例示的な構造を参照符号１７３で示す。サンプル１１ｆ内に埋設した構造１７３は、リング円錐形であって、その主ビーム方向１７１が光軸１９ｆに平行に指向する粒子ビームの内に位置することは明らかである。しかしながら、図１１に示す状況において、主ビーム方向１７１は光軸１９ｆに相対的に傾けられているため、吸収構造１７３は、リング状の粒子ビームの外側に位置しており、ビームが合焦するロケーション７ｆに対応する検出信号を妨害しない。このため、サンプル１１ｆにて同じロケーション７ｆと関連付けられているが、主ビーム方向の１７１傾きによって変化する、検出される粒子の強度の違いを検出することが可能である。このような違いに基づいて、サンプル１１ｆ内ではあるが対象物平面８ｆの外側に位置する粒子１７３に起因する検出信号の外乱を除去することが可能である。
【００８１】
粒子ビーム顕微鏡１ｆの検出系１３ｆは、対物レンズ５１ｆを備え、対象物平面８ｆを画像平面１３２ｆに結像し、これはさらに、粒子用光学レンズ１８１によって画像平面１８２に結像される。第１グループの粒子を検出するための検出器５３ｆ、および第２グループの粒子を検出するための検出器１１１ｆを、ビーム経路において、レンズ１８１の下流域に配置する。偏向子１８４は、画像平面１３２ｆに配置し、光軸１９ｆに対し相対的に傾けられたビームを偏向して、偏向子１８４ｆの下流域において、再び粒子ビーム顕微鏡１ｆの光軸１９ｆに平行になるようにする。コントローラは、偏向子１８４を、照明系３ｆが備える偏向系６１ｆの偏向子６３ｆおよび６５ｆに同期させて付勢するよう構成し、これにより、偏向系６１ｆにより生ずる、サンプル１１ｆに入射するビームの主ビーム方向の傾きが、サンプル１１ｆの下流域、かつ、検出器５３ｆおよび１１１ｆ、またはサンプル１１ｆを通過した粒子を検出するために使用することのできる他のいかなる検出器の上流域に配置した偏向子１８によって補償する。
【００８２】
図１〜１１に示すのは、サンプルに指向させられた照射ビームがリング状の断面を有する粒子ビーム顕微鏡の例であり、このような照射ビームは、リング状の開口を有する開口プレートを用いて生成する。以下、図１２につき、リング状の断面を有するビームを生成するためのさらに他の選択肢を説明する。この選択肢は、本願明細書にて開示する電子ビーム顕微鏡の全ての実施例において使用することができる。図１２に示す照明系３ｇは、粒子ビーム１７ｇを発する粒子源１５ｇを備え、この粒子ビーム１７ｇは、レンズ２１ｇにより合焦される。レンズ２１ｇは、図１２から見て取れるように、比較的高い球面収差を有し、平面２０１を光軸１９ｇから異なる距離で通過する粒子の例示的な軌道２０３ｇは、光軸と、その光軸１９ｇ上の異なる位置２０５で交差する。円形開口２０９を有する開口プレート２０７を、平面２０１に配置し、開口２０４を有する開口プレート２１３を、平面２０１の下流域において平面２１１に配置する。開口プレート２１３の開口２０４は、軌道２０３の一部のみを通過させることができる。開口２０４を通過できるこれらの軌道は、開口プレート２１３の下流域においてリング状のビームを形成し、このリング状のビームは、合焦レンズ４１ｇにより、サンプル内のロケーション７ｇに合焦することができる。開口プレート２１３の開口２０４の径は、例えば１０μｍ程度の小さい直径とすることができ、光軸１９ｇに対して精密に調整しなければならない。
【００８３】
図１３に示すのは、粒子ビーム顕微鏡１ｈの詳細を表した線的説明図であり、この粒子ビーム顕微鏡１ｈは、リング状の断面を有する粒子ビームをサンプル１１ｈのロケーション７ｈに合焦させるよう構成した照明系を備える。ロケーション７ｈに合焦されるビームは、円錐形の内側エンベロープ表面３７ｈと円錐形の外側エンベロープ表面３５ｈとを有する。粒子用光学レンズ５１ｈは、ビーム経路においてサンプル１１ｈの下流域に配置し、リング状の開口を有する開口プレート１０１を配置する後側焦平面５４ｈを備える。リング状の開口は、半径方向内側端縁１５１ｈ、および半径方向外側端縁１０６ｈにより画定される。合焦ロケーション７ｈにおいて散乱しなかった、または合焦ロケーション７ｈにおいて散乱限界角度よりも小さい散乱角度で散乱した粒子は、開口プレート１０１ｈのリング状の開口を経て通過できる。これら粒子は、ビーム経路において開口プレート１０１ｈの下流域に配置した検出器５３ｈにより検出する。
【００８４】
図１３には、サンプル１１ｈの、合焦ロケーション７ｈから離れて位置するロケーション７ｈ′において散乱した粒子の、２通りの例示的軌道１５６を示す。しかしながら、ロケーション７ｈ′は、リング状の合焦した入射ビームの中に位置する、すなわち、ロケーション７ｈ′は、エンベロープ表面３７ｈおよび３５ｈの間に位置する。このため、入射粒子は、ロケーション７ｈ′で散乱し、例示的に示した軌道１５６に沿って伝播することができる。これら粒子は、開口プレート１０１ｈに入射し、開口プレート１０１ｈに吸収され、典型的には開口プレート１０１ｈをそのリング状の開口を経て通過することはできない。合焦ロケーション７ｈから離れて散乱した入射粒子の大多数は、検出器５３ｈに到達することはなく、したがって、検出器５３ｈに記録される検出信号に寄与することはない。レンズ５１ｈの後側焦点面５４ｈに位置するリング状の開口は、合焦ロケーション７ｈからある距離離れて散乱した粒子に起因して生じ得る攪乱信号を低減するのに適している。
【００８５】
図１３からさらに見て取れるように、合焦ロケーション７ｈの右側に位置するロケーション７ｈ′における散乱構造は、ビームの粒子を散乱させて、これらが開口プレート１０１ｈにおいて光軸１９ｈの左側に入射するようにする。光軸１９からある距離離れて位置する散乱構造において散乱するビームの粒子は、開口プレート１０１ｈに対して光軸１９ｈの周囲に一様でない強度分布となって入射する。図７に示す実施形態によれば、検出器、例えば図７中の検出器１１１ｃ２は、光軸１９ｈの周囲に分布させた、複数の検出素子を備える。このような検出器は、一様でない強度分布を検出するために、後側焦点面５４ｈに配置することができる。このような検出器は、合焦ロケーション７ｈから離れたロケーションにおいて散乱したビームの粒子を検出するのに使用することができる。他方、合焦ロケーション７ｈにおいて散乱した粒子もまた検出器に入射する。しかし、これら粒子は、光軸１９ｈの周囲において、一様な強度分布を生成する。上記の、光軸１９ｈ周りに分布させた複数の検出セグメントを備え、後側焦点面５４ｈに配置し、セグメント化した検出器を用いることで、合焦ロケーション７ｈから離れて位置する散乱構造に起因する散乱事象を、合焦ロケーション７ｈに位置する構造に起因する散乱事象から識別することができる。
【００８６】
図１４は、さらに他の実施形態における粒子ビーム顕微鏡１ｉの線的説明図である。顕微鏡は、リング状の断面を有し、サンプル１１ｉのロケーション７ｉで合焦する粒子ビームを生成する照明系３ｉを備える。粒子ビーム顕微鏡１ｉは、図１〜１３につき説明した粒子ビーム顕微鏡とは以下の点で異なる、すなわち、検出系１３ｉが、少なくとも１個の検出器を備え、この検出器をサンプルの下流域に配置し、サンプル１１ｉと少なくとも１個の検出器との間に粒子用光学レンズを設けていない、という点において相違する。照明系３ｉは、１個の偏向子または２個の偏向子６３ｉ，６５ｉ、もしくはさらに多くの偏向子を有する偏向系６１ｆを備え、サンプル１１ｉにおいてビームが合焦するロケーション７ｉを、顕微鏡１ｉの光軸１９ｉに通過する方向に変位させるよう構成する。図１４中の破線は、ビームが光軸１９ｉから離れたロケーション７ｉ′で合焦する例示的状況におけるビーム経路である。開口プレートの内側周端縁５７ｉに画定される円形開口を有する開口プレート５５ｉを、ビーム経路において、サンプル１１ｉの下流域に配置する。円形開口の直径は、ほとんど散乱せずにサンプル１１ｉを通過した粒子が、開口プレート５５ｉに入射するように選択する。これら粒子は、開口５５ｉを通過することはできない。同様に、サンプルで光軸１９ｉから離れる方向に散乱した粒子も、開口プレート５５ｉを通過することができない。他方、サンプル１１ｉにて大きな散乱角度で光軸１９ｉに向かって散乱した粒子は、開口プレート５５ｉを、その円形開口を経て通過することができ、検出器１１３ｉに入射する。このため、検出器１１３ｉで、暗視野信号を検出することが可能である。
【００８７】
上述の、リング状の断面を有する合焦した粒子ビームを生成するための選択肢には、ビームを、常に、粒子がビームのリング状の全断面内に存在するように生成することがある。しかしまた、小さい全断面を有するビームを順次に偏向する、すなわち、偏向子を用いて順次に走査し、リング状の断面を有するビームに対応する全ての方向に偏向させることで、リング状の断面を有するビームの効果を達成することもすることも可能である。断面が小さいビームは、異なる方向から異なる時点に合焦ロケーションに入射する。このような走査されたビームの粒子から検出される検出信号は、角度走査を行うのに必要な持続時間にわたり平均をとることができ、平均化した検出信号が、入射ビームが完全リング状の断面を有する上述の例における検出器により生成される検出信号に対応するようになる。このような、リング状の断面を有するビームの生成は、入射ビームの大部分を吸収するリング状の開口が必要でなく、また、粒子ビーム源の生成する粒子の大部分がサンプルに入射するのに用いられ得るという点で、上述の例よりも利点がある。
【００８８】
上述の例において、さらに、円錐合焦ビームの頂角を変化させ、ビームの異なる頂角における測定結果を記録することが可能である。このような測定結果のそれぞれが、サンプルの、ビームが合焦するロケーションから離れたロケーションにて散乱した入射粒子に起因する信号成分を含む。したがって、信号成分は、頂角に従って変化する。他方、合焦ロケーションにおいて散乱した粒子に由来する信号成分は、全ての測定結果において同じ強度で存在する。このため、頂角を変化させることを使用して、合焦ロケーションから離れたロケーションでの散乱イベントに起因する攪乱信号を除去することができる。
【００８９】
同様に、図１１につき上述したのと同じ目的で、入射ビームの主ビーム方向を変化させることもできる。この場合、やはり、主ビーム方向を変えて複数の測定を行うことができ、このような測定結果の比較を使用して、合焦ロケーションから離れたロケーションにおける散乱事象に起因する攪乱信号を除去することができる。したがって、このような主ビーム方向や頂角の変化から得られる粒子顕微鏡画像は、高い画像コントラストを有する。
【００９０】
上述の例において、対象物領域は、リング状の断面を有する粒子ビームで照射する。このようなビームの円錐内側エンベロープの頂角は、その値を例えば、３０ｍｒａｄ、６０ｍｒａｄ、および９０ｍｒａｄとする。
【００９１】
ビームの、円錐内側エンベロープの頂角と、円錐外側エンベロープの頂角との角度差は、例えば、０.１ｍｒａｄ、０.５ｍｒａｄとすることができ、また他の値にすることもできる。このような、リング状の断面を有する粒子ビームを用いることで、比較的小さい寸法の焦点領域を得ることが可能となる。
【００９２】
上述の実施形態は粒子用光学レンズを使用して、粒子ビームを対象物領域にて合焦させ、対象物領域から検出器に向かって発射される粒子を方向付け、また、検出器および／または開口を有する開口プレートを配置することのできる結像平面および焦点面を得る。粒子用光学レンズは、静電場、磁場、および請電場と磁場との組合せを生じて、レンズを通過する粒子に合焦レンズパワーを与えるものとすることができる。この場合、上述の実施例において単レンズであり、しばしば楕円形状を有するものとして示す全ての個別レンズは、実施に際しては、複数の個別レンズにより設けることができる。このため、上記の例に示す各レンズは、実施に際しては、複数のレンズで置き換えることも可能である。同様に、上記の例における２つの隣接する各レンズは、実施に際して１つの単レンズとすることもできる。例えば、図１に示す２つのレンズ４１および５１の機能は、適切な構成を有する１つの単レンズによって得ることが良く知られている。
【００９３】
さらに、球面収差および粒子ビームの合焦に際して発生する色収差を低減するために補正レンズ系を使用することも可能である。このようなレンズ系は、国際公開第０２／０６７２８６号パンフレット、欧州特許出願公開第０５３０６４０号明細書、および欧州特許出願公開第０４５１３７０号明細書から既知であり、これら文献を、本明細書に参照用として付記する。
【００９４】
以上、本発明をその特定の実施形態に基づき説明してきたが、当業者には、様々な代替、変更、改変があり得ることは明らかであろう。したがって、本明細書において説明した本発明の例示的実施形態は、説明のためのものであり、いかなる態様にも限定する意図を持つものではない。以下に添付する請求の範囲に規定される本発明の精神と範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
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