(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノクロメータであって  一直線の光軸に揃えて配列され、標準エネルギー及びエネルギー幅を有する荷電粒子ビームを偏向させるための第１の分散ユニット及び第２の分散ユニットと、  前記第１の分散ユニットと前記第２の分散ユニットとの間の中心面にあり、前記一直線の光軸に揃えて配置されたエネルギー制限アパーチャを有するプレートと、  前記ビーム制限アパーチャに前記荷電粒子ビームの実際のクロスオーバーを形成するように、前記荷電粒子ビームが前記第１の分散ユニットに入射する前に前記荷電粒子ビームの焦点を合わせるためのビーム調整素子と、を有し、  前記荷電粒子ビームは、前記光軸に沿って伝搬するとともに、前記第１及び第２の分散ユニットの各分散ユニットを真っ直ぐ通過する標準エネルギーを有する荷電粒子と、前記各分散ユニットによりそれぞれの分散方向に偏向される前記標準エネルギーからのエネルギー偏差を有する荷電粒子とを含み、  前記各分散ユニットにより生成される各荷電粒子の偏向角は、前記各分散ユニットの分散能及び前記各荷電粒子のエネルギー偏差に依存し、  前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記分散方向はそれぞれ等しく、  前記荷電粒子ビームが前記第２の分散ユニットから出射した後、前記第２の分散ユニットから出射した前記荷電粒子ビームにより前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に仮想的なクロスオーバーが形成されるモノクロメータ。
【請求項２】
前記モノクロメータから出射した後の前記荷電粒子ビームの出射エネルギー幅は、前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能と前記ビーム調整素子のフォーカス能力を同時に変化させることにより変更され得る請求項１に記載のモノクロメータ。
【請求項３】
前記ビーム調整素子は円形レンズであり、
前記エネルギー制限アパーチャの形状は円形、長方形、正方形、又は楕円形である請求項１又は２に記載のモノクロメータ。
【請求項４】
前記プレートは、前記第１の分散ユニットの前記分散方向において、異なるサイズを有する複数のエネルギー制限アパーチャを有する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のモノクロメータ。
【請求項５】
前記モノクロメータから出射した後の前記荷電粒子ビームの出射エネルギー幅は、前記プレート上の異なるエネルギー制限アパーチャを用いることにより変更され得る請求項４に記載のモノクロメータ。
【請求項６】
モノクロメータであって、  第１のウィーンフィルタと、該第１のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第１の非点収差補正装置とを含む第１の分散ユニットと、  第２のウィーンフィルタと、該第２のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第２の非点収差補正装置とを含む第２の分散ユニットと、  前記第１及び第２の分散ユニットの間の中心面にあり、エネルギー制限アパーチャを有するプレートと、を有し、  前記第１及び第２の分散ユニットの双方は一直線の光軸に揃えて配置され、  入射荷電粒子ビームは、前記第１及び第２の分散ユニットの各分散ユニットを真っ直ぐ通過する標準エネルギーを有する荷電粒子と、前記各分散ユニットによりそれぞれの分散方向に偏向される前記標準エネルギーからのエネルギー偏差を有する荷電粒子とを含み、  前記各分散ユニットにより生成される各荷電粒子の偏向角は、前記荷電粒子のエネルギー偏差と前記各分散ユニットの分散能に依存し、  前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記分散方向はそれぞれ等しく、  前記エネルギー制限アパーチャは、前記一直線の光軸に揃えて配置され、 前記ビーム制限アパーチャに実際のクロスオーバーを形成するように、前記荷電粒子ビームが前記第１の分散ユニットに入射する前に前記荷電粒子ビームの焦点を合わせるためのビーム調整素子を有し、 前記荷電粒子ビームが前記第２の分散ユニットから出射した後、前記第２の分散ユニットから出射した前記荷電粒子ビームにより前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に仮想的なクロスオーバーが形成されるモノクロメータ。
【請求項７】
前記第１のウィーンフィルタと前記第１の非点収差補正装置は前記光軸に沿って重ね合わされ、
前記第２のウィーンフィルタと前記第２の非点収差補正装置は前記光軸に沿って重ね合わされている請求項６に記載のモノクロメータ。
【請求項８】
前記プレートは、前記第１の分散ユニットの前記分散方向において、異なるサイズを有する複数のエネルギー制限アパーチャを有する請求項６又は７に記載のモノクロメータ。
【請求項９】
電子装置であって、
一直線の光軸に沿って伝搬する一次電子ビームを供給するための電子源と、
前記光軸に揃えて配置された前記一次電子ビームの焦点を合わせるための集束レンズと、
前記光軸に揃えて配置され、二次電子を放射する試料の表面に前記一次電子ビームの焦点を合わせるための対物レンズと、
前記試料を支持するためのステージと、
前記二次電子を受けるための検出器と、
前記電子源と前記対物レンズとの間に位置し、前記一次電子ビームのエネルギー幅を減少させるための請求項１乃至８のいずれか一項に記載のモノクロメータと、を有する電子装置。
【請求項１０】
荷電粒子ビームをフィルタリングするためのモノクロメータであって、  一直線の光軸に揃えて配列され、標準エネルギー及びエネルギー幅を有する荷電粒子ビームを偏向させるための第１の分散ユニット及び第２の分散ユニットと、  前記第１の分散ユニットと前記第２の分散ユニットとの間の中心面にあり、前記一直線の光軸に揃えて配置されたエネルギー制限アパーチャを有するプレートと、を有し、  前記荷電粒子ビームは、前記光軸に沿って伝搬するとともに、前記第１及び第２の分散ユニットの各分散ユニットを真っ直ぐ通過する標準エネルギーを有する荷電粒子と、前記各分散ユニットによりそれぞれの分散方向に偏向される前記標準エネルギーからのエネルギー偏差を有する荷電粒子とを含み、  前記各分散ユニットにより生成される各荷電粒子の偏向角は、前記各分散ユニットの分散能及び前記各荷電粒子のエネルギー偏差に依存し、  前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記分散方向はそれぞれ等しく、  前記荷電粒子ビームの実際のクロスオーバーが前記ビーム制限アパーチャに形成され、前記荷電粒子ビームが前記第２の分散ユニットから出射した後、前記第２の分散ユニットを出射した前記荷電粒子ビームにより前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に仮想的なクロスオーバーが形成されるモノクロメータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム装置に関し、特に、荷電粒子ビームをフィルタリング（選別）して小さなエネルギー幅にするモノクロメータ（単色光分光器）に関する。本発明はまた、そのような装置の使用に適した荷電粒子ビーム装置に関する。しかしながら、本発明が、それよりも遙かに広い適用範囲を有することが認識されるであろう。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、Scanning  Electron  Microscope）の分野や、試料を観察するために電子顕微鏡の原理を用いる関連産業分野、例えば半導体製造における歩留まり管理のための欠陥レビューや欠陥検査のような分野においては、高解像度で試料の像を取得することと照射ダメージ（損傷）が低いことが要求され、追求されてきた。
【０００３】
試料への照射ダメージを低減させる唯一の改善策は、試料表面下への貫通及び試料表面上の残留帯電を抑制する（又は制限する）低エネルギー（又は、典型的にはＳＥＭの分野で低電圧と呼ばれる）の電子ビーム走査（＜５ｋｅＶ）を利用することである。しかしながら、低エネルギー電子ビームは、高エネルギー電子ビームよりも広いプローブスポット（又はプローブ領域）を形成するため、解像度は悪くなるであろう。
【０００４】
試料上のプローブスポットの直径は、撮像系（又は結像系）における電子源のサイズ、球面収差及び色収差、回折及びクーロン効果により定められる。低エネルギー電子ビームに関しては、達成可能な最小のプローブスポットサイズは、その大きいド・ブロイ波長λによる回折ディスク（diffraction  disc）及びその大きい相対エネルギー幅ｄＶ／Ｖ０による色収差により制限される。回折ディスクＤｄ及び色収差Ｄｃの双方は、それぞれ方程式（１．１）及び（１．２）で示される。ここで、ＣＣＡは色収差係数であり、Ｖ０及びｄＶは電子エネルギー及びエネルギー幅であり、αはビーム半角である。明らかに、プローブスポットサイズを減らすためには、色収差係数ＣＣＡを減少させることと同様に、エネルギー幅ｄＶ／Ｖ０を減少させることがもう１つの選択肢となる。
【０００５】
【数１】
0005518128.tif 000002
電子ビームのエネルギー幅は、電子が電子源から発射された時に発生した元々のエネルギー幅と、電子源から目的地に向かう途中で電子間の統計的相互作用により発生して負わされたエネルギー幅によりもたらされる（ベルシュ効果）。電子エネルギー分布は通常、長い尾を有する形状を有し、ビームのエネルギー幅は典型的にはＦＷＨＭ（Full  Width  Half  Maximum、半値全幅）で表現される。低電圧ＳＥＭ（ＬＶＳＥＭ、Low-Voltage  SEM）で広く用いられているショットキーフィールドエミッション電子源に関しては、カソードの段階でのエネルギー幅ｄＶは０．３ｅＶであり、それが銃出口ではビーム電流に応じて０．５−１ｅＶまで増加する。１ｋｅＶのような低エネルギー電子ビームに関し、エネルギー幅の量は、１０ｋｅＶのような高エネルギービームよりもずっと大きい相対エネルギー幅ｄＶ／Ｖ０を意味する。
【０００６】
電子が試料に達する前のエネルギー幅ｄＶを減少させるため、多くの解決策が提案されてきた。これらの解決策においては、磁気及び／又は静電偏向器（例えば、アルファフィルタ、オメガフィルタ及びウィーンフィルタのような）及び静電円形レンズ（例えば、米国特許第７０３４３１５号のような）は、分散素子として採り上げられている。これらの素子は、一般的には電子ビームを偏向する際に偏向分散を発生させる。これら総ての解決策の中で、ウィーンフィルタのみが一直線の光学軸を有し、標準エネルギーを有する電子を光学軸から離れて偏向させない。この特性は、ウィーンフィルタを設けることを容易にし、実際には完全に補正することが困難な軸外収差を発生させず、それ故多くの解決策がウィーンフィルタを基にして提案されている。
【０００７】
図１に示されるような標準的なウィーンフィルタの基本的構成において、Ｘ方向における静電双極子場Ｅ及びＹ方向における磁気双極子場Ｂは、互いに垂直に重畳され、双方とも一直線の光学軸Ｚに対して垂直である。光学軸Ｚに沿って伝搬する電子ビームはウィーンフィルタを通過する。ウィーン条件は、方程式（１．３）に示されるように、Ｚ方向に速度ｖ０で移動する電子にのみ当てはまり、その場合には各々の電子への正味のローレンツ力Ｆはゼロである。速度ｖ０からの偏差δｖを有してＺ方向に移動する電子に関し、標準の電子エネルギーＶ０及びエネルギー偏差δＶで表現している方程式（１．４）又は（１．５）に示されるように、当該電子はＸ方向においてゼロでない正味のローレンツ力を取得してＸ方向に偏向され、それ故Ｚ方向からそらされる。ここで、ｅ及びｍは、それぞれ電子の電荷と質量である。偏向角αは、方程式（１．６）に示されるように、エネルギー偏差δＶと、磁場Ｂ及び標準エネルギーＶ０に関連付けられた偏向力（deflection  power）Ｋとに依存する。よって、ウィーンフィルタは、偏向分散を発生させ、偏向力Ｋは分散強さ（dispersion  strength）を表す。明確性のため、ここでは、偏向力Ｋ及び偏向方向はそれぞれ分散能（dispersion  power）及び分散方向（dispersion  direction）と呼ばれる。この場合、軸外収差は、速度ｖ０を有する電子には発生しない。
【０００８】
【数２】
0005518128.tif 000003
標準エネルギーを有するがＹＯＺ平面において移動しない各々の電子に関し、その電子は静電場からポテンシャルエネルギー変化を取得する。従って、その速度は、方程式（１．７）において示されるように、ウィーンフィルタを通過する際には異なり、方程式（１．８）に示されるように、ゼロではない正味のローレンツ力を取得するであろう。正味のローレンツ力は電子の位置ｘに比例し、それ故、Ｘ方向（分散方向）における集束効果が存在する。分散方向における集束効果は、非点集束を発生させ、同時に軸外電子の偏向角度を減少させる。後者は、分散能の低減を暗示している。
【０００９】
【数３】
0005518128.tif 000004
ウィーンフィルタは、多くの方法において、モノクロメータ又はエネルギーフィルタとして用いられてきており、エネルギーに応じたフィルタリング及びエネルギー角に応じたフィルタリングは２つの典型的な方法である。図２ａに示されるように、エネルギーに応じたフィルタリングにおいては、電子源１からのビーム２は、円形レンズ１０及び／又はウィーンフィルタ１１自身（例えば、米国特許第６４５２１６９号、米国特許第６５８００７３号、米国特許第６９６０７６３号及び米国特許第７５０７９５６号）により焦点が合わされ、エネルギー制限アパーチャ（又は開口）１２上に非点収差を有する像を形成する。エネルギーＶ０を有する電子はサブビーム３を形成し、光軸上に焦点が合わされ、一方で、エネルギーＶ０±δＶを有する電子は、サブビーム４、５を形成し、それぞれ±Ｘ方向へ偏向され、光軸外に焦点が合わされる。結果として、ビーム２の中に、エネルギー偏差が±δＶ以内の総ての電子はアパーチャ１２を通過し、残りは遮断されるであろう。
【００１０】
重要な利点として、エネルギーに応じたフィルタリングは、電子エネルギー分布の長い尾を完全に遮断するであろう。エネルギー分布の長い尾は、画像における背景を生成し、画像コントラストを悪化させる。無視できない不利な点として、エネルギーに応じたフィルタリングがソース（source）サイズを増加させることである。アパーチャ１２上の電子源１の像は、後に続く電子光学系のためのソースとなり、そのサイズは、実際はアパーチャサイズにより定められる。しかしながら、現在の実施可能なアパーチャサイズ（≧１００ｎｍ）は、元々のソース１のサイズよりもずっと大きい（ショットキーフィールドエミッションソースの仮想的なソースは約２０ｎｍである）。更に、アパーチャ１２上の像は、総ての電子のクロスオーバーであり、追加的なエネルギー幅を発生させる電子相互作用を強める。しかしながら、非点収差の像は、電子相互作用の観点からは、無非点収差の像よりもよい。
【００１１】
エネルギーと入射角に応じたフィルタリングにおいては（例えば、米国特許第６４８９６２１号、米国特許第７６７９０５４号及び米国特許第５８３８００４号）、図２ｂに示されるように、電子源１からのビーム２がウィーンフィルタ１１を通過する。エネルギーＶ０を有する電子は一直線に進むサブビーム３を形成し、エネルギーＶ０±δＶを有する電子はそれぞれ、±Ｘ方向にそれぞれ偏向されるであろうサブビーム４、５を形成する。各ビームのエネルギーと入射角制限アパーチャ１２上の位置は、それのエネルギーと、更にウィーンフィルタ１１への入射角とに依存する。従って、アパーチャ１２はエネルギー偏差が±δＶ以内でない総ての電子のみならず、それらのエネルギー偏差が±δＶ以内であっても大きな入射角を有する電子のいくつかも遮蔽する。
【００１２】
エネルギー偏差δＶに関する偏向角αは、エネルギー偏差δＶを有する荷電粒子をきれいに除去するために、少なくとも入射半角βの２倍よりも大きくなければならない。このことは、ウィーンフィルタの分散能が十分強いか、又は入射ビームの発散（又は分岐）が十分に小さいことを要求する。増加するウィーンフィルタの分散能は偏向角を増加させるであろうが、同時に今度は偏向角を減少させるであろう集束効果を高め、偏向角の到達可能な最大値を制限する。入射ビームの発散を抑えるにおいては、ビーム電流を制限するか又は今度はビームのエネルギーの拡がりを増加させる電子相互作用を強めるであろう。別の無視できない不利な点は、元々のソース１が、後に続く電子光学系のために、より大きい仮想的なソース１４から１５までに変更されている点である。
【００１３】
上述の問題点を解決するために、多くの改善方法が提案されてきた。エネルギーと入射角に応じたフィルタリングに関し、１つの方法は、元々のソースをウィーンフィルタの中心上に結像するために円形レンズを用いることである（例えば、米国特許第７４６８５１７号のように）。これは、ソースサイズへのウィーンフィルタ効果を最小にするが、実際のクロスオーバーを追加する。他の方法は、第１のフィーンフィルタの残留効果を補正するために第２のウィーンフィルタを用いることである（例えば、米国特許第６４８９６２１号、米国特許第７６７９０５４号のように）。この方法は、実際のクロスオーバーは生成しないが、後に続く光学系から遠く離れた仮想的なクロスオーバーを生成し、ビームサイズにおける大幅な増加のために大きな収差を受ける。
【００１４】
エネルギーに応じたフィルタリングに関し、第１のウィーンフィルタ１１の残留効果を補正するため、エネルギー制限アパーチャフィルタ１２の後に、１又はそれ以上の追加的なウィーンフィルタ２１を設ける方法（図３ａ及び図３ｂに示されるように）が多くの文献（例えば、米国特許第６９６０７６３号、米国特許第６５８００７３号及び米国特許第７５０７９５６号のような）で提案されている。これらの解決策においては、無非点収差で分散の無いクロスオーバー７、即ち、追加的な実際のクロスオーバーが、エネルギー制限アパーチャ１２における第１の実際の非点収差を有するクロスオーバー６の後に、最後のウィーンフィルタ２１の後に形成されている。これは、電子相互作用の観点からエネルギーフィルタリング後にエネルギー幅を増加させるだけでなく、少なくともモノクロメータの長さ８によるＳＥＭの合計長を長くする。
【００１５】
本発明は、エネルギーに応じたフィルタリングとエネルギーと入射角に応じたフィルタリングにおける問題を解消する解決策を提供するであろう。モノクロメータの後に、入射した荷電粒子ビームの実際の無非点収差のクロスオーバーを形成する代わりに、本発明ではモノクロメータの内部に無非点収差で分散の無い仮想的なクロスオーバーを形成する。それから、本発明は、低電圧ＳＥＭとＬＶＳＥＭに基づく関連装置の撮像分解能を向上させる効果的な方法を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】米国特許第７０３４３１５号公報
【特許文献２】米国特許第６４５２１６９号公報
【特許文献３】米国特許第６５８００７３号公報
【特許文献４】米国特許第６９６０７６３号公報
【特許文献５】米国特許第７５０７９５６号公報
【特許文献６】米国特許第６４８９６２１号公報
【特許文献７】米国特許第７６７９０５４号公報
【特許文献８】米国特許第５８３８００４号公報
【特許文献９】米国特許第７４６８５１７号公報
【発明の概要】
【００１７】
本発明の目的は、荷電粒子ビーム装置において、一次電子ビームのエネルギー幅を低減させるモノクロメータを提供することを目的とする。詳細には、偏向分散及び一直線の光学軸に沿った基礎的な軌道において、エネルギー制限アパーチャに関する二重対称を形成することにより、このモノクロメータが、荷電粒子源から来た入射荷電粒子ビームを低減したエネルギー幅で出射させるとともに、効果的なクロスオーバー直径と伝搬方向を変化させずに維持する。それ故、本発明は、低電圧ＳＥＭや、ＬＶＳＥＭ（低電圧ＳＥＭ）の原理に基づく、半導体歩留まり管理における欠陥検査や欠陥レビューのような関連装置の撮像解像度を改善する効果的な方法を提供する。
【００１８】
従って、本発明は、一直線の光軸に揃えて配置され、標準エネルギー及びエネルギー幅を有する荷電粒子ビームを偏向するための第１の分散ユニット及び第２の分散ユニットと、前記第１及び第２の分散ユニットの間の中心面に配置され、エネルギー制限アパーチャを有するプレートと、前記エネルギー制限アパーチャにおいて前記荷電粒子ビームの実際のクロスオーバーを形成するように、前記荷電粒子ビームが前記第１の分散ユニットに入る前に前記荷電粒子ビームの焦点を合わせるためのビーム調整素子と、を有する。前記荷電粒子ビームは、光軸に沿って伝搬し、各分散ユニットを一直線に通過する標準エネルギーを有する荷電粒子と、分散方向と同じ方向に前記各分散ユニットにより偏向される標準エネルギーからのエネルギー偏差を有する荷電粒子と、を含む。前記各分散ユニットにより生成される各荷電粒子の偏向角は、その分散能と前記各荷電粒子のエネルギー偏差に依存する。前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記分散方向は、それぞれ等しい。エネルギー制限アパーチャは、前記一直線の光軸に揃えて配置されている。前記荷電粒子ビームが前記第２の分散ユニットから出た後に、仮想的なクロスオーバーが前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に形成される。
【００１９】
前記モノクロメータから出た後の前記荷電粒子ビームの出射エネルギー幅は、前記第１及び第２の分散ユニットと前記ビーム調整素子のフォーカス能力（focusing  power）を同時に変化させることにより変更され得る。前記ビーム調整素子は、円形レンズである。前記エネルギー制限アパーチャの形状は円形、長方形、正方形、又は楕円形であり、前記プレートは、前記第１の分散ユニットの前記分散方向において異なるサイズを有する複数のエネルギー制限アパーチャを備え、前記モノクロメータから出た後の前記荷電粒子ビームの前記出射エネルギー幅は、前記プレート上の異なるエネルギー制限アパーチャを用いることにより変更され得る。
【００２０】
本発明はモノクロメータを提供し、該モノクロメータは、第１のウィーンフィルタと該第１のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第１の非点収差補正装置（スティグメータ）とを含む第１の分散ユニットと、第２のウィーンフィルタと該第２のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第２の非点収差補正装置（スティグメータ）とを含む第２の分散ユニットと、前記第１及び第２の分散ユニットの間の中心面にあるエネルギー制限アパーチャを有するプレートと、を含む。前記第１及び第２の分散ユニットの双方とも、一直線の光軸に揃えて配置されている。入射荷電粒子ビームは、後に前記各分散ユニットを真っ直ぐ通過する標準エネルギーを有する粒子と、後に前記各分散ユニットにより分散方向と同じ方向に偏向される前記標準エネルギーからのエネルギー偏差を有する粒子と、を含む。各粒子の偏向角は、それのエネルギー偏差と前記各分散ユニットの分散能に依存する。前記第１及び第２の分散ユニットの分散能及び分散方向は、それぞれ等しい。前記エネルギー制限アパーチャは、前記一直線の光軸に揃えて配置される。
【００２１】
前記第１のウィーンフィルタと前記第１の非点収差補正装置は、前記光軸に沿って重ね合わされ、前記第２のウィーンフィルタと前記第２の非点収差補正装置は前記光軸に沿って重ね合わされている。前記モノクロメータは、実際のクロスオーバーをエネルギー制限アパーチャ内に形成するように、前記荷電粒子ビームが前記第１の分散ユニットに入射する前に前記荷電粒子ビームの焦点を合わせるためのビーム調整素子を更に有し、該ビーム調整素子は円形レンズを有する。仮想的なクロスオーバーは、前記荷電粒子ビームが前記第２の分散ユニットを出た後、前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に形成される。前記モノクロメータから出た後の前記荷電粒子ビームの出射エネルギー幅は、前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記ビーム調整素子の前記フォーカス能力を同時に調整することにより変更され得る。前記第１及び第２の分散ユニットの分散能は、前記第１及び第２の分散ユニット内の前記第１及び第２のウィーンフィルタに及ぼす電気的励磁を変化させることにより調整され得る。前記プレートは、前記第１の分散ユニットの前記分散方向において異なるサイズを有する複数のエネルギー制限アパーチャを有する。前記モノクロメータから出た後の荷電粒子ビームの出射エネルギー幅は、異なるエネルギー制限アパーチャを前記一直線の光軸に揃えて配列するように、前記一直線の光軸に垂直な方向に前記プレートを移動させることにより変更され得る。前記アパーチャは円形、長方形、正方形、又は楕円形である。
【００２２】
本発明は更に電子装置を提供し、該電子装置は、一直線の光軸に沿って伝搬する一次電子ビームを供給するための電子源と、前記一次電子ビームの焦点を合わせるため、前記光軸に揃えて配置された集束レンズと、二次電子を放射する試料の表面上に前記一次電子ビームの焦点を合わせるため、前記光軸に揃えて配置された対物レンズと、試料を支持するためのステージと、前記二次電子を受けるための検出器と、前記一次電子ビームのエネルギー幅を減少させるため、前記電子源と前記対物レンズとの間に配置されたモノクロメータとを有し、前記モノクロメータは、第１のウィーンフィルタと該第１のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第１の非点収差補正装置（stigmator）とを含む第１の分散ユニットと、第２のウィーンフィルタと該第２のウィーンフィルタにより発生した非点収差を補正する第２の非点収差補正装置（stigmator）とを含む第２の分散ユニットと、前記第１及び第２の分散ユニットの間の中心面にあり、エネルギー制限アパーチャを有するプレートと、を含む。前記第１及び第２の分散ユニットの双方は、前記光軸に揃えて配置される。前記一次電子ビームの内部において、標準エネルギーを有する電子は前記各分散ユニットを真っ直ぐ通過し、前記標準エネルギーから偏差を有する電子は分散方向と同じ方向に偏向される。各電子の偏向角は、それのエネルギー偏差と前記各分散ユニットの分散能に依存する。前記第１及び第２の分散ユニットの分散能と分散方向は等しい。前記エネルギー制限アパーチャは、前記一直線の光軸に揃えて配置される。
【００２３】
前記第１のウィーンフィルタ及び前記第１の非点収差補正装置は、前記一直線の光軸に沿って重ね合わされ、前記第２のウィーンフィルタ及び前記第２の非点収差補正装置は、前記一直線の光軸に沿って重ね合わされる。前記エネルギー制限アパーチャは円形、長方形、正方形、又は楕円形である。
【００２４】
前記電子装置は、前記エネルギー制限アパーチャにおいて実際のクロスオーバーを形成するように、前記一次電子ビームが前記第１の分散ユニットに入射する前に前記一次電子ビームの焦点を合わせるため、前記光軸に揃えて配置されたビーム調整素子を更に含む。前記ビーム調整素子は、円形レンズである。仮想的なクロスオーバーが、前記一次電子ビームが前記モノクロメータを出た後に、前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に形成される。出射エネルギー幅は、前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能と前記ビーム調整素子の前記フォーカス能力を同時に調整することにより変更され得る。前記第１及び第２の分散ユニットの分散能は、前記第１及び第２の分散ユニット内の前記第１及び第２のウィーンフィルタに与える電気的励磁を変化させることにより調整され得る。前記プレートは、前記第１の分散ユニットの前記分散方向において異なるサイズを有する２以上の（１より多い）エネルギー制限アパーチャを有する。前記モノクロメータから出た後の前記一次電子ビームの前記エネルギー幅は、異なるエネルギー制限アパーチャを前記一直線の光軸に揃えて配置するために、前記プレートを前記一直線の光軸に垂直な方向に移動させることにより変更され得る。
【００２５】
前記電子装置は、前記電子源と前記集束レンズとの間にある第１のアパーチャを有する第１のプレートと、前記集束レンズと前記対物レンズの間にある第２のアパーチャを有する第２のプレートとを更に有する。前記モノクロメータは、前記第１のプレートと前記集束レンズとの間にあってもよく、又は前記モノクロメータは前記第２のプレートと前記対物レンズとの間にあってもよい。
【００２６】
本発明はまた、荷電粒子ビームをフィルタリングするモノクロメータを提供し、該モノクロメータは、標準エネルギーとエネルギー幅を有する荷電粒子ビームを偏向させるために、一直線の光軸に揃えて配置された第１の分散ユニット及び第２の分散ユニットと、前記第１及び第２の分散ユニットの間の中心面にあり、エネルギー制限アパーチャを有するプレートとを含む。前記荷電粒子ビームは、前記光軸に沿って伝搬するとともに、前記第１の分散ユニット及び前記第２の分散ユニットの各分散ユニットを真っ直ぐ通過する前記標準エネルギーを有する荷電粒子と、前記各分散ユニットにより分散方向と同じ方向に偏向される前記標準エネルギーからエネルギー偏差を有する荷電粒子とを含む。前記各分散ユニットにより生成された各荷電粒子の偏向角は、その分散能と前記各荷電粒子のエネルギー偏差に依存する。前記第１及び第２の分散ユニットの前記分散能及び前記分散方向はそれぞれ等しい。前記エネルギー制限アパーチャは前記一直線の光軸に揃えて配置され、前記荷電粒子ビームの実際のクロスオーバーは前記エネルギー制限アパーチャに形成され、仮想的なクロスオーバーは、前記第２の分散ユニットから前記荷電粒子ビームが出た後に、前記第１の分散ユニットと前記エネルギー制限アパーチャとの間に形成される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明は、添付図面と併せて以下の詳細な説明により容易に理解されるであろう。また、添付図面において、類似の参照番号等が類似の構造的要素等を指定する。
【図１】ウィーンフィルタの基本的構成を示す図である。
【図２ａ】ウィーンフィルタを分散素子として用いるモノクロメータを示す略図である。
【図２ｂ】ウィーンフィルタを分散素子として用いるモノクロメータを示す略図である。
【図３ａ】２つのウィーンフィルタを分散素子として用いるモノクロメータを示す略図である。
【図３ｂ】２つのウィーンフィルタを分散素子として用いるモノクロメータを示す略図である。
【図４ａ】本発明による偏向分散の対称性を示す略図である。
【図４ｂ】本発明による基本的軌道の反対称性を示す略図である。
【図５】本発明の第１の実施形態による荷電粒子装置用のモノクロメータを示す略図である。
【図６ａ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図６ｂ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図６ｃ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図６ｄ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図６ｅ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図６ｆ】本発明による図５に示したモノクロメータの機能（ＸＯＺ、ＹＯＺ平面）を示す略図である。
【図７ａ】本発明の第２の実施形態によるＳＥＭへのモノクロメータの組み込みを示す略図である。
【図７ｂ】本発明の第２の実施形態によるＳＥＭへのモノクロメータの組み込みを示す略図である。
【図７ｃ】本発明の第２の実施形態によるＳＥＭへのモノクロメータの組み込みを示す略図である。
【図８】本発明の第３の実施形態によるＳＥＭへのモノクロメータの組み込みを示す略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【００２９】
本発明の様々な実施形態が、発明のいくつかの例示的な実施形態が示された添付図面を参照し、これからより詳細に説明されるであろう。本発明の保護範囲を限定することなく、実施形態の総ての説明及び図面は、電子源及び走査型電子顕微鏡に例示的に言及するであろう。しかしながら、実施形態は、本発明を特定の荷電粒子源及び特定の電子顕微鏡の分野に限定するためには用いられない。
【００３０】
以下の説明は、電子ビームを用いることに焦点を合わせるが、電子ビームは荷電粒子ビームの一種である。図面において、各構成要素及び総ての構成要素中での相対的寸法は、明確性のため誇張されているかも知れない。以下の図面の説明の中で、同じ参照番号は同じ構成要素又は実体を参照し、そして個々の実施形態の相違点に関してのみ説明される。
【００３１】
この発明は、ウィーンフィルタ型の二重対称を有するモノクロメータを提供する。図４ａ及び図４ｂに示されるように、二重対称は、エネルギー制限アパーチャ（３０）の両側（それぞれの側）に対称的に配置された２つの同一な分散ユニット（２０及び４０）により実現される。２つの同一の分散ユニットの各々は、標準エネルギーからエネルギー偏差を有する荷電粒子に偏向分散を発生させ、軸外の荷電粒子の焦点を合わせる。一方で、２つの同一の分散ユニットは、標準エネルギーからエネルギー偏差を有する荷電粒子に、同じ方向に２つの等しい偏向角（α１＝α２）を発生させる。この場合、偏向分散は、図４ａに示されるようなエネルギー制限アパーチャ（３０）に関して対称性を示す。他方で、２つの同一の分散ユニットは、等しく軸外荷電粒子の焦点を合わせ、第１の分散ユニット（２０）は、標準エネルギーを有する荷電粒子にエネルギー制限アパーチャ（３０）の中心を通過させる。そのような場合において、標準エネルギーを有する各軸外粒子の軌道は、図４ｂに示されるように、エネルギー制限アパーチャ３０に関し、反対称性を示す。二重対称は、エネルギーに応じたフィルタリングを実現し、同時に、出射の荷電粒子ビームが、モノクロメータの内側にあり、一次分散及び非点収差を含まない仮想的なクロスオーバーを有することを確実にする。
【００３２】
各分散ユニットは、ウィーンフィルタ及び非点収差補正装置を含み、双方の静電場及び磁場は、光軸に沿って重畳される。標準エネルギーと一定のエネルギー幅を有する荷電粒子ビームに関し、ウィーンフィルタは、方程式（１．３）〜（１．８）で示されるように、その双極子磁場及び静電場の強さを変化させる所望の分散能と、その分散能とともに変化する不要な非点フォーカス能力とを発生させる。非点収差補正装置は、ウィーンフィルタの非点フォーカス能力を補正するために非点フォーカス能力を生成するように制御される。補正は、非点収差が生成された場合に丁度完成するため、各分散ユニットからの出射ビームは、非点収差を完全に含まないようにされ得る。その結果、各分散ユニットは、独立して変更可能な分散能と、依存的に変化する無非点収差のフォーカス能力とを有する。
【００３３】
非点収差補正に従えば、分散方向における非点収差補正装置により生成された負のフォーカス能力のため、分散方向におけるウィーンフィルタフォーカス効果による分散能の減少が弱められる。エネルギー制限アパーチャを通過する荷電粒子ビームのエネルギー幅は、第１の分散ユニット（２０）の分散能とエネルギー制限アパーチャ（３０）のサイズ（分散方向における）により定まり、それ故、出射荷電粒子ビームのエネルギー幅は、分散能を変化させること、及び／又は分散ユニット内のエネルギー制限アパーチャサイズを変化させること、により変更され得る。前者は、ウィーンフィルタに与えられる電気的励磁を調整することにより実現され得、それ故、連続的であり得る。しかしながら、分散能の変化は、無非点収差のフォーカス能力の変化を受け、このことは基本的軌道における反対称性を壊し、それ故、２つの分散ユニット（２０及び４０）により生成された収差の相殺を台無しにする。
【００３４】
二重対称を保つために、分散能が変更された又は入射荷電粒子ビームが変更された時に、一方のビーム調整素子は２つの分散ユニットの前に設置される。ビーム調整素子は、磁気又は静電円形レンズであり、そのフォーカス能力は可変である。ビーム調整素子は、可変ビームアダプタとして機能する。そのフォーカス能力は、入射荷電粒子ビームのクロスオーバー及び／又は標準エネルギーが何らかの正当な理由で変更されるかも知れないときに、及び／又は、前記第１の分散ユニットの分散能が、エネルギー制限アパーチャの特定のサイズに対して所望のエネルギー幅の減少を得るために変更されるかも知れないときに、エネルギー制限アパーチャの中心（図４ｂ中のＳ７１）に実際のクロスオーバーを有するように荷電粒子ビームを保つように調整される。
【００３５】
その結果、入口側から出口側まで、本発明のモノクロメータ５００は、図５に示すように、ビーム調整素子（１００）と、第１の分散ユニット（２００）と、エネルギー制限アパーチャ（３００）と、第２の分散ユニット（４００）と、を有する。２つの分散ユニット（２００、４００）は、同じ構造と配置を有し、同じ励磁を受け、及びエネルギー制限アパーチャ（３００）の両側に対称的に配置される。総ての構成要素は、エネルギー制限アパーチャ（３００）に関して、偏向分散と基本的軌道における対称性を確保するために設置され、励磁される。
【００３６】
本発明のモノクロメータは一直線の光軸を有し、よって、標準エネルギーを有する荷電粒子は光軸からそれていない。この特徴は、モノクロメータが製造され、調整されることを簡素にするだけでなく、完全に補正されることが実際には不可能な軸外収差を発生させない。また、モノクロメータの出口側の荷電粒子ビームの実際の無非点収差のクロスオーバーの最終形成の代わりに、荷電粒子ビームの仮想的な無非点収差で分散を含まないクロスオーバーが形成され、そのクロスオーバーは第１の分散ユニット（２００）とエネルギー制限アパーチャ（３００）の間に位置する。この仮想的なクロスオーバーは、モノクロメータを必要とする装置の、後に続く光学系のためのソース（電子源）となるであろう。一方で、仮想的なクロスオーバーは、実際のクロスオーバーよりも少ないベルシュ効果を有する。他方で、仮想的なクロスオーバーは、元々の荷電粒子源により接近して位置し、それ故、モノクロメータが組み込まれる時に、ＬＶＳＥＭのような現存する電子顕微鏡のデザインの修正の要求が、実際のクロスオーバーの場合よりも少ない。上述の総ての態様によれば、本発明のモノクロメータは、低電圧（Low-Voltage）ＳＥＭ及びＬＶＳＥＭの原理に基づいた関連装置の撮像分解能を向上させるのに効果的な方法を提供する。
【００３７】
この発明はまた、本発明のモノクロメータをＳＥＭに用いた２つの例を提供する。図７ａに示されるように、第１の例においては、モノクロメータは、電子源６００と集束レンズ６２０との間に挿入され、電流制限アパーチャ６１０は、モノクロメータの内部で発生する電子相互作用を減少させるためにモノクロメータを通過するビーム電流を制御するのに用いられる。図８に示されるように、第２の例においては、モノクロメータは集束レンズと対物レンズの間に位置し、ビーム制限アパーチャ６３０は、モノクロメータの入射ビーム電流を制御する。
【００３８】
この発明の詳細な説明及び機構は、次に述べられる。
【００３９】
本発明は、ＳＥＭ又は荷電粒子装置における一次電子ビームのエネルギー幅を減少させるためのウィーンフィルタ型のモノクロメータを提供する。モノクロメータは、一直線の光軸に沿って、入射ビームの偏向分散と基本的軌道の二重対称を形成する。その二重対称は、効果的なクロスオーバー径と伝搬方向を変化させずに保つこととともに、荷電粒子源出口から生じた入射荷電粒子ビームが、低減されたエネルギー幅を有するモノクロメータから抜け出ることを確実にする。
【００４０】
本発明はまた、モノクロメータをＳＥＭに組み込むための方法を提供する。本発明のモノクロメータは、一次ビーム又は撮像ビームと呼ばれるビームのエネルギー幅を減少させることにより、試料上の色収差ディスクを減少させるのに役立ち、その一方で目立ったソースサイズにおける増大は受けない。その結果、試料上のプローブスポットサイズは、収差、回折及びソースサイズによるぼけのバランスを再度とることにより、より低い値を達成するであろう。その結果として、モノクロメータは、ＳＥＭ、特にＬＶＳＥＭや、ＬＶＳＥＭの原理に基づく、半導体歩留まり管理における欠陥検査や欠陥レビューのような関連装置の撮像解像度を改善するのに効果的な方法を提供する。
【００４１】
前記の二重対称は、本発明において提供されるモノクロメータが基礎としているのだが、偏向分散における対称性と基本的軌道における反対称性とを、それぞれエネルギー制限アパーチャに関して有している。偏向分散における対称性を示す図４ａにおいて、標準エネルギーＶ０及びエネルギー幅を有する軸上の電子ビーム５０は、光軸Ｚに沿って２つの分散ユニット２０及び４０に連続的に入射する。２つの分散ユニット２０及び４０は、構成において同一であり、光軸Ｚに垂直な平面３１に関して対称に位置し、配列されている。各分散ユニット２０、４０の位置は、フィールド領域の中心により規定されている。各分散ユニット２０、４０は、ウィーンフィルタと非点収差補正装置を含み、磁場と電場の双方とも互いに重畳されている。標準エネルギーＶ０（例えば、６１のような）を有する電子は偏向させないが、標準エネルギーＶ０（例えば、７１のような）からエネルギー偏差δＶを有する電子は偏向させる所望の偏向力を発生させるために、同じ励磁が各々のウィーンフィルタに与えられる。方程式（１．６）で示したように、エネルギー偏差δＶが大きくなればなる程、偏向角（例えば、α１及びα２のような）は大きくなるであろう。エネルギー偏差とともに変化する偏向角の特性は偏向分散と呼ばれ、偏向角αとエネルギー偏差δＶとの比率Ｋは、分散能と呼ばれる。分散能は、標準エネルギーＶ０と、ウィーンフィルタに与える電気的励磁を変化させることにより調整され得る磁気双極子場とともに変化する。
【００４２】
プレートは平面３１上に位置し、プレート上のアパーチャ３０が光軸Ｚに揃えて配置される。図４ａにおいて、エネルギー偏差δＶを有する電子７１についての偏向は、平面３１に関して対称に存在する。第１の分散ユニット２０及び第２の分散ユニット４０内の２つのウィーンフィルタによりそれぞれ生成された偏向角α１及びα２は互いに等しく、即ちα１＝α２であり、両方ともエネルギー偏差δＶに比例する。第２の分散ユニット４０から出た後の電子７１の軌道の反対方向への延長線は、第２の分散ユニット４０の中心から後方に距離Ｌ２の箇所において光軸と交差し、ここで、（２．１）式が成立する。
【００４３】
【数４】
0005518128.tif 000005
式（２．１）において、一次項よりも高次の総ての項が削除されるとすると、距離Ｌ２は偏向角α１とともには変化しない。よって、出射ビームの一次分散は消滅し、入射軸上ビームは、２つの分散ユニットの幾何学的中心点Ｓ７１から発射されているように見える発散出射ビームとなる。
【００４４】
基本的軌道における反対称性は、偏向分散対称に基づいている。図４ａに示されているものに基づいて、図４ｂは基本的軌道における反対称性を示す。図４ｂ内の各分散ユニット（２０及び４０）において、非点収差補正装置は、図４ａに示されるように偏向分散対称を獲得するようにウィーンフィルタが作動する時に現れ、ウィーンフィルタの分散能の増加とともに増加する非点収差を補正するように励磁される。その結果、各分散ユニット（２０及び４０）は、Ｘ及びＹ方向の両方において等しいフォーカス能力ｆを有し、当該フォーカス能力ｆは、前記各分散ユニットの分散能における増加とともに増加する。
【００４５】
図４ｂにおいて、標準エネルギーＶ０を有する入射電子ビーム６２が光軸の特定の位置６２ａに元々クロスオーバーを有する場合に、基本的軌道における反対称性が達成され得る。クロスオーバー６２ａは、第１及び第２の分散ユニット（２０及び４０）の幾何学的中心点Ｓ７１よりも距離Ｌ３前方に位置する。距離Ｌ３は、以下の式（２．２）の条件を満たす。
【００４６】
【数５】
0005518128.tif 000006
ここで、ｆは各分散ユニットのフォーカス能力を示す。第１の分散ユニット２０は、入射電子ビーム６２の焦点を合わせ、それに応じてそのクロスオーバーを位置６２ａから後方に幾何学的中心点Ｓ７１まで移動させる。そして、同じように、第２の分散ユニット４０は電子ビーム６２の焦点を合わせ、最終的にはＳ７１におけるクロスオーバーを後方に距離Ｌ３移動させて位置６２ｂにする。標準エネルギーＶ０を有する電子ビーム６２における電子の軌道は、第１及び第２の分散ユニット２０及び４０の幾何学的中間面３１に関し、反対称性を有する。
【００４７】
従って、図４ａ及び図４ｂに示される二重対称は、電子ビームが中間面３１で実際のクロスオーバーを形成し、中間面３１からある距離後方に仮想的なクロスオーバーを形成することを確実にする。実際のクロスオーバーの内部には、標準エネルギーを有する電子が光軸上の小さなディスク（円盤）内に集中し、標準エネルギーから同じエネルギー偏差を有する電子が、光軸から離れた位置にある小さなディスク内に集中する。エネルギー偏差が大きくなればなる程、ディスクは光軸から遠く離れる。アパーチャ３０が実際のクロスオーバーが位置する中間面に設置された場合には、アパーチャ３０の内径よりも大きな軸外距離を有する全てのディスク内の電子は遮断されるであろう。言い換えれば、アパーチャ３０を通過する電子のエネルギー幅は、第１の分散ユニットの分散能とアパーチャ３０の内径により定められる特定の値よりも小さいであろう。仮想的なクロスオーバーの内部では、総ての電子が光軸上の小さなディスクに集中する。第１の分散ユニットに入射するビームと比較して、第２の分散ユニット４０から出射するビームは、小さなエネルギー幅、殆ど変化しないクロスオーバーサイズ、及びクロスオーバーの後方への移動を有する。
【００４８】
図５は、図４ａ及び図４ｂに示される二重対称に基づく本発明の１つのモノクロメータの実施形態を示す。電子ビーム入射側から出射側まで、モノクロメータ５００は、ビーム調整素子１００と、第１の分散ユニット２００と、エネルギー制限アパーチャ３００と、第２の分散ユニット４００とを含む。構成要素の総て（１００−４００）は、光軸Ｚに一直線に配列されるとともに、光軸Ｚに直交する。２つの分散ユニット２００及び４００は、構成において同一であり、光軸Ｚにやはり直交する平面３１０に関して対称に位置し、配列されている。エネルギー制限アパーチャ３００は、平面３１０の箇所に位置する。図４ａ及び図４ｂと比較して、図５においては、入射ビームのクロスオーバー位置及び／又は標準エネルギーが、何らかの正当な理由で変更されたり、及び／又は第１の分散ユニット２００の分散能がモノクロメータの後の電子ビームのエネルギー幅を変化させるために変更されたりしたときに、いつでも二重対称が維持されることを確保するために、ビーム調整素子１００が追加されている。言い換えれば、ビーム調整素子は、モノクロメータの適用性と適応性を高める。
【００４９】
図５において、ビーム調整素子１００は、静電型又は磁気型のいずれか一方であり得る円形レンズを含む。各分散ユニット（２００、４００）は、ウィーンフィルタと、静電型又は磁気型のいずれか一方であり得る非点収差補正装置とを含み、両方とも光軸Ｚに沿って互いに重ね合わされる。エネルギー制限アパーチャ３００の形状は、円形、楕円形、正方形又は長方形であり得る。アパーチャ形状が楕円形又は長方形の場合には、その短軸（短い方の軸）又は短辺（短い方の辺）が第１の分散ユニット２００の分散方向に位置する。分散方向におけるアパーチャサイズは、所望のエネルギー幅と第１の分散ユニット２００の分散能に応じて選択される。
【００５０】
図５に示されるモノクロメータの作動方法は、図６ａ−６ｆにおいて段階的に示される。図６ａは、ビーム調整素子１００の機能を示す。Ｓ１は電子源又は標準エネルギーＶ０及び元々のエネルギー幅±△Ｖ０を有する電子ビームクロスオーバーであり、そのエネルギー幅は±△Ｖ１まで低減されるであろう。Ｓ１が電子ビームクロスオーバーの場合には、当該電子ビームクロスオーバーはモノクロメータの入口又は出口側に位置する。Ｓ２は方程式（２．２）に示される方法により定められる位置であり、基本的軌道において反対称を形成することが要求される。従って、ビーム調整素子１００は、第１の分散ユニット２００に入る前にＳ２で収束するビームになるように、最初にソースＳ１からの電子ビームの焦点を合わせる。より詳細には、ビーム調整素子１００のフォーカス能力は、入射電子ビームクロスオーバーＳ１の最初の位置における変化と第１の分散ユニット２００のフォーカス能力ｆとともに変更される。後者のフォーカス能力は、第１の分散ユニット２００の分散能に従い変化する。
【００５１】
図６ｂ及び図６ｃは、ＸＯＺ平面及びＹＯＺ平面のそれぞれにおける第１分散ユニット２００の入射ビームへの効果を示す。第１の分散ユニット２００内のウィーンフィルタはウィーン条件を満たすために励磁され、入射電子ビームについての所望のＸ方向偏向分散を発生させる。第１の分散ユニット２００内の非点収差補正装置は、第１の分散ユニット２００内のウィーンフィルタにより生成された非点収差を補正するために励磁される。非点収差補正後の残留無非点収差フォーカス能力ｆは、実際のクロスオーバーを、図６ａにおいてはＳ２から後方にある中間面３１０上に形成するために入射ビームの焦点を合わせる。ウィーンフィルタのＸ方向偏向分散のため、標準エネルギーを有する電子のみが軸上のディスクＳ３に集中する。磁気偏向方向に従えば、エネルギー偏差δＶ（＞０）及び−δＶ（＜０）を有する電子により形成されたディスクＳ４及びＳ５は、それぞれＸ及び（−Ｘ）方向に光軸から離れてそらされる。エネルギー偏差δＶが大きくなればなる程、軸外変位（off-axis  shift）は大きくなるであろう。Ｙ方向においては、図６ｃに示されるように、ディスクＳ３、Ｓ４及びＳ５が総て光軸上に位置する。
【００５２】
図６ｄは、エネルギー制限アパーチャ３００上の電子分布を示す。図６ｄにおいて、標準エネルギーＶ０及び６つの特定のエネルギー偏差を有する電子のみが示されており、円形アパーチャ３００は例として挙げられている。エネルギー制限アパーチャ３００の内径は、エネルギー偏差±△Ｖ１を有する電子の軸外変位に等しい。このように、Ｘ方向におけるサイズがエネルギー制限アパーチャ３００の内径と等しい拡大されたクロスオーバーと、低減したエネルギー偏差±△Ｖ１とを有する電子ビームがアパーチャ３００から出射する。低減したエネルギー偏差±△Ｖ１は、第１の分散ユニットの分散能及び第１の分散ユニットの分散方向におけるエネルギー制限アパーチャのサイズにより定められる。
【００５３】
図６ｅ及び図６ｆは、第２の分散ユニット４００の入射ビームへの効果を示す。第２の分散ユニット４００には、第１の分散ユニット２００と同じ励磁が与えられる。よって、第２の分散ユニット４００は、第１の分散ユニット２００がアパーチャ３００の前で電子ビームに行ったのと同様に、中間面３１０における実際のクロスオーバーから来た電子ビームを偏向させ、フォーカスする。図６ｅに示されるように、ＸＯＺ平面において、第２の分散ユニット４００は、ディスクＳ３−Ｓ５を中間面３１０から等距離後方に移動させるだけでなく、実際のクロスオーバーに存在するＸ方向のディスク変位をも除去する（Ｓ３−Ｓ５については図６ｂ及び図６ｃ参照）。図６ｆに示されるように、ＹＯＺ平面において、第２の分散ユニット４００は、ディスクＳ３−Ｓ５を後方に、ＸＯＺ平面におけるのと等距離移動させる。その結果、第２の分散ユニット４００から出射した後、図６ｂ及び図６ｃに示される３つのディスクＳ３−Ｓ５からの電子は、仮想的に殆ど光軸Ｚ上の同じ平面で交わり、仮想的なクロスオーバーＳ６を形成する。仮想的なクロスオーバーＳ６は、第１の分散ユニット２００と中間面３１０との間に位置し、図６ｄに示されるように、エネルギー制限アパーチャ３００の内径よりもずっと小さいサイズか、又は一般的に言えば分散方向においてエネルギー制限アパーチャ３００のサイズを有する。
【００５４】
図７ａ及び図８はそれぞれ、上で述べるとともに図５及び図６ａ−６ｆに示したモノクロメータを用いたＳＥＭの２つの実施形態を示す。簡素化のため、偏向走査は示されていない。図７ａにおいて、電子源６００は、光軸Ｚに沿って電子ビーム７００を発射する。第１の電流制限アパーチャ６１０は、モノクロメータ５００に入射する電子ビームの電流を制限するように、電子ビーム７００の一定の部分を遮蔽する。モノクロメータ５００における大きなビーム電流は、電子ビームのフォーカス範囲、特にエネルギー制限アパーチャ３００の中心領域に位置する実際のクロスオーバーにおいて、強い電子相互作用を生み出すであろう。そうすると、モノクロメータにおいて、追加的なエネルギー幅とクロスオーバーサイズの増加が生じる。従って、ビーム電流は、電子相互作用の効果が顕著にならない程度まで制限されなければならない。
【００５５】
図７ａのモノクロメータ５００において、最初に電子ビームは、所望の収束ビームとなるように、ビーム調整素子１００によりフォーカスされる（焦点が合わされる）。次に、収束ビームは、第１の分散ユニット２００により分散されて焦点が合わされる。具体的に言うと、標準エネルギーを有する電子は必然的に真っ直ぐ通過し、光軸上のエネルギー制限アパーチャ３００の中心に無非点収差の実際のクロスオーバーを形成し、標準エネルギーに対して同じエネルギー偏差を有する電子は偏向され、光軸から離れているが、エネルギー制限アパーチャ３００が位置する平面上に無非点収差の実際のクロスオーバーを形成する。電子のエネルギー偏差が大きくなればなる程、クロスオーバーは光軸から遠く離れてゆく。エネルギー制限アパーチャ３００は、その際、出射電子ビームが低減されたエネルギー幅±△Ｖ１を有するように、所望の範囲±△Ｖ１から外れたエネルギー偏差を有する電子を遮蔽する。
【００５６】
その後、図７ａのモノクロメータ５００において、エネルギー制限アパーチャ３００から出射した電子は、第２の分散ユニット４００に入射するであろう。第２の分散ユニット４００は、第１の分散ユニット２００と同じように動作する。それ故、第２の分散ユニット４００は、第１の分散ユニット２００が行ったように、エネルギー制限アパーチャ３００上にあり、光軸から同じ角度を有してそれた各実際のクロスオーバーからの電子を偏向させ、そして仮想的なクロスオーバーを、対応する前記の実際のクロスオーバーから軸上で同じ距離後方の位置に形成するために、電子の焦点を合わせる。しかしながら、この時、総ての仮想的なクロスオーバーは、仮想的に光軸上の同じ場所に位置する。従って、モノクロメータから出射する総ての電子は、仮想的なソース６０２から発射するように見えるとともに、所望の範囲±△Ｖ１以内のエネルギー偏差を有する。
【００５７】
図７ａにおいて、モノクロメータ５００から出射する電子は、次いで後に続く従来のＳＥＭの撮像系に入り、そして集束レンズ６２０及び対物レンズ６４０により試料６５０の表面上で焦点が合わされる。集束レンズ６２０及びビーム制限アパーチャ６３０は、ともに最終プローブ電流を制御する。実際、ビーム制限アパーチャ６３０は、図７ｂに示されるように、エネルギーと入射角に応じたフィルタリングと同じ追加的な効果を有する。モノクロメータ５００から出た総ての電子は仮想的に光軸上の同じ場所６０２で交差するけれども、エネルギー偏差を有する電子は第１及び第２の分散ユニット２００及び４００で生成された偏向角を蓄積する。従って、同じエネルギー偏差を有する電子は、ビーム制限アパーチャ６３０上で等しい追加的な横軸の変位を有し、より大きい極角を有するいくつかの電子は、図７ｂにおける影の部分のように、ビーム制限アパーチャ６３０により阻止されるだろう。エネルギー偏差が大きくなる程、より多くの電子がビーム制限アパーチャ６３０を通過しないであろう。そして、ビーム制限アパーチャ６３０は、後に続く対物レンズ６４０に入射する電子ビームの有効エネルギー幅を、実際上更に低減させる。対物レンズ６４０は最終的にその電子ビームを試料６５０上にフォーカスする。このように、プローブスポット内の色収差は低減され、プローブスポットサイズは、モノクロメータを用いない場合のプローブスポットサイズよりも小さくなるであろう。
【００５８】
よく知られているように、撮像分解能を向上させるためにモノクロメータを用いることは、制限値よりも大きいエネルギー偏差を有する電子を遮蔽するため、一部のプローブ電流を犠牲にするであろう。大きなプローブ電流を必要とする応用に関し、モノクロメータ５００は、図７ｃに示されるように、ビーム調整素子１００を除いて無能力とされ得る。この場合、ビーム調整素子１００は、集束レンズとして動作するため、元々の集束レンズを元に戻す。普通は、電子源に接近し、ビーム制限アパーチャから離れた集束レンズは、反対のものよりも小さい収差しか発生させない。
【００５９】
図８は、モノクロメータを用いたＳＥＭの別の実施形態を示しており、この実施形態では、ＳＥＭが元々、対物レンズ６４０の前に固定された位置に実際のクロスオーバーを有する。図８において、電子源６００は、光軸Ｚに沿って電子ビーム７００を発射する。集束レンズ６２０及びビーム制限アパーチャ６３０は、モノクロメータに入るビームの電流を制御する。その後、モノクロメータ５００において、電子ビームは図７ａで説明されたのと同じエネルギーフィルタリング（エネルギー選別）を受けるであろう。モノクロメータ５００からの出射ビームは、仮想的なクロスオーバー６０２及び低減されたエネルギー幅を有する。大きなプローブ電流を必要とする応用に関し、モノクロメータ５００は、ビーム調整素子１００を除いて無能力とされ得る。この場合、ビーム調整素子１００は、実際のクロスオーバー６２０を同じ場所に有するように電子ビームの焦点を合わせる。対物レンズ６４０は、試料６５０の表面上に電子ビームの焦点を合わせるであろう。このように、プローブスポット内の色収差は低減され、プローブスポットサイズは、モノクロメータを用いない場合のプローブスポットサイズよりも小さくなるであろう。
【００６０】
この発明において、ＳＥＭにおける一次電子ビームのエネルギー幅を低減させるためにモノクロメータが提供され、モノクロメータは、ＳＥＭ、特に低電圧（Low-Voltage）ＳＥＭ及びＬＶＳＥＭの原理に基づく関連装置の最終的な撮像分解能を向上させるべく、撮像色収差を低減させるために用いられる。モノクロメータは、一直線の光軸に沿ってエネルギーに応じたフィルタリングを実現するためにウィーンフィルタを分散素子として用い、実際には補正され得ない軸外収差を受けることを根本的に回避する。モノクロメータにおいては、二重対称が形成され、二重対称はエネルギー制限アパーチャに関しての偏向分散における対称と基本的軌道における反対称とを含む。二重対称は、エネルギーに応じたフィルタリングを実現し、同時に出射荷電粒子ビームが、モノクロメータの内部にあり、一次の分散及び非点収差を含まない仮想的なクロスオーバーを有することを確保している。従来技術におけるモノクロメータの出射口側の実際のクロスオーバーと比較して、モノクロメータ内部の仮想的なクロスオーバーは、電子相互作用を受けることがより少なく、ＳＥＭの元々のデザインの修正要求がより少ない。また、本発明のモノクロメータは、装置内で用いられたときに、従来技術よりも広い適用性と強力な適応性を有する。本発明はまた、モノクロメータをＳＥＭに組み込む２つの方法を提供する。即ち、１つはモノクロメータを電子源と集束レンズとの間に置くことであり、他の１つはモノクロメータをビーム制限アパーチャと対物レンズとの間に置くことである。前者は追加的なエネルギーと入射角に応じたフィルタリングを提供し、後者よりも小さい有効エネルギー幅を得る。
【００６１】
本発明の特定の実施形態が詳述されてきたが、詳述された実施形態と同等の他の実施形態が存在することが当業者により理解されるであろう。従って、本発明は例示された特定の実施形態により限定されるべきではなく、添付のクレームの範囲によってのみ理解されるべきである。
【図１】
0005518128.tif 000007
【図２ａ】
0005518128.tif 000008
【図２ｂ】
0005518128.tif 000009
【図３ａ】
0005518128.tif 000010
【図３ｂ】
0005518128.tif 000011
【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図６ｅ】
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【図６ｆ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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