(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を試料上で走査し、該走査によって得られた荷電粒子に基づいて前記試料の走査像を得る荷電粒子線照射装置において、上部磁極と下部磁極間に試料を配置し、当該上部磁極と下部磁極との間で磁界を発生させることによって、前記荷電粒子線を収束する電磁レンズを備え、当該電磁レンズは、少なくとも２つの励磁コイルを備え、当該励磁コイルの１つは、前記試料上部磁極と下部磁極との間で前記荷電粒子線を収束する磁界を発生し、前記励磁コイルの他の１つは、前記下部磁極を含む前記試料の下部に配置される１対の磁極間で、前記収束磁界を抑制する磁界を発生することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項２】
請求項１において、前記１対の磁極間には励磁コイルが配置され、該励磁コイルにはその印加電流を制御する制御電源が設けられてなることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項３】
請求項１において、前記励磁コイルの１つは、前記上部磁極と下部磁極との間に配置され、前記励磁コイルの他の１つは前記１対の磁極間に配置されていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項４】
請求項１において、前記励磁コイルの１つは、前記上部磁極と下部磁極との間で前記荷電粒子線を収束するような第１の磁場を発生し、前記励磁コイルの他の１つは前記１対の磁極間で前記第１の磁場が形成する磁場分布の内、その裾の部分を抑制するような磁場を発生することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項５】
請求項１において、前記上部磁極と下部磁極との間で生じる磁界の強度と、前記１対の磁極間で発生する磁界の強度の比率を、前記荷電粒子線の加速電圧の大きさに応じて変化させる制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項６】
請求項５において、前記制御部は、前記加速電圧が大となる程、前記荷電粒子線を強く収束するように制御することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項７】
請求項１において、前記上部磁極上には二次信号検出器が配置されていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項８】
請求項７において、前記二次信号検出器上に前記二次信号の衝突によって二次電子を発生する電極を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項９】
請求項７において、前記二次信号検出器は、前記荷電粒子線に対して直交する電界と磁界を発生させる手段（直交電磁界発生手段）を有し、前記電界と磁界は前記二次信号を二次信号検出器に偏向するように調節されていることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１０】
請求項７において、前記二次信号検出器は反射電子検出器であって、該検出器は前記荷電粒子線の光軸方向或いは該光軸と垂直方向に移動させる移動機構を備えてなることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１１】
請求項７において、前記二次信号検出器は少なくとも２つ備えられ、該２つの二次信号検出器の出力信号を切り替え、もしくは加算合成して表示する表示手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１２】
請求項１において、前記試料に負電圧を印加する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１３】
請求項１において、前記試料を載置する移動可能な試料台を前記対物レンズを形成する部材上に形成したことを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１４】
請求項１３において、前記試料台は傾斜機能を備えていることを特徴とする荷電粒子線照射装置
【請求項１５】
請求項１３において、前記試料台は真空外から試料を出し入れするサイドエントリー式であることを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１６】
荷電粒子源からの荷電粒子線を対物レンズで収束させて試料に照射する荷電粒子線照射装置において、前記対物レンズは、上部磁極と下部磁極間に試料を配置し、当該上部磁極と下部磁極との間で磁界を発生させることによって、前記荷電粒子線を収束するレンズであって、当該レンズは、前記試料の下部に配置される１対の磁極を含み、当該１対の磁極は、前記下部磁極を含むと共に前記荷電粒子源側に向かって開放され、前記荷電粒子線を収束する磁場を抑制する磁界を発生することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【請求項１７】
荷電粒子源からの荷電粒子線を収束レンズで収束して試料に照射する荷電粒子線照射装置において、前記収束レンズは、上部磁極と下部磁極間に試料を配置し、第１の磁場を発生させることによって、前記荷電粒子線を収束するレンズであって、当該収束レンズは、前記試料の下部に配置される１対の磁極を含み、当該１対の磁極は、前記下部磁極を含み、当該１対の磁極間で発生する第２の磁場によって、前記荷電粒子源側へ広がる磁場分布を抑制することを特徴とする荷電粒子線照射装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は荷電粒子線照射装置に係り、その中でも特に、高い分解能と良好なコントラストで試料の走査像を得るのに好適な荷電粒子線照射装置に関する。
背景技術
従来、特に走査型電子顕微鏡で、高い分解能で試料の走査像を得るには、試料上を走査する一次電子線をできるだけ細く絞ることが必要である。試料上を走査する一次電子線を細く絞る手段として、対物レンズの焦点距離を短くしてレンズ収差を低減する方法が最も一般的である。
短焦点を実現するための１つの手段として、対物レンズの磁極間に試料を配置するインレンズ式の電磁レンズが広く知られている。（例えば特開昭62−291849号にも開示されている。）
発明の開示
しかしながら、インレンズ方式の電磁レンズは、試料をレンズの磁極間に配置するという構成上、試料の移動範囲を制限される等の制約がある。例えば、現今の走査形電子顕微鏡の中には試料室の中に傾斜ステージを備え、その観察目的に応じて試料を傾斜して観察するものがあるが、試料の上下に配置されている磁極の存在故に、その移動を制限されてしまう。一方、色収差係数や球面収差係数を低減するためには試料を上磁極に近接させる必要があり、逆に試料の傾斜の領域を縮小させる要因となっている。
更に試料を電子線に対して垂直方向にしか動かさない装置であっても、その移動機構を対物レンズ内に設ける構成上、その配置スペースを制限されるという欠点がある。
本発明はこれらの課題を解決し、十分な試料の傾斜範囲、或いは試料移動機構などの配置スペースなどを確保しつつ、小さな収差係数を実現できる電磁レンズを備えた荷電粒子線照射装置を提供することを目的とする。
本発明は上記目的のために、試料と荷電粒子源間に配置される磁極と、試料下に配置され、その間で磁界を発生するように構成された少なくとも１対の磁極を有する電磁レンズを備えた荷電粒子線装置を提供する。
以上の構成によれば、試料と荷電粒子源間に配置された磁極と、試料下に配置された磁極との間で発生する磁界によって、荷電粒子線を収束させつつ、試料下に配置された少なくとも１対の磁極間に発生する磁界で上記荷電粒子線を収束させるための磁界が有する荷電粒子源側へ広がる磁界の分布を制限することができる。
より具体的に説明すると以下のようになる。
第２図において、励磁コイルＡにより上部磁極とその他の磁極間で磁界を発生させると、その磁界分布は第３図の（Ａ）のようになる。一方、励磁コイルＢにより試料下部の磁極間で磁界を発生させると（Ｂ）に示す磁界分布が得られる。（Ａ）と（Ｂ）の磁界分布に対して、両者の分布テールの強度が概ね一致するように励磁コイルＡとＢの強度を設定し、各励磁電流を互いに逆向きにすると、磁界分布（Ａ）と（Ｂ）が合成された（Ｃ）の分布が得られる。磁界分布（Ｃ）では分布テールの広がり（電子源側への広がり）が大幅に抑制されるため、上磁極と試料との距離をある程度離した状態で（試料の動作距離、或いは試料移動機構を設けるスペースを十分に確保した状態で）非常に短い焦点距離が実現される。
加速電圧が高くなると、合成磁界分布（Ｃ）ではフォーカスに必要な磁界強度が得られなくなることがあるが、この場合には、磁界分布（Ｂ）の強度をやや低めなるように励磁コイルＡとＢの電流比を設定すれば必要な励磁強度が得られるようになる。このとき、焦点距離が若干長くなって色収差が増大するが、高加速電圧においては、分解能に与える色収差の寄与は小さいため、色収差の増大による分解能低下は無視できる。一方、焦点距離が長くなると球面収差係数も増大するが、分解能は球面収差係数の４乗根の関係でしか低下しないため、球面収差係数が多少増大しても実用上の問題は少ない。
さらに、対物レンズよりも電子源側に二次電子や反射電子を選択的に、しかも高効率に検出するための二次電子加速電極，二次電子変換電極（低加速反射電子信号の検出），直交電磁界発生手段（二次電子の高効率検出），反射電子検出器（高加速反射電子信号の検出）を配置することにより、動作距離を縮めることなく目的のコントラストが得られる信号を高効率に検出できる。
上記の如く、本発明によれば、試料の移動や移動機構の配置等に必要な距離を確保できて、かつ短い焦点距離が実現できるとともに、所望のコントラストに寄与する信号を選択的、かつ、高効率に検出できるため、試料を傾斜できる動作距離を確保した状態で高い分解能と良好なコントラストの像表示を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明を走査形電子顕微鏡に適用した際の一例を示す図、第２図は第１図の対物レンズの構成図、第３図は対物レンズの各磁極間で発生するレンズ磁界分布を示す図、第４図は対物レンズの他の構成を示す図、第５図は本発明の他の実施例を示す図、第６図は本発明の更に他の実施例を示す図、第７図はシュノーケル方式対物レンズと該レンズで発生する磁界分布を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
第１図は本発明の一実施例の概略断面図である。陰極１と第一陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）３０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、ＣＰＵ３０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された一次電子線４は加速され後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５で収束され、しぼり板７で一次電子線の不要な領域が除去されて、対物レンズ６により試料１０に微小スポットとして収束される。一次電子線４は、走査コイル８で試料上を二次元的に走査され、このときに試料から発生する二次信号１１は二次信号検出器１２で検出されて、像信号として画像メモリ２４に記憶される。画像メモリ２４に記憶された画像情報は、像表示装置２５に随時表示される。走査コイル８の走査信号は、観察倍率に応じて走査コイル制御電源２３により制御される。
対物レンズ６は、第２図に示す３個の磁極で構成され、各磁極間で発生する磁界は励磁コイル６１，６２で制御される。励磁コイル６１と６２に流れる電流は、対物レンズ制御電源２２により、予め設定された向きと電流比に維持された状態で制御される。励磁コイル６１と６２の電流比は、加速電圧が所定の範囲毎に異なる値に設定されるように、予め制御ＣＰＵにプログラムされている。励磁コイル６１と６２の電流比は、加速電圧が所定の値よりも低いときには対物レンズ磁界のテールが最も短くなるようにし、加速電圧が所定の値よりも高いときには、使用する最高加速電圧の一次電子線がフォーカスできる能力を有するように設定する。このような励磁コイル６１と６２の電流比は、予めシミュレーションもしくは実験結果に基づいて決められる。これによって、加速電圧が低いときには焦点距離が最も短い条件に設定されて最高分解能が得られ、加速電圧が高くなると、それに応じてビームのフォーカス能力が強化されるように対物レンズ磁界分布が調整されるため、広い加速電圧範囲において高分解能条件が維持できる。
また、第２図の試料は図示しないサイドエントリーステージに保持されている。サイドエントリーステージは電子顕微鏡の外から試料を支持したステージを挿入して、電子線の照射位置に試料を位置付けるものである。この実施例では本発明の採用により、インレンズ方式の対物レンズにおいて、上部磁極下面と下部磁極上面の間に試料の傾斜に必要な領域を、短焦点を維持しつつ確保することが可能になる。
またサイドエントリーステージではなく、試料ステージを床面に設置するタイプの試料保持機構を備えた装置においても、試料ステージや、試料移動機構を設けるスペースを十分に確保することができるという効果を享受することができる。またその際、試料ステージは対物レンズ内（例えば下部磁極上面上）に配置されることになるので、耐振性にもその効果を発揮する。
さらに本発明は２次電子や反射電子等の２次信号の検出率効率の観点でも優れた効果を得ることができる。一般的に２次信号検出器は対物レンズの上方に配置される。即ち第２図に示す対物レンズの場合、上部磁極の上に二次信号検出器が配置されることになる。試料から発生した２次信号は、この上部磁極が形成する電子線の開口を通過して二次信号検出器に到達することになるが、この開口が狭い場合、対物レンズに２次信号が衝突してしまい、充分な数の２次信号を検出できないことになる。一方この開口を広げると、電子源方向の漏れ磁場が多くなり電子線を短焦点に収束させることができなくなる。つまり色収差が増大する。
この実施例では、電子源方向の漏れ磁場を抑制するような磁場を、試料下に配置された励磁コイルＢで発生させているので、或程度の大きさの開口を設けても、電子線を短焦点で収束させることが可能になる。
また、第７図に示すようなシュノーケル（Snorkel）方式の対物レンズは電子源側に長いテールを有する。このため、短い焦点距離を得ようとすると、磁界分布のテール部で一次電子線をフォーカスしなければならない。磁界分布のテール部は磁界強度が非常に弱いために、所望の性能を得ようとすると非常に強い励磁条件が必要となり、使用できる動作範囲が極低加速電圧（例えば１ｋＶ以下）のみに限られてしまう。それに対し、本発明のインレンズ方式の対物レンズはテール部の磁界強度を強くすることができるため、加速電圧が高くても短焦点で一次電子線を収束することができる。即ち、高い加速電圧にも対応できる。
従来のシュノーケル方式の対物レンズや、インレンズ方式の対物レンズは、色収差係数や球面収差係数が２mm〜３mm程度が実用限界であって、例えば、２mm以下の収差係数を実現するのが困難であった。
本発明実施例によれば、試料の傾斜領域、或いは試料ステージの形成領域を設けるが故に上記収差係数を実現するのが困難であったインレンズ方式の対物レンズで、上記領域を確保しつつ、２mm以下の収差係数を実現することが可能になる。
第４図は、本発明の体物レンズ部の他の実施例を示す。この図では、対物レンズが４個の磁極で構成され、この内の３磁極が試料下部に配置される。各磁極間にはそれぞれ独立の励磁コイルが配置されている。第４図のように試料下部の磁極数を増やすことで、合成された磁界分布の形状をより細かく調整することができるため、各コイルの励磁電流の比と電流の向きを適切に設定することにより、さらに短焦点に適した分布のレンズ磁界を発生させることができる。
第５図は、本発明の他の実施例の概略断面図である。試料１０は、アース電位から絶縁されていて、切換スイッチ５６により、アース電位にも負電位にも設定できるようになっている。対物レンズの上磁極部には、電子源側に、反射電子検出器７１，エネルギーの低い二次電子を検出器１２ａ，１２ｂの方向に偏向させるための直交電磁界発生器（以下ＥＸＢと称する）５０ａ，５０ｂ、エネルギーの高い電子をエネルギーの低い二次電子に変換する二次電子変換電極７３の順に配置されている。反射電子検出器７１は、真空外から出し入れできる構造になっており、必要がなければ一次電子線の光軸上から検出器を遠ざけることができる。検出器１２ａと１２ｂの信号出力は、切換スイッチ５５により別々に取り出したり、加算合成して取り出したりできる。
試料が切換スイッチ５６で負電位に設定されると、リターディング効果により分解能が改善する。この場合には、試料から発生した二次電子も試料に印加した負電位により加速されるため、EXB50aで検出器１２ａ側に十分に偏向することができない。このとき、試料から発生した二次電子は、反射電子と一緒になって電子源側に上昇し、二次電子変換電極７３に衝突する。電極７３の表面は、電子線の照射で二次電子が発生しやすい材料（例えば金など）で構成され、加速され二次電子や反射電子の衝突により新たに二次電子８１を発生する。この二次電子はエネルギーが低いためEXB:50bで検出器１２ｂ側に偏向されて、検出器１２ｂで検出される。検出器１２ｂで検出された二次電子は、もともと試料から発生した信号に基づいているため、試料の構造を反映した情報をもたらす。一方、加速電圧が高い場合、あるいは、試料印加電圧（リターディング電圧）が例えば５ｋＶ以上と高くなると、一般に、二次電子変換電極７３からの二次電子放出量が低下する。これは、一般に、金属からの二次電子発生効率が入射電子のエネルギー１ｋＶ付近でピークになるためである。このときには、反射電子検出器７１により、効率よく信号を検出することができる。反射電子検出器７１は、シンチレータ、あるいは、半導体などで構成され、これらは一般に、加速電圧が高いほど検出効率が向上する。
一方、試料がアース電位に設定される場合には、試料から発生した二次電子はEXB50aで偏向されて検出器１２ａに検出される。エネルギーの高い反射電子は、二次電子変換電極７３に衝突して二次電子を発生し、この二次電子がEXB:50bで偏向されて検出器１２ｂに検出される。これらの信号は必要に応じて切換スイッチ５５により別々に取り込んだり、加算合成して取り込んだりできる。このように必要な信号を選択的に取り込むことにより、試料に応じた最適なコントラストを得ることができる。加速電圧が高く、二次電子変換電極７３の二次電子変換効率が低下する場合には、反射電子検出器７１で反射電子信号が検出される。
第６図は、本発明の別の構成例である。第６図の構成では、対物レンズの上磁極部に二次電子加速電極９０が配置されて、切換スイッチ９１により、正の電圧と負の電圧を切り換えて印加できるようになっている。二次電子加速電極９０のさらに電子源側には、EXB:50，二次電子変換電極７３，反射電子検出器７１が配置される。二次電子変換電極７３は、真空外から出し入れできる構造になっており、二次電子変換電極７３か反射電子検出器７１のいずれかに試料１０から発生した反射電子８０を衝突させることができる。さらに、二次電子変換電極７３には、スイッチ９２により、正の電圧が印加できるようになっている。
スイッチ９１とスイッチ９２の組み合わせにより、検出器試料から発生した二次電子１１と反射電子８０とが選択的に検出される。例えば、二次電子加速電極９０に負の電圧、二次電子変換電極７３をアース電位にすれば、試料から発生した二次電子は、二次電子加速電極９０の負電圧のためにEXB:50へは進行できず、エネルギーの高い反射電子８０だけが上昇して二次電子電極７３に衝突する。この衝突により発生した二次電子は、EXB:50で偏向されて検出器１２に検出される。よって、この場合には、試料から発生した反射電子のみが検出できる。このような信号の選択は、特に試料が帯電している状況での観察に有効である。この理由は、エネルギーの小さな二次電子が試料の帯電により異常なコントラスト情報をもたらすため、安定な像観察には、むしろ必要のない情報となるからである。一方、二次電子加速電極９０に正の電圧、二次電子変換電極７３に正の電圧を印加すれば、試料から発生した二次電子１１は、EXB:50に進行して偏向され、検出器１２に検出される。また、試料から発生した反射電子８０は二次電子変換電極７３に衝突して二次電子を発生するが、この二次電子は、二次電子変換電極７３には正の電圧が印加されているために、EXB:50内には進行できず、検出されない。よって、この場合には、二次電子１１だけが検出器１２に検出される。同様にして、二次電子加速電極９０に正の電圧、二次電子変換電極７３はアース電位にすれば、二次電子１１と反射電子８０の両方が検出器１２に検出される。
加速電圧が高く、二次電子変換電極７３からの二次電子放出量が低下する場合には、二次電子変換電極７３を光軸から遠ざけることによって、反射電子検出器７１で反射電子の高効率検出が可能になる。
以上説明したように本発明によれば、必要な動作距離を確保した条件で、非常に短い焦点距離が実現できるため、試料移動の自由度（傾斜など）を確保した状態で非常に高い分解能を実現することができる。また、加速電圧に応じて、レンズ磁界分布を適切に変更できるため、広い加速電圧の領域で一次電子線を試料上にフォーカスするとともに、高い分解能を維持することができる。さらに、二次電子と反射電子を高効率でしかも選択的に検出したのちに、必要に応じて分離，合成が可能なため、試料像を最適なコントラスト条件で表示できる。
【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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