(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査用試料を準備するために好適な方法であって、
−  光電陰極が光電陰極の一表面から電子を放出するように、非球面となるように構成されている光電陰極を照射するステップであって、放出された電子が複数の異なる軌道をたどり、電子の該複数の軌道が、光電陰極内部で、非球面となるように構成されている光電陰極内に位置設定された複数の仮想光源を画定する複数の異なる領域で交差するように外挿可能なものであるステップであって、光電陰極が二以上の曲率半径を有する、非球面の、丸みを帯びた先端部を含んでいる、ステップと、
−  放出された電子を、それらが電子ビームを形成するように構成するステップと、
−  電子ビームを試料上に集束して、試料上に複数の仮想光源の像を形成するステップと
を含み、
複数の仮想光源の各々が光学収差を補償するように位置づけされて、こうして複数の仮想光源各々の像が試料上の選択された既定の領域内に位置設定されて、既定の領域が照射される、方法。
【請求項２】
検査用試料を準備する方法であり、電子ビームを試料上に集束して試料上に仮想光源の像を形成するステップは、試料が検査用に準備されるために実施される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
仮想光源像のサイズの縮小を達成する目的で、複数の仮想光源の各々が試料上で位置設定されるように、既定の領域が選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
電子ビームを集束するために使用される一つまたは複数のレンズの焦点距離を調整して、電子ビーム内の電子が試料に到達する前にクロスオーバーしないようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記電子ビームを加速するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
一つまたは複数のレンズを使用して前記電子ビームの収束を修正するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
電子ビームの角度スパンを制御するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記光電陰極がその後方端部から照射され、光電陰極の後方端部は、電子を放出する端部とは反対側の光電陰極の端部である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記光電陰極がその前方端部から照射され、光電陰極の前方端部は、電子を放出する光電陰極の端部である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
電子ビーム装置であって、
−  光電陰極と、
−  光電陰極が光電陰極の一表面から電子を放出するように前記光電陰極を照射するための手段であって、電子の軌道が、光電陰極内部で仮想光源を画定する領域で交差するように外挿可能なものである手段と、
−  放出された電子を電子ビームに構成するための手段と、
−  仮想光源の像を試料上に形成できるように、試料上に電子ビームを集束するための手段と
を含み、
光電陰極が、一つの曲率半径を有する丸味を帯びた先端部を含んでおり、こうして仮想光源のサイズは縮小され、このようにして仮想光源のより小さな像が達成可能であり、
光電陰極の先端部は、陰極から放出された電子が複数の異なる軌道をたどるように非球面であり、該複数の軌道は、光電陰極内の複数の異なる領域で交差するように外挿可能なものであり、該複数の異なる領域が該光電陰極内に位置設定された複数の仮想光源を画定するのであって、複数の仮想光源の各々が、光学収差を補償するように位置づけされ、こうして複数の仮想光源各々の像が試料上の選択された既定の領域内に位置設定され、仮想光源像のサイズの縮小が達成される、電子ビーム装置。
【請求項１１】
光電陰極が、丸味を帯びた先端部の寸法とは異なる寸法を有するように構成されている部分をさらに含んでいる、請求項１０に記載の電子ビーム装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビーム装置、そして詳細には光電陰極を含む電子ビーム装置に関する。本発明は同様に、検査用の試料を準備するための対応方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡法は、電子ビームを用いて試料を照明し拡大像を生成する技術である。これは、電子銃を利用して電子ビームを生成し、静電レンズまたは電磁レンズを利用して電子ビームを集束し、像を形成する。高エネルギーの電子の波長は、光の波長よりも何桁分も短かいことから、電子顕微鏡は、光で作動する光学顕微鏡に比べて大きな解像力を達成することができる。
【０００３】
電子顕微鏡の主要なタイプとしては、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）および走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）がある。
【０００４】
透過電子顕微鏡は、電子のビームが試料を通って透過するタイプの電子顕微鏡である。存在する材料の密度に応じて、電子の一部が散乱させられる。電子ビームは拡大され、蛍光スクリーン上に像が形成され、こうして試料の「陰影像」が発生し、試料の異なる部分がそれらの密度に応じて多様な暗さで表示される。
【０００５】
走査電子顕微鏡は、電子ビームプローブで試料を走査することによって試料を結像するタイプの電子顕微鏡である。電子は試料と相互作用し、その特性についての情報を与える信号を生成する。例えば二次電子、後方散乱電子、Ｘ線、光（カソードルミネッセンス）、電子ビーム誘導電流、透過電子およびその他などの異なるタイプの信号を収集することができる。異なる励起点について一つまたは複数のタイプの信号を記録することによって、試料のマップを作成することができる。
【０００６】
過去に電子顕微鏡で使用されていた主たる電子源は、熱電子放出タイプの陰極であった。このような電子源では、材料は高温まで加熱され、その電子は、十分なエネルギーを得て、材料の仕事関数を越えて放出される。一般的な熱電子源は、タングステン線（使用温度  〜２，４００Ｋ）、六ホウ化ランタン−ＬａＢ6（〜１，７５０Ｋ）または、酸化バリウムなどの仕事関数低下用添加剤を含浸させたタングステン（〜１，０００Ｋ）である。熱電子源は、比較的広いエネルギー拡散（〜１ｅＶ）、大きい光源直径（＞１０μｍ）および低い輝度（１０6〜１０7Åｃｍ-2・ｓｔｒ-1）を有する電子ビームを生成する。小さいビームスポットに到達するためには、数多くの縮小段階およびクロスオーバーが必要である。
【０００７】
これらの欠点のため、新しい電子顕微鏡は、通常、点陰極エミッタを好む。点陰極電子源（ミュラーエミッタまたは電界放出源）は、近傍の電極に比較して数キロボルト負の電位に保持された鋭い先端で構成され、このため表面には、電界電子放出をひき起こすのに十分な電位勾配が存在する。エミッタの頂部は丸味を帯び、サブマイクロメートルの半径を有する。電子は、頂部の表面から放出され、一つの軌道をたどり、こうして電子は、漸近的に、仮想光源のサイズと呼ばれる頂部表面の後方にある領域から来るように見える。
【０００８】
現行の電子顕微鏡には、点陰極電子源タイプの主要なカテゴリーが二つ見られる。すなわち、（ｉ）冷陰極電界放出と（ｉｉ）熱電界放出陰極の陰極である。
【０００９】
熱電界エミッタは、加熱（〜１，８００Ｋ）、低い仕事関数（タングステンビルトアップエミッタ、または二酸化ジルコニウムコーティングを伴うタングステンのショットキーエミッタ）、および適度に加える電界を組合せて、安定した電子源（頂部半径５００ｎｍ）を作り上げる。今日、これは、電子顕微鏡などの電子光学利用分野での使用に好まれる光源である。これは、妥当なエネルギー拡散（０．３〜１．０ｅＶ）、より多くのコヒーレンス、および熱電子電子エミッタに比べ三桁まで大きい電流密度または輝度を有する電子ビームを放出する。したがって、これは、信号対雑音比および空間分解能を有意に改善し、エミッタの寿命および信頼性を大幅に増大させる。
【００１０】
冷陰極電界放出源において、材料は、真空に対するそのポテンシャル障壁を実質的に薄くする強い電界（典型的には１ナノメートルあたり数ボルト）に付される。このとき、材料中の電子は、この薄くなった障壁を通って量子力学的にトンネルし、放出されることができる。典型的には、冷陰極電界放出源として、タングステンおよびモリブデンなどの金属が使用される。冷陰極電界エミッタが、加熱を必要とする熱電子エミッタよりもさらに電力効率のよいものであり得ることは、直ちに明らかである。冷陰極電界放出源は、同様に、電界変動に対する瞬時応答、温度変動に対する耐性、およびその鋭い（０．２〜０．３ｅＶ）エネルギー拡散に起因する電子光学系における高い集束性などの複数の魅力的特性をも提供する。しかしながら、電界放出中に材料の頂部に見られる強い電界に起因して、金属原子は多くの場合拡散するかまたは電気移動して、故障や熱暴走をひき起こす。その上、超高真空銃が、厳しい要件であり、１０-11ｍｂａｒにおいてさえ、エミッタ頂部（直径１００ｎｍ）での分子の接着の結果として、放出電流のちらつきがもたらされる（４〜６％ＲＭＳ）。
【００１１】
光電子源は、はるかに一般性が低いが、潜在的に、冷陰極電界エミッタと熱電界エミッタの大部分の利点を組合せることが可能である。光電子源では、光子ビームがエミッタの表面をその仕事関数よりも高いエネルギーで照射し、電子は光電効果によって引出される。これらの光電子源は、冷陰極電界エミッタと同様のまたはそれよりも小さいエネルギー拡散（０．１〜０．３ｅＶ）を有する。これらは、冷陰極電界エミッタよりも大きい表面積を有し、したがって従来の冷陰極電界エミッタよりもその頂部での分子の接着に対する感応性が低い。
【００１２】
電子顕微鏡は、ソレノイド、磁気多極子などの巨視的な要素のため、または導電性デバイスに印加される電圧によって、巨視的な電磁場を生成する。電磁場は、荷電粒子のための不均質でかつ異方性の屈折媒体を形成する。光学顕微鏡との密接な類似性において、これらの電磁場内での電子の伝播については、電子の経路が幾何的ラインまたは軌道として構想されて（電子光学素子が、連続的に変動する電磁場を生成するので）屈折率分布型レンズによって屈折させられる、いわゆる幾何学的電子光学によって説明される。電子の運動に対する回折の効果は、伝播する電子の複数の波長の距離全体にわたり、電磁場が感知できるほどに変化しないことから、無視できる程度に小さいものである。スピン効果についても同様であり、これは回折と同じ規模のものである。
【００１３】
実際には、大部分の一般的な場合における電子軌道の計算は、非常に複雑であり、多くの場合、無秩序な挙動を示す。電子ビームが電子光学素子の中心近傍に閉じ込められている場合（すなわち、電子ビームの直径が、電子光学素子の内側面の直径のおよそ５分の１より小さいものにとどまっている場合）、近軸条件が優勢である。すなわち、集束および偏向などの電子ビームの操作に使用されている素子は、少数の数量の手段を用いて特徴づけ可能な支配的効果を有し、また同様に単純な特徴づけができる小規模な効果によって混乱を受ける。大部分の電子光学素子（円形および四極子レンズならびに磁気および静電偏向素子）について、支配的効果は線形であり、それを特徴づけする数量は、ガウス光学のよく知られた基本的要素、すなわち焦点距離、焦点位置、主平面および節面である。
【００１４】
これらの支配的効果に対する混乱は、線形挙動からのあらゆるズレを測定する幾何収差である。これらの収差は、収差係数によって特徴づけされる。例えば、円筒状に対称な電磁レンズは常に、いわゆる球面収差により悩まされること、すなわち、対称軸に沿って走行する電子の焦点は、所与の距離のところでの軸に平行に走行する電子の場合と同じではないこと、ということが公知である。
【００１５】
全ての電子銃および電子光学系には、収差の懸念があり、したがって、電子顕微鏡の解像力は通常、回折限界によってではなく各レンズの収差および歪によって制限される。したがって、試料の表面で得られる仮想光源の像は、一部の利用分野については、試料の検査の十分な分解能を提供するのに十分な程には小さくない。電子顕微鏡メーカーは、電子光学系の設計を改善することによりこのような収差を最小限に抑えるためのスキームを考案した。近年、収差補正型電子顕微鏡が開発されてきた。このような顕微鏡は、収差の一部を補正できるが、きわめて複雑で負担の多いものである。
【００１６】
ファセット型の電子エミッタが、球面エミッタに比べて仮想光源のサイズを増大させ、試料上の電子ビームのスポットサイズに対し負の影響をもち得ることが実証されている。それでも、このようなエミッタの形状をどのように使用したら、試料上の電子ビームスポットサイズの規模を削減するという反対の効果を達成できるかは、まだ示されていない。
【００１７】
米国特許第４，８２９，９２７号明細書から、光電陰極に基づく走査電子ビーム装置が公知である。光電陰極の放出部域のサイズおよび形状は、全てのシステムニーズのために、所望のスポットサイズおよび形状が投影され得るような形で選択可能である。光電陰極の一点から放出される電子は、放物線状である。これらの放物線の漸近線は、仮想陰極平面内で交差し、このことはすなわち、この発明が機能するのに平面型光電陰極を必要とするということを意味する。仮想陰極平面は、静電レンズにより第一のスポット成形用アパーチャ内へ結像され、クロスオーバーを形成する。クロスオーバーにおける像は、電子光学式集束偏向システムによって、試料上に再び結像される。この発明では、試料上の所望のスポットサイズを達成するために放出部域を修正する可能性が考慮されているが、より小さなスポットサイズを得るために光電陰極自体をいかに成形するかは開示されていない。また、試料上の電子スポットのサイズを最小化するために仮想光源の形状をいかに修正すべきかについても開示されていない。さらに、いかなる中間クロスオーバーも無く機能する電子光学スキームも開示されていない。
【００１８】
米国特許第４，８６８，３８０号明細書から、光導波管と、光導波管の端部を被覆する半導体と、半導体を電気回路に接続するための第一の電極と、半導体とは間隔をおいて半導体の近くに配置される第二の電極とを有する、光学信号を電気信号に変換するための光導波管光電陰極が公知である。導波管、第一の導体および半導体は、端部において相対的に湾曲しているかまたは尖っている。その結果、電極間の任意の所与の電圧について、頂部で強い電界が生成される。こうして、光を電子に変換する効率をはるかに高くすることができる。この文書は、放出された電子をいかにして電子ビームに成形するかについても、電子ビームを試料上にいかに集束するかについても開示していない。
【００１９】
米国特許第５，０４１，７２４号明細書から、光電陰極を照射する光子ビームのエネルギーが、陰極材料の仕事関数よりも小さいエネルギーを有している、光電陰極に基づく電子ビームデバイスに対する改良が公知である。陰極の仕事関数は、外部電界を用いて、光子放出を発生するが電界放出は発生しない程度まで削減される。試料に光電子をいかに集束できるか、そして二次的電子信号をいかに検出できるかについても開示されている。それでもこの文書からは、光電陰極の仮想光源をいかに結像できるか、または試料上の電子ビームスポットのサイズをいかにして最小化できるかは不明である。
【００２０】
米国特許第５，２７０，６４３号明細書から、集積回路の非接触試験のための光電子走査電子顕微鏡が公知である。この発明においては、光電陰極を駆動するためにピコ秒レーザービームが使用され、これが光電子ビームを生成し、今度はこの光電子ビームが電子ビームカラムによって試料上に集束される。この文書は、仮想電子源を試料上に結像させ得ることを開示しておらず、また、試料上の電子ビームスポットサイズを最小化するために光電陰極をいかに成形でき得るかについても開示していない。
【００２１】
米国特許第５，２７０，６４３号明細書と同様に、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１（１９８７）、１４５〜１４７頁から電子ビーム測定デバイスが公知であり、ここでは、走査電子顕微鏡の従来の熱電子電子源は、光学駆動式光電陰極により代替されており、レーザービームの紫外線パルス（パルス繰返し率１００ＭＨｚ、パルス幅１．５ｐｓ、平均出力２ｍＷおよび波長２６６ｎｍ）は、ＳＥＭカラムの頭部に取付けられた平面水晶基板上で蒸発させられた粗面の薄膜金製の光電陰極上に集束した。典型的な動作モードでは、１０ｎＡの光電流が、陰極において４μｍのスポットサイズから生成されたが、しかしながら、電子ビームは一連の縮小光学系およびピンホールを通過したことから、試料に到達したのはわずか２５ｐＡであった。その上、電子ビームクロスオーバーが、空間的分解能（０．１μｍ）および時間的分解能（５ｐｓ）の損失を生み出す強い空間電荷効果の原因となった。この文書中では、試料上の電子ビームスポットのサイズをいかにして最小化できるかが開示されていない。
【００２２】
欧州特許出願公開第０８３４８９号明細書から、光導波管、電子を生成するための光導波管の端部に対する金属炭化物コーティング、ならびに、光子放出電流を生成できるようにコーティングの電子仕事関数を低下させるための電界生成手段を有する、光電子ビーム生成装置が公知である。試料上にいかにして仮想光源を結像でき得るかについては開示されておらず、試料上の電子ビームスポットをいかにして最小化でき得るかについても開示されていない。
【００２３】
Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ５７〜５８（２００１）、１５５〜１６１頁から、ｐ型ドープシリコンで作られた、電界放出光電陰極アレイが公知である。各エミッタの仮想光源サイズ（〜１０ｎｍ）は、試料上に結像される。各像は異なる点で結像されるが、この文書は、試料上の像のサイズをいかに縮小できるかを開示していない。
【００２４】
米国特許第５，８９５，９１９号明細書は、陰極、引出電極、陽極および集光レンズを有する粒子ビーム生成用の電子銃レンズを開示し、引出電極と陽極の間に減速場が生成され、集光レンズが、陰極、引出電極および陽極の両方に重ね合わされる磁場を生成する。陰極は、光電陰極であり得、陰極の仮想光源は試料上に結像され得る。ただし、試料上の電子ビームスポットをいかにして最小化でき得るかについての開示は全く存在しない。
【００２５】
米国特許第６，２１５，１２８号明細書（２００１）および米国特許第７，１６１，１６２号明細書（２００７）は、光電陰極上に光学像を形成し、光学像を電子放出パターンへと変換し、光電陰極を試料上に結像するための方法を開示している。これらの文書は、試料上の電子ビームスポットをいかにして最小化することができ得るかに関して対処していない。
【００２６】
スポットサイズまたはビームスポットサイズを最小化するというのは、試料上の仮想光源の像のサイズを最小化することを意味するということに留意するべきである。
【００２７】
米国特許出願公開第２０１０／０１２７１７０号明細書は、大きい円錐形端部を有するショットキー電界エミッタについて開示している。その突出長および先端部半径は、放出された光電子の電子密度を最小化することができるように制御可能である。この発明は、電界エミッタの代りにこれをいかにして光電子エミッタに適用できるかについて開示しておらず、試料上への仮想光源の像をいかに最小化するかについても開示していない。
【００２８】
先行技術の文書のいずれも、ビームスポットサイズを最小化するという問題に対処していないことは明白である。先行技術文書の各々において、スポットサイズが大きすぎて、試料の高分解能での検査を達成することはできない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
本発明の目的は、上述のデメリットのいくつかを軽減することにある。
【課題を解決するための手段】
【００３０】
本発明は、点光電陰極の仮想光源の形状を工学処理し、前記仮想光源を試料上に結像させるステップを含む、新規の電子光学方法を提供する。
【００３１】
光電陰極が照射を受けた場合、陰極の表面から電子が放出され、放出された電子は各々一つの軌道をたどる。各電子の軌道は、陰極内部の一領域（最小錯乱領域）に戻るように外挿可能である。こうして、電子の軌道にしたがって、放出された電子は陰極内部の領域から放出されるように見え、この領域は、電子の外挿された軌道が内部で交差する陰極の体積により画定され、この領域は、最小錯乱領域と呼ぶことができる。電子は、その軌道のため、陰極内部のこの最小錯乱領域から放出されるように見える。しかしながら、実際は、最小錯乱領域には電子源は全く存在せず、したがって、電子の軌道が交差する陰極の領域（すなわち最小錯乱領域）は、「仮想光源」として知られている。したがって、仮想光源は、電子の外挿された軌道が交差する陰極内部の一領域である。
【００３２】
放出された電子は、試料上に集束され得る。放出された電子は、試料上の一領域に集束され得る。電子が集束される領域は、仮想光源の像として知られている。仮想光源の像のサイズは、仮想光源のサイズと関係している。好ましくは、仮想光源の像のサイズは、仮想光源のサイズに正比例する。仮想光源の像は、スポットサイズとも呼ぶことができる。
【００３３】
この方法の実施のために構築された電子ビーム装置は、マイクロメートルからサブナノメートルまでのスポットサイズ、単純な電子光学設計およびより低い生産コストを特徴とすることができ得る。それは、特徴であるスポットサイズを有意に劣化させることなく、高電子密度ビームまたは超高速電子パルスで動作させられ得る。
【００３４】
検査用試料を準備するための好適な方法であり、
−  光電陰極が光電陰極の一表面から電子を放出するように光電陰極を照射するステップであって、光電陰極が一つの曲率半径を有する丸みを帯びた先端部を含んでいる、ステップと、
−  放出された電子が電子ビームを形成するように、放出された電子を構成するステップであって、電子ビームを形成する放出された電子が各々一つの軌道をたどり、放出された電子のその軌道が、光電陰極内部の仮想光源を画定する領域で交差するように外挿可能なものである、ステップと、
−  電子ビームを試料上に集束して、試料上に仮想光源の像を形成するステップと
を含む方法である。
【００３５】
本方法は、同様に、検査用、電子ビームリソグラフィ用、または、集束電子ビーム誘導型処理用、例えば集束電子ビーム誘導型被着（近傍の試料上に不揮発性フラグメントの被着を導く電子ビームによる気体分子の分解プロセス）用もしくは集束電子ビーム誘導型エッチング（近傍の試料のエッチングを導く電子ビームによる気体分子の分解プロセス）用の試料を準備するためにも使用されてよい。
【００３６】
好ましくは、本方法は、検査用試料を準備する方法であり、電子ビームを試料上に集束して、試料上に仮想光源の像を形成するステップは、試料が検査用に準備されるために実施される。本方法は、検査用試料を準備するための方法であり、本方法は、光電陰極がその一表面から電子を放出するように、光電陰極を照射するステップであって、光電陰極が一つの曲率半径を有する丸みを帯びた先端部を含んでいるステップと、放出された電子が電子ビームを形成するように、放出された電子を構成するステップであって、電子ビームを形成する放出された電子が各々一つの軌道をたどり、放出された電子のその軌道が、光電陰極内部の仮想光源を画定する領域で交差するように外挿可能なものであるステップと、電子ビームを試料上に集束して、試料上に仮想光源の像を形成し、こうして試料を検査用に準備するステップとを含む。
【００３７】
湾曲表面について、所与の点における曲率半径は、その点において数学的に曲線に最も良く適合する円の半径である。所与の二次元表面上の各点において、二つの「主要」曲率半径が存在する。大きい方はＲ１と記され、小さい方はＲ２と記される。主要曲率半径に対応する「主要方向」は、互いに垂直である。換言すると、この点でかつ主要方向における表面法平面は互いに垂直であり、その両方共その点における表面接平面に対し垂直である。光電陰極の先端部の曲率半径は、その表面において所与の点について画定され、かつ主要半径の一つに等しい。好ましくは、光電陰極の先端部は、円筒対称であり（すなわち、一本の軸のまわりでの任意の量の回転後、同じに見える）、したがって前記所与の点についての主要半径は等しくなる。好ましくは、光電陰極の先端部は、円筒対称であり、前記所与の点は、対称軸上に位置づけされる。
【００３８】
光電陰極に一つの曲率半径を与えることで、仮想光源のサイズは縮小され、このようにして仮想光源のさらに小さな像を達成することができ、こうしてより高い検査分解能が提供される。
【００３９】
領域は、１，０００，０００ｎｍ3以下の光電陰極の体積であってよい。領域は、好ましくは、１ｎｍ3〜１，０００ｎｍ3の光電陰極の体積である。領域は、より好ましくは、光電陰極の１，０００ｎｍ3の体積である。
【００４０】
領域は、光電陰極内部の一点であってよい。各電子の軌道は、光電陰極内部の一点において交差するように外挿可能なものであってよく、その点が仮想光源を画定する。
【００４１】
各電子の軌道は、光電陰極の表面と交差するように外挿可能なものであり、交差表面が仮想光源を画定する。
【００４２】
光電陰極は、仮想光源像のサイズの縮小を達成できるように、一つの曲率半径を有する丸みを帯びた先端部を含んでいてよい。
【００４３】
光電陰極の丸味を帯びた先端部は、０．０１μｍ超〜無限未満の範囲内の曲率半径を有していてよく、ここで無限の曲率半径とは、平坦な光電陰極を意味する。好ましくは、丸味を帯びた先端部は、１〜５０μｍの範囲内の曲率半径を有する。より好ましくは、丸味を帯びた先端部は１０μｍ未満の曲率半径を有する。最も好ましくは、丸味を帯びた先端部は２μｍの曲率半径を有する。
【００４４】
本発明は、以下の利点を提供する。
・  単純で低コストかつ高い空間分解能の電子ビーム装置。
・  低いエネルギー分散を有し、その結果として小さい仮想光源を有する電子ビームを生成するために、光電陰極に基づく電子銃を利用する、電子ビームシステム。
・  以下のものを最小限にするため、クロスオーバーを全く伴わない電子ビームシステム、
−  電子間のクーロン相互作用（空間電荷効果）、こうして空間的分解能および時間的分解能を改善する。
−  電子光学系内の電子損失、こうして信号対雑音比を改善する。
・  仮想光源を試料上に結像できる電子ビームシステム。像は、拡大または縮小可能である。
・  超高速光源で光電子銃を駆動することにより、試料上のプローブサイズおよびプローブ安定性を劣化させることなく、超高速電子パルスを生成することができる。
【００４５】
光電陰極を照射するステップには、光電陰極に光子を照射して、光電陰極内部の電子が光子を吸収した時点で電子が光電陰極材料の仕事関数を越えるようにするステップが含まれ得る。このプロセスは、光電子放出と呼ばれる。仕事関数は、特定の物質の表面から電子を解放するために、フェルミ準位において電子に与えられなければならない最小のエネルギーである。光子のエネルギーが物質の仕事関数より大きい場合、光電子放出が発生し、電子は表面から解放される。過剰の光子エネルギーは、ゼロではない運動エネルギーを有する自由電子を結果としてもたらす。
【００４６】
放出された電子を電子ビームへと構成するステップには、光電陰極と陽極の間に電界を加え（引出電界）、こうして光電陰極において放出された電子が加速されるようにするステップが含まれ得る。好ましくは、光電陰極と陽極は、電界と放出された電子とが共働できるように配置されている。好ましくは電界は、光電陰極と陽極の間の電位差に正比例する運動エネルギーを電子に与える規模のものである。
【００４７】
光電陰極と陽極の間に電界を加えるステップは、有害なことに、電子がポテンシャル障壁（すなわち電子が光電陰極材料から漏出するのを防ぐポテンシャル障壁）を通ってトンネルし、最初に光子を吸収せずに放出されることを可能にする場合がある。電界放出として公知のこのプロセスは、電子が光電子放出によって放出される場合に比べて、放出される電子のより広い電子エネルギー分散、より大きい仮想光源そしてより高い収色性の色収差を導くことから、望ましくない。したがって、光電陰極の先端部における電界勾配は、電界放出により放出される電子の割合を制限するために、上限が定められてよい。電界放出の減少は、電子源の曲率半径を増大させること、および／または、光電陰極と陽極の間に加えられる電界を制限することによって達成可能である。好ましくは、電界放出によって放出される電子の割合は、光電子放出により放出される電子の多くても１パーセントであることが好ましい。最も好ましくは、電界放出により放出される電子の割合は、多くても、光電子放出により放出される電子の０．０１％である。
【００４８】
好ましくは、光電陰極を照射する光子のエネルギーは、光電陰極材料の仕事関数を越えるのに必要なエネルギー以上で、仕事関数を越えるのに必要なエネルギーに１ｅＶを加えたもの以下である。これにより、各々の放出された電子の運動エネルギーが、励起前の光電陰極材料内部の電子の初めのエネルギー準位に起因する寄与分に１ｅＶを加えたものよりも小さくなることが保証されるはずである。好ましくは、光電陰極を照射する光子のエネルギーは、光電陰極材料の仕事関数を越えるのに必要なエネルギー以上で、仕事関数を越えるのに必要なエネルギーに０．１ｅＶを加えたもの以下である。光電陰極を照射する光子のエネルギーは、同様に、光電陰極材料の仕事関数を越えるのに必要なエネルギーより最高１ｅＶ（好ましくは０．０５ｅＶ）低いものであってもよく、こうして、光電陰極の最高のエネルギー準位を満たす電子のみが放出されることになる。こうして、電子ビームが小さい色分散を有すること、すなわち電子ビーム内の各々の電子が類似の運動エネルギーを有し、集束システムの色収差を削減させる結果になることが保証される。光電陰極と陽極の間に電界を加えるステップは、同様に、たとえ光子エネルギーが仕事関数のエネルギーよりも低い場合でも、光電陰極材料のポテンシャルを通ってトンネルする有意な確率を有するのに十分なエネルギーを電子が光子から獲得できると考えられることから、光電陰極の表面から電子を放出するのに必要な光子エネルギーを削減することにも寄与し得る。電子が、放出された時点でゼロより高い運動エネルギーを有する場合には、その運動量はゼロではなく、動径成分（表面に直交するもの）および横成分（表面に対し接線方向のもの）を有する任意方向を有していてよい。半径方向および横方向の運動量により実現される運動エネルギーの部分は、それぞれ半径方向および横方向の運動エネルギーと呼ばれる。
【００４９】
好ましくは、引出電界の強度は、電界放出を最小化し、電子が光電陰極表面から引出されることを保証し、かつ電子がクーロン相互作用によって相互作用するために最低限の時間を有することを保証するように構成される。好ましくは、引出電界の強度は、電界放出が無視できる程度（例えば合計放出電流の１％または０．０１％が無視できる程度とみなされる）に上限が定められ、しかもそれが、電子が光電陰極表面から迅速に引出されクーロン相互作用によって相互作用するために最低限の時間を有するように、それ以上低下しないように定められる。実際、電子−電子の相互作用は、電子ビームの質の劣化を生じさせ、最小限に抑えられなければならない。
【００５０】
好ましくは、光電陰極および引出電界は、光学軸を中心にして円筒対称であり、そのため電子ビームは、光学軸を中心にして円筒対称である。好ましくは、光電陰極は、丸味を帯びた頂部を有する円錐形状を有する。その円錐形状は、０°〜１８０°の範囲内の頂角を有してよい。好ましくは、その円錐形状は、２５°〜４０°の範囲内の頂角を有し、こうして光電陰極の先端部の曲率半径の５〜１００倍の距離を過ぎると、横方向の運動エネルギーは半径方向の運動エネルギーに変換され、光電陰極の幾何学的設計に起因する引出電界の不均質性は消滅し、電子は直線に走行する。好ましくは、その円錐形状は、２５°〜４０°の範囲内の頂角を有し、こうして光電陰極の先端部の曲率半径の１０倍の距離を過ぎると、横方向の運動エネルギーは半径方向の運動エネルギーに大半が変換され、光電陰極の特定の幾何学的設計に起因する引出電界の不均質性は消滅し、電子は直線に走行する。光電陰極から放出された電子のこれらの軌道は、逆投影されて光電陰極内部の領域で交差し得、この領域が最小錯乱領域、すなわち仮想光源を画定する。最少錯乱領域は、任意に選択できるものの、好ましくはそれは、可能なかぎり最小の面積を有するように選択される。光電陰極のまわりの電界の構造に固有の運動エネルギーおよび収差のため、仮想光源は点のようなものではなくてよく、したがって、仮想光源は光電陰極内部の一領域により画定されてよい。すなわち光電陰極から放出される電子の軌道は、光電陰極内部の単一の「点」ではなく一つの「領域」において交差するように、逆向きに外挿されてよい。
【００５１】
好ましくは、光電陰極から放出された電子の軌道は、光電陰極内部の一領域において交差するように外挿されており、この領域は、ひとたび電子が光電陰極と陽極の間の電位差により与えられるエネルギーを獲得した時点で、仮想光源を画定する。点Ｐにおいて電子が前記エネルギーに達したら、点Ｐにおけるこの電子の軌道に対する接線を用いて、仮想光源に対して電子の軌道を線形的に外挿する。それは「あたかも」電子が仮想光源から点Ｐまで線形的に走行したかのようである。
【００５２】
本方法は、さらに、仮想光源のサイズが最小化されるように、光電陰極の形状を最適化するステップを含み得る。
【００５３】
本方法は、さらに、試料上の仮想光源の像のサイズが最小化されるように、光電陰極の形状を最適化するステップを含み得る。
【００５４】
最適化ステップは、新しい幾何形状を光電陰極に提供するステップを含み得る。最適化ステップは、光電陰極の幾何形状を変更するステップを含み得る。最適化ステップは、陽極に新しい幾何形状を提供するステップを含み得る。最適化ステップは、陽極の幾何形状を変更するステップを含み得る。
【００５５】
光電陰極および／または陽極の幾何形状を変更するステップでは、より小さな仮想光源サイズおよび／またはより小さな仮想光源サイズの像を生み出すように、電子の軌道を修正し得る。
【００５６】
光電陰極および／または陽極の幾何形状を変更するステップは、所与の形状をもつ仮想光源像および／または仮想光源サイズを生み出すように、電子の軌道を修正し得る。例えば、一部の利用分野では、試料上の細長い仮想光源像が望まれるかもしれない。
【００５７】
最適化ステップは、
−  光電陰極の幾何形状を変更するステップ、
−  光電陰極と陽極の間の電磁場を計算するステップ、
−  放出における電子の初期運動量の関数として、電子の軌道を光線追跡するステップ、
−  仮想光源を画定できるように、全ての電子の軌道を逆投影するステップ、
−  望まれる仮想光源サイズまたは望まれる虚像サイズが得られるまで、先行する一つまたは複数の最適化ステップを反復するステップ
を含み得る。
【００５８】
最適化ステップは、引出電位を変更するステップを含み得る。
【００５９】
最適化ステップは電子−電子の相互作用を計算するステップを含み得る。
【００６０】
新しい幾何形状を有する光電陰極を提供するステップは、異なる頂角または先端部半径を有する光電陰極を提供するステップを含み得る。光電陰極の幾何形状を変更するステップは、光電陰極の頂角または先端部半径を変更するステップを含み得る。好ましくは、電磁場は、選択された点メッシュについて数値計算される。
【００６１】
電子−電子の相互作用は、電子ビームシステム全体の光学特性の劣化を導き、避けなければならない。電子−電子の相互作用は、大きい電子放出表面（大きい点陰極半径）を有するように光電陰極の幾何形状を選択することによって、さらに削減され得ると考えられる。それでも、半径は、電子ビームのエネルギー拡散が仮想光源のサイズを著しく劣化させないように十分小さいものでなければならない。
【００６２】
光電陰極を照射するステップは、光電陰極材料の仕事関数を越えるのに必要なエネルギーの半分を有する光子を光電陰極に照射して、こうして光電陰極から放出される各々一つの電子につき少なくとも二つの光子が吸収される、非線形放出プロセスを通して、電子放出プロセスが達成されるステップを含み得る。
【００６３】
電子ビームを試料上に集束するステップは、異なる電子ビームエネルギーまで電子ビームを加速／減速するステップを含み得る。
【００６４】
電子ビームを試料上に集束するステップは、試料上に集束される電子ビームの一部分を選択するステップを含み得る。これは、軸外収差の寄与を削減するかまたは電子ビーム電流を削減するために行なわれ得る。
【００６５】
電子ビームを試料上に集束するステップは、電子ビームと共働するように一つまたは複数の偏向器を配置するステップを含み得る。一つまたは複数の偏向器は、他の電子光学素子の中心を通過するように電子ビームの軸を補正するように、配置されてよい。一つまたは複数の偏向器は、検査中の試料の異なる位置を通過するように電子ビームの軸を調整するように、配置されてよい。
【００６６】
電子ビームを試料上に集束するステップは、ビームの非点収差を補正するために一つまたは複数の非点収差補正装置を使用するステップを含み得る。
【００６７】
電子ビームを試料上に集束するステップは、電子ビームの発散／収束を修正でき、レンズの瞳を制御でき、および／またはその集束位置を調整できるように、一つまたは複数の電子光学レンズを配置するステップを含み得る。
【００６８】
集束ステップは、中間像の形成を回避するように実施されてよい。すなわち、ビーム内の電子ビームの軌道は、試料以前に互いに交差しない。集束ステップは、ビーム内部の電子ビームの軌道のクロスオーバーを防ぐように実施されてよい。これは、電子ビームが試料に達する前の電子ビームの軌道のクロスオーバーを防ぐのに必要な焦点距離を有する電子レンズに、電子ビームを通過させることにより達成されてよい。これは、ビームが試料に達する前のビームのクロスオーバーが全く存在しないように、一つの電子レンズの焦点レンズを調整することによって達成され得ると考えられる。複数のレンズを具備してよく、好ましくは、試料の直前にある焦点レンズ（すなわち電子ビームが試料に達する前に通過する最後のレンズ）のみを調整して、電子ビームを試料上に集束してよい。中間クロスオーバーを抑制すること、すなわち、光電陰極と試料の間の電子の移動時間中、電子を互いに離しておくことで、電子−電子の相互作用を削減する結果となる。代替的には、ビームが試料に達する前にビーム内部の電子ビームの軌道の単一のクロスオーバーを可能にするように、集束ステップを実施してもよく、これは、各々適切な焦点距離を有する一つまたは複数の電子レンズを使用して達成され得る。
【００６９】
電子光学素子は、強い軸外収差の影響を受ける。したがって、大部分の電子ビーム装置において、電子ビームの直径は電子光学素子の中心を通過し、電子ビームの半径は可能なかぎり小さく保たれる。このことはすなわち、光学軸に沿った、光電陰極頂部から放出された電子が最小の収差の影響しか受けないことを意味する。電子が光学軸から離れて放出されるほど、電子が受ける収差は強くなる。換言すると、光学軸から距離ｒ１のところで放出された電子は、ｒ２＞ｒ１であることを条件として、光学軸から距離ｒ２のところで放出された電子より少ない収差の影響しか受けない。軸外収差は、試料上の電子ビームの焦点を修正する。
【００７０】
公知の解決法は、例えば穴を通して電子ビームを送ることによって、光学軸から遠くに放出された電子を遮断するというものである。それでも、これは電子ビーム電流の減少に寄与することから、理想からは程遠いものである。本発明では、光学軸から距離ｒのところで放出された電子の仮想光源位置は、電子ビームが光学軸に沿って放出された電子ビームの場合と同じ位置で集束されるように変更される。
【００７１】
その結果として、本発明に係る方法は、丸味を帯びた先端部の寸法とは異なる寸法を有する光電陰極の少なくとも一つの第二の部分から、光電陰極がさらに電子を放出するように、光電陰極を照射するステップをさらに含み得、ここで第二の部分は、第二の部分から放出された電子が各々一つの軌道をたどるように構成されており、電子の軌道は、光電陰極内部の第二の領域で交差するように外挿可能なものであり、この第二の領域は第二の仮想光源を画定し、ここで第一および第二の仮想光源は、第一および第二の仮想光源の像が試料上の同じ位置に設定されるように、位置づけされている。
【００７２】
第一および少なくとも第二の仮想光源は、同様に、第一および少なくとも第二の仮想光源の像が試料の選択された領域内に設定されるように、位置づけされてもよい。これは、試料の選択された領域が照明を受けるように行なわれてよい。例えば、一本の軸に沿って高分解能が達成され、もう一本の軸に沿って広い領域が照射されるように、狭く細長い領域が選択される場合もあると考えられる。領域は、仮想光源の像のサイズの縮小を達成する目的で、複数の仮想光源の各々が試料上に位置設定されるように選択されてよい。好ましくは、複数の仮想光源各々の像は、仮想光源の像のサイズの縮小を達成する目的で、試料上の同じ位置に設定される。
【００７３】
第一および少なくとも第二の仮想光源は、同様に第一および少なくとも第二の仮想光源の像が試料の選択された領域内に位置設定され、この領域内の電子照射密度が制御されるように、位置づけされてよい。例えば、仮想光源の像位置は、所与の領域の照射プロファイルがガウシアン型となるように選択される場合もあると考えられる。
【００７４】
本方法に、さらに、スポットサイズを最小化する目的で、第一および第二の仮想光源が最小化されるように、および／または、それらが試料の同じ点上で結像されるためにそれらの位置が最適化されるように、光電陰極の形状を最適化するステップが含まれ得る。最適化ステップは、光電陰極の幾何形状を変更するステップを含み得る。最適化ステップは、新しい幾何形状を光電陰極に提供するステップを含み得る。最適化ステップは、さらに、陽極の幾何形状を変更するステップを含み得る。最適化ステップは、さらに、新しい幾何形状を陽極に提供するステップを含み得る。
【００７５】
最適化ステップは、
−  光電陰極の幾何形状を変更するステップ、
−  光電陰極と試料の間の電磁場を計算するステップ、
−  光電陰極から試料への電子の運動量の関数として、電子の軌道を光線追跡するステップ、
−  試料上の電子ビームスポットのサイズを計算するステップ、
−  試料上で最小スポットサイズが得られるまで、先行する一つまたは複数の最適化ステップを反復するステップ
を含み得る。
【００７６】
収差は、同様に、電子光学素子由来の機械的なまたは他の不完全性に源を発する可能性もある。すなわち、円形レンズが完全に円形であることは決してなく、磁気材料が完全に均質であることは決してなく、アライメントが完全に正確であることも決してない。これらの寄生収差は、各光学素子について異なるものである。それでも、これらの収差は、すでに説明した方法により補正され得る。したがって光電陰極の形状は、円筒対称に限定されなくてよく、任意のあらゆる形状を有してよい。こうして非点収差を補正することができると考えられる。したがって、光電陰極は所与の点で二つの主要な曲率半径を有する丸味を帯びた先端部を含んでいてよく、こうして仮想光源位置は、電子が一方の主要平面内部で伝播しているかまたは他方の主要平面内部で伝播しているかは問わず、異なっていてよい。
【００７７】
この方法は、色収差とは対照的に、球面収差などのあらゆる種類の幾何収差を補正するために使用され得る。
【００７８】
光電陰極を照射するステップは、円偏光を光電陰極に照射して、こうして放出された電子ビームがスピン偏極され、すなわち一つの所与のスピンを伴って放出された電子の母集団が、反対のスピンを伴って放出された電子の母集団とは異なるものとなるようにすることによって、実施される場合があると考えられる。
【００７９】
本方法は、電子ビームの角度スパンを制御するステップを含み得る。これは、電子ビームを一つのアパーチャに向けて誘導し、こうして電子ビームの一部分のみが保存されるようにすることによって達成され得る。このようにして、選択された電子のみが保存され得る。例えば、光電陰極表面の選択された領域から放出された電子のみが保存され得る。光電陰極の選択された領域は、電子光学収差を補償するために工学処理された光電陰極の一領域であり得る。
【００８０】
本方法は、さらに、試料を通して透過した電子を測定するステップを含み得る。
【００８１】
本方法は、さらに、照明された試料の像を作成するために、試料の後方にレンズおよび検出器を追加するステップを含み得る。
【００８２】
本方法は、二次電子、後方散乱電子、透過電子、Ｘ線および／または光（カソードルミネッセンス）のうちの少なくとも一つを含む信号を測定するステップを含み得る。好ましくは、本方法は、測定された信号を時間的に分解するステップを含み得る。
【００８３】
本発明のさらなる態様によると、検査用試料を準備する方法であり、光電陰極が電子を放出するように光電陰極を照射するステップであって、放出された電子が光電陰極から放出されるにつれて一つの軌道をたどり、こうして放出された電子が仮想光源から漸近的に放出されるように見えるステップと、放出された電子を、それらが電子ビームを形成するように構成するステップと、電子ビームを試料上に集束して試料上に仮想光源の像を形成し、こうして検査用に試料を準備するステップとを含む方法が提供される。
【００８４】
本発明のさらなる態様によると、電子ビーム装置であり、電子を放出するように動作可能であるエミッタであって、放出された電子が各々一つの軌道をたどり、各々の電子の軌道が、エミッタ内部の仮想光源を画定する領域で交差するように外挿可能なものである、エミッタと、放出された電子を電子ビームに構成するための手段と、電子ビームを試料上に集束して仮想光源の像を試料上に形成できるようにするための手段とを含む電子ビーム装置が提供され、エミッタが、一つの曲率半径を有する丸味を帯びた先端部を含んでおり、こうして仮想光源のサイズは縮小され、このようにして仮想光源のより小さな像が達成可能である。
【００８５】
本発明のさらなる態様によると、電子ビーム装置であり、光電陰極と、光電陰極が電子を放出するように前記光電陰極を照射するための手段であって、放出された電子が光電陰極から放出されるにつれて一つの軌道をたどり、こうして放出された電子が仮想光源から半径方向に放出されるように見える手段と、放出された電子を電子ビームに構成するための手段と、電子ビームを試料上に集束して、仮想光源の像を試料上に形成できるようにするための手段とを含む、電子ビーム装置が提供される。
【００８６】
本発明のさらなる態様によると、電子ビーム装置であり、光電陰極と、光電陰極が光電陰極の一表面から電子を放出するように前記光電陰極を照射するための手段であって、電子の軌道が、光電陰極内部で仮想光源を画定する領域で交差するように外挿可能なものである手段と、放出された電子を電子ビームに構成するための手段と、電子ビームを試料上に集束して、仮想光源の像を試料上に形成できるようにするための手段とを含む電子ビーム装置が提供され、光電陰極が、一つの曲率半径を有する丸味を帯びた先端部を含んでおり、こうして仮想光源のサイズは縮小され、このようにして仮想光源のより小さな像が達成可能である。
【００８７】
光電陰極の幾何形状は、放出された電子が仮想光源から半径方向に放出されるように見えるようなものであってよい。
【００８８】
陰極の先端部は、陰極から放出された電子が複数の異なる軌道をたどるように、非球面となるように構成されていてよく、電子の軌道は、光電陰極内部の複数の異なる領域で交差するように外挿可能なものであり、複数の異なる領域の各々が複数の仮想光源を画定するものであって、複数の仮想光源が、電子光学収差を補償するように位置づけされ、こうして複数の仮想光源各々の像が試料上の同じ位置に設定されて、仮想光源像のサイズ縮小が達成される。
【００８９】
非球面の光電陰極は、純粋な球形状を有していないようなものである。すなわち、それは単一の曲率半径によって描写されることができない。好ましくは、非球面の光電陰極は円筒対称であり、こうしてその頂部において一つの曲率半径を有し、光電陰極表面の異なる点において少なくとも一つの異なる曲率半径を有する。
【００９０】
陰極の幾何形状は、陰極から放出された電子が複数の異なる軌道をたどるようなものであってよく、電子の軌道は、光電陰極内部の複数の異なる領域で交差するように外挿可能なものであり、その複数の異なる領域の各々が複数の仮想光源を画定するのであって、複数の仮想光源が、電子光学収差を補償するように位置づけされ、こうして複数の仮想光源各々の像が試料上の同じ位置に設定されて、仮想光源像のサイズ縮小が達成される。
【００９１】
陰極は好ましくは光電陰極である。
【００９２】
光電陰極の表面は、光電陰極を照射することによって光電陰極上の表面プラズモンが励起されるように、パターン化されてよい。好ましくは、光電陰極表面は、表面プラズモンが共鳴励起されて光電子放出が増強されるように、パターン化される。
【００９３】
放出された電子を電子ビームに構成するための手段は、引出電極を含み得る。
【００９４】
電子ビーム装置は、さらに、前記電子ビームを加速するための陽極電極を含み得る。
【００９５】
電子ビーム装置は、さらに、前記電子ビームの収束をもたらすための集光レンズを含み得る。
【００９６】
集光レンズは、活性モードおよび非活性モードに構成可能であってよく、活性モードにおいて電子ビームの収束は改変され、非活性モードにおいては電子ビームは集光レンズによって改変されない。
【００９７】
集光レンズは、磁気レンズを含み得る。
【００９８】
集光レンズは、電磁レンズを含み得る。
【００９９】
光電陰極は、それが磁気レンズまたは電磁レンズの磁場内に完全に入るように、配置され得る。
【０１００】
電子ビームを試料上に集束するための手段は、対物レンズを含み得る。
【０１０１】
電子ビームを試料上に集束するための手段は、エネルギーフィルター、球面収差補正装置または任意の種類の補正装置などの、収差補正装置を含み得る。
【０１０２】
対物レンズは、電子ビームの収束を制御するように構成され得る。
【０１０３】
対物レンズは、静電レンズ、磁気レンズもしくは電磁レンズ、またはこのようなレンズの一つもしくは複数の任意の組合せを含み得る。
【０１０４】
電子ビーム装置は、さらに、電子ビームの角度スパンを制御するための手段を含み得る。
【０１０５】
電子ビームの角度スパンを制御するための手段は、アパーチャが内部で画定されている部材を含み得る。
【０１０６】
光電陰極は、非球面表面を含み得る。
【０１０７】
光電陰極は、その後方端部から照射されるように配置されてよく、光電陰極の後方端部は、電子が放出される端部とは反対側にある光電陰極の端部である。
【０１０８】
光電陰極は、その前方端部から照射されるように配置されてよく、光電陰極の前方端部は、電子が放出される光電陰極の端部である。
【０１０９】
光電陰極は真空中に配置され得る。
【０１１０】
真空は、１０-3〜１０-12ｍｂａｒの間であり得る。
【０１１１】
光電陰極は、裏面照射型導波管を含み得る。
【０１１２】
前記光電陰極を照射するための手段は、入射光子ビームを供給するように構成可能なものであり得る。
【０１１３】
入射光子ビームは、１００ｎｍ〜１μｍの間のエネルギーを有するように構成され得る。
【０１１４】
電子ビーム装置は、さらに、電子銃を含み得る。
【０１１５】
光電陰極は、レーザーにより駆動され得る。
【０１１６】
電子ビーム装置は、さらに、電子のビームを偏向させるように構成可能である、一つまたは複数の偏向器を含み得る。
【０１１７】
電子ビーム装置は、さらに、ビーム非点収差を補正するように配置されている、非点収差補正装置を含み得る。
【０１１８】
本発明のさらなる態様によると、上述の電子ビーム装置のいずれか一つを含む、走査電子顕微鏡が提供されている。
【０１１９】
本発明のさらなる態様によると、検査用構成要素を準備することを目的とした、上述の電子ビーム装置のいずれか一つに係る電子ビーム装置の使用が提供されている。
【０１２０】
本発明は、一例として提供され図により示される一実施形態についての説明によって、さらに良く理解できるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１ａ】球状荷電粒子エミッタの光学的挙動を示す概略図である。
【図１ｂ】球状荷電粒子エミッタの光学的挙動を示す概略図である。
【図２】点陰極の光学的挙動を示す概略図である。
【図３ａ】球面収差の効果を示す。
【図３ｂ】光電陰極の形状の修正効果を示す。
【図４ａ】本発明の第一の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図４ｂ】本発明の第二の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図４ｃ】本発明の第三の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図４ｄ】本発明の第四の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図４ｅ】本発明の第五の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図４ｆ】本発明の第六の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【図５】本発明の第七の考えられる実施形態に係る電子銃の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０１２２】
ここで図１ａ、図１ｂおよび図２を参照する。図１ａおよび図１ｂは、球状荷電粒子エミッタの光学的挙動を示す概略図である。該図は原寸に比例しておらず、放出角度は意図的に誇張されている。図１ａでは、球状荷電粒子エミッタの表面Ｓ0において点Ｐ0から放出された電子は、不明瞭な形で、漸近的に半径ｒ0／２の球Ｓ1上の点Ｐ1から出て来るように見える、円錐のようなペンシルの形の電子になっている。図１ｂでは、Ｓ0の表面においてフォールオフ半径ρ0から放出された電子と結びつけられた二つの最小錯乱仮想物体、すなわち球体Ｓ1上のフォールオフ半径ρ1のガウス像および点Ｏの近傍にあるクロスオーバーが存在する。
【０１２３】
本発明を理解するためには、点光源エミッタがどのように機能するかを理解することが重要である。点陰極電子源において、陰極は、第一の陽極の加速電圧に対応するエネルギーを有する電子を放出する点光源として扱われる。それは、次のものによってモデル化される：
・  実際のエミッタの頂部に取付けられた半径ｒ0の球状陰極、
・  引出電圧に対する円錐のような形のシャンクの効果を考慮に入れるための弱静電レンズ。
【０１２４】
球状荷電粒子エミッタ
半径ｒ0の球状荷電粒子エミッタの表面Ｓ0における実光源点Ｐ0から、電子が放出される。電子が半径方向に走行した場合、放出は、球体Ｓ0の中心Ｐ2にある仮想点光源から出て来るように見えると考えられる。実際には、放出された電子は横方向の運動エネルギーを有し、それが漸近的に半径方向の運動エネルギーに形を変える。約１０ｒ0の半径を過ぎると、電子は事実上、直線で走行する。小さい横方向のエネルギーについては、放出された電子が、半径ｒ0／２の球体Ｓ1上の点Ｐ1から現われるように見える、と示すことができる。
【０１２５】
球状荷電粒子エミッタＳ0の表面においてフォールオフ半径ρ0のディスクから放出される電子は、以下の最小錯乱仮想物体の一つから出て来るように見える場合がある：
・  一般に「ガウス像」と呼ばれる、球体Ｓ1上のフォールオフ半径ρ1の仮想ディスク、
・  一般に「クロスオーバー」と呼ばれる、点Ｏの近傍のフォールオフ半径ρ2の仮想ディスク。
【０１２６】
弱静電レンズ
点陰極のシャンクは電子の放出に寄与しないが、陰極と陽極電極の間の電界は、頂部から遠く離れた電子に作用する。効果は、弱静電レンズによりモデル化可能である。弱静電レンズは角度を圧縮し、仮想物体の側方サイズを削減する。同様に、これはクロスオーバー点ＯをＯ’までシフトさせる。
【０１２７】
本明細書においては、所与の電子銃について、仮想光源を最小錯乱仮想物体と呼ぶ。この点は、通常、クロスオーバーであるが、先の尖った陰極の幾何形状および電子銃および電子光学系の収差に応じて、それはガウス像かまたは他の任意の有利な仮想物体でもあり得ると考えられる。
【０１２８】
図２は、点陰極の光学的挙動を示す概略図である。該図は、原寸に比例していない。電子は、エミッタ頂部上の実点Ｐ0から放出される。円錐のような形のシャンクの効果は、弱静電レンズの挙動として表される。それはクロスオーバー点をＯからＯ’へとシフトさせ、こうして放出角度は削減される。
【０１２９】
本発明の実施形態は、光電子銃および電子光学系の構成要素の以下のような特徴を有し得る。
【０１３０】
光電子銃
電子銃は、大きい頂部半径（１μｍ以上）の円錐形状を有する点光電陰極エミッタからなる。頂部は、光子ビーム（レーザーまたはＬＥＤ由来）により照明され、光電効果によって光電子を放出する。光電陰極表面は、前方照明または後方照明を受ける。前方照明を受けている場合、陰極は、バルク材料で構築され、例えばレンズを使用することによって直接照明される。後方照明を受ける場合、光は、金属または半導体でコーティングされる、円錐形光導波管内に結合される。
【０１３１】
引出電極が、頂部から３００μｍのところに設置され、電子を引出すために使用される。引出電界は、（１）可能なかぎり高速で電子を引出し、仮想光源のサイズを縮小すると考えられる空間電荷効果を回避するためにできるだけ高いもの、しかし（２）エネルギー分散を増大させシステムが光学的に駆動されるのを防ぐと考えられる、電界効果および暗電流を回避するため過度に高くないものでなければならない。光電陰極にとって良好な曲率半径は２μｍである。これは、強い引出電界を確保しながら、電界効果放出を有するには大きすぎる。
【０１３２】
頂部における大きい曲率半径は、冷陰極電界エミッタの場合に一般的に遭遇する分子の接着力の影響も同様に削減する。所与の光電電流放出について、それは電子−電子の相互作用を削減する。
【０１３３】
入射光子のエネルギーは、それが電界の存在下で光電陰極の仕事関数と等しいかまたはこれをわずかに超過するように選択される。この構成において、光電子は低いエネルギー拡散（０．１〜０．３ｅＶ）を有する。
【０１３４】
このとき陽極が、電子を加速する。
【０１３５】
エミッタの半径が大きいにも関わらず、電子銃の仮想光源は、光電子のエネルギー拡散が小さいことに起因して、小さいものにとどまる（図１参照）。
【０１３６】
電子光学系
電子光学素子は、いかなる中間像も形成されないように、すなわち、中間クロスオーバーは一切形成されずに、一つの平面上に仮想光源を結像する。この構成は、それが電子ビーム内部での電子−電子の相互作用を削減しかつ電子光学系の複雑性も削減することから、非常に有利である。このようなシステムは、仮想光源が専ら仮想クロスオーバーであることから、焦平面上に、一つのクロスオーバーしか有していない。したがって、システム全体は、電子−電子の相互作用を最小限にし、それは高電流での動作にとって最適である。光源が、フェムト秒レーザーなどの超高速光学光源によって駆動される場合、光生成超高速電子パルス内での電子−電子の相互作用の影響は最小限になる。焦平面内部に、小さい直径のスポットを得ることができる。
【０１３７】
電子銃と電子光学系の組合せの最適化
全ての電子銃および電子光学系は、収差の影響を受ける。図３ａは、ビームに対する球面収差の効果を示す。電子１０５は、丸味を帯びた頂部１０３を有する円筒対称の光電陰極１０１から放出され、光電陰極１０１およびその頂部の形状は、光電陰極１０１から放出される電子１０５が仮想光源１０７から放出されているように見えることを確保している。電子１０５は、二つの角度ｕ１およびｕ２で仮想光源１０７から前進する。これらは次に、電子光学システム１１１によって試料１０９上に集束する。電子光学システム１１１の球面収差のため、角度ｕ１で放出された電子について一つの焦点Ｆ１が存在し、角度ｕ２で放出された電子について別の焦点Ｆ２が存在する。焦点Ｆ１は、仮想光源１０７の像を表し、焦点Ｆ２は、仮想光源１０７の第二の像を表す。
【０１３８】
したがって、先の尖った陰極の頂部の最適な形状は、球状でなくてもよいと考えられる。表面の全体的幾何形状に対するわずかな変更により、システム全体の結像性能または集束性能を改善するように電子の波面を修正することができる。その結果として、システム内の電子光学素子により誘発される収差の全てまたは一部を補償するために、非球面の光電陰極を使用することができる。図３ｂは、図３ａに示されているものと同じ特徴を多く有し、同様の特徴には同じ符号がつけられている。しかしながら、図３ｂにおいて、光電陰極１０１の形状は、二つの仮想光源１０７ａ、１０７ｂを提供するように修正されており、すなわち、角度ｕ１で放出された電子が第一の仮想光源から放出されているように見える第一の仮想光源１０７ａが、および、角度ｕ２で放出された電子１０５が第二の仮想光源から放出されているように見える第二の仮想光源１０７ｂが提供されている。第一および第二の仮想光源１０７ａ、ｂは異なる位置を有し、すなわち、第一および第二の仮想光源１０７ａ、ｂの異なる位置づけは、電子光学システム１１１の球面収差を補正し、全ての電子１０５が単一の焦点Ｆ１上に集束すること、すなわち第一の仮想光源１０７ａの像および第二の仮想光源１０７ｂの像が、試料上で重なり合うことを確保している。
【０１３９】
入射励起ビームからの光電子の生成は、常に非常に効率が良いわけではなく、わずかな入射光子のみが光電子へと効率良く変換される場合もある。光電陰極の表面における形状は、入射光子一個あたりで放出される光子の数を増強させるために、ミクロ構造化またはナノ構造化されることができる。このような増強は、入射光が例えばプラズモン共鳴と整合するように表面を工学処理することによって得ることができる。
【０１４０】
提案される実施形態
ここで図４ａ〜４ｆを参照する。本発明の第一の実施形態が図４ａに示されている。図４ａは、電子ビーム装置１を示す。図４ａに示した実施形態においては、点光電陰極５を含む光電子銃３が、電子ビーム７を放出する。その後、集光レンズ９が、光電子銃３によって放出された電子ビーム７を視準する。最後に、対物レンズ１１が、視準されたビームを試料１３上に集束する。高い分解能を達成するために、内部でアパーチャが画定されているプレート部材２１が、対物レンズ１１の前または後に位置づけされ、そのアパーチャを有するプレート部材は、電子ビーム７の角度スパンを減少させる。アパーチャは、ビーム半径を減少させ、光電陰極の形状の最適化では補正されなかったはずの軸外収差の効果を削減する。こうして、スポットサイズ１５は改善され、すなわちスポットサイズは小さくされる。この実施形態においては、非常にわずかな電子しか失われず、電子ビームスポット１７は、仮想光源のサイズに匹敵するサイズを有する。電子ビームのスポットサイズが小さくなればなるほど、試料１３のより高い分解能の像を得ることが可能になる。
【０１４１】
本発明の第二の実施形態が、図４ｂに示されており、図４ｂに示された電子ビーム装置２０は、図１に示された電子ビーム装置１と同じ特徴を多く有しており、同様の特徴には同じ符号が付されている。実施形態１よりも小さいビームスポットを達成するために、集光レンズ９は非活性化され、対物レンズが電子ビーム７を集束し、試料１３上の仮想光源像（すなわち仮想光源の像）を縮小するように、対物レンズ１１の集束能力は増大させられる。それはスポットサイズ１５を改善させ、すなわちスポットサイズを小さくする。
【０１４２】
本発明の第三の実施形態が、図４ｃに示されており、図４ｃに示された電子ビーム装置２１は、図１に示された電子ビーム装置１と同じ特徴を多く有しており、同様の特徴には同じ符号が付されている。図４ａに示された実施形態の場合よりも小さいビームスポットを達成するために、集光レンズ９は縮小された焦点を有するように構成され、対物レンズが電子ビーム７を集束し、試料１３上の仮想光源像を縮小するように、対物レンズ１１の集束能力は増大させられる。それはスポットサイズ１５を改善させ、すなわちスポットサイズを小さくする。
【０１４３】
本発明の第四の実施形態が、図４ｄに示されている。図４ｄに示された電子ビーム装置３０は、先の実施形態に記載のものと同じ特徴を多く有しており、同様の特徴には同じ符号が付されている。図４ｂおよび４ｃに示された実施形態とは異なり、図４ｄに示された実施形態では、縮小は、集光レンズ９を取り外すことによって達成される。
【０１４４】
本発明の第五の実施形態が、図４ｅに示されており、図４ｅに示された電子ビーム装置２３は、先の実施形態に記載のものと同じ特徴を多く有しており、同様の特徴には同じ符号が付されている。集光レンズ９が電子ビーム７の収束を修正し、試料１５を照明する。集光レンズ９の集束能力は、電子ビーム７が試料１５上に集束するように選択可能である。それは同様に、電子ビーム７がデフォーカスされ、視準された電子ビーム７が試料１５を照明するように選択可能である。試料１５はこのとき、ゼロまたはそれ以上の電磁レンズおよび一つまたは複数の検出器を試料１５の後方１２に追加することによって、透過モードで分析されることができる。
【０１４５】
本発明の第六の実施形態が、図４ｆに示されている。図４ｆに示された電子ビーム装置４１は、先の実施形態に記載のものと同じ特徴を多く有しており、同様の特徴には同じ符号が付されている。他の実施形態と異なり、図４ｆで示されている電子ビーム装置４１では、偏向コイル４３（または非点収差補正装置）が、試料１３を通って電子ビーム７を走査するために、偏向コイルは、電子ビーム７の経路に沿って位置づけされている。
【０１４６】
上述の実施形態全てにおいて、集光レンズ９が磁気レンズ、好ましくは電磁集光レンズを含んでいることが有利である。この場合、点光電陰極５は、高い空間分解能を達成するために、隣接する電磁集光レンズの磁場内にくるように位置設定されることができると考えられる。
【０１４７】
本発明の第七の考えられる実施形態が図５に示されている。図５は、光電子を放出する点光電陰極４７に光を誘導する光ファイバ４４を含む走査電子顕微鏡を示している。このとき、電子ビームが形成されるように、引出器プレート４６がこれらの光電子を抽出し、加速器プレート４８がそれらを加速する。集光レンズ４５が、光電子銃により放出された電子ビームの収束を制御する。最後に、対物レンズ４９が、視準されたビームを試料５１上に集束する。二つの磁気四極子と一つの磁気八極子との一つのセット５０が、それぞれ試料上でビームを走査し、非点収差を補正するために使用される。
【０１４８】
添付の請求項で定義されている本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の記載された実施形態に対するさまざまな修正および変更が当業者には明らかとなるだろう。本発明について、特定の好ましい実施形態に関連させて説明してきたが、請求項に記載された本発明が、このような特定の実施形態に不当に限定されるべきものではないということが理解されるべきである。
【符号の説明】
【０１４９】
１  電子ビーム装置
３  光電子銃
５  点光電陰極
７  電子ビーム
９  集光レンズ
１１  対物レンズ
１３  試料
１５  スポットサイズ
２０  電子ビーム装置
２１  プレート部材
２３  電子ビーム装置
３０  電子ビーム装置
４１  電子ビーム装置
４４  光ファイバ
４５  集光レンズ
４６  引出器プレート
４７  点光電陰極
４８  加速器プレート
４９  対物レンズ
５１  試料
１０１  光電陰極
１０３  頂部
１０５  電子
１０７  仮想光源
１０９  試料
１１１  電子光学システム
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１５０】
【特許文献１】米国特許第４，８２９，９２７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，８６８，３８０号明細書
【特許文献３】米国特許第５，０４１，７２４号明細書
【特許文献４】米国特許第５，２７０，６４３号明細書
【特許文献５】欧州特許出願公開第０８３４８９号明細書
【特許文献６】米国特許第５，８９５，９１９号明細書
【特許文献７】米国特許第６，２１５，１２８号明細書
【特許文献８】米国特許第７，１６１，１６２号明細書
【特許文献９】米国特許出願公開第２０１０／０１２７１７０号明細書
【非特許文献】
【０１５１】
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．５１（１９８７）、１４５〜１４７頁
【非特許文献２】Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  ５７〜５８（２００１）、１５５〜１６１頁
【図１ａ】
0005849108.tif 000002
【図１ｂ】
0005849108.tif 000003
【図２】
0005849108.tif 000004
【図３ａ】
0005849108.tif 000005
【図３ｂ】
0005849108.tif 000006
【図４ａ】
0005849108.tif 000007
【図４ｂ】
0005849108.tif 000008
【図４ｃ】
0005849108.tif 000009
【図４ｄ】
0005849108.tif 000010
【図４ｅ】
0005849108.tif 000011
【図４ｆ】
0005849108.tif 000012
【図５】
0005849108.tif 000013