(57)【要約】  粒子ビームがモノクロメータフィルタアセンブリに入る前にこの粒子ビームを成形するためのアパーチャプレートを有する粒子光学装置。この装置は、少なくとも１つのアパーチャを有し、かつ通常の動作状態において前記モノクロメータフィルタアセンブリに対して調節可能である。このため、前記粒子ビームを成形するために使用される前記アパーチャの大きさは変更することが可能であり、従って、前記モノクロメータフィルタアセンブリに入るビーム電流は変化させることができる。
2007504606.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯電した粒子の一次ビームを生成するための粒子源と、
前記粒子源の後に位置するモノクロメータフィルタアセンブリと、
前記粒子ビームを成形するための少なくとも１つのアパーチャを含み、かつ前記粒子源と前記モノクロメータフィルタアセンブリとの間に位置するアパーチャプレートと、
を有する粒子光学装置であって、
前記粒子ビームを成形するための前記アパーチャの大きさが変更され得るよう、本装置の通常動作の間、前記アパーチャプレートが前記モノクロメータフィルタアセンブリに対して調節可能であることを特徴とする粒子光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが２又はそれ以上の大きさの異なるアパーチャを含むことを特徴とするもの。
【請求項３】
請求項２に記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが、上記アパーチャを２以上含み、かつ該アパーチャを上記ビームと選択的に合わせるために上記モノクロメータフィルタに対して変位可能であることを特徴とするもの。
【請求項４】
請求項１に記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが２又はそれ以上の部分プレートから形成されることを特徴とするもの。
【請求項５】
請求項４に記載の粒子光学装置において、上記部分プレートが大きさが可変のアパーチャを提供するために協働することを特徴とするもの。
【請求項６】
請求項５に記載の粒子光学装置において、上記部分プレートが、上記アパーチャの大きさを変更するために、上記アパーチャの中心に向かって又は該中心から離れる方向に移動可能であることを特徴とするもの。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが機械的制御手段を使用して調節可能であることを特徴とするもの。
【請求項８】
請求項７に記載の粒子光学装置において、上記機械的制御手段が電気絶縁材料から作られる部分を含むことを特徴とするもの。
【請求項９】
請求項８に記載の粒子光学装置において、上記電気絶縁材料が酸化アルミニウム（Al2O3）であることを特徴とするもの。
【請求項１０】
請求項１〜６のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが電子制御手段を使用して調節可能であることを特徴とするもの。
【請求項１１】
請求項１０に記載の粒子光学装置において、上記電子制御手段が圧電制御手段であることを特徴とするもの。
【請求項１２】
請求項１〜６のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記アパーチャプレートが入射する光線に応答する手段を使用して調節可能であることを特徴とするもの。
【請求項１３】
請求項１２に記載の粒子光学装置において、入射する光線に応答する上記手段がバイメタル部材であることを特徴とするもの。
【請求項１４】
請求項１２に記載の粒子光学装置において、入射する光線に応答する上記手段が電子制御手段であることを特徴とするもの。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記粒子源を含む粒子銃と、上記粒子源の後に位置する上記ビームを集束させるためのガンレンズとを有し、かつ、上記アパーチャプレートが前記ガンレンズと上記モノクロメータフィルタアセンブリとの間に位置することを特徴とするもの。
【請求項１６】
請求項１〜１４のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記粒子源を含む粒子銃と、上記粒子源の後に位置する上記ビームを集束させるためのガンレンズとを有し、かつ、上記アパーチャプレートが上記粒子源と前記ガンレンズとの間に位置することを特徴とするもの。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれかに記載の粒子光学装置において、上記モノクロメータフィルタアセンブリがウィーンフィルタであることを特徴とするもの。
【請求項１８】
添付の図面を参照しつつ本書にて詳述したような粒子光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子光学装置に関し、より詳しくは電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
粒子光学装置（例えば、電子顕微鏡）は、多くの異なる科学分野で、試料の画像化及び解析のために使用される。粒子光学装置は、検査される試料に衝突する荷電粒子ビームを生成する。粒子ビームのエネルギー広がりは、上記装置内に含まれるレンズの色収差と相俟って、粒子ビームの空間的なボケを増大させる。このことが、延いては上記光学装置の空間分解能を低下させる。
【０００３】
電子分光法に使用される電子顕微鏡においては、粒子ビームのエネルギー広がりが測定スペクトルのエネルギー分解能を低下させる。このような作用は、例えば、電子エネルギー損失分光法において発生する。更に、粒子ビーム内のエネルギー広がりが原因で、像コントラストが低減される可能性もある。
【０００４】
これらの理由に鑑みれば、ビームのエネルギー広がりが最小限に抑えられる粒子ビームを生成することが望ましい。粒子ビームのエネルギー広がりの低減は、実際には、次のようにすることで達成される。即ち、エネルギー分散素子（エネルギーモノクロメータ又はエネルギーフィルタとも称する）を粒子ビームの経路内に挿入し、このエネルギー分散素子を使用して特定のエネルギー広がりを有するビーム部分を選択すること、である。
【０００５】
このような装置は、米国特許第5838004号（フィリップス）に記載されている。この特許には、モノクロメータフィルタアセンブリを有する高エネルギー電子顕微鏡であって、次のような特徴を有するものが記載されている。即ち、モノクロメータの入口に位置付けられ、かつ通常の動作状態においてモノクロメータの一部に固定的に接続されるダイヤフラムを設けたことを特徴とする装置である。このダイヤフラムは、通常の動作状態の間、上記フィルタアセンブリに対して調節することができない。このダイヤフラムは、上記モノクロメータフィルタに入るビーム電流を大幅に制限する。
【０００６】
こうして電子顕微鏡のモノクロメータフィルタに固定的に接続されるダイヤフラムを配置することには、１つの重大な欠点がある。このダイヤフラムは、一定のビーム電流だけがモノクロメータを通過することを許容する。走査電子顕微鏡（SEM）システムにおいては、画像化のために高分解能モードで動作し、かつ解析のために高電流モードで動作することが望ましい場合がある。高電流モードで動作する場合、作業者がモノクロメータフィルタアセンブリに入るビーム電流を変化させたい場合がある。フィリップス特許の装置では、上記ダイヤフラムが高分解能の動作モード用に最適化される。この場合、粒子ビームの最大電流は制限され、満足のいく解析測定を行うために必要なビーム電流を下回ることが多い。粒子ビームの最大ビーム電流は、幾つかの因子によって決定される。この因子には、ダイヤフラムにおけるアパーチャの径、粒子ビーム源の明るさ、及びガンレンズの電圧設定（ガンレンズは、粒子ビームを集束させるために粒子源の後かつダイヤフラムの前に置かれるレンズである）が含まれる。電子顕微鏡においては、上記粒子源は、最適な放出及び明るさを提供するように構成される電界放出源又はショットキーエミッタである。
【０００７】
上記ガンレンズの電気的設定を変えることにより、モノクロメータに入るビーム電流を限られた範囲で変化させることが可能である。このことは、上記レンズの加速／減速モードを設定することにより達成される。
【０００８】
上記加速モード及び減速モードのいずれも、モノクロメータフィルタの選択スリット上に電子源を結像させるが、その得られる倍率は異なる。上記レンズが減速モードで構成されると、粒子源はモノクロメータフィルタ上に加速モードより大きい倍率で結像される。正確な倍率は、これら像と源のレンズ主平面からの距離の比率によって決定される。減速モードの方が倍率が大きいのは、次のような理由による。即ち、レンズ主平面（引出電極、ガンレンズ、及びモノクロメータフィルタへの入口によって作り出される）が引出電極により接近することで、上述した比率が上がり、より大きい倍率が得られる、という理由である。こうして倍率値が大きくなると、モノクロメータにはより大きなビーム電流が供給される。というのも、全ビーム電流は、源の明るさ及び選択スリットにおける源画像の面積に比例するからである。
【特許文献１】米国特許第5838004号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、このビーム電流を増大させる方法は、回避した方がよい幾つかの否定的な結果をもたらす。
【００１０】
この電流増大方法の最も顕著な欠点の１つとして、上記集束モードの変更がレンズの収差特性をも変更し、このことが形成される最終像の品質に影響を及ぼす、ということがある。実際には、球面収差係数及び色収差係数は、通常、３倍になる。
【００１１】
第２に、上記装置が減速モードで動作すると、クーロン相互作用の効果がより大きくなる。このことが、ビーム内における増大した電子間相互作用に起因して、ビーム内におけるエネルギー広がりを増大させる（ベルシュ効果）。これは、より低い電子エネルギーに起因して生じる。
【００１２】
第３に、加速から減速への動作モードの変更が、上記源のそれ以外の装置部分に対するあらゆるずれを拡大する。これにより最適でない位置に像が投影される可能性があるため、このようなずれは偏向電極を使用して補正されなければならない。こうして更なる電極を使用すると、最終像に更なる収差の影響が及ぶ可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明によれば、帯電した粒子の一次ビームを生成するための粒子源と、前記粒子源の後に位置するモノクロメータフィルタアセンブリと、前記粒子ビームを成形するための少なくとも１つのアパーチャを含みかつ前記粒子源と前記モノクロメータフィルタアセンブリとの間に位置するアパーチャプレートとを有する粒子光学装置であって、次のような特徴を有する装置が提供される。即ち、前記粒子ビームを成形するための前記アパーチャの大きさが変更され得るよう、本装置の通常動作の間、前記アパーチャプレートが前記モノクロメータフィルタアセンブリに対して調節可能であることを特徴とする粒子光学装置である。
【００１４】
上記粒子光学装置は、通常、上記粒子源を含む粒子銃と、上記粒子源の後に位置する上記ビームを集束させるためのガンレンズとを有する。
【００１５】
この場合、本発明によれば、既に述べた３つの欠点が回避される。まず第１に、本発明は上記モノクロメータフィルタに入るビーム電流が変化することを可能にする一方、上記レンズの収差係数は変化しない。第２に、本発明は、上記ガンレンズの領域内で電子を加速させるために、常に加速モードで動作することを可能にする。このことは、引出電極とモノクロメータとの間のビームにおけるベルシュ効果を低減させる。最後に、レンズ倍率の調節が原因で起こり得る粒子ビームのいかなるずれも防ぐ。というのも、本発明は、レンズ倍率のいかなる調節も必要としないからである。
【００１６】
本発明の好適な実施形態では、上記アパーチャプレートが、２又はそれ以上の大きさの異なるアパーチャを含み、かつこのアパーチャを上記ビームと選択的に合わせるために上記モノクロメータフィルタに対して変位可能であるようにしてもよい。
【００１７】
別の実施形態では、上記アパーチャプレートが大きさが可変のアパーチャを提供するために協働する２又はそれ以上の部分プレートから形成されると共に、このアパーチャの大きさが前記部分プレートを動かすことにより変更される。
【００１８】
本発明の好適な実施形態では、上記アパーチャプレートが、機械的又は電子的手段、或いは入射する光線に応答する手段によって調節することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施形態を単なる一例として説明する。
【００２０】
図１は、電子顕微鏡の略断面図である。この顕微鏡は、銃チャンバ（７）及び顕微鏡カラム（１３）から成る。銃チャンバ（７）は、粒子源（１）と、ガンレンズ（２）と、調節可能なアパーチャプレート（３）と、モノクロメータフィルタアセンブリ（４）とを有する。ガンレンズ（２）は粒子源（１）の後にあり、上記アパーチャプレートはガンレンズ（２）の後のモノクロメータフィルタアセンブリ（４）への入口にある。或いは又、調節可能なアパーチャプレート（３）は、粒子源（１）とガンレンズ（２）との間に置くこともできる。モノクロメータフィルタアセンブリ（４）は、好ましくはウィーンフィルタであるが、他の種類のフィルタを使用してもよい。粒子ビーム（６）は、モノクロメータフィルタアセンブリ（４）を出て、顕微鏡カラム（１３）の光軸に合わさる。顕微鏡カラム（１３）は、陽極（５）と、集束レンズ（８）及び対物レンズ（９）より成る電子光学素子とを含む。これらのレンズは粒子ビーム（６）を試料（１０）上に投射するが、本装置において、その倍率は調節可能である。電圧源（１２）は、試料電位（試料（１０）は、通常、接地している）に対する粒子源（１）の電位を下げ、試料（１０）における粒子ビーム（６）のエネルギーを決定する。
【００２１】
粒子源（１）に対するモノクロメータフィルタアセンブリ（４）の電位は、電圧源（１１）によって調節される。
【００２２】
粒子源（１）は、通常、フィラメント、抑制素子、及び引出素子より成るショットキーソースである。
【００２３】
図２Ａ及び２Ｂは、大きさの異なる２つのアパーチャ（２１，２２）（径は100μm（２１）及び200μm（２２））を備えたアパーチャプレート（３）を示す。このアパーチャプレート上で、これら２つのアパーチャが互いに間隔を空けて配される。
【００２４】
アパーチャプレート（３）の下流に、第３の開口（２３）が位置する。この第３の開口（２３）は、実際には、モノクロメータフィルタアセンブリ（４）の入射アパーチャとなり得るものである。第３の開口（２３）は、アパーチャプレート（３）の大きい方のアパーチャ（２２）とほぼ同じ径（200μm）を有する。モノクロメータフィルタアセンブリ（４）への開口（２３）に合わされるアパーチャプレート（３）のアパーチャ（２１，２２）は、アパーチャプレート（３）をモノクロメータフィルタアセンブリ（４）に対して動かすことにより変えることができる。アパーチャプレート（３）は、電子顕微鏡の動作中、作業者によって動かすことができる。
【００２５】
図３Ａ及び３Ｂは、アパーチャプレート（３）の別の実施形態を示す。このプレートは、次のような２つの部分プレート（３１）より成る。即ち、大きさが可変のアパーチャ（３２）を提供するために協働するＶ字形領域をそれぞれ有する２つの部分プレート（３１）である。これら２つの部分プレート（３１）は、重なり合っており、反対方向へ独立して動かすことができる。部分プレート（３１）は、アパーチャ（３２）の中心がモノクロメータフィルタアセンブリ（４）の光軸に対して常に同じ位置を保つように動かされる。これにより、アパーチャ（３２）がモノクロメータフィルタ（４）の光軸に正確に合わされ続けることが保証される。
【００２６】
アパーチャプレート（３）を動かすために使用可能な異なる幾つかの機構が存在するが、これらの機構は銃チャンバ（７）の特定の構造に依存する。
【００２７】
まず第１に、アパーチャプレート（３）は、簡単な機械的機構、即ちプレート（３）を銃チャンバ（７）の外気側に接続するマニピュレータによって動かすことができる。この機械的機構は、電気絶縁材料（例えば、Al2O3）で構成される部分を含む。この電気絶縁部分は、アパーチャプレート（３）が銃チャンバ（７）の他の部分に対して異なる電圧となることを可能にする。
【００２８】
或いは又、アパーチャプレート（３）は、電気制御機構によって動かすことが可能であり、モノクロメータフィルタアセンブリ（４）内の電極のために設けられる電気コネクタと同様の電気コネクタを備える。この電気的接続については、アパーチャプレート（３）の移動を制御するために、銃チャンバ（７）内の圧電素子を使用してもよい。
【００２９】
更に別の方法として、アパーチャプレート（３）を動かすための光応答性制御手段を使用することがある。この場合、アパーチャプレート（３）の移動は、上記銃チャンバの窓から落ちてくる光によってトリガすることができる。このような移動は、例えば、入射光に応答して２つの双安定位置の間で切り替わるバイメタル素子を使用して、或いはアパーチャプレート（３）を動かすための電子制御手段を使用して実現することができる。
【００３０】
図４は、図３Ａ及び３Ｂの部分プレート（３１）をモノクロメータフィルタアセンブリ（４）に対して動かすための制御機構の一実施形態を示す。図３Ａ及び３Ｂを参照しつつ上で述べたように、部分プレート（３１）は、大きさが可変のアパーチャ（３２）を備えたアパーチャプレート（３）を形成するために協働する。ガイド素子（３５）（金属製であると好ましい）が、部分プレート（３１）がスライドするためのガイドとして設けられる。駆動素子（３９）は、移動伝達バー（３８）に接続される圧電性の又は機械的な駆動素子である。移動伝達バー（３８）には可動バー（３６）が接続されており、可動バー（３６）は回転中心（３７）を有する。回転中心（３７）を中心としてバー（３６）を旋回させるために、駆動素子（３９）が移動伝達バー（３８）に作用する。これによりプレート部分（３１）が動かされ、従ってアパーチャ（３３）の大きさが変わる。
【００３１】
アパーチャプレート（３）を構成する上記機械的素子及び上記移動制御機構は、標準的な機械加工法を用いて全て作ることができ、或いは、微小電気機械システムとして機械加工することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】モノクロメータフィルタアセンブリ及びアパーチャプレートを含む電子顕微鏡の略断面図を示す。
【図２Ａ】上記モノクロメータフィルタアセンブリへの入口に位置する上記アパーチャプレートの断面図を示す。
【図２Ｂ】上記モノクロメータフィルタアセンブリへの入口に位置する上記アパーチャプレートの平面図を示す。
【図３Ａ】本発明の第２の実施形態に係る２つの部分プレートを有するアパーチャプレートを示す。
【図３Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る２つの部分プレートを有するアパーチャプレートを示す。
【図４】図３のアパーチャプレートを動かすための制御機構の概略図を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【国際調査報告】
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