(57)【要約】【課題】磁気レンズのヒステリシス特性による磁気強度が一意に定まらないという問題点を解決し、磁気レンズが発生する磁気を所定の強度に制御し、磁気強度を所定値に制御することにより焦点距離を一意に定め、また、観察試料上の距離を一意に定める。【解決手段】磁気レンズ５は、電子線又はイオンビームを集束させる磁気レンズであって、磁気レンズを構成する磁気ヨーク５ｂの試料側先端であって、少なくとも電子光学系の軸６側の磁気ヨーク５ｂに対して、電子光学系の軸６の外側に磁気センサ１１を備える。磁気センサの出力を用いて磁気コイル５ａの供給する電流の大きさを制御することにより、磁気強度を所定値に制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線又はイオンビームを集束させる磁気レンズであって、磁気レンズを構成する磁気ヨークの試料側先端であって、少なくとも電子光学系の軸側の磁気ヨークに対して当該軸の外側に磁気センサを備えることを特徴とする磁気レンズ。
【請求項２】
磁気レンズの励磁電流の強度を、前記磁気センサの出力に基づき磁気レンズが発生する磁気強度が所定値となるように制御することを特徴とする、請求項１に記載の磁気レンズ。
【請求項３】
請求項１に記載の磁気レンズを備える電子・イオンビーム光学機器であって、
前記磁気センサの出力に基づいて観察試料上の任意の２点間の距離を求めることを特徴とする電子・イオンビーム光学機器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子を用いて分析、計測、観察、製造を行う装置に関し、特に電子顕微鏡やＦＩＢ（Ｆｏｃｕｓｅｄ  Ｉｏｎ  Ｂｅａｍ：集束イオンビーム）などの電子・イオンビーム光学機器が備える、電子線又はイオンビームを集束させる磁気型集束レンズ、磁気型対物レンズ等の磁気レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線やイオンビーム等の荷電粒子を集束させるレンズとして、静電型レンズや磁気型レンズがあり、走査電子顕微鏡などでは一般的に磁気型レンズが用いられている。磁気型レンズは、銅線などで構成されるコイルと純鉄などで構成される磁気ヨークとから構成され、コイルに所定の電流を流して磁気を発生させることで磁気レンズを構成し、電子やイオンの荷電粒子を集束させている。
【０００３】
この磁気型レンズの強度は、コイルに供給する電流により制御することができる。磁気ヨークは、コイルから発生する磁気を磁極に集中させ、レンズの集束力を高め、焦点距離を短くさせる効果がある。
【０００４】
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ），走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の他、オージェ分析装置、電子線溶接装置、電子線描画装置、半導体の各種検査装置などにおいて使用する磁気型レンズについては、例えば、非特許文献１に記載されている。
【０００５】
【非特許文献１】
「電子・イオンビームハンドブック」第３版
出版社  日刊工業新聞社
発行年  平成１０年１０月２８日（第３版）
編集  日本学術振興会第１３２委員会
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁気型レンズ（以下、磁気レンズという）では、磁気ヨークに純鉄などの磁性材料を使用している。これら磁性材料はヒステリシスを有しており、コイルに流す電流に対して磁気レンズから発生する磁気の強度が励磁の履歴によって異なった値となる。
【０００７】
オートフォーカス機能では、対物レンズに流す電流を段階的に変化させ、その各々の場合で画像の焦点の度合いを表す数値を求め、最も良く焦点の合う場合の電流値を記憶しておき、その後、記憶している最も良く焦点の合う電流値を設定することでレンズの強度を設定している。
【０００８】
このとき、磁気レンズから発生する磁気の強度は上記磁気ヒステリシスのため励磁の履歴によって異なり、良好な焦点を得る電流を一意に定めることができない。図７は磁気レンズの電流制御を説明するための図である。図７において、フォーカス機能で設定しておいた電流ＩＦをコイルに流して励磁すると、磁気レンズから発生する磁気強度（図では磁束密度Ｂで示している）は、ヒステリシス特性によりＢ１からＢ２までの励磁の履歴によって異なった値となる。
【０００９】
そのため、オートフォーカスにより得られた電流値を対物レンズに流しても、励磁の履歴により焦点の合う磁気が発生するとは限らず、試料上の電子線の焦点がずれるという問題がある。
【００１０】
磁気レンズを備えた電子・イオンビーム光学機器において、観察試料上において観察対象の大きさを知るには２点間の距離が分かる必要がある。この観察試料上の距離は、オートフォーカス機能により得た焦点距離を用いることにより得られるが、上記したようにヒステリシス特性によりコイル電流に対する磁気強度が励磁の履歴によって異なるため、コイル電流からは焦点距離を一意に定めることができず、観察試料上の距離も一意に定めることができないという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明は前記した従来の磁気レンズのヒステリシス特性による磁気強度が一意に定まらないという問題点を解決し、磁気レンズが発生する磁気を所定の強度に制御することを目的し、磁気強度を所定値に制御することにより焦点距離を一意に定め、また、観察試料上の距離を一意に定めることを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、磁気レンズが発生する磁気強度を測定し、この磁気強度に基づいて励磁電流を制御するものであり、磁気レンズが発生する磁気強度を用いることにより、磁気レンズのヒステリシス特性の影響を受けることなく磁気レンズに供給する励磁電流の強度を定めることができる。
【００１３】
本発明の磁気レンズは、電子線又はイオンビームを集束させる磁気レンズであって、磁気レンズを構成する磁気ヨークの試料側先端であって、少なくとも電子光学系の軸側の磁気ヨークに対して、電子光学系の軸の外側に磁気センサを備える構成とする。
【００１４】
磁気レンズのコイルに励磁電流を流すと磁気ヨークの磁極間や磁気ヨークの周辺に磁気が発生する。磁気レンズは、この磁気の内で、電子光学系の軸側に発生する磁気により電子線やイオンビームを試料上に集束させる。電子光学系の軸側の磁気強度と、電子光学系の軸に対して磁気ヨークの外側の磁気強度との間には一定の関係がある。本発明の磁気レンズは、磁気ヨークの外側に設けた磁気センサにより磁気強度を測定することにより、電子光学系の軸側の磁気強度を求める。
【００１５】
磁気センサの配置位置は、磁気ヨークの形状に応じて定めることができるが、少なくとも電子光学系の軸側にある磁気ヨークに対して、電子光学系の軸と反対側（外側）とすることにより、電子光学系の軸を通る電子線やイオンビームなどの荷電粒子に影響を与えることなく、磁気レンズの磁気強度を測定することができる。
【００１６】
本発明の磁気レンズに供給する励磁電流の制御は、磁気センサの出力に基づいて磁気レンズが発生する磁気強度が所定値となるように行う。この制御によれば、目標とする磁気強度から励磁電流を定めることにより、磁気レンズのヒステリシス特性に応じて励磁電流が自動で定まることになり、磁気強度に対して励磁電流を定めることができる。
【００１７】
図４は本発明の磁気レンズの電流制御を説明するための図である。図４において、フォーカス機能により予め設定しておいた磁気強度（図では磁束密度Ｂで示している）ＢＦに対して、磁気レンズに供給する励磁電流Ｉはヒステリシス特性により異なる（例えば、Ｉ１あるいはＩ２）が、制御目標である磁気強度Ｂとなる励磁電流Ｉはその励磁レンズの励磁の履歴により一つであるため、所定の磁気強度となるように励磁電流を段階的に変化させて調整することにより励磁電流を定めることができる。
【００１８】
また、本発明は上記の磁気レンズを備えた電子・イオンビーム光学機器とすることができ、磁気センサの出力に基づいて観察試料上の任意の２点間の距離を求めることができる。磁気センサの出力に基づいて焦点距離を求め、この焦点距離に対応する倍率から観察試料上の任意の２点間の距離を求める。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
【００２０】
図１，２は本発明の磁気レンズ及び電子・イオンビーム光学機器を説明するための概略図である。
【００２１】
図１，２において、電子・イオンビーム光学機器１は、荷電粒子ビーム源２と、荷電粒子ビーム源２からの荷電粒子ビームを集束する集束レンズ３、荷電粒子ビームを試料７上に集束する対物レンズ５、集束レンズ３と対物レンズ５との間に配置し、対物レンズ５に対して荷電粒子ビームを絞るための対物アパーチャ４、荷電粒子ビームを試料７上で走査させる走査コイル１０を備え、これらを電子光学系の軸６に沿って配置する。
【００２２】
荷電粒子ビーム源２は、例えば電子線やイオンビーム等の荷電粒子ビームを放出する。放出された荷電粒子ビームは、電子光学系の軸６に沿って進み、集束レンズ３や対物レンズ５により試料７上に集束される。荷電粒子ビームが試料７上に照射されると、試料７からは例えば２次電子線や特性Ｘ線が放出される。試料７から放出された２次電子は２次電子検出器９により検出される。
【００２３】
磁気レンズ５は、対物レンズコイル５ａと対物レンズヨーク５ｂとを備える。対物レンズコイル５ａには対物レンズ駆動電源１３から励磁電流が供給されて磁気を発生する。対物レンズヨーク５ｂは、発生した磁気をヨーク先端に集約させ磁気強度を高める。対物レンズヨーク５ｂの先端は、試料７側の電子光学系の軸６の近傍に配置され、電子光学系の軸６を通る荷電粒子ビームを試料７上に効率良く集束させる。
【００２４】
本発明の磁気レンズ５は、少なくとも電子光学系の軸６側の磁気ヨーク部分に対して軸６の外側に磁気センサ１１を備える。磁気センサ１１の出力は、制御手段１２により対物レンズのコイルに供給する電流の大きさを求め、対物レンズ駆動電源１３を制御する。
【００２５】
図１は磁気センサ１１を対物レンズヨーク５ｂの二股のヨーク間に配置した構成例を示している。この構成例によれば、磁気センサ１１は、対物レンズヨーク５ｂの二股のヨーク間に発生している試料側の磁気強度を測定する。また、図２は磁気センサ１１を対物レンズヨーク５ｂの二股の外側ヨークの外側に配置した構成例を示している。この構成例によれば、磁気センサ１１は、対物レンズヨーク５ｂの外側に発生している試料側の磁気強度を測定する。
【００２６】
これらの位置における磁気強度は、対物レンズヨーク５ｂの先端付近の電子光学系の軸６上に発生する磁気強度との間に一定の関係があり、磁気センサ１１の出力により対物レンズが荷電粒子を集束する磁気強度を求めることができる。
【００２７】
図３は磁気センサの配置例を説明するための図である。対物レンズは種々の構造のものが提案されている。例えば、図３（ａ）に示す対物レンズ５Ａはピンホールレンズと呼ばれるレンズ構造であり、図３（ｂ）に示す対物レンズ５Ｂはシュノーケルレンズと呼ばれるレンズ構造であり、図３（ｃ）に示す対物レンズ５Ｃはシングルポールレンズと呼ばれるレンズ構造である。各図はそれぞれ断面を示している。
【００２８】
上記した対物レンズ５Ａ〜５Ｃの何れの構造においても、対物レンズヨーク５ｂの試料７側の先端を電子光学系の軸６に接近させて配置し、対物レンズコイル５ａで発生した磁気を試料上に集約させている。
【００２９】
図３（ａ）に示す対物レンズ５Ａにおいて、対物レンズヨーク５ｂは、電子光学系の軸６に対して内側のヨーク部分と外側のヨーク部分とを連結して備え、試料７側に面した一部は開放され、対向するヨークの先端間に磁気を発生させている。磁気センサ１１は、この対向するヨークの先端の近傍で、内側のヨーク部分に対して電子光学系の軸６の外側に配置する。この位置の磁気強度は、対向するヨークの先端間の磁気、及び軸６上の磁気とほぼ同様の磁気強度特性を示す。
【００３０】
図３（ｂ）に示す対物レンズ５Ｂにおいて、対物レンズヨーク５ｂは、電子光学系の軸６に対して内側のヨーク部分と外側のヨーク部分との二股形状を連結して備え、二股ヨーク部分の試料７側に面した部分は開放され、対向するヨークの先端間に磁気を発生させている。磁気センサ１１は、この対向するヨークの先端の近傍で二股ヨークの間に配置する。この位置の磁気強度は、対向するヨークの先端間の磁気、及び軸６上の磁気とほぼ同様の磁気強度特性を示す。
【００３１】
図３（ｃ）に示す対物レンズ５Ｃにおいて、対物レンズヨーク５ｂは、電子光学系の軸６に対して内側のヨーク部分のみを備え、その先端部分を試料７側において電子光学系の軸６に接近させて配置し、ヨークの先端に磁気を発生させている。磁気センサ１１は、このヨークの先端の近傍で、ヨークに対して電子光学系の軸６の反対側に配置する。この位置の磁気強度は、ヨークの先端の軸６上の磁気とほぼ同様の磁気強度特性を示す。
【００３２】
磁気センサ１１で測定した出力は、電子光学系の軸６上の磁気強度と一致しないが、この出力と磁気強度との間には所定の関係があるため、磁気センサの出力から電子光学系の軸６上の磁気強度を求めることができる。
【００３３】
前記した図４において、縦軸の磁気強度（図では磁束密度Ｂで示している）において、この磁気強度を磁気センサ１１で測定した磁気強度とした場合には、この磁気強度はその時点で対物レンズコイル５ａに供給した励磁電流により発生した磁気強度を表している。したがって、予め目標とする磁気強度となるように、磁気センサ１１の出力を参照しながら励磁電流Ｉを制御することにより、ヒステリシス特性に関わらず目標とする磁気強度を設定することができる。
【００３４】
オートフォーカス処理では、磁気レンズに流す供給電流を段階的に変化させ、その各々の場合で画像の焦点の度合いを表す数値を求め、最も良く焦点が合う場合の磁気センサの出力を記憶しておき、その後、記憶している最も良く焦点が合う磁気強度となるように、磁気センサの出力を参照しながら電流値を設定することにより、磁気レンズの強度を焦点が合う値に設定することができる。
【００３５】
上記の磁気レンズの制御は、制御手段１２において磁気センサ１１の出力と、予め記憶させておいた最も良く焦点が合う場合の磁気センサの出力とに基づいて電流値を求め、この電流値により対物レンズ駆動手段１３を制御することで行う。
【００３６】
次に、磁気レンズを備える電子・イオンビーム光学機器において、観察試料上の任意の２点間の距離を求める点について説明する。
【００３７】
対物レンズは、レンズの集束力により荷電粒子ビームの焦点距離ＷＤを調節する。例えば、対物レンズコイルに供給する励磁電流を大きくしてレンズの集束力を高めると焦点距離ＷＤが短くなり、逆に、対物レンズコイルに供給する励磁電流を小さくしてレンズの集束力を弱めると焦点距離ＷＤが長くなる。この焦点距離ＷＤと観察像の倍率とから電子線の走査角度θが決まる。更に、走査角度から観察像の領域の長さは試料上ではＬ１（＝２ＷＤｔａｎθ）となる。
【００３８】
上記の関係から、対物レンズの磁気強度と観察試料上の距離との間には、観察像の倍率及び焦点距離を介して所定の関係が成り立つ。図５は、この対物レンズの磁気強度Ｂと焦点距離ＷＤ、走査角度、及び観察試料上の２点間の距離Ｌとの間の関係を説明するための図である。
【００３９】
図５（ａ）は、対物レンズの磁気強度Ｂ１が弱い場合を示している。この場合には、焦点距離ＷＤ１が長くなり、観察試料上の２点間の距離Ｌ１は長くなる。一方、図５（ｂ）は、対物レンズの磁気強度Ｂ２が強い場合を示している。この場合には、焦点距離ＷＤ２が短くなり、観察試料上の２点間の距離Ｌ２は長くなる。
【００４０】
したがって、予め対物レンズの磁気強度と焦点距離との関係、及び焦点距離と観察試料上の２点間の距離との関係を求めておくことにより、磁気センサで測定した磁気強度から焦点距離を求めることができ、さらに、観察試料上の２点間の距離との関係を求めることができる。図６は、磁気レンズの磁気強度と観察試料上の２点間の距離との関係を模式的に表した図であり、例えば、磁気センサで測定した磁気強度がＢ１であるとき、この関係を用いてこの磁気強度における観察試料上の２点間の距離Ｌ１を求めることができる。
【００４１】
観察像上において任意に選んだ２点間の距離Ｌは、例えば、その時点で設定された磁気強度において、観察像の領域の１辺の長さＭ１と２点間の距離Ｌの比率と、前記の２ＷＤｔａｎθの演算で求めた長さＬ１とから求めることができる。
【００４２】
上記した焦点距離及び任意の２点間の距離求める演算は、磁気センサの出力を入力する任意の演算手段で行うことができ、例えば、制御手段１２において行うことができる。
【００４３】
本発明によれば、過去の励磁の履歴によらず、所望の磁気強度になるように対物レンズの強度を制御することができる。
【００４４】
また、本発明によれば、観察試料上の任意の２点の距離を求めることができる。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の磁気レンズによれば、励磁電流に対して磁気レンズのヒステリシス特性による磁気強度が一意に定まらないという問題点を解決し、磁気レンズが発生する磁気を所定の強度に制御することができ、また、磁気強度を所定値に制御することにより焦点距離を一意に定めることができ、また、観察試料上の距離を一意に定めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の磁気レンズ及び電子・イオンビーム光学機器を説明するための概略図である。
【図２】本発明の磁気レンズ及び電子・イオンビーム光学機器を説明するための概略図である。
【図３】本発明の磁気センサの配置例を説明するための図である。
【図４】本発明の磁気レンズの電流制御を説明するための図である。
【図５】対物レンズの磁気強度Ｂと焦点距離ＷＤ、及び観察試料上の２点間の距離Ｌとの間の関係を説明するための図である。
【図６】磁気レンズの磁気強度と観察試料上の２点間の距離との関係を模式的に表した図である。
【図７】磁気レンズの電流制御を説明するための図である。
【符号の説明】
１…電子・イオンビーム光学機器、２…荷電粒子ビーム源、３…集束レンズ、４…対物アパーチャ、５…対物レンズ、５ａ…対物レンズコイル、５ｂ…対物レンズヨーク，６…電子光学系軸、７…試料、８…２次電子線、９…２次電子検出器、１０…走査コイル、１１…磁気センサ、１２…制御手段、１３…対物レンズ駆動電源。
【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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