(57)【要約】【課題】　ＦＩＢシステムのマイクロマシニング機能と、ＳＥＭの非破壊かつ優れた像形成機能とを、高精度なナノデバイスの大量生産に適した１台の装置に組み込む。【解決手段】　電子ビームにより形成された像を使用したＦＩＢによる正確な処理を可能とする同軸の集束イオンビーム及び電子ビームを含むシステム。一実施形態においては、偏向手段が、電子ビームをイオンビームの軸上へ偏向すると共に、最終レンズを介して集められた２次粒子を検出器に向けて偏向する。別の実施形態においては、正にバイアスされた静電最終レンズが、同じ電圧を用いて両ビームを集束することによって、ＦＩＢ及びＳＥＭの同時又は交互稼動を可能とする。他の実施形態においては、ワーキングディスタンスを変えずに電子の衝突エネルギーを変更できる。【選択図】　　　　図２
2004071573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　１次電子ビームの発生源と、
　イオンビームの発生源を含み、光軸を有するイオン光学鏡筒と、
　前記１次電子ビームを偏向して前記イオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行させる偏向手段と、
　前記１次電子ビーム及びイオンビームを試料片上に集束する非ユニポテンシャルの静電最終レンズと
　を備えることを特徴とする装置。
【請求項２】
　前記非ユニポテンシャルの静電最終レンズは、
　少なくとも３つの素子を含み、
　当該複数の素子のうち少なくとも３つの素子は、相互に絶縁されると共に、その他の素子に印加される電圧とは独立した電圧を印加するための電気的接続手段を含む
　ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
　前記１次電子ビームの発生源は、
　集束距離を変更せずに当該１次電子ビームの発生源をバイアスするための電気的接続手段を含む
　ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項４】
　前記偏向手段は、
　前記１次電子ビームを偏向するために磁場を用いる
　ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項５】
　前記偏向手段は、
　ウィーンフィルタ又は静電偏向器を備える
　ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項６】
　前記非ユニポテンシャルの静電最終レンズは、
　高い正電位に保持されて前記１次電子ビーム及びイオンビームの両方を集束可能にする高電圧素子を含む
　ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項７】
　前記非ユニポテンシャルの静電最終レンズにおいて、
　前記偏向手段に最も近く配置された素子は、当該偏向手段と略同電位に保持される
　ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
　前記非ユニポテンシャルの静電最終レンズにおいて、
　前記偏向手段に最も近く配置された素子は、＋５００Ｖ乃至＋５，０００Ｖの間の電位に保持される
　ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
　前記最終レンズにおいて、
　前記試料片に最も近く配置された素子は、当該試料片と略同電位に保持される
　ことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
　前記最終レンズにおいて、
　前記試料片に最も近く配置された素子は、略グラウンド電位である
　ことを特徴とする請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
　前記試料片から放出される２次電子を検出する電子検出手段を更に備える
　ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
　前記電子検出手段は、
　前記最終レンズと前記試料片との間に配置される
　ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
　前記電子検出手段は、
　前記最終レンズを介して集められた電子を検出する
　ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
　前記偏向手段は、
　前記最終レンズを介して集められた２次電子を、前記光軸から遠ざけ前記電子検出手段に向けて偏向する
　ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
　前記最終レンズは、当該試料片に対して正にバイアスされ、
　前記試料片から放出された２次電子は、当該試料片から当該最終レンズを通って進行する
　ことを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１６】
　前記最終レンズは、
　下部レンズ素子、中央レンズ素子及び上部レンズ素子を含む
　ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
　前記下部レンズ素子は、前記試料片と略同電圧で１，０００Ｖ以内に保持され、
　前記中央レンズ素子は、＋１５，０００Ｖより高い電圧で保持され、
　前記上部レンズ素子は、当該下部レンズ素子の電圧を超え且つ当該中央レンズ素子の電圧未満の電圧で保持される
　ことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
　前記下部レンズ素子は、略グラウンド電位で保持され、
　前記中央レンズ素子は、＋３０，０００Ｖを超える電圧で保持され、
　前記上部レンズ素子は、約＋５００Ｖ乃至約＋５，０００Ｖの間で保持される
　ことを特徴とする請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
　イオンビーム鏡筒と電子ビーム鏡筒とを含む装置であって、
　１次電子ビームの発生源と、
　イオンビームの発生源を含むイオン光学鏡筒であって、光軸を有する当該イオン光学鏡筒と、
　試料片に衝突する電子ビーム又はイオンビームにより生成される２次粒子を検出する検出手段と、
　前記１次電子ビームを偏向して前記イオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行させると共に、前記２次粒子を前記検出手段へ向けて偏向する偏向手段と、
　前記１次電子ビーム及びイオンビームの両方を試料片上に集束すると共に、当該１次電子ビームの逆進方向に当該レンズを介して２次粒子を引き出す非ユニポテンシャルの静電最終レンズと
　を備えることを特徴とする装置。
【請求項２０】
　前記偏向手段は、
　前記１次電子ビームを偏向するために磁場を用いる
　ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
　前記非ユニポテンシャルの静電最終レンズは、複数の素子を含み、
　中心素子は高い正電位にあり、前記１次電子ビーム及びイオンビームを同時に集束可能にする
　ことを特徴とする請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
　電子ビーム及びイオンビームを用いて試料片の像を形成すると共に当該試料片を処理する方法であって、
　イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片へ向けて進行する複数のイオンを含む集束イオンビームを生成する工程と、
　前記イオン光学鏡筒の光軸とは異なる方向に進行する複数の電子を含む電子ビームを生成する工程と、
　前記電子ビームを前記イオンビームと略同軸となるように偏向する工程と、
　前記電子ビーム及びイオンビームを、単数の最終レンズを用いて試料片上へ集束する工程と、
　集束された前記イオンビーム又は電子ビームの前記試料片への衝突時に生成される２次粒子を加速して前記光軸沿いに逆進させる工程と、
　前記２次粒子を電子検出手段へ向けて偏向する工程と
　を備えることを特徴とする像形成及び処理方法。
【請求項２３】
　前記電子ビーム及びイオンビームを単数の最終レンズを用いて集束する工程は、非ユニポテンシャルレンズを用いて当該電子ビーム及びイオンビームを前記試料片上に集束する工程を含む
　ことを特徴とする請求項２２に記載の像形成及び処理方法。
【請求項２４】
　前記試料片若しくは当該電子の発生源又は当該試料片及び電子の発生源の両方の電位の変更によって、ワーキングディスタンスの変化を伴わずに、前記電子ビームに含まれる前記複数の電子の衝突エネルギーを調整する工程
　を更に備えることを特徴とする請求項２３に記載の像形成及び処理方法。
【請求項２５】
　前記電子ビーム及びイオンビームを非ユニポテンシャルレンズを用いて前記試料片上に集束する工程は、少なくとも３つの素子を有する非ユニポテンシャルレンズを用いて当該電子ビーム及びイオンビームを当該試料片上に集束する工程を含み、
　当該複数の素子のうち前記電子の発生源に最も近く配置された素子は、当該電子の発生源と略同電位に設定され、
　前記試料片に最も近く配置された素子の電位は、当該試料片と略同電位に設定される
　ことを特徴とする請求項２４に記載の像形成及び処理方法。
【請求項２６】
　前記非ユニポテンシャルレンズの下部素子の開口の大きさを変更することによって、前記電子ビームに含まれる電子の衝突エネルギーの範囲を調整する工程
　を更に備えることを特徴とする請求項２３に記載の像形成及び処理方法。
【請求項２７】
　電子ビーム及びイオンビームを用いて試料片の像を形成すると共に当該試料片を処理する方法であって、
　イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片に向けて進行する複数のイオンを含む集束イオンビームを生成する工程と、
　前記イオン光学鏡筒の光軸とは異なる方向に進行する複数の電子を含む電子ビームを電子発生源より生成する工程と、
　前記電子ビームを偏向して前記イオンビームと略同軸にする工程と、
　前記電子ビーム及びイオンビームを、単数の非ユニポテンシャルの最終レンズを用いて試料片上に集束する工程と
　を備えることを特徴とする像形成及び処理方法。
【請求項２８】
　前記単数の非ユニポテンシャルの最終レンズを用いて前記電子ビーム及びイオンビームを試料片上に集束する工程は、高電圧素子を含めて少なくとも３つの素子を含む非ユニポテンシャルの最終レンズの焦点を合わせる工程を含み、更に、
　前記試料片の電圧を変更し、
　前記非ユニポテンシャルの最終レンズにおいて、前記試料片に最も近く配置された素子の電圧を変更して当該素子を当該試料片と略同電位にし、
　前記高電圧素子の電圧を調整して前記電子ビームを集束する
　ことにより前記電子ビームに含まれる複数の電子の衝突エネルギーを調整する工程
　を備えることを特徴とする請求項２７に記載の像形成及び処理方法。
【請求項２９】
　前記イオンビームのビームエネルギーを調整して当該イオンビームを集束する工程
　を更に備えることを特徴とする請求項２８に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３０】
　前記単数の非ユニポテンシャルの最終レンズを用いて前記電子ビーム及びイオンビームを試料片上に集束する工程は、高電圧素子を含めて少なくとも３つの素子を含む非ユニポテンシャルの最終レンズの焦点を合わせる工程を含み、更に、
　前記電子発生源の電圧を変更し、
　前記非ユニポテンシャルの最終レンズにおいて、前記電子発生源に最も近く配置された素子の電圧を変更し、
　前記高電圧素子の電圧を調整して前記電子ビームを集束する
　ことにより前記電子ビームに含まれる複数の電子の衝突エネルギーを調整する工程
　を備えることを特徴とする請求項２７に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３１】
　前記イオンビームのビームエネルギーを調整する工程
　を更に備えることを特徴とする請求項３０に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３２】
　前記非ユニポテンシャルの最終レンズを介して２次電子を集める工程
　を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３３】
　前記単数の非ユニポテンシャルの最終レンズを用いて前記電子ビーム及びイオンビームを試料片上に集束する工程は、高電圧素子を含めて少なくとも３つの素子を含む非ユニポテンシャルの最終レンズの焦点を合わせる工程を含み、
　前記電子ビームを偏向して前記イオンビームと略同軸にする工程は、当該電子ビームを磁気偏向器を用いて偏向する工程を含み、更に、
　前記試料片に最も近く配置された素子の電位を当該試料片と略同電位に設定すると共に、前記磁気偏向器に最も近く配置された素子の電位を当該磁気偏向器と同電位に設定する工程
　を備えることを特徴とする請求項２７に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３４】
　前記試料片に最も近く配置された素子の電位を当該試料片と略同電位に設定する工程は、当該試料片に最も近く配置された素子の電位を略グラウンド電位に設定する工程を含む
　ことを特徴とする請求項３３に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３５】
　前記最終レンズの幾何学的形状を変更することにより前記電子の衝突エネルギーの可変範囲を変更する工程
　を更に備えることを特徴とする請求項２７に記載の像形成及び処理方法。
【請求項３６】
　前記最終レンズの幾何学的形状を変更する工程は、前記下部レンズ素子の直径を変更する工程を含む
　ことを特徴とする請求項３５に記載の像形成及び処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、電子ビーム像及び荷電粒子ビームを用いた微視構造のマイクロマシニングに関する。
【背景技術】
【０００２】
　各種のナノ加工、リソグラフィ、試料作成、測定又は検査への集束イオンビーム（ＦＩＢ）の適用においては、ＦＩＢによるミリング用のビームの極めて正確な、ナノメートル・スケールでの位置決めが要求される。このＦＩＢビームを試料片の像形成に用いてミリング用のビームの照準を合わせると、敏感な領域が高エネルギーのイオンビームに曝されることにより試料が損傷される可能性がある。
【０００３】
　従来、ＦＩＢ及び走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を含むデュアル・ビーム・システムが、ＳＥＭにより試料像を結像（形成）すると共に、ＦＩＢを用いて試料をミリングするシステムとして導入されてきた。いくつかのデュアル・ビーム装置では、同時入射するＦＩＢビームとＳＥＭビームとを利用するが、これらのビームは、ビーム間に大きな角度を持って試料表面上に入射する。この試料は、各種のＳＥＭ操作及びＦＩＢによるミリング操作を容易にするために、各ビーム軸に向けて又は各ビーム軸から遠ざけるように傾けられられる可能性がある。別のタイプのデュアル・ビーム装置は、平行又はビーム間に角度をもって隣接するＦＩＢビームとＳＥＭビームとを使用し、両ビーム間を移動する試料台を備える。いずれの場合においても、試料台が不正確であること、試料が平坦でないこと、また、同時入射ビームの場合は、ビーム入射角が相違することから、ＳＥＭ像に対するＦＩＢビームの位置決め精度には限界がある。
【０００４】
　ＳＥＭ像を使用してミリング用のＦＩＢの照準を合わせることができるように、従来のデュアル・ビーム構造における位置決め精度の不正確性を排除して、高品質かつ非破壊にて結像するＳＥＭに、ＦＩＢシステムのマイクロマシニング機能を組み込む方法が必要とされている。このようなＦＩＢとＳＥＭとの組合せから、例えば、コンピュータのハード・ディスク・ドライブ（ＨＤＤ）等に使用される薄膜磁気ヘッドの製造を含むナノデバイスの量産における多数の工程が利益を得られる。「ナノデバイスの量産」とは、上述したように、製造、ナノ加工、リソグラフィ、試料作成、測定及び検査への適用を含む。
【０００５】
　コンピュータ業界は、ハード・ディスク及びテープ・ドライブに対して、より一層の大容量化及び高速度化を要求し続けているため、所定の記憶媒体上に記憶可能なデータ量を増大するように、生産者に対する要求が増え続けている。このデータ量は、面積密度と呼ばれ、一般に、記憶媒体の１平方インチあたりのデータのビット数で表される。
【０００６】
　典型的なハード・ディスクでは、データは、通常、ガラス又はアルミニウム合金で製造されたプラタと呼ばれる平円形の円盤上に記憶される。プラタは、両面を極めて薄い磁性材料の層で覆われ、磁気パターンの形成により情報を記憶するように設計される。このプラタの中心を開孔してスピンドル上に数枚のプラタを固定することによって、複数のプラタがハード・ディスクのカバー内部に装着される。これら複数のプラタは、スピンドルに接続されたモータにより高速度で回転され得る。ヘッドと呼ばれる特殊な電磁読出し／書込み装置が、このディスク上に情報を記録し又はこのディスクから情報を読み出すために複数使用される。これら複数のヘッドは複数のスライダ上に搭載され、これらのスライダは複数のアーム上に夫々搭載される。全てのアームは、機械的に接続されて１つに組み立てられ、アクチュエータと呼ばれる装置によりディスク表面の上方に配置される。このようにして、読出し／書込みヘッドは、これら複数のプラタ表面の上方に正確に配置される。
【０００７】
　これらの読出し／書込みヘッドは、電気信号を磁気信号に変換すると共に、磁気信号を再び電気信号に戻す。記憶されるデータの各ビットは、「０」及び「１」を磁束の反転パターンに変換する特殊な符号化方法を用いることによりハード・ディスク上に記録される。
【０００８】
　このディスク上の各プラタの各表面は、数百億個もの個別ビットのデータを保持できる。これらのデータは、便宜上、より大きな複数の「塊」にまとめられて、より簡単かつ迅速に情報にアクセスできるようになされる。各プラタは、その表面及び裏面上に夫々１つずつ、計２つのヘッドを有しているため、３枚のプラタを備えたハード・ディスクは、通常、６枚の面と６個のヘッドを有している。各プラタは、トラックと呼ばれる複数の同心円に記録された状態で情報を保持している。各トラックは、セクタと呼ばれるより小さな複数の部分に更に分けられる。これらセクタの夫々は、５１２バイト（byte）の情報を保持する。
【０００９】
　書込みヘッドにおいて、実際にディスク上にデータを書き込む部分は、書込み素子と呼ばれる。この素子は、一般に、ギャップにより分離された２つの磁極から構成される。これらの磁極は、これらの磁極に磁気的に結合されたコイルにより励起されると、磁場を生成する。この書込み素子がディスクに近接すると、これらの磁極により生成された磁場が、ディスク上の所定の位置での帯磁方向を設定する。これによりデータがディスク上に書き込まれる。
【００１０】
　ハード・ディスクの面積密度を決定する重要な要因のひとつは、トラック密度である。このトラック密度は、複数の同心円状のトラックがディスク上に如何に緻密に詰め込まれ得るかの尺度である。
【００１１】
　トラック密度は、ディスク上で書込みヘッドにより影響を受ける面積の大きさにより概ね決定される。大きなヘッド構造は、より小さなヘッド構造と比較して、プラタ表面上のより広い領域に影響を与える。従って、書込み先端部で書込みヘッドの磁極を物理的に小型化することによって、プラタ表面上のより狭い領域に磁場を集中できるので、トラック幅を削減できるからトラック密度を増大することができる。
【００１２】
　現在使用されている書込みヘッドの大部分は、薄膜ヘッドである。この薄膜ヘッドという名称は、その製造方法に由来する。薄膜ヘッドは、集積回路の製造方法と同様のフォトリソグラフィ・プロセスを用いて製造される。この製造プロセスにおいて、基板となるウエハは、特定のパターンで堆積された合金材料の極めて薄い膜からなる単数又は複数の層で覆われる。この基板上には、絶縁材料の層も交互に堆積される。これらの堆積層を所望の幾何学的形状を有する磁極先端部のアセンブリにするために、リソグラフィ技術が用いられる。
【００１３】
　しかしながら、リソグラフィ技術のみを用いて製造され得る書込みヘッドでは、小型化に限界がある。より小さな書込みヘッドは、多くの場合、集束イオンビーム装置によるマイクロマシニングを必要とする。
【００１４】
　ＦＩＢシステムは、超微細構造を高精度に像形成し、エッチングし、ミリングし、堆積し及び分析する能力によって、微視的領域の製造工程で広く使用されている。ガリウムの液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）を用いたＦＩＢシステムでのイオン光学鏡筒は、例えば、５乃至７ナノメートル（nm）の空間分解能を備えることができる。集束イオンビームは、スパッタ、即ち、原子及び分子を試料表面から物理的に除去することによりミリングする。ＦＩＢシステムは、その汎用性及び精度の故に、データ記憶媒体への情報の書込みに用いられる薄膜磁気ヘッドの製造に利用される。
【００１５】
　ＦＩＢシステムは、イオンの集束ビームを試料片表面の上方へ、通常、ラスタパターンで導くことにより動作する。このイオンは、通常、液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）から引き出される。ここで引き出されたイオンは、一連のアパーチャ（aperture）及び静電レンズによって、加速され、平行にされて、試料片上に集束される。このイオンは、巨大すぎて一般的な大きさの磁気レンズでは集束することが困難であるため、静電レンズが用いられる。なお、ガリウムイオンは電子の約１２８，０００倍も重い。イオンビームを集束するために用いられる一般的な静電レンズは、アインツェルレンズ（einzel lens）である。アインツェルレンズとは、３つの電極又は素子を備えたユニポテンシャルレンズ（unipotential lens）である。通常、中央の素子は高い正電位であり、上部及び下部の素子はグラウンド電位に保持される。
【００１６】
　ＦＩＢシステムが用いられるとき、先ず、イオンビームが、通常、試料の表面をラスタパターンでスキャンすると共に、この試料表面の像を形成するために２次電子が集められる。この像は、ミリングされる特徴部分を識別するために用いられ得る。次に、イオンビームのスキャンパターンが、このミリングされる特徴部分と一致するように調整され、このイオンビームがこの試料表面をミリングするために使用される。多くの場合、ガス材料がイオンビームの衝突点に置かれた試料片に向けられ、イオンは、使用されるガス化合物に応じて、エッチレート又は堆積物のいずれか一方を選択的に増大させる化学反応を誘発する。残念なことに、薄膜ヘッドのトリミング及び他のナノ加工では、ＦＩＢによる像形成中に試料が損傷する可能性がある。試料の損傷を抑制するためにＦＩＢによる結像時間を短縮すると、雑音に対する像信号の比率（S/N比）が、ミリングの正確な位置決めには不十分となってしまう可能性がある。一方、敏感な特定構造にＦＩＢビームを向けることは、常に望ましくない可能性がある。
【００１７】
　ＦＩＢによる像形成とは対照的に、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に使用される低エネルギーの電子ビームは、試料片に与える損傷が少なく、照準（アライメント：alignment）精度に優れる。走査型電子顕微鏡においては、微細に集束された複数の電子からなるビームが、試料片の表面を横切って走査される。この電子ビームは電子発生源（electron source）により発生し、複数の電子が、通常、０．２ｋＶ乃至３０ｋＶの間の電圧により試料片に向けて加速される。このビームは、一般に、複数の電磁コンデンサレンズにより平行にされ、対物レンズにより集束され、電磁偏向コイルにより試料片の表面を横切るように走査される。この電子ビームに含まれる電子が試料片表面に衝突すると、２次電子が放射される。ＦＩＢシステムと同様に、この２次電子は集められて試料片表面の像形成に用いられる。このとき、像上での各点の輝度は、１次電子ビームが衝突入射している間に放出された２次電子の数により決定される。ＳＥＭの微細に集束された電子ビームによれば、最も優れた光学顕微鏡よりも高倍率及び高分解能の像を形成できる。
【００１８】
　電子は、静電力又は磁力のいずれか一方により集束されるので、静電レンズと磁気レンズとの両方がＳＥＭに設置され得る。静電レンズは、一般に、磁気レンズよりも、特に高いビーム電圧に対して、収差が大きいので、あまり使用されない。
【００１９】
　イオンビームによる像形成とは異なって、ＳＥＭによる像形成は、通常、試料片表面を著しく損傷することがない。衝突入射粒子と基板粒子との間で衝突中に移転される運動量の量は、この衝突入射粒子の運動量のみに依存するのではなく、これら２つの粒子の相対質量にも依存する。これら２つの粒子が同質量である場合に、最大の運動量が移転する。衝突入射粒子の質量と基板粒子の質量とが一致しない場合、この衝突入射粒子の運動量の極一部が基板粒子に移転される。集束イオンビームによるミリングに用いられるガリウムイオンの質量は、電子の質量の１２８，０００倍である。従って、ガリウムイオンビームに含まれる粒子の運動量は、試料片表面から分子を叩き出すのに充分である。しかしながら、典型的なＳＥＭの電子ビームに含まれる電子の運動量は、運動量の移転により表面から分子を除去するのに充分ではない。
【００２０】
　ＳＥＭのビームは、通常、イオンビームより格段に破壊力が低いが、ある種の集積回路のような特定の試料片は、高エネルギーの電子ビームにより損傷を受け易い。このため、この種の試料片の観察に電子ビームを使用する場合、特に比較的低い電圧領域において、電子の衝突エネルギーの可変性は重要である。
【００２１】
　現在使用可能なＦＩＢとＳＥＭとの複合システムは、イオンビーム及び電子ビームのために別個の鏡筒を使用しており、これら２つのビームの軸間には、一般に、約５２°の角度がある。各システムの最終レンズと試料片との間の距離における軽微な違いが、２つのビームの相対的位置に影響を及ぼすため、これらのビームの切換時には、常に照準がずれる。試料に対する角度が夫々異なる２つの鏡筒を有するため、ＦＩＢからＳＥＭへ又はＳＥＭからＦＩＢへと操作変更するために、試料は頻繁に傾斜されねばならない。試料の位置ずれは、試料台の傾斜中に必然的に発生する。この後に続く高精度のマイクロマシニング等の全てのプロセスにおいて、ビームの位置決め精度は低下してしまう。この試料の位置ずれに関する問題が克服されたとしても、ビームは２方向から入射するので、電子ビームにより得られる像とイオンビームとの位置は依然として相違する。しかも、検出器が側方にある場合、像に影となる部分ができるシャドーイングが発生する結果となり望ましくない。
【００２２】
　ＦＩＢとＳＥＭとの複合装置が薄膜磁気ヘッドのようなナノデバイスの量産に最適となるために、両ビームは、同軸状態で試料片の上方から入射することが望ましい。これによって、試料片の最終レンズからの距離における軽微な変動は、同じ試料片上での２つのビームの相対的位置に影響しなくなる。高精度が要求されているため、試料片及び粒子ビーム発生源の両方に関して、如何なる位置ずれも回避されねばならない。
【００２３】
　同軸鏡筒のＦＩＢとＳＥＭとの複合システムが文献に記載されているが、現存する全てのシステムは、設計に問題があるため、高精度での利用価値又は大量生産への適用に限界がある。
【００２４】
　単鏡筒のＦＩＢ及び電子ビームのシステムが、「複合型荷電粒子装置」に対してＴａｍｕｒａらに付与された米国特許第４，７４０，６９８号に記載されている。しかしながら、このシステムでは、分離されたイオン源と電子発生源とが、イオンビームと電子ビームとを切り換えるために設置された切換装置上に搭載されている。この切換に伴うイオン源又は電子発生源の位置ずれも、ＦＩＢと電子ビーム像との間での相対的なずれを発生させる（特許文献１参照）。
【００２５】
　別の単鏡筒のＦＩＢ／電子ビーム装置が、澤良木による特開昭６３−２３６２５１号公報「電子ビーム／イオンビーム複合装置」に記載されている。しかしながら、このシステムでは、分離された静電レンズがイオンビームを集束するために使用される一方で、電磁レンズが電子ビームを集束するために使用されている。電子ビームの使用時に、電子ビームを集束するために使用される電磁レンズが稼動されるが、静電レンズは停止される。イオンビームが使用される以前に、電子ビームが遮断されると共に、電磁レンズが停止される。そして、イオンビーム及び静電レンズが稼動される。従って、これらのビームを同時に操作することができない。レンズの稼動時には、このレンズを安定させるために所定時間を要するため、このようなシステムは、高スループットの製造環境には不適である。また、磁気レンズが有するヒステリシス効果は、レンズ停止後におけるビームの位置決め精度を阻害する（特許文献２参照）。
【００２６】
　別の単鏡筒ＦＩＢ／電子ビーム装置が、澤良木による特開平０２−１２１２５２号公報「荷電粒子ビーム複合装置」（以下、「澤良木II」と記載）に記載されている。このシステムは、電子ビーム及びイオンビームを夫々集束するために、磁気レンズと静電レンズとを一列に組み合わせて使用している。このシステムによれば、両ビームの同時使用が可能ではあるものの、複数のレンズの一列での使用は集束距離の増大をもたらし、この集束距離の増大は、通常、ＦＩＢシステムの分解能を低下させる。この澤良木IIの特許も、ビームを配置するためにレンズ後方の偏向器を使用している。これによっても集束距離が増大すると共に、レンズ透過型の２次電子検出を適用する場合に、２次電子収集効率及び精度が制限される（この点については以下に詳述する）。従って、澤良木IIの特許の設計は、先端的な薄膜ヘッドのトリミング及び他のナノ加工への適用に要求される分解能を提供できない。また、複合レンズシステムは、必然的に、単レンズシステムよりも物理的に大きくなる。多くのシステムはクリーンルーム内に設置され、このクリーンルームでの空間は極めて高コストであるため、より小さなシステムが望ましい。更にまた、澤良木IIの特許で使用された複合レンズシステムは、単レンズシステムよりも複雑である。このため、このシステムの信頼性は低下しがちであり、大量生産に適しているとはいえない（特許文献３参照）。
【００２７】
　また、別の単鏡筒のＦＩＢ／電子ビーム装置が、Ｃｌｅａｖｅｒらにより「電子及びイオンビーム複合露光装置」（以下、「Ｃｌｅａｖｅｒ」と記載）として、米国真空学会誌Ｂ（J.Vac.Sci.Technol）に記載されている。しかしながら、Ｃｌｅａｖｅｒで説明されたシステムは、イオンビーム及び電子ビームの両方を集束するために、ユニポテンシャルの静電レンズであるアインツェルレンズを使用している。このため、電子ビームエネルギーに対するイオンビームエネルギーの比は、これらのビームが集束される最終レンズからの距離により決定される。よって、どちらか一方のビームエネルギーを変更すると、そのビームのための新たな焦点へ試料片を移動させる必要が生じる。このＣｌｅａｖｅｒのシステムは、異なる処理のためにビーム電圧を素早く調整する可変性（フレキシビリティ：flexibility）を備えていない。例えば、半導体への適用において、ユーザは、チャージングによる表面損傷を回避するために、低ビーム電圧のＳＥＭを好む。また、ビーム電圧の調整は、アインツェルレンズの中央素子の電圧変更を必要とする。最終レンズにおける電圧の大きな変更は、約１秒間を要する可能性があるが、この１秒間という時間は、量産プロセスにおいては、かなり長い時間である（非特許文献１参照）。
【００２８】
【特許文献１】米国特許第４，７４０，６９８号明細書
【特許文献２】特開昭６３−２３６２５１号公報
【特許文献３】特開平０２−１２１２５２号公報
【特許文献４】米国特許出願公開第０９／７８０，８７６号明細書
【特許文献５】米国特許第６，２１８，６６４号明細書
【非特許文献１】Cleaver et al,"A Combined Electron and Ion Beam Lithography System",Journal of Vacuum Science Technology:B,144(1985)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２９】
　上述したように、ナノデバイスの高精度な量産のために、単鏡筒のＦＩＢとＳＥＭとの複合システムが、未だに必要とされている。
【００３０】
　従って、本発明の目的は、ＦＩＢシステムのマイクロマシニング機能と、ＳＥＭの非破壊かつ高品質の像形成機能とを複合して、ナノデバイスの高精度な量産に適した１台の装置とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
　本発明に係る第１の装置は、１次電子ビームの発生源と、イオンビームの発生源を含み、光軸を有するイオン光学鏡筒と、この１次電子ビームを偏向してイオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行させる偏向手段と、これら１次電子ビーム及びイオンビームを試料片上に集束する非ユニポテンシャルの静電最終レンズとを備えることを特徴とするものである。
【００３２】
　本発明に係る第１の装置によれば、イオンビームの発生源からイオンビームが生成され、イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片に向けて進行する。一方、１次電子ビームの発生源により１次電子ビームが生成される。この１次電子ビームが、偏向手段により偏向されてイオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行する。これらイオンビーム及び１次電子ビームが、非ユニポテンシャルの静電最終レンズにより試料片上に集束される。よって、磁場に依存することのない静電最終レンズによって、２つのビームを同時に試料片上に集束できる。
【００３３】
　本発明に係る第２の装置は、イオンビーム鏡筒と電子ビーム鏡筒とを含む装置であって、１次電子ビームの発生源と、イオンビームの発生源を含むイオン光学鏡筒であって、光軸を有するイオン光学鏡筒と、試料片に衝突する電子ビーム又はイオンビームにより生成される２次粒子を検出する検出手段と、この１次電子ビームを偏向してイオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行させると共に、２次粒子を検出手段へ向けて偏向する偏向手段と、この１次電子ビーム及びイオンビームの両方を試料片上に集束すると共に、この１次電子ビームの逆進方向にこのレンズを介して２次粒子を引き出す非ユニポテンシャルの静電最終レンズとを備えることを特徴とするものである。
【００３４】
　本発明に係る第２の装置によれば、イオンビームの発生源からイオンビームが生成され、イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片に向けて進行する。一方、１次電子ビームの発生源により１次電子ビームが生成される。この１次電子ビームが、偏向手段により偏向されてイオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行する。これらイオンビーム及び１次電子ビームが、非ユニポテンシャルの静電最終レンズにより試料片上に集束される。ここで集束されて試料片に衝突する電子ビーム又はイオンビームにより生成された２次粒子が、最終レンズにより１次電子ビームの逆進方向に引き出され、偏向手段により検出手段に向けて偏向され、検出手段により検出される。よって、２つのビームを最終レンズにより同時に試料片上に集束できると共に、２次粒子のレンズ透過型検出を実現することができる。
【００３５】
　本発明に係る第１の像形成及び処理方法は、電子ビーム及びイオンビームを用いて試料片の像を形成すると共にこの試料片を処理する方法であって、イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片に向けて進行する複数のイオンを含む集束イオンビームを生成する工程と、このイオン光学鏡筒の光軸とは異なる方向に進行する複数の電子を含む電子ビームを生成する工程と、この電子ビームをイオンビームと略同軸となるように偏向する工程と、これら電子ビーム及びイオンビームを、単数の最終レンズを用いて試料片上へ集束する工程と、ここに集束されたイオンビーム又は電子ビームの試料片への衝突時に生成される２次粒子を光軸沿いに逆進させるように加速する工程と、この２次粒子を電子検出手段へ向けて偏向する工程とを備えることを特徴とするものである。
【００３６】
　本発明に係る第１の像形成及び処理方法によれば、２つのビームを最終レンズにより同時に試料片上に集束できると共に、２次粒子のレンズ透過型検出を実現することができる。
【００３７】
　本発明に係る第２の像形成及び処理方法は、電子ビーム及びイオンビームを用いて試料片の像を形成すると共に当該試料片を処理する方法であって、イオン光学鏡筒の光軸沿いに試料片に向けて進行する複数のイオンを含む集束イオンビームを生成する工程と、このイオン光学鏡筒の光軸とは異なる方向に進行する複数の電子を含む電子ビームを電子発生源より生成する工程と、この電子ビームをイオンビームと略同軸となるように偏向する工程と、これら電子ビーム及びイオンビームを、単数の非ユニポテンシャルの最終レンズを用いて試料片上に集束する工程とを備えることを特徴とするものである。
【００３８】
　本発明に係る第２の像形成及び処理方法によれば、２つのビームを最終レンズにより同時に試料片上に集束できるので、電子ビームによる試料片の像観察と、イオンビームによる試料片の処理とを同時に実施できる。
【発明の効果】
【００３９】
　本発明に係る第１の装置並びに第２の像形成及び処理方法によれば、イオンビームと、偏向されてイオン光学鏡筒の略光軸沿いに試料片に向けて進行する１次電子ビームとを単数の非ユニポテンシャルの最終レンズにより試料片上に集束するので、電子ビームによる試料片の像観察とイオンビームによる試料片の処理とを同時に実施できる。従って、ビームの切換に伴う最終レンズの電位変更の必要がなくなるので、この最終レンズの電位変更に起因したビームの焦点位置の変動を排除できる。このため、電子ビーム及びイオンビームの照準精度を向上することができると共に、スループットも向上することができる。
【００４０】
　本発明に係る第２の装置並びに第１の像形成及び処理方法によれば、最終レンズにより試料片上に集束された１次電子ビーム又はイオンビームの試料片への衝突時に生成される２次粒子を最終レンズにより光軸沿いに逆進させて電子検出手段へ向けて偏向するので、２つのビームを最終レンズにより同時に試料片上に集束できると共に、２次粒子のレンズ透過型検出を実現することができる。従って、試料片を最終レンズの近くに置くことができるので、ワーキングディスタンスを短縮できる。よって、電子ビームによる解像度及びイオンビームの分解能を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
　本願明細書に記載され及び請求される本発明を実施するための最良の形態は、静電最終レンズを共有すると共に、両ビームが試料片に向けて進むときに共軸を有するＦＩＢとＳＥＭとの複合部を備える。
【００４２】
　上記は、以下の本発明の詳細な説明をより深く理解できるように、本発明の特徴及び技術的利点について、むしろ大まかに、その概要を記載したものである。本発明の更なる特徴及び利点は以下に説明される。ここで開示される概念及び具体的な実施形態は、本発明と同じ目的を達成するために他の構造を改良又は設計するための土台として即座に利用可能であることを、当業者であれば理解できる。また、このような同等構成は、添付の特許請求の範囲に示す本発明の精神及び範囲から逸脱しないことを、当業者であれば理解できる。
【００４３】
　以下に説明する実施形態では、最終レンズを共有すると共に、試料片に向けて進行するように略同軸となされた２つのビームを有するＦＩＢ−ＳＥＭ装置のための数種類の異なる設計目標を達成している。ＦＩＢミリング（milling）のＳＥＭ照準は充分正確なので、各種のナノデバイスの製造、改良、試料作成又は測定のような処理（プロセス）が可能であり、また、ＦＩＢ像に起因する試料損傷を回避できる。２次電子のレンズ透過型検査を任意選択とすることによって、試料を最終レンズの近くに置くことができるので、ワーキングディスタンス（working distance）を短縮して性能を向上することができる。
【００４４】
　ビームの切換時に最終レンズの高電圧を調整する必要がないので、スループットが向上する。改良、試料作成及び測定を含む大量生産では、必要なマイクロマシニングを極めて迅速に終了することが要求される。最終レンズでの電圧の大きな変更は、約１秒間も要する可能性がある。この１秒間という時間は、量産工程ではかなり長い時間である。従って、ＳＥＭからＦＩＢへの操作切換時に大きな電圧変更を必要としない単鏡筒ＦＩＢ−ＳＥＭが望ましい。
【００４５】
　本発明においては、磁場に依存しない静電レンズが、レンズを物理的に交換し又は最終レンズの電圧を変更することもなく両ビームを同時に集束する。正にバイアスされた最終レンズは、電子に対しては加速レンズとして、また、イオンに対しては減速レンズとして機能することによって、高エネルギーのイオンビームと比較的低エネルギーの電子ビームとの両方を集束する。静電レンズは、減速モードにおいて、より強力に焦点を結ぶので、正にバイアスされたレンズの集束力は、正電荷の１次イオンビームに対してよりも、負電荷の１次電子ビームに対して弱くなるため、高エネルギーのイオンビームと比較的低エネルギーの電子ビームとを同じレンズで集束できる。比較的低エネルギーの電子ビームは、高エネルギーのビームが試料片を損傷する可能性のある集積回路の製造工程のような多くの工程で利用価値がある。
【００４６】
　また、イオンビームのエネルギーと電子ビームのエネルギーとを、ワーキングディスタンス、即ち、最終レンズから試料片までの距離を変えずに独立して調整することができる。従来技術によるユニポテンシャルの静電レンズにおいては、ビームエネルギーの比は、ユニポテンシャルの最終レンズの幾何学的形状及びワーキングディスタンスにより固定されていた。いずれかのビームエネルギーの変更は、高電圧の中央レンズ素子の電位を著しく変更する必要があり、焦点が変動していた。このため、ワーキングディスタンスを変更すること、即ち、レンズからの距離を違えて試料を置くことが必要であった。また、この高電圧を著しく変える場合、変更後の高電圧を安定化するための時間が必要であった。
【００４７】
　本発明の出願人は、最終レンズの上部レンズ素子又は下部レンズ素子の電位の独立調整を可能とすることによって、ワーキングディスタンスを著しく変えることなくビームのエネルギー、特に電子ビームのエネルギーを変更できる可変性を提供する。ＦＩＢのイオン銃のレンズ及び電子ビームの最終レンズとして複数の非ユニポテンシャルのレンズが使用されてきたが、出願人は、イオンビーム鏡筒の最終レンズとして非ユニポテンシャルのレンズを使用することを知らなかった。
【００４８】
　本発明によれば、イオンビームへの影響を最小限に抑えて、電子ビームのエネルギーを変更できる。本発明によれば、電子銃と試料片との間の電位差の変更によって、特に比較的低電圧の領域、例えば、約２００Ｖ乃至約３，０００Ｖで電子ビームのエネルギーを変更する可変性を備えることができる。
【００４９】
　電子ビームの光路に配置された複数の素子は、最終レンズの高電圧素子より下方の第１グループと、この最終レンズの高電圧素子より上方の第２グループとに分けられる。この第１グループは、最終レンズの下部レンズ素子と試料片とを含む。第２グループは、最終レンズの上部レンズ素子と、静電ビーム制御電極と、電子ビーム偏向器と、電子銃とを含む。ここで「電子銃の電位」とは、電子が電子銃を離れる際に最後となる素子の電位を意味する。電子銃の内部にある複数の素子は、電子を引き出して加速するために、電子銃の電位とは異なる電位となっている。これによって、電子が電子銃を離れるときに、この電子に運動エネルギーを与えることができる。各グループ内では、複数の素子の電位は略同じである。即ち、下部レンズ素子及び試料片は、概ね第１の電位で保持され、上部レンズ素子、静電ビーム制御電極、電子ビーム偏向器及び電子銃は、概ね第２の電位で保持される。
【００５０】
　電子銃を離れる電子の運動エネルギーと、第１の電位と第２の電位との差とが、１次電子ビームに含まれる電子の衝突エネルギーを決定する。いくつかの実施形態においては、第１の電位は略グラウンド電位であり、電子ビームのエネルギーは、第２の電位の変更により変えられる。他の実施形態においては、第２の電位が略グラウンド電位であって、電子ビームのエネルギーは、第１の電位の変更により変えられる。これら２つの実施形態は、ビームエネルギーに関して等価であるが、これらの実施形態のいずれか一方が、特定の処理（アプリケーション）に対する実施を容易とする可能性がある。
【００５１】
　最終レンズの素子の、例えば口径のような、幾何学的形状を変えることによって、到達可能な電子エネルギーの範囲は変更可能である。例えば、後述するように、中央レンズ素子を４０，０００Ｖとした場合、２ｍｍ口径の下部レンズ素子を用いたときは、１，０００ｅＶ乃至４，１００ｅＶの範囲を超える電子ビームエネルギーにおいて、また、３ｍｍ口径の下部レンズ素子を用いたときは、２５０ｅＶ乃至３，０００ｅＶの範囲を超える電子ビームの衝突エネルギーにおいて、試料片及び最終レンズ素子の電圧を変えることにより、集束イオンビームのエネルギーを略一定に保ちながら、直径１０ｎｍ未満の電子ビームを生成できる。
【００５２】
　本発明により提供される電子の衝突エネルギーにおける可変性は、ある種の集積回路のような高エネルギーの電子ビームにより容易に損傷される試料片を電子ビームを用いて観察するために重要である。本発明によれば、試料片に対する損傷の可能性が抑制されて適度の分解能が得られるビーム電圧を選択することができる。
【００５３】
　両方のビームは同時に動作し得るが、電子ビームにより生成された２次電子からの信号を、イオンビームにより生成された２次電子からの信号より分離することは困難であることもある。適切なエネルギーフィルタにより混成信号の一部を除去できるが、全部ではない。同時稼動の場合、イオンビームと電子ビームとは、反対方向に走査される。また、本発明によれば、電子ビームとイオンビームとを極めて急速に切り換えて、連続して動作させることもできる。
【００５４】
　本発明によれば、従来技術によるシステムと比較して、ＦＩＢ−ＳＥＭ複合部を相対的に小さくできる。多くのシステムはクリーンルーム内に設置され、クリーンルームのコストが極めて高いため、より小さなシステムが望ましい。また、より小さなシステムは、より廉価に製造できる。静電レンズと磁気レンズとの組合せの代わりに静電レンズを用いることによって、システムの構成を簡素化できると共に、信頼性を向上することができる。
【００５５】
　図１は、最終レンズを介して中和電子を供給すると共に、この最終レンズを介して２次電子を集めることもできるＦＩＢ鏡筒を示す略式断面図である。このシステムは、Ｇｅｒｌａｃｈらにより「集束イオンビームのための２次粒子のレンズ透過収集」として、米国特許出願公開第０９／７８０，８７６号公報で詳細に説明されており、これを引用により具体的に、ここに組み入れたものである(特許文献４参照）。図１は、イオン光学鏡筒１０４のイオンビーム用の最終レンズ１０２を介して中和電子を導くことにより電荷中和を提供するシステム１００を示す。最終レンズ１０２は３つの素子を含み、下部レンズ素子１０６は、好ましくは、試料片と同電位（略グラウンド電位）に保持され、中央レンズ素子１０８は、好ましくは、約＋２０，０００Ｖに保持され、上部レンズ素子１１０は、好ましくは、約＋５００Ｖ乃至＋５，０００Ｖの間に、最も好適には、約＋２，０００Ｖに保持される。静電偏向器１１２は、好ましくは、上部レンズ素子１１０と同電位に保持され、約＋２，０００Ｖが最適である。
【００５６】
　電子フラッド銃（electron flood gun）１２０のような中和電子１１８の発生源が、２次電子検出器１２８と対向して設置される。電子フラッド銃１２０からの中和電子１１８は、磁気偏向器１３４によって、１次イオンビーム軸１３８に向かった後に試料片１４２に向けて下方へ偏向される。この磁気偏向器１３４又はこの磁気偏向器１３４内部の静電シールドは、およそ＋２，０００Ｖの電位に保持され、試料片１４２は、略グラウンド電位に保持されることが好ましい。磁気偏向器１３４の代わりに、静電偏向器又はウィーンフィルタ（Wien filter）を使用することもできる。
【００５７】
　１次イオンビームに含まれるイオン及び中和電子の衝突は、どちらも２次電子を放出させる。１次イオンビームに含まれるイオンの試料片１４２上への衝突により放出された２次電子をイオンビーム起因２次電子１４６と呼び、中和電子の試料片１４２上への衝突により放出された２次電子を中和電子起因２次電子１４８と呼ぶ。
【００５８】
　電子フラッド銃１２０内の電子発生源（electron source）と試料片１４２との間の電位差が、この試料片１４２に到達する中和電子１１８が持つエネルギーを決定する。例えば、試料片１４２に対して−１０乃至−５００Ｖで保持された電子フラッド銃の電子発生源から生成される中和電子は、グラウンド電位である試料片１４２の表面と衝突するとき、−１０乃至−５００Ｖに相当するエネルギーを持っている。そして、この中和電子は、僅か１０乃至５００ｅＶの最大エネルギーを持つ２次電子を生成し得る。
【００５９】
　中和電子起因２次電子１４８は、イオンビーム起因２次電子１４６と共に、鏡筒１０４の上方へ逆進して戻ってくる。この中和電子起因２次電子１４８は、検出前にイオンビーム起因２次電子１４６から分離されない場合、結像を阻害する。鏡筒を上方へ進行する２次電子１４６，１４８は、磁気偏向器１３４により２次電子検出器１２８へ向けて曲げられる。妨害電界フィルタ（retarding field filter）１５０のような電子エネルギーに対するハイパスフィルタが、中和電子起因２次電子１４８を除去するために、２次電子検出器１２８の前に設置される。
【００６０】
　図２は、集束イオンビーム２３８と集束電子ビーム２１８とを含むシステム２００の略式断面図である。電子ビーム２１８及びイオンビーム２３８は、これらが試料片に向けて進むときに同軸となっている。図２のシステムは、最終レンズを介して２次電子を集めることもできる。ショットキー（Schottky）電子銃のような電子銃２２０が、２次電子検出器２２８と対向して設置され、電子ビームを供給する。電子銃２２０は電気的接続手段を含むので、電子銃２２０内での相対電圧を変えることも、集束距離を変えることもなく、その電圧を「フロート状態（floated）」にできる。電子銃２２０は、約−２，０００Ｖの電位で保持されることが好ましい。
【００６１】
　電子銃２２０からの電子ビーム２１８は、磁気偏向器２３４により１次イオンビーム軸２３８へ向けて、続いて試料片２４２へ向けて下方へ偏向される。この試料片２４２は、好ましくは、略グラウンド電位に保持される。電子銃２２０は、磁気偏向器２３４の中心で焦点を結ぶことが望ましい。主に、ガリウムイオンと電子との間における質量及びエネルギーの相違のために、以下に詳述するように、磁気偏向器２３４は、ＦＩＢビーム２３８に対して、ほとんど影響を与えない。静電偏向器又はウィーンフィルタを磁気偏向器２３４の代わりに使用することもできる。しかし、静電偏向器は、レンズを介して集めた２次電子の分離と１次電子の偏向とを同時に実施できず、ウィーンフィルタは、本来の電子ビーム軸とイオンビーム軸との間に、より浅い角度を必要とする。
【００６２】
　最終レンズ２０２は、試料片と同電位に保持された下部レンズ素子２０６、中央の高電圧レンズ素子２０８及び上部レンズ素子２１０の３つの素子を含むことが望ましい。この上部レンズ素子２１０は、下記に詳述するように、この上方に配置された光学部品と同電位に保持される。各レンズ素子は相互に絶縁されると共に、電気的接続手段を夫々含んでいるため、各レンズ素子に異なる電圧を印加することができる。更に複数のレンズ素子を追加して使用することも可能であって、例えば、高電圧素子の下方に追加の素子を設置したり、別の正電位の素子を追加したりできる。
【００６３】
　上述したように、下部レンズ素子２０６は、試料片２４２と若干相違するかもしれないが略同電位に保持され、中央レンズ素子２０８は、通常、高電圧に保持される。上部レンズ素子２１０、静電偏向器２１２及び磁気偏向器２３４は、全て略同電位に保持されることが好ましい。一実施形態においては、下部レンズ素子２０６及び試料片２４２は、略グラウンド電位に保持され、中央レンズ素子２０８は、望ましくは、約５，０００Ｖ乃至約５０，０００Ｖの間に保持され、より望ましくは約４０，０００Ｖが好適であり、上部レンズ素子２１０、静電偏向器２１２及び磁気偏向器２３４は、電子銃の電位と同電位で、約＋１００Ｖ乃至約＋５，０００Ｖの間に保持されることが好ましく、より望ましくは約＋２，０００Ｖが最適である。
【００６４】
　他の実施形態においては、試料片２４２及び下部レンズ素子２０６は、約−１００Ｖ乃至約−５，０００Ｖの間に保持され、より望ましくは、約−２，０００Ｖが最適であり、上部レンズ素子２１０、静電偏向器２１２、磁気偏向器２３４及び電子銃２２０は、略グラウンド電位に保持される。試料片２４２及び下部レンズ素子２０６をグラウンド電位以外の電位で保持する場合、ガス注入器のように、試料片２４２の近傍に設置された他のハードウエア（金属部分）を同電位にバイアスする必要がある。試料片２４２をグラウンド電位に保持すると近傍の他部材をバイアスする必要がなくなるが、鏡筒の上部素子に対する電気的バイアスを保持する必要がある。いずれの素子をバイアスするかは鏡筒の設計者が選択できる。
【００６５】
　電子銃２２０内の電子発生源２２１を離れる電子の運動エネルギー及び電子発生源２２１と試料片２４２との間の電位差が、電子ビーム２１８に含まれる電子が試料片２４２に達する際に持つエネルギーを決定する。上述したように、この電位差は、電子銃２２０若しくは試料片又はこれら両方をバイアスすることにより得られる。「電子銃へのバイアス」は、上述したように、電子銃の電位の変更、即ち、電子銃の全素子へのバイアス電圧の重畳を意味し、例えば、エミッタ（emitter）、サプレッサ（suppressor）及びエクストラクタ（extractor）がバイアス電圧を印加される。電子銃全体の全素子が均一にバイアスされるので、電子銃内の構成部品間の相対電位は変化しない。電子銃の構成素子は、このバイアス電圧で「フロート状態」となる。
【００６６】
　全素子が均一にバイアスされると、電子銃の焦点は変動しない。この電子銃は磁気偏向器２３４の中心で焦点を結ぶことが好ましい。電子銃を磁気偏向器と同電位に保持すると、電子銃を更に調整しなくても、ビームの焦点を磁気偏向器に維持することができる。コンデンサレンズ、加速素子又はオプションの制御板のように、エクストラクタより後方に設置される電子銃の構成要素は、磁気偏向器２３４、静電偏向器２１２及び上部レンズ素子２１０と同電位に保持されることが望ましい。エミッタでの負電位は、電子が試料片に到達するように、常に試料片の電位より高くする。このエミッタでの電位は、試料片の電位よりも高く、−２０Ｖ乃至−１０，０００Ｖの間であることが望ましい。このフィラメントとエクストラクタとの間の電圧差は、ビームを形成するに足る運動エネルギーを電子に供給するのに充分である。
【００６７】
　上述したように、試料片へのバイアスは、この試料片の近傍にある他部材へのバイアスを必要とするので、多くの工程では、電子銃をバイアスすることが望ましい。例えば、試料片２４２に対して−２，０００Ｖで保持された電子エミッタから生成された電子では、この電子が試料片２４２のグラウンド電位である表面に衝突する際に、約２ｋｅＶのエネルギーを持っている。この電子ビーム２１８に含まれる電子による試料片２４２上での衝撃が、最大２ｋｅＶのエネルギーを持つ２次電子２４６の放出を誘発する。
【００６８】
　中央レンズ素子２０８の正電荷が、この２次電子２４６を引き寄せ加速して光学鏡筒２０４上方へ戻し、ここで２次電子２４６は、磁気偏向器２３４により２次電子検出器２２８へ向けて曲げられる。従来の側面搭載の２次粒子収集システムは、この粒子収集装置を収容するために、最終レンズを試料片から充分離して配置する必要がある。最終レンズから試料片までの距離の増大は、より長い集束距離を有する最終レンズの使用を必要とするため、通常、ＦＩＢシステムの分解能が低下する。本発明によれば、１次ビームを通過させるアパーチャを有すると共に、試料片と最終レンズとの間に配置された導電板を用いることによって、２次粒子を検出することもできる。
【００６９】
　しかしながら、図２に示したシステムにおいては、２次電子２４６は、イオン光学鏡筒の光軸に沿って集められる。２次電子２４６は、ＦＩＢビーム２３８の分解能が著しく低下しないように、最終レンズ２０２を通して加速されてから、イオン光学鏡筒の光軸より離れて２次電子検出器２２８に向かうように偏向される。
【００７０】
　このレンズ透過型（ＴＴＬ：through-the-lens）検出器の配置によって、試料片を最終レンズの近傍に置くことができるので、集束距離を短縮できると共に、同じビーム径で、より大電流となるように改良された鏡筒光学性能を備えることができる。２次粒子のレンズ透過型検出器は、試料片の一側方向に２次粒子を集めることに起因するシャドーイングを排除することもできる。適切な電圧を用いることによって、２次イオンも最終レンズを通して集めることができる。電子ビーム鏡筒におけるレンズ透過型電子検出器は知られており、例えば、「静電型対物レンズを備えたＳＥＭ及び電気的走査装置」（以下「Ｋｒａｎｓ」と記載）に対してＫｒａｎｓらに付与された米国特許第６，２１８，６６４号に記載されている（特許文献５参照）。なお、この特許は、本発明の譲受人に譲渡されている。
【００７１】
　このＫｒａｎｓの設計においては、中央レンズ素子及び上部レンズ素子（並びに状況に応じて下部レンズ素子）は、電子を試料片からレンズ上方へ引き上げるために、正電位にバイアスされ、このレンズ上方で、電子はチャネル・プレート電子増倍管（channel plate electron multiplier）により検出される。このチャネル・プレート電子増倍管は、イオン光学鏡筒の軸に対して略垂直に配向され、その中心に１次ビームを通すための開孔を有する。しかしながら、ＦＩＢ鏡筒に必要な光学系は、Ｋｒａｎｓの設計のような低電圧ＳＥＭの鏡筒とは著しく異なっている。よって、イオン光学鏡筒にＴＴＬ機能を備えるためには、電子光学鏡筒としてＫｒａｎｓらにより記載されたものとは異なるように、イオン光学系への大幅な改良が必要となる。
【００７２】
　ＦＩＢシステムに採用されるイオンでは、その電荷に対する質量比は電子よりも桁数が大きく、加えて、エネルギーも極めて高い。本発明の出願人は、１次及び２次電子ビームの進行路を横断する単純磁場を適用すると、１次イオンビームへの外乱を最小限に抑えて電子を光軸から離すように偏向できることを発見した。
【００７３】
　イオンビーム上での磁気偏向器の相対的効果を図示するために、出願人は、２次電子を所望の屈曲半径を通して曲げるために必要な磁石の強度を計算した後、この磁場により生成されるイオンビームの屈曲半径を決定する。この屈曲磁石の強度は、サイクロトロン半径方程式（１）により与えられる。
　Ｒ＝ｍｖ／Ｂｅ　　・・・（１）
【００７４】
　ここで、ｍは荷電粒子の質量であり、ｖは荷電粒子の速度であり、Ｂは磁場強度であり、ｅは電子電荷である。（１）式に、荷電粒子のエネルギー及び質量を代入すると、（２）式が得られる。
　Ｒ＝（２Ｅｍ）1/2／Ｂｅ　　・・・（２）
【００７５】
　電子に対しては、Ｂ×Ｒ（gauss-cm）＝３．３７Ｅ1/2のように表すことができる。なお、ここでのＥは、ｅＶの単位である。従って、２次電子のビームを５ｍｍの半径を通して曲げるためにＲ＝５ｍｍを、また、最終レンズを超えて上方に向けて加速される２次電子の最大エネルギーとしてＥ＝２０００ｅＶを用いると、Ｂ＝３０１ガウス（gauss）の磁場が必要であることが導出される。
【００７６】
　ガリウムの１次イオンは電子と同電荷を有するが、各ガリウムイオンは電子質量の約１２８，０００倍の質量を有する。また、電子エネルギーは、一般的に、イオンエネルギーの約１５倍も少ない。（２）式を用いると、１次イオンに対するサイクロトロン半径は、通常、電子のサイクロトロン半径より約１５５０倍も大きく、約７．７５メートルである。イオンは、磁場に極短時間しか支配されないので、１次イオンビームの進行路への外乱は小さい。実際、この進行路の偏差は、僅か１．２ミリラジアン（milli-radians）程度であり、ビーム制御で極めて容易に補正することができる。１次イオンビームに磁場により導入される支配的な収差は色収差であって、ほとんど無視可能なことも示すこともできる。
【００７７】
　図３(Ａ)，図３(Ｂ)及び図３(Ｃ)は、カナダのマニトバ（Manitoba）社のインテグレイテド・エンジニアリング・ソフトウエア（Integrated Engineering Software）より入手可能な２次元ローレンツ（Lorentz2D）プログラムを用いて夫々計算した１次電子、１次イオン及び２次電子の軌道のシミュレーションである。このローレンツ（Lorentz）プログラムは、２次元及び３次元のモード又は視野におけるイオン光学系を調査及び分析するために設計されたイオン光学系シミュレーションプログラムである。このプログラムを用いることによって、静電電位及び磁位がイオンの軌道に与える影響を判断するために、これら静電電位及び磁位の配列を、このソフトウエアにより検討することができる。これらの図は、図２に示したシステムにおいて、口径が２ｍｍの下部レンズ素子を有する最終レンズの設計で光学鏡筒を通過する１次イオン、１次電子及び２次電子の軌道のローレンツ・シミュレーションを夫々示す。このＳＥＭ電子の被写体から結像までの距離は５３ｍｍである。
【００７８】
　図３(Ａ)，図３(Ｂ)及び図３(Ｃ)において、シミュレーションは、下部レンズ素子２０６の電圧を−１ｋＶ、中央レンズ素子２０８の電圧を＋４０，０００Ｖ、上部レンズ素子２１０の電圧をグラウンド電位に設定してプログラムした。
【００７９】
　図３(Ａ)は、図２に示したシステムの下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍの場合における１次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。１次電子の軌道３１０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過している。図３(Ａ)では、上部レンズ素子の上端に近づいて行く電子のエネルギーは、４，３００ｅＶにプログラムされているので、電子の衝突エネルギーは３３００ｅＶとなっている。
【００８０】
　このシミュレーションに示した進入電子の角度Ａｏは、Ａｏ＝＋０．０５乃至−０．０５ラジアン（radian）で変化し、射線（rays）は０．０１ラジアン間隔で示されている。球面収差の最小錯乱円（Dsi）は、シミュレーションから３３．０μｍと決定される。色収差の円（Dci）は、１００ｅＶのエネルギー偏差ΔＥを有する進入電子を用いて２７．６μｍと決定される。なお、Ａｏ及びΔＥの値は、計算の簡便化のために選択されたものであって、実際には両方の値はかなり低いものである。レンズを出る電子の半角Ａｉは０．１６０ラジアンであるので、倍率は０．３２５である。
【００８１】
　図３(Ｂ)は、図２に示したシステムの下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍの場合における１次イオンの軌道のコンピュータシミュレーションである。
１次イオンの軌道３２０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過している。イオンは４４ｋｅＶの進入運動エネルギー及び４５ｋｅＶの衝突エネルギーを有する。この進入イオンは、光軸に平行であって、０．０９５ラジアンの半角でレンズを出る。このビームは、３０μｍの最小錯乱円を有し、１００ｅＶのエネルギー偏差により９．５μｍの色収差の円を与える。
【００８２】
　図３(Ｃ)は、図２に示したシステムの下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍの場合における１０ｅＶの２次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。２次電子の軌道３４０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過し、図３(Ａ)及び図３(Ｂ)での電子及びイオンの運動方向とは反対方向に、鏡筒上部へ戻って行く。
【００８３】
　図２に示したシステムで下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍの場合における光学特性を概算して下記の表１に示す。なお、表１のための計算では、中央レンズ素子２０８は４０ｋＶで保持され、ＳＥＭの電子発生源は１２ｍｍであり、試料片は６５ｍｍであるものとした。
【００８４】
【表１】
2004071573.tif 000003
【００８５】
　図４は、図２に示したシステムにおいて、下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍで試料片の電圧が変更された場合におけるＳＥＭの電子発生源の電圧４２０及びＳＥＭのビーム電圧４４０を示す。ＳＥＭのビーム電圧４４０（衝突エネルギー）は、ＳＥＭの電子発生源の電圧４２０と試料片の電圧との間の差である。図４に示すように、ＳＥＭの電子発生源の電圧４２０と試料片の電圧とを変更することによって、出願人は、衝突エネルギーを１ｋＶから４ｋＶより大きくすることができた。
【００８６】
　図５は、図２に示したシステムで下部レンズ素子２０６の口径が２ｍｍの場合に、いくつかの異なったＳＥＭのビームエネルギーにおけるＳＥＭのビーム径とビーム電流との関係を示している。図５に示すモデルは、ビームの分解能をより正しく概算するために、色収差の項を０．３４倍する係数を用いている。試料片で４．１ｋＶの電子ビームに対する計算において、電子被写体の最適な縮小率は、１０ｎＡでは０．４であり、１ｎＡでは０．１７であり、０．０５ｎＡでは０．０５であった。１ｋＶの電子ビームに対して、この縮小率の値は、１０ｎＡでは０．３３であり、１ｎＡでは０．１５であり、０．０４３ｎＡでは０．０５であった。これらの計算には、ビームの相互作用及び電子ビーム上での屈曲磁石による収差は含まれていない。このグラフに示すように、１０ｎＡという比較的高いビーム電流であっても、ビーム分解能は１０ｎｍ未満であり、試料片を正確に処理するのに充分である。よって、本発明によれば、高電圧の中央レンズ素子の電位を修正することなく、また、ワーキングディスタンスを変更することもなく、電子の衝突エネルギーを選択できると共に、ビーム径を１０ｎｍ未満に保持できる。
【００８７】
　図３(Ａ)，図３(Ｂ)及び図３(Ｃ)のように、図６(Ａ)，図６(Ｂ)及び図６(Ｃ)は、上述したローレンツ・プログラムを用いて準備されたものであり、図２に示したシステムの光学鏡筒を通過する１次電子、１次イオン及び２次電子の軌道のローレンツ・シミュレーションを示すが、この図６(Ａ)，図６(Ｂ)及び図６(Ｃ)の軌道は、３ｍｍのレンズ口径を有する下部レンズ素子を用いて計算されたものである。この設計は、より低いＳＥＭのビーム電圧（２５０ｅＶ）を試料片で実現できるが、１０ｎｍの分解能を可能とする最大ビーム電圧を低下させる。この口径３ｍｍの設計での光学特性を、表２並びに図７及び８に示す。この光学特性は、上述した口径２ｍｍの設計で対応する表及び図と類似している。図６(Ａ)，図６(Ｂ)及び図６(Ｃ)では、下部レンズ素子２０６の電圧を−５ｋＶに、中央レンズ素子２０８の電圧を＋４０，０００Ｖに、上部レンズ素子２１０の電圧をグラウンド電位に設定している。
【００８８】
　図６(Ａ)は、図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合における１次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。１次電子の軌道６１０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過している。図６(Ａ)では、最終レンズに進入する電子の運動エネルギーは、５２５０ｅＶと仮定されているので、−５，０００Ｖにバイアスされた試料片での電子の衝突エネルギーは２５０ｅＶとなる。進入電子の角度Ａｏは、このシミュレーションに示すように、Ａｏ＝＋０．０２５乃至−０．０２５ラジアン（radian）で変化し、射線は０．００５ラジアン間隔で示されている。
【００８９】
　最小錯乱円（Dsi）は７．０μｍであると決定され、色収差（Dci）は、ΔＥ＝１００ｅＶを用いて２７．６μｍであると決定される。なお再び、Ａｏ及びΔＥの値は、計算の簡便化のために選択されたものであって、実際には両方の値はかなり低いものである。レンズを出る電子の半角Ａｉは０．３０２ラジアンであり、倍率は０．３０である。
【００９０】
　図６(Ｂ)は、図２に示したシステムの下部レンズ素子２０６の口径が３ｍｍの場合における１次イオンの軌道のコンピュータシミュレーションである。１次イオンの軌道６２０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過している。イオンは４４ｋｅＶの初期運動エネルギーを有し、平行化されたビームとして、即ち、光軸に平行に最終レンズに進入する。イオンは−５ｋＶの試料片で４９ｋｅＶの衝突エネルギーを有する。この最終レンズ後のイオン円錐は、０．０８７の角度Ａｉを有する。その最小錯乱円は３０μｍであり、およそ１００ｅＶのエネルギーで７．４μｍの色収差の円を与える。
【００９１】
　図６(Ｃ)は、図２に示したシステムにおいて下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合における２次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。２次電子の軌道６４０は、最終レンズ２０２により生成された等電位線３１２を通過し、図６(Ａ)及び図６(Ｂ)での電子及びイオンの運動方向とは反対方向に、鏡筒上部へ戻って行く。
【００９２】
　図２に示したシステムで下部レンズ素子２０６の口径が３ｍｍの場合における光学特性を概算して下記の表２に示す。なお、表２のための計算では、中央レンズ素子２０８は４０ｋＶで保持され、ＳＥＭの電子発生源は１２ｍｍであり、試料片は６５ｍｍであるものとした。
【００９３】
【表２】
2004071573.tif 000004
【００９４】
　図６(Ｄ)は、図６(Ｃ)の試料片領域の拡大図であって、試料片から放射された１０ｅＶの２次電子が、中央レンズ素子の高電圧により加速されながら最終レンズを通過して上方へ戻って行く軌跡を示している。この図６(Ｄ)上の数字は、平坦な試料片６５２を超えて延在する光軸の延長部分６５０より測定された放射角度をラジアンで表している。光軸付近で０．９ラジアンの半角を有する円錐内に放射された電子は、加速され最終レンズを通過して上方へ戻る。光軸に対して大きな角度、即ち、試料片表面に対して小さな角度で放射された電子は、収集用の最終レンズを通過することはない。２次電子のエネルギーが１０ｅＶから１００ｅＶに増加すると、極僅かの電子のみが加速されて収集用の最終レンズを上方へと通過するようになる。口径が３ｍｍの設計では、４０％又はそれ以上のＴＴＬ透過性が得られる。これは、ワーキングディスタンスの短い対物レンズを用いて光軸から離れて２次電子を集める従来技術による検出器と比較して、比較的高い透過効率であり、しかも、ＴＴＬ検出を用いることによっても、ワーキングディスタンスを短くできる。口径が２ｍｍの設計では、１００％に迫る透過性が得られる。光学鏡筒の設計によるが、他の電子は鏡筒を更に上昇して消滅する。即ち、２次電子の透過限界角が、試料片又は鏡筒の上部に存在している。
【００９５】
　図７は、図２に示したシステムにおいて、下部レンズ素子の口径が３ｍｍで試料片の電圧が変更された場合におけるＳＥＭの電子銃の電圧７２０及びＳＥＭのビーム電圧７４０を示す。ＳＥＭのビーム電圧７４０は、ＳＥＭの電子発生源の電圧と試料片の電圧との間の差である。口径が３ｍｍの下部レンズ素子は、図４に示した２ｍｍ口径の下部レンズ素子と類似の光学特性を有する。図７に示すように、ＳＥＭの電子発生源の電圧７２０及び試料片の電圧を変更することによって、出願人は、２５０Ｖ乃至３ｋＶの衝突エネルギーを達成できた。よって、図４と図７との対比によって、３ｍｍ口径の下部レンズ素子は、試料片でのより低いＳＥＭのビーム電圧（２５０ｅＶ）を実現できるが、最大ビーム電圧（３ｋＶ）を犠牲にする。
【００９６】
　図８は、図２に示したシステムで下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合に、いくつかの異なったＳＥＭのビームエネルギーにおけるＳＥＭのビーム径とビーム電流との関係を示している。図５と比較すると、図８は、３ｍｍ口径の設計と２ｍｍ口径の設計とは類似の光学特性を有することを示している。このグラフにより示されるように、３ｍｍの口径を用いた場合であっても、１０ｎＡでのビームの分解能は１２ｎｍ未満のままであって、試料片を正確に処理するのに充分である。６ｎＡ未満の電流では、ビーム径は１０ｎｍ未満である。
【００９７】
　図９(Ａ)は、図２に示したシステムのＦＩＢ−ＳＥＭ光学系を示す略式断面図である。望ましい実施形態においては、イオン源９０２は、高輝度のガリウム（Ｇａ）を用いた液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）である。このイオン源９０２から放射されたイオンは、コンデンサレンズ９０４及びＦＩＢの対物レンズ９１０により試料片９１２上に集束される。
【００９８】
　電子ビーム銃９１６は、ショットキー電界放射電子源のような電子放射源（図示せず）と、電子をビームとなして、その電子を加速して所望のエネルギーにする複数の光学部品(図示せず)とを備える。このような電子ビーム銃９１６は、例えば、本発明の譲受人であるＦＥＩ社（米国オレゴン州ヒルズボロ）から商業的に入手することが可能である。
【００９９】
　電子ビーム銃９１６の後方に配置された３つの素子からなるコンデンサレンズ９１４が、屈曲磁石９０６の略中心にクロスオーバーを形成するように、１次電子を更に加速する。このコンデンサレンズ９１４の第１及び第３の素子は、略＋２ｋＶの電位で保持されることが好ましい。電子ビーム銃９１６からの電子は、略＋２，０００Ｖの電位で保持された磁気偏向器９０６又は磁気偏向器内部の静電シールドによって、１次イオンビーム軸(図示せず)に向けて偏向される。この電子ビームは、ＳＥＭの対物レンズ９０８により試料片９１２上へ集束される。
【０１００】
　図９(Ｂ)及び図９(Ｃ)は、図２に示したシステムのＦＩＢ−ＳＥＭ鏡筒を示す略式断面図である。イオン光学システム９２０は、イオン源９２１を含む。望ましい実施形態においては、イオン源９２１は、高輝度のガリウム（Ｇａ）を用いた液体金属イオン源（ＬＭＩＳ）である。イオンは、高電圧のエクストラクタ９２２によりイオン源９２１から引き出される。このイオンビームは、コンデンサレンズ９２４及び最終レンズ９５２により集束される。イオン源９２１を残りの真空チャンバから隔離するために、ＦＩＢアイソレーション・バルブ９２８が用いられ得る。ＦＩＢの自動変更アパーチャ（ＦＩＢ　ＡＶＡ：automatic variable aperture）９３２が、試料片に対して望ましい電流を得るために設定され得る。ビーム・ブランカ（beam blanker）９３４は、ビームを空砲化してイオンが試料片を叩かない選択肢を与える。イオンビーム電流は、オプションのファラディ・カップ９３６の使用により測定され得る。最後に、イオンビームは、ビーム偏向板９４２により試料片９５４の表面を横切るように走査される。
【０１０１】
　電子光学システム９５１は電子銃９５０を含み、この電子銃９５０は、ショットキー電界放射電子源のような電子放射源１５２と、エクストラクタと、電子をビームとなし、その電子を加速して所望のエネルギーにする第１コンデンサレンズ９４４とを備える。このような電子銃９５０は、例えば、本発明の譲受人であるＦＥＩ社（米国オレゴン州ヒルズボロ）から商業的に入手可能である。
【０１０２】
　コンデンサレンズ９４４は、略＋２ｋＶの電位でバイアスされることが望ましい。電子ビーム源９５０は、電界電子エミッタからの安定的な電子放射を維持するために、超高真空チャンバ(図示せず)内に保持される。ＳＥＭのアイソレーション・バルブ９４８は、電子ビーム源９５０を残りの真空チャンバから真空隔離するために用いられる。電子光学システム９５１は、制御電極（steering electrode）及びブランキング電極（blanking electrode）９４６も含む。電子発生源の縮小率を変えられるように、他のコンデンサレンズが付加され得る。
【０１０３】
　電子ビーム源９５０からの電子は、略＋２，０００Ｖの電位に保持された磁気偏向器９４０により１次イオンビーム軸(図示せず)に向けて偏向される。この電子ビームは、上部レンズ素子９６０、中央レンズ素子９６２及び下部レンズ素子９６４を有する最終レンズ９５２によって、試料片９５４上に集束される。中央レンズ素子９６２の開口部は傾斜していることが好ましく、下部レンズ素子９６４の口径は上部レンズ素子９６０の口径より小さいか又は同じ大きさである。
【０１０４】
　イオンビームに含まれるイオン及び電子ビームに含まれる電子による試料片での衝撃は、いずれも２次電子(図示せず)を放出させる。この２次電子は、光学鏡筒（図示せず）を上方へ逆進し、ここで磁気偏向器９４０により２次電子検出器９３８に向けて曲げられる。イオンポンプ９７０は、電子銃チャンバ９５３により支持され、この電子銃チャンバ９５３を超高真空とする。
【０１０５】
　本発明に係るいくつかの実施形態での利点は、電子ビームのエネルギーを素早く変更できることである。図１０は、上述のように、第２グループの素子が略グラウンド電位であって、第１グループの素子が電気的にバイアスされた実施形態において、電子の電圧を調整するための工程を示すフローチャートである。ステップ１００２で、電子銃２２０からの電子が所望の衝突エネルギーを有するように、試料片の電圧が変更される。例えば、電子銃２２０を離れる電子が１０００ｅＶの運動エネルギーを有し、５００ｅＶの衝突エネルギーが要求されている場合、試料片の電位は−５００Ｖに調整される。ステップ１００４で、下部レンズ素子２０６の電位が、試料片２４２の電位と略一致するように調整される。ここで「略一致」とは、１，０００Ｖ以内を意味し、より好ましくは１００Ｖ以内であり、５０Ｖ以内が最適である。任意選択可能なステップ１００８で、電子ビームを試料片２４２上に集束するために、中央レンズ素子２０８の電圧が微調整される。電圧に関して極僅かの変更しか必要とされないため、この高電圧を変更後のレベルで安定させるのに最低限度の時間しか必要としない。任意選択可能なステップ１０１０で、中央レンズ素子２０８、下部レンズ素子２０６及び試料片２４２での電圧変更に起因した焦点変動を補正するために、イオンビームのエネルギーがイオン銃において調整される。このイオンビームのエネルギーが、イオン銃へのバイアス電圧の重畳により調整される。このとき、エミッタ、サプレッサ及び引出電極にバイアス電圧が均一に印加されるので、これらの素子間における相対電位の変動はない。第１イオンレンズでの電圧を微調整することも必要である可能性がある。よって、ステップ１００２及び１００４は、電子の衝突エネルギーを変更し、ステップ１００８は、電子ビームが適切に集束されたままであることを確定し、ステップ１０１０は、イオンビームが適切に集束されたままであることを確定する。図１０に示した工程が実行される順序は、この工程の実用性に影響を与えることなく変更可能である。
【０１０６】
　試料片が略グラウンド電位である実施形態において、この工程は類似であって、所望の電子衝突エネルギーを供給するために、上部レンズ素子２１０、静電偏向器２１２、磁気偏向器２３４及び電子発生源２２１が適切な電位に調整される。そして、中央レンズ素子２０８での高電圧を調整することにより電子ビームが集束され、続いて、イオンビームエネルギーが調整されて、イオンビームが試料片２４２上の焦点に戻される。
【０１０７】
　本発明の好適なシステムは多くの新しい側面を有し、本発明は異なる目的のためには異なるシステムで実施され得るため、あらゆる特徴が全ての実施形態に存在する必要はない。また、上述した実施形態の多くの側面は、別々に特許を受けることができる。
【０１０８】
　本発明の好適な実施形態の一側面によれば、集束イオンビームシステムと走査型電子顕微鏡システムとが、２つのシステムの粒子ビームの間に同軸照準を備えて１台の装置に組み合わされる。
【０１０９】
　本発明の好適な実施形態の他の一側面によれば、この装置は２次電子のレンズ透過型（ＴＴＬ）検出を用いており、２次電子の収集効率を向上することができる。
【０１１０】
　本発明の好適な実施形態の他の一側面によれば、正にバイアスされた静電最終レンズが使用され、電子ビームとイオンビームとの両方を、レンズの電圧を変更せずに集束する。
【０１１１】
　本発明の好適な実施形態の他の一側面によれば、この装置設計によりＳＥＭ及びＦＩＢの交互稼動（操作）又は同時稼動が可能となる。
【０１１２】
　本発明の好適な実施形態の他の一側面によれば、イオンビーム電圧に対する影響を極力軽微に抑制して電子ビームの電圧を変えるために、試料片へのバイアスが利用される。
【０１１３】
　本発明の好適な実施形態の他の一側面によれば、電子ビームの鏡筒とイオンビームの鏡筒とは非ユニポテンシャルの最終レンズを共有する。
【０１１４】
　本発明の他の一側面によれば、このシステムによって、最終レンズの高電圧素子の電位の変更を必要とせずに、また、最終レンズと試料片との間のワーキングディスタンスを変更せずに、電子ビームのエネルギーを変更できる。
【０１１５】
　本発明の他の一側面によれば、本発明は、比較的小面積の製造領域を使用する小型設計である。
【０１１６】
　本発明及びその利点を詳細に説明してきたが、本願明細書での実施形態に対して、添付の特許請求の範囲により規定された本発明の精神及び適用範囲から逸脱せずに多様な変更、置換及び改変をなし得ることが、理解されるべきである。また、本願の適用範囲は、プロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法及び本願明細書に記載された工程の特定の実施形態に制限されることを意図したものではない。所謂当業者であれば、本発明の開示事項から即座に判ることであろうが、本願明細書に記載された実施形態に対応する部分と実質的に同じ機能を果たし若しくは実質的に同じ結果を達成する現存又は今後に開発されるであろうプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法又は工程が、本発明に基づいて利用される可能性がある。従って、添付の特許請求の範囲は、その適用範囲内に、そのようなプロセス、機械、製造物、組成物、手段、方法又は工程を含むことを意図している。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】最終レンズを介して中和電子を供給すると共に、この最終レンズを介して２次電子を集めることが可能なＦＩＢ鏡筒を示す略式断面図である。
【図２】最終レンズを介して２次電子を集める同軸ＦＩＢ−ＳＥＭ鏡筒を示す略式断面図である。
【図３（Ａ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が２ｍｍの場合における１次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図３（Ｂ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が２ｍｍの場合における１次イオンの軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図３（Ｃ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が２ｍｍの場合における２次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図４】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が２ｍｍの場合におけるＳＥＭの電子銃電圧及びビーム電圧を試料片電圧の関数として示すグラフである。
【図５】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が２ｍｍの場合におけるＳＥＭのビーム径とビーム電流との関係を示すグラフである。
【図６（Ａ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合における１次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図６（Ｂ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合における１次イオンの軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図６（Ｃ）】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合における２次電子の軌道のコンピュータシミュレーションである。
【図６（Ｄ）】図６(Ｃ)の試料片領域の拡大図である。
【図７】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合におけるＳＥＭの電子銃電圧及びビーム電圧を試料片電圧の関数として示すグラフである。
【図８】図２に示したシステムの下部レンズ素子の口径が３ｍｍの場合におけるＳＥＭのビーム径とビーム電流との関係を示すグラフである。
【図９（Ａ）】図２に示したシステムのＦＩＢ−ＳＥＭ光学系を示す略式断面図である。
【図９（Ｂ）】図２に示したシステムのＦＩＢ−ＳＥＭ鏡筒を示す略式断面図である。
【図９（Ｃ）】図２に示したシステムのＦＩＢ−ＳＥＭ鏡筒の側方向略式断面図である。
【図１０】本発明の実施形態において電子の衝突エネルギーの変更のために望ましい方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１１８】
　１００　ＦＩＢ鏡筒
　１０２　イオンビーム用の最終レンズ
　１０６，２０６　下部レンズ素子
　１０８，２０８　中央レンズ素子
　１１０，２１０　上部レンズ素子
　１１２，２１２　静電偏向器
　１２０　電子フラッド銃
　１２８，２２８　２次電子検出器
　１３４，２３４　磁気偏向器
　１３８，２３８　１次イオンビームの光軸
　１４２，２４２　試料片
　２００　ＦＩＢ−ＳＥＭ同軸鏡筒
　２０２　最終レンズ
　２２０　電子銃
　２２１　電子発生源
【図１】
2004071573.tif 000005
【図２】
2004071573.tif 000006
【図３（Ａ）】
2004071573.tif 000007
【図３（Ｂ）】
2004071573.tif 000008
【図３（Ｃ）】
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【図４】
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【図５】
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【図６（Ａ）】
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【図６（Ｂ）】
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【図６（Ｃ）】
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【図６（Ｄ）】
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【図７】
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【図８】
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【図９（Ａ）】
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【図９（Ｂ）】
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【図９（Ｃ）】
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【図１０】
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