(57)【要約】      （修正有）【課題】用途に応じてビーム・エネルギーを変える荷電粒子線装置において、ターゲット上のビーム径を最適化する機構を提供する。【解決手段】高ビーム・エネルギーと低ビーム・エネルギーのそれぞれに於いて、ターゲット上にビームが収束するように対物レンズ４１０を構成する４つの電極４３２、４３４、４３６、４３８への印加電圧を変更する。対物レンズ４１０の３つの電極ギャップのうち、第３のギャップ４４４は第１のギャップ４４０ないし第２のギャップ４４２の３分の１以下に設定される。【選択図】図４
2013254722.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムであって、
光軸と、
前記荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、前記光軸上に配置された前記荷電粒子源と、
前記ターゲット上に前記荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの前記電極が前記光軸に沿って順番に配置されており、前記第１の電極が前記荷電粒子源に最も近く、前記第４の電極が前記ターゲットに最も近く、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第１のギャップがあり、前記第２の電極と前記第３の電極の間に第２のギャップがあり、前記第３の電極と前記第４の電極の間に第３のギャップがある前記対物レンズと
を備え、
前記第３のギャップが、前記第１のギャップまたは前記第２のギャップのサイズの１／３以下であり、
前記第１の電極および前記第４の電極が第１の電圧供給源によって第１の電圧にバイアスされており、前記第２の電極と前記第３の電極のうちの一方の電極も前記第１の電圧にバイアスされており、前記第２の電極と前記第３の電極のうちのもう一方の電極が、前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされており、前記第１の電圧にある前記電極と前記異なる電圧にある前記電極との間に誘起された電界が、前記ターゲット上に前記荷電粒子を集束させる
荷電粒子カラム。
【請求項２】
第２の電極電圧供給源および第３の電極電圧供給源をさらに備え、これらの前記電圧供給源を使用して、前記第２の電極上のバイアスおよび前記第３の電極上のバイアスを、前記第２の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第３の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第１の状態から、前記第３の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第２の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第２の状態に切り替えることができる、請求項１に記載の荷電粒子カラム。
【請求項３】
前記第１の状態と前記第２の状態の間の切替えによって、前記集束レンズと前記サンプルの間の作動距離が変化する、請求項２に記載の荷電粒子カラム。
【請求項４】
前記第２の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第３の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるようにこれらの前記電極上のバイアスを設定することによって作動距離を短くすることにより、前記最低ビーム・エネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、前記荷電粒子カラムを構成することができ、前記異なる電圧が集束電圧の働きをする、請求項３に記載の荷電粒子カラム。
【請求項５】
前記第３の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第２の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるようにこれらの前記電極上のバイアスを設定することによって作動距離を長くすることにより、前記最高ビーム・エネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、前記荷電粒子カラムを構成することができ、前記異なる電圧が集束電圧の働きをする、請求項３に記載の荷電粒子カラム。
【請求項６】
前記第２の電極と前記第３の電極がともに前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるようにこれらの前記電極上のバイアスを設定することにより、前記最低ビーム・エネルギーと前記最高ビーム・エネルギーの間のエネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、前記荷電粒子カラムを構成することができる、請求項３に記載の荷電粒子カラム。
【請求項７】
前記第１の電圧がグランド電位である、請求項１から６のいずれかに記載の荷電粒子カラム。
【請求項８】
前記ターゲットが前記第１の電圧に維持される、請求項１から７のいずれかに記載の荷電粒子カラム。
【請求項９】
コンデンサ・レンズであって、前記源からの前記荷電粒子を、前記コンデンサ・レンズと前記対物レンズの間の概ね平行な荷電粒子ビームにするコンデンサ・レンズをさらに備える、請求項１から８のいずれかに記載の荷電粒子カラム。
【請求項１０】
前記４つの電極がそれぞれ円対称であり、前記４つの電極のそれぞれの電極の中心が前記光軸上にある、請求項１から９のいずれかに記載の荷電粒子カラム。
【請求項１１】
前記第２の電極が２つ以上の副電極を備え、これらの前記副電極がそれぞれ、前記光軸上に中心がある穴を有し、これらの前記副電極がそれぞれ、前記第２の電極に含まれる前記２つ以上の副電極のうちの他の副電極と電気的に接触した状態で前記光軸に沿って配置されている、請求項１から１０のいずれかに記載の荷電粒子カラム。
【請求項１２】
前記第２の電極が２つの副電極を備え、これらの前記副電極がともに、前記光軸上に中心がある穴を有し、第１の副電極の前記穴が、前記第２の電極に含まれる第２の副電極の前記穴よりも大きい、請求項１１に記載の荷電粒子カラム。
【請求項１３】
前記第１の電極、前記第３の電極および前記第４の電極が、前記第２の電極に含まれる前記第２の副電極の前記穴にほぼ等しい穴を有する、請求項１２に記載の荷電粒子カラム。
【請求項１４】
前記第１の電極、前記第３の電極および前記第４の電極のうちの少なくとも１つの電極が２つ以上の副電極を備え、これらの前記副電極がそれぞれ、前記光軸上に中心がある穴を有し、これらの前記副電極がそれぞれ、これらの前記副電極のうちの他の副電極と電気的に接触した状態で前記光軸に沿って配置されている、請求項１０に記載の荷電粒子カラム。
【請求項１５】
ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムであって、
光軸と、
前記荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、前記光軸上に配置された荷電粒子源と、
前記ターゲット上に前記荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの前記電極が前記光軸に沿って順番に配置されており、前記第１の電極が前記荷電粒子源に最も近く、前記第４の電極が前記ターゲットに最も近く、前記第１の電極と前記第２の電極の間に第１のギャップがあり、前記第２の電極と前記第３の電極の間に第２のギャップがあり、前記第３の電極と前記第４の電極の間に第３のギャップがある対物レンズと
を備え、
前記第３のギャップが、前記第１のギャップまたは前記第２のギャップのサイズの１／３以下であり、
前記第１の電極と前記第４の電極が実質的に同じ電圧にバイアスされており、前記第２の電極と前記第３の電極のうちの一方の電極も、前記第１の電極および前記第４の電極と実質的に同じ電圧にバイアスされており、前記第２の電極と前記第３の電極のうちのもう一方の電極が、前記第１の電極および前記第４の電極とは異なる電圧にバイアスされており、実質的に同じ電圧にある前記電極と前記異なる電圧にある前記電極との間に誘起された電界が、前記ターゲット上に前記荷電粒子を集束させる
荷電粒子カラム。
【請求項１６】
実質的に同じ電圧に電極をバイアスすることが、同じ電圧プラス２００ボルトまたは同じ電圧マイナス２００ボルトに電極をバイアスすることを含む、請求項１５に記載の荷電粒子カラム。
【請求項１７】
ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムであって、
光軸と、
前記荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、前記光軸上に配置された荷電粒子源と、
前記ターゲット上に前記荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの前記電極が前記光軸に沿って順番に配置されており、前記第１の電極が前記荷電粒子源に最も近く、前記第４の電極が前記ターゲットに最も近い対物レンズと、
前記第１の電極および前記第４の電極を第１の電圧にバイアスする第１の可変電圧供給源と、
前記第２の電極上のバイアスを変化させる第２の可変電圧供給源と、
前記第３の電極上のバイアスを変化させる第３の可変電圧供給源と
を備え、
前記第２の可変電圧供給源および前記第３の可変電圧供給源を使用して、前記第２の電極上のバイアスおよび前記第３の電極上のバイアスを、前記第２の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第３の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第１の状態と、前記第３の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第２の電極が前記第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第２の状態との間で切り替えることができる
荷電粒子カラム。
【請求項１８】
より幅広いビーム・エネルギー範囲にわたって改良された性能を有するように荷電粒子カラムを構成する方法であって、
請求項４に記載の荷電粒子ビーム・カラムを用意するステップと、
前記荷電粒子ビームに対するより低い所望のエネルギーを決定するステップと、
前記第３の電極と残りの電極との間の電位差および前記第３の電極と前記第４の電極の間のギャップを調整して、前記より低い所望のエネルギーに対する最小ビーム直径を達成するステップと、
前記第２の電極上のバイアスおよび前記第３の電極上のバイアスを再設定して、前記第３の電極が前記第１の電圧にバイアスされ、前記第２の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるようにするステップと、
前記荷電粒子ビームに対するより高い所望のエネルギーを決定するステップであり、前記より高いエネルギーが前記より低いエネルギーの少なくとも３倍であるステップと、
前記第２の電極と残りの電極との間の電位差ならびに前記第１の電極と前記第２の電極の間のギャップおよび前記第２の電極と前記第３の電極の間のギャップを調整して、前記より高い所望のエネルギーに対する最小ビーム直径を達成するステップと
を含む方法。
【請求項１９】
調整後の前記第３の電極と前記第４の電極の間のギャップが、調整後の前記第１の電極と前記第２の電極の間のギャップおよび調整後の前記第２の電極と前記第３の電極の間のギャップの１／３以下である、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に集束荷電粒子ビーム・カラムに関し、具体的には、ターゲット位置における異なるビーム・エネルギーで動作するように構成された荷電粒子ビーム・カラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡と集束イオン・ビーム・システムの両方を備える荷電粒子システムでは一般に、荷電粒子ビームを使用して画像化しかつ／または処理しようとしているターゲットの表面に荷電粒子ビームを集束させるのに、カラムが使用される。ビームがターゲット表面に衝突するときのビームのエネルギーは、ビームと基板との相互作用および得られる画像の特性に影響を与える。例えば、いくつかの画像化用途では、ターゲット上の最も小さなフィーチャを空間的に分解するために最も高い空間分解能が必要となり、場合によっては原子分解能が必要となることもある。他の画像化用途では、ターゲットの損傷を低減させるため、またはターゲットの表面だけを画像化するために、より低いビーム・エネルギーを使用する必要がある（より高エネルギーのビームは一般にターゲットの深い位置まで入り込むためである）。
【０００３】
同様の考慮は、イオン・ミリング、ビーム誘起付着またはエッチング（電子またはイオンを使用）、イオン研摩、イオン注入などのターゲットのビーム強化処理（ｂｅａｍ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）に対しても必要である。これらの全ての処理法では、ビームがターゲット表面にぶつかるときのビーム・エネルギーが、処理の特性に相当な影響を与えることがあり、影響を受ける処理の特性には、空間分解能（すなわちミリングされるフィーチャのサイズまたは付着するフィーチャのサイズ）、処理速度、表面の滑らかさ、付着物の密度、損傷する層の深さなどが含まれる。
【０００４】
荷電粒子カラムの共通の特性は、光学設計を最適化する際に対象としたビーム電圧である。ここで、「最適化」は、所定のビーム電流に対して可能な最も小さなビーム直径を生み出すカラムの集束能力、または所定のビーム直径内において最も大きなビーム電流を生成するカラムの集束能力に対応することがある。ターゲット位置においてある範囲のビーム・エネルギーが所望のとき（例えば同じターゲット上で画像化と処理の両方を実行したいとき）、画像化に対する最良の性能または処理に対する最良の性能は一般に、この最適化されたビーム・エネルギーの近くのビーム・エネルギーでしか得ることができない。他の全てのビーム・エネルギーでは、画像化性能または処理性能が、特定のビーム・エネルギーに対してカラムが最適化されている場合に可能であるはずの画像化性能または処理性能よりも低い。この文脈において、「より低い性能（ｌｏｗｅｒ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」は、所定のビーム電流に対して、より大きなビーム直径、または所定のビーム直径内においてのより小さなビーム電流を意味することになり、一方、「改良された性能（ｉｍｐｒｏｖｅｄ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）」は、所定のビーム電流に対して、より小さなビーム直径、または所定のビーム直径内においてのより大きなビーム電流を意味するために使用される。
【０００５】
求められているのは、複数のビーム・エネルギーにおいて改良された性能を有する荷電粒子カラムである。望ましい他の目標は、画像化に対して最適であると判定されたエネルギーとビーム処理用途に対して最適であると判定されたビーム・エネルギーとにまたがるより幅広いエネルギー範囲にわたって改良された性能を有するように、荷電粒子カラムを構成することであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の１つの目的は、より幅広いビーム・エネルギー範囲にわたって荷電粒子ビーム（電子またはイオン）をターゲット上に集束させ、同時に、所定のビーム電流に対してより小さなビーム直径を維持し、かつ／または所定のビーム直径内により大きなビーム電流を集束させるように、荷電粒子カラムを構成することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、４要素静電対物レンズが複数の動作モードを提供し、あるモードは、より低いビーム・エネルギーにおいて改良された性能を可能にし、他のモードは、より高いビーム・エネルギーにおいて改良された性能を可能にする。この静電対物レンズの４つの電極に印加する電圧を変更することによって、異なる集束条件を迅速に設定することができ、それによって、ターゲットの最適化された画像化と最適化された処理の間の頻繁な「切替え（ｔｏｇｇｌｉｎｇ）」が可能になる。
【０００８】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【０００９】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】３要素静電対物レンズを備える先行技術の荷電粒子カラムの略図である。
【図２】ターゲット位置における３０ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している図１の先行技術の荷電粒子カラムのプローブ・サイズを、ビーム（プローブ）電流に対して示した概略的なグラフである。
【図３】ターゲット位置における２ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している図１の先行技術の荷電粒子カラムのプローブ・サイズを、ビーム（プローブ）電流に対して示した概略的なグラフである。
【図４】ターゲット位置における２ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラムの略図である。
【図５】ターゲット位置における３０ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラムの略図である。
【図６】ターゲット位置における２ｋｅＶと３０ｋｅＶの間のビーム・エネルギーで動作している本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラムの略図である。
【図７】図１の先行技術の荷電粒子カラムおよび図４の荷電粒子カラムのビーム軌道半径を、荷電粒子カラム内の軸方向位置に対して示した概略的なグラフである。
【図８】図１の先行技術の荷電粒子カラムおよび図４の荷電粒子カラムのレンズ電圧を、荷電粒子カラム内の軸方向位置に対して示した概略的なグラフである。
【図９】図１の先行技術の荷電粒子カラムおよび図４の荷電粒子カラムのプローブ・サイズを、ビーム（プローブ）電流に対して示した概略的なグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、荷電粒子（電子またはイオン）の集束ビームを使用してターゲットを画像化しかつ／または処理する荷電粒子システムに関する。これらのシステムは一般に、荷電粒子源を使用して初期ビームを形成し、この初期ビームは次いで、カラム内のレンズ、ブランカ（ｂｌａｎｋｅｒ）、偏向器（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）などの静電および（任意選択の）磁気要素によって加速され、集束し、ブランキングされ、偏向される。通常、カラムの残りの部分へ入るイオンの角度分布を制御するため、イオン源の近くに第１のレンズ（コンデンサ・レンズ）が配置される。一般に、コンデンサ・レンズによって形成されたイオン・ビームをターゲット表面に集束させるため、ターゲット表面の近くに第２のレンズ（対物レンズ）が配置される。イオン・ビームとターゲットとの相互作用によって、ターゲットを画像化し、ミリングし、研磨し、エッチングし、ターゲットに付着させ、または他の態様で処理することができる。場合によっては、ビームとターゲット表面との交点の近傍に１種または数種の「処理ガス」を（一般にノズルを使用して）導入して、イオン・ビームによってターゲット表面に与えられたエネルギーおよび／または運動量との相互作用で、付着処理またはエッチング処理を誘起させることができる。
【００１２】
静電対物レンズを使用する荷電粒子カラムに本発明を使用して、さまざまな用途に対する高ビーム電圧（例えば約３０ｋｅＶ）と低ビーム電圧（例えば約２ｋｅＶ）の両方において、光学設計を最適化することができる。例えば、ある画像化プロセスでは、ビームがより低いエネルギーを有する場合に、誘起されるターゲットの損傷が低減される。反対に、画像化分解能は一般に、より高いビーム・エネルギーで向上する。同様に、あるターゲット処理法は、（例えばアモルファス化深度（ａｍｏｒｐｈｉｚａｔｉｏｎ  ｄｅｐｔｈ）を低減させるために）より低いエネルギーを必要とし、別の処理法は、（例えば空間分解能を向上させるために）より高いビーム・エネルギーで最適化される。これらの全ての画像化例および処理例では、予め定めたビーム電流のビームをできるだけ小さな直径に集束させ、または予め定めたビーム直径内にできるだけ多くのビーム電流を集めることがしばしば好ましい。したがって、本発明の１つの目的は、後に図４〜６において説明する複数の動作モードを有する４要素静電対物レンズによって、より高いビーム・エネルギーとより低いビーム・エネルギーの両方について、ターゲット表面上への改良されたビーム集束を達成するように、イオン・カラムを構成することにある。
【００１３】
カラムが最適化される実際のビーム・エネルギーは所望の用途によって異なる。したがって、本明細書で使用するとき、「より低いビーム・エネルギー」は、低ビーム・エネルギー用途に対する所望のビーム電圧を意味し、「より高いビーム・エネルギー」は、高ビーム・エネルギー用途に対する所望のビーム電圧を指す。本発明の好ましい実施形態によれば、カラムが最適化される高ビーム・エネルギーの実際の数値とカラムが最適化される低ビーム・エネルギーの数値の比は少なくとも３対１である。
【００１４】
図１は、３要素静電対物レンズ１１０を備える先行技術の荷電粒子カラム１００の略図を示す。源１０２からイオンが放出される。光軸１５０に対してある角度で出射する例示的な放出軌道１０４が示されている。次いで、コンデンサ・レンズ１０６がそれらのイオンを集束させて概ね平行なビーム１０８とし、このビームが、イオン・カラム１００に沿って対物レンズ１１０に向かって導かれる。分かりやすくするため、この図には、ブランカ、絞り、偏向器など、一般にイオン・カラム１００に含まれる他の知られている光学要素は示されていない。対物レンズ１１０が軌道１０８を偏向させて収束ビーム１１２とし、収束ビーム１１２は、示されているように、ターゲット１１４の表面の位置１１６に集束する。作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｄｉｓｔａｎｃｅ）１１８は、対物レンズ１１０の下端（すなわちターゲット１１４に近い方の端部）とターゲット１１４の間の距離を表す。
【００１５】
一般に、より短い作動距離１１８は、より長い作動距離よりも、位置１１６において、（より大きなビーム電流密度を有する）より小さなビーム直径を生み出すことを可能にする。しかしながら、カラムの下端と検出器の間の干渉のため、より短い作動距離は、検出器の捕集効率の点で不利になることがある。デュアル・ビーム・システムでは、より短い作動距離がさらに、画像化ビーム（一般に走査電子顕微鏡カラムからの電子ビーム）と処理ビーム（一般に集束イオン・ビーム・カラムからのイオン・ビーム）の間の干渉を引き起こすことがある。処理ガスを使用するビーム処理用途では、より短い作動距離１１８の別の欠点が生じることがあり、このような用途では、静電対物レンズ内へ処理ガスが拡散することによって、レンズ電極間（例えば電極１３０と電極１３３の間または電極１３３と電極１３６の間）の高電圧隔離（ｓｔａｎｄｏｆｆ）が損なわれることがある。
【００１６】
図１の上部は、カラム１００の対物レンズ１１０内の３つの電極１３０、１３３および１３６の略図１９０を示す。この先行技術のカラムでは、第２の電極１３３が、２つの副電極１３２および１３４を備え、これらの副電極は一般に同じ電圧にある。図１では、電極１３０および１３６がグランド電位（すなわちターゲット電圧）にあり、電極１３２、１３４および１３３が非グランド電位（すなわち非ゼロ電圧）にある。グランド電位電極と非グランド電位電極の間に誘起される電界は、軌道１０４から軌道１０８への曲りおよび軌道１０８から軌道１１２への曲りによって示されているような集束効果をイオンに対して生じさせる。対物レンズ１１０は以下の３つの電極を備える。
【００１７】
１）第１の（一般に接地された）電極１３０。この電極は、そこからイオンがレンズ１１０に入る穴１７０を有する。
【００１８】
２）第２の（一般に接地されていない）電極１３３。この電極は、２つの副電極、すなわちより大きな穴１７２を有する第１の副電極１３２と、より小さな穴１７４を有し、第１の副電極１３２と境を接した第２の副電極１３４とを備える。
【００１９】
３）第３の（一般に接地された）電極１３６。この電極は、そこからイオンがレンズ１１０を出る穴１７６を有する。
電極１３０と副電極１３２の間のギャップ１３８のサイズおよび副電極１３４と電極１３６の間のギャップ１４０のサイズは、最大電極間電界強度を１０ｋＶ／ｍｍとする従来のルールに基づいて、電極１３３上の必要な集束電圧から決定される。
【００２０】
図２は、ターゲット１１４の位置における３０ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している図１の先行技術の荷電粒子カラム１００のプローブ・サイズ２０４を、ビーム（プローブ）電流２０２に対して示した概略的なグラフ２００である。クーロン（空間電荷）効果は考慮していない。イオン・ビーム・システム内の全てのビーム電流については、全体プローブ・サイズに対する以下の３つの主要な寄与が存在する。
【００２１】
１）源サイズ２１０  −  これは、ターゲット位置における集束スポットに対する（縮小された）仮想源サイズの寄与である。先行技術のカラム１００のより小さいプローブ電流において、源サイズ２１０は、（色収差２０８とともに）最終的なプローブ・サイズに対する主要な２つの寄与のうちの１つである。この効果は、源からターゲットまでのカラムの全体的な拡大とともに変化し、ターゲット位置におけるビームの半角およびビーム・エネルギー・スプレッドとは無関係である。
【００２２】
２）色収差２０８  −  これは、コンデンサ・レンズ１０６と対物レンズ１１０の両方によるターゲット位置における軸上の色収差の寄与である。より小さいビーム電流では、源サイズ２１０とともに、色収差２０８の効果が支配的である。色収差は、ターゲット位置におけるビーム半角およびビーム・エネルギー・スプレッドとビーム・エネルギーの比に比例する。
【００２３】
３）球面収差２０６  −  この収差は、コンデンサ・レンズ１０６内および対物レンズ１１０内の集束電界の形状によって生じ、ターゲット位置におけるビーム半角の３乗に比例する。より大きなプローブ電流では、この収差が、ターゲット位置におけるプローブ・サイズに対する支配的な寄与である。
【００２４】
全体プローブ・サイズ２１２は、全ビーム電流の５０％がその内側に入る直径、すなわち「ｄ５０」直径によって特徴づけられ、これが、軸２０４に沿って任意の単位でプロットされている。全体プローブ・サイズ２１２は、上記の主要な３つの寄与２０６、２０８および２１０を結合したものであり、イオンの場合には、回折による追加の寄与は非常に小さい。電子の波長はどのイオンよりも大きいため、電子ビームにおいて、回折は、ｄ５０に対するより重大な寄与である。本明細書に挙げた例はイオン・ビームに対応しているが、本発明は、イオンと電子の両方に対して使用される。
【００２５】
図３は、ターゲット１１４の位置における２ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している図１の先行技術の荷電粒子カラム１００のプローブ・サイズ３０４を、ビーム（プローブ）電流３０２に対して示した概略的なグラフ３００である。クーロン（空間電荷）効果は考慮していない。図２と同様に、全体プローブ・サイズ３１２に対する主要な寄与は、源サイズ３１０、色収差３０８および球面収差３０６に起因する。このより小さなビーム・エネルギー（図２に示したビーム・エネルギーの１／１５倍）では、ビーム・エネルギー・スプレッド（ビーム・エネルギーの影響を受けない）とビーム・エネルギーの比が１５倍であるため、それに比例して色収差が大きくなる。したがって、グラフ３００の曲線３０６および３１０に対する曲線３０８の大きさの方が、グラフ２００の曲線２０６および２１０に対する曲線２０８の大きさよりもかなり大きいことが分かる。
【００２６】
その結果、より幅広いプローブ電流範囲にわたって、色収差３０８が、プローブ・サイズに対する支配的な寄与因子であり、ほとんどの場合に、色収差３０８の寄与は源サイズ３１０の寄与の少なくとも数倍である。２つのビーム・エネルギーを集束させるのに必要な対物レンズ１１０内の異なる静電界分布のため、より大きなプローブ電流では、球面収差も増大することがある。
【００２７】
一般に、先行技術では、３つの電極を備える図１のレンズ１１０などの対物レンズを、高ビーム動作（例えば約３０ｋｅＶ）と低ビーム動作（例えば約２ｋｅＶ）の両方の動作に対して十分に最適化することはできない。ここに示した例では、対物レンズ１１０が、３０ｋｅＶでの動作に対して最適化されており、そのため、ターゲット１１４上に形成される図２に示すようなプローブ直径は、２ｋｅＶで最適に動作するようにレンズ１１０を再設計した場合のプローブ直径よりも大きくなるであろう。しかしながら、２ｋｅＶ動作に対してレンズ１１０を再最適化すると、３０ｋｅＶで形成されるプローブ直径は一般に劣化する（すなわち大きくなる）であろう。本発明の１つの目的は、ターゲット位置における所望のビーム・エネルギーに応じて選択される複数の集束電圧設定を有する４要素静電レンズを使用して、高ビーム・エネルギーと低ビーム・エネルギーの両方で、改良されたプローブ形成を可能にする、対物レンズ構造および対物レンズ設計法を提供することにある。
【００２８】
図４〜６は、対物レンズが４つの電極を備える本発明の好ましい実施形態に基づく荷電粒子カラムを示す。本発明の好ましい実施形態では、高エネルギーでの荷電粒子カラムの性能に影響を及ぼすことなく低エネルギーでの荷電粒子カラムの性能を向上させるように、４電極レンズを構成することができる。この４電極レンズは、ビーム・エネルギーに応じて切替え可能なモードで動作することが好ましい。高エネルギー・ビームに対しては、最初の３つの電極によってレンズ効果を生み出すことができ、低エネルギー・ビームに対しては、最後の３つの電極を使用してレンズ効果を生み出すことができる。
【００２９】
図４〜６の好ましい実施形態では、４つのそれぞれの電極４３０、４３３、４３６および４３８の穴を荷電粒子ビームが通過するように、それぞれの電極の中心が、荷電粒子ビーム・カラム４００の光軸４５０上にあることが好ましい。これらの電極は、１から４まで順番に配置されており、第１の電極が荷電粒子源４０２に最も近く、第４の電極４３８がターゲット４１８に最も近い。第１の電極４３０および第４の電極４３８はグランド電位（ターゲット４１８と同じ電圧）にあることが好ましい。状況によっては、これらの電極４３０および４３８のうちの一方または両方に電圧を印加することができるが、それらの電圧は実質的に同じであることが好ましい。「実質的に同じ」は、これらの２つの電極４３０と４３８の間の電圧差または電極４３０と電極４３８のうちのどちらか一方の電極とターゲット４１８の間の電圧差が、集束電圧として使用する電圧差（一般に数千ボルト程度である）に比べて、比較的に小さい（例えば２００ボルト未満である）ことを意味する。
【００３０】
本発明に基づく対物レンズ４１０では、第２の電極４３３と第３の電極４３６のうちの少なくとも一方の電極が、第１の電極４３０および第４の電極４３８の電圧とは異なる電圧に維持される。上述の先行技術の対物レンズと同様に、この電圧差によって誘起される電界が、荷電粒子に対する集束効果を生じさせる。この電圧差は一般に数千ボルト程度である。例えば、典型的な一構成では、第１の電極４３０および第４の電極４３８がグランド電位（０ボルト）に維持され、第２の電極４３３と第３の電極４３６のうちの一方の電極が５，０００ボルトに維持される（後に論じるが、第２の電極４３３と第３の電極４３６のうちのもう一方の電極は、第１の電極４３０および第４の電極４３８と同じ電圧に維持されることが好ましい）。
【００３１】
本発明によれば、第２の電極４３３および第３の電極４３６上の電圧を調整して、図４〜６のレンズ４１０、５１０および６１０によって示された少なくとも３つの異なるモード間で対物レンズ４１０を「切り替える」ことができるようにすることができる。第２の電極４３３（副電極４３２および４３４（後述）を備える）および第３の電極４３６は、動作モードに応じてさまざまな電圧を有することができる。例えば、本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラム４００を、以下の３つの異なる動作モードで動作させることができる。
【００３２】
１）最低ビーム・エネルギー・モード（例えば２ｋｅＶ）  −  好ましくは電極４３６だけに集束電圧が印加され、電極４３３は接地される。
【００３３】
２）最高ビーム・エネルギー・モード（例えば３０ｋｅＶ）  −  好ましくは電極４３３だけに集束電圧が印加され、電極４３６は接地される。
【００３４】
３）中間ビーム・エネルギー・モード（すなわち２ｋｅＶと３０ｋｅＶの間）  −  好ましくは両方の電極４３３および４３６に集束電圧が印加される（この集束電圧が同じ電圧である必要は必ずしもない）。
【００３５】
図４は、ターゲット４１８の位置における２ｋｅＶのビーム・エネルギーで動作している本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラム４００の略図である。源４０２からイオンが放出される。光軸４５０に対してある角度で出射する典型的な放出軌道４０４が示されている。コンデンサ・レンズ４０６がイオン４０４を集束させて概ね平行なビーム４０８とし、このビームが、イオン・カラム４００に沿って対物レンズ４１０に向かって導かれる。次いで、対物レンズ４１０がイオン４０８を集束させて収束ビーム４１６とし、収束ビーム４１６は、ターゲット４１８の位置４２０に集束する。分かりやすくするため、この図には、ブランカ、絞り、偏向器など、一般にイオン・カラム４００に含まれる他の光学要素は示されていない。
【００３６】
図４の実施形態では、荷電粒子カラムが、上で論じた「最低ビーム・エネルギー・モード」で動作している。このモードでは、第２の電極４３３（２つの副電極４３２および４３４から形成することができる）が、第１の電極４３０および第４の電極４３８と同様にグランド電位にある。しかしながら、第３の電極４３６は非グランド電位に維持される。この電圧差（または集束電圧）は、第２の電極４３３（特に副電極４３４）と第３の電極４３６の間および電極４３６と電極４３８の間に、その中を通過する荷電粒子の軌道を曲げて荷電粒子がターゲット上に集束するようにするのに十分な大きさの電界を発生させる。この集束が、図４の下部のカラム図４００のレンズ４１０による軌道４０８から軌道４１６への遷移によって示されている。
【００３７】
図４の荷電粒子カラム構成は、低エネルギー・ビームとともに使用することが意図されているため、第３の電極４３６と第４の電極４３８の間のギャップを、第１の電極と第２の電極の間のギャップおよび第２の電極と第３の電極の間のギャップよりも小さくすることができる。これは、より低エネルギーの荷電粒子を集束させるのには、より小さな電界強度ですむためである。高エネルギー粒子を集束させるためにははるかに大きな電極間の電位差が必要であり、電位差を大きくするためには、アークの発生を防ぐために電極間の距離を大きくする必要がある。図４に示した実施形態では、荷電粒子カラムが、２ｋｅＶのビームを集束させるために使用される。その結果、第３の電極と第４の電極の間のギャップ４４４を、ギャップ４４０および４４２のサイズの約１／３にすることができる。（ギャップ４４０および４４２のサイズは、後述する図５および６のビームのようなより高エネルギーのビームに対して必要な集束電圧によって決定される。）
第３の電極４３６と第４の電極４３８の間のこの小さいギャップは、対物レンズ４１０の焦点をターゲット４１８の方に近づけ、可能な最小作動距離４２２を与える。先行技術と同様に、より短い作動距離４２２は一般に、より長い作動距離よりも、ターゲット４１８上の位置４２０において、（より大きなビーム電流密度を有する）より小さなビーム直径を生み出すことを可能にする。ギャップ４４０、４４２および４４４の最小サイズは全て、特定の用途に対して必要な集束電圧によって決まるが、本発明の好ましい実施形態では、第３の電極と第４の電極の間のギャップが、他のギャップ（４４０および４４２）のサイズの１／３以下である。重要なことに、先行技術の方法を使用して、ギャップ４４４のサイズおよび電極電圧を、所望の低エネルギー・ビームに対して最適化することができる。
【００３８】
しかしながら、図４の荷電粒子ビーム・カラムは、低エネルギー粒子に対して最適化されることだけに限定されない。カラム４００を、最高ビーム・エネルギー・モードに切り替え、より高いビーム・エネルギーに対して最適化することもできる。本発明の好ましい実施形態によれば、この切替えは例えば、電圧供給源（図示せず）が、第１の電極４３０上および第４の電極４３８上の電圧に実質的に一致する（例えば前述のとおり数百ボルト以内になる）ように第３の電極４３６上の電圧を変化させ、第２の電極４３３上の電圧を集束電圧に変化させるようにすることによって達成される。
【００３９】
図５は、３０ｋｅＶのビーム・エネルギーに対する最高ビーム・エネルギー・モードで動作している荷電粒子カラム５００の略図である。このモードでは、第３の電極４３６が、第１の電極４３０および第４の電極４３８と同様にグランド電位にある。図４に示した実施形態では、第２の電極４３３が、互いに電気的に接触した副電極４３４および４３２を備える。（このような副電極の使用は先行技術において知られており、このような副電極を使用して、所望の形状を有する電極を形成することができる。）第２の電極４３３には集束電圧が印加され、この集束電圧は、電極４３０と副電極４３２の間および副電極４３４と第３の電極４３６の間に電界を発生させる。これらの電界の結果、図５の対物レンズは、図４の対物レンズ４１０の位置に比べてターゲットからより遠い集束平面５１０を有する。その結果、ターゲット４１８の上方の作動距離５２２がより大きくなり、このことは、源４０２とターゲット４１８の間のより大きな拡大（またはより小さな縮小）に符合する。図４と同様に、コンデンサ・レンズ４０６がイオン４０４を集束させて概ね平行なビーム４０８とし、このビームが、イオン・カラム５００に沿って対物レンズ５１０に向かって導かれる。次いで、対物レンズ５１０がイオン４０８を集束させて収束ビーム５１６とし、収束ビーム５１６は、ターゲット４１８の位置５２０に集束する。位置５２０は、図４の位置４２０に近くに位置し、または図４の位置４２０と一致することがある。先行技術と同様に、より長い作動距離は、源とターゲットの間のより大きな拡大（すなわちより小さな縮小）に対応する。電極４３０と副電極４３２の間のギャップ４４０のサイズおよび副電極４３４と電極４３６の間のギャップ４４２のサイズは、従来の最大電極間電界強度値１０ｋＶ／ｍｍに基づいて、より高エネルギーのイオン・ビームを集束させるのに必要なより大きな集束電圧に従って選択される。ギャップ４４２および４４０のサイズは、図４のモードの低エネルギー・ビームの集束にほとんど影響しないため、図４に示したモードに対するカラムの最適化に影響を及ぼすことなく、特定の高ビーム・エネルギー（例えば３０ｋｅＶ）に対して、集束電圧ならびにギャップ４４０および４４２のサイズを最適化することができる。したがって、電極４３３および４３６に印加する電圧の配分を変更することによって、電極４３０、４３３、４３６または４３８の寸法を一切変更することなしに、図４および５に示した荷電粒子ビーム・カラムを、低ビーム・エネルギーに対して最適化されたモードから高ビーム・エネルギーに対して最適化されたモードへ容易に切り替えることができる。先行技術のカラムとは対照的に、本発明の実施形態は、荷電粒子カラムが、所定の低ビーム・エネルギーに対する可能な最小ビーム直径を生み出し、さらに、所定の高ビーム・エネルギーに対する可能な最小ビーム直径を生み出すことを可能にする。
【００４０】
本発明の実施形態によれば、最適化された低ビーム・エネルギーと最適化された高ビーム・エネルギーの間のビーム・エネルギーで使用するために、第２の電極４３３と第３の電極４３６の両方に集束電圧を印加することによって、図４および５の荷電粒子ビーム・カラムを動作させることもできる。
【００４１】
図６は、ターゲット４１８の位置における２ｋｅＶと３０ｋｅＶの間のビーム・エネルギーで動作している本発明の好ましい一実施形態に基づく荷電粒子カラム４００の略図である。このモードでは、電極４３３と電極４３６の両方に集束電圧を印加して、電極４３０と副電極４３２の間、副電極４３４と第３の電極４３６の間および電極４３６と４３８の間に集束電界を発生させる。このモードでの動作では、図４のより小さな作動距離４２２と図５のより長い作動距離５２２の中間のターゲット４１８の上方の作動距離６２２のところに、対物レンズ６１０が配置される。図４および５と同様に、源４０２からイオンが放出される。光軸４５０に対してある角度で出射する典型的な放出軌道４０４が示されている。コンデンサ・レンズ４０６がそれらのイオンを集束させて概ね平行なビーム４０８とし、このビームが、イオン・カラム４００に沿って対物レンズ６１０に向かって導かれる。次いで、対物レンズ６１０がイオン４０８を集束させて収束ビーム６１６とし、収束ビーム６１６は、ターゲット４１８の位置６２０に集束する。
【００４２】
図４〜６は、対応するそれぞれの対物レンズ４１０、５１０および６１０に入る同じイオン・ビーム４０８を示しているが、ターゲット位置における異なるビーム・エネルギーに対して（すなわち図４から６に対して）、コンデンサ・レンズ４０６から出現する異なるイオン・ビームを使用することも可能である。
【００４３】
図７は、２ｋｅＶのビーム・エネルギーに対する図１の先行技術の荷電粒子カラム１００（曲線７０８）および図４の好ましい実施形態に基づく荷電粒子カラム４００（曲線７０６）のビーム軌道半径（単位は任意）７０４を、軸方向位置（単位は任意）７０２に対して示した概略的なグラフ７００である。この例に関しては、両方のイオン・ビームに対してコンデンサ・レンズの集束特性が同じであり、したがって、図７の右側の図１の対物レンズ１１０（曲線７０８）と図４の対物レンズ４１０（曲線７０６）の領域を除いて、軌道曲線７０６と軌道曲線７０８が重なっていることに留意されたい。
【００４４】
図８は、２ｋｅＶのビーム・エネルギーに対する図１の先行技術の荷電粒子カラム１００（曲線８０８）および図４の好ましい実施形態に基づく荷電粒子カラム４００（曲線８０６）の対物レンズ１１０および４１０内の軸方向の電圧分布（単位は任意）８０４を、軸方向位置ｚ（単位は任意）８０２に対して示した概略的なグラフ８００である。対物レンズ１１０および４１０はともに、接地されたアインツェル・レンズ（ｅｉｎｚｅｌ  ｌｅｎｓ）である（すなわち入口電極１３０および４３０ならびに出口電極１３６および４３８が０Ｖである）ため、両方の曲線８０６および８０８のレンズ電圧は０Ｖから始まり、０Ｖで終わる。レンズの極性（すなわち電圧がグランドに対して正電圧であるのか、または負電圧であるのか）が、ビームの電荷極性とともに、対物レンズが加速型レンズであるのか、または減速型レンズであるのかを決定する。加速型対物レンズと減速型対物レンズの両方が本発明の範囲に含まれる。
【００４５】
図９は、２ｋｅＶのビーム・エネルギーに対する図１の先行技術の荷電粒子カラム１００（曲線９０８）および図４の好ましい実施形態に基づく荷電粒子カラム４００（曲線９０６）のプローブ・サイズ（単位は任意）９０４を、ビーム（プローブ）電流（単位は任意）９０２に対して示した概略的なグラフ９００である。より小さいプローブ電流では、本発明に基づくイオン・カラム４００の方がプローブ・サイズが小さく、より大きなプローブ電流では、先行技術のカラム１００の方がプローブ・サイズが小さいことに留意されたい。低ビーム電流での一般的なビーム直径の低減（カラム１００をカラム４００と比較して）は２５％以内であることがある。
【００４６】
図４〜６に示した本発明の好ましい実施形態に基づくイオン・カラムの略図は例示だけが目的である。本発明の範囲内において他のカラム構成も可能である。その例には、単一の副電極を備える第２の電極４３３を有する対物レンズ、または３つ以上の副電極を備える第２の電極４３３を有する対物レンズが含まれる。他の例には、より複雑な多副電極形状を有する第１の電極４３０、第３の電極４３６および第４の電極４３８が含まれる。さまざまなイオン・ビーム・エネルギーに対する必要な集束電圧を決定する方法は当業者によく知られている。
【００４７】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムは、光軸と、荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、光軸上に配置された荷電粒子源と、ターゲット上に荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの電極が光軸に沿って順番に配置されており、第１の電極が荷電粒子源に最も近く、第４の電極がターゲットに最も近く、第１の電極と第２の電極の間に第１のギャップがあり、第２の電極と第３の電極の間に第２のギャップがあり、第３の電極と第４の電極の間に第３のギャップがある対物レンズとを備え、第３のギャップが、第１のギャップまたは第２のギャップのサイズの１／３以下であり、第１の電極および第４の電極が第１の電圧供給源によって第１の電圧にバイアスされており、第２の電極と第３の電極のうちの一方の電極も第１の電圧にバイアスされており、第２の電極と第３の電極のうちのもう一方の電極が、第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされており、第１の電圧にある電極と異なる電圧にある電極との間に誘起された電界が、ターゲット上に荷電粒子を集束させる。
【００４８】
いくつかの実施形態では、この荷電粒子カラムがさらに、第２の電極電圧供給源および第３の電極電圧供給源を備え、これらの電圧供給源を使用して、第２の電極上のバイアスおよび第３の電極上のバイアスを、第２の電極が第１の電圧にバイアスされ、第３の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第１の状態から、第３の電極が第１の電圧にバイアスされ、第２の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第２の状態に切り替えることができる。いくつかの実施形態では、第１の状態と第２の状態の間の切替えによって、集束レンズとサンプルの間の作動距離が変化する。
【００４９】
いくつかの実施形態では、第２の電極が第１の電圧にバイアスされ、第３の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるように電極上のバイアスを設定することによって作動距離を短くすることにより、最低ビーム・エネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、荷電粒子カラムを構成することができ、異なる電圧が集束電圧の働きをする。いくつかの実施形態では、第３の電極が第１の電圧にバイアスされ、第２の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるように電極上のバイアスを設定することによって作動距離を長くすることにより、最高ビーム・エネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、荷電粒子カラムを構成することができ、前記異なる電圧が集束電圧の働きをする。いくつかの実施形態では、第２の電極と第３の電極がともに第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるように電極上のバイアスを設定することにより、最低ビーム・エネルギーと最高ビーム・エネルギーの間のエネルギーにおいて荷電粒子ビームの高性能集束が得られるように、荷電粒子カラムを構成することができる。
【００５０】
他の実施形態では、第１の電圧がグランド電位である。他の実施形態では、ターゲットが第１の電圧に維持される。
【００５１】
他の実施形態では、この荷電粒子カラムがさらに、コンデンサ・レンズであり、源からの荷電粒子を、コンデンサ・レンズと対物レンズの間の概ね平行な荷電粒子ビームにするコンデンサ・レンズを備える。
【００５２】
他の実施形態では、４つの電極がそれぞれ円対称であり、４つの電極のそれぞれの電極の中心が光軸上にある。他の実施形態では、第２の電極が２つ以上の副電極を備え、これらの副電極がそれぞれ、光軸上に中心がある穴を有し、これらの副電極がそれぞれ、第２の電極に含まれる２つ以上の副電極のうちの他の副電極と電気的に接触した状態で光軸に沿って配置されている。他の実施形態では、第２の電極が２つの副電極を備え、これらの副電極がともに、光軸上に中心がある穴を有し、第２の電極に含まれる第１の副電極の穴が、第２の副電極の穴よりも大きい。他の実施形態では、第１の電極、第３の電極および第４の電極が、第２の電極に含まれる第２の副電極の穴にほぼ等しい穴を有する。他の実施形態では、第１の電極、第３の電極および第４の電極のうちの少なくとも１つの電極が２つ以上の副電極を備え、これらの副電極がそれぞれ、光軸上に中心がある穴を有し、これらの副電極がそれぞれ、これらの副電極のうちの他の副電極と電気的に接触した状態で光軸に沿って配置されている。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムは、光軸と、荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、光軸上に配置された荷電粒子源と、ターゲット上に荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの電極が光軸に沿って順番に配置されており、第１の電極が荷電粒子源に最も近く、第４の電極がターゲットに最も近く、第１の電極と第２の電極の間に第１のギャップがあり、第２の電極と第３の電極の間に第２のギャップがあり、第３の電極と第４の電極の間に第３のギャップがある対物レンズとを備え、第３のギャップが、第１のギャップまたは第２のギャップのサイズの１／３以下であり、第１の電極と第４の電極が実質的に同じ電圧にバイアスされており、第２の電極と第３の電極のうちの一方の電極も、第１の電極および第４の電極と実質的に同じ電圧にバイアスされており、第２の電極と第３の電極のうちのもう一方の電極が、第１の電極および第４の電極とは異なる電圧にバイアスされており、実質的に同じ電圧にある電極と異なる電圧にある電極との間に誘起された電界が、ターゲット上に荷電粒子を集束させる。
【００５４】
いくつかの実施形態では、実質的に同じ電圧に電極をバイアスすることが、同じ電圧プラス２００ボルトまたは同じ電圧マイナス２００ボルトに電極をバイアスすることを含む。
【００５５】
本発明のいくつかの実施形態によれば、ターゲットの位置における最低ビーム・エネルギーから最高ビーム・エネルギーまでのエネルギー範囲にわたって、荷電粒子を集束させる荷電粒子カラムは、光軸と、荷電粒子を発生させる荷電粒子源であり、光軸上に配置された荷電粒子源と、ターゲット上に荷電粒子を集束させる対物レンズであり、第１の電極、第２の電極、第３の電極および第４の電極を少なくとも備え、これらの電極が光軸に沿って順番に配置されており、第１の電極が荷電粒子源に最も近く、第４の電極がターゲットに最も近い対物レンズと、第１の電極および第４の電極を第１の電圧にバイアスする第１の可変電圧供給源と、第２の電極上のバイアスを変化させる第２の可変電圧供給源と、第３の電極上のバイアスを変化させる第３の可変電圧供給源とを備え、第２の可変電圧供給源および第３の可変電圧供給源を使用して、第２の電極上のバイアスおよび第３の電極上のバイアスを、第２の電極が第１の電圧にバイアスされ、第３の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第１の状態と、第３の電極が第１の電圧にバイアスされ、第２の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされた第２の状態との間で切り替えることができる。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態によれば、より幅広いビーム・エネルギー範囲にわたって改良された性能を有するように荷電粒子カラムを構成する方法は、上記実施形態のいずれかに記載の荷電粒子ビーム・カラムを用意するステップと、荷電粒子ビームに対するより低い所望のエネルギーを決定するステップと、第３の電極と残りの電極との間の電位差および第３の電極と第４の電極の間のギャップを調整して、より低い所望のエネルギーに対する最小ビーム直径を達成するステップと、第２の電極上のバイアスおよび第３の電極上のバイアスを再設定して、第３の電極が第１の電圧にバイアスされ、第２の電極が第１の電圧とは異なる電圧にバイアスされるようにするステップと、荷電粒子ビームに対するより高い所望のエネルギーを決定するステップであり、より高いエネルギーがより低いエネルギーの少なくとも３倍であるステップと、第２の電極と残りの電極との間の電位差ならびに第１の電極と第２の電極の間のギャップおよび第２の電極と第３の電極の間のギャップを調整して、より高い所望のエネルギーに対する最小ビーム直径を達成するステップとを含む。
【００５７】
いくつかの実施形態では、調整後の第３の電極と第４の電極の間のギャップが、調整後の第１の電極と第２の電極の間のギャップおよび調整後の第２の電極と第３の電極の間のギャップの１／３以下である。
【００５８】
以上の本発明の説明の多くの部分は装置を対象としているが、その装置を動作させる方法も本発明の範囲に含まれることを認識すべきである。さらに、コンピュータ・ハードウェア、ハードウェアとソフトウェアの組合せ、またはコンピュータ可読の非一時的記憶装置に記憶されたコンピュータ命令によって、本発明の実施形態を実現することができることも認識すべきである。本発明の方法は、標準プログラミング技法を使用し、本明細書に記載された方法および図に基づいて、コンピュータ・プログラムとして実現することができ、このコンピュータ・プログラムは、コンピュータ・プログラムを含むように構成されたコンピュータ可読の非一時的記憶媒体を含み、そのように構成された記憶媒体は、コンピュータを、予め定義された特定の方式で動作させる。コンピュータ・システムと通信するため、それぞれのプログラムは、高水準手続き型プログラミング言語またはオブジェクト指向プログラミング言語で実現することができる。しかしながら、所望ならば、それらのプログラムを、アセンブラ言語または機械語で実現することもできる。いずれにせよ、その言語は、コンパイルまたは解釈される言語とすることができる。さらに、そのプログラムは、そのプログラムを実行するようにプログラムされた専用集積回路上で実行することができる。
【００５９】
さらに、方法論は、限定はされないが、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスとは別個の、荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと一体の、または荷電粒子ツールもしくは他の画像化デバイスと通信するパーソナル・コンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化されたコンピューティング環境または分散コンピューティング環境、コンピュータ・プラットホームなどを含む、任意のタイプのコンピューティング・プラットホームで実現することができる。本発明の諸態様は、取外し可能であるか、またはコンピューティング・プラットホームと一体であるかを問わない、ハードディスク、光学式読取りおよび／もしくは書込み記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭなどの記憶媒体上または記憶装置上に記憶された機械可読コードであって、プログラム可能なコンピュータが、本明細書に記載された手順を実行するために、その記憶媒体または記憶装置を読んだときに、そのコンピュータを構成し、動作させるために、そのコンピュータが読むことができるように記憶された機械可読コードとして実現することができる。さらに、機械可読コードまたは機械可読コードの一部を、有線または無線ネットワークを介して伝送することができる。本明細書に記載された発明は、マイクロプロセッサまたは他のデータ処理装置と連携して上述の諸ステップを実現する命令またはプログラムを含む、これらのさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体、およびその他のさまざまなタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はさらに、本明細書に記載された方法および技法に従ってプログラムされたコンピュータを含む。
【００６０】
入力データに対してコンピュータ・プログラムを使用して、本明細書に記載された機能を実行し、それによって入力データを変換して出力データを生成することができる。この出力情報は、ディスプレイ・モニタなどの１つまたは複数の出力装置に出力される。本発明の好ましい実施形態では、変換されたデータが物理的な実在する物体を表し、これには、その物理的な実在する物体の特定の視覚的描写をディスプレイ上に生成することが含まれる。
【００６１】
本発明の好ましい実施形態は、ＦＩＢ、ＳＥＭなどの装置内の荷電粒子カラムであって、複数のビーム・エネルギーにおいて改良された性能を有する荷電粒子カラムを対象としている。このようなカラムを使用してターゲットを画像化しまたは処理すると、本来的に、荷電粒子が試料と相互作用し、その結果、ある程度の物理的変化が生じることは避けられない。さらに、本明細書の全体を通じて、「計算する」、「決定する」、「測定する」、「生成する」、「検出する」、「形成する」などの用語を利用した議論は、コンピュータ・システムまたは同様の電子装置の動作および処理に言及し、そのコンピュータ・システムまたは同様の電子装置は、コンピュータ・システム内の物理量として表されたデータを操作し、そのデータを、その同じコンピュータ・システムまたは他の情報記憶装置内、伝送装置内もしくは表示装置内の、物理量として同様に表された他のデータに変換する。
【００６２】
本発明は幅広い適用可能性を有し、上記の例において説明し、示した多くの利点を提供することができる。本発明の実施形態は、具体的な用途によって大きく異なり、全ての実施形態が、これらの全ての利点を提供するわけではなく、本発明によって達成可能な全ての目的を達成するわけではない。本発明を実施するのに適した粒子ビーム・システムは例えば、本出願の譲受人であるＦＥＩ  Ｃｏｍｐａｎｙから市販されている。
【００６３】
本明細書で使用するとき、用語「荷電粒子システム」は、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）システムを含む、荷電粒子を使用して試料を画像化しまたは処理する任意の装置を指すことができる。用語「イオン」は、イオン（正に帯電したイオンもしくは負に帯電したイオン）または電子を表すものと解釈することができる。本明細書では用語「ＦＩＢ」または「集束イオン・ビーム」が、イオン光学部品によって集束させたビームおよび整形されたイオン・ビームを含む、平行イオン・ビームを指すために使用される。
【００６４】
以上の議論および特許請求の範囲では、用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」が、オープン・エンド（ｏｐｅｎ−ｅｎｄｅｄ）型の用語として使用されており、したがって、これらの用語は、「．．．を含むが、それらだけに限定はされない（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ）」ことを意味すると解釈すべきである。本明細書で特に定義されていない場合、その用語は、その通常の一般的な意味で使用されることが意図されている。添付図面は、本発明の理解を助けることが意図されており、特に明記しない限り、一律の尺度では描かれていない。
【００６５】
本発明の実施形態およびそれらの実施形態の利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。上記の電極に対する電圧源は、単一の電源に由来するものとし、分圧器を使用することができるが、それぞれの電極に対して別個の電源を使用することもでき、または分圧器と電源のある組合せを使用することもできる。上記の例は、２次粒子の軌道を変化させるのに電界を提供するが、磁界を使用することもできる。ただし、その場合には、１次ビームに対する磁界の影響を考慮しなければならない。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載された工程、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発される工程、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このような工程、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【符号の説明】
【００６６】
４００  荷電粒子カラム
４０２  源
４０６  コンデンサ・レンズ
４１０  対物レンズ
４１８  ターゲット
４３０、４３３、４３６、４３８  電極
４３２、４３４  副電極
【図１】
2013254722.tif 000003
【図２】
2013254722.tif 000004
【図３】
2013254722.tif 000005
【図４】
2013254722.tif 000006
【図５】
2013254722.tif 000007
【図６】
2013254722.tif 000008
【図７】
2013254722.tif 000009
【図８】
2013254722.tif 000010
【図９】
2013254722.tif 000011
【外国語明細書】
2013254722000001.pdf
2013254722000002.pdf
2013254722000003.pdf
2013254722000004.pdf