(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、第１のレンズを通過した荷電粒子ビームを集束して、試料に照射される荷電粒子プローブのフォーカス状態を変えることができる第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズとの間に配置され、第１のレンズを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームの外側の部分を検出すると共に、荷電粒子プローブのプローブ電流及び開き角を制御するための検出絞りと、第１のレンズの制御部と、第２のレンズの制御部とを備え、第１のレンズの強度を調整することにより、第１のレンズを通過後に検出絞りを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームのプローブ電流を変えることができる荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビーム源から発生して第１のレンズを通過した荷電粒子ビームの外側の部分を当該検出絞りにより検出し、これによる検出信号を電圧に変換した帰還信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御して試料に照射される荷電粒子プローブのプローブ電流を一定に維持すると同時に、当該検出信号に基づく当該帰還信号を信号調整器により増幅ないし減衰させて得られた信号に基づいて第２のレンズの制御部を制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
【請求項２】
第２のレンズは対物レンズであり、荷電粒子プローブのフォーカスを調整するため対物レンズの強度を調整するようにした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項３】
第２のレンズは対物レンズに接近して配置された補助レンズであり、荷電粒子プローブのフォーカスを調整するため補助レンズの強度を調整するようにした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】
検出信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御するための帰還信号ΔＶＣＬは、帰還直前の検出信号に対応する信号Ｖ１ｄｏと帰還開始後の検出電流に対応する信号Ｖ１ｄとの差ΔＶ１ｄ＝Ｖ１ｄ−Ｖ１ｄｏに対応するものであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項５】
第１のレンズの制御部に供給される帰還信号ΔＶＣＬに比例した信号ΔＶＯＬを第２のレンズの制御部に供給するようにした請求項４記載の荷電粒子ビーム装置。
【請求項６】
荷電粒子ビーム源と、荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、第１のレンズを通過した荷電粒子ビームを集束して、試料に照射される荷電粒子プローブのフォーカス状態を変えることができる第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズとの間に配置され、第１のレンズを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームの外側の部分を検出すると共に、荷電粒子プローブのプローブ電流及び開き角を制御するための検出絞りと、第１のレンズの制御部と、第２のレンズの制御部とを備え、第１のレンズの強度を調整することにより、第１のレンズを通過後に検出絞りを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームのプローブ電流を変えることができる荷電粒子ビーム装置の制御方法において、
荷電粒子ビーム源から発生して第１のレンズを通過した荷電粒子ビームの外側の部分を当該検出絞りにより検出し、これによる検出信号を電圧に変換した帰還信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御して試料に照射される荷電粒子プローブのプローブ電流を一定に維持すると同時に、当該検出信号に基づく当該帰還信号を信号調整器により増幅ないし減衰させて得られた信号に基づいて第２のレンズの制御部を制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、電子プローブマイクロアナライザや走査電子顕微鏡などの荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビーム装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子プローブマイクロアナライザや走査電子顕微鏡などの荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームを加速し、コンデンサレンズや対物レンズで試料上にその荷電粒子ビームを細く集束している。そして、試料への荷電粒子ビームの照射によって発生したＸ線や２次粒子を検出している。
【０００３】
この種装置では、試料に照射される荷電粒子プローブの電流を安定化することが行われている。図１はこのようなプローブ電流安定化機能の概要を説明するための図である。図示していない荷電粒子ビーム源から発生し加速された荷電粒子ビームＣＢは、コンデンサレンズ１と対物レンズ２により、試料３上に細く集束される。
【０００４】
コンデンサレンズ１と対物レンズ２との間には、検出絞り４が配置されているが、検出絞り４は、荷電粒子ビームの外側の部分を検出する。検出絞り４で検出された信号は、帰還装置５で増幅され、プローブ電流を調整するためのコンデンサレンズ１の制御部６に供給される。
【０００５】
制御部６は、基準信号強度と帰還装置５からの検出信号強度とを比較し、この両者が等しくなるようにコンデンサレンズ１の強度を調整する。このような負帰還のループを構成することにより、荷電粒子ビームの電流密度に変化がなければ、原理的には試料３に照射される荷電粒子プローブＰの電流を一定に維持することができる。なお、検出絞り４は、プローブ電流やプローブの開き角を制御する対物レンズ絞りの機能も兼ね備えるように構成することもできる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、コンデンサレンズ１に負帰還をかける構成では、プローブ電流が変化しないようにコンデンサレンズ１の励磁電流を変化させると、自動的にコンデンサレンズ１の結像点の位置が、図の実線の状態から点線の状態に変化する。例えば、荷電粒子ビーム源などにおいて何等かの変化が発生し、プローブ電流がＩp からΔＩp だけ変化するはずのところを、負帰還によって検出絞り４と結像点の距離が変化することによって、プローブ電流Ｉp は一定に保たれる。
【０００７】
しかしながら、コンデンサレンズ１の調整により、荷電粒子プローブＰの試料上のフォーカス位置が試料面からΔｂだけずれ、この負帰還によるプローブ径の広がり部分Δｄlpが最終プローブ径ｄp に加算されることになる。
【０００８】
ここで、対物レンズ２の物体距離をａ、像距離をｂとするとき、対物レンズ２の焦点距離ｆOLが一定であれば、対物レンズの倍率をＭ（＝ｂ／ａ）とするとき次の関係が存在する。
【０００９】
ｄｂ／ｄａ＝−Ｍ2
したがって、物体距離の微小な変化Δａに対する像距離のずれΔｂは次の通りとなる。
【００１０】
Δｂ＝−Ｍ2 ・Δａ
つまり、Ｍ（＝ｂ／ａ）が小さくなるようにレンズ径を組み合わせれば、Δｂは小さくできるが、有限のレンズの数と有限の鏡筒長に対しては、Δｂの値にも限界があることが分かる。
【００１１】
一方、荷電粒子ビーム源の輝度が低い装置では、最終プローブ径ｄp も細くないため、この負帰還によるプローブ径の広がりΔｄlpはあまり問題とならないが、高輝度の荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビーム放出、例えば、電界放出、ショットキー放出などによる電子放出や、電界イオン化、電解脱離などによるイオン放出などでは、極めて細い最終プローブ径ｄp が得られるため、この負帰還によるプローブ径の広がりΔｄlpが無視できなくなる。
【００１２】
更に、高輝度の荷電粒子ビーム源は、一般にエミッション電流が変化しやすい傾向があるため、負帰還による補正量が多くなり、Δｄlpが増してフォーカスのずれが更に顕著となる。
【００１３】
この結果、高輝度の荷電粒子ビーム源は、細いプローブ径を得ることを目的として採用するのであるが、安定なプローブ電流を得るための負帰還に起因するプローブ径の広がりΔｄlpで、本来の目的が達成できないという問題が存在する。
【００１４】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、プローブ電流を一定に維持しつつ、プローブ径の広がりを著しく少なくすることができる荷電粒子ビーム装置及び荷電粒子ビーム装置の制御方法を実現するにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
第１の発明に基づく荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、第１のレンズを通過した荷電粒子ビームを集束して、試料に照射される荷電粒子プローブのフォーカス状態を変えることができる第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズとの間に配置され、第１のレンズを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームの外側の部分を検出すると共に、荷電粒子プローブのプローブ電流及び開き角を制御するための検出絞りと、第１のレンズの制御部と、第２のレンズの制御部とを備え、第１のレンズの強度を調整することにより、第１のレンズを通過後に検出絞りを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームのプローブ電流を変えることができる荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビーム源から発生して第１のレンズを通過した荷電粒子ビームの外側の部分を当該検出絞りにより検出し、これによる検出信号を電圧に変換した帰還信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御して試料に照射される荷電粒子プローブのプローブ電流を一定に維持すると同時に、当該検出信号に基づく当該帰還信号を信号調整器により増幅ないし減衰させて得られた信号に基づいて第２のレンズの制御部を制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整することを特徴としている。
【００１６】
第１の発明では、荷電粒子ビームの一部を検出し、検出信号に基づいて第１のレンズを制御して試料に照射される荷電粒子プローブの電流を一定に維持し、検出信号に基づいて第２のレンズを制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整し、常にフォーカスのズレなく荷電粒子プローブの電流を一定に維持する。
【００１７】
第２の発明では、第１の発明において、第２のレンズは対物レンズであり、荷電粒子ビームのフォーカスを調整するため対物レンズの強度を調整するようにした。
【００１８】
第３の発明では、第１の発明において、第２のレンズは対物レンズに接近して配置された補助レンズであり、荷電粒子ビームのフォーカスを調整するため補助レンズの強度を調整するようにした。
【００１９】
第４の発明では、第１の発明において、検出信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御するための帰還信号ΔＶCLは、帰還直前の検出信号に対応する信号Ｖ1d0と帰還開始後の検出電流に対応する信号Ｖ1dとの差ΔＶ1d＝Ｖ1d−Ｖ1d0に対応するようにした。
【００２０】
第５の発明では、第４の発明において、第１のレンズの制御部に供給される帰還信号ΔＶCLに比例した信号ΔＶOLを第２のレンズの制御部に供給するようにした。
【００２１】
第６の発明では、荷電粒子ビーム源と、荷電粒子ビーム源から発生した荷電粒子ビームを集束する第１のレンズと、第１のレンズを通過した荷電粒子ビームを集束して、試料に照射される荷電粒子プローブのフォーカス状態を変えることができる第２のレンズと、第１のレンズと第２のレンズとの間に配置され、第１のレンズを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームの外側の部分を検出すると共に、荷電粒子プローブのプローブ電流及び開き角を制御するための検出絞りと、第１のレンズの制御部と、第２のレンズの制御部とを備え、第１のレンズの強度を調整することにより、第１のレンズを通過後に検出絞りを通過して第２のレンズに向かう荷電粒子ビームのプローブ電流を変えることができる荷電粒子ビーム装置の制御方法において、
荷電粒子ビーム源から発生して第１のレンズを通過した荷電粒子ビームの外側の部分を当該検出絞りにより検出し、これによる検出信号を電圧に変換した帰還信号に基づいて第１のレンズの制御部を制御して試料に照射される荷電粒子プローブのプローブ電流を一定に維持すると同時に、当該検出信号に基づく当該帰還信号を信号調整器により増幅ないし減衰させて得られた信号に基づいて第２のレンズの制御部を制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整することを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図２は本発明に基づく荷電粒子ビーム装置の基本構成を示したもので、図１の従来構成と同一部分には同一番号を付してその詳細な説明を省略する。
【００２３】
図２において、検出絞り４によって検出された検出電流Ｉd を電圧に変換して帰還用の信号を作る帰還装置５の出力信号は、コンデンサレンズ制御部６と信号調整器７を介して対物レンズ制御部８に供給される。対物レンズ制御部８は、信号調整器７によって信号の大きさが調整された帰還信号を対物レンズ制御信号と比較し、この比較結果に基づいて対物レンズ２の強さを制御する。このような構成の動作を次に説明する。
【００２４】
コンデンサレンズ制御部６に対して負帰還がかけられる直前の入力信号をＶCL＝ＶCLO 、対物レンズ制御部８に対する入力信号をＶOL＝ＶOLO とする。コンデンサレンズ１や対物レンズ２にはこれらの入力信号に対応した次に示す信号が供給される。
【００２５】
ＩCL＝ρCL・ＶCL
ＩOL＝ρOL・ＶOL
ここで、ρCLとρOLは定数である。また、ＩCLとＩOLは、レンズが静電レンズの場合には電圧に、磁界型レンズの場合には励磁電流に対応している。
【００２６】
もし、プローブ電流Ｉp が増加したときに、検出絞り４の検出電流Ｉd も単調に増加するのであれば、Ｉd がほぼ一定に保たれるように検出絞り４、帰還装置５、コンデンサレンズ制御部６、コンデンサレンズ１によって負帰還がかけられる。なお、負帰還が成立するための条件等については、特願昭６３−２２７６号等に記載されている。この動作を更に詳細に説明する。
【００２７】
最初に、負帰還がかけられていない状態を考える。粒子源などにおいて、何等かの変化が発生し、次の変化が発生した場合を考える。
【００２８】
Ｉpo  →  Ｉpo＋ΔＩp
Ｉdo  →  Ｉdo＋ΔＩd
まず、プローブ電流を元の値Ｉpoに戻すためには、コンデンサレンズ制御部６に対して加算した信号がΔＶCLであったとし、この結果、コンデンサレンズ１の結像点の位置が変化したと仮定する。次に、この物体距離の変化Δａに対応して、粒子プローブのフォーカス状態が変わらないように、対物レンズ制御部８に対して加算した信号がΔＶOLであったと仮定する。プローブ電流や検出電流を一定に保ちながら、粒子プローブのフォーカス状態も一定に保つためには、この信号ΔＶCLとΔＶOLをコンデンサレンズ制御部６と対物レンズ制御部８にそれぞれ何等かの方法で印加すれば良い。
【００２９】
次に負帰還がかけられた状態を考える。負帰還がかけられた状態で前記と同じように荷電粒子ビーム源側の何等かの原因で、プローブ電流Ｉp や検出電流Ｉd が変化しようとするが、帰還装置５からコンデンサレンズ制御部６に対して負帰還がかかっているために、これらの値Ｉp やＩd はほぼ一定に保たれる。
【００３０】
ところで、Ｉp やＩd が一定に保たれるのであれば、前記の説明から理解されるように、帰還装置５からコンデンサレンズ制御部６に入力される信号は、前記のΔＶCLに等しいはずである。ここで、負帰還が正常に行われるように、検出絞り４からの信号に対する帰還装置５の増幅度は充分大きな値で設計されるため、この信号ΔＶCLが作り出される。
【００３１】
一方、負帰還によって得られる信号はΔＶCLであるから、この信号を増幅ないしは減衰させて前記で説明した信号ΔＶOLになるように信号調整器７を動作させる。ここで、信号調整器７の作用は、粒子線装置の動作状態、例えば粒子線のエネルギーＥ、プローブ電流Ｉp 、対物レンズ２の像距離ｂ等に応じて定めるようにしても良い。
【００３２】
また、入力信号ΔＶCLに対して信号調整器７の出力を比例するようにしても良いし（線形出力）、必要に応じて、次に示すような非線形の演算を含むようにしても良い。
【００３３】
（ΔＶCL）n （ｎ＝０，１，２，………）
ｓｉｎ（ｎ・ｋΔＶCL） （ｎ＝０，１，２，…，ｋは定数）
上記では、一般的な基本構成と動作原理について説明したが、より具体的で実用的な実施の形態について図３に基づいて以下に述べる。図３は図２における帰還装置５および信号調整器７の構成を変形した１例である。
【００３４】
図３の構成において、外部からプローブ電流安定化開始の指示が与えられると、コンデンサレンズ１に負帰還がかけられる直前に、検出絞り４で検出された荷電粒子ビームの電流Ｉd ＝Ｉdoは、電流電圧変換器１１で信号電圧に変換される。
【００３５】
電流電圧変換器１１の出力信号Ｖld＝Ｖldo は、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤ変換器１２に入力される。ＡＤ変換器１２は、Ｖldo に対応したデータＡＤldo を制御部１３に送る。制御部１３はこのデータを保存すると共に、デジタル信号をアナログ信号に変換するＤＡ変換器１４にデータＤＡldo を出力する。
【００３６】
ＤＡ変換器１４の出力は、次回のプローブ電流安定化開始の指示があるまでは、負帰還がかけられる直前の電流電圧変換器１１の出力と同じＶldo になっている。次に、電流電圧変換器１１の出力ＶldとＤＡ変換器１４の出力Ｖldo は、加算器１５に入力され、両者の差ΔＶld（＝Ｖld−Ｖldo ）が加算器１５から出力される。
【００３７】
加算器１５の出力は、充分大きな増幅率Ａ1 を設定できる増幅器１６に入力される。負帰還がかけられる直前の状態ではΔＶld＝０となっている。次に、実際にコンデンサレンズ１に負帰還がかけられたときは、スイッチ１９がオンの状態になり、十分に大きな増幅率Ａ1 の設定により、ΔＶCL＝Ａ1 ・ΔＶldが出力される。
【００３８】
明らかなように、負帰還がかけられた直後では、ΔＶCL＝０である。次に、スイッチ２０がオンの状態となり、増幅器Ａ2 が設定できる増幅器１７に入力され、増幅器１７の出力はＤＡ変換器１８に入力される。ＤＡ変換器１８のデータＤＡ2による信号比ｒ2 によって、増幅器１６の出力はＡ2 ・ｒ2 倍され、次の信号がＤＡ変換器１８から出力される。
【００３９】
ΔＶOL＝Ａ2 ・ｒ2 ・ΔＶCL
このようにして得られた信号ΔＶCLはコンデンサレンズ制御部７に加算され、ΔＶOLは対物レンズ制御部９に加算される。
【００４０】
荷電粒子ビーム源などにおいて、何等かの変化が発生し、もし、プローブ電流安定化が行われていなければ、プローブ電流Ｉp や検出電流Ｉd が次のように変化するはずであっても、コンデンサレンズ１に負帰還がかかっているので、Ｉp やＩd をほぼ一定に保つことができる。
【００４１】
Ｉpo  →  Ｉpo＋ΔＩp
Ｉdo  →  Ｉdo＋ΔＩd
さて、コンデンサレンズ制御信号ＶCLの値に対して、粒子プローブのフォーカス状態を一定に保つ対物レンズ制御信号ＶOLの関係を
ＶOL＝Ｆ（ＶCL）
で表し、
ｄＶOL／ｄＶCL＝Ｆ´（ＶCL）
と置く。ここで、プローブ電流を一定に保つための変化
ＶCLO   →  ＶCLO ＋ΔＶCL
に対して、粒子プローブのフォーカス状態を一定に保つための変化を
ＶOLO   →  ＶOLO ＋ΔＶOL
とすると、ＶCLの変化ΔＶCLが微少であれば、ＶOLの変化ΔＶOLは、前記の微分係数Ｆ´（ＶCL）を用いて、
ΔＶOL＝Ｆ´（ＶCLO ）ΔＶCL
で求めることができる。すなわち、ΔＶCLが小さければ、ΔＶOLはΔＶCLに比例している。したがって、増幅器１７の増幅率Ａ2 とＤＡ変換器１８の信号比ｒ2 の値が、
Ａ2 ・ｒ2 ＝Ｆ´（ＶCLO ）
を満たすように設定されれば、プローブ電流安定化に用いられる信号ΔＶCLを用いて粒子プローブのフォーカス状態を一定に保つことができる。
【００４２】
以上本発明の一実施の形態について述べたが、本発明はこの形態のみに限定されることなく幾多の変形が可能である。例えば、前記した例では、荷電粒子ビームの一部を検出信号として用いたが、プローブ電流を一定にするために用いた前記以外の他の負帰還によって、粒子プローブのフォーカス状態が変化するのであれば、この負帰還のための信号を調整し、この調整した信号をコンデンサレンズや対物レンズの制御部に印加するようにしても良い。
【００４３】
このような例としては、例えば、粒子ビーム放出源のエミッション電流Ｉe の変化ΔＩe を検出して、引出し電圧Ｖexに負帰還をかける場合があげられる。この場合には、変化の信号Ｉe が調整されて利用されることになる。
【００４４】
また、前記の例では、レンズの焦点距離を調整するための信号を対物レンズに対して加算するように構成したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、レンズの焦点距離を調整するための信号を、検出絞り４と対物レンズ８との間に配置されるフォーカス調整するための補助レンズ、または試料の入射ビームの開き角を調整するための開き角制御レンズの制御部に加算するように構成しても良い。このようにしても、本発明の目的を達成することができる。すなわち、フォーカス状態の僅かなズレも、最終プローブ径には大きく影響を与えるのに対し、最適開き角の僅かなズレは、最終プローブ径には影響を与えないためである。
【００４５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、荷電粒子ビームの一部を検出し、検出信号に基づいて第１のレンズを制御して試料に照射される荷電粒子プローブの電流を一定に維持し、検出信号に基づいて第２のレンズを制御して荷電粒子プローブのフォーカスを調整するように構成したので、常にフォーカスのズレなく試料に照射される荷電粒子プローブの電流を一定に維持することができる。
【００４６】
また、本発明では、検出信号に基づいて第１のレンズの制御部に帰還をかけるときの信号ΔＶCLは、帰還をかける直前の検出電流に対応する信号Ｖldo を保持して、帰還開始後の検出電流に対応する信号Ｖldとの差ΔＶld＝Ｖld−Ｖldo を増幅したものとし、更に、第１のレンズの制御部に供給される帰還信号ΔＶCLに比例した信号ΔＶOLを第２のレンズの制御部に供給するようにしたので、簡単な構成で荷電粒子プローブのフォーカス安定化が実現できる。そして、負帰還開始時は、帰還用の信号は０からスタートするので、帰還用の信号のダイナミックレンジを広く取ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の荷電粒子ビーム装置を示す図である。
【図２】本発明に基づく荷電粒子ビーム装置の基本構成を示す図である。
【図３】帰還信号処理回路の一具体例を示す図である。
【符号の説明】
１  コンデンサレンズ
２  対物レンズ
３  試料
４  検出絞り
５  帰還装置
６  コンデンサレンズ制御部
７  信号調整器
８  対物レンズ制御部
１１  電流電圧変換器
１２  ＡＤ変換器
１３  制御部
１４，１８  ＤＡ変換器
１５  加算器
１６，１７  増幅器
【図１】
0004041260.tif 000002
【図２】
0004041260.tif 000003
【図３】
0004041260.tif 000004