(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子ビームを発生する源（３）と、該粒子ビームを試料（８）上に合焦させる対物レンズ（７）と、
試料（８）の所で放たれた後方散乱及び／又は二次粒子（１０）を受ける検出器（９）と、
粒子のエネルギーに依存してその粒子ビームを単に散乱させる第１及び第２ウイーンフィルタ（１ａ，１ｂ）と、或減少されたエネルギー幅内で粒子を選択する開口（４）と、を含むエネルギー幅を減少させるデバイスと
を備え、
２つのウイーンフィルタ（１ａ，１ｂ）の静電気的及び磁気的フィールドが複数の粒子上で反対の偏向方向に作用し、
第２ウイーンフィルタ（１ｂ）が第１ウイーンフィルタ（１ａ）に関して複数の粒子が、これら２つのフィルタによって偏向されて、上記源から来るかのように見えるようにするように配列し励起され、
その粒子ビームの束を制限する付加の開口（５）が第１ウイーンフィルタ（１ａ）の前に粒子ビーム（２）の方向に並べられたことを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置において、或減少されたエネルギー幅内の複数の粒子を選ぶ前記開口が２つのウイーンフィルタの間に配列されたことを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置において、或減少されたエネルギー幅内の複数の粒子を選ぶ前記開口が２つのウイーンフィルタの後でその粒子ビームの方向に配列されたことを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置において、その粒子ビームのエネルギー幅を変えるために予め定められた関係に従って２つのウイーンフィルタが一緒に励起されることを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置において、前記２つのウイーンフィルタが一様な静電気的及び磁気的フィールドを発生することを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置において、前記ウイーンフィルタが４極フィルタから成ることを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置において、前記検出器（９）が２つのウイーンフィルタの間に配列されたことを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置において、前記第１及び第２ウイーンフィルタも試料（８）上の粒子ビーム（２）を偏向させる偏向器として働くことを特徴とする粒子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、粒子ビームのエネルギー幅を減らすデバイスを備えた粒子ビーム発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
粒子ビーム発生装置及び特に電子光学装置においては、装置の解像度を増加することが有利であり、特に、低電圧応用においてはスポット径を減らすことが有利である。
【０００３】
低電圧電子ビーム発生装置（５  ｋｅＶより低いビームエネルギー）においては、特に、低電圧二次電子顕微鏡及び関連するテスト及び調査装置においては、最小達成可能スポット径Ｄを意味する装置解像度は、含まれている対物レンズの幾何学的スポット径Ｄｇｅｏ、色収差誤りＤｃｈｒｏｍ、及び球面収差誤りＤｓｐｈによって制限される。
Ｄ＝√（Ｄ2 ｇｅｏ＋Ｄ2 ｃｈｒｏｍ＋Ｄ2 ｓｐｈ）
【０００４】
低電圧応用においては、球面収差誤りＤｓｐｈの影響（寄与）は無視することができる。幾何学的スポット径Ｄｇｅｏは粒子ビーム源の径及び含まれている光学素子のソース縮小によって規定される。
色収差の寄与Ｄｃｈｒｏｍは、次の依存関係によって決められる。
Ｄｃｈｒｏｍ＝ＣｃｈｒｏｍαΔＥ／Ｅ
ここで、
Ｃｃｈｒｏｍは、対物レンズの色収差係数
αは、対物レンズの開口角
Ｅは、一次ビームのエネルギー
ΔＥは、一次ビームのエネルギー幅
【０００５】
解像度を増すために、即ち、低ビームエネルギーＥでプローブ径を減らすために、
１．Ｃｃｈｒｏｍは小さくしなければならず、これは単極レンズ又は結合された静電気磁気対物レンズ等の良質な低電圧レンズ、又はＥＰ−Ａ−０  ３７３３９９に説明されたような修正手段によって達成できる。
２、αは減少しなければならないが、それは、しかしながら、αが減ると増加する回折収差によって制限される。
３．ΔＥは減少させなければならない。これは、通常低エネルギー幅を持った電子源、例えば、冷および熱フィールドエミッション陰極又はホトカソードを適用することによってなされる。
【０００６】
スポット径Ｄ（Ｄｃｈｒｏｍを意味する）を更に減らすためには、一次ビームのΔＥを減らす粒子ビーム発生装置に、他のデバイスが設けられなければならない。
商用の低電圧二次電子顕微鏡および関連する装置においては、解は広く検討されているにもかかわらず、現在に至るまで、エネルギー幅を減らすデバイスは実現されていない。ＪＰ−Ａ−１２６４１４９は、クレーム１の前提部によれば、荷電粒子ビーム装置に関する。
【０００７】
単に２つのフィルタを備えた実施例においては、この粒子ビームは偏向させられ、その場合、ビームは２つのフィルタの間に配列された開口の中央からきているように見える。
【０００８】
基本的には、トランスミッション電子顕微鏡に応用される多数のモノクロメータ及びエネルギーフィルタが知られている。そのようなフィルタの全体像はＬ．Reimer "Energy-filtering transmission electron microscopy", Springer Series in Optical Sciences, Vol.71, 1994 に説明されている。
【０００９】
こうしたエネルギーフィルタの一つはウイーンフィルタであり、粒子ビーム発生装置の光学的軸に直角に交叉した静電気及び磁気偏向フィールドから成る。（図１及び図２参照）。
図３は、源３によって発生した一次ビーム２にウイーンフィルタ１が及ぼす効果を説明している。ウイーンフィルタ１の静電気的及び磁気的フィールドの両方が粒子ビームを偏向する。静電気的フィールド（静電界）と磁気的フィールド（磁界）が反対方向に作用する場合には、一次ビームは（第１近似では）偏向しないであろう。しかし、この条件は１つのビームエネルギーＥ０について正しいだけである。エネルギー幅ΔＥを持つビームに対してはこの条件は当てはまらず、図３に示すようにビームは散乱する。各粒子の偏向の程度はそのエネルギーに依存する。ウイーンフィルタから少し離れた所に開口４を置くことで、或エネルギー領域のビームが通過できる。他のエネルギーはその開口４の所で阻止される。この効果によって、一次粒子ビーム２のエネルギー幅は減らすことができ、換言すると、ビームは単色化される。
【００１０】
しかしながら、エネルギーの散乱は、ビーム偏向によって遂行されるので、ビームエネルギーに依る角度が広がるだけでなく、電子源のイメージ（像）も拡大される（図４参照）。各不整合エネルギーは異なった軸からはずれた像位置を持つように見える。
【００１１】
これは、源３の中間像が図５に示すようにウイーンフィルタの中央に位置する場合だけ避けることができる。この場合、エネルギーに依存する像の拡大は避けることができる。しかし、そのような配列はウイーンフィルタの中央におけるクロスオーバーを必要とする。しかし、各クロスオーバーは下記の２つの効果によって低電圧装置において特にスポット径を増加する電子と電子の相互作用を増す。
１．一次電子のエネルギー幅を増加し、これは主としてクロスオーバーにおけるビーム通路で起こる。
２．総ビーム通過の間に電子反撥によってスポット径を増加する。
【００１２】
従って、低電圧装置はクロスオーバーを避けるかクロスオーバーの数を減らし、できるだけ短くしなければならない。これらの設計ルールに従えば、エネルギー幅を減少するためのデバイスは、余分なクロスオーバーを避け、光学系の長さを増加するべきではない。
【００１３】
従って、ウイーンフィルタの最良の位置は、一次ビームそのものの源であるが、しかしながらそれは現実的ではなく、特にフィールド・エミッション源が用いられる場合には現実的でない。そのような陰極は実際ではなく仮想の源位置を持ち、それがエミッタ本体の内側に配置され、従って、アクセスできない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、他の収差または制限によって起こされる装置解像度の欠陥を持たずに、粒子ビーム発生装置におけるエネルギー幅を減らすためのデバイスを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、下記の手段を備えた粒子ビーム発生装置を提供する。即ち、
粒子ビームを発生する源（３）と、
該粒子ビームを試料（８）上に合焦させる対物レンズ（７）と、
試料（８）の所で放たれた後方散乱及び／又は二次粒子（１０）を受ける検出器（９）と、
粒子のエネルギーに依存してその粒子ビームを単に散乱させる第１及び第２ウイーンフィルタ（１ａ，１ｂ）と、或減少されたエネルギー幅内で粒子を選択する開口（４）と、を含むエネルギー幅を減少させるデバイスとを備え、
２つのウイーンフィルタ（１ａ，１ｂ）の静電気的及び磁気的フィールドが複数の粒子上で反対の偏向方向に作用し、
第２ウイーンフィルタ（１ｂ）が第１ウイーンフィルタ（１ａ）に関して複数の粒子が、これら二つのフィルタによって偏向されて、上記源から来るかのように見えるようにするように配列し励起され、
その粒子ビームの束を制限する付加の開口（５）が第１ウイーンフィルタ（１ａ）の前に粒子ビーム（２）の方向に並べられたことを特徴とする粒子ビーム発生装置を提供する。
【００１６】
２つのウイーンフィルタは、対抗する偏向方向で粒子に作用する静電気的及び磁気的フィールド方向を有する。従って、第１ウイーンフィルタにおいて左に偏向されたそれらの粒子は第２ウイーンフィルタにおいて右に偏向され、或いはその逆の偏向をされる。
第２ウイーンフィルタのフィールド強度は、全ての粒子が源から来るように見えるような方法で励起される。そのような配列は、実際の又は仮想の源位置にある単一ウイーンフィルタと同じ機能を有する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、下記に図面を参照して詳細に説明する。
図６は、粒子ビーム２のエネルギー幅を減少させるためのデバイスの第１実施形態を開示する。
本デバイスは、粒子のエネルギーに依存する粒子ビームを散乱するための第１及び第２ウイーンフィルタ１ａ、１ｂを備えており、或減少されたエネルギー幅内の粒子を選択するための開口４を備えている。
【００１８】
粒子ビーム２の束を制限するための付加開口５は、第１ウイーンフィルタ１ａの前に配列される。
粒子を選択するための開口４は、２つのウイーンフィルタ１ａ、１ｂの間の粒子ビーム２の方向に並べられている。
【００１９】
各ウイーンフィルタの静電気フィールドと磁気フィールドの両方が粒子ビームを偏向させる。これらのフィールドが粒子上で反対方向に作用する場合には、一次ビーム（第１近似において）は偏向されない。この条件は、しかしながら、１つのビームエネルギーに対して正しいのみである。エネルギー幅ΔＥを持つビームに対しては、この条件は当てはまらず、ビームは図６において点線２’、２”で示すように散乱する。
【００２０】
第１ウイーンフィルタ１ａによって偏向されない粒子は、エネルギーＥ０を持っている。図６で左に偏向された粒子２’はエネルギーＥ１＜Ｅ０を有し、右に偏向された粒子２”はエネルギーＥ２＞Ｅ０を有する。偏向の度合いは、粒子のエネルギーのエネルギーＥ０との差に依存する。
【００２１】
開口４を第１ウイーンフィルタ１ａからそのような距離に置くことにより、或エネルギー幅内に入る粒子だけが通過することができる。他の粒子は、その開口の所で阻止される。この効果によって、一次ビーム２のエネルギー幅を減らすことができる。もし、たった一つだけのウイーンフィルタが用いられるならば、エネルギーに依存する像の拡大は避け難い。（図４参照）。
【００２２】
従って、第２ウイーンフィルタ１ｂは第１ウイーンフィルタ１ａの後に配列される。好ましくは、２つのウイーンフィルタの静電気的フィールドと磁気的フィールドは粒子に反対の偏向方向で作用する。従って、第１ウイーンフィルタ１ａで左に偏向した粒子は第２ウイーンフィルタで右に偏向するか、その逆の偏向をする。
【００２３】
第２ウイーンフィルタ１ｂのフィールド強度は次のように励起される、即ち、第２ウイーンフィルタ１ｂの励起は第１ウイーンフィルタ１ａの励起よりも少ないように励起される。第２ウイーンフィルタ１ｂの正確な励起は第１ウイーンフィルタ１ａ及び源に関する位置による。例えば、ｚ２＝２＊ｚ１に対しては、第２ウイーンフィルタ１ｂの励起は第１ウイーンフィルタ１ａの励起の０．５倍より少ない。しかし、幾何学的条件によっては、他の組合せも可能である。
【００２４】
第２ウイーンフィルタ１ｂのフィールド強度は、次のように励起される。即ち、粒子、例えば２”’は２つのフィルタで方向が変えられるので点線６で示すように１つの源から来ているように見えるように励起される。
図７は、１つの粒子ビームのエネルギー幅を減らす為のデバイスの第２の実施形態を示す。この２つの実施形態は、或減少されたエネルギー幅内の粒子を選ぶための開口４の位置のみが互いに異なる。
【００２５】
図７の実施形態によれば、開口４は２つのウイーンフィルタ１ａ、１ｂの後に配列されている。この配列は、エネルギー幅を減少させるためのデバイスの後の一次ビームの束が一層明確であるという利点がある。
両実施形態は、実際の又は仮想の源位置に位置づけされた一つのウイーンフィルタを使う配列と同じ効果を持つ。更に、付加的クロスオーバーは必要ない。
【００２６】
粒子ビームのエネルギー幅を変えるためには、２つのウイーンフィルタを固定率で一緒に励起することが可能である。このウイーンフィルタは、４極フィルタ又はそれよりも高いオーダーの配列としてもよい。この２つのウイーンフィルタは、一様な静電気的及び磁気的フィールドを発生するのが好ましい。
【００２７】
更に、デバイスによってもたらされ、引き続き源の寸法を事実上増す収差を減らすためには、静電気的及び／又は磁気的フィールドを成形することが可能である。
図８は、粒子ビームを発生するための源３を持つ粒子ビーム発生装置を示し、試料８の上へ粒子ビームを合焦させるための対物レンズ７、試料８で放たれて後方へ飛散した二次粒子１０を受けるための検出器９を示す。更に、この粒子ビーム発生装置は、図７の実施形態によるエネルギー幅減少のためのデバイスを有する。
【００２８】
図９によるこの粒子ビーム発生装置は、図６の実施形態に従う粒子ビーム２のエネルギー幅を削減するためのデバイスを持つ。更に、検出器９は、２つのウイーンフィルタの間に配列されているが、図８の装置の検出器９は粒子ビーム２の方向の開口４の後に配列されている。
【００２９】
後方に散らばった及び／又は二次粒子８は試料８の所で放たれ第２ウイーンフィルタ１ｂによって偏向され検出器９に達する。一次粒子ビーム２は第１及び第２ウイーンフィルタ１ａ、１ｂを通過し、従って、上記フィルタの所で偏向されず単に飛散される。
この２つの粒子ビーム発生装置は、図８、図９に示されており、冷陰極又は熱フィールドエミッション又は光カソード等の電子源を使う低電圧応用に特に適している。対物レンズ７は静電気的又は磁気的レンズ、又は組合せ静電気的・磁気的レンズとすることができる。
【００３０】
好ましくは、この粒子ビーム発生装置は、装置内部の最終エネルギーに減少され、好ましくは、対物レンズの内側でそれが行われる高エネルギーを用いる。
従って、エネルギー幅を減少させるためのデバイスは、高エネルギー領域にある。更に、この粒子ビーム発生装置のエネルギーは、最終ビームエネルギーから独立したエネルギー幅を減少させるためのデバイスの励起条件を保つ最終ビームエネルギーから独立して固定されている。
【００３１】
第１及び第２ウイーンフィルタ１ａ，１ｂは、粒子ビームを試料８上に偏向するため及び／又はそのビームを走査するための偏向素子として働く。従って、光学装置の長さはこれらの付加デバイスによって増加されない。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の粒子ビーム発生装置は、他の収差または制限によって起こされる装置解像度の欠陥を持たずに、粒子ビーム発生装置におけるエネルギー幅を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ウイーンフィルタの上面図である。
【図２】図１のウイーンフィルタの一部分を示す模式図である。
【図３】粒子ビームの広がりを示すウイーンフィルタの模式図である。
【図４】源の拡大を示すウイーンフィルタの模式図である。
【図５】ウイーンフィルタの理想的な位置を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態のエネルギー幅を減少させるデバイスの模式図である。
【図７】本発明の第２実施形態のエネルギー幅を減少させるデバイスの模式図である。
【図８】エネルギー幅を減少させるデバイスを備えた粒子ビーム発生装置の模式図である。
【図９】エネルギー幅を減少させるデバイスを備えた粒子ビーム発生装置の模式図である。
【符号の説明】
２・・・ 粒子ビーム、３・・・ 源、４・・・ 開口、５・・・ 付加開口、６・・・ 仮想ビーム、１ａ、１ｂ・・・ ウイーンフィルタ、２”、２”’・・・ 分散ビーム
【図１】
0004106162.tif 000002
【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】
0004106162.tif 000008
【図８】
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【図９】
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