(57)【要約】荷電粒子源（２０１０）及び荷電粒子光学コラム（２０４０）を含む荷電粒子光学系において荷電粒子ビーム（２１００）を位置合わせするシステム（２０００）及び方法であって、コラムの少なくとも１つの電極（２０５０、２０６０）が、複数のセグメントを含み、セグメントの少なくとも若干に異なる電位を印加して、荷電粒子源（２０１０）の傾斜誤差及び／又は変位誤差を補正し、またコラム（２０４０）の軸線（２０４５）に沿って粒子ビーム（２１００）を位置合わせする、システム（２０００）及び方法を開示する。代替的に、磁界発生素子が位置合わせに用いることができる。
2012504309.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、
複数の電極を含む荷電粒子光学コラムであって、該荷電粒子光学コラムの第１電極は、円筒形でありかつ前記荷電粒子源に最も近接して位置決めし、また複数のセグメントを有する構成とした、該荷電粒子光学コラムと、及び
前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学コラムとの間に位置決めした第２電極であって、円筒形であり複数のセグメントを有する構成とした、該第２電極と
を備え、
異なる電位を前記セグメントの少なくとも若干に印加する、
システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、さらに、前記荷電粒子光学コラムにおける前記第１電極に隣接して位置決めした第３電極であって、円筒形でありかつ複数のセグメント有する構成とした、該第３電極を備えた、システム。
【請求項３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極及び第２電極のそれぞれにおける前記セグメントの全部に異なる電位を印加する、システム。
【請求項４】
請求項１記載のシステムにおいて、前記第１電極及び前記第２電極のそれぞれにおける前記セグメントに異なる電位を印加する、システム。
【請求項５】
請求項１に記載のシステムにおいて、動作中、前記荷電粒子源は、第１の方向に沿って伝播する荷電粒子を生成するよう構成し、前記第１電極及び前記第２電極は、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って伝播するよう前記荷電粒子を指向させるように構成する、システム。
【請求項６】
請求項１に記載のシステムにおいて、さらに、荷電粒子検出器及び電子プロセッサを備え、動作中、該電子プロセッサは、前記荷電粒子検出器を前記荷電粒子源により生成される荷電粒子を測定するよう指向させ、また測定した粒子に基づいて前記第１電極及び前記第２電極における前記セグメントの少なくとも若干に印加する電位を調整するよう構成した、システム。
【請求項７】
請求項６に記載のシステムにおいて、前記電子プロセッサは、前記検出器により測定した荷電粒子電流を増大させるよう前記電位を調整するよう構成した、システム。
【請求項８】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極における前記複数のセグメントのそれぞれは、放射状セグメントとした、システム。
【請求項９】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極における前記複数のセグメントのそれぞれは、共通の形状を有する、システム。
【請求項１０】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極は、それぞれが共通の形状を有する放射状セグメントを含み、前記第２電極は、それぞれが共通の形状を有する放射状セグメントを含む、システム。
【請求項１１】
請求項１０に記載のシステムにおいて、前記第１電極の前記放射状セグメントは、前記第２電極の前記放射状セグメントの形状とは異なる形状にした、システム。
【請求項１２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極は４個のセグメントを含む、システム。
【請求項１３】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第１電極は少なくとも８個のセグメントを含む、システム。
【請求項１４】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２電極は４個のセグメントを含む、システム。
【請求項１５】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記第２電極は少なくとも８個のセグメントを含む、システム。
【請求項１６】
荷電粒子源と、
複数の荷電粒子光学素子を含む荷電粒子光学コラムであって、該荷電粒子光学コラムの第１素子は第１荷電粒子検出器を有し、前記第１素子は、前記荷電粒子源に最も近接して位置決めし、かつ複数の場発生セグメントを有する構成とした、該荷電粒子光学コラムと、
を備え、及び
前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学コラムとの間に位置決めした第２荷電粒子ディフレクタであって、複数の場発生セグメントを含む、該第２荷電粒子ディフレクタと
を備えた、システム。
【請求項１７】
ビーム経路を有する荷電粒子ビームを発生させるように構成した荷電粒子源と、
第１可変場を発生するよう構成した第１分割素子と、
第２可変場を発生するよう構成した第２分割素子を有する荷電粒子光学系と、
を備え、
前記第１分割素子を、前記ビーム経路に沿って前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学系との間に配置した、システム。
【請求項１８】
ビーム経路を有する荷電粒子ビームを発生させるよう構成した荷電粒子源と、
第１ビーム偏向手段と、及び
第２ビーム偏向手段を有する荷電粒子光学系と、
を備え、
前記第１ビーム偏向手段は、前記ビーム経路に沿って前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学系との間に配置した、システム。
【請求項１９】
イオンビームを発生させるよう構成したガス電界イオン源と、及び
軸線を有し、前記イオンビームを試料に指向させるよう構成したイオン光学系と、
を備え、
使用中に、前記ガス電界イオン源が前記イオン光学系の前記軸線に対して直線移動できないよう構成した、システム。
【請求項２０】
イオンビームを発生させるよう構成したガス電界イオン源と、
軸線を有し、前記イオンビームを試料に指向させるよう構成したイオン光学系と、
を備え、
使用中、前記ガス電界イオン源が前記イオン光学系の前記軸線に対して直線移動できないよう構成した、システム。
【請求項２１】
荷電粒子源と、
複数の電極を含む荷電粒子光学コラムであって、第１電極は、前記荷電粒子源に最も近接して位置決めし、かつ複数のセグメントを有する構成とした、該荷電粒子光学コラムと、
荷電粒子検出器と、及び
電子プロセッサと
を備え、
動作中、前記電子プロセッサは、前記荷電粒子検出器を前記荷電粒子源により生成される荷電粒子を測定するよう指向させ、また測定した粒子に基づいて前記第１電極における前記セグメントのそれぞれに印加する電位を調整し、これにより、前記第１電極における前記セグメントのそれぞれに印加する電位が、前記第１電極における他の前記セグメントそれぞれに印加する電位とは独立して印加されるよう構成した、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示による発明は、イオンコラム等の荷電粒子光学系における荷電粒子ビームの位置合わせ、並びに関連の構成コンポーネント及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
荷電粒子ビームを、荷電粒子光学系、例えばイオンコラム及び／又は電子コラムに位置合わせする（整列させる）ことは、光学系の中心軸線に沿ってビームを確実に進行させるのに役立ち得る。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
概して、第１の態様では、本開示による発明は、荷電粒子源と複数の電極を含む荷電粒子光学コラムとを備えるシステムであって、コラムの第１電極は、円筒形であり荷電粒子源に最も近接して位置決し、且つ複数のセグメントを含み、セグメントの少なくともいくつかに異なる電位を印加される、システムを特徴とする。
【０００４】
別の態様では、本開示による発明は、荷電粒子源と複数の電粒子光学素子を含む荷電粒子光学コラムとを備えるシステムであって、コラムの第１素子が、第１荷電粒子ディフレクタを含み、第１素子は、荷電粒子源に最も近接して位置決し、且つ複数の場発生（field-generating：電磁界発生）セグメントを含み、第２荷電粒子ディフレクタは、第１荷電粒子ディフレクタに隣接して位置決めし、且つ複数の場発生セグメントを含む、システムを特徴とする。
【０００５】
さらなる態様では、本開示による発明は、ビーム経路を有する荷電粒子ビームを発生させるように構成した荷電粒子源と、第１可変場を発生させるよう構成した第１分割素子と、荷電粒子光学系とを備えるシステムであって、第１分割素子は、ビーム経路に沿って荷電粒子源と荷電粒子光学系との間に配置した、システムを特徴とする。
【０００６】
別の態様では、本開示による発明は、ビーム経路を有する荷電粒子ビームを発生させるよう構成した荷電粒子源と、ビーム偏向手段と、荷電粒子光学系とを備えるシステムであって、ビーム偏向手段は、ビーム経路に沿って荷電粒子源と荷電粒子光学系との間に配置した、システムを特徴とする。
【０００７】
さらなる態様では、本開示による発明は、イオンビームを発生させるよう構成したガス電界イオン源と、軸線を有し、且つイオンビームを試料に指向させるよう構成したイオン光学系とを含むシステムであって、使用中、ガス電界イオン源がイオン光学系の軸線に対して直線移動できないように構成した、システムを特徴とする。
【０００８】
別の態様では、本開示による発明は、イオンビームを発生させるよう構成したガス電界イオン源と、軸線を有し、且つイオンビームを試料に指向させるよう構成したイオン光学系とを備えるシステムであって、使用中、ガス電界イオン源がイオン光学系の軸線に対して傾斜できないように構成した、システムを特徴とする。
【０００９】
さらなる態様では、本開示による発明は、荷電粒子源を用いて荷電粒子ビームを発生させるステップと、及び荷電粒子源を移動させずに荷電粒子ビームを荷電粒子光学系の軸線に位置合わせするステップとを含む方法を特徴とする。
【００１０】
別の態様では、本開示による発明は、ビーム経路を有する荷電粒子ビームを発生させるよう構成した荷電粒子源と、部材と、軸線を有する荷電粒子光学系とを備えるシステムであって、部材は、荷電粒子光学系の軸線に沿って荷電粒子ビームを位置合わせするよう構成した、システムを特徴とする。
【００１１】
実施形態は、以下の特徴の１つ又は複数を含み得る。
【００１２】
システムは、荷電粒子源とコラムとの間に位置決めした、円筒形であり複数のセグメントを含む第２電極を有することができる。コラムの第２電極は、第１電極に隣接して位置決めし、且つ複数のセグメントを有することができる。
【００１３】
システムは、コラムの第１電極に隣接して位置決めし、円筒形であり複数のセグメントを含む第３電極を有することができる。セグメントの全てに異なる電位を印加することができる。第１電極及び第２電極における各セグメントに異なる電位を印加することができる。
【００１４】
動作中、荷電粒子源は、第１方向に沿って伝播する荷電粒子を生成するよう構成することができ、第１電極及び第２の電極は、第１方向とは異なる第２方向に沿って伝播するよう荷電粒子を指向させるよう構成することができる。
【００１５】
システムは、荷電粒子検出器及び電子プロセッサを含み得る。動作中、電子プロセッサは、荷電粒子検出器を、荷電粒子源により生成される荷電粒子を測定するよう指向させ、また測定された粒子に基づいて第１電極及び第２電極におけるセグメントの少なくとも若干に印加される電位を調整するよう構成する。電子プロセッサは、荷電粒子検出器により測定される荷電粒子電流を増大させるよう電位を調整するよう構成することができる。
【００１６】
複数のセグメントのそれぞれが放射状セグメントとすることができる。複数のセグメントのそれぞれが共通の形状を有することができる。第１電極は、それぞれ共通の形状を有する放射状セグメントを含むことができ、第２電極は、それぞれ共通の形状を有する放射状セグメントを含むことができる。第１電極の放射状セグメントは、第２電極の放射状セグメントとは異なる形状を有していてもよい。
【００１７】
第１電極は４個のセグメントを含み得る。第１電極は少なくとも８個のセグメントを含み得る。第２電極は４個のセグメントを含み得る。第２電極は少なくとも８個のセグメントを含み得る。
【００１８】
動作中、荷電粒子源は、希ガスイオンを含む粒子を生成するように構成することができる。希ガスイオンはヘリウムイオンを含み得る。動作中、第１荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくとも若干は、電場を生成するように構成することができる。動作中、第１荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくともいくつかは、磁場を生成するように構成することができる。動作中、第２荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくとも若干は、電場を生成するよう構成することができる。動作中、第２荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくとも若干は、磁場を生成するよう構成することができる。動作中、第１荷電粒子ディフレクタ又は第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれが、電場を生成するように構成してもよく、第１荷電粒子ディフレクタ又は第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれが、磁場を生成するように構成してもよい。
【００１９】
磁場によりもたらされる粒子偏向の大きさは、電場によりもたらされる粒子偏向の大きさと同じであり得る。第１荷電粒子ディフレクタ及び第２荷電粒子ディフレクタのセグメントは、分散が逆の電場及び磁場を生成するように構成することができる。第１荷電粒子ディフレクタ及び第２荷電粒子ディフレクタは、非分散（dispersionless）荷電粒子偏向システムを形成し得る。
【００２０】
システムは、第１素子に隣接してコラムの第２素子を備えることができ、第２素子は、複数の場発生セグメントを含む第３荷電粒子ディフレクタを含む。動作中、第３荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくとも若干は、電場を生成するように構成することができる。動作中、第３荷電粒子ディフレクタのセグメントの少なくとも若干は、磁場を生成するように構成することができる。第１粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１電場を生成するように構成することができ、第１荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１電場とは異なる第２電場を生成するよう構成することができる。第１荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１磁場を生成するように構成することができ、第１荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１磁場とは異なる第２磁場を生成するよう構成することができる。第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１電場を生成するよう構成することができ、第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１電場とは異なる第２電場を生成するように構成することができる。第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１磁場を生成するよう構成することができ、第２荷電粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、第１磁場とは異なる第２磁場を生成するよう構成することができる。
【００２１】
動作中、荷電粒子源は、第１方向に沿って伝播する荷電粒子を生成するよう構成することができ、第１荷電粒子ディフレクタ及び第２荷電粒子ディフレクタは、第１方向とは異なる第２方向に沿って伝播するよう荷電粒子を指向させるよう構成することができる。
【００２２】
システムは、荷電粒子ディフレクタ及び電子プロセッサを備えることができ、動作中、電子プロセッサは、荷電粒子源により生成される荷電粒子を測定するよう検出器を指向させ、また測定された粒子に基づいて第１粒子ディフレクタ及び第２粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干が発生する場を調整するよう構成する。電子プロセッサは、検出器により測定される荷電粒子電流を増大させるよう場を調整するように構成することができる。
【００２３】
第１粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれは、第１粒子ディフレクタの周りに対称的に位置決めすることができ、第２粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれは、第２粒子ディフレクタの周りに対称的に位置決めすることができる。第１粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれは共通の形状を有することができ、第２粒子ディフレクタにおけるセグメントのそれぞれは共通の形状を有することができる。
【００２４】
第１粒子ディフレクタ及び第２粒子ディフレクタにおけるセグメントの少なくとも若干は、電極を含む。第１粒子ディフレクタ及び第２粒子ディフレクタの少なくとも若干は、コイルを含む。
【００２５】
第１粒子ディフレクタは４個のセグメントを含み得る。第１粒子ディフレクタは少なくとも８個のセグメントを含み得る。第２粒子ディフレクタは４個のセグメントを含み得る。第２粒子ディフレクタは少なくとも８個のセグメントを含み得る。
【００２６】
システムは、第２可変場を発生させるよう構成した第２分割素子を備えることができ、第２分割素子は、ビーム経路に沿って荷電粒子源と荷電粒子光学系との間に配置する。第１分割素子は電極であり得る。第１分割素子は少なくとも３個のセグメントを有し得る。システムは、荷電粒子源と第１の分割素子との間に抽出器を配置することができる。
【００２７】
荷電粒子源は、イオン源であり得る。荷電粒子源は、ガス電界イオン源であり得る。荷電粒子源は、電子源であり得る。
【００２８】
使用中、第１分割素子は、荷電粒子源が発生する荷電粒子の方向を変えることができる。使用中、第１分割素子は、荷電粒子源が発生する荷電粒子を荷電粒子光学系の軸線に沿って指向させることができる。
【００２９】
荷電粒子光学系は、第１レンズ及び位置合わせディフレクタを含み得る。荷電粒子光学系は、アパーチャを含み得る。荷電粒子光学系は、非点収差補正器を含み得る。荷電粒子光学系は、走査ディフレクタを含み得る。荷電粒子光学系は、第２レンズを含み得る。
【００３０】
ビーム偏向手段は、電極を含み得る。ビーム偏向手段は、少なくとも３個のセグメントを有し得る。システムは、荷電粒子源とビーム偏向手段との間に抽出器を配置することができる。
【００３１】
システムは、使用中、ガス電界イオン源がイオン光学系の軸線に対して傾斜できないように構成することができる。
【００３２】
荷電粒子ビームは、荷電粒子源を傾斜させずに荷電粒子光学系の軸線と位置合わせする（整列させる）ことができる。荷電粒子ビームは、荷電粒子源を直線移動させずに荷電粒子光学系の軸線と位置合わせすることができる。
【００３３】
部材は分割素子であり得る。
【００３４】
様々な実施形態が本明細書に記載される。これらの実施形態の特徴が、個別に又は様々な組み合わせで互いに組み合わせられてもよいことを理解されたい。
【００３５】
実施形態は、以下の利点の１つ又は複数を含み得る。
【００３６】
電場発生素子及び／又は磁場発生素子を用いて荷電粒子ビームの位置及び軌道を制御することで、そうでなければ荷電粒子源に結合されてビームの位置及び軌道の制御に用いられるであろう機械的平行移動及び／又は傾斜機構を排除することができる。このような機械的機構は、荷電粒子システムの減圧を維持すると同時に、重く、嵩張り、且つ／又は動作が複雑であり得る。このような機械的機構を排除することにより、減圧下での荷電粒子システムの動作を大幅に簡略化することができる。
【００３７】
複数の位置合わせ（整列）素子を用いることにより、荷電粒子ビームを、荷電粒子光学系（例えば、荷電粒子コラム）に入る前に光学系の中心軸線に沿って位置合わせすることができる。結果として、荷電粒子光学素子は、（例えば、新たな荷電粒子源が荷電粒子システムに設置されるときの）荷電粒子ビームの位置及び／又は軌道の変化に対応するように再構成する必要がない。その代わりに、荷電粒子光学系の構成を維持して、粒子ビームが適当な軌道に沿って荷電粒子光学系を通過するように複数の位置合わせ素子の操作により粒子ビームの位置合わせを調整することができる。
【００３８】
荷電粒子源と荷電粒子光学系との位置合わせ及び／又は再位置合わせは、機械的位置合わせ機構を用いるよりも電場発生素子及び／又は磁場発生素子を用いた方が大幅に高速化できる。例えば、場合によっては、（例えば、長期ドリフトに起因して）荷電粒子源を荷電粒子光学系と再位置合わせする必要があり得る。代替的に、又は付加的に、新たに設置された荷電粒子源を荷電粒子光学系と位置合わせする必要があり得る。様々な振幅の電場及び／又は磁場のみを用いて荷電粒子源と光学系とを位置合わせする実施形態では、荷電粒子源を平行移動及び／又は傾斜させる機械的位置合わせ機構が用いられる状況よりも位置合わせを大幅に高速化することができる。
【００３９】
本明細書に開示する位置合わせ機構は、荷電粒子ビームの位置合わせの際に移動する機械部品を用いずに実施することができる。結果として、荷電粒子システム内の振動を大幅に減らして、荷電粒子源の長期安定性を向上（及び長期ドリフトを低減）することができる。
【００４０】
１つ又は複数の実施形態の詳細を、添付図面及び説明に記載する。他の特徴及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】場発生粒子ビーム位置合わせ（アラインメント）素子を有する荷電粒子システムの一部の断面図を示す概略図である。
【図２Ａ】一体ピースの電極を示す概略図である。
【図２Ｂ】分割（セグメント化）電極を示す概略図である。
【図３Ａ】荷電粒子光学系から変位した荷電粒子源を示す概略図である。
【図３Ｂ】荷電粒子光学系に対して傾斜した荷電粒子源を示す概略図である。
【図４Ａ】変位した荷電粒子源からの粒子ビームを位置合わせする状況を示す概略図である。
【図４Ｂ】傾斜した荷電粒子源からの粒子ビームを位置合わせする状況を示す概略図である。
【図５】場発生素子のセグメントに印加される電位を示す概略図である。
【図６】分割（セグメント化）抽出器を有する荷電粒子システムの一部を断面で示す概略図である。
【図７】磁場発生粒子ビーム位置合わせ素子を示す概略図である。
【図８】イオン顕微鏡システムの概略図である。
【図９】ガス電界イオン源の概略図である。
【図１０】ヘリウムイオン顕微鏡システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
種々の図面における同一参照符号は同一要素を示す。
【００４３】
荷電粒子システムにおける粒子光学系に対する荷電粒子ビームの位置合わせ（アラインメント）は、粒子光学系が試料上の目的位置にビームを指向させることを確実にするために、粒子光学系が小さな対称形状のスポットとして適正にビームを合焦できることを確実にするために、及び／又は様々な収差（例えば、デフォーカス、非点収差、及び他の合焦誤差及び／又は位置合わせ誤差）が生じないことを確実にするために重要である。位置合わせは、例えば、新たな荷電粒子源を荷電粒子システムに設置するときに必要となる。代替的に、又は付加的に、荷電粒子システムの動作中、動作している荷電粒子源の定期的な再位置合わせを行い、例えば、システムの機械的疲労、熱ドリフト、及び／又は機械的振動により生じる荷電粒子源の長期ドリフトを補償することができる。
【００４４】
機械的機構を用いて、粒子光学系に対して荷電粒子ビームを位置合わせすることができる。通常、このような機構は、荷電粒子光学系に対する粒子源の平行移動（例えば、荷電粒子ビームの伝播方向を横切る平面内の平行移動又は位置ずれ）と、荷電粒子光学系の中心軸線に対する荷電粒子源の傾斜との両方を行う。荷電粒子源の平行移動（例えば、位置）及び／又は傾斜を制御することにより、荷電粒子ビームの位置及び軌道を制御することができる。荷電粒子源の位置合わせは、例えば、新たな荷電粒子源を荷電粒子システムに導入するとき、及び／又は荷電粒子源を荷電粒子システムに設置した後のなんらかの時点で（例えば、荷電粒子源を再位置合わせするために）行い、荷電粒子源の位置ずれ（シフト）及び荷電粒子源の傾斜のどちらか一方又は両方の調整を行うことがあり得る。
【００４５】
機械的な傾斜及び平行移動機構は、一般的に荷電粒子源の支持及び安定性を得るには重量が重い。この機構は、通常、機構におけるコンポーネントの機械的移動を可能にする電動モータに結合する。コンポーネントの移動及びモータの動作は、いくつかの実施形態では、荷電粒子システムに機械的振動をもたらすことになる。このような振動は、システムの長期及び短期双方の安定性に悪影響を与えるおそれがある。さらに、荷電粒子システムは、一般的に著しい減圧下（例えば、１０−６Ｔｏｒｒ以下）で動作する。減圧チャンバ内で機械的コンポーネントを移動させることは、これらコンポーネントがチャンバ外の他のコンポーネント（例えば、モータ）に結合されている場合、チャンバ内の減圧環境の無欠性を維持しつつ行うのは困難な作業である。コンポーネントの移動は、一般的に荷電粒子システムにおける他のコンポーネントの大きな摂動を防止するよう、比較的緩慢である。したがって、荷電粒子源の位置合わせは低速プロセスである。
【００４６】
本明細書に開示する荷電粒子システムは、電場発生素子及び／又は磁場発生素子を用いて、荷電粒子ビームが荷電粒子光学系（例えば、粒子コラム）に入る前、又は入る時点で荷電粒子ビームを光学系に位置合わせする。位置合わせ中、荷電粒子源の機械的移動は行わないようにする。この結果、荷電粒子システムに付加的な振動をもたらすことがなくなる。さらに、場発生素子を使用することにより、粒子光学系に対する荷電粒子ビームの位置及び／又は軌道を選択することができるようになり、これにより、異なる荷電粒子源及び／又は荷電粒子源ドリフトを補償するための粒子光学素子の再構成が不要になる。すなわち、粒子光学素子の構成は動作中に比較的静止した状態を維持し、荷電粒子システムの再現可能な動作と、システムにより生成される荷電粒子ビームを用いる様々な用途からの再現可能な結果との両方を確保することができる。
【００４７】
本開示は２部構成である。第１部は、粒子光学系に対して荷電粒子ビームを位置合わせするシステム及び方法について説明する。第２部は、イオンビーム源及びイオンビームシステムについて説明する。
【００４８】
荷電粒子ビーム位置合わせ
図１は、荷電粒子システム２０００の一部の断面図を示す概略図であり、荷電粒子システム２０００は、システム２０００により生成される荷電粒子ビームをシステム２０００の荷電粒子光学素子に対して位置合わせするように構成した場発生素子を含む。荷電粒子システム２０００は、荷電粒子（例えば、希ガスイオン等のイオン、電子）のビーム２１００を発生する先端部２０１０を含む。荷電粒子ビーム２１００は、抽出器２０２０及び随意の抑制器又は電界分路（field-shunt）２０３０を通過する。荷電粒子光学系２０４０（例えば、荷電粒子コラム）に入る前に、粒子ビーム２１００は、場発生素子２０５０及び２０６０を通過する。図１に示す実施形態では、場発生素子２０５０及び２０６０は、ビーム２１００における荷電粒子を粒子光学系２０４０の中心軸線２０４５に対して位置合わせする（整列させる）ための電場（電界）を発生させる電極として実施する。さらに、図１に示す実施形態及び以下の説明では、抑制器２０３０は、先端部２０１０と荷電粒子光学系２０４０との間に位置決めする。しかしながら、概して、抑制器２０３０は、図１に示すように先端部２０１０の後または先端２０１０の前に位置決めすることができる。以下の説明は、抑制器２０３０の位置に関係なく抑制器２０３０に適用される。すなわち抑制器２０３０が先端部２０１０の前に位置決めされていようと後に位置決めされていようと、抑制器２３０は、複数の場発生セグメントで形成した場発生素子を含むことができる。
【００４９】
場発生素子２０５０及び２０６０のそれぞれは、分割電極として実装する。図２Ａは、従来の一体ピースの円筒電極２２００の概略図を示す。通常、粒子光学系２０４０には、多種多様な電極、例えば異なる電位の電極２２００を集合的に設けることができ、これにより、ビーム２１００が粒子光学系２０４０を通過するときにビームを操作する。
【００５０】
図２Ｂは、分割（セグメント化）電極２３００の概略図を示す。分割電極２３００は、４個のセグメント２３１０ａ〜２３１０ｄを含む。各セグメントは１／４円筒形に概ね対応し、したがって、セグメントを図２Ｂのように配置するとき、空間２３２０ａ〜２３２０ｄがセグメントを分離することを除いて、組み立てたセグメントの全体形状は電極２２００の形状に近似する。
【００５１】
図１の場発生素子２０５０及び２０６０のそれぞれは、図２Ｂの電極２３００に類似の分割電極として実装する。動作中、セグメント２３２０ａ〜２３２０ｄの若干（又は全部）に異なる電位を印加し、粒子ビーム２０４５を選択方向に導く全体的電場を発生させる。
【００５２】
通常、先端部２０１０（例えば、単独で又は先端部２０１０を含むより大きな装置の一部として）をシステム２０００に導入するときは、先端部２０１０は、粒子光学系２０４０の軸線２０４５に完全に整列しない。この誤整列は、軸線２０４５に対する先端部２０１０の変位（すなわち、軸線２０４５に対して直交する平面にとける変位）、及び／又は軸線２０４５に対する先端部２０１０の傾斜（例えば、先端部２０１０の中心軸線と軸線２０４５との間でゼロでない角度をなすような傾斜）の形態をとり得る。
【００５３】
図３Ａは、先端部２０１０と軸線２０４５との間における変位の一例を示す。システム２０００のうち図３Ａに示す部分では、先端部２０１０が、軸線２０４５に対して直交する平面内で軸線２０４５に対して量ｄだけ変位している。この結果、先端部２０１０により生成される粒子ビーム２１００も、量ｄだけ軸線２０４５に対して変位する。
【００５４】
図３Ｂは、軸線２０４５に対して傾斜する先端部２０１０の一例を示す。図３Ｂでは、先端部２０１０の中心軸線２１１０が、軸線２０４５に対してゼロではない角度θｄをなす。先端部２０１０の傾斜の結果として、粒子ビーム２１００が、軸線２０４５に対して角度θｄをなして伝播する。
【００５５】
上述のように、図３Ａ及び図３Ｂに示す各誤整列状態は、試料に対する粒子ビーム２１００の望ましくない変位等の誤差、デフォーカス及び非点収差等の様々な粒子ビーム収差、並びに粒子光学系２０４０におけるビームクリッピング及び他のアパーチャ関連作用さえも生ずることになりかねない。通常、荷電粒子源の平行移動及び傾斜の両方がシステム２０００において同時に存在し、これにより、位置合わせ（アラインメント）手順を一層複雑にし得る。
【００５６】
場発生素子２０５０及び２０６０を適正に構成することにより、粒子ビーム２１００が粒子光学系２０４０に入る前にシステム２０００において変位誤差及び傾斜誤差の両方を補償することができる。ビーム２１００が光学系２０４０に入る前にこれら誤差を補正することは重要である。例えば、ビーム２１００が様々な位置及び／又は様々な角度で光学系２０４０に進入する場合、光学系２０４０における種々の素子を再構成し、様々に異なる粒子位置及び軌道を補償するようにしなければならないことがあり得る。しかしながら、ビーム２１００が粒子光学系２０４０に入る前にビーム位置及び傾斜誤差を補償することができれば、光学系２０４０の種々の素子（これら素子はビーム２１００を操作するために協働するよう複雑に構成する場合がある）を静的構成のままにすることができる。
【００５７】
図４Ａは、変位誤差を補正するように構成した場発生素子２０５０及び２０６０を含む荷電粒子システム２０００の一部を示す概略図である。図４Ａに示すように、先端部２０１０は、粒子光学系２０４０の軸線２０４５に対して直交する平面内で軸線２０４５から変位している。粒子ビーム２１００は、同じ直交平面内で軸線２０４５から同じく変位している先端部２０１０から出射する。しかしながら、ビーム２１００は場発生素子２０５０を通過し、この場発生素子２０５０はビーム２１００を軸線２０４５に向けて偏向させる。続いて、ビーム２１００は場発生素子２０６０を通過し、この場発生素子２０６０は、ビーム２１００の伝播方向を軸線２０４５と一致するようビーム２１００をさらに偏向させる。したがって、素子２０５０及び２０６０により加えられる補正の結果として、ビーム２１００が軸線２０４５の方向に沿って粒子光学系２０４０に進入し、これを通過して伝播する。
【００５８】
図４Ｂは、場発生素子２０５０及び２０６０が傾斜誤差を補正するように構成する、図４Ａの荷電粒子システム２０００と同一部分を示す概略図である。図４Ｂに示すように、先端部２０１０は、粒子光学系２０４０の軸線２０４５に対して傾斜している。粒子ビーム２１００は、軸線２０４５に対してやはり傾斜している先端部２０１０から出射する。しかしながら、ビーム２１００は場発生素子２０５０を通過し、この場発生素子２０５０は、ビーム２１００を軸線２０４５に向けて偏向させる。続いて、ビーム２１００は場発生素子２０６０を通過し、この場発生素子２０６０は、ビーム２１００の伝播方向が軸線２０４５と一致するようにビーム２１００をさらに偏向させる。素子２０５０及び２０６０により加えられる補正の結果として、ビーム２１００が軸線２０４５の方向に沿って粒子光学系２０４０に進入し、これを通過して伝播する。
【００５９】
素子２０５０及び２０６０は、変位及び傾斜の複合誤差を補正することにより、粒子ビームを位置合わせすることもできる。概して、変位及び傾斜の両方が、軸線２０４５に対するビーム２１００の位置ずれとして現れる誤差を生ずる。位置ずれは、軸線２０４５を横切る平面内（例えば、２次元平面内）で生じる。結果として、システム２０００における粒子ビーム２１００は、最大４つの自由度誤差を含み得る。場発生素子２０５０及び２０６０のそれぞれが、ビーム２１００を最大２方向（例えば、軸線２０４５を横切る平面内で）に変位させるよう構成することができる。したがって、システム２０００において２個のこのような場発生素子を用いることにより、傾斜誤差及び変位誤差の両方を完全に補償することができる。いくつかの実施形態では、粒子ビーム２１００が１つ又は２つの自由度誤差のみ（例えば、変位誤差のみ又は傾斜誤差のみ）を有する場合、単独の場発生素子により誤差を補償することができる。したがって、特定の実施形態では、システム２０００は１個の場発生素子（例えば、図１の素子２０５０又は２０６０のいずれか一方）しか含まない。
【００６０】
素子２０５０及び２０６０は、これら素子の種々のセグメントに選択した電位を印加することにより粒子ビーム２１００を偏向させるように構成することができる。適当な電位を選択することにより、特定の電場（電界）分布を電極の中心アパーチャに形成することができる。いくつかの実施形態では、例えば、比較的大きな静電位ＶＳ（例えば、１ｋＶ〜５０ｋＶ）を場発生素子（例えば、素子２０５０若しくは２０６０のいずれか、又は素子２０５０及び２０６０の両方）のセグメント（例えば、２３１０ａ〜２３１０ｄ）のそれぞれに印加することができる。この比較的大きな静電位は、例えば、素子２０５０及び／又は２０６０が抽出器、抑制器、又は先端部２０１０と粒子光学系２０４０（例えば、荷電粒子コラム）との間に位置決めする別タイプの素子として機能する場合に、印加することができる。若干の実施形態では、素子２０５０及び／又は２０６０は、粒子光学系２０４０における第１のレンズの一部を形成することができ、また素子２０５０及び／又は２０６０のセグメントに大きな静電位ＶＳを印加することができる。
【００６１】
さらに、より小さな電位をセグメントのそれぞれに個別に印加し、素子の中心アパーチャに特定の電場分布を生ずるようにすることができる。例えば、セグメント２３１０ａ〜２３１０ｄのそれぞれに印加する総電位は、それぞれＶＳ＋Ｖ１、ＶＳ＋Ｖ２、ＶＳ＋Ｖ３、及びＶＳ＋Ｖ４とすることができる。若干の実施形態では、例えば、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、及びＶ４のそれぞれの符号を正又は負とすることができ、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、及びＶ４のそれぞれの大きさを１Ｖ〜５００Ｖ（例えば、１Ｖ〜４００Ｖ、１Ｖ〜３００Ｖ、１Ｖ〜２００Ｖ、１Ｖ〜１００Ｖ、５Ｖ〜７５Ｖ、１０Ｖ〜５０Ｖ）とすることができる。特定の実施形態では、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、及びＶ４の若干（又は全部）は互いに異なるものとすることができる。一例として、図５は、４個のセグメント２３１０ａ〜２３１０ｄを含む分割電極２３００を示す。電極２３００の４個のセグメントに、電位ＶＳ＋Ｖ１、ＶＳ＋Ｖ２、ＶＳ＋Ｖ３、及びＶＳ＋Ｖ４をそれぞれ印加する。Ｖ１＝−Ｖ３及びＶ２＝−Ｖ４となるように電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、及びＶ４を選択する場合、中心アパーチャ２３３０において、セグメントのそれぞれに印加する共通の電位ＶＳにより生ずる静電場に偏向場が重畳する。
【００６２】
概して、システム２０００における種々の場発生素子は、粒子ビーム２１００を位置合わせするために各素子から必要とされる偏向量に応じて、異なる振幅又は同じ振幅を有する偏向場を生ずるよう構成することができる。さらに、種々の場発生素子は、粒子ビーム２１００を位置合わせするために各素子から必要とされる偏向の方向に応じて、同一方向又は異なる方向の偏向場を生ずるよう構成することができる。
【００６３】
通常、場発生素子２０５０及び２０６０の両方は、システム２０００における先端部２０１０と粒子光学素子２０４０との間に（例えば、図１の位置ＡＢ間に）位置決めする。図１では、素子２０５０及び２０６０は、抑制器２０３０と粒子光学系２０４０との間にそれぞれ位置決めしている。しかしながら、より一般的には、素子２０５０及び２０６０は、システム２０００の先端部２０１０と粒子光学系２０４０との間のどこに位置決めしてもよい。例えば、若干の実施形態では、素子２０５０は、抽出器２０２０と、抽出器２０２０の後に位置決めできる素子２０６０との間に（例えば、抽出器２０２０と抑制器２０３０との間、又は抑制器２０３０と粒子光学素子２０４０との間のいずれかに）位置決めすることができる。素子２０５０及び２０６０の位置の多くの異なる組み合わせは、システム２０００の内部的構成配置（ジオメトリ）による制約、ビーム２１００における粒子特性（例えば、粒子速度の分布及び粒子の性質）、及びシステム２０００における他のコンポーネント（例えば、抽出器２０２０、抑制器２０３０）の機能に応じて、可能である。
【００６４】
特定の実施形態では、１つ又は複数の粒子光学系を場発生素子として実装することができる。例えば、図１では、抽出器２０２０は分割電極として実装することができる。すなわち、抽出器２０２０は、複数の機能をこなすよう構成することができる。まず、抽出器２０２０は、（例えば、抽出器２０２０の各セグメントに大きな正電圧ＶＳを印加することにより）抽出器として機能するよう構成することができる。その４個のセグメントのそれぞれにより小さな電圧Ｖ１−Ｖ４を印加することによる、抽出器２０２０の他の構成によれば、抽出器２０２０を図４Ａ〜図４Ｂに示すようにディフレクタ（偏向器）として機能ささることができる。この結果、傾斜誤差及び変位誤差の両方を完全に補正するために、システム２０００他に分割電極をもう１つだけ存在させればよい。上述のように、この付加的な分割電極は、システム２０００内で多くの異なる場所に位置決めすることができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、場発生素子２０５０及び／又は２０６０は、４個より少ないセグメント又は４個より多いセグメントを含むことができる。概して、システム２０００の場発生素子のいずれもが、２個以上のセグメント（例えば、３個以上のセグメント、４個以上のセグメント、５個以上のセグメント、６個以上のセグメント、７個以上のセグメント、８個以上のセグメント、９個以上のセグメント、１０個以上のセグメント、又はさらにより多くのセグメント）を含むことができる。概して、付加的なセグメントを設け、セグメントによる粒子ビーム２１００の偏向のより精細な制御が得られるようにする。さらに、付加的なセグメントを用いることにより、素子が発生する偏向場全体の均一性を高めることができる。例えば、８個のセグメントを含む場発生素子は、４セグメント素子により生ずる同様の場よりも単一指向性を有する場により近似する偏向場を生成するために通常は用いることができる。さらに、４個より多い個数のセグメントを有する場発生素子を使用して、４セグメント素子で生成する場よりも複雑な偏向場を生成することができる。結果として、４個より大きい個数のセグメントを有する素子を用いて、複雑なビーム整列誤差を補正することができる。
【００６６】
セグメントは、それぞれ、同一（又はほぼ同一）の形状（例えば、図５に示すような放射状セグメント）を有する、又はセグメントのうち若干が他のセグメントの形状とは異なる形状を有ようにすることができる。通常、図５に示すように、セグメントは中心アパーチャ２３３０の周りに対称的に配置する。しかしながら、より一般的には、セグメントは、システム２０００の粒子光学系の全体的設計及び／又は場発生素子が発揮するように設計する整列アラインメントのタイプ及びジオメトリに応じて、中心アパーチャ２３３０の周りに対称又は非対称に配置することができる。さらに、セグメントの配置を含む場発生素子の全体的断面形状は、図５に示すように円形にする、又は別の形状（例えば、正方形、長方形、楕円形、三角形、六角形、八角形、又は別の正多角形若しくは不規則形状）にすることができる。
【００６７】
特定の実施形態では、システム２０００は、２個より大きい個数の場発生素子を含み得る。付加的な場発生素子を用いて、例えばビーム２１００の位置及び軌道に対する付加的制御を行うことができる。概して、システム２０００は、１つ又は複数の場発生素子（例えば、２個またはそれ以上の場発生素子、３個またはそれ以上の場発生素子、４個またはそれ以上の場発生素子、５個またはそれ以上の場発生素子、６個またはそれ以上の場発生素子、８個またはそれ以上の場発生素子）を含み得る。
【００６８】
若干の実施形態では、１個またはそれ以上の場発生素子が、粒子光学系２０４０における第１レンズの一部を形成できるようにする。図６は、抽出器２０２０を場発生素子として実装する荷電粒子システム２０００の実施形態を示す。さらに、第２の場発生素子２０６０が、粒子光学系２０４におけるの第１レンズの一部を形成する。図６に示すシステム２０００の他のコンポーネントは、通常、例えば図１に示すコンポーネントと同様に機能する。２個の場発生素子、すなわち抽出器２０２０及び素子２０６０は、先端部２０１０の変位誤差及び傾斜誤差を補正するよう構成し、これにより粒子ビーム２１００を粒子光学系２０４０の軸線２０４５に位置合わせすることができる。
【００６９】
概して、１個又はそれ以上の場発生素子が粒子光学系２０４０のレンズの一部を形成する場合、多種多様な異なる構成が可能である。いくつかの実施形態では、例えば、粒子光学系２０４０における第１レンズの第１電極及び第２電極の両方が場発生素子として形成する。これら素子を適当に構成することにより（例えば、これら素子のセグメントに適正な電位を印加することにより）、先端部２０１０の変位誤差及び傾斜誤差を補正することができ、粒子ビーム２１００が軸線２０４５に沿って粒子光学系２０４０の残りの部分を経て伝播するよう粒子ビーム２１００を位置合わせする（整列させる）ことができる。
【００７０】
ある実施形態では、抽出器と、粒子光学系２０４０における第１レンズの第１電極及び第２電極のそれぞれとが、場発生素子として形成することができる。上記のように、これら素子を適正に構成することにより、先端部２０１０の変位誤差及び傾斜誤差を補正することができ、粒子ビーム２１００が粒子光学系２０４０の軸線２０４５に沿って粒子光学系２０４０の残りの部分を経て伝播するよう粒子ビーム２１００を位置合わせする（整列させる）ことができる。追加の場発生素子により、粒子ビームの位置合わせにおけるさらなる融通性が得られる。
【００７１】
いくつかの実施形態では、場発生素子は、荷電粒子を偏向させるのに電場（電界）ではなく磁場（磁界）を生成するよう構成することができる。図７は、４個のセグメント２４１０ａ〜２４１０ｄを含む場発生素子２４００の実施形態を示す。４個のセグメントのそれぞれが、ニッケル鉄合金等の高透磁率の磁性材料で形成する。各セグメントは、通常は螺旋コイル巻線で包囲し（図７では、分かり易くするためにセグメント２４１０ｂ及び２４１０ｄのみを包囲する巻線２４４０ａ及び２４４０ｂを示す）。動作中、電流をコイル巻線（例えば、ワイヤ２４２０ａ及び２４２０ｂの１つ又は複数を介して）に供給し、巻線に磁場を発生させ、これがセグメントを透過する。磁場は１つのセグメントから他のセグメントに貫通するため、適当に構成されたセグメントでは、比較的均一な偏向磁場２４３０を素子の中心アパーチャ２４５０に形成することができる。図７には示していないが、セグメント２４１０ａと２４１０ｃとの間で中心アパーチャ２４５０に同様の偏向場を発生し、磁場２４３０の偏向方向に直交する方向に粒子ビーム２１００を偏向させるようにすることができる。通常、セグメント２４１０ａ〜２４１０ｄが発生する磁場の強度は、各セグメントを包囲する巻線を通過する電流を変化させることにより変えることができる。
【００７２】
概して、粒子ビーム偏向のための磁場を発生させる場発生素子を、上述の電場発生素子のいずれかの代わりに用いることができる。磁場発生素子は、一般的に電場発生素子に関連して上述した特性のいずれかを有することができる。例えば、磁場発生素子は、２個またはそれ以上のセグメントを含むことができ、２個またはそれ以上のセグメントの形状は、全て同じであっても異なっていてもよい。セグメントの形状は、規則的であっても不規則であってもよく、セグメントは、中心アパーチャ２４５０の周りに対称又は非対称に配置することができる。任意の個数の磁場発生素子を用いて、荷電粒子源の傾斜誤差及び／又は変位誤差を適宜補正し、また粒子光学系２０４０の軸線２０４５に沿って粒子ビーム２１００を位置合わせする（整列させる）ことができる。さらに、磁場発生素子は、通常は先端部２０１０と粒子光学系２０４０との間で任意の位置に位置決めすることができる。電場発生素子に関連して上述したように、いくつかの実施形態では、粒子光学系２０４０における第１レンズは１つ又は複数の磁場発生素子を設けることができる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、電場発生素子及び磁場発生素子の組み合わせを用いて、荷電粒子源の傾斜誤差及び変位誤差を補正し、また粒子ビーム２１００を粒子光学系２０４０の軸２０４５と位置合わせすることができる。特に、電場発生素子及び磁場発生素子の組み合わせを用いて、非分散システムを得ることができる。荷電粒子に関する磁場の分散性は、概して電場の半分である。さらに、磁場は、電場が荷電粒子を分散させる状況とは逆の状況に荷電粒子を分散させる。すなわち、磁場がもたらす分散は、電場がもたらす分散とは逆の符号である。したがって、システム２０００において電場発生素子及び磁場発生素子の両方を用いると共に、これらの素子のそれぞれが発生する場の振幅を適当に選択することにより、粒子ビーム２１００と粒子光学系２０４０の軸線２０４５との非分散位置合わせを達成することができる。例えば、適当な構成により、電場発生素子及び磁場発生素子は、大きさ及び方向の両方が互いに逆の粒子偏向を発生させるように構成することができる。
【００７４】
特定の実施形態では、電場発生素子及び／又は磁場発生素子は、システム２０００により自動的に構成することができる。例えば、システム２０００は、場発生素子に電圧及び／又は電流を供給する１つ又は複数の電圧源及び／又は電流源に結合する電子プロセッサを含み得る。電子プロセッサは、例えば、粒子ビーム２１００が粒子光学系２０４０から出射した後にこれを測定して、測定したビームに基づいて場発生素子の１つ又は複数を調整する検出器に結合することができる。一例として、検出器は、ビーム中の粒子電流を測定するよう構成することができ、電子プロセッサは、粒子ビームの測定電流を増大させるよう場発生素子の１つ又は複数を調整するように構成することができる。
【００７５】
本明細書に開示する場発生素子を用いて、多種多様な異なるタイプの粒子ビームを位置合わせすることができる。粒子ビームは、例えば、電子及び／又はイオンを含み得る。特に、いくつかの実施形態では、粒子ビームは、ヘリウムイオン、ネオンイオン、アルゴンイオン、及び／又はクリプトンイオン等の希ガスイオンを含み得る。これらタイプのイオンの１つ又は複数を、本開示の第２部で説明するガス電界イオンシステム等のイオンビームシステムで発生させることができる。本明細書に開示するシステムを用いて、例えば水素イオン等、他のタイプのイオンを含む荷電粒子ビームを位置合わせすることもできる。
【００７６】
場発生素子がビーム位置合わせ用の機械的機構を含まないシステムで用いられる実施形態について説明してきたが、随意に、システムが場発生素子及びビーム位置合わせ用の機械的機構を含み得る。このような機械的機構の例は、例えば、米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号に開示されており、その全内容が参照により本明細書に援用される。
【００７７】
イオンビームシステム
本開示による発明のこの部分は、イオンビームを生成し、関心対象の試料（例えば、様々な回路素子を含む半導体デバイス）をイオンビームに被曝させることにより試料から離脱する二次電子及び散乱イオンを含む粒子を検出するシステム及び方法に関する。このシステム及び方法を用いて、例えば、試料の１つ又は複数の画像を得ることができる。
【００７８】
通常、試料の検査に用いられるガスイオンビームは、多目的顕微鏡システムで生成される。試料解析（例えば画像形成）で使用できるイオンを発生させるガス電界イオン源を用いる顕微鏡システムは、ガス電界イオン顕微鏡と称される。ガス電界イオン源は、先端部（通常は１０個またはそれ以下の原子を備える頂部を有する）を含む装置であり、この先端部を用いて、先端部の頂点に高い正電位（例えば、抽出器（後述を参照）に対して１ｋＶ以上）を印加しながら、中性ガス種を先端部に近付ける（例えば、約４Å〜５Åの距離内）ことにより、中性ガス種をイオン化して（例えば、イオンビームの形態の）イオンを発生させることができる。
【００７９】
図８は、ガス電界イオン顕微鏡システム１００の概略図を示し、ガス電界イオン顕微鏡システム１００は、ガス源１１０、ガス電界イオン源１２０、イオン光学系１３０、試料マニピュレータ１４０、前側検出器１５０、後側検出器１６０、及び電子制御システム１７０（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサ）を含み、電子制御システム１７０は、通信ライン１７２ａ〜１７２ｆを介してシステム１００の種々のコンポーネントに電気的に接続する。試料１８０が、イオン光学系１３０と検出器１５０、１６０との間で試料マニピュレータ１４０内／上に位置決めする。使用中、イオンビーム１９２はイオン光学系１３０を経て試料１８０の表面１８１に向けられ、イオンビーム１９２と試料１８０との相互作用から得られる粒子１９４が、検出器１５０及び／又は１６０により測定される。
【００８０】
図９に示すように、ガス源１１０は、１つ又は複数のガス１８２をガス電界イオン源１２０に供給するよう構成する。ガス源１１０は、様々な純度、流量、圧力、及び温度でガス（複数可）を供給するよう構成することができる。概して、ガス源１１０により供給されるガスの少なくとも１つは、希ガス（ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ），キセノン（Ｘｅ））であり、希ガスのイオンがイオンビーム１９２の主成分であることが望ましい。
【００８１】
随意に、ガス源１１０は、希ガス（複数可）に加えて１つ又は複数のガスを供給することができ、そのようなガスの一例は窒素である。通常、付加的なガス（複数可）は、希ガス（複数可）の純度レベルよりも高いレベルで存在し得るが、付加的なガス（複数可）は、依然としてガス源１１０により導入されるガス混合物全体における微量成分でしかない。
【００８２】
ガス電界イオン源１２０は、ガス源１１０から１つ又は複数のガス１８２を受け取ってガス（複数可）１８２からガス電界イオンを生成するように構成する。ガス電界イオン源１２０は、先端部頂点１８７を有する先端部１８６、抽出器１９０、及び随意に抑制器１８８を含む。
【００８３】
先端部１８６は、様々な材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、先端部１８６は、金属（例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、レニウム（Ｒｈ）、ニオブ（Ｎｂ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ））で形成する。特定の実施形態では、先端部１８６は、合金で形成することができる。いくつかの実施形態では、先端部１８６は、異なる材料（例えば、炭素（Ｃ））で形成することができる。
【００８４】
使用中、先端部１８６は、抽出器１９０に対して正にバイアスをかけられ（例えば、約２０ｋＶ）、抽出器１９０は、外部接地に対して負又は正にバイアスをかけられ（例えば、−２０ｋＶ〜＋５０ｋＶ）、随意の抑制器１８８は、先端部１８６に対して正又は負にバイアスをかけられる（例えば、−５ｋＶ〜＋５ｋＶ）。先端部１８６は、通常は導電性材料で形成するため、先端部頂点１８７における先端部１８６の電場は、先端部頂点１８７の表面から外方に向いている。先端部１８６の形状により、電場は、先端部頂点１８７の近傍で最も強い。先端部１８６の電場の強度は、例えば、先端部１８６に印加される正電圧を変えることにより調整することができる。この構成により、ガス源１１０に供給されるイオン化されていないガス原子１８２がイオン化され、先端部頂点１８７の近傍で正電荷イオンになる。正電荷イオンは、正に帯電した先端部１８６に反発されると同時に負に帯電した抽出器１９０に引き付けられることにより、イオンビーム１９２として先端部１８６からイオン光学系１３０に向けられる。抑制器１８８は、先端部１８６と抽出器１９０との間の電場全体、ひいては先端部１８６からイオン光学系１３０への正電荷イオンの軌道を制御するのに役立つ。概して、先端部１８６と抽出器１９０との間の電場全体を調整して、正電荷イオンが先端部頂点１８７で生成される速度と、正電荷イオンが先端部１８６からイオン光学系１３０に搬送される効率とを制御することができる。
【００８５】
概して、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２を試料１８０の表面１８１に向けるように構成する。イオン光学系１３０は、例えば、ビーム１９２のイオンの集束、コリメート、偏向、加速、及び／又は減速を行うことができる。イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２のイオンの一部のみをイオン光学系１３０に通過させることもできる。概して、イオン光学系１３０は、所望に応じて構成される様々な静電素子又は他のイオン光学素子を含む。イオン光学系１３０の１つ又は複数のコンポーネント（例えば、静電ディフレクタ）の電場強度を操作することにより、試料１８０の表面１８１にわたってイオンビーム１９２を走査させることができる。例えば、イオン光学系１３０は、イオンビーム１９２を互いに直交する２つの方向に偏向させる２個のディフレクタを設けることができる。ディフレクタは、イオンビーム１９２が表面１８１の一領域にわたってラスタ走査される（rastered）ように様々な電場強度を有し得る。
【００８６】
イオンビーム１９２が試料１８０に入射すると、様々な異なるタイプの粒子１９４が発生し得る。これら粒子としては、例えば、二次電子、オージェ電子、二次イオン、二次中性粒子、一次中性粒子、散乱イオン及び光子（例えば、Ｘ線光子、ＩＲ光子、可視光子、ＵＶ光子）が挙げられる。検出器１５０及び１６０は、イオンビーム１９２と試料１８０との相互作用から得られる１つ又は複数の異なるタイプの粒子をそれぞれが測定するように位置決め及び構成する。図９に示すように、検出器１５０は、試料１８０の表面１８１から主に生じる粒子１９４を検出するように位置決めし、検出器１６０は、試料１８０の裏表面１８３から主に現れる粒子１９４（例えば、透過粒子）を検出するように構成される。概して、任意の数及び構成の検出器を本明細書に開示される顕微鏡システムで用いることができる。いくつかの実施形態では、複数の検出器を用い、複数の検出器のいくつかが、異なるタイプの粒子を測定するように構成される。特定の実施形態では、検出器は、同じタイプの粒子に関する異なる情報（例えば、粒子のエネルギー、所与の粒子の角度分布、所与の粒子の全存在量）を提供するように構成する。随意に、このような検出器構成の組み合わせを用いることができる。
【００８７】
概して、検出器により測定された情報を用いて、試料１８０に関する情報を決定する。通常、この情報は、試料１８０の１つ又は複数の画像を得ることにより求められる。表面１８１にわたってイオンビーム１９２をラスタ走査することにより、個別のステップで試料１８０に関する画素毎の情報を得ることができる。検出器１５０及び／又は１６０は、各画素で１つ又は複数の異なるタイプの粒子１９４を検出するように構成することができる。
【００８８】
顕微鏡システム１００の動作は、一般的に電子制御システム１７０を介して制御する。例えば、電子制御システム１７０は、ガス源１１０により供給されるガス（複数可）、先端部１８６の温度、先端部１８６の電位、抽出器１９０の電位、抑制器１８８の電位、イオン光学系１３０のコンポーネントの設定、試料マニピュレータ１４０の位置、及び／又は検出器１５０及び１６０の配置位置及び設定を制御するように構成することができる。随意に、これらパラメータの１つ又は複数を手動で（例えば、電子制御システム１７０と一体的なユーザインタフェースを介して）制御することができる。付加的に又は代替的に、電子制御システム１７０を用いて（例えば、コンピュータ等の電子プロセッサを介して）、検出器１５０及び１６０により収集した情報を解析して試料１８０に関する情報（例えば、トポグラフィ情報、材料成分情報、結晶情報、電圧コントラスト情報、光学的特性情報、磁気情報）を提供することができ、この情報は、随意に画像、グラフ、表、スプレッドシート等の形態とすることができる。通常、電子制御システム１７０は、ディスプレイ又は他の種類の出力装置、入力装置、及び記憶媒体を特徴とするユーザインタフェースを含む。
【００８９】
いくつかの実施形態では、電子制御システム１７０は、さらなる装置を制御するように構成することができる。例えば、電子制御システム１７０は、場発生粒子位置合わせ素子（例えば、図１に示す）のセグメントに供給される電位及び／又は電流を調整するように構成することができる。電子制御システム１７０は、検出器（例えば、検出器１５０及び／又は１６０及び／又は別の検出器）に結合し、またイオンビーム電流等のイオンビーム１９２の１つ又は複数の特性を測定するように構成することができる。測定したイオンビーム電流に基づいて、電子制御システム１７０は、場発生素子のセグメントに印加する電位及び／又は電流を調整する（例えば、測定したイオンビーム電流を増大させる）ように構成することができる。
【００９０】
検出器１５０及び１６０は、検出器１５０が試料１８０の表面１８１（イオンビームが入射する表面）からの粒子を検出するよう位置決めし、検出器１６０は試料１８０の表面１８３からの粒子を検出するよう位置決めした状態で、図９に概略的に示す。概して、多種多様な異なる検出器を顕微鏡システム２００で用いて異なる粒子を検出することができ、顕微鏡システム２００は、通常は任意な所望数の検出器を含むことができる。種々の検出器（複数可）の構成は、測定する粒子及び測定条件に従って選択することができる。いくつかの実施形態では、スペクトル分解検出器（spectrally resolved detector）を用いることができる。このような検出器は、異なるエネルギー及び／又は波長の粒子を検出し、検出した各粒子のエネルギー及び／又は波長に基づいて粒子を分解することが可能である。
【００９１】
図１０は、ヘリウムイオン顕微鏡システム２００の概略図である。図１０に示すように、いくつかの実施形態では、イオン光学系１３０が、第１レンズ２１６、位置合わせディフレクタ２２０及び２２２、アパーチャ２２４、非点収差補正器２１８、走査ディフレクタ２１９及び２２１、並びに第２レンズ２２６を含む。アパーチャ２２４は、アパーチャ取り付け部２３４に位置決めする。試料１８０は、第２の真空ハウジング２０４内の試料マニピュレータ１４０内／上に取り付ける。同じく第２の真空ハウジング２０４内に位置決めされる検出器１５０及び１６０は、試料１８０からの粒子１９４を検出するように構成する。ガス源１１０、先端部マニピュレータ２０８、抽出器１９０、抑制器１８８、第１レンズ２１６、位置合わせディフレクタ２２０及び２２２、アパーチャ取り付け部２３４、非点収差補正器２１８、走査ディフレクタ２１９及び２２１、試料マニピュレータ１４０、並びに／又は検出器１５０及び／又は１６０は、通常は電子制御システム１７０により制御する。随意に、電子制御システム１７０は、真空ハウジング２０２及び２０４内及びイオン光学系１３０内に減圧環境を提供するように構成する真空ポンプ２３６及び２３７も制御する。
【００９２】
いくつかの実施形態では、アパーチャ２２４は、実質的に先端部１８６の１個の原子からのイオンのみがアパーチャに通過できるように位置決めすることができる。例えば、先端部１８６は、終端棚層（terminal shelf）を形成する比較的少数の原子（例えば、３個の原子）を含み得る。アパーチャ２２４は、終端棚層部における原子のうち１つの原子近傍で発生したイオンのみがアパーチャを通過できるように位置決めすることができる。
【００９３】
いくつかの実施形態では、荷電粒子光学系を通過する荷電粒子ビームの位置合わせは、２段階で行うようにすることができる。アパーチャ２２４をビームの経路から後退させて行う第１の手順では、上述のように、ビームを荷電粒子光学系の中心軸線に位置合わせする（整列させる）。続いて、Ｈｅガス原子と先端部１８６の頂点１８７における３原子層との相互作用により発生するＨｅイオンがアパーチャ２２４を通過することを確実にするために、第２の位置合わせ手順を行う。ディフレクタ２２０及び２２２に印加される電位は、アパーチャ２２４を通過するイオンビーム１９２のＨｅイオンの７０％以上（例えば、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上、９５％以上、９７％以上、９９％以上）が、Ｈａガス原子と先端部１８６の頂点における３個の三量体原子のうち１個のみとの相互作用により発生するように調整する。同時に、ディフレクタ２２０及び２２２に印加される電位の調整は、アパーチャ２２４がＨｅガス原子と他の２個の三量体原子との相互作用により発生するイオンビーム１９２のＨｅイオンの５０％以上（例えば、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、９５％以上、９８％以上）が試料１８０の表面１８１に達するのを阻止することを確実にする。この第２の位置合わせ手順の結果として、アパーチャ２２４を通過してイオン光学系１３０から出るＨｅイオンビームは、先端部１８６の頂点における３個の三量体原子のうち、１個のみの近傍で主にイオン化されたＨｅ原子を含むようになる。
【００９４】
イオンビームシステム及び方法は、例えば、米国特許出願公開第２００７／０１５８５５８号に概して開示されている。
【００９５】
コンピュータのハードウェア及びソフトウェア
概して、上述の方法のいずれも、コンピュータのハードウェア若しくはソフトウェア又は両方の組み合わせで実施及び／又は制御することができる。これら方法は、本明細書に記載の方法及び図に従って標準的なプログラミング技法を用いてコンピュータプログラムで実施することができる。プログラムコードを入力データに適用して、本明細書に記載の機能を実施すると共に出力情報を生成する。出力情報は、ディスプレイモニタ等の１つ又は複数の出力装置に適用される。各プログラムを高レベルの手続き言語又はオブジェクト指向プログラミング言語で実施して、コンピュータシステムと通信することができる。しかしながら、プログラムは、所望であればアセンブリ言語又は機械語で実施することもできる。いずれの場合も、言語はコンパイル言語又はインタープリタ言語であり得る。さらに、プログラムは、その目的でプログラムされた専用集積回路で実行することができる。
【００９６】
このようなコンピュータプログラムはそれぞれ、汎用又は専用のプログラマブルコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体又は記憶装置（例えば、ＲＯＭ又は磁気ディスク）がコンピュータにより読み取られて本明細書に記載の手順を実施するときに、コンピュータを構成及び作動させるために、こうした記憶媒体又は記憶装置に記憶されることが好ましい。コンピュータプログラムは、プログラム実行中にキャッシュ又はメインメモリに常駐することもできる。これらの方法及びその一部は、コンピュータプログラムを用いて構成されるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体として実施することもでき、その場合、そのように構成された記憶媒体がコンピュータを特定の予め定義した方法で作動させて本明細書に記載の機能を実施する。
【００９７】
他の実施形態は特許請求の範囲内に記載する。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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