特許 6987233 荷電粒子線装置及びその軸調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6987233

(24)【登録日】2021年12月2日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】荷電粒子線装置及びその軸調整方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/15 20060101AFI20211213BHJP

   H01J 37/141 20060101ALI20211213BHJP

   H01J 37/20 20060101ALI20211213BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20211213BHJP

   H01J 37/16 20060101ALI20211213BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/15

   H01J37/141 A

   H01J37/20 A

   H01J37/28 B

   H01J37/16

【請求項の数】12

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2020-520889(P2020-520889)

(86)(22)【出願日】2018年5月22日

(86)【国際出願番号】JP2018019568

(87)【国際公開番号】WO2019224895

(87)【国際公開日】20191128

【審査請求日】2020年11月18日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】今井 悠太

(72)【発明者】

【氏名】笹島 正弘

(72)【発明者】

【氏名】高鉾 良浩

【審査官】 右▲高▼ 孝幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２５４７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−１５１２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１９０９７９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／１５

Ｈ０１Ｊ ３７／１４１

Ｈ０１Ｊ ３７／２０

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子源と、
前記電子源からのプローブ電子線を試料に集束させる対物レンズと、
前記プローブ電子線を通過させる第１ビーム管及び第２ビーム管と、
前記第２ビーム管よりも前記対物レンズ側に配置される前記第１ビーム管と前記試料との間に配置される減速電極と、
前記第１ビーム管に第１電位を印加することにより、前記第１ビーム管と前記減速電極との間で、前記プローブ電子線に対する減速電界を形成する第１電圧源と、
前記第１ビーム管の位置を移動させる第１移動機構とを有する荷電粒子線装置。

【請求項2】

請求項１において、
第１電圧源は、前記第１ビーム管及び前記第２ビーム管に、前記第１電位を印加する荷電粒子線装置。

【請求項3】

請求項１において、
前記第２ビーム管に第２電位を印加することにより、前記第２ビーム管と前記電子源との間で、前記プローブ電子線に対する加速電界を形成する第２電圧源を有し、
前記第１電位と前記第２電位とを同電位とするよう、前記第１電圧源と前記第２電圧源とを制御するモードを有する荷電粒子線装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記減速電極は、前記対物レンズの磁路と磁気的に結合されている荷電粒子線装置。

【請求項5】

請求項１において、
前記第１ビーム管は前記電子源側の端部にフランジ部を有し、
前記第２ビーム管は前記対物レンズ側の端部にフランジ部を有し、
前記第１ビーム管のフランジ部と前記第２ビーム管のフランジ部とが対向するように配置されている荷電粒子線装置。

【請求項6】

請求項１において、
前記第１ビーム管は、空間または絶縁体を介して、前記減速電極と電気的に絶縁されている荷電粒子線装置。

【請求項7】

請求項１において、
前記第１ビーム管を内蔵するカラムを有し、
前記第１移動機構は前記カラムの外側から前記第１ビーム管の位置を移動させることができる荷電粒子線装置。

【請求項8】

請求項１において、
前記第１ビーム管と前記第２ビーム管との間に配置され、前記プローブ電子線を通過させる第３ビーム管と、
前記第２ビーム管に第２電位を印加することにより、前記第２ビーム管と前記電子源との間で、前記プローブ電子線に対する加速電界を形成する第２電圧源と、
前記第３ビーム管に第３電位を印加する第３電圧源と、
前記第３ビーム管の位置を移動させる第２移動機構とを有し、
前記第１電位と前記第３電位とを同電位とするよう、前記第１電圧源と前記第３電圧源とを制御するモード及び、第２電位と前記第３電位とを同電位とするよう、前記第２電圧源と前記第３電圧源とを制御するモードを有する荷電粒子線装置。

【請求項9】

電子源と、
前記電子源からのプローブ電子線を試料に集束させる対物レンズと、
前記プローブ電子線を通過させる開口を有する電極と、
前記試料に第１電位を印加することにより、前記電極と前記試料との間で、前記プローブ電子線に対する減速電界を形成する電圧源と、
前記電極の位置を移動させる移動機構と、
前記電極よりも前記電子源側に配置され、前記プローブ電子線を通過させるビーム管と、
前記電極及び前記ビーム管に、前記第１電位とは逆極性の第２電位を印加する第２電圧源とを有する荷電粒子線装置。

【請求項10】

プローブ電子線を試料に集束させる磁場レンズと前記プローブ電子線を減速させる静電レンズとが重畳された減速光学系を有する荷電粒子線装置の軸調整方法であって、
前記プローブ電子線軌道が前記磁場レンズの電流中心軸を通るように調整し、
前記磁場レンズに供給する励磁電流を周期的に変動させたときの像の動きが最小になるように、前記静電レンズの電界を形成する電極の位置を移動させる軸調整方法。

【請求項11】

請求項１０において、
前記静電レンズの電界の大きさを周期的に変動させたときの像の動きが最小になるように、前記プローブ電子線軌道を調整する第１のステップと、
前記磁場レンズに供給する励磁電流を周期的に変動させたときの像の動きが最小になるように、前記静電レンズの電界を形成する電極の位置を移動させる第２のステップとを有し、
前記第１のステップと前記第２のステップとを繰り返す軸調整方法。

【請求項12】

請求項１０において、
前記荷電粒子線装置は、ブースティング法またはリターディング法が適用された荷電粒子線装置である軸調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、荷電粒子線装置及びその軸調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、集束させたプローブ電子線を試料上に照射及び走査した際に発生する信号電子を検出し、各照射位置の信号強度を照射電子線の走査信号と同期して表示することで、試料表面の走査領域の二次元画像を得るものである。

【0003】

近年、ＳＥＭ観察時の電子線照射に伴う試料の帯電やダメージの回避、及び極表面の試料情報を得る目的で、照射エネルギーが約1ｋｅＶ以下の低加速観察の重要度が増している。しかし、一般的に低加速域では色収差が増大し、高分解能を得ることが難しい。この色収差を低減するため、プローブ電子線を加速して対物レンズを高速で通過させ、試料直前で減速して照射する減速光学系が知られている。

【0004】

減速光学系のうちブースティング法と呼ばれる手法では、ＳＥＭの対物レンズの内磁路の内壁に沿って正電圧を印加する筒状の電極を設け、試料は接地電位にする。また、リターディング法と呼ばれる手法ではＳＥＭカラムの対物レンズ側は接地電位に保ち、試料に負電圧を印加する。いずれの手法においても対物レンズから電子源側のプローブ電子線の通過領域が試料よりも高電位であることが特徴であり、この電位差により形成される、プローブ電子線を試料に向かって減速させる電界をレンズ場として利用する。減速電界による静電レンズと対物レンズ磁場による磁場レンズを重畳させることで、低加速域で収差を低減でき、高分解能が得られる。

【0005】

減速光学系においては、重畳している静電レンズと磁場レンズの両者が照射系性能を決定付ける。特に、低加速電圧領域においては静電レンズによる影響が大きくなる。このため、最良の性能を得るためには、重畳される磁場レンズと静電レンズのそれぞれのレンズ中心にプローブ電子線を誘導する必要がある。プローブ電子線がレンズ中心を外れた箇所（軸外）を通過する場合、軸外収差が発生して照射電子線のスポット形成に悪影響を与えるからである。

【0006】

磁場レンズの中心を通過させる調整方法として、対物レンズの励磁電流を周期的に変化させる際の像移動量を最小にすることで行われる電流中心軸調整がよく用いられる。これにより、磁場レンズの軸外収差を最小にすることができる。加えて、像取得の際のフォーカス調整時に像移動が発生しなくなるため、フォーカス調整の操作性が向上する。

【0007】

一方で、静電レンズの中心を通過させる調整方法としては、静電レンズの電界を形成する電極の印加電圧を周期的に変化させる際の像移動量を最小にする電圧中心軸調整が用いられる。これにより、静電レンズで発生する色収差を最小とすることが可能となる。

【0008】

特許文献１には、減速光学系を備えた電子線装置において、電磁アライナを用いて電子線の軌道を偏向し、軸調整可能とする構成が開示されている。具体的には、静電レンズを形成する電極と磁場レンズを形成する対物レンズとの間に偏向器を配置し、静電レンズ中心にプローブ電子線を誘導する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０００−１７３５１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

荷電粒子線装置では、レンズ場に進入する照射電子線の軌道を電磁アライナで偏向することで、静電レンズや磁場レンズの中心にプローブ電子線を導く光軸調整がよく行われている。しかし、減速光学系のような静電レンズと磁場レンズを重畳させて用いる光学系において、静電レンズと磁場レンズのそれぞれの軸があらかじめ直線的に一致している保証はなく、多くの場合は一致していない。そのため、電子線軌道の偏向のみでは重畳レンズとしての軸調整を十分に行えないという課題がある。

【0011】

また、特許文献１に開示の軸調整法では、磁場レンズを形成する対物レンズと静電レンズを形成する電極との間に偏向器を配置する必要がある。しかし、対物レンズはできる限り試料に近い位置に配置することが、焦点距離を小さくし、収差を低減させるために望ましい。このため、偏向器を静電レンズと磁場レンズとの間に配置するとなると、その機械的制約から対物レンズ構造の設計自由度が減少し、結果的に磁場レンズや静電レンズを十分に試料に近づけることが困難となる。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記課題を解決するために、請求の範囲に記載の構成を採用する。例えば、一実施態様である荷電粒子線装置は、電子源と、電子源からのプローブ電子線を試料に集束させる対物レンズと、プローブ電子線を通過させる第１ビーム管及び第２ビーム管と、第２ビーム管よりも対物レンズ側に配置される第１ビーム管と試料との間に配置される減速電極と、第１ビーム管に第１電位を印加することにより、第１ビーム管と減速電極との間で、プローブ電子線に対する減速電界を形成する第１電圧源と、第１ビーム管の位置を移動させる移動機構とを有する。

【発明の効果】

【0013】

減速電界による静電レンズの軸を磁場レンズの軸に一致させることで、重畳レンズとしての軸調整を容易とした荷電粒子線装置を実現できる。

【0014】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１に係る荷電粒子線装置を示す概略断面図である。

【図2】従来の減速光学系を備えた荷電粒子線装置を示す概略断面図である

【図3】実施例１に係る荷電粒子線装置の変形例を示す概略断面図である。

【図4】実施例１に係る荷電粒子線装置の変形例を示す概略断面図である。

【図5】実施例２に係る荷電粒子線装置を示す概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施例を説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。なお、実施例および変形例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【実施例1】

【0017】

図１は、実施例１に係る荷電粒子線装置を示す概略断面図である。荷電粒子線装置の例として、ブースティング法が適用されたＳＥＭを示す。ＳＥＭカラム１は、試料１２に対してプローブ電子線を照射するための機構を備えた電子源２と、プローブ電子線の径を制限するためのアパーチャ５と、コンデンサレンズ３や対物レンズ４などの電子レンズと、プローブ電子線を試料１２上で走査するための偏向器７と、試料１２から発生する信号電子を検出するための検出器６とを含む。対物レンズ４は例えばコイル等を用いて磁場を発生させ、プローブ電子線を試料１２に集束させるための磁場レンズを形成する。なお、ＳＥＭカラム１は、上記以外に他の構成要素（レンズ、電極、検出器など）を含んでもよく、上述した構成に限定されるものではない。

【0018】

さらに、ＳＥＭは試料室１４を備える。試料室１４には、試料１２を搭載する試料台１３が設けられる。試料台１３は、試料１２を傾斜及び移動させるための機構を備え、この機構により試料１２の観察領域を決めることができる。その他、ＳＥＭは試料室１４およびＳＥＭカラム１を真空排気するための真空排気設備（図示せず）を備える。

【0019】

また、ＳＥＭは、ＳＥＭ全体を制御する制御部１６を備える。制御部１６は、ＳＥＭの各構成要素を制御するとともに、各種情報処理を実行する。制御部１６は、画像表示装置（図示せず）を備え、検出器６から得られた情報から生成されたＳＥＭ像を画像表示装置に表示する。

【0020】

制御部１６は、例えば、汎用のコンピュータを用いて実現されてもよく、コンピュータ上で実行されるプログラムの機能として実現されてもよい。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、メモリなどの記憶部と、ハードディスクなどの記憶装置を少なくとも備える。制御部１６の処理は、プログラムコードとしてメモリに格納し、プロセッサが各プログラムコードを実行することによって実現されてもよい。制御部１６の一部が、専用の回路基板などのハードウェアによって構成されてもよい。

【0021】

ＳＥＭカラム１の対物レンズ４は、試料１２に対し漏洩磁界が小さいアウトレンズ型である。また、ＳＥＭカラム１は減速光学系としてブースティング手段を備える。具体的には、ＳＥＭカラム１において、電子源２から光軸に沿って筒状の第２ビーム管９が、対物レンズ４の対物レンズ磁路の内壁に沿って第１ビーム管８がそれぞれ設置されている。また、第１ビーム管８および第２ビーム管９にブースティング電圧を印加するための電圧源（ブースティング電圧源）１５を備える。なお、ブースティング電圧源１５からの電圧は、制御部１６によって制御される。加えて、対物レンズ先端部には減速電極１０が設置される。第１ビーム管８および第２ビーム管９は、ブースティング電圧源１５からの電圧印加により、減速電極１０よりも高電位に設定される。これにより、第１ビーム管８の試料側端部と減速電極１０との間にプローブ電子線に対する減速電界が形成され、プローブ電子線はこの電界を通過する際にレンズ作用を受けて減速する。

【0022】

特にプローブ電子線の照射エネルギーが5ｋｅＶ以下の観察条件において高分解能を得るには、試料１２に対して第１ビーム管８を高電位に設定し、減速電界を形成する必要がある。例えば、試料１２と第１ビーム管８との電位差を約10ｋＶに設定する。ＳＥＭカラム１からの漏洩電界が強いほど、試料１２の近傍に焦点距離の短い静電レンズ作用を得ることができる。これにより収差が低減され、分解能の改善効果が大きくなる。

【0023】

また、減速電極１０は対物レンズ４の一部を構成していても良い。減速電極１０が磁性体で構成され、対物レンズ磁路と磁気的に結合されてもよく、対物レンズ磁路及び減速電極１０が一つの磁気回路として機能するように構成することも可能である。

【0024】

ＳＥＭにおいて最良の照射系性能を得るためには、プローブ電子線のレンズを通過する経路を適切に調整する軸調整が必要となる。特に、本実施例のように減速光学系を備え磁場レンズと静電レンズを重畳させて用いるＳＥＭにおいて、プローブ電子線が電子レンズのレンズ中心軸から外れた箇所を通過する場合、レンズの軸外収差の影響を受け、照射系性能は悪化する。静電レンズ、磁場レンズのどちらか片方であれ軸外を通過する場合、照射系性能は悪化するため、静電レンズ及び磁場レンズ両者の軸を一致させ、その中心にプローブ電子線を通過させる軸調整が必要となる。

【0025】

本実施例では、静電レンズの光軸を移動させることで重畳レンズの軸調整を行う。静電レンズの光軸の位置は、第１ビーム管８と減速電極１０との位置関係によって決まる。従って、第１ビーム管８の位置を移動させることで、静電レンズ軸位置の調整が実現できる。このために、本構成では減速電界を形成する第１ビーム管８の位置を機械的に移動させることが可能な移動機構１１を設けている。

【0026】

第１ビーム管８は対物レンズ磁路や減速電極１０と電気的な絶縁を維持しつつ、移動機構１１により移動可能な構造とされることが必要である。両者の間に隙間を設けて空間で絶縁される構造としても良い。また、両者の間に変形可能な絶縁体を介在させることによって電気的に絶縁される構造としても良い。このような構造とすることで第１ビーム管８に高電圧を印加した状態で、位置移動を行うことが可能となる。

【0027】

比較例として、従来の減速光学系を備えたＳＥＭカラムの概略図を図２に示す。図１の構成と比較すると、高電位が印加されるビーム管１７は分割されておらず、プローブ電子線に対して、電子源側の端部に加速電界が、試料側の端部に減速電界が形成され、それぞれの電界がレンズ作用を持つ構造となっている。プローブ電子線が加速レンズ３１の中心を通過しない場合、軸外収差が発生し照射系に悪影響を与える。そのため、光学系の軸調整を行う際にはまず、プローブ電子線を加速レンズ３１の中心を通過させるよう、電子線軌道を誘導する。例えば、電子源２の位置の移動や、電磁偏向器を用いての軌道偏向がよく行われる。

【0028】

一方で、先に述べたように、磁場レンズと重畳する、ビーム管試料側端部にできる減速レンズ３２の軸も調整する必要がある。従来のＳＥＭカラムにおいてビーム管１７は固定されているが、仮にビーム管１７を移動させることが可能であったとして、減速レンズ３２の中心位置を調整するためにビーム管１７を移動させたとすると、これにより減速レンズ３２の中心だけでなく、加速レンズ３１の中心も同時に移動する。すなわち、減速レンズ３２のみを単独で調整することができず、減速レンズ３２の軸調整により加速レンズ３１で軸ずれが発生することになる。実際には、プローブ電子線は図２に示したように電子源２から試料１２に向かって鉛直に降ろした線に沿ってまっすぐ進むわけではなく、ＳＥＭカラムに設けられた偏向器やレンズにより進行方向を曲げられながら試料に向かって進む。このため、プローブ電子線の加速レンズ３１への入射角、減速レンズ３２への入射角はそれぞれ異なっているのが通常であり、１つのビーム管１７の位置調整により、加速レンズ３１と減速レンズ３２の軸位置を同時に最適化できることは現実的にはない。

【0029】

図１に示される実施例１の装置では、高電位が印加されるビーム管が試料側の第１ビーム管８と電子源側の第２ビーム管９との２つに分割されて設置されていることが一つの特徴となっている。分割されていることにより、第１ビーム管８を移動させても、第２ビーム管９の位置は変化しない。従って、第２ビーム管９の電子源側端部に形成される加速レンズの位置を変更することなく、第１ビーム管８の試料側端部に形成される減速レンズの位置を調整することが可能である。言い換えれば、減速レンズの位置調整時において加速レンズの軸ずれの発生を防止できる。

【0030】

なお、少なくとも軸調整時には第１ビーム管８と第２ビーム管９とを同電位としておくことが必要である。第１ビーム管８の電位と第２ビーム管９の電位とが異なる場合、両者の間にレンズ作用を持つ電界が発生する。この状況下で第１ビーム管８を移動させることにより、第１ビーム管８と第２ビーム管９との間の静電レンズの軸ずれが発生する。これを避けるため、軸調整時においては第１ビーム管８と第２ビーム管９の電位は同電位とする。同電位のビーム管の間には電界が形成されないためレンズ作用が発生しない。従って、第１ビーム管８と減速電極１０との間に形成される減速レンズのみの軸調整が第１ビーム管８を位置移動することにより可能になる。

【0031】

後述するように、第１ビーム管８の位置移動による軸調整は像を視認しながら行うことが望ましい。このため、第１ビーム管８の移動機構１１はＳＥＭカラム１の外部から調整可能な機構としておくことが望ましい。これにより、像を視認しながらの軸調整がより容易となる。移動機構１１は例えば、第１ビーム管８の外側に位置するカラム外壁に空けた長穴から、ねじ等の棒状の器具を押し込むことで第１ビーム管８を移動させる機構とすることができる。また、ねじのいくつかはバネ性を持つものであっても良いし、専用の冶具を用いて位置調整を行っても良い。

【0032】

本構成では、第１ビーム管８を移動させることにより、静電レンズの軸を磁界レンズの軸に一致させる。このため、加速電圧やプローブ電流の変更等によりプローブ電子線の軌道が変化したとしても、静電レンズと磁場レンズの軸の一致は維持される。従って、偏向器によりプローブ電子線軌道を偏向させて、静電レンズと磁場レンズの一致した軸に誘導することにより、最良の性能を得ることが可能となる。なお、プローブ電子線軌道を変更させる偏向器はコイルを用いた磁場型であっても良いし、対となる電極を用いた静電型であっても良い。

【0033】

本実施例における、軸調整手順について説明する。

【0034】

（１）第１に、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸にプローブ電子線軌道を合わせる。まず、対物レンズ４を駆動させて、試料１２上にプローブ電子線を集束させる。対物レンズコイルの励磁電流を周期的に変動させると、励磁電流の変動に同期して像が動く。像の動きが最小になるように、電子源２の位置あるいは偏向器７を調整してプローブ電子線軌道を変化させる。この段階では対物レンズ以外のレンズは動作させず、また、第１ビーム管８及び第２ビーム管９の電位も基準電位（ＧＮＤ）としておく。

【0035】

次に、コンデンサレンズ３を所定の励磁量に設定して、再度対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、コンデンサレンズ３の位置あるいは偏向器７を調整しプローブ電子線軌道を変化させる。コンデンサレンズ３は所望の照射電流量を得るために絞り量を調整する機能をもつ。このとき設定する励磁量は、例えば、観察対象の材料に応じた適当な光学条件となるように設定すればよい。

【0036】

以上で、プローブ電子線は対物レンズ４の電流中心軸を通るようになっているので、最後に可動アパーチャ５の中心をプローブ電子線が通るように、可動アパーチャ５を挿入する。再度、対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、可動アパーチャ５の位置を調整する。以上により、対物レンズ４の形成する磁場レンズの電流中心軸をプローブ電子線が通るように調整された。

【0037】

（２）第２に、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸に減速レンズ（静電レンズ）の光軸を合わせる。第１ビーム管８及び第２ビーム管９に所定の電圧を印加する。対物レンズ４、コンデンサレンズ３を駆動し、アパーチャ５を挿入した状態で試料上にプローブ電子線を集束させる。対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、第１ビーム管８の位置を移動機構１１により調整する。これにより、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸と減速レンズ（静電レンズ）の光軸とが一致する。

【0038】

（３）以上の調整に加えて、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸と減速レンズ（静電レンズ）の電圧中心軸を合わせる調整を行うことが望ましい。この場合、
（３−１）第１ビーム管８に印加する電圧を周期的に変動させることによる像の動きが最小になるように、アパーチャ５を移動または偏向器７を調整し、プローブ電子線軌道を変化させる。
（３−２）続いて、対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させることによる像の動きが最小になるように、第１ビーム管８の位置調整を行う。
（３−３）調整（３−１）と調整（３−２）の手順を繰り返し実施する。

【0039】

以上の調整（３）により、磁場レンズの電流中心軸と静電レンズの電圧中心軸とが一致し、一致した磁場レンズの電流中心軸と静電レンズの電圧中心軸とをプローブ電子線が通るように調整される。

【0040】

図３は、本実施例の荷電粒子線装置において、第１ビーム管８および第２ビーム管９がそれぞれ別の電圧源を備える変形例を示す。第１ビーム管８に第１電圧源１５ａが、第２ビーム管９に第２電圧源１５ｂが接続されている。各電圧源によって印加される電位は制御部１６で制御される。制御部１６は、第１ビーム管８と第２ビーム管９の電位を同電位とするよう電圧源１５ａ，１５ｂを制御するモードを持つ。

【0041】

本変形例における軸調整手順では、第１ビーム管８と減速電極１０との間に形成される減速レンズの軸と対物レンズ（磁場レンズ）の軸とを一致させる調整を行う際に、第１ビーム管８と第２ビーム管９の電位を同電位とするモードに設定する。この同電位モードにおいて、移動機構１１を用いて第２ビーム管９を移動させることで、減速レンズ単独での位置調整が行える。

【0042】

本変形例においては、調整時以外には第１ビーム管８と第２ビーム管９の電位は同電位に限られず、それぞれ任意の電位とすることができる。これにより、光学系全体の要請にあわせ、照射系・検出系にとって最適な電位を設定することが可能となる。例えば、走査電子顕微鏡を用いた電子線分析を行う際、電子源輝度を向上させプローブ電流を増加させる目的で、第２ビーム管９を第１ビーム管８よりも高電位とする条件に設定しても良い。なお、第１ビーム管８と第２ビーム管９の電位を異なる電位とする場合には、第１ビーム管８と第２ビーム管９との間で静電レンズが形成されることになるが、これによる影響は例えば、偏向器７を用いて補償することができる。

【0043】

さらに、図４は、本実施例の荷電粒子線装置においてビーム管が３つ以上に分割されている変形例を示す。例えばビーム管が試料側ビーム管（第１ビーム管）８、中間ビーム管（第３ビーム管）１８、電子源側ビーム管（第２ビーム管）９の３つに分割されており、それぞれに対して移動機構１１ａ〜ｃと電圧源１５ａ〜ｃが設けられている。図４の例では、第２ビーム管９にも移動機構１１が設けられた例を示しているが、これは図１等の他の構成例においても適用可能である。

【0044】

本変形例は、照射系や検出系の要請によって、プローブ電子線の経路の電位を複数の段階とすることが必要となる場合に有効である。例えば、中間ビーム管１８を接地電位に、試料側ビーム管８と電子源側ビーム管９とを試料１２よりも高電位となるようにする構成が考えられる。この場合、ブースティングによる電子源輝度向上効果と収差低減効果を得つつ、接地電位の部分を設けることで、検出系の設計自由度が向上する。接地電位に設ける検出器６’は例えば、偏向場を用いた検出器であっても良い。

【0045】

図４に示した変形例において、静電レンズの軸調整を行う際には、単独の静電レンズ調整が実現されるよう、それぞれのビーム管に与える電位を制御する。例えば、試料側ビーム管８と減速電極１０間に形成される静電レンズの軸調整を行う場合は、中間ビーム管１８と試料側ビーム管８とを同電位とし、試料側ビーム管８の位置を移動させればよい。同様に例えば、中間ビーム管１８と試料側ビーム管８の間に形成される静電レンズの軸調整を行う場合は、電子源側ビーム管９と中間ビーム管１８とを同電位とし、中間ビーム管１８の位置を移動させればよい。各電圧源によって印加される電位は制御部１６で制御される。制御部１６は、試料側ビーム管８と中間ビーム管１８の電位を同電位とするよう電圧源１５ａ，１５ｃを制御するモード、電子源側ビーム管９と中間ビーム管１８の電位を同電位とするよう電圧源１５ｂ，１５ｃを制御するモードを持つ。このように、それぞれのビーム管端部に形成される静電レンズの軸を、移動機構１１を用いて調整することが可能な構成となっている。

【0046】

なお、ビーム管を分割する位置については、特に照射系や検出系の要請がない限り、制約はない。ただし、ビーム管は元来ビーム管内を安定な電位状態に保持することを目的とするため、分割されたビーム管の隙間から電界が入り込むことはできるだけ抑制する必要がある。このため、本実施例においては、ビーム管同士が接する端部において双方のビーム管にフランジ部を設けている。例えば、図１の例では第１ビーム管８の端部から張り出した円盤形状のフランジ部と第２ビーム管９の端部から張り出した円盤形状のフランジ部とを対向させることにより、第１ビーム管８と第２ビーム管９との隙間から意図しない電界が入り込むことを抑制している。

【実施例2】

【0047】

実施例２として、減速光学系としてリターディング法が適用されたＳＥＭについて説明する。対物レンズから電子源側のプローブ電子線の通過領域と試料との間の電位差による減速電界を用いるという点で、ブースティング光学系とリターディング光学系に本質的な違いはない。すなわち、ブースティング光学系で有効である本発明は、リターディング光学系においても同様の効果が得られる。

【0048】

図５は、実施例２に係る荷電粒子線装置を示す概略構成図である。試料台１３は、試料１２に電圧を印加できるリターディング電圧源２１を備える。なお、電圧源２１からの電圧は、制御部１６によって制御されてもよい。典型的には、ＳＥＭカラム１とカラム内の第１ビーム管８および第２ビーム管９は接地電位とし、試料１２に負極性の電圧を印加する。これにより、第１ビーム管８の試料側端部と試料１２との間に、プローブ電子線に対する減速電界が発生し、ＳＥＭの分解能を向上させることができる。分解能向上のために試料１２に印加する負電圧は、試料１２と第１ビーム管８との電位差が1ｋＶ以上となるように設定されることが望ましく、電位差が大きいほど分解能向上効果は増大する。ただし、好適な電圧値は、試料１２と対物レンズ４の先端部との間の作動距離（ＷＤ：Working Distance）により変わりうるため、これに限定されるものではない。

【0049】

本実施例において、磁場レンズと重畳される減速レンズの位置は、第１ビーム管８と対物レンズ先端部及び試料１２との位置関係で決定される。従って、第１ビーム管８の位置を移動させることで減速レンズの軸調整が実現できる。また、実施例１と同様に、調整時には第１ビーム管８と第２ビーム管９を同電位とすることで、減速レンズ単独での軸調整が可能となる。従って、減速レンズ中心軸を磁場レンズ中心軸と一致させ、プローブ電子線を重畳レンズの中心軸へ誘導することで、軸外収差を低減し、照射系性能を最大化することができる。

【0050】

本実施例における軸調整は例えば、実施例１と同様の手順で行うことができる。

【0051】

（１）第１に、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸にプローブ電子線軌道を合わせる。まず、対物レンズ４を駆動させて、試料１２上にプローブ電子線を集束させる。この状態で対物レンズコイルの励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、電子源２の位置あるいは偏向器７を調整してプローブ電子線軌道を変化させる。

【0052】

次にコンデンサレンズ３を所定の励磁に設定して、再度対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、コンデンサレンズ３の位置あるいは偏向器７を調整しプローブ電子線軌道を変化させる。最後に、光軸上に可動アパーチャ５を挿入し、再度、対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、可動アパーチャ５の位置を調整する。

【0053】

（２）第２に、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸に減速レンズ（静電レンズ）の光軸を合わせる。対物レンズ４、コンデンサレンズ３を駆動し、アパーチャ５を挿入した状態で試料１２に負電圧を印加し、試料上にプローブ電子線を集束させる。対物レンズ４の励磁電流を周期的に変動させて、像の動きが最小になるように、第１ビーム管８の位置を移動機構１１により調整する。これにより、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸と減速レンズ（静電レンズ）の光軸とを一致させることができる。

【0054】

（３）以上の調整に加えて、対物レンズ４（磁場レンズ）の電流中心軸と減速レンズ（静電レンズ）の電圧中心軸を合わせる調整を行うことが望ましい。この場合、
（３−１）リターディング電圧を周期的に変動させることによる像の動きが最小になるように、アパーチャ５を移動または偏向器７を調整し、プローブ電子線軌道を変化させる。
（３−２）続いて、対物レンズ４に供給する励磁電流を周期的に変動させることによる像の動きが最小になるように、第１ビーム管８の位置調整を行う。
（３−３）調整（３−１）と調整（３−２）の手順を繰り返し実施する。

【0055】

以上の調整（３）により、磁場レンズの電流中心軸と静電レンズの電圧中心軸とが一致し、一致した磁場レンズの電流中心軸と静電レンズの電圧中心軸とをプローブ電子線が通るように調整される。

【0056】

本実施例の変形例として、第１ビーム管８および第２ビーム管９に正の電圧を印加しブースティング法とリターディング法とを併用する構成としてもよい。第１ビーム管８にリターディング電圧とは逆極性である正の電圧が印加されることで、試料１２との電位差が更に大きくなり、照射系性能の更なる向上が期待できる。この場合においても、磁場レンズと重畳される減速レンズの位置は、第１ビーム管８と対物レンズ先端部及び試料１２との位置関係で決定される。従って、第１ビーム管８の位置を移動させることで静電レンズの軸を磁場レンズの軸と一致させる調整が実現できる。

【0057】

一方、一般的なリターディング法を適用し、ビーム管に印加する電圧が接地電圧とされる場合、図５における第１ビーム管８を、試料との間に減速電界を発生させるための電極と読み替え、第２ビーム管９を除いた構成としてもよい。この場合も、磁場レンズと重畳される減速レンズの位置は、電極８と対物レンズ先端部及び試料１２との位置関係で決定される。従って、電極８の位置を移動させることで静電レンズの軸を磁場レンズの軸と一致させる調整が実現できる。電極８はプローブ電子線を通過させる開口を有する筒状電極、あるいは円盤状電極とすることができる。

【0058】

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。例えば、実施例としてＳＥＭについて説明したが、本発明は、他の荷電粒子線装置にも適用可能であるし、複数の荷電粒子線装置を組み合わせた複合荷電粒子線装置にも適用可能である。

【符号の説明】

【0059】

１：ＳＥＭカラム、２：電子源、３：コンデンサレンズ、４：対物レンズ、５：アパーチャ、６，６’：検出器、７：偏向器、８：第１ビーム管（電極）、９：第２ビーム管、１０： 減速電極、１１：移動機構、１２：試料、１３：試料台、１４：試料室、１５：ブースティング電圧源、１６：制御部、１７：ビーム管、１８：中間ビーム管、２１：リターディング電圧源。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】