特許 7604603 対物レンズ及びそれを含む荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-13

(45)【発行日】2024-12-23

(54)【発明の名称】対物レンズ及びそれを含む荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/12 20060101AFI20241216BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20241216BHJP

【ＦＩ】

H01J37/12

H01J37/244

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2023199324

(22)【出願日】2023-11-24

【審査請求日】2023-11-24

(31)【優先権主張番号】10-2023-0102420

(32)【優先日】2023-08-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】KR

(73)【特許権者】

【識別番号】512328201

【氏名又は名称】コリア リサーチ インスティチュート オブ スタンダーズ アンド サイエンス

(74)【代理人】

【識別番号】110000914

【氏名又は名称】弁理士法人ＷｉｓｅＰｌｕｓ

(72)【発明者】

【氏名】小川 貴志

(72)【発明者】

【氏名】パク， イ ニョン

(72)【発明者】

【氏名】イ， チョン ウン

【審査官】佐藤 海

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－２０４１８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３８９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０５７９１８（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／１２

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に荷電粒子線を集束し照射する荷電粒子線装置の対物レンズであって、
前記対物レンズは、
露出して試料に対向する第１電極と、
前記荷電粒子線を前記試料に集束させる第２電極と、
円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有する第３電極と、
前記第３電極の本体部に位置する第４電極と、を含み、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれが貫通孔を含み、電圧が供給されて前記荷電粒子線が前記貫通孔を介して前記試料へ照射され、
前記第３電極と前記第４電極との間には電位差がないか、或いは５０Ｖ以下の電位差が形成される、対物レンズ。

【請求項2】

前記第１電極及び前記第２電極は、
前記円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、
前記第１電極内に前記第２電極が間隔を置いて位置し、
前記第２電極内に前記第３電極が間隔を置いて位置する、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項3】

前記第４電極は、
前記荷電粒子線が前記試料に照射されて形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出器が取り付けられ、
前記第４電極は、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状及び位置を問わずに、二次電子及び後方散乱電子の検出効率が最も高い位置に配置される、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項4】

前記第３電極は、
前記第３電極の本体部から延びたフランジをさらに含み、
前記第１電極は、前記フランジに接続された第１電極絶縁体をさらに含み、
前記第２電極は、前記フランジに接続された第２電極絶縁体をさらに含む、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項5】

前記第２電極には、
前記第１電極と前記試料との距離及び前記荷電粒子線のエネルギーのうちのいずれか一つに相応する電圧が供給される、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項6】

前記第２電極に供給される電圧は、前記第３電極に供給される電圧とは独立している、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項7】

前記対物レンズは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の対物レンズである、請求項１に記載の対物レンズ。

【請求項8】

試料に荷電粒子線を集束し照射する荷電粒子線装置の対物レンズであって、
前記対物レンズは、
円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、露出して試料に対向する第１電極と、
円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第１電極内に位置する第２電極と、
円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第２電極内に位置する第３電極と、
前記第３電極の本体部に位置する第４電極と、を含み、
前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれが貫通孔を含み、電圧が供給されて前記荷電粒子線が前記貫通孔を介して前記試料へ照射され、
前記第３電極と前記第４電極との間には電位差がないか、或いは５０Ｖ以下の電位差が形成される、対物レンズ。

【請求項9】

前記第４電極は、
前記荷電粒子線が前記試料に照射されて形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出器が取り付けられ、
前記第４電極は、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状を問わずに、二次電子及び後方散乱電子の検出効率が最も高い位置に配置される、請求項８に記載の対物レンズ。

【請求項10】

前記第１電極の先端部、前記第２電極の先端部及び前記第３電極の先端部のそれぞれは互いに平行な末端部を含み、
前記第１電極の前記先端部の前記末端部の厚さは０超過３ｍｍ以下である、請求項８に記載の対物レンズ。

【請求項11】

前記第１電極と前記第２電極との間隔は０超過４ｍｍ以下である、請求項８に記載の対物レンズ。

【請求項12】

前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に形成された前記貫通孔の直径は３ｍｍ以上である、請求項８に記載の対物レンズ。

【請求項13】

前記対物レンズは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の対物レンズである、請求項８に記載の対物レンズ。

【請求項14】

荷電粒子線装置であって、
荷電粒子源と、
荷電粒子線を集束させる１つ以上のコンデンサレンズと、
前記荷電粒子線を試料に結像する対物レンズと、
試料から形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出部と、を含み、
前記対物レンズは、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、露出して前記試料に対向する第１電極と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第１電極内に位置する第２電極と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第２電極内に位置する第３電極と、前記第３電極の本体部に位置し、貫通孔が形成された第４電極と、を含み、
前記第３電極と前記第４電極との間には電位差がないか、或いは５０Ｖ以下の電位差が形成される、荷電粒子線装置。

【請求項15】

前記検出部は、
前記二次電子及び後方散乱電子を検出する第１検出部と、
前記第１検出部を通過した前記二次電子及び後方散乱電子を検出する第２検出部と、を含む、請求項１４に記載の荷電粒子線装置。

【請求項16】

前記第１検出部は、
前記第４電極に取り付けられ、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状を問わずに、二次電子及び後方散乱電子の検出効率が最も高い位置に配置される、請求項１５に記載の荷電粒子線装置。

【請求項17】

前記第２電極には、
前記第１電極と前記試料との距離及び前記荷電粒子線のエネルギーのうちのいずれか一つに相応する電圧が供給される、請求項１４に記載の荷電粒子線装置。

【請求項18】

前記第２電極に供給される電圧は、
前記第３電極に供給される電圧とは独立している、請求項１７に記載の荷電粒子線装置。

【請求項19】

前記第１電極と前記第２電極との間隔は４ｍｍ以下であり、
前記第１電極の先端部の厚さは３ｍｍ以下であり、
前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に形成された前記貫通孔の直径は３ｍｍ以上である、請求項１４に記載の荷電粒子線装置。

【請求項20】

前記荷電粒子線装置は、走査型電子顕微鏡及び電子線のエネルギー分析を行う分光計を含む分析装置及び試料加工装置のうちのいずれか一つである、請求項１４に記載の荷電粒子線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、対物レンズ及びそれを含む荷電粒子線装置に関する。

【背景技術】

【0002】

荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出された荷電粒子を磁場又は電界を用いた荷電粒子光学系を介して試料の表面に結像及び照射して試料の特性を把握する装置である。荷電粒子線装置は、材料科学、ナノ科学、電子工学などの分野で広く使用されている。荷電粒子線装置を基にした顕微鏡は、優れた空間分解能を有するため、光学顕微鏡では観察できない基板上に成長した薄膜、ナノチューブ、プラズモン構造、試料の原子配列などの微細構造を観察することができる。また、荷電粒子線装置は、細胞などの生物試料の微細構造の観察、電子線回折像を介して試料の結晶構造なども把握することができる。

【0003】

荷電粒子線装置のうち、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ｓｃａｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、光学式顕微鏡の光源に該当する荷電粒子源（ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｏｕｒｃｅ）として電子源（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）を使用し、電子線を試料上に集束及び走査し、信号電子を検出して顕微鏡画像を形成する装置である。最近、走査型電子顕微鏡は、試料の表面から取得することが可能な情報を向上させ、試料の帯電や損傷を防止することができる低エネルギー電子線条件における観察のための研究に関心が集中している。

【0004】

低エネルギー電子線は、エネルギー幅による色収差、又は電子線の波長による回折収差が大きくなって荷電粒子線装置の分解能が問題になる可能性がある。これを改善するために、試料との焦点距離を減少させ、分解能を向上させることができる低い収差係数（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を有する対物レンズ及びそれを含む走査型電子顕微鏡が開発されている。

【0005】

一方、走査型電子顕微鏡の試料は、一般に、１×１０^－３～１０^－４Ｐａ内の高真空で排気された真空試料室に配置される。しかし、当該真空度では、試料室内に炭化水素化合物（ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）のガスが含まれており、試料上に電子線を照射したときに炭化水素化合物ガスが分解して形成された炭化物が付着する汚染（Ｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ）が多く発生する。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

走査型電子顕微鏡対物レンズは、対物レンズの上部に検出器を配置し、対物レンズ内に引き込まれた二次電子や後方散乱電子などの信号を検出して顕微鏡画像を形成する。

【0007】

しかし、対物レンズ内に引き込まれた二次電子が電極と衝突して、所望しない二次電子を再生産してノイズを生成するので、画質が劣化し、ひいては電極と検出器を損傷及び汚染させるという難点がある。

【0008】

本実施形態で解決しようとする課題の一つは、上述した従来技術の難点を解消することである。本実施形態で解決しようとする課題の一つは、対物レンズ内に引き込まれた二次電子が電極と衝突して、所望しない二次電子を再生産することを防ぐことができる荷電粒子線装置用対物レンズを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本実施形態は、試料に荷電粒子線を集束し照射する荷電粒子線装置の対物レンズであって、前記対物レンズは、露出して試料に対向する第１電極と、前記荷電粒子線を前記試料に集束させる第２電極と、円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有する第３電極と、前記第３電極の本体部に位置する第４電極と、を含み、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれが貫通孔を含み、電圧が供給されて前記荷電粒子線が前記貫通孔を介して前記試料へ照射される。

【0010】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１電極及び前記第２電極は、前記円錐状の先端部と該先端部から延びた本体部とを有し、前記第１電極内に前記第２電極が間隔を置いて位置し、前記第２電極内に前記第３電極が間隔を置いて位置する。

【0011】

本実施形態のいずれかの態様によれば、第４電極は、前記荷電粒子線が前記試料に照射されて形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出器が取り付けられ、第４電極は、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状及び位置を問わずに、検出効率が最も高い位置に配置される。

【0012】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第３電極は、前記第３電極の本体部から延びたフランジをさらに含み、前記第１電極は、前記フランジに接続された第１電極絶縁体をさらに含み、前記第２電極は、前記フランジに接続された第２電極絶縁体をさらに含む。

【0013】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第２電極には、前記第１電極と前記試料との距離及び前記荷電粒子線のエネルギーのうちのいずれかに相応する電圧が供給される。

【0014】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第３電極と前記第４電極との間には５０Ｖ以下の電圧差が形成される。

【0015】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第２電極に供給される電圧は、前記第３電極に供給される電圧とは独立している。

【0016】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記対物レンズは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の対物レンズである。

【0017】

他の実施形態は、試料に荷電粒子線を集束し照射する荷電粒子線装置の対物レンズであって、前記対物レンズは、円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、露出して試料に対向する第１電極と、円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第１電極内に位置する第２電極と、円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第２電極内に位置する第３電極と、前記第３電極の本体部に位置する第４電極と、を含み、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれが貫通孔を含み、電圧が供給されて前記荷電粒子線が前記貫通孔を介して前記試料へ照射される。

【0018】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第４電極は、前記荷電粒子線が前記試料に照射されて形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出器が取り付けられ、第４電極は、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状及び位置を問わずに、検出効率が最も高い位置に配置される。

【0019】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１電極の先端部、前記第２電極の先端部及び前記第３電極の先端部のそれぞれは互いに平行な末端部を含み、前記第１電極の前記先端部の前記末端部の厚さは０超過３ｍｍ以下である。

【0020】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１電極と前記第２電極との間隔は０超過４ｍｍ以下である。

【0021】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に形成された前記貫通孔の直径は３ｍｍ以上である。

【0022】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記対物レンズは走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の対物レンズである。

【0023】

別の実施形態は、荷電粒子線装置であって、荷電粒子源と、荷電粒子線を集束させる１つ以上のコンデンサレンズと、前記荷電粒子線を試料に照射する対物レンズと、試料から形成された二次電子及び後方散乱電子を検出する検出部と、を含み、前記対物レンズは、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、露出して前記試料に対向する第１電極と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第１電極内に位置する第２電極と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、前記第２電極内に位置する第３電極と、前記第３電極の本体部に位置し、貫通孔が形成された第４電極と、を含む。

【0024】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記検出部は、前記二次電子及び後方散乱電子を検出する第１検出部と、前記第１検出部を通過した前記二次電子及び後方散乱電子を検出する第２検出部と、を含む。

【0025】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１検出部は、前記第４電極に取り付けられ、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の形状と位置を問わずに、二次電子及び後方散乱電子の検出効率が最も高い位置に配置される。

【0026】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第２電極には、前記第１電極と前記試料との距離及び前記荷電粒子線のエネルギーのうちのいずれか一つに相応する電圧が供給される。

【0027】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第２電極に供給される電圧は、前記第３電極に供給される電圧とは独立している。

【0028】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第３電極と前記第４電極との間には５０Ｖ以下の電圧差が形成される。

【0029】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記第１電極と前記第２電極との間隔は４ｍｍ以下であり、前記第１電極の先端部の厚さは３ｍｍ以下であり、前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極に形成された前記貫通孔の直径は３ｍｍ以上である。

【0030】

本実施形態のいずれかの態様によれば、前記荷電粒子線装置は、走査型電子顕微鏡及び電子線のエネルギー分析を行う分光計を含む分析装置及び試料加工装置のうちのいずれか一つである。

【発明の効果】

【0031】

本実施形態によれば、検出器の表面に発生する二次電子が電位の高い電極に衝突して発生する汚染を抑制し、対物レンズの性能劣化を軽減して長期間安定して使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0032】

【図1】本実施形態による対物レンズを含む荷電粒子線装置の概要を示すブロック図である。

【図2】対物レンズの概要を示す図である。

【図3】本実施形態による荷電粒子線装置の動作に要求される駆動電力を供給する駆動電源部との接続関係を例示する図である。

【図4】本実施形態の荷電粒子線装置における静電型対物レンズ部分の一次電子線の軌道（Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）及び軸上ポテンシャル（Ａｘｉａｌ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の計算例を示す図である。

【図5】本実施形態による第１電極、第２電極及び第３電極、及び電極のパラメータを示す概要図である。

【図6】第１電極、第２電極及び第３電極の正規化されたパラメータ値による対物レンズの球面収差（Ｃｓ、ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示す図である。

【図7】第１電極、第２電極及び第３電極の正規化されたパラメータ値による対物レンズの色収差（Ｃｃ、ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示す図である。

【図8】（ａ）は従来の荷電粒子線装置の対物レンズ部において、試料の表面に発生した二次電子の軌道を計算した結果の一例を示し、（ｂ）は本実施形態の対物レンズ部において、試料の表面に発生した二次電子の軌道を計算した結果の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0033】

以下、添付図面を参照して本実施形態を説明する。図１は、本実施形態による対物レンズを含む荷電粒子線装置１０の概要を示すブロック図である。図１を参照すると、本実施形態による荷電粒子線装置１０は、荷電粒子源１１０と、荷電粒子線を集束させる１つ以上のコンデンサレンズ３１０、３２０と、荷電粒子線を試料に照射する対物レンズ５００と、試料から生成された後方散乱電子を検出する検出部６１０、６２０と、を含む。対物レンズ５００は、貫通孔が形成された円錐状の先端部（ｔｉｐ）及び該先端部から延びた本体部（ｂｏｄｙ）を有し、露出して試料に対向する第１電極５１０と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有し、第１電極内に位置する第２電極５２０と、貫通孔が形成された円錐状の先端部及び該先端部（ｔｉｐ）から延びた本体部を有し、第２電極５２０内に位置する第３電極５３０と、第３電極５３０の本体部に位置し、貫通孔が形成された第４電極５４０と、を含む。

【0034】

図１に例示された荷電粒子線装置１０は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ、ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）であって、スペクトロメータ９１０と下部検出器９２０をさらに含むことができる。試料から発生した二次電子及び後方散乱電子は、スペクトロメータ９１０に入射し、エネルギーが分析されて試料表面の元素、化学結合状態、バンド間遷移、フォノン（ｐｈｏｎｏｎ）又は分子振動状態を検出することができる。試料から生成された二次電子及び後方散乱電子の一部は、下部検出器９２０によって検出される。

【0035】

図示されていない他の荷電粒子線装置の実施形態は、集束イオンビーム光学系（ＦＩＢ ｏｐｔｉｃｓ）及び下部検出器を含むことができる。集束イオンビーム光学系は、試料が配置されたステージに対して傾斜した状態とステージに対して垂直な状態に配置状態が切り替えられることができる。集束イオンビームは、試料をエッチングするか、或いは試料に膜蒸着が可能であり、マイクロメータスケールの関心領域（Ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｒｅｓｔ、ＲｏＩ）で試料を加工することができる。集束イオンビームで試料を加工するときは、試料の表面が、集束イオンビーム光学系が試料に対して垂直となるように配置されることができる。このような実施形態によれば、荷電粒子線装置は、試料加工装置として機能することができ、静電型対物レンズを有する走査型電子顕微鏡によってイオンビームで加工を行う領域を、試料の移動なしにも高倍率で観察することができる。図１に例示された荷電粒子線装置は、走査型電子顕微鏡及び電子線のエネルギー分析を行う分光計を含む分析装置及び集束イオンビーム光学系を含む試料加工装置のうちのいずれか一つであってもよい。

【0036】

図１を参照すると、電子源（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｓｏｕｒｃｅ）１１０は、フィラメント１１１、サプレッサ電極１１３、エクストラクタ電極１１５、及び電子源用真空ポンプ１１９を含む。電子源用真空ポンプ１１９は、電子源１１０の内部を所望の真空度に形成する。

【0037】

フィラメント１１１は、荷電粒子（ｃｈａｒｇｅｄ ｐａｒｔｉｃｌｅ）を生成する。一実施形態として、フィラメント１１１は、加熱されて電子を放出する熱電子放出（ｔｈｅｒｍｉｏｎｉｃ）素子であり得る。フィラメント１１１に電流が印加されることにより、フィラメント１１１は、加熱され、電子を放出する。一例として、フィラメントは、六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）単結晶、六ホウ化セリウム（ＣｅＢ）単結晶、ジルコニアでコーティングされたタングステン（ＺｒＯ－Ｗ）及びタングステンのうちのいずれか一つの材質からなることができる。

【0038】

サプレッサ電極（ｓｕｐｐｒｅｓｓｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）１１３は、生成された荷電粒子が任意の方向に放出されるのを防ぎ、エクストラクタ電極１１５は、所望の方向に荷電粒子を引き出す。

【0039】

一実施形態として、荷電粒子線装置１０は、電子源１１０から放出される荷電粒子線Ｂのエネルギーを決定するビーム電極２１０をさらに含むことができる。ビーム電極２１０は、荷電粒子線Ｂが進行する経路を形成するビームチューブ２００に接続されることができる。一実施形態として、ビームチューブ２００の内部は、第３領域ポンプ１４２及び第２領域ポンプ１４４によって所望の真空度に形成されることができる。

【0040】

図示の実施形態において、荷電粒子線装置１０は、第１コンデンサレンズ３１０と第２コンデンサレンズ３２０を含み、第１コンデンサレンズ３１０は、ギャップを有するヨーク３１２内にコイル３１４が巻線されて形成される。コイル３１４によって形成された磁束は、ヨーク３１２に形成されたギャップを介して流出し、このことから荷電粒子線Ｂを集束するレンズとして作用する。荷電粒子線Ｂは、第１コンデンサレンズ３１０と絞り３３０によってビーム径が制限され、荷電粒子線の電流が決定される。一実施形態として、第１コンデンサレンズ３１０は、荷電粒子線を第１コンデンサレンズ３１０の光軸に一致する様に制御する光軸アライナ３１６をさらに含むことができる。

【0041】

第２コンデンサレンズ３２０は、ギャップを有するヨーク３２２内にコイル３２４が巻線されて形成される。コイル３２４によって形成された磁束は、ヨーク３２２に形成されたギャップを介して流出し、このことから荷電粒子線Ｂを集束するレンズとして作用する。第２コンデンサレンズ３２０は、荷電粒子線Ｂが試料に集束される集束角（Ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ Ａｎｇｌｅ）を制御する。一実施形態として、第２コンデンサレンズ３２０は、荷電粒子線を第２コンデンサレンズ３２０の光軸に一致する様に調節する光軸アライナ３２６をさらに含むことができる。

【0042】

検出器カバー４１０と第２上部検出器６２０に形成された開口を通過した荷電粒子線Ｂは、スティグメータ（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）７１０によって非点収差の補正が行われ、サブスキャン８１０によって低倍率の走査が行われる。後述するように、荷電粒子線Ｂは、メインスキャン８２０で高倍率で走査（ｓｃａｎ）されて試料（ｓａｍｐｌｅ）に照射される。

【0043】

図２は、対物レンズ５００の概要を示す図である。図１及び図２を参照すると、対物レンズ５００は、第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０を含み、対物レンズ５００に入射した荷電粒子線Ｂは、第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０に印加された電圧で形成された電場によって試料に集束及び照射される。

【0044】

第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０は、間隔を置いて重畳して配置され、それぞれの絶縁体でそれぞれ電気的に絶縁される。第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０は、伝導性を有する材質で形成できる。一実施形態として、第１電極５１０、第２電極５２０及び第３電極５３０は、円筒状本体（ｂｏｄｙ）と、本体（ｂｏｄｙ）に接続された円錐（ｃｏｎｅ）形の先端部（ｔｉｐ）と、を含む。先端部のそれぞれには厚さをもって互いに平行に形成された末端部が位置し、先端部には、試料（ｓａｍｐｌｅ）に向かって荷電粒子線Ｂを照射することが可能な貫通孔Ｈが形成される。

【0045】

図示されていない実施形態として、第１電極、第２電極及び第３電極は、多角形断面の本体と、本体に接続された多角形の角錐（ｐｙｒａｍｉｄ）端部とを含み、端部には、試料に向かって荷電粒子線を照射することが可能な貫通孔が形成される。

【0046】

第３電極５３０は、ビームチューブ２００に接続される。また、第３電極５３０は、ビームチューブ２００を介してビーム電極２１０と電気的に接続されることができる。

【0047】

第３電極５３０は、第３電極の本体から延びたフランジＦをさらに含むことができる。第１電極５１０の本体は、第１電極絶縁体５１２を介してフランジＦに接続されることができ、互いに電気的絶縁が維持される。第２電極５２０の本体は、第２電極絶縁体５２２を介してフランジＦに接続されることができ、互いに電気的絶縁が維持される。また、フランジＦは、第３電極絶縁体５３２で荷電粒子線装置１０の隔壁に固定されることができる。

【0048】

第３電極５３０の本体内には第４電極５４０が配置されることができる。第４電極５４０は、第４電極絶縁体５４２で絶縁されて第３電極５３０の本体内に配置されることができる。図示の実施形態のように、第４電極絶縁体５４２に接続された第４電極５４０の上面形状は、ビームチューブ２００の断面形状及び／又は第３電極５３０の断面形状に相応することができる。第４電極５４０は、開口と、開口が荷電粒子線Ｂのビーム経路に沿って延びた突出構造をさらに含むことができ、突出構造の周囲には、第１上部検出器６１０が位置することができる。一実施形態として、第４電極５４０と第１上部検出器６１０は、互いに結合された状態であり得る。一実施形態として、開口部の直径は２ｍｍ以下であり得る。

【0049】

従来技術によれば、検出器は、最も内側に位置する電極に配置されており、電極の形状と第１上部検出器の位置との間に相関関係があった。すなわち、走査型電子顕微鏡が高い空間分解能を有するために一次電子線が試料に照射されるビーム径を最小化する電極の形状と、高い検出性能が得られる検出器の装着位置との間に相関関係があった。これから、空間分解能と第１上部検出器の高い検出性能との間にトレードオフ（ｔｒａｄｅ－ｏｆｆ）関係があり、２つの性能を両立させることが困難であった。

【0050】

しかし、本実施形態によれば、第４電極５４０を備え、第１上部検出器６１０及び／又は第４電極５４０の位置は、第１電極５１０、第２電極５２０及び第３電極５３０の形状及び位置に対して独立して配置されることができる。したがって、第４電極５４０及び／又は第１上部検出器６１０が配置された位置は、第１電極５１０、第２電極５２０及び第３電極５３０の形状を問わずに、最も高い検出効率を有する位置であり得る。

【0051】

第１上部検出器６１０は、荷電粒子線Ｂが試料に照射されて広がった軌道を有する二次電子及び後方散乱電子を検出することができ、他の電極の形状と配置を問わずに、検出効率が最適となる位置に配置することができる。第２上部検出器６２０は、第４電極の開口を通過した二次電子及び後方散乱電子を検出する。

【0052】

第１電極５１０の外周表面にはメインスキャン８２０が配置されることができる。上述したように、メインスキャン８２０は、対物レンズ５００を介して集束された荷電粒子線Ｂに対して高倍率のビーム走査を行う。したがって、ビームチューブ２００において荷電粒子線Ｂの経路に沿って配置されたサブスキャン８１０と高倍率のビーム走査を行うメインスキャン８２０によって荷電粒子線Ｂの高精度走査を行うことができる。

【0053】

試料は、対物レンズ５００と共に、第１真空度が維持される第１領域Ｖ１に配置され、ステージ（ｓｔａｇｅ）上に配置されることができる。一実施形態として、ステージは、試料のＸＹＺ位置、回転、傾斜を制御することが可能な５軸ステージであってもよく、ステージにおける試料配置部分は、絶縁体で形成されて試料との電気的接続が遮断されることができる。

【0054】

一実施形態として、荷電粒子線装置１０は、第１真空度に維持される第１領域Ｖ１と、第２真空度に維持される第２領域Ｖ２と、第３真空度に維持される第３領域Ｖ３と、第４真空度に維持される第４領域Ｖ４とに分けられ、互いに異なる真空度で排気される。

【0055】

図示の実施形態において、第４領域Ｖ４は、電子源１１０の内部領域であってもよく、開口を有するオリフィスＯによって第３領域と区別できる。第４領域Ｖ４は、電子源１１０に含まれた電子源用真空ポンプ１１９によって１×１０^－８オーダーの真空度Ｐａに維持されることができる。

【0056】

第３領域Ｖ３は、検出器カバー４１０によって第２領域Ｖ２と区別されて差動排気されることができる。第３領域Ｖ３は、第３領域ポンプ１４２で排気されて１×１０^－７オーダーの真空度Ｐａに維持されることができる。

【0057】

第２領域Ｖ２は、第４電極５４０の開口によって第１領域Ｖ１から区分されて差動排気されることができ、第２領域Ｖ２は、第２領域ポンプ１４４で排気されて１×１０^－６オーダーの真空度Ｐａに維持されることができる。また、試料が配置される第１領域Ｖ１は、第１ポンプ１４６で排気されて１×１０^－３～１×１０^－４の真空度Ｐａに維持されることができる。上述したように、各領域は、各領域に位置するポンプによって差動排気されて所望の真空度に維持されることができる。

【0058】

図３は、本実施形態による荷電粒子線装置１０の動作に要求される駆動電力を供給する駆動電源部１０００との接続関係を例示する図である。図１及び図３を参照すると、駆動電源部１０００は、電子源１１０に駆動電力を供給する電子源駆動電源部１０１０と、対物レンズに含まれた電極及び試料に電圧を供給する対物レンズ駆動電源部１０２０と、を含むことができる。ユーザは、ユーザ端末１０３０を介して駆動電源部１０００を制御して荷電粒子線装置１０を制御することができる。荷電粒子線装置１０が検出した二次電子、後方散乱電子に関連するデータは、演算装置に供給されて演算及び処理でき、画像化されてユーザ端末１０３０を介してユーザに表示できる。

【0059】

一実施形態として、電子源駆動電源部１０１０は、フィラメント１１１を加熱するための電流を供給するフィラメント電流供給部Ｉ_ｆｉｌ、サプレッサ電極１１３に抑制電圧Ｖ_ｓｕｐを供給する抑制電圧供給部Ｖ_ｓｕｐ、及びエクストラクタ電極１１５に荷電粒子を引き出すための引き出し電圧Ｖ_ｅｘｔを供給する引き出し電圧供給部Ｖ_ｅｘｔを含むことができる。フィラメント電流Ｉ_ｆｉｌ、抑制電圧Ｖ_ｓｕｐ及び引き出し電圧Ｖ_ｅｘｔは、荷電粒子線Ｂの初期エネルギーを決定する加速電圧Ｖ_ＡＣＣに重畳して供給される。

【0060】

一実施形態として、対物レンズ駆動電源部１０２０は、第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０にそれぞれ接続されて電圧を供給する第１電極駆動電源部Ｖ_１、第２電極駆動電源部Ｖ_２、第３電極駆動電源部Ｖ_３、第４電極駆動電源部Ｖ_４と、試料に電圧を供給する試料駆動電源部Ｖ_０と、を含むことができる。

【0061】

荷電粒子線Ｂは、第１電極駆動電源部Ｖ_１、第２電極駆動電源部Ｖ_２、第３電極駆動電源部Ｖ_３、第４電極駆動電源部Ｖ_４がそれぞれ第１電極５１０、第２電極５２０、第３電極５３０及び第４電極５４０に印加した電圧で形成された電界によって試料に集束されて供給される。

【0062】

ユーザは、ユーザ端末１０３０を介して試料に照射される荷電粒子線エネルギーを制御することができる。一実施形態として、試料に照射される荷電粒子線のエネルギーを制御することができる。一例として、ユーザは、ユーザ端末１０３０を介して第３電極駆動電源部Ｖ_３を制御して第３電極５３０に第３電極駆動電圧Ｖ_３を供給し、第１電極５１０に供給される第１電極駆動電圧Ｖ_１を第３電極駆動電圧Ｖ_３よりも低い電圧で供給するように制御する。

【0063】

このように、第１電極５１０に供給される第１電極駆動電圧Ｖ_１と第３電極５３０に供給される第３電極駆動電圧Ｖ_３との大小関係を制御することにより、荷電粒子線が試料に照射されるエネルギーを制御することができる。

【0064】

一実施形態として、第１電極５１０に供給される第１電極電圧Ｖ_１は、試料に供給される試料電圧Ｖ_０と同じであり得る。他の実施形態として、第１電極電圧Ｖ_１は、試料電圧（Ｖ_０）－５０Ｖ乃至試料電圧（Ｖ_０）＋５０Ｖの電位に設定されることができる。

【0065】

第２電極は、荷電粒子線Ｂを試料に集束させる。一実施形態として、ユーザは、ユーザ端末１０３０で第２電極駆動電源部Ｖ_２を制御して、第２電極５２０に印加される電圧Ｖ_２を調整することにより、対物レンズ５００と試料の作動距離（ワーキングディスタンス、ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）ＷＤ又は電子線のエネルギーに相応するように試料に荷電粒子線Ｂを集束させることができる。

【0066】

荷電粒子線Ｂが試料に照射されて形成された二次電子及び後方散乱電子の大部分は、対物レンズ５００の内部に引き込まれて第１上部検出器６１０で検出される。第４電極５４０は、第１上部検出器６１０が装着され、試料の方向に突出する円筒部を有し、その中心に開口部が設置されている。この円筒部によって一次電子ビームの検出器に対する立体角を減少させ、絶縁である検出器表面の帯電による一次電子ビームの異常な軌道偏向を減少させる。第４電極５４０の開口部を通過した二次電子及び後方散乱電子は、ビームチューブの上方に進行及び発散して第２上部検出器によって検出される。

【0067】

図４は、本実施形態の荷電粒子線装置における静電型対物レンズ部分の一次電子線の軌道（Ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ）及び軸上ポテンシャル（Ａｘｉａｌ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の計算例を示す。

【0068】

対物レンズの第１乃至第４電極に印加されるＶ_１～Ｖ_４電位はそれぞれ１０００Ｖ、８１５５Ｖ、４０００Ｖ、４０００Ｖであり、試料電位Ｖ_０は１０００Ｖであり、これらは電子源１１０を０Ｖ基準とする相対値である。例示されているように、第３電極と第４電極には同じ電位が印加される。これにより、後述するように電極及び検出器の汚染および損傷を防ぐことができ、検出性能を向上させることができるという利点が提供される。

【0069】

図４に例示されているように、対物レンズ５００の内部領域に相応するｚ軸－１５０～－５０ｍｍの範囲で、軸上電位は第３電極及び第４電極の電位によって決定され、４０００Ｖである。第２電極５２０には８１５５Ｖが印加され、荷電粒子線Ｂが試料に集束されるように調整される。第１電極５１０の電圧Ｖ_１は、試料電圧のＶ_０と同じ電位の１０００Ｖに設定される。

【0070】

一次電子線の軌道は、コンデンサレンズ３１０、３２０によって－１５０ｍｍの位置で光軸上に収束した後、対物レンズ５００に入射し、Ｚ＝０ｍｍの位置にある試料の表面に集束されなければならない。

【0071】

対物レンズ５００において、第３電極５３０と第２電極５２０との間の加速作用によって電子線は発散し、第２電極５２０と第１電極５１０との境界付近の減速作用によって収束して試料に集束される。

【0072】

本実施形態の静電型対物レンズ５００では、第２電極５２０に印加される第２電極電圧Ｖ_２を調整して試料上に電子線を集束させることができ、対物レンズ５００と試料との間の作動距離（ワーキングディスタンス）ＷＤ、電子線のエネルギーが変更される場合の集束条件を制御することができる。また、第２電極５２０に供給される第２電極電圧Ｖ２は、第３電極５３０に供給される第３電極電圧Ｖ３及びビームチューブ２００の電位とは独立して設定することができる。第２電極電圧Ｖ２を変更して集束を調整する場合にも、検出効率に影響を与える第３電極電圧Ｖ３と第４電極電圧Ｖ４は一定に保つことができるので、電子線の信号検出効率は一定に保つことができる。

【0073】

例示された軸上ポテンシャル（Ａｘｉａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を実現するために２つの電圧を印加する方法が可能である。第１の方法として、試料を接地（０Ｖ）し、カラム内部のビームチューブ２００を正電位とした場合、Ｖ０＝０Ｖ、Ｖ１＝０Ｖ、Ｖ２＝＋７１５５Ｖ、Ｖ３＝＋３０００Ｖ、Ｖ４＝＋３０００Ｖの電圧を印加する。電子源１１０に印加される加速電圧Ｖ_ＡＣＣ＝－１０００Ｖに設定することができる。

【0074】

第２の方法として試料を負電位とし、カラム内部のビームチューブ２００を接地（０Ｖ）とした場合、Ｖ０＝－３０００Ｖ、Ｖ１＝－３０００Ｖ、Ｖ２＝＋４１５５Ｖ、Ｖ３＝０Ｖ、Ｖ４＝０Ｖの電圧を印加する。電子源に印加される加速電圧Ｖ_ＡＣＣ＝－４０００Ｖに設定する。走査型電子顕微鏡のみを単独で使用する場合、２つの電圧適用方法がすべて可能である。

【0075】

上述した電子線のエネルギー分析を行うスペクトロメータの試料側は、接地されている場合が多いため、走査型電子顕微鏡とスペクトロメータを同時に動作させるためには第１の方法が好ましい。

【0076】

図５は、本実施形態による第１電極、第２電極及び第３電極、及び電極のパラメータ（寸法変数）を示す概要図である。図６は、第１電極、第２電極及び第３電極の正規化されたパラメータ値による対物レンズ５００の球面収差（Ｃｓ、ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示す図であり、図７は、第１電極、第２電極及び第３電極の正規化されたパラメータ値による対物レンズ５００の色収差（Ｃｃ、ｃｈｒｏｍａｔｉｃ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）を示す図である。

【0077】

図５～図７を参照すると、第１電極５１０、第２電極５２０及び第３電極５３０の端部は円錐形状を有することができる。円錐の角度はθ_ＯＬである。第１電極５１０、第２電極５２０及び第３電極５３０がなす円錐の末端部は互いに平行に切断され、直径Ｄの開口を形成することができる。

【0078】

第１電極５１０の末端部の厚さはｔ１であり、第２電極５２０の末端部の厚さはｔ２であり、第３電極５３０の末端部の厚さはｔ３である。図示の実施形態において、電極の末端部の厚さと残り部分の厚さは互いに異なる表示がされたが、これは例示された実施形態であって、電極の末端部の厚さと残り部分の厚さは互いに等しくてもよい。また、第１電極５１０と第２電極５２０との間の間隔はｇ１であり、第２電極５２０と第３電極５３０との間の間隔はｇ２である。

【0079】

図６及び図７の横軸は正規化されたパラメータ値（寸法値）であり、縦軸は収差の計算値である。正規化は、（該当値－最小値）／（最大値－最小値）の式を使用した。縦軸の収差の値が小さいほど対物レンズの性能に優れることを意味する。各幾何寸法値に対して、グラフの傾き値が大きいほど、対象となる幾何寸法が重要であることを示している。

【0080】

図６に例示した球面収差Ｃｓでは、第１電極５１０の先端部の厚さｔ１、電極の開口部の直径Ｄが結果値に及ぼす影響が他のパラメータに比べて大きいことが分かり、図７に例示された色収差Ｃｃでは、これらと共に、第１電極と第２電極との間の間隔ｇ１も、他のパラメータの値に比べて結果値に及ぼす影響が大きいパラメータであることが分かる。

【0081】

所望の収差係数を設定し、図６及び図７のグラフを参照して、基準値以下となる高性能の静電レンズを実現するための幾何寸法を決定することができる。具体的には、球面収差Ｃｓが４０ｍｍ以下、色収差Ｃｃが６ｍｍ以下となるようにするためには、各電極の開口部の直径Ｄを３ｍｍ以上、第１電極先端部の厚さｔ１を３ｍｍ以下、第１電極と第２電極との間隔ｇ１を４ｍｍ以下にする必要がある。異なるビームエネルギー、作業距離（ＷＤ）条件でも同様の計算を行い、収差を小さくして高性能の対物レンズを実現することができる。

【0082】

また、図６及び図７は、重要な設計条件である静電型対物レンズの円錐角度θ_ＯＬに対しても計算を行った。依存性は小さいが、円錐角が大きい条件がより収差係数が小さく、性能が良いレンズとなることが分かる。図６及び図７を用いて、走査型電子顕微鏡の静電型対物レンズとスペクトロメータの対物レンズの両方とも仕様を満たす円錐角を決定することができる。

【0083】

図８（ａ）は、従来の荷電粒子線装置の対物レンズ部において、試料の表面に発生した二次電子の軌道を計算した結果の一例を示す。静電レンズの等電位面が赤線、二次電子の軌道が青線で表示されている。図示の如く、検出器と電極との間には等電位面が形成され、これは、電位差が形成されていることを示す。したがって、試料から発生した二次電子が電極と検出器との電位差によって加速され、電極と衝突して、所望しない二次電子を生成し、これらが検出器で検出され、所望しないノイズとして作用する。また、検出器の表面に発生した二次電子が電位の高い電極に衝突し、これにより電極の内壁が汚染されるので、電界が不均衡になり、最終的に対物レンズとしての性能が低下する。

【0084】

従来技術の検出器は、一定期間使用した後、定期的な交換の際に検出器及び電極を取り外して対物レンズを分解する必要がある。そのため、再び検出器及び電極を組み立てるとき、中心位置を他の電極と精密に整列させて組み立てる必要があるから、不便で非効率的である。

【0085】

図８（ｂ）は、本実施形態の対物レンズ部において、試料の表面に発生した二次電子の軌道を計算した結果の例を示す。図８（ｂ）を参照すると、試料から生成された二次電子が端部と衝突せずにその内部に引き込まれ、従来技術に比べて検出器の位置がより上部に位置するため、開口部を通過する二次電子の量が増加して検出効率が向上したことを示す。

【0086】

また、従来技術では、検出器及び電極との間に電位差が形成されて多数の等電位線を確認することができるが、本実施形態では、第３電極と第４電極との間には電位差がないか、或いは５０Ｖ未満の電位差が形成される。すなわち、このため、試料から発生した二次電子が電極と衝突しないため、電極の汚染を防ぐことができ、静電レンズの性能劣化を防止し、長期的な安定動作を可能にする。さらに、第４電極と第３電極との電位差を＋５０Ｖ以下に設定すると、検出器で発生した二次電子が完全に上部検出器の方向に回帰するので、より効果的に電極汚染を防止することができる。一実施形態として、第２電極と第３電極との電位差は４０００Ｖ以上であるため、第４電極と第３電極との電位差が５０Ｖ程度であれば、電位差を無視できるレベルであることが分かる。

【0087】

また、本実施形態において、第１上部検出器６１０を交換するとき、第４電極５４０を取り外しても、主なレンズ作用を発生させる第２電極及び第３電極を取り外す必要なく、第１上部検出器６１０を容易に交換することができるため、その保守が容易である。本発明に対する理解を助けるために、図面に示された実施形態を参照して説明されたが、これは実施のための実施形態であって、例示的なものに過ぎず、当技術分野における通常の知識を有する者であれば、これから様々な変形及び均等な他の実施形態が可能であることを理解するであろう。したがって、本発明の真正な技術的保護範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められるべきである。

【符号の説明】

【0088】

１０ 荷電粒子線装置
１１０ 電子源
１１１ フィラメント
１１３ サプレッサ電極
１１５ エクストラクタ電極
１１９ 電子源用真空ポンプ
１４２ 第３領域ポンプ
１４４ 第４領域ポンプ
１４６ 第１領域ポンプ
２００ ビームチューブ
２１０ ビーム電極
３１０ 第１コンデンサレンズ
３１２ ヨーク
３１４ コイル
３１６ 光軸アライナ
３２０ 第２コンデンサレンズ
３２２ ヨーク
３２４ コイル
３２６ 光軸アライナ
３３０ 絞り
４１０ 検出器カバー
５００ 対物レンズ
５１０ 第１電極
５１２ 第１電極絶縁体
５２０ 第２電極
５２２ 第２電極絶縁体
５３０ 第３電極
５３２ 第３電極絶縁体
５４０ 第４電極
５４２ 第４電極絶縁体
６１０ 第１上部検出器
６２０ 第２上部検出器
７１０ スティグメータ
８１０ サブスキャン
８２０ メインスキャン
９１０ スペクトロメータ
９２０ 下部検出器
１０００ 駆動電源部
１０１０ 電子源駆動電源部
１０２０ 対物レンズ駆動電源部
１０３０ ユーザ端末

【要約】

【課題】対物レンズ及びそれを含む荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】本実施形態は、試料に荷電粒子線を集束し照射する荷電粒子線装置の対物レンズであって、前記対物レンズは、露出して試料に対向する第１電極と、前記荷電粒子線を試料に集束させる第２電極と、円錐状の先端部及び該先端部から延びた本体部を有する第３電極と、前記第３電極の本体部に位置する第４電極と、を含み、前記第１電極、前記第２電極、前記第３電極及び前記第４電極のそれぞれが貫通孔を含み、電圧が供給されて前記荷電粒子線が前記貫通孔を介して前記試料へ照射される。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】