CN110431649B

CN110431649B - 带电粒子束装置

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Publication number: CN110431649B
Application number: CN201780088310.5A
Authority: CN
Inventors: 平野辽; 森下英郎; 扬村寿英; 片根纯一; 野间口恒典
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2022-12-20
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: US20200090903A1; JP6814282B2; WO2018179115A1; CN110431649A; JPWO2018179115A1; DE112017007063T5; US10886101B2

Abstract

带电粒子束装置具备：带电粒子源，其射出带电粒子束；助推电极，其配置于带电粒子源与试样之间，形成带电粒子束的通路，并且对上述带电粒子束进行加减速；第一磁极片，其形成为覆盖助推电极；第二磁极片，其形成为覆盖第一磁极片；第一透镜线圈，其配置于第一磁极片的外侧，并且配置于上述第二磁极片的内侧，且形成第一透镜；第二透镜线圈，其配置于第二磁极片的外侧且形成第二透镜；以及控制电极，其形成于第一磁极片的前端部与第二磁极片的前端部之间，且控制形成于试样与第二磁极片的前端部之间的电场。

Description

带电粒子束装置

技术领域

本发明涉及带电粒子束装置。

背景技术

在带电粒子束装置中，公开有使用层叠电场透镜而成的助推型的磁场透镜的技术(参照专利文献1)。专利文献1的物镜的优点例如为减速静电场引起的低能量观察下的高分辨率。

现有专利文献

专利文献

专利文献1：日本特开平1－298633号公报

发明内容

发明所要解决的课题

根据专利文献1，存在有时根据试样的状况，分辨率变差的问题。例如，在试样表面具有凹凸的情况下、试样相对于带电粒子束通过的光轴倾斜的情况下，形成于试样上的电场透镜歪斜，发生物镜的性能劣化。

因此，本发明的目的在于提供一种带电粒子束装置，通过抑制电场透镜的歪斜，能够实现高分辨率观察。

用于解决课题的方案

本发明的一方案的带电粒子束装置具备：带电粒子源，其射出带电粒子束；助推电极，其配置于带电粒子源与试样之间，形成带电粒子束的通路，并且对上述带电粒子束进行加减速；第一磁极片，其形成为覆盖助推电极；第二磁极片，其形成为覆盖第一磁极片；第一透镜线圈，其配置于第一磁极片的外侧，并且配置于上述第二磁极片的内侧，且形成第一透镜；第二透镜线圈，其配置于第二磁极片的外侧且形成第二透镜；以及控制电极，其形成于第一磁极片的前端部与第二磁极片的前端部之间，且控制形成于试样与第二磁极片的前端部之间的电场。

发明效果

根据本发明，能够提供一种带电粒子束装置，通过抑制电场透镜的歪斜，能够实现高分辨率观察。

附图说明

图1是SEM的概略图。

图2是SEM的详细图。

图3是减速电场的概略图。

图4是形成物镜的各种部件的分割单元的剖视图。

图5是向分割部位搭载的箱体内检测器的剖视图。

图6是分割单元的固定方法的概略图。

图7是向控制电极导入电压的方法的概略图。

图8是FIB－SEM的概略图。

具体实施方式

在以下的实施例中，作为带电粒子束装置的一方案，以扫描电子显微镜(以下、SEM)为例来说明，但不限于此，例如，也可应用于聚焦离子束-扫描电子显微镜复合装置(以下，FIB－SEM)、扫描透射电子显微镜(STEM)等。

实施例1

图1是SEM的概略图。该SEM具备：向试样103照射一次带电粒子束(在此为一次电子束)的SEM箱体102；搭载该箱体102且在观察时容纳试样的试样室101；搭载试样室101的架台100；显示图像的监视器(显示部)104；以及控制SEM整体的系统的控制部105。

图2是SEM的详细图。SEM箱体102具备：放射一次电子束112的电子源111；使一次电子束112聚焦于试样103上的物镜；用于使一次电子束112从电子源110正下方到物镜前端加速而以高能量状态通过该物镜的助推电极113及控制电极114；以及探测因一次电子束112的照射而从试样103产生的信号电子121的检测器122、123。当利用助推电极113及控制电极114将一次电子束112加速时，从物镜受到聚焦作用时的一次电子束112的能量变高，因此，透镜像差降低，分辨率改善。

在此，物镜是电场叠加型的磁场透镜，具有两种模式。一种是不存在试样上的磁场的泄漏的非浸入式磁场透镜119(非浸入模式)，另一种是在试样上形成磁场的浸入式磁场透镜120(浸入模式)。前者因为不存在试样上的磁场的泄漏，所以适用于不能存在磁场的影响的分析、磁性试样的观察，后者通过在试样上形成磁场，从而利用透镜焦距的缩短，适用于高分辨率观察。因此，根据用途，区分使用磁场透镜的透镜模式，从而能够进行大范围的分析。

非浸入式磁场透镜119(第一透镜)通过在配置于第一磁极片115的外侧且配置于第二磁极片116的内侧的第一透镜线圈117流动电流而形成于第一磁极片115与第二磁极片116之间。另一方面，浸入式磁场透镜120(第二透镜)通过在配置于第二磁极片116的外侧的第二透镜线圈118流动电流而形成于第二磁极片116与试样103之间。以使一次电子束112在试样103上聚焦的方式利用控制部105控制流向线圈的电流，从而能够控制这些磁场透镜的强度。

第一磁极片115及第二磁极片116为轴对称的中空圆锥形状，由纯铁、铁钴磁性合金等软磁性体材料构成。另外，第二磁极片116的试样侧的开孔比第一磁极片115的试样侧的开孔小。

第一磁极片115及第二磁极片116配置于电子源111与试样103之间，第二磁极片116配置于第一磁极片115的外侧。第二磁极片116的试样侧前端部配置于比第一磁极片115的试样侧前端部靠试样侧。

探测信号电子的检测器具有搭载于SEM箱体102内的箱体内检测器122和搭载于试样室101的试样室检测器123，例如，可采用使用了闪烁体的检测器、使用了半导体的检测器等。

图3是减速电场的概略图，A表示形成于试样上的第二减速电场，B表示试样倾斜时的第二减速电场，C表示进行了抑制的第二减速电场。

助推电极113为相对于光轴110轴对称的中空圆筒形状，配置于第一磁极片115的内侧，且从电子源正下方配置至比第一磁极片115的试样侧的前端靠下部。

控制电极114为相对于光轴110轴对称的中空圆锥形状，配置于助推电极113与第二磁极片116之间。

对助推电极113施加正电压，对控制电极114施加助推电极113的电压以下且试样103的电压以上的电压。在助推电极113和控制电极114的电压值不同的情况下，通过该电位差形成将一次电子束112减速的第一减速电场130，通过控制电极114与第二磁极片116以及试样103的电位差形成将一次电子束112减速的第二减速电场131。在此，将第二磁极片116的前端部与试样103之间的距离、以及对控制电极114的施加电压设定为适当的值。于是，第二减速电场131主要由控制电极114与第二磁极片116的电位差形成，能够抑制向试样103上的电场泄漏。

即，助推电极113、控制电极114、第二磁极片116、以及试样103互相电独立地配置，若将对试样103的施加电压定义为Vs、将对控制电极114的施加电压定义为Vc、且将对助推电极113的施加电压定义为Vb，则满足Vs≤Vc≤Vb。

例如，在将第二磁极片116的前端部与试样103之间的距离设为4mm的情况下，只要相对于接地的试样，控制电极114的电压值为100V左右，就能够抑制试样上的电场泄漏。因此，能够抑制依赖于试样表面的凹凸、试样倾斜等试样形态而产生的第二减速电场131的歪斜，能够抑制依赖于试样形态而产生的透镜性能的劣化。

另外，助推电极113及控制电极114的电压值能够通过用于进行SEM的操作的GUI(显示部104)任意变更。因此，基于观察条件的电极的电压值的变更变得容易。

在此，在切换物镜的模式时，将助推电极113的电压设定为恒定值，仅变更控制电极的电压值，从而能够以无伴随助推电极113的电压值的变更而产生的光学条件的变化的方式使用物镜。

接下来，对SEM的动作原理进行说明。从电子源111射出的一次电子束112在助推电极113的圆筒内高速行进。在非浸入模式的情况下，一次电子束112受到非浸入式磁场透镜119的聚焦作用后，被第一减速电场130和第二减速电场131减速，并照射至试样103。另一方面，在浸入模式的情况下，一次电子束112在被第一减速电场130减速后，受到浸入式磁场透镜120的聚焦作用，之后被形成于试样103上的第二减速电场131减速，并照射至试样103。这样，通过使一次电子束112被助推电极113加速，一次电子束112能够具有较高的能量并受到磁场透镜的聚焦作用，因此能够降低通过磁场透镜时产生的像差。

利用透镜作用聚焦后的一次电子束112通过扫描线圈的偏转作用在试样上扫描。当一次电子束112照射至试样103时，射出信号电子121。信号电子121由箱体内检测器122或试样室检测器123检测。

通过控制对控制电极114的施加电压，能够控制第一减速电场130和第二减速电场131的减速作用。例如，在具有相对于光轴110非轴对称的表面形态的试样、使试样相对于光轴倾斜而欲抑制试样上的第二减速电场131的情况下，只要将控制电极114的电位以接近试样电位的方式控制即可。

在欲将浸入式磁场透镜120高分辨率化的情况下，为了增强第二减速电场131而将控制电极114的电压值设定得较高。另外，在欲将非浸入式磁场透镜119高分辨率化，并且观察倾斜试样、在表面具有凹凸的试样的情况下，为了减弱第二减速电场131，将控制电极114的电压值设定为接近第二磁极片及试样的电位。

这样，在物镜的各个模式下，可以不依赖于试样形态而进行高分辨率观察。即，能够通过控制电极114抑制在物镜的助推化中成为问题的试样上的减速电场的歪斜。

另外，在信号电子121具有50eV左右的较低的能量的二次电子的情况下，被第二减速电场131吸入SEM箱体102内。另一方面，相比二次电子具有较高的能量的背散射电子通过未被第二减速电场131聚焦而直线前进。因此，通过第一及第二减速电场131的强度和检测器的配置，能够区别二次电子、背散射电子。

图4是形成物镜的各种部件的分割单元141的剖视图。A表示将分割单元141从SEM分割的样子。B的分割单元141包括助推电极的试样侧前端部、控制电极、第一磁极片的试样侧前端部、以及第二磁极片的试样侧前端部。C表示第一磁极片的试样侧前端部未包含于分割单元141的例。这样，能够根据需要，做成可从SEM装卸各种部件的构造。由此，用于形成物镜的电极、磁极片因附着杂质、吸附气体等而污染的情况下、因干涉物而损伤的清下的修复变得容易，维护性提高。

图5是向分割部位搭载的箱体内检测器122的剖视图。该情况下，在因检测面的污染而信号电子的获取量降低的情况下、检测器故障的情况下的修复变得容易。在分割部位，除了箱体内检测器122外，还可以搭载用于将电子束偏转的偏转器、差动排气用的节流孔。于是，通过采用分割单元141，具有容易向分割部位插入其它部件的优点。

在分割单元141中，需要使助推电极、控制电极、第一磁极片、以及第二磁极片分别电独立，因此，通过使用绝缘构件140(树脂材料、陶瓷材料等)来固定。

图6是分割单元的固定方法的概略图，A表示通过螺纹件直接固定于第二磁极片上116a的方法，B表示直接将第二磁极片下116b固定于在第二磁极片上116a切出的螺纹的方法，C、D表示使用树脂材料、陶瓷材料等绝缘物固定的方法。C中，固定于第二磁极片上，D中固定于第一磁极片。在任意的情况下，都以将第二磁极片上和第二磁极片下的端面无间隙地接合为前提。除此之外，也可以为利用了基于树脂勘合的固定、基于磁的吸附的固定方法。

为了发挥物镜的性能，需要进行磁场透镜与电场透镜的定中心轴。即，形成磁场透镜的第一、第二磁极片及形成电场透镜的助推电极、控制电极位置的组装精度是重要的。本实施例中，通过将这些需要组装精度的部件做成分割单元来统一，具有因小型化而带来的装配性的提高、能够将分割单元作为消耗品提供的优点。

图7是向控制电极导入电压的方法的概略图，A表示从第二磁极片的分割部位导入的方法，B表示从在第二磁极片的侧面挖出的孔导入的方法。该孔优选轴对称地具备2～4个。对助推电极下113b导入电压的方法也可以采用在分割部位接合于助推电极上113a的方法、与控制电极同样地从第二磁极片的外侧进行电压导入的方法。作为接合的方法，可以进行使用了弹簧的接合、使用了电缆的接合等。

根据实施例1，除了使带电粒子束加速的助推电极，还追加控制电极，从而不管物镜的模式如何，都能够实现基于电场叠加的高分辨率观察。另外，能够提供兼顾了高分辨率观察和试样上的无电磁场的观察的带电粒子束装置。而且，通过将磁极片及电极的试样侧前端部分割单元化而做成可装卸的构造，能够提高装配性、维护性，更稳定地提供功能。

实施例2

图8是FIB－SEM(Focused Ion Beam；也称为复合带电粒子束装置)的概略图。FIB－SEM中，朝向试样搭载FIB箱体170，利用FIB进行试样的加工。一般，在FIB－SEM中，FIB的加工时以将试样相对于FIB箱体170的中心轴正交的方式将试样倾斜，进行离子束的加工。因此，在物镜与试样之间形成减速电场的情况下，因试样的倾斜而引起电场歪斜，导致试样上的一次电子束的照射位置、SEM的分辨率劣化等透镜性能的劣化。因此，在FIB－SEM这样的使试样相对于SEM箱体102倾斜的装置中，控制形成于物镜与试样之间的减速电场是重要的。本实施例中，通过利用控制电极控制物镜与试样之间的减速电场，即使对于倾斜的试样，也可得到提高助推带来的分辨率提高的效果。

另外，作为FIB－SEM的SEM物镜，将物镜前端部做成分割单元是有效的。在利用FIB加工试样时，从试样射出溅射粒子(原子、分子)。然后，该溅射粒子附着于物镜前端部，从而可能引起因箱体内检测器的性能降低、电极间的绝缘性能的劣化而导致的放电等问题。因此，将磁极片及电极的试样侧前端部设为分割单元而做成可装卸的构造具有如下优点：在箱体内检测器、电极发生问题的情况下，能够容易地更换这些部件。

符号说明

100—架台，101—试样室，102—SEM箱体，103—试样，104—监视器，105—控制部，110—光轴，111—电子源，112—一次电子束，113—助推电极，113a—助推电极上，113b—助推电极下，114—控制电极，115—第一磁极片，116—第二磁极片，116a—第二磁极片上，116b—第二磁极片下，117—第一透镜线圈，118—第二透镜线圈，119—非浸入式磁场透镜，120—浸入式磁场透镜，121—信号电子，122—箱体内检测器，123—试样室检测器，130—第一减速电场，131—第二减速电场，132—倾斜试样，140—电极固定用部件，141—分割单元，150—分割单元固定螺纹件，151—分割单元固定用部件，160—电压导入线，161—电压导入端子，170—FIB箱体。

Claims

1.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子源，其射出带电粒子束；

助推电极，其配置于上述带电粒子源与试样之间，形成上述带电粒子束的通路，并且对上述带电粒子束进行加减速；

第一磁极片，其形成为覆盖上述助推电极；

第二磁极片，其形成为覆盖上述第一磁极片；

第一透镜线圈，其配置于上述第一磁极片的外侧，并且配置于上述第二磁极片的内侧，且形成第一透镜；

第二透镜线圈，其配置于上述第二磁极片的外侧且形成第二透镜；以及

控制电极，其形成于上述第一磁极片的前端部与上述第二磁极片的前端部之间，且控制形成于上述试样与上述第二磁极片的前端部之间的电场，

上述助推电极、上述控制电极、上述第二磁极片以及上述试样互相电独立地配置，若将对上述试样的施加电压定义为Vs、将对上述控制电极的施加电压定义为Vc、且将对上述助推电极的施加电压定义为Vb，则满足Vs≤Vc≤Vb，

上述带电粒子束装置还具备分割单元，该分割单元能够装卸地形成于上述带电粒子束装置，

上述带电粒子束装置形成为能够从上述分割单元与上述带电粒子束装置的分割部位向该带电粒子束装置内插入部件。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第一透镜是非浸入式透镜，上述第二透镜是浸入式透镜。

3.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述分割单元包括上述第二磁极片的上述试样侧的前端部。

4.根据权利要求3所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述分割单元还包括上述控制电极和上述助推电极的上述试样侧的前端部。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述部件是检测从上述试样产生的带电粒子的检测器。

6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述部件是真空差动排气用的节流孔。

7.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述部件是用于将带电粒子束偏转的偏转器。

8.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第二磁极片在其侧面轴对称地具备用于向上述控制电极导入电压的2至4个贯通孔。

9.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第一磁极片及第二磁极片的试样侧的前端部、以及上述助推电极及上述控制电极的试样侧的前端部呈轴对称的中空圆锥形状，

上述助推电极的试样侧的前端部位于上述第一磁极片的试样侧的前端部及上述第二磁极片的试样侧的前端部之间，

上述控制电极的试样侧的前端部位于上述助推电极的试样侧的前端部与上述第二磁极片的试样侧的前端部之间。

10.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

对第一透镜线圈进行激励时向上述助推电极施加的电压和对第二透镜线圈进行励磁时向上述助推电极施加的电压设定为同一电位。