CN111971776B - 带电粒子束装置 - Google Patents

Abstract

作为校正带电粒子束用的电磁透镜所具有的正的球面像差的装置，已知组合圆孔电极和圆环电极而得的球面像差校正装置。在该球面像差校正装置中，在向圆孔电极和圆环电极之间施加了电压时，由于圆孔电极产生的凸透镜效果，带电粒子束装置的焦点发生变化。因此，在具备产生带电粒子束的带电粒子束源(101)、具有圆环形状的带电粒子束光圈(120)、向带电粒子束光圈施加电压的带电粒子束光圈电源(108)的带电粒子束装置中，带电粒子束光圈电源向带电粒子束光圈施加极性与带电粒子束的电荷相反的电压。

Description

带电粒子束装置

技术领域

本发明涉及向试样照射带电粒子束的带电粒子束装置。

背景技术

扫描型电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)、聚焦离子束系统(FIB：Focused Ion Beam System)这样的带电粒子束装置使带电粒子束聚束到试样，来进行纳米级的观察、分析、加工。在要求纳米级的观察、分析、加工的半导体领域、材料领域、生物技术领域中广泛地使用了这些带电粒子束装置。另外，以推进了精细化的半导体领域为代表，在各种领域中，要求进一步的图像分辨率的提高、加工精度的提高。

在专利文献1中，公开了一种能够通过以下的办法而以简单的构造实现的球面像差校正器，其具备入射板和出射板，在其任意一方上形成圆形开孔，在另一方上形成圆环开孔，通过向入射板和出射板之间施加电压，而具有通过形成在圆环开孔的电场消除正的球面像差的发散。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：国际公开第2016/174891号

发明内容

发明要解决的课题

专利文献1所公开的球面像差校正器通过向圆孔电极(是指设置有圆形开孔的板)和圆环电极(是指设置有圆环开孔的板)之间施加电压，而在圆孔电极产生凸透镜效应，由此带电粒子束的焦点发生变化。另外，为了使圆孔电极和圆环电极成为不同的电位，必须在其之间经由绝缘片配置圆孔电极和圆环电极。如果该绝缘材料充电，则无法向圆孔电极和圆环电极之间施加希望的电压，像差校正性能也有可能劣化。

用于解决课题的方法

在一个实施方式的带电粒子束装置中，具备：带电粒子束源，其产生带电粒子束；带电粒子束光圈，其具有圆环形状；带电粒子束光圈电源，其向带电粒子束光圈施加电压，其中，带电粒子束光圈电源向带电粒子束光圈施加极性与带电粒子束的电荷相反的电压。

根据本说明书的记载和附图能够了解其他课题和新的特征。

发明效果

能够在抑制在向带电粒子束光圈施加电压时产生的焦点变化的同时，得到球面像差校正效果。

附图说明

图1是带电粒子束装置的概要图。

图2A是表示带电粒子束光圈部的结构的概要图。

图2B是带电粒子束光圈的截面图。

图2C是带电粒子束光圈的截面图。

图2D是带电粒子束光圈的截面图。

图3是表示带电粒子束光圈部的结构的概要图。

图4是表示带电粒子束光圈的支持构造的概要图。

图5是表示带电粒子束光圈的支持构造的概要图。

图6是表示带电粒子束光圈的支持构造的概要图。

图7是表示带电粒子束光圈的支持构造的概要图。

图8是GUI画面的一个例子。

图9A是表示使用了2个圆环形状光圈的带电粒子束光圈的构造的概要图。

图9B是对2个圆环形状光圈进行绝缘的情况下的隔板的例子。

具体实施方式

等电位线在圆环开孔的近旁弯曲，由此得到专利文献1的像差校正器的像差校正效果。本申请发明人们为了提高带电粒子束装置的分辨率而认真进行研究的结果得到了以下的见解，即通过取消圆孔电极，向圆环形状的带电粒子束光圈施加预定的电压，能够得到像差校正效果。如上述那样，由于存在圆孔电极，而产生带电粒子束的焦点偏离。但是，发现了在构成带电粒子光学系统的镜筒内形成有比较稳定的电场环境，通过将带电粒子束光圈设为圆环形状，并取消圆孔电极，向该圆环形状的带电粒子束光圈施加预定的电压，能够得到像差校正效果。但是，认为圆孔电极的作用是在圆环状的开口的近旁稳定地产生等电位线，确认了施加比有圆孔电极的情况更大的电压的必要性。在带电粒子束是电子的情况下，施加极性与电子具有的负电荷相反的正的电压，在带电粒子束是正离子的情况下，向圆环形状的带电粒子束光圈施加极性与正离子具有的正电荷相反的负的电压即可。

一边参照附图一边说明本发明的实施方式。但是，本实施方式只不过是实现本发明的一个例子。另外，在各图中，对共通的结构附加相同的参照编号。

图1表示带电粒子束装置的概要。作为其主要部分，带电粒子束装置具备产生带电粒子束的带电粒子束源101、使从带电粒子束源101释放的带电粒子束加速的加速电极102、配置在从加速电极102到物镜105下端近旁的射束管112、使从带电粒子束源101释放的带电粒子束聚束的第一、第二聚束透镜(condenser lens)103、104、屏蔽从带电粒子束源101释放的带电粒子的一部分的具有圆环形状的带电粒子束光圈120、对带电粒子束光圈120进行电绝缘的绝缘材料123、包含带电粒子束光圈120、支持带电粒子束光圈的支持材料、驱动机构等使带电粒子束光圈移动所需要的一系列部件的带电粒子束光圈器121、向带电粒子束光圈120施加电压的带电粒子束光圈电源108、使带电粒子束聚束到试样114的物镜105、配置试样114的试样室115、检测从试样114释放的二次带电粒子的检测器118。另外，作为控制上述的带电粒子光学系统的各构成要素的控制器，具备控制带电粒子束源101的带电粒子束源控制器151、控制加速电极102的加速电极控制器152、控制第一、第二聚束透镜103、104的第一、第二聚束透镜控制器153、154、控制带电粒子束光圈器121的带电粒子束光圈控制器169、控制带电粒子束光圈电源108的带电粒子束光圈电源控制器158、控制物镜105的物镜控制器155，另外，具备控制检测器118的检测器控制器168。通过进行带电粒子束装置整体的动作的控制和根据通过检测器118检测出的二次带电粒子束进行带电粒子束像的构筑的整合计算机170控制这些控制器。整合计算机170与控制器(键盘、鼠标等)171、显示器172连接，操作者能够从控制器171输入照射条件、带电粒子束光圈的电压条件、位置条件这样的各种指示等，将取得的像、控制画面显示到显示器172。除此以外，带电粒子束装置具备用于使带电粒子束扫描、移位的偏转系统等结构，但在图1中省略。

此外，在图1的例子中，具备2个聚束透镜103、104，但在控制入射到物镜105的带电粒子的目的下，聚束透镜的个数没有限制。物镜105具备不使磁场泄漏到磁路外的类型的透镜，但既可以是使磁场泄漏到磁路外的类型的透镜，也可以是具备使磁场泄漏的类型和不使磁场泄漏的类型双方的复合物镜。另外，聚束透镜103、104和物镜105在上述的目的下，既可以是静电透镜，也可以是如增压光学系统(booster optics)、延缓光学系统(retardingoptics)等那样同时使用磁场透镜和静电透镜的物镜，在使带电粒子束聚束到试样114的目的下，透镜的类型没有限制。

另外，在图1中，射束管112为GND电位(基准电位)，但在增压光学系统中被施加预定的电压。在覆盖带电粒子束的路径的目的下，形状和构成构件的个数没有限制。另外，检测二次带电粒子的检测器118既可以如图1那样配置在试样室115中，也可以配置在安装带电粒子光学系统的柱(column)内。另外，也可以配置在试样室115和柱内这双方。在检测二次带电粒子的目的下，其数目和配置位置没有限制。另外，图1是具备一个带电粒子束柱的带电粒子束装置，但也可以是具备多个带电粒子束柱的复合带电粒子束装置。

图2A表示带电粒子束光圈部的结构。(a)表示俯视图，(b)表示截面图。在图2A的例子中，带电粒子束光圈120直接形成在带电粒子束光圈板124上，从带电粒子束光圈电源108向带电粒子束光圈板124施加电压。带电粒子束光圈板124通过螺钉140安装在带电粒子束光圈板支持台125上，带电粒子束光圈板支持台125被绝缘材料123支持。并不限于此，也可以一体地形成带电粒子束光圈板124和带电粒子束光圈板支持台125。另外，为了向带电粒子束光圈板124施加电压，能够通过绝缘材料123将周边的构造物和电位分离。在该目的下，也可以不使用绝缘材料而使用高电阻的导电性部件。另外，在带电粒子束光圈板124上配置有一个或多个带电粒子束光圈120。在配置有多个的情况下，具有以下的优点，即即使一个光圈污染或损伤的情况下，也能够切换到其他光圈而马上再开始观察、加工。另外，配置了多个的带电粒子束光圈120的形状也可以是不同的。在该情况下，具有以下的优点，即能够根据加速电压等观察条件、加工条件的不同，分开使用适合的带电粒子束光圈。

图2B～2D表示带电粒子束光圈的截面图。对于带电粒子束光圈120a，从形成的板的上侧(带电粒子束源侧)到下侧(物镜侧)具有相同的圆环形状(图2B)。另一方面，对于带电粒子束光圈120b、120c，板的上侧具有圆环形状，其背侧的板的下侧具有直径比圆环形状大的筒形状(120b：图2C)、或直径相对于圆环形状逐渐变宽的圆锥形状(120c：图2D)。通过了带电粒子束光圈120的带电粒子束的一部分与带电粒子束光圈的侧壁冲撞，产生二次带电粒子(电子)。例如，在带电粒子束装置是电子显微镜的情况下，在带电粒子束光圈的侧壁产生的二次电子到达了试样的情况下，产生与照射到试样的电子束变宽同样的影响，有可能引起观察性能的恶化。因此，在带电粒子束源101是电子源的情况下，能够减轻与带电粒子束光圈120的侧壁的冲撞的图2C、图2D那样的形状比图2B的形状更理想。但是，通过形成于光圈的圆环部的电场也产生带电粒子束光圈120的球面像差校正效果，因此圆环部的厚度不能太薄，而从圆环部的强度的观点出发，具有某种程度的厚度也是理想的。根据这样的理由，圆环部的厚度理想的是1μm以上。此外，将带电粒子束光圈板124的厚度设为10μm左右以上。对于在光圈板124上形成光圈120的方法，可以是基于模具冲压(press)的成形、基于蚀刻的成形、基于FIB的成形等。

另外，如果带电粒子与绝缘材料123冲撞，则引起充电，因此理想的是绝缘材料123位于从带电粒子束的路径看不到的位置，使得至少从带电粒子束源101产生的带电粒子束不照射到绝缘材料123。作为一个例子，如图1所示，如果将绝缘材料123配置在射束管112的外侧，则能够容易实现从带电粒子束的路径看不到的构造。

另外，在图2A中，带电粒子束光圈120形成在长方形的板材上，但也可以如图3所示，将光圈板124设为圆盘状，通过螺钉140被圆盘状的支持台125支持。在该例子中，为了进行光圈120的光轴调整，针对支持台125设置位置调整用部件141a～d。另外，支持圆盘状的支持台125的绝缘材料123既可以是图示那样的筒形状，也可以由多个块构成。由此，能够分离光圈的电位和周边的构造物的电位。在该情况下，绝缘材料123理想的是从带电粒子束的路径看不到的构造，因此配置在射束管112的外侧。另外，对于该情况下，理想的是带电粒子束光圈120的形状也如图2C、图2D那样。

以下，说明带电粒子束光圈120的支持构造的变形例子。图4是将带电粒子束光圈120(形成光圈的板的形状没有限制，圆形、方形等)固定到带电粒子束光圈支持台122的支持构造。(a)表示俯视图，(b)表示截面图。在该例子中，为以下的结构，即将带电粒子束光圈120装载到带电粒子束光圈支持台122的凹部，并用断头螺钉的压紧螺钉126从其上向侧面按压。例如通过打孔加工在支持台122上形成凹部。另外，在图的例子中，螺钉部位于上部(带电粒子束源侧)，但螺钉部也可以位于下部(物镜侧)。此外，为了将压紧螺钉126拧入支持台122，而设置有压紧螺钉126的槽126b。

说明图4的类型的支持构造的变形例子。俯视图与图4的俯视图大致等同，因此都只表示截面图。图5、图6将带电粒子束光圈120装载到带电粒子束光圈支持台122，并经由其他的压紧板127通过螺钉140拧紧它。图5是在一个板上形成有一个带电粒子束光圈的例子，图6是在一个光圈板上形成有多个带电粒子束光圈的例子。在本结构中，表示出使用螺钉直接或间接地固定带电粒子束光圈的方法，但作为压紧构件，也可以是螺钉以外的固定。但是，带电粒子束光圈120是消耗品，因此理想的是能够从支持台容易地装卸的结构。

另外，图7表示将带电粒子束光圈单元128固定到带电粒子束光圈单元支持台129的结构。使带电粒子束光圈单元128的外径与带电粒子束光圈单元支持台129的支持部的内径嵌合，如果高精度地控制带电粒子束光圈在带电粒子束光圈单元128中的位置，则能够抑制因装卸、更换产生的带电粒子束光圈的错位。在图7的构造中也容易装卸，因此通过用螺钉140与带电粒子束光圈单元支持台129结合的压紧板127，将带电粒子束光圈单元128固定到带电粒子束光圈单元支持台129。作为高精度地控制带电粒子束光圈120在带电粒子束光圈单元128中的位置的方法，可以考虑以下的方法等，即在组装带电粒子束光圈单元128后，利用FIB等在带电粒子束光圈单元128的中心加工出带电粒子束光圈120。此外，在图4～图7的构造中，为了能够将带电粒子束光圈120和带电粒子束光圈支持台122的电位与周围的构造物的电位分离，而必须经由绝缘材料被带电粒子束光圈器121支持。通过与图2A同样的结构，能够实现这些。

以上说明的支持构造为施加电压的全部部件露出的结构，但也可以用带电粒子束装置的GND(基准电位)的构件覆盖这些构件的一部分。

在使用具有圆环形状的带电粒子束光圈120的情况下，通过向带电粒子束光圈120施加电压而产生的透镜为在圆环开口部产生的凹透镜。使用该凹透镜，校正物镜等凸透镜所具有的正的球面像差。因此，如果在向带电粒子束光圈120施加电压之前进行焦点调整，则在向带电粒子束光圈120施加电压之后几乎不产生散焦(focus bokeh)。这对于为了得到恰当的像差校正效果而搜索施加到带电粒子束光圈120的电压，非常有利。如果通过向带电粒子束光圈120施加电压而产生散焦，则在每次变更对带电粒子束光圈120的施加电压时，如果不进行焦点调整就无法确认图像质量的改善。即，必须重复进行对带电粒子束光圈120的施加电压的调整和焦点的调整。但是，在本实施例中，不产生散焦，因此能够在变更带电粒子束光圈120的施加电压的同时，实时地确认图像质量的改善。

图8表示显示到显示器172的用于调整像差校正量的GUI画面的一个例子。在GUI画面800中，设置有显示带电粒子束像的实况画面801、一边观察实况画面801的图像质量一边控制画质的控制画面804。在图中，控制画面804设置有用于调整各参数的大小的滑动条802、用于直接数值输入各参数的值的数值输入栏803。作为该参数之一，设置有“像差校正”805。通过控制其值，能够控制向带电粒子束光圈120的施加电压，调整像差校正量。不只是通过GUI画面800进行的调整，还能够在控制器171(操作台)上设置旋钮那样的控制开关来调整施加电压，以便调整为图像质量最好的电压。这样，取消圆孔电极，通过向具有圆环形状的带电粒子束光圈120施加电压而实现球面像差校正，由此能够很大地提高操作性。

图9A表示使用了沿着带电粒子束的光轴方向配置的2个具有圆环形状的带电粒子束光圈的光圈部的构造。在该带电粒子束光圈中，通过带电粒子束光圈电源向上侧(带电粒子束源侧)的带电粒子束光圈120d施加电压。在本结构中，能够得到上述的像差校正效果这一点也是相同的。进而，在本结构中，针对上侧(带电粒子束源侧)的带电粒子束光圈120d在侧壁产生的二次带电粒子大多被下侧(物镜侧)的带电粒子束光圈120e遮挡。由此，能够抑制因二次带电粒子造成的观察性能的恶化。另外，在图的例子中，下侧的圆环光圈120e的厚度比上侧的圆环光圈120d的厚度薄。这是因为上侧的圆环光圈120d实现球面像差校正效果，下侧的圆环光圈120e主要以极力抑制到达试样的二次带电粒子为目的。这样对光圈的厚度设置差异是理想的结构，但在使用了上下相同的圆环光圈的情况下，也能够预期一定的效果。另外，从抑制到达试样的二次带电粒子的观点出发，也可以使下侧的圆环光圈120e的开口宽度d₂比上侧的圆环光圈120d的开口宽度d₁窄。另外，在图中，2个带电粒子束光圈120d、120e经由导电性隔板130接触而电导通，但也可以为电独立的结构。在只向上侧的带电粒子束光圈120d施加电压，而不向下侧的带电粒子束光圈120e施加电压的情况下，各带电粒子束光圈的作用变得明确。但是，在使2个圆环光圈电独立的情况下，理想的是从带电粒子束的路径看不到绝缘材料的结构。图9B表示考虑到绝缘材料的配置的隔板的图，(a)是俯视图，(b)是截面图，(c)是底面图。在该例子中，隔板900具有内侧隔板901和直径比其大的外侧隔板902，内侧隔板901和外侧隔板902经由绝缘材料903连接。带电粒子束通过隔板900的开口部904，因此绝缘材料903能够配置在从带电粒子束的路径看不到的位置。

符号说明

101：带电粒子束源；102：加速电极；103：第一聚束透镜；104：第二聚束透镜；105：物镜；108：带电粒子束光圈电源；112：射束管；114：试样；115：试样室；118：检测器；120：具有圆环形状的带电粒子束光圈；121：带电粒子束光圈器；122：带电粒子束光圈支持台；123：绝缘材料；124：带电粒子束光圈板；125：带电粒子束光圈板支持台；126：压紧螺钉；127：压紧板；128：带电粒子束光圈单元；129：带电粒子束光圈单元支持台；130：导电性隔板；151：带电粒子束源控制器；152：加速电极控制器；153：第一聚束透镜控制器；154：第二聚束透镜控制器；155：物镜控制器；158：带电粒子束光圈电源控制器；168：检测器控制器；169：带电粒子束光圈控制器；170：整合计算机；171：控制器；172：显示器。

Claims (13)

1.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子束源，其产生带电粒子束；

第一带电粒子束光圈，其具有圆环形状；

第二带电粒子束光圈，其相对于上述第一带电粒子束光圈配置在上述带电粒子束的光轴方向上，具有圆环形状；以及

带电粒子束光圈电源，其向上述第一带电粒子束光圈施加极性与上述带电粒子束的电荷相反的电压，

上述第一带电粒子束光圈配置在比上述第二带电粒子束光圈靠近上述带电粒子束源侧。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子束光圈板，其形成有上述第一带电粒子束光圈，通过上述带电粒子束光圈电源被施加电压；以及

绝缘材料，其将上述带电粒子束光圈板的电位与周围的构造物的电位分离，

上述绝缘材料配置在从上述带电粒子束的路径看不到的位置。

3.根据权利要求2所述的带电粒子束装置，其特征在于，

在上述带电粒子束光圈板上形成有多个上述第一带电粒子束光圈。

4.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

具备：带电粒子束光圈板，其形成有上述第一带电粒子束光圈，通过上述带电粒子束光圈电源被施加电压，

对于上述第一带电粒子束光圈，上述带电粒子束光圈板的上述带电粒子束源侧为圆环形状，其背侧为直径比上述圆环形状大的筒形状。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

具备：带电粒子束光圈板，其形成有上述第一带电粒子束光圈，通过上述带电粒子束光圈电源被施加电压，

对于上述第一带电粒子束光圈，上述带电粒子束光圈板的上述带电粒子束源侧为圆环形状，其背侧为直径相对于上述圆环形状逐渐变宽的圆锥形状。

6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子束光圈支持台，其具有凹部，通过压紧部件将上述第一带电粒子束光圈固定到上述凹部；以及

绝缘材料，其将上述带电粒子束光圈支持台的电位与周围的构造物的电位分离，

上述绝缘材料配置在从上述带电粒子束的路径看不到的位置。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述压紧部件通过螺钉将上述第一带电粒子束光圈固定到上述带电粒子束光圈支持台、或经由压紧板将上述第一带电粒子束光圈固定到上述带电粒子束光圈支持台。

8.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子束光圈单元，其固定有上述第一带电粒子束光圈；

带电粒子束光圈支持台，其具有凹部，上述带电粒子束光圈单元的外径与上述凹部的内径嵌合；

压紧部件，其将上述带电粒子束光圈单元固定到上述带电粒子束光圈支持台；以及

绝缘材料，其将上述带电粒子束光圈支持台的电位与周围的构造物的电位分离，

上述绝缘材料配置在从上述带电粒子束的路径看不到的位置。

9.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第二带电粒子束光圈的厚度比上述第一带电粒子束光圈的厚度薄。

10.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第二带电粒子束光圈的开口宽度比上述第一带电粒子束光圈的开口宽度窄。

11.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述第一带电粒子束光圈与上述第二带电粒子束光圈电独立，

设置在上述第一带电粒子束光圈与上述第二带电粒子束光圈之间的隔板具备与上述第一带电粒子束光圈相接的第一隔板、与上述第二带电粒子束光圈相接的第二隔板、介于上述第一隔板与上述第二隔板之间的绝缘材料，上述绝缘材料配置在从上述带电粒子束的路径看不到的位置。

12.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子束源，其产生带电粒子束；

第一带电粒子束光圈，其具有圆环形状；

第二带电粒子束光圈，其相对于上述第一带电粒子束光圈配置在上述带电粒子束的光轴方向上，具有圆环形状；带电粒子束光圈电源，其向上述第一带电粒子束光圈施加极性与上述带电粒子束的电荷相反的电压；

物镜，其使上述带电粒子束聚束并照射到试样上；

检测器，其检测上述带电粒子束照射到上述试样上而释放的二次带电粒子；

计算机，其基于由上述检测器检测出的二次带电粒子形成带电粒子束像；以及

显示器，其与上述计算机连接，

通过显示在上述显示器中的GUI画面的操作画面的滑动条、或与上述计算机连接的控制器的控制开关，控制上述带电粒子束光圈电源施加到上述带电粒子束光圈的电压。

13.根据权利要求12所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述显示器具有显示上述带电粒子束像的实况画面。