CN112088418B - 多极透镜及使用了该多极透镜的像差校正器、带电粒子束装置 - Google Patents

Abstract

在产生多极场的绕线型的像差校正器中，缓和为了配置电流线所要求的机械位置精度。因此，构成像差校正器的多极透镜具有磁性体芯(150)和多个电流线(101)～(112)，在磁性体芯的内壁设有多个槽(151)～(162)，多个槽的中心(151a)～(162a)相对于磁性体芯的中心轴(150a)轴对称地配置，多个电流线的主线部分别配置于磁性体芯的多个槽的任一个。

Description

多极透镜及使用了该多极透镜的像差校正器、带电粒子束 装置

技术领域

本发明涉及带电粒子束应用技术，特别涉及搭载了像差校正器的扫描电子显微镜、透射电子显微镜等带电粒子束装置。

背景技术

在以扫描电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)、扫描透射电子显微镜(STEM：Scanning Transmission Electron Microscope)等为代表的带电粒子束装置中，为了提高分辨率而导入了像差校正器。像差校正器的类型之一中，由设置为多层的多极透镜构成，作为通过产生电场或磁场而使多个多极场合并的多极透镜，去除穿过内部的带电粒子束包含的像差。专利文献1公开了使用来自多个电流线的磁场来产生多极场的绕线型的像差校正器。

另外，在专利文献2中公开了，为了减少偏转彗差，在物镜内设置透镜内偏转器，作为该透镜内偏转器，公开了使用在环状的铁氧体磁芯卷绕环形线圈而成的环型的偏转器的例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2009-54581号公报

专利文献2：日本特开2013-229104号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在专利文献1中，通过使用电流线形成多极场，能够实现比较廉价的多极校正系统的像差校正器，但要求高的机械位置精度，在该情况下对电流线的配置要求高的位置精度。

专利文献2公开了使用了环形线圈的偏转器，但并不是构成产生多极场的多极透镜的技术。

用于解决课题的方案

一实施方式的多极透镜具有磁性体芯和多个电流线，在磁性体芯的内壁设置有多个槽，多个槽的中心相对于磁性体芯的中心轴轴对称地配置，多个电流线的主线部分别配置于磁性体芯的多个槽中的任一个。另外，使用该多极透镜构成像差校正器、带电粒子束装置。

发明效果

在产生多极场的绕线型的像差校正器中，能够缓和为了配置电流线而要求的机械位置精度。

其它的课题和新的特征根据本说明书的描述和附图将变得清楚。

附图说明

图1A是多极透镜的鸟瞰剖视图(示意图)。

图1B是多极透镜的俯视图(示意图)。

图1C是设置于磁性体芯的槽的中心位置的鸟瞰图(示意图)。

图2是电流线的鸟瞰图(示意图)。

图3是表示电流线(主线部)的位置与被激励的六极场的强度的关系的图。

图4是表示磁性体芯的槽的宽度与被激励的六极场的强度的关系的图。

图5是表示磁性体芯的内径与被激励的六极场的强度的关系的图。

图6是表示电流线的匝数与被激励的六极场的强度的关系的图。

图7是设置于磁性体芯的槽的形状的一例。

图8是设置于磁性体芯的槽的形状例。

图9是表示由电流线(连接部)激励的六极场的强度的图。

图10是在磁性体芯设有非磁性间隔件的多极透镜的例子。

图11A是磁性体芯的鸟瞰剖视图。

图11B是磁性体芯的剖视图(A0面)。

图11C是磁性体芯的剖视图(A1面)。

图11D是磁性体芯的剖视图(B面)。

图12是说明使用了带上下盖的磁性体芯的多极透镜的效果的图。

图13A是表示带电极的磁性体芯的图。

图13B是表示带电极的磁性体芯的图。

图14是表示组装有像差校正器的扫描电子显微镜整体的结构例的概略图。

具体实施方式

像差校正器构成为具有多层多极透镜。本实施例的多极透镜具有电流线配置于在磁性体芯的内壁所设置的槽的结构。图1A是绕线像差校正器的一层的多极透镜的鸟瞰剖视图(示意图)，图1B是绕线像差校正器的一层的多极透镜的俯视图(示意图)，图1C是设于磁性体芯的槽的中心位置的鸟瞰图(示意图)。磁性体芯150由纯铁、坡莫合金等磁性材料制成，具有圆筒形状，且在其内壁设置有沿Z方向延伸的槽151～162。如图1C所示，各槽的中心位置151a～162a相对于磁性体芯150的中心轴150a轴对称地设置。即，槽151的中心位置151a及槽157的中心位置157a配置成相对于中心轴150a，在同一平面上轴对称。槽的中心位置152a及槽的中心位置158a、槽的中心位置153a及槽的中心位置159a、槽的中心位置154a及槽的中心位置160a、槽的中心位置155a及槽的中心位置161a、槽的中心位置156a及槽的中心位置162a也分别同样。此外，在该例中设置有12个槽，但并不限定槽的数量。若将槽的数量设为k，则相邻的槽之间的角度为将磁性体芯150的中心轴150a作为旋转轴分割成槽的数量k而成的角度(360°/k)。

电流线101～112分别配置于主线部设于磁性体芯150的槽151～162。图2将电流线101～112抽出，并采用鸟瞰图(示意图)示出。以带电粒子束的光轴100为中心，配置由电流线101～电流线112构成的12个电流线。带电粒子束的光轴100与磁性体芯150的中心轴150a一致。

以图1A所示的电流线101为例说明电流线的构造。电流线101形成四边形的回路形状，且从未图示的电源供给电流。标注于电流线的箭头是流动的电流的朝向。以下，如图1A所示地，将电流线分成与该四边形的边分别对应的四个区间，且分别称为主线部121、连接部122、连接部123、返回线部124。主线部121是指电流线中的配置于磁性体芯的槽内的部分，连接部122、123是指将主线部121从磁性体芯的外部向槽内导入、或者将主线部121从槽内向磁性体芯外部导出的部分，返回线部124是指电流线中的配置于磁性体芯的外部的部分。

多极场由来自主线部的磁场形成。虽然在图2所示的绕线透镜(多极透镜)省略了电源，但多极场的激励需要以特定的分配来流通电流。例如，作为用于激励2N极场(N为1以上的整数)的一个组合，若将施加于电流线101～112的每一个的电流设为I₁～I₁₂，则采用相对于基准电流A_N以(数1)求出的电流值的组合。

[数1]

I_i＝A_N·Cos(N(i-1)π/6)…(数1)

(数1)表示激励单一的多极场的电流分配。与此相对，也可以重叠不同的多个多极场，在该情况下，电流线101～112分别与不同的电源连接。

在不具有磁性体芯的现有的绕线透镜中，由于在主线部和返回线部中电流的朝向相反，因此基于返回线部的多极场具有削弱基于主线部的多极场的作用。与之相对，在本实施例的绕线透镜中，在主线部121与返回线部124之间配置有磁性体芯150，由此，磁性体芯起到磁屏蔽的作用，返回线部不会对基于主线部的多极场产生影响。本发明者还发现了本实施例的多极透镜具有用于构成像差校正器的优异的特性。

图3是关于在磁性体芯的径向上逐渐地改变电流线的位置的本实施例的多极透镜，激励六极场，调查电流线的位置与被激励的六极场的强度(进行标准化而示出)的关系的图。此外，电流线的配置位置以外的磁性体芯的形状相同。如图所示，电流线位置(横轴)越大，意味着电流线的主线部越位于从磁性体芯的靠内径处向靠外径处偏移的位置。根据该结果可知，如电流线位置为3mm～3.1mm的情况那样，即使电流线的主线部在磁性体芯的径向上偏移，也存在被激励的六极场的强度几乎不受影响的区域。

图4是关于使用了逐渐地改变了槽的宽度W的磁性体芯的本实施例的多极透镜，激励六极场，调查槽的宽度W与被激励的六极场的强度(进行标准化而示出)的关系的图。此外，槽的宽度以外的磁性体芯的形状，包括电流线的配置位置均相同。根据该结果可知，如槽宽为0.3mm～0.5mm的情况那样，即使槽的宽度变化，也存在被激励的六极场的强度几乎不受影响的区域。

根据这些结果可知，能够使由本实施例的多极透镜激励的磁场强度几乎不受配置于磁性体芯的槽内的电流线的主线部的位置精度的影响。在现有的未使用磁性体芯的绕线像差校正器中，为了产生所希望的磁场，电流线的配置位置要求高精度。与之相对，在本实施例的绕线像差校正器中，只要在周向及径向上高精度地制作了磁性体芯的槽的中心位置，槽中的电流线的配置位置的偏移就几乎不具有对多极透镜产生的磁场强度的影响，这是在实际地制作多极透镜来构成像差校正器时非常有利的特征。

另一方面，多极透镜产生的多极场强度能够通过磁性体芯的内径、电流线的匝数来调整。图5是关于使用了逐渐地改变了内径的磁性体芯的本实施例的多极透镜，激励六极场，调查内径与被激励的六极场的强度(进行标准化而示出)的关系的图。因此，可知，内径越小，由多极透镜激励的磁场强度越大。另外，图6是关于改变了电流线的匝数的本实施例的多极透镜，激励六极场，调查匝数与被激励的六极场的强度(进行标准化而示出)的关系的图。因此，可知，匝数越多，即配置于磁性体芯的槽内的电流线的主线部的多重数越多，由多极透镜激励的磁场强度越强。

因此，在本实施例的多极透镜中，只要高精度地制作磁性体芯的内径及配置电流线的槽的中心位置(例如，如果是周向的位置的偏移，则为1度以内)，且相对于磁性体芯的中心轴轴对称地配置对置的槽的中心位置即可，因此，能够考虑卷绕容易度而决定槽的形状。图7表示设置于磁性体芯的槽的形状的例子。在该例子中，在槽200设置有朝向内壁扩展的锥形部201、配置电流线的内室202。

图8表示设置于磁性体芯的槽的变形例。在(A)～(E)中，设定为，分别以中心轴300a～300e为原点，第一槽的中心位置301a～301e、第二槽的中心位置302a～302e、第三槽的中心位置303a～303e在周向C、径向R上处于相同的位置。如示例地，对于槽的形状，即使改变锥形部的扩展的大小，即使如(E)所示地在锥形部设置屈曲部也没有问题。

另外，也可以在磁性体芯的上表面及下表面设置用于对电流线的连接部进行定位的配线引导部(槽)。如图9所示，电流线的连接部彼此隔着磁性体芯150对置，因此由电流线的连接部产生的磁场强度比没有磁性体芯的情况大。即，在不存在磁性体芯150的绕线透镜的情况下，由连接部401、402激励的六极场强度为波形410，与之相对，在存在磁性体芯150的绕线透镜的情况下，由连接部401、402激励的六极场强度为波形420，比波形410显著变大。因此，对于Z方向的槽的位置也要求高精度。因此，如图10所示，通过相对于磁性体芯150在Z方向上设置非磁性间隔件并在非磁性间隔件上配置电流线的连接部，能够降低由连接部激励的六极场强度，缓和Z方向的槽的位置要求的精度。此外，图10是在磁性体芯150的上表面设置有非磁性间隔件的例子，但也可以在上下表面双方设置非磁性间隔件。

在以上的例子中，在磁性体芯的内壁设置有到达上下表面的槽。与之相对，也可以将磁性体芯的槽作成狭缝状。换言之，相当于对图1A所示的磁性体芯150在其上下追加了磁性体盖的形状。使用图11A～图11D，对设置于磁性体芯的狭缝的形状进行说明。图11A是磁性体芯的鸟瞰剖视图，图11B是图11A所示的A0面处的磁性体芯的剖视图，图11C是图11A所示的A1面处的磁性体芯的剖视图，图11D是图11A所示的B面处的磁性体芯的剖视图。在此，A0面是通过磁性体芯550的狭缝501的中央附近的XY面，A1面是通过狭缝501的端部的XY面，B面是通过狭缝501的YZ面。在狭缝501的两端部分别设置有贯通孔502、503，如图11C、图11D所示，电流线511穿过贯通孔502、503配置于狭缝501内。

使用图12对使用图11A～图11D所示的带上下盖的磁性体芯构成多极透镜的效果进行说明。图12的横轴表示以电流线的中心为原点的Z方向的位置，纵轴表示由多极透镜激励的六极场的强度。波形603是由使用了带上下盖的磁性体芯的多极透镜激励的六极场的强度。与之相对，作为比较例，将仅由电流线的主线部激励的六极场的强度表示为波形601，将由电流线的主线部及连接部激励的六极场的强度表示为波形602。波形602相当于由使用了图1A所示的磁性体芯的多极透镜激励的六极场的强度。在波形602中，在两端部出现电流线的连接部激励的磁场的影响，产生与波形601的背离。与之相对，可知，在波形603中，在波形602中观察到的连接部的影响消失，得到与波形601大致相同的六极场强度。因此，通过使用了带上下盖的磁性体芯的多极透镜，能够消除电流线的连接部的错位的影响，激励基于理想的绕线透镜的多极场。

此外，图11A～图11D所示的带上下盖的磁性体芯也可以如上述那样设置相对于磁性体芯在Z方向上延伸且没有到达上下表面的狭缝结构，也能够对图1A所示的磁性体芯在磁性体芯的上下配置具有相同的内径和外径的圆筒形状的磁性体盖，从而形成为图11A～图11D所示的带上下盖的磁性体芯。在该情况下，需要在磁性体芯和磁性体盖接触的面设置用于使电流线的连接部通过的贯通孔。在本实施例中，无论在将带上下盖的磁性体芯由一个零件构成的情况下，还是在由不同零件的组合构成的情况下，均将配置有电流线的主线部的部分称为磁性体芯，将比磁性体芯靠上或靠下的磁性体部分称为盖或磁性体盖。

图13A、图13B表示对磁性体芯设置电极的例子。电极例如用于在组装使用了本实施例的多极透镜的像差校正器构成电子束装置时产生用于校正一次电子束的色像差的电场。如上所述，在磁性体芯750设有供电流线711配置的槽(或狭缝)701。在图13A的例子中，电极731插入槽701。此时，磁性体芯750和电极731为不同的电位，因此电极731隔着绝缘体721配置于槽701内。在此，为了防止绝缘体721的充电，优选使绝缘体721相对于光轴尽可能负不露出。图13B是无法从光轴观察到绝缘体的配置例。即，绝缘体722以沿着磁性体芯750的内壁的方式设置于槽701，电极732配置成覆盖绝缘体722。

图14表示组装使用了以上说明的绕线型多极透镜的像差校正器而成的电子束装置的结构例。在本装置中，从电子枪801放出一次电子束，通过聚光透镜802形成为平行光束，并穿过多极透镜803。穿过了多极透镜803的一次电子束被聚光透镜804和聚光透镜805转印到多极透镜806。之后，一次电子束在聚光透镜807及物镜808受到会聚作用并照射到试样809上。真空容器800内为真空，电子射线从电子枪801至到达试样809为止，在维持真空状态的环境中前进。多极透镜803及多极透镜806分别由作为本实施例说明的绕线型多极透镜构成，为了进行球面像差校正而激励六极场。本球面像差光学系统是与在STEM等中使用的一般的像差校正器相同的光学系统。不同之处在于，多极透镜803及806不是由楔型的磁性体形成的多极，而是如上述那样地使用基于绕线的多极透镜。此外，绕线型的多极透镜除了使用六极场的像差校正器以外，还能够应用于使用四极场和八极场的四层的像差校正器。

此外，本发明不限定于上述的实施例，包括各种变形例。例如，上述的实施例是为了易于理解地说明本发明而说明的例子，并非限定于必须具备所说明的所有的结构。另外，可以将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构，另外，也可以对某实施例的结构添加其它实施例的结构。另外，关于各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。

符号说明

100—光轴，101～112、511、711—电流线，121—主线部，122、123—连接部，124—返回线部，150、550、750—磁性体芯，151～162、701—槽，400—非磁性间隔件，501—狭缝，502、503—贯通孔，721、722—绝缘体，731、732—电极，800—真空容器，801—电子枪，802、804、805、807—聚光透镜，803、806—多极透镜，808—物镜，809—试样。

Claims (9)

1.一种多极透镜，其特征在于，

具有：

磁性体芯；以及

多个电流线，

在所述磁性体芯的内壁设置有多个槽，所述多个槽的中心相对于所述磁性体芯的中心轴轴对称地配置，

所述多个电流线的主线部分别配置于所述磁性体芯的所述多个槽的任一个，

所述电流线具有连接部，该连接部将所述主线部从所述磁性体芯的外部向所述槽内导入，或者将所述主线部从所述槽内向所述磁性体芯的外部导出，

在所述电流线的连接部与所述磁性体芯之间配置有非磁性间隔件。

2.根据权利要求1所述的多极透镜，其特征在于，

所述多个槽分别具有：朝向所述内壁扩展的锥形部；以及配置所述电流线的主线部的内室。

3.根据权利要求1所述的多极透镜，其特征在于，

所述电流线具有连接部，该连接部将所述主线部从所述磁性体芯的外部向所述槽内导入，或者将所述主线部从所述槽内向所述磁性体芯的外部导出，

具有在所述磁性体芯的所述槽的长度方向上对置的磁性体盖，

所述电流线的连接部配置于设置于所述磁性体芯与所述磁性体盖之间的贯通孔内。

4.根据权利要求1所述的多极透镜，其特征在于，

所述电流线具有配置于所述磁性体芯的外部的返回线部，

所述电流线的主线部多重化地配置于所述磁性体芯的所述槽内。

5.根据权利要求1所述的多极透镜，其特征在于，

具有产生电场的多个电极，

所述多个电极分别隔着绝缘体配置于所述磁性体芯的所述多个槽的任一个。

6.一种像差校正器，其特征在于，

具有权利要求1～5中任一项所述的多极透镜。

7.一种带电粒子束装置，其特征在于，

具有：

放出一次电子束的电子枪；

所述一次电子束射入且具有多层多极透镜的像差校正器；以及

穿过了所述像差校正器的一次电子束射入的物镜，

所述多极透镜具有磁性体芯和多个电流线，在所述磁性体芯的内壁设置有多个槽，所述多个槽的中心相对于所述磁性体芯的中心轴轴对称地配置，所述多个电流线的主线部分别配置于所述磁性体芯的所述多个槽的任一个，

所述电流线具有连接部，该连接部将所述主线部从所述磁性体芯的外部向所述槽内导入，或者将所述主线部从所述槽内向所述磁性体芯的外部导出，

在所述电流线的连接部与所述磁性体芯之间配置有非磁性间隔件。

8.根据权利要求7所述的带电粒子束装置，其特征在于，

所述像差校正器是使用了六极场的像差校正器。

9.根据权利要求7所述的带电粒子束装置，其特征在于，

具有产生校正色像差的电场的多个电极，

所述多个电极分别隔着绝缘体配置于所述磁性体芯的所述多个槽的任一个。