DE112017007825B4

DE112017007825B4 - Elektronenkanone und Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017007825B4
Application number: DE112017007825.3T
Authority: DE
Inventors: Soichiro Matsunaga; Yasunari Sohda; Souichi Katagiri; Makoto Sakakibara; Hajime Kawano; Takashi Doi
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2023-09-28
Anticipated expiration: 2037-09-08
Also published as: US11227740B2; WO2019049261A1; DE112017007825T5; JP6814301B2; JPWO2019049261A1; US20200266020A1

Abstract

Elektronenkanone, die aufweist:eine Elektronenquelle (101);eine Extraktionselektrode (102), die dazu ausgebildet ist, Elektronen von der Elektronenquelle zu extrahieren;eine Beschleunigungselektrode (103), die dazu ausgebildet ist, die von der Elektronenquelle extrahierten Elektronen zu beschleunigen;eine erste Spule (104) und einen ersten Magnetpfad (201) mit einer Öffnung auf einer Seite der Elektronenquelle, wobei die erste Spule und der erste Magnetpfad eine Steuerlinse bilden, die dazu ausgebildet ist, einen von der Beschleunigungselektrode emittierten Elektronenstrahl zu bündeln; undeine Magnetfelderzeugungsquelle, die dazu ausgebildet ist, ein durch die erste Spule und den ersten Magnetpfad erzeugtes Magnetfeld an einer Installationsposition der Elektronenquelle auszulöschen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektronenkanone, die in einer Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung wie etwa einem Elektronenmikroskop verwendet wird, oder eine Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung mit der Elektronenkanone
Hintergrund
Ein Rasterelektronenmikroskop (REM) wird zur Visualisierung einer feinen Struktur weithin eingesetzt. Das REM wird nicht nur für eine Betrachtung einer Form eines Materials wie etwa Metall und eine Betrachtung einer feinen Gestalt und Form einer biologischen Probe eingesetzt, sondern auch für eine maßliche Inspektion und Fehlerinspektion und dergleichen einer feinen Halbleiterstruktur. Das REM scannt eine Messprobe, während es die Messprobe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt, und detektiert von der Messprobe emittierte Signalelektronen (Sekundärelektronen und/oder reflektierte Elektronen), um ein Scan-Bild (REM-Bild) zu erhalten.
Die Bildqualität des REM-Bildes wird hauptsächlich durch zwei Punkte bestimmt: Bildrauigkeit und Bildschärfe. Das REM bündelt den von einer Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl durch eine Sammellinse in eine Spotform, aber die Bildrauigkeit hängt von einer Stromstärke eines konvergenten Strahls ab, und die Bildschärfe hängt von einer Größe des auf die Probe gebündelten Spots (im Folgenden als Spotdurchmesser bezeichnet) ab.
Der Spotdurchmesser hängt von einer Größe einer Lichtquelle des Elektronenstrahls und einer durch die konvergente Linse erzeugten Aberration ab. Da die Größe der Lichtquelle durch eine Elektronenquelle bestimmt wird, stellt die Frage, wie man die Aberration der Sammellinse verringert, ein Problem für ein Elektronenabstrahlungssystem dar. Die Aberration ist ein Phänomen, bei dem ein Elektronenstrahl an einem Konvergenzpunkt der Sammellinse nicht vollständig konvergiert. Ein allgemeines Elektronenabstrahlungssystem des REM ist in 1 gezeigt. Elektronen werden durch eine Extraktionselektrode 102 aus einer Elektronenquelle 101 extrahiert und die Elektronen werden durch eine Beschleunigungselektrode 103 auf eine gewünschte Geschwindigkeit beschleunigt, wobei ein Elektronenstrahl emittiert wird. Der Elektronenstrahl konvergiert auf einer Probe durch eine Steuermagnetfeldlinse 106, die durch eine Steuerspule 104 und einen Magnetpfad 105 gebildet wird, und eine Objektiv-Magnetfeldlinse 109, die durch eine Objektivspule 107 und einen Magnetpfad 108 gebildet wird. Zusätzlich ist eine Blende 111 zwischen der Steuerlinse 106 und der Objektivlinse 109 angeordnet. Ein Teil 115 des von einem Konvergenzpunkt 112 divergierenden Elektronenstrahls kann nicht durch die Blende 111 hindurchgehen, und der zu der Probe hin emittierte Elektronenstrahl wird auf einen Strahlerfassungswinkel 110 begrenzt.
Wenn der Elektronenstrahl bei einem derartigen REM-Elektronenabstrahlungssystem konvergiert, tritt sowohl in der Steuerlinse 106 als auch in der Objektivlinse 109 eine Aberration auf. Wie in Nicht-PTL 1 beschrieben, nimmt die Aberration der Objektivlinse 109 zu, wenn der Konvergenzwinkel 113 der Objektivlinse 109 zunimmt. Wenn wiederum der Konvergenzwinkel 113 der Objektivlinse 109 groß ist, ist eine Vergrößerung der Objektivlinse 109 gering, und wenn der Konvergenzwinkel 113 der Objektivlinse 109 klein ist, ist die Vergrößerung der Objektivlinse 109 groß. Dementsprechend wird die durch die Steuerlinse 106 in einer vorangehenden Phase erzeugte Aberration größer projiziert, wenn sich der Konvergenzwinkel 113 der Objektivlinse 109 verringert. Als Ergebnis gibt es bei dem Elektronenabstrahlungssystem, wie in 1 gezeigt, basierend auf der Aberration von jedem von der Steuerlinse 106 und der Objektivlinse 109 und der Vergrößerung der Objektivlinse 109 einen Konvergenzwinkel, bei dem ein Effekt der Aberration minimiert ist, das heißt, einen optimalen Konvergenzwinkel, der einen kleinsten Spotdurchmesser ergibt.
Bei dem Elektronenabstrahlungssystem von 1 wird, um eine Erläuterung zu vereinfachen, ein Beispiel gezeigt, bei dem zwei Magnetfeldlinsen als Steuerlinse bzw. Objektivlinse verwendet werden, aber es ist üblich, zwei oder mehr Linsen oder eine Kombination von elektrostatischen Linsen zu verwenden. Zusätzlich wird der Konvergenzpunkt 112 durch die Steuerlinse 106 in dem Elektronenstrahl von 1 gebildet, aber es gibt auch Abstrahlungssysteme ohne Konvergenzpunkt 112.
Um die Bildqualität des REM-Bildes zu verbessern, kann die Stromstärke unter einer Bedingung, bei der der kleinste Spotdurchmesser im Elektronenabstrahlungssystem bereitgestellt wird, erhöht werden. Ein Weg, um die Stromstärke zu erhöhen, besteht darin, den Strahlerfassungswinkel 110 zu erhöhen. Durch Erhöhen des Strahlerfassungswinkels 110 gelangen mehr Elektronen durch die Blende 111, so dass sich die Stromstärke erhöht. Zu diesem Zweck kann der Strahlerfassungswinkel 110 vergrößert werden, indem die Steuerlinse 106 eine Position des Konvergenzpunktes 112 in eine Richtung der Blende 111 steuert. 2A zeigt einen auf diese Weise gesteuerten Konvergenzpfad des Elektronenstrahls. Wenn der Konvergenzpunkt ein Konvergenzpunkt 112a ist, konvergiert der Elektronenstrahl entlang eines Pfades 120 (gepunktete Linie) auf der Probe. Wenn der Konvergenzpunkt hingegen ein Konvergenzpunkt 112b ist, konvergiert der Elektronenstrahl entlang eines Pfades 121 (durchgezogene Linie) auf der Probe. Dementsprechend kann sich, wenn der Konvergenzpunkt 112a zu dem Konvergenzpunkt 112b verlagert wird, der Strahlerfassungswinkel vergrößern, während sich gleichzeitig auch der Konvergenzwinkel 113 vergrößert und die an der Objektivlinse 109 erzeugte Aberration erhöht. Das bedeutet, dass der Spotdurchmesser zunimmt und die Bildschärfe verschlechtert wird, wenn die Stromstärke erhöht wird, um die Bildrauigkeit zu steuern.
Um dieses Problem zu lösen, ist ein Verfahren bekannt, um die Steuerlinse 106 näher an die Elektronenquelle 101 heranzubringen. Dieses Verfahren wird unter Bezugnahme auf 2B beschrieben. Wie in 2A beschrieben konvergiert der Elektronenstrahl, wenn der Konvergenzpunkt der Konvergenzpunkt 112b ist, entlang des Pfades 121 (gepunktete Linie) auf der Probe. Indessen kann der Konvergenzpunkt, wenn die Steuerlinse 106 näher an die Elektronenquelle 101 gebracht wird, zu einem Konvergenzpunkt 112c, der sich näher an einer Seite der Elektronenquelle befindet, verlagert werden, während der Strahlerfassungswinkel 110, der erweitert wurde, beibehalten wird, und der Konvergenzwinkel 113 kann verringert werden. Der Elektronenstrahl zu dieser Zeit ist als Pfad 122 (durchgezogene Linie) dargestellt.
Die PTLen 1 bis 3 zeigen jeweils eine Elektronenkanone, die durch die Integration der Magnetfeldlinsen gestaltet ist. Darüber hinaus offenbart PTL 4 eine Teilchenstrahlvorrichtung, die so ausgebildet ist, dass ein Magnetfeld einer Kondensorlinse auf einer Kathode, einer Extraktionselektrode und einer Anode, die eine thermische Feldemissionselektrode darstellt, überlagert wird.
Literaturstellen
Patent-Literatur

PTL 1: JP S60 127645 A
PTL 2: JP 2006 324119 A
PTL 3: JP 2010 272381 A
PTL 4: JP H10 188868 A

Nichtpatentliteratur
Nicht-PTL 1: L. Reimer, Scanning electron microscopy physics of image formation andmicroanalysis, 2. Auflage, Springer, (1998), S. 21-34
Nicht-PTL 2: J. Orloff, Handbook of Charged Particle Optics, CRC Press, New York (1997), S. 275-318
Elektronenkanonen, die mittels Elektroden Elektronen aus einer Elektronenquelle extrahieren und beschleunigen und den Elektronenstrahl dann mittels eines geeignet erzeugten Magnetfeldes bündeln, sind in DE 696 05 053 T2 und DE 11 2010 002 063 T5 offenbart. Weitere ähnliche Elektronenkanonen werden in H. Shimoyama et al., Magnetic-field-superposed electron gun with a point cathode, Microscopy 32 (1983), S. 99-104, und K. Saito et al. Accurate electron ray tracing for analysis of electron guns immersed in a magnetic-lens field, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A 363 (1995), S. 48-53, besprochen.
Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
PTL 3 zeigt eine Konfiguration, bei der die Elektronenquelle in ein von einer elektromagnetischen Linse erzeugtes Magnetfeld eingetaucht ist, und die PTLen 1 und 2 zeigen eine Konfiguration, bei der die Magnetfeldlinse bei einer Zwischenstufe zwischen der Extraktionselektrode und der Beschleunigungselektrode gebildet ist. Wie bei der Konfiguration von PTL 3 oder einer Konfiguration von PTL 2, bei der eine Spule der Magnetfeldlinse zwischen der Extraktionselektrode und der Beschleunigungselektrode angeordnet ist, muss die Magnetfelderzeugungsquelle, wenn die Elektronenquelle und eine Magnetfelderzeugungsquelle nahe beieinander angeordnet sind, entfernt werden, wenn die Elektronenkanone im Vakuum gestartet wird. Um die Elektronenkanone in einen Ultrahochvakuumzustand zu bringen, ist es erforderlich, die Kanone auf eine Temperatur von bis zu 200°C zu erhitzen und zu auszuheizen („bake“), während es, da eine elektromagnetische Spule wärmeempfindlich ist, erforderlich ist, die Spule jedes Mal, wenn die Elektronenkanone ausgeheizt wird, zu entfernen. Da eine Einbausituation jedes Mal, wenn die Spule entfernt wird, geändert wird, ist sie für einen stabilen Betrieb der Elektronenkanone nicht geeignet.
Indessen offenbaren PTL 1 und PTL 2 eine Konfiguration, bei der die elektromagnetische Spule an einer von der Elektronenquelle entfernten Stelle angeordnet ist, indem die in der Elektronenkanone befestigte Elektrode auf einen magnetischen Körper gesetzt wird und die Elektrode auch als magnetischer Pfad der Linse verwendet wird. Da jedoch in diesem Fall die Elektrode auch als magnetischer Pfad dient, kann eine Achse einer jeden der Linsen, die durch ein elektrisches und ein magnetisches Feld erzeugt werden, nicht individuell eingestellt werden. Eine axiale Abweichung kann zu einer Abweichung des Konvergenzpunktes, das heißt zu einer Vergrößerung des Spotdurchmessers, führen, was zu einer Gefahr einer Verschlechterung der Bildschärfe führen kann.
Um eine solche axiale Abweichung zu verhindern, ist es vorzuziehen, das elektrische Feld und das Magnetfeld unabhängig voneinander einzustellen. PTL 4 offenbart ein Strukturbeispiel, bei dem ein Magnetpfad, der ein Magnetfeld führt, und eine Elektrode in verschiedenen Strukturen ausgebildet sind, und weiterhin der Magnetpfad, der das Magnetfeld führt, auf eine Seite einer Elektronenquelle gerichtet ist. Eine solche Struktur birgt jedoch ebenfalls die Gefahr einer Verschlechterung der Bildschärfe. Ein durch die Erfindung zu lösendes Problem wird unter Bezugnahme auf 2C beschrieben.
Bei einer ersten Magnetpfadstruktur wie bei dem in 1 gezeigten Elektronenabstrahlungssystem wird ein Magnetpfad 105, der eine elektromagnetische Steuerlinse erzeugt, zu einer optischen Achse des Elektronenstrahls hin geöffnet. Indessen wird bei einer zweiten Magnetpfadstruktur ein Magnetpfad 201, der die elektromagnetische Steuerlinse erzeugt, zu der Elektronenquelle 101 hin geöffnet. Der Magnetpfad 201 ist zusammen mit der Elektronenquelle 101 zu der optischen Achse hin geöffnet (das heißt schräg aufwärts), ist jedoch nicht auf diese Form beschränkt. Eine axiale Magnetfeldverteilung 210 zeigt Ergebnisse einer axialen Magnetfeldberechnung für die jeweiligen Magnetpfadstrukturen. Die Magnetfeldverteilung der ersten Magnetpfadstruktur ist eine gestrichelte Linie 211 und die Magnetfeldverteilung der zweiten Magnetpfadstruktur ist eine durchgezogene Linie 212. Eine Spitze des Magnetfeldes kann durch Ändern der Form des Magnetpfades auf eine Seite der Elektronenquelle verlegt werden, selbst wenn die Positionen der Spulen gleich sind.
Hier ist, wie in der axialen Magnetfeldverteilung 210 gezeigt, zu sehen, dass das Magnetfeld an einer Position der Elektronenquelle in der ersten Magnetpfadstruktur im Wesentlichen Null ist, sich aber das Magnetfeld auf die Position der Elektronenquelle in der zweiten Magnetpfadstruktur ausgebreitet hat. Dementsprechend stellt sich ein neues Problem, da die Elektronenquelle in das durch die elektromagnetische Linse erzeugte Magnetfeld eingetaucht ist. Wenn die Elektronenquelle in das Magnetfeld eingetaucht ist, sind die Elektronen durch das Magnetfeld, unmittelbar nachdem die Elektronen aus der Elektronenquelle extrahiert werden, von einem Zustand mit niedriger Geschwindigkeit betroffen, so dass eine Verweildauer in einem Zustand, in dem eine Elektronendichte nahe der Elektronenquelle hoch ist, ansteigt, und ein Effekt einer elektrostatischen Abstoßung zwischen den Elektronen nimmt zu. Wie in Nicht-PTL 2 beschrieben, wird ein Phänomen erzeugt, bei dem eine Energievariation der Elektronen zunimmt, wenn sie lange Zeit durch die elektrostatische Abstoßung zwischen den Elektronen beeinflusst werden, es wird weniger wahrscheinlich, dass der Elektronenstrahl an einem Punkt konvergiert (als chromatische Aberration bezeichnet) , und die Lichtquelle vergrößert sich. Eine solche Zunahme der chromatischen Aberration und eine Vergrößerung der Lichtquelle kann eine Verschlechterung der Bildschärfe verursachen.
Lösung des Problems
Eine Elektronenkanone als Ausführungsform zum Lösen der obigen Probleme enthält: eine Elektronenquelle; eine Extraktionselektrode, die dazu ausgebildet ist, Elektronen aus der Elektronenquelle zu extrahieren; eine Beschleunigungselektrode, die dazu ausgebildet ist, die aus der Elektronenquelle extrahierten Elektronen zu beschleunigen; eine erste Spule und einen ersten Magnetpfad mit einer Öffnung auf einer Seite der Elektronenquelle, wobei die erste Spule und der erste Magnetpfad eine Steuerlinse bilden, die dazu ausgebildet ist, einen von der Beschleunigungselektrode emittierten Elektronenstrahl zu bündeln; und eine Magnetfelderzeugungsquelle, die dazu ausgebildet ist, an einer Installationsposition der Elektronenquelle ein durch die erste Spule und den ersten Magnetpfad erzeugtes Magnetfeld auszulöschen. Eine weitere Ausführungsform ist eine Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung mit einer derartigen Elektronenkanone.
Andere Probleme und neue Merkmale werden aus einer Beschreibung der vorliegenden Spezifikation und Zeichnungen deutlich.
Vorteilhafte Wirkung
Selbst wenn ein an eine Probe angelegter Untersuchungsstrom erhöht wird, kann ein Strahldurchmesser des auf die Probe gebündelten Strahls klein gehalten werden. Als Ergebnis kann ein REM-Bild mit geringer Rauigkeit und hoher Schärfe erzielt werden. Zusätzlich kann die Erhöhung des Untersuchungsstroms auch eine Bildverarbeitungsgeschwindigkeit erhöhen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[1] 1 ist eine schematische Darstellung eines Elektronenabstrahlungssystems eines Elektronenmikroskops.
[2A] 2A ist eine Darstellung, die eine Änderung des Elektronenstrahlpfades zeigt, wenn ein Konvergenzpunkt einer Steuerlinse zu einer Blendenseite verlagert wird;
[2B] 2B ist eine Darstellung, die eine Änderung des Elektronenstrahlpfades zeigt, wenn der Konvergenzpunkt der Steuerlinse zu der Blendenseite verlagert wird, indem die Steuerlinse zu einer Seite einer Elektronenquelle verlagert wird;
2C] 2C ist eine Darstellung, die ein Problem der Erfindung zeigt.
[3] 3 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone gemäß einer ersten Ausführungsform und deren axiale Magnetfeldverteilung.
[4] 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone gemäß einer zweiten Ausführungsform und deren axiale Magnetfeldverteilung.
[5] 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone gemäß einer dritten Ausführungsform und deren axiale Potentialverteilung.
[6] 6 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration eines Rasterelektronenmikroskops zeigt.
[7] 7 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer elektronischen Energiemessvorrichtung zeigt.
[8] 8 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Elektronenbeugungsmustermessvorrichtung zeigt.

Beschreibung der Ausführungsformen
[Erste Ausführungsform]
3 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone 300 gemäß einer ersten Ausführungsform und deren axiale Magnetfeldverteilung 310. Die Elektronenkanone 300 enthält eine Elektronenquelle 101, eine Extraktionselektrode 102, eine Beschleunigungselektrode 103, eine Spule 104 und einen Magnetpfad 201, die eine Steuerlinse bilden, sowie eine Magnetfeldauslöschspule 301 und einen Magnetpfad 302.
Da erstens die in der Steuerlinse verwendete Spule 104 unterhalb der Beschleunigungselektrode 103 angeordnet ist, ist es nicht erforderlich, die Spule 104 zu entfernen, wenn die Elektronenkanone ausgeheizt wird, und ein Vakuumstart der Elektronenkanone ist einfacher als bei einer Spule mit abnehmbarer Elektronenkanone. Da eine physikalische Position der Spule 104 und des Magnetpfades 105 unabhängig von der Extraktionselektrode 102 und der Beschleunigungselektrode 103, die ein elektrisches Feld erzeugen, eingestellt werden kann, können außerdem eine Achse einer durch das elektrische Feld erzeugten Linse und eine Achse einer durch das Magnetfeld erzeugten Linse unabhängig eingestellt werden, so dass ein Einfluss auf die Verschlechterung der Bildschärfe aufgrund einer axialen Abweichung verringert werden kann.
Ähnlich zu der zweiten Magnetpfadstruktur von 2C ist in der Elektronenkanone 300, um einen großen Strom zu erzielen, eine Öffnung des Magnetpfades 201 zu einer seite der Elektronenquelle hin gerichtet, so dass an einer Seite der Elektronenquelle eine Spitze des Magnetfeldes gebildet wird. Aus diesem Grund wird die Elektronenquelle, wie oben beschrieben, in das Magnetfeld eingetaucht. Hierbei ist in der Elektronenkanone 300 die Auslöschspule 301, die ein Magnetfeld entgegengesetzt zu dem der Spule 104 erzeugt, vor („stromaufwärts“) der Spule 104 (auf der Elektronenquelleseite) angeordnet. Da das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld einen Ausläufer des durch die Spule 104 erzeugten Magnetfeldes auslöschen kann, kann sich das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld räumlich stärker ausbreiten als das durch die Spule 104 erzeugte Magnetfeld. Dementsprechend muss sich der Magnetpfad 302, der das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld führt, nicht nahe der Achse befinden und ein Durchmesser der Auslöschspule 301 kann größer als ein Durchmesser der Spule 104 eingestellt werden. Dementsprechend kann die Auslöschspule an einer Position angeordnet werden, an der es nicht erforderlich ist, die Auslöschspule zu entfernen, wenn die Elektronenkanone ausgeheizt wird. Zum Beispiel müssen die Auslöschspule 301 und der Magnetpfad 302 nicht in einer Vakuumsäule angeordnet werden und können außerhalb der Vakuumsäule angeordnet werden.
Bei der axialen Magnetfeldverteilung 310 sind Berechnungsergebnisse eines durch die Spule 104 und den Magnetpfad 105 erzeugten Steuerspulen-Magnetfeldes 311 (gestrichelte Linie) und eines durch die Auslöschspule 301 und den Magnetpfad 302 erzeugten Auslöschspulen-Magnetfeldes 312 (gepunktete Linie) gezeigt. Die durchgezogene Linie ist ein kombiniertes Magnetfeld 313, das durch Kombinieren dieser Magnetfelder entsteht. Das durch die Steuerspule erzeugte Magnetfeld 311 und das durch die Auslöschspule erzeugte Magnetfeld 312 werden kombiniert, daher kann das durch die Steuerspule 104 erzeugte Magnetfeld nahe der Elektronenquelle durch das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld ausgelöscht werden und das Magnetfeld nahe der Elektronenquelle kann verringert werden. Dementsprechend kann die Verschlechterung der Bildschärfe durch eine Erhöhung der elektrostatischen Abstoßung verhindert werden, und die Verschlechterung der Bildschärfe, wenn ein großer Strom gewonnen wird, kann um bis zu 20% unterbunden werden.
Bei dem Beispiel von 3 ist die Auslöschspule 301 an einer Elektronenquellenposition angeordnet, aber die Auslöschspule 301 kann in einer vertikalen (optische Achse) Richtung verschoben sein. In diesem Fall ist es wünschenswert, eine Öffnungsrichtung des Magnetpfades 302 so einzustellen, dass die Position der Spitze des durch die Auslöschspule 301 erzeugten Magnetfeldes an die Position der Elektronenquelle gelangt. Um kein unnötiges Magnetfeld zu erzeugen, ist es darüber hinaus wünschenswert, das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld zum Auslöschen des Ausläufers des durch Spule 104 erzeugten Magnetfeldes auf einen Mindestwert einzustellen. Hierbei ist ein durch eine Windungsspule erzeugtes Magnetfeld proportional zu einem Produkt aus der Anzahl der Spulenwindungen und einem durch die Spule fließenden Strom und umgekehrt proportional zu einem Durchmesser der Spule. Dementsprechend wird ferner ein Produkt aus der Anzahl der Windungen der Auslöschspule 301 und einem durch die Spule fließenden Strom kleiner eingestellt als ein Produkt aus der Anzahl der Windungen der Spule 104 und einem durch die Spule fließenden Strom, um das durch die Auslöschspule 301 erzeugte Magnetfeld zu verringern.
Bei dem Beispiel von 3 wird eine Spule verwendet, um ein Magnetfeld zum Auslöschen zu erzeugen, aber es kann auch ein Permanentmagnet als Magnetfelderzeugungsquelle, die ein Magnetfeld entgegengesetzt zu dem der Steuerspule 104 erzeugt, verwendet werden. Das Verwenden der Auslöschspule 301 hat jedoch einen Vorteil, dass das zu erzeugende Magnetfeld mit einer Stärke, die der Stärke des Magnetfeldes der Steuerspule 104 entspricht, mit hoher Genauigkeit erzeugt werden kann.
[Zweite Ausführungsform]
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone 400 gemäß einer zweiten Ausführungsform und deren axiale Magnetfeldverteilung 410. Eine magnetische Abschirmung aus einem magnetischen Körper ist hinter („stromabwärts“) der Extraktionselektrode 102 angeordnet, um zu verhindern, dass die Elektronenquelle in das Magnetfeld eingetaucht wird. Eine magnetische Abschirmung 401 ist eine magnetische Platte mit einer Öffnung, um es dem Elektronenstrahl zu erlauben, in der Mitte hindurchzulaufen. Bei der axialen Magnetfeldverteilung 410 sind Berechnungsergebnisse eines axialen Magnetfeldes 411, wenn die magnetische Abschirmung 401 nicht aufgestellt ist, und eines axialen Magnetfeldes 412, wenn die magnetische Abschirmung 401 aufgestellt ist, gezeigt. Durch Aufstellen der magnetischen Abschirmung 401 kann das Magnetfeld nahe der Elektronenquelle verringert werden.
Um eine Struktur weiter zu vereinfachen, kann die Extraktionselektrode 102 aus einem magnetischen Körper gemacht sein und als magnetische Abschirmung verwendet werden, anstatt eine neue magnetische Abschirmung aufzustellen. Eine derartige Struktur kann auch verhindern, dass die Elektronenquelle in das Magnetfeld eingetaucht wird.
[Dritte Ausführungsform]
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Elektronenkanone 500 gemäß einer dritten Ausführungsform und deren axiale Potentialverteilung 510. Bei der dritten Ausführungsform ist es durch Verwenden einer Zwischenelektrode möglich, eine Steuerlinse effektiv näher an eine Elektronenquelle heranzubringen. Da bei einer Magnetfeldlinse die Form des Magnetfeldes durch eine Form eines Magnetpfades bestimmt wird und eine Stärke des Magnetfeldes durch die Anzahl der Windungen der Spule und eine Stromstärke bestimmt wird, ist es erforderlich, die Form des Magnetpfades zu ändern, um eine Form der Linse zu ändern. Da jedoch die Bewegungsrichtung der Elektronen durch das Magnetfeld und das elektrische Feld gesteuert wird, ist die Wirkung, wenn sich die Geschwindigkeiten der Elektronen unterscheiden, verschieden, selbst wenn die Form und die Stärke des Magnetfeldes gleich sind. Das heißt, selbst bei derselben Magnetfeldlinse ist die Konvergenz umso langsamer, je schneller die Geschwindigkeit der einer Konvergenzwirkung ausgesetzten Elektronen ist und je weiter ein Abstand von einem Konvergenzpunkt zu einer Linsenhauptoberfläche ist. Umgekehrt ist die Konvergenz umso schneller und ist der Abstand von dem Konvergenzpunkt zu der Linsenhauptoberfläche umso geringer, je langsamer die Geschwindigkeit der der Konvergenzwirkung ausgesetzten Elektronen ist.
Dementsprechend ist bei der Elektronenkanone 500, um die Konvergenz der Elektronen zu beschleunigen und die Hauptoberfläche der Steuerlinse näher an die Elektronenquelle zu bringen, eine Zwischenelektrode 501 zwischen der Extraktionselektrode 102 und der Beschleunigungselektrode 103 angeordnet, wobei ein Potential der Zwischenelektrode 501 gesteuert werden muss. Die für die Steuerung erforderlichen Spannungsbedingungen werden im Folgenden beschrieben. Bei der axialen Potentialverteilung 510 ist eine Potentialverteilung (schematische Darstellung) 511, wenn keine Zwischenelektrode vorhanden ist, durch eine gepunktete Linie dargestellt. Da ein Raum zwischen der Extraktionselektrode 102 und der Beschleunigungselektrode 103 ein Vakuum ist, ist ein Potentialgradient im Wesentlichen konstant. Hier wird die Zwischenelektrode 501 angeordnet und ein Potential derselben ist durch Gleichung 1 bestimmt.
$V_{m i d} < \frac{V_{e x t} d_{2} + V_{a c c} d_{1}}{d_{1} + d_{2}}$
Eine Spannung V_ext ist eine Spannung, die an die Extraktionselektrode 102 angelegt wird, eine Spannung V_acc ist eine Spannung, die an die Beschleunigungselektrode 103 angelegt wird, eine Spannung V_mid ist eine Spannung, die an die Zwischenelektrode 501 angelegt wird, und jede der Spannungen wird als Potential in Bezug auf die Elektronenquelle ausgedrückt. Ein Abstand d₁ ist ein Abstand zwischen der Extraktionselektrode 102 und der Zwischenelektrode 501 und ein Abstand d₂ ist ein Abstand zwischen der Zwischenelektrode 501 und der Beschleunigungselektrode 103. Durch Steuern des Potentials wie in Gleichung 1 gezeigt ändert sich der Potentialgradient entlang einer durchgezogenen Linie 512 der axialen Potentialverteilung 510, und in dem Raum von der Extraktionselektrode 102 zu der Beschleunigungselektrode 103 kann die Geschwindigkeit der Elektronen, die sich näher an der Extraktionselektrode 102 befinden, verringert werden. Eine Bahn, auf der die Elektronen in einer früheren Phase konvergieren, kann durch Steuern des Potentials der Zwischenelektrode 501 auf diese Weise erreicht werden, das heißt, die effektive Hauptoberfläche der Steuerlinse kann näher an die Elektronenquelle gebracht werden.
Um die Verschlechterung der Bildschärfe zu verhindern, ist es erforderlich, die Stärke des nahe der Elektronenquelle 101 durch die Spule 104 und den Magnetpfad 201 erzeugten Magnetfeldes zu verringern. Daher ist es wirkungsvoll, die Zwischenelektrode mit der Konfiguration der ersten Ausführungsform oder der zweiten Ausführungsform zu kombinieren. Ferner ist die Zwischenelektrode 501 gemäß einem Beispiel in einem Fall, in dem sie mit der zweiten Ausführungsform kombiniert wird, aus einem magnetischen Körper gemacht, und somit dient die Zwischenelektrode auch als Struktur zum Abschirmen der Elektronenquelle gegen das durch die Steuerspule 104 erzeugte Magnetfeld.
[Vierte Ausführungsform]
Als vierte Ausführungsform wird eine Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung mit der oben beschriebenen Elektronenkanone beschrieben.
6 zeigt ein Konfigurationsbeispiel eines Rasterelektronenmikroskops mit der in der ersten Ausführungsform beschriebenen Elektronenkanone 300. Ein von der Elektronenkanone einschließlich der Elektronenquelle 101, der Extraktionselektrode 102, der Beschleunigungselektrode 103, der Spule 104 und des Magnetpfads 201, die die Steuerlinse bilden, und der Magnetfeldauslöschspule 301 und des Magnetpfads 302 emittierter Elektronenstrahl wird durch eine Blende 601 begrenzt, ein Elektronenstrahl 603 wird durch eine Objektivlinse unter Verwendung eines durch eine Objektivspule 602 erzeugten Magnetfeldes auf eine Probe 604 gebündelt. Ein Rasterelektronenmikroskopbild wird durch Detektieren von durch die Probe 604 emittierten Sekundärelektronen 606 mit einem Detektor 607 gewonnen, während die Probe mit dem gebündelten Strahl unter Verwendung eines Deflektors 605 abgescannt wird. In 6 wird die erste Ausführungsform unter Verwendung der Elektronenkanone der ersten Ausführungsform beschrieben, aber die Elektronenkanone der zweiten Ausführungsform, der dritten Ausführungsform oder einer Kombination aus der zweiten und der dritten Ausführungsform kann auf ähnliche Weise verwendet werden. Dementsprechend ist es möglich, ein Rasterelektronenmikroskop bereitzustellen, mit dem ein Elektronenmikroskopbild mit geringer Bildrauigkeit und hoher Schärfe erzielt werden kann.
7 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Elektronenenergiemessvorrichtung zeigt. 7 zeigt auch ein Beispiel, bei dem eine Elektronenkanone 200 montiert ist. Eine Grundkonfiguration zum Bestrahlen der Probe 604 mit einem Elektronenstrahl ist dieselbe wie in 6, ein von der Elektronenkanone einschließlich der Elektronenquelle 101, der Extraktionselektrode 102, der Beschleunigungselektrode 103, der Spule 104 und des Magnetpfads 201, die die Steuerlinse bilden, und der Magnetfeldauslöschspule 301 und des Magnetpfads 302 emittierter Strahl wird durch die Blende 601 begrenzt, der Elektronenstrahl 603 wird durch eine Objektivlinse unter Verwendung eines durch die Objektivspule 602 erzeugten Magnetfeldes auf die Probe 604 gebündelt. Eine Energieverteilung der von der Probe 604 emittierten Sekundärelektronen 606 wird mit einem Energieanalysator 701 gemessen, während die Probe mit dem gebündelten Strahl unter Verwendung des Deflektors 605 abgescannt wird. Entsprechend einer derartigen Konfiguration kann die Vorrichtung Messungen als Auger-Spektrometer oder als Elektronenstrahl-Energieverlustspektrometer durchführen.
8 ist eine Darstellung, die eine Konfiguration einer Elektronenstrahlbeugungsmustermessvorrichtung zeigt. 8 zeigt auch ein Beispiel, bei dem die Elektronenkanone 200 montiert ist. Eine Grundkonfiguration zum Bestrahlen der Probe 604 mit einem Elektronenstrahl ist dieselbe wie in 6, der von der Elektronenkanone einschließlich der Elektronenquelle 101, der Extraktionselektrode 102, der Beschleunigungselektrode 103, der Spule 104 und des Magnetpfads 201, die die Steuerlinse bilden, und der Magnetfeldauslöschspule 301 und des Magnetpfads 302 emittierte Strahl wird durch die Blende 601 begrenzt, der Elektronenstrahl 603 wird durch eine Objektivlinse unter Verwendung eines durch die Objektivspule 602 erzeugten Magnetfeldes auf die Probe 604 gebündelt. Die Vorrichtung kann eine Messung als Elektronenrückstreubeugungsvorrichtung durchführen, indem es ein Interferenzmuster 801 der von der Probe 604 emittierten Sekundärelektronen 606 unter Verwendung eines zweidimensional angeordneten Detektors 802 misst, während die Probe mit dem gebündelten Strahl unter Verwendung des Deflektors 605 abgescannt wird.
Bei der in den 7 und 8 gezeigten Konfiguration kann eine Elektronenkanone der ersten Ausführungsform, der zweiten Ausführungsform oder der dritten Ausführungsform oder eine Kombination davon ebenfalls verwendet werden. Dementsprechend ist eine Elektronenstrahlanwendungsanalyse, die sowohl ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis als auch eine hohe Ortsauflösung erreicht, möglich. Darüber hinaus ist eine Analyse, die sowohl eine Hochgeschwindigkeitsmessung als auch die hohe räumliche Auflösung erreicht, möglich und die Analysezeit kann um etwa 20% reduziert werden.
Bezugszeichenliste

101: Elektronenquelle
102: Extraktionselektrode
103: Beschleunigungselektrode
104: Steuerspule
105: Magnetpfad
106: Steuerlinse
107: Objektivspule
108: Magnetpfad
109: Objektivlinse
111: Blende
201: Magnetpfad
300, 400, 500: Elektronenkanone
301: Magnetfeldauslöschspule
302: Magnetpfad
401: magnetische Abschirmung
501: Zwischenelektrode
601: Blende
602: Objektivspule
604: Probe
605: Deflektor
606: Sekundärelektron
607: Detektor
701: Energieanalysator
802: zweidimensional angeordneter Detektor

Claims

Elektronenkanone, die aufweist: eine Elektronenquelle (101); eine Extraktionselektrode (102), die dazu ausgebildet ist, Elektronen von der Elektronenquelle zu extrahieren; eine Beschleunigungselektrode (103), die dazu ausgebildet ist, die von der Elektronenquelle extrahierten Elektronen zu beschleunigen; eine erste Spule (104) und einen ersten Magnetpfad (201) mit einer Öffnung auf einer Seite der Elektronenquelle, wobei die erste Spule und der erste Magnetpfad eine Steuerlinse bilden, die dazu ausgebildet ist, einen von der Beschleunigungselektrode emittierten Elektronenstrahl zu bündeln; und eine Magnetfelderzeugungsquelle, die dazu ausgebildet ist, ein durch die erste Spule und den ersten Magnetpfad erzeugtes Magnetfeld an einer Installationsposition der Elektronenquelle auszulöschen.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, wobei die Magnetfelderzeugungsquelle näher an der Elektronenquelle (101) angeordnet ist als die erste Spule (104) und der erste Magnetpfad (201).
Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei die Magnetfelderzeugungsquelle eine zweite Spule (301) und einen zweiten Magnetpfad (302) enthält, und ein Durchmesser der zweiten Spule größer als ein Durchmesser der ersten Spule (104) eingestellt ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 3, wobei ein Produkt aus der Anzahl von Spulenwindungen der zweiten Spule (301) und einem durch die Spule fließenden Strom kleiner als ein Produkt aus der Anzahl von Spulenwindungen der ersten Spule (104) und einem durch die Spule fließenden Strom ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 2, wobei die Magnetfelderzeugungsquelle ein Permanentmagnet ist.
Elektronenkanone nach Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine Zwischenelektrode (501), die zwischen der Extraktionselektrode (102) und der Beschleunigungselektrode (103) angeordnet ist, wobei eine an die Zwischenelektrode angelegte Spannung V_mid die Gleichung 1 $V_{m i d} < \frac{V_{e x t} d_{2} + V_{a c c} d_{1}}{d_{1} + d_{2}}$
erfüllt, wobei die Elektronenquelle als Referenzpotential verwendet wird, V_ext eine an die Extraktionselektrode angelegte Spannung ist, V_acc eine an die Beschleunigungselektrode angelegte Spannung ist, d₁ ein Abstand zwischen der Extraktionselektrode und der Zwischenelektrode ist und d₂ ein Abstand zwischen der Zwischenelektrode und der Beschleunigungselektrode ist.
Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung, die aufweist: die Elektronenkanone (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; eine Blende (601), die dazu ausgebildet ist, einen von der Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl zu begrenzen; einen Deflektor (605), der dazu ausgebildet ist, eine Probe (604) mit dem Elektronenstrahl abzuscannen; eine Objektivlinse (602), die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl auf der Probe zu bündeln; und einen Detektor (607), der dazu ausgebildet ist, Elektronen, die von der mit dem Elektronenstrahl bestrahlten Probe erzeugt werden, zu detektieren.
Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung, die aufweist: die Elektronenkanone (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; eine Blende (601), die dazu ausgebildet ist, einen von der Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl zu begrenzen; einen Deflektor (605), der dazu ausgebildet ist, eine Probe (604) mit dem Elektronenstrahl abzuscannen; eine Objektivlinse (602), die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl auf der Probe zu bündeln; und einen Energieanalysator (701), der dazu ausgebildet ist, eine Energieverteilung von Elektronen, die von der mit dem Elektronenstrahl bestrahlten Probe erzeugt werden, zu messen.
Elektronenstrahlanwendungsvorrichtung, die aufweist: die Elektronenkanone (300) nach einem der Ansprüche 1 bis 6; eine Blende (601), die dazu ausgebildet ist, einen von der Elektronenkanone emittierten Elektronenstrahl zu begrenzen; einen Deflektor (605), der dazu ausgebildet ist, eine Probe (604) mit dem Elektronenstrahl abzuscannen; eine Objektivlinse (604), die dazu ausgebildet ist, den Elektronenstrahl auf der Probe zu bündeln; und einen Detektor (802), der zweidimensional angeordnet und dazu ausgebildet ist, ein Interferenzmuster (801) von Elektronen, die von der mit dem Elektronenstrahl bestrahlten Probe erzeugt werden, zu messen.