JP2000340152A - 静電レンズ及び写像投影光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 視野が広い場合でも収差が良好で、かつ高倍
率が達成できる静電レンズ、及びそれを使用した写像投
影光学装置を提供する。 【解決手段】 前段第１電極１１、中間電極１３、後段
第２電極１５は接地されている。中間電極１３が一定電
位に保たれているので、レンズパワーはこれを中心とし
て前段パワーと後段パワーに分けて制御可能となってい
る。すなわち、前段第２電極１２に印加する電圧によっ
て前段パワー、後段第１電極１４に印加する電圧によっ
て後段パワーを制御可能となっている。そして、前段パ
ワーは、主光線を後段パワーの中心付近で光軸上に結像
されるために、後段パワーは、試料面２の最終的な像を
結像面６に結像させるために用いられる。また、前記中
間結像面Ｍは、前段第２電極１２の中心、すなわち前段
パワーの中心に位置するように、カソードレンズが調整
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、写像型電子顕微鏡
等に利用される静電レンズ、及びそれを備えた写像投影
光学装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体欠陥検査において、コンタ
クト不良などの電気的な観察を行うにはＳＥＭ（走査型
電子顕微鏡）を用いるのが一般的である。ＳＥＭにおい
ては、周知のように、被観察面において点状となるよう
な電子ビームを照射し、被照射面から放出される二次電
子を加速して取り出し、検出器で受けることにより二次
電子の量を検出する。そして、電子ビームを２次元的に
走査することにより照射点を変え、被観察面全体からの
二次電子の量を、画像として組立てることにより、被観
察面の観察を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ＳＥＭ
においては、被観察面の２次元的な走査が必要である関
係上、被観察面全体の像を得るまでに時間がかかるとい
う問題点がある。一方、半導体の欠陥検査においては、
高速性が要求されるので、ＳＥＭに代わり、電子光学系
を利用して被観察面を２次元的に観察することが可能な
写像型電子顕微鏡の使用が試みられていた。しかしなが
ら、写像型電子顕微鏡においては、さまざまな技術的な
課題が未解決のまま残されており、このため、ＳＥＭの
代用として使用することは困難とされてきた。

【０００４】そのうちの課題の一つとして、広い視野を
得ようとすると収差が大きくなるという問題点がある。
すなわち、写像型電子顕微鏡に用いられる従来の静電型
写像投影系では、高倍率を達成するのに複数の静電レン
ズを多段結像させていたが、初段のカソードレンズ以外
は単純なアインツェルレンズを用いるのが一般的であ
り、この場合には、収差が大きくなるので広い視野が取
れなかった。単純なアインツェルレンズを使用する場合
でも、２個のレンズを使用して１回の結像を行えば、収
差悪化はかなり抑えられる。しかし、この場合には高倍
率が得られないという問題点がある。

【０００５】すなわち、静電レンズで高倍率の拡大投影
を行う場合、単純に焦点距離（ｆ）の短いレンズを物体
面や中間結像面の後方ｆ＋dz（dz≪ｆ）に配置すればよ
い。しかし、静電レンズの場合、印加電圧を高くすれば
レンズ内の電界強度が上がるのでｆは短くなるが、入射
荷電粒子のエネルギー以上のポテンシャル障壁が形成さ
れる電圧を印加すると、反射してしまうのでレンズにな
らない。

【０００６】また、同じ印加電圧なら小型のレンズの方
がｆを短くすることができるが、絶縁耐圧との関係で隣
の電極との間隔にも制限が存在するし、近軸領域の狭い
小型のレンズでは広視野に対して収差が悪いという問題
点がある。そのため収差の悪化を抑えたまま短いｆのレ
ンズを構成するのは困難であった。

【０００７】また、多段結像により高倍率化する方法に
おいても、単純なアインツェルレンズを複数並べたよう
な系では、後段のレンズほど入射する荷電粒子線が光軸
から離れた部分を通過するようになるので、巨大にしな
ければ収差を抑えることができない。これらの結果、収
差を抑え、かつ高倍率を達成するには、レンズ系の全長
がかなり長くなってしまうという問題点もあった。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、レンズ系の全長を長くしなくても、視野が広い
場合でも収差が良好で、かつ高倍率が達成できる静電レ
ンズ、及びそれを使用した写像投影光学装置を提供する
ことを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、一群とみなせる５枚以上の電極からな
り、中央部の電極によりレンズパワーが前段と後段に分
離され、かつ、それぞれのレンズパワーが独立に制御で
きることを特徴とする静電レンズ（請求項１）である。

【００１０】本手段においては、前段と後段のレンズパ
ワーが独立に制御可能であるので、たとえば後段のレン
ズパワーを結像用レンズとして使用し、前段のレンズパ
ワーは、主光線が後段のレンズパワーの中心付近で光軸
を通過するように制御するために使用することができ
る。これにより、主光線が拡散しないので、視野を広く
した場合でも歪曲収差を小さくすることができる。

【００１１】すなわち、一般的に結像関係において、レ
ンズ系の前側節点（レンズ系の全後面の屈折率が同一の
場合は主点に一致）に主光線が結像する系では歪曲収差
が発生せず、それより物面側に結像すると樽型、像面側
に結像すると糸巻き型の歪曲収差となる。そのため、中
間結像位置にフィールドレンズを配置し、そのパワーを
調節して結像用レンズに入射する主光線を制御すれば歪
曲収差を低減することができる。

【００１２】これを静電レンズについて当てはめてみ
る。歪曲収差が発生しないような条件では、結像用レン
ズの中心（主点＝節点）近傍に、全画角の主光線が集中
している。そのため、従来の結像用レンズより近軸領域
の狭い小型の静電レンズを用いても諸収差が良好に抑え
られる。又、小型の静電レンズであれば最短の焦点距離
も短くできるのでより高倍の拡大投影にも対応できる。
このように主光線をフィールドレンズ（前段パワーに相
当）で制御することで、小型の結像用静電レンズを用い
た場合でも、視野を広くしても収差小さくなり、かつ高
倍率を得ることができる。

【００１３】本手段においては、通常、最前段と最後段
の電極の電位は接地して使用する。中央部の電極は接地
するか任意の電位を与えるようにする。最前段と最後段
の電極の電位及び中央部の電極の電位を同一にした場合
は、２枚のアインツェルレンズを組合せたものと同様の
作用を生じる。これらの電極を接地せず、与える電位を
変えることにより、バイポテンシャルレンズの組合せを
実現することができ、たとえば、前段パワーと後段パワ
ーの中心を、実際の電極位置よりも中央電極寄りにする
ことができる。

【００１４】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、前段パワー部分を形成する電
極及び後段パワーを構成する電極の少なくとも一方が前
記中央部の電極を含んで４枚以上から構成され、印加電
圧を可変にすることで、それぞれ前段パワーの中心位
置、若しくは後段パワーの中心位置、又はこれらの両方
を制御できる構造をもつことを特徴とするもの（請求項
２）である。

【００１５】本手段において、前段パワー部分を形成す
る電極を４枚以上の電極から構成することにより、少な
くとも２枚のレンズに印加する電圧を調整して、前段パ
ワーとその中心位置を独立に変化させることができるよ
うになる。後に述べるように、本手段に係るレンズ系の
前のレンズ系で形成される中間像面位置に前段パワーの
中心が位置するようにすることにより、前段パワーの調
整だけで、主光線を後段パワーの中心付近において光軸
上に結像させることができる。

【００１６】よって、本手段に係るレンズ系の前のレン
ズ系により中間像面位置を変化させ、それに追随して中
間像面位置に前段パワーの中心が位置し、かつ、主光線
を後段パワーの中心付近において光軸上に結像させるよ
うに、前記少なくとも２つのレンズに印加する電圧を調
整すれば、前記第１の手段の作用効果を保ったまま、像
倍率を連続的に変化させることができる。

【００１７】本手段において、後段パワー部分を形成す
る電極を４枚以上の電極から構成することにより、少な
くとも２枚のレンズに印加する電圧を調整して、後段パ
ワーとその中心位置を独立に変化させることができるよ
うになる。後段パワーの中心位置が変化することは、結
像用レンズの位置が変化することに相当するので、これ
により像倍率を連続的に変化させることができる。この
際、後段パワーの中心位置の変化に追随して前段パワー
を変化させ、常に、後段パワーの中心付近で主光線が光
軸と交わるように制御することは言うまでもない。前段
パワーの中心位置と後段パワーの中心位置の両方を制御
できるようにすれば、それだけフレキシビリティを持っ
て像倍率を変化させることができる。

【００１８】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段と第２の手段のいずれかであって、前段
パワー部分を形成する電極のうち、前記中央部の電極以
外の電極の少なくとも１つが４極子以上の多極子電極で
あることを特徴とするもの（請求項３）である。

【００１９】後に発明の実施の形態の欄において例示す
るように、照明手段として落射照明を形成するためにＥ
ｘＢを用いるような場合には、瞳空間の非点収差が避け
られない。すなわち、中間結像面において、主光線の傾
きが、光路断面（ｘ−ｙ−ｚ直交座標系で光軸をｚとし
た場合ｘ−ｙ平面）の直交方向（ｘ軸、ｙ軸方向）で異
なってしまう。よって、ｘ軸、ｙ軸方向いずれの主光線
も後段パワーの中心付近で光軸上にあるようにするに
は、ｘ軸方向とｙ軸方向で前段パワーによる偏向角を異
なったものとしなければならない。

【００２０】本手段においては、前段パワー部分を形成
する電極のうち、前記中央部の電極以外の電極の少なく
とも１つが４極子以上の多極子電極とされているので、
ｘ軸方向とｙ軸方向で前段パワーによる偏向角を異なっ
たものとすることができ、これにより、瞳空間の非点収
差を補正することができる。

【００２１】なお、前記第１の手段から第３の手段のい
ずれかにおいて、前段パワーの中心がほぼ中間結像面に
くるように構成することが好ましい。主光線を後段パワ
ーの中心付近で光軸上に結像させるためには、一般に
は、前段パワーと同時に、当該静電レンズの前に置かれ
たレンズ系を併せて調整する必要がある。しかしなが
ら、前段パワーの中心がほぼ中間結像面にくるように配
置すると、前段パワーの調整だけで、主光線を後段パワ
ーの中心付近で光軸上に結像させることができ、調整が
簡単となる。

【００２２】なお、「ほぼ中間結像面にくる」とは、厳
密に中間結像面に位置させる必要はないという意味であ
り、収差等の設計条件が許す範囲で、中間結像面から所
定の許容差を持った位置でもかまわないことを意味す
る。どの程度の許容差があるかは、設計条件に応じて、
当業者が容易に決定することができる。

【００２３】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のいずれかに係る静電レ
ンズを有することを特徴とする写像投影光学装置（請求
項４）である。

【００２４】本手段においては、これらの静電レンズを
有するので、全体の形状を大きくしなくても、視野が広
くても収差が良好で、かつ高倍率の写像投影光学装置と
することができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態で
ある写像投影光学装置の例を示す概要図である。図１に
おいて、１は照明装置、２は試料面（被観察面）、３は
カソードレンズ、４は絞り、５は写像投影光学系、６は
結像面（検出面）、Ｍは中間結像面である。なお、以下
の図面において同じ構成要素には同じ符号を付して説明
を省略する。

【００２６】照明装置は電子銃及び加速装置を主要素と
して構成され、所定エネルギーと電流値を有する電子線
で試料面２を照明する。試料面２から放出される二次電
子は、加速装置（図示せず）により加速され、その像が
カソードレンズ３により数倍に拡大されて、写像投影光
学系５中の中間結像面Ｍに結像する。絞り３は、中間結
像面Ｍにおいて収差を少なくするために設けられてい
る。中間結像面Ｍに結像した試料面２の像は、写像投影
光学系５によってさらに拡大され、結像面６に最終的な
像を形成する。

【００２７】図２は、写像投影光学系５の１例をさらに
詳細に示したものであり、(a)は電極配置、(b)、(c)は
等価レンズ系を示している。図２において１１は前段第
１電極、１２は前段第２電極、１３は中間電極、１４は
後段第１電極、１５は後段第２電極である。この例にお
いては、前段第１電極１１、中間電極１３、後段第２電
極１５は接地されている。

【００２８】この構成においては、中間電極１３が一定
電位に保たれているので、レンズパワーはこれを中心と
して前段パワーと後段パワーに分けて制御可能となって
いる。すなわち、前段第２電極１２に印加する電圧によ
って前段パワー、後段第１電極１４に印加する電圧によ
って後段パワーを制御可能となっている。そして、前段
パワーは、主光線を後段パワーの中心付近で光軸上に結
像されるために、後段パワーは、試料面２の最終的な像
を結像面６に結像させるために用いられる。また、前記
中間結像面Ｍは、前段第２電極１２の中心、すなわち前
段パワーの中心に位置するように、カソードレンズ２が
調整されている。

【００２９】図２(b)は、前段パワーを用いなかった場
合の光線の状況を示すもので、実線が主光線を示す。図
に示される光線は、中間結像面Ｍで結像するが、その点
において、図に示されるように主光線は発散気味に入射
している。この主光線は、後段第１電極１４に対応する
レンズにより、当該レンズの中心（主点＝節点）より後
側に結像する。よって、糸巻き型の歪曲収差が発生す
る。これは従来のアインツェルレンズを単独で用いた場
合に相当する。

【００３０】図２(c)は、前段第２電極の電圧を制御し
て、主光線が後段第１電極１４に対応するレンズの中心
で光軸と交わるように制御した場合の光線の状況を示す
ものである。この場合には、主光線が後段パワーのほぼ
中心に結像するので、歪曲収差が殆ど補正されるだけで
なく、後段パワーの近軸領域を使用するのでコマ収差や
倍率色収差もかなり低減される。

【００３１】図３は、写像投影光学系５の他の例をさら
に詳細に示したものであり、(a)は、前段第３電極１
２’が、(b)は後段第３電極１４’が加わったものであ
る。その他の構成は図２に示したものと同じである。

【００３２】(a)の構成においては、前段第２電極１２
と、前段第３電極１２’に印加する電圧を独立に制御す
ることにより、前段パワーと前段パワーの中心位置を独
立に制御することができる。よって、図１におけるカソ
ードレンズ３を制御することにより中間結像面位置Ｍを
変化させ、カソードレンズ３による倍率を変化させるこ
とができる。そして、前段パワーの中心位置を中間結像
面位置Ｍに合わせ、その関係を保ちながら、図２におい
て説明した方法と同じようにして、前段パワーを調整し
て、主光線を後段パワーのほぼ中心に結像させる。この
ようにすれば、収差を小さく保ちながら、像の倍率を連
続的に変化させるズーム作用を実行することができる。

【００３３】(b)の構成においては、前段第２電極１４
と、前段第３電極１４’に印加する電圧を独立に制御す
ることにより、後段パワーと後段パワーの中心位置を独
立に制御することができる。よって、中間像面位置Ｍを
固定したまま、像の倍率を連続的に変化させるズーム作
用を実行することができる。この場合には、後段パワー
の中心の移動に伴って、前段パワーも変化させ、常に、
主光線を後段パワーのほぼ中心に結像させるようにする
ことは言うまでもない。このようにすることによって、
収差を小さく保ちながらズーム作用を行わせることがで
きる。

【００３４】図４は、写像投影光学系５の他の例をさら
に詳細に示したものであり、(a)は電極配置、(b)は等価
レンズ系を示している。図４において、１６は四極子電
極である。照明手段として落射照明用にＥｘＢを用いる
など、その後方の中間結像面Ｍにおいて主光線の傾きが
光路断面の直交方向で異なってしまう（瞳空間の非点隔
差）。すなわち光軸をｚ軸とするｘ−ｙ−ｚ直交座標系
をとり、中間結像面Ｍをｘ−ｙ平面とし、ｘ軸方向をＥ
ｘＢの磁界方向とすると、中間結像面Ｍにおいて収差は
補正されているが、主光線（実線）の傾きが、直交する
方向ｘ−ｙにおいて異なっている。それぞれを後段レン
ズパワーの中心に集中させるには、ｘ方向でθ１、ｙ方
向でθ２（θ１＞θ２）偏向させなければならない。そ
のため、ｘ方向がｙ方向より強いレンズパワーとなるよ
う、四極子に電圧印可する。

【００３５】図５に具体的な印可方法を記す。結像パワ
ーとなる主電圧Ｖ１と非点隔差調整用の電圧Ｖ２（Ｖ１
＞Ｖ２＞０）を重畳させ、ｘ方向の印可電圧が大きくな
るようにする。その結果、異なる傾きの主光線を、共に
後段パワーの中心に結像でき、諸収差を補正することが
できる。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、後段のレンズパワーを結像
用レンズとして使用し、前段のレンズパワーは、主光線
が後段のレンズパワーの中心付近で光軸を通過するよう
に制御するために使用することができる。これにより、
主光線が拡散しないので、視野を広くした場合でも歪曲
収差を小さくすることができる。

【００３７】請求項２に係る発明においては、前段パワ
ー中心位置、後段パワー中心位置の少なくとも一方を変
化させることができるので、請求項１に係る発明の効果
を保ったまま、像倍率を連続的に変化させることができ
る。

【００３８】請求項３に係る発明においては、中央部の
電極以外の電極の少なくとも１つが４極子以上の多極子
電極とされているので、ｘ軸方向とｙ軸方向で前段パワ
ーによる偏向角を異なったものとすることができ、これ
により、瞳空間の非点収差を補正することができる。

【００３９】また、請求項１から請求項３の発明におい
て、前段パワーの中心がほぼ中間結像面にくるように配
置すれば、前段パワーの調整だけで、主光線を後段パワ
ーの中心付近で光軸上に結像させることができ、調整が
簡単となる。

【００４０】請求項４に係る発明においては、請求項１
から請求項３のうちいずれかに係る静電レンズを有して
いるので、全体の形状を大きくしなくても、視野が広く
ても収差が良好で、かつ高倍率の写像投影光学装置とす
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態である写像投影光学装置の
例を示す概要図である。

【図２】写像投影光学系の１例をさらに詳細に示した図
である。

【図３】写像投影光学系の他の例をさらに詳細に示した
図である。

【図４】写像投影光学系の他の例をさらに詳細に示した
図である。

【図５】四極子電極とそれに対する電圧印加方法の例を
示す図である。

【符号の説明】

１…照明装置 ２…試料面（被観察面） ３…カソードレンズ ４…絞り ５…写像投影光学系 ６…結像面（検出面） １１…前段第１電極 １２…前段第２電極 １２’…前段第３電極 １３…中間電極 １４…後段第１電極 １４’…後段第２電極 １５…後段第２電極 １６…四極子電極 Ｍ…中間結像面

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一群とみなせる５枚以上の電極からな
   り、中央部の電極によりレンズパワーが前段と後段に分
   離され、かつ、それぞれのレンズパワーが独立に制御で
   きることを特徴とする静電レンズ。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の静電レンズであって、
   前段パワー部分を形成する電極及び後段パワーを構成す
   る電極の少なくとも一方が前記中央部の電極を含んで４
   枚以上から構成され、印加電圧を可変にすることで、そ
   れぞれ前段パワーの中心位置、若しくは後段パワーの中
   心位置、又はこれらの両方を制御できる構造をもつこと
   を特徴とする静電レンズ。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の静電レン
   ズであって、前段パワー部分を形成する電極のうち、前
   記中央部の電極以外の電極の少なくとも１つが４極子以
   上の多極子電極であることを特徴とする静電レンズ。
4. 【請求項４】 請求項１から請求項３のうちいずれか１
   項に記載の静電レンズを有することを特徴とする写像投
   影光学装置。