JP2001015055A - 荷電粒子ビームカラム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】荷電粒子像の高分解能を維持しながら傾斜ビー
ム到達角度で検査可能である改良形の荷電粒子ビームカ
ラムを提供する。 【解決手段】 傾斜ビーム到達角度で試料表面に有限の
エネルギの広がりを有する荷電粒子ビームを向けるため
のカラムは、粒子供給源と、対物レンズと、荷電粒子ビ
ームが軸外れの状態で対物レンズを横断することによ
り、色収差を生じるように光軸から離れて荷電粒子ビー
ムを偏向させるための偏向ユニットと、荷電粒子ビーム
を分散することにより、試料表面の平面で色分散を実質
的に補正する補正ユニットとを備え、対物レンズと偏向
ユニットを組み合わせた作用により、大きなビーム到達
角度で試料表面に当たるように荷電粒子ビームが向けら
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、試料を検査するた
めの荷電粒子ビームカラムに関する。更に詳しく言え
ば、本発明は、傾斜角の到達角度で試料表面上にビーム
が到達するビームカラムに関するものである。

【０００２】（背景技術）走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）
等の荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビームの典型的
な開口角度及び典型的な到達角度は数ミリラジアン程度
のものである。多くの応用では、荷電粒子ビームは、９
０〜１８０ミリラジアンに対応する約５°〜１０°とか
なり大きな角度で試料表面上に到達する。更に、１５°
を超える角度や更に２０°を超える角度の傾斜を必要と
する使用もある。

【０００３】大きな到達角度を必要とするある応用は、
試料表面を立体的に視覚化する場合である。ＳＥＭを用
いた立体写真技術は、走査形電子顕微鏡の開発初期の時
代まで遡る。実質的に比較的粗い試料の全ての部分から
電子が収集されるので、ＳＥＭの像はかなり「実際の」
外観を有するものとなる。このような実際の外観を得ら
れる主な理由は、ビーム衝突点で発生した二次電子信号
が、分散照射された巨視的対象物の表面の知覚的輝度と
同じように表面の局所的な傾斜で変化するためである。
更に、この信号が検出器からの弱い電界により収集され
る効率性が変化することにより、位置関数として信号が
修正され、あたかも試料表面が影を含むように見える。
このように像は従来の白黒写真の視覚的手掛かりを持っ
ているが、これらの手掛かりは多くの場合当てにならな
いものである。従って、確実な透視情報を提供する方法
を得ることが必須となる。立体的な視覚化は、そのよう
な方法である。他のコード化メカニズムでは不明瞭な結
果を生じる状態のものを検出し解析することは、有益で
あり、かつ時には不可欠なものである。

【０００４】別の応用では、試料表面に関する地形的な
情報が、例えば傾斜ビームで得た対の立体像の視差から
抽出される。更なる応用である試料の三次元結像でも、
例えば米国特許第５，７３４，１６４号公報に開示され
ているように、数度だけビームを傾斜させることを必要
とする。

【０００５】これら全ての応用では、ビームを傾斜させ
るメカニズムが重要な役割を果たす。初期の解決策とし
ては、試料を機械的に傾けて二つの透視像を得て、立体
効果を達成していた。しかしながら、機械的な不完全性
により、試料が横方向に移動することは避けられず、対
の立体像の要素間に位置合わせ誤差を生じてしまうこと
がよくある。これは、集積回路のメモリセルアレイ等の
ように非常に規則的な構造物に関しては特に問題となる
ものである。

【０００６】ビームの傾斜を電気的に実行する場合、横
軸の位置合わせに関する限り、試料が水平方向に維持さ
れているということが非常に重要な利点となる。更に、
電気的に傾斜させる作業は機械的に傾斜させるよりもか
なり高速に処理できる。しかしながら、電気的方法にも
欠点がいくつかある。ある方法において、ビームは、各
光線が電子源（図２を参照）の見掛けの位置と一致する
点から現れるように、対物レンズの上方で偏向される
（前方レンズ偏向）。このようにして、試料表面が集束
状態にある限り、各光線は試料の同じ領域に集束され
る。しかしながら、その結果として、ビームはレンズ収
差により付随して生じた劣化でかなり軸から外れて対物
レンズのフィールドを横切ることになる。特に、色収差
で得られる分解能は数１０ナノメートルまでに制限され
る。多くの応用では、約５ｎｍよりも高い分解能が要求
される。

【０００７】別の方法として、偏向コイルが対物レンズ
の下方に配置されれば（後方レンズ偏向）、ビームは光
軸上でレンズを通過する（図３）。しかしながら、最終
レンズの下方にある偏向コイルの物理的寸法により、獲
得可能な最小作業距離、即ち最終レンズと被検査試料と
の間の獲得可能な最小距離が制限される。従って、作業
距離が広くなり器具の分解能が劣化することにより、許
容可能な程度の分解能を得ることができない。

【０００８】（発明の開示）本発明は、上述した従来例
の欠点や不利益を解消することを目的とする。特に、本
発明は、試料が、荷電粒子像の高分解能を維持しながら
傾斜ビーム到達角度で検査可能である改良形の荷電粒子
ビームカラムを提供することを目的としている。この目
的を達成するために、本発明の一つの態様によれば、独
立の請求項１に記載されたカラム及び請求項１３に記載
された方法が提供される。

【０００９】本発明の更なる好適な特徴、態様及び詳細
は、従属の請求項、明細書の記載及び添付の図面から明
らかになる。本発明の請求項は、本発明を一般的な用語
で規定するための第１の非制限的アプローチとして理解
されることを意図したものである。

【００１０】一つの態様によれば、本発明は、傾斜ビー
ム到達角度で有限のエネルギーの広がりをもつ荷電粒子
ビームを試料表面に向けるためのカラムを提供し、この
カラムは、光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給
するための粒子供給源と、荷電粒子ビームを試料表面に
集束させるための対物レンズと、荷電粒子ビームが軸外
れ状態で対物レンズを横切るように光軸から離れて荷電
粒子ビームを偏向させることにより色収差が生じる偏向
ユニットと、荷電粒子ビームを分散することによって、
試料表面の平面で色収差を実質的に補正する補正ユニッ
トとを備え、対物レンズと偏向ユニットとを組み合わせ
る作用によって、荷電粒子ビームが傾斜ビーム到達角度
で試料表面に当たるように向けられる。

【００１１】前述したように、偏向は、対物レンズを通
るビーム経路が軸から外れると、ビームの有限のエネル
ギの広がりによる大きな色収差の原因となる。驚くべき
ことに、本発明の発明者らにより、偏向で生じたこの第
１の色収差は、第１の色収差と実質的に同じ種類と大き
さの第２の色収差を導入するが、実質的に反対方向のも
のである要素を追加することによって、試料表面の平面
で補正されることが分かった。このような第２の色収差
は、荷電粒子ビームを分散することによって導入され
る。

【００１２】好適な実施形態では、補正要素は、交差し
た静電偏向フィールドと磁気偏向フィールドを発生させ
るための手段を備える。交差した静電磁界は、光軸に実
質的に垂直に作られ、いわゆるウィーンフィルタを形成
するものが好ましい。補正ユニットは、静電磁気多極子
（２ｎ極、ｎ＝１、２、３、．．．）形が有利であり、
好ましくは静電磁気二極子（２極）、四極子（４極）、
六極子（６極）及び八極子（８極）からなる群から選択
される。

【００１３】更なる好適な実施形態では、静電磁気２ｎ
極は、極片と離れた位置にある２ｎ個の極片と２ｎ個の
電極からなる。極片と電極は光軸に対して垂直な平面に
配置されている。更なる好適な実施形態では、静電磁気
２ｎ極は２ｎ個の極片からなり、２ｎ個の極片のそれぞ
れは電極として同時に用いられる。極片は光軸に垂直な
平面に配置される。

【００１４】特定の理論に限定せずに考えると、カラム
でのウィーンフィルタの補正効果は今のところ以下のよ
うに理解されている。

【００１５】ある一定のビーム到達角度、例えば５°で
は、必要な偏向によってビームの中心が光軸からある距
離離れた位置にある対物レンズを通過する。対物レンズ
の集束距離は荷電粒子エネルギと、ビームの中心の軌道
と光軸との間の距離に依存するものである。荷電粒子ビ
ームが有限のエネルギの広がりを有するため、異なるエ
ネルギを有する粒子は、僅かに異なる方向にレンズによ
って偏向され、レンズの色収差を引き起こす（図３を参
照）。

【００１６】ウィーンフィルタでは、電界Ｅと磁界Ｂ
は、荷電粒子、Ｆ_el＝ｑＥ，Ｆ_mag＝ｑ（ν×Ｂ）に電
力及び磁力を発生し、ここでｑ＝−ｅは電子の電荷であ
る。電界と磁界が互いに垂直であり、更に荷電粒子の速
度に対して垂直であれば、電力及び磁力の方向は反対で
ある。ある速度ν＝｜Ｅ｜／｜Ｂ｜を有する粒子では、
正味の力は零であり、それらは非動作のフィルタを通過
する。異なる速度を有する粒子は、正味の力Ｆ＝｜Ｆ_el
−Ｆ_mag｜を受け、ウィーンフィルタで偏向される。実
際、ウィーンフィルタを通過し有限のエネルギの広がり
を有する荷電粒子ビームは、異なるエネルギを有する粒
子が異なる量だけ偏向されるように、分散される。

【００１７】分散することにより、対物レンズの色収差
を少なくとも部分的に補正する。従って、本発明は、サ
ンプル表面上での大きなビーム到達角度が、色収差が大
きいことから生じる分解能を通常のように低減せずに得
られるという利点を有する。

【００１８】補正ユニットが、ｎが少なくとも２である
静電磁気２ｎ極により形成される場合では、磁界及び静
電界は共に調整されて、光軸に垂直な平面で任意の方向
に偏向することが可能である。それによって、偏向作用
のあらゆる方向に補正がなされる。

【００１９】補正ユニットが、ｎが少なくとも３である
静電磁気２ｎ極により形成される場合では、より同質の
偏向フィールドが発生する。これは、フィールドがより
強い場合や、ウィーンフィルタのビーム直径が大きい場
合や、若しくは電荷ビームがフィルタを軸外れ状態で通
過する場合、特に重要なものである。更に、より高次の
偏向フィールドが発生して、２番目に大きな傾斜収差を
形成する対物レンズのコマを減少又は補正することが可
能である。

【００２０】極片が同時に電極として使用されれば、実
質的に同一の空間的分布を有する電磁気フィールドが発
生する。偏向フィールドが非常に強いものである場合、
フィールドの合致度が優れていることが重要である。

【００２１】好適な実施形態では、偏向ユニットのビー
ム到達角度は、２５°よりも小さく、好ましくは３°〜
１５°、更に好ましくは５°〜１０°のものである。

【００２２】更なる好適な実施形態では、偏向ユニット
は、粒子供給源の見掛けの位置と一致する点から現れる
ように見える経路か、若しくは適用できるならば粒子供
給源の中間像の見掛けの位置と一致する点から現れるよ
うに見える経路に、光軸から離れて荷電粒子ビームを偏
向する二つの偏向器を備える。

【００２３】更なる好適な実施形態では、補正ユニット
は、粒子供給源と偏向ユニットの間に配置される。偏向
ユニット内に補正ユニットを配置することが利点になる
場合もある。これらの二つの配置は好適なものである
が、偏向ユニットの下方に補正ユニットを配置すること
も可能である。

【００２４】本発明の好適な態様において、これまで記
載した偏向システムは種々の対物レンズで使用可能であ
るが、対物レンズは複合磁気静電レンズである。好まし
くは、複合磁気静電レンズの静電部分は、静電減速レン
ズである。このような複合磁気静電レンズを用いること
によって、ＳＥＭの場合数１００電子ボルト等のよう
な、低加速エネルギで優れた分解能が得られる。このよ
うな低加速エネルギは特に現在の半導体産業においては
望ましいものであり、放射感度性の試料を帯電させたり
損傷を与えないように、又はそのどちらかを与えないよ
うにする。好適な実施形態では、静電減速レンズは荷電
粒子として電子ビームエネルギを、５ｋｅＶより低く、
好ましくは２ｋｅＶより低く、更に好ましくは約１ｋｅ
Ｖ以下まで下げる。

【００２５】本発明の特に好適な態様によれば、対物レ
ンズは磁気界浸レンズである。

【００２６】好適な実施形態では、カラムは、試料と対
物レンズの極片間に電位差を印加するための手段を備え
る。従って、静電減速レンズは、試料と対物レンズの極
片間に設けられ、更なる電極が必要なくなる。しかしな
がら、このように発生した減速フィールドを補充及び／
又は修正するために更なる電極を使用する場合もあるこ
とは当業者により認識されるであろう。

【００２７】好ましくは、カラムは試料表面上に荷電粒
子ビームを走査するための手段を更に備える。

【００２８】本発明は、（ａ）光軸に沿って伝播する有
限のエネルギの広がりを有する荷電粒子ビームを供給す
るステップと、（ｂ）対物レンズで試料表面に荷電粒子
ビームを集束させるステップとを備える、傾斜ビーム到
達角度で有限のエネルギの広がりを有する荷電粒子ビー
ムを試料表面に向けるための方法であって、前記方法は
更に、（ｃ）ビーム到達角度を選択するステップと、
（ｄ）荷電粒子ビームが軸外れ状態で対物レンズを横断
して、第１の色収差を生じるように、光軸に沿って伝播
する荷電粒子ビームを光軸から離れて偏向させるステッ
プであって、ビームを偏向させ集束させる作用を組み合
わせることによって荷電粒子ビームが方向付けられて、
大きなビーム到達角度で試料表面に当たるように偏向の
大きさが選択される偏向ステップと、（ｅ）荷電粒子ビ
ームを分散することによって、第１の色収差と実質的に
同種であり、同じ大きさであるが、実質的に反対方向の
第２の色収差を導入して、試料表面の平面で第１の色収
差を実質的に補正する分散ステップとを備えることを特
徴する。

【００２９】好ましくは、本発明のステップ（ｅ）は、
光軸に沿った領域内に光軸と実質的に垂直で且つ互いに
実質的に垂直な交差した静電界と磁界を発生させるステ
ップと、この領域を介して荷電粒子ビームを通過させる
ステップとを備える。

【００３０】本発明の上述した態様や他のより詳細な態
様のいくつかは、以下の記載に記述されており、図を参
照し部分的に説明されるであろう。

【００３１】図面において、同じ参照番号は同じ要素を
指している。

【００３２】

【好ましい実施形態の説明】以下には、本発明の好適な
実施形態は電子を荷電粒子として用いるものとして記載
されている。しかしながら、本発明は、電子の使用に限
られたものではなく、陽子、イオンや他の荷電粒子も同
様に使用することも含んでいる。

【００３３】本発明をより良く理解するために、ＳＥＭ
の従来の設計に関する典型的な問題を、図３及び図４に
示す。本発明を理解するにはあまり重要ではない電子供
給源のアノード、コンデンサレンズ、開口部、走査コイ
ル、検出器等の要素は、図面では省略している。一般的
に、電子ビームは電子源１２から放出され、光軸１６に
沿って対物レンズ２０の方向に伝播する。

【００３４】ビームの電子は単色ではなく、僅かに異な
るエネルギで放出される。例えば、熱電子銃において、
エネルギの広がり（即ち、電子エネルギ分布の最大の半
分における全幅）は、ほぼΔＥ＝２．５ｋＴ_cであり、
ここでＴ_cはカソードの先端の温度であり、ｋはボルツ
マン定数である。このようなエネルギの広がりは、クロ
スオーバーの近くにある空間電荷振動から生じるベルシ
ュ(Boersch)効果により更に増加するため、熱電子タング
ステンカソードのエネルギの広がりはΔＥ＝１−３ｅＶ
であり、ＬａＢ₆カソードの値はΔＥ＝０．５−２ｅＶ
である。電界放出銃は通常、カソード温度がほぼΔＥ＝
０．２−０．４ｅＶとより小さいため、より低いエネル
ギの広がりを有する（エル．レイマー(L.Reimer)、走査
形電子顕微鏡、スプリンガー(Springer）、１９８５
年）。

【００３５】対物レンズ２０は、電子ビームを試料１８
の表面に集束させる。電子ビームと試料１８とを相互作
用させて、適切な検出器（図示せず）で収集され検出さ
れる二次電子を発生させる。

【００３６】図３では、二段前方レンズ偏向ユニット７
０が光軸１６に沿って経路１５ａから経路１５ｂに偏向
し、これは粒子供給源１２の見掛けの位置と一致する点
から現れるように見える。このように、偏向されたビー
ムは、試料表面が集束状態（光線１５ｄ）にある限り、
対物レンズ２０によりあらゆる偏向に対して試料の同じ
領域に集束される。偏向により、ビームはかなり軸から
外れて対物レンズのフィールドを横切る（参照番号２
２）ため、ビームの有限のエネルギの広がりから生じる
色収差が大きくなる。

【００３７】軸上ビームでは、有限エネルギのビームの
広がりは、直径ｄ_cを有するあまり混乱がない平円形の
ものとなり、この直径は ｄ_c＝Ｃ_cαΔＥ／Ｅ （１） で表わされる。ここで、Ｃ_cは色収差係数で、αは通常
収束角であり、ΔＥ／Ｅは電子ビームエネルギの分数変
分である。収束角αの軸上ビームの色収差を示す式
（１）はまた、電荷粒子ビームが軸から外れてレンズを
通過する場所の状況を示すように用いることも可能であ
る。この場合、等式（１）において収束角αはビーム到
達角度と置き換えなければならず、長さｄ_cは細長いビ
ームの断面の横方向の広がりである。通常の収束角（数
１０分の１度）と比較してビーム到達角度が非常に大き
い（数度）と、色収差が大きくなる。

【００３８】この効果は、Ｅ−ΔＥ，Ｅ，Ｅ＋ΔＥのエ
ネルギをそれぞれが有する電子を表わす光線１５ｅ、１
５ｄ、１５ｃによって図３に略図的に示されている。図
示されているように、より高いエネルギを有する電子
は、低いエネルギを有する電子よりも少なく偏向されて
いる。図３に示されているように、色収差は像をぼやか
し、獲得分解能を数１０ナノメートルのものに制限す
る。

【００３９】図４は、偏向コイル８２、８４が対物レン
ズ２０の下側に配置されて後方レンズ偏向システム８０
を形成する代替的な従来の設計を示すものである。ビー
ムが対物レンズ２０を通過した後、第１の偏向コイル８
２は光軸から離すようにビームを偏向させ、第２の偏向
コイル８４はビームを光軸に戻すように方向付けて、所
望のビーム到達角度で試料に当たるようにする。ビーム
が光軸１６上で対物レンズ２０を通過するので、分解能
はレンズの軸外れ収差によって劣化することはない。し
かしながら、最終的なレンズ２０の下側にあるコイルの
物理的寸法により、対物レンズにより、より長い焦点距
離が必要となるため、獲得できる最小作業距離が制限さ
れてしまう。焦点距離がより長いと色収差や更に球面収
差まで高くなってしまう。従って、図４に示された解決
法では、満足のいく像分解能は得られない。

【００４０】図１は、参照番号１０で一般的に示した、
本発明によるカラムのある特定の実施形態を示す図であ
る。上述したように、電子ビームは電子供給源１２から
放出され、経路１４ａ上を光軸１６に沿って試料１８の
表面にビームを集束させる対物レンズ２０の方へと伝播
する。偏向ユニット３０は、電子供給源１２の見掛けの
位置と一致する点から現れるように見えるビームを光軸
から経路１４ｂへと偏向するための二つの偏向器コイル
３２、３４を備える。カラムの設計にもよるが、参照番
号１２は、電子供給源そのものか、若しくは電子供給源
の中間像を表すものとされる。

【００４１】図１の実施形態では、偏向ユニット３０
は、電子供給源１２（若しくは電子供給源の中間像）と
対物レンズ２０との間に配置され、即ち、偏向ユニット
３０は前方レンズ偏向ユニットとして示されている。し
かしながら、偏向ユニット３０は、それぞれのフィール
ドが重複するように対物レンズ２０の内側深くあるいは
近傍に配置されることもある。

【００４２】偏向ユニット３０の上方に、電界と磁界を
交差させて発生するウィーンフィルタ４０が配置されて
いる。電子が一般的に＋ｚ方向に移動し、偏向ユニット
３０は電子を＋ｘ方向に偏向させる図１の実施形態で
は、電界Ｅはｘ軸に沿って選択され、磁界Ｂはｙ軸に沿
って選択される。上述したように、電子にかかる電力と
磁力は反対方向のものである。速度ν＝｜Ｅ｜／｜Ｂ｜
を有する電子が動作していないフィルタを通過し、一方
で異なる速度を有する電子はある正味の力を受けて、ウ
ィーンフィルタ４０により偏向される。

【００４３】偏向角が小さい場合、運動量近似が用いら
れ、次いで偏向のピボット点は偏向ユニットの中心にあ
る。電子が長さＬの横方向のフィールドを有する領域を
介して電子が飛行すると仮定すると、偏向フィールドを
介した飛行時間中、電子への運動量輸送ｐ_xは、 ｐ_x＝ｅＬ（Ｅ_x／ν＋Ｂｙ） である。ここで、−ｅは電子の電荷であり、Ｅ_xは＋ｘ
軸に沿った電界であり、Ｂｙは＋ｙ軸に沿った磁界であ
り、νは＋ｚ軸に沿った電子速度である（エル・レイマ
ー、上記に引用）。上記等式から容易に分かるように、
速度ν₀＝Ｅ_x／−Ｂ_yを有する電子では、運動量輸送は
零であり、即ちこれらの電子は動作していないフィルタ
を通過する。ν₀を意味のあるもの（即ち、正）にする
ためには、Ｅ_xとＢ_yは反対の符号のものでなければなら
ず、例えば、電界が正のｘ方向に沿って印加され、磁界
が負のｙ方向に沿って印加される。

【００４４】ν₀よりも僅かに速いか若しくは遅い速度
を有する電子では、運動量輸送は偏向角ε＝ｐ_x／ｐ_zと
なる。この偏向角は、電子の速度がν₀よりも遅けれ
ば、正（ｘ方向に偏向、経路１４ｄ）であり、電子がν
₀よりも速ければ負（−ｘ方向に偏向、経路１４ｃ）で
ある。

【００４５】対物レンズ２０を通る電子ビーム経路が軸
から外れていることにより、第１の色収差が生じる。ウ
ィーンフィルタ４０のエネルギ分散効果は、第１の色収
差と同種の第２の色収差を生じさせる。電界Ｅと磁界Ｂ
の強度を適切に選択することによって、第２の色収差
は、第１の色収差と同じ大きさをもつが反対方向のもの
になるように調整できる。実際、第２の色収差は試料表
面の平面で第１の色収差を実質的に補正する。

【００４６】等式（１）によれば、対物レンズ２０の色
収差はビーム到達角度に依存している。異なるビーム到
達角度では、電子ビームは光軸１６から一般的に異なる
位置にある対物レンズ２０を横断する。従って、動作中
ビームの到達角度の変更が望ましければ、ウィーンフィ
ルタ４０の電界及び磁界はそれに応じて設定されなけれ
ばならない。

【００４７】図２は、本発明の別の実施形態を示すもの
で、ウィーンフィルタ４０は偏向ユニット３０の上方に
配置されておらず、偏向ユニット３０のフィールドとウ
ィーンフィルタ４０のフィールドが重複するように偏向
ユニット内に配置されているものである。図２は、第２
の偏向コイル３４の高さに配置されたウィーンフィルタ
４０を図示しているが、これは単に図解を容易にするた
めである。第１の実施形態にあるように、ウィーンフィ
ルタは電子ビーム１１４ａを分散させ、より高速の電子
（エネルギＥ＋ΔＥ）が光軸１６により近い位置で対物
レンズ２０を横断し（経路１１４ｃ）、一方でより低速
の電子（エネルギＥ−ΔＥ）が光軸から更に離れた位置
で対物レンズ２０を横断する。対物レンズ２０の偏向が
低速電子に対してより強いので、粒子は全て試料１８上
の同じスポットに集束される。

【００４８】図は、二つの偏向コイル３２、３４からな
るように偏向ユニット３０を図示しているが、単一の偏
向器のみからなる偏向ユニット３０を用いることも本発
明の範囲内である。例えば、参照番号１２は電子源の中
間像を表わす場合、中間像の高さに配置された単一の偏
向器は、電子源の中間像から現れるように見える経路に
光軸１６からのビームを十分に偏向する。

【００４９】図５（ａ）及び図５（ｂ）はウィーンフィ
ルタの実施形態を示しており、ウィーンフィルタは静電
磁気四極子（４極）１４０を形成する。四極子は、四極
片１４２と四電極１４４とからなる。電極と極片は、光
軸１６に垂直な平面に配置される。図５（ａ）に最も良
く示されているように、電極と極片は、π／２の角度だ
け間隔をとって離して、円の周辺に沿ってそれぞれ配置
される。極片とそれに対応する電極は同じ長さ（図５
（ｂ））とほとんど同じ半径（図５（ａ））をもつの
で、生じた電界と磁界の分布は非常に類似したものであ
り、ウィーンフィルタの光軸に沿ったあらゆる点で速度
ν₀を有する電子の電力及び磁力を良好に補正すること
ができる。

【００５０】電界と磁界は互いに厳密に一致するもので
ある必要はないが、一致しなければ、別の種類のフィー
ルドによって偏向が補正される前に電子ビームが光軸か
ら強く偏向されて、更なる軸外れ収差を生じてしまうた
め、それらは一致するほうが好ましい。

【００５１】このような四極子配置を用いることによっ
て、磁界と静電界は、光軸に垂直な平面で任意の方向に
偏向するように調整可能である。それによって、偏向作
用のあらゆる方向に補正をすることが可能である。ウィ
ーンフィルタの偏向フィールドが強いことから、非点収
差が生じることがある。このような非点収差は、ウィー
ンフィルタ上の四極子（無収差子）静電界若しくは磁界
を励起させることにより補正できる。

【００５２】また、極片を用いずに、即ち空気コイルの
みを用いて磁界をつくることも可能である。しかしなが
ら、静電界と磁界との一致は通常、前述した場合ほど良
好なものではない。

【００５３】ウィーンフィルタの別の実施形態（図６
（ａ）、図６（ｂ））では、静電磁気四極子２４０の４
個の極片２４２は磁気回路２４６から電気的に絶縁され
ている。従って、それらは電極として同時に使用するこ
とが可能である。これは、極片と電極の形状が自動的に
一致し、電界及び磁界を実質的に同一の空間分布をもつ
ようにするという利点を有する。偏向フィールドが非常
に強く、僅かなフィールドのずれでさえ大きなビーム偏
向につながる場合であれば、それぞれのフィールドの合
致度が優れていることは重要なことである。

【００５４】図７及び図８は、ウィーンフィルタの実施
形態を示すもので、ウィーンフィルタは静電磁気八極子
（８極）３４０を形成する。図７に示されている実施形
態は、π／４の角度だけ間隔をとって離され、円の周辺
に沿って光軸１６に垂直な平面に配置された８個の極片
３４２と８個の電極３４４からなる。再度、極片とそれ
に対応する電極は、同じ長さとほぼ同じ半径（図７）を
有し、電界と磁界は類似した空間分布をもつことにな
る。図８の実施形態では、静電磁気八極子４４０の極片
４４２は、磁気回路４４６から隔離されているため、電
界を発生させる電極として同時に使用される。

【００５５】静電磁気八極子によって、より一様な偏向
フィールドを発生させることができる。この特徴は、偏
向フィールドが強い場合か、ウィーンフィルタの直径が
大きい場合か、若しくは荷電粒子ビームがまったく光軸
上にはないウィーンフィルタを通過することが望ましい
場合、特に重要である。更に、より高次の偏向フィール
ドが発生され、対物レンズのコマを減少若しくは補正
し、大きなビーム到達角度から生じる２番目に大きな収
差を形成する。従って、極めて大きなビーム到達角度
（＞１５°）が、５ｎｍよりも小さい優れた分解能で達
成される。

【００５６】本発明を説明する更なる実施形態が図９〜
図１２に図示されている。図９は、ウィーンフィルタ４
０を図示しており、例えば、偏向ユニット３０の上方に
配置され、図５〜図８のいずれかによる静電磁気多極子
である。対物レンズは、例えば、単段の純粋な磁気レン
ズ１２０（図９）かもしくは界浸レンズ２２０であり、
極片２５２、２５４は、試料１８が最大磁界の領域にあ
るかもしくはその近くにあるように配置される（図１
０）。図１１は、対物レンズが界浸レンズ３２０であ
り、その外側の極子３５２が真空室壁により形成されて
いる場合を図示している。

【００５７】約１ｋｅＶ以下とエネルギがかなり低い状
態で分解能を改良するための三つの実施形態が、図１２
の対物レンズ４２０に対して図示されている。第１の場
合、電極４２４、４２６と、電位Ｕ２及びＵ３は不在で
ある。試料１８と対物レンズ４２０の極片４５２、４５
４の間に電位差Ｕ１を印加することによって、静電減速
電界がつくられる。

【００５８】第２の場合では、電極４２４、４２６と、
それに対応する電位Ｕ２とＵ３がまた存在し、試料と対
物レンズ４２０の極片間に作り出された減速電解を補
う。第３の場合では、電位Ｕ１を発生させるための手段
が不在である。ここでは減速電界が電極４２４と４２６
のみで作り出される。電極４２４、４２６のうちの一つ
の電極がレンズ４２０の極片４５２、４５４によって形
成される場合もあることは、当業者には認識されるであ
ろう。

【００５９】対物レンズ４２０の磁気部分が界浸レンズ
であることが好ましいが、これは必ずしもすべての場合
で必要な条件ではない。あらゆる磁気レンズ、特に図９
〜図１１に示されているようなものが、図１２に関して
上述したもののように静電減速レンズと組み合わされる
こともある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態によるビームカラムの略図的
垂直断面図である。

【図２】本発明の別の実施形態によるビームカラムの略
図的垂直断面図である。

【図３】前方レンズ偏向システムを用いた従来のビーム
カラムの略図的垂直断面図である。

【図４】後方レンズ偏向システムを用いた従来のビーム
カラムの略図的垂直断面図である。

【図５】（ａ）は 本発明の実施形態によるウィーンフ
ィルタの略図的水平断面図であり、（ｂ）は（ａ）のウ
ィーンフィルタの略図的垂直断面図である。

【図６】（ａ）は本発明の別の実施形態によるウィーン
フィルタの略図的水平断面図であり、（ｂ）は（ａ）の
ウィーンフィルタの略図的垂直断面図である。

【図７】本発明の更なる実施形態によるウィーンフィル
タの水平断面図である。

【図８】本発明の更なる実施形態によるウィーンフィル
タの水平断面図である。

【図９】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカ
ラムの下側部分の垂直断面図である。

【図１０】本発明の更なる好適な実施形態によるビーム
カラムの下側部分の垂直断面図である。

【図１１】本発明の更なる好適な実施形態によるビーム
カラムの下側部分の垂直断面図である。

【図１２】本発明の更なる好適な実施形態によるビーム
カラムの下側部分の垂直断面図である。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを
   供給するための粒子供給源と、 荷電粒子ビームを試料表面に集束させるための対物レン
   ズと、 荷電粒子ビームが軸から外れた状態で対物レンズを横断
   することによって、色収差が生じるように光軸から離れ
   て荷電粒子ビームを偏向するための偏向ユニットと、 荷電粒子ビームを分散することにより、試料表面の平面
   で前記色収差を実質的に補正するための補正ユニットで
   あって、 対物レンズと偏向ユニットとを組み合わせた作用により
   前記大きなビーム到達角度で試料表面に当たるように電
   荷粒子ビームを向ける補正ユニットとを備える、傾斜ビ
   ーム到達角度で有限エネルギの広がりを有する荷電粒子
   ビームを試料表面に向けるためのカラム。
2. 【請求項２】 前記偏向ユニットは、２５°より小さ
   く、好ましくは３°〜１５°、更に好ましくは５°〜１
   ０°のビーム到達角度を提供するように適合されている
   請求項１記載のカラム。
3. 【請求項３】 前記偏向ユニットが、粒子供給源の見掛
   けの位置か若しくは粒子供給源の中間像と一致する点か
   ら現れるように見える経路に、光軸から離れて荷電粒子
   ビームを偏向させる二つの偏向器とを備える請求項１記
   載のカラム。
4. 【請求項４】 前記補正ユニットが、交差した静電偏向
   フィールドと磁気偏向フィールドを発生させるための手
   段であって、好ましくは光軸に垂直な静電磁界を発生す
   るための手段を備える請求項１記載のカラム。
5. 【請求項５】 前記補正ユニットは、静電磁気多極子
   （２ｎ極、ｎ＝１、２、３、．．．）であり、好ましく
   は静電磁気二極子（２極）、四極子（４極）、六極子
   （６極）及び八極子（８極）からなる群から選択される
   請求項１記載のカラム。
6. 【請求項６】 前記静電磁気２ｎ極が、２ｎ個の極片と
   ２ｎ個の別々の電極からなり、極片と電極は光軸に対し
   て垂直な平面に配置されている請求項５記載のカラム。
7. 【請求項７】 前記静電磁気２ｎ極は２ｎ個の極片から
   なり、２ｎ個の極片のそれぞれは電極として用いられ、
   前記極片は光軸に対して垂直な平面に配置される請求項
   ５記載のカラム。
8. 【請求項８】 前記補正ユニットは粒子供給源と偏向ユ
   ニット間に配置される請求項１記載のカラム。
9. 【請求項９】 前記補正ユニットは偏向ユニット内に配
   置される請求項１記載のカラム。
10. 【請求項１０】 前記対物レンズは磁気界浸レンズであ
    る請求項１記載のカラム。
11. 【請求項１１】 前記対物レンズは複合磁気静電レンズ
    であり、好ましくは複合磁気静電レンズの静電部分は静
    電減速レンズである請求項１記載のカラム。
12. 【請求項１２】 試料と対物レンズの極片との間に電位
    差を印加するための手段を更に備えた請求項１記載のカ
    ラム。
13. 【請求項１３】 試料表面上で荷電粒子ビームを走査す
    るための手段を更に備えた請求項１記載のカラム。
14. 【請求項１４】 （ａ）光軸に沿って伝播し、有限のエ
    ネルギの広がりを有する荷電粒子ビームを供給するステ
    ップと、 （ｂ）対物レンズで試料表面に荷電粒子ビームを集束さ
    せるステップとを備える、傾斜ビーム到達角度で有限の
    エネルギの広がりを有する荷電粒子ビームを試料表面に
    向けるための方法であって、前記方法は更に、 （ｃ）ビーム到達角度を選択するステップと、 （ｄ）荷電粒子ビームが軸外れ状態で対物レンズを横切
    ることにより、第１の色収差を生じるように、光軸に沿
    って伝播する荷電粒子ビームを光軸から離れて偏向させ
    るステップであって、 ビームを偏向させ集束させる作用を組み合わせることに
    よって荷電粒子ビームを向けて、大きなビーム到達角度
    で試料表面に当たるように偏向の大きさが選択される偏
    向ステップと、 （ｅ）荷電粒子ビームを分散させることによって、前記
    第１の色収差と実質的に同じ種類及び大きさであるが実
    質的に反対方向である第２の色収差を生じて、試料表面
    の平面で前期第１の色収差を実質的に補正する分散ステ
    ップとを備える方法。
15. 【請求項１５】 前記ステップ（ｅ）は、 光軸に対して実質的に垂直で、且つ互いに実質的に垂直
    な交差した静電界と磁界を光軸に沿った領域内に発生さ
    せ、更に前記領域を介して荷電粒子ビームを通過させる
    請求項１４記載の方法。