JP2001167725A - 粒子線計測装置の分光計対物レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】より正確な計測結果を出せ、低エネルギー引出
し電界に用いることもできる分光計対物レンズを実現す
ることを目的とする。 【解決手段】 １次粒子線（２）を集束させる粒子線光
学ユニットを構成する対物レンズと減速電界分光計を有
する粒子線計測システムに用いられる分光計対物レンズ
であって、減速電界分光計は、２次粒子（４）を試料
（５）から引出す引出し電極装置（３）と、対物レンズ
（１）の方向に２次粒子（４）を加速する加速電極装置
（６）と、前記２次粒子（４）を減速するポテンシャル
障壁を生成する減速電界電極装置（７）と、引出し電場
の強度を調節するために少なくとも２つの異なる電圧
（Vex）で引出し電極装置（３）を充電する手段（８）
とを備え、減速電界電極装置（７）を通過するような２
次粒子束を形成するように、引出し電極配置（３）の電
圧（Vex）に応じて、加速電極装置（６）を充電する手
段（９）を備えたことを特徴とする分光計対物レンズ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は粒子線計測装置に用
いられる分光計対物レンズ分光計対物レンズに関する。
特に本発明は、１次粒子線を集束させる粒子線光学ユニ
ットを構成する引出し電場、対物レンズと遅延場型分光
計を備えた分光計対物レンズ分光計対物レンズに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、分光計対物レンズは米国特許4,72
8,790号により知られている。この従来技術に開示され
ている分光計対物レンズは、その要部として短焦点を有
する磁場対物レンズと、該対物レンズ内に設けられる偏
向ユニットと、減速電場型分光計とから構成されてい
る。これらの構成部材が全体として電子ビーム計測装置
の電子光学カラムの構成要素を形成している。該先行技
術に開示されている対物レンズは、高電流電子発生源か
ら出射される１次電子と、その１次電子により試料上で
発生する２次電子を共に集束させるために用いられてい
る。２次電子は、対物レンズによって計測装置の光軸に
沿った点に集束させられる。

【０００３】高運動エネルギー状態に加速された２次電
子の焦点は、対物レンズの上に配置された分光計の一部
により生成された球面対称な減速場の中心に位置する。
球面対称な減速電場は、適切に形成された対電極を補助
的に利用して生じる。

【０００４】２次電子を良好に集束させるためには、試
料の直上に位置する引出し電極に高い正電位を印加しな
ければならない。しかし、特に表面が不活性化された試
料やパッシベーション膜が表面に形成されたマイクロ電
子部品の動作を検査する際には、試料領域内での高引出
し電場引出し電場（E=1-2kV）はさけるべきである。さ
らに、特に高度に構造化された試料においては、引出し
電場の一様性が乱され、かつ、これは試料上の電子プロ
ーブの直径により定まる電子線計測装置の分解能に対し
て好ましくない効果を有する。よって、米国特許4,812,
651号は、試料のすぐ上に位置する１次粒子線の経路内
に引出し電極を配設させ、引出し電場の強度を調整する
ために多様な電圧で荷電することを提案している。

【０００５】補助引出し電極を追加することで、高引出
し電場（high extraction fields）のみならず低引出し
電場（low extraction fields）（例えば不活性化回
路）も実現可能となる。よって、引出し電極に数ｋＶ
（典型的には１ｋＶ）の高電圧又は０Ｖ周辺の低電圧
（典型的には-50Vから+100V）が印加される。

【０００６】しかしながら、試料の直上に位置する補助
電極を用いた分光計対物レンズは、２次電子のクロスオ
ーバが、対物レンズの上に配置された分光計の一部によ
り生成された球面対称な減速電場の中心の領域内にな
く、結果として計測結果が不正確になるという欠点を有
する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、上記
の課題を解決することのできる分光計対物レンズを提供
することを目的とする。この目的は特許請求の範囲にお
ける独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成され
る。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定す
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】即ち、本発明の第１の形
態によると、１次粒子線を集束させる粒子線光学ユニッ
トを構成する対物レンズと減速電界分光計を有する粒子
線計測システムに用いられる分光計対物レンズであっ
て、減速電界分光計は、２次粒子（４）を試料（５）か
ら引出す引出し電極装置（３）と、対物レンズ（１）の
方向に前記２次粒子（４）を加速する加速電極装置
（６）と、前記２次粒子（４）を減速するポテンシャル
障壁を生成する減速電界電極装置（７）と、引出し電場
の強度を調節するために少なくとも２つの異なる電圧
（Vex）で引出し電極装置（３）を充電する手段（８）
とを備え、減速電界電極装置（７）を通過するような２
次粒子束を形成するように、引出し電極配置（３）の電
圧（Vex）に応じて、加速電極装置（６）を充電する手
段（９）を備えたことを特徴とする。

【０００９】加速電極装置は、ライナーチューブ、特に
対物レンズのほぼ全長に渡って延びるライナーチューブ
により構成されていてもよい。

【００１０】一方、減速電界電極装置は、第１電極及び
第２電極を有し、第１電極が第１の半径を有する第１の
球面の一部であり、かつ第２電極が第２の半径を有する
第２の球面の一部であり、第１の球面と第２の球面との
中心が共通で、対物レンズの光軸上の中心点に位置する
ように構成しても良い。

【００１１】また、減速電界電極装置は、第１電極及び
第２電極を有し、第１電極が第１の半径を有する第１の
球面の一部であり、かつ第２電極が第２の半径を有する
前記第２の球面の一部であり、第１の球面と第２の球面
との中心が共通で、対物レンズの光軸上の中心点に位置
し、第１電極が加速電極装置の一端によって形成されて
いてもよい。

【００１２】２次粒子束はクロスオーバを有していても
よく、このクロスオーバが減速電界電極装置の中心点に
位置するように構成しても良い。

【００１３】また、引出し電極装置及び加速電極装置を
充電する手段が、引出し電極装置及び加速電極装置にあ
らかじめ設定した電圧値を印加する、少なくとも２通り
のモードを有する切り替え手段によって制御されてもよ
い。

【００１４】引出し電極装置を充電する手段が、おおむ
ね−５０Vから２kVの範囲で少なくとも２通りの電圧で
引出し電極装置を印加するよう設定されていてもよい。
さらに、前記加速電極装置を充電する手段が、おおむね
＋５００Vから３kVの範囲で少なくとも２通りの電圧で
加速電極装置を印加するよう設定してもよい。

【００１５】なお上記の発明の概要は、本発明の必要な
特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群の
サブコンビネーションも又発明となりうる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、発明の実施の形態を通じて
本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかか
る発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明
されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に
必須であるとは限らない。

【００１７】図１は本発明の一実施形態による分光計対
物レンズを示す垂直断面図である。本発明の分光計対物
レンズは、基本的には１次粒子線２を集束させるための
粒子線光学ユニットを構成する対物レンズ１と減速電界
分光計を有している。

【００１８】減速電界分光計は、以下のものを備える。 −試料５から２次粒子４を引き出す引出し電極装置３、 −２次粒子４を対物レンズ１の方向に加速する加速電極
装置６及び −２次粒子４を減速するポテンシャル障壁をつくりだす
減速電界電極装置７。

【００１９】さらに、引出し電極装置３を、試料５の領
域内での引出し電場の強度を調節するための少なくとも
２段階の異なる電圧Vexで充電する手段８が設けられて
いる。さらに、加速電極装置６を様々な電圧Vaccで充電
する手段９が配設されている。充電手段９は、減速電界
電極装置７を通過するよう設けられた２次粒子線の束を
形成するために、加速電極装置６を引出し電極装置３の
電圧Vexに応じて充電すべく設けられている。

【００２０】減速電界電極装置７は、第１電極７．１及
び第２電極７．２を有し、第１電極７．１は、第一の半
径を有する第一の球面の一部をなし、第２電極７．２
は、第２の半径を有する第２の球面の一部をなし、第一
の球面と第二の球面との共通の中心となる中心点１０
は、対物レンズ１の光軸１．１上に位置する。

【００２１】第１電極７．１及び第２電極７．２は、２
次粒子４を減速するポテンシャル障壁をつくりだすよう
電圧V1、V2で印加されている。

【００２２】電極７．２を通過した２次粒子を検出する
べく、検出器１１が配置されている。対称な検出装置を
用いる場合、負電位位置に配置された電極１２も又、第
１電極７．１及び第２電極７．２の上に配置することが
できる。電極１２は、光軸１．１の方向に放出される２
次粒子４をほぼ全て偏向する。

【００２３】引出し電極装置３は、平面グリッド電極で
あり、充電手段８に電気的に接続されていることが好ま
しい。

【００２４】本実施例によれば、加速電極装置６は中空
の円筒状で光軸１．１の周囲に同心円状に配置されたラ
イナーチューブ（liner tube）からなる。このライナー
チューブが、２次電子４の運動を乱す対物レンズ１内の
電界を有することを防ぐ。

【００２５】減速電界電極装置７の２つの電極７．１及
び７．２は、球面グリッド電極からなる。開示された実
施形態においては、第１の電極は、加速電極装置６を形
成するライナーチューブの端に電気的に接続されてい
る。結果として、第１の電極７．１の電圧V1は、充電手
段９から供給される加速電極装置６の電圧Vaccと等しく
なる。

【００２６】電子線計測装置は、１次粒子線２、つまり
試料５上に集束させるようビーム生成装置から放出され
た１次電子線を供給する。１次粒子が試料５上で２次粒
子を発生し、２次電子が試料から取り出される。２次電
子は、引出し電極装置３を通り抜け、加速電極装置６で
加速されることになる。２次電子は対物レンズ１の磁場
へ進入するので、光軸１．１上にクロスオーバを有する
ことになる。クロスオーバは、仮想的な２次粒子源の中
間実像（real intermediate image）として、言い換え
れば試料５の下に仮想的に設定した２次粒子全ての軌跡
の最小の火面断面として、解析される。高い検出効率を
達成するため、減速電界電極装置の磁力線に平行に進入
し、及び、これにより、第１電極７．１及び第２電極
７．２に垂直になる２次電子の経路を有することが好ま
しい。２次粒子線のクロスオーバが減速電界電極装置７
の中心点１０に位置する場合には、この条件が達成でき
る。

【００２７】減速電界電極装置７の球面対称減速電界
は、減速度とエネルギーの分析に用いられ、この電界
は、二つのグリッド又は互いに異なる電位V1及びV2にあ
る電極格子７．１及び７．２の間の空間に発生する。下
側の半球型グリッド電極７．１は、加速電極装置６の電
位Vaccで、及び上側の半球型グリッド電極７．２は、通
常、約−１５Vから＋１５V程度の電位で印加される。

【００２８】上側の半球型グリッド７．２を通過したこ
れらの２次粒子は、検出器１１で検出されることにな
る。

【００２９】電圧Vexは、検査される試料に応じて設定
する必要がある。

【００３０】通常、引出し電極装置３を充電するための
手段８は、−５０Vから２kVまでの範囲で少なくとも二
通りの電圧を設定できるように設けられている。不活性
化された試料の場合には、低電圧が用いられるであろう
し、高エネルギー引出し電場でも帯電しないような試料
の場合には、より高い電圧が用いられる。

【００３１】加速電極装置６を充電するための手段９
は、＋５００Vから３kVまでの範囲で少なくとも二通り
の電圧を設定できるように設けられている。

【００３２】図２は、取り出し電極装置の電圧Vexが１k
Vで、加速電極装置の電圧Vaccが２kVとする場合の実施
形態を示す。結果的に、高エネルギー引出し電場が試料
領域５において発生する。２次粒子４は、検出が効率よ
く行えるよう、減速電界電極装置７の中心点１０にクロ
スオーバを有する。

【００３３】不活性化された回路の場合、試料が帯電す
るのを防ぐために、引出し電圧を低くすることがほとん
どの場合絶対的に必要である。光軸１．１上でクロスオ
ーバさせるために、この場合、取りだし電圧Vexにあわ
せて加速電圧Vaccを設定する必要がある。Vex及びVacc
を適切な電圧の組み合わせによって、２次粒子のクロス
オーバを減速電界電極装置７の中心点にもってくること
ができる。

【００３４】図３の実施形態においては、低エネルギー
引出し電界が、１００Vの取り出し電圧Vex及び加速電圧
Vacc=1kVを用いることで発生する。

【００３５】多くの場合、高電エネルギー引出し電場用
第１モードと低エネルギー引出し電場用第２モードとの
２通りのモードを有すれば十分である。よって、取り出
し電極充電手段８及び加速電極充電手段９を、引出し電
極装置及び加速電極装置が所定の電圧値に印加する少な
くとも２通りのモードを有する切り替え手段１３（図１
参照）で制御することが好ましい。これらの電圧は、例
えば、第１モードをVex=1kV及びVacc=２kVとし、第２モ
ードをVex=１００V及びVacc=1kVとしてもよい。

【００３６】以上、本発明を実施の形態を用いて説明し
たが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範
囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又
は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を
加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、
特許請求の範囲の記載から明らかである。

【００３７】

【発明の効果】上記説明から明らかなように、本発明に
よれば、より正確な計測結果を出せ、低エネルギー引出
し電界に用いることもできる分光計対物レンズを実現で
きる。このような分光計対物レンズでは、切り替え手段
のボタンを押すことで、検査すべき試料に適切な引き出
し電場を印加するように設定することができる。どのモ
ードを用いるかに関係なく、正確な結果を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、当発明の分光計対物レンズの垂直断面を示
す。

【図２】は、高エネルギー引出し電界を有する図１の分
光計対物レンズの部分断面図を示す。

【図３】は、低エネルギー引出し電界を有する図１の分
光計対物レンズの部分断面図を示す。

【符号の説明】 １ 対物レンズ １．１ 光軸 ２ 一次粒子線 ３ 引出し電極装置 ４ 二次粒子 ５ 試料 ６ 加速電極装置 ７ 減速電界電極装置 ７．１ 第１電極 ７．２ 第２電極 ８ 充電手段 ９ 充電手段 １０ 中心点 １１ 検出器 １２ 電極 １３ 切り替え手段

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】１次粒子線（２）を集束させる粒子線光学
   ユニットを構成する対物レンズと減速電界分光計を有す
   る粒子線計測システムに用いられる分光計対物レンズで
   あって、 前記減速電界分光計は、 −２次粒子（４）を試料（５）から引出す引出し電極装
   置（３）と、 −前記対物レンズ（１）の方向に前記２次粒子（４）を
   加速する加速電極装置（６）と、 −前記２次粒子（４）を減速するポテンシャル障壁を生
   成する減速電界電極装置（７）と、 −引出し電場の強度を調節するために少なくとも２つの
   異なる電圧（Vex）で前記引出し電極装置（３）を充電
   する手段（８）とを備え、 前記減速電界電極装置（７）を通過するような２次粒子
   束を形成するように、前記引出し電極配置（３）の電圧
   （Vex）に応じて、前記加速電極装置（６）を充電する
   手段（９）を備えたことを特徴とする分光計対物レン
   ズ。
2. 【請求項２】 前記加速電極装置（６）がライナーチュ
   ーブにより構成されることを特徴とする請求項１に記載
   の分光計対物レンズ。
3. 【請求項３】 前記加速電極装置（６）が前記対物レン
   ズのほぼ全長に渡って延びるライナーチューブにより構
   成されることを特徴とする請求項１に記載の分光計対物
   レンズ。
4. 【請求項４】 前記減速電界電極装置（７）が、第１電
   極（７．１）及び第２電極（７．２）を有し、前記第１
   電極（７．１）が第１の半径を有する第１の球面の一部
   であり、かつ、前記第２電極（７．２）が第２の半径を
   有する第２の球面の一部であり、前記第１の球面と前記
   第２の球面との中心が共通で、前記対物レンズ（１）の
   光軸（１．１）上の中心点（１０）に位置することを特
   徴とする請求項１に記載の分光計対物レンズ。
5. 【請求項５】 前記減速電界電極装置（７）が、前記第
   １電極（７．１）及び前記第２電極（７．２）を有し、
   前記第１電極（７．１）が前記第１の半径を有する前記
   第１の球面の一部であり、かつ、前記第２電極（７．
   ２）が前記第２の半径を有する前記第２の球面の一部で
   あり、前記第１の球面と前記第２の球面との中心が共通
   で、前記対物レンズ（１）の前記光軸（１．１）上の前
   記中心点（１０）に位置し、前記第１電極（７．１）が
   前記加速電極装置（６）の一端によって形成されること
   を特徴とする請求項１に記載の分光計対物レンズ。
6. 【請求項６】 前記２次粒子束がクロスオーバを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の分光計対物レンズ。
7. 【請求項７】 前記クロスオーバが前記減速電界電極装
   置（７）の前記中心点（１０）に位置することを特徴と
   する請求項４及び請求項５に記載の分光計対物レンズ。
8. 【請求項８】 前記引出し電極装置（３）及び加速電極
   装置（６）を充電する手段（８，９）が、前記引出し電
   極装置（３）及び前記加速電極装置（６）にあらかじめ
   設定した電圧値（Vex，Vacc）を印加する、少なくとも
   ２通りのモードを有する切り替え手段（１３）によって
   制御されることを特徴とする請求項１に記載の分光計対
   物レンズ。
9. 【請求項９】 前記引出し電極装置（３）を充電する手
   段（８）が、おおむね−５０Vから２kVの範囲で少なく
   とも２通りの電圧（Vex）で前記引出し電極装置（３）
   を印加するよう設定されていることを特徴とする請求項
   １に記載の分光計対物レンズ。
10. 【請求項１０】 前記加速電極装置（６）を充電する手
    段（９）が、おおむね＋５００Vから３kVの範囲で少な
    くとも２通りの電圧（Vacc）で前記加速電極装置（６）
    を印加するよう設定されていることを特徴とする請求項
    １に記載の分光計対物レンズ。