JP2003502823A - 高い輝度と大きいビーム電流の間で切換可能な粒子源を含む粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 大きいビーム電流の場合に電子ビーム中のクーロン反発作用によって実際のエミッタ寸法が拡大され、それにより輝度が低下されるので、例えば電子顕微鏡の電子源は、高い輝度と大きいビーム電流を同時に発生することが出来ない。従来では、ビーム制限ダイアフラムの寸法を変更することにより高い輝度から大きいビーム電流への電子源の切換えを行なうことが出来たが、ダイアフラムの位置に直ぐにアクセスできないので好ましくない。本発明では、切換えは放射源内にビームを平行化させる２つのレンズを配置することによって行なわれる。上述の状態において、大きい電流の場合にはレンズはエミッタの直ぐ後ろにあるか、又は高い輝度の場合にはダイアフラムアパーチャの直ぐ前にある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、粒子エミッタ、粒子レンズ、及び陽極を連続して含み、加速された
荷電粒子のビームを発生させる放射源組立体と更にビーム制限ダイアフラムを有
する粒子光学装置に係る。

【０００２】 上述の放射源組立体は、欧州特許第０５０２４０１号のうちの特に図２及び図
３ａとそれに関する説明から公知である。このような種類の粒子源は、電子顕微
鏡、又は電子ビーム若しくはイオンビームによる集積回路の製造用の装置、即ち
いわゆるリソグラフィ装置に習慣的に使用される。上述の欧州特許に開示される
放射源組立体は粒子エミッタから放射される電子ビームを発生するよう配置され
、陽極電圧によって加速される。公知の放射源組立体内の粒子エミッタは、電子
放出面と直ぐに続く抽出器電極の組合わせから形成される。抽出器電極には、発
生される電子ビームのアパーチャの角度を決めるビーム制限ダイアフラムが設け
られる場合がある。ビーム制限ダイアフラムは粒子エミッタによって放射された
少量の電子のみを通過させる。

【０００３】 粒子エミッタの下流側には電子ビームを集束させる電極が配置される。上述の
ビーム制限ダイアフラムは上述の集束電極内に設けられる場合もある。抽出器電
極と協働して集束電極によって発生された静電界は従って放射源組立体の一部を
形成する粒子レンズを構成する。最後に陽極は、粒子によって発生された電子ビ
ームを粒子光学装置の当該の適用に必要とされる加速電圧に加速する。

【０００４】 粒子レンズが放射源組立体の他の要素に対し固定されて配置され、更にビーム
制限ダイアフラムの位置及び寸法により、放射源組立体によって発生されるビー
ム電流及び輝度は、（粒子エミッタによって発生された所与の電子電流に対し）
固定されているか、又は任意の実際的な目的に対しほとんど変更することが出来
ない。本発明のコンテキストにおいて「輝度」という表現は、立体角測定の１単
位当たり及び放出面領域の１単位当たりに放射されたビーム電流を意味すること
を理解する。一般的に、電子ビームの大きいビーム電流と高い輝度を同時に実現
することは不可能である。これは、大きい電流の場合に放出面の見掛けの寸法を
増加させ、従って輝度を低下させるビームの電子間のいわゆるクーロン相互作用
（反発作用）による。しかし、粒子光学装置の当該の適用に応じ粒子ビームの大
きいビーム電流又は高い輝度のいずれかを有することが時として望ましい。その
ような選択可能性を、異なる寸法のビーム制限ダイアフラムを取り付けるか又は
放射源組立体内に上述のビーム制限ダイアフラムを異なる位置に配置することに
よって実現することが試みられる。しかし、この取組み方法は、以下に説明され
るかなりの欠点を有する。

【０００５】 ビーム制限ダイアフラムを陽極の前、即ち加速高圧電界の前に配置することは
幾つかの欠点を有する。第１の欠点は、電子顕微鏡のような粒子光学装置内の陽
極は大地電位を有し、従って電子源が−３００ｋＶの大きさのオーダの負の加速
高電圧を有するという事実による。従って、ダイアフラムも（加速電界の中に又
は加速電界の前に位置しているので）上述の高電圧と略等しい電圧を有し、ダイ
アフラムの操作可能性はかなり妨害され実際にはほとんど存在しない。

【０００６】 第２の欠点は、多くの電子顕微鏡には、電子源がその中に配置され、フッ化硫
黄（ＳＦ_６）のような絶縁性ガスを含む空間を取り囲む高圧絶縁性外囲部が設け
られるという事実による。従って、ダイアフラムへのアクセス可能性はかなり減
少される。ガスが満たされた空間内を通過する路の機械的又は電気的成形は気密
性、更に路の電気的絶縁に関し問題を生じさせる。（放射源組立体への現行の電
気的接続は、顕微鏡の設計に対し考慮された標準設計の高圧ケーブルを介し得ら
れる。しかし、この標準ケーブルは、ケーブルに対し設計された電気信号以外の
電気信号を伝導するには好適ではない。） 第３の欠点は、顧客側で既に取り付けられた可能性のある電子顕微鏡の顕微鏡
支柱内に路用の孔を開ける必要があるという事実による。これは顕微鏡の真空空
間の汚染が引き起こされる可能性のある完全な分解が必要となり、更に重い精密
道具の運搬が必要となる。

【０００７】 特に上述の状況において、放射源組立体の様々な要素の互いに対する調整、及
び電子顕微鏡の残りの部分に対する粒子組立体の様々な要素の調整は上述の問題
によって深刻に妨害される。

【０００８】 本発明は、必要とされる放射源組立体の機械的変更なく、粒子ビームの大きい
ビーム電流と高い輝度の間の切替えが動作状態で行なえる上述の粒子源を提供す
ることを目的とする。

【０００９】 この目的のために、本発明の粒子光学装置は、 ＊放射源組立体は、第１の粒子レンズと陽極との間に配置された少なくとも１
つの更なる粒子レンズが設けられ、 ＊ビーム制限ダイアフラムは更なる粒子レンズの領域又は下流側に配置され、 ＊上記装置は第１のレンズと更なる粒子レンズに、互いに独立してエネルギー
を与えるエネルギー付与手段が設けられることを特徴とする。

【００１０】 これにより、第１の粒子レンズ（即ち、粒子エミッタの最近傍に位置するレン
ズ）にエネルギーを付与し、更なる粒子レンズにはエネルギーを付与しないこと
が可能となる。放出面から放射される粒子ビームは既に、放出面を離れる略直後
に平行にされ、平行ビームは比較的小さな断面を有し、従って比較的大きな粒子
の個数が、更なる粒子レンズの領域又は下流側（即ち、更なる粒子レンズの直ぐ
前に、レンズ内に又はレンズの後ろ）に配置されたビーム制限ダイアフラムを横
断する。従って、このような状態において比較的大きなビーム電流が得られる。
しかし、更なる粒子レンズ（粒子エミッタから比較的遠くに位置する）にエネル
ギーを付与し、第１の粒子レンズにエネルギーを与えることを止めるよう選択す
ることも可能である。放出面から放射される粒子ビームは放出面から比較的遠い
場所で略平行にされ、平行ビームは比較的大きな断面を有し、従って粒子はビー
ム制限ダイアフラムをほとんど横断しない。従ってこのような状態では、ダイア
フラムの後ろに電流がほとんど残されないので、小さいビーム電流と共に比較的
高い輝度が得られ、クーロン反発作用が全く又はほとんど生ぜず、従って実際の
放出領域は拡大されない。

【００１１】 本発明の実施例における更なる粒子レンズは静電レンズとして構成される。こ
のようなレンズのコンパクトな構成によって、本実施例が本発明の放射源組立体
に組込むために特に好適となる。

【００１２】 本発明の他の実施例における粒子エミッタは、電界放出粒子エミッタとして形
成され、抽出電極は粒子エミッタと、抽出電極及び第２の電極の組合わせから構
成される第１の粒子レンズの間に配置される。電界放出粒子エミッタによって、
高い輝度に対応する放出面の非常に小さい見掛けの寸法が達成され得るので、本
実施例において本発明の概念は特に明らかになる。従って、上述のような放射源
を使用することにより、高い輝度を有する放射源と比較的大きい電流を有する放
射源との間での切換えが可能となる。電界放出源の抽出電極は、第１の粒子レン
ズの一部として使用することが可能であり、これによりレンズに所望の非常にコ
ンパクトな構成が実現される。

【００１３】 本発明の更なる実施例における更なる粒子レンズは、第２の電極と第３の電極
の組合わせから構成される。この実施例では、第２の電極は更なる粒子レンズの
一部として使用され、従って放射源組立体のより一層コンパクトな構成が達成さ
れる。

【００１４】 本発明の他の実施例では、第３の粒子レンズはビーム制限ダイアフラムの下流
側、陽極の上流側に配置される。この実施例は、より大きなビーム電流が必要で
ある場合に使用されることが好適である。このような場合、電子ビームがビーム
制限ダイアフラムのアパーチャに集束されるよう第１の粒子レンズにエネルギー
が与えられ、それによって放出面から放射された全ての電流がダイアフラムによ
って遮断されない。ダイアフラムのアパーチャから放射されるビームを再び略平
行にするには、平行化に好適であるエネルギー付与特徴を有する第３の粒子レン
ズがダイアフラムの下流側に配置される。

【００１５】 本発明の他の実施例における更なる粒子レンズには、０．５ｍｍ以下の直径の
ダイアフラムアパーチャを有するビーム制限ダイアフラムが設けられる。コンピ
ュータシミュレーションは、この寸法を有するダイアフラムアパーチャは多くの
場合、高い輝度を含む動作モードの際にクーロン相互作用が生じなくなることを
示した。

【００１６】 本発明の更なる実施例では、ダイアフラムアパーチャの直径は０．２ｍｍ以下
となる。コンピュータシミュレーションは、０．５ｍｍの寸法のダイアフラムア
パーチャが高い輝度を含む動作モードにおいて依然としてクーロン相互作用を生
じさせる例外的な場合に、０．２ｍｍの寸法が上述の相互作用を阻止するのに十
分であることを示した。

【００１７】 本発明を、図面を参照しより詳細に以下に説明する。

【００１８】 図１は、本発明の粒子源を含む特に電子顕微鏡である粒子光学装置の当該部の
光学軸を通る平面で断面にされた図を示す。電子顕微鏡に、以下の粒子源と称さ
れ、特に図示されない加速された電子のビームを発生させる電子源である放射源
組立体２が設けられる。本実施例の電子源２は、放射ティップ４の形状の放出面
と、抽出器電極６と、図１には示されないが図２及び図３を参照して説明される
更なるレンズ効果電極が設けられた電界放出源として構成される。レンズ効果電
極は、ティップ４及び抽出器電極６と共に、電子源２のレンズ効果部８に収容さ
れる。

【００１９】 電子源２は更に、電子源内の粒子によって横断される加速高圧電界を確立する
高電圧手段を含む。高電圧手段は、電子顕微鏡の動作の際の大地電位に対し−３
００ｋＶの大きさのオーダの高電圧をティップ及び電極に供給することが可能な
高電圧発生器（図示せず）を含む。抽出器電極はティップ４に対し、例えば５ｋ
Ｖの数ｋＶの大きさのオーダの電圧を有する。

【００２０】 電子は、最終的に大地電位を有する陽極１２のアパーチャを介し電子源から放
射される。その際に電子は、ガン空間１４のティップ４と陽極１２間に存在する
加速静電気高圧電界に対応する約３００ｋＶの加速電位差の影響を受ける。上記
電圧界を空間１４に亘って垂直方向に均一に分布させるために、幾つかの（例え
ば８つの）円盤状の電極が空間内に配置され、そのうちの２つの電極（１６ａ及
び１６ｂ）を図示する。電極１６ａ及び１６ｂは−３００ｋＶ及び大地電位の間
の高電圧に接続され、電極の値は、ティップからの距離の関数として均一に増加
する。空間１４は酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）のような絶縁性材料の壁２０
によって取り囲まれる。

【００２１】 円盤状の電極１６ａ及び１６ｂに高電圧を供給するために、高電圧端子１８ａ
及び１８ｂが設けられる。これらの高電圧端子１８ａ及び１８ｂは壁２０を介し
て電極１６ａ及び１６ｂに接続され、高電圧絶縁の為のガス状のフッ化硫黄（Ｓ
Ｆ_６）で満たされた空間２２内に置かれる。空間２２自体は気密壁２４によって
取り囲まれる。

【００２２】 図２ａ及び図２ｂは電子源２のレンズ効果部８を示す。図２ａは比較的大きい
ビーム電流に係り、図２ｂは比較的高い輝度に係る。放射ティップ４と抽出器電
極６の組合わせは、図２ａ及び図２ｂの両方に符号４で示される。本実施例には
第１の静電レンズ２６と第２の静電レンズ２８が設けられる。第２のレンズ２８
に直ぐ続いてダイアフラムアパーチャ３２を有するビーム制限ダイアフラム３０
が配置される。

【００２３】 図２ａは、エネルギーが付与された活性状態のレンズ２６と非活性状態のレン
ズ２８を示す。レンズ２６は放出面４の近くに置かれるので、面４とレンズ２６
の間のビームが開く部分の電子は光学軸（ティップ４の中心とダイアフラムアパ
ーチャ３２の中心を通り延在する）から少しの距離だけ移動する。従って、電子
の大部分がダイアフラムアパーチャ３２に続くビームの平行な部分に存在し、従
って平行ビームは大きいビーム電流を発生させる。既に説明されたように、クー
ロン反発作用は輝度を低下させ、従って図２ａに示される状態は、比較的大きい
ビーム電流で比較的低い輝度の動作モードを表す。

【００２４】 図２ｂでは、レンズ２６は非活性化され、レンズ２８にエネルギーが付与され
る。レンズ２８は放出面４から比較的遠くに置かれるので、面４とレンズ２８の
間のビームが開く部分の電子は光学軸から比較的遠くに移動する。従って、電子
の比較的小さな部分のみがダイアフラムアパーチャ３２に続くビームの平行な部
分に存在し、従って平行ビームは比較的小さいビーム電流を発生させる。既に説
明されたようにクーロン反発作用は、完全に又は大部分が阻止されるので、電子
源の輝度は低下しない。従って図２ｂに示される状態は、比較的小さいビーム電
流で比較的高い輝度を含む動作モードを表す。

【００２５】 図３は、第３の粒子レンズを有する電子源２のレンズ効果部８を示す。この配
置は、できるだけ大きなビーム電流が望まれる場合に特に重要である。従って、
図３は大きいビーム電流と比較的低い輝度を含む動作モードのみを示す。図２と
同様に、放射ティップ４と抽出器電極６の組合わせは再び符号４によって表され
る。本実施例は、第１の静電レンズ２６と第２の静電レンズ２８を含む。更に、
ダイアフラムアパーチャ３２を有するビーム制限ダイアフラム３０は、第２のレ
ンズ２８に直ぐ続いて位置される。第３の静電レンズ３４は、図中、ビーム制限
ダイアフラム３０の下流側に配置される。

【００２６】 本実施例では、第１のレンズ２６に図２ａよりも大きい度合いでエネルギーが
付与され、従って初期の発散電子ビームは、ビーム制限ダイアフラム３０のダイ
アフラムアパーチャ３２内のクロスオーバを有する集束ビームとなる。必要であ
るならば、レンズ２８にもエネルギーが付与され、ビームを集束させることに寄
与することが可能となる。クロスオーバがダイアフラムアパーチャ内に位置する
ので、ビーム内の全ての電子はこのアパーチャを通り、従ってビームから電子が
全く損なわれず、従って図３は最大ビーム電流を有する動作モードを表す。次に
第３のレンズ３４にもエネルギーが付与され、ダイアフラムアパーチャに続く顕
著な発散ビームは第３のレンズ３４によって再び平行にされる。従って、図３は
最大ビーム電流と比較的低い輝度を含む動作モードを表す。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の放射源組立体を含み、光学軸を通る平面で断面にされた電子顕微鏡の
当該部を示す図である。

【図２ａ】 比較的大きいビーム電流の場合の本発明の放射源組立体のレンズ効果部を示す
図である。

【図２ｂ】 比較的高い輝度の場合の本発明の放射源組立体のレンズ効果部を示す図である
。

【図３】 第３の粒子レンズを含む本発明の放射源組立体のレンズ効果部を示す図である
。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子エミッタ、粒子レンズ、及び陽極を連続して含み、加速
   された荷電粒子のビームを発生させる放射源組立体と、 ビーム制限ダイアフラムとを有する粒子光学装置であって、 上記放射源組立体に、上記粒子レンズと上記陽極との間に配置された少なくと
   も１つの更なる粒子レンズが設けられ、 上記ビーム制限ダイアフラムは上記更なる粒子レンズの領域又は下流側に配置
   され、 上記装置は上記粒子レンズ及び上記更なる粒子レンズに、互いに独立してエネ
   ルギーを与えるエネルギー付与手段が設けられることを特徴とする粒子光学装置
   。
2. 【請求項２】 上記更なる粒子レンズは静電レンズとして構成される請求項
   １記載の粒子光学装置。
3. 【請求項３】 上記粒子エミッタは電界放出粒子エミッタとして構成され、 上記粒子エミッタと上記粒子レンズとの間に抽出電極が配置され、 上記粒子レンズは、上記抽出電極及び第２の電極の組合わせから構成される請
   求項１又は２記載の粒子光学装置。
4. 【請求項４】 上記更なる粒子レンズは、上記第２の電極及び第３の電極の
   組合わせから構成される請求項２又は３記載の粒子光学装置。
5. 【請求項５】 上記ビーム制限ダイアフラムの下流側及び上記陽極の上流側
   に、第３の粒子レンズが配置される請求項１乃至４のうちのいずれか一項記載の
   粒子光学装置。
6. 【請求項６】 上記更なる粒子レンズに０．５ｍｍ以下の直径のダイアフラ
   ムアパーチャを有する上記ビーム制限ダイアフラムが設けられる請求項１乃至５
   のうちいずれか一項記載の粒子光学装置。
7. 【請求項７】 上記ダイアフラムアパーチャの直径は０．２ｍｍ以下となる
   請求項６記載の粒子光学装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のうちいずれか一項に記載される放射源組立
   体。