JP2005310778A - 永久磁石の材料を備えたレンズが設けられた粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、二つの粒子光学レンズ系（１０、２０）を活用して荷電粒子のビーム（１）を集束させるために配置された粒子光学装置を記載する。
【解決手段】 レンズの作用は、磁場によって達成され、それらの場は、永久磁石の材料（１３、２３）によって発生させられる。コイルが備え付けられた磁気のレンズとは対照的に、永久磁石の材料が備え付けられたレンズの場合には、光学的なパワーを変えることを活用として、集束する磁場を変えることは、容易ではない。本発明に従う装置において、レンズ系の光学的なパワーは、ビーム（１）がレンズ系（１０、２０）を横断するエネルギーを変えることによって、変えられる。これは、電源（１４、２４）の電圧を変えることによって、容易に起こり得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、第一の粒子光学レンズ系及び第二の粒子光学レンズ系を活用して荷電粒子のビームを集束させるために配置された粒子光学装置に関する。そのレンズ系においては、レンズの作用が、磁場によって少なくとも部分的に実現される。それらの磁場は、永久弱の材料によって発生させられる。

このような装置は、特許文献１から知られている。

上述したような装置は、現今では、とりわけ試料を研究する際に使用されている。帯電した粒子の集束したビームで試料を照射する際に、試料中で局所的に励起された二次粒子及び放射を活用して、様々な様式で、情報を得ることができる。検出器を活用してこの情報を収集すると共に処理することによって、試料のある一定の物理的性質に対する洞察が、得られる。そのビームは、非常に小さい直径を有することができるので、この情報の位置の依存性を、高い空間的な確度で、決定することができる。

この情報を収集するために、試料の場所におけるビーム電流、ビームのエネルギー、及びビームの直径のようなビームパラメータを変動させることができることが、望ましい。これは、例えば、最初に、たとえば相対的に高いビーム電流を活用して、試料において、調査される微視的に小さい構造を局在化させる、及び、その後、この構造を別のビームのエネルギー又は電流で研究する可能性を提供する。

当業者に知られるように、粒子光学装置におけるビームは、粒子光学レンズ系によって集束させられる。このようなレンズ系に存在する磁場及び／又は電場は、ビームに集束させる作用を有する。特に、ビームが電子からなる場合には、磁気のレンズ系は、通常、このようなレンズ系を使用する際に、レンズの誤差が、一般に、静電的なレンズ系の場合に生ずるレンズの誤差よりも小さいので、用いられる。今、このようなレンズ系の光学的なパワーを変動させることによって、ビームパラメータを変動させる可能性が、現れる。

このような磁気のレンズ系の光学的なパワーは、磁場の強さを変動させることによって、変動させられる。このために、磁場は、通常、電磁コイルによって発生させられる。磁場を発生させるために必要な電流は、そのコイル中で熱の散逸を引き起こすことになる。磁気のレンズ系の物理的な寸法決定は、大部分が、コイルの大きさ及び用いてもよい任意の冷却手段に要求される空間によって、決定される。水冷螺旋のような、これらの冷却手段は、磁場を導く極片の温度の変化の結果としての機械的な変化のような、その散逸の望まれない結果を制限するために、必要であることもある。

磁気のレンズ系において磁場を発生させるための永久磁石の材料の使用は、とりわけ、この場合には熱の散逸が起こらないので、より小型の磁気のレンズ系を作ることができるという利点を有する。しかしながら、永久磁石の材料を使用するとき、単純な様式で磁場を変動させることは、可能ではない。

粒子光学装置の分野においては、小型の粒子光学装置を有することは、望ましい。また、ビームパラメータを単純な及び速い様式で変動させることができる、柔軟な粒子光学系に対する要求もある。

前記の米国特許の文献には、粒子光学カラムが備え付けられた粒子光学装置が記載されている。このカラムは、電子源及び永久磁石の材料が備え付けられたコンデンサーレンズ系を含む。それを、その特許文献から直接的に導出することができないが、磁気回路の様々な部分及び試料を接地電位に電気的に接続することは、当業者には習慣的なものである。電子源から出現する電子のビームは、所望のエネルギーまで加速させられる。その後、そのビームは、磁気のレンズ系、すなわちコンデンサーレンズ系及び対物レンズ系を使用して、試料に集束させられる。（描いてない）走査コイルを使用して、集束させられたビームは、試料にわたって移動させられ、それによって出現する放射は、検出器を活用して検出される。

所望の柔軟性は、少なくとも電子源及びコンデンサーレンズ系を機械的に交換可能にすることによって、すなわち、電子源及びコンデンサーレンズ系を、別の電子源及び別のコンデンサーレンズ系に交換することによって、その既知の装置で達成される。別のビームパラメータを使用して検査を行うことが、望まれるとすれば、カラムの一部分は、他の光学的な性質を備えたカラムの一部分によって、交換される。さらに、磁場の微調整を、磁気回路（いわゆる“バイパス回路”）に対する機械的な調節を介して、及び、相対的に小さいコイルの追加によって、どのようにして可能なものにするかを示す。

前記の米国特許文献に言及されているような電子源及びコンデンサーレンズ系の交換は、実際に、ビームパラメータの所望の柔軟性を提示するが、短い範囲の時間で異なるビームパラメータを使用して試料を照射することが望まれるときには、あまり適切ではない。前記の交換は、相対的に面倒な解決手段であるが、それによってビームパラメータの変動は、試料を研究するために必要な時間と比較して、相当な時間を要求する。さらに、その既知の装置においては、電子源及びコンデンサーレンズ系の（機械的な）交換の後に、試料に関してビームの位置が、前記の交換に先立ち見出された試料における微視的に小さい構造の容易な再配置を可能にするには、十分に知られてないという危険性がある。
米国特許第６，３２０，１９４号明細書

本発明は、小型のカラムを備えた粒子光学装置を提供することを目標とし、それによってビームパラメータを、単純な且つ速い様式で変動させることができる。

このために、本発明に従う装置は、そのビームが、そのビームが第二のレンズ系を横断するエネルギーと異なるエネルギーで、第一のレンズ系を横断するという点で特徴付けられる。

本発明は、レンズ系の集束する磁場を変動させることによってではなく、ビームのエネルギーを、それが、これらの集束する磁場を横断するように、変動させることによって、レンズ系の所望の柔軟性を達成することが可能であるという本発明の洞察に基づく。これは、磁気のレンズ系の光学的なパワーが、集束する磁場に依存するだけでなく、集束する磁場の場所でのビームのエネルギーにもまた依存するためである。ビームのエネルギーを、それが、磁気のレンズ系を横断するように、適切に選ぶことによって、光学的なパワーを調節することは、可能である。

ビームがレンズ系を横断するエネルギーを、レンズ系の横断に先立ち静電場を活用してビームを加速すること又は遅延させることによって、変動させることができる。また、遅延又は加速を引き起こす静電場を横断する際に、レンズの作用は、当業者に知られるように、生ずることになる。磁場及び静電場のレンズの作用は、一緒にビームパラメータを決定する。

本発明に従う装置の別の実施形態において、ビームは、第一のレンズ系を横断する際に、第一のレンズ系によって囲まれる導電性材料の第一の管内において移動すると共に、第二のレンズ系を横断する際に、第二のレンズ系によって囲まれる導電性材料の第二の管内において移動する。

導電性材料の二つの管は、それらの管内におけるビームのエネルギーを、及び、それによって、ビームが、集束する磁場を横断するエネルギーを、決定する。それら管は、それらが、異なる電圧を帯びることができるように、互いに及び接地から電気的に絶縁される。

二つの管は、それら管が、軸の所まで、集束する磁場の浸透を妨げることにならないように、磁化可能でない材料で作られる必要があることを、述べるべきである。

当業者に知られているように、ビームが、真空を通じて伝播することは、必要である。前記の管は、真空の障壁として機能することができ、それによって真空が、管内に広がると共に、より高い圧力、たとえば大気圧が、管の外側に広がる。

この実施形態の利点は、磁場を発生させると共に永久磁石の材料、及び、ビームに向かって永久磁石によって生成させられる磁束を導くために役に立つ、存在する任意の極片が、真空の外側に位置させられることである。このような方法で、特別な要求は、極片の材料及び永久磁石の材料の真空の適合性に関して、なされない。

本発明に従う装置のさらに別の実施形態において、レンズ系の各々には、永久磁石の材料によって発生させられる線束を導くための、線束を導く回路が、提供され、それらの線束を導く回路の各々は、異なる電圧を帯びる。

この実施形態においては、線束を導く回路は、ビームが伝播する真空中に少なくとも部分的に、位置させられる。線束を導く回路は、磁気可能な材料の極片を含む。これらの極片の各々を、対応する電圧源に接続することによって、これらの極片は、ビームが、関係したレンズ系の集束する磁場を横断するエネルギーを決定する。

この実施形態の利点は、磁場を導くための及びビームのエネルギーを決定するための両方で、極片を使用することによって、非常に小型のレンズ系を作ることが、可能であることである。これは、小型の粒子光学装置を実現することを可能なものにする。

本発明に従う装置のさらに別の実施形態において、電圧の差は、レンズ系の少なくとも一つの、線束を導く回路の部分の間に広がる。

ビームのエネルギーは、関係したレンズ系の横断の間に変動する。

この結果として、光学的なパワーにおける変化は、電圧の差が、線束を導く回路の部分の間に印加されない状況に関して起こる。

この実施形態の利点は、例えば、極片の一つに、接地に関して、固定された電圧を割り当てることが、可能であると共に、さらにまた、レンズ系の光学的なパワーを変動させることも可能である。これは、調査される試料に最も近い極片の場合に、特に魅力的である。これは、例えば、二次電子の検出と一緒に、試料及びそれに最も近い極片が、接地に接続されることが、しばしば、望ましいためである。例えば、電場の放射体の形態で電子源の使用がなされることもまた、抽出電極としての場の放射体に最も近い極片を用いるために、可能である。

本発明に従う装置のさらに別の実施形態において、二つのレンズ系における永久磁石の材料の磁化の方向は、レンズ系の中央を通過する軸に平行に存在する磁束が本来ない平面が、二つのレンズ系の間に位置させられるような様式で、相互に選ばれる。

永久磁石の材料を備えた粒子光学レンズ系を設計する際の複雑さは、永久磁石の材料を使用することの結果として、散乱場がレンズ系の外側に生ずることが、可能であることである。当業者に知られているように、これは、閉じた環状線の積分

が、電流を運ぶ部分が囲い込まれない状況で、ゼロであると共に、ここでＢは、磁場であると共に、ｓは、（閉じた）経路であることを述べる、アンペールの法則の直接的な結果である。通常は望ましくないものである、前記の散乱場の効果を相殺するために、可能な限り大きい範囲で、磁化可能な材料によってビームを囲むことによって、ビームを磁気的に遮蔽することは、習慣的なものである。しかしながら、このような、磁化可能な材料によって囲むことは、これが、より複雑な構築に至るので、一般には、望ましくない。また、これは、その結果として、ビームの付近における領域に対する接近を、たとえば、そこに真空弁を置くと共に動作することができるためには、より困難なものにするので、望ましくないものである。

一つのレンズ系において永久磁石の材料における磁化の方向を、他のレンズ系における磁化の方向に関して、適切に選ぶことによって、第一のレンズ系の散乱場を、第二のレンズ系の散乱場と共に、補償することが可能である。このような方法で、二つのレンズ系の間において、二つのレンズ系の中央を通過する軸に平行に存在する磁束がない平面を特定することは、可能である。この平面の周囲の空間では、その結果として、軸における磁場に対する顕著な変化無しに、磁化可能な材料を取り除くことが、可能である。これは、磁束がないとすれば、磁化可能な材料の存在が、関連性のあるものではないことになるためである。

今、レンズ系の間の空間における磁化可能な材料の欠如は、電圧の差をレンズ系の間に印加することができるように、レンズ系を相互に電気的に絶縁することを単純なものにする。

粒子光学装置が、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の場合のように、試料がレンズの間に位置決めされるタイプのものであるとき、別の利点が、生ずる。そして、試料及び試料の保持器（探測機）の磁化が、粒子光学装置において画像形成にどんな影響も有さないことになるように、本来磁場が無い空間に試料を置くことは、魅力的である。しかしながら、また、試料の位置に対する良好な空間的な接近を有することは、例えば、検出器及び／又は冷却手段をそこに置くことができるために、望ましい。二つのレンズ系の中央を通過する軸に平行な線束が本来ない領域の存在の結果として、これらの要望の両方を満足することは、容易である。

本発明を、同一の符号が対応する要素を示す図に基づいて、解明することにする。

図１は、ビームが、管の内側を進む、本発明に従う粒子光学装置を概略的に描く。

電子源２及び調査される試料３は、光軸５に位置させられる。電子源２及び試料３の間に位置させられるのは、第一のレンズ系１０及び第二のレンズ系２０であり、それらのレンズ系１０及び２０は、光軸５まわりの回転対称を説明する。

電子源は、電源４に接続されると共に、電子源が、接地に関してある電圧に維持される。レンズ系１０は、電源１４に接続されると共に、電子源２に関して、ある電圧に保たれる。同じ方法で、電源２４は、電子源に関して、ある電圧にレンズ系２０を保つために、使用される。

第一のレンズ系１０は、光軸５のまわりに配置される管１５を含む。この管１５のまわりに、永久磁石の材料の環１３が、置かれると共に、その磁化は、軸５に平行に配向させられる。極片１１及び１２は、光軸５まわりの領域１７に向かって環１３によって発生させられる磁束を導くために、この環１３に取り付けられる。この領域１７においては、線束は、一方の極片から他方のものへ交差すると共に、それによって、軸５まわりに磁場を引き起こすことになる。極片１１及び１２が、互いに磁気的に接続されことが許容されない（これは、結局、永久磁石の材料の環１３の磁気的な短絡を引き起こすであろう）ので、線束は、領域１７に加えて、領域１６においてもまた一方の極片から他方へ交差する。

同じ方法で、第二のレンズ系２０は、光軸のまわりに配置される管２５、永久磁石の材料の環２３、並びに極片２１及び２２を含むと共に、それによって線束は、領域２６及び２７において一方の極片から他方のものへ交差する。

管１５及び２５は、電圧の差が、管の間に存在してもよいように、絶縁体６によって互いに電気的に絶縁される。

電子のような荷電粒子のビーム１は、電子源２のような粒子源から光軸５に沿って放出される。ビーム１は、電源１４によって引き起こされるような、電子源２及び管１５の間における電圧の差によって、加速される。ビーム１は、レンズ系１０に属する、領域１７に存在する磁場によって集束させられる。管１５及び２５の間における電圧の差の結果として、ビーム１のエネルギーは、管１５から管２５まで行く際に、変わることになる。電源２４によって決定される、この変えられたエネルギーと共に、ビーム１は、レンズ系２０に属する、領域２７に存在する磁場によって集束させられることになる。結局、ビーム１は、電源４によって決定される着陸エネルギーで試料３を迎撃することになる。二次電子のような放射は、これによって、発生させられることになる。この放射を、（描かれない）検出器を使用して、検出することができる。

ビームパラメータの変化を、この実施形態において容易に達成することができる。例えば、試料３を調査する際に、ビーム１が、試料３を迎撃する着陸エネルギーを上昇させることが必要であるとき、これを、電源４の電圧を上昇させることによって、容易に達成することができる。ビーム１がレンズ系１０及び２０を横断するエネルギーは、電源４の電圧を変化させる結果として、変化しないことになると共に、よってまた、レンズ系１０及び２０の磁場の集束させる作用は、変化しないことになる。

着陸エネルギーのこの変化の結果として、存在する静電場のレンズの作用は、変化することができる。これは、磁場及び静電場が、一緒にビームパラメータを決定するためである。静電場のレンズの作用におけるこの変化を、例えば、電源２４の電圧をわずかに変動させることによって、レンズ系２０の磁場の集束する作用に対する小さい変化によって、補償することができる。

同様に、ビームパラメータを、例えば、レンズ系１０をより強く集束させることによって、ビームのエネルギーを低下させることによって、それと共に、レンズ系２０においてビームのエネルギーを上昇させることによって、レンズ系２０をあまり強く集束させないことによって、ビーム１が試料３を迎撃するエネルギーを、一定に保つ一方で、変えることができる。

また、試料３におけるビーム１の集束は、電源２４の電圧を、及び、それによって、ビームがレンズ系２０を横断するエネルギーを、変動させることによって、生ずることができる。着陸エネルギーは、このような作用の結果として、変化しないことになる。

例えば、電圧源１４及び２４を一方の側で接地に接続することもまた可能であることを、述べるべきである。管１５及び２５に存在する電圧のみが、重要なものである。

図２は、線束が、両方のレンズ系においてどのように延びるかを概略的に示す。領域１７において、線束は、極片１１から極片１２まで交差する。それによって発生させられた軸対称な磁場は、レンズ系１０の所望のレンズの作用を引き起こす。レンズの作用に関係する場合には、磁場の極性は、重要でないものである。領域１７におけるより他に、線束は、また、領域１６においても交差することになる。

同様に、レンズ系２０のレンズの作用を引き起こす磁場は、領域２７において発生させられる。この場合にもまた、磁場の極性は、重要でないものである。領域１７におけるより他に、線束は、また、領域１６においても交差することになる。

領域１６における線束の径方向の成分が、領域２６における線束の径方向の成分と同じ方向を有するような様式でレンズ系１０及び２０の相互の磁化を選ぶことによって、レンズ系１０及び２０の間における線束の交差を予防することができる。線束が、レンズ系１０及び２０の間で交差しないので、線束を導くために、レンズ系の間で磁化可能な材料を有することもまた、必ずしも必要ではない。結果として、レンズ系１０及び２０の間における領域の良好な空間的な接近の可能性は、可能なものにされる。これは、この空間において、（描かれない）真空弁が、置かれると共に動作させられる必要があるとき、好都合である。

描かれた図において、対称面７に関して用いられた鏡の対称性の結果として、線束が、レンズ系１０及び２０の間で交差しないと共に、線束の交差がないレンズ系１０及び２０の間における平面が、この対称性が、不在である実施形態にもまた存在することになることは、容易に理解することができることを、述べるべきである。

図３を、ビーム１のエネルギーが、図１に描かれた管１５及び２５の電圧によって決定されないが、極片１１、１２、２１、及び２２に存在する電圧によって決定される、図１から現れてきたものとみなすことができる。

電源１４は、電子源２並びに極片１１及び１２の間に電圧の差を引き起こす。この電圧の差の結果として、ビームのエネルギーは、レンズ系１０の集束する磁場を横断する際に、決定される。

レンズ系２０は、付加的に、電気絶縁体２８を有する。この結果として、極片２２と異なる電圧を極片２１に与えることが、可能である。電源２４に極片２１を接続すると共に接地に極片２２を接続することによって、ビームが、レンズ系２０の集束する磁場を横断する（平均の）エネルギーが、この電源及び電源４によって決定される状況は、達成される。極片２２及び試料３の両方が、接地に接続されるので、極片２２及び試料３の間の空間は、電場の無い空間であることになる。この後者の状況は、この空間における電場が、（描かれない）検出器によって放射及び荷電二次粒子の検出を妨げる、又は少なくとも複雑にするかもしれないので、好都合である。

図１及び３に描くように、ビーム１が、レンズ系１０及び２０の間における焦点を説明するが、これは、一般に、必要ではないことを、述べるべきである。

ビームが、管の内側を進む、本発明に従う粒子光学装置を概略的に描く。 線束が、両方のレンズ系においてどのように延びるかを概略的に示す。 極片が、ある電圧にある、本発明に従う粒子光学装置を概略的に図解する。

符号の説明

１ ビーム
２ 電子源
３ 試料
４、１４、２４ 電源
５ 光軸
６ 絶縁体
７ 対称面
１０ 第一のレンズ系
１１、１２、２１、２２ 極片
１３、２３ 永久磁石の材料の環
１５、２５ 管
１６、１７、２６、２７ 領域
２０ 第二のレンズ系
２８ 電気絶縁体

Claims (5)

1. 第一の粒子光学レンズ系及び第二の粒子光学レンズ系を活用して荷電粒子のビームを集束させるために配置される粒子光学装置であって、
   該レンズ系において、該レンズの作用は、磁場によって少なくとも部分的に実現され、
   該磁場は、永久磁石の材料によって発生させられる、粒子光学装置において、
   該ビームは、該ビームが該第二のレンズ系を横断するエネルギーと異なるエネルギーを伴って該第一のレンズ系を横断することを特徴とする粒子光学装置。
2. 前記ビームは、前記第一のレンズ系を横断する際に、前記第一のレンズ系によって囲まれる導電性材料の第一の管内において移動すると共に、前記第二のレンズ系を横断する際に、該第二のレンズ系によって囲まれる導電性材料の第二の管内において移動し、
   前記管は、相互に異なる電圧を帯びる、請求項１に記載の粒子光学装置。
3. 前記レンズ系の各々には、前記永久磁石の材料によって発生させられる前記線束を導くための線束を導く回路が提供され、
   該線束を導く回路の各々は、異なる電圧を帯びる、請求項１に記載の粒子光学装置。
4. 電圧の差は、前記レンズ系の少なくとも一つの前記線束を導く回路の部分の間に広がる、請求項３に記載の粒子光学装置。
5. 前記二つのレンズ系における前記永久磁石の材料の磁化の方向は、前記レンズ系の中央を通過する軸に平行に存在する磁束が本来ない平面が、前記二つのレンズ系の間に位置させられるような様式で、相互に選ばれる、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の粒子光学装置。

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