JP2006156215A - 荷電粒子光学系の軸合装置および荷電粒子光学装置 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、磁界型あるいは静電型の１つあるいは複数のレンズから構成される荷電粒子光学系の軸合装置および荷電粒子光学装置に関し、レンズの軸合わせ時に悪影響を与えることなく簡単かつ正確に軸合わせし、かつ軸合わせ後は摩擦力で強固に自動的に固定して再移動を防止することを目的とする。
【構成】 レンズを一定方向に移動させる、圧電素子および摩擦力で固定すると共に一定方向に運動するロータから少なくとも構成される駆動ユニットと、進行波の電圧を駆動ユニットを構成する圧電素子に印加してレンズを移動させて軸合する手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、磁界型あるいは静電型の１つあるいは複数のレンズから構成される荷電粒子光学系の軸合装置および荷電粒子光学装置に関するものである。

従来、荷電粒子光学系の軸合わせは、機械的にレンズの全体をネジでＸ方向およびＹ方向に移動させて大まかに合わせた後、微細な軸合わせは電磁型あるいは静電型の偏向器で軸合わせを行っていた。

このため、ネジで機械的にレンズをＸ方向およびＹ方向に移動させつつ軸を合わせる必要があり、専門的な技術が必要となってしまうという問題があった。

また、工場で一度、精密に軸合わせしても、装置を客先に搬入したときにレンズの軸が大幅に変わって電磁型あるいは静電型の偏向器で十分な軸合わせができなく、再度、機械的な軸合わせが必要となった場合に専門的な知識がないと十分な軸合わせがし難いという問題もあった。

また、ネジの変わりにパルスモータと減速器と回転・水平移動変換機構を用いてレンズをＸ方向およびＹ方向に移動して調整することも考えられるが、パルスモータでは駆動時に磁界が発生してしまい、レンズの軸合わせ時に電子線ビームなどが偏向されてしまい軸合わせが困難となってしまう問題があった。また、軸合わせ完了した以降、微細な振動などで軸合わが位置が移動してしまい、軸合わせ状態を保持し難いという問題があり、軸合わせ状態でレンズが移動しないように強固に固定する機構が更に必要になってしまうという問題もあった。

本発明は、これらの問題を解決するため、圧電素子と摩擦力で強固に固定すると共に直進運動するロータからなる駆動ユニットをレンズに装着し、所定の進行波の電圧を圧電素子に印加してレンズを所望の方向に移動して調整すると共に軸合わせ終了後は摩擦力で強固に自動的に固定するようにしている。

従って、レンズの軸合わせ時に悪影響を与えることなく簡単かつ正確に軸合わせし、かつ軸合わせ後は摩擦力で強固に自動的に固定して再移動を防止することが可能となる。

本願発明は、レンズの軸合わせ時に悪影響を与えることなく簡単かつ正確に軸合わせし、かつ軸合わせ後は摩擦力で強固に自動的に固定して再移動を防止することが可能となる。

本発明は、圧電素子と摩擦力で強固に固定すると共に直進運動するロータからなる駆動ユニットをレンズに装着し、所定の進行波の電圧を圧電素子に印加してレンズを所望の方向に移動して調整すると共に軸合わせ終了後は摩擦力で強固に自動的に固定することを実現した。

図１は、本発明のシステム構成図を示す。
図１の（ａ）は全体のシステム構成図を示す。

図１の（ａ）において、光学系１は、荷電粒子（電子、イオン）の光学系であって、例えば電子（電子線）の光学系であり、ここでは、レンズ２、駆動ユニット３、および試料４などから構成されるものである。以下、荷電粒子のうちの電子線を取り上げて実施例として以下説明する。

レンズ２は、電子線を集束するものであって、ここでは、駆動ユニット３によって機械的な軸合を行う対象のレンズである。

駆動ユニット３は、レンズ２を移動して軸合するユニット（機構）であって、後述する図１の（ｂ）の構成を持つものである。

試料４は、光学系４で電子線を微小プローブにして照射しつつ平面走査（Ｘ方向、Ｙ方向に走査）し、そのときに放出された２次電子を検出して画像（公知の２次電子画像）を表示する対象の試料（例えばパターンを形成したウェハ）である。

駆動系回路５は、駆動ユニット３を駆動し、レンズ２の軸合を行ったり、駆動ユニット３で駆動した量を検出したりなどするものである（図２から図６を用いて後述する）。

像検出回路６は、試料４から放出あるいは透過した信号を検出して増幅するものである。

ＰＣ（制御コンピュータ）８は、パソコンあるいは制御コンピュータであって、光学系１の軸合、各種走査、画像生成、試料４の移動などの各種制御を行うものであり、ここでは、軸合せソフト９などから構成されるものである。

軸合せソフト９は、光学系１を構成する１つあるいは複数のレンズ２の軸を調整するものである（図２から図６を用いて後述する）。

表示装置１０は、画像や各種データなどを表示するものである。
入力装置１１は、各種指示やデータなどを入力するキーボードやマウスなどである。

図１の（ｂ）は、図１の駆動ユニット３の詳細構成図を示す。
図１の（ｂ）において、レンズ２は、図１の（ａ）の光学系１を構成する１つのレンズである。

駆動ユニット３は、レンズ２を移動させて軸合わせするものであって、ここでは、圧電素子２１、ステータ２２、ロータ２３、静電容量センサ２４などから構成されるものである。

圧電素子２１は、交流の電圧を印加し伸縮（正確には楕円状に伸縮）させて進行波をステータ２２に発生させるものである。

ステータ２２は、圧電素子２１に印加された交流の電圧によって伸縮して進行波を発生するものであって、ここでは、図示のように進行波の方向に直角に波状に凹凸を生成してロータ２３に強い接触圧で接するものである。

ロータ２３は、波状の凹凸を持つステータ２２に強い接触圧で接触し、圧電素子２１に交流の電圧を印加してステータ２２に進行波が発生すると波状の凹凸でロータ２３が進行波の方向と逆方向に直線移動するものである。この際、圧電素子２１に電圧が印加されないときは、ロータ２３はステータ２２に強く押し付けられており、通常、１ｋｇから数十ｋｇ以上の力で固定されることとなり、ロータ２３が直線運動した後、自動的に強い力で固定されることとなる。

静電容量センサ２４は、ロータ２３の動いた量（距離）を静電容量を使って正確に測定するものである。

以上の構成を持つ駆動ユニット３を用いてレンズ２を移動させて、光学系１の軸合わせを行うことが可能となると共に、軸合せ後に、レンズ２を強固に固定し振動などで移動しないようにすることが可能となる。以下順次詳細に説明する。

図２は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図２において、Ｓ１は、レンズ系１に駆動ユニット３および位置センサを組み込む。これは、既述した図１の（ｂ）の駆動ユニット３（この例では、位置センサである静電容量センサ２４が既に組み込み済み）を、図１の（ａ）の駆動ユニット３の位置に組み込み、レンズ２の軸合できるようにする。尚、複数のレンズ２があるときは軸合せする対象の全てのレンズ２に駆動ユニット３を組み込む。この際、図１の（ｂ）の駆動ユニット３は、１つの方向の軸合せのみであるので、通常は、Ｘ方向とＹ方向の軸合せ用に、２組をレンズ２の直角方向に組み込む。

Ｓ２は、機械的軸合せする。これは、Ｓ１で組み込んだ駆動ユニット３を用いてレンズ２の機械的な軸合せを行う（詳細は図３を用いて後述する）。

Ｓ３は、電磁的軸合せする。これは、レンズ２を、Ｓ２で機械的な粗い軸合せ（例えば数十から１００μｍ程度）を行った後、レンズ２に付与されている電磁的（あるいは静電的）な軸合せを行い、画像の撮影に十分な分解能が得られるようにする。ここで、電磁的軸合せでは、十分な軸合ができない場合（即ち、電磁的軸合せでできる範囲を超えていた場合）には、Ｓ２に戻り、再度、機械的軸合せした後に、当該Ｓ３を繰り返し、撮影に十分な軸合ができたときにＳ４に進む。

Ｓ４は、撮影する。これは、Ｓ３で撮影するに十分な分解能が得られるように光学系１のレンズ２の軸合せが完了したので、当該軸合せの完了した図１の光学系１を用い、例えば微細な電子線プローブを試料４に照射しつつ平面走査（Ｘ方向およびＹ方向に走査）し、そのときに放出された２次電子を図示外の２次電子検出器で検出して増幅し、画面上に十分な分解能を持った綺麗な２次電子画像を表示すると共に、撮影する。

以上のように、本発明に係る図１の（ｂ）の駆動ユニット３を図１の（ａ）の光学系１を構成するレンズ２に組み込み（Ｘ方向およびＹ方向の軸合せできるように２組を組み込み）、駆動ユニット３を制御して当該レンズ２の機械的な軸合せを行うことが可能となる（図３を用いて後述する）。そして、更に、微細な軸合が必要なときは電磁的な軸合せを行って画像を表示および高分解能の画像を撮影することが可能となる。

図３は、本発明の軸合せフローチャートを示す。
図３において、Ｓ１１は、対物レンズを微小変動させる。これは、例えば図４の（ａ）に示す対物レンズ（走査型電子顕微鏡の対物レンズ）に同軸に設けた空芯のコイルからなる微小レンズ（フォーカスコイルレンズ）に交流の電流（例えば数ヘルツから５０ヘルツの交流の電流）を流し、結果として当該対物レンズの焦点距離を微小変動させる。この際、初期値として、
・機械的位置（Ｘ０，Ｙ０）
・像の動きΔＲ０
とする。ここで、機械的位置（Ｘ０、Ｙ０）は初期の機械的中心位置（図４の（ａ）の対物レンズで電子ビームを試料に照射したときに当該試料から放出された２次電子を図示外の２次電子検出器で検出して表示装置の画面上に表示したときの当該像の中心位置（正確には機械的中心位置に対応する画像の位置である、以下単に機械的中心位置（Ｘ０、Ｙ０）という））である。像の動きΔＲ０は、Ｓ１１で対物レンズを微小変動させたときの画面上に表示した像の中心間の動きΔＲ０である（図４を用いて後述する）。。

Ｓ１２は、基準より光学系の部品をΔＸ動かす。これは、既述した図１の（ｂ）の駆動ユニット３をＸ方向とＹ方向に装着した例えば図４の（ａ）の対物レンズを基準（例えば初期値）よりＸ方向の駆動ユニットでΔＸ動かす（駆動ユニットがＸ方向に一致すれば当該１つの駆動ユニットでΔＸ動かす、もし、駆動ユニットがＸ方向に一致しないときは他のＹ方向の駆動ユニットも動かして結果としてＸ方向にΔＸ動かす）。その結果、
・機械的位置（Ｘ０＋ΔＸ、Ｙ０）
となる。

Ｓ１３は、その時の像の移動量ΔＲ１を読む。これは、画面上でＳ１２によってＸ方向にΔＸだけ移動させた時の画面上の像の移動量ΔＲ１（対物レンズを微小変動させたときの像の中心間の移動量ΔＲ１、図４参照）を読む（測定する）。

Ｓ１４は、「ΔＲ０」≧「ΔＲ１」か判別する。これは、Ｓ１２でΔＸ移動させたときのＳ１３で測定した像の動きΔＲ１が、Ｓ１１で測定した像の動きΔＲ０（２回目以降は前回の像の動き）よりも小さいか判別する。ＹＥＳの場合には、工程Ｓ１２からＳ１４を繰り返し、ほぼ像の動きが最小（ほぼゼロ）となるまで繰り返し、最小（ほぼゼロ）となったとき（図４の（ｂ）参照）に、Ｓ１６に進む。一方、Ｓ１４のＮＯの場合には、Ｓ１２でΔＸ移動させたときのＳ１３で測定した像の動きΔＲ１が、Ｓ１１で測定した像の動きΔＲ０よりも大きくなったと判明（ΔＸの移動方向が逆である判明）したので、Ｓ１５に進む。

Ｓ１５は、（Ｘ＝Ｘ０−ΔＸ、Ｙ０）として（Ｓ１２、Ｓ１３）の如く行う。これにより、対物レンズを駆動ユニット３でＳ１２と逆方向のーΔＸだけ順次繰り返し移動させ、像の中心間の移動量が最小（ほぼゼロ）となったときにＳ１６に進む。

Ｓ１６は、像の移動量ΔＲが最小（ほぼゼロ）になるようにして、Ｘ軸方向の調整を行う。

以上によって、光学系（例えば図４の（ａ）の対物レンズ）について、Ｘ方向にΔＸ（あるいはーΔＸ）だけ移動させることを繰り返し、そのときの光学系を微小変動させたときの像の中心間の移動量ΔＲを最小（ほぼゼロ）となるようにＸ方向の位置を調整することで、Ｘ方向の軸合（いわゆる光学系の電流軸の軸合）が完了したこととなる。

Ｓ１７は、同様に、Ｙ軸方向についての調整を行う。これは、工程Ｓ１１からＳ１６と同様に、Ｙ軸方向についても光学系を変動させたときの像の中心間の移動量を最小（ほぼゼロ）となるようにＹ軸方向に駆動ユニット３で機械的に移動して軸合を完了する。

Ｓ１８は、完了する。これは、光学系のＸ軸方向とＹ軸方向とについて当該光学系を微小変動させたときの像の中心間の動きをＸ軸方向とＹ軸方向とについてそれぞれ最小（ほぼゼロ）となるように２組のＸ方向およびＹ方向の駆動ユニット３で軸合することが可能となる。これにより、光学系の変動による各種収差を最小に調整でき、更に、観察時に画像の焦点合わせしたときの画像のシフト量を最小にして操作し易くすることなどが可能となる。

尚、図３では、光学系の電流軸の軸合について説明したが、同様に、光学系の電子線ビームを加速する加速電圧を微小変動させ、そのときの画像の中心間の移動量を最小（ほぼゼロ）となるように２組の駆動ユニット３で同様に調整し、対物レンズ３１に対する電圧軸を軸合せしてもよい。

図４は、本発明の説明図（軸合せ、その１）を示す。
図４の（ａ）は、光学系の１つである対物レンズの概念図を示す。図示の対物レンズ３１は、走査型電子顕微鏡の磁界型の対物レンズ３１の概念図であって、電子ビームを試料３４上に焦点合わせした状態で、上段に設けた図示外の偏向器でＸ方向およびＹ方向に走査し、試料３４から放出された２次電子を２次電子検出器３３で検出・増幅し、図示外の表示装置の画面上に当該試料３４の拡大画像（拡大した２次電子像）を表示するときの概念図である。ここでは、対物レンズ３１を微小変動させるために、空芯の微小レンズ（フォーカスコイルレンズ）を設けてこれに微小変動電流を流し、結果として対物レンズ３１の焦点距離を微小変動させる（既述した図３のＳ１１）。対物レンズ３１の焦点距離を微小変動させると、そのときに画面上に表示されている画像が例えば図４の（ｂ）に示すように、同心円状に変動する場合には当該対物レンズ３１の軸は合った状態である。一方、図４の（ｃ）に示すように、画面上に表示されている画像が移動（あるいは画像の大きさが変わりつつその中心が移動）するときは当該画像中心の移動距離ΔＲ１を測定し、移動距離ΔＲ１が最小（ほぼゼロ）となるように、対物レンズ３１に装着した２組の駆動ユニット３で既述した図３のフローチャートに示す手順で調整し、図４の（ｂ）に示すように移動距離ΔＲ１＝０（最小（ほぼゼロ））となるようにすることで、軸合せ完了したこととなる。

図５および図６は、本発明の説明図（軸合せ）を示す。これら図５、図６は、既述した図１の（ｂ）の駆動ユニット３を２組でＸ方向およびＹ方向にそれぞれ光学系の軸合を行うときに、当該光学系を構成する部材を移動させる詳細構造例を示す。

図５の（１）は、対物レンズの場合の例を示す。
図５の（１−１）は、ポールピースを動かして調整する場合の例を示す。この場合には、対物レンズを構成するポールピースである図示の円筒状の上極と下極のいずれか一方あるいは両方を既述した図１の（ｂ）の２組の駆動ユニット３でＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させ、図３、図４で説明したＸ方向、Ｙ方向の軸合せを行う。

図５の（１−２）は、補助磁極片を動かして調整する場合の例を示す。
（Ａ）は、対物レンズを構成するポールピースである図示の円筒状の上極と下極の対向する面の一方あるいは両方に近接してリング状の補助磁極片を図示のように設け、図１の（ｂ）の２組の駆動ユニット３でＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させ、図３、図４で説明したＸ方向、Ｙ方向の軸合せを行う。

（Ｂ）は、対物レンズを構成するポールピースである図示の円筒状の上極と下極のうちの一方（あるいは図示しないが両方）の内側に近接してリング状の補助磁極片を図示のように設け、図１の（ｂ）の２組の駆動ユニット３でＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させ、図３、図４で説明したＸ方向、Ｙ方向の軸合せを行う。

図６の（２）は、その他のレンズの場合の例を示す。図示の例は、静電型レンズ（静電型のシリンドリカルレンズ）の場合であって、この場合には、２組のＸ方向およびＹ方向に配置した図示の駆動ユニット３で中心に穴の開いた円板（電極）をＸ方向およびＹ方向に移動させ、図３、図４で説明したＸ方向、Ｙ方向の軸合せを行う。

図６の（３）は、電子銃の場合の例を示す。図示の電子銃は、電子を所定高圧で加速して集束し放出するものであって、ここでは、冷陰極または熱陰極を２組の図１の（ｂ）の駆動ユニット３でＸ方向、Ｙ方向について、図３、図４で説明したと同様にして軸合せ（電子ビームの軸合せ）を行う。

本発明は、圧電素子と摩擦力で強固に固定すると共に直進運動するロータからなる駆動ユニットをレンズに装着し、所定の進行波の電圧を圧電素子に印加してレンズを所望の方向に移動して調整すると共に軸合わせ終了後は摩擦力で強固に自動的に固定する荷電粒子光学系の軸合装置に関するものである。

本発明のシステム構成図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明の軸合せフローチャートである。 本発明の説明図（軸合せ、その１）である。 本発明の説明図（軸合せ、その２）である。 本発明の説明図（軸合せ、その３）である。

符号の説明

１：光学系
２：レンズ
３：駆動ユニット
４：試料
５：駆動系回路
６：像検出回路
８：ＰＣ（制御コンピュータ）
９：軸合せソフト
１０：表示装置
１１：入力装置
２１：圧電素子
２２：ステータ
２３：ロータ
２４：静電容量センサ
３１：対物レンズ
３２：微小レンズ（フォーカスコイルレンズ）
３３：２次電子検出器
３４：試料

Claims (7)

1. 磁界型あるいは静電型の１つあるいは複数のレンズから構成される荷電粒子光学系の軸合装置において、
   前記レンズを一定方向に移動させる、圧電素子および摩擦力で固定すると共に一定方向に運動するロータから少なくとも構成される駆動ユニットと、
   進行波の電圧を前記駆動ユニットを構成する圧電素子に印加してレンズを移動させて軸合する手段と
   を備えたことを特徴とする荷電粒子光学系の軸合装置。
2. 前記駆動ユニットを構成するロータとステータとの間を波状に接触させ、前記圧電素子に供給した進行波の電圧で当該圧電素子に接触した前記ステータを振動させて前記ロータを直進運動させ、当該ロータに固定した前記レンズを移動させることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子光学系の軸合装置。
3. 前記レンズを移動させるとして、レンズの全体、あるいはレンズを構成する上極、下極のいずれか一方、あるいは円筒状のレンズの上極と下極との間に挿入した円板状の補助磁極片、あるいは円筒状のレンズの上極または下極のいずれか１方または両方の内側に挿入した円筒状の補助磁極片を移動させることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の荷電粒子光学系の軸合装置。
4. 前記レンズを移動させるとして、電子銃あるいはイオン銃を構成する陰極チップあるいは陽極チップを移動させることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の荷電粒子光学系の軸合装置。
5. 前記軸合として、前記レンズあるいは当該レンズと別に設けた微小レンズに、微小変動を供給して当該レンズの焦点距離を微小変動させたときに得られる画像がほぼ同心円状に変化するように、前記駆動ユニットで前記レンズを移動して軸合せすることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の荷電粒子光学系の軸合装置。
6. 前記駆動ユニットでレンズをＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させて軸合することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の荷電粒子光学系の軸合装置。
7. 前記荷電粒子光学系の軸合装置を具備した荷電粒子光学装置。

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