JP2007012544A - 収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 収差補正装置の操作性、耐圧、補正範囲などの問題を解決し、安定かつ最適な収差補正を行うことができる収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を実現する。
【解決手段】 試料２０に減速電圧Ｖ_Rを印加すると、試料２０の表面付近にレンズが形成され、ビームは開き角を増す。従って、試料２０の表面の位置を固定したまま（作動距離を一定に保ったまま）粒子プローブをフォーカスさせるためには、操作表示部９から対物レンズのレンズ強さを弱める（焦点距離を長くする）必要がある。このとき、実際には、減速電圧Ｖ_Rと共に対物レンズの収差係数も変化する。従って、物面側に換算した色収差係数Ｃ_CO、球面収差係数Ｃ_SO、も、減速電圧Ｖ_Rと共とに変化する。この結果、収差補正ユニットのフォーカス条件を一定に保っておくと、色収差および球面収差の補正条件を変更する必要がある。
【選択図】 図７

Description

本発明は、走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置やイオンマイクロプローブなどのイオンビーム装置における色収差と球面収差を補正するための装置を備えた荷電粒子ビーム装置に関する。

走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡において、高分解能の像を観察したりプローブ電流密度を上げることを目的として、電子光学系の中に収差補正装置が組み込まれている。この収差補正装置として、色収差を静電型４極子と磁場型４極子の組合せで補正し、球面収差を４段の８極子で補正する方式が提案されている。その原理については、非特許文献１〜３に詳しく紹介されている。

ここで、上記した収差補正装置の原理の概略を、図１に基づいて説明する。図１において、対物レンズ７の前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差補正装置Ｃは、４段の静電型多極子１、２、３、４と、静電型多極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成する２段の磁場型４極子５、６と、４段の静電型４極子が形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。

次に、多極子１〜４の具体的な構成について、図２，図３を用いて説明する。静電型の場合には図２に示すように、１２個の電極Ｕ_n(ｎ＝1, 2, …, 12)に対して、独立に電圧を供給できる最終段電源Ａ_n(ｎ＝1, 2, …, 12)が接続され、４極子場を作る場合には、理想的な４極子場に近い場が得られるように４極子電源１０からの出力電圧が各最終段電源Ａ_nに供給される。最終段電源Ａ_nの出力電圧が４極子電源１０の出力電圧に比例すると仮定すれば、４極子電源１０の出力電圧の比は上記の非特許文献４に示された値になる。また、この４極子場に重ねて８極子場を作る場合には、理想的な８極子場に近い場が得られるように、８極子電源１８からの出力電圧が前記４極子電源１０の出力電圧と加算されて各最終段電源Ａ_nに供給される。以下同様の考え方で、１個の１２極子で２ｎ極子(ｎ＝１、２、…６)の多極子場を重ねた場が得られる。

次に磁場型の場合には図３に示すように、１２個のマグネットＷ_n(ｎ＝1, 2, …, 12)のコイルに対して、独立に励磁電流を供給できる最終段電源Ｂ_n(ｎ＝1, 2, …, 12)が接続され、磁場型４極子場を作る場合には、理想的な磁場型の４極子場に近い場が得られるように磁場型４極子電源１５からの出力電圧が各電源Ｂ_nに供給される。最終段電源Ｂ_nの出力電流が磁場型４極子電源１５の出力電圧に比例すると仮定すれば、この出力電圧の比は上記の非特許文献４に示されている励磁力の比になる。本発明では、磁場型の４極子場以外の多極子場の重畳は説明されていないが、最終段電源Ｂ_nの入力電圧に多極子場の電圧を加算することによって、静電型と同様に磁場型の多極子場の重畳が可能になる。なお、ここで、図３では各マグネットＷ_nの外側を磁気的につなぐヨークは省略されている。

次に、静電型と磁場型を重ねる場合には、マグネットＷ_nが電極Ｕ_nを兼ねることができるように導電性の磁性体を用いれば良い。この場合、マグネットのコイルは電極とは電気的に絶縁して配置される。

以下の説明では、説明を簡単にするために、あたかも２ｎ極子を互いに重ねたかのように記述しているが、実際には１つの１２極子に対し複数の多極子場の重畳は上記のように電圧信号の加算によって行っている。

さて、Ｘ軸方向に基準となる電極がある構造と等価な機能を有する多極子は、通常、標準２ｎ極子(ｎ＝１、２、…６)と呼ぶ。この標準２ｎ極子を電極のピッチ角度の１／２（＝２π／４ｎ＝π／２ｎ［ｍｄ］、あるいは、９０／ｎ［deg］）だけ回転した構造と等価な機能を有する多極子は、斜め２ｎ極子と呼ばれる。同様にして、磁場型の場合は、静電型の斜め２ｎ極子の電極と等価な機能を有する多極子は標準２ｎ極子、静電型の標準２ｎ極子の電極を磁極とした構造と等価な機能を有する多極子は、斜め２ｎ極子と呼ばれる。静電型と磁場型で、標準多極子（または斜め多極子）の電極と磁極の配置が異なるのは、これらの場によって荷電粒子が力を受ける方向を同じ直線上に選んでいるからである。なお、以下の説明で、これらの電極と磁極を特に区別する必要がない場合には、極子と呼ぶ場合がある。

次に、多極子の粒子線装置への取り付け状態を便宜的に区別するため、図２において、U1とU7の電位を印可する極子を結ぶ直線がＸ軸方向と一致する場合には、極子が標準配列の多極子（１２極子）と呼ぶ。また、これらの極子と隣接する極子との中間を結ぶ直線がＸ軸方向と一致する場合には、極子が斜め配列の多極子（１２極子）と呼ぶ。斜め配列の多極子であっても、極子への印加法を変えれば、標準多極子として用いることができる（非特許文献４を参照）。

次に、上記した多極子１〜４を用いた実際の動作を図１を用いて説明する。なお、標準２極子は、Ｘ方向の偏向装置、斜め２極子はＹ方向への偏向装置で、これらは軸合わせに用いられるが、その詳細については省略する。

まず、荷電粒子ビームのフォーカス調整（基準軌道の形成）について説明する。図１の構成において、図の左側から入射した荷電粒子ビームは、４段の静電型４極子１、２、３、４と対物レンズ７によって、基準となる荷電粒子ビームの軌道が作られ、試料面２０に荷電粒子ビームがフォーカスされる。この図１では、粒子線のＸ方向の軌道Ｒ_xとＹ方向の軌道Ｒ_yとを同じ平面上にまとめて模式的に描いている。

基準軌道とは、近軸軌道(収差が無いときの軌道と考えてよい)として、４極子１によってＹ方向の軌道Ｒ_yが４極子２の中心を通り、４極子２によってＸ方向の軌道Ｒ_xが４極子３の中心を通り、最後に４極子３、４と対物レンズ７によって荷電粒子ビームが試料面にフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要になる。なお、このとき、前記の４段の２極子は軸合せのため用いられる。

更に詳細に図１を説明すると、Ｘ方向の軌道Ｒ_xの荷電粒子ビームは４極子１によって拡散(凹レンズと同様な作用)され、次いで４極子２によって集束(凸レンズと同様な作用)されて４極子３の中心を通るようになされ、４極子３の中心を通過した後、４極子４によって集束されて、対物レンズ７に向かう。一方、Ｙ方向の軌道Ｒ_yの荷電粒子ビームは４極子１によって集束されて４極子２の中心を通るようになされ、４極子２の中心を通過した後、４極子３によって集束され、最後に４極子４によって拡散された後、対物レンズ７に向かう。このようにＸ方向の軌道Ｒ_xに作用する４極子１の拡散作用と、Ｙ方向の軌道Ｒ_yに作用する４極子４の拡散作用とを合成することによって、一個の凹レンズの如くに働かせることができる。

次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正について説明する。図１に示したような系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型４極子２の電位φ_q2［Ｖ］と磁場型４極子５の励磁Ｊ₂［ＡＴ］（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌道を変えないように静電型４極子３の電位φ_q3［Ｖ］と磁場型４極子６の励磁J₃［ＡＴ］が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。

次に、６極子を用いた２次の開口収差の補正について説明する。２次の開口収差は理想的には発生しないはずであるが、機械的な精度の限界によって、現実には収差補正装置に寄生して発生する。まず、２段目の多極子２の静電型６極子の電位φ_S2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の２次の開口収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位φ_S3［Ｖ］によってＹ方向の球面収差を０に補正する。その後、ＸＹが合成された方向（例えば、Ｘ軸に対して３０°方向、６０°方向など）の２次の開口収差を１段目の多極子１と４段目の多極子４の各々の静電型多極子で０に補正する。

次に、球面収差補正（３次の開口収差補正）について説明する。球面収差を補正する場合には、Ｘ，Ｙ方向の色収差の補正を行った後に、静電型８極子１２の電位φ_O2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位φ_O3［Ｖ］によってＹ方向の球面収差を０に補正する。その後、ＸＹが合成された４５°方向の球面型収差を、１段目の多極子１と４段目の多極子４の各々の静電型８極子で０に補正する。実際は交互の繰返し調整が必要になる。

次に、減速電圧の印加について説明する。まず、試料２０に照射する荷電粒子プローブのエネルギーを小さくし、粒子による試料２０のダメージを防ぎながら、プローブ径の増大を極力減らす目的で、試料面２０に加速電圧Ｖ_Rを印加する方法が知られている。例えば、非特許文献５にその原理と応用について詳しく述べられている。これによれば、減速電圧を印加することによって、試料２０の表面のごく近くにレンズ作用が形成され、全体として収差係数の著しく小さなレンズが実現できる。このとき、粒子ビームのフォーカスを試料面に合わせるため、対物レンズ７の焦点距離を少し長くする（対物レンズの強さを少し弱める）。このとき、像面側の収差係数は減少するが、物面側に換算した収差係数が変化しなければ、収差補正装置Ｃの補正条件を一定に保つことができる。

以下の説明で、静電型の多極子で電位φ（あるいは電圧）という表現を用いた場合には、図４（ａ）、（ｂ）に示すような標準配列をした多極子の＋側の値を表すものとする。同様に、磁場型の励磁Ｊという表現を用いた場合には、＋側の励磁［ＡＴ］を表すものとする。
特開２００３−２０３５９３公報 特開２００４−１０３３０５公報 特開２００４−３６３０４５公報 V. H. Rose, Optik 33, Heft 1, 1-24 (1971) J. Zach, Optik 83, No.1, 30-40 (1989) J. Zach and M. Haider, Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.A 363, 316-325 (1995) M. Haider et al., Optik 63, No.1, 9-23 (1982) E. Munro, J. Vac.Sci. Technol. B6(6), Nov/Dec(1988)1971

前記した収差補正の理論や、実際に行われた実験に基づく結果では、収差補正系の優秀性が認められたが、実用化の観点からは、減速電圧の印加に伴う物面側に換算される収差係数の変化、収差補正電圧（電流）などの範囲、最適開き角の設定、操作性などに関しては、必ずしも十分な検証がなされていなかった。例えば、次に示すような問題点が生じている。

第１には、試料面に減速電圧を印加したとき、フォーカス調整のために対物レンズの強さを変更しても、理想的にはこの変更による像面側（試料面側）または物面側に換算した収差係数の変化はないはずであるが、実際には必ずしも変化がないわけではなく、収差補正量の再調整が必要であった。この再調整は、収差補正装置の操作性を著しく低下させるものである。

第２には、特に、減速電圧の変化の度合いが大きい場合、収差補正電圧（または電流）が極端に変化し、補正電圧として適正な範囲に入らない場合があった。
第３には、試料面に減速電圧を印加すると、試料面に入射する粒子プローブの開き角は増大するが、一方、試料面側で収差補正後に残る高次の収差係数も減少するため、この開き角の変化の方向は、最適開き角が維持される方向に変化している。しかし、必ずしも理想的にプローブ径を最小にするような開き角になるとは限らないため、最小プローブ径を得るためには、開き角の再調整が必要であった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、収差補正装置の操作性、耐圧、補正範囲などの問題を解決し、安定かつ最適な収差補正を行うことができる収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置を実現するにある。

請求項１に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および作動距離に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成したことを特徴としている。

請求項２に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および対物レンズのレンズ強度に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成したことを特徴としている。

請求項３に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置と対物レンズの間の合成倍率を調整し、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成したことを特徴としている。

請求項４に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３の発明において、試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離であることを特徴としている。

請求項５に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３の発明において、試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離に応じて自動的に変化する対物レンズのレンズ強度であることを特徴としている。

請求項６に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３〜５の発明において、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の一方は一定の値に保たれていることを特徴としている。

請求項７に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項１〜６の発明において、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置の前段に配置された開き角制御レンズのレンズ強度も併せて再設定するように構成したことを特徴としている。

請求項１に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および作動距離に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成したことを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、常に収差が補正された状態を維持できるようになり、与えられた条件下で常に最良の分解能が得られるようになった。

請求項２に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および対物レンズのレンズ強度に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成しことを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、フォーカス調整を行うだけで常に収差が補正された状態を維持できるようになり、与えられた条件下で常に最良の分解能が得られるようになった。

請求項３に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置と対物レンズの間の合成倍率を調整し、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成したことを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、収差補正ユニットの動作に必要な電圧および電流を、許容範囲内に入れることが可能になった。

請求項４に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３の発明において、試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離であることを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、常に収差が補正された状態を維持できるようになり、与えられた条件下で常に最良の分解能が得られるようになった。

請求項５に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３の発明において、試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離に応じて自動的に変化する対物レンズのレンズ強度であることを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、フォーカス調整を行うだけで常に収差が補正された状態を維持できるようになり、与えられた条件下で常に最良の分解能が得られるようになった。

請求項６に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項３〜５の発明において、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の一方は一定の値に保たれていることを特徴としている。この結果、減速電圧を任意に与えても、収差補正ユニットの動作に必要な電圧または電流の目標値が定まり、収差補正の操作性が向上した。このことにより、収差補正に必要な電圧およびで電流の範囲が制限されるため、収差補正を自動的に実施するプログラムなどにおいて、収差補正の適正値を探査する時間が著しく短縮された。

請求項７に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、請求項１〜６の発明において、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置の前段に配置された開き角制御レンズのレンズ強度も併せて再設定するように構成したことを特徴としている。減速電圧を任意に与えても、プローブ径を最小にする開き角や、与えられた観察倍率に対し、焦点深度とを最大にする開き角を設定できるようになり、性能および操作性が向上した。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図５は本発明の基本構成を示しており、図６は収差補正装置が設けられる走査電子ビーム装置の一例を示しており、図７は本発明の動作原理を示す図、図８は試料に減速電圧を印加する効果を示す図である。荷電粒子ビームの一部をプローブとして試料に照射する装置において、色収差を補正するために、従来と同様に，収差補正装置として動作する４段の静電型多極子１、２、３、４が設けられている。４段の静電型多極子の内，中央の２段の多極子は，静電型多極子２、３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させることが可能な磁場型の多極子としての機能を有するように構成されている。

収差補正装置として動作する４段の静電型多極子１、２、３、４の出力側には，対物レンズ７が配置され，対物レンズ７の後段には試料面２０が配置される。また，収差補正装置として動作する４段の静電型多極子１、２、３、４の入力側の光路の一部には対物絞り８が設けられている。

上記した電子光学系の構成要素の他に，加速電圧や作動距離を変更する操作表示部９と、１段目の多極子の電極に電圧を供給する電源１１，２段目の多極子の電極に電圧を供給する電源１２，３段目の多極子の電極に電圧を供給する電源１３，４段目の多極子の電極に電圧を供給する電源１４が設けられている。また、２段目，３段目の多極子２，３の磁極のコイルに電流を供給するための励磁用電源２２，２３とが設けられている。更に、試料２０に減速電圧を印加するための電源３０が設けられている。

更に，対物レンズ７の励磁電源１７と，操作表示部９の操作または設定に基づいて，前記電圧電源１１〜１４，励磁電源２２，２３，１７、減速電圧電源３０を制御する制御部１９が備えられている。

上記図５に示した装置において、電源１１〜１４は、４段の多極子１〜４を静電型の２極子，静電型の４極子，静電型の６極子，静電型の８極子として動作させることができるように構成されている。前記した静電型の２極子，４極子，６極子として用いる電源１１〜１４は，多極子１〜４を標準用と斜め用の２極子，多極子１〜４を標準用と斜め用の４極子，多極子１〜４を標準用と斜め用の６極子として用いる機能を有している。

なお、対物レンズ７は、対物レンズ７が磁場型の場合は電源１７から供給される電流を変えることによって、対物レンズ７が静電型の場合は電源１７から供給される電圧を変えることによって、あるいは対物レンズ７が電場・磁場重畳型の場合は電源１７から供給される電流および電圧を調節することによって、レンズの強度が調節される。更に、荷電粒子が高速のイオンの場合には、荷電粒子の質量に関係なく同じ屈折力が得られる静電型の対物レンズ７が用いられる。以下において、上記４段の多極子１、２、３、４と、これに各電源を含めたものを収差補正装置Ｃと呼ぶことにする。

このような収差補正装置Ｃは、例えば図６に示す如く、走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１００内には、電子ビームを発生し、加速電圧によって電子にエネルギーを与える電子銃１０１、電子銃１０１で発生した電子ビームを集束し、かつ電子ビーム電流を適当な値に制限するためのコンデンサレンズ１０２と対物絞り１０３、収差補正装置Ｃ、電子ビームを二次元的に偏向して走査するための偏向器１０４、電子ビームをフォーカスして試料１０６に照射する対物レンズ１０７、試料１０６を載置して所望の場所で電子ビーム照射・走査されるように試料１０６を任意に駆動できる試料ステージ１０７、電子ビームの照射・走査に伴って試料１０６から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１０８等が備えられている。なお、電子銃１０１から対物レンズ１０７までを電子ビームの光学系と呼ぶことがある。

上記した構成による動作の説明を次に行う。与えられた加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤに対して、減速電圧Ｖ_R＝０の時に、これらの値を走査表示部９で指定すると、前記の従来例で述べたように、粒子プローブの試料２０の表面へのフォーカス条件、色収差補正条件、球面収差補正条件を満たすように、制御部１９は電源１１〜１４，１７，２２，２３，３０の出力を設定して、多極子１〜４と対物レンズ７を制御する。すなわち、制御部１９はフォーカス条件を満たすように、電源１７の出力を設定して、対物レンズ７を制御する。

また、制御部１９は収差補正ユニットの１段目から４段目の多極子１〜４に対して、近軸軌道のフォーカス電圧〔Ｖ〕
φ_qf、1、φ_qf、2、φ_qf、3、φ_qf、4
と、色収差補正電圧〔Ｖ〕
０， φ_qc、2、 φ_qc、3、 ０
が各々加算され、静電型４極子成分として、
φ_q、_n＝φ_qf、_n＋φ_qc、_n 〔Ｖ〕 （ｎ＝１〜４）
が印加されるように電源１１〜１４を制御する。また、制御部１９は収差補正ユニットの第２および第３の多極子２および３に対して、色収差補正のための励磁〔AT＝コイルの励磁電流とコイル巻数の積〕
Ｊ_c、2、 Ｊ_c、3
が磁場型４極子成分として与えられるように、電源２２，２３を制御する。

ここで、通常、各コイル巻数は一定なので、コイルの励磁電流を調整する。また、完全なフォーカス条件と色収差補正条件が、所定の補正電圧と電流の範囲内で達成されるように、電源１１〜１４，１７，２２，２３は繰り返し調整されることがある。

次に、制御部１９は球面収差補正のために、補正ユニットの１段目から４段目の多極子には、球面収差補正電圧が、静電型８極子成分として、
φ_O1、φ_O2、φ_O3、φ_O4
で与えられるように、電源１１〜１４を制御する。これらの制御によって、減速電圧Ｖ_R＝０の場合に、色収差および球面収差が補正される。

次に、操作表示部９で減速電圧Ｖ_R（＜０）を印加する操作を行うと、制御部１９は減速電圧を与える電源３０を制御して、減速電圧Ｖ_Rを発生させる。これによって試料に入射する粒子プローブの加速電圧Ｖ_Rは、
Ｖ_SP ＝Ｖ_a＋Ｖ_R （＜Ｖ_a）
となる。以降の説明では、「減速電圧を印加する操作」などと表現するが、グラフなどの図では、試料に入射する粒子の実際のエネルギーに対応する値がわかりやすいように、Ｖ_SPで表す。

さて、収差補正を行わない場合のレンズ系全体としての試料面における色収差係数をＣ_Ci、球面収差係数をＣ_Siとする。これを物面側に換算したときの色収差係数をＣ_CO、球面収差係数をＣ_SOとすると、レンズ系の倍率Ｍに対して、相対論補正を無視すれば、

となる。理想的には減速電圧を印加しても、これらの物面における収差係数Ｃ_COやＣ_SOが変化しなければ、収差補正ユニットにおける補正電圧や電流は変化しないはずである。
ところで、減速電圧Ｖ_Rを印加すると、試料２０の表面付近にレンズが形成され、ビームは開き角を増す。従って、試料２０の表面の位置を固定したまま（作動距離を一定に保ったまま）粒子プローブをフォーカスさせるためには、操作表示部９から対物レンズのレンズ強さを図７に示すように弱める（焦点距離を長くする）必要がある。このとき、実際には、減速電圧Ｖ_Rと共に対物レンズの収差係数も変化する。従って、物面側に換算した色収差係数Ｃ_CO、球面収差係数Ｃ_SO、も、減速電圧Ｖ_Rと共に変化する。この結果、図８に示すように、収差補正ユニットのフォーカス条件を一定に保っておくと、色収差および球面収差の補正条件を変更する必要がある。減速電圧Ｖ_Rを印加する前に計算上の補正電圧が印加するようになっていたとすれば、減速電圧Ｖ_Rを印加したときは、この図のような関係式に従って、色収差補正φ_qc、2およびφ_qc、3、色収差補正励磁Ｊ_c、2、およびＪ_c、3、球面収差補正電圧φ_On（ｎ＝１〜４）が印加されるように、制御部１９が電源１１〜１４，２２，２３を制御すればよい。

このような関係式を各加速電圧Ｖaと作動距離ＷＤに対して持つことにより、減速電圧Ｖ_Rを任意に印加しても、操作表示部９で対物レンズ７によるフォーカス調整の操作をすれば、適正な色収差補正電圧、色収差補正電流、球面収差補正電圧が、各多極子１〜４に印加できる。なお、操作表示部９で減速電圧Ｖ_Rを調整したとき、減速電圧の電源３０と対物レンズ７の電源１７が連動して働き、フォーカスずれがないように構成することもできる。

前記した実施の形態では、加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤおよび減速電圧Ｖ_Rを指定するよううに構成したが、作動距離ＷＤは、対物レンズ７の物体距離と像距離の関係から、対物レンズ７の焦点距離（あるいは対物レンズのレンズ強さ）にも換算できるので、対物レンズの強さを指定するように構成することもできる。すなわち、加速電圧Ｖa、減速電圧Ｖ_Rを指定し、残りはフォーカス調整を行うだけで、収差が補正された状態を維持することが可能なように構成することができる。

前記した例では、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの合成倍率を変化させない系について説明したが、減速電圧Ｖ_Rの範囲が広ければ、収差補正電圧（または電流）の範囲が許容範囲を超えてしまう可能性がある。従って、このような場合には、減速電圧Ｖ_Rの変化に対して、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの合成倍率を変更して、収差補正電圧または電流の範囲が、許容範囲内に入るようにするのが望ましい。このような制御が可能なことは、先願の発明特開２００３−２０５３９３から導くことができる。なお、合成倍率Ｍ_Rを変更することは、前記した実施の形態の倍率Ｍの一部を変更することに対応している。

図９には、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの合成倍率Ｍ_Rを大きく設定する実施の形態が示されている。なお、図には示していないが、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの間に追加レンズを配置し、追加レンズと対物レンズ７の合成倍率を調整するようにしても良い。

次に説明する実施の形態では、減速電圧Ｖ_Rの変化に対して、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの間のいずれかの光学要素の調整によって、合成倍率Ｍ_Rを調整する場合、装置を扱う人が最も分かりやすいように、色収差補正電流
Ｊ_c、2、Ｊ_c、3
のいずれかを一定に保つか（特開２００３−２０３５９３公報参照）、あるいは色収差補正電圧
φ_qc、2、φ_qc、3
のいずれかを一定に保つか（特開２００４−１０３３０５公報参照）、あるいは球面収差補正電圧
φ_O1、φ_O2、φ_O3、φ_O4
のいずれかを一定に保つような制御（特開２００４−３６３０４５号公報参照）が望ましい。このような制御が原理的に可能なことは、ここでは詳しく述べないが、前述したこれらの先願の発明から導くことができる。

次に、他の実施の形態について、図１０と図１１を用いて説明する。試料２０に減速電圧Ｖ_Rを印加すれば、試料２０の表面の近くにレンズの主面が形成されるため、ビームが同じ半径で対物レンズに入射しても、最初の実施の形態で述べたように、試料２０に入射するプローブの開き角αは増大する。また、３番目の実施の形態で述べたように、減速電圧Ｖ_Rの調整に対して、対物レンズ７と収差補正ユニットＣの合成倍率Ｍ_Rを調整すると、試料面２０に入射するプローブの開き角が変化する。従って、減速電圧と連動して、収差補正電圧または電流の変化を小さくして、開き角αが調整できるように、開き角制御レンズ３１とこれを駆動する開き角制御レンズ用の電源３２を用いることが望ましい（図１０参照）。

物面側のビームの開き角をα_O、像面側（試料面）のビームの開き角をαとするとき、両者の角度倍率には、次の関係がある。

従って、色収差および球面収差を補正した後に残る高次の収差係数が、減速電圧と共にどのように変化するかを調べておき、これに対してプローブ径dpが最小になるように、最適開き角α＝α_optを設定するとか、焦点深度Ｌを最大にするような開き角α＝α_Lを設定するのが望ましい。以下この点を説明する。

図１１には、例としてＶ_SP＝Ｖaを基準としたときの上記の関係式における開き角の変化、
Ｒ₁＝α（Ｖ_SP）／α（Ｖa）
と、色収差係数Ｃcと球面収差係数Ｃsが０に補正された後に残る高次の収差係数によるプローブ径dpに対し、これが最小となるような開き角α_optの変化
Ｒ₂＝α_opt（Ｖ_SP）／α_opt（Ｖa）
が示されている。図からわかるように、両者は一致していない。すなわち、減速電圧を印加する前の状態で開き角が最適開き角であったとすると、
α（Ｖa）＝α_opt（Ｖa）
であるが、Ｖ_SP＝Ｖa以外では、α＝α_opt（Ｖ_SP）の関係が成立しなくなることを意味している。従って、操作表示部９で、加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、減速電圧Ｖ_Rを設定したとき、この条件下でプローブ径dpを最小にするため、制御部１９は開き角制御レンズ３１によって開き角αがα_optに一致するように（Ｒ₁がＲ₂に一致するように）、開き角制御レンズの電源３２を制御する。なお、減速電圧Ｖ_Rを設定したとき、焦点深度Ｌを最大にするような制御についても同様に考えることができる。

上記した各実施の形態では、色収差や球面収差（３次の開口収差）を補正する粒子光学系について説明したが、更に高次の収差補正（例えば、５次開口収差補正や７次の開口収差補正）においても、操作表示部９で加速電圧Ｖa、作動距離ＷＤ、減速電圧Ｖ_Rを設定したとき、補正できなかった残りの収差係数等によるプローブ径に対して、開き角を適切に調整して、プローブ径を最小にする開き角や、焦点深度Ｌを最大にする開き角を設定するように構成することができる。

収差補正装置の原理の概略を説明するための図である。 静電型１２極子を１２以下の静電型多極子として用いる方法を示す図である。 磁場型１２極子を１２以下の磁場型多極子として用いる方法を示す図である。 静電型多極子の標準配列を示す図である。 本発明の基本構成を示す図である。 収差補正装置Ｃが組み込まれた走査電子顕微鏡の例を説明する図である。 本発明の動作原理を説明するための図である。 試料に減速電圧を印加したときの効果を示す図である。 対物レンズ７と収差補正ユニットＣの合成倍率Ｍ_Rを大きく設定する実施の形態を示す図である。 減速電圧の印加に伴う粒子プローブの開き角を制御する実施の形態を示す図である。 減速電圧を印加した場合の粒子プローブの開き角の変化を示す図である。

符号の説明

Ｃ 収差補正装置
１，２，３，４ 静電型４極子
７ 対物レンズ
８ 対物絞り
９ 操作表示部
１１，１２，１３，１４，１７，２２，２３ 電源
１９ 制御部
２０ 試料面
３０ 減速電圧電源

Claims (7)

1. ４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および作動距離に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
2. ４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および対物レンズのレンズ強度に応じて、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
3. ４段の静電型４極子と、４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、荷電粒子ビームを試料にフォーカスさせる対物レンズと、試料に減速電圧を印加するための手段と、荷電粒子ビームの加速電圧や対物レンズと試料間の距離である作動距離を変更する操作部と、操作部の操作または設定に基づいて前記各４極子を制御する制御部を有した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、試料の減速電圧を変更して、試料に入射する粒子プローブの粒子の運動エネルギーを変更したとき、粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置と対物レンズの間の合成倍率を調整し、色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の少なくとも一方を再設定するように構成した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
4. 試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離である請求項３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
5. 試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報は、対物レンズと試料面との間の作動距離に応じて自動的に変化する対物レンズのレンズ強度である請求項３記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
6. 色収差補正電圧（または色収差補正電流）、もしくは、球面収差補正電圧（または補正電流）の一方は一定の値に保たれている請求項３〜５の何れかに記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
7. 粒子プローブの加速電圧、試料に印加される減速電圧および試料に照射される粒子プローブのフォーカスに関連した情報に応じて、収差補正装置の前段に配置された開き角制御レンズのレンズ強度も併せて再設定するように構成した収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。

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