JP2007128656A

JP2007128656A - 収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置

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Publication number: JP2007128656A
Application number: JP2005317896A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Honda; 和広本田; Shinobu Uno; 忍宇野
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2005-11-01
Filing date: 2005-11-01
Publication date: 2007-05-24
Also published as: EP1780763B1; US20070114408A1; US7605378B2; DE602006017153D1; EP1780763A3; EP1780763A2

Abstract

【課題】電子ビームの１次軌道がトランスファレンズ強度に影響されずに５次球面収差および３次色収差を補正することができる高次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】収差補正装置Ｃの像点４２は対物レンズ２４の対物レンズ主面３８から電子源側に距離L0の位置にあるように、収差補正装置Ｃが調整されている。トランスファレンズ４０はその主面位置が収差補正装置Ｃの像点４２に一致するように配置されている。従って、電子ビームの１次軌道３６は、トランスファレンズ４０のレンズ中心を通っているため、トランスファレンズ４０の強度に影響されない。この状態で、トランスファレンズ４０のレンズ強度を収差補正装置Ｃの収差発生点３３が対物レンズ２４の前焦点３４に投射されるように設定する。このようにして、５次球面収差および３次色収差を補正する。
【選択図】図８

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１〜４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。なお、ここまでの説明では、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の電位を印加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。斜め配意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C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２次の開口収差を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。

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2004-87460 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 Nucl. Instr. and Meth. In Phys. Res.A 519, 264-279 (2004)

上記した収差補正装置Ｃを用いた荷電粒子線装置の一例として、図５に走査電子顕微鏡を示す。図５において、電子銃のエミッタ２１から電子ビーム２２が放出され、この放出された電子ビーム２２は複数のレンズ２３を通って収差補正装置Ｃに入射する。この際、複数のレンズ２３は収差補正装置Ｃに入射する電子ビーム２２を制御し、収差補正装置Ｃを透過した電子ビームを対物レンズ２４によって試料２５の表面に収束させる。この収差補正装置Ｃは図１に示した収差補正装置である。

試料２５の表面で電子ビームを走査し、走査と同期して試料表面から放出される２次電子を検出器で検出する。この検出信号を試料上の電子ビームの走査に同期して陰極線管の輝度変調信号として供給すれば、陰極線管の画面には試料表面の走査２次電子像が表示される。

上記した走査電子顕微鏡では、図１に基づいて説明した収差補正装置Cを透過した電子ビームのＸ軌道、Ｙ軌道が所定の軌道を通ることによって、３次の球面収差および１次色収差を補正することができる。このようにして、走査電子顕微鏡の分解能を大幅に向上させることができる。

前記収差補正装置Ｃによって３次球面収差および１次色収差が補正された後、次に走査電子顕微鏡の分解能を制限する収差は、５次球面収差および３次色収差である。これらは、高次収差と呼ばれ、前記収差補正装置では補正することができない。

この高次収差を補正する手段として、収差補正装置の後端付近に存在する収差発生点を前記対物レンズの前焦点に投射する作用を有した複数のトランスファレンズを前記収差補正装置Ｃと対物レンズ２４との間に配置することによって、高次収差を補正する方法が特許文献１に詳述されている。

この特許文献１に記載された高次収差を補正する構成を図６に示す。この図６の構成において、複数のトランスファレンズとして、第１のトランスファレンズ３１と第２のトランスファレンズ３２を用い、収差発生点３３を対物レンズ２４の前焦点３４に投射することによって、高次収差が補正される。なお、図６において、３５は物点、実線３６は電子ビームの一次軌道、点線３７は収差軌道、３８は対物レンズの主面、ftはトランスファレンズの焦点距離、foは対物レンズ２４の前焦点距離を示している。

また、トランスファレンズを複数用いずに、１段のトランスファレンズのみでも高次収差を補正することができる。この１段のトランスファレンズを用いた構成も特許文献１において詳述されている。図７にこの構成を示すが、図６と同一の構成要素等には同一番号を付してあり、その詳細な説明は省略する。なお、４０は１段のトランスファレンズ、４１はトランスファ点である。

また、このトランスファレンズを用いて高次収差を補正する原理は、非特許文献６に詳述されているが、次の２つの複合収差係数、すなわち、５次球面収差係数C5sおよび３次色収差係数C3cの形式から理解することができる。

上記数式（１），（２）において、Cs，Ccはそれぞれ対物レンズの３次球面収差係数および１次色収差係数を示す。Ｌhは、トランスファレンズ４０により収差発生点３３が投射されたトランスファ点４１と、対物レンズ２４の前焦点３４との距離を示し、foは対物レンズ２４の前焦点距離である。数式（１），（２）から明らかなように、Ｌhが０になれば前記C5s、C3cは０になる。この状態は、図7に示すように、トランスファ点４１が対物レンズ２４の前焦点３４になるように、トランスファレンズ強度および位置を最適化すれば実現できる。

しかしながら、図６において説明した複数のトランスファレンズ３１，３２を用いてＬh=0とする補正条件を実現するためには、トランスファレンズ３１、３２の位置と強度に拘束条件が付加される。すなわち、図６に示すように、２段のトランスファレンズ３１、３２で平行に収差補正装置Ｃからでた電子ビームを対物レンズ２４に平行に入射させ、かつ収差発生点３３を対物レンズ２４の前焦点３４に投射するためには、２段のトランスファレンズ３１、３２の位置関係が図６に示すようにトランスファレンズの焦点距離ftによって規制されてしまう。

従って、２段のトランスファレンズを使うことによって走査電子顕微鏡の鏡筒が長くなってしまうという問題があった。すなわち、およそ４ftの長さが必要となり、例えばft=200mmとすると800mm必要となり、振動等の外乱を考慮すると望ましくない。また、通常、トランスファレンズ３２と対物レンズ２４の間には電子ビームを走査するための走査レンズと試料から発生した二次電子を検出するための二次電子検出器が配置されるため、前記の値を小さくすることは困難である。また、図７に示すように、トランスファレンズ４０を１段で構成した場合、電子ビームの１次軌道３６がトランスファレンズ４０の位置と強度によって変化するため、システム全体の最適条件が複雑になるという問題点があった。

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、電子ビームの１次軌道がトランスファレンズ強度に影響されずに５次球面収差および３次色収差を補正することができる高次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の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ主面を配置したことを特徴としている。

請求項２の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を収差補正装置の収差発生点が対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように設定したことを特徴としている。

請求項３の発明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１〜２記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、３次球面収差を補正したときの荷電粒子ビームの軌道を保持した状態で、５次球面収差および３次色収差を補正する機能を備えたことを特徴としている。

請求項４の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を印加する機能を有したことを特徴としている。

請求項５の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像の分解能を調整するために制御する機能を有したことを特徴としている。

請求項６の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像のコントラストを調整するために制御する機能を有したことを特徴としている。

請求項７の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置と減速型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴としている。

請求項８の発明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７記載の発明において、収差補正装置の像点に配置された追加加速レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整されることを特徴としている。

請求項９の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置と電磁界重畳型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴としている。

請求項１０の発明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９記載の発明において、収差補正装置の像点に配置された電磁界重畳型レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整されることを特徴としている。

請求項１１の発明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乃至１０に記載の３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置は、４段の静電型多極子と、４段の静電型多極子の中央の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極子とより構成されており、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多極子を制御する制御部を有していることを特徴としている。

請求項１の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ主面を配置したことを特徴としている。この結果、鏡筒を長くすることなく５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項２の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を収差補正装置の収差発生点が対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように設定したことを特徴としている。この結果、鏡筒を長くすることなく５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項３の発明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１〜２記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、３次球面収差を補正したときの荷電粒子ビームの軌道を保持した状態で、５次球面収差および３次色収差を補正する機能を備えたことを特徴としている。この結果、請求項１、２と同様な効果を有すると共に、電子ビームの軌道を変化させないで、５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項４の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を印加する機能を有したことを特徴としている。この結果、請求項１、２と同様な効果を有すると共に、電子ビームの軌道を変化させないで、５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項５の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像の分解能を調整するために制御する機能を有したことを特徴としている。この結果、請求項１、２と同様な効果を有すると共に、電子ビームの軌道が変化しないため、高次収差補正が容易になる。すなわち、低次収差である３次球面収差や１次色収差を補正した後に、５次球面収差および３次色収差を補正することができる。また、走査画像の分解能を最適に調整することができる。

請求項６の発明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１〜３記載の発明において、収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像のコントラストを調整するために制御する機能を有したことを特徴としている。この結果、請求項１、２と同様な効果を有すると共に、電子ビームの軌道が変化しないため、高次収差補正が容易になる。すなわち、低次収差である３次球面収差や１次色収差を補正した後に、５次球面収差および３次色収差を補正することができる。また、走査画像のコントラストを最適に設定することができる。

請求項７の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置と減速型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴としている。この構成により、対物レンズに減速型対物レンズを用いた場合、追加加速レンズで５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項８の発明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７記載の発明において、収差補正装置の像点に配置された追加加速レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整されることを特徴としている。この構成により、対物レンズに減速型対物レンズを用いた場合、追加加速レンズで５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項９の発明に基づく収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置は、３次の球面収差を補正する収差補正装置と電磁界重畳型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴としている。この構成により、対物レンズに電磁界重畳型対物レンズを用いた場合、追加加速レンズで５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項１０の発明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９記載の発明において、収差補正装置の像点に配置された電磁界重畳型レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整されることを特徴としている。この構成により、対物レンズに電磁界重畳型対物レンズを用いた場合、追加加速レンズで５次球面収差および３次色収差を補正することができる。

請求項１１の発明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１〜１０に記載の３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置は、４段の静電型多極子と、４段の静電型多極子の中央の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極子とより構成されており、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多極子を制御する制御部を有していることを特徴としている。この構成により、３次の球面収差と１次色収差を精度良く補正することができる。

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８は本発明に基づく収差補正装置が設けられた走査電子顕微鏡の一例を示しており、収差補正装置は例えば、非特許文献５に記載された３次球面収差を補正するものである。ここで、収差補正装置Ｃの像点４２は対物レンズ２４の対物レンズ主面３８から電子源側に距離L0の位置にあるように、収差補正装置Ｃが調整されている。

トランスファレンズ４０はその主面位置が収差補正装置Ｃの像点４２に一致するように配置されている。従って、電子ビームの１次軌道３６は、トランスファレンズ４０のレンズ中心を通っているため、トランスファレンズ４０の強度に影響されない。この状態で、トランスファレンズ４０のレンズ強度を収差補正装置Ｃの収差発生点３３が対物レンズ２４の前焦点３４に投射されるように設定する。通常、収差補正装置Ｃの収差発生点３３は、収差補正装置を構成する複数のレンズの内、試料側最終段のレンズ中心と見なして良い。また、収差発生点３３を対物レンズ２４の前焦点３４に投射するトランスファレンズ４０のレンズ強度は、収差発生点３３からでる収差軌道３７が対物レンズ２４の前焦点３４に収束するように設定されればよい。

このようにして、数式（１），（２）で表記されているＬhが０となり、５次球面収差および３次色収差を補正することができる。なお、通常、収差は低次から補正されねばならない。収差補正装置は３次球面収差を補正するが、そのとき電子ビームの１次軌道が決定される。トランスファレンズ４０はその後に５次球面収差及び３次色収差を補正するが、３次球面収差補正時の１次軌道を保持してトランスファレンズのレンズ強度を調整することができる。

次に本発明の第２の実施の形態を図９を参照して説明する。この実施の形態では、３次球面収差を補正する収差補正装置Ｃと減速型対物レンズ４４を搭載した走査電子顕微鏡が用いられる。そして、この実施の形態では、収差補正装置Ｃの像点４２に追加加速レンズ４３の主面を配置し、収差補正装置の収差発生点３３を減速対物レンズ４４の前焦点３４またはコマ−フリー点に投射する追加加速することを特徴としている。以下更に詳細に説明する。

図９において、収差補正装置Cは、例えば、非特許文献５に記載された３次球面収差を補正するものであり、収差補正装置の像点４２が減速対物レンズ４４の対物レンズ主面３８から電子源側に距離L0の位置にあるように収差補正装置Cが調整されている。追加加速レンズ４３は、その主面位置が収差補正装置の像点４２に一致するように配置されている。従って、電子ビームの１次軌道３６は、追加加速レンズ４３のレンズ中心を通っているため、追加加速レンズ４３の追加加速に影響されない。

この状態で、追加加速レンズの追加加速を収差補正装置の収差発生点３３が減速対物レンズの前焦点３４に投射されるように設定する。通常、収差補正装置の収差発生点３３は、収差補正装置を構成する複数のレンズの内、試料側最終段のレンズ中心とみなしてよい。また、収差発生点３３を対物レンズの前焦点３４に投射する追加加速レンズ４３の追加加速は、収差発生点３３からでる収差軌道３７が対物レンズの前焦点３４に収束するように設定されればよい。

このようにして、数式（１），（２）で表記されているＬhが０となり、５次球面収差および３次色収差が補正される。通常、収差は低次から補正されねばならない。収差補正装置は３次球面収差を補正するが、そのとき電子ビームの１次軌道が決定される。追加加速レンズは高次収差をその後に補正するが、３次球面収差補正時の１次軌道を保持して追加加速レンズの追加加速を調整することができる。

次に本発明の第３の実施の形態を説明する。この実施の形態では、図９に示した対物レンズ４４として減速型対物レンズに代え電磁界重畳型対物レンズが用いられている。そして、この実施の形態では、第２の実施の形態と同様に収差補正装置Ｃの像点４２に追加加速レンズ４３の主面を配置し、収差補正装置の収差発生点３３が電磁界重畳型対物レンズ４４の前焦点３４またはコマ−フリー点に投射されるように、電子ビームを追加加速することを特徴としている。以下更に詳細に説明する。

上述したように、この実施の形態では、対物レンズ４４として電磁界重畳型対物レンズを用いている以外は、図９に示した第２の実施の形態と同様な構成となっている。収差補正装置は、例えば、３次球面収差を補正するものであり、収差補正装置の像点４２が対物レンズ４４の対物レンズ主面３８から電子源側に距離L0の位置にあるように収差補正装置が調整されている。追加加速レンズ４３は、その主面位置が収差補正装置の像点４２に一致するように配置されている。従って、電子ビームの１次軌道は、追加加速レンズ４３のレンズ中心を通っているため、追加加速レンズの追加加速に影響されない。

この状態で、追加加速レンズ４３の追加加速を収差補正装置の収差発生点３３が対物レンズの前焦点３４に投射されるように設定する。通常、収差補正装置の収差発生点は、収差補正装置を構成する複数のレンズの内、試料側最終段のレンズ中心とみなしてよい。また、収差発生点を対物レンズの前焦点に投射する追加加速レンズの追加加速は、収差発生点からでる収差軌道が対物レンズの前焦点に収束するように設定されればよい。

このようにして、数式（１），（２）で表記されているＬhが０となり、５次球面収差および３次色収差が補正される。通常、収差は低次から補正されねばならない。収差補正装置は３次球面収差を補正するが、そのとき電子ビームの１次軌道が決定される。追加加速レンズ４３は高次収差をその後に補正するが、３次球面収差補正時の１次軌道を保持して追加加速レンズの追加加速を調整することができる。

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。従来の収差補正装置を搭載した走査型電子顕微鏡を示す図である。複数のトランスファレンズを用いて高次収差を補正する構成を示す図である。１段のトランスファレンズを用いて高次収差を補正する構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態を示す図である。本発明の第２と第３の実施の形態を示す図である。

符号の説明

Ｃ収差補正装置
２４対物レンズ
２５試料
３３収差発生点
３４対物レンズの前焦点
４０トランスファレンズ

Claims

３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ主面を配置したことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を収差補正装置の収差発生点が対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように設定したことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、３次球面収差を補正したときの荷電粒子ビームの軌道を保持した状態で、５次球面収差および３次色収差を補正する機能を備えた請求項１〜２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。
収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を印加する機能を有した請求項１〜３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。
収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像の分解能を調整するために制御する機能を有した請求項１〜３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。
収差補正装置によって３次の球面収差を補正し、その後５次球面収差および３次色収差を補正するトランスファレンズのレンズ強度を、走査画像のコントラストを調整するために制御する機能を有した請求項１〜３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。
３次の球面収差を補正する収差補正装置と減速型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置の像点に配置された追加加速レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整される請求項７記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
３次の球面収差を補正する収差補正装置と電磁界重畳型対物レンズを備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置の像点に追加加速レンズを配置したことを特徴とする収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
収差補正装置の像点に配置された電磁界重畳型レンズは、収差補正装置の収差発生点を対物レンズの前焦点またはコマ‐フリー点に投射するように調整される請求項９記載の収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。
請求項１乃至１０の何れかに記載の３次の球面収差を補正する収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置において、収差補正装置は、４段の静電型多極子と、４段の静電型多極子の中央の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極子とより構成されており、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多極子を制御する制御部を有している収差補正装置を備えた荷電粒子ビーム装置。