JP2009094020A - 荷電粒子ビーム反射装置と電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】非対称な高次の収差を発生させずに色収差，球面収差を補正することのできる荷電粒子ビーム反射装置と電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】直線光軸上１０Ａに所定間隔を隔てて配置されるとともに、電子銃１１から直線光軸上１０Ａに沿って放射された荷電粒子ビームを通過させる通過穴２１ａ，２２ａを有し、印加電圧に応じて荷電粒子ビームを反射させたり、通過穴２１ａ，２２ａを通過させたりする機能を有する少なくとも２つの静電ミラー２１，２２と、この２つの静電ミラー２１，２２に印加する電圧を制御する制御装置３０とを備え、この制御装置３０は、反射機能を与える反射電圧を静電ミラー２１，２２にそれぞれ所定のタイミングで印加し、電子銃１１からの荷電粒子ビームを静電ミラー２１，２２の間で複数回反射させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、色収差および球面収差を補正することのできる荷電粒子ビーム反射装置と電子顕微鏡とに関する。

一般に、電子線の波長は、加速度電圧が例えば２００ｋＶで０.０２４Åであり、電子顕微鏡の分解能を波長のオーダーまで高めることは理論的には可能であるが、現状の電子顕微鏡の分解能は１.９Åにとどまっている。これは、色収差と球面収差の補正が実現していないためである。

しかし、静電ミラーを使用することで色収差および球面収差を補正することが知られている。

従来、この静電ミラーを使用して色収差および球面収差の補正を図った電子顕微鏡が知られている（特許文献１参照）。

かかる電子顕微鏡は、結像系の一部に、電子ビームを９０度偏向させるビーム偏向器を配置し、このビーム偏向器によって偏向された電子ビームを反射させる静電ミラーを設け、この静電ミラーで反射された電子ビームをビーム偏向器が再度９０度偏向させてもとの光軸に戻すようにしたものである。
特開平５−２０５６８７号公報

しかしながら、このような電子顕微鏡にあっては、ビーム偏光器で電子ビームを９０度偏向させて静電ミラーに入射させ、この静電ミラーで反射した電子ビームをさらにビーム偏光器で９０度偏向させてもとの光軸に戻しているが、このビーム偏光器は、電子ビームを９０度曲げる際の電界・磁界が回転対称ではなく、さらに電子ビームを９０度曲げる際の電界・磁界のフリンジング効果の影響により非対称な高次の収差が発生し易いという問題があった。

特に、フリンジングの影響を正確にシミュレーション通りに制御することは難しく、高次の収差を制御して分解能を波長のオーダーまで高めることは難しい。

この発明の目的は、フリンジングの影響による高次の収差を発生させずに色収差および球面収差を補正することのできる荷電粒子ビーム反射装置と、この荷電粒子ビーム反射装置を備えた電子顕微鏡を提供することにある。

請求項１の発明は、直線光軸上に所定間隔を隔てて配置されるとともに、荷電粒子ビーム源から前記直線光軸上に沿って放射された荷電粒子ビームを通過させる通過穴を有し、印加電圧に応じて前記荷電粒子ビームを反射させたり、前記通過穴を通過させたりする機能を有する少なくとも２つの静電ミラーと、
この２つの静電ミラーに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
この電圧制御部は、反射機能を与える反射電圧を少なくとも２つの静電ミラーのそれぞれに所定のタイミングで印加して、前記荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームを少なくとも２つの静電ミラーの間で複数回反射させることをことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム反射装置を備えた電子顕微鏡であることを特徴とする。

この発明によれば、荷電粒子ビームを通過させる通過穴を有し、印加電圧に応じて前記荷電粒子ビームを反射させたり、前記通過穴を通過させたりする機能を有する少なくとも第１，第２静電ミラーを備えているので、フリンジングの影響による高次の収差を発生させずに独立に色収差および球面収差を補正することができる。

以下、この発明に係る荷電粒子ビーム反射装置を備えた電子顕微鏡の実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。

［第１実施例］
図１は走査型の電子顕微鏡１０を示すものである。この電子顕微鏡１０は、荷電粒子ビームである電子ビームを直線光軸１０Ａ上に沿って放射する電子銃（荷電粒子ビーム源）１１と、この放射された電子ビームを収束する第１収束レンズ１２と、第２収束レンズ１３と、試料１８に向けて電子ビームを照射する対物レンズ１４と、第２収束レンズ１３と対物レンズ１４との間に設けられた荷電粒子ビーム反射器２０と、この荷電粒子ビーム反射器２０と対物レンズ１４との間に設けられ且つ電子ビームを走査するための偏光器１５，１６と、資料１８と対物レンズ１４との間に設けられた二次電子検出器１７等とを備えている。

電子銃１１は、例えば１〜３ｋＶの加速電圧で電子ビームを放射するものである。

荷電粒子ビーム反射器２０は、互いに所定距離隔てて直線光軸１０Ａ上に配置された第１，第２静電ミラー２１，２２を有している。

第１静電ミラー２１は、電子銃１１側に配置された第１電極２１Ａと、この第１電極２１Ａの電位より低い電位となる電圧が印加される第２電極２１Ｂと、第１，第２電極２１Ａ，２１Ｂに形成され且つ直線光軸１０Ａ上に沿って放射された荷電粒子ビームを通過させる通過穴２１ａとを有している。同様に、第２静電ミラー２２は、第１電極２２Ａと、この第１電極２２Ａの電位より低い電位となる電圧が印加される第２電極２２Ｂと、第１，第２電極２２Ａ，２２Ｂに形成され且つ直線光軸１０Ａ上に沿って放射された荷電粒子ビームを通過させる通過穴２２ａとを有し、第１，第２静電ミラー２１，２２の第２電極２１Ｂ，２２Ｂは互いに相対向している。なお、第１電極２１Ａ，２２Ａはアースしてもよい。

そして、第１，第２静電ミラー２１，２２の印加電圧は制御装置３０によって制御され、この制御装置３０と荷電粒子ビーム反射器２０とで荷電粒子ビーム反射装置が構成される。
［動 作］
次に、上記のように構成される電子顕微鏡１０の動作を図２に示すタイムチャートに基づいて説明する。

電子銃１１から直線光軸１０Ａ上に沿って荷電粒子である電子ビームが放射され、この電子ビームが第１，第２収束レンズ１２，１３を通過して荷電粒子ビーム反射器２０の第１静電ミラー２１に到達する以前（第１タイミング）に、制御装置３０は、第１静電ミラー２１に加速電圧値より大きさ（絶対値）が小さい通過電圧Ｖ１Ｔを印加して、電子ビームを第１静電ミラー２１の通過穴２１ａを通過させる。

第１静電ミラー２１の通過穴２１ａを通過した電子ビームが第２静電ミラー２２に到達する以前（第２タイミング）に、制御装置３０は、第２静電ミラー２２に加速電圧値より大きさ（絶対値）が大きい反射電圧Ｖ２Ｒを印加して、電子ビームを第２静電ミラー２２で反射させる。

第２静電ミラー２２で反射された電子ビームが第１静電ミラー２１に到達する以前（第３タイミング）に、制御装置３０は、第１静電ミラー２１に加速電圧値より大きさ（絶対値）が大きい反射電圧Ｖ１Ｒを印加して、電子ビームを第１静電ミラー２１で反射させる。

第１静電ミラー２１で反射された電子ビームが第２静電ミラー２２に到達する以前（第４タイミング）に、制御装置３０は、第２静電ミラー２２に加速電圧値より大きさ（絶対値）が小さい通過電圧Ｖ２Ｔを印加して、電子ビームを第２静電ミラー２２の通過穴２２ａを通過させる。

これら一連の動作を繰り返すことにより、荷電粒子ビーム反射器２０から電子ビームが所定周期毎にパルスＰ状に射出されていく。

ここで、図２に示す時間ｔ１は、電子ビームが第１静電ミラー２１を通過してから第２静電ミラー２２へ到達する時間に、時間ｔ２は電子ビームが第２静電ミラー２２で反射されてから第１静電ミラー２１へ到達する時間に、時間ｔ３は電子ビームが第１静電ミラー２１で反射されてから第２静電ミラー２２へ到達する時間に相当している。時間ｔ１〜ｔ３は、第１，第２静電ミラー２１，２２間の距離と、この第１，第２静電ミラー２１，２２間を通過する電子のエネルギーにより変わってくる。なお、ｔ１〜ｔ３の時間のオーダーは例えばピコ秒またはナノ秒である。

図２に示すタイムチャートでは、時間ｔ１と時間ｔ２との間に第１静電ミラー２１へ通過電圧Ｖ１Ｔが印加され、時間ｔ２と時間ｔ３との間に第２静電ミラー２２へ反射電圧Ｖ２Ｒが印加されているが、連続的に印加せずにパルス状（断続的）に印加してもよい。

偏向器１５，１６の印加電圧は、荷電粒子ビーム反射器２０電子ビーム（パルスＰ）が射出されるタイミングおよびそのパルスＰ幅に合わせて制御され、その電子ビームは対物レンズ１４を介して試料１８を照射しながら走査していく。すなわち、パルスＰ幅と水平走査期間とを一致させ、パルスＰとパルスＰとの間の期間Ｔ１をその水平走査のブランキング期間に合わせることにより、電子ビームを効率良く試料１８上を走査させることができる。

ところで、荷電粒子ビーム反射器２０内では、電子ビームが第１静電ミラー２１と第２静電ミラー２２との間で反射されるだけであるから、ミラーの特徴である回転対称系を維持し、しかもフリンジングの影響による高次の収差を発生させずに、第１，第２静電ミラー２１，２２の反射によって対物レンズ１４等で発生する色収差および球面収差を補正することができる。

色収差は、速度が大きい電子ほど静電ミラーの領域に到達して反射されるまでの移動時間が長くなり、静電ミラーによる作用を強く受けることにより補正することができる。

また、球面収差に関しては、電子レンズの場合、光軸外の方がレンズアクションが強く正の球面収差が生じるが、静電ミラーの場合、光軸に近い方がレンズアクションが強く負の球面収差が生じるので、電子レンズの球面収差を静電ミラーで補正することができる。

この第１実施例では、電子ビームを第１，第２静電ミラー２１，２２で１回づつ反射させているが、複数回反射させるようにしてもよい。
［第２実施例］
図３は荷電粒子ビーム反射装置を設けた透過型の電子顕微鏡５０を示したものであり、この電子顕微鏡５０は、荷電粒子ビームである電子ビームを直線光軸５０Ａ上に沿って放射する電子銃５１と、この放射された電子ビームを収束する第１収束レンズ５２および第２集束レンズ５７と、対物レンズ５３と、中間レンズ５６と、投影レンズ５４と、蛍光板５５と、対物レンズ５３と中間レンズ５６との間に設けられた荷電粒子ビーム反射器２０等とを備えている。なお、蛍光板５５は、ＣＣＤ検出器でもよい。

図３では、対物レンズ５３と中間レンズ５６との間に静電ミラー補正系である荷電粒子ビーム反射器２０を配置しているが、中間レンズ５６と投影レンズ５４との間に配置してもよい。

また、第１実施例と同様に、ブランキング期間がある場合は、２つのパルス間の期間をブランキング期間に合わせるように設定することにより、電子ビームを効率よく試料１８に照射することができる。

この電子顕微鏡５０も第１実施例と同様にフリンジングの影響による高次の収差を発生させずに、対物レンズ５３の色収差および球面収差を補正することができる。
［第３実施例］
図４は他の例の荷電粒子ビーム反射器１２０の構成を示したものである。

この荷電粒子ビーム反射器１２０は、第１，第２静電ミラー２１，２２の外周囲に、全体を負の電位にして、静電ミラー系の内部を通過する電子の速度を減速させる減速器１２３（図１，図３参照）を配置したものである。減速器１２３の前後には電子ビームを通過させる通過穴１２１ａを有するアース電極１２１と、電子ビームを通過させる通過穴１２２ａを有するアース電極１２２とが配置されている。

減速器１２３には、電子銃１１，５１の加速電圧とほぼ等しい一定の電圧Ｖ３を印加させて、ミラー系全体を加速電圧とほぼ等しい電位にするとよい。このようにすることにより、第１，第２静電ミラー２１，２２の反射作用をより低い電圧で実現することができ、第１，第２静電ミラー２１，２２による電子ビームの反射や通過の高速処理が可能となる。

上記実施例ではいずれも二段の静電ミラーを用いた例を示したが、これに限らず、３段以上の静電ミラーを使用して電子ビームを３回以上反射させる構成にしてもよい。

また、第１，第２静電ミラー２１，２２は、電極が１つの場合の例を示したが、複数の電極を有する静電ミラーであってもよい。また、磁場が重畳されるように構成された電極を用いてもよい。

荷電粒子ビーム反射器２０は、図１または図３に示す部分に限らず、基本的にどの部分に組み込んでもよいが、補正の効果が最もよいところ、すなわち対物レンズに最も近いところに組み込むのがよい。

なお、収差を補正する装置として多極子（例えば６極子）を用いる装置が知られているが、本発明の荷電粒子ビーム反射装置は、６極子と組み合わせて用いてもよい。多極子に用いる系による色収差補正に関しては、球面収差補正により１桁以上高い、厳しい精度が要求される。そこで、本発明の荷電粒子ビーム反射装置で色収差を補正し、多極子を用いる系で球面収差を補正するなど、２種類の補正装置を組み合わせて用いてもよい。

上記実施例では、荷電粒子として電子線を用いる例を示したが、陽子線やイオンビームなどにも適用できる。陽子線のようなプラスの電荷を帯びた荷電粒子ビームを用いる際は、第１，第２静電ミラー２１，２２の第２電極２１Ｂ，２２Ｂの電位をプラスにし、第１電極２１Ａ，２２Ａの電位より高くする必要がある。

上記実施例では、いずれも走査型や透過型の電子顕微鏡に組み込む荷電粒子ビーム反射装置について説明したが、これに限らず、荷電粒子ビームを用いた半導体製造・検査装置、電子線露光装置、イオン注入装置などに組み込むことも可能である。

この発明に係る電子顕微鏡の第１実施例の構成を示した説明図である。 図１に示す荷電粒子ビーム反射器の動作を示したタイムチャートである。 第２実施例の電子顕微鏡の構成を示した説明図である。 第３実施例の電子顕微鏡の構成を示した説明図である。

符号の説明

１０ 電子顕微鏡
１０Ａ 直線光軸
１１ 電子銃（荷電粒子ビーム源）
２１ 第１静電ミラー
２１ａ 通過穴
２２ 第２静電ミラー
２２ａ 通過穴
３０ 制御装置（電圧制御部）

Claims (5)

1. 直線光軸上に所定間隔を隔てて配置されるとともに、荷電粒子ビーム源から前記直線光軸上に沿って放射された荷電粒子ビームを通過させる通過穴を有し、印加電圧に応じて前記荷電粒子ビームを反射させたり、前記通過穴を通過させたりする機能を有する少なくとも２つの静電ミラーと、
   この２つの静電ミラーに印加する電圧を制御する電圧制御部とを備え、
   この電圧制御部は、反射機能を与える反射電圧を少なくとも２つの静電ミラーのそれぞれに所定のタイミングで印加して、前記荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームを少なくとも２つの静電ミラーの間で複数回反射させることをことを特徴とする荷電粒子ビーム反射装置。
2. 前記荷電粒子ビーム源側に配置された静電ミラーが第１静電ミラーとされ、
   この第１静電ミラーに対向する静電ミラーが第２静電ミラーとされ、
   前記電圧制御部は、前記第１静電ミラーに通過機能を与える通過用電圧を第１タイミングで印加し、第２静電ミラーに反射機能を与える第２反射用電圧を第２タイミングで印加し、第１静電ミラーに反射機能を与える第１反射用電圧を第３タイミングで印加するように構成され、
   前記第２タイミングは、前記第１静電ミラーに第１タイミングで印加された通過用電圧によって第１静電ミラーの通過穴を通過した荷電粒子ビームが第２静電ミラーに到達する以前に設定され、
   前記第３タイミングは、前記第２静電ミラーで反射された荷電粒子ビームが第１静電ミラーに到達する以前に設定され、
   前記荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームを第１静電ミラーと第２静電ミラーとの間で複数回反射させることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子ビーム反射装置。
3. 前記静電ミラーの外周囲に、荷電粒子ビームを減速させる減速器を設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の荷電粒子ビーム反射装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の荷電粒子ビーム反射装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
5. 前記電子顕微鏡は、静電ミラーの通過穴を通過して前記荷電粒子ビーム反射装置から放射される荷電粒子ビームのパルス間の期間と、ブランキング期間とを合わせるように設定されていることを特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。

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