JP2011175969A - 粒子ビーム装置および粒子ビーム装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のカラムを備える粒子ビーム装置に於いて、試料との相互作用粒子の高エネルギー分解能と検出効率を実現する。
【解決手段】第１粒子ビームカラム２、第２粒子ビームカラムおよび少なくとも１つの検出器３４を有する粒子ビーム装置に於いて、検出器は第１中空体３６，３７内部の第１吸入口３９，４０を有する第１キャビティ３５，３８内において、第１粒子ビームカラム２および第２粒子ビームカラムが配置される平面とは異なる平面上に配置される。第１粒子ビームカラム２上には少なくとも１つの制御電極４１が配置され、第２粒子ビームカラムは終端電極を有する。第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１吸入口３９，４０経由で第１中空体３６，３７内部の第１キャビティ３５，３８に入射するように、第１中空体電圧、制御電極電圧、および／または終端電極電圧を選択する。
【選択図】図３

Description

本発明は、粒子ビーム装置および粒子ビーム装置の動作方法に関する。

電子ビーム装置、特に、走査型電子顕微鏡（以下、本明細書においてはＳＥＭとも称する）は、ある特定の条件下におけるこれら試料の特徴および挙動についての情報を得るために試料を検査するために使用される。

ＳＥＭの場合、ビーム発生器により電子ビーム（以下、本明細書においては「一次電子ビーム」とも称する）を生成し、ビーム案内システム、特に、対物レンズにより、検査対象試料にこの電子ビームを集束させる。偏向装置により、一次電子ビームを検査対象試料表面にわたりラスタ状に通過させる。この場合、一次電子ビーム中の電子は試料成分と相互作用する。この相互作用の結果として、特に、相互作用粒子が発生する。特に、検査対象試料表面から電子（いわゆる二次電子）が放出され、一次電子ビームから電子が後方散乱される（いわゆる後方散乱電子）。これら二次電子および後方散乱電子を検出し、画像生成に用いる。その結果、検査対象試料表面の画像が得られる。

さらに、従来技術によれば、試料を検査するために用いる組み合わせ装置が知られており、この装置においては、電子とイオンの両方を検査対象試料に通過させることができる。例として、ＳＥＭにイオンビームカラムを付加的に設けることが知られている。イオンビームカラム内に設けたイオンビーム発生器によりイオンを生成し、このイオンを用いて試料を結像するための前処理（例えば、試料からの層の除去または試料への材料の塗布）等を行う。この場合、ＳＥＭを使用して、特に、この前処理等の観察を行い、処理済または未処理の試料をさらに検査する。

例として、上記の従来技術に関し、特許文献１（独国特許出願公開第１０２００６０５９１６２明細書）を参照する。

上記の画像生成に加え、相互作用粒子のエネルギーおよび／または質量をより詳細に分析することも可能である。例えば、質量分析法（mass spectroscopy）で知られる方法において、二次イオンをより詳細に検査する。この方法は、ＳＩＭＳ（secondary ion mass spectroscopy（二次イオン質量分析法））の略称で知られる。本方法において、検査対象試料表面に集束１次イオンビームを照射する。この過程で、相互作用粒子が発生し、これらの粒子は試料表面から放出された二次イオンとして、質量分析法により検出および検査される。この過程で、これらの二次イオンを、そのイオン質量およびイオン電荷に基づき選択および識別することにより、試料の組成について推断できる。

相互作用粒子を分析する際、可能な限り多くの相互粒子を検出することが望ましく、それにより、例えば、相互作用粒子の特徴について、ひいては検査対象試料の特徴についても、良好な画像形成または十分な表現が行われるようにする。その結果、相互作用粒子を検出する際の検出器の効率（以下、本明細書中においては検出器効率とも称する）向上に利することができる。さらに、相互作用粒子の分析において、相互粒子のエネルギーのエネルギー分解能向上にも利することができる。

相互粒子検出用の検出器を有する分析装置に入力アパーチャを設けて、例えば、一次電子ビームまたは一次イオンビームから電場を遮蔽することもできる。この場合にも、良好な検出器効率を達成するために、この入力アパーチャを検査対象試料にできるだけ近接して配置することが可能である。さらに、入力アパーチャに抽出電位を設定して抽出電場を発生させ、入力アパーチャを通過して分析装置に入射する相互作用粒子の数ができるだけ多くなるようにすることができる。

いわゆるエバーハート−ソーンリー（Everhart-Thornley）検出器を用いて、二次電子または後方散乱電子としての相互作用粒子を検出することが知られている。この検出器は、シンチレータおよび光電子増倍管を有する。シンチレータはコレクタで包囲され、コレクタは、内部にグリッドを配設した吸入口を有する。吸入口はグリッドで全面的に塞がれる。このコレクタとグリッドの電位は、例えば、（−４００）Ｖから４００Ｖの間で可変である。グリッドが正電位にあるとき、二次電子が引き寄せられ検出される。しかしながら、グリッドが（−５０）Ｖを下回る負電位にあるとき、二次電子はグリッドを通過できなくなる。実際には、高エネルギーの後方散乱電子がグリッドを通過し、その後シンチレータに入射する。

グリッド上の電位により生じた抽出電場は、通常、試料および粒子ビーム装置の対物レンズの部品により変形する。これにより、抽出電場が図らずも変化してしまうことがあり、検出器効率にも影響を及ぼす。したがって、相互作用粒子の検出には、高エネルギー分解能および高検出器効率の両方が必要である。

独国特許出願公開第１０２００６０５９１６２明細書

本発明は、したがって、高エネルギー分解能および／または高検出器効率で相互粒子を検出することのできる粒子ビーム装置を明示することを目的とする。

本発明によれば、上記目的は、請求項１に記載の特徴を有する粒子ビーム装置により達成される。本発明による方法は、請求項１４に記載の特徴により定義される。本発明のさらなる特徴は、以下の発明の詳細な説明、特許請求の範囲、および／または添付の図面により明らかになるであろう。

本発明による粒子ビーム装置は、内部に検査対象試料を配置した試料チャンバを有する。粒子ビーム装置は、さらに、第１光軸を有する第１粒子ビームカラムを有する。第１粒子ビームカラムは、第１粒子ビームを生成する第１ビーム発生器および第１粒子ビームを試料に集束する第１対物レンズを有し、第１粒子ビームが試料に達すると、第１粒子ビームと試料との間の相互作用により、第１相互作用粒子が生じる。例として、第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成し、第１ビーム発生器は、第１粒子ビームとしてイオンビームを生成する。このイオンビームが試料と相互作用することにより、特に、二次イオンが発生し、試料から放出される。

さらに、本発明による粒子ビーム装置は、第２光軸を有する第２粒子ビームカラムを有する。第２粒子ビームカラムは、第２粒子ビームを生成する第２ビーム発生器およびこの第２粒子ビームを試料上に集束する第２対物レンズを有し、第２粒子ビームが試料に達すると、第２粒子ビームと試料との間の相互作用により、第２相互作用粒子が生じる。例として、第２粒子ビームカラムは電子ビームカラムとして構成する。特に、例示的な一実施形態においては、第２粒子ビームカラムを、走査型電子顕微鏡のビームカラムとして構成する。このような構成により、第２ビーム発生器を用いて一次電子ビームを生成し、その一次電子ビームを第２対物レンズにより試料上に集束する。この一次電子ビームを、検査対象試料表面にわたりラスタ状に走査する。この過程で、一次電子ビーム中の電子が試料の成分と相互作用する。この相互作用により、特に二次相互作用粒子が発生する。特に、二次電子は試料表面から放出され、一次電子ビーム中の電子が後方散乱される（後方散乱電子）。二次電子および後方散乱電子を検出し、画像形成に用いる。その結果、検査対象試料表面の画像が得られる。

本発明による粒子ビーム装置は、さらに、少なくとも１つの検出器を有する。検出器は、第１中空体内部の第１キャビティ内に配置され、この第１キャビティは第１吸入口を有する。

さらに、本発明による粒子ビーム装置において、第１粒子ビームカラムの第１光軸および第２粒子ビームカラムの第２光軸は同一平面上に配置される。対照的に、この平面に対し傾斜または直交するように配置した第３軸線が、第１吸入口（例えば、実質的には第１吸入口の中央）から検出器（例えば、実質的には検出器の中央）まで伸びている。それぞれの場合において、第３軸線は、第１光軸および第２光軸が存在する平面と同じ平面上には存在しない。第１粒子ビームカラム、第２粒子ビームカラム、および検出器の互いに対する配置をこのように考えた場合、この配置は、少なくとも２つの異なる次元、特に、３つの異なる次元における配置に相当する。

さらに、本発明の粒子ビーム装置において、試料は試料電位にある。さらに、第１中空体は第１中空体電位にあり、第１中空体電圧は、第１中空体電位と試料電位との間の第１電位差である。さらに、制御電極電位にある少なくとも１つの制御電極を第１粒子ビームカラム内に配置する。さらに、制御電極電圧を供給し、この制御電極電圧を制御電極電位と試料電位との間の第３電位差とする。次に、終端電極電位にある終端電極を、第２粒子ビームカラム上に配置する。さらに、終端電極電圧を供給し、この終端電極電圧は終端電極電位と試料電位との間の第４電位差とする。

第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１吸入口を経由して第１中空体内部の第１キャビティに入射するような抽出電場を生じるように、第１中空体電圧、制御電極電圧、および／または終端電極電圧を選択する。その結果、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が検出器に達する。

分析により、本発明による粒子ビーム装置は、一方では、エネルギー分解能を確実に良好なものとし、他方では、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子、例えば、二次イオン検出の際の検出器効率を確実に良好なものとすることがわかった。高検出器効率を達成するには、特に、試料電位、第１中空体電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を互いに整合させて抽出電場を発生させ、キャビティの吸入口に十分な数の第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子を通過させて検出器により検出するようにする。第１粒子ビームカラムのビーム案内管および／または第２粒子ビームカラムのビーム案内管が同様に任意の電位にあるとすると、本発明の一実施形態においては、この電位も考慮して、試料電位、第１中空体電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を整合させる。

上述したように、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子の数を十分なものとするために、試料電位、第１中空体電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を互いに整合させるが、この整合は、例えば、あらかじめ実験的に測定した検出器効率または計算によりシミュレートした検出器効率が達成されるまで、上記の電位のうち少なくとも１つを変化させることにより達成される。この代案または追加として、さらなる実施形態においては、上記の電位のうち少なくとも１つについて読み出して利用することのできる値を設定し、これらの値はあらかじめデータメモリに記憶される。この場合、これらの値は、検出器に対する試料の位置の係数として、特に、試料の傾斜姿勢の関数としてデータメモリに記録される。代案または追加として、これらの値を、作動距離、すなわち、ｚ軸線に沿った試料ホルダの位置の関数としてデータメモリに記憶することもできる。特に、第１中空体電位、制御電極電位、および／または終端電極電位に関する値の集合を、試料の複数の位置、特に、複数の傾斜姿勢および／または複数の作動距離に対応させて、データメモリに記憶する。この代案または追加として、上記の電位の少なくとも１つに対する値を、データメモリに記憶した値を用いて補間することができる。

本発明による粒子ビーム装置の一実施形態において、粒子ビーム装置は、追加または代案として、次の特徴、すなわち、第１中空体電圧は第１電圧源ユニットにより設定することができること、制御電極電圧は第３電圧源ユニットにより設定することができること、または終端電極電圧は第４電圧源ユニットにより設定することができること、という特徴のうち少なくとも１つを備える。

本発明による粒子ビーム装置の一実施形態において、追加または代案として、検出器は検出器電位にあり、検出器電圧は、この検出器電位と試料電位との間の第２電位差である。例として、この検出器電圧は第２電圧源ユニットにより設定することができる。第１中空体電圧、検出器電圧、制御電極電圧、および／または終端電極電圧は、抽出電場を生じるように選択され、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１吸入口を経由して第１中空体内の第１キャビティに入射するようにする。試料電位、第１中空体電位、検出器電位、制御電極電位、および／または終端電極電位は、したがって、抽出電場を生じるように互いに整合され、その結果、十分な数の第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１キャビティの第１吸入口を通過して、検出器により検出される。

本発明による粒子ビーム装置のさらに別の実施形態において、追加または代案として、制御電極を第１粒子ビームカラムの外面上に配置する。代案として、または、この追加として、制御電極を第１粒子ビームカラムの外面上の凹所内に配置する。さらに、この追加または代案として、制御電極を凹所内に配置して、制御電極の外面と第１粒子ビームカラムの外面が連続平面を構成するようにする。しかしながら、本発明の制御電極は、特定のタイプ、形状、配置に限定されるものではない。実際は、任意の適切な制御電極を用いることができる。特に、本発明による粒子ビーム装置の一実施形態において、制御電極は第１粒子ビームカラムを部分的に包囲する。この代案として、制御電極は第１粒子ビームカラムを完全に包囲する。

本発明による粒子ビーム装置の一実施形態において、代案または追加として、試料電位は接地電位（０Ｖ）である。さらに、第１中空体電位は、この追加または代案として、（−１００）Ｖから（−５００）Ｖまでの範囲にある。この追加または代案として、検出器電位は（−１０）Ｖから（−５００）Ｖまでの範囲にある。本発明のさらなる実施形態において、制御電極電位は、追加または代案として、１００Ｖから８００Ｖの範囲にあり、および／または終端電極電位は（−５０）Ｖから（−２００）Ｖの範囲にある。本発明による粒子ビーム装置のさらなる実施形態において、第２粒子ビームカラムのビーム案内管の電位は、試料電位に対し１ｋＶから３０ｋＶの範囲にあり、例えば、８ｋＶである。

本発明による粒子ビーム装置のさらなる実施形態において、検出器を、追加または代案として、単独の中空体内のキャビティに配置するだけでなく、検出器を複数の中空体内に配置する。本実施形態の粒子ビーム装置は、したがって、第２キャビティを有する第２中空体を備える。第２中空体は第２中空体電位にある。第２中空体電圧は、第２中空体電位と試料電位との間の第５電位差である。第２中空体電圧は第５電圧源ユニットを用いて設定することができる。第１中空体および第２中空体は、例えば、管状電極として構成することができる。特に、第２中空体は第１中空体内部の第１キャビティ内に保持される。そして、検出器を第２中空体内部の第２キャビティ内に保持する。第１中空体電位および第２中空体電位は同じ大きさとすることができる。代替的な実施形態において、第１中空体電位および第２中空体電位は大きさが異なる。分析により、既に前述した試料電位、終端電極電位、検出器電位、および／または制御電極電位を考慮して第１中空体電位および第２中空体電位を適切に選択して抽出電場を発生させることにより、高い検出器効率が達成されることがわかった。十分な数の第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１キャビティの第１吸入口および第２キャビティの第２吸入口を通過し、検出器により検出される。

本粒子ビーム装置のさらなる実施形態において、第２中空体電位は、追加または代案として、接地電位（０Ｖ）であり、第１中空体電位は第２中空体電位とは異なるようにする。この代案として、第１中空体電位および第２中空体電位は接地電位（０Ｖ）ではないものとする。

本発明による粒子ビーム装置のさらなる実施形態において、第１中空体電圧、第２中空体電圧、および検出器電圧は、追加または代案として、単独の電圧源ユニットを用いて、例えば、第１電圧源ユニットを用いて設定することができる。さらなる実施形態において、第１中空体電圧および検出器電圧を、代案として、単独の電圧源ユニットを用いて、例えば第１電圧源ユニットを用いて設定することができる。さらに別の実施形態において、第２中空体電圧および検出器電圧を、代案として、単独の電圧源ユニットを用いて、例えば第５電圧源ユニットを用いて設定することができる。

本発明による粒子ビーム装置のさらに別の実施形態において、粒子ビーム装置は次の特徴、すなわち、
第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成し、第２粒子ビームカラムを電子ビームカラムとして構成したこと、または
第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成し、第２粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成したこと、
という特徴のうち１つを備える。

本発明は、また、上記特徴のうち少なくとも１つ、または上記特徴の組み合わせを有する粒子ビーム装置の動作方法に関する。特に、本発明による方法において、第１中空体電圧、検出器電圧、制御電極電圧、および終端電極電圧を供給する。さらに、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１吸入口を経由して第１中空体内部の第１キャビティに入射するように、第１中空体電圧、検出器電圧、制御電極電圧、および／または終端電極電圧を設定し、その結果、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が検出器により検出される。原則として、試料電位、第１中空体電位、検出器電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を互いに整合させて抽出電場を発生させ、十分な数の第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１キャビティの第１吸入口を通過して検出器により検出されるようにする。

粒子ビーム装置に２つの中空体を設けた場合、本発明による方法の一実施形態において、追加または代案として、第１中空体電圧および第２中空体電圧を供給する。さらに、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第１キャビティの第１吸入口および第２キャビティの第２吸入口を経由して第２中空体内部の第２キャビティに入射するように第１中空体電圧および第２中空体電圧を設定する。これら粒子は、その後、検出器により検出される。試料電位、第１中空体電位、第２中空体電位、検出器電位、制御電極電位および／または終端電極電位を互いに整合して抽出電場を発生させ、その結果、十分な数の第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子が第２キャビティの第２吸入口を通過して検出器により検出される。

本発明による方法の一実施形態において、試料電位は接地電位（０Ｖ）である。さらに、この追加または代案として、第１中空体電位および／または第２中空体電位の値を（−１００）Ｖから（−５００）Ｖの範囲で設定することができる。この追加または代案として、検出器電位の値を（−１０）Ｖから（−５００）Ｖの範囲で設定することができる。本発明による方法のさらなる実施形態において、制御電極電位の値を、追加または代案として、１００Ｖから８００Ｖの範囲で設定でき、および／または終端電極電位の値を（−５０）Ｖから（−２００）Ｖの範囲で設定することができる。本発明による方法のさらなる実施形態において、第２粒子ビームカラムのビーム案内管の電位を、試料電位に対し１ｋＶから３０ｋＶの範囲で、例えば、８ｋＶに設定することができる。

例として、第１相互作用粒子および／または第２相互作用粒子の数を十分なものとするため、試料電位、第１中空体電位、第２中空体電位、検出器電位、および／または終端電極電位を設定するが、これは、あらかじめ実験的に測定した検出器効率または計算によりシミュレートした検出器効率が達成されるまで、上記の電位のうち少なくとも１つを変化させることにより設定する。この代案または追加として、さらなる実施形態において、上記の電位のうち少なくとも１つについて読み出して利用することのできる値を設定し、これらの値はあらかじめデータメモリに記憶される。この場合、これらの値は、検出器に対する試料の位置の係数として、特に、試料の傾斜姿勢の関数としてデータメモリに記録される。代案または追加として、これらの値を、作動距離、すなわち、ｚ軸線に沿った試料ホルダの位置の関数としてデータメモリに記憶することもできる。特に、第１中空体電位、制御電極電位、および／または終端電極電位に関する値の集合を、試料の複数の位置、特に、複数の傾斜姿勢および／または複数の作動距離に対応させて、データメモリに記憶する。この代案または追加として、上記の電位の少なくとも１つに対する値を、データメモリに記憶した値を用いて補間することができる。

以下に、本発明を、例示的な実施形態および図面に基づき、さらに詳細に説明する。

第１粒子ビームカラムおよび第２粒子ビームカラムを有する粒子ビーム装置の概略図である。 図１に示す粒子ビーム装置の概略斜視図である。 図２に示す粒子ビーム装置内に配置した試料の領域を示す概略図である。 図３に示す試料の領域における電位線を示す概略図である。 シミュレーションの基礎となる試料の領域を示す概略図である。 図５に示す試料の領域における電位線を示す概略図である。 図２に示す粒子ビーム装置内に配置した試料の領域を示す別の概略図である。 図２に示す粒子ビーム装置内に配置した試料の領域を示すさらに別の概略図である。 図２に示す粒子ビーム装置内に配置した試料の領域を示すさらに別の概略図である。

図１は、本発明による粒子ビーム装置の一実施形態を示す概略図である。粒子ビーム装置１は、イオンビームカラムとして構成した第１粒子ビームカラム２、および電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３を有する。この代案として、第１粒子ビームカラム２および第２粒子ビームカラム３の両方をイオンビームカラムとして構成することもできる。第１粒子ビームカラム２および第２粒子ビームカラム３は、内部に検査対象試料１６を配置した試料チャンバ４９に取り付ける。

図２は、図１に示す粒子ビーム装置１をさらに詳細に示す図である。明瞭に図示するため、試料チャンバ４９は図示していない。イオンビームカラムとして構成した第１粒子ビームカラム２は第１光軸４を有する。さらに、電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３は第２光軸５を有する。

以下に、まず、電子ビームカラムとして構成した第２粒子ビームカラム３について説明する。第２粒子ビームカラム３は、第２ビーム発生器６、第１電極７、第２電極８、および第３電極９を有する。例として、第２ビーム発生器６は、熱電界エミッタである。第１電極７は抑制電極として機能し、一方、第２電極８は抽出電極として機能する。第３電極９は陽極として構成されるとともに、ビーム案内管１０の一端部を形成する。第２ビーム発生器６は、第２粒子ビームを電子ビームとして生成する。第２ビーム発生器６から出射された電子は、第２ビーム発生器６と第３電極９との間の電位差により、陽極電位に加速される。この電位差は、例えば、１ｋＶから３０ｋＶの範囲である。電子ビームとしての第２粒子ビームは、ビーム案内管１０を通過し、検査対象の試料１６上に集束される。これについては、以下により詳細に説明する。

ビーム案内管１０は、第１環状コイル１２およびヨーク１３を有するコリメータ装置１１を貫通する。第２ビーム発生器６から試料１６の方向に見て、コリメータ装置１１の後段に、可変ピンホールダイアフラム１４および第１検出器１５を、ビーム案内管１０内に第２光軸５に沿って配置する。第１検出器は中央開口１７を有する。その後、ビーム案内管１０は、第２対物レンズ１８の孔を貫通する。第２対物レンズ１８により、第２粒子ビームを試料１６上に集束する。この目的のため、第２対物レンズ１８は磁気レンズ１９および静電レンズ２０を有する。磁気レンズ１９には、第２環状コイル２１、内側磁極片２２、および外側磁極片２３を設ける。静電レンズ２０は、ビーム案内管１０の一端部２４および終端電極２５を有する。ビーム案内管１０の端部２４は終端電極２５とともに静電遅延装置を形成する。ビーム案内管１０の端部２４およびビーム案内管１０は、ともに陽極電位にあり、一方、終端電極２５および試料１６の電位は陽極電位よりも低い。このような構成により、第２粒子ビーム中の電子を、試料１６を検査する際に必要とされる所望のエネルギーレベルに制動することができる。第２粒子ビームカラム３は、さらに、ラスタ手段２６を有し、このラスタ手段により第２粒子ビームを偏向して、試料１６上をラスタ状に走査することができる。

結像の際は、ビーム案内管１０内に配置した第１検出器１５により、第２粒子ビームが試料１６と相互作用することにより生じる二次電子および／または後方散乱電子を検出する。第１検出器１５が発生する信号を電子ユニット（図示せず）に送信し、結像を行う。

試料１６を試料ステージ（図示せず）に配置することにより、試料１６は、互いに直交する３本の軸線（具体的には、ｘ軸線、ｙ軸線、およびｚ軸線）上を移動可能に配置される。さらに、試料ステージは、互いに直交する２本の回転軸を中心に回転させることができる。したがって、試料１６を所望の位置に移動することが可能である。

既述のように、第１粒子ビームカラム２はイオンビームカラムとして構成される。第１粒子ビームカラム２は、イオン源として構成した第１ビーム発生器２７を有する。第１ビーム発生器２７を用いて、第１粒子ビームをイオンビームとして生成する。さらに、第１粒子ビームカラム２には、抽出電極２８およびコリメータ２９を設ける。コリメータ２９の後段には、試料１６の方向に第１光軸４に沿って可変アパーチャ３０を設ける。集束レンズとして構成した第１対物レンズ３１により、第１粒子ビームを試料１６上に集束する。ラスタ電極３２を設けて、第１粒子ビームで試料１６上をラスタ状に走査するようにする。

第１粒子ビームが試料１６に達すると、第１粒子ビームは試料１６の成分と相互作用する。この過程で、第１相互作用粒子、特に、二次イオンが生じ、試料１６から放出される。ここで、これら第１相互作用粒子を第２検出器３４により検出するが、この検出については以下により詳細に説明する。

管状電極として構成した第１中空体３６内部の第１キャビティ３５内に、第２中空体３７を配置する。第２中空体は第２キャビティ３８を有する。第２中空体３７も管状電極として構成される。第２検出器３４を第２キャビティ３８内に配置する。第１キャビティ３５は、第１吸入口３９を有する。さらに、第２キャビティ３８は第２吸入口４０を有する。第３軸線３３は、実質的に第１吸入口３９の中央から、および実質的に第２吸入口４０の中央から、実質的に第２検出器３４の中央へ延在している（図３参照）。

第１粒子ビームカラム２の第１光軸４および第２粒子ビームカラム３の第２光軸５は、同一平面上に配置される。一方、第３軸線３３は、前述の平面に対し傾斜または直交するように位置合わせされる。第３軸線３３は、第１光軸４および第２光軸５を配置した平面上には存在しない。第１粒子ビームカラム２、第２粒子ビームカラム３、および第２検出器３４の相互配置は、３つの異なる次元における配置に相当する。

図３は、図２に示す領域、具体的には、試料１６の領域をより詳細に示す概略図である。図３において、試料１６の領域に配置した第１粒子ビームカラム２の端部、ならびに第２検出器３４のほか、第１中空体３６および第２中空体３７を示す。図３には第２粒子ビームカラム３は図示しない。試料１６の領域に配置した第１粒子ビームカラム２の端部は制御電極４１を有する。制御電極４１は、第１粒子ビームカラム２を部分的に、または、完全に包囲することを意図したものである。さらに、制御電極４１は、第１粒子ビームカラム２の外面４３上の凹所４２内に配置される。制御電極４１の外面および第１粒子ビームカラム２の外面４３は連続平面を構成する。しかしながら、本発明による制御電極４１の配置は上記の構成に限られるものではないことを、明示的に述べておく。実際には、制御電極４１は任意の形状とすることができ、本発明に適した方法で配置することができる。例えば、制御電極４１はフィルム状に設計することもでき、このフィルム状の制御電極４１を第１粒子ビームカラム２の周囲に巻回した構成とする。追加として、代替的な実施形態においては、第１粒子ビームカラム２の外面４３に凹所を設けない構成とする。

第１中空体３６は、第１中空体電位にある。第１中空体電圧は、第１中空体電位と試料電位との間の第１電位差である。例示的な本実施形態において、接地電位（０Ｖ）を試料電位とするが、試料電位は接地電位に限らない。実際には、異なる値を取ることもできる。第１中空体電圧すなわち第１中空体電位は、第１電圧源ユニット４４を用いて設定することができる。

さらに、第２検出器３４は検出器電位にある。検出器電圧は、検出器電位と試料電位との間の第２電位差である。検出器電圧すなわち検出器電位は、第２電圧源ユニット４５を用いて設定することができる。

制御電極４１も、任意の電位、具体的には制御電極電位にある。制御電極電圧は、制御電極電位と試料電位との間の第３電位差である。制御電極電圧すなわち制御電極電位は、第３電圧源ユニット４６を用いて設定することができる。

第２粒子ビームカラム３の終端電極２５にも、ある程度同様の条件が適用される。終端電極２５は、任意の電位、具体的には終端電極電位にある。終端電極電圧は、終端電極電位と試料電位との間の第４電位差である。終端電極電圧すなわち終端電極電位は、第４電圧源ユニット４７（図２参照）を用いて設定することができる。

第２中空体３７は、任意の電位、具体的には第２中空体電位となるであろうと想定される。第２中空体電圧は、第２中空体電位と試料電位との間の第５電位差である。第２中空体電極電圧すなわち第２中空体電位は、第５電圧源ユニット４８を用いて設定することができる。第１中空体電位および第２中空体電位は同じ大きさとすることができる。さらなる実施形態においては、第１中空体電位および第２中空体電位は大きさが異なる。

ここで、試料電位、第１中空体電位、第２中空体電位、検出器電位、制御電極電位、および／または終端電極電位を相互に整合させて抽出電場が生じるようにし、それにより、適切な数の第１相互作用粒子が二次イオンとして発生し、第１中空体３６内部の第１キャビティ３５に設けた第１吸入口３９および第２中空体３７内部の第２キャビティ３８に設けた第２吸入口４０を確実に通過し、第２検出器３４により確実に検出される。

先に述べたように、本実施形態において、試料電位は接地電位である。また、第１中空体電位および／または第２中空体電位は（−１００）Ｖから（−５００）Ｖの範囲で、検出器電位は（−１０）Ｖから（−５００）Ｖの範囲で、制御電極電位は１００Ｖから８００Ｖの範囲で、および／または終端電極電位は（−５０）Ｖから（−２００）Ｖの範囲であろうと想定する。

第２粒子ビームカラム３のビーム案内管１０における電位が８ｋＶであるとき、実質的に８％の二次イオンが第２検出器３４に到達するのは、第１中空体電位を（−２００）Ｖに、第２中空体を（−２０）Ｖに、検出器電位を（−２０）Ｖに、終端電極電位を（−８１）Ｖに、および制御電極電位を３５５Ｖにそれぞれ設定したときであることがわかった。第１中空体電位を（−４００）Ｖとし、第２中空体電位を（−５０）Ｖとし、検出器電位を（−５０）Ｖとし、終端電極電位を（−９０）Ｖとし、および制御電極電位を６００Ｖとしたとき、実質的に１５％の二次イオンが第２検出器３４に到達する。

図４に、図３に示す領域において第１中空体電位を（−２００）Ｖに、第２中空体電位を（−２０）Ｖに、検出器電位を（−２０）Ｖに、終端電極電位を（−８１）Ｖに、および制御電極電位を３５５Ｖにそれぞれ設定した場合の概略図を示す。図４に、抽出電場の電位線のプロファイルを示す。このプロファイルにより、二次イオンとして発生する第１相互作用粒子が第２検出器３４に確実に到達する。個々の電位線の間隔は、実質的に１０Ｖとする。

本発明の検出器効率を確認するため、比較配置においてシミュレーションを行った。比較配置を図５に示す。図５に、粒子ビーム装置１の試料１６の領域を示す。本シミュレーションにおいては、粒子ビーム装置１に粒子ビームカラムを設けない場合を想定する。本シミュレーションにおいては、妨害影響等の影響は全くないものとし、特に、粒子ビームカラムから発生する可能性のある影響を受けないものとする。図１〜図３における同一の部品は、図５において同一の参照符号を付して示す。例示的な本実施形態において、第１中空体３６、第２中空体３７、および第２中空体３７内部の第２キャビティ３８内に配置した第２検出器３４は、実質的に、試料１６の正面における試料１６に対して直角な位置に配置される。このような配置は、検出器効率を良好なものとするには有利である。なぜなら、この配置を試料１６のすぐ近くに隣接させることで、第２検出器３４により非常に多数の二次イオンを検出することが可能となるからである。しかしながら、図５に示すこのような配置は、通常、実行可能ではない。なぜなら、粒子ビーム装置内にはこの配置を可能とする物理的空間がない場合が多く、および／またはその他の条件（例えば、試料１６の移動）はこのような配置は不可能だからである。図５に示す配置では、各部品はそれぞれ任意の電位にあるように計画される。試料１６は試料電位にあり、この試料電位は、本実施形態においては、接地電位に相当する。さらに、第２検出器３４は検出器電位にあり、この電位は第２電圧源ユニット４５により設定することができる。第１中空体３６は第１中空体電位にあり、この電位は第１電圧源ユニット４４により設定することができる。さらに、第２中空体３７は任意の電位、具体的には第２中空体電位にあり、この電位は第５電圧源ユニット４８により設定することができる。電位の設定可能性については、先に述べた内容も参照されたい。

図５に示す例示的な実施形態において、第２検出器３４の検出器電位および第２中空体電子は互いに等しくなるように選択する。別の例示的な実施形態においては、検出器電位と第２中空体電位は異なる値をとる。

先に述べたように、本実施形態における試料電位は接地電位（０Ｖ）とする。また、第１中空体電位および第２中空体電位は（−２００）Ｖから（−５００）Ｖの範囲であろうと想定され、検出器電位は（−１０）Ｖから（−５００）Ｖの範囲であろうと想定される。第１中空体電位を（−２００）Ｖとし、第２中空体電位を（−２０）Ｖとし、および検出器電位を（−２０）Ｖとすると、実質的に９％の二次イオンが第２検出器３４に到達するような抽出電場を生じることがわかった。第１中空体電位を（−４００）Ｖとし、第２中空体電位を（−５０）Ｖとし、および検出電位を（−５０）Ｖとしたとき、実質的に１７％の二次イオンが第２検出器３４に到達するような抽出電場を生じる。図５Ａに、抽出電場の電位線のプロファイルを示す。ここまでにおいて、シミュレーションにより、本発明は、図５に示す比較配置と実質的に同等の検出器効率を有することがわかった。

図６に、試料１６の領域の別の概略図を示す。図６は図３に基づくため、まずは先に述べた内容を参照されたい。図３に示した例示的な実施形態とは対照的に、図６に示す例示的実施形態の場合には、第１中空体電圧、第２中空体電圧、および検出器電圧の設定は、単独の電圧源ユニットを用いて、具体的には、第１電圧源ユニット４４を用いて行う。

図７に、さらに別の例示的な実施形態を示す。図６は図３に基づくため、まずは先に述べた内容を参照されたい。図３に示した例示的な実施形態とは対照的に、図７に示す例示的実施形態の場合には、第１中空体電圧および検出器電圧の設定は単独の電圧源ユニットを用いて、具体的には、第１電圧源ユニット４４を用いて行う。第２中空体電圧の設定は、第５電圧源ユニット４８を用いて行う。

図８にも同様に、さらに別の例示的実施形態を示す。図８は図３に基づくため、まずは先に述べた内容を参照されたい。図３に示した例示的な実施形態とは対照的に、図８に示す例示的実施形態の場合には、第２中空体電圧および検出器電圧の設定は単独の電圧源ユニットを用いて、具体的には、第５電圧源ユニット４８を用いて行う。第１中空体電圧の設定は、第１電圧源ユニット４４を用いて行う。

望ましい例示的な実施形態においては、第１中空体３６および第２中空体３７を用いることを想定している。しかしながら、本発明は、２つの中空体を使用することに限定されないことを明示的に述べておく。実際には、本発明のさらなる実施形態においては、中空体を３つ以上設けることを想定する。また、別のさらなる実施形態においては、単独の中空体３６のみを使用することを想定し、その中空体内部の第１キャビティ３５内に第２検出器３４を配置する。

第２検出器３４は、任意に選択した検出器とすることができ、例えば、シンチレーション検出器または半導体検出器とすることができる。さらに別の実施形態においては、第２検出器３４を分光検出装置、例えば、ＳＩＭＳを実行する装置として構成されるであろうと想定することは、既に前述したとおりである。

本発明のさらなる実施形態において、各電圧源ユニット、具体的には、第１電圧源ユニット４４、第２電圧源ユニット４５、第３電圧源ユニット４６、第４電圧源ユニット４７、および第５電圧源ユニット４８のうち少なくとも１つをバイポーラ電圧源ユニットとして構成する。この構成により、正または負に帯電した第１相互作用粒子が第２検出器３４に達するように数学記号を設定することができる。

本発明のさらに別の実施形態において、試料電位を接地電位以外の電位に設定することができる。この場合、制御電極電位、終端電極電位、検出器電位、第１中空体電位、および／または第２中空体電位を接地電位に設定することができる。

本発明のさらに別の実施形態において、第１中空体３６全体および第２中空体３７全体には電位を与えずに、第１中空体３６の第１端部５０にのみ第１中空体電位を与え、第２中空体３７の第２端部５１にのみ第２中空体電位を与える。

本発明の全ての実施形態は、第１相互作用粒子を二次イオンとして検出する場合に良好な検出器効率が確保される点において有利である。試料電位、第１中空体電位、第２中空体電位、検出器電位、終端電極電位、および／または制御電極電位を相互に整合させて抽出電場が生じるようにし、それにより、適切な数の第１相互作用粒子が第１吸入口３９および第２吸入口４０を通過し、第２検出器３４により検出されるようにする。

１ 粒子ビーム装置
２ 第１粒子ビームカラム（イオンビームカラム）
３ 第２粒子ビームカラム（電子ビームカラム）
４ 第１光軸
５ 第２光軸
６ 第２ビーム発生器
７ 第１電極
８ 第２電極
９ 第３電極
１０ ビーム案内管
１１ コリメータ装置
１２ 第１環状コイル
１３ ヨーク
１４ 可変ピンホールダイアフラム
１５ 第１検出器
１６ 試料
１７ 中央開口
１８ 第２対物レンズ
１９ 磁気レンズ
２０ 静電レンズ
２１ 第２環状コイル
２２ 内側磁極片
２３ 外側磁極片
２４ ビーム案内管の端部
２５ 終端電極
２６ ラスタ手段
２７ 第１ビーム発生器
２８ 抽出電極
２９ コリメータ
３０ 可変アパーチャ
３１ 第１対物レンズ
３２ ラスタ電極
３３ 第３軸線
３４ 第２検出器
３５ 第１キャビティ
３６ 第１中空体
３７ 第２中空体
３８ 第２キャビティ
３９ 第１吸入口
４０ 第２吸入口
４１ 制御電極
４２ 凹所
４３ 外面
４４ 第１電圧源ユニット
４５ 第２電圧源ユニット
４６ 第３電圧源ユニット
４７ 第４電圧源ユニット
４８ 第５電圧源ユニット
４９ 試料チャンバ
５０ 第１端部
５１ 第２端部

Claims (15)

1. 試料チャンバ（４９）、
   前記試料チャンバ（４９）内に配置した試料（１６）、
   第１光軸（４）を有する第１粒子ビームカラム（２）であって、該第１粒子ビームカラム（２）は、第１粒子ビームを生成する第１ビーム発生器（２７）および該第１粒子ビームを前記試料（１６）上に集束する第１対物レンズ（３１）を有し、前記第１粒子ビームが前記試料（１６）に達すると、該第１粒子ビームと該試料（１６）との間の相互作用により、第１相互作用粒子が生じることを特徴とする、第１粒子ビームカラム、
   第２光軸（５）を有する第２粒子ビームカラム（３）であって、該第２粒子ビームカラム（３）は第２粒子ビームを生成する第２ビーム発生器（６）および該第２粒子ビームを前記試料（１６）上に集束する第２対物レンズ（１８）を有し、前記第２粒子ビームが前記試料（１６）に達すると、該第２粒子ビームと該試料（１６）との間の相互作用により、第２相互作用粒子が生じることを特徴とする、第２粒子ビームカラム、および
   第１中空体（３６，３７）内部の第１キャビティ（３５，３８）内に配置した少なくとも１つの検出器（３４）であって、該第１キャビティ（３５，３８）は第１吸入口（３９，４０）を有し、第３軸線（３３）は第１吸入口（３９，４０）から検出器（３４）へ伸びていることを特徴とする、少なくとも１つの検出器、
   を備えた粒子ビーム装置であって、
   前記第１粒子ビームカラム（２）の前記第１光軸（４）および前記第２粒子ビームカラム（３）の前記第２光軸（５）は同一平面上に配置され、
   前記第３軸線（３３）は前記平面に対して傾斜または直交するように配置され、
   前記試料（１６）は試料電位にあり、
   前記第１中空体（３６，３７）は第１中空体電位にあり、第１中空体電圧は、前記第１中空体電位と前記試料電位との間の第１電位差であり、
   制御電極電位にある少なくとも１つの制御電極（４１）が第１粒子ビームカラム（２）上に配置され、
   制御電極電圧は、前記制御電極電位と前記試料電位との間の第３電位差であり、
   前記第２粒子ビームカラム（３）は、終端電極電位にある終端電極（２５）を有し、
   終端電極電圧は、前記終端電極電位と前記試料電位と間の第４電位差であり、
   前記第１相互作用粒子および／または前記第２相互作用粒子が前記第１吸入口（３９，４０）を経由して前記第１中空体（３６，３７）内部の前記第１キャビティ（３５，３８）に入射するように、前記第１中空体電圧、前記制御電極電圧および／または前記終端電極電圧を選択した、
   粒子ビーム装置。
2. 請求項１に記載の粒子ビーム装置（１）であって、次の特徴、すなわち、
   前記第１中空体電圧は第１電圧源ユニット（４４）を用いて設定可能であること、
   前記制御電極電圧は第３電圧源ユニット（４６）を用いて設定可能であること、または
   前記終端電極電圧は第４電圧源ユニット（４７）を用いて設定可能であること、
   という特徴のうち、少なくとも１つを備える粒子ビーム装置
3. 請求項１または２に記載の粒子ビーム装置（１）において、
   前記検出器（３４）は検出器電位にあり、検出器電圧は、前記検出器電位と前記試料電位との間の第２電位差であり、
   前記第１相互作用粒子および／または前記第２相互作用粒子が前記第１吸入口（３９，４０）を経由して前記第１中空体（３６，３７）内部の前記第１キャビティ（３５，３８）に入射するように、前記第１中空体電圧、前記検出器電圧、前記制御電極電圧、および／または前記終端電極電圧を選択した、
   粒子ビーム装置。
4. 請求項３に記載の粒子ビーム装置（１）において、前記検出器電圧は第２電圧源ユニット（４５）を用いて設定可能である、粒子ビーム装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）であって、次の特徴、すなわち、
   前記制御電極（４１）を前記第１粒子ビームカラム（２）の外面（４３）上に配置したこと、
   前記制御電極（４１）を前記第１粒子ビームカラム（２）の外面（４３）上の凹所（４２）内に配置したこと、または
   前記制御電極（４１）は前記第１粒子ビームカラム（２）の外面（４３）上の凹所（４２）内に配置され、前記制御電極（４１）の外面と前記第１粒子ビームカラム（２）の前記外面（４３）が連続平面を構成すること、
   という特徴のうちの１つを備える粒子ビーム装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）であって、次の特徴、すなわち、
   前記制御電極（４１）は前記第１粒子ビームカラム（２）を部分的に包囲すること、または
   前記制御電極（４１）は前記第１粒子ビームカラム（２）を完全に包囲すること、
   という特徴のうちの１つを備える粒子ビーム装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）であって、次の特徴、すなわち、
   前記第１中空体電位は（−１００）Ｖから（−５００）Ｖの範囲にあること、
   前記制御電極電位は１００Ｖから８００Ｖの範囲にあること、または
   前記終端電極電位は（−５０）Ｖから（−２００）Ｖの範囲にあること、
   という特徴のうち、少なくとも１つを備える粒子ビーム装置。
8. 請求項３又は請求項３に従属する請求項４〜７のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）において、前記検出器電位は（−１０）Ｖから（−５００）Ｖの範囲にある、粒子ビーム装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）において、
   該粒子ビーム装置（１）は、第２キャビティ（３８）を有する第２中空体（３７）を備え、
   前記第２中空体（３７）は第２中空体電位にあり、
   第２中空体電圧は、前記第２中空体電位と前記試料電位との間の第５電位差である、
   粒子ビーム装置。
10. 請求項９に記載の粒子ビーム装置（１）において、前記第２中空体電圧は第５電圧源ユニット（４８）を用いて設定可能である、粒子ビーム装置。
11. 請求項９または１０に記載の粒子ビーム装置（１）において、
    前記第２中空体電位は接地電位であり、
    前記第１中空体電位は前記第２中空体電位とは異なるようにした、
    粒子ビーム装置。
12. 請求項９または１０に記載の粒子ビーム装置（１）において、前記第１中空体電位および前記第２中空体電位は接地電位ではない、粒子ビーム装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）であって、次の特徴、すなわち、
    前記第１粒子ビームカラム（２）をイオンビームカラムとして構成し、前記第２粒子ビームカラム（３）を電子ビームカラムとして構成したこと、または
    前記第１粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成し、前記第２粒子ビームカラムをイオンビームカラムとして構成したこと、
    という特徴のうち１つを備える粒子ビーム装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の粒子ビーム装置（１）の動作方法であって、
    第１中空体電圧を供給するステップ、
    制御電極電圧を供給するステップ、
    終端電極電圧を供給するステップ、および
    前記第１相互作用粒子および／または前記第２相互作用粒子が前記第１キャビティ（３５，３８）の前記第１吸入口（３９，４０）を経由して前記第１中空体（３６，３７）内部の該第１キャビティ（３５，３８）に入射するように、前記第１中空体電圧、前記制御電極電圧、および／または前記終端電極電圧を設定するステップ、
    を含む、動作方法。
15. 請求項１４に記載の動作方法であって、
    検出器電圧を供給するステップ、および
    前記第１相互作用粒子および／または前記第２相互作用粒子が前記第１キャビティ（３５，３８）の前記第１吸入口（３９，４０）を経由して前記第１中空体（３６，３７）内部の該第１キャビティ（３５，３８）に入射するように、前記第１中空体電圧、前記検出器電圧、前記制御電極電圧、および／または前記終端電極電圧を設定するステップ、
    を含む、動作方法。

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