JP2011238387A - Electronic probe device using emitter array - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electronic probe device using an emitter array in which the probe current can be increased while keeping the diameter of a probe.SOLUTION: The electronic probe device comprises: an FE emitter array 1 arranged in the shape of a ring; a lens 2 which focuses a beam of the FE emitter array 1 to a diffraction surface; an iris 3 arranged on the diffraction surface; and an optical system 5 which irradiates a sample 6 with the reduced image of the diaphragm face of the iris 3. The electronic probe device is configured to increase a probe current while keeping the probe diameter of the device.

Description

本発明はエミッタアレイを用いた電子プローブ装置に関し、更に詳しくはプローブ電流を増やすことができ、また球面収差を補正することができるようにした電子プローブ装置に関する。   The present invention relates to an electron probe apparatus using an emitter array, and more particularly to an electron probe apparatus that can increase a probe current and correct spherical aberration.

微小な円錐状のエミッタと、エミッタのすぐ近くに形成され、エミッタからの電流を引き出す機能並びに電流制御機能を持つ制御電極(ゲート電極)で構成された微小冷陰極をアレイ状に並べた電界放射冷陰極が知られている。図5はこの種の電界放射冷陰極の構造を示す図である。   Field emission with minute conical emitters and micro cold cathodes formed in the immediate vicinity of the emitter and composed of control electrodes (gate electrodes) that draw out current from the emitter and have current control functions Cold cathodes are known. FIG. 5 is a diagram showing the structure of this type of field emission cold cathode.

図において、101はシリコンの基板、102はシリコン酸化物の絶縁層で、絶縁層102の上に制御電極103が積層されている。絶縁層102と制御電極103の一部は除去されて空洞109が形成され、空洞109中の基板101の上に先端が尖ったエミッタ104が形成されている。エミッタ104,制御電極103及び制御電極103と絶縁層102に形成された空洞109で微小冷陰極107が形成され、この微小冷陰極107をアレイ状に並べて平面状の電子放出領域を持つ冷陰極108が形成される。   In the figure, 101 is a silicon substrate, 102 is a silicon oxide insulating layer, and a control electrode 103 is laminated on the insulating layer 102. A part of the insulating layer 102 and the control electrode 103 is removed to form a cavity 109, and an emitter 104 having a sharp tip is formed on the substrate 101 in the cavity 109. A micro cold cathode 107 is formed by the emitter 104, the control electrode 103, the control electrode 103, and a cavity 109 formed in the insulating layer 102. The micro cold cathode 107 is arranged in an array to form a cold cathode 108 having a planar electron emission region. Is formed.

基板101とエミッタ104とは電気的に接続されており、エミッタ104とゲート電極103の間には所定の値の電圧が印加される。絶縁層102の厚さは約1μm、ゲート電極103の開口径も約1μmと狭く、エミッタ104の先端は10nm程度と極めて尖鋭に作られているので、エミッタ104の先端には強い電界が加わる。この電界が2〜5×107V/cm以上になると、エミッタ104の先端から電子が放出される。 The substrate 101 and the emitter 104 are electrically connected, and a predetermined voltage is applied between the emitter 104 and the gate electrode 103. The insulating layer 102 has a thickness of about 1 μm, the opening diameter of the gate electrode 103 is as narrow as about 1 μm, and the tip of the emitter 104 is made extremely sharp, about 10 nm. Therefore, a strong electric field is applied to the tip of the emitter 104. When this electric field is 2 to 5 × 10 7 V / cm or more, electrons are emitted from the tip of the emitter 104.

このような構造の微小冷陰極を基板101の上にアレイ状に並べることにより大きな電流を放出する平面状の陰極が構成される。   By arranging the micro cold cathodes having such a structure in an array on the substrate 101, a planar cathode that emits a large current is formed.

電子プローブを形成する従来の装置では、電子銃が作る光源(電子源)を電子レンズ系で縮小して、最終的な縮小像を試料面に作る。形成されるプローブの径は装置の空間分解能を決定するものであり、できるだけ小さい方がよい。これに対し、プローブの電流値によって信号量が決まり、これは大きいほどよい。   In a conventional apparatus for forming an electron probe, a light source (electron source) produced by an electron gun is reduced by an electron lens system to form a final reduced image on a sample surface. The diameter of the probe to be formed determines the spatial resolution of the apparatus and should be as small as possible. On the other hand, the signal amount is determined by the current value of the probe, and the larger the better.

また、電子プローブを形成する最近の装置においては、電子レンズ系の収差を補正することによって空間分解能を向上させる(或いはプローブ電流値を増加させる)ものが存在する。そのような装置では、収差を補正するために複雑な多段多極子レンズ系が用いられている。   Further, some recent apparatuses that form an electron probe improve the spatial resolution (or increase the probe current value) by correcting the aberration of the electron lens system. In such an apparatus, a complex multistage multipole lens system is used to correct aberrations.

従来のこの種装置としては、従来のフィールドエミッタと新たな微小フィールドエミッタアレイについて記述した技術が知られている(例えば非特許文献1参照)。また、集束電極と制御電極とからなる2段ゲート構造の電界放射エミッタアレイ冷陰極のカソード電極を同心のリング状に分割して、デジタル回路で制御されたオン/オフ可能な定電流源で駆動する装置が知られている(例えば特許文献1参照)。   As a conventional device of this type, a technique describing a conventional field emitter and a new micro field emitter array is known (see, for example, Non-Patent Document 1). Also, the cathode electrode of a field emission emitter array cold cathode consisting of a two-stage gate structure consisting of a focusing electrode and a control electrode is divided into concentric rings and driven by a constant current source that can be turned on / off controlled by a digital circuit. An apparatus is known (see, for example, Patent Document 1).

また、基板と該基板上に電子引き出し電極を有する複数個の尖鋭なエミッタの集合体が形成され、このエミッタの集合体から放出される電子を、電磁界レンズにより集束するに際し、エミッタ集合体の周囲の電子引き出し電極と概略同一平面上に形成された集束電極により、放出される電子のエミッタンス特性を電子レンズの収差を補償させるように制御する電子ビーム装置が知られている(例えば特許文献2参照)。   Also, a substrate and a plurality of sharp emitter assemblies each having an electron extraction electrode are formed on the substrate, and when the electrons emitted from the emitter assembly are focused by the electromagnetic lens, 2. Description of the Related Art An electron beam apparatus is known that controls emittance characteristics of emitted electrons so as to compensate for aberrations of an electron lens by a focusing electrode formed on the same plane as a surrounding electron extraction electrode (for example, Patent Document 2). reference).

また、電子を放出する陰極と、放出された電子を集束して電子ビームを生成するとともに当該電子ビームを加速する電極と、近軸軌道近似計算法によって求めた、電子ビームを形成する全電流の中の所定割合の電流を占める電子ビームのビーム半径の最大値が最小となるような陰極磁束密度を用いて、前記陰極と前記電極の中心軸に平行な磁場を形成する磁石を設けた電界放射陰極電子銃が知られている(例えば特許文献3参照)。   Also, a cathode that emits electrons, an electrode that focuses the emitted electrons to generate an electron beam and accelerates the electron beam, and the total current that forms the electron beam obtained by paraxial orbital approximation calculation method. Field emission with a magnet that forms a magnetic field parallel to the central axis of the cathode and the electrode using a cathode magnetic flux density that minimizes the maximum value of the beam radius of the electron beam that occupies a predetermined proportion of the current A cathode electron gun is known (see, for example, Patent Document 3).

特開平9−219155号公報(段落0025〜0031、図1〜図3)Japanese Patent Laid-Open No. 9-219155 (paragraphs 0025 to 0031, FIGS. 1 to 3) 特開平9−306338号公報(段落0032〜0037、図2)JP-A-9-306338 (paragraphs 0032 to 0037, FIG. 2) 特開2000−200555号公報(段落0016〜0026、図1〜図3)JP 2000-200555 (paragraphs 0016 to 0026, FIGS. 1 to 3)

石川順三、「フィールドエミッションの最近の進展と電子源としての期待」,表面科学,2002年,第23巻第1号,pp2−8Junzo Ishikawa, “Recent Progress of Field Emissions and Expectations as an Electron Source”, Surface Science, 2002, Vol. 23, No. 1, pp 2-8

従来の装置において、プローブ径を小さくしたいという要求は、プローブ電流値を大きくしたいという要求とは両立しない関係(トレードオフ)にある。当然ながら、プローブ径が大きくてもよければ電流値を増やすのは容易である。しかしながら、要求されるプローブ径が予め指定されている場合を考えれば、プローブ電流を大きくするためには、試料面におけるビームの開き角を大きくするしかない。   In the conventional apparatus, the request to reduce the probe diameter is in a relationship (tradeoff) incompatible with the request to increase the probe current value. Naturally, if the probe diameter is large, it is easy to increase the current value. However, considering the case where the required probe diameter is specified in advance, the only way to increase the probe current is to increase the beam opening angle on the sample surface.

その理由は以下の通りである。   The reason is as follows.

電子銃のエミッタ面における単位面積、単位立体角あたりの電流値、すなわち電子銃の輝度はエミッタから試料面までのレンズの系の構成とは無関係に、試料面でも同じ値に保たれることが知られている。これは輝度不変則と呼ばれるものである。輝度不変則とは、試料面における単位面積、単位立体角あたりの電流値はエミッタの性質だけで決まることを言う。ここで、フィールドエミッションのエミッタを用いた電子銃が最も高輝度である。   The unit area on the emitter surface of the electron gun and the current value per unit solid angle, that is, the brightness of the electron gun, can be maintained at the same value on the sample surface, regardless of the lens system configuration from the emitter to the sample surface. Are known. This is called a luminance invariant. The luminance invariant means that the current value per unit area and unit solid angle on the sample surface is determined only by the properties of the emitter. Here, an electron gun using a field emission emitter has the highest luminance.

そこで、指定されたプローブ径に対して電流を増やすためには、用いるエミッタの種類が決まっていれば、ビームの開き角を広げるしか方法がないことになる。   Therefore, in order to increase the current with respect to the designated probe diameter, if the type of emitter to be used is determined, there is no other way but to widen the beam opening angle.

ところが、試料面におけるビームの開き角は、プローブ電流値を決めるだけではなく、レンズ系が発生する収差量を同時に決める。電子プローブ装置においては、対物レンズ(試料に一番近いレンズ)の球面収差の影響が一番大きいが、球面収差によるビームのぼけは開き角の3乗に比例して増大する。そこで、要求されたプローブ径を実現するためには、開く角を好きなだけ大きくすることは許されず、開き角の上限値が決まってしまう。   However, the opening angle of the beam on the sample surface not only determines the probe current value but also determines the amount of aberration generated by the lens system at the same time. In the electron probe apparatus, the influence of spherical aberration of the objective lens (lens closest to the sample) is the largest, but the blurring of the beam due to spherical aberration increases in proportion to the cube of the opening angle. Therefore, in order to realize the required probe diameter, it is not allowed to increase the opening angle as much as desired, and the upper limit value of the opening angle is determined.

結果として、プローブ径に応じてプローブ電流値が制限されることになる。あまり開き角を小さくしすぎると、電子の波動性に起因する回折収差が増大するために、かえってビームがボケてしまう。そこで、一般にビームの開き角には最適値が存在することになる。   As a result, the probe current value is limited according to the probe diameter. If the opening angle is too small, the diffraction aberration due to the wave nature of electrons increases, and the beam is blurred. Therefore, there is generally an optimum value for the beam opening angle.

また、現在の装置で用いられている収差補正ユニットは、球面収差と色収差を同時に補正できるものであるが、製作や電源操作が複雑なものとなり、また光学調整のために要する時間は多大なものとなる。低エネルギーの電子ビームが対象である場合を除き、空間分解能を決める一番の要因は球面収差であって、色収差は重要ではない。従って、球面収差のみの補正で十分な効果が得られる。   In addition, the aberration correction unit used in the current apparatus can correct spherical aberration and chromatic aberration at the same time, but the manufacturing and power supply operations are complicated, and the time required for optical adjustment is large. It becomes. Except for the case of low-energy electron beams, the primary factor that determines spatial resolution is spherical aberration, and chromatic aberration is not important. Therefore, a sufficient effect can be obtained by correcting only the spherical aberration.

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、第1に従来装置のプローブ径を保ったままで、プローブ電流値を増大させることを目的とし、第2に球面収差を適正に補正することができる電子プローブ装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made in view of such a problem. First, it is intended to increase the probe current value while maintaining the probe diameter of the conventional apparatus, and secondly, the spherical aberration is appropriately corrected. An object of the present invention is to provide an electronic probe device that can be used.

上記の問題を解決するために、本発明は以下に示すような構成をとっている。   In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.

(1)請求項1記載の発明は、リング状に並べられたFEエミッタアレイと、該FEエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、回折面に配置された絞りと、該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系とから構成されることを特徴とする。   (1) The invention according to claim 1 is an FE emitter array arranged in a ring shape, a lens for focusing the beam of the FE emitter array on a diffractive surface, a stop disposed on the diffractive surface, and the stop And an optical system for irradiating the sample with a reduced image of the diaphragm surface.

(2)請求項2記載の発明は、リング状に並べられたFEエミッタアレイと、該FEエミッタアレイをアレイ毎にその印加電圧を制御するマルチエミッタ制御電源と、前記FEエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、回折面に配置された絞りと、該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系とから構成されることを特徴とする。   (2) The invention according to claim 2 is characterized in that the FE emitter array arranged in a ring shape, a multi-emitter control power source for controlling the voltage applied to the FE emitter array for each array, and the beam of the FE emitter array are diffracted. It is characterized by comprising a lens for focusing on a surface, a stop arranged on the diffractive surface, and an optical system for irradiating the sample with a reduced image of the stop surface of the stop.

(1)請求項1記載の発明によれば、FEのエミッタアレイを持ち、各エミッタアレイからのビームを回折面に集中させることで、プローブ径は変わらずにプローブ電流値を増大させることができる。   (1) According to the first aspect of the present invention, the probe current value can be increased without changing the probe diameter by having the FE emitter array and concentrating the beam from each emitter array on the diffraction surface. .

(2)請求項2記載の発明によれば、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。   (2) According to the invention described in claim 2, the structure and the power supply control system are simpler than the conventional optical system for correcting aberrations, and the spherical aberration can be corrected by an easy operation.

本発明の一実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Example of this invention. 試料に照射される電子ビームの開き角の説明図である。It is explanatory drawing of the opening angle of the electron beam irradiated to a sample. レンズの球面収差の説明図である。It is explanatory drawing of the spherical aberration of a lens. 本発明の他の実施例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the other Example of this invention. 電界放射冷陰極の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of a field emission cold cathode.

以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の一実施例を示す構成図である。通常の電子銃では、電子を放出するエミッタは1個であり、それを光軸上に置くが、本発明ではFEエミッタアレイを用いる。図において1がFEエミッタアレイである。これは、数ミクロン程度のFEエミッタを集積回路の技術を用いて平面上に並べたものである。   FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention. In a normal electron gun, there is one emitter that emits electrons and is placed on the optical axis. In the present invention, an FE emitter array is used. In the figure, 1 is an FE emitter array. In this example, FE emitters of about several microns are arranged on a plane by using an integrated circuit technique.

本発明では、エミッタを光軸を中心とした円周に沿って、リング状に並べたものを用いる。現状では、個々のエミッタの性能は従来のものより劣るが、それでも数10個かそれ以上の数を並べれば十分な電流が得られる。ここでは、レンズ2(LG)を用いて光源の回折面(光源面の各点から同じ角度で出た軌道が同じ点に集まるような面)を作り、その位置に絞り3を置いてデータ絞りの縮小像を試料6に形成する。4はエミッタの像、7は絞りの縮小像である。   In the present invention, emitters arranged in a ring shape along the circumference centered on the optical axis are used. At present, the performance of the individual emitters is inferior to that of the conventional one, but a sufficient current can still be obtained by arranging several tens or more. Here, the lens 2 (LG) is used to create a diffractive surface of the light source (a surface in which the trajectories coming out from each point of the light source surface at the same angle are gathered at the same point), and the aperture 3 is placed at that position to form a data aperture Are formed on the sample 6. 4 is an image of the emitter, and 7 is a reduced image of the aperture.

即ち、絞り3の開口を光源として扱うことになる。絞り3以降は、通常の縮小レンズ系を置けばよい。図では、縮小レンズ系を1個の対物レンズで代表させて示している。なお、絞り3の径は、各エミッタからのビームの取り込み角を制御する働きを同時に行なうようになっている。   That is, the aperture of the diaphragm 3 is handled as a light source. After the diaphragm 3, a normal reduction lens system may be placed. In the figure, the reduction lens system is represented by one objective lens. The diameter of the diaphragm 3 is designed to simultaneously control the beam capture angle from each emitter.

この光学系と従来の光学系との違いは、各エミッタからのビームを回折面において集中させることで、単一のエミッタでは不可能な電流密度を実現できることである。この事情は絞り面と共役な試料面で考えた方が分かりやすい。   The difference between this optical system and the conventional optical system is that the current density impossible with a single emitter can be realized by concentrating the beam from each emitter on the diffraction surface. It is easier to understand this situation by considering the sample surface conjugate with the diaphragm surface.

図2は試料に照射される電子ビームの開き角の説明図であり、(a)が従来の場合を、(b)が本発明の場合をそれぞれ示す。図では、試料面の軸上の一点に注目して、そこに集束されるビームを描いている。(a)において、対物レンズ5の球面収差を決めるのが、ビームの開き角Δαである。このビームの開き角Δαの3乗に比例してビームがぼけるとされている。   2A and 2B are explanatory diagrams of the opening angle of the electron beam irradiated on the sample. FIG. 2A shows the conventional case, and FIG. 2B shows the case of the present invention. In the figure, focusing on one point on the axis of the sample surface, a beam focused on the point is drawn. In (a), it is the beam opening angle Δα that determines the spherical aberration of the objective lens 5. It is said that the beam is blurred in proportion to the cube of the beam opening angle Δα.

一方、(b)の本発明の場合では、収差を決める開き角Δαは同一であるが、試料面の一点から見たビームの立体角が増大し、その比率の分だけプローブ電流が増大する。前述したように、試料面の輝度は一定値であり、変化はない。しかしながら、試料面での照射領域、すなわちプローブ径が同一であれば、立体角が増えた分だけプローブ電流値が増えることになる。   On the other hand, in the case of the present invention of (b), the opening angle Δα that determines the aberration is the same, but the solid angle of the beam viewed from one point on the sample surface increases, and the probe current increases by the ratio. As described above, the luminance of the sample surface is a constant value and does not change. However, if the irradiation area on the sample surface, that is, the probe diameter is the same, the probe current value is increased by the increase in the solid angle.

従来の電子プローブを形成する装置においては、特に電流値が優先される場合(SEMの分析モード、オージェ電子分光、EMPAなど)には空間分解能を犠牲にせざるを得なかった。本発明によれば、プローブ径に影響を与えずに、エミッタの数の分だけプローブ電流を増加させることができる。   In a conventional apparatus for forming an electron probe, spatial resolution has to be sacrificed particularly when current value is prioritized (SEM analysis mode, Auger electron spectroscopy, EMPA, etc.). According to the present invention, the probe current can be increased by the number of emitters without affecting the probe diameter.

このように、本発明によれば、電子プローブを形成する装置において、本発明の光学系を用いることで、従来のプローブ径を保ったままで電流値を増加させることが可能となる。   As described above, according to the present invention, in the apparatus for forming an electron probe, by using the optical system of the present invention, the current value can be increased while maintaining the conventional probe diameter.

次に、球面収差の補正について説明する。図3はレンズの球面収差の説明図である。光学系の凸レンズで点光源を結像する場合、光源から出た光線が全て一点が集まるのが理想である。しかしながら、レンズが球面収差を持つ場合には、図3に示すようにボケが生じる。図では、大きな角度でレンズ10に入射した光線ほど、像側で手前に結像してしまっている。この時に、球面収差の大きさを示す係数Csは正とされる。一般に、角度の小さい光線が集束する位置がガウス像面と呼ばれる。図の11がガウス像面である。   Next, correction of spherical aberration will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram of the spherical aberration of the lens. When a point light source is imaged by a convex lens of an optical system, it is ideal that all the light rays emitted from the light source are collected at one point. However, when the lens has spherical aberration, blur occurs as shown in FIG. In the figure, the light beam incident on the lens 10 at a larger angle forms an image on the near side on the image side. At this time, the coefficient Cs indicating the magnitude of the spherical aberration is positive. In general, a position where light beams having a small angle converge is called a Gaussian image plane. 11 in the figure is a Gaussian image plane.

光学レンズでは、凸レンズのCsは正にも負にもなるが、通常の軸対称な電子レンズでは必ず正となり、0にすることはできない。即ち、電子レンズの場合は、図3に示すような状況となる。これは、電子レンズを形成する電磁場の自由度からくる事情である。球面収差は電子顕微鏡の空間分解能を支配する要素であるため、この収差の補正は非常に重要な技術となる。   In an optical lens, Cs of a convex lens can be positive or negative, but a normal axially symmetric electron lens is always positive and cannot be zero. That is, in the case of an electronic lens, the situation is as shown in FIG. This is due to the degree of freedom of the electromagnetic field that forms the electron lens. Since spherical aberration is a factor governing the spatial resolution of an electron microscope, correction of this aberration is a very important technique.

図3より分かるように、Csが正になるのは、レンズの外側(光軸から離れた場所)ほど理想的な場合より集束力が強い場合である。若しレンズ10に入射する電子が、角度
の大きなものほど大きなエネルギー(速度)を持てば、その効果が相殺されて球面収差が補正されることになる。つまり、角度の大きな電子ビームもガウス像面11に結像するようになる。通常の装置では、電子銃が発生する単色(即ち同一のエネルギー)の電子ビームを用いるため、Csは正となるが、若し角度毎にエネルギーを調節できれば、レンズ10により集束された電子ビームは一点に結像し、係数Csは0にできることになる。
As can be seen from FIG. 3, Cs becomes positive when the focusing force is stronger than the ideal case on the outer side of the lens (location away from the optical axis). If the electrons entering the lens 10 have larger energy (velocity) as the angle increases, the effect is canceled and the spherical aberration is corrected. That is, an electron beam with a large angle is also formed on the Gaussian image plane 11. In a normal apparatus, since a monochromatic (ie, the same energy) electron beam generated by an electron gun is used, Cs is positive. However, if the energy can be adjusted for each angle, the electron beam focused by the lens 10 is An image is formed at one point, and the coefficient Cs can be made zero.

例えば光軸方向の一様な磁場分布があればそれはレンズとして働き、その係数Csはやはり正であるが、若し入射する電子ビームが単色((b))ではなく、光軸方向の速度成分が同一((c))であれば、係数Csは厳密に0となる。一般の電子レンズの場合は、これと同一の方法で係数Csが厳密に0になるとは限らないが、定性的には同じ傾向であるので、入射角とエネルギーの関係をうまく設定すれば、係数Csは必ず0にできる。   For example, if there is a uniform magnetic field distribution in the optical axis direction, it acts as a lens, and its coefficient Cs is still positive, but the incident electron beam is not monochromatic ((b)), but the velocity component in the optical axis direction. Are the same ((c)), the coefficient Cs is strictly 0. In the case of a general electron lens, the coefficient Cs is not necessarily exactly 0 by the same method, but since it has the same tendency qualitatively, if the relationship between the incident angle and the energy is well set, the coefficient Cs can always be zero.

そのような角度ごとのエネルギー値の設定を行なうための光学系が図4である。図4は本発明の他の実施例を示す構成図である。図1と同一のものは、同一の符号を付して示す。FE(フィールドエミッション)のエミッタ1Aを平面状に並べたアレイパターンが作成可能であり、これを用いれば、電子ビームの角度毎にエネルギーを好きなように設定することができる。   FIG. 4 shows an optical system for setting the energy value for each angle. FIG. 4 is a block diagram showing another embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. An array pattern in which FE (field emission) emitters 1A are arranged in a plane can be created, and if this is used, energy can be set as desired for each angle of the electron beam.

この場合において、レンズ2に入射する電子ビームの入射角度とエネルギーの関係は、補正対象となるレンズ系に依存するので、エミッタの電源系によって調整する。図の15はマルチエミッタ制御電源である。ここで、エミッタアレイ1Aは集束レンズ付きのものを用い、数十〜数百個配置される。   In this case, since the relationship between the incident angle of the electron beam incident on the lens 2 and the energy depends on the lens system to be corrected, it is adjusted by the power supply system of the emitter. 15 in the figure is a multi-emitter control power source. Here, the emitter array 1A is provided with a focusing lens, and several tens to several hundreds are arranged.

ここで、エミッタアレイ1Aは、同心円状に並べて、中心からの半径毎にカソード電圧(エミッションされる電子のエネルギーを決める)を可変するのが理想である。しかしながら、一個一個のエミッタは数ミクロン程度で非常に小さいので、パターン自体は例えば直線的に正方形状に並べても構わない。正方形状に並べたエミッタから放出される電子も、同心円状のエミッタから放出される電子もそれほどその形状が変わらないからである。また、現状ではエミッタアレイ1Aは動作が安定せず、エミッタによって点火するものとしないものができる場合が多いが、そのようなばらつきがあっても本発明では支障がない。点火しないエミッタがあっても、全体のビーム形状には影響を与えないからである。   Here, it is ideal that the emitter arrays 1A are arranged concentrically to vary the cathode voltage (determining the energy of emitted electrons) for each radius from the center. However, since each emitter is very small, about several microns, the pattern itself may be linearly arranged in a square shape, for example. This is because the shape of electrons emitted from emitters arranged in a square shape and that of electrons emitted from concentric emitters do not change so much. Further, at present, the emitter array 1A is not stable in operation, and in many cases, it can be produced whether or not it is ignited by the emitter. However, even if there is such a variation, there is no problem in the present invention. This is because even if there is an emitter that does not ignite, the overall beam shape is not affected.

エミッタアレイ1Aからの電子ビームをレンズ2で集束させて、集束する点に絞り3をおいて、絞り3の像が試料6に結像されるようにする。ここで、エミッタアレイ1Aから絞り3までが、本発明の収差補正のための電子銃ユニットとなる。各エミッタから放出される電子は広がっていても構わないが、各エミッタ内部に集束レンズ機構を有するタイプのエミッタアレイが開発されているので、そのタイプを採用すれば、試料位置での電流を更に増加させることができる。   The electron beam from the emitter array 1 </ b> A is focused by the lens 2, and the diaphragm 3 is placed at the focal point so that the image of the diaphragm 3 is formed on the sample 6. Here, the emitter array 1A to the diaphragm 3 constitute an electron gun unit for aberration correction according to the present invention. Although the electrons emitted from each emitter may spread, an emitter array of a type having a focusing lens mechanism inside each emitter has been developed, so if that type is adopted, the current at the sample position can be further increased. Can be increased.

図4のように、補正対象となるレンズ系(図では1個の対物レンズ5で代表させている)5の手前にアレイ面の像がくるようにする。ここで、絞り径を小さくし、かつレンズ系5の縮小率を高めることで、試料6の面でのプローブ径を小さくすることができる。しかしながら、プローブ径を小さくするほど電流値が下がるので、具体的な光学系の配置や寸法は目的次第である。エミッタの位置とエネルギーの関係は、全レンズ(図ではLG2とOL5を合わせたもの)の球面収差が0になるようにマルチエミッタ制御電源15で15で設定する。具体的には試料6に結像する電子ビームが一点に結像するようにマルチエミッタ制御電源15を調整すればよい。具体的には、図示しない表示装置に表示される試料6の試料像がくっきりと表示されるように、マルチエミッタ制御電源15を調整する。   As shown in FIG. 4, the image of the array surface is placed in front of a lens system 5 (represented by one objective lens 5 in the figure) to be corrected. Here, the diameter of the probe on the surface of the sample 6 can be reduced by reducing the aperture diameter and increasing the reduction ratio of the lens system 5. However, since the current value decreases as the probe diameter is reduced, the specific arrangement and dimensions of the optical system depend on the purpose. The relationship between the emitter position and energy is set at 15 by the multi-emitter control power supply 15 so that the spherical aberration of all the lenses (in the figure, LG2 and OL5 combined) becomes zero. Specifically, the multi-emitter control power supply 15 may be adjusted so that the electron beam focused on the sample 6 is focused on one point. Specifically, the multi-emitter control power supply 15 is adjusted so that the sample image of the sample 6 displayed on a display device (not shown) is clearly displayed.

この実施例によれば、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。   According to this embodiment, the spherical aberration can be corrected by a simple operation with a simpler structure and power supply control system than the conventional optical system for correcting aberrations.

現在用いられている収差補正ユニットでは、球面収差は3次のものしか補正できず、比較的ビームの開き角が小さい場合しか補正効果が得られない。そのような場合は、5次の球面収差の寄与によって装置の性能が決められる。しかしながら、本発明ではそのような次数は関係なく、どんなに大きな開き角でも補正が可能である。従って、特に角度を広げて大電流の電子プローブを得るための目的に威力を発揮する。   The currently used aberration correction unit can correct only the third-order spherical aberration, and the correction effect can be obtained only when the beam opening angle is relatively small. In such a case, the performance of the apparatus is determined by the contribution of fifth-order spherical aberration. However, in the present invention, such an order is irrelevant, and any large opening angle can be corrected. Therefore, it is particularly effective for the purpose of obtaining an electron probe with a large current by widening the angle.

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、電子プローブを形成する装置において、本発明の光学系を用いることで、従来のプローブ径を保ったままで電流値を増加させることができる。また、従来の収差補正のための光学系よりも構造や電源制御系が簡単で、しかも容易な操作で球面収差を補正することができる。従来は3次の球面収差だけが補正対象であったが、本発明では全ての次数の球面収差が補正される。これによって、より高い分解能、或いはより大きいプローブ電流値を可能とする装置を実現することができる。   As described above in detail, according to the present invention, by using the optical system of the present invention in an apparatus for forming an electron probe, the current value can be increased while maintaining the conventional probe diameter. Further, the structure and the power supply control system are simpler than the conventional optical system for correcting aberrations, and spherical aberration can be corrected by an easy operation. Conventionally, only third-order spherical aberration has been corrected, but in the present invention, all orders of spherical aberration are corrected. As a result, it is possible to realize an apparatus that enables higher resolution or a higher probe current value.

1 FEエミッタアレイ
2 レンズ
3 絞り
4 エミッタの像
5 多段縮小レンズ系
6 試料
7 絞りの縮小像
1 FE emitter array 2 Lens 3 Aperture 4 Emitter image 5 Multistage reduction lens system 6 Sample 7 Reduced image of the aperture

Claims (2)

リング状に並べられたFEエミッタアレイと、
該FEエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、
回折面に配置された絞りと、
該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系と、
から構成されることを特徴とするエミッタアレイを用いた電子プローブ装置。
An FE emitter array arranged in a ring;
A lens for focusing the beam of the FE emitter array on the diffraction surface;
A diaphragm arranged on the diffractive surface;
An optical system for irradiating the sample with a reduced image of the stop surface of the stop;
An electron probe device using an emitter array comprising:
リング状に並べられたFEエミッタアレイと、
該FEエミッタアレイをアレイ毎にその印加電圧を制御するマルチエミッタ制御電源と、
前記FEエミッタアレイのビームを回折面に集束させるためのレンズと、
回折面に配置された絞りと、
該絞りの絞り面の縮小像を試料に照射させるための光学系と、
から構成されることを特徴とするエミッタアレイを用いた電子プローブ装置。
An FE emitter array arranged in a ring;
A multi-emitter control power source for controlling the applied voltage of the FE emitter array for each array;
A lens for focusing the beam of the FE emitter array on a diffraction surface;
A diaphragm arranged on the diffractive surface;
An optical system for irradiating the sample with a reduced image of the stop surface of the stop;
An electron probe device using an emitter array comprising:
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