JP2012084491A

JP2012084491A - 色収差も小さく抑えた球面収差補正電子顕微鏡

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Publication number: JP2012084491A
Application number: JP2010240130A
Authority: JP
Inventors: Sadao Nomura; 節生野村
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-08
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2012-04-26

Abstract

【課題】エネルギー幅の小さい電子ビームを造り、球面収差補正電子顕微鏡の分解能を更に向上させる。
【解決手段】電子銃２と観察用試料１１との間に電子線用プリズム３と分散角増幅用レンズ６とアパーチャ８とを設け、該プリズムによって電子線軌道のエネルギー分散を発生させ、分散角増幅用レンズによって分散角を増幅し、その後ろに設けたアパーチャを通り抜ける電子線のみを使って観察用試料の顕微鏡像を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は高分解能の電子顕微鏡を製作するための設計技術に関するものである。

電子顕微鏡像の分解能は電子線の回折によって発生する像のボケと電子線集束用レンズが発生する球面収差によるボケ、ならびに、利用する電子ビームのエネルギーのバラツキによって発生する色収差によるボケが合成されたボケの大きさで決まる。１９９０年代に電子顕微鏡用の球面収差補正装置が開発された結果、その装置を顕微鏡に搭載すると球面収差によるボケはゼロにすることができるようになった。その結果、電子顕微鏡像の分解能は同装置を搭載しない顕微鏡の約１．５倍に向上した。分解能を更に向上させるためには、回折によるボケを小さくする、あるいは、色収差によるボケを小さくする必要がある。回折によるボケを小さくするにはレンズの開口を大きくすることが有効である。ところが、レンズの開口を大きくすると開口径に比例して色収差も大きくなるので電子顕微鏡においては分解能を向上させる効果は無い。そこで利用する電子線のエネルギーのバラツキを小さくして色収差によるボケを小さくし、よって開口径の大きいレンズを使えるようにすることが球面収差補正電子顕微鏡の分解能をさらに向上させるための唯一の手段となる。

電子線技術の分野で使われる用語、電子線の「色」、は電子線の有する「エネルギー」を意味している。電子源が発生する電子線は種々の大きさのエネルギーを含んでいる。そのバラツキ方の範囲を「エネルギー幅」と呼んでいるが、エネルギー幅の大きさは利用する電子源を選べば決まってしまう電子源固有の量であり、ＬａＢ６電子源では１．３ｅＶ、ＺｒＯをＷに塗布したショットキー電子源では０．６ｅＶ、室温で電子放出が出来る冷陰極フィールドエミッション電子源では０．２ｅＶの程度と推定されている。そこで、色収差の小さい電子顕微鏡を得たい場合には、従来は、それに使う電子源としては、なるべく小さいエネルギー幅の電子線を放出する電子源を使うようにしてきた。現在のところ、電子顕微鏡に実用されている電子源のうちで最も小さいエネルギー幅の電子線を放出する電子源は上記の様に冷陰極フィールドエミッション電子源である。０．２ｅＶ以下のエネルギー幅の電子線を得ようとすると、新しい電子放出原理に基づいて電子放出を行う電子源を開発する必要があり、それに対する研究もなされているが、現在のところはまだ実用可能な段階には至っていない。以上に述べた、電子ビームの作成方法に関する従来技術の背景の下で、本発明の目的は０．２ｅＶ以下のエネルギー幅を有する電子ビームを作成し、それを使うことによって球面収差補正電子顕微鏡像の分解能を更に向上させることである。

本発明は０．２ｅＶより小さいエネルギー幅の電子線を電子顕微鏡像の形成に利用することが出来るようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するために請求項１記載の色収差も小さく抑えた球面収差補正電子顕微鏡では電子銃と観察用試料との間に電子線用プリズムとそのプリズムが生み出した電子線軌道の分散の程度を増幅する分散角増幅用電子レンズと細孔を有する金属板（アパーチャ）とを設け、電子銃が発射した電子線のうち、そのアパーチャを通り抜ける電子線のみが試料を照射するようにした。

本発明は［表１］に示すような効果を奏する。［表１］は、球面収差補正装置を搭載していない通常の電子顕微鏡と球面収差補正装置を搭載した球面収差補正電子顕微鏡と本発明の、色収差も小さく抑えた球面収差補正電子顕微鏡とが与える分解能を比較している。比較は２００ｋｅＶに加速した電子線を試料に照射してその透過電子像を観察する透過型電子顕微鏡（以下、２００ｋＶ−ＴＥＭと記す）と１ｋｅＶのエネルギーで試料を照射して試料を観察する走査型電子顕微鏡（以下、１ｋＶ−ＳＥＭと記す）に対して行っている。本発明の電子顕微鏡の構成要素に関しては後ほど［発明を実施するための形態］の部分で詳しく述べるが、［表１］に記した電子顕微鏡においてはいずれの電子顕微鏡においても冷陰極フィールドエミッション電子銃により電子線を発射している。また、２００ｋＶ−ＴＥＭの対物レンズには磁極間隔３ｍｍ、磁極孔径３ｍｍの磁界レンズを使用し、観察用試料は磁極の中央に設置して観察する。１ｋＶ−ＳＥＭの対物レンズには、試料の作動距離が５ｍｍで、５ｋＶの減速用電界と電子線集束用磁界とを利用する電界磁界重畳型対物レンズを使用している。［表１］が示すように本発明により、これらの電子顕微鏡では従来の球面収差補正電子顕微鏡に比べて約３倍高い分解能で試料の観察が出来るようになった。

本発明をＳＥＭに応用した場合の構成要素の配置方法を光学素子（レンズ、プリズム、球面収差補正用凹レンズ）を表す記号を使って説明した図である。本発明をＴＥＭに応用した場合の構成要素の配置方法を光学素子を表す記号を使って説明した図である。本発明に利用した電子線用プリズムの断面とプリズム内外での電子軌道を描いてプリズムによる電子軌道の分散の原理を説明した図である。電子線プリズムと分散角増幅用電子レンズとの断面と電子軌道とを描き、分散角の増幅原理を説明した図である。ＴＥＭに応用した場合の本発明の１実施例として、本発明の構成要素とその配置を示す図である。（実施例１）図５に示した実施例の動作を説明するため、計算機シミュレーション法により種々のエネルギーを持った電子線の軌道を求め、描いた図である。（実施例１）ＳＥＭに応用した場合の本発明の１実施例として、本発明の構成要素とその配置を示す図である。（実施例２）図７に示した実施例の動作を説明するため、計算機シミュレーション法により種々のエネルギーを持った電子線の軌道を求め、描いた図である。（実施例２）

まず、本発明の原理とするところをプリズムやレンズなどの光学素子を表す記号を使って説明する。図１は本発明を球面収差補正ＳＥＭに応用する場合の構成要素とエネルギーの異なる２本の電子線の軌道を描いている。電子源１から発射された電子線は電子銃２により光軸に平行に進む電子線となって電子線用プリズム３に入る。プリズムは電子線のエネルギーの違いにより、違った屈折角で電子線を屈折させるので、丁度、光のプリズムでは白色光が赤色光から紫色光に分かれるように、電子線の間には分散が生じる。図では３がエネルギーがＥ_１の電子線４とエネルギーがＥ_２の電子線５とに分散角αで分散している様子を描いている。これらの電子線は分散角増幅用レンズ６にはいる。６は分散角をβに増幅する。電子線はコンデンサーレンズ７に入り光軸に平行に進行する電子ビームに整形される。７の後には、アパーチャ（絞り）８が設置されており、Ｅ_１とＥ_２の間の大きさのエネルギーを有する電子線のみが８に開けられた孔を通り抜けることが出来る。小さい直径の孔を有するアパーチャを使えば、Ｅ_１とＥ_２の差が小さい、すなわち、単色性の高い電子ビームが８の後に造られる。８を通り抜けた電子ビームは球面収差補正装置９に入り対物レンズ１０によって観察用試料１１に焦点を結ぶ。

図２は本発明を球面収差補正ＴＥＭに応用する場合の構成要素とエネルギーの異なる２本の電子線、ならびに、観察用試料で散乱してＴＥＭ像の作成に使われる電子線１２を描いている。図１との違いは９と１０とが１１の後方に設置されることである。電子線が１１を透過し、透過する際に散乱した電子線は１０によって光軸にほぼ平行な電子線となるように屈折する。その電子線は９によって球面収差が除去された後、投射レンズ１３によって観察用スクリーン１４の上に焦点を結ぶ。ＳＥＭにおいてもＴＥＭにおいても本発明を実施するために必要な条件は３と６と８とを不可欠の構成要素とし、それらを電子源と観察用試料との間に設置することである。

次に、本発明の実施例に用いた磁界型の電子線用プリズムの電子線分散原理と分散によって産み出された分散角を増幅する方法について述べる。電子線用プリズムには磁界型プリズム、電界型プリズム、電磁界重畳形プリズムがある。図３は本発明に利用した磁界型電子線用プリズムを構成する磁極の形状、ならびにその寸法とプリズムの中を走行するエネルギーが２４０ｋｅＶの電子線１５，２００ｋｅＶの電子線１６，１６０ｋｅＶの電子線１７、の軌道を描いた図である。プリズムは平行平板磁極で作られた２組の電磁石、（磁石−１、１８、磁石−２、１９）で構成されている。１８の磁極間には励起電源により磁束密度０．０５Ｗｂ／ｍ^２の磁界が発生さされており、１９には０．１０Ｗｂ／ｍ^２の磁界が発生している。２００ｋｅＶの電子線は、１８の内部では半径が３０ｍｍの円運動を行い、１９の内部では半径が１５ｍｍの円運動を行う。一方、１５と１７は、それぞれ、１８の内部では回転半径３２．９ｍｍ，２６．８ｍｍの円運動を行い、１９の内部では１６．５ｍｍ，１３．４ｍｍの円運動を行う。これら３つの電子線は光軸に沿って定義した距離の座標、ｚ＝−１５ｍｍに置かれた点電子源から１ｍｒａｄの角度で放出され、プリズムに入るまでは同一軌道を走行していた電子線ではあるが、プリズムに入ると、エネルギーの違いによってプリズム内部での回転半径が異なるため次第に軌道が分散し、プリズムを出るときには１５と１７とでは同図に記入したように進行方向が０．４１ｒａｄ違うようになる。すなわち、プリズムはこれらの電子線を分散角０．４１ｒａｄで分散させている。同図の中に描いたように、ｚ＝３０ｍｍの位置に直径が７ｍｍのアパーチャを設けると点電子源からは種々の大きさのエネルギーの電子線を発生していても、２４０ｋｅＶと１６０ｋｅＶの範囲にあるエネルギーの電子線のみがアパーチャを通り抜けることが出来、アパーチャの後方には、２００ｋｅＶのエネルギーをその中心として８０ｋｅＶのエネルギー幅を持った電子ビーム２０が造られる。この位置に直径０．０１μｍのアパーチャを置くと中心エネルギーが２００ｋｅＶ，エネルギー幅が０．１ｅＶの電子ビームを作成することが出来る計算になるが、金属板に直径０．０１μｍの孔をあけることは不可能である。分散角を増幅してもっと大きなアパーチャを使えるようにすることが必要である。

分散角の増幅はプリズムの後方に電子レンズを設けることによって可能となる。
図４は電子線用プリズムの後方に孔径３ｍｍ、磁極間隔３ｍｍの磁極対で作られた分散角増幅用レンズ６を設けて分散角を増幅した分散角増幅の実施例を示している。
図４は６を１７Ａ／√Ｖに励起すると、電子線プリズムが産み出した０．４１ｒａｄの分散角が２．５ｒａｄに増幅される様子を示している。ｚ＝６０ｍｍの位置に直径０．２μｍのアパーチャを設けると中心エネルギーが２００ｋｅＶ，ネルギー幅が０．１ｅＶの電子ビームを作成することが出来る。しかしながら直径０．２μｍの孔を金属板に設けることも現在では、まだ、難しい。分散角をさらに増幅する必要がある。
この磁界レンズの後方に、さらに他の磁界レンズを設け、２．５ｒａｄの分散角を３０倍に増幅すると直径６μｍのアパーチャを使うことによって中心エネルギーが２００ｋｅＶ，エネルギー幅が０．１ｅＶの電子ビームを作成することが出来る。さらに、そのレンズの後方に磁界レンズを設け、分散角をさらに１０倍増幅するとエネルギー幅が０．０１ｅＶの電子ビームを作成することが出来るようになる。以下に示す本発明の実施例では、分散角を増幅するために設けた複数のレンズ群のことを分散角増幅用レンズと呼んでいる。分散角増幅用レンズを設けるとその励起条件を選ぶことにより、増幅率を違え、任意の大きさのエネルギー幅を持った電子ビームを作成できる利点も発生する。従来の電子ビーム装置では、作成する電子ビームのエネルギー幅は使用する電子源に固有なものであってエネルギー幅を任意の値に設定することは出来なかった。たとえば、ＬａＢ６電子源を使って電子ビームを作るとそのエネルギー幅は約１．３ｅＶ、ＺｒＯをＷに塗布したショットキー電子源を使えば０．６ｅＶ、冷陰極フィールドエミッション電子源を使えば０．２ｅＶのエネルギー幅の電子ビームしか造れなかったことはすでに［背景技術］の部分で述べたところである。。

図５は２００ｋＶ球面収差補正ＴＥＭに応用した本発明の実施の１形態である。［図２］に示した原理図と同じ順序に構成要素が配置されている。６は高い分散角増幅率を与えるよう、３段の磁界レンズで構成されている。これらのレンズはｚ＝１００ｍｍ，ｚ＝２００ｍｍ，ｚ＝３００ｍｍの位置に置かれ、それぞれ１．２Ａ／√Ｖ、３０Ａ／√Ｖ、３０Ａ／√Ｖに励起されている。
電子銃は１と２枚の制御電極で構成され、１には−２００ｋＶの電圧が、２枚の制御電極にはそれぞれ、−１９５ｋＶ，−１５２ｋＶの電圧が印加されている。３は図３で示したプリズムである。

ｚ＝４００ｍｍの位置に７が設けられている。７は１．２Ａ／√Ｖに励起されている。ｚ＝４３０ｍｍの位置に直径６０μｍの細孔を有する８が設けられている。この細孔を通り抜ける電子線のみがｚ＝５００ｍｍに置かれた１１を照射する。１１を透過し、透過する際に散乱した電子線は１０により光軸に対してほぼ平行に走行するように集束され、９に入る。９で、１０の発生する球面収差が取り除かれる。９を出た電子線は１２に入る。１２は散乱した電子線群を１３の上に集束させ、球面収差によるボケの無いＴＥＭ像を形成する。

図６は図５に構造図を示した本発明の実施例１において１から光軸に対する角度が２．４ｍｒａｄで放出され、２によって（２００ｋｅＶ−０．０１５ｅＶ），（２００ｋｅＶ−０．０１ｅＶ），２００ｋｅＶ，（２００ｋｅＶ＋０．０１ｅＶ），（２００ｋｅＶ＋０．０１５ｅＶ）に加速された電子線、２１、２２、２３、２４、２５の８に至るまでの電子線軌道を計算機シミュレーション法により求め、描いた電子線軌道図である。プリズムに入るまでは、ほぼ、同一軌道をたどっていたこれらの電子線は、３でエネルギーの違いに応じて分散し、更に６によって分散角が５７００倍に増幅されて７に入る。エネルギーが（２００ｋｅＶ−０．０１ｅＶ）と（２００ｋｅＶ＋０．０１ｅＶ）の範囲にある電子線のみが８を通り抜けることが出来る。それらの電子線は中心エネルギーが２００ｋｅＶ，エネルギー幅が０．０２ｅＶの電子ビーム２６を形成している。この、円筒状の電子ビームがＴＥＭの観察用試料を照射する。従来の電子顕微鏡に使われてきた電子ビームの内で最も小さいエネルギー幅を有する電子ビームのエネルギー幅は０．２ｅＶであるから、本発明により、従来に比べて１０倍単色性に優れた電子ビームをＴＥＭ像の形成に利用することが出来るようになった。

図７は１ｋＶ球面収差補正ＳＥＭに応用した本発明の実施の１形態である。
ＴＥＭは観察用試料に電子線を照射し、透過した電子線の作る観察用試料の像を対物レンズ、ならびに投射レンズで拡大して観察用スクリーンの上に投影する装置であった。一方ＳＥＭは電子源の像を対物レンズで縮小し、観察用試料に投影する装置である。そのため球面収差補正ＳＥＭに本発明を応用する場合には、電子源とプリズムと球面収差補正装置と対物レンズと観察用試料とをこの順序に並べる。球面収差補正ＴＥＭにおいても球面収差補正ＳＥＭにおいても本発明を応用する場合にはプリズムを電子銃と観察用試料との間に設ける必要性は変わらない。また、分散角増幅用レンズも本発明に不可欠の構成要素である。

低加速ＳＥＭでは対物レンズで発生する色収差を小さくするために観察用試料に比べて対物レンズの電位を高くして使用することが多い。図７では、電子源から引き出した電子線を２により、６ｋｅＶのエネルギーに加速し、３，６，７，８，９，１０を通過させた後、１ｋｅＶのエネルギーに減速して１１を照射するようにしている。すなわち、電子源には−６ｋＶの電圧を、観察用試料には−５ｋＶの電圧を印加している。また、１０にはスノーケル型の対物レンズを使用している。１０の先端と１１との距離、すなわち、観察用試料の作動距離は５ｍｍである。また、６を構成する磁界レンズ、ならびに７の磁界レンズには磁極間隔が３ｍｍ、磁極孔径が３ｍｍの磁界レンズが使われている。対物レンズや電極を励起するに必要な励起条件は図７に記入されている。８には直径１２０μｍの細孔が開けられており、この細孔が試料を照射する電子ビームのエネルギー幅を決めている。

図８は図７に示した１ｋＶ球面収差補正ＳＥＭにおいてエミッタから光軸に対する角度が０．２ｍｒａｄで放出され、２によって（６ｋｅＶ−０．００５ｅＶ），６ｋｅＶ，（６ｋｅＶ＋０．００５ｅＶ），（６ｋｅＶ＋０．０１０ｅＶ），（６ｋｅＶ＋０．０１５ｅＶ）に加速された電子線、２７，２８，２９，３０，３１の１１に至るまでの電子線軌道を計算機シミュレーション法により求め、描いている。電子銃を出るまではほぼ同一軌道をたどっていたこれらの電子線は、３でそのエネルギーに応じて分散し、更に６によって分散角が８６０倍に増幅されて８を照射する。エネルギーが６ｋｅＶと（６ｋｅＶ＋０．０１ｅＶ）の範囲にある電子線のみが直径１２０μｍの細孔を有する８を通り抜ける。それらの電子線は９に入り、さらに、７６Ａ／√Ｖに励起された１０と１０と１１の間に形成された５ｋＶの減速電界により集束、かつ、減速され、１１を照射する。８の細孔によるエネルギー選択作用と５ｋＶの減速電界作用とによって中心エネルギーが（１ｋｅＶ＋０．００５ｅＶ）でエネルギー幅が０．０１ｅＶの電子ビーム３２が作られ、そのビームが１１を照射している。３２は［図８］の中に、灰色に着色した部分として示した。この実施例は、本発明により、冷陰極フィールドエミッション電子源を使って作成された電子ビームに比べてそのエネルギー幅が１／２０に小さい電子ビームが低加速ＳＥＭに利用することができるようになったことを示している。

近年ＬＳＩ素子の微細化の必要性に伴い、電子ビームやイオンビームを使って微細加工を行う装置においても加工精度を高めるためなるべく細いビームを使うことが求められている。電子ビーム加工機やイオンビーム加工機はＳＥＭの原理で造られている。ＳＥＭの分解能は加工機のビーム細さに対応する。したがって本発明をビーム加工機に応用すれば、より高い精度で加工する装置が得られる。イオンビーム応用装置に本発明を利用する場合には静電レンズでプリズムと球面収差補正装置とを造る必要がある。

１・・・電子源２・・・電子銃３・・・電子線用プリズム４・・・エネルギーがＥ_１の電子線５・・・エネルギーがＥ_２の電子線６・・・分散角増幅用レンズ７・・・コンデンサーレンズ８・・・アパーチャ９・・・球面収差補正装置１０・・・対物レンズ１１・・・観察用試料１２・・・ＴＥＭ像の作成に使われる電子線１３・・・投射レンズ１４・・・観察用スクリーン１５・・・エネルギーが２４０ｋｅＶの電子線１６・・・２００ｋｅＶの電子線１７・・・１６０ｋｅＶの電子線１８・・・磁石−１１９・・・磁石−２２０・・・８０ｋｅＶのエネルギー幅を持った電子ビーム２１・・・（２００ｋｅＶ−０．０１５ｅＶ）に加速された電子線２２・・・（２００ｋｅＶ−０．０１０ｅＶ）に加速された電子線２３・・・２００ｋｅＶに加速された電子線２４・・・（２００ｋｅＶ＋０．０１ｅＶ）に加速された電子線２５・・・（２００ｋｅＶ＋０．０１５ｅＶ）に加速された電子線２６・・・エネルギーが２００ｋｅＶ，エネルギー幅が０．０２ｅＶの電子ビーム２７・・・（６ｋｅＶ−０．００５ｅＶ）に加速された電子線２８・・・６ｋｅＶに加速された電子線２９・・・（６ｋｅＶ＋０．００５ｅＶ）に加速された電子線３０・・・（６ｋｅＶ＋０．０１０ｅＶ）に加速された電子線３１・・・（６ｋｅＶ＋０．０１５ｅＶ）に加速された電子線３２・・・中心エネルギーが（６ｋｅＶ＋０．００５ｅＶ）でエネルギー幅が０．０１ｅＶの電子ビーム

Claims

電子銃と電子線制御用電子レンズと球面収差補正装置と観察用試料とを備えた電子顕微鏡において、該電子銃と該観察用試料との間に電子線用プリズムと該電子線用プリズムが産む電子軌道の分散の程度を増幅する分散角増幅用電子レンズと、細い間隙もしくは細孔を有する金属板とを設け、電子銃が発射した電子線のうち、該間隙もしくは該細孔を通り抜ける電子線のみで試料を照射することによって電子顕微鏡像の色収差を低減することを特徴とする、色収差も小さく抑えた球面収差補正電子顕微鏡。