JP2015162393A - 収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多極子の磁場のばらつきを低減し、高分解能な画像が得られる収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置を提供する。【解決手段】収差補正器において、磁界型の複数の極子１０１、１０２、１０３、１０４、１１２と、複数の極子を磁気的に接続させるリング１１４と、極子とリングとの間に設けられ、極子とリングとの間の間隔を極子毎に調整する調整部材１１６と、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、多極子を備えた収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子ビームを応用した顕微鏡、微細加工装置、半導体製造装置などでビームの偏向器や収差補正器に単段又は多段の多極子（２、４、６、８極子など）を使用している。近年、これらの荷電粒子ビーム応用装置を用いて１０ナノメートルオーダーの加工または、サブナノメートルオーダーの観察が行なわれており、サブナノメートルオーダーの精度でビームを制御することが求められている。このような制御を実現するために上述した装置に組み込まれる偏向器や収差補正器では、勿論最終的な調整は電気的に行なうが、その前提として多極子を機械精度よく組み立てることが必要である。これまで、精度よく多極子を形成できる手法としては、多極子製造の際、特許文献１には、光軸上に位置決め用部材をセットし、極子を位置決め用部材に押し当てて固定後、位置決め用部材を引き抜く手法が開示されている。特許文献２には、円筒形ハウジング内側にボール状や円筒状のスペーサを配置し多極子の位置決めを行なう方式が開示されている。特許文献３には、個々の極子をベース板にピンで固定する方式、一体の極子部材を固定後、ワイヤーカッターで切り離す手法が開示されている。特許文献４には、多段連結極子をベースブロックに固定する方式が開示されている。特許文献５は、円筒形型セラミック筒内壁上に設けられた金属層を電極として静電多極子を形成する方式が開示されている。特許文献６には、極子と支柱など支持部材などからなる極子部材を、荷電粒子が通過しうる貫通孔を有する円筒形ハウジングの内側に設けた光軸方向に平行な溝に嵌めこんで固定して多極子を形成する技術が開示されている。特許文献７には、磁路を構成する極子終端と鉄心部材の先端の間にスペーサを介して接触することを開示されている。

特開平１１−３３９７０９号公報 特開平５−３３４９７９号公報 特開２００４−２４１１９０号公報 特開平２００９−４３５３３号公報 特開２００６−１３９９５８号公報 特開２０１２−２０９１３０号公報 特開平２００７−２８７３６５号公報

収差補正技術に関し発明者等が検討したところ、サブナノメートルオーダーの精度でのビームの制御のためには、最終的な調整は電気的に行うにしても多極子を機械精度よく組み立てることが必要であること、特に球面収差補正器や色収差補正器ではマイクロメートルオーダーの組立精度が必要になること、また、磁界主体型収差補正器では、極子のみならず磁路を構成する他の部品にも高い組立精度が要求されることが想定された。すなわち、偏向や収差補正のために本来必要とされる多極子場以外に、収差起因のビームのぼけの原因となる寄生多極子場が発生し、それを補正するために新たに補正が必要になったり、個々の極子への独立した微調整が必要になるからである。また、磁界主体型収差補正器では、個々の極子の、磁路を構成する各部品の界面での磁気抵抗のばらつきが、補正時の上記寄生多極子場を増大させるためである。

そこで上記特許文献に開示された従来の多極子部材の組み立て方や構造について検討した。その結果、高精度化と組立て容易性の両立を図る上で従来技術には以下の課題のあることが分かった。

まず特許文献１では、極子先端の凹凸を１０マイクロメートル以下に抑えようとすると、位置決め用部材を引き抜くことが困難である。極子先端に傷をつけずに位置決め用部材を引き抜くには、位置決め用部材と極子先端の間にガタがなければならず、特に極子が多いほど、又段数が多いほど、このガタが大きくなければならず、結果的に位置決め精度を１０マイクロメートル以内に収めることは実用上困難であるという課題が挙げられる。

特許文献２に記載の構造では、ボールや円筒形スペーサ、ハウジングは精度良く加工できるが、組み立てる部品点数が非常に多くなり組立てに手間がかかるという課題がある。また、複数のスペーサを組み立てる際、ハウジングとの間に間隙がなく同時に組み込む必要があり、その保持ができず、組立が困難である。一方、スペーサを保持しておくためにハウジングの円筒面にネジ穴など非対称的な加工をして保持するなら、その位置決め精度を保てなくなるという課題が生じる。また、輸送に伴う振動でスペーサがずれることが区具される。

特許文献３に記載の個々の極子をベース板にピンで固定する方式では、１つの極子につき、調整する物理量は、光軸と極子先端間の距離と、光軸に垂直な面内での極子の方位角の２つである。それらを少なくとも２本のピンで調整する必要がある。あるいは１本のピンで光軸と極子先端間の距離を調整し、方位角は、ガイドで固定することもできる。いずれもマイクロメートルオーダーで調整するためには、測定とピンの偏心加工が繰り返す必要になり、非常に手間がかかり、組立者の技量に依存して精度が決まる。それゆえ再現性に乏しく、量産には向かないという課題がある。一体型の極子部材をベース板に固定後、ワイヤーカッター加工で切り離す方式では、マイクロメートルオーダーの加工精度があり、切り離しによる極子の磁気特性の変化も軽微にとどまるよう工夫されている。しかし加工後はベース板と極子を分解すると精度を保持できないため、洗浄が困難である。そのため、真空外で使用する磁界型多極子の製造には向いているが、真空中で使用する静電型多極子には適していない。また、この方法で多段の多極子を形成することは困難である。その理由は、多段の場合ではワイヤーが長くなるためワイヤーカッター加工で精度を出すのがより困難になることにある。また、上記した位置決めピン又はガイドによる極子の位置調整は、結果的に極子後端と磁路を形成する円筒形ヨークの貫通穴との間の間隙に影響するが、光軸と極子間の距離調整と、極子の後端とヨークの貫通穴の間の間隙調整は、同時に又は個別で行なうことが困難である。

特許文献４に記載の方法では、極子をワイヤーカッター加工や研削加工で製作するので、簡単にマイクロメートルオーダーの組立精度が得られ、部品点数も少なく、組立も容易である。しかし、ベースブロックにセラミックスを必要とする静電型多段多極子の場合、高精度な溝加工をしたセラミックス製ベースブロックが高価でありコスト面で課題がある。

特許文献５に記載の方法では、機械精度の良い多極子が形成できるが、セラミックス内壁でのチャージアップ、非対称な電圧導入線の電界の影響が出ることと、磁界型多極子ができないことなどの課題がある。

特許文献６に記載の方法では、金属材を用いて構成された極子部材と、円筒形ハウジングとを備え、その円筒形ハウジングの上端と下端の内壁に光軸と平行に、極子の数だけガイド溝を設ける。このガイド溝に、極子部材を光軸方向にスライドさせながら挿入し、止めネジで極子部材を円筒形ハウジングに固定して多極子を形成する。極子部材として複数の極子を光軸方向に支持部材を介して連結した連結極子部材を使い、多段多極子を形成する。この加工方法では、部品点数が少なく、１０マイクロメートル以内の組立精度の単段又は多段多極子が得られる。しかし、磁界型の極子を用いた場合、多極子場の対称性の支配要因は、極子先端と光軸間の距離及び極子先端の方位角のみでなく、磁路を形成する極子以外の部材の加工及び組立精度にもある。上記特許文献１‐６では、磁界型極子部材を形成する場合、上記磁路を構成する極子以外の部材の加工および組立に関する記載がない。極子とその他の部材やその他の部材同士の界面の磁気抵抗は、極子先端の多極子場の強度及び分布に影響するため、光軸に垂直する面内の個々の極子の磁路の磁気抵抗にばらつきが大きくなると、形成する多極子場に寄生多極子場の強度も増加し、荷電粒子線のぼけの原因になる。

特許文献７に記載の組立方式では、磁路を構成する極子終端と鉄心部材の先端の間にスペーサを介して接触することで、各極子の磁路部材の界面で形成する磁気抵抗のばらつきを低減する働きがあるが、磁気抵抗の増加による多極子場の形成により大きい励磁が必要となる。また、スペーサに調整機能がないため、磁路の構成部品の加工公差を吸収できず、結果的には寄生多極子場が生じてしまうという課題が生じる。

本発明の目的は、多極子の磁場のばらつきを低減し、高分解能な画像が得られる収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、磁界型の複数の極子と、
前記複数の極子を磁気的に接続させるリングと、
前記極子と前記リングとの間に設けられ、前記極子と前記リングとの間の間隔を極子毎に調整する調整部材を有することを特徴とする収差補正器とする。

また、試料台と、
前記試料台に載置される試料に照射するための荷電粒子を発生する荷電粒子源と、
前記荷電粒子を粒子線として前記試料に照射する荷電粒子線光学系と、
前記粒子線の収差を補正するための収差補正器であって、磁界型の複数の極子と、前記複数の極子を磁気的に接続させるリングと、前記極子と前記リングとの間に設けられ、前記極子と前記リングとの間の間隔を極子毎に調整する調整部材を有する収差補正器と、を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置とする。

本発明によれば、多極子の磁場のばらつきを低減し、高分解能な画像が得られる収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の第1の実施例に係る収差補正器における４連結極子部材の一例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施例に係る収差補正器における、円筒形ハウジングに組み込まれた１２極子４段ユニットの一例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施例に係る収差補正器（色・球面収差補正器）の一例を示す図であり、上図が上面図、下図が部分断面図を示す。 本発明の第1の実施例に係る収差補正器の１２極子４段ユニットにおける後段部極子と外磁路リングの対向面間の間隙を調整する機構の一例（例１）を示す断面図である。 本発明の第1の実施例に係る収差補正器の１２極子４段ユニットにおける後段部極子と外磁路リングの対向面間の間隙を調整する機構の他の例（例２）を示す断面図である。 本発明の第1の実施例に係る収差補正器の１２極子４段ユニットにおける後段部極子と外磁路リングの対向面間の間隙を調整する機構の別の例（例３）を示す断面図である。 本発明の第１の実施例に係る荷電粒子線装置（色・球面収差補正器を搭載した走査型電子顕微鏡）の一例を示す概略構成図（一部断面図）である。 本発明の第２の実施例に係る収差補正器（色・球面収差補正器）の構造の他の例を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施例に係る荷電粒子線装置（色・球面収差補正器を搭載した走査型電子顕微鏡）の一例を示す概略構成図（一部断面図）である。 本発明の第３の実施例に係る荷電粒子線装置（色・球面収差補正器を搭載した走査透過型電子顕微鏡）の一例を示す概略構成図（一部断面図）である。

発明者等は、従来の収差補正器について検討した結果、多極子がそれぞれ収納される磁路リングに設けられた溝または穴の部分において、溝または穴の側面と極子の側面との距離がそれぞれの極子でばらつき、磁路リングと極子との間の磁気抵抗がばらついていることを見出した。本発明はこの新たな知見により生まれたものである。

以下、本発明の実施の形態について図を用いて説明する。なお、実施例においては電子線を用いた装置について説明するが、陽子線を用いる場合にも適用することができる。また、以下の各図では同一部分には同一の符号を付し、その重複説明は必要な場合に限り行なう。

本発明の第１の実施例について図１〜図７を用いて説明する。まず、収差補正器の一例として、１２極子４段の色・球面収差補正器の一例を複数の図面を用いて説明する。

図１は本実施例に係る色・球面収差補正器のうち、その中心部分の１２極子４段ユニットの要素のひとつである４連結極子部材１０７を模式的に示したものである。なお、極子は前段部極子と後段部極子とを含むが、ここでは前段部極子或いは後段部極子を単に極子と呼ぶこともある。前段部極子１０１から前段部極子１０４の材質は、パーマロイのほか、純鉄、パーメンジュール等の軟磁性金属、若しくは軟磁性金属材と非磁性金属材とを用いて構成することができる。これら４個の極子は、アルミナ材の支柱１０５、１０６を介してロウ付けにより一体化されて、４連結極子部材１０７を形成する。極子先端部の傾斜面１０８は、４連結極子部材１０７を形成後に４つの極子を同時加工で仕上げて、角度をそろえる。同一の冶具を使い、同一の加工条件で１２個の４連結極子部材を仕上げるので、マイクロメートルで同じ形状の４連結極子部材をつくることが可能である。なお、符号１１７は極子取付穴、符号１１９は極子部材固定用ネジ穴を示す。

図２は図１に示した４連結極子部材１０７を、円筒形ハウジング１０９内に組み込んだ１２極子４段ユニットの外観図である。円筒形ハウジング１０９の開口両端部の内壁部には１２本の角溝１１０が内周に形成されている。４連結極子部材１０７の傾斜面１０８の鋭角部分を光軸１２９側に向けて、円筒形ハウジング１０９の角溝１１０に４連結極子部材１０７を嵌め込み、光軸１２９方向にスライドさせて１２極子を組み立てる。１段目の極子１０１と４段目の極子１０４は極子部材固定用ネジ穴１１９を有しており、角溝１１０にあけた孔を通してネジ１１１で円筒形ハウジング１０９に固定される。円筒形ハウジング１０９は非磁性金属製で、円筒形ハウジング１０９の円形状の上面から下面まで貫通する開口の両端部に形成された角溝１１０は、４連結極子部材１０７の１段目の極子１０１と４段目の極子１０４が嵌め込まれるように形成されている。２段目の極子１０２と３段目の極子１０３は円筒形ハウジング１０９に接触しないように、２段目の極子１０２と３段目の極子１０３が配置される前記円筒形ハウジング側壁の厚みは肉薄になっている。なお、極子部材として単体金属の極子、ハウジングとして極子一段分の厚さのスペーサを使い、単段の多極子を形成することもできる。符号１１８は後段部極子貫通孔を示す。

図３に、図２で説明した１２極子４段ユニットをベースにコイル１１３や外磁路リング（磁気ヨーク）１１４をとりつけた色・球面収差補正器の構造を示す。各極子端部には、円筒形ハウジング１０９の側壁に設けられた貫通孔１１８を通して、前段部極子１０１、１０２、１０３、１０４の後段部極子取付穴１１７にそれぞれ後段部極子１１２の先端の凸部が嵌めこまれ、取り付けられる。なお、後段部極子１１２は軟磁性金属材、若しくは軟磁性金属材と非磁性金属材とを用いて構成され、コイル１１３が巻かれている。外磁路リング１１４には各後段部極子１１２を固定するための穴１１５が開いており、この穴に上記後段部極子１１２と外磁路リング１１４を連結して磁路を形成する。このようにして多極子の各段毎に磁路が形成される。上記後段部極子１１２の側壁と外磁路リングの穴１１５の内壁間の間隙の距離が上記後段部極子１１２の側壁の円周方向に均一になるように調整可能な間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６が取り付けられている。外磁路リング１１４は接地されており、２段目と３段目の極子には電界も印加するため、２段目と３段目の後段部極子１１２は外磁路リング１１４と絶縁されている。電界を印加しない１段目と４段目は外磁路リングから絶縁する必要がないため、間隔調整機能を有する部品とすることもできる。

色収差補正は１、２、３、４段目に磁界４極子場を励起し、同時に２、３段目に磁界４極子場と４５°位相のずれた電界４極子場を励起することによりおこなう。球面収差補正は１、２、３、４段目に磁界８極子場を励起することによりおこなう。実際の補正に際しては、各多極子は光軸に対しナノメートルオーダーで機械的に整列させることはできないので、各段に２極子場（偏向器として作用する）を励起し、重畳して各段の４極子場の中心をビームが通るように電気的に調整する。また各段に６極子場を励起して３回非点収差および軸上コマ収差補正をおこなう。

次に、上記後段部極子１１２の側壁と外磁路リング１１４の穴１１５の内壁間の間隙の距離を調整する上記間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６の詳細及び調整方法について説明する。

図４は後段部極子１１２と外磁路リング１１４の穴１１５の内壁と対向する面の間の間隙を調整する機構の一例である。上記後段部極子１１２の側壁と外磁路リングの穴１１５の内壁間の間隙に挟む間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６にテーパー構造を用意し、加工公差起因の間隙を前記後段部極子１１２の側壁の周囲に均一に分布するように間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６を外磁路リング１１４方向（図４では右方向）に押し付けて固定する。なお、位置調整での締め付けによる後段部極子の変形は、前段部極子先端迄は影響しない。

図５は後段部極子１１２と外磁路リング１１４の穴１１５の内壁と対向する面の間の間隙を調整する機構の他の例である。なお、図５は例えば図４において右側から見たときの断面図に相当する。外磁路リング１１４に各後段部極子１１２に対応する穴１１５の中心に向かって複数のネジ穴（ここでは、極子毎に４個）が作られ、後段部極子が穴１１５に設置した後、前記ネジ穴に少なくともひとつ以上の調整ネジ１２７を取り付け、前記後段部極子１１２の側壁の周囲の前記間隙を均一に分布するように調整ネジ１２７の位置を調整し固定する。なお、本実施例では外磁路リングに穴１１５を形成したが、溝とすることもできる。また、本構成の場合ネジ１２７は絶縁性を有する。また、位置調整での締め付けによる後段部極子の変形は、前段部極子先端迄は影響しない。

図６は後段部極子１１２と外磁路リング１１４の穴１１５の内壁と対向する面の間の間隙を調整する機構の第３の例である。後段部極子１１２の側壁と穴１１５の内壁の間に絶縁スリーブ（非磁性体製スペーサ）１２８を予め挟んで、調整用ネジ１２７を用いて後段部極子１１２の側壁と外磁路リング１１４の穴１１５の内壁間の間隙を後段部極子１１２の側壁方向に均一に分布するように調整し固定する。なお、位置調整での締め付けによる後段部極子の変形は、前段部極子先端迄は影響しない。

本実施例では、図４から図６まで述べた調整機構を用いて調整する際、前記したように直接に後段部極子１１２の側壁方向の間隙の分布を計測しながら調整したが、調整される極子の方に励磁電流を流し単極子磁場を発生させ、磁気特性（多極子内径の磁場強度や方向）を計測しながら調整することもできる。例えば、多極子内径の磁場強度が最小になるように調整機構を調整し後段部極子１１２と外磁路リング１１４の穴１１５との位置関係を決定する。

以上、磁路を構成する円筒形状ヨークにある溝又は貫通穴の間の間隙を調整可能な部材を採用し、１０マイクロメートル以内の組立精度が得られる単段又は多段の収差補正器を得ることができた。

次に、本実施例に係る収差補正器を用いた荷電粒子線装置について図７を用いて説明する。図７に、図３の色・球面収差補正器を真空容器に入れて、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称す）に組み込んだ一例を示す。このＳＥＭは電子線を試料上に照射ないし走査させるＳＥＭカラム３０１、試料ステージが格納される試料室３０２、ＳＥＭカラム３０１や試料室３０２の各構成部品を制御するための制御ユニット３０３等により構成されている。ここではイオンポンプやターボ分子ポンプと真空配管、真空系制御機構についての図示、説明は省略している。制御ユニット３０３には、更に、所定の情報を格納するためのデータストレージ３７６や取得画像を表示するモニタ３７７、装置と装置ユーザとのインタフェースとなる操作卓３７８が接続されている。操作卓３７８は、例えば、キーボードやマウスなどの情報入力手段により構成される。

初めに、ＳＥＭカラム３０１内部の構成要素について説明する。電界放出電子源１３１はタングステンの単結晶先端を電界研磨して尖らせた電子源で、フラッシング電源１３２により通電加熱して表面を清浄にした後、１０^−８Ｐａ台の超高真空中にて引き出し電極１３４との間に＋５ｋＶ程度の電圧を引き出し電源１３３で印加することにより、電界放出電子を放出させる。引き出し電極１３４と第２陽極１３５との間で形成される静電レンズにより加速、収束された電子は、光軸１２９に沿って後段の構成要素へ入射する。第１コンデンサーレンズ３２０で収束され、可動絞り３２１にてビーム量を制限され、第２コンデンサーレンズ３２２および２段偏向器３２３を通り、収差補正器１２０に入射する。２段偏向器３２３は、電界放出電子銃３１０および、コンデンサーレンズ３２０、３２２の軸と収差補正器１２０の軸が一致するように調整される。収差補正器１２０を出たビームは、２段偏向器３３４により調整レンズ３２４、対物レンズ３３１の光軸に一致するよう調整される。また、第１コンデンサーレンズの設定条件によるが、第２コンデンサーレンズ３２２は必ずしも必要ではない。

次に、収差補正器の動作について説明する。本実施例の収差補正器１２０は、４極−８極子系収差補正器であり、色収差と球面収差が補正可能である。収差補正器１２０の各段で４極子、８極子を形成するが、これに１２極の磁極（電極を兼ねてもよい）を用いると、４極子、８極子のほか、２極子、６極子、１２極子も重畳して形成可能である。電極、磁極の組み立て誤差、磁極材料の不均一性により生じる寄生収差たとえば軸上コマ収差、３回非点収差、４回非点収差などを補正するためにこれらの多極子場を使用する。

収差補正器１２０により主に対物レンズ３３１の色収差、球面収差を相殺するに相当する離軸に応じた角度を調整された電子ビームは、調整レンズ３２４により一度ＥｘＢ偏向器３２７近傍に集束される。ＥｘＢ偏向器近傍にクロスオーバを形成するのは、ＥｘＢ偏向器３２７の収差の影響を小さくするためである。また、調整レンズ３２４により、色収差、球面収差補正後の４次の色・球面組み合わせ収差や５次球面収差の増大も抑制される。よって、収差補正で高分解能像を得るためには、調整レンズ３２４が必要である。その後、電子ビームは、対物レンズ３３１にて試料３３２上に集束され、走査偏向器３２９にて試料上を走査される。符号３２８は対物アライナーである。

試料室３０２内部には、試料３３２を載置する試料載置面を備えた試料ステージ３３３が格納されている。電子線照射により発生する２次荷電粒子（この場合は２次電子または反射電子）は、対物レンズ３３１を抜けて、反射板３２５に当たり副次粒子を発生させる。発生した電子は、２次電子検出器３２６で検出される。ＥｘＢ偏向器３２７は、試料から発生する２次電子の軌道を曲げて２次電子検出器３２６に直接導き、あるいは試料から発生する２次電子が反射板３２５に当たる位置を調整し検出効率を向上させる。検出された２次電子信号は、走査と同期した輝度信号として制御コンピュータ１３０に取り込まれる。制御コンピュータ１３０は、取り込んだ輝度信号情報に対して適当な処理を行い、モニタ３７７上にＳＥＭ画像として表示される。検出器はここでは１つしか図示していないが、反射電子や２次電子のエネルギーや角度分布を選別して画像取得できるように、複数配置することもできる。中心に孔のあいた同軸円板状の２次電子検出器を光軸１２９上に配置すれば反射板３２５は必ずしも必要ではない。

制御ユニット３０３は、フラッシング電源１３２、引き出し電源１３３、加速電源１３６、第１コンデンサーレンズ電源３４０、第２コンデンサーレンズ電源３４１、調整レンズ電源３５１、偏向器電源３４２、収差補正コイル電源３４３、収差補正電圧源３４３１、走査コイル電源３４４、対物レンズ電源３４５、リターディング電源３４６、非点補正コイル電源３４７、対物アライナー電源３４８、ＥｘＢ偏向器電源３４９、２次電子検出器電源３５０等により構成され、それぞれＳＥＭカラム内の対応する構成要素と、信号伝送路や電気配線等で接続されている。なお、符号３３０は非点補正コイル、符号３３５は偏向器電源を示す。

真空容器３５２は磁気シールドを兼ねるのでパーマロイなどの軟磁性金属で作るか、非磁性金属で作成し表面にパーマロイの薄板で磁気シールドを形成する。収差補正器１２０に対して、各段に４極子および８極子を形成するよう、コイル電源が接続される。コイル１１３には４極子形成用と８極子形成用のコイルを分離して巻くこともできる。この場合は４極子用コイル電源と８極子用コイル電源は独立に用意する。分離巻きしない場合には各極子に１つのコイル電源が対応し、４極子場や８極子場を形成するように制御コンピュータ１３０が各極子のコイル電源の出力電流を計算して、そのように収差補正コイル電源３４３に電流を出力させる。また２、３段目極子に印加する電圧も、同様に制御コンピュータ１３０により計算され、収差補正電圧源３４３１により出力される。

収差補正器１２０の収差調整量を決めるには収差補正する以前に、系の収差測定をする必要がある。このためには２段偏向器３２３でビームを、収差補正器の光軸の周りを一定の方位角（たとえば３０°刻みで１２分割など）で移動させ、各場合のＳＥＭ画像を解析して収差を計測することができる。この複数のＳＥＭ画像データは制御コンピュータ１３０に取り込まれ、収差を計算する。次に制御コンピュータ１３０は計算された収差を相殺するように収差補正コイル電源３４３、収差補正電圧源３４３１の出力を計算し、これらの電源に命令を出して収差を補正する。再び収差を計測して、その値に基づきまた収差補正量を計算して電源に出力させる。このプロセスを何回かマニュアルまたは自動で繰り返して、系のすべての収差量があらかじめ設定したしきい値以下になったら、収差補正が完了する。調整レンズ３２４の設定条件の一つとして、収差補正器１２０の４段目の極子主面の像を対物レンズ３３１の主面に投影すると、５次収差の影響を小さく抑えることができることが知られている。実際にはビーム開き角との兼ね合いで５次収差の影響は大きく変化するので、厳密にその条件で調整レンズ３２４を動作させる必要はなく、これに近い条件で運用すればよい。

本実施例によれば、多極子の内径の凹凸、極子と外磁路リング間の間隙のばらつき、極子毎の方位角を含む角度など、組立精度１０マイクロメートル以内、角度数秒以内の多極子収差補正器を実現することができる。なぜなら、極子、ガイド溝及び外磁路リングとの形状は、ワイヤーカッター加工や研削加工で数マイクロメートルの機械精度で加工することができるので、それらを組み合わせて前述の組立精度を得ることが十分可能となる。
また、組み立てる際に多極子の内径部（極子先端）の磁場強度を計測しながら極子と外磁路リング間の間隙を調整するため、多極子の磁気的な対称性を最大限に実現することができる。
また、多極子を形成するための基本部品は、極子と円筒形ハウジングと止めネジだけで調整箇所がないため、多極子の組み立ての分は、作業者の技能に左右されずに、短期間に、再現性良く、機差もほとんどなく多極子を組み立てることが可能になる。
また、外磁路リングの取り付けで多極子の内径部の磁場特性（磁場の方向、強度）を計測しながら極子との間の上記間隙を調整するため、多極子間の磁気特性のばらつきを確実に最小限に抑制できる収差補正器が提供できる。
また、多極子の構成部品数が少なく、構造的に単純なので、装置の運搬による振動やコイルの発熱などによる極子が緩むこともなく、安定した荷電粒子線装置が提供できる。
また、極子製作時に同一加工条件で予備の極子も製作しておけるので、極子損傷時の極子の入れ替えなどメンテナンス作業が容易に行なえる。
また、構造上、多段の多極子間の方位角のずれも小さく抑えられるので高性能な電子光学装置が提供できる。

以上、本実施例によれば、多極子の磁場のばらつきが低減され微細な荷電粒子線ビーム径を得ることができ、高分解能な画像が得られる収差補正器及びそれを用いた荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の第二の実施例に係る収差補正器の一例について図８、図９を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図８に、１２極子４段の電界４極子を主体とした本実施例に係る色球面収差補正器を示す。この場合は４段の極子がすべて絶縁されている必要があるので、ロウ付け極子部材としては４個の極子の上下に溝１１０へ固定用の金具１２１、１２２を加える。これにより４つの極子はすべて円筒形ハウジング１０９と絶縁される。１段目の極子１０１と４段目の極子１０４は電圧源のみ接続し、２、３段目の極子１０２、１０３は電磁界複合型極子であり、磁場発生のためのコイル１１３が外磁路リング１１４の内側に配置される。外磁路リング１１４は、間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６を介して後段部極子１１２と連結される。極子をぬけた磁場は外磁路リング１１４内をまわって磁気回路を形成する。２、３段目の極子は間隔調整機能付き絶縁スリーブ１１６により外磁路や鏡体、他の極子とも絶縁される。以上のようにして電界４極子を主体とした色球面収差補正器が形成される。

図９に上記図８の収差補正器を搭載した本実施例に係る走査電子顕微鏡の概略全体構成図を示す。ここでは図８の収差補正ユニットのうち、後段部極子１１２と外磁路リング１１４を真空容器３５２の外側に配置した例を示している。これにより大きな磁気シールド（パーマロイシールド）１２５が必要になるが、発熱源のコイルが自然冷却されて磁極の熱ドリフトが小さくなる。またコイルにアクセスできるので、コイルの断線修理や巻き数変更などメンテナンスが容易になるという特徴がある。図９に示した構成は、図７の構成と共通する部分が多いので、構造の異なる部分のみ説明する。本実施例ではショットキー電子銃１４０を使用する。ショットキー電子源１４１はタングステンの単結晶に、酸素とジルコニウムなどを拡散させショットキー効果を利用する電子源で、その近傍にサプレッサー電極１４２、引き出し電極１３４が設けられる。ショットキー電子源１４１を加熱し、引き出し電極１３４との間に＋２ｋＶ程度の電圧を印加することにより、ショットキー電子を放出させる。サプレッサー電極１４２には負電圧が印加されショットキー電子源１４１の先端以外からの電子放出を抑制する。電界放出電子銃に比べて、エネルギー幅や光源径は大きくなるが、プローブ電流が多くとれ、フラッシングの必要がなく連続運転に適している。なお、符号１４４は第１陽極、符号１４６、１４７は電子銃用電源、符号４０１は試料準備室、符号４０２は試料搬送機構、符号４０３はゲートバルブ、符号４０４は試料ステージ制御機構を示す。

本実施例の走査電子顕微鏡では半導体ウェハー上のレジストパターンなどを計測することが可能で、試料ダメージの観点から、通常はランディングエネルギーを１ｋｅＶ以下に抑えて使用する。また、ワーキングディスタンスが一定であり、ランディングエネルギーの異なる２、３の観察モードに対応した収差補正器の動作条件やリターディング電圧値等がデータストレージ３７６に格納されており、オペレータの選択により制御コンピュータ１３０が選択された動作条件を呼び出して、各電源を条件設定して観察モードを実行する。試料室３０２にはウェハーを搬入するための試料準備室４０１が設けられ、ゲートバルブ４０３を通ってウェハー試料が試料搬送機構４０２で試料ステージ３３３にセットされる。あらかじめ入力された計測箇所について制御コンピュータ１３０は試料ステージ制御機構４０４を制御してステージ移動をおこない、対物レンズ３３１でフォーカスをあわせ、非点補正コイル３３０で非点収差を補正し、走査偏向器３２９、２次電子検出器３２６などを制御して、測長、データ記録、画像取得、データ格納などの動作を自動で行う。また、言うまでもなく、図８に示した収差補正器の代わりに図３に示した磁界主体型収差補正器の使用も可能である。また、第１コンデンサーレンズの設定条件によるが、第２コンデンサーレンズ３２２は必ずしも必要ではない。

本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、収差補正ユニットのうち、後段部極子と外磁路リングを真空容器の外側に配置することにより、発熱源のコイルが自然冷却されて磁極の熱ドリフトが小さな荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の第三の実施例に係る荷電粒子線装置について図１０を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

図１０に本実施例に係る走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の概略全体構成図を示す。ＳＴＥＭ用の荷電粒子光学カラムは、電子ビームを発生し所定の加速電圧で放出する電子銃３１０、試料上に電子ビームを走査する走査偏向器３２９、電子ビームを試料上に収束して照射するための対物レンズ３３１、試料を透過した電子線を検出するためのアニュラー検出器３５５、軸上検出器３５７などにより構成される。透過電子を検出する必要があるためＳＴＥＭ用の試料は薄片化されている必要があり、メッシュなどに固定された状態で、サイドエントリ試料ホールダ３３６により電子線の光軸上に配置される。

高加速電圧のＳＴＥＭでは色収差より球面収差で分解能が主に制限されており、球面収差のみを補正する場合には電磁重畳極子を使う必要がなく、すべて磁界型多極子を使用する。ＳＴＥＭ用球面収差補正器は、例えば、電子銃と対物レンズの間に配置される。本実施例の収差補正器１２０は、上下の６極子（または１２極子）とその間にトランスファーレンズ３６０を２段配置した構成の球面収差補正器である。上下の極子の位置決めを前述のように円筒形ハウジング１０９の角溝と極子１０１、１０２のはめ合いでおこなう。３個のスペーサ３６１にて２個のトランスファーレンズ３６０の位置を決める。スペーサ３６１には円筒形ハウジング１０９の角溝にはめ込む四角い突起がついており、容易に組立てができる。ここでも、第１コンデンサーレンズの設定条件によるが、第２コンデンサーレンズ３２２は必ずしも必要ではない。なお、符号３５３は投射レンズ、符号３５４は投射レンズ電源、符号３５６はアニュラー検出器電源、符号３５８は軸上検出器電源を示す。
本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…極子（前段部）、１０２…極子（前段部）、１０３…極子（前段部）、１０４…極子（前段部）、１０５…アルミナ支柱、１０６…アルミナ支柱、１０７…４連結極子部材、１０８…傾斜面、１０９…円筒形ハウジング、１１０…角溝、１１１…ネジ、１１２…極子（後段部）、１１３…コイル、１１４…外磁路リング（磁気ヨーク）、１１５…外磁路リングの穴、１１６…間隔調整機能付絶縁スリーブ、１１７…極子取付穴、１１８…後段部極子貫通孔、１１９…極子部材固定用ネジ穴、１２０…収差補正器、１２１…金具、１２２…金具、１２５…パーマロイシールド、１２７…調整ネジ、１２８…絶縁スリーブ、１２９…光軸、１３０…制御コンピュータ、１３１…電界放出電子源、１３２…フラッシング電源、１３３…引き出し電源、１３４…引き出し電極、１３５…第２陽極、１３６…加速電源、１４０…ショットキー電子銃、１４１…ショットキー電子源、１４２…サプレッサー電極、１４４…第一陽極、１４６…電子銃用電源、１４７…電子銃用電源、３０１…ＳＥＭカラム、３０２…試料室、３０３…制御ユニット、３１０…電界放出電子銃、３２０…第１コンデンサーレンズ、３２１…可動絞り、３２２…第２コンデンサーレンズ、３２３…２段偏向器、３２４…調整レンズ、３２５…反射板、３２６…２次電子検出器、３２７…ＥｘＢ偏向器、３２８…対物アライナー、３２９…走査偏向器、３３０…非点補正コイル、３３１…対物レンズ、３３２…試料、３３３…試料ステージ、３３４…２段偏向器、３３５…偏向器電源、３３６…サイドエントリ試料ホールダ、３４０…第１コンデンサーレンズ電源、３４１…第２コンデンサーレンズ電源、３４２…偏向器電源、３４３…収差補正コイル電源、３４３１…収差補正電圧源、３４４…走査コイル電源、３４５…対物レンズ電源、３４６…リターディング電源、３４７…非点補正コイル電源、３４８…対物アライナー電源、３４９…ＥｘＢ偏向器電源、３５０…２次電子検出器電源、３５１…調整レンズ電源、３５２…真空容器、３５３…投射レンズ、３５４…投射レンズ電源、３５５…アニュラー検出器、３５６…アニュラー検出器電源、３５７…軸上検出器、３５８…軸上検出器電源、３６０…トランスファーレンズ、３６１…スペーサ、３７６…データストレージ、３７７…モニタ、３７８…操作卓、４０１…試料準備室、４０２…試料搬送機構、４０３…ゲートバルブ、４０４…試料ステージ制御機構。

Claims (15)

1. 磁界型の複数の極子と、
   前記複数の極子を磁気的に接続させるリングと、
   前記極子と前記リングとの間に設けられ、前記極子と前記リングとの間の間隔を極子毎に調整する調整部材と、を有することを特徴とする収差補正器。
2. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記極子と前記リングとの間とは、前記リングに前記極子の端部を収納する溝または穴の側面と前記極子の前記端部の側面との間であることを特徴とする収差補正器。
3. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記調整部材は、前記極子の前記端部と前記リングとの間にテーパーを設けたスペーサであることを特徴とする収差補正器。
4. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記調整部材は、前記極子と前記リングとを非磁性体で固定する固定冶具であることを特徴とする収差補正器。
5. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記調整部材は、前記極子と前記リングとを非磁性体のネジにて複数箇所固定する固定冶具であることを特徴とする収差補正器。
6. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記極子と前記リングとの間とは、前記リングに前記極子の前記端部を収納する溝または穴の側面と前記極子の前記端部の側面との間であり、
   前記調整部材は、前記間隔が均一になるように、前記極子と前記リングとが対向する側面の間に挟まれるスペーサであることを特徴とする収差補正器。
7. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記調整部材は、前記各極子先端の磁気特性を前記複数の極子の間にて一致するように、前記極子および前記リング間の間隔を調整することを特徴とする収差補正器。
8. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記収差補正器は、色または球面収差を補正することを特徴とする収差補正器。
9. 請求項１に記載の収差補正器において、
   前記複数の極子を支柱に一体化形成した極子部材と、中心部に荷電粒子線を通過させる開口部を有する円筒形ハウジングを備え、
   前記円筒形ハウジングは、前記開口部の内壁の円周上に前記複数の極子を嵌め込み固定する複数の溝を有することを特徴とする収差補正器。
10. 請求項１に記載の収差補正器において、
    前記極子は軟磁性金属材、若しくは軟磁性金属材と非磁性金属材とを用いて構成されることを特徴とする収差補正器。
11. 請求項９に記載の収差補正器において、
    前記支柱はアルミナ材であり、
    前記極子の前記支柱への固定方法は、ロウ付けであることを特徴とする収差補正器。
12. 請求項１に記載の収差補正器において、
    前記収差補正器は４段以上の多段多極子を用いたことを特徴とする収差補正器。
13. 請求項１に記載の収差補正器を備えた荷電粒子線装置であって、
    前記収差補正器の前記極子の先端部は、真空チャンバ内に収めされていることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項１に記載の収差補正器を備えた荷電粒子線装置であって、
    前記収差補正器は、４段以上の多段多極子を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 試料台と、
    前記試料台に載置される試料に照射するための荷電粒子を発生する荷電粒子源と、
    前記荷電粒子を粒子線として前記試料に照射する荷電粒子線光学系と、
    前記粒子線の収差を補正するための収差補正器であって、磁界型の複数の極子と、前記複数の極子を磁気的に接続させるリングと、前記極子と前記リングとの間に設けられ、前記極子と前記リングとの間の間隔を極子毎に調整する調整部材を有する収差補正器と、を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。

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