JP2016143514A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低収差を実現し、プローブ径を小さくすることができる荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子線装置は、荷電粒子源１１と、荷電粒子源から放出する荷電粒子線１２を加速するための加速電源１４と、荷電粒子線を試料２３に集束させる対物レンズとを有する。対物レンズは、試料に対して荷電粒子線が入射する側に設置される第１の対物レンズ１８と、試料に対して荷電粒子線が入射する側の反対側に設置される第２の対物レンズ２６とを含む。装置は、第１の対物レンズの強度と第２の対物レンズの強度とを独立に制御する機能と、同時に制御する機能と、荷電粒子線を第１の対物レンズのみで試料に集束する機能と、荷電粒子線を第２の対物レンズのみで試料に集束する機能と、第１の対物レンズと第２の対物レンズを同時に使い、荷電粒子線の試料に入射する開き角を第１の対物レンズで可変して試料に集束する機能とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。より特定的には、本発明は、性能向上を図ることができる荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置としては、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、「ＳＥＭ」と略す。）、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）、電子ビーム溶接機、電子線描画装置、およびイオンビーム顕微鏡などが存在する。

従来のＳＥＭでは、高分解能化の観点からレンズの短焦点化に工夫が成されている。高分解能化のためには、レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）においてＢを強く、かつレンズの厚み、つまりＢ分布のｚ幅を薄くすることが必要である。

下記特許文献１には、２つの対物レンズ（第１の対物レンズと第２の対物レンズ）を備えたＳＥＭが記載されている（以後、試料に対して電子銃側のレンズを第１の対物レンズといい、試料から見て電子銃の反対側にある対物レンズを第２の対物レンズと呼ぶ）。第２の対物レンズは、特に、加速電圧Ｖａｃｃが０．５〜５ｋＶの低加速時における高分解能観察モードで用いられる。第１の対物レンズは、加速電圧Ｖａｃｃが０．５〜３０ｋＶにおける通常の観察モードで用いられる。

下記特許文献１において、第１の対物レンズと第２の対物レンズとは同時に動作させることはなく、モード毎にモード切り替え手段によって切り替えられる。また、下記特許文献１の第２の実施例（［００１７］段落）では、第２の対物レンズの磁極の一部を電気的絶縁部を介して電流電位的に分離することが記載されている。そして、磁極の一部と試料には、電圧Ｖｄｅｃｅｌが印加される。

下記特許文献１の第１の実施例（［００１０］〜［００１６］段落）では、二次電子（または反射電子）検出器は、第１の対物レンズよりもさらに電子銃側に置かれている。試料部で発生した二次電子（又は反射電子）は、第１の対物レンズの中を通過して検出器に入る。

下記特許文献２も、ＳＥＭの構成を開示している。特許文献２のＳＥＭにおいて対物レンズは、試料に対して電子銃とは反対側に配置される。二次電子は二次電子検出器からの引込み電界により偏向されて、二次電子検出器に捕獲される。

特開２００７−２５０２２３号公報 特開平６−１８１０４１号公報

本発明は、荷電粒子線装置の性能向上を図ることを目的としている。

本発明の一の局面に従う荷電粒子線装置は、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出する荷電粒子線を加速するために設けられる、前記荷電粒子源に接続された加速電源と、前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズとを有する荷電粒子線装置であって、前記対物レンズは、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置される第１の対物レンズと、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側の反対側に設置される第２の対物レンズとを含み、前記荷電粒子線装置は、前記第１の対物レンズの強度を可変する第１の対物レンズ電源と、前記第２の対物レンズの強度を可変する第２の対物レンズ電源と、前記第１の対物レンズ電源と前記第２の対物レンズ電源とを制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記第１の対物レンズの強度と前記第２の対物レンズの強度とを独立に制御する機能と、同時に制御する機能と、前記荷電粒子線を前記第１の対物レンズのみで試料に集束する機能と、前記荷電粒子線を前記第２の対物レンズのみで前記試料に集束する機能と、前記第１の対物レンズと前記第２の対物レンズを同時に使い、前記荷電粒子線の前記試料に入射する開き角を前記第１の対物レンズで可変して前記試料に集束する機能とを有する。

本発明の他の局面に従う荷電粒子線装置は、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出する荷電粒子線を加速するために設けられる、前記荷電粒子源に接続された加速電源と、前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズとを有する荷電粒子線装置であって、前記対物レンズは、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置される第１の対物レンズと、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側の反対側に設置される第２の対物レンズとを含み、前記荷電粒子線装置は、前記第１の対物レンズの強度を可変する第１の対物レンズ電源と、前記第２の対物レンズの強度を可変する第２の対物レンズ電源と、前記第１の対物レンズ電源と前記第２の対物レンズ電源とを制御する第１の制御装置とを備え、前記第１の制御装置は、前記第１の対物レンズの強度と前記第２の対物レンズの強度とを独立に制御する機能と、同時に制御する機能とを有し、前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線を二次元的に走査する二段の偏向部材を有し、前記二段の偏向部材は、上段の偏向部材と下段の偏向部材とを有し、前記上段の偏向部材の強度または電圧を可変する上段偏向電源と、前記下段の偏向部材の強度または電圧を可変する下段偏向電源と、前記上段偏向電源と前記下段偏向電源とを制御する第２の制御装置とを備え、前記上段の偏向部材と前記下段の偏向部材は、前記第１の対物レンズの内部よりも前記荷電粒子線が飛来してくる側に設置され、前記第２の制御装置は、前記上段偏向電源と前記下段偏向電源の使用電流比または使用電圧比を可変する。

好ましくは前記偏向部材は、偏向コイルまたは偏向電極である。

好ましくは前記下段の偏向部材は、それぞれが巻数の異なる複数のコイルであり、前記第２の制御装置は、前記複数のコイルのうち用いるものを制御する。

好ましくは、前記第１の対物レンズ電源のみを用いるとき、前記第１の対物レンズと測定試料面との距離が前記第２の対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされ、前記第２の対物レンズ電源のみを用いるとき、前記第２の対物レンズと測定試料面との距離が前記第１の対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされる。

好ましくは荷電粒子線装置は、前記試料に負電位を与える、前記荷電粒子線を減速するためのリターディング電源をさらに備える。

本発明によれば、荷電粒子線装置の性能向上を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態で、第１の対物レンズを使い、反射電子および二次電子を検出する場合を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態で、主な集束に第２の対物レンズを使い、二次電子を検出する場合を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態でのリターディング時のレンズ部を説明するための図であり、（ａ）リターディング時の等電位線、（ｂ）第２の対物レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）、および（ｃ）リターディング時の荷電粒子の速度を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態での絶縁部と試料台の他の構成を説明する概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態における、第１の対物レンズによる開き角αの調整を説明する図であり、（ａ）シミュレーションデータ３（Ｖａｃｃ＝−１ｋＶ）、（ｂ）シミュレーションデータ４（Ｖａｃｃ＝−１０ｋＶ、Ｖｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶ）、および（ｃ）シミュレーションデータ５（Ｖａｃｃ＝−１０ｋＶ、Ｖｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶ、第１の対物レンズを使用）に対応する図である。 本発明の第１の実施の形態において、偏向コイルの上下偏向コイルの強度比調整で偏向の交点を調整することを説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態において、第１の対物レンズがない簡易的な場合を説明する概略断面図である。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面は模式的なものであり、寸法や縦横の比率は現実のものとは異なることに留意すべきである。

また、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具現化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施の形態］

図１を参照して、本発明の第１の実施の形態であるＳＥＭの概略構成を説明する。

このＳＥＭは、電子源（荷電粒子源）１１と、電子源１１から放出される一次電子線（荷電粒子線）１２を加速する加速電源１４と、加速された一次電子線１２を集束するコンデンサレンズ１５と、一次電子線１２の不要な部分を除く対物レンズ絞り１６と、一次電子線１２を試料２３上で二次元的に走査する二段偏向コイル１７と、一次電子線１２を試料２３上に集束させる対物レンズ１８，２６と、試料２３から放出された信号電子２１（二次電子２１ａ、反射電子２１ｂ）を検出する検出器２０とを備えた電子線装置である。

ＳＥＭは、電磁レンズの制御部として、第１の対物レンズ１８の強度を可変する第１の対物レンズ電源４１と、第２の対物レンズ２６の強度を可変する第２の対物レンズ電源４２と、第１の対物レンズ電源４１と第２の対物レンズ電源４２とを制御する制御装置４５とを備える。

制御装置４５は、第１の対物レンズ１８の強度と、第２の対物レンズ２６の強度を独立に制御でき、かつ両レンズを同時に制御できる。また、図には示していないが、各電源は制御装置４５に接続されることで調整できるようになっている。

電子源１１としては、熱電子放出型（熱電子源型）、電界放出型（ショットキー型、または冷陰極型）を用いることができる。第１の実施の形態では電子源１１に、熱電子放出型のＬａＢ６などの結晶電子源、またはタングステンフィラメントを用い、電子源１１とアノード板（接地電位）との間に、例えば加速電圧−０．５ｋＶから−３０ｋＶを印加する。ウェーネルト電極１３には、電子源１１の電位よりも負の電位が与えられ、これにより電子源１１から発生した一次電子線１２の量がコントロールされる。そして電子源１１のすぐ前方に、一次電子線１２の一度目の最小径であるクロスオーバー径が作られる。この最小径が、電子源の大きさＳｏと呼ばれる。

加速された一次電子線１２は、コンデンサレンズ１５により集束され、電子源の大きさＳｏは縮小される。このコンデンサレンズ１５により、縮小率および試料２３に照射される電流（以下、プローブ電流と呼ぶ。）が調整される。そして、対物レンズ絞り１６により、不用な軌道の電子が取り除かれる。この対物レンズ絞り１６の穴径によって、試料２３に入射するビームの開き角αとプローブ電流とが調整される。

対物レンズ絞り１６を通過した一次電子線１２は、走査用の二段偏向コイル１７を通過し、第１の対物レンズ１８を通過する。汎用ＳＥＭは、第１の対物レンズ１８を使って、一次電子線１２の焦点を試料２３上に合わせる。図１のＳＥＭはこのような使い方もできる。

図１において、電子源１１から第１の対物レンズ１８までの構成により、一次電子線１２を試料２３に向けて射出する上部装置が構成される。また、電位板２２と、それよりも下に配置される部材とにより下部装置が構成される。下部装置に試料２３は保持される。上部装置は、その内部を通った荷電粒子線が最終的に放出される孔部を有している。第１の実施の形態ではその孔部は、第１の対物レンズ１８に存在する。検出器２０は、その孔部の下に取り付けられている。検出器２０も一次電子線１２が通過する開口部を有しており、孔部と開口部とが重なるように、検出器２０は第１の対物レンズ１８の下部に取り付けられる。または、複数の検出器２０を用い、複数の検出器２０は、一次電子線１２の軌道をふさがないようにしつつ、検出器２０の検出部を上部装置の孔部以外にはできるだけ隙間がないようにして、第１の対物レンズ１８の下部に取り付けられる。

図２に、第１の対物レンズ１８を使って、一次電子線１２の焦点を試料２３上に合わせる場合の例を示す。特に、厚みのある試料２３はこの方法で観察される。

一方で、第２の対物レンズ２６を主に使うときは、第１の対物レンズ１８を通過した一次電子線１２は、第２の対物レンズ２６で縮小集束される。この第２の対物レンズ２６は、試料２３に近づくほど強い磁場分布をしているため（図４（ｂ）参照）、低収差レンズを実現している。また、第１の対物レンズ１８は、開き角αをコントロールすること、ならびに縮小率やレンズの形状、および焦点深度を調整することで見やすい画像になるように、各制御値を最適化するのに用いられる。また、第２の対物レンズ２６のみで一次電子線１２を集束しきれない場合には、第１の対物レンズ１８で補助することもできる。

図３を参照して、リターディングをしない場合についての動作を説明する。

リターディングをしない場合には、図１の電位板２２は取り外してもよく、試料２３はできるだけ第２の対物レンズ２６に近づくように設置するのが良い。より詳しくは、試料２３は、第２の対物レンズ２６の上部（上面）から５ｍｍ以下に近づけて置くのが好ましい。

一次電子線１２は、加速電源１４で加速されたエネルギーで試料２３上を走査する。そのとき二次電子２１ａは、第２の対物レンズ２６の磁場により磁束に巻きついて螺旋運動をしながら上昇する。試料２３表面から離れると急速に磁束密度が低下するので、二次電子２１ａは旋回から振りほどかれて発散し、二次電子検出器１９からの引込み電界により偏向されて二次電子検出器１９に捕獲される。すなわち、二次電子検出器１９から発生する電界が、荷電粒子によって試料から放出される二次電子を引き付けるように、二次電子検出器１９は配置される、このようにして、二次電子検出器１９に入る二次電子２１ａを多くすることができる。

次に、図４を用いてリターディングをする場合について概略を説明する。図４において（ａ）は、リターディング時の等電位線、（ｂ）は、第２の対物レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）、（ｃ）は、リターディング時の荷電粒子の速度を示している。

図４（ｂ）に示されるように、第２の対物レンズ２６の光軸上磁束密度は、試料に近いほど強い分布をしているので、対物レンズは低収差レンズになる。そして、試料２３に負の電位を与えると、一次電子線１２は試料２３に近づくほど減速する（図４（ｃ）参照）。一次電子線１２は、速度が遅いほど磁場の影響を受けやすくなる。そのために試料２３に近いほど強いレンズになることから、第２の対物レンズ２６はさらに低収差レンズとなる。

また、試料２３のリターディング電圧による電界で、信号電子２１は加速され、エネルギー増幅して検出器２０に入るため、検出器２０は高感度となる。このような構成にすることで、高分解能な電子線装置を実現できる。

また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離は、１０ｍｍから２００ｍｍとされる。より好ましくは３０ｍｍから５０ｍｍとすることが望ましい。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離が１０ｍｍより近いと、第１の対物レンズ１８の直下に置いた検出器２０で反射電子２１ｂが検出できる。しかし、リターディング時に二次電子２１ａが第１の対物レンズ１８の中に引きこまれやすくなる。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離を１０ｍｍ以上離すことで、二次電子２１ａは検出器２０で検出されやすくなる。また、試料の出し入れは第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との隙間が３０ｍｍ程度あればとてもやりやすくなる。

次に、各部品の構成について詳細に説明する。まず第２の対物レンズ２６の形状について、図１を参照して説明する。

第２の対物レンズ２６を形成する磁極は、一次電子線１２の理想光軸と中心軸が一致した中心磁極２６ａと、上部磁極２６ｂと、筒形の側面磁極２６ｃと、下部磁極２６ｄとからなる。中心磁極２６ａの上部は、上部ほど径が小さくなる形状であり、例えば１段または２段の円錐台形状である。中心磁極２６ａの下部は、円柱形状で中心軸には貫通孔がない。上部磁極２６ｂは、中心に開口径ｄの開口が空いており、中心に向かいテーパ状に中心磁極２６ａの重心に近い側が薄くなる円盤形状である。中心磁極２６ａの先端径Ｄは６ｍｍより大きく１４ｍｍより小さい。開口径ｄと先端径Ｄとの関係は、ｄ−Ｄ≧４ｍｍとされる。

次に、磁極の具体的な例を示す。中心磁極２６ａと上部磁極２６ｂとの両者の試料側の上面は、同じ高さとされる。中心磁極２６ａの下部外径は６０ｍｍである。この外径が細いと、透磁率の低下を招くので好ましくない。

中心磁極２６ａがＤ＝８ｍｍの場合、上部磁極２６ｂの開口径ｄは、１２ｍｍから３２ｍｍとすることが好ましい。より好ましくは、１４ｍｍから２４ｍｍである。ｄが大きいほど、光軸上磁束密度分布は山がなだらかになり幅が広がり、集束に必要なＡＴ（アンペアターン：コイル巻数Ｎ［Ｔ］と電流Ｉ［Ａ］との積）を少なくすることができるメリットがある。しかし、口径ｄと先端径Ｄとの関係がｄ＞４Ｄとなると、収差係数が大きくなる。ここでは上部磁極２６ｂの開口径ｄは２０ｍｍ、側面磁極２６ｃの外径は１５０ｍｍである。また、中心磁極２６ａの軸中心に貫通穴があってもよい。

ここで、例えば厚みが５ｍｍの試料２３に対し、３０ｋＶの高加速電圧でも集束させる場合には、先端径Ｄは６ｍｍより大きく１４ｍｍより小さくするのがよい。Ｄを小さくしすぎると磁極が飽和し集束できなくなり、一方でＤを大きくすると性能が悪くなる。また、ｄとＤとの大きさの差が４ｍｍより小さいと、磁極が近すぎ飽和しやすくなり集束できなくなる。また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離は１０ｍｍ以下になると作業性が悪くなる。２００ｍｍより長すぎると開き角αが大きくなりすぎる。この場合、収差を最適にするために第１の対物レンズ１８を使い、αを小さくする調整が必要になり、操作性が悪くなる。

また例えば、５ｋＶ以下の加速電圧のみで使用し、試料２３の厚みが薄い場合は、先端径Ｄは６ｍｍ以下にしてもよい。だだし、例えば加速電圧が５ｋＶのときＤを２ｍｍ、ｄを５ｍｍにして、試料２３の厚みを５ｍｍにすると、第２の対物レンズ２６のみでは磁極は飽和してしまい集束できない。しかし、試料２３を薄いものに制限すれば、レンズはさらに高性能化できる。

試料２３に電位を与える方法として、第２の対物レンズ２６の磁極の一部に電気的絶縁部を挟んで一部の磁極を接地電位から浮かし、試料２３と磁極の一部にリターディング電圧を与えることもできる。ただし、この場合、磁気回路中に磁性体でないものを挟むと、磁気レンズが弱いものになる。また、リターディング電圧を高くすると放電する。電気的絶縁部を厚くすると、さらに磁気レンズが弱いものになる問題がある。

図１に示されるように、上部磁極２６ｂと中心磁極２６ａの間に、非磁性体で成るシール部２６ｆ（例えば銅やアルミまたはモネル）を置くことが望ましい。シール部２６ｆは、上部磁極２６ｂと中心磁極２６ａとの間をＯリングまたはロウ付けで、真空気密にする。第２の対物レンズ２６では、上部磁極２６ｂとシール部２６ｆおよび中心磁極２６ａにより、真空側と大気側が気密分離される。上部磁極２６ｂと真空容器は図には示していないが、Ｏリングで気密になるように結合されている。このようにすることで、第２の対物レンズ２６は、真空側の面を除いて、大気にさらすことができるようになり、第２の対物レンズ２６を冷却しやすくなる。

真空容器の中に第２の対物レンズ２６を入れることもできるが、コイル部２６ｅが真空側にあるとガス放出源になり、真空度が悪くなる。また、このように真空側と大気側を気密分離しないと、真空引きをしたときに、第２の対物レンズ２６と絶縁板２５が接しているところをガスが通るため、試料が動いてしまう問題がある。

コイル部２６ｅは、たとえば６０００ＡＴのコイル電流にすることができる。コイルは発熱して、高温になると線の被膜が融けて、ショートの原因になる。第２の対物レンズ２６は大気にさらすことができるようになることで、冷却効率が上がる。例えば第２の対物レンズ２６の下面の台をアルミにすることで、ヒートシンク的なものにすることができる。そして、空冷ファンや水冷などで第２の対物レンズ２６を冷却できるようになる。このように気密分離することで、強励磁の第２の対物レンズ２６とすることが可能になる。

図１を参照して、リターディング部を説明する。

第２の対物レンズ２６の上に絶縁板２５として、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度の厚みのポリイミドフイルムやポリエステルフイルム等を置く。そしてその上に磁性のない導電性のある試料台２４を置く。試料台２４は、例えば底面が２５０μｍ厚のアルミ板で周縁が周縁端に近づくほど絶縁板２５から離れる曲面形状に加工したものや、さらに曲面部と絶縁板２５との間の隙間を絶縁材３１で充填したものとする。このようにすると、第２の対物レンズ２６と試料台２４との間の耐電圧が上がり、安定して使うことができる。試料台２４の平面形状は円形であるが、楕円、矩形などどのような平面形状であってもよい。

試料台２４の上に試料２３が載置される。試料台２４はリターディング電圧を与えるために、リターディング電源２７と接続される。電源２７は、例えば０Ｖから−３０ｋＶまで印加できる出力が可変の電源とする。試料２３の位置を変えられるように、試料台２４は、真空外部から位置移動ができるように絶縁物でできた試料台ステージ板２９と接続される。試料台ステージ板２９はＸＹステージ（図示せず）と接続されており、真空外部から動かすことができる。

試料２３の上には円形の開口部のある導電性板（以下、電位板２２と呼ぶ）が配置される。電位板２２は、第２の対物レンズ２６の光軸に対し垂直に設置される。この電位板２２は、試料２３に対して絶縁して配置される。電位板２２は、電位板電源２８に接続される。電位板電源２８は、例えば０Ｖおよび−１０ｋＶから＋１０ｋＶの出力が可変の電源である。電位板２２の円形の開口部は直径２ｍｍから２０ｍｍ程度がよい。より好ましくは直径４ｍｍから１２ｍｍがよい。あるいは、一次電子線１２または信号電子２１が通過する電位板２２の部分を導電性のメッシュ状にしてもよい。メッシュの網部は電子が通過しやすいように細くして、開口率を大きくするとよい。この電位板２２は、中心軸調整のために真空外部から位置を移動できるように、ＸＹＺステージ（図示せず）に接続される。

試料台２４の周縁は電位板２２側に厚みがある。例えば電位板２２が平らであると、電位板２２は試料台２４周縁で試料台２４に近くなる。そうなると放電しやすくなる。電位板２２は、試料２３の近く以外の場所では導電性試料台２４から離れる形状にすることで、試料台２４との耐電圧を上げることができる。

電位板２２は、試料２３から１ｍｍから１５ｍｍ程度の距離を離すことで、放電しないように配置されている。しかし、離し過ぎないように配置されるのがよい。その目的は、第２の対物レンズ２６の作る磁場が強い位置に減速電界を重ねるためである。もし、この電位板２２が試料２３から遠くに置かれた場合、あるいは無い場合、一次電子線１２は第２の対物レンズ２６で集束される前に減速してしまい収差を小さくする効果が減少する。

それについて図４を参照して説明する（図４は、後で述べるシミュレーションデータ４のときに対応した説明図である）。図４の（ａ）は、リターディング時の等電位線を説明する図である。

仮に電位板２２の開口部が大きすぎ、試料２３と電位板２２との距離が近すぎる場合、等電位線が電位板２２の開口部より電子銃側に大きくはみ出した分布となり、一次電子が電位板２２に到着するまでに減速してしまう場合もある。電位板２２の開口径は、小さいほど電界のもれを減少させる効果がある。ただし、信号電子２１が電位板２２に吸収されないようにする必要がある。そのため、放電を起こさない範囲で試料２３と電位板２２との電位差を調整するとともに、試料２３と電位板２２との距離を調整することと、電位板２２の開口径を適切に選ぶことが大切となる。

図４の（ｂ）は、第２の対物レンズ２６の光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）を説明する図である。縦軸はＢ（ｚ）、横軸は座標であり、第２の対物レンズ２６の表面が原点（−０）である。第２の対物レンズ２６に近いほど急激にＢ（ｚ）が大きくなっている様子が示されている。

図４の（ｃ）は、リターディング時の荷電粒子の速度を説明する図である。荷電粒子線の速度は、試料直前で減速していることが示されている。

電位板２２を試料２３の近くに置くことにより、一次電子の速度は、電位板２２近くまではあまり変わらず、電位板２２あたりから試料２３に近づくほど速度が遅くなり、磁場の影響を受けやすくなる。第２の対物レンズ２６の作る磁場も試料２３に近いほど強くなっているので、両方の効果が合わさって試料２３に近いほどさらに強いレンズになり、収差の小さいレンズになる。

加速電圧をできるだけ大きくしながら、リターディング電圧を加速電圧に近づけることができれば、照射電子エネルギーを小さくして、電子が試料２３の中に入り込む深さを浅くすることができる。これによって、試料の表面形状の高分解能観察が可能になる。さらに収差も小さくできることで、高分解能でかつ低加速のＳＥＭが実現できる。

第１の実施の形態では、試料２３と電位板２２との耐圧を簡単に高くすることができる。すなわち、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間は１０ｍｍから２００ｍｍの距離とすることができるため、例えば平坦な試料２３であれば、試料２３と電位板２２との間隔を５ｍｍ程度あければ、試料２３と電位板２２とに比較的簡単に１０ｋＶ程度の電位差を印加することができる。尖った部分がある試料２３の場合は放電しないように、距離や開口径を適切に選ぶ必要がある。

図５に、試料の異なる配置例を示す。図５のようにさらに、円筒形で上面がＲ加工された円筒放電防止電極３０を、試料台２４の上の試料２１の周囲に設置して放電しにくくするとよい。円筒放電防止電極３０は、試料上の等電位線を滑らかにして試料２３のがたつきによる集束点のずれを緩和するのにも役立つ。

第１の実施の形態における検出器２０として、半導体検出器２０、マイクロチャンネルプレート検出器２０（ＭＣＰ）、または蛍光体発光方式のロビンソン検出器２０が用いられる。これらの少なくともいずれかが第１の対物レンズ１８の直下に配置される。二次電子検出器１９は、二次電子２１ａを集めるように、電界が試料２３の上方にかかるように配置される。

半導体検出器２０、ＭＣＰ検出器２０またはロビンソン検出器２０は、第１の対物レンズ１８の試料側に接し、光軸から３ｃｍ以内に配置される。より好ましくは検出部の中心は光軸におき、その中心は一次電子が通過する開口部を有する検出器２０が使用される。光軸から３ｃｍ以内に設置するのは、リターディングをした場合、信号電子は光軸近くに進むからである。

一次電子線１２は、加速電源１４（Ｖａｃｃ）で加速に用いられた加速電圧からリターディング電圧Ｖｄｅｃｅｌを引いた値、すなわち−（Ｖａｃｃ−Ｖｄｅｃｅｌ）［Ｖ］に電子電荷をかけたエネルギーで、試料２３上を走査する。そのとき、試料２３から信号電子２１が放出される。加速電圧とリターディング電圧との値によって、電子の影響の受け方は異なる。反射電子２１ｂは、第２の対物レンズ２６の磁場によって、回転する力を受けると同時に、試料２３と電位板２２との間の電界のために加速する。そのため、反射電子２１ｂの放射角の広がりが狭まり、検出器２０に入射しやすくなる。また、二次電子２１ａも第２の対物レンズ２６の磁場によって、回転する力を受けると同時に、試料２３と電位板２２との間の電界のために加速して、第１の対物レンズ１８の下にある検出器２０に入射する。二次電子２１ａも反射電子２１ｂも加速し、エネルギーが増幅されて検出器２０に入射するため信号が大きくなる。

汎用ＳＥＭでは、第１の対物レンズ１８のようなレンズで電子を集束するのが通常である。この第１の対物レンズ１８は通常、試料２３を第１の対物レンズ１８に近付けるほど高分解能になるレンズ設計がなされている。しかし半導体検出器２０などには厚みがあり、その厚み分は第１の対物レンズ１８から試料２３を離す必要がある。また、近付けすぎると、第１の対物レンズ１８の外にある二次電子検出器１９には二次電子２１ａが入りにくくなる。そのため汎用ＳＥＭでは、第１の対物レンズ１８直下の位置に、一次電子が通過する開口部がある厚みの薄い半導体検出器２０を用いる。試料２３は、検出器２０にぶつからないように少し隙間をあけて置く。従って、試料２３と第１の対物レンズ１８とは少し離れてしまい、高性能化が難しくなる。

第１の実施の形態では、第２の対物レンズ２６を主レンズとして使う場合、試料２３は第２の対物レンズ２６に近づけて置くことができる。そして第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間の距離を離すことができる。例えば３０ｍｍ離せば、１０ｍｍ程度の厚みのあるＭＣＰ検出器２０を第１の対物レンズ１８直下に置くことも可能である。また、ロビンソン型の検出器２０や半導体検出器２０を置くことも当然にできる。反射板を置いて、信号電子２１を反射板にあてて、そこから発生または反射した電子を第２の二次電子検出器で検出する方法もある。同等の作用を持つ様々な信号電子の検出器２０を設置することができる。

次に、レンズ光学系の性能に関連する開き角αについて説明する。

一次電子線１２が試料２３に当たるときのビーム径を、プローブ径と呼ぶ。プローブ径を評価する式として次の式を使う。

［数１］プローブ径Ｄｐｒｏｂｅ＝ｓｑｒｔ［Ｄｇ^２＋Ｄｓ^２＋Ｄｃ^２＋Ｄｄ^２］ ［ｎｍ］

［数２］光源の縮小直径Ｄｇ＝Ｍ１・Ｍ２・Ｍ３・Ｓｏ=Ｍ・Ｓｏ ［ｎｍ］

［数３］球面収差Ｄｓ＝０．５Ｃｓ・α^３ ［ｎｍ］

［数４］色収差Ｄｃ＝０．５Ｃｃ・α・ΔＶ／Ｖｉ ［ｎｍ］

［数５］回折収差：Ｄｄ＝０．７５×１．２２×Ｌａｍｂｄａ／α ［ｎｍ］

ここで、電子源の大きさがＳｏ、一段目コンデンサレンズ１５ａの縮小率がＭ１、二段目コンデンサレンズ１５ｂの縮小率がＭ２、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６とが作るレンズの縮小率がＭ３、全縮小率Ｍ＝Ｍ１×Ｍ２×Ｍ３、球面収差係数がＣｓ、色収差係数がＣｃ、試料面での一次電子線１２の開き角がα、照射電圧（一次電子が試料２３に衝突するときのエネルギーに対応する電圧）がＶｉ、一次電子線１２のエネルギー広がりに対応する電圧がΔＶ、電子の波長がＬａｍｂｄａである。

熱電子放出型電子源を用いたＳＥＭの性能の一例について、シミュレーションデータを使って説明する。図１の第１の対物レンズ１８はアウトレンズ型とする。

第１の対物レンズ１８で一次電子線１２を集束する場合を示す。これは、汎用ＳＥＭに対応する。

一次電子線１２のΔＶを１Ｖ、電子源の大きさＳｏを１０μｍとする。Ｍ１×Ｍ２＝０.００２８２とする。穴径３０ミクロンである対物レンズ絞り１６を置いて、不用な軌道電子を取り除く。この対物レンズ絞り１６の穴径によって、試料２３に入射するビームの開き角αとプローブ電流が調整できる。ＷＤを６ｍｍ、加速電圧Ｖａｃｃ＝−３０ｋＶ（Ｖｉ＝３０ｋＶ）とする。シミュレーション計算すると、

（シミュレーションデータ１）

Ｄｐｒｏｂｅ＝４．４ｎｍ、Ｄｇ＝１．５９、Ｄｓ＝３．８１、Ｄｃ＝０．９１６、Ｄｄ＝１．２５、

Ｃｓ＝５４．５ｍｍ、Ｃｃ＝１０．６ｍｍ、α＝５．１９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０.０５７５となる。

次に、第２の対物レンズ２６で一次電子線１２を集束する場合を示す。

図１の構成で、第２の対物レンズ２６と第１の対物レンズ１８との距離を４０ｍｍとする。第２の対物レンズ２６は、Ｄ＝８ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍとし、αを調整するため対物レンズ絞り１６の穴径を２１．８ミクロンとする。このとき、汎用ＳＥＭのときと比べてプローブ電流量が変化しないように、コンデンサレンズ１５を弱めて調整する。その他の条件は同じとする。Ｚ＝−４ｍｍの位置での性能をシミュレーションすると、

（シミュレーションデータ２）

Ｄｐｒｏｂｅ＝１．４４ｎｍ、Ｄｇ＝０．９２８、Ｄｓ＝０．６５７、Ｄｃ＝０．５０３、Ｄｄ＝０．７２９、

Ｃｓ＝１．８７ｍｍ、Ｃｃ＝３．３９１ｍｍ、α＝８．８９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９となる。

以上のように、第２の対物レンズ２６を用いる事で、ＳＥＭの性能が大幅によくなっていることがわかる。

また、第１の対物レンズ１８で集束するときと比べて、第２の対物レンズ２６で集束するときは、Ｄｇが小さくなっている。このことはプローブ径を同等にする場合、第１の対物レンズ１８で集束するときと比べて、コンデンサレンズ１５を弱めることができることを示している。したがって、第２の対物レンズ２６を使うことで、汎用ＳＥＭと比べてプローブ電流を大電流化できることがわかる。

次に第１の対物レンズ１８は使わずに、第２の対物レンズ２６を使い、加速電圧Ｖａｃｃを−１ｋＶ（Ｖｉ＝１ｋＶ）とする場合を説明する（リターディング電圧は０Ｖとする）。プローブ電流が変化しないように、コンデンサレンズ１５を調整する（ただし、電子銃からの軌道とビーム量は−３０ｋＶのときと同じとする）。その他の条件は同じとする。以下がシミュレーションデータである。

（シミュレーションデータ３）

結果を図６（ａ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝１５．６ｎｍ、Ｄｇ＝０．９２８、Ｄｓ＝０．６５７、Ｄｃ＝１５．１、Ｄｄ＝３．９９、

Ｃｓ＝１．８７ｍｍ、Ｃｃ＝３．３９ｍｍ、α＝８．８９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９である。

この場合、Ｃｓ、Ｃｃ、α、Ｍ３、Ｄｓはシミュレーションデータ２と変わらない。ΔＶ／Ｖｉが大きくなるため、プローブ径がとても大きくなる。

次に、電位板２２を試料２３の上部に配置する例を説明する。電位板２２の開口径はΦ５ｍｍ、試料２３はΦ６ｍｍとする。試料測定面をＺ＝−４ｍｍ（第２の対物レンズ２６からの距離）とする。試料台２４と電位板２２との距離を８ｍｍ、試料測定面と電位板２２との間隔を５ｍｍとする。

加速電圧Ｖａｃｃは−１０ｋＶ、電位板２２を０Ｖ電位とし、試料２３をＶｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶでリターディングし、Ｖｉ＝１ｋＶとした場合の数値をシミュレーションする。ここでは第１の対物レンズ１８は使わず、第２の対物レンズ２６のみで集束させる。

（シミュレーションデータ４）

結果を図６（ｂ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝５．７２ｎｍ、Ｄg＝０．９２４、Ｄｓ＝２．９３、Ｄｃ＝４．６６、Ｄｄ＝１．２６、

Ｃｓ＝０．２６０ｍｍ、Ｃｃ＝０．３３０ｍｍ、α＝２８．２ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４７である。

リターディング電圧Ｖｄｅｃｅｌを−９ｋＶにすると、照射電子のエネルギーは１ｋｅＶとなる。加速電圧が−１ｋＶのときと比べて、プローブ径が大幅に改善している。

次にこの条件に第１の対物レンズ１８を追加して使用し、強度を適切に調整する（シミュレーションデータ１で必要なＡＴ（アンペアターン）の約０．３７倍としてみる）例を示す。

（シミュレーションデータ５）

結果を図６（ｃ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝４．０３ｎｍ、Ｄｇ＝１．６０、Ｄｓ＝０．６８２、Ｄｃ＝２．９２、Ｄｄ＝２．１７、

Ｃｓ＝０．３１２ｍｍ、Ｃｃ＝０．３５７ｍｍ、α＝１６．３ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０４３０である。

ここでＤｐｒｏｂｅが減少していることがわかる。シミュレーションデータ４ではＤｃ（＝４．６６）が飛びぬけて大きくなっていた。そこで、第１の対物レンズ１８を少し加えることで、αを小さくすることができる。Ｄｃは上記［数４］からＣｃとαに依存する。Ｃｃは少し大きくなっているが、αはだいぶ小さくなっている。そのためＤｃは小さくなっている。［数１］から、Ｄｐｒｏｂｅは第１の対物レンズ１を使うことで小さくできることがわかる。

図６（ａ）のα＝８．８９ｍｒａｄに対して、図６（ｂ）ではα＝２８．２ｍｒａｄであり、リターディングによって大きな値になっている。即ち、強いレンズになっていることがわかる。また、そのためにＤｄも小さくなっていることがわかる。図６（ｃ）では第１の対物レンズ１８でαを調整してαが小さくなっていることがわかる。

ここで大切なことは、対物レンズ絞り１６の穴径を小さくしてαを調整することも可能であるが、その場合はプローブ電流が減少してしまうということである。しかし、第１の対物レンズ１８を使用してαを調整してもプローブ電流は減少しない。そのため、試料２３から発生する二次電子２１ａと反射電子２１ｂは減少しない。

また、リターディング電圧の印加によって検出器２０の感度がよくなると、プローブ電流を減らす事ができる。さらに対物レンズ絞り１６の穴径を小さくしてαを小さくすることもできる。また、コンデンサレンズ１５による縮小率Ｍ１×Ｍ２を小さくする事も可能になる。そのため、Ｄｇ、Ｄｓ、Ｄｃ、およびＤｄとの兼ね合いがあるので調整が必要だが、プローブ径をさらに小さくできる場合があり、対物レンズ絞り１６と第１の対物レンズ１８とでプローブ径を最適化できる。

また、試料２３によっては焦点深度が浅いレンズだと、凸凹の上の面と底の面どちらかにしかピントが合わないことがある。このような場合、プローブ径が同じでもαが小さいほど焦点深度が深くなり、きれいに見えることもある。第１の対物レンズ１８を使って、像を見やすいように最適化することもできる。

次に、第１の実施の形態における装置の様々な使い方の具体例を示す。

図６（ｂ）では、加速電圧Ｖａｃｃを−１０ｋＶとし、試料２３を−９ｋＶでリターディングするシミュレーションを示したが、例えば、加速電圧Ｖａｃｃを−４ｋＶ、試料２３を−３．９ｋＶにして、Ｖｉ＝１００Ｖとすることもできる。加速電圧とリターディング電圧の比が１に近いほど、収差係数を小さくすることができる。また、上記では第２の対物レンズ２６の磁極について、Ｄ＝８ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍとした場合を示したが、Ｄ＝２、ｄ＝６等にすれば、試料高さや加速電圧の制限はあるが、より性能をよくすることができる。

また、加速電圧を−１０ｋＶとしてリターディング無しの場合、二次電子検出器１９で二次電子２１ａを検出できるが、半導体検出器２０では検出できない。しかし、加速電圧を−２０ｋＶとし、リターディング電圧を−１０ｋＶとすれば約１０ｋｅＶのエネルギーで二次電子２１ａが半導体検出器２０に入り、検出可能である。

また、加速電圧を−１０．５ｋＶとし、リターディング電圧を−０．５ｋＶとしたとき、二次電子２１ａは半導体検出器２０では感度よく検出できない。しかしこの時、二次電子検出器１９で二次電子２１ａを検出することができる。即ち、二次電子２１ａはリターディング電圧が低いときは二次電子検出器１９で捕らえることができ、リターディング電圧を徐々に上げていくと半導体検出器２０側で検出できる量が増えていく。このように、二次電子検出器１９は、焦点を合わせながらリターディング電圧を上げていく調整時にも役立つ。

第１の実施の形態の第２の対物レンズ２６は、Ｚ＝−４．５ｍｍで３０ｋｅＶの一次電子を集束できるように設計してある。試料位置が第２の対物レンズ２６に近づけば、例えばＺ＝−０．５ｍｍの位置では、１００ｋｅＶの一次電子も集束させることができる。リターディングをしない場合は、絶縁板２５（絶縁フイルム）を第２の対物レンズ２６の上に置かなくてもよいので、第２の対物レンズ２６は、加速電圧が−１００ｋＶの一次電子線１２を十分に集束できる。好ましくは第２の対物レンズ２６は、加速電源を−３０ｋＶから−１０ｋＶのいずれかにして加速された荷電粒子線を、対物レンズの磁極の試料に最も近いところから見て、０ｍｍから４．５ｍｍのいずれかの高さの位置に集束可能であるように設計される。

加速電圧は−１５ｋＶとし、試料２３は−５ｋＶとし、電位板２２に−６ｋＶをかけた場合について説明する。試料２３に当たるときには、一次電子は１０ｋｅＶになる。二次電子２１ａが試料２３から放出するときのエネルギーは、１００ｅＶ以下である。電位板２２は試料２３よりも１ｋＶ低い電位になっているため、二次電子２１ａは電位板２２を超えることができない。そのため、二次電子２１ａは検出できない。試料２３から放出された１ｋｅＶ以上のエネルギーを持っている反射電子２１ｂは、電位板２２を通過することができる。さらに電位板２２と第１の対物レンズ１８下の検出器２０との間に６ｋＶの電位差があり、反射電子２１ｂは加速され検出器２０に入る。このように電位板２２の電圧を調整できるようにすることによって、エネルギーフィルタとして使うこともでき、さらに信号電子２１を加速させることで感度を上げることも可能になる。

次に、試料の高さが例えば７ｍｍある場合について説明する。

このとき、リターディングをする場合でも、上部磁極２６ｂから絶縁板２５と試料台２４の厚みを含めて、例えばＺ＝−７．７５ｍｍ程度の位置の測定になる。この場合、第２の対物レンズ２６のみでは３０ｋｅＶの一次電子線１２を集束させることはできない。しかし、加速電圧を下げなくても第１の対物レンズ１８の助けを借りれば集束可能である。

また、試料２３の高さによっては第１の対物レンズ１８のみで集束させた方が性能良く観察できる場合もある（図２参照）。このように、試料２３によって最適な使い方を選ぶことができる。

上記では、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間隔を４０ｍｍとする場合について述べたが、この距離は固定式でも可動式にしてもよい。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離を離すほど、縮小率Ｍ３は小さい値になる。そして開き角αは大きくできる。この方法でαを調整することができる。

また、リターディング電圧が高いと信号電子２１は光軸の近くを通って、検出器２０の一次電子が通るための開口部に入りやすくなる。そのため検出器２０の開口部は小さい程よい。検出器２０の開口部はΦ１からΦ２ｍｍ程度にしておくと、感度がよい。電位板２２の開口径や高さを調整し、電位板２２の位置を光軸から少しずらすことで、信号電子２１の軌道を調整し、信号電子２１が検出器２０に当たるようにして感度をよくする方法がある。また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間にＥｘＢを入れ、信号電子２１を少し曲げるのもよい。一次電子の進行方向と信号電子２１の進行方向は逆なので、少し信号電子２１を曲げるくらいなら弱い電場と磁場でよい。少し曲がれば検出器２０中心の開口部に入らず、検出できるようになる。また、単に第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間に電界を光軸に対して横からかけても良い。このようにしても、一次電子は影響を受けにくいし、横ずれだけであれば画像への影響は少ない。例えば二次電子検出器１９のコレクタ電極などによる電界を使って、信号電子２１の軌道をコントロールすることも可能である。

図３では、第２の対物レンズ２６を主レンズとして使っている。試料台２４が接地電位の場合、二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出される。反射電子２１ｂは半導体検出器２０またはロビンソン検出器２０などで検出される。試料２３と検出器２０とが１０ｍｍから２０ｍｍ程度離れているときは、感度よく検出できる。しかし、４０ｍｍ程度離れると、検出器２０に入らない反射電子２１ｂが増え、反射電子２１ｂの検出量が少なくなる。この時に試料２３にリターディング電圧を与えると、二次電子２１ａは半導体検出器２０またはロビンソン検出器２０などで検出されるようになる。また、リターディング電圧を与えることで、反射電子２１ｂの広がりは抑えられ、半導体検出器２０またはロビンソン検出器２０などにおいて高感度で検出できるようになる。このように電位板２２がない場合もリターディングは使用可能である。

図２では、試料２３が分厚い場合で、対物レンズとして第１の対物レンズ１８を使った場合を示した。図２では、電位板２２を動かすステージを活用して、試料ステージとして使用することができる。このＸＹ移動ステージは、第１の対物レンズ１８に近づける方向にも移動できる。これにより、汎用ＳＥＭのように装置が使用される。反射電子２１ｂは半導体検出器２０またはロビンソン検出器２０などで検出され、二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出される。通常、試料２３は接地電位であるが、簡易的にリターディングもできる（電位板２２なしでリターディングを行うことができる）。

第２の対物レンズ電源４２のみを使うときには、第１の対物レンズ１８と試料測定面の距離よりも、第２の対物レンズ２６と試料測定面の距離の方が近くなるように装置が構成され、第１の対物レンズ電源４１のみを使うときには、第２の対物レンズ２６と試料測定面の距離よりも、第１の対物レンズ１８と試料測定面の距離の方が近くなるように装置が構成される。

図１でリターディングをした場合、試料２３の電位が負になる。試料２３をＧＮＤレベルにしたまま電位板２２に正の電圧を印加することも可能である（この手法を、ブースティング法と呼ぶ）。もちろん試料２３に負の電圧を印加して、電位板２２に正の電位をかけて、低加速ＳＥＭとしてさらに性能をよくすることも可能である。例として第１の対物レンズ１８は接地電位とし、電位板２２に＋１０ｋＶを印加し、試料２３は接地電位にする場合を説明する。加速電圧は−３０ｋＶとする。一次電子は第１の対物レンズ１８を通過するときは３０ｋｅＶであり、第１の対物レンズ１８から電位板２２にむけて加速され、電位板２２あたりから試料２３にむけて減速する。以下にこの場合のシュミレーションデータを示す。試料２３と電位板２２の形は、シミュレーションデータ４の場合と同じ条件とする。

（シミュレーションデータ６）

Ｄｐｒｏｂｅ＝１．３１ｎｍ、Ｄｇ＝０．９０４、Ｄｓ＝０．４９３、Ｄｃ＝０．３８９、Ｄｄ＝０．７１０、

Ｃｓ＝１．２９ｍｍ、Ｃｃ＝２．５６ｍｍ、α＝９．１３ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４４である。

以上の結果によると、ブースティングなしの場合（シミュレーションデータ２）と比べて、プローブ径が改善している。

信号電子２１は、試料２３と電位板２２との間では加速されるが、電位板２２と検出器２０との間では減速される。検出器２０が半導体検出器２０の場合に反射電子２１ｂを検出できるが、半導体検出器２０は接地電位のために二次電子２１ａは減速し、検出できない。二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出できる。もちろんリターディング電圧を試料２３に印加すれば、半導体検出器２０で二次電子２１ａも検出可能になる。

次に図７を参照して、二段偏向コイル１７の調整によって偏向軌道の交点を移動させることについて説明する。二段偏向コイル１７で試料２３上を二次元的に走査する。二段偏向コイル１７の電子源側を上段偏向コイル１７ａ、試料側を下段偏向コイル１７ｂと呼ぶ。

図１に示されるように、この二段偏向コイル１７は、上段偏向コイル１７ａの強度を可変する上段偏向電源４３と、下段偏向コイル１７ｂの強度を可変する下段偏向電源４４と、上段偏向電源４３と下段偏向電源４４とを制御する制御装置４５とにより制御される。

上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂは、第１の対物レンズ１８の内部から見て一次電子線１２が飛来してくる側に設置される（第１の対物レンズ１８のレンズ主面より上流に設置、またはレンズ主面の位置に下段の偏向部材を置く場合には外側磁極１８ｂ（図７参照。なお、図７の符号１８ａは内側磁極を示す。）より上流に設置される）。上段偏向電源４３と下段偏向電源４４の使用電流比は、制御装置４５によって可変となっている。

図７（ａ）では、二段の偏向コイル１７によって、電子は光軸と第１の対物レンズ１８の主面の交点近くを通過する軌道になっている。第１の対物レンズ１８を主レンズとして使う場合（図２）には、このように設定される。第２の対物レンズ２６を主レンズとして使うときに、図７（ａ）のようにすると偏向収差が大きくなり、低倍率の画像ほど歪んでしまう。第２の対物レンズ２６を主レンズとして使うときは図７（ｂ）のように、電子が第２の対物レンズ２６の主面と光軸との交点近くを通過する軌道になるように、上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂの強度比が、上段偏向電源４３と下段偏向電源４４の使用電流比を調整する制御装置４５によって調整される。このようにすることで、画像の歪は減少する。なお、使用電流比を調整することで偏向軌道の交点（クロス点）をずらすのではなく、巻き数の異なるコイルをリレーなどで切り換える方式（巻数の異なるコイルを複数設け、用いるコイルを制御装置で選ぶ方式）や、静電レンズの場合は電圧を切り換える方式（使用電圧比を可変する方式）を採用してもよい。

図７に示されるように、偏向コイル１７は第１の対物レンズ１８内の隙間に配置してもよい。偏向コイル１７は、第１の対物レンズ１８内にあってもよいし、図１のようにそれよりもさらに荷電粒子線の上流側に位置してもよい。静電偏向を採用する場合には、偏向コイルに代えて偏向電極が採用される。

［第２の実施の形態］

図８を参照して、第１の対物レンズ１８のない簡易的な装置構成を説明する。

ここでは半導体検出器２０を下段偏向コイル１７ｂの下に置いている。第１の対物レンズ１８がない場合、その分下段偏向コイル１７ｂと第２の対物レンズ２６との距離を短くすることができる。このような装置構成は、小型化に適している。第１の実施の形態と比較して、第２の実施の形態でも第１の対物レンズ１８を使用することを除いて、同様に装置を使用することができる。検出器２０と第２の対物レンズ２６との距離は、１０ｍｍから２００ｍｍ離して設置されている。

図８の装置においては、電子源１１から下段偏向コイル１７ｂまでの構成により、一次電子線１２を試料２３に向けて射出する上部装置が構成される。また、電位板２２と、それよりも下に配置される部材とにより下部装置が構成される。下部装置に試料２３は保持される。上部装置は、その内部を通った荷電粒子線が最終的に放出される孔部を有している。その孔部は、下段偏向コイル１７ｂに存在する。検出器２０は、その孔部の下に取り付けられている。検出器２０も一次電子線１２が通過する開口部を有しており、孔部と開口部とが重なるように、検出器２０は下段偏向コイル１７ｂよりも下部に取り付けられる。

［第３の実施の形態］

第３の実施の形態では、電子源１１に電界放出型のものを用いる。電界放出型は、熱電子放出型と比べて輝度が高く、光源の大きさは小さく、一次電子線１２のΔＶも小さく、色収差の面でも有利である。第３の実施の形態では第１の実施の形態との比較のために、第１の実施の形態の二段目コンデンサレンズ１５ｂから下を第１の実施の形態と同じものとし、電子源部を電界放出型にし、一段目コンデンサレンズ１５ａをなくしている。一次電子線１２のΔＶを０．５ｅＶとし、電子源の大きさＳｏ＝０．１μｍとする。Ｚ＝−４ｍｍとし、加速電圧Ｖａｃｃを−３０ｋＶ、第１の対物レンズ１８はＯＦＦとした性能を計算すると、以下のようになる。

（シミュレーションデータ７）

Ｄｐｒｏｂｅ＝０．９７４ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝０．５９１、Ｄｃ＝０．２４８、Ｄｄ＝０．７３０、

Ｃｓ＝１．６９ｍｍ、Ｃｃ＝３．３６ｍｍ、α＝８．８８ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９

電界放出型電子源は熱電子放出型と比べて輝度が高い。さらにコンデンサレンズ１５が一段になっているので、プローブ電流は熱電子放出型のときと比べて多くなっている。それにもかかわらず、プローブ径が小さくなっていることがわかる。Ｄｄが一番大きな値を示している。

次の例では、加速電圧Ｖａｃｃを−１ｋＶ（Ｖｉ＝１ｋＶ）とする。第１の対物レンズ１８は使わすに、第２の対物レンズ２６を使い、電子を集束する。プローブ電流は変化しないようにコンデンサレンズ１５を調整する。その場合は、以下のようになる。

（シミュレーションデータ８）

Ｄｐｒｏｂｅ＝８．４８ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝０．５９１、Ｄｃ＝７．４５、 Ｄｄ＝４．００、

Ｃｓ＝１．６８ｍｍ、Ｃｃ＝３．３６ｍｍ、 α＝８．８８ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９

以上のように、熱電子放出型（シミュレーションデータ３）では、Ｄｐｒｏｂｅ＝１５．６ｎｍなので、電界放出型電子源の方がよいことがわかる。

次に、電位板２２と試料２３を図１のように配置する例について説明する。試料測定面をＺ＝−４ｍｍとする。

加速電圧Ｖａｃｃは−１０ｋＶとし、電位板２２を０Ｖ電位にし、試料２３を−９ｋＶにした場合（Ｖｉ＝１ｋＶ）について計算結果を以下に示す。ここでは第１の対物レンズ１８は使わず、第２の対物レンズ２６のみで集束させている。

（シミュレーションデータ９）

Ｄｐｒｏｂｅ＝３．９２ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝２．９０、Ｄｃ＝２．３２、Ｄｄ＝１．２６、

Ｃｓ＝０．２６０ｍｍ、Ｃｃ＝０．３３０ｍｍ、α＝２８．１ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４８

収差の中でＤｓが一番大きな値になっている。これは、試料２３に近くほど電子の速さが遅くなり磁場の影響を受けやすくなることと、磁束密度が試料２３に近いほど大きな値であることから試料２３に近いほど強いレンズになっているため、αが大きくなりすぎたことによる。Ｄｓはαの３乗に比例することから大きくなっている。第１の対物レンズ１８を使うことで改善するのがよい。

次に、第１の対物レンズ１８を使用し、強度を最適調整した場合（シミュレーションデータ１のＡＴ（アンペアターン）の約０．３１倍にした場合）のデータを示す。

（シミュレーションデータ１０）

Ｄｐｒｏｂｅ＝２．６８ｎｍ、Ｄｇ＝０．１０３、Ｄｓ＝１．０３、Ｄｃ＝１．６８、Ｄｄ＝１．８２、

Ｃｓ＝０．２７９ｍｍ、Ｃｃ＝０．３４４ｍｍ、α＝１９．５ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０３５８

収差係数だけを見ると悪化しているが、プローブ径はαを調節したことにより、さらに改善している。

ここでは第１の実施の形態と比較するため、対物レンズ絞り１６の穴径を２１．８ミクロンと同じにしたが、電界放出型の場合は輝度が明るいため、そしてコンデンサレンズ１５を一段にしたので、さらに穴径を小さくできる。そのため、回折収差が主な収差になる。

以上のように本実施の形態によると、第２の対物レンズ２６を使い、リターディングすることで、αが大きくなるレンズ系になり、回折収差を減らせるレンズ系となっている。すなわち、荷電粒子線装置において低収差の第２の対物レンズを実現することができる。また、信号電子を高感度で検出し、安価に高分解能化を実現することができる。

また本実施の形態によれば、信号電子が第１の対物レンズの中を通過しないため、検出部を簡単な構造にすることができる。また、第２の対物レンズの光軸上磁束密度は、試料に近いほど強い分布をしているので、対物レンズは低収差レンズになる。そして、試料に負の電位を与えると、試料に近いほど強いレンズになり、対物レンズはさらに低収差レンズになる。また、試料のリターディング電圧による電界で、信号電子は加速され、エネルギー増幅して検出器に入るため、検出器は高感度となる。以上の構成によって、高分解能な荷電粒子線装置を実現することができる。

本発明は上記実施形態によって記載したが、この開示の記述および図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば荷電粒子源から試料２３までの荷電粒子線の軌道を図では直線に描いてある。しかし、エネルギーフィルタなどを入れると軌道が曲げられる。荷電粒子線の軌道が曲がっている場合もある。このような場合も特許請求の範囲に記載された技術的範囲内に含まれる。また、イオンビーム顕微鏡では負イオンの荷電粒子の場合、電子と同様の考え方ができ第１の実施の形態と同様に適用できることがわかる。イオンの場合、電子と比べて質量が重いので、コンデンサレンズ１５を静電レンズに、偏向コイル１７を静電偏向に、第１の対物レンズ１８を静電レンズにしてもよい。また、対物レンズ２６は磁気レンズを用いる。

上記説明によって本発明は、荷電粒子線装置であるＥＰＭＡ、電子線描画装置などの電子ビーム装置、またはイオンビーム顕微鏡などのイオンビーム装置に容易に適用できることが理解できる。

上述の実施の形態および変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１１…荷電粒子源（電子源）
１２…荷電粒子線（一次電子線）
１３…ウェーネルト電極
１４…加速電源
１５…コンデンサレンズ
１５ａ…一段目コンデンサレンズ
１５ｂ…二段目コンデンサレンズ
１６…対物レンズ絞り
１７…二段偏向コイル
１７ａ…上段偏向コイル
１７ｂ…下段偏向コイル
１８…第１の対物レンズ
１８ａ…内側磁極
１８ｂ…外側磁極
１９…二次電子検出器
２０…検出器（半導体検出器、ロビンソン検出器またはＭＣＰ検出器）
２１…信号電子（２１ａ…二次電子、２１ｂ…反射電子）
２２…電位板
２３…試料
２４…試料台
２５…絶縁板
２６…第２の対物レンズ
２６ａ…中心磁極
２６ｂ…上部磁極
２６ｃ…側面磁極
２６ｄ…下部磁極
２６ｅ…コイル
２６ｆ…シール部
２７…リターディング電源
２８…電位板電源
２９…試料台ステージ板
３０…円筒放電防止電極
３１…絶縁材
４１…第１の対物レンズ電源
４２…第２の対物レンズ電源
４３…上段偏向電源
４４…下段偏向電源
４５…制御装置

Claims (6)

1. 荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から放出する荷電粒子線を加速するために設けられる、前記荷電粒子源に接続された加速電源と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズとを有する荷電粒子線装置であって、
   前記対物レンズは、
   前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置される第１の対物レンズと、
   前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側の反対側に設置される第２の対物レンズとを含み、
   前記荷電粒子線装置は、
   前記第１の対物レンズの強度を可変する第１の対物レンズ電源と、
   前記第２の対物レンズの強度を可変する第２の対物レンズ電源と、
   前記第１の対物レンズ電源と前記第２の対物レンズ電源とを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第１の対物レンズの強度と前記第２の対物レンズの強度とを独立に制御する機能と、同時に制御する機能と、前記荷電粒子線を前記第１の対物レンズのみで試料に集束する機能と、前記荷電粒子線を前記第２の対物レンズのみで前記試料に集束する機能と、前記第１の対物レンズと前記第２の対物レンズを同時に使い、前記荷電粒子線の前記試料に入射する開き角を前記第１の対物レンズで可変して前記試料に集束する機能とを有する、荷電粒子線装置。
2. 荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から放出する荷電粒子線を加速するために設けられる、前記荷電粒子源に接続された加速電源と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズとを有する荷電粒子線装置であって、
   前記対物レンズは、
   前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置される第１の対物レンズと、
   前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側の反対側に設置される第２の対物レンズとを含み、
   前記荷電粒子線装置は、
   前記第１の対物レンズの強度を可変する第１の対物レンズ電源と、
   前記第２の対物レンズの強度を可変する第２の対物レンズ電源と、
   前記第１の対物レンズ電源と前記第２の対物レンズ電源とを制御する第１の制御装置とを備え、
   前記第１の制御装置は、前記第１の対物レンズの強度と前記第２の対物レンズの強度とを独立に制御する機能と、同時に制御する機能とを有し、
   前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線を二次元的に走査する二段の偏向部材を有し、
   前記二段の偏向部材は、上段の偏向部材と下段の偏向部材とを有し、
   前記上段の偏向部材の強度または電圧を可変する上段偏向電源と、
   前記下段の偏向部材の強度または電圧を可変する下段偏向電源と、
   前記上段偏向電源と前記下段偏向電源とを制御する第２の制御装置とを備え、
   前記上段の偏向部材と前記下段の偏向部材は、前記第１の対物レンズの内部よりも前記荷電粒子線が飛来してくる側に設置され、
   前記第２の制御装置は、前記上段偏向電源と前記下段偏向電源の使用電流比または使用電圧比を可変する、荷電粒子線装置。
3. 前記偏向部材は、偏向コイルまたは偏向電極である、請求項２に記載の荷電粒子線装置。
4. 前記下段の偏向部材は、それぞれが巻数の異なる複数のコイルであり、
   前記第２の制御装置は、前記複数のコイルのうち用いるものを制御する、請求項２に記載の荷電粒子線装置。
5. 前記第１の対物レンズ電源のみを用いるとき、前記第１の対物レンズと測定試料面との距離が前記第２の対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされ、
   前記第２の対物レンズ電源のみを用いるとき、前記第２の対物レンズと測定試料面との距離が前記第１の対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされる、請求項１から４のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
6. 前記試料に負電位を与える、前記荷電粒子線を減速するためのリターディング電源をさらに備えた、請求項１から５のいずれかに記載の荷電粒子線装置。