JP2018195546A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検出器からの漏れ電場が変化しても、荷電粒子線の軸ずれを補正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、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、荷電粒子線源から放出された荷電粒子線を集束して試料Ｓに照射する対物レンズ１８と、試料Ｓに荷電粒子線が照射されることにより発生した電子を検出する検出器３０と、対物レンズ１８に入射する荷電粒子線を偏向させる偏向器６０と、偏向器６０を制御する制御部と、を含み、検出器３０は、検出器３０に入射する電子の経路に電場を発生させる電極を有し、制御部は、電極に印加される印加電圧に応じて、偏向器６０を制御する。【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＥＭ）などの荷電粒子線装置では、生物、材料、半導体などの微細構造を観察、分析することができる。走査電子顕微鏡では、電子線を試料上で二次元的に走査し、電子線が照射されることで発生する二次電子や反射電子を検出して画像化する。

走査電子顕微鏡では、良好な像を得るために、レンズの光軸に一致するように電子線を入射させる軸あわせが行われる（例えば特許文献１参照）。

特開２００２−３５２７５８号公報

走査電子顕微鏡の検出器として、シンチレータの直前に配置されたフィルターメッシュへの印加電圧を変化させることにより、画像化に用いられる信号電子のエネルギー帯を変えることができる検出器が知られている。このような検出器では、例えば、フィルターメッシュに正の電圧を印加して低エネルギーの二次電子を多く検出したり、フィルターメッシュに負の電圧を印加して高エネルギーの反射電子のみを検出したりすることができる。

ここで、フィルターメッシュが生じさせる電場が試料に照射される電子線（一次ビーム）に影響を与えないように、フィルターメッシュはグランドメッシュ等によってシールドされている。しかしながら、グランドメッシュから漏れた電場（漏れ電場）により、一次ビームが影響を受けてしまう場合がある。

例えば、フィルターメッシュに印加する電圧を変化させると漏れ電場も変化するため、一次ビームがその影響を受けて曲がって軸がずれてしまうことがある。この場合、再度、ビームアライメントの調整、フォーカスの調整、非点の調整などを行わなければならない。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、検出器からの漏れ電場が変化しても、荷電粒子線の軸ずれを補正できる荷電粒子線装置を提供することにある。

（１）本発明に係る荷電粒子線装置は、
荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
前記荷電粒子線源から放出された荷電粒子線を集束して試料に照射する対物レンズと、
前記試料に荷電粒子線が照射されることにより発生した電子を検出する検出器と、
前記対物レンズに入射する荷電粒子線を偏向させる偏向器と、
前記偏向器を制御する制御部と、
を含み、
前記検出器は、前記検出器に入射する電子の経路に電場を発生させる電極を有し、
前記制御部は、前記電極に印加される印加電圧に応じて、前記偏向器を制御する。

このような荷電粒子線装置では、制御部が電極への印加電圧に応じて偏向器を制御するため、検出器への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズにおける荷電粒子線の軸ずれが補正されるように偏向器を動作させることができる。そのため、このような荷電粒子線装置では、検出器への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズにおける荷電粒子線の軸ずれを自動で補正することができる。

（２）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記電極は、前記印加電圧に応じた電場を発生させて、前記検出器に入射する電子のエネルギー帯を変えてもよい。

（３）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記電極は、前記印加電圧に応じた電場を発生させて、前記検出器での電子の検出率を変化させてもよい。

（４）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記制御部は、前記印加電圧から、前記印加電圧を単位電圧変えたときの前記荷電粒子線の曲がり量に基づき前記偏向器における前記荷電粒子線の偏向量を算出し、前記偏向器を制御してもよい。

このような荷電粒子線装置では、検出器からの漏れ電場による、対物レンズにおける荷電粒子線の軸ずれが補正されるように偏向器を動作させることができる。

（５）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記検出器と前記偏向器との間には電子レンズが配置され、
前記制御部は、前記印加電圧から、前記印加電圧を単位電圧変えたときの前記荷電粒子線の曲がり量および前記荷電粒子線に対する前記電子レンズのレンズ作用に基づき前記偏向器における前記荷電粒子線の偏向量を算出し、前記偏向器を制御してもよい。

このような荷電粒子線装置では、検出器と偏向器との間には電子レンズが配置されている場合であっても、検出器からの漏れ電場による、対物レンズにおける荷電粒子線の軸ずれが補正されるように偏向器を動作させることができる。

（６）本発明に係る荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子線で試料上を走査する走査コイルを含んでいてもよい。

第１実施形態に係る走査電子顕微鏡の構成を示す図。 第１実施形態に係る走査電子顕微鏡の要部を模式的に示す図。 フィルターメッシュへの印加電圧を変化させて取得されたＳＥＭ像。 第２実施形態に係る走査電子顕微鏡の要部を模式的に示す図。 第３実施形態に係る走査電子顕微鏡の要部を模式的に示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

また、以下では、本発明に係る荷電粒子線装置として、電子線を走査して走査像を取得
する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例に挙げて説明するが、本発明に係る荷電粒子線装置は電子線以外の荷電粒子線（イオン等）を走査して走査像を取得する装置であってもよい。

１． 第１実施形態
１．１． 走査電子顕微鏡の構成
まず、第１実施形態に係る走査電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る走査電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

走査電子顕微鏡１００では、電子プローブ（集束された電子線）で試料Ｓの表面を走査したときに電子プローブの照射点から放出される電子（二次電子および反射電子）を検出して画像化することができる。この結果、走査電子顕微鏡１００では、走査像（二次電子像および反射電子像）を取得することができる。

走査電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源１０（荷電粒子線源の一例）と、コンデンサーレンズ１２と、絞り１４と、走査コイル１６（走査偏向器）と、対物レンズ１８と、試料ステージ２０と、電子検出器３０と、制御部４０と、記憶部４２と、を含む。

電子源１０は、電子線を放出する。電子源１０は、例えば、公知の電子銃である。電子線は、光軸に沿って進行する。

コンデンサーレンズ１２は、電子源１０から放出された電子線を集束させる。コンデンサーレンズ１２は、例えば、光軸に沿って複数配置されてもよい。

絞り１４は、対物レンズ１８に入射する電子線のうち、光軸近傍の電子線だけを通して、それ以外の電子線を遮蔽する。

走査コイル１６は、コンデンサーレンズ１２および対物レンズ１８で集束された電子線（電子プローブ）を偏向させる。走査コイル１６は、電子プローブで試料Ｓ上を走査するために用いられる。

対物レンズ１８は、電子源１０から放出された電子線を集束して試料Ｓに照射する。対物レンズ１８は、試料Ｓの直前に配置された電子プローブを形成するためのレンズである。

走査電子顕微鏡１００は、上述した光学系の他に、レンズや絞りなどを備えていてもよい。

試料ステージ２０には、試料Ｓが載置される。試料ステージ２０は、試料Ｓを支持し、試料Ｓを移動させることができる。試料ステージ２０は、試料Ｓを移動させるための駆動機構を有している。

電子検出器３０は、試料Ｓから発生した電子（二次電子または反射電子）を検出する。走査電子顕微鏡１００では、電子検出器３０の出力信号に基づき、走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）が生成される。

制御部４０は、走査電子顕微鏡１００の光学系や試料ステージ２０、電子検出器３０などを制御する。制御部４０が行う制御の詳細については、後述する。

制御部４０は、専用回路により実現して各種制御を行うようにしてもよい。また、制御
部４０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が記憶部４２等に記憶された制御プログラムを実行することによりコンピューターとして機能し、各種制御を行うようにしてもよい。

記憶部４２は、制御部４０のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭや、ＲＯＭ、ハードディスクなどにより実現できる。記憶部４２は、制御部４０が各種の制御処理や計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部４２は、制御部４０が各種プログラムに従って実行した算出結果等を一時的に記憶するためにも使用される。

図２は、走査電子顕微鏡１００の要部を模式的に示す図である。なお、図２では、電子検出器３０、電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎ、および対物レンズ１８以外の部材の図示を省略している。

電子検出器３０は、図２に示すように、シンチレータ３２と、ライトガイド３４と、フィルターメッシュ３６と、グランドメッシュ３８と、を含む。

シンチレータ３２は、電子線（以下「一次ビーム」ともいう）が試料Ｓに照射されることにより試料Ｓで発生した電子（二次電子または反射電子）を検出して光に変換する。シンチレータ３２としては、例えば、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）結晶や、プラスチック（プラスチック中に有機発光物質を溶かしたもの）などを用いることができる。シンチレータ３２には、電子の収集および電子への発光エネルギーの付与のために、高電圧が印加されている。シンチレータ３２には、一次ビームを通過させるための貫通孔が形成されている。

ライトガイド３４は、シンチレータ３２からの光を光電子増倍管（図示せず）に導く。すなわち、ライトガイド３４は、シンチレータ３２と光電子増倍管とを接続している。光電子増倍管は、シンチレータ３２からの光を検出して電気信号として出力する。

フィルターメッシュ３６（電極の一例）は、シンチレータ３２の前方に配置される。フィルターメッシュ３６は、シンチレータ３２とグランドメッシュ３８との間に配置されている。フィルターメッシュ３６には、一次ビームを通過させるための貫通孔が形成されている。

フィルターメッシュ３６は、シンチレータ３２に入射する電子（試料Ｓで発生した電子）の経路に印加電圧に応じた電場を発生させる。フィルターメッシュ３６に印加する電圧を変化させることにより、シンチレータ３２に入射する電子（すなわち画像化に用いられる信号電子）のエネルギー帯を変えることができる。

グランドメッシュ３８は、フィルターメッシュ３６の前方に配置されている。グランドメッシュ３８は、シンチレータ３２およびフィルターメッシュ３６が発生させる電場が一次ビームに影響を与えないように、これら電場をシールドする機能を有する。

シンチレータ３２に形成された貫通孔には、一次ビームを通過させるためのライナーチューブ２（グランドパイプ）が挿入されている。ライナーチューブ２は、電子源１０から放出された一次ビームの通路に設けられた筒である。ライナーチューブ２は、光軸ＯＡに沿って進行する一次ビームが電子検出器３０がつくる電場の影響を受けないように、ライナーチューブ２内とシンチレータ３２との間を遮蔽している。ライナーチューブ２は、例えば、基準電位（グランド電位）である。

走査電子顕微鏡１００は、図２に示すように、さらに、複数の電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎと、偏向器６０と、を含んで構成されている。

複数の電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎは、電子検出器３０と偏向器６０との間に配置されている。電子レンズ５０−１は、最も電子検出器３０側に位置しており、光軸ＯＡに沿って、電子レンズ５０−１、電子レンズ５０−２、・・・、電子レンズ５０−Ｎの順で配置されている。すなわち、電子レンズ５０−Ｎは最も偏向器６０側に位置している。

なお、図２に示す例では、電子検出器３０と偏向器６０との間には、複数の電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎが配置されておりＮは３以上の整数であるが、電子検出器３０と偏向器６０との間に配置される電子レンズの数は特に限定されず、Ｎは０以上の整数であればよい。例えば、電子検出器３０と偏向器６０との間に電子レンズが配置されなくてもよい（Ｎ＝０）。

偏向器６０は、最終段の電子レンズ５０−Ｎと対物レンズ１８との間に配置されている。偏向器６０は、対物レンズ１８に入射する一次ビームを二次元的に偏向させる。偏向器６０は、上段（電子レンズ５０−Ｎ側）に配置された第１アライメントコイル６０ａと、下段（対物レンズ１８側）に配置された第２アライメントコイル６０ｂと、を有している。すなわち、偏向器６０は、二段偏向系を構成している。

１．２． 走査電子顕微鏡の動作
次に、走査電子顕微鏡１００の動作について説明する。走査電子顕微鏡１００では、シンチレータ３２およびフィルターメッシュ３６に印加される電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれを補正することができる。対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれとは、一次ビームが対物レンズ１８の中心（光軸）からずれることをいう。以下、一次ビームの軸ずれを補正する手法について説明する。

シンチレータ３２に電圧Ｖ_ｓｃｉが印加されることにより生じる電場や、フィルターメッシュ３６に電圧Ｖ_ｆｉｌが印加されることにより生じる電場は、上述したように、一次ビームに影響を与えないようにグランドメッシュ３８によってシールドされている。しかしながら、グランドメッシュ３８から漏れた電場（漏れ電場）のわずかな非対称性によって、一次ビームを曲げてしまう。このため、電子検出器３０を抜けたところ（例えばライナーチューブ２を抜けたところ）での一次ビームの軸ｑ_０は、次式のように表される。

ここで、ベクトルの第１成分は理想的な軸からの一次ビームの距離（ずれ量）を表し、第２成分は理想的な軸からの一次ビームの傾きを表し、第３成分は偏向器６０の偏向作用を行列形式で表すために追加した要素であり、物理的な意味はない。

α_ｓｃｉは、シンチレータ３２の単位電圧あたりの一次ビームの曲がり量（軸ずれ量）である。すなわち、α_ｓｃｉは、シンチレータ３２への印加電圧を単位電圧変えたときの一次ビームの曲がり量である。また、α_ｆｉｌは、フィルターメッシュ３６の単位電圧あたりの一次ビームの曲がり量（軸ずれ量）である。すなわち、α_ｆｉｌは、フィルターメッシュ３６への印加電圧を単位電圧変えたときの一次ビームの曲がり量である。

一次ビームの曲がり量α_ｓｃｉ，α_ｆｉｌは、いずれも複素数（実部がｘ方向、虚部がｙ方向に対応する）であり、加速電圧に反比例する。なお、ｘ方向およびｙ方向は、互いに直交し、かつ、光軸ＯＡに直交する方向である。

一次ビームの曲がり量α_ｓｃｉは、電子検出器３０の下のレンズ（図示の例では複数の電子レンズ５０−１〜５０−Ｎおよび対物レンズ１８）をすべてオフにして、電子検出器３０の上のレンズで一次ビームを試料面にフォーカスさせて、シンチレータ３２に印加される電圧を変化させたときのＳＥＭ画像の移動量として測定できる。

同様に、一次ビームの曲がり量α_ｆｉｌは、電子検出器３０の下のレンズをすべてオフにして、電子検出器３０の上のレンズで一次ビームを試料面にフォーカスさせて、フィルターメッシュ３６に印加される電圧を変化させたときのＳＥＭ画像の移動量として測定できる。

例えば、加速電圧１０ｋＶでフィルターメッシュ３６に印加される電圧をΔＶ_ｆｉｌだけ変化させたときのＳＥＭ画像の移動量がΔｄ（実部がｘ方向、虚部がｙ方向とした複素数）だったとすると、任意の加速電圧における一次ビームの曲がり量α_ｆｉｌは、次式のように表される。

なお、シンチレータ３２への印加電圧Ｖ_ｓｃｉは、通常は固定値で変化させないため、シンチレータ３２からの漏れ電場による一次ビームの軸ずれは補正しないこととして、α_ｓｃｉ＝０としてもよい。

電子検出器３０からの漏れ電場により一次ビームの軸がずれてしまうと、電子検出器３０よりも下のレンズ、特に対物レンズ１８の中心からずれた位置に一次ビームが入射してしまい、分解能が低下する。これを防ぐために、２段のアライメントコイル６０ａ，６０ｂで一次ビームの軸ずれを補正する。

アライメントコイル６０ａ，６０ｂは、軸ずれの原因である電子検出器３０の直下に配置されていることが好ましいが、電子検出器３０とアライメントコイル６０ａ，６０ｂとの間に電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎがある場合、これらに対する軸ずれは補正できないが、最も影響が大きい対物レンズ１８に対する軸ずれは補正できる。対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれを補正できれば、十分な効果が得られる。

電子検出器３０の出口における一次ビームの軸ｑ_０を電子レンズ５０−１まで延長した軸をｐ_１とおくと、軸ｐ_１は以下のように表される。

ここで、ｌ_１は、電子検出器３０の出口から電子レンズ５０−１までの距離を表す。行列Ｂ１は、距離ｌ_１だけ軸を延長する作用を表す。

電子レンズ５０−１への入射軸ｐ_１が電子レンズ５０−１の作用を受けて曲がり、電子レンズ５０−１から出射するときの軸をｑ_１とすると、軸ｑ_１は以下のように表される。

ここで、Ａ_１は、電子レンズ５０−１の作用を表す３×３の複素行列である。電子レンズ５０−１が静電レンズであるものとして、薄肉レンズ近似で扱い、像側焦点距離をｆ_１、ポテンシャル比の平方根ξ_１とおくと、Ａ_１は以下のように表される。

ただし、ポテンシャル比は、レンズから出射する電子のポテンシャル（出射ポテンシャル）を、レンズに入射する電子のポテンシャル（入射ポテンシャル）で割った値である。

電子レンズ５０−１からの出射軸ｑ_１を電子レンズ５０−２まで延長した入射軸ｐ_２、電子レンズ５０−２の作用を受けた出射軸ｑ_２、・・・、電子レンズ５０−（Ｎ−１）からの出射軸ｑ_Ｎ−１を電子レンズ５０−Ｎまで延長した入射軸ｐ_Ｎ、電子レンズ５０−Ｎの作用を受けた出射軸ｑ_Ｎ、まで、同様に求めることができる。

電子レンズ５０−Ｎからの出射軸ｑ_Ｎを第１アライメントコイル６０ａの位置まで延長した軸をｐ_Ｕとおくと、軸ｐ_Ｕは以下のように表される。

ここで、ｌ_Ｕは、電子レンズ５０−Ｎから第１アライメントコイル６０ａまでの距離である。

第１アライメントコイル６０ａでの複素偏向角度をα_Ｕ（実部がｘ方向、虚部がｙ方向に対応する）とおくと、第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕは以下のように表される。

第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕを第２アライメントコイル６０ｂの位置まで延長した軸をｐ_Ｌとおくと、軸ｐ_Ｌは以下のように表される。

ここで、ｌ_Ｌは第１アライメントコイル６０ａから第２アライメントコイル６０ｂまでの距離である。

第２アライメントコイル６０ｂでの複素偏向角度をα_Ｌ（実部がｘ方向、虚部がｙ方向に対応する）とおくと、第２アライメントコイル６０ｂからの出射軸ｑ_Ｌは以下のように表される。

対物レンズ１８への入射軸が、電子検出器３０からの漏れ電場によって一次ビームの軸が曲がる前の理想的な軸と同じになるためには以下のようになればよい。

以上をまとめると以下の方程式が得られる。

この方程式を、第１アライメントコイル６０ａの複素偏向角α_Ｕ、および第２アライメントコイル６０ｂの複素偏向角α_Ｌを未知数として解くことで、目的とする対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれ補正のための制御式が得られる。

例えば、Ｎ＝１として上記方程式を解くと以下の制御式が得られる。

上記式（１）に、シンチレータ３２への印加電圧Ｖ_ｓｃｉおよびフィルターメッシュ３６への印加電圧Ｖ_ｆｉｌを代入することで、第１アライメントコイル６０ａにおける一次ビームのｘ方向の偏向量およびｙ方向の偏向量を求めることができる。また、上記式（２）に、シンチレータ３２への印加電圧Ｖ_ｓｃｉおよびフィルターメッシュ３６への印加電圧Ｖ_ｆｉｌを代入することで、第２アライメントコイル６０ｂにおける一次ビームのｘ方向の偏向量およびｙ方向の偏向量を求めることができる。

次に、走査電子顕微鏡１００の動作について説明する。以下では、電子検出器３０と偏向器６０との間に電子レンズ５０−１のみが配置されている場合（Ｎ＝１の場合）について説明する。

走査電子顕微鏡１００では、あらかじめ記憶部４２に、上記制御式（１）および上記制御式（２）が記憶されている。また、記憶部４２には、電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎのレンズ作用行列（Ａ_１〜Ａ_Ｎ）の情報が、各電子レンズ単体の設定に応じて記憶されている。なお、任意のレンズ設定における各電子レンズの作用行列は、記憶部４２に記憶された前記情報を補間して用いる。

制御部４０は、シンチレータ３２への印加電圧Ｖ_ｓｃｉおよびフィルターメッシュ３６への印加電圧Ｖ_ｆｉｌに応じて、対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれが補正されるように、偏向器６０を制御する。

具体的には、制御部４０は、シンチレータ３２への印加電圧Ｖ_ｓｃｉやフィルターメッシュ３６への印加電圧Ｖ_ｆｉｌが変更されると、記憶部４２から制御式（１）および制御式（２）を読み出す。そして、制御式（１）および制御式（２）に変更された印加電圧Ｖ_ｓｃｉ，Ｖ_ｆｉｌの値を代入し、第１アライメントコイル６０ａにおける一次ビームの偏向量、第２アライメントコイル６０ｂにおける一次ビームの偏向量を算出する。制御部４０は、この算出結果に基づき第１アライメントコイル６０ａおよび第２アライメントコイル６０ｂを制御する。この結果、一次ビームは、対物レンズ１８の中心を光軸ＯＡに沿って通過する。

１．３． 特徴
本実施形態に係る走査電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。

走査電子顕微鏡１００は、制御部４０は、フィルターメッシュ３６およびシンチレータ３２に印加される電圧に応じて、偏向器６０を制御する。そのため、走査電子顕微鏡１００では、電子検出器３０（シンチレータ３２およびフィルターメッシュ３６）への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれが補正されるように偏向器６０を動作させることができる。したがって、走査電子顕微鏡１００では、電子検出器３０への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、自動で対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれを補正することができる。

よって、走査電子顕微鏡１００では、例えば、フィルターメッシュ３６への印加電圧を変化させても、再度、ビームアライメントの調整、フォーカスの調整、非点の調整等の作業をすることなく、即座に異なるエネルギー帯の信号電子によるＳＥＭ画像を得ることができる。

例えば、フィルターメッシュ３６への印加電圧の変化による一次ビームの軸ずれを補正するために、フィルターメッシュ３６への印加電圧の変化に対するビームアライメントなどの変化分（比例係数）のデータを、加速電圧や作動距離のテーブルとして取得することが考えられる。これには、多数のデータを取得する必要があり、データの取得に手間がかかってしまう。本実施形態によれば、例えば、フィルターメッシュ３６の単位電圧あたりの一次ビームの曲がり量α_ｆｉｌを適当な加速電圧の１点で測定すればよいため、調整工数が大幅に削減できる。

走査電子顕微鏡１００では、制御部４０は、フィルターメッシュ３６への印加電圧から、フィルターメッシュ３６への印加電圧を単位電圧変えたときの一次ビームの曲がり量α_ｆｉｌに基づき偏向器６０における一次ビームの偏向量を算出し、偏向器６０を制御する。そのため、走査電子顕微鏡１００では、フィルターメッシュ３６への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれが補正されるように偏向器６０を動作させることができる。

また、走査電子顕微鏡１００では、電子検出器３０と偏向器６０との間に電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎが配置されている場合、制御部４０は、フィルターメッシュ３６への印加電圧から、一次ビームの曲がり量α_ｆｉｌおよび一次ビームに対する電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎのレンズ作用Ａ_１〜Ａ_Ｎに基づき偏向器６０における一次ビームの偏向量を算出し、偏向器６０を制御する。そのため、走査電子顕微鏡１００では、電子検出器３０と偏向器６０との間に電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎが配置されている場合であっても、フィルターメッシュ３６への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、漏れ電場による対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれが補正されるように偏向器６０を動作させることができる。

図３は、フィルターメッシュ３６への印加電圧（フィルター電圧）を変化させて取得されたＳＥＭ像である。

図３では、本実施形態における対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれの補正を行った場合と、一次ビームの軸ずれの補正を行わなかった場合と、について、フィルター電圧０Ｖで軸が合った状態にして、フィルター電圧を−５００Ｖ、＋５００Ｖに変化させてＳＥＭ像を取得した。なお、図３に示すＳＥＭ像は、加速電圧１ｋＶ、視野２．４μｍで取得されたものであり、コントラストとブライトネスのみを調整した。

図３に示す結果から、本実施形態における一次ビームの軸ずれの補正を行った場合、フィルター電圧を変化させても、良好なＳＥＭ像を得ることができることがわかった。

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る走査電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図４は、第２実施形態に係る走査電子顕微鏡２００の要部を模式的に示す図である。以下、第２実施形態に係る走査電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る走査電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した走査電子顕微鏡１００では、図２に示すように偏向器６０は２段のアライメントコイル６０ａ，６０ｂを有していたが、走査電子顕微鏡２００では、図４に示すように、偏向器６０は、１段（第１アライメントコイル６０ａのみ）である点で異なる。

アライメントコイルが１段の場合、一次ビームを元の軸に完全に戻すことはできないが、一次ビームを対物レンズ１８の中心を通るように通過させることはできる。

第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕを求めるところまでは、上述した「１．２． 走査電子顕微鏡の動作」で説明したとおりである。

第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕを対物レンズ１８まで延長した軸をｐ_ＯＬとすると、軸ｐ_ＯＬは以下のように表される。

ここで、ｌ_ＯＬは、第１アライメントコイル６０ａから対物レンズ１８までの距離である。

対物レンズ１８への一次ビームの入射軸が、対物レンズ１８の中心を通るようにするためには、次のようになればよい。

ただし、「＊」は、任意の値でよいことを表す。

以上をまとめると以下の方程式が得られる。

この方程式を、第１アライメントコイル６０ａの複素偏向角α_Ｕを未知数として解くことで、目的とする対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれ補正のための制御式が得られる。

例えば、Ｎ＝１として上記方程式を解くと以下の制御式が得られる。

走査電子顕微鏡２００の動作は、上記式を用いて第１アライメントコイル６０ａにおける一次ビームの偏向量を算出し、第１アライメントコイル６０ａ（偏向器６０）の制御を行う点を除いて、走査電子顕微鏡１００の動作と同様であり、その説明を省略する。

走査電子顕微鏡２００では、上述した走査電子顕微鏡１００と同様に電子検出器３０への印加電圧が変化して漏れ電場が変化しても、対物レンズ１８における一次ビームの軸ずれが補正されるように偏向器６０を動作させることができる。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る走査電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図５は、第３実施形態に係る走査電子顕微鏡３００の要部を模式的に示す図である。以下、第３実施形態に係る走査電子顕微鏡３００において、第１実施形態に係る走査電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第３実施形態に係る走査電子顕微鏡３００では、図５に示すように、電子検出器３０がＥｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙタイプの検出器である点で、上述した走査電子顕微鏡１００と異なる。また、走査電子顕微鏡３００では、偏向器６０が電子検出器３０よりも電子源１０側に配置されている点で、上述した走査電子顕微鏡１００と異なる。

Ｅｖｅｒｈａｒｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙタイプの検出器は、高電圧が印加されたシンチレータ３２に電子を加速衝突させて光に変換し、光電子増倍管（図示せず）で電気信号に変える。シンチレータ３２の前にはコレクタメッシュ３９（電極の一例）が配置されている。コレクタメッシュ３９は、シンチレータ３２に入射する電子の経路に、印加電圧に応じた電場を発生させ、電子検出器３０での電子の検出率（捕集効率）を変化させる。

走査電子顕微鏡３００は、シンチレータ３２に電圧Ｖ_ｓｃｉが印加されることにより生じる電場や、フィルターメッシュ３６に電圧Ｖ_ｆｉｌが印加されることにより生じる電場が、検出率を上げつつ、一次ビームへの影響が大きくならないように設計されているが、この場合にも、漏れ電場により一次ビームが曲がってしまうことがある。

このため、電子検出器３０への入射軸ｐ_ｄｅｔと電子検出器３０からの出射軸ｑ_ｄｅｔとの関係は以下のようになる。

ここで、α_ｓｃｉは、シンチレータ３２の単位電圧あたりの一次ビームの曲がり量（軸ずれ量）である。α_ｃｏｌは、コレクタメッシュ３９の単位電圧あたりの一次ビームの曲がり量（軸ずれ量）である。すなわち、α_ｃｏｌは、コレクタメッシュ３９への印加電圧を単位電圧変えたときの一次ビームの曲がり量である。α_ｓｃｉおよびα_ｃｏｌは、いずれも複素数（実部がｘ方向、虚部がｙ方向に対応する）であり、加速電圧に反比例する。

一次ビームの曲がり量α_ｓｃｉは、電子検出器３０の下のレンズをすべてオフにして、電子検出器３０の上のレンズで一次ビームを試料面にフォーカスさせて、シンチレータ３２に印加される電圧を変化させたときのＳＥＭ画像の移動量として測定できる。また、一次ビームの曲がり量α_ｃｏｌは、電子検出器３０の下のレンズをすべてオフにして、電子検出器３０の上のレンズで一次ビームを試料面にフォーカスさせて、コレクタメッシュ３９に印加される電圧を変化させたときのＳＥＭ画像の移動量として測定できる。

シンチレータ３２に印加される電圧Ｖ_ｓｃｉは、通常は固定値で変化させないため、シンチレータ３２からの漏れ電場による一次ビームの軸ずれは補正しないこととして、α_ｓｃｉ＝０としてもよい。

一次ビームの軸がずれてしまうと、電子検出器３０よりも下のレンズである対物レンズ１８の中心からずれた位置に一次ビームが入射してしまい、分解能が低下する。これを防ぐために、２段のアライメントコイル６０ａ，６０ｂで一次ビームの軸ずれを補正する。

アライメントコイル６０ａ，６０ｂは、軸ずれの原因である電子検出器３０の直上に配置されていることが好ましいが、アライメントコイル６０ａ，６０ｂと電子検出器３０との間に電子レンズ５０−１，５０−２，・・・，５０−Ｎがある場合、これらに対する軸ずれは補正できないが、最も影響が大きい対物レンズ１８に対する軸ずれを補正できる。

第１アライメントコイル６０ａへの入射軸ｐ_Ｕは、理想的な軸として以下のようにおく。

第１アライメントコイル６０ａでの複素偏向角をα_Ｕとおくと、第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕは以下のように表される。

第１アライメントコイル６０ａからの出射軸ｑ_Ｕを第２アライメントコイル６０ｂの位置まで延長した軸をｐ_Ｌとおくと、軸ｐ_Ｌは以下のように表される。

ここで、ｌ_Ｌは、第１アライメントコイル６０ａから第２アライメントコイル６０ｂまでの距離である。

第２アライメントコイル６０ｂでの複素偏向角をα_Ｌとおくと、第２アライメントコイル６０ｂからの出射軸ｑ_Ｌは以下のように表される。

第２アライメントコイル６０ｂからの出射軸ｑ_Ｌを電子レンズ５０−１まで延長した軸をｐ_１とおくと、軸ｐ_１は以下のように表される。

ここで、ｌ_１は、第２アライメントコイル６０ｂから電子レンズ５０−１までの距離である。

電子レンズ５０−１への入射軸ｐ_１が電子レンズ５０−１の作用を受けて曲がり、電子レンズ５０−１から出射するときの軸をｑ_１とおくと、軸ｑ_１は以下のように表される。

ここで、Ａ_１は、電子レンズ５０−１の作用を表す３×３の複素行列である。

電子レンズ５０−１からの出射軸ｑ_１を電子レンズ５０−２まで延長した入射軸ｐ_２、電子レンズ５０−２の作用を受けた出射軸ｑ_２、・・・、電子レンズ５０−（Ｎ−１）からの出射軸ｑ_Ｎ−１を電子レンズ５０−Ｎまで延長した入射軸ｐ_Ｎ、電子レンズ５０−Ｎの作用を受けた出射軸ｑ_Ｎ、まで、同様に求めることができる。

電子レンズ５０−Ｎからの出射軸ｑ_Ｎを電子検出器３０の位置まで延長した軸をｐ_ｄｅｔとおくと、軸ｐ_ｄｅｔは以下のように表される。

ここで、ｌ_ｄｅｔは、電子レンズ５０−Ｎから電子検出器３０までの距離である。

電子検出器３０への入射軸ｐ_ｄｅｔが電子検出器３０からの漏れ電場によって曲げられた後の出射軸ｑ_ｄｅｔは、以下のように表される。

対物レンズ１８への入射軸が、電子検出器３０からの漏れ電場によって軸が曲がる前の理想的な軸と同じになるためには以下のようになればよい。

以上をまとめると以下の方程式が得られる。

この方程式を、第１アライメントコイル６０ａの複素偏向角α_Ｕ、および第２アライメントコイル６０ｂの複素偏向角α_Ｌを未知数として解くことで、目的とする対物レンズ１
８における一次ビームの軸ずれ補正のための制御式が得られる。

例えば、Ｎ＝０として上記方程式を解くと以下の制御式が得られる。

走査電子顕微鏡３００の動作は、上記式を用いて制御を行う点を除いて、走査電子顕微鏡１００の動作と同様であり、その説明を省略する。

走査電子顕微鏡３００では、上述した走査電子顕微鏡１００と同様の作用効果を奏することができる。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

２…ライナーチューブ、１０…電子源、１２…コンデンサーレンズ、１４…絞り、１６…走査コイル、１８…対物レンズ、２０…試料ステージ、３０…電子検出器、３２…シンチレータ、３４…ライトガイド、３６…フィルターメッシュ、３８…グランドメッシュ、３９…コレクタメッシュ、４０…制御部、４２…記憶部、５０−１…電子レンズ、５０−２…電子レンズ、５０−Ｎ…電子レンズ、６０…偏向器、６０ａ…第１アライメントコイル、６０ｂ…第２アライメントコイル、１００…走査電子顕微鏡、２００…走査電子顕微鏡、３００…走査電子顕微鏡

Claims (6)

1. 荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線源から放出された荷電粒子線を集束して試料に照射する対物レンズと、
   前記試料に荷電粒子線が照射されることにより発生した電子を検出する検出器と、
   前記対物レンズに入射する荷電粒子線を偏向させる偏向器と、
   前記偏向器を制御する制御部と、
   を含み、
   前記検出器は、前記検出器に入射する電子の経路に電場を発生させる電極を有し、
   前記制御部は、前記電極に印加される印加電圧に応じて、前記偏向器を制御する、荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記電極は、前記印加電圧に応じた電場を発生させて、前記検出器に入射する電子のエネルギー帯を変える、荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記電極は、前記印加電圧に応じた電場を発生させて、前記検出器での電子の検出率を変化させる、荷電粒子線装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記制御部は、前記印加電圧から、前記印加電圧を単位電圧変えたときの前記荷電粒子線の曲がり量に基づき前記偏向器における前記荷電粒子線の偏向量を算出し、前記偏向器を制御する、荷電粒子線装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
   前記検出器と前記偏向器との間には電子レンズが配置され、
   前記制御部は、前記印加電圧から、前記印加電圧を単位電圧変えたときの前記荷電粒子線の曲がり量および前記荷電粒子線に対する前記電子レンズのレンズ作用に基づき前記偏向器における前記荷電粒子線の偏向量を算出し、前記偏向器を制御する、荷電粒子線装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記荷電粒子線で試料上を走査する走査コイルを含む、荷電粒子線装置。