JP3058657B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents
荷電粒子線装置Info
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- JP3058657B2 JP3058657B2 JP2159664A JP15966490A JP3058657B2 JP 3058657 B2 JP3058657 B2 JP 3058657B2 JP 2159664 A JP2159664 A JP 2159664A JP 15966490 A JP15966490 A JP 15966490A JP 3058657 B2 JP3058657 B2 JP 3058657B2
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Description
本発明は、荷電粒子線装置の改良に係り、特にそれに
おける静電レンズおよび該静電レンズ等に所要の高電圧
を印加するための高電圧電源の改良構成に係る。
おける静電レンズおよび該静電レンズ等に所要の高電圧
を印加するための高電圧電源の改良構成に係る。
例えば、走査型電子顕微鏡などの荷電粒子線装置にお
ける荷電粒子線集束用の静電レンズとしては、第６図に
示すようなアインツェルレンズ23が一般的に用いられて
いる。このアインツェルレンズにおいては、それを構成
する上下３枚の電極のうち、上下両端側の２電極には通
常ア−ス電位が付与されており、中間の１電極に負また
は正のレンズ電圧VL1を印加することによって、集束レ
ンズ作用を発生させている。そして、荷電粒子線の偏向
は、上記アインツェルレンズ23の上方側（荷電粒子源１
側）または下方側（試料８側）のア−ス電位空間内に設
けられた偏向器９によって行なわれている（例えば、特
公昭63−67743号公報参照）。
ける荷電粒子線集束用の静電レンズとしては、第６図に
示すようなアインツェルレンズ23が一般的に用いられて
いる。このアインツェルレンズにおいては、それを構成
する上下３枚の電極のうち、上下両端側の２電極には通
常ア−ス電位が付与されており、中間の１電極に負また
は正のレンズ電圧VL1を印加することによって、集束レ
ンズ作用を発生させている。そして、荷電粒子線の偏向
は、上記アインツェルレンズ23の上方側（荷電粒子源１
側）または下方側（試料８側）のア−ス電位空間内に設
けられた偏向器９によって行なわれている（例えば、特
公昭63−67743号公報参照）。
静電レンズや磁界レンズを用いて電子光学系を構成
し、荷電粒子線を試料上に集束させる荷電粒子線装置に
おいては、装置の空間分解能は試料上における荷電粒子
線のスポット径によって決まる。微小なスポットを得る
ためには、電子光学系の光学収差をできるだけ小さくし
てやることが重要である。 また、電子光学系を静電レンズのみで構成すれば、装
置全体を非常に小型に構成することができる。しかし、
これまで静電対物レンズとして用いられてきているアイ
ンツェルレンズでは、磁界レンズに比べて光学収差が大
きいため、分解能を上げることができない。このため、
電子光学系を構成する静電レンズとしてこのアインツェ
ルレンズを用いたのでは、装置性能を低下させることな
くして、装置全体の小型化を実現することはできなかっ
た。 本発明の一つの目的は、静電レンズのみを用いても磁
界レンズと同等もしくはそれ以下の低収差を実現するこ
とができ、それによって、電子光学系を小型に構成する
ことができ、しかも、高分解能を得ることのできる荷電
粒子線装置を提供することにある。 本発明の他の目的は、電子光学系における静電レン
ズ、試料像表示装置、試料からの二次荷電粒子を検出す
る検出器、真空排気系などに必要な高電圧電源を共通化
させることにより、装置全体をさらに小型かつ安価に構
成することを可能にした荷電粒子線装置を提供すること
である。
し、荷電粒子線を試料上に集束させる荷電粒子線装置に
おいては、装置の空間分解能は試料上における荷電粒子
線のスポット径によって決まる。微小なスポットを得る
ためには、電子光学系の光学収差をできるだけ小さくし
てやることが重要である。 また、電子光学系を静電レンズのみで構成すれば、装
置全体を非常に小型に構成することができる。しかし、
これまで静電対物レンズとして用いられてきているアイ
ンツェルレンズでは、磁界レンズに比べて光学収差が大
きいため、分解能を上げることができない。このため、
電子光学系を構成する静電レンズとしてこのアインツェ
ルレンズを用いたのでは、装置性能を低下させることな
くして、装置全体の小型化を実現することはできなかっ
た。 本発明の一つの目的は、静電レンズのみを用いても磁
界レンズと同等もしくはそれ以下の低収差を実現するこ
とができ、それによって、電子光学系を小型に構成する
ことができ、しかも、高分解能を得ることのできる荷電
粒子線装置を提供することにある。 本発明の他の目的は、電子光学系における静電レン
ズ、試料像表示装置、試料からの二次荷電粒子を検出す
る検出器、真空排気系などに必要な高電圧電源を共通化
させることにより、装置全体をさらに小型かつ安価に構
成することを可能にした荷電粒子線装置を提供すること
である。
上記の目的を達成するために、本発明においては、荷
電粒子線集束系を静電レンズによって構成して成る荷電
粒子線装置において、上記静電レンズを構成する複数の
レンズ電極のうち一番試料に近い側の最終電極を除く他
の全てのレンズ電極に、上記最終電極に対して、荷電粒
子線が負に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電
粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加
し、かつ、上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内
において、上記荷電粒子線を偏向するようにしたことを
一つの特徴としている。 また、本発明においては、上記最終電極のすぐ上方
（電子源側）にある第一レンズ電極に、上記最終電極に
対して、荷電粒子の最終加速電圧の３倍以上の電位を印
加するようにしたことを他の一特徴としている。 また、本発明においては、偏向器によって荷電粒子線
を偏向させる位置を、上記第一レンズ電極の内部空間内
もしくは該第一レンズ電極と同電位に保持された電極の
内部空間内にあるようにしたことをさらに他の一特徴と
している。 さらに、本発明においては、上記静電レンズを構成す
る各レンズ電極に高電圧を印加するために必要な高電圧
電源をできるだけ共通化し、好ましくはさらに、該静電
レンズ用の高電圧電源を、試料像表示装置、二次荷電粒
子検出器、または真空排気系等に必要な高電圧を印加し
てやるための電源としても共用化してやることをさらに
他の一特徴としている。
電粒子線集束系を静電レンズによって構成して成る荷電
粒子線装置において、上記静電レンズを構成する複数の
レンズ電極のうち一番試料に近い側の最終電極を除く他
の全てのレンズ電極に、上記最終電極に対して、荷電粒
子線が負に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電
粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加
し、かつ、上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内
において、上記荷電粒子線を偏向するようにしたことを
一つの特徴としている。 また、本発明においては、上記最終電極のすぐ上方
（電子源側）にある第一レンズ電極に、上記最終電極に
対して、荷電粒子の最終加速電圧の３倍以上の電位を印
加するようにしたことを他の一特徴としている。 また、本発明においては、偏向器によって荷電粒子線
を偏向させる位置を、上記第一レンズ電極の内部空間内
もしくは該第一レンズ電極と同電位に保持された電極の
内部空間内にあるようにしたことをさらに他の一特徴と
している。 さらに、本発明においては、上記静電レンズを構成す
る各レンズ電極に高電圧を印加するために必要な高電圧
電源をできるだけ共通化し、好ましくはさらに、該静電
レンズ用の高電圧電源を、試料像表示装置、二次荷電粒
子検出器、または真空排気系等に必要な高電圧を印加し
てやるための電源としても共用化してやることをさらに
他の一特徴としている。
上記した本発明の特徴的構成によれば、荷電粒子線装
置の電子光学系を静電レンズのみで構成したものにおい
ても、その光学収差を、磁界レンズによる場合よりもさ
らに低減させてやることができる。 また、静電レンズのみで電子光学系を構成することに
より、電子光学系を容易に小型化できる。 さらに、高電圧電源を含めた荷電粒子線装置全体を非
常に小型かつ安価に構成できる。
置の電子光学系を静電レンズのみで構成したものにおい
ても、その光学収差を、磁界レンズによる場合よりもさ
らに低減させてやることができる。 また、静電レンズのみで電子光学系を構成することに
より、電子光学系を容易に小型化できる。 さらに、高電圧電源を含めた荷電粒子線装置全体を非
常に小型かつ安価に構成できる。
以下、本発明を走査形電子顕微鏡に適用した場合の一
実施例につき、第１図を参照して詳細に説明する。 第１図において、電界放出型の電子源１と引出電極３
との間に形成された引出電界により該電子源１から電界
放出された電子線２は、上記引出電極３、および、その
下方に設けられた第三レンズ電極４、第二レンズ電極
５、第一レンズ電極６並びに最終電極７から成る静電レ
ンズのそれぞれの電極間に形成された電界により集束作
用を受け、細く集束されて試料８上に照射される。それ
と同時に、電子線２は偏向器９によって第二レンズ電極
５の内部空間内で偏向作用を受け、試料８上で二次元的
に走査される。また、電子線２と上記静電レンズとの光
軸合わせのために、アラインメントコイル11によって電
子線２をシフトできるようになっている。また、電子線
２の非点収差補正を行うためにスティグマコイル12が設
けられている。電子線２の照射により試料８から発生し
た二次電子13は、二次電子加速電極14に印加された高電
圧VPMによって形成される電界により補足及び加速され
て、二次電子検出器15に到達し検出される。この検出信
号を、電子線２と同期走査される陰極線管表示装置16の
輝度変調信号として用いることにより、試料８表面の二
次元二次電子像が得られる。 本実施例では、半導体の表面観察などの用途に適する
ように、電子線の照射による試料表面の帯電や損傷を少
なくすることのできる低加速電圧での観察を対象として
おり、したがって、電子線２の加速電圧Vaは3kV以下
（主に1kV前後）に設定し、電子源１からの電子線引出
電圧（電子源１と引出電極３との間の電圧（Va＋Ve）：
通常は、３〜6kV）よりも低く設定してある。そのた
め、引出電極３には、ア−ス電位に対して正側の電圧Ve
を印加することにより、電子源１からの電界放出を起こ
させている。 さらに、電子光学系の低収差化を実現するために、静
電レンズを構成する複数の電極のうち、ア−ス電位にあ
る最終電極７以外の全ての電極４、５および６には、上
記最終電極７に対して、つまり、ア−ス電位に対して正
側の電圧が印加されている。 第３図には、第一レンズ電極６と最終電極７とで形成
されるレンズの平行入射電子線に対する色収差係数を比
較して示したものである。目的とする低加速電圧領域で
は、試料８上にフォ−カスされる電子線２のスポット径
は、色収差が支配的な要因となって決まっている。同図
において、第一レンズ電極６に正の電圧を印加してフォ
−カスさせた場合を曲線（ａ）で、負の電圧を印加して
フォ−カスさせた場合を曲線（ｂ）で示してある。同図
の横軸には、レンズの下面と試料との間の距離であるワ
−キング距離Ａをとってある。ここでは、第一レンズ電
極６と最終電極７との電極間距離Ｂ＝2mmとしている。
さらに、同図の曲線（ｃ）には、一例として代表的な磁
界レンズ（ギャップ4mm,開口径3mm）の色収差係数を示
してある。曲線（ａ），（ｂ）の比較より、静電レンズ
では第一レンズ電極６に正側の電圧を印加した場合の方
が収差が小さくなることが分かる。すなわち、第一レン
ズ電極６に負側の電圧を印加してフォ−カスさせた場合
には、曲線（ｃ）で示した磁界レンズの場合に比べて、
色収差係数は数倍程度に大きくなってしまう。これに対
し、第一レンズ電極６に正側の電圧を印加してフォ−カ
スさせれば、ワ−キング距離Ａを10mm以下にした場合に
は、磁界レンズよりもさらに小さな色収差係数を実現で
きる。さらに、ワ−キング距離Ａを10〜20mmにしても、
磁界レンズとほぼ同等の色収差係数が実現できる。 第４図には、ワーキング距離Ａに対して必要な第一レ
ンズ電極６への印加電圧VL1を、加速電圧Vaに対する比
（VL1/Va）として示してある。これより、磁界レンズよ
りも小さな色収差係数を実現できる条件（この例では、
Ａ＜10mmとなる条件）は、VL1/Va≧３であることがわか
る。なお、この条件は、電極間距離Ｂを1mmから10mmと
広い範囲にわたって変化させても殆ど変わらないことが
わかっている。 さらに、第５図（Ｂ）には、同図（Ａ）に示したよう
な三つの電極５、６、７から成る静電レンズを用いて電
子線２をフォ−カスさせた場合の、色取差係数Ccと球面
収差係数Csを計算した結果を示してある。ここでは、ワ
−キング距離Ａ＝3mm,各電極間の距離Ｂ＝Ｃ＝2mmで一
定とし、最終電極７は接地し、第一レンズ電極6,第二レ
ンズ電極５にはそれぞれ正側の電圧＋VL1,＋VL2を印加
してフォ−カスさせている。同図（Ｂ）の横軸は、第二
レンズ電極５の印加電圧VL2と第一レンズ電極６の印加
電圧VL1との比（VL2/VL1）を表わしている。 第５図（Ｂ）からわかるように、VL2/VL1＜０の領
域、すなわち、第二レンズ電極５に負の電位を印加して
動作させた場合には、VL2/VL1＞０の領域、すなわち、
第二レンズ電極５に正の電位を印加して動作させた場合
に比べて、その収差係数が非常に大きくなってしまって
いる。 第６図には、アインツェルレンズを用いた従来の電子
光学系が示してある。アインツェルレンズでは、三つの
電極のうち上下両端側の２電極はア−ス電位となってお
り、電子線の偏向は該レンズの外側のア−ス電位空間内
において行われている。これは、第５図においてちょう
どVL2/VL1＝０（VL1≠０）とした場合に対応する。この
ことから、第二レンズ電極５にも正側の電圧を印加する
ことにより、これまでの静電レンズ構成の電子光学系に
用いられてきたアインツェルレンズよりも大幅に収差を
低減できることがわかる。とくに、第二レンズ電極５に
第一レンズ電極６への印加電圧VL1の1/4以上の大きさの
正の電圧VL2を印加することにより、磁界レンズよりも
さらに低収差を実現できる。 このように、一般に電極の枚数によらず、引出電極３
と最終電極７との間に存在する電極を全て最終電極７に
対して正電位にすることにより、例えばある電極を負電
位や最終電極７と同電位にしたりする場合よりも、収差
をずっと小さくしてやることができる。従って、本実施
例においては、第三レンズ電極４にも正電位＋VL3が印
加されるようになっている。 本実施例における代表的な電圧印加状態を示すと、例
えば、加速電圧Va＝1kV,ワ−キング距離Ａ＝5mm,引出電
圧を4kVとした場合、Ve＝3kV,VL3＝0.5〜3kV,VL2＝２〜
6kV,VL1＝３〜7kVである。 なお、本実施例においては、試料を同じ位置に置いた
ままで、各電極への印加電圧VL3,VL2,VL1の大きさを調
節しながらフォ−カスさせることによって、試料上での
電子線のスポット径をある程度犠牲にして（大きくし
て）代わりに試料に入射する電子線の電流値（プロ−ブ
電流値）を大きくしたり、逆に、プロ−ブ電流値を絞る
ことによってスポット径を小さくしてやるという操作が
可能となっている。 また、第３図からもわかるように、高分解能を得るた
めには、試料をできるだけレンズに近づけることが必要
である。本実施例においては、偏向器９は最終電極７よ
りも上方に配置されており、電子線は第二レンズ電極５
の内部空間内で偏向作用を受けるようになっている。こ
のため、最終電極７と試料８とを十分に近づけることが
でき、第６図（Ｂ）に示した従来のものよりもこの点で
も有利である。 第１図に示した実施例においては、磁界レンズを全く
用いずに、静電レンズのみで電子光学系を構成している
ため、電子光学鏡筒は外径34mm、高さ150mmと非常に小
型になっている。また、本実施例では、引出電極３およ
び静電レンズを構成するレンズ電極４、５、６を全て最
終電極７に対して正側の電位とすることによって、磁界
レンズを用いた場合よりもさらに高分解能（加速電圧1k
Vで6nm）を実現している。 また、上述したように、電極３、４、５および６に印
加されるべき電圧は、全て正極性、つまり、同極性の電
圧であるため、これら電極には、共通の一台の正極性高
圧電源17から分圧器10を通して、それぞれ必要な電圧を
印加するようにしている。また、各電極への印加電圧
は、それぞれの電圧値を互いに独立に調整できるように
するために、第２図に示すように、各電極毎に異なる可
変抵抗器20を介して分圧供給される。 また、２次電子加速電極14への印加電圧VPMも通常＋
７〜10kV程度の正極性電圧である。さらに、本実施例に
おいて、試料像表示用として用いている陰極線管表示装
置16内の表示用ブラウン管のアノ−ド端子に印加すべき
電圧VDも通常＋10〜20kV程度の正極性電圧である。そこ
で、本実施例では、２次電子加速電極14,表示装置16に
必要な電圧VPM,VDも全て上記した共通の正極性高圧電源
17から分圧器10を通して供給している。なお、これら二
つの電圧VPM,VDは通常可変にする必要がないため、ここ
では、第２図に示すように、固定抵抗器21を用いて分圧
している。ただし、電子源１にはもちろん負の電圧−Va
を印加しなくてはならないため、そのために負極性高圧
電源17′を別に設けている。 第７図に、本発明のさらに他の一実施例を示す。本実
施例の電子光学系においては、第１図の実施例における
第一レンズ電極６と第二レンズ電極５とを互いに接続し
て同電位化し、電位的にみて一つの電極６とした構成と
なっている。つまり、偏向器９の下方にある対物レンズ
は、二つの電極6,7からなる静電レンズとなっている。
これは、ちょうど第５図においてVL2/VL1＝１とした場
合に相当する。第５図からもわかるように、第一レンズ
電極６と第二レンズ電極５とを電位的にみて一つの電極
としても、つまり、VL2/VL1＝１に固定しても、収差が
大きくなることはない。 また、第１図の実施例と同様に、試料を同じ位置に置
いた場合でも、VL3,VL1の大きさを調節してフォーカス
させることにより、スポット径を犠牲にして（大きくし
て）試料へのプロ−ブ電流値を大きくしたり、逆に、プ
ロ−ブ電流値を絞ることによってスポット径を小さくし
たりという操作が可能となっている。 その上、第１図の実施例よりも電極の数が一つ減って
いるため、その分だけさらに電子光学系の構成が簡単に
なる。本実施例の構成によれば、一例として、鏡筒部外
径34mm,高さ120mmというように、第１図の実施例よりも
さらに小型化された電子光学系が実現されている。 本実施例では、鏡筒部18側の真空排気装置としてゲッ
タ−イオンポンプ19が用いられている。ゲッタ−イオン
ポンプを動作させるには、5kV程度の高電圧Ｖが必要で
ある。この電圧Vpの極性は正と負のいずれの場合もある
が、装置全体の小型化のために、この電圧Vpも正極性高
圧電源17もしくは負極性高圧電源17′から適当な分圧器
を介して供給するようにするのが望ましい。 以上、本発明を実施例に沿って説明してきたが、本発
明はこれら実施例に示した具体的構成のみに限定される
ものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施例
では本発明を走査形電子顕微鏡に適用する場合について
説明したが、本発明は電子線測長装置や電子線描画装置
などの他の電子線装置にもそのまま応用することが可能
であり、さらにイオン顕微鏡や集束イオンビ−ム装置や
二次イオン質量分析器などのイオンビ−ム装置などにも
単に印加電圧の極性を変換してやる程度の簡単な変形に
より容易に適用可能である。本発明は、このような場合
をも含むものであることは云うまでもない。
実施例につき、第１図を参照して詳細に説明する。 第１図において、電界放出型の電子源１と引出電極３
との間に形成された引出電界により該電子源１から電界
放出された電子線２は、上記引出電極３、および、その
下方に設けられた第三レンズ電極４、第二レンズ電極
５、第一レンズ電極６並びに最終電極７から成る静電レ
ンズのそれぞれの電極間に形成された電界により集束作
用を受け、細く集束されて試料８上に照射される。それ
と同時に、電子線２は偏向器９によって第二レンズ電極
５の内部空間内で偏向作用を受け、試料８上で二次元的
に走査される。また、電子線２と上記静電レンズとの光
軸合わせのために、アラインメントコイル11によって電
子線２をシフトできるようになっている。また、電子線
２の非点収差補正を行うためにスティグマコイル12が設
けられている。電子線２の照射により試料８から発生し
た二次電子13は、二次電子加速電極14に印加された高電
圧VPMによって形成される電界により補足及び加速され
て、二次電子検出器15に到達し検出される。この検出信
号を、電子線２と同期走査される陰極線管表示装置16の
輝度変調信号として用いることにより、試料８表面の二
次元二次電子像が得られる。 本実施例では、半導体の表面観察などの用途に適する
ように、電子線の照射による試料表面の帯電や損傷を少
なくすることのできる低加速電圧での観察を対象として
おり、したがって、電子線２の加速電圧Vaは3kV以下
（主に1kV前後）に設定し、電子源１からの電子線引出
電圧（電子源１と引出電極３との間の電圧（Va＋Ve）：
通常は、３〜6kV）よりも低く設定してある。そのた
め、引出電極３には、ア−ス電位に対して正側の電圧Ve
を印加することにより、電子源１からの電界放出を起こ
させている。 さらに、電子光学系の低収差化を実現するために、静
電レンズを構成する複数の電極のうち、ア−ス電位にあ
る最終電極７以外の全ての電極４、５および６には、上
記最終電極７に対して、つまり、ア−ス電位に対して正
側の電圧が印加されている。 第３図には、第一レンズ電極６と最終電極７とで形成
されるレンズの平行入射電子線に対する色収差係数を比
較して示したものである。目的とする低加速電圧領域で
は、試料８上にフォ−カスされる電子線２のスポット径
は、色収差が支配的な要因となって決まっている。同図
において、第一レンズ電極６に正の電圧を印加してフォ
−カスさせた場合を曲線（ａ）で、負の電圧を印加して
フォ−カスさせた場合を曲線（ｂ）で示してある。同図
の横軸には、レンズの下面と試料との間の距離であるワ
−キング距離Ａをとってある。ここでは、第一レンズ電
極６と最終電極７との電極間距離Ｂ＝2mmとしている。
さらに、同図の曲線（ｃ）には、一例として代表的な磁
界レンズ（ギャップ4mm,開口径3mm）の色収差係数を示
してある。曲線（ａ），（ｂ）の比較より、静電レンズ
では第一レンズ電極６に正側の電圧を印加した場合の方
が収差が小さくなることが分かる。すなわち、第一レン
ズ電極６に負側の電圧を印加してフォ−カスさせた場合
には、曲線（ｃ）で示した磁界レンズの場合に比べて、
色収差係数は数倍程度に大きくなってしまう。これに対
し、第一レンズ電極６に正側の電圧を印加してフォ−カ
スさせれば、ワ−キング距離Ａを10mm以下にした場合に
は、磁界レンズよりもさらに小さな色収差係数を実現で
きる。さらに、ワ−キング距離Ａを10〜20mmにしても、
磁界レンズとほぼ同等の色収差係数が実現できる。 第４図には、ワーキング距離Ａに対して必要な第一レ
ンズ電極６への印加電圧VL1を、加速電圧Vaに対する比
（VL1/Va）として示してある。これより、磁界レンズよ
りも小さな色収差係数を実現できる条件（この例では、
Ａ＜10mmとなる条件）は、VL1/Va≧３であることがわか
る。なお、この条件は、電極間距離Ｂを1mmから10mmと
広い範囲にわたって変化させても殆ど変わらないことが
わかっている。 さらに、第５図（Ｂ）には、同図（Ａ）に示したよう
な三つの電極５、６、７から成る静電レンズを用いて電
子線２をフォ−カスさせた場合の、色取差係数Ccと球面
収差係数Csを計算した結果を示してある。ここでは、ワ
−キング距離Ａ＝3mm,各電極間の距離Ｂ＝Ｃ＝2mmで一
定とし、最終電極７は接地し、第一レンズ電極6,第二レ
ンズ電極５にはそれぞれ正側の電圧＋VL1,＋VL2を印加
してフォ−カスさせている。同図（Ｂ）の横軸は、第二
レンズ電極５の印加電圧VL2と第一レンズ電極６の印加
電圧VL1との比（VL2/VL1）を表わしている。 第５図（Ｂ）からわかるように、VL2/VL1＜０の領
域、すなわち、第二レンズ電極５に負の電位を印加して
動作させた場合には、VL2/VL1＞０の領域、すなわち、
第二レンズ電極５に正の電位を印加して動作させた場合
に比べて、その収差係数が非常に大きくなってしまって
いる。 第６図には、アインツェルレンズを用いた従来の電子
光学系が示してある。アインツェルレンズでは、三つの
電極のうち上下両端側の２電極はア−ス電位となってお
り、電子線の偏向は該レンズの外側のア−ス電位空間内
において行われている。これは、第５図においてちょう
どVL2/VL1＝０（VL1≠０）とした場合に対応する。この
ことから、第二レンズ電極５にも正側の電圧を印加する
ことにより、これまでの静電レンズ構成の電子光学系に
用いられてきたアインツェルレンズよりも大幅に収差を
低減できることがわかる。とくに、第二レンズ電極５に
第一レンズ電極６への印加電圧VL1の1/4以上の大きさの
正の電圧VL2を印加することにより、磁界レンズよりも
さらに低収差を実現できる。 このように、一般に電極の枚数によらず、引出電極３
と最終電極７との間に存在する電極を全て最終電極７に
対して正電位にすることにより、例えばある電極を負電
位や最終電極７と同電位にしたりする場合よりも、収差
をずっと小さくしてやることができる。従って、本実施
例においては、第三レンズ電極４にも正電位＋VL3が印
加されるようになっている。 本実施例における代表的な電圧印加状態を示すと、例
えば、加速電圧Va＝1kV,ワ−キング距離Ａ＝5mm,引出電
圧を4kVとした場合、Ve＝3kV,VL3＝0.5〜3kV,VL2＝２〜
6kV,VL1＝３〜7kVである。 なお、本実施例においては、試料を同じ位置に置いた
ままで、各電極への印加電圧VL3,VL2,VL1の大きさを調
節しながらフォ−カスさせることによって、試料上での
電子線のスポット径をある程度犠牲にして（大きくし
て）代わりに試料に入射する電子線の電流値（プロ−ブ
電流値）を大きくしたり、逆に、プロ−ブ電流値を絞る
ことによってスポット径を小さくしてやるという操作が
可能となっている。 また、第３図からもわかるように、高分解能を得るた
めには、試料をできるだけレンズに近づけることが必要
である。本実施例においては、偏向器９は最終電極７よ
りも上方に配置されており、電子線は第二レンズ電極５
の内部空間内で偏向作用を受けるようになっている。こ
のため、最終電極７と試料８とを十分に近づけることが
でき、第６図（Ｂ）に示した従来のものよりもこの点で
も有利である。 第１図に示した実施例においては、磁界レンズを全く
用いずに、静電レンズのみで電子光学系を構成している
ため、電子光学鏡筒は外径34mm、高さ150mmと非常に小
型になっている。また、本実施例では、引出電極３およ
び静電レンズを構成するレンズ電極４、５、６を全て最
終電極７に対して正側の電位とすることによって、磁界
レンズを用いた場合よりもさらに高分解能（加速電圧1k
Vで6nm）を実現している。 また、上述したように、電極３、４、５および６に印
加されるべき電圧は、全て正極性、つまり、同極性の電
圧であるため、これら電極には、共通の一台の正極性高
圧電源17から分圧器10を通して、それぞれ必要な電圧を
印加するようにしている。また、各電極への印加電圧
は、それぞれの電圧値を互いに独立に調整できるように
するために、第２図に示すように、各電極毎に異なる可
変抵抗器20を介して分圧供給される。 また、２次電子加速電極14への印加電圧VPMも通常＋
７〜10kV程度の正極性電圧である。さらに、本実施例に
おいて、試料像表示用として用いている陰極線管表示装
置16内の表示用ブラウン管のアノ−ド端子に印加すべき
電圧VDも通常＋10〜20kV程度の正極性電圧である。そこ
で、本実施例では、２次電子加速電極14,表示装置16に
必要な電圧VPM,VDも全て上記した共通の正極性高圧電源
17から分圧器10を通して供給している。なお、これら二
つの電圧VPM,VDは通常可変にする必要がないため、ここ
では、第２図に示すように、固定抵抗器21を用いて分圧
している。ただし、電子源１にはもちろん負の電圧−Va
を印加しなくてはならないため、そのために負極性高圧
電源17′を別に設けている。 第７図に、本発明のさらに他の一実施例を示す。本実
施例の電子光学系においては、第１図の実施例における
第一レンズ電極６と第二レンズ電極５とを互いに接続し
て同電位化し、電位的にみて一つの電極６とした構成と
なっている。つまり、偏向器９の下方にある対物レンズ
は、二つの電極6,7からなる静電レンズとなっている。
これは、ちょうど第５図においてVL2/VL1＝１とした場
合に相当する。第５図からもわかるように、第一レンズ
電極６と第二レンズ電極５とを電位的にみて一つの電極
としても、つまり、VL2/VL1＝１に固定しても、収差が
大きくなることはない。 また、第１図の実施例と同様に、試料を同じ位置に置
いた場合でも、VL3,VL1の大きさを調節してフォーカス
させることにより、スポット径を犠牲にして（大きくし
て）試料へのプロ−ブ電流値を大きくしたり、逆に、プ
ロ−ブ電流値を絞ることによってスポット径を小さくし
たりという操作が可能となっている。 その上、第１図の実施例よりも電極の数が一つ減って
いるため、その分だけさらに電子光学系の構成が簡単に
なる。本実施例の構成によれば、一例として、鏡筒部外
径34mm,高さ120mmというように、第１図の実施例よりも
さらに小型化された電子光学系が実現されている。 本実施例では、鏡筒部18側の真空排気装置としてゲッ
タ−イオンポンプ19が用いられている。ゲッタ−イオン
ポンプを動作させるには、5kV程度の高電圧Ｖが必要で
ある。この電圧Vpの極性は正と負のいずれの場合もある
が、装置全体の小型化のために、この電圧Vpも正極性高
圧電源17もしくは負極性高圧電源17′から適当な分圧器
を介して供給するようにするのが望ましい。 以上、本発明を実施例に沿って説明してきたが、本発
明はこれら実施例に示した具体的構成のみに限定される
ものではなく種々の変形が可能である。例えば、実施例
では本発明を走査形電子顕微鏡に適用する場合について
説明したが、本発明は電子線測長装置や電子線描画装置
などの他の電子線装置にもそのまま応用することが可能
であり、さらにイオン顕微鏡や集束イオンビ−ム装置や
二次イオン質量分析器などのイオンビ−ム装置などにも
単に印加電圧の極性を変換してやる程度の簡単な変形に
より容易に適用可能である。本発明は、このような場合
をも含むものであることは云うまでもない。
本発明によれば、静電レンズを構成する複数のレンズ
電極のうち最終電極以外の全てのレンズ電極に、荷電粒
子線が負に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電
粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加
し、かつ、上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内
において荷電粒子線を偏向するように構成されているた
め、静電レンズだけを用いて電子光学系を構成した場合
でも、従来の磁界レンズを用いた装置に匹敵し得るもし
くはそれを上回る高分解能な荷電粒子線装置を実現でき
る。 さらに、本発明によれば、レンズ電極に必要な電圧が
すべて同極性であり、したがって、これらレンズ電極に
電圧を印加するための電源を共通化してやることができ
る。また、二次電子検出器や、試料像表示用の陰極線管
や、鏡筒部排気用のゲッタイオンポンプ等に必要な電圧
も上記したレンズ電極用の電源と共通化してやることが
できる。この結果、鏡筒部および電源系を含めた荷電粒
子線装置全体を小型かつ安価に構成してやることが可能
である。
電極のうち最終電極以外の全てのレンズ電極に、荷電粒
子線が負に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電
粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加
し、かつ、上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内
において荷電粒子線を偏向するように構成されているた
め、静電レンズだけを用いて電子光学系を構成した場合
でも、従来の磁界レンズを用いた装置に匹敵し得るもし
くはそれを上回る高分解能な荷電粒子線装置を実現でき
る。 さらに、本発明によれば、レンズ電極に必要な電圧が
すべて同極性であり、したがって、これらレンズ電極に
電圧を印加するための電源を共通化してやることができ
る。また、二次電子検出器や、試料像表示用の陰極線管
や、鏡筒部排気用のゲッタイオンポンプ等に必要な電圧
も上記したレンズ電極用の電源と共通化してやることが
できる。この結果、鏡筒部および電源系を含めた荷電粒
子線装置全体を小型かつ安価に構成してやることが可能
である。
第１図は、本発明の一実施例になる走査形電子顕微鏡の
断面概略図，第２図は、上記実施例における分圧器の一
構成例を示す回路図，第３図は、静電レンズにおけるワ
−キング距離と収差係数との関係を示す特性曲線図，第
４図は、静電レンズにおけるワ−キング距離と必要な電
極間電圧比との関係を示す特性曲線図，第５図は、静電
レンズの電極間電圧比と収差係数との関係を示す特性曲
線図，第６図は、従来のアインツェルレンズを用いた電
子光学系の構成例を示す断面概略図，第７図は、本発明
の他の一実施例になる走査形電子顕微鏡の断面概略図，
である。 図中、 １……電子源、２……電子線、３……引出電極、 ４……第三レンズ電極、５……第二レンズ電極、 ６……第一レンズ電極、７……最終電極、 ８……試料、９……偏向器、10……分圧器、 11……アラインメントコイル、 12……スティグマコイル、13……二次電子、 14……二次電子加速電極、15……検出器、 16……表示装置、17……正極性高圧共通電源、 17′……負極性高圧電源。
断面概略図，第２図は、上記実施例における分圧器の一
構成例を示す回路図，第３図は、静電レンズにおけるワ
−キング距離と収差係数との関係を示す特性曲線図，第
４図は、静電レンズにおけるワ−キング距離と必要な電
極間電圧比との関係を示す特性曲線図，第５図は、静電
レンズの電極間電圧比と収差係数との関係を示す特性曲
線図，第６図は、従来のアインツェルレンズを用いた電
子光学系の構成例を示す断面概略図，第７図は、本発明
の他の一実施例になる走査形電子顕微鏡の断面概略図，
である。 図中、 １……電子源、２……電子線、３……引出電極、 ４……第三レンズ電極、５……第二レンズ電極、 ６……第一レンズ電極、７……最終電極、 ８……試料、９……偏向器、10……分圧器、 11……アラインメントコイル、 12……スティグマコイル、13……二次電子、 14……二次電子加速電極、15……検出器、 16……表示装置、17……正極性高圧共通電源、 17′……負極性高圧電源。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大高 正 茨城県勝田市市毛882番地 株式会社日 立製作所那珂工場内 (56)参考文献 特開 平２−18848（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−208736（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−208499（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 37/248 H01J 37/12 H01J 37/28
Claims (9)
- 【請求項１】荷電粒子源から荷電粒子線を発生させるた
めの荷電粒子線発生手段と、該荷電粒子線を試料上に集
束させるための荷電粒子線集束手段と、該荷電粒子線を
試料上で走査させるための荷電粒子線偏向手段と、該荷
電粒子線の通過する空間内を真空排気するための排気手
段と、該荷電粒子線の照射によって試料から得られる情
報を検出するための検出手段と、該検出手段からの検出
信号に基づいて上記情報の試料表面上での分布状況を像
として表示するための像表示手段とからなる荷電粒子線
装置において、上記荷電粒子線集束手段は静電レンズで
構成されており、該静電レンズを構成する複数のレンズ
電極のうち一番試料に近い側にある最終電極を除く他の
全てのレンズ電極には、該最終電極に対して、上記荷電
粒子線が負に帯電した粒子線の場合には正側の電圧が、
上記荷電粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負側の
電圧が印加されており、かつ、上記荷電粒子線偏向手段
は上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内において
上記荷電粒子線を偏向するように構成されていることを
特徴とする荷電粒子線装置。 - 【請求項２】上記最終電極のすぐ上方に配置されている
第一レンズ電極には、上記最終電極に対して、荷電粒子
線の最終加速電圧の３倍以上の電圧が印加されているこ
とを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。 - 【請求項３】上記荷電粒子線偏向手段は、上記第一レン
ズ電極の内部空間内または該第一レンズ電極と同電位に
ある空間内で上記荷電粒子線を偏向するように構成され
ていることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線装
置。 - 【請求項４】上記静電レンズを構成する最終電極以外の
レンズ電極のうちの少なくとも二つの電極に印加される
べき電圧が、共通の高電圧電源から分圧器を介して給電
されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の荷電粒子線装置。 - 【請求項５】上記の像表示手段が陰極線管表示装置であ
り、該陰極線管表示装置の陰極線管に印加されるべき高
電圧が、上記静電レンズを構成する最終電極以外のレン
ズ電極のいずれかに電圧を印加するための高電圧電源に
よって共通に給電されていることを特徴とする請求項１
ないし４のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 - 【請求項６】上記検出手段は、試料から発生する二次荷
電粒子を加速して検出する検出器であり、上記二次荷電
粒子を加速するために必要な高電圧が、上記静電レンズ
を構成する最終電極以外のレンズ電極のいずれかに電圧
を印加するための高電圧電源によって共通に給電されて
いることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記
載の荷電粒子線装置。 - 【請求項７】上記排気手段は、ゲッタ−イオンポンプで
あり、該ゲッタ−イオンポンプを動作させるために必要
な高電圧が、上記静電レンズを構成する最終電極以外の
レンズ電極のいずれかに電圧を印加するための高電圧電
源によって共通に給電されていることを特徴とする請求
項１ないし６のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 - 【請求項８】上記荷電粒子線は電子線であることを特徴
とする請求項１ないし７のいずれかに記載の荷電粒子線
装置。 - 【請求項９】上記荷電粒子源は電界放出型の電子源であ
ることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載
の荷電粒子線装置。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2159664A JP3058657B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 荷電粒子線装置 |
| US07/717,018 US5254856A (en) | 1990-06-20 | 1991-06-18 | Charged particle beam apparatus having particular electrostatic objective lens and vacuum pump systems |
| DE69132441T DE69132441T2 (de) | 1990-06-20 | 1991-06-18 | Ladungsträgerstrahlgerät |
| EP91109941A EP0462554B1 (en) | 1990-06-20 | 1991-06-18 | Charged particle beam apparatus |
| US08/137,965 US5442183A (en) | 1990-06-20 | 1993-10-19 | Charged particle beam apparatus including means for maintaining a vacuum seal |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2159664A JP3058657B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 荷電粒子線装置 |
Related Child Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36622399A Division JP2000149850A (ja) | 1999-01-01 | 1999-12-24 | 荷電粒子線装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0451440A JPH0451440A (ja) | 1992-02-19 |
| JP3058657B2 true JP3058657B2 (ja) | 2000-07-04 |
Family
ID=15698645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2159664A Expired - Lifetime JP3058657B2 (ja) | 1990-06-20 | 1990-06-20 | 荷電粒子線装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3058657B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2851213B2 (ja) * | 1992-09-28 | 1999-01-27 | 株式会社東芝 | 走査電子顕微鏡 |
| JP6074760B2 (ja) * | 2012-09-13 | 2017-02-08 | 国立大学法人北海道大学 | 電子線照射装置 |
-
1990
- 1990-06-20 JP JP2159664A patent/JP3058657B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0451440A (ja) | 1992-02-19 |
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