JP3170680B2

JP3170680B2 - 電界磁気レンズ装置及び荷電粒子線装置

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Publication number: JP3170680B2
Application number: JP02909397A
Authority: JP
Inventors: フオイエルバウムハンス・ペータ; フロジエンユルゲン; ウエダコウシ; イワイトシミチ; シェーネッカーゲラルド
Priority date: 1996-02-16
Filing date: 1997-02-13
Publication date: 2001-05-28
Anticipated expiration: 2017-02-13
Also published as: US5780859A; JPH09320501A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気レンズと磁気
レンズ内に組み込まれて配置された電界レンズとによっ
て荷電粒子を焦点合わせ（フォーカシング）するための
電界磁気レンズ装置に関する。本発明は更に、このよう
な電界磁気レンズ装置を備えた荷電粒子線装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電界磁気レンズ装置は欧州特許ＥＰ−Ｂ
−０２４２６０２により既知であり、この電界磁気レン
ズ装置には、回転対称形の磁場を生成する磁気レンズと
磁気レンズ内にて磁気レンズの対称軸に対して対称的に
配置された界浸レンズとが備えられ、界浸レンズは少な
くとも２つの電位の異なる電極を有する。荷電粒子、例
えば電子は、界浸レンズの場にて第１のエネルギから実
質的にそれより低い第２のエネルギまで減速される。こ
れは、比較的短い焦点距離と、極めて良好なレンズ特性
を達成することができる。

【０００３】しかしながら、この既知のレンズ装置で
は、測定中、試験片を磁気レンズに近接して配置しなけ
ればならない。しかしながら、この装置は、集積回路
（ＩＣ）及び付属ソケットを有する試験片のように高さ
が高い試験片の場合、しばしば不能となる。試験片が磁
気レンズに近接するような装置は、又、試験片ホルダの
設計によっても制限される。一方では、測定中に、試験
片に接触可能であり、他方では、試験片の交換が容易で
なければならないから、良好な解像度と画像特性が得ら
れ且つより大きな作動距離が得られることが望ましい。

【０００４】粒子の焦点合わせに単極レンズを使用する
荷電粒子線装置は、英国特許ＧＢ−Ｂ−１３９５２０１
及び米国特許ＵＳ−Ａ−５２４１１７６により既知であ
る。双極レンズと対照的に、単極レンズでは磁場は基本
的にはレンズの外側に生成され、それによってより大き
な作動距離を達成することができる。このような単極レ
ンズは比較的良好なレンズ特性によって特徴付けられ
る。しかしながら、もしこのようなレンズが低電圧領
域、例えば、荷電粒子の最終ビームエネルギが５ｋｅｖ
以下、好ましくは２．５ｋｅｖ以下にて使用されるな
ら、レンズ特性は、５ｍｍ以上の作動距離にて、多くの
適用例に対して拙劣となる。国際出願ＷＯ−Ａ−９１０
２３７４には請求項１の前提部に記載された磁気単極レ
ンズ及び電界レンズを備えたレンズ装置が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、それ
故、特に低電圧領域における大きな作動距離と良好なレ
ンズ特性という特徴を有する特許請求の範囲第１項の前
提部に記載された電界磁気レンズ装置と特許請求の範囲
第８項の一般的概念である荷電粒子線装置を改良するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によると、この目
的は特許請求の範囲第１項及び第８項の特徴部分によっ
て達成される。

【０００７】単極レンズを電界レンズと組み合わせる場
合、電界レンズによって生成される電場はそれだけでビ
ームの焦点合わせをするために十分であるほど強くない
ようにすることに留意すべきである。本発明によるレン
ズ装置によると、作動距離は５ｍｍ以上、特に５〜３０
ｍｍが達成可能である。

【０００８】レンズ装置は付加的な制御電極を有し、こ
の制御電極はビーム経路にて電界レンズと試験片の間に
配置される。この制御電極は試験片の領域における電場
の強さを調節することができるように可変電位に接続さ
れることができる。従って、電荷に対して特に敏感な試
験片の場合、試験片の領域にて電場をキャンセルするこ
とも可能である。

【０００９】本発明の他の例は特許請求の範囲の従属項
の内容にあり、以下に図面を参照して詳細に説明されよ
う。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は荷電粒子線装置を示し、こ
の荷電粒子線装置によると濃縮された粒子線２、例えば
電子線が光学コラム３内にて生成される。このコラム３
は、多数の磁気及び／又は電気レンズ及びダイヤフラム
（図示なし）に加えて、基本的には、粒子線２を生成す
るためのソース４と電界磁気レンズ装置６と少なくとも
１つの検出器７ａ、７ｂとを有する。また荷電粒子をブ
ランキングするためのブランキング装置５を装備するこ
とができる。

【００１１】ソース４にて生成された粒子線２は電界磁
気レンズ装置６によって試験片８にて焦点を結ぶ。そこ
で放出された粒子は電界磁気レンズ装置６を通過して検
出器７ａに達する。しかしながら、この検出器７ａの代
わりに、試験片８と電界磁気レンズ装置６の間に検出器
７ｂが配置されてよい。２次又は後方散乱粒子の評価を
更に改善するために、粒子線装置に両方の検出器７ａ、
７ｂが設けられてよい。この場合、２つの検出器７ａ、
７ｂの少なくとも一方はセグメンド構造にて構成されて
よく、検出器の表面はセグメントに分割され、セグメン
トの出力信号は互いに別個に処理される。

【００１２】粒子線２によって試験片を走査するための
偏向装置９が設けられ、この偏向装置は図示の例では電
界磁気レンズ装置６の内部に配置されている。

【００１３】図２を参照して本発明による電界磁気レン
ズ装置６の詳細を以下に説明する。電界磁気レンズ装置
６は基本的には、単極レンズ６１として構成された磁気
レンズとこの磁気レンズ内に配置され、回転対称形の電
界を生成する電界レンズ６２とを有する。

【００１４】この電界レンズは互いに異なる電位にて保
持された２つの電極を有し、これらの電極には異なる電
位が印加されることができる。それによって、荷電粒
子、例えば電子は電界レンズの電場内にて、第１のエネ
ルギからより低い第２のエネルギまで減速される。この
場合、第１のエネルギは第２のエネルギの１．２〜１０
倍であり、良好な解像度及び画像特性にて最大可能作動
距離を達成することができる。

【００１５】図示の例では、２つの電極の一方は円筒状
のビーム管６２ａによって形成され、このビーム管６２
ａは単極レンズ６１内の内側の孔６１ａ内にて同心的に
配置されている。ビーム管６２ａは好ましくは薄い導電
層によって被われた非導電材によって製造される。２つ
の電極の他方は地球電位に保持された内側のポールピー
ス６１ｂの下端によって形成されている。しかしなが
ら、この電極を別個の電極として構成してもよい。しか
しながら、第２の電極は地球電位でなければならないわ
けではなく、それ以外の電位に設定されることができ
る。

【００１６】図２に図示されている単極レンズ６１は内
側のポールピース６１ｂと外側のポールピース６１ｃと
を有し、これらのポールピースは基本的には円筒形状を
なしている。磁気レンズを励起するための界磁コイル６
１ｄが設けられている。

【００１７】ビーム経路にて電界レンズ６２と試験片８
の間に付加的な制御電極６３が設けられ、この制御電極
６３は詳細には示されていない可変電圧源に接続され、
試験片の領域にて電界強度を調節することができる。制
御電極に印加される電圧は例えば−１００Ｖと＋１００
Ｖの間に調節される。

【００１８】偏向装置９は好ましくは単段の偏向装置と
して構成され、ビーム管６２ａと単極レンズ６１の内側
の孔６１ａを境界する壁の間に配置されている。

【００１９】荷電粒子線装置はまた、粒子線の領域に真
空を生成するための真空整備を有する。偏向装置によっ
て生成された熱をより良好に放散させることができるよ
うに、ビーム管６２ａと単極レンズ６１の間に好ましく
はシール１１が設けられ、それによって偏向装置９は空
気によって囲まれ、熱の放散の改善が確保される。同様
に、好ましくは、界磁コイル６１ｄを真空より遮蔽する
ために単極レンズ６１に更に別のシール１２が設けられ
てよい。

【００２０】電界レンズ６２を使用することによって、
荷電粒子は５ｋｅｖ以下の、好ましくは０．５〜２．５
ｋｅｖの最終ビームエネルギまで減速され、試験片８と
電界磁気レンズ装置６の間に５ｍｍ以上の作動距離、例
えば、５〜３０ｍｍの作動距離が生成される。作動距離
ａは、ここでは、試験片８と制御電極６３の間の距離に
よって形成される。

【００２１】本発明によると、制御電極６３と試験片８
の間の距離（＝作動距離ａ）は、制御電極６３と単極レ
ンズ６１の間の距離ｂの少なくとも３倍はあり、例え
ば、３〜４０倍はある。制御電極６３は開口６３ａを有
し、この開口６３ａの内径ｄ₁は、単極レンズ６１の孔
６１ａの内径ｄ₂の２倍より小さく、例えば、１／１０
〜２倍である。この条件は、試験片の領域における電場
を十分遮蔽するために必要である。更に、制御電極６３
の開口６３ａの内径ｄ₁は、ビーム管６２ａの内径ｄ₃
の少なくとも半分の大きさ、例えば、１／２〜５倍の大
きさを有するべきである。もし、この開口６３ａの内径
ｄ₁がそれより小さいと、試験片８より放出された粒子
が電界磁気レンズ装置６の上方に配置された検出器７ａ
に到達することを保証することはできない。

【００２２】図３には単極レンズ６１’、６１”の更に
他の２つの例が示されている。右側の例では、少なくと
も部分的に円錐形状の外側のポールピース６１’ｃを有
する単極磁気レンズ６１’が示されている。左側に示さ
れた単極レンズ６１”では、外側のポールピースは完全
に除去されている。

【００２３】本発明による荷電粒子線装置は、特に低電
圧領域用に設計されており、例えば、最終ビームエネル
ギは５ｋｅｖ以下、好ましくは０．５〜２．５ｋｅｖの
範囲である。この目的のために特別に適したソースは所
謂電界放出ソースであり、又はエネルギ幅が１ｅｖ以下
の、例えば０．１〜１ｅｖの他のソース、例えば熱電界
放出ソース又は光電陰極である。本発明によって電界レ
ンズと単極レンズを組み合わせることによって、低電圧
領域にて特別に大きな作動距離が達成され、良好な解像
度と画像特性が得られる。こうして特別な試験片では、
試験片の上に突出した接触装置を有するホルダを使用す
ることができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によると、特に低電圧領域におい
て、大きな作動距離及び良好なレンズ特性を達成するこ
とができる利点を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による荷電粒子線装置の概略図である。

【図２】本発明による電界磁気レンズ装置の概略図であ
る。

【図３】単極レンズの２つの変形例の概略図である。

【符号の説明】

１荷電粒子線装置２粒子線３光学コラム４ソース５ブランキング装置６電界磁気レンズ装置７ａ、７ｂ検出器８試験片９偏向装置１１、１２シール６１、６１’、６１” 単極レンズ６１ａ孔６１ｂ、６１ｃポールピース６１ｄ界磁コイル６２電界レンズ６２ａビーム管６３制御電極６３ａ開口

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ハンス・ペータフオイエルバウムドイツ連邦共和国、81739 ミュンヘン、アルノ・アスマンシュトラーセ 14 (72)発明者ユルゲンフロジエンドイツ連邦共和国、85521 リーマーリング、クフシュタイナーシュトラーセ 16 アー (72)発明者コウシウエダドイツ連邦共和国、81825 ミュンヘン、アウフデムヴァーセン 12 (72)発明者トシミチイワイドイツ連邦共和国、81825 ミュンヘン、アイガーシュトラーセ 37 (72)発明者ゲラルドシェーネッカードイツ連邦共和国、81549 ミュンヘン、バート・ベルネック・シュトラーセ１ (56)参考文献特開平１−298633（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−101944（ＪＰ，Ａ) 特開平５−36371（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/145

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】単極磁気レンズ（６１、６１’、６
１”）と該磁気レンズ内に配置された電界レンズ（６
２）とを有し荷電粒子を焦点合わせするための電界磁気
レンズ装置において、上記電界レンズ（６２）は回転対称形の電場を生成し、
異なる電位に保持された少なくとも２つの電極（６２
ａ，６１ｂ）を有し、荷電粒子が上記電界レンズの電場
内にて第１のエネルギからそれより低い第２のエネルギ
まで減速されるように構成され、更に付加的な制御電極
（６３）が設けられ、該制御電極は、ビーム経路にて上
記電界レンズと試験片（８）の間に配置され且つ上記試
験片の領域にて電場の強さを調節するために可変電位に
接続されることができるように構成されていることを特
徴とする電界磁気レンズ装置。
【請求項２】請求項１記載の電界磁気レンズ装置にお
いて、上記電界レンズの２つの電極の一方はビーム管
（６２ａ）として構成されていることを特徴とする電界
磁気レンズ装置。
【請求項３】請求項２記載の電界磁気レンズ装置にお
いて、上記ビーム管（６２ａ）は薄い導電性皮膜を有す
る非導電性材料より製造されていることを特徴とする電
界磁気レンズ装置。
【請求項４】請求項２記載の電界磁気レンズ装置にお
いて、上記ビーム管（６２ａ）は上記単極レンズ（６
１）の内側の孔（６１ａ）内に同心的に配置されている
ことを特徴とする電界磁気レンズ装置。
【請求項５】請求項１記載の電界磁気レンズ装置にお
いて、上記単極レンズ（６１）は内側の孔（６１ａ）を
有し、上記制御電極（６３）は開口（６３ａ）を有し、
上記制御電極（６３）の開口（６３ａ）の内径（ｄ1 ）
は上記単極レンズ（６１）の孔（６１ａ）の内径（ｄ2
）の１／１０〜２倍であることを特徴とする電界磁気
レンズ装置。
【請求項６】請求項１記載の電界磁気レンズ装置にお
いて、上記単極レンズ（６１）は内側及び外側のポール
ピース（６１ｂ，６１’ｃ）を有し、該外側のポールピ
ース（６１’ｃ）は少なくとも部分的に円錐形状をなし
ていることを特徴とする電界磁気レンズ装置。
【請求項７】請求項１又は２記載の電界磁気レンズ装
置において、上記制御電極（６３）は開口（６３ａ）を
有し、該開口の内径（ｄ1 ）は上記ビーム管（６２ａ）
の内径（ｄ3 ）の１／２〜５倍の大きさであることを特
徴とする電界磁気レンズ装置。
【請求項８】ａ）荷電粒子線を発生するためのソース
（４）と、ｂ）磁気レンズと該磁気レンズに組み込まれた電界レン
ズ（６２）とを有し荷電粒子を焦点合わせするための電
界磁気レンズ装置（６）と、ｃ）荷電粒子線を偏向するための偏向装置（９）と、ｄ）試験片（８）から放出された２次及び／又は後方散
乱粒子を検出するための検出器（７）と、を有する荷電
粒子線装置において、上記電界磁気レンズ装置（６）は請求項１〜７のいずれ
か１項の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９】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、上記電界レンズは回転対称形の電場を生成し、異な
る電位に保持されることができる少なくとも２つの電極
（６２ａ，６１ｂ）を有し、荷電粒子は上記電界レンズ
の電場にて第１のエネルギからそれより低い第２のエネ
ルギまで減速され、上記電界レンズの２つの電極の一方
はビーム管（６２ａ）として構成され、該ビーム管（６
２ａ）は上記単極レンズ（６１）の内側の孔（６１ａ）
内に同心的に配置されていることを特徴とする荷電粒子
線装置。
【請求項１０】請求項９記載の荷電粒子線装置におい
て、上記偏向装置（９）は上記単極レンズ（６１）内に
て上記内側の孔（６１ａ）の壁と上記ビーム管（６２
ａ）の間に配置されていることを特徴とする荷電粒子線
装置。
【請求項１１】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、粒子線の領域にて真空を生成するための真空設備が
設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】請求項１０又は１１記載の荷電粒子線
装置において、上記ビーム管（６２ａ）と上記単極レン
ズ（６１）の間にシール（１１）が設けられ、上記偏向
装置（９）は上記真空の外側に配置されていることを特
徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】請求項１１記載の荷電粒子線装置にお
いて、上記単極レンズ（６１）は界磁コイル（６１ｄ）
を有し、該界磁コイルは上記単極レンズ（６１）の上に
設けられた更に他のシール（１２）によって上記真空よ
り遮蔽されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、上記検出器の一方（７ａ）は粒子線の方向にて上記
電界磁気レンズ装置（６）の前方に配置されていること
を特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１５】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、上記検出器の一方（７ｂ）は粒子線の方向にて上記
電界磁気レンズ装置（６）の後方に配置されていること
を特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１６】請求項１４又は１５記載の荷電粒子線
装置において、上記検出器の一方（７ａ）は粒子線の方
向にて上記電界磁気レンズ装置（６）の前方に配置さ
れ、上記検出器（７ｂ）の他方は粒子線の方向にて上記
電界磁気レンズ装置（６）の後方に配置されていること
を特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１７】請求項８、１１、１５又は１６記載の
荷電粒子線装置において、上記２つの検出器（７ａ，７
ｂ）の一方はセグメントに分割され、該セグメントの出
力信号は互いに別個に処理され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１８】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、エネルギ幅が０．１〜１ｅｖであるソースが使用さ
れていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１９】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、荷電粒子の最終ビームエネルギが０．５〜２．５ｋ
ｅｖにて、上記レンズ装置と試験片（８）の間にて作動
距離が５〜３０ｍｍとなることを特徴とする荷電粒子線
装置。
【請求項２０】請求項８記載の荷電粒子線装置におい
て、上記制御電極（６３）と上記試験片（８）の間の上
記作動距離（ａ）は上記制御電極（６３）と上記単極レ
ンズ（６１）の間の距離（ｂ）の３〜４０倍であること
を特徴とする荷電粒子線装置。