JP3757702B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームの光軸調整や電子ビームの形状調整が必要な装置、例えば、電子顕微鏡や電子線描画装置等の技術に関し、また電子ビームに限らずイオンビーム等にも関連する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子ビームの電磁偏向器や非点補正器は電子顕微鏡に備わっている極めて一般的な電子ビームの補正機能である。環状鉄心(鉄心のない偏向器もある)にXY２個の偏向コイルに電流を流すことで、環状鉄心の内側ギャップに直交するXY軸の直流的に安定な磁場を発生させ、その磁場内を垂直方向に通過する電子ビームの軌道をファラデーの左手の法則に従って偏向しアライメントする機能である。
【０００３】
ところが偏向コイルに供給する電流源には微少ながらも交流成分を含み、これが偏向器内の交流磁場となって電子ビームを変動(電子ビーム障害)させてしまう欠点があった。このため偏向コイルの電流感度を落とし単位電流当たりの偏向量を押さえてノイズ成分を無視できるレベルにするか、または偏向コイルの電流源に高性能電源を使用する等で高価格な装置になってしまうことが多かった。しかし、超高圧電子顕微鏡ではレンズ間の距離が大きいため偏向角が小さくても、またフィールドエミッション電子銃では電子ビーム径が小さいので微少な偏向角の揺らぎでも電子ビームの変動が大きく見え、高性能電源を使用しかつ偏向感度を落としても電子ビームの変動対策に困難を強いられているのが現状である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は電子顕微鏡における電子ビームをアライメントする電磁偏向器や電子ビーム径を真円近くに補正する非点補正器に重畳するノイズ磁場を極小化する技術である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
電磁偏向器に発生するノイズ磁場の原因は種々あるが、要は偏向コイルや環状鉄心内部で変化する交流磁束に起因する問題である。この交流磁束を阻止するには環状鉄心に偏向コイルと一緒にショートコイルを備え、偏向コイルの負荷として交流磁場のエネルギーを消費させることが解決する手段である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
電子顕微鏡の一例として図３に透過形電子顕微鏡の基本構成を示す。電子銃11から出た電子ビーム12は加速管13で加速されコンデンサレンズ15で所望の大きさと明るさに調整され試料18に照射する。試料18を透過・散乱した電子ビーム12は対物レンズ19、中間レンズ22、投影レンズ24で拡大し蛍光板25に試料18の内部情報等を電子顕微鏡像として、装置外のA位置から観察窓26を通して観察できる。この時蛍光板25の像は対物レンズ19によって焦点合わせができる。
【０００７】
この電子顕微鏡像の観察前には電子ビーム12の厳密な光軸(アライメント)調整や形状(スティグマ)調整を実施するのが一般的である。光軸を調整するには装置毎に偏向器の配置は異なるが、本図においては偏向器▲１▼14、偏向器▲２▼15、補正器▲３▼21と補正器▲４▼23によって、電子銃11から蛍光板25まで加速管13や各レンズにおける電子ビーム12のミスアライメントの調整を可能にしている。また、電子ビーム12の形状は非点補正器▲１▼16や非点補正器▲２▼20等で真円近くに調整することが可能である。
【０００８】
これ等レンズ、偏向器や非点補正器の操作は、装置の操作卓32に付属するそれぞれの操作摘みで調整でき、その信号は制御CPU31から各種制御電源である、高圧電源33、偏向器電源34、レンズ電源36や非点補正器電源37に送信され制御できる。その他観察する試料18の送り操作等は試料制御装置35により、また電子顕微鏡の像をフィルム露光するにはフィルム露光制御装置38でフィルム露光装置27により、前記操作卓32の操作摘みで同様に操作できる。
【０００９】
図４の(a)に示したのは従来型電子ビームの電磁偏向器の構成である。通常偏向コイルの構成はXY2軸であるが説明を簡単にするため1軸のみを図示した。XY2軸を構成する時には図示した偏向コイル2をX軸とし、当該偏向コイル2と同様な偏向コイルをX軸と90°回転させY軸偏向コイルを環状鉄心3に巻くことで可能になる。
【００１０】
この偏向磁場6は偏向コイル2に流す偏向電流4の大きさと電流の極性で強度と方向が決まるが、環状鉄心3の上側のコイルと下側のコイルとでは巻き数が同一で逆方向に磁束が発生するよう巻かれる。これで発生磁束5は矢印で図示したように上側と下側とで異なるので、発生磁束5は環状鉄心3における偏向コイルの無い右側Pから左側Qへ、PQ間をギャップとした偏向磁場6を発生させる。この偏向磁場6により偏向磁場6の垂直方向から入射した電子ビーム12は、フレミングの左手の法則に従って偏向され、偏向角度は偏向電流の大きさに比例し、偏向方向は偏向電流の極性によって決定されアライメントが可能になる。
【００１１】
偏向電流4は可変型電流源1(図３の偏向器電源の一部)から供給される電流であり次の一般式で表すことができる。
【００１２】
【数１】
偏向電流(I)=Idef+△i(f)---------(1)
ここで、Idefは電子ビーム12を電磁偏向するのに有効な直流電流成分であり、△i(f)は電子ビーム12に障害を与える有害なノイズ電流成分である。また、偏向磁場6も次の一般式で表すことができる。
【００１３】
【数２】
偏向磁場(B)=Bdef+△B(f)---------(2)
ここで、BdefはIdefによる電磁偏向に有効な成分であり、△B(f)は△i(f)による電子ビーム12の障害要因である。
【００１４】
ノイズ電流△i(f)は通常低周波から高周波の各種周波数成分が含まれ、また、ノイズ電流は周波数が高くなると一般的には大きな振幅となり、環状鉄心3も高周波領域まで追随する性能を持っているので、特に電子ビーム12には障害を与える可能性が高い。
【００１５】
図４の(b)に可変型電流源1の回路構成例を示した。通常D/A変換器43は基準電圧発生器41の出力電圧V42を基準にして、制御CPU31や偏向器電源34から与えられた設定データ44で種々な電圧を発生させることができる。このD/A変換器43の出力電圧V45は本来電磁偏向器に必要な出力電圧であるVdefに、基準電圧発生器41やD/A変換器43等から発生するノイズ電圧△V(f)を含んでいる。この出力電圧V45は電圧・電流変換器であるV-I変換器46に加えられ、偏向電流4として偏向コイル2に供給されるが、偏向電流4は電流検出抵抗器47の抵抗Rで電圧に変換し、D/A変換器43の出力電圧と等しい電圧になるよう、すなわち設定データ44に等しい偏向電流4が供給されるよう自動制御する。
【００１６】
このD/A変換器43の出力電圧V45に含まれるノイズ電圧△V(f)が、(1)式の偏向電流4のノイズ電流成分△i(f)の主たる要因であり、また(2)式の偏向磁場6内の変動磁場△B(f)の要因でもある(この他にもV-I変換器46からコイル迄の配線に誘導電流が重畳しノイズ電流になり得る)。このノイズ電流成分△i(f)はV-I変換器46の出力端にコンデンサを偏向コイル2に並列に入れてバイパスさせる手段もあるが、効果も少なくV−I変換器46の発振等の可能性もあり有効性は余り期待できない。
【００１７】
図１に本発明の電子ビーム偏向器の一構成例を示す。同図(a)は偏向器の構成を簡単に説明すために1軸のみを図示した。偏向コイル2の巻き方は図４で説明したように上部コイルと下部コイルで巻き数は同一、発生磁束5の方向が互いに逆方向になるよう巻き方向を変えている。この環状鉄心3に発生磁束5と鎖交するようショートコイル7を巻き、偏向コイル2に流れるノイズ電流成分による交流ノイズ磁束を阻止し、ギャップPQ間の偏向磁場6を安定にし有害な電子ビーム障害の極小化が可能になる。
【００１８】
同図(b)には実際的なXY2軸の電磁偏向器の例を示した。XY2軸の各偏向コイルを全て図示すると複雑になるので、X軸コイルの偏向コイル2は巻き始め2−1から上部コイルを時計方向に巻き始め反対側まで巻くと、下部コイルは巻き方を変えて巻き終わり2−2まで巻くが途中のコイルの図示は省略した。詳細なコイル構成は同図(a)に図示した通りである。またY軸コイルはX軸コイル同様に巻き始め2−1から環状鉄心3の左側から上部まで巻き、上部からは右側から巻き方を変えて巻き終わり2−2まで巻く。Y軸コイルはX軸コイルの偏向コイル2と同様なコイルを90°回転させた構造である。ここに図示したショートコイル7は後述するよう何個所に備えるかの問題ではなく、ショートコイル7のインダクタンスにおける時定数に係わり、偏向器の周波数特性を決定する要因である。
【００１９】
可変型電流源1からの偏向電流4は上部・下部の偏向コイル2にX軸磁束6−2を発生させる。このX軸磁束6−2の様子を同図(b)の環状鉄心3内に破線で示したが、上部と下部では同一の大きさで反対方向の磁束である。これによってギャップPQ間に安定なX軸偏向磁場6−1が発生する。またY軸磁束6−4は環状鉄心3内に実線で示したが、この磁束によってギャップRS間にY軸偏向磁場6−3が発生する。
【００２０】
図２に本発明におけるショートコイル7の効果を説明する。可変型電流源1からの偏向電流4は(1)式に示したが、その電流に含まれるノイズ電流成分△i(f)によって発生する交流ノイズ磁束を、環状鉄心3の偏向コイル2の内部に矢印で記した発生磁束5にプラスして破線で示した。この交流ノイズ磁束は偏向コイル2から発生するので、この磁束を全て鎖交するようショートコイル7を環状鉄心3に巻き、このショートコイル7にレンツの法則に従う誘導電流を発生させ、この誘導電流で当該交流ノイズ磁束をキャンセルし、偏向磁場6を安定にすることが可能になる。
【００２１】
図２の(b)にはこの現象を示した。発生磁束5のうち本来の電磁偏向に有効な直流磁束5−1に交流ノイズ磁束5−2が重畳している。この交流ノイズ磁束5−2はショートコイル7に誘導電流8を流し、その誘導電流8で発生する誘導磁束9は交流ノイズ磁束5−2と逆方向であることからキャンセルが可能になる。この誘導電流8は次式で表すことができる。
【００２２】
【数３】
誘導電流(I)=I0*exp(ーα＊t)-------(3)
ここで、I0は交流磁束5−2によってショートコイル7に発生する起電力をショートコイル7の抵抗値で割った初期電流値で、時間の経過と共に誘導電流8は減少する。その減少の割合は時定数α(=R／L)で決定される。Rはショートコイル7の直流抵抗値で、Lはインダクタンスである。時定数αを小さくすれば誘導磁束9はゆっくり減衰し、大きくすれば早く減衰する。これはショートコイル7の時定数を変えれば電磁偏向器の周波数特性を変えられることを意味する。電磁偏向器としての偏向磁場6は直流的に安定していることが望ましいので時定数は小さい方がよい。時定数を小さくするには、図示したショートコイル7の抵抗値を小さくする方が容易に達成できるが、偏向器の構造によってRかLのいずれかで、もしくはRとLの双方で効果をどう出すかを決定することである。要は環状鉄心3にショートコイル7を備えることで、特性の改善が可能になる。
【００２３】
ここで図示したショートコイル7の数は必要とする周波数特性で決定する問題で、ノイズ電流とショートコイル7の電気的特性によって決定できる。
【００２４】
電磁偏向器について詳細な説明をしたが、電子ビーム12の形状を補正する非点補正器についても、偏向器同様にショートコイルで特性の改善が可能である。当該補正器の構成はほとんど同様な図になるので省略した。
【００２５】
ここに記述した発明はショートコイルでノイズ磁束をキャンセルする手段であるが、環状鉄心に電気抵抗の低い磁性体を使用するか、最初から環状鉄心に導体のショートコイルになり得るカバーを備えれば、当該磁性体がショートコイルと同様に誘導電流を発生させ、ショートコイルのように時定数を変えることまではできないが、同様な効果が得られる。さらに環状鉄心に巻いた電磁偏向器の他に鞍形巻きコイル等においても、上記ショートコイル同様に、その磁束に鎖交するように配置した閉巻き線を備えることで、同一の効果が得られることは明白である。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、従来困難であった電磁偏向器や非点補正器の電子ビーム障害を、効率よくかつ経済的に、しかも簡単に実施でき大きな効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電子ビーム偏向器の構成図である。
【図２】本発明の偏向器におけるショートコイルの効果を説明する図である。
【図３】電子顕微鏡の概念図として透過形電子顕微鏡の構成例を示す図である。
【図４】従来型電子ビーム偏向器の構成と問題点を示す図である。
【符号の説明】
1…可変型電流源、2…偏向コイル、2−1…コイル巻き始め、2−2…コイル巻き終わり、3…環状鉄心、4…偏向電流、5…発生磁束、5−1…直流磁束、5−2…交流ノイズ磁束、6…偏向磁場、6−1…X軸偏向磁場、6−2…X軸磁束、6−3…Y軸偏向磁場、6−4…Y軸磁束、7…ショートコイル、8…誘導電流、9…誘導磁束、11…電子銃、12…電子ビーム、13…加速管、14…偏向器▲１▼、15…コンデンサレンズ、16…非点補正器▲１▼、17…偏向器▲２▼、18…試料、19…対物レンズ、20…非点補正器▲２▼、21…偏向器▲３▼、22…中間レンズ、23…偏向器▲４▼、24…投影レンズ、25…蛍光板、26…観察窓、27…フィルム露光装置、31…制御CPU、32…操作卓、33…高圧電源、34…偏向器電源、35…試料制御装置、36…レンズ電源、37…非点補正器電源、38…フィルム露光制御装置、41…基準電圧発生器、42…基準電圧V、43…D／A変換器、44…設定データ、45…出力電圧V、46…V−I変換器、47…電流検出抵抗器。

Claims (1)

1. 電子銃，照射レンズ，結像系レンズ、及び前記電子銃から放出された電子ビームの光軸を調整する光軸調整用、及び／又は前記電子ビームの非点を補正する非点補正用の偏向器を備えた電子顕微鏡において、
   前記偏向器は、偏向磁場を形成するための直流電流が供給される偏向コイルが巻かれた環状鉄心が備えられ、当該環状鉄心には、閉巻き線式ショートコイルを巻かれると共に、当該ショートコイルは、前記直流電流に含まれる交流成分をキャンセルすることを特徴とする電子顕微鏡。

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