JP3758214B2 - 荷電粒子装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子線を用いた分析装置や、半導体分野等においてイオンビームを使用した加工装置などの荷電粒子を試料に照射する荷電粒子装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線マイクロアナライザ等の電子線を用いた分析装置においては、電子源からの電子ビームを試料に照射することによって試料の表面分析等を行い、また、イオンビームを使用した加工装置においては、イオン源からのイオンビームを被加工物に照射することによって配線等の加工を行っている。このような電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子のビームを用いた荷電粒子装置において、分析精度や加工精度は試料に照射されるビーム径に対する依存度が高く、ビーム径が小さいほど分析精度や加工精度は向上する。
【０００３】
従来、これら分析精度や加工精度を左右するビーム径についての測定は行われておらず、荷電粒子源から照射される荷電粒子の輝度によって、経験則に基づいてビーム径を推定したり、あるいは、試料の荷電粒子ビームを照射した後に荷電粒子ビームによって変化した痕跡によって、ビーム径の観察を行っている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の荷電粒子装置では、高い精度でのビーム径の測定，調整が困難であるという問題点がある。
荷電粒子の輝度によって経験則に基づいて推定する場合には、荷電粒子装置の駆動条件や使用環境によってビーム径が変化するため高い精度での推定は困難であり、また、試料に形成された痕跡によってビーム径を求める場合には、分析中あるいは加工中におけるビーム径の測定や調整を行うことができない。そのため、分析精度や加工精度を向上させることも困難である。
そこで、本発明は前記した従来の荷電粒子装置の問題点を解決し、高い精度でのビーム径の測定，調整が容易な荷電粒子装置を提供することを目的とする。
【０００５】
本発明は、荷電粒子を照射する荷電粒子装置において、荷電粒子ビームのビーム電流を測定するビーム電流測定手段と、ビーム電流測定手段に対する荷電粒子ビームの照射位置を走査するビームデフレクターと、ビーム電流の測定値に基づいて荷電粒子ビームの試料上のビーム径を求める演算手段とを備えることにより、前記目的を達成するものである。また、ビーム径の評価をフィードバックして荷電粒子源のフィラメント電流及び／又はセルフバイアスを調整し、ビーム径を調整することができる。
【０００６】
本発明の荷電粒子装置は、電子ビームを用いた分析装置やイオンビームを使用した加工装置等の荷電粒子ビームを用いる装置に適用することができるものである。ビーム電流測定手段は、荷電粒子源から照射される荷電粒子ビームのビーム電流を測定する。このとき、ビームデフレクタはビーム電流測定手段に対する荷電粒ビームの照射位置を走査させる。この走査に対応して変化する測定ビーム電流値により、ビーム電流測定手段の位置のフォーカスポイントにおけるビーム径を求めることができ、また、荷電粒子ビームの輝度を求めることができる。
【０００７】
荷電粒子装置のレンズ形状を基にして、ビーム電流測定手段の位置におけるビーム径から荷電粒子源のクロスオーバポイントにおけるビーム径あるいは試料上におけるビーム径を求めることができる。また、荷電粒子装置のレンズ形状を基にして、荷電粒子ビームの輝度から試料上におけるビーム径を求めることができる。
【０００８】
さらに、求めたビーム径を基に荷電粒子源のフィラメント電流やセルフバイアスを調節することにより、ビーム径の調整を行うことができる。
本発明の実施態様は、ビーム電流測定手段をビーム絞り用のアパーチャと下流側に設けたファラデーカップとを含むものであり、これによって、荷電粒子ビームのビーム電流を測定することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の荷電粒子装置の実施の形態を説明するための概略図である。図１において、符号１はフィラメント電流やセルフバイアスを調整する電圧源や抵抗を含む荷電粒子源であり、荷電粒子ビームを試料側に照射する。この荷電粒子源１のクロスオーバポイント１１におけるビーム径をｄｃとする。第１電磁コイル２，第２電磁コイル３、およびビーム絞り４は、荷電粒子装置の荷電粒子ビームの軌道を定める一レンズ系である。
【００１０】
本発明の荷電粒子装置は、このレンズ系の下流側と試料との間にビームデフレクタ５とビーム電流測定手段８を備えている。ビーム電流測定手段８は、ビーム絞りアパーチャ６とファラデーカップ７を備え、ファラデーカップ７はビーム絞りアパーチャ６に対して移動可能である。また、ビームデフレクタ５は荷電粒子ビームを偏向させ、ビーム絞りアパーチャ６に対する荷電粒子ビームの照射位置を変えながら操作を行う。ビーム絞りアパーチャ６における荷電粒子ビームはビーム径ｄを有しているため、ファラデーカップ７が検出するビーム電流値は家電粒子ビームの走査に応じて変化する。
【００１１】
演算手段９は、ビーム電流測定手段８が測定したビーム電流に基づいて、ビーム電流測定手段８におけるビーム径ｄ、クロスオーバポイント１１におけるビーム径をｄｃ、試料上におけるビーム径ｄｓを求める。
【００１２】
次に、図２を用いて本発明の荷電粒子装置によるビーム径の測定手順について説明する。
はじめに荷電粒子源１の電圧源や抵抗等の制御によりフィラメント電流やセルフバイアスを調整して荷電粒子ビームの照射を行い、ビーム絞りアパーチャ６に焦点を結ばせる。このとき、荷電粒子源１のクロスオーバポイント１１でのビーム径をｄｃ、ビーム絞りアパーチャ６の焦点位置（以下、フォーカスポイント１２と呼ぶ）でのビーム径をｄとする（ステップＳ１）。
【００１３】
ファラデーカップ７を荷電粒子ビームのビーム軸上に移動させ、第１電磁コイル２，第２電磁コイル３、ビーム絞り４等のレンズ系、およびビーム径絞りアパーチャ６を通過した荷電粒子ビームをファラデーカップ７で受けてビーム電流測定を行う。このビーム電流測定において、ビームデフレクタ５による荷電粒子ビームの走査を行う。
【００１４】
図３は荷電粒子ビームの走査と測定ビーム電流Ｉａとの関係を説明するための図である。図３において、フォーカスポイント１２におけるビーム径ｄにより、測定ビーム電流Ｉａの立ち上がりあるいは立ち下がりの状態は変化する。図３（ａ）〜（ｅ）はフォーカスポイント１２におけるビーム径ｄが小さい場合を示し、図３（ｆ）〜（ｊ）は大きい場合を示している。ビームデフレクタ５によって荷電粒子ビームが走査されると、フォーカスポイント１２における荷電粒子ビームの位置は図３（ａ）〜（ｄ），および図３（ｆ）〜（ｉ）に示すように順に移動し、この移動に応じてファラデーカップ７が測定する測定ビーム電流Ｉａも変化する。ビーム径ｄが小さい場合には図３（ｅ）に示すように測定ビーム電流Ｉａの変化は急峻となり、ビーム径ｄが大きい場合には、図３（ｊ）に示すように測定ビーム電流Ｉａの変化は緩やかとなる。そこで、本発明は、以下のステップＳ４において、測定ビーム電流Ｉａの変化からビーム径ｄを求める（ステップＳ２）。
【００１５】
また、図３において測定ビーム電流Ｉａが平坦な部分は、ファラデーカップ７が全荷電粒子ビームを受けた場合であり、この測定ビーム電流Ｉａの電流値から荷電粒子ビームの輝度を測定することができる。
【００１６】
次に、フォーカスポイント１２でのビーム径ｄを求める。図４は図３（ｊ）と同様に、ビーム走査による測定ビーム電流Ｉａ変化を示している。前記図３に示したように、測定ビーム電流Ｉａの立ち上がりあるいは立ち下がり部分のｘ軸方向の長さは、フォーカスポイント１２におけるビーム径ｄを表している。そこで、本発明では、測定ビーム電流Ｉａの最大値の２０％と８０％におけるｘ軸方向の走査位置を求め、その差をフォーカスポイント１２におけるビーム径ｄとする。
【００１７】
なお、測定ビーム電流Ｉａの最大値の２０％と８０％の値を用いるのは、図５に示すビーム絞りアパーチャと荷電粒子ビームとの位置関係図に示すように、境界部分においては、それらの形状によって測定ビーム電流Ｉａの値と位置との間の直線性が不十分であるためである。また、図５に示すように、ｘ方向の走査においてビーム絞りアパーチャと荷電粒子ビームとの位置がビーム径測定に適した位置関係と必ずしもならないため、ビームデフレクタ５はｘ，ｙ方向の２次元の走査を行うことによりビーム径ｄの正確な測定を行う（ステップＳ３）。
【００１８】
次に、前記ステップＳ４で求めたフォーカスポイント１２におけるビーム径ｄを用いてクロスオーバポイントにおけるビーム径ｄｃを求める。クロスオーバポイント１１とフォーカスポイント１２との間には、図１に示すようなレンズ系が設けられ、第１電磁コイル２とビーム絞り４との距離をＬ１，第２電磁コイル３とビーム絞り４との距離をＬ２とすると、クロスオーバポイント１１でのビーム径ｄｃは以下の式（１）により表すことができる。
【００１９】
ｄｃ＝（Ｌ１／Ｌ２）・ｄ …（１）
なお、前記Ｌ１，Ｌ２は、レンズ系のレンズ形状に表面荷電法や有限要素法等の数値解析を適用して行う電磁場解析によって得ることができる（ステップＳ４）。
【００２０】
また、ビーム電流Ｉとビームの広がり角度Ωとビームの面積Ｓとの間には、以下の式（２）で示される関係がある。
Ｉ＝β・Ω・Ｓ …（２）
なお、図６はビームの広がりを示す概略図であり、αはビーム軸とビームの外縁部となすビーム角度、βは輝度、Ωは立体角、Ｓはビーム径ｄにおけるビーム面積である。
【００２１】
Ω＝π・α² …（３）
Ｓ＝π・ｄ² ／４ …（４）
したがって、前記式（２）の輝度βは以下の式（５）で表される。
β＝Ｉ／｛（π・α１² ）・（π・ｄ² ／４）｝ …（５）
なお、α１は図１に示すようにフォーカスポイント１２におけるビーム角度である（ステップＳ５）。
【００２２】
次に、前記ステップＳ５で求めたビーム径ｄｃ，あるいはステップＳ６で求めた輝度βを用いて試料上におけるビーム径ｄｓを求める。以下、図７の３段のレンズを用いた場合のビームの概略図の場合を例として説明する。
荷電粒子装置のレンズ系中の第１段，第２段，および第３段に、図７に示すようなＬ１〜Ｌ６の関係があり、第３段中にファラデーカップを設けた場合には、ステップＳ５で求めたビーム径ｄｃを用いて以下の式（６）によって試料上におけるビーム径ｄｓを求めることができる。
【００２３】
ｄｓ＝（Ｌ２／Ｌ１）・（Ｌ４／Ｌ３）・（Ｌ６／Ｌ５）・ｄｃ …（６）
また、試料位置における角度をα２とすると、ステップＳ５で求めた輝度βを用いて以下の式（７）によって試料上におけるビーム径ｄｓを求めることができる。
【００２４】
ｄｓ＝［Ｉ／｛β・（π・α２² ）・（π／４）｝］^1/2 …（７）
なお、前記Ｌ１〜Ｌ６，α２は、レンズ系のレンズ形状に表面荷電法や有限要素法等の数値解析を適用して行う電磁場解析によって得ることができる（ステップＳ６）。
【００２５】
さらに、前記ステップＳ６で求めたビーム径ｄｓを評価し、測定や加工に適していない場合には、荷電粒子源のフィラメント電流やセルフバイアスを調整して最適な条件を求め、良好なビーム径ｄｓに調整することができる（ステップＳ７）。
この試料上でのビーム径ｄｓの正確な測定および調整を行うことによって、分析精度および加工精度を向上させることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高い精度でのビーム径の測定，調整が容易な荷電粒子装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の荷電粒子装置の実施の形態を説明するための概略図である。
【図２】本発明の荷電粒子装置によるビーム径の測定手順について説明するための図である。
【図３】荷電粒子ビームの走査と測定ビーム電流Ｉａとの関係を説明するための図である。
【図４】ビーム走査による測定ビーム電流Ｉａの変化を示す図である。
【図５】ビーム絞りアパーチャと荷電粒子ビームとの位置関係図である。
【図６】ビームの広がりを示す概略図である。
【図７】３段のレンズを用いた場合のビームの概略図である。
【符号の説明】
１…荷電粒子源、２…第１電磁コイル、３…第２電磁コイル、４…ビーム絞り、５…ビームデフレクタ、６…ビーム絞りアパーチャ、７…ファラデーカップ、８…ビーム電流測定手段、９…演算手段、１１…クロスオーバポイント、１２…フォーカスポイント、ｄ，ｄｃ，ｄｓ…ビーム径。

Claims (2)

1. 荷電粒子を照射する荷電粒子装置において、
   荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から発生した荷電粒子ビームの軌道を定める一レンズ系と、
   荷電粒子ビーム電流を測定するビーム電流測定手段と、
   前記ビーム電流測定手段に対する荷電粒子ビームの照射位置を走査するビームデフレクタと、
   前記一レンズ系の下流側に配置される他のレンズ系と、
   前記ビーム電流測定手段の測定値に基づいて荷電粒子ビームのフォーカスポイントにおけるビーム径を求めた後、試料上におけるビーム径を求める演算手段とを備え、
   前記ビームデフレクタおよび前記電流測定手段は前記一レンズ系と前記他のレンズ系との間に配置されることを特徴とする荷電粒子装置
2. 前記ビーム径の評価をフィードバックして荷電粒子源のフィラメント電流および／またはセルフバイアスを調整し、ビーム径を調整すること特徴とする、請求項１に記載の荷電粒子装置

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