JP3782991B2 - 走査型電子顕微鏡等において使用するためのウィーンフィルタ - Google Patents
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- H01J2237/05—Arrangements for energy or mass analysis
- H01J2237/057—Energy or mass filtering
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope，“ＳＥＭ”）において使用するためのウィーンフィルタに関するものである。とりわけ、本発明は、一次電子ビームに影響を与える収差を最小化しこれにより装置解像度を改良し得るような、改良された構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
試料からの帯電粒子の放出を使用して試料の特性を決定することを原理とした様々な装置が、公知である。そのような装置の例には、電子顕微鏡（例えば、走査型電子顕微鏡）や集束型イオンビーム顕微鏡や質量分析計があり、このような装置においては、様々な周知手段を使用することによって、試料から放出された帯電粒子を分析する。
【０００３】
本発明の説明を容易とするために、以下においては、ＳＥＭに関連して説明を行う。しかしながら、本発明は、ＳＥＭに限定されるものではなく、当業者であれば上述したような他の装置に対して本発明を適用し得ることは、理解されるであろう。
【０００４】
ＳＥＭの動作においては、一次走査電子ビームを生成し、その後、撮像すべき表面を有した試料を一次走査電子ビームによって衝撃する。その結果、後方散乱電子と二次電子とが試料表面から放出され、これら電子は、試料表面に対して垂直なオリジナルビーム方向（軸方向として知られている）に沿った後方側の軌跡に従ったり、試料表面から発散する角度を有した軌跡に従ったりする。放出された電子は、試料の上方に配置された検出器によって収集される。検出器は、電子ビームに対して曝されていることにより、試料表面から捕集された放出電子に基づいた信号を生成する。検出器からの信号は、典型的には、表面像を形成するために処理される。形成された表面像は、映像スクリーン上に表示される。
【０００５】
高アスペクト比の溝やコンタクトホールといったような構造の場合には、脱出できる電子は、軸方向に放出される電子だけである。しかしながら、標準的なＳＥＭでは、軸方向に放出された電子を容易に検出することができない。それは、一次ビームすなわち入射ビームに対して干渉しないようにするためには、検出器を軸から離さなければならないからである。軸から離れたそのような位置では、軸方向の電子は、検出器を衝撃しない。また、二次電子を引きつけるために通常は検出器の前面に高電圧が印加されるけれども、この高電圧は、一次ビームに悪影響を与えかねない。
【０００６】
ここで使用する『フィルタ』という用語は、速度（多くの場合、この速度という物理量は、『エネルギー』として分類される）や電荷や質量のいずれかにおける本来的な差に基づいて帯電粒子ビーム中の粒子を何らかの方法で分離したり分散させたりするために使用されるデバイスを、意味している。分離や分散は、電界の印加や磁界の印加あるいはこれら双方の印加によって、行うことができる。
【０００７】
ウィーンフィルタは、以前より公知である（W. Wien, Ann. Phys. 65 (1898), page 444 を参照されたい）。このようなフィルタにおいては、複数の電極と複数の磁極とが同時に使用され、電界と磁界との双方が生成される。電界と磁界とは、入射ビーム中の電子に対して大きさが同じで向きが互いに異なるような力をもたらすように、同調されるあるいは調節される。このため、入射ビーム中の電子は、偏向されることがない。しかしながら、入射ビームとは逆向きに移動している電子は、同じ磁界力によっても逆向きの影響を受けることとなる。電界力は、そのような電子に対しても同じ方向に作用する。よって、そのような電子は、ビーム軸から偏向される。そのため、軸上の粒子であっても、適切に配置された検出器に向けて、偏向させることができる。
【０００８】
“Secondary Electronic Detecting Apparatus”と題して１９８７年４月１４付けで発行された米国特許明細書第４，６５８，１３６号においては、走査型電子顕微鏡においてウィーンフィルタを使用することが提案されている。しかしながら、実用的には、そのような応用にはウィーンフィルタは使用されていない。それは、ウィーンフィルタが、一次ビーム粒子および放出粒子が通過する静電界および磁界内に、大きさとしては比較的小さいものの重大な擾乱を引き起こすからであり、そのため、それら粒子の軌跡が乱されてしまうからである。このような乱れは、一次ビームを劣化させてしまいその結果ＳＥＭの解像度を劣化させてしまうには十分なものである。より詳細には、ＳＥＭにおけるウィーンフィルタの使用に際しては、一次電子部材が乱されることがなくかつ収差を最小限に維持することを保証し得るよう、磁界と静電界とが厳密に調和（適合）していて一様であることが要求される。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許明細書第４，６５８，１３６号
【非特許文献１】
W. Wien, Ann. Phys. 65 (1898), page 444
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、電界と磁界との間の調和ズレに起因する収差を十分に最小化し得るよう構成されており、そのため、ＳＥＭ等と組み合わせて使用されたときには、装置解像度の劣化度合いを、感知できない程度にまで抑制し得るような、電界と磁界とを生成するフィルタを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、電界と磁界との形状をさらに改良し得るよう、磁極に隣接して（上方および下方）配置される、磁界および電界のための外部クランプを提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、動作条件下において物理的にも電気的にも安定しているような高精度構造を形成し得るように複数の部材を容易に組み立て得るように、フィルタを構成することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、一様でありかつ互いに厳密に調和しているような電界と磁界とを有しておりそのためＳＥＭ等において有効にかつ正確に機能し得るような、フィルタを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、組立を容易とし得るよう、また、コイルからの脱ガスを防止し得るよう、磁極およびコイルに対してのコネクタを、真空領域の外に配置することである。
【００１５】
上記目的および他の目的は、通路を少なくとも部分的に取り囲んでいる電磁界形成構造を具備した電磁フィルタにおける改良をもたらすという本発明による一見地によって達成される。改良された電磁フィルタは、通路の周囲に配置されているとともに、内方を向いて延在した複数の貫通孔を備えている、支持構造を具備している。透磁性の複数の電磁界形成構造の各々が、複数の貫通孔の中の１つを貫通しつつ連続して延在しているとともに、一端部が、支持構造よりも径方向内方側に配置された磁極面において終端し、かつ、他端部に、支持構造よりも径方向外方側に位置する径方向外側部が設けられている。複数の電磁界形成構造の各々は、支持構造に対して係合している。電磁界形成部材が、電磁界形成構造の径方向外側部に対して動作可能に連結されているとともに、電磁界形成構造に作用することによって、通路内へと延在するような放射電界および放射磁界を生成し得るよう構成されている。本発明による電磁フィルタは、支持構造の外側に配置されかつ電磁界形成構造の径方向外側部に対して動作可能に接続される磁気回路手段と組み合わされることによって、この場合、電磁界形成構造と磁気回路手段との間のギャップを有した状態で組み合わされることによって、機能し得るように構成されている。ギャップは、支持構造よりも、径方向外側に配置されている。
【００１６】
本発明においては、電磁フィルタ構成部材どうしの新規な配置を提供する。特に、磁気回路内において電気絶縁のために必要とされるギャップを、適切に配置することによって、ギャップに関連したフリンジ磁界によって、解像度に悪影響がもたらされることがない。これに対し、従来技術においては、ギャップに関連したフリンジ磁界によって、フィルタを通過する粒子に対して作用する電磁界を乱してしまう傾向があった。
【００１７】
本発明者らは、磁気回路内の径方向ギャップを装置の中心軸近傍に配置することによって、望ましくない擾乱が磁界内に引き起こされること、および、これによって、装置解像度が悪影響を受けること、を見出した。より詳細には、径方向ギャップを、ビーム軸からできるだけ離間させるよう、磁極を支持している構造の外側に配置することによってより好ましくは磁極上に設置されている巻線よりも外側に配置することによって、より大きくかつより一様なかつより安定的な磁界が得られることを見出した。機能面におけるこのような改良は、従来技術によるウィーンフィルタ構造よりも、より単純でかつより頑丈でかつより信頼性高い構造によって得られる。
【００１８】
上述したように、本明細書においては、本発明によるフィルタを走査型電子顕微鏡に対して使用しそれによって走査型電子顕微鏡の機能を大幅に改良することに関して説明しているけれども、本発明によるフィルタは、そのような応用に限定されるものではなく、同一空間内を互いに逆向きでもって複数の帯電粒子が通過するとともに通過方向に応じてそれら帯電粒子が異なる作用を受けるようになっているような大部分の装置に対して、有利に適用することができることは理解されるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記目的や他の目的を達成するために、本発明は、特許請求の範囲に記載されたフィルタの構成に関するものであり、明細書においては、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
全体的に符号（Ａ）によって示されている本発明によるフィルタは、ＳＥＭにおいて使用されたときには、全体的に符号（Ｂ）によって示されている外部電磁界クランプ構造（図４参照）内に取り付けられる。フィルタ（Ａ）は、全体的に符号（Ｃ）によって示されている通路を規定し、検出対象をなす粒子は、この通路を通ることとなる。
【００２１】
フィルタ（Ａ）は、全体的に符号（Ｄ）によって示されている複数の磁極を備えている。図示の例では、磁極の数は、８個とされており、各磁極は、通路（Ｃ）の周囲に配置されている。複数の磁極（Ｄ）を適正に取り付けて位置決めするために、全体的に符号（Ｅ）によって示されている支持構造が、通路（Ｃ）を取り囲む頑丈なリングの形態で設けられている。リング（Ｅ）は、例えばセラミックといったような、非磁性の構造材料から形成することができる。この目的のために、アルミナ材料、９９％Ａｌ２Ｏ３、が有効であることがわかっている。それは、精度良く形成できるからであり、また、所望の強度と所望の機械的安定性とを有しているからである。図３からわかるように、セラミックリング（Ｅ）には、等間隔環状配置された複数の貫通孔（４）が形成されており、各貫通孔（４）の径方向外側端部のところには、明確に認識できる領域をなす外向き座面（６）が形成されている。
【００２２】
図２および図３に示すように、各磁極（Ｄ）は、径方向において内向きに延出された径方向内向き延出部（８）を備えており、この径方向内向き延出部（８）は、セラミックリング（Ｅ）の貫通孔（４）を密に貫通するとともに、先端が磁極面（１０）とされている。径方向内向き延出部（８）に対しては、セラミック製支持構造（Ｅ）の座面（６）に対して係合し得る大寸法部（１２）が、一体的に連続している。大寸法部（１２）に対しては、径方向外側において、小寸法部（１４）が一体的に連続している。小寸法部（１４）の周囲には、磁界を形成するための巻線（１６）が取り付けられている。この巻線（１６）は、遮蔽スプール（１８）内に封入されているとともに、電子シールド（２０）およびカバー（２１）によって囲まれている。シールドされたコイルアセンブリは、磁極の最外部分の上面の底面において周縁部に形成されたグルーブ（２３）に係合する“Ｏ”リング（２２）によって、各磁極上の所定位置に保持される。シールドされたコイルアセンブリと、磁極の大寸法部（１２）と、の間には、絶縁性シム（絶縁性詰め物）（２４）を配置することができる。巻線（１６）に対しての電気接続は、カバー（２１）を貫通して延在している端子（２６）によって、行われる。各磁極（Ｄ）は、好ましくは、一体的アセンブリとして構成される。
【００２３】
図４からわかるように、各磁極は、ネジの形態とされて側方に突出している端子（２８）を有している。端子（２８）は、適切に励起されたときには、通路（Ｃ）内に、静電界を形成する。この静電界は、巻線（１６）によって形成された磁界と協働して、所望のウィーンフィルタ効果をもたらす。端子（２６，２８）に対する電気接続は、任意の周知態様によって、電磁界クランプ（Ｂ）を通して行うことができる。
【００２４】
図４は、磁界クランプ構造（Ｂ）の内部に配置されることによってＳＥＭ内に組み込まれた、径方向反対側に位置している２つの磁極（Ｄ）を示している。磁界クランプ構造（Ｂ）は、複数の磁極（Ｄ）を磁気的に結合させるとともに、粒子通路（Ｃ）の少なくとも一部を規定している。電気絶縁のために磁気回路内において必要とされているギャップ（２９）は、磁極の外側端（３０）と、磁界クランプ構造（Ｂ）の対応内向き面（３２）と、の間に形成されている。約０．０５ｍｍ（約２／１０００インチ）という厚さの薄い絶縁体（３３）は、ギャップ（２９）内に取り付けられ得るように構成されている。
【００２５】
磁気回路内のギャップ（２９）は、必要なものではあるけれども、磁気的な観点からは、問題点をもたらす。ギャップは、ギャップが存在している場所において磁界を歪める。この影響は、空間中に広がり、電子が通過する場所の磁界を乱す。これにより、装置の解像度が悪影響を受けてしまう。ギャップ（２９）を、磁極（Ｄ）の外側端（３０）に配置したことにより、すなわち、ギャップ（２９）を、電子が通過する通路（Ｃ）から離間したところに配置したことにより、ギャップ（２９）による磁界擾乱影響を、大幅に低減させることができ、装置解像度が、かなり改良される。
【００２６】
磁極の径方向外側端（３０）に対向している内向き面（３２）は、電磁界クランプ構造（Ｂ）の磁気構造部分（３４）に形成されている。一方、磁気構造部分（３４）は、対応する電磁界クランプ構造部分（３６）上に支持されている。これら部分（３４，３６）は、図４に示すように、顕微鏡構造全体の一部である。ウィーンフィルタにおけるセラミック製支持構造（Ｅ）は、電磁界クランプ構造（３６）上に載置されているとともに、磁界クランプ構造（３４）とも係合している。セラミック製支持構造（Ｅ）と、各クランプ構造（３４，３６）と、の間においては、“Ｏ”リング（３８，４０）が、押圧されている。これにより、通路（Ｃ）内における真空が維持される。
【００２７】
磁極（Ｄ）は、高透磁率材料から形成されている。シム（２４）は、例えば、Kapton（登録商標）という商標名で DuPont 社から市販されているポリアミドといったような、任意の適切な電気絶縁材料から形成されている。スプール（１８）は、真鍮から形成することができ、シールド（２０）は、アルミニウムから形成することができ、カバー（２１）は、銅で被覆された絶縁ボードから形成することができる。
【００２８】
複数の磁極（Ｄ）は、セラミック製支持リング（Ｅ）に対して固定される。この固定は、セラミックリング（Ｅ）の座面（６）を、前もって適切にメタライジングしておき、その後、メタライジングした座面（６）と、磁極（Ｄ）の大寸法部（１２）の対応面と、の間にわたってろう付けを行うことにより、しかも、磁極（Ｄ）を所定位置に向けて一様に押圧しつつろう付けを行うことにより、行われる。この組立を行うに際しての固定具および方法については、本出願と同じ出願人によって２００１年に出願された“A Fixture for Assembling Parts of anInstrument such as a Wien Filter”と題する特許出願（米国代理人の文書識別Ｎｏ．00247/TL）に記載されている。銅と銀との共晶合金が、ろう付け材料として非常に有効である。それに関し、０．０２５４ｍｍ（１ mil、１ミリインチ）厚さのろう付けシムを使用することができる。ろう付けは、支持リング（Ｅ）上の所定箇所に対しての、磁極（Ｄ）の信頼性高い固定をもたらすだけでなく、リング（Ｅ）と磁極（Ｄ）との間において必要とされる気密シールをももたらすことに、注意されたい。構造部材どうしのシールと安定性との双方の観点から、ろう付け面積が広いことは、重要である。
【００２９】
上述したように、大寸法部（１２）は、各磁極（Ｄ）とセラミック製リング（Ｅ）との間の係合に関しての実質的な面積をもたらすのではあるけれども、大寸法部（１２）は、さらなる有利な利点をももたらす。つまり、各磁極のメインボディの周囲からフランジのようにして突出している大寸法部は、一次ビームと、ギャップ（２９）のところにおけるフリンジ磁界と、の間のいくらかのシールドをもたらす。これにより、周縁磁界に基づく擾乱による装置解像度に対しての悪影響が、さらに低減される。
【００３０】
上記の詳細な説明においては、本発明の特定の実施形態について説明を行ったけれども、当業者であれば、上記実施形態に対して様々な修正を加え得るであろう。そのようなすべての変形は、特許請求の範囲によって規定されている本発明の範囲内に属するものであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づいて構成されたウィーンフィルタを示す斜視図である。
【図２】 図１における一部分を示す図であって、複数の磁極の中の１つの磁極を分解図で示している。
【図３】 図１に示す構成の中心を通過する水平面に沿って図１のウィーンフィルタを示す断面図である。
【図４】 図１に示す構成の中心を通過する鉛直面に沿って図１のウィーンフィルタを示す断面図であって、検出対象をなす粒子の通路を部分的に規定している外部磁界構造（図１には図示されていない）内に取り付けられた磁極を示している。
【符号の説明】
４ 貫通孔
６ 外向き座面（第１座面）
８ 径方向内向き延出部（縮径部）
１０ 磁極面
１２ 大寸法部
１４ 小寸法部（径方向外側部）
１６ 巻線（磁気コイル、電磁界形成部材）
２８ 端子（手段）
２９ ギャップ
Ａ フィルタ（電磁フィルタ）
Ｂ 外部電磁界クランプ構造（磁気回路手段）
Ｃ 通路
Ｄ 磁極（電磁界形成構造）
Ｅ 支持構造、リング、セラミックリング
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope，“ＳＥＭ”）において使用するためのウィーンフィルタに関するものである。とりわけ、本発明は、一次電子ビームに影響を与える収差を最小化しこれにより装置解像度を改良し得るような、改良された構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
試料からの帯電粒子の放出を使用して試料の特性を決定することを原理とした様々な装置が、公知である。そのような装置の例には、電子顕微鏡（例えば、走査型電子顕微鏡）や集束型イオンビーム顕微鏡や質量分析計があり、このような装置においては、様々な周知手段を使用することによって、試料から放出された帯電粒子を分析する。
【０００３】
本発明の説明を容易とするために、以下においては、ＳＥＭに関連して説明を行う。しかしながら、本発明は、ＳＥＭに限定されるものではなく、当業者であれば上述したような他の装置に対して本発明を適用し得ることは、理解されるであろう。
【０００４】
ＳＥＭの動作においては、一次走査電子ビームを生成し、その後、撮像すべき表面を有した試料を一次走査電子ビームによって衝撃する。その結果、後方散乱電子と二次電子とが試料表面から放出され、これら電子は、試料表面に対して垂直なオリジナルビーム方向（軸方向として知られている）に沿った後方側の軌跡に従ったり、試料表面から発散する角度を有した軌跡に従ったりする。放出された電子は、試料の上方に配置された検出器によって収集される。検出器は、電子ビームに対して曝されていることにより、試料表面から捕集された放出電子に基づいた信号を生成する。検出器からの信号は、典型的には、表面像を形成するために処理される。形成された表面像は、映像スクリーン上に表示される。
【０００５】
高アスペクト比の溝やコンタクトホールといったような構造の場合には、脱出できる電子は、軸方向に放出される電子だけである。しかしながら、標準的なＳＥＭでは、軸方向に放出された電子を容易に検出することができない。それは、一次ビームすなわち入射ビームに対して干渉しないようにするためには、検出器を軸から離さなければならないからである。軸から離れたそのような位置では、軸方向の電子は、検出器を衝撃しない。また、二次電子を引きつけるために通常は検出器の前面に高電圧が印加されるけれども、この高電圧は、一次ビームに悪影響を与えかねない。
【０００６】
ここで使用する『フィルタ』という用語は、速度（多くの場合、この速度という物理量は、『エネルギー』として分類される）や電荷や質量のいずれかにおける本来的な差に基づいて帯電粒子ビーム中の粒子を何らかの方法で分離したり分散させたりするために使用されるデバイスを、意味している。分離や分散は、電界の印加や磁界の印加あるいはこれら双方の印加によって、行うことができる。
【０００７】
ウィーンフィルタは、以前より公知である（W. Wien, Ann. Phys. 65 (1898), page 444 を参照されたい）。このようなフィルタにおいては、複数の電極と複数の磁極とが同時に使用され、電界と磁界との双方が生成される。電界と磁界とは、入射ビーム中の電子に対して大きさが同じで向きが互いに異なるような力をもたらすように、同調されるあるいは調節される。このため、入射ビーム中の電子は、偏向されることがない。しかしながら、入射ビームとは逆向きに移動している電子は、同じ磁界力によっても逆向きの影響を受けることとなる。電界力は、そのような電子に対しても同じ方向に作用する。よって、そのような電子は、ビーム軸から偏向される。そのため、軸上の粒子であっても、適切に配置された検出器に向けて、偏向させることができる。
【０００８】
“Secondary Electronic Detecting Apparatus”と題して１９８７年４月１４付けで発行された米国特許明細書第４，６５８，１３６号においては、走査型電子顕微鏡においてウィーンフィルタを使用することが提案されている。しかしながら、実用的には、そのような応用にはウィーンフィルタは使用されていない。それは、ウィーンフィルタが、一次ビーム粒子および放出粒子が通過する静電界および磁界内に、大きさとしては比較的小さいものの重大な擾乱を引き起こすからであり、そのため、それら粒子の軌跡が乱されてしまうからである。このような乱れは、一次ビームを劣化させてしまいその結果ＳＥＭの解像度を劣化させてしまうには十分なものである。より詳細には、ＳＥＭにおけるウィーンフィルタの使用に際しては、一次電子部材が乱されることがなくかつ収差を最小限に維持することを保証し得るよう、磁界と静電界とが厳密に調和（適合）していて一様であることが要求される。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許明細書第４，６５８，１３６号
【非特許文献１】
W. Wien, Ann. Phys. 65 (1898), page 444
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の１つの目的は、電界と磁界との間の調和ズレに起因する収差を十分に最小化し得るよう構成されており、そのため、ＳＥＭ等と組み合わせて使用されたときには、装置解像度の劣化度合いを、感知できない程度にまで抑制し得るような、電界と磁界とを生成するフィルタを提供することである。
【００１１】
本発明の他の目的は、電界と磁界との形状をさらに改良し得るよう、磁極に隣接して（上方および下方）配置される、磁界および電界のための外部クランプを提供することである。
【００１２】
本発明のさらなる目的は、動作条件下において物理的にも電気的にも安定しているような高精度構造を形成し得るように複数の部材を容易に組み立て得るように、フィルタを構成することである。
【００１３】
本発明の他の目的は、一様でありかつ互いに厳密に調和しているような電界と磁界とを有しておりそのためＳＥＭ等において有効にかつ正確に機能し得るような、フィルタを提供することである。
【００１４】
本発明の他の目的は、組立を容易とし得るよう、また、コイルからの脱ガスを防止し得るよう、磁極およびコイルに対してのコネクタを、真空領域の外に配置することである。
【００１５】
上記目的および他の目的は、通路を少なくとも部分的に取り囲んでいる電磁界形成構造を具備した電磁フィルタにおける改良をもたらすという本発明による一見地によって達成される。改良された電磁フィルタは、通路の周囲に配置されているとともに、内方を向いて延在した複数の貫通孔を備えている、支持構造を具備している。透磁性の複数の電磁界形成構造の各々が、複数の貫通孔の中の１つを貫通しつつ連続して延在しているとともに、一端部が、支持構造よりも径方向内方側に配置された磁極面において終端し、かつ、他端部に、支持構造よりも径方向外方側に位置する径方向外側部が設けられている。複数の電磁界形成構造の各々は、支持構造に対して係合している。電磁界形成部材が、電磁界形成構造の径方向外側部に対して動作可能に連結されているとともに、電磁界形成構造に作用することによって、通路内へと延在するような放射電界および放射磁界を生成し得るよう構成されている。本発明による電磁フィルタは、支持構造の外側に配置されかつ電磁界形成構造の径方向外側部に対して動作可能に接続される磁気回路手段と組み合わされることによって、この場合、電磁界形成構造と磁気回路手段との間のギャップを有した状態で組み合わされることによって、機能し得るように構成されている。ギャップは、支持構造よりも、径方向外側に配置されている。
【００１６】
本発明においては、電磁フィルタ構成部材どうしの新規な配置を提供する。特に、磁気回路内において電気絶縁のために必要とされるギャップを、適切に配置することによって、ギャップに関連したフリンジ磁界によって、解像度に悪影響がもたらされることがない。これに対し、従来技術においては、ギャップに関連したフリンジ磁界によって、フィルタを通過する粒子に対して作用する電磁界を乱してしまう傾向があった。
【００１７】
本発明者らは、磁気回路内の径方向ギャップを装置の中心軸近傍に配置することによって、望ましくない擾乱が磁界内に引き起こされること、および、これによって、装置解像度が悪影響を受けること、を見出した。より詳細には、径方向ギャップを、ビーム軸からできるだけ離間させるよう、磁極を支持している構造の外側に配置することによってより好ましくは磁極上に設置されている巻線よりも外側に配置することによって、より大きくかつより一様なかつより安定的な磁界が得られることを見出した。機能面におけるこのような改良は、従来技術によるウィーンフィルタ構造よりも、より単純でかつより頑丈でかつより信頼性高い構造によって得られる。
【００１８】
上述したように、本明細書においては、本発明によるフィルタを走査型電子顕微鏡に対して使用しそれによって走査型電子顕微鏡の機能を大幅に改良することに関して説明しているけれども、本発明によるフィルタは、そのような応用に限定されるものではなく、同一空間内を互いに逆向きでもって複数の帯電粒子が通過するとともに通過方向に応じてそれら帯電粒子が異なる作用を受けるようになっているような大部分の装置に対して、有利に適用することができることは理解されるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
上記目的や他の目的を達成するために、本発明は、特許請求の範囲に記載されたフィルタの構成に関するものであり、明細書においては、添付図面を参照して説明する。
【００２０】
全体的に符号（Ａ）によって示されている本発明によるフィルタは、ＳＥＭにおいて使用されたときには、全体的に符号（Ｂ）によって示されている外部電磁界クランプ構造（図４参照）内に取り付けられる。フィルタ（Ａ）は、全体的に符号（Ｃ）によって示されている通路を規定し、検出対象をなす粒子は、この通路を通ることとなる。
【００２１】
フィルタ（Ａ）は、全体的に符号（Ｄ）によって示されている複数の磁極を備えている。図示の例では、磁極の数は、８個とされており、各磁極は、通路（Ｃ）の周囲に配置されている。複数の磁極（Ｄ）を適正に取り付けて位置決めするために、全体的に符号（Ｅ）によって示されている支持構造が、通路（Ｃ）を取り囲む頑丈なリングの形態で設けられている。リング（Ｅ）は、例えばセラミックといったような、非磁性の構造材料から形成することができる。この目的のために、アルミナ材料、９９％Ａｌ２Ｏ３、が有効であることがわかっている。それは、精度良く形成できるからであり、また、所望の強度と所望の機械的安定性とを有しているからである。図３からわかるように、セラミックリング（Ｅ）には、等間隔環状配置された複数の貫通孔（４）が形成されており、各貫通孔（４）の径方向外側端部のところには、明確に認識できる領域をなす外向き座面（６）が形成されている。
【００２２】
図２および図３に示すように、各磁極（Ｄ）は、径方向において内向きに延出された径方向内向き延出部（８）を備えており、この径方向内向き延出部（８）は、セラミックリング（Ｅ）の貫通孔（４）を密に貫通するとともに、先端が磁極面（１０）とされている。径方向内向き延出部（８）に対しては、セラミック製支持構造（Ｅ）の座面（６）に対して係合し得る大寸法部（１２）が、一体的に連続している。大寸法部（１２）に対しては、径方向外側において、小寸法部（１４）が一体的に連続している。小寸法部（１４）の周囲には、磁界を形成するための巻線（１６）が取り付けられている。この巻線（１６）は、遮蔽スプール（１８）内に封入されているとともに、電子シールド（２０）およびカバー（２１）によって囲まれている。シールドされたコイルアセンブリは、磁極の最外部分の上面の底面において周縁部に形成されたグルーブ（２３）に係合する“Ｏ”リング（２２）によって、各磁極上の所定位置に保持される。シールドされたコイルアセンブリと、磁極の大寸法部（１２）と、の間には、絶縁性シム（絶縁性詰め物）（２４）を配置することができる。巻線（１６）に対しての電気接続は、カバー（２１）を貫通して延在している端子（２６）によって、行われる。各磁極（Ｄ）は、好ましくは、一体的アセンブリとして構成される。
【００２３】
図４からわかるように、各磁極は、ネジの形態とされて側方に突出している端子（２８）を有している。端子（２８）は、適切に励起されたときには、通路（Ｃ）内に、静電界を形成する。この静電界は、巻線（１６）によって形成された磁界と協働して、所望のウィーンフィルタ効果をもたらす。端子（２６，２８）に対する電気接続は、任意の周知態様によって、電磁界クランプ（Ｂ）を通して行うことができる。
【００２４】
図４は、磁界クランプ構造（Ｂ）の内部に配置されることによってＳＥＭ内に組み込まれた、径方向反対側に位置している２つの磁極（Ｄ）を示している。磁界クランプ構造（Ｂ）は、複数の磁極（Ｄ）を磁気的に結合させるとともに、粒子通路（Ｃ）の少なくとも一部を規定している。電気絶縁のために磁気回路内において必要とされているギャップ（２９）は、磁極の外側端（３０）と、磁界クランプ構造（Ｂ）の対応内向き面（３２）と、の間に形成されている。約０．０５ｍｍ（約２／１０００インチ）という厚さの薄い絶縁体（３３）は、ギャップ（２９）内に取り付けられ得るように構成されている。
【００２５】
磁気回路内のギャップ（２９）は、必要なものではあるけれども、磁気的な観点からは、問題点をもたらす。ギャップは、ギャップが存在している場所において磁界を歪める。この影響は、空間中に広がり、電子が通過する場所の磁界を乱す。これにより、装置の解像度が悪影響を受けてしまう。ギャップ（２９）を、磁極（Ｄ）の外側端（３０）に配置したことにより、すなわち、ギャップ（２９）を、電子が通過する通路（Ｃ）から離間したところに配置したことにより、ギャップ（２９）による磁界擾乱影響を、大幅に低減させることができ、装置解像度が、かなり改良される。
【００２６】
磁極の径方向外側端（３０）に対向している内向き面（３２）は、電磁界クランプ構造（Ｂ）の磁気構造部分（３４）に形成されている。一方、磁気構造部分（３４）は、対応する電磁界クランプ構造部分（３６）上に支持されている。これら部分（３４，３６）は、図４に示すように、顕微鏡構造全体の一部である。ウィーンフィルタにおけるセラミック製支持構造（Ｅ）は、電磁界クランプ構造（３６）上に載置されているとともに、磁界クランプ構造（３４）とも係合している。セラミック製支持構造（Ｅ）と、各クランプ構造（３４，３６）と、の間においては、“Ｏ”リング（３８，４０）が、押圧されている。これにより、通路（Ｃ）内における真空が維持される。
【００２７】
磁極（Ｄ）は、高透磁率材料から形成されている。シム（２４）は、例えば、Kapton（登録商標）という商標名で DuPont 社から市販されているポリアミドといったような、任意の適切な電気絶縁材料から形成されている。スプール（１８）は、真鍮から形成することができ、シールド（２０）は、アルミニウムから形成することができ、カバー（２１）は、銅で被覆された絶縁ボードから形成することができる。
【００２８】
複数の磁極（Ｄ）は、セラミック製支持リング（Ｅ）に対して固定される。この固定は、セラミックリング（Ｅ）の座面（６）を、前もって適切にメタライジングしておき、その後、メタライジングした座面（６）と、磁極（Ｄ）の大寸法部（１２）の対応面と、の間にわたってろう付けを行うことにより、しかも、磁極（Ｄ）を所定位置に向けて一様に押圧しつつろう付けを行うことにより、行われる。この組立を行うに際しての固定具および方法については、本出願と同じ出願人によって２００１年に出願された“A Fixture for Assembling Parts of anInstrument such as a Wien Filter”と題する特許出願（米国代理人の文書識別Ｎｏ．00247/TL）に記載されている。銅と銀との共晶合金が、ろう付け材料として非常に有効である。それに関し、０．０２５４ｍｍ（１ mil、１ミリインチ）厚さのろう付けシムを使用することができる。ろう付けは、支持リング（Ｅ）上の所定箇所に対しての、磁極（Ｄ）の信頼性高い固定をもたらすだけでなく、リング（Ｅ）と磁極（Ｄ）との間において必要とされる気密シールをももたらすことに、注意されたい。構造部材どうしのシールと安定性との双方の観点から、ろう付け面積が広いことは、重要である。
【００２９】
上述したように、大寸法部（１２）は、各磁極（Ｄ）とセラミック製リング（Ｅ）との間の係合に関しての実質的な面積をもたらすのではあるけれども、大寸法部（１２）は、さらなる有利な利点をももたらす。つまり、各磁極のメインボディの周囲からフランジのようにして突出している大寸法部は、一次ビームと、ギャップ（２９）のところにおけるフリンジ磁界と、の間のいくらかのシールドをもたらす。これにより、周縁磁界に基づく擾乱による装置解像度に対しての悪影響が、さらに低減される。
【００３０】
上記の詳細な説明においては、本発明の特定の実施形態について説明を行ったけれども、当業者であれば、上記実施形態に対して様々な修正を加え得るであろう。そのようなすべての変形は、特許請求の範囲によって規定されている本発明の範囲内に属するものであることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づいて構成されたウィーンフィルタを示す斜視図である。
【図２】 図１における一部分を示す図であって、複数の磁極の中の１つの磁極を分解図で示している。
【図３】 図１に示す構成の中心を通過する水平面に沿って図１のウィーンフィルタを示す断面図である。
【図４】 図１に示す構成の中心を通過する鉛直面に沿って図１のウィーンフィルタを示す断面図であって、検出対象をなす粒子の通路を部分的に規定している外部磁界構造（図１には図示されていない）内に取り付けられた磁極を示している。
【符号の説明】
４ 貫通孔
６ 外向き座面（第１座面）
８ 径方向内向き延出部（縮径部）
１０ 磁極面
１２ 大寸法部
１４ 小寸法部（径方向外側部）
１６ 巻線（磁気コイル、電磁界形成部材）
２８ 端子（手段）
２９ ギャップ
Ａ フィルタ（電磁フィルタ）
Ｂ 外部電磁界クランプ構造（磁気回路手段）
Ｃ 通路
Ｄ 磁極（電磁界形成構造）
Ｅ 支持構造、リング、セラミックリング
Claims (21)
- 通路を少なくとも部分的に取り囲んでいる電磁界形成構造を具備した電磁フィルタであって、
前記通路の周囲に配置されているとともに、内方を向いて延在した複数の貫通孔を備えている、支持構造と；
各々が前記複数の貫通孔の中の１つを貫通しつつ連続して延在しているとともに、一端部が、前記支持構造よりも径方向内方側に配置された磁極面において終端し、かつ、他端部に、前記支持構造よりも径方向外方側に位置する径方向外側部が設けられ、さらに、各々が前記支持構造に対して係合している、透磁性の複数の電磁界形成構造と；
該電磁界形成構造の前記径方向外側部に対して動作可能に連結されているとともに、前記電磁界形成構造に作用することによって、前記通路内へと延在するような放射電磁界を生成し得るよう構成された、電磁界形成部材と；
を具備してなり、
前記支持構造の外側に配置されかつ前記電磁界形成構造の前記径方向外側部に対して動作可能に接続される磁気回路手段と組み合わされることによって、この場合、前記電磁界形成構造と前記磁気回路手段との間のギャップを有した状態で組み合わされることによって、機能し得るように構成され、
前記ギャップが、前記支持構造よりも、径方向外側に配置されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記ギャップが、前記電磁界形成部材よりも、径方向外側に配置されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項２記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成部材の各々が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルを備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項２記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成部材の各々が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルと、前記電磁界形成構造によって前記通路内に静電界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造に対して接続された手段と、を備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項２記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、さらに、前記貫通孔を取り囲んでいる径方向外向きの複数の第１座面を備え、
前記電磁界形成構造が、さらに、前記複数の第１座面のそれぞれに対応する複数の第２座面を備え、
対応している第１座面と第２座面とが、互いにろう付けされていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、リング形状であり、
前記支持構造の前記貫通孔が、実質的に径方向を向いて配置され、
前記電磁界形成構造が、前記支持構造の対応貫通孔を貫通しさらに内方側へと突出する縮径部と、該縮径部の径方向外側部分に一体的に連続しているとともに前記支持構造の前記貫通孔に対して物理的に係合している大寸法部と、を備え、
前記電磁界形成構造の前記径方向外側部上に、磁界形成コイルが設置され、
前記電磁フィルタと協働して機能し得るよう構成された前記磁気回路手段が、前記電磁界形成構造の径方向外向き部分どうしの間に配置され、
前記磁気回路手段と、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部と、の間には、それぞれギャップが設けられていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、リング形状であり、
前記支持構造の前記貫通孔が、実質的に径方向を向いて配置され、
前記電磁界形成構造が、前記支持構造の対応貫通孔を貫通しさらに内方側へと突出する縮径部と、該縮径部の径方向外側部分に一体的に連続しているとともに前記支持構造の前記貫通孔に対して物理的に係合している大寸法部と、を備え、
前記電磁界形成構造の前記径方向外側部上に、磁界形成コイルが設置され、
前記電磁フィルタと協働して機能し得るよう構成された前記磁気回路手段が、前記電磁界形成構造の径方向外向き部分どうしの間に配置され、
前記磁気回路手段と、前記電磁界形成構造の前記径方向外向き部分と、前記磁界形成コイルと、の間には、それぞれギャップが設けられていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項７記載の電磁フィルタにおいて、
前記磁気回路手段と組み合わされており、
前記磁気回路手段が、前記電磁フィルタの周囲に位置し、これにより、前記支持構造を挿通している前記通路と位置合わせされかつ連通している第２通路が形成されているとともに、前記磁気回路手段と前記電磁フィルタとの間の気密シール手段が形成されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項６記載の電磁フィルタにおいて、
前記磁気回路手段と組み合わされており、
前記磁気回路手段が、前記電磁フィルタの周囲に位置し、これにより、前記支持構造を挿通している前記通路と位置合わせされかつ連通している第２通路が形成されているとともに、前記磁気回路手段と前記電磁フィルタとの間の気密シール手段が形成されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成部材の各々が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルを備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成部材の各々が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルと、前記電磁界形成構造によって前記通路内に静電界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造に対して接続された手段と、を備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、さらに、前記貫通孔を取り囲んでいる径方向外向きの複数の第１座面を備え、
前記電磁界形成構造が、さらに、前記複数の第１座面のそれぞれに対応する複数の第２座面を備え、
対応している第１座面と第２座面とが、互いにろう付けされていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 測定対象をなす表面から帯電粒子ビームが放出されるようになっている電気的装置と組み合わせて使用するための電磁フィルタであるとともに、前記帯電粒子を通過させる通路を具備した電磁フィルタであって、
前記通路を少なくとも部分的に取り囲んでいるとともに、内方を向いて延在した複数の貫通孔を備えている、支持構造と；
各々が前記複数の貫通孔の中の１つを貫通しつつ連続して延在しているとともに、一端部が、前記支持構造よりも径方向内方側に配置された磁極面において終端し、かつ、他端部に、前記支持構造よりも径方向外方側に位置する径方向外側部が設けられ、さらに、各々が前記支持構造に対して係合している、透磁性の複数の電磁界形成構造と；
該電磁界形成構造の前記径方向外側部に対して動作可能に連結されているとともに、前記電磁界形成構造に作用することによって、前記通路内へと延在するような放射電磁界を生成し得るよう構成された、電磁界形成部材と；
を具備してなり、
前記支持構造の外側に配置されかつ前記電磁界形成構造の前記径方向外側部に対して動作可能に接続される磁気回路手段と組み合わされることによって、この場合、前記電磁界形成構造と前記磁気回路手段との間のギャップを有した状態で組み合わされることによって、機能し得るように構成され、
前記ギャップが、前記支持構造よりも、径方向外側に配置されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記ギャップが、前記電磁界形成部材よりも、径方向外側に配置されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成手段が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルを備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記電磁界形成手段が、前記通路内に磁界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部を取り囲む磁気コイルと、前記電磁界形成構造によって前記通路内に静電界を形成し得るよう、前記電磁界形成構造に対して接続された手段と、を備えていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、さらに、前記貫通孔を取り囲んでいる径方向外向きの複数の第１座面を備え、
前記電磁界形成構造が、さらに、前記複数の第１座面のそれぞれに対応する複数の第２座面を備え、
対応している第１座面と第２座面とが、互いにろう付けされていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、リング形状であり、
前記支持構造の前記貫通孔が、実質的に径方向を向いて配置され、
前記電磁界形成構造が、前記支持構造の対応貫通孔を貫通しさらに内方側へと突出する縮径部と、該縮径部の径方向外側部分に一体的に連続しているとともに前記支持構造の前記貫通孔に対して物理的に係合している大寸法部と、を備え、
前記電磁界形成手段が、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部上に設置されているとともに、磁界形成コイルを備え、
前記電磁フィルタと協働して機能し得るよう構成された前記磁気回路手段が、前記電磁界形成構造の径方向外向き部分どうしの間に配置され、
前記磁気回路手段と、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部と、の間には、それぞれギャップが設けられていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１３記載の電磁フィルタにおいて、
前記支持構造が、リング形状であり、
前記支持構造の前記貫通孔が、実質的に径方向を向いて配置され、
前記電磁界形成構造が、前記支持構造の対応貫通孔を貫通しさらに内方側へと突出する縮径部と、該縮径部の径方向外側部分に一体的に連続しているとともに前記支持構造の前記貫通孔に対して物理的に係合している大寸法部と、を備え、
前記電磁界形成手段が、前記電磁界形成構造の前記径方向外側部上に設置されているとともに、磁界形成コイルを備え、
前記電磁フィルタと協働して機能し得るよう構成された前記磁気回路手段が、前記電磁界形成構造の径方向外向き部分どうしの間に配置され、
前記磁気回路手段と、前記電磁界形成構造の前記径方向外向き部分と、前記磁界形成コイルと、の間には、それぞれギャップが設けられていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１９記載の電磁フィルタにおいて、
前記磁気回路手段と組み合わされており、
前記磁気回路手段が、前記電磁フィルタの周囲に位置し、これにより、前記支持構造を挿通している前記通路と位置合わせされかつ連通している第２通路が形成されているとともに、前記磁気回路手段と前記電磁フィルタとの間の気密シール手段が形成されていることを特徴とする電磁フィルタ。 - 請求項１８記載の電磁フィルタにおいて、
前記磁気回路手段と組み合わされており、
前記磁気回路手段が、前記電磁フィルタの周囲に位置し、これにより、前記支持構造を挿通している前記通路と位置合わせされかつ連通している第２通路が形成されているとともに、前記磁気回路手段と前記電磁フィルタとの間の気密シール手段が形成されていることを特徴とする電磁フィルタ。
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