JP3862344B2

JP3862344B2 - 静電レンズ

Info

Publication number: JP3862344B2
Application number: JP04189597A
Authority: JP
Inventors: 節生野村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2006-12-27
Anticipated expiration: 2017-02-26
Also published as: JPH10241616A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線の集束性を制御する静電レンズに関し、特に色収差の小さな静電レンズに関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンや電子などの荷電粒子線の制御には電子レンズが使用される。電子レンズには、磁界の作用で荷電粒子線を集束する磁界レンズと、電界の作用で集束する静電レンズとがあり、イオンビームの制御には静電レンズが使われる。静電レンズは磁界レンズに比べて色収差が大きく、静電レンズを用いてイオンビームを細く絞る限界は、通常、その静電レンズの色収差の大きさに依存する。
【０００３】
ビームを集束する目的の静電レンズには、通常、入口と出口の電位が等しい静電レンズが使われる。図４は、正電荷を有するイオンビームの集束に用いられる従来の静電レンズの構造を示す概略図である。この静電レンズ４は、入射側電極５、出射側電極７、及びそれらの中間に置かれた中間電極６の３個の電極で構成されている。入射側電極５と出射側電極７はイオンビーム照射試料（ターゲット）９と同じ電位に保たれる。
【０００４】
静電レンズの特徴として、中間電極６の電位を、入・出射側電極５，７の電位より高くしても、低くしてもイオンビームを集束することができる。前者の集束は、静電レンズの中でイオンビームをレンズ入射前より更に加速して集束させるので加速モードの集束と呼ばれ、後者の集束は静電レンズの中でイオンビームをレンズ入射前より減速して集束させるので減速モードの集束と呼ばれる。
【０００５】
最初に、図４の静電レンズを減速モードで動作させる例について説明する。イオンビーム加速用電源３によって例えば＋３０ｋＶの電圧が印可されたイオン源１より引出されたイオンビーム２は、接地電位にされた加速電極２５との間で３０ｋｅＶのエネルギーに加速され、静電レンズ４に入る。静電レンズ４の入射側電極５及び出射側電極７は接地され、中間電極６はレンズ電源８に接続されている。電極５，６，７は直径３ｍｍの中心孔を有し、それぞれ２ｍｍずつ離して配置されている。レンズ電源８により中間電極６に約＋２０ｋＶの電圧を印可すると、静電レンズ４に入射したイオンビームは中間電極６により減速され、出射側電極７で再び３０ｋｅＶのエネルギーに戻されて静電レンズ４を出る。この時、静電レンズ４は焦点距離１５ｍｍの凸レンズとして作用し、イオンビームを静電レンズ４から約１２ｍｍ離れたターゲット９上に集束する。
【０００６】
もし静電レンズ４に収差がなければ、イオンビームはターゲット９上の一点Ｐを照射し、極めて細いビームが形成される。実際には、静電レンズ４の色収差のために、イオンビームは図のように広がった状態でターゲット９を照射する。色収差によるイオンビームの広がりｄは、静電レンズ４の色収差係数Ｃcに比例する。イオンビームはなるべく細く絞りたいので、色収差係数Ｃcが小さい静電レンズほど優れたレンズである。図４に示した減速モード集束の条件では、色収差係数Ｃcは約５０ｍｍである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加速モードでの色収差係数は、減速モードでの色収差係数の約１／３程度に小さいため、色収差を小さくするには従来の静電レンズを加速モードで動作させて使うのが有利である。
しかし、高エネルギーの荷電粒子線に対して静電レンズを加速モードで動作させて集束しようとすると、技術的及び経済的に困難な問題に遭遇する。例えば、３０ｋｅＶのエネルギーに加速したイオンビームを図１のレンズで焦点距離１５ｍｍで集束しようとするとき、加速モードで集束するには中間電極６にレンズ電源８から約−５０ｋＶの高電圧を印加する必要がある。この時の色収差係数Ｃcは２０ｍｍまで小さくなる。ところが静電レンズ４を構成する電極５，６，７間の間隔は２ｍｍであるため、中間電極６にこのような高電圧を印加すると、電極５，６の間及び電極６，７の間には２５ｋＶ／ｍｍもの強い電界が作用し、放電によりレンズが破壊してしまう。放電を生じさせないための電界強度の許容値は、真空中でせいぜい１０ｋＶ／ｍｍである。
【０００８】
そこで、この静電レンズを加速モードで動作させるためには、中間電極６と入／出射側電極５，７との間隔を５ｍｍに増し、かつ電圧供給ケーブルも５０ｋＶの高電圧に対して絶縁破壊を起こさないように注意を払う必要がある。さらに、レンズ電源８も、２０ｋＶ出力用電源と５０ｋＶ出力用電源とでは経済性の点でも大幅に異なってくる。このような事情により、高エネルギーの荷電粒子線に対しては、静電レンズは色収差は大きくても、低い電圧印加で集束できる減速モードでの集束を行うことが多かった。
【０００９】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、高エネルギーの荷電粒子線に対しても、従来の加速モードでの印加電圧に比べると低い印加電圧で集束でき、かつ、従来の減速モードでの集束に比べると小さい色収差で集束できる静電レンズを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明においては、静電レンズの内部に複数個の電極を設け、静電レンズの内部で荷電粒子の加速と減速とを行うことにより前記目的を達成する。
すなわち、本発明の静電レンズは、静電レンズの内部に、入射した荷電粒子線を加速する加速用電極と減速する減速用電極とを設けたことを特徴とする。
【００１１】
前記加速用電極と減速用電極は、レンズに入射した荷電粒子線が、まず減速され、次いで加速されるように配置してもよいし、レンズに入射した荷電粒子線が、まず加速され、次いで減速されるように配置してもよい。もちろん、加速と減速を交互に複数回繰り返すようにしてもよい。入射側電極と出射側電極が同電位あるいは接地されている静電レンズの場合、静電レンズ内の加速用電極は荷電粒子線を静電レンズ入射前のエネルギーより高いエネルギーに加速し、減速用電極は荷電粒子線を静電レンズ入射前のエネルギーより低いエネルギーに減速する。
【００１２】
減速用電極に、荷電粒子線源から発生した荷電粒子線を所定のエネルギーに加速する荷電粒子線加速用電源の電圧を分圧して供給するようにして、静電レンズの減速用電極電源を荷電粒子加速用電源で兼用してもよい。
【００１３】
本発明の静電レンズは、その像面を荷電粒子線照射用試料面に対応させた荷電粒子線集束用対物レンズとして荷電粒子線集束装置に使用することができ、また、その物面を荷電粒子線像投影用試料面に対応させた荷電粒子線像投影用対物レンズとして荷電粒子線投影装置に使用することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、従来例を示す図４と同一の機能部分には図４と同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明による静電レンズの一例を説明する概略図である。この静電レンズ２４は、静電レンズ２４に入射したイオンビーム２を静電レンズ２４の中で加速する２個の加速用電極（加速用第１電極１０、加速用第２電極１１）と、減速する減速用電極１２とを含む合計５個の電極を備える。イオン源１にはイオンビーム加速用電源３から＋３０ｋＶの電圧が印可され、イオンビーム加速電極２５、静電レンズ２４の入射側電極５及び出射側電極７は接地されている。静電レンズ２４の入射側電極５と加速用第１電極１０の間隔は３ｍｍ、加速用第１電極１０及び加速用第２電極１１と減速用電極１２の間隔はそれぞれ５ｍｍ、加速用第２電極１１と出射側電極７の間隔は３ｍｍとした。
【００１６】
加速用第１電極１０及び加速用第２電極１１に加速用レンズ電源１３から−３０ｋＶの電圧を印加し、減速用電極１２に減速用レンズ電源１４から＋２０．２ｋＶの電圧を印加すると、イオンビームは静電レンズ２４から約７ｍｍ離れたターゲット９の上に集束する。このとき、静電レンズ２４の色収差係数Ｃcは２３．３ｍｍであり、図４で説明した従来のの静電レンズの色収差係数Ｃc６０ｍｍの約１／２．５である。
【００１７】
静電レンズの中で加速と減速とを行うことにより色収差係数Ｃcが小さくなる理由は、静電レンズ内部でのレンズ軸に沿った電位の変化を考えると理解することができる。すなわち、静電レンズの焦点距離をｆ、静電レンズの物面側電位をΦ_O、静電レンズの像面側電位をΦ_I、レンズ作用最大位置での軸上電位をΦ_mとするとき、色収差係数Ｃcは薄肉レンズの近似で次の〔数１〕の関係を有し（裏克己著「電子・イオンビーム光学」１９９４年、共立出版株式会社、第７２頁）、Ｃc／ｆはレンズ作用最大位置での電位Φ_mが高いほど小さい。
【００１８】
【数１】
Ｃc／ｆ＝２（Φ_O・Φ_I）^1/4／Φ_m ^1/2
減速モード動作においてレンズ作用が最大となる位置は、減速用電極の部分である。そこで、もし、この部分の左右（前後）の領域でのイオンビームのエネルギーを高くすると、必要な強さのレンズ作用にはより高い電位、すなわち高電位のΦ_mを必要とすることとなり、その結果、小さいＣc／ｆのレンズ作用をするようになる。図１では、減速用電極１２の前後に加速用電極１０，１１を設けて減速用電極部の電位が高い状態でイオンビームを集束するように構成されている。
【００１９】
図２は、本発明による他の静電レンズを集束イオンビーム加工・観察装置に応用した例を示す概略図である。イオン源１より発射されたイオンビーム２は、コンデンサーレンズ１８及び偏向器１５を通過して、静電レンズ３４に入る。この例に示した静電レンズ３４は、接地された入射側電極５と出射側電極７の間に、減速用レンズ電源１４から＋１０．５ｋＶの電圧を印可される減速用電極１２及び加速用レンズ電源１３から−３０．０ｋＶの電圧を印可される加速用電極１６を備える。
【００２０】
この加工・観察装置は、観察視野をなるべく広くとる必要があり、なるべく大きな焦点距離ｆの状態で、かつ、収差も小さい対物レンズが必要とされる。そこで、図２に示した静電レンズ３４では、入射イオンビーム２は、減速用電極１２により、まず減速され、集束作用を受けて、次に加速用電極１６で加速されるように設計されている。更に、このイオンビームは出射側電極７で静電レンズ入射前のエネルギーに戻されて静電レンズ３４から出てゆくが、出射側電極７の位置でのイオンの運動エネルギー（３０ｋｅＶ）は減速用電極１２の位置でのイオンの運動エネルギー（約１９．５ｋｅＶ）に比べて大きく、出射側電極７による集束作用は減速用電極１２による集束作用に比べて極めて小さいので、集束作用の中心（レンズ主面）は減速用電極１２の部分にある。そこで、後述するような加速の後に減速する方式の加減速レンズ（図３）によるよりも長い焦点距離の状態で加工・観察用試料１７に焦点を結んでいる。
【００２１】
この例では、入射側電極５と減速用電極１２の間隔を２ｍｍ、減速用電極１２と加速用電極１６の間隔を５ｍｍ、加速用電極１６と出射用電極７の間隔を４ｍｍとした条件の下に、１６．４ｍｍの焦点距離ｆ、及び３３．３ｍｍの色収差係数Ｃcを得た。イオンビーム２の偏向可能な角度をδとすると、この装置を走査型イオン顕微鏡として使用したときの観察視野は図２に図示されているようにほぼ２δ・ｆであり、焦点距離ｆが大きいほど視野を広く取ることができることは容易に理解される。
【００２２】
図３は、本発明による他の静電レンズをイオンビーム像縮小投影装置に応用した例を示す概略図である。イオン源１から発射され３０ｋｅＶに加速されたイオンビーム２は、コンデンサーレンズ１８によりほぼ平行なビームとされてイオン像投影用試料である転写マスク１９を照射する。転写マスク１９は、イオンビームに対して透明な部分と不透明な部分を有する金属板でできている。転写マスク１９の透明な部分を透過したイオンビームは、静電レンズ４４に入り、光学式縮小投影露光装置と同じ原理により、転写マスク１９の縮小像がレチクル２０に投影されるように集束する。
【００２３】
このイオンビーム像縮小投影装置では、静電レンズ４４は、収差低減の観点から、なるべく像面側焦点距離を短くして使いたい。そこで、静電レンズ４４は、レンズに入ったイオンビームをまず加速し、次に減速して集束する構成になっている。すなわち、転写マスク１９の１点から発射したイオンビームは、加速用レンズで電源１３から−３０ｋＶの電圧が印加された加速用電極１６により約６０ｋｅＶに加速され、次に１６．７ｋＶの電圧が印加された減速用電極１２により減速されて、静電レンズ４４より８ｍｍ離れたレチクル２０の上に集束する。
【００２４】
この条件で静電レンズ４４の色収差係数Ｃcは２５．２ｍｍ、焦点距離ｆは１２．６ｍｍである。Ｃc／ｆは図２で説明した静電レンズと同程度であるが、レンズ主面が減速用電極１２の部分にあるので、焦点距離ｆが短くなっている。焦点距離ｆは図２に示した静電レンズの約２／３であり、レチクル２０上にボケの少ない良質のイオンビーム投影像を得ることができる。
【００２５】
図３に示した例では、減速用電極１２に印加する電圧としてイオンビーム加速用電源３で発生した電圧を電気抵抗器２１で分圧して使っている。荷電粒子線を減速するのに必要な電圧は荷電粒子源１に印加する加速電圧と同じ極性の電圧なので、イオンビーム加速用電源３で発生した電圧を分圧して使うことができる。この例では、静電レンズ４４の焦点合わせを加速用レンズ電源１３の出力電圧調節により行っていることは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によると、従来の静電レンズを減速モードで使用した場合に比べて色収差係数がほぼ２／３以下に小さい静電レンズを実現することができ、この静電レンズを集束イオンビーム装置に使用することによってイオンビームをより細く絞ることが可能になる。また、本発明の静電レンズを、イオンビーム投影装置に使用すると、従来の静電レンズを使った場合に比べてよりシャープな像をレチクル上に投影することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による静電レンズの一例を説明する概略図。
【図２】本発明による他の静電レンズを集束イオンビーム加工・観察装置に応用した例を示す概略図。
【図３】本発明による他の静電レンズをイオンビーム像縮小投影装置に応用した例を示す概略図。
【図４】従来の静電レンズの構造を示す概略図。
【符号の説明】
１…イオン源、２…イオンビーム、３…イオンビーム加速用電源、４…静電レンズ、５…入射側電極、６…中間電極、７…出射側電極、８…レンズ電源、９…ターゲット、１０…加速用第１電極、１１…加速用第２電極、１２…減速用電極、１３…加速用レンズ電源、１４…減速用レンズ電源、１５…偏向器、１６…加速用電極、１７…加工・観察用試料、１８…コンデンサーレンズ、１９…転写マスク、２０…レチクル、２１…電気抵抗器、２４…静電レンズ、２５…加速電極、３４…静電レンズ、４４…静電レンズ

Claims

入射した荷電粒子線の加速及び減速を行う静電レンズにおいて、接地される入射側電極及び出射側電極と、前記入射側電極と前記出射側電極との間に配置される第１電極、第２電極及び第３電極とを備え、前記入射側電極から前記出射側電極に向かって前記第１電極、前記第２電極及び前記第３電極の順に配置され、前記第１電極及び前記第３電極に負の電圧が印加され、前記第２電極に正の電圧が印加されることを特徴とする静電レンズ。
前記第３電極は負の電圧が印加される前記第１電極に電気的に接続されている請求項１記載の静電レンズ。
対物レンズとして請求項１又は請求項２記載の静電レンズを備えることを特徴とする荷電粒子線収束装置。