JP3905382B2 - 荷電粒子ビーム装置の光学カラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の分野】
本発明は、荷電粒子のビームで試料を検査する装置に関する。本発明は、特に、荷電粒子ビーム装置用に小型化された光学カラムに関する。
【０００２】
【発明の背景】
例えば走査及び透過又はマイクロプローブ装置といった粒子ビームデバイス（引用のためにわずか２、３を記す）は、異成分からなる有機及び無機材料及びそれらの表面の観察及び特徴付けを可能にする強力な機器である。これらの機器では、検査される区域が荷電粒子ビームで照射され、荷電粒子ビームは静的であってよく、試料の表面にわたってラスターを掃引してもよい。特定の応用例によっては、荷電粒子ビームは多少なりとも集束され、粒子の運動エネルギーは相当に変化する可能性がある。
【０００３】
荷電粒子が試料表面に当たった際に生成される信号のタイプは、二次電子、後方散乱電子、オージェ電子、固有Ｘ線及び様々なエネルギーのフォトンを含む。これらの信号は、試料内の特定の放出量から得られ、試料の多くの特徴（例えば組成物、表面地形、結晶性、等）を検査するのに使用できる。
【０００４】
最近では、荷電粒子ビーム装置を小型化させる試みが成されている。そこで、これらのデバイスの幾つかはひとまとめにされて試料のより大きな区域を同時に検査することができ、或いはタイトなスペース制限がある工程ラインに設置できるようになった。さらに、粒子ビームデバイスの球面収差及び色収差は粒子ビームデバイスの幾何学的な寸法に比例して拡大・縮小するので、電位が一定のままである限り、小型化されたデバイスは任意のスポットサイズにより高い空間的分解能及び高いビーム電流を送ることができる。
【０００５】
一般に、大部分の現在の荷電粒子デバイスは高さ０，５〜１，２メートルであり、およそ１５ｃｍ〜４０ｃｍの平均直径を有している。それとは別に、開発者は、１０ｃｍ未満であり、およそ４ｃｍの平均直径を有するビームデバイスを生産することを目指している。しかしながら、今日の荷電粒子ビーム装置は高度な真空排気システム、アライメントメカニズム及び電子制御装置を有する複雑な技術機器であることから、可能であればどこででも試みられたとしても、それらの幾何学的な寸法を単純に比例して縮小させることはできない。
【０００６】
低圧の応用例において、標準の荷電粒子ビーム装置の性能は、いわゆるビームブースターを用いることでかなり向上させることができる。それは、顕微鏡の光学カラム内の荷電粒子を高い運動エネルギーに加速し、試料に当たる前に減速する。減速ステップは、荷電粒子が対物レンズを通過する際にほとんどの場合実行される。
【０００７】
一般に、ビームブーストは、高加速電位にシフトされる電極でカラム内のビームを囲むことによって達成される。荷電粒子供給源及び試料チャンバ間に位置するアイソレーションバルブ又は荷電粒子ビームカラムの近くに配置される他のいかなる導伝部を有する顕微鏡では、これら部品もまた、加速電位にシフトされる。対応するシールド電極、バルブ又は他の導伝部は、接地されているカラムハウジングに対して絶縁する必要がある。通常、セラミックが絶縁体として使われる。絶縁体の末端部は、折りたたまれるか、或いは漏れ経路を増やすために溝を備えている。しかしながら、小型化された荷電粒子ビームカラムにおいて、この種の絶縁では十分でない。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、荷電粒子ビームで試料を検査する改良装置の提供を目的とする。本発明の１つの態様によれば、独立請求項１に明記されている装置を提供する。
【０００９】
小型化された光学カラムのハウジングをビームブースト電位にセットすることによって、動作中に接地するか又はビームブースト電位に設定される部品間での複雑な絶縁体の配置を省略できる。複雑化は、絶縁体を小型化するのに加えてそれらの末端に長い漏れ経路を形成しなければならないカラム内の縮小空間に起因する。別の利点は、（例えば接地されたハウジングの電位からの）ビーム経路をシールドする特別な電極がもはや必要ないことである。
【００１０】
さらに、最高水準技術のデバイスにおいて、幾つかの絶縁体は、カラムを真空シールするために金属にハンダ付けにされる必要がある。カラムの安定性に影響を及ぼす可能性があるカラムの真空ベーキング（ｂａｋｅ ｏｕｔ）中の熱処理から生じる機械張力を補正する必要があることから、絶縁体と金属間のシーリングは機械的に弱い必要がある。
【００１１】
本発明の更なる利点、特徴、態様及び詳細は、従属項、詳細な説明及び添付の図から明らかである。請求項は、第１に発明を上位概念で定義する限定されていないアプローチとして理解されることを目的としている。
【００１２】
ビームブースト電位とは、一般に、供給源と試料間のどこかに印加される加速電位である。ビームブーストに使われる構成要素の電位の絶対値は、二次的に重要なだけである。ビームブーストに関しては、粒子がカラムを通って試料に向かう途中で高速に加速されるように、荷電粒子供給源とビームブーストの役割を果たす構成要素間の電位差を確立することが主として重要である。ハウジングは、一般に、荷電粒子ビームを導いて形づくる光学構成要素を収容するのに用いられる。通常、それは、導電材料及び時には磁気伝導性材料（例えば電界及び／又は磁界の乱れから光学カラムの内部を保護するミューメタル）でできている。
【００１３】
本発明の更なる態様によると、ハウジングは、バルブ、偏向ユニット、検出器又はビーム経路の近くに配置される他の部品及び構成要素を備える。これらの部品及び構成要素のうちの必要とされる部分、及びカラム内でのそれらの特定のセットアップは、デバイスが使用される応用例に依存する。これら部品の電界がビームの軌跡に負の影響を及ぼすことができるように、部品はビーム経路の近くに配置されるべきであり、次いで、部品はビームブースト電位に設定されるのが好ましい。当然、これら部品の電位は、わずかにビームブースト電位からそれる可能性があり、例えば電気偏向ユニットは、ビームをそらせるためにこれら電位差を必要とする。
【００１４】
ハウジングと共にできるだけ多くの部品をビームブースト電位に保つことによって、小型化された光学カラム内で使われる絶縁体の数をかなり減らすことができる。それによって、カラム内の特定の部品がハウジング（例えば荷電粒子供給源）から絶縁された場合でも、発明の範囲内にある。
【００１５】
本発明は、小型化された静電カラムと静磁気（永久磁石を有する）カラムとの組合わせで有利に使用される。これは、電気コイルを駆動する電源部をビームブースト電位にすることを防止し、カラムのより安定した動作を可能にする。
【００１６】
本発明はまた、記載された装置を作動させる方法を目的とする。それは、装置のあらゆる機能を実行する方法ステップを含む。さらに、本発明はまた、開示された方法を実行し、記載された方法ステップの各々を実行する装置部品を含む装置を目的とする。これらの方法ステップは、ハードウェア構成要素、適切なソフトウェアによってプログラムされるコンピューター、その二つのいかなる組合わせ又は他のいかなる方法で実行されてもよい。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明のより詳細な説明は、部分的に図示した図面を参照して記述される。
【００１８】
従来技術による荷電粒子ビーム装置は、図２で概略的に示される。荷電粒子ビーム装置１は、荷電粒子供給源２が取り付けられる頂部カバープレート２０を含む。電力で供給源２を提供するためのワイヤ３は、頂部カバープレートを通り抜け電源に至る。電子ビーム装置において、タングステン−ヘアピン銃、ランタン−六ホウ化物銃、フィールド放射銃等のような電子供給源を使用することができる。しかしながら、本発明は電子供給源に限定されず、全種類の荷電粒子供給源と共に使用することができる。図２で示される従来技術において、抽出装置及び抑制装置４は、粒子供給源２の下に配置される。例えば、ビームブースト電位以下の加速電位に設定され、供給源から来る荷電粒子を引きつける。それとは逆に、加速装置及び供給源の間に配置される抑制装置は抑制電位に設定され、抽出装置の方へ引っ張られている粒子の数を制限する。このように、ビーム電流は調整することができ、かつ高くなるのが防止される。
【００１９】
荷電粒子１０のビームが形成され供給源を離れた後、電磁レンズ、偏向コイル、及びスティグマトール（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）のシステムは、荷電粒子ビームが試料に衝突する前に、荷電粒子ビームの制御及び調整を伴う。これらの構成要素の特定な配置は、使用される荷電粒子装置の具体的な用途に強く依存する。多くの装置において、２個又は３個の直列集光レンズ（図示しない）は、ビームスポットを連続的に縮小するために使用され、これは高倍率で良好な解像度のために本質的である。スティグマトール（図示しない）は、試料上をスキャンするビームによって形成されるスポットの丸みにおける歪みを、制御するために使用される構成要素である。丸くないビームスポットは、表示モニターに一方向で不鮮明な画像を発生させる。必要な場合、走査ユニット（図示しない）が光学カラムに配置される。例えば、ワイヤの一組の小さいコイルは、走査ジェネレーターによって作動して磁場を発生し、これにより、ラスターと呼ばれる制御されたパターンで、あちこちに荷電粒子のビームを偏向させる。ラスターは、テレビジョン受信機におけるラスターに非常に類似している。
【００２０】
対物レンズと呼ばれるカラム内又はカラム下の最終レンズは、カラムの光軸（ｚ軸）に沿って交差点の動きを制御することにより画像に焦点に結ばせる。図２において、静電レンズ１２はカラムの下に配置される。しかしながら、多くの用途において、その巻線による制御可能な電流Ｉを有する磁気レンズが使用される。大きい制御電流のために、冷却がしばしば必要である。
【００２１】
ビーム１０の粒子が試料１４の表面に衝突するとき、粒子は試料の原子の核及び電子と一連の複雑な相互作用を受ける。相互作用は、様々な副産物、例えば異なるエネルギーの電子、Ｘ線、熱及び光を生成する。これらの副産物の多くは、試料の画像を生成し、それから追加のデータを収集するために使用される。副産物を収集する検出器は、光軸の周囲に環状に又は側部に配置することができる。図２は、円盤状のコレクタ１６を示し、一次ビームを供給源２から試料１４まで通過させる孔をその中央に有する。この実施形態において、検出器は光導波路１７に取り付けられ、光導波路１７はハウジング１８を通り抜け結像電子回路（図示しない）で検出器に接続される。検出器１６を照射する副産物によって生成される光パルスは、ハウジング１８の外側を案内され、最終画像を形成するために使用される。
【００２２】
特に低電圧の用途で、荷電粒子ビーム装置の性能は、ビームブースターを使用することによってかなり増大することができる。ビームブースターは、光学カラム中荷電粒子を高速で移動させ、試料に衝突する前に、速度を落とす。ビーム内の粒子は、異なる運動エネルギー及び従って異なる波長を有する。異なる波長は、焦点に運ばれる粒子を異なる点に動かし、これは画像を不鮮明にする。荷電粒子の平均運動エネルギーに対する運動エネルギーの差の比率ΔＥ／Ｅは、画像が焦点からずれる大きさに影響する。運動エネルギーΔＥにおける変動は主に粒子Ｅの全体の運動エネルギーに関して独立しているので、彼らが試料にあたる前に、レンズ欠陥は荷電粒子を比較的高速で対物レンズに入射することによって減少することができ、その後荷電粒子が試料に衝突する前に減速することができる。
【００２３】
荷電粒子装置の代表的な光学カラムにおけるビームブーストは、荷電粒子を供給源から対物レンズへの途中で高電位にすることによって実現する。これは、ビームブースト電位とかなり異なる電位を有する全ての導電性部品から、ビーム経路をシールドすることによって達成される。図２に示す実施形態において、シールド電極３０は、ビーム経路を接地されたハウジング１８からシールドし、必要により、一般に、また、接地電位であるビームアライメントコイルからもシールドされる。電極３０をシールドするために、いわゆるライナー管がよく使用される。カラムの下部において、例えばシールド電極３２は、ビーム経路を接地されたハウジング１８からシールドする。カラムの中央部において、バルブユニット６，８が配置される。これは、銃チャンバにおける真空を、試料チャンバ（例えば図４参照）で一般的な真空から隔離する。さらに、保持ユニット６に取り付けられるスライディングバルブ８を閉じることによって、銃チャンバの真空を破ることなく試料の交換が可能となる。スライディングバルブ８及び保持ユニット６もまた、ビームブースト電位に置かれ、これにより、逆にビーム経路の近くで電場を生じる。しかしながら、光学カラムの特定のセットアップ又は使用される用途に従い、バルブユニットが必ずしも必要でないことは、注意しなければならない。
【００２４】
従来技術で使用される所定の装置において、ビームブースト電位に設定されるシールド電極及び他の全部品は、互いに接続されてビーム経路の周囲に単一の内部チャネルを形成する。これにより、この妨害する場からビーム経路の非常に良好なシールドとなる。
【００２５】
一般に、上述した構成要素である、シールド電極３０（又はライナー管）、バルブユニット６，８、シールド電極３２は、接地されたハウジング１８に固定される必要がある。これは、ハウジング及びこれらの構成要素間の絶縁を必要とする。ビームを増大させるために使用される電位差は、一般に１ｋＶを超える。従って、絶縁体３４、３６、３８は高電圧差に適合しなければならない。
【００２６】
ハウジング１８は、図２で部分的に示される試料チャンバ２２の壁部に接続される。安全性のために、ハウジングは接地される。ハウジングのために使用される材料は、妨害電場及び磁場から内側をシールドするために、通常電気的及び磁気的に導電性である。
【００２７】
図１は、本発明の実施形態を示す。ここで、同じ参照番号は、対応する部材を示す。ビームブースト電位に設定されているハウジング４０を備える荷電粒子ビーム装置１は、加速装置及び抑圧装置４を備える荷電粒子源２を含む。粒子供給源２のための電源装置ワイヤ３は、頂部カバープレート２０を貫通して配置されている。粒子供給源２の下で、抑制器及び加速装置ユニットは、ビーム電流を調整する。ビームを案内するためのレンズシステム、スティグマトール、偏向コイル等は、図１で図示されていない。異なる真空レベルで保持される２つの区画に光学カラムを分割するバルブユニット６、８は、（必要に応じて）ハウジング４０に接続され、ビームブースト電位に設定される。従って、バルブユニット６、８は絶縁体を必要とせず、ユニット６及びスライディングバルブ８を保持することから生じる電場は、カラムで優勢なビームブースト電位を乱さない。
【００２８】
検出器１６は、副産物を収集するためにビーム経路１０に配置される。光導波路１７に沿った導電性の接続、検出器及びハウジング間に配置される他の導電性の接続、又はビームブースト電位に設定されている導電性部品により、ビームブースト電位が維持される。
【００２９】
全ての光学カラムがバルブユニット６、８を必要とするというわけではない点に留意する必要がある。その上、検出器は必ずしもビーム経路で位置決めされる必要はない。検出器は、光学カラムの側部又は外側及び下部、例えば透過顕微鏡に配置することができる。特定の用途がビーム経路の近くに配置される光学構成要素を必要とする場合、これをビームブースト電位に維持することが望ましい。構成要素の電場の影響を乱すと予測される影響は、構成要素の大きさ、ビーム経路への距離、使用する材料、及び荷電粒子ビーム装置の動作間の電位に依存する。これにより、どの程度まで各部品をビームブースト電位に設定することが必要であるかを見積もることができる。しかしながら、電場の影響を見出すと予測される全ての構成要素又は部品をビームブースト電位に設定することが、最も好適である。
【００３０】
図１は、荷電粒子ビーム装置のハウジング４０の下に３つの電極を備える静電対物レンズ１２を示す。好適な実施形態において、上部の電極はビームブースト電位に維持される。中央の電極は、供給源から試料上に向かう荷電粒子を焦点調節するために使用される。同時に、この電極は試料に衝突する前に荷電粒子を減速する。下部の電極は、主に制御のために使用され、例えば、下部電極は供給源から来る二次粒子のために抽出電場を調整する。３つの電極の使用は必要でなく、原理的には１つの電極だけで十分であろう。しかしながら、対物レンズの焦点調節を調整するオプションを、例えば制限する。
【００３１】
頂部カバープレート２０は、ハウジング４０に接続されており、従って、ビームブースト電位に設定される。荷電粒子供給源２に電力を供給するワイヤ３及び供給源自体は、一般にビームブースト電位ではない。絶縁は、一側の頂部カバープレート２０及びワイヤ３及び他側の供給源２の間に設けられる。あるいは、頂部カバープレート２０を荷電粒子供給源２の電位に維持することは可能であるが、絶縁はハウジング４０及び頂部カバープレート２０間に設けられる必要がある。
【００３２】
ハウジング４０及び頂部カバープレート２０は、接地電位に設定されるカバー４２及び頂部カバー４６に囲まれている。ハウジング４０及びカバー４２の間及び頂部カバープレート２０及び頂部カバー４６の間に、絶縁層４８が配置される。絶縁層は、厚さを変更する絶縁材料又は十分な大きさの空気ギャップであり得る。特に後者の場合、放電のフードを減少するために頂部カバープレート２０の端部を丸くすることが好適である。加えて、絶縁はワイヤ３及び頂部カバー４６間に提供される。
【００３３】
図３は、図２の先行技術による荷電粒子ビーム装置を絶縁体を省略して示す。シールド電極３０及び３２は、直接にハウジング４０に接続され、ビームブースト電位に設定される。用途に応じて、スティグマトール、偏向コイル又は他のどの構成要素も、後部に配置することができる。しかしながら、これらの部材をシールド電極の後部に配置することは必須ではないことに注意しなければならない。光学カラムは、カバー４２及びカバープレート４６に囲まれている。有利には、供給源２及び対物レンズ間に配置される全ての部品及び構成要素は、ビームブースト電位に設定される。
【００３４】
銃チャンバの真空度を上げるために、荷電粒子供給源の近くにゲッター材料を配置することが可能である。正確な配置に依存して、ゲッター材料は、ビームブースト電位又は荷電粒子供給源の電位のどちらに設定される。あるいは、ゲッターポンプをカラムの外側に配置することができ、管部材は銃チャンバでポンプと接続する。当然、銃チャンバに延びる管部材端部は、動作の間好適にはビームブースト電位に設定される。そのため、ハウジング４０又はカバー４２を通る管部材の一部は、絶縁される必要がある。この絶縁は、絶縁層及び／又はその界面に絶縁材料を有するフランジにより実施できる。
【００３５】
図４は、試料チャンバ２２に接続された光学カラムの下部を示す。一般に、試料チャンバは、チャンバを排気するために別個な真空ポンプ（図示しない）を有する。漏洩を避けるために、シーリング４４例えばＯ−リングがカバー４２及び試料チャンバ間に配置される。壁部の具体的な設定に従い、他の又は追加のシーリングをハウジング４０及びカバー４２間に配置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による荷電粒子装置の光学カラムを示し、ハウジングはビームブースト電位に設定されている。
【図２】 従来技術による荷電粒子装置の光学カラムを示す。
【図３】 本発明による荷電粒子ビーム装置の他の実施形態を示す。
【図４】 本発明の荷電粒子装置の試料チャンバを示す。

Claims (8)

1. 試料を検査する荷電粒子ビーム装置の小型化された光学カラムであって、
   前記光学カラムは、
   前記荷電粒子ビームを供給する荷電粒子供給源と；
   前記供給源から前記試料上へ前記荷電粒子ビームを導くレンズシステムと；
   前記荷電粒子ビームを前記試料上で走査する偏向ユニットを内部に備えるハウジングであって、動作中に前記ハウジングがビームブースト電位に設定され、前記ハウジングは、接地電位に設定されるカバーによって囲まれる、前記ハウジングと；
   を備える、光学カラム。
2. 前記ハウジングは、前記粒子供給源と前記対物レンズ間に配置されるバルブを内部に備え、動作中に前記バルブがビームブースト電位に設定される、請求項１に記載の光学カラム。
3. 前記ハウジングは、試料に当たる荷電粒子ビームによって生成される粒子又はフォトンを集める検出器を内部に備え、前記検出器が前記荷電粒子ビームの光軸の周囲に環状に又は側部に配置される、請求項１〜２の何れか１項に記載の光学カラム。
4. 前記ハウジングは、頂部にカバープレートを更に備え、前記カバープレートはビームブースト電位に設定される、請求項１〜３の何れか１項に記載の光学カラム。
5. 絶縁層が前記カバーと前記ハウジング間に配置される、請求項４に記載の光学カラム。
6. 静電レンズがハウジング内で使われる、請求項１〜５の何れか１項に記載の光学カラム。
7. 永久磁石がハウジング内で使われる、請求項１〜６の何れか１項に記載の光学カラム。
8. 前記偏向ユニットは、供給源から試料上に向かう荷電粒子を焦点調節する別の電極を含み、前記別の電極は、荷電粒子が試料に当たる前に荷電粒子を減速する、請求項１〜７の何れか１項に記載の光学カラム。

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