JP3950769B2 - 荷電粒子ビーム装置における収差補正装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置やイオンマイクロプローブなどのイオンビーム装置における色収差と球面収差を補正するための荷電粒子ビーム装置における収差補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡において、高分解能の像を観察したりプローブ電流密度を上げることを目的として、電子光学系の中に収差補正装置が組み込まれている。この収差補正装置として、色収差を静電型４極子と磁場型４極子の組合せで補正し、球面収差を４段の８極子で補正する（原理）方式が提案されている（非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
ここで、上記した収差補正装置の原理の概略を、図１に基づいて説明する。図１において、対物レンズ７の前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差補正装置Ｃは、４段の静電型４極子１、２、３、４と、静電型４極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成する２段の磁場型４極子５、６と、４段の静電型４極子が形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。
【０００４】
なお、実際の装置では、これら４極子や８極子の電界に、更に４段の２極子（軸合せ用の偏向装置として動作する）と４段の６極子（２次の開口収差補正用として働く）が重畳するように成されているが、本発明とは直接関係は小さいので、詳しくは説明しない。
【０００５】
このような構成において、図の左側から入射した荷電粒子ビームは、４段の静電型４極子１、２、３、４と対物レンズ７によって、基準となる荷電粒子ビームの軌道が作られ、試料面２０に荷電粒子ビームがフォーカスされる。この図１では、粒子線のＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙを平面上に模式的に描いている。
【０００６】
基準軌道とは、近軸軌道（収差が無いときの軌道と考えてよい）として、４極子１によってＹ方向の軌道Ｒｙが４極子２の中心を通り、４極子２によってＸ方向の軌道Ｒｘが４極子３の中心を通り、最後に４極子３、４と対物レンズ７によって荷電粒子ビームが試料面２０にフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要になる。
【０００７】
なお、このとき、前記の４段の２極子は軸合わせのため用いられる。
【０００８】
次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正について説明する。図１に示したような系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型４極子２の電位φq2［Ｖ］と磁場型４極子５の励磁Ｊ2［ＡＴ］（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌道を変えないように静電型４極子３の電位φq3［Ｖ］と磁場型４極子６の励磁J3［ＡＴ］が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。
【０００９】
次に、球面収差補正（３次の開口収差補正）について説明する。球面収差を補正する場合には、Ｘ，Ｙ方向の色収差の補正を行った後に、静電型８極子１２の電位φO2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位φO3によってＹ方向の球面収差を０に補正する。
【００１０】
次に、ＸＹが合成された方向の球面型収差を静電型８極子１１、１４で０に補正する。実際は交互の繰返し調整が必要になる。なお、４極子や８極子の電位や励磁の重畳は、１個の１２極子を用いて、１２極の各極子に印加する電位や励磁を変化させ２極子、４極子、６極子、８極子などの合成が行われ、実用化されている。
【００１１】
ところで、色収差補正が終わった後、球面収差補正を行う前に、４段の６極子による２次の開口収差を補正する必要が生じる場合がある。その補正法は、前記の球面収差の補正法と同様の手順で行う。この２次の開口収差は収差補正装置の機械的精度に依存して発生するものであるが、通常は補正量も小さく本発明における範囲では高次収差への影響も小さい。また、この２次の開口収差は収差補正装置内部で補正されるものであり、本発明において重要であるところの「収差補正装置と対物レンズとによる合成倍率（後述する）」を変化させても、それによる影響を受けにくい。よって、本発明では２次の開口収差は収差補正に関しては説明を省く。
【００１２】
以下の説明で、静電型の多極子で電位φ（あるいは電圧）という表現を用いた場合には、図２ａ、２ｂに示すような標準配列をした多極子の＋側の値を表すものとする。同様に、磁場型の励磁Ｊという表現を用いた場合には、＋側の励磁［ＡＴ］を表すものとする。
【００１３】
次に、加速電圧を変更したときの収差補正装置Ｃの従来の標準的な調整方法について説明する。従来の標準的な考え方に従えば、加速電圧Ｖaを変更しても、基準軌道は変更しないようにする方法がある。この場合には、第１に４段の静電型４極子１〜４のフォーカス電位φqf1〜φqf4を加速電圧Ｖaに比例させる。
【００１４】
第２に、２段目と３段目の静電型４極子３，４の色収差補正電位φqc2とφqc3を加速電圧Ｖaに比例させる。第３に、２段目と３段目の磁場型４極子５，６の色収差補正励磁J2とJ3を加速電圧Ｖaの平方根に比例させる。なお、この場合、相対論効果が無視できる範囲で比例させる。
【００１５】
このような調整によって、２段目と３段目の静電型４極子３，４の電位は次のようになる。
【００１６】
φqf2＋φqc2、φqf3＋φqc3
となる。これによって、加速電圧が変化しても、粒子光学系の幾何光学的な性質(焦点距離、基準軌道、収差係数など)は一定に保たれる。
【００１７】
【非特許文献１】
V. H. Rose, Optik 33, Heft1, 1 (1971)
【非特許文献２】
J. Zach, Optik 83, No1, 30 (1989)
【非特許文献３】
J. Zach and M. Haider, Nucl. Instr. and Meth. In Pyhs. Res. A 363, 316 (1995)
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
前記した収差補正の理論や、実際に行われた実験に基づく結果では、色収差と球面収差がほぼ完全に補正され、前記収差補正系の優秀性が認められたが、実用化の観点からは、収差補正系の安定度や印加電圧の範囲、さらには最適条件等に関しては、十分な配慮がなされていなかった。例えば、次に示すような問題点が生じている。
【００１９】
第１に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、加速電圧が低い値に設定された場合、収差補正装置で用いる電圧または電流のノイズ成分の影響が大きくなる。
【００２０】
第２に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、低加速電圧で大きな補正電位を用いるようにすると、高加速電圧側で収差補正装置の耐圧電圧が問題になる。
【００２１】
第３に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、低加速電圧でノイズ成分の影響を受けないようにするには、電源の電圧または電流のノイズ成分の量を比現実的な値まで減らす必要があり、これを実現しようとすれば、装置は高価なものになってしまう。
【００２２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズの問題を解決し、長時間に渡って安定なそして最適な収差補正を行うことができる荷電粒子ビーム装置の収差補正装置を実現するにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴としている。
【００２４】
請求項１記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、加速電圧を変更したとき、前記４段の静電型４極子のうちの中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させることにより、色収差または色収差と球面収差を補正することが可能になる。
【００２５】
また、請求項２の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００２６】
請求項３記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値、または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００２７】
また、請求項４の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項５の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴としている。
【００２９】
また、請求項６記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００３０】
また、請求項７の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００３１】
また、請求項８の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴としている。
【００３２】
【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詳細に説明する。図３は本発明の基本構成を示しており、荷電粒子ビームの一部をプローブとして試料に照射する装置において、色収差を補正するために、４段の静電型４極子１、２、３、４と中央の２段の静電型４極子２、３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子５、６と、対物レンズ７と、光路の一部に設けられた対物絞り８と、加速電圧や作動距離を変更する操作表示部９と、４段の静電４極子１〜４に電圧を供給する電源１０と、２段の磁場型４極子５、６を励磁する電源１５と、対物レンズの電源１７と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１０、１５を制御する制御部１９が備えられている。
【００３３】
なお、対物レンズ７は、対物レンズ７が磁場型の場合は電源１７から供給される電流を変えることによって、対物レンズ７が静電型の場合は電源１７から供給される電圧を変えることによって、あるいは対物レンズ７が電場・磁場重畳型の場合は電源１７から供給される電流および電圧を調節することによって、レンズの強度が調節される。更に、荷電粒子が高速のイオンの場合には、荷電粒子の質量に関係なく同じ屈折力が得られる静電型の対物レンズ７が用いられる。
【００３４】
また、球面収差を補正するために、前記した各構成要素に加えて４段の静電型４極子１、２、３、４の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と、４段の静電型８極子に電圧を供給する電源１８と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１８を制御する制御部１９が備えられている。
【００３５】
以下において、上記４段の静電型４極子１、２、３、４と２段の磁場型４極子５、６と、これに各電源１０、１５を含めたもの、あるいはこれらに更に４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と電源１８を含めたものを収差補正装置Ｃと呼ぶことにする。
【００３６】
このような収差補正装置Ｃは、例えば図８に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１００内には、電子ビームを発生し、加速電圧によって電子にエネルギーを与える電子銃１０１、電子銃１０１で発生した電子ビームを集束し、かつ電子ビーム電流を適当な値に制限するためのコンデンサレンズ１０２と対物絞り１０３、収差補正装置Ｃ、電子ビームを二次元的に偏向して走査するための偏向器１０４、電子ビームをフォーカスして試料１０６に照射する対物レンズ１０５、試料１０６を載置して所望の場所で電子ビーム照射・走査されるように試料１０６を任意に駆動できる試料ステージ１０７、電子ビームの照射・走査に伴って試料１０６から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１０８等が備えられている。なお、電子銃１０１から対物レンズ１０５までを電子ビームの光学系と呼ぶことがある。更に、試料１０６近傍で電子ビーム減速させるために試料１０６に減速電位を印加した場合には、電子銃１０１から試料１０６までが電子ビームの光学系となる。
【００３７】
本発明の第１の特徴は、操作表示部９で加速電圧や作動距離を変更した場合、より安定な収差補正の動作を行うために、制御部１９が以下のような処理を行うことにある。
【００３８】
これからの説明を簡単化するために、以下の説明では、基準軌道のＸ方向を例にとって動作原理を説明するが、Ｙ方向も全く同様に動作する。収差補正装置Ｃにおいて静電型４極子の色収差補正電位φqc2、φqc3及び磁場型４極子の色収差補正励磁Ｊ2、Ｊ3が一定でも、第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ4ＭOLを変化させ、収差補正装置で発生した負の収差係数を調整し、粒子光学系の全体の色収差係数を試料面において実質的に０にすることができる。
【００３９】
この方法については、先願である特願２００１−３２８７７６号明細書中に詳細に記載されている。本発明の原理を説明するためにこの内容を要約すると、第３段目の静電型４極子３と磁場型４極子６の中央に作られる収差補正のための色収差係数Coxは、後段の光学系の収差の影響がなければ試料面２０では
Cox・(Ｍ4ＭOL)2
という色収差係数になる。
【００４０】
従って、色収差補正を行う前の粒子光学系全体によって試料面に形成される色収差係数をCxとすると、
Cx＋Cox・(Ｍ4ＭOL)2＝０
となるように、Ｍ4ＭOLを調整すれば良い。前記した先願の発明においては、加速電圧や作動距離を変えた場合、磁場型４極子の色収差補正励磁Ｊ2、Ｊ3を一定に保ったままで、φqc2、φqc3の値を調整して基準軌道を保ち、倍率調整のために基準軌道を変えるときは主に４段目の静電型４極子４と対物レンズ７によって調整可能であり、これによって色収差が補正できることを示した。
【００４１】
また、この倍率調整の考え方は、収差補正電位を異常に高く設定するのを防ぐことに利用できることも示した。更に、球面収差は、この色収差補正の後に４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４の調整によって補正可能であることを示した。
【００４２】
なお、上記の「粒子光学系全体」とは、単純にいえば、図３においては、収差補正装置Ｃと対物レンズ７とから成る系であり、図７においては、収差補正装置Ｃと追加レンズ２７と対物レンズ７とから成る系である。しかし、もし、図３や図７に描かれた系の前に、例えば、コンデンサレンズや荷電粒子ビームの発生源に構成される引出し電極等のレンズ作用を行うものがある場合（大抵の装置はそのようになっている）には、これらも含めて「粒子光学系全体」と呼ぶ方がより正確である。例えば、図８に示した電子銃１０１から対物レンズ１０５までの電子ビーム光学系がそれに相当する。また、試料１０６近傍で電子ビームを減速させるために試料１０６に減速電位を印加した場合には、電子銃１０１から試料１０６までが電子ビームの光学系となる。
【００４３】
さて、収差補正装置Ｃの各電源１０，１５，１７は、供給する電位φに対してゆらぎ成分Δφや励磁電流ＩのゆらぎΔＩを持っている。ΔφやΔＩは小さい方が望ましいが完全に０にすることはできない。本発明ではこの４段目の静電型４極子４と対物レンズ７による倍率調整の考え方を、電源１０、１５、１８のノイズの影響を軽減するために応用したものである。以下ではΔφを例に説明するが、ΔＩについても同様に考えることができる。図４を用いて以下に説明する。
【００４４】
加速電圧Ｖaが小さい場合でも、許容できる範囲で収差補正電位φqc2、φqc3を十分大きな値に設定して固定したとする。このとき、収差補正装置で発生する収差補正のための収差係数は必要量よりも大きな値になるので、適性に収差補正を行うためには、加速電圧が高いときよりも４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率Ｍ（Ｍ＝Ｍ4・ＭOL）を小さく設定する必要がある。
【００４５】
一方、２段目の静電型４極子２の電位変動Δφで軌道が角度δだけずれたとき、静電型４極子２のＸ方向の像面である３段目の静電型４極子３の中心では、Ｌδだけ位置ずれが起こる。この位置ずれは４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率により、試料面でＭ・Ｌδのずれになる。一方、Δφによる角度のずれδが加速電圧Ｖaに反比例すると仮定すると、δ∝１／Ｖaとなるので、加速電圧Ｖaが小さい場合には、このゆらぎΔφの影響を軽減するためにはＭを小さく設定すべきであることがわかる。従って、この設定は低加速電圧では収差補正のために高加速電圧よりもＭを低下させるのと矛盾しないことがわかる。
【００４６】
低加速電圧で収差補正電位を高く保つことは、上記のような位置ずれの問題だけでなく、Δφによる収差補正量の変化も軽減できる。静電型４極子２、３の色収差補正電位がφqc2、φqc3の場合には
Δφ／φqc2、 Δφ／φqc3
だけ色収差係数のゆらぎが発生し、静電型８極子１１、１２、１３、１４の球面収差補正電位がφO1、φO2、φO3、φO4の場合には、
Δφ／φO1、 Δφ／φO2、 Δφ／φO3、 Δφ／φO4
だけ球面収差係数のゆらぎが発生する。
【００４７】
以上のように、収差係数のゆらぎを軽減する観点からも、加速電圧が低い場合には収差補正の電位を加速電圧に比例して低下させずに高く設定し、合成倍率Ｍを高加速電圧の場合よりも小さく設定すべきであることがわかる。
【００４８】
次に、図５に基づき、低加速電圧で高加速電圧よりも合成倍率Ｍを小さく設定する例を、さらに一般的に説明する。加速電圧Ｖaに対して、静電型４極子２、３の色収差補正電位φqc2、φqc3を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて色収差を補正する方法がある。すなわち、相対論効果が無視できる領域において、冪指数ｎ＜１（１未満の実数）に対して
φqc2＝ｋΦ2・Ｖan、φqc3＝ｋΦ3・Ｖan （ｋΦ2、ｋΦ3は定数）
である。
【００４９】
また、対応する磁場型４極子５、６の励磁J2、Ｊ3を
Ｊ2＝ｋJ2・Ｖan-1/2、Ｊ3＝ｋJ3・Ｖan-1/2 （ｋJ2、ｋJ3は定数）
とする。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、収差補正電位のゆらぎΔφの影響を受けにくくなる。
【００５０】
また、静電４極子に印加する電位を適性値から高くすると高次の収差係数が増大するため、使用している収差補正装置や粒子光学系に合せて、ｎを適切に選べば試料面におけるプローブを最小かつ安定に保つことが可能になる。なお、この式で特にｎ＝１／２の場合が先の出願である特願２００１−３２８７７６の一部で説明した内容である。
【００５１】
なお、Ｍを変化させることによるＸ、Ｙ方向の倍率のずれや、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子２、３の何れか一方を上記の式で制御するように制御部１９を構成することも可能である。
【００５２】
なお、上記Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性とは、収差補正装置と他のレンズ系によるＸ方向とＹ方向の総合倍率をそれぞれＭｘ、Ｍｙとするとき、収差補正装置でＭｘを変化させると、Ｍｘ、Ｍｙの比ｋ（ｋ＝Ｍｘ／Ｍｙ）が変化する。この結果、Ｍ４を変化させる前では、Ｘ、Ｙ方向の収差係数が完璧に０に補正されていたとすると、Ｍ４を変えたことにより、Ｘ、Ｙ方向共にフォーカスさせる必要があるため、本発明の式に合わせて収差補正電圧を変化させると、Ｘ、Ｙ方向のどちらか一方は、完全には０にできなくなることを意味している。すなわち、例えば、Ｘ方向のみ色収差が補正されても、Ｙ方向に色収差が１０％残っていれば、これが最終プローブ径を制限して、分解能を劣化させることになる。
【００５３】
更に、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子２、３の何れか一方を上記の式で制御するようにしたが、一方だけを制御したのは、Ｘ、Ｙ方向の色収差係数を同時に完全に０にするためである。
【００５４】
すなわち、前記した式に基づいて、例えば、Ｘ方向の色収差係数を完全に０にし、その上で、Ｙ方向についても前記の式に基づいて制御すると、上記の理由によって、Ｙ方向の収差係数は完全には０にならなくなる。そこで、Ｙ方向については前記のしきからはわずかにずれた収差補正電圧となるように制御して、Ｙ方向の収差係数も完全に０にするように、収差補正電圧を設定するためである。
【００５５】
上記した第２の実施の形態において、特にｎ＝０とすると、収差補正電位は一定になり、制御が単純になる。すなわち、
φqc2＝ｋΦ2、φqc3＝ｋΦ3 （ｋΦ2、ｋΦ3は定数）
である。また、対応する磁場型４極子１２、１３の励磁Ｊ2、Ｊ3は
Ｊ2＝ｋJ2・Ｖa-1/2、 Ｊ3＝ｋJ3・Ｖa-1/2 （ｋJ2、ｋJ3は定数）
となる。
【００５６】
この場合にも、また、Ｍを変化させることによるＸ、Ｙ方向の倍率のずれや、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電型４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子５、６の何れか一方を上記の式で制御するように制御部１９を構成することも可能である。
【００５７】
ここで、収差補正装置の静電型４極子用電源１０で供給できる最大電圧、または静電型４極子に印加できる最大電圧の絶対値をφmとする。この電圧を有効に使用する観点から、静電型４極子２、３に印加されるフォーカス電位と色収差補正の合成電位を
｜φqf2＋φqc2｜≒φm または ｜φqf3＋φqc3｜≒φm
を満たすように制御する。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、電源電圧のゆらぎΔφの影響を最も受けにくい構成となる。
【００５８】
前記の実施の形態では、静電型４極子２、３のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値についての実施例を示したが、静電４極子と静電８極子の機能を兼ね備えた静電型１２極子を用いる場合などでは、球面収差の補正電位も考慮する必要がある。この場合には、
｜φqf2＋φqc2＋φO2｜≒φm または ｜φqf3＋φqc3＋φO3｜≒φm
を満たすように制御する。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、電源電圧のゆらぎΔφの影響を最も受けにくい構成となる。
【００５９】
なお、ここでの「総合倍率Ｍt」とは、図３の場合においては、収差補正装置Ｃ全体と対物レンズ７とを含めた倍率である。先に「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」の説明において、静電型４極子４の倍率Ｍ4が定義されていたが、一般の多極子においても、例えばＸ方向とＹ方向に分けて考えれば、通常のレンズと同様に「倍率」が定義できる。従って、収差補正装置Ｃの各多極子についても同様に倍率が定義できるし、収差補正装置Ｃ全体の倍率も定義できる。実は、先の図４を用いた説明における「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」という考え方は、本発明の動作を分かり易く説明するために動作をできるだけ単純化したことによるものである。しかし実際の動作においては、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」を調整すると、他の４極子もわずかに影響を受けるため、わずかな再調整が必要になる。従って、実際の動作を厳密にいえば、「静電４極子と対物レンズ７の合成倍率」の調整だけでなく、収差補正装置Ｃと対物レンズ７とを含めた「総合倍率Ｍt」の調整が必要になる。そのような意味では、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整する」は、厳密には、「総合倍率Ｍtを
調整する」というべきである。
【００６０】
前記した各例では、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正を行う例について記載した。しかしながら、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ4を変更すると、わずかではあるが基準軌道を得るための各４極子の電圧を変更する必要があり、Ｘ方向とＹ方向の倍率のズレを大きくする原因にもなる。この不具合を軽減するため、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ4は変更せずに、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の間に少なくとも１個の軸対称な追加レンズ系２７を入れ、この追加レンズ系２７の倍率ＭAと対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率ＭAＭOLを調整するようにすれば、実施例１と同様の効果が得られることは明らかである。この追加レンズ系は、先願である特願２００２−１８９８１２に記載されたトランスファーレンズとして用いることも可能である。また、合成倍率Ｍ4ＭOLまたはＭAＭOLを変更することによる開き角の変化は、先願である特願２００１−３５４３３５に記載された開き角制御レンズを用いることによって最適に保つことができる。
【００６１】
前記の各実施の形態では、加速電圧を変更した場合について記述したが、作動距離を変更した場合であっても同様に考えることができる。すなわち、作動距離を長くした場合には色収差係数や球面収差係数が増大するため、これらの係数を限られた収差補正電位で補正するためには、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOL、または、追加レンズ系２７と対物レンズ７の合成倍率Ｍ＝ＭAＭOLを大きくする必要がある。
【００６２】
Ｍを大きくするとノイズの影響を受け易くなるので、Ｍの増大をできるだけ軽減するため、収差補正電位は可能な限り大きく設定する必要がある。この意味で、低加速電圧で収差補正電位を高く設定することは有益である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、加速電圧を低加速側に設定したとき、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率、または追加レンズ系と対物レンズ系の合成倍率Ｍを高加速電圧における値よりも小さく設定するように構成したので、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響を軽減できるようになった。
【００６４】
また、加速電圧を変更したとき、収差補正装置の色収差補正電位φcを加速電圧Ｖaのｎ＝１未満の冪乗に比例させて(φc∝Ｖa)、色収差または色収差と球面収差とを補正可能に構成したので、収差補正装置の性質に合わせて、最適なｎを選択することができる。
【００６５】
また、低加速電圧における前記合成倍率Ｍの加速電圧に対する減少の割合を選択できるようになり、プローブ径の最小化や収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの最小化が図れるようになった。
更に、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置の色収差補正電位または色収差と球面収差の補正電位がほぼ一定になるようにしたので、収差補正電位の制御が単純になり、低加速電圧において前記合成倍率Ｍを小さく設定できるため、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響が軽減される。
【００６６】
更にまた、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置のフォーカス電位と色収差収補正電位の合計値、または収差補正装置のフォーカス電位と色収差補正電位と球面収差補正電位の合計値を、収差補正装置の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いるようにしたので、電源電圧を最も有効に使用しつつ、低加速電圧における前記合成倍率Ｍを小さく設定できるため、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響を軽減できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】収差補正装置の原理の概略を説明するための図である。
【図２】静電型多極子の標準配列を示す図である。
【図３】本発明の基本構成を示す図である。
【図４】本発明の基本の動作原理を説明するための図である。
【図５】加速電圧に対する収差補正電位と色収差補正励磁の変化曲線を示す図である。
【図６】収差補正電位が一定の場合の加速電圧に対する収差補正電位と色収差補正励磁の変化曲線を示す図である。
【図７】追加のレンズ系を用いた実施の形態を示す図である。
【図８】収差補正装置Ｃが組み込まれた走査電子顕微鏡の例を説明する図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ 静電型４極子
５，６ 磁場型４極子
７ 対物レンズ
８ 対物絞り
９ 操作表示部
１０，１５，１８，１９ 電源
２０ 試料面
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置やイオンマイクロプローブなどのイオンビーム装置における色収差と球面収差を補正するための荷電粒子ビーム装置における収差補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡において、高分解能の像を観察したりプローブ電流密度を上げることを目的として、電子光学系の中に収差補正装置が組み込まれている。この収差補正装置として、色収差を静電型４極子と磁場型４極子の組合せで補正し、球面収差を４段の８極子で補正する（原理）方式が提案されている（非特許文献１〜３参照）。
【０００３】
ここで、上記した収差補正装置の原理の概略を、図１に基づいて説明する。図１において、対物レンズ７の前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差補正装置Ｃは、４段の静電型４極子１、２、３、４と、静電型４極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成する２段の磁場型４極子５、６と、４段の静電型４極子が形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８極子１１，１２，１３，１４とより構成されている。
【０００４】
なお、実際の装置では、これら４極子や８極子の電界に、更に４段の２極子（軸合せ用の偏向装置として動作する）と４段の６極子（２次の開口収差補正用として働く）が重畳するように成されているが、本発明とは直接関係は小さいので、詳しくは説明しない。
【０００５】
このような構成において、図の左側から入射した荷電粒子ビームは、４段の静電型４極子１、２、３、４と対物レンズ７によって、基準となる荷電粒子ビームの軌道が作られ、試料面２０に荷電粒子ビームがフォーカスされる。この図１では、粒子線のＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙを平面上に模式的に描いている。
【０００６】
基準軌道とは、近軸軌道（収差が無いときの軌道と考えてよい）として、４極子１によってＹ方向の軌道Ｒｙが４極子２の中心を通り、４極子２によってＸ方向の軌道Ｒｘが４極子３の中心を通り、最後に４極子３、４と対物レンズ７によって荷電粒子ビームが試料面２０にフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要になる。
【０００７】
なお、このとき、前記の４段の２極子は軸合わせのため用いられる。
【０００８】
次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正について説明する。図１に示したような系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型４極子２の電位φq2［Ｖ］と磁場型４極子５の励磁Ｊ2［ＡＴ］（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌道を変えないように静電型４極子３の電位φq3［Ｖ］と磁場型４極子６の励磁J3［ＡＴ］が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。
【０００９】
次に、球面収差補正（３次の開口収差補正）について説明する。球面収差を補正する場合には、Ｘ，Ｙ方向の色収差の補正を行った後に、静電型８極子１２の電位φO2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子１３の電位φO3によってＹ方向の球面収差を０に補正する。
【００１０】
次に、ＸＹが合成された方向の球面型収差を静電型８極子１１、１４で０に補正する。実際は交互の繰返し調整が必要になる。なお、４極子や８極子の電位や励磁の重畳は、１個の１２極子を用いて、１２極の各極子に印加する電位や励磁を変化させ２極子、４極子、６極子、８極子などの合成が行われ、実用化されている。
【００１１】
ところで、色収差補正が終わった後、球面収差補正を行う前に、４段の６極子による２次の開口収差を補正する必要が生じる場合がある。その補正法は、前記の球面収差の補正法と同様の手順で行う。この２次の開口収差は収差補正装置の機械的精度に依存して発生するものであるが、通常は補正量も小さく本発明における範囲では高次収差への影響も小さい。また、この２次の開口収差は収差補正装置内部で補正されるものであり、本発明において重要であるところの「収差補正装置と対物レンズとによる合成倍率（後述する）」を変化させても、それによる影響を受けにくい。よって、本発明では２次の開口収差は収差補正に関しては説明を省く。
【００１２】
以下の説明で、静電型の多極子で電位φ（あるいは電圧）という表現を用いた場合には、図２ａ、２ｂに示すような標準配列をした多極子の＋側の値を表すものとする。同様に、磁場型の励磁Ｊという表現を用いた場合には、＋側の励磁［ＡＴ］を表すものとする。
【００１３】
次に、加速電圧を変更したときの収差補正装置Ｃの従来の標準的な調整方法について説明する。従来の標準的な考え方に従えば、加速電圧Ｖaを変更しても、基準軌道は変更しないようにする方法がある。この場合には、第１に４段の静電型４極子１〜４のフォーカス電位φqf1〜φqf4を加速電圧Ｖaに比例させる。
【００１４】
第２に、２段目と３段目の静電型４極子３，４の色収差補正電位φqc2とφqc3を加速電圧Ｖaに比例させる。第３に、２段目と３段目の磁場型４極子５，６の色収差補正励磁J2とJ3を加速電圧Ｖaの平方根に比例させる。なお、この場合、相対論効果が無視できる範囲で比例させる。
【００１５】
このような調整によって、２段目と３段目の静電型４極子３，４の電位は次のようになる。
【００１６】
φqf2＋φqc2、φqf3＋φqc3
となる。これによって、加速電圧が変化しても、粒子光学系の幾何光学的な性質(焦点距離、基準軌道、収差係数など)は一定に保たれる。
【００１７】
【非特許文献１】
V. H. Rose, Optik 33, Heft1, 1 (1971)
【非特許文献２】
J. Zach, Optik 83, No1, 30 (1989)
【非特許文献３】
J. Zach and M. Haider, Nucl. Instr. and Meth. In Pyhs. Res. A 363, 316 (1995)
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
前記した収差補正の理論や、実際に行われた実験に基づく結果では、色収差と球面収差がほぼ完全に補正され、前記収差補正系の優秀性が認められたが、実用化の観点からは、収差補正系の安定度や印加電圧の範囲、さらには最適条件等に関しては、十分な配慮がなされていなかった。例えば、次に示すような問題点が生じている。
【００１９】
第１に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、加速電圧が低い値に設定された場合、収差補正装置で用いる電圧または電流のノイズ成分の影響が大きくなる。
【００２０】
第２に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、低加速電圧で大きな補正電位を用いるようにすると、高加速電圧側で収差補正装置の耐圧電圧が問題になる。
【００２１】
第３に、従来例のように加速電圧に比例した収差補正電位を用いる場合には、低加速電圧でノイズ成分の影響を受けないようにするには、電源の電圧または電流のノイズ成分の量を比現実的な値まで減らす必要があり、これを実現しようとすれば、装置は高価なものになってしまう。
【００２２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、ノイズの問題を解決し、長時間に渡って安定なそして最適な収差補正を行うことができる荷電粒子ビーム装置の収差補正装置を実現するにある。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴としている。
【００２４】
請求項１記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、加速電圧を変更したとき、前記４段の静電型４極子のうちの中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させることにより、色収差または色収差と球面収差を補正することが可能になる。
【００２５】
また、請求項２の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００２６】
請求項３記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値、または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００２７】
また、請求項４の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴としている。
【００２８】
また、請求項５の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴としている。
【００２９】
また、請求項６記載の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００３０】
また、請求項７の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴としている。
【００３１】
また、請求項８の発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴としている。
【００３２】
【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詳細に説明する。図３は本発明の基本構成を示しており、荷電粒子ビームの一部をプローブとして試料に照射する装置において、色収差を補正するために、４段の静電型４極子１、２、３、４と中央の２段の静電型４極子２、３の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子５、６と、対物レンズ７と、光路の一部に設けられた対物絞り８と、加速電圧や作動距離を変更する操作表示部９と、４段の静電４極子１〜４に電圧を供給する電源１０と、２段の磁場型４極子５、６を励磁する電源１５と、対物レンズの電源１７と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１０、１５を制御する制御部１９が備えられている。
【００３３】
なお、対物レンズ７は、対物レンズ７が磁場型の場合は電源１７から供給される電流を変えることによって、対物レンズ７が静電型の場合は電源１７から供給される電圧を変えることによって、あるいは対物レンズ７が電場・磁場重畳型の場合は電源１７から供給される電流および電圧を調節することによって、レンズの強度が調節される。更に、荷電粒子が高速のイオンの場合には、荷電粒子の質量に関係なく同じ屈折力が得られる静電型の対物レンズ７が用いられる。
【００３４】
また、球面収差を補正するために、前記した各構成要素に加えて４段の静電型４極子１、２、３、４の電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と、４段の静電型８極子に電圧を供給する電源１８と、操作表示部９の操作または設定に基づいて前記電源１８を制御する制御部１９が備えられている。
【００３５】
以下において、上記４段の静電型４極子１、２、３、４と２段の磁場型４極子５、６と、これに各電源１０、１５を含めたもの、あるいはこれらに更に４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４と電源１８を含めたものを収差補正装置Ｃと呼ぶことにする。
【００３６】
このような収差補正装置Ｃは、例えば図８に示す如くに走査電子顕微鏡などに組み込まれる。１００は内部が真空雰囲気にされた鏡筒である。鏡筒１００内には、電子ビームを発生し、加速電圧によって電子にエネルギーを与える電子銃１０１、電子銃１０１で発生した電子ビームを集束し、かつ電子ビーム電流を適当な値に制限するためのコンデンサレンズ１０２と対物絞り１０３、収差補正装置Ｃ、電子ビームを二次元的に偏向して走査するための偏向器１０４、電子ビームをフォーカスして試料１０６に照射する対物レンズ１０５、試料１０６を載置して所望の場所で電子ビーム照射・走査されるように試料１０６を任意に駆動できる試料ステージ１０７、電子ビームの照射・走査に伴って試料１０６から発生する二次電子などの信号を検出する検出器１０８等が備えられている。なお、電子銃１０１から対物レンズ１０５までを電子ビームの光学系と呼ぶことがある。更に、試料１０６近傍で電子ビーム減速させるために試料１０６に減速電位を印加した場合には、電子銃１０１から試料１０６までが電子ビームの光学系となる。
【００３７】
本発明の第１の特徴は、操作表示部９で加速電圧や作動距離を変更した場合、より安定な収差補正の動作を行うために、制御部１９が以下のような処理を行うことにある。
【００３８】
これからの説明を簡単化するために、以下の説明では、基準軌道のＸ方向を例にとって動作原理を説明するが、Ｙ方向も全く同様に動作する。収差補正装置Ｃにおいて静電型４極子の色収差補正電位φqc2、φqc3及び磁場型４極子の色収差補正励磁Ｊ2、Ｊ3が一定でも、第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ4ＭOLを変化させ、収差補正装置で発生した負の収差係数を調整し、粒子光学系の全体の色収差係数を試料面において実質的に０にすることができる。
【００３９】
この方法については、先願である特願２００１−３２８７７６号明細書中に詳細に記載されている。本発明の原理を説明するためにこの内容を要約すると、第３段目の静電型４極子３と磁場型４極子６の中央に作られる収差補正のための色収差係数Coxは、後段の光学系の収差の影響がなければ試料面２０では
Cox・(Ｍ4ＭOL)2
という色収差係数になる。
【００４０】
従って、色収差補正を行う前の粒子光学系全体によって試料面に形成される色収差係数をCxとすると、
Cx＋Cox・(Ｍ4ＭOL)2＝０
となるように、Ｍ4ＭOLを調整すれば良い。前記した先願の発明においては、加速電圧や作動距離を変えた場合、磁場型４極子の色収差補正励磁Ｊ2、Ｊ3を一定に保ったままで、φqc2、φqc3の値を調整して基準軌道を保ち、倍率調整のために基準軌道を変えるときは主に４段目の静電型４極子４と対物レンズ７によって調整可能であり、これによって色収差が補正できることを示した。
【００４１】
また、この倍率調整の考え方は、収差補正電位を異常に高く設定するのを防ぐことに利用できることも示した。更に、球面収差は、この色収差補正の後に４段の静電型８極子１１、１２、１３、１４の調整によって補正可能であることを示した。
【００４２】
なお、上記の「粒子光学系全体」とは、単純にいえば、図３においては、収差補正装置Ｃと対物レンズ７とから成る系であり、図７においては、収差補正装置Ｃと追加レンズ２７と対物レンズ７とから成る系である。しかし、もし、図３や図７に描かれた系の前に、例えば、コンデンサレンズや荷電粒子ビームの発生源に構成される引出し電極等のレンズ作用を行うものがある場合（大抵の装置はそのようになっている）には、これらも含めて「粒子光学系全体」と呼ぶ方がより正確である。例えば、図８に示した電子銃１０１から対物レンズ１０５までの電子ビーム光学系がそれに相当する。また、試料１０６近傍で電子ビームを減速させるために試料１０６に減速電位を印加した場合には、電子銃１０１から試料１０６までが電子ビームの光学系となる。
【００４３】
さて、収差補正装置Ｃの各電源１０，１５，１７は、供給する電位φに対してゆらぎ成分Δφや励磁電流ＩのゆらぎΔＩを持っている。ΔφやΔＩは小さい方が望ましいが完全に０にすることはできない。本発明ではこの４段目の静電型４極子４と対物レンズ７による倍率調整の考え方を、電源１０、１５、１８のノイズの影響を軽減するために応用したものである。以下ではΔφを例に説明するが、ΔＩについても同様に考えることができる。図４を用いて以下に説明する。
【００４４】
加速電圧Ｖaが小さい場合でも、許容できる範囲で収差補正電位φqc2、φqc3を十分大きな値に設定して固定したとする。このとき、収差補正装置で発生する収差補正のための収差係数は必要量よりも大きな値になるので、適性に収差補正を行うためには、加速電圧が高いときよりも４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率Ｍ（Ｍ＝Ｍ4・ＭOL）を小さく設定する必要がある。
【００４５】
一方、２段目の静電型４極子２の電位変動Δφで軌道が角度δだけずれたとき、静電型４極子２のＸ方向の像面である３段目の静電型４極子３の中心では、Ｌδだけ位置ずれが起こる。この位置ずれは４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の合成倍率により、試料面でＭ・Ｌδのずれになる。一方、Δφによる角度のずれδが加速電圧Ｖaに反比例すると仮定すると、δ∝１／Ｖaとなるので、加速電圧Ｖaが小さい場合には、このゆらぎΔφの影響を軽減するためにはＭを小さく設定すべきであることがわかる。従って、この設定は低加速電圧では収差補正のために高加速電圧よりもＭを低下させるのと矛盾しないことがわかる。
【００４６】
低加速電圧で収差補正電位を高く保つことは、上記のような位置ずれの問題だけでなく、Δφによる収差補正量の変化も軽減できる。静電型４極子２、３の色収差補正電位がφqc2、φqc3の場合には
Δφ／φqc2、 Δφ／φqc3
だけ色収差係数のゆらぎが発生し、静電型８極子１１、１２、１３、１４の球面収差補正電位がφO1、φO2、φO3、φO4の場合には、
Δφ／φO1、 Δφ／φO2、 Δφ／φO3、 Δφ／φO4
だけ球面収差係数のゆらぎが発生する。
【００４７】
以上のように、収差係数のゆらぎを軽減する観点からも、加速電圧が低い場合には収差補正の電位を加速電圧に比例して低下させずに高く設定し、合成倍率Ｍを高加速電圧の場合よりも小さく設定すべきであることがわかる。
【００４８】
次に、図５に基づき、低加速電圧で高加速電圧よりも合成倍率Ｍを小さく設定する例を、さらに一般的に説明する。加速電圧Ｖaに対して、静電型４極子２、３の色収差補正電位φqc2、φqc3を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて色収差を補正する方法がある。すなわち、相対論効果が無視できる領域において、冪指数ｎ＜１（１未満の実数）に対して
φqc2＝ｋΦ2・Ｖan、φqc3＝ｋΦ3・Ｖan （ｋΦ2、ｋΦ3は定数）
である。
【００４９】
また、対応する磁場型４極子５、６の励磁J2、Ｊ3を
Ｊ2＝ｋJ2・Ｖan-1/2、Ｊ3＝ｋJ3・Ｖan-1/2 （ｋJ2、ｋJ3は定数）
とする。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、収差補正電位のゆらぎΔφの影響を受けにくくなる。
【００５０】
また、静電４極子に印加する電位を適性値から高くすると高次の収差係数が増大するため、使用している収差補正装置や粒子光学系に合せて、ｎを適切に選べば試料面におけるプローブを最小かつ安定に保つことが可能になる。なお、この式で特にｎ＝１／２の場合が先の出願である特願２００１−３２８７７６の一部で説明した内容である。
【００５１】
なお、Ｍを変化させることによるＸ、Ｙ方向の倍率のずれや、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子２、３の何れか一方を上記の式で制御するように制御部１９を構成することも可能である。
【００５２】
なお、上記Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性とは、収差補正装置と他のレンズ系によるＸ方向とＹ方向の総合倍率をそれぞれＭｘ、Ｍｙとするとき、収差補正装置でＭｘを変化させると、Ｍｘ、Ｍｙの比ｋ（ｋ＝Ｍｘ／Ｍｙ）が変化する。この結果、Ｍ４を変化させる前では、Ｘ、Ｙ方向の収差係数が完璧に０に補正されていたとすると、Ｍ４を変えたことにより、Ｘ、Ｙ方向共にフォーカスさせる必要があるため、本発明の式に合わせて収差補正電圧を変化させると、Ｘ、Ｙ方向のどちらか一方は、完全には０にできなくなることを意味している。すなわち、例えば、Ｘ方向のみ色収差が補正されても、Ｙ方向に色収差が１０％残っていれば、これが最終プローブ径を制限して、分解能を劣化させることになる。
【００５３】
更に、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子２、３の何れか一方を上記の式で制御するようにしたが、一方だけを制御したのは、Ｘ、Ｙ方向の色収差係数を同時に完全に０にするためである。
【００５４】
すなわち、前記した式に基づいて、例えば、Ｘ方向の色収差係数を完全に０にし、その上で、Ｙ方向についても前記の式に基づいて制御すると、上記の理由によって、Ｙ方向の収差係数は完全には０にならなくなる。そこで、Ｙ方向については前記のしきからはわずかにずれた収差補正電圧となるように制御して、Ｙ方向の収差係数も完全に０にするように、収差補正電圧を設定するためである。
【００５５】
上記した第２の実施の形態において、特にｎ＝０とすると、収差補正電位は一定になり、制御が単純になる。すなわち、
φqc2＝ｋΦ2、φqc3＝ｋΦ3 （ｋΦ2、ｋΦ3は定数）
である。また、対応する磁場型４極子１２、１３の励磁Ｊ2、Ｊ3は
Ｊ2＝ｋJ2・Ｖa-1/2、 Ｊ3＝ｋJ3・Ｖa-1/2 （ｋJ2、ｋJ3は定数）
となる。
【００５６】
この場合にも、また、Ｍを変化させることによるＸ、Ｙ方向の倍率のずれや、Ｘ、Ｙ方向の色収差補正の不完全性を防ぐために、静電型４極子２、３のいずれか一方と、対応する磁場型４極子５、６の何れか一方を上記の式で制御するように制御部１９を構成することも可能である。
【００５７】
ここで、収差補正装置の静電型４極子用電源１０で供給できる最大電圧、または静電型４極子に印加できる最大電圧の絶対値をφmとする。この電圧を有効に使用する観点から、静電型４極子２、３に印加されるフォーカス電位と色収差補正の合成電位を
｜φqf2＋φqc2｜≒φm または ｜φqf3＋φqc3｜≒φm
を満たすように制御する。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、電源電圧のゆらぎΔφの影響を最も受けにくい構成となる。
【００５８】
前記の実施の形態では、静電型４極子２、３のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値についての実施例を示したが、静電４極子と静電８極子の機能を兼ね備えた静電型１２極子を用いる場合などでは、球面収差の補正電位も考慮する必要がある。この場合には、
｜φqf2＋φqc2＋φO2｜≒φm または ｜φqf3＋φqc3＋φO3｜≒φm
を満たすように制御する。このようにすれば、加速電圧が低い場合に、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正が可能になり、電源電圧のゆらぎΔφの影響を最も受けにくい構成となる。
【００５９】
なお、ここでの「総合倍率Ｍt」とは、図３の場合においては、収差補正装置Ｃ全体と対物レンズ７とを含めた倍率である。先に「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」の説明において、静電型４極子４の倍率Ｍ4が定義されていたが、一般の多極子においても、例えばＸ方向とＹ方向に分けて考えれば、通常のレンズと同様に「倍率」が定義できる。従って、収差補正装置Ｃの各多極子についても同様に倍率が定義できるし、収差補正装置Ｃ全体の倍率も定義できる。実は、先の図４を用いた説明における「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」という考え方は、本発明の動作を分かり易く説明するために動作をできるだけ単純化したことによるものである。しかし実際の動作においては、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率」を調整すると、他の４極子もわずかに影響を受けるため、わずかな再調整が必要になる。従って、実際の動作を厳密にいえば、「静電４極子と対物レンズ７の合成倍率」の調整だけでなく、収差補正装置Ｃと対物レンズ７とを含めた「総合倍率Ｍt」の調整が必要になる。そのような意味では、「静電４極子４と対物レンズ７の合成倍率を調整する」は、厳密には、「総合倍率Ｍtを
調整する」というべきである。
【００６０】
前記した各例では、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOLを減少させて色収差補正を行う例について記載した。しかしながら、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ4を変更すると、わずかではあるが基準軌道を得るための各４極子の電圧を変更する必要があり、Ｘ方向とＹ方向の倍率のズレを大きくする原因にもなる。この不具合を軽減するため、４段目の静電型４極子４の倍率Ｍ4は変更せずに、４段目の静電型４極子４と対物レンズ７の間に少なくとも１個の軸対称な追加レンズ系２７を入れ、この追加レンズ系２７の倍率ＭAと対物レンズ７の倍率ＭOLとの合成倍率ＭAＭOLを調整するようにすれば、実施例１と同様の効果が得られることは明らかである。この追加レンズ系は、先願である特願２００２−１８９８１２に記載されたトランスファーレンズとして用いることも可能である。また、合成倍率Ｍ4ＭOLまたはＭAＭOLを変更することによる開き角の変化は、先願である特願２００１−３５４３３５に記載された開き角制御レンズを用いることによって最適に保つことができる。
【００６１】
前記の各実施の形態では、加速電圧を変更した場合について記述したが、作動距離を変更した場合であっても同様に考えることができる。すなわち、作動距離を長くした場合には色収差係数や球面収差係数が増大するため、これらの係数を限られた収差補正電位で補正するためには、主に第４段目の静電型４極子４と対物レンズ７とによる合成倍率Ｍ＝Ｍ4ＭOL、または、追加レンズ系２７と対物レンズ７の合成倍率Ｍ＝ＭAＭOLを大きくする必要がある。
【００６２】
Ｍを大きくするとノイズの影響を受け易くなるので、Ｍの増大をできるだけ軽減するため、収差補正電位は可能な限り大きく設定する必要がある。この意味で、低加速電圧で収差補正電位を高く設定することは有益である。
【００６３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における収差補正装置は、加速電圧を低加速側に設定したとき、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率、または追加レンズ系と対物レンズ系の合成倍率Ｍを高加速電圧における値よりも小さく設定するように構成したので、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響を軽減できるようになった。
【００６４】
また、加速電圧を変更したとき、収差補正装置の色収差補正電位φcを加速電圧Ｖaのｎ＝１未満の冪乗に比例させて(φc∝Ｖa)、色収差または色収差と球面収差とを補正可能に構成したので、収差補正装置の性質に合わせて、最適なｎを選択することができる。
【００６５】
また、低加速電圧における前記合成倍率Ｍの加速電圧に対する減少の割合を選択できるようになり、プローブ径の最小化や収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの最小化が図れるようになった。
更に、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置の色収差補正電位または色収差と球面収差の補正電位がほぼ一定になるようにしたので、収差補正電位の制御が単純になり、低加速電圧において前記合成倍率Ｍを小さく設定できるため、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響が軽減される。
【００６６】
更にまた、加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置のフォーカス電位と色収差収補正電位の合計値、または収差補正装置のフォーカス電位と色収差補正電位と球面収差補正電位の合計値を、収差補正装置の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いるようにしたので、電源電圧を最も有効に使用しつつ、低加速電圧における前記合成倍率Ｍを小さく設定できるため、収差補正装置の電位のゆらぎΔφ及び励磁電流のゆらぎΔＩの影響を軽減できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】収差補正装置の原理の概略を説明するための図である。
【図２】静電型多極子の標準配列を示す図である。
【図３】本発明の基本構成を示す図である。
【図４】本発明の基本の動作原理を説明するための図である。
【図５】加速電圧に対する収差補正電位と色収差補正励磁の変化曲線を示す図である。
【図６】収差補正電位が一定の場合の加速電圧に対する収差補正電位と色収差補正励磁の変化曲線を示す図である。
【図７】追加のレンズ系を用いた実施の形態を示す図である。
【図８】収差補正装置Ｃが組み込まれた走査電子顕微鏡の例を説明する図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ 静電型４極子
５，６ 磁場型４極子
７ 対物レンズ
８ 対物絞り
９ 操作表示部
１０，１５，１８，１９ 電源
２０ 試料面
Claims (8)
- 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値、または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記４種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、収差補正装置と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧を変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位を加速電圧の１未満の冪乗に比例させて、色収差または色収差と球面収差とを補正可能にしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子の色収差補正電位または該色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位が一定となるように制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、
加速電圧または作動距離を変更したとき、前記追加レンズ系と前記対物レンズの合成倍率を調整して色収差または色収差と球面収差とを補正可能とした荷電粒子ビーム装置における収差補正装置において、
加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値または前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値が一定となるように制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。 - 荷電粒子ビーム光学系内部に配置された収差補正装置であって、４段の静電型４極子と、該４段の静電型４極子の中央の２段の静電型４極子の電位分布と相似な磁位分布を重畳させる２段の磁場型４極子と、前記４段の静電型４極子電位分布に８極子電位を重畳させる４段の静電型８極子と、収差補正装置の後段に設けられた対物レンズと、荷電粒子ビームの光路の一部に設けられた対物絞りと、収差補正装置と前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１段の追加レンズ系と、加速電圧や作動距離を変更する操作部と、前記４段の静電型４極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記２段の磁場型４極子を励磁する電源と、前記４段の静電型８極子のそれぞれに電圧を供給する電源と、前記対物レンズの電源と、前記追加レンズの電源と、前記操作部の操作または設定に基づいて前記５種類の電源を制御する制御部を備え、
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加速電圧または作動距離の何れかを変更したとき、前記中央の２段の静電型４極子のフォーカス電位と色収差補正電位の合計値と前記中央の２段の静電型８極子の球面収差補正電位の合計値を、前記中央の２段の静電型４極子、８極子各々の耐圧電圧または電源電圧の上限付近で用いることを特徴とする荷電粒子ビーム装置における収差補正装置。
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