JP4055821B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は一次荷電粒子線照射によって試料から発生する信号を検出して試料の走査像を得る走査形の荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置では、例えば陰極と引出電極と加速電極で構成される電子銃の場合、電子銃の条件、主に陰極と引出電極間に印加する引出電圧Ｖ１、または陰極と加速電極間に印加する加速電圧Ｖ０を可変させたとき、仮想陰極の位置が可変することが判っている。これは陰極尖端の電界の強度が変化することで、陰極表面から放出される荷電粒子の軌道が変化し、引出電極での起動は陰極内部に存在する仮想陰極から直線にしたものと一致することから、その軌道も変化するためである。そのため、引出電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０可変時は、仮想陰極の位置変化分を考慮して光学条件を設定する必要がある。従来は特許文献１に記載されているように、位置変化量は予めシミュレーションにより算出した値を記憶させて光学条件を制御している。

上述した方法により光学条件を設定する場合、それが正しく設定されているかどうか確認する手段は特に設けていない。よって、例えば陰極自体の状態が変化することで起こった光学条件の変化、例えば陰極の先端部の曲率半径が、その周辺部の真空の状態、温度変化や電界の影響から変化した場合、陰極突端の電界強度が変ってしまうことで荷電粒子の起動に変化を与えることになり、実際の仮想陰極位置はシミュレーションより算出した値に対してずれ分が生じる。
また、電極間の機械的寸法誤差や、外部からの漏洩磁場、特に荷電粒子線の方向と同じ成分の磁場も仮想陰極位置の制御誤差を生む原因になる。

従来はこういった制御誤差には対応することができない。その結果、集束レンズの集束点（クロスオーバポイント）の位置変化、像の回転および像倍率が変化し、観察条件が変ってしまうといった問題が発生する。

また、一次荷電粒子線を走査するのに、帰線区間をブランキングして試料に照射される荷電粒子量を最小限にする場合がある。このとき、クロスオーバポイントをブランキングの偏向位置に設定して、ブランキングされるまでの間に試料上の不要な部分に荷電粒子線が照射されるのを防ぐ方法が用いられる。荷電粒子線が必要以上に試料を照射すると、不要な帯電を引き起こし、更に帯電状態が変化することにより、試料表面から得られる情報が変ってしまうといった問題を引き起こす。
また、コンタミネーションの量を増やす原因にもなる。

特開平１１−１７６３６７号公報 特開平２−２９１６４９号公報 特開２０００−２８５８４２号公報

前述したように荷電粒子線装置の光学条件設定にはシミュレーションによって予め求められた値を用いている。
本発明の目的は、上述した従来技術の問題点を解決し、電子銃の条件、例えば引出電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０を変化させた場合に所望の光学条件が再現よく設定され、また、陰極周辺の状態の変化や機械的寸法誤差分を考慮した光学条件の設定が可能な荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成させるために、本発明は電子銃の条件、例えば陰極と引出電極と加速電極で構成される電子銃の場合、主に引出電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０が変化した場合に、集束レンズで一旦固定位置にフォーカスさせて、そのときの集束レンズの励磁と電子銃等の機械的位置関係により仮想陰極位置を算出して、光学条件を設定するものである。また、光学条件をより正確に設定するために集束レンズのクロスオーバ位置に偏向電極を設け、偏向電極に一定周期で電圧を印加して、ＣＲＴ等の像表示装置上で計測された像の移動量の内、最小になる移動量に伴って集束レンズの励磁を制御することで、一次荷電粒子線の光学条件が常に一定になることを可能にする。尚、ここで最小とは複数個計測された値の内、小さい方の値を指すものとする。

本発明は、電子銃と、該電子銃から放出された一次荷電粒子線を細く絞って試料上に照射する２段以上からなる集束レンズと、前記一次荷電粒子線を試料上で二次元的に操作する偏向器と、前記一次荷電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出する信号検出器と、および該検出信号器の信号を像として表示させる像表示手段とを備えた荷電粒子線装置において、前記電子銃の陰極と一次荷電粒子線の引出電極との間に印加される電圧、および該陰極と一次荷電粒子線を加速させる加速電極との間に印加される電圧を制御する電圧制御装置と、前記集束レンズの励磁を制御する集束レンズ励磁制御装置と、前記集束レンズ内の前記一時荷電粒子線のクロスオーバ位置の制御目標値と計測された実際の位置とのずれを検出する手段を備える荷電粒子線装置を提供する。

本発明によれば、電子銃の条件、例えば引出電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０を変化させたばあいに所望の光学条件が再現よく設定され、また、陰極周辺の状態の変化や機械的寸法誤差分を考慮した光学条件の設定が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の１つの実施の形態による荷電粒子線装置の概略構成図である。１００は、電子銃を表す。陰極１と引出電極３の間に印加される電圧Ｖ１により陰極１から放出された一次荷電粒子線２は、陰極１と加速電極４の間に印加される加速電圧Ｖ０で加速される。電圧Ｖ１および加速電圧Ｖ０を印加する電圧を制御する電圧制御装置２１、２２が別々に、または単一の手段として設けられる。一次荷電粒子線２は、絞り１０により一次荷電粒子線２の不要な領域を除去され、レンズ制御電源１１、すなわち集束レンズ励磁制御装置で制御された集束レンズ５と対物レンズ７により絞られて試料８上に照射される。そして対物レンズ７よりも陰極１側に配置された偏向器６ａおよび６ｂによって試料８上を二次元的に走査される。偏向器６ａ、６ｂは偏向器制御装置１７によって制御される。一次荷電粒子線２の照射によって試料８から発生する情報信号１２は、信号検出器１３ａまたは１３ｂによって検出される。検出された信号は像表示手段１８を介してＣＲＴ等の画像表示装置１４の輝度変調信号とすることができ、画像表示装置１４に試料８の拡大像が表示される。以上の構成は、記載されていないが、一次荷電粒子線を照射するのに、適するよう真空雰囲気を保った容器に収納される。

集束レンズ５の集束点を、例えばある位置に必ず一定にしなければならない場合は、偏向電極１９を備える位置に配置し、前記偏向電極１９に電極電圧制御部１６により電圧Ｖｂを印加し、画像表示装置１４上での像の移動量が最小になるように集束レンズの励磁を選択し、選択された最小の（より小さな）移動量でもって集束レンズ５の励磁をレンズ制御電源１１によって制御する。
このとき集束レンズ５の制御は像表示手段１８によって像の移動量を計測し、選択（設定）された最小の移動量でもってレンズ制御電源１１で集束レンズ５の励磁を自動で制御する方法がある。

図２に仮想陰極を説明する。前述するように、荷電粒子線装置では、例えば陰極と引出電極と加速電極で構成される電子銃の場合、電子銃の条件、主に陰極と引出電極間に印加する引出電圧Ｖ１、または陰極と加速電極間に印加する加速電圧Ｖ０を可変させたとき、仮想陰極の位置が可変することがわかっている。陰極１の尖端から引出電極３の引出電圧Ｖ１の電界により、陰極表面に沿って荷電粒子が放出される。引出電極３での荷電粒子の軌道は陰極１内に存在する仮想陰極２０から直線したものと一致する。このとき陰極１尖端から、仮想陰極までの距離をＳとする。すなわち仮想陰極位置をＳとして設定する。

必要な荷電粒子線量を得るために引出電圧Ｖ１を制御し、更に試料の種類や得たい情報によって加速電圧Ｖ０を制御する必要がある。これらを制御する結果、陰極尖端の電界強度が変化し、荷電粒子の軌道が変化する。よって仮想陰極位置Ｓが変化することになる。電圧Ｖ０と加速電圧Ｖ１の比と仮想陰極位置Ｓとの関係の例を図３に示す。

また、図４に電子銃が陰極１、引出電極３、制御電極１５、加速電極４で構成される場合を示す。本構成では前述した構成の他に加速電極４と制御電極１５との間に制御電圧Ｖ２が印加される。制御電圧Ｖ２は電圧制御装置２３によって制御される。制御電圧Ｖ２を変化させた場合も仮想陰極位置Ｓは、変化することがわかっており、制御電圧Ｖ２がＶ２（１）、Ｖ２（２）、Ｖ２（３）と変化する場合における、仮想陰極位置Ｓの引出電圧Ｖ１依存性の例を図５に示す。このときＶ２（１）＜Ｖ２（２）＜Ｖ２（３）の関係にあるとする。

図５に示すように、仮想陰極位置Ｓは、陰極１、引出電極３、制御電極１５、加速電極４の形状や距離、および印加電圧に依存し変化する。
集束レンズ５は物点（荷電粒子放出点）と像点（フォーカス点、すなわちフォーカス状態）がわかれば、そのレンズ特性から励磁を算出することができる。言い換えれば、励磁と像点がわかっていれば、物点を算出することができる。よって、一旦対物レンズ７よりも電子銃側に配置された集束レンズ５で、例えば絞り１０にフォーカスさせるように、フォーカス状態を像表示手段１８で検出しながら集束レンズ５の励磁を制御する。絞り１０にフォーカスが合う集束レンズ５の励磁がわかれば、集束レンズ５と絞り１０の機械的位置関係から、物点（この場合は仮想陰極位置）が算出できる。仮想陰極位置を正確に算出することができれば、集束レンズ５のレンズ特性より、集束レンズ５の集束点（クロスオーバポイント）を制御することが可能になる。

絞り１０へのフォーカス状態を検出する方法として、例えば像表示手段１８で、絞り１０像の大きさ、例えば直径を検出する。集束レンズ５の励磁電流Ｉｃと像の直径ｄｓの関係を図６に示す。集束レンズ５の励磁Ｉｃを複数点変化させた値をＩｃ１〜Ｉｃ４とし、そのときの像の直径ｄｓを各々ｄｓ１〜ｄｓ４で表す。このとき像の直径ｄｓが二次曲線を描くとき、（Ｉｃ１、ｄｓ１）と（Ｉｃ２、ｄｓ２）を結ぶ直線（ｃ）と（Ｉｃ３、ｄｓ３）と（Ｉｃ４、ｄｓ４）を結ぶ直線（ｄ）とを計算し、その交点を求め、そのときのＩｃの値を最小値Ｉｃ０として設定する。

画像表示装置１４上での像の動きを図７に示す。例えば目標物２１を走査領域、つまり画像表示装置１４の画面（ａ）の中央に設定する。偏向電極１９に電圧Ｖｂを印加すると、目標物は例えば画面の右下に移動する（画面（ｂ））。これは偏向電極１９に電圧Ｖｂを印加することで、物点の位置が移動し、これにより試料８上の走査領域が移動したからである。このときの画面上の目標物２１の像移動量をｄｒとする。

移動量が最小になるよう集束レンズ５の励磁を設定するには、集束レンズ５の励磁を複数点変化させて、像の移動量を計測し、移動量の変化分から最小になる励磁条件を算出する方法がある。図８に集束レンズ５の励磁電流Ｉｃと像移動量ｄｒの関係を示す。集束レンズ５の励磁を複数点変化させた値をＩｃ５〜Ｉｃ８とし、そのときの像移動量ｄｒを各々ｄｒ５〜ｄｒ８で表す。このとき移動量ｄｒが二次曲線を描くとき、（Ｉｃ５、ｄｒ５）と（Ｉｃ６、ｄｒ６）を結ぶ直線（ｅ）と（Ｉｃ７、ｄｒ７）と（Ｉｃ８、ｄｒ８）を結ぶ直線（ｆ）とを計算し、その交点を求め、そのときのＩｃの値を最小値Ｉｃ０として設定する。

また、集束レンズ５の励磁を固定位置にフォーカスさせる方法から仮想陰極位置Ｓから算出した値に設定し、更に、集束レンズ５の励磁を複数点変化させて像の移動分から最小になる励磁条件を算出すれば、より正確な光学条件を設定することが可能である。
例えばクロスオーバポイントを偏向電極１９の位置だけでなく、他の位置に設定する光学条件である場合にも、前述した方法により正確に光学条件が設定できる。

これらの調整は観察時の条件を変えた場合に行うのが望ましい。また、条件を変えない場合でも定期的に前述した調整を行うことで、時間的変化に伴う条件の微小な変化に対応し、より正確な光学条件による観察および検査が可能になる。これにより再現性の良い像を得ることができる。

前述したクロスオーバポイントを設定している過程や、その時の条件・調整値を表示させることも可能である。図９の表示画面２２のように目標物２１が移動する過程やそのときの電子銃の条件、およびクロスオーバポイントを調整している集束レンズ５の励磁条件が表示される。励磁条件は電流値やデジット値などで表示される。

以上のように、電子銃１００と、電子銃１００から放出された一次荷電粒子線２を細く絞って試料８上に照射する２段以上からなる集束レンズ５と、一次荷電粒子線２を試料８上で二次元的に操作する偏向器６ａ、６ｂと、一次荷電粒子線２の照射によって試料８から発生する信号１２を検出する信号検出器１３ａ、１３ｂと、および信号検出器１３ａ、１３ｂの信号を像として表示させる像表示手段１８とを備えた荷電粒子線装置において、電子銃１００の陰極１と一次荷電粒子線２の引出電極３との間に印加される電圧、および陰極１と一次荷電粒子線２を加速させる加速電極４との間に印加される電圧を制御する電圧制御装置２１、２２と、集束レンズ５の励磁を制御する集束レンズ励磁制御装置、すなわちレンズ制御電源１１と、集束レンズ５内の一次荷電粒子線２のクロスオーバ位置の制御目標値と計測された実際の位置とのずれを検出する手段を備える荷電粒子線装置が構成される。

更に、集束レンズ５のクロスオーバの制御目標位置をブランキング偏向支点となし、クロスオーバ位置の検出手段として、ブランキング電圧の制御とそのときの像の動きを検出する手段を備えている荷電粒子線装置が構成される。
更に、偏向電極１９に電圧を印加し、像表示手段１８上の像の移動量が最小になるように集束レンズ５を制御する手段を有する荷電粒子線装置が構成される。
更に、集束レンズ５の励磁を少なくとも２点以上変化させて、像表示手段１８上の像の移動量を計測し、移動量が最小になる励磁条件を算出する手段を有する荷電粒子線装置が構成される。

更に、励磁条件を表示させる手段を有する荷電粒子線装置が構成される。
更に、像移動量を算出する過程の像移動画像を像表示手段１８上に表示させる手段を有する荷電粒子線装置が構成される。
更に、引出電極３と加速電極４の間に制御電極１５を設け、陰極１から引出電極３によって引き出された一次荷電粒子線２の広がりを制御するよう制御電極１５へ電圧を印加する手段を備えている荷電粒子線装置が構成される。

図１０は、光学条件設定のフローチャートを示す。図において、まず始期の光学条件の設定を行い（Ｓ１）、前述した手法によって仮想陰極位置Ｓの算出を行う（Ｓ２）。仮想陰極位置に基づいてクロスオーバ位置の設定、すなわち位置調整を行う（Ｓ３）。コンピュータである処理装置の性質上、仮想陰極位置とクロスオーバ位置の算出はほぼ同時になされ得る。画像移動量の計測を行い（Ｓ４）、集束レンズ５の励磁を前述のようにして決定する（Ｓ５）。クロスオーバ位置の決定を行い（Ｓ６）、像観察または検査を行う（Ｓ７）。

図１１は、画像の直径検出方法のフローチャートを示す。図において、まず始期の光学条件の設定を行い（Ｓ１１）、集束レンズ５の励磁電流Ｉｃを可変にして（Ｓ１２）、絞り１０画像の直径ｄｓの計測を行い（Ｓ１３）、これらのステップをｎ回実行する。励磁電流Ｉｃと直径ｄｓとの関係を算出する（Ｓ１４）。
（１）（Ｉｃ１、ｄｓ１）、（Ｉｃ２、ｄＳ２）を結ぶ直径（ｃ）式の作成
（２）（Ｉｃ３、ｄｓ３）、（Ｉｃ４、ｄｓ４）を結ぶ直径（ｄ）式の作成
を行い（Ｓ１５）、（ｃ）、（ｄ）の交点の算出から、Ｉｃ０の決定を行い、制御信号を得る（Ｓ１６）。Ｉｃ０が決定したことで、仮想陰極位置Ｓが算出され、これにより集束レンズのレンズ特性から励磁条件と集束点の関係が計算できる（Ｓ１７）。前記調整を行うことで、集束レンズを含む所望の条件を設定すれば、より正確な条件で像観察が可能になる。制御信号に基づいた集束レンズ５の制御を行って像観察または検査を行う（Ｓ１８）。

図１２は、画像移動量検出方法のフローチャートを示す。図において、まず始期の光学条件の設定を行い（Ｓ２１）、前述のように、集束レンズ５の励磁電流Ｉｃを可変にして（Ｓ２２）、画像移動量ｄｒの計測を行う（Ｓ２３）。これらのステップをｎ回実行して、次いで励磁電流Ｉｃと移動量ｄｒとの関係を算出する（Ｓ２４）。
（１）（Ｉｃ５、ｄｓ５）、（Ｉｃ６、ｄＳ６）を結ぶ直径（ｅ）式の作成
（２）（Ｉｃ７、ｄｓ７）、（Ｉｃ８、ｄｓ８）を結ぶ直径（ｆ）式の作成
を行い（Ｓ２５）、（ｅ）、（ｆ）の交点の算出からＩｃ０の決定を行う（Ｓ２６）。Ｉｃ０を使用して集束レンズ５の制御を行って像観察または検査を行う（Ｓ２７）。

本発明の実施例の荷電粒子線装置の概略構成図。 仮想陰極位置Ｓ。 仮想陰極位置Ｓの加速電圧Ｖ０／引出電圧Ｖ１の依存性。 電子銃構成図。 仮想陰極位置Ｓの引出電圧Ｖ１依存性。 集束レンズの励磁電流と絞り像の直径の関係。 像移動量の計測。 集束レンズの励磁電流と像移動量の関係。 表示画面。 光学条件設定のフローチャート。 画像の直径検出方法のフローチャート。 画像移動量検出方法のフローチャート。

符号の説明

１…陰極、２…一次荷電粒子線、３…引出電極、４…加速電極、５…集束レンズ、６ａ、６ｂ…偏向器、７…対物レンズ、８…試料、９…試料ステージ、１０…絞り、１１…レンズ制御電源、１２…情報信号、１３ａ、１３ｂ…信号検出器、１４…画像表示装置、１５…制御電極、１６…電極電圧制御部、１７…変更制御回路、１８…像表示手段、１９…偏向電極、２０…仮想陰極、２１…目標物、２２…表示画面。

Claims (3)

1. 電子銃と、該電子銃から放出された一次荷電粒子線を細く絞って試料上に照射する２段以上からなる集束レンズと、前記一次荷電粒子線を試料上で二次元的に操作する偏向器と、前記一次荷電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出する信号検出器と、および該検出信号器の信号を像として表示させる像表示手段とを備えた荷電粒子線装置において、
   前記電子銃の陰極と一次荷電粒子線の引出電極との間に印加される引出電圧、および該陰極と一次荷電粒子線を加速させる加速電極との間に印加される加速電圧を制御する電圧制御装置と、前記集束レンズの励磁電流を制御する集束レンズ励磁制御装置と、前記集束レンズの励磁電流を複数変えたときの前記像表示手段上での像の移動量または絞りの像の大きさが最小になるように選択した集束レンズの励磁電流からフォーカス状態を定め、該フォーカス状態によって定められた集束レンズの励磁電流を用いて仮想陰極位置を算出する仮想陰極算出手段とを備え、前記集束レンズ励磁制御装置は、前記算出された仮想陰極位置によって前記集束レンズのクロスオーバ位置を制御すること
   を特徴とする荷電粒子装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、前記集束レンズ励磁制御装置は、前記像表示手段上の像の移動量が最小になるように集束レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、前記仮想陰極算出手段は、集束レンズの励磁電流を少なくとも２点以上変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。

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