JP4328192B2 - 荷電粒子光学系における多極場発生装置および収差補正装置 - Google Patents

荷電粒子光学系における多極場発生装置および収差補正装置 Download PDF

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Description

本発明は、荷電粒子光学系における多極場発生装置に係り、特に電子顕微鏡の収差補正装置に好適に利用できるものである。
荷電粒子光学系の各種の収差を補正する装置として様々な提案がなされている。例えば、電子顕微鏡の軸対称レンズの球面収差を補正する装置として、6極子場を発生する2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置したものが知られている。図3は、従来の球面収差補正装置を備えた電子顕微鏡の照射系の概略構成を示す図である。なお、図では偏向系や一部集束系等を省略している。光源1からの電子線2は、絞り3を有する集束レンズ4を通り、光軸に平行な電子線が球面収差補正光学系5に入射し、補正光学系5から出射した光軸に平行な電子線が対物レンズ6を通して試料7に照射される。
球面収差補正光学系5は、6極子場を発生する多極子8、9間に軸対称レンズ10、11を配置したものである。多極子8、9の各極は相互に光軸に対して位相が一致し、光軸と垂直な面内における光軸を中心とした回転関係をもたないように配置される。軸対称レンズ10、11は、焦点距離が同じfで、多極子8と軸対称レンズ10との間の距離がf、軸対称レンズ10、11間の距離が2f、軸対称レンズ11と多極子9との間の距離がf、多極子8、9の励起強度Kと光軸方向の幅(サイズ)Zがそれぞれ同じであるとき、球面収差が補正される。
多極子8、9の各極およびレンズ10、11には、球面収差が適切に補正されるようにするために、所定の電圧ないし電流が電源13から供給されている。更に、電源13は、補正に必要な電圧値ないし電流値を決定して電源13を介して球面収差補正光学系5を制御するための制御装置14によって制御される。
さて、多極子、例えば6極子を用いた球面収差補正においては、球面収差補正という本来の目的である6極場だけが生成されるようにすることが望ましい。6極子を用いて、6極場を発生させるには、6極子の各極の強度をI(k=1,2,3…6)とすると、
=A cos(kπ) (1)
のように各極の強度を与えれば、任意の強度の6極場を生成できる。ただし、この場合は、位相角は固定である。ここで強度を制御するパラメータはAである。
しかしながら、実際の装置においては、上式(1)により6極場を発生させるに際しては、装置を構成する多極子の各極などの機械的な工作精度や組み立て精度等によって、偏向場(2極場:像の位置ずれやコマ収差など)や4極場(非点収差)などが付随的に発生してしまう。
従来、このような付随的に発生する不要な収差(偏向場や4極場)の除去は以下のように行われる。まず、目的とする6極場を、上式(1)においてパラメータAを所望の値に設定して発生させる。その上で、何らかの、収差の検出手段により上記不要な収差(偏向場や4極場)を検出する。その結果に基づいて、上記不要な収差(偏向場や4極場)を打ち消すための偏向場や4極場を式(2)によって意図的に発生させる。
k+=Ccos(θ+kπ/3)+Ccos 2(θ+kπ/3) (2)
ここで、Ik+は、式(1)のIに加算される各極の強度である。すなわち、式(1)に式(2)を加算することによって、式(1)を用いた球面収差補正のための制御に伴って付随的に発生する偏向場や4極場を打ち消すことができる。式(2)右辺のC、θは偏向場補正のための強度と位相角、C、θは4極場補正のための強度と位相角である。
上記説明は、6極子を用いた6極場であり、6極場の位相角は不変である。実際の装置にあっては、任意の位相角と強度を得るために、例えば12極子などが用いられる。12極子の場合、位相角が30度だけ異なる6極子が同一平面内に2個配置されたと考えることができる。もちろんこの様な12極子を用いても部品の寸法精度等により、不要な収差(偏向場や4極場)が付随的に発生することは同じである。
特開2003-92078(電子顕微鏡の球面収差補正装置) 特開2003-157785(収差補正装置を備えた荷電粒子線装置)
上記の如く、多極子(例えば12極子)を用いて、目的とする多極場(例えば6極場)を生成する場合において、部品の加工や組み立ての精度等に起因して付随的な不要な多極場(例えば偏向場や4極場)が発生した場合、上記の式(2)等を用いて不要な多極場を打ち消すのは、一つの方法ではある。しかしながら、何らかの方法で不要な収差(偏向場や4極場)を検出し、更に、式(2)における4つのパラメータC、θ、C、θを正しく決定するのは容易ではない。本発明の目的は前記4つのパラメータを随時、簡便に決定するための補助機能を提供することにある。
前述の課題を解決するために、本発明に係る多極場を生成する装置は、磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)を用いて2n極場を生成するに際して、2n極子の第k番目の極子の強度I(1≦k≦2n)を、
=A(cos(kπ)+Ccos(θ+kπ/n)
+Ccos 2(θ+kπ/n)
+Ccos 3(θ+kπ/n)
+ …
+Cn−1cos(n−1)(θn−1+kπ/n))
なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n−1)で制御し、更に、
A=Bcos(2πtf)
なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする。
また、本発明に係る多極場を生成する装置は、磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)を用いて2m極場(m≦n)を生成するに際して、2n極子の第k番目の極子の強度I(1≦k≦2n)を、
=A(cos(mkπ/n)+Ccos(θ+kπ/n)
+Ccos 2(θ+kπ/n)
+Ccos 3(θ+kπ/n)
+ …
+Ccos n(θ+kπ/n))
なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n、C=0)で制御する装置において、
A=Bcos(2πtf)
なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする。
あるいはまた、本発明に係る電子顕微鏡の球面収差補正装置は、2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置し、前記多極子は磁気または静電6極子であって、6極場を生成する場合、各極の強度I(1≦k≦6)を
=A(cos(kπ)+Ccos(θ+kπ/n)
+Ccos 2(θ+kπ/n))
なる制御式に基づき、制御パラメータA,C,Cで制御するに際して、
A=Bcos(2πtf)
なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする。
更に、本発明に係る電子顕微鏡の球面収差補正装置は、2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置し、前記多極子は磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)であって、6極場を生成する場合、各極の強度I(1≦k≦2n)を
=A(cos(3kπ/n)+Ccos(θ+kπ/n)
+Ccos 2(θ+kπ/n)
+Ccos 4(θ+kπ/n)
+Ccos 5(θ+kπ/n)
+ …
+Ccos n(θ+kπ/n))
なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n)で制御するに際して、
A=Bcos(2πtf)
なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする。
本発明に係る多極場を生成する装置は、2n極子を用いて2n極場を生成するに際して、各極子の強度Iを制御パラメータC(1≦j≦n−1)を調節しながら制御すると共に、制御パラメータAを実時間tに対して周波数fで連続的に変化させる機能を持たせたので、2n極場生成に際して付随的に発生する2nより低次の不要な場の打ち消し作業を容易に行うことができる。
また、本発明に係る多極場を生成する装置は、2n極子を用いて2m極場を生成するに際して、各極子の強度Iを制御パラメータC(1≦j≦n、C=0)を調節しながら制御すると共に、制御パラメータAを実時間tに対して周波数fで連続的に変化させる機能を持たせたので、2m極場生成に際して付随的に発生する2m場以外の不要な場の打ち消し作業を容易に行うことができる。
あるいはまた、本発明に係る電子顕微鏡の球面収差補正装置は、6極子を用いて6極場を生成する場合、各極の強度Iを制御パラメータC,Cを調節しながら制御すると共に、制御パラメータAを実時間tに対して周波数fで連続的に変化させる機能を持たせたので、6極場生成に際して付随的に発生する6次より低次の不要な場の打ち消し作業を容易に行うことができる。
更に、本発明に係る電子顕微鏡の球面収差補正装置は、2n極子を用いて6極場を生成する場合、各極の強度Iを制御パラメータC(1≦j≦n)を調節しながら制御すると共に、制御パラメータAを実時間tに対して周波数fで連続的に変化させる機能を持たせたので、6極場生成に際して付随的に発生する6極場以外の不要な場の打ち消し作業を容易に行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について、図1、図2を参照しながら説明する。
図1は本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置の実施の形態を説明する図であり、図3と同一番号は同一内容を示している。図1においては、更に、周期変動回路15が、制御装置14と電源13との間に追加されている。
上記の図3を用いた説明では、1は光源、4は集束レンズ、6は対物レンズ、7は試料として電子顕微鏡の照射系の球面収差補正装置について説明したが、上記球面収差補正装置は電子顕微鏡の結像系の球面収差補正装置としても有効である。即ち、図3において、1を試料、4を結像系の対物レンズ、6を結像系の最初の中間レンズ、7を最初の中間レンズ6で形成される像面とすれば、結像系の球面収差補正装置として同様に動作することが説明できる。従って、このことは、図1においても同様である。以下に本件発明の球面収差補正装置の電子顕微鏡への適用例を図2を用いて説明する。
図2は電子顕微鏡において、本件発明の球面収差補正装置を用いる場合を説明する図である。21は電子ビームを発生させ所望のエネルギーを与える電子銃、22は電子ビームを集束するための複数のレンズから成る集束レンズ、23は電子ビームを二次元的に偏向・走査する偏向器、24は電子ビームを試料25に照射するための対物レンズである。これら21から24までで構成された電子光学系を照射系と呼ぶ。
この照射系において、電子ビームを試料25に照射する形態には幾つかの使われ方がある。第1は電子ビームを細く集束して試料25上の所望の位置に照射する方法、第2は細く集束したて電子ビームを偏向器23を用いて試料25上の所望の領域を二次元的に走査しながら照射する方法、第3は、電子ビームを細く集束したり走査はせずに、試料25上の所望の領域に一様な電子ビーム(所望の領域と等しい太さの電子ビーム)を照射する方法などである。
また、上記第2の方法において、電子ビーム照射に伴って試料25から発生する二次電子等を検出する検出器31からの信号を増幅等の処理した上で、前記偏向器23の偏向信号に同期したCRT等の表示装置32に入力して、走査電子顕微鏡像(SEM像)を観察することができる。
更に図2において、26は、例えば上記第3の方法で電子ビームを試料25に照射し、試料25を透過した電子ビームの透過像を拡大するための対物レンズ、27は対物レンズ26で拡大された透過像を更に拡大するための複数のレンズから成る中間レンズ、28は拡大された透過像を蛍光スクリーン29上に投影するための投影レンズである。これら26から29までで構成された電子光学系を結像系と呼ぶ。また、これら電子銃21以下は全て真空雰囲気中に配置されている。なお、上記は説明の都合で、対物レンズは24と26の2個から成るかのように説明したが、通常1個のレンズで対物レンズ24と対物レンズ26の2つの働きができるようになっている。
また、図示しないが、透過像(TEM像)は、蛍光スクリーン29に替えてCCD等の二次元の像検出器を蛍光スクリーン29の位置に配置して、検出器信号を用いて前記表示装置32に入力して観察することもできる。同じく図示しないが、蛍光スクリーン29に替えてその近傍に透過電子を検出する検出器を配置して、前記第2の方法を用いて、電子ビーム照射に伴って試料25を透過する透過電子を検出し、その信号を増幅等の処理した上で、前記偏向器23の偏向信号に同期したCRT等の表示装置32に入力して、走査透過電子顕微鏡像(STEM像)を観察することができる。
また更に図2において、30は本件発明の球面収差補正装置5を照射系に適用した場合の球面収差補正装置であり、40は本件発明の球面収差補正装置5を結像系に適用した場合の球面収差補正装置である。そして、球面収差補正装置30は照射系の第1と第2の照射方法において、集束した電子ビームの収差を補正してより微小な電子プローブを得るものであり、球面収差補正装置40は照射系の第3の照射方法において、結像系の対物レンズ26の収差を補正してより高分解能な拡大像を得るものである。
以上の如き電子顕微鏡における、周期変動回路15を追加した球面収差補正装置の動作原理と動作について詳しく説明する。ここでは、説明を単純にするために、本発明を磁気6極子を用いた6極場の生成に適用した場合について説明する。
磁気6極子の各極に与える電流I(1<k≦6)は次式(3)のように表せる。
=A(cos(kπ)+Ccos(θ+kπ/3)+Ccos2(θ+kπ/3))
(3)
なお、この場合、6極子を用いた6極場の生成であるから、場の強さは制御できるが、上式の場合は、場の位相角は不変である。ここで、係数Aは、球面収差補正装置が球面収差を補正するために生成する6極場の強であり、C、θ、C、θは6極子の機械的な精度等に起因して付随的に発生する偏向場や4極子場を打ち消すための係数である。係数C、Cは、装置の偏向場や4極子場を打ち消すに足る値であって正負の範囲で可変でき、係数θ、θは360度可変であって、表示される像の画面上の方向と係数θ、θの方向とが対応できるように、予め表示と係数の基準角を一致するよう設定しておく。
更に、周期変動回路15においては、時間をt(sec)、毎秒当たりの変動回数(周波数)をf(例えば、f=5(Hz))としたとき、係数Aを次式(4)のように、周期的に変動させる。
A=Bcos(2πtf) (4)
球面収差補正装置を組み込んだ前記の如き電子顕微鏡において、上式(4)に基づいて係数Aを周期的に変動させながら、前記第2の方法でSEM像あるいはSTEM像を、前記第3の方法でTEM像を装置の操作者が観察する。
このとき、もし観察している像が3回の対称性を保ちながら変化するなら、補正装置を含む光学系において6極場のみが生成していることになる。また、観察している像が3回の対称に加えて平行移動するなら偏向場があり、3回の対称に加えて2回の対称の変化をするなら4極場があることが分かる。この様な動的な画像の変化は、定量的ではないけれども、人間の観察者には容易に識別することができる。
そこで、像の観察者でもある装置の操作者は、上記の式(4)に伴って変動する像を観察しながら、制御装置14を介して係数C、θ、C、θを適宜調整して、像が3回の対称性を保ちながら変化し、平行移動や2回対称の変化をしないようにすればよい。
具体的には、周期変動回路15を動作させながら、まず、係数C、Cをゼロにして像を観察し像が平行移動する方向を見いだし、係数θをその方向に合わせる。その上で係数Cを調節して平行移動しないようにする。これで、偏向場が打ち消されたことになる。次に同様に、像が2回対称の変化をする方向を見いだし、係数θをその方向に合わせる。その上で係数Cを調節して2回対称の変化をしないようにする。これで、2回対称の場が打ち消されたことになる。実際の操作においては、上記を何度か繰りかえようにして、偏向場と4極場とを十分に打ち消すようにする。また、この操作中に、係数Bを調節して平行移動や2回対称の変化が見易くなるようにするとよい。変動回数fについても調節すると見易くなる場合がある。
以上の如くして、偏向場と4極場とを十分に打ち消した後に、球面収差補正装置本来の操作である係数Aの調節を行うことになる。また、上記は、説明の都合で、場の位相角が固定である6極子で説明したが、例えば12極子を用いた場合であっても、本質的な考え方は同じである。
更に、上記説明は、目的の6極場に対して、それより次数の低い偏向場(2極場)と4極場とを打ち消す場合であったが、一般には、2n極子を用いた2m極場(m≦n)の生成において、目的とする2m極場以外に付随的に発生する任意の多極場の打ち消しに応用できることは容易に理解できる。例えば、12極子を用いた4極場の生成であって、偏向場(2極場)および6極場の打ち消しなどである。
そこで、式(3)を一般化すれば、2n極子(n=1,2,3,…)を用いた2m極場(m≦n)の生成において、第k極の強度は、
=A(cos m(kπ/n)
+Ccos(θ+kπ/n)
+Ccos2(θ+kπ/n)
+Ccos3(θ+kπ/n)

+Ccos n(θ+kπ/n)
−Ccos m(θ+kπ/n)) (5)
である。なお、上式中最後のマイナスの項は、式中の第m項の値を打ち消してゼロとするためであって、C=0とした場合と同意である。
以上、磁気6極子による収差補正装置を組み込んだ電子顕微鏡を例に説明したが、本発明は、ビームを極限まで細く集束したり超高分解能で像を観察するために収差補正装置を組み込んだイオンビームを含む様々な荷電粒子ビーム応用装置に適用することができる。例えば、特許文献2に示す4段の4極子と4段の8極子とを組み合わせた収差補正装置を組み込んだ走査電子顕微鏡等である。
本発明による電子顕微鏡の球面収差補正装置を説明する図である。 本発明による球面収差補正装置を電子顕微鏡に適用する例を説明する図である。 従来の球面収差補正方法を説明する電子顕微鏡の照射系の概略構成を示す図である。
符号の説明
1…光源、2…電子線、3…絞り、4…集束レンズ、
5…球面収差補正光学系、6…対物レンズ、7…試料、
8,9…多極子、10,11…軸対称レンズ、
13…電源、14…制御装置、15…周期変動回路、
21…電子銃、22…集束レンズ、23…偏向器、24…対物レンズ、
25…試料、26…対物レンズ、27…中間レンズ、28…投影レンズ、
29…蛍光スクリーン、31…検出器、32…表示装置、
30、40…球面収差補正

Claims (4)

  1. 磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)を用いて2n極場を生成する装置において、2n極子の第k番目の極子の強度I(1≦k≦2n)を、
    =A(cos(kπ)+Ccos(θ+kπ/n)
    +Ccos 2(θ+kπ/n)
    +Ccos 3(θ+kπ/n)
    + …
    +Cn−1cos(n−1)(θn−1+kπ/n))
    なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n−1)で制御し、更に、
    A=Bcos(2πtf)
    なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする2n極場を生成する装置。
  2. 磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)を用いて2m極場(m≦n)を生成する装置において、2n極子の第k番目の極子の強度I(1≦k≦2n)を、
    =A(cos(mkπ/n)+Ccos(θ+kπ/n)
    +Ccos 2(θ+kπ/n)
    +Ccos 3(θ+kπ/n)
    + …
    +Ccos n(θ+kπ/n))
    なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n、C=0)で制御する装置において、
    A=Bcos(2πtf)
    なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする2m極場を生成する装置。
  3. 2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置した電子顕微鏡の球面収差補正装置において、
    前記多極子は磁気または静電6極子であって、6極場を生成する場合、各極の強度I(1≦k≦6)を
    =A(cos(kπ)+Ccos(θ+kπ/)+Ccos2(θ+kπ/))
    なる制御式に基づき、制御パラメータA,C,θ,C,θで制御するに際して、
    A=Bcos(2πtf)
    なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする電子顕微鏡の球面収差補正装置。
  4. 2つの多極子間に2つの軸対称レンズを配置した電子顕微鏡の球面収差補正装置において、
    前記多極子は磁気または静電2n極子(n=1,2,3,…)であって、6極場を生成する場合、各極の強度I(1≦k≦2n)を
    =A(cos(3kπ/n)+Ccos(θ+kπ/n)
    +Ccos 2(θ+kπ/n)
    +Ccos 4(θ+kπ/n)
    +Ccos 5(θ+kπ/n)
    + …
    +Ccos n(θ+kπ/n))
    なる制御式に基づき、制御パラメータA,C(1≦j≦n)で制御するに際して、
    A=Bcos(2πtf)
    なる実時間tに対して周波数fでAを連続的に変化させることを特徴とする電子顕微鏡の球面収差補正装置。

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