JP4482179B2 - 粒子ビーム装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粒子ビーム装置、特に、電子ビーム装置（例えば、ラスタ電子顕微鏡）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
イオンまたは電子の粒子ビーム装置は、特に、試料表面の結像、分析および処理に使用される。像形成の場合、フォーカシングした粒子ビームを試料表面にわたってラスタ状に案内し、１次粒子と試料との交互作用時に生ずる信号を検知し、当該の発生箇所に割付ける。試料面における粒子ビームの小さい径によって達成される高い位置分解能が必要で、かつ各種信号のできる限り高い検知能率が必要である。
【０００３】
粒子線装置の分解能は、基本的に、試料が対物レンズの極く近傍にあるか、更には、上記レンズ内にある場合に最良である。このためには、２次粒子および／または反射散乱粒子を検知する検知系を対物レンズ内にまたは対物レンズと粒子発生源との間の無電界範囲に配設しなければならない。特に粒子エネルギが低い場合、最良の分解能は、ビーム発生系において粒子を高エネルギに加速し、対物レンズの粒子光学系の端部においてまたは対物レンズと試料との間の範囲において所望の最終エネルギに減速する装置によって達成される。
【０００４】
対応する粒子ビーム装置は、例えば、米国特許第４，８３１，２６６号および米国特許第４，９２６，０５４号に記載されている。対物レンズ内の静電界と磁界との組合せによって、粒子エネルギが低い場合も、極めて高い分解能が達成される。更に、試料から反射散乱されたあるいは試料から放射された粒子は、静電界とは逆の方向へ加速され、対物レンズの上方の環状シンチレーション検知器上に結像される。米国特許第４，８９６，０３６号には、同じく環状の検知器を有し、対物レンズが、もちろん、静電レンズである類似の装置が記載されている。
【０００５】
この公知の系の場合、シンチレータおよびガラス製光伝送体を有する環状検知器は、１次粒子ビームが環状検知器によって妨害されないよう、約２−３ｍｍの比較的大きい開口を有していなければならないという欠点があることが判っている。計算および実験から、試料に生じた粒子の最大約８０％が、検知器の中心開口を通過し、従って、検知されないということが判明している。従って、検知された信号は、極めて弱い。更に、検知された粒子は、積分して始めて検知され、従って、エネルギおよび出発角度にもとづき分離することは不可能である。
【０００６】
Ｎｕｃｌｅａｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ＆ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ａ，Ｖｏｌ．３６３，ｐ３１−４２，（１９９５）の論文には、２つのウィーン・フィルタの適切な配置によって、１次粒子に顕著な影響を与えることなく、試料から放射されたまたは試料において反射散乱された粒子を軸線から遠い範囲に方向変更することが記載されている。この対策によって、検知能率は改善されるが、この場合も、検知された信号を出発角度その他にもとづき区別することは不可能である。
【０００７】
米国特許公開第５，６４４，１３２号には、環状検知器が複数の環状分割部分を有するラスタ電子顕微鏡が記載されている。この分割によって、試料において反射散乱され、軸線に近い範囲において２次電子に比して重点的により強く検知できる電子を軸線から遠い２次電子と分離することを意図する。この場合、実施例に関連して、組立上の理由から、内側の環状検知器および外側の環状検知器を光軸の方向へ僅かにずらして配置できる方式も挙げられる。検知器のこのような環状分割によって、基本的に、検知された電子を試料からの放射時の出発角度にもとづき分離できる。しかしながら、２次電子および反射散乱電子の大半が、中心の空間の範囲を通過し、従って、全く検知されないという問題は、検知器のこの環状分割によっては解決されない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、粒子ビーム装置において、試料から放射された２次粒子および試料で反射散乱された粒子の検知を改善することにある。更に、粒子の出発角度にもとづく検知された粒子の選択または割付を可能とすることを意図する。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題は、本発明にもとづき、請求項１および１０の特徴を有する粒子ビーム装置によって解決される。本発明の有利な構成は、従属請求項の特徴から明らかであろう。
【００１０】
本発明に係る粒子ビーム装置の場合、試料から反射散乱された粒子または試料から放射された粒子のための二つの検知器は、粒子ビーム装置の光軸の方向へ相互にずらして配置してある。この場合、双方の検知器の間の光軸方向の間隔は、試料側の検知器と粒子ビームを試料にフォーカシングする対物レンズの焦面との間の間隔の少なくとも２５％である。この場合、試料側検知器は、試料から比較的大きい立体角度で出る粒子の検知に役立ち、一方、発生源側検知器は、試料から比較的小さい立体角度で出て、試料側検知器を介して１次粒子ビームを引出すために設けた開口を介して上記検知器を通過する粒子の検知に役立つ。双方の検知器を軸線方向へずらして配置したことによって、双方の検知器が径の等しい中心開口を有している場合は、発生源側検知器で、試料側検知器の中心孔を通過した粒子を検知できる。しかしながら、発生源側検知器の１次粒子ビームを引出すための中心開口は、試料側検知器の中心孔の１／３以下であれば好ましい。発生源側検知器を、高エネルギ粒子の照射時にそれ自体で再び２次粒子を生ずる変換絞りとして構成すれば、上記検知器の比較的小さい、例えば、０，２ｍｍ以下の孔径が可能である。この場合、変換絞りから出る２次粒子は、変換絞りから出る２次粒子の吸引静電界を形成する側方に設けた通常の検知器によって検知される。変換絞りの材料は、原子番号≦２０の比較的軽い元素（例えば、アルミニウムまたは炭素）とすべきである。なぜならば、このように軽い元素は、比較的大きい２次電子収量を有するからである。
【００１１】
冒頭に述べた先行技術の場合と同様、双方の検知器は、光軸に関して対称に構成された環状検知面を有する。しかしながら、冒頭に述べた先行技術とは異なり、発生源側検知器の検知面の外径は、試料側検知器の中心孔の径よりも大きくする。
【００１２】
発生源側検知器が、１次ビームのアパーチャを限定する極めて小さい１次ビーム通過用孔のみを有する限り、この検知器は、光軸に垂直な方向で両側へ検知器を調整できる調整装置に受容する。
【００１３】
双方の検知器で検知した信号の評価のために、双方の検知器信号の線形組合せに対応する出力信号を検知器信号から形成する信号処理電子装置を設けることができる。対応する線形組合せの形成によって、試料の表面形状の影響を増幅でき、電荷コントラスト像を形成できる。これは、マトリックスとは異なる伝導度を有する薄層を粒子ビーム装置で調べる場合に特に有利である。この場合、線形組合せの係数は、粒子ビーム装置の利用者が任意に選択できる。
【００１４】
以下に、ラスタ電子顕微鏡の図示の実施形態を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本実施形態に係る粒子ビーム装置の粒子ビーム発生器は、粒子を放射する陰極１と、抽出電極２と、陽極３とからなる。本発明に係る粒子ビーム装置をラスタ電子顕微鏡として構成した場合、陰極１が、電界エミッタであれば好ましい。陰極１から出る粒子は、陰極１と陽極３との間の電位差（図１には示してない）によって陽極電位で加速される。
【００１６】
陽極３は、同時に、ビーム案内管４の発生源側の端部ともなっている。導電性材料からなるこのビーム案内管４は、対物レンズとして作用する磁気レンズの磁極片５の空間の中を案内され、試料側の端部８は、パイプレンズとして厚く構成されている。ビーム案内管４の試料側のこの厚い端部は、磁気レンズの磁極片間隙５ａの後ろで終わる。磁気レンズのコイルを６で示した。ビーム案内管の後段には、ビーム案内管４の管電極８とともに静電遅延装置を形成する単一電極９が設けてある。管電極８は、ビーム案内管４とともに陽極電位にあり、他方、単一電極９および試料１０は、陽極電位よりも低い電位にあり、従って、粒子は、ビーム案内管から出た後、所望の低いエネルギに減速される。
【００１７】
対物レンズの磁極片５の空間には、磁極片間隙５ａの高さに、更に、対物レンズ５によって試料１０にフォーカシングされた１次電子ビームを、試料１０を走査するため、光軸（鎖線で示した）に対して垂直に偏向する偏向系７が設けてある。
【００１８】
上述の如く、図１に示したラスタ電子顕微鏡は、ドイツ特許出願１９７３２０９３．７に記載の如き構造を有する。陰極１、抽出電極２、陽極３および制動電極９の電位負荷に関しても、この先願を参照する。
【００１９】
図１の実施形態の代わりに、ビーム案内管４は、磁極片間隙５ａの高さで終わってよく、減速電極９は、ほぼ磁極片間隙５ａの高さに設置できる。この場合、対物レンズ内で既に、１次粒子は所望の衝突エネルギに減速されるので、対物レンズの磁界および遅延静電界が、立体的に重畳する。
【００２０】
試料１０から出る粒子、反射散乱された電子および２次電子の検知のため、ビーム案内管４内には、ビーム発生器と対物レンズ５，６との間に、２つの検知器が光軸の方向へ相互にずらして配置してある。双方の検知器は、本質的に光軸に関して対称に配置された環状検知面を有する。この場合、試料側検知器は、公知の態様で、ガラス製光伝送体１１および光学的検知器を有するシンチレータとして構成されている。この場合、ガラス製光伝送体１１は、生ずる電子を光子に変換するのに役立つと同時に、光子を光学的検知器に導くのに役立つ。光伝送の高能率のためのガラス製光伝送体は、光軸方向へ約５−７ｍｍの比較的大きい厚さを有するので、１次ビームの通過のためのガラス製光伝送体の孔は、２−３ｍｍの径を有し、従って、１次ビームは、ガラス製光伝送体によって影響されない。試料側の検知器１１，１２は、試料１０から比較的大きい立体角で出る粒子の検知に役立つ。この場合、第１に、試料１０から出る際に２−４ｅＶにピークを有する１−５０ｅＶの範囲にある運動エネルギを有する２次電子が対象となる。他方、試料１０で反射散乱され試料１０から出る際に２次電子に比して比較的大きい運動エネルギを有する電子は、検知器１１によって極めて僅かな割合で検知されるに過ぎない。なぜならば、光軸に対して０−５°の立体角で試料から反射散乱されて出る電子は、検知器１１の穴を通過し、角度＞１５°で試料から出る電子は、磁極片範囲において既に、ビーム案内管にぶっかり、上記案内管に吸収されるからである。
【００２１】
発生源側検知器は、試料側検知器１１から明らかに光軸の方向へ離隔して調整装置１４に受容された変換絞り１３を有する。調整装置１４によって、変換絞り１３を光軸に垂直な方向へ調整できる。変換絞りは、原子番号が２０以下の材料からなる厚さ０，１−１ｍｍの薄いプレートであり、１次電子ビームの通過のための小さい穴を中心に有する。この場合、穴径は、約２００−４００μｍである。穴径が小さいので、変換絞り１３は、１次電子ビームについてアパーチャを制限し、従って、同時にアパーチャ絞りとして作用する。
【００２２】
変換絞りは、原子番号の小さい材料（例えば、アルミニウム）からなり、従って、変換絞り１３にぶつかった電子は、高能率で２次電子を放出する。変換絞りから放出された上記２次電子の検知のために、変換絞り１３の試料側には、光軸の側方に、エバーハルト・トーネイ・検知器１５が設置してある。このエバーハルト・トーネイ・検知器は、格子電極上で、陽極電位にある変換絞り１３の電位よりも約６−１０ｋＶ高い電位にある。この電位差によって、変換絞り１３から出る２次電子は、検知器１５の方向へ吸引、加速される。
【００２３】
試料側検知器１１の検知面と変換絞り１３との間の光軸に沿う間隔は、試料側検知器１１の検知面と試料１０との間の間隔の少なくとも２５％（好ましくは、約５０−７５％）である。同時に、変換絞り１３の外径は、試料側検知器１１の開口の径よりも大きい。この幾何学的配置によって、試料１０から出て試料側検知器１１の開口を通過する電子２０の大半は、発生源側検知器１３によって確実に検知される。
【００２４】
図２を参照して、光軸方向へずらして配置した２つの検知器によって得られる作用を説明する。同図には、試料にぶつかる１次電子ビームのエネルギが１ｋｅＶであり且つ試料と対物レンズとの間の間隔が５ｍｍである事例について、試料から各種角度で且つ３ｅＶの運動エネルギで出る２次電子の軌道をプロットした。判り易いよう、光軸からの電子軌道の距離を５０倍に拡大し、光軸と交差した後の電子の軌道を鏡像対称に示した。試料側検知器１１の検知面と試料との間の間隔は、１００ｍｍである。試料側検知器１１の中心開口の半径は、１ｍｍである。軌道推移を示すグラフから明らかな如く、試料側検知器１１は、試料から角度＜約３５°で出るような２次電子のみを検知する。試料表面が平坦な導電性試料の場合、試料から出る際の可能な各種出発角度は、ランベルトの余弦分布に対応して分布する。従って、試料から出る２次電子の約４０％は、試料から出る際に光軸に対して約３０°以下の角度を有するので、試料から出る２次電子の約４０％は、試料側の検知器によって検知できない。非導電性試料表面の場合、実際に、局部的帯電効果にもとづき、ほぼすべての電子は、表面法線に対して極めて小さい角度で放射され、従って、実際に極めて重要なこの事例では、試料から出る２次電子のうち試料側検知器１１によって検知できるのは２０％未満に過ぎない。
【００２５】
本発明に係る装置の場合、試料側検知器１１の開口を通過する２次電子の大半が、発生源側検知器１３によって検知される。図２に示した如く、この発生源側検知器１３は、試料側検知器１１の検知面から７０ｍｍ離れている。この場合、発生源側検知器１３の径または検知面は、試料側検知器１１の中心開口の径よりも大きい。更に、発生源側検知器１３の中心開口は、極めて小さく、その半径は０，１ｍｍに過ぎないので、この検知器の絞りは、１次電子ビームについて、アパーチャを制限するよう作用する、
【００２６】
図２の軌道推移から明らかな如く、発生源側検知器によって、試料から３５°以下の角度で出るような２次電子を検知できる。双方の検知器１１，１３によって総合して検知される２次電子をまとめた場合、検知器の本発明に係る配置によって、試料から角度＞２−３°で出るすべての２次電子が検知されることが知られる。試料側検知器のみの配置に比して発生源側の第２検知器による信号利得は、平坦な導電性試料表面の場合、約４０％であり、非導電性試料表面の場合、８０％以下である。
【００２７】
更に、双方の検知器１１，１３の出力信号の適切な混合、特に、和および差の形成によって、表面形状を増幅し、電荷コントラストを形成できる。双方の検知器信号ａ，ｂの上記の混合のため、図１に示した如く、粒子ビーム装置は、双方の検知器信号ａ，ｂの任意に設定できる線形組合せを形成する信号処理系１７を有する。この場合、線形組合せの係数は、図１に小文字のアルファベツトｍ，ｎを含む矢印で示した如く、利用者サイドで任意に選択できる。信号処理系１７の出力信号は、次いで、試料１０上の位置の関数としてモニタ１８上にディスプレーされるか、以降の像処理のため像メモリ（図示してない）にファイルされる。
【００２８】
光軸方向へ明確にずらして配置した２つの環状検知器を有し、試料から遠い方の検知器にのみ極めて小さい中心開口を設けた上述の装置は、特に、電子の１次エネルギが、５ｋｅＶ以上の平均エネルギに対して、上記平均値から試料にぶつかった際の２００ｅＶ以下の最低１次エネルギ間で変化する場合に有用である。即ち、１次エネルギが２００ｅＶ以下の場合、特に、２０−１００ｅＶの１次エネルギ範囲において、２次電子の大部分は、試料からのその放射角度とは無関係に、対物レンズによって偏向されて、その軌道は、試料側検知器の範囲において光軸の直近に延び、従って、上記検知器によっては検知されないということが判明した。上記２次電子は、発生源側検知器によって有効に検知される。１次エネルギがより大きい場合、同時に、試料側検知器によって、光軸に対して大きい角度で試料から出る２次電子を検知できる。
【００２９】
本発明によって、試料からの放射角度にもとづき２次電子を分離できるのみならず、試料から出る際のそのエネルギにもとづき２次電子を分離できる。なぜならば、低エネルギの２次電子の軌道は、放射角度とは無関係に、高エネルギの２次電子の軌道よりも光軸の近くに延びるので、発生源側検知器によって、第１に、低エネルギの２次電子が検知され試料側検知器によって、第１に、高エネルギの２次電子が検知されるからである。
【００３０】
図示の実施形態を参照して、１次粒子が電子である事例について本発明を説明した。正に帯電した粒子に本発明を適用する場合、粒子電荷の符号変化に各種電位の極性を適合させるだけでよい。
【００３１】
更に、対物レンズは、磁気レンズとして構成する必要はない。更に、特に、１次粒子として重い粒子（例えば、イオン）を使用する場合、粒子のフォーカシングのため静電レンズを使用すれば有利である。このような静電レンズは、公知の態様で、３つの連続の電極から構成でき、このうち双方の外側電極は、ビーム案内管の電位にあり、この場合、中心電極は、極性に関しては陰極電位に対応するが数値的には陰極電位よりも幾分小さい電位にある。このような静電レンズによって誘起される粒子エネルギの変化は、含浸静電レンズとは異なり、小さい。
【００３２】
更に、粒子ビーム装置は、別の粒子光学結像系（例えば、粒子発生源と発生源側検知器との間に配設され、試料上のゾンデ寸法または粒子ビームのアパーチャを変更する単段または多段コンデンサ）を有することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るラスタ電子顕微鏡の略断面図である。
【図２】試料表面の出発角度に依存する２次電子の軌道を示すグラフである。
【符号の説明】
１，２，３ ビーム発生器
５，５ａ，６ 対物レンズ
１０ 試料
１１，１２，１３，１５，１６ 検知器
１９，２０ 粒子

Claims (7)

1. 光軸を有し、
   ビーム発生器（１，２，３）と；
   試料（１０）上に１次粒子ビームをフォーカシングする焦面を有する対物レンズ（５，５ａ，６）と；
   上記試料上に飛来する１次粒子ビームのエネルギを５Ｋｅボルト以上の１次エネルギから２００ｅボルト以下の最低１次エネルギまでに変化させる静電遅延装置と；
   上記ビーム発生器（１，２，３）と対物レンズ（５，５ａ，６）の焦面との間に配設された、試料（１０）から反射散乱されたまたは放射された粒子（１９）を検知する、光軸に対称に配置された環状検知面を有する試料側検知器（１１、１２）と；
   試料（１０）から反射散乱されたまたは放射された粒子（２０）を検知する、光軸に対称に配置された環状検知面を有する変換絞り（１３）を具えた発生側検知器と；
   から構成された粒子ビーム装置において、
   上記試料側検知器および発生側検知器の環状検知面は、光軸の方向へ相互にずらして配設されており、これらの２つの環状検知面は、１次粒子ビームのエネルギが５Ｋｅボルト以上の領域に配置され、前記静電遅延装置は、１次粒子ビームのエネルギを２００ｅボルト以下に低減する減速電極（９）を具え、減速電極（９）は、試料側検知器（１１，１２）と試料との間に配置され、
   上記試料側検知器および発生側検知器の環状検知面の間隔は、試料側検知器（１１，１２）の環状検知面と対物レンズの焦面との間隔の５０％〜７５％の範囲にあり、
   発生源側検知器の環状検知面の１次ビームを通過させるための中心開口が、試料側検知器（１１，１２）の環状検知面の中心開口の１／３以下であることを特徴とする粒子ビーム装置。
2. 発生源側検知器は、前記変換絞り（１３）から出る帯電粒子の吸引電界を有するエバーハルト・トーネイ・検知器（１５、１６）を具えることを特徴とする請求項１に記載の粒子ビーム装置。
3. 変換絞り（１３）が、原子番号が２０以下の材料からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の粒子ビーム装置。
4. 変換絞り（１３）が、これを光軸に垂直な方向へ調整する調整装置（１４）に受容されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の粒子ビーム装置。
5. 試料側検知器および発生側検知器の出力信号のために、双方の検知器信号線形組合せに対応する出力信号を検知器信号から形成する信号処理系（１７）が設けてあることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の粒子ビーム装置。
6. 線形組合せの係数（ｍ，ｎ）は、利用者が自由に選択できることを特徴とする請求項５に記載の粒子ビーム装置。
7. 対物レンズの磁極片（５）の空間に、対物レンズ５によって試料（１０）にフォーカシングされた１次電子ビームを、試料（１０）を走査するため、光軸に対して垂直に偏向する偏向系７が設けられていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の粒子ビーム装置。

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