JP4487859B2

JP4487859B2 - 電子ビーム制御方法およびその装置

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Publication number: JP4487859B2
Application number: JP2005161572A
Authority: JP
Inventors: 真藤田
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2025-06-01
Also published as: JP2006339006A

Description

この発明は、工業分野、医療分野などに用いられる電子ビーム制御方法およびその装置に係り、特に、電子ビームの特性を制御する技術に関する。

電子ビームは、走査電子顕微鏡（scanning electron microscope）（以下、適宜『ＳＥＭ』と略記する）や電子線マイクロアナライザー（electron probe microanalyzer）(以下、適宜『ＥＰＭＡ』と略記する) やマイクロフォーカスＸ線管、さらには透過型電子顕微鏡（transmission electron microscope）（『ＴＥＭ』とも略記する）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いられる。

特に、ＳＥＭやＥＰＭＡやマイクロフォーカスＸ線管などのように微小電子プローブを利用する場合には、観察試料（Ｘ線管の場合にはターゲット）上で、その試料に照射されるときのビーム電流値を可能な限り大きくして、試料に照射されるときの電子ビーム径を可能な限り小さくするように集束させることが、ＳＮや空間分解能を向上させる点で重要である。そのために可能な限り収差を抑えた対物レンズや集束レンズが開発されている。

値の大きなビーム電流で電子ビーム径を小さく収めるためには、そのビーム電流に応じた最適な開き角で試料上に電子ビームを集束させて照射させることが必要となる。対物レンズによるアパーチャ交換制御では、開き角を制御するのに離散的になってしまい、微調整がし難いという問題がある。また、開き角を制御するためにはアパーチャの交換という機械的作業を伴う。

そこで、開き角を連続的に制御することができるように、集束レンズの励起強度を操作することで設定されたビーム電流値に応じて各レンズの励起強度を操作して開き角を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１について、図５を参照して説明する。図５は、装置の光学系の構成を示す概略図である。

特許文献１の場合には、図５に示すように、電子銃１０１を備えており、この電子銃１０１から電子ビーム１０２を発生させる。電子ビーム１０２の照射方向には上流側から順に集束レンズ１０３、対物レンズ１０４を配設しており、対物レンズ１０４を通った電子ビーム１０２が試料１０５に向けて照射される。また、集束レンズ１０３には電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０６を備えている。また、集束レンズ１０３と対物レンズ１０４との間には開き角制御レンズ１０８を配設しており、この開き角制御レンズ１０８にも電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０９を備えている。

また、図５に示すように、集束レンズ１０３と開き角制御レンズ１０８との間には電子ビーム１０２が一旦結像する第１クロスオーバＡが形成されるとともに、開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間には第２クロスオーバが形成されるように各レンズ１０３，１０４，１０８やアパーチャ１０６，１０９が操作される。第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離をａとするとともに、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離をｂとする。また、各レンズ間の距離のうち、電子銃１０１／集束レンズ１０３間の距離をｐとするとともに、集束レンズ１０３／開き角制御レンズ１０８間の距離をｑとし、開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離をｒとし、対物レンズ１０４／試料１０５間の距離をｓとする。また、対物レンズ１０４の絞り孔の径をＤとする。

このような図５に示す構成を有した装置において、集束レンズ１０３の励起強度を操作することでビーム電流値を設定する。このビーム電流値を設定することによって第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離ａを推測し、特許文献１中の（３）式を用いてビーム電流値から最適な開き角α_optを求める。そして、最適な開き角α_optと上述した距離ａと、さらに対物レンズ１０４の絞り孔の径Ｄと開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離ｒと対物レンズ１０４／試料１０５間の距離ｓとを特許文献１中の（５）、（６）式にそれぞれ代入して、第２クロスオーバを形成しつつ試料１０５上に電子ビーム１０２が結像してフォーカスされるような開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ₁および対物レンズ１０４の焦点距離ｆ₂をそれぞれ求めて、これらのレンズ１０４，１０８に応じた励起強度を操作することで最適な開き角α_optを実現する。

このときには、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離ｂが、すなわち開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間で結像して形成される第２クロスオーバの位置が、開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ₁によって変動するので、開き角制御レンズ１０８の励起強度を操作しつつ、対物レンズ１０４の励起強度を操作している。

特許文献２の場合には、特許文献１をさらに改良したもので、第２クロスオーバを形成しない開き角制御モードを提案している。開き角制御レンズの焦点距離を特許文献１の場合よりも長く設定することができ、弱い励起強度で用いることが可能となる。

ところで、電子銃としては、加熱して熱電子を放出させることで電子ビームを発生させる熱電子放出型と、強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用して電子を放出させることで電子ビームを発生させる電界放出型とがある。電界放出型では、ビーム電流値を大きく確保するために集束レンズを電子銃側に近づけると十分な縮小率を確保するのが難しくなる。これは、開き角制御レンズが『拡大モード』で動作して、ビーム角がレンズによってしぼむからである。そこで、電界放出型においてもビーム電流値を大きく確保するために、必要な縮小率を回復すべく集束レンズを２段にすることを提案している（例えば、特許文献３参照）。

また、上述した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）や（３）式（最適な開き角の算出式）では対物レンズの収差については考慮しているが、電子銃や集束レンズの収差については考慮していない。上述した電界放出型の場合には電流角密度が低く、対物レンズの収差のみを考慮したのでは、電子ビーム径の評価が不正確となり、ひいては最適な開き角を実現することができない。そこで、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張したものを提案している（例えば、非特許文献１参照）。本明細書中の下記（１）式、（２）式については、非特許文献１中の（４１）式、（４２）式と同じである。

ｄ²＝Ｐ×α⁶＋Ｑ×α²＋Ｒ＋Ｓ／α² …（１）
ただし、Ｐ＝１／８×Ｃ_s ²
Ｑ＝１／２×Ｃ_c ²×（ΔＥ／Ｖ_acc）²
＋４／π⁴×Ｃ_s×Ｃ_sg×（Ｖ_acc／Ｖ_ext）^3/2×（Ｉ_b／Ｂ）²×１／ｄ_co ⁴
Ｒ＝４／π⁴×Ｃ_c×Ｃ_cg×（ΔＥ／Ｖ_acc）²×（Ｖ_acc／Ｖ_ext）^3/2
×Ｉ_b／Ｂ×１／ｄ_co ²
Ｓ＝４／π⁴×Ｉ_b／Ｂ＋（１．２２×λ）²
＋３２／π⁸×Ｃ_sg ²×（Ｖ_acc／Ｖ_ext）³×（Ｉ_b／Ｂ）⁴×１／ｄ_co ⁸
＋８／π⁴×Ｃ_cg ²×（ΔＥ／Ｖ_acc）²×（Ｖ_acc／Ｖ_ext）³
×（Ｉ_b／Ｂ）²×１／ｄ_co ⁴
ここで、ｄは試料に照射されるときの電子ビーム径、Ｉ_bはビーム電流、αは操作される開き角、Ｃ_sは対物レンズの球面収差係数、Ｃ_cは対物レンズの色収差係数、Ｖ_extは電子銃の引き出し電圧、Ｖ_accは電子銃の加速電圧、ΔＥは電子ビームのエネルギー拡がり、Ｃ_sgは集束レンズの球面収差係数、Ｃ_cgは集束レンズの色収差係数、Ｂは電子ビームの輝度、ｄ_coは電子源の径（ただし直径）、λは電子ビームのde Broglie波長をそれぞれ表す。上記（１）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）となる。

そして、所望の値のビーム電流Ｉ_bが与えられたときに上記（１）式の各係数が決まるので、電子ビーム径ｄを最小にする開き角α_optが存在する。

α_opt ⁴＝｛√（Ｑ²＋１２×Ｐ×Ｓ）−Ｑ｝／（６×Ｐ） …（２）
上記（２）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（３）式（最適な開き角の算出式）となる。そして、このビーム電流Ｉ_bの値に応じて開き角を上記（２）式で与えられる値に調整するように制御する。
特公昭５６−１０７４０号公報（第１−４頁、第５，６図）特許第３３５１６４７号公報（第１−４頁、図３，４）特開２００２−３５２７５９号公報（第２−４頁、図１−４）藤田真、「数値シミュレーションによる電子源特性の評価方法について」、島津評論別刷、第６０巻、第１・２号、ｐ．６９−８６

しかしながら、上述した特許文献１，２の場合には、上述した（２）式を用いてビーム電流によって最適な開き角の決定を行うが、ビーム電流の値を直接的に測定する、アパーチャに吸収される電流値に基づいてビーム電流の値を推定する、あるいは所望の値のビーム電流に制御するなど、ビーム電流の値が既知であることが前提となっている。また、（２）式を用いる場合には、電子ビームの輝度Ｂを予め知る必要があるが、この輝度Ｂは陰極電流密度に比例する量である。上述したような電界放出型の場合には、陰極電流密度が引き出し電圧に指数関数的に依存し、実際の値を正確に把握することは困難である。

したがって、ビーム電流や輝度が不適切の場合には、上述した特許文献１，２のように各レンズの励起強度を操作しても最適な開き角を実現することができない。また、非特許文献１のように、たとえ電子銃や集束レンズの収差をも考慮したとしても、ビーム電流や輝度が不適切では最適な開き角を実現することができない。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、試料に照射されるときの電子ビームの開き角をより正確に制御することができる電子ビーム制御方法およびその装置を提供することを目的とする。

上記問題を解決するために、発明者は、以下のような知見を得た。集束レンズや対物レンズといったレンズの総合レンズ倍率をＭとしたとき、その総合レンズ倍率Ｍを導入することができる。なお、総合レンズ倍率Ｍは試料上のガウス像径ｄｇと電子源の径ｄ_coとの比で表される。各レンズの励起強度が決まると、その焦点距離などから総合レンズ倍率Ｍを求めることができる。ところで、ビーム電流Ｉ_bと輝度Ｂとの比（Ｉ_b／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、下記（３）式のような関係式が成立する。

Ｍ＝２／π×１／ｄ_co×√（Ｉ_b／Ｂ）×１／α_opt …（３）
ここで、上記（３）式においても、上述した（１）式や（２）式といった最適な開き角α_optを求める場合においても、ビーム電流の依存性はビーム電流Ｉ_bと輝度Ｂとの比（Ｉ_b／Ｂ）という形態で常に入っている。すなわち、あるパラメータをｔとして、そのパラメータｔ＝Ｉ_b／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角α_optとはｔの関数でともに表される。

Ｍ＝Ｍ（ｔ）、 α_opt＝α_opt（ｔ） …（４）
つまり、ビーム電流Ｉ_bを変化させたとき、総合レンズ倍率および最適な開き角の組み合わせ（Ｍ、α_opt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。この組み合わせ、すなわち総合レンズ倍率および開き角の相関関係が所定の条件で満たされるように決められ、その所定の条件が試料に照射されるときの電子ビーム径が最小になる条件であれば、（Ｍ、α_opt）が動作曲線上を動く限り、最適な開き角α_optが実現できていることになる。動作曲線のグラフは図２に示すとおりである。

ここで重要なのは、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角α_optは、レンズ配置とレンズの励起強度とによって一意的に求めることができる動作パラメータであって、電子ビームを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉ_bや輝度Ｂを知る必要がないことに留意されたい。

なお、上記（４）式の具体的な関数を求めるには、電子源の径ｄ_coや、各レンズの球面／色収差係数Ｃ_s，Ｃ_c，Ｃ_sg，Ｃ_cgの値を知る必要がある。収差係数については、以前より近軸軌道法・収差積分法を用いて評価することができていた。電子源の径、特に電界放出型では径が非常に小さく、実測が難しく、従来はその見積もり値しか得られていなかったが、近年、非特許文献１のように数値シミュレーションによって電子源の径ｄ_coを定量評価できる一般的な方法を提案している（非特許文献１中の（３１）式を参照）。これらの手法によって、上記（４）式を数値シミュレーションで評価することができる。

このように、ビーム電流Ｉ_bの値や電子ビームの輝度Ｂを直接的に求めなくても、上述した動作曲線上にある励起強度を求めて、最適な開き角α_optを実現する技術的思想に基づく知見を得た。

このような知見に基づくこの発明は、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、電子ビームを試料に向けて照射させるように電子ビームの特性を複数のレンズで制御する電子ビーム制御方法であって、所定の条件において成立する前記複数のレンズの総合レンズ倍率と前記試料に照射されるときの電子ビームの開き角との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、各レンズの励起強度を操作することで開き角を制御して、電子ビームの特性を制御することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、電子ビームを試料に向けて照射させるように電子ビームの特性を複数のレンズで制御する際に以下のような制御を行う。すなわち、複数のレンズの総合レンズ倍率、および試料に照射されるときの電子ビームの開き角の動作曲線上にあるように、各レンズの励起強度を操作することで、電子ビームの特性を制御する。この動作曲線は、所定の条件において成立する総合レンズ倍率と開き角との相関関係を規定する曲線である。したがって、このような動作曲線に基づいて各レンズの励起強度を操作すれば、従来のように試料に照射されるときのビーム電流値や電子ビームの輝度を直接的に求めなくても、励起強度から制御すべき開き角を求めることができる。その結果、試料に照射されるときの電子ビームの開き角をより正確に制御することができる。

上述した発明において、所定の条件は、試料に照射されるときの電子ビーム径が最小になる条件であるのが好ましい（請求項２に記載の発明）。所定の条件が、電子ビーム径が最小になる条件であれば、動作曲線上の総合レンズ倍率および開き角の組み合わせはそのときのビーム電流に対し最適なものとなっている。かかる動作曲線上にあるように、各レンズの励起強度を操作することで電子ビーム径が最小となる最適な開き角に制御することができる。

請求項３に記載の発明は、電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する複数のレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、演算手段を備え、所定の条件において成立する前記複数のレンズの総合レンズ倍率と前記試料に照射されるときの電子ビームの開き角との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、前記演算手段は、各レンズの励起強度を決定する演算を行い、その演算を行うことにより各レンズの励起強度を操作することで開き角を制御して、電子ビームの特性を制御することを特徴とするものである。

［作用・効果］請求項３に記載の発明によれば、演算手段は、各レンズの励起強度を決定する以下のような演算を行う。すなわち、所定の条件において成立する複数のレンズの総合レンズ倍率と試料に照射されるときの電子ビームの開き角との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、各レンズの励起強度を決定する演算を行う。そして、その演算を行うことにより各レンズの励起強度を操作することで開き角を制御して、電子ビームの特性を制御する。したがって、このような動作曲線に基づいて各レンズの励起強度を操作すれば、従来のように試料に照射されるときのビーム電流値や電子ビームの輝度を直接的に求めなくても、励起強度から制御すべき開き角を求めることができる。その結果、試料に照射されるときの電子ビームの開き角をより正確に制御することができる。

この発明に係る電子ビーム制御方法およびその装置によれば、動作曲線は、所定の条件において成立する総合レンズ倍率と開き角との相関関係を規定する曲線である。したがって、このような動作曲線に基づいて各レンズの励起強度を操作すれば、従来のように試料に照射されるときのビーム電流値や電子ビームの輝度を直接的に求めなくても、励起強度から制御すべき開き角を求めることができる。その結果、試料に照射されるときの電子ビームの開き角をより正確に制御することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。

図１に示す電子ビーム制御装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）やマイクロフォーカスＸ線管（以下、適宜『Ｘ線管』と略記する）などに用いられている。本実施例では、Ｘ線管を例に採って説明する。また、図１に示すＸ線管１はＸ線非破壊検査機器など代表されるＸ線撮像装置に用いられ、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線管１と、Ｘ線管１から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器２とを備えている。Ｘ線検出器２は、例えばイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）やフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）などがある。Ｘ線管１から照射されたＸ線をＸ線検出器２が検出することで、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像する。

Ｘ線管１は、電子銃として電界放出型エミッタ（以下、適宜『エミッタ』と略記する）１１と、強電界をかけるために正電圧を印加する引き出し電極１２と、引き出された電子ビームＢを加速させるために正電圧を印加する加速電極１３とを備えている。本実施例では、３つのレンズで電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、電子ビームＢの照射方向に対して上流側（エミッタ１１側）から順に、集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６を備えている。そして、対物レンズ１６よりも下流側に、電子ビームＢの衝突によりＸ線を発生させるターゲット１７を備えている。エミッタ１１は、この発明における電子源に相当し、ターゲット１７は、この発明における試料に相当する。

この他に、Ｘ線管１は、集束レンズ１４に電流を流すレンズ電源２１と、絞りレンズ１５に電流を流すレンズ電源２２と、対物レンズ１６に電流を流すレンズ電源２３とを備えるとともに、コントローラ２４と入力部２５とメモリ部２６とを備えている。

負電圧を印加するサプレッサ電極（図示省略）と上述した引き出し電極１２との間で強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用してエミッタ１１から電子を放出させることで電子ビームＢを発生させる。そして、引き出された電子ビームＢを加速電極１３によって加速させて、ターゲット１７に向けて照射させる。

集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６は、それぞれ円環状に構成されている。また、絞りレンズ１５には、電子ビームＢを絞る絞り孔を有したアパーチャ１５ａを配設している。各レンズ１４〜１６には、各レンズ電源２１〜２３を介してコントローラ２４に接続されており、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６に電流を流すことで磁界を発生させて、光学のレンズと同様に各レンズ１４〜１６は電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、各レンズ１４〜１６は、それに流す電流、すなわち励起強度を変えることで、焦点距離や、電子ビームＢが一旦結像するクロスオーバの位置、ターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの開き角αなどの特性を制御する。なお、電子ビームＢの特性は、各レンズ１４〜１６の励起強度の他に、アパーチャ１５ａの径や、各レンズ１４〜１６をそれぞれ配設するレンズ配置などによっても制御される。このような特性を決定する各レンズ１４〜１６の励起強度や、アパーチャ１５ａの径や、レンズ配置などの電子ビームＢの条件を、本明細書では『ビームモード』と定義づける。

本実施例では、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードを採用する。また、ビームモードを指定すれば、３つのレンズ１４〜１６の励起強度のうち独立変数となるのは２つになる。例えば、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度をそれぞれ独立変数として与えれば、同じビームモードを指定する限り、残りの対物レンズ１６については、ターゲット１７上に結像するという条件から一意的に決定される。そこで、後述するように、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度と、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、α_opt）とを対応付けることが可能となる。したがって、動作曲線上の条件（Ｍ、α_opt）を実現する各レンズ１４，１５の励起強度を求めることができる。

ターゲット１７は、タングステンなどに代表されるＸ線を発生させる物質で構成されている。電子ビームＢがターゲット１７に衝突することによりＸ線が発生する。

コントローラ２４は、Ｘ線管１内の各構成を統括制御する。具体的には、引き出し電極１２や加速電極１３に電圧を印加する制御、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６にそれぞれ電流を流して励起強度を決定する制御を行う。さらに、本実施例では、予め記憶された総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、α_opt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表、および後述する入力部２５から入力された動作曲線上の動作点を指定するパラメータ（例えばｔなど）の値に基づいて、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角α_optの動作曲線上の点に対応した各レンズ１４，１５の励起強度を決定し、それらの励起強度を操作することで最適な開き角α_optを実現する。コントローラ２４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成されている。コントローラ２４は、この発明における演算手段に相当する。

入力部２５は、マウスやキーボードやジョイスティックやトラックボールやタッチパネルなどに代表されるポインティングデバイスで構成されている。入力部２５によって入力された入力データに基づいて、コントローラ２４はＸ線管１内の各構成を統括制御する。本実施例では、動作パラメータを入力して、コントローラ２４は上述した動作曲線上にある各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。

メモリ部２６は、コントローラ２４を介して送られてきた各種のデータを書き込んで記憶して、必要に応じて読み出す機能を備えている。メモリ部２６は、ＲＯＭ（Read-only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）などに代表される記憶媒体などで構成されている。また、メモリ部２６は２つの変数の組み合わせテーブルを記憶しており、この組み合わせテーブルを読み出すことでコントローラ２４は上述した各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。本実施例では、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、α_opt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表を用いている。

続いて、電子ビーム制御方法に係る一連の処理について、図２〜図４のグラフを参照して説明する。

『課題を解決するための手段』の欄でも述べたように、ビーム電流Ｉ_bと輝度Ｂとの比（Ｉ_b／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、上記（３）式のような関係式が成立する。ｔ＝Ｉ_b／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角α_optとは、上記（４）式のようにｔの関数でともに表される。ビーム電流Ｉ_bを変化させたとき、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、α_opt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。動作曲線のグラフは、図２に示すとおりである。

図２では、総合レンズ倍率Ｍを横軸にとって、最適な開き角α_optを縦軸にとっている。なお、最適な開き角α_optとは、試料（本実施例ではターゲット１７）に照射される電子ビーム径が最小になる開き角αである。また、開き角は、図１に示すようにターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの角度である。

図２のグラフから、開き角α_optはビーム電流値の小さな領域では一定に、ビーム電流値の中間領域ではα_optは総合レンズ倍率Ｍの１／３乗に比例して増やすべきことがわかる。さらに、ビーム電流値の大きな領域では総合レンズ倍率Ｍを一定にして開き角α_optを上げることで電流を増やす必要があることがわかる。

最適な開き角α_optが実現されているときのプローブの特性を求めた評価例のグラフは、図３に示すとおりである。プローブの特性として、ビーム電流Ｉ_bと試料（本実施例ではターゲット１７）に照射されたときの電子ビーム径ｄとの関係を示している。ビーム電流Ｉ_bを横軸にとって、電子ビーム径ｄを縦軸にとっている。

図３のグラフから、ビーム電流値の小さな領域では電子ビーム径ｄは電流によらずにほぼ一定で、ビーム電流値の中間領域では電流とともに徐々に増加するが、あるビーム電流の閾値を超えると電子ビーム径ｄはＩ_b ^3/2に比例して急激に増加する。この図３のグラフから図２に示した最適な開き角α_optのふるまいがビーム電流領域によって異なっていることがわかる。

なお、電子源の径ｄ_coや、各レンズ１４〜１６の球面／色収差係数に基づいて、図２に示す動作曲線を数値シミュレーションで評価することができる。収差係数については、近軸軌道法・収差積分法を用いて評価するとともに、電子源の径ｄ_coについては、非特許文献１のように数値シミュレーションによって定量評価する。

なお、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角α_optの関係を示す動作曲線は、レンズ特性によって決まるものであって、電子ビームＢを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉ_bや輝度Ｂを知る必要がない。

前述したように、集束レンズ１４の励起強度および絞りレンズ１５の励起強度を１次変数とし、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角αを２次変数とし、図２の縦軸および横軸が（Ｍ、α_opt）のグラフを、図４のように縦軸および横軸が（ＮＩ_cl、ＮＩ_iris）のグラフに２次元写像を行うことができる。このとき、動作曲線は、図２のような状態から図４のような状態に写像される。図４では、実線を図２から写像された動作曲線とし、１点鎖線が開き角α一定の等高線を、点線が総合レンズ倍率Ｍ一定の等高線をそれぞれ示す。なお、集束レンズ１４の励起強度（図４では符号をＮＩ_cl）を横軸にとり、絞りレンズ１５の励起強度（図４ではＮＩ_iris）を縦軸にとる。

かかる図２・図４のグラフはテーブル化されており、メモリ部２６の組み合わせテーブル２６ａに記憶されている。入力部２５から動作曲線上の位置を示すパラメータ（例えばｔ＝Ｉ_b／Ｂ）を入力すると、コントローラ２４は動作曲線上の指定点に対応する集束レンズ１４および絞りレンズ１５の励起強度を決定する。

例えば、図４の動作曲線上で左から４番目の『○』を指定する。このとき、この動作曲線上の『○』に対応する総合レンズ倍率Ｍは、点線の等高線から０．３であり、開き角αは、１点鎖線の等高線から７．０（ｍｒａｄ）である。

そのときの集束レンズ１４の励起強度は１０７０（ＡＴ）であり、絞りレンズ１５の励起強度は４２０（ＡＴ）となる。そして、決定された集束レンズ１４および絞りレンズ１５の各励起強度を上述した値（１０７０（ＡＴ），４２０（ＡＴ））で操作することで開き角αを、Ｍ＝０．３の条件での最適な開き角α_opt＝７．０（ｍｒａｄ）とすることができる。

また、残りのレンズである対物レンズ１６の励起強度については、総合レンズ倍率Ｍが決まるとともに、上述したように集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度が決まっていることから一意的に決定される。

以上のように構成されたＸ線管１によれば、コントローラ２４は、各レンズ１４〜１６の励起強度を決定する以下のような演算を行う。すなわち、所定の条件（本実施例では試料であるターゲット１７に照射されるときの電子ビーム径ｄが最小となる条件）において成立するレンズ１４〜１６の総合レンズ倍率Ｍと試料であるターゲット１７に照射されるときの開き角α（ここでは電子ビーム径ｄが最小となる開き角なので最適な開き角α_opt）との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、各レンズ１４〜１６（本実施例では集束レンズ１４および絞りレンズ１５のみ）の励起強度を決定する演算を行う。そして、その演算を行うことにより集束レンズ１４および絞りレンズ１５の各励起強度をそれぞれ操作することで開き角αを最適な開き角α_optとして制御して、電子ビームＢの特性を制御する。

したがって、このような動作曲線に基づいて各レンズ１４〜１６を操作すれば、従来のように試料（本実施例ではターゲット１７）に照射されるときのビーム電流値や電子ビームの輝度を直接的に求めなくても、励起強度から制御すべき開き角αを求めることができる。その結果、試料（本実施例ではターゲット１７）に照射されるときの電子ビームの開き角αを最適な開き角α_optとしてより正確に制御することができる。

この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した実施例では、マイクロフォーカスＸ線管を例に採って説明したが、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、さらには透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いてもよい。また、Ｘ線管を、非破壊検査機器などの工業用装置を例に採ったＸ線撮像装置に用いたが、Ｘ線診断装置などの医用装置に用いてもよい。

（２）上述した実施例では、電界放出型と例に採って説明したが、熱電子放出型に例示されるように適用される電子銃の構成については特に限定されない。

（３）上述した実施例では、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードであったが、ビームモードについては特に限定されない。例えば、特許文献１のような図５に示すビームモードであってもよいし、特許文献２のようなビームモードでもよい。

（４）上述した実施例では、集束レンズ１４、アパーチャ１５ａを備えた絞りレンズ１５および対物レンズ１６の３段構成であったが、レンズの数については複数であれば特に限定されない。アパーチャを備えたレンズについても、集束レンズ１４と対物レンズ１６との間に配置された絞りレンズ１５に限定されない。

（５）上述した実施例では、所定の条件は、試料であるターゲット１７に照射されるときの電子ビーム径ｄが最小になる条件であったが、所定の条件としては、電子ビーム径ｄが最小となる最適な開き角α_optの条件以外にも、最小以外の様々な電子ビーム径ｄの条件でも存在し、そのような電子ビーム径ｄの条件においても、総合レンズ倍率Ｍと開き角αとの相関関係を規定することができる。したがって、図２・図４に示す動作曲線以外に動作曲線を定義することも可能である。

（６）上述した実施例では、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度を決定してから、残りの対物レンズ１６を一意的に決定したが、レンズの決定順については特に限定されない。

実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。総合レンズ倍率および開き角の動作曲線のグラフである。プローブの特性のグラフである。写像された動作曲線のグラフである。従来の装置の光学系の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ … Ｘ線管（マイクロフォーカスＸ線管）
１１ … エミッタ（電界放出型エミッタ）
１４ … 集束レンズ
１５ … 絞りレンズ
１６ … 対物レンズ
１７ … ターゲット
２４ … コントローラ
Ｍ … 総合レンズ倍率
α … 開き角

Claims

電子ビームを試料に向けて照射させるように電子ビームの特性を複数のレンズで制御する電子ビーム制御方法であって、所定の条件において成立する前記複数のレンズの総合レンズ倍率と前記試料に照射されるときの電子ビームの開き角との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、各レンズの励起強度を操作することで開き角を制御して、電子ビームの特性を制御することを特徴とする電子ビーム制御方法。
請求項１に記載の電子ビーム制御方法において、前記所定の条件は、前記試料に照射されるときの電子ビーム径が最小になる条件であることを特徴とする電子ビーム制御方法。
電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する複数のレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、演算手段を備え、所定の条件において成立する前記複数のレンズの総合レンズ倍率と前記試料に照射されるときの電子ビームの開き角との相関関係を規定する動作曲線上にあるように、前記演算手段は、各レンズの励起強度を決定する演算を行い、その演算を行うことにより各レンズの励起強度を操作することで開き角を制御して、電子ビームの特性を制御することを特徴とする電子ビーム制御装置。