JP4689002B2 - 荷電粒子ビーム装置用カラム - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は、試料を検査するための荷電粒子ビーム装置に関する。更に詳細に言えば、本発明は、ある到達角度で試料表面上にビームが到達するビームカラムに関するものである。
【０００２】
【背景技術】
走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）等の荷電粒子ビーム装置では、荷電粒子ビームの典型的な開口角度及び典型的な到達角度は数ミリラジアン程度のものである。多くの応用では、荷電粒子ビームは、９０〜１８０ミリラジアンに対応する約５°〜１０°とかなり大きな角度でサンプル表面上に到達する。
【０００３】
このような到達角度を必要とする応用は、試料表面を立体的に視覚化する場合である。ＳＥＭを用いた立体写真技術は、走査形電子顕微鏡の開発初期の時代まで遡る。実質的に比較的粗いサンプルの全ての部分から電子が収集されるので、ＳＥＭの像はかなり「実際の」外観を有するものとなる。このような実際の外観を得られる主な理由は、ビーム衝突点で発生した二次電子信号が、分散照射された巨視的対象物の表面の知覚的輝度と同じように表面の局所的な傾斜で変化するためである。更に、この信号が検出器からの弱い電界により収集される効率性が変化することにより、位置関数として信号が修正され、あたかもサンプル表面が影を含むように見える。このように像は従来の白黒写真の視覚的手掛かり（curs）を持っているが、これらの手掛かりは多くの場合当てにならないものである。従って、確実な視覚情報を提供する方法を得ることが必須となる。立体的な視覚化は、そのような方法である。他のコード化メカニズムでは不明瞭な結果を生じる状態のものを検出し解析することは、有益であり、かつ時には不可欠なものである。
【０００４】
別の応用では、試料表面に関する地形的な情報が、例えば傾斜ビームで得た対の立体像の視差から抽出される。更なる応用である試料の三次元結像でも、例えば米国特許第５，７３４，１６４号公報に開示されているように、数度だけビームを傾斜させることを必要とする。
【０００５】
これら全ての応用では、ビームを傾斜させるメカニズムが重要な役割を果たす。初期の解決策としては、試料を機械的に傾けて二つの透視像を得て、立体効果を達成していた。しかしながら、機械的な不完全性により、試料が横方向に移動することは避けられず、対の立体像の要素間に位置合わせ誤差を生じてしまうことがよくある。これは、集積回路のメモリセルアレイ等のように非常に規則的な構造物に関しては特に問題となるものである。
【０００６】
ビームの傾斜を電気的に実行する場合、横軸の位置合わせに関する限り、試料が水平方向に維持されているということが非常に重要な利点となる。更に、電気的に傾斜させる作業は機械的に傾斜させるよりもかなり高速に処理できる。しかしながら、電気的方法にも欠点が幾つかある。ある方法において、ビームは、各光線が電子源（図２を参照）の見掛けの位置と一致する点から現れるように、対物レンズの上方で偏向される（前方レンズ偏向）。このようにして、サンプル表面が集束状態にある限り、各光線はサンプルの同じ領域に集束される。しかしながら、その結果として、ビームはレンズ収差により付随して生じた劣化でかなり軸から外れて対物レンズのフィールドを横切ることになる。特に、色収差で得られる分解能は数１０ナノメートルまでに制限される。多くの応用では、約５ｎｍよりも高い分解能が要求される。
【０００７】
別の方法として、偏向コイルが対物レンズの下方に配置されれば（後方レンズ偏向）、ビームは光軸上でレンズを通過する（図３）。しかしながら、最終レンズの下方にある偏向コイルの物理的寸法により、獲得可能な最小作業距離、即ち最終レンズと被検査試料との間の獲得可能な最小距離が制限される。従って、作業距離が広くなり器具の分解能が劣化することにより、許容可能な程度の分解能を得ることができない。
【０００８】
【発明の概要】
本発明は、上述した従来例の欠点や不利益を解消することを目的とする。特に、本発明は、試料が、荷電粒子像の高分解能を維持しながらビームの到達角度が大きい状態で検査可能である改良形の荷電粒子ビームカラムを提供することを目的としている。この目的を達成するために、本発明の一つの態様によれば、独立の請求項１及び１４に記載されたカラム及び請求項１３に記載された方法が提供される。
【０００９】
本発明の更なる好適な特徴、態様及び詳細は、従属の請求項、明細書の記載及び添付の図面から明らかになる。本発明の請求項は、本発明を一般的な用語で規定するための第１の非制限的アプローチとして理解されることを意図したものである。
【００１０】
一つの態様によれば、本発明は、大きなビーム到達角度で荷電粒子ビームを試料表面に向けるためのカラムを提供し、このカラムは、
光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給するための粒子供給源と、荷電粒子ビームを試料表面に集束させるための対物レンズと、粒子供給源と対物レンズとの間に配置された前方レンズ偏向ユニットであり、対物レンズと前方レンズ偏向ユニットを組み合わせることによって荷電粒子ビームを光軸の方向に向けて、第１の方向から試料表面に当たるような経路に、光軸から離れて荷電粒子ビームを偏向するための前方レンズ偏向ユニットと、インレンズ偏向ユニットと対物レンズのフィールドが重なるように対物レンズの近傍に配置されたインレンズ偏向ユニットであって、対物レンズとインレンズ偏向ユニットを組み合わせることによって荷電粒子ビームを光軸の方向に向け直して、第１の方向と実質的に反対方向の第２の方向からビーム到達角度が大きな状態で試料表面に当たるような経路に、荷電粒子ビームを再度方向付けするためのインレンズ偏向ユニットとを備える。
【００１１】
前方レンズ偏向ユニットと対物レンズのフィールドは実質的に重ならないものが好ましい。更に、インレンズ偏向ユニットと対物レンズが明らかに重なっていれば利点となる。
【００１２】
上述したように、前方レンズ偏向は、対物レンズを通るビーム経路を軸から外して、大きな色収差を生じさせる原因となる。これらの色収差は、偏向器のフィールドと対物レンズのフィールドとが重なり合わない限り、偏向システムの位置とは無関係であることが分かっている。偏向システムがレンズのフィールド内に配置される場合、色収差は減少する。偏向システムがレンズのフィールド内深くに配置されるか、若しくは一部分でもレンズの下方にあれば、５０％以上色収差を減少させることが可能である。しかしながら、それでもこのようなインレンズ偏向システムの色収差は、およそ数１０ナノメートルのものであるため、多くの応用では適用できないものである。
【００１３】
驚くべきことに、本発明により、前方レンズ偏向で生じた色収差が反対方向のインレンズ偏向で補正可能であることが分かった。前方レンズ偏向とインレンズ偏向を組み合わせることによって、インレンズ偏向を実行しないときにビームがサンプルに当たる方向とは実質的に反対の方向から電荷粒子ビームがサンプル表面に当たることになる。
【００１４】
特定の理論に限定せずに考えると、この効果は今のところ以下のように理解されている。例えば、前方レンズ偏向システムを単独で用いると、ビーム到達角度が５°の場合色収差は１００ｎｍとなり、インレンズ偏向システムを単独で用いると、ビーム到達角度が５°の場合色収差は５０ｎｍとなり、即ち５０％減少することになる。前方レンズ偏向システムにビームを５°だけ傾斜させ、インレンズ偏向システムにビームを１０°だけ反対方向に傾斜させると、最終的な傾斜角度は５°になる。
【００１５】
反対方向でも、色収差は両方の場合とも１００ｎｍとなるため、これらの色収差はちょうど互いを補正し合うことになる。ごく僅かな色収差で最終的なビーム到達角度５°が結果として得られる。当然ながら、インレンズシステムの別の減少要因として、他の相対斜角を選択して補正を行う必要があることは当業者に認識されるであろう。更に、本発明の実行は、偏向システムの色収差の知識に左右されるものではない。予め選択されたビーム到達角度で最小収差を得る前方レンズ偏向システムとインレンズ偏向システムの偏向角度は、結果として得られた像から実験的に抽出されるものである。
【００１６】
従って、本発明は、サンプル表面上での大きなビーム到達角度が、色収差が大きいことから生じる分解能を通常のように低減せずに得られるという利点を有する。
【００１７】
好適な実施形態では、前方レンズ偏向ユニットとインレンズ偏向ユニットは、２５°よりも小さなビーム到達角度であり、好ましくは３°〜１５°の到達角度であり、更に好ましくは５°〜１０°である到達角度を供給するものである。上記に挙げた例では、３°のビーム到達角度を得るには、前方レンズ偏向システムを励起して３°だけビームを偏向させ、更にインレンズ偏向システムを励起して反対方向に６°だけビームを偏向させることによって、最終的な傾斜角３°を得る。
【００１８】
更なる好適な実施形態では、前方レンズ偏向ユニットは、粒子供給源の見掛けの位置と一致する点から現れるように見える経路か、若しくは適用できる場合は、粒子供給源の中間の像の見掛けの位置と一致する点から現れるように見える経路に、光軸から離れて荷電粒子ビームを偏向するための二つの偏向器を備える。
【００１９】
更なる好適な実施形態では、インレンズ偏向ユニットは、試料表面で光軸と交差するように偏向ビームを再方向付けする二つの偏向器を備える。
【００２０】
本発明の好適な態様において、これまで記載した偏向システムは種々の対物レンズで使用可能であるが、対物レンズは複合磁気静電レンズである。好ましくは、複合磁気静電レンズの静電部分は、静電減速レンズである。このような複合磁気静電レンズを用いることによって、ＳＥＭの場合、数１００電子ボルト等のように、低加速エネルギで高分解能が得られる。このような低加速エネルギは特に現在の半導体産業においては望ましいものであり、放射感度性の試料を帯電させたり損傷を与えないように、又はそのどちらかを与えないようにする。好適な実施形態では、静電減速レンズは荷電粒子として電子ビームエネルギを、５ｋｅＶより低く、好ましくは２ｋｅＶより低く、更に好ましくは約１ｋｅＶ以下まで下げる。
【００２１】
好適な実施形態では、カラムは、試料と対物レンズの極片間に電位差を印加するための手段を備える。従って、静電減速レンズは、試料と対物レンズの極片間に設けられ、更なる電極が必要なくなる。しかしながら、このように発生した減速フィールドを補充及び／又は修正するために更なる電極が存在する場合もあることは当業者により認識されるであろう。
【００２２】
十分な傾斜角を得るには、インレンズ偏向ユニットの偏向フィールドの強度が、集束距離がより短い対物レンズに対してより大きいものでなければならない。インレンズ偏向ユニットに対してこのように要求することによって、標準結像モード、即ちビームを傾斜させずにカラムが動作するモードで対物レンズの達成可能な分解能を制限する強い対物レンズを使用しなくてもよい場合がある。
【００２３】
この制限を解消するために、本発明の更なる好適な態様によれば、対物レンズは、集束距離が短い下側レンズと、集束距離がより長い上側レンズとからなる二段レンズである。ビームを傾斜させずに高分解能を得る必要があれば、下側レンズのみが使用される。下側レンズの集束距離は短いため、高分解能が達成される。大きいビーム到達角度に関しては、上側のより弱いレンズのみが用いられ、僅かに低い分解能となり大きなビーム到達角度を得る。当業者に認識されているように、分解能とビーム到達角度の必要な組み合わせに応じて、相対的な励起強度で両方のレンズが同時に使用される場合もある。
【００２４】
好ましくは、下側レンズの集束距離は約１０ｍｍ以下であり、更に好ましくは下側レンズの集束距離は約２ｍｍ〜約５ｍｍの範囲のものである。上側レンズの集束距離は約４０ｍｍ以下であり、更に好ましくは上側レンズの集束距離は約１０ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲のものである。多くの場合、上側レンズの集束距離は３ｍｍより長いものである。
【００２５】
更なる好適な実施形態では、インレンズ偏向ユニットは、上側レンズの下方にあり、下側レンズに近い方に配置される。
【００２６】
試料上方に両段を配置した二段レンズを用いずに、試料の下方に更に強磁性のレンズを配置することも利点となる場合がある。ビームを傾斜させないモードでは、高分解能が得られる。当業者に認識されているように、この場合においても、分解能とビーム到達角度の必要な組み合わせに応じて相対励起強度で両レンズを同時に使用することもある。また、更なる強磁性レンズを二段レンズと組み合わせて用いる場合もある。
【００２７】
好ましくは、カラムは試料表面上で荷電粒子ビームを走査するための手段を更に備える。
【００２８】
本発明は、
（ａ）光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給するステップと、
（ｂ）試料表面に荷電粒子ビームを集束させるステップとを備える、大きなビーム到達角度で荷電粒子ビームを試料表面に向けるための方法であって、この方法は更に、
（ｃ）ビーム到達角度を選択するステップと、
（ｄ）光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを光軸から離れて偏向させるステップであって、
ビームを偏向させ集束させる作用を組み合わせることによって荷電粒子ビームが方向付けられ、第１の方向から試料表面に当たるように偏向の大きさが選択され、
前記偏向が試料表面の収差に第１の寄与をもたらす偏向ステップと、
（ｅ）偏向された荷電粒子ビームを再度方向付けるステップであって、
偏向されたビームを再方向付けして集束させる作用を組み合わせることによって荷電粒子を向けて、前記第１の方向と実質的に反対の方向である第２の方向から大きなビーム到達角度で試料表面に当たるように再方向付けが選択され、
前記再方向付けが試料表面の収差に第２の寄与をもたらす再方向付けステップとを備えることを特徴とし、
ステップ（ｄ）の偏向とステップ（ｅ）の再方向付けは試料表面の全収差が最小になるように選択されることを特徴とする。
【００２９】
偏向及び再方向付けはビーム到達角度を一定に保ちながら変更可能である。このようにして、収差に対する第１及び第２の寄与は、ビームの到達角度を変えずに変更することが可能である。従って、本発明の実施形態による方法では、偏向と再方向付けが調整されて、一定の到達角度でサンプル表面上の（全）収差を最小にする。上述した理論の枠内において、これは、偏向及び再方向付けが収差に対する第１及び第２の寄与が本質的に互いに補正し合うような場合である。
【００３０】
更なる態様によれば、本発明は、光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給するための粒子供給源と、荷電粒子ビームを試料表面に集束させるための対物レンズと、光軸から荷電粒子ビームを偏向させ、粒子供給源と対物レンズ間に配置されて前方レンズ偏向ユニットと対物レンズのフィールドが実質的に全く重複しない前方レンズ偏向ユニットと、光軸の反対側に偏向された荷電粒子ビームを再方向付けし、対物レンズの近傍に配置されて、インレンズ偏向ユニットと対物レンズの偏向ユニットのフィールドが明らかに重複することによって、対物レンズとインレンズ偏向ユニットを組み合わせた作用により、光軸に戻る方向に荷電粒子ビームを向けて、荷電粒子ビームが大きなビーム到達角度で試料に当たるインレンズ偏向ユニットとを備える、大きな傾斜ビーム到達角度で荷電粒子ビームを試料表面に向けるためのカラムを提供する。
【００３１】
本発明の別の態様によれば、定められた光軸を有する荷電粒子カラムが提供され、このカラムは、荷電粒子供給源と、対物レンズと、荷電粒子供給源と対物レンズの間に配置された前方レンズ偏向ユニットと、対物レンズに近接し、動作する際に対物レンズの集束フィールドと重複する偏向フィールドを作るインレンズ偏向ユニットとからなる定められた光軸を有する荷電粒子カラムであって、前方レンズ偏向器は光軸から離れて荷電粒子を偏向させるように動作可能であり、インレンズ偏向器は荷電粒子を光軸に向けて偏向させるように動作可能であることを特徴とする。
【００３２】
本発明の上述した態様や他のより詳細な態様の幾つかは、以下の記載に記述されており、図面を参照して部分的に説明されるであろう。
【００３３】
図面において、同じ参照番号は同じ要素を指している。
【００３４】
【好ましい実施形態の説明】
以下には、本発明の好適な実施形態は電子を荷電粒子として用いるものとして記載されている。しかしながら、本発明は、電子の使用に限られたものではなく、陽子、イオンや他の荷電粒子も同様に使用することも含んでいる。
【００３５】
本発明をより良く理解するために、ＳＥＭの従来の設計に関する典型的な問題が、図２及び図３に示されている。一般的に、電子ビームは電子供給源１２から放出され、光軸１６に沿って対物レンズ２０の方向に伝播する。本発明を理解するにはあまり重要ではない電子供給源のアノード、コンデンサレンズ、開口部、走査コイル、検出器等の要素は、図面では省略している。対物レンズ２０は、電子ビームを試料１８の表面に集束させる。電子ビームと試料１８とを相互作用させて、適切な検出器（図示せず）で収集され検出される二次電子を発生させる。
【００３６】
図２では、二段の前方レンズ偏向ユニット７０が光軸１６に沿って経路１５ａから経路１５ｂにビームを偏向し、これは粒子供給源１２の見掛けの位置と一致する点から現れるように見える。このように、偏向されたビームは、サンプル表面が集束状態（光線１５ｄ）にある限り、対物レンズ２０によりあらゆる偏向に対してサンプルの同じ領域に集束される。偏向により、ビームはかなり軸から外れて対物レンズのフィールドを横切るため、色収差が大きくなる。
【００３７】
軸上ビームでは、有限エネルギのビームの広がりは、直径ｄ_cを有する最も混乱がない平円形のものとなり、この直径は
ｄ_c＝Ｃ_cαΔＥ／Ｅ （１）
で表わされる。ここで、Ｃ_cは色収差係数で、αは通常集中角であり、ΔＥ／Ｅは電子ビームエネルギの分数変分である。集中角αの軸上ビームの色収差を示す式（１）はまた、電荷粒子ビームが軸ずれしてレンズを通過する場所の状況を示すのに用いることも可能である。この場合、等式（１）において集中角αはビーム到達角度と置き換えなければならず、長さｄ_cは細長いビームの断面の横方向の広がりである。典型的な集中角（数１０分の１度）と比較してビーム到達角度が非常に大きい（数度）と、色収差が大きくなる。
【００３８】
この効果を、Ｅ−ΔＥ，Ｅ，Ｅ＋ΔＥのエネルギをそれぞれが有する電子を表わす光線１５ｅ、１５ｄ、１５ｃによって図２に略図的に示されている。図２に示されているように、色収差は像をぼやかし、獲得可能分解能を数１０ナノメートルに制限する。
【００３９】
図３は、偏向コイル８２、８４が対物レンズの下側に配置されて後方レンズ偏向システム８０を形成する代替的な従来の設計を示すものである。ビームが対物レンズ２０を通過した後、第１の偏向コイル８２は光軸から離すようにビームを偏向させ、第２の偏向コイル８４はビームを光軸に戻すように方向付けて、所望のビーム到達角度でサンプルに当たるようにする。ビームが光軸１６上で対物レンズ２０を通過するので、分解能はレンズの軸外れ収差によって劣化することはない。しかしながら、最終的なレンズ２０の下側にあるコイルの物理的寸法により、より長い焦点距離を有する対物レンズが必要となるため、獲得できる最小作業距離が制限されてしまう。焦点距離がより長いと色収差や更に球面収差まで大きくなる。従って、図３に示された解決法では、満足のいく像分解能は得ることができない。
【００４０】
図１（ａ）は、参照番号１０で一般的に示した本発明によるカラムのある特定の実施形態を示す図である。上述したように、電子ビームは電子供給源１２から放出され、経路１４ａ上を光軸１６に沿って試料１８の表面にビームを集束させる対物レンズ２０の方へと伝播する。前方レンズ偏向ユニット３０は、電子供給源１２の見掛けの位置と一致する点から現れるように見えるビームを光軸１６から経路１４ｂへと偏向するための二つの偏向コイル３２、３４を備える。カラムの設計によるが、参照番号１２は、電子供給源そのものか、若しくは電子供給源の中間の像を表すものとされる。
【００４１】
前方レンズ偏向ユニット３０は、電子供給源１２（若しくは電子供給源の中間の像）と対物レンズ２０との間に配置されるため、実際それぞれのフィールドとの間で重なり合う部分が存在しない。更に、前方レンズ偏向ユニット３０により発生した色収差は、前方レンズ偏向ユニット３０の位置とは無関係であり、選択されたビーム到達角度にほぼ比例している。図１（ａ）に示す実施形態では、前方レンズ偏向ユニット３０により発生した色収差は、５°の傾斜角につき１００ｎｍであった。インレンズ偏向ユニット４０を用いずに、前方レンズ偏向ユニット３０のみが用いられれば、電子ビームは参照番号１４ｃで略図的に示す経路をたどり、第１の方向から試料の表面に当たる。図１（ｂ）に示した表面の平面図では、この第１の方向の試料表面への投射が矢印１４ｃで示されている。
【００４２】
それぞれのフィールドが重複するように対物レンズのフィールドの内側に偏向システムが配置されると、色収差が減少する。偏向システムを対物レンズの内側か若しくは僅かに下側に配置することによって、５０％以上の色収差が減少可能である。図１（ａ）に略図的に示されている実施形態では、更なる偏向システム、即ちインレンズ偏向ユニット４０が、色収差が５０％減少されるように配置される。このようにして、インレンズ偏向ユニット４０の色収差は、５°の傾斜角につき５０ｎｍだけとなる。
【００４３】
インレンズ偏向ユニット４０は、偏向コイル４２と４４からなる二段のユニットである。図１（ａ）の略図は、コイルの一つが対物レンズ２０の主平面上に位置し、もう一つのコイルがその主平面の下側に位置する場合の配置を示しているが、偏向ユニット４０と対物レンズ２０のフィールド間が重なり合う限り、他の配列も可能である。それぞれのフィールド間の重複部分はできるだけ大きい方が好ましい。
【００４４】
本発明の発明者等は、前方レンズ偏向ユニット３０の偏向によりビームの経路が軸から外れることにより生じる色収差が、インレンズ偏向ユニット４０を用いることで補正可能であることを観察した。上述したように、インレンズ偏向ユニット４０を用いなければ、電子ビームは経路１４ｃをたどり、第１の方向から試料表面に当たる。ここで、インレンズ偏向ユニット４０を用いてビームを再方向付けすれば、図１（ａ）の参照番号１４ｄで略図的に示された経路をとる。再度方向付けすることによって、第１の方向と実質的に反対の方向である第２の方向から電子ビームが試料表面に当たることになる。図１（ｂ）は、矢印１４ｄで示された、試料表面への第２の方向の投影を示す。経路１４ｄが対物レンズ２０の主平面に近い位置にある光軸１６と交差することが図１（ａ）から分かるが、必ずしもこれは必要な条件ではない。
【００４５】
インレンズ偏向ユニット４０が対物レンズ２０のフィールド内にあるので、予め選択した到達角度で電子ビームがサンプルに当たるように、光軸へ戻すように方向付けることは、インレンズ偏向ユニット４０だけの作用ではなく、インレンズ偏向ユニット４０と対物レンズ２０とを組み合わせた作用によるものである。対物レンズ２０とインレンズ偏向ユニット４０のフィールドのかなりの部分が重なり合うので、これらのビーム曲げへの寄与は、図１（ａ）において図的に別々にできないものである。説明のため、図１（ａ）は、あたかも偏向がインレンズ偏向ユニット４０によってのみ生じているかのように、単純化した方法でビーム経路を図示している。
【００４６】
また、図１から図３に示されているビーム経路は、磁気レンズによって生じるビームの回転を示していないという点で更に単純化したものである。これらの効果は、２次元の図面では図示が困難であるということと、これらの追加の効果は当業者によく知られたものであるということから、図示されていない。また、これらの効果は本発明を理解するには重要なことではない。
【００４７】
特定の理論に限定せずに考えると、現在、色収差の補正は以下により説明されると考えられる。
【００４８】
最終的なビーム到達角度が５°であることが望ましければ、前方レンズ偏向ユニット３０は、インレンズ偏向ユニット４０が動作しなければ、第１の方向から到達角度５°で入るようになるレベルまで励起される。次いで、図１（ａ）では、ビームは経路１４ｃをたどり、右側から（図１（ｂ）にも示されている）入る角度５°で試料上に到達する。
【００４９】
次いで、前方レンズ偏向ユニット３０が動作しなければ、インレンズ偏向ユニット４０は、第１の方向と実質的に反対の方向である第２の方向から到達角度１０°で入るようになるレベルまで励磁される。次いで、両偏向ユニット３０、４０は共に経路１４ｄになり、第２の方向（図１（ｂ）にも示されている）から入る所望の到達角度１０°−５°＝５°となる。上述した色収差の値に関して、導入される色収差は、
第１の方向に１００ｎｍ（角度５°で１００ｎｍ／５°）と、
第２の反対方向に１００ｎｍ（角度１０°で５０ｎｍ／５°）である。
収差は両方向に等しいため、互いに補正しあう。
【００５０】
偏向ユニットの色収差が異なる値をもつ場合、同じビーム到達角度を得るために他の傾斜角を選択しなければいけないことは明らかである。例えば、前方レンズ偏向ユニットの収差が１００ｎｍ／５°であり、インレンズ偏向ユニットの収差が６０ｎｍ／５°であれば、傾斜角はそれぞれ、７．５°と１２．５°となる。次いで、ビーム到達角度は１２．５°−７．５°＝５°であり、色収差が補正される（一つの方向に１００ｎｍ／５°^*７．５°＝１５０ｎｍであり、それとは反対方向に６０ｎｍ／５°^*１２．５°＝１５０ｎｍ）。
【００５１】
強調すべきことは、本発明の実行は、上述したメカニズムの正確性や知識に依存しないものであることである。特に、上述した前方レンズ偏向ユニットとインレンズ偏向ユニット３０、４０の収差と、傾斜角を知る必要はない。本発明では、インレンズ偏向ユニット４０がビームを再方向付けすることによって、ビームが第１の方向（即ち、インレンズ偏向ユニットを用いなかった場合試料表面にビームが当たる方向）とは実質的に反対の方向から到達し、更にインレンズ偏向ユニット４０のフィールドは対物レンズ２０のフィールドと重複するが、前方レンズ偏向ユニット３０のフィールドとは重複しないという知識で十分である。次いで、インレンズ偏向ユニット４０の収差は前方レンズ偏向ユニット３０と比較すると減少され、更に予め選択されたあらゆるビーム到達角度では、色収差補正となる傾斜角が存在する。最大の補正で所望の到達角度が達成される特定の励起は、得られる像から実験的に抽出される。
【００５２】
上述した例から、インレンズ偏向ユニット４０は、色収差が前方レンズ偏向ユニット３０の色収差により近いものであれば、より大きな角度で偏向しなければならないことは明らかである。従って、インレンズ偏向ユニット４０は、対物レンズ２０のフィールド内の深い位置に配置されるか、若しくはそれよりも僅かに下方に配置されて、それぞれのフィールドがかなり重複することが好ましい。
【００５３】
図面では、前方レンズ偏向ユニット３０が二つの偏向コイル３２、３４からなるものとして示しているが、例えば、参照番号１２が電子供給源の中間の像を表わすものである場合等、単一の偏向器のみからなる前方レンズ偏向ユニット３０を用いることも可能である。次いで、単一の偏向器はほぼ中間の像の高さに配置されることが有利である。この単一偏向器は、光軸１６から離れて電子供給源の中間の像から現れるように見える経路にビームを偏向するのには十分なものである。
【００５４】
本発明の別の実施形態が図４を参照して記載される。この図は、二つの結像モードを可能とする対物レンズ５０をより詳細に示した図である。
【００５５】
集束距離がより短い対物レンズが使用されれば、インレンズ偏向ユニット４０の偏向フィールドの強度を高めなければならないことが分かっている。集束距離が非常に短い対物レンズを用いて作業するのが有利な応用もある。これは、大きな偏向フィールドを有するインレンズ偏向ユニットを必要とする。しかしながら、インレンズ偏向ユニットのフィールドの最大強度には制限があり、対物レンズの集束距離がある一定の値よりも大きく、しばしば所望のものよりも大きくする必要がでてくる。これは、標準結像モード、即ちビームを傾斜させる必要がない場合のモードにおいて、このようなかなり弱い対物レンズの達成可能な分解能は約５ｎｍに制限される。
【００５６】
図４の対物レンズ５０は、この問題を二つの結像モードを提供することで解消しており、これらの結像モードは、ビームを傾斜させる必要がない場合の光分解能結像モードと、より低減された分解能を有するビーム傾斜モードである。
【００５７】
対物レンズ５０は、低加速エネルギで優れた分解能をもつ複合磁気静電レンズである。磁気レンズは、極片５２と５４で形成される焦点距離が短い下側レンズと、極片５４と５６で形成される焦点距離がより長い上側レンズとからなる二段レンズである。粒子ビームを減速させるための静電レンズは、電極５８と下側磁気レンズの下側極片５２によって形成される。
【００５８】
光分解能が望ましく、更にビームを傾斜させる必要がなければ、下側レンズ５２及び５４だけが使用される。焦点距離が短いため、約２ｎｍの分解能が得られる。この場合、インレンズ偏向コイル４０は走査コイル又はシフトコイルとして用いられる。
【００５９】
また一方で、ビームの到達角度を大きくする必要があれば、上側レンズ５４、５６が用いられる。偏向ユニット４０の偏向フィールドに対する制限はより弱くなり、容易に解消される。このモードでは、分解能が僅かに低くなる（約４ｎｍ）ことと引き換えに、大きなビームの到達角度が得られる。もちろん、両レンズを同時に使用して、高い分解能と大きな到達角度との釣り合いを考慮しながら上記両極の間にある結果を得ることもある。
【００６０】
本発明の特徴を実行する対物レンズの更なる実施形態が図５〜図１０に示されている。分かるように、記載されているいかなるレンズも、図１（ａ）に示した対物レンズ２０として用いることができる。
【００６１】
図５では、対物レンズ１２０は単段の純粋な磁気レンズである。約２ｋｅＶ以下のかなり低いエネルギでの分解能を改良するために、磁気レンズを静電レンズ、好ましくは静電減速レンズと組み合わせることもある。
【００６２】
対物レンズ２２０と試料１８との間に、それらのうちの一つに、通常は試料１８に電位を印加することによって、静電減速フィールドができる。図６の実施形態では、負の電位Ｕが試料に印加され、また対物レンズ２２０の極片２５２は接地されている。例えば、２〜２０ｋｅＶの集束磁気レンズ内にあるビームエネルギでは、例えば、負の電位Ｕは２〜２０ｋＶのもので、この結果、到達エネルギは１０ｅＶ〜２ｋｅＶのものとなる。このように到達エネルギが低いと、レンズの集束特性や像の分解能が向上する。
【００６３】
図７には、対物レンズ３２０に対して更なる実施形態が示されており、試料１８に印加された電位Ｕ１と、電極３２６に印加された電位Ｕ２は任意のものである。電極３２４、３２６と、それに対応する電位Ｕ２とＵ３があり、サンプル上方で電子ビームを減速させる減速フィールドを発生させる静電レンズを形成する場合もある。電位Ｕ３は、例えば２〜２０ｋＶのもので、更に電位Ｕ２は、例えば０〜５ｋＶのものである。また別に、追加の電位Ｕ１が試料に印加されれば、電位は−５ｋＶ〜５ｋＶ間で変化する。
【００６４】
電極３２６と電位Ｕ２は必要とされないが、もしあれば試料表面でのフィールドの制御性が向上する。
【００６５】
図８は、静電三電極（４２２、４２４、４２６）対物レンズ４２０と共に前方レンズ偏向システム及びインレンズ偏向システムを用いた図である。インレンズ偏向ユニット４０は二つの偏向器４２、４４とを備え、各偏向器は対物レンズ４２０の電極のうちの二つの電極（４２２、４２４及び４２４、４２６）の間に配置される。代替実施形態では、電極４２２、４２４、４２６が複数区分に分割され、インレンズ偏向ユニットがレンズ区分の部分集合によって形成される。
【００６６】
図９は、図７に示す対物レンズ５２０を有するカラムを示しているが、強磁気レンズ９０を試料１８の下方に配置して、ビームを傾斜しないで動作モードで高分解能を達成する。もちろん、図４に関して記載したように、強磁気レンズ９０はまた、ビームを傾斜させたモードで動作され、高い分解能と大きなビーム到達角度との間の兼ね合い状態を得る。
【００６７】
図１０は、二段磁気レンズと静電レンズとを組み合わせた対物レンズ６２０を有し、図４の構造に類似した構造を示している。２ｋｅＶ以下の低エネルギで改良された分解能を生じる電極６２４、６２６により静電減速レンズが形成される。磁気レンズは極片６５２と６５４により形成される下側レンズと、極片６５４、６５６で形成される上側レンズを有する二段レンズである。この実施形態では、下側レンズの焦点距離は、例えば４ｍｍであるが、上側レンズの焦点距離は、例えば１５ｍｍである。このカラムは図４に関して上述したように動作する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、本発明の実施形態によるビームカラムの略図的垂直断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のビームカラムの試料に対する略図的平面図である。
【図２】前方レンズ偏向システムを用いた従来のビームカラムの略図的垂直断面図である。
【図３】後方レンズ偏向システムを用いた従来のビームカラムの略図的垂直断面図である。
【図４】本発明の実施形態による二段対物レンズの拡大図である。
【図５】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。
【図６】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。
【図７】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。
【図８】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。
【図９】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。
【図１０】本発明の更なる好適な実施形態によるビームカラムの下部を示す垂直断面図である。

Claims (14)

1. 所定の傾斜ビーム到達角度で荷電粒子ビームを試料表面に向けるためのカラムであって、
   光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給するための粒子供給源と、
   荷電粒子ビームを前記試料表面に集束させるための対物レンズと、
   前記粒子供給源と前記対物レンズとの間に配置された二段の前方レンズ偏向ユニットと、
   インレンズ偏向ユニットのフィールドと前記対物レンズのフィールドとが重なるように、前記前方レンズ偏向ユニットよりも前記対物レンズ寄りに配置された二段のインレンズ偏向ユニットとを備え、
   前記前方レンズ偏向ユニットは、前記光軸から離れるように荷電粒子ビームを偏向させると共に、前記対物レンズと前記前方レンズ偏向ユニットとを組み合わせた作用によって、荷電粒子ビームを前記光軸方向に向けて、第１の方向から前記試料表面に当てるような経路に荷電粒子ビームを偏向させるように適合されており、
   前記インレンズ偏向ユニットは、前記対物レンズと前記インレンズ偏向ユニットとを組み合わせた作用によって、荷電粒子ビームを前記光軸方向に再度向けて、前記対物レンズ内で前記光軸と交差すると共に、前記第１の方向とは反対方向の第２の方向から前記所定の傾斜ビーム到達角度で試料表面に当たるような経路に、偏向された荷電粒子ビームを再方向付けするように適合されている、カラム。
2. 前方レンズ偏向ユニット及び前記インレンズ偏向ユニットは、２５°より小さいビーム到達角度を提供するように適合されている、請求項１記載のカラム。
3. 前方レンズ偏向ユニットは、二つの偏向器を備え、
   前記二つの偏光器は、前記光軸から離れるように荷電粒子ビームを偏向させると共に、前記粒子供給源の見掛けの位置又は前記粒子供給源の中間の像と一致する点から出てくるように見える経路に、荷電粒子ビームを偏向させるように適合されている、請求項１記載のカラム。
4. 前記インレンズ偏向ユニットは、前記試料表面で前記光軸と交差するように偏向ビームを再方向付けする二つの偏向器を備える請求項１記載のカラム。
5. 前記対物レンズは、複合磁気静電レンズである、請求項１記載のカラム。
6. 前記複合磁気静電レンズの静電部分は、静電減速レンズである、請求項５記載のカラム。
7. 前記試料と前記対物レンズの極片との間に電位差を印加するための手段を更に備えた、請求項５記載のカラム。
8. 前記対物レンズは、下側レンズと、集束距離が前記下側レンズより長い上側レンズとを備える二段レンズである、請求項１記載のカラム。
9. 前記下側レンズの集束距離は、１０ｍｍ以下である、請求項８記載のカラム。
10. 前記上側レンズの集束距離は、４０ｍｍ以下である、請求項８記載のカラム。
11. 前記インレンズ偏向ユニットは、前記上側レンズの下方で前記下側レンズ寄りに配置されている、請求項８記載のカラム。
12. 前記試料の下方に配置される強磁気レンズを更に備える、請求項１記載のカラム。
13. 前記試料表面全体に荷電粒子ビームを走査するための手段を更に備える、請求項１記載のカラム。
14. 所定のビーム到達角度で荷電粒子ビームを試料表面に向けるための方法であって、
    （ａ）光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを供給するステップと、
    （ｂ）前記試料表面に荷電粒子ビームを集束させるステップとを備え、
    前記方法は、更に、
    （ｃ）ビーム到達角度を選択するステップと、
    （ｄ）第１の二段の偏向ユニットを用いて、前記光軸に沿って伝播する荷電粒子ビームを偏向させて、前記光軸から離すステップであって、ビームを偏向させ集束させる作用を組み合わせることによって荷電粒子ビームを方向付けて、第１の方向から前記試料表面に当たるように、偏向の大きさが選択され、前記偏向が試料表面の収差に第１の寄与をもたらす、ステップと、
    （ｅ）第２の二段の偏向ユニットを用いて、偏向された荷電粒子ビームを再度方向付けるステップであって、偏向されたビームを再方向付けし集束させる作用を組み合わせることによって荷電粒子ビームを方向付け、集束フィールド内で前記光軸と交差すると共に、前記第１の方向と反対の方向である第２の方向から前記選択されたビーム到達角度で前記試料表面に当たるように、再方向付けが選択され、前記再方向付けが試料表面の収差に第２の寄与をもたらす、ステップとを備え、
    ステップ（ｄ）の前記偏向とステップ（ｅ）の前記再方向付けとは、前記試料表面の全収差が最小になるように選択される、方法。

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