JP4899158B2

JP4899158B2 - 荷電粒子線用収差補正レンズ

Info

Publication number: JP4899158B2
Application number: JP2007044273A
Authority: JP
Inventors: 重夫岡山; 圭司田村
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2007-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2012-03-21
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: JP2008210571A

Description

本発明は、電子ビーム、イオンビーム等の荷電粒子線用の開口収差補正レンズに関するものである。

荷電粒子線装置で一般的に利用されている軸対称な荷電粒子線レンズである電界レンズ、磁界レンズでは、軸上収差として避けられない球面収差（軸非対称レンズの開口収差と同義）、色収差を補正することはできない。光軸をZ軸とするとXY面に対を成す複数の電極または磁極から構成される軸非対称な四極子レンズ、六極子レンズ、八極子レンズ、十二極子レンズ等の多極子レンズを組み合わせることで球面収差や色収差の補正が可能である。

本発明で利用する四極子レンズの開口収差による焦点位置でのボケΔX(Zi)、ΔY(Zi)は、XZ面とYZ面でそれぞれ以下のように表現される。
ΔX(Zix)＝C_A30α³＋C_A12αβ² (1)
ΔY(Ziy)＝C_A21α²β＋C_A03β^３ (2)
上記の(1)、(2)数式において、C_A30、C_A12、C_A21、C_A03が開口収差係数である。Zix＝Ziyの条件下で、軸対称性が得られる場合は、開口収差係数C_A12とC_A21の値は等しくなる。

図１は、荷電粒子線を微細に集束させるための軸対称レンズのために収差補正レンズの利用法の一例を示したものである。補正レンズ系3の前段にあるコンデンサーレンズ1、後段にある対物レンズ2は単独では、球面収差、色収差補正が不可能な電界型または磁界型の軸対称レンズである。11と12は、XZ面とYZ面の荷電粒子線の軌道である。補正レンズ内の荷電粒子線軌道は省略してあるが、図２、図３、図４の荷電粒子線の軌道がこれに相当する。

軸対称レンズの球面収差補正系として、すでに提案されている四極子・八極子補正レンズは、４段の四極子レンズと３段の八極子レンズから構成されている。走査透過電子顕微鏡の磁界型対物レンズの前に配置する球面収差補正レンズとして磁界型の四極子レンズと八極子レンズを組み合わせた補正レンズ系が研究されているが（非特許文献１）、実用化システムでは、厳しい四極子レンズ間のアライメント精度と励起制御を実現するために、四極子レンズの代わりに十二極子を使い、十二極子の励起制御によって制御可能な双極子レンズ作用、六極子レンズ作用を調整することで、軸あわせ、機械的・電磁的な非対称性を補正することで、四極子・八極子補正系を構築している。

４段の四極子レンズと３個の八極子レンズから構成される補正レンズ系では、開口収差補正のための開口電極励起前の四極子レンズによる開口収差係数を打ち消した上で、後段の軸対称レンズの球面収差を補正するために必要な荷電粒子軌道と負の開口収差係数を発生させるために、補正レンズを構成する個々のレンズの励起強度が強く、設定精度も必然的に厳しくなることが、高精度なアライメントを要する補正レンズの実用上の難しさであった。

複雑で、厳しいアライメント精度を要する補正レンズの構造の改善策として、特許文献１にある四極子レンズと開口電極から構成される補正レンズ（非特許文献２）を利用することができる。この場合のXZ面とYZ面の荷電粒子線軌道と開口収差をシミュレーション計算した例を、図２に示す。Q1〜Q4は、電界型四極子レンズ、A1〜A3は開口電極である。四極子レンズの電極径φ8mm、長さ14 mm、四極子レンズと開口電極の開口径φ6.987mm、開口電極の厚さ2mm、四極子レンズと開口電極の距離は5mmである。

電界型の四極子レンズはXZ面の電極にV_Q[V]印加した場合、YZ面の電極には−V_Q[V]印加する。加速電圧をV_a[V]とすると、V_Q／V_aが四極子レンズの励起強度に対応する。開口電極の励起強度はV_A／V_aで表記する。４段の四極子レンズの励起強度は、XZ面の四極子レンズの励起は、＋0.05864、−0.05859、＋0.05859、−0.05864、YZ面の四極子レンズの励起は、−0.05864、＋0.05859、−0.05859、＋0.05864、開口電極に印加する電圧と加速電圧の比は、−0.2255、＋0.0598、−0.2255である。

図1では、補正レンズの後段に配置した C_s=12mmの軸対称レンズの球面収差を補正するために、開口収差係数をC_A30= C_A12= C_A21= C_A03= −3mmの補正条件を実現したものである。開口電極を励起する前の４段四極子レンズ系の開口収差係数は、C_A30= C_A03= ＋300 mm、C_A12＝ C_A21＝＋38 mmである。
特公昭６３−９３４０号公報 M. G. R. Thomson, Optik, 34, 528-534 (1972) S. Okayama and H. Kawakatsu, A new correction lens, Journal ofPhysics E, 15, 580-586 (1982)

補正レンズの厳しいアライメント精度、励起強度を低減する改善策としては、四極子レンズ系の励起強度を低く抑えた条件下で、四極子レンズの凹レンズ作用によって引き起こされる荷電粒子線軌道の離軸距離を抑え、開口電極や八極子レンズを励起する前の四極子レンズ系による開口収差係数を低く抑えることが可能であれば、開口電極や八極子レンズの励起強度を低くできるばかりでなく、四極子レンズのアライメント、励起設定精度が緩和されるメリットが得られる。

解決しようとする問題点は、四極子レンズの段数と励起制御の設定によって、XZ面とYZ面の荷電粒子線軌道の形状を一致させて、軸対称性を確保すると共に、補正レンズ内の荷電粒子線の離軸距離の増大を極力抑えることによって、八極子レンズ励起前の開口収差、色収差を低くし、球面収差を補正するための補正レンズの励起強度の増大を抑えることである。

本発明は、補正レンズを構成する四極子レンズの幾何学的な寸法を同一とし、補正レンズ中心に対して、荷電粒子線の入射側と出射側の幾何学的な寸法を等しくし、入射側と出射側の励起強度を、極性は反対で、励起強度を等しくすることで、励起制御を容易にし、XZ面とYZ面の荷電粒子線軌道の形状を合わせることができる。さらに、四極子レンズの段数を増やすことによって、補正レンズ内の荷電粒子線の離軸距離の増大を極力抑えることによって、開口収差補正前の開口収差係数、色収差係数の増大を抑え、補正レンズの励起強度の増大を抑えた条件下で必要な球面収差補正効果を実現することを特徴とする。

本発明による補正レンズでは、補正レンズを構成する四極子レンズの励起強度、開口電極または八極子レンズの励起強度を、従来提案されている４段四極子レンズと３個の八極子レンズから構成される補正レンズの励起強度に比べ、低くできること。これによって、励起強度が増大するに従って厳しくなるアライメント精度を緩和することができる。また、開口収差を補正する前の四極子レンズによる開口収差係数を小さくすることができることで、厳しい設定精度を要する補正制御を緩和できる利点がある。

本発明では、補正レンズ内のXZ面とYZ面の荷電粒子線軌道の離軸を低く抑えるために、四極子レンズの数を６段または８段と段数に増やすことにより実現し、補正レンズの中心面で対称構造を実現した場合、荷電粒子線の入射側と出射側の補正レンズを構成する個々のレンズの極性を反転して、強度を等しくする条件下で、XZ面とYZ面の荷電粒子線の軌道が入射側と出射側でそれぞれ線状集束するように四極子レンズを励起制御することで有効な補正作用を実現することができる。
本発明は、同一幾何学寸法を有する６段の四極子レンズと３個以上の開口電極から構成される開口収差補正レンズにおいて、Z軸を光軸として、四極子レンズをXZ面で凹凸凹凸凹凸レンズ作用、YZ面で凸凹凸凹凸凹レンズ作用を発現するように励起する。補正レンズ内でXZ面とYZ面でそれぞれ線状収束させることで、開口収差係数C_A30とC_A03の補正制御を効果的に実現し、補正レンズの中心位置付近で離軸距離が同程度となるように四極子レンズ励起強度を調整することで、開口収差係数C_A12とC_A21補正制御を効果的に実現する。そのために、これらの位置近傍で開口収差係数を補正するように、開口電極または八極子レンズの励起によって八極子レンズ作用を誘起する。(1)、(2)式の示した４項の開口収差係数C_A30、C_A03、C_A12、C_A21の補正が、幾何学的寸法のズレ等により、十分調整できない場合は、さらに３個以上の開口電極または八極子レンズを追加することが調整することも可能である。
また、本発明は、同一幾何学寸法を有する８段の四極子レンズと３個以上の開口電極から構成される開口収差補正レンズにおいて、Z軸を光軸として、四極子レンズをXZ面で凹凸凸凹凸凹凹凸レンズ作用、YZ面で凸凹凹凸凹凸凸凹レンズ作用を発現するように励起する。補正レンズ内でXZ面とYZ面でそれぞれ線状収束させると共に、補正レンズの中心位置付近で離軸距離が同程度となるように四極子レンズ励起強度を調整し、これらの位置近傍で開口収差係数を補正する。
また、四極子レンズの代わりに十二極子、開口電極の代わりに八極子レンズに置き換えることによって、６段の十二極子レンズと３個以上の八極子レンズから構成される開口収差補正レンズについて、開口収差係数を補正することができる。さらに、四極子レンズの代わりに十二極子、開口電極の代わりに八極子レンズに置き換えることによって、８段の十二極子レンズと３個以上の八極子レンズ構成される開口収差補正レンズについて、開口収差係数を補正することができる。

図３は、本発明による補正レンズの1実施例である。Q1〜Q6は、電界型四極子レンズ、A1〜A3は開口電極である。Q1〜Q6の四極子レンズの励起強度は、XZ面では、＋0.03421、−0.03982、＋0.03421、−0.03421、＋0.03982、−0.03421、YZ面では、逆極性となる。これらの励起は、図2の従来技術に比べ弱い励起で補正系が実現できることを示している。開口収差係数C_A30= C_A12= C_A21= C_A03= −3mmを得るためのA1〜A3の開口電極の励起強度は、−0.119、＋0.177、−0.119である。図中の13、14はXZ面とYZ面での線状集束位置を示したものである。また、四極子レンズ、開口電極を励起する制御電源については省略している。

図４は、本発明による補正レンズの他の実施例である。Q1〜Q8は、電界型四極子レンズ、A1〜A3は開口電極、Q1〜Q6の四極子レンズの励起強度は、XZ面では、＋0.02387、−0.014725、−0.014725、＋0.02387、−0.02387、＋0.014725、＋0.014725、−0.02387、YZ面では、逆極性となる。これらの励起は、図3の実施例に比べ、さらに弱い励起で補正系が実現できる。開口収差係数C_A30 = C_A12= C_A21= C_A03= −3mmを得るためのA1〜A3の開口電極の励起強度は、−0.0225、＋0.02753、−0.0225と図3に比べてさらに弱い励起で補正系を実現できることを示している。

図４では、補正レンズを構成する電界型四極子レンズと開口電極が同一の幾何学的寸法で、補正レンズの中心で対称構造をとっているため、四極子レンズの励起強度の設定はV_Q1= V_Q4= −V_Q5= −V_Q8、V_Q2= V_Q3= −V_Q6= −V_Q7、開口電極の励起強度の設定はV_A1= V_A3である。幾何学的な寸法に誤差が存在する場合は上記の関係式が成り立たなくなるため、四極子レンズ、開口電極の励起強度を調整する必要があることは自明である。

なお、図２、図３、図４において、電界型四極子の電極長、四極子間隔については、同一条件でシミュレーション計算した例を示してあるが、それぞれ補正レンズ系の全長が異なるため、表示する上で横方向（Z方向）の寸法を変えて表示してある。

図３のQ1〜Q6の電界型四極子レンズの代わりに磁界型の四極子レンズを利用することが可能である。但し、磁界型四極子レンズの場合は、四極子レンズの磁極は、電界型の電極に対してXY面で４５度回転した位置に配置した場合に対応する。

図４のQ1〜Q8の電界型四極子レンズの代わりに磁界型の四極子レンズを利用することが可能である。磁界型四極子レンズの磁極と電界型四極子レンズの電極の位置関係は上記と同様である。

図３の実施例で、Q1〜Q6の電界型四極子レンズの代わりに軸あわせ機能、非対称性補正が可能な十二極子レンズと、A1〜A3の開口電極の代わりに八極子レンズを利用することで、同様の補正レンズを実現することができる。

図４の実施例で、Q1〜Q8の電界型四極子レンズの代わりに軸あわせ機能、非対称性補正が可能な十二極子レンズ、A1〜A3の開口電極の代わりに八極子レンズを利用することで、同様の補正レンズを実現することができる。

四極子レンズの代わりに、十二極子を利用した場合は、十二極子と開口電極の組み合わせでは八極子レンズ作用を誘起することができないため、開口電極を利用することはできない。そこで、６段または、８段の十二極子レンズ系では、八極子レンズとの組み合わせが不可欠である。

図４の実施例では、四極子レンズの励起は加速電圧値の2.4%以下、開口電極の励起は2.8%以下であるため、加速電圧200KV程度までの電子顕微鏡、電子ビーム描画装置等への利用も可能である。また、軸対称の磁界レンズの利用が不可能な1MeVレベルのPIXE (Particle Induced X-ray Emission)等への高性能化にも適用できる。

軸対称レンズと収差補正レンズの使用の一例４段四極子レンズと３つの開口電極による球面収差補正レンズ（従来技術）６段四極子レンズと３つの開口電極による球面収差補正レンズ（実施例１）８段四極子レンズと３つの開口電極による球面収差補正レンズ（実施例２）

符号の説明

1 軸対称コンデンサーレンズ
2 軸対称対物レンズ
3 補正レンズ系
11 XZ面の荷電粒子線軌道
12 YZ面の荷電粒子線の軌道
13 XZ面の線状集束位置
14 YZ面の線状集束位置
Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8 電界型四極子レンズ
A1,A2,A3 開口電極

Claims

同一幾何学寸法を有する６段の四極子レンズと前記６段の四極子レンズの１段目と２段目の間、３段目と４段目の間、５段目と６段目の間に配置した３個の開口電極から構成される開口収差補正レンズにおいて、Ｚ軸を光軸として、四極子レンズをＸＺ面で凹凸凹凸凹凸レンズ作用、ＹＺ面で凸凹凸凹凸凹レンズ作用を発現するように励起し、補正レンズ内のＸＺ面とＹＺ面での荷電粒子線の離軸距離が最大となる位置付近で、それぞれ線状集束させると共に、補正レンズの中心位置付近でＸＺ面とＹＺ面の軌道の極性が異なり、離軸距離が同程度となるように四極子レンズ励起強度を調整し、これらの位置付近で開口収差係数を補正することを特徴とする開口収差補正レンズ。
同一幾何学寸法を有する８段の四極子レンズと前記８段の四極子レンズの２段目と３段目の間、４段目と５段目の間、６段目と７段目の間に配置した３個の開口電極から構成される開口収差補正レンズにおいて、Ｚ軸を光軸として、四極子レンズをＸＺ面で凹凸凸凹凸凹凹凸レンズ作用、ＹＺ面で凸凹凹凸凹凸凸凹レンズ作用を発現するように励起し、補正レンズ内でＸＺ面とＹＺ面での荷電粒子線の離軸距離が最大となる位置付近で、それぞれ線状収束させると共に、補正レンズの中心位置付近でＸＺ面とＹＺ面の軌道の極性が異なり、離軸距離が同程度となるように四極子レンズ励起強度を調整し、これらの位置付近で開口収差係数を補正することを特徴とする開口収差補正レンズ。
前記四極子レンズの代わりに十二極子、前記開口電極の代わりに八極子レンズに置き換えることによって、６段の十二極子レンズと３個の八極子レンズから構成される開口収差補正レンズについて、開口収差係数を補正する請求項１に記載の開口収差補正レンズ。
前記四極子レンズの代わりに十二極子、前記開口電極の代わりに八極子レンズに置き換えることによって、８段の十二極子レンズと３個の八極子レンズ構成される開口収差補正レンズについて、開口収差係数を補正する請求項２に記載の開口収差補正レンズ。