JP4945463B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に、装置の倍率精度を向上することのできる荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置は、試料に対して所望の高さ位置に電子線を正しくフォーカスさせたり、所望の倍率で試料の拡大像を正しく表示する等の高いフォーカス精度，倍率精度が求められる。そのため、装置が持っている電子集束用のレンズにおいて、電子線の集束点が所望の位置になるように高精度に制御する必要がある。

例えば、走査電子顕微鏡の倍率は、試料位置即ちＷＤ（作動距離，ワーキングディスタンスともいう）で規定され、試料面を走査するプローブの距離とこれに対応するＣＲＴや写真の距離の比で示される。よって、ＳＥＭが正しく倍率を表示するためには、ＷＤが規定される距離にあることが前提となる。そして、ＷＤは対物レンズから物点位置までの距離と、対物レンズに印加する励磁電流によって定まるので、ＷＤを規定の値にするためには、対物レンズの物点位置を正確に制御しなければならない。

一方、荷電粒子線装置は、試料の高分解能観察，寸法測長，外観検査，分析など、多種多様な目的で利用される。この場合、各々の目的に応じて最適化された光学系が存在するため、１台の装置で種々の目的に応じた使用をするためには、前記収束用のレンズによる電子線の集束点を、大きく変化させる必要がある。

このように、荷電粒子線装置のビーム収束用レンズは、幅広い条件設定を高精度に実現させる必要がある。

近年、大きなプローブ電流での測定のニーズが高まり、試料に大きな電流を照射して測定を行うことが多くなった。それに伴って、荷電粒子線装置に表示される倍率が実際の倍率とは異なってしまうという問題が生じることが顕著になってきた。

このような倍率誤差を補正する従来技術として、例えば装置使用条件毎にフォーカスずれや各レンズの設定の不確かさを正確に測定し、それらの結果を装置に記憶させ、装置使用時に条件にあった測定結果を読み出してレンズの補正を実施するという方法があった。

また、特許文献１には、特定の倍率を指定して走査像の表示を行うと共に、標準試料を用いて実倍率を求め、表示された特定倍率の値を実売率の値に変更する技術が開示されている。

特開２００２−１５６９１号公報

しかし、従来技術の方法では、膨大な装置条件設定数に対してそれぞれ事前に測定データを取得する必要があった。また、電子源やレンズの交換などの装置のハードウェアの一部を交換したときや、外部磁場などの装置周辺の環境が変化したときは、電子線の収束位置に対して影響を与えるため、改めて補正用のデータを取得しなければならないという欠点もあった。

特許文献１においても、実倍率を補正する際には必ず標準試料が必要となり、また光学条件を変更する度に標準試料の観察が必要となる。

本発明の目的は、より簡便な手法で、対物レンズのフォーカス精度、およびそれに伴う倍率精度や測長精度を向上させることにある。

上記課題を解決するために本発明は、対物レンズの物点規定位置に電子線走査用とは別の物点検出用偏向器を設置し、物点が偏向器位置に存在するときに偏向器による像移動が最小になる性質を利用して、物点検出用偏向器の位置に対物レンズの物点が位置するように自動修正することを特徴とする。

本発明によれば、大きなプローブ電流による測定においても、対物レンズのフォーカス精度、および倍率精度が向上する。

以下、本発明の荷電粒子線装置の実施形態を説明する。

図５は、本発明の一例である走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ））の概略構成図である。ここでは、ショットキー放出形電子銃（Schottky-type electron gun）を搭載した走査電子顕微鏡である場合について説明するが、電子線装置および電子銃の形式とも、他の形式であってもよい。例えば電子線装置は走査型透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）でもよい。

また電子銃は、例えばショットキー型電子銃のほか、電界放出型電子銃（Field-emission electron gun：ＦＥＧ），熱陰極電界放出型電子銃（thermal (thermally assisted) field-emission electron gun），熱電子放出型電子銃（thermionic-emission electron gun）などを用いてもよい。

電子銃では、陰極１と第一陽極２との間に印加される引出電圧Ｖ₁によって一次電子ビーム３が放出され、さらに、第二陽極４に印加される加速電圧Ｖ_accに加速されて、後段の電磁レンズ系に進行する。なお、サプレッサ電極５は、陰極を保持しているフィラメントに加熱電流Ｉｆを流すことによって放出される不要な熱電子を抑制するための電極であり、負のサプレッサ電圧Ｖｓが印加されている。高電圧制御回路２１は、コンピュータ２８の制御により、加速電圧Ｖ_acc，引出電圧Ｖ₁、およびサプレッサ電圧Ｖｓを発生させる機能を有する。

第一集束レンズ６は、第一集束レンズ制御回路２２の制御に基づき、一次電子ビーム３を一旦収束する。一次電子ビーム３は、収束後、再度発散する。対物しぼり７は、一次電子ビームの照射角を制限する。第二集束レンズ８は、第二集束レンズ制御回路２３の制御に基づき、発散した一次電子ビーム３を再び収束する。対物レンズ１１は、対物レンズ制御回路２５の制御に基づき、一次電子ビーム３を細くしぼり、電子プローブとする。さらに、二段偏向コイルを構成する上段偏向コイル９および下段偏向コイル１０は、倍率制御回路２４の制御に基づき、電子プローブを偏向させ、試料を走査する。

ここで、試料１２は試料微動制御回路２７に制御されている試料微動装置１３上に載置されている。試料の一次電子ビーム３の照射点から発生する信号のうち、比較的浅い角度で放出されるエネルギーの高い反射電子信号１４は、検出器１７に検出されて増幅器１８で増幅される。またエネルギーの低い二次電子信号１５は、対物レンズ１１がセミインレンズの場合には対物レンズ１１の磁場によって巻き上げられて、対物レンズ１１上部に配置された直交電磁界（ＥＸＢ）装置１６によって一次電子ビーム３に軸ずれを起こすことなく検出器１９に検出され、増幅器２０で増幅される。なお、本発明においては対物レンズの種類は問わない。

コンピュータ２８は、高電圧制御回路２１，第一集束レンズ制御回路２２，第二集束レンズ制御回路２３，倍率制御回路２４，対物レンズ制御回路２５，信号制御回路２６および試料微動制御回路２７を制御するとともに、増幅された二次電子及び反射電子の信号を処理して、表示装置２９の画面に試料の拡大像として表示させる。

コンピュータ２８への入力は入力装置３０を通して行う。

ここで、大きなプローブ電流にて測定を行う場合の問題点、すなわち電子線の集束点の位置を大きく変化させた場合の問題点について述べる。

代表的な走査電子顕微鏡の光学系として、図１に示したような二つの集束レンズ（Ｃ₁，Ｃ₂）と一つの対物レンズから成る３段縮小光学系のレンズ構成が知られている。

まず集束レンズの役割を説明する。図１に示すように、第一コンデンサレンズ（以下Ｃ₁レンズ）６と第二コンデンサレンズ（以下Ｃ₂レンズ）８の間に対物しぼり７を配置する。

ここで、Ｃ₁レンズ６の集束点が対物しぼり７に近づくほどプローブ電流は大きくなる。従って、Ｃ₁レンズ６の励磁電流を変化させて集束点を上下させることで、プローブ電流を制御することができる。なお、プローブ電流は対物しぼり７の穴径を変えることでも制御できる。この場合は対物しぼり７の穴径が大きいほどプローブ電流は大きくなる。

またＣ₂レンズ８は、励磁電流を変化させて集束点を上下させることで、対物レンズの像面でのビーム開き角をどんな条件下でも（Ｃ₁レンズ６の集束点位置や対物しぼり７の穴径が変化しても）所望の値（例えば最高分解能像を得るために設定されるべき値）に制御するためのものである。

それぞれのレンズの主面と物面間距離をａ₁，ａ₂，ａ₃、主面と像面間距離をｂ₁，ｂ₂，ｂ₃と定義する。仮にａ₁の不確かさがΔａ₁だけ存在する場合、ａ₃の不確かさΔａ₃としてΔａ₃＝Δａ₁・(ｂ₁／ａ₁)²・(ｂ₂／ａ₂)²のようにΔａ₁が伝達していく。この関係式はレンズの縦倍率がもたらす事象として知られているものである。さらにｂ₃の不確かさΔｂ₃としてΔｂ₃＝Δａ₃・(ｂ₃／ａ₃)²のように伝達する。

プローブ電流が小さい場合には、ｂ₁／ａ₁＜１かつｂ₂／ａ₂＜１となるので、Δａ₁の影響に対してΔａ₃は縮小されて伝達する。

大きなプローブ電流を試料上に照射するためには、Ｃ₁レンズ６の集束点を下げ（ｂ₁距離を大きくする）、なおかつ大きなしぼり径の対物しぼり７を使用する。

図２に、Ｃ₁レンズ集束点位置（ｂ₁）と、対物しぼり径の違いによる、光学系の違いを示す。（ａ）が「ｂ₁：小」かつ「対物しぼり径：小」の場合、（ｂ）が「ｂ₁：大」かつ「対物しぼり径：大」の場合である。図２（ａ）から（ｂ）に光学条件を変化させた場合、対物レンズの像面でのビーム開き角を同じ大きさに保持しようとすれば、Ｃ₂レンズ８の集束点（対物レンズの物点３３）は大きく下がり、ｂ₂が大きくなることがわかる。例えば（ａ）においてａ₁＝５０，ｂ₁＝５０，ａ₂＝１５０，ｂ₂＝１００であった光学系が、Ｃ₁とＣ₂各レンズ条件が変更されたことにより、（ｂ）においてａ₁＝５０，ｂ₁＝１５０，ａ₂＝５０，ｂ₂＝１５０になったとすると、縦倍率(ｂ₁／ａ₁)²・(ｂ₂／ａ₂)²の値は（ａ）では０.４４であるのに対し、（ｂ）では８１となる。よって（ｂ）の場合は、ａ₁の不確かさΔａ₁が例えば僅か０.１mmでしかなかったとしても、ａ₃の不確かさΔａ₃は８mmにも拡大されることになる。このΔａ₃は対物レンズの物点の不確かさであり、規定位置からのずれを表している。

対物レンズ１１に流す励磁電流は、物点位置と像点位置が決まる（規定される）ことによって決定される。従って、物点３３が規定位置からずれていると、試料上でビームをフォーカスするために対物レンズ１１に流す励磁電流が規定と異なってくる。すなわち装置としては実際に試料がある位置とは異なる位置にビームをフォーカスしていると判断している。このズレをフォーカス精度と定義している。また、実際に試料がある位置とは異なる位置に試料があると判断してビームを走査するのであるから、フォーカス精度の悪化は倍率精度（すなわち測長精度）の悪化に直結する。また、ａ₁の不確かさΔａ₁は０.１mmよりも大きいことが想定されるので問題はさらに深刻である。

上記課題を解決するために本発明は、対物レンズの物点規定位置に電子線走査用とは別の物点検出用偏向器３１を設置し、物点が偏向器位置に存在するときに偏向器３１による像移動が最小になる性質を利用して、物点検出用偏向器３１の位置に物点３３が位置するように自動修正することを特徴とする。

なお、物点位置検出用の偏向器３１はその種類は問わず、電磁偏向器でも静電偏向器でもよい。

より具体的に本発明の内容を説明する。

まず、像の移動を判断できるような試料の像を表示装置２９に表示させる。入力装置３０より対物レンズの物点３３の位置検出指示を出すと、コンピュータ２８が第二集束レンズ８に流す励磁電流の範囲を決めて、第二集束レンズ制御回路２３を通じてある励磁電流を流す。コンピュータ２８が対物レンズ制御回路２５を通して対物レンズ１１を制御し、自動的にフォーカス調整を実施し像を保存する。物点検出用偏向器３１を物点検出用偏向回路３２を通じて動作させ、ビームを一定の角度に偏向させる。再び像を保存し、物点検出用偏向器３１が動作していなかった状態で保存していた像と画像処理を通して比較することで、物点検出用偏向器３１の動作に伴う像移動量を測定し、値をコンピュータ２８に記憶する。この一連の作業を最初に決めた第二集束レンズ８に流す励磁電流の範囲で実施し、物点検出用偏向器３１の動作に伴う像移動量が最小になるときに第二集束レンズ８に流す励磁電流を求める。この励磁電流を第二集束レンズ８に流す。以上のプロセスにより対物レンズの物点３３が物点検出用偏向器３１の位置にある状態を実現できる。

図４に偏向器３１の動作に伴う像移動量を第二集束レンズ８の励磁電流に対するグラフの模式図を示した。まず物点３３を理想位置に作るのに必要とされる集束レンズ８の励磁電流を予測する。その予想励磁電流の周辺で、励磁電流を任意の間隔で変化させる。集束レンズ８に、ある励磁電流を流したら対物レンズの励磁電流を調整して像のフォーカスを合わせる。物点検出用偏向器３１を動作させない場合と、動作させた場合、それぞれの場合で像を取得し両者を比較することで、偏向器３１を動作したことによる像移動量を測定する。一連の測定から偏向器３１による像移動量が最小になるコンデンサレンズの励磁電流をもとめ、記憶する。再びこの励磁電流を集束レンズ８に流せば、物点位置検出用の偏向器位置に物点を作ることができる。以上のプロセスはすべて自動で行う。

なお、物点検出用偏向器３１により、異なる２つの角度に偏向した場合の像移動量を測定しても良い。

偏向器位置に物点が存在するときに偏向器３１による像移動が最小になることを理解するために、走査電子顕微鏡像の中心のビーム軌道のみを考える。ビームが像の中心にある瞬間には走査用偏向器９，１０は動作していないので、走査用偏向器９，１０は考慮する必要がない。対物レンズ１１の物点位置が異なる軌道模式図を三種類示した（図３）。図３ではビームの中心軸のみの軌道を示している。図３に示した偏向器３１は物点位置検出用の偏向器であり、三種類のすべての図において偏向器位置で同じ角度だけビームが偏向されている。黒点が対物レンズの物点位置を示しており、図３（ａ）では偏向器より上、図３（ｂ）では偏向器位置、図３（ｃ）では偏向器より下に存在する。対物レンズ１１の像面は三種類すべての場合において試料上にある。物点３３と対物レンズ中心を結んだ線と像面が交わる点にビームは到達するので、試料上でのそれぞれの場合でのビーム到達位置が推定できる。図３から見て取れるように、物点が偏向器位置に存在するときのみ偏向器３１が動作していない場合と同じ場所にビームが到達する。すなわち物点３３が偏向器位置に存在するときのみ像が移動しないことがわかる。

図６は対物レンズの物点検出用偏向器３１を二箇所に設置した走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ））の概略構成図である。物点３３を作りたい場所の物点検出用偏向器３１をコンピュータ２８で選択して使用する。理想的な物点位置は対物しぼり７の穴径に大きく依存するので、対物しぼり７の穴径が２種類選択できる装置の場合には、物点検出用偏向器３１を二箇所設置することでどちらの対物しぼり７の穴径にも対応可能となる。もっと多くの場所で物点３３を検出したければ、その場所の数に応じて物点検出用偏向器３１の設置場所を増やせばよい。もしくは、偏向器について、鉛直方向に移動可能な機構を設けることで、開き角等種々の光学条件にも対応できるようになる。

図７に物点３３を物点検出用偏向器３１で自動検出するためのフローチャートの一例を示した。この例では第二集束レンズ８の励磁電流の走査範囲（最大値と最小値）を理想的な計算値を基準にして決定し、第二集束レンズ８の励磁電流走査範囲の最大値から最小値に向けて走査している。

別の実施例として、図４に示すような偏向器３１の動作に伴う像移動量の第二集束レンズ８の励磁電流に対するグラフのデータを一旦取得した後は、当該グラフを用いて、ある１つの物点位置において、像移動量を測定すればよい。その物点の位置における像移動量とグラフを用いて、像移動が０となる物点位置を導き出すことができる。

代表的な走査電子顕微鏡のレンズ構成の概略図。 プローブ電流に応じた光学系の違いを示した概略図。 対物レンズの物点位置の違いに依存したビーム軌道の概略図。 偏向器３１の動作に伴う像移動量の第二集束レンズ８の励磁電流に対するグラフの模式図。 物点検出用偏向器が一箇所設置された走査電子顕微鏡の概略構成図。 物点検出用偏向器が二箇所設置された走査電子顕微鏡の概略構成図。 物点検出用偏向器による自動物点位置補正のフローチャート。

符号の説明

１ 陰極
２ 第一陽極
３ 一次電子ビーム
４ 第二陽極
５ サプレッサ電極
６ 第一集束レンズ
７ 対物しぼり
８ 第二集束レンズ
９ 上段偏向コイル
１０ 下段偏向コイル
１１ 対物レンズ
１２ 試料
１３ 試料微動装置
１４ 反射電子信号
１５ 二次電子信号
１６ 直交電極界（ＥＸＢ）装置
１７，１９ 検出器
１８，２０ 増幅器
２１ 高電圧制御回路
２２ 第一集束レンズ制御回路
２３ 第二集束レンズ制御回路
２４ 倍率制御回路
２５ 対物レンズ制御回路
２６ 信号制御回路
２７ 試料微動制御回路
２８ コンピュータ
２９ 表示装置
３０ 入力装置
３１ 物点検出用偏向器
３２ 物点検出用偏向回路
３３ 物点

Claims (5)

1. 荷電粒子線を発生する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子線を試料上に集束する対物レンズと、
   前記荷電粒子線源と前記対物レンズとの間に配置された第１のコンデンサレンズと、
   前記第１のコンデンサレンズと前記対物レンズとの間に配置された第２のコンデンサレンズと、
   前記荷電粒子線を走査する走査偏向器と、
   前記試料への荷電粒子線の照射によって発生する電子を検出する検出器を有する荷電粒子線装置であって、
   前記第２のコンデンサレンズと前記対物レンズとの間に配置され、前記荷電粒子線を偏向する偏向器を有し、
   前記荷電粒子線装置の光学条件として前記第１のコンデンサレンズの縦倍率が１より大きい場合に、
   当該偏向器により異なる２つの偏向量に対して試料像を取得して、
   当該２つの試料像間の像移動量が最小となるように、前記第２のコンデンサレンズに流す励磁電流を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記荷電粒子線装置は、複数の荷電粒子線の集束点において、前記異なる２つの偏向量に対する試料像間の像移動量が最小となるように前記第２のコンデンサレンズに流す励磁電流を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１又は２に記載の荷電粒子線装置において、
   前記第２のコンデンサレンズには、前記荷電粒子線の集束位置を、前記偏向器の位置に配置するように、励磁電流が流されることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかの請求項に記載の荷電粒子線装置において、
   前記偏向器は鉛直方向に複数配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１又は３のいずれかに記載の荷電粒子線装置において、
   前記偏向器は、鉛直方向に移動可能な移動機構を備え、
   当該偏向器の複数の位置において、前記異なる２つの偏向量に対する試料像間の像移動量が最小となるように前記第２のコンデンサレンズに流す励磁電流を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。

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