JP5395118B2 - 電子顕微鏡システム用対物レンズおよび電子顕微鏡システム - Google Patents

Description

本発明は、磁界集束および静電集束を用いた電子顕微鏡システムに関し、特に、このようなシステムのための対物レンズに関する。さらに、本発明は、このような電子顕微鏡システムを含む、物体の像形成および操作を行うための検査システムに関する。

多くの技術分野および用途において、小型化の傾向が益々強まっている。特に、半導体技術分野においては、より小型で、複雑かつ強力な素子が求められている。したがって、例えば、品質保証やプロセス分析において、ウエーハおよびその上に形成される素子ならびに完成品の光学検査を可能にすることが必要とされている。素子の個々の構造体のサイズはマイクロメートル以下の範囲であるため、必要な倍率および解像度を得るためには、通常、電子顕微鏡が用いられる。この点において、被検構造体を多数の観測角で像形成することを可能にするこのような電子顕微鏡システムは、特に有利である。ウエーハサイズが大きくなるにつれて、このことは電子顕微鏡システムに対する特別な需要をもたらす。構造体、特に半導体構造体の特性付けを行うために、特性付けを行うべき構造体中のトレンチを「切削する」ことによってその構造体の断面の検査を可能にし、これにより、比較的少ない労力で構造体の層列などの多くの情報を得ることができるようにする技術が用いられている。このようなトレンチは、例えば、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて半導体構造体にエッチングされる。このエッチング法は、透過電子顕微鏡用の見本断面の形成や、層列が複雑で個々の層のエッチング選択性が異なる構造体において特に重要である。ＦＩＢを用いた方法により、かなり微細ではっきりとした切れ目を形成することが可能となる。この方法の有利な点は、エッチングプロセスを顕微鏡によって原位置で確認することができることである。

先行技術から、様々な電子顕微鏡システムおよびこのようなシステムに用いられる多くの対物レンズが公知である。有利であることがすでに証明されているこのような対物レンズは、磁界集束、電界集束および減速を組み合わることを可能にする。

図１に、従来の対物レンズの例を模式的に示す。対物レンズ１は、対物レンズの光軸２に関して回転対称に配置され、かつ内側磁極片１１および外側磁極片１２を有する磁極片装置および内側磁極片１１と外側磁極片１２との間の空間に配置されたコイル体１５を含む磁界レンズを具備している。さらに、対物レンズ１は、第１の電極を形成するビーム管１３を有する静電液浸レンズおよび端子電極１４を具備している。ビーム管１３は、内側磁極片１１によって形成された内部空間の下部に実質的に配置され、端子電極１４は、ｚ方向において外側磁極片と実質的に空間的に連続している。両磁極片の間に配置された磁界レンズのコイル巻線に電流が流れると、内側磁極片１１および外側磁極片１２において磁束が生じ、その磁束の大部分は磁極片材料により保持される。軸方向の磁極片間隙１９の領域において、上記磁極片１１および１２により固定された磁界は、光軸２に向かって現れる。光軸２上の磁界強度および磁界拡張度は、焦点深度にとって重要である。この点において、焦点幅は、ｚ軸に沿った磁極片領域における磁束密度の二乗の位置積分により除算された電子の加速電圧に比例する。

静電レンズのビーム管１３には正の電圧が印加され、端子電極１４は、好ましくは、接地電位に設定されている。静電レンズは、電子ビームの電子が電子光学装置を出る前に減速される減速場を形成する。これにより、電子ビームの電子は、電子源と静電レンズとの間のビーム路の大部分を高エネルギーかつ高速で移動することができるようになるため、集束に悪影響を及ぼす同じ荷電の電子の静電反発現象を最小限にすることができる。ビーム管端部と端子電極１４との間の電界は、この電界を通過する一次電子が同じく集束効果を有している限り、不均質性をさらに有する。

さらに、対物レンズの磁界レンズによって生じる磁界は、例えば、いわゆる「単極」レンズと比べて、物体の表面上において比較的小さいことが好ましいことが分かっている。図１に示すように、対物レンズ１は、略円錐形の外側磁極片１２を具備しており、光軸に対するこの外側磁極片の外側の円錐角は４０°である。外側磁極片１２の寸法および、外側磁極片１２の寸法により実質的に決定される電子顕微鏡システムに必要とされる空間のため、被検物体を、短い作動距離で電子顕微鏡システムの光軸に対して９０°− ４０°＝５０°の角度まで傾斜させることが可能になっている。

このような対物レンズを含む電子顕微鏡システムは、集束イオンビームを形成および制御するための装置（以下、イオンビーム加工システムまたはＦＩＢカラムと呼ぶ）をさらに含んだ、物体を像形成および操作するためのシステムにおいても好ましく用いられていた。特に、このようなシステムにより、構造体の像形成と加工を同時に行うことが可能となる。電子光学システムの上記対物レンズおよびＦＩＢカラムに要求される空間によって、像形成と加工が同時に行われる際、二次元の被検物体はイオンビームに対して最大８０°までの角度で配置することが可能になっている。したがって、このような従来の対物レンズを含むシステムにおいては、垂直壁を有するトレンチをＦＩＢを用いて物体に切削し、同時に電子顕微鏡で像形成を行うことは不可能である。むしろ、ＦＩＢにより物体が加工された工程の後、物体を傾斜および回転させ、続いて、ＦＩＢによって形成された構造体が像形成される。

電子顕微鏡システムおよび集束イオンビームが同時に作動される場合、一般的に、磁界はイオンビームにより操作される物体の領域において最小限にする必要がある。なぜなら、磁界によってイオンが偏向され、これにより集束イオンビームの加工精度が損なわれるからである。その上、このような磁界においては、イオンビームが同位体に分離し、その有用性がさらに完全に失われる恐れがある。

したがって、必要とされる空間がより少なく、対物レンズ外部の磁界が最小限である電子顕微鏡システムのための対物レンズが求められている。

したがって、本発明は、電子顕微鏡システム用の改良対物レンズを提供することを目的とする。さらに、本発明は、被検物体の像形成および操作を同時に行うための改良検査システムを提案することを目的とする。

第１の局面によると、対物レンズのｚ方向に伸びる光軸に関して実質的に回転対称であり、かつ内側磁極片および外側磁極片を含み、内側磁極片と外側磁極片との間に、内側磁極片のｚ方向の最下位置において、内側磁極片が外側磁極片からｚ方向に向けられた間隙間隔を有する磁極片間隙が形成された、集束磁界を発生させるための磁極片装置と、
光軸に関して実質的に回転対称であり、かつ内側磁極片内を光軸に沿って伸びる下端を有するビーム管およびビーム管の下端から離間して設けられた端子電極をさらに含む、集束静電界を発生させるための電極装置とを含む、物体面に配置可能な物体を像形成するための磁界集束および静電集束を用いた電子顕微鏡システム用対物レンズであって、
磁極片間隙の周囲少なくとも３ｃｍの領域において以下を満たすことを特徴とする対物レンズが提供される。

●内側磁極片は、少なくとも部分的に（ｚ方向において）下方向にテーパー状になっており、かつｚ方向に対して内側の円錐角βおよび外側の円錐角χを有する。

●外側磁極片は、下方向に伸び、特に、少なくとも部分的にテーパー状になっており、かつｚ方向に対して内側の円錐角Δおよび外側の円錐角αを底部に有する。

●さらに、対物レンズは、ビーム管を約３０ｋｅＶで通過する電子に対する端子電極と物体面との間の作動距離Ｗ_Dが２ｍｍ以下となるように構成されている。

●３０°＜α＜３５°および１０°＜Δ−χ＜１４°である。

特に好ましい実施形態において、対物レンズは、内側磁極片と外側磁極片との間の空間に配置されたコイル体をさらに含む。

基本的に、従来の対物レンズの構成要素の寸法および構成は、第１の局面によると、円錐形の外側磁極片とｚ軸との間の角度を減少させ、これにより対物レンズに必要とされる空間、ひいては電子顕微鏡システムに必要とされる空間を減少させるために変更された。その結果、実質的に二次元の物体は、電子顕微鏡システムの光軸に対して大幅に傾斜させることが可能になっている。

従来の対物レンズの寸法における上記の提案された変更は、電子顕微鏡システムにとって十分な光学的パラメータに関して提起された目的を解決する対物レンズをもたらすものの、当業者にとって自明ではない。むしろ、以下に示す理由により予期できないものである。

対物レンズの磁界レンズにおいて、内側磁極片および外側磁極片は、磁極片空隙の短い距離においてのみ磁界が実質的にこれらから出現するように磁束全体を保持するものである。さらに、両磁極片を構成する材料の磁気飽和は回避されなければならない。なぜなら、このような飽和により、再現不可能かつ回転非対称な磁界が生じるとともに、両磁極片から磁束が移動するためである。減衰した磁界による磁極片材料の飽和が起こった場合、エネルギーに富む電子ビームの集束が損なわれるであろう。その結果、磁極片の厚みを減少させること、すなわち、材料を除去することにより磁界レンズに必要な空間を削減し、同時に両磁極片間に配置されたコイルを磁気励起させるために適用されるパラメータを維持することは、材料の早期磁気飽和を起こし、対物レンズの集束性能が不十分となる結果を招くことが予想される。内側磁極片と外側磁極片との間の距離、すなわち角度差を短縮することにより磁界レンズのサイズを減少させようとした場合、このような減少は磁気短絡を引き起こし、不利な磁界干渉、特に、光軸に沿った磁界の移動、歪みおよび減衰につながる。さらに、コイルに使用できる空間が減少する。その結果、十分な励起を起こすのに必要なコイル巻線数を維持するために、コイルに用いる線材は、直径の小さいものを選択しなくてはならないだろう。しかし、直径の小さな線材に伴う高いオーム抵抗により、コイルの線材による発熱量が増加し、空間ずれの現象を防ぐために水冷よりも複雑な冷却を用いることが必要となるであろう。したがって、両磁極片からの材料の除去および／または内側磁極片と外側磁極片との間の距離の短縮は、提起された目的の適切な解決方法であるとは思われない。

非常に強力な対物レンズを実現するために、外側磁極片の外側と光軸との間の角度αを減少させ、かつ両磁極片の厚みを減少させることに加えて、両磁極片の相対的配置、特に、ｚ軸に対する内側磁極片の外側の角度χとｚ軸に対する外側磁極片の内側の角度Δとの角度差および磁極片間隙または間隔の寸法が、先行技術から自明ではない方法で修正された。

本発明によると、少なくとも磁極片間隙の周囲約３ｃｍの領域において、αは３０°〜３５°、Δ−χは、１０°〜１４°の範囲内であり、この配置により、ビーム管を約３０ｋｅＶで通過する電子に対して、端子電極と物体面との間に２ｍｍ以下の作動距離が達成される。

ここで、作動距離とは、端子電極の最下領域もしくは下端と物体面もしくはそこに配置された物体との間の距離として理解されるべきである。このような作動距離では、最適な解像度を有する画像を意図された用途において得ることや、意図された目的において指定された解像度と実質的に異ならない解像度を有する画像を得ることが可能である。

しかし、上記対物レンズは、より大きな作動距離においても有利に用いることができる。

特に、α＝３４°かつΔ−χ＝１３°である配置が好ましい。

内側磁極片のｚ方向の最下位置において、内側磁極片は、外側磁極片との間に、内側磁極片と外側磁極片の間に磁極片間隙が形成されたｚ方向の間隙間隔を有している。磁極片間隙の領域において、磁界は光軸方向に現れる。磁極片間隙の寸法は、光軸上の磁界の強度および空間拡張度、ひいては対物レンズの焦点距離に影響を及ぼす。磁極片の寸法を最適化するにあたり、球面収差および色収差の特性を、材料の飽和または広すぎる間隙幅による磁界の減衰によって低減される集束性能と比較検討しなければならない。少なくとも３ｍｍの磁極片間隙間隔が選択される。上記間隔の定義に関する限り、これは、いわゆる実効磁極片間隙間隔である。つまり、例えば薄い延長部状、薄膜状または薄箔状のさらなる材料を追加することにより、磁極片間隙または磁極片間隔を寸法面において減少させることは可能であるが、機能面において減少させることはできないということである。このような追加材料は、追加材料における磁気飽和により、磁界レンズによって生じる磁界に大きな影響を与えることはないので、内側磁極片および外側磁極片から放出する磁界線に大きな影響を与えることはない。さもなければ、上記材料は、磁極片において磁束がもはやほとんど存在しない位置に添加される。

本発明の有利な実施形態において、内側磁極片の内側および外側は、内側磁極片のｚ方向の最下点から円錐状に広がっている。別の好ましい実施形態において、内側磁極片は、その最下端からｚ方向に約１ｍｍ〜３ｍｍ上方に円筒シース状に広がった後、少なくとも外側において円錐状に広がるように設けられている。好ましくは、外側磁極片は、下方向にテーパー状になっている。

好ましくは、内側磁極片は、少なくともその下端において、６ｍｍ〜８ｍｍの内径を有しており、７.５ｍｍの内径が特に好ましい。

上述の角度差を考慮すると、円錐角度は、通常、以下の範囲にあることが好ましい。

●ｚ軸に対する内側磁極片の内側の円錐角度β：
０°＜ β ＜ １５°
●ｚ軸に対する内側磁極片の外側の円錐角度χ:
１２°＜ χ ＜ Δ−１５°
●ｚ軸に対する外側磁極片の内側の円錐角度Δ:
α − ５°＜ Δ ＜ α＋１°
軸の周囲に軸方向に配置された外側磁極片の半径方向の最も内側かつ最も下の領域の寸法は、０.５ｍｍ〜３ｍｍの範囲にあることが好ましく、軸の周囲に軸方向に配置された内側磁極片の半径方向の最も内側かつ最も下の領域の寸法は、１０ｍｍ以上であることが好ましい。

当業者の予測に反して、両磁極片から材料が除去されるとともに、磁極片間の角度差が減少し、同時に、間隙間隔が大きかったにも関わらず、２ｍｍ以下の作動距離が達成された。

特に好ましい実施形態において、端子電極のｚ方向の下端は、外側磁極片のｚ方向の最下領域からｚ方向に離間している。

ビーム管は、少なくとも外側磁極片の開口部を通って伸びるように設けられ、前記開口部は、外側磁極片のｚ方向の最下領域によって形成されていることが好ましい。特に好ましい実施形態において、ビーム管は、外側磁極片の開口部を通って伸び、ビーム管の下端は、外側磁極片の開口部からｚ方向に離間するように、すなわち磁極片装置、特に、光軸に対して平行に伸びる外側磁極片の開口部から現れるように設けられている。したがって、ビーム管の下端は、外側磁極片の開口部と端子電極の下端との間にｚ方向に設けられていることが特に好ましい。

本発明のさらなる局面によると、対物レンズは、磁極片装置によって形成された上述の磁界レンズの特定の幾何学的構成（好ましい実施形態を含む）に代わるものとして、またはこれに加えて、外側磁極片と端子電極との磁気結合によって特徴づけられる。この磁気結合は、ｚ方向に対して円錐角αを有する円錐面によりその外側において実質的に境界を定められた外側磁極片と、ｚ方向に対して円錐角α’を有する円錐面によりその外側において実質的に境界を定められた端子電極とが、物体面に配置可能な物体の磁界を減少させる実質的な間隙を残すことなく互いに磁気結合されることにより達成される。この磁気結合により、対物レンズの外部領域に対する磁界の遮断が向上する。これは、磁界が物体あるいは試料に破壊的干渉を起こす場合や、検査対象となっている物体が集束イオンビームにより同時に加工される場合において特に有利である。なぜなら、磁界によってイオンが偏向され、加工工程が妨害されるからである。

この局面によると、対物レンズは、ビーム管を約３０ｋｅＶで通過する電子に対する作動距離が２ｍｍ未満となるように構成されることも特に好ましい。

特に好ましい実施形態において、端子電極と外側磁極片との間の磁気結合は、端子電極と外側磁極片との間の間隙を０.６ｍｍ未満、好ましくは、０.２ｍｍ未満とすることにより達成される。端子電極と外側磁極片と間のこのような間隙は、端子電極の領域面およびの外側磁極片の領域面を互いに対向させることにより有利に形成される。

端子電極のｚ方向の最上部領域面およびの外側磁極片のｚ方向の最下領域面は互いに対向しており、対向面はｚ方向に対して平行に配置されていることが特に好ましい。端子電極の少なくとも外側磁極片に対向する領域面は、外側磁極片のｚ方向の最下領域によって形成された開口部内に配置されていることがさらに好ましい。

端子電極は、外側磁極片の下部領域から内側磁極片の内側に沿って伸びるプラスチック絶縁体および電気的に絶縁されたクランプにより保持されることが特に好ましい。これにより、特に、間隙によって外側磁極片から電気的に絶縁された端子電極を接地電位以外の電位に設定することが可能となり、これは、各種用途において有利である。さらに、端子電極を外側磁極片と別々に交換することが可能となる。

また、外側磁極片および端子電極は、少なくとも部分的に実質的に円錐状に伸びる外側磁極片の外側および端子電極の外側が互いに一直線上に並んだ配置とすることが好ましい。

端子電極は、端子電極下端の中央開口部に向かって実質的に円錐形にテーパー状になるように形成され、これにより電界を物体または試料の比較的近くに付与することが有利である。しかし、端子電極は、好ましくは接地電位に設定されているため、電界は試料領域において無視できるほど小さい。電界と試料が近接していると、作動距離Ｗ_D、すなわち端子電極と試料表面との間の距離が大きい場合に特に有利である。端子電極の中央開口部の内径は、ビーム管の内径に実質的に相当する。しかし、本明細書において示す実施形態において、端子電極下端の中央開口部の内径はビーム管の内径と異なっている。

本発明の第３の局面において、対物レンズの電界レンズは、上述した磁界レンズの特定の幾何学的パラメータおよび／または外側磁極片と端子電極との磁気結合に代わるものとして、またはこれに加えて（これに関連して記載された好ましい実施形態を含む）、内側磁極片の下端とビーム管のｚ方向の下端または最下位置との間の距離Ａ₁が９ｍｍより大きく、さらに好ましくは、１０ｍｍより大きくなるように構成される。この実施形態は、物体面の磁界を減少させるために特に好ましい。この実施形態においては、ビーム管のｚ方向の下端は、外側磁極片の最下領域と端子電極の下端との間に設けられていることが特に好ましく、かつ特に有利である。特に好ましい構成において、ビーム管の下端と端子電極の下端との間の距離Ａ₂は３ｍｍより大きい。約６ｍｍの距離が特に好ましい。

この構成は、磁界レンズにより生じる磁界と端子電極およびビーム管を含む静電レンズにより生じる電界との間のオーバーラップを、先行技術から公知である構成よりも減少させるという思想に基づいている。特に、このようなレンズ寸法における電界と磁界との間のオーバーラップは（電磁界の積分によると）５％未満である。したがって、磁界レンズにより生じる磁界と像形成される物体との距離はより大きくなり、その結果、磁界は物体面内および物体上のいずれにおいても最小限となる。このように物体上の磁界が最小限となることが有利である理由については、上記において既に述べた。この構成のさらなる利点は、電界が試料の近くに存在していることであり、これは、作動距離が大きい場合において特に有利である。

ビーム管の下端は、ビーム管の外径を超えて放射状に伸びる端部フランジを含むことが特に好ましい。ビーム管を囲む端部フランジは、電気的な弧絡や短絡を防止するのに十分な大きさの間隔で端子電極から離間している。この端部フランジは、好ましくは、その軸方向断面が、物体面に向かって配置された前面から丸みを帯びた形状を有するシース部に変形し、この丸みの曲率半径が１ｍｍ以上となるように形成されている。ビーム管のこのような特定の構成の背景にある思想は、端部フランジにより付与されたシールディングによってこの領域への直接的なアクセスがいわば妨げられ、かつ一次電子ビームが同様にファラデーケージに遮蔽されるように、実質的に内側磁極片とビーム管との間の領域に設けられたプラスチック材料製の対物レンズの構成要素が、電子顕微鏡システムを作動する際に必然的に生じる電子雲によって帯電するのを防止するというものである。端部フランジは、内径を規定するビーム管の内壁から前面への移行部分が丸みを帯びるように設けてもよい。

上記実施形態の全てにおいて、好ましくは、磁極片には、高い飽和磁化を有する材料が選択される。磁極片には、４５％〜５０％のニッケル含有率を有する鉄／ニッケル合金が特に好ましい。「Permenorm 5000 H3」の商品名でドイツのVacuumschmelze Hanau社から市販されているＮｉＦｅ合金が特に好ましい。コバルト／鉄／バナジウム（４９％Ｃｏ−４９％Ｆｅ−２％Ｖ）合金、コバルト／鉄合金（例えば３０％Ｃｏ、７０％Ｆｅ）または軟鉄を用いることも有利である。

好ましくは、コイル体に用いる材料は銅線を含む。コイル体は、磁極片から断熱されている。コイル体を流れる電流によって生じる熱は、コイル体に熱的に結合され、かつ内側磁極片と外側磁極片との間の内部空間に設けられた水冷管によって吸収され、冷却回路から運び出される。

好ましくは、端子電極には、いわゆるμ−金属（Mumetall（登録商標））、すなわち７２〜８９％のニッケル量を有するニッケル／鉄合金、特に好ましくは、Hyperm 766が選択される。

好ましくは、対物レンズには、物体表面の定義された領域を電子ビームが走査できるように電子ビームを偏向させるための複数の偏向コイルが設けられている。電子顕微鏡システムは、上述の対物レンズの他に、以下のさらなる構成要素を含んでいる。被検物体が配置される試料室、電子ビームを生成および加速するための電子ビーム源、１つまたはそれ以上の静電レンズおよび／または磁界レンズを有する電子光学装置、電子顕微鏡と試料室の少なくとも電子ビームが横切る空間を真空にするための少なくとも１つの真空系、電子顕微鏡システムの前方において物体を配置しその方向付けを行うための試料室内の物体支持体、および電子、特に、二次電子を検出するための少なくとも１つの検出器。好ましい電子顕微鏡システムにおいて、少なくとも１つの検出器が、対物レンズの上にｚ方向に配置された電子顕微鏡システムの内部空間に設けられている。

その他の局面によると、本発明は、以下の構成要素を含む、被検物体を観察および操作するための検査システムを提供する。

●上記に記載された１つまたはそれ以上の特徴を示す対物レンズを含む電子顕微鏡システム
●放出されたイオンビームを用いて物体を操作するためのイオンビーム加工システム
●電子顕微鏡システムの前方において、イオンビームが物体面を直交して交差するように二次元の物体の方向付けを行うことを可能にする、イオンビーム加工システムおよび電子顕微鏡システム前方において物体を支持し、かつその方向付けを行うための物体支持体
上記電子顕微鏡システムをイオンビーム加工システムと組み合わせることにより、多大なメリットがもたらされる。イオンビーム加工システムは、被検物体を、例えば物体表面の定義された領域から材料を除去することにより操作する集束イオンビームを生成および誘導するために設けられている。物体を、例えばそれらの形態について検査することが可能である外、リソグラフィーマスク上で修理作業を行ったり、この構成を用いた直描リソグラフィー法を行うことも可能である。これら以外に、その他の可能な用途が考えられる。イオンビーム加工システムは、イオンビームを生成するためのイオン源（多くの場合、これには液体金属イオン源（しばしば、ガリウムまたはインジウム）が用いられる）および電界を印加することによりイオン源からイオンを引出すための引出し電極を含む。さらに、イオン加工システムのイオン光学装置は、イオンビームを、それぞれ、加速、集束、誘導および偏向するための、少なくとも１つの加速電極、静電レンズ、可変絞りおよび偏向ユニットを含む。

電子顕微鏡システムおよびイオンビーム加工システムは、これらの光軸が、被検物体の表面により規定された面において実質的に交差するように互いに配置されている。物体は、電子顕微鏡システムおよびイオンビーム加工システムの前方において物体が定義された方向になることを可能にする物体支持体により支持されている。その結果、集束イオンビームおよび集束電子ビームが物体表面に衝突する角度を定義された角度範囲内で調整することができる。これにより、例えば、傾斜の異なる側壁を有する穴およびトレンチを形成することが可能となる。特に、イオンビームを物体に対して垂直に配置することができるため、垂直な側壁を有するトレンチを形成することが可能となり、これは、特定の用途において大変重要である。

電子顕微鏡システム用の従来の対物レンズの下部を示す断面図である。 対物レンズの磁極片間隙の領域に関する説明において規定された角度および寸法を示す図である。 本発明による対物レンズの実施の形態を示す断面図である。 図３の部分拡大図である。 図３および図４の各部分拡大図である。 本発明による対物レンズの実施の形態の磁極片材料の特徴である磁界強度および磁束密度のパラメータを示す図である。 本発明による対物レンズの実施の形態における電界と磁界との間のオーバーラップを示す図である。 物体の像形成および操作を行うための本発明による検査システムを示す概略図である。

図３、図４および図５に示す対物レンズ１００は、電子顕微鏡システムにおいて電子ビームを集束する働きを持つ。対物レンズ１００は、磁界レンズおよび静電レンズを具備している。したがって、集束は、静電気および磁気の両方によって行われる。静電レンズは、一次電子ビームの電子を減速させる働きも持つ。磁界レンズは、内側磁極片１１１および外側磁極片１１２を有する磁極片装置を含んでいる。両磁極片１１１および１１２は、中心の光軸１０１、すなわち一次電子ビームのビーム路を回転対称に囲むように形成されている。

内側磁極片１１１は、ｚ方向において略円錐形であり、この円錐状領域において、物体面に向かって連続的にテーパー状になっている。内側磁極片１１１のｚ方向の最下領域において、内側磁極片１１１は、ｚ方向に約２.２ｍｍ広がる中空円筒領域１１１’を含んでいる。内側磁極片１１１の内側１９０は、ｚ方向において、最下位置１９２から、まず光軸１０１に対して平行に約３２ｍｍ伸びた後、放射状のフランジ１１１”内に伸びるまで、ｚ軸に対して１０.５°の角度βを有する円錐に沿って伸びている。フランジ１１１”は、その最も外側の領域において外側磁極片１１２の放射状のフランジ領域１１２’に対向して設けられている。光軸１０１から更に離れた内側磁極片１１１の外側１９１は、中空円筒領域１１１’においてのみ光軸に対して平行に約２.２ｍｍ伸び、その後、内側磁極片の放射状のフランジ部１１１”内にさらに伸びるまで、ｚ軸に対して１６°の角度χを有する円錐内に伸びている。

外側磁極片１１２は、ｚ方向において上部のフランジ領域１１２’まで実質的に円錐状に伸びている。外側磁極片１１２の内側１８０は、この円錐状領域において、光軸１０１に体して２９°の角度Δを形成しており、外側１８１は、光軸１０１に対して３４°の角度αで放射状に外側へ伸びている。外側磁極片１１２の最下位置１８２において、上記外側磁極片は中央開口部を有しており、その内径は、内側磁極片１１１のｚ方向の最下位置１９２の開口部における内径Ｄ₁（図２を参照）に実質的に相当する。

内側磁極片１１１および外側磁極片１１２の円錐開口部の角度が異なるため、これら２つの磁極片間の距離は、物体面に向かって減少し、その寸法は内側磁極片１１１の下部１１１’において最も小さくなる。内側磁極片１１１の最下位置１９２と外側磁極片１１２の最下位置１８２との間には、磁極片間隔を有する軸方向の磁極片間隙１１９が形成されており、これはｚ方向に対して平行に伸びている。本実施の形態において、磁極片間隙１１９の軸長は約６ｍｍである。

磁極片間隙１１９の位置および構成は、磁界レンズの機能にとって大変重要である。上記磁極片１１１および１１２は、磁界を、いわば「固定(clamp)」する。磁界線は、上部磁極片と下部磁極片の間を光軸１０１に向かって膨らんだ形で伸びている。光軸１０１上の磁界強度は、磁極片間隙１１９の領域において最大となり、発生した磁界の磁界強度は、ｚ方向において実質的に鐘形である。

図３に示す実施の形態において、磁極片間隙１１９内の内側磁極片１１１の最下端１９２には、非磁性材料で構成される平坦な支持リング１１６が設けられており、上記支持リングの内径は、内側磁極片１１１の中空円筒領域１１１’と同一であるが、外径はこれより大きい。

磁極片間隙１１９内には、弾性材料で構成される封止リング１３０がさらに設けられており、封止リング１３０は、支持リング１１６および外側磁極片１１２の領域ならびに絶縁体１１８’の下部領域に接触し、上記磁極片１１１および１１２によって囲まれた空間を、被検物体の領域における真空空間および電子顕微鏡システム内部から封止している。

磁極片装置は、鉄／ニッケル合金であるPermenorm（登録商標）5000 H3を回転し、その後アニールすることにより構成される。図６に、この材料の磁界に依存した磁束密度および磁化のグラフを示す。

内側磁極片１１１と外側磁極片１１２との間に形成された内部空間には、コイル体１１５が設けられている。コイル体１１５は、光軸に対して同軸方向に配置された太さ０.８ｍｍの銅製ワイヤコイルを含んでいる。巻数は６５０である。上記コイルは、最大２Ａの電流で作動が可能である。コイルに電流が流れた際に生じる熱出力は、約２０ワットの範囲内である。コイル巻線間にはエポキシ樹脂が充填されており、この樹脂は、硬化後、熱的および機械的安定性を付与する。

コイル体１１５の形状は、磁極片１１１および１１２により形成される内部空間の形状に、この空間を完全に埋めてしまうことなく実質的に適合されている。その結果、コイル体１１５の上側、内側および外側は、これらが対向している磁極片装置の各面に対して実質的に平行に伸びている。第１シース１２０は、内側磁極片１１１の外側１９１に実質的な間隙を残すことなく、コイル体１１５の実質的に上側および下側を覆っている。第２シース１２２は、ｚ軸に対して平行に伸びるコイル体１１５の外側領域に実質的な間隙を残すことなく、コイル体１１５を覆っている。上記シース１２０および１２２は銅製であり、コイル体１１５のワイヤコイルに電流が流れる際に生じる熱を受け取り、運び出す働きを持つ。

断熱性を付与し、磁極片材料の加熱を実質的に防ぐため、第１シース１２０と内側磁極片１１１の外側１９１との間には、第１シース１２０と対向して配置された内側磁極片１１１の全領域に渡って伸びる間隙１２３が残されている。磁極片１１１が第１シース１２０に接触するのを防ぎ、間隙１２３を設けるため、内側磁極片１１１のｚ方向の最上部領域内の第１シース１２０の短い垂直延長部１２０’と内側磁極片１１１の外側１９１との間には、リング型のスペーサ１３１が挿入されている。第１シース１２０の垂直延長部は、上方に伸びるとともに、水平方向において径方向外側に冷却水が流れる水平管１２１へさらに伸びている。外側磁極片１１２とコイル体１５との間には、断熱用に間隙１２４が残されている。

第２シース１２２は略逆Ｌ字型をしており、光軸１０１に対して平行に伸びるコイル体１１５の外部の一部に対して平行に伸びている。また、第２シース１２２は、第１シース１２０と連続した水平方向にさらに伸び、接続体１３５を用いて内側磁極片１１１およびコイル体１１５を上記シース１２０および１２２に接続するために設けられたねじ１５３を受けるための穴を有している。ねじ１５３の頭部と第２シース１２２との間には、ワッシャ１３２が設けられている。内側磁極片１１１のフランジ領域１１１”およびこれと対向する外側磁極片１１２のフランジ領域１１２’は、上記２つの磁極片１１１および１１２をねじで接続するための互いに一直線上に並んだ穴１５４および１５５を有している。さらに、外側磁極片１１２の外側１８１は、円錐形状からフランジ部１１２’に変形する部分において階段状の構成を有しており、上記階段状の構成は、磁極片装置を電子顕微鏡システムの対応する収容部分に嵌合させる働きを持つ。

プラスチック材料で構成される絶縁体１１８は、内側磁極片１１１の内側１９０に対して、およびこれに沿って平行に、内側磁極片１１１の最下端１９２より下の領域から外側磁極片１１２の最下位置１８２付近まで伸びている。上部領域において、絶縁体１１８は、上記磁極片１１１の内側に対して平行に伸び、内側磁極片１１１のフランジ領域１１１”のおよそ中程へ伸びるフランジ領域１１８”としてさらに伸びている。絶縁体１１８のフランジ領域１１８”の周縁領域には、絶縁体１１８を内側磁極片１１１に接続するねじ１５２を受けるための穴が設けられている。絶縁体１１８のフランジ部１１８”においては、絶縁体１１８の内側磁極片１１１に向かって配置された面にも、同様にリング１３３を収容するための環状の凹部が設けられている。内側磁極片１１１の内側の円錐状領域において、絶縁体１１８は、内側磁極片１１１から離間しており、これらの間には間隙が残されている。内側磁極片１１１と全く同様に、絶縁体１１８は、下部領域において中空円筒形状１１８’をしている。絶縁体１１８のこのような中空円筒領域１１８’において、絶縁体１１８は、中空円筒領域の高さのほぼ全体に渡って伸びる環状の凹部１１７を有し、上記凹部は、電子ビームをさらに偏向させるための鞍型偏向コイル（図示せず）を収容している。

静電レンズの第１電極を形成するビーム管１１３は、絶縁体１１８の中空円筒領域１１８’の内周にはめこまれている。ビーム管１１３は、絶縁体１１８の中空円筒領域１１８’の上端および下端の両方を越えてｚ方向に伸びている。ビーム管１１３の内径は、約４.５ｍｍである。ビーム管１１３の下端または最下端は、外側磁極片１１２の最下位置または下端１８２から約５ｍｍの間隔で離間している。特に図５から明らかなように、本実施の形態において、ビーム管１１３は、軸方向断面が円形で、径方向外側に伸びる最大延長部の直径が約８.５ｍｍである端部フランジ１１３’を有している。端部フランジ１１３’は、物体面に向かって配置された丸みを帯びた前面１１３”から光軸１０１に対して実質的に平行に配置されたシース部１１３”’に変形し、この丸みの曲率半径Ｒ_fは約２ｍｍである。この端部フランジ１１３’に向かって配置された絶縁体１１８の最下部およびビーム管１１３の端部フランジ１１３’の形状は、これらの表面が実質的に平行となるように互いに適合されており、端部フランジ１１３’の周囲には、半円形状の間隙１３６が等間隔で形成されている。端部フランジ１１３’は、絶縁体１１８のプラスチック材料を電子および電子による帯電から保護する働きを持つ。絶縁体の最下部領域には、外側磁極片の絶縁体から離れた側の領域と接するリング１３４を収容するための凹部が設けられている。

さらに、対物レンズ１００の静電レンズは、第２電極として端子電極１１４を含んでいる。この端子電極１１４は略円錐形をしており、端子電極１１４の外側と光軸１０１との間の角度は、外側磁極片１１２の外側１８１と光軸１０１との間の角度αに等しく、外側磁極片１１２および端子電極１１４は、互いに一直線上に並んでいる。端子電極１１４は、内径約５ｍｍの中央開口部まで、ｚ方向にテーパー状になっている。端子電極１１４の上端においては、端子電極１１４は、環状または中空円筒領域１１４’に伸びており、この環状領域１１４’の外面は、外側磁極片１１２の軸方向内面に対向している。また、これらの間に形成された間隙は幅約１５０μｍと狭く、端子電極１１４と外側磁極片１１２との磁気結合を可能にするのに十分である。その結果、対物レンズ１００内の磁界は、対物レンズ１００の外部の領域から更に良好に遮断される。

ビーム管１１３の下端は、端子電極１１４の最下位置または下端から、ｚ方向に約５ｍｍの間隔Ａ₂で離間している。ビーム管１１３には、８ｋＶの正の電圧が印加され、端子電極１１４は、好ましくは、接地電位に設定されている。静電レンズの電極１１３および１１４の互いの間隔およびこれらの電極と磁極片装置との間隔を先行技術よりも大きくなるように選択することにより、静電減衰・集束電界は、磁極片装置によって生じる磁界から概ね分離される。図７のグラフから明らかなように、２つのレンズの電磁界は、それらの電磁界の積分の５％未満の領域においてオーバーラップしている（図７の説明文において、端部フランジを有する端子電極は「長いキャップ、膨らんだキャップ (Long Cap, Bulge Cap)」として示されている）。

端子電極１１４は、Mumetall（登録商標）、すなわちHyperm 766の商品名でドイツのVakuumschmelze Hanau社から市販されている材料で構成される。

端子電極１１４は、２つの対向するクランプ１５０により保持されており、クランプ１５０の上部領域は、ねじ１５１により外側磁極片１１２に固定されている。クランプ１５０の下部領域は、端子電極１１４の最上部の円錐形部分に配置されている。端子電極１１４は、絶縁体１１８’により保持され、かつ中心に位置決めされている。クランプ１５０を外側磁極片１１２から電気的に絶縁するために、外側磁極片１１２とクランプ１５０とを接続するねじ１５１の下にセラミック絶縁材料が用いられている。このような構成または支持物により、端子電極１１４の交換が容易となる。また、端子電極１１４を、外側磁極片１１２から電気的に絶縁し、接地電位以外の電位に設定することが可能である。

さらに、図４に、被検物体４００、端子電極１１４の下端と上記物体表面との間の作動距離Ｗ_D、距離Ａ₁およびＡ₂を示す。

図８に、物体４００を像形成および操作するための検査システムの実施形態を概略的に、かつ単純化した形式で示す。同検査システムは、物体４００のある領域を像形成するための電子顕微鏡システム３００および物体４００を操作するためのイオンビーム加工システム２００を含んでいる。

図８から明らかなように、電子顕微鏡システム３００およびイオン加工システム２００の光軸は、物体４００の平板表面によって規定される面において実質的に交差しており、イオンビーム加工システム２００の光軸は、この面に対してほぼ直交して伸び、イオンビームは、それに対応して物体４００の表面に垂直に衝突する。図に示す構成において、電子ビームが物体４００に衝突する角度は約３５°であり、作動距離、すなわち物体４００の表面と端子電極の中央開口部の最も下部、かつ径方向において最も内部の位置との間の距離は、およそ４ｍｍである。

電子顕微鏡システム３００において、一次電子ビームは、好ましくは、ショットキー電界エミッタであるカソード３０１およびカソード３０１に対向して設けられたアノード３０３を含む電子ビーム源によって生成される。放出された電子は、カソード３０１とアノード３０３との間に設けられた抽出器３０２も通過する。加速された一次電子ビームは、アノード３０３の底部の穴を通過し、次いでコリメータシステム３０４によって平行化される。電子ビームは、開口絞り３０５を通過した後、二次電子または後方散乱電子を検出するための検出器（図示せず）が設けられた電子顕微鏡システム３００の内部空間３０６を通過する。電子ビームは、内側磁極片３０９と外側磁極片３０８とを有する磁極片装置およびこれらの間に設けられたコイル体３０７で形成される磁界レンズならびに磁界レンズと共に対物レンズを形成する静電レンズ３１０および３１１によって集束される。さらに、対物レンズには、電子ビームを偏向させるための鞍型コイルが、ビーム路に関して非対称に設けられている。電子ビームは、対物レンズから現れ、約４ｍｍの作動距離において約３５°の角度で物体表面に衝突する。対物レンズについては、上記実施の形態において既に詳細に記載されている。

イオン加工システム２００は、イオン源２０１を含み、イオン源２０１は、引出し電極２０１によりイオンビームが引出されるその先端にガリウム液滴を含む構成を有している。簡潔に図示されているように、イオンビームは、ＦＩＢカラム２００のイオン光学装置を通過する際、コリメータ２０３、可変絞り２０４およびイオンビームを偏向させ、かつその方向付けを行うための一組の電極２０５および２０６を順次通過し、独立したビーム形成レンズ２０７で構成される装置を最後に通過した後、ＦＩＢカラムから出る。

図８において、集束イオンビームは、物体表面に対してほぼ直角に物体に衝突するので、垂直壁を有するトレンチまたは穴が物体表面に形成され、この加工は電子顕微鏡システムによって同時に観察される。

さらに、図８は、電子顕微鏡システム３００およびイオンビーム加工システム２００の前方において、物体４００を支持し、かつその方向付けを行う物体支持体４０１を示している。

本発明によるシステムの大きな利点は、これが物体の観察と加工を同時に行うことを可能にするという点にある。物体加工の原位置(in situ)での像形成は、非常に複雑および／または小さな構造体の製造の際の終了点を決定するために特に重要である。特に、物体表面領域およびイオンビームが横切る空間において磁界が非常に小さく、イオンビームに対する破壊的な影響が全く無いかあるいは無視できるほど小さくなるように、電子ビーム顕微鏡システムの対物レンズの磁界レンズの磁界を対物レンズによって遮断することにより、像形成と加工を同時に行うことが可能となる。これは、特に、必要な空間は比較的小さく維持することが可能であるが、物体領域において本質的に大きな磁界を発生させるために集束イオンビームと同時に用いることができない、いわゆる「単極」対物レンズと比較して非常に有利である。

外側磁極片の外側と電子顕微鏡システムの対物レンズの光軸との間の３４°以下の角度および少なくとも物体に向かって下部領域において円錐形状を有するＦＩＢカラムの外側とその光軸（半角開口部）との間の２０°の角度に基づき、ＦＩＢカラムおよび電子顕微鏡システムを、物体面に対して垂直な面内に、１８０°をカバーするこの面において集束イオンビームが約２１°〜（１８０°−２×３４°−２０°＝）９２°の角度で物体に衝突することができ、同時に電子ビームが約（０°＋２×２０°＋３４°＝）７４°〜（１８０°−３４°＝）１４６°の角度で物体に衝突することができるように配置することが可能であり、電子ビームとイオンビームとの間の角度は、常に少なくとも（２０°＋３４°＝）５４°である。その結果、集束イオンビームを、例えば、全ての方向において直交から約２°ずれた角度で物体面に向けることも可能である。これは、例えば、透過電子顕微鏡法に用いる試料を作成するために重要である。

Claims (17)

1. ｚ方向に伸びる対物レンズ（１００）の光軸（１０１）に関して実質的に回転対称であり、かつ内側磁極片（１１１）および外側磁極片（１１２）を含み、前記内側磁極片と前記外側磁極片（１１１、１１２）との間に、前記内側磁極片のｚ方向の最下位置（１９２）において、前記内側磁極片が前記外側磁極片（１１２）からｚ方向に向けられ間隙間隔を有する磁極片間隙（１１９）が形成された、集束磁界を発生させるための磁極片装置と、
   前記内側磁極片と前記外側磁極片（１１１、１１２）との間の空間に設けられたコイル体（１１５）と、
   前記光軸（１０１）に関して実質的に回転対称であり、かつ前記内側磁極片（１１１）内を前記光軸（１０１）に沿って伸びる下端を有するビーム管（１１３）および前記ビーム管（１１３）の前記下端から離間して設けられた端子電極（１１４）を含む、集束静電界を発生させるための電極装置と、
   を具備する、物体面に配置可能な物体の画像を生成するための磁界集束および静電集束を用いた電子顕微鏡システム用対物レンズ（１００）であって、
   前記外側磁極片（１１２）が、ｚ方向に対して円錐角αを有する円錐面により、その外側において実質的に境界を定められており、前記端子電極（１１４）が、ｚ方向に対して円錐角α’を有する円錐面により、その外側において実質的に境界を定められており、前記端子電極（１１４）と前記外側磁極片（１１２）が、磁気結合されており、
   前記端子電極（１１４）と前記外側磁極片（１１２）との間の間隙が０.６ｍｍ未満、好ましくは、０.２ｍｍ未満であり、
   前記対物レンズが、前記ビーム管を約３０ｋｅＶで通過する電子に対する作動距離が２ｍｍ未満となるように設けられており、
   前記静電界と前記磁界とのオーバーラップが５％未満である
   ことを特徴とする対物レンズ（１００）。
2. 内側磁極片（１１１）のｚ方向の最下位置（１９２）とビーム管（１１３）の下端との間の距離Ａ₁が９ｍｍより大きく、特に、１０ｍｍより大きい請求項１に記載の対物レンズ（１００）。
3. ｚ方向に伸びる対物レンズ（１００）の光軸（１０１）に関して実質的に回転対称であり、かつ内側磁極片（１１１）および外側磁極片（１１２）を含み、前記内側磁極片と前記外側磁極片（１１１、１１２）との間に、前記内側磁極片のｚ方向の最下位置（１９２）において、前記内側磁極片が前記外側磁極片（１１２）からｚ方向に向けられ間隙間隔を有する磁極片間隙（１１９）が形成された、集束磁界を発生させるための磁極片装置と、
   前記内側磁極片と前記外側磁極片（１１１、１１２）との間の空間に設けられたコイル体（１１５）と、
   前記光軸（１０１）に関して実質的に回転対称であり、かつ前記内側磁極片（１１１）内を前記光軸（１０１）に沿って伸びる下端を有するビーム管（１１３）および前記ビーム管（１１３）の前記下端から離間して設けられた端子電極（１１４）を含む、集束静電界を発生させるための電極装置と、
   を具備する、物体面に配置可能な物体の画像を生成するための磁界集束および静電集束を用いた電子顕微鏡システム用対物レンズ（１００）であって、
   前記外側磁極片（１１２）が、ｚ方向に対して円錐角αを有する円錐面により、その外側において実質的に境界を定められており、前記端子電極（１１４）が、ｚ方向に対して円錐角α’を有する円錐面により、その外側において実質的に境界を定められており、前記端子電極（１１４）と前記外側磁極片（１１２）が、磁気結合されており、
   前記内側磁極片（１１１）のｚ方向の最下位置（１９２）とビーム管（１１３）の下端との間の距離Ａ₁が９ｍｍより大きく、特に、１０ｍｍより大きく、
   前記静電界と前記磁界とのオーバーラップが５％未満である
   ことを特徴とする対物レンズ（１００）。
4. 前記端子電極（１１４）と前記外側磁極片（１１２）との間の間隙が０.６ｍｍ未満、好ましくは、０.２ｍｍ未満である、請求項３に記載の対物レンズ（１００）。
5. 前記端子電極（１１４）の領域面および前記外側磁極片（１１２）の領域面が互いに対向している請求項１〜４のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
6. 前記ビーム管（１１３）が、前記外側磁極片（１１２）のｚ方向の最下領域（１８２）により形成された前記外側磁極片（１１２）の開口部を通って伸び、前記ビーム管（１１３）の下端が、前記外側磁極片（１１２）の前記開口部からｚ方向に離間して設けられている請求項１〜５のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
7. 前記ビーム管（１１３）の下端が、前記ビーム管の外径を超えて放射状に伸びる端部フランジ（１１３’）を含む請求項６に記載の対物レンズ（１００）。
8. 前記端部フランジ（１１３’）が、前面（１１３”）からシース部（１１３”’）にかけての移行部分を含み、前記移行部分が、軸方向断面において丸みを帯び、前記丸みの曲率半径が１ｍｍより大きい請求項７に記載の対物レンズ（１００）。
9. 前記ビーム管（１１３）の下端と前記端子電極（１１４）の下端との間の距離Ａ₂が３ｍｍより大きい請求項６〜８のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
10. 前記端子電極（１１４）が、実質的に前記端子電極（１１４）の中央の開口部まで円錐形にテーパー状になっている請求項１〜９のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
11. 前記端子電極（１１４）の開口部の内径が、前記ビーム管（１１３）の内径に実質的に相当する請求項１０に記載の対物レンズ（１００）。
12. 前記外側磁極片が下方向にテーパー状になっている請求項１〜１１のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
13. 前記磁極片間隙（１１９）の前記間隙間隔が３ｍｍより大きい請求項１〜１２のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
14. 前記内側磁極片（１１１）が円筒シース（１１１’）としてその下端（１９２）から約１ｍｍ〜２ｍｍ上方に伸び、その後、円錐状に拡張されている請求項１〜１３のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
15. 前記内側磁極片（１１１）が、その下端（１９２）において６ｍｍ〜８ｍｍの内径を有している請求項１〜１４のいずれかに記載の対物レンズ（１００）。
16. 被検物体（４００）を観察および操作するための検査システムであって、
    請求項１〜１５のいずれかに記載の対物レンズを有する電子顕微鏡システム（３００）と、
    放出されたイオンビームを用いて前記物体（４００）を操作するためのイオンビーム加工システム（２００）と、
    電子顕微鏡システム（３００）および前記イオンビーム加工システム（２００）の前方において、二次元の前記物体（４００）がイオンビームが物体面を直交して交差するような方向になることが可能な、前記イオンビーム加工システム（２００）および前記電子顕微鏡システム（３００）前方において前記物体（４００）を支持し、かつその方向付けを行うための物体支持体（４０１）とを含む検査システム。
17. 前記電子顕微鏡システム（３００）および前記イオンビーム加工システム（２００）の前方において、前記物体（４００）がイオンビームが物体面を直交から約２°までずれた角度で交差するような方向になることが可能である請求項１６に記載の検査システム。

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