JP5842716B2 - 電子ビーム装置の調整方法とそのように調整された電子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、工業分野、医療分野などに用いられる電子ビーム装置に関し、具体的には
ＥＰＭＡ（電子線マイクロアナライザー：electron probe microanalyzer)、マイクロフォーカスＸ線管、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡：scanning electron microscope)、ＴＥＭ（透過型電子顕微鏡：transmission electron microscope)、電子ビームリソグラフィなどの電子ビーム応用装置に用いることができる。

ＳＥＭやＥＰＭＡ、マイクロフォーカスＸ線管など微小電子プローブを利用する電子ビーム応用装置では観察試料（Ｘ線ターゲット）上でなるべく大きなビーム電流をできるだけ小さなプローブ径内に集束させることがＳ／Ｎ（信号対ノイズ）比や分解能を上げる上で重要である。図８にショットキー（Schottky）エミッターを用いた電子プローブ形成系のレンズ構成を示す。電子銃ではエミッター１１と集束レンズ１４の間に引き出し電極１２と加速電極１３が配置され、エミッター１１を挟んで引き出し電極１２とは反対側にサプレッサ電極（図示省略）が配置されている。エミッター１１からの電子ビームを集束レンズ１４で制御し、絞りレンズ１５内におかれたアパーチャ１５ａを使って所望のビーム電流を取り出す。電子ビームはアパーチャ通過後、絞りレンズ１５と対物レンズ１６を使って試料（ターゲット）１７上にフォーカスされ電子プローブを形成する。

与えられたビーム電流においてなるべく小さなプローブを形成する上で重要なことはビーム電流Ｉbに応じた最適な開き角αoptで試料１７上にビームを集束させることである。このことについて式を使って説明する。試料１７上で得られる電子ビームのプローブ径は電子源のガウス像径、回折収差、球面収差及び色収差の寄与によって決まる。プローブ径は一般に次の式で与えられる。

ここでＣs, Ｃcは対物レンズの球面、色収差係数、Vext, Vaccは電子銃の引出し、加速電圧、ΔEはビームのエネルギーひろがり、Ｃsg, Ｃcgは集束レンズの球面、色収差係数、Ｂは電子ビーム輝度ｄcoは電子源の直径を表す。λは電子のde Broglie波長である。（１）式は従来から知られていたプローブ径評価式を電子銃部、集束レンズ部の収差を考慮したものに拡張した形式である。電子源に電界放出型エミッターなど電流角密度の低い電子銃を用いる場合には対物レンズ収差のみ考慮したのではプローブ径の評価は不正確になり（１）式を用いることが必須である。

所望のビーム電流Ｉbが与えられたとき（１）式の各係数が決まるのでプローブ径ｄを最小にする開き角、すなわち最適開き角αoptが存在し、次の式（２）により表わされる。
電流値に合わせて試料上のビーム開き角を（２）式で与えられる値に調整することが望ましい。

最適開き角αoptを実現するためレンズ系総合倍率Ｍ（試料上のガウス像径ｄgと電子源径ｄcoとの比）という光学パラメータを導入する。総合倍率Ｍは各レンズの励起強度が決まるとその焦点距離などから計算することができる。またビーム電流と輝度の比(Ｉb/Ｂ)と総合倍率Ｍとの間には以下の関係式が成立する。

最適開き角αoptのビーム電流への依存性は常に輝度との比(Ｉb/Ｂ)のかたちで入っているのでパラメータt=Ｉb/Ｂ を定義すると総合倍率Ｍと最適開き角αoptはともにtの関数として表わすことができる。

ビーム電流を変化させたとき、総合倍率と最適開き角の組合わせ（Ｍ, αopt) が（３）式の与える「動作曲線」上を動けば最適開き角制御が実現できていることになる。「レンズ系総合倍率」、「ビーム開き角」ともレンズ配置とレンズ強度によって一意に計算できる動作パラメータであって、従来では必要であったビーム電流やビーム輝度といった電子銃の動作状態に依存するパラメータに依存することなくビーム条件を動作曲線上に載せることができる。

図８に示す系について動作曲線(Ｍ，αopt)を求めた例を図２に示す。ビーム開き角αoptはビーム電流Ｉｂの小さな領域では一定に、中間領域ではおおよそ総合倍率Ｍの（１／３）乗に比例して増やすべきことが分かる。大ビーム電流域では総合倍率Ｍを一定にしてビーム開き角αoptを上げることで電流を増やす必要がある。総合倍率Ｍが一定になる大ビーム電流域での総合倍率Ｍを漸近総合倍率Ｍasympと呼ぶ。この漸近総合倍率Ｍasympは（１）式に現れるパラメータを使うと以下のように与えられる（非特許文献１参照。）：

レンズ系の励起条件が動作曲線に対応している、つまり最適なビーム開き角が実現されているときのプローブ特性（ビーム電流Ｉbと試料上プローブ径ｄの関係）を求めた評価例を図３に示す。図は電界放出型エミッターの一種であるショットキーエミッタ電子銃を用いた際の典型的なプローブ特性を示しており、ビーム電流が小さいときにはプローブ径は電流によらずほぼ一定、中間域ではで電流とともに徐々に増加するがあるビーム電流閾値を越えるとｄ∝Ｉb^3/2と急激な増加を見せる。図２に示した最適開き角αoptの制御がビーム電流領域によって異なっていることと対応している（特許文献１参照。）。

特許第４５９５７７８号公報

藤田真、学位論文、名城大学[2007]

総合倍率、ビーム開き角の組合わせ（Ｍ，α）（αは必ずしも最適値とは限らない）は各レンズの励起強度の関数として求めることができる。そこで集束レンズ励起強度ＮＩcl、絞りレンズ励起強度ＮＩiris（絞り径は固定とする）の２つの変数の関数として総合倍率Ｍとビーム開き角αを計算し、ここから動作曲線（Ｍ,αopt）に対応するレンズ励起強度変化の組み合わせ（ＮＩcl, ＮＩiris）を求めた一例を図４に示す。

動作曲線（Ｍ, αopt）を実現するためには、厳密には集束レンズ強度ＮＩclに応じて、絞りレンズ強度ＮＩirisを都度調整する必要があるはずである。実際には、ビーム電流が非常に大きくなる領域（例えば１０８０ＡＴ＜ＮＩｃｌ）を除いて絞りレンズの強度はほぼ一定でよいことが示されている。これは一般的にあてはまる事実となっている。ビーム電流が非常に大きくなる条件、例えば１０８０ＡＴ＜ＮＩｃｌでは集束レンズ強度ＮＩclに応じて絞りレンズ強度ＮＩirisを微妙に変化させる必要がある。特に集束レンズによるクロスオーバがアパーチャ近傍に形成される条件（最大ビーム電流条件）では絞りレンズの設定はその他の場合から大きくずれる。このことがレンズ系の制御を複雑にする。

本発明は、ビーム電流が非常に大きくなる条件においてもレンズ系の制御を容易にすることを目的とするものである。

図８のレンズ系で大ビーム電流時に絞りレンズ励起を大きく変える必要があるのは図２に示すビーム電流が大きなときに求められる漸近総合倍率Ｍasympとレンズ配置との整合がとれていないためである。図５に大きなビーム電流を確保する際のレンズ動作について模式的に示した。本発明が対象とする３段レンズ系では、図５に破線で示されるように、最大ビーム電流は集束レンズ１４が絞りレンズ１５内に設置したアパーチャ上にクロスオーバを結ぶ状態で得られる。大ビーム電流を得られる条件ではこれに近いビーム動作がなされていると考えられる。つまり、大ビーム電流条件でのレンズ倍率はレンズ配置によって固定される構成となっている。これが動作曲線のＭasympと大きく異なると絞りレンズへの負担が増し、最適ビーム開き角の制御が困難となる。

そこで、本発明は、大ビーム電流条件での総合倍率Ｍが漸近総合倍率Ｍasympにほぼ一致するように絞りレンズを配置することによって絞りレンズへの負担を軽減する。ほぼ一致するというのは、完全に一致する場合だけでなく、幾らか外れていてもよいことを意味している。この条件が満たされるとき、集束レンズ強度ＮＩclに応じて、絞りレンズ強度ＮＩirisを都度調整することなく、つまり、絞りレンズ強度＝一定、としても実際に得られる動作曲線（Ｍ，α）を理想動作曲線（Ｍ,αopt）に近いものとすることが可能となる。

本発明の電子ビーム装置調整方法では、絞りレンズの配置を以下の手順により最適化する。

１）電子銃部、対物レンズの光学特性（収差係数など）から理想動作曲線（図２）を計算する。

２）図５に示す最大ビーム電流をとるビーム条件での総合レンズ倍率が動作曲線の大ビーム電流条件での漸近倍率Ｍasymp（（５）式参照）にほぼ一致するように、絞りレンズの配置、すなわち、絞りレンズから集束レンズまでの距離ａ₂と絞りレンズから対物レンズまでの距離ｂ₁を調整する。すなわち、最大ビーム電流取得時におけるレンズ総合倍率Ｍは図５破線に示すように、
Ｍ＝（ａ₂／ａ₁）（ｂ₂／ｂ₁） （６）
となる。上式はこのときの総合倍率Ｍはレンズの配置のみよって決まることを示している。動作曲線からＭasympが与えられるので、Ｍ≒Ｍasymp（ＭがほぼＭasympに等しい）が実現されるようレンズ配置（ａ₂，ｂ₁）を調整する。ＭがほぼＭasympに等しいというのは、ＭがＭasympに等しい場合だけでなく、幾らか外れていてもよいことを意味している。

３）実際動作曲線が図６に示すように、理想曲線になるべく近づくよう絞り径、絞りレンズ励起を調整する。例えば、絞りレンズ励起を変えたとき実際に得られる動作曲線がどのようになるのかを図６に示す。ここでは絞りレンズの励起を一定値に固定し、集束レンズ励起強度のみを変えたとき倍率Ｍ、及びビーム開き角αがどのように動くのかを計算したものである。図４で言えば、ＮＩiris＝一定、とした水平線上に対応した（Ｍ，α）の組合せを示している。

図６（ａ）は絞りレンズ励起強度を調整し、理想的な動作曲線（Ｍ，αopt）（白線）に近い実際動作曲線（Ｍ，α）（黒線）が得られたときの結果を示す。もし絞りレンズの励起強度が最適値よりも強いと、実際動作曲線は図６（ｂ）に示すものとなる。このとき、ビーム開き角αは、各総合倍率Ｍで実現すべき最適開き角αoptよりも大きなものとなってしまう。逆に、絞りレンズ励起強度が弱すぎると図６（ｃ）に示すようにビーム開き角は最適値より小さくなる。

このように、絞りレンズ励起＝一定とすると、すべての倍率について最適ビーム開き角を忠実に実現することはできないが、適当な励起強度を選ぶことで大きくずれる領域をなくすことができる。

上記１）〜３）を満たせば、集束レンズ励起を変更するだけで、絞りレンズ励起、アパーチャ径とも固定のまま、ビーム電流調整を行えばほぼ理想的なプローブ特性を実現できる。なお対物レンズ励起は試料上にフォーカスが合うよう適宜調整する必要がある。

本発明は、また、このようにして配置が調整された絞りレンズを備えた電子ビーム装置も含んでいる。

図５に示すレンズ系について絞りレンズ配置を調整して総合倍率を合わせた場合に得られるプローブ特性の見積もり結果を図６（ａ）と図７に示す。図６（ａ）は動作曲線である。白点で示される曲線は理想動作曲線（Ｍ,αopt）を表し、黒点で示される曲線は「絞りレンズ励起強度＝一定」で得られる実際動作線（Ｍ,α）を示している。実際動作線を得る際には図５の（ａ₂，ｂ₁）の調節により絞りレンズの位置を最適化し、また開き角αが理想動作曲線に近づくよう絞りレンズ励起を調整している。

「絞りレンズ励起強度＝一定」という拘束がかかる実際動作線（Ｍ,α）で理想動作曲線（Ｍ,αopt)を忠実になぞることはできない。小ビーム電流域、中間ビーム電流域で開き角αは最適値からいくらかはずれた値となってしまう。これがプローブ特性に与える影響を見るため理想（最適ビーム開き角条件）及び実際条件（絞りレンズ励起＝一定条件）での数値シミュレーション評価結果を図７に示した。動作曲線と同じく白点で示される曲線は理想条件に、黒点で示される曲線は実際条件に対応する。

計算結果からビーム開き角が最適値からずれる影響は限定的であることが分かる。絞りレンズの配置を最適化することにより「固定アパーチャ」、「固定絞りレンズ励起」という限定条件でも集束レンズ励起を変更するだけでビーム電流Ｉbを 約１００ｐＡ〜約１０μＡという広い範囲に渡り、プローブ特性を損ねることなく可変とすることができるようになった。

一実施例のＸ線撮像装置を示す概略構成図である。 ３段レンズ系電子ビーム装置における総合倍率Ｍと最適ビーム開き角αopt動作曲線との関係を表わす動作曲線を示すグラフである。 同電子ビーム装置において最適なビーム開き角αoptが実現されているときのビーム電流Ｉbと試料上プローブ径ｄの関係を表わすプローブ特性を示すグラフである。 動作曲線（Ｍ,αopt）に対応するレンズ励起強度ＮＩcl, ＮＩirisの組み合わせを示すグラフである。 大きなビーム電流を確保する際のレンズ動作を模式的に示す図である。 理想動作曲線と実際動作線を示すグラフである。 最適ビーム開き角条件と実際条件におけるプローブ特性を示すグラフである。 ３段レンズ系電子ビーム装置のレンズ構成を示す概略構成図である。

ＳＥＭやＥＰＭＡ及びマイクロフォーカスＸ線管などに用いられているＸ線管を例として、一実施例を説明する。

図１はこのようなＸ線管が用いられているＸ線撮像装置を示している。Ｘ線撮像装置はＸ線非破壊検査機器などとして利用されている。

この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）などである。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、エミッター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、エミッター１１を挟んで引き出し電極１２とは反対側に配置されて負電圧を印加するサプレッサ電極（図示省略）と、引き出し電極１２により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。エミッター１１は例えば電界放出型エミッターである。引き出し電極１２、サプレッサ電極及び加速電極１３はコントローラ２４に接続されてそれぞれの印加電圧が制御される。

電子ビームＢの特性を制御するために、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、第１レンズの集束レンズ１４、第２レンズの絞りレンズ１５及び第３レンズの対物レンズ１６からなる３つのレンズを備えている。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。

集束レンズ１４には集束レンズ１４に電流を流すためのレンズ電源２１が接続され、絞りレンズ１５には絞りレンズ１５に電流を流すためのレンズ電源２２が接続され、対物レンズ１６には対物レンズ１６に電流を流すためのレンズ電源２３が接続されている。各レンズ電源２１、２２及び２３からそれぞれのレンズ１４、１５及び１６に流す電流量を制御するために、レンズ電源２１、２２及び２３にはコントローラ２４が接続されている。

サプレッサ電極と引き出し電極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ー１１から電子を放出させ、電子ビームＢとしてターゲット１７側に引き出す。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及び対物レンズ１６は、それぞれ円環状に構成されており、絞りレンズ１５には電子ビームＢを絞る絞り孔をもつアパーチャ１５ａが配設されている。各レンズ１４〜１６はそれぞれのレンズ電源２１〜２３から流される電流により磁界を発生し、光学レンズと同様に電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、各レンズ１４〜１６は、それぞれに流す電流、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。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「ビームモード」という。

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は入力部２５とメモリ部２６を備えており、Ｘ線管１内の各構成を統括制御する。具体的には、サプレッサ電極、引き出し電極１２及び加速電極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。コントローラ２４はＣＰＵ（中央演算処理装置）などで構成されている。

入力部２５は、マウス、キーボード、ジョイスティック、トラックボール及び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。具体的には、動作パラメータを入力すると、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。励起強度を決定することで、コントローラ２４は各レンズ１４，１５を制御する。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を形成するようにコントローラ２４は制御する。

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。

図１において、エミッター１１から集束レンズ１４までの距離をａ₁、集束レンズ１４から絞りレンズ１５までの距離をａ₂、絞りレンズ１５から対物レンズ１６までの距離をｂ₁、対物レンズ１６からターゲット１７までの距離をｂ₂とする。本実施例では、絞りレンズ１５の位置は、図３に示す最大ビーム電流をとるビーム条件での総合レンズ倍率が動作曲線の大ビーム電流条件での漸近倍率Ｍasympにほぼ一致するように調整されている。すなわち、Ｍ＝（ａ₂／ａ₁）（ｂ₂／ｂ₁）がほぼＭasympとなるようにレンズ間距離（ａ₂,ｂ₁）が調整されている。

１ Ｘ線管
２ Ｘ線検出器
１１ エミッター
１２ 引き出し電極
１３ 加速電極
１４ 集束レンズ
１５ 絞りレンズ
１５ａ アパーチャ
１６ 対物レンズ

Claims (2)

1. 電子ビームを発生させる電子源と、電子ビームの照射方向に対して上流側から順に配置された第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズからなり電子ビームの特性を制御するための３つのレンズと、前記第２レンズに配置されたビーム定義アパーチャとを備えた電子ビーム装置の調整方法において、
   最大ビーム電流時に得られる総合レンズ倍率が電子光学特性から規定される漸近総合倍率にほぼ一致するように第２レンズの位置を調整することを特徴とする調整方法。
2. 電子ビームを発生させる電子源と、電子ビームの照射方向に対して上流側から順に配置された第１レンズ、第２レンズ及び第３レンズからなり電子ビームの特性を制御するための３つのレンズと、前記第２レンズに配置されたビーム定義アパーチャとを備えた電子ビーム装置において、
   前記第２レンズは、その位置が最大ビーム電流時に得られる総合レンズ倍率が電子光学特性から規定される漸近総合倍率にほぼ一致するように調整されていることを特徴とする電子ビーム装置。