JP6075306B2 - 荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム軸調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡、電子線微小部分析装置等の分析装置・観察装置や、電子ビーム描画装置、電子ビーム加工機、イオンビーム微細加工装置等の加工装置など、電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子を利用する各種装置において荷電粒子ビームを試料等の対象物に照射する荷電粒子ビーム照射装置、及び、そうした荷電粒子ビーム照射装置において荷電粒子ビームの光軸を調整する軸調整方法に関する。

特許文献１には、このような荷電粒子ビーム照射装置とその軸調整方法が開示されている。図４に、従来の荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図を示す。図４に示す荷電粒子ビーム照射装置４００は、荷電粒子ビームとして電子ビームを試料に照射する装置であり、電子ビームＥを射出する電子銃で成るビーム源４０１と電子ビームが照射される試料ステージ４０９上に設置された試料４０８との間に、それらビーム源４０１と試料４０８とを結ぶ軸Ｃに沿って、第１アパーチャ板４１４、第１集束レンズ４１９、Ｘ方向、Ｙ方向偏向器４２１、４２２から成るビーム偏向部４０２、第２集束レンズ４０３、第２アパーチャ板４０５、走査コイル４０６、及び対物レンズ４０７を備えている。また、これら各部を制御するための、制御部４１０、レンズ電源部４１１、偏向電源部４１２、ビーム走査電源部４１３、二次電子計測部４１５、画像処理部４１６、操作部４１７、及び表示部４１８を備えている。ビーム源４０１から射出され、第１アパーチャ板４１４を通過した電子ビームは、第１集束レンズ４１９で集束され、ビーム偏向部４０２により第２集束レンズ４０３のアパーチャ板（コンデンサ用アパーチャ板）４０３ａの第１開口部４３０を通過するように調整される。第２集束レンズ４０３を通過した集束電子ビームは第２アパーチャ板４０５を通過した後、走査コイル４０６により試料４０８上を走査するように偏向される。その後、対物レンズ４０７により試料４０８の表面上に集束される。

特開2011-054426号公報

このような荷電粒子ビーム照射装置において、ビーム源４０１の電子ビームが射出される位置、第２集束レンズ４０３の電子ビームの通過領域を制限するコンデンサ用アパーチャ板４０３ａの第１開口部４３０の中心位置、第２アパーチャ板４０５の第２開口部４５０の中心位置、及び対物レンズ４０７の中心位置がいずれも一直線上にあって、これらの位置が動かないものであれば理想的である。しかし、実際には、各位置のずれが全くないように各構成要素を配置することは困難であり、また、理想的な配置をしたとしても、装置に加わる衝撃や振動などによって各位置のずれが生じてしまう。このような荷電粒子ビーム照射装置において、微小径の荷電粒子ビームを試料や加工物上の所定位置に正確に照射するためには、荷電粒子ビームがビーム源４０１から試料４０８に進む際に通過する軌道を軸Ｃと合わせる調整（以下、軸調整と呼ぶ）を高精度に行っておく必要がある。

従来の荷電粒子ビーム照射装置４００における荷電粒子ビームの軸調整は、次のように行われていた。まず、軸調整用試料４０８ａを試料ステージ４０９上に載置する。軸調整用試料４０８ａは、荷電粒子ビームが照射された際に二次電子を放出する試料であり、例えば、酸化ジルコニウムが用いられる。

次に、ビーム源４０１から電子ビームを射出し、第１集束レンズ４１９を調整して該電子ビームをコンデンサ用アパーチャ板４０３ａの第１開口部４３０に集束させる。制御部４１０は、偏向電源部４１２に走査信号を与え、ビーム偏向部４０２のＸ方向、Ｙ方向偏向器４２１、４２２を用いて電子ビームをコンデンサ用アパーチャ板４０３ａ上で走査する。電子ビームが第１開口部４３０を通過した場合には、電子ビームが軸調整用試料４０８ａに入射し、そこから二次電子が放出されるが、電子ビームがコンデンサ用アパーチャ板４０３ａで遮蔽された場合には軸調整用試料４０８ａから二次電子が放出されない。

二次電子計測部４１５は電子ビームの各走査位置において、軸調整用試料４０８ａから放出される二次電子を検出する。画像処理部４１６は、制御部４１０が有する電子ビームの走査位置の情報と二次電子計測部４１５が検出した二次電子の情報からアパーチャ像を作成し、表示部４１８に該アパーチャ像を表示する。

アパーチャ像の一例を図５に示す。図５において、枠線５７は電子ビームをコンデンサ用アパーチャ板４０３ａ上で走査させた範囲を示す。十字で示された走査中心位置５６はビーム偏向部４０２が電子ビームをコンデンサ用アパーチャ板４０３ａ上で走査させた範囲の中心に相当し、アパーチャ像の円形パターン５５は、電子ビームが軸調整用試料４０８ａに入射する範囲、つまり、第１開口部４３０を通過した領域に相当する。走査中心位置５６と円形パターン５５の中心位置のずれは、電子ビームが軸Ｃからずれていることを反映している。

ユーザは表示部４１８の画面に表示されたアパーチャ像を見ながら、図６のようにアパーチャ像の円形パターン５５の中心が、十字で表示された走査中心位置５６に来るように、操作部４１７を用いてアパーチャ像を移動させる。制御部４１０は、このような画像上の操作による移動量のデータから走査中心位置５６に対応する電子ビームの偏向方向を決定すると共に、該偏向方向が走査範囲の中心と対応するようにＸ方向、Ｙ方向偏向器４２１、４２２への供給電流等の制御パラメータを調整する。

このような手順で行われる従来の荷電粒子ビーム照射装置における荷電粒子ビームの軸調整は、軸調整用試料４０８ａを試料ステージ４０９上に載置したり、制御パラメータを調整するためにユーザが表示部４１８の画面を見ながら手動で画像を操作したりする必要があるなど、操作性が悪い。また、軸調整用試料４０８ａおよびユーザ依存の調整であるため、荷電粒子ビームの軸調整の精度は調整毎にばらついてしまう。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、荷電粒子ビーム照射装置における荷電粒子ビームの軸調整の操作性を向上し、また、その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成された本発明に係る荷電粒子ビーム照射装置は、
a)荷電粒子ビームを射出するビーム源と、
b)開口部を有するアパーチャ板と、
c)前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、
d)前記アパーチャ板上で前記開口部よりも広い範囲である走査範囲において前記荷電粒子ビームを前記偏向部に走査させる制御部と、
e)前記ビーム源と前記開口部の中心を通る軸上に挿入可能に設けられ、且つ、偏向された前記荷電粒子ビームの前記開口部の通過を検出する検出部と、
f)前記走査範囲における、前記開口部を通過した荷電粒子の領域の重心位置を求めるビーム位置抽出部と、
g)前記重心位置が前記走査範囲の中心となる、前記偏向部に供給する電流量を決定する補正部と、
を備える。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る荷電粒子ビーム軸調整方法は、
a)ビーム源から荷電粒子ビームを射出する射出ステップと、
b)アパーチャ板上で該アパーチャ板が有する開口部よりも広い範囲である走査範囲において前記荷電粒子ビームを走査させるように偏向部に前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向ステップと、
c)前記ビーム源と前記開口部の中心を通る軸上に検出部を挿入し、偏向された前記荷電粒子ビームの前記開口部の通過を検出する検出ステップと、
d)前記走査範囲における、前記開口部を通過した荷電粒子の領域の重心位置を求めるビーム位置抽出ステップと、
e)前記重心位置が前記走査範囲の中心となる、前記偏向部に供給する電流量を決定する決定ステップと、
を備える。

前記重心位置は、前記開口部を通過した荷電粒子の領域における前記検出部による測定値を重みとした、前記走査範囲の中心を原点とする前記走査範囲の走査位置の加重平均（重み付き平均）を計算して求める構成にしてもよい。ここで、前記検出部がファラデーカップを備え、該ファラデーカップで検出されたビーム電流量（荷電粒子ビームの絶対強度）を測定値として用いてもよいし、該ファラデーカップで検出されたビーム電流量の所定の電流との差（荷電粒子ビームの相対強度）を測定値として用いてもよい。

本発明に係る荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム軸調整方法によれば、試料やユーザに依らず荷電粒子ビームの軸調整を行うことができるため、荷電粒子ビームの軸調整の操作性を向上し、またその精度を向上させることができる。

実施例に係る荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図。 実施例に係る荷電粒子ビーム照射装置における荷電粒子ビームの軸調整の手順を示すフローチャート。 実施例に係る荷電粒子ビーム照射装置における（ａ）微調整の場合、（ｂ）粗調整の場合の軸調整を説明する図。 従来の荷電粒子ビーム照射装置の概略構成図。 従来の荷電粒子ビーム照射装置における荷電粒子ビームの軸調整を説明する図。 従来の荷電粒子ビーム照射装置における荷電粒子ビームの軸調整を説明する図。

以下、本発明を実施するための形態を図１〜図３を参照しつつ実施例を用いて説明する。

本実施例の荷電粒子ビーム照射装置１００の概略構成図を図１に示す。図１に示す荷電粒子ビーム照射装置１００は、荷電粒子ビームとして電子ビームを試料に照射する装置であり、電子ビームＥを射出する電子銃で成るビーム源１０１と電子ビームが照射される試料ステージ１０９上に設置された試料１０８との間に、それらビーム源１０１と試料１０８とを結ぶ軸Ｃに沿って、第１アパーチャ板１１４、第１集束レンズ１１９、Ｘ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２から成るビーム偏向部１０２、第２集束レンズ１０３、検出部１４０、第２アパーチャ板１０５、走査コイル１０６、及び対物レンズ１０７を備えている。また、これら各部を制御するための、制御部１１０、レンズ電源部１１１、偏向電源部１１２、ビーム走査電源部１１３、操作部１１７、ビーム位置抽出部１４１、及び補正部１４２を備えている。

本実施例の荷電粒子ビーム照射装置１００は、検出部１４０、ビーム位置抽出部１４１、及び補正部１４２を用いて、荷電粒子ビームの軸調整を行う構成であることに特徴を有している。検出部１４０がファラデーカップを備え、このファラデーカップが、コンデンサ用アパーチャ板１０３ａを有する第２集束レンズ１０３と第２アパーチャ板１０５の間に、ビーム源１０１と試料１０８とを結ぶ軸Ｃから外れた位置１４０ａから軸Ｃ上に挿入可能に設けられている場合を説明する。

ここで、「軸Ｃ」は、ビーム源１０１から電子ビームが射出される位置と、ビーム源１０１の直下であって、電子ビームが何ら外乱を受けなかった場合に試料１０８上に到達する位置とを結ぶものである。また、「ファラデーカップ」は金属製のカップであって、その金属の部分に荷電粒子ビームが当たると、金属には電荷が蓄積される。ファラデーカップに電流計を接続すると、金属の部分に当たった荷電粒子の数に応じた電流が流れるため、ファラデーカップを備える検出部１４０は、電流値として荷電粒子ビームの強度を検出することができる。

荷電粒子ビームの軸調整は、試料の測定前に予め行っておくものであり、以下、この軸調整の手順を図２を参照して説明する。

まず、ユーザが操作部１１７を構成するマウスやキーボード等を操作して軸調整を荷電粒子ビーム照射装置１００に指示する。荷電粒子ビーム照射装置１００の制御部１１０が、この指示を受け取ると、制御部１１０は、図示しないモータ等の動力源を制御して、ファラデーカップで成る検出部１４０をコンデンサ用アパーチャ板１０３ａの下であって、ビーム源１０１とコンデンサ用アパーチャ板１０３ａの第１開口部１３０の中心を通る軸（軸Ｃ）上に移動させる。また、ビーム源１０１は、電子ビームＥを射出する（ステップＳ２１）。

次に、制御部１１０は第１集束レンズ１１９を調整する信号をレンズ電源部１１１に送り、レンズ電源部１１１は第１集束レンズ１１９に制御電流を供給する。第１集束レンズ１１９は、制御電流に従って、電子ビームＥを第１開口部１３０近傍に集束させる。

制御部１１０は、Ｘ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２による電子ビームＥの偏向方向を変える走査信号を偏向電源部１１２に与える。偏向電源部１１２は走査信号に従って所定の電流をＸ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２に供給する。供給された制御電流の量に応じて、偏向器１２１は電子ビームＥをＸ方向に偏向し、偏向器１２２は電子ビームＥをＹ方向に偏向する（ステップＳ２２）。ここで、Ｘ方向及びＹ方向は、軸Ｃと直交する面（Ｘ−Ｙ面）内の方向である。走査信号は、このように電子ビームＥをＸ方向及びＹ方向に偏向させ、電子ビームＥをＸ−Ｙ面内で第１開口部１３０よりも広い走査範囲に亘って走査させるものである。一例として、第１開口部１３０が直径２５μｍの円である場合、Ｘ方向に８０μｍ、Ｙ方向に８０μｍの正方形の範囲を走査範囲にすることができる。

電子ビームＥを第１開口部１３０近傍に集束させた場合における、該第１開口部１３０近傍の拡大図を図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す。電子ビームＥを図３（ａ）のように、第１開口部１３０が形成されたＸ−Ｙ面内に集束させると、電子ビームＥで照射されるＸ−Ｙ面の範囲Ｒは、電子ビームＥをコンデンサ用アパーチャ板１０３ａ上で走査させた範囲Ｓと同じ範囲になるため、軸調整の微調整ができる。一方、電子ビームＥを集束させる位置を、図３（ｂ）のように、Ｘ−Ｙ面から軸Ｃに沿った電子ビームの進行方向である＋Ｚ方向に数μｍ程度ずらした位置にすると、電子ビームＥで照射されるＸ−Ｙ面の範囲Ｒ’は、電子ビームＥをコンデンサ用アパーチャ板１０３ａ上で走査させた範囲Ｓより広い範囲になるため、軸調整の粗調整ができる。

上述の走査範囲の中心を原点とした座標で上述の走査範囲を表すと、走査範囲はＸ方向に±４０μｍ、Ｙ方向に±４０μｍの正方形の範囲となる。この範囲において、電子ビームＥが第１開口部１３０を通過する領域が全くないか一部の領域だけとなる場合は軸ずれが大きい。この場合、例えば、走査範囲をＸ方向に±１２０μｍ、Ｙ方向に±１２０μｍの正方形の範囲に拡げて粗調整を行い、第１開口部１３０の全領域が走査範囲内に収まるような電子ビームＥの偏向方向を把握する。該偏向方向を次に行う走査範囲の中心に対応させた後、Ｘ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２への供給電流等の制御パラメータを調整する微調整を行う。以下では、微調整を行う場合を説明する。

コンデンサ用アパーチャ板１０３ａの下であって軸Ｃ上に移動されたファラデーカップを備える検出部１４０は、Ｘ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２によって偏向された電子ビームＥの強度に応じた電流値を出力する。これにより、走査範囲内の各偏向方向について、電子ビームＥの第１開口部１３０の通過を検出する（ステップＳ２３）。電子ビームＥがコンデンサ用アパーチャ板１０３ａによって遮蔽されると電流値は小さくなるが、電子ビームＥが第１開口部１３０を通過すると電流値は大きくなる。

次に、ビーム位置抽出部１４１は、検出部１４０による測定値の情報と、制御部１１０が把握する走査位置の情報を取得し、検出部１４０による測定値を重みとした、走査範囲の中心を原点とする走査位置の加重平均（重み付き平均）を計算して、第１開口部１３０を通過した荷電粒子の領域の重心位置を求める（ステップＳ２４）。すなわち、iを測定値が得られた全ての走査位置に割り当てられた変数、走査範囲の中心を原点として、測定値が得られた走査位置をx座標についてTxi[μm]、y座標についてTyi[μm]、測定値をIiとすると、重心位置のx座標の位置Tcxおよびy座標の位置Tcyは、それぞれ、Tcx=Σ(Ii×Txi)/ΣIi、Tcy=Σ（Ii×Tyi）/ΣIiを計算して求める。ここで、ファラデーカップで検出されたビーム電流量（荷電粒子ビームの絶対強度）を測定値として用いてもよいし、ファラデーカップで検出されたビーム電流量の所定の電流との差（荷電粒子ビームの相対強度）を測定値として用いてもよい。

補正部１４２は、ステップＳ２４で求めた重心位置が走査範囲の中心となる、偏向部１０２が備えるＸ方向、Ｙ方向偏向器１２１、１２２に供給する電流量を決定する（ステップＳ２５）。これにより、第１開口部１３０を通過した荷電粒子の領域の重心位置が、走査範囲の中心（原点）になり、荷電粒子ビームの軸調整が終了する。

このように、本実施例の荷電粒子ビーム照射装置及び荷電粒子ビーム軸調整方法によれば、荷電粒子ビームの軸調整が、試料やユーザに依らず調整毎にばらつくことなく行えるため、荷電粒子ビームの軸調整の精度を向上させることができる。また、ビーム位置抽出部が強度の二次元空間分布の重心位置を定量的に求めるため、定量的な調整も可能である。さらに、本実施例の荷電粒子ビーム照射装置が、従来はユーザが手動で行っていた操作を行うため、操作性が向上する。

本実施例では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合を説明したが、本発明はこれに限られず、イオンビームなど、電荷を有し、その偏向方向を偏向器によって変えることができるものであれば、どのような荷電粒子ビームを用いてもよい。

５５…円形パターン
５６…走査中心位置
５７…枠線
１００、４００…荷電粒子ビーム照射装置
１０１、４０１…ビーム源
１０２、４０２…ビーム偏向部
１０３、４０３…集束レンズ
１０３ａ、４０３ａ…コンデンサ用アパーチャ板
１０５、４０５…第２アパーチャ板
１０６、４０６…走査コイル
１０７、４０７…対物レンズ
１０８、４０８…試料
１０９、４０９…試料ステージ
１１０、４１０…制御部
１１１、４１１…レンズ電源部
１１２、４１２…偏向電源部
１１３、４１３…ビーム走査電源部
１１４、４１４…第１アパーチャ板
１１７、４１７…操作部
１１９、４１９…集束レンズ
１２１、１２２、４２１、４２２…偏向器
１３０、４３０…第１開口部
１４０…検出部
１４１…ビーム位置抽出部
１４２…補正部
１５０、４５０…第２開口部
４１５…二次電子計測部
４１６…画像処理部
４１８…表示部

Claims (6)

1. a)荷電粒子ビームを射出するビーム源と、
   b)開口部を有するアパーチャ板と、
   c)前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向部と、
   d)前記アパーチャ板上で前記開口部よりも広い範囲である走査範囲において前記荷電粒子ビームを前記偏向部に走査させる制御部と、
   e)前記ビーム源と前記開口部の中心を通る軸上に挿入可能に設けられ、且つ、偏向された前記荷電粒子ビームの前記開口部の通過を検出する検出部と、
   f)前記走査範囲における、前記開口部を通過した荷電粒子の領域の重心位置を求めるビーム位置抽出部と、
   g)前記重心位置が前記走査範囲の中心となる、前記偏向部に供給する電流量を決定する補正部と、
   を備える、荷電粒子ビーム照射装置。
2. 前記重心位置は、前記開口部を通過した荷電粒子の領域における前記検出部による測定値を重みとした、前記走査範囲の中心を原点とする前記走査範囲の走査位置の加重平均を計算して求める、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
3. 前記検出部はファラデーカップを備え、該ファラデーカップで検出されたビーム電流量を前記測定値とする、請求項２に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
4. a)ビーム源から荷電粒子ビームを射出する射出ステップと、
   b)アパーチャ板上で該アパーチャ板が有する開口部よりも広い範囲である走査範囲において前記荷電粒子ビームを走査させるように偏向部に前記荷電粒子ビームを偏向させる偏向ステップと、
   c)前記ビーム源と前記開口部の中心を通る軸上に検出部を挿入し、偏向された前記荷電粒子ビームの前記開口部の通過を検出する検出ステップと、
   d)前記走査範囲における、前記開口部を通過した荷電粒子の領域の重心位置を求めるビーム位置抽出ステップと、
   e)前記重心位置が前記走査範囲の中心となる、前記偏向部に供給する電流量を決定する決定ステップと、
   を備える、荷電粒子ビーム軸調整方法。
5. 前記重心位置は、前記開口部を通過した荷電粒子の領域における前記検出部による測定値を重みとした、前記走査範囲の中心を原点とする前記走査範囲の走査位置の加重平均を計算して求める、請求項４に記載の荷電粒子ビーム軸調整方法。
6. ファラデーカップで検出されたビーム電流量を前記測定値とする、請求項５に記載の荷電粒子ビーム軸調整方法。

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