JP6239322B2 - 複合粒子光学レンズの使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、微細に集束された荷電粒子ビームで試料を走査することによって、試料位置で前記試料の像を生成する方法に関する。前記微細に集束された荷電粒子ビームで試料を走査する結果、後方散乱電子が前記試料から放出される。前記像は前記後方散乱電子を検出することによって生成される。前記ビームは複合荷電粒子レンズによって集束される。当該複合レンズは、
− 対称軸
− 前記試料位置に近い第1磁気レンズ極と前記試料位置から遠い第2磁気レンズ極
− 前記第1磁気レンズ極と前記第2磁気レンズ極との間で集束磁場を発生させる第1レンズコイル
− 前記第1磁気レンズ極と前記試料位置との間で集束浸漬磁場を発生させる第2レンズコイル
− 前記レンズを介して前記試料へ向かう荷電粒子ビームを通過させる中心孔を備える電極であって、前記電極と前記試料との間に電位差を印加することによって減速場を発生させる電極
を有する。

よって当該複合レンズは、該複合レンズの焦点強度を決定する少なくとも3つのパラメータを有する。

当該複合レンズは、前記電極の一部と一致して前記電極の一部を電気的に構成する、中心孔を備える感受性表面を有する。

当該方法は、
− 前記ビームが前記試料で微細に集束され、かつ、前記試料の電位差が所定の電位差となるように、当該複合レンズの浸漬コイル、レンズコイル、及び減速電場を励起させる段階、
− 前記検出器に衝突する後方散乱電子を検出する段階であって、
前記後方散乱電子は、選択された角度αと選択されたエネルギーEで前記試料から放出され、
前記選択された角度αは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際の当該複合レンズの対称軸とのなす角度で、かつ、
前記選択されたエネルギーEは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際のエネルギーである、
段階を有する。

本発明はまた、当該方法を実行するように備えられた複合荷電粒子レンズにも関する。

係る方法はとりわけ特許文献1から既知である。特許文献1は、走査電子顕微鏡(SEM)の鏡筒の一部を構成する上述のレンズについて開示している。シリコン光電子増倍管(SiPMT)又は他の種類の電子検出器（1つ以上のフォトダイオードを含む）上にシンチレータの形態をとる検出器が、電極表面上に載置され、かつ、電極表面の一部を構成する。

SEM鏡筒は、たとえば200eV〜30keVの選択可能なエネルギーの電子ビームを生成する電子源、電子ビームを操作（集束、拡大、縮小）するレンズ、ビームの偏向及び中心合わせを行う偏向器、並びに、ビームを試料上で集束させる対物レンズを有する。対物レンズはたとえば、単純な磁気レンズ、試料が磁場中に浸漬される浸漬レンズ、又は本明細書で述べた複合レンズであって良い。当業者に知られているように係る複合レンズの利点はたとえば、減速静電場による低エネルギーでの解像度の改善、浸漬磁場による解像度の改善である。しかし全ての試料が、係る複合レンズのすべての“モード”で見られる訳ではない。たとえば磁化可能な試料（たとえば旧式のオーディオテープ又はビデオテープ）は、試料の磁気特性を変化させることなく浸漬磁場中で見ることはできない。

複合レンズが、レンズの焦点長を決定するために少なくとも3つの自由度を有するので、静電場、（第1コイルによって制御される）浸漬磁場、及び、（第2コイルによって制御される）集束磁場の複数の組み合わせは、試料上に焦点を生成するのに用いられて良い。多くの場合、静電レンズは、電子が試料に衝突する際のエネルギーを決定するのに用いられる。ある範囲の第1コイルと第2コイルの励起の組み合わせも、適切な位置での焦点の生成に用いられ得る。

電子が試料に衝突するとき、2次放射線が生成される。最も重要なことは、50eV未満のエネルギーを有する2次電子(SE)が生成されて試料を飛び出し、50eVを超えるエネルギーを有する後方散乱電子(BSE)が生成されて試料を飛び出すことである。

複合レンズが、衝突するビームを減速させる静電場を用いるとすると、静電場の方向が定められる。SEは、レンズへ向かうように加速され、かつ、電極内の孔を通過する。これは、複合レンズが用いられる通常モードである。

SEは、電極と電子源との間の検出器によって検出されうることに留意して欲しい。

BSEは、たとえば50eVから最大で衝突電子が試料に到達する際のエネルギー（たとえば１0keV以上）のエネルギーで試料を飛び出す。BSEは、試料表面の法線に対してなす角度α及びエネルギーEで試料から放出される。当業者に知られているように、この角度とエネルギーの統計的分布は、試料材料とビームエネルギーの関数である。

欧州特許出願第12165423号明細書 米国特許第6646261号明細書 独国特許第19845329A1号明細書 米国特許出願公開第2006/054814A1号明細書 米国特許出願公開第2003/0127595A1号明細書

BSEのエネルギー及び/又は角度分布に関する情報を与える電子検出器を備える複合レンズが必要とされている。

上記目的のため、電子検出器を備える複合レンズの使用方法は以下の特徴を有する。
− 前記電子検出器は、第1群の後方散乱電子と第2群の後方散乱電子とを区別するように備えられ、前記第1群の後方散乱電子は、前記第2群の後方散乱電子よりも前記対称軸に対して近い位置で前記検出器に衝突し、前記第1群の後方散乱電子は、前記第2群の後方散乱電子とは異なるαとEの組み合わせを有する。
− 前記第1コイルの励起と前記第2コイルの励起との比は、前記試料での焦点を維持しながら、前記第1群に属する後方散乱電子の一部と、前記第2群に属する後方散乱電子の一部を制御するのに用いられる。

本発明は、前記第1コイルの励起と前記第2コイルの励起との複数の比（又は組み合わせ）の各々は、ビームを前記試料上に集束させるという知見に基づく。しかし比がそれぞれ異なる結果、前記検出器にわたるBSEの半径分布はそれぞれ異なる。ここで前記検出器が、前記の検出された電子が前記検出器に衝突する際の前記軸からの距離に関する情報を与えることができるように前記検出器を構成することによって、前記BSEに関するさらなる情報が得られる。

これは、前記検出器に2つ以上の環状検出器領域（感受性領域）を備えることによって行われることが好ましい。

しかし画素化された検出器（たとえばCMOSチップ）が用いられても良い。なぜなら前記画素化された検出器からのデータは、2つ以上の環状領域のデータと似るように処理され得るからである。

一部のBSEは前記検出器/電極の表面の孔を通過することに留意して欲しい。係る電子は、前記電子源と前記検出器/電極との間の検出器によって検出されて良い。係る検出器は特許文献2から既知である。

前記検出器は、半導体検出器だけではなく、たとえばSiPMT又は従来のPMTを用いる（導光体を備えても良いし備えていなくても良い）シンチレータに基づく検出器であっても良いことに留意して欲しい。

特許文献3は、TTL検出器を備える複合レンズについて記載している。特許文献3は、前記検出器のそれぞれ異なる部分に衝突する2つの電子群をどのように区別するのかについて記載していない点で本発明と異なる。たとえ特許文献3の教示が、特許文献4に記載された区分化された検出器の教示と組み合わせられても、特許文献3は依然として、前記浸漬磁場と非浸漬磁場を発生させるのに用いられる前記コイルの励起が、前記2つの電子群の比を制御するのに用いられ得ることについては記載していない。

特許文献5は、試料が対物レンズの磁場中に浸漬される透過型電子顕微鏡について記載している。検出器が設けられる位置は、前記対物レンズが前記試料と前記検出器との間に位置するような位置である。一の検出器は後方散乱電子のために用いられ、他の検出器は2次電子のために用いられる。当業者に知られているように、2次電子は通常50eV未満のエネルギーを有する電子と定義され、かつ、後方散乱電子は50eV超のエネルギーを有する電子と定義される。特許文献5は、前記一の検出器によって検出される電子と前記他の検出器によって検出される電子との比を変化させる方法について記載していない。特許文献5は、集束静電場の利用についても教示していない。従って特許文献5は、複合レンズの利用についても、前記一の検出器と他の検出器によって検出される電子との比を変化させる方法についても記載していない。

従来技術に係るレンズを概略的に表している。 本発明による複合レンズの詳細を概略的に表している。 本発明による複合レンズで使用される検出器を概略的に表している。

図1は従来技術に係るレンズを概略的に表している。

図1は、粒子光学軸104の周りを進行して試料100に衝突する荷電粒子ビーム102を概略的に表している。試料100は、ビーム102に対して移動可能な試料キャリア122上に載置されている。対物レンズは磁気ヨークを有する。ここで2つのポールピース106と108は、コイル110によって発生する磁場をビーム102付近の領域へ導く。ヨークはグランドと電気的に接続される。外側のポールピース106もまた、コイル112によって発生する磁場を試料100へ導くことで、浸漬磁場を生成する。電極114は、ビーム102を取り囲む管として生成され、試料100に対向する面で終端する。絶縁体112は、磁気ヨーク内部において管を中心に位置づけ、2つのポールピースを電気的に絶縁する。

管と面は一のピースである必要もないし一の材料である必要もないことに留意して欲しい。一の電極として機能する上で重要なことは、管と面が、十分な電気伝導性を有し、かつ、一の電気表面を構成するように互いに電気的に接続されることである。面116上では、感受性表面（たとえばYAP:Ce又はYAG:Ce結晶）が載置される。シンチレータによって生成される光子は、光子検出器によって検出される。図から明らかなように、シンチレータは、中心に孔を備えるディスクとして構成されなければならない。

シンチレータディスクは、薄い(10〜100nm)アルミニウム層でコーティングされることが好ましいことに留意して欲しい。前記コーティングは伝導層を構成する。前記コーティングは、シンチレータから試料の方向へ放出される光子を反射する。

第2荷電粒子検出器120が、第2電極内部の電場の存在しない領域内に設けられている。この第2検出器はたとえば、固体電子検出器又はシンチレータ及び光子検出器を含む検出器であって良い。

磁気偏向器がたとえば、内側ヨークと第2電極との間の領域118内に設けられても良いことに留意して欲しい。

感受性領域は、上述のシンチレータに基づく検出器ではなく、半導体に基づく検出器（たとえば画素化されたCOMS検出器）又は区分化された検出器であっても良いことに留意して欲しい。

試料へ正のエネルギーをバイアス印加することによって、第1電極106と試料位置との間でビームをさらに減速させることが知られていることに留意して欲しい。

1次電子は、試料に衝突するとき、2次放射線（後方散乱電子(BSE)と2次電子(SE)を含む）の放出を引き起こす。検出という観点では、これら2つの差異とは、SEが50eV未満（多くは5eV未満）のエネルギーで試料から放出される電子と定義される一方で、BSEは50eV超（最大で1次ビームのエネルギー）のエネルギーで試料から放出される電子と定義されることである。試料と第2電極との間の電場は、これらの電子のいずれをも面116の方向へ導く。電子は、浸漬磁場へ入り込んで、レンズを飛び出す。低エネルギーの電子（すべてのSEとBSEのほんの一部）は、軸に対して近い位置に保持されるので、面116内の孔を通り抜けて進行し、第2電極内部の電場の存在しない領域へ入り込む。その後これらの電子の多くは検出器120によって検出される。

大きなエネルギー（たとえば1次電子のエネルギーの80%超のエネルギー）を有する後方散乱電子は、静電場と磁場の結合効果によっては閉じこめられず、面116に衝突してシンチレータに衝突する。それにより光子が生成されて、光子検出器によって検出される。

試料と電極との間での電位差により、BSEは数keVのエネルギーでシンチレータに衝突する。図1aに図示されたレンズ、接地された試料、第1電極（及びヨーク）、電極上の約+8kVの電位を用いることによって、作動距離（試料と第1ポールピースとの間の距離）、（たとえば試料と第1ポールピースとの間のバイアス電圧による影響を受ける）到達エネルギーとBSEのエネルギーに依存して、約85%のBSEの検出効率が得られる。

図2は本発明による複合レンズの詳細を概略的に表している。

図2は、検出器及びビーム102と共に、試料100、レンズ極106の先端部、及び電極114の末端を概略的に表している。ここで検出器は、3つの環状体205、206、及び207に分離される。BSE202を含む第1群のBSEは環状体205に衝突する。BSE203を含む第2群のBSEは環状体206に衝突する。BSE204を含む第3群のBSEは環状体207に衝突する。BSEの群はそれぞれ別個に測定されて良い。3つの群は、それぞれ異なるα（BSEが試料から放出される際にそのBSEが前記試料表面の法線となす角）とE（BSEが試料から放出される際のエネルギー）の組み合わせを有する。この検出器を利用することによって、情報（たとえば材料のコントラスト）を得ることができる。

図3は、本発明による複合レンズで使用される検出器を概略的に表している。

図3は、感受性部分が環状セグメントとして配置されている検出を表している。中心孔208の周辺では、3つの環状セグメント、つまりセグメント207-1…207-3が配置されている。セグメント207-1…207-3がセグメント206-1…206-3によって取り囲まれる。セグメント206-1…206-3がセグメント205-1…205-3によって取り囲まれる。各セグメントの群は環状体を構成する。

この検出器はたとえば、材料コントラストだけではなく、当業者には自明であるように、BSEが検出器の環状体全体にわたって非環状の対称な分布を示す表面形状コントラストをも可能にする。

最後に本願明細書の内容をまとめると、走査電子顕微鏡用の複合対物レンズは、第1レンズコイルによって励起される従来の磁気レンズ、第2レンズコイルによって励起される浸漬磁気レンズ、及び、試料と静電レンズコイルとの間での電位差によって励起される浸漬静電レンズを有する。前記静電浸漬レンズの所定の励起では、電子ビームは、前記第1レンズコイルと第2レンズコイルの励起の複数の組み合わせを利用することによって、前記試料上に集束されて良い。電子検出器が、後方散乱電子(BSE)を検出するために前記試料の付近に設けられる。本願発明者等は、たとえば前記検出器を画素化された検出器又は環を有する検出器(205,206,207)として構成することによって、前記検出器が、前記軸付近で前記検出器に衝突するBSEと、前記軸からから離れた場所で前記検出器に衝突するBSEとを区別するときに、前記BSEについてより多くの情報を得ることができるという知見を得た。本願発明者等はさらに、前記第1レンズコイルと第2レンズコイルとの励起の比を調節することによって、前記BSEが前記検出器に衝突する際の前記軸からの距離が変化することで、当該複合レンズが、エネルギー選択検出器として機能しうることも発見した。

100 試料
102 荷電粒子ビーム
104 粒子光学軸
106 ポールピース
108 ポールピース
110 コイル
112 コイル
122 試料キャリア
114 電極
112 絶縁体
116 面
120 荷電粒子検出器
118 領域
205 環状体
206 環状体
207 環状体
205-1…205-3 環状セグメント
206-1…206-3 環状セグメント
207-1…207-3 環状セグメント

Claims (5)

1. 微細に集束された荷電粒子ビームで試料を走査することによって、試料位置で前記試料の像を生成する方法であって、
   前記微細に集束された荷電粒子ビームで試料を走査する結果、後方散乱電子が前記試料から放出され、
   前記像は前記後方散乱電子を検出することによって生成され、
   前記ビームは複合荷電粒子レンズによって集束され、
   当該複合荷電粒子レンズは、
   対称軸、
   前記試料位置に近い第１磁気レンズ極と前記試料位置から遠い第２磁気レンズ極、
   前記第１磁気レンズ極と前記第２磁気レンズ極との間で集束磁場を発生させる第１レンズコイル、
   前記第１磁気レンズ極と前記試料位置との間で集束浸漬磁場を発生させる第２レンズコイル、及び、
   当該複合荷電粒子レンズを介して前記試料へ向かう荷電粒子ビームを通過させる中心孔を備える電極であって、前記電極と前記試料との間に電位差を印加することによって、当該複合荷電粒子レンズと前記試料との間に減速電場を発生させる電極、を有し、
   当該複合荷電粒子レンズは、該複合荷電粒子レンズの焦点強度を決定する少なくとも３つのパラメータを有し、
   当該複合荷電粒子レンズは、前記電極の一部と一致して前記電極の一部を電気的に構成する、中心孔を備える感受性表面を有する電子検出器を有し：
   前記ビームが前記試料で微細に集束され、かつ、前記試料の電位差が所定の電位差となるように、当該複合荷電粒子レンズの前記第１レンズコイル、前記第２レンズコイル、及び前記減速電場を励起させる段階；及び、
   前記電子検出器に衝突する後方散乱電子を検出する段階であって、
   前記後方散乱電子は、選択された角度αと選択されたエネルギーＥで前記試料から放出され、
   前記選択された角度αは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際の当該複合荷電粒子レンズの対称軸とのなす角度で、かつ、
   前記選択されたエネルギーＥは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際のエネルギーである、
   段階；
   を有し、
   前記電子検出器は、第１群の後方散乱電子と第２群の後方散乱電子とを区別するように備えられ、前記第１群の後方散乱電子は、前記第２群の後方散乱電子よりも前記対称軸に対して近い位置で前記電子検出器に衝突し、前記第１群の後方散乱電子は、前記第２群の後方散乱電子とは異なるαとＥの組み合わせを有し、
   前記第１レンズコイルの励起と前記第２レンズコイルの励起との比は、前記試料での焦点を維持しながら、前記第１群に属する後方散乱電子の一部と、前記第２群に属する後方散乱電子の一部を制御するのに用いられる、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記電子検出器が、２つ以上の環状検出領域を備える検出器で、
   前記環状検出領域の一は前記第１群からの電子を検出し、前記環状検出領域の他は前記第２群からの電子を検出する、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記電子検出器が画素化された検出器で、
   第１群の画素の信号が結合されることで第１信号が与えられ、
   第２群の画素の信号が結合されることで第２信号が与えられ、
   前記第１信号は前記第１群の衝突電子の数に比例し、
   前記第２信号は前記第２群の衝突電子の数に比例する、
   請求項１に記載の方法。
4. 第２検出器が、前記電極と一致する前記電子検出器よりも、前記試料位置から離れた位置に設けられ、
   前記第２検出器は、第３群の後方散乱電子に比例する信号を与え、かつ、
   前記第３群の後方散乱電子は前記中心孔を通過する、
   請求項１乃至３のうちいずれか一項に記載の方法。
5. 試料を走査する荷電粒子ビームで試料を集束する複合荷電粒子レンズであって、
   対称軸、
   試料位置に近い第１磁気レンズ極と前記試料位置から遠い第２磁気レンズ極、
   前記第１磁気レンズ極と前記第２磁気レンズ極との間で集束磁場を発生させる第１レンズコイル、
   前記第１磁気レンズ極と前記試料位置との間で集束浸漬磁場を発生させる第２レンズコイル、及び、
   前記複合荷電粒子レンズを介して前記試料へ向かう荷電粒子ビームを通過させる中心孔を備える電極であって、前記電極と前記試料との間に電位差を印加することによって当該複合荷電粒子レンズと前記試料との間に減速電場を発生させる電極、
   を有し、
   当該複合荷電粒子レンズは、該複合荷電粒子レンズの焦点強度を決定する少なくとも３つのパラメータを有し、
   当該複合荷電粒子レンズは中心孔を備える感受性表面を有する電子検出器を有し、
   前記感受性表面は前記電極と一致し、
   当該複合荷電粒子レンズの前記第１レンズコイル、前記第２レンズコイル、及び前記減速電場は、前記ビームが前記試料で微細に集束され、かつ、前記試料の電位差が所定の電位差となるように、励起され、
   前記電子検出器は、前記試料からの後方散乱電子を検出し、
   前記後方散乱電子は、選択された角度αと選択されたエネルギーＥで前記試料から放出され、
   前記選択された角度αは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際の当該複合荷電粒子レンズの対称軸とのなす角度で、かつ、
   前記選択されたエネルギーＥは、前記後方散乱電子が前記試料を飛び出す際のエネルギーであり、
   前記電子検出器は、第１群からの衝突後方散乱電子と、前記第１群よりも前記軸から離れている第２群からの衝突後方散乱電子とを区別するように備えられ、前記第１群の後方散乱電子は、前記第２群の後方散乱電子よりも前記対称軸に対して近い位置で前記電子検出器に衝突し、前記第１群の後方散乱電子は、前記第２群の後方散乱電子とは異なるαとＥの組み合わせを有し、
   前記第１レンズコイルの励起と前記第２レンズコイルの励起との比は、前記試料での焦点を維持しながら、前記第１群に属する後方散乱電子の一部と、前記第２群に属する後方散乱電子の一部を制御するのに用いられる、
   ことを特徴とする複合荷電粒子レンズ。

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