JP6258474B2 - 電子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子を試料に集束させるための磁場レンズもしくは静電レンズ、またはその両方を備える電子線装置に関する。

ナノレベルの観察が可能な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、半導体分野や材料分野、バイオ分野など様々な分野で用いられている。ＳＥＭは、電子を発生させる電子源や、発生した電子を試料上に集束する電磁レンズによって構成され、SEM像の質は、それら構成部品の性能に大きく依存する。例えば、電子源から発生する電子の量、すなわち電子源の輝度は、ＳＥＭ像のＳＮ(Signal-to-Noise)比に影響を与え、電磁レンズの性能は、得られるＳＥＭ像の空間分解能に影響を与える。

特許文献１では、電子源から高エネルギーの電子を放出し、この高エネルギーの電子を対物レンズと試料との間で減速させる構成とすることで、電子源の輝度を高めかつ外部からの影響を受けにくくすることが示されている。

一方、特許文献２では、高エネルギーの電子を対物レンズ下面で減速させることで、低エネルギーの電子を試料に照射する場合においても、高い空間分解能を実現することが示されている。

なお、特許文献３では、ビームエネルギーが低い場合にも高い点解像度を有するように、中間像の範囲内に第１のエネルギーから一層高い第２のエネルギーへ電子を加速する装置を配置することが示されている。

特開２００４−２３４９９３号公報 特開平５−３６３７１号公報 特開２０１０−２５７８５５号公報

本願発明者が、ＳＥＭ性能について鋭意検討した結果、次の知見を得るに至った。

特許文献１は、試料に電圧を印加する必要がある。このため、ＳＥＭ性能は、試料の形状や組成に大きく依存する。一方、特許文献２は、対物レンズと試料の間を同電位に保ちつつ、高空間分解能を図ることができる。従って、特許文献１と特許文献２を組み合わせることにより、試料に関係なく、高輝度かつ高空間分解能化を図ることができる。しかし、この効果は、磁場を試料側に漏らさないアウトレンズタイプのＳＥＭに限られる。これは、特許文献２が、アウトレンズを想定しているためである。試料に積極的に磁場を漏らすセミインレンズタイプやシングルポールレンズのＳＥＭでは、対物レンズ下面で電子を減速すると、空間分解能が劣化してしまう。

本発明の目的は、外乱による影響を受けにくくし、かつ、高空間分解能と高輝度を両立することに関する。

本発明は、例えば、電子線を発生する電子源と、電子線を試料上に集束する対物レンズとの間に、高電圧のビーム管を電子源側に、低電圧のビーム管を対物レンズ側に配置することに関する。

本発明によれば、例え試料に積極的に磁場を漏らすタイプの対物レンズを備えたＳＥＭであっても、空間分解能を維持しつつ、高輝度化を図ることができる。

実施例１にかかる複合荷電粒子線装置の概略構成図である。 ビーム管部の配線例１を示す図である。 ビーム管部の配線例２を示す図である。 減速部における構造例１を示す図である。 減速部における構造例２を示す図である。 減速部における構造例３を示す図である。 減速部における構造例４を示す図である。 減速部における構造例５を示す図である。 実施例２にかかる複合荷電粒子線装置の概略構成図である。 ビーム管の分割例１を示す図である。 ビーム管の分割例２を示す図である。

実施例では、電子線を発生する電子源と、電子線を試料上に集束する対物レンズと、を備え、電子源と対物レンズ下面との間に、電圧を設定できる第一のビーム管を電子源側に、第一のビーム管とは異なる電圧を設定できる第二のビーム管を対物レンズ側に配置し、第一のビーム管の電圧を、第二のビーム管の電圧よりも高くするモードを選択できる入力装置を備える電子線装置を開示する。

また、実施例では、入力装置が、第一のビーム管の電圧と、第二のビーム管の電圧を同電位とするモードを選択できることを開示する。

また、実施例では、対物レンズが、磁場を試料側に漏らすセミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプであることを開示する。また、セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズとは別に、磁場を試料側に漏らさないアウトレンズタイプの対物レンズを備えることを開示する。また、セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズが用いられる場合には第一のビーム管にのみ電圧が印加されるモードとなり、アウトレンズタイプの対物レンズが用いられる場合には第一および第二のビーム管に電圧が印加されるモードとなることを開示する。また、アウトレンズタイプの対物レンズが用いられる場合には第一のビーム管の電位と第二のビーム管の電位を同電位とするモードとなることを開示する。また、試料にイオンビームを照射するイオンビーム装置を備えることを開示する。

また、実施例では、第二のビーム管は、対物レンズの内部に配置されることを開示する。

また、実施例では、第二のビーム管の電位が、ＧＮＤ電位であることを開示する。

また、実施例では、第一のビーム管と第二のビーム管との沿面距離が５ｍｍ以上あることを開示する。

また、実施例では、電子線を発生する電子源と、電子源から発生した電子を減速する減速部と、電子線を試料上に集束する対物レンズと、を備え、減速部が、電子源と対物レンズの磁極との間に配置される電子線装置を開示する。

また、実施例では、減速部における電極形状が、円錐形状、お椀形状、または円錐台形状であることを開示する。

また、実施例では、減速部が２つの電極を備え、一方の電極が、他方の電極を覆う形状をしていることを開示する。

また、実施例では、電子線を発生する電子源と、電子源から発生した電子線を集束するコンデンサーレンズと、コンデンサーレンズを通過してきた電子線を試料上に集束する対物レンズと、を備え、コンデンサーレンズを通過するときの電子線のエネルギーを、対物レンズを通過するときの電子線のエネルギーよりも高くする第一のビーム管および第二のビーム管を備える電子線装置を開示する。

また、実施例では、電子線を発生する電子源と、電子源から発生した電子線を試料上に集束する対物レンズと、を備え、電子源から発生した電子線が通過するビーム管と、ビーム管が貫通する電子受光面と、を有し、試料から放出された電子を検出する検出器と、電子源から発生した電子線が、ビーム管を通過するときのエネルギーを、対物レンズを通過するときの電子線のエネルギーよりも高くする第一のビーム管および第二のビーム管を備える電子線装置を開示する。

また、実施例では、電子線を発生する電子源と、電子源から発生した電子線が通過するビーム管と、電子源から発生した電子線を試料上に集束する対物レンズと、試料から放出された電子を検出する光軸外に配置された検出器と、試料から放出された電子を光軸外に配置された検出器の方へ偏向する偏向器と、を備え、電子源から発生した電子線が、ビーム管を通過するときのエネルギーを、偏向器および対物レンズを通過するときの電子線のエネルギーよりも高くする第一のビーム管および第二のビーム管を備える電子線装置を開示する。

以下、上記およびその他の本発明の新規な特徴と効果について図面を参酌して説明する。図面は専ら発明を理解するために用いるものであり、権利範囲を限縮するものではない。

図１に、本実施例にかかる電子線装置とイオンビーム装置を備えた複合荷電粒子線装置の概略構成を示す。複合荷電粒子線装置は、電子線を発生する電子源１０１と、電子源を制御する電子源制御器１５１と、電子源から放出された電子線を加速する加速電極１０２と、加速電極を制御する加速電極制御器１５２と、電子源から放出された電子線を集束する第一、第二のコンデンサーレンズ１０３，１０４と、第一と第二のコンデンサーレンズを制御する第一、第二のコンデンサーレンズ制御器１５３，１５４と、電子線を試料に集束する対物レンズの磁路１０５と、セミインレンズタイプの対物レンズを駆動するセミインレンズコイル１０６と、セミインレンズコイルを制御するセミインレンズ制御器１５６と、アウトレンズタイプの対物レンズを駆動するアウトレンズコイル１０７と、アウトレンズコイルを制御するアウトレンズ制御器１５７と、試料から放出された電子をカラム外で検出する試料室検出器１１８と、試料室検出器を制御する試料室検出器制御器１６８と、試料から放出された電子をカラム内で検出するカラム内検出器１０８と、カラム内検出器を制御するカラム内検出器制御器１５８と、試料から放出された電子をカラム内検出器の方へ偏向する偏向器１０９と、偏向器を制御する偏向器制御器１５９と、加速電極から第二のコンデンサーレンズ近傍にかけて配置された第一のビーム管１１０と、第一のビーム管に電圧を供給する第一のビーム管用電源１１１と、第一のビーム管用電源を制御する第一のビーム管用電源制御器１６１と、対物レンズを形成する磁路上端から対物レンズ下端近傍にかけて配置された第二のビーム管１１２と、第二のビーム管に電圧を供給する第二のビーム管用電源１１３と、第二のビーム管用電源を制御する第二のビーム管制御器１６３と、観察試料１１４を配置する試料室１１５と、試料にイオンビームを照射するイオンビームカラム１１６と、イオンビームカラムを制御するイオンビームカラム制御器１６６と、装置全体の動作を制御および電子線像の構築を行う統合コンピュータ１７０と、オペレータが照射条件や電極の電圧条件や位置条件といった各種指示等を入力するコントローラ（キーボード、マウスなど）１７１と、取得した像や制御画面を表示するディスプレイ１７２と、を備えている。その他、電子線装置は、電子線を走査、シフトするための偏向系など、電子線装置に必要な構成を全て備えている。また、各制御器および演算器は互いに通信可能であり、統合コンピュータ１７０によってコントロールされる。

本実施例では、コントローラ１７１はいくつかのモードの中から所定のモードを選択することができる。コントローラ１７１からの入力に従って、統合コンピュータ１７０は、第一のビーム管１１０や第二のビーム管１１２などの状態を所定のものとして、装置を所定のモードとする。

なお、本実施例では、２つのコンデンサーレンズを備えるが、対物レンズに入射する電子をコントロールする目的においてコンデンサーレンズの数は問わない。また、セミインレンズタイプの対物レンズは、試料側に積極的に磁場を漏らすタイプのレンズであれば磁路１０５の形状は問わない。例えば、磁極を一つしかもたないシングルポールレンズでも構わない。また、図１では、加速電極下端と第一のビーム管は接触しているが、加速電極下端と第１のビーム管は接触している必要はなく、同電位である必要もない。

また、本実施例では、第一のビーム管用電源と第二のビーム管用電源を備えているが、第二のビーム管用電源を備えていない場合も考えられる。例えば、図２に示すように、第二のビーム管をＧＮＤに接続することにより、第二のビーム管の電位を常にＧＮＤ電位としてもよい。また、例えば、図３に示すように、電圧切り替えスイッチ２０１と、電圧切り替えスイッチを制御するスイッチ制御器２５１を備えることにより、第二のビーム管の電位を第一のビーム管の電位とGND電位とに切り替えることができるようにしてもよい。また、本実施例では、第一のビーム管と第二のビーム管を第二のコンデンサーレンズと対物レンズの磁路との間で分割しているが、第一のビーム管と第二のビーム管の分割位置は、例えば、図１０に示すように、第二のコンデンサーレンズ下面より電子銃側でも構わないし、また、例えば、図１１に示すように、対物レンズの磁路内部でも構わない。

また、カラム内検出器１０８は、試料から放出された電子を検出する目的において、その構成は問わない。直接電子をカウントする構成でもよいし、電子を一度光に変換し、フォトディテクタで検出しても構わない。

本実施例によれば、セミインレンズタイプの対物レンズを用いる場合においても、外乱による影響を受けにくく、かつ高輝度を得ることができる。すなわち、高空間分解能と高輝度を両立することができる。試料に照射する電子線のエネルギーが低ければ低いほど、外乱による影響を受け易く、また高輝度、高空間分解能を得ることが難しい。しかし、半導体の高集積化による試料最表面情報の取得ニーズや、生体試料や有機機能性材料における電子線照射損傷低減ニーズに伴い、電子線の低エネルギー化がより一層望まれている。そこで、第一のビーム管を高電圧、第二のビーム管を低電圧（またはＧＮＤ電位）とすることで、高い外乱耐性、高輝度、高空間分解能を実現し、これらのニーズに応えることができる。

さらに、セミインレンズタイプの対物レンズとアウトレンズタイプの対物レンズを備えた複合対物レンズの場合、制御プロセスの単純化、およびユーザビリティの向上を図ることができる。アウトレンズタイプの場合には、対物レンズ下端近傍まで高エネルギーで通過する方が、高空間分解能を実現することができる。すなわち、本実施例における第一、第二のビーム管を共に高電圧とすることにより、高輝度、高空間分解能を実現することができる。一方、セミインレンズタイプの場合には、第一のビーム管を高電圧、第二のビーム管を低電圧（またはＧＮＤ電位）とすることにより、アウトレンズタイプで駆動する場合と同程度の輝度に加え、アウトレンズタイプで駆動する場合よりもさらに高い空間分解能を実現することができる。また、対物レンズよりも電子源側は、どちらのレンズタイプで駆動する場合も同じ高エネルギーの電子線が通過するため、対物レンズ以外の制御は同じでよい。これにより、光軸の再調整等も必要なく操作性の観点からも好都合である。このような複合対物レンズは、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を照射するＦＩＢカラムとＳＥＭを同じ試料室に備えたＦＩＢ−ＳＥＭ装置において非常に有効である。イオンビームの光軸上に磁場があると、その磁場によってイオンビームは偏向される。その上、磁場による偏向量は、イオンの質量によって異なるため、同位体を含むイオンビームは、試料上で一点に集束せず、分離してしまう。従って、イオンビームと電子線を併用する場合は、セミインレンズタイプの対物レンズではなく、アウトレンズタイプの対物レンズが好まれる。ただし、試料によっては、スループットを犠牲にしてでも、セミインレンズタイプの高空間分解能が求められることがある。その場合、イオンビーム照射とセミインレンズタイプによる電子線照射を切り替えて使用する。その際、本実施例のように、対物レンズのモードだけを切り替えて使用できれば、ユーザの負担を軽くすることができる。さらに、コントローラまたはＧＵＩ画面を用いてワンタッチでモードの切り替えができればより便利である。

なお、第一のビーム管と第二のビーム管の間の減速部は、図１のように、第一のビーム管と第二のビーム管の間隙部がつくる減速電界をそのまま利用してもよいが、図４に示すように、第一のビーム管の下端に、対物レンズ側に広がる円錐形状の減速部電極３０１ａを設け、第二のビーム管の上端に、電子源側に広がる円錐形状の減速部電極301bを設けて、減速部を構成してもよい。これにより、減速部に形成される静電レンズ作用を緩和することができる。減速部電極３０１ａと減速部電極３０１ｂの一方のみを設けて、減速部を構成してもよい。

同様に、図５に示すように、第一のビーム管の下端に、対物レンズ側に広がるお椀形状の減速部電極３０２ａを設け、第二のビーム管の上端に、電子源側に広がるお椀形状の減速部３０２ｂを設けて、減速部を構成してもよい。減速部電極３０２ａと減速部電極３０２ｂの一方のみを設けて、減速部を構成してもよい。

同様に、図６に示すように、第一のビーム管の下端に、対物レンズ側に広がる円錐台形状の減速部電極３０３ａを設け、第二のビーム管の上端に、電子源側に広がる円錐台形状の減速部電極３０３ｂを設け、減速部を構成してもよい。

また、図４〜図６においては、上下の減速部電極が同じ大きさであるが、これに限られず、例えば、図７に示すように、第一のビーム管の下端に、端部が円筒形状となっている対物レンズ側に広がる略円錐台形状の減速電極部３０４ｄを設け、第二のビーム管の上端に、端部が円筒形状となっている略円錐台形状の減速電極部３０５ｄを設け、減速電極部３０４ｄの円筒形状を減速電極部３０５ｄの円筒形状より大きくし、第一のビーム管側に設けられた減速電極部３０４ｄが、第二のビーム管側に設けられた減速電極部３０５ｄを覆うような形状としてもよい。これにより、減速部電極外部の影響を軽減することができる。

同様に、図８に示すように、第一のビーム管の下端に、対物レンズ側に広がるお椀形状の減速部電極３０５ｅを設け、第二のビーム管の上端に、電子源側に広がるお椀形状の減速部３０４ｅを設け、減速部電極３０５ｅの開口を減速部電極３０４ｅの開口より小さくして、第一のビーム管側に設けられた減速電極部３０４ｅが、第二のビーム管側に設けられた減速電極部３０５ｅに覆うような形状としてもよい。

次にカラム内検出器の搭載位置について述べる。セミインレンズタイプの対物レンズを使用した場合、試料側に漏れ出た磁場によって、試料から放出された電子の殆どが、ＳＥＭカラム内部へ進む。従って、ＳＥＭカラム内部で、電子を検出する必要がある。その方法として、本実施例のように、電子線の光軸から外れたところで検出する方法が考えられる。光軸から外れたところで検出する手法は、試料から真上（電子源先端に向かって）に放出された電子も検出できる利点がある。試料から真上に放出された電子を選択的に検出することにより、試料の組成情報を強く反映した像を取得することができる。ただし、光軸から外れたところで電子を検出するためには、電子を偏向する必要がある。その際、必要な偏向強度は、電子のエネルギーによって決まる。従って、高電圧が印加されている第一のビーム管ではなく、より電子のエネルギーが低い第二のビーム通過時に偏向する方が、偏向器を設計し易い。

図９に、本実施例にかかる複合荷電粒子線装置の基本構成を示す。本実施例では、試料から放出された電子をカラム内で検出するカラム内検出器の構造および搭載位置が異なる点が、実施例１と相違する。以下、実施例１との相違点を中心に説明する。

本実施例における検出器は、電子を光に変換するシンチレータ４０１と、シンチレータから放出された光を検出するフォトディテクタ４０２と、フォトディテクタを制御するフォトディテクタ制御器４５２と、シンチレータから放出された光をフォトディテクタに導くライトガイド４０３と、シンチレータおよびライトガイドを貫通する第三のビーム管４０４から構成され、第一のビーム管と第二のビーム管の間に搭載される。また、第三のビーム管およびシンチレータは、第一のビーム管と同電位である。

本実施例によれば、実施例1と同様に、セミインレンズタイプの対物レンズにおいても、高い外乱耐性、高輝度、高空間分解能を実現できる。更に、本実施例では、カラム内検出器の構成要素である第三のビーム管およびシンチレータの電位を、対物レンズのモード（セミインレンズタイプとアウトレンズタイプ）に関係なく高電圧が印加される第一のビーム管と同じにすることにより、対物レンズのモード切り替えても、検出器の設定を変更する必要がないといった利点がある。これにより、ユーザは、セミインレンズタイプとアウトレンズタイプの切り替えを、よりシームレスに行うことができる。また、シンチレータの電位と第一のビーム管の電位を同一にすることにより、シンチレータに電圧を印加するための新たな電源および電圧導入経路を用意する必要がないといった利点もある。

１０１ 電子源
１０２ 加速電極
１０３ 第一のコンデンサーレンズ
１０４ 第二のコンデンサーレンズ
１０５ 磁路
１０６ セミインレンズコイル
１０７ アウトレンズコイル
１０８ カラム内検出器
１０９ 偏向器
１１０ 第一のビーム管
１１１ 第一のビーム管用電源
１１２ 第二のビーム管
１１３ 第二のビーム管用電源
１１４ 観察試料
１１５ 試料室
１１６ イオンビームカラム
１１８ 試料室検出器
１５１ 電子源制御器
１５２ 加速電極制御器
１５３ 第一のコンデンサーレンズ制御器
１５４ 第二のコンデンサーレンズ制御器
１５６ セミインレンズコイル制御器
１５７ アウトレンズコイル制御器
１５８ カラム内検出器制御器
１５９ 偏向器制御器
１６１ 第一のビーム管用電源制御器
１６３ 第二のビーム管用電源制御器
１６６ イオンビームカラム制御器
１６８ 試料室検出器制御器
１７０ 統合コンピュータ
１７１ コントローラ（キーボード、マウスなど）
１７２ ディスプレイ
２０１ 電圧切り替えスイッチ
２５１ スイッチ制御器
３０１ａ,３０１ｂ,３０２ａ,３０２ｂ,３０３ａ,３０３ｂ,３０４ｄ,３０４ｅ,３０５ｄ,３０５ｅ 減速部電極
４０１ シンチレータ
４０２ フォトディテクタ
４０３ ライトガイド
４０４ 第三のビーム管
４５２ フォトディテクタ制御器

Claims (6)

1. 電子線を発生する電子源と、
   磁場を試料側に漏らすセミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプである、電子線を試料上に集束する対物レンズと、
   前記セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズとは別に配置されたアウトレンズタイプの対物レンズと、
   前記電子源と前記対物レンズ下面との間の電子源側に配置された第一のビーム管と、
   前記電子源と前記対物レンズ下面との間の対物レンズ側に配置された第二のビーム管と、
   前記第一のビーム管に電圧を供給する第一のビーム管用電源を制御する第一のビーム管用電源制御器と、
   前記第二のビーム管に電圧を供給する第二のビーム管用電源を制御する第二のビーム管用電源制御器と、
   前記セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズが用いられる場合に前記第一のビーム管の電圧を前記第二のビーム管の電圧よりも高くするモードを選択できる入力装置と、
   前記入力装置で選択されたモードに基づいて、前記第一のビーム管用電源制御器と前記第二のビーム管用電源制御器とを制御する制御装置と
   を備えることを特徴とする電子線装置。
2. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記アウトレンズタイプの対物レンズが用いられる場合に前記第一のビーム管の電位と前記第二のビーム管の電位を同電位とするモードを選択できることを特徴とする電子線装置。
3. 請求項１に記載の電子線装置において、
   試料にイオンビームを照射するイオンビーム装置を備えることを特徴とする電子線装置。
4. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記第二のビーム管は、前記対物レンズの内部に配置されることを特徴とする電子線装置。
5. 請求項１に記載の電子線装置において、
   前記セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズが用いられる場合に前記第一のビーム管の電圧を前記第二のビーム管の電圧よりも高くするモードでは、前記第二のビーム管の電位が、ＧＮＤ電位であることを特徴とする電子線装置。
6. 電子線を発生する電子源と、
   一方の電極が他方の電極を覆う形状を有する２つの電極からなり、前記電子源から発生した電子を減速する減速部と、
   磁場を試料側に漏らすセミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプである、電子線を試料上に集束する対物レンズと、
   前記セミインレンズタイプまたはシングルポールレンズタイプの対物レンズとは別に配置された、磁場を試料側に漏らさないアウトレンズタイプの対物レンズと
   を備える電子線装置であって、
   前記減速部が、前記電子源と前記対物レンズの磁極との間に配置されることを特徴とする電子線装置。

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