JP6386679B2 - 荷電粒子線装置及び走査電子顕微鏡 - Google Patents
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Description
図1を参照して、本発明の第1の実施の形態であるSEMの概略構成を説明する。
[数2]光源の縮小直径Dg=M1・M2・M3・So=M・So [nm]
[数3]球面収差Ds=0.5Cs・α^3 [nm]
[数4]色収差Dc=0.5Cc・α・ΔV/Vi [nm]
[数5]回折収差:Dd=0.75×1.22×Lambda/α [nm]
ここで、電子源の大きさがSo、一段目コンデンサレンズ15aの縮小率がM1、二段目コンデンサレンズ15bの縮小率がM2、第1の対物レンズ18と第2の対物レンズ26とが作るレンズの縮小率がM3、全縮小率M=M1×M2×M3、球面収差係数がCs、色収差係数がCc、試料面での一次電子線12の開き角がα、照射電圧(一次電子が試料23に衝突するときのエネルギーに対応する電圧)がVi、一次電子線12のエネルギー広がりに対応する電圧がΔV、電子の波長がLambdaである。
(シミュレーションデータ1)
Dprobe=4.4nm、Dg=1.59、Ds=3.81、Dc=0.916、Dd=1.25、
Cs=54.5mm、Cc=10.6mm、α=5.19mrad、M3=0.0575となる。
(シミュレーションデータ2)
Dprobe=1.44nm、Dg=0.928、Ds=0.657、Dc=0.503、Dd=0.729、
Cs=1.87mm、Cc=3.391mm、α=8.89mrad、M3=0.0249となる。
結果を図6の(a)に示す。
Cs=1.87mm、Cc=3.39mm、α=8.89mrad、M3=0.0249である。
結果を図6の(b)に示す。
Cs=0.260mm、Cc=0.330mm、α=28.2mrad、M3=0.0247である。
結果を図6の(c)に示す。
Cs=0.312mm、Cc=0.357mm、α=16.3mrad、M3=0.0430である。
Dprobe=1.31nm、Dg=0.904、Ds=0.493、Dc=0.389、Dd=0.710、
Cs=1.29mm、Cc=2.56mm、α=9.13mrad、M3=0.0244である。
図8を参照して、第1の対物レンズ18のない簡易的な装置構成を説明する。
第3の実施の形態では、電子源11に電界放出型のものを用いる。電界放出型は、熱電子放出型と比べて輝度が高く、光源の大きさは小さく、一次電子線12のΔVも小さく、色収差の面でも有利である。第3の実施の形態では第1の実施の形態との比較のために、第1の実施の形態の二段目コンデンサレンズ15bから下を第1の実施の形態と同じものとし、電子源部を電界放出型にし、一段目コンデンサレンズ15aをなくしている。一次電子線12のΔVを0.5eVとし、電子源の大きさSo=0.1μmとする。Z=−4mmとし、加速電圧Vaccを−30kV、第1の対物レンズ18はOFFとした性能を計算すると、以下のようになる。
Dprobe=0.974nm、Dg=0.071、Ds=0.591、Dc=0.248、Dd=0.730、
Cs=1.69mm、Cc=3.36mm、α=8.88mrad、M3=0.0249
電界放出型電子源は熱電子放出型と比べて輝度が高い。さらにコンデンサレンズ15が一段になっているので、プローブ電流は熱電子放出型のときと比べて多くなっている。それにもかかわらず、プローブ径が小さくなっていることがわかる。Ddが一番大きな値を示している。
Dprobe=8.48nm、Dg=0.071、Ds=0.591、Dc=7.45、Dd=4.00、
Cs=1.68mm、Cc=3.36mm、α=8.88mrad、M3=0.0249
以上のように、熱電子放出型(シミュレーションデータ3)では、Dprobe=15.6nmなので、電界放出型電子源の方がよいことがわかる。
Dprobe=3.92nm、Dg=0.071、Ds=2.90、Dc=2.32、Dd=1.26、
Cs=0.260mm、Cc=0.330mm、α=28.1mrad、M3=0.0248
収差の中でDsが一番大きな値になっている。これは、試料23に近くほど電子の速さが遅くなり磁場の影響を受けやすくなることと、磁束密度が試料23に近いほど大きな値であることから試料23に近いほど強いレンズになっているため、αが大きくなりすぎたこととによる。Dsは、αの3乗に比例することから、大きくなっている。第1の対物レンズ18を使うことで改善するのがよい。
Dprobe=2.68nm、Dg=0.103、Ds=1.03、Dc=1.68、Dd=1.82、
Cs=0.279mm、Cc=0.344mm、α=19.5mrad、M3=0.0358
収差係数だけを見ると悪化しているが、プローブ径はαを調節したことにより、さらに改善している。
次に、第4の実施の形態におけるSEM(荷電粒子装置の一例)の装置構成について説明する。以下の説明において、上述の実施の形態と同様の構成(各構成の変形例も含む)については、上述と同じ符号を付し、それらの構成についての詳細な説明については省略する。
次に、第5の実施の形態におけるSEM(荷電粒子装置の一例)の装置構成について説明する。以下の説明において、上述の実施の形態と同様の構成(各構成の変形例も含む)については、上述と同じ符号を付し、それらの構成についての詳細な説明については省略する。
本発明は上記実施形態によって記載したが、この開示の記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば荷電粒子源から試料23までの荷電粒子線の軌道を図では直線に描いてある。しかし、エネルギーフィルタなどを入れると軌道が曲げられる。荷電粒子線の軌道が曲がっている場合もある。このような場合も特許請求の範囲に記載された技術的範囲内に含まれる。また、第2の検出器110(又は、210、310、410、510、610、820)を使う場合、第1の検出器20を第1の対物レンズ18の内部に配置したり、第1の対物レンズ18よりも電子源11に近い位置に配置することも可能である。また、イオンビーム顕微鏡では負イオンの荷電粒子の場合、電子と同様の考え方ができ、第1の実施の形態、第4の実施の形態、又は第5の実施の形態と同様に適用できることがわかる。イオンの場合、電子と比べて質量が重いので、コンデンサレンズ15を静電レンズに、偏向コイル17を静電偏向に、第1の対物レンズ18を静電レンズにしてもよい。また、対物レンズ26は磁気レンズを用いる。
12 荷電粒子線(一次電子線)
13 ウェーネルト電極
14 加速電源
15 コンデンサレンズ
15a 一段目コンデンサレンズ
15b 二段目コンデンサレンズ
16 対物レンズ絞り
17 二段偏向コイル
17a 上段偏向コイル
17b 下段偏向コイル
18 第1の対物レンズ
18a 内側磁極
18b 外側磁極
18c 孔部
19 第1の検出器(二次電子検出器)
20 第1の検出器(半導体検出器、ロビンソン検出器又はMCP検出器)
21 信号電子
21a 二次電子
21b 反射電子
22、422 電位板
23 試料
24 試料台
25 絶縁板
26 第2の対物レンズ
26a 中心磁極
26b 上部磁極
26c 側面磁極
26d 下部磁極
26e コイル部
26f シール部
27 リターディング電源
28 電位板電源
29 試料台ステージ板
30 円筒放電防止電極
31 絶縁材
41 第1の対物レンズ電源
42 第2の対物レンズ電源
43 上段偏向電源
44 下段偏向電源
45 制御装置
51 上部装置
52 下部装置
61 XYZステージ
110、210、310、410、510、610、820 第2の検出器
113 腕部
114 板状部
121 特性X線(電磁波の一例)
320 楕円鏡(光学素子の一例)
321 カソードルミネッセンス(CL;電磁波の一例)
420 放物面鏡(光学素子の一例)
520 反射ミラー(光学素子の一例)
521 放出光(電磁波の一例)
617 ポリキャピラリ(光学素子の一例)
620 分光結晶
621 X線(電磁波の一例)
720 電位板部にある第1の検出器(半導体検出器、ロビンソン検出器又はMCP検出器)
α1 X線の取り出し角
Claims (25)
- 荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子源に接続され、前記荷電粒子源から放出された前記荷電粒子線を加速する加速電源と、
前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズと、
前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された電磁波及び前記試料で反射された電磁波のうち少なくとも1つが入射し、入射した前記電磁波を検出する第2の検出器とを備え、
前記対物レンズは、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側の反対側に設置されており、
前記第2の検出器は、前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置されている、荷電粒子線装置。 - 前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された反射電子及び二次電子の少なくとも1つが入射し、入射した前記反射電子又は前記二次電子を検出する第1の検出器をさらに備える、請求項1に記載の荷電粒子線装置。
- 前記第2の検出器は、前記第1の検出器による前記反射電子又は前記二次電子の検出を妨げないように配置されており、
前記第1の検出器による前記反射電子又は前記二次電子の検出と、前記第2の検出器による前記電磁波の検出とは、同時に行うことができる、請求項2に記載の荷電粒子線装置。 - 前記第2の検出器の一部に前記電磁波が入射する位置は、前記第1の検出器に前記反射電子又は前記二次電子が入射する位置と比べて、前記荷電粒子線が前記試料に入射する入射位置に近い、請求項2又は3に記載の荷電粒子線装置。
- 前記荷電粒子線は、前記荷電粒子源を有する上部装置の内部を通り、最終的に前記上部装置に設けられた孔部を通して前記試料に向けて放出され、
前記第1の検出器は、前記孔部の最下部に取り付けられている、請求項2から4のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記第1の検出器は、
前記荷電粒子線によって前記試料から放出される二次電子を引き付ける電界を生成し、前記二次電子を検出する二次電子検出器であり、
前記荷電粒子源を有し前記荷電粒子線を放出する上部装置の側部に配置されている、請求項2から4のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記荷電粒子線は、前記荷電粒子源を有する上部装置の内部を通り、最終的に前記上部装置に設けられた孔部を通して前記試料に向けて放出され、
前記第1の検出器は、前記孔部よりも前記荷電粒子源側に配置されている、請求項2から4のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記試料に負電位を与える、前記荷電粒子線を減速するためのリターディング電源をさらに備える、請求項1から7のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記試料と前記対物レンズとの間には、前記試料と前記対物レンズとを絶縁する絶縁板が配置されている、請求項1から8のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記試料の上部に、孔部のある電位板をさらに備え、
前記電磁波は、前記電位板の前記孔部を通過し、
前記電位板には、接地電位、正の電位、又は負の電位が与えられる、請求項1から9のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記第2の検出器は、前記電位板の前記荷電粒子源側に配置されている、請求項10に記載の荷電粒子線装置。
- 前記試料の上部に配置され、孔部のある電位板をさらに備え、
前記第1の検出器は複数設けられており、複数の前記第1の検出器のうち1つが前記電位板の前記試料側の面に配置されている、請求項2から7のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記第2の検出器は、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出されたX線を検出する、請求項1から12のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記第2の検出器は、前記試料の近くに配置された光学素子を有し、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出され、前記光学素子に入射したカソードルミネッセンスを検出する、請求項1から12のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記第2の検出器は、前記試料の近くに配置された光学素子を有し、前記試料の表面に照射され、前記試料の表面で反射又は発光されて前記光学素子に入射した光を検出する、請求項1から12のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記光学素子は、楕円鏡、放物面鏡、及び反射鏡のいずれかである、請求項14又は15に記載の荷電粒子線装置。
- 前記第2の検出器は、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出されたX線を検出し、
前記第2の検出器は、前記X線が入射する入射部が、導電性の腕部に形成された板状部に取り付けられており、
前記板状部は、前記荷電粒子線が通過する開口部を有し、前記試料の近傍であって前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に配置されており、
前記板状部には、接地電位、正の電位、又は負の電位が与えられる、請求項1から9のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置された、前記対物レンズとは異なる他の対物レンズをさらに備え、
前記第2の検出器は、
前記対物レンズにより前記荷電粒子線を前記試料に集束させる場合と、前記対物レンズとは異なる他の対物レンズにより前記荷電粒子線を前記試料に集束させる場合との両方の場合において前記検出を行うことができる、請求項1から17のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置され、前記試料に入射する荷電粒子線の開き角を変更する、前記対物レンズとは異なる他の対物レンズをさらに備える、請求項1から17のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- 前記第2の検出器の前記試料に対する位置が調整できるように構成されている、請求項1から19のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
- (i)前記対物レンズの焦点距離を変化させることにより、焦点距離ごとに、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された反射電子又は二次電子信号を用いた第1画像及び前記電磁波を用いた第2画像を撮影し、
(ii)焦点距離ごとに撮影された、各第1画像において焦点の合った第1部分、及び当該第1部分に対応する、各第2画像において焦点の合った第2部分を、各第1画像及び各第2画像から、それぞれ抽出し、
(iii)抽出された、複数の第1部分及び複数の第2部分を合成し、当該合成された画像を表示装置に表示させる
制御装置をさらに備える、請求項1から20のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記試料に対して前記荷電粒子線が入射する側に設置された、前記対物レンズとは異なる他の対物レンズと、
前記他の対物レンズの強度を可変する他の対物レンズ電源と、
前記対物レンズの強度を可変する対物レンズ電源と
を備え、
前記他の対物レンズ電源のみを用いるとき、前記試料は、前記他の対物レンズと前記対物レンズとの間に配置され、
前記対物レンズ電源のみを用いるとき、前記対物レンズと測定試料面との距離が前記他の対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされる、請求項1から17のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。 - 前記板状部の前記開口部に取り付けられた、前記第2の検出器の部分は、電位板の役割を有する、請求項17に記載の荷電粒子線装置。
- 前記荷電粒子線は、正のイオンであり、
前記試料には、接地電位以上の正の電位が与えられており、
前記電位板には、前記試料の電位と比べて同電位又は高い電位が与えられている、請求項10に記載の荷電粒子線装置。 - 請求項1から23のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置を備える、走査電子顕微鏡。
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