JP6814282B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置において、電界レンズを重畳させたブースティング型の磁界レンズを用いた技術について開示されている（特許文献１参照）。特許文献１の対物レンズの利点は、例えば、減速静電場による低エネルギー観察における分解能の高さである。

特開平１−２９８６３３号公報

特許文献１によれば、試料の状況により分解能が悪くなる場合がある、という課題がある。例えば、試料表面に凹凸を有する場合や、荷電粒子線の通過する光軸に対して試料が傾斜している場合、試料上に形成される電界レンズが歪み、対物レンズの性能劣化が生じる。

そこで、本発明の目的は、電界レンズの歪みを抑制することで高分解能観察を実現できる荷電粒子線装置を提供することにある。

本発明の一態様の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、荷電粒子源と試料との間に配置され、荷電粒子線の通路を形成すると共に、該記荷電粒子線を加減速するブースティング電極と、ブースティング電極を覆うように形成される第一の磁極片と、第一の磁極片を覆うように形成される第二の磁極片と、第一の磁極片の外側に配置されると共に前記第二の磁極片の内側に配置され、第一のレンズを形成する第一のレンズコイルと、第二の磁極片の外側に配置され、第二のレンズを形成する第二のレンズコイルと、第一の磁極片の先端部と第二の磁極片の先端部との間に形成され、試料と第二の磁極片の先端部の間に形成させる電界を制御する制御電極と、を備える。

本発明によれば、電界レンズの歪みを抑制することで高分解能観察を実現できる荷電粒子線装置を提供することができる。

ＳＥＭの概略図。 ＳＥＭの詳細図。 減速電界の概略図。 対物レンズを形成する種々部品の分割ユニットの断面図。 分割箇所へ搭載される筐体内検出器の断面図。 分割ユニットの固定方法の概略図。 制御電極への電圧導入方法の概略図。 ＦＩＢ−ＳＥＭの概略図。

以下の実施例では、荷電粒子線装置の一態様として、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）を例に説明するが、これに限られることはなく、例えば、集束イオンビーム−走査電子顕微鏡複合装置（以下、ＦＩＢ−ＳＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、等にも適用可能である。

図１はＳＥＭの概略図である。該ＳＥＭは、一次荷電粒子線（ここでは一次電子線）を試料１０３に照射するＳＥＭ筐体１０２と、該筐体１０２を搭載し観察時に試料を収容する試料室１０１と、試料室１０１を搭載する架台１００と、画像を表示するモニタ（表示部）１０４と、ＳＥＭ全体のシステムを制御する制御部１０５と、を備える。

図２はＳＥＭの詳細図である。ＳＥＭ筐体１０２は、一次電子線１１２を放出する電子源１１１と、一次電子線１１２を試料１０３上に集束させる対物レンズと、一次電子線１１２を電子源１１０直下から対物レンズ先端まで加速させ、該対物レンズを高いエネルギー状態で通過させるためのブースティング電極１１３及び制御電極１１４と、一次電子線１１２の照射により試料１０３から生じる信号電子１２１を検知する検出器１２２、１２３と、を備える。ブースティング電極１１３及び制御電極１１４により一次電子線１１２を加速すると、対物レンズにより集束作用を受ける際の一次電子線１１２のエネルギーは高くなるため、レンズ収差が低減し、分解能が改善する。

ここで、対物レンズとは、電界重畳型の磁界レンズであり、２種類のモードを有する。一つは試料上への磁場の漏えいが無い非浸漬型の磁界レンズ１１９（非浸漬モード）であり、もう一つは試料上へ磁場を形成する浸漬型の磁界レンズ１２０（浸漬モード）である。前者は試料上への磁場の漏れがないため磁場の影響のない分析や磁性試料の観察に適しており、後者は試料上に磁場を形成することでレンズ焦点距離の短縮により高分解能観察に適している。このように、用途に応じて、磁界レンズのレンズモードを使い分けることで幅広い分析が可能である。

非浸漬型の磁界レンズ１１９（第一のレンズ）は、第一の磁極片１１５の外側に配置され第二の磁極片１１６の内側に配置される第一のレンズコイル１１７に電流を流すことで、第一の磁極片１１５と第二の磁極片１１６の間に形成される。一方、浸漬型の磁界レンズ１２０（第二のレンズ）は、第二の磁極片１１６の外側に配置される第二のレンズコイル１１８に電流を流すことで、第二の磁極片１１６と試料１０３の間に形成される。一次電子線１１２が試料１０３上で集束するようコイルに流す電流を制御部１０５により制御することで、これらの磁界レンズの強度を制御できる。

第一の磁極片１１５及び第二の磁極片１１６は軸対称な中空円錐形状であり、純鉄やパーメンジュールなどの軟磁性体材料で構成される。また、第二の磁極片１１６の試料側の開孔は第一の磁極片１１５の試料側の開孔より小さい。

第一の磁極片１１５及び第二の磁極片１１６は電子源１１１と試料１０３の間に配置され、第二の磁極片１１６は第一の磁極片１１５の外側に配置される。第二の磁極片１１６の試料側先端部は第一の磁極片１１５の試料側先端部よりも試料側に配置される。

信号電子を検知する検出器には、ＳＥＭ筐体１０２内に搭載される筐体内検出器１２２と、試料室１０１に搭載される試料室検出器１２３があり、例えば、シンチレータを用いた検出器や半導体を用いた検出器などが用いられる。

図３は減速電界の概略図であり、Ａは試料上に形成される第二の減速電界、Ｂは試料傾斜時の第二の減速電界、Ｃは抑制された第二の減速電界、を示す。

ブースティング電極１１３は、光軸１１０に対して軸対称な中空円筒形状であり、第一の磁極片１１５の内側に配置され、電子源直下から第一の磁極片１１５の試料側の先端よりも下部まで配置される。

制御電極１１４は、光軸１１０に対して軸対称な中空円錐形状であり、ブースティング電極１１３と第二の磁極片１１６の間に配置される。

ブースティング電極１１３には正電圧を印加し、制御電極１１４にはブースティング電極１１３の電圧以下、かつ、試料１０３の電圧以上の電圧を印加する。ブースティング電極１１３と制御電極１１４の電圧値が異なる場合、該電位差により一次電子線１１２を減速する第一の減速電界１３０が形成され、制御電極１１４と第二の磁極片１１６及び試料１０３の電位差により一次電子線１１２を減速する第二の減速電界１３１が形成される。ここで、第二の磁極片１１６の先端部と試料１０３との間の距離、及び、制御電極１１４への印加電圧を適切な値に設定する。すると、第二の減速電界１３１は主に制御電極１１４と第二の磁極片１１６の電位差により形成され、試料１０３上への電界漏れを抑えることができる。

即ち、ブースティング電極１１３、制御電極１１４、第二の磁極片１１６、及び、試料１０３が、互いに電気的に独立して配置され、試料１０３への印加電圧をVs、制御電極１１４への印加電圧をVc、ブースティング電極１１３への印加電圧をVbと定義すると、Vs≦Vc≦Vbを満たすようにする。

例えば、第二の磁極片１１６の先端部と試料１０３との間の距離を４ｍｍとした場合、接地された試料に対して制御電極１１４の電圧値が１００Ｖ程度であれば、試料上の電界漏れを抑えることができる。このため、試料表面の凹凸や試料傾斜などの試料形態に依存して発生する第二の減速電界１３１の歪みを抑制することが可能となり、試料形態に依存して発生するレンズ性能の劣化を抑制することができる。

また、ブースティング電極１１３及び制御電極１１４の電圧値はＳＥＭの操作を行うためのＧＵＩ（表示部１０４）により任意に変更することが可能である。従って、観察条件による電極の電圧値の変更が容易となる。

ここで、対物レンズのモード切替時にブースティング電極１１３の電圧を一定値に設定し、制御電極の電圧値のみを変更することで、ブースティング電極１１３の電圧値の変更に伴う光学条件の変化無しに対物レンズを使用することができる。

次に、ＳＥＭの動作原理について説明する。電子源１１１から放出された一次電子線１１２は、ブースティング電極１１３の円筒内を高速で進行する。非浸漬モードの場合、一次電子線１１２は非浸漬型の磁界レンズ１１９による集束作用を受けた後、第一の減速電界１３０と第二の減速電界１３１により減速され試料１０３に照射される。一方、浸漬モードの場合、一次電子線１１２は第一の減速電界１３０で減速された後、浸漬型の磁界レンズ１２０による集束作用を受け、その後、試料１０３上に形成された第二の減速電界１３１により減速され試料１０３に照射される。このように、一次電子線１１２をブースティング電極１１３により加速させることで、一次電子線１１２は高いエネルギーをもって磁界レンズによる集束作用を受けるため、磁界レンズ通過時に発生する収差を低減することができる。

レンズ作用により集束した一次電子線１１２は走査コイルの偏向作用によって試料上を走査する。一次電子線１１２が試料１０３に照射されると、信号電子１２１が放出される。信号電子１２１は筐体内検出器１２２あるいは試料室検出器１２３により検出される。

制御電極１１４への印加電圧を制御することで、第一の減速電界１３０と第二の減速電界１３１の減速作用を制御できる。例えば、光軸１１０に対して非軸対称な表面形態を有する試料や光軸に対して試料を傾斜させ、試料上の第二の減速電界１３１を抑制したい場合、制御電極１１４の電位を試料電位に近づけるように制御すればよい。

浸漬型の磁界レンズ１２０を高分解能化したい場合、第二の減速電界１３１を強めるために制御電極１１４の電圧値を高く設定する。また、非浸漬型の磁界レンズ１１９を高分解能化しつつ、傾斜試料や表面に凹凸のある試料を観察したい場合は、第二の減速電界１３１を弱めるために制御電極１１４の電圧値を第二の磁極片及び試料の電位に近くなるよう設定する。

このように、対物レンズのそれぞれのモードにおいて、試料形態に依存せず、高分解能観察が可能となる。即ち、対物レンズのブースティング化において問題となる試料上での減速電界の歪みを制御電極１１４により抑制することができる。

また、信号電子１２１が５０ｅＶ程度の低いエネルギーをもつ二次電子の場合、第二の減速電界１３１によりＳＥＭ筐体１０２内に吸い上げられる。一方、二次電子に比べ比較的高いエネルギーをもつ後方散乱電子は第二の減速電界１３１により集束せず直進する。従って、第一及び第二の減速電界１３１の強度と検出器の配置によって、二次電子、後方散乱電子を弁別することが可能である。

図４は対物レンズを形成する種々部品の分割ユニット１４１の断面図である。Ａは分割ユニット１４１がＳＥＭから分割される様子を示す。Ｂの分割ユニット１４１は、ブースティング電極の試料側先端部、制御電極、第一の磁極片の試料側先端部、及び、第二の磁極片の試料側先端部とから構成される。Ｃは、第一の磁極片の試料側先端部が分割ユニット１４１に含まれない例を示す。このように、必要に応じて、種々部品をＳＥＭから着脱可能な構造とすることができる。これにより、対物レンズを形成するための電極や磁極片が不純物の付着やガスの吸着等により汚染した場合や干渉物により損傷した場合の修復が容易となり、メンテナンス性が向上する。

図５は、分割箇所へ搭載される筐体内検出器１２２の断面図である。この場合、検出面の汚染により信号電子の収量が低下した場合や検出器が故障した場合の修復が容易となる。分割箇所には筐体内検出器１２２の他に、電子線を偏向するための偏向器や差動排気用の絞り穴を搭載することも可能である。このように、分割ユニット１４１とすることで、分割箇所への他部品の挿入が容易となる利点がある。

分割ユニット１４１においては、ブースティング電極、制御電極、第一の磁極片、及び、第二の磁極片を、それぞれ電気的に独立させる必要があるため、絶縁部材１４０（樹脂材料やセラミックス材料等）を用いて固定される。

図６は分割ユニットの固定方法の概略図であり、Ａは第二の磁極片上１１６aに直接ネジで固定する方法、Ｂは第二の磁極片上１１６aに切られたネジに直接、第二の磁極片下１１６bを固定する方法を、Ｃ、Ｄは、樹脂材料やセラミックス材料等の絶縁物を用いて固定する方法を示す。Ｃでは第二の磁極片上に固定し、Ｄでは第一の磁極片に固定している。何れの場合も第二の磁極片上と第二の磁極片下の端面を隙間無く接合することを前提とする。その他にも樹脂の勘合による固定や磁気による吸着を利用した固定方法などが可能である。

対物レンズの性能を発揮するためには、磁界レンズと電界レンズの中心軸合わせが必要である。即ち、磁界レンズを形成する第一、第二の磁極片及び電界レンズを形成するブースティング電極、制御電極位置の組付け精度が重要となる。本実施例ではこれらの組付け精度が必要な部品を分割ユニットとして纏めることで、小型化による組立性の向上や分割ユニットを消耗品として提供できる利点がある。

図７は制御電極への電圧導入方法の概略図であり、Ａは第二の磁極片の分割箇所から導入する方法を、Ｂは第二の磁極片の側面に空いた穴から導入する方法を示す。この穴は軸対称に２〜４つ備えることが好ましい。ブースティング電極下１１３bへの電圧の導入方法は、分割箇所でブースティング電極上１１３aに接合する方法や、制御電極と同様に第二の磁極片の外側から電圧導入する方法としても良い。接合の方法としては、バネを用いた接合やケーブルを用いた接合などが可能である。

実施例１によれば、荷電粒子線を加速させるブースティング電極に加え、制御電極を追加することで、対物レンズのモードによらず、電界重畳による高分解能観察を実現できる。また、高分解能観察と試料上の電磁界フリーの観察を両立した荷電粒子線装置を提供できる。更に、磁極片及び電極の試料側先端部を分割ユニット化し着脱可能な構造とすることで、組立性やメンテナンス性の向上により安定して機能を提供できる。

図８はＦＩＢ−ＳＥＭ（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ；複合荷電粒子線装置ともいう）の概略図である。ＦＩＢ−ＳＥＭにおいてはＦＩＢ筐体１７０が試料に向かって搭載され、ＦＩＢにより試料の加工を行う。一般に、ＦＩＢ−ＳＥＭでは、ＦＩＢによる加工時は試料をＦＩＢ筐体１７０の中心軸に対して直交するよう試料を傾けてイオンビームによる加工を行う。このため、対物レンズと試料の間に減速電界を形成する場合、試料の傾斜により電界が歪み、試料上での一次電子線の照射位置やＳＥＭの分解能劣化など、レンズ性能の劣化が起こりうる。従って、ＦＩＢ−ＳＥＭのような試料をＳＥＭ筐体１０２に対して傾斜させる装置においては、対物レンズと試料の間に形成される減速電界の制御が重要である。本実施例では、制御電極により対物レンズと試料の間の減速電界を制御することで、傾斜させた試料に対してもブースティングによる分解能向上の効果が得られる。

また、対物レンズ先端部を分割ユニットとすることはＦＩＢ−ＳＥＭのＳＥＭ対物レンズとして効果的である。ＦＩＢにより試料を加工する際、試料からスパッタ粒子（原子・分子）がはじき出される。そして、このスパッタ粒子が対物レンズ先端部に付着することで、筐体内検出器の性能低下や電極間の絶縁性能の劣化による放電等の不具合が起こり得る。このため、磁極片及び電極の試料側先端部を分割ユニットとし着脱可能な構造とすることは、筐体内検出器や電極の不具合が発生した際に、これらの部品を容易に交換することができる利点がある。

１００…架台、１０１…試料室、１０２…ＳＥＭ筐体、１０３…試料、１０４…モニタ、１０５…制御部、１１０…光軸、１１１…電子源、１１２…一次電子線、１１３…ブースティング電極、１１３a…ブースティング電極上、１１３b…ブースティング電極下、１１４…制御電極、１１５…第一の磁極片、１１６…第二の磁極片、１１６a…第二の磁極片上、１１６b…第二の磁極片下、１１７…第一のレンズコイル、１１８…第二のレンズコイル、１１９…非浸漬型の磁界レンズ、１２０…浸漬型の磁界レンズ、１２１…信号電子、１２２…筐体内検出器、１２３…試料室検出器、１３０…第一の減速電界、１３１…第二の減速電界、１３２…傾斜試料、１４０…電極固定用部品、１４１…分割ユニット、１５０…分割ユニット固定ネジ、１５１…分割ユニット固定用部品、１６０…電圧導入線、１６１…電圧導入端子、１７０…ＦＩＢ筐体

Claims (10)

1. 荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源と試料との間に配置され、前記荷電粒子線の通路を形成すると共に、前記荷電粒子線を加減速するブースティング電極と、
   前記ブースティング電極を覆うように形成される第一の磁極片と、
   前記第一の磁極片を覆うように形成される第二の磁極片と、
   前記第一の磁極片の外側に配置されると共に前記第二の磁極片の内側に配置され、第一のレンズを形成する第一のレンズコイルと、
   前記第二の磁極片の外側に配置され、第二のレンズを形成する第二のレンズコイルと、
   前記第一の磁極片の先端部と前記第二の磁極片の先端部との間に形成され、前記試料と前記第二の磁極片の先端部の間に形成させる電界を制御する制御電極と、を備える荷電粒子線装置に、着脱可能に形成される分割ユニットを備え、前記分割ユニットは、前記第二の磁極片の前記試料側の先端部を含み、
   前記分割ユニットは、更に、前記制御電極と、前記ブースティング電極の前記試料側の先端部を含む、
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記第一のレンズとは非浸漬型レンズであり、前記第二のレンズとは浸漬型のレンズである、請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 前記分割ユニットと前記荷電粒子線装置との分割箇所から、該荷電粒子線装置内へ部品を挿入可能に形成される、請求項１記載の荷電粒子線装置。
4. 前記部品とは、前記試料から発生した荷電粒子を検出する検出器である、請求項３記載の荷電粒子線装置。
5. 前記部品とは、真空差動排気用の絞り穴である、請求項３記載の荷電粒子線装置。
6. 前記部品とは、荷電粒子線を偏向するための偏向器である、請求項３記載の荷電粒子線装置。
7. 荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源と試料との間に配置され、前記荷電粒子線の通路を形成すると共に、前記荷電粒子線を加減速するブースティング電極と、
   前記ブースティング電極を覆うように形成される第一の磁極片と、
   前記第一の磁極片を覆うように形成される第二の磁極片と、
   前記第一の磁極片の外側に配置されると共に前記第二の磁極片の内側に配置され、第一のレンズを形成する第一のレンズコイルと、
   前記第二の磁極片の外側に配置され、第二のレンズを形成する第二のレンズコイルと、
   前記第一の磁極片の先端部と前記第二の磁極片の先端部との間に形成され、前記試料と前記第二の磁極片の先端部の間に形成させる電界を制御する制御電極と、を備え、
   前記第二の磁極片は、その側面に軸対称に、前記制御電極への電圧を導入するための２乃至４つの貫通穴を備える、ことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 前記ブースティング電極、前記制御電極、前記第二の磁極片、及び、前記試料が、互いに電気的に独立して配置され、前記試料への印加電圧をVs、前記制御電極への印加電圧をVc、前記ブースティング電極への印加電圧をVbと定義すると、Vs≦Vc≦Vbを満たす、請求項１記載の荷電粒子線装置。
9. 荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源と試料との間に配置され、前記荷電粒子線の通路を形成すると共に、前記荷電粒子線を加減速するブースティング電極と、
   前記ブースティング電極を覆うように形成される第一の磁極片と、
   前記第一の磁極片を覆うように形成される第二の磁極片と、
   前記第一の磁極片の外側に配置されると共に前記第二の磁極片の内側に配置され、第一のレンズを形成する第一のレンズコイルと、
   前記第二の磁極片の外側に配置され、第二のレンズを形成する第二のレンズコイルと、
   前記第一の磁極片の先端部と前記第二の磁極片の先端部との間に形成され、前記試料と前記第二の磁極片の先端部の間に形成させる電界を制御する制御電極と、を備え、
   前記第一及び第二の磁極片の試料側の先端部、並びに、前記ブースティング電極及び前記制御電極の試料側の先端部は、軸対称な中空円錐形状であり、
   前記ブースティング電極の試料側の先端部は、前記第一の磁極片の試料側の先端部及び前記第二の磁極片の試料側の先端部との間に位置し、
   前記制御電極の試料側の先端部は、前記ブースティング電極の試料側の先端部と前記第二の磁極片の試料側の先端部との間に位置する、ことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 第一のレンズコイルを励起する時に前記ブースティング電極に印加される電圧と、第二のレンズコイルを励磁する時に前記ブースティング電極に印加される電圧が同一電位に設定される、請求項１記載の荷電粒子線装置。

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