JP6815437B2 - 低真空用荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、リターディング電圧を用いた低真空用荷電粒子線装置に関するものである。

半導体デバイスはムーアの法則に従って、毎年縮小が進み、最先端デバイスでは量産段階のデバイスでも最小フィーチャーサイズが２０ｎｍを切ろうとしている。小さなフィーチャーサイズを実現するためには、より小さなパターンを形成できる露光技術が必要である。

従来は波長１９３ｎｍのレーザー光線が露光に使用されてきたが、光学的に分解できる限度を既に大きく超えているため、近年では波長が１３．５ｎｍのＥＵＶ光を利用する露光技術が精力的に進められている。

この技術は日本発と言われる技術であるが、１０年以上昔からＡＳＭＬ等で実用化に向けて研究開発されている。露光装置本体光学系はほぼ完成しているが、現状のＥＵＶ露光装置は経済的量産に必要とされる１００Ｗから２００Ｗの光源パワーを得ることが出来ないため、２０ｎｍ世代の露光に使用することはスキップされた。

その代わりに既存の波長１９３ｎｍ露光プロセスを複数回繰り返し行うことでさらに小さなフィーチャーサイズを実現することができる、いわゆるダブルあるいはトリプル露光技術が実際の生産現場では用いられている。原理上は波長１９３ｎｍのレーザー光線を用いた液浸リソグラフィーを複数回繰り返すことにより幾らでも小さなパターンを作ることが可能であるが、従来よりも１ケタ高い精度のｎｍオーダーのアライメント精度が必要なことや化学増幅レジストの大きな分子構造から来る大きなラフネス等が繰り返し露光プロセスの制限になることが知られている。現在は、経済的限度と言われている露光プロセスを２回繰り返すダブルパターニングが実用に供せられており比較的構造の簡単なメモリーデバイスでは、２０ｎｍから１６ｎｍのライン＆スペースを実現するために利用されている。

構造の簡単なメモリーデバイスだけでなく、ＣＰＵやロジックデバイスも機能拡充や消費電力低減のためにパターン縮小を行うことが必要である。ロジックデバイスは繰り返しの無い複雑なパターンを利用するためロジックデバイスをダブルあるいはトリプル露光で作るためには相当複雑なパターンが必要である。本来１回の露光で実現出来るパターンを複数回の露光で利用可能な用に２枚のフォトマスク上のパターンに分割するためには非常に複雑な計算が必要である。パターンによっては分割計算が発散するなどして必要な結果が得られない場合がある。

これらの複雑さを回避する目的で、コンプリメンタリーリソグラフィーと呼ばれる、主にインテルが提唱しているリソグラフィー容易化技術が使われようとしている。この露光方法では、複雑なロジック回路をメモリー回路の様なL&Sの簡単なパターンに還元したパターンを利用することに特徴がある。このようにすることで、複雑なロジックデバイスのパターンを最も露光しやすいＬ＆Ｓパターンとそのラインをカットするプロセスのみに限定しているため、複雑なパターン分割計算が必要なく、プロセスは簡単で、計算上は８ｎｍ程度まで行くとされている。

一方、以上述べたように１９３ｎｍ露光技術が延命されると、それに利用されるフォトマスクはレイヤー毎に露光回数分増加し、従来以上に多くのマスク検査や精密な寸法測定が要求されるようになる。例えば、ダブルパターニングでは、２枚のフォトマスクを順次重ねて用いるため、２枚のマスク間のマスク上に形成されているラインの絶対位置精度やアライメント精度が今まで以上に重要である。より細かいパターンを露光するための光学補正も複雑かつ、精密になる。インバースリソグラフィーを用いたマスクなどは、高次の回折高まで使用するため、補正に利用するパターンサイズはさらに小さい。

これらのマスクが正しい寸法で出来ているかどうかを調べるためには、電子顕微鏡技術が必須であるが、高精細画像を取得するためにはサンプル表面にビームスポットサイズの小さな電子を照射して、信号電子を検出する必要があるが、その際、サンプル表面がチャージして照射電子ビームや信号電子に悪影響を与えないことが必須である。

従来から、電子ビーム光学系の収差を小さくする目的で、リターディング法が用いられている。この方法は、一旦、電子ビームのエネルギーを数十ＫＶの高いエネルギーにしてから、電子光学系を用いて電子ビームを絞り、試料に加えた逆バイアスによって、電子のエネルギーを１ＫＶ以下に減速して照射する方式である。電子ビームはエネルギーが大きいほど波長が短くなり、ビームサイズを小さく絞ることが出来るようになり画像分解能が向上する。しかしながら、半導体デバイスなどを高エネルギー電子ビームで直接観察すると、高エネルギーの電子が半導体に半永久的な作用を起こしてデバイスにダメージを与えることが分かってきた。それを防止する意味で、半導体用ＣＤＳＥＭではビームサイズを絞りながらかつ、照射時の電子ビームエネルギーを下げるためにリターディング法が用いられている。

リターディング法は、測定対象サンプルに任意の逆バイアス電圧を掛けることが出来るため、２次電子放出効率が１になるように照射電子ビームのエネルギーを調整できることが特徴となっている。２次電子放出効率が１である場合、入射する電子の個数とサンプルから出ていく電子の個数が等しいため、サンプル表面には電荷蓄積が起こらないため、チャージアップに強いと言われている。

しかしながら、サンプルが純粋な石英で出来たフォトマスクあるいはナノインプリント用テンプレートでは、電圧を加えるために用いるサンプル支持台とフォトマスクの表面では電位が異なるため、２次電子放出効率が１になるように調節するのは、極めて困難である。そのため場合によっては、画像が真っ白になって観察できないことが知られている。また、プロセス起因で電荷がサンプル表面近くにまばらに蓄積してしまった場合は、サンプルの表面電位は場所によって異なり、照射エネルギーの最適点を見つけることが出来ずレターディング法は無力である。

一方、１Ｐａ以下の低真空に真空チャンバーの雰囲気を制御することで電子ビーム照射によってプラスマイナスイオンを積極的に発生させて、余剰電荷がサンプル表面に蓄積するのを防止して、石英であっても安定に電子ビーム観察できるようになることが知られている。

リターディングによる収差低減効果、２次電子放出効率調整効果および低真空による表面電荷蓄積防止効果が同時に実現できれば、電子ビーム観察はどのようなサンプルに対しても非常に安定になる。

しかしながら、低真空を実現するためには真空中にガスを導入するため、リターディングのための高電圧をサンプルに加えるとポールピースとの間でガスがイオン化して放電が起こり、装置あるいはサンプルが破損するなど、不具合が起こることが知られており、そのままではリターディング法を採用することが出来ないなどの問題がある。

本発明は、これらの問題点を解決し、荷電粒子で走査したサンプルのチャージを中和できる低真空状態であっても安定に目的とするリターディング電圧を印加することができることに加えて、低ランディングエネルギーの荷電粒子をサンプルに照射できるようにすることを目的とする。

そのため、本発明は、サンプルに照射する荷電粒子をリターディング電圧により減速してサンプルに照射しつつ走査してそのときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を検出するリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置において、荷電粒子を発生させる荷電粒子線源と、荷電粒子線源で発生された荷電粒子を加速する加速電圧と、加速電圧で加速された荷電粒子を細く絞ってサンプル面に照射する対物レンズと、対物レンズでサンプル面に細く絞って照射される荷電粒子をサンプル面上で平面走査させる偏向走査系と、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を検出する中心に荷電粒子を通過させる穴を設けた検出器とを高真空側に設け、サンプルを収納して所定低真空に保持し、チャージを中和するための真空チャンバーを低真空側に設け、低真空側と高真空側との間に中心に穴を配置した低真空側に面して第１のアパチャーおよび高真空側に面して第２のアパチャーを連結して設け、第１のアパチャーに加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速するリターディング電圧を印加して荷電粒子線を減速してサンプルに照射すると共に、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を第１のアパチャーの中心の穴および第２のアパチャーの中心の穴を逆方向に走行させ、該走行させた２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を検出器で検出するようにしている。

この際、第１のアパチャーと第２のアパチャーとの間の空間を差動排気するようにしている。

また、第１のアパチャーおよび第２のアパチャーの中心の穴の直径を０．０５ないし数ｍｍの任意とするようにしている。

また、第１のアパチャーに，サンプルに照射する荷電粒子線のエネルギーを数百Ｖないし数ＫＶの範囲内の任意になる、減速電圧を印加するようにしている。

また、第１のアパチャーに，数ＫＶないし十数ＫＶのリターディング電圧を印加するようにしている。

また、第１のアパチャーを対物レンズの下極および第２のアパチャーを対物レンズの上極に連結し、第１のアパチャーと第２のアパチャーとの間の空間を差動排気するようにしている。

また、第１のアパチャーと第２のアパチャーとの間を高抵抗材料で連結し、汚染などしたことによる放電の影響を軽減するようにしている。

また、第２のアパチャーの荷電粒子線源側に円筒状の電極を設け、加速電圧で加速された荷電粒子線を更に加速するブースタ電圧を印加するようにしている。

また、第１のアパチャーにリターディング電圧を印加する代わりに、第２のアパチャーにリターディング電圧を印加、あるいは第１アパチャーと第２のアパチャーの両者にリターディング電圧を印加するようにしている。

また、検出器に２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を吸引する電圧を印加するようにしている。

本発明は、荷電粒子で走査したサンプルのチャージを中和できる低真空状態であっても安定に目的とするリターディング電圧を印加することができることに加えて、低ランディングエネルギーの荷電粒子をサンプルに照射できる。

また、リターディング電圧を調整し、サンプルの表面にチャージの発生が可及的に少なくなるようにすると共に、どうしても発生してしまったチャージを、低真空状態でガスを分離して生成したプラスとマイナスの電荷で中和して除去することができる。これにより、どのような表面状態を持つサンプルにおいてもサンプル上に生じるチャージ（電荷）を除去し、高分解能の画像を観察、取得し、測長できる。

本発明は、荷電粒子線源と、荷電粒子を加速する加速電圧と、荷電粒子を細く絞ってサンプル面に照射する対物レンズと、偏向走査系と、検出器とを高真空側に設け、所定低真空に保持してチャージを中和するための真空チャンバーを低真空側に設け、低真空側と高真空側との間に第１のアパチャーと第２のアパチャーを連結して設け、第１のアパチャーに加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速するリターディング電圧を印加して荷電粒子線を減速してサンプルに照射すると共に、細く絞った荷電粒子をサンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を第１のアパチャーの中心の穴および第２のアパチャーの中心の穴を逆方向に走行させ、該走行させた２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を検出器で検出し、荷電粒子で走査したサンプルのチャージを中和できる低真空状態であっても安定に目的とするリターディング電圧を印加することができることに加えて、低ランディングエネルギーの荷電粒子をサンプルに照射することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。図１は全体構造図を示し、荷電粒子線のうち負の電荷をもつ電子の場合の１実施例構成の例を示す。正の電荷をもつイオンの場合も正の電荷に対応した同様の構成を有するものである。以下、負の電荷をもつ電子の場合を例に詳細に説明する。

図１において、電子銃１は、電子を発生させるものであって、例えば先端の尖ったエミッター（加熱してもよい）に引出電圧を印加して電子を引出し、これを加速電圧で加速して１次電子を放出する公知のものである。

１次電子２は、電子銃１から放出され、図示外のアノード（陽極）に印加された電圧（アノード電圧２１）で加速された１次電子である。エネルギーは必要によって数ＫＶから数１０ＫＶを発生させる。尚、１次電子２のエネルギーは正確にはアノード電圧２１ではなく、これに１次電子２のアノード電圧で加速される前の初速度（数ｅＶ）を加えたものであるがこれは小さな値であるので、ここでは、説明を簡単にするためにアノード電圧２１を当該１次電子２のエネルギー（電圧）として以下説明する。

コンデンサレンズ３は、電子銃１から放出された１次電子２を集束する公知のものである。

ブランキング電極４は、電子銃１から放出された１次電子２を、通過させたり、遮断させたりするものであって、平行平板に電圧を印加して１次電子２を偏向してブランキングアパチャー５の穴の外に照射して実質的に当該１次電子２を遮断する公知のものである。

ブランキングアパチャー５は、軸上に小さな穴を設けたものであって、ブランキング装置４によって１次電子２を偏向したときに遮断する公知のものである。

電子検出器６は、中心に１次電子２を通過する穴を有し、かつその周辺に２次電子、反射電子を検出する検出面を有するものであって、必要に応じて所定の高電圧を印加して２次電子を吸引して検出するものである。尚、電子検出器６の内側に円筒電極を設けてこれに負の電圧を印加し、サンプル１２から放出された２次電子、更に反射された反射電子を軸の外周に配置した電子検出器６の検出面に追い返す作用を持たせてもよい。

偏向器７は、１次電子２を偏向し、サンプル１２の上に対物レンズ８により細く絞られた１次電子を、平面走査する公知のものである。

ブースタ電極１７は、ブースタ電圧２２を印加する電極であって、アノード電圧２１を有する１次電子２１のエネルギーを加速（あるいは必要に応じて減速）したり、後述するリターディング電圧で１次電子２を減速する際に、可及的にリターディング電極の近くまで初期の加速電圧で走行させて減速による対物レンズなどによる収差の低減を抑止したり、するものであって、ここでは、ブースタ電極１７に印加されたブースタ電圧２２に加速（あるいは減速）するものである。

対物レンズ８は、１次電子２を細く絞ってサンプル１２の面上に照射するものである。

真空チャンバー９は、サンプル１２などを低真空中に保持する容器であって、図示外の真空排気系により真空排気される公知のものである。

圧力センサ１０は、真空チャンバー９内の低真空を検出するセンサである。

差動排気アパチャー１１は、２段の差動排気用のアパチャーであって、低真空側のサンプル１２に面した側に差動排気アパチャー（下、第１）１１を設け、高真空側に面した側に差動排気アパチャー（上、第２）１１を設け、低真空側から高真空側の間に空間を設けるためのものである。この空間は、必要に応じて図示外の真空排気系で真空排気（差動排気）する。このアパチャーに酸化膜、チッカ膜、炭素膜等の電子透過薄膜が設けられていてもよい。差動排気アパチャーの典型的なサイズは０．００５ｍｍから数ｍｍの範囲である。差動排気アパチャーは１つの装置に２つ以上の真空度を持つ場所を提供する技術であり、高真空を必要とする、電子銃あるいはＭＣＰ等の電子検出器が動作できる環境をチャンバーの低真空環境とともに提供する。

サンプル１２は、１次電子２を細く絞って照射しつつ平面走査し、放出された２次電子、反射電子を検出し、画像を生成する対象のサンプル、例えばフォトマスク、シリコンウェハ、ＧａＡｓウェハー、ナノインプリント用テンプレート、プラスチックシートなどである。サンプル１２は、所定の電圧（サンプル電圧２４）を印加するときには当該サンプル１２とＸＹステージ１３との間は図示外の絶縁物（絶縁板）で絶縁する。

ＸＹステージ１３は、サンプル１２をＸ方向およびＹ方向に精密に移動させるものであって、図示外のレーザー干渉計によりリアルタイムに精密に位置を測長しつつ移動させる公知のものである。

ＴＭＰ１４は、ターボ・モレキュラー・ポンプであって、オイルフリーの大気圧から高真空まで真空排気する排気系の例であって、ここでは、真空チャンバー９を所定圧力（例えば大気圧から１Ｐａ、更に必要に応じて高真空）まで真空排気するものである。

マスフローコントローラ１５は、圧力センサ１０からの真空チャンバー９内の圧力情報をもとに指定された圧力に真空チャンバー９内の真空がなるように、ＧＡＳ１６からのガスを当該真空チャンバー９に流入するように調整するものである。

ＧＡＳ１６は、Ｎ２，Ｏ２などの真空チャンバー９に流入させる高純度のガスを格納したボンベである。

アノード電圧２１は、電子銃１内の図示外のアノード電極に印加して１次電子２を加速する電圧である。

ブースタ電圧２２は、１次電子２を更に当該ブースタ電圧２２で加速（あるいは減速）し、対物レンズ８による収差の影響を低減（加速した電圧分だけ低減）し、サンプル１２上でより細い１次電子２に絞るために印加する電圧である。

リターディング電圧２３は、ブースタ電圧２２で加速された１次電子（あるいは１次電子）２を減速する電圧であって、通常、サンプル１２に数百Ｖないし２ＫＶ程度の低エネルギーの１次電子で照射しつつ平面走査し、高分解能にするためのものである。尚、サンプル１２に応じて更に低電圧あるいは高電圧にしてもよい。リターディング電圧はサンプルのチャージアップが起こらないような電圧に設定するのが望ましい。

サンプル電圧２４は、サンプル１２に印加する電圧であって、通常は０Ｖである。必要に応じて、リターディング電圧２３と当該サンプル電圧２４との差分がサンプル１２を照射する１次電子のエネルギー（電圧）となるので、サンプル１２に照射するエネルギー（電圧）が適切となるように当該サンプル電圧２４を０Ｖでなく、任意の電圧に設定してもよい。

以上の構成のもとでの動作を簡単に説明する。

（１）サンプル１２をＸＹステージ１３に固定し、真空チャンバー９内をＴＭＰ１４によって排気し、圧力センサ１０で検出した圧力が所定の圧力となるように、マスフロー１５によってＧＡＳ１６からのガスを真空チャンバー９に流入させる量を調整する。これにより、真空チャンバー９内は所定の低真空状態（例えば１ないし１００Ｐａ）に保持される。

（２）（１）と同時に、差動排気アパチャー１１の上部の高真空側は図示外の高真空排気系により高真空に排気する。

（３）ここで、低真空側と高真空側との間に、本発明の、中心に穴を有する２段の差動排気アパチャー１１が設けられているため、両者（低真空側と高真空側と）でそれぞれ所望の真空を保持することができると共に、本発明では差動排気アパチャー１１の下（サンプル１２に近い方の下（あるいは上、あるいは両者でもよい））にリターディング電圧２３を印加して減速して１次電子２のエネルギーを低エネルギーにしてサンプル１２に照射しつつ平面走査するために、（１）対物レンズ８による収差の影響（１次電子２を低エネルギーにして収差が大きくなる影響）を小さくして細く絞った１次電子２をサンプル１２に照射しつつ平面走査し、高分解能の画像を取得でき、（２）かつ低エネルギーの１次電子２でサンプル１２の表面を照射しつつ平面走査して当該サンプル１２のごく表面からの２次電子を放出させて高分解能の信号を取得でき、かつ（３）低真空状態においたサンプル１２に１次電子２を照射するために当該低真空中のガスと衝突して分離してプラスとマイナスの電荷が発生し、サンプル１２上に生じた電荷を中和し、サンプル１２のチャージによる影響を低減（あるいは除去）できるという顕著な効果が得られます。

以下図２から図１０を用いて順次詳細に説明します。

図２は、本発明の１実施例構成図（詳細）を示す。

図２の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図２の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図２で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図２の（ａ）において、差動排気アパチャー（下）１１、差動排気アパチャー（上）１１は、図示のように、絶縁体１８を介して対物レンズ８の下極に連結したものであって、リターディング電圧２３（例えば−９ＫＶ）を印加したものである。

真空チャンバー９は、低真空状態に保持、ここでは、例えば１００Ｐａに保持されている。低真空状態は、望ましくは１Ｐａから１００Ｐａ，更に大気圧の範囲で実験を行って決めればよい。１Ｐａよりも圧力が小さくなると、低速エネルギーの１次電子２をサンプル１２に照射しつつ平面走査したときに、ガスとの衝突確率が小さくなりすぎ、ガスを分離してプラスとマイナスの電荷を十分に生成できず、サンプル１２の表面の電荷を中和が困難となるので、最適な値は実験で求めて決めればよい。尚、高真空側は、本例では１ｍＰａとしたが、これに限られず、通常１００ｍＰａよりも高真空であればよい。

ブースタ電極１７は、ブースタ電圧２２（例えば１０ＫＶ）を印加し、１次電子２を加速する電圧を印加するものである。対物レンズ８を構成するポールピースの内側には、１次電子２を加速するためのブースター電極１７を設け、これにより対物レンズ８に入射する前に、減速電圧によって１次電子２のエネルギーが減速するのを防止したり、１次電子２のエネルギーを大きくすることが出来る。例えば、この電極に１０ＫＶの電圧を加えると、８ＫＶで電子銃１を出射した１次電子２は１０ＫＶに加速されて、対物レンズ８に入射し、対物レンズ８の先端には２つのアパチャーが連続している差動排気アパチャー１１が絶縁体１８によって支えられている。

放電を避けるためには、ガスイオンが大量発生しないように高電圧が加えられる場所の真空度を上げるのがよい。もちろん材料は予め真空加熱処理を行って脱ガス処理を行っておくことが望ましい。差動排気アパチャー１１を構成する２つのアパチャーの間はＴＭＰなどの真空ポンプで強烈に引くようになっており、２つのアパチャーの圧力差、つまり、真空チャンバー９の真空度と差動排気アパチャー１１の上の部分は３桁の真空度差が実現できる。例えば、サンプル１２の周辺が１００Ｐａの時に差動排気アパチャー１１の電子源側では、０．１Ｐａが実現できる。このようにすると、差動排気アパチャー１１の上の空間は高真空となり、通常のガス放電は起こりにくくなるため、１ｍｍのギャップで数ＫＶ以上の真空絶縁耐圧が実現できる。一方、差動排気アパチャー１１の下の真空チャンバー９に近い側の真空度は１Ｐａから１００Ｐａ程度の低真空状態に保つことができる。パッシェンの法則により、ある条件下では低真空状態でも放電を避けてある程度の高圧を印加することが出来るが、本実施例ではそれ以上の高電圧を加える場合でも放電が起こらないようにできる。

放電を避けるためには、低真空部において高電位差が起きないようにすることも大事である。本実施例では、従来のＳＥＭ構造では、放電が起きやすい差動排気アパチャー１１とサンプル１２との間の電位が同じになるように電気的に制御する。このようにすると低真空状態にある差動排気アパチャー１１の先端とサンプル１２との間には高電圧が掛からないため、原理的に放電は起こらない。一方、差動排気アパチャー１１とサンプル１２にはリターディング効果に必要な高電圧（リターディング電圧２３）が加えられる。例えば、電子銃１から出射する１次電子２のエネルギー（電圧）が８ＫＶで、ブースター電極１７で１０ＫＶ（ブースタ電圧２２）に加速し、差動排気アパチャー１１とサンプル１２との電位を-９ＫＶに設定すれば、サンプル１２へのランディング電圧は１ＫＶが実現できる。一方、差動排気アパチャー１１とサンプル１２との間の電位差は０ＫＶとなり放電は起こらない。高電圧は高真空側の部分にのみに加えられるので、通常の高真空における沿面放電対策等を行えば、十分の上記の電位差に耐えることが出来る。

以上の方法によって、真空チャンバー９のサンプル１２の周辺圧力を低真空状態に保ちながらリターディング電圧２３を印加でき、該リターディング法は、１次電子２のエネルギーを変えることで、更に、２次電子放出の効率を変化させることができるので、サンプル１２の表面に電荷が蓄積しない条件を作ることが出来る。リターディング法ではサンプル１２の全ての部分の電荷蓄積を０にすることは出来ないが、その０には成らない部分を本発明の低真空状態でガスを分離してプラスとマイナスのイオンを発生させて、サンプル１２上の電荷を中和して除去することにより、極めて安定度の高い、サンプル１２の観察、測定が可能になる。

図３は、本発明のアパチャーサイズと真空度の関係例を示す。図中で横軸の条件は真空チャンバー９内の真空度であって、Ｐａを表す。縦軸のアパチャー上、アパチャー下は図１、図２の差動排気アパチャー１１の上、下を表し、チャンバーは低真空側の真空チャンバー９を表し、ＭＣＰ室は高真空側のＭＣＰ室（電子検出器の存在する空間）を表す。

例えば右下の
・アパチャー上：０．２５ｍｍΦ
・アパチャー下：０．５ｍｍΦ
・チャンバー ：９５Ｐａ
・ＭＣＰ室 ：１．３×１０^-3
が実験で得られた。即ち、図１、図２の差動排気アパチャー１１の上の穴が０．２５ｍｍΦ、下の穴が０．５ｍｍΦの場合に、真空チャンバー９（低真空側）の真空度が９５Ｐａ（約１００Ｐａ）であり、ＭＣＰ室（高真空側）の真空度が１．３×１０^-3（約１ｍＰａ）が得られたこととなる。尚、下の穴と上の穴との間隔は数ｍｍである。

以上のように、２段の穴を有する差動排気アパチャー１１を低真空側と高真空側との間に図１、図２に示すように配置することにより、低真空側の真空度を１００Ｐａにした場合に高真空側の真空度を１ｍＰａに保持でき、実用上問題のないように構成できることが判明した。尚、低真空状態は、１００Ｐａから１Ｐａ（１Ｐａは１次電子２をガスに衝突させて、プラスおよびマイナスのイオンへの分離の確率が小さくなり、サンプル１２の表面の電荷を中和できる下限に相当）であればよい。

図４は、本発明の真空度と放電電圧の関係曲線（パッシェンカーブ）例を示す。横軸はｐ・ｄ（Ｔｏｒｒ・ｃｍ）を表し、縦軸は放電開始電圧（Ｖ）を表す。１３３Ｐａ＝１Ｔｏｒｒである。

図４において、１Ｔｏｒｒで、電極間隔１ｍｍの場合、ｐｄ積が１Ｔｏｒｒ×０．１ｃｍ＝０．１となり、横軸が０．１の縦方向を見ると、放電開始電圧（Ｖ）が１０００以上であることから、１０００Ｖ以上の耐圧があることが判明する。

従って、１Ｔｏｒｒ（１３３Ｐａ）の低真空状態の真空チャンバー９内での放電開始電圧は、１ｍｍ間隔で１０００Ｖ以上あることが判明し、本発明の数百Ｖから２ＫＶのサンプル電圧２４であれば、２ｍｍ程度間隔があればよいことが判明する。

図５は、本発明の他の実施例構成図を示す。

図５の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図５の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図５で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図５の（ａ）において、差動排気アパチャー（下）１１は、図示のように、対物レンズ８の下極の先端（ポールピース）に、絶縁体１８を介して固定され、リターディング電圧２３が印加されるものである。

差動排気アパチャー（上）１１は、図示のように、対物レンズ８の上極の先端にブースタ電極１７に固定され、当該ブースタ電極１７に印加されるブースタ電圧２２が印加されるものである。尚、差動排気アパチャー（上）１１の中心の穴の周辺には、電子検出器６（ＭＣＰ，あるいは小型かつ薄い形状を持つアバランシェダイオードなどの電子検出器）を装着する。

以上の構成のもとでの動作を説明する。

（１）図５では、上と下の差動排気アパチャー１１をそれぞれ電気的に絶縁あるいは高抵抗材料で分離し、それぞれ別の電圧を印加、ここでは、差動排気アパチャー（上）１１にブースタ電圧２２、差動排気アパチャー（下）１１にリターディング電圧２３を印加した。特に、絶縁体１８で支持された差動排気アパチャー（下）１１にはリターディング電圧２３を印加、かつサンプル１２に同じ電圧（あるいは数百Ｖから２ＫＶの電圧）を印加することにより、差動排気アパチャー（下）１１とサンプル１２との間などで放電しないようにできる。

（２）更に、リターディング法は、リターディングに用いる減速電場（リターディング電圧２３による減速電場）がサンプル１２の表面に近いほど、対物レンズ８の収差の影響を小さくできる特質がある。そのため、図５では、１次電子２が減速する位置を下側の差動排気アパチャー（下）１１として、出来るだけサンプル１２の表面に近づいた部分に配置することが望ましい。図５のようにリターディング電圧２３を印加する差動排気アパチャー（下）１１をサンプル１２の可及的に近くに配置することで、対物レンズ８による収差に与える影響を可及的に低減し、サンプル１２に入射する１次電子２のエネルギーを小さくしても１次電子２を細く絞ることが可能となる。

（３）更に、２次電子あるいは反射電子を検出するための電子検出器６を上側の差動排気アパチャー（上）１１の中心の穴の外側のリング状の部分に配置、例えば、ＰＩＮダイオード，ＡＰＤ（アバランシェダイオード）をこの部分を配置、あるいは差動排気アパチャー（上）１１自身を作製する。そして、サンプル１２と電子検出器６の間には１０ＫＶないしそれ以上の電圧を印加することにより、サンプル１２に低加速電圧で照射された電子は２次電子を発生し、当該２次電子は、差動排気アパチャー（下）１１の中心の穴を通過後、差動排気アパチャー（上）１１に印加された電圧によって加速され、電子検出器６に衝突し、増幅・検出し、高効率に電子を検出することが可能となる。ここで、半導体の電子検出器６は非常に薄く、小さいので、差動排気アパチャー（上）１１の中心の穴の外側のリング状の部分に容易に配置することが可能である。もちろん図に制限されることなく、電子が検出可能な他の場所に電子検出器を配置しても構わない。

図６は、本発明の他の実施例構成図（その２）を示す。

図６の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図６の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図６で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２、図５の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図６の（ａ）において、差動排気アパチャー（上）１１および差動排気アパチャー（下）１１は、図示のように、両者は高抵抗材料１９で固定され、差動排気アパチャー（上）１１は対物レンズ８の上極の先端部分の内側に装着されている図示のブースタ電極１２に固定されている。差動排気アパチャー（上）１１にはブースタ電極１７に印加されたブースタ電圧２２が印加されている。一方、差動排気アパチャー（下）１１にはリターディング電圧２３が図示のように印加されている。サンプル１２にはリターディング電圧２３が印加（あるいは０Ｖに保持）されている。

以上の構成のもとでの動作を説明する。

（１）図６では、対物レンズ８の中心付近に配置された差動排気アパチャー１１を構成する２つのアパチャーの電圧を別々に制御できるようにした。差動アパチャー（上）１１および差動排気アパチャー（下）１１は導電性材料からなり、それぞれ独立した電極として機能し、図６では、差動排気アパチャー（上）１１はブースタ電圧２２を印加し、差動排気アパチャー（下）１１はリターディング電圧２３を印加する。

（２）実験によると差動排気アパチャー（上）１１と差動排気アパチャー（下）１１との間に常に微小電流を流しつ続けることにより、真空放電を起こしにくくなることが知られている（つまり、微小電流を流しつつけることで、表面あるいは近傍の電界部分がなだならかになり、局部的に電界強度がきわめて高くなる現象を低減し、トリガとなる微小放電（局部放電）の発生を抑止し、結果的に大きな真空放電を抑止できると予想される）。もちろん、実際の使用に当たっては予め、実際に使用する以上の電圧を印加して放電させてコンディショニングを行い、耐放電特性を上げておくことが望ましい。

（３）そこで、本発明は２つの電極（上と下の差動排気アパチャー１１）は１０ＭΩを超える高抵抗材料１９で結ばれている。このようにすることで、高電圧を２つの電極間に加えるとマイクロアンペア―オーダーの微小電流が常時流れるようになり、大きな電位勾配が局所的に起こることが防止されて耐放電特性が向上する。

図７は、本発明の他の実施例構成図（その３）を示す。

図７の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図７の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図７で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２、図５、図６の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図７の（ａ）において、リターディング電極２２１は、対物レンズ８の下極の先端に高抵抗材料１９を介して固定し、リターディング電圧２２を印加するものである。

差動排気アパチャー（上）１１および差動排気アパチャー（下）１１は、対物レンズ８の上極の先端部分に配置したブースタ電極１７に固定し、ブースタ電圧２２を印加するものである。電子検出器６は、差動排気アパチャー（下）１１の中心の穴の外側にリング状にダイオードを固定している（図６と同様）。

以上の構成もとでの動作を説明する。

（１）図７では、リターディング電圧２３を加えるための電極（リターディング電極２２１）を対物レンズ８の下極のポールピースの先端に高抵抗材料１９を介して固定する。差動排気アパチャー１１は、対物レンズ８の上極のポールピースの先端に固定され、この部分から上部は高真空に保たれている。高抵抗材料１９で差動排気アパチャー１１を固定しているので、高真空にしていない空間（低真空空間）であっても、常に微小電流が流れているため、放電を起こしにくい。さらに、パッシェンの法則に則り、リターディング電極２２１と差動排気アパチャー（下）１１との間の間隔および圧力を適切に取ることで放電電圧を上げることができる。但し、リターディング電極２２１は低真空状態にあるので、数１０ＫＶ以上の電圧差は避けるのが望ましい。リターディング電極２２１には耐放電性があると言われているチタン材料を用いるのが望ましい。リターディング電極２２１の表面を非常に薄い耐圧性のプラスチック等の有機物あるいは無機薄膜で覆い、耐放電性を向上させてもよい。

（２）図７では、差動排気アパチャー（下）１１を電子検出器６であるＰＩＮダイオードあるいはＡＰＤで作成し、あるいは差動排気アパチャー（下）１１のの中心の穴の無い外周のリング状の部分にＰＩＮダイオードあるいはＡＰＤを配置することが出来る。サンプル１２の表面と差動排気アパチャ（下）１１とのの間には大きな電位差が生じている。そのため、低エネルギーでサンプル１２の表面に照射した１次電子２によって生じた２次電子、反射電子はその電位差によって加速され、電子検出装置６であるＰＩＮダイオードあるいはＡＰＤに入射して増幅・検出される。これらデバイスの電子増幅率は入射電子のエネルギーに比例するため、十分な増幅が得られる。

図８は、本発明の他の実施例構成図（その４）を示す。

図８の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図８の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図８で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２、図５、図６、図７の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図８の（ａ）において、ブースタ電極１７１は、図示のように、軸を中心に円筒状に配置し、ブースタ電圧２２を印加する電極である。

差動排気アパチャー（上）１１および差動排気アパチャー（下）１１は、ここでは、図示のように、対物レンズ８の上極の先端の部分に配置したブースタ電極１７１に固定し、ブースタ電圧２２を印加するものである。

下部電極３１は、リターディング電圧２３を印加し、１次電子２のエネルギーを減速するためのものであって、ここでは、対物レンズ８の下極の先端部分に絶縁体を介して、図示のようにリング状で平板の電極であって、図８ではリターディング電圧２３を印加するものである。

以上の構成もとでの動作を説明する。

（１）図８では、電子銃から放出された１次電子２に対して減速電圧（リターディング電圧２３）を加える方法として、サンプル１２と、対物レンズ８の下極のポールピースとの間は低真空状態なので、その場所に大きな電位差を生じさせると放電しやすいので、低真空領域にはパッシェンの法則等で算出できる放電限界以下の電圧差が生じるリターディング電圧２３までを加える。差動排気アパチャー１１で作られた高真空領域には高電位差が許容されるので、その場所に大きな電圧を加える。あるいは、パッシェンの法則を全く逆に利用して、３００Ｐａを超える低真空にすることで、高い放電電圧を持たせることもできる。この際には、電子銃がある側の高真空の低下を避けるために、より小さなアパチャーサイズにしたり、アパチャー穴に、非常に薄い窒化膜や炭素膜、金属、半導体膜など電子透過膜を用いることによって、低真空を遮断することができる。

（２）例えば、対物レンズ８に入射する１次電子２はブースター電圧２２により例えば８ＫＶに加速する。対物レンズ８を抜けた下極のポールピースの先端に絶縁体を介して固定した下部電極３１の電圧は−６ＫＶ（リターディング電圧２３）に成っており、一気に２ＫＶまで減速する。サンプル１２の電圧は-７ＫＶ（サンプル電圧２４）に成っており、さらに１ＫＶ減速する。このように多段に減速することで、対物レンズ８を高エネルギーで通過しながらも、サンプル１２と対物レンズ８の下極のポールピースの先端に絶縁体を介して固定した下部電極３１との間の電位差を放電限界以下の電圧に保つことが出来るようになる。サンプル１２の直前で１次電子２のエネルギーを減速するため、対物レンズ８の収差の低減の影響を最小限にし、細く絞った１次電子２をサンプル１２に照射し、高分解能の画像を取得することが可能となる。

図９は、本発明の他の実施例構成図（その５）を示す。

図９の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図９の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図９で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２、図５、図６、図７、図８の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図９の（ａ）において、減速電極３２は、対物レンズ８の下極の先端のポールピースの部分を絶縁体３２で電気的に絶縁し、かつ磁気的に小さな磁気抵抗で接続した様子を模式的に示したものである。このように構成することで、対物レンズ８の下極の先端のポールピースは絶縁体で絶縁しない場合とほぼ同じ磁気特性を持たせることができ、かつ先端部分を電気的に絶縁してリターディング電圧を印加する減速電極３２として使用可能である。

以上の構成もとでの動作を説明する。

（１）図９では、対物レンズ８の下極のポールピースは純鉄やパーマロイ等の磁性材料であって、金属であって導電性ある材料からできている。そのため、電極として利用することが可能である。図５では、対物レンズ８の下極の先端のポールピースを分割しお互いに電気的に絶縁することで、ポールピースの先端部分をリターディング電極（減速電極３２）として利用する。

（２）これにより、対物レンズ８の下極の先端部分（減速電極３２）は電気的に絶縁されており、この先端部分にリターディング電圧２３を加える。例えば、８ＫＶのエネルギーで対物レンズ８に入射した１次電子２は減速電極３２に加えられた-６ＫＶの電圧により、２ＫＶに減速する。サンプル１２に例えば-７ＫＶの電圧（サンプル電圧２４）を印加しておけば１次電子２は最終的に１ＫＶのエネルギーでサンプルに照射される。
このようにすることで、放電を避けてリターディング法を実行することが出来る。

図１０は、本発明の他の実施例構成図（その６）を示す。

図１０の（ａ）は構成図（詳細）を示し、図１０の（ｂ）は１次電子２のエネルギー（電圧ＫＶ）を示す。図９で、１次電子２、偏向器７、対物レンズ８、サンプル１２、ＸＹステージ１３などは図１、図２、図５、図６、図７、図８、図９の同じ番号のものと同一であるので、説明を省略する。

図１０の（ａ）において、絶縁体３５は、低真空状態に存在する電圧を印加する部分を絶縁体で覆い、電気的に絶縁して放電破壊し難くし工夫したものである。

以上の構成のもとでの動作を説明する。

（１）図１０では、対物レンズ８の中心に低真空領域と高真空領域とを分けるための差動排気アパチャー（上）１１および差動排気アパチャー（下）１１が存在する。差動排気アパチャー（上）１１よりも上部は１ｍＰａ以上の高真空に保たれ、差動排気アパチャー（下）１１から真空チャンバー９の側は１００Ｐａ程度の低真空に保たれる。あるいはまったく常識とは逆に、下部アパチャーに薄膜を設けるなどしてパッシェンの法則が教えるように３００Ｐａを超えるような低真空にしてもよい。一方、対物レンズ８のポールピースの上極および下極の先端部を電気的に絶縁してそれぞれ分割することで、ブースター電極１７と減速電極３６をそれぞれ構成している。

（２）図１０では、ブースタ電極１７および減速電極３６は低真空状態にあり、低真空に露出しているとその場所が放電しやすい。そこで、図１０では、ブースタ電極１７および減速電極３６を絶縁体３５でそれぞれ被覆し、放電し難くする。

（３）例えばブースター電極１７には１次電子２のエネルギーよりも高いと１０ＫＶを印加しておくと、１次電子２は１０ＫＶで対物レンズ８に入射する。対物レンズ８を出た所にある、周辺のポールピースとは電気的に絶縁された下極のポールピース（減速電極３６）に加えられた減速電圧（リターディング電圧、例えば-８ＫＶ）によって減速する。さらに、サンプル１２には−９ＫＶの電位（サンプル電圧２４）が加えられており、最終的に１ＫＶのエネルギーで１次電子２はサンプル１２に照射される。

尚、減速電極３６などの電極を絶縁体３５などの誘電体で覆って放電し難く工夫した場合、電界は誘電率ε分の１に低減するが、放電し難くなるので、最適な誘電体（絶縁体）を実験によって求めてその最適構成を適用する。絶縁体としては酸化膜、ガラスなどの無機材料やフッ素樹脂などの有機材料を用いることができる。絶縁体は電極の表面が十分な絶縁耐圧を持った材料で覆われることが重要なので、電極の間をすべて埋める必要は無く、材料によっては１００ミクロン程度の薄膜で電極を被覆するだけで１０ＫＶ以上の耐圧を持たせることができる。電極の先端は電界集中を避けるために丸めておくことが望ましい。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の１実施例構成図（詳細）である。 本発明にアパチャーサイズと真空度の関係例である。 本発明の真空度と放電電圧の関係曲線例である。 本発明の他の実施例構成図である。 本発明の他の実施例構成図（その２）である。 本発明の他の実施例構成図（その３）である。 本発明の他の実施例構成図（その４）である。 本発明の他の実施例構成図（その５）である。 本発明の他の実施例構成図（その６）である。

１：電子銃
２：１次電子
３：コンデンサレンズ
４：ブランキング電極
５：ブランキングアパチャー
６：電子検出器
７：偏向器
８：対物レンズ
８１：ポールピース
９：真空チャンバー
１０：圧力センサ
１１：差動排気アパチャー
１２：サンプル
１３：ＸＹステージ
１４；ＴＭＰ
１５：マスフロー
１６：ＧＡＳ
１７：ブースタ電極
１８：絶縁体
２１：アノード電圧
２２：ブースタ電圧
２３：ブランキング電圧
２４：サンプル電圧
３１：下部電極
３２、３６：減速電極
３３、３４：絶縁体

Claims (7)

1. サンプルに照射する荷電粒子をガスに衝突させてイオンを発生させて除電する低真空を用いた荷電粒子線装置において、
   荷電粒子を発生させる荷電粒子線源と、
   前記荷電粒子線源で発生された荷電粒子を、加速する加速電圧と、
   前記加速電圧で加速された荷電粒子を、細く絞ってサンプル面に照射する対物レンズと、
   前記対物レンズで前記サンプル表面に細く絞って照射される荷電粒子を、サンプル表面上で平面走査させる偏向走査系と、
   前記細く絞った荷電粒子を前記サンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を検出する検出器を高真空側に設け、
   前記サンプルを収納し、高真空に引いたチャンバーにガスを導入して所定圧力範囲に調整できる真空チャンバーを低真空側に設け、
   前記低真空側と前記高真空側との間に、中心に穴を配置した、該低真空側に面して第１のアパチャーおよび該高真空側に面して第２のアパチャーを連結して設け、
   前記第１のアパチャーに、前記加速電圧で加速されて細く絞られた荷電粒子を減速する負のリターディング電圧を印加して荷電粒子線を減速し、該減速した荷電粒子線を前記真空チャンバー内に入射させ、該真空チャンバ―内に導入したガスに衝突させて正および負のイオンを発生させ所定真空圧力範囲に当該真空チャンバー内の圧力を保持すると共に前記減速された荷電粒子線を前記サンプルに照射して該照射時に発生する該サンプルの余剰電荷を前記正および負のイオンにより中和し、および前記細く絞った荷電粒子を前記サンプルに照射しつつ平面走査したときに放出された２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を、前記第１のアパチャーの中心の穴、および前記第２のアパチャーの中心の穴を逆方向に走行させ、該走行させた２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を前記検出器で検出することを特徴とする低真空用荷電粒子線装置。
2. 前記第１のアパチャーと前記第２のアパチャーとの間の空間を差動排気することを特徴とする請求項１に記載の低真空用荷電粒子線装置。
3. 前記第１のアパチャーを前記対物レンズの下極、および前記第２のアパチャーを前記対物レンズの上極に連結し、当該第１のアパチャーと第２のアパチャーとの間の空間を差動排気することを特徴とする請求項１から請求項２のいずれかに記載の低真空用荷電粒子線装置。
4. 前記第１のアパチャーと前記第２のアパチャーとの間を高抵抗材料で連結し、汚染などしたことによる放電の影響を軽減したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の低真空用荷電粒子線装置。
5. 前記第２のアパチャーの荷電粒子線源側に円筒状の電極を設け、前記加速電圧で加速された荷電粒子線を更に加速する正のブースタ電圧を印加したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の低真空用荷電粒子線装置。
6. 前記第１のアパチャーに前記負のリターディング電圧を印加する代わりに、前記第２のアパチャーに前記負のリターディング電圧を印加、あるいは前記第１のアパチャーと前記第２のアパチャーの両者に前記負のリターディング電圧を印加したことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のリターディング電圧を用いた荷電粒子線装置。
7. 前記検出器に２次荷電粒子あるいは反射荷電粒子を吸引する電圧を印加したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の低真空用荷電粒子線装置。