JP7379712B2 - エネルギーフィルタ、およびそれを備えたエネルギーアナライザおよび荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Description
開口部を有する単孔電極対と、当該開口部の半径よりも大きい半径を有する空洞部であって、開口部の中心を光軸として回転対称に設けられた空洞部と、を有する減速電極と、
減速電極の前段に設けられた第1電極と、
減速電極の後段に設けられた第2電極と、
を備えるエネルギーフィルタを提案する。
本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではないことを理解する必要がある。
荷電粒子ビーム装置においては、荷電粒子ビームのエネルギー分散を小さくする(エネルギー分解能を高くする(エネルギー分解能の値を小さくする))が所望されるが、そのためにはエネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくすることが必要である。エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするには、エネルギーフィルタのサイズを大きくしなければならない。しかし、本実施形態では、上述のように、エネルギーフィルタのサイズを小さくすることを1つの課題としている。そこで、本実施形態では、エネルギーフィルタのサイズを小さくしつつ、エネルギーフィルタ内のエネルギー分散を大きくするために、エネルギーフィルタの減速電極に空洞を設けるようにしている。
図2は、本実施形態による荷電粒子ビームシステム30の構成例を示す図である。荷電粒子ビームシステム30は、電子レンズを用いて荷電粒子ビームを試料14面上に集束させ、試料14から得られた二次荷電粒子を検出することによって、試料14の情報を解析或いは画像化する装置である。
図3は、エネルギーフィルタ1の構成例を示す断面図である。エネルギーフィルタ1は、光軸18を中心として回転対称(断面図のため、図3では光軸線対称)に配置された、減速電極1-2と、加速電極1-3と、第1電極1-1と、第1集束電極1-4と、第2電極1-5と、第2集束電極1-6と、第3電極1-7と、電極保持材1-8と、を備える。電極保持材1-8は、絶縁体で構成され、減速電極1-2と、加速電極1-3と、第1電極1-1と、第1集束電極1-4と、第2電極1-5と、第2集束電極1-6と、第3電極1-7と、を保持する。
図4Aは、減速電極1-2の両側の電界が同じ場合を示す図である。図4Bは、減速電極1-2の両側の電界が異なる場合を示す図である。図4Cは、減速電極1-2の両側の電界が同じ場合の電位分布と電子軌道を示す図である。図4Dは、減速電極1-2の両側の電界が異なる場合の電位分布と電子軌道を示す図である。また、非対称の単孔電極径或いは非対称の電界強度としても、エネルギーフィルタとしての機能は変わらない。以下、2つの単孔電極の径は同じものとし、両側の電界強度も同じとして説明する。
図6は、減速電極1-2に入射する荷電粒子2の軌道の計算結果例を示す図である。図6Aは、電極空洞1-2aを有する減速電極1-2に平行に入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。図6Bは、電極空洞1-2aを有さない減速電極1-2に平行に入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。図6Cは、電極空洞1-2aを有さず、かつ肉薄の減速電極1-2に平行に入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。図6Dは、電極空洞1-2aを有する減速電極1-2の近傍に形成される集束点a20-1集束するように入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。図6Eは、電極空洞1-2aを有さない減速電極1-2の近傍に形成される集束点a20-1集束するように入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。図6Fは、電極空洞1-2aを有さず、かつ肉薄の減速電極1-2の近傍に形成される集束点a20-1集束するように入射する荷電粒子2の軌道を示す図である。いずれの場合も減速電極1-2の開口径は同じである。
<光軸上の電位および荷電粒子2の減速電極通過条件について>
図8は、本実施形態(減速電極1-2に電極空洞1-2aを形成する場合)において、荷電粒子源9からエネルギーフィルタ1の出口までの荷電粒子ビーム10の軌道を示す図である。
図9は、第2電極1-5への印加電圧の差異による荷電粒子2の軌道の差異を示す図である。図9Aは、減速電極1-2の前段に配置されている第2電極1-5に3000V、減速電極1-2の後段に配置されている加速電極1-3に1500Vを印加した場合の荷電粒子2の軌道の計算例を示す図である。図9Bは、第2電極1-5に3000V、加速電極1-3に3000Vを印加した場合の荷電粒子2の軌道の計算例を示す図である。荷電粒子2の入射条件は、両者とも、光軸18からのオフセット量を1.5um~2.0umとして平行入射するものとし、荷電粒子2のエネルギーを3000.000V、3000.001V、3000.010V、3000.100Vとしている。また、減速電極1-2には3000.000Vのエネルギーを有する荷電粒子2が反射するように設定している。
図10は、光軸からの入射オフセット量の差異による荷電粒子2の軌道の差異を示す図である。図10Aは、光軸18からの入射オフセット量を1.5um~2.0umとして荷電粒子2を平行入射させる場合の荷電粒子2の軌道を示す図である。荷電粒子2のエネルギーを3000.000V、3000.001V、3000.010V、3000.100Vとして、減速電極1-2を通過後の荷電粒子ビーム10の軌道を計算している。また、荷電粒子ビーム10は、集束点b20-2を輝点として、加速電極1-3に印加された電圧によって放射軌道を取るが、エネルギーの高い荷電粒子2ほど放射角度が大きくなっていることが分かる。
図9および図10において、減速電極1-2に入射する荷電粒子2の入射条件を平行としたが、入射条件は平行に限定されることはなく、減速電極1-2入り口近傍に集束点a20-1を形成し、集束点a20-1に集束する角度で集束入射としても同様である。図11は、減速電極1-2の入り口側の単孔電極の焦点距離fとし、焦点fだけ減速電極1-2の上流側の位置に集束点a20-1を設定し、集束点a20-1に集束する角度で電子を入射する場合を示す図である。この場合、電子は、減速電極1-2の電極空洞1-2a内をz軸(光軸)に平行に進む。但し、エネルギーの小さい電子は電極空洞1-2a内でエネルギー分散を受け、電極空洞1-2a内に形成される鞍点でエネルギー分離される。
図14は、エネルギーフィルタ1のバンドパスフィルタとして作用を示す図である。図14において、横軸Eはエネルギーを示し、縦軸は’1’に規格した荷電粒子ビーム10の荷電粒子数を示す。図14Aは、荷電粒子源として冷陰極電子源を想定した場合のバンドパスフィルタとしての作用を示す図である。この場合、冷陰極電子源のエネルギースペクトルは高エネルギー側で急峻に小さくなり、低エネルギー側で緩やかに減衰する形(Da(E))をしている。これは冷陰極電子源が室温で動作することと、エネルギー障壁をトンネル効果で透過するためフェルミレベルの電子が散乱されずに放出され、それより下のエネルギーの電子は散乱を受けて放出されるためである。
上述のエネルギーフィルタ1を備えるエネルギーアナライザ31(図2参照)を用いて、荷電粒子源9から放出された荷電粒子ビーム10のエネルギー分散ΔEを計測する場合は、絞り11を光軸18から(図示しない駆動部を用いて)外し、ファラデーカップ15を光軸18上に(図示しない駆動部を用いて)配置する。そして、ΔE計測制御器17は、荷電粒子ビーム10が上述したエネルギーフィルタ1への入射条件(表1参照)を満足するように、第2集束電極1-6に印加される第2集束電源からの電圧6と、第1集束電極1-4に印加される第1集束電源からの電圧3と、減速電極1-2に印加される減速電源からの電圧4と、加速電極1-3に印加される加速電源からの電圧5と、をそれぞれ適切な値に制御する。
ここでは、ΔE計測制御器17の動作および作用について詳述する。図2に示されるように、第3電極1-7(図3参照)には引出電源の出力電圧8(数kV)が印加されている。例えば、荷電粒子源9には第1加速電源からの電圧7(-3000.000V)が印加されている。引出電源の出力電圧8として+3000.000Vが第3電極1-7に印加されている。この場合、GND電位は荷電粒子源9からみて+3000.000Vのポテンシャルとなる。また、引出電源の出力電圧8(+3000.000V)で引き出された荷電粒子ビーム10のエネルギーも荷電粒子源9からみて+3000.000Vである。従って、減速電極1-2に適切な電圧Vrが印加され、電極空洞1-2aの中心近傍の光軸18上に-3000.000Vのポテンシャル障壁が形成されれば、+3000.000Vより小さいエネルギーを持つ荷電粒子2は、ポテンシャル障壁によってすべて反射される。
図16は、本実施形態による減速電極1-2の周辺部の構成例を示す図である。減速電極1-2については図2等にも示されているが、エネルギーアナライザ31から減速電極1-2の周辺部の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
図17は、本実施形態によるエネルギーフィルタ1の構成例を示す図である。エネルギーフィルタ1については図2等にも示されているが、エネルギーアナライザ31からエネルギーフィルタ1の構成のみを抽出してここで改めて説明する。
図18は、本実施形態によるエネルギーフィルタ1を備える荷電粒子ビーム装置の構成例を示す図である。
図18における荷電粒子ビーム装置は、エネルギーフィルタ1を用いて、荷電粒子ビーム10を試料14に照射して試料14から放出される二次電子25を検出する。図示していない荷電粒子源から放出された荷電粒子ビーム10は、図示していない電子レンズによって試料14上に集束される。試料14から放出された二次電子25は、インプットレンズ26を介してエネルギーフィルタ1に入射する。そして、エネルギーフィルタ1によってエネルギー選別された荷電粒子が二次電子検出器24で検出される。インプットレンズ26とエネルギーフィルタ1との間にはアライナ27が配置され、エネルギーフィルタ1の入射条件(表1参照)を満たすように、二次電子25が偏向される。試料14に入射する荷電粒子ビーム10は、図示していない偏向器によって試料14上で走査され、最終的に二次電子検出器24で同期して検出される。これにより、エネルギー選別された二次電子像を得ることが可能となる。
(i)本実施形態のエネルギーフィルタによれば、エネルギー分散ΔEの値が大きい荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのΔEを小さくでき、ΔEの小さくなった荷電粒子ビームを電子レンズによってより小さく試料上に集束できるようになる。また、装置を大型化することなく、ΔEの小さな荷電粒子ビームを形成することができる。さらに、荷電粒子ビームのΔEを高いエネルギー分解能(例えば、ΔE=~数mV)で計測でき、荷電粒子源の性能評価を行うことができる。また、減速電極に空洞が設けられていることによってエネルギー分散した荷電粒子が減速電極の内壁に衝突しないため内壁がコンタミで汚れることがなく、減速電極空洞中の電場を安定に維持することができ、エネルギー分解能の経年変化がない。
[数5]
f=λR、λ=0.64±0.05(λ:無次元の係数) (5)
即ち、単孔電極の焦点fは、減速電極の幅Dの値に依らずに、開口部の半径Rのみで決定される値となる。この場合、減速電極の前段と後段に配置される第1電極(上流側)と第2電極(下流側)にそれぞれ所定の電位を印加することによって発生する電界は、減速電極の空洞部の内部に侵界し、荷電粒子ビームのエネルギーと抗する電位の鞍点(エネルギー分散点)が形成される。また、当該エネルギーフィルタは、鞍点と交わる光軸の近傍で、荷電粒子ビームのエネルギー選別を行う、エネルギー分解能が高いハイパスフィルタとして作用する。
1-1 第1電極
1-2 減速電極
1-3 加速電極
1-4 第1集束電極
1-5 第2電極
1-6 第2集束電極
1-7 第3電極
1-8 電極保持材
2 荷電粒子
2-1 荷電粒子a
2-2 荷電粒子b
3 第1集束電源からの電圧
4 減速電源からの電圧
5 第2加速電源からの電圧
6 第2集束電源からの電圧
7 第1加速電源からの電圧
8 引出電源の出力電圧
9 荷電粒子源
10 荷電粒子ビーム
11 絞り
12 電子レンズ
13 対物レンズ
14 試料
15 ファラデーカップ
16 電流計
17 ΔE計測制御器
18 光軸
19 等電位線
19-1 等電位線a
19-2 等電位線b
20 集束点
20-1 集束点a
20-2 集束点b
21 エネルギー分散点
22 ハイパスフィルタ
23 ローパスフィルタ
24、34 二次電子検出器
25 二次電子
26 インプットレンズ
27 アライナ
30 荷電粒子ビームシステム
31 エネルギーアナライザ
32 制御装置
33 後方散乱電子検出器
35 コンピュータシステム
36 記憶装置
37 入出力装置
Claims (19)
- 荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔEを抑えるエネルギーフィルタであって、
開口部を有する単孔電極対と、当該開口部の半径よりも大きい半径を有する空洞部であって、前記開口部の中心を光軸として回転対称に設けられた空洞部と、を有する減速電極と、
前記減速電極の前段に設けられた第1電極と、
前記減速電極の後段に設けられた第2電極と、
を備えるエネルギーフィルタ。 - 請求項1において、
前記減速電極の光軸方向の幅をD、前記開口部の半径をRとすると、前記減速電極はD/R≧5の関係を有する、エネルギーフィルタ。 - 請求項1において、
前記第1電極と前記第2電極にそれぞれ所定の電位が印加されることによって発生する電界が前記空洞部の内部に侵界し、前記荷電粒子ビームのエネルギーと抗する電位の鞍点が形成される、エネルギーフィルタ。 - 請求項3において、
前記エネルギーフィルタは、前記鞍点と交わる前記光軸の近傍で、前記荷電粒子ビームのエネルギー選別を行うハイパスフィルタとして作用する、エネルギーフィルタ。 - 請求項1において、
さらに、前記荷電粒子源と前記第1電極との間に配置され、前記減速電極の入り口近傍に前記荷電粒子ビームの集束点を形成する集束レンズ系を備える、エネルギーフィルタ。 - 請求項5において、
前記集束点を通過した前記荷電粒子ビームは、前記光軸と平行に前記減速電極の前記空洞部に入射する、エネルギーフィルタ。 - 請求項5において、
前記集束レンズ系は、前記荷電粒子源を物点とし、前記集束点を像点とした拡大系であるエネルギーフィルタ。 - 請求項5において、
前記集束レンズ系は、少なくとも二段の集束レンズを含み、当該二段の集束レンズの間に中間集束点を有し、
前記二段の集束レンズのうち、前記荷電粒子源から近位に位置する上流側の集束レンズは、前記荷電粒子源を物点とし、前記中間集束点を像点とする縮小系を構成し、
前記二段の集束レンズのうち、前記荷電粒子源から遠位に位置する下流側の集束レンズは、前記中間集束点を物点とし、前記減速電極の入り口近傍に形成された前記集束点を像点とする拡大系を構成する、エネルギーフィルタ。 - 請求項2において、
前記単孔電極対において前記荷電粒子ビームの入口側に配置される単孔電極の焦点fと前記開口部の半径Rとの関係が、f=λR、λ=0.64±0.05として表されるエネルギーフィルタ。 - 請求項5において、さらに、
前記集束レンズ系と、前記減速電極と、前記第1電極と、前記第2電極と、を絶縁体で保持する保持材と、
外部の浮遊磁場を遮蔽するシールド部材と、
を備えるエネルギーフィルタ。 - 請求項10において、
前記シールド部材は、透磁率の高い磁性体で構成され、前記集束レンズ系を構成する電極に接続されているエネルギーフィルタ。 - 請求項1において、
前記第1電極に印加される電圧は、前記荷電粒子ビームの加速電圧に等しく、
前記第2電極に印加される電圧は、可変である、エネルギーフィルタ。 - 請求項1のエネルギーフィルタと、
前記エネルギーフィルタの後段に配置されたファラデーカップと、
前記ファラデーカップに流入する荷電粒子ビームの電流量を計測する電流計と、
前記電流量に基づいて、前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔEの値を算出するΔE計測制御器と、を備え、
前記ΔE計測制御器は、
前記減速電極に電圧Vrを印加した時の前記電流計で計測した電流量Ip(Vr)からその微分値を計測する処理と、
前記電圧Vrに対する前記電流量Ip(Vr)の微分値で示されるスベクトルの半値幅を前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔEの値として算出する処理と、
を実行するエネルギーアナライザ。 - 請求項13において、
前記ΔE計測制御器は、前記電流量Ip(Vr)の微分値が最大になる電圧Vrまたは電流量Ip(Vr)の変曲点となる電圧Vrを前記減速電極に印加するエネルギーアナライザ。 - 試料に荷電粒子ビームを照射して前記試料の情報を取得する荷電粒子ビーム装置であって、
請求項1のエネルギーフィルタと、
前記エネルギーフィルタの前段に配置された荷電粒子源と、
前記エネルギーフィルタを構成する最前段の電極に前記荷電粒子源から荷電粒子を引き出す電圧を印加する電源と、
を備える荷電粒子ビーム装置。 - 請求項15において、
さらに、前記エネルギーフィルタの後段に配置され、前記荷電粒子ビームを前記試料に集束させる電子レンズを備える荷電粒子ビーム装置。 - 請求項16において、
さらに、前記エネルギーフィルタと前記電子レンズとの間に配置された絞りを有し、
前記絞りが、前記エネルギーフィルタの出口近傍に集束点を有し、当該集束点から放射される荷電粒子の放射角度を制限することによって、前記エネルギーフィルタを通過した前記荷電粒子ビームの高エネルギー側のエネルギーを持つ荷電粒子の一部を制限する荷電粒子ビーム装置。 - 請求項17において、
前記エネルギーフィルタの後段に配置された絞りと、
前記絞りの後段に配置されるファラデーカップと、
前記ファラデーカップに流入する荷電粒子ビームの電流量を計測する電流計と、
前記電流量に基づいて、前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔEの値を算出するΔE計測制御器と、
前記ファラデーカップの位置を動かす駆動部と、
を備え、
前記ΔE計測制御器は、
前記減速電極に電圧Vrを印加した時の前記電流計で計測した電流量Ip(Vr)からその微分値を計測する処理と、
前記電圧Vrに対する前記電流量Ip(Vr)の微分値で示されるスベクトルの半値幅を前記荷電粒子ビームのエネルギー分散ΔEの値として算出する処理と、
前記電流量Ip(Vr)の微分値が最大になる電圧Vrまたは電流量Ip(Vr)の変曲点となる電圧Vrを前記減速電極に印加する処理と、を実行し、
前記電圧Vrを前記減速電極に印加した後、前記駆動部は、前記ファラデーカップを前記光軸から外す荷電粒子ビーム装置。 - 請求項15において、さらに、
前記試料から放出される荷電粒子を収集するインプットレンズと、
荷電粒子を検出する荷電粒子検出器と、備え、
前記エネルギーフィルタは、前記インプットレンズで収集された荷電粒子のエネルギー選別をし、
前記荷電粒子検出器は、前記エネルギーフィルタで選別された前記荷電粒子を検出する荷電粒子ビーム装置。
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