JP7457687B2 - Ｔｅｍ補正器システムにおける熱磁場ノイズの低減 - Google Patents
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Description
電子ビームに近い磁性および非磁性の導電性部分からの熱磁場ノイズ（ジョンソンノイズ）は、最近、電子顕微鏡システムにおけるデコヒーレンスの理由として特定された。熱磁場ノイズは、ヨーク、レンズ、多極子など、結像ビームに近い導電性の磁性および非磁性材料の熱駆動電流から発生する。これは、一次解像度限界要因を除去する色収差補正器（ＣＣ）（軸上色収差係数を補正するように設計された補正器システム）ならびにＣＣ／ＣＳ補正器（ＣＣおよび球面収差係数を補正する）で特に問題となり、高解像度ＴＥＭシステムでは、熱磁場ノイズが限界収差となる。例えば、四極子－八極子ＣＣ／ＣＳ補正器では、熱磁場ノイズへの主な関与は、２つのＣＣ補正素子（すなわち、四重極型ウィーンフィルタ）から生じる。したがって、現在のＴＥＭ ＣＣ／ＣＳ補正器は球面収差および色収差を補償することができる一方、それらは熱磁場ノイズも発生させ、熱磁場ノイズに少なくとも部分的により、約１Å－１より大きい空間周波数の深刻な減衰が引き起こされる。この問題は、熱磁場ノイズによって引き起こされるぼけがレンズギャップの平方根で増加する、大きなギャップの対物レンズでは悪化する。
熱磁場ノイズは温度の平方根に比例するため、この熱磁場ノイズを補償するための冷却解決策が提案されている。例えば、熱磁場ノイズに対処するために、液体窒素、ヒートパイプ、および／または冷却ロッドなどの様々な技術／要素を使用する冷却システムが考案されてきた。しかしながら、ＣＣ／ＣＳ補正器の冷却は、設計が難しく、実装に費用がかかるため、極低温システム以外では実用的な解決策とはならない。したがって、結像システムにおける熱磁場ノイズを補正するためのより安価で実装がより容易な解決策が望まれている。
顕微鏡システムの光学素子における熱磁場ノイズの発生を低減するためのシステムが開示されている。本開示による、ジョンソンノイズの発生が低減された例示的な顕微鏡光学素子は、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える。外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積は、０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、０．０００１Ω－１未満である。本発明による外側コーティングは、光学素子によって発生するジョンソンノイズを、２倍、３倍、１桁、またはそれ以上低減させる。特定の例示的な実施形態では、光学素子は、ジョンソンノイズの発生が低減された補正器システムである。そのような補正器システムは、外部磁気多極子、および内部静電多極子からなるＣＣ補正素子を備える。内部静電多極子は、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える。
詳細な説明は、添付の図を参照して説明される。図において、参照番号の最も左の数字は、参照番号が最初に現れる図を識別する。異なる図の同じ参照番号は、類似または同一の項目を示している。
同様の参照番号は、図面のいくつかの図を通して対応する部分を指す。概して、図において、所与の例において含まれる可能性が高い要素は、実線で図示されているのに対し、所与の例において任意選択的である要素は、破線で図示されている。しかしながら、実線で図示されている要素は、本開示のすべての例に必須である訳ではなく、実線で示される要素は、本開示の範囲から逸脱することなく、特定の例から省略され得る。
顕微鏡結像システムにおける熱磁気ノイズを低減するための方法およびシステムが開示されている。具体的には、方法およびシステムは、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、内側コアを取り囲む導電性材料から作製されている外側コーティングと、を備える光学部品を含む。開示された発明のいくつかの実施形態では、光学部品は、１つ以上の内部静電多極子および１つ以上の外部磁気多極子を備える補正器（例えば、ＣＣ／ＣＳ補正器）の静電多極子である。いくつかの例示的な実施形態では、内側の電気絶縁コアを取り囲んでいるこの導電性材料層の存在により、補正器による熱磁場ノイズの発生が２倍、３倍、１桁、またはそれ以上低減する。
図１は、本発明による、顕微鏡結像システムにおける熱磁気ノイズを低減するように構成された、光学部品１００の概略図である。具体的には、図１は、荷電粒子ビーム経路１０４に近接している光学部品１０２の断面を示している。図１は、ｚ軸に沿って進む荷電粒子ビーム経路１０４、およびｘｙ平面によって２分された光学部品１０２の断面を示している。光学部品１０２は、電気絶縁材料から構成されている内側コア１０６を備える。様々な実施形態では、内側コア１０６は、セラミック材料、ガラス質材料、石英、半導体材料などの様々な電気抵抗材料から構成され得る。当業者であれば、この潜在的な電気抵抗材料のリストは網羅的ではなく、様々な電気絶縁材料（および／またはそれらの組み合わせ）が、光学素子またはそれが属するシステムの機能に応じて選択され得ることを理解するであろう。
図１はさらに、内側コアを完全に取り囲んでいる導電性材料から構成されている外側コーティング１０８を備えるものとして光学素子１０２を示している。ただし、他の実施形態では、外側コーティングは、内側コアを完全に取り囲んでいない場合がある。導電性材料は、外側コーティングの厚さ（ｔ）と導電性材料の電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、および／または０．０００１Ω－１未満になるように選択される。様々な実施形態において、外側コーティング１０８は、電気的に接地され、および／または外側コーティング１０８に電圧が印加され得る。さらに、異なる実施形態では、外側コーティング１０８は、１０ｋΩよりも大きい、および／または１００ｋΩよりも大きいシート抵抗（すなわち、１／（σ×ｔ））を有し得る。光学素子１０２上のこの外側コーティング１０８の存在により、光学素子１０２によって発生する熱磁場ノイズ（すなわち、ジョンソンノイズ）の量が、少なくとも２倍、３倍、または１桁、既知の光学素子に対して低減する。
本発明の様々な実施形態において、光学素子１０２は、様々な光学顕微鏡素子、またはその部品素子に対応し得る。例えば、光学素子１０２は、電極、多極素子、偏向器、またはＣｃおよび／もしくはＣｓ補正器などの補正器の部品素子に対応し得る。
図１はまた、導電性材料から構成されている外側コーティング１１２によって取り囲まれている電気絶縁材料から構成されている内側コア１０６を備える、任意の第２の光学素子１１０を含むものとして光学部品１００を示している。２つのこのような光学素子を有する例示的な実施形態は、ビーム偏向器システムであり得る。本発明によれば、このようなビーム偏向器システムは、荷電粒子ビーム１０４が光学素子１０２および１１０に近接して通過するときに、大幅に低減された量の熱磁気ノイズを発生させながら、荷電粒子ビーム１０４の偏向を引き起こすことができる。
図２は、試料の処理、結像、および／または評価中の熱磁気ノイズを低減するように構成された、１つ以上の光学部品を含む顕微鏡結像システムの環境２００の図である。具体的には、図２は、それらが発生する熱磁場ノイズの量を低減するようにそれぞれ本発明に従って構成された偏向器システム２０６および補正器システム２０８の両方を含む、試料２０４を調査するための例示的な顕微鏡システム２０２を含む、例示的な環境２００を示している。具体的には、図２は、ＣＳ／ＣＣ補正器システム２０８を含むものとして例示的な顕微鏡システム２０２を示している。
例示的な顕微鏡システム２０２は、限定されるものではないが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、荷電粒子顕微鏡（ＣＰＭ）、極低温適合性顕微鏡、集束イオンビーム（ＦＩＢ）顕微鏡、デュアルビーム顕微鏡システム、またはそれらの組み合わせなどの１つ以上の異なる種類の光学、および／または荷電粒子顕微鏡であり得るか、またはこれらを含み得る。図２は、ＴＥＭ顕微鏡システムであるとして例示的な顕微鏡システム２０２を示している。
図２は、電子放出軸２１４に沿い試料２０４に向かって電子ビーム２１２を放射する電子源２１０（例えば、熱電子源、ショットキー放出源、電界放出源など）を含むものとして例示的な顕微鏡システム２０２を描写している。電子放出軸２１４は、電子源２１０から試料２０４を通って例示的な顕微鏡システム２０２の長さに沿って延びる中心軸である。図２は、電子源２１０を含むものとして例示的な顕微鏡システム２０２を描写しているが、他の実施形態では、例示的な顕微鏡システム２０２は、試料２０４に向かって複数の荷電粒子を放出するように構成されたイオン源などの荷電粒子源を備えてもよい。
加速レンズ２１６は、電子ビーム２１６を電子集束カラム２１８に向けて加速／減速、集束、および／または方向付ける。電子コンデンサカラム２１８は、電子ビーム２１２が試料２０４の少なくとも一部に入射するように電子ビーム２１２を集束する。さらに、コンデンサカラム２１８は、電子ビーム２１２の収差（例えば、幾何収差、色収差）を補正および／または調整し得る。いくつかの実施形態では、電子集束カラム２１８は、電子源２１０からの電子を試料２０４上の小さなスポットにともに集束させる（ＳＴＥＭモード）、または試料上により幅の広い照射ビームを提供する（ＴＥＭモード）、アパーチャ、伝送レンズ、走査コイル、集束レンズ、偏向器２０６、対物レンズなどのうちの１つ以上を含んでもよい。
図２は、ビームを偏向させるための電場を提供するように構成された、本発明による偏向器２０６の挿入断面図２２０をさらに描写している。断面図２２０は、電気絶縁材料から構成されている内側コア２２２を備えるものとして偏向器２０６を示している。様々な実施形態では、内側コア２２２は、セラミック材料、ガラス質材料、石英、半導体材料などの様々な電気抵抗材料から構成され得る。当業者であれば、この潜在的な電気抵抗材料のリストは網羅的ではなく、様々な電気絶縁材料（および／またはそれらの組み合わせ）が、光学素子またはそれが属するシステムの機能に応じて選択され得ることを理解するであろう。偏向器２０６は、内側コアを完全に取り囲んでいる導電性材料から構成されている外側コーティング２２４を備えるものとしてさらに示されている。導電性材料は、外側コーティングの厚さ（ｔ）と導電性材料の電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、および／または０．０００１Ω－１未満になるように選択される。様々な実施形態において、外側コーティング２２４は電気的に接地されてもよく、ならびに／または１０ｋΩよりも大きい、および／もしくは１００ｋΩよりも大きいシート抵抗を有し得る。偏向器２０６上のこの外側コーティング２２４の存在により、偏向器２０６によって発生する熱磁気ノイズ（すなわち、ジョンソンノイズ）の量が、少なくとも２倍、３倍、または１桁、既知の光学素子に対して低減する。
試料２０４の異なる位置は、偏向器２０６および／または走査コイルを介して電子ビームの方向を調整することによって走査され得る。このようにして、電子ビーム２１２は、試料の表面層（すなわち、顕微鏡カラム２０２に近接する層の表面、および／または電子ビーム２１２によって照射される層の表面）にわたって走査される結像ビームとして機能する。試料２０４の表面層のこの照射により、電子ビーム２１２の電子の成分が試料の構成元素／分子／特徴と相互作用し、それにより構成元素／分子／特徴は、試料２０４によって放出される放出物を引き起こす。放出される特定の放出物は、それらを放出させる対応する元素／分子／特徴に基づいており、それにより、放出物が分析されて対応する元素／分子に関する情報が判定できる。
図２はさらに、試料２０４に入射する電子ビーム２１２から生じる放出物を検出する検出器システム２２６を示している。検出器システム２２６は、そのような放出物を検出するように位置決めされた、または別様に構成された１つ以上の検出器を備え得る。様々な実施形態では、異なる検出器および／または単一検出器の異なる部分は、異なる種類の放出物を検出するように構成することができるか、または放出物の異なるパラメータが異なる検出器および／もしくは異なる部分によって検出されるように構成することができる。
図２は、本発明による補正器システム２０８の挿入断面図２３０をさらに含む。補正器システム２０８は、複数の外部磁気素子２３２（例えば、８極または１２極を備える磁気多極子）、および複数の電極２３４（例えば、静電多極子）を備え、ここで、電極２３４は、外部磁気素子２３２よりも荷電粒子ビーム２１２により近接して位置決めされている。
断面図２３０は、電極２３４を、電気絶縁材料（例えば、セラミック材料、ガラス質材料、石英、半導体材料など）から構成されている内側コアと、内側コアを完全に取り囲んでいる導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備えるものとして示している。導電性材料は、外側コーティングの厚さ（ｔ）と導電性材料の電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、および／または０．０００１Ω－１未満になるように選択される。様々な実施形態において、外側コーティングは電気的に接地されてもよく、ならびに／または１０ｋΩよりも大きい、および／もしくは１００ｋΩよりも大きいシート抵抗を有してもよい。電極２３４上のこの外側コーティング２２４の存在により、補正器システム２０８によって発生する熱磁気ノイズ（すなわち、ジョンソンノイズ）の量が、少なくとも２倍、３倍、または１桁、既知の光学素子に対して低減する。図２はさらに、磁気素子２３２と電極２３４との間に任意選択でバリアを含むものとして補正器システム２０８を示している。例えば、バリア２３６は、荷電粒子ビーム２１２がそこを通って進む真空領域を部分的に画定し得る。
図２はさらに、試料ホルダ２２８をさらに含むものとして、例示的な顕微鏡システム２０２を示している。試料ホルダ２２８は、試料２０４を保持するように構成されており、例示的な顕微鏡システム２０２に対して試料２０４を並進、回転、および／または傾斜させることができる。
環境２００はまた、検出器システム２２６と接続された１つ以上のコンピューティングデバイス２３８を含むものとして示されている。検出器システム２２６はさらに、検出された放出物に対応するデータ／データ信号を生成し、データ／データ信号を１つ以上のコンピューティングデバイス２３８に送信するように構成されている。当業者であれば、図２に描写されているコンピューティングデバイス２３８は単なる例示であり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことを理解するであろう。コンピューティングシステムおよびデバイスは、コンピュータ、ネットワークデバイス、インターネット家電製品、ＰＤＡ、無線電話、コントローラ、オシロスコープ、増幅器などを含む、指定された機能を実行することができる、ハードウェアまたはソフトウェアの任意の組み合わせを含んでもよい。コンピューティングデバイス２３８はまた、図示していない他のデバイスに接続されてもよく、または代わりに、スタンドアロンシステムとして動作してもよい。
コンピューティングデバイス２３８のうちの１つ以上は、例示的な顕微鏡システム２０２の構成要素であってもよく、ネットワーク通信インターフェースを介して例示的な顕微鏡システム２０２と通信する例示的な顕微鏡システム２０２とは別個のデバイスであってもよく、またはそれらの組み合わせであってもよいことにも留意されたい。例えば、例示的な顕微鏡システム２０２は、例示的な顕微鏡システム２０２の構成部分であり、かつ例示的な荷電粒子顕微鏡システム２０２の動作を駆動するコントローラとして機能する（例えば、走査コイルを作動させることによって試料上の走査位置を調整するなど）、第１のコンピューティングデバイス２３８を含んでもよい。そのような実施形態では、例示的な顕微鏡システム２０２はまた、例示的な顕微鏡システム２０２とは別のデスクトップコンピュータであり、かつ検出器システム２２６から受信したデータを処理して試料２０４の画像を生成する、および／または検出器データの他の種類の分析もしくは後処理を行うように実行可能である、第２のコンピューティングデバイス２３８を含んでもよい。コンピューティングデバイス２３８はさらに、キーボード、マウス、タッチパッド、タッチスクリーンなどを介して、ユーザ選択を受信するように構成され得る。
図３および図４は、荷電粒子顕微鏡システムの使用中に熱磁気ノイズの発生を低減させるように、本発明に従って構成された例示的な補正器システムの概略図である。例えば、図３は、本発明によるＣＳ／ＣＣ補正器システム３００の例示的なＣｃ補正素子を示している。具体的には、図３は、複数の電極３０４によって形成された静電四極子を取り囲んでいる磁気多極子３０２を備えるものとして、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム３００を示している。
図３は、電極３０４が、電気絶縁材料（例えば、セラミック材料、ガラス質材料、石英、半導体材料など）から構成されている内側コア３０６と、内側コアを完全に取り囲んでいる導電性材料から構成されている外側コーティング３０８と、から１つ１つ形成されていることを示す、電極３０４の断面図を描写している。導電性材料は、外側コーティングの厚さ（ｔ）と導電性材料の電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、および／または０．０００１Ω－１未満になるように選択される。様々な実施形態において、外側コーティング３０８は電気的に接地されてもよく、ならびに／または１０ｋΩよりも大きい、および／もしくは１００ｋΩよりも大きいシート抵抗を有してもよい。電極３０２上のこの外側コーティング３０８の存在により、荷電粒子ビーム３１０が電極３０２に近接して進むとき、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム３００によって発生する熱磁気ノイズ（すなわち、ジョンソンノイズ）の量が、少なくとも２倍、３倍、または１桁、既知の光学素子に対して低減する。図３はまた、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム３００の動作中に荷電粒子ビーム３１０が通過する真空領域を部分的に画定する、任意のバリア３１２を含むものとして、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム３００を示している。ただし、他の実施形態では、そのような任意のバリア３１２は、磁気多極子が真空領域内に取り囲まれるように位置決めされてもよい。
図４は、本発明によるＣＳ／ＣＣ補正器システム４００の例示的なＣｃ補正素子を示している。具体的には、図４は、複数の電極４０４によって形成されている静電四極子を取り囲んでいる磁気多極子４０２を備えるものとして、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム４００を示している。図４は、電極４０４が、電気絶縁材料（例えば、セラミック材料、ガラス質材料、石英、半導体材料など）から構成されている内側コア４０６と、内側コアを完全に取り囲んでいる導電性材料から構成されている外側コーティング４０８と、から１つ１つ形成されていることを示す、電極４０４の断面図を描写している。図４は、外側コア４０８が内側コア４０６を完全に取り囲んでいない実施形態を示している。例えば、特定の実施形態では、ｈ：ｇの比は５または６より大きくてもよい。導電性材料は、外側コーティングの厚さ（ｔ）と導電性材料の電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω－１、０．００１Ω－１、および／または０．０００１Ω－１未満になるように選択される。様々な実施形態において、外側コーティング４０８は電気的に接地されてもよく、ならびに／または１０ｋΩよりも大きい、および／もしくは１００ｋΩよりも大きいシート抵抗を有してもよい。電極４０２上のこの外側コーティング４０８の存在により、荷電粒子ビーム４１０が電極４０２に近接して進むとき、例示的なＣＳ／ＣＣ補正器システム４００によって発生する熱磁気ノイズ（すなわち、ジョンソンノイズ）の量が、少なくとも２倍、３倍、または１桁、既知の光学素子に対して低減する。
図５は、本技術を使用する既存のシステムおよび本開示からの技術を組み込んだシステムの両方について、ＴＥＭコントラスト伝達関数（ＣＴＦ）に対する熱磁場ノイズ（ジョンソンノイズ）の関与の関係をグラフで示している。具体的には、図５は、例えば、ＣＣ補正素子として２つの四重極型ウィーンフィルタを備えるＣＣ／ＣＳ補正器システムの、ＣＴＦに対するジョンソンノイズの関与を示すグラフを示している。これらの２つの素子は、対物レンズの主な貢献に伴い、他のすべてのレンズの軸上色収差ＣＣを補正する。曲線５０２は、先行技術に従って構築されている、このような例示的なＣＣ／ＣＳ補正器システムの第１のバージョンの、ＣＴＦに対するジョンソンノイズの関与に相当する。曲線５０４は、本開示からの技術を組み込むために構築された、例示的なＣＣ／ＣＳ補正器システムの第２のバージョンの、ＣＴＦに対するジョンソンノイズの関与に相当する。
これら２つの例示的なＣＣ／ＣＳ補正器システムのＴＥＭ ＣＴＦに対する熱磁場ノイズの関与を評価する際に、我々は、これらの四重極型ウィーンフィルタの中心に、等しい長さの２つの相互に垂直な線焦点がある、一般的かつ理想的な場合を考える。我々はさらに、１つの四重極型ウィーンフィルタの中心の横位置ｘ（および、したがってもう一方ではｘ＝０）を有する標本平面における半開口角αｘとともに、軸方向の電子（すなわち、標本平面中の光軸上から経路が始まる電子）を考える。有効焦点距離ｆｅｆｆは、よってｆｅｆｆ＝ｘ／αｘとして定義することができる。２つの四重極型ウィーンフィルタによって発生したジョンソンノイズにより、ガウス結像が標本平面に広がり、ｒｍｓ値σは次の式で与えられる：
、
ここで、Ｕｒ＝相対論的電子電圧＝Ｕ＋ｅＵ２／（ｓｍｃ２）、ならびにＬおよびＲ＝四重極型ウィーンフィルタの長さおよび内径である。さらに、定数ＣＪは次のように定義される：
、
これは、システムが室温にある場合、１．０５×１０－１５（ＳＩ単位）に等しい；ｋＢはボルツマン定数である。さらに、非磁性金属の場合、無次元定数
であり、それは軟磁性鉄の場合、約０．１７≡Ｃｍａｇｎに等しい。
ここで、Ｕｒ＝相対論的電子電圧＝Ｕ＋ｅＵ２／（ｓｍｃ２）、ならびにＬおよびＲ＝四重極型ウィーンフィルタの長さおよび内径である。さらに、定数ＣＪは次のように定義される：
これは、システムが室温にある場合、１．０５×１０－１５（ＳＩ単位）に等しい；ｋＢはボルツマン定数である。さらに、非磁性金属の場合、無次元定数
図５の曲線５０２は、そのヨーク上にＶｑ～－Ｖｑの四重極電圧を有する磁気多極子である２つのＣＣ補正素子を有する、ＣＣ／ＣＳ補正器システムからの熱磁場ノイズの関与を説明している。これにより、式（２）を次のように評価できる：
σ２＝２ＣＪＣｍａｇｎＣｃγ Ｖｑ －１（３）、
ここで、γ＝１＋ｅＵ／（ｍｃ２）は、四重極型ウィーンフィルタのパラメータの観点から、熱磁場ノイズによって引き起こされる像の広がりを表す。この要素の幾何学的パラメータＬおよびＲが式３に現れないことは、当業者には注目に値するように思われるかもしれない（これらの寸法はジョンソンノイズの関与に影響を与えるため）。しかし、補正器システムと対物レンズとの間の倍率に対するＬおよびＲパラメータの影響（すなわち、それらは色収差補正に必要なｆｅｆｆに影響を与える）により、式３からこれらのパラメータが消えるため、これらは存在しないことに注意されたい。本発明による四重極型ウィーンフィルタでは、磁気多極子は、より大きな半径Ｒを有することができ、より少ないジョンソンノイズをもたらす。この磁気多極子のパラメータに関して、ジョンソンノイズのｒｍｓ値σは次の式で与えられる；
、
ここで、
、およびＢｙｏｋｅは、磁気多極子の内径Ｒでの最大磁場である。式４は、曲線５０４を計算するために使用される。ＴＥＭコントラスト伝達関数（ＣＴＦ）へのジョンソンノイズの関与は、次の式で与えられる：
、
ここで、ｋは空間周波数である。
σ２＝２ＣＪＣｍａｇｎＣｃγ Ｖｑ －１（３）、
ここで、γ＝１＋ｅＵ／（ｍｃ２）は、四重極型ウィーンフィルタのパラメータの観点から、熱磁場ノイズによって引き起こされる像の広がりを表す。この要素の幾何学的パラメータＬおよびＲが式３に現れないことは、当業者には注目に値するように思われるかもしれない（これらの寸法はジョンソンノイズの関与に影響を与えるため）。しかし、補正器システムと対物レンズとの間の倍率に対するＬおよびＲパラメータの影響（すなわち、それらは色収差補正に必要なｆｅｆｆに影響を与える）により、式３からこれらのパラメータが消えるため、これらは存在しないことに注意されたい。本発明による四重極型ウィーンフィルタでは、磁気多極子は、より大きな半径Ｒを有することができ、より少ないジョンソンノイズをもたらす。この磁気多極子のパラメータに関して、ジョンソンノイズのｒｍｓ値σは次の式で与えられる；
ここで、
ここで、ｋは空間周波数である。
図５において、曲線５０４は、本開示による、磁気および静電四極子を備えるＣＣ／ＣＳ補正器システムのＣＴＦに対するジョンソンノイズの関与を示している。式４および式５は、パラメータＣＣ＝１．６ｍｍ、Ｕ＝３００ｋＶ、Ｒ＝６ｍｍ、およびＢｙｏｋｅ＝０．０４Ｔｅｓｌａで、曲線５０４を計算するために使用される。内部電極によって生じるジョンソンノイズは無視できると想定されている。
曲線５０２は、ＣＣ補正素子の電極が、電気絶縁材料から構成されている内側コアおよび導電性材料から構成されている外側コーティングを１つ１つに備えない、第１の場合の関係を示している。実用上の理由から、四重極電圧Ｖｑは通常１０ｋＶよりも小さくなるように選択される。曲線５０２は、式３および式５を使用して、ＣＣ＝１．６ｍｍおよびＶｑ＝６ｋＶに対して計算される。
本開示による本発明の主題の例は、以下に列挙される段落で説明される。
Ａ１．ジョンソンノイズの発生が低減された補正器システムであって、外部磁気多極子と、内部静電多極子と、を備え、内部静電多極子の構成要素が、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、補正器システム。
Ａ１．１．電気絶縁材料が、半導体材料を含む、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ１．２．電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ２．外側コーティングが、内側コアを完全に取り囲んでいる、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ３．構成要素が、電極である、段落Ａ１～Ａ２．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ４．内部静電多極子が、複数の電極を含む、段落Ａ１～Ａ３のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ４．１．複数の電極の各々が、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、段落Ａ４に記載の補正器システム。
Ａ５．補正器が、Ｃｃ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ６．補正器が、Ｃｃ／Ｃｓ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ６．１．補正器が、ＣＳ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ７．外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ａ１～Ａ６のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ７．１．外側コーティングが、１００ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ａ７に記載の補正器システム。
Ａ８．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、段落Ａ１～Ａ７．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ８．１．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．００１Ω－１未満である、段落Ａ８に記載の補正器システム。
Ａ８．２．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）の積が、０．０００１Ω－１未満である、段落Ａ８に記載の補正器システム。
Ａ９．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁低減する、段落Ａ１～Ａ７．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ９．１．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁超低減する、段落Ａ９に記載の補正器システム。
Ａ１０．外側コーティングが、電気的に接地されている、段落Ａ１～Ａ９．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ｂ１．ジョンソンノイズの発生が低減された電子顕微鏡光学素子であって、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、光学素子。
Ｂ１．１．電気絶縁材料が、半導体材料を含む、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ１．２．電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ２．外側コーティングが、内側コアを完全に取り囲んでいる、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ３．光学素子が、電極である、段落Ｂ１～Ｂ２．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．光学素子が、補正器である、段落Ｂ１～Ｂ４．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．１．光学素子が、Ｃｃ補正器である、段落Ｂ５に記載の光学素子。
Ｂ５．２．光学素子が、Ｃｃ／Ｃｓ補正器である、段落Ｂ５～Ｂ５．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．３．光学素子が、少なくとも１つの外部磁気多極子をさらに含む、段落Ｂ５～Ｂ５．２のいずれか一項に記載の光学素子。
Ａ５．４．補正器が、ＣＳ補正器である、段落のＢ１～Ｂ５のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ｂ７．外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ｂ１～Ｂ５．４のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ７．１．外側コーティングが、１００ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ｂ７に記載の光学素子。
Ｂ８．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、段落Ｂ１～Ｂ７．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ８．１．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．００１Ω－１未満である、段落Ｂ８に記載の光学素子。
Ｂ８．２．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０００１Ω－１未満である、段落Ｂ８に記載の光学素子。
Ｂ９．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁低減する、段落Ｂ１～Ｂ７．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ１０．外側コーティングが、電気的に接地されている、段落Ｂ１～Ｂ９のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｃ１．段落Ａ１～Ａ１０のいずれか一項に記載の補正器システムの使用。
Ｄ１．段落Ｂ１～Ｂ１０のいずれか一項に記載の光学素子の使用。
Ｅ１．熱磁気ノイズが低減されるように構成された荷電粒子顕微鏡システムであって、試料に向けて荷電粒子ビームを放射するように構成された、荷電粒子源と、荷電粒子ビームを試料に向けるように構成された、集束カラムと、試料を保持するように構成された、試料ホルダと、試料と相互作用する荷電粒子ビームに基づいて、放出物および／または荷電粒子を検出するように構成された、検出器システムと、段落Ａ１～Ａ１０のいずれか一項に記載の補正器システムのうちの少なくとも１つおよび／または段落Ｂ１～Ｂ１０のいずれか一項に記載の光学素子と、を備える、システム。
Ｆ１．段落Ｅ１の荷電粒子顕微鏡システムの使用。
Ａ１．ジョンソンノイズの発生が低減された補正器システムであって、外部磁気多極子と、内部静電多極子と、を備え、内部静電多極子の構成要素が、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、補正器システム。
Ａ１．１．電気絶縁材料が、半導体材料を含む、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ１．２．電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ２．外側コーティングが、内側コアを完全に取り囲んでいる、段落Ａ１に記載の補正器システム。
Ａ３．構成要素が、電極である、段落Ａ１～Ａ２．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ４．内部静電多極子が、複数の電極を含む、段落Ａ１～Ａ３のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ４．１．複数の電極の各々が、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、段落Ａ４に記載の補正器システム。
Ａ５．補正器が、Ｃｃ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ６．補正器が、Ｃｃ／Ｃｓ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ６．１．補正器が、ＣＳ補正器である、段落Ａ１～Ａ４．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ７．外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ａ１～Ａ６のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ７．１．外側コーティングが、１００ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ａ７に記載の補正器システム。
Ａ８．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、段落Ａ１～Ａ７．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ８．１．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．００１Ω－１未満である、段落Ａ８に記載の補正器システム。
Ａ８．２．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）の積が、０．０００１Ω－１未満である、段落Ａ８に記載の補正器システム。
Ａ９．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁低減する、段落Ａ１～Ａ７．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ａ９．１．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁超低減する、段落Ａ９に記載の補正器システム。
Ａ１０．外側コーティングが、電気的に接地されている、段落Ａ１～Ａ９．１のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ｂ１．ジョンソンノイズの発生が低減された電子顕微鏡光学素子であって、電気絶縁材料から構成されている内側コアと、導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、光学素子。
Ｂ１．１．電気絶縁材料が、半導体材料を含む、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ１．２．電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ２．外側コーティングが、内側コアを完全に取り囲んでいる、段落Ｂ１に記載の光学素子。
Ｂ３．光学素子が、電極である、段落Ｂ１～Ｂ２．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．光学素子が、補正器である、段落Ｂ１～Ｂ４．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．１．光学素子が、Ｃｃ補正器である、段落Ｂ５に記載の光学素子。
Ｂ５．２．光学素子が、Ｃｃ／Ｃｓ補正器である、段落Ｂ５～Ｂ５．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ５．３．光学素子が、少なくとも１つの外部磁気多極子をさらに含む、段落Ｂ５～Ｂ５．２のいずれか一項に記載の光学素子。
Ａ５．４．補正器が、ＣＳ補正器である、段落のＢ１～Ｂ５のいずれか一項に記載の補正器システム。
Ｂ７．外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ｂ１～Ｂ５．４のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ７．１．外側コーティングが、１００ｋΩを超えるシート抵抗を有する、段落Ｂ７に記載の光学素子。
Ｂ８．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、段落Ｂ１～Ｂ７．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ８．１．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．００１Ω－１未満である、段落Ｂ８に記載の光学素子。
Ｂ８．２．外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０００１Ω－１未満である、段落Ｂ８に記載の光学素子。
Ｂ９．外側コーティングにより、ジョンソンノイズが２倍、３倍、または１桁低減する、段落Ｂ１～Ｂ７．１のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｂ１０．外側コーティングが、電気的に接地されている、段落Ｂ１～Ｂ９のいずれか一項に記載の光学素子。
Ｃ１．段落Ａ１～Ａ１０のいずれか一項に記載の補正器システムの使用。
Ｄ１．段落Ｂ１～Ｂ１０のいずれか一項に記載の光学素子の使用。
Ｅ１．熱磁気ノイズが低減されるように構成された荷電粒子顕微鏡システムであって、試料に向けて荷電粒子ビームを放射するように構成された、荷電粒子源と、荷電粒子ビームを試料に向けるように構成された、集束カラムと、試料を保持するように構成された、試料ホルダと、試料と相互作用する荷電粒子ビームに基づいて、放出物および／または荷電粒子を検出するように構成された、検出器システムと、段落Ａ１～Ａ１０のいずれか一項に記載の補正器システムのうちの少なくとも１つおよび／または段落Ｂ１～Ｂ１０のいずれか一項に記載の光学素子と、を備える、システム。
Ｆ１．段落Ｅ１の荷電粒子顕微鏡システムの使用。
本明細書に記載のシステム、装置、および方法は、決して限定的なものとして解釈されるべきではない。代わりに、本開示は、単独で、ならびに相互の様々な組み合わせおよび部分的な組み合わせにおいて、様々な開示された実施形態のすべての新規かつ非自明な特徴および態様を対象とする。開示されたシステム、方法、および装置は、任意の特定の態様もしくは特徴またはそれらの組み合わせに限定されるものではなく、開示されたシステム、方法、および装置は、任意の１つ以上の特定の利点が存在すべきである、または問題が解決されるべきであることも必要としない。いずれの動作理論も説明を容易にするためであるが、開示されたシステム、方法、および装置は、そのような動作理論に限定されない。
開示された方法のいくつかの動作は、便宜的な提示のため、特定の順番で記載されているが、以下に記載される具体的な用語によって特定の順序が要求されない限り、この説明様式が並び替えを包含することを理解されたい。例えば、順次記載される動作は、場合によっては、並び替えられてもよく、または同時に実行されてもよい。さらに、単純化のために、添付の図は、開示されたシステム、方法、および装置を、他のシステム、方法、および装置とともに使用することができる様々な方式を示していない場合がある。さらに、説明は、開示された方法を記載するために、「判定する」、「識別する」、「製造する」、および「提供する」などの用語を使用することがある。これらの用語は、実行される実際の動作の高レベルの抽象化である。これらの用語に対応する実際の動作は、特定の実施態様に応じて、様々であり、当業者には容易に認識可能である。
Claims (40)
- 補正器システムであって、
外部磁気多極子と、
内部静電多極子と、を備え、前記内部静電多極子の構成要素が、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングであり、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する外側コーティングと、を備える、
補正器システム。 - 前記電気絶縁材料が、半導体材料を含む、請求項１に記載の補正器システム。
- 前記電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、請求項１に記載の補正器システム。
- 前記外側コーティングが、前記内側コアを完全に取り囲んでいる、請求項１～３のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記構成要素が電極であり、前記内部静電多極子が複数の電極を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記複数の電極の各々が、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、請求項５に記載の補正器システム。 - 前記外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、請求項１～６のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 荷電粒子顕微鏡システムであって、
試料に向けて荷電粒子ビームを放射するように構成された、荷電粒子源と、
前記荷電粒子ビームを前記試料に向けるように構成された、集束カラムと、
前記試料を保持するように構成された、試料ホルダと、
前記荷電粒子ビームが前記試料と相互作用することに基づく放出物および／または荷電粒子を検出するように構成された、検出器システムと、
ジョンソンノイズの発生が低減された電子顕微鏡光学素子と、を備え、前記光学素子が、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングであり、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する外側コーティングと、を備える、
顕微鏡システム。 - 前記外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω－１未満である、請求項８に記載の顕微鏡システム。
- 電子顕微鏡光学素子であって、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングであり、当該外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω －１ 未満である外側コーティングと、
を備える光学素子。 - 前記電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、請求項１０に記載の光学素子。
- 前記外側コーティングが、前記内側コアを完全に取り囲んでいる、請求項１０または１１に記載の光学素子。
- 前記外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、請求項１０～１２のいずれか一項に記載の光学素子。
- 前記外側コーティングが、ジョンソンノイズを１桁低減させる、請求項１０～１３のいずれか一項に記載の光学素子。
- 補正器システムであって、
外部磁気多極子と、
内部静電多極子と、を備え、前記内部静電多極子の構成要素が、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングであり、当該外側コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が０．０１Ω －１ 未満である外側コーティングと、を備える、
補正器システム。 - 前記電気絶縁材料が、半導体材料を含む、請求項１５に記載の補正器システム。
- 前記外側コーティングが、前記内側コアを完全に取り囲んでいる、請求項１５または１６に記載の補正器システム。
- 前記内部静電多極子の前記構成要素が電極であり、前記内部静電多極子が複数の電極を含む、請求項１５～１７のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記複数の電極の各々が、
電気絶縁材料から構成されている内側コアと、
導電性材料から構成されている外側コーティングと、を備える、請求項１８に記載の補正器システム。 - 前記外側コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、請求項１５～１９のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 補正器システムであって、
複数の電極によって形成された内部静電多極子であり、前記複数の電極のうちの少なくとも１つが、
電気絶縁材料から構成されているコアと、
該電極の少なくとも一部の外側層を形成する導電性材料から構成されているコーティングであり、当該補正器システムが荷電粒子システムで使用されるときに、当該コーティングは、該電極の前記コアと荷電粒子ビームとの間に位置し、非ゼロの電位に保たれる、コーティングと、を備える、内部静電多極子と、
前記内部静電多極子を取り囲む外部磁気多極子と、
を備える補正器システム。 - 前記非ゼロの電位は、１０ｋＶ未満である、請求項２１に記載の補正器システム。
- 前記非ゼロの電位は、１ｋＶから５ｋＶの間である、請求項２１に記載の補正器システム。
- 前記非ゼロの電位は、－５ｋＶである、請求項２１に記載の補正器システム。
- 前記コーティングが、ジョンソンノイズを２分の１に低減させる、請求項２１～２４のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記コーティングが、ジョンソンノイズを１桁低減させる、請求項２１～２４のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記複数の電極の各々が、前記電気絶縁材料から構成されているコアと、各電極の少なくとも一部の外側層を形成する前記導電性材料から構成されているコーティングと、を備える、請求項２１～２６のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記電気絶縁材料が、半導体材料を含む、請求項２１～２７のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記電気絶縁材料が、セラミック材料を含む、請求項２１～２７のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記コーティングの厚さ（ｔ）と電気伝導率（σ）との積が、０．０１Ω －１ 未満である、請求項２１～２９のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 補正器システムであって、
複数の電極によって形成された内部静電多極子であり、前記複数の電極のうちの第１の電極が、
電気絶縁材料から構成されているコアであり、（ｉ）荷電粒子システムのビーム経路に向けることが可能な内面と、（ｉｉ）前記内面に隣接し、前記内面が前記ビーム経路に向けられたときに前記ビーム経路に面しない側面と、を持ち、前記側面が、前記複数の電極のうちの第２の電極との間で距離（ｇ）だけ隔てられている、コアと、
当該第１の電極の少なくとも一部の外側層を形成する導電性材料から構成されているコーティングであり、前記一部は、前記内面と、前記内面に隣接する前記側面に沿った長さ（ｈ）の部分とを含み、前記内面上の当該コーティングは、当該補正器システムが前記荷電粒子システムで使用されるときに、当該第１の電極の前記コアと前記ビーム経路に沿った荷電粒子ビームとの間に位置する、コーティングと、を備える、内部静電多極子と、
前記内部静電多極子を取り囲む外部磁気多極子と、
を備える補正器システム。 - 前記距離（ｇ）に対する前記長さ（ｈ）の比が、５より大きい、請求項３１に記載の補正器システム。
- 前記距離（ｇ）に対する前記長さ（ｈ）の比が、６より大きい、請求項３１に記載の補正器システム。
- 前記第２の電極が、
前記電気絶縁材料から構成されている第２のコアであり、（ｉ）前記ビーム経路に向けることが可能な第２の内面と、（ｉｉ）前記第２の内面に隣接し、前記第２の内面が前記ビーム経路に向けられたときに前記ビーム経路に面しない第２の側面と、を持ち、前記第２の側面が、前記第１の電極の前記側面との間で前記距離（ｇ）だけ隔てられている、第２のコアと、
当該第２の電極の少なくとも第２の部分の第２の外側層を形成する前記導電性材料から構成されている第２のコーティングであり、前記第２の部分は、前記第２の内面と、前記第２の内面に隣接する前記第２の側面に沿った長さ（ｌ）の部分とを含み、前記第２の内面上の当該第２のコーティングは、当該補正器システムが前記荷電粒子システムで使用されるときに、当該第２の電極の前記第２のコアと前記ビーム経路に沿った前記荷電粒子ビームとの間に位置する、第２のコーティングと、を備える、請求項３１～３３のいずれか一項に記載の補正器システム。 - 前記距離（ｇ）に対する前記長さ（ｌ）の比が、５より大きい、請求項３４に記載の補正器システム。
- 前記距離（ｇ）に対する前記長さ（ｌ）の比が、６より大きい、請求項３４に記載の補正器システム。
- 前記長さ（ｈ）と前記長さ（ｌ）とが同じである、請求項３４に記載の補正器システム。
- 前記コーティングが、ジョンソンノイズを２分の１に低減させる、請求項３１～３７のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記コーティングが、ジョンソンノイズを１桁低減させる、請求項３１～３７のいずれか一項に記載の補正器システム。
- 前記コーティングが、１０ｋΩを超えるシート抵抗を有する、請求項３１～３９のいずれか一項に記載の補正器システム。
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