JPH0249339A - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、粒子源と、粒子光学装置と、可変軸レンズ系
とを具える荷電粒子ビーム装置に関するものである。

（従来の技術） この種類の装置は電子ビーム書込み装置の形態で雑誌”
Ｊｏｕｒｎａｌ　Ｖａｃ、　Ｓｃｉ、　ａｎｄ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙＱ９）”Ｎｏｖ、−Ｄｅｃ、　１９８１
の第１０５８〜１０６３頁に記載されている。可変軸レ
ンズ（ＶＡＬ）系を用いることにより、スポット形状を
劣化させたり妨害となる誤差を導入したりすることなく
、粒子ビームの光軸を、照射すべき物体の比較的大きな
表面に亘って横方向に偏移せしめることができる。光軸
の偏移に伴うビーム走査は例えば、物体をインスクライ
プしたり物体を検査したりするのに適している。この可
変軸レンズ系によれば光学的な誤差が減少され、物体か
ら検出すべき電子は良好な方向に向けて取出すことがで
きる。このような電子の取出しは例えば物体に対して可
変軸レンズ系の反対側に位置する電子検出器により行わ
れ、検出すべき電子、例えば二次電子或いはオージェ電
子は検出前にレンズ磁界を通過する。

この原理に基づいた荷電粒子ビーム装置は、オランダ国
特許出願第８６０２１９６号（特開昭６３−６２３２１
号公報に対応）に記載されている。

（発明が解決しようとする課題） 特に多くの分野にとって望ましいようにこのような荷電
粒子ビーム装置のレンズ磁界を強くする場合には、光軸
を偏移させるコイルに発生する熱が悪影響を及ぼす要因
となる程度までこれらコイルを附勢しなければならない
。更に、高速偏向の場合には、強い磁界を局部的に発生
させるのに用いる強磁性磁極片中に妨害となる円形電流
が生じる。この円形電流が走査速度を制限する。光軸偏
移が大きくなるにつれて生じる誤差が大きくなるという
点で走査磁界は制限される。更に、可変軸レンズ系のコ
イルは磁界分布に誤差を生ぜしめやすい複雑な構造をし
ている。

本発明の目的は、上述した欠点を無くすことにある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、粒子源と、粒子光学装置と、可変軸レンズ系
とを具える荷電粒子ビーム装置において、前記の可変軸
レンズ系が光軸を偏移させるための少なくとも２つの、
鉄のないレンズを具え、これらレンズが互いに径方向で
オフセットするように配置されていることを特徴とする
。

本発明による可変軸レンズ系は簡単で鉄のない可変軸レ
ンズコイルを用いている為、前述した欠点が可成り軽減
され、例えば磁極片中にうず電流が生じない為に高い走
査周波数を用いることもできる。また、可変軸レンズ系
の寸法を小さくでき、同時に横方向のビーム偏移の度合
いは少なくともそのまま保たれる。このように寸法が小
さくなったり、妨害となる円形電流がなくなる為に、磁
界強度を局部的に高くでき（これによりレンズ性能を劣
化せしめることがなく或いは改善さえもする）、しかも
問題を生じることなく極めて高速な磁界変化を用いるこ
とができる。

また本発明による可変軸レンズ系によれば、この可変軸
レンズ系の各レンズに対し、偏向誤差が生じないビーム
位置すなわちレンズの光軸と一致する位置が存在すると
いう追加の利点が得られる。

従って、各レンズ当たりの走査磁界の大きさと生じる最
大偏向誤差との間で折衷策を講じることができる。また
制御は種々のレンズ間で電流を再分布させることにより
行なわれる。この場合合計の電流は原理的に同じに保つ
ことができる。既知の可変軸レンズ系におけるように、
この可変軸レンズ系のレンズを介する検出も行なうこと
ができる。

本発明の一実施態様では、可変軸レンズ系が、その光軸
を交差する平面中に配置した少なくとも２つのリング導
体を有するようにするのが好ましい。これらリング導体
中の電流を互いに変えることにより光軸を偏移せしめう
る。特にリング導体のアレイを設けると、ビームを著し
く偏向させることなくビームが大きな走査磁界をカバー
しうるようになる。電流導体を交差する電子ビームの通
路を正しくするために、あたかもこれら電流導体を囲ん
でいるかのように見える予備偏向装置を設けることがで
きる。電流導体をリング或いはコイルの形態で物体空間
の下側に配置することにより、予備偏向装置は電流導体
を囲むようにする必要がなくなる。この場合、レンズ磁
界の一部しか有効に用いられないが、このことは特に超
電導電流回路を用いた場合にこの中に高い附勢レベルが
生じる為に問題とならない。この解決策はレンズ磁界を
遮蔽する物体にはそれほど適していない。この場合、超
電導コイル或いはリングのマトリックスを用いるのが極
めて適している。

本発明の他の実施態様では、光軸を偏移させるためのコ
イルを、これらが超電導電流導体により附勢しうるよう
に構成するのが好ましい。この場合、これらのコイルを
、例えば主コイルを介して電流導体が超電導性となる温
度まで冷却することができる。比較的高い遷移温度と超
電導状態で比較的高い熱伝導度とを組合せた材料、例え
ば超電導性のセラミック材料の超電導電流導体を用いる
のが特に適している。この場合には特に、レンズハウジ
ングの外部から、例えば外部の冷却溜或いは冷凍機から
冷却を行なうことができる。このような装置からの電流
導体の冷却はハウジングの壁部を貫通する適切な熱伝導
体によって達成しうる。

電流導体の熱伝導度が高い為に、電流導体にわずかな熱
が与えられることにより超電導状態を容易に相殺するこ
とはない。

本発明の更に他の実施態様では、主レンズ自体を、例え
ば光学系の光軸を交差する平面に配置した２つの超電導
電流閉回路を以って構成するのが好ましい。これらの２
つの回路の電流比を変えることにより光軸をこれらの回
路内で偏移せしめることができる。

（実施例） 以下図面につき説明するに、第１図に示す本発明の一例
による電子ビーム装置は、例えば半導体電子放出器２を
有する電子源１と、陽極３と、ビームアライメントシス
テム４と、集光レンズ５と、ビーム走査システム（コイ
ル）６と、可変軸レンズ（ＶＡＬ）系７とを具えている
。これらの素子はすぺで物体９に対するキャリア（載置
台）８と一緒に測定空間１２と物体空間１４とを有する
外匣１０内に収容されている。この外圧は真空密壁１６
により密封されている。物体空間内には、物体を動かし
たり、場合によっては物体を回転させたり傾むけたりす
るための外部から操作しうる機構を配置することができ
る。また例えばチップを検査するために、このチップを
外部から物体キャリア上に配置するための設備を設ける
ことができる。物体に入射する電子ビーム１８との相互
作用で物体から生じる電子を検出するために、検出器２
０、例えば二次電子検出器が設けられている。電子ビー
ムは電子ビーム装置の光軸１９に沿って進む。走査コイ
ル６と、電子源１と、物体キャリア８と、検出器２０と
は中央制御装置２２に接続されており、この中央制御装
置には像表示或いはスペクトル表示のためのテレビジョ
ンモニタ２４が接続されている。しかしこの中央制御装
置には例えば、デジタル信号処理システムや、ハードコ
ピーユニットや、書込み装置を接続することもできる。

第２図に示す既知の可変軸レンズ系は第１コイル３２と
第２コイル３４とを有する主レンズ３０を具えており、
これらのコイルが相俟って遠隔レンズを構成し、このレ
ンズは物体９の表面と一致する物体平面を焦平面３５上
に結像する。この可変軸レンズ系の磁極片３６は、あた
かもこのレンズ系の磁力線に対するミラーであるかのよ
うに作用する。この構造では、物体はレンズの視野空間
内に配置される。コイル３２及び３４の内部には、第１
コイル３８及び第２コイル４２を有する偏向システムが
配置されており、これらのコイルが相俟って電子ビーム
１８をレンズ系の幾何学的°軸線（光軸）１９から例え
ば約５陥に亘って横方向に偏移せしめうる。偏向された
電子ビームがレンズ系の軸線１９に対し平行に延在する
領域には、電子ビームを偏移させる際に光軸を偏移させ
る可変軸コイル４４が配置されている。従って、物体上
のビームの目標点４５は常に、物体の表面と光軸との交
点を構成する。可変軸レンズ系には、補正の目的でダイ
ナミック集束コイル４６及びステイグメータ（ｓｔｉｇ
ｍａｔｏｒ）　コイル４８とを設けることができる。こ
のような可変軸レンズ系ですべてのコイルが同期して附
勢されると、このレンズ系の光軸が常に電子ビーム１８
と一緒に偏移する。従って、レンズ系の軸線１９から離
れる距離が増大するにつれて増大する像誤差を生ぜしめ
ることなく、比較的大きな視野（磁場）、例えば対角線
が１０ｍｍの正方形成いは直径が１０ｍｍの円の視野に
電子ビームを及ぼすことができる。これにより前段の光
学系の誤差が補償される。

上述したレンズ系には多くの利点があるも、特に例えば
チップ検査や、分光測定や、オージェ検出等に極めて望
ましい強いレンズ磁界の場合に制限が存在する。この制
限は特に種々のコイル中に熱が過剰に発生したり、特に
高速の交番磁界（走査磁界）の場合に磁極片中にうず電
流が生じたりすることによるものである。これらの熱的
な制限は超厚電性のうず電流遮蔽体により主レンズの磁
極片を遮蔽することにより減少せしめうる為、少なくと
もそのダイナミック特性の妨害を無くすことができる。

磁極片に発生する一定の円形電流は予め容易に補償しう
る。この場合、光軸偏移用のコイルを主レンズの遮蔽さ
れた磁極片間に配置し、これらのコイルにより光軸偏移
、ダイナミック・ステイグメーシヨン（ｄｙｎａ−ｍｉ
ｃ　ｓｔｉｇｍａｔｉｏｎ）及びダイナミック集束を行
ないうる。

第３図は、たとえビーム偏向に関する場合でも光軸５１
に対して交差する平面内に位置する数個の（この場合２
個の）超電導電流回路５０及び５２より成る光軸偏移用
レンズ系を示す。光学的な見地からして、第１コイル５
０はリングの中心を通る光軸を有する簡単なレンズとみ
なすことができる。第２コイル５２は原理的に第１コイ
ル５０と同じであるが、第１コイルに対して径方向に距
離ｄだけ偏移しており、第２コイルの光軸５３が第１コ
イルの光軸５１から距離ｄでこの光軸５１に平行に位置
している。コイル内の電流強度が変化することにより、
光軸は例えば少なくとも２つのコイルにより囲まれた領
域を横切って光軸自体に対し平行に偏移しうる。コイル
を流れる電流の強度を適切に変化させることにより、全
体的なレンズ磁界強度を例えば一定に保つことができる
。

上述した実施例では双方のコイルの電流巻回を互いに交
互に部分的に重ね合わせた。このようにすることにより
問題を生せしめるおそれがあり、いかなる場合でも構成
を比較的複雑にする。

この欠点は、コイルの代わりに複数の単一リング導体を
用いた第４図に示す光軸偏移用レンズ系では回避される
。このレンズ系は、中心を６１．６３゜６５及び６７で
それぞれ示した４つのリング導体６０゜６２、６４及び
６６を有する。中心６１はレンズ系の光軸１９上に位置
し、中心６３．６５及び６７は光軸から等距離に位置し
、互いに１２０°の角度を成している。

第３図に示す例と同様に、光軸はリング導体間の電流分
布変化により偏移せしめうる。この場合も電流の合計、
従って全体のレンズ磁界強度を一定に保つことができる
。また、中央のリング導体６０に比較的強い電流を流し
てこのリング導体が実際上のレンズを構成し、他の３つ
のリング導体に流す電流を変えることにより全体のレン
ズ磁界強度を一定に保つこともできる。電流を流すリン
グ導体の軸線方向寸法を比較的小さくすることにより幾
何学的利点を最大にすることができる。その理由は、こ
の場合特にこれらリング導体をほぼ一平面に配置しうる
為である。導体の断面を比較的小さくすると、これらリ
ング導体に対する電流負荷が所定のレンズ励起に対し比
較的高くなる。従って、これらリング導体は超電導材料
を以って構成するのが好ましい。この場合、リング導体
６０が中央リング導体として不変の電流を流し、他のリ
ング導体が外部から供給する可変の超電導電流を流しう
る。

電流を流すリング導体のレンズ系は通常検査すべき物体
の前方に配置され、検出に際して反射ビームもこのレン
ズ系を通過する。従って、リング導体を反射ビームが通
過する場合にも予備偏向が必要となるという欠点を生じ
る。この欠点はリング導体のレンズ系を物体の後方に配
置することにより回避しうる。この場合、レンズ磁界の
一部のみが有効に用いられるにすぎないという事実が、
何故電流導体（リング導体）を超電導材料を以って構成
するのが好ましいかのもう１つの理由である。

より多くのリング導体を用いることにより大きな走査磁
界を実現でき、また許容しうる偏向誤差とリング導体数
との間に新たな折喪策を講じることができること明らか
である。走査磁界が比較的小さい場合には、リング導体
を中央のレンズ中に、例えば鉄回路を有する電子顕微鏡
の対物レンズ中に設けることができる。

リング導体は、走査に対し物体表面に平行な、すなわち
レンズ系の光軸に垂直な平面中でこのリング導体を偏移
せしめうるように構成することもできる。このようにす
ることにより、機械的な粗な走査と、機械的な各走査磁
界に対するリング導体による電磁副走査との２段走査を
実現しうる。

この場合、物体の運動（チップ製造の為のウェファ運動
）を省略するか或いは数工程に減少せしめることができ
る。

超電導の可変軸レンズ系は、超電導プレートの平面中に
中央絞りを有するこの超電導プレート中の可制御電位を
用いて超電導体を偏移させるようにすることによっても
実現しうる。特にこの構造では、レンズ系を物体の後方
に配置するか或いは超導電プレートを多段走査系中で機
械的に偏移せしめうるように配置するのが望ましい。

超電導コイルや電流回路は例えばこれらから比較的短か
い距離でこれらの周りに装着した冷却装置或いは冷却溜
により冷却することができる。この目的のためには、小
型化或いは継鉄の省略の為に節約された空間を用いるこ
とができる。また、電流供給導線を冷却導体として用い
ることもできる。特に電流導体にセラミックの超電導材
料を用いると、その遷移温度が高く熱伝導度が比較的高
い為に、外部冷却が容易に可能となり、冷却媒体の流れ
或いは冷却導体を介してレンズを冷却することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電子検出装置として構成した本発明による装
置を示す線図、 第２図は、既知の可変軸レンズ系を示す線図、第３図は
、超電導材料より成る電流導体を有する磁気コイルを具
える本発明による可変軸レンズ系を示す線図、 第４図は、光軸を偏移させるための超電導材料のリング
状電流導体を有する本発明による可変軸レンズ系を示す
線図である。 １・・・電子源 ２・・・半導体電子放出器 ３・・・陽極 ４・・・ビームアライメントシステム ５・・・集光レンズ ６・・・ビーム走査システム ７・・・可変軸レンズ系 ８・・・キャリア ９・・・物体 １０・・・外匣 １２・・・測定空間 １４・・・物体空間 １６・・・真空密壁 １８・・・電子ビーム １９・・・光軸 ２０・・・検出器 ２２・・・中央制御装置 ２４・・・テレビジョンモニタ ３０・・・主レンズ ３２・・・第ルンズ ３４・・・第２レンズ ３５・・・焦平面 ３６・・・磁極片 ３７・・・物体平面 ３８・・・第１コイル ４０・・・偏向システム ４２・・・第２コイル ４４・・・可変軸コイル ４６・・・ダイナミック集束コイル ４日・・・ステイグメークコイル ５０・・・第１コイル ５２・・・第２コイル

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、粒子源と、粒子光学装置と、可変軸レンズ系とを具
   える荷電粒子ビーム装置において、前記の可変軸レンズ
   系が光軸を偏移させるための少なくとも２つの、鉄のな
   いレンズを具え、これらレンズが互いに径方向でオフセ
   ットするように配置されていることを特徴とする荷電粒
   子ビーム装置。 ２、請求項１に記載の荷電粒子ビーム装置において、鉄
   のない前記のレンズが一方を他方の中に配置したコイル
   を以って構成されていることを特徴とする荷電粒子ビー
   ム装置。 ３、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム装置にお
   いて、光軸を偏移させる前記の可変軸レンズ系が、この
   可変軸レンズ系の幾何学的軸線に交差する平面内に配置
   された複数個のリング導体を有していることを特徴とす
   る荷電粒子ビーム装置。 ４、請求項１または２に記載の荷電粒子ビーム装置にお
   いて、光軸を偏移させる可変軸レンズ系のレンズが超電
   導材料より成る電流導体を有していることを特徴とする
   荷電粒子ビーム装置。 ５、請求項１〜４のいずれか一項に記載の荷電粒子ビー
   ム装置において、光軸を偏移させる前記のレンズが荷電
   粒子ビーム装置の結像レンズ中に含まれていることを特
   徴とする荷電粒子ビーム装置。 ６、請求項５に記載の荷電粒子ビーム装置において、可
   変軸レンズ系の超電導コイルが、可変電流により附勢し
   うる超電導材料の閉電流回路を有していることを特徴と
   する荷電粒子ビーム装置。 ７、請求項１〜６のいずれか一項に記載の荷電粒子ビー
   ム装置において、可変軸レンズ系の超電導電流回路が荷
   電粒子ビーム装置の外部に配置した冷却装置により冷却
   されうるようになっていることを特徴とする荷電粒子ビ
   ーム装置。 ８、請求項１〜７のいずれか一項に記載の荷電粒子ビー
   ム装置において、荷電粒子ビーム装置の超電導コイルが
   適切に熱伝導性の接続体を介して、支持体として作用す
   る冷却溜に連結されていることを特徴とする荷電粒子ビ
   ーム装置。 ９、請求項１〜８のいずれか一項に記載の荷電粒子ビー
   ム装置において、超電導性の電流導体が、超電導段階で
   比較的高い比熱を有しているセラミック超電導材料を以
   って構成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装
   置。 １０、請求項１〜９のいずれか一項に記載の荷電粒子ビ
   ーム装置において、光軸を偏移させるための可変軸レン
   ズ系が物体ホルダに対して機械的に偏移せしめうるよう
   に配置されていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置
   。 １１、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の荷電粒子
   ビーム装置において、光軸を偏移させるための可変軸レ
   ンズ系が、偏移可能な円形電流を発生しうる超電導材料
   のプレートを以って構成されていることを特徴とする荷
   電粒子ビーム装置。 １２、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の荷電粒子
   ビーム装置において、前記の可変軸レンズ系が照射粒子
   ビームに対して物体の後方に配置されていることを特徴
   とする荷電粒子ビーム装置。 １３、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の荷電粒子
   ビーム装置において、前記の可変軸レンズ系が、これに
   供給される電流の強度の総計が一定となるように附勢さ
   れうるようになっていることを特徴とする荷電粒子ビー
   ム装置。 １４、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の荷電粒子
   ビーム装置において、前記の可変軸レンズ系の１つのレ
   ンズ素子が荷電粒子、ビーム装置の光軸に対して中央位
   置を占め、不変の超電導電流により附勢されうるように
   なっていることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。