JPH0451440A - 荷電粒子線装置 - 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、荷電粒子線装置の改良に係り、特にそれにお
ける静電レンズおよび該静電レンズ等に所要の高電圧を
印加するための高電圧電源の改良構成に係る。

【従来の技術】

例えば、走査型電子顕微鏡などの荷電粒子線装置におけ
る荷電粒子線集束用の静電レンズとじては、第６図に示
すようなアインツエルレンズ２３が一般的に用いられて
いる。このアインツエルレンズにおいては、それを構成
する上下３枚の電極のうち、上下両端側の２電極には通
常アース電位が付与されており、中間の１電極に負また
は正のレンズ電圧ＶＬＩを印加することによって、集束
レンズ作用を発生させている。そして、荷電粒子線の偏
向は、上記アインツエルレンズ２３の」１方側（荷電粒
子源１側）または下方側（試料８側）のアース電位空間
内に設けられた偏向器９によって行なわれている（例え
ば、特公昭６３−６７７４３号公報参照）。 ［発明が解決しようとする課題］ 静電レンズや磁界レンズを用いて電子光学系を構成し、
荷電粒子線を試料上に集束させる荷電粒子線装置におい
ては、装置の空間分解能は試料上における荷電粒子線の
スポット径によって決まる。 微小なスポットを得るためには、電子光学系の光学収差
をできるだけ小さくしてやることが重要である。 また、電子光学系を静電レンズのみで構成すれば、装置
全体を非常に小型に構成することができる。しかし、こ
れまで静電対物レンズとして用いられてきているアイン
ツエルレンズでは、磁界レンズに比べて光学収差が大き
いため、分解能を上げることができない。このため、電
子光学系を構成する静電レンズとしてこのアインツエル
レンズを用いたのでは、装置性能を低下させることなく
して、装置全体の小型化を実現することはできなかった
。 本発明の一つの目的は、静電レンズのみを用いても磁界
レンズと同等もしくはそれ以下の低収差を実現すること
ができ、それによって、電子光学系を小型に構成するこ
とができ、しかも、高分解能を得ることのできる荷電粒
子線装置を提供することにある。 本発明の他の目的は、電子光学系における静電レンズ、
試料像表示装置、試料からの二次荷電粒子を検出する検
出器、真空排気系などに必要な高電圧電源を共通化させ
ることにより、装置全体をさらに小型かつ安価に構成す
ることを可能にした荷電粒子線装置を提供することであ
る。 ［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明においては、荷電
粒子線集束系を静電レンズによって構成して成る荷電粒
子線装置において、−に記静電レンズを構成する複数の
レンズ電極のうち一番試料に近い側の最終電極を除く他
の全てのレンズ電極に、上記最終電極に対して、荷電粒
子線が会に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電
粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加
し。 かつ、上記最終電極以外のレンズ電極の内部空間内にお
いて、上記荷電粒子線を偏向するようにしたことを一つ
の特徴としている。 また、本発明においては、上記最終電極のすぐ上方（電
子源側）にある第一レンズ電極に、上記最終電極に対し
て、荷電粒子の最終加速電圧の３倍以」二の電位を印加
するようにしたことを他の一特徴としている。 また、本発明においては、偏向器によって荷電粒子線を
偏向させる位置を、上記第一レンズ電極の内部空間内も
しくは該第一レンズ電極と同電位に保持された電極の内
部空間内にあるようにしたことをさらに他の一特徴とし
ている。 さらに、本発明においては、上記静電レンズを構成する
各レンズ電極に高電圧を印加するために必要な高電圧電
源をできるだけ共通化し、好ましくはさらに、該静電レ
ンズ用の高電圧電源を、試料像表示装置、二次荷電粒子
検出器、または真空排気系等に必要な高電圧を印加して
やるための電源としても共用化してやることをさらに他
の一特徴としている。 【作用） 上記した本発明の特徴的構成によれば、荷電粒子線装置
の電子光学系を静電レンズのみで構成したものにおいて
も、その光学収差を、磁界レンズによる場合よりもさら
に低減させてやることができる。 また、静電レンズのみで電子光学系を構成することによ
り、電子光学系を容易に小型化できる。 さらに、高電圧電源を含めた荷電粒子線装置全体を非常
に小型かつ安価に構成できる。 （実施例］ 以下、本発明を走査形電子顕微鏡に適用した場合の一実
施例につき、第１図を参照して詳細に説明する。 第１図において、電界放出型の電子源１と引出電極３と
の間に形成された引出電界により該電子源１から電界放
出された電子線２は、上記引出電極３、および、その下
方に設けられた第三レンズ電極４、第二レンズ電極５、
第一レンズ電極６並びに最終電極７から成る静電レンズ
のそれぞれの電極間に形成された電界により集束作用を
受け、細く集束されて試料８上に照射される。それと同
時に、電子線２は偏向器９によって第二レンズ電極５の
内部空間内で偏向作用を受け、試料８上で二次元的に走
査される。また、電子線２と上記静電レンズとの光軸合
わせのために、アラインメントコイル１１によって電子
線２をシフ１−できるようになっている。また、電子線
２の非点収差補正を行うためにスティグマコイル１２が
設けられている。電子線２の照射により試料８から発生
した二次電子１３は、二次電子加速電極１４に印加され
た高電圧Ｖ［１Ｍによって形成される電界により補足及
び加速されて、二次電子検出器１５に到達し検出される
。この検出信号を、電子線２と同期走査される陰極線管
表示装置１６の輝度変調信号として用いることにより、
試料８表面の二次元二次電子像が得られる。 本実施例では、半導体の表面観察などの用途に適するよ
うに、電子線の照射による試料表面の帯電や損傷を少な
くすることのできる低加速電圧での観察を対象としてお
り、したがって、電子線２の加速電圧Ｖａは３ｋＶ以下
（主に１ｋＶ前後）に設定し、電子源１からの電子線引
出電圧（電子源１と引出電極３との間の電圧（Ｖａ十Ｖ
ｅ）：通常は、３〜６ｋｖ）よりも低く設定しである。 そのため、引出電極３には、アース電位に対して正側の
電圧Ｖｅを印加することにより、電子源１からの電界放
出を起こさせている。 さらに、電子光学系の低収差化を実現するために、静電
レンズを構成する複数の電極のうち、アース電位にある
最終電極７以外の全ての電極４．５および６には、上記
最終電極７に対して、つまり、アース電位に対して正側
の電圧が印加されている。 第３図は、第一レンズ電極６と最終電極７とで形成され
るレンズの平行入射電子線に対する色収差係数を比較し
て示したものである。目的とする低加速電圧領域では、
試料８上にフォーカスされる電子線２のスポット径は、
色収差が支配的な要因となって決まっている。同図にお
いて、第一レンズ電極６に正の電圧を印加してフォーカ
スさせた場合を曲線（ａ）で、負の電圧を印加してフォ
カスさせた場合を曲線（ｂ）で示しである。同図の横軸
には、レンズの下面と試料との間の距離であるワーキン
グ距離Ａをとっである。ここでは、第一レンズ電極６と
最終電極７との電極間距離Ｂ−２ｍｍとしている。さら
に、同図の曲線（ｃ）には、−例として代表的な磁界レ
ンズ（ギャップ４．　ｍ　ｍ　。 開口径３　ｍ　ｍ　）の色収差係数を示しである。曲線
（ａ）、（ｂ）の比較より、静電レンズでは第一レンズ
電極６に正側の電圧を印加した場合の方が収差が小さく
なることが分かる。すなわち、第一レンズ電極６に負側
の電圧を印加してフォーカスさせた場合には、曲線（ｃ
）で示した磁界レンズの場合に比べて、色収差係数は数
倍程度に大きくなってしまう。これに対し、第一レンズ
電極６に正側の電圧を印加してフォーカスさせれば、ワ
ーキング距離Ａを１０ｍｍ以下にした場合には、磁界レ
ンズよりもさらに小さな色収差係数を実現できる。 さらに、ワーキング距離Ａを１０〜２０ｍｍにしても、
磁界レンズとほぼ同等の色収差係数が実現できる。 第４図には、ワーキング距離Ａに対して必要な第一レン
ズ電極６への印加電圧Ｖ、、、を、加速電圧Ｖａに対す
る比（Ｖ、、＋／Ｖａ）として示しである。これより、
磁界レンズよりも小さな色収差係数を実現できる条件（
この例では、Ａ　＜　１．０　ｍ　ｍとなる条件）は、
Ｖ　［、ｌ　／　Ｖ　ａ≧３であることがわかる。な］
１ お、この条件は、電極間距離Ｂを１ｍｍから１０ｍｍと
広い範囲にわたって変化させても殆ど変わらないことが
わかっている。 さらに、第５図（Ｂ）には、同図（Ａ）に示したような
三つの電極５．６．７から成る静電レンズを用いて電子
線２をフォーカスさせた場合の、色収差係数Ｃｃと球面
収差係数Ｃｓを計算した結果を示しである。ここでは、
ワーキング距離Ａ＝３ｍｍ。 各電極間の距離Ｂ＝Ｃ＝２ｍｍで一定とし、最終電極７
は接地し、第一レンズ電極６．第二レンズ電極５にはそ
れぞれ正側の電圧子Ｖ、□、十ＶＬ２を印加してフォー
カスさせている。同図（Ｂ）の横軸は、第二レンズ電極
５の印加電圧Ｖ　Ｌ　２と第一レンズ電極６の印加電圧
Ｖ　Ｌ　ｌとの比（ｖｉ、２／ＶＬＩ）を表わしている
。 第５図（Ｂ）かられかるように、■４、ｔ／　Ｖ　［、
ｔ　＜　０の領域、すなわち、第二レンズ電極５に負の
電位を印加して動作させた場合には、Ｖ　［、２／　Ｖ
　ｃ　＋　＞　０の領域、すなわち、第二レンズ電極５
に正の電位を印加して動作させた場合に比べて、その収
差係数が非常に大きくなってしまっている。 第６図には、アインツエルレンズを用いた従来の電子光
学系が示しである。アインツエルレンズでは、三つの電
極のうち上下両端側の２電極はアス電位となっており、
電子線の偏向は該レンズの外側のアース電位空間内にお
いて行われている。 これは、第５図においてちょうどＶ　ｔ、　Ｆ、／　Ｖ
　［，１＝　０（ｖｌ、≠Ｏ）とした場合に対応する。 このことから、第二レンズ電極５にも正側の電圧を印加
することにより、これまでの静電レンズ構成の電子光学
系に用いられてきたアインツエルレンズよりも大幅に収
差を低減できることがわかる。とくに、第二レンズ電極
５に第一レンズ電極６への印加電圧Ｖ、、、の１／４以
上の大きさの正の電圧Ｖ　Ｌ　Ｆ、を印加することによ
り、磁界レンズよりもさらに低収差を実現できる。 このように、一般に電極の枚数によらず、引出電極３と
最終電極７との間に存在する電極を全て最終電極７に対
して正電位にすることにより、例えばある電極を負電位
や最終電極７と同電位にしたすする場合よりも、収差を
すっと小さくしてやることができる。従って、本実施例
においては、第三レンズ電極４にも正電位子■１，３が
印加されるようになっている。 本実施例における代表的な電圧印加状態を示すと、例え
ば、加速電圧Ｖａ＝１ｋＶ、ミニ１ｋＶ、ワーキングｍ
ｍ＋引出電圧を４．　ｋ、　Ｖとした場合、Ｖｅ””３
ｋＶ、ＶＬ３＝０．５−３ｋＶ、Ｖｔ、ｐ＝２−６ｋＶ
、Ｖ、、＝３−７ｋＶである。 なお、本実施例においては、試料を同じ位置に置いたま
まで、各電極への印加電圧Ｖ［，３＋Ｖｆ、２゜■、、
、の大きさを調節しながらフォーカスさせることによっ
て、試料上での電子線のスポッｌ〜径をある程度犠牲に
して（大きくして）代わりに試料に入射する電子線の電
流値（プローブ電流値）を大きくしたり、逆に、プロー
ブ電流値を絞ることによってスポット径を小さくしてや
るという操作が可能どなっている。 また、第３図からもわかるように、高分解能を得るため
には、試料をできるだけレンズに近づけることか必要で
ある。本実施例においては、偏向器９は最終電極７より
も上方に配置されており、電子線は第二レンズ電極５の
内部空間内で偏向作用を受けるようになっている。この
ため、最終電極７と試料８とを十分に近づけることがで
き、第６図（Ｂ）に示した従来のものよりもこの点でも
有利である。 第１図に示した実施例においては、磁界レンズを全く用
いずに、静電レンズのみで電子光学系を構成しているた
め、電子光学鏡筒は外径３４ｍｍ、高さ１５０ｍｍと非
常に小型になっている。また、本実施例では、引出電極
３および静電レンズを構成するレンズ電極４．５．６を
全て最終電極７に対して正側の電位とすることによって
、磁界レンズを用いた場合よりもさらに高分解能（加速
電圧１ｋＶで６ｎｍ）を実現している。 また、上述したように、電極３．４．５および６に印加
されるべき電圧は、全て正極性、つまり、同極性の電圧
であるため、これら電極には、共通の一台の正極性高圧
電源１７から分圧器１０を通し７て、それぞれ必要な電
圧を印加するようにしている。また、各電極への印加電
圧は、それぞれの電圧値を互いに独立に１［できるよう
にするために、第２図に示すように、各電極毎に異なる
可変抵抗器２０を介して分圧供給される。 また、２次電子加速電極１４への印加電圧ｖｐＭも通常
＋７〜１０ｋＶ程度の正極性電圧である。 さらに、本実施例において、試料像表示用として用いて
いる陰極線管表示装置１６内の表示用ブラウン管のアノ
ード端子に印加すべき電圧Ｖｎも通常＋］Ｏ〜２０ｋＶ
程度の正極性電圧である。そこで、本実施例では、２次
電子加速電極１４２表示装置」−６に必要な電圧Ｖ　Ｐ
　Ｍ　Ｉ　Ｖ　１３も全て上記した共通の正極性高圧電
源１７から分圧器１０を通して供給している。なお、こ
れら二つの電圧Ｖ　ｐ　ｌｌ＋ＶＤは通常可変にする必
要がないため、ここでは、第２図に示すように、固定抵
抗器２１を用いて分圧している。だだし、電子源１には
もちろん負の電圧−Ｖａを印加しなくてはならないため
、そのために負極性高圧電源１７′を別に設けている。 第７図に、本発明のさらに他の一実施例を示す。 本実施例の電子光学系においては、第１図の実施例にお
ける第一レンズ電極６と第二レンズ電極５とを互いに接
続して同電位化し、電位的にみて一つの電極６とした構
成となっている。つまり、偏向器９の下方にある対物レ
ンズは、二つの電極６゜７からなる静電レンズとなって
いる。これは、ちょうど第５図においてＶＬ２／Ｖ、、
、＝１とした場合に相当する。第５図からもわかるよう
に、第一レンズ電極６と第二レンズ電極５とを電位的に
みて一つの電極としても、つまり、Ｖ　Ｅｌ／　Ｖ　（
，１＝１に固定しても、収差が大きくなることはない。 また、第１図の実施例と同様に、試料を同じ位置に置い
た場合でも、Ｖ　ｒ４１　Ｖ　［，１の大きさを調節し
てフォーカスさせることにより、スポット径を犠牲にし
て（大きくして）試料へのプローブ電流値を大きくした
り、逆に、プローブ電流値を絞ることによってスポラ１
〜径を小さくしたりという操作が可能となっている。 その上、第１図の実施例よりも電極の数が一つ減ってい
るため、その分だけさらに電子光学系の構成が簡昨にな
る。本実施例の構成によれば、例として、鏡筒部外径３
４−　ｍ　ｍ　、高さ１２０ｍｍというように、第１図
の実施例よりもさらに小型化された電子光学系が実現さ
れている。 本実施例では、鏡筒部１８側の真空排気装置としてゲッ
ターイオンポンプ１９が用いられている。 ゲッターイオンポンプを動作させるには、５ｋＶ程度の
高電圧ＶＰが必要である。この電圧Ｖｐの極性は正と負
のいずれの場合もあるが、装置全体の小型化のために、
この電圧Ｖｐも正極性高圧電源１７もしくは負極性高圧
電源１７′から適当な分圧器を介して供給するようにす
るのが望ましい。 以上、本発明を実施例に沿って説明してきたが、本発明
はこれら実施例に示した具体的構成のみに限定されるも
のではなく種々の変形が可能である。 例えば、実施例では本発明を走査形電子顕微鏡に適用す
る場合について説明したが、本発明は電子線測長装置や
電子線描画装置などの他の電子線装置にもそのまま応用
することが可能であり、さらにイオン顕微鏡や集束イオ
ンビーム装置や二次イオン質量分析器などのイオンビー
ム装置などにも単に印加電圧の極性を変換してやる程度
の簡単な変形により容易に適用可能である。本発明は、
このような場合をも含むものであることは云うまでもな
い。 ［発明の効果］ 本発明によれは、静電レンズを構成する複数のレンズ電
極のうち最終電極以外の全てのレンズ電極に、荷電粒子
線が負に帯電した粒子線の場合には正の電圧を、荷電粒
子線が正に帯電した粒子線の場合には負の電圧を印加し
、かつ、」二部最終電極以外のレンズ電極の内部空間内
において荷電粒子線を偏向するように構成されているた
め、静電レンズだけを用いて電子光学系を構成した場合
でも、従来の磁界レンズを用いた装置に匹敵し得るもし
くはそれを上回る高分解能な荷電粒子線装置を実現でき
る。 さらに、本発明によれば、レンズ電極に必要な電圧がす
べて同極性であり、したがって、これらレンズ電極に電
圧を印加するための電源を共通化してやることができる
。また、二次電子検出器や、試料像表示用の陰極線管や
、鏡筒部１８側のゲッターイオンポンプ等に必要な電圧
も」二部したレンズ電極用の電源と共通化してやること
ができる。 この結果、鏡筒部および電源系を含めた荷電粒子線装置
全体を小型かつ安価に構成してやることが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例になる走査形電子顕微鏡の
断面概略図、第２図は、上記実施例における分圧器の一
構成例を示す回路図、第３図は、静電レンズにおけるワ
ーキング距離と収差係数との関係を示す特性曲線図、第
４図は、静電レンズにおけるワーキング距離と必要な電
極間電圧比との関係を示す特性曲線図、第５図は、静電
レンズの電極間電圧比と収差係数との関係を示す特性曲
線図、第６図は、従来のアインツエルレンズを用いた電
子光学系の構成例を示す断面概略図、第７図は、本発明
の他の一実施例になる走査形電子顕微鏡の断面概略図、
である。 図中、 １−ｍ＝電子源、２−ｍ−電子線、３−ｍ−引出電極、
４−ｍ−第三レンズ電極、５−ｍ−第二レンズ電極、６
−−−第一レンズ電極、７−−−最終電極、８−ｍ−試
料、９−ｍ−偏向器、１０−ｍ−分圧器、１１−−−ア
ラインメン１〜コイル、 １２−ｍ−スティグマコイル、１３−ｍ−二次電子、１
４−ｍ−二次電子加速電極、１５−ｍ−検出器、］６−
−−表示装置、１７一−−正極性高圧共通電源、１７′
−ｍ−負極性高圧電源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、荷電粒子源から荷電粒子線を発生させるための荷電
   粒子線発生手段と、該荷電粒子線を試料上に集束させる
   ための荷電粒子線集束手段と、該荷電粒子線を試料上で
   走査させるための荷電粒子線偏向手段と、該荷電粒子線
   の通過する空間内を真空排気するための排気手段と、該
   荷電粒子線の照射によって試料から得られる情報を検出
   するための検出手段と、該検出手段からの検出信号に基
   づいて上記情報の試料表面上での分布状況を像として表
   示するための像表示手段とからなる荷電粒子線装置にお
   いて、上記荷電粒子線集束手段は静電レンズで構成され
   ており、該静電レンズを構成する複数のレンズ電極のう
   ち一番試料に近い側にある最終電極を除く他の全てのレ
   ンズ電極には、該最終電極に対して、上記荷電粒子線が
   負に帯電した粒子線の場合には正側の電圧が、上記荷電
   粒子線が正に帯電した粒子線の場合には負側の電圧が印
   加されており、かつ、上記荷電粒子線偏向手段は上記最
   終電極以外のレンズ電極の内部空間内において上記荷電
   粒子線を偏向するように構成されていることを特徴とす
   る荷電粒子線装置。 ２、上記最終電極のすぐ上方に配置されている第一レン
   ズ電極には、上記最終電極に対して、荷電粒子線の最終
   加速電圧の３倍以上の電圧が印加されていることを特徴
   とする請求項１記載の荷電粒子線装置。 ３、上記荷電粒子線偏向手段は、上記第一レンズ電極の
   内部空間内または該第一レンズ電極と同電位にある空間
   内で上記荷電粒子線を偏向するように構成されているこ
   とを特徴とする請求項１または２記載の荷電粒子線装置
   。 ４、上記静電レンズを構成する最終電極以外のレンズ電
   極のうちの少なくとも二つの電極に印加されるべき電圧
   が、共通の高電圧電源から分圧器を介して給電されてい
   ることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載
   の荷電粒子線装置。 ５、上記の像表示手段が陰極線管表示装置であり、該陰
   極線管表示装置の陰極線管に印加されるべき高電圧が、
   上記静電レンズを構成する最終電極以外のレンズ電極の
   いずれかに電圧を印加するための高電圧電源によって共
   通に給電されていることを特徴とする請求項１ないし４
   のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 ６、上記検出手段は、試料から発生する二次荷電粒子を
   加速して検出する検出器であり、上記二次荷電粒子を加
   速するために必要な高電圧が、上記静電レンズを構成す
   る最終電極以外のレンズ電極のいずれかに電圧を印加す
   るための高電圧電源によって共通に給電されていること
   を特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の荷電
   粒子線装置。 ７、上記排気手段は、ゲッターイオンポンプであり、該
   ゲッターイオンポンプを動作させるために必要な高電圧
   が、上記静電レンズを構成する最終電極以外のレンズ電
   極のいずれかに電圧を印加するための高電圧電源によっ
   て共通に給電されていることを特徴とする請求項１ない
   し６のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 ８、上記荷電粒子は電子線であることを特徴とする請求
   項１ないし７のいずれかに記載の荷電粒子線装置。 ９、上記荷電粒子源は電界放出型の電子源であることを
   特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の荷電粒
   子線装置。