JPS62119847A - 荷電ビ−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】 〔技術分野〕 御することによって適切な試料走査および位置決めが得
られ、電子光学系制約条件の緩和とによって、ビーム装
置の高性能化を可能にする荷電ビーム装置に関する。

〔従来技術〕

パターン描画や加工を目的とする荷電ビームリソグラフ
ィー装置や反射電子、二次電子、二次イオン、オージェ
電子等を試料の位置に対応して検出する電子顕微鏡や各
種の荷電ビームによる分析装置では荷電ビームの偏向・
走査用に電界型や磁界型の偏向器が広く用いら、れてい
る。しかしながら、これらの荷電ビーム装置の高精度化
、高分解能化を図る上ではその荷電ビーム偏向器および
制御系の複雑化が大きな隘路となっている。この問題に
ついて走査型電子顕微鏡を例にとって説明する。

荷電ビーム装置の分解能はビーム集束用レンズの収差に
依存しているが、一般的に荷電ビーム用レンズでは収差
補正が非常に難しく、したがって未だにその実用化が図
られていない。またこれらの収差はレンズと試料間の距
離である作動長が短い程、すなわちレンズの励起を強く
する程小さくなる。ところがビーム偏向器を取り付ける
上では、作動長が長い程有利であり、ビーム偏向器をレ
ンズの手前やレンズ内に取り付けることも可能であるが
、その場合には偏向場と集束場との間の最適化が非常に
難しく、使用条件が制約される。

また偏向器をレンズ近傍に取り付ける場合は磁界による
渦電流が高速応答性を劣化させるという問題点がある。

また、分解能の高い、高精度な偏向系では偏向信号に重
畳する雑音が位置決め分解能を低下させる要因となって
おり、荷電ビーム装置では試料をグランドレベルにとる
ため、装置鏡体をアースにおとしているが、鏡体は各種
の真空排気ポンプ、各種の制御電源等のグランドを兼ね
ている場合が多く、アースラインからの微弱な雑音の混
入がビーム偏向における微小位置決めの分解能を制約し
ている。更にまた走査電子顕微鏡における高倍率の観察
および測定においては、表示装置の走査信号と同期した
偏向信号を分圧して偏向器に印加する場合が多く、この
場合、あるレベルの雑音がアースラインに混入している
と、そのレベルが走査電子顕微鏡像を得る上で必要な信
号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を維持する上で問題となり、高分
解能偏向制御の隘路となっている。

更にまた、走査電子顕微鏡において、荷電ビームの加速
電圧を変えた場合に倍率が変わらないようにするには、
加速電圧に連動して偏向信号強度を制御する必要があり
、そのために、制御系がより一層複雑となる。

第４図および第５図は従来技術による電子ビーム描画装
置および走査型電子顕微鏡の電子光学系をそれぞれ示し
、第１図において、１１は電子ビーム源、１２および１
３は照射レンズ、１４は対物レンズ、１５は偏向器、１
６は試料、１７は機械的な試料移動ステージを示す。こ
のように第４図の例では偏向器１５が作動長短くする上
での隘路となっている。また第５図で、２１は電子銃、
２２．２３は照射レンズ、２４は対物レンズ、２５は２
段ビーム偏向器、２６は試料、２７は試料移動ステージ
である。第５図の場合は、偏向器２５をレンズ上方に配
置することによって、作動長を短くした例であるが、実
際には収差の問題から二段偏向によって、ビームがレン
ズ中心を通過するように偏向系を制御するため、作動長
を短くすると、必要な偏向フィールド寸法が得られなく
なり、試料をレンズに近づける上での制限となる。

以上のように従来の荷電ビーム装置においては、そのビ
ーム偏向のための電子光学上の制約や信号対雑音比の問
題、更には加速電圧に連動させるための複雑な制御系等
が欠点となっている。

（発明の目的） 本発明は上記の欠点を解消するためになされたもので、
チタン酸ジルコン酸鉛等のセラミックあるいは水晶等の
単結晶の圧電性材料や電歪材料を用いて構成した試料駆
動系により高精度の分解能をもって、二次元ないし三次
元の位置決め、走査を実施することのできる荷電ビーム
装置を提供することを第１の目的とする。

更に本発明は、荷電ビームを試料に照射することによっ
て発生する二次電子、オージェ電子、二次イオン等を検
出し、その検出信号を制御装置または表示装置と連係さ
せることによって、試料駆動系の駆動信号や駆動系を調
整する機能を有する荷電ビーム装置を提供することを第
２の目的とする。

〔発明の概要〕

かかる第１の目的を達成するために、本発明は試料と、
試料を照射する荷電ビームの集束部との相対位置を制御
する手段を有し、当該制御手段により相対位置を制御し
て試料に対する加工または試料からの信号を検出する荷
電ビーム装置において、制御手段は、試料を少なくとも
２方向に微動可能なように圧電素子で構成された駆動装
置を有することを特徴とするものである。

更に第２の目的を達成す毬ために、本発明は試料と、試
料を照射する荷電ビームの集束部との相対位置を制御す
る手段を有し、当該制御手段により相対位置を制御して
試料に対する加工または試料からの信号を検出する荷電
ビーム装置において、制御手段に配設され、試料を少な
くとも２方する手段とを具えたことを特徴とするもので
ある。

（実施例） 以下に、図面に基づいて本発明の実施例を詳細かつ具体
的に説明する。

第１図は本発明を電子顕微鏡に適用した一例を示す。こ
こで、３１は電子銃、３２．３３は磁界型コンデンサー
レンズ、３４は磁界型対物レンズ、３５はそのポールピ
ース（磁極片）であり、３６は対物レンズ３４の中心近
傍に試料ホルダ３７によって保持される試料、また３８
は二次電子検出器、３９は走査電子顕微鏡像用表示装置
である。更にまた４０はＣＲ７表示装置を制御するため
の制御回路、４１は表示装置用の走査信号の発生と二次
元試料微動用圧電素子駆動信号を発生させるための制御
回路である。すなわち、本例は磁界レンズの収差が強励
磁にする程小さくなることを利用して、後述する二次元
圧電駆動素子を試料ホルダ３７の先端部に設け、この圧
電駆動素子によって保持させた試料３６を対物レンズ３
４の中心付近に挿入し、電子光学系の分解能を決める最
大の要因である球面収差を小さくすることによって、分
解能を向上させるようにしたものである。第２図は第１
１図の試料ホルダ３７を示す。ここで、４３は二次元圧
電駆動素子、４４は圧電素子を駆動するためのリード線
、４５および４６は試料ホルダ位置決収用の駆動機構で
あり、試料３６は二次元圧電駆動素子４３の１つの頂点
によって保持される。

このような二次元圧電駆動素子４３はジルコン酸チタン
酸鉛等のセラミックスあるいは水晶等の単結晶の圧電性
材料によってその駆動体４３Ａが構成されている。しか
して、駆動体４３Ａは１つの頂点から互いに直交する２
つの方向に向けて延在された２つの直方体形状をなす圧
電部と、これら２つの圧電部と一体に形成され、圧電部
の延在された例の端部がそれぞれ固定される壁部とを有
していて、個々の圧電部に設けた対向電極に延在された
方向と直角をなす方向に電圧を印加可能となし、更にこ
れら圧電部の１つに１つの電圧を印加したときに圧電部
の延在方向に直角な他の方向の変位が補正されるように
構成されているものである。

かかる試料走査用の圧電駆動素子は０．１ｎｍ台の分解
能を有し、数百〜数千ｎｍの駆動は比較的容易である。

また、周波数特性は走査像を得るのに必要な数にＨｚ程
度までの鋸歯状波に対しても十分な応答性を有している
。

かくして、本実施例によれば、ビーム偏向器を取付ける
ことに起因する電子光学上の制約が除去され、電子レン
ズの収差の最小となる位置に試料を設置することが可能
となる。

従来、偏向器によるビーム走査で、走査像の倍率をあげ
ることは試料上の偏向フィールド寸法を小さくすること
を意味し、偏向信号レベルが小さくなり、駆動制御回路
が雑音に対して敏感になる。このことはＩＣ検査用走査
型顕微鏡やチャージ・アップし易い絶縁物試料の観察の
ように電子ビームの加速電圧を極端に低くしなければな
らない場合ではより顕著になる。これに対して、本例に
よる試料走査では加速電圧に全く依存しないため、本来
の高分解能、高精度の試料徴勅、走査機能を発揮させる
ことができる。

また、二次元以上の試料微動や走査を高分解能で高精度
に実現するには圧電駆動素子の特性を測定し、素子に印
加する駆動信号や駆動機構を調整することが不可欠であ
るが、これは荷電ビームを照射することによって発生す
る二次電子や反射電子（−次電子）を利用した走査像の
観察によって可能である。さらに、自動化を図る場合は
反射電子や二次電子検出に有利な基準マークを有する試
料を使用することによって駆動制御系の直線性。

直交度等の補正を制御系で行うことができる。

第３図は本発明を集束イオンビーム装置に適用した実施
例を示す。ここで５１は液体金属イオン源、５２はＥｘ
Ｂタイプ質量分離器、５３は三枚電極型の電界レンズで
ある０本例では試料５４を上述したような圧電素子によ
る二次元微動機構５５によって保持させた上、この微動
機構５５を平面上の直交するＸ、Ｙの２方向に移動可能
な試料移動用ＸＹステージ５６に取付ける。

このような液体金属イオン源５１を使った集束イオンビ
ーム装置はマスクレスで微小領域のイオン注入およびエ
ツチング等を実現することができるもので、その加工限
界はおもにイオン光学系に依存しているが、特に、イオ
ンビームは電子に比べ質量が桁違いに大きいため、磁界
レンズが使用できず、電界レンズが使用される。しかる
にこのような電騨レンズ５３は一般的に磁界レンズに比
べ収差は大きい上に、印加電圧の高い電界レンズは構造
的にも大きくなり、偏向器と組合わせた場合は偏向器を
レンズと試料との間に配置せざるを得ないために、磁界
レンズと偏向器の組合わせの場合以上に作動長を大きく
とる必要がある。また、このような液体金属イオン源５
１を使った集束イオンビーム装置におけるビーム集束限
界を決める大きな要因は電界レンズ５３の色収差と球面
収差であすなわち、第３図のように試料移動機構５６に
圧電素子等による二次元以上の微動機構５５を組合わせ
ることによって作動長を着しく短くすることが可能とな
り、集束イオンビーム径を従来では不可能な領域まで縮
小することが初めて可能となる。

なお、これまでの実施例では主に試料走査に限定して説
明したが、本発明の適用は試料走査に限らず、従来、偏
向器によって行っているビーム・シフトを圧電駆動素子
で行うことによって、ビーム光軸をずらさないイメージ
・シフトを実施する　　゛ことができる。

また、試料走査や微動を三次元について行うこ集束位置
の制御が可能である。

（効　果〕 以上説明したように、本発明によれば、圧電材料や電歪
材料を使用して構成した二次元または三次元の微動機構
を荷電ビーム装置に組込むことによって、高分解能でか
つ高精度を要する荷電ビームと試料相互の微動や走査等
が加速電圧に依存することなく達成することが可能とな
り、荷電ビーム光学系の最適化が容易となる。従って、
従来では不可能であった最適な位置に試料を取り付ける
ことができ、荷電ビーム装置の性能を著しく向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用した走査型電子顕微鏡装置の一例
を示す構成図、 第２図は第１図の試料ホルダの構成を示す断面図、 第３図は本発明を適用した集束イオンビーム装置の一例
を示す構成図、 第４図は従来の電子ビーム描画装置の一例を示す構成図
、 第５図は従来の走査型電子顕微鏡装置の一例を示１２．
１３，２２，２３，３２．３３・・・照射レンズ、１４
．２４．３４・・・対物レンズ、 １５．２５・・・偏向器、 １６．２６，３６．５４・・・試料、 １７．２７．５６・・・ステージ、 ３８・・・二次電子検出器、 ３９・・・表示装置、 ４０・・・制御回路、 ４１・・・信号発生回路、 ４３・・・圧電駆動素子、 ４４・・・リード線、 ４５．４６・・・駆動機構、 ５１・・・液体金属イオン源、 ５２・・・質量分離器、 ５３・・・電界レンズ、 ５５・・・二次元微動装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）試料と、該試料を照射する荷電ビームの集束部との
   相対位置を制御する手段を有し、当該制御手段により前
   記相対位置を制御して前記試料に対する加工または前記
   試料からの信号を検出する荷電ビーム装置において、前
   記制御手段は、前記試料を少なくとも２方向に微動可能
   なように圧電素子で構成された駆動装置を有することを
   特徴とする荷電ビーム装置。 ２）試料と、該試料を照射する荷電ビームの集束部との
   相対位置を制御する手段を有し、当該制御手段により前
   記相対位置を制御して前記試料に対する加工または前記
   試料からの信号を検出する荷電ビーム、装置において、
   前記制御手段に配設され、前記試料を少なくとも２方向
   に微動可能なように圧電素子で構成した駆動装置と、前
   記試料に前記荷電ビームを照射したときに発生する二次
   電子、二次イオンまたは一次イオン、一次電子等を検出
   する手段と、当該二次電子、二次イオンまたは一次イオ
   ン、一次電子等の検出手段からの検出信号に基づいて、
   前記駆動装置を制御する手段とを具えたことを特徴とす
   る荷電ビーム装置。