KR102009631B1 - 하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경 - Google Patents

하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 하전 입자선 장치의 성능 향상을 도모한다. 하전 입자선 장치는, 하전 입자원(11)과, 하전 입자원(11)으로부터 방출되는 하전 입자선(12)을 가속하기 위해 설치되는, 하전 입자원(11)에 접속된 가속 전원(14)과, 하전 입자선(12)을 시료(23)에 집속시키는 대물 렌즈(26)를 가진다. 대물 렌즈(26)는 시료(23)에 대하여 하전 입자선(12)이 입사하는 측의 반대측에 설치되고, 대물 렌즈(26)를 형성하는 자극은 하전 입자선(12)의 이상 광축과 중심축이 일치한 중심 자극(26a)과, 상부 자극(26b)과, 통형의 측면 자극(26c)과, 원반형상의 하부 자극(26d)을 가지고, 중심 자극(26a)의 시료(23) 측에 가까운 상부는, 상기 상부일수록 직경이 작아지게 되는 형상이며, 중심 자극(26a)의 하부는 원기둥 형상이며, 상부 자극(26b)은, 중심에 원형의 개구부가 형성된 자극이며, 중심을 향해 테이퍼형으로 중심 자극의 중심에 가까운 측이 얇아지는 원반형상이다.

Description

하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경 {CHARGED PARTICLE BEAM DEVICE AND SCANNING ELECTRON MICROSCOPE}
본 발명은, 하전 입자선 장치(charged particle beam device) 및 주사(走査) 전자 현미경(Scanning Electron Microscope: 이하, 「SEM」이라고 함)에 관한 것이다. 보다 특정적으로는, 본 발명은, 성능 향상을 도모할 수 있는 하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경에 관한 것이다.
하전 입자선 장치로서는, 주사 전자 현미경, EPMA(Electron Probe Micro Analyser), 전자빔 용접기, 전자선 묘화(描畵) 장치, 및 이온 빔 현미경 등이 존재한다.
종래의 SEM에서는, 고분해능화의 관점에서 렌즈의 단초점화에 연구가 이루어져 있다. 고분해능화를 위해서는, 렌즈의 광축 상 자속(磁束) 밀도 분포 B(z)에 있어서 B를 강하게 하는 것이 필요하다. 또한, 고분해능화를 위해서는, 렌즈의 두께, 즉 B 분포의 z폭을 얇게 하는 것이 필요하다.
하기 특허문헌 1에는, 2개의 대물 렌즈(제1 대물 렌즈와 제2 대물 렌즈)를 구비한 SEM이 기재되어 있다(이후, 시료에 대하여 전자총 측의 렌즈를 제1 대물 렌즈라고 하고, 시료에서 볼 때 전자총의 반대측에 있는 대물 렌즈를 제2 대물 렌즈라고 한다). 제2 대물 렌즈는, 특히, 가속 전압 Vacc가 0.5∼5 kV의 저가속 시에서의 고분해능 관찰 모드에서 사용된다. 제1 대물 렌즈는, 가속 전압 Vacc가 0.5∼30 kV에서의 통상의 관찰 모드에서 사용된다.
하기 특허문헌 1에 있어서, 제1 대물 렌즈와 제2 대물 렌즈는 동시에 동작되지 않는다. 제1 대물 렌즈와 제2 대물 렌즈는, 모드마다 모드 전환 수단에 의해 전환된다. 또한, 하기 특허문헌 1의 제2 실시예([0017]단락)에서는, 제2 대물 렌즈의 자극(磁極)의 일부를 전기적 절연부를 통하여 전류 전위적(電位的)으로 분리하는 것이 기재되어 있다. 그리고, 자극의 일부와 시료에는, 전압 Vdecel이 인가된다.
하기 특허문헌 1의 제1 실시예([0010]∼[0016] 단락)에서는, 2차 전자(또는 반사 전자) 검출기는, 제1 대물 렌즈보다 더 전자총 측에 놓여져 있다. 시료부에서 발생된 2차 전자(또는 반사 전자)는, 제1 대물 렌즈 중을 통과하여 검출기에 들어간다.
하기 특허문헌 2도, SEM의 구성을 개시하고 있다. 특허문헌 2의 SEM에 있어서 대물 렌즈는, 시료에 대하여 전자총과는 반대측에 배치된다. 2차 전자는 2차 전자 검출기로부터의 인입(引入) 전계에 의해 편향되어, 2차 전자 검출기에 포획된다.
일본 공개특허 제2007―250223호 공보 일본 공개특허 평6―181041호 공보
본 발명은, 하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경의 성능 향상을 도모하는 것을 목적으로 하고 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 국면에 따르면, 하전 입자원(charged particle source)과, 하전 입자원으로부터 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 하전 입자원에 접속된 가속 전원과, 하전 입자선을 시료에 집속(集束)시키는 대물 렌즈를 가지는 하전 입자선 장치는, 대물 렌즈는, 시료에 대하여 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되고, 대물 렌즈를 형성하는 자극은, 하전 입자선의 이상(理想) 광축과 중심축이 일치한 중심 자극과, 상부 자극과, 통형의 측면 자극과, 원반형상의 하부 자극을 가지고, 중심 자극의 시료 측에 가까운 상부는, 상기 상부일수록 직경이 작아지게 되는 형상이며, 중심 자극의 하부는 원기둥 형상이며, 상부 자극은, 중심에 원형의 개구부가 형성된 자극이며, 중심을 향해 테이퍼형으로 중심 자극의 중심(重心)에 가까운 측이 얇아지는 원반형상이다.
바람직하게는, 중심 자극의 시료 측의 면과, 상부 자극의 시료 측의 면이 같은 높이이다.
바람직하게는, 중심 자극의 상부 선단 직경 d는, 6 ㎜보다 크고, 또한 14 ㎜보다 작고, 상부 자극의 원형의 개구부의 직경 d와, 중심 자극의 상부 선단 직경 d와의 관계가, d―D≥4 ㎜이다.
바람직하게는, 하전 입자원으로서, 열전자원형(熱電子源型)의 것이 사용된다.
바람직하게는, 대물 렌즈는, 가속 전원을 ―30 kV 내지 ―10 kV 중 어느 하나로 하여 가속된 하전 입자선을, 대물 렌즈의 자극의 시료에 가장 가까운 곳으로부터 볼 때, 0 ㎜ 내지 4.5 ㎜ 중 어느 하나의 높이의 위치로 집속 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 하전 입자선 장치는, 대물 렌즈 상에 배치되는 절연판과, 절연판 상에 배치되는 도전성(導電性) 시료대(試料臺)를 포함하고, 대물 렌즈와 도전성 시료대와는 절연된다.
본 발명의 다른 국면에 따르면, 하전 입자원과, 하전 입자원으로부터 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 하전 입자원에 접속된 가속 전원과, 하전 입자선을 시료에 집속시키는 대물 렌즈를 가지는 하전 입자선 장치는, 대물 렌즈는, 시료에 대하여 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되고, 하전 입자선 장치는, 대물 렌즈 상에 배치되는 절연판과, 절연판 상에 배치되는 도전성 시료대를 포함하고, 대물 렌즈와 도전성 시료대와는 절연된다.
바람직하게는, 도전성 시료대의 전위를 가변(可變)하는 리타딩(retarding) 전원을 접속하고, 시료에 도전성 시료대의 전위를 부여한다.
바람직하게는, 도전성 시료대는, 주위 에지부에 가까워질수록 절연판으로부터 이격되는 형상을 하고 있다.
바람직하게는, 절연판과 도전성 시료대와의 사이가, 절연재로 충전된다.
바람직하게는, 하전 입자선 장치는, 도전성 시료대의 상부에, 개구부가 있는 전위판을 더 구비하고, 전위판에는, 접지(接地) 전위, 플러스의 전위, 또는 마이너스의 전위가 부여된다.
바람직하게는, 전위판의 개구부는 직경 2 ㎜ 내지 20 ㎜의 원형, 또는 메쉬 형상이다.
바람직하게는, 전위판은, 시료의 근처 이외의 장소에서는 도전성 시료대로부터 이격되는 형상을 가진다.
바람직하게는, 하전 입자선 장치는, 전위판을 이동시키는 이동 수단을 더 구비한다.
바람직하게는, 하전 입자선 장치는, 도전성 시료대 상의 시료의 주위 에지에 배치되고, 그 상면의 각이 R 가공된 통형(筒形)의 도전성 링을 더 구비한다.
바람직하게는, 상부 자극과 중심 자극과의 사이에, 비자성체(非磁性體)로 이루어지는 실링부를 배치하고, 대물 렌즈는, 상부 자극, 실링부 및 중심 자극에 의해, 진공측과 대기측을 기밀하게 분리한다.
본 발명의 또 다른 국면에 따르면, 주사 전자 현미경은, 전술한 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치를 구비한다.
본 발명에 의하면, 하전 입자선 장치 및 주사 전자 현미경의 성능 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 SEM의 구성을 설명하는 개략 단면도(斷面圖)이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시형태에서, 제1 대물 렌즈를 사용하여, 반사 전자 및 2차 전자를 검출하는 경우를 나타낸 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시형태에서, 주된 집속에 제2 대물 렌즈를 사용하여, 2차 전자를 검출하는 경우를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 리타딩 시의 렌즈부를 설명하기 위한 도면이며, (a) 리타딩 시의 등전위선(等電位線), (b) 제2 대물 렌즈의 광축 상 자속 밀도 분포 B(z), 및 (c) 리타딩 시의 하전 입자의 속도를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의 절연부와 시료대의 다른 구성을 설명하는 개략 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서의, 제1 대물 렌즈에 의한 개방각 α의 조정을 설명하는 도면이며, (a) 시뮬레이션 데이터 3(Vacc = ―1 kV), (b) 시뮬레이션 데이터 4(Vacc = ―10 kV, Vdecel = ―9 kV), 및 (c) 시뮬레이션 데이터 5(Vacc = ―10 kV, Vdecel = ―9 kV, 제1 대물 렌즈를 사용)에 대응하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시형태에 있어서, 편향 코일의 상하 편향 코일의 강도비 조정으로 편향의 교점(交点)을 조정하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시형태에 있어서, 제1 대물 렌즈가 없는 간이적인 경우를 설명하는 개략 단면도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시형태에 관한 SEM의 장치 구성의 일례를 나타낸 단면도이다.
다음에, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 이하의 도면은 모식적인 것이며, 치수나 종횡의 비율은 현실의 것과는 상이한 것에 유의(留意)해야한다.
또한, 이하에 나타내는 본 발명의 실시형태는, 본 발명의 기술적 사상을 구현화하기 위한 장치나 방법을 예시하는 것이다. 본 발명의 기술적 사상은, 구성 부품의 재질, 형상, 구조, 배치 등을 하기의 것에 특정하는 것이 아니다. 본 발명의 기술적 사상은, 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 범위 내에 있어서, 각종 변경을 가할 수 있다.
[제1 실시형태]
도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시형태인 SEM의 개략적인 구성을 설명한다.
이 SEM은, 전자원(電子源; 하전 입자원)(11)과, 가속 전원(14)과, 컨덴서 렌즈(15)와, 대물 렌즈 조리개(16)와, 2단 편향 코일(17)과, 대물 렌즈(18, 26)와, 검출기(20)를 구비한 전자선 장치이다. 가속 전원(14)은, 전자원(11)으로부터 방출되는 1차 전자선(하전 입자선)(12)을 가속한다. 컨덴서 렌즈(15)는, 가속된 1차 전자선(12)을 집속한다. 대물 렌즈 조리개(16)는, 1차 전자선(12)의 불필요한 부분을 제외한다. 2단 편향 코일(17)은, 1차 전자선(12)을 시료(23) 상에서 2차원적으로 주사한다. 대물 렌즈(18, 26)는, 1차 전자선(12)을 시료(23) 상에 집속시킨다. 검출기(20)는, 시료(23)로부터 방출된 신호 전자(21)[2차 전자(21a), 반사 전자(21b)]를 검출한다.
SEM은, 전자(電磁) 렌즈의 제어부로서, 제1 대물 렌즈 전원(41)과, 제2 대물 렌즈 전원(42)과, 제어 장치(45)를 구비한다. 제1 대물 렌즈 전원(41)은, 제1 대물 렌즈(18)의 강도를 가변한다. 제2 대물 렌즈 전원(42)은, 제2 대물 렌즈(26)의 강도를 가변한다. 제어 장치(45)는, 제1 대물 렌즈 전원(41)과 제2 대물 렌즈 전원(42)을 제어한다.
제어 장치(45)는, 제1 대물 렌즈(18)의 강도와 제2 대물 렌즈(26)의 강도를, 독립적으로 제어할 수 있다. 제어 장치(45)는, 양 렌즈를 동시에 제어할 수 있다. 또한, 도면에 나타내지 않지만, 각 전원은 제어 장치(45)에 접속됨으로써 조정할 수 있도록 되어 있다.
전자원(11)으로서는, 열전자 방출형(열전자원형), 전계 방출형[숏키형(shot key type), 또는 냉음극형]을 사용할 수 있다. 제1 실시형태에서는, 전자원(11)에, 열전자 방출형의 LaB6 등의 결정(結晶) 전자원, 또는 텅스텐 필라멘트가 사용되고 있다. 전자원(11)과 애노드판(접지 전위)과의 사이에는, 예를 들면, 가속 전압 ―0.5 kV 내지 ―30 kV가 인가된다. 웨넬트(wehnelt) 전극(13)에는, 전자원(11)의 전위보다 마이너스의 전위가 부여된다. 이로써, 전자원(11)으로부터 발생한 1차 전자선(12)의 양이 컨트롤된다. 그리고, 전자원(11)의 바로 전방에, 1차 전자선(12)의 1번째의 최소 직경인 크로스오버 직경이 만들어진다. 이 최소 직경을, 전자원의 크기 So라고 한다.
가속된 1차 전자선(12)은, 컨덴서 렌즈(15)에 의해 집속된다. 이로써, 전자원의 크기 So가 축소된다. 컨덴서 렌즈(15)에 의해, 축소율 및 시료(23)에 조사(照射)되는 전류(이하, 프로브 전류라고 함)가 조정된다. 그리고, 대물 렌즈 조리개(16)에 의해, 사용하지 않는 궤도의 전자가 제거된다. 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경에 따라 시료(23)에 입사하는 빔의 개방각 α와 프로브 전류가 조정된다.
대물 렌즈 조리개(16)를 통과한 1차 전자선(12)은, 주사용의 2단 편향 코일(17)을 통과한 후, 제1 대물 렌즈(18)를 통과한다. 범용 SEM은, 제1 대물 렌즈(18)를 사용하여, 1차 전자선(12)의 초점을 시료(23) 상에 맞춘다. 도 1의 SEM은 이와 같은 사용법도 가능하다.
도 1에 있어서, 전자원(11)으로부터 제1 대물 렌즈(18)까지의 구성에 의해, 1차 전자선(12)을 시료(23)를 향해 사출하는 상부 장치가 구성된다. 또한, 전위판(22)과, 그보다 아래에 배치되는 부재에 의해 하부 장치가 구성된다. 하부 장치에 시료(23)는 유지된다. 상부 장치는, 그 내부를 통과한 하전 입자선이 최종적으로 방출되는 구멍부(18c)를 가지고 있다. 제1 실시형태에서는 그 구멍부(18c)는, 제1 대물 렌즈(18)에 존재한다. 검출기(20)는, 그 구멍부(18c) 아래에 장착되어 있다. 검출기(20)도, 1차 전자선(12)이 통과하는 개구부를 가지고 있다. 검출기(20)는, 구멍부(18c)와 개구부가 중첩되도록, 제1 대물 렌즈(18)의 하부에 장착된다. 제1 대물 렌즈(18)의 하부에 복수의 검출기(20)가 장착되어도 된다. 복수의 검출기(20)는, 1차 전자선(12)의 궤도를 막지 않도록 하면서, 검출기(20)의 검출부를 상부 장치의 구멍부(18c) 이외에는 가능한 한 간극이 없도록 하여, 장착된다.
도 2에, 제1 대물 렌즈(18)를 사용하여, 1차 전자선(12)의 초점을 시료(23) 상에 맞추는 경우의 예를 나타낸다. 특히, 두께가 있는 시료(23)는 이 방법으로 관찰된다.
한편, 제2 대물 렌즈(26)를 주로 사용할 때는, 제1 대물 렌즈(18)를 통과한 1차 전자선(12)은, 제2 대물 렌즈(26)에서 축소 집속된다. 이 제2 대물 렌즈(26)는, 시료(23)에 가까워질수록 강한 자장(磁場) 분포를 하고 있으므로[도 4의 (b) 참조], 저수차 렌즈를 실현하고 있다. 또한, 제1 대물 렌즈(18)는, 보기 쉬운 화상으로 되도록, 개방각 α를 컨트롤하는 것, 및 축소율이나 렌즈의 형상, 및 초점 심도(深度)를 조정하는 것에 사용된다. 즉, 제1 대물 렌즈(18)는, 이들 각각의 제어값을 최적화하는 데 사용된다. 또한, 제2 대물 렌즈(26)만으로 1차 전자선(12)을 집속 할 수 없는 경우에는, 제1 대물 렌즈(18)에서 1차 전자선(12)을 집속시키기 위한 보조를 행할 수도 있다.
도 3을 참조하여, 리타딩을 행하지 않을 경우에 대한 동작을 설명한다.
리타딩을 행하지 않을 경우에는, 도 1의 전위판(22)은 분리해 내도 된다. 시료(23)는 가능한 한 제2 대물 렌즈(26)에 가까워지도록 설치하는 것이 바람직하다. 보다 상세하게는, 시료(23)는, 제2 대물 렌즈(26)의 상부(상면)로부터의 거리가 5 ㎜ 이하로 되도록, 제2 대물 렌즈(26)의 상부에 근접하여 설치하는 것이 바람직하다.
1차 전자선(12)은, 가속 전원(14)에 의해 가속된 에너지로 시료(23) 상을 주사한다. 이 때 2차 전자(21a)는, 제2 대물 렌즈(26)의 자장에 의해 자속에 감겨 나선(螺旋) 운동을 하면서 상승한다. 시료(34) 표면으로부터 이격되면 급속히 자속밀도가 저하되는 것에 의해, 2차 전자(21a)는, 선회(旋回)로부터 벗어나 발산하고, 2차 전자 검출기(19)로부터의 인입 전계에 의해 편향되어 2차 전자 검출기(19)에 포획된다. 즉, 2차 전자 검출기(19))로부터 발생하는 전계가, 하전 입자선에 의해 시료로부터 방출되는 2차 전자를 끌어당기도록 2차 전자 검출기(19)는 배치되고, 이와 같이 하여, 2차 전자 검출기(19)에 들어가는 2차 전자(21a)를 많게 할 수 있다.
다음에, 도 4를 참조하여 리타딩을 하는 경우에 대하여 개략적으로 설명한다. 도 4에 있어서, (a)는 리타딩 시의 등전위선을 나타내고, (b)는 제2 대물 렌즈의 광축 상 자속 밀도 분포 B(z)를 나타내고, (c)는 리타딩 시의 하전 입자의 속도를 나타내고 있다.
도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이, 제2 대물 렌즈(26)의 광축 상 자속 밀도는 시료에 가까울수록 강한 분포를 하고 있으므로, 대물 렌즈는 저수차(低收差) 렌즈로 된다. 그리고, 시료(23)에 마이너스의 전위를 부여하면, 1차 전자선(12)은 시료(23)에 가까워질수록 감속된다[도 4의 (c) 참조]. 1차 전자선(12)은 속도가 늦을수록 자장의 영향을 받기 쉽게 되기 때문에, 시료(23)에 가까울수록 제2 대물 렌즈(26)가 강한 렌즈로 된다고 할 수 있다. 그러므로, 시료(23)에 마이너스의 전위를 부여하면, 제2 대물 렌즈(26)는 보다 저수차의 렌즈로 된다.
또한, 신호 전자(21)는, 시료(23)의 리타딩 전압에 의한 전계로 가속되고, 에너지 증폭하여 검출기(20)에 들어간다. 그러므로, 검출기(20)는 고감도로 된다. 이와 같은 구성으로 함으로써, 고분해능 전자선 장치를 실현할 수 있다.
또한, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리는, 10 ㎜ 내지 200 ㎜로 된다. 보다 바람직하게는 30 ㎜ 내지 50 ㎜로 하는 것이 바람직하다. 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리가 10 ㎜보다 가까우면, 제1 대물 렌즈(18)의 바로 아래에 둔 검출기(20)로 반사 전자(21b)를 검출할 수 있다. 그러나, 리타딩 시에 2차 전자(21a)가 제1 대물 렌즈(18) 중으로 끌어들여지기 쉬워진다. 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리를 10 ㎜ 이상 이격시킴으로써, 2차 전자(21a)는 검출기(20)에 의해 검출되기 쉬워진다. 또한, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 간극이 30 ㎜ 정도 있는 경우에는, 시료(23)의 출입이 매우 행하기 쉽게 된다.
다음에, 각 부품의 구성에 대하여 상세하게 설명한다. 먼저 제2 대물 렌즈(26)의 형상에 대하여, 도 1을 참조하여 설명한다.
제2 대물 렌즈(26)를 형성하는 자극은, 1차 전자선(12)의 이상 광축과 중심축이 일치한 중심 자극(26a)과, 상부 자극(26b)과, 통형의 측면 자극(26c)과, 하부 자극(26d)으로 이루어진다. 중심 자극(26a)은, 상부일수록 직경이 작아지게 되는 형상이다. 중심 자극(26a)의 상부는, 예를 들면, 1단 또는 2단의 원뿔 사다리꼴이다. 중심 자극(26a)의 하부는, 원기둥 형상이다. 중심 자극(26a)의 하부의 중심축에는, 관통공이 없다. 상부 자극(26b)은, 중심을 향해 테이퍼형으로 중심 자극(26a)의 중심에 가까운 측이 얇아지는, 원반형상이다. 상부 자극(26b)의 중심에는, 개구 직경 d의 개구가 비어 있다. 중심 자극(26a)의 선단 직경 d는, 6 ㎜보다 크고 14 ㎜보다 작다. 개구 직경 d와 선단 직경 d와의 관계는, d―D≥4 ㎜로 된다.
다음에, 자극의 구체적인 예를 나타낸다. 중심 자극(26a)과 상부 자극(26b)과의 양자의 시료 측의 상면은, 같은 높이로 된다. 중심 자극(26a)의 하부 외경(外徑)은 60 ㎜이다. 이 외경이 가늘면, 투자율(透磁率)의 저하를 초래하므로 바람직하지 않다.
중심 자극(26a)이 D = 8 ㎜의 경우, 상부 자극(26b)의 개구 직경 d는, 12 ㎜ 내지 32 ㎜로 하는 것이 바람직하다. 보다 바람직하게는, 개구 직경 d는, 14 ㎜ 내지 24 ㎜이다. 개구 직경 d가 클수록, 광축 상 자속 밀도 분포는 산(山)이 완만하게 되어 폭이 넓어져, 1차 전자선(12)의 집속에 필요한 AT(암페어 턴: 코일 권취수 N[T]와 전류 I[A]과의 곱)를 작게 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 개구 직경 d와 선단 직경 d와의 관계가 d>4D로 되면, 수차 계수가 커지게 된다. 여기서는 상부 자극(26b)의 개구 직경 d는 20 ㎜, 측면 자극(26c)의 외경은 150 ㎜이다. 또한, 중심 자극(26a)의 축 중심에 관통공이 있어도 된다.
여기서, 예를 들면, 두께가 5 ㎜의 시료(23)에 대하여, 30 kV의 고가속 전압에서도 1차 전자선(12)을 집속시키는 경우에는, 선단 직경 d는 6 ㎜보다 크고 14 ㎜보다 작게 하는 것이 바람직하다. D를 너무 작게 하면, 자극이 포화하여, 1차 전자선(12)이 집속되지 않는다. 한편, D를 크게 하면 성능이 악화된다. 또한, d와 d와의 크기의 차이가 4 ㎜보다 작으면, 자극이 너무 가까워 포화하기 용이해져, 1차 전자선(12)이 집속되지 않는다. 또한, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리가 10 ㎜ 이하로 되면, 작업성이 악화된다. 이 거리가 200 ㎜보다 너무 길면, 개방각 α가 너무 커진다. 이 경우, 수차를 최적으로 하기 위해, 제1 대물 렌즈(18)를 사용하여 α를 작게 하는 조정이 필요해져, 조작성이 악화된다.
또한, 예를 들면, 5 kV 이하의 가속 전압만으로 사용하고, 시료(23)의 두께가 얇은 경우에는, 선단 직경 d는 6 ㎜ 이하로 해도 된다. 단, 예를 들면, 가속 전압이 5 kV인 경우에 있어서, D를 2 ㎜, d를 5 ㎜로 하고, 시료(23)의 두께를 5 ㎜로 하여, 제2 대물 렌즈(26)만을 사용하면, 자극이 포화해 버려, 1차 전자선(12)이 집속되지 않는다. 그러나, 시료(23)를 얇은 것으로 제한하면, 렌즈는 더욱 고성능화할 수 있다.
시료(23)에 전위를 부여하는 방법으로서, 제2 대물 렌즈(26)의 자극의 일부에 전기적 절연부를 협지(sandwich)하여 일부의 자극을 접지 전위로부터 띄워, 시료(23)와 자극의 일부에 리타딩 전압을 부여할 수도 있다. 단, 이 경우, 자기(磁氣) 회로 중에 자성체가 아닌 것을 협지하면, 자기(磁氣) 렌즈가 약한 것으로 된다. 또한, 리타딩 전압을 높게 하면 방전이 발생한다. 전기적 절연부를 두껍게 하면, 또한 자기 렌즈가 약한 것으로 된다는 문제가 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 상부 자극(26b)과 중심 자극(26a)과의 사이에, 비자성체로 이루어지는 실링부(26f)(예를 들면, 구리나 알루미늄 또는 모넬)를 두는 것이 바람직하다. 실링부(26f)는, 상부 자극(26b)과 중심 자극(26a)과의 사이를, O링 또는 납땜으로 진공으로 기밀하게 한다. 제2 대물 렌즈(26)에서는, 상부 자극(26b)과, 실링부(26f) 및 중심 자극(26a)에 의해, 진공측과 대기측이 기밀하게 분리된다. 상부 자극(26b)과 진공 용기는, 도면에 도시하지 않지만, O링으로 기밀하게 되도록 결합되어 있다. 이와 같이 함으로써, 제2 대물 렌즈(26)는, 진공 측의 면을 제외하고, 대기에 노출시키는 것이 가능하게 된다. 그러므로, 제2 대물 렌즈(26)를 냉각시키기 쉬워진다.
진공 용기 중에 제2 대물 렌즈(26)를 넣는 것도 가능하지만, 진공도가 악화된다. 코일부(26e)가 진공 측에 있으면, 가스 방출원으로 되기 때문이다. 또한, 이와 같이, 진공측과 대기측을 기밀하게 분리하지 않으면, 진공 흡인을 행했을 때 가스가 제2 대물 렌즈(26)와 절연판(25)이 접하고 있는 곳을 통하여, 시료가 동작해 버린다는 문제가 있다.
코일부(26e)는, 예를 들면, 6000AT의 코일 전류로 할 수 있다. 코일이 발열하여 고온으로 되면, 그것을 원인으로 하여, 코일의 피막이 녹아 쇼트가 발생하는 경우가 있다. 제2 대물 렌즈(26)가 대기에 노출되도록 하는 것에 의해, 냉각 효율이 상승한다. 예를 들면, 제2 대물 렌즈(26)의 하면의 테이블을 알루미늄제로 함으로써, 그 테이블을 히트싱크(heatsink)로서 이용할 수 있다. 그리고, 공냉 팬(fan)이나 수냉 등으로 제2 대물 렌즈(26)를 냉각할 수 있게 된다. 이와 같이, 기밀하게 분리함으로써, 강여자(强勵磁)의 제2 대물 렌즈(26)로 하는 것이 가능하게 된다.
도 1을 참조하여, 리타딩부를 설명한다.
제2 대물 렌즈(26) 상에, 절연판(25)을 둔다. 절연판(25)은, 예를 들면, 0.1 ㎜ 내지 0.5 ㎜ 정도 두께의 폴리이미드 필름이나 폴리에스테르 필름 등이다. 그리고, 그 위에, 자성이 없는 도전성이 있는 시료대(24)를 둔다. 시료대(24)는, 예를 들면, 바닥면이 250㎛ 두께의 알루미늄판이며, 주위 에지가 주위 에지단에 가까워질수록 절연판(25)으로부터 이격되는 곡면 형상으로 가공된 것이다. 시료대(24)는, 또한 곡면부와 절연판(25)과의 사이의 간극에 절연재(31)가 충전된 것이라도 된다. 이와 같이 하면, 제2 대물 렌즈(26)와 시료대(24)와의 사이의 내전압(耐電壓)이 상승하여, 안정적으로 사용할 수 있다. 시료대(24)의 평면 형상은 원형이지만, 타원, 직사각형 등, 어떠한 평면 형상이라도 된다.
시료대(24) 상에 시료(23)가 탑재된다. 시료대(24)는, 리타딩 전압을 부여하기 위해, 리타딩 전원(27)에 접속된다. 전원(27)은, 예를 들면, 0 V 내지 ―30 kV까지 인가할 수 있는 출력이 가변인 전원으로 한다. 시료대(24)는, 진공 외부로부터 위치 이동이 가능하도록 절연물로 된 시료대 스테이지판(29)에 접속되어 있다. 이로써, 시료(23)의 위치는 변경할 수 있다. 시료대 스테이지판(29)은, XY 스테이지(도시하지 않음)에 접속되어 있어, 진공 외부로부터 이동할 수 있다.
시료(23) 상에는 원형의 개구부가 있는 도전성 판[이하, 전위판(22)이라고 함]이 배치된다. 전위판(22)은, 제2 대물 렌즈(26)의 광축에 대하여 수직으로 설치된다. 이 전위판(22)은, 시료(23)에 대하여 절연하여 배치된다. 전위판(22)은, 전위판 전원(28)에 접속된다. 전위판 전원(28)은, 예를 들면, 0 V 및 ―10 kV 내지 ＋10 kV의 출력이 가변인 전원이다. 전위판(22)의 원형의 개구부의 직경은, 2 ㎜ 내지 20 ㎜ 정도까지이면 된다. 보다 바람직하게는, 개구부의 직경은, 4 ㎜ 내지 12 ㎜까지이면 된다. 또는, 1차 전자선(12) 또는 신호 전자(21)가 통과하는 전위판(22)의 부분을 도전성의 메쉬형으로 해도 된다. 메쉬의 망부(網部)가 전자가 통과하기 쉽도록 가늘게 되어, 개구율이 커지도록 하면 된다. 이 전위판(22)은, 중심축 조정을 위해 진공 외부로부터 위치를 이동할 수 있도록, XYZ 스테이지(도시하지 않음)에 접속된다.
시료대(24)의 주위 에지는 전위판(22) 측으로 두께가 있다. 예를 들면, 전위판(22)이 평평하면, 전위판(22)은 시료대(24) 주위 에지에서 시료대(24)에 가까와진다. 그렇게 되면 방전하기 쉬워진다. 전위판(22)이, 시료(23)의 근방 이외의 장소에서는 도전성 시료대(24)로부터 이격되는 형상을 가지고 있으므로, 시료대(24)와의 내전압을 높일 수 있다.
전위판(22)은, 시료(23)로부터 1 ㎜ 내지 15 ㎜ 정도의 거리를 이격시킴으로써, 방전되지 않도록 배치되어 있다. 그러나, 너무 이격되지 않도록 배치되는 것이 바람직하다. 그 목적은, 제2 대물 렌즈(26)가 만드는 자장이 강한 위치에 감속 전계를 중첩시키기 위해서이다. 만일, 이 전위판(22)이 시료(23)로부터 멀리 놓여졌을 경우, 또는 전위판(22)이 없는 경우, 1차 전자선(12)이 제2 대물 렌즈(26)에서 집속되기 전에 감속되어 버려, 수차를 작게 하는 효과가 감소한다.
이에 대하여, 도 4를 참조하여 설명한다[도 4는, 다음에, 설명하는 시뮬레이션 데이터 4일 때 대응한 설명도이다]. 도 4의 (a)는, 리타딩 시의 등전위선을 설명하는 도면이다.
만일 전위판(22)의 개구부가 너무 커서, 시료(23)와 전위판(22)과의 거리가 너무 가까울 경우, 등전위선이 전위판(22)의 개구부로부터 전자총 측으로 크게 돌출하여 분포한다. 이 경우, 1차 전자가, 전위판(22)에 도착할 때까지 감속되어 버리는 경우가 있다. 전위판(22)의 개구 직경이 작을수록, 전계의 누출을 감소시키는 효과가 있다. 단, 신호 전자(21)가 전위판(22)에 흡수되지 않도록 할 필요가 있다. 그러므로, 방전을 일으키지 않는 범위에서 시료(23)와 전위판(22)과의 전위차를 조정할 수 있는 동시에, 시료(23)와 전위판(22)과의 거리를 조정하는 것과, 전위판(22)의 개구 직경을 적절히 선택하는 것이 중요한 것으로 된다.
도 4의 (b)는, 제2 대물 렌즈(26)의 광축 상 자속 밀도 분포 B(z)를 설명하는 도면이다. 세로축은 B(z), 가로축은 좌표이며, 제2 대물 렌즈(26)의 표면이 원점(―0)이다. 제2 대물 렌즈(26)에 가까울수록 급격하게 B(z)가 크게 되어 있는 모양이 나타나 있다.
도 4의 (c)는, 리타딩 시의 하전 입자의 속도를 설명하는 도면이다. 하전 입자선의 속도는, 시료 직전에 감속되고 있는 것이 나타나 있다.
전위판(22)을 시료(23)의 가까이에 둠으로써, 1차 전자의 속도는, 전위판(22) 근방까지는 그다지 변함이 없다. 그리고, 1차 전자는, 전위판(22) 근방으로부터 시료(23)에 가까워질수록 속도가 늦어지게 되어, 자장의 영향을 받기 쉽게 된다. 제2 대물 렌즈(26)가 만드는 자장도 시료(23)에 가까울수록 강하게 되어 있으므로, 양쪽의 효과가 합해져, 시료(23)에 가까울수록 더욱 강한 렌즈로 되어, 수차가 작은 렌즈로 된다.
가속 전압을 가능한 한 크게 하면서, 리타딩 전압을 가속 전압에 근접시킬 수 있어, 조사(照射) 전자 에너지를 작게 하여, 전자가 시료(23) 중에 들어가는 깊이를 얕게 할 수 있다. 이로써, 시료의 표면 형상의 고분해능 관찰이 가능하게 된다. 또한 수차도 작게 할 수 있으므로, 고분해능이며 또한 저가속의 SEM을 실현할 수 있다.
제1 실시형태에서는, 시료(23)와 전위판(22)과의 내압(耐壓)을 간단하게 높게 할 수 있다. 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 사이는 10 ㎜ 내지 200 ㎜의 거리로 할 수 있다. 그러므로, 예를 들면, 평탄한 시료(23)이면, 시료(23)와 전위판(22)과의 간격을 5 ㎜ 정도 두면, 시료(23)와 전위판(22)에 비교적 간단하게 10 kV 정도의 전위차를 인가할 수 있다. 뾰족한 부분이 있는 시료(23)의 경우에는 방전되지 않도록, 거리나 개구 직경을 적절히 선택할 필요가 있다.
도 5에, 시료가 상이한 배치예를 나타낸다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 또한 원통형이며 상면이 R 가공된 원통 방전 방지 전극(30)을, 시료대(24) 상의 시료(23)의 주위에 설치하여, 쉽게 방전되지 않도록 하면 된다. 원통 방전 방지 전극(30)은, 시료 상의 등전위선을 스무스하게 하여, 시료(23)의 요동에 의한 집속점의 어긋남을 완화하는 데도 도움이 된다.
제1 실시형태에 있어서의 검출기(20)로서, 반도체 검출기(20), 마이크로 채널 플레이트 검출기(20)(MCP), 또는 형광체 발광 방식의 로빈슨 검출기(20)가 사용된다. 이들 중 적어도 어느 하나가 제1 대물 렌즈(18)의 바로 아래에 배치된다. 2차 전자 검출기(19)는, 2차 전자(21a)를 모으도록, 전계가 시료(23)의 위쪽으로 인가하도록 배치된다.
반도체 검출기(20), MCP 검출기(20) 또는 로빈슨 검출기(20)는, 제1 대물 렌즈(18)의 시료 측에 접하고, 광축으로부터 3 ㎝ 이내에 배치된다. 보다 바람직하게는, 검출부의 중심이 광축에 있고, 그 중심에 1차 전자가 통과하는 개구부가 형성되어 있는 검출기(20)가 사용된다. 광축으로부터 3 ㎝ 이내에 설치하는 것은, 리타딩을 행한 경우, 신호 전자는 광축 가까이로 진행하기 때문이다.
1차 전자선(12)은, 가속 전원(14)(Vacc)에 의해 가속에 이용된 가속 전압으로부터 리타딩 전압 Vdecel을 제한 값, 즉 ―(Vacc―Vdecel)[V]로 전자 전하를 인가한 에너지로, 시료(23) 상을 주사한다. 이 때, 시료(23)로부터 신호 전자(21)가 방출된다. 가속 전압과 리타딩 전압과의 값에 의해, 전자의 영향을 받는 쪽은 상이하다. 반사 전자(21b)는, 제2 대물 렌즈(26)의 자장에 의해, 회전하는 힘을 받는 동시에, 시료(23)와 전위판(22)과의 사이의 전계를 위해 가속한다. 그러므로, 반사 전자(21b)의 방사각(放射角)의 넓어짐(spread)이 좁아져, 검출기(20)에 입사하기 용이해진다. 또한, 2차 전자(21a)도 제2 대물 렌즈(26)의 자장에 의해, 회전하는 힘을 받는 동시에, 시료(23)와 전위판(22)과의 사이의 전계를 위해 가속하여, 제1 대물 렌즈(18) 아래에 있는 검출기(20)에 입사한다. 2차 전자(21a)도 반사 전자(21b)도 가속하고, 에너지가 증폭되어 검출기(20)에 입사하므로, 신호가 커지게 된다.
범용 SEM에서는, 제1 대물 렌즈(18)와 같은 렌즈로 전자를 집속하는 것이 통상이다. 이 제1 대물 렌즈(18)는, 통상, 시료(23)를 제1 대물 렌즈(18)에 근접할 수록 고분해능으로 되도록 설계되어 있다. 그러나, 반도체 검출기(20) 등에는 두께가 있고, 그 두께만큼은 제1 대물 렌즈(18)로부터 시료(23)를 이격시킬 필요가 있다. 또한, 시료(23)를 제1 대물 렌즈(18)에 너무 근접시키면, 2차 전자(21a)가, 제1 대물 렌즈(18)의 밖에 있는 2차 전자 검출기(19)에 들어가기 어려워진다. 그러므로, 범용 SEM에서는, 제1 대물 렌즈(18) 바로 아래의 위치에 배치되고, 1차 전자가 통과하는 개구부가 있는 두께가 얇은 반도체 검출기(20)가 사용된다. 시료(23)는, 검출기(20)에 부딪치지 않도록 약간 간극을 두고 놓여진다. 따라서, 시료(23)와 제1 대물 렌즈(18)와는 약간 이격되어 버려, 고성능화가 어려워진다.
제1 실시형태에서는, 제2 대물 렌즈(26)를 주렌즈로서 사용하는 경우, 시료(23)를 제2 대물 렌즈(26)에 근접하여 설치할 수 있다. 그리고, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 사이의 거리를 이격시킬 수 있다. 예를 들면, 30 ㎜ 이격시키면, 10 ㎜ 정도의 두께가 있는 MCP 검출기(20)를 제1 대물 렌즈(18)의 바로 아래에 두는 것이 가능하게 된다. 또한, 로빈슨형의 검출기(20)나 반도체 검출기(20)를 두는 것도 당연하게 할 수 있다. 반사판을 두고, 신호 전자(21)를 반사판에 대고, 그로부터 발생 또는 반사한 전자를 제2의 2차 전자 검출기에 의해 검출하는 방법도 있다. 동등한 작용을 가지는 다양한 신호 전자의 검출기(20)를 설치할 수 있다.
다음에, 렌즈 광학계의 성능과 관련된 개방각 α에 대하여 설명한다.
1차 전자선(12)이 시료(23)에 닿을 때의 빔 직경을, 프로브 직경이라고 한다. 프로브 직경을 평가하는 식으로서 다음의 식을 이용한다. 그리고, 이하의 수식에 있어서, 「＾」에 계속되는 숫자는 멱지수(冪指數)이다.
[수 1] 프로브 직경 Dprobe = sqrt[Dg＾2＋Ds＾2＋Dc＾2＋Dd＾2] [㎚]
[수 2] 광원의 축소 직경 Dg = M1·M2·M3·So = M·So [㎚]
[수 3] 구면(球面) 수차 Ds = 0.5Cs·α＾3 [㎚]
[수 4] 색수차 Dc = 0.5Cc·α·ΔV/Vi [㎚]
[수 5] 회절(回折) 수차: Dd = 0.75×1.22×Lambda/α [㎚]
여기서, 전자원의 크기가 So, 1단째 컨덴서 렌즈(15a)의 축소율이 M1, 2단째 컨덴서 렌즈(15b)의 축소율이 M2, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)가 만드는 렌즈의 축소율이 M3, 전체 축소율 M = M1×M2×M3, 구면 수차 계수가 Cs, 색수차 계수가 Cc, 시료면에서의 1차 전자선(12)의 개방각이 α, 조사 전압[1차 전자가 시료(23)에 충돌할 때의 에너지에 대응하는 전압]이 Vi, 1차 전자선(12)의 에너지 넓어짐에 대응하는 전압이 ΔV, 전자의 파장이 Lambda이다.
열전자 방출형 전자원을 사용한 SEM의 성능의 일례에 대하여, 시뮬레이션 데이터를 사용하여 설명한다. 도 1의 제1 대물 렌즈(18)는 아웃 렌즈형으로 한다.
제1 대물 렌즈(18)와 1차 전자선(12)을 집속하는 경우를 나타낸다. 이것은, 범용 SEM에 대응한다.
1차 전자선(12)의 ΔV를 1 V, 전자원의 크기 So를 10㎛으로 한다. M1×M2 = 0.00282로 한다. 구멍 직경 30 미크론인 대물 렌즈 조리개(16)를 두고, 사용하지 않는 궤도 전자를 제거하였다. 이 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경에 의해, 시료(23)에 입사하는 빔의 개방각 α와 프로브 전류를 조정할 수 있다. WD를 6 ㎜, 가속 전압 Vacc = ―30 kV(Vi = 30 kV)로 한다. 시뮬레이션 계산하면,
(시뮬레이션 데이터 1)
Dprobe = 4.4 ㎚, Dg = 1.59, Ds = 3.81, Dc = 0.916, Dd = 1.25,
Cs = 54.5 ㎜, Cc = 10.6 ㎜, α = 5.19 mrad, M3 = 0.0575로 된다.
다음에, 제2 대물 렌즈(26)와 1차 전자선(12)을 집속하는 경우를 나타낸다.
도 1의 구성에서, 제2 대물 렌즈(26)와 제1 대물 렌즈(18)와의 거리를 40 ㎜로 한다. 제2 대물 렌즈(26)는, D = 8 ㎜, d = 20 ㎜로 하고, α를 조정하기 위해 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경을 21.8 미크론으로 한다. 이 때, 범용 SEM일 때와 비교하여 프로브 전류량이 변화하지 않도록, 컨덴서 렌즈(15)를 약하게 하여 조정한다. 그 외의 조건은 같은 것으로 한다. Z = ―4 ㎜의 위치에서의 성능을 시뮬레이션 하면,
(시뮬레이션 데이터 2)
Dprobe = 1.44 ㎚, Dg = 0.928, Ds = 0.657, Dc = 0.503, Dd = 0.729,
Cs = 1.87 ㎜, Cc = 3.391 ㎜, α = 8.89 mrad, M3 = 0.0249로 된다.
이상과 같이, 제2 대물 렌즈(26)를 사용함으로써, SEM의 성능이 대폭 양호해진 것을 알 수 있다.
또한, 제1 대물 렌즈(18)에서 집속할 때와 비교하여, 제2 대물 렌즈(26)에 서 집속할 때는, Dg가 작게 되어 있다. 이것은 프로브 직경을 동등하게 하는 경우, 제1 대물 렌즈(18)에서 집속할 때와 비교하여, 컨덴서 렌즈(15)를 약하게 할 수 있는 것을 나타내고 있다. 따라서, 제2 대물 렌즈(26)를 사용함으로써, 범용 SEM과 비교하여 프로브 전류를 대전류화할 수 있는 것을 알 수 있다.
다음에, 제1 대물 렌즈(18)는 사용하지 않고, 제2 대물 렌즈(26)를 사용하여, 가속 전압 Vacc를 ―1 kV(Vi = 1 kV)로 하는 경우를 설명한다(리타딩 전압은 0 V로 한다). 프로브 전류가 변화하지 않도록, 컨덴서 렌즈(15)를 조정한다(단, 전자총으로부터의 궤도와 빔량은 ―30 kV일 때와 같은 것으로 한다). 그 외의 조건은 같은 것으로 한다. 이하가 시뮬레이션 데이터이다.
(시뮬레이션 데이터 3)
결과를 도 6의 (a)에 나타낸다.
Dprobe = 15.6 ㎚, Dg = 0.928, Ds = 0.657, Dc = 15.1, Dd = 3.99,
Cs = 1.87 ㎜, Cc = 3.39 ㎜, α = 8.89 mrad, M3 = 0.0249이다.
이 경우, Cs, Cc, α, M3, Ds는 시뮬레이션 데이터 2와 변함이 없다. ΔV/Vi가 커지므로, 프로브 직경이 매우 커지게 된다.
다음에, 전위판(22)을 시료(23)의 상부에 배치하는 예를 설명한다. 전위판(22)의 개구 직경은 Φ5 ㎜, 시료(23)는 Φ6 ㎜로 한다. 시료 측정면을 Z = ―4 ㎜[제2 대물 렌즈(26)로부터의 거리]로 한다. 시료대(24)와 전위판(22)과의 거리를 8 ㎜, 시료 측정면과 전위판(22)과의 간격을 5 ㎜로 한다.
가속 전압 Vacc는 ―10 kV, 전위판(22)을 0 V 전위로 하고, 시료(23)를 Vdecel = ―9 kV로 리타딩하고, Vi = 1 kV로 한 경우의 수치를 시뮬레이션한다. 여기서는 제1 대물 렌즈(18)는 사용하지 않고, 제2 대물 렌즈(26)만으로 집속시킨다.
(시뮬레이션 데이터 4)
결과를 도 6의 (b)에 나타낸다.
Dprobe = 5.72 ㎚, Dg = 0.924, Ds = 2.93, Dc = 4.66, Dd = 1.26,
Cs = 0.260 ㎜, Cc = 0.330 ㎜, α = 28.2 mrad, M3 = 0.0247이다.
리타딩 전압 Vdecel을 ―9 kV로 하면, 조사 전자의 에너지는 1 keV로 된다. 가속 전압이 ―1 kV일 때와 비교하여, 프로브 직경이 대폭 개선되어 있다.
다음에, 이 조건에 제1 대물 렌즈(18)를 추가하여 사용하고, 강도를 적절히 조정하는[시뮬레이션 데이터 1에서 필요한 AT(암페어 턴)의 약 0.37배로서 봄] 예를 나타낸다.
(시뮬레이션 데이터 5)
결과를 도 6의 (c)에 나타낸다.
Dprobe = 4.03 ㎚, Dg = 1.60, Ds = 0.682, Dc = 2.92, Dd = 2.17,
Cs = 0.312 ㎜, Cc = 0.357 ㎜, α = 16.3 mrad, M3 = 0.0430이다.
여기서 Dprobe가 감소하고 있는 것을 알 수 있다. 시뮬레이션 데이터 4에서는 Dc( = 4.66)가 빠져나와 커져 있었다. 그래서, 제1 대물 렌즈(18)를 약간 가함으로써, α를 작게 할 수 있다. Dc는 상기 [수 4]로부터 Cc와α에 의존한다. Cc는 약간 크게 되어 있지만, α는 상당히 작게 되어 있다. 그러므로, Dc는 작게 되어 있다. [수 1]로부터, Dprobe는 제1 대물 렌즈(18)를 사용함으로써 작게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
도 6의 (a)의 α = 8.89 mrad에 대하여, 도 6의 (b)에서는α = 28.2 mrad이며, 리타딩에 의해 큰 값으로 되어 있다. 즉, 강한 렌즈로 되어 있는 것을 알 수 있다. 또한, 그러므로, Dd도 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. 도 6의 (c)에서는 제1 대물 렌즈(18)로 α를 조정하여 α가 작게 되어 있는 것을 알 수 있다.
여기서 중요한 것은, 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경을 작게 하여 α를 조정하는 것도 가능하지만, 이 경우에는 프로브 전류가 감소되어 버린다는 것이다. 그러나, 제1 대물 렌즈(18)를 사용하여 α를 조정해도 프로브 전류는 감소하지 않는다. 그러므로, 시료(23)로부터 발생하는 2차 전자(21a)와 반사 전자(21b)는 감소하지 않는다.
또한, 리타딩 전압의 인가에 의해 검출기(20)의 감도가 양호하게 되면, 프로브 전류를 감소시킬 수 있다. 또한, 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경을 작게 하여 α를 작게 할 수도 있다. 또한, 컨덴서 렌즈(15)에 의한 축소율 M1×M2를 작게 하는 것도 가능하게 된다. 그러므로, Dg, Ds, Dc, 및 Dd와의 균형이 있으므로, 조정이 필요하지만, 프로브 직경을 보다 작게 할 수 있는 경우가 있다. 대물 렌즈 조리개(16)와 제1 대물 렌즈(18)와 프로브 직경을 최적화할 수 있다.
또한, 시료(23)에 따라서는 초점 심도가 얕은 렌즈라면, 요철(凹凸) 상의 면과 바닥의 면 어딘가에 밖에 초점이 맞지 않을 경우가 있다. 이와 같은 경우, 프로브 직경이 같아도 α가 작을수록 초점 심도가 깊어져, 선명하게 보이는 경우도 있다. 제1 대물 렌즈(18)를 사용하여, 상을 쉽게 볼 수 있도록 최적화할 수도 있다.
다음에, 제1 실시형태에 있어서의 장치의 다양한 사용법의 구체예를 나타낸다.
도 6의 (b)에서는, 가속 전압 Vacc를 ―10 kV로 하고, 시료(23)을 ―9 kV로 리타딩하는 시뮬레이션을 나타냈으나, 예를 들면, 가속 전압 Vacc를 ―4 kV, 시료(23)을 ―3.9 kV로 하여, Vi = 100 V로 할 수도 있다. 가속 전압과 리타딩 전압의 비가 1에 가까울수록, 수차 계수를 작게 할 수 있다. 또한, 상기에서는 제2 대물 렌즈(26)의 자극에 대하여, D = 8 ㎜, d = 20 ㎜로 한 경우를 나타냈으나, D = 2, d = 6 등으로 하면, 시료 높이나 가속 전압의 제한은 있지만, 보다 성능을 양호하게 할 수 있다.
또한, 가속 전압을 ―10 kV로 하여 리타딩이 없는 경우, 2차 전자 검출기(19)와 2차 전자(21a)를 검출할 수 있지만, 반도체 검출기(20)에서는 검출할 수 없다. 그러나, 가속 전압을 ―20 kV로 하고, 리타딩 전압을 ―10 kV로 하면 약 10 keV의 에너지로 2차 전자(21a)가 반도체 검출기(20)에 들어가, 검출 가능하다.
또한, 가속 전압을 ―10.5 kV로 하고, 리타딩 전압을 ―0.5 kV로 했을 때, 2차 전자(21a)는 반도체 검출기(20)에서는 양호한 감도로 검출할 수 없다. 그러나, 이 때, 2차 전자 검출기(19)로 2차 전자(21a)를 검출할 수 있다. 즉, 2차 전자(21a)는 리타딩 전압이 낮을 때는 2차 전자 검출기(19)로 잡을 수가 있고, 리타딩 전압을 서서히 올려 가면 반도체 검출기(20) 측에서 검출할 수 있는 양이 증가해 간다. 이와 같이, 2차 전자 검출기(19)는, 초점을 맞추면서 리타딩 전압을 올려 가는 조정 시에도 도움이 된다.
제1 실시형태의 제2 대물 렌즈(26)는, Z = ―4.5 ㎜에서 30 keV의 1차 전자를 집속 가능하도록 설계되어 있다. 시료 위치가 제2 대물 렌즈(26)에 가까워지면, 예를 들면, Z = ―0.5 ㎜의 위치에서는, 100 keV의 1차 전자도 집속시킬 수 있다. 리타딩을 행하지 않을 경우에는, 절연판(25)(절연 필름)을 제2 대물 렌즈(26) 상에 두지 않아도 된다. 그러므로, 이 경우에는, 제2 대물 렌즈(26)는, 가속 전압이 ―100 kV의 1차 전자선(12)을 충분히 집속할 수 있다. 바람직하게는 제2 대물 렌즈(26)는, 가속 전원을 ―30 kV 내지 ―10 kV 중 어느 하나로 하여 가속된 하전 입자선을, 대물 렌즈의 자극의 시료에 가장 가까운 곳에서 볼 때, 0 ㎜ 내지 4.5 ㎜ 중 어느 하나의 높이의 위치로 집속 가능하도록 설계된다.
가속 전압은 ―15 kV로 하고, 시료(23)는 ―5 kV로 하고, 전위판(22)에 ―6 kV를 인가한 경우에 대하여 설명한다. 1차 전자는, 시료(23)에 닿을 때는, 10 keV가 된다. 시료(23)로부터 방출되는 2차 전자(21a)의 에너지는, 100 eV 이하이다. 전위판(22)의 전위는 시료(23)의 전위보다 1 kV 낮으므로, 2차 전자(21a)는 전위판(22)을 초과할 수 없다. 그러므로, 2차 전자(21a)는 검출할 수 없다. 시료(23)로부터 방출된 1 keV 이상의 에너지를 가지고 있는 반사 전자(21b)는, 전위판(22)을 통과할 수 있다. 또한 전위판(22)과 제1 대물 렌즈(18) 하의 검출기(20)와의 사이에 6 kV의 전위차가 있어, 반사 전자(21b)는 가속되고 검출기(20)에 들어간다. 이와 같이, 전위판(22)의 전압을 조정할 수 있도록 함으로써, 전위판(22)을 에너지 필터로서 사용할 수도 있고, 또한 신호 전자(21)를 가속시킴으로써 감도를 올리는 것도 가능하게 된다.
다음에, 시료의 높이가 예를 들면, 7 ㎜인 경우에 대하여 설명한다.
이 때, 리타딩을 하는 경우라도, 상부 자극(26b)으로부터 절연판(25)과 시료대(24)의 두께를 포함하여, 예를 들면, Z = ―7.75 ㎜ 정도의 위치에 있어서 측정이 행해진다. 이 경우, 제2 대물 렌즈(26)만에서는 30 keV의 1차 전자선(12)을 집속시킬 수는 없다. 그러나, 가속 전압을 내리지 않아도 제1 대물 렌즈(18)의 도움을 받으면, 1차 전자선(12)을 집속 가능하다.
또한, 시료(23)의 높이에 따라서는, 제1 대물 렌즈(18)만으로 집속시킨 쪽이 성능 양호하게 관찰할 수 있는 경우도 있다(도 2 참조). 이와 같이, 시료(23)에 따라 최적의 사용법을 선택할 수 있다.
상기에서는, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 간격을 40 ㎜로 하는 경우에 대하여 기술하였으나, 이 거리는 고정식이라도 가동식(可動式)이라도 된다. 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리를 이격시킬수록, 축소율 M3는 작은 값으로 된다. 그리고, 개방각 α는 크게 할 수 있다. 이 방법으로 α를 조정할 수 있다.
또한, 리타딩 전압이 높으면 신호 전자(21)는 광축의 근방을 통하여, 검출기(20)의 1차 전자가 지나기 위한 개구부에 쉽게 들어가게 된다. 그러므로, 검출기(20)의 개구부는 작을수록 바람직하다. 검출기(20)의 개구부는 Φ1 내지 Φ2 ㎜ 정도로 해 두면, 감도가 좋다. 전위판(22)의 개구 직경이나 높이를 조정하고, 전위판(22)의 위치를 광축으로부터 약간 어긋나게 함으로써, 신호 전자(21)가 검출기(20)에 닿도록 신호 전자(21)의 궤도를 조정하여 감도를 양호하게 하는 방법이 있다. 또한, 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 사이에 전장(電場)과 자장을 직행시켜 인가하는 E cross B(ExB)를 넣어, 신호 전자(21)를 약간 굽히는 것도 좋도 된다. 1차 전자의 진행 방향과 신호 전자(21)의 진행 방향과는 역이므로, 약간 신호 전자(21)를 굽히는 데, 약한 전장과 자장을 설정해도 된다. 약간 구부러지면 검출기(20) 중심의 개구부에 들어가지 않아, 검출할 수 있게 된다. 또한, 단지 제1 대물 렌즈(18)와 제2 대물 렌즈(26)와의 사이에 전계를 광축에 대하여 가로로부터 인가해도 된다. 이와 같이, 해도, 1차 전자는 영향을 쉽게 받지 않고, 가로 어긋남뿐이면 화상에 대한 영향은 적다. 예를 들면, 2차 전자 검출기(19)의 콜렉터 전극 등에 의한 전계를 사용하여, 신호 전자(21)의 궤도를 컨트롤할 수도 있다.
도 3에서는, 제2 대물 렌즈(26)를 주렌즈로서 사용하고 있다. 시료대(24)가 접지 전위의 경우, 2차 전자(21a)는 2차 전자 검출기(19)에 의해 검출된다. 반사 전자(21b)는 반도체 검출기(20) 또는 로빈슨 검출기(20) 등에 의해 검출된다. 시료(23)에 의해 검출기(20)가 10 ㎜ 내지 20 ㎜ 정도 이격되어 있을 때는, 양호한 감도로 검출할 수 있다. 그러나, 40 ㎜ 정도 이격되면, 검출기(20)에 들어가지 않는 반사 전자(21b)가 증가하여 반사 전자(21b)의 검출량이 적어진다. 이 때 시료(23)에 리타딩 전압을 부여하면, 2차 전자(21a)는 반도체 검출기(20) 또는 로빈슨 검출기(20) 등에 의해 검출되도록 된다. 또한, 리타딩 전압을 부여함으로써, 반사 전자(21b)의 넓어짐은 억제되어, 반도체 검출기(20) 또는 로빈슨 검출기(20) 등에 있어서 고감도로 검출 가능하게 된다. 이와 같이, 전위판(22)이 없는 경우에도 리타딩은 사용 가능하다.
도 2에서는, 시료(23)가 두꺼운 경우에, 대물 렌즈로서 제1 대물 렌즈(18)를 사용한 경우를 나타낸다. 도 2에서는, 전위판(22)을 이동시키는 스테이지를 활용하여, 시료 스테이지로서 사용할 수 있다. 이 XY 이동 스테이지는, 제1 대물 렌즈(18)에 근접하는 방향으로도 이동할 수 있다. 이로써, 범용 SEM과 같이 장치가 사용된다. 반사 전자(21b)는 반도체 검출기(20) 또는 로빈슨 검출기(20) 등에 의해 검출되고, 2차 전자(21a)는 2차 전자 검출기(19)에 의해 검출된다. 통상, 시료(23)는 접지 전위이지만, 간이적으로 리타딩도 할 수 있다[전위판(22) 없이 리타딩을 행할 수 있다].
제2 대물 렌즈 전원(42)만을 사용할 때는, 제1 대물 렌즈(18)와 시료 측정면과의 거리보다도, 제2 대물 렌즈(26)와 시료 측정면과의 거리 쪽이 가까와지도록 장치가 구성되며, 제1 대물 렌즈 전원(41)만을 사용할 때는, 제2 대물 렌즈(26)와 시료 측정면과의 거리보다도, 제1 대물 렌즈(18)와 시료 측정면과의 거리 쪽이 가까와지도록 장치가 구성된다.
도 1에서 리타딩을 행한 경우, 시료(23)의 전위가 마이너스로 된다. 시료(23)를 GND 레벨로 한 채로 전위판(22)에 플러스의 전압을 인가할 수도 있다[이 방법을, 부스팅법(boosting method)이라고 한다]. 시료(23)에 마이너스의 전압을 인가하고, 전위판(22)에 플러스의 전위를 인가하여, 저가속 SEM으로서 더욱 성능을 양호하게 할 수도 있다. 예로서, 제1 대물 렌즈(18)는 접지 전위로 하고, 전위판(22)에 ＋10 kV를 인가하고, 시료(23)는 접지 전위로 하는 경우를 설명한다. 가속 전압은 ―30 kV로 한다. 1차 전자는 제1 대물 렌즈(18)를 통과할 때는 30 keV이며, 제1 대물 렌즈(18)로부터 전위판(22)을 향해 가속되고, 전위판(22) 근방으로부터 시료(23)를 향해 감속한다. 이하에 이 경우의 시뮬레이션 데이터를 나타낸다. 시료(23)와 전위판(22)의 형태는, 시뮬레이션 데이터 4의 경우와 같은 조건으로 한다.
(시뮬레이션 데이터 6)
Dprobe = 1.31 ㎚, Dg = 0.904, Ds = 0.493, Dc = 0.389, Dd = 0.710,
Cs = 1.29 ㎜, Cc = 2.56 ㎜, α = 9.13 mrad, M3 = 0.0244이다.
이상의 결과에 의하면, 부스팅이 없는 경우(시뮬레이션 데이터 2)와 비교하여, 프로브 직경이 개선되어 있다.
신호 전자(21)는, 시료(23)와 전위판(22)과의 사이에서는 가속되지만, 전위판(22)과 검출기(20)와의 사이에서는 감속된다. 검출기(20)가 반도체 검출기(20)인 경우에 반사 전자(21b)를 검출할 수 있지만, 반도체 검출기(20)는 접지 전위이므로, 2차 전자(21a)는 감속하여, 검출할 수 없다. 2차 전자(21a)는 2차 전자 검출기(19)에 의해 검출할 수 있다. 리타딩 전압을 시료(23)에 인가하면, 반도체 검출기(20)와 2차 전자(21a)도 검출 가능하게 된다.
다음에, 도 7을 참조하여, 2단 편향 코일(17)의 조정에 의해 편향 궤도의 교점을 이동시키는 것에 대하여 설명한다. 2단 편향 코일(17)과 시료(23) 상을 2차원적으로 주사한다. 2단 편향 코일(17)의 전자원 측을 상단(上段) 편향 코일(17a), 시료측을 하단(下段) 편향 코일(17b)이라고 한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 이 2단 편향 코일(17)은, 상단 편향 코일(17a)의 강도를 가변하는 상단 편향 전원(43)과, 하단 편향 코일(17b)의 강도를 가변하는 하단 편향 전원(44)과, 상단 편향 전원(43)과 하단 편향 전원(44)을 제어하는 제어 장치(45)에 의해 제어된다.
상단 편향 코일(17a)과 하단 편향 코일(17b)은, 제1 대물 렌즈(18)의 내부로부터 볼 때 1차 전자선(12)이 비래(飛來)하여 오는 측에 설치된다{제1 대물 렌즈(18)의 렌즈 주면(主面)보다 상류에 설치, 또는 렌즈 주면의 위치에 하단의 편향 부재를 두는 경우에는 외측 자극(18b)[도 7 참조. 그리고, 도 7의 부호 "18a"는 내측 자극을 나타냄]보다 상류에 설치된다}. 상단 편향 전원(43)과 하단 편향 전원(44)과의 사용 전류비(電流比)는, 제어 장치(45)에 의해 가변으로 되어 있다.
도 7의 (a)에서는, 2단의 편향 코일(17)에 의해, 전자는 광축과 제1 대물 렌즈(18)의 주면의 교점 근처를 통과하는 궤도로 되어 있다. 제1 대물 렌즈(18)를 주렌즈로서 사용하는 경우(도 2)에는, 이와 같이 설정된다. 제2 대물 렌즈(26)를 주렌즈로서 사용할 때, 도 7의 (a)와 같이 하면 편향 수차가 커져, 저배율의 화상일수록 변형되어 버린다. 제2 대물 렌즈(26)를 주렌즈로서 사용할 때는, 도 7의 (b)와 같이, 상단 편향 코일(17a)과 하단 편향 코일(17b)의 강도비가, 전자가 제2 대물 렌즈(26)의 주면과 광축과의 교점 근처를 통과하는 궤도로 되도록 조정된다. 조정은, 상단 편향 전원(43)과 하단 편향 전원(44)의 사용 전류비를 조정하는 제어 장치(45)에 의해 행해진다. 이와 같이 함으로써, 화상의 변형은 감소된다. 그리고, 사용 전류비를 조정함으로써 편향 궤도의 교점(크로스점)을 어긋나게 하는 것은 아니고, 권취수가 상이한 코일을 릴레이 등으로 전환하는 방식(권취수가 상이한 코일을 복수 설치하고, 사용하는 코일을 제어 장치에 의해 선택하는 방식)이나, 정전(靜電) 렌즈의 경우에는 전압을 전환하는 방식(사용 전압비를 가변하는 방식)을 채용해도 된다.
도 7에 나타낸 바와 같이, 편향 코일(17)은 제1 대물 렌즈(18) 내의 간극에 배치해도 된다. 편향 코일(17)은, 제1 대물 렌즈(18) 내에 있어도 되고, 도 1과 같이 그보다 더 하전 입자선의 상류측에 위치해도 된다. 정전 편향을 채용하는 경우에는, 편향 코일 대신에 편향 전극이 채용된다.
[제2 실시형태]
도 8을 참조하여, 제1 대물 렌즈(18)가 없는 간단한 장치 구성을 설명한다.
여기서는 반도체 검출기(20)를 하단 편향 코일(17b) 아래에 두고 있다. 제1 대물 렌즈(18)가 없는 경우, 그만큼 하단 편향 코일(17b)과 제2 대물 렌즈(26)와의 거리를 짧게 할 수 있다. 이와 같은 장치 구성은, 소형화에 적합하다. 제1 실시형태와 비교하여, 제2 실시형태에서도 제1 대물 렌즈(18)를 사용하는 것을 제외하고, 마찬가지로 장치를 사용할 수 있다. 검출기(20)와 제2 대물 렌즈(26)와의 거리는, 10 ㎜ 내지 200 ㎜ 이격되어 설치되어 있다.
도 8의 장치에 있어서는, 전자원(11)으로부터 하단 편향 코일(17b)까지의 구성에 의해, 1차 전자선(12)을 시료(23)를 향해 사출하는 상부 장치가 구성된다. 또한, 전위판(22)과, 그보다 아래에 배치되는 부재에 의해 하부 장치가 구성된다. 하부 장치에 시료(23)는 유지된다. 상부 장치는, 그 내부를 통과한 하전 입자선이 최종적으로 방출되는 구멍부를 가지고 있다. 그 구멍부는, 하단 편향 코일(17b)에 존재한다. 검출기(20)는, 그 구멍부의 아래에 장착되어 있다. 검출기(20)도 1차 전자선(12)이 통과하는 개구부를 가지고 있고, 구멍부와 개구부가 중첩되도록, 검출기(20)는 하단 편향 코일(17b)보다 하부에 장착된다.
[제3 실시형태]
제3 실시형태에서는, 전자원(11)에 전계 방출형의 것을 사용한다. 전계 방출형은, 열전자 방출형과 비교하여 휘도가 높고, 광원의 크기는 작고, 1차 전자선(12)의 ΔV도 작고, 색수차의 면에서도 유리하다. 제3 실시형태에서는 제1 실시형태와의 비교를 위해, 제1 실시형태의 2단째 컨덴서 렌즈(15b)로부터 아래를 제1 실시형태와 같은 것으로 하고, 전자원부(電子源部)를 전계 방출형으로 하여, 1단째 컨덴서 렌즈(15a)를 없애고 있다. 1차 전자선(12)의 ΔV를 0.5 eV로 하고, 전자원의 크기 So = 0.1㎛으로 한다. Z = ―4 ㎜로 하고, 가속 전압 Vacc를 ―30 kV, 제1 대물 렌즈(18)는 OFF로 한 성능을 계산하면, 다음과 같이 된다.
(시뮬레이션 데이터 7)
Dprobe = 0.974 ㎚, Dg = 0.071, Ds = 0.591, Dc = 0.248, Dd = 0.730,
Cs = 1.69 ㎜, Cc = 3.36 ㎜, α = 8.88 mrad, M3 = 0.0249
전계 방출형 전자원은 열전자 방출형과 비교하여 휘도가 높다. 또한 컨덴서 렌즈(15)가 일단(一段)으로 되어 있으므로, 프로브 전류는 열전자 방출형일 때와 비교하여 많아져 있다. 그럼에도 불구하고, 프로브 직경이 작게 되어 있는 것을 알 수 있다. Dd가 가장 큰 값을 나타내고 있다.
다음의 예에서는, 가속 전압 Vacc를 ―1 kV(Vi = 1 kV)로 한다. 제1 대물 렌즈(18)는 사용하지 않고, 제2 대물 렌즈(26)를 사용하여, 전자를 집속한다. 프로브 전류는 변화하지 않도록 컨덴서 렌즈(15)를 조정한다. 이 경우에는, 다음과 같이 된다.
(시뮬레이션 데이터 8)
Dprobe = 8.48 ㎚, Dg = 0.071, Ds = 0.591, Dc = 7.45, Dd = 4.00,
Cs = 1.68 ㎜, Cc = 3.36 ㎜, α = 8.88 mrad, M3 = 0.0249
이상과 같이, 열전자 방출형(시뮬레이션 데이터 3)에서는, Dprobe = 15.6 ㎚이므로, 전계 방출형 전자원 쪽이 양호한 것을 알 수 있다.
다음에, 전위판(22)과 시료(23)를 도 1과 같이 배치하는 예에 대하여 설명한다. 시료 측정면을 Z = ―4 ㎜로 한다.
가속 전압 Vacc는 ―10 kV로 하고, 전위판(22)을 0 V 전위로 하고, 시료(23)를 ―9 kV로 한 경우(Vi = 1 kV)에 대하여 계산 결과를 이하에 나타낸다. 여기서는 제1 대물 렌즈(18)는 사용하지 않고, 제2 대물 렌즈(26)만으로 집속시키고 있다.
(시뮬레이션 데이터 9)
Dprobe = 3.92 ㎚, Dg = 0.071, Ds = 2.90, Dc = 2.32, Dd = 1.26,
Cs = 0.260 ㎜, Cc = 0.330 ㎜, α = 28.1 mrad, M3 = 0.0248
수차 중에서 Ds가 가장 큰 값으로 되어 있다. 이것은, 시료(23)에 가까울수록 전자의 속도가 늦어지게 되어 자장의 영향을 받기 쉽게 되는 것과, 자속 밀도가 시료(23)에 가까울수록 큰 값이므로, 시료(23)에 가까울수록 강한 렌즈로 되어 있으므로, α가 너무 커지는 것에 의한다. Ds는, α의 3승에 비례하는 것이므로, 크게 되어 있다. 제1 대물 렌즈(18)를 사용함으로써 개선하는 것이 바람직하다.
다음에, 제1 대물 렌즈(18)를 사용하고, 강도를 최적으로 조정한 경우[시뮬레이션 데이터 1의 AT(암페어 턴)의 약 0.31배로 한 경우]의 데이터를 나타낸다.
(시뮬레이션 데이터 10)
Dprobe = 2.68 ㎚, Dg = 0.103, Ds = 1.03, Dc = 1.68, Dd = 1.82,
Cs = 0.279 ㎜, Cc = 0.344 ㎜, α = 19.5 mrad, M3 = 0.0358
수차 계수만을 보면 악화되어 있지만, 프로브 직경은 α를 조절한 것에 의해, 더욱 개선되어 있다.
여기서는 제1 실시형태와 비교하기 위해, 대물 렌즈 조리개(16)의 구멍 직경을 21.8 미크론과 같게 하였다. 전계 방출형의 경우에는, 휘도가 밝기 때문에, 그리고, 컨덴서 렌즈(15)가 일단으로 되어 있으므로, 또한 구멍 직경을 작게 할 수 있다. 그러므로, 회절 수차가 주된 수차로 된다.
이상과 같이 본 실시형태에 의하면, 제2 대물 렌즈(26)를 사용하여, 리타딩함으로써, α가 커지게 되는 렌즈계로 되어, 회절 수차를 줄일 수 있는 렌즈계로 되어 있다. 즉, 하전 입자선 장치에 있어서 저수차의 제2 대물 렌즈를 실현할 수 있다. 신호 전자를 고감도로 검출하여, 염가로 고분해능화를 실현할 수 있다.
본 실시형태에 의하면, 신호 전자가 제1 대물 렌즈 중을 통과하지 않으므로, 검출부를 간단한 구조로 할 수 있다. 제2 대물 렌즈의 광축 상 자속 밀도는, 시료에 가까울수록 강한 분포를 하고 있으므로, 대물 렌즈는 저수차 렌즈로 된다. 시료에 마이너스의 전위를 부여하면, 시료에 가까울수록 강한 렌즈로 되어, 대물 렌즈는 더욱 저수차 렌즈로 된다. 시료의 리타딩 전압에 의한 전계에서, 신호 전자는 가속되고, 에너지 증폭하여 검출기에 들어가기 때문에, 검출기는 고감도로 된다. 이상의 구성에 의해, 고분해능 하전 입자선 장치를 실현할 수 있다.
[제4 실시형태]
다음에, 제4 실시형태에 있어서의 SEM(하전 입자 장치의 일례)의 장치 구성에 대하여 설명한다. 이하의 설명에 있어서, 전술한 실시형태와 동일한 구성(각각의 구성의 변형예도 포함함)에 대하여는, 전술한 바와 같은 부호를 부여하고, 이들 구성에 대한 상세한 설명에 대하여는 생략한다.
상기한 제1 실시형태의 개략적인 구성은, 다음과 같이, 제4 실시형태에 있어서도 마찬가지이다. 상부 장치에는, 전자원(11)으로부터 제1 대물 렌즈(18)까지의 구성이 배치되어 있다. 상부 장치로부터 시료(23)를 향해 1차 전자선(12)이 사출된다. 하부 장치에는, 제2 대물 렌즈(26)가 배치되어 있다. 하부 장치에 시료(23)가 유지된다. 2차 전자 검출기(19) 및 검출기(20)도, 마찬가지로 설치된다. 2차 전자 검출기(19)는, 2차 전자(21a)의 신호 전자(21)를 검출하기 위해 설치된다.
도 9는, 본 발명의 제4 실시형태에 관한 SEM의 장치 구성의 일례를 나타낸 단면도이다.
도 9에 나타낸 SEM에서는, 도 1에 나타낸 것과 마찬가지로, 상부 장치나, 제2 대물 렌즈(26)나, 2차 전자 검출기(19)나, 전위판(22) 등이 설치되어 있다. 이 SEM에서는, 리타딩이 행해진다. 이와 같이, 제4 실시형태에 있어서, SEM은, 기본적으로는 도 1에 나타낸 것과 동일한 구성을 가지고 있다. 제4 실시형태에 있어서, SEM은, 전위판(22)의 하면[시료(23) 측의 면]에, 반사 전자(21b)를 검출하는 검출기(720)가 배치되어 있는 점에서 도 1에 나타낸 것과는 상이하게 되어 있다.
검출기(720)에는, 1차 전자선(12)이나 2차 전자(21a)가 통과하는 구멍부가 형성되어 있다. 검출기(720)로서는, 예를 들면, 마이크로 채널 플레이트나, 로빈슨 검출기나, 반도체 검출기 등이 사용된다.
이와 같이, 도 9에 나타낸 장치에서는, 비교적 시료(23)에 가까운 위치에, 검출기(720)가 배치된다. 입사하는 반사 전자(21b)의 입체각이 크고, 반사 전자(21b)의 검출 감도가 향상되므로, 보다 높은 감도로 시료(23)의 관찰을 행할 수 있다.
제4 실시형태에 있어서, 전위판(22)의 위쪽에, 검출기(20)가 배치되어 있어도 된다. 검출기(720)의 구멍부(720a)의 치수는, 1차 전자선(12)이 통과할 정도로 작아도 된다. 예를 들면, 구멍부(720a)는, 원형의 관통공으로서, 그 직경이 예를 들면, 1 밀리미터 내지 2 밀리미터 정도가 바람직하다. 이와 같이, 구멍부(720a)를 작게 함으로써, 반사 전자(21b)의 대부분은 전위판(22)보다 위쪽으로 통과할 수 없도록 된다. 따라서, 2차 전자 검출기(19) 또는 검출기(20)에 입사하는 신호 전자(21)의 대부분이 2차 전자(21a)로 되므로, 반사 전자상(電子像)과의 혼합이 아닌, 선명한 2차 전자상을 얻을 수 있다.
[기타]
본 발명은 상기 실시형태에 따라서 기재하였으나, 이 개시된 기술(記述) 및 도면은 본 발명을 한정하는 것으로 이해해서는 안된다. 예를 들면, 하전 입자원으로부터 시료(23)까지의 하전 입자선의 궤도를 도면에서는 직선으로 도시하고 있다. 그러나, 에너지 필터 등을 넣으면 궤도가 굽혀진다. 하전 입자선의 궤도가 굽혀져 있는 경우도 있다. 이와 같은 경우에도 특허 청구의 범위에 기재된 기술적 범위 내에 포함된다. 또한, 이온 빔 현미경에서는 마이너스 이온의 하전 입자의 경우, 전자와 마찬가지의 컨셉이 가능하여 제1 실시형태와 마찬가지로 적용할 수 있는 것을 알 수 있다. 이온의 경우, 전자와 비교하여 질량이 무겁기 때문에, 컨덴서 렌즈(15)를 정전 렌즈로, 편향 코일(17)을 정전 편향으로, 제1 대물 렌즈(18)를 정전 렌즈로 해도 된다. 또한, 대물 렌즈(26)는 자기(磁氣) 렌즈를 사용한다.
상기 설명에 따라서 본 발명은, 하전 입자선 장치인 EPMA, 전자선 묘화 장치 등의 전자빔 장치, 또는 이온 빔 현미경 등의 이온 빔 장치에 용이하게 적용할 수 있는 것을 이해할 수 있다. He＋ 이온원과 같이 양이온의 하전 입자를 사용하는 경우에는, 이온원의 가속 전원으로서 플러스의 가속 전원(14)을 사용한다. 리타딩을 행하지 않을 경우에는, 제1 실시형태와 마찬가지로 장치를 구성할 수 있다. 리타딩을 행하는 경우에는, 리타딩 전원(27)을 플러스 전원으로 전환하는 것 외에, 전술한 실시형태와 마찬가지로 장치를 구성할 수 있다. 이 때, 전위판(22)이 접지 전위이면, 시료(23)로부터 방출된 신호 전자(21)는, 마이너스 전하이므로, 시료(23)로 되돌려져 버린다. 이 경우, 전위판(22)의 전위가 시료(23)의 전위보다 높게 되도록 전위판 전원(28)을 조정하면 된다. 예를 들면, 하전 입자선의 가속 전원(14)를 ＋7 kV로 하고, 상부 장치를 접지 전위로 하고, 전위판(22)를 ＋6 kV로 하고, 시료(23)을＋5 kV로 하면 된다. 그러면, 전위판(22)의 위치에 둔 검출기(720)에서 신호 전자(21)를 검출할 수 있다.
전술한 실시형태 및 변형예는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아니라고 생각할 수 있다. 본 발명의 범위는 상기한 설명에서가 아니라 특허 청구의 범위에 의해 나타내고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
11: 하전 입자원(전자원)
12: 하전 입자선(1차 전자선)
13: 웨넬트 전극
14: 가속 전원
15: 컨덴서 렌즈
15a: 1단째 컨덴서 렌즈
15b: 2단째 컨덴서 렌즈
16: 대물 렌즈 조리개
17: 2단 편향 코일
17a: 상단 편향 코일
17b: 하단 편향 코일
18: 제1 대물 렌즈
18a: 내측 자극
18b: 외측 자극
18c: 구멍부
19: 2차 전자 검출기
20: 검출기(반도체 검출기, 로빈슨 검출기 또는 MCP 검출기)
21: 신호 전자(21a: 2차 전자, 21b: 반사 전자)
22: 전위판
23: 시료
24: 시료대
25: 절연판
26: 제2 대물 렌즈
26a: 중심 자극
26b: 상부 자극
26c: 측면 자극
26d: 하부 자극
26e: 코일
26f: 실링부
27: 리타딩 전원
28: 전위판 전원
29: 시료대 스테이지판
30: 원통 방전 방지 전극
31: 절연재
41: 제1 대물 렌즈 전원
42: 제2 대물 렌즈 전원
43: 상단 편향 전원
44: 하단 편향 전원
45: 제어 장치
720: 검출기(반도체 검출기, 로빈슨 검출기 또는 MCP 검출기)

Claims (24)

  1. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기를 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되고,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래 상기 대물 렌즈의 광축으로부터 3cm 이내의 위치에 설치되는, 하전 입자선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 신호 전자는, 상기 시료로부터 방출되는 2차 전자를 포함하는, 하전 입자선 장치.
  3. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 시료에 마이너스 전원을 주고 상기 하전 입자선을 감속시키기 위한 리타딩 전원을 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 대물 렌즈의 광축으로부터 3cm 이내의 위치에 설치되는, 하전 입자선 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 시료에 마이너스 전원을 주고 상기 하전 입자선을 감속시키기 위한 리타딩 전원을 갖는, 하전 입자선 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 시료에 마이너스 전원을 주고 상기 하전 입자선을 감속시키기 위한 리타딩 전원을 갖추고,
    상기 신호 전자는, 상기 시료로부터 방출되는 반사 전자를 포함하는, 하전 입자선 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    전자를 끌어당기는 전계를 갖는 2차 전자검출기를 갖추고,
    상기 신호 전자는, 상기 시료로부터 방출되는 2차 전자를 포함하고,
    상기 2차 전자 검출기에서 발생하는 전계가, 상기 하전 입자선에 의해 상기 시료로부터 방출되는 2차 전자를 끌어당기도록 상기 2차 전자 검출기가 배치되는, 하전 입자선 장치.
  7. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 상기 하전 입자선이 통과하는 궤도를 막지 않도록 배치되고, 상기 상부장치의 하단에 장착되는, 하전 입자선 장치.
  8. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 시료에 상기 하전 입자선이 입사하는 측에 설치되는, 상기 대물 렌즈와는 다른 대물 렌즈를 갖는, 하전 입자선 장치.
  9. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기와 상기 대물 렌즈와의 거리는 10mm에서 200mm인, 하전 입자선 장치.
  10. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출기는, 반도체 검출기, 형광체의 발광 방식의 검출기 또는 마이크로 채널 플레이트 검출기이고, 상기 하전 입자선의 궤도에서 3cm 이내에 배치되는, 하전 입자선 장치.
  11. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하전 입자원으로서, 열전자원형의 것이 사용되는, 하전 입자선 장치.
  12. 제1항 내지 제3항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대물 렌즈는, 상기 가속 전원을 -30kV 내지 -10kV로 하여 가속된 상기 하전 입자선을, 상기 대물 렌즈의 자극의 시료와 가장 가까운 곳으로부터 볼 때, 0mm 내지 4.5mm의 높이의 위치로 집속 가능한, 하선 입자선 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 대물 렌즈의 강도와 상기 다른 대물 렌즈의 강도를 독립적으로 제어하는 기능과,
    상기 하전 입자선을 상기 대물 렌즈만으로 시료에 집중하는 기능과,
    상기 하전 입자선을 상기 다른 대물 렌즈만으로 시료에 집중하는 기능을 갖는, 하전 입자선 장치.
  14. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 시료에 상기 하전 입자선이 입사하는 측에 설치되는, 상기 대물 렌즈와는 다른 대물 렌즈를 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래의 위치에 설치되고,
    상기 하전 입자선을 상기 대물 렌즈만으로 시료에 집중하는 기능과,
    상기 하전 입자선을 상기 다른 대물 렌즈만으로 시료에 집중하는 기능을 갖추고,
    상기 하전 입자선을 상기 대물 렌즈만으로 시료에 집속 할 때, 상기 대물 렌즈와 시료 측정면과의 거리가 상기 다른 대물 렌즈와 시료 측정면과의 거리보다 가깝게 되며,
    상기 하전 입자선을 상기 다른 대물 렌즈만으로 시료에 집속 할 때, 상기 다른 대물 렌즈와 시료 측정면과의 거리가 상기 대물 렌즈와 시료 측정면과의 거리보다 가깝게 되는, 하전 입자선 장치.
  15. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항 및 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이에 배치되고, 상기 하전 입자선이 통과하는 개구부를 갖는 전위판을 구비하고,
    상기 전위판에는 접지 전위, 플러스 전위, 또는 마이너스 전위가 부여되는, 하전 입자선 장치.
  16. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이에 배치되고, 상기 하전 입자선이 통과하는 개구부가 있는 전위판을 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래의 위치에 설치되고,
    상기 전위판에는 접지 전위, 플러스 전위, 또는 마이너스 전위가 부여되며,
    상기 검출기는 상기 전위판의 하측에 배치되는, 하전 입자선 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전위판의 개구부는 직경 2mm 내지 20mm의 원형 또는 메쉬 형상인, 하전 입자선 장치.
  18. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이에 배치되고, 상기 하전 입자선이 통과하는 개구부가 있는 전위판을 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래의 위치에 설치되고,
    상기 전위판에는 접지 전위, 플러스 전위, 또는 마이너스 전위가 부여되며,
    상기 전위판은 시료의 근처 이외의 장소에서는 상기 시료가 적재되는 도전성 시료대로부터 이격되는 형상을 갖는, 하전 입자선 장치.
  19. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이에 배치되고, 상기 하전 입자선이 통과하는 개구부가 있는 전위판과,
    상기 전위판을 이동시키는 이동수단을 구비하고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래의 위치에 설치되고,
    상기 전위판에는 접지 전위, 플러스 전위, 또는 마이너스 전위가 부여되는, 하전 입자선 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 이동수단은, 상기 전위판에 접속된 스테이지이고,
    상기 스테이지는, 상기 시료를 적재 가능한, 하전 입자선 장치.
  21. 제16항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하전 입자선은 양이온이고,
    상기 시료에는 접지 전위 이상의 플러스 전위가 주어지고,
    상기 전위판에는 상기 시료의 전위와 비교해서 그 이상의 전위가 주어지는, 하전 입자선 장치.
  22. 하전 입자원과,
    상기 하전 입자원에서 방출되는 하전 입자선을 가속하기 위해 설치되는, 상기 하전 입자원에 접속된 가속 전원과,
    시료에 대하여 상기 하전 입자선이 입사하는 측의 반대측에 설치되어 상기 하전 입자선을 상기 시료에 집속시키는 대물 렌즈와,
    상기 하전 입자선을 상기 시료에 방사하는 상부 장치와,
    상기 시료가 유지되는 하부 장치와,
    상기 하전 입자선에 의해 상기 시료에서 방출되는 신호 전자를 검출하는 검출기와,
    상기 시료에 상기 하전 입자선이 입사하는 측에 설치되는, 상기 대물 렌즈와는 다른 대물 렌즈를 갖고,
    상기 상부 장치는, 구멍부를 갖고, 상기 구멍부에서 상기 상부 장치의 내부를 통과한 상기 하전 입자선이 최종적으로 방출되며,
    상기 검출기는, 상기 상부 장치와 상기 하부 장치 사이, 및 상기 구멍부보다 아래의 위치에 설치되고,
    상기 대물 렌즈와 상기 다른 대물 렌즈를 동시에 사용하여, 상기 하전 입자 선의 상기 시료에 입사하는 개방각을 상기 다른 대물 렌즈로 가변하여 상기 시료에 집중하는 기능을 갖는, 하전 입자선 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 하전 입자원으로부터 방출되는 전자가 상기 대물 렌즈의 주면과 광축과의 교점 근처를 통과하는 궤도로 되도록 조정되는, 하전 입자선 장치.
  24. 제1항 내지 제3항, 제5항, 제6항, 제14항, 제16항 내지 제20항, 제22항 및 제23항 중 어느 한 항의 하전 입자선 장치를 포함하는 주사 전자 현미경.
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