KR20130102627A - 회절 수차 보정기를 적용한 하전 입자 빔 현미경 - Google Patents

회절 수차 보정기를 적용한 하전 입자 빔 현미경 Download PDF

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Abstract

Aharonov-Bohm 효과를 이용하여 전자 빔의 위상을 제어하는 회절 수차 보정의 동작 원리에 기초하여, 솔레노이드 코일 링의 다극자에 의해 구성되는 보정기의 구조와 빔 축에 대한 벡터 포텐셜의 직교도와 축 어긋남을 조정하는 기능에 의해 회절 수차 보정기를 구성하고, 위상차를 발생시키기 위해 벡터 포텐셜을 빔 축에 직교하고, 또한 빔 축에 대해 직교면 내에서 대칭인 분포로 유기하는 회절 수차 보정기를 대물 조리개와 대물 렌즈의 가까이에 설치하고, 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 자속의 링을 지나감으로써 상기 벡터 포텐셜에 의한 Aharonov-Bohm 효과에 의해 빔 직경 내의 위상차를 증대하여 시료상의 전자 빔의 강도를 억제할 수 있다.

Description

회절 수차 보정기를 적용한 하전 입자 빔 현미경{CHARGED PARTICLE BEAM MICROSCOPE WITH DIFFRACTION ABERRATION CORRECTOR APPLIED THERETO}
본 발명은, 반도체 장치나 액정이나 자기 기록 매체 등, 미세한 회로 패턴을 갖는 기판 제조 기술에 관한 것으로, 특히 하전 입자 빔에 의해 미세한 회로 패턴을 관찰·계측·검사하는 하전 입자 빔 현미경 및 검사 방법에 관한 것이다.
반도체 디바이스의 미세화·집적화에 수반하여, 제조 공정의 관리나 개발에서는, 웨이퍼 상에 형성된 구멍이나 홈의 사이즈는 미세한 경우에는 약 10㎚로 되는 경우도 있는 바와 같이, 회로 패턴의 미세화는 진행된다. 그 때문에, 수10㎚ 사이즈의 미세 패턴을 고정밀도, 또한 고속으로 계측하는 요구가 점점 높아지고 있어, 광학 현미경에서는 대응할 수 없는 나노 분해능 관찰의 요구에 따르기 위해, 주사 전자 현미경(이하, SEM이라 칭함)의 전자 빔의 프로브 직경이 해마다 축소되어 약 1㎚까지 도달하고, 원자 분해능을 갖는 Scanning Probe Microscope(이하, SPM이라 칭함)의 다음으로 고해상도의 관찰상 취득 수단으로 되어 있다.
그러나, 시료의 데미지로 대표되는 사용상의 제약이, 적용 범위의 확장과 시장 확대를 저해하고 있다. 예를 들어, Critical Dimension Scanning Electron Microscope(이하, CD-SEM이라 칭함)은 반도체의 리소그래피 관리에 있어서 불가결한 계측 장치이지만, 전자 빔에 의한 레지스트의 데미지가 길이 측정을 저해하고 있다. 이 데미지를 저감시키는 유효한 수단으로서 100eV 이하에서의 길이 측정이 제안되어 있다. 이와 같이 소프트 머티리얼의 저데미지 관찰에는 초저가속 전압의 전자 빔이 필요해지지만, 초저가속 전압의 전자 빔은 기하 수차와 회절 수차가 증대하여 원하는 분해능을 얻을 수 없다. 기하 수차 보정이라 함은 전자 광학계의 렌즈 등에 의해 기하 광학적으로 생기는 수차이며, 시료상의 빔의 개방각을 크게 하면 수차가 증대하는 특징을 가진다. 한편, 회절 수차는 전자의 파동성으로 생기는 수차이며, 시료상의 빔의 개방각을 작게 하면 수차가 증대하는 특징을 가진다. 분해능이 10％ 열화되는 시료 높이의 허용 범위를 관찰상의 초점 심도로 하고, 그 초점 심도는 시료상의 빔 개방각을 작게 하면 증대한다.
비특허문헌 1에는, 기하 수차의 보정 방법의 기본 원리로서, 전장과 자장을 중첩시킨 다극자에 의해 전자 빔의 빈(wien) 조건을 만들어 냄으로써 기하 수차 중 색수차를 보정하는 방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1에는, 윤대 조명의 기본 원리로서, 하전 입자선의 통과를 제한하는 통과 개구를, 하전 입자원과 주사 편향기의 사이에 배치하고, 당해 통과 개구는 그 개구 중심에 하전 입자선의 통과를 제한하는 부재를 구비하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 주사형 하전 입자 현미경이 개시되어 있다.
특허문헌 2에는, 마이크로파 이온원의 다가로 전리된 이온 빔을 효율적으로 취득하기 위해, 이온원 플라즈마실에 솔레노이드 코일과 자석열을 배치하여, 합성 자장 형상을 플라즈마로부터 보아 축 방향 및 반경 방향 모두 플라즈마 중심 부분에서 자장 강도가 평균적으로 극소로 되어 플라즈마를 가두어 안정적인 빔 인출을 실현하는 방법에 대해 개시되어 있다.
특허문헌 3에는, 전자 현미경의 에너지 필터의 전원을 삭감하여 전자 궤도의 변화가 적고 조정을 쉽게 하기 위해, 주코일과 독립으로, 또한 접근하여 밸런스를 조정하기 위한 보조 코일을 각각의 상부와 하부의 폴 피스를 사이에 두고 솔레노이드 형상으로 권회하여 폴 피스 간극에 자장을 발생시키는 마그네트에 대해 개시되어 있다.
하전 입자 빔을 응용한 관찰·계측·검사 장치에는 SEM 이외에 Transmission Electron Microscope(이하, TEM이라 칭함)이나 Scanning Transmission Electron Microscope(이하, STEM이라 칭함) 등이 있고, 이들 광학계의 구조상의 공통의 특징으로서 구면 수차와 색수차가 분해능 열화의 지배 요인이었다. 즉, STEM이나 TEM에서는 색수차보다 구면 수차가, SEM은 구면 수차보다 색수차가 분해능 열화의 지배 요인으로 되어 있었으므로, 각각에 최적화한 기하 수차 보정 기술이 개발되었다. 이들 기하 수차 보정 기술의 등장에 의해 광학계 전체의 수차가 억제되고, 회절 수차가 광학계의 구조상의 공통의 특징으로서 분해능 열화의 지배 요인으로 되게 된 것이 본 발명의 제2 배경이다.
일본 특허 출원 공개 제2007-207764호 공보 일본 특허 출원 공개 소63-114032호 공보 일본 특허 출원 공개 제2005-302437호 공보
H.Rose, Optik, 31(1970)144
비특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 기하 수차는 보정할 수 있지만 회절 수차는 보정할 수 없다. 상기 기하 수차 보정은 시료상의 빔의 개방각을 크게 하면 수차가 증대하는 특징을 갖고, 상기 회절 수차는 상기 빔의 개방각을 작게 하면 수차가 증대하는 특징을 갖는 점에서, 상기 빔의 개방각을 크게 하면 상기 기하 수차 보정에 의해 수차를 억제하는 것이 가능해진다. 상기 빔의 개방각을 크게 함으로써 초점 심도가 얕아져, 상기 시료상의 홈이나 구멍의 표면과 바닥을 동시에 관찰할 수 없게 되는 경우나, 합초점 위치의 검출이 곤란해지는 경우도 있다. 초점 심도가 얕은 관찰상은 종래의 SEM상에 비해 입체적인 정보를 취득하기 어려운 불편한 관찰상으로 되어 버린다.
특허문헌 1에 기재된 종래 기술에서는, 회절 수차를 제어할 수 없기 때문에 시료상의 빔 강도 분포에 복수의 강도 피크가 형성된다. 또한, 적절한 기하 수차를 가함으로써, 시료상의 빔의 개방각을 바꾸는 일 없이 초점 심도를 어느 정도 깊게 할 수 있지만 효과는 한정적이다.
특허문헌 2에 기재된 종래 기술에서는, 이온원 플라즈마실에 솔레노이드 코일과 자석열을 배치하여, 플라즈마를 가두어 안정적인 빔 인출을 실현할 수 있지만, 하전 입자의 회절 수차를 보정할 수 없다.
특허문헌 3에 기재된 종래 기술에서는, 상부와 하부의 폴 피스를 사이에 끼우고 솔레노이드 형상으로 권회하여 폴 피스 간극에 자장을 발생시키는 마그네트를 배치하여, 전자 현미경의 에너지 필터를 실현할 수 있지만, 전자 빔의 회절 수차를 보정할 수 없다.
하전 입자 광학에 있어서의 회절 수차에는 레일리 회절과 파면 수차가 있지만, 여기서는 전자 광학에 있어서의 레일리 회절을 예로 들어, 이하에 수차의 특징과 보정 방법에 대해 설명한다.
대물 렌즈에 의해 시료상의 빔의 개방각을 제어하기 위해 대물 조리개로 빔 궤도를 제한하면 전자의 파동성이 강해져 회절이 발생한다. 상기 회절에 의해 시료상의 빔의 스폿 형상 확대되는 현상이 레일리 회절이다. 시료상의 회절파의 강도 분포는 전자 빔의 진행 방향에 의해 생기는 빔 직경 내에서의 위상차로 변화한다. 회절에 의한 전자 빔의 진행 방향이 빔의 축으로부터의 기울기가 커짐에 따라 시료상의 회절파의 강도 분포는 감쇠한다. 그러나 저가속 빔에서는 전자 빔의 파장이 길어지므로, 진행 방향에 의한 빔 직경 내에서의 위상차가 부여되기 어려워져, 회절파의 강도 분포의 감쇠가 약해져 버린다. 그 때문에, 회절 수차는 저가속으로 되면 될수록 증대한다.
다음에 전자 빔의 위상 제어에 이용하는 Aharonov-Bohm 효과(이하, AB 효과라 칭함)에 대해 설명한다.
Y. Aharonov와 David Bohm이 1959년에 자장이나 전장이 완전히 존재하지 않아도 전자 빔의 위상은 변화하는 현상(이하, AB 효과)을 이론적으로 예언하고[Phys. Rev. 115(1959)485], 도노무라 등이 1986년에 전자선 홀로그래피의 방법을 이용하여 실증하였다[Phys. Rev. Lett. 56(1986)792]. 유한한 길이의 솔레노이드 코일에서는 자장이나 전장이 완전히 존재하지 않는 조건을 만족하는 것이 곤란하므로, 솔레노이드 코일을 도넛 형상의 링으로 하여 자장 누설을 억제하고, 전자선의 파장이 짧으므로 매우 미세(수㎛)하게 하는 것이 필요하였다. 상기 실증에서는, 매우 미세한 링의 자석을 초전도재로 둘러싸 마이스너 효과에 의해 상기 자석의 자장의 누설을 완전히 막고, 링의 외측과 내측을 통과하는 전자선의 위상차를 전자선 홀로그래피에 의해 간섭 줄무늬의 형태로 관찰하였다. 관찰의 결과, 2개의 전자선의 궤도간에 반 파장만큼의 위상차가 존재하고 있는 것을 알 수 있어, 벡터 포텐셜에 의해 전자선의 위상이 변화하는 것이 실증되었다.
상기 레일리 회절은 전자 빔의 진행 방향의 빔 축으로부터의 기울기에 의해 효율적으로 빔 직경 내의 위상차를 발생함으로써 억제할 수 있다. 따라서, 상기 위상차를 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 동시에 직교면 내에서 대칭의 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기를 대물 조리개와 대물 렌즈의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 전자 빔의 위상차는 변화하는 일 없어, 시료상의 전자 빔의 강도는 변화하지 않지만, 전자 빔 경로상의 프레넬 회절에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 상기 벡터 포텐셜에 의한 AB 효과에 의해 빔 직경 내의 위상차를 증대하여 시료상의 전자 빔의 강도를 억제할 수 있다. 그러나, 대물 렌즈에 의해 시료상에 집속되는 전자 빔이 회절파를 발생시키면서 진행한다. 상기 회절에 의해 시료상의 빔의 스폿 형상 확대의 현상이 레일리 회절이다. 시료상의 회절파의 강도 분포는 전자 빔의 집속 방향에 의해 생기는 빔 직경 내에서의 위상차로 변화한다. 회절에 의한 전자 빔의 집속 방향이 빔의 축으로부터의 기울기가 커짐에 따라 시료상의 회절파의 강도 분포는 진폭하면서 감쇠한다. 대물 렌즈에 의해 집속되는 전자 빔에 대해 효율적으로 빔 직경 내의 위상차를 발생시키는 것은 어렵다. 따라서, 대물 렌즈를 통과하기 전의 전자 빔의 회절파에 대해, 빔 축으로부터의 기울기에 의해 효율적으로 빔 축으로부터의 위상차를 발생시킨다. 이에 의해, 대물 렌즈의 전후의 회절파의 위상차가 발생함으로써 레일리 회절은 억제할 수 있다.
회절 수차 보정기의 구성예를 이하에 서술한다. 상기 솔레노이드 코일 링 또는 상기 자석 링은 링면의 연장 방향이 빔 축을 향하고, 또한 빔 축에 대해 대칭으로 되는, 빔 축을 중심으로 하는 동일 원주상의 위치에 배치함으로써 원하는 벡터 포텐셜 분포를 얻을 수 있다. 예를 들어, 4개의 솔레노이드 코일 링를 사용하는 경우에는, 대칭으로 되는 위치에 배치한 2개의 링면의 연장 방향이 빔의 축과 교차하고, 또한 유기되는 벡터 포텐셜이 빔 축에 대해 회전 대칭으로 되도록 솔레노이드 코일 링의 쌍을 배치하고, 상대 각도가 90도로 되는 위치에, 각각의 솔레노이드 코일 링의 쌍의 벡터 포텐셜의 방향이 회전 대상으로 되도록, 또한 인접하는 솔레노이드 코일의 벡터 포텐셜의 방향이 축 대칭으로 되도록, 또 한 세트의 솔레노이드 코일 링의 쌍을 배치함으로써 실현한다. 또한, 빔 축을 중심으로 하는 동일 원주상에 8개나 12개 등 4의 배수개의 솔레노이드 코일 링를 사용함으로써 보다 벡터 포텐셜의 회전 대칭성이 좋아진다. 또한, 솔레노이드 코일을 나선형으로 권회한 원통으로 빔 축을 주회하는 링을 형성함으로써, 벡터 포텐셜의 회전 대칭성이 더욱 좋아진다.
본 발명에 따르면, 하전 입자 빔에 의해, 미세한 회로 패턴을 관찰·계측·검사하는 하전 입자 빔 현미경에 있어서, 벡터 포텐셜의 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 시료상의 회절 수차를 억제할 수 있다.
도 1은 회절 수차 보정기를 주사 전자 현미경에 적용한 일 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 주사 전자 현미경에서의 회절 수차의 모식도.
도 3은 Aharanov-Bohm 효과의 설명도.
도 4는 레일리 회절의 수차 보정의 방법을 도시하는 모식도.
도 5a는 레일리 회절을 보정하는 구체적 방법을 도시하는 도면.
도 5b는 회절 수차 보정기의 확대도.
도 6은 시료상의 빔 강도 분포를 나타내는 도면.
도 7은 회절 수차 보정기의 벡터 포텐셜의 극자의 배치예를 도시하는 도면.
도 8은 회절 수차 보정기의 제어 화면의 예를 도시하는 도면.
도 9는 회절 수차 보정기를 이온 현미경에 적용한 일 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 회절 수차 보정기를 투과 전자 현미경에 적용한 일 실시예를 도시하는 도면.
도 11은 회절 수차 보정기를 반사 전자 현미경에 적용한 일 실시예를 도시하는 도면.
도 12는 회절 수차 보정기를 미러 전자 현미경에 적용한 일 실시예를 도시하는 도면.
일례로서, 이하의 실시예에서는, 주로 주사 전자 현미경을 사용한 장치에의 적용예에 대해 설명하지만, 각 실시예의 회절 수차 보정의 수단은, 전자 빔뿐만 아니라 이온 빔 장치도 포함한 하전 입자선 장치 일반에 대해 적용 가능하다. 또한, 이하의 실시예에서는 반도체 웨이퍼를 시료로 하는 장치에 대해 설명을 행하지만, 각종 하전 입자선 장치에서 사용하는 시료로서는, 반도체 웨이퍼 외에, 반도체 기판, 패턴이 형성된 웨이퍼의 결편(欠片), 웨이퍼로부터 잘라내진 칩, 하드 디스크, 액정 패널 등, 각종 시료를 검사·계측 대상으로 할 수 있다.
제1 실시예
제1 실시예에서는, 주사 전자 현미경에의 적용예에 대해 설명한다.
본 실시예의 주사 전자 현미경은, 진공 케이스 내에 형성된 전자 광학계, 그 주위에 배치된 전자 광학계 제어 장치, 제어 전원에 포함되는 개개의 제어 유닛을 제어하고, 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터, 제어 장치에 접속된 조작 탁상(console), 취득 화상이 표시되는 모니터를 구비하는 표시 수단 등에 의해 구성된다. 전자 광학계 제어 장치는, 전자 광학계의 각 구성 요소에 전류, 전압을 공급하기 위한 전원 유닛이나, 각 구성 요소에 대해 제어 신호를 전송하기 위한 신호 제어선 등에 의해 구성된다. 본 실시예에서는 주사 전자 현미경을 적용예로 하고 있지만, 예를 들어 이온 현미경이나 투과 전자 현미경이나 반사 전자 현미경이나 미러 전자 현미경에 적용해도 된다.
도 1은, 본 발명의 주사 전자 현미경의 전체 구성을 도시하는 모식도이다. 본 실시예의 주사 전자 현미경은, 진공 케이스 내(101)에 형성된 전자 광학계(102), 그 주위에 배치된 전자 광학계 제어 장치(103), 제어 전원에 포함되는 개개의 제어 유닛을 제어하고, 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터(104), 제어 장치에 접속된 조작 탁상(105), 취득 화상이 표시되는 모니터를 구비하는 표시 수단(106) 등에 의해 구성된다. 전자 광학계 제어 장치(103)는, 전자 광학계(102)의 각 구성 요소에 전류, 전압을 공급하기 위한 전원 유닛이나, 각 구성 요소에 대해 제어 신호를 전송하기 위한 신호 제어선 등에 의해 구성된다. 단, 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터(104)는 어떤 방식이어도 되고, 예를 들어 관찰 시료로 되는 웨이퍼를 수납하는 카세트로부터 시료실에 반송하는 시스템이나 통신 시스템과 접속해도 된다.
전자 광학계(102)는, 전자 빔(110)을 생성하는 전자원(111), 전자 빔(110)의 빔 직경을 제한하는 대물 조리개(112)와, 전자 빔(110)의 기하 수차를 제어하는 수차 보정기(113)와, 전자 빔(110)의 회절 수차를 제어하는 회절 수차 보정기(114)와, 1차 전자 빔을 편향하는 편향기(115), 전자 빔(110)을 집속하는 전자기 중첩형 대물 렌즈(116), 스테이지 상에 보유 지지된 시료(117)로부터 방출되는 2차 입자(118)를 집속 발산하는 부스터 자로 부재(119), 2차 입자(118)가 충돌하는 반사 부재(120), 당해 충돌에 의해 재방출되는 3차 입자(121)를 검출하는 중앙 검출기(122) 등에 의해 구성된다. 반사 부재(120)는, 전자 빔(110)의 통과 개구가 형성된 원반 형상의 금속 부재에 의해 구성되고, 그 바닥면이 2차 입자 반사면을 형성하고 있다.
전자원(111)으로부터 방출된 전자 빔(110)은, 인출 전극(130)과 가속 전극(131)과의 사이에 형성되는 전위차에 의해 가속되고, 전자기 중첩형 대물 렌즈(116)에 도달한다. 전자기 중첩형 대물 렌즈(116)는, 입사한 전자 빔(110)을 코일(132)에 의해 시료(117)상에 자장을 여기하여 집속시킨다. 제어 자로 부재(133)에는, 요크 부재(134)의 전위에 대한 전위가 부(－)로 되는 전위가 공급되어 있고, 이 전위는 제어 자로 전원(135)에 의해 공급된다. 또한, 스테이지(136)에는, 스테이지 전원(137)에 의해, 부스터 자로 부재(119)와의 전위차가 부로 되는 전위가 인가된다. 이로 인해, 부스터 자로 부재(119)를 통과한 전자 빔(110)은, 급격하게 감속되어 시료 표면에 도달한다. 여기서, 전자 빔(110)의 랜딩 에너지는, 전자원(111)과 스테이지(136)의 전위차만으로 결정되므로, 전자원(111)과 스테이지(136)로의 인가 전위를 소정값으로 제어하면, 부스터 자로 부재(119)나 가속 전극(131)으로의 인가 전위가 어떻다고 해도 전자 빔(110)의 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어 가능하다. 단, 전자기 중첩형 대물 렌즈(116)는 어떤 방식이어도 되고, 예를 들어 제어 자로 부재(133)가 없는 전자기 중첩형 대물 렌즈(116)나 자장 렌즈나 정전 렌즈이어도 된다.
회절 수차 보정기(114)는, 대물 조리개(112)를 통과한 전자 빔(110)의 빔 축에 대해 대칭으로 되는 빔 축을 중심으로 하는 동일 원주상의 위치에 솔레노이드 코일을 도넛 형상의 링, 또는 솔레노이드 코일 링으로 형성하는 원통 파이프로 형성하는 벡터 포텐셜의 극자를 솔레노이드 코일 링의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로 각각 배치하고, 각각 2개의 벡터 포텐셜의 극자에 대해 상대 각도가 90도로 되는 위치에서 솔레노이드 코일 링의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로 또 한 세트의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍을 배치하고, 또한 각각의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍이 솔레노이드 코일 내에 유기하는 자속의 링의 방향을 그 빔 축에 회전 대칭으로, 또한 인접하는 벡터 포텐셜의 극자가 솔레노이드 코일 내에 유기하는 자속의 링의 방향을 그 빔 축에 축 대칭으로 유기한다. 단, 회절 수차 보정기(114)의 벡터 포텐셜의 다극자의 구성은, 4극자 이외에 8극자나 12극자나 연속 극자 등이어도 되고, 또한 벡터 포텐셜의 극자는 솔레노이드 코일 이외에 자석의 링 등이어도 된다. 또한, 회절 수차 보정기(114)는 벡터 포텐셜의 다극자 외에 콘덴서 렌즈를 내장하는 경우도 있다. 기하 수차 보정기(113)는 전자 빔(110)의 기하 수차의 보정기이면 어떤 방식이어도 되지만, 일반적으로 자극과 전극의 다극자와 콘덴서 렌즈로 구성된다.
도 2는, 주사 전자 현미경에서의 회절 수차의 모식도이다. 회절 수차에는 프레넬 회절에 의해 생기는 레일리 회절과 파면 수차 등이 있지만, 본 발명에서는 레일리 회절을 예로 들어, 이하에 수차의 특징과 보정 방법에 대해 설명한다.
대물 렌즈(210)에 의해 시료상(211)의 전자 빔(212)의 개방각(213)을 제어하기 위해 대물 조리개(214)로 빔 궤도를 제한하면 전자의 파동성이 강해져 전자 빔(212)의 경로상에서 생기는 프레넬 회절(215)의 영향이 증대한다. 프레넬 회절(215)에 의한 전자 빔(212)의 회절파의 진행 방향이 빔 축으로부터 기울기가 커짐에 따라, 빔 직경 내에서 생기는 위상차가 증대한다. 대물 렌즈(210)에 의해 집속된 시료상의 빔의 스폿 형상이 프레넬 회절(215)에 의해 확대되는 현상이 레일리 회절(216)이다. 레일리 회절(216)에 의해 시료상의 회절파의 강도 분포는, 전자 빔의 집속 방향이 빔의 축으로부터 기울기가 커짐에 따라 전자 빔(212)의 빔 직경 내(217)에서의 위상차로 변화하므로 진폭하면서 감쇠한다. 또한, 전자 빔(212)의 빔 랜딩의 속도를 저속으로 하면 전자파의 파장이 길어지므로, 프레넬 회절(215)에 의해 생긴 회절파의 빔 직경 내의 위상차가 부여되기 어려워져, 회절파의 강도 분포의 회절 각도에 의한 감쇠가 약해져 버린다. 그 때문에, 레일리 회절(216)은 저가속으로 되면 될수록 증대한다. 또한, 대물 렌즈(210)에 의해 시료상(211)에 집속되는 과정에서도 전자 빔(212)은 프레넬 회절(215)에 의한 회절파를 발생시키면서 진행한다. 따라서 레일리 회절(216)은, 대물 렌즈(210)까지의 전자 빔(212)의 경로상에서 생긴 회절파와 대물 렌즈(210)에 의한 전자 빔(212)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파의 양쪽의 간섭에 의해, 시료상(211)의 빔의 스폿 형상 확대를 발생시키는 현상이기도 하다.
도 3은 전자 빔의 위상 제어에 이용하는 AB 효과의 설명도이다. 전자선 홀로그래피의 방법을 이용하여 AB 효과를 실증하는 방법은, 전자원(310)으로부터 방출된 전자 빔(311)을 2개의 궤도로 나누어 충분히 긴 솔레노이드 코일(312)을 끼고 양측을 통과하여 시료상(313)에 집속하는 전자 빔 제어 장치를 사용하여, 시료상(313)의 전자 빔(311)의 간섭 줄무늬(314)를 관찰하는 방법이다. 솔레노이드 코일(312)에 전류(315)를 흘리면 솔레노이드 코일 내에만 자장을 유기할 수 있다. 그때 자장이 없는 솔레노이드 코일(312)의 외측에는 벡터 포텐셜(316)이 솔레노이드 코일(312)의 축의 중심으로부터의 거리에 반비례하여 회전 방향으로 유기된다. 그 때문에, 솔레노이드 코일(312)의 축을 끼고 양측을 통과한 전자 빔(311)은 벡터 포텐셜(316)의 영향을 받아 전자 빔의 위상이 변화한다. 이 현상이 AB 효과이다. 따라서, 솔레노이드 코일(312)에 흘리는 전류를 바꾸면 전자 빔(311)의 위상이 변화하여 시료상의 전자 빔의 간섭 줄무늬(314)가 변화한다. AB 효과를 실증할 때, 유한한 길이의 솔레노이드 코일(312)에서는 자장이나 전장이 완전히 존재하지 않는 조건을 만족하는 것이 곤란하므로, 솔레노이드 코일을 도넛 형상의 링으로 하여 자장 누설을 억제하고, 전자선의 파장이 짧으므로 매우 미세하게(수㎛) 하는 것이 필요하였다. 상기 실증에서는, 매우 미세한 링의 자석을 초전도재로 둘러싸 마이스너 효과에 의해 상기 자석의 자장의 누설을 완전히 막고, 링의 외측과 내측을 통과하는 전자선의 위상차를 전자선 홀로그래피에 의해 간섭 줄무늬의 형태로 관찰하였다. 관찰의 결과, 2개의 전자선의 궤도간에 반 파장만큼의 위상차가 존재하고 있는 것을 알 수 있어, 벡터 포텐셜에 의해 전자선의 위상이 변화하는 것이 실증되었다.
제2 실시예
제2 실시예에서는, 주사 전자 현미경에의 적용예에서의 수차 보정의 작용 동작에 대해 설명한다.
도 4는, 레일리 회절의 수차 보정의 방법을 도시하는 모식도이다. 레일리 회절(410)은, 대물 렌즈(411)까지의 전자 빔(412)의 경로상에서 생긴 회절파(413)와 대물 렌즈(411)에 의한 전자 빔(412)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파(414)의 양쪽의 간섭에 의해, 시료상(409)의 빔의 스폿 형상 확대를 발생시키는 현상이다.
레일리 회절(410) 중, 대물 조리개(415)로부터 대물 렌즈(411)까지 생긴 회절파(413)에 주목한다. 본 실시예의 일 형태로서, 대물 조리개(415)로부터 대물 렌즈(411)까지의 전자 빔(412)은 콘덴서 렌즈(416) 등으로 광학 궤도를 제어한 평행 빔이며, 전자 빔의 위상은 평면파이다. 대물 렌즈(411)까지 생긴 회절파(413)는 전자 빔의 진행 방향의 빔 축으로부터의 기울기에 의존하여 빔 직경 내의 위상차가 증대한다. 따라서, 빔 직경 내의 위상차를 새롭게 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 동시에 직교면 내에서 대칭의 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기(417)를 대물 조리개(415)와 대물 렌즈(411)의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 전자 빔(412)은 회절 수차 보정기(417)를 통과할 때에 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0으로 되므로 AB 효과에 의해 위상은 변화하는 일이 없다. 따라서, 대물 렌즈(411)에 의해 시료상(409)에 전자 빔(412)을 집속해도 빔 강도는 변화하지 않는다. 한편, 프레넬 회절(418)에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파(413)는 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0 이외로 되어 AB 효과에 의해 위상차가 생기는 경우가 있다. 이때, 벡터 포텐셜의 빔 직경 내에서의 분포에 의해 경로 적분의 차를 증대하면, 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 시료상(409)의 레일리 회절(410)을 억제할 수 있다.
한편, 회절 수차 보정기(417)를 통과하여 대물 렌즈(411)로부터 시료상(409)에 집속하는 과정의 전자 빔은 회절파(414)를 발생시키면서 진행한다. 회절파(414)에 의해 시료상(409)의 빔의 스폿 형상 확대의 현상인 레일리 회절(410)은 남아있다. 즉, 시료상(409)의 회절파의 강도 분포는 전자 빔(412)의 집속 방향에 의해 생기는 빔 직경 내에서의 위상차로 변화한다. 그때, 프레넬 회절(418)에 의한 전자 빔(412)의 집속 방향이 빔의 축으로부터의 기울기가 커짐에 따라 시료상(409)의 회절파의 강도 분포는 진폭하면서 감쇠한다. 대물 렌즈(411)에 의해 집속되는 전자 빔(412)에 대해 효율적으로 빔 직경 내의 위상차를 발생시킬 수도 있지만 본 실시예에서는 전자 빔의 사용 편의성으로부터 보정하지 않는다.
이때, 시료상의 전자 빔(412)의 회절파는 대물 조리개(415)로부터 회절 수차 보정기(417)까지의 전자 빔(412)의 경로에서 프레넬 회절(418)에 의해 생긴 회절파(414)와 회절 수차 보정기(417)로부터 대물 렌즈(411)를 통과하여 시료상(409)에 집속할 때까지의 전자 빔(412)의 경로에서 프레넬 회절(418)에 의해 생긴 회절파의 간섭파로 된다. 회절 수차 보정기(417)가 없는 경우의 레일리 회절(410)에 비해 상기 간섭파가 예리한 피크 형상으로 되는 경우가 있다.
제3 실시예
도 5a, 도 5b에 레일리 회절을 보정하는 구체적 방법을 도시한다. 상술한 바와 같이, 회절 수차 보정기(510)는, 전자 빔(511)의 빔 축에 대해, 나란히, 또한 직교면 내에서 대칭의 분포로 벡터 포텐셜(512)을 유기할 수 있다. 회절 수차 보정기(510)를 탑재한 주사 전자 현미경(515)의 구성예를 이하에 서술한다.
전자총(516)과, 전자총(516)으로부터 방출된 전자 빔(511)과, 전자 빔(511)의 집속 발산을 제어하는 콘덴서 렌즈(517)와, 전자 빔(511)의 빔 직경을 제한하는 대물 조리개(513)와, 대물 조리개(513)를 통과한 전자 빔(511)의 빔 축에 대해 대칭으로 되는 위치에 솔레노이드 코일을 도넛 형상의 링(518) 또는 솔레노이드 코일 링으로 형성하는 원통 파이프로 형성하는 벡터 포텐셜의 극자의 쌍(519)을 솔레노이드 코일 링의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로 2개 배치하고, 상기 2개의 벡터 포텐셜의 극자에 대해 상대 각도가 90도로 되는 위치에서 솔레노이드 코일 링의 면의 연장 방향이 그 빔 축과 교차하는 방향으로 또 한 세트의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍(520)을 배치하고, 또한 벡터 포텐셜의 4개의 솔레노이드 코일 내에 유기하는 자속의 링을 축 대칭으로 유기되도록 벡터 포텐셜의 4극자를 배치한 회절 수차 보정기(510)와, 전자 빔(511)을 시료상(521)에 집속하는 대물 렌즈(514)와, 전자 빔(511)을 편향하는 편향기(522)와, 전자 빔(511)의 조사에 의해 시료상(521)으로부터 발생한 2차 입자(523)를 검출하는 검출기(524)를 가진 주사 전자 현미경(515)이다. 여기서, 회절 수차 보정기(510)는, 대물 조리개(513)와 대물 렌즈(514)의 사이에 설치한다. 또한, 회절 수차 보정기(510)와 대물 조리개(513)의 사이에 색수차나 구면 수차 등의 기하 수차를 보정하는 수차 보정기를 추가하면, 시료상(522)에 전자 빔(511)을 더욱 미세하게 집속할 수 있다. 편향기를 대물 렌즈(514)와 시료상(522)의 사이에 두는 경우에는, 대물 렌즈(514)와 회절 수차 보정기(510)를 중첩하는 것도 가능하다.
회절 수차 보정기(510)는 솔레노이드 코일 내의 자속에 의해 유기되는 벡터 포텐셜과 함께, 솔레노이드 코일로부터 빔 축으로 빠져나온 자속의 링에 의해서도 벡터 포텐셜을 유기하고 있다. 솔레노이드 코일 링 내의 자속에 의해 유기시키는 벡터 포텐셜은, 전자 빔(511)이 솔레노이드 코일을 타고넘지 않는 한 위상차를 발생시키지 않는다. 한편, 빠져나온 자속의 링 내에 유기되는 벡터 포텐셜은 4극자를 형성하고 있고, 빔 축을 따라 상하 대칭이고, 또한 빔 축에 대칭인 벡터 포텐셜 분포를 유기한다. 벡터 포텐셜의 4극자의 중앙부(525)에서는, 상기 빔 축에 직교하는 면내의 벡터 포텐셜의 분포가 상기 빔 축을 중심으로 대칭인 분포로 된다. 도 5B에서는 상기 빔 축에 대한 직교면 내의 극좌표를
Figure pct00001
으로 하면, 대물 조리개(513)를 통과한 빔 직경의 제한에 의해 (수학식 2)와 (수학식 3)으로 되고, 벡터 포텐셜 분포는 (수학식 4)로 된다.
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
또한, 솔레노이드 코일을 나선형으로 권회한 원통으로 빔 축을 주회하는 링을 형성하여 벡터 포텐셜의 극자를 증대하면, 벡터 포텐셜 분포는 빔 축을 둘러싸는 회전 대칭인 연속 극자(수학식 5)로 된다.
Figure pct00005
이때, 빔 축에 누출된 자속의 링은 빔 축과 평행하고 있으므로, 직진하는 전자 빔(511)의 위상에 작용하는 일은 없지만, 제1 경로에서의 프레넬 회절(528)에 의해 생긴 빔 축으로부터 경사져서 진행하는 제1 회절파(529)는 자속의 링을 지나감으로써 벡터 포텐셜의 극자의 분만큼 위상차를 발생시킨다. 따라서, 벡터 포텐셜의 연속 극자의 중앙부(525)에서 생기는 전자 빔(511)의 위상차는,
Figure pct00006
으로 된다. 여기서, (수학식 7)은 시료상(521)의 좌표, α는 시료상의 빔 개방각(526)이다. 이때의 전자 빔(511)의 시료상에서의 파동 함수는 (수학식 8)로 된다.
Figure pct00007
Figure pct00008
으로 된다. 여기서, λ는 전자 빔(511)의 파장, J1( ), J0( )는 베셀 함수이다.
시료상(521)의 전자 빔(511)의 레일리 회절(527)은 대물 조리개(513)로부터 회절 수차 보정기(510)까지의 전자 빔(511)의 제1 경로에서의 프레넬 회절(528)에 의해 생긴 (수학식 8)의 제1 회절파(529)와 회절 수차 보정기(510)로부터 대물 렌즈(514)를 통과하여 시료상(521)에 집속할 때까지의 전자 빔(511)의 제2 경로에서의 프레넬 회절(530)에 의해 생긴 제2 회절파(531)의 간섭파로 된다. 이때의 전자 빔(511)의 시료상에서의 레일리 회절(527)의 파동 함수는,
Figure pct00009
로 된다. 여기서, LC는 대물 조리개(513)로부터 회절 수차 보정기(510)까지의 전자 빔(511)의 제1 경로에서 프레넬 회절(528)에 의해 생긴 제1 회절파(529)의 규격화 인자이고, LF는 회절 수차 보정기(510)로부터 대물 렌즈(514)를 통과하여 시료상(521)에 집속할 때까지의 전자 빔(511)의 제2 경로에서 프레넬 회절(530)에 의해 생긴 제2 회절파(531)의 규격화 인자이다. 비교를 위해, 회절 수차 보정기가 없는 경우의 종래의 레일리 회절(532)의 파동 함수는,
Figure pct00010
으로 된다. 여기서 L은 규격화 인자이다.
도 6은 시료상의 빔 강도 분포를 나타내는 도면이다. 전자 빔의 시료상에서의 레일리 회절의 파동 함수 (수학식 9)의 제곱이 회절 수차 보정 후의 빔 강도 분포(611)이다. 회절 수차 보정기가 없는 경우의 종래의 레일리 회절의 파동 함수 (수학식 10)의 제곱이 회절 수차 보정 전의 빔 강도 분포(610)이다.
횡축은 시료상에서의 빔 축으로부터의 거리를 r로 하여, 전자 빔의 파장과 시료상의 빔 개방각으로 스케일링한 축이다. 회절 수차 보정 전의 빔 강도 분포(610)의 커브는 0.61D로 횡축과 교차하는 점이 회절 수차의 기본적인 성질인 Rayleigh 분해능을 나타내는 점이다. 보정기를 적절한 설정으로 하면 회절 수차 보정기가 없는 경우의 레일리 회절에 비해 간섭파가 예리한 피크 형상으로 되는 경우가 있다. 이때, 회절 수차 보정 후의 빔 강도 분포의 커브는 A″＝3으로 한 경우이며, 빔 강도 분포의 피크는 예리해져 있다. 또한 A″를 적절하게 설정하면 빔 강도 분포의 형상은 예리한 피크로 되어 간다.
제4 실시예
도 7은 회절 수차 보정기의 벡터 포텐셜의 극자의 배치예이다. 솔레노이드 코일을 도넛 형상의 링 또는 솔레노이드 코일 링으로 형성하는 원통 파이프, 또는 자석의 링의 쌍 등으로 형성하는 벡터 포텐셜의 극자의 쌍의 배치의 예이다. 전술한 실시예에서는 벡터 포텐셜의 4극자(710)를 예로 들었지만, 벡터 포텐셜의 8극자(712), 12극자, 16극자로 하면 빔 축 방향의 벡터 포텐셜의 확대를 억제할 수 있다. 한편, 솔레노이드 코일을 나선형으로 권회한 원통으로 빔 축을 주회하는 링을 형성하는 벡터 포텐셜의 연속 극자(713)를 이용하면, 벡터 포텐셜의 회전 대칭성이 더욱 좋아진다.
제5 실시예
도 8은 회절 수차 보정기의 제어 화면의 예이다. 전자 빔의 가속이나 전류나 빔 집속 시의 개방각의 조합마다 벡터 포텐셜의 다극자의 축 제어값을 표시하는 화면(810)과 축 제어값을 계측, 또는 등록하는 화면(811)과 벡터 포텐셜의 다극자의 얼라인먼트를 지시하는 화면(812) 등에 의해 구성된다.
제6 실시예
도 9는 회절 수차 보정기를 이온 현미경에 적용한 일 실시예이다. 레일리 회절(910)은, 대물 렌즈(911)까지의 이온 빔(912)의 경로상에서 생긴 회절파(913)와 대물 렌즈(911)에 의한 이온 빔(912)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파(914)의 양쪽의 간섭에 의해, 시료상의 빔의 스폿 형상 확대를 발생시키는 현상이다.
우선은, 레일리 회절(910) 중, 빔 제한 조리개(915)로부터 대물 렌즈(911)까지 생긴 회절파(913)에 주목한다. 본 실시예의 일 형태로서, 빔 제한 조리개(915)로부터 대물 렌즈(911)까지의 이온 빔(912)은 콘덴서 렌즈(916) 등에 의해 광학 궤도를 제어하여 평행 빔이며, 이온 빔의 위상은 평면파이다. 대물 렌즈(911)까지 생긴 회절파(913)는 이온 빔의 진행 방향의 빔 축으로부터의 기울기에 의존하여 빔 직경 내의 위상차가 증대한다. 따라서, 빔 직경 내의 위상차를 새롭게 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 동시에 직교면 내에서 대칭의 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기(917)를 빔 제한 조리개(915)와 대물 렌즈(911)의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 이온 빔은 회절 수차 보정기(917)를 통과할 때에 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0으로 되므로 AB 효과에 의해 위상은 변화하는 일이 없다. 따라서, 대물 렌즈에 의해 시료상에 이온 빔을 집속해도 빔 강도는 변화하지 않는다. 한편, 프레넬 회절에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0 이외로 되어 AB 효과에 의해 위상차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 상기 벡터 포텐셜의 빔 직경 내에서의 분포에 의해 상기 경로 적분의 차를 증대하면, 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 시료상의 레일리 회절을 억제할 수 있다. 빔 제한 조리개(915)와 회절 수차 보정기(917)의 사이에, 색수차나 구면 수차 등 기하 수차를 보정하는 기하 수차 보정기를 배치해도 된다. 또한, 시료를 투과한 전자 빔을 검출함으로써, 고분해 가능한 투과상을 얻는 것도 가능하다.
제7 실시예
도 10은 회절 수차 보정기를 투과 전자 현미경에 적용한 일 실시예이다. 레일리 회절(1010)은, 대물 렌즈(1011)를 통과한 후의 투과 전자 빔(1012)의 경로상에서 생긴 회절파(1013)와 대물 렌즈(1011)에 의한 투과 전자 빔(1012)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파(1014)의 양쪽의 간섭에 의해, 투과 전자의 결상면(1015)에서의 상 불선명이나 검출기(1016)에서의 콘트라스트의 변동을 발생시키는 현상이다.
레일리 회절(1010) 중, 대물 조리개(1017)로부터 결상면(1015)이나 검출기(1016)까지 생긴 회절파(1013)에 주목한다. 본 실시예의 일 형태로서, 대물 조리개(1017)로부터 결상면(1015)까지의 투과 전자 빔(1012)은 트랜스퍼 렌즈(1018)에 의해 광학 궤도를 제어하여 평행 빔이며, 투과 전자 빔(1012)의 위상은 평면파이다. 대물 조리개(1017) 통과 후의 투과 전자 빔(1012)의 경로에서 생긴 회절파(1013)는 빔 축으로부터의 기울기에 의존하여 빔 직경 내의 위상차가 증대한다. 따라서, 빔 직경 내의 위상차를 새롭게 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 동시에 직교면 내에서 대칭인 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기(1019)를 대물 조리개(1017)와 결상면(1015) 또는 검출기(1016)의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 투과 전자 빔(1012)은 회절 수차 보정기(1019)를 통과할 때에 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0으로 되므로 AB 효과에 의해 위상은 변화하는 일이 없다. 따라서, 대물 조리개(1017)를 통과한 투과 전자 빔(1012)의 빔 강도는 변화하지 않는다. 한편, 프레넬 회절(1020)에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0 이외로 되어 AB 효과에 의해 위상차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 상기 벡터 포텐셜의 빔 직경 내에서의 분포에 의해 상기 경로 적분의 차를 증대하면, 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 결상면(1015)이나 검출기(1016)에서의 레일리 회절(1010)을 억제할 수 있다. 대물 조리개(1017)와 회절 수차 보정기(1019)의 사이에, 기하 수차 보정기를 배치해도 된다.
제8 실시예
도 11은 회절 수차 보정기를 반사 전자 현미경에 적용한 일 실시예이다. 반사 전자 현미경은 대물 렌즈(1110)에 의한 전자 빔(1111)의 집속 궤도가 주사 전자 현미경과 달리 반사 전자(1112)를 검출하기 위해 시료(1113)가 경사져 있다. 그러나, 레일리 회절(1114)은, 대물 렌즈(1110)까지의 전자 빔(1111)의 경로상에서 생긴 회절파(1115)와 대물 렌즈(1110)에 의한 전자 빔(1111)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파(1116)의 양쪽의 간섭에 의해, 빔 축으로부터 경사진 시료상의 빔의 스폿 형상 확대를 발생시킨다.
레일리 회절(1114) 중, 대물 조리개(1117)로부터 대물 렌즈(1110)까지 생긴 회절파(1115)에 주목한다. 본 실시예의 일 형태로서, 대물 조리개(1117)로부터 대물 렌즈(1110)까지의 전자 빔(1111)은 콘덴서 렌즈(1118) 등에 의해 광학 궤도를 제어하여 평행 빔이며, 전자 빔(1111)의 위상은 평면파이다. 대물 렌즈(1110)까지 생긴 회절파(1115)는 전자 빔(1111)의 빔 축으로부터의 기울기에 의존하여 빔 직경 내의 위상차가 증대한다. 따라서, 빔 직경 내의 위상차를 새롭게 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 동시에 직교면 내에서 대칭인 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기(1119)를 대물 조리개(1117)와 대물 렌즈(1110)의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 전자 빔(1111)은 회절 수차 보정기(1119)를 통과할 때에 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0으로 되므로 AB 효과에 의해 위상은 변화하는 일이 없다. 따라서, 대물 렌즈에 의해 시료상에 전자 빔(1111)을 집속해도 빔 강도는 변화하지 않는다. 한편, 프레넬 회절에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0 이외로 되어 AB 효과에 의해 위상차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 상기 벡터 포텐셜의 빔 직경 내에서의 분포에 의해 상기 경로 적분의 차를 증대하면, 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 시료상의 레일리 회절(1114)을 억제할 수 있다. 대물 조리개(1117)와 회절 수차 보정기(1119)의 사이에, 기하 수차 보정기를 배치해도 된다.
제9 실시예
도 12는 회절 수차 보정기를 미러 전자 현미경에 적용한 일 실시예이다. 미러 전자 현미경은 시료(1210)에 전자 빔(1211)을 나란히 조사하는 조사 광학계(1212)와 시료(1210)로부터의 미러 전자 빔(1213)이나 반사 전자 빔(1214)을 결상하는 투영 광학계(1215)에 의해 구성된다. 투영 광학계(1215)의 레일리 회절(1216)은, 대물 렌즈(1217)를 통과한 후의 미러 전자 빔(1213)의 경로상에서 생긴 회절파(1218)와 대물 렌즈(1217)에 의한 미러 전자 빔(1213)의 집속 궤도상에서 생긴 회절파(1219)의 양쪽의 간섭에 의해, 미러 전자의 결상면(1220)에서의 상 불선명이나 검출기(1221)에서의 콘트라스트의 변동을 발생시키는 현상이다. 단, 반사 전자 빔(1214)을 결상할 때에 생기는 레일리 회절은 미러 전자 빔(1213)에 의해 생기는 것과 동등하고, 본 실시예에서는 특별히 언급이 없는 한 치환할 수 있다.
레일리 회절(1216) 중, 대물 조리개(1222)로부터 결상면(1220)이나 검출기(1221)까지 생긴 회절파(1218)에 주목한다. 본 실시예의 일 형태로서, 대물 조리개(1222)로부터 결상면(1220)이나 검출기(1221)까지의 미러 전자 빔(1213)은 트랜스퍼 렌즈(1223)에 의해 광학 궤도를 제어하여 평행 빔이며, 미러 전자 빔(1213)의 위상은 평면파이다. 대물 조리개(1222) 통과 후의 미러 전자 빔(1213)의 경로에서 생긴 회절파(1219)는 빔 축으로부터의 기울기에 의존하여 빔 직경 내의 위상차가 증대한다. 따라서, 빔 직경 내의 위상차를 새롭게 발생시키기 위해 빔 축에 대해 직교하고, 또한 직교면 내에서 대칭인 분포를 갖는 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기(1224)를 대물 조리개(1222)와 결상면(1220) 또는 검출기(1221)의 사이에 설치한다. 빔 축상을 진행하는 미러 전자 빔(1213)은 회절 수차 보정기(1224)를 통과할 때에 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0으로 되므로 AB 효과에 의해 위상은 변화하는 일이 없다. 따라서, 대물 조리개(1222)를 통과한 미러 전자 빔(1213)의 빔 강도는 변화하지 않는다. 한편, 프레넬 회절(1225)에 의해 빔 축으로부터 비스듬히 진행하는 회절파는 상기 벡터 포텐셜과의 내적을 취하는 경로 적분이 0 이외로 되어 AB 효과에 의해 위상차가 생기는 경우가 있다. 따라서, 상기 벡터 포텐셜의 빔 직경 내에서의 분포에 의해 상기 경로 적분의 차를 증대하면, 빔 직경 내의 위상차를 증대하여, 결상면(1220)이나 검출기(1221)에서의 레일리 회절(1216)을 억제할 수 있다. 대물 조리개(1222)와 회절 수차 보정기(1224)의 사이에, 기하 수차 보정기를 배치해도 된다.
101 : 진공 케이스 내
102 : 전자 광학계
103 : 전자 광학계 제어 장치
104 : 호스트 컴퓨터
105 : 조작 탁상
106 : 표시 수단
110 : 전자 빔
111 : 전자원
112 : 대물 조리개
113 : 수차 보정기
114 : 회절 수차 보정기
115 : 편향기
116 : 전자기 중첩형 대물 렌즈
117 : 시료
118 : 2차 입자
119 : 부스터 자로 부재
120 : 반사 부재
121 : 3차 입자
122 : 중앙 검출기
130 : 인출 전극
131 : 가속 전극
132 : 코일
133 : 제어 자로 부재
134 : 요크 부재
135 : 제어 자로 전원
136 : 스테이지
137 : 스테이지 전원
210 : 대물 렌즈
211 : 시료상
212 : 전자 빔
213 : 개방각
214 : 대물 조리개
215 : 프레넬 회절
216 : 레일리 회절
217 : 빔 직경 내
310 : 전자원
311 : 전자 빔
312 : 솔레노이드 코일
313 : 시료상
314 : 간섭 줄무늬
315 : 전류
316 : 벡터 포텐셜
409 : 시료상
410 : 레일리 회절
411 : 대물 렌즈
412 : 전자 빔
413 : 회절파
414 : 회절파
415 : 대물 조리개
416 : 콘덴서 렌즈
417 : 회절 수차 보정기
418 : 프레넬 회절
510 : 회절 수차 보정기
511 : 전자 빔
512 : 벡터 포텐셜
513 : 대물 조리개
514 : 대물 렌즈
515 : 주사 전자 현미경
516 : 전자총
517 : 콘덴서 렌즈
518 : 솔레노이드 코일
519 : 벡터 포텐셜의 극자의 쌍
520 : 또 한 세트의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍
522 : 시료상
523 : 2차 입자
524 : 검출기
525 : 벡터 포텐셜의 4극자의 중앙부
526 : 시료상의 빔 개방각
527 : 레일리 회절
528 : 제1 경로에서의 프레넬 회절
529 : 제1 회절파
530 : 제2 경로에서의 프레넬 회절
531 : 제2 회절파
533 : 종래의 레일리 회절
610 : 회절 수차 보정 후의 빔 강도 분포
611 : 회절 수차 보정 전의 빔 강도 분포
710 : 벡터 포텐셜의 4극자
712 : 벡터 포텐셜의 8극자
713 : 벡터 포텐셜의 연속 극자
810 : 벡터 포텐셜의 다극자의 축 제어값을 표시하는 화면
811 : 축제어 값을 계측 또는 등록하는 화면
812 : 벡터 포텐셜의 다극자의 얼라인먼트를 지시하는 화면
910 : 레일리 회절
911 : 대물 렌즈
912 : 이온 빔
913 : 회절파
914 : 집속 궤도상에서 생긴 회절파
915 : 빔 제한 조리개
916 : 콘덴서 렌즈
917 : 회절 수차 보정기
1010 : 레일리 회절
1011 : 대물 렌즈
1012 : 투과 전자 빔
1013 : 회절파
1014 : 집속 궤도상에서 생긴 회절파
1015 : 결상면
1017 : 대물 조리개
1018 : 트랜스퍼 렌즈
1019 : 회절 수차 보정기
1020 : 프레넬 회절
1110 : 대물 렌즈
1111 : 전자 빔
1112 : 반사 전자
1113 : 시료
1114 : 레일리 회절
1115 : 회절파
1116 : 집속 궤도상에서 생긴 회절파
1117 : 대물 조리개
1118 : 콘덴서 렌즈
1119 : 회절 수차 보정기
1210 : 시료
1211 : 전자 빔
1212 : 조사 광학계
1213 : 미러 전자 빔
1214 : 반사 전자 빔
1215 : 투영 광학계
1216 : 레일리 회절
1217 : 대물 렌즈
1218 : 회절파
1219 : 집속 궤도상에서 생긴 회절파
1220 : 결상면
1221 : 검출기
1222 : 대물 조리개
1223 : 트랜스퍼 렌즈
1224 : 회절 수차 보정기

Claims (10)

  1. 하전 입자총과, 상기 하전 입자총으로부터 방출된 하전 입자 빔과, 그 하전 입자 빔의 빔 직경을 제한하는 대물 조리개와, 상기 대물 조리개를 통과한 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 대칭으로 되는 위치에서, 또한 벡터 포텐셜의 극자의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로 유기하는 벡터 포텐셜의 방향을 회전 대칭으로 한 2개의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍을 배치하고, 상기 2개의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍에 대해 상대 각도가 90도로 되는 위치에서 벡터 포텐셜의 극자의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로 유기하는 벡터 포텐셜의 방향을 회전 대칭으로 한 또 한 세트의 벡터 포텐셜의 극자의 쌍을 배치하는 회절 수차 보정기와, 그 하전 입자 빔을 시료상에 집속하는 대물 렌즈와, 그 하전 입자 빔을 편향하는 편향기와, 그 하전 입자 빔의 조사에 의해 그 시료상으로부터 발생한 2차 입자를 검출하는 검출기를 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기는, 4의 배수의 극자를 갖는 벡터 포텐셜의 다극자를 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 대칭으로 되는 위치에서, 또한 벡터 포텐셜의 극자의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로, 또한 회전 방위에 배치하는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기는, 나선형으로 권회한 솔레노이드 코일로 빔 축을 주회하는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기의 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 직교도, 또는 축 어긋남을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기의 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 직교도, 또는 축 어긋남을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기의 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 직교도, 또는 축 어긋남을 보정하는 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  7. 하전 입자총과, 상기 하전 입자총으로부터 방출된 하전 입자 빔과, 그 하전 입자 빔의 빔 직경을 제한하는 대물 조리개와, 상기 대물 조리개를 통과한 그 하전 입자 빔의 빔 축에 직교하고, 또한 상기 빔 축에 대해 직교면 내에서 대칭인 분포의 벡터 포텐셜을 유기하는 회절 수차 보정기와, 그 하전 입자 빔을 시료상에 집속하는 대물 렌즈와, 그 하전 입자 빔을 편향하는 편향기와, 그 하전 입자 빔의 조사에 의해 상기 시료상으로부터 발생한 2차 입자를 검출하는 검출기를 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회절 수차 보정기는, 솔레노이드 코일 또는 자석으로 형성하는 링, 또는 복수의 솔레노이드 코일 링 또는 자석 링을 겹쳐 형성함으로써 구성되는 벡터 포텐셜의 극자의 쌍을 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 대칭으로 되는 위치에서, 또한 상기 솔레노이드 코일 링 또는 상기 자석 링의 면의 연장 방향이 상기 빔 축과 교차하는 방향으로, 또한 회전 방위에 배치하여 형성하는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  9. 하전 입자총과, 상기 하전 입자총으로부터 방출된 하전 입자 빔과, 그 하전 입자 빔의 빔 직경을 제한하는 대물 조리개와, 그 하전 입자 빔의 빔 축에 대해 직교도, 또는 축 어긋남을 보정하는 기능을 갖는 회절 수차 보정기와, 하전 입자 빔을 시료상에 집속하는 대물 렌즈와, 그 하전 입자 빔을 편향하는 편향기와, 그 하전 입자 빔의 조사에 의해 그 시료상으로부터 발생한 2차 입자를 검출하는 검출기를 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
  10. 전자총과 상기 전자총으로부터 방출된 전자 빔과, 그 전자 빔을 조사하는 시료와, 상기 시료를 투과한 투과 전자 빔이 통과하는 대물 렌즈와, 상기 대물 렌즈를 통과한 그 투과 전자 빔의 형상을 제한하는 대물 조리개와, 상기 대물 조리개를 통과하여 제한된 그 투과 전자 빔의 회절파를 제어하는 회절 수차 보정기와, 상기 회절 수차 보정기를 통과한 그 투과 전자 빔을 검출하는 검출기, 또는 결상하는 결상 광학계를 갖는 것을 특징으로 하는 회절 수차 보정 장치.
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