WO2013179808A1 - 荷電粒子装置 - Google Patents

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WO2013179808A1
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charged particle
particle beam
sample
differential exhaust
objective
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PCT/JP2013/061706
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Inventor
齋藤　勉
青木　賢治
Original Assignee
株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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Publication date
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    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
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    • H01J2237/10—Lenses
    • H01J2237/103—Lenses characterised by lens type

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device, and more particularly to a charged particle beam device that detects a signal obtained from a sample by irradiating a charged particle beam to acquire an image of the sample.
  • Patent Document 1 As a technology for making the amount of beam current variable. This publication describes that the outer peripheral portion of the probe current is removed by a diaphragm electrode disposed in a lens barrel of a scanning electron microscope.
  • Patent Document 2 describes that the probe current is adjusted by adjusting the distance between the crossover point formed by the converging lens and the objective stop.
  • the particle beam diameter and the particle dose are reduced by using an objective limiting aperture in order to irradiate the charged particle beam to a minute area.
  • the hole diameter of the objective limiting aperture needs to be a certain size, for example, a diameter of about 200 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • an extremely high vacuum for example, on the order of 10 -7 Pa
  • an object to which charged particles are to be applied may be required to have a lower vacuum (for example, on the order of 100 Pa) than the atmosphere around the charged particle source in order to avoid charge up caused by the impact of charged particles.
  • a high differential pumping capability for example, 10 4 to 10 10 times
  • This differential pumping is achieved by a differential pumping stop provided in the charged particle optical system.
  • the present invention aims to provide a charged particle device having a high differential pumping capability while maintaining a large dynamic range of the irradiation current by effectively arranging the differential pumping diaphragm and the objective limiting diaphragm. Do.
  • the charged particle beam apparatus of the present invention includes, for example, a charged particle beam source for generating charged particle beams and a crossover point of charged particle beams.
  • a lens barrel including therein an adjustable condenser lens, an objective limiting diaphragm disposed on the sample side of the condenser lens, and an objective lens disposed on the sample side of the objective limiting diaphragm and focusing the charged particle beam on the sample ,
  • the lens barrel has a first space, which is a first degree of vacuum, and a second space, which is a degree of vacuum higher than the first degree of vacuum, and the objective limiting aperture is disposed in the second space It is characterized by being.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a charged particle device of Example 1
  • FIG. 2 is a view showing details around an objective limiting aperture of the charged particle device of Example 1.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a charged particle device of Example 2;
  • FIG. 8 is a view showing details of the area around the objective limiting aperture of the charged particle device of Example 2.
  • a scanning electron microscope SEM
  • SEM scanning electron microscope
  • TEM scanning transmission electron microscope
  • TEM transmission electron microscope
  • ion microscope a sample observation apparatus using charged particle beams
  • processing apparatus using charged particle beams
  • the problems of the prior art will be described in detail.
  • the degree of vacuum required in the atmosphere around the charged particle source and the atmosphere in the sample chamber are largely different.
  • the sample chamber in which the observation sample is placed and the charged particle source chamber in which the charged particle source is placed are connected by a passage for passing charged particle beams, so the ultimate vacuum of the charged particle source chamber is the vacuum on the sample chamber side. It depends largely on the atmosphere.
  • a differential exhaust throttle is used to create this differential pressure. The smaller the differential exhaust throttle diameter, the larger the differential exhaust capacity can be.
  • an object limiting aperture is used to reduce particle beam diameter and particle dose.
  • the hole diameter of the objective limiting stop needs to have a certain size, for example, a hole diameter of about 200 ⁇ m to 10 ⁇ m in diameter.
  • the charged particle optical system is advantageous in that the particle beam diameter is kept small to reduce the aberration generated by the lens, the noise received from the environment is reduced, and the chamber size is reduced to reduce the material. A short design is required. Therefore, in addition to the above-mentioned requirements, it is desirable that the differential exhaust diaphragm and the objective limiting diaphragm can shorten the length of the charged particle optical system.
  • FIG. 1 is an example of the block diagram of the charged particle device of this embodiment.
  • the charged particle device 100 internally has a charged particle optical system including a charged particle source 101, an extraction electrode 102, an acceleration electrode 103, a condenser lens A 107, an objective limiting aperture 110, a differential exhaust aperture A 111, a valve 114 and an objective lens 116. It has a lens barrel and a stage 112 on which an object 113 for observation and analysis is placed. The object 113 is also referred to as a sample.
  • the lens barrel has therein a vacuum chamber A105 evacuated by a vacuum evacuation pump A108 and a vacuum chamber B106 evacuated by a vacuum pump B109.
  • the lens barrel is a structure having therein the charged particle optical system from the charged particle source 101 to the objective lens 116.
  • the vacuum chamber B 106 includes the object 113 and the stage 112 in FIG. 1, the space in which the object 113 is placed is distinguished from the lens barrel as a sample chamber.
  • the vacuum chamber B 106 may have an orifice for performing differential evacuation between the objective lens 116 and the object 113, and the charged particle optical system and the sample chamber may have different degrees of vacuum.
  • the charged particle beam 104 is emitted from the charged particle source 101 by the effect of heat and / or the electric field of the extraction electrode 102. Then, the charged particle beam 104 emitted in a certain direction is accelerated or decelerated by the voltage applied to the accelerating electrode 103 and travels toward the object 113.
  • the charged particle beam 104 that has passed through the accelerating electrode 103 is focused by a condenser lens A 107 disposed closer to the charged particle source 101 than the objective limiting stop 110. The focusing point at this time is called a crossover point A115.
  • the operating state of the condenser lens is changed to move the crossover point A 115 on the optical axis, whereby the objective limiting diaphragm 110 disposed closer to the object 113 than the condenser lens A 107
  • the beam diameter of the charged particle beam 104 to be irradiated that is, the current density of the charged particle beam 104 can be changed.
  • the outer peripheral portion of the beam is blocked and only a predetermined diameter portion of the beam central portion is passed, so the beam current of the charged particle beam 104 passing through the objective limiting diaphragm according to the position of the crossover point A115. It can be adjusted.
  • the objective limiting stop of this embodiment is disposed in the vacuum chamber A105. It is desirable that this objective limiting stop be of a structure capable of changing the hole diameter.
  • the charged particle beam 104 that has passed through the objective limiting aperture 110 passes between the differential exhaust aperture A 111 and the valve 114, is focused on the object 113 by the objective lens 116, and is irradiated.
  • the object 113 is placed on the stage 112 and can be moved, tilted or rotated in the X and Y directions, so that the charged particle beam 104 focused at an arbitrary position of the object 113 is irradiated.
  • the charged particle optical system includes the charged particle source 101, the condenser lens A 107, the objective limiting diaphragm 110, etc., other lenses, electrodes, deflectors and detectors may be included, or a part of them.
  • the configuration of the charged particle optical system is not limited to this.
  • the electron beam is deflected by a deflector to scan the object with an electron beam, and secondary particles such as secondary electrons and reflected electrons obtained from the position irradiated with the electron beam Is detected by the detector, and an image of the object is generated by correlating the detection signal with the scanning position.
  • the generated image of the object is displayed on a display unit such as a display.
  • the charged particle beam device has a control unit (not shown) that controls the above-described members, and can make the above-described members be in a predetermined operation state by a control signal from the control unit.
  • the control unit controls the amount of current supplied to the condenser lens A 107 to adjust the position of the crossover point A 115.
  • the control unit may be provided with an input unit for instructing the operation state of each member.
  • the processing executed by the control unit can be realized by either hardware or software.
  • it can be realized by integrating a plurality of processing units to execute processing on a wiring board or in a semiconductor chip or package.
  • it can be realized by installing a high-speed general purpose CPU in a computer and executing a program that executes desired arithmetic processing.
  • control unit the input unit, the display unit, and the like may be connected to the charged particle beam device 100 through a network, and may be configured to communicate data as needed.
  • a high vacuum on the order of 10 ⁇ 4 to 10 ⁇ 9 Pa is required in the atmosphere around the charged particle source 101.
  • the required degree of vacuum depends on the type of charged particle source 101.
  • the sample chamber in which the object 113 is placed is not required to have a degree of vacuum as high as that of the charged particle source 101.
  • a differential evacuation throttle A111 is installed between the vacuum chamber A105 and the vacuum chamber B106, and the vacuum chamber A105 is evacuated by the higher vacuum pump A108. Do.
  • the vacuum chamber B106 is evacuated by the vacuum pump B109 having a lower ultimate pressure.
  • a differential pressure corresponding to the hole diameter of the differential evacuation throttle A is generated in the vacuum chamber A105 and the vacuum chamber B106, and the vacuum chamber A105 can be maintained at a higher degree of vacuum.
  • the vacuum chamber A and the vacuum chamber B are connected through the differential evacuation throttle A.
  • the vacuum pumps A and B may be configured by one vacuum pump, and the vacuum chamber A 105 and the vacuum chamber B 106 may be exhausted by two exhaust paths having different displacements.
  • the vacuum chamber B 106 side needs to be opened to the atmosphere and exchanged in order to remove the object 113 from the sample chamber or replace it with another object.
  • a valve 114 is installed between the vacuum chamber A 105 and the vacuum chamber B 106 so that the vacuum chamber A 105 side can maintain a high vacuum, and shuts off the vacuum chambers of each other. That is, when the charged particle beam 104 is irradiated to the object for observation, analysis, etc. by making the valve movable, the opening of the differential exhaust diaphragm A111 is opened, and then the observation, analysis is completed, and the charged particles are terminated.
  • the differential exhaust throttle A 111 is closed by the valve 114 to close the hole of the differential exhaust throttle. If there is a load lock mechanism to replace the object 113, the valve 114 is not always necessary, but the vacuum chamber B106 where the object 113 enters can be opened to the atmosphere regardless of the degree of vacuum of the vacuum chamber A105. Is desirable.
  • the vacuum chamber A 105 and the vacuum chamber B 106 defined here have a minimum vacuum chamber configuration, and each vacuum chamber is divided into two or more, and differential evacuation is further performed by providing a differential evacuation throttle A 111 between them. It can be a high performance charged particle device.
  • the objective limiting aperture 110 may cause charge-up or, in the worst case, the aperture diameter may be narrowed and may be buried. In order to reduce this effect, the objective limiting diaphragm 110 is often heated and used by a heater. If the vacuum chamber disposed is opened to the atmosphere when the objective limiting aperture 110 is heated, oxidation is promoted by oxygen in the atmosphere to contaminate the objective limiting aperture 110.
  • the sample when replacing a sample, the sample is used by being installed in the sample chamber via another vacuum chamber (not shown) adjacent to the vacuum chamber B, which is once called a load lock chamber. It was not assumed that the vacuum of B106 would deteriorate. Therefore, the size of the object 113 that can be introduced into the vacuum chamber B106 is limited by the load lock chamber, and the vacuum of the vacuum chamber B106 also needs to be maintained at a high degree of vacuum to some extent. Under this condition, the objective limiting stop was placed in the vacuum chamber B. For this reason, in the conventional charged particle beam apparatus, it was necessary to wait for the vacuum chamber to open to the atmosphere until the objective limiting stop 110 is cooled.
  • the objective limiting diaphragm 110 is disposed inside the vacuum chamber A105. Even if the vacuum chamber B106 is open to the atmosphere, the chamber with the objective limiting diaphragm 110 (vacuum chamber A105) is kept at high vacuum, so the vacuum chamber B106 can be brought to the atmosphere while the objective limiting diaphragm is heated. Furthermore, by disposing the objective restriction diaphragm 110 closer to the charged particle source 101 side than the valve 114, the vacuum chamber B106 can be opened to the atmosphere without depending on the degree of vacuum of the vacuum chamber A105. As a result, the waiting time for replacing the object 113 can be significantly reduced.
  • FIG. 2 is an enlarged view around the objective limiting diaphragm 110 of FIG.
  • the crossover point A 115 moves up and down, and the amount of charged particles passing through the objective limiting diaphragm 110 increases or decreases. If the distance L1 from the condenser lens A107 to the crossover point A115 formed by the condenser lens A107 can be increased, the range for changing the amount of charged particles passing through the objective limiting diaphragm 110 can be made large. Therefore, conventionally, the objective limiting aperture 110 is provided on the side of the object 113 with respect to the valve 114.
  • the differential exhaust aperture A111 disposed immediately on the object 113 side passes through the charged particle beam 104 passing through all conditions.
  • the hole diameter should be such that it does not obstruct.
  • the hole diameter of the differential evacuation throttle A 111 is preferably as small as possible. The shorter the objective limiting aperture 110 and the differential exhaust diaphragm A111 distance L2 between and is short, the hole diameter d 2 of the differential pumping aperture A111 may be reduced. Therefore, in FIG.
  • the structure of the valve 114 is disposed closer to the object 113 than the differential exhaust throttle A111. Further, in terms of the arrangement of the objective limiting aperture 110, the differential exhaust aperture A111, and the valve 114, in other words, the differential exhaust aperture A111 is disposed closer to the object 113 than the object limiting aperture 110 and from the differential exhaust aperture A111.
  • the valve 114 is disposed on the side of the object 113. That is, the valve 114, the differential exhaust diaphragm A 111, and the objective limiting diaphragm 110 are disposed in the order of proximity to the object 113. At this time, by arranging the object limiting diaphragm 110 as close as possible to the valve 114, it is possible to have a large range for changing the amount of charged particles.
  • the distance L2 between the objective limiting aperture 110 and the differential exhaust aperture A111 is desirably shorter than 20 mm.
  • valve 114 structure since the valve 114 structure is on the high pressure side, when the vacuum chamber B106 on the object 113 side is opened to the atmosphere, a vacuum leak does not easily occur on the vacuum chamber A105 side on the charged particle source 101 side. It has become.
  • FIG. 3 shows, in the configuration of FIG. 1, a condenser lens B117 for controlling the opening angle of the charged particle beam 104 irradiated to the object 113, a differential exhaust diaphragm B118 for improving the differential exhaust capability, and a differential
  • This is a charged particle device 200 having a vacuum chamber C121 partitioned by an exhaust throttle A111 and a differential exhaust throttle B118 and a vacuum pump C120 for independently evacuating the vacuum chamber C121.
  • the opening angle of the charged particle beam 104 is controlled by adjusting the position of the crossover point B119 created by the condenser lens B117.
  • description of the same parts as those of the first embodiment or the second embodiment will be omitted.
  • the differential evacuation throttle B118 By disposing the differential evacuation throttle B118 closer to the object 113 than the differential evacuation throttle A111 and evacuating the vacuum chamber C121 with the vacuum pump C120, the differential evacuation capability from the charged particle source 101 to the object 113 becomes high.
  • the degree of vacuum around the object 113 can be kept lower. It is desirable that the vacuum pump B109 and the vacuum pump C120 be independent of each other, and that the vacuum pump C120 has a higher evacuation capability than the vacuum pump B109.
  • the vacuum pump B109 and the vacuum pump C120 may be the same vacuum pump connected by adjusting the evacuation conductance or the pump performance so that the evacuation speed is different.
  • FIG. 4 is an enlarged view around the objective limiting diaphragm 110 of FIG.
  • the diameter of the charged particle beam irradiated to the object 113 of the charged particle device 200 configured in FIG. 3 is affected by the lens aberration generated in the condenser lens B117. It gets bigger.
  • the differential exhaust stop B118 is preferably disposed closer to the objective limiting stop 110 than the condenser lens B117 in order to satisfy various optical conditions.
  • the condenser lens B117 is provided closer to the object 113 than the differential exhaust stop B118.
  • the differential exhaust stop B118 be movable.
  • the present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications.
  • the embodiments described above are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

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Abstract

本発明は差動排気絞り（１１１）と対物制限絞り（１１０）とを効果的に配置することにより、照射電流の大きなダイナミックレンジを保ちながら高い差動排気能力を持つ荷電粒子装置を提供することを目的とする。荷電粒子線装置（１００）の光学系を内部に有する鏡筒が、第１の真空度である第１の空間（１０６）と第１の真空度より高い真空度である第２の空間（１０５）を有し、対物制限絞り（１１０）は第２の空間（１０５）に配置されることを特徴とする。

Description

荷電粒子装置
　本発明は、荷電粒子線装置、特に荷電粒子線を照射することで試料から得られる信号を検出して試料の画像を取得する荷電粒子線装置に関する。
　走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置では、試料に照射する荷電粒子線のビーム電流量を可変とすることが望まれている。ビーム電流量を可変とする技術として、特許文献１がある。この公報には、走査電子顕微鏡の鏡筒内に配置された絞り電極によってプローブ電流の外周部を取り除く点が記載されている。
　また、特許文献２には、収束レンズが作るクロスオーバ点と対物絞りとの距離を調節してプローブ電流を調節する点が記載されている。
国際公開第２０１０／１４６８３３号 特開２０１０－２８２９７７号公報
　特許文献１，２に記載されているように、微小領域に荷電粒子線を当てるために、対物制限絞りを使って粒子線径および粒子線量を小さくしている。必要な粒子線径および粒子線量を達成するようなダイナミックレンジを確保するためには、対物制限絞りの穴径は、ある程度の大きさ、例えば直径２００μｍから１０μｍ程度、である必要がある。
　荷電粒子源から安定した荷電粒子を発生させるためには、その荷電粒子源周りの雰囲気に極高真空（例えば１０-7Paオーダー）が要求される。一方で、荷電粒子を当てる対象物は、荷電粒子が当たることによって起こるチャージアップを避けるために荷電粒子源周りの雰囲気より低真空（例えば１００Paオーダー）であることが要求される場合がある。このため荷電粒子源から対象物までの間に高い差動排気能力（例えば１０4～１０10倍）が必要となる。この差動排気は荷電粒子光学系に設けられた差動排気絞りによって達成される。
　差動排気絞りの径は小さければ小さいほど、大きい差動排気能力を持つことができるが、差動排気絞り径が小さすぎると、試料まで到達してほしい荷電粒子線の一部を遮ってしまったり、最悪の場合、全ての荷電粒子線を遮ってしまい軸調整ができなくなってしまったりする。
　そこで、本発明では、差動排気絞りと対物制限絞りとを効果的に配置することにより、照射電流の大きなダイナミックレンジを保ちながら高い差動排気能力を持つ荷電粒子装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
　本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、荷電粒子線のクロスオーバ点を調整可能なコンデンサレンズと、コンデンサレンズより試料側に配置された対物制限絞りと、対物制限絞りより試料側に配置され試料上に荷電粒子線を集束させる対物レンズと、を内部に含む鏡筒を有し、この鏡筒は、第１の真空度である第１の空間と第１の真空度より高い真空度である第２の空間を有し、対物制限絞りは第２の空間に配置されることを特徴とする。
　本発明によれば、照射電流の大きなダイナミックレンジを保ちながら高い差動排気能力を持つ荷電粒子装置を提供することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１の荷電粒子装置の一実施形態を示す図。 実施例１の荷電粒子装置の対物制限絞り周りの詳細を示した図。 実施例２の荷電粒子装置の一実施形態を示す図。 実施例２の荷電粒子装置の対物制限絞り周りの詳細を示した図。
　以下の実施例では走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例に挙げて説明するが、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、イオン顕微鏡、その他の荷電粒子線を用いた試料観察装置、または荷電粒子線を用いた加工装置等の荷電粒子線装置に適用可能である。
　まず、従来技術の課題について詳細に説明する。前述したように、荷電粒子源周囲の雰囲気と試料室の雰囲気で必要とされる真空度は大きく異なる。実際に試料を観察する時は観察試料を配置する試料室と荷電粒子源を配置する荷電粒子源室が荷電粒子線を通す通路によって繋がるので、荷電粒子源室の到達真空は試料室側の真空雰囲気に大きく依存する。この差圧を形成するために差動排気絞りが用いられている。差動排気絞り径は小さければ小さいほど、大きい差動排気能力を持つことができる。
　一方、微小領域に荷電粒子線を当てるために、対物制限絞りを使って粒子線径および粒子線量を小さくしている。必要な粒子線径および粒子線量を達成するようなダイナミックレンジを確保するためには、対物制限絞りの穴径は、ある程度の大きさ、例えば直径２００μｍから１０μｍ程度の穴径が必要である。
　このため、差動排気絞りと対物制限絞りとの位置関係や穴径の関係によっては、対物制限絞りで調整された後の試料まで到達してほしい荷電粒子線の一部が差動排気絞りによって遮られてしまったり、最悪の場合、全ての荷電粒子線を遮ってしまい軸調整ができなくなってしまったりする。
　したがって、照射電流のダイナミックレンジを確保しつつ、高い差動排気能力を実現するためには、差動排気絞りと対物制限絞りの位置関係を適切に配置することが必要となる。
　また、レンズで発生する収差を小さくするために粒子線径を小さく保つことや、環境から受けるノイズを小さくすること、チャンバーサイズを小さくして材料を少なくするなどのメリットから、荷電粒子光学系は短く設計することが求められている。したがって、差動排気絞りと対物制限絞りは、上述の要求に加えて、荷電粒子光学系の長さを短くできることが望ましい。
　以下、実施例にて本発明の実施形態について説明する。
　図１は、本実施例の荷電粒子装置の構成図の例である。
　荷電粒子装置１００は、荷電粒子源１０１、引出電極１０２、加速電極１０３、コンデンサレンズＡ１０７、対物制限絞り１１０、差動排気絞りＡ１１１、バルブ１１４、対物レンズ１１６を含む荷電粒子光学系を内部に有する鏡筒と、観察・分析の対象物１１３を載置するステージ１１２と、を有する。対象物１１３は試料ともいう。鏡筒は、真空排気ポンプＡ１０８により排気される真空チャンバＡ１０５と、真空ポンプＢ１０９により排気される真空チャンバＢ１０６を内部に有する。本明細書において鏡筒とは荷電粒子源１０１から対物レンズ１１６までの荷電粒子光学系を内部に有する構造物である。なお、図１では真空チャンバＢ１０６に対象物１１３やステージ１１２が含まれているが、対象物１１３が載置される空間は試料室として、鏡筒とは区別される。真空チャンバＢ１０６が対物レンズ１１６と対象物１１３との間に差動排気を行うためのオリフィスを持ち、荷電粒子光学系と試料室は別々の真空度となっていてもよい。
　荷電粒子線１０４は荷電粒子源１０１から熱または引出電極１０２の電界またはその両方の効果で放出する。そしてある方向へ放出された荷電粒子線１０４は加速電極１０３に印加される電圧によって加速または減速されて対象物１１３へ向かって進む。加速電極１０３を通り抜けた荷電粒子線１０４は、対物制限絞り１１０よりも荷電粒子源１０１側に配置されるコンデンサレンズＡ１０７により集束される。このときの集束点をクロスオーバ点Ａ１１５と呼ぶ。荷電粒子線１０４は集束後また広がるので、コンデンサレンズの動作状態を変えてクロスオーバ点Ａ１１５を光軸上で移動させることにより、コンデンサレンズＡ１０７より対象物１１３側に配置された対物制限絞り１１０上に照射される荷電粒子線１０４のビーム径、すなわち荷電粒子線１０４の電流密度を変化させることができる。対物制限絞り１１０ではビームの外周部分を遮断してビーム中心部の所定の径の部分だけ通過させるので、クロスオーバ点Ａ１１５の位置に応じて対物制限絞りを通り抜ける荷電粒子線１０４のビーム電流量を調整することができる。本実施例の対物制限絞りは真空チャンバＡ１０５に配置されている。この対物制限絞りは穴径を変えられる構造であることが望ましい。
　対物制限絞り１１０を通過した荷電粒子線１０４は、差動排気絞りＡ１１１やバルブ１１４の間を通り抜け、対物レンズ１１６で対象物１１３上に集束されて照射される。対象物１１３はステージ１１２に載置され、Ｘ，Ｙ方向への移動および傾斜、回転等させることが可能であるので、対象物１１３の任意の位置に集束した荷電粒子線１０４が照射される。
　なお、荷電粒子光学系には、荷電粒子源１０１、コンデンサレンズＡ１０７、対物制限絞り１１０等が含まれるが、これ以外に他のレンズや電極、偏向器、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、荷電粒子光学系の構成はこれに限られない。例えば走査電子顕微鏡の場合には、偏向器によって電子線を偏向することで対象物上を電子線で走査し、電子線が照射された位置から得られる二次電子や反射電子等の二次粒子を検出器によって検出し、この検出信号と走査位置を対応付けることで対象物の画像を生成する。生成された対象物の画像はディスプレイ等の表示部に表示される。
　また、荷電粒子線装置は、上記の各部材を制御する制御部（図示省略）を有しており、制御部からの制御信号により上記の各部材を所定の動作状態にすることができる。例えば、制御部はコンデンサレンズＡ１０７に流す電流量を制御してクロスオーバ点Ａ１１５の位置を調整する。また、制御部に各部材の動作状態を指示するための入力部を備えていてもよい。
　制御部で実行される処理は、ハードウェア、ソフトウェアいずれの方式でも実現可能である。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。
　また、制御部や入力部、表示部等はネットワークを通じて荷電粒子線装置１００と接続されていて、随時データを通信する構成であってもよい。
　荷電粒子源１０１から安定した荷電粒子線１０４を発生させるためには、その荷電粒子源１０１周りの雰囲気に１０-4から１０-9Paオーダーの高い真空が要求される。必要な真空度は荷電粒子源１０１の種類に依存する。一方、対象物１１３を設置する試料室は荷電粒子源１０１ほど高い真空度は要求されない。荷電粒子源１０１周りを高い真空に保つために、真空チャンバＡ１０５と真空チャンバＢ１０６との間に差動排気絞りＡ１１１を設置し、真空チャンバＡ１０５を到達真空度の高い方の真空ポンプＡ１０８で真空排気する。同様に真空チャンバＢ１０６を到達真空度の低い方の真空ポンプＢ１０９で真空排気する。差動排気絞りＡ１１１の効果で、真空チャンバＡ１０５と真空チャンバＢ１０６には差動排気絞りＡの穴径に応じた差圧が生じ、真空チャンバＡ１０５をより高い真空度に保つことができる。観察・分析時には真空チャンバＡと真空チャンバＢは差動排気絞りＡを通して接続された状態である。なお、真空ポンプＡ，Ｂを一台の真空ポンプで構成して排気量の異なる２つの排気経路により真空チャンバＡ１０５，真空チャンバＢ１０６をそれぞれ排気してもよい。
　対象物１１３の観察・分析などの目的を達成した後、対象物１１３を試料室から取り出したり別の対象物と交換したりするために、真空チャンバＢ１０６側を大気開放し交換する必要がある。この時にも真空チャンバＡ１０５側は高い真空を保てるように、真空チャンバＡ１０５と真空チャンバＢ１０６の間にはバルブ１１４を設置し、お互いの真空チャンバを遮断する。すなわち、バルブを可動とすることによって、観察・分析などのために荷電粒子線１０４を対象物に照射するときには差動排気絞りＡ１１１の開口を開けた状態とし、その後観察・分析が終了し荷電粒子線１０４の対象物１１３に対する照射を止めるときには差動排気絞りＡ１１１をバルブ１１４でふさぎ差動排気絞りの穴を閉じた状態にする。対象物１１３を交換するためのロードロック機構がある場合には、バルブ１１４は必ずしも必要ではないが、対象物１１３が入る真空チャンバＢ１０６は真空チャンバＡ１０５の真空度に依存せず、大気開放できる方が望ましい。ここで定義している真空チャンバＡ１０５と真空チャンバＢ１０６は最小限の真空チャンバ構成であり、それぞれの真空チャンバを２つ以上に分け、間に差動排気絞りＡ１１１を設けることにより、さらに差動排気能力の高い荷電粒子装置にすることができる。
　対物制限絞り１１０は、カーボン等のコンタミネーションの付着による汚染が発生してしまうと、チャージアップの原因になったり、最悪の場合、絞り穴径が狭まり、埋まってしまうこともありうる。この影響を軽減するために、対物制限絞り１１０はヒータで加熱して使用していることが多い。対物制限絞り１１０が加熱されている時に、配置されている真空チャンバが大気開放されてしまうと、大気中の酸素により酸化が促されて、対物制限絞り１１０を汚染してしまう。
　従来は、試料を交換するときには、試料は一旦ロードロック室とよばれる真空チャンバＢに隣接する別の真空チャンバ（図示せず）を経由して試料室に設置されて使用していたため、真空チャンバＢ１０６の真空が悪くなることは想定していなかった。そのため、ロードロック室によって、真空チャンバＢ１０６内に導入できる対象物１１３の大きさが制限され、また、真空チャンバＢ１０６の真空もある程度、高い真空度に保っておく必要があった。この条件のもとに、対物制限絞りは真空チャンバＢの中に配置されていた。このため、従来の荷電粒子線装置では、対物制限絞り１１０が冷却されるまで真空チャンバの大気開放を待つ必要があった。
　本実施例では、対物制限絞り１１０を真空チャンバＡ１０５内部に配置している。真空チャンバＢ１０６を大気開放しても、対物制限絞り１１０のある部屋（真空チャンバＡ１０５）は高真空に保たれるため、対物制限絞りを加熱したまま、真空チャンバＢ１０６を大気にすることができる。さらに、バルブ１１４よりも荷電粒子源１０１側に対物制限絞り１１０を配置することにより、真空チャンバＢ１０６は真空チャンバＡ１０５の真空度に依存せず、大気開放できる。これにより対象物１１３を交換するための待ち時間を大幅に短縮することができる。
　次に、対物制限絞りと差動排気絞りとバルブとの関係について説明する。以下では、実施例１と同様の部分については説明を省略する。
　図２は、図１の対物制限絞り１１０周辺を拡大したものである。コンデンサレンズＡ１０７で発生させる磁場レンズの強さを変化させることにより、クロスオーバ点Ａ１１５が上下に移動し、対物制限絞り１１０を通過する荷電粒子量が増減する。コンデンサレンズＡ１０７からコンデンサレンズＡ１０７が作るクロスオーバ点Ａ１１５までの距離Ｌ１を長く取ることができるほうが、対物制限絞り１１０を通り抜ける荷電粒子量を変化させるレンジを大きく持つことができる。このため、従来は対物制限絞り１１０がバルブ１１４より対象物１１３側に設けられていた。
　対物制限絞り１１０の穴径が対象物１１３に照射する荷電粒子量を制限するためには、そのすぐ対象物１１３側に配置する差動排気絞りＡ１１１は通り抜けてくる荷電粒子線１０４を全ての条件で遮らないような穴径にしなければならない。一方で差動排気絞りＡ１１１の穴径は真空チャンバＡ１０５と真空チャンバＢ１０６との差圧を決定するため、穴径はなるべく小さいほうが望ましい。対物制限絞り１１０と差動排気絞りＡ１１１と間の距離Ｌ２が短ければ短いほど、差動排気絞りＡ１１１の穴径ｄ2は小さくすることができる。そこで、図２では、バルブ１１４の構造を差動排気絞りＡ１１１より対象物１１３側に配置する。また、対物制限絞り１１０と差動排気絞りＡ１１１とバルブ１１４との配置の観点から言い換えれば、対物制限絞り１１０より対象物１１３側に差動排気絞りＡ１１１が配置され、かつ差動排気絞りＡ１１１より対象物１１３側にバルブ１１４が配置されている。すなわち、対象物１１３に近い順に、バルブ１１４、差動排気絞りＡ１１１、対物制限絞り１１０の順で配置されている。このとき、対物制限絞り１１０をバルブ１１４にできる限り近づけて配置することで、荷電粒子量を変化させるレンジを大きく持つことができる。
　この構成により、対物制限絞り１１０と差動排気絞りＡ１１１の距離をできる限り縮めることができる。現実的に対物制限絞り１１０に必要な最大穴径を考慮すると対物制限絞り１１０と差動排気絞りＡ１１１との距離Ｌ２は２０mmより短いことが望ましい。
　また図２の構造では、圧力の高い側にバルブ１１４構造があるため、対象物１１３側の真空チャンバＢ１０６を大気開放した時に荷電粒子源１０１側の真空チャンバＡ１０５側に真空漏れを起こしづらい構造になっている。
　図３は、図１の構成に、対象物１１３へ照射する荷電粒子線１０４の開き角を制御するためのコンデンサレンズＢ１１７と、差動排気能力を向上させるための差動排気絞りＢ１１８、差動排気絞りＡ１１１と差動排気絞りＢ１１８によって仕切られた真空チャンバＣ１２１、真空チャンバＣ１２１を独立に真空排気するための真空ポンプＣ１２０、を追加した荷電粒子装置２００である。コンデンサレンズＢ１１７によって作られるクロスオーバ点Ｂ１１９の位置を調整することによって荷電粒子線１０４の開き角を制御する。以下では、実施例１または２と同様の部分については説明を省略する。
　差動排気絞りＢ１１８を差動排気絞りＡ１１１より対象物１１３側に配置し、真空チャンバＣ１２１を真空ポンプＣ１２０で排気することにより、荷電粒子源１０１から対象物１１３までの差動排気能力が高くなり、対象物１１３周りの真空度をより低く保つことができる。真空ポンプＢ１０９と真空ポンプＣ１２０は互いに独立で、真空ポンプＣ１２０のほうが真空ポンプＢ１０９よりも真空排気能力が高いものが望ましい。真空ポンプＢ１０９と真空ポンプＣ１２０は真空排気速度が異なるように排気コンダクタンスまたはポンプ性能を調整して繋いだ同一の真空ポンプとすることも可能である。
　図４は、図３の対物制限絞り１１０周辺を拡大したものである。対象物１１３に照射する荷電粒子量を大きくした場合、図３で構成される荷電粒子装置２００の対象物１１３に照射する荷電粒子線径は、コンデンサレンズＢ１１７で発生するレンズ収差の影響を受けて大きくなってしまう。この粒子線径劣化を避けるためには、クロスオーバ点Ａ１１５とコンデンサレンズＢ１１７との間の距離Ｌ３を可能な限り短く配置して、コンデンサレンズＢ１１７での荷電粒子線径ｄ4を小さくする必要がある。差動排気絞りＢ１１８は様々な光学条件を満足するためにコンデンサレンズＢ１１７よりも対物制限絞り１１０側に配置することが望ましい。言い換えれば、コンデンサレンズＢ１１７は差動排気絞りＢ１１８より対象物１１３側に設けられている。
　また、光学軸の調整を行うために、差動排気絞りＢ１１８は可動型であることが望ましい。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１　荷電粒子源
１０２　引出電極
１０３　加速電極
１０４　荷電粒子線
１０５　真空チャンバＡ
１０６　真空チャンバＢ
１０７　コンデンサレンズＡ
１０８　真空ポンプＡ
１０９　真空ポンプＢ
１１０　対物制限絞り
１１１　差動排気絞りＡ
１１２　ステージ
１１３　対象物
１１４　バルブ
１１５　クロスオーバ点Ａ
１１６　対物レンズ
１１７　コンデンサレンズＢ
１１８　差動排気絞りＢ
１１９　クロスオーバ点Ｂ
１２０　真空ポンプＣ
１２１　真空チャンバＣ
ｄ1　対物制限絞りの穴径
ｄ2　差動排気絞りＡの穴径
ｄ3　差動排気絞りＢの穴径
ｄ4　コンデンサレンズＢで作られるレンズ主面での荷電粒子線径
Ｌ１　コンデンサレンズＡで作られるレンズ主面からクロスオーバ点Ａまでの距離
Ｌ２　対物制限絞りから差動排気絞りＡまでの距離
Ｌ３　クロスオーバ点ＡからコンデンサレンズＢで作られるレンズ主面までの距離

Claims (6)

  1. 　荷電粒子線を照射することで試料から得られる二次粒子を検出して前記試料の画像を取得する荷電粒子線装置において、
    　前記荷電粒子線を発生する荷電粒子線源と、前記荷電粒子線のクロスオーバ点を調整可能なコンデンサレンズと、前記コンデンサレンズより前記試料側に配置された対物制限絞りと、前記対物制限絞りより前記試料側に配置され前記試料上に前記荷電粒子線を集束させる対物レンズと、を内部に含む鏡筒と、
    　前記試料が載置される試料ステージと、
    　前記鏡筒は、第１の真空度である第１の空間と第１の真空度より高い真空度である第２の空間を内部に有し、
    　前記対物制限絞りは前記第２の空間に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の空間と前記第２の空間は差動排気絞りによって接続され、
    　前記差動排気絞りの開口を開けた状態と閉じた状態とに可動するバルブを有し、
    　前記対物制限絞りは前記バルブより前記荷電粒子線源側に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記コンデンサレンズを制御することで前記クロスオーバ点の位置を調整する制御部を有し、前記クロスオーバ点の位置に応じて前記荷電粒子線のビーム電流量を変更可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子装置において、
    　前記第１の空間と前記第２の空間は差動排気絞りによって接続され、
    　前記対物制限絞りは、前記対物制限絞りと前記差動排気絞りとの距離：Ｌが２０mm以下になるように配置されることを特徴とする荷電粒子装置。
  5. 　請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記対物制限絞りより前記試料側に前記差動排気絞りが配置され、
    　前記差動排気絞りより前記試料側に前記バルブが配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記第１の空間と前記第２の空間は第１の差動排気絞りによって接続され、
    　前記第１の差動排気絞りより前記試料側に配置された第２の差動排気絞りと、
    　前記第２の差動排気絞りより前記試料側に配置された第２のコンデンサレンズとを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
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