WO2019043946A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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遼 平野
恒典 野間口
知里 神谷
純一 片根
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam device.
  • the FIB-SEM apparatus is a combined charged particle beam apparatus in which a focused ion beam (FIB) irradiation unit and a scanning electron microscope (SEM) are disposed in the same sample chamber.
  • the FIB-SEM apparatus is used to produce a thin film sample to be observed using a transmission electron microscope or to analyze the three-dimensional structure of the sample. Since the beam diameter of the probe is smaller in SEM than in FIB, the sample can be observed with high resolution.
  • the FIB-SEM apparatus alternately or simultaneously performs FIB processing and SEM observation.
  • the magnetic field leaks from the objective lens of the SEM into the sample chamber of the FIB-SEM, the ion beam of the FIB is deflected or the isotope of the ion source is separated, thereby deteriorating processing accuracy and resolution.
  • Patent Document 1 describes the residual magnetic field of the composite charged particle beam device.
  • a composite charged particle beam apparatus provided with at least one focused ion beam column and at least one electron beam column in the same sample chamber, the electron beam mirror What is claimed is: 1.
  • a composite charged particle beam device comprising: a decaying alternating current circuit for residual magnetic demagnetization of a cylindrical objective lens; and a function of storing an excitation current value of an objective lens of an electron beam column. ] Is disclosed (claim 2).
  • the present invention has been made in view of the above problems, and provides a charged particle beam device capable of efficiently reducing the action of a residual magnetic field when SEM observation is performed.
  • a first mode in which a direct current is supplied to the second coil after the first coil is turned off, and an alternating current is supplied to the second coil after the first coil is turned off Implement at least one of the two modes.
  • the operation of the residual magnetic field can be efficiently reduced by properly using the first mode and the second mode according to the application of the charged particle beam apparatus.
  • FIG. 1 is a block diagram of a charged particle beam device 10 according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of an objective lens provided in the SEM lens barrel 100.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the magnetic field generated when the objective lens is formed as a submerged magnetic lens.
  • FIG. 5 is a schematic view showing a magnetic field generated when the objective lens is formed as a non-immersed magnetic lens. It is the schematic which shows a residual magnetic field when the objective lens is turned off.
  • 5 is a flowchart illustrating a procedure of the charged particle beam device 10 suppressing the action of the residual magnetic field 130.
  • 5 is an example of a GUI 140 for the operator to give an instruction to the charged particle beam device 10.
  • FIG. 1 is a block diagram of a charged particle beam device 10 according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of an objective lens provided in the SEM lens barrel 100.
  • FIG. 5 is a schematic view showing the magnetic field generated when the
  • FIG. 6 is a configuration diagram of an objective lens of an SEM lens barrel 100 provided in a charged particle beam device 10 according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of an objective lens of an SEM lens barrel 100 provided in a charged particle beam device 10 according to a third embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram of a charged particle beam device 10 according to a first embodiment of the present invention. It is a figure which shows the structure of FIB-SEM apparatus.
  • the charged particle beam device 10 is configured as a FIB-SEM device.
  • the charged particle beam device 10 includes an SEM lens barrel 100, an FIB lens barrel 101, a sample chamber 102, an FIB-SEM gantry 103, a controller 105, a monitor 106, and a storage device 107.
  • the FIB column 101 irradiates the sample 104 with FIB in order to process or observe the sample 104.
  • the SEM column 100 irradiates the sample 104 with an electron beam in order to observe and analyze the sample 104 with high resolution.
  • the sample chamber 102 is a space in which the sample 104 is placed, and includes the above-described respective lens barrels.
  • the FIB-SEM gantry 103 mounts the sample chamber 102.
  • the controller 105 controls the charged particle beam device 10 to acquire an SEM observation image of the sample 104, processes the sample 104 by FIB, and acquires an FIB observation image of the sample 104.
  • the monitor 106 displays the processing result (for example, an observation image) on the sample 104 on the screen.
  • the FIB column 101 includes an ion source, a blanker, an electrostatic deflector, and an electrostatic objective lens.
  • the blanker is used to prevent the ion beam from being irradiated to the sample 104 while the FIB column 101 is operating.
  • the electrostatic deflector is for deflecting the ion beam to the origin of the lens center of the electrostatic objective lens to scan the surface of the sample 104.
  • a single-stage deflector or upper and lower two-stage deflectors can be used as the electrostatic deflector.
  • the SEM column 100 includes an electron gun, a condenser lens, a movable stop, a deflector, and an objective lens.
  • an electron gun a filament type, a Schottky type, a field emission type, or the like can be used.
  • the deflector one of magnetic field deflection type or electrostatic deflection type is used. A single stage deflector or two upper and lower stages deflectors can be used.
  • the objective lens a magnetic field lens using a focusing action of electrons by a magnetic field, an electric field superposition type magnetic field lens in which the chromatic aberration is reduced by superposing the magnetic field and the electric field, or the like can be used.
  • the sample 104 is mounted on a tiltable sample stage provided in a sample chamber 102.
  • the sample 104 is inclined toward the FIB column 101.
  • the sample 104 is observed by SEM, the sample 104 is inclined toward the SEM column 100.
  • a bias voltage is applied to the sample 104 at the time of SEM observation, the distortion of the electric field formed between the sample 104 and the SEM column 100 is taken into consideration, and the sample 104 is used as the central axis of the SEM column 100. Arrange it so that it is perpendicular to it.
  • the controller 105 scans the sample 104 with the primary electron beam generated from the electron gun by the deflector, and the secondary electrons generated from the inside of the sample 104 are detected by the secondary electron detector (in the SEM column 100 or the sample chamber 102 An SEM observation image is acquired by detecting by (it mounted inside).
  • the controller 105 processes the sample 104 by irradiating the sample 104 with an ion beam from the ion source, and acquires an FIB observation image of the sample 104.
  • the FIB observation image can be acquired by the same method as the SEM observation image.
  • the storage device 107 is, for example, a device such as a hard disk drive.
  • the storage device 107 stores data used by the controller 105. For example, an instruction to specify which of the first mode and the second mode to be described later is to be performed can be stored.
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of the objective lens provided in the SEM lens barrel 100.
  • the objective lens comprises a first pole piece 110, a second pole piece 111, a first coil 112 and a third pole piece 116.
  • the first pole piece 110 and the second pole piece 111 can be formed of a hollow cylindrical magnetic material.
  • the electron beam passes through the hollow portion.
  • the first pole piece 110 and the second pole piece 111 are formed in axial symmetry with the path of the electron beam as the central axis.
  • the second pole piece 111 is disposed outside the first pole piece 110 as viewed from the path of the electron beam.
  • the end of the second pole piece 111 on the sample 104 side extends closer to the sample 104 than the end of the first pole piece 110 on the sample 104 side.
  • the first coil 112 is disposed between the first pole piece 110 and the second pole piece 111.
  • the controller 105 adjusts the magnetic flux generated from the first pole piece 110 by controlling the value of the current flowing through the first coil 112. Thereby, the characteristics of the magnetic field lens can be controlled to form a non-immersion type magnetic field lens described later.
  • the second coil 113 is disposed outside the second pole piece 111 as viewed from the path of the electron beam (the central axis of each pole piece).
  • the SEM column 100 may include the second coil 113, or the second coil 113 may be disposed in the sample chamber 102.
  • the controller 105 adjusts the magnetic flux generated from the second pole piece 111 by controlling the value of the current supplied to the second coil 113. Thereby, the characteristics of the magnetic field lens can be controlled to form an immersion type magnetic field lens described later.
  • the third pole piece 116 is disposed outside the second pole piece 111 as viewed from the path of the electron beam.
  • the second pole piece 111 and the third pole piece 116 form a magnetic path surrounding the second coil 113.
  • the third coil 114 is disposed outside the second pole piece 111 as viewed from the path of the electron beam, and is used to suppress a residual magnetic field by a method described later.
  • the third coil 114 compared with the first coil 112 and the second coil 113, the number of turns of the coil wire can be smaller and smaller.
  • the third coil 114 can be configured as a part of the SEM column 100 or can be disposed in the sample chamber 102.
  • the magnetic field detector 115 is disposed in the sample chamber 102, and can measure the magnetic field in the sample chamber 102.
  • the controller 105 controls the current value of each coil using the magnetic field in the sample chamber 102 measured by the magnetic field detector 115.
  • FIG. 3A is a schematic view showing the magnetic field generated when the objective lens is formed as a submerged magnetic lens.
  • the immersion type magnetic lens 120 is formed between the SEM lens barrel 100 and the sample 104. Since the main surface of the immersion type magnetic lens 120 is in the vicinity of the sample 104, it is possible to observe the sample 104 with high resolution by shortening the lens focus.
  • a strong lens magnetic field 121 is generated from the second pole piece 111 in the sample chamber 102, so the FIB is subjected to the action of the lens magnetic field 121. Therefore, at this time, FIB processing and observation can not be performed.
  • FIG. 3B is a schematic view showing the magnetic field generated when the objective lens is formed as a non-immersed magnetic lens.
  • a non-immersion magnetic lens 122 is formed between the SEM lens barrel 100 and the sample 104.
  • the lens magnetic field 123 is blocked by the second pole piece 111 because the lens main surface of the non-immersed magnetic lens 122 is between the end of the first pole piece 110 and the end of the second pole piece 111. Therefore, the influence of the magnetic field on the FIB is small as compared to the immersion magnetic lens.
  • the magnetic field may leak into the sample chamber 102 depending on the shape and positional relationship of the pole pieces (leakage magnetic field 124).
  • the stray magnetic field 124 causes the FIB image shift and the resolution deterioration.
  • FIG. 4 is a schematic view showing a residual magnetic field when the objective lens is turned off.
  • the non-immersion magnetic lens 122 is turned off, and when the current supplied to the second coil 113 is turned off, the immersion magnetic lens 120 is also turned off.
  • the residual magnetic field 130 remains in the sample chamber 102.
  • Lorentz force acts on the ion beam, and the ion beam is deflected in the direction orthogonal to the traveling direction of the ion beam and the magnetic flux direction of the magnetic field.
  • the residual magnetic field 130 changes in accordance with the use of the objective lens of the SEM column 100. Therefore, the shift amount of the ion beam on the surface of the sample 104 due to the residual magnetic field 130 has a variation of several nm to several tens of nm, which causes the processing accuracy of FIB to be deteriorated. Since the immersion magnetic lens 120 has a large magnetic flux density flowing to the second pole piece 111, the residual magnetic field is larger (approximately 1 mT or more) than the non-immersion magnetic lens 122. In the first embodiment, therefore, when the magnetic field lens is switched between the immersion type magnetic field lens 120 and the non-immersion type magnetic field lens 122, the action of the residual magnetic field 130 is performed using the second coil 113 or the third coil 114. Try to cancel.
  • FIG. 5 is a flow chart for explaining the procedure in which the charged particle beam device 10 suppresses the action of the residual magnetic field 130.
  • the charged particle beam device 10 (a) suppresses the action of the residual magnetic field 130 by a direct current while performing the first mode in which processing or observation by FIB is performed, and (b) an alternating current as much as possible to annihilate the residual magnetic field 130 And two operation modes of the second mode for performing processing and observation by FIB.
  • the controller 105 may execute this flowchart, for example, when (a) the magnetic field lens is switched between the immersion type magnetic field lens 120 and the non-immersion type magnetic field lens 122, (b) when instructed by the operator, etc. it can.
  • Each step of FIG. 5 will be described below.
  • Step S501 The controller 105 determines which of the first mode and the second mode to implement according to the given command. If the first mode is to be performed, the process proceeds to step S502. If the second mode is to be performed, the process proceeds to step S504.
  • the command can also be given by the operator via, for example, a GUI (Graphical User Interface) described later, and the action mode is specified in advance according to the type of the sample 104 and the contents of processing and observation to be performed. It can also be stored in the storage unit 107 and read out by the controller 105.
  • the command may be given by any other suitable method. In any case, the charged particle beam device 10 temporarily stores the given command in the storage device 107, and the controller 105 reads it.
  • Step S502 The controller 105 turns off the objective lens of the SEM column 100 (immersion type magnetic lens 120 or non-immersion type magnetic lens 122). Specifically, the current of the coil (the first coil 112 or the second coil 113) forming the magnetic lens is turned off.
  • the controller 105 generates a magnetic field for offsetting the residual magnetic field 130 by supplying a direct current to the second coil 113 or the third coil 114.
  • the direction of the direct current is the direction in which the magnetic field that cancels the action of the residual magnetic field 130 is generated.
  • the magnitude of the direct current can be determined by the magnetic field detector 115 measuring the magnitude of the residual magnetic field 130, or can be determined based on the amount by which the position of the FIB observation image is shifted by the residual magnetic field 130. It may be determined by any other appropriate method.
  • Step S503 Supplement 1
  • the first mode only generates a magnetic field that cancels out the influence of the residual magnetic field 130, so that the effect can be exhibited more quickly compared to the second mode described later.
  • residual magnetic field 130 is not completely removed, for example, after use of non-immersed magnetic lens 122 with small residual magnetic field 130 or in applications where the processing accuracy requirement by FIB is not so high (eg roughing), It can be said that using the first mode is suitable.
  • Step S503 Supplement 2
  • the non-immersed magnetic lens 122 is formed using the first coil 112
  • one or both of the second coil 113 and the third coil 114 can be used to implement the first mode.
  • the immersion magnetic lens 120 is formed using the second coil 113
  • the first mode can be performed using the third coil 114.
  • the first mode does not completely eliminate the residual magnetic field 130, but can only suppress the action of the residual magnetic field 130 while generating the offset magnetic field. Therefore, when using FIB, the controller 105 performs processing and observation by FIB while performing the first mode.
  • Step S504 This step is similar to step S502.
  • the controller 105 causes the residual magnetic field 130 to disappear as much as possible by supplying an alternating current to the second coil 113 or the third coil 114.
  • the controller 105 causes the residual magnetic field 130 to disappear as much as possible by supplying an alternating current to the second coil 113 or the third coil 114.
  • the amplitude of the alternating current may be determined in advance as an appropriate value.
  • Step S505 Supplement
  • the second mode gradually dissipates the remanent magnetic field 130 while decreasing the amplitude of the alternating current with time, so it takes approximately several seconds until the action of the remanent magnetic field 130 on the FIB falls within an acceptable range.
  • the second mode has a higher demagnetizing effect than the first mode. Therefore, it can be said that it is suitable to use the second mode before performing an application where processing accuracy is highly required by FIB, three-dimensional structural analysis, and the like.
  • Step S501 Supplement
  • the first mode and the second mode can be used in combination.
  • step S501 an instruction to that effect is received, and the controller 105 uses the respective modes in combination according to the instruction.
  • the residual magnetic field 130 can be offset by the first mode.
  • the first mode is used to correct the slight residual magnetic field 130 remaining in the second mode. Thereby, the accuracy equal to or higher than that of the second mode can be realized more quickly.
  • FIG. 6 is an example of a GUI 140 for the operator to give an instruction to the charged particle beam device 10.
  • the controller 105 displays the GUI 140 on the screen of the monitor 106.
  • the operator designates, via the GUI 140, which of the first mode and the second mode is to be performed, for each processing item. Both modes can be implemented and none can be implemented.
  • the GUI 140 has a processing mode field 141 and an operation mode designation field 142.
  • the processing mode column 141 displays the content of the processing operation.
  • the operation mode designation column 142 is a column for designating which of the first mode and the second mode is to be performed for each processing operation. The operator selects, for example, the first mode in rough processing which does not require much accuracy in FIB processing, or in a wide range of processing where the ion beam is defocused to remove the sample surface, precision processing which requires accuracy or long time In the continuous processing of the second mode or both modes are selected.
  • the controller 105 automatically implements the flowchart of FIG. 5 to suppress the action of the residual magnetic field 130 before using the FIB. can do.
  • the charged particle beam device 10 can carry out a first mode in which the action of the residual magnetic field 130 is reduced by a direct current and a second mode in which the action of the residual magnetic field 130 is reduced by an alternating current. .
  • a first mode in which the action of the residual magnetic field 130 is reduced by a direct current and a second mode in which the action of the residual magnetic field 130 is reduced by an alternating current.
  • FIG. 7 is a block diagram of an objective lens of the SEM column 100 provided in the charged particle beam device 10 according to the second embodiment of the present invention.
  • the charged particle beam device 10 according to the second embodiment does not include the third coil 114.
  • the other configuration is the same as that of the first embodiment.
  • both the first mode and the second mode are performed using the second coil 113. Since the third coil 114 is not used, the current value supplied to the second coil 113 in each mode may be different from that of the first embodiment, but the operation procedure is the same as that of the first embodiment.
  • the second coil 113 has the role of forming a magnetic lens and the role of suppressing a residual magnetic field, so the number of turns is the largest among the three coils. That is, the number of turns of the second coil ⁇ the number of turns of the first coil ⁇ the number of turns of the third coil.
  • the number of turns of the second coil 113 may be smaller than that of the first coil 112. That is, the number of turns of the first coil may be greater than or equal to the number of turns of the second coil.
  • FIG. 8 is a block diagram of an objective lens of the SEM column 100 provided in the charged particle beam device 10 according to the third embodiment of the present invention.
  • One or both of the first coil 112 and the second coil 113 can be divided into a plurality of coils.
  • FIG. 8 shows an example in which both the first coil 112 and the second coil 113 are divided into two coils.
  • the power consumption of the coil may be kept constant.
  • the number of turns of each divided coil may be the same or different. If the number of turns is the same, current control can be simplified.
  • the performance as a coil is the same for split coils and single coils.
  • 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.
  • the residual magnetic field of the SEM column 100 affects the FIB.
  • the residual magnetic field of the SEM column 100 also affects the next time the SEM column 100 is used. Therefore, even when FIB is not used, the method of the present invention is useful.
  • the controller 105 can be configured using hardware such as a circuit device on which the function is mounted, or can be configured by the arithmetic device executing software on which the function is mounted. it can.

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Abstract

本発明は、ＳＥＭ観察を実施したときの残留磁場の作用を効率的に減少させることができる荷電粒子線装置を提供するものである。本発明に係る荷電粒子線装置は、第１コイルをオフにした後に第２コイルに直流電流を流す第１モードと、前記第１コイルをオフにした後に前記第２コイルに交流電流を流す第２モードとの少なくともいずれかを実施する（図５参照）。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線装置に関する。
　ＦＩＢ－ＳＥＭ装置は、同一の試料室内に集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ　Ｉｏｎ　Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）照射部と走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）を配置した複合荷電粒子線装置である。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置は、透過型電子顕微鏡を用いて観察する薄膜試料を作製したり、試料の３次元構造を解析したりするために用いられる。ＳＥＭはＦＩＢに比べてプローブのビーム径が小さいので、試料を高分解能で観察することができる。
　ＦＩＢ－ＳＥＭ装置は、ＦＩＢによる加工とＳＥＭによる観察を交互または同時に実施する。このとき、ＳＥＭの対物レンズからＦＩＢ－ＳＥＭの試料室内に対して磁場が漏れると、ＦＩＢのイオンビームが偏向され、あるいはイオン源の同位体が分離することにより、加工精度や分解能が劣化する。ＳＥＭ鏡筒の磁界レンズをオフにしたとしても、磁極片に残留磁場が残り、その残留磁場が試料室に漏れてＦＩＢによる加工や観察に影響を与える場合がある。
　下記特許文献１は、複合荷電粒子線装置の残留磁場について記載している。同文献は、『残留磁場による集束イオンビームの質量分離の防止及び電子ビームのフォーカスの再現性の向上。』を課題として（要約参照）、『同一の試料室に、少なくとも１式以上の集束イオンビーム鏡筒と、少なくとも１式以上の電子ビーム鏡筒を備えた複合荷電粒子ビーム装置において、電子ビーム鏡筒の対物レンズの残留磁気消磁のための減衰交流回路と、電子ビーム鏡筒の対物レンズの励磁電流値を記憶する機能を備えたことを特徴とする複合荷電粒子ビーム装置。』という技術を開示している（請求項２）。
特開平１１－３２９３２０号公報
　上記特許文献１のように、減衰交流磁場を用いて残留磁場を消磁する場合、ＦＩＢによる加工や観察に与える影響が許容できるレベルまで残留磁場を消磁するためには、数秒程度の時間が必要である。したがって、荷電粒子線装置を効率的に使用するためには、残留磁場の作用を効率的に減少させることが求められる。
　本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、ＳＥＭ観察を実施したときの残留磁場の作用を効率的に減少させることができる荷電粒子線装置を提供するものである。
　本発明に係る荷電粒子線装置は、第１コイルをオフにした後に第２コイルに直流電流を流す第１モードと、前記第１コイルをオフにした後に前記第２コイルに交流電流を流す第２モードとの少なくともいずれかを実施する。
　本発明に係る荷電粒子線装置によれば、荷電粒子線装置の用途に応じて第１モードと第２モードを使い分けることにより、残留磁場の作用を効率的に減少させることができる。
実施形態１に係る荷電粒子線装置１０の構成図である。 ＳＥＭ鏡筒１００が備える対物レンズの構成を示す側面図である。 対物レンズが浸漬型磁界レンズとして形成されたとき発生する磁場を示す概略図である。 対物レンズが非浸漬型磁界レンズとして形成されたとき発生する磁場を示す概略図である。 対物レンズをオフにしたときの残留磁場を示す概略図である。 荷電粒子線装置１０が残留磁場１３０の作用を抑制する手順を説明するフローチャートである。 荷電粒子線装置１０に対してオペレータが指示を与えるためのＧＵＩ１４０の例である。 実施形態２に係る荷電粒子線装置１０が備えるＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズの構成図である。 実施形態３に係る荷電粒子線装置１０が備えるＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズの構成図である。
＜実施の形態１＞
　図１は、本発明の実施形態１に係る荷電粒子線装置１０の構成図である。ＦＩＢ－ＳＥＭ装置の構成を示す図である。荷電粒子線装置１０は、ＦＩＢ－ＳＥＭ装置として構成されている。荷電粒子線装置１０は、ＳＥＭ鏡筒１００、ＦＩＢ鏡筒１０１、試料室１０２、ＦＩＢ－ＳＥＭ架台１０３、制御器１０５、モニタ１０６、記憶装置１０７を備える。ＦＩＢ鏡筒１０１は、試料１０４を加工または観察するため、試料１０４に対してＦＩＢを照射する。ＳＥＭ鏡筒１００は、試料１０４を高分解能で観察・分析するため、試料１０４に対して電子ビームを照射する。試料室１０２は、試料１０４を設置する空間であり、上記各鏡筒を備えている。ＦＩＢ－ＳＥＭ架台１０３は、試料室１０２を搭載する。制御器１０５は、荷電粒子線装置１０を制御することにより、試料１０４のＳＥＭ観察像を取得し、ＦＩＢにより試料１０４を加工し、試料１０４のＦＩＢ観察像を取得する。モニタ１０６は、試料１０４に対する処理結果（例えば観察像）を画面表示する。
　ＦＩＢ鏡筒１０１は、イオン源、ブランカー、静電偏向器、静電対物レンズを備える。ブランカーは、ＦＩＢ鏡筒１０１を動作させたまま、イオンビームが試料１０４に対して照射されないようにするために用いられる。静電偏向器は、静電対物レンズのレンズ中心を基点にイオンビームを偏向し、試料１０４の表面を走査するためのものである。静電偏向器としては、１段の偏向器あるいは上下２段の偏向器などを用いることができる。
　ＳＥＭ鏡筒１００は、電子銃、コンデンサレンズ、可動絞り、偏向器、対物レンズを備える。電子銃としては、フィラメント方式、ショットキー方式、フィールドエミッション方式などのものを用いることができる。偏向器としては、磁界偏向型あるいは静電偏向型のものが用いられる。１段の偏向器あるいは上下２段の偏向器などを用いることができる。対物レンズとしては、磁場による電子の集束作用を用いた磁界レンズや、磁場と電場を重畳させることにより色収差を低減させた電界重畳型磁界レンズなどを用いることができる。
　試料１０４は、試料室１０２に備えられた傾斜可能な試料ステージに搭載されている。ＦＩＢによって試料１０４を加工するときは、試料１０４をＦＩＢ鏡筒１０１側に傾斜させ、ＳＥＭによって試料１０４を観察するときは、試料１０４をＳＥＭ鏡筒１００側に傾斜させる。ＳＥＭ観察時において試料１０４に対してバイアス電圧を印加する場合は、試料１０４とＳＥＭ鏡筒１００との間に形成される電界の歪みを考慮して、試料１０４をＳＥＭ鏡筒１００の中心軸に対して垂直になるように配置する。
　制御器１０５は、電子銃より発生した１次電子線を偏向器により試料１０４上で走査し、試料１０４内部から発生する２次電子を２次電子検出器（ＳＥＭ鏡筒１００内や試料室１０２内に搭載されている）によって検出することにより、ＳＥＭ観察像を取得する。制御器１０５は、イオン源から試料１０４に対してイオンビームを照射することにより、試料１０４を加工し、試料１０４のＦＩＢ観察像を取得する。ＦＩＢ観察像は、ＳＥＭ観察像と同様の手法で取得することができる。
　記憶装置１０７は、例えばハードディスクドライブなどの装置である。記憶装置１０７は、制御器１０５が使用するデータを記憶する。例えば後述する第１モードと第２モードのいずれを実施するかを指定する指令を格納することができる。
　図２は、ＳＥＭ鏡筒１００が備える対物レンズの構成を示す側面図である。対物レンズは、第１磁極片１１０、第２磁極片１１１、第１コイル１１２、第３磁極片１１６を備える。第１磁極片１１０と第２磁極片１１１は、中空円筒形状の磁性材料によって形成することができる。電子ビームは中空部分を通過する。第１磁極片１１０と第２磁極片１１１は、電子ビームの経路を中心軸とする軸対称に形成されている。第２磁極片１１１は、電子ビームの経路から見て第１磁極片１１０の外側に配置されている。第２磁極片１１１の試料１０４側の端部は、第１磁極片１１０の試料１０４側の端部よりも、試料１０４に近い位置まで延伸している。
　第１コイル１１２は、第１磁極片１１０と第２磁極片１１１との間に配置されている。制御器１０５は、第１コイル１１２に流す電流値を制御することにより、第１磁極片１１０から発生する磁束を調整する。これにより磁界レンズの特性を制御し、後述する非浸漬型磁界レンズを形成することができる。
　第２コイル１１３は、電子ビームの経路（各磁極片の中心軸）から見て、第２磁極片１１１の外側に配置されている。ＳＥＭ鏡筒１００が第２コイル１１３を備えてもよいし、試料室１０２内に第２コイル１１３を配置してもよい。制御器１０５は、第２コイル１１３に流す電流値を制御することにより、第２磁極片１１１から発生する磁束を調整する。これにより磁界レンズの特性を制御し、後述する浸漬型磁界レンズを形成することができる。
　第３磁極片１１６は、電子ビームの経路から見て第２磁極片１１１よりも外側に配置されている。第２磁極片１１１と第３磁極片１１６は、第２コイル１１３を取り囲む磁路を形成している。
　第３コイル１１４は、電子ビームの経路から見て第２磁極片１１１の外側に配置されており、後述する手法により残留磁場を抑制するために用いられる。第３コイル１１４としては、第１コイル１１２および第２コイル１１３と比較して、コイル線の巻数が少なく小型なものを用いることができる。第３コイル１１４は、ＳＥＭ鏡筒１００の一部として構成することもできるし、試料室１０２に配置することもできる。
　磁場検出器１１５は、試料室１０２に配置されており、試料室１０２内の磁場を測定することができる。制御器１０５は、磁場検出器１１５が測定した試料室１０２内の磁場を用いて、各コイルの電流値を制御する。
　図３Ａは、対物レンズが浸漬型磁界レンズとして形成されたとき発生する磁場を示す概略図である。第２コイル１１３に電流を流すことにより、ＳＥＭ鏡筒１００と試料１０４との間に浸漬型磁界レンズ１２０が形成される。浸漬型磁界レンズ１２０はレンズ主面が試料１０４近傍にあるので、レンズの短焦点化により試料１０４を高分解能で観察することができる。他方で浸漬型磁界レンズを形成したとき、第２磁極片１１１から試料室１０２内部に強力なレンズ磁場１２１が発生するので、ＦＩＢがレンズ磁場１２１の作用を受ける。したがってこのときＦＩＢによる加工や観察を実施することはできない。
　図３Ｂは、対物レンズが非浸漬型磁界レンズとして形成されたとき発生する磁場を示す概略図である。第１コイル１１２に電流を流すことにより、ＳＥＭ鏡筒１００と試料１０４との間に非浸漬型磁界レンズ１２２が形成される。非浸漬型磁界レンズ１２２はレンズ主面が第１磁極片１１０の端部と第２磁極片１１１の端部との間にあるので、レンズ磁場１２３が第２磁極片１１１によってブロックされる。したがって浸漬型磁界レンズと比較すると、ＦＩＢに対する磁場の影響は小さい。しかし非浸漬型磁界レンズ１２２においても、磁極片の形状や位置関係により試料室１０２内に磁場が漏れる場合がある（漏れ磁場１２４）。この漏れ磁場１２４は、ＦＩＢ像シフトや分解能劣化の要因となる。
　図４は、対物レンズをオフにしたときの残留磁場を示す概略図である。第１コイル１１２に流す電流をオフにすると非浸漬型磁界レンズ１２２はオフになり、さらに第２コイル１１３に流す電流をオフにすると浸漬型磁界レンズ１２０もオフになる。このとき残留磁場１３０が試料室１０２内に残る。残留磁場１３０がＦＩＢの経路またはその近傍に存在すると、イオンビームに対してローレンツ力が作用し、イオンビームの進行方向と磁場の磁束方向に直交する方向にイオンビームが偏向される。
　残留磁場１３０はＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズの使用状況に応じて変化する。したがって、残留磁場１３０による試料１０４表面におけるイオンビームのシフト量は、数ｎｍから数十ｎｍのばらつきを持ち、これがＦＩＢの加工精度を悪化させる要因となる。浸漬型磁界レンズ１２０は第２磁極片１１１に流れる磁束密度が大きいので、非浸漬型磁界レンズ１２２よりも残留磁場が大きい（およそ１ｍＴ以上）。そこで本実施形態１においては、磁界レンズを浸漬型磁界レンズ１２０と非浸漬型磁界レンズ１２２との間で切り替えたとき、第２コイル１１３または第３コイル１１４を用いて、残留磁場１３０の作用を打ち消すことを図る。
　図５は、荷電粒子線装置１０が残留磁場１３０の作用を抑制する手順を説明するフローチャートである。荷電粒子線装置１０は、（ａ）直流電流によって残留磁場１３０の作用を抑制しつつＦＩＢによる加工や観察を実施する第１モードと、（ｂ）交流電流によって残留磁場１３０をできる限り消滅させてからＦＩＢによる加工や観察を実施する第２モードの、２つの動作モードを実施することができる。制御器１０５は、例えば（ａ）磁界レンズを浸漬型磁界レンズ１２０と非浸漬型磁界レンズ１２２との間で切り替えたとき、（ｂ）オペレータが指示したとき、などに本フローチャートを実施することができる。以下図５の各ステップについて説明する。
（図５：ステップＳ５０１）
　制御器１０５は、与えられた指令にしたがって、第１モードと第２モードのいずれを実施するかを判定する。第１モードを実施する場合はステップＳ５０２へ進み、第２モードを実施する場合はステップＳ５０４へ進む。指令は例えば後述するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）を介してオペレータが与えることもできるし、試料１０４のタイプや実施すべき加工・観察の内容に応じてあらかじめ動作モードを規定するとともに、その規定を指令として記憶装置１０７に格納しておき、制御器１０５がこれを読み出すこともできる。その他適当な方法によって指令を与えてもよい。いずれの場合であっても、荷電粒子線装置１０は与えられた指令をいったん記憶装置１０７に格納しておき、制御器１０５がこれを読み出す。
（図５：ステップＳ５０２）
　制御器１０５は、ＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズ（浸漬型磁界レンズ１２０または非浸漬型磁界レンズ１２２）をオフにする。具体的には、磁界レンズを形成しているコイル（第１コイル１１２または第２コイル１１３）の電流をオフにする。
（図５：ステップＳ５０３）
　制御器１０５は、第２コイル１１３または第３コイル１１４に直流電流を流すことにより、残留磁場１３０をオフセットさせる磁場を発生させる。直流電流の向きは、残留磁場１３０の作用を打ち消す磁場を発生させる向きである。直流電流の大きさは、磁場検出器１１５が残留磁場１３０の大きさを測定することにより定めることもできるし、残留磁場１３０によってＦＩＢ観察像の位置がシフトする量に基づき定めることもできる。その他適当な手法により定めてもよい。
（図５：ステップＳ５０３：補足その１）
　第１モードは、残留磁場１３０の影響を打ち消す磁場を発生させるのみであるので、後述する第２モードと比較して、素早く効果を発揮することができる。ただし残留磁場１３０を完全に除去するわけではないので、例えば残留磁場１３０が小さい非浸漬型磁界レンズ１２２の使用後や、ＦＩＢによる加工精度の要求があまり高くない用途（例：粗加工）において、第１モードを用いるのが適しているといえる。
（図５：ステップＳ５０３：補足その２）
　第１コイル１１２を用いて非浸漬型磁界レンズ１２２を形成した後は、第２コイル１１３と第３コイル１１４のいずれか一方または双方を用いて、第１モードを実施することができる。第２コイル１１３を用いて浸漬型磁界レンズ１２０を形成した後は、第３コイル１１４を用いて第１モードを実施することができる。
（図５：ステップＳ５０３：補足その３）
　第１モードは、残留磁場１３０を完全に消滅させるわけではなく、オフセット磁場を発生させている間は残留磁場１３０の作用を抑制できるに過ぎない。したがってＦＩＢを用いる場合、制御器１０５は第１モードを実施しながらＦＩＢによる加工・観察を実施することになる。
（図５：ステップＳ５０４）
　本ステップはステップＳ５０２と同様である。
（図５：ステップＳ５０５）
　制御器１０５は、第２コイル１１３または第３コイル１１４に交流電流を流すことにより、残留磁場１３０をできる限り消滅させる。交流電流の振幅を時間経過にともなって小さくすることにより、磁極片に残留している残留磁場１３０を経時的に減少させ、ゼロに近づけることができる。交流電流の振幅は、あらかじめ適当な値を定めておけばよい。
（図５：ステップＳ５０５：補足）
　第２モードは、交流電流の振幅を経時減少させながら次第に残留磁場１３０を消滅させるので、残留磁場１３０がＦＩＢに対して与える作用が許容範囲内に収まるまで、概ね数秒程度を要する。他方で第２モードは、第１モードよりも消磁効果が高い。したがって第２モードは、ＦＩＢによる加工精度の要求が高い用途や３次元構造解析などを実施する前に、第２モードを用いるのが適しているといえる。
（図５：ステップＳ５０１：補足）
　第１モードと第２モードを組み合わせて使用することもできる。この場合はステップＳ５０１において、その旨の指令を受け取り、制御器１０５は各モードをその指令にしたがって組み合わせて用いる。例えば第２モードによって残留磁場１３０をある程度まで減少させた後、第１モードにより残留磁場１３０をオフセットさせることができる。この場合、第２モードで残る僅かな残留磁場１３０を補正する目的で、第１モードを利用する。これにより、第２モードと同等以上の精度を、より素早く実現することができる。
　図６は、荷電粒子線装置１０に対してオペレータが指示を与えるためのＧＵＩ１４０の例である。制御器１０５は、モニタ１０６上にＧＵＩ１４０を画面表示する。オペレータはＧＵＩ１４０を介して、加工項目ごとに、第１モードと第２モードのいずれを実施するかを指定する。両モードを実施することもできるし、いずれも実施しないこともできる。
　ＧＵＩ１４０は、加工モード欄１４１と動作モード指定欄１４２を有する。加工モード欄１４１は、加工動作の内容を表示している。動作モード指定欄１４２は、加工動作ごとに第１モードと第２モードのいずれを実施するかを指定する欄である。オペレータは例えば、ＦＩＢ加工において精度をあまり必要としない粗加工や、イオンビームをデフォーカスさせて試料表面を取り除く広範囲加工においては、第１モードを選択し、精度を必要とする精密加工や長時間の連続加工においては第２モードあるいは両モードを選択する。
　制御器１０５は、荷電粒子線装置１０の動作をＳＥＭ観察からＦＩＢ加工・観察に切り替えたとき、図５のフローチャートを自動的に実施することにより、ＦＩＢを用いる前に残留磁場１３０の作用を抑制することができる。
＜実施の形態１：まとめ＞
　本実施形態１に係る荷電粒子線装置１０は、直流電流により残留磁場１３０の作用を減少させる第１モードと、交流電流により残留磁場１３０の作用を減少させる第２モードとを実施することができる。これにより、ＦＩＢ鏡筒１０１の用途に応じて第１モードと第２モードを使い分けることができるので、ＦＩＢによる加工・観察の精度と動作効率を両立させることができる。
＜実施の形態２＞
　図７は、本発明の実施形態２に係る荷電粒子線装置１０が備えるＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズの構成図である。本実施形態２に係る荷電粒子線装置１０は、実施形態１とは異なり第３コイル１１４を備えていない。その他構成は実施形態１と同様である。本実施形態２においては、第１モードと第２モードいずれも第２コイル１１３を用いて実施する。第３コイル１１４を用いないので、各モードにおいて第２コイル１１３に流す電流値は実施形態１と異なる場合があるが、動作手順は実施形態１と同様である。
　第２コイル１１３は、磁界レンズを形成する役割と残留磁場を抑制する役割を兼ねるので、３つのコイルのなかで巻数が最も多い。すなわち、第２コイル巻数≧第１コイル巻数≧第３コイル巻数である。磁界レンズを形成するために第１コイル１１２のみを用いる場合は、第２コイル１１３の巻数を第１コイル１１２よりも少なくしてもよい。すなわち、第１コイル巻数≧第２コイル巻数としてもよい。
＜実施の形態３＞
　図８は、本発明の実施形態３に係る荷電粒子線装置１０が備えるＳＥＭ鏡筒１００の対物レンズの構成図である。第１コイル１１２と第２コイル１１３のいずれか一方または両方は、複数のコイルに分割して構成することができる。図８においては、第１コイル１１２と第２コイル１１３ともに２つのコイルに分割した例を示した。
　磁極片から生じる磁場を安定させるためには、磁極片の温度変化を抑制することが重要である。磁極片の温度変化を抑制するためには、コイルの消費電力を一定に保てばよい。コイルの消費電力を一定に保ちつつ磁場を調整するためには、コイルに流れる電流の大きさを一定に保ちつつ電流の向きを変化させればよい。例えば図８において、コイル１１２Ａと１１２Ｂに互いに反対向きの電流を流すことにより、発生する磁場を打ち消すことができる。磁場を発生させるときは、コイル１１２Ａと１１２Ｂに同じ向きの電流を流せばよい。いずれの場合においても電流値を一定に保つことにより、消費電力を一定に保つことができる。
　各分割コイルの巻数は同じであってもよいしそれぞれ異なっていてもよい。巻数が同じであるほうが、電流制御を簡易化できる。コイルとしての性能は、分割コイルの場合も単一コイルの場合も同じである。
＜本発明の変形例について＞
　本発明は、前述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。
　以上の実施形態においては、ＳＥＭ鏡筒１００の残留磁場がＦＩＢに対して影響を及ぼす例を説明した。ＳＥＭ鏡筒１００の残留磁場は、次にＳＥＭ鏡筒１００を用いる際にも影響を及ぼす。したがって、ＦＩＢを用いない場合においても、本発明の手法は有用である。
　以上の実施形態において、制御器１０５は、その機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアを用いて構成することもできるし、その機能を実装したソフトウェアを演算装置が実行することにより構成することもできる。
１０：荷電粒子線装置
１００：ＳＥＭ鏡筒
１０１：ＦＩＢ鏡筒
１０２：試料室
１０３：ＦＩＢ－ＳＥＭ架台
１０４：試料
１０５：制御器
１０６：モニタ
１１０：第１磁極片
１１１：第２磁極片
１１２：第１コイル
１１３：第２コイル
１１４：第３コイル
１１５：磁場検出器
１１６：第３磁極片

Claims (10)

  1. 　試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置であって、
    　前記試料に対して電子ビームを出射する電子ビーム照射部、
    　前記電子ビームを前記試料に対して収束させる対物レンズ、
    　を備え、
    　前記対物レンズは、
    　　第１磁極片、
    　　前記第１磁極片に対して前記電子ビームの経路から離れる側の位置に配置された第２磁極片、
    　　前記第１磁極片と前記第２磁極片との間に配置された第１コイル、
    　　前記第２磁極片に対して前記電子ビームの経路から離れる側の位置に配置された第２コイル、
    　を備え、
    　前記荷電粒子線装置はさらに、
    　　前記第１コイルに流す電流と前記第２コイルに流す電流を制御する制御部、
    　　前記制御部に対する指令を記憶する記憶部、
    　を備え、
    　前記制御部は、前記記憶部が記憶している前記指令にしたがって、
    　　前記第１コイルに流れる電流をオフにした後に前記第２コイルに直流電流を流すことにより、前記第２磁極片に残留している残留磁場の作用を減少させる、第１モード、
    　　前記第１コイルに流れる電流をオフにした後に前記第２コイルに交流電流を流すことにより、前記第２磁極片に残留している残留磁場の作用を減少させる、第２モード、
    　の少なくともいずれかを実施する
    　ことを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記試料に対して集束イオンビームを出射するイオンビーム照射部を備え、
    　前記制御部は、前記第１モードを実施している間に、前記イオンビーム照射部を制御することにより、前記試料に対して前記集束イオンビームを照射して前記試料を加工する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記制御部は、前記第２モードを実施している間に、前記交流電流の振幅を経時減少させることにより、前記第２磁極片に残留している残留磁場を経時減少させる
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記制御部は、前記第１コイルに電流を流すことにより磁界レンズを形成する第１磁界レンズモードと、前記第２コイルに電流を流すことにより磁界レンズを形成する第２磁界レンズモードとを切り替えることができるように構成されており、
    　前記制御部は、動作モードを前記第１磁界レンズモードと前記第２磁界レンズモードとの間で切り替えたとき、前記第１モードと前記第２モードの少なくともいずれかを実施する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  5. 　前記荷電粒子線装置はさらに、
    　　前記試料に対して集束イオンビームを出射するイオンビーム照射部、
    　　前記制御部に対する指示を入力するユーザインターフェース、
    　を備え、
    　前記ユーザインターフェースは、前記集束イオンビームを用いて前記試料を加工する際に前記第１モードと前記第２モードのいずれを実施するかを指定する指定欄を有し、
    　前記制御部は、前記指定欄に対して入力された指定にしたがって、前記集束イオンビームを用いて前記試料を加工する際に前記第１モードと前記第２モードの少なくともいずれかを実施する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  6. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記第２磁極片に対して前記電子ビームの経路から離れる側の位置に配置された第３コイルを備え、
    　前記制御部は、前記記憶部が記憶している前記指令にしたがって、
    　　前記第１コイルに流れる電流と前記第２コイルに流れる電流をオフにした後に前記第３コイルに直流電流を流すことにより、前記第２磁極片に残留している残留磁場の作用を減少させる、第３モード、
    　　前記第１コイルに流れる電流と前記第２コイルに流れる電流をオフにした後に前記第３コイルに交流電流を流すことにより、前記第２磁極片に残留している残留磁場の作用を減少させる、第４モード、
    　の少なくともいずれかを実施する
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記荷電粒子線装置はさらに、前記第２コイルに対して前記電子ビームの経路から離れる側の位置に配置された第３磁極片を備え、
    　前記第２磁極片と前記第３磁極片は、前記第２コイルを取り囲む磁路を形成している
    　ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記第１コイルと前記第２コイルの少なくともいずれかは、複数のコイルによって形成されている
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記第２コイルの巻数は前記第１コイルの巻数以上であり、
    　前記第１コイルの巻数は前記第３コイルの巻数以上である
    　ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記第２コイルの巻数は前記第１コイルの巻数以上である
    　ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
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