WO2019234787A1

WO2019234787A1 - 電子線装置

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Publication number: WO2019234787A1
Application number: PCT/JP2018/021335
Authority: WO
Inventors: 雄山澤
Original assignee: 株式会社日立ハイテクノロジーズ
Priority date: 2018-06-04
Filing date: 2018-06-04
Publication date: 2019-12-12
Also published as: US20210233737A1; DE112018007564T5; CN112236837B; CN112236837A; JPWO2019234787A1; JP7027538B2

Abstract

試料上の所定の入射位置に入射される電子ビームの入射角を変化させる角度走査を行う電子線装置において、補正コイル（３）を対物レンズ（６）のヨーク（磁路）（６１）の間隙部に設けられた場合に、偏向周波数が高くなっても偏向信号に追従して球面収差を補正可能とする。このため、電子光学系を制御する主制御部（１６）は、補正コイルの制御に走査コイルの制御に対する所定の位相変化量（ａ，ｂ）を設定し、所定の位相変化量（ａ，ｂ）は、走査速度の異なる複数の走査モードに応じて異ならせる。

Description

電子線装置

　本発明は、走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡等の電子線装置に係り、特に電子チャネリングパターンの観察に好適な電子線装置に関する。

　走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や透過電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscope）の応用として、観察部のミクロな結晶構造が得られる制限視野電子チャネリングパターン（ＳＡＣＰ：Selected Area Electron Channeling Pattern）法がある。ＳＡＣＰ法では、電子ビームを試料上の一点に固定し、その入射角を変化させる角度走査を行い、電子チャネリングパターン（ＥＣＰ：Electron Channeling Pattern）像を得る。ＥＣＰ像に現れる試料における結晶方位分布から試料の結晶構造、結晶歪を解析することができる。

　ＥＣＰ像を得るために角度走査を行う場合、偏向器により電子ビームを偏向し、対物レンズにより光軸外に偏向された電子ビームを振り戻すことにより、電子ビームの試料への入射角を変化させる。電子ビームが大幅に軸外に外れて対物レンズを通過すると、対物レンズの球面収差により電子ビームが一点に固定されずに照射領域が広がり、鮮明なＥＣＰ像を得ることができない。このため、ＳＡＣＰ法を適用してＥＣＰ像を観察する電子光学系には、この球面収差を補正する補正器が設けられている。

　ＥＣＰ像を得るための電子線装置を開示する先行技術文献として特許文献１、特許文献２が挙げられる。特許文献１は、球面収差を精度よく補正するため、球面収差を補正するダイナミックフォーカスレンズの軸と対物レンズの軸とを軸合わせするものであるが、この軸合わせのため、ダイナミックフォーカスレンズに供給する補正電流の位相を制御することが開示されている。また、特許文献２では、偏向周波数が高くなった場合でも、偏向信号に追従して球面収差を補正するため、偏向器と対物レンズとの間にレンズ手段を設け、その焦点距離を調整する、あるいは対物レンズ内に静電レンズを設け、静電レンズのレンズ作用を調整することにより、球面収差を補正することが開示されている。

特開昭６１－４１４５号公報特開平４－３２１４３号公報

　特許文献２の従来技術として、球面収差を補正する球面収差補正コイルを対物レンズのヨーク（磁極）の間隙部に設ける構成が開示されている。この構成では、対物レンズコイルによって生じる磁路の影響を受けて、球面収差補正コイルが見かけ上、有芯コイルとして作用し、そのインダクタンスが大きくなってしまう。このため、偏向周波数が高くなると、球面収差補正コイルが持つインダクタンスのために球面収差補正コイルの電流波形が偏向信号に追従できず、忠実にレンズ強度を応答させることが困難となり、速い角度走査ができないという問題がある。

　本発明は、球面収差補正コイルを対物レンズのヨーク（磁路）の間隙部に設ける構成において、偏向周波数が高くなった場合でも、偏向信号に追従して球面収差を補正可能とし、鮮明なＥＣＰ像を得ることが可能な電子線装置を提供するものである。

　本発明の一実施態様である電子線装置は、試料上の所定の入射位置に入射される電子ビームの入射角を変化させる角度走査を行い、角度走査の走査速度の異なる複数の走査モードを有する電子線装置であって、電子ビームを偏向する走査コイルと、走査コイルによって光軸外に偏向された電子ビームを振り戻す対物レンズと、対物レンズの磁極の空隙部に配置される補正コイルと、走査コイル、対物レンズ及び補正コイルを含む電子光学系を制御する主制御部とを有し、主制御部は、補正コイルの制御に走査コイルの制御に対する所定の位相変化量を設定し、所定の位相変化量は複数の走査モードに応じて異なる。

　走査モードに好適な位相変化量を設定することで、異なる走査速度においても正確な球面収差補正が可能になる。

　その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

走査コイルと補正コイルの同期制御および補正コイルの応答遅れを表す図である。補正コイルによる制御を説明するための図である。走査コイルの概略構成図である。電子光学系の概略構成図である。対物レンズ及び補正コイルの断面図である。ＥＣＰ像の撮像フローである。補正テーブルである。

　図３に、ＥＣＰ像を得る電子線装置における電子光学系の概略構成図を示す。電子源１から照射された電子ビーム５は集束レンズ２によって集束され、走査コイル４によって偏向される。対物レンズ６は走査コイル４によって光軸外に偏向された電子ビーム５を振り戻して、試料７の表面上を角度走査させるための磁界を形成する。既に述べたように、偏向角が数度から十数度と大幅に軸外に外れると、対物レンズ６の球面収差のために電子ビーム５の照射位置が一点に固定されずに照射領域が拡がり、鮮明なＥＣＰ像が得られない。このため、対物レンズ６の球面収差を補正する補正コイル３が設けられ、補正コイル３が偏向角に応じた励磁量で励磁されることにより、対物レンズ６の球面収差を補正する。

　図４に対物レンズ６と補正コイル３の断面図を示す。対物レンズ６は磁場レンズを形成する磁場を励磁するコイル６２と磁極６１とを含み、補正コイル３は磁極６１の空隙部に配置される。

　電子光学系は鏡体１０に格納され、電子光学系を構成する各光学要素はそれぞれを制御する制御部１１～１５によって制御され、さらに主制御部１６は各制御部１１～１５を制御する。主制御部１６は、各制御部１１～１５を制御して所望の光学条件で試料７に電子ビーム５を照射し、試料７から放出される信号電子を図示しない検出器により検出し、ＥＣＰ像を得る。

　主制御部１６が実行する補正コイル３の制御について説明する。図２Ａにおいて、走査コイル４で偏向された電子ビーム５は対物レンズ６で振り戻されて、理想的には試料面の一点ｆを軸として角度走査される。なお、電子ビーム５は走査コイル４により光軸４０に垂直なＸＹ平面上で偏向される。このため、図２Ｂに示すように、走査コイル４は、電子ビーム５をＸ方向に偏向させる走査コイル４１Ｘ，４２Ｘ及び、電子ビーム５をＹ方向に偏向させる走査コイル４１Ｙ，４２Ｙを有している。電子ビーム５の偏向量は走査コイルに流す電流量に応じて決まる。より具体的には、電子ビーム５のＸ方向の偏向量は走査コイル４１Ｘ，４２Ｘに流すＸ成分の電流量Ｉ_Xに応じて決まり、電子ビーム５のＹ方向の偏向量は走査コイル４１Ｙ，４２Ｙに流すＹ成分の電流量Ｉ_Yに応じて決まる。

　ここで、図２Ａに示すように、電子ビーム５は理想的には試料面の一点ｆを軸として角度走査されるが、実際には球面収差により偏向角θ₀に応じてｆ’にずれる。光軸上のｆ－ｆ’間距離をずれ量ΔＺ_iとすると、ずれ量ΔＺ_iは（式１）で表される。
ΔＺ_i＝Ａ・Ｃ_S・θ₀ ²　・・・（式１）
ここで、Ｃ_Sは対物レンズ６の球面収差係数であり、Ａは比例定数である。

　また、対物レンズ６の磁極の空隙部に配置される補正コイル３に電流Ｉ_corを流したときに、対物レンズ６に生じる焦点変化量ΔＺ_cは（式２）で表される。
ΔＺ_c＝Ｂ・Ｉ_cor　・・・（式２）
ここで、Ｂは比例定数である。

　したがって、ΔＺ_cとΔＺ_iの和がゼロになるようにΔＺ_cを制御すれば、対物レンズ６の球面収差は補正される。走査コイル４に流すＸ成分の電流量Ｉ_X、Ｙ成分の電流量Ｉ_Yとすると、理想的な系において、球面収差を補正するため補正コイル３に流す補正電流Ｉ_corは（式３）で表される。
Ｉ_cor＝Ｃ・Ｃ_s・（Ｉ_X ²＋Ｉ_Y ²）　・・・（式３）
ここで、Ｃは比例定数である。

　走査コイル４と補正コイル３とは同期制御される。図１に補正コイル信号（Ｉ_cor）１０１と走査コイル信号（Ｉ_X，Ｉ_Y）１０２，１０３の波形を示す。取得するＥＣＰ像のピクセル数に依存するが、Ｙ方向の走査コイル信号Ｉ_Yの周期は、Ｘ方向の走査コイル信号Ｉ_Xの周期の１０²～１０³倍程度大きい。このため、図１に示す範囲ではＹ方向の走査コイル信号Ｉ_Yはほぼ一定として表される。このため、（式３）にしたがって補正電流Ｉ_corが制御されると、補正コイル３入口における補正コイル信号１０１０（実線）は、実質的に走査コイル信号（Ｉ_X）１０２に同期して制御される。ここで、既に説明したように、補正コイル３が対物レンズ６の磁極の間隙部に設けられた場合、補正コイル３のインダクタンスが大きくなり、偏向周波数が高くなった場合、補正電流Ｉ_corは走査コイル信号１０２に追従できない。すなわち、補正コイル３出口における補正コイル信号１０１１（点線）は、補正コイル３入口における補正コイル信号１０１０に対して遅延を生じる。このような補正コイル３の補正電流Ｉ_corの応答遅れにより、（式３）では対物レンズ６の球面収差を正確に補正することができない。そこで、Ｉ_corの応答遅れを補正するため、補正コイル３の電流値Ｉ_corを（式４）に示される関数により制御するものとする。
Ｉ_cor＝Ｃ・Ｃ_s・｛(Ｉ_X－ａ)²＋(Ｉ_Y－ｂ)²｝　・・・（式４）
ここで、ａ，ｂは位相変化量である。すなわち、走査速度、図１の例では走査コイル信号１０２の周波数あるいは周期に応じて、位相変化量ａ，ｂを設定することにより、より正確な球面収差補正を行うことが可能になる。

　さらに、特許文献１において、対物レンズ６の軸と補正コイル３の軸とにずれがある場合、（式４）と同じ形式の関数により補正できることが示されている。通常、電子線装置は走査速度の異なる複数の走査モードを有している。そこで、そのうちの１つの走査モードを基準走査モードとして、対物レンズ６の軸と補正コイル３の軸との軸合わせを行う位相変化量ａ’，ｂ’を求め、走査モードに応じて位相変化量を補正する。このとき、補正コイル３の電流値Ｉ_corの関数は（式５）により表される。
Ｉ_cor＝Ｃ・Ｃ_s・[{Ｉ_X－(ａ’＋α_i)} ²＋{Ｉ_Y－(ｂ’＋β_i)} ²]　・・・（式５）
ここで、α_i，β_iは走査モードｉにおける基準走査モードからの位相補正量である。（ａ’＋α_i）、（ｂ’＋β_i）が、各走査モードにおいて、それぞれ（式４）における位相変化量ａ、ｂに相当する。

　関数（式５）に基づくＥＣＰ像撮像フローを図５に示す。まず、電子線装置の光学条件を設定し、補正コイル動作条件の調整を行う（Ｓ０１）。ステップＳ０１における補正コイル動作条件の調整はあらかじめ定められた基準走査モードにおいて行い、位相変化量ａ’，ｂ’を求める。走査モードの変更を行わない場合（Ｓ０２でNO）は、そのままＥＣＰ像の撮像を行い（Ｓ０４）、走査モードの変更を行う場合（Ｓ０２でYES）は、走査モードに応じた位相変化量ａ，ｂの設定を行う（Ｓ０３）。主制御部１６は、図６に示すような補正テーブルを記憶しており、主制御部１６は選択された走査モードに応じ、位相変化量ａ，ｂを自動で算出する。補正テーブル６０１は、走査モードに応じた位相補正量α_i，β_iを保持している。この例では、電子線装置はＮ個の走査モードを有し、ｉが大きいほど、角度走査する走査速度が速いものとする。基準走査モードを走査モードＮとし、走査モードに応じ、基準走査モードの位相変化量からの位相補正量α_i，β_iが保持されている。基準走査モードを走査速度のより速い走査モードＮとすることで、ステップ５０１における調整時間をより短縮することが可能になる。主制御部１６は、ステップＳ０２で走査モードｉが選択された場合、位相変化量をそれぞれａ＝ａ’＋α_i、ｂ＝ｂ’＋β_iとして自動設定する。ステップＳ０３で設定された位相変化量で補正コイルを制御し、ＥＣＰ像の撮像を行う（Ｓ０４）。なお、Ｘ方向、Ｙ方向の位相変化量をそれぞれ走査モードに応じて補正する例について説明したが、図１に示したようにＹ方向の走査コイル信号１０３の周期はＸ方向の走査コイル信号１０２の周期に比べて極めて大きいため、同期制御に与える影響も著しく小さい。このため、ステップＳ０３において、位相変化量をそれぞれａ＝ａ’＋α_i、ｂ＝ｂ’として自動設定してもよい。この場合、補正テーブル６０１のβ欄は不要になる。

１：電子源、２：集束レンズ、３：補正コイル、４：走査コイル、５：電子ビーム、６：対物レンズ、７：試料、１１：電子源制御部、１２：集束レンズ制御部、１３：走査コイル制御部、１４：対物レンズ制御部、１５：補正コイル制御部、１６：主制御部。

Claims

　試料上の所定の入射位置に入射される電子ビームの入射角を変化させる角度走査を行い、前記角度走査の走査速度の異なる複数の走査モードを有する電子線装置であって、
　電子ビームを偏向する走査コイルと、
　前記走査コイルによって光軸外に偏向された電子ビームを振り戻す対物レンズと、
　前記対物レンズの磁極の空隙部に配置される補正コイルと、
　前記走査コイル、前記対物レンズ及び前記補正コイルを含む電子光学系を制御する主制御部とを有し、
　前記主制御部は、前記補正コイルの制御に前記走査コイルの制御に対する所定の位相変化量を設定し、前記所定の位相変化量は前記複数の走査モードに応じて異なる電子線装置。
　請求項１において、
　前記補正コイルにより、前記対物レンズで発生する球面収差を補正する電子線装置。
　請求項１において、
　前記複数の走査モードは、基準走査モードを含み、
　前記主制御部は、前記複数の走査モードにおける位相変化量と前記基準走査モードにおける位相変化量との差である位相補正量を記憶している電子線装置。
　請求項３において、
　前記主制御部は、前記複数の走査モードの一つである第１の走査モードにおける位相変化量を、前記基準走査モードにおいて設定された位相変化量を前記第１の走査モードの前記位相補正量により補正することにより、設定する電子線装置。
　請求項４において、
　前記基準走査モードにおいて前記対物レンズと前記補正コイルとの軸合わせがなされるよう、前記基準走査モードの位相変化量が設定される電子線装置。
　請求項５において、
　前記基準走査モードの走査速度は、前記第１の走査モードの走査速度よりも速い電子線装置。
　請求項１において、
　前記走査コイルは電子ビームをＸ方向に偏向させる第１の走査コイルと電子ビームをＹ方向に偏向させる第２の走査コイルとを有し、前記第１の走査コイルは第１の走査コイル信号Ｉ_X、前記第２の走査コイルは第２の走査コイル信号Ｉ_Yにより制御され、
　前記補正コイルは、補正コイル信号Ｉ_corにより制御され、
　前記所定の位相変化量をａ、ｂとすると、
　前記主制御部は、補正コイル信号Ｉ_corの制御量を、前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_sと｛(Ｉ_X－ａ)²＋(Ｉ_Y－ｂ)²｝との積の関数とする電子線装置。
　請求項７において、
　前記複数の走査モードは、基準走査モードを含み、
　前記基準走査モードにおける位相変化量をａ’、ｂ’とし、前記複数の走査モードの一つである第１の走査モードにおける位相変化量と前記基準走査モードにおける位相変化量との差である位相補正量をα_i、β_iとすると、
　前記主制御部は、前記第１の走査モードにおける補正コイル信号Ｉ_corの制御量を、前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_sと[{Ｉ_X－(ａ’＋α_i)} ²＋{Ｉ_Y－(ｂ’＋β_i)} ²]との積の関数とする電子線装置。
　請求項８において、
　前記主制御部は、前記α_i及び前記β_iを記憶している電子線装置。
　請求項７において、
　前記複数の走査モードは、基準走査モードを含み、
　前記基準走査モードにおける位相補正量をａ’、ｂ’とし、前記複数の走査モードの一つである第１の走査モードにおける位相変化量と前記基準走査モードにおける位相変化量との差である位相補正量をα_i、β_iとすると、
　前記主制御部は、前記複数の走査モードの一つである第１の走査モードにおける補正コイル信号Ｉ_corの制御量を、前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_sと[{Ｉ_X－(ａ’＋α_i)} ²＋(Ｉ_Y－ｂ’) ²]との積の関数とする電子線装置。
　請求項１０において、
　前記主制御部は、前記α_iを記憶している電子線装置。
　請求項８または請求項１０において、
　前記基準走査モードにおいて、前記主制御部が補正コイル信号Ｉ_corの制御量を、前記対物レンズの球面収差係数Ｃ_sと{(Ｉ_X－ａ’) ²＋(Ｉ_Y－ｂ’) ²}との積の前記関数で制御することにより、前記対物レンズと前記補正コイルとの軸合わせがなされる電子線装置。