WO2020230285A1

WO2020230285A1 - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: WO2020230285A1
Application number: PCT/JP2019/019234
Authority: WO
Inventors: 俊一本村; 恒典野間口
Original assignee: 株式会社日立ハイテク
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-11-19
Also published as: JP7124216B2; JPWO2020230285A1; US11798776B2; US20220238296A1

Abstract

球面収差補正効果を安定して得ることができる荷電粒子線装置を提供する。荷電粒子線装置は、荷電粒子線源101と対物レンズ105との間の光軸上に配置される荷電粒子線絞り121及び電極122と、荷電粒子線絞り121と電極122との間に電圧を印加する電源108とを有し、電源の印加する電圧は、電極が荷電粒子線絞りに対して、荷電粒子線の電荷の逆極性となる電圧であり、電極122は円環開孔205を備え、荷電粒子線絞り121は、光軸に沿った方向Ｚからみて、電極122の円環開孔205と重なる位置に配置される複数の開孔201を備える。

Description

荷電粒子線装置

　本発明は、荷電粒子線装置に関する。

　走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ：Scanning Transmission Electron Microscope）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）は、ナノレベルの観察・分析ができる装置として、半導体分野や材料分野、医療分野など様々な分野で必須のツールとなっている。そして、微細化が進む半導体分野を筆頭に、様々な分野で、さらなる像分解能の向上や加工精度の向上が求められている。

　特許文献１には、円形開孔の電極と円環開孔の電極とを組み合わせ、この２つの電極の間に電圧を印加することで球面収差補正効果を得られることが示されている。特許文献２には、軸上に配置される第１の導電素子と第１の導電素子を中心にして回転対称的に配置された第２の導電素子の間に電圧を印加される収差補正ユニットと収差補正ユニットの前段または後段に環状開口部を設けた収差補正装置が示されている。この収差補正装置は、環状開口部または収差補正ユニットそれ自体により成形された環状ビームを収差補正ユニットに通すことにより球面収差補正効果を得る。

国際公開第２０１６／１７４８９１号特開２０１６－４６２６３号公報

　特許文献１の収差補正装置における円環開孔の電極も、特許文献２の収差補正装置における環状開口部または収差補正ユニットも、円環ビームを成形するための軸上の遮蔽部と軸外の遮蔽部の双方を有する。これらに対して荷電粒子線が照射されると、軸上の遮蔽部と軸外の遮蔽部に照射される荷電粒子線量が異なることにより、軸上の遮蔽部と軸外の遮蔽部との間に表面電位差が生じる。このため、荷電粒子線が円環開孔を通過する際に意図しない偏向作用を受けてしまい、所望の性能が得られない。

　本発明の一実施の態様である荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、荷電粒子線を試料に集束する対物レンズと、荷電粒子線源と対物レンズとの間の光軸上に配置される荷電粒子線絞り及び電極と、荷電粒子線絞りと電極との間に電圧を印加する電源とを有し、電源の印加する電圧は、電極が荷電粒子線絞りに対して、荷電粒子線の電荷の逆極性となる電圧であり、電極は円環開孔を備え、荷電粒子線絞りは、光軸に沿った方向からみて、電極の円環開孔と重なる位置に配置される複数の開孔を備える。

　また、本発明の他の一実施の態様である荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、荷電粒子線を試料に集束する対物レンズと、荷電粒子線源と対物レンズとの間の光軸上に配置される荷電粒子線絞り及び軸上電極と、軸上電極を取り囲むように設けられた軸外電極と、軸上電極と軸外電極との間に電圧を印加する電源とを有し、電源の印加する電圧は、軸上電極が軸外電極に対して、荷電粒子線の電荷の逆極性となる電圧であり、荷電粒子線絞りは、光軸に沿った方向からみて、軸上電極と軸外電極との間の間隙と重なる位置に配置される複数の開孔を備える。

　球面収差補正効果を安定して得ることができる荷電粒子線装置を提供できる。

　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。

実施例１における荷電粒子線装置の概略図である。荷電粒子線絞り及び電極の開孔形状および配置の例である。荷電粒子線絞り及び電極の開孔形状および配置の例である。荷電粒子線絞り及び電極の開孔形状および配置の例である。荷電粒子線絞り及び電極の開孔形状および配置の例である。収差補正ユニットとホルダーの例である。収差補正ユニットとホルダーの例である。実施例２における荷電粒子線装置の概略図である。実施例３における荷電粒子線装置の概略図である。荷電粒子線絞りと軸上電極及び軸外電極との概略図である。

　本発明の新規な特徴と効果について図面を使用して説明する。ただし、本実施の形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

　図１に実施例１に係る荷電粒子線装置の概略を示す。荷電粒子線装置はその主要部に、荷電粒子線を発生する荷電粒子線源101と、荷電粒子線源101から放出された荷電粒子線を加速する加速電極102と、荷電粒子線源101から放出された荷電粒子線を集束する第１、第２のコンデンサーレンズ103, 104と、荷電粒子線を試料に集束する対物レンズ105と、試料114を配置する試料室115と、試料から放出された二次荷電粒子を検出する検出器116とを有している。

　また、第１のコンデンサーレンズ103と第２のコンデンサーレンズ104との間の光軸上には、複数の開孔が円周上に配置され、荷電粒子線源101から放出される荷電粒子の一部を遮蔽する荷電粒子線絞り121と、円環形状を有する電極122とが配置されている。荷電粒子線絞り121及び電極122は、絶縁材123により互いに電気的に絶縁された状態でホルダー120に保持されている。電源108により荷電粒子線絞り121と電極122との間には所定の電圧が印加可能とされる。

　これらの荷電粒子光学系の各構成要素を制御する制御器として、荷電粒子線源101を制御する荷電粒子線源制御器151と、加速電極102を制御する加速電極制御器152と、第１、第２のコンデンサーレンズ103, 104を制御する第１、第２のコンデンサーレンズ制御器153, 154と、対物レンズ105を制御する対物レンズ制御器155と、電源108を制御する電源制御器158とを有し、また検出器116を制御する検出器制御器156を有する。これらの制御器は、荷電粒子線装置全体の動作の制御および荷電粒子線像の構築を行う統合コンピュータ170により制御される。統合コンピュータ170はコントローラ（キーボード、マウスなど）171、ディスプレイ172と接続されており、オペレータはコントローラ171から照射条件や荷電粒子線絞りの電圧条件や位置条件といった各種指示等を入力し、ディスプレイ172に取得した像や制御画面を表示させることができる。なお、図１に示した荷電粒子線装置の構成要素は一部であって、例えば荷電粒子線を走査、シフトするための偏向系など、荷電粒子線装置として必要な構成を備えていることは言うまでもない。

　また、図１の例では、２つのコンデンサーレンズ103, 104を備えているが、対物レンズ105に入射する荷電粒子をコントロールする目的においてコンデンサーレンズの数は問わない。対物レンズ105は、磁路の外に磁場を漏らさないタイプのレンズを備えているが、磁路の外に磁場を漏らすタイプのレンズでもよいし、磁場を漏らすタイプと漏らさないタイプの両方を備える複合対物レンズでもよい。また、コンデンサーレンズ103, 104および対物レンズ105は、前述した目的において、静電レンズでもよく、ブースター光学系やリターディング光学系などのように磁場レンズと静電レンズを併用する対物レンズでもよく、試料114に荷電粒子線を集束する目的においてレンズのタイプは問わない。また、二次荷電粒子を検出する検出器は、試料室115内に配置されてもよいし、荷電粒子光学系が収容されるカラム内に配置されてもよい。二次荷電粒子を検出する目的において、その数と配置場所は問わない。なお、複数の荷電粒子線カラムを備えていてもよい。

　実施例１においては、荷電粒子線絞り121及び電極122との間に印加する電圧は、荷電粒子線が、円環形状を有する電極122の開孔を通過する際に、発散作用を受ける電圧とする。すなわち、荷電粒子線が負極性の電荷を有する電子線の場合、電極122が荷電粒子線絞り121に対して正電圧となるように電圧を印加する。一方、荷電粒子線が正極性の電荷をもつ荷電粒子線の場合には、電極122が荷電粒子線絞り121に対して負電圧となるように電圧を印加する。その限りにおいて、荷電粒子線絞り121及び電極122との間に電圧を印加する方法について限定されない。図１に示したように、荷電粒子線絞り121に電源108を接続して電極122を基準電位（ＧＮＤ）としてもよく、電極122に電源108を接続して荷電粒子線絞り121を基準電位（ＧＮＤ）としてもよく、荷電粒子線絞り121及び電極122の双方に電源を接続してもよい。

　次に、荷電粒子線絞り121及び電極122の開孔形状および配置の一例を示す。図２Ａは斜視図であり、図２Ｂは図２Ａの光軸に沿った方向Ｚからみた平面図である。荷電粒子線絞り121aには、複数の円形開孔201a～dが円周上に配置されている。電極122aは、軸上電極部202と、リング状の軸外電極部203と、軸上電極部202を軸外電極部203により保持するための梁204a～dを有する。荷電粒子線絞り121aと電極122aとの間には電源108により所定の電圧が印加されるようになっている。また、図２Ｂに示されるように、荷電粒子線絞り121aの複数の円形開孔201a～dは、電極122aの軸上電極部202と軸外電極部とにより形成される円環開孔205と重なる位置に配置されている。

　これにより、従来技術のように電極122aに荷電粒子線が直接照射されることによって生じる、軸上電極部202と軸外電極部203との表面電位差の影響をなくすことができる。また、電極122aの円環開孔には、荷電粒子線絞り121aの各円形開孔201を通過した荷電粒子線が照射されることとなり、各円形開孔201を通過する荷電粒子線量はおおむね同じであることから、安定した球面収差補正効果を得ることができる。なお、荷電粒子線絞り121aには荷電粒子線が直接照射されることにより、円形開孔の周囲に表面電位差は生じ得るものの、開孔に対して絞りを構成する導電体部分が広くとられているため、軸上電極部202と軸外電極部203とが梁204のみでつながっている電極122aと比較して、荷電粒子線絞り121aの表面電位差の緩和は容易であり、通過する荷電粒子線に対して偏向作用を与えることはない。

　ただし、荷電粒子線絞り121及び電極122を通過した荷電粒子線を電子レンズによって１点に集束させたときの荷電粒子線に異方性が生じないように荷電粒子線絞り121aの開孔を設ける必要がある。

　図２Ａ，Ｂに示した例では、複数の円形開孔201a～dは、それらの中心が円周Ｃ上に載っているとともに、直交する２つの軸に対して線対称となるように配置されている。ここで、円周Ｃの中心Ｏは光軸に沿った方向Ｚからみて電極122の円環開孔205の中心と重なるよう配置され、荷電粒子線装置において円周Ｃの中心Ｏ及び円環開孔205の中心は光軸上に配置される。

　円周Ｃの大きさは少なくとも円環開孔205と重なるような大きさである。また、複数の円形開孔201a～dは同じ大きさであって、円形開孔201の直径は円環開孔205の幅（軸外電極部203の開孔部の半径と軸上電極部202の半径との差）以下とされている。さらに、荷電粒子線絞り121と電極122とを重ね合わせた場合に、円形開孔201a～dと梁204a～dとが重ならないように重ね合わせている。

　ただし、本実施例は図２Ａ、Ｂに示した形状や配置に限定されるものではなく、軸上電極部202と軸外電極部203との表面電位差の影響を抑え、荷電粒子線絞り121に起因する荷電粒子線の異方性が許容範囲に抑えられる限りで多様な変形例が認められる。

　例えば、荷電粒子線絞り121に設けられる円形開孔は、その数が多いほど試料上で集束される荷電粒子線に異方性が生じにくい。図３は円形開孔を１２個円周上に配置した例である。荷電粒子線絞り121に円形開孔を設ける場合は、２ｋ個（ただし、ｋは整数）の円形開孔をすべて同じ大きさとし、荷電粒子線絞り121の中心と隣接する円形開孔の中心とを結ぶ線が（180／ｋ）°となるように配置するとよい。図３はｋ＝６とした場合に相当する。

　さらに、荷電粒子線絞り121に設けられる開孔形状は円形には限られない。長円形、楕円形や図４に示すように湾曲した長円形であってもよい。開孔形状は荷電粒子線絞り121の径に対して線対称な形状かつ、すべて同じ大きさとして２ｋ個（ただし、ｋは整数）配置するものとし、隣接する開孔の対称軸同士がなす角が（180／ｋ）°となるようすればよい。なお、開孔形状は円形でない場合は各開孔の重心が円周Ｃ上に載るようにする。図４はｋ＝２とした場合に相当する。

　なお、図１の荷電粒子線装置では、ホルダー120が１組の荷電粒子線絞り121及び電極122を搭載している例を示しているが、ホルダー120に複数組の荷電粒子線絞り121及び電極122を搭載し、切り替え可能としてもよい。図５Ａに、収差補正ユニット501aおよび収差補正ユニット501bを支持するホルダー120の例を示す。収差補正ユニット501は、荷電粒子線絞り121及び電極122の組み合わせを有し、ユニット単位でホルダー120に着脱可能とされている。ユニット単位での交換を可能とすることで、収差補正ユニットが汚染された際の交換や、異なる収差補正ユニットを搭載している場合には、ユーザーの希望に応じた収差補正ユニットの交換が容易に行える。例えば、図５Ａの例では、２つの収差補正ユニット501で荷電粒子線絞りの開孔形状が異なっている。

　図５Ｂを用いて収差補正ユニット501の構造を説明する。ホルダー120は導電体であり、荷電粒子線絞り121aと電極122aとの間に電圧を印加するため、ホルダー120と荷電粒子線絞り121aと絶縁性の円筒形状を有するユニットケース502により、荷電粒子線絞り121aと電極122aとは絶縁リング507により、電気的に絶縁されている。ここで、ユニットケース502及び絶縁リング507といった絶縁材は、荷電粒子線の経路から見えないようにすることが望ましい。そこで、図５Ｂの断面図に示されるように、ユニットケース502に、下（試料側）から順に下段スペーサ504、電極122、中段スペーサ505、絶縁リング507、上段スペーサ506、荷電粒子線絞り121が収められ、押さえネジ503によってホルダー120の開口部に固定される。下段スペーサ504、中段スペーサ505、上段スペーサ506はいずれも導電体である。このように荷電粒子線絞り121と電極122との間には、内径の小さい上段スペーサ506と内径の大きい中段スペーサ505が絶縁リング507を介して配置され、上段スペーサ506の内壁によって絶縁リング507は光軸からは見えなくされている。

　図６に実施例２に係る荷電粒子線装置の概略を示す。実施例２における荷電粒子線装置は、加速電極102から対物レンズ105の下端近傍にかけて配置されたビーム管112と、ビーム管に電圧を印加するビーム管電源113と、ビーム管電源113を制御するビーム管電源制御器159とを備える点において実施例１と異なる。それ以外の装置構成は、実施例１の装置構成と同じである。ただし、図６の構成では、電極122がビーム管112と電気的に接続され、荷電粒子線絞り121に電源108から電圧が印加される構成となっているが、荷電粒子線絞り121がビーム管と電気的に接続され、電極122に電源108から電圧が印加される構成でも構わないし、荷電粒子線絞り121及び電極122ともに、ビーム管112と異なる電圧を印加するようにしてもよい。

　また、図６の例では、ビーム管電源113およびビーム管電源制御器159は１つだけ示されているが、ビーム管が途中で分割され、互いに電気的に絶縁されている場合には、分割されたビーム管に応じて、複数のビーム管電源およびビーム管電源制御器を備える構成とすることができる。

　図７に実施例３に係る荷電粒子線装置の概略を示す。実施例３における荷電粒子線装置は、電極122に代えて、軸上電極124、軸外電極125、軸上電極124に電圧を印加する軸上電極電源130、及び軸上電極電源130を制御する軸上電極電源制御器160を備える点において実施例２と異なる。それ以外の装置構成は、実施例２における装置構成と同じである。ただし、図７の構成では、荷電粒子線絞り121及び軸外電極125がビーム管112と電気的に接続されており、軸上電極124に対して軸上電極電源130から電圧を印加する構成となっているが、荷電粒子線絞り121と軸上電極124と軸外電極125のそれぞれに、ビーム管112と異なる電圧を印加できる構成としてもよい。

　図８に、荷電粒子線絞り121、軸上電極124及び軸外電極125の概略図を示す。円柱状の軸上電極124を取り囲むように円筒状の軸外電極125が配置され、軸上電極124及び軸外電極125は、荷電粒子線絞り121よりも試料側に配置されている。なお、図８の例では軸上電極の形状は円柱状であるが、電極が発生させる電場が、荷電粒子線の光軸に垂直方向であれば、その形状は問わない。荷電粒子線絞り121に形成される開孔形状と配置、荷電粒子線絞り121と軸上電極124及び軸外電極125との配置に関しても実施例１と同様である。実施例１における電極122の円環開孔205を軸上電極124と軸外電極125との間の間隙として読み替えればよい。また、荷電粒子線絞り121の複数の開孔の重心が配置される円周の中心は光軸に沿った方向Ｚからみて軸上電極124の中心軸と重なるよう配置される。

　なお、軸上電極124に印加する電圧は、荷電粒子線が軸上電極124の近傍を通過する際に、軸外に発散作用を受ける電圧とする。すなわち、荷電粒子線が負の電荷をもつ電子線の場合は軸外電極125に対して正電圧となるように電圧を印加する。一方、荷電粒子線が正の電荷をもつ荷電粒子線の場合には、軸外電極125に対して負電圧となるように電圧を印加する。

101：荷電粒子線源、102：加速電極、103：第１のコンデンサーレンズ、104：第２のコンデンサーレンズ、105：対物レンズ、108：電源、112：ビーム管、113：ビーム管電源、114：試料、115：試料室、116：検出器、120：ホルダー、121：荷電粒子線絞り、122：電極、123：絶縁材、124：軸上電極、125：軸外電極、130：軸上電極電源、151：荷電粒子線源制御器、152：加速電極制御器、153：第１のコンデンサーレンズ制御器、154：第２のコンデンサーレンズ制御器、155：対物レンズ制御器、156：検出器制御器、158：電源制御器、159：ビーム管電源制御器、160：軸上電極電源制御器、170：統合コンピュータ、171：コントローラ、172：ディスプレイ、201：円形開孔、202：軸上電極部、203：軸外電極部、204：梁、205：円環開孔、501：収差補正ユニット、502：ユニットケース、503：押さえネジ、504：下段スペーサ、505：中段スペーサ、506：上段スペーサ、507：絶縁リング。

Claims

　荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
　前記荷電粒子線を試料に集束する対物レンズと、
　前記荷電粒子線源と前記対物レンズとの間の光軸上に配置される荷電粒子線絞り及び電極と、
　前記荷電粒子線絞りと前記電極との間に電圧を印加する電源とを有し、
　前記電源の印加する電圧は、前記電極が前記荷電粒子線絞りに対して、前記荷電粒子線の極性の逆極性となる電圧であり、
　前記電極は円環開孔を備え、
　前記荷電粒子線絞りは、前記光軸に沿った方向からみて、前記電極の前記円環開孔と重なる位置に配置される複数の開孔を備える荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記電極は、前記光軸上に位置する軸上電極部と、リング状の軸外電極部と、前記軸上電極部を前記軸外電極部により保持する複数の梁とを有する荷電粒子線装置。
　請求項２において、
　前記荷電粒子線絞りの前記複数の開孔の重心は円周上に配置され、
　前記光軸に沿った方向からみて、前記円周の中心は前記電極の前記円環開孔の中心と重なり、かつ前記円周は前記電極の前記円環開孔と重なる大きさである荷電粒子線装置。
　請求項３において、
　前記複数の開孔は同じ大きさの円形開孔である荷電粒子線装置。
　請求項４において、
　前記円形開孔の径は前記円環開孔の幅以下である荷電粒子線装置。
　請求項４において、
　前記荷電粒子線絞りに２ｋ個（ｋは整数）の前記円形開孔が設けられ、前記円周の中心と隣接する前記円形開孔の中心とを結ぶ線のなす角が（１８０／ｋ）°である荷電粒子線装置。
　請求項３において、
　前記複数の開孔は同じ大きさであって、前記円周の径に対して線対称な形状を有する開孔である荷電粒子線装置。
　請求項７において、
　前記荷電粒子線絞りに２ｋ個（ｋは整数）の前記開孔が設けられ、隣接する前記開孔の対称軸のなす角が（１８０／ｋ）°である荷電粒子線装置。
　請求項２において、
　前記荷電粒子線絞りの前記複数の開孔は、前記光軸に沿った方向からみて、前記電極の前記複数の梁と重ならない位置に配置される荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記荷電粒子線絞り及び前記電極を保持するホルダーを有し、
　前記荷電粒子線絞り及び前記電極は、前記荷電粒子線絞りと前記電極とを電気的に絶縁する絶縁材を介して前記ホルダーに保持される荷電粒子線装置。
　請求項１０において、
　前記ホルダーは、前記荷電粒子線絞り及び前記電極の組み合わせを含む収差補正ユニットを１以上保持する荷電粒子線装置。
　請求項１１において、
　前記収差補正ユニットは、前記収差補正ユニット単位で前記ホルダーへの着脱が可能である荷電粒子線装置。
　荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
　前記荷電粒子線を試料に集束する対物レンズと、
　前記荷電粒子線源と前記対物レンズとの間の光軸上に配置される荷電粒子線絞り及び軸上電極と、
　前記軸上電極を取り囲むように設けられた軸外電極と、
　前記軸上電極と前記軸外電極との間に電圧を印加する電源とを有し、
　前記電源の印加する電圧は、前記軸上電極が前記軸外電極に対して、前記荷電粒子線の極性の逆極性となる電圧であり、
　前記荷電粒子線絞りは、前記光軸に沿った方向からみて、前記軸上電極と前記軸外電極との間の間隙と重なる位置に配置される複数の開孔を備える荷電粒子線装置。
　請求項１３において、
　前記軸上電極は円柱状であり、前記軸外電極は円筒状である荷電粒子線装置。
　請求項１３において、
　前記荷電粒子線絞りの前記複数の開孔の重心は円周上に配置され、
　前記光軸に沿った方向からみて、前記円周の中心は前記軸上電極の中心軸と重なり、かつ前記円周は、前記軸上電極と前記軸外電極との間の間隙と重なる大きさである荷電粒子線装置。