CN106104746B - 带电粒子束装置及球面像差校正方法 - Google Patents

带电粒子束装置及球面像差校正方法 Download PDF

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Abstract

构成带电粒子束装置的像差校正器的多极子透镜，通常只能设定一个满足球面像差校正条件和磁饱和这两方面的条件，因此无法对应于多个加速电压。为此，本发明提供一种球面像差校正器，其根据物镜的励磁电流的变更，对构成多极子透镜的多组极子群选择性地进行励磁，从而针对多个像差校正条件满足磁饱和状态。

Description

带电粒子束装置及球面像差校正方法
技术领域
本发明涉及例如具备球面像差校正装置的带电粒子束装置及其球面像差校正方法。
背景技术
近年来，在透射型电子显微镜(TEM：Transmission Electron Microscope)或扫描型透射电子显微镜(STEM：Scanning Transmission Electron Microscope)等带电粒子束装置中出现了具备球面像差校正装置(以下也称为“像差校正器”)的产品类型。像差校正器用于在TEM或STEM中对物镜的球面像差(Cs)进行校正，而物镜的球面像差(Cs)是限制分辨率的主要因素。已知一种像差校正器配置有产生六极子场的两个多极子透镜，并在其间配置两个旋转对称透镜(传递透镜)(例如参照专利文献1)。
像差校正器产生负的Cs来校正物镜的正的Cs。但是，由于像差校正器的非完美性，即构成多极子透镜的各个极子的位置偏移、极子材料的磁特性偏差等，会导致被称为寄生像差的多余像差的产生。所产生的三阶以下的寄生像差是：二次对称一阶像散(A1)、一次对称二阶慧差(B2)、三次对称二阶像散(A2)、二次对称三阶三叶像差(S3)、四次对称三阶像散(A3)。像差校正器的调整除了球面像差Cs的校正之外还必须进行这些寄生像差的校正。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2002－510431号公报
发明内容
发明所要解决的课题
通常，球面像差Cs的校正是通过对多极子透镜的励磁电流进行调整而使六极子场变化来进行的。球面像差(Cs)校正所需的多极子透镜的励磁电流由物镜的焦点距离和球面像差Cs决定。如果物镜的励磁电流恒定，则物镜的焦点距离和球面像差Cs也恒定，因此多极子透镜的励磁电流也是恒定的。
但是，多极子透镜的非完美性具有使电子束偏向的成分。例如当激励多极子透镜的电流等发生微小变化时，就会向电子束施加偏向成分而导致电子束移动。其结果是：在表观上电子束的焦点无法收敛于一点而导致分辨率降低。该多极子透镜的非完美性所引起的偏向成分取决于电流和磁场的关系。
通常，当形成线圈的磁性材料中流通电流时，则磁场会与电流成比例地增大，但是磁性材料会从某一电流值起发生磁饱和，因此即使流通的电流大于该电流值，磁场也因饱和而不会增大。如上所述，在磁性材料发生磁饱和的状态下，磁场相对于电流的变化量会减小。即在多极子透镜发生磁饱和的状态下，激励电流的微小变化所引起的偏向成分，比非磁饱和状态的偏向成分小。因此，为了防止因多极子透镜的偏向成分而导致分辨率降低，希望在极子发生磁饱和的状态下使用多极子透镜。
但是，在物镜的励磁电流大幅改变的情况下，例如是在同一装置中改变加速电压的情况下，物镜的焦点距离和球面像差Cs会大幅改变。虽然为了校正球面像差Cs而需要使多极子透镜的六极子场大幅变化，但是由于极子发生了磁饱和，因此即使增大多极子透镜的励磁电流，所产生的六极子场也不会增大。另外，如果减小多极子透镜的励磁电流，则虽然有时能得到所需的六极子场，但是由于不是磁饱和状态，因此会因多极子透镜的非完美性所引起的偏向成分的影响(即使是励磁电流的微小变化也会引起偏向成分的大小敏感地发生变化而引起电子束大幅移动)而使分辨率降低。即，现有的像差校正器只能满足一个既满足磁饱和状态、又满足球面像差(Cs)校正所需的多极子透镜的励磁电流的条件。
为此，本发明提供一种像差校正器，其具有多个既满足磁饱和状态、又满足球面像差(Cs)校正所需的多极子透镜的励磁电流的条件，从而在励磁电流大幅改变这种对现有发明而言非常困难的情况下也能够校正像差。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，在本发明中根据物镜的励磁电流的变更，对构成多极子透镜的多组极子群选择性地进行励磁，从而提供针对多个像差校正条件满足磁饱和状态的球面像差校正器。
发明效果
根据本发明，能够提供一种球面像差校正器，其具有多个既满足极子为磁饱和状态、又满足Cs校正要求的条件，即使在物镜的励磁电流大幅改变的情况下，也能够进行Cs校正。上述以外的课题、结构和效果通过以下对实施方式的说明可更加明确。
附图说明
图1是表示在实施例1中使用的多极子透镜(十二极子透镜)的结构例的图。
图2是表示构成十二极子透镜的各极子的形状的图。
图3是对构成十二极子透镜的极子的形状和六极子场强度的关系进行说明的图。
图4是对构成十二极子透镜的极子群和六极子场强度的关系进行说明的图。
图5是表示实施例的带电粒子束装置的结构例的图。
具体实施方式
[实施例1]
以下参照附图对本发明的实施例进行具体说明。但是，后述的实施例仅为用于实现本发明的一个例子而不限定本发明的技术范围。另外，在各图中对通用的结构附加了相同的参考编号。并且，虽然在本实施例中作为带电粒子束装置例示了STEM，但是不限于此，例如也可以适用于TEM。
图1是在本实施例中使用的多极子透镜的模式图。图1示出了由十二个极子构成的十二极子透镜的结构。另外，本发明能够适用于具有十二个以上的极子(极子数量为六的倍数)的多极子透镜。
在以下的说明中为了方便起见，将十二个极子区分为：(1)由相对于光轴配置成点对称的六个极子1a～1f构成的极子群1；(2)由同样配置成点对称的另外六个极子2a～2f构成的极子群2来进行说明。在图1的情况下，在构成极子群1的极子1a～1f之间逐个配置构成极子群2的极子2a～2f。
构成极子群1的六个极子1a～1f的形状彼此相同，构成极子群2的六个极子2a～2f的形状也彼此相同。但是，构成极子群1的极子1a～1f的形状和构成极子群2的极子2a～2f的形状既可以彼此相同也可以不同。
在对球面像差Cs进行校正时，利用线圈3对六个极子或十二个极子进行激励而产生六极子场。六极子场是通过对极子1a、1c、1e进行同极性(例如是正极)励磁，并对1b、1d、1f进行逆极性(例如是负极)激励而产生的。同样地对极子2a、2c、2e进行同极性励磁，并对2b、2d、2f进行逆极性激励而产生六极子场。另外，对这两个六极子场进行组合，也能够产生六极子场。因此，在图1所示的多极子透镜上产生六极子场的方法有三种，能够以三种加速电压提供最适当的六极子场。另外，仅对第一极子群和第二极子群的任一方进行励磁，或者对包括第一极子群的全部十二个极子的极子群(第一极子群+第二极子群)进行励磁，也能够提供两种六极子场。
对球面像差Cs进行校正的六极子场的强度，是通过使图1所示的线圈3的励磁发生变化来进行调整的。线圈3的励磁与六极子场的强度大致呈比例关系，但是会由于极子的磁饱和而在一定的励磁以上发生六极子场的强度的饱和。线圈3的励磁、六极子场的强度以及发生磁饱和的励磁值，能够通过极子材料、极子形状等来进行控制。
图2示出了在十二极子透镜内使用的极子的形状例。通过改变极子厚度T、线圈所配合的轴径R的大小，能够控制六极子场的强度、发生磁饱和的励磁。另外，通过改变图1所示的极子前端径D，也能够控制六极子场的强度。
图3是计算变更极子形状时的十二极子透镜的励磁与六极子场强度的关系的结果。在图3中，实线表示基准形状时的曲线，虚线表示减小极子厚度T时的曲线，点线表示减小收纳线圈3的轴径R时的曲线，长点划线表示减小极子前端径D时的曲线。如图2所示，即使极子的形状发生了改变，六极子场的强度也会与励磁的大小大致成比例地增大，并以某个励磁值为边界达到饱和。
例如当极子厚度T减小时(虚线的曲线)，六极子场的强度相对于励磁的斜率会减小，但是开始饱和的励磁大致相同。另外，如果减小收纳线圈3的轴径R(点线的曲线)，则虽然六极子场的强度相对于励磁的斜率不变，但是开始饱和的励磁会减小。另外，如果减小极子前端径D(长点划线的曲线)，则虽然六极子场的强度相对于励磁的斜率会增大，但是开始饱和的励磁大致相同。如上所述，通过改变极子形状，能够控制六极子场的强度。
球面像差Cs校正所需的六极子场的强度由物镜的焦点距离和球面像差Cs决定。物镜的焦点距离和球面像差Cs由物镜的励磁电流决定。在TEM或STEM的情况下，通常物镜的励磁电流以大致恒定的状态使用，因此球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度也大致恒定。例如在球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度是图3的(A)的情况下，对于基准形状而言是在磁饱和的部分满足条件，而对于极子前端径D较小的形状而言则是在线性部分满足条件。
如上所述，在球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度在线性部分满足条件的情况下，即使流过线圈3的电流发生微小变化，六极子场的强度也会大幅改变。多极子透镜由于形状的非完美性等原因，使电子束偏向的磁场会与六极子场叠加，因此对电流敏感的六极子场对偏向成分也会敏感地变化，并使电子束移动而导致分辨率降低。因此，球面像差(Cs)校正优选以前者那种六极子场的强度相对于发生磁饱和的电流不敏感地变化的条件进行。
但是，在物镜的励磁电流大幅改变的情况下，物镜的焦点距离与球面像差Cs会大幅改变，因此球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度也大幅改变。例如在加速电压E改变时，物镜的励磁电流由式(1)表示。
式1
这里，E0 *是施加了相对论校正的原有的加速电压，E1 *是施加了相对论校正的另一个加速电压，I0和I1分别是加速电压E0、E1时的物镜的励磁电流。例如加速电压60kV时的物镜的励磁电流是加速电压200kV时的励磁电流的约0.52倍。如上所述，当加速电压改变时，物镜的励磁电流会大幅改变，因此球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度也大幅改变。
例如在极子形状是基准形状(实线的曲线)的情况下，如果加速电压200kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度是(A)，则如图3所示，由基准形状的极子产生的六极子场在磁饱和的部分上满足条件。与此相对，如果加速电压60kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度是比(A)大的强度，则无法利用基准形状的极子将六极子场的强度提升至强度(A)以上，因此无法满足球面像差(Cs)校正的条件。
反之，如果加速电压60kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场的强度是比(A)小的强度，则虽然基准形状的极子产生的六极子场其大小满足球面像差(Cs)校正的条件，但是由于六极子场的强度相对于励磁的斜率较大(由于使用线性部分的缘故)，多极子透镜的非完美性所引起的偏向成分，即使在电流发生微小变化时也会敏感地变化而使电子束移动，导致分辨率降低。
为此，在本实施例中，使用图1的极子群1(极子1a～1f)进行加速电压200kV的球面像差(Cs)校正，使用极子群2(极子2a～2f)进行加速电压120kV的球面像差(Cs)校正，使用极子群1和极子群2双方进行加速电压60kV的球面像差(Cs)校正。图4分别是使用极子群1(极子1a～1f)、极子群2(极子2a～2f)、极子群1和极子群2双方的情况的励磁和六极子场的强度的计算结果。
在本实施例的情况下，极子群1(极子1a～1f)与极子群2(极子2a～2f)相比，收纳线圈3的轴径R较小。图4的(A)～(C)分别是对加速电压200kV、120kV、60kV的球面像差Cs进行校正所需的六极子场的强度。如上所述，通过改变产生六极子场的极子群或者组合极子群，加速电压200kV、120kV、60kV的球面像差(Cs)校正能够在磁饱和的部分满足条件。
如上所述，通过改变极子前端径D、极子厚度T、和收纳线圈3的轴径R，能够任意地控制所得六极子场的强度。由此，本实施例的十二极子透镜对于全部三个加速电压都能够在保持磁饱和的状态下校正球面像差Cs。另外，如果进一步增加构成多极子透镜的极子的数量，则能够进一步增加能在磁饱和的状态下校正球面像差Cs的加速电压的数量。
图5示出了实装有像差校正器的带电粒子束装置的结构例，该像差校正器能够如上所述进行极子群的选择或组合励磁。另外，图5的带电粒子束装置是扫描型透射电子显微镜(STEM)。图5所示的扫描型透射电子显微镜(STEM)构成为包括：电子束源4、照射透镜6和7、调整透镜8、像差校正器9、转接透镜10、扫描线圈11、物镜12、投影透镜14、暗场像检测器15、控制部16、暗场像观察部17、计算机18。
在图5中，从电子束源4放出的电子束5经照射透镜6、7放大或缩小，在调整透镜8的物面上聚焦，因调整透镜8的透镜作用而向像差校正器9平行入射。电子束5经像差校正器9校正各像差，因转接透镜10的透镜作用而在物镜12的上方聚焦。校正了像差的电子束5经物镜12收束，在试样13上形成微小的探针。通过扫描线圈11利用该探针在试样13上进行扫描，由暗场像检测器15检测从试样13发出的散射波，与探针扫描同步地利用暗场像观察部17将该散射波的强度显示为亮点列而获得试样13的暗场像。投影透镜14对向暗场像检测器15入射的电子束的扩展进行调整。
控制部16利用电流源等独立地控制照射透镜6和7、调整透镜8、转接透镜10、物镜12、投影透镜14的透镜作用，也独立地控制构成像差校正器9的多极子透镜的励磁。计算机18通过向控制部16发送适当的信号来调整各透镜的透镜作用，计算满足像差校正条件的电流值等(公知技术)。并且，计算机18将计算出的满足像差校正条件的电流值等向控制部16发送，对像差校正器9进行调整来校正像差。计算机18具备显示部，操作者能够通过观看显示部来确认装置的状态，并且通过接收来自暗场像观察部17的信号，能够将暗场像显示于计算机18。
参照图5对加速电压200kV、120kV、60kV的实施方式的一个例子进行说明。并且，在图5所示的像差校正器9中安装有图1所示的十二极子透镜。
首先，在加速电压200kV的情况下，由控制部16对十二极子透镜的极子群1进行激励而产生六极子场。此时，控制部16不激励十二极子透镜的极子群2。十二极子透镜的励磁满足加速电压200kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场即图4的(A)。极子群1是否发生了磁饱和，能够通过在使激励极子群1的电流变化时，检测球面像差Cs是否线性地变化来进行判别。能够判断为：在激励电流和球面像差Cs成比例关系的情况下未发生磁饱和，而在球面像差Cs相对于激励电流的变化较小的情况下则发生了磁饱和。球面像差Cs的大小可以通过像差测定而求出。
构成图5所示的像差校正器9的各要素，由控制部16独立地进行调整以满足由计算器18计算出的像差校正条件。图5所示的像差校正器9以外的透镜等各要素，由控制部16独立地进行调整以获得适当的暗场像。
接下来，在加速电压120kV的情况下，由控制部16激励十二极子透镜的极子群2产生六极子场。此时，控制部16不激励十二极子透镜的极子群1。十二极子透镜的励磁满足加速电压120kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场即图4的(B)。极子群2是否发生了磁饱和，与上述的加速电压200kV的情况同样地，能够通过检测激励电流和球面像差Cs是否线性地变化来进行判别。
对构成图5所示的像差校正器9的各要素按照式(1)来进行调整，而最终则是由控制部16独立地进行调整以满足由计算器18计算出的像差校正条件。对于图5所示的像差校正器9以外的透镜等各要素，也同样地按照式(1)进行调整，之后最终则是由控制部16独立地进行调整以获得适当的暗场像。
最后，在加速电压60kV的情况下，由控制部16激励十二极子透镜的极子群1和极子群2双方而分别产生六极子场。十二极子透镜的励磁满足加速电压60kV的球面像差(Cs)校正所需的六极子场即图4的(C)。极子群1和极子群2是否发生了磁饱和，与上述的加速电压200kV的情况同样地，能够通过检测激励电流和球面像差Cs是否线性地变化来进行判别。
如上所述，根据本发明，在加速电压改变等、物镜的励磁电流大幅改变的情况下，也能够通过仅对构成十二极子透镜的两个极子群中需要激励的那一个极子群进行励磁，或者对极子群1和极子群2双方进行励磁，从而以磁饱和状态获得满足多种球面像差(Cs)校正条件的任意强度。
其结果是，能够提供一种像差校正器，其降低了与十二极子透镜的六极子场叠加的偏向成分所导致的分辨率降低的影响。另外，在极子群1和极子群2的极子形状相同的情况下，采用对极子群1和极子群2的其中之一进行励磁的方法、对极子群1和极子群2同时进行励磁的方法即可。
[其它实施例]
虽然在上述实施例中是对将本发明方法适用于扫描型透射电子显微镜中的球面像差校正器进行了说明，但是本发明也适用于透射型电子显微镜。并且，本发明不仅适用于带电粒子是电子的情况，也适用于采用离子等其它带电粒子的装置。
在上述实施例的说明中，作为物镜的励磁电流大幅改变的情况的一个例子，对使加速电压变化的情况进行了说明。但是，物镜的励磁电流也会因变更物镜的极片(磁极片)的形状而大幅变化。因此，在操作者对控制部设定了极片的形状变更的情况下，控制部16能够根据所设定的极片形状来选择进行励磁的某个极子群或其组合，以满足所需的励磁电流。
另外，虽然在上述的实施例中是假设在六极子场的强度饱和的范围内对各极子群进行励磁的情况，但是，即使所产生的六极子场的强度并非完全饱和，也能够以强度的波动范围在容许范围以下的励磁值对各极子群进行励磁。
另外，虽然在上述的实施例中是以十二极子透镜为例进行了说明，但是对于具有六的倍数个的极子的十二极子以上的多极子透镜，也能够适用本发明。例如对于十八极子透镜而言，在三组的六极子群分别能够产生不同强度的六极子场的情况下，能够选择对三组的六极子群分别进行励磁的方法、对三组的六极子群中任意两组的六极子群进行励磁的方法、对三组的六极子群同时进行励磁的方法。如上所述，通过增加极子数能够进一步增加能处理的像差校正条件。
并且如上所述，上述实施例用于使对本发明的说明易于理解，而不必具备所述的全部结构。另外，可以对实施例的结构追加其它结构，或者以其它结构对实施例的部分结构进行置换，或者删除实施例的部分结构。
并且，上述各结构、功能、处理部、处理单元等的部分或全部例如也可以由集成电路或其它硬件实现。另外，上述的各结构、功能等也可以通过处理器对实现各功能的程序进行译码执行而实现。即能够由软件实现各结构等。该情况下，实现各功能的程序、图表、文件等信息能够在存储器、硬盘、SSD(Solid State Drive：固态硬盘)等存储装置、IC卡、SD卡、DVD等存储介质中存储。
符号说明
1a～1f—极子(形状与极子2a～2f不同)；2a～2f—极子(形状与极子1a～1f不同)；3—线圈；4—电子束源；5—电子束；6、7—照射透镜；8—调整透镜；9—像差校正器；10—转接透镜；11—扫描线圈；12—物镜；13—试样；14—投影透镜；15—暗场像检测器；16—控制部；17—暗场像观察部；18—计算机。

Claims (12)

1.一种带电粒子束装置，具有：
带电粒子束源；
带电粒子光学***，其包括物镜以及球面像差校正器，并将从上述带电粒子束源放出的带电粒子作为带电粒子束而向试样照射；以及
控制部，其对包括上述球面像差校正器的上述带电粒子光学***进行控制，
上述带电粒子束装置的特征在于，
上述物镜对上述带电粒子束进行聚焦；
上述球面像差校正器根据上述物镜的励磁电流的变更，对构成多极子透镜的多组极子群选择性地进行励磁，从而针对多个像差校正条件满足磁饱和状态。
2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
上述多个像差校正条件与多个加速电压对应。
3.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
上述多个像差校正条件与上述物镜的多个极片形状对应。
4.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个极子的十二极子透镜，
利用由上述十二个极子中的六个极子构成的第一极子群的激励满足第一像差校正条件，利用由另外六个极子构成的第二极子群的激励满足第二像差校正条件，利用全部十二个极子的励磁满足第三像差校正条件。
5.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个以上的极子的多极子透镜，
利用由上述十二个以上的极子中的六个极子构成的第一极子群的激励满足第一像差校正条件，利用上述六个极子之外的极子群或包含上述六个极子的其它极子群的选择励磁，满足一个或多个其它的像差校正条件。
6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个极子的十二极子透镜，
利用由上述十二个极子中的六个极子构成的第一极子群的激励满足第一像差校正条件，利用由另外六个极子构成的第二极子群的激励满足第二像差校正条件。
7.一种球面像差校正方法，是带电粒子束装置的球面像差校正方法，该带电粒子束装置具有：带电粒子束源；带电粒子光学***，其包括物镜以及球面像差校正器，并将从上述带电粒子束源放出的带电粒子作为带电粒子束而向试样照射；以及控制部，其对包括上述球面像差校正器的上述带电粒子光学***进行控制，
上述球面像差校正方法的特征在于，
上述物镜对上述带电粒子束进行聚焦，
上述球面像差校正器对上述带电粒子光学***的球面像差进行校正，
上述控制部根据上述物镜的励磁电流的变更，对构成多极子透镜的多组极子群选择性地进行励磁，从而针对多个像差校正条件满足磁饱和状态。
8.根据权利要求7所述的球面像差校正方法，其特征在于，
上述控制部与加速电压的变更对应地控制上述球面像差校正器。
9.根据权利要求7所述的球面像差校正方法，其特征在于，
上述控制部与上述物镜的极片形状的变更对应地控制上述球面像差校正器。
10.根据权利要求7所述的球面像差校正方法，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个极子的十二极子透镜，
上述控制部对由上述十二个极子中的六个极子构成的第一极子群进行激励以满足第一像差校正条件，对由另外六个极子构成的第二极子群进行激励以满足第二像差校正条件，对全部十二个极子进行励磁以满足第三像差校正条件。
11.根据权利要求7所述的球面像差校正方法，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个以上的极子的多极子透镜，
上述控制部对由上述十二个以上的极子中的六个极子构成的第一极子群进行激励以满足第一像差校正条件，对上述六个极子之外的极子群或包含上述六个极子的其它极子群进行选择励磁以满足一个或多个其它的像差校正条件。
12.根据权利要求7所述的球面像差校正方法，其特征在于，
上述多极子透镜是具有十二个极子的十二极子透镜，
上述控制部对由上述十二个极子中的六个极子构成的第一极子群进行激励以满足第一像差校正条件，对由另外六个极子构成的第二极子群进行激励以满足第二像差校正条件。
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