CN110088872A

CN110088872A - 像差校正器以及电子显微镜

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Publication number: CN110088872A
Application number: CN201680091739.5A
Authority: CN
Inventors: 中野朝则
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2019-08-02
Anticipated expiration: 2036-12-27
Also published as: JP6666629B2; CN110088872B; WO2018122953A1; DE112016007436T5; DE112016007436B4; US20200152414A1; JPWO2018122953A1; US11069505B2

Abstract

为了提供像差校正范围宽且容易控制并能够实现高精度的像差校正并且低成本的像差校正器，在使电子射线经过中心轴(201)的像差校正器中，具备：第一电流线群(101‑112)，在从中心轴起相隔R1的位置处与光轴平行地配置，激励第一多极场；以及第二电流线群(21‑32)，在从中心轴起相隔R2的位置处与光轴平行地配置，独立地激励阶数及强度与所述第一多极场不同的第二多极场。

Description

像差校正器以及电子显微镜

技术领域

本发明涉及像差校正器以及电子显微镜。

背景技术

在扫描电子显微镜(以下称为SEM)、扫描透射电子显微镜(以下称为STEM)等电子显微镜中，为了提高分辨率而导入有像差校正器。像差校正器由设置成多个层级的多极透镜构成，作为通过产生电场或者磁场而将多个多极场合并起来的多极透镜，去除在内部经过的电子射线中包含的像差。在专利文献1中，公开了使用多极的像差校正器。在专利文献1中成为如下结构：朝向中心轴放射状地配置由金属形成的楔形的多个极，并分别施加电场或者磁场，从而产生多极场。在专利文献2以及专利文献3中，公开了代替楔形的多极而直接使用来自电流线的磁场来产生多极场的技术。在此使用楔形的极的绕组。在楔形、绕组型的任一个像差校正器中都要求机械性地高的位置精度。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2004-24119号公报

专利文献2：日本特开2009-054581号公报

专利文献3：日本特开2009-81138号公报

发明内容

专利文献1记载的像差校正器由多个部件构成，并且极前端需要满足高的位置精度，所以存在大规模生产困难、花费制作时间和成本的课题。因此，发明人等着眼于认为能够低成本地进行像差校正的绕组型的像差校正技术而进行了研究。

例如在专利文献2中提出了可实现低成本化的绕组型的像差校正器。在此，将1根电流线作为1极或者将多根同一电流线捆成束作为1极而形成多极，但由于电流线的位置和直径所致的空间上的限制、以及卷绕中心轴的电流线群是单层且考虑到能够对电流线施加的电流的上限，在多极场的强度中产生界限，担心可应用的条件的范围变窄。在多极场中，重叠4极场、6极场等多个场来进行激励。此时，根据多极场，所需的电流量、灵敏度不同，但施加它的电源是相同的。电源根据需要最大强度的状况来决定最大电流，根据灵敏度最高的情形来决定变化幅度的最小值，所以认为需要满足控制精度严格的规格。

在专利文献3中，公开了将从中心轴起处于一定距离的四边形的布线作为1极而形成多极场的结构。为了提高多极场强度，将1极在圆周方向(θ方向)上进行扩展，并在1极内将布线卷绕多次，但由于极彼此重叠，所以从中心轴至极为止的距离在不同的极彼此中并非恒定，有可能发生不必要的像差而性能降低。而且，在专利文献3的结构中，1极按照四边形而二维地扩展，所以担心难以实现位置精度、从四边形布线的上下的电流线在上下方向上产生不必要的泄漏磁场等。

本发明的目的在于提供一种像差校正范围宽、且容易控制并能够实现高精度的像差校正并且低成本的像差校正器以及电子显微镜。

作为用于达到上述目的的一个实施方式，提供一种像差校正器，其特征在于，具备：

开口，使电子射线经过中心轴；

第一电流线群，在从所述中心轴起以第一半径相隔的位置处与光轴平行地配置，激励第一多极场；以及

第二电流线群，在从所述中心轴起以长度比所述第一半径大的第二半径相隔的位置处与光轴平行地配置，独立地激励阶数及强度与所述第一多极场不同的第二多极场。

另外，作为其它方式，提供一种电子显微镜，具备：

电子源；

像差校正器，校正从电子源释放的电子射线的像差；以及

电子光学***，用于将所述电子射线照射到试样，

所述电子显微镜的特征在于，

所述像差校正器具备：

开口，使所述电子射线经过中心轴；

根据本发明，能够提供像差校正范围宽、且容易控制并能够实现高精度的像差校正并且低成本的像差校正器以及电子显微镜。

附图说明

图1是示出本发明的第1实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。

图2是示出以往的像差校正器中的单层绕组配置结构的例子的概略平面示意图。

图3是用于说明图1所示的多层绕组的外观的概略立体图。

图4A是用于说明图1所示的多层绕组的一个构成要素的概略剖面图。

图4B是用于说明图1所示的多层绕组的多层结构的具体例的概略剖面图。

图5是示出本发明的各实施例所涉及的电子显微镜(扫描电子显微镜)的整体结构的一个例子的概略剖面示意图。

图6是示出本发明的第2实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。

图7是示出从光轴至绕组的距离R1和多极场强度的关系的图形。

图8是用于说明本发明的第3实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置以及向多层绕组的电流供给方法的一个例子的概略平面示意图。

图9是用于说明本发明的第3实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置以及向多层绕组的电流供给方法的其它例子的概略平面示意图。

图10是示出本发明的第4实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。

图11是示出本发明的第5实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。

(符号说明)

101～112：电流线；13：电流线主线部；14：电流线上副线部；15：电流线下副线部；16：电流线返回部；17：电流线输入输出部；21～32：电流线；40：真空容器；41：电子枪；42：聚光透镜；43：多极透镜；44：聚光透镜；45：聚光透镜；46：多极透镜；47：聚光透镜；48：物镜；49：试样；50：主线群；51：主线群；52：主线群；53：主线群；54：主线群；60：主线群；61：主线群；62：主线群；63：主线群；64：主线群；65：主线群；66：主线群；67：主线群；68：偏转器；69：偏转器；80：控制部；81：电源；82：电源；83：切换器；84：切换器；85：电源；86：切换器；201：光轴(中心轴)。

具体实施方式

发明人等对于低成本的绕组型像差校正器的性能提高进行了研究的结果，发现在使电子射线经过中心轴的像差校正器的1个层级量的多极透镜中，通过将与光轴平行地相隔一定的半径而配置在圆周上的多个电流线作为1组并以不同的半径配置多个组(配置多层)来构成，在各个组中独立地激励不同的种类和强度的多极场来控制即可。

通过这样将环绕中心轴的电流线群设为多层配置结构，在绕组型的像差校正器中能够设定与所需的多极的强度对应的激励强度，所以应用范围广泛。另外，能够使所使用的电源输出的最大值和变化步长最佳化。

以下，通过实施例，使用附图来说明本发明。此外，在实施例中，以扫描电子显微镜为例进行说明，但能够普遍应用于电子显微镜。同一符号表示同一构成要素。

实施例1

图1示出本发明的第1实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组的配置结构例的示意平面图。在图1中，以与纸面垂直地行进的电子射线的光轴(中心轴)201为中心，按照在半径R1上配置电流线101～112、并在半径R2上配置电流线21～32的方式多层配置有2组电流线群。经过图1的电流线的电流与光轴201平行地向与电子射线相同的方向或者相反的方向流过。例如，激励2N极场(N是1以上的整数。例：N＝1为2极场，N＝2为4极场)的电流线101～112的电流I_i(i＝1～12)相对于基准电流A_N成为(1)式的组合。(I_i的正负的符号表示电流的朝向。)

[数学式1]

I_i＝A_N·Cos(N(i-1)π/6)····(1)

在像差校正器的多极透镜中，校正球面像差、慧形像差等多个像差，所以在同一层级中重叠多个多极场。在图2所示的由电流线101～112构成的以往的1层的绕组透镜中，为了使多个场重叠，各绕组的电流如(2)式所示采用N＝1～4以及6的和(N＝5在图2的结构中是不可行的，因此除去)。关于采用直至哪种程度为止的和，在图2中由于线数是12所以设为直至6，但如果线数多则能够增加，还能够包含N＝5。

[数学式2]

在图1中，通过如在电流线101～112中为N＝4(8极场)、在电流线21～32中为N＝2(4极场)那样针对电流线群的每个层激励不同的种类的多极场，从而能够提高多极场的控制性。例如，在(2)式中可取得各多极场的电流之和，所以由于周期性的差异，达到电流的上限而无法控制的场的强度的组合会不连续地发生，但如果仅输出特定的多极场，则不用担心组合，上限值被唯一地确定。

关于电流线群，在图1中示出简化的例子，但实际上为如图3的立体图所示的外观。具体而言，在图3中，关于图1所示的电流线101～112，包括与光轴平行的部分以外的布线在内进行了图示，各个布线在由光轴201和各电流线形成的平面上形成四边形的布线(但是四边形的布线的方向与专利文献3不同)。图4A示出其中以光轴201为基准而相对的2极的电流线。在图4A中，将光轴侧的电流线13部分定义为主线，将上下的电流线14以及15的部分定义为副线，将从光轴201起相隔半径B1的电流线16部分定义为返回线。布线为四边形形状，但只要处于同一面上则也可以为圆、三角形等形状。如果同一主线群的电流量的绝对值相同，则主线彼此还能够将连接部17的输入和输出串联地连结而用1台电源来供应电流。

多极场主要由主线的磁场形成，作为多极场，在原理上不需要主线以外的布线。其中，返回线由于流过与主线相反的方向的电流，所以发生符号与主线相反的多极场，具有减弱多极场强度的作用。为了防止这个现象，使半径B1大于半径R1即可。以下，设为从返回线至光轴的距离充分大于从主线至光轴的距离，只要没有特别说明，就如图1那样仅记载主线。

在图4A中，图示了绕组是单层的情况，但关于绕组是多层的情况，以电流线107以及电流线27为例而在图4B中示出。从光轴201至电流线107的距离是R1，从光轴201至电流线27的距离是R2，各个距离R1、R2是与从光轴201至各个返回线的距离B1相比充分小的值。此外，在附图上，记载为在电流线107的上下的副线与电流线27的上下的副线之间有间隙，但实际上邻接地配置。电流线107的上下的副线和电流线27的上下的副线优选配置为在平面上重叠。

图5示出表示本实施例所涉及的扫描电子显微镜的整体结构的一个例子的概略剖面示意图。在本扫描电子显微镜(SEM)中，嵌入有具备图1所示的多层绕组的像差校正器。在本SEM中，从电子枪41释放1阶电子射线(未图示)，在聚光透镜42中形成为平行波束，并经过多极透镜43。经过了多极透镜43的1阶电子射线通过聚光透镜44和聚光透镜45而被传递到多极透镜46。之后，1阶电子射线在聚光透镜47以及物镜48中受到聚束作用而被照射到试样49上。真空容器40内为真空，电子射线从电子枪41到达试样49为止在维持真空状态的环境中前进。多极透镜43以及多极透镜46由图1的多层绕组群构成，为了进行球面像差校正而激励6极场。本球面像差光学***是与在STEM等中使用的一般的像差校正器相同的光学***。通过作为多极透镜43以及46并非使用楔形的多极而是使用多层的绕组多极，能够低成本地进行球面像差校正。另外，与单层绕组多极相比像差校正范围更宽，控制更容易，能够进行更高精度的观察。绕组多极还能够用于本例以外的使用4极场和8极场的4个层级的像差校正器的多极透镜。

以上根据本实施例，能够提供像差校正范围宽、且容易控制并能够实现高精度的像差校正并且低成本的像差校正器、电子显微镜。

实施例2

使用图6以及图7，说明本发明的第2实施例所涉及的像差校正器。此外，关于记载于实施例1但未记载于本实施例的事项，只要没有特别的事由则也能够应用于本实施例。

在本实施例中，关于多层化的绕组多极，示出可得到高效的多极场的强度的结构。图6是多层的绕组多极的示意图，以与纸面垂直地行进的带电粒子线的光轴201为中心，针对每个半径配置有主线群50、51、52。主线群50～52分别由相同相位的12根圆状的电流线构成，电流线的半径被设定为在各配置中采用最大半径Rmax。由12根构成的电流线群的最大半径Rmax相对于从主线至光轴201的距离R1通过(3)式来给出。

[数学式3]

R_max＝R1·sin(π/12)····(3)

此外，实际上电流线被施加覆膜而被绝缘，但在本说明中为了简化而省略。

关于能够对电流线施加的电流值的上限，如果除去气温等外部要因，则由电流线的面积和原材料来决定。对于原材料，决定单位面积中的容许电流密度Jmax。另一方面，如果电流线的电流恒定，则如(4)式所示，2N极场的强度Bwmax与(1/R1)的N-1乘方成比例。

[数学式4]

在作为上限值流至容许电流的情况下，基准电流A_N成为(5)式。

[数学式5]

A_N＝J_max·R_max ²＝J_max·R1²·sin²(π/12)····(5)

在将(5)式合并到(4)式时，2N极场的强度Bwmax如(6)式所示。

[数学式6]

关于(6)式的Bwmax，在用R1＝5mm的强度进行标准化而图形化时成为如图7所示。在此，在关于12极的绕组考虑电流的上限值时，为了增大多极场的强度，需要针对2极场从中心起扩大距离R1、针对6极场以上缩短R1。另外，针对4极场，强度恒定，所以需要延长光轴方向的电流线的长度而在作用距离下工作。这样，多极场的强度由于根据种类而针对R1的变化量不同，所以在1层的绕组中R1的设计困难。特别是，针对加速电压、光学倍率、动作距离(Working Distance)等的绕组多极的像差校正器的应用条件变窄。相对于此，在多层化绕组中，能够根据各个多极的灵敏度来设定R1，所以应用条件变宽。

多层的绕组多极根据图7的性质，原则上优选为向光轴侧的层设定高阶的多极场(2N极场的N大)。由此，关于电源噪声，还能够抑制影响。其原因为，噪声被视为在多极场中包含的2极场分量或者4极分量等比较低阶的分量，但根据图7，在使R1变小时，相对于2极场，4极场以上的强度比变高，所以相对地影响变小。

另一方面，根据像差校正器的种类，最需要磁场强度的多极场不同，所以最终根据需求和强度来设定分配的层。例如，在实施例1的图5的类型的像差校正器中，最需要6极场的强度，所以与原则无关地对轴侧的层分配6极。

在图6中，在使主线群50～52的配置的角度移位一半的相位配置有激励辅助多极场的主线群53以及主线群54。主线群53、54的半径以不影响主线群50～52的方式被设定得比较小。辅助多极场的目的在于，补偿在主线群50～52中发生的多极场的偏移。例如，在由主线群50激励6极场时，有时由于机械性的偏移而包含从本来应施加的6极场进行了旋转的6极场分量。在该情况下，主线群53激励抵消旋转分量的6极场。如果机械精度高则旋转分量小，施加的电流量变小，所以辅助多极场的电流线的直径变小。此外，旋转分量还能够重叠于主线53，但存在所需的电源数增加的问题。

将具备图6所示的多层的绕组多极的像差校正器搭载到图5所示的扫描电子显微镜并进行了试样观察的结果，像差校正范围宽，容易控制，能够进行高精度的观察。

以上根据本实施例，能够得到与实施例1同样的效果。另外，通过设置辅助多极场，能够进行更精确的像差校正。

实施例3

使用图8以及图9，说明本发明的第3实施例所涉及的像差校正器。此外，关于记载于实施例1或者2但未记载于本实施例的事项，只要没有特别的事由则也能够应用于本实施例。

在本实施例中，关于多层化的绕组多极，示出针对加速电压、光学倍率、动作距离等条件的变更能够宽范围地应用的结构。图8是用于说明本实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置以及向多层绕组的电流供给方法的一个例子的概略平面示意图。在图8中，具备施加多极电流的电源81以及电源82，在控制部80的命令下，通过切换部83以及切换部84将电源81以及电源82所施加的对象切换为绕组群50～52中的某两者。

在加速电压高的情况或WD小的情况下，需要以使校正量变大的方式提高多极场的强度。在该情况下，以相对于6极场、8极场使R1变小的方式，电源81与主线群50连接，电源82与主线群51连接。相反地，在降低加速电压的情况或增大WD的情况下，以相对于6极场、8极场使R1变大的方式，电源81与主线群51连接，电源82与主线群52连接。在这样根据条件来进行切换时，能够将电源81的输出限制到一定范围。此外，认为在低加速等中单纯地减小电流的输出即可，但实际上电流变更步长、稳定性(脉动噪声量)等也需要成比例地变小，所以在减小输出的方法中电源成本增加，所以并非是优选的。

在上述实施例中，针对1层占用1种多极场，但在多层的所有层中无需限定于1种多极场。强度比较弱且未达到电流的上限的多极场彼此即使重叠也没有问题。特别是，也可以在加速电压变更时，与由于色差的影响程度的变化而应校正的像差的种类和量发生变化的情形匹配地，变更重叠的组合、所使用的电源数。图9所示的结构是对图8的结构追加对多极电流进行施加的电源85而得到的结构，能够在控制部80的命令下，通过切换部86将电源85所施加的对象切换为绕组群52或者无对象。在电源82与主线群52连接的情况下，电源85成为未连接，在主线群52中多个场重叠而被激励。

将具备图8或者图9所示的多层的绕组多极和电源切换单元的像差校正器搭载于图5所示的扫描电子显微镜并进行了试样观察的结果，像差校正范围宽，容易控制，并能够进行高精度的观察。

以上根据本实施例，能够得到与实施例1同样的效果。另外，通过具备电源切换单元，相对于加速电压、光学倍率、动作距离等条件的变更，能够应用于更广泛的范围。

实施例4

使用图10，说明本发明的第4实施例所涉及的像差校正器。此外，关于记载于实施例1至3中的任意实施例但未记载于本实施例的事项，只要没有特别的事由则也能够应用于本实施例。

图10是示出本实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。此前用12来示出绕组群的电流线数，但还能够如图10所示在每层中改变线数。在此，针对光轴201，在最内周配置由线数12构成的主线群60，在其外侧配置由线数8构成的主线群61、由线数6构成的主线群62和主线群63、由线数4构成的主线群64和主线群65、由线数2构成的主线群66和主线群67。在主线群60中施加12极场，在主线群61中施加8极场，在主线群62、63中施加6极场，在主线群64、65中施加4极场，在主线群66、67中施加2极场。关于其中线数和从中心起的距离相同的主线群的组，成为使配置的角度移位一半而得的相位的组合。在图10中省略了一部分，但也可以关于所有主线群设置不同相位。

在将构成线群的电流线数设为M时，能够用(7)式来表示在线数并非12的情况下对绕组施加的电流Ii。

[数学式7]

I_i＝A_N·Cos(2N(i-1)π/M)····(7)

在此，在设为M＝2N时成为(8)式，能够一边交换电流线的输入和输出位置一边串联地连接。

[数学式8]

I_i＝A_N·Cos((i-1)π)＝A_N·(-1)^i-1····(8)

如以上那样，在限定预先设定的多极场时，能够使构造变简单。在使用条件被限定的情况下，本实施例的结构变得有利。

将具备图10所示的多层的绕组多极的像差校正器搭载于图5所示的扫描电子显微镜并进行了试样观察的结果，像差校正范围宽，容易控制，能够进行高精度的观察。

以上根据本实施例，能够得到与实施例1同样的效果。另外，在限定预先设定的多极场时能够简化构造。

实施例5

使用图11，说明本发明的第5实施例所涉及的像差校正器。此外，关于记载于实施例1至3中的任意实施例但未记载于本实施例的事项，只要没有特别的事由则也能够应用于本实施例。

在上述实施例中，使用多层绕组还激励2N极场，但关于2极场，能够将通常的偏转器配置于最外周。关于在实施例4的图10的结构中示出的主线群66、67，除了主目的的2极场以外，还发生多余的像差。另一方面，一般的偏转器能够使用于2极场的激励，偏转器由于分布绕组等而不易产生多余的像差、位置偏移等。

图11是示出本实施例所涉及的像差校正器中的多层绕组配置结构的一个例子的概略平面示意图。在图11中代替绕组2极而使用偏转器68以及偏转器69来构成绕组多极。此外，在楔形的多极的情况下极是磁性体，即使在外周配置偏转器也被磁屏蔽，所以难以成为如本实施例的结构。这样能够将通常的偏转器配置于外部的这点也是绕组多极的特征。

将具备图11所示的多层的绕组多极的像差校正器搭载于图5所示的扫描电子显微镜并进行了试样观察的结果，像差校正范围宽，容易控制，能够进行高精度的观察。

以上根据本实施例，能够得到与实施例1同样的效果。另外，通过代替绕组2极而使用偏转器，能够减少2极场以外的多余的像差的发生。

此外，本发明不限于上述实施例，而包括各种变形例。例如，上述实施例是为了易于理解地说明本发明而详细说明的例子，未必限定于具备所说明的所有结构。另外，既能够将某个实施例的结构的一部分置换为其它实施例的结构，另外也能够对某个实施例的结构追加其它实施例的结构。另外，关于各实施例的结构的一部分，能够进行其它结构的追加、删除、置换。

Claims

1.一种电子显微镜，具备：

电子源；

像差校正器，校正从电子源释放的电子射线的像差；以及

电子光学***，用于将所述电子射线照射到试样，

所述电子显微镜的特征在于，

所述像差校正器具备：

开口，使所述电子射线经过中心轴；

2.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

所述第一电流线群的线数为12以上。

3.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

所述第一多极场的阶数比所述第二多极场高。

4.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

构成所述第二电流线群的电流线的每1极的线宽大于构成所述第一电流线群的电流线的每1极的线宽。

5.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

在所述第一多极场是6极场以上的多极场、并且所述第二多极场和所述第一多极场在从轴起的距离相同的条件下激励的情况下，第一多极场的电流量大。

6.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，具备：

电源；

切换器，变更从该电源起的电流路径；以及

控制部，

所述控制部根据加速电压或者光学倍率或者动作距离，以在所述第一电流线群和第二电流线群之间切换由所述电源驱动的电流线群的方式控制所述切换器。

7.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

具备在以长度与所述第一半径不同的第三半径相隔的位置处与光轴平行地配置的第三电流线群，所述第二半径小于所述第三半径，所述第三电流线群激励第三多极场。

8.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

所述第一电流线群的线数以及所述第二电流线群的线数分别是4的倍数或6的倍数，或者激励4N极场或6M极场，其中N、M为自然数。

9.一种像差校正器，其特征在于，具备：

开口，使电子射线经过中心轴；

10.根据权利要求9所述的像差校正器，其特征在于，

由配置于比所述第二半径小的所述第一半径上的所述第一电流线群激励的所述第一多极场的阶数高于所述第二多极场。

11.根据权利要求9所述的像差校正器，其特征在于，

构成配置于比所述第一半径大的所述第二半径上的所述第二电流线群的电流线的每1极的线宽大于构成所述第一电流线群的电流线的每1极的线宽。