JP2002516026A - 粒子−光学装置におけるレンズ欠陥補正用の補正デバイス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子-光学回転対称レンズは、しばしば解像度に制限を課す球面及び色収差の問題が避けられない。上記レンズの欠陥は、回転対称場による補正により排除することができない。にもかかわらず、解像度を向上させるために、二つのヘキサポール（２４、２６）と二つの回転対称伝送レンズシステム（２８，３０）を有する補正デバイスにより、球面収差を補正することがすでに提案された。周知の補正デバイスにおける各伝送レンズシステムは、二つのレンズから成る。本発明によれば、一つ又は両方の伝送レンズシステムは、補正能力が減少又はほとんど減少することなしに、四つの四重極（４８、５０，５２，５４）の夫々のシステム（４６）により交換できる。さらに補正デバイス（２２）の一部を形成する四重極システム（４６）の二つの中央四重極（５０、５２）が、電気四重極場を発生させるように配置されたなら、補正されるべきレンズの色収差も補正可能である。

Description

【発明の詳細な説明】 粒子-光学装置におけるレンズ欠陥補正用の補正デバイス 本発明は、粒子ビーム、電荷を帯びた粒子のビーム集束用の集束レンズ、及び 集束レンズのレンズ欠陥補正用の補正デバイスにより、装置内での照射されるべ き対象へ照射させるように、装置の光軸に沿って移動する電荷を帯びた粒子のビ ームを発生させるための粒子源を含む粒子-光学装置に関し、補正デバイスは、 一方のヘキサポールを他方のヘキサポール上に像を写すための第一の像伝送シス テムがヘキサポール間に配置された少なくとも二つのヘキサポールを有する補正 ユニットを含み、さらに集束レンズのコマのない平面を補正ユニットの入口上に 像を写す第二の伝送システムを含む。 さらに本発明はかかる装置用の補正デバイスに関する。 かかる装置用のこの種の補正デバイスは米国特許第5,084,622号に開示されて いる。 一般的にいって、電子顕微鏡や電子リソグラフィ装置のような粒子-光学装置 は、熱電子源又は電界放射型の電子源のような粒子源により発生する電荷を帯び た粒子のビーム（通常電子ビーム）により研究されるべき又は治療されるべき対 象へ照射させるために配置される。対象への照射は、かかる装置において研究さ れるべき対象へ像を写すこと（電子顕微鏡における試料）、又は例えばマイクロ エレクトロニクス（電子リソグラフィ装置）での物体上に非常に小さな構造を形 成させることを目的としている。両方の場合において、集束レンズは電子ビーム を集束させるために必要である。 原理的には、電子ビームは二つの方法で集束可能である。第一の方法によれば 、調査される試料は電子ビームによりほぼ均一に照射され、試料の拡大された像 が集束レンズにより形成される。この場 合、集束レンズは像レンズシステムの対物レンズである。つまり対物レンズの解 像度は装置の解像度を決定する。この種の装置には透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ） が知られている。第二の集束方法によれば、電子源、又はその一部の放射面は、 通常かなり縮尺されたスケールで、調査される試料（走査型電子顕微鏡つまりＳ ＥＭ又は走査型透過電子顕微鏡つまりＳＴＥＭにおいて）若しくは設けられるべ き関連するマイクロ構造上の物体（リソグラフィ装置において）に像が写される 。電子源の像（例えば偏向コイルにより物体にわたって離れている“スポット” ）は像レンズシステムにより再び形成される。後者の場合、集束レンズはレンズ システムを形成するスポットの対物レンズにより形成される。上記対物レンズの 解像度はビームのスポットサイズを決定し、よって装置の解像度を決定する。 この種の全ての装置に用いられるレンズは、通常磁気レンズであるが、静電レ ンズであることもある。両タイプのレンズとも、実際には常に回転対称である。 かかるレンズは非理想的挙動、つまりレンズ欠陥は避けられず、それらの中でい わゆる球面収差及び色収差はレンズの解像度に関して決定的である。よって上記 レンズ欠陥は周知の電子光学装置の解像度の限界を決定付ける。粒子光学の定理 によれば、かかるレンズ欠陥は回転対称な電場若しくは磁場による補正により、 排除することはできない。 それにもかかわらず、粒子-光学装置の解像度を向上させるために、引用文献 である米国特許第5,084,622号から、回転対称ではない構造を有する補正デバイ スにより、前記レンズ欠陥を減少させることが知られている。かかる構造におい て、補正されるべき集束レンズのコマのない平面は、回転対称レンズから成る伝 送レンズシステムによる補正ユニットの入口上に像が写される。上記補正ユニッ トは二つのヘキサポールにより形成され、そのヘキサポール間には回転対称レン ズから成り、一方のヘキサポールを他方のヘキサポール上に像を写す働きをする 像伝送レンズシステムが配置される。補 正ユニットの入口は、入射電子の方向に観測される第一のヘキサポールの中央に より形成される。 この種の配置は、製造公差、機械的安定性（とりわけ熱ドリフトをかんがみて ）及び相互に関連したさまざまな要素のアラインメントに関する厳しい条件を満 たさなければならない。したがって、製造公差、機械的安定性及びアラインメン トに関する前記条件をできるだけ容易に満たすように、個別の構造部品の数を最 小にすることが目的である。 本発明の目的は、周知補正デバイスの構造よりも簡単な構造のレンズ欠陥補正 用の補正デバイスを提供することである。上記目的のために、本発明による粒子 -光学装置は、第一の伝送システムが実質的に同等な四重極強度を有する少なく とも四つの四重極から成り、隣接四重極の各時間の四重極効果は相互に垂直な関 係にあることを特徴とする。 本発明は、かかる補正デバイスの解像度に関して課せられる厳しい条件が、丸 いレンズのダブレットとして組立てられた伝送レンズシステムに代わり、四つの 四重極の形で組立てられた伝送システムにより満たされるという事実に基づいて いる。かかる配置を用いて、対物レンズの球面収差はかなりの程度補正可能であ る。上記段階をとることにより多くの利点がある。まず、回転対称レンズとは対 照的に、像四重極システムにより形成された像は、像物体に関して回転フリーで ある。このことにより、粒子-光学装置の全光学システムの調整及びアラインメ ントを容易にする。第二に、四重極はいわゆる強いレンズであり、一定の焦点距 離によっては、対応する回転対称（丸い）レンズと比較して、必要な励磁電流は かなり小さいことを意味している。このことはかかる四重極の冷却は丸いレンズ のそれよりも容易であり、しかも熱平衡の状態にない粒子-光学装置の熱ドリフ トがかなり減少するという利点がある。 本発明の好ましい実施例において、第二の伝送システムは実質的 に同等な四重極強度を有する少なくとも四つの四重極から成り、隣接四重極の各 時間の四重極効果は相互に垂直な関係にある。第二の伝送システムにおける四重 極は、補正ユニットの四重極と同じ利点がある。 本発明の更なる実施例において、補正ユニットの二つのヘキサポールは実質的 に同じである。このことは、補正ユニットが特にＴＥＭ（電子は補正させるべき レンズを通って補正ユニットへ移動する）と同様にＳＥＭ（電子は補正ユニット を通って補正させるべきレンズへ移動する）にも特に適するように、補正ユニッ トにかなりの対称性をもたらす。 本発明の更なる実施例において、夫々の二つのヘキサポールはヘキサポールダ ブレットとして組立てられる。よって、ヘキサポール中央の軸移動は、上記要素 の物理的転移なしに実現可能である。このことは機械的精度及びアラインメント に関して課される条件を容易に満たす。 本発明の更なる実施例において、第一の伝送システムの中央の四重極は、少な くとも八つの物理的極を有する多重極ユニットとして組立てられ、そのうちの少 なくとも四つは相互に無関係な方法で電位に合わせられる。極への電圧が適当に 選択された際に、電気四重極場が形成される。更なる磁気四重極場も発生する。 上記二つの場、つまり電場及び更なる磁場は球面収差の補正のために存在する磁 気四重極場に重なる。よって、上記実施例は粒子-光学装置の対物レンズの球面 収差だけでなく色収差をも補正するに適する。 本発明の更なる実施例において、第一の及び/又は第二の伝送システムの少な くとも一つの四重極、及び/又は補正ユニットの少なくとも一つのヘキサポール は、相互に無関係な方法で励磁可能な少なくとも八つの物理的極を有する多重極 ユニットとして、組立てられる。上記実施例での好ましい四重極場及びヘキサポ ール場は、物理的極の特定励磁により実現される。上記実施例において、好まし い四重極及びヘキサポール場が発生するだけでなく、オクタポール、１０-ポー ル、又は１２ポール場として発生する高次な対称性のあるさまざまな寄生対称を 補正することが可能である。さらに重要な製造及び組織的利点が達成されるよう に、上記段階はたった一つの物理的部品が製造される必要があり、保存されると いう利点がある。 本発明は、対応する参照番号は対応する要素を表わす図面を参照して、以下に 詳細に説明される。 図１は本発明で利用された電子顕微鏡の形での粒子-光学装置の断面線図であ る。 図２は電子顕微鏡での球面収差補正用の既知の補正デバイスである。 図３は電子顕微鏡でのレンズ欠陥補正用の本発明による補正デバイスにおける 要素の線図である。 図４は本発明による電子顕微鏡での球面及び/又は色収差補正用の補正デバイ スの実施例である。 図５はＳＥＭにおける球面収差補正の効果をグラフで示したものである。 図１は電子顕微鏡の形での粒子-光学装置を示す。装置には電子源１、ビーム アラインメントシステム３及びビーム絞り４、集光レンズ６、対物レンズ８、ビ ーム走査システム１０、試料ホルダー１３のある物体空間１１、回折レンズ１２ 、中間レンズ１４、投影レンズ１６及び電子検出器１８がある。対物レンズ８、 中間レンズ１４及び投影レンズ１６は協力して像レンズシステムを構成する。上 記要素は電子源用の給電リード２、観察窓７及び真空ポンプ装置１７を設けたハ ウジングに収納される。対物レンズ８用の励磁コイルは、像レンズシステムの励 磁を制御するために配置された制御ユニット１５に接続される。さらに電子顕微 鏡は電子検出器１８のある記録ユニット、像処理ユニット５及び形成された像を 観察するためのビデオディスプレイ９を含む。 図２は電子顕微鏡における球面収差補正用の引用文献である米国特許第5,084, 622号に知られている補正デバイスを示す。この補正デバイスは二つの同じヘキ サポール２４及び２６を有し、前記ポール間には、倍率-１でヘキサポール２４ 及び２６をお互いに像を写すための像伝送レンズシステムが配置されている補正 ユニット２２を含む。 図２に示す補正デバイスと本発明による補正デバイスは、ＳＥＭ又はＳＴＥＭ だけでなくＴＥＭにも利用可能であることを指摘しておく。ＴＥＭの場合には、 まず電子が対物レンズ８を通過し、その後に補正デバイスを通過する。図面にお いて電子は、左から右へ移動する。ＳＥＭ若しくはＳＴＥＭの場合には、電子は まず補正デバイスを通過し、その後対物レンズ８を通過する。この場合、電子は 図面において右から左に移動する。まだ説明していない図３と同様に、図２にお いては、電子は左から右に移動するものと仮定する。 この場合、電子ビームを集束させるための集束レンズは、補正されるＴＥＭの 対物レンズ８である。対物レンズ８は、第二の伝送レンズシステム３０により補 正ユニット２２の入口平面３４上に像を写すコマのない平面３２を有する。コマ のない平面は、ヘキサポール２４の中央面と一致する入口平面３４と一致しない ように対物レンズの磁場に配置されたので、システム３０は必要である。周知の 補正デバイスの二つの伝送レンズシステム２８及び３０の全てのレンズは、焦点 距離ｆ_tを有する。種々の部品間の距離は以下のようである。対物レンズとシス テム３０の隣接レンズの間の距離はｆ_tであり、システム３０の二つのレンズ間 の距離は２ｆ_tであり、入口平面３４とシステム３０の隣接レンズの間の距離は ｆ_tであり、入口平面３４とシステム２８の隣接レンズの間の距離はｆ_tであり、 システム２８の二つのレンズ間の距離は２ｆ_tであり、ヘキサポール２６とシス テム２８の隣接レンズとの間の距離はｆ_tである。図は伝送レンズシステム３０ 及び補正ユニット２２を介して、物体平 面４０からの二つの電子線の経路を示す。一方の電子線４２は物体平面の軸上の 点から進むのに対して、他方の電子線４４は軸上にない物体平面の点から進む。 電子線４２及び４４の経路は、コマのない平面３２がシステム３０により補正ユ ニット２２の入口上に像を写し、しかもヘキサポール２４の中央は、システム２ ８によりヘキサポール２６の中央上に像を写すことをはっきりと示す。 図３は本発明による補正ユニット２２である。この補正ユニットにおいて、伝 送レンズシステム２８は、四つの同じ磁気四重極４８、５０、５２及び５４から 成るシステム４６により交換された。この図において、さまざまなレンズ効果の 説明から結論を引き出して、四重極はｙ-ｚ平面（図の下部）と同様にｘ-ｚ平面 （図の上部）に示す。四重極はｙ-ｚ平面で発散しｘ-ｚ平面で集束し、その逆も また同じである。 システム４６における隣接四重極は、いつもお互いに垂直に延在する、つまり 四重極４８は四重極５０に垂直に延在し、、それ自体四重極５２に垂直に延在す る。四重極５２は再び四重極５４に垂直に延在する。システム４６における各四 重極は、焦点距離ｆ_Qを有する。第一の四重極４８と第二の四重極５０との間、 第三の四重極５２と第四の四重極５４との間、第二のヘキサポール２６と第四の 四重極５４との間の距離と同様に、第一のヘキサポール２４（つまり補正ユニッ ト２２の入口平面３４）と第一の四重極４８との間の距離は、ｆ_Qに等しい。第 二の四重極５０と第三の四重極５２との間の距離は、２ｆ_Qに等しい。 物体平面の軸上の点から発生する放射線４２と、軸の外の物体平面から発生す る放射線４４の経路から、ヘキサポール２４は倍率-１でヘキサポール２６上に 、又その逆にも像が写されることが明らかである。 図２に示す伝送レンズシステム３０は、さらにシステム４６のような四つの同 じ磁気四重極から成るシステムにより交換可能である。 その場合には、対物レンズ８のコマのない平面３２と第一の四重極４８の間の距 離は、第四の四重極５４と補正ユニット２２の入口３４との間の距離と同様に、 ｆ_Qに等しい。対物レンズ８と補正ユニット２２の間の伝送システムの四重極は 、補正ユニット２２の一部を形成する伝送システムにおける四重極の焦点距離ｆ_Q に等しい（かならずしも等しい必要はない）焦点距離ｆ_Qを有する。その場合に は、対物レンズ８と補正ユニット２２の間の伝送システムにおける他の距離は、 補正ユニット２２のそれと同じである。 さらに図３に示す配置により、対物レンズ８の色収差の補正も可能である。こ の目的のために、システム４６の四重極５０及び５２は、電気四重極場及び更な る磁気四重極場（両場とも光軸に垂直に延在している）を発生させなければなら ない。それから電気四重極場は磁気四重極場に関して４５度回転する。いわゆる Wien条件を満たさなければならない。つまり速度ｖの電子にとっては、磁場によ り電子に作用する力は、電場により作用する力と等しいが、反対の向きでなけれ ばならず、だから条件Ｅ＝Ｂｘｖを満たさなければならない（Ｂは更なる磁気四 重極場の強度であり、Ｅは電場の強度である）。かかるシステムを利用しながら の色補正は、“Optik”の“Design of a high-resolution low-voltage scannin g electron microscope”のJ．Zachによる論文からそれ自体が周知である。 図４は粒子光学器具用のための、補正デバイス用の多重極デバイスの実施例の 斜視図を示す。多重極デバイスは、ｎ個の極６２-１から６２-ｎの数が、シリン ダーにわたって均一に分布するように設けられている円箇表面６０から成る磁気 回路により形成され、図にはｎが８であるものを示す。原則としては、たとえ本 発明の実施例がヘキサポールよりも多くの極を必要としなくても、機械的欠陥の 補正のために、図に示すようなｎが８である高次場をも発生させる可能性を有す ることが好ましいが、ｎが１０又は１２でも実行可能であり、好ましくもある。 補正デバイスが色収差と同様に球面収 差の補正用の四重極システムを形成させるために利用される際に（電気四重極場 とそれに４５度回転させた磁気四重極場を形成させるために）、物理的極の数は 少なくとも８にすべきである。補正デバイスがうまく整列されるときには、表面 ６０の円筒軸は、図１に示す粒子-光学器具の光軸と一致させるべきである。 さまざまな多重極場、つまり静電場だけでなく磁場はｎ極により発生する。そ れぞれの上記極は、磁場だけでなく電場をも発生させるように配置される。前記 多重極場を決定する極表面は、装置の光学軸に平行に延在する。各極６２-ｉは 磁場を発生させるための励磁コイル６４-ｉと、電場を発生させるポールキャッ プ６６-ｉを有する。磁場だけでなく電場を含む望みの多重極場を八つの極であ る６２-１から６２-８により発生させるために、各励磁コイル６４-ｉ及び各ポ ールキャップ６６-ｉは個々に励磁される。このことは、ヘキサポール２４及び ２６だけでなく四重極４８、５０、５２、及び５４にも当てはまる。説明した補 正デバイスは、本出願人により以前出願された欧州特許第0868739号（米国特許 第08/932981号に相当し、さらにＰＨＮ15.991に相当する）に、詳細に記述され ていることを指摘しておく。 図５はＳＴＥＭにおける球面収差の補正効果をグラフで示す。本図において、 試料への走査スポットの寸法は、ナノメータのオーダで垂直にプロットされ、試 料への走査スポットと光軸との距離は、再度ナノメータのオーダで水平にプロッ トされる。点線は対物レンズの球面収差が補正されていない状態を表わし、実線 は本発明により、対物レンズの球面収差が補正されている状態を表わす。本図で は、スポットサイズがかなり改善されており、よって粒子-光学装置の解像度の 改善が試料の関心のある全体ゾーンにわたって達成されていることをはっきりと 示している。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 装置において粒子ビームにより照射されるべき対象を照射するように装置 の光軸に沿って移動する電荷を帯びた粒子のビームを発生させる粒子源と、 電荷を帯びた粒子のビームを集束させる集束レンズと、 少なくとも二つのヘキサポールを有し、一方のヘキサポールを他方のヘキサポ ール上に像を写すように第一の像伝送システムをヘキサポール間に配置させた補 正ユニットを含み、集束レンズのコマのない平面を補正ユニットの入口上に像を 写すための第二の伝送システムをさらに含む集束レンズ欠陥補正用の補正デバイ スとを含む粒子-光学装置であって、 第一の伝送システムは実質的に同等な四重極強度を有する少なくとも四つの四 重極から成り、 隣接四重極の四重極効果は夫々相互に垂直な関係にあることを特徴とする装置 。 ２． 第二の伝送システムは実質的に同等な四重極強度を有する少なくとも四つ の四重極から成り、 隣接四重極の四重極効果は夫々相互に垂直な関係にあることを特徴とする請求 項１記載の粒子-光学装置。 ３． 二つのヘキサポールは実質的に同じであることを特徴とする請求項１又は ２記載の粒子-光学装置。 ４． 二つのヘキサポールの夫々はヘキサポールダブレットとして組立てられる ことを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の粒子-光学装置。 ５． 第一の伝送システムの中央四重極は少なくとも八つの物理的極を有する多 重極ユニットとして組立てられ、そのうち少なくとも四つは相互に無関係な方法 で電位に合わせられることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載 の粒子-光学装置。 ６． 第一の及び/又は第二の伝送システムの少なくとも一つの四重極、及び/又 は補正ユニットの少なくとも一つのヘキサポールは相互に無関係な方法で励磁可 能な少なくとも八つの物理的ポールを有する多重極ユニットとして組立てられる ことを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の粒子-光学装置。 ７． 請求項１乃至６のうちいずれか１項により限定される補正ユニット。