JP2008059881A - 収差補正方法および電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ２回対称３次収差Ｓ３を補正すること。
【解決手段】 Ｃｓ補正装置１７を動作させると、寄生収差Ｓ３（２回対称３次収差Ｓ３）が発生する。そこで図１の装置においては、その寄生収差Ｓ３を打ち消す２回対称３次収差Ｓ３を多極子７内で新たに発生させることにより、寄生収差Ｓ３を補正するようにしている。すなわち、６極場を発生している多極子７内で電子線ＥＢを光軸Ｏに対して傾斜させることにより、その傾斜された電子線ＥＢを構成する各電子に対して、新たな２回対称３次収差Ｓ３を導入している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、球面収差補正装置を備えた電子線装置に関する。

最近の透過型電子顕微鏡の中には、球面収差補正装置（Ｃｓ補正装置）を備えているものがある。このＣｓ補正装置は、対物レンズ等の球面収差（Ｃｓ）を補正するために用いられている。そして、このＣｓ補正装置としては、６極場をそれぞれ発生する２つの多極子間に伝達レンズ（軸対称レンズ）を配置したものが知られている（たとえば特許文献１参照）。

このようなＣｓ補正装置により、対物レンズの球面収差（Ｃｓ）は補正される。しかし、Ｃｓ補正装置を配置することによって、新たな収差（寄生収差とよぶ）が発生してしまう。発生する３次以下の寄生収差は、２回対称１次収差（Ａ１），１回対称２次収差（Ｂ２），３回対称２次収差（Ａ２），２回対称３次収差（Ｓ３），４回対称３次収差（Ａ３）であり、これら５つの寄生収差を全て補正することが要求されている。

これらの収差のうち、Ａ１，Ｂ２，Ａ２，Ａ３の補正方法は既に知られている。すなわち、収差Ａ１，Ａ２，Ａ３はそれぞれ静電又は磁気４極子，６極子，８極子を用いれば補正可能である。また、収差Ｂ２は、偏向コイルによる電子軌道の変化を利用することで補正可能であり、そのＢ２の補正はコマフリーアライメント等とも呼ばれていて、コマフリーアライメントはＣｓ補正装置の実現以前において知られている。

特開２００３−９２０７８号公報

しかしながら、Ｃｓ補正実現により必要となった収差Ｓ３の補正方法は、まだ確立されていない。
そこで本発明の目的は、２回対称３次収差Ｓ３を補正する方法および電子線装置を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の収差補正方法は、第１の多極子と第２の多極子の間に伝達レンズを配置した球面収差補正装置を備えた電子線装置において、２回対称３次収差（Ｓ３）が補正されるように、第１の多極子内または第２の多極子内で電子線の中心軌道を光軸に対して傾斜させるようにした。

したがって本発明によれば、２回対称３次収差Ｓ３を補正することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を透過型電子顕微鏡に適用した一例を示した図である。まず、図１の装置構成について説明する。

１は電子銃であり、その後段には光軸Ｏに沿って順に、集束レンズ２、多極子（第１の多極子）３、伝達レンズ４、伝達レンズ５、伝達レンズ６、多極子（第２の多極子）７、偏向コイル８、偏向コイル９、対物レンズ１０、試料１１、対物レンズ１２、中間レンズ１３、投影レンズ１４、ＳＴＥＭ像観察用検出器１５、蛍光スクリーン１６が配置されている。これらの磁界型レンズ２〜１０および１２〜１４の軸は、光軸Ｏに合わせられている。

Ｃｓ補正装置１７は、多極子３と伝達レンズ４〜６と多極子７で構成されており、多極子３と多極子７は伝達レンズ４〜６を用いて共役関係となっている。多極子３と多極子７は、それぞれ６極場を発生させてＣｓ補正を行うものである。この例では、多極子３と多極子７は、光軸Ｏに対して対称に置かれた１２個の磁極Ｍ１〜Ｍ１２からなっており、図２は多極子７を伝達レンズ６側から見た図である。このような１２極子で６極場を発生させる方法はいろいろあり、１２個の磁極を用いてＣｓ補正６極場を発生させたり、６個の磁極（６０度おきに配置されている磁極）を用いてＣｓ補正６極場を発生させたりする方法等がある。なお、このＣｓ補正装置における伝達レンズ５は、上述した特許文献１に記載されている回転補正レンズであり、多極子３で発生した６極場と多極子７で発生した６極場の回転関係を補正するための回転補正レンズである。
また、図１において、１８はｘ方向偏向用励磁電流源である。このｘ方向偏向用励磁電流源１８は、図２に示すように、磁極Ｍ４とＭ１０に共通に巻かれたコイルＣ１に励磁電流を流すための電源である。このようにコイルＣ１に電流を流すと、磁極Ｍ４とＭ１０間にｘ偏向場が形成され、光軸Ｏ上およびその付近を進行する電子線はそのｘ偏向場によってｘ方向に偏向される。なお、コイルＣ１は、他のコイルとは独立して磁極Ｍ４，Ｍ１０に巻かれている。
また、図１において、１９はｙ方向偏向用励磁電流源である。このｙ方向偏向用励磁電流源１９は、図２に示すように、磁極Ｍ１とＭ７に共通に巻かれたコイルＣ２に励磁電流を流すための電源である。このようにコイルＣ２に電流を流すと、磁極Ｍ１とＭ７間にｙ偏向場が形成され、光軸Ｏ上およびその付近を進行する電子線はそのｙ偏向場によってｙ方向に偏向される。なお、コイルＣ２は、他のコイルとは独立して磁極Ｍ１，Ｍ７に巻かれている。
また、図１において、２０は制御手段である。制御手段２０は、ｘ方向偏向用励磁電流源１８とｙ方向偏向用励磁電流源１９を制御するためのものである。
以上、図１の装置構成を説明した。なお、この図１の装置において、本発明の「第１の偏向手段」は、磁極Ｍ４とＭ１０とコイルＣ１とｘ方向偏向用励磁電流源１８、および、磁極Ｍ１とＭ７とコイルＣ２とｙ方向偏向用励磁電流源１９で構成される（図２参照）。また、図１の装置において、本発明の「第２の偏向手段」は、偏向コイル８と偏向コイル９で構成される。これらの偏向コイル８，９は、電子線をｘおよびｙ方向に偏向可能に構成されている。
以下、図１の透過型電子顕微鏡の動作説明を行う。
電子銃１で発生した電子線ＥＢは集束レンズ２で集束され、集束された電子線ＥＢは光軸Ｏ上を通ってＣｓ補正装置１７に入射する。このＣｓ補正装置によって、すなわち、多極子３と多極子７の発生する６極場によって、対物レンズ１０の球面収差（Ｃｓ）は補正される。
さて、Ｃｓ補正装置１７を動作させると、上述した寄生収差Ｓ３（２回対称３次収差Ｓ３）が発生する。そこで図１の装置においては、その寄生収差Ｓ３を打ち消す２回対称３次収差Ｓ３を多極子７内で新たに発生させることにより、寄生収差Ｓ３を補正するようにしている。
すなわち、光軸Ｏ上に沿って多極子７に入射した電子線ＥＢは、多極子７の磁極Ｍ４，Ｍ１０間に発生している前記ｘ偏向場と、多極子７の磁極Ｍ１，Ｍ７間に発生している前記ｙ偏向場によって、所定の方向に所定の大きさだけ偏向される。この偏向により、多極子７に軸上入射した電子線ＥＢの中心軌道は、Ｃｓ補正６極場を発生している多極子７内で光軸Ｏに対してθ傾斜する。
このように、６極場を発生している多極子７内で電子線ＥＢを光軸Ｏに対して傾斜させると、その傾斜された電子線ＥＢを構成する各電子に対し、２回対称３次収差Ｓ３が多極子７内で導入される。すなわち、電子線ＥＢが多極子７内を傾斜して進行する過程において、各電子に対し、寄生収差Ｓ３とは別に新たな２回対称３次収差Ｓ３（以後、収差Ｓ３’という）が発生する。このことは本件発明者が実験により見出したものであり、図１の装置は、寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’を新たに発生させて、寄生収差Ｓ３を補正するようにしたものである。
さて、寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’をつくるには、収差Ｓ３’の大きさと位相角（方向）を任意に変えられることが必要である。この点に関しては、本件発明者は実験により以下の（１）（２）の点を見出した。
（１）収差Ｓ３’の大きさは、電子線ＥＢの多極子７中での傾斜の大きさに依存し、図１の傾斜角θを大きくすればするほど、発生する収差Ｓ３’の大きさは大きくなる。すなわち、図２に示した多極子７において、多極子７に軸上入射（光軸Ｏ上に沿って入射）した電子線ＥＢを偏向用磁極Ｍ４，Ｍ１０，Ｍ１，Ｍ７によってどれ位大きく外へ振るかによって、発生する収差Ｓ３’の大きさは変わってくる。
（２）収差Ｓ３’の位相角は、電子線ＥＢの多極子７中での傾斜の方向に依存する。すなわち、図２に示した多極子７において、多極子７に軸上入射した電子線ＥＢを偏向用磁極Ｍ４，Ｍ１０，Ｍ１，Ｍ７によって何時の方向に曲げるかによって、発生する収差Ｓ３’の位相角は変わってくる。
そこで図１の装置では、制御手段２０は、寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’を多極子７内で発生させるための制御信号Ｔとして、多極子７内で電子線ＥＢをどの方向にどの程度の大きさ傾斜させるかを表した制御信号Ｔを、ｘ方向偏向用励磁電流源１８とｙ方向偏向用励磁電流源１９に送る。ｘ方向偏向用励磁電流源１８とｙ方向偏向用励磁電流源１９は、それぞれ、その制御信号Ｔに基づいてコイルＣ１とＣ２（図２参照）に流れる電流を制御するので、前記制御信号Ｔに対応したｘ偏向場が磁極Ｍ４，Ｍ１０間に発生すると共に、前記制御信号Ｔに対応したｙ偏向場が磁極Ｍ１，Ｍ７間に発生する。
これらのｘ偏向場とｙ偏向場により、多極子７に軸上入射した電子線ＥＢは、寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’が多極子７内で発生するように傾斜される（図１参照）。そして、多極子７を出射した電子線ＥＢは、偏向コイル８と９で光軸Ｏ上に振り戻され、電子線ＥＢは対物レンズ１０に軸上入射する。そして、対物レンズ１０を出射した電子線ＥＢは試料１１を照射する。
なお、上述した制御信号Ｔは、事前に求められて制御手段２０に設定されている。その制御信号Ｔの求め方としては、たとえば、次の方法がある。すなわち、試料１１をセットしない状態で電子線ＥＢのスポット形状を蛍光スクリーン１６上で観察し、観察している電子線ＥＢのスポット形状が円形になるように（すなわち、光学系全体として寄生収差Ｓ３がゼロとなるように）、ｘ方向偏向用励磁電流源１８とｙ方向偏向用励磁電流源１９を制御して電子線ＥＢの傾きの大きさと方向を設定する。
以上、図１の装置の動作説明を行った。上述したように、図１の装置では、対物レンズ１０の球面収差（Ｃｓ）と共に寄生収差Ｓ３も補正されるので、試料１１を照射する電子線ＥＢの径を極めて小さくすることができる。このため、高分解能のＳＴＥＭ像観察が可能となる。また、微小領域の分析（特性Ｘ線分析など）が可能となる。
なお、ここで、上述した収差Ｓ３’の発生について補足しておく。
図１に示したように、多極子７に軸上入射した電子線ＥＢは、多極子７内を進むにつれて徐々に光軸Ｏから離れて行く。この際、多極子７内にはＣｓ補正６極場が発生しているので、電子はその６極場の影響を受けながら徐々に光軸Ｏから離れて行く。このように電子が６極場の影響を受けながら徐々に光軸Ｏから離れて行く条件下においては、電子は多極子７内を進むに従って４極場の影響を次第に強く受ける。このことは、電子が多極子７内で「４極場のフリンジ項」の影響を受けていることに相当し、その結果、多極子７内を光軸Ｏに対して傾斜して進行する電子には収差Ｓ３’（２回対称３次収差Ｓ３）が導入される。なお、電子線ＥＢを多極子７内で光軸Ｏに対して傾斜させると、収差Ｓ３’と共に２回対称１次収差Ａ１も新たに発生するが、図１の装置においてこの収差Ａ１は、たとえば既存の非点補正コイル（図示せず）にて補正される。
次に、本発明の他の例を図３を用いて説明する。図３の構成において、図１と同じ構成要素には図１と同じ番号を付けており、その説明を省略する。
図３において、２１，２２は偏向コイルであり、偏向コイル２１は伝達レンズ４，６間に配置され、偏向コイル２２は伝達レンズ６と多極子７間に配置されている。偏向コイル２１，２２はそれぞれ、電子線ＥＢをｘ，ｙ方向に偏向できるように構成されている。
２３は偏向用励磁電流源であり、偏向用励磁電流源２３は、偏向コイル２１，２２に励磁電流を流すためのものである。また、２４は制御手段であり、制御手段２４は、偏向用励磁電流源２３を制御するものである。
このような構成の透過型電子顕微鏡の動作を以下に説明する。
上述した図１の装置では多極子７内で新たな収差Ｓ３’を発生させたが、その点においては図３の装置も同じである。ただ、図３の装置においては、多極子７内を通る光軸Ｏに対して（多極子７の中点ｍに対して）電子線ＥＢが傾きθをもって入射するように、偏向コイル２１，２２で電子線ＥＢを偏向させている。このように電子線ＥＢが多極子７に傾きをもって入射すると、図１の装置の場合と同じように、多極子７内を光軸Ｏに対して傾斜して進行する電子には収差Ｓ３’が導入される。そして、図３の装置においては、前記寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’が発生するように、電子線ＥＢの多極子７への入射方向および入射角度が制御される。その入射方向および入射角度に関する制御信号は制御手段２４から偏向用励磁電流源２３に供給され、偏向用励磁電流源２３はその制御信号に基づいて偏向コイル２１，２２に流れる電流を制御する。
なお、図３の装置においては、偏向コイル２１，２２と偏向用励磁電流源２３で「第１の偏向手段」が構成されている。また、図３の装置においては、多極子７に斜め入射した電子線ＥＢは、多極子７（第２の偏向手段）の磁極Ｍ１，Ｍ４，Ｍ７，Ｍ１０によりつくられる前記ｘｙ偏向場によって光軸Ｏ上に振り戻され、電子線ＥＢは対物レンズ１０に軸上入射する。
次に、本発明の他の例を図４を用いて説明する。図４の構成において、図１と同じ構成要素には図１と同じ番号を付けており、その説明を省略する。
図４において、２５，２６は偏向コイルであり、偏向コイル２５，２６は集束レンズ２と多極子３間に配置されている。偏向コイル２５，２６はそれぞれ、電子線ＥＢをｘ，ｙ方向に偏向できるように構成されている。
２７は偏向用励磁電流源であり、偏向用励磁電流源２７は、偏向コイル２５，２６に励磁電流を流すためのものである。また、２８は制御手段であり、制御手段２８は、偏向用励磁電流源２７を制御するものである。
このような構成の透過型電子顕微鏡の動作を以下に説明する。
上述した図１，３の装置では多極子７内で新たな収差Ｓ３’を発生させたが、図４の装置では、多極子３内で収差Ｓ３’を新たに発生させている。すなわち、図３の装置においては、多極子３内を通る光軸Ｏに対して（多極子３の中点ｊに対して）電子線ＥＢが傾きθをもって入射するように、偏向コイル２５，２６で電子線ＥＢを偏向させている。このように電子線ＥＢが多極子３に傾きをもって入射すると、図３の装置の場合と同じように、多極子３内を光軸Ｏに対して傾斜して進行する電子には収差Ｓ３’が導入される。そして、図４の装置においては、前記寄生収差Ｓ３を打ち消す収差Ｓ３’が発生するように、電子線ＥＢの多極子３への入射方向および入射角度が制御される。その入射方向および入射角度に関する制御信号は制御手段２８から偏向用励磁電流源２７に供給され、偏向用励磁電流源２７はその制御信号に基づいて偏向コイル２５，２６に流れる電流を制御する。
なお、図４の装置においては、偏向コイル２５，２６と偏向用励磁電流源２７で「第１の偏向手段」が構成されている。また、図４の装置においては、多極子３に斜め入射した電子線ＥＢは、多極子３（第２の偏向手段）の磁極によりつくられるｘｙ偏向場によって光軸Ｏ上に振り戻される。
以上、本発明の例を図１〜図４を用いて説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。
たとえば、上記例は、透過型電子顕微鏡の照射系にＣｓ補正装置を配置したものであるが、その結像系にもＣｓ補正装置を組み込んで本発明を適用するようにしてもよい。また、その結像系のみにＣｓ補正装置を組み込んで本発明を適用するようにしてもよい。すなわち、図１の装置において、Ｃｓ補正装置１７を対物レンズ１２と中間レンズ１３間にも配置し、図１の場合と同様、結像系の第２の多極子７（中間レンズ側の多極子）で電子線ＥＢを傾斜させて寄生収差Ｓ３を補正するようにしてもよい。そして、この場合、その第２の多極子７の電子線出射側に配置された偏向コイルによって、電子線ＥＢは光軸Ｏ上に振り戻される。
また、図１の装置において、Ｃｓ補正装置１７を対物レンズ１２と中間レンズ１３間にも配置すると共に、そのＣｓ補正装置１７内に偏向レンズを組み込み、図３の場合と同様、結像系の第２の多極子７（中間レンズ側の多極子）に電子線ＥＢを斜めに入射させて寄生収差Ｓ３を補正するようにしてもよい。
また、図１の装置において、Ｃｓ補正装置１７を対物レンズ１２と中間レンズ１３間にも配置すると共に、Ｃｓ補正装置１７と対物レンズ１２間に偏向レンズを配置し、図４の場合と同様、結像系の第１の多極子３（対物レンズ１２側の多極子）に電子線ＥＢを斜めに入射させて寄生収差Ｓ３を補正するようにしてもよい。
このようにＣｓ補正装置を透過型電子顕微鏡の結像系に配置して本発明を適用すれば、対物レンズ１２の球面収差（Ｃｓ）と共に寄生収差Ｓ３も補正されるので、高分解能のＴＥＭ像を得ることができる。
また、本発明を透過型電子顕微鏡以外の電子線装置に適用することができ、たとえば、本発明を走査型電子顕微鏡や電子線露光装置などにも適用することができる。

本発明の一例を示した図である。 多極子の構造を説明するために示した図である。 本発明の他の例を示した図である。 本発明の他の例を示した図である。

符号の説明

１…電子銃、２…集束レンズ、３…多極子、４〜６…伝達レンズ、７…多極子、８，９…偏向コイル、１０…対物レンズ、１１…試料、１２…対物レンズ、１３…中間レンズ、１４…投影レンズ、１５…ＳＴＥＭ像観察用検出器、１６…蛍光スクリーン、１７…Ｃｓ補正装置、１８…ｘ方向偏向用励磁電流源、１９…ｙ方向偏向用励磁電流源、２０…制御手段、２１，２２…偏向コイル、２３…偏向用励磁電流源、２４…制御手段、２５，２６…偏向コイル、２７…偏向用励磁電流源、２８…制御手段

Claims (8)

1. 第１の多極子と第２の多極子の間に伝達レンズを配置した球面収差補正装置を備えた電子線装置において、
   ２回対称３次収差（Ｓ３）が補正されるように、第１の多極子内または第２の多極子内で電子線の中心軌道を光軸に対して傾斜させるようにしたことを特徴とする収差補正方法。
2. 第１の多極子と第２の多極子の間に伝達レンズを配置した球面収差補正装置を備えた電子線装置において、
   電子線の中心軌道が第１の多極子内または第２の多極子内で光軸に対して傾斜するように、電子線を偏向させる第１の偏向手段と、
   前記第１の偏向手段を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、２回対称３次収差（Ｓ３）を補正するための制御信号として、前記第１または第２の多極子内で電子線をどの方向にどの程度傾斜させるかを表した制御信号を前記第１の偏向手段に供給する
   ことを特徴とする電子線装置。
3. 第１の多極子から出射した電子線の中心軌道が、第２の多極子内で光軸に対して傾斜するように、第２の多極子により形成される多極子場によって電子線を偏向させることを特徴とする請求項２記載の電子線装置。
4. 第２の多極子の電子線出射側に配置した第２の偏向手段により、電子線を光軸上に振り戻すようにしたことを特徴とする請求項３記載の電子線装置。
5. 第１の多極子から出射した電子線が、第２の多極子内を通る光軸に対して傾きをもって入射するように、第１の多極子と第２の多極子の間に配置した前記第１の偏向手段によって電子線を偏向させることを特徴とする請求項２記載の電子線装置。
6. 第２の多極子により形成される多極子場により、電子線を光軸上に振り戻すようにしたことを特徴とする請求項５記載の電子線装置。
7. 電子線が第１の多極子側から第２の多極子側に向かって進行する請求項２記載の電子線装置において、
   電子線が第１の多極子内を通る光軸に対して傾きをもって入射するように、第１の多極子の電子線入射側に配置した前記第１の偏向手段によって電子線を偏向させることを特徴とする電子線装置。
8. 第１の多極子により形成される多極子場により、電子線を光軸上に振り戻すようにしたことを特徴とする請求項７記載の電子線装置。

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