JP2009054581A - 荷電粒子ビーム用軌道補正器、及び、荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
回転対称系における従来の収差補正システムの問題を解決し、低コストで高精度かつ高分解能の荷電粒子ビーム用収束光学系を提供する。
【解決手段】
荷電粒子線源から発生する荷電粒子ビームのビーム放射軸を回転軸として分割数２より大きい自然数で分割した角度を有する放射状の平面内に、ビーム放射軸に沿って配置されたコイル群を配置し、荷電粒子ビームの入射軸上に重畳磁界を発生させて荷電粒子ビームの軌道を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子ビーム装置の光学系における荷電粒子ビーム用軌道補正器、及び、それを備えた荷電粒子ビーム装置に関する。

荷電粒子の一種である電子やイオンビームを用いた装置のうち、電子を収束させて試料面上に結像照射する電子顕微鏡，電子ビーム露光機，イオンビーム装置などの荷電粒子ビーム装置は、広範なナノテクノロジー分野で重要な役割を果たしている。これらの荷電粒子ビームの収束には、電極又は磁極で構成された電子レンズが用いられる。このような電子レンズを用いるときに問題となるのが、電子光学的な収差である。一般に、回転対称な構成の電子レンズは、軸外側でその電磁極に近いほど収束作用が大きくなり、凸レンズとして機能する。さらに、この電磁場と荷電粒子ビームの相互作用で、高次の摂動成分である収差により、ある点から発した荷電粒子ビームについて、レンズへの入射条件に依存して微小な分散が発生することが知られている。そのため、理想的な点光源であっても、その放射角分布や中心軌道軸に依存して、結像点に有限の広がり、いわゆるビームぼけを発生してしまう。このように収差は、収束荷電粒子ビームによる試料観察での分解能劣化や、微細加工での重大な精度劣化要因となる。

回転対称系での収差を見積もると、摂動論によれば、軸上におけるビーム軌道ずれ量δは、回転対称軸に対する入射角αが小さいとαの３乗に比例する球面収差と加速エネルギーＶに対する偏差ｄＶに比例する色収差が発生し、軸外や高次項を無視すると
δ＝Ｃｓα³＋Ｃｃ（ｄＶ／Ｖ）α ・・・数１
と表せる。ここでＣｓは球面収差係数、Ｃｃは色収差係数である。数１によりビーム電流分布やエネルギー分散があると、軸上でαに依存したビームぼけが発生する。一般に荷電粒子ビーム装置では、光源より発した荷電粒子ビームを広く取り込むほど収束レンズ内の軌道分布が広がり、収差量が増加する。収差量を低減するためには、収差源となる電子レンズを強く励起して短焦点として作用長を短くし、軌道分散すなわちぼけを低減する方法がとられる。

また、この収差を補正する方法として、回転対称でない多極子を多数段配置して、その発散と収束を制御する収差補正方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。具体的には、磁界型の６極子系または４極子４段と８極子３段を交互に配列した系による球面収差補正器、更には１２極子電磁極による色，球面収差補正器等が提案されている。

これらの多極子補正系を構成する全ての電磁極は、機械加工，配置に極めて高精度が要求される。微細な収差を補正するにはノイズや電源変動の影響も受けやすく、高安定な電源，調整法が多数必要となる。また、磁極を用いる磁場型では、磁化ヒステリシスも問題となり、特性のばらつき要因となる。特に、収差補正器のように、突き出した磁極の場合は、高透磁率材の使用が外部からの磁場ノイズを誘導する要因ともなる。一方、静電系は複雑な絶縁構造や真空内でビームに対向するため、コンタミネーションによるドリフト影響低減も実用化のための課題となる。

このような技術的な困難さやコスト的な課題が大きく、多極子補正系は、まだ一部の電子顕微鏡に適用されているのみである。このような課題を解決し、安価で高精度かつ調整が容易な多極子補正システムの実現が大きな技術課題となっている。

H. Rose, Nucl. Instrum. Meth., A 519,12.

本発明は、回転対称系における従来の収差補正システムの問題を解決し、低コストで高精度かつ高分解能の荷電粒子ビーム用収束光学系を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、荷電粒子線源から発生する荷電粒子ビームのビーム放射軸を回転軸として分割数２より大きい自然数で分割した角度を有する放射状の平面内に、ビーム放射軸に沿って配置されたコイル群を配置し、荷電粒子ビームの入射軸上に重畳磁界を発生させて荷電粒子ビームの軌道を制御するようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、回転対称系における従来の収差補正システムの問題を解決し、低コストで高精度かつ高分解能の荷電粒子ビーム用収束光学系を提供することができる。

一般に、再現性や均一磁場が要求される電子線描画装置等のビーム偏向器には、空芯の分布巻きコイル等が用いられる。収差補正を行う多極子系においても、多極子を磁極を用いずに巻線コイルにより構築すれば同様の効果が期待できる。すなわち、磁極を廃して単純な巻線により補正磁場を作れれば、磁極のヒステリシスや加工精度の影響を無くすことができる。また補正器内のビーム通路の真空をパイプ状の非磁性材で維持してガス放出を抑制すれば、コンタミネーションも低減できる。磁場は速度が０の荷電ビームに作用しないため、製作時に混入した絶縁性異物の影響も少なく、不要帯電に対する安定性も期待される。

コストや加工性からの課題は、如何に簡易な巻線で補正場、すなわち多極子場が作れるかである。以下にその一例を示す。今、ビーム軸に平行に直線状に配置した無限長とみなせる電流線を考える。直線状の電流Ｉから距離Ｌの点での磁界Ｈは、
Ｈ＝Ｉ／（２πＬ） ・・・数２
である。

図１はコイルの構成を示す斜視図であり、図１に示すようにビーム１を対称軸に半径Ｒの位置に、線数Ｎ＝２本のコイルを配置した場合を考える。ビーム１からのコイル２の方向への距離をｒとして、近軸仮定としてｒ＜＜Ｒの場合の磁場Ｂｒは、
Ｂｒ＝（Ｉ／２π）｛１／(Ｒ−ｒ)−１／(Ｒ＋ｒ)｝
≒Ｉｒ／（πＲ²） ・・・数３
と近似できる。同様にコイル２と直交方向磁場Ｂｒは
Ｂｒ≒−Ｉｒ／（πＲ²） ・・・数４
となる。

ここで重要な点は、数３，数４の磁場は、図中に矢印で示されるように、径方向が打ち消され、相互に逆回転方向に励磁されることである。また近軸での磁場分布はｒの一次に比例した４重極子となることがわかる。すなわち、図１のコイル系２に円形のビーム１を入射させると、磁場の作用でコイル２の方向とその直角方向で非点状の作用を受け、投影像３は変形する。図２は、コイルの構成を上面から見た平面図であり、図１がコイル２が２本の２線系であるのに対して、図２はコイル２が４本の４線系である。この場合の回転磁場Ｂｒは、８重極子として作用することがわかる。

図３は、コイルの線数Ｎと磁場強度の関係を示す関係図である。数２の関係において、コイル２の線数Ｎを変化させて、ビーム軸からコイル方向と、その間隙で等分割方向の磁場を計算した。横軸はビームの中心軸からの半径、縦軸は磁場強度である。線数Ｎが増加すると次数が上がり、グラフ上の線分の傾斜が強くなってくる。Ｎ＝４系では、数１に示した球面収差と同じ３次項依存で増加する８極子の界分布を有することがわかる。

以上から、結論として、コイル２の線数Ｎ＝２，３，４，６により、それぞれ収差補正で重要な前述の磁気４極子，６極子，８極子，１２極子が実現できることを示している。また、これらの界分布は、ビームを軸とした回転磁場であり、通常の回転対称レンズに比べて、直接に強い収束作用を与えることができる。図４は、図２と同様のコイルの構成を上面から見た平面図であるが、投影像３も示してあり、図４（ａ）は２線系の場合、図４（ｂ）は３線系の場合、図４（ｃ）は４線系の場合、図４（ｄ）は６線系の場合である。コイル２の線数Ｎによって、２重の波動状パターンとして電流方向で変化する投影像の収束発散を模式的に示している。すなわち、荷電粒子線源から発生する荷電粒子ビームのビーム放射軸を回転軸として分割数２より大きい自然数で分割した角度を有する放射状の平面内に、ビーム放射軸に沿って配置されたコイル群を配置し、荷電粒子ビームの入射軸上に重畳磁界を発生させて荷電粒子ビームの軌道を制御することで、荷電粒子ビームの軌道の補正器を得ることができる。

従来の多極子系を、これらの単純な平行電流線で置き換えることで、安価な補正器の実現を可能とすることができる。すなわち、通常、収差補正で使用される４極子と８極子はＮ＝２線系とＮ＝４線系、６極子系はＮ＝３線系、１２極子はＮ＝６線系で置き換えればよい。

上記の原理に基づき、以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。なお、以下では、荷電粒子が電子の場合について説明するが、本発明の補正器は正の荷電粒子であるイオンの場合にも適用できる。また、収差補正器の適用例として、主に磁気４極子，８極子，電磁重畳１２極子系への実施例を一部を簡略化して示すが、ダブレットレンズ６極子系，静電型補正器等との併用系への応用も可能である。

図５は、コイルの配置構成を示す斜視図の縦断面図である。真空パイプ４を囲むリング状のボビン５に、トロイダル状に巻線し、これを積層してコイルを配置した。コイルの中心に非磁性の真空パイプ４を配して真空を維持したままで、ボビン５がビーム１の主軸に対して垂直方向に移動できるような構造とする。これにより、ビーム１の軌道に対してボビン５を軸合わせすることができる。コイル群は大気中で機械的に自由に回転、上下方向の位置決めが可能となる。またコイルに流れる電流をオフにすると、コイルの作用がなくなるため、あらかじめ機械加工誤差，調整容易性，量産性から共用予備線を設けることも可能である。また、調整の容易化や寄生収差等の影響を低減するため、ビーム１に対してコイル群の背面部は出来るだけ遠方とする。

具体的に、図５の例では、Ｎ＝２の２線系コイル６と、Ｎ＝４の４線系コイル７を交互に積層して、４極子と８極子の系を構成し、球面収差を補正するようにした。図３，図４に示した作用により、以下に述べるように、従来と同様の多極子系の補正軌道の考え方が利用できる。ビーム１は、まず初段の２線系コイル６に入射し、その４極子場の作用により、直交方向で異なる収束と発散作用を受け、実線と破線で示す軌道に変位する。次段の４線系コイル７は８極子場を作り、ビーム１は軸外を通る実線方向に強い偏向作用を受け、破線方向ではほとんど偏向影響を受けない。ビーム１は、中央および下段の４線系コイル７で偏向作用を受け、総合して任意方向で負の球面収差係数を発生する。そして、最下段の回転対称な収束レンズ８の正の球面収差係数を打ち消すように、各作用量や作用距離が設定され、調整される。また、２線系コイル６や４線系コイル７の配線の絶縁層表面に導電膜６ａ，７ａを設けて、同軸シールド部を設け、配線からのノイズを防ぐようにする。

図６は、透過型電子顕微鏡の主要部の縦断面図を示し、本発明による構成を、透過型電子顕微鏡に搭載した例である。電子源９を発した電子ビーム１は、入射レンズ１０で集束され、試料１１に照射される。試料１１の下方には、所望のコントラストを得るための制限絞り１２が設けられている。試料１１を透過した電子は、対物レンズ１４と制限絞り１２とで収束され、巻線補正器１３にほぼ平行に入射する。そこで負の球面収差が発生し、対物レンズ１４の球面収差が補償され、打ち消される。電子は、更に、中間レンズ１５，投射レンズ１６により、投影像３が蛍光面１７に形成される。

図６において、巻線補正器１３は、磁性材料を全く使用しないため、ヒステリシスや不要な電磁界の導入を受けにくい利点がある。巻線補正器１３の周囲に磁場シールドを配すれば、効率的な磁場遮蔽が可能である。また、真空パイプ４に電圧を印加すれば、巻線補正器１３の作用感度を調整することができる。本実施例では、透過型電子顕微鏡を事例として述べたが、巻線補正器１３は、図６に示したように、ビームの軌道を真空に保つための真空パイプを設け、この真空パイプとレンズの内側へ設置するだけでよいので、走査透過型電子顕微鏡，走査型電子顕微鏡，収束イオンビーム加工装置等にも適用が可能である。

以下、本発明の第２の実施の形態を説明する。図７は、真空パイプと補正器の概略構成を示す斜視図の縦断面図である。補正器の構成として、電磁型１２極子補正系の一部を示している。図７において、真空を維持する非磁性の真空パイプ４に、配線パターンと電源回路を形成した半導体基板２２を放射状に接合する。球面収差に加えて電磁力による作用差を利用して色収差も補正する１２極子系では、磁場作用と電場作用とを重畳する必要がある。そのため図７に示した構成では、ビーム１の軌道を分離するための２極線１８を含む２線コイルと、１２極子作用を得るための６極線１９を含む６線コイルと、６線コイルに励磁電流を印加する電流アンプ２０と、バイアス電圧を印加する電圧源２１と、電流分配抵抗２１ａと、接続スイッチを含む回路素子２１ｂとを搭載している。

電子光学的な相似則によれば、上述のような磁界型コイルは、電流及びコイルの大きさを一定比で縮小すれば、同じビーム軌道が得られることが知られている。近年はＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）加工技術が進み、微細な配線加工が可能となっているので、例えば、磁気ヘッドや半導体の微細加工技術を使って、数１０μｍ程度の配線を作製できれば、非常に補正器を小型化でき、更には、低い電流電源でビーム軌道の制御が可能である。巻線補正器の製作上の最大の利点は、プリント基板や半導体基板上の配線パターンでコイルを形成できる点である。

図７に示すように、特に磁場のみの巻線補正系は、半導体基板２２の破線で示される延長面２１ｃに配線として形成できる。これを、近年のリソグラフィー技術で超小型化できれば、電源容量の縮小に加えて、補正器の高感度化と高精度化の両立が可能である。その他、半導体の多層化技術を用いれば同軸シールド構造も可能であり、ノイズ影響も低減できる。高安定な大電流が必要となる高加速ビームにおいても、図７に示す構成の補正器を用いれば、大気中への放熱が容易であり、熱容量も小さくできる。更には、補正器を冷凍機で冷却する構成とすることにより、超伝導化による超安定な大電流化も可能となる。

コスト面では、図５や図７に示した各コイル群を直列接続したり、巻数で磁界強度を調整すれば電源数を節約できる。また励磁電流を各コイルと並列接続した抵抗により調整することで、電源数や部品コストを低減することが可能である。また、原理的にヒステリシスがないため、補正器全てを巻数と巻線方向で調整して接続し、一つの電源のみで再現よく動作させることが可能である。

実用上で大きな課題となるのが、ビームと補正器の軸ずれであり、補正器の巻線の寸法誤差に起因するが、これは対策が容易である。図８は、補正器をビームが通過する部分の概略構成を示す斜視図である。巻線系の発生する磁場は、各線の重ね合わせなので、ビーム１との相対変位については、アライナー偏向器２４に偏向作用となる反電流を流せばよい。４線系では、相対方向に偏向作用となる反電流を流せばよい。２線系の場合には、予め４線系で構成しておき、偏向作用や非点作用のために４線系による補正を行えば、ビームの軸ずれについての電気的な位置合わせが可能である。

また、主電流線２５を頂点として３角系に近接して配置した補助電流線２６で、軸ずれを補正することが可能である。主電流線２５の左右の補助電流線２６の電流量と向きにより、ベクトル的に左右前後にビームの軸を移動させることができる。

通常の多極子系は、入射位置や偏向感度を調整できるが、作用中心を制御できない。そのため、ビームのクロス点が理論的な位置に無い場合に、個別の調整が困難であった。巻線方式では、作用中心を比較的自由に調整することが可能である。すなわち、２段のコイルを配してその電流量を調整すればよい。図９は、ビームとコイルの構成を模式的に示す縦断面図であり、２段のコイル２に、独立して電流Ｉ₁，Ｉ₂を流すことにより、ビーム１の出射方向からみた方位角と軸との交点、すなわち作用中心位置を容易に調整することができる。

以上述べた本発明の実施態様によれば、電源を含め極めてコンパクトかつ低コストに、収差補正等の汎用性が高い荷電粒子ビームの軌道補正が実現できる。その結果、回転対称系における従来の収差補正システムの問題を解決し、低コストで高精度かつ高分解能の荷電粒子ビーム用収束光学系を提供することができる。

コイルの構成を示す斜視図。 コイルの構成を上面から見た平面図。 コイルの線数Ｎと磁場強度の関係を示す関係図。 コイルの構成を上面から見た平面図。 コイルの配置構成を示す斜視図の縦断面図。 透過型電子顕微鏡の主要部の縦断面図。 真空パイプと補正器の概略構成を示す斜視図の縦断面図。 補正器をビームが通過する部分の概略構成を示す斜視図。 ビームとコイルの構成を模式的に示す縦断面図。

符号の説明

１ ビーム
２ コイル
３ 投影像
４ 真空パイプ
５ ボビン
６ ２線系コイル
７ ４線系コイル
８ 収束レンズ
９ 電子源
１０ 入射レンズ
１１ 試料
１２ 制限絞り
１３ 巻線補正器
１４ 対物レンズ
１５ 中間レンズ
１６ 投射レンズ
１７ 蛍光面
１８ ２極線
１９ ６極線
２０ 電流アンプ
２１ 電圧源
２２ 半導体基板
２３ 同軸配線
２４ アライナー偏向器
２５ 主電流線
２６ 補助電流線

Claims (11)

1. 荷電粒子線源から発生する荷電粒子ビームのビーム放射軸を回転軸として分割数２より大きい自然数で分割した角度を有する放射状の平面内に、前記ビーム放射軸に沿って配置されたコイル群を配置し、前記荷電粒子ビームの入射軸上に重畳磁界を発生させて前記荷電粒子ビームの軌道を制御するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
2. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、複数段の同一あるいは異なる角度分割コイル群を直列に配置し、各段に重畳磁界を発生して前記荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
3. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、前記コイル群の間を直列接続し、前記コイル群の発生する重畳磁場によって前記荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
4. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、前記コイル群の電流を独立に制御し、前記コイル群の発生する重畳磁場によって荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
5. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、前記コイル群内の電流線の電流を独立に制御し、前記コイル群の発生する重畳磁場によって荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
6. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、半導体基板に電流線および励磁電流増幅器，コイル電位を設定する電圧源，電流分配抵抗，接続スイッチを含む回路素子を配置し、配線パターンで接続して集積回路を設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
7. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、周囲に磁場シールドを配置したことを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
8. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、コイル群内に非磁性の真空配管を配置したことを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
9. 請求項１に記載の荷電粒子ビーム用軌道補正器において、コイル配線の絶縁層表面に導電膜を形成して同軸シールド部を設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム用軌道補正器。
10. 荷電粒子ビーム源から放出された荷電粒子ビームを試料へ収束させるための収束光学系を有する荷電粒子ビーム装置において、前記収束光学系は磁界レンズと荷電粒子ビーム用軌道補正器とを含み、前記荷電粒子ビーム用軌道補正器は、前記収束光学系の光軸上に配置されたコイル群により重畳磁界を発生して、前記コイル群の間を通る荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
11. 請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置において、前記コイル群内部に回転対称な制御電極を有し、前記収束光学系の光軸上に電磁界を発生して、前記制御電極内を通る荷電粒子ビームの軌道を制御することを特徴とする荷電粒子ビーム装置。

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