JP2016009684A - モノクロメータ及びこれを備えた荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構造が複雑で、高価であり、製作において高精細を要求し、電源の数が非常に多く必要であるという問題を解決する。【解決手段】 狭い波長範囲の光を供給するために用いるモノクロメータであって、エミッターで放出された荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第１の静電レンズと、中心軸が前記第１の静電レンズの中心軸と同軸に配置され、前記第１の静電レンズと特定の隔離距離を設けて離隔し、前記第１の静電レンズで出射する前記荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第２の静電レンズとを含み、前記荷電粒子ビームは、前記静電レンズの前記中心軸から特定オフセット分ずれた軸外軌道を通過するように構成され、前記荷電粒子ビームが通過すると、前記荷電粒子ビームのエネルギー幅は減少することを特徴とする。【選択図】 図９
Description
本発明は、モノクロメータ及びこれを備えた荷電粒子ビーム装置に関し、より詳しくは、低コストで光軸を一致させるモノクロメータ(monochromator、MC)及びこれを備えた荷電粒子ビーム装置に関する。
モノクロメータは、狭い波長範囲の光を供給するために用いる装置であって、レンズとスリットなどの組合せで、白色光を分光して所望する単色光を抽出するための光学系、単色分光系である。このようなモノクロメータは、荷電粒子ビーム装置内で光学系として用いられるか、エネルギー分析機(Energy Analyzer)として用いられる。以下では、従来のモノクロメータの例について説明する。
Mollenstedtエネルギー分析機(Mollenstedt Energy Analyzer、MA)について、図１は、Mollenstedtエネルギー分析機(MA)を示す側断面及び平面図である。図１に示しているように、Mollenstedtエネルギー分析機(MA)は、円筒状レンズ(CylL)の軸外色収差を用いた荷電粒子エネルギー分析機である。円筒状レンズは、中心に矩状の開口部を有する３つの電極１１からなり、中心電極に高電圧が印加され、前後両側の２つの電極は、接地電圧とする荷電粒子レンズである。このような３つの電極１１の間には、絶縁材１２が設けられる。中心電極の付近で、電子のエネルギーがほぼ０まで減速し、レンズの光軸外部を通過する成分が選択され、レンズ軸の色収差によって生じるエネルギー分散を用いて、荷電粒子のエネルギーを分析するエネルギー分析機を、発明者の名をつけて、Mollenstedtエネルギー分析機(MA)と称している(非特許文献0006)。
FEI社の静電レンズを用いたモノクロメータについて、図２は、FEI社のモノクロメータを示す模式図である。図２に示しているように、FEI社のモノクロメータは、電子ソースの軸外成分をアパーチャ(aperture)によって選択し、静電レンズの軸外を通過させてエネルギーを分光し、単色化(エネルギーを拡大・縮小)するモノクロメータ(MC)であって、走査電子顕微鏡(SEM)のような荷電粒子ビーム装置に用いられる。このようなモノクロメータは、色収差の影響を減少して、イメージの分解能を向上させる(特許文献0001、非特許文献0007)。
Delft工科大学、JEOL社、Tubingen大学のモノクロメータについて、図３乃至図５は、Delft工科大学、JEOL社、Tubingen大学のモノクロメータを示す模式図である。図３乃至図５に示しているように、透過型電子顕微鏡(TEM)又は走査透過電子顕微鏡(STEM)には、電子銃にWienフィルター型のモノクロメータ(MC)を装着することで、エネルギーを分光し、単色化(エネルギー分布を小さく)することができる(特許文献0002〜0004、非特許文献0008〜0010)。
CEOS社のモノクロメータについて、図６は、CEOS社のモノクロメータを示す模式図である。図６に示しているように、透過型電子顕微鏡(TEM)又は走査透過電子顕微鏡(STEM)には、電子銃に４段の静電偏向装置を装着することで、エネルギーを分光し、単色化(エネルギー分布を小さく)することができる(特許文献0005、非特許文献0011)。CEOS社のモノクロメータによると、色収差の影響が減少して、通常使用する２００ｋｅＶよりも低い６０ｋｅＶ以下のエネルギー領域で、イメージ解像度が向上するという効果が生じる。また、下段に設けられる電子エネルギー損失分光法(EELS)におけるエネルギー分解能の向上が可能となった。
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しかし、従来のモノクロメータは、構造が複雑で、高価であり、製作において高精細を要求し、電源の数が非常に多く必要であるという問題があった。
特に、図４に示しているようなFEI社のモノクロメータ(MC)は、最も単なる構造であるが、荷電粒子ビームをレンズの軸外に通過させるため、コマ、非点数差などの軸外収差が残ることにより、後段で荷電粒子ビームのプロファイルに悪影響を及ぼすという問題がある。 また、電子ソースの軸の成分を用いるため、元の電子線のエネルギー拡散が大きくなり、放出電流が不安定となる問題がある。試料と、試料表面に吸着ガス分子のフォノン分光には、１０ｍｅＶよりも高いエネルギー分解能(狭いエネルギー拡散)が必要となる。
それで、本発明は、前記の問題点を改善するために、創案されたものである。
本発明の目的は、２段の円筒状レンズ(CylL)を光軸からオフセットして配置し、レンズ間にスリットを配置し、第１段の円筒状レンズ(CylL)で荷電粒子ビームを偏向させ、エネルギーを分散して、スリットでエネルギーを選択し、第２段の円筒状レンズ(CylL)で荷電粒子ビームを反対方向に偏向して、元の光軸と一致させるモノクロメータ、及びこれを用いた荷電粒子ビーム装置を提供することにある。このようなモノクロメータは、第１段の円筒状レンズで生じた二次収差及び一次エネルギー分散を無くす構造であって、モノクロメータを通過した後にも、良い荷電粒子ビームプロファイルを得ることができる。換言すると、エミッター中心部分の荷電粒子ビームが使用可能であるという効果が生じる。
以下、本発明の目的を達成するための具体的手段について、説明する。
本発明の目的は、エミッターで放出された荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第１の静電レンズと、中心軸が前記第１の静電レンズの中心軸と同軸に配置され、前記第１の静電レンズと特定の隔離距離を設けて離隔し、前記第１の静電レンズで出射する前記荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第２の静電レンズと、を含み、前記荷電粒子ビームは、前記静電レンズの前記中心軸から特定オフセット分ずれた軸外軌道を通過するように構成され、前記荷電粒子ビームのエネルギー幅は減少するモノークロメイトを提供して達成される。
前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道は、前記中心軸と平行に前記第１の静電レンズに入射され、前記第１の静電レンズは、入射された前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道を、入射される軌道で前記中心軸を中心とする反対側に屈折させて出射し、前記第１の静電レンズから出射した前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道は、前記中心軸と平行に前記第２の静電レンズに入射され、前記第２の静電レンズは、入射された前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道を、前記第２の静電レンズに入射される軌道で前記中心軸を中心とする反対側に屈折して出射するように構成される。
また、前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間に配置され、前記荷電粒子ビームから、特定のエネルギー範囲を有する成分を除去する第１のスリットと、前記第１の静電レンズの前方で前記特定の隔離距離の１/２に相当する位置に配置され、前記荷電粒子ビームの入射角度を制限する第２のスリットと、を更に含む。
前記第１及び２の静電レンズはそれぞれ、３つの電極からなり、前記３つの電極の中心電極には、高電圧が印加され、両側電極には、接地電圧が印加され、それぞれの前記電極は、中心部に矩状の開口部が設けられ、前記開口部の中心は、互いに一致し、それぞれの前記電極の開口部の短辺方向は、互いに一致し、前記開口部の中心は、前記第１及び第２の静電レンズの中心軸と同軸に形成される。
前記中心電極に印加される電圧、前記オフセット量、及び前記特定の隔離距離の１/２のうち、少なくとも１つの条件により、残りの条件が算出され、算出した前記残りの条件が反映される。
また、前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間に配置され、前記荷電粒子ビームから特定のエネルギー範囲を有する成分を除去する第１のスリットと、前記第１の静電レンズの前方で前記特定の隔離距離の１/２に相当する位置に配置され、前記荷電粒子ビームの入射角度を制限する第２のスリットと、を更に含み、前記第１及び第２の静電レンズを構成するそれぞれの前記電極は、中心部に矩状の開口部が設けられ、前記開口部の中心は、互いに一致し、それぞれの前記電極の開口部の短辺方向は、互いに一致し、前記開口部の中心は、前記第１及び第２の静電レンズの中心軸と同軸をなし、前記開口部の短辺方向及び前記軸外軌道方向を含む第１の平面上を進行する荷電粒子ビームにおいて、前記第２のスリットで前記軸外軌道と平行に入射される第１の荷電粒子ビームは、前記第１の静電レンズを通過した後、前記第１のスリットで前記軸外軌道にフォーカシングされ、記第２のスリットで前記軸外軌道と特定の角度をもって入射される第２の荷電粒子ビームは、前記第１の静電レンズを通過した後、前記第１のスリットで前記軸外軌道に平行に進行され、前記第２の静電レンズを通過した後、前記第２の静電レンズの後方の前記特定の隔離距離の１/２の位置で、前記軸外軌道にフォーカシングされることを特徴とする。
また、後焦点位置が前記第２のスリットの位置と一致するように、前記モノークロメイトの前方に配置される第１の軸対称レンズと、前焦点位置が、前記第２の静電レンズの後方で前記特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置に前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズと、を更に含み、前記エミッターは、前記第１の軸対称レンズの前焦点位置に配置される。
前記第１及び２の静電レンズの前記開口部の長辺は、前記第１及び２の静電レンズの前記開口部の短辺の１０倍以上であり、前記短辺方向では、前記荷電粒子ビームに対する収束作用があり、前記長辺方向では、前記荷電粒子ビームに対する収束作用がなく、前記エミッターで第２の静電レンズの後方でフォーカシングされない。
前記第２の静電レンズの後方で前記特定の隔離距離の１/２である距離の位置に設けられる第１の２段偏向装置と、前記第２のスリットの位置を基に設けられる第２の２段偏向装置と、を更に含む。
前記第１及び第２の２段偏向装置は、四重極子である。
前記第１及び第２の２段偏向装置は、六重極子である。
前記第１及び第２の２段偏向装置は、十二重極子である。
また、前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの２番目の焦点距離であるｆｃは、前記軸外軌道に平行に入射される前記荷電粒子ビームの軌道が、前記軸外軌道で２番目に収束される位置から、前記静電レンズの中心までの距離として定義され、前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間の距離は、２ｆｃである。
前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの２番目の焦点距離であるｆｃは、前記軸外軌道に平行に入射される前記荷電粒子ビームの軌道が、前記軸外軌道に２番目に収束される位置から、前記静電レンズの中心までの距離として定義され、前記特定のオフセットは、Ｘｄであり、前記Ｘｄと、前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの中心電極電圧と両側電極電圧の電圧比との関係は、下記のように設定される。
ここで、Vcenterは、静電レンズの中心電極電圧、Vsideは、静電レンズの両側電極電圧、fcは、静電レンズの２番目の焦点距離、左方向矢印は、荷電粒子ビームの平行入射条件、右方向矢印は、荷電粒子ビームの平行出射条件である。
ここで、Vcenterは、静電レンズの中心電極電圧、Vsideは、静電レンズの両側電極電圧、fcは、静電レンズの２番目の焦点距離、左方向矢印は、荷電粒子ビームの平行入射条件、右方向矢印は、荷電粒子ビームの平行出射条件である。
本発明の目的は、荷電粒子ビームを放出するエミッターと、前記荷電粒子ビームが通過され、前記荷電粒子ビームのエネルギー幅を減少する機能を有する請求項１乃至１４のいずれか一項によるモノークロメイトと、前記荷電粒子ビームが照射される試料と、前記試料を維持及び移動するステージと、前記試料で前記荷電粒子ビームから生成された二次粒子ビームを検出する検出器と、前記エミッター、前記光学係、前記ステージ、及び前記検出器の機能を駆動する電気システムと、前記電気システムを制御する制御システムとを含む荷電粒子ビーム装置を提供して達成される。
また、前記モノークロメイトの後方に配置される少なくとも１つの軸対称レンズと、を更に含み、前記試料に前記荷電粒子ビームを走査することにより、前記試料の表面を観察又は加工する。
前記エミッターは、電子ソースであることを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記エミッターは、イオンソースであることを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記試料の表面から放出された前記二次粒子ビームのエネルギーを分光する電子線損失分光機能を有する電子線損失分光スペクトロスコピーと、を更に含む。
前記モノークロメイトの後方、前記試料の前方、及び前記試料の後方の少なくとも１つに配置される少なくとも１つの軸対称レンズと、前記荷電粒子ビームが透過されるスクリーンと、透過される前記荷電粒子ビームを検出する検出器と、を更に含み、前記スクリーンを透過して検出された荷電粒子を用いて、試料を観察する。
前記エミッターは、電子ソースである。
前記試料の表面から放出された二次粒子ビームのエネルギーを分光する電子線損失分光機能を有する電子線損失分光スペクトロスコピーと、を更に含む。
更に、前焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で、前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズが、前記モノークロメイトの後方に設けられ、前記第２の軸対称レンズの後方に配置される複数の第３の軸対称レンズと、を更に含み、前記第２の軸対称レンズの後焦点位置に結像された前記エミッターの像は、前記第３の軸対称レンズにより、前記試料に縮小結像される。
更に、前焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で、前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズが、 前記モノークロメイトの後方に設けられ、前記第２の軸対称レンズは、前記試料上に、前記荷電粒子ビームをフォーカシングする。
電子銃の高電圧部上に配置され、前記電気システムは、前記電子銃の高電圧部上に浮遊する。
接地部上に配置され、前記電気システムは、接地基準に構成される。
また、前焦点位置が前記エミッターの位置と一致するように配置され、後焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２のスリットの位置と一致するように配置され、前記モノークロメイトの前方に相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの四重極子レンズ及びＹ方向フォーカシングの四重極子レンズと、
前焦点位置が、前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置され、相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの四重極子レンズ及びＹ方向フォーカシングの四重極子レンズとが、前記モノークロメイトの後方に備えられる。
前焦点位置が、前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置され、相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの四重極子レンズ及びＹ方向フォーカシングの四重極子レンズとが、前記モノークロメイトの後方に備えられる。
更に、前焦点位置が前記エミッターの位置と一致するように配置され、後焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２のスリットの位置と一致するように配置され、 前記モノークロメイトの前方に相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの円筒状レンズ及びＹ方向フォーカシングの円筒状レンズと、前焦点位置が、前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置され、相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの円筒状レンズ及びＹ方向フォーカシングとが、前記モノークロメイトの後方に備えられる。
本発明によると、以下のような効果が得られる。
第１に、本発明の１実施例によると、モノクロメータを通過した後にも、良い荷電粒子ビームのプロファイルを得ることができる。即ち、エミッター中心部分の荷電粒子ビームが使用可能であるという効果が生じる。
第２に、本発明の１実施例によると、モノクロメータを通過した後に、より小さいエネルギー拡散(１０ｍｅＶ)を実現することができる。
第３に、本発明の１実施例によると、エミッター中心部分の荷電粒子ビームの使用が可能であるので、荷電粒子ビームの電流が更に安定となる。
第４に、本発明の１実施例によると、直線構造の光学系に対する列(column)の円筒状を維持することができ、高い機械的強度と同軸精度を得ることができる。大電流を用いる方式などで、モノクロメータ(MC)を使用する必要がない場合は、円筒状レンズ(CyL)の電圧をオフ(OFF)にして、一般の光学系で使用可能であるという効果がある。
第５に、本発明の１実施例によると、全体が静電方式であるので、イオンビームの使用も可能である。本発明の１実施例によると、コイルから放出されるガスがないので、真空度の向上にも容易であり、超高真空及び極高真空が必要な電子銃の付近での使用が可能となる。また、ヒステリシス(hysteresis)がないため、応答性に優れており、モノクロメータ(MC)のオン・オフの早い切換えが可能となる効果がある。
第６に、本発明の１実施例によると、多極子をレンズとして用いないため、機械的な構造、電気・制御系の構成が単純となる。また、従来の他のモノクロメータ(MC)よりも安いコストで、優れた効率を得られる。
第７に、本発明の１実施例によると、モノクロメータ(MC)において、非点収差(Astigmatic)結像(Ｘ方向に３回、Ｙ方向に０回)が、電子-電子の相互作用によるエネルギー拡散の増加、及び荷電粒子ビームの直径の増加を減少させる。
本明細書に添付の図面は、本発明の望ましい実施例を例示することであり、発明の詳細な説明と共に、本発明の技術思想を更に理解させる役目をするので、本発明は、そのような図面に記載された事項に限定して、解してはいけない。
図１は、円筒状レンズ(CylL)を示す側断面図及び平面図である。
図２は、FEI社のモノクロメータを示す模式図である。
図３は、Delft工科大学、JEOL社、Tubingen大学のモノクロメータを示す模式図である。
図４は、Delft工科大学、JEOL社、Tubingen大学のモノクロメータを示す模式図である。
図５は、Delft工科大学、JEOL社、Tubingen大学のモノクロメータを示す模式図である。
図６は、CEOS社のモノクロメータを示す模式図である。
図７は、本発明の１実施例による荷電粒子ビームの軌道に関するＺ-Ｘ軸変位グラフである。
図８は、本発明の１実施例において、電極に与えられる電圧比によるオフセット条件のグラフである。
図９は、本発明の１実施例によるモノクロメータを示す模式図である。
図１０は、本発明の１実施例によるモノクロメータを示す模式図である。
図１１は、本発明の１実施例により、伝送レンズに用いられる磁場型軸対称レンズを示す模式図である。
図１２は、本発明の１実施例により、伝送レンズに用いられる静電型軸対称レンズを示す模式図である。
図１３は、本発明の他の実施例によるモノクロメータを示す模式図である。
図１４は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。
図１５は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。
図１６は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。
図１７は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図１８は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図１９は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図２０は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図２１は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図２２は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図２３は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
図２４は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。
以下、添付の図面を参照して、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者が、本発明を容易に実施する実施例について詳述する。但し、本発明の望ましい実施例に対する動作原理を詳述することに当たり、関連する公知機能又は構成についての具体的な説明が、本発明の要旨を不要に濁していると判断される場合は、該当説明を省略することにする。
また、図面において、類似した機能・作用をする部分については、同一の符号を付する。明細書の全般において、特定の部分が他の部分に連結されているとすると、これは、直接的に連結されていることだけでなく、その中間に他の素子を挟んで、間接的に連結されている場合も含む。また、特定の構成要素を含むということは、特別に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素を更に含むことを意味する。
モノクロメータ
本発明の１実施例によるモノクロメータについて、以下では、本発明の１実施例によるモノクロメータの構成と機能について説明する。
本発明の１実施例によるモノクロメータについて、以下では、本発明の１実施例によるモノクロメータの構成と機能について説明する。
本発明の１実施例によるモノクロメータに用いられる円筒状レンズについて、図１は、円筒状レンズ(CylL)を示す側断面図及び平面図である。図１に示しているように、荷電粒子ビームの進行方向をＺ方向と定義し、Ｘ方向を円筒状レンズの矩状開口部の短辺側と定義し、Ｙ方向を長辺側と定義する。円筒状レンズは、Ｘ方向でレンズ作用が強く、Ｙ方向でレンズ作用が弱い。
本発明の１実施例によるモノクロメータには、２段の円筒状レンズ(CylL)を用い、２段の円筒状レンズ(CylL)の中心軸を、荷電粒子ビーム装置の光学装備(例えば、エミッター(電子ソース)、伝送レンズ(transfer lens、TL)、後段の対物レンズ(OL))などの光軸からＸ方向に特定の距離分オフセットして配置する。このオフセットの大きさを、Ｘｄと称する。
図７は、本発明の１実施例による荷電粒子ビームの軌道に関するＺ-Ｘ軸変位グラフである。 図７に示しているように、荷電粒子ビームは、エミッターから円筒状レンズ(CylL 1&2)の中心からＸｄのオフセットを有する光軸で出射することになり、円筒状レンズ(CylL)を通しながら、Ｘ軸を中心に対称となるように、中心軌道(axial ray)が移動することになる。
円筒状レンズは、一般のレンズよりも屈折率の高いレンズが用いられ、荷電粒子ビームの像が結ぶ面が１又は２(２nd focus)の条件をもって、用いられる。この領域におけるレンズ条件は、円筒状レンズの中心軸から前記オフセット分離隔して、平行に入射される荷電粒子ビームの軸外軌道が中心軸に収束した後(焦点が結ぶ)、中心軸に平行に出射される。中心軸と出射軌道との距離は、入射時のオフセットと同一の条件で構成される。
前記平行入射及び平行出射する軸外軌道を、中心軌道と定義すると、前記中心軌道に対して小さい角度をもって放出される軌道を、近軸軌道(para-axial ray)と定義することができる。このような近軸軌道は、円筒状レンズの中心と、円筒状レンズの中心の外でそれぞれ一回ずつ、中心軌道に収束されることが、図７の荷電粒子ビーム軌道計算を通じて、確認することができる。
図７において、円筒状レンズの２番目の焦点距離(2nd focal plane)であるｆｃは、中心軌道に平行に入射する近軸軌道が、中心軌道に２番目に収束する位置から円筒状レンズの中心までの距離として定義することができる。本発明の１実施例によるモノクロメータにおいて、このような円筒状レンズを、モノクロメータ(CylL 1&2)の中心軸に左右対称に製作すると、中心軌道に対して特定の角度でエミッターから放出された近軸軌道は、２段の円筒状レンズを通して、中心軌道と平行となる前の焦点と、２段の円筒状レンズの中心との距離も、２番目の焦点距離(fc)と同一である。
このような近軸軌道は、一般のレンズ系と同様に、２番目の焦点距離(fc)によって説明される。図８は、本発明の１実施例において、中心電極及び両側電極に与えられる電圧比(Vcenter/Vside)によるオフセット(Xd)条件を示すグラフである。図８には、光学系のシミュレーションにより、円筒状レンズの中心電極に印加した電圧(Vcenter)に対して、オフセット(Xd)と２番目の焦点距離(fc)とが示されている。図８においてＸ軸は、円筒状レンズの中心電極に印加した電圧(Vcenter)を、両側電極の電圧(Vside)で除して導出した電極に加えられる電圧比数値である。Vcenter及びVsideはいずれも、エミッター(電子ソース)の電位は、０を基準としたときの数値である。Vcenterは、抽出電圧(extraction voltage)と同一であり、本発明の１実施例においては、４ｋＶに設定される。Vcenterが負数であることは、エミッターの電位よりも低い電圧が、中心電極の電圧に印加される場合をいう。
オフセット(Xd)と、電極１１に与えられる電圧比数値(Vcenter/Vside)との関係について、前記関係は、円筒状レンズの形状により決定され、より詳しくは、図１に示している各電極１１の厚さ(t1、t2、t3)、各電極１１の間隔(g1、g2)、開口部のＸ、Ｙ方向の幅(wx1、wx2、wx3、wy1、wy2、wy3)によって決定される。本発明の１実施例では、ｔ１=ｔ２=ｔ３=１０mm、ｇ１=ｇ２=１０mm、ｗｘ１=ｗｘ２=ｗｘ３=１０mm、ｗｙ１= ｗｙ２=ｗｙ３=１００mmと計算して、図８に示している。
図９は、本発明の１実施例によるモノクロメータを示す模式図である。図９に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)は、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)をＺ方向に、図７に示されているｆｃの２倍の距離(2fc)で相互離隔するように配置することを特徴とする。本発明は、予め計算されたオフセット(Xd)と、電極１１に与えられる電圧比数値(Vcenter/Vside)との関係データ(図８)を、制御部(control PC)に格納し、該当関係データを基に、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中心(Center of CylL 1&2)を、エミッターから荷電粒子ビーム(X)が出射される光学光軸である光軸(optical axis)からＸｄ分ずれて配置し、それぞれの円筒状レンズの中心電極電圧(Vcenter1、Vcenter2)に、ほぼVcenterと同じ値を用いることを特徴とする。理論的には、２段の円筒状レンズの２つの中心電極電圧であるVcenter1、Vcenter2は、Vcenterに一致しなければならないが、実際には、機械組立の程度によって、微細な調整が必要であるため、それぞれの円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の電極が、２つの独立した電源を揃えるのが望ましい。また、２段の円筒状レンズの全体に対するＸ方向の微調整器具(position adjustmet)が、真空チャンバの外に設けられることもある。
図９に示しているオフセット(Xd)と、電極１１に与えられる電圧比数値(Vcenter/Vside)との関係条件の下で、光軸上の荷電粒子ビーム(X)は、１段目の円筒状レンズである第１の円筒状レンズ(CylL1)からオフセット(Xd)と逆方向に偏向して、光軸と平行に同一のオフセット量をもって出射され、同一の電圧が印加された２段目の円筒状レンズである第２の円筒状レンズ(CylL2)によって復帰し、再度、光軸と一致する位置の軌道を描くことになる。即ち、図９に示している太い実線は、荷電粒子ビームの中心軌道を意味し、一点鎖線はそれぞれ、光軸と円筒状レンズの中心(Center of CylL 1&2)を意味する。図９に示しているように、２段の円筒状レンズによって荷電粒子ビーム(X)の中心軌道は、円筒状レンズの中心(Center of CylL 1&2)を中心とする反対側に屈折してから、再度、光軸に復帰することになる。
図１０は、本発明の１実施例によるモノクロメータを示す模式図である。 図１０に示しているＺ-Ｘ平面とＺ-Ｙ平面のグラフにおいては、２段の円筒状レンズによって屈折して進行する中心軌道を直線と表して、近軸軌道と中心軌道の関係について、視覚的に向上した接近性を有するように示している。
図１０のＺ-Ｘ平面(Z-X Plane)において、Ｘα(実線)は、αの角度ほど中心軌道とずらして入射される近軸軌道(para-axial ray)を意味する。Ｚ-Ｘ平面(Z-X Plane)において、Ｘγ(点線)は、中心軌道と平行に入射される近軸軌道(para-axial ray)を意味する。エミッター１から放出される荷電粒子ビームの近軸軌道(Xγ)は、第１の伝送レンズ(TL1)を通過しながら、中心軌道とＸ軸方向に角度γ分ずらすことになる。近軸軌道(Xγ)は、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)を通過しながら、中心軌道(axial ray)とＸ軸方向に、角度-γ分ずらすことになる。近軸軌道(Xγ)は、第２の伝送レンズ(TL2)を通過しながら入射された方向そのまま、中心軌道と平行に出射される。
図１０の下段のＺ-Ｘ平面(Z-X plane)において、エミッター１から放出される荷電粒子ビームの近軸軌道(Xα)は、Ｘ軸方向に中心軌道(axial ray)とαの角度をなし、第１の伝送レンズ(TL1)に入射される。近軸軌道(Xα)は、第１の伝送レンズ(TL1)を通過しながら、中心軌道と平行に進行する。近軸軌道(Xα)は、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)を通過しながら、中心軌道を基に、Ｘ軸に対称されて、中心軌道と平行に進行することになる。近軸軌道(Xα)は、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)を通過した後に、第２の伝送レンズ(TL2)を通過しながら入射した方向そのまま、出射することになる。
図１０の下段のＺ-Ｙ平面(Z-Y Plane)において、Yβ(実線)は、Ｙ軸方向にβの角度分、中心軌道(axial ray)とずれして入射される近軸軌道(para-axial ray)を意味する。Ｚ-Ｙ平面(Z-Y Plane)において、Ｙδ(点線)は、中心軌道(axial ray)と平行に入射される近軸軌道(para-axial ray)を意味する。図１０においては、近軸軌道(Yδ)と近軸軌道(Yβ)とが、Ｙ軸方向に軌道変化が大きくなく、フォーカシングされないことが確認できる。
図１０に示しているように、エミッター１と第１の伝送レンズ(TL1)、及び第１の伝送レンズ(TL1)と導入部アパーチャ(Entrance Aperture)との間の距離は、第１の伝送レンズの焦点距離であるｆ１と定義し、第１の偏向装置(Deflector1)が設置された導入部アパーチャ(Entrance Aperture)と第１の円筒状レンズ(CylL1)、第１の円筒状レンズ(CylL1)とエネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)、エネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)と第２の円筒状レンズ(CylL2)、及び第２の円筒状レンズ(CylL2)と第２偏向装置(Deflector2)との間の距離は、図７から確認可能な円筒状レンズの２番目の焦点距離であるｆｃと定義することができる。また、第２の偏向装置(Deflector2)と第２の伝送レンズ(TL2)、及び第２の伝送レンズ(TL2)とZiとの間の距離は、第２の伝送レンズの焦点距離であるf２と定義することができる。
図１０に示しているように、第１の円筒状レンズ(CylL1)の前方に、円筒状レンズの中心からの距離がｆｃであるＺｅ１位置において、中心軌道(axial ray)と平行に円筒状レンズに入射される近軸軌道(Xα)は、第１の円筒状レンズ(CylL1)の中心付近で、中心軌道(axial ray)にフォーカスされ、第１の円筒状レンズ(CylL1)から出射された後、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中間で、各円筒状レンズの中心からの距離がｆｃであるＺｍ位置において、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる。 第２の円筒状レンズ(CylL2)では、非対称軌道を取り、第２の円筒状レンズ(CylL2)内で中心軌道(axial ray)にフォーカスされた後、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方へ円筒状レンズ中心からの距離がｆｃであるＺｅ２位置において、中心軌道(axial ray)に平行に出射される。本発明の１実施例によると、荷電粒子ビームの軌道(X)は、Ｘ方向に３回、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる軌道となる。
一方、第１の円筒状レンズ(CylL1)の前方へ円筒状レンズの中心からの距離がｆｃであるＺｅ１位置において、中心軌道(axial ray)からの角度(γ)で進行される近軸軌道(Xγ)は、第１の円筒状レンズ(CylL1)内で中心軌道(axial ray)にフォーカスされ、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中間位置であるＺｍにおいて、中心軌道(axial ray)と平行な軌道に進行される。その後、第２の円筒状レンズ(CylL2)においては、対称軌道を取り、第２の円筒状レンズ(CylL2)内で中心軌道(axial ray)にフォーカスされた後、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方へ円筒状レンズの中心からの距離がｆｃであるＺｅ２位置において、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、焦点距離ｆｃの４倍であるので、４ｆ光学系と定義することができ、Ｘ方向において、Ｚｅ１位置でと同一の像が、Ｚｅ２位置に等倍に結像される。本発明の１実施例では、予め計算された図９に示しているオフセット(Xd)と、電極１１に与えられる電圧比数値(Vcenter/Vside)との関係条件によって、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の配置、オフセット量、および中心電圧(Vcenter1、Vcenter2)を設定して、前記の光学系を構成することができる。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)では、第１の円筒状レンズ(CylL1)の前方へレンズの中心から距離がｆｃであるＺｅ１位置において、荷電粒子ビームが入射される角度を制限する導入部アパーチャ(Entrance Aperture)が配置されることを特徴とする。図１０に示しているように、Ｚｅ１において、近軸軌道(Xγ)は、中心軌道(axial ray)にフォーカスされているので、影響を受けることなく、近軸軌道(Xα)の入射角度を決定することができるというメリットがある。また、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)は、導入部アパーチャ(Entrance Aperture)の位置を、真空外部で調節する機能を有する微細調節部(adjustment)を備えることができる。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)では、第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中央部であるＺｍに、入射される荷電粒子ビームのエネルギーを選択するエネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)が配置されることを特徴とする。図１０に示しているように、Ｚｍでは、荷電粒子ビームのエネルギー中で、他の中心軌道が互いに異なる位置を通過するエネルギー分散が発生するので、効率よくエネルギーを選択することができるという効果を奏する。図１０においては、このような荷電粒子ビームの他の中心軌道をＸｋと示している。エネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)で制限しない軌道は、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方であるＺｅ２において、中心軌道(axial ray)と平行に出射される。また、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)は、エネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)の位置を真空外部で調節する機能を有する微細調節部(adjustment)を備えることができる。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)では、導入部アパーチャ(Entrance Aperture)の位置であるＺｅ１において、更に前方にf１距離の位置であるＺｔ１に第１の伝送レンズ(TL1)を、ＴＬ１から前方にｆ１距離の位置Ｚｏにエミッター１を配置することを特徴とする。エミッター１の抽出電圧(extraction voltage)のエネルギーを考えて、第１の伝送レンズ(TL1)の条件を適切に設定する方式で、エミッター１から特定の角度をもって出射される荷電粒子ビームの軌道を中心軌道(axial ray)と平行に進行することができ、エミッター１から平行に出射された荷電粒子ビームの軌道を、Ｚｅ１で中心軌道(axial ray)にフォーカスさせることができる。このような条件は、第１の伝送レンズ(TL1)の焦点距離ｆ１と一致する。このような条件は、Ｚｅ１位置の導入部アパーチャ(Entrance Aperture)の直径によって入射される荷電粒子ビームの電流の量を決めることができる。 エミッター１から中心軌道(axial ray)に平行に出射される近軸軌道(Xγ)は、Ｚｅ１で中心軌道(axial ray)にフォーカスされるので、エミッター１の荷電粒子ビームの放出位置によって電流が制限されないので、より均一な荷電粒子ビームプロファイル(profile)を得ることができる。 また、エミッター１のサイズや状態によって変わる抽出電圧(extraction voltage)の変動を、第１の伝送レンズ(TL1)を変化させることで、抽出電圧の変動を打ち消して、一定の焦点距離ｆ１を維持することができるという効果がある。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)では、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方で、レンズの中心から距離がｆｃであるＺｅ２位置よりも後方に、ｆ２の距離を有するＺｔ２位置で、第２の伝送レンズ(TL2)を配置することを特徴とする。荷電粒子ビームに印加されるエネルギーによって、第２の伝送レンズ(TL2)の条件を適切に設定し、第２の伝送レンズ(TL2)の焦点距離をｆ２と定義する。第１の円筒状レンズ(CylL1)に平行に入射される近軸軌道(Xα)は、Ｚｔ２に位置した第２の伝送レンズ(TL2)の後方であるＺｉ位置で、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる。Ｚｅ１位置で、中心軌道(axial ray)と特定の角度(γ)をもって出射されて、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方であるＺｅ２位置で、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる近軸軌道(Xγ)は、第２の伝送レンズ(TL2)の位置であるＺｔ２で中心軌道(axial ray)と平行になる。
本発明の１実施例による光学系の構成により、第２の伝送レンズ(TL2)から後方への距離がｆ２であるＺｉ位置で、エミッター１の像が結像される。Ｘ方向で２段の円筒状レンズである第１、２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)は、Ｚｅ１とＺｅ２位置で等倍に結像されるので、ＺｏとＺｉの間の全ての倍率は、２つの伝送レンズ(TL1、TL2)の焦点距離の比であるｆ２/ｆ１によって決められる。第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)の焦点距離を一致させた場合、倍率は１となり、エミッター１の等倍像がＺｉ位置に結像される。また、エネルギー選択アパーチャ(Energy Selection Aperture)で制限されないエネルギーの異なる近軸軌道(Xk)は、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方であるＺｅ２位置で、中心軌道(axial ray)とほぼ平行に出射され、第２の伝送レンズ(TL2)によって、同位置であるＺｉで中心軌道(axial ray)にフォーカスされる。それで、このようなＺｉ位置では、エネルギーが一致する收色性(Achromatic)の光源像を得られることになる。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)において、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)は、Ｙ方向のフォーカシング作用をほとんど有さないことを特徴とする。図１に示しているような円筒状レンズの入口の矩状アパーチャ(Aperture)のＹ方向開口を、Ｘ方向開口の１０倍以上に構成して、Ｘ方向にフォーカシング作用をし、Ｙ方向にフォーカシング作用をしないように構成することができる。Ｙ方向開口をＸ方向開口よりも大きく製作するほど、より効果的であり、上限は、製作可能な限度までである。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)において、本発明は、２つの伝送レンズ(TL1、TL2)を軸対称レンズ(Axial symmetric lens)とすることを特徴とする。ここで、軸対称レンズは、Ｘ方向とＹ方向に同一の収束作用があり得る。
伝送レンズの構成について、図１１は、本発明の１実施例により、伝送レンズに用いられる磁場型軸対称レンズを示す模式図、図１２は、本発明の１実施例により、伝送レンズに用いられる静電型軸対称レンズを示す模式図である。図１１及び図１２に示しているように、磁場(magnetic)型軸対称レンズ(axial symmetric lens)は、コイル３２と、磁性材料であるヨーク３１と、ポールピース３４とからなり、ギャップ３３から漏れた磁束によって、光軸に軸対称の磁場分布を作って、荷電粒子ビームをフォーカスする荷電粒子光学レンズである。また、静電型軸対称レンズは、３つの電極１１間の絶縁材１２からなり、光軸に軸対称の電場分布を作って、フォーカシング作用を得る荷電粒子光学レンズである。
Ｙ方向において、エミッターから特定の角度(β)をもって放出された荷電粒子ビームの軌道(近軸軌道、Yβ)は、第１の伝送レンズ(TL1)によって、中心軌道(axial ray)と平行に進行することになる。Ｙ方向の荷電粒子ビーム軌道(近軸軌道、Yβ)は、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)にほぼ影響されることなく、直進して後段の第２の伝送レンズ(TL2)で中心軌道(axial ray)と平行に入射され、第２の伝送レンズ(TL2)の軸対称レンズ作用によって、第２の伝送レンズ(TL2)の後方の焦点位置であるＺｉ位置で、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる。
本発明の１実施例による光学系の構成によると、荷電粒子ビームのＸ方向とＹ方向が、同一位置に収束される無数次(Stigmatic)の結像を得ることができる。エミッターの位置であるＺｏと最後方の像位置であるＺｉとの間で、荷電粒子ビームのＹ方向の近軸軌道は、中心軌道(axial ray)にフォーカスされることなく(０回フォーカシング)、前述したＸ方向の３回フォーカスされる近軸軌道と異なる軌道を有することになる。２段の円筒状レンズである第１、２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)で構成されたモノクロメータ(MC)内では、Ｘ方向だけ、中心軌道(axial ray)にフォーカスされる非点収差の結像となる。それで、本発明の１実施例によると、荷電粒子が１点にフォーカスされることができないため、電子-電子相互作用(Boersh効果、空間電荷効果)を緩和することに効果がある。また、本発明の１実施例によると、Ｙ方向のレンズ作用が少ないため、Ｙ方向に収差の影響が小さいというメリットがある。
図１０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)において、本発明は、第２の円筒状レンズ(CylL2)の後方に位置する焦点位置であるＺｅ２の前後に、２段の偏向装置(Deflector2)を設けることを特徴とする。円筒状レンズを介して出た近軸軌道(Xγ)を、平行移動(Shift)、角度補正(Tilt)して、近軸軌道(Xγ)を、後段の第２の伝送レンズ(TL2)と、その後段の光学系の中心軌道(axial ray)とに正確に一致させることができる。
モノクロメータ(MC)の他の実施例
＜実施例１＞
図９及び図１０に示しているように、本発明の他の実施例によるモノクロメータ(MC)では、第１の円筒状レンズ(CylL1)の前方焦点位置であるＺｅ１の前後に、２段の偏向装置(Deflector1)を設けることを特徴とする。エミッターから第１の伝送レンズ(TL1)を介して出射された近軸軌道(Xγ)を、平行移動(Shift)、角度補正(Tilt)して、第１の伝送レンズ(TL1)の後方に位置した第１の円筒状レンズ(CylL1)の入射位置に、荷電粒子ビームの軌道を一致させることができる。例えば、時間経過による抽出電圧(extraction voltage)の上昇のようなエミッターの位置変化、使用条件の変化による軸ずれの微調整を可能とし、円筒状レンズのオフセットが変更する頻度を減少することができるという効果がある。
＜実施例１＞
図９及び図１０に示しているように、本発明の他の実施例によるモノクロメータ(MC)では、第１の円筒状レンズ(CylL1)の前方焦点位置であるＺｅ１の前後に、２段の偏向装置(Deflector1)を設けることを特徴とする。エミッターから第１の伝送レンズ(TL1)を介して出射された近軸軌道(Xγ)を、平行移動(Shift)、角度補正(Tilt)して、第１の伝送レンズ(TL1)の後方に位置した第１の円筒状レンズ(CylL1)の入射位置に、荷電粒子ビームの軌道を一致させることができる。例えば、時間経過による抽出電圧(extraction voltage)の上昇のようなエミッターの位置変化、使用条件の変化による軸ずれの微調整を可能とし、円筒状レンズのオフセットが変更する頻度を減少することができるという効果がある。
＜実施例２＞
本発明の他の実施例によるモノクロメータ(MC)について、図１３は、本発明の他の実施例によるモノクロメータを示す模式図である。図１３に示しているように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に分割された電極又は磁極で構成されるマルチポールを直列に２つ配置することができる。このような第１のマルチポール(Multipole 1)と、第２のマルチポール(Multipole 2)とは、各極に対称に電磁場を加えて、幾何学的収差、色収差、及び機構的な誤差による寄生収差(parasitic aberration)を補正することを特徴とする。各マルチポール(Multipole)は、対称平面Ｚｍに対称に電磁場が進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。このようなマルチポールは、前述した偏向装置と同様に利用可能である。
本発明の他の実施例によるモノクロメータ(MC)について、図１３は、本発明の他の実施例によるモノクロメータを示す模式図である。図１３に示しているように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に分割された電極又は磁極で構成されるマルチポールを直列に２つ配置することができる。このような第１のマルチポール(Multipole 1)と、第２のマルチポール(Multipole 2)とは、各極に対称に電磁場を加えて、幾何学的収差、色収差、及び機構的な誤差による寄生収差(parasitic aberration)を補正することを特徴とする。各マルチポール(Multipole)は、対称平面Ｚｍに対称に電磁場が進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。このようなマルチポールは、前述した偏向装置と同様に利用可能である。
＜実施例３＞
図１３は、本発明の他の実施例によるモノクロメータを示す模式図であり、図１４は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。図１３及び図１４に示しているように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称的に４分割された電極(a)又は磁極(b)を直列に２つ使用可能である。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各電極又は磁極が２回転対称(１８０度回転すると、同一形態となる)になるように、電磁場をかけて、従来の顕微鏡に用いられる四重極子(QuadruPole、 スティグマトール)を構成して、円筒状レンズで生じる非点収差、２次のミックス収差、又は機械精度による寄生収差を補正することを特徴とする。各四重極子は、対称平面Ｚｍに対称に電磁場が進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
図１３は、本発明の他の実施例によるモノクロメータを示す模式図であり、図１４は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。図１３及び図１４に示しているように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称的に４分割された電極(a)又は磁極(b)を直列に２つ使用可能である。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各電極又は磁極が２回転対称(１８０度回転すると、同一形態となる)になるように、電磁場をかけて、従来の顕微鏡に用いられる四重極子(QuadruPole、 スティグマトール)を構成して、円筒状レンズで生じる非点収差、２次のミックス収差、又は機械精度による寄生収差を補正することを特徴とする。各四重極子は、対称平面Ｚｍに対称に電磁場が進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
＜実施例４＞
図１５は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。図１３及び図１５に示すように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に６分割電極、又は磁極を直列に２つ配置する。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各極が３回転対称(１２０度回転すると、同一の形態となる)するように、電場又は磁場をかけて、六重極子(HexaPole)を構成し、エネルギー選択位置であるＺｍで、円筒状レンズを通過して生じる副次的なアパーチャ収差(α2)、１次の色収差(αk)を補正することになる。これより、本発明の他の実施例によると、電流をより大きく得る条件で、荷電粒子ビームの径を同一に維持して、同一のエネルギー分解能で、より大きい電流を得られる光学系が実現される。または、同じ電流条件で、荷電粒子ビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができることになる。また、機械精度による寄生収差を補正することを特徴とする。各六重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称する電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
図１５は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。図１３及び図１５に示すように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)、第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に６分割電極、又は磁極を直列に２つ配置する。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各極が３回転対称(１２０度回転すると、同一の形態となる)するように、電場又は磁場をかけて、六重極子(HexaPole)を構成し、エネルギー選択位置であるＺｍで、円筒状レンズを通過して生じる副次的なアパーチャ収差(α2)、１次の色収差(αk)を補正することになる。これより、本発明の他の実施例によると、電流をより大きく得る条件で、荷電粒子ビームの径を同一に維持して、同一のエネルギー分解能で、より大きい電流を得られる光学系が実現される。または、同じ電流条件で、荷電粒子ビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができることになる。また、機械精度による寄生収差を補正することを特徴とする。各六重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称する電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
＜実施例５＞
図１６は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。 図１３及び図１６に示すように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)及び第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に８分割した電極又は磁極を用いることができる。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各極が４回転対称(９０度回転すると、同一の形態となる)するように、電場又は磁場をかけて磁極して、八重極子(OctaPole)を構成し、エネルギー選択位置であるＺｍで、円筒状レンズを通過して生じられる３次アパーチャ収差(α3)を補正する。本発明の他の実施例によると、より大電流の条件で、同一の荷電粒子ビーム径を維持して、同一のエネルギー分解能で更に大きい電流を得られる光学系が実現される。又は、同一の電流条件で荷電粒子ビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができることになる。各八重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称される電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
図１６は、本発明の他の実施例によるマルチポールを示す模式図である。 図１３及び図１６に示すように、本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)及び第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に８分割した電極又は磁極を用いることができる。本発明の他の実施例によるマルチポールは、各極が４回転対称(９０度回転すると、同一の形態となる)するように、電場又は磁場をかけて磁極して、八重極子(OctaPole)を構成し、エネルギー選択位置であるＺｍで、円筒状レンズを通過して生じられる３次アパーチャ収差(α3)を補正する。本発明の他の実施例によると、より大電流の条件で、同一の荷電粒子ビーム径を維持して、同一のエネルギー分解能で更に大きい電流を得られる光学系が実現される。又は、同一の電流条件で荷電粒子ビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができることになる。各八重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称される電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
＜実施例６＞
本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)及び第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に１２分割する電極又は磁極で構成される十二重極子を直列に２つ配置することができる。十二重極子は、前記の四重極子、六重極子、八重極子と同様に構成することができる。本発明の他の実施例によると、十二重極子において、エネルギー選択位置Ｚｍで、円筒状レンズで生じる各収差を補正することができる。本発明の他の実施例によると、電流をより大きく得る条件で、荷電粒子ビーム径を同一に維持して、同一のエネルギー分解能で更に大電流を得られる光学系が実現される。または、同一の電流条件でビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができるようになる。各十二重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称される電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
本発明の他の実施例では、第１のマルチポール(Multipole 1)及び第２のマルチポール(Multipole 2)の各位置に、対称に１２分割する電極又は磁極で構成される十二重極子を直列に２つ配置することができる。十二重極子は、前記の四重極子、六重極子、八重極子と同様に構成することができる。本発明の他の実施例によると、十二重極子において、エネルギー選択位置Ｚｍで、円筒状レンズで生じる各収差を補正することができる。本発明の他の実施例によると、電流をより大きく得る条件で、荷電粒子ビーム径を同一に維持して、同一のエネルギー分解能で更に大電流を得られる光学系が実現される。または、同一の電流条件でビーム径を縮小して、同一の電流量でエネルギー分解能を向上することができるようになる。各十二重極子は、対称平面Ｚｍに対して対称される電磁場を、進行する荷電粒子ビームに加えて、最終の荷電粒子ビームへの影響を減らすことができる。
モノクロメータ(MC)を含む荷電粒子ビーム装置の構成例
図１７は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図１７に示しているように、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置は、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の下に、複数のコンデンサレンズ(CL)、対物レンズ(OL)のような光学系４を配置して、試料表面を観察するか、加工する。本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置には、エミッターとして電子ソースを用い、静電レンズ(electro-static)又は磁気レンズ(magnetic)を用いる走査電子顕微鏡(SEM)、また、エミッターとして、イオンソース(Ga、In、Au、Biなど)を用い、静電レンズを用いる収束イオンビーム装置(FIB)、エミッターとして、イオンソース(He、Ne、H2、Ar、O2など)を用い、静電レンズを用いるヘリウムイオン顕微鏡(HIM)などが含まれる。
図１７は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図１７に示しているように、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置は、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の下に、複数のコンデンサレンズ(CL)、対物レンズ(OL)のような光学系４を配置して、試料表面を観察するか、加工する。本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置には、エミッターとして電子ソースを用い、静電レンズ(electro-static)又は磁気レンズ(magnetic)を用いる走査電子顕微鏡(SEM)、また、エミッターとして、イオンソース(Ga、In、Au、Biなど)を用い、静電レンズを用いる収束イオンビーム装置(FIB)、エミッターとして、イオンソース(He、Ne、H2、Ar、O2など)を用い、静電レンズを用いるヘリウムイオン顕微鏡(HIM)などが含まれる。
図１８は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図１８に示しているように、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置は、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の下に、照明光学系４０、対物レンズOL、投影光学系４２、スクリーン９、又は検出器５が配置され、透過された電子を用いて、試料を観察するか、加工する荷電粒子ビーム装置を含む。このような本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置は、エミッターとして、電子ソースを用い、磁気レンズを用いる透過電子顕微鏡(TEM)又は、エミッターとして、電子ソースを用い、磁気レンズを用いる走査透過電子顕微鏡(STEM)などが含まれる。
図１９は、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図１９に示しているように、本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置は、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の最後方であるＺｉに結ぶ焦点を、下段のコンデンサレンズ(CL)によって、対物レンズ(OL)の物面に結像し、対物レンズ(OL)によって、試料６上に荷電粒子ビームを収束する荷電粒子ビーム装置を含むことができる。コンデンサレンズ(CL)は、複数のレンズからなる。本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置によると、荷電粒子ビームのエネルギー、光学系の収差によって決められる最適の開き角を、コンデンサレンズ(CL)、対物レンズ(OL)によって調整することができる。
本発明の１実施例による荷電粒子ビームにおいて、他の光学系の構成は、従来のSEM、FIB、HIM、TEM、STEMの光学系構成と同様である。本発明の１実施例による荷電粒子ビームは、荷電粒子ビームを走査するスキャン(Scan)、荷電粒子ビームの非点を補正するスティグマトール(Stigmater)、荷電粒子ビームの光軸及び試料の位置を補正するアライメント(Alignment)、荷電粒子ビームを遮断するブランカー(Blanker)、レンズの二次電子/反射電子感知器、試料室内の二次電子検出器などの各種の検出器(Detector)などの光学要素が配置されうる。 図１８に示しているようなTEM、STEMでは、試料に電子ビームを照射する電流量、照射角度、照明領域を決定する照明光学系(Illumination Optics、４０)、試料の像を拡大し、スクリーン９に投影する投影光学系(Projection Optics、４２)が配置される。投影光学系(Projection Optics、４２)により、倍率、視野、試料イメージ/回折イメージの切換え、散乱角度などの調整が可能となる。
更に、試料の荷電粒子ビームに対する位置(Ｘ、Ｙ、Ｚ)、角度(Rotation、Tilt)を変更するためのステージ(Stage、６０)、及び試料の移送システムも含まれる。また、荷電粒子は、真空環境が必要であるため、荷電粒子ビームは、金属真空チャンバ(vacuum chamber、７)により取り囲まれている。真空チャンバ７には、少なくとも１以上の真空ポンプ８が設けられる。通常、試料室内のターボポンプ、電子銃チャンバ、中間チャンバに、良い真空を得るため、複数のイオンポンプが配置される。また、電子銃チャンバ及び試料室を分けるゲートバルブと、試料入替用のロードロック室なども設けることができる。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成を採択した荷電粒子光学装置は、エミッターのエネルギー拡散が狭いため、色収差の寄与が減少し、解像度が向上するという効果が得られる。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を含み、試料表面を観察する荷電粒子ビーム装置は、試料表面から放出した二次電子のエネルギーを分析する電子線損失分光(EELS、２０)の機能が含まれる。本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置によると、試料の局所的な組成、化学結合状態、電子状態、誘電関数、フォノン状態を分析することができる。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を含み、透過した電子を用いて、試料を観察する荷電粒子ビーム装置は、透過された電子線のエネルギーを分光する電子線損失分光(EELS、２０)機能が含まれてもよい。本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置によると、試料の局所的な組成、化学結合状態、電子状態、誘電関数、フォノン状態を分析することができる。
前述した本発明の１実施例による荷電粒子ビーム装置がいずれも、電子線損失分光(EELS、２０)を含む場合、一次荷電粒子ビームのエネルギー拡散が小さいため、エネルギー分解能の向上が期待される。
＜他の実施例１＞
図２０は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。 図２０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の第１の伝送レンズ(TL1)、第２の伝送レンズ(TL2)を、コンデンサレンズ、対物レンズなどとして用いる光学系は、特に、低い加速電圧で用いるＳＥＭ及びＦＩＢに効果的である。本発明の他の実施例１によると、コラムでフォーカス地点を有さない光学系が実現可能であるため、空間電荷効果の影響を減らすことができる。また、本発明の他の実施例１によると、全体の光学要素を減らし、装備長さを小さくして、剛性を高め、耐振動性を向上することができる。この場合、第１の伝送レンズ(TL1)と第２の伝送レンズ(TL2)との焦点距離の割合が、ｆ２/ｆ１=０.０５〜０.３となるように、エミッターを縮小して使用する。
図２０は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。 図２０に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の第１の伝送レンズ(TL1)、第２の伝送レンズ(TL2)を、コンデンサレンズ、対物レンズなどとして用いる光学系は、特に、低い加速電圧で用いるＳＥＭ及びＦＩＢに効果的である。本発明の他の実施例１によると、コラムでフォーカス地点を有さない光学系が実現可能であるため、空間電荷効果の影響を減らすことができる。また、本発明の他の実施例１によると、全体の光学要素を減らし、装備長さを小さくして、剛性を高め、耐振動性を向上することができる。この場合、第１の伝送レンズ(TL1)と第２の伝送レンズ(TL2)との焦点距離の割合が、ｆ２/ｆ１=０.０５〜０.３となるように、エミッターを縮小して使用する。
＜他の実施例２＞
図２１は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２１に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を電子銃の高圧部分に統合すると、特に、荷電粒子ビームエネルギーが高い透過電子顕微鏡(TEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)のような荷電粒子ビーム装置に効果的である。Ｚｉ位置の後段に加速管５０を配置して、６０〜３００ＫｅＶのＴＥＭ又はＳＴＥＭとして使用することができる。この場合、モノクロメータ(MC)の荷電粒子のエネルギーは、エミッターの抽出電圧(extraction voltage)で決められる３−５ｋｅＶ程度であり、後段の加速管５０により印加される加速電圧は、１００〜３００ｋｅＶに加速される。 モノクロメータ(MC)のエネルギーが略一定であるため、モノクロメータ(MC)におけるエネルギー分解能も、一定となる。第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中心電極電圧と共に、偏向装置(Deflector2)の偏向電圧、アパーチャ微調整用ピエゾ(piezo)電源を加速電圧に重なって提供する必要がある。
図２１は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２１に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を電子銃の高圧部分に統合すると、特に、荷電粒子ビームエネルギーが高い透過電子顕微鏡(TEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)のような荷電粒子ビーム装置に効果的である。Ｚｉ位置の後段に加速管５０を配置して、６０〜３００ＫｅＶのＴＥＭ又はＳＴＥＭとして使用することができる。この場合、モノクロメータ(MC)の荷電粒子のエネルギーは、エミッターの抽出電圧(extraction voltage)で決められる３−５ｋｅＶ程度であり、後段の加速管５０により印加される加速電圧は、１００〜３００ｋｅＶに加速される。 モノクロメータ(MC)のエネルギーが略一定であるため、モノクロメータ(MC)におけるエネルギー分解能も、一定となる。第１及び第２の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中心電極電圧と共に、偏向装置(Deflector2)の偏向電圧、アパーチャ微調整用ピエゾ(piezo)電源を加速電圧に重なって提供する必要がある。
＜他の実施例３＞
図２２は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２２に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を接地基準で使用する荷電粒子ビーム装置が提供される。２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の電極間隔を１０mmとした場合、中心電極には、６０ｋＶ程度が印加され、加速電圧を６０ｋｅＶまで使用することができる。しかし、モノクロメータ(MC)におけるエネルギー分解能は、加速電圧に反比例するため、低い加速でモノクロメータ(MC)の性能が向上し、エネルギー幅の狭い荷電粒子ビームを得られる構造となる。偏向装置(Deflector2)の偏向電圧、アパーチャの微調整用ピエゾ電源は、接地基準となるので、電気系統の製作が容易となるメリットがある。一方、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中心電極電圧の出力を高電圧にする必要があるため、電源の高い安定性、低ノイズ化が求められる。
図２２は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２２に示しているように、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を接地基準で使用する荷電粒子ビーム装置が提供される。２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の電極間隔を１０mmとした場合、中心電極には、６０ｋＶ程度が印加され、加速電圧を６０ｋｅＶまで使用することができる。しかし、モノクロメータ(MC)におけるエネルギー分解能は、加速電圧に反比例するため、低い加速でモノクロメータ(MC)の性能が向上し、エネルギー幅の狭い荷電粒子ビームを得られる構造となる。偏向装置(Deflector2)の偏向電圧、アパーチャの微調整用ピエゾ電源は、接地基準となるので、電気系統の製作が容易となるメリットがある。一方、２段の円筒状レンズ(CylL1、CylL2)の中心電極電圧の出力を高電圧にする必要があるため、電源の高い安定性、低ノイズ化が求められる。
＜他の実施例４＞
図２３は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。 図２３に示しているように、本発明の他の実施例では、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)にそれぞれ、２段の四重極子を用いることができる。四重極子は、図１４に示しているような４分割された構造であり、荷電粒子ビームに対して、一方向は収束、他方向は、発散する作用を有する。Ｚ方向に、このような四重極子を２段配置すると、Ｘ、Ｙ方向に収束可能であり、Ｘ、Ｙの焦点距離を独立して設定することができる(f1x、f1y、f2x、f2y)。 このため、円筒状レンズのＹ方向の細かいフォーカシング作用によるＸ、Ｙ焦点距離の差を補正することができるとう効果が生じる。また、設定の自由度を高めるために、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)に、３段の四重極子を用いることもできる。
図２３は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。 図２３に示しているように、本発明の他の実施例では、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)にそれぞれ、２段の四重極子を用いることができる。四重極子は、図１４に示しているような４分割された構造であり、荷電粒子ビームに対して、一方向は収束、他方向は、発散する作用を有する。Ｚ方向に、このような四重極子を２段配置すると、Ｘ、Ｙ方向に収束可能であり、Ｘ、Ｙの焦点距離を独立して設定することができる(f1x、f1y、f2x、f2y)。 このため、円筒状レンズのＹ方向の細かいフォーカシング作用によるＸ、Ｙ焦点距離の差を補正することができるとう効果が生じる。また、設定の自由度を高めるために、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)に、３段の四重極子を用いることもできる。
＜他の実施例５＞
図２３は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２３に示しているように、本発明の他の実施例においては、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)に、２段の円筒状レンズ(Cylindrical lens)を用いることができる。円筒状レンズは、図１に示しているように、一方向に収束作用を有する構造であり、２段に配置することで、Ｘ、Ｙの２方向に収束作用を有することが可能となり、Ｘ、Ｙ焦点距離を独立して設定することができるようになる(f1x、f1y、f2x、f2y)。それで、円筒状レンズのＹ方向の細かいフォーカシング作用によるＸ、Ｙ焦点距離の差を補正することができるという効果が生じる。
図２３は、本発明の他の実施例による荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。図２３に示しているように、本発明の他の実施例においては、第１の伝送レンズ(TL1)及び第２の伝送レンズ(TL2)に、２段の円筒状レンズ(Cylindrical lens)を用いることができる。円筒状レンズは、図１に示しているように、一方向に収束作用を有する構造であり、２段に配置することで、Ｘ、Ｙの２方向に収束作用を有することが可能となり、Ｘ、Ｙ焦点距離を独立して設定することができるようになる(f1x、f1y、f2x、f2y)。それで、円筒状レンズのＹ方向の細かいフォーカシング作用によるＸ、Ｙ焦点距離の差を補正することができるという効果が生じる。
＜適用例＞
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、走査電子顕微鏡(SEM)に効果的である。特に、半導体工程管理で用いられるＣＤ-ＳＥＭ、ＤＲ-ＳＥＭは、低い加速に主として用いられ、色収差の影響が大きいため、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を用いて、大きい性能向上が予想される。また、従来のＳＥＭは、ほぼ一定の使用条件(加速電圧、電流)で用いられるため、光軸調整に時間がかかるという不都合があったが、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を適用すると、このような不都合が緩和される。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、走査電子顕微鏡(SEM)に効果的である。特に、半導体工程管理で用いられるＣＤ-ＳＥＭ、ＤＲ-ＳＥＭは、低い加速に主として用いられ、色収差の影響が大きいため、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を用いて、大きい性能向上が予想される。また、従来のＳＥＭは、ほぼ一定の使用条件(加速電圧、電流)で用いられるため、光軸調整に時間がかかるという不都合があったが、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を適用すると、このような不都合が緩和される。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、収束イオンビーム装置(FIB)に効果的である。イオンソースは、エネルギー幅が５ｅＶ以上に大きいため、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を搭載することで、色収差の寄与が減少することになる。それで、中間電流領域、低いエネルギー領域で性能向上が予想される。また、Ｗｉｅｎフィルターとは異なり、本発明はいずれも、電場を用いる静電型であるため、イオンの同位元素による分離がなく、より効果的である。同様な理由で、エミッターにガスイオンを用いるヘリウムイオン顕微鏡(HIM)にも効果的である。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、低い加速領域で用いられる透過型電子顕微鏡(TEM)、及び走査透過電子顕微鏡(STEM)に効果的である。ＴＥＭとＳＴＥＭの場合は、色収差の影響が大きいため、本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)を用いて、相当な性能向上が予想される。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、ＳＥＭに電子線エネルギー損失スペクトロスコピー(EELS)の機能を設けた荷電粒子ビーム装置においても、一次電子ビームのエネルギー拡散が小さいため、エネルギー分解能の向上が予想される。また、試料表面に吸着ガス分子のフォノンなどの分光可能なＳＥＭ-ＥＥＬＳ装置にも応用することができる。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)の構成は、ＴＥＭ、ＳＴＥＭに、電子線エネルギー損失スペクトロスコピー(EELS)機能を設けた荷電粒子ビーム装置においても、一次電子ビームのエネルギー拡散が小さいため、エネルギー分解能の向上が予想される。また、試料表面に吸着ガス分子のフォノン分光可能な(Ｓ)ＴＥＭ-ＥＥＬＳ装置にも応用することができる。
本発明の１実施例によるモノクロメータ(MC)は、Ｗｉｅｎフィルター型の静電偏向装置と比較して、減速のための低いエネルギー領域で電子-電子相互作用が増大する問題点が発生し得るが、電子と電子の相互作用は、モノクロメータ(MC)に荷電粒子ビームが入射される前に、アパーチャで使用電流を制限して、モノクロメータ(MC)での電流を減少することで、減縮することができる。
以上で説明したのように、本発明が属する技術の分野における通常の技術者は、本発明がその技術的思想や必須的な特徴を変更することなく、他の具体的な形態に実施可能であることは理解されるだろう。それで、上述した実施例は、全ての面で例示に過ぎず、限定的なものではない。本発明の範囲は、詳細な説明よりも、後述する請求の範囲によって示され、請求の範囲の意味及び範囲、そして等価概念から導出される全ての変更・変形した形態が、本発明の範囲に含まれることと解されるべきである。
１: エミッター
４: 光学系
５: 検出器
６: 試料
７: 真空チャンバ
８: 真空ポンプ
９: スクリーン
１１: 電極
１２: 絶縁材
２０: 電子線損失分光(EELS)
３１: ヨーク
３２: コイル
３３: ギャップ
３４: ポールピース
４０: 照明光学系
４２: 投映光学系
５０: 加速器
６０: ステージ
Ｘ: 荷電粒子ビーム
Ｘｄ: オフセット
Ｘｋ: 他の中心軌道
Ｘα、Ｘγ: 近軸軌道
Ｙβ、Ｙδ: 近軸軌道
ＭＣ: モノクロメータ
ＴＬ１: 第１の伝送レンズ
ＴＬ２: 第２の伝送レンズ
CylL1: 第１の円筒状レンズ
CylL2: 第２の円筒状レンズ
OL: 対物レンズ
CL: コンデンサレンズ
４: 光学系
５: 検出器
６: 試料
７: 真空チャンバ
８: 真空ポンプ
９: スクリーン
１１: 電極
１２: 絶縁材
２０: 電子線損失分光(EELS)
３１: ヨーク
３２: コイル
３３: ギャップ
３４: ポールピース
４０: 照明光学系
４２: 投映光学系
５０: 加速器
６０: ステージ
Ｘ: 荷電粒子ビーム
Ｘｄ: オフセット
Ｘｋ: 他の中心軌道
Ｘα、Ｘγ: 近軸軌道
Ｙβ、Ｙδ: 近軸軌道
ＭＣ: モノクロメータ
ＴＬ１: 第１の伝送レンズ
ＴＬ２: 第２の伝送レンズ
CylL1: 第１の円筒状レンズ
CylL2: 第２の円筒状レンズ
OL: 対物レンズ
CL: コンデンサレンズ
Claims (28)
- エミッターで放出された荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第１の静電レンズと、
中心軸が前記第１の静電レンズの中心軸と同軸に配置され、前記第１の静電レンズと特定の隔離距離を設けて離隔し、前記第１の静電レンズで出射する前記荷電粒子ビームが入射され、前記荷電粒子ビームの軌道を屈折させ、複数の電極からなる第２の静電レンズと、を含み、
前記荷電粒子ビームは、前記静電レンズの前記中心軸から特定オフセット分ずれた軸外軌道を通過するように構成され、前記荷電粒子ビームが通過すると、前記荷電粒子ビームのエネルギー幅は減少することを特徴とするモノークロメイト。 - 前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道は、前記中心軸と平行に前記第１の静電レンズに入射され、
前記第１の静電レンズは、入射された前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道を、入射される軌道で前記中心軸を中心とする反対側に屈折させて出射し、
前記第１の静電レンズから出射した前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道は、前記中心軸と平行に前記第２の静電レンズに入射され、
前記第２の静電レンズは、入射された前記荷電粒子ビームの前記軸外軌道を、前記第２の静電レンズに入射される軌道で前記中心軸を中心とする反対側に屈折して出射するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。 - 前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間に配置され、前記荷電粒子ビームから、特定のエネルギー範囲を有する成分を除去する第１のスリットと、
前記第１の静電レンズの前方で前記特定の隔離距離の１/２に相当する位置に配置され、前記荷電粒子ビームの入射角度を制限する第２のスリットと、を更に含むことを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。 - 前記第１及び２の静電レンズはそれぞれ、３つの電極からなり、
前記３つの電極の中心電極には、高電圧が印加され、両側電極には、接地電圧が印加され、
それぞれの前記電極は、中心部に矩状の開口部が設けられ、
前記開口部の中心は、互いに一致し、
それぞれの前記電極の開口部の短辺方向は、互いに一致し、
前記開口部の中心は、前記第１及び第２の静電レンズの中心軸と同軸に形成されることを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。 - 前記中心電極に印加される電圧、前記オフセット量、及び前記特定の隔離距離の１/２のうち、少なくとも１つの条件により、残りの条件が算出され、
算出した前記残りの条件が反映されることを特徴とする請求項４に記載のモノークロメイト。 - 前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間に配置され、前記荷電粒子ビームから特定のエネルギー範囲を有する成分を除去する第１のスリットと、
前記第１の静電レンズの前方で前記特定の隔離距離の１/２に相当する位置に配置され、前記荷電粒子ビームの入射角度を制限する第２のスリットと、を更に含み、
前記第１及び第２の静電レンズを構成するそれぞれの前記電極は、中心部に矩状の開口部が設けられ、
前記開口部の中心は、互いに一致し、
それぞれの前記電極の開口部の短辺方向は、互いに一致し、
前記開口部の中心は、前記第１及び第２の静電レンズの中心軸と同軸をなし、
前記開口部の短辺方向及び前記軸外軌道方向を含む第１の平面上を進行する荷電粒子ビームにおいて、
前記第２のスリットで前記軸外軌道と平行に入射される第１の荷電粒子ビームは、前記第１の静電レンズを通過した後、前記第１のスリットで前記軸外軌道にフォーカシングされ、
前記第２のスリットで前記軸外軌道と特定の角度をもって入射される第２の荷電粒子ビームは、前記第１の静電レンズを通過した後、前記第１のスリットで前記軸外軌道に平行に進行され、前記第２の静電レンズを通過した後、前記第２の静電レンズの後方の前記特定の隔離距離の１/２の位置で、前記軸外軌道にフォーカシングされることを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。 - 後焦点位置が前記第２のスリットの位置と一致するように、前記モノークロメイトの前方に配置される第１の軸対称レンズと、
前焦点位置が、前記第２の静電レンズの後方で前記特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置に前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズと、を更に含み、
前記エミッターは、前記第１の軸対称レンズの前焦点位置に配置されることを特徴とする請求項６に記載のモノークロメイト。 - 前記第１及び２の静電レンズの前記開口部の長辺は、前記第１及び２の静電レンズの前記開口部の短辺の１０倍以上であり、
前記短辺方向では、前記荷電粒子ビームに対する収束作用があり、
前記長辺方向では、前記荷電粒子ビームに対する収束作用がなく、
前記エミッターで第２の静電レンズの後方でフォーカシングされないことを特徴とする請求項６に記載のモノークロメイト。 - 前記第２の静電レンズの後方で前記特定の隔離距離の１/２である距離の位置に設けられる第１の２段偏向装置と、
前記第２のスリットの位置を基に設けられる第２の２段偏向装置と、を更に含むことを特徴とする請求項６に記載のモノークロメイト。 - 前記第１及び第２の２段偏向装置は、四重極子であることを特徴とする請求項９に記載のモノークロメイト。
- 前記第１及び第２の２段偏向装置は、六重極子であることを特徴とする請求項９に記載のモノークロメイト。
- 前記第１及び第２の２段偏向装置は、十二重極子であることを特徴とする請求項９に記載のモノークロメイト。
- 前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの２番目の焦点距離であるｆｃは、前記軸外軌道に平行に入射される前記荷電粒子ビームの軌道が、前記軸外軌道で２番目に収束される位置から、前記静電レンズの中心までの距離として定義され、
前記第１の静電レンズと前記第２の静電レンズとの間の距離は、２ｆｃであることを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。 - 前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの２番目の焦点距離であるｆｃは、前記軸外軌道に平行に入射される前記荷電粒子ビームの軌道が、前記軸外軌道に２番目に収束される位置から、前記静電レンズの中心までの距離として定義され、
前記特定のオフセットは、Ｘｄであり、
前記Ｘｄと、前記第１の静電レンズ及び前記第２の静電レンズの中心電極電圧と両側電極電圧の電圧比との関係は、下記のように設定されることを特徴とする請求項１に記載のモノークロメイト。
ここで、Vcenterは、静電レンズの中心電極電圧、Vsideは、静電レンズの両側電極電圧、fcは、静電レンズの２番目の焦点距離、左方向矢印は、荷電粒子ビームの平行入射条件、右方向矢印は、荷電粒子ビームの平行出射条件である。 - 荷電粒子ビームを放出するエミッターと、
前記荷電粒子ビームが通過され、前記荷電粒子ビームのエネルギー幅を減少する機能を有する請求項１乃至１４のいずれか一項によるモノークロメイトと、
前記荷電粒子ビームが照射される試料と、
前記試料を維持及び移動するステージと、
前記試料で前記荷電粒子ビームから生成された二次粒子ビームを検出する検出器と、
前記エミッター、前記光学係、前記ステージ、及び前記検出器の機能を駆動する電気システムと、
前記電気システムを制御する制御システムとを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。 - 前記モノークロメイトの後方に配置される少なくとも１つの軸対称レンズと、を更に含み、
前記試料に前記荷電粒子ビームを走査することにより、前記試料の表面を観察又は加工することを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 前記エミッターは、電子ソースであることを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記エミッターは、イオンソースであることを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記試料の表面から放出された前記二次粒子ビームのエネルギーを分光する電子線損失分光機能を有する電子線損失分光スペクトロスコピーと、を更に含むことを特徴とする請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記モノークロメイトの後方、前記試料の前方、及び前記試料の後方の少なくとも１つに配置される少なくとも１つの軸対称レンズと、
前記荷電粒子ビームが透過されるスクリーンと、
透過される前記荷電粒子ビームを検出する検出器と、を更に含み、
前記スクリーンを透過して検出された荷電粒子を用いて、試料を観察することを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 前記エミッターは、電子ソースであることを特徴とする請求項２０に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記試料の表面から放出された二次粒子ビームのエネルギーを分光する電子線損失分光機能を有する電子線損失分光スペクトロスコピーと、を更に含むことを特徴とする請求項２０に記載の荷電粒子ビーム装置。
- 前記モノークロメイトの後方に設けられ、前焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で、前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズと、
前記第２の軸対称レンズの後方に配置される複数の第３の軸対称レンズと、を更に含み、
前記第２の軸対称レンズの後焦点位置に結像された前記エミッターの像は、前記第３の軸対称レンズにより、前記試料に縮小結像されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 更に、前記モノークロメイトの後方に設けられ、前焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で、前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置される第２の軸対称レンズを含み、
前記第２の軸対称レンズは、前記試料上に、前記荷電粒子ビームをフォーカシングすることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 電子銃の高電圧部上に配置され、
前記電気システムは、前記電子銃の高電圧部上に浮遊することを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 接地部上に配置され、
前記電気システムは、接地基準に構成されることを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 前焦点位置が前記エミッターの位置と一致するように配置され、後焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２のスリットの位置と一致するように配置され、前記モノークロメイトの前方に相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの四重極子レンズ及びＹ方向フォーカシングの四重極子レンズと、
前焦点位置が、前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置され、前記モノークロメイトの後方で相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの四重極子レンズ及びＹ方向フォーカシングの四重極子レンズと、を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。 - 前焦点位置が前記エミッターの位置と一致するように配置され、後焦点位置が前記モノークロメイトの一構成である第２のスリットの位置と一致するように配置され、 前記モノークロメイトの前方に相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの円筒状レンズ及びＹ方向フォーカシングの円筒状レンズと、
前焦点位置が、前記モノークロメイトの一構成である第２の静電レンズの後方で前記モノークロメイトの特定の隔離距離の１/２である距離の位置と一致し、後焦点位置で前記エミッターの像が結像するように配置され、前記モノークロメイトの後方で相互直列に設けられるＸ方向フォーカシングの円筒状レンズ及びＹ方向フォーカシングと、を更に含むことを特徴とする請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。
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