JP3293724B2

JP3293724B2 - 荷電粒子線装置のビームブランキング装置

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Publication number: JP3293724B2
Application number: JP04457295A
Authority: JP
Inventors: 進高嶋; 直毅伊達
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1995-03-03
Filing date: 1995-03-03
Publication date: 2002-06-17
Anticipated expiration: 2017-06-17
Also published as: JPH08241689A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査電子顕微鏡や電子
ビーム描画装置などの電子ビーム装置、集束イオンビー
ム装置などのイオンビーム装置に用いられるビームブラ
ンキング装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】荷電粒子線装置として現在用いられてい
る装置としては、走査電子顕微鏡，透過型電子顕微鏡，
電子プローブマイクロアナライザー，電子ビームテスタ
ー，電子ビーム描画装置，集束イオンビーム装置などが
あげられる。これらの装置では、ビームを特定期間試料
に照射しないために、ビームブランキング装置が必要と
されるが、各装置では、ビームブランキング装置の性
能，機能はそれぞれ異なる。例えば、電子ビームテスタ
ーにおいては、サブピコセコンド〜数ナノセコンドのパ
ルスビームを得ることができる機能が必要となる。

【０００３】また、測長を目的とする走査電子顕微鏡で
は、電子ビームの走査の帰線期間にビームをカットし、
極力試料へのチャージアップや試料汚染などの試料ダメ
ージを軽減する目的でビームブランキングが用いられて
いる。さらに、透過型電子顕微鏡では、単にビームシャ
ッターとして用いる用途もある。

【０００４】一般に使用されているビームブランキング
装置の基本構成を図１に示す。図中１はビーム径制限絞
り、２は静電型の偏向器、３はブランキング絞りであ
る。この構成で、ビーム径制限絞り１の開口径を２
Ｄ_０、ブランキング絞り３の開口径を２Ｒ、ビーム源あ
るいはビームのクロスオーバー点をＣとし、Ｃと偏向器
２の中心までの距離をＳ、偏向器２の中心からブランキ
ング絞り３までの距離をＬとすると、ビームがブランキ
ングされる条件は、偏向器２によるビームの偏向角をθ
とすると、次の通りとなる。

【０００５】θ＞θ_０上記でθ_０は最小必要偏向角であり、α_０がビーム径制
限絞り１が規定するビーム開き角、Ｂがブランキング絞
り３上のビームの半径とすると、次式が導かれる。

【０００６】θ_０＝（Ｂ＋Ｒ）／ＬＢ＝（Ｓ＋Ｌ）α_０このような式から、ビームブランキング装置を組み込む
場所が自ずと決まってくる。例えば、焦点距離の可変範
囲が大きいレンズの下方にビームブランキング装置を組
み込むと、上式のＢが大きく変わることになり、ブラン
キング条件を常に満足することが困難となる。従って、
熱電子銃を用いた走査電子顕微鏡を例にとると、電子銃
と第１コンデンサレンズとの間にビームブランキング装
置を組み込む構成が普通となる。

【０００７】図２は熱電子銃を用いた走査電子顕微鏡の
要部を示しており、４は熱電子放射フィラメント５、ウ
ェーネルト電極６、接地電位の陽極７より構成される熱
電子銃であり、８は第１コンデンサレンズである。図１
に示したビーム径制限絞り１、偏向器２、ブランキング
電極３より成るビームブランキング装置は電子銃４と第
１コンデンサレンズ８との間に配置される。

【０００８】図３は電界放射型電子銃を用いた走査電子
顕微鏡を示しており、９は電界放射エミッタ１０、引出
電極１１、フォーカス電極１２、加速電極１３より成る
電界放射型電子銃であり、１４は対物レンズ、１５は試
料である。対物レンズ１４の前面にはブランキング絞り
を兼用した対物レンズ絞り１６が設けられている。この
ような構成では、エミッタ１０の直下に配置される引出
電極１１、フォーカス電極１２、加速電極１３より成る
ガンレンズを、上記した式におけるＢが大幅に変わらな
いような焦点距離の範囲内で用いる必要がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図２で示した熱電子銃
を用いた走査電子顕微鏡では、長い高圧碍子を介してフ
ィラメント５とウェーネルト電極６などのユニットと、
陽極７が組み立てられており、機械的な同軸度が悪い。
しかも、射出されるビーム開き角が１０^−２ｒａｄ程度
である。この横を向いた細いビームを後段のレンズの光
軸に向けるために電子銃の軸合わせ装置がブランキング
装置と同じ場所に組み込まれている。しかしながら、ビ
ーム径制限絞り１を通過できたビームは、軸合わせ可能
であるが、通過できないビームは軸合わせ装置をいかに
調節しても絞りを通過させることはできない。従って、
実際の装置にあっては、ビーム径制限絞り１の直径を１
mm以下にすることは困難である。この結果、θ_０が大き
くならざるを得ないので、ブランキング条件を満足する
には、偏向器の偏向感度を大きくするか、偏向信号強度
を大きくしなければならない。

【００１０】図３に示した電界放射型電子銃を用いた走
査電子顕微鏡では、ガンレンズの焦点距離可変範囲に制
限ができる結果、対物レンズ１４を通過する荷電粒子線
電流（プローブ電流）の可変範囲が著しく狭くなる欠点
が生ずる。電子ビームテスターのようにプローブ電流を
変える必要のない装置では、この点は問題とならない
が、一般の走査電子顕微鏡では、プローブ電流可変範囲
のような装置の基本性能をブランキング装置の組み込み
のために犠牲にすることはできない。このため、プロー
ブ電流可変用のレンズを追加することになり、全体のコ
ストアップを招く欠点があった。

【００１１】更に、走査電子顕微鏡においては、加速電
圧の可変範囲が大きいことに伴うブランキング動作上の
問題点がある。すなわち、汎用走査電子顕微鏡では、加
速電圧は０．５ｋＶ〜３０ｋＶの範囲で変えられ、ま
た、測長走査電子顕微鏡でも０．５ｋＶ〜３ｋＶの範囲
で変えられる。ここで、偏向器に信号を供給したときの
偏向角について考察する。静電型偏向ではＶｄの偏向信
号が供給され、磁界型偏向器ではＩｄの偏向信号が供給
されると、θは簡単な電子光学理論により、次の式の通
りとなる。

【００１２】

【数１】

【００１３】上式で（１）式は静電偏向の場合、（２）
式は磁界偏向の場合で、Ｅ（ｚ）は電場の強さ、Ｂ
（ｚ）は磁場の強さ、ｅ（ｚ）は偏向器に±１Ｖ加えた
ときにできる軸上偏向電界、ｂ（ｚ）は偏向器に±１Ａ
加えたときにできる軸上偏向磁束密度である。また、偏
向感度Ｆは次の（３）式、（４）式で表される。なお、
（３）式は静電偏向の場合、（４）式は磁界偏向の場合
である。

【００１４】

【数２】

【００１５】上記（３），（４）式から、偏向感度Ｆは
偏向板あるいは偏向コイルの形状のみの関数であること
が分かる。従来のブランキング装置は、加速電圧に拘ら
ず同一の偏向器で用を足していた。換言すれば、加速電
圧が大幅に変化するにも拘らず、同一の偏向感度Ｆを有
した偏向器でブランキングを行っていた。また、偏向信
号（ＶｄまたはＩｄ）を加速電圧（Ｖａ）に連動して、Ｖｄ＝ｋＶａ …（５）Ｉｄ＝ｋ´√（Ｖａ） …（６）とすることにより、加速電圧に拘らず、一定のθが得ら
れるようにしたブランキング装置も一般的であった。こ
れは、このような連動をしないと、低加速電圧のとき、
θが大きくなりすぎ、偏向されたビームが通路壁に衝突
して散乱され、通路壁の汚染やチャージアップ、それに
よるビーム位置の変動を起こしたり、散乱ビームがブラ
ンキング絞りを通り抜けて完全なブランキングができな
くなることを防ぐためである。

【００１６】前記した偏向信号と加速電圧とを連動させ
ることおよび偏向感度を一定としたブランキングシステ
ムの問題点を以下に述べる。一般にブランキング用パル
ス電源は必ずノイズ成分を有している。このノイズは図
４に示すように出力電圧または電流がハイレベルの時も
ローレベルの時も同一の大きさである。従って、ハイレ
ベルからローレベルに遷移したときのビームを利用する
電子ビームテスターであれ、ローレベルのときのビーム
を利用する測長走査電子顕微鏡であれ、このノイズによ
り試料上の電子ビームプローブの照射位置は変動する。
この変動をΔとすると、図５から明らかなように、静電
偏向器の場合には次の式が導かれる。

【００１７】Δ＝Ｍ（ｓθ）δＶｄ／Ｖｄ …（７）また、磁界型偏向器の場合には、次の式が導かれる。 Δ＝Ｍ（ｓθ）δＩｄ／Ｉｄ …（８）ここで、Ｍはブランキング装置より下方のレンズ１６の
総合倍率、ｓは光源から偏向器２までの距離である。

【００１８】（５）式を（７）式に代入し、（６）式を
（８）式に代入すると、次の式が得られ、Δの加速電圧
依存性が分かる。 Δ＝Ｍ（ｓθ）δＶｄ／ｋＶａ …（９） Δ＝Ｍ（ｓθ）δＩｄ／ｋ´√（Ｖａ） …（１０）ここで、θ，δＶｄ，δＩｄは、加速電圧Ｖａに拘らず
一定としたから、Δは結局、Ｖａまたは√（Ｖａ）の逆
数に比例することになる。Δは低周波から高周波まで含
み、後者はスポットサイズを事実上増大させる。最近で
は、半導体試料のように表面が絶縁体で覆われた試料を
観察するために低加速電圧での使用が盛んな走査電子顕
微鏡においては、Δによる分解能の低下は深刻な問題と
なっていた。又、電界放射型電子銃走査電子顕微鏡にお
いては、Ｍが１に近く、ほとんど縮小効果がないので、
Δが大きくなりやすい。換言すれば、最低加速電圧（〜
０．５ｋＶ）においても、Δを装置分解能（測長走査電
子顕微鏡では〜５ｎｍ）の数分の一以下に抑えられるビ
ームブランキング装置は存在しなかった。

【００１９】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、ブランキング信号のノイズによる
影響を少なくすることができる荷電粒子線のブランキン
グ装置を実現するにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の荷電
粒子線装置におけるブランキング装置は、荷電粒子線源
からの荷電粒子線を集束レンズで集束して試料に照射す
ると共に、偏向手段によって荷電粒子線の走査を行うよ
うにした荷電粒子線装置において、試料を照射するビー
ムの電流を制限するための絞りとその上方に形成された
荷電粒子線のクロスオーバー点との間にブランキングの
ための偏向器を配置し、前記絞りとその下方の荷電粒子
線の走査のための偏向手段との間にブランキングのため
の絞りを設けるように構成したことを特徴としている。

【００２１】本発明の請求項２の荷電粒子線装置におけ
るブランキング装置は、ブランキングのための偏向器と
して静電型の偏向器を用い、この偏向器を構成する一対
の偏向電極の間の距離は、荷電粒子線の加速電圧とプロ
ーブ電流に応じて変化させられることを特徴としてい
る。

【００２２】本発明の請求項３の荷電粒子線装置におけ
るブランキング装置は、ブランキングのための偏向器と
して磁界型の偏向器を用い、この偏向器を構成する一対
の偏向コイルの間の距離は、荷電粒子線の加速電圧とプ
ローブ電流に応じて変化させられることを特徴としてい
る。

【００２３】本発明の請求項４の荷電粒子線装置におけ
るブランキング装置は、ブランキングのための偏向器と
して静電型の偏向器を用い、この偏向器は、偏向感度の
異なる複数の偏向電極から成り、複数の偏向電極は加速
電圧に応じて使用される組み合わせが切り換えられるこ
とを特徴としている。

【００２４】本発明の請求項５の荷電粒子線装置におけ
るブランキング装置は、ブランキングのための偏向器
は、静電型の偏向器であり、この偏向器は、平行平板対
向偏向電極と、その偏向電極の上下に同じ対向距離を有
する平行平板型シールド電極とより構成され、偏向電極
とシールド電極を微小ギャップを介して一体化したこと
を特徴としている。

【００２５】

【作用】請求項１の発明では、試料を照射するビームの
電流を制限するための絞りとその上方に形成された荷電
粒子線のクロスオーバー点との間にブランキングのため
の偏向器を配置する。また、試料を照射するビームの電
流を制限するための絞りとその下方の荷電粒子線の走査
のための偏向手段との間にブランキングのための絞りを
設ける。

【００２６】請求項２の発明は、偏向器を構成する一対
の偏向電極の間の距離を荷電粒子線の加速電圧とプロー
ブ電流に応じて変化させる。請求項３の発明は、偏向器
を構成する一対の偏向コイルの間の距離を荷電粒子線の
加速電圧とプローブ電流に応じて変化させる。

【００２７】請求項４の発明は、ブランキングのための
偏向器として偏向感度の異なる複数の偏向電極を用い、
複数の偏向電極の使用の組合わせを加速電圧に応じて切
り換える。請求項５の発明は、ブランキングのための偏
向器を平行平板対向偏向電極と偏向電極の上下に同じ対
向距離を有する平行平板型シールド電極とより構成し、
偏向電極とシールド電極を微小ギャップを介して一体化
した。

【００２８】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図６は本発明の一実施例である走査電子顕
微鏡を示しており、２１は電子銃エミッタである。電子
銃エミッタ２１から発生した電子ビームは、第１コンデ
ンサレンズ２２，第２コンデンサレンズ２３，開き角制
御レンズ２４，対物レンズ２５によって試料２６上に細
く集束される。また、電子ビームは、偏向コイル２７，
２８によって偏向され、試料２６上の電子ビームの照射
位置は走査される。試料２６への電子ビームの照射によ
って発生した２次電子は、図示していない２次電子検出
器によって検出される。検出器の検出信号は、適宜増幅
された後、陰極線管（図示せず）に供給される。このよ
うな構成の動作は次の通りである。

【００２９】さて、エミッタ２１から放射された電子ビ
ームは第１コンデンサレンズ２２で集束され第１クロス
オーバーを作る。この第１クロスオーバーから拡がった
電子ビームは、散乱防止絞り２９で不要な部分を切り取
られ、第２コンデンサレンズ２３に入射する。第２コン
デンサレンズ２３によって第２クロスオーバーＣがブラ
ンキングのための偏向器（以下、ブランキング偏向器、
または単に偏向器と呼ぶ）３０の前段に形成される。ブ
ランキング偏向器３０に偏向信号が供給されていないと
き、電子ビームは偏向器内を直進し、対物レンズ絞り３
１を照射する。対物レンズ絞り３１上の電子ビームの径
を２Ｂ₀とする。直径が２Ｄ₀の対物レンズ絞り３１を
通過した電子ビームの電流が試料を照射する電流、すな
わちプローブ電流Ｉｐとなる（よって、対物レンズ絞り
３１は、試料を照射するビームの電流を制限するための
絞りである）。上記２段のコンデンサレンズの焦点距離
を変えることにより、プローブ電流Ｉｐの大きさを制御
することができる。

【００３０】この際、Ｃ点は光軸に沿って移動するが、
第２コンデンサレンズ２３とブランキング偏向器３０の
間の空間にこのクロスオーバー点Ｃが形成されるよう
に、第１コンデンサレンズ２２の焦点距離ｆ１，第２コ
ンデンサレンズ２３の焦点距離ｆ２の大きさを適宜調整
する。大きな電流Ｉｐを得るときには、Ｃ点は下方に移
動するのが普通である。この時、対物レンズ絞り３１上
の電子ビームの径Ｂ_０は最小となる。

【００３１】対物レンズ絞り３１より上方の光学系に軸
不正があると、絞り３１上の電子ビームの中心は横にず
れる。多少のずれを許容できるように（Ｂ_０）ｍｉｎ＞
Ｄ_０としてある。クロスオーバー点Ｃの像が開き角制御
レンズ２４と対物レンズ２５によって試料２６上に形成
される。開き角制御レンズ２４の倍率をｍ_ａ、対物レン
ズ２５の倍率をｍ_ｏｌとし、ｍ_ｏｌをｍ_ａの従属変数と
する。なお、この従属変数とは、ｍ_ａを勝手に変えたと
き、試料上にフォーカスするという条件からｍ _ｏｌが定
まるという意味である。簡単な計算から、次の式が導か
れる。

【００３２】ｍ_ｏｌ＝ｂ／（ｌ＋ｍ_ａ・ａ）上式でｌはレンズ間距離、ｂは対物レンズ２５と試料２
６との間の距離、ａはクロスオーバーＣと開き角制御レ
ンズとの間の距離である。対物レンズ絞り３１がＣ点に
対して張る角の半分をα_ａとする。また、試料２６に照
射される電子ビームの開き角をα_ｉとすると、次の関係
がある。

【００３３】ｍ_ａ・ｍ_ｏｌ＝α_ａ／α_ｉ前記した（７），（８）式から、次の式が得られる。

【００３４】

【数３】

【００３５】上式から導かれるように、ｍ_ａを変えるこ
とによってα_ｉを変えることができる。周知のごとく、
プローブ径を最小にするα_{ｉ（ｏｐｔ）}が存在する。α
_ｉ（ _ｏｐｔ）は装置の操作条件である加速電圧，プロー
ブ電流、装置定数であるレンズ系の収差係数，電子ビー
ムのエネルギ幅などの関数である。

【００３６】ところで、操作条件を変えてもα_i＝α
_i(opt)の関係を常に満たすようにｍ_aを制御することが
できる。開き角制御レンズ２４を出た電子ビームは、距
離Ｌに配置されたブランキングのための絞り（以下、ブ
ランキング絞りと呼ぶ）３２を通過する。ブランキング
絞り３２の半径Ｒはこの位置における最大ビーム半径Ｂ
より大きく設定されている。電子ビームは２段の偏向コ
イル２７，２８によって対物レンズ２５の中心を偏向支
点とする走査がなされる。図７（ａ）には、偏向コイル
２７，２８に印加される走査信号の波形が示されてい
る。なお、図７（ｂ）はブランキング信号である。

【００３７】この走査信号波形は、水平走査と垂直走査
では形が同じで時間スケールが異なっている。この走査
信号は単純な鋸歯状波ではなく、一周期の間に走査期間
Ｔｓと走査の帰線期間Ｔｒとが設けられている。この帰
線期間Ｔｒの間、試料照射ビームは一か所に止まってい
るため、試料の走査領域の左端および左上隅のドーズ量
（Ｉｐ×Ｔｒ）が他の走査領域内の点に比べて極めて大
きくなる。この様子を図８に示す。図８（ａ）は走査領
域を示し、図８（ｂ）はＸ方向のドーズ量分布、図８
（ｃ）はＹ方向ドーズ量分布を示す。

【００３８】絶縁体試料の場合、ドーズ量に応じて帯電
が生じるため、表面上に電荷の不均一による電界が生
じ、一次ビームを不正の偏向する。この帯電と放電は、
試料の表面状態や時間によって変化するため、測長走査
電子顕微鏡においては、測長値の再現性を損なうことに
なる。また、電子ビームの照射に伴って発生するコンタ
ミネーション（汚染）がドース量の多い点で増える。コ
ンタミネーションが厚く滞積すると、像観察後の半導体
製造フロセスにおいても完全除去が困難であり、結果と
して、デバイス製造の歩留まりを悪化させる。

【００３９】そこで、帰線期間中照射電流をブランキン
グするようにブランキング偏向器３０に図７（ｂ）にブ
ランキング信号を印加する。この時、ドーズ量分布は図
９に示すように均一になる。図９で図９（ａ）は走査領
域を示し、図９（ｂ）はＸ方向のドーズ量分布、図９
（ｃ）はＹ方向ドーズ量分布を示す。このため、不均一
電場は生じなくなり、測長ＳＥＭにおける測長再現性が
向上することになる。

【００４０】次に、図６におけるブランキング条件を求
める。まず、ｍ_ａａは開き角制御レンズ２４によるＣ点
の像位置、（α_ａ／ｍ_ａ）は開き角制御レンズ２４から
出るビームの開き角である。これを用いると次の式が導
かれる。

【００４１】Ｂ＝（Ｌ＋ｍ_ａａ）（α_ａ／ｍ_ａ）なお、α_ａ＝Ｄ_０（ａ−ｔ）である。従って次の式が導
かれる。Ｂ＝Ｋ・Ｄ_０ただし、Ｋは次の式で表される。

【００４２】

【数４】

【００４３】次に偏向角をθとすると、対物レンズ絞り
３１の中心を通る軌道の光軸となす角度γ_１およびこの
軌道が開き角制御レンズに入射する高さｈ_１は、次の通
りである。

【００４４】γ_１＝ｓθ／（ａ−ｔ）ｈ_１＝ｔγ_１＝（ｓｔ／（ａ−ｔ））θ この軌道が開き角制御レンズ２４を出た後、光軸となす
角度をγ_２、また、ブランキング絞り３２上での高さを
ｈ_２とすると、次の式が導かれる。

【００４５】

【数５】

【００４６】従って、ブランキング条件ｈ_２＞Ｂ＋Ｒを
θに関する条件に書き直すと、以下の関係となる。 θ≧θ_０ただし、θ_０＝（ａ／ｓ）｛（ＫＤ_０＋Ｒ）／（Ｋｔ＋
ｌ）｝である。一方、図６の場合には、Ｍ＝ｍ_ａ・ｍ
_ｏｌであり、（１１）式により、Ｍ＝α_ａ／α_ｉであ
る。ここでθ／θ_０＝γ（ブランキング安全率＞１）と
おく。この時、Δは、（７），（８）式から次のように
書き表すことができる。

【００４７】

【数６】

【００４８】上記（１４）式は静電偏向の場合、（１
５）式は磁界偏向の場合である。本発明の第１の要件で
ある「偏向器３０を点Ｃと対物レンズ絞り３１の間に配
置する」を満たせば、（１４），（１５）式より「Δは
偏向位置を変えても変わらない」という重要な特性が得
られることが分かる。なお、偏向器３０がビーム径制限
絞り２９の下にある図１のシステムでは、Δはｓに比例
する。

【００４９】本発明の第２の要件は、（３），（４）式
の偏向感度Ｆを加速電圧に比例して切り替える」ことで
ある。この時、θは静電偏向の場合次の式となる。

【００５０】

【数７】

【００５１】また、磁界偏向の場合には次の式となる。

【００５２】

【数８】

【００５３】上の２式から明らかなように、偏向角は一
定の偏向信号Ｖｄ（Ｉｄ）の下で加速電圧に拘らず一定
となる。この時、（１４），（１５）式中のγおよ
び［］内は加速電圧の直接の関数ではなくなり、従って
「Δは加速電圧を切り替えても一定となる。」という本
発明の目的が達せられる。

【００５４】図１０〜図１２は、偏向感度Ｆに関し、Ｆ
＝ｋＶａ、あるいは、Ｆ＝ｋ√（Ｖａ）を実現する静電
型偏向器の構造が示されており、図１０は正面図、図１
１は電極構造の平面図と操作回路とを含めた図、図１２
は側面図である。これらの図において、同形の一対の静
電電極４０および２対のシールド電極４１，４２を端面
を整列させて対向させる。偏向電極４０と上下のシール
ド電極４１，４２間は薄い絶縁体４３で絶縁されてい
る。これらの電極は適宜の方法で固定一体化されてい
る。

【００５５】一対の下部シールド電極４２には、ピッチ
が同じの右ネジ４４と左ネジ４５が切ってある。この一
体化された左右の偏向電極ユニットに送りネジ４６を嵌
め込む。送りネジ４６はジョイント４７を介してモータ
軸４８に結合されている。また、シールド電極４２のＹ
方向両端には、三角突起４９が設けられている。三角突
起４９を外部に設けた一対のガイドレール５０に嵌合
し、Ｘ方向に移動可能に構成する。

【００５６】モータ軸４８は電子光学カラム壁５１を貫
通してパルスモータ５２に接続されている。パルスモー
タ５２はパルスジェネレータ５３から駆動パルスが送ら
れるモータドライブ電源５４によって駆動される。パル
スジェネレータ５３から発生するパルス値（Ｎ値）は、
コンピュータ５５によって制御されるが、コンピュータ
５５には操作パネル５６から加速電圧Ｖａと、プローブ
電流Ｉｐについての各値が供給される。

【００５７】このような構成で、設定された加速電圧Ｖ
ａ、プローブ電流Ｉｐに応じてパルスモータ５２を駆動
し、モータ軸４８を回転させる。このモータ軸４８の回
転によって、シールド電極４２は光軸に軸対称に移動
し、その結果、静電偏向電極４０の間隔２ｇは適宜変化
させられる。ここで、間隔２ｇに対する偏向感度値Ｆ
は、電界計算ないしは実験的に求めることができる。図
１３はこの実験によって求められた偏向感度値Ｆであ
る。

【００５８】偏向電極４０がＹ方向に無限に長く、シー
ルド電極４１，４２もＹ，Ｚ方向に無限に長く、絶縁ギ
ャップが無限小の場合には、軸上偏向電界Ｅ（ｘ）ｚは
解析的に求めることができ、ｈを偏向電極４０のＺ軸に
沿った長さとすると、次の式が導かれる。

【００５９】

【数９】

【００６０】上式の関係から（３），（４）式を用いて
偏向感度Ｆを計算で求めると、Ｆ＝ｈ／２ｇとなる。実
際の電極では、２ｇが大きくなると、図１３に示すよう
に偏向感度Ｆは理想カーブよりも大きくなる。このこと
は、一定の範囲のＦの可変幅を得るのに必要な２ｇの変
化幅が大きくなることを意味するので、できるだけ理想
形に近付けることが必要である。

【００６１】次に、２ｇの制御の方法について述べる。
θ≧θ_０の関係と、（１６），（１７）式から、下記の
式が導かれる。

【００６２】

【数１０】

【００６３】（１９）式の（）内はプローブ電流を切り
替えるとき、Ｃ点の位置が変化するので大きさが異なる
が、加速電圧を変えてもほとんど変化しない。すなわ
ち、偏向感度は２ｇ，ｈと他の構造因子の関数となる。
従って、２ｇ制御の手順は次のステップで行うことにな
る。

【００６４】［第１ステップ］ビーム条件（ＶａとＩ
ｐ）を操作パネルから与える。［第２ステップ］（１８）式に従って必要な偏向感度Ｆ
を計算する。

【００６５】［第３ステップ］偏向感度Ｆを与える２ｇ
をｈやその他の構造因子から求める。［第４ステップ］モータにパルスを送り、上の２ｇ値を
実現する。

【００６６】上記第２ステップは、ＶａとＩｐの可能な
全ての組み合わせについて必要なＦ値を予め計算したテ
ーブルを作成しておくことができる。第３ステップも図
１３よりＦと２ｇのテーブル化が可能である。第４ステ
ップでは、２ｇ値は１パルス当たりの２ｇの変化幅Δ
（２ｇ）が分かっているので、Ｎ＝２ｇ／Δ（２ｇ）よ
り、パルス数Ｎに換算することができる。従って、第
２，３，４ステップのテーブルを一本化し、（Ｉｐ，Ｖ
ａ）に対するパルス数Ｎのテーブルとしておけば、制御
が容易となる。

【００６７】図１１のコンピュータ５５は、操作パネル
５６から（Ｉｐ，Ｖａ）のコードを受け取り、上記テー
ブルを索引して対応するＮ値を求め出力する。パルスジ
ェネレータ５３は指定されたＮ値に基づき、Ｎ個のパル
スを発生する。モータドライブ電源５４はパルス信号を
受け取り、モータ５２ヘを駆動するパルス電流に変換す
る。こうして設定された２ｇを持つ偏向器４０によれ
ば、（１９）式より必要な偏向角θ_０のγ（＞１）倍の
偏向がなされ、ビームは確実にブランキングされる。更
に、そのときのΔは、（１８）式で与えられ、加速電圧
を切り替えてもΔの変動はほとんど無くなる。ただし、
Ｉｐ切り替えに伴うΔの変動は残存する。この原因は、
（１４）式の［］の項による。この変動幅は実用上差支
えない程度（１ｍｍ以下）に抑えることが可能である。

【００６８】次に磁界型偏向器の場合について述べる。
磁界型の場合は、図１４（ａ）に示したようなセラミッ
ク性の２ｇ可変機構の対向平面にブランキング用のコイ
ル６０を貼り付ける。コイル６０およびセラミック体６
１は薄い金属で覆い、帯電防止を施す。セラミック体６
１にはナット６２が埋め込まれ、このナット６２には図
１０に示したような送りネジ４６が貫通させられてい
る。なお、図１４（ｂ）にコイル６０の断面形状を示
す。磁界偏向の場合には、（１９）式のＶａ／Ｖｄの項
が√（Ｖａ）／Ｉｄに変わるので、Ｆの可変幅（従って
２ｇの可変幅）を小さくできる利点がある。

【００６９】上記した実施例では、静電偏向の場合には
Ｆ＝ｋＶａとし、磁界偏向の場合には、Ｆ＝ｋ´√（Ｖ
ａ）とすることにより、ΔをＶａによらず一定とした。
このために２ｇ可変機構を設け、Ｖａに応じてほぼ連続
的に２ｇを変化させる必要がある。この代わりに、偏向
感度の異なる偏向器を数個Ｚ軸に沿って並べておき、加
速電圧を例えば２倍変えるごとに偏向器の方も切り替え
るようにしても良い。この場合のΔの加速電圧に対する
変化をグラフにすると、図１５のようになる。すなわ
ち、Δは加速電圧に対し一定とならず、鋸歯状に変化す
る。

【００７０】しかしΔのピーク値がプローブ径の数分の
一以下になるようにできれば問題はない。図１５は加速
電圧が０．５ｋＶから８ｋＶまで変化する走査電子顕微
鏡の場合、Δの２倍の変化を許すとしたとき、Ｆが２倍
ずつ異なる４段の偏向器が必要であることを示す。図の
Δの最小値は、第１の実施例におけるΔと同程度の大き
さである。従って、Δの最大値は２×Δｍｉｎとなる。
この値が許されないときには、（１４），（１５）式の
δＶｄまたはδＩｄを半分にするか分母のＶｄあるいは
Ｉｄを半減することを考える。増幅器のノイズは一般に
次の式で表される。

【００７１】

【数１１】

【００７２】上式でｅ_ｎ（ｆ）は使用するＩＣの種類で
決まるノイズ電圧の周波数分布である。従って、δＶｄ
を小さくするには、帯域ｆ_ｃを落とすしかない。ｆ_ｃを
小さくすると早いブランキングができなくなる。そこで
水平走査に対する帰線期間のブランキングをあきらめ、
垂直走査のブランキングのみを行うようにすれば、δＶ
ｄを数分の一以下に減らすことができる。ＴＶ周波数で
の走査の場合、垂直ブランキングに必要な帯域は〜１０
ｋＨｚ程度以下にすることができる。

【００７３】図１６に多段式偏向器を示す。４枚の偏向
電極Ｄ_１〜Ｄ_４は、シールド電極６５によってシールド
される。６６は対物レンズ絞りである。各偏向電極Ｄ_１
〜Ｄ _４の厚みの比は、２：１：１：４としてあり、先に
述べたように十分なシールド板長があればそのまま偏向
感度比となる。図１７に示した表のように、加速電圧を
２倍ずつに区切り、各区分に対応して用いる偏向器を組
み合わせる。例えば、加速電圧が２．０〜４．０ｋＶの
時には偏向器Ｄ_１とＤ_２とＤ_３を用いる、あるいは、Ｄ
_４だけを用いても良い。この時、合成された偏向感度は
１＋１＋２＝４となる。かくすれば、次の比率の４つの
偏向器を用いることにより、全体の厚みを薄くできる
上、各段偏向器のｓ値の違いによる必要偏向角θ０のバ
ラつきを小さくできる。

【００７４】ｈ_１：ｈ_２：ｈ_３：ｈ_４＝１：２：３：４次に偏向器の選択方法について述べる。図１８に示すよ
うに、各段偏向器の電極Ｄ_１〜Ｄ_４はリレーＲ_１Ａ，Ｂ
〜Ｒ_４Ａ，Ｂに接続されている。リレーがＯＦＦの時
は、電極はパルス電源６７のアースに接続され、リレー
がＯＮになるとリレーＲ_ｉＡ（ｉ＝１〜ｎ）は＋Ｖｄ
に、リレーＲ_ｉＢは−Ｖｄの出力回路に接続される。リ
レーの選択は図１９に示したリレー選択回路で行う。加
速電圧をオペレータが指定すると、そのレンジに応じて
図２０の真理値表に示した２ビットの（Ｃ１，Ｃ２）信
号を作成する。この場合、コンピュータを用いても良い
し、ハードロジックで行っても良い。マルチプレクサー
６８は、この２ビット信号（Ｃ１，Ｃ２）に応じて図２
０に示した真理値表に従った出力を行う。スイッチング
トランジスター６９はこの出力が１の時導通し、リレー
駆動コイル７０に電流が流れリレーをＯＮにする。出力
が０の場合、トランジルターはカッチオフになり、リレ
ー電流が０になってリレーはＯＦＦになる。

【００７５】以上本発明の一実施例を詳述したが、本発
明はこの実施例に限定されない。例えば、電子ビームの
場合を主として説明したが、イオンビームにも本発明を
同様に適用することができる。

【００７６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
の発明は、試料を照射するビームの電流を制限するため
の絞りとその上方に形成された荷電粒子線のクロスオー
バー点との間にブランキング偏向器を配置し、前記絞り
とその下方の荷電粒子線の走査のための偏向手段との間
にブランキング絞りを設けるように構成したので、ブラ
ンキング電源のノイズに基づく試料上のプローブ位置変
動量Δが偏向器位置に依存しなくなった。また、ブラン
キング偏向器による荷電粒子線の偏向量が僅かですむた
めに、偏向器を小型に構成でき、既存の荷電粒子線の光
学系をほとんど変更することなしにビームブランキング
装置を組み込むことができる。

【００７７】本発明の請求項２と３の発明では、偏向電
極や偏向コイルの間隔を荷電粒子線の加速電圧やプロー
ブ電流に応じて変化させるように構成したので、ビーム
の最小必要偏向量をＢ＋Ｒとし、安全率をｒとした場
合、ブランキング絞り上でのビーム移動量を常時ｒ（Ｂ
＋Ｒ）に保つことができる。また、試料上のプローブ位
置変動量Δを加速電圧によらずに一定とすることが可能
となり、ノイズによるプローブの太りやゆれをプローブ
径の数分の一以下にすることができる。

【００７８】本発明の請求項４の発明では、ブランキン
グ偏向器として偏向感度の異なる複数の偏向電極を用
い、複数の偏向電極の使用の組合わせを加速電圧に応じ
て切り換えるように構成したので、請求項２や３と同様
な効果を得ることができる。

【００７９】本発明の請求項５の発明は、ブランキング
偏向器を平行平板対向偏向電極と偏向電極の上下に同じ
対向距離を有する平行平板型シールド電極とより構成
し、偏向電極とシールド電極を微小ギャップを介して一
体化したので、コンパクトなブランキング偏向器を提供
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のビームブランキング装置の基本構成を示
す図である。

【図２】従来の熱電子銃を用いた走査電子顕微鏡の要部
を示す図である。

【図３】従来の電界放射型電子銃を用いた走査電子顕微
鏡の要部を示す図である。

【図４】ブランキング用パルス電源のノイズを示す図で
ある。

【図５】プローブ位置変動量Δを求めるための光学図で
ある。

【図６】本発明に基づくブランキング装置を備えた走査
電子顕微鏡の一実施例を示す図である。

【図７】偏向コイルに供給される走査信号とブランキン
グ信号を示す図である。

【図８】試料の走査領域におけるビームのドーズ量を示
す図である。

【図９】試料の走査領域におけるビームのドーズ量を示
す図である。

【図１０】本発明に用いられる静電型のブランキング偏
向電極の構造を示す図である。

【図１１】図１０の周辺構成と操作回路を含めた図であ
る。

【図１２】図１０の側面図である。

【図１３】電極間隔に対する偏向感度値の関係を示す図
である。

【図１４】本発明に用いられる静電型のブランキング偏
向電極の構造を示す図である。

【図１５】プローブ位置変動量Δの加速電圧に対する変
化を示す図である。

【図１６】本発明に用いられる多段式静電偏向器を示す
図である。

【図１７】加速電圧に応じた複数の偏向電極の組み合わ
せを示す表である。

【図１８】多段式偏向器の電極の選択回路を示す図であ
る。

【図１９】リレー選択回路を示す図である。

【図２０】真理値表を示す図である。

【符号の説明】

２１電子銃エミッタ２２第１コンデンサレンズ２３第２コンデンサレンズ２４開き角制御レンズ２５対物レンズ２６試料２７，２８偏向コイル２９散乱防止絞り３０ブランキング用偏向器３１対物レンズ絞り３２ブランキング絞り

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/28 H01J 37/147 H01J 37/09

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線源からの荷電粒子線を集束レ
ンズで集束して試料に照射すると共に、偏向手段によっ
て荷電粒子線の走査を行うようにした荷電粒子線装置に
おいて、試料を照射するビームの電流を制限するための絞りとそ
の上方に形成された荷電粒子線のクロスオーバー点との
間にブランキングのための偏向器を配置し、前記絞りと
その下方の荷電粒子線の走査のための偏向手段との間に
ブランキングのための絞りを設けるように構成した荷電
粒子線装置におけるブランキング装置。
【請求項２】前記ブランキングのための偏向器は、静
電型の偏向器であり、この偏向器を構成する一対の偏向
電極の間の距離は、荷電粒子線の加速電圧とプローブ電
流に応じて変化させられる請求項１記載の荷電粒子線装
置におけるブランキング装置。
【請求項３】前記ブランキングのための偏向器は、磁
界型の偏向器であり、この偏向器を構成する一対の偏向
コイルの間の距離は、荷電粒子線の加速電圧とプローブ
電流に応じて変化させられる請求項１記載の荷電粒子線
装置におけるブランキング装置。
【請求項４】前記ブランキングのための偏向器は、静
電型の偏向器であり、この偏向器は、偏向感度の異なる
複数の偏向電極から成り、複数の偏向電極は加速電圧に
応じて使用される組み合わせが切り換えられる請求項１
記載の荷電粒子線装置におけるブランキング装置。
【請求項５】前記ブランキングのための偏向器は、静
電型の偏向器であり、この偏向器は、平行平板対向偏向
電極と、その偏向電極の上下に同じ対向距離を有する平
行平板型シールド電極とより構成され、偏向電極とシー
ルド電極を微小ギャップを介して一体化した請求項１記
載の荷電粒子線装置におけるブランキング装置。