JP6389569B2 - モノクロメーターおよびこれを備えた荷電粒子線装置 - Google Patents

モノクロメーターおよびこれを備えた荷電粒子線装置 Download PDF

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Description

本発明は、単色化装置を備えた荷電粒子線装置に関し、より詳細には、荷電粒子線の軌道を偏向させる円筒形静電レンズを対称に配列し、その間にエネルギー選択絞りを配置することで、指定されたエネルギー範囲の荷電粒子線を選択することが可能な荷電粒子線装置に関する。
運動する荷電粒子は静電場または磁場に経路を変更できるので、複数の荷電粒子が一緒に運動する荷電粒子線の進行方向を調整したり、荷電粒子線を集束または分散する機能を果たす荷電粒子経路調整装置を、光の経路を調整する光学系になぞらえて荷電粒子光学系という。
荷電粒子線にはイオンビームと電子線とがあり、イオンビームは主に陽イオンビームであり、プラズマイオン源(Plasma Ion Source)、電界イオン化型ガスイオン源(Gas FieldIon Source)または液体金属イオン源(Liquid metal Ion source)から引出し、電子線は陰極(cathode)から得る。電子線は、タングステン（Ｗ）表面に酸化ジルコニア（ＺｒＯ）で被覆したショットキー型(Schottky)電子源、またはタングステンにおける冷陰極電界放出電子源(Coldfield emission electron source)から得る。このようなイオンビームと電子線では、ビームをなすイオンまたは電子が平均的に有する一定のエネルギー範囲から外れるイオンまたは電子が存在し、一定のエネルギー範囲を前提に調整された荷電粒子光学系において、このようなイオンまたは電子の経路は所望の経路範囲から外れるようになる。
荷電粒子線から指定されたエネルギー範囲の粒子を選択し、その範囲から外れるエネルギーを有する粒子を除去する単色化装置(Monochromator)には、電場と磁場とをともに使用するウィーンフィルタ(Wienfiler)型単色化装置、荷電粒子線を静電場の内部で円運動させる静電場単色化装置、および進行する荷電粒子線が非対称静電場に入射して経路が移動するメーレンシュテットエネルギー分析器(Moellenstedt Energy Analyzer)型単色化装置などがある。
ここで、円筒形レンズは、中心に長方形の開口部を有する３つの電極から構成され、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り、３つの電極の間には絶縁材が備えられる。高電圧が印加された中心電極近傍で荷電粒子のエネルギーがほぼ０まで減速し、レンズの光軸の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発生するエネルギー分散を利用して荷電粒子のエネルギーを分析する方式である。荷電粒子源の軸外成分をエネルギー選択絞りで検出し、静電レンズの軸外を通過させてエネルギーを分光して、中心エネルギー部のみ選択する単色化装置として、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。このような単色化装置は、荷電粒子線の色収差の影響を減少させてイメージの分解能を向上させる。
特許文献１は、モノクロメーターおよびこれを備えた荷電粒子ビーム装置に関し、それぞれ複数の電極を含む２つの静電レンズと、その間に備えられた選択絞りとから構成された単色化装置に関する技術を開示している。しかし、前記特許文献１は、長方形の２つの静電レンズの長方形開口部の中心を別途荷電粒子線の光軸に対して移動しなければならず、静電レンズを構成する電極の数が多くて、電極の開口部を精密に一致させる作業が複雑になる問題がある。
大韓民国公開特許第２０１５−０１４６０７９号
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、長方形開口部の中心が一致する複数の電極から構成された一体構造の静電場レンズを用いることで、分散が発生し得る荷電粒子線のエネルギー拡散を低減した単色化装置およびこれを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明は、長方形開口部を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞りを、長方形の前記開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極と、入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備え、中央電極を中心に前方部および後方部にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する制御電源部と、前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再度偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離の分前記長方形開口部の短辺方向の中心が移動するように、前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部とを含み、前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体構造である、モノクロメーターを提供する。
本発明はまた、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極はそれぞれ２つの電極であり、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定される、モノクロメーターを提供する。
本発明はまた、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置であって、前記装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、前記荷電粒子源を加熱する電流（Ｉｆｉｌ）を印加するフィラメント(Filament)と、前記荷電粒子源から任意の方向に電子放射を抑制する抑制電極(suppressor)と、前記荷電粒子源に引出電圧（Ｖｅｘｔ）を印加する引出電極(extractor)と、前記引出電極を通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第１転送(transfer)レンズ（第１軸対称レンズ）部と、前記第１転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第１転送レンズを通過した荷電粒子線の入射角度を予め定めた範囲で制限する入射絞りと、前記入射絞りを通過した荷電粒子線のうち予め定めたエネルギー範囲の荷電粒子線を選択的に通過させるモノクロメーターと、前記モノクロメーターを通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第２転送レンズ（第２軸対称レンズ）部と、前記第２転送レンズを通過した荷電粒子を出射し、接地される荷電粒子線出射電極と、前記モノクロメーターの後方に荷電粒子線レンズ系、偏向系および非点補正装置を有する光学系と、前記荷電粒子線が照射される試料および前記試料を内部に配置する試料室と、前記荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子線を検出する検出器と、制御部とを含み、前記荷電粒子源、前記抑制電極、前記引出電極、前記第１転送レンズ部、前記入射絞り、前記モノクロメーター、前記第２転送レンズ、前記光学系、前記試料室、および前記検出器は、真空ポンプにより真空状態で維持され、前記モノクロメーターは、長方形開口部を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞りを、前記長方形開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極と、入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備えて中央電極を中心に前方部および後方部にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する電源部と、前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再び偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離分前記長方形開口部の短辺方向の中心が移動するように、前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部とを含み、前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体構造である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子源、前記抑制電極、前記引出電極、および前記第１転送レンズ部は、前記モノクロメーターと分離された超高真空空間を備え、前記分離された超高真空空間は、別の真空ポンプを介して超高真空を維持する、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記第２転送レンズと前記荷電粒子線出射電極との間に、前記第２転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第２転送レンズ部に対向する対向電極をさらに備える、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極であり、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、前記エネルギー選択絞りは前記中央電極に固定され、前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極はそれぞれ２つであり、前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極とは、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターとを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント(Alignment)電極がさらに配列され、前記第１転送レンズの荷電粒子線の進行方向１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、２番目の電極電圧は通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線の進行方向１番目の電極電圧は通過電圧であり、２番目の電極電圧は前記引出電圧である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極はそれぞれ２つの電極であり、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、前記エネルギー選択絞りは前記中央電極に固定され、前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極はそれぞれ３つであり、前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極は、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント電極がさらに配列され、前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記荷電粒子線を平行に維持する電圧であり、３番目の電極電圧は引出電圧より低い通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記第１転送レンズの２番目の電極電圧と同一の電圧であり、３番目の電極電圧は通過電圧より高い引出電圧である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記対向電極と前記荷電粒子線出射電極との間には、荷電粒子線加速管をさらに備える、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記中央電極、前記中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配列された電極および前記後方部の後面に配列された電極に通過電圧（Ｖｐ）を印加し、前記中央電極基準で対称である前記前方部の後面に配列された電極に第１円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ１）を、前記後方部の前面に配列された電極に第２円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ２）をそれぞれ印加する、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記第１円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ１）と前記第２円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ２）は、同一の大きさである、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記位置調整部で位置調整され、一体型に互いに固定された電極は、前記第２転送レンズ部の中心軸に対して位置調整される、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記第２転送レンズ部の下部電極と前記対向電極は、同一の電位が印加される、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記第１転送レンズ部の下部電極と中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配置された電極は、同一の電位が印加される、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記第２転送レンズ部の上部電極と前記後方部の後面に配列された電極は、同一の電位が印加される、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線出射電極は、前記出射電極を通過した荷電粒子線の進む光学系のコンデンサレンズの一部である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線出射電極は、前記出射電極を通過した荷電粒子線の加速される加速管の一部である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記転送レンズ支持部は、前記真空排気管で真空の維持される空間内部に位置し、前記第１転送レンズ部の下部電極および前記第２転送レンズ部の上部電極と同一の電位である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記位置調整部は、前記転送レンズ（軸対称レンズ）支持部を通じて設けられる、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記位置調整部は、前記中央電極に連結されて作用する、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線の荷電粒子は電子であり、前記荷電粒子線出射電極は陽極（ａｎｏｄｅ）である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、電子である前記荷電粒子源、前記抑制電極、および前記引出電極は、絶縁物を介して接地電位の電子銃フランジ（Ｆｌａｎｇｅ）に連結され、前記接地部は、真空内部で水平および垂直方向の調整が可能となるようにベローズで連結されて、モノクロメーターと独立して電子源を切り替え可能にする、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線の荷電粒子はイオンであり、前記荷電粒子線出射電極は陰極である、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料の表面の映像を観察する走査電子顕微鏡である、荷電粒子線装置を提供する。
本発明はさらに、前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料を透過した電子線の映像を獲得する透過電子顕微鏡である、荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料の表面をエッチングする電子ビームエッチング装置である、荷電粒子線装置を提供する。
本発明はさらに、前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料の表面を加工する集束イオンビーム装置である、荷電粒子線装置を提供する。
本発明はまた、前記モノクロメーターを用いた、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）を提供する。
本発明はさらに、前記モノクロメーターを透過する電子線を試料室に位置した試料に照射し、前記照射結果発生した電子線のエネルギーを、前記モノクロメーターを用いて分光する、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）を提供する。
本発明のモノクロメーターの中央電極および前記中央電極を中心に前方部および後方部に配列される複数の電極が絶縁体を介して互いに固定される一体化構造を取ることから、前方部および後方部にそれぞれのレンズを別途に設ける場合に比べて、光軸に対してオフセットを調整する機構が簡素化されるという利点を有し、光学系の対称性によって出射面における二次収差が相殺される。
本発明の一実施形態に係る、一体化構造のモノクロメーターおよび断面を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、円筒形レンズの開口部の電位が荷電粒子線の軌跡を移動させる原理を示す概念図である。 モノクロメーターの荷電粒子線エネルギー選択に対する概念図である。 本発明の一実施形態に係る、荷電粒子線の光軸に対して長方形開口部の短辺方向に移動したモノクロメーターが配置された荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有する装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、それぞれ２つの電極を備えた転送レンズを含む荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有し、かつ、それぞれ２つの電極を備えた転送レンズを含む荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、荷電粒子線加速管を備えた荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有し、かつ、荷電粒子線加速管を備えた荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、走査型荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、透過型荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、集束レンズと対物レンズを介して試料に荷電粒子ビームを最適な開放角度で集束する走査型荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの上下の転送レンズを、コンデンサレンズ、対物レンズとして用いる光学系を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーター電源が加速電圧に重畳した荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを荷電粒子源高圧部に設け、モノクロメーターの後段に加速管を設けた荷電粒子線装置を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを接地線基準で用いる荷電粒子線装置を示す概念図である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できる程度に好ましい実施形態を図面を参照して詳細に説明する。本発明の詳細な説明に先立ち、以下に説明される本明細書および請求の範囲に使用された用語や単語は通常または辞書的な意味に限定して解釈されてはならない。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
図１は、本発明の一実施形態に係る、一体化構造のモノクロメーターおよび断面を示す概念図である。本発明の一実施形態に係るモノクロメーターは、長方形開口部５を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞り(Energy selection aperture)３５を、長方形の前記開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極３０と、入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備え、中央電極を中心に前方部１０、２０および後方部４０、５０にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する制御電源部（図示せず）と、前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再び偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離だけ前記長方形開口部の短辺７方向の中心が移動するように前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部７０とを含む。前記荷電粒子線の進行方向はＺ方向、開口部の短辺７方向はＸ方向、長辺６方向はＹ方向と定義する。
本発明の一実施形態において、前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体化構造であることを特徴とする。前記絶縁体は、モノクロメーター電極間絶縁部６０を介して行われる。また、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定されて、従来技術に比べて電極の数を減少させることにより、電極の開口部の中心軸を精密に一致させる組立が可能なだけでなく、費用も節減可能である。本発明の一実施形態において、前記前方部および後方部電極は、中心電極に対して対称構造を取り、中心電極は、他の４つの電極より厚くする。前記複数の電極は、前方部の２つの電極を中央電極に固定（Ｆ）し、後方部の２つの電極も、中央電極に固定（Ｆ）する。前記複数の電極を前記中央電極に合わせて上下方向に組立てるので、精密な組立が容易になる。
図２は、本発明の一実施形態に係る、円筒形レンズの開口部の電位が荷電粒子線の軌跡を移動させる原理を示す概念図である。本発明の一実施形態において、荷電粒子線５００は、短辺７のＸ軸の原点から（＋）Ｘｄだけ移動し、長辺６のＹ軸は原点の位置に入射する。すなわち、前方部電極１０、２０に入射する荷電粒子線は偏向されて入射し、開口部が形成する電位８０の中心を外れた位置に入射して偏向力を受けるようになる。前記偏向力を受けた荷電粒子線の軌跡（trajectory）は、中心対称位置から外れ、後方部電極４０、５０で反対方向に偏向されて元の入射軌跡の延長に復帰する。この時、開口部の短辺７方向のＸ軸に移動したので、長辺６方向のＹ軸には軌跡に変化はなく、Ｘ軸の軌跡変更をしながらエネルギーごとに荷電粒子線が分離されて進み、中央電極３０に備えられたエネルギー選択絞り３５を介して中心エネルギーの荷電粒子線５００を選択的に通過させるのである。
図３は、モノクロメーターの荷電粒子線エネルギー選択に対する概念図で、中央電極の前方部および後方部に配列されたそれぞれ３つの電極から構成されたモノクロメーターにおける荷電粒子線の軌跡の変化を誇張して強調して描いた。実際の荷電粒子線は、進行しながら経路が進行方向に平行に移動するが、荷電粒子線の移動を説明するために、まるで荷電粒子線が戻って曲がるかのように誇張して描いたのである。荷電粒子源３９０から放出された荷電粒子線５００が第１転送レンズ１９０と入射絞り(entrance aperture)１５を経て前方部の円筒形レンズ３３に入射し、前記円筒形レンズ３３によって軌跡が変化してエネルギーの分散した荷電粒子線５１０、５２０に軌跡が分かれる。前記軌跡が分かれたエネルギーの分散した荷電粒子線５１０、５２０と中央部の荷電粒子線の形態を進行方向からみればグラフＩの通りであり、前記エネルギーの分散した荷電粒子線５１０、５２０は、エネルギー選択絞り３５によって軌道が遮られ、中心部に位置した荷電粒子線５００のみ通過した後、後方部の円筒形レンズ３７で元の軌跡に復帰して進む。前記元の軌跡に復帰して進む荷電粒子線ビームが第２転送レンズ２９０を通過した後、荷電粒子線の形態を進行方向からみれば円形に観察（Ｓ）される。本発明の一実施形態では、前記円筒形レンズが２つの電極から構成される。
図４は、本発明の一実施形態に係る、荷電粒子線の光軸に対して長方形開口部の短辺方向に移動したモノクロメーターが配置された荷電粒子線装置を示す概念図で、長方形開口部の中心が一致する複数の電極から構成された一体構造のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を示す。本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源３４０と、前記荷電粒子源を加熱する電流Ｉｆｉｌを印加するフィラメント３００と、前記荷電粒子源から任意の方向に電子放射を抑制する抑制電極３２０と、前記荷電粒子源に引出電圧Ｖｅｘｔを印加する引出電極３３０と、前記引出電極を通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第１転送レンズ（第１軸対称レンズ）部１００、１１０、１２０と、前記第１転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第１転送レンズを通過した荷電粒子線の入射角度を予め定めた範囲で制限する入射絞り１５と、前記入射絞りを通過した荷電粒子線のうち予め定めたエネルギー範囲の荷電粒子線を選択的に通過させるモノクロメーターと、前記モノクロメーターを通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第２転送レンズ（第２軸対称レンズ）部２００、２１０、２２０と、前記第２転送レンズを通過した荷電粒子を出射し、接地される荷電粒子線出射電極２７０と、前記モノクロメーターの後方に荷電粒子線レンズ系偏向系と非点補正装置を有する光学系７００と、前記荷電粒子線が照射される試料および前記試料を内部に配置する試料室と、前記荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子線を検出する検出器と、制御部とを含む。本発明の一実施形態において、前記荷電粒子源３４０および前記フィラメント３００は、絶縁体３１０を介して接地部かつ真空チャンバ(vacuum chamber)の一部で真空密閉されたフランジ３６０に連結され、ベローズ３５０を介してアライメントおよび保護可能になる。また、前記入射絞り１５は、入射絞り調整部１６で調整され、前記モノクロメーターの位置調整部７０およびモノクロメーターのエネルギー選択絞り３５も、選択絞り調整部３６を介して調整される。前記各アライメントおよび調整はＸＹ方向にアライメントおよび調整（Ａ）される。前記モノクロメーターの位置調整部７０は、前記前方部および後方部に位置した転送レンズの間隔を維持し、絶縁体で連結する転送レンズ支持部４００を介して前記転送レンズ支持部４００を基準として作動できる。本発明の一実施形態において、前記転送レンズ１００〜１２０、２００〜２２０は、転送レンズ絶縁部１６０を介して絶縁連結される。
前記荷電粒子源、前記抑制電極、前記引出電極、前記第１転送レンズ部、前記入射絞り、前記モノクロメーター、前記第２転送レンズ、前記光学系、前記試料室、および前記検出器は、真空ポンプを介して（Ｂ）真空状態に維持され、磁場遮蔽部６００を介して外部磁場から保護される。本発明の一実施形態において、前記真空ポンプはイオンポンプである。また、前記モノクロメーターは、長方形開口部を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞りを、前記長方形開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極と、入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備え、中央電極を中心に前方部および後方部にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する電源部と、前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再び偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離だけ前記長方形開口部の短辺方向の中心が移動するように前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部とを含み、前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体化構造である。
前記第１転送レンズの焦点距離はｆ１で、前の焦点が光源位置Ｚ０であり、後の焦点は前記入射絞り１５の位置Ｚ１と一致する。前記第２転送レンズの焦点距離はｆ２で、前の焦点が前記モノクロメーターを通過した位置Ｚ３であり、後の焦点は荷電粒子線が出射するクロスオーバーの位置Ｚ４と一致する。前記前方部１０、２０および後方部４０、５０にそれぞれ並んで配列された複数の電極は、それぞれ円筒形レンズ３３、３７を形成し、前記円筒形レンズは二次集束条件を用いて焦点距離をｆｃとする。前記２つの円筒形レンズ３３、３７の中心は、中心対称位置Ｚ２である前記エネルギー選択絞り３５の位置に対して対称であり、それぞれ中心対称位置Ｚ２から焦点距離のｆｃだけ離れて位置する。すなわち、前方部の円筒形レンズ３３の前の焦点は、前方部の円筒形レンズ３３の中心からｆｃだけ前方に位置し、後方部の円筒形レンズ３７の後の焦点は、後方部の円筒形レンズ３７の中心からｆｃだけ後方に位置する。
本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記第２転送レンズと前記荷電粒子線出射電極との間に、前記第２転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第２転送レンズ部に対向する対向電極２５０をさらに備えることができる。前記対向電極２５０から荷電粒子線出射位置のクロスオーバーＺ４の下まで取り囲むため、第２転送レンズの下部電極２２０と同一の電位になり、その下に電位の異なる電極を配置することを特徴とする。対向電極を設けずに電位の異なる電極を配置する場合には、クロスオーバーの位置Ｚ４が前記電位の異なる電極の電圧に応じて変化する。したがって、通常より複雑なモノクロメーターの光学計算が電圧の基準によって要求される。対向電極を設けた場合、前記電位の異なる電極から電界が遮蔽されているため、電圧を変化させた場合にもクロスオーバーの位置Ｚ４が変化しない。したがって、後段の光学系の使用条件は、モノクロメーターとは独立した計算が可能なため、光学系使用条件の設定が容易になる。
図５は、本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有するモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記荷電粒子源３９０、前記抑制電極３２０、前記引出電極３３０、および前記第１転送レンズ１９０部は、前記モノクロメーターと分離された超高真空空間を備え、前記分離された超高真空空間は、別の真空ポンプを介して（Ｃ）超高真空を維持する。本発明の一実施形態では、真空チャンバに内壁３８０を設け、第１転送レンズを絶縁部３７０を介してチャンバ壁に連結し、前記分離された超高真空空間を真空排気する真空ポンプはイオンポンプである。
本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、前記エネルギー選択絞りは、前記中央電極に固定され、前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極は、それぞれ３つであり、前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極は、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間４３０、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間４４０には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント電極がさらに配列され、前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記荷電粒子線を平行に維持する電圧であり、３番目の電極電圧は引出電圧より低い通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記第１転送レンズの２番目の電極電圧と同一の電圧であり、３番目の電極電圧は通過電圧より高い引出電圧である。前記第１転送レンズの電圧は、光学計算によって決定される。この電圧で一点から放出された軌道は平行に出射する。通過電圧は任意の電圧を指定することができる。前記のように、引出電圧より低い通過電圧を印加することが好ましい。第２転送レンズの電圧は第１転送レンズの電圧とほぼ同一であるが、レンズ系の寸法誤差による焦点位置の変化がある。しかし、第２転送レンズの電圧を変化させて調整することができる。後段にレンズ系があれば、第２転送レンズの電圧は、第１転送レンズの電圧と一致させることにより、電源の数を減少させることができる。
図６は、本発明の一実施形態に係る、それぞれ２つの電極を備えた転送レンズを含む荷電粒子線装置を示す概念図であり、図７は、本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有し、かつ、それぞれ２つの電極を備えた転送レンズを含む荷電粒子線装置を示す概念図である。前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、前記エネルギー選択絞りは、前記中央電極に固定され、前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極は、それぞれ２つであり、前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極は、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間４３０、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間４４０には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント電極がさらに配列され、前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、２番目の電極電圧は通過電圧であり、前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は通過電圧であり、２番目の電極電圧は前記引出電圧である。前記引出電圧は、電子源の製造過程に依存する特性によって決定され、通過電圧は光学計算で決定され、放出された荷電粒子線は平行に出射される。本発明の一実施形態において、前記２番目の電極電圧は引出電圧とほぼ同一であるが、レンズ系の寸法誤差による焦点位置の変化があり得、これは、前記２番目の電極電圧を変化させて調整することができる。後段にレンズ系がある場合は、引出電圧と一致させて電極の数を減少させることもできる。
図８は、本発明の一実施形態に係る、荷電粒子線加速管を備えた荷電粒子線装置を示す概念図であり、図９は、本発明の一実施形態に係る、荷電粒子源部とモノクロメーター部が分離された真空領域を有し、かつ、荷電粒子線加速管を備えた荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記対向電極２５０と前記荷電粒子線出射電極２７０との間には、荷電粒子線加速管７１０をさらに備える。前記加速管の設置で荷電粒子線のエネルギーを変化させた場合にもクロスオーバーの位置が変化しないので、後段の光学系条件の設定が容易になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記中央電極、前記中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配列された電極および前記後方部の後面に配列された電極に通過電圧Ｖｐを印加し、前記中央電極基準で対称である前記前方部の後面に配列された電極に第１円筒形レンズ電圧ＶＣＬ１を、前記後方部の前面に配列された電極に第２円筒形レンズ電圧ＶＣＬ２をそれぞれ印加する。電気的にモノクロメーターの中心電極に対して対称構造を有し、第１円筒形レンズの電圧と第２円筒形レンズの電圧は理想的には同一であるが、機械加工や組立誤差によって調整が必要になり得る。前記構成は、光学系の対称性によって出射面における二次収差が相殺される。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置において、前記第１円筒形レンズ電圧ＶＣＬ１と前記第２円筒形レンズ電圧(ＶＣＬ２)は、同一の大きさである。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記位置調整部７０で位置調整され、一体型に互いに固定された電極は、前記第２転送レンズ部２９０の中心軸に対して位置調整できる。前記構造は、モノクロメーターの中心軸を第２転送レンズ部の中心軸に対して正確な位置移動量で調整可能にする。また、モノクロメーターと第２転送レンズ部の移動を調整すれば一体型構造にできるという利点を有する。大気圧中での位置調整や、他の真空装置での位置調整後に、主装置の荷電粒子線装置に容易に移転することも可能である。モノクロメーターの性能評価を実施することにより、製造工程や使用途中に故障が発生した場合には、モノクロメーター単位で取り替えることも可能になる。また、荷電粒子線装置内で荷電粒子線を発射後に移動を微細に調整することもできる。本発明の一実施形態において、位置調整機構の駆動部は、真空内に設けられたモータ、圧電素子で可能である。前記駆動部は、真空外で回転導入機構(Rotation motion feedthrough)または直線導入機構(Linearmotion feedthrough)を用いて実施することができる。転送レンズ支持部絶縁部４６０として、移動機構のガイドレールを設けてもよい。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記第２転送レンズ部の下部電極と前記対向電極は、同一の電位が印加される。対向電極から荷電粒子線出射位置のクロスオーバーＺ４の下まで取り囲むため、第２転送レンズの下部電極と同一の電位が印加される。また、その下の位置に他の電極を配置する。対向電極を設けずに電位の異なる電極を配置した場合、クロスオーバーの位置Ｚ４が電位の異なる電極の電圧に応じて変化する。したがって、通常より複雑なモノクロメーターの光学計算が電圧の基準によって要求される。対向電極を設けた場合、電位の異なる電極から電界が遮蔽されているため、電圧を変化させた場合にもクロスオーバーの位置Ｚ４は変化しない。したがって、後段の光学系の使用条件についてモノクロメーターとは独立した計算が可能になるので、光学系使用条件の設定が容易になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記第１転送レンズ部の下部電極１２０と中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配置された電極１０は、同一の電位が印加される。これにより、前記モノクロメーターを移動した場合に、電子線の偏向作用が無くなる。また、前記下部電極１２０と前方部の前段電極１０との間に、第１アライメント電極４３０と、入射絞り１５とを設けることが可能になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記第２転送レンズ部の上部電極２００と前記後方部の後面に配列された電極５０は、同一の電位が印加される。これにより、前記モノクロメーターを移動した場合に、電子線の偏向作用が無くなる。また、前記上部電極２００と後方部の後段電極５０との間に第２アライメント電極４４０を設けることが可能になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線出射電極が、前記出射電極を通過した荷電粒子線の進む光学系のコンデンサレンズの一部である。コンデンサレンズの使用条件を変化させた場合にもクロスオーバーＺ４の位置が変化せず、後段の光学系条件の設定が容易になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線出射電極が、前記出射電極を通過した荷電粒子線の加速される加速管の一部である。この場合、荷電粒子線のエネルギーを変化させた場合にもクロスオーバーＺ４の位置が変化せず、後段の光学系条件の設定が容易になる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記転送レンズ支持部４００が前記真空排気管で真空の維持される空間内部に位置し、前記第１転送レンズ部の下部電極１２０および前記第２転送レンズ部の上部電極２００と同一の電位を維持する。前記下部電極１２０および前記上部電極２００の電位は、通過電圧Ｖｐと同一であり、絶縁機構を必要とせず、構造が単純化される。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記位置調整部７０が前記転送レンズ支持部４００を通じて設けられる。これにより、第１転送レンズ、モノクロメーターの２つの円筒形レンズ３３、３７、および第２転送レンズを一体化することができる。大気中で位置調整した後、または他の真空装置での位置調整後に、本装置に容易に移転することができる。モノクロメーターの性能評価を実施することで、製造工程や現場で故障が発生した場合、モノクロメーター単位での取り替えが可能になる。位置調整機構の駆動部は、真空内に設けられたモータ、圧電素子が使用可能である。また、この駆動部の駆動は、真空外に回転導入機構または直線導入機構を用いて実施することができる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置は、前記位置調整部が前記中央電極に連結されて作用する。モノクロメーターの高さ方向の中心に作用して、モノクロメーターの位置を調整する時、傾きを低減することができる。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置の前記荷電粒子は電子であり、前記荷電粒子線出射電極は陽極であってもよい。電子である前記荷電粒子源、前記抑制電極、および前記引出電極は、絶縁物を介して接地電位の電子銃フランジに連結され、接地部は、真空内部で水平および垂直方向の調整が可能となるようにベローズで連結されて、モノクロメーターと独立して電子源を切り替え可能にする。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置の前記荷電粒子はイオンであり、前記荷電粒子線出射電極は陰極であってもよい。
図１０は、本発明の一実施形態に係る、走査型荷電粒子線装置を示す概念図であり、図１１は、本発明の一実施形態に係る、透過型荷電粒子線装置を示す概念図である。走査型荷電粒子線装置には走査型光学系７９１が用いられ、透過型荷電粒子線装置には透過型光学系７９０が用いられる。前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料の表面の映像を観察する走査電子顕微鏡であるか、試料室に位置した試料を透過した電子線の映像を獲得する透過電子顕微鏡であってもよい。前記透過電子顕微鏡の場合には、透過型試料ホルダ８００、透過型対物レンズ８１０、透過型投射光学系８２０、スクリーンを兼ねた検出器８３０が設けられる。本発明の他の構成例において、前記荷電粒子線装置は、試料室に位置した試料の表面をエッチングする電子ビームエッチング装置であるか、試料室に位置した試料の表面を加工する集束イオンビーム装置であってもよい。他の光学系の構成は、従来の走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ、ＨＩＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、および／または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のようである。ビームを走査する走査装置、ビームの非点補正部(Stigmator)、ビームの光軸試料の位置を補正する補正部(Alignment)、最小限のビームを試料に照射するためにビームを遮断する遮断部（Blanker）、複数の検出器（レンズ内に位置する二次電子または反射電子検出器、試料室内の二次電子検出器）などの光学要素が配置される。透過電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＴＥＭ）では、試料に電子線を照射する電流量、照射角度、照明領域を決定する照明系(Illumination Optics)、試料の像を拡大してスクリーンに投射する投射部(ProjectionOptics)が配置される。また、透過した電子線を検出する複数の透過検出器（detector）が設けられる。投射部を介して、倍率、視野、試料像および回折像の切り替え、散乱角度などの調整が可能になる。試料とビームに対する位置（直交座標）、角度(Rotation、Tilt)を変更する試料台(Stage)、試料の転送システム(transfer system)なども含まれることとする。また、荷電粒子線は真空環境を必要とするため、荷電粒子線は金属の真空チャンバで取り囲まれており、超高真空用真空ポンプＰ１、Ｐ２で真空排気される。本発明の一実施形態において、試料室にはターボポンプが配置される。荷電粒子源チャンバと中間チャンバには、良い真空を得るために複数のイオンポンプが配置されてもよい。また、複数のチャンバを分けるゲートバルブ、試料切り替え用ロードロック(load lock)チャンバなどが設けられてもよい。前記構成を取る荷電粒子光学装置は、光源のエネルギーの広がりが狭いため、色収差の寄与が減少して分解能が向上する。
本発明の一実施形態では、前記モノクロメーターを用いた、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）を実現するか、前記モノクロメーターを透過する電子線を試料室に位置した試料に照射し、前記照射結果発生した電子線のエネルギーを、上述したモノクロメーターを用いて分光する、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）を実現する。前記モノクロメーターを備えることで、試料表面を観察する荷電粒子線装置において、試料表面から放出された電子線のエネルギーを分光する電子線エネルギー損失分光（ＥＥＬＳ）８４０の機能を有し、これを用いて試料の局所的な組成、化学結合状態、電子状態、誘電関数、フォノン状態の分析および解析を行うことができる。前記モノクロメーターを含み、試料を透過した電子を用いて試料を観察する荷電粒子線装置は、透過した電子線のエネルギー分光が可能な電子線損失分光（ＥＥＬＳ）の機能を有し、試料の局所的な組成、化学結合状態、電子状態、誘電関数、フォノン状態の分析および解析を行うことができる。本発明のモノクロメーターを用いた電子線損失分光（ＥＥＬＳ）は、一次ビームのエネルギーの広がりが小くなるため、エネルギー分解能が向上する。
図１２は、本発明の一実施形態に係る、集束レンズと対物レンズを介して試料に荷電粒子ビームを最適な開放角度で集束する走査型荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記集束レンズは、第１集束レンズ７２０と、第２集束レンズ７３０とから構成される。前記モノクロメーター９０の後方のクロスオーバーにおける焦点を下端のモノクロメーターのレンズを介して対物レンズ７４０の試料７５０面に結像し、対物レンズによって試料像にビームを集束する荷電粒子線装置である。第１集束レンズ７２０および第２集束レンズ７３０の励起条件を調整して、対物レンズの結像条件を変更することなく開放角を調整することができる。モノクロメーターおよび／または対物レンズを介して、ビームの入射エネルギー、エネルギー拡散光学系の収差で決定されるビーム径が最小になる最適化された開放角度の調整が可能になる。
図１３は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの上下の転送レンズをコンデンサレンズ、対物レンズとして用いる光学系を示す概念図である。前記モノクロメーターの第１転送レンズ１９０、第２転送レンズ２９０をコンデンサレンズ、対物レンズとして用いる光学系である。特に、低い加速電圧を使用する走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）と集束イオンビーム（ＦＩＢ）の時に効果的である。荷電粒子線カラム（Column）で集束点を有しない光学系が実現可能なため、空間電荷効果の影響を低減することができる。また、全体的な光学要素を減少させ、装置の長さを減少させることにより、剛性を高め、環境性能(environmental performance)を向上させることができる。この場合、第１転送レンズと第２転送レンズの焦点距離の比はｆ２／ｆ１＝０．０５〜０．３と光源を縮小して使用する。
図１４は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの電源が加速電圧に重畳した荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態では、前記モノクロメーターを電子銃高圧部に設け、加速電圧基準で使用するモノクロメーターで、後段に陽極を配置する。モノクロメーターの電源は加速電圧ＡＣＣに重畳する。この場合、モノクロメーター９０の荷電粒子エネルギーは、通過電圧Ｖｐで決定される０．５−１ｋｅＶ程度であり、後段の陽極まで印加された加速電圧は０．５〜６０ｋｅＶに加速される。モノクロメーターのエネルギーＶｐは加速電圧に依存しないので、設定条件が一定で調整が容易である。円筒形レンズ電圧ＶＣＬ１、ＶＣＬ２、引出電極電圧(Extraction voltage)、転送レンズ電圧ＶＴＬ１、ＶＴＬ２、アライメント電極の偏向電圧、スリット位置調整電源を加速電圧に重畳させて供給する必要がある。主に加速電圧が低い（０．５−６０ｋＶ）条件で用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、または低い加速透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に効果的である。
図１５は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを荷電粒子源高圧部に設け、モノクロメーターの後段に加速管を設けた荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態では、前記モノクロメーター９０を電子銃高圧電源部９６０の加速電圧回路部９４０に連結して設け、加速電圧基準で使用する。また、モノクロメーターの後段に加速管７１０を設け、モノクロメーターの電源を加速電圧に重畳させる。モノクロメーターの後段の加速管から印加された加速電圧は１００〜３００ｋＶである。特に、加速電圧が高い透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に効果的である。モノクロメーターの後段に加速管を配置して、６０−３００ｋｅＶのエネルギーを有する透過電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＴＥＭ）に使用することができる。
図１６は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを接地線基準で使用する荷電粒子線装置を示す概念図である。本発明の一実施形態では、前記モノクロメーター９０を接地基準で使用する荷電粒子線装置で、モノクロメーター９０を電子銃高圧電源部９６０の電子源および第１転送レンズ加速電圧回路部９４１と、モノクロメーター、第２転送レンズおよび荷電粒子線光学系加速電圧回路部９４２に連結して設け、加速電圧基準で使用する。モノクロメーター電極の間隔を１０ｍｍとした場合、中心電極には６０ｋＶ程度の印加が可能であり、加速電圧６０ｋｅＶまで使用することができる。しかし、モノクロメーターにおけるエネルギー分解能は加速電圧に反比例するので、低い加速電圧でモノクロメーターの性能が向上し、エネルギー幅が狭い荷電粒子線が得られる構成である。第１アライメント電極と第２アライメント電極の偏向電圧スリット位置調整電源は接地基準となるので、電気計の製作が容易になるという利点がある。一方、モノクロメーターの円筒形レンズに出力電源を高電圧化する必要があるため、安定性の高い低ノイズ電源が必要である。
以上、本願の例示的な実施形態について詳細に説明したが、本願の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の請求の範囲で定義している本願の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態も本願の権利範囲に属する。
本発明で使用されるすべての技術用語は、別に定義されない以上、本発明の関連分野における通常の当業者が一般的に理解するのと同じ意味で使用される。本明細書に参考文献として記載されるすべての刊行物の内容は本発明に導入される。
５ 円筒形レンズの長方形開口部
６ 長方形開口部の長辺
７ 長方形開口部の短辺
１０ モノクロメーターの前方部の前段電極
１５ 入射絞り(entrance aperture)
１６ 入射絞り調整部
２０ モノクロメーターの前方部の後段電極
３０ モノクロメーターの中央電極
３３、３７ 円筒形レンズ
３５ エネルギー選択絞り(energy selection aperture)
３６ 選択絞り調整部
４０ モノクロメーターの後方部の前段電極
５０ モノクロメーターの後方部の後段電極
６０ モノクロメーター電極間絶縁部
７０ モノクロメーターの位置調整部
８０ レンズの開口部の電位
９０ モノクロメーター
１００ 第１転送レンズの前方部電極
１１０ 第１転送レンズの中間電極
１２０ 第１転送レンズの後方部電極
１６０ 転送レンズ絶縁部
１９０ 第１転送レンズ
１９１ 第１転送レンズ兼用モノクロメーター電極
２００ 第２転送レンズの前方部電極
２１０ 第２転送レンズの中間電極
２２０ 第２転送レンズの後方部電極
２５０ 対向電極
２６０ 出射電極絶縁部
２７０ 出射電極
２９０ 第２転送レンズ
２９１ 第２転送レンズ兼用モノクロメーター電極
３００ フィラメント
３１０ 荷電粒子源絶縁部
３２０ 抑制電極
３３０ 引出電極
３４０ 荷電粒子源
３５０ ベローズ
３６０ フランジ
３７０ 荷電粒子源絶縁部
３８０ 真空チャンバ壁
３９０ 荷電粒子源
４００ 転送レンズ支持部
４３０ 第１アライメント電極
４４０ 第２アライメント電極
４６０ 転送レンズ支持部絶縁部
５００ 荷電粒子線
５１０、５２０ エネルギーの分散した荷電粒子線
５５０ 荷電粒子線の円形集束イメージ
６００ 磁場遮蔽部
７００ 荷電粒子線光学系
７１０ 加速管
７２０ 荷電粒子線の第１集束レンズ
７３０ 荷電粒子線の第２集束レンズ
７４０ 荷電粒子線の対物レンズ
７５０ 試料
７９０ 透過型光学系
７９１ 走査型光学系
８００ 透過型試料ホルダ
８１０ 透過型対物レンズ
８２０ 透過型投射光学系
８３０ スクリーン／検出器
８４０ 電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）
９００ 真空チャンバ
９１０ 電子回路部
９２０ 制御部
９４０ 加速電圧回路部
９４１ 電子源および第１転送レンズ加速電圧回路部
９４２ モノクロメーター、第２転送レンズおよび荷電粒子線光学系加速電圧回路部
９６０ 電源部
Ａ 軸アライメント(XY alignment)
Ｂ 真空排気
Ｃ 分離された真空排気
Ｆ モノクロメーターの中央電極に対する前方部および後方部電極の固定方向
Ｐ１、Ｐ２ 超高真空用真空ポンプ

Claims (28)

  1. 長方形開口部を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞り(Energy selection aperture)を、長方形の前記開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極と、
    入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備え、中央電極を中心に前方部および後方部にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、
    前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する制御電源部と、
    前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再び偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離だけ前記長方形開口部の短辺方向の中心が移動するように前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部とを含み、
    前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体化構造である、モノクロメーター。
  2. 前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定される、請求項１に記載のモノクロメーター。
  3. モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置であって、前記装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
    前記荷電粒子源を加熱する電流（Ｉｆｉｌ）を印加するフィラメント(Filament)と、
    前記荷電粒子源から任意の方向に電子放射を抑制する抑制電極(suppressor)と、
    前記荷電粒子源に引出電圧（Ｖｅｘｔ）を印加する引出電極(extractor)と、
    前記引出電極を通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第１転送(transfer)レンズ（第１軸対称レンズ）部と、
    前記第１転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第１転送レンズを通過した荷電粒子線の入射角度を予め定めた範囲で制限する入射絞りと、
    前記入射絞りを通過した荷電粒子線のうち予め定めたエネルギー範囲の荷電粒子線を選択的に通過させるモノクロメーターと、
    前記モノクロメーターを通過した荷電粒子線を集束して通過させる、それぞれ開口部を備えた複数の電極を含む第２転送レンズ（第２軸対称レンズ）部と、
    前記第２転送レンズを通過した荷電粒子を出射し、接地される荷電粒子線出射電極と、
    前記モノクロメーターの後方に荷電粒子線レンズ系、偏向系、および非点補正装置を有する光学系と、
    前記荷電粒子線が照射される試料および前記試料を内部に配置する試料室と、
    前記荷電粒子線の照射により試料から放出される荷電粒子線を検出する検出器と、
    制御部とを含み、
    前記荷電粒子源、前記抑制電極、前記引出電極、前記第１転送レンズ部、前記入射絞り、前記モノクロメーター、前記第２転送レンズ、前記光学系、前記試料室、および前記検出器は、真空ポンプを介して真空状態に維持され、
    前記モノクロメーターは、
    長方形開口部を備え、エネルギー分布をもって入射する荷電粒子線から予め定めたエネ
    ルギー範囲に属する粒子を選択的に通過させるエネルギー選択絞りを、前記長方形開口部の内部厚さの中心に備えた中央電極と、
    入射する荷電粒子線が通過できるように長方形開口部を備え、中央電極を中心に前方部
    および後方部にそれぞれ並んで配列された複数の電極と、
    前記前方部および後方部にそれぞれ配列された複数の電極の開口部が静電レンズの作用をするように電力を印加する電源部と、
    前記前方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で入射する荷電粒子線を一方向
    に偏向させ、前記後方部に配列された複数の電極が静電レンズの作用で前記一方向に偏向された荷電粒子線を元の位置に再び偏向させて出射させられるように、前記入射する荷電粒子線の中心軸から予め定めた距離だけ前記長方形開口部の短辺方向の中心が移動するように前記中央電極および前記複数の電極を位置調整する位置調整部とを含み、
    前記中央電極および前記複数の電極は、絶縁体を介して互いに固定される一体化構造で
    ある、モノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  4. 前記荷電粒子源、前記抑制電極、前記引出電極、および前記第１転送レンズ部は、前記モノクロメーターと分離された超高真空空間を備え、前記分離された超高真空空間は、別の真空ポンプを介して超高真空を維持する、請求項３に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  5. 前記第２転送レンズと前記荷電粒子線出射電極との間に、前記第２転送レンズ部から前記荷電粒子線の進行方向に離隔して、前記第２転送レンズ部に対向する対向電極をさらに備える、請求項３に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  6. 前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、
    前記エネルギー選択絞りは、前記中央電極に固定され、
    前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極は、それぞれ２つであり、
    前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極は、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、
    前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント電極がさらに配列され、
    前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、２番目の電極電圧は通過電圧であり、
    前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は通過電圧であり、２番目の電極電圧は前記引出電圧である、請求項３に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  7. 前記中央電極の前方部および後方部にそれぞれ配置される複数の電極は、それぞれ２つの電極で、前記中央電極を基準として対称構造をなし一体型に互いに固定され、
    前記エネルギー選択絞りは、前記中央電極に固定され、
    前記第１転送レンズおよび第２転送レンズに含まれる電極は、それぞれ３つであり、
    前記第１転送レンズの後方部電極と前記第２転送レンズの前方部電極は、それぞれ前記入射絞りと前記モノクロメーターを内部に含む、転送レンズ支持部の上面および下面を構成し、
    前記転送レンズ支持部の上面と前記入射絞りとの間、および前記モノクロメーターの後方部の後段電極と前記転送レンズ支持部の下面との間には、荷電粒子線の位置を補正するアライメント電極がさらに配列され、
    前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は前記引出電圧であり、
    前記第１転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記荷電粒子線を平行に維持する電圧であり、３番目の電極電圧は抽出電圧より低い通過電圧であり、
    前記第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の１番目の電極電圧は通過電圧であり、前記
    第２転送レンズの荷電粒子線進行方向の２番目の電極電圧は前記第１転送レンズの２番目の電極電圧と同一の電圧であり、３番目の電極電圧は通過電圧より高い引出電圧である、請求項３に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  8. 前記対向電極と前記荷電粒子線出射電極との間には、荷電粒子線加速管をさらに備える、請求項５に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  9. 前記中央電極、前記中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配列された電極および前記後方部の後面に配列された電極に通過電圧（Ｖｐ）を印加し、
    前記中央電極基準で対称である前記前方部の後面に配列された電極に第１円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ１）を、前記後方部の前面に配列された電極に第２円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ２）をそれぞれ印加する、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  10. 前記第１円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ１）と前記第２円筒形レンズ電圧（ＶＣＬ２）は、同一の大きさである、請求項９に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  11. 前記位置調整部で位置調整され、一体型に互いに固定された電極は、前記第２転送レンズ部の中心軸に対して位置調整される、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  12. 前記第２転送レンズ部の下部電極と前記対向電極は、同一の電位が印加される、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  13. 前記第１転送レンズ部の下部電極と中央電極基準で対称である前記前方部の前面に配置
    された電極は、同一の電位が印加される、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロ
    メーターを備えた荷電粒子線装置。
  14. 前記第２転送レンズ部の上部電極と前記後方部の後面に配列された電極は、同一の電位が印加される、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  15. 前記荷電粒子線出射電極は、前記出射電極を通過した荷電粒子線の進む光学系のコンデンサレンズの一部である、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  16. 前記荷電粒子線出射電極は、前記出射電極を通過した荷電粒子線の加速される加速管の一部である、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  17. 前記転送レンズ支持部は、真空排気管で真空が維持される空間内部に位置し、前記第１転送レンズ部の下部電極および前記第２転送レンズ部の上部電極と同一の電位である、請求項６または７に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  18. 前記位置調整部は、前記転送レンズ支持部を通じて設けられる、請求項１７に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  19. 前記位置調整部は、前記中央電極に連結されて作用する、請求項１８に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  20. 前記荷電粒子線の荷電粒子は電子であり、
    前記荷電粒子線出射電極は陽極(Anode)である、請求項３〜７のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  21. 電子である前記荷電粒子源、前記抑制電極、および前記引出電極は、絶縁物を介して接地電位の電子銃フランジ(Flange)に連結され、
    前記接地部は、真空内部で水平および垂直方向の調整が可能となるようにベローズで連結されて、モノクロメーターと独立して電子源を入れ替え可能にする、請求項２０に記載のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  22. 前記荷電粒子線の荷電粒子はイオンであり、
    前記荷電粒子線出射電極は陰極(Cathode)である、請求項３〜７のいずれか１項に記載
    のモノクロメーターを備えた荷電粒子線装置。
  23. 前記荷電粒子線装置は、
    試料室に位置した試料の表面の映像を観察する走査電子顕微鏡である、請求項２１に記載の荷電粒子線装置。
  24. 前記荷電粒子線装置は、
    試料室に位置した試料を透過した電子線の映像を獲得する透過電子顕微鏡である、請求項２１に記載の荷電粒子線装置。
  25. 前記荷電粒子線装置は、
    試料室に位置した試料の表面をエッチングする電子ビームエッチング装置である、請求項２１に記載の荷電粒子線装置。
  26. 前記荷電粒子線装置は、
    試料室に位置した試料の表面を加工する集束イオンビーム装置である、請求項２２に記載の荷電粒子線装置。
  27. 請求項１または２に記載のモノクロメーターを用いた、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）。
  28. 請求項１または２に記載のモノクロメーターを透過する電子線を試料室に位置した試料に照射し、
    前記照射結果発生した電子線のエネルギーを、請求項１または２に記載のモノクロメーターを用いて分光する、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）。
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