JP6999277B2 - 熱電界エミッタチップ、熱電界エミッタチップを含む電子ビーム装置、および電子ビーム装置を動作させる方法 - Google Patents

Description

本開示の実施形態は、電子ビーム装置用の電子エミッタ源、電子ビーム装置、電子ビーム装置用の電子エミッタを作製する方法、および電子ビーム装置用の電子エミッタを動作させる方法に関する。本開示の実施形態は、具体的には、たとえば検査システムの適用例、試験システムの適用例、リソグラフィシステムの適用例、欠陥レビューまたは限界寸法の適用例などのための熱電界電子エミッタおよび電子ビーム装置に関する。

荷電粒子ビーム装置は、たとえば、電子ビーム検査（ＥＢＩ）、欠陥レビュー、および限界寸法測定で使用することができる。１次荷電粒子ビームを試験片またはサンプルに照射すると、２次電子（ＳＥ）または後方散乱荷電粒子などの信号荷電粒子が生じる。これらの信号荷電粒子は、サンプルのトポグラフィ、サンプルの化学成分、サンプルの静電位に関する情報、およびサンプルに関する他の情報を担持していることがある。信号荷電粒子は、センサ、たとえばシンチレータ、ピンダイオードなどへ収集および案内される。
荷電粒子ビーム装置内で１次荷電粒子ビームを提供する電子エミッタなどの荷電粒子源の性能は、特に重要である。一例として、高い放出安定性を有する高輝度の荷電粒子源および／または高放出の電流源が有益である。荷電粒子源は、真空状態で動作し、荷電粒子源の性能は、真空の品質に関係する可能性がある。
電子顕微鏡のための電子源として、熱電界エミッタ（ＴＦＥ）が、特に輝度が比較的高く、エネルギー幅が比較的小さく、真空標準が適度であり、短期間の放出安定性が良好であり、ビーム電流ノイズが低いために確立されている。しかし、市販のＴＦＥは、チップの全体的な成長のせいで角度強度が長期間にわたって連続して減少し、それによりチップ先端で電界強度の低減を招き、したがって放出電流の低減および角度強度（輝度）の自然発生的な変化が生じるなど、望ましくない安定性の問題を呈することが多い。チップの全体的な成長、電界強度の低減、および放出電流の低減は、いわゆるリング崩壊として知られており、これは通常、エミッタのチップで原子層内の原子が転移し、電子が解放されるせいで生じる。

上記に鑑みて、目的は、当技術分野の問題の少なくともいくつかを克服する荷電粒子ビームに対するエミッタ、荷電粒子ビーム装置、および荷電粒子ビーム装置に対するエミッタを作製して動作させる方法を提供することである。

上記に照らして、独立請求項による電子ビーム装置、熱電界エミッタ、電子ビーム装置を動作させる方法、および熱電界エミッタを作製する方法が提供される。さらなる態様、利点、および特徴は、従属請求項、説明、および添付の図面から明らかになる。
一実施形態によれば、電子ビームでサンプルを検査する電子ビーム装置が提供される。電子ビーム装置は、電子ビームを放出する熱電界エミッタを含む電子ビーム源を含む。熱電界エミッタは、エミッタチップを含み、エミッタチップは、電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを有し、第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、エッジファセットは、エッジファセット幅を有する。エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％である。電子ビーム源は、熱電界エミッタと抽出装置との間に抽出電圧を印加する抽出装置と、熱電界エミッタを加熱する加熱装置とをさらに含む。電子ビーム装置は、サンプル上へ電子ビームを誘導して集束させる電子ビーム光学系と、電子ビームがサンプルに衝突または到達する際に生成される２次荷電粒子を検出する検出装置とをさらに含む。

別の実施形態によれば、電子ビーム装置内で電子ビームを放出する熱電界エミッタが提供される。熱電界エミッタは、エミッタチップを含み、エミッタチップは、電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを有し、第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、エッジファセットは、エッジファセット幅を有する。エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％である。
さらなる実施形態によれば、電子ビーム源のための熱電界エミッタ用のエミッタチップを作製する方法が提供される。この方法は、エミッタチップ表面を有するエミッタチップを提供するステップと、エミッタチップを加熱することおよびエミッタチップに電界を印加することによってエミッタチップを処理するステップとを含み、電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセット、第１の側部ファセット、第２の側部ファセット、およびエッジファセット幅を有する第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間のエッジファセットが、特にこの処理するステップによって形成される。エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％になるように形成される。

さらなる実施形態によれば、電子ビーム装置を動作させる方法が提供される。この方法は、熱電界エミッタおよび抽出装置を含む電子ビーム源を提供するステップを含み、熱電界エミッタは、エミッタチップを含む。エミッタチップは、電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを有し、第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、エッジファセットは、エッジファセット幅を有する。エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％である。この方法は、熱電界エミッタを加熱装置で加熱するステップと、電子ビーム源の熱電界エミッタと抽出装置との間に抽出電圧を印加するステップと、放出ファセットから電子を放出するステップとをさらに含む。

実施形態はまた、開示する方法を実施する装置を対象とし、それぞれの記載する方法特徴を実行する装置部品を含む。方法特徴は、ハードウェア部品、適当なソフトウェアによってプログラムされたコンピュータ、これら２つの任意の組合せ、または任意の他の方法によって実行することができる。さらに、実施形態はまた、記載する装置が動作する方法を対象とする。実施形態は、装置のすべての機能を実施する方法特徴を含む。
上記の特徴を詳細に理解することができるように、実施形態を参照することによって、上記で簡単に要約した説明のより具体的な説明を得ることができる。添付の図面は、実施形態に関し、以下に説明する。

本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタチップの概略斜視図である。 本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタチップの概略底面図である。 本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタチップの概略斜視図である。 本明細書に記載する実施形態による電子ビーム装置の概略図である。 本明細書に記載する実施形態による電子ビーム装置を動作させる方法の流れ図である。 本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタ用のエミッタチップを作製する方法の流れ図である。

様々な実施形態を次に詳細に参照する。様々な実施形態の１つまたは複数の例を図に示す。以下の図面の説明では、同じ参照番号は同じ構成要素を指す。個々の実施形態に関する違いを説明する。各例は、説明のために提供するものであり、限定を意味するものではない。さらに、一実施形態の一部として図示または記載する特徴を他の実施形態で使用し、または他の実施形態と組み合わせて使用して、さらなる実施形態を得ることができる。本説明は、そのような修正形態および変形形態を含むことが意図される。

図１は、本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタ用のエミッタチップ１００を示す。エミッタチップ１００は、第１の部分１０１および第２の部分１０２を有する。いくつかの実施形態によれば、第１の部分１０１は、実質上立方体状の形状、実質上６角形の横断面を有する多面体状の形状、実質上８角形の横断面を有する多面体状の形状、角を丸めた立方体の形状、球などの多面体状の形状を有し、放出ファセット１１０～１１４などによって遮断されている。第２の部分１０２は、エミッタ軸とすることができ、かつ／またはたとえば、図１に示す多角形の円筒、角筒、角錐、棒、円筒の形状、もしくは本明細書の実施形態に記載する電子ビーム装置用のエミッタチップの軸を形成する任意の適した形状など、長尺状の形状を提供することができる。
本明細書に記載するいくつかの実施形態によれば、第１の部分１０１および第２の部分１０２は、同じ１つまたは複数の材料から形成され、以下で詳細に説明するように、１つの結晶性材料、特にモノクリスタルの材料の部分を含むことができる。

図１に示す実施形態に見ることができるように、エミッタチップ１００、特にエミッタチップ１００の第１の部分１０１は、１つの放出ファセット１１０と、第１の側部ファセット１１１、第２の側部ファセット１１２、第３の側部ファセット１１３、および第４の側部ファセット１１４とを含む。いくつかの実施形態では、エミッタチップ１００の側部ファセット１１１～１１４は、放出ファセット１１０に隣接して配置される。いくつかの実施形態によれば、側部ファセットは、放出ファセットの周りに配置され、特に放出ファセット１１０を取り囲む。

本明細書に記載する実施形態によれば、本明細書では、「ファセット」という用語は、エミッタチップ内の凹部として説明することができる。いくつかの実施形態では、ファセットは、エミッタチップ内へ延びる特定の厚さを有することができる。ファセットの厚さは、特にエミッタチップの第１の部分の完全に丸いまたは球状の形状と比較した、凹部の深さとして画定することができる。いくつかの実施形態では、ファセットの厚さは、ファセットの面積またはサイズに対して変動することができる。いくつかの実施形態によれば、本明細書で参照するファセット（放出ファセットまたは側部ファセットなど）は、実質上丸い形状、実質上方形の形状、実質上４角形の形状、実質上８角形の形状、実質上多角形の形状、丸めた角を有する方形または多角形の形状、細長い形状などを有することができる。
放出ファセットは、放出ファセット幅を有する。側部ファセットはそれぞれ、側部ファセット幅を有する。
図２に示す実施形態では、放出ファセット幅を放出ファセット幅１４０として例示的に示す。側部ファセットはそれぞれ、側部ファセット幅１１５を有する。図２では、概要をより分かりやすくするために、１つの側部ファセットに対する側部ファセット幅を描く。いくつかの実施形態によれば、放出ファセット幅および／または側部ファセット幅は、１つの方向における放出ファセットまたは側部ファセットの１つの寸法（１つの直径など）、特に放出ファセットまたは側部ファセットの最小の寸法（最小の直径など）として理解することができる。いくつかの実施形態によれば、放出ファセット幅または側部ファセット幅は、それぞれのファセットの平面内またはそれぞれのファセットの境界が縛る平面内で測定することができる。
本明細書に記載する実施形態によるファセットはそれぞれ、ファセットサイズを区切るファセット境界を有することができる。ファセット境界は、１つのファセットが終わる線として説明することができる。図１および図２に例示的に見ることができるように、側部ファセットは、エッジファセット１２０によって互いから分離され、特に側部ファセットは、エッジファセットが始まるところで終わる。

図１および図２は、エッジファセット１２０が、側部ファセット間、特に第１の側部ファセット１１１と第２の側部ファセット１１２との間、第２の側部ファセット１１２と第３の側部ファセット１１３との間、第３の側部ファセット１１３と第４の側部ファセット１１４との間、第４の側部ファセット１１４と第１の側部ファセット１１１との間に形成されることを示す。本明細書に記載する実施形態によれば、２つの側部ファセット間のエッジファセットは、図２に例示的に見ることができるように、エッジファセット幅１４１を有する。
本明細書では、エッジファセットは、側部ファセット間のストリップまたは帯として理解することができる。いくつかの実施形態では、エッジファセットは、２つの側部ファセット間の実質上まっすぐなストリップまたは帯である。特に、２つの側部ファセット間のエッジファセットは、これらの側部ファセットの境界によって制限される。いくつかの実施形態によれば、エッジファセットは、エッジファセットの２つの側部で２つの側部ファセットによって制限され、１つの側部で放出ファセットによって制限される。

いくつかの実施形態によれば、本明細書に記載するエッジファセット幅は、特にエッジファセットに隣接する側部ファセットの側部ファセット境界が縛る平面内で、エッジファセットの最小の長さの方向におけるエッジファセットの長さなど、１つの方向におけるエッジファセットの長さとすることができる。いくつかの実施形態では、エッジファセット幅は、２つの隣接する側部ファセット間の最短距離として測定することができる。たとえば、エッジファセットは、長方形、細長い多面体、細長い丸い形状、楕円形の形状など、実質上細長い形状を提供することができる。細長い形状を有するエッジファセットの場合、エッジファセット幅は、エッジファセットの長手方向に実質上直交するエッジファセットの寸法とすることができる。図１および図２に見ることができるように、エッジファセット１２０は、エッジファセットがエッジファセットの長手方向に実質上直交する方向で、放出ファセット１１０に面する。いくつかの実施形態によれば、側部ファセットおよびエッジファセットはともに、放出ファセットを取り囲む。

本明細書では、「実質上」という用語は、「実質上」とともに示す特徴から特定のずれが存在してよいことを意味することができる。たとえば、「実質上４角形」という用語は、正確に４角形の形状から、１つの方向における全体的な長さの約１％～１０％のずれなど、特定のずれを有してよい形状を指す。一例では、「実質上直交する」という用語は、厳密に「直交する」角度から約１°～約１５°ずれてよい配置として理解することができる。

いくつかの実施形態では、放出ファセットは、エミッタチップのうち、動作中に電子の最大放出を有するファセットとすることができる。たとえば、放出ファセットは、エミッタチップのファセットの中でも、低い仕事関数、またはさらには最低の仕事関数を有するファセットとすることができる。いくつかの実施形態によれば、放出ファセットは、エミッタチップのうち、動作中に最大の電子放出を有する領域とすることができる。放出ファセットは、エミッタチップのうち、エミッタチップの主電子ビームを提供するファセットおよび領域として説明することができる。いくつかの実施形態によれば、主電子ビームは、エミッタチップが使用される電子ビーム装置の光軸に沿って進むビームとすることができる。
本明細書に記載するいくつかの実施形態では、エッジファセット幅は、放出ファセット幅または側部ファセット幅より小さくすることができる。本明細書に記載する実施形態によれば、エッジファセット幅は、放出ファセット幅の１５％～４５％、特に２０％～４０％、さらにより典型的には２５％～３５％とすることができる。いくつかの実施形態では、エッジファセット幅は、放出ファセット幅の約３０％とすることができる。
いくつかの実施形態によれば、放出ファセット幅は、典型的には約１００ｎｍ～約１０００ｎｍ、より典型的には約２００ｎｍ～約５００ｎｍ、さらにより典型的には約２５０ｎｍ～３５０ｎｍとすることができる。

図３は、本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタ用のエミッタチップ１００を示す。図３は、側部ファセット１１１～１１４が放出ファセット１１０に対して傾斜しているエミッタチップ１００の一実施形態を示す。たとえば、側部ファセットは、放出ファセットの平面とは異なる平面内に配置される。いくつかの実施形態によれば、ファセットの平面は、それぞれのファセットの境界を含む平面である。いくつかの実施形態では、側部ファセットは、放出ファセットに対して角度をなすことができ、この角度は、典型的には約２５°～約５０°、より典型的には約３０°～約４５°、さらにより典型的には約３５°～約４５°とすることができる。いくつかの実施形態では、エミッタチップは、タングステンを含み、側部ファセットは、特に放出ファセットに対して４５°の角度に対応する１１０結晶面内に延びる。いくつかの実施形態では、エミッタチップは、タングステンを含み、エッジファセットは、特に放出ファセットに対して３５°の角度に対応する２１１結晶面内に延びる。

本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、エミッタチップは、結晶性の放出チップ、特に単結晶のエミッタチップまたはモノクリスタルのエミッタチップとすることができる。いくつかの実施形態では、放出ファセットは、１００結晶方位（ミラー指数によるエミッタチップの結晶面内の放出ファセットの配向に対応する）を有することができる。いくつかの実施形態によれば、放出ファセットは、エミッタチップが使用される電子ビーム装置の光軸に実質上直交して配向されるように形成することができる。いくつかの実施形態によれば、側部ファセットは、放出ファセットの結晶方位とは異なる結晶方位を有し、かつ／またはエッジファセットは、側部ファセットおよび放出ファセットの結晶方位とは異なる結晶方位を有する。本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、少なくとも第１および第２の側部ファセットは、１１０結晶方位を有することができる。本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、エッジファセットは、２１１結晶方位を有することができる。

図３は、エミッタチップ１００のさらなる側部ファセット１３０を示し、さらなる側部ファセット１３０は、たとえばエミッタチップのシャフトまたは第２の部分１０２の方向において、側部ファセット付近に配置される。さらなる側部ファセット１３０は、側部ファセットと実質上同じサイズおよび形状を有することができる。いくつかの実施形態では、さらなる側部ファセット１３０は、側部ファセット１１１～１１４より細長い形状を有する。いくつかの実施形態によれば、エミッタチップの側部ファセットは、放出ファセットに隣接して配置される。さらなる側部ファセット１３０は、側部ファセットに隣接して配置することができる。

知られているエミッタシステムは、電子ビーム装置の高分解能の適用例に対して安定性を提供しないことが多い。たとえば、低放出電流でエミッタが動作するとき、リング崩壊が生じる。これは、低エネルギー幅ももたらす動作モードである。しかし、低放出電流は、高分解能の適用例にとって有用である。実験および長期間の経験により、知られているエミッタシステムは、設置後のエミッタチップの性能が不安定になる（安定した性能を得るために安定化期間が使用される）という挙動を示し、次の補正処置を使用し得ることが示されている。安定化期間とは、電子ビーム装置が使用されず、システムがダウンすることを意味し、これはコストを増大させ、顧客には許容されないことが多い。長期的には、知られているエミッタシステムは、放出電流の減少を示す。一定のビーム電流（ウエハのプローブ電流）が電子ビーム装置にとって有益であるため、抽出電圧を増大させることによって補償処置が使用される。抽出電圧の増大は、エミッタチップの総放出電流の増大を伴う（ただし、ビームを形成する実際のプローブの小さい立体角内へ放出される電流は一定に維持される）。抽出電圧の増大は、電子エミッタチャンバ内でアークが発生するリスクを高める。エミッタチップによって放出される電力の増大はまた、エミッタシステムの温度を高めることがあり、これは真空劣化をもたらし、最終的にはエミッタシステムの放出特性に悪影響を与える。放出の低下、抽出電圧の増大、および真空の劣化という周期が始まり、カソードから抜き出すことができるビーム電流を許容できないほど低いレベルに制限し、または電源がそれぞれの電圧もしくは電流を提供することができなくなる状況をもたらす。どちらの場合も、エミッタチップを交換することができるが、この器具は数日間使用できなくなり、それにより（この場合も）所有費が増大する。

本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタおよび電子ビーム装置は、前述の問題の少なくともいくつかを解決する。特に、本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタおよび電子ビーム装置は、エミッタチップ（たとえば、結晶性のエミッタチップ）が任意の突起の成長を開始し、放出が不安定および予測不能になる前に、熱電界エミッタチップに印加することができる最大電界強度付近でも、高輝度で安定した動作を提供することを可能にする。本明細書に記載する実施形態による１００方位（または電子ビーム装置の光軸に実質上直交する配向）を有する放出ファセットを有するエミッタチップは、高輝度で安定した動作の可能性を実現するのに役立つ。

本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタは、ほぼ瞬時に開始および安定することを可能にする（電球と同様）。本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタは、抽出電圧および全体的な抽出電流の顕著な増大なく一定のビーム電流で、はるかに長い時間にわたって動作することができる。

本明細書に記載する実施形態によるエミッタチップは、知られているエミッタチップと比較するといくつかの有益な効果を示す。たとえば、完全に丸いエミッタチップは、長期間にわたって安定した放出を提供しない。一方、鋭いエッジを有する多角形のエミッタチップもまた、鋭いエッジ（電界増強のため）が軸上ビーム電流に寄与しないたくさんの電流を放出するため、不安定性をもたらす。過剰な電流は、ガス放出および真空劣化ならびに電源限定という問題を引き起こす。前述の問題は、本明細書に記載する実施形態によるエミッタチップによって克服される。

いくつかの実施形態では、エミッタチップは、第１の材料（たとえば、タングステン）を含むことができ、電子を放出するために第２の材料（ＺｒＯ、ＢａＯ、またはＰｒＯなど）を含む被覆またはリザーバを有することができる。いくつかの実施形態によれば、第１の材料および／または第２の材料は、結晶性材料、特にモノクリスタルまたは単結晶の材料とすることができる。いくつかの実施形態によれば、熱電界エミッタにおいて特定の安定性で動作温度に耐えることが可能な任意の材料を、エミッタチップのための材料として使用することができる。たとえば、高融点金属を使用することができる。いくつかの例では、エミッタチップは、Ｗ、Ｃｓ／Ｗ、Ｂａ／Ｗ、ＢａＯ／Ｗ、Ｔｈ／Ｗ、Ｃｅ／Ｗ、Ｌａ／Ｗ、Ｙ／Ｗ、およびＺｒ／Ｗからなる群の少なくとも１つの材料を含むことができる。
他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、熱電界エミッタは、１３００Ｋを超える動作温度範囲など、１０００Ｋを超える動作温度範囲、さらにより典型的には１５００Ｋを超える動作温度範囲を有することができる。いくつかの実施形態では、熱電界エミッタは、約１７００Ｋ～約２１００Ｋの動作温度を有することができる。

図４は、本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタおよびエミッタチップ１００を有する電子ビーム源３００を有する電子ビーム装置１０００の一例の概略図を示す。本明細書に記載する実施形態による電子ビーム装置１０００は、たとえば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）または走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などの電子顕微鏡とすることができる。特に、電子顕微鏡は、たとえば、限界寸法（ＣＤ）、欠陥レビュー（ＤＲ）、または検査（ＥＢＩ、すなわち電子ビーム検査）のための電子顕微鏡とすることができる。
電子ビーム装置では、電子ビーム装置の総性能に対する電子ビーム源の性能（たとえば、ガン性能）を考慮することができる。たとえば、電子ビーム源に対して、電子ビーム源の周りで、たとえばハウジング１１００内で、たとえば１０^-7～１０^-9Ｐａの範囲内、またはさらには１０^-10Ｐａ未満の高い真空（低圧）を提供することができる。また、電子エミッタにとって有害になり得る少なくともいくつかの残留ガスの分圧を低くすることも有益である。たとえば、酸素は、エミッタ材料の仕事関数および電子放出に対して悪影響を与える可能性がある。適した真空状態を実現するために、真空ポンピング装置を提供することができ、真空ポンピング装置は、ターボ分子ポンプ、非蒸発性ゲッタポンプなどのイオンゲッタポンプ、クライオポンプ、および前述の装置の任意の組合せからなる群から選択することができる。

本明細書に記載するいくつかの実施形態によれば、電子ビーム装置１０００は、ハウジング１１００内に位置する電子ビーム源３００と、ハウジング１１００に接続されたサンプルチャンバ１１１０とを含むことができる。いくつかの実装形態では、サンプルチャンバ１１１０に別個のサンプルチャンバ真空生成装置を接続することができる。代替実施形態では、すべての要素を１つのハウジングまたはチャンバ内に配置することができる。
サンプルチャンバ１１１０内にサンプル１０を提供することができる。サンプル１０は、サンプル支持体（図示せず）上に提供することができる。サンプル支持体は、サンプル１０を位置決めするための可動の台とすることができる。たとえば、可動の台は、サンプル１０を１つの方向（たとえば、Ｘ方向）、２つの方向（たとえば、ＸおよびＹ方向）、または３つの方向に動かすように構成することができる。

本明細書に参照するサンプルは、それだけに限定されるものではないが、半導体ウエハ、半導体加工物、リソグラフィマスクなどのマスク、多層マスク、およびメモリディスクなどの他の加工物などを含む。本開示の実施形態は、材料を堆積させる任意の加工物または構造化される任意の加工物に適用することができる。サンプルは、構造化される表面または層が堆積される表面、たとえばエッジ、斜面などを含むことができる。

電子ビーム源３００は、１次電子ビームとも呼ばれる電子ビームを生成する。本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、電子ビーム源３００は、たとえば図１～３に関して上述した実施形態によるエミッタチップ１００を有する熱電界エミッタを含む。特に、電子ビーム源３００は、１００結晶面内に配置された放出ファセットを有するエミッタチップを有することができる。いくつかの実施形態では、エミッタチップの放出ファセットは、電子ビーム装置の光軸１に実質上直交することができる。本明細書に記載するいくつかの実施形態によれば、電子ビーム源３００は、熱電界エミッタを加熱するための加熱装置３０１を含むことができる。加熱装置は、特に熱電界エミッタのエミッタチップを加熱するように構成することができる。いくつかの実施形態では、加熱装置３０１は、熱電界エミッタを最高２１００Ｋの温度などの動作温度に加熱するように構成される。いくつかの実施形態では、加熱装置は、電流加熱装置、加熱フィラメントなどによって提供することができる。たとえば、加熱装置は、加熱フィラメントを流れる加熱電流を提供することができる。いくつかの実施形態では、加熱装置は、エミッタチップの温度を調整するように調整可能である。

（１次）電子ビームは、電子ビーム装置１０００内で光軸１に沿って案内され、対物レンズ１３００によってサンプル１０上で集束される。対物レンズ１３００を、サンプルチャンバ１１１０内に例示的に示す。いくつかの実施形態によれば、対物レンズ１３００は、たとえば、サンプル１０上に電子ビーム源のエミッタチップ１００の像を作る。いくつかの実装形態では、対物レンズ１３００は、磁気レンズ部分および静電レンズ部分によって提供することができる。本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、たとえば、サンプル１０の近傍、対物レンズ１３００内もしくはその後ろ、またはこれらの組合せで、１次電子ビームの減速を提供することができる。たとえば、いくつかの実施形態によれば、減速バイアス電圧をサンプル１０に印加することができる。対物レンズ１３００は、たとえば軸方向の間隙もしくは半径方向の間隙を有する静電－磁気複合対物レンズとすることができ、または対物レンズ１３００は、静電減速電界型レンズとすることができる。

本明細書に記載する実施形態によれば、集光レンズ１８０を提供することができる。集光レンズ１８０は、磁気レンズとすることができ、磁極片および１つまたは複数のコイルを有することができる。別法として、集光レンズ１８０は、静電レンズまたは磁気－静電複合レンズとすることができる。いくつかの実施形態によれば、集光レンズは、液浸集光レンズとすることができる。

いくつかの実施形態では、電子ビーム源３００は、抽出装置１７０およびアノード１７５の少なくとも１つを含むことができる。抽出装置１７０は、電子放出を引き起こすためにエミッタチップ１００に対する電圧差を提供するように構成することができる。アノード１７５は、１次電子ビームを加速させるように構成することができる。一例として、アノード１７５は、１次荷電粒子ビームが電子ビーム装置の光軸１に沿って進むときに１次荷電粒子ビームが所定のエネルギーを有するように１次荷電粒子ビームを加速させるように構成することができる。いくつかの実装形態では、抽出装置１７０および／またはアノード１７５を離れる１次電子ビームのエネルギーは、５ｋｅＶまたはそれ以上の範囲内、具体的には１０ｋｅＶ～５０ｋｅＶの範囲内、より具体的には約１５または４０ｋｅＶとすることができる。いくつかの実施形態によれば、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）および走査型透過顕微鏡（ＳＴＥＭ）では、ビームエネルギーは、１００ｋｅＶをさらに超過することができる。

いくつかの実施形態では、電子ビームを偏向させて案内するためのビーム偏向装置１９０が提供される。いくつかの実施形態によれば、１次ビームがサンプル１０に到達または衝突するとき、サンプルから信号荷電粒子ビームが解放または後方散乱される。信号（または２次）荷電粒子ビームは、本明細書に記載するいくつかの実施形態によるビーム偏向装置１９０によって１次荷電粒子ビームから分離することができる。ビーム偏向装置１９０は、ビームスプリッタおよびビームベンダ、スプレー開孔もしくはナイフエッジ開孔１９５などの１つもしくは複数の開孔、またはこれらの任意の組合せの少なくとも１つを含むことができる。信号荷電粒子ビームは、シンチレータ、ピンダイオードなどのセンサを含むことができる検出アセンブリまたは検出装置２００の方へ案内することができる。
電子ビーム装置の実施形態では、これらの図には図示されていないアライメントシステム、補正システム、さらなる検出システムなどのような１つまたは複数の他の光学部品を提供することもできる。
集光レンズ、開孔、偏向器、および他の光学部品のような電子ビーム装置に関して説明する素子は、電子ビーム装置をサンプルへ誘導して集束させる荷電粒子ビーム光学系または電子ビーム光学系と呼ぶことができる。

図５は、本明細書に記載する実施形態による電子ビーム装置を動作させる方法の流れ図７００を示す。ブロック７１０で、この方法は、電子ビーム源および抽出装置を提供するステップを含むことができる。たとえば、抽出装置は、電源に接続された電極とすることができる。いくつかの実施形態によれば、電子ビーム源は、たとえば図４に関して上述した電子ビーム源とすることができ、抽出器、加熱装置、および熱電界エミッタを有する。電子ビーム源は、エミッタチップを有する熱電界エミッタを含む。エミッタチップは、電子放出のために構成された放出ファセットを提供し、放出ファセットは、放出ファセット幅を有する。提供されるエミッタチップは、第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットをさらに含む。第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、エッジファセットは、エッジファセット幅を有する。本明細書に記載する実施形態によれば、エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％であり、特に放出ファセット幅の２５％～３５％である。いくつかの実施形態によれば、ブロック７１０で電子ビーム装置を動作させるために使用されるエミッタチップは、図１～３に図示および記載するエミッタチップとすることができる。

電子ビーム装置を動作させる方法は、ブロック７２０で、熱電界エミッタを加熱装置で加熱するステップをさらに含む。いくつかの実施形態によれば、加熱するステップは、熱電界エミッタの動作温度まで、たとえば１０００Ｋを超える温度まで、典型的には約１５００Ｋ～２１００Ｋの温度、より典型的には約１６００Ｋ～約２０００Ｋ、さらにより典型的には約１７００Ｋ～約１９００Ｋ温度まで実行することができる。
いくつかの実施形態によれば、加熱するステップは、電流加熱装置、加熱フィラメントなどの調整可能な加熱装置によって実行することができる。たとえば、エミッタチップの温度は、加熱装置を流れる電流を調整することによって調整することができる。エミッタチップの温度はまた、支持構造に対する熱電界エミッタの熱的結合、供給ケーブル、および周囲との放射熱交換のようなさらなるパラメータの影響を受けることがある。

ブロック７３０で、電子ビーム源の熱電界エミッタと抽出装置との間に抽出電圧が印加される。たとえば、抽出装置の電極（図４に示す抽出装置１７０の電極など）に、数ｋＶの電圧を印加することができる。たとえば、抽出装置の電極に印加される電圧は、典型的には約２ｋＶ～約３０ｋＶ、より典型的には約５ｋＶ～２０ｋＶ、約１０ｋＶなどとすることができる。いくつかの実施形態では、光軸に沿って抽出装置の後に、図４にアノード１７５によって提供される加速電極などの加速電極を提供することができる。加速電極は、電源に接続することができ、抽出装置に第２の電位へのバイアスをかけるように構成することができる。アノード１７５によって提供される加速電極と抽出装置１７０との間の電圧差は、１００ｋＶより大きくすることができる。一例として、電圧差は、０～４０ｋＶの範囲内、具体的には０～１０ｋＶの範囲内、より具体的には５～３０ｋＶの範囲内とすることができる。いくつかのＳＥＭの適用例では、電圧差は、５～３０ｋＶの範囲内とすることができる。ＴＥＭでは、電圧は、１００ｋＶより大きくすることができる。

いくつかの実施形態によれば、印加された抽出電圧から生じる抽出電界は、チップ形状、特にチップの半径およびファセットの形状、チップ、特に抽出開孔で抽出電界を提供する電極の形状寸法（エミッタチップからの距離、開孔径）、抑制電極、ならびに抽出電極に印加される電圧などのいくつかのパラメータによる影響を受ける。
ブロック７４０で、エミッタチップの放出ファセットから電子が放出される。いくつかの実施形態によれば、電子は、１００結晶方位を有する放出ファセットおよび／またはエミッタチップが使用される電子ビーム装置の光軸に実質上直交して配置された放出ファセットから放出される。いくつかの実施形態では、放出ファセットは、エミッタのうち、エミッタチップの残り部分より多量の電子を放出するファセットおよび領域とすることができる。
本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態では、電子ビーム装置を動作させる方法は、検査すべきサンプルへ（１次）電子ビームを偏向させ、集束させ、案内するステップをさらに含むことができる。たとえば、図４は、集光レンズ、対物レンズ、偏向装置、開孔など、サンプル位置上に電子ビームを誘導して集束させるために使用することができる素子および装置の一例を示す。また、電子ビーム装置を動作させる方法は、１次電子ビームが衝突する際にサンプルから解放または後方散乱される２次荷電粒子を検出するステップを含むことができる。この方法では、検出の目的で、検出装置を提供することができる。

図６は、電子ビーム源のための熱電界エミッタ用のエミッタチップを作製する方法の流れ図８００を示す。ブロック８１０で、この方法は、エミッタチップ表面を有するエミッタチップを提供するステップを含む。特に、エミッタチップは、モノクリスタルの材料を含むことができる。一例では、提供されるエミッタチップは、特に実質上丸い第１の部分（たとえば、実質上球の形状、楕円形の形状、細長い球の形状などを有することによる）と、第２の部分（たとえば、図１に関して説明したように、エミッタチップの軸）とを有することができる。

いくつかの実施形態によれば、ブロック８２０で、エミッタチップは、エミッタチップを加熱することおよびエミッタチップに電界を印加することの少なくとも１つによって処理される。たとえば、エミッタチップは、典型的には約１５００Ｋ～約２１００Ｋ、より典型的には約１６００Ｋ～約２０００Ｋ、さらにより典型的には約１７００Ｋ～約１９００Ｋの温度など、約２０００Ｋの範囲内の高い温度まで加熱することができる。いくつかの実施形態では、電界の印加は、数ＭＶ／ｍｍの範囲内の電界で実行することができる。たとえば、電界は、典型的には約０．１ＭＶ／ｍｍ～約３ＭＶ／ｍｍ、より典型的には約０．５ＭＶ／ｍｍ～約２ＭＶ／ｍｍ、さらにより典型的には約１ＭＶ／ｍｍ～約１．５ＭＶ／ｍｍとすることができる。いくつかの実施形態によれば、電界に対して選択される値と温度に対して選択される値との関係を考慮することができる。いくつかの実施形態によれば、典型的には約２００Ｖ～約５００Ｖ、より典型的には約２５０Ｖ～約４００Ｖ、さらにより典型的には２５０Ｖ～約３５０Ｖの抑制電圧を印加することができる。一例では、抑制電圧は、約３００Ｖとすることができる。

エミッタチップは、本明細書に記載する実施形態によるエミッタチップの特有の形状、特に電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを含むエミッタチップの形状を与えるように処理され、第１の側部ファセットと第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、エッジファセットは、エッジファセット幅を有する。特に、エッジファセット幅は、放出ファセット幅の２０％～４０％、特に２５％～３５％である。特に、本明細書に記載する実施形態による流れ図８００の方法によって得られるエミッタチップの形状は、図１～３に関して詳細に説明した形状とすることができる。

本明細書に記載する他の実施形態と組み合わせることができるいくつかの実施形態によれば、熱電界エミッタは、エミッタチップに印加される電界とエミッタチップに加えられる温度との間の平衡状態を考慮することによって提供することができる。たとえば、温度が比較的高く、電界が比較的低い場合、エミッタチップは、球面の形状に向かう傾向があり、丸いファセットが小さくなり、またはさらには消滅する。別の例では、温度が比較的低く、電界強度が比較的高い場合、エミッタチップは、大きい正方形のファセットと、結晶面間の鋭いエッジとを有する角錐台に近くなる傾向がある。
いくつかの実施形態によれば、温度と電界の均衡は、結果として得られるエミッタチップの形状が、実質上、上記の実施形態に記載したエミッタチップの形状になり、特に長期間の放出が安定するように選択される。たとえば、本明細書に記載する実施形態によるエミッタチップを形成するために、温度の低下（特に、１８５０Ｋから約１７５０Ｋなど、約５０Ｋ～約１５０Ｋの温度の低下）またはビーム電流設定の増大（たとえば、１．０～１．５倍などの倍数による抽出電圧の増大）を使用することができる。

いくつかの実施形態では、本明細書に記載する実施形態によるエミッタチップを作製する方法は、エミッタチップをゆっくりと勾配加熱すること、たとえばエミッタチップを約１７００Ｋ～約２０００Ｋの温度まで３～１０分で加熱することを含むことができる。いくつかの実施形態によれば、電界の印加はまた、勾配関数によって、すなわち動作電界強度の８０％の電界強度などまで電界をゆっくりと増大させることによって実行することができる。エミッタチップの安定化は、数日間観察することができ、抽出電圧は、閾値ビーム電流を得るように適合することができる（たとえば、毎日）。この方法はまた、観察、エミッタチップ温度の適合、および抽出電圧の適合の何らかの反復を含むことができる。

本明細書に記載する実施形態によれば、エミッタチップおよび電子ビーム装置は、高い安定性、たとえば放出電流が典型的には１日当たり０．５μＡ未満、より典型的には１日当たり０．２μＡ未満しか変化しない安定性で動作することを可能にする。本明細書に記載する実施形態による熱電界エミッタおよび電子ビーム装置は、知られているシステムより安定した放出特性をもたらし、抽出電圧、抽出電流、およびビーム電流の顕著な変化なく何か月も動作することができる。

上記は、いくつかの実施形態を対象とするが、基本的な範囲から逸脱することなく、他のさらなる実施形態を考案することもでき、その範囲は、次の特許請求の範囲によって決定される。

１ 光軸
１０ サンプル
１００ エミッタチップ
１０１ 第１の部分
１０２ 第２の部分
１１０ 放出ファセット
１１１ 第１の側部ファセット
１１２ 第２の側部ファセット
１１３ 第３の側部ファセット
１１４ 第４の側部ファセット
１１５ 側部ファセット幅
１２０ エッジファセット
１３０ さらなる側部ファセット
１４０ 放出ファセット幅
１４１ エッジファセット幅
１７０ 抽出装置
１７５ アノード
１８０ 集光レンズ
１９０ ビーム偏向装置
１９５ 開孔
２００ 検出装置
３００ 電子ビーム源
３０１ 加熱装置
１０００ 電子ビーム装置
１１００ ハウジング
１１１０ サンプルチャンバ
１３００ 対物レンズ

Claims (14)

1. 電子ビームでサンプルを検査する電子ビーム装置であって、
   光軸を含み、
   電子ビームを放出する熱電界エミッタを備える電子ビーム源を備え、前記熱電界エミッタが、
   エミッタチップを備え、前記エミッタチップが、
   電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、
   第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを備え、前記第１の側部ファセットと前記第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、前記エッジファセットが、エッジファセット幅を有し、
   前記エッジファセット幅が、前記放出ファセット幅の２５％～３５％であり、
   前記電子ビーム源が、
   前記熱電界エミッタと抽出装置との間に抽出電圧を印加する抽出装置と、
   前記熱電界エミッタを加熱する加熱装置とをさらに備え、
   前記電子ビーム装置が、
   前記サンプル上へ前記電子ビームを誘導して集束させる電子ビーム光学系と、
   前記電子ビームが前記サンプルに衝突または到達する際に生成される２次荷電粒子を検出する検出装置とをさらに備え、
   前記放出ファセット幅は、前記放出ファセットの境界まで広がる平面内で前記放出ファセットの最小の寸法であり、
   前記エッジファセット幅は、前記エッジファセットに隣接した前記側部ファセットの側部ファセット境界まで広がる平面内で前記エッジファセットの最小の伸長部である、電子ビーム装置。
2. 前記エミッタチップが、結晶性のエミッタチップであり、前記放出ファセットが、１００方位を有し、または前記放出ファセットが、前記電子ビーム装置の前記光軸に直交して配置される、請求項１に記載の電子ビーム装置。
3. 電子ビーム装置内で電子ビームを放出する熱電界エミッタであって、
   エミッタチップを備え、前記エミッタチップが、
   電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、
   第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを備え、前記第１の側部ファセットと前記第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、前記エッジファセットが、エッジファセット幅を有し、
   前記エッジファセット幅が、前記放出ファセット幅の２５％～３５％であり、
   前記放出ファセット幅は、前記放出ファセットの境界まで広がる平面内で前記放出ファセットの最小の寸法であり、
   前記エッジファセット幅は、前記エッジファセットに隣接した前記側部ファセットの側部ファセット境界まで広がる平面内で前記エッジファセットの最小の伸長部である、熱電界エミッタ。
4. 前記第１の側部ファセットおよび前記第２の側部ファセットが、前記放出ファセットの周りに配置される、請求項１または３に記載の熱電界エミッタ。
5. 前記側部ファセットが、前記放出ファセットに対して傾斜している、請求項１または３に記載の熱電界エミッタ。
6. 前記放出ファセットが、１００結晶方位又は８角形の形状の少なくとも１つを有する、請求項３に記載の熱電界エミッタ。
7. 前記放出ファセット幅が、２００ｎｍ～５００ｎｍである、請求項３に記載の熱電界エミッタ。
8. 前記エミッタチップが、タングステンを含むエミッタチップであり、ＺｒＯで被覆される、請求項３に記載の熱電界エミッタ。
9. 前記第１の側部ファセットおよび前記第２の側部ファセットが、１１０結晶方位を有する、請求項３に記載の熱電界エミッタ。
10. 前記エッジファセットが、２１１結晶方位を有する、請求項３に記載の熱電界エミッタ。
11. 電子ビーム源のための熱電界エミッタ用のエミッタチップを作製する方法であって、
    エミッタチップ表面を備えるエミッタチップを提供するステップと、
    前記エミッタチップを加熱することおよび前記エミッタチップに電界を印加することによって前記エミッタチップを処理するステップとを含み、
    電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセット、第１の側部ファセット、第２の側部ファセット、およびエッジファセット幅を有する前記第１の側部ファセットと前記第２の側部ファセットとの間のエッジファセットが形成され、
    前記エッジファセット幅が、前記放出ファセット幅の２５％～３５％になるように形成され、
    前記放出ファセット幅は、前記放出ファセットの境界まで広がる平面内で前記放出ファセットの最小の寸法であり、
    前記エッジファセット幅は、前記エッジファセットに隣接した前記側部ファセットの側部ファセット境界まで広がる平面内で前記エッジファセットの最小の伸長部である、方法。
12. 前記第１の側部ファセットおよび前記第２の側部ファセットが、前記放出ファセットの周りに形成される、請求項１１に記載のエミッタチップを作製する方法。
13. 熱電界エミッタおよび抽出装置を備える電子ビーム源を提供するステップであって、前記熱電界エミッタが、エミッタチップを備え、前記エミッタチップが、
    電子放出のために構成され、放出ファセット幅を有する放出ファセットと、
    第１の側部ファセットおよび第２の側部ファセットとを備え、前記第１の側部ファセットと前記第２の側部ファセットとの間にエッジファセットが形成され、前記エッジファセットが、エッジファセット幅を有し、
    前記エッジファセット幅が、前記放出ファセット幅の２５％～３５％である、提供するステップと、
    前記熱電界エミッタを加熱装置で加熱するステップと、
    前記電子ビーム源の前記熱電界エミッタと前記抽出装置との間に抽出電圧を印加するステップと、
    前記放出ファセットから電子を放出するステップと
    を含み、
    前記放出ファセット幅は、前記放出ファセットの境界まで広がる平面内で前記放出ファセットの最小の寸法であり、
    前記エッジファセット幅は、前記エッジファセットに隣接した前記側部ファセットの側部ファセット境界まで広がる平面内で前記エッジファセットの最小の伸長部である、電子ビーム装置を動作させる方法。
14. 前記エミッタチップによって放出された前記電子を電子ビーム光学系によってサンプルへ誘導するステップをさらに含む、請求項１３に記載の電子ビーム装置を動作させる方法。

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