带电粒子束装置及其轴调整方法

技术领域

本发明涉及带电粒子束装置及其轴调整方法。

背景技术

扫描电子显微镜(SEM：Scanning Electron Microscope)检测将进行了聚焦的探测电子束照射到试样上及在试样上进行扫描时产生的信号电子，将各照射位置的信号强度与照射电子束的扫描信号同步地显示，从而得到试样表面的扫描区域的二维图像。

近年来，出于避免SEM观察时的伴随着电子束照射产生的试样的带电或损坏以及得到顶面的试样信息的目的，照射能量为约1keV以下的低加速观察的重要度不断增加。但是，通常在低加速域中，色差增大，难以得到高分辨率。为了降低该色差，已知使探测电子束加速而高速通过物镜并在试样正前方减速再照射的减速光学系统。

减速光学系统中，在称为推进法的方法中，沿SEM的物镜的内磁路的内壁设置施加正电压的筒状的电极，使试样为接地电位。另外，在称为减速法的方法中，SEM镜筒的物镜侧保持为接地电位，且对试样施加负电压。在任意的方法中，特征均在于从物镜起，电子源侧的探测电子束的通过区域为比试样高的电位，将通过该电位差形成的使探测电子束朝向试样减速的电场用作透镜场。通过使基于减速电场的静电透镜和基于物镜磁场的磁场透镜重叠，能够在低加速域降低象差，得到高分辨率。

在减速光学系统中，重叠的静电透镜和磁场透镜这两者决定照射系统性能。特别是在低加速电压区域中，静电透镜的影响变大。因此，为了得到最佳的性能，需要将探测电子束引导至重叠的磁场透镜和静电透镜各自的透镜中心。这是因为，在探测电子束穿过脱离透镜中心的部位(轴外)的情况下，产生轴外象差，对照射电子束的束斑形成产生不良影响。

作为穿过磁场透镜的中心的调整方法，常用电流中心轴调整，该电流中心轴调整通过将使物镜的励磁电流周期性变化时的像移动量最小化来进行。由此，能够使磁场透镜的轴外象差最小。而且，取得像时的焦点调整时不会产生像移动，因此焦点调整的操作性提高。

另一方面，作为穿过静电透镜的中心的调整方法，使用电压中心轴调整，该电压中心轴调整将使形成静电透镜的电场的电极的施加电压周期性变化时的像移动量最小化。由此，能够使通过静电透镜产生的色差最小。

专利文献1中公开了以下结构：在具备减速光学系统的电子束装置中，使用电磁调校器将电子束的轨道偏转，可以进行轴调整。具体而言，在形成静电透镜的电极与形成磁场透镜的物镜之间配置偏转器，将探测电子束引导至静电透镜中心。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2000－173519号公报

发明内容

发明所要解决的课题

在带电粒子束装置中，通常通过利用电磁调校器将进入透镜场的照射电子束的轨道偏转来进行将探测电子束引导至静电透镜、磁场透镜的中心的光轴调整。但是，在减速光学系统这样的使静电透镜和磁场透镜重叠而使用的光学系统中，并不是保证静电透镜和磁场透镜各自的轴事先直线地一致，而是在大多情况下不一致。因此，存在仅通过电子束轨道的偏转不能充分进行作为重叠透镜的轴调整的课题。

另外，在专利文献1公开的轴调整法中，需要在形成磁场透镜的物镜与形成静电透镜的电极之间配置偏转器。但是，为了缩小焦点距离，使象差降低，优选物镜尽可能配置于靠近试样的位置。因此，若将偏转器配置于静电透镜与磁场透镜之间，则由于其机械性限制，物镜构造的设计自由度降低，结果，难以使磁场透镜、静电透镜充分靠近试样。

用于解决课题的方案

为了解决上述课题，采用权利要求书记载的结构。例如，作为一实施方式的带电粒子束装置具有：电子源；物镜，其使来自电子源的探测电子束聚焦于试样；第一束射管及第二束射管，其使探测电子束穿过；减速电极，其配置于比第二束射管配置于靠物镜侧的第一束射管与试样之间；第一电压源，其通过对第一束射管施加第一电位，在第一束射管与减速电极之间形成针对探测电子束的减速电场；以及第一移动机构，其使第一束射管的位置移动。

发明效果

通过使基于减速电场的静电透镜的轴与磁场透镜的轴一致，能够实现使作为重叠透镜的轴调整容易的带电粒子束装置。

根据本说明书的描述及附图将明了其它课题和新的特征。

附图说明

图1是表示实施例1的带电粒子束装置的概略剖视图。

图2是表示具备现有的减速光学系统的带电粒子束装置的概略剖视图。

图3是表示实施例1的带电粒子束装置的变形例的概略剖视图。

图4是表示实施例1的带电粒子束装置的变形例的概略剖视图。

图5是表示实施例2的带电粒子束装置的概略剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图，说明本发明的实施例。此外，附图示出了基于本发明的原理的具体的实施例，但它们是用于本发明的理解的例子，并非用于限定性地解释本发明。此外，在用于说明实施例及变形例的全部图中，具有相同功能的部分标注相同的符号，并省略其反复的说明。

实施例1

图1是表示实施例1的带电粒子束装置的概略剖视图。作为带电粒子束装置的例，表示应用了推进法的SEM。SEM镜筒1包括：具备用于对试样12照射探测电子束的机构的电子源2；用于限制探测电子束的径的光阑5；聚光透镜3、物镜4等电子透镜；用于将探测电子束在试样12上扫描的偏转器7；以及用于检测从试样12产生的信号电子的检测器6。物镜4例如使用线圈等使磁场产生，形成用于使探测电子束聚焦于试样12的磁场透镜。此外，SEM镜筒1除了上述以外，也可以包括其它结构要素(透镜、电极、检测器等)，并不限定于上述的结构。

SEM还具备试样室14。在试样室14设有搭载试样12的试样台13。试样台13具备用于使试样12倾斜及移动的机构，通过该机构，能够决定试样12的观察区域。此外，SEM具备用于对试样室14及SEM镜筒1进行真空排气的真空排气设备(未图示)。

另外，SEM具备控制SEM全体的控制部16。控制部16控制SEM的各结构要素，并且执行各种信息处理。控制部16具备图像显示装置(未图示)，将根据从检测器6得到的信息生成的SEM像显示于图像显示装置。

控制部16例如可以使用通用的计算机实现，也可以采用在计算机上执行的程序的功能来实现。计算机至少具备CPU(Central Processing Unit)等处理器、存储器等存储部、以及硬盘等存储装置。控制部16的处理也可以通过将程序代码存储于存储器，并使处理器执行各程序代码来实现。控制部16的一部分也可以由专用的电路板等硬件构成。

SEM镜筒1的物镜4是相对于试样12漏磁场小的外透镜型。另外，SEM镜筒1具备推进单元作为减速光学系统。具体而言，在SEM镜筒1中，从电子源2起，沿着光轴设置有筒状的第二束射管9，沿着物镜4的物镜磁路的内壁设置有第一束射管8。另外，具备对第一束射管8及第二束射管9施加推进电压的电压源(推进电压源)15。此外，来自推进电压源15的电压由控制部16控制。而且，在物镜前端部设置有减速电极10。第一束射管8及第二束射管9通过来自推进电压源15的电压施加而设定为比减速电极10高的电位。由此，在第一束射管8的试样侧端部与减速电极10之间形成针对探测电子束的减速电场，探测电子束穿过该电场时受到透镜作用并减速。

特别是为了在探测电子束的照射能量为5keV以下的观察条件得到高分辨率，需要相对于试样12，将第一束射管8设定为高电位，形成减速电场。例如，将试样12与第一束射管8的电位差设定为约10kV。来自SEM镜筒1的漏电场越强，在试样12的附近越能够得到焦距短的静电透镜作用。由此，象差降低，分辨率的改善效果增大。

另外，减速电极10也可以构成物镜4的一部分。减速电极10也可以由磁性体构成，且与物镜磁路磁结合，也可以物镜磁路及减速电极10构成作为一个磁回路发挥功能。

为了在SEM得到最佳的照射系统性能，需要进行适当调整探测电子束的穿过透镜的路径的轴调整。特别是在如本实施例这样具备减速光学系统且使磁场透镜和静电透镜重叠而使用的SEM中，在探测电子束穿过脱离了电子透镜的透镜中心轴的部位的情况下，受到透镜的轴外象差的影响，照射系统性能恶化。在静电透镜、磁场透镜的任一方在轴外穿过的情况下，照射系统性能恶化，因此，需要进行使静电透镜及磁场透镜两者的轴一致，并使探测电子束穿过该中心的轴调整。

本实施例中，通过使静电透镜的光轴移动，进行重叠透镜的轴调整。静电透镜的光轴的位置取决于第一束射管8与减速电极10的位置关系。因此，通过使第一束射管8的位置移动，能够实现静电透镜轴位置的调整。因此，在本结构中，设有可以机械地使形成减速电场的第一束射管8的位置移动的移动机构11。

第一束射管8需要为既维持与物镜磁路、减速电极10的电绝缘，又可以通过移动机构11移动的构造。也可以采用在两者之间设置间隙，通过空间绝缘的构造。另外，也可以构成为，通过使可变形的绝缘体介于两者之间来电绝缘。通过形成这样的构造，能够在对第一束射管8施加高电压的状态下进行位置移动。

作为比较例，图2表示具备现有的减速光学系统的SEM镜筒的概略图。与图1的结构相比，构成为，施加高电位的束射管17未被分割，对于探测电子束，在电子源侧的端部形成有加速电场，在试样侧的端部形成有减速电场，各个电场具有透镜作用。在探测电子束不穿过加速透镜31的中心的情况下，产生轴外象差，对照射系统产生不良影响。因此，在进行光学系统的轴调整时，首先，以使探测电子束穿过加速透镜31的中心的方式引导电子束轨道。例如，通常进行电子源2的位置的移动、使用电磁偏转器的轨道偏转。

另一方面，如上述地，需要对与磁场透镜重叠且形成于束射管试样侧端部的减速透镜32的轴也进行调整。在现有的SEM镜筒中，束射管17被固定，假设设为能够使束射管17移动，当为了调整减速透镜32的中心位置而使束射管17移动时，由此，不仅减速透镜32的中心，加速透镜31的中心也同时移动。即，无法仅单独调整减速透镜32，由于减速透镜32的轴调整，在加速透镜31产生轴偏离。实际上，探测电子束并非如图2所示地从电子源2朝向试样12沿铅垂下降的线笔直行进，由于设于SEM镜筒偏转器、透镜，一边使行进方向弯曲，一边朝向试样前进。因此，通常，探测电子束向加速透镜31的入射角、向减速透镜32的入射角分别不同，通过一个束射管17的位置调整能够将加速透镜31和减速透镜32的轴位置同时最佳化是不现实的。

在图1所示的实施例1的装置中，一个特征在于，被施加高电位的束射管分割成试样侧的第一束射管8和电子源侧的第二束射管9这两个而配置。通过分割，即使使第一束射管8移动，第二束射管9的位置也不变化。因此，不会使形成于第二束射管9的电子源侧端部的加速透镜的位置变化，且能够调整形成于第一束射管8的试样侧端部的减速透镜的位置。换言之，能够在减速透镜的位置调整时防止加速透镜的轴偏离的发生。

此外，至少在轴调整时需要使第一束射管8和第二束射管9为同电位。第一束射管8的电位和第二束射管9的电位不同的情况下，两者之间产生具有透镜作用的电场。该状况下，由于使第一束射管8移动，产生第一束射管8与第二束射管9之间的静电透镜的轴偏离。为了避免该情况，在轴调整时，第一束射管8和第二束射管9的电位设为同电位。同电位的束射管之间不形成电场，因此不会产生透镜作用。因此，能够通过对第一束射管8进行位置移动来进行仅形成于第一束射管8与减速电极10之间的减速透镜的轴调整。

如后述地，优选一边视觉确认图像一边进行基于第一束射管8的位置移动而进行的轴调整。因此，期望第一束射管8的移动机构11为可以从SEM镜筒1的外部进行调整的机构。由此，更容易一边视觉确认图像一边进行轴调整。移动机构11例如能够采用以下机构：从在位于第一束射管8的外侧的镜筒外壁挖出的长孔按入螺钉等杆状的器具，由此使第一束射管8移动。另外，一些螺钉也可以具有弹性，也可以使用专用的夹具进行位置调整。

在本结构中，通过使第一束射管8移动，使静电透镜的轴与磁场透镜的轴一致。因此，即使由于加速电压、探测电流的变更等而探测电子束的轨道变化，也维持静电透镜和磁场透镜的轴的一致。因此，通过利用偏转器将探测电子束轨道偏转，并引导至静电透镜和磁场透镜的一致的轴，能够得到最佳的性能。此外，使探测电子束轨道变更的偏转器可以是使用了线圈的磁场型，也可以是使用了成对的电极的静电型。

对本实施例的轴调整步骤进行说明。

(1)第一，使探测电子束轨道与物镜4(磁场透镜)的电流中心轴一致。首先，驱动物镜4，使探测电子束聚焦于试样12上。当使物镜线圈的励磁电流周期性变动时，像与励磁电流的变动同步地移动。以使像的移动成为最小的方式调整电子源2的位置或偏转器7，使探测电子束轨道变化。在该阶段，物镜以外的透镜不发生动作，另外，第一束射管8及第二束射管9的电位为基准电位(GND)。

然后，将聚光透镜3设定为预定的励磁量，再次使向物镜4供给的励磁电流周期性变动，以使像的移动成为最小的方式调整聚光透镜3的位置或者偏转器7，使探测电子束轨道发生变化。为了得到期望的照射电流量，聚光透镜3具有调整光圈量的功能。此时设定的励磁量例如只要以成为与观察对象的材料相应的适当的光学条件的方式设定即可。

以上，探测电子束穿过物镜4的电流中心轴，因此，最后以使探测电子束穿过可动光阑5的中心的方式插入可动光阑5。再次使向物镜4供给的励磁电流周期性变动，以像的移动成为最小的方式调整可动光阑5的位置。通过以上，调整为使探测电子束穿过形成物镜4的磁场透镜的电流中心轴。

(2)第二，使减速透镜(静电透镜)的光轴与物镜4(磁场透镜)的电流中心轴一致。对第一束射管8及第二束射管9施加预定的电压。驱动物镜4、聚光透镜3，在插入了光阑5的状态下使探测电子束聚焦于试样上。使向物镜4供给的励磁电流周期性变动，以像的移动成为最小的方式通过移动机构11调整第一束射管8的位置。由此，物镜4(磁场透镜)的电流中心轴和减速透镜(静电透镜)的光轴一致。

(3)在以上的调整的基础上，还优选进行使物镜4(磁场透镜)的电流中心轴和减速透镜(静电透镜)的电压中心轴一致的调整。该情况下，

(3－1)以因使对第一束射管8施加的电压周期性变动而引起的像的移动成为最小的方式移动光阑5或调整偏转器7，使探测电子束轨道变化。

(3－2)然后，以因使对物镜4供给的励磁电流周期性变动而引起的像的移动成为最小的方式进行第一束射管8的位置调整。

(3－3)反复实施调整(3－1)和调整(3－2)的步骤。

通过以上的调整(3)，调整成，磁场透镜的电流中心轴和静电透镜的电压中心轴一致，且探测电子束穿过一致的磁场透镜的电流中心轴和静电透镜的电压中心轴。

图3表示在本实施例的带电粒子束装置中第一束射管8及第二束射管9分别具备不同的电压源的变形例。在第一束射管8连接有第一电压源15a，在第二束射管9连接有第二电压源15b。通过各电压源施加的电位由控制部16控制。控制部16具有以使第一束射管8和第二束射管9的电位为同电位的方式控制电压源15a、15b的模式。

在本变形例的轴调整步骤中，在进行使形成于第一束射管8与减速电极10之间的减速透镜的轴和物镜(磁场透镜)的轴一致的调整时，设定为使第一束射管8和第二束射管9的电位为同电位的模式。在该同电位模式下，使用移动机构11使第二束射管9移动，从而可以进行减速透镜单独的位置调整。

本变形例中，在调整时以外，第一束射管8和第二束射管9的电位不限于同电位，能够分别为任意的电位。由此，能够根据光学系统整体的要求，对照射系统、检测系统设定最佳的电位。例如，也可以是，在进行使用了扫描电子显微镜的电子束分析时，出于提高电子源亮度，增加探测电流的目的，设定为将第二束射管9设为比第一束射管8高的电位的条件。此外，在将第一束射管8和第二束射管9的电位设为不同的电位的情况下，在第一束射管8与第二束射管9之间形成静电透镜，但由此带来的影响例如能够使用偏转器7补偿。

进一步地，图4表示在本实施例的带电粒子束装置中将束射管分割成三个以上的变形例。例如，束射管被分割成试样侧束射管(第一束射管)8、中间束射管(第三束射管)18、电子源侧束射管(第二束射管)9这三个，分别针对其设有移动机构11a～c和电压源15a～c。图4的例中示出了在第二束射管9也设有移动机构11的例，这也可以应用于图1等其它结构例。

本变形例在根据照射系统、检测系统的要求需要将探测电子束的路径的电位设为多个级别的情况下是有效的。例如，考虑将中间束射管18设为接地电位，将试样侧束射管8和电子源侧束射管9设为比试样12高的电位的结构。该情况下，可得到因推进而带来的电子源亮度提高效果和象差降低效果，并且通过设置接地电位的部分，检测系统的设计自由度提高。设为接地电位的检测器6’例如也可以是使用了偏转场的检测器。

图4所示的变形例中，进行静电透镜的轴调整时，以可实现单独的静电透镜调整的方式控制对各个束射管赋予的电位。例如，在进行形成于试样侧束射管8与减速电极10之间的静电透镜的轴调整的情况下，只要将中间束射管18和试样侧束射管8设为同电位，使试样侧束射管8的位置移动即可。同样地，例如，在进行形成于中间束射管18与试样侧束射管8之间的静电透镜的轴调整的情况下，只要将电子源侧束射管9和中间束射管18设为同电位，使中间束射管18的位置移动即可。通过各电压源施加的电位由控制部16控制。控制部16具有以使试样侧束射管8和中间束射管18的电位为同电位的方式控制电压源15a、15c的模式、以及以使电子源侧束射管9和中间束射管18的电位为同电位的方式控制电压源15b、15c的模式。这样，构成为能够使用移动机构11调整形成于各个束射管端部的静电透镜的轴。

此外，关于分割束射管的位置，只要没有照射系统、检测系统的要求，就不受限制。但是，束射管原本以将束射管内保持为稳定的电位状态为目的，因此需要尽量抑制电场从进行了分割的束射管的间隙进入。因此，在本实施例中，在束射管彼此相连的端部，在双方的束射管设有凸缘部。例如，在图1的例中，使第一束射管8的从端部伸出的圆盘形状的凸缘部和第二束射管的从端部伸出的圆盘形状的凸缘部对置，从而抑制了意外的电场从第一束射管8与第二束射管9的间隙进入。

实施例2

作为实施例2，对作为减速光学系统应用了减速法的SEM进行说明。在使用因从物镜起电子源侧的探测电子束的通过区域与试样之间的电位差而带来的减速电场这一点上，在推进光学系统和减速光学系统中没有本质区别。即，在推进光学系统中有效的本发明在减速光学系统中也可得到同样的效果。

图5是表示实施例2的带电粒子束装置的概略结构图。试样台13是具备能够对试样12施加电压的减速电压源21。此外，来自电压源21的电压也可以由控制部16控制。典型地，SEM镜筒1和镜筒内的第一束射管8及第二束射管9设为接地电位，对试样12施加负极性的电压。由此，能够在第一束射管8的试样侧端部与试样12之间产生针对探测电子束的减速电场，提高SEM的分辨率。为了提高分辨率而对试样12施加的负电压优选设定为使试样12与第一束射管8的电位差为1kV以上，且电位差越大，分辨率提高效果越增大。但是，合适的电压值根据试样12与物镜4的前端部之间的动作距离(WD：Working Distance)会改变，因此并非限定于此。

在本实施例中，与磁场透镜重叠的减速透镜的位置由第一束射管8与物镜先端部及试样12的位置关系决定。因此，通过使第一束射管8的位置移动，能够实现减速透镜的轴调整。另外，与实施例1同样地，在调整时，通过使第一束射管8和第二束射管9为同电位，能够进行减速透镜单独的轴调整。因此，通过使减速透镜中心轴与磁场透镜中心轴一致，将探测电子束引导至重叠透镜的中心轴，能够降低轴外象差，使照射系统性能最大化。

本实施例中的轴调整例如能够以与实施例1相同的步骤进行。

(1)第一，使探测电子束轨道与物镜4(磁场透镜)的电流中心轴一致。首先，驱动物镜4，使探测电子束聚焦于试样12上。在该状态下，使物镜线圈的励磁电流周期性变动，以像的移动成为最小的方式调整电子源2的位置或偏转器7，使探测电子束轨道变化。

然后，将聚光透镜3设定为预定的励磁，再次使向物镜4供给的励磁电流周期性变动，以使像的移动成为最小的方式调整聚光透镜3的位置或者偏转器7，使探测电子束轨道发生变化。最后，将可动光阑5插入到光轴上，再次使向物镜4供给的励磁电流周期性变动，以像的移动成为最小的方式调整可动光阑5的位置。

(2)第二，使减速透镜(静电透镜)的光轴与物镜4(磁场透镜)的电流中心轴一致。驱动物镜4、聚光透镜3，在插入了光阑5的状态下对试样12施加负电压，并使探测电子束聚焦于试样上。使物镜4的励磁电流周期性变动，以像的移动成为最小的方式通过移动机构11调整第一束射管8的位置。由此，能够使物镜4(磁场透镜)的电流中心轴和减速透镜(静电透镜)的光轴一致。

(3)在以上的调整的基础上，优选进行使物镜4(磁场透镜)的电流中心轴和减速透镜(静电透镜)的电压中心轴一致的调整。该情况下，

(3－1)以因使减速电压周期性变动而引起的像的移动成为最小的方式移动光阑5或调整偏转器7，使探测电子束轨道变化。

(3－2)然后，以因使对物镜4供给的励磁电流周期性变动而引起的像的移动成为最小的方式进行第一束射管8的位置调整。

(3－3)反复实施调整(3－1)和调整(3－2)的步骤。

通过以上的调整(3)，调整成，磁场透镜的电流中心轴和静电透镜的电压中心轴一致，且探测电子束穿过一致的磁场透镜的电流中心轴和静电透镜的电压中心轴。

作为本实施例的变形例，也可以构成为对第一束射管8及第二束射管9施加正的电压，同时使用推进法和减速法。通过对第一束射管8施加与减速电压相反极性的正的电压，与试样12的电位差变得更大，能够期待照射系统性能的进一步提高。该情况下，与磁场透镜重叠的减速透镜的位置也由第一束射管8与物镜前端部及试样12的位置关系决定。因此，通过使第一束射管8的位置移动，能够实现使静电透镜的轴与磁场透镜的轴一致的调整。

另一方面，在应用一般的减速法，并将对束射管施加的电压设为接地电压的情况下，也可以构成为，将图5中的第一束射管8用作用于在与试样之间产生减速电场的电极，并去除第二束射管9。该情况系，与磁场透镜重叠的减速透镜的位置也由电极8与物镜前端部及试样12的位置关系决定。因此，通过使电极8的位置移动，能够实现使静电透镜的轴与磁场透镜的轴一致的调整。电极8能够采用具有使探测电子束穿过的开口的筒状电极、或者圆盘状电极。

本发明不限于上述的实施例，包括各种变形例。上述实施例是为了容易理解地说明本发明而详细说明的例子，并非限定于必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换成其它实施例的结构。另外，也能够对某实施例的结构添加其它实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，也能够追加、删除、置换其它结构。例如，作为实施例，对SEM进行了说明，但本发明也可以应用于其它带电粒子束装置，也可以应用于组合多个带电粒子束装置而成的复合带电粒子束装置。

符号说明

1—SEM镜筒，2—电子源，3—聚光透镜，4—物镜，5—光阑，6、6’—检测器，7—偏转器，8—第一束射管(电极)，9—第二束射管，10—减速电极，11—移动机构，12—试样，13—试样台，14—试样室，15—推进电压源，16—控制部，17—束射管，18—中间束射管，21—减速电压源。