JP3335798B2

JP3335798B2 - 静電レンズおよびその製造方法

Info

Publication number: JP3335798B2
Application number: JP13806095A
Authority: JP
Inventors: 井隆光永
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1995-06-05
Filing date: 1995-06-05
Publication date: 2002-10-21
Anticipated expiration: 2017-10-21
Also published as: JPH08329872A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電子顕微鏡や電子・イオ
ンビーム応用装置に用いる静電レンズおよびその製造方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電レンズは従来、電子顕微鏡などの電
子銃レンズやイオンビーム装置の集束レンズとして用い
られてきた。

【０００３】従来の代表的な電子ビーム用円筒型静電レ
ンズ概略とその光線図を図４に示す。

【０００４】図６において、符号１００は電子銃の位置
を示し、電子ビーム１０１はこの電子銃の位置１００か
らある開き角をもって出射され、試料１０２上で結像す
る。第１電極１０３はアース１０４に接地され、中央の
第２電極１０５はレンズ電界を形成する負電位の電源１
０６に接続され、また第３電極１０７はアース１０４に
接地されている。

【０００５】図６に示すような構成の静電レンズ１０８
は、一般にアインツェルレンズと呼ばれており、３枚の
電極１０３，１０５，１０７から構成されている。この
ように静電レンズ１０８は円筒形あるいは円盤型などの
電極１０３，１０５，１０７を複数枚組み合わせて作成
される。電源１０６から第２電極１０５に電圧が印加さ
れると、試料台１０２に電子ビームが結像する。この静
電レンズ１０８の電位分布を図７に示す。図７に示すよ
うに第２電極１０５に電位のピーク（−ＶＰ）が生じ、
第１および第３電極１０３，１０７に向かって零電位に
近づいていく。なお、一般的には零電位ではなく加速電
圧相当のオフセットをもつことが多い。

【０００６】図８に静電レンズ１１０の具体的な構成例
を示す。図８に示す静電レンズ１１０は電極を非対称に
すること、すなわち軸上電位分布を非対称にすることで
収差低減が図られたもので、非対称アイツェルレンズと
呼ばれるものである。図６と同じように第１電極１１１
はアース電位に、中央第２電極１１２はレンズ電界を形
成する負電位に、第３電極１１３はアース電位に維持さ
れている。第２電極１１２に印加する電圧はビームの種
類により異なる。図８において各電極１１１，１１２，
１１３は絶縁のためにセラミックホルダ１１４に保持さ
れている。

【０００７】図６および図８に示す静電レンズ１０８、
１１０において、電子銃の位置１００から出射された電
子ビーム１０１は、静電レンズ１０８、１１０を経て試
料台１０２に結像するようになっている。

【０００８】また、図８に示すように、静電レンズ１１
０の各電極１１１，１１２，１１３は絶縁体であるセラ
ミックホルダ１１４により保持固定されている。そして
各電極１１１，１１２，１１３間は同軸度、同心度とも
に約１０μｍという精度でセラミックホルダ１１４によ
り保たれている。

【０００９】また、中心軸上からセラミックホルダ１１
４が直接みえないように各電極１１１，１１２，１１３
の形状は決定されており、これによって帯電を防止でき
るようになっている。なお、図６に示す静電レンズ１０
８においても、各電極１０３，１０５，１０７は、図示
しないセラミックホルダにより保持固定されている。図
１０に、静電レンズの同軸度とレンズ性能を決定するビ
ーム径ぼけ率（ビーム径ぼけ量／ビーム径ｘ１００％）
との関係を示す。ビーム径は分解能に相当し、図１０か
ら同軸精度が劣化していくとビーム径ぼけ量が増加し分
解能が低下していくことがわかる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】従来図６や図８に示す
従来の静電レンズ１０８、１１０においては、静電レン
ズを構成する個々の部品自身は高精度に製造されていて
も、以下に述べるように部品を組み合わせることによ
り、同軸度の精度が低くならざるを得なかった。

【００１１】図１０に示す静電レンズ１１０において、
セラミックホルダ１１４等により複数枚、例えば３枚の
電極１１１、１１２、１１３が保持固定されている。

【００１２】しかしながら、複数枚の電極１１１、１１
２、１１３をセラミックホルダ１１４により保持固定す
る場合、電子ビームの中心軸に対して各々の電極１１
１、１１２、１１３を精度良く配置する作業は煩雑で、
組み立てが容易でない。

【００１３】また、図８に示す静電レンズ１１０の場
合、セラミックホルダ１１４内の帯電防止とレンズ収差
減少を目的として各々の電極１１１、１１２、１１３は
複雑な形状に形成されている。すなわち、帯電防止する
ためには、電子ビーム軌道上からからセラミックホルダ
１１４の壁面を見えないようにする必要があり、このた
めに電極１１１、１１２、１１３は互いに重なりあうよ
うな形状にする必要がある。また、帯電防止するととと
もにレンズ収差を減少させる必要もあり、各電極の形状
はさらに複雑になる。各電極１１１、１１２、１１３の
形状を複雑化させると、これに合わせてセラミックホル
ダ１１４の形状も複雑化し、静電レンズ１１０の全体形
状が大型化してしまう。このため製作が容易でなくコス
ト高になるという問題があった。

【００１４】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、加工および組み立てを容易に行うこ
とができレンズ精度を向上させた静電レンズおよびその
製造方法を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による静電レンズの製造方法は、荷電粒子ビ
ームを発散あるいは収束させるための静電レンズの製造
方法において、絶縁性筒体の挿入貫通孔に高抵抗材柱状
体と低抵抗材柱状体とを互いに隙間なく交互に挿入し、
前記低抵抗材柱状体と前記高抵抗材柱状体とを前記絶縁
性筒体に一体化させた状態で前記低抵抗材柱状体および
前記高抵抗材柱状体に前記荷電粒子ビームが伝播する伝
播貫通孔を形成することを特徴とする。

【００１６】好適には、前記高抵抗材柱状体と前記低抵
抗材柱状体とは、各々少なくとも１個以上挿入されてい
る。

【００１７】好適には、前記低抵抗材柱状体は金属材か
らなり、前記高抵抗材柱状体はＳｉＣ材からなる。

【００１８】好適には、前記低抵抗材柱状体は低抵抗率
の成分比率を有するＳｉＣ材からなり、前記高抵抗材柱
状体は高抵抗率の成分比率を有するＳｉＣ材からなる。

【００１９】好適には、前記挿入貫通孔に、低抵抗率を
与える成分比率を有する低抵抗柱状部分と高抵抗率を与
える成分比率を有する高抵抗柱状部分とが長手方向に所
定の長さで交互に繰り返されて形成されたＳｉＣ材の柱
状体を挿入し、このＳｉＣ材の柱状体の長手方向に前記
荷電粒子ビームが伝播する伝播貫通孔を形成する前記伝
播貫通孔を形成する。

【００２０】また、本発明による静電レンズは、荷電
粒子ビームを発散あるいは収束させるための静電レンズ
であって、絶縁性筒体の挿入貫通孔に高抵抗材柱状体と
低抵抗材柱状体とを互いに隙間なく交互に挿入し、前記
低抵抗材柱状体と前記高抵抗材柱状体とを前記絶縁性筒
体に一体化させた状態で前記低抵抗材柱状体および前記
高抵抗材柱状体に前記荷電粒子ビームが伝播する伝播貫
通孔を形成したことを特徴とする。

【００２１】

【作用】絶縁性筒体の挿入貫通孔に高抵抗材柱状体と低
抵抗材柱状体とを互いに隙間なく交互に挿入し、低抵抗
材柱状体と前記高抵抗材柱状体とを前記絶縁性筒体に一
体化させた状態で低抵抗材柱状体および高抵抗材柱状体
に伝播貫通孔を形成することにより、予め貫通孔の形成
された静電レンズを構成する各レンズを同軸合わせして
組み立てる必要がないので、組立工程において同軸度を
低下させることがなく高い同軸度を有する静電レンズを
提供することができる。

【００２２】

【実施例】以下に図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図１は本発明の静電レンズの第１実施例を
示す。図１において、静電レンズ１は、セラミクスなど
の絶縁性筒体２に形成された挿入貫通孔３に、ＳｉＣな
どを含む高抵抗材柱状体４、６に金属材料からなる低抵
抗材柱状体５が挟まれて挿入され固定保持されている。
高抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱状体５の中心部に
は、電子ビームが伝播するための円筒状の伝播貫通孔７
が形成されている。伝播貫通孔７は、挿入貫通孔３に高
抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱状体５とが挿入し絶縁
性筒体２の固定保持した状態で、形成される。高抵抗材
柱状体４、６と低抵抗材柱状体５の絶縁性筒体２への挿
入固定は、焼きばめなどのかたいはめあいや接着などに
より行われ、伝播貫通孔７の加工時に軸ずれが生じなけ
ればよい。絶縁性筒体２の外側面からは高抵抗材柱状体
４、６と低抵抗材柱状体５の側面側に至る貫通孔８、
９、１０が形成されている。貫通孔８、９には高抵抗材
柱状体４、６をアース１１に接地するための電線１２が
配設されており、貫通孔１０には低抵抗材柱状体５に負
電圧を印可する電源１４へ接続された電線１３が配設さ
れている。

【００２３】電子ビームの出射位置１５から出射した電
子ビームは伝播貫通孔７を経て、試料台の試料１６へ結
像されるようになっている。

【００２４】なお、挿入貫通孔３は必ずしも円筒形状で
ある必要はなく従って高抵抗材柱状体４、６や低抵抗材
柱状体５の円筒柱状体である必要はなく、挿入貫通孔３
は多角柱形状や非対称の柱形状でもよく従って高抵抗材
柱状体４、６や低抵抗材柱状体５は、例えば図３に示す
ように、挿入貫通孔３の挿入され固定保持される柱状体
であればよい。なお、低抵抗材は、合金であってもＡ
ｌ、Ｔｉ等の純金属でもよく、またＴｉＢ_２入りセラミ
ックス材でもよい。

【００２５】次に、本実施例の静電レンズ１の作用効果
について説明する。比較のために、図９に従来の静電レ
ンズ１２０を示す。図９に示すように、高抵抗材柱状体
１２１には伝播貫通孔１２２が形成されており、伝播貫
通孔１２２の中間部には電気導電膜１２３がコーティン
グされており、電気導電膜１２３には電源１２４によっ
て電圧を印加されるようになっている。しかしながら、
従来の静電レンズ１２０においては、電気導電膜１２３
を伝播貫通孔１２２の奥深い内部にコーティングされる
ようになっているので、コーティングすること自身が容
易でなく、また所定位置に電気導電膜１２３を高精度に
形成することが容易でなかったのである。

【００２６】これに対して、本実施例の静電レンズ１で
は、低抵抗材柱状体５は挿入貫通孔３へ挿入されて伝播
貫通孔７が形成されるので、伝播貫通孔７の奥深い内部
にはコーティングが不要であり、静電レンズ１は容易に
製造可能な構成を有する。

【００２７】次に、図２を参照して、図１に示した静電
レンズ１の製造方法について説明する。図２において、
セラミクス製の絶縁性筒体２に、長手方向に貫通する挿
入貫通孔３と内側面から外側面へ貫通する貫通孔８、
９、１０を形成しておく。次に、挿入貫通孔３に孔形状
に対応して成形された高抵抗材柱状体６、低抵抗材柱状
体５および高抵抗材柱状体４をこの順序で挿入貫通孔３
へ挿入し、焼きばめなどのかたいはめあいや接着などに
より絶縁性筒体２に固定保持する。

【００２８】高抵抗材柱状体６、低抵抗材柱状体５およ
び高抵抗材柱状体４は、長手方向に互いに隙間無く接触
するように押しつけられたおり、このために互いの接触
する底平面は互いに隙間無く接触できるような平面度、
例えば３μｍの平面度で加工されている。

【００２９】次に、高抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱
状体５とを絶縁性筒体２に固定保持した状態で、これら
の中心部に円筒状の伝播貫通孔７を形成する。

【００３０】次に、このようにして製造された静電レン
ズの作用について説明する。金属筒体からなる低抵抗材
柱状体５に外部電源１４によって負電圧が印加すること
で、図７に示すように伝播貫通孔７内には低抵抗材柱状
体５を中心に負電位のピークが生じ両側の高抵抗材柱状
体４、６に向かって零電位に近づく電位分布が形成され
る。この結果、図６に示したものと同等の３個のレンズ
からなる静電レンズ１が形成され、伝播貫通孔７内を通
過する電子ビームの制御が可能になる。

【００３１】本実施例の構成によれば、伝播貫通孔７
は、高抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱状体５とを絶縁
性筒体２に固定保持した状態で形成されているので、電
子レンズ１を構成する各レンズは高同軸性で互いに位置
合わせされたことと同等に配置されたことになる。

【００３２】また、この高同軸性は、高抵抗材柱状体
４、６と低抵抗材柱状体５とを絶縁性筒体２に固定保持
した状態で伝播貫通孔７を形成するだけで容易に実現で
き、煩雑の位置合わせを必要としない。従って、複雑な
加工が少なくなり、形状精度の向上および加工コストと
加工時間半減を図ることができ、また組み立て後に伝播
貫通孔７をあけるため中心軸上の同軸度や同心度に関し
ては約１μｍ以下の組み立て精度で完了することができ
る。

【００３３】また、図８に示す従来の静電レンズ１１０
のように各電極１１１、１１２、１１３をホルダ１１４
にねじ止めして精度良く組み立てす必要がない。

【００３４】また、図８に示す従来の静電レンズ１１０
において、帯電防止するためには電極１１１、１１２、
１１３は互いに重なりあうような形状にし電子ビームか
らセラミックホルダ１１４の壁面を直接見えないように
する必要があり、また同時にレンズ収差減少させる必要
があり、電極１１１、１１２、１１３の形状が複雑にな
っていた。これに伴いセラミックホルダ１１４の形状も
複雑化し、静電レンズ１１０の全体形状が大型化してし
まい、製作が容易でなくコスト高になっていた。

【００３５】これに対し、本実施例では、伝播貫通孔７
は、高抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱状体５の各々を
貫通して形成されており、伝播貫通孔７を通る電子ビー
ムからは絶縁性筒体２の壁面を見えないので、電子ビー
ムが絶縁性筒体２の壁面に帯電を誘起することはなく帯
電は防止される。また、高抵抗材柱状体４、６と低抵抗
材柱状体５が柱状体という単純な形状にもかかわらず、
帯電防止できるので、高抵抗材柱状体４、６と低抵抗材
柱状体５の各々の長手方向の長さを適当に選択すること
によりレンズ収差を減少させることができる。これらの
結果、絶縁性筒体２の形状も複雑にする必要がなく、静
電レンズ１の全体形状を小型化でき、製作が容易で低コ
スト化できる。例えば、図８に示す静電レンズ１１０の
外径が約２０ｍｍであるのに対し、本実施例では外形を
１０ｍｍ以下にすることができる。

【００３６】なお、本実施例において、静電レンズは高
抵抗材柱状体４、６と低抵抗材柱状体５の３個の柱状体
で構成されている例を示したが、３個に限らず、高抵抗
材柱状体と低抵抗材柱状体とが交互に配設されたもので
あれば、４個以上でもよい。これにより電子銃などのガ
ンレンズ部と対物レンズ部など複数のレンズを一体型に
組み込むこともできる。

【００３７】また、低抵抗材柱状体５は金属材料からな
るとしたが、低抵抗率の成分比率を有するＳｉＣ材から
なり、高抵抗材柱状体４、６を高抵抗率の成分比率を有
するＳｉＣ材からなるようにしてもよい。低抵抗率の成
分比率を有するＳｉＣ材としては、セラミックス材中に
ＳｉＣを約５０％含み、約１０^-6Ωｃｍの抵抗を有する
ＳｉＣ材を用いることができる。高抵抗率の成分比率を
有するＳｉＣ材としては、セラミックス材中にＳｉＣを
約１０％含み、約１０³〜１０⁵Ωｃｍの抵抗を有する
ＳｉＣ材を用いることができる。

【００３８】また、上述の実施例では、互いに別体とし
て形成された高抵抗材柱状体と低抵抗材柱状体とを交互
に挿入貫通孔３へ挿入した場合を説明した。しかしなが
ら、御発明は、これに限らず、高抵抗材柱状体と低抵抗
材柱状体とを以下のように一体で形成した場合でもよ
い。すなわち、低抵抗率を与える成分比率を有する低抵
抗柱状部分と高抵抗率を与える成分比率を有する高抵抗
柱状部分とが長手方向に所定の長さで交互に繰り返され
て形成されたＳｉＣ材の柱状体を製造し、この柱状体を
挿入貫通孔３に挿入し固定保持し、このＳｉＣ材の柱状
体の長手方向に伝播貫通孔７を形成してもよい。

【００３９】次に、本発明の他の実施例として、図４お
よび図５を参照して、ビームスキャナーや非点補正器あ
るいは偏光器等に利用する多極電極について説明する。
図４は、ビームスキャナー２０を示し、ビームスキャナ
ー２０はＳｉＣなどを含む高抵抗材柱状体２１を有す
る。高抵抗材柱状体２１には、長手方向に貫通し半径方
向に８方向に分岐した８個の分岐孔２２が形成されてい
る。また、高抵抗材柱状体２１の長手方向中間部には各
々の分岐孔２２の間に、半径方向に８方向に広がる８個
の電極端子孔２３が形成されている。

【００４０】図５に示すように、各々の電極端子孔２３
には対応する電源２４によって任意の電圧を任意のタイ
ミングで印加できるようになっている。各々の電極端子
孔２３に電圧を印加するタイミングを組み合わせ、例え
ばビームスキャン用の電圧を印加することにより、図４
で矢印で示すように、電子ビームを試料台２５上にスキ
ャンすることができる。

【００４１】本実施例によれば、複数の分岐孔２２と複
数の電極端子孔２３を高抵抗材柱状体２１に形成したの
で、複数の分岐孔や複数の電極端子孔を別個個別に製造
して筒体に組み込むことと異なり互いに煩雑な位置合わ
せをする必要がなく、ＮＣ加工機械等を用いて、高抵抗
材柱状体２１の所定位置に高位置決めで複数の分岐孔２
２および電極端子孔２３を一体的に形成することができ
る。

【００４２】また、本実施例のビームスキャナー２０と
複数レンズとを組み合わせて、ビーム検査装置を一体の
システムとして構成することも可能であり、一体型とし
て構成できるので、各レンズおよびビームスキャナー２
０の電極間のアライメント精度も向上させることができ
る。

【００４３】なお、上述の説明において、荷電粒子ビー
ムとして電子ビームを例にして説明したが、本発明は電
子ビームの代わりにイオンビーム等の他の荷電粒子ビー
ムでも適用できる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、高抵抗材柱状体と低抵抗材柱状体とを交互に絶縁
性筒体挿入し固定保持した状態で伝播貫通孔を形成する
だけで、煩雑の位置合わせを必要とせずに静電レンズを
容易に製造できる。この結果、複雑な加工が少なくな
り、形状精度の向上および加工コストと加工時間の短縮
を図ることができ、また組み立て後に伝播貫通孔をあけ
るため中心軸上の同軸度や同心度に関して高精度の組み
立て精度を実現することができる。

【００４５】また、高抵抗材柱状体と低抵抗材柱状体と
を一体化した後、伝播貫通孔を形成するので、高抵抗材
柱状体によるレンズと低抵抗材柱状体によるレンズ間の
同軸度、同心度を、高精度例えば約１μｍ以下にするこ
とができ、この結果、低収差の静電レンズを得ることが
できる。

【００４６】また、従来の静電レンズのように複数の金
属電極をセラミックホルダにより機械的に組み立てる必
要がないので、レンズ径および全体の形状の小形化と構
造の単純化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による静電レンズの一実施例を示す側面
図。

【図２】本発明による静電レンズの組み立て順序を示す
工程図。

【図３】本発明による静電レンズを角筒体を用いて構成
した例を示す斜視図。

【図４】本発明によるビームスキャナーを示す斜視図。

【図５】図４におけるＡ−Ａからみた断面図。

【図６】従来の静電レンズを示す概略断面図。

【図７】図６に示す静電レンズの中心軸上の電位分布を
示す図。

【図８】従来の静電レンズを示す概略断面図。

【図９】従来の他の静電レンズを示す概略断面図。

【図１０】静電レンズの同軸度とビーム径ぼけ率の関係
を示す図。

【符号の説明】

１静電レンズ２絶縁性筒体３挿入貫通孔４、６高抵抗材柱状体５低抵抗材柱状体７伝播貫通孔８、９１０貫通孔１２電源１５電子ビーム１６試料台２０ビームスキャナー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭64−81151（ＪＰ，Ａ) 特開平６−187901（ＪＰ，Ａ) 特開平２−152140（ＪＰ，Ａ) 特開平６−124650（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−31546（ＪＰ，Ａ) 特開平８−31336（ＪＰ，Ａ) 特開平８−321273（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/12 H01J 9/14 H01J 9/18 H01J 23/08 - 23/087 H01J 37/04

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームを発散あるいは収束させる
ための静電レンズの製造方法において、絶縁性筒体の挿入貫通孔に高抵抗材柱状体と低抵抗材柱
状体とを互いに隙間なく交互に挿入し、前記低抵抗材柱
状体と前記高抵抗材柱状体とを前記絶縁性筒体に一体化
させた状態で前記低抵抗材柱状体および前記高抵抗材柱
状体に前記荷電粒子ビームが伝播する伝播貫通孔を形成
することを特徴とする静電レンズの製造方法。
【請求項２】前記低抵抗材柱状体は金属材からなり、前
記高抵抗材柱状体はＳｉＣ材からなることを特徴とする
請求項１に記載の静電レンズの製造方法。
【請求項３】前記低抵抗材柱状体は低抵抗率の成分比率
を有するＳｉＣ材からなり、前記高抵抗材柱状体は高抵
抗率の成分比率を有するＳｉＣ材からなることを特徴と
する請求項１に記載の静電レンズの製造方法。
【請求項４】荷電粒子ビームを発散あるいは収束させる
ための静電レンズであって、絶縁性筒体の挿入貫通孔に
高抵抗材柱状体と低抵抗材柱状体とを互いに隙間なく交
互に挿入し、前記低抵抗材柱状体と前記高抵抗材柱状体
とを前記絶縁性筒体に一体化させた状態で前記低抵抗材
柱状体および前記高抵抗材柱状体に前記荷電粒子ビーム
が伝播する伝播貫通孔を形成したことを特徴とする静電
レンズ。