JP3686466B2

JP3686466B2 - 荷電粒子線装置

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Publication number: JP3686466B2
Application number: JP31018795A
Authority: JP
Inventors: 寛鈴木; 裕介矢島; 由夫高橋; 勝広黒田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-11-29
Filing date: 1995-11-29
Publication date: 2005-08-24
Anticipated expiration: 2015-11-29
Also published as: JPH09147776A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は荷電粒子線装置、更に詳しく言えば、一つの荷電粒子源から発生した荷電粒子線で、二つ以上の観察対象の情報を得る荷電粒子線装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
二つの観察対象に一つの荷電粒子線を通し、二つの観察対象の情報を含んだ像を得る荷電粒子線装置の例としては、文献アイイーイーイートランスアクションオンマグネティクス１２巻１号１月１９７６年３４頁−３９頁（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＯＮＭＡＧＮＥＴＩＣＳ、ＶＯＬ．ＭＡＧ−１２、ＮＯ．１、ＪＡＮＵＡＲＹ１９７６ｐ３４−３９）がある。この文献では、荷電粒子線装置として、透過型電子顕微鏡が用いられた。この荷電粒子線装置は、図１１に示すように、まず、電子線ＥＢをアモルファスの薄膜Ｄに通し、対物レンズＯＬを介して面Ｄ’に結像し、拡大レンズＤＬによって明視野像をネガ（ＰｈｏｔｏＰｌａｔｅ）に撮る。次に、対物レンズＯＬの下に磁界Ｆを設置し、磁界Ｆにより歪んだ薄膜Ｄの明視野像を先に撮ったネガに重ね焼きしている。
【０００３】
この荷電粒子線装置では一つの電子線が用いられ、歪んでいない薄膜の像と磁界で歪んだ薄膜の像の二つの像が一枚のネガに重ね焼きされる。このとき一枚の画像には、一つの観察対象である薄膜の情報と、もう一つの観察対象である磁界の情報とが含まれる。上記文献では、薄膜と磁界との二つの観察対象に関する情報を、一つのネガ、すなわち像に含ませることのできる装置が述べられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記文献に記載された従来技術を用いて、磁界Fで歪ませた薄膜の像を得るためには、薄膜Ｄと磁界Ｆの間にある対物レンズＯＬの励磁を調整し、薄膜の像を磁界Ｆの場所から少しずれた位置Ｄ’に結像させることが必要である。さらに、像に含まれる歪みの大きさを変えるためには、薄膜と磁界の間にある対物レンズＯＬの励磁を変化させて、薄膜の結像位置Ｄ’を変える必要がある。
【０００５】
一般に、磁界レンズの励磁が変化すると、電子ビーム軸中心に電子ビーム軸と垂直な面で像は回転する。上記荷電粒子線装置も、対物レンズＯＬとして動作している磁界レンズの励磁が変化すると、薄膜と磁界を重ね合わせた像では、薄膜の像が磁界に対して回転したように観察される。しかし、例えば、薄膜Ｄの像が面内で格子状の様な方向性を有するものとすると、薄膜像の磁界による歪み量の調整を行うために、磁界レンズの励磁を変化させれば、薄膜の像が磁界に対して回転し、薄膜の歪み自体を観察する場合に、非常に不都合である。また、薄膜と磁界との関係に限らず、二つの試料の重ね合わせ像の中で、その方向性が観察にとって重要な場合には、像としての修整も困難であり、この回転現象が問題となる。
【０００６】
従って、本発明の目的は、二つ以上の観察対象の間にある磁界レンズの励磁の変化によって生じる相対的回転現象を無くし、重ね合せ像における対象物の相対的な角度の関係を一定に保つことができる荷電粒子線装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の荷電粒子線装置では、一つの荷電粒子源から発生した荷電粒子線を複数の観察対象に通し、上記複数の観察対象に関する情報を得る荷電粒子線装置において、荷電粒子線の軌道上の異なる位置に、上記観察対象を保持する複数のステージを備え、上記複数のステージの間に一つ以上の磁界レンズを備え、上記複数のステージの少なくとも一つが、荷電粒子線の軌道方向と平行な軸を中心に回転する機能を備える。観察対象物は、荷電粒子線を部分的に通すことのできる試料、あるいは荷電粒子線を一様に通すことのできる試料、あるいは磁界、あるいは電界で構成される。また、観察対象に関する情報は、二次元面への投影像である。また、上記ステージの回転は、磁界レンズの励磁電流と連動して制御される。さらに、ステージの少なくとも一つは、荷電粒子線の軌道方向に垂直な面内方向に移動するように構成されている。
【０００８】
また、好ましい実施の形態によれば、上述の構成に加え、少なくとも一つのステージと磁界レンズとの間に荷電粒子線の偏向手段を付加する。上記偏向手段は、磁界レンズの励磁電流と連動する制御ができる様に構成される。
【０００９】
さらに、本発明の他の実施の形態では、一つの荷電粒子源から発生した荷電粒子線を二つ以上の観察対象に通し、二つ以上の観察対象に関する情報を得る荷電粒子線装置において、荷電粒子線の軌道上の異なる位置に、観察対象を保持する二つ以上のステージを備え、二つ以上のステージの間に二つ以上の磁界レンズを備える。ここで、ステージの間に備えた二つ以上の磁界レンズのうちの一つの磁界レンズの励磁電流の変化によって生じる二次元面への投影像の回転に対し、逆向きの回転を与えるように、他の磁界レンズの励磁電流を連動制御するように構成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
図１は本発明による荷電粒子線装置の第１の実施の形態を示す。本実施の形態では、荷電粒子線として、電子線を用いた場合で説明する。
【００１１】
試料台３に保持された対象物７に、電子源１から発生した電子線２を通す。さらに、試料台３を透過した電子線２を磁界レンズ５に通し、磁界レンズ５の下に設置した試料台４に保持された対象物８に通す。試料台３は、第１のアクチュエータ１３によって、その位置を電子線２に垂直な面内で移動させる。また、試料台４も、第２のアクチュエータ１５によって、その位置を電子線２に垂直な面内で移動させる。試料台４は、電子線の進行方向に平行な軸を中心に回転することができ、この回転駆動も、アクチュエータ１５によって行われる。アクチュエータ１３及びアクチュエータ１５は、それぞれ制御手段２０中のアクチュエータ制御手段１４及びアクチュエータ制御手段１６によって制御される。
【００１２】
以下、例として、対象物７が図２（ａ）に示されるようなメッシュ７Ａ（例えばＣｕ，５μｍ〜５０μｍ方形）で、対象物８が図２（ｂ）に示されるような粒子８Ａ（例えばＦｅの結晶で１０−１００ｎｍ）の集合体である場合で説明する。磁界レンズ５を用いて、対象物７の像を対象物８の設置された位置にほぼ合わせ結像させる。さらに、撮像部６に映し出される重なりの像を観察しながら、図３（ａ）に示したようにメッシュ７Ａの方向と粒子８Ａの方向が合うように調節する。調節は、図１で示したスイッチ２１をオフにして、アクチュエータ制御手段１６で試料台４を回転させることにより行う。
【００１３】
次に、試料７のフォーカスを微調整するために、レンズ電流制御手段１７によってレンズ電源１９を制御し、磁界レンズ５の励磁電流を微小に変化させると、図３（ｂ）に示すように、対象物７のメッシュの像７Ａが、対象物８の粒子の像８Ａに対してΔθだけ回転する。さらに、相対的な倍率の微小な変化も生じる。倍率については図１には示されていないレンズを付加し、これを用いたり、あるいは撮像後の画像処理を行うことにより補正する。以下は倍率に関しての説明は省く。ここで、図１中のスイッチ２１をオンにして、レンズ電源１９の出力側に取り付けられたレンズ電流モニタ手段１８の検出結果を、アクチュエータ制御手段１６に送る。検出結果は調整前後の電流値、あるいは電流値の変化分である。この値を基にアクチュエータ制御手段１６が、アクチュエータ１５を動かし、試料台４に保持された対象物８を回転させる。
【００１４】
一般に、磁界レンズ５の軸上磁界Ｂと像の回転角θとの関係は、Φを軸上電位として、
【００１５】
【数１】

【００１６】
で表される。物面と像面が磁界レンズの磁界Ｂの外にあれば、Ｎをターン数、Ｉを電流として、
【００１７】
【数２】

【００１８】
であるので、ｋを定数として、
【００１９】
【数３】

【００２０】
と表すことができる。式（３）より、回転角の変化Δθは、電流値の変化ΔＩとの関係を用いて以下のように示すことができ、これを用いて試料８を回転させ回転角を補正制御する。
【００２１】
【数４】

【００２２】
この回転の制御により、観察された像は、図４のように、対象物７のメッシュと対象物８の粒子に生じた像の相対的な回転を打ち消すことができる。
上記実施の形態では、試料台４に回転機構を備えたが、これを試料台４ではなく、試料台３に取り付けて、試料台３に対して上記の回転補正の制御を行っても、同様に回転補正ができる。
【００２３】
（第２の実施の形態）
図５は本発明による荷電粒子線装置の第２の実施の形態を示す。第１の実施の形態と同じように、構成は、一つの電子源１、試料台３に保持された試料７、試料台４に保持された試料８、試料台３と試料台４との間に磁界レンズ５、下に撮像部６を備えている。本実施の形態では、試料台３に回転機能を備えているが、試料台４に備えても同様の効果がある。さらに、本実施の形態では、磁界レンズ５と試料台４との間に偏向器９を備えている。尚、本実施の形態も図１の実施の形態と同様に、荷電粒子線として電子線２を用いた場合で説明する。
【００２４】
まず、一つの電子源１から発生させた電子線２は試料７、磁界レンズ５、偏向器９及び試料８に通し、第１の実施の形態と同様に、撮像部６で二つの試料の重ね合わせ像を得る。ここで、磁界レンズ５の励磁を変化させると、回転が生じたように観察される。このため、第１に実施の形態と同じように、レンズ電源１９の出力をレンズ電源モニタ手段１８で検出する。スイッチ２１をオンにし、この結果を回転機能を有する試料台３のアクチュエータ制御部１４に入力し、励磁電流の変化分だけ、試料７を回転させる。回転角は、第１の実施の形態と同様に計算で求める。この結果、角度の補正が行え、試料７と試料８の方向を合わせることができる。
【００２５】
しかし、上記の回転補正だけでは、図６に示したように矢印方向に画像の相対的なシフト成分が残る。この相対的なシフトは、電子線２が磁界レンズ５の軸外を通ることによって生じる現象であった。このため、本実施の形態では、図５に示したように磁界レンズ５と試料台４との間に偏向器９を備えた。偏向器９には、偏向器電源２４の出力電流が流され、偏向器電源２４は偏向器電源制御手段２５によって制御される。ここで、スイッチ２２をオンにし、偏向器電源制御手段２５に上述のレンズ電流モニタ手段１８で検出した電流を入力し、画像のシフトに相当した分だけ逆向きにシフトさせる。レンズ電流に対する像のシフト量と方向は、予め調べておいた値を制御に用いる。この結果、像のシフト成分を除去することができる。
【００２６】
（第３の実施の形態）
図７は本発明による荷電粒子線装置の第３の実施の形態を示す。本実施の形態では、偏向器１０が試料台３と磁界レンズ５との間に設置されたものである。図７において、図５と同一の構成要素には同じ番号を付している。本実施の形態では、偏向器１０を使って、電子線２が磁界レンズ５の中心軸上を通るようにしている。これにより、軸外を通ることによって、像が相対的にシフトして観察される現象を回避した。
【００２７】
また、上記の像のシフトは、例えば電子線２の進行方向に垂直な面内で移動することのできるアクチュエータ１５を用いてもよい。この場合は、図５または図７のスイッチ２３をオンにし、アクチュエータ制御手段１６で試料台４を動かし、像をシフトさせる。これによっても上記のシフトを修整できる。
【００２８】
（第４の実施の形態）
図８は本発明による荷電粒子線装置の第４の実施の形態を示す。本実施の形態では、試料台３、試料台４の間に二つの磁界レンズ５及び１１を設けた。一つの電子源１から発生させた電子線２は試料７を通過する。さらに、磁界レンズ５、補助磁界レンズ１１を通過し、２つの磁界レンズ５、１１で、試料８の位置に試料７の像を結像させる。さらに、電子線２を試料８に通し、撮像部６で二つの試料の重ね合せ像を得る。まずスイッチ２１をオフにし、アクチュエータ制御手段１４で試料台３の試料７を回転させ、重ね合わせ像の回転角度を調整する。
【００２９】
次に、磁界レンズ５の励磁を変化させる。前記実施の形態と同様に、試料８の位置に結像させた試料７の像が回転する。ここで、レンズ電流モニタ手段１８でレンズ電源１９の出力を検出し、これをレンズ電源制御部１７に送る。レンズ電源制御部１７では、第１の実施の形態と同様に、検出された励磁電流の変化から回転角を算出する。そして、これを基に回転を補うように補助レンズ電源２８を制御する。これにより、逆向きの回転が像に与えられるように補助磁界レンズ１１の励磁が変化する。撮像部６で得られる像では、磁界レンズ５の励磁の変化によって、回転した像が、逆方向の励磁の変化によって元の向きに戻り、相対的な回転を回避できる。
【００３０】
本実施の形態では、磁界レンズ５の励磁の変化に補助磁界レンズ１１の励磁を追従させる方式をとったが、逆に、補助磁界レンズ１１を変化させ、これに磁界レンズ５を追従させてもよい。また、本実施の形態では、レンズ電源検出手段１８を用いて、励磁電流をレンズ電流制御手段１７に入力したが、これを行わず、レンズ電源制御部１７の内部で、二つのレンズ電源の調整を同時に行ってもよい。また、レンズの連動を用いずに、スイッチ２１をオンにし、試料７の回転による補正を行っても同様の効果がある。
【００３１】
（第５の実施の形態）
図９は本発明による荷電粒子線装置の第４の実施の形態を示す。本実施の形態では、図８の試料８を磁気ヘッド部材のような磁界発生部材１２に取り替え、試料８の粒子をこれまでの試料７の位置に設置しものである。磁界レンズ５と補助磁界レンズ１１で、磁界発生部材１２の中心に試料８の像を結像させた場合、図１０（ａ）に示したように、得られる像には粒子と部材の影だけが、殆ど歪みのない状態で観察される。次に、スイッチ２１をオンにし、磁界レンズ５の励磁の変化に伴う像の回転を、試料台４の回転で補正するようにする。この状態で、磁界レンズ５の励磁を変化させ、結像位置を磁界発生部材の中心から少しずらすと、像は図１０（ｂ）のようになり、磁界の発生している空間が歪んで観察される。観察された像では、磁界に対して角度一定なメッシュを基準として、電子線の磁界による偏向角度を求めることができる。この結果、磁界発生部材１２からの漏洩磁界を定量的に測定することができる。
また、図９では磁界を用いたが、磁界の代わりに電界を用いた場合でも、画像の歪み量から、空間の電界強度を定量的に求めることができる。
【００３２】
【発明の効果】
一つの荷電粒子源から発生させた荷電粒子線で、二つ以上の観察対象の重ね像を得る場合に、観察対象間の磁界レンズの励磁変化により生じる像の相対的な回転補正ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による荷電粒子線装置の第１の実施の形態を示す図である。
【図２】第１の実施の形態における試料７及び８を示す図である。
【図３】第１の実施の形態における試料像を示す図である。
【図４】第１の実施の形態における二つの試料像の回転補正を行った試料像を示す図である。
【図５】本発明による荷電粒子線装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図６】二つの試料像の相対的位置ずれが生じた例を示す図である。
【図７】本発明による荷電粒子線装置の第３の実施の形態を示す図である。
【図８】本発明による荷電粒子線装置の第４の実施の形態を示す図である。
【図９】本発明による荷電粒子線装置の第５の実施の形態を示す図である。
【図１０】本発明による荷電粒子線装置の第５の実施の形態における粒子と磁界の重ね合わせ像の例を示す図である。
【図１１】従来の荷電粒子線装置の要部構成図である。
【符号の説明】
１…電子源、２…電子線、３…試料台Ａ、４…試料台、５…磁界レンズ、
６…撮像部、７…対象物、８…対象物、９…偏向器、１０…偏向器、
１１…補助磁界レンズ、１２…磁界発生部材、１３…アクチュエータ、
１４…アクチュエータ制御手段、１５…アクチュエータ、
１６…アクチュエータ制御手段、１７…レンズ電流制御手段、
１８…レンズ電流モニタ手段、１９…レンズ電源、２０…制御手段、２１…スイッチ、２２…スイッチ、２３…スイッチ、２４…偏向器電源、２５…偏向器電源制御手段、２８…補助レンズ電源、２９…補助レンズ電流モニタ手段。

Claims

一つの荷電粒子源から発生した荷電粒子線を第１の観察対象に通し、第１の観察対象を通過した荷電粒子線を第２の観察対象に通し、上記二つの観察対象に関する情報を得る荷電粒子線装置において、
上記荷電粒子線の軌道上の異なる位置に、上記観察対象を保持する二つの試料台を備え、上記二つの試料台の間に一つ以上の磁界レンズを備え、上記試料台の少なくとも一つを荷電粒子線の軌道方向と平行な軸を中心に回転させる回転駆動手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
一つの荷電粒子源から発生した荷電粒子線を第１の観察対象に通し、第１の観察対象を通過した荷電粒子線を第２の観察対象に通し、上記二つの観察対象に関する情報を得る荷電粒子線装置において、上記荷電粒子線の軌道上の異なる位置に、上記観察対象を保持する二つの試料台を備え、上記二つの試料台の間に二つ以上の磁界レンズを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。