JPH02256147A - 多重４極子レンズのビーム回転機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高エネルギー荷電粒子ビーム応用装置に適用
される多重４極子レンズのビーム回転機構に関するもの
である。

（従来の技術） 高エネルギー荷電粒子ビーム加工装置は、周知の如く、
高エネルギーをもって一定方向に流れる電子ビームを電
磁レンズで絞って固体表面に焦点を結合すると、電子ビ
ームのパワー密度が大きくなり、電子のもつエネルギー
の大部分が熱エネルギーに変換されて、材料表面の気化
蒸発によって除去加工を行うものであるが、これには、
Ｗ、　Ｍｏ１ステンレス鋼等加工し難い金属或いはガラ
ス、水晶、セラミック、半導体材料、宝石類等への微小
穴や異形穴加工又はスリット加工に用いられる電子ビー
ム加工への応用として不活性ガス、例えばＡｒイオン等
を電気的に加速して、１０〜２０ＫｅＶの高エネルギー
のイオンを細かくビーム状に収束して被加工物の表面に
投射し、その部分を原子・分子のオーダで除去加工する
イオンビーム応用装置が存在する。

そして、上述の応用装置に使用されている荷電粒子ビー
ム用４極子レンズは、第５図及び第６図に示されるよう
に、一般に多重４極子レンズＱ＠が前後段（２０ａ）　
（２０ｂ）に配置して使用されている。

これは、数ＭｅＶのＨ＋ビーム或いはＨｅ”＋ビームを
用いて空間分解能数μｍオーダのＲＢＳ　、　ＰＩＸＥ
等の局所分析を行うシステムに、ビームを最小径数μｍ
オーダに絞る収束レンズＱＯとして用いられている。

ところが、昨今上記のシステムにおいては空間分解能サ
ブミクロンオーダが要求されるようになり、上記多重４
極子レンズ（２０ａ）　（２０ｂ）に該レンズ間の相対
的なビーム軸回りの回転組立誤差Ｅの精度が０．０００
１°程度迄必要とされている。

しかしながら、回転組立誤差Ｅの精度が上述の精度を要
する場合には、それを機械的な手段のみで得ようとすれ
ば高度な技術と精密機械が必要であり、現在の技術水準
並びに機器においては極めて困難である。

そこで、従来この打開策としては、電気的手段によって
機械的な回転組立誤差による収差を補正する方法がとら
れている。

その代表例として、４極子マグネツトについて４個のポ
ールピースを電気的に浮上させ、各々交互に十と−の電
位を印加する手段、又は二重４極子レンズについては、
図示は省略するが第３の４極子レンズを補正用に付加す
る手段が採用されている。

（発明が解決しようとする課題） 前掲の如く、高エネルギー荷電粒子ビーム応用装置に適
用するこの種多重４極子レンズの機械的な回転組立誤差
による収差を補正する手段として従来採用されているも
のにあっては、未だ次の問題点を抱えている。

即ち、４極子マグネットＱＯについて第７図の説明図に
ある通り、４個のポールピースＰを電気的に浮上させ、
各々交互に十と−の電位を印加するようにしているが、
４個のポールピースＰを電気的に浮上させる必要がある
ので、４極子マグネットＱＩの構成、その組立製作手段
に制約が存在し、また、第３の４極子レンズを補正用に
付加する二重４極子レンズ（２０ａ）　（２０ｂ）を用
いて行う場合には、第３の４極子レンズを設置しなけれ
ばならないので装置全体が大型化し、又４極子レンズＱ
Ｉ自体の相対的回転による収差以外に生ずる収差、例え
ば、球面収差等が大きくなるこの種のレンズ固有の問題
点を持っている。

本発明は上述の観点に鑑み発明されたものであって、４
極子マグネット自体の構成並びにその組立製作手段に制
約がなく、又球面収差等の増大を最小限に抑止すること
ができ、しかも装置全体が軽量、且つ小型となる高エネ
ルギー荷電粒子ビーム用多重４極子レンズを提供するこ
とに課題がある。

（課題を解決するための手段） 前述の課題を解決するための手段として本発明は、荷電
粒子ビーム源から引き出された荷電粒子ビームをコリメ
ータ通過させた後偏向電極により偏向させると共に荷電
粒子ビームを多重４極子しンズで収束し、この収束され
た荷電粒子ビームによって試料台に載置した試料を照射
して加工又は分析する高エネルギー荷電粒子ビーム応用
装置において、前記荷電粒子ビーム用４極子レンズば多
重４極子マグネットレンズ構成とされる他、該多重４極
子マグネットレンズ間には荷電粒子ビームを回転させる
ビーム回転機構が配設されてなる構成の発明と、前記ビ
ーム回転機構が荷電粒子ビームの中心軸に対して回転軸
対称の磁場を形成することが可能な構成である発明の高
エネルギー荷電粒子ビーム用多重４極子レンズを採用し
たものである。

（作　用） 前掲の如く、本発明によれば多重４極子マグネットレン
ズ間には荷電粒子ビームを回転させる独立したビーム回
転機構を配設したので、４極子レンズ自体の構成並びに
製作・組立における制約条件が少なく、又このビーム回
転機構は荷電粒子ビームの中心軸に対して回転軸対称の
磁場を形成する構成を具体的に採用している関係上、４
極子しンズ自体の相対的回転による収差以外に生ずる収
差、例えば、球面収差等が大きくなる欠点が解消できる
。

更に、本発明によれば装置全体の構成が軽量・小型化が
図れる利点もある。

（実施例） 以下、本発明の実施例に係る高エネルギー荷電粒子ビー
ム応用装置に置ける多重４極子レンズについて、第１図
乃至第４図を参照しながら詳述する。

本実施例は荷電粒子ビームを回転させる構成として、軸
回転対称磁気レンズを適用した装置例の実施例であるが
、第１図の断面図は軸回転対称磁気レンズを示すもので
あって、同図において、符号（１）は軸回転対称磁気レ
ンズ（以下、単に磁気レンズとする。）自体を示し、そ
れはコイル（２）とヨーク（３）とから構成され、ヨー
ク（３）　（３）間に発生する磁力線（４）はヨーク（
３）　（３）間に設定する中心軸（５）を軸中心とした
対称に形成されるものである。

従って、荷電粒子が磁気レンズ（１）を通過する際に中
心軸（５）の回りに回転する角度ψは、ψ−−／−ｅ／
８ｍφＸ、１１０　Ｎｌ　　（ｒａｄ）　−■但し、ｅ
；荷電粒子がもつ電荷量 ｍ；荷電粒子がもつ質量 φ；荷電粒子がもつ加速電圧 μ０；真空の透磁力 Ｎ；コイルの巻数 Ｉ；コイル電流 で与えられる。

そこで、上記０式に２ＭｅＶＨｅ−イオンを当てはめる
と、ψの２．２Ｘ１０−６ＮＩとなる。

そして、ψＣＯＯ，０ＯＯ１（’　）　ｃｏｌ、７　Ｘ
ｌ０−６（ｒａｄ）とすれば、ＮＩω０．８３アンペア
グーンとなり、Ｎ１■の値は実用値となることが窺い知
れる。

第２図の実施例は、２重４極子レンズを示す断面図であ
って、前後段の４極子レンズ（６）（７）間に第１図の
実施例に示した構成の磁気レンズ（１）を配置した構成
のものである。

本発明の多重４極子レンズの構成は以上の通りであるが
、次に、これらを高エネルギー荷電粒子ビーム応用装置
に適用し、磁気レンズ（１）を用いて回転組立誤差の補
正を行う場合を、第３図及び第４図の模式図に基づき説
明する。

第３図の模式図は、高エネルギー荷電粒子ビーム（８）
を局所領域に収束させる装置例の模式図であるが、同図
において符号（９）は荷電粒子ビーム源、００）は該荷
電粒子ビーム源から引き出された荷電粒子ビームが通過
するスリット（１１）を設けたコリメータ、０２）は一
対の偏向電極、面は被加工試料０４）を載置する試料載
置台、０団は２次電子０６）を検出する２次電子検出器
であって、本発明の磁気レンズ（１）を配置した前後段
の４極子レンズ（６）　（７）は、前記偏向電極０２）
と試料載置台面との間に配置され、荷電粒子ビーム（８
）を前記磁気レンズ（１）で軸回転させながらそれを局
所収束させる構成である。

この場合、試料０■で得られる荷電粒子ビーム（８）の
ビーム径はコリメータ０１）のスリット幅００）を極小
にすればする程理論的には無限小とすることができるが
、実際には前後段４極子レンズ（６）　（７）が有する
色収差の他、これら前後段４極子レンズ（６）　（７）
の相対的回転誤差による収差の為、得られるビーム径は
有限となる。

これについて本実施例は、試料θ３）上での荷電粒子ビ
ーム（８）径を評価しながら磁気レンズ（１）のコイル
（２）に流れる電流値を調節することによってその調整
制御を行っている。

荷電粒子ビーム（８）径の評価手段としては、試料０３
）上に荷電粒子ビーム（８）を照射した時に発生する２
次電子Ｏｅ量を２次電子検出器０ωで検出して得られる
試料側表面上の２次電子像の解像度によって評価するよ
うにしている。

このようにして荷電粒子ビーム（８）径の評価がなされ
＼ば、その評価に基づく結果により磁気レンズ（１）の
励磁力、つまりコイル（２）に流れる電流値を設定すれ
ば、入射する荷電粒子ビーム（８）のエネルギーを変更
しない限り、再調整することはない。

本実施例では磁気レンズ（１）のコイル（２）に流す定
電流電源として、出力電流がＯ〜２Ａ、設定精度が１０
ｍＡ程度のものを適用する。

例えば、上記コイル（２）の巻数が５０巻とすれば、本
実施例の場合では前掲の０式によって、回転角度ψは、
０．０１２０°、回転設定精度は０．００００６°以下
の値が得られる。

次に、荷電粒子ビーム（８）を回転させること一１４極
磁気レンズ（６）　（７）の回転組立誤差との関係につ
いて記述すると、４極子レンズ（６）　（７）の収束発
散作用は、レンズ１個では一方向に収束作用すると共に
直角方向にも発散作用を為すが、これを前後段レンズの
極性を異にしておけば、第４図に示す如くｘ方向には収
束発散作用をなし、Ｙ方向、即ち、直角方向には発散後
収束する。

従って、全体としては前後段の２段でＸＹ両方向に収束
効果を発揮する。

ところで、４極磁気レンズ（６）（７）に相対的回転組
立誤差があれば、前段の４極子レンズ（６）によってＹ
方向に発散された荷電粒子ビーム（８）は、後段の４極
子レンズ（７）は収束作用以外に回転誤差に比例した発
散効果が加わる為、結果として試料０３）上では荷電粒
子ビーム（８）の焦点が定まらなくなる。

これを解決するために本実施例では、前段の４極子レン
ズ（６）を通過した荷電粒子ビーム（８）が後段の４極
子レンズ（７）に達するまでに回転誤差分だけ磁気レン
ズ（１）により荷電粒子ビーム（８）をビーム中心軸回
りに回転させ、等価的に回転組立精度を補正するように
している。

しかしながら、本実施例のように磁気レンズ（１）と前
後段の４極子レンズ（６）（７）の球面収差を最小限に
抑止するようにしているが、前後段の４極子レンズ（６
）　（７）を追加することは必然的に球面収差の増大を
来し、レンズの種類によりその球面収差は異なるが、本
実施例にあっては磁気レンズ（１）に軸対称レンズを使
用して最小の球面収差となるようにしいている。

本実施例は以上の通りであるが、要するに従来法におい
て第３の４極子レンズを追加設置する場合にあっても、
又本発明における軸対称磁気レン”ズを適用する場合に
おいてもレンズ自体の球面収差が補正できることではな
く、球面収差の増大幅を最小に抑止することである。

（発明の効果） 本発明は以上の如く、高エネルギー荷電粒子ビーム応用
装置に適用する荷電粒子ビーム用４極子レンズとして、
多重４極子マグネットレンズ構成とする他、該多重４極
子マグネットレンズ間には荷電粒子ビームを回転させる
ビーム回転機構を配設した構成、或いは該ビーム回転機
構は、荷電粒子ビームの中心軸に対して回転軸対称の磁
場を形成することが可能な構成にしたので、４極子マグ
ネットレンズ自体の構成並びに製作・組立における制約
条件が少なく、４極子レンズ自体の相対的回転による収
差以外に生ずる球面収差の増大を最小限に抑止すること
ができ、又回転組立誤差の補正が等価的にできる等＼の
効果がある。更に、装置全体の構成も軽量・小型化が図
れる効果も有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の高エネルギー荷電粒子ビーム応用装置
における多重４極子レンズに適用する磁気レンズの実施
例を示す断面図、第２図は本発明の高エネルギー荷電粒
子ビーム用多重４極子レンズの他の実施例を示す断面図
、第３図は本発明の高エネルギー荷電粒子ビーム用多重
４極子レンズを適用する高エネルギー荷電粒子ビーム応
用装置の全体構成を示す模式図、第４図は荷電粒子ビー
ム収束発散の関係を示す説明用模式図、第５図及び第６
図は従来の高エネルギー荷電粒子ビーム用多重レンズを
示す説明図、第６図は従来の高エネルギー荷電粒子ビー
ム用多重４極子レンズを示す側面図、第７図は従来の４
極子マグネツトにおける電位の印加を説明するための説
明図である。 符号の名称は以下の通りである。 （１）　（２Ｉ−軸対称磁気レンズ、（２）−コイル、
（３）−ヨーク、（４）−磁力線、（５）−軸対称磁気
レンズの中心軸、（６）（２０ａ）　−・−前段４極レ
ンズ、（７）（２ｏｂ）　、−後段４極レンズ、（８）
−荷電粒子ビーム、（９）−・−荷電粒子ビーム源、ａ
［Ｉ）−コリメータのスリット、（１１）−・・コリメ
ータ、０２）・・−偏向電極、０３）−試料、圓−試料
載置台、０５）−二次電子検出器、０ω−・−二次電子
、ＸＹ−荷電粒子ビーム収束発散方向、Ｐ−ポールピー
ス、Ｅ−ビーム軸回りの回転組立誤差。 第１図 第２図 第３図 第４図 第７図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）荷電粒子ビーム源から引き出された荷電粒子ビー
   ムをコリメータに通過させた後偏向電極により偏向させ
   ると共に荷電粒子ビームを４極子レンズで収束し、この
   収束された荷電粒子ビームによって試料台に載置した試
   料を照射して加工又は分析する高エネルギー荷電粒子ビ
   ーム応用装置において、前記荷電粒子ビーム用４極子レ
   ンズは多重４極子マグネットレンズ構成とされる他、該
   多重４極子マグネットレンズ間には荷電粒子ビームを回
   転させるビーム回転機構が配設されてなる構成の多重４
   極子レンズのビーム回転機構。
2. （２）請求項（１）記載のビーム回転機構は、荷電粒子
   ビームの中心軸に対して回転軸対称の磁場を形成するこ
   とが可能な構成である高エネルギー荷電粒子ビーム応用
   装置における多重４極子レンズ。