JPH06105598B2 - 荷電ビーム用レンズ - Google Patents

荷電ビーム用レンズ

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JPH06105598B2
JPH06105598B2 JP4069231A JP6923192A JPH06105598B2 JP H06105598 B2 JPH06105598 B2 JP H06105598B2 JP 4069231 A JP4069231 A JP 4069231A JP 6923192 A JP6923192 A JP 6923192A JP H06105598 B2 JPH06105598 B2 JP H06105598B2
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    • H01J37/02—Details
    • H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement or ion-optical arrangement
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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Electron Beam Exposure (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、開口(球面)収差の
制御が可能な荷電ビーム用のレンズに関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】従来から、電子ビームやイオンビーム装
置で使用されている荷電ビーム用のレンズの多くは、荷
電ビームの飛翔方向の中心を光軸(Z軸)とすると、光
軸に対して回転(軸)対称な形状を有する磁界レンズや
電界レンズであり、これら軸対称レンズでは開口収差
(球面収差)を補正できない。
【0003】一方、光軸に平行に4つの電極や磁極を配
置した四極子レンズは電界或は磁界の主成分が荷電ビー
ムと直交して作用するため、強いレンズ作用が得られる
反面、1段の四極子レンズではX−Z面で発散(凹)レ
ンズ作用、Y−Z面で集束(凸)レンズ作用を有すると
いうように、極端な軸非対称レンズである。
【0004】このため、イオンマイクロアナライザ、イ
オンビームリソグラフィ装置、オージェ電子分光装置や
X線マイクロアナライザ等のビーム集束に四極子レンズ
を利用する場合、2段乃至3段以上の四極子レンズを組
み合わせて使用する必要がある。
【0005】上記のような荷電ビーム装置では微小ビー
ム径にビームを集束した時のビーム電流値が大きいほ
ど、装置の特性やスループットを向上させることがで
き、またビーム電流を増大させるためには荷電ビーム源
等に問題がなければビームの有効開き角を大きくすれば
良い。
【0006】しかし、これを規制しているのはレンズの
開口(球面)収差である。一般に、ビーム光軸に対して
回転対称形の磁界レンズ、円筒レンズ、三枚電極レンズ
等による結像位置における開口収差によるボケΔrは、
ビームの開き角をβとすると次式で表わされる。
【0007】 Δr=Cs β3 (1) ここで、Cs は開口収差係数である。
【0008】これに対して、球面レンズ作用をもたない
四極子レンズでは、開口収差は更に複雑となり、X−Z
面とY−Z面における開口収差によるボケΔX、ΔYは
各々の面でのビームの開き角α,βに依存する開口収差
係数をCA30 ,CA12 ,CA21 ,CA03 とすると、次式
で表わすことができる。
【0009】 ΔX=(CA30・α2 +CA12・β2 )α (2)
【0010】 ΔY=(CA21・α2 +CA03・β2 )β (3)
【0011】四極子レンズを3段以上組み合わせてレン
ズ系を構成し回転対称レンズと同様な使い方して、X−
Z面のレンズ倍率とY−Z面のレンズ倍率が|MX|=|MY|=
1 と等しい場合、α=βの関係が成り立ち、CA21 =C
A12 となる。
【0012】このようなステイグマティックな条件のも
とでは3項[(2)式、(3)式のCA12とCA21
は等しい]の開口収差係数の値が小さいほどレンズ特性
が優れていることになる。
【0013】上記のような四極子レンズ系では、八極子
レンズ作用と組み合わせることによって、開口収差の補
正が可能であり、また四極子レンズ系は八極子レンズと
組み合わせなくとも、四極子レンズ系と光軸を同じくす
る開口電極と組み合わせることにより八極子レンズ作用
を励起させて開口収差の補正が可能である(特公昭53-3
0628号公報、特公昭55-28179号公報)。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】しかし、3段四極子レ
ンズ系において、四極子レンズの励起条件が第2四極子
レンズに対して左右対称でない場合は、CA12 ≠CA21
となり、4つの開口収差係数を完全に同じように制御す
ることは非常に難しい。
【0015】即ち、CA30 の補正によってCA12 、C
A21 が増大し、CA12 、CA21 の補正ではCA30 やC
A03 が増大するというように非常に大きな係数が相互に
打ち消し合わなければならないため、八極子レンズの励
起作用も強くなり、僅かなミスアライメントから残留す
る収差が大きいことやミスアライメントに起因する機械
的な収差によって補正特性が著しく損なわれるため現実
的には補正が困難となる。
【0016】例えば、図2に示すような3段の四極子レ
ンズと開口電極を組み合わせた補正系(特許第1458265
号) において、1、2、3は四極子レンズ、4、5は開
口電極、XはX−Z面のビーム軌道、YはY−Z面のビ
ーム軌道であるが、この補正系においては四極子レンズ
系が3段であり、CA12 ≠CA21 となる励起条件下で収
差補正を行なうところから、上記の開口収差係数を自由
に補正制御する完全補正系を実現することができないと
いう課題を残している。
【0017】上記補正系では加速電圧に対する印加電圧
の比で表わした励起強度(図2で四極子レンズ系や開口
電極上に示した数値)で明らかなように、第2四極子の
入射端面付近で線状集束させるために、強い四極子励起
強度を必要とし、このためX−Z面(発散−集束−発
散)面のビームの離軸距離も大きくなるなどの難点があ
る。
【0018】
【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、この発明では四極子レンズとこれと光軸を同じく
する軸上に開口を有する開口電極を組み合わせることに
よって開口収差を制御する荷電ビーム用レンズにおい
て、第1、第2、第3、第4の四極子レンズと前記第1
四極子レンズの前に配置された第1開口電極、第1四極
子レンズと第2四極子レンズ間に配置された第2開口電
極、第2四極子レンズと第3四極子レンズ間に配置され
た第3開口電極、第3四極子レンズと第4四極子レンズ
間に配置された第4開口電極及び第4四極子レンズの後
に配置された第5開口電極からなり、更に荷電ビームを
第3開口電極付近で線状に集束させるように前記四極子
レンズを励起する手段と第1〜第5開口電極の励起によ
って誘起される八極子レンズ作用で開口収差を補正制御
するための電圧を印加する手段を具備せしめた荷電ビー
ム用レンズを提供するものである。
【0019】ここで、四極子レンズは電界型或は磁界型
の四極子レンズ何れをも使用することができる。
【0020】
【作用】この発明に係るレンズ系は4つの四極子レンズ
と5つの開口電極とからなり、構成要素は多いが、制御
は下記のように極めて簡単に行なわれる。
【0021】即ち、この発明による荷電ビーム用レンズ
の特徴とレンズ作用を次に示すと、(1)第1、第4四
極子レンズと第2、第3四極子レンズの励起強度を各々
等しくし、第3開口電極付近で線状に集束する励起条件
を使用することにより、X−Z(発散−集束−集束−発
散レンズ作用)面の倍率は1、Y−Z(集束−発散−発
散−集束レンズ作用)面の倍率は−1となる。(2)第
3開口電極の励起によって、Y−Z面のビーム軌道が光
軸と交差する位置で、X−Z面の開口収差係数CA30 を
補正することにより他の収差係数の増大を抑えることが
できる。(3)励起条件が第3開口電極を中心に対称で
あるため、収差係数はCA12 =CA21 となる。(4)こ
のため、第1、第5開口電極と第2、第4開口電極の励
起を等しく、この2つの励起の調整によって、CA03 と
CA12 を補正することができる。
【0022】
【実施例】図1はこの発明の一実施例を示すもので、1
1,12,13,14 はそれぞれ電界型の第1、第2、第3、第
4の四極子レンズ、21,22,23,24,25はそれぞれ第1、第
2、第3、第4、第5開口電極、X´はX−Z面、Y´
はY−Z面のビーム軌道、αはX−Z面、βはY−Z面
のビームの開き角である。
【0023】なお、各四極子レンズ11〜14及び第1〜第
5開口電極21〜25への電圧を印加する手段は省略してあ
る。
【0024】このレンズ系では、第1四極子レンズ11と
第4四極子レンズ14、第2四極子レンズ12と第3四極子
レンズ13の励起強度を各々等しくし、第3開口電極23付
近で荷電ビームが線状に集束されるようにする。
【0025】更に第3開口電極23の励起によってX−
Z面の開口収差係数CA30を補正し、また第1開口電
極21、第5開口電極25と第2開口電極22、第4開
口電極24の励起が各々等しくなるように調整して開口
収差係数CA03とCA12並びにCA21を調整す
る。
【0026】即ち、この実施例によれば第1四極子レン
ズ11と第4四極子レンズ14、第2四極子レンズ12と第3
四極子レンズ13の励起強度を各々等しくし、第3開口電
極23付近で荷電ビームが線状に集束する励起条件を使用
することにより、レンズ系におけるX−Z面の倍率は
1、Y−Z面での倍率は−1となる。
【0027】このため、第3開口電極23の励起によ
り、ビーム軌道Y′がビーム光軸28と交差する位置近
傍で開口収差係数CA30を補正でき、しかも他の収差
係数の増大を抑えることができる。
【0028】また励起条件が第3開口電極23を中心に
対称であるため、開口収差係数CA12=CA21とな
り、更に第1、第5開口電極21、25と第2、第4開
口電極22、24を等しく励起させる条件下で、開口収
差係数CA03とCA12を補正することができる。
【0029】下記の表1は4つの四極子レンズと5つの
開口電極から構成される本発明のレンズ系において、励
起強度によって開口収差係数がどのように変化するかを
計算から求めた開口収差制御特性の例であり、表中開口
電極励起前とは4段四極子レンズ系の特性である。
【0030】また、電界型四極子レンズの電極長を14m
m、四極子レンズ及び開口電極の開口径を約7mm 、開口
電極の厚さを2mm 、ビーム源から第1四極子レンズ11中
心までの距離Z1 と第4四極子14中心から集束点までの
距離Z0 はZ1 =Z0 =57mmの一定条件で計算した。
【0031】
【表1】
【0032】表1中において、励起強度は加速電圧に対
する印加電圧の比で表わし、例えばVQ1/Va=±
0.038699は加速電圧がVa=20kVであれ
ば、第1四極子レンズ11と第4四極子レンズ14に印
加する電圧は±773.98Vとなる。
【0033】したがって、開口電極の励起前と励起後の
四極子レンズ励起強度がVQ1、VQ2で0.19%、
0.12%程度異なるのは開口電極の励起によって誘起
される電界レンズ作用による焦点位置のズレを四極子レ
ンズの励起で補償したことを示している。
【0034】また、図1の31( 実線) は四極子レンズフ
ィールドを表わす電位分布、32( 一点鎖線)は八極子レ
ンズフィールドを表わす電位分布、33(破線)は電界レ
ンズフィールドを表わす電位分布である。
【0035】これらの電位分布は四極子レンズと開口電
極による補正レンズの特徴で、開口電極励起による軸対
称な電界レンズ作用が非常に弱く、レンズの焦点特性は
ほぼ四極子レンズの励起で決まり、開口電極励起によっ
て開口収差を制御できることを示している。
【0036】表1に示した開口収差の補正例では、四極
子レンズ及び開口電極には加速電圧の3.9%以下の印加電
圧で、四極子電極及び開口電極の励起強度が比較的弱
く、励起制御も簡単な条件で、全ての開口収差係数を0
にすることができることを示している。
【0037】また、この発明によれば従来不可能であっ
た開口収差を自由に制御できるので、軸対称な磁界レン
ズや電界レンズの前或は後にこの発明によるレンズを配
置することにより、軸対称レンズの開口収差係数CS を
打ち消すことができる。
【0038】即ち、四極子レンズ及び開口電極の励起条
件を制御することにより、CA30 =CA12 =CA21 =C
A03 =−CS となるような収差補正レンズシステムを実
現できる。
【0039】
【発明の効果】以上要するに、この発明によれば比較的
弱いレンズ励起強度によって開口収差を規制する4つの
収差係数を任意に制御できることになる。特に倍率1の
レンズにおいて開口収差0のレンズ系を実現することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による荷電ビーム用レンズの構成とビ
ーム軌道を示す図
【図2】従来の3段の四極子レンズと開口電極とから構
成される荷電ビーム用レンズにおけるビーム軌道と励起
強度及びその特性を示す図
【符号の説明】
11,12,13,14 は第1、第2、第3、第4四極子レンズ 21,22,23,24,25は第1、第2、第3、第4、第5開口電
極 31,32,33は四極子レンズ、八極子レンズ、電界レンズの
電位分布 X´はX−Z面のビーム軌道 Y´はY−Z面のビーム軌道 αはX−Z面のビームの開き角 βはY−Z面のビームの開き角

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 四極子レンズとこれと光軸を同じくする
    軸上に開口を有する開口電極を組み合わせることによっ
    て開口収差を制御する荷電ビーム用レンズにおいて、第
    1、第2、第3、第4の四極子レンズと前記第1四極子
    レンズの前に配置された第1開口電極、第1四極子レン
    ズと第2四極子レンズ間に配置された第2開口電極、第
    2四極子レンズと第3四極子レンズ間に配置された第3
    開口電極、第3四極子レンズと第4四極子レンズ間に配
    置された第4開口電極及び第4四極子レンズの後に配置
    された第5開口電極からなり、更に荷電ビームを第3開
    口電極付近で線状に集束させるように前記四極子レンズ
    を励起する手段と第1〜第5開口電極の励起によって誘
    起される八極子レンズ作用で開口収差を補正制御するた
    めの電圧を印加する手段を具備せしめたことを特徴とす
    る荷電ビーム用レンズ。
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