JPH11238483A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】磁界型レンズの温度変化が観察試料に与える影
響を最小とする。 【解決手段】磁界型レンズ５に流す励磁電流の発生する
ジュール熱を除去する磁界型レンズ冷却手段１９と、磁
界型レンズの励磁電流からジュール熱の発生量を検出す
る磁界型レンズ発熱量検出手段１６を設け、その検出結
果に従って、磁界型レンズを冷却し、磁界型レンズ温度
を常に室温に保つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に荷電粒子線
を照射して試料の検査，分析，加工，観察などを行う荷
電粒子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子線やイオン線などの荷電粒子線を試
料に照射して試料の検査，分析，加工，像観察などを行
うために、荷電粒子線装置が利用される。荷電粒子線装
置には、半導体装置製造工程においてフォトマスクやウ
ェーハへのパターン形成に使用される電子線露光装置，
ウェーハ上に形成されたパターン等の外観検査等に使用
される走査型電子顕微鏡，試料内部の構造分析に使用さ
れる透過型電子顕微鏡，試料の微細加工を行う荷電粒子
加工装置などがある。

【０００３】これらの荷電粒子線装置には、電子銃から
放出された電子線やイオン線源から放出されたイオン線
等の荷電粒子線を試料に焦点合わせして照射したり、試
料を透過した荷電粒子線像を結像させたりするために荷
電粒子線光学レンズの一種である磁界型レンズが備えら
れている。これらの磁界型レンズの励磁電流は、荷電粒
子線加速電圧の変更や像観察倍率の変更など、観察条件
の変更に合わせて増減される。また、操作者はある試料
の観察を終了すると、次に観察する試料を装置から一定
の距離だけ離れた位置にあるカセットから搬入する。そ
の時、試料は部屋の大気中に放出されていることが多い
ので、試料温度の初期値は室温となっていることが多
い。従って、試料の温度と磁界型レンズの温度とは必ず
しも一致しないことが多い。

【０００４】従来の荷電粒子線装置、例えば電子顕微鏡
では、磁界型レンズに大きい励磁電流を必要とされる場
合にのみ、磁界型レンズに熱的に接触させた水流管に、
一定温度に冷却された冷却水を循環させて、磁界型レン
ズの発生するジュール熱を除去する方法を取っていた。
従って、磁界型レンズ温度は、一定の使用条件下で冷却
水温度からある範囲以内となるよう設計されていた。し
かし、実際には磁界型レンズの励磁電流を常に一定とし
て使用することは無い。

【０００５】一方、例えば走査型電子顕微鏡には、磁界
型レンズ励磁電流量の変化にかかわらず、パターン像を
所望の安定した観察状態に保ち続けることが要求され
る。特に自動で外観検査等を行い、パターンを自動で呼
び出すために、試料ステージ上でパターンの位置精度が
高いことが要求される。さらに、高い処理能力を必要と
し、高稼働率を要求される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えば、走
査型電子顕微鏡で観察する試料像は試料の物性と一次電
子の相互作用により影響を受ける。すなわち、一次電子
の入射エネルギーと試料材質の持つ固有の物性に左右さ
れる二次電子又は反射電子の検出量を明るさで表す像観
察用表示器上の輝点の集まりを試料像としている。従っ
て、試料とその観察条件は常に一定ではなく、一次電子
の加速エネルギーは観察試料により観察者が変更する。
一次電子の加速エネルギーを高く又は低くすると、一次
電子ビーム焦点位置を試料上に合焦するためには、荷電
粒子光学レンズの一種である磁界型レンズに流す励磁電
流を大きく又は小さくする必要がある。磁界型レンズ励
磁電流を大きく又は小さくすると、その発生するジュー
ル熱も大きく又は小さくなる。

【０００７】また、観察する試料高さ（電子光学軸方向
の位置を「高さ」と呼ぶ）は個別の試料により異なるの
で、焦点位置は観察試料の変更により合わせ直す必要が
ある。その時、上記と同様に磁界型レンズ励磁電流を大
きく又は小さく変更する必要があり、そのとき磁界型レ
ンズから発生するジュール熱は大きく又は小さく変動す
る。これは、観察する試料がウェーハ上のパターンの場
合、ウェーハの反りでウェーハ表面高さがウェーハ内の
場所により異なることで、観察するパターンを変更する
毎に焦点位置が異なってくるためである。

【０００８】以上のように、一次電子加速エネルギーの
変更又は試料高さの変更が発生すると、磁界型レンズ励
磁電流を変更する必要があり、その時、発生するジュー
ル熱も変化する。しかし、従来の電子顕微鏡では、磁界
型レンズを冷却する冷却水は一定温度に制御されている
ので、これらのジュール熱発生量の変化を補正する手段
を持たない。

【０００９】冷却水により磁界型レンズから吸収される
熱量ｑ，磁界型レンズ温度Ｔ，冷却水温度Ｔ_W の間の関
係式を下記（数１）に示す。式中、ｋは冷却能力を表
し、温度差と磁界型レンズからの吸熱量の係数である。
ここでは、説明を簡単にするために、単純な比例関係と
仮定した。

【００１０】

【数１】 ｑ＝ｋ(Ｔ−Ｔ_W) …（数１） 磁界型レンズで発生する熱量が大きくなれば、係数ｋ又
は磁界型レンズと冷却水の温度差（Ｔ−Ｔ_W)を大きくす
る必要がある。しかし、ｋは冷却装置と固定された使用
条件（冷却水流速等）により常に一定の値を取るので、
（Ｔ−Ｔ_W)を大きくする必要がある。ここで冷却水温度
Ｔ_W を一定に制御しているので、（Ｔ−Ｔ_W)を大きくす
るためには、磁界型レンズ温度Ｔが大きくなる必要があ
る。従って、従来の電子顕微鏡では、磁界型レンズの励
磁電流を強く又は弱くすることで、磁界型レンズ温度が
高く又は低くなっていた。

【００１１】このように、使用条件の変更により磁界型
レンズ励磁電流が大きく又は小さくなり、磁界型レンズ
温度が高く又は低くなると、図１に示すような磁界型レ
ンズが試料と対向しているような電子顕微鏡、例えば走
査型電子顕微鏡では、試料が磁界型レンズ温度の影響を
受ける。

【００１２】すなわち、磁界型レンズ温度が高くなる
と、磁界型レンズから試料へ輻射熱等により熱伝達が起
こり、試料温度を上昇させる。試料がウェーハ上のパタ
ーンの場合、この熱によりウェーハに熱膨張を生じ、観
察中に被検パターンが視野内で移動するシフト現象を起
こす。逆に磁界型レンズ温度が低くなると、試料から磁
界型レンズに熱伝達が起こってウェーハの温度が低下す
る。温度が低下するとウェーハは収縮し、同様に観察中
の被検パターンが視野内で移動してしまう。ウェーハの
観察初期の温度と磁界型レンズ温度の温度差が大きい
程、このシフト量は大きくなる。観察前、ウェーハは大
気中の室温で保存されていることが多いので、磁界型レ
ンズ温度が室温と一致する時、ウェーハ上パターンのシ
フト量は最小となる。

【００１３】また、磁界型レンズ温度が上昇すると、磁
界型レンズと試料との間を占める真空中でのガス分子が
レンズ表面又は真空容器表面へ吸着する際の吸着エネル
ギーが小さくなり、試料表面への移動が容易となり、一
次電子ビームが照射されている試料表面に堆積するコン
タミネーションの現象を活性化させる。このコンタミネ
ーション量は、磁界型レンズ温度が高い程多くなる。

【００１４】ここでは走査型電子顕微鏡を例にとって説
明したが、試料に対向する磁界型レンズの温度変化によ
って試料が影響を受ける事情は他の荷電粒子線装置でも
同様である。例えば、荷電粒子線加工装置においては、
加工条件を変更するとき磁界型レンズの励磁電流が変化
し、それによって磁界型レンズの温度変化が生じるた
め、磁界型レンズに対向して配置されている試料が影響
を受ける。また、電子線露光装置にあっても、露光条件
の変更は磁界型レンズの励磁電流変化を伴い、それによ
って磁界型レンズの温度が変化するため、試料がその温
度変化の影響を受ける。

【００１５】従って、従来の荷電粒子線装置では、観察
条件，加工条件，露光条件等の変更により磁界型レン
ズ、特に試料に対向している磁界型レンズの励磁条件を
変化させたとき、あるいは装置へ試料を搬入したとき
は、熱平衡に達して装置が安定化するまで、観察，加
工，露光等を中断する必要があった。これは、装置電源
を入れたときも同様である。すなわち、通常は室温にお
かれている装置に電源を入れると、磁界型レンズは励磁
電流によるジュール熱のために発熱するが、それが冷却
水による冷却と熱平衡に達するまでに比較的長い時間を
要し、その間本格的な作業にかかることはできない。

【００１６】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、装置電源を入れたとき、あるい
は装置運転中に観察条件，加工条件，露光条件等を変更
して磁界型レンズの励磁電流を変化させたとき、装置の
安定化に要する時間を短縮し、稼働率を上げることので
きる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明においては、荷電
粒子線光学レンズの一種である磁界型レンズの励磁電流
の変更量を検出して磁界型レンズのジュール熱発熱の変
化量を求め、その変化量だけ磁界型レンズ冷却手段の冷
却能力を補正することにより前記目的を達成する。ある
いは、磁界型レンズの温度変化を温度センサーにより検
出し、その温度変化に応じて磁界型レンズ冷却手段の冷
却能力を補正することにより前記目的を達成する。冷却
能力の補正を行う磁界型レンズは、試料に近接した位置
に配置されている磁界型レンズ、例えば対物レンズとす
るのが効果的である。また、磁界型レンズ冷却手段は、
磁界型レンズの温度を室温近傍の一定温度に保つのが好
ましい。

【００１８】すなわち、本発明は、試料に荷電粒子線を
照射する手段と、磁界型レンズを含む荷電粒子線光学系
と、磁界型レンズを冷却する冷却手段とを含む荷電粒子
線装置において、磁界型レンズの発熱量を求める発熱量
検出手段と、冷却手段の冷却能力を制御する制御手段と
を備え、制御手段は磁界型レンズの温度が略一定に保た
れるように発熱量検出手段によって求められた発熱量に
応じて冷却手段の冷却能力を制御することを特徴とす
る。

【００１９】発熱量検出手段は試料に対向する磁界型レ
ンズの発熱量を求め、制御手段は試料に対向する磁界型
レンズの冷却手段の冷却能力を制御することができる。
発熱量検出手段は、磁界型レンズの励磁電流量に基づい
て、あるいは磁界型レンズの温度に基づいて発熱量を求
めることができる。

【００２０】また、本発明は、試料に照射する荷電粒子
線を発生させる手段と、磁界型レンズを含む荷電粒子線
光学系と、磁界型レンズを冷却する冷却手段とを含む荷
電粒子線装置において、試料に対向する磁界型レンズの
温度を検出する温度検出手段と、冷却手段の冷却能力を
制御する制御手段とを備え、制御手段は磁界型レンズの
温度が略一定に保たれるように温度検出手段によって検
出された温度に応じて冷却手段の冷却能力を制御するこ
とを特徴とする。

【００２１】また、本発明は、荷電粒子線発生手段と、
試料に荷電粒子線を走査する走査手段と、対物レンズ
と、対物レンズを冷却する冷却手段と、対物レンズの励
磁電流を制御して荷電粒子線の焦点を試料表面に合わせ
る荷電粒子線焦点補正手段と、試料から放出された試料
信号を検出する試料信号検出手段とを含む荷電粒子線装
置において、対物レンズの励磁電流量に基づいて対物レ
ンズの発熱量を検出する発熱量検出手段と、発熱量検出
手段の検出結果を基に冷却手段の冷却能力を制御して対
物レンズを略一定温度に保つ制御手段とを備えることを
特徴とする。

【００２２】また、本発明は、荷電粒子線発生手段と、
試料に荷電粒子線を走査する走査手段と、対物レンズ
と、対物レンズを冷却する対物レンズ冷却手段と、対物
レンズの励磁電流を制御して荷電粒子線の焦点を試料表
面に合わせる荷電粒子線焦点補正手段と、試料から放出
された試料信号を検出する試料信号検出手段とを含む荷
電粒子線装置において、対物レンズの温度を検出する温
度検出手段と、温度検出手段の検出結果を基に冷却手段
の冷却能力を制御して対物レンズを略一定温度に保つ制
御手段とを備えることを特徴とする。

【００２３】冷却手段が冷却水，冷却油，冷却空気など
の冷媒を用いた冷却手段であるとき、制御手段は冷媒の
温度又は流速を変化させることによって冷却手段の冷却
能力を制御することができる。また、冷却手段がペルチ
ェ素子などのヒートポンプを用いた冷却手段であると
き、制御手段はヒートポンプの駆動電圧を変化させるこ
とによって冷媒手段の冷却能力を制御することができ
る。

【００２４】冷却手段は、磁界型レンズ、特に対物レン
ズの温度を室温近傍の一定温度に保つのが好ましい。そ
うすることで、電源を投入した後又は装置へ試料を搬入
した後、試料又は磁界型レンズが熱平衡に到達する時間
が冷却後の荷電粒子線装置固有の熱的時定数τ（＝Ｃ／
ｋ、ただしＣは装置本体の熱容量で単位は［Ｊ／℃］、
ｋは冷却後の装置本体の放熱係数で単位は［Ｗ／℃］）
より短くできる。

【００２５】本発明によると、磁界型レンズのジュール
熱発熱量を求め、その発熱量に応じて磁界型レンズ冷却
手段の冷却能力を補正するため、磁界型レンズ励磁電流
の変更を伴う操作を行っても、試料と磁界型レンズ（特
に対物レンズ）とが熱平衡に到達する時間を短くするこ
とができ、磁界型レンズ温度が試料へ与える影響を常に
最小としたまま、試料の観察や検査，加工，露光などの
操作を安定に伴うことができる。同様に、装置に電源を
投入したとき、あるいは装置に試料を搬入したとき、試
料が熱平衡に到達する時間を短くし、電源投入後直ちに
試料の観察，検査，加工，露光などを安定して行うこと
ができる。

【００２６】特に、走査型電子顕微鏡によって自動で外
観検査等を行う場合、磁界型レンズ（対物レンズ）の発
生するジュール熱が輻射等によりウェーハへ熱伝達され
ることを防ぎ、ウェーハの熱膨張により観察パターンが
視野内で移動する現象を抑えることで、試料ステージ上
でのパターンの位置を高精度に求めることが可能とな
る。さらに、磁界型レンズでのジュール熱発生による熱
的過渡現象に要する時間を最小とすることで、待ち時間
なしに高稼働率で安定した外観検査等を行うことが可能
となる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ここでは、走査型電子顕微鏡を例
にとって説明する。

【００２８】図１は、本発明による走査型電子顕微鏡の
一例の概略構成図である。電子源１より放出された一次
電子ビームは一次電子加速電極２と電子源の間の電位差
により任意の加速エネルギーまで加速された後、収束レ
ンズ３により一旦収束し、荷電粒子線にレンズ作用を及
ぼす磁界型レンズの一種である対物レンズ５によって試
料ステージ７に載せられた試料６の表面に焦点を結ばせ
る。一次電子と試料６の材質との相互作用により発生し
た二次電子を二次電子検出器８によって検出し、増幅器
９によって信号増幅した後、観察用表示器１１に輝点と
して表示する。この輝点の明るさは一次電子ビームが照
射された試料６表面からの二次電子量を表す。この時、
走査電源１０によって駆動された偏向レンズ４によって
一次電子ビームを偏向し、試料６の表面を走査する。走
査電源１０によって偏向レンズ４と同期された観察用表
示器１１上では、一次電子ビームによって走査された試
料６表面と１対１の関係を持つ輝点の集まりとして試料
６の二次電子像が表示される。

【００２９】操作者は二次電子像を観察しながら、試料
材質に適合した一次電子加速エネルギーを選択し、また
二次電子像の焦点ぼけを見ながら、一次電子ビームの焦
点を試料表面上に合焦しようとする。

【００３０】操作者が一次電子加速エネルギーを上げる
又は下げる操作を行えば、その変更後の設定値ＶＡＳは
一次電子加速電源２０に記憶される。一次電子加速電源
２０でＶＡＳ値に基づいて発生した電圧ＶＡＣを一次電
子加速電極２に一次電子加速電圧として印加する。ま
た、記憶された一次電子加速電圧設定値信号ＶＡＳを対
物レンズ励磁電流駆動装置１３へ出力する。対物レンズ
励磁電流駆動装置１３で、焦点位置設定器１２から送ら
れてくる焦点位置信号ＦＰＳに基づいた対物レンズ励磁
電流ＩＯＢを対物レンズコイル１５へ流す。この時、一
次電子加速電圧ＶＡＣによる補正もＶＡＳを読み込んで
行う。この時の関係式を次の（数２）に示す。

【００３１】

【数２】

【００３２】ここで、ＦＰＳは対物レンズ５の焦点位
置、Ｎは対物レンズコイル１５の巻き線数、ＶＡＣは一
次電子加速電圧である。関数ｆは対物レンズ５を形成す
る流路の材質と形状により決まる。実際には、対物レン
ズ５の設定時のシミュレーションと実測等により求め
る。この関数ｆの一例を図２に示す。

【００３３】焦点位置信号ＦＰＳと一次電子加速電圧Ｖ
ＡＣから対物レンズ励磁電流ＩＯＢを求める時、実際的
な方法として、任意のＦＰＳに対するＮ×ＩＯＢ／VAC
^1/2値を実験又はシミュレーション等により離散的に求
めて置き（図２中の○印）、図３の様な表ＴＢＬ＿ａｎ
を作成する。対物レンズ励磁電流駆動装置１３では、読
み込んだＦＰＳ値ｆ_n に相当するＮ×ＩＯＢ／ＶＡＣ
^1/2値ａ_nをＴＢＬ＿ａｎ（図３）より割り出し、同時に
読み込んだ一次電子加速電圧ＶＡＣと既知である巻き線
数Ｎから下記の（数３）により対物レンズ励磁電流ＩＯ
Ｂを求める。

【００３４】

【数３】

【００３５】また、操作者が二次電子像の焦点を合わせ
ようと一次電子ビームの焦点を高く又は低く（電子光学
系軸方向を「高さ」方向とし、電子源側を「高い」、試
料側を「低い」側とする）すれば、焦点位置設定器１２
にその値が記憶される。焦点位置設定器１２では、焦点
位置信号ＦＰＳを対物レンズ励磁電流駆動装置１３へ出
力する。対物レンズ励磁電流駆動装置１３で、前記（数
３）に基づいてＦＰＳから対物レンズ励磁電流ＩＯＢを
発生し、対物レンズコイル１５を励磁することで、一次
電子ビームの焦点を試料６の表面に結ぶ。

【００３６】対物レンズ励磁電流ＩＯＢの流れる線の途
中に直列接続した電流計１４により測定された対物レン
ズ励磁電流値信号ＯＢＳは、対物レンズ発熱量検出器１
６に出力される。対物レンズ発熱量検出器１６で、読み
込まれたＯＢＳは対物レンズ発熱量信号ＱＳに変換され
る。この時、関係式は下記の（数４）で表される。

【００３７】

【数４】 ＱＳ＝ｒ×ＩＯＢ² …（数４） ＱＳは対物レンズ５の発熱量信号、ｒは対物レンズコイ
ル１５の抵抗値、IOBは対物レンズコイル１５に流れる
電流（信号ＯＢＳで表される）である。この（数４）に
基づいて変換された対物レンズ発熱量信号ＱＳは、冷媒
ここでは冷却水の温度を設定する冷却水温度設定器１７
へ出力される。

【００３８】一方、室温は室温センサー３２で設定さ
れ、その結果は計算機２８へ出力される。計算機２８で
は、その結果を基に設定温度（ここでは室温Ｔ₀)を冷却
水温度設定器１７へ出力する。冷却水温度設定器１７で
は、対物レンズ発熱量信号ＱＳと設定温度Ｔ₀ が読み込
まれて、冷却水温度設定値信号ＴＷＳに変換される。こ
の時の関係を図４に示す。図４中のＡ又はＢは直線を含
む曲線となるが、ここでは簡単化のために直線と仮定
し、下にその式を記す。直線Ａは冷却水温度がＴ_W1のと
きの関係を表し、直線Ｂは冷却水温度がＴ_W2のときの関
係を表す。

【００３９】Ａ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−Ｔ_W1) Ｂ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−Ｔ_W2) いま、冷却水温度をＴ_W1に設定した時、対物レンズ温度
Ｔ₁が室温Ｔ₀になった（Ｔ₁＝Ｔ₀）とする。この時の吸
熱量は直線Ａと温度Ｔ＝Ｔ₀ の交点で、吸熱量ｑ＝ｑ₁
＝発熱量Ｑ₁となる。この関係を表す係数ｋ₁ は、
（１）発熱源の対物レンズコイル１５と吸熱側である対
物レンズ冷却水流路管１９との熱的接触の度合、（２）
冷媒（この場合は水）の熱を受け取る能力と熱を運搬す
る能力、（３）冷却水製造装置での冷媒への熱伝達する
効率、の３点等を含めた全体の冷却能力により決まる。
実際には、実験等により求めておく。

【００４０】ここで、発熱量がＱ＝Ｑ₂ へ上がったとす
る（Ｑ₁＜Ｑ₂）。対物レンズ温度は直線ＡとＱ＝Ｑ₂の
交点で、Ｔ＝Ｔ₂（Ｔ₁＜Ｔ₂）となり、（Ｔ₂−Ｔ₁）だ
け温度上昇する。

【００４１】そこで、冷却水設定温度をＴ_W2（Ｔ_W1＞Ｔ
_W2）に設定し直す。この時、対物レンズ温度は直線Ｂと
Ｑ＝Ｑ₂の交点で、Ｔ＝Ｔ₁となり、元の温度である室温
Ｔ₀と一致する。実際には、部屋に置かれた温度センサ
ー３２等で求められた室温Ｔ₀ 、先に求められたＱＳ、
実験等により求められたｋ₁ により下記の（数５）でＴ
ＷＳを求める。

【００４２】

【数５】

【００４３】このようにして求められた冷却水温度設定
値信号ＴＷＳは冷却水製造装置１８へ出力される。冷却
水製造装置１８では、冷却水温度設定値信号ＴＷＳを読
み込み、その信号に基づいて往路冷却水Ｗ１を、対物レ
ンズ５の温度が室温となるような温度まで冷却する。す
なわち、往路冷却水Ｗ１は対物レンズ冷却水流路管１９
を周回し、対物レンズ５及び対物レンズコイル１５を冷
却し、そのジュール熱を奪い、復路冷却水Ｗ２として冷
却水製造装置１８へ返る。冷却水製造装置１８では、復
路冷却水Ｗ２を再び冷却水温度設定値信号ＴＷＳに基づ
いた温度まで冷却し、往路冷却水Ｗ１として循環させ
る。

【００４４】以下、図５を用いて、冷却水温度を設定す
る一連の動作を実行するための各ステップを説明する。

【００４５】［ステップ１００］まず対物レンズ励磁電
流駆動装置１３は、焦点位置設定器１２に記憶されてい
る焦点位置信号ＦＰＳを読み込む。ＦＰＳは、それ以前
に観察者が合焦の位置に焦点位置を合わせた値となって
いる。

【００４６】［ステップ１０１］対物レンズ励磁電流駆
動装置１３は、ＴＢＬ＿ａｎ（図３）に従ってＦＰＳ値
ｆ_n に相当するＮ×ＩＯＢ／ＶＡＣ^1/2値ａ_n を求め
る。

【００４７】［ステップ１０２］さらに対物レンズ励磁
電流駆動装置１３は、一次電子加速電源２０に記憶され
ている一次電子加速電圧ＶＡＣの値を信号ＶＡＳによっ
て読み込む。ＶＡＣは、それ以前に観察者によって試料
に適した値に設定されている。

【００４８】［ステップ１０３］対物レンズ励磁電流駆
動装置１３は、ステップ１０１で求めたａ_n と、ステッ
プ１０２で求めたＶＡＣ、及び既知の対物レンズコイル
巻き線数Ｎから前記（数３）に基づいて、対物レンズ励
磁電流ＩＯＢを求める。

【００４９】［ステップ１０４］対物レンズ励磁電流Ｉ
ＯＢに直列接続された電流計１４はＩＯＢを測定し、そ
の電流値ＯＢＳを出力する。対物レンズ発熱量検出器１
６では、ＯＢＳを読み込んでＩＯＢを求め、既知の対物
レンズコイル抵抗値ｒを用いて前記（数４）に基づき対
物レンズ発熱量信号ＱＳを求める。

【００５０】［ステップ１０５］冷却水温度設定器１７
は、対物レンズ発熱量信号ＱＳと設定温度Ｔ₀ を読み込
んで、前記（数５）に基づいて冷却水温度設定値信号Ｔ
ＷＳを求める。

【００５１】［ステップ１０６］冷却水製造装置１８
は、冷却水温度設定値信号ＴＷＳを読み込んで記憶し、
復路冷却水Ｗ２をＴＷＳ相当の温度まで冷却した後に往
路冷却水Ｗ１として対物レンズ冷却水流路管１９へ送り
始める。

【００５２】［ステップ１０７］対物レンズ励磁電流駆
動装置１３は、焦点位置信号ＦＰＳ又は一次電子加速電
圧設定値信号ＶＡＳが書き換るかを常に監視し、変更が
生じれば、ステップ100へ戻る。実際には、本発明の特
徴を有する走査型電子顕微鏡全体を制御するホストコン
ピュータが操作者の操作の有無を常に監視し、ＦＰＳ又
はＶＡＳの書き換えと、ステップ１００からステップ１
０７の流れを制御するのが良い。

【００５３】以上の一連の動作によって、対物レンズ励
磁電流量の変化にかかわらず、対物レンズ温度を所望の
状態に保ち続けることが可能となる。この様子を図６に
示す。対物レンズコイル発熱量Ｑがある時刻ｔ₁ に増加
したとする。その原因は、操作者が一次電子加速電圧Ｖ
ＡＣを上げる又は下げるか、焦点位置ＦＰＳを調整し直
したことによる。すると、図１に示す各ブロックの一連
の動作が図５のフローチャートに従って行われること
で、対物レンズ５からの吸熱量ｑは短い時間遅れΔｔ₀
を置いた時刻ｔ₂に、発熱量Ｑの増加量ΔＱ相当分のみ
増加する。その結果、対物レンズ温度Ｔの過渡現象が時
刻ｔ₁から時定数τより短い時間遅れΔｔ_s1（ただし、
走査電子顕微鏡本体の熱的時定数τ＝Ｃ／ｋ、Ｃは装置
本体の熱容量で単位は［Ｊ／℃］、ｋは冷却後の装置本
体の放熱係数で単位は［Ｗ／℃］）を置いた時刻ｔ₃ ま
での間で生じるが、時刻ｔ₃に元の温度Ｔ₀に収束する。

【００５４】対物レンズ励磁電流ＩＯＢの増加を検出し
てから、冷却水製造装置１８で往路冷却水Ｗ１の温度を
下げ終えるまでの時間を最小限とすることで、対物レン
ズ５を含む本発明の走査型電子顕微鏡本体の熱的時定数
τ（τ＝Ｃ／ｋ、ただし、Ｃは装置本体の熱容量で単位
は［Ｊ／℃］、ｋは冷却後の装置本体の放熱係数で単位
は［Ｗ／℃］）が時間遅れΔｔ_s1へ与える影響を最小と
し、時間差Δｔ_s1を最小限に抑えることができる。

【００５５】これにより、操作者が一次電子加速電圧Ｖ
ＡＣを上げる又は下げるか、焦点位置ＦＰＳを調整し直
した場合でも、操作者がほとんど待ち時間を置かずに観
察を始めても、対物レンズ５の発生するジュール熱が試
料６に及ぼす影響を常に最小に保つことができる。同様
に、観察開始時に装置に電源を投入した時においても、
装置内で試料が熱平衡に到達する時間を短縮し、電源投
入後直ちに安定な試料観察を行うことが可能になる。こ
のようにして走査型電子顕微鏡の稼働率向上を図ること
ができる。

【００５６】上記実施の形態では、対物レンズ励磁電流
ＩＯＢを直列に接続された電流計１４によって求め、そ
の電流値ＯＢＳを対物レンズ発熱量検出器１６へ出力し
ている。しかし、対物レンズ励磁電流駆動装置１３で対
物レンズ励磁電流ＩＯＢ値を求めているので、その値を
表す信号ＯＢＳを直接に出力しても良い。

【００５７】その機能ブロックを図７に示す。上記実施
の形態と同様に、信号ＦＰＳとVASを読み込んだ対物レ
ンズ励磁電流駆動装置１３から対物レンズ励磁電流ＩＯ
Ｂが出力される。その一方、ＩＯＢ値を表す信号ＯＢＳ
を対物レンズ発熱量検出器１６へ出力する。対物レンズ
発熱量検出器１６は、前記（数４）に基づいて対物レン
ズ発熱量信号ＱＳを求め、冷却水温度設定器１７へ出力
する。以下は上記実睡の形態と同様である。この構成に
より、上記実施の形態で必要とされた電流計１４を除く
ことができ、構成をより簡単にすることができる。

【００５８】また上記実施の形態においては、対物レン
ズコイル１５の発熱量がＱ₁からＱ₂へ上がった時、冷却
水温度をＴ_W1からＴ_W2へ下げることで、対物レンズ５の
温度を室温に保った。その様子は図４に示す通りであ
る。発熱量Ｑ＝Ｑ₁ のときに直線ＡとＱ＝Ｑ₁の交点か
ら対物レンズ５温度Ｔ＝Ｔ₁となっていたものが、対物
レンズコイル１５の発熱量がＱ＝Ｑ₂へ上がった結果、
直線ＡとＱ＝Ｑ₂の交点から対物レンズ５温度はＴ＝Ｔ
₂ へと上昇した。そこで、冷却水温度をＴ_W2へ下げるこ
とで、直線ＢとＱ＝Ｑ₂ の交点から対物レンズ温度Ｔ＝
Ｔ₁＝Ｔ₀となり、対物レンズ５の温度を室温に保持する
ことができた。

【００５９】しかし、前記（数１）において、温度差と
対物レンズからの吸熱量の係数で冷却能力を表すｋを上
げることでも、温度差（Ｔ−Ｔ_W)を上げるのと等価な効
果が得られる。すなわち、冷媒（この場合は水）の流速
ｖを上げることで、熱を受け取る能力を上げることがで
き、結果的に冷却能力ｋを上げることが可能となる。こ
の様子を図８に示す。図８中のＡ及びＣは直線を含む曲
線となるが、図４の場合と同様に、簡単化のために直線
と仮定し、下にその式を記す。直線Ａは冷却水の流速ｖ
₁ の時の関係を表し、直線Ｃは冷却水の流速ｖ₂ の時の
関係を表す。

【００６０】Ａ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−Ｔ_W1) Ｃ：ｑ＝ｋ₂×(Ｔ−Ｔ_W1) ｑは対物レンズからの吸熱量、ｋ₁及びｋ₂は冷却能力を
表し、温度差と対物レンズからの吸熱量の係数（ｋ₁＜
ｋ₂）、ｖ₁及びｖ₂は冷却水の流速（ｖ₁＜ｖ₂）、Ｔは
対物レンズ温度、Ｔ_W1は冷却水温度である。

【００６１】いま、冷却水温度をＴ_W1に設定した時、対
物レンズ温度Ｔ₁が室温Ｔ₀になった（Ｔ₁＝Ｔ₀）とす
る。この時の吸熱量は直線Ａと温度Ｔ＝Ｔ₀ の交点で、
吸熱量ｑ＝ｑ₁＝発量量Ｑ₁となる。この関係は図４の場
合と同様に全体の冷却能力によって決まる。実際には、
実験等により求めておく。

【００６２】ここで、発熱量がＱ＝Ｑ₂ へ上がった（Ｑ
₁＜Ｑ₂）とする。対物レンズ温度は直線ＡとＱ＝Ｑ₂の
交点で、Ｔ＝Ｔ₂（Ｔ₁＜Ｔ₂）となり、（Ｔ₂−Ｔ₁）だ
け温度上昇する。そこで、冷却水の流速をｖ₁からｖ₂へ
上げる。この時、対物レンズ温度は直線ＣとＱ＝Ｑ₂の
交点で、Ｔ＝Ｔ₁となり、元の温度である室温Ｔ₀ と一
致する。

【００６３】冷却水温度設定器１７では、部屋に置かれ
た室温センサー３２等で求められた室温Ｔ₀ 、先に求め
られた対物レンズ発熱量信号ＱＳ、実験等により求めら
れたｋ₂ により下記の（数６）でＴＷＳを求める。

【００６４】

【数６】

【００６５】実際的な方法として、任意の対物レンズコ
イル発熱量Ｑに対する冷却水の流速ｖを実験等により求
めておき、図９の様な表ＴＢＬ＿ｖｎを作成する。実験
では、対物レンズコイル発熱量Ｑを実際に与えて対物レ
ンズ５の温度が室温となる時の冷却水の流速ｖを求め
る。

【００６６】ところで、以上の実施の形態においては、
対物レンズの冷却手段を冷媒として冷水を循環させるこ
とで実現していた。しかし、熱を除去する手段には他に
ヒートポンプの一種であるペルチェ素子がある。対物レ
ンズ冷却手段としてペルチェ素子を用いた場合の概略構
成図を図１０に示す。対物レンズ励磁電流駆動装置１３
から対物レンズ励磁電流ＩＯＢが出力され、対物レンズ
コイル１５を含む対物レンズ５が発熱する原理、及びＩ
ＯＢから対物レンズ発熱量信号ＱＳを求めるまでの動作
は上記実施の形態と同様である。

【００６７】対物レンズ５及び対物レンズコイル１５に
熱的に接触させたヒートパイプ等に代表される良熱伝導
体２１によって、対物レンズコイル１５の発生するジュ
ール熱を対物レンズ５の外へ導き出す。良熱伝導体２１
の対物レンズコイル１５との他端には、吸熱プレート２
２とペリチェ素子２３と発熱プレート２４が順に固定さ
れている。吸熱プレート２２，ペルチェ素子２３，発熱
プレート２４の互いの接触面は、熱的接触抵抗を最も小
さくするように、その表面荒さを最小としている。ま
た、必要に応じて熱良伝導性クリームを互いの面に塗っ
てから接触させると、その熱的接触抵抗をより小さくす
ることが可能となる。発熱プレート２４には、その接触
面にやはり熱的接触抵抗を小さくする工夫をされた放熱
フィン２５が固定されている。

【００６８】対物レンズ発熱量検出器１６よりＱＳを読
み込んだペルチェ素子駆動装置２６は、ＱＳ相当の熱を
ペルチェ素子２３で吸うのに必要なペルチェ素子駆動電
圧ＶＰを発生し、ペルチェ素子２３へ印加する。ペルチ
ェ素子２３は、ＶＰによって吸熱量Ｑ_p1を発生し、吸熱
プレート２２及び良熱伝導体２１を通して対物レンズ５
及び対物レンズコイル１５の熱を吸収する。放熱フィン
２５から発熱プレート２４を通して、吸熱量Ｑ_p1とペル
チェ素子２３自身の発熱量を含むＱ_p2を放熱する（Ｑ_p1
＜Ｑ_p2）。ここで、Ｑ_p1＝ＱＳとなった時、対物レンズ
５は室温に保たれる。実際的な方法として、任意の対物
レンズコイル発熱量Ｑに対するペルチェ素子駆動電圧Ｖ
Ｐを実験等により求めておき、図１６のような表ＴＢＬ
＿ＶＰを作成する。実験では、対物レンズコイル発熱量
Ｑを与えて対物レンズの温度が室温となる時のＶＰを求
める。

【００６９】以上、これまでにあげた実施の形態におい
ては、対物レンズ５の発熱量Ｑを求めることで、冷却手
段の冷却能力の補正を行っていた。しかし、対物レンズ
５に取り付けた温度センサーによって、対物レンズ５の
温度を室温とするように冷却能力の補正を行っても良
い。

【００７０】その場合の例を図１１に示す。対物レンズ
５の表面で、その温度が最も試料へ与える影響が大きい
場合、例えば対物レンズ下面に取り付けた温度センサー
２７によって得られた温度信号ＴＷＳは、冷却水製造装
置１８へ入力される。冷却水製造装置１８では、ＴＷＳ
は読み込み、その信号に基づいて往路冷却水Ｗ１を、対
物レンズ５の温度が室温となるような温度まで冷却す
る。冷却水の循環等は図１の場合と同様である。

【００７１】その温度変化の様子を図１２に示す。対物
レンズコイル発熱量Ｑがある時刻ｔ₁ に増加したとす
る。その原因は、操作者が一次電子加速電圧ＶＡＣを上
げる又は下げたか、焦点位置ＦＰＳを調整し直したこと
による。すると、冷却後の走査型顕微鏡本体の放熱係数
ｋ（単位［Ｗ／℃］）と熱容量Ｃ（単位［Ｊ／℃］）の
影響を受けながら対物レンズ５の温度Ｔは上昇する。温
度Ｔの上昇を温度センサー２７によって検出した冷却水
製造装置１８は徐々に吸熱量ｑを上げ始めて、最終的に
対物レンズコイル発熱量の増加量ΔＱ相当分を増加した
値に収束する。対物レンズ温度Ｔもほぼ同時刻に収束す
る。しかし、その過渡現象は、対物レンズ５を含む走査
型電子顕微鏡本体の熱的時定数τの影響を強く受ける。
その結果、上記実施の形態での収束時間Δｔ_S1と比較し
て、やや長いΔｔ_S2を要して過渡現象は収束する。そし
て、その後は常に対物レンズ５の温度を室温に保つ。

【００７２】これにより、操作者が一次電子加速電圧Ｖ
ＡＣを上げる又は下げるか、焦点位置ＦＰＳを調整し直
した場合でも、操作者がほとんど待ち時間をおかずに観
察を始めても、対物レンズ５の発生するジュール熱の影
響を常に最小に保つことができる。

【００７３】上記図１１で説明した実施の形態において
は、温度センサー２７によって得られた対物レンズ５の
温度を常に一定とするように冷却水製造装置１８の冷却
能力の補正を行った。しかし、温度センサー２７で測定
される過渡現象の初期段階での対物レンズ５の温度の時
間変化勾配を求め、初期発熱量Ｑ₁ からΔＱだけ上昇し
た後の発熱量Ｑ₂ をその勾配より求めても良い。

【００７４】図１３は、Ｑ₁からＱ₂へ発熱量が上昇した
後も冷却水製造装置１８の冷却能力の補正を行わなかっ
た場合の対物レンズ５の温度ＴＯの時間変化を示す図で
ある。時刻ｔ₁ まで、走査型電子顕微鏡本体は冷却水の
温度Ｔ_Wに対して温度Ｔ_iの平衡状態にある。時刻ｔ₁に
対物レンズ５の発熱量が、初期発熱量Ｑ₁からΔＱだけ
上昇した発熱量Ｑ₂ に変化したとする。この時、対物レ
ンズ５の温度ＴＯは、温度Ｔ_iから新たな発熱量Ｑ₂と冷
却後の走査型電子顕微鏡本体の放熱係数ｋによって決ま
る到達温度Ｔ_eに向かって徐々に上昇し、Ｔ_eに収束す
る。ここで、この過渡現象の初期温度勾配tanθ₀は、次
の（数７）によって求められる。

【００７５】

【数７】

【００７６】ここで、Ｑ₂ は上昇後の発熱量、ｋは（数
１）の場合と同様に冷却能力を表し、冷却水と対物レン
ズ５の温度差と対物レンズから冷却装置への吸熱量の係
数である。また、Ｃは走査型電子顕微鏡本体の熱容量を
表す。

【００７７】そこで、実際に勾配tanθ₀を求める方法を
図１４に示す。初期発熱量Ｑ₁ からΔＱだけ上昇した発
熱量Ｑ₂へ変化した時刻ｔ₁の直前で、対物レンズの温度
ＴＯは初期平衡温度Ｔ_iとなっている。ここから、Δｔ
時間後に温度差ΔＴ₀の上昇が温度センサーによって測
定されたとする。この時、下記の（数８）によって温度
勾配tanθ₀を近似的に求めることができる。

【００７８】

【数８】

【００７９】この時、測定時間間隔Δｔは、Δｔの時間
精度と温度差ΔＴ₀ の測定精度を考慮したtanθ₀の計算
精度に対して、結果tanθ₀が有意性を持つ範囲内で小さ
く取るのが良い。上記の（数７）及び（数８）より求ま
る下記（数９）によって、勾配近似値ΔＴ₀／Δｔか
ら、上昇後の発熱量Ｑ₂ を求めることが可能になる。

【００８０】

【数９】

【００８１】このような制御を行うための装置構成の例
を図１５に示す。温度センサー２７によって時間間隔Δ
ｔで求められる対物レンズ５の温度ＴＯは、その度に波
形記憶装置（メモリ）２９に記憶される。時刻ｔ₁ とそ
こからΔｔ時間後の温度差ΔＴ₀ は、計算機２８で波形
記憶装置２９を参照することで、任意の時間に求めるこ
とができる。その値をＴ(ｔ₁)，Ｔ(ｔ₁＋Δｔ)とする
と、温度差ΔＴ₀ は次式から時刻ｔ₁＋Δｔの直後に求
める。

【００８２】ΔＴ₀＝Ｔ(ｔ₁＋Δｔ)−Ｔ(ｔ₁) 上記によって求めたΔＴ₀から（数９）に基づいて、上
昇後の発熱量Ｑ₂を求める。ここで、走査型電子顕微鏡
本体の熱容量Ｃと冷却能力を表す係数ｋは予めシミュレ
ーション又は実験等により求めておく。また、冷却水温
度Ｔ_W は、往路冷却水Ｗ１の途中に設けられた水温セン
サー３０の測定結果Ｔ_W1と、復路冷却水Ｗ２の途中に設
けられた水温センサー３１の測定結果Ｔ_W2より下記の
（数１０）により求める。

【００８３】

【数１０】

【００８４】以上により求めた対物レンズ発熱量Ｑ₂ を
表す信号ＱＳを冷却水温度設定器１７へ出力する。その
後の動作は、図１の実施の形態の場合と同様である。本
実施の形態においても、図６に示したのと同様に、熱平
衡に到達する時間を短縮することが可能となる。

【００８５】以上、これまでにあげた実施の形態におい
ては、例えば冷却水流路管１９および対物レンズコイル
１５表面への結露を防ぐことができない。

【００８６】往路冷却水水温Ｔ_W1または復路冷却水水温
Ｔ_W2の冷却水にさらされている流路管１９および対物レ
ンズコイル１５の表面温度が、その周囲の環境によって
決まる露点よりも低くなると、その表面に周囲の空気に
含まれている水分が結露して付着する。それは流路管１
９および対物レンズコイル１５を構成する金属材料等の
表面に発生する腐食の原因となる。

【００８７】この結露を防ぐための実施例の概略構成図
を図１７に示す。対物レンズ励磁電流駆動装置１３から
対物レンズ励磁電流ＩＯＢが出力され、対物レンズコイ
ル１５を含む対物レンズ５が発熱する原理、及びＩＯＢ
から対物レンズ発熱量ＱＳを求めるまでの動作は上記実
施例の形態と同様である。

【００８８】対物レンズ発熱量検出器１６より出力され
た信号ＱＳは、冷勉水の温度を設定する冷却水温度設定
器１７へ出力される。

【００８９】一方、室温は室温センサー３２で測定さ
れ、また周囲環境湿度は湿度計３３で測定され、それら
の結果は各々計算機２８へ出力される。計算機２８で
は、それらの結果を基に露点ＴＬを求める。このとき、
室温と湿度から一義的に露点は求まることが知られてい
る。実際には、それらの関係を個別の条件について求め
て図１８に示すような表ＴＢＬ＿ＴＬ（図１８）を作成
して計算機２８の中に記憶しておくのが良い。計算機２
８は、この露点ＴＬと室温Ｔ₀ を冷却水温度設定器１７
へ出力する。冷却水温度設定器１７では冷却水設定値Ｔ
ＷＳを求める。このとき、（数５）により求められた冷
却水設定値ＴＷＳが、露点ＴＬより高い温度のときには
（数５）により求められたＴＷＳをそのまま冷却水製造
装置１８へ出力される。またＴＷＳがＴＬより低い温度
のときは、ＴＷＳ＝ＴＬと設定し直してこれを冷却水製
造装置１８へ出力される。

【００９０】このときの関係を図１９に示す。図１９中
のＡおよびＢ，Ｄは直線を含む曲線となるが、ここでは
簡単化のために直線と仮定し、下にその式を記す。直線
Ａは冷却水温度がＴ_W1のときの関係を表し、直線Ｂは冷
却水温度がＴ_W2のときの関係を表し、直線Ｄは冷却水温
度がＴＬのときの関係を表す。

【００９１】Ａ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−Ｔ_W1) Ｂ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−Ｔ_W2) Ｄ：ｑ＝ｋ₁×(Ｔ−ＴＬ） いま、冷却水温度をＴ_W1に設定した時、対物レンズ温度
Ｔ₁が室温Ｔ₀になった（Ｔ₁＝Ｔ₀）とする。この時の吸
熱量は直線Ａと温度Ｔ＝Ｔ₀ の交点で、吸熱量ｑ＝ｑ₁
＝発熱量Ｑ₁となる。この関係を表す係数ｋ₁ は、上記
実施例と同様に全体の冷却能力を表す係数である。

【００９２】ここで、発熱量がＱ＝Ｑ₂ へ上がったとす
る（Ｑ₁＜Ｑ₂）。対物レンズ温度は直線ＡとＱ＝Ｑ₂の
交点で、Ｔ＝Ｔ₂（Ｔ₁＜Ｔ₂）となり、（Ｔ₂−Ｔ₁）だ
け温度上昇する。

【００９３】そこで、対物レンズ温度の元の温度である
室温Ｔ₀ と一致する冷却水設定温度Ｔ_W2（Ｔ_W1＞Ｔ_W2）
を求める。しかし、このＴ_W2は露点ＴＬより低い温度と
なり結露を発生する可能性がある。そこで、冷却水設定
温度をＴＬとすると、対物レンズ温度は直線ＤとＱ＝Ｑ
₂の交点で、Ｔ＝Ｔ₃となり、元の温度である室温Ｔ₀よ
り上昇するがＴ₂ よりは低い温度とすることができる。

【００９４】このようにして求められた冷却水温度設定
値信号ＴＷＳは冷却水製造装置１８へ出力される。以降
の冷却水製造装置１８を含む一連の動作は上記実施例と
同様である。

【００９５】以下、図２０を用いて、冷却水温度を設定
する一連の動作を実行するための各ステップを説明す
る。

【００９６】［ステップ１００］〜［ステップ１０４］ 上記実施例と同じ ［ステップ１０８］計算機２８は室温Ｔ₀ を読み取る。

【００９７】［ステップ１０９］計算機２８は湿度Ｗ₀
を読み取る。

【００９８】［ステップ１１０］計算機２８は露点ＴＬ
をＴＢＬ＿ＴＬより求める。

【００９９】［ステップ１０５］冷却水温度設定器１７
は、対物レンズ発熱量信号ＱＳと設定温度Ｔ₀ を読み込
んで、前記（数５）に基づいて冷却水温度設定値信号Ｔ
ＷＳを求める。

【０１００】［ステップ１１１］ステップ１０５で求め
たＴＷＳとステップ１１０で求めたＴＬを比較する。

【０１０１】［ステップ１１２］ＴＷＳのＴＬより低い
温度となったときＴＷＳ＝ＴＬを代入する。

【０１０２】［ステップ１０６］〜［ステップ１０７］ 上記実施例と同じ 以上の一連の動作によって、対物レンズ励磁電流量の変
化にかかわらず、結露の発生しない条件範囲内で対物レ
ンズ温度を所望の状態に保ち続けることが可能となる。

【０１０３】このように、本発明による走査型電子顕微
鏡は、試料に対向する対物レンズの温度を常に室温に保
つことにより、観察条件を変更して対物レンズの励磁条
件が変わったとき、あるいは装置に電源を投入したとき
に、対物レンズと試料とが熱的平衡に到達する時間を短
縮することができる。また、試料（ウェーハ）搬入時に
試料温度が平衡状態に達する時間を最短にできる。従っ
て、観察条件を変更する操作を行った後、あるいは装置
に電源を投入したり、装置に試料を搬入した後、直ちに
安定した試料観察を開始することができる。

【０１０４】ここでは、本発明を走査型電子顕微鏡を例
にとって説明した。しかし、本発明は走査型電子顕微鏡
に限らず、荷電粒子加工装置，電子線露光装置等の荷電
粒子露光装置，透過型電子顕微鏡，イオン電子顕微鏡な
ど、他のタイプの荷電粒子線装置に対しても同様に適用
することができる。

【０１０５】

【発明の効果】本発明によると、荷電粒子線光学レンズ
の一種である磁界型レンズの励磁電流の強弱にかかわら
ず磁界型レンズ温度を常に一定温度に保ち、観察試料へ
の磁界型レンズ温度変化による影響を最小とすることが
できる。また、対物レンズでの結露を防ぐことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の一例を示すブ
ロック図。

【図２】対物レンズ励磁量を求めるグラフ。

【図３】対物レンズ励磁量を求める表。

【図４】冷却水設定温速を求めるグラフ。

【図５】冷却水温度を設定するための一連の動作の流れ
を表す図。

【図６】磁界型レンズ発熱量の変化と磁界型レンズ温度
の変化を説明する図。

【図７】本発明の他の例を示す部分ブロック図。

【図８】冷却水流速を求めるグラフ。

【図９】冷却水流速を求める表。

【図１０】本発明の他の例を示す部分ブロック図。

【図１１】本発明の他の例を示す部分ブロック図。

【図１２】磁界型レンズ発熱量の変化と磁界型レンズ温
度の変化を説明する図。

【図１３】発熱量が上昇した後も冷却能力の補正を行わ
なかった場合の磁界型レンズの温度変化を説明する図。

【図１４】初期温度勾配を説明する図。

【図１５】本発明の他の例を示す部分ブロック図。

【図１６】ペルチェ素子駆動電圧を求める表。

【図１７】本発明の他の例を示す部分ブロック図。

【図１８】露点を求める表。

【図１９】本発明の効果の例を示すグラフ。

【図２０】冷却水温度を設定するための一連の動作の流
れの例を示す図。

【符号の説明】

１…電子源、２…一次電子加速電極、３…収束レンズ、
４…偏向レンズ、５…対物レンズ、６…試料、７…試料
ステージ、８…二次電子検出器、９…増幅器、１０…走
査電源、１１…観察用表示器、１２…焦点位置設定器、
１３…対物レンズ励磁電流駆動装置、１４…電流計、１
５…対物レンズコイル、１６…対物レンズ発熱量検出
器、１７…冷却水温度設定器、１８…冷却水製造装置、
１９…対物レンズ冷却水流路管、２０…一次電子加速電
源、２１…良熱伝導体、２２…吸熱プレート、２０…ペ
ルチェ素子、２４…発熱プレート、２５…放熱フィン、
２６…ペルチェ素子駆動装置、２７…温度センサー、２
８…計算機、２９…波形記憶装置（メモリ）、３０…往
路冷却水・水温センサー、３１…復路冷却水・水温セン
サー、３２…室温センサー、３３…湿度計、ＶＡＣ…一
次電子加速電圧、VAS…一次電子加速電圧設定値、ＦＰ
Ｓ…焦点位置信号、ＩＯＢ…対物レンズ励磁電流、ＯＢ
Ｓ…対物レンズ励磁電流値信号、ＱＳ…対物レンズ発熱
量信号、ＴＯ…対物レンズ温度、Ｔ_W1…復路冷却水水
温、Ｔ_W2…復路冷却水水温、ＴＷＳ…冷却水温度設定値
信号、Ｗ１…復路冷却水、Ｗ２…復路冷却水、ＶＰ…ペ
ルチェ素子駆動電圧。

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に荷電粒子線を照射する手段と、磁界
   型レンズを含む荷電粒子線光学系と、前記磁界型レンズ
   を冷却する冷却手段とを含む荷電粒子線装置において、 磁界型レンズの発熱量を求める発熱量検出手段と、前記
   冷却手段の冷却能力を制御する制御手段とを備え、前記
   制御手段は前記磁界型レンズの温度が略一定に保たれる
   ように前記発熱量検出手段によって求められた発熱量に
   応じて前記冷却手段の冷却能力を制御することを特徴と
   する荷電粒子線装置。
2. 【請求項２】前記発熱量検出手段は試料に対向する磁界
   型レンズの発熱量を求め、前記制御手段は試料に対向す
   る前記磁界型レンズの冷却手段の冷却能力を制御するこ
   とを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 【請求項３】前記発熱量検出手段は前記磁界型レンズの
   励磁電流量に基づいて発熱量を求めることを特徴とする
   請求項１又は２記載の荷電粒子線装置。
4. 【請求項４】前記発熱量検出手段は前記磁界型レンズの
   温度に基づいて発熱量を求めることを特徴とする請求項
   １又は２記載の荷電粒子線装置。
5. 【請求項５】試料に照射する荷電粒子線を発生させる手
   段と、磁界型レンズを含む荷電粒子線光学系と、前記磁
   界型レンズを冷却する冷却手段とを含む荷電粒子線装置
   において、 試料に対向する磁界型レンズの温度を検出する温度検出
   手段と、前記冷却手段の冷却能力を制御する制御手段と
   を備え、前記制御手段は前記磁界型レンズの温度が略一
   定に保たれるように前記温度検出手段によって検出され
   た温度に応じて前記冷却手段の冷却能力を制御すること
   を特徴とする荷電粒子線装置。
6. 【請求項６】荷電粒子線発生手段と、試料に前記荷電粒
   子線を走査する走査手段と、対物レンズと、前記対物レ
   ンズを冷却する冷却手段と、前記対物レンズの励磁電流
   を制御して前記荷電粒子線の焦点を試料表面に合わせる
   荷電粒子線焦点補正手段と、前記試料から放出された試
   料信号を検出する試料信号検出手段とを含む荷電粒子線
   装置において、 前記対物レンズの励磁電流量に基づいて前記対物レンズ
   の発熱量を検出する発熱量検出手段と、前記発熱量検出
   手段の検出結果を基に前記冷却手段の冷却能力を制御し
   て前記対物レンズを略一定温度に保つ制御手段とを備え
   ることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 【請求項７】荷電粒子線発生手段と、試料に前記荷電粒
   子線を走査する走査手段と、対物レンズと、前記対物レ
   ンズを冷却する対物レンズ冷却手段と、前記対物レンズ
   の励磁電流を制御して前記荷電粒子線の焦点を試料表面
   に合わせる荷電粒子線焦点補正手段と、前記試料から放
   出された試料信号を検出する試料信号検出手段とを含む
   荷電粒子線装置において、 前記対物レンズの温度を検出する温度検出手段と、前記
   温度検出手段の検出結果を基に前記冷却手段の冷却能力
   を制御して前記対物レンズを略一定温度に保つ制御手段
   とを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 【請求項８】前記対物レンズの励磁電流が変化したと
   き、試料と前記対物レンズとが熱平衡に到達する時間が
   冷却後の荷電粒子線装置固有の熱的時定数τ（＝Ｃ／
   ｋ、ただしＣは装置本体の熱容量で単位は［Ｊ／℃］、
   ｋは冷却後の装置本体の放熱係数で単位は［Ｗ／℃］）
   より短いことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項
   記載の荷電粒子線装置。
9. 【請求項９】前記制御手段は冷媒の温度を変化させるこ
   とによって前記冷却手段の冷却能力を制御することを特
   徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の荷電粒子線
   装置。
10. 【請求項１０】前記制御手段は冷媒の流速を変化させる
    ことによって前記冷却手段の冷却能力を制御することを
    特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の荷電粒子
    線装置。
11. 【請求項１１】前記冷却手段は、ヒートポンプであるこ
    とを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の荷電
    粒子線装置。
12. 【請求項１２】前記略一定の温度は室温であることを特
    徴とする請求項１〜１１のいずれか１項記載の荷電粒子
    線装置。
13. 【請求項１３】前記荷電粒子線装置は走査型電子顕微鏡
    であることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項
    記載の荷電粒子線装置。
14. 【請求項１４】電源を投入した後又は装置へ試料を搬入
    した後、試料と前記レンズとが熱平衡に到達する時間が
    冷却後の荷電粒子線装置固有の熱的時定数τ（＝Ｃ／
    ｋ、ただしＣは装置本体の熱容量で単位は［Ｊ／℃］、
    ｋは冷却後の装置本体の放熱係数で単位は［Ｗ／℃］）
    より短いことを特徴とする請求項１２記載の荷電粒子線
    装置。
15. 【請求項１５】前記荷電粒子線装置において、露点を求
    める手段を有し、その結果に基づいて前記冷却手段の冷
    却能力を制御することを特徴とする請求項１〜１４のい
    ずれか１項記載の荷電粒子線装置。