荷電粒子ビーム偏向装置
【課題】２つの異なる方向から入射する荷電粒子ビームを１本の光路に集約でき、両ビームの透過率が高く、且つ加工が容易なセクターマグネットを備える荷電粒子ビーム偏向器を提供する。
【解決手段】入射側端面２１と出射側端面２２を有する二重集束型のセクターマグネット２０を備える。入射側端面２１の角度αと出射側端面２２の角度βは、セクターマグネット２０の出射側端面２２から荷電粒子ビーム１０の集束点Ｑまでの距離をＶとするとき、それぞれ、ｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０、ｄＶ／ｄβ＝０を満たす値β０の近傍に設定する。セクターマグネット２０の背面には、直進する荷電粒子ビーム４０を集束させる磁界レンズ２７を設ける。
【解決手段】入射側端面２１と出射側端面２２を有する二重集束型のセクターマグネット２０を備える。入射側端面２１の角度αと出射側端面２２の角度βは、セクターマグネット２０の出射側端面２２から荷電粒子ビーム１０の集束点Ｑまでの距離をＶとするとき、それぞれ、ｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０、ｄＶ／ｄβ＝０を満たす値β０の近傍に設定する。セクターマグネット２０の背面には、直進する荷電粒子ビーム４０を集束させる磁界レンズ２７を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム偏向装置に関するものであり、特に、生成磁場に平行および垂直な方向に対して、集束作用を有する二重集束型荷電粒子ビーム偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子ビームを偏向させる場合、静電場あるいは静磁場を用いた偏向器が用いられている。このような偏向器は、静電場あるいは静磁場による荷電粒子ビームの集束と分散を活かして、荷電粒子のエネルギー選別や質量分析に利用されている。
【０００３】
更に、荷電粒子の運動エネルギーが高い場合は、静磁場型偏向器が一般的に用いられる。これは、静電場型が絶縁耐圧等の問題により所望の電場を得難くなるのに比べ、磁場型の場合は荷電粒子の速度に比例するローレンツ力を利用でき、所望の磁場が得られやすいことによるものである。
【０００４】
このような静磁場型偏向器を、エネルギー選別器として透過型電子顕微鏡に応用した例が特許文献１に開示されている。このエネルギー選別器は、電子ビームの軌道上に4台の静磁場型偏向器が配置されている構成となっており、該軌道がギリシャ文字Ωのようになることから、一般的にオメガフィルタと呼ばれている。このオメガフィルタによるエネルギー選別により、電子ビームのエネルギー幅は狭くなる。従って、透過型電子顕微鏡内の電子光学系もたらす色収差が低減され、電子顕微鏡の高分解能化が図られる。
【０００５】
しかしながら、上記の構成は複数の荷電粒子ビームを1つの光路に輸送する場合、又は1つの荷電粒子ビームを2つの光路に分岐させる場合には適用できない。また、偏向器を４台配置するために、荷電粒子ビームのビーム軸合せ（いわゆるアライメント）が難しく、さらに、個々の偏向器に対して高い加工精度が要求される。
【０００６】
複数の荷電粒子ビームを入射ビームとして用いた走査型電子顕微鏡の例が、特許文献２に開示されている。図９に示すように、この走査型電子顕微鏡は、電子銃１０１と、それに対向するように設けられた陽電子源１１１と、電子銃‐陽電子源の間に設けられた偏向マグネット１０４と、を備えている。偏向マグネット１０４は紙面後方から前方に向かって静磁場Ｂを発生する。紙面右側にある電子銃１０１から放出された電子ビーム１０２は、アノード１０３により加速され、偏向マグネット１０４によって紙面下方に偏向される。その後、スリット１０５および収束レンズ１０６を通過し、最終的に試料１０７に入射する。一方、紙面左側に設けられた陽電子源１０４から放出された陽電子ビーム１１３は熱化板１１２による減速を受けた後、加速管１１４により所望の運動エネルギーまで加速される。次に収束レンズ１１５により集束された後、偏向マグネット１０４に入射する。陽電子ビームの電荷は電子と逆であるため、偏向マグネット１０４によって紙面下方に進むような偏向を受け、最終的に、電子ビームと同様の過程を経て試料１０７に入射する。
【０００７】
上記の構成によれば、当該電子ビーム１０２或いは陽電子ビーム１１３は、偏向マグネット１０４が生成した磁場の境界に対して垂直に入射する。この場合、両ビームは磁場に垂直な力を受けるだけである。従って、磁場に垂直な平面内での集束は得られるものの、磁場に平行な面上での集束は得られない。このことにより、両ビームの強度は偏向マグネット１０４を通過後に減少してしまう。
【０００８】
この問題を解決する手法として、荷電粒子ビームの入射及び出射方向に対して、生成磁場の境界を斜めに配置する方法が用いられている。２枚のセクターマグネットの間は、マグネットに対し垂直な磁場が発生するが、その周辺には両マグネットの端面から外側に膨らんだ漏れ磁場が発生する。この漏れ磁場は入射する荷電粒子ビームから見ると、両マグネットと平行な成分を有することから、両マグネットに垂直な方向にも集束作用が生ずる。
【０００９】
非特許文献３は、２枚のセクターマグネットを用いた静磁場型偏向器において、荷電粒子ビームの軌道を理論的に計算した結果を示しており、荷電粒子ビームに対するセクターマグネットの入射面および出射面は、想定される荷電粒子ビームの軌道半径の中心と、磁場への入射点又は出射点を結ぶ線に対して、軌道面内において、それぞれ所定の角度を成すように形成されている。これら２つの角度の調整により、磁場に平行な面における荷電粒子ビームの集束点と、この面に垂直な面における、同ビームの集束点が変化することが示されている。
【００１０】
しかしながら、実際に加工したセクターマグネットの寸法には必ず誤差が含まれることを考慮すると、荷電粒子ビームを所望の位置に集束させるためには、セクターマグネットに対して非常に高い加工精度が要求される、という問題点があった。
【特許文献１】特許公報３８６９９５７号
【特許文献２】特公平６−１６４０８
【非特許文献３】W. G. Cross, Review of Scientific Instrument, Vol. 22 (1951), p. 717
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、二重集束する偏向器において二種類の荷電粒子ビームに対し、充分な透過率を有しつつ、該ビームの光路を１本に集約できる、または1本の荷電粒子ビームの光路を２本に分岐できる、加工が容易な荷電粒子ビーム偏向器を提供することを目的とする。即ち、セクターマグネットの入射側端面と出射側端面の角度に誤差が生じても、荷電粒子ビームの集束点の位置変化には影響が少ない荷電粒子ビーム偏向器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、第１の荷電粒子ビームの出射ビームが水平方向及び垂直方向において、同じ位置で集束する荷電粒子ビーム偏向装置であって、入射側端面角をα、出射側端面角をβとして形成されたセクターマグネットを備える。そして、このセクターマグネットの出射側端面から前記集束位置までの距離をＶとするとき、前記入射側端面角αはｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０の近傍の値を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記の構成による荷電粒子ビーム偏向装置によれば、セクターマグネットから出射した荷電粒子ビームの集束位置の変化は入射側端面角、及び出射側端面角の誤差に対して緩やかになる。従って、セクターマグネットの加工精度が緩和されるので、その作製が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
本発明の本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【００１６】
図１に示すように本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。また、入射側端面２１および出射側端面２２の前に、所定の間隔をおいて設けられた磁性体２３、２４を備えている。磁性体２３、２４は、セクターマグネット２０による漏れ磁場の広がりを限定する。なお、この磁性体の材料はパーマロイやミューメタルなど、高い透磁率を有する金属であれば良く、組成は問わない。
【００１７】
図中の一点鎖線は、荷電粒子ビーム１０の理想的な軌道であるビーム軸３０を表す。励磁状態において、荷電粒子ビーム１０は、点Pから入射側端面２１に入射し、セクターマグネット２０内の磁場により偏向され、出射側端面２２から出射し、最終的に点Qに至る。
【００１８】
図２は第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。理想的な荷電粒子ビームの軌道であるビーム軸３０と入射側端面との交点をＡ、該ビーム軸と出射側端面との交点をＢとする。セクターマグネット２０内でこのビーム軸３０は半径Ｒの円弧となり、この円弧の中心をＯとして角ＡＯＢを荷電粒子ビームの偏向角θと定義する。さらに、線ＯＡと入射側端面が成す角度を入射側端面角α、線ＯＢと出射側端面が成す角度を出射側端面角βとする。
【００１９】
セクターマグネット２０の入射側端面２１は、線ＯＡに対して入射側端面角αを成す角度を有し、出射側端面２２は、線ＯＢに対して出射側端面角βを成す角度を有する。これによりセクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、各セクターマグネットを配置する方向（図１の垂直方向Ｚ）と、これに直交する方向（図１の水平方向Ｘ）に集束作用（二重集束作用）を有するようになる。
【００２０】
この集束作用において、Ｘ、Ｚ方向の集束点の位置が一致する条件を二重集束条件という。図１は、この条件下における荷電粒子ビーム１０の軌道を模式的に示したものであり、ビーム軸３０に対しＸ、Ｚ方向に僅かな角度ψ、ψ’を成す荷電粒子ビーム１０ｘ、１０ｚがセクターマグネット２０を通過したとき、上述の集束作用によって同一の点Ｑに集束することを表している。
【００２１】
第１実施形態の場合、磁性体２３、２４によって漏れ磁場の広がりがセクターマグネット２０の端面２１、２２と磁性体２３、２４の間に制限されたことにより、入射側端面角α、及び出射側端面角βに対する荷電粒子ビームの集束点Ｑの位置を解析的に求めることができる。以下、これについて説明する。
【００２２】
図２に示すように、荷電粒子ビームの荷電粒子源または集束点である点Ｐから、磁性体背面２３ａと入射側端面２１の中間点４０までの距離をＵｍ、また、出射側端面２２と磁性体背面２４ａの中間点４１から、荷電粒子ビームが集束する位置までの距離をＶｍと定義する。
【００２３】
上記の構成において、例えばセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としたとき、距離Ｖｍは次式で表される。
【数１】
【００２４】
一例として、Ｒ＝１００ｍｍ、Ｕ＝２００ｍｍとした場合のαに対するＶｍの変化を図３に示す。この曲線から分かるように、Ｖｍは１つの極大値Ｖm０を有する。
【００２５】
荷電粒子ビームをある距離に二重集束させる場合は、その距離Ｖｍと、それに対応する入射側端面角αをこの関数から求め、さらに、このαに対して二重集束条件により一義的に定義される出射側端面角βを算出して、両端面２１、２２を加工すれば良い。
【００２６】
ただし、この加工においては加工誤差が必然的に生じることを考慮すると、距離Ｖｍに対する加工誤差の影響が小さくなるような角度を選ぶ必要がある。
【００２７】
そこで、図３に示すように、入射側端面角αに対する距離Ｖｍの変化が、極大値Ｖｍ０の周辺で最も緩やかになることに着目すると、（１）式において、距離Ｖｍが極大値Ｖm０となるときの値αｍ０（＝α０）は、
【数２】
【００２８】
と表される。また、二重集束条件によってβｍ０はαｍ０に対して一義的に決定されるので、
【数３】
【００２９】
と表される。入射側端面角α、出射側端面角βの変化による距離Ｖｍの変化ΔＶｍを低減するには、各端面角α、βがそれぞれ、上記のαｍ０、βｍ０となるように（即ち、αｍ０及びβｍ０を設計値として）加工することが望ましい。
【００３０】
ここで更に、
【数４】
【数５】
【００３１】
となるδαｍとδβｍを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれαｍ０、βｍ０を中心に±δαｍ、±δβｍの範囲内に収まるように設定する。
【００３２】
上記のように両端面角α、βの値を設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖｍの変化ΔＶｍを、極大値Ｖm０に対して２％以内に抑えることができる。
【００３３】
図３は（４）式で求めたδαｍを基に、入射側端面角αの許容範囲（＝２δαｍ）を破線で示している。この例でδαｍは３．８°程度であり、この許容範囲内において距離Ｖｍの変化ΔＶｍは２％以内となっている。
【００３４】
従って入射側端面角α、出射側端面角βを上記に基づいて設定することで、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度は緩和され、その作製が容易になる。
【００３５】
また上記の構成によれば、セクターマグネット２０は荷電粒子ビーム１０に対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【００３６】
また、磁性体２３、２４が漏れ磁場を遮蔽することで、セクターマグネット２０の磁場が周辺に設置される磁界レンズ等の磁場を乱すことがなく、荷電粒子ビームの操作が向上する。
【００３７】
なお、本発明の荷電粒子ビーム偏向装置によって発生する磁場のように、磁場の分布が荷電粒子ビームのビーム軸に対して非対称な場合は、荷電粒子ビームの集束点において非点収差が生じる。従って、本実施形態において、この収差を低減する収差補正レンズを、セクターマグネット２０の前、又は後に設置しても良い。
【００３８】
図４は、本実施形態において、セクターマグネット２０の前に収差補正レンズ２４を設けた例である。これにより点Ｑにおいて、荷電粒子ビームの形状を最適に調整できる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について、図５および図６を用いて説明する。なお、図中の参照符号において図１、図２と同符号のものは、第１実施形態で説明した内容と同義である。
【００４０】
図５は本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。この図に示すように、荷電粒子ビーム偏向装置は第１実施形態と同様に、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。
【００４１】
励磁状態において、点Pから出射し、その後入射側端面２１から入射した荷電粒子ビーム１０は、セクターマグネット２０内の磁場により偏向され、出射側端面２２から出射し、最終的に点Qにおいて集束する。
【００４２】
図６は第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。理想的な荷電粒子の軌道であるビーム軸３０と入射側端面との交点をＡ、該ビーム軸と出射側端面との交点をＢとする。セクターマグネット２０内でこのビーム軸１０は半径Ｒの円弧となるが、この円弧の中心をＯとして角ＡＯＢを荷電粒子ビームの偏向角θと定義する。さらに、線ＯＡと入射側端面が成す角度を入射側端面角α、線ＯＢと出射側端面が成す角度を出射側端面角βと定義する。なお、この図ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としているが、この限りではない。
【００４３】
また、点Ｐから交点Ａまでの距離（即ち、荷電粒子源の位置または荷電粒子ビームの集束点から入射側端面までの距離）をＵ、交点Ｂから点Ｑまでの距離（即ち、出射側端面から荷電粒子ビームが垂直方向、水平方向において同時に集束する集束点までの距離）をＶとする。
【００４４】
上述したように、セクターマグネット２０の入射側端面角α、及び出射側端面角βを調整することで、荷電粒子ビームの垂直方向における集束点の位置と、水平方向における集束点の位置が変化する。シミュレーションによる軌道解析を用いて、これらの集束点の位置が一致するように（即ち、二重集束条件を満たすように）αを選ぶと、βはαに対して一義的に決定される。このとき、距離Vはαに対して極大値V０を有する関数となる（図３参照）。
【００４５】
荷電粒子ビームを二重集束させる場合は、得られた関数に従う入射側端面角αと、このαに対して二重集束条件により一義的に定義される出射側端面角βを算出して、両端面２１、２２を加工すれば良い。
【００４６】
ただし、この加工においては加工誤差が必然的に生じることを考慮すると、距離Ｖｍに対する加工誤差の影響が小さくなるような角度を選ぶ必要がある。
【００４７】
そこで、入射側端面角αに対する距離Ｖの変化が、極大値Ｖ０の周辺で最も緩やかになることに着目し、距離Ｖが極大値Ｖ０と成るときの値をそれぞれα０、β０とする。入射側端面角α、出射側端面角βの変化による距離Ｖの変化ΔＶを低減するには、各端面角α、βがそれぞれ、上記のα０、β０となるように（即ち、α０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。
【００４８】
このとき、
【数６】
【数７】
【００４９】
を満たすδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定する。
【００５０】
上記のよう両端面角α、βの値を設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶを、極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えることができる。従って上記構成によれば、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和されるので、その作製が容易になる。
【００５１】
また、セクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【００５２】
本発明の荷電粒子ビーム偏向装置によって発生する磁場の分布が荷電粒子ビームのビーム軸に対して非対称な場合は、荷電粒子の集束点において非点収差が生じる。従って、本実施形態においても第1実施形態と同様に、この収差を低減するための収差補正レンズをセクターマグネット２０の前、又は後に設置しても良い。
【００５３】
図７は、本実施形態において、セクターマグネット２０の前に収差補正レンズ２６を設けた例である。これにより、点Ｑにおける荷電粒子ビームの形状が適宜調整できる。
【００５４】
＜第３実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について説明する。
【００５５】
本実施形態は、第１実施形態で述べたセクターマグネット２０と磁性体２３、２４を用いて、２種類の荷電粒子ビームを使い分けることを可能にした実施形態である。
【００５６】
以下、上記２種類の荷電粒子ビームについて、第１の荷電粒子ビームを電子ビーム、第２の荷電粒子ビームを陽電子ビームとした例を説明する。なお、実施例は上記に限定されず、荷電粒子ビームは電子ビーム、陽電子ビーム、イオンビーム、または何れかの組み合わせであっても良い。
【００５７】
図８は本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。なお、図中の参照符号において図１、図２と同符号のものは、第１実施形態で説明した内容と同義である。
【００５８】
本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、第１実施形態で示した図１のように、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。なお、図８ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としたが、この限りではない。さらに、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、セクターマグネット２０の前方に磁界レンズ２７が設けられている。磁界レンズ２７についての説明は後述する。
【００５９】
本実施形態においても、セクターマグネット２０の入射側端面２１は、線ＯＡに対して入射側端面角αを成す角度を有し、出射側端面２２は、線ＯＢに対して出射側端面角βを成す角度を有する。従って、点Ｐから出射した電子ビーム（第１の荷電粒子ビーム）１０は、セクターマグネット２０によって偏向され、最終的に点Ｑに到達する。入射側端面角αと出射側端面角βの調整により、垂直方向（紙面に垂直な方向）および水平方向（紙面に平行な方向）に対する荷電粒子ビームの集束点の位置が変化することは、第１実施形態と同様である。
【００６０】
本実施形態において、第1実施形態のように、セクターマグネット２０の入射側端面２１および出射側端面２２の前に、間隔をおいて両端面２１、２２と平行に磁性体２３、２４を設け、偏向角θを９０°とした場合、距離Ｖｍは（１）式で表される。第1実施形態で述べたように、この距離Ｖｍは入射側端面角αに対して極大値Ｖm０を有する関数となる（図３参照）。そして、距離Ｖｍが極大となるときの、セクターマグネット２０の入射側端面角αと出射側端面角βは（２）式および（３）式によって決定される。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値αｍ０、βｍ０を有するように（即ちαｍα０及びβｍ０を設計値として）加工することが望ましい。ここで更に（４）式及び（５）式を用いてδαｍ及びδβｍを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βを、それぞれαｍ０、βｍ０を中心に±δαｍ、±δβｍの範囲内に収まるように設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖｍの変化ΔＶｍを極大値Ｖm０に対して２％以内に抑えることができる。
【００６１】
次に、磁界レンズ２７について説明する。
【００６２】
本項の冒頭に述べたように、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は更に、セクターマグネット２０の前方に、陽電子ビーム（第２の荷電粒子ビーム）４０を集束させる磁界レンズ２７を備えている。図８に示すように、磁界レンズ２７は、その光軸がセクターマグネット２０から出射した電子ビーム１０のビーム軸３１と一致するように配置される。
【００６３】
図８において、点Sから出射した陽電子ビーム４０がセクターマグネット２０を通過する場合、セクターマグネット２０による励磁を停止させる。このとき、セクターマグネット２０内に磁場は発生していないので、入射した陽電子ビーム４０は強度の減衰を受けずに点Ｑに向かって直進し、陽電子ビーム４０のビーム軸４１は、セクターマグネット出射後の電子ビーム１０のビーム軸３１と一致する。そして直進した陽電子ビーム４０は、磁界レンズ２７の調整によって点Ｑに集束する。
【００６４】
以上の操作により、電子ビーム１０が集束する位置と、陽電子ビーム４０が集束する位置が点Ｑにおいて一致することになる。従って、点Ｑよりも下流側に磁界レンズ等の電子光学系が設けられた場合、その調整は、電子・陽電子ビームの何れに関わることなく行うことが出来る。
【００６５】
また本実施形態において、電子・陽電子ビームの集束点である点Ｑ又はその近傍に、荷電粒子検出器７０を設けても良い。この荷電粒子検出器７０は、該荷電粒子ビームの強度を測定するための二次電子増倍機能を有した検出器であり、測定時にはビーム軸３１上に設置され、測定終了後はビーム軸３１から（例えば、図中のD方向に）離れるような可動式となっている。この荷電粒子検出器７０は、さらに位置敏感機能を有していても良い。
【００６６】
上記構成によれば、点Q以降の電子光学系は２種類の荷電粒子ビームに対して併用できる。
【００６７】
この場合に用いられる荷電粒子ビーム偏向装置においても、該装置のセクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和され、従って、その作製が容易になる。
【００６８】
また、セクターマグネット２０は電子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する電子ビームの透過率は向上する。
【００６９】
また、磁性体２３、２４を設置した場合には、セクターマグネット２０からの漏れ磁場が遮蔽され、周辺に設置される磁界レンズ等の磁場を乱すことがなくなるため、電子ビーム１０または陽電子ビーム４０の操作が向上する。
【００７０】
さらに上記構成によれば、陽電子ビーム３０の強度は、セクターマグネット２０によって減衰することがない。従って、陽電子ビーム３０のように本質的に強度の低い荷電粒子ビームはセクターマグネット２０内を直進させ、電子ビームのように充分な強度が得られる荷電粒子ビームはセクターマグネット２０により偏向させることで、両ビームの集束点以降に設けられた電子光学系は、充分な強度を有する２種類の荷電粒子ビームを併用することが出来る。
【００７１】
なお上記構成において、磁性体２３、２４を除去しても良い。
【００７２】
この場合、第２実施形態と同様に、シミュレーションによる軌道解析を用いて、電子ビームの垂直方向及び水平方向に対する集束点の位置が一致するように（即ち、二重集束条件を満たすように）入射側端面角αを選ぶ。すると、距離Vに対して、入射側端面角αに対して１つの極大値V０を有する関数が得られる。出射側端面角βは、二重集束条件によって入射側端面角αに対して一義的に決定される。この極大値におけるα、βを、それぞれα０、β０とする。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値α０、β０を有するように（即ちα０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。そして、第２実施形態で述べた（６）式及び（７）式を用いてδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶを極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えることができる。従って、上記何れの場合においても、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度は緩和されることになる。
【００７３】
＜第４実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について説明する。
【００７４】
図９は、本発明に係るセクターマグネット２０を用いて、１つの荷電粒子ビームを２つのビーム軸に分岐させる荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。なお、図中の参照符号において図４、図５と同符号のものは、第２実施形態で説明した内容と同義である。
【００７５】
本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、第２実施形態と同様のセクターマグネット２０と、該セクターマグネット２０の背面に磁界レンズ２８を備える。この磁界レンズ２８は、その光軸が点Ｐから入射側端面２１に向かって直進する荷電粒子ビームのビーム軸３２と一致するように配置される。なお、図９ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としているが、この限りではない。
【００７６】
この実施形態において、セクターマグネット２０が励磁状態にあるとき、点Ｐから出射する荷電粒子ビーム１０は、セクターマグネット２０の磁場による偏向を受け、出射側端面２２から出射する。セクターマグネット２０の入射側端面角αおよび出射側端面角βは、前述した二重集束条件に適うような角度に設定されているので、荷電粒子ビームは垂直・水平方向に対し、点Ｑで集束する。
【００７７】
この場合、セクターマグネット２０の入射側端面角αと出射側端面角βについて、第２実施形態と同様に、距離Ｖが極大値となるようなα０とβ０を定義する。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値α０、β０を有するように（即ちα０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。さらに、（６）式および（７）式によってδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定する。このようにすると、両端面角α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶは極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えられる。
【００７８】
一方、セクターマグネット２０が非励磁状態にあるとき、点Ｐから出射する荷電粒子ビームは、セクターマグネットによる偏向を受けず、そのまま直進する。そして、荷電粒子ビームは磁界レンズ２８によって点Tに集束する。
【００７９】
上記構成によれば、セクターマグネット２０の励磁・非励磁によって１つの荷電粒子ビームを２つの光路に輸送することが出来る。
【００８０】
また、セクターマグネット２０の両端面角α、βは、距離Ｖが極大値となるα０、β０を中心にそれぞれ±δα、±δβの範囲内に収まるように設定すればよいことから、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和され、その作製が容易になる。さらに、セクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るセクターマグネットの入射側端面角αｍと、該セクターマグネットの出射側端面から荷電粒子ビームの集束点までの距離Ｖｍの関係を表したグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図であり、収差補正レンズを設けた実施形態である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図であり、収差補正レンズを設けた実施形態である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図１０】従来技術の電子・陽電子顕微鏡を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０：（第１の）荷電粒子ビーム
３０：（第１の）荷電粒子ビームのビーム軸
２０：セクターマグネット
２１：入射側端面
２２：出射側端面
２３、２４：磁性体
２５、２６：収差補正レンズ
２７、２８：磁界レンズ
４０：第２の荷電粒子ビーム
４１：第２の荷電粒子ビームのビーム軸
７０：荷電粒子検出器
Ｐ：（第１の）荷電粒子ビームの集束点
Ｑ：第１及び第２の荷電粒子ビームの集束点
Ｓ：第２の荷電粒子ビームの出射点
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子ビーム偏向装置に関するものであり、特に、生成磁場に平行および垂直な方向に対して、集束作用を有する二重集束型荷電粒子ビーム偏向装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子ビームを偏向させる場合、静電場あるいは静磁場を用いた偏向器が用いられている。このような偏向器は、静電場あるいは静磁場による荷電粒子ビームの集束と分散を活かして、荷電粒子のエネルギー選別や質量分析に利用されている。
【０００３】
更に、荷電粒子の運動エネルギーが高い場合は、静磁場型偏向器が一般的に用いられる。これは、静電場型が絶縁耐圧等の問題により所望の電場を得難くなるのに比べ、磁場型の場合は荷電粒子の速度に比例するローレンツ力を利用でき、所望の磁場が得られやすいことによるものである。
【０００４】
このような静磁場型偏向器を、エネルギー選別器として透過型電子顕微鏡に応用した例が特許文献１に開示されている。このエネルギー選別器は、電子ビームの軌道上に4台の静磁場型偏向器が配置されている構成となっており、該軌道がギリシャ文字Ωのようになることから、一般的にオメガフィルタと呼ばれている。このオメガフィルタによるエネルギー選別により、電子ビームのエネルギー幅は狭くなる。従って、透過型電子顕微鏡内の電子光学系もたらす色収差が低減され、電子顕微鏡の高分解能化が図られる。
【０００５】
しかしながら、上記の構成は複数の荷電粒子ビームを1つの光路に輸送する場合、又は1つの荷電粒子ビームを2つの光路に分岐させる場合には適用できない。また、偏向器を４台配置するために、荷電粒子ビームのビーム軸合せ（いわゆるアライメント）が難しく、さらに、個々の偏向器に対して高い加工精度が要求される。
【０００６】
複数の荷電粒子ビームを入射ビームとして用いた走査型電子顕微鏡の例が、特許文献２に開示されている。図９に示すように、この走査型電子顕微鏡は、電子銃１０１と、それに対向するように設けられた陽電子源１１１と、電子銃‐陽電子源の間に設けられた偏向マグネット１０４と、を備えている。偏向マグネット１０４は紙面後方から前方に向かって静磁場Ｂを発生する。紙面右側にある電子銃１０１から放出された電子ビーム１０２は、アノード１０３により加速され、偏向マグネット１０４によって紙面下方に偏向される。その後、スリット１０５および収束レンズ１０６を通過し、最終的に試料１０７に入射する。一方、紙面左側に設けられた陽電子源１０４から放出された陽電子ビーム１１３は熱化板１１２による減速を受けた後、加速管１１４により所望の運動エネルギーまで加速される。次に収束レンズ１１５により集束された後、偏向マグネット１０４に入射する。陽電子ビームの電荷は電子と逆であるため、偏向マグネット１０４によって紙面下方に進むような偏向を受け、最終的に、電子ビームと同様の過程を経て試料１０７に入射する。
【０００７】
上記の構成によれば、当該電子ビーム１０２或いは陽電子ビーム１１３は、偏向マグネット１０４が生成した磁場の境界に対して垂直に入射する。この場合、両ビームは磁場に垂直な力を受けるだけである。従って、磁場に垂直な平面内での集束は得られるものの、磁場に平行な面上での集束は得られない。このことにより、両ビームの強度は偏向マグネット１０４を通過後に減少してしまう。
【０００８】
この問題を解決する手法として、荷電粒子ビームの入射及び出射方向に対して、生成磁場の境界を斜めに配置する方法が用いられている。２枚のセクターマグネットの間は、マグネットに対し垂直な磁場が発生するが、その周辺には両マグネットの端面から外側に膨らんだ漏れ磁場が発生する。この漏れ磁場は入射する荷電粒子ビームから見ると、両マグネットと平行な成分を有することから、両マグネットに垂直な方向にも集束作用が生ずる。
【０００９】
非特許文献３は、２枚のセクターマグネットを用いた静磁場型偏向器において、荷電粒子ビームの軌道を理論的に計算した結果を示しており、荷電粒子ビームに対するセクターマグネットの入射面および出射面は、想定される荷電粒子ビームの軌道半径の中心と、磁場への入射点又は出射点を結ぶ線に対して、軌道面内において、それぞれ所定の角度を成すように形成されている。これら２つの角度の調整により、磁場に平行な面における荷電粒子ビームの集束点と、この面に垂直な面における、同ビームの集束点が変化することが示されている。
【００１０】
しかしながら、実際に加工したセクターマグネットの寸法には必ず誤差が含まれることを考慮すると、荷電粒子ビームを所望の位置に集束させるためには、セクターマグネットに対して非常に高い加工精度が要求される、という問題点があった。
【特許文献１】特許公報３８６９９５７号
【特許文献２】特公平６−１６４０８
【非特許文献３】W. G. Cross, Review of Scientific Instrument, Vol. 22 (1951), p. 717
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで本発明は、二重集束する偏向器において二種類の荷電粒子ビームに対し、充分な透過率を有しつつ、該ビームの光路を１本に集約できる、または1本の荷電粒子ビームの光路を２本に分岐できる、加工が容易な荷電粒子ビーム偏向器を提供することを目的とする。即ち、セクターマグネットの入射側端面と出射側端面の角度に誤差が生じても、荷電粒子ビームの集束点の位置変化には影響が少ない荷電粒子ビーム偏向器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、第１の荷電粒子ビームの出射ビームが水平方向及び垂直方向において、同じ位置で集束する荷電粒子ビーム偏向装置であって、入射側端面角をα、出射側端面角をβとして形成されたセクターマグネットを備える。そして、このセクターマグネットの出射側端面から前記集束位置までの距離をＶとするとき、前記入射側端面角αはｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０の近傍の値を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
上記の構成による荷電粒子ビーム偏向装置によれば、セクターマグネットから出射した荷電粒子ビームの集束位置の変化は入射側端面角、及び出射側端面角の誤差に対して緩やかになる。従って、セクターマグネットの加工精度が緩和されるので、その作製が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
＜第１実施形態＞
本発明の本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【００１６】
図１に示すように本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。また、入射側端面２１および出射側端面２２の前に、所定の間隔をおいて設けられた磁性体２３、２４を備えている。磁性体２３、２４は、セクターマグネット２０による漏れ磁場の広がりを限定する。なお、この磁性体の材料はパーマロイやミューメタルなど、高い透磁率を有する金属であれば良く、組成は問わない。
【００１７】
図中の一点鎖線は、荷電粒子ビーム１０の理想的な軌道であるビーム軸３０を表す。励磁状態において、荷電粒子ビーム１０は、点Pから入射側端面２１に入射し、セクターマグネット２０内の磁場により偏向され、出射側端面２２から出射し、最終的に点Qに至る。
【００１８】
図２は第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。理想的な荷電粒子ビームの軌道であるビーム軸３０と入射側端面との交点をＡ、該ビーム軸と出射側端面との交点をＢとする。セクターマグネット２０内でこのビーム軸３０は半径Ｒの円弧となり、この円弧の中心をＯとして角ＡＯＢを荷電粒子ビームの偏向角θと定義する。さらに、線ＯＡと入射側端面が成す角度を入射側端面角α、線ＯＢと出射側端面が成す角度を出射側端面角βとする。
【００１９】
セクターマグネット２０の入射側端面２１は、線ＯＡに対して入射側端面角αを成す角度を有し、出射側端面２２は、線ＯＢに対して出射側端面角βを成す角度を有する。これによりセクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、各セクターマグネットを配置する方向（図１の垂直方向Ｚ）と、これに直交する方向（図１の水平方向Ｘ）に集束作用（二重集束作用）を有するようになる。
【００２０】
この集束作用において、Ｘ、Ｚ方向の集束点の位置が一致する条件を二重集束条件という。図１は、この条件下における荷電粒子ビーム１０の軌道を模式的に示したものであり、ビーム軸３０に対しＸ、Ｚ方向に僅かな角度ψ、ψ’を成す荷電粒子ビーム１０ｘ、１０ｚがセクターマグネット２０を通過したとき、上述の集束作用によって同一の点Ｑに集束することを表している。
【００２１】
第１実施形態の場合、磁性体２３、２４によって漏れ磁場の広がりがセクターマグネット２０の端面２１、２２と磁性体２３、２４の間に制限されたことにより、入射側端面角α、及び出射側端面角βに対する荷電粒子ビームの集束点Ｑの位置を解析的に求めることができる。以下、これについて説明する。
【００２２】
図２に示すように、荷電粒子ビームの荷電粒子源または集束点である点Ｐから、磁性体背面２３ａと入射側端面２１の中間点４０までの距離をＵｍ、また、出射側端面２２と磁性体背面２４ａの中間点４１から、荷電粒子ビームが集束する位置までの距離をＶｍと定義する。
【００２３】
上記の構成において、例えばセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としたとき、距離Ｖｍは次式で表される。
【数１】
【００２４】
一例として、Ｒ＝１００ｍｍ、Ｕ＝２００ｍｍとした場合のαに対するＶｍの変化を図３に示す。この曲線から分かるように、Ｖｍは１つの極大値Ｖm０を有する。
【００２５】
荷電粒子ビームをある距離に二重集束させる場合は、その距離Ｖｍと、それに対応する入射側端面角αをこの関数から求め、さらに、このαに対して二重集束条件により一義的に定義される出射側端面角βを算出して、両端面２１、２２を加工すれば良い。
【００２６】
ただし、この加工においては加工誤差が必然的に生じることを考慮すると、距離Ｖｍに対する加工誤差の影響が小さくなるような角度を選ぶ必要がある。
【００２７】
そこで、図３に示すように、入射側端面角αに対する距離Ｖｍの変化が、極大値Ｖｍ０の周辺で最も緩やかになることに着目すると、（１）式において、距離Ｖｍが極大値Ｖm０となるときの値αｍ０（＝α０）は、
【数２】
【００２８】
と表される。また、二重集束条件によってβｍ０はαｍ０に対して一義的に決定されるので、
【数３】
【００２９】
と表される。入射側端面角α、出射側端面角βの変化による距離Ｖｍの変化ΔＶｍを低減するには、各端面角α、βがそれぞれ、上記のαｍ０、βｍ０となるように（即ち、αｍ０及びβｍ０を設計値として）加工することが望ましい。
【００３０】
ここで更に、
【数４】
【数５】
【００３１】
となるδαｍとδβｍを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれαｍ０、βｍ０を中心に±δαｍ、±δβｍの範囲内に収まるように設定する。
【００３２】
上記のように両端面角α、βの値を設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖｍの変化ΔＶｍを、極大値Ｖm０に対して２％以内に抑えることができる。
【００３３】
図３は（４）式で求めたδαｍを基に、入射側端面角αの許容範囲（＝２δαｍ）を破線で示している。この例でδαｍは３．８°程度であり、この許容範囲内において距離Ｖｍの変化ΔＶｍは２％以内となっている。
【００３４】
従って入射側端面角α、出射側端面角βを上記に基づいて設定することで、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度は緩和され、その作製が容易になる。
【００３５】
また上記の構成によれば、セクターマグネット２０は荷電粒子ビーム１０に対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【００３６】
また、磁性体２３、２４が漏れ磁場を遮蔽することで、セクターマグネット２０の磁場が周辺に設置される磁界レンズ等の磁場を乱すことがなく、荷電粒子ビームの操作が向上する。
【００３７】
なお、本発明の荷電粒子ビーム偏向装置によって発生する磁場のように、磁場の分布が荷電粒子ビームのビーム軸に対して非対称な場合は、荷電粒子ビームの集束点において非点収差が生じる。従って、本実施形態において、この収差を低減する収差補正レンズを、セクターマグネット２０の前、又は後に設置しても良い。
【００３８】
図４は、本実施形態において、セクターマグネット２０の前に収差補正レンズ２４を設けた例である。これにより点Ｑにおいて、荷電粒子ビームの形状を最適に調整できる。
【００３９】
＜第２実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について、図５および図６を用いて説明する。なお、図中の参照符号において図１、図２と同符号のものは、第１実施形態で説明した内容と同義である。
【００４０】
図５は本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。この図に示すように、荷電粒子ビーム偏向装置は第１実施形態と同様に、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。
【００４１】
励磁状態において、点Pから出射し、その後入射側端面２１から入射した荷電粒子ビーム１０は、セクターマグネット２０内の磁場により偏向され、出射側端面２２から出射し、最終的に点Qにおいて集束する。
【００４２】
図６は第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。理想的な荷電粒子の軌道であるビーム軸３０と入射側端面との交点をＡ、該ビーム軸と出射側端面との交点をＢとする。セクターマグネット２０内でこのビーム軸１０は半径Ｒの円弧となるが、この円弧の中心をＯとして角ＡＯＢを荷電粒子ビームの偏向角θと定義する。さらに、線ＯＡと入射側端面が成す角度を入射側端面角α、線ＯＢと出射側端面が成す角度を出射側端面角βと定義する。なお、この図ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としているが、この限りではない。
【００４３】
また、点Ｐから交点Ａまでの距離（即ち、荷電粒子源の位置または荷電粒子ビームの集束点から入射側端面までの距離）をＵ、交点Ｂから点Ｑまでの距離（即ち、出射側端面から荷電粒子ビームが垂直方向、水平方向において同時に集束する集束点までの距離）をＶとする。
【００４４】
上述したように、セクターマグネット２０の入射側端面角α、及び出射側端面角βを調整することで、荷電粒子ビームの垂直方向における集束点の位置と、水平方向における集束点の位置が変化する。シミュレーションによる軌道解析を用いて、これらの集束点の位置が一致するように（即ち、二重集束条件を満たすように）αを選ぶと、βはαに対して一義的に決定される。このとき、距離Vはαに対して極大値V０を有する関数となる（図３参照）。
【００４５】
荷電粒子ビームを二重集束させる場合は、得られた関数に従う入射側端面角αと、このαに対して二重集束条件により一義的に定義される出射側端面角βを算出して、両端面２１、２２を加工すれば良い。
【００４６】
ただし、この加工においては加工誤差が必然的に生じることを考慮すると、距離Ｖｍに対する加工誤差の影響が小さくなるような角度を選ぶ必要がある。
【００４７】
そこで、入射側端面角αに対する距離Ｖの変化が、極大値Ｖ０の周辺で最も緩やかになることに着目し、距離Ｖが極大値Ｖ０と成るときの値をそれぞれα０、β０とする。入射側端面角α、出射側端面角βの変化による距離Ｖの変化ΔＶを低減するには、各端面角α、βがそれぞれ、上記のα０、β０となるように（即ち、α０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。
【００４８】
このとき、
【数６】
【数７】
【００４９】
を満たすδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定する。
【００５０】
上記のよう両端面角α、βの値を設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶを、極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えることができる。従って上記構成によれば、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和されるので、その作製が容易になる。
【００５１】
また、セクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【００５２】
本発明の荷電粒子ビーム偏向装置によって発生する磁場の分布が荷電粒子ビームのビーム軸に対して非対称な場合は、荷電粒子の集束点において非点収差が生じる。従って、本実施形態においても第1実施形態と同様に、この収差を低減するための収差補正レンズをセクターマグネット２０の前、又は後に設置しても良い。
【００５３】
図７は、本実施形態において、セクターマグネット２０の前に収差補正レンズ２６を設けた例である。これにより、点Ｑにおける荷電粒子ビームの形状が適宜調整できる。
【００５４】
＜第３実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について説明する。
【００５５】
本実施形態は、第１実施形態で述べたセクターマグネット２０と磁性体２３、２４を用いて、２種類の荷電粒子ビームを使い分けることを可能にした実施形態である。
【００５６】
以下、上記２種類の荷電粒子ビームについて、第１の荷電粒子ビームを電子ビーム、第２の荷電粒子ビームを陽電子ビームとした例を説明する。なお、実施例は上記に限定されず、荷電粒子ビームは電子ビーム、陽電子ビーム、イオンビーム、または何れかの組み合わせであっても良い。
【００５７】
図８は本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。なお、図中の参照符号において図１、図２と同符号のものは、第１実施形態で説明した内容と同義である。
【００５８】
本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、第１実施形態で示した図１のように、間隔を置きながら上下に配置した２枚の磁極から成るセクターマグネット２０を備えており、このセクターマグネット２０は側面に入射側端面２１、出射側端面２２を有している。なお、図８ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としたが、この限りではない。さらに、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、セクターマグネット２０の前方に磁界レンズ２７が設けられている。磁界レンズ２７についての説明は後述する。
【００５９】
本実施形態においても、セクターマグネット２０の入射側端面２１は、線ＯＡに対して入射側端面角αを成す角度を有し、出射側端面２２は、線ＯＢに対して出射側端面角βを成す角度を有する。従って、点Ｐから出射した電子ビーム（第１の荷電粒子ビーム）１０は、セクターマグネット２０によって偏向され、最終的に点Ｑに到達する。入射側端面角αと出射側端面角βの調整により、垂直方向（紙面に垂直な方向）および水平方向（紙面に平行な方向）に対する荷電粒子ビームの集束点の位置が変化することは、第１実施形態と同様である。
【００６０】
本実施形態において、第1実施形態のように、セクターマグネット２０の入射側端面２１および出射側端面２２の前に、間隔をおいて両端面２１、２２と平行に磁性体２３、２４を設け、偏向角θを９０°とした場合、距離Ｖｍは（１）式で表される。第1実施形態で述べたように、この距離Ｖｍは入射側端面角αに対して極大値Ｖm０を有する関数となる（図３参照）。そして、距離Ｖｍが極大となるときの、セクターマグネット２０の入射側端面角αと出射側端面角βは（２）式および（３）式によって決定される。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値αｍ０、βｍ０を有するように（即ちαｍα０及びβｍ０を設計値として）加工することが望ましい。ここで更に（４）式及び（５）式を用いてδαｍ及びδβｍを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βを、それぞれαｍ０、βｍ０を中心に±δαｍ、±δβｍの範囲内に収まるように設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖｍの変化ΔＶｍを極大値Ｖm０に対して２％以内に抑えることができる。
【００６１】
次に、磁界レンズ２７について説明する。
【００６２】
本項の冒頭に述べたように、本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は更に、セクターマグネット２０の前方に、陽電子ビーム（第２の荷電粒子ビーム）４０を集束させる磁界レンズ２７を備えている。図８に示すように、磁界レンズ２７は、その光軸がセクターマグネット２０から出射した電子ビーム１０のビーム軸３１と一致するように配置される。
【００６３】
図８において、点Sから出射した陽電子ビーム４０がセクターマグネット２０を通過する場合、セクターマグネット２０による励磁を停止させる。このとき、セクターマグネット２０内に磁場は発生していないので、入射した陽電子ビーム４０は強度の減衰を受けずに点Ｑに向かって直進し、陽電子ビーム４０のビーム軸４１は、セクターマグネット出射後の電子ビーム１０のビーム軸３１と一致する。そして直進した陽電子ビーム４０は、磁界レンズ２７の調整によって点Ｑに集束する。
【００６４】
以上の操作により、電子ビーム１０が集束する位置と、陽電子ビーム４０が集束する位置が点Ｑにおいて一致することになる。従って、点Ｑよりも下流側に磁界レンズ等の電子光学系が設けられた場合、その調整は、電子・陽電子ビームの何れに関わることなく行うことが出来る。
【００６５】
また本実施形態において、電子・陽電子ビームの集束点である点Ｑ又はその近傍に、荷電粒子検出器７０を設けても良い。この荷電粒子検出器７０は、該荷電粒子ビームの強度を測定するための二次電子増倍機能を有した検出器であり、測定時にはビーム軸３１上に設置され、測定終了後はビーム軸３１から（例えば、図中のD方向に）離れるような可動式となっている。この荷電粒子検出器７０は、さらに位置敏感機能を有していても良い。
【００６６】
上記構成によれば、点Q以降の電子光学系は２種類の荷電粒子ビームに対して併用できる。
【００６７】
この場合に用いられる荷電粒子ビーム偏向装置においても、該装置のセクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和され、従って、その作製が容易になる。
【００６８】
また、セクターマグネット２０は電子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する電子ビームの透過率は向上する。
【００６９】
また、磁性体２３、２４を設置した場合には、セクターマグネット２０からの漏れ磁場が遮蔽され、周辺に設置される磁界レンズ等の磁場を乱すことがなくなるため、電子ビーム１０または陽電子ビーム４０の操作が向上する。
【００７０】
さらに上記構成によれば、陽電子ビーム３０の強度は、セクターマグネット２０によって減衰することがない。従って、陽電子ビーム３０のように本質的に強度の低い荷電粒子ビームはセクターマグネット２０内を直進させ、電子ビームのように充分な強度が得られる荷電粒子ビームはセクターマグネット２０により偏向させることで、両ビームの集束点以降に設けられた電子光学系は、充分な強度を有する２種類の荷電粒子ビームを併用することが出来る。
【００７１】
なお上記構成において、磁性体２３、２４を除去しても良い。
【００７２】
この場合、第２実施形態と同様に、シミュレーションによる軌道解析を用いて、電子ビームの垂直方向及び水平方向に対する集束点の位置が一致するように（即ち、二重集束条件を満たすように）入射側端面角αを選ぶ。すると、距離Vに対して、入射側端面角αに対して１つの極大値V０を有する関数が得られる。出射側端面角βは、二重集束条件によって入射側端面角αに対して一義的に決定される。この極大値におけるα、βを、それぞれα０、β０とする。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値α０、β０を有するように（即ちα０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。そして、第２実施形態で述べた（６）式及び（７）式を用いてδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定すると、α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶを極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えることができる。従って、上記何れの場合においても、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度は緩和されることになる。
【００７３】
＜第４実施形態＞
本発明に係る荷電粒子ビーム偏向装置の一実施形態について説明する。
【００７４】
図９は、本発明に係るセクターマグネット２０を用いて、１つの荷電粒子ビームを２つのビーム軸に分岐させる荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。なお、図中の参照符号において図４、図５と同符号のものは、第２実施形態で説明した内容と同義である。
【００７５】
本実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置は、第２実施形態と同様のセクターマグネット２０と、該セクターマグネット２０の背面に磁界レンズ２８を備える。この磁界レンズ２８は、その光軸が点Ｐから入射側端面２１に向かって直進する荷電粒子ビームのビーム軸３２と一致するように配置される。なお、図９ではセクターマグネット２０の偏向角θを９０°としているが、この限りではない。
【００７６】
この実施形態において、セクターマグネット２０が励磁状態にあるとき、点Ｐから出射する荷電粒子ビーム１０は、セクターマグネット２０の磁場による偏向を受け、出射側端面２２から出射する。セクターマグネット２０の入射側端面角αおよび出射側端面角βは、前述した二重集束条件に適うような角度に設定されているので、荷電粒子ビームは垂直・水平方向に対し、点Ｑで集束する。
【００７７】
この場合、セクターマグネット２０の入射側端面角αと出射側端面角βについて、第２実施形態と同様に、距離Ｖが極大値となるようなα０とβ０を定義する。入射側端面２１、出射側端面２２の加工誤差を考慮すると、それぞれの端面角α、βは、これらの値α０、β０を有するように（即ちα０及びβ０を設計値として）加工することが望ましい。さらに、（６）式および（７）式によってδα及びδβを定義し、セクターマグネットの両端面角α、βが、それぞれα０、β０を中心に±δα、±δβの範囲内に収まるように設定する。このようにすると、両端面角α、βの変化に伴う距離Ｖの変化ΔＶは極大値Ｖ０に対して２％以内に抑えられる。
【００７８】
一方、セクターマグネット２０が非励磁状態にあるとき、点Ｐから出射する荷電粒子ビームは、セクターマグネットによる偏向を受けず、そのまま直進する。そして、荷電粒子ビームは磁界レンズ２８によって点Tに集束する。
【００７９】
上記構成によれば、セクターマグネット２０の励磁・非励磁によって１つの荷電粒子ビームを２つの光路に輸送することが出来る。
【００８０】
また、セクターマグネット２０の両端面角α、βは、距離Ｖが極大値となるα０、β０を中心にそれぞれ±δα、±δβの範囲内に収まるように設定すればよいことから、セクターマグネット２０の入射側端面２１と出射側端面２２に対する加工精度が緩和され、その作製が容易になる。さらに、セクターマグネット２０は荷電粒子ビームに対して、二重集束条件を満たすように形成されているので、励磁状態において該セクターマグネットを通過する荷電粒子ビームの透過率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るセクターマグネットの入射側端面角αｍと、該セクターマグネットの出射側端面から荷電粒子ビームの集束点までの距離Ｖｍの関係を表したグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図であり、収差補正レンズを設けた実施形態である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図であり、収差補正レンズを設けた実施形態である。
【図８】本発明の第３実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図９】本発明の第４実施形態に係る荷電粒子ビーム偏向装置の平面図である。
【図１０】従来技術の電子・陽電子顕微鏡を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０：（第１の）荷電粒子ビーム
３０：（第１の）荷電粒子ビームのビーム軸
２０：セクターマグネット
２１：入射側端面
２２：出射側端面
２３、２４：磁性体
２５、２６：収差補正レンズ
２７、２８：磁界レンズ
４０：第２の荷電粒子ビーム
４１：第２の荷電粒子ビームのビーム軸
７０：荷電粒子検出器
Ｐ：（第１の）荷電粒子ビームの集束点
Ｑ：第１及び第２の荷電粒子ビームの集束点
Ｓ：第２の荷電粒子ビームの出射点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の荷電粒子ビームの出射ビームが、水平方向及び垂直方向において、同じ位置で集束する荷電粒子ビーム偏向装置であって、
入射側端面角をαとして形成されたセクターマグネットを
備え、
出射側端面から前記集束位置までの距離をＶとするとき、
前記入射側端面角αはｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０の近傍の値を有する、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項２】
前記セクターマグネット内を通過する前記第１の荷電粒子ビームの中心軌道半径をＲ、該第１の荷電粒子ビームの荷電粒子源または集束点から前記入射側端面までの距離をＵ、δα＝−２．７５（Ｒ／Ｕ）２＋５．１（Ｒ／Ｕ）＋１．９５とするとき、前記入射側端面角αは、α０−δα＜α＜α０＋δαを満たすことを特徴とする
請求項１記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項３】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に
前記セクターマグネットの前記入射側端面の前面に、間隔をおいて設けられた第１の磁性体と、
前記セクターマグネットの前記出射側端面の前面に、間隔をおいて設けられた第２の磁性体と、
を備え、
前記セクターマグネット内を通過する前記第１の荷電粒子ビームの中心軌道半径をＲ、該第１の荷電粒子ビームの荷電粒子源、または集束点から前記第１の磁性体の背面と前記入射側端面の中間点までの距離をＵ、δα＝−２．７５（Ｒ／Ｕ）２＋５．１（Ｒ／Ｕ）＋１．９５とするとき、前記入射側端面角αは、α０−δα＜α＜α０＋δαを満たすことを特徴とする
請求項１記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項４】
前記セクターマグネットは、偏向角が９０°となるように形成されたことを特徴とする、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項５】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に
前記荷電粒子源と前記入射側端面との間に設けられた収差補正レンズ、
を備えることを特徴とする
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項６】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に、
前記セクターマグネットの背面に設けられ、第２の荷電粒子ビームを前記第１の荷電粒子ビームの集束点に集束させる磁界レンズ
を備え、
前記磁界レンズの光軸は、前記セクターマグネットから出射した後の前記第１の荷電粒子ビームのビーム軸と一致することを特徴とする
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項７】
前記第１の荷電粒子ビームの出射ビームと、前記第２の荷電粒子ビームの出射ビームが集束する位置の近傍に設けられた可動式荷電粒子検出器を
備えることを特徴とする
請求項６記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項８】
前記可動式荷電粒子検出器は、マイクロチャネルプレートであることを特徴とする
請求項７記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項９】
前記第１の荷電粒子ビームと、前記第２の荷電粒子ビームは、電荷の符号が互いに異なることを特徴とする
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項１０】
前記第１の荷電粒子ビームは電子ビームであり、前記第２の荷電粒子ビームは陽電子ビームであることを特徴とする
請求項９記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項１１】
前記荷電粒子ビーム偏向装置において、
前記セクターマグネットに入射する前の第1の荷電粒子ビームのビーム軸の延長線上において、前記セクターマグネットの背面に設けられ、前記セクターマグネットの非励磁状態において、前記第１の荷電粒子ビームを集束させるための磁界レンズ
を備え、
前記磁界レンズの光軸は、前記セクターマグネットに入射する前の前記第1の荷電粒子ビームの前記ビーム軸と一致することを特徴とする、
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項１】
第１の荷電粒子ビームの出射ビームが、水平方向及び垂直方向において、同じ位置で集束する荷電粒子ビーム偏向装置であって、
入射側端面角をαとして形成されたセクターマグネットを
備え、
出射側端面から前記集束位置までの距離をＶとするとき、
前記入射側端面角αはｄＶ／ｄα＝０を満たす値α０の近傍の値を有する、
ことを特徴とする荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項２】
前記セクターマグネット内を通過する前記第１の荷電粒子ビームの中心軌道半径をＲ、該第１の荷電粒子ビームの荷電粒子源または集束点から前記入射側端面までの距離をＵ、δα＝−２．７５（Ｒ／Ｕ）２＋５．１（Ｒ／Ｕ）＋１．９５とするとき、前記入射側端面角αは、α０−δα＜α＜α０＋δαを満たすことを特徴とする
請求項１記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項３】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に
前記セクターマグネットの前記入射側端面の前面に、間隔をおいて設けられた第１の磁性体と、
前記セクターマグネットの前記出射側端面の前面に、間隔をおいて設けられた第２の磁性体と、
を備え、
前記セクターマグネット内を通過する前記第１の荷電粒子ビームの中心軌道半径をＲ、該第１の荷電粒子ビームの荷電粒子源、または集束点から前記第１の磁性体の背面と前記入射側端面の中間点までの距離をＵ、δα＝−２．７５（Ｒ／Ｕ）２＋５．１（Ｒ／Ｕ）＋１．９５とするとき、前記入射側端面角αは、α０−δα＜α＜α０＋δαを満たすことを特徴とする
請求項１記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項４】
前記セクターマグネットは、偏向角が９０°となるように形成されたことを特徴とする、
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項５】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に
前記荷電粒子源と前記入射側端面との間に設けられた収差補正レンズ、
を備えることを特徴とする
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項６】
前記荷電粒子ビーム偏向装置は、更に、
前記セクターマグネットの背面に設けられ、第２の荷電粒子ビームを前記第１の荷電粒子ビームの集束点に集束させる磁界レンズ
を備え、
前記磁界レンズの光軸は、前記セクターマグネットから出射した後の前記第１の荷電粒子ビームのビーム軸と一致することを特徴とする
請求項１乃至請求項５の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項７】
前記第１の荷電粒子ビームの出射ビームと、前記第２の荷電粒子ビームの出射ビームが集束する位置の近傍に設けられた可動式荷電粒子検出器を
備えることを特徴とする
請求項６記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項８】
前記可動式荷電粒子検出器は、マイクロチャネルプレートであることを特徴とする
請求項７記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項９】
前記第１の荷電粒子ビームと、前記第２の荷電粒子ビームは、電荷の符号が互いに異なることを特徴とする
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項１０】
前記第１の荷電粒子ビームは電子ビームであり、前記第２の荷電粒子ビームは陽電子ビームであることを特徴とする
請求項９記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【請求項１１】
前記荷電粒子ビーム偏向装置において、
前記セクターマグネットに入射する前の第1の荷電粒子ビームのビーム軸の延長線上において、前記セクターマグネットの背面に設けられ、前記セクターマグネットの非励磁状態において、前記第１の荷電粒子ビームを集束させるための磁界レンズ
を備え、
前記磁界レンズの光軸は、前記セクターマグネットに入射する前の前記第1の荷電粒子ビームの前記ビーム軸と一致することを特徴とする、
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の荷電粒子ビーム偏向装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−３００１４９（Ｐ２００８−３００１４９Ａ）
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１４３９８５（Ｐ２００７−１４３９８５）
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月３０日（２００７．５．３０）
【出願人】（０００００４２７１）日本電子株式会社 (811)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]