電子ビーム制御装置
【課題】レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる電子ビーム制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードを採用する。集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成しないので、アパーチャ１５ａの絞りによる絞りレンズ１５の焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するので、絞りレンズ１５を縮小モードで使用することになる。したがって、レンズの個数を増やして縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。
【解決手段】 集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードを採用する。集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成しないので、アパーチャ１５ａの絞りによる絞りレンズ１５の焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するので、絞りレンズ１５を縮小モードで使用することになる。したがって、レンズの個数を増やして縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工業分野、医療分野などに用いられる電子ビーム制御装置に係り、特に、電子ビームの特性を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームは、走査電子顕微鏡（scanning electron microscope）（以下、適宜『ＳＥＭ』と略記する）や電子線マイクロアナライザー（electron probe microanalyzer）(以下、適宜『ＥＰＭＡ』と略記する) やマイクロフォーカスＸ線管、さらには透過型電子顕微鏡（transmission electron microscope）（『ＴＥＭ』とも略記する）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いられる。
【０００３】
特に、ＳＥＭやＥＰＭＡやマイクロフォーカスＸ線管などのように微小電子プローブを利用する場合には、観察試料（Ｘ線管の場合にはターゲット）上で、その試料に照射されるときのビーム電流値を可能な限り大きくして、試料に照射されるときの電子ビーム径を可能な限り小さくするように集束させることが、ＳＮや空間分解能を向上させる点で重要である。そのために可能な限り収差を抑えた対物レンズや集束レンズが開発されている。
【０００４】
値の大きなビーム電流で電子ビーム径を小さく収めるためには、そのビーム電流に応じた最適な開き角で試料上に電子ビームを集束させて照射させることが必要となる。対物レンズによるアパーチャ交換制御では、開き角を制御するのに離散的になってしまい、微調整がし難いという問題がある。また、開き角を制御するためにはアパーチャの交換という機械的作業を伴う。
【０００５】
そこで、開き角を連続的に制御することができるように、集束レンズの励起強度を操作することで設定されたビーム電流値に応じて各レンズの励起強度を操作して開き角を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１について、図５を参照して説明する。図５は、装置の光学系の構成を示す概略図である。
【０００６】
特許文献１の場合には、図５に示すように、電子銃１０１を備えており、この電子銃１０１から電子ビーム１０２を発生させる。電子ビーム１０２の照射方向には上流側から順に集束レンズ１０３、対物レンズ１０４を配設しており、対物レンズ１０４を通った電子ビーム１０２が試料１０５に向けて照射される。また、集束レンズ１０３には電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０６を備えている。また、集束レンズ１０３と対物レンズ１０４との間には開き角制御レンズ１０８を配設しており、この開き角制御レンズ１０８にも電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０９を備えている。
【０００７】
また、図５に示すように、集束レンズ１０３と開き角制御レンズ１０８との間には電子ビーム１０２が一旦結像する第１クロスオーバＡが形成されるとともに、開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間には第２クロスオーバが形成されるように各レンズ１０３，１０４，１０８やアパーチャ１０６，１０９が操作される。第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離をａとするとともに、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離をｂとする。また、各レンズ間の距離のうち、電子銃１０１／集束レンズ１０３間の距離をｐとするとともに、集束レンズ１０３／開き角制御レンズ１０８間の距離をｑとし、開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離をｒとし、対物レンズ１０４／試料１０５間の距離をｓとする。また、開き角制御レンズ１０８のアパーチャ１０９の径をＤとする。
【０００８】
このような図５に示す構成を有した装置において、集束レンズ１０３の励起強度を操作することでビーム電流値を設定する。このビーム電流値を設定することによって第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離ａを推測し、特許文献１中の（３）式を用いてビーム電流値から最適な開き角αoptを求める。そして、最適な開き角αoptと上述した距離ａと、さらに開き角制御レンズ１０８のアパーチャ１０９の径Ｄと開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離ｒと対物レンズ１０４／試料１０５間の距離ｓとを特許文献１中の（５）、（６）式にそれぞれ代入して、第２クロスオーバを形成しつつ試料１０５上に電子ビーム１０２が結像してフォーカスされるような開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ1および対物レンズ１０４の焦点距離ｆ2をそれぞれ求めて、これらのレンズ１０４，１０８に応じた励起強度を操作することで最適な開き角αoptを実現する。
【０００９】
このときには、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離ｂが、すなわち開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間で結像して形成される第２クロスオーバの位置が、開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ1によって変動するので、開き角制御レンズ１０８の励起強度を操作しつつ、対物レンズ１０４の励起強度を操作している。
【００１０】
特許文献２の場合には、特許文献１をさらに改良したもので、第２クロスオーバを形成しない開き角制御モードを提案している。開き角制御レンズの焦点距離を特許文献１の場合よりも長く設定することができ、弱い励起強度で用いることが可能となる。
【００１１】
ところで、電子銃としては、加熱して熱電子を放出させることで電子ビームを発生させる熱電子放出型と、強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用して電子を放出させることで電子ビームを発生させる電界放出型とがある。電界放出型では、ビーム電流値を大きく確保するために集束レンズを電子銃側に近づけると十分な縮小率を確保するのが難しくなる。これは、集束レンズが『拡大モード』で動作して、ビーム角がレンズによってしぼむからである。そこで、電界放出型においてもビーム電流値を大きく確保するために、必要な縮小率を回復すべく集束レンズを２段にすることを提案している（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
また、上述した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）や（３）式（最適な開き角の算出式）では対物レンズの収差については考慮しているが、電子銃や集束レンズの収差については考慮していない。上述した電界放出型の場合には電流角密度が低く、対物レンズの収差のみを考慮したのでは、電子ビーム径の評価が不正確となり、ひいては最適な開き角を実現することができない。そこで、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張したものを提案している（例えば、非特許文献１参照）。本明細書中の下記（１）式、（２）式については、非特許文献１中の（４１）式、（４２）式と同じである。
【００１３】
ｄ2＝Ｐ×α6＋Ｑ×α2＋Ｒ＋Ｓ／α2 …（１）
ただし、Ｐ＝１／８×Ｃs2
Ｑ＝１／２×Ｃc2×（ΔＥ／Ｖacc）2
＋４／π4×Ｃs×Ｃsg×（Ｖacc／Ｖext）3/2×（Ｉb／Ｂ）2×１／ｄco4
Ｒ＝４／π4×Ｃc×Ｃcg×（ΔＥ／Ｖacc）2×（Ｖacc／Ｖext）3/2
×Ｉb／Ｂ×１／ｄco2
Ｓ＝４／π4×Ｉb／Ｂ＋（１．２２×λ）2
＋３２／π8×Ｃsg2×（Ｖacc／Ｖext）3×（Ｉb／Ｂ）4×１／ｄco8
＋８／π4×Ｃcg2×（ΔＥ／Ｖacc）2×（Ｖacc／Ｖext）3
×（Ｉb／Ｂ）2×１／ｄco4
ここで、ｄは試料に照射されるときの電子ビーム径、Ｉbはビーム電流、αは操作される開き角、Ｃsは対物レンズの球面収差係数、Ｃcは対物レンズの色収差係数、Ｖextは電子銃の引き出し電圧、Ｖaccは電子銃の加速電圧、ΔＥは電子ビームのエネルギー拡がり、Ｃsgは集束レンズの球面収差係数、Ｃcgは集束レンズの色収差係数、Ｂは電子ビームの輝度、ｄcoは電子源の径（ただし直径）、λは電子ビームのde Broglie波長をそれぞれ表す。上記（１）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）となる。
【００１４】
そして、所望の値のビーム電流Ｉbが与えられたときに上記（１）式の各係数が決まるので、電子ビーム径ｄを最小にする開き角αoptが存在する。
【００１５】
αopt4＝｛√（Ｑ2＋１２×Ｐ×Ｓ）−Ｑ｝／（６×Ｐ） …（２）
上記（２）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（３）式（最適な開き角の算出式）となる。そして、このビーム電流Ｉbの値に応じて開き角を上記（２）式で与えられる値に調整するように制御する。
【特許文献１】特公昭５６−１０７４０号公報（第１−４頁、第５，６図）
【特許文献２】特許第３３５１６４７号公報（第１−４頁、図３，４）
【特許文献３】特開２００２−３５２７５９号公報（第２−４頁、図１−４）
【非特許文献１】藤田真、「数値シミュレーションによる電子源特性の評価方法について」、島津評論 別刷、第６０巻、第１・２号、ｐ．６９−８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述したように、特許文献２の場合には、特許文献１よりも焦点距離を長く設定することができて、弱い励起強度で用いることが可能であるが、開き角制御レンズが拡大モードで動作するので、十分な縮小率を確保することが難しくなる。その結果、試料上のビーム径を十分に小さくすることができない。ここで、拡大モードとは、図６（ａ）に示すように、エミッタＥまたはクロスオーバＣの開き角をα０とするとともに、試料Ｓでの開き角をα１としたときにα０＞α１の条件を満たすレンズＬのビームのことを示す。拡大モードの逆の縮小モードとは、図６（ｂ）に示すように、α０＜α１の条件を満たすレンズＬのビームのことを示す。
【００１７】
上述したように、特許文献３のように電子レンズを２段にして縮小率を確保することも考えられるが、レンズの個数が増える。レンズの個数が増えることでコスト的に不利となり、また、レンズ制御も煩雑なものになってしまう。
【００１８】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる電子ビーム制御装置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】
【００１９】
ところで、集束レンズや対物レンズといったレンズの総合レンズ倍率をＭとしたとき、その総合レンズ倍率Ｍを導入することができる。なお、総合レンズ倍率Ｍは試料上のガウス像径ｄｇと電子源の径ｄcoとの比で表される。各レンズの励起強度が決まると、その焦点距離などから総合レンズ倍率Ｍを求めることができる。ところで、ビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、下記（３）式のような関係式が成立する。
【００２０】
Ｍ＝２／π×１／ｄco×√（Ｉb／Ｂ）×１／αopt …（３）
ここで、上記（３）式においても、上述した（１）式や（２）式といった最適な開き角αoptを求める場合においても、ビーム電流の依存性はビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）という形態で常に入っている。すなわち、あるパラメータをｔとして、そのパラメータｔ＝Ｉb／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角αoptとはｔの関数でともに表される。
【００２１】
Ｍ＝Ｍ（ｔ）、 αopt＝αopt（ｔ） …（４）
つまり、ビーム電流Ｉbを変化させたとき、総合レンズ倍率および最適な開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。この組み合わせ、すなわち総合レンズ倍率および開き角の相関関係が所定の条件で満たされるように決められ、その所定の条件が試料に照射されるときの電子ビーム径が最小になる条件であれば、（Ｍ、αopt）が動作曲線上を動く限り、最適な開き角αoptが実現できていることになる。動作曲線のグラフの一例は図２に示すとおりである。
【００２２】
ここで重要なのは、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角αoptは、レンズ配置とレンズの励起強度とによって一意的に求めることができる動作パラメータであって、電子ビームを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉbや輝度Ｂを知る必要がないことに留意されたい。
【００２３】
なお、上記（４）式の具体的な関数を求めるには、電子源の径ｄcoや、各レンズの球面／色収差係数Ｃs，Ｃc，Ｃsg，Ｃcgの値を知る必要がある。収差係数については、以前より近軸軌道法・収差積分法を用いて評価することができていた。電子源の径、特に電界放出型では径が非常に小さく、実測が難しく、従来はその見積もり値しか得られていなかったが、近年、非特許文献１のように数値シミュレーションによって電子源の径ｄcoを定量評価できる一般的な方法を提案している（非特許文献１中の（３１）式を参照）。これらの手法によって、上記（４）式を数値シミュレーションで評価することができる。
【００２４】
このように、ビーム電流Ｉbの値や電子ビームの輝度Ｂを直接的に求めなくても、上述した動作曲線上にある励起強度を求めて、最適な開き角αoptを実現する。
【００２５】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する３つのレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、前記３つのレンズとして、電子ビームの照射方向に対して上流側である前記電子源側から順に第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを配設し、前記第２レンズは、電子ビームを絞る絞り孔を有したアパーチャを配設しており、前記装置は、各レンズの励起強度を操作することでレンズを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第２レンズと第１レンズ３との間に電子ビームが一旦結像するクロスオーバを形成し、前記第１レンズと第２レンズとの間には前記クロスオーバを形成しないように各レンズを制御することを特徴とするものである。
【００２６】
［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、第１レンズと第２レンズとの間にはクロスオーバを形成しないので、第２レンズの焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、第２レンズと第３レンズとの間にクロスオーバを形成するので、第２レンズを縮小モードで使用することになる。したがって、従来のようにレンズの個数を増やすことで縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。その結果、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明に係る電子ビーム制御装置によれば、第１レンズと第２レンズとの間にはクロスオーバを形成せずに、第２レンズと第３レンズとの間にクロスオーバを形成するので、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【実施例】
【００２８】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。
【００２９】
図１に示す電子ビーム制御装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）やマイクロフォーカスＸ線管（以下、適宜『Ｘ線管』と略記する）などに用いられている。本実施例では、Ｘ線管を例に採って説明する。また、図１に示すＸ線管１はＸ線非破壊検査機器など代表されるＸ線撮像装置に用いられ、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線管１と、Ｘ線管１から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器２とを備えている。Ｘ線検出器２は、例えばイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）やフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）などがある。Ｘ線管１から照射されたＸ線をＸ線検出器２が検出することで、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像する。
【００３０】
Ｘ線管１は、電子銃として電界放出型エミッタ（以下、適宜『エミッタ』と略記する）１１と、強電界をかけるために正電圧を印加する引き出し電極１２と、引き出された電子ビームＢを加速させるために正電圧を印加する加速電極１３とを備えている。本実施例では、３つのレンズで電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、電子ビームＢの照射方向に対して上流側（エミッタ１１側）から順に、集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６を備えている。そして、対物レンズ１６よりも下流側に、電子ビームＢの衝突によりＸ線を発生させるターゲット１７を備えている。エミッタ１１は、この発明における電子源に相当し、集束レンズ１４は、この発明における第１レンズに相当し、絞りレンズ１５は、この発明における第２レンズに相当し、対物レンズ１６は、この発明における第３レンズに相当する。
【００３１】
この他に、Ｘ線管１は、集束レンズ１４に電流を流すレンズ電源２１と、絞りレンズ１５に電流を流すレンズ電源２２と、対物レンズ１６に電流を流すレンズ電源２３とを備えるとともに、コントローラ２４と入力部２５とメモリ部２６とを備えている。
【００３２】
負電圧を印加するサプレッサ電極（図示省略）と上述した引き出し電極１２との間で強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用してエミッタ１１から電子を放出させることで電子ビームＢを発生させる。そして、引き出された電子ビームＢを加速電極１３によって加速させて、ターゲット１７に向けて照射させる。
【００３３】
集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６は、それぞれ円環状に構成されている。また、絞りレンズ１５には、電子ビームＢを絞る絞り孔を有したアパーチャ１５ａを配設している。各レンズ１４〜１６には、各レンズ電源２１〜２３を介してコントローラ２４に接続されており、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６に電流を流すことで磁界を発生させて、光学のレンズと同様に各レンズ１４〜１６は電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、各レンズ１４〜１６は、それに流す電流、すなわち励起強度を変えることで、焦点距離や、電子ビームＢが一旦結像するクロスオーバの位置、ターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの開き角αなどの特性を制御する。なお、電子ビームＢの特性は、各レンズ１４〜１６の励起強度の他に、アパーチャ１５ａの径や、各レンズ１４〜１６をそれぞれ配設するレンズ配置などによっても制御される。このような特性を決定する各レンズ１４〜１６の励起強度や、アパーチャ１５ａの径や、レンズ配置などの電子ビームＢの条件を、本明細書では『ビームモード』と定義づける。
【００３４】
本実施例では、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードを採用する。また、ビームモードを指定すれば、３つのレンズ１４〜１６の励起強度のうち独立変数となるのは２つになる。例えば、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度をそれぞれ独立変数として与えれば、同じビームモードを指定する限り、残りの対物レンズ１６については、ターゲット１７上に結像するという条件から一意的に決定される。そこで、後述するように、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度と、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）とを対応付けることが可能となる。したがって、動作曲線上の条件（Ｍ、αopt）を実現する各レンズ１４，１５の励起強度を求めることができる。
【００３５】
ターゲット１７は、タングステンなどに代表されるＸ線を発生させる物質で構成されている。電子ビームＢがターゲット１７に衝突することによりＸ線が発生する。
【００３６】
コントローラ２４は、Ｘ線管１内の各構成を統括制御する。具体的には、引き出し電極１２や加速電極１３に電圧を印加する制御、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６にそれぞれ電流を流して励起強度を決定する制御を行う。さらに、本実施例では、予め記憶された総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表、および後述する入力部２５から入力された動作曲線上の動作点を指定するパラメータ（例えばｔなど）の値に基づいて、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角αoptの動作曲線上の点に対応した各レンズ１４，１５の励起強度を決定し、それらの励起強度を操作することで最適な開き角αoptを実現する。コントローラ２４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成されている。コントローラ２４は、この発明における制御手段に相当する。
【００３７】
入力部２５は、マウスやキーボードやジョイスティックやトラックボールやタッチパネルなどに代表されるポインティングデバイスで構成されている。入力部２５によって入力された入力データに基づいて、コントローラ２４はＸ線管１内の各構成を統括制御する。本実施例では、動作パラメータを入力して、コントローラ２４は上述した動作曲線上にある各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。励起強度を決定することで、コントローラ２４は各レンズ１４，１５を制御する。集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するようにコントローラ２４は制御する。
【００３８】
メモリ部２６は、コントローラ２４を介して送られてきた各種のデータを書き込んで記憶して、必要に応じて読み出す機能を備えている。メモリ部２６は、ＲＯＭ（Read-only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）などに代表される記憶媒体などで構成されている。また、メモリ部２６は２つの変数の組み合わせテーブルを記憶しており、この組み合わせテーブルを読み出すことでコントローラ２４は上述した各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。本実施例では、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表を用いている。
【００３９】
続いて、電子ビーム制御方法に係る一連の処理について、図２〜図４のグラフを参照して説明する。
【００４０】
『課題を解決するための手段』の欄でも述べたように、ビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、上記（３）式のような関係式が成立する。ｔ＝Ｉb／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角αoptとは、上記（４）式のようにｔの関数でともに表される。ビーム電流Ｉbを変化させたとき、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。動作曲線のグラフの一例は、図２に示すとおりである。
【００４１】
図２では、総合レンズ倍率Ｍを横軸にとって、最適な開き角αoptを縦軸にとっている。なお、最適な開き角αoptとは、試料（本実施例ではターゲット１７）に照射される電子ビーム径が最小になる開き角αである。また、開き角は、図１に示すようにターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの角度である。
【００４２】
図２のグラフから、開き角αoptはビーム電流値の小さな領域では一定に、ビーム電流値の中間領域ではαoptは総合レンズ倍率Ｍの１／３乗に比例して増やすべきことがわかる。さらに、ビーム電流値の大きな領域では総合レンズ倍率Ｍを一定にして開き角αoptを上げることで電流を増やす必要があることがわかる。
【００４３】
最適な開き角αoptが実現されているときのプローブの特性を求めた評価例のグラフは、図３に示すとおりである。プローブの特性として、ビーム電流Ｉbと試料（本実施例ではターゲット１７）に照射されたときの電子ビーム径ｄとの関係を示している。ビーム電流Ｉbを横軸にとって、電子ビーム径ｄを縦軸にとっている。
【００４４】
図３のグラフから、ビーム電流値の小さな領域では電子ビーム径ｄは電流によらずにほぼ一定で、ビーム電流値の中間領域では電流とともに徐々に増加するが、あるビーム電流の閾値を超えると電子ビーム径ｄはＩb3/2に比例して急激に増加する。この図３のグラフからも図２に示した最適な開き角αoptのふるまいがビーム電流領域によって異なるであろうことがわかる。
【００４５】
なお、電子源の径ｄcoや、各レンズ１４〜１６の球面／色収差係数に基づいて、図２に示す動作曲線を数値シミュレーションで評価することができる。収差係数については、近軸軌道法・収差積分法を用いて評価するとともに、電子源の径ｄcoについては、非特許文献１のように数値シミュレーションによって定量評価する。
【００４６】
なお、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角αoptの関係を示す動作曲線は、レンズ特性によって決まるものであって、電子ビームＢを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉbや輝度Ｂを知る必要がない。
【００４７】
前述したように、集束レンズ１４の励起強度および絞りレンズ１５の励起強度を１次変数とし、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角αを２次変数とし、図２の縦軸および横軸が（Ｍ、αopt）のグラフを、図４のように縦軸および横軸が（ＮＩcl、ＮＩiris）のグラフに２次元写像を行うことができる。このとき、動作曲線は、図２のような状態から図４のような状態に写像される。図４では、実線を図２から写像された動作曲線とし、１点鎖線が開き角α一定の等高線を、点線が総合レンズ倍率Ｍ一定の等高線をそれぞれ示す。なお、集束レンズ１４の励起強度（図４では符号をＮＩcl）を横軸にとり、絞りレンズ１５の励起強度（図４ではＮＩiris）を縦軸にとる。
【００４８】
かかる図２・図４のグラフはテーブル化されており、メモリ部２６の組み合わせテーブル２６ａに記憶されている。入力部２５から動作曲線上の位置を示すパラメータ（例えばｔ＝Ｉb／Ｂ）を入力すると、コントローラ２４は動作曲線上の指定点に対応する集束レンズ１４および絞りレンズ１５の励起強度を決定する。
【００４９】
例えば、図４の動作曲線上で左から４番目の『○』を指定する。このとき、この動作曲線上の『○』に対応する総合レンズ倍率Ｍは、点線の等高線から０．３であり、開き角αは、１点鎖線の等高線から７．０（ｍｒａｄ）である。
【００５０】
そのときの集束レンズ１４の励起強度は１０７０（ＡＴ）であり、絞りレンズ１５の励起強度は４２０（ＡＴ）となる。そして、決定された集束レンズ１４および絞りレンズ１５の各励起強度を上述した値（１０７０（ＡＴ），４２０（ＡＴ））で操作することで開き角αを、Ｍ＝０．３の条件での最適な開き角αopt＝７．０（ｍｒａｄ）とすることができる。
【００５１】
また、残りのレンズである対物レンズ１６の励起強度については、総合レンズ倍率Ｍが決まるとともに、上述したように集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度が決まっていることからターゲット１７上に結像するという条件から一意的に決定される。
【００５２】
以上のように構成されたＸ線管１によれば、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成しないので、アパーチャ１５ａの絞りによる絞りレンズ１５の焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するので、絞りレンズ１５を図６（ｂ）に示すような縮小モードで使用することになる。したがって、従来のようにレンズの個数を増やすことで縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。その結果、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【００５３】
上述した特許文献１のように第１クロスオーバを絞りレンズ１５よりも上流に形成するためには、集束レンズ１４の励起強度を上げる必要があるが、一般的には、励起強度が高いほど大きな収差が発生する。特に、集束レンズ１４の収差が問題になる大ビーム電流動作時には、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードの方が収差の点でも優れていることになる。このビームモードでは、クロスオーバＣは絞りレンズ１５の下流側にしか形成されない。最終的なビーム電流値にまで落とした段階でのクロスオーバ形成であるので、ビーム電流が大きいほど影響が深刻なBoersch効果を最低限に抑えることが可能になる。
【００５４】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００５５】
（１）上述した実施例では、マイクロフォーカスＸ線管を例に採って説明したが、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、さらには透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いてもよい。また、Ｘ線管を、非破壊検査機器などの工業用装置を例に採ったＸ線撮像装置に用いたが、Ｘ線診断装置などの医用装置に用いてもよい。
【００５６】
（２）上述した実施例では、電界放出型と例に採って説明したが、熱電子放出型に例示されるように適用される電子銃の構成については特に限定されない。
【００５７】
（３）上述した実施例では、集束レンズ１４、アパーチャ１５ａを備えた絞りレンズ１５および対物レンズ１６の３段構成であったが、レンズの数については複数であれば特に限定されない。アパーチャを備えたレンズについても、集束レンズ１４と対物レンズ１６との間に配置された絞りレンズ１５に限定されない。
【００５８】
（４）上述した実施例では、所定の条件は、試料であるターゲット１７に照射されるときの電子ビーム径ｄが最小になる条件であったが、所定の条件としては、電子ビーム径ｄが最小となる最適な開き角αoptの条件以外にも、最小以外の様々な電子ビーム径ｄの条件でも存在し、そのような電子ビーム径ｄの条件においても、総合レンズ倍率Ｍと開き角αとの相関関係を規定することができる。したがって、図２・図４に示す動作曲線以外に動作曲線を定義することも可能である。
【００５９】
（５）上述した実施例では、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度を決定してから、残りの対物レンズ１６を一意的に決定したが、レンズの決定順については特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。
【図２】総合レンズ倍率および開き角の動作曲線のグラフである。
【図３】プローブの特性のグラフである。
【図４】写像された動作曲線のグラフである。
【図５】従来の装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図６】（ａ）は、拡大モードを模式的に示した図であり、（ｂ）は、縮小モードを模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ … Ｘ線管（マイクロフォーカスＸ線管）
１１ … エミッタ（電界放出型エミッタ）
１４ … 集束レンズ
１５ … 絞りレンズ
１６ … 対物レンズ
１７ … ターゲット
２４ … コントローラ
Ｍ … 総合レンズ倍率
α … 開き角
【技術分野】
【０００１】
この発明は、工業分野、医療分野などに用いられる電子ビーム制御装置に係り、特に、電子ビームの特性を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームは、走査電子顕微鏡（scanning electron microscope）（以下、適宜『ＳＥＭ』と略記する）や電子線マイクロアナライザー（electron probe microanalyzer）(以下、適宜『ＥＰＭＡ』と略記する) やマイクロフォーカスＸ線管、さらには透過型電子顕微鏡（transmission electron microscope）（『ＴＥＭ』とも略記する）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いられる。
【０００３】
特に、ＳＥＭやＥＰＭＡやマイクロフォーカスＸ線管などのように微小電子プローブを利用する場合には、観察試料（Ｘ線管の場合にはターゲット）上で、その試料に照射されるときのビーム電流値を可能な限り大きくして、試料に照射されるときの電子ビーム径を可能な限り小さくするように集束させることが、ＳＮや空間分解能を向上させる点で重要である。そのために可能な限り収差を抑えた対物レンズや集束レンズが開発されている。
【０００４】
値の大きなビーム電流で電子ビーム径を小さく収めるためには、そのビーム電流に応じた最適な開き角で試料上に電子ビームを集束させて照射させることが必要となる。対物レンズによるアパーチャ交換制御では、開き角を制御するのに離散的になってしまい、微調整がし難いという問題がある。また、開き角を制御するためにはアパーチャの交換という機械的作業を伴う。
【０００５】
そこで、開き角を連続的に制御することができるように、集束レンズの励起強度を操作することで設定されたビーム電流値に応じて各レンズの励起強度を操作して開き角を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１について、図５を参照して説明する。図５は、装置の光学系の構成を示す概略図である。
【０００６】
特許文献１の場合には、図５に示すように、電子銃１０１を備えており、この電子銃１０１から電子ビーム１０２を発生させる。電子ビーム１０２の照射方向には上流側から順に集束レンズ１０３、対物レンズ１０４を配設しており、対物レンズ１０４を通った電子ビーム１０２が試料１０５に向けて照射される。また、集束レンズ１０３には電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０６を備えている。また、集束レンズ１０３と対物レンズ１０４との間には開き角制御レンズ１０８を配設しており、この開き角制御レンズ１０８にも電子ビーム１０２を絞る絞り孔を有したアパーチャ１０９を備えている。
【０００７】
また、図５に示すように、集束レンズ１０３と開き角制御レンズ１０８との間には電子ビーム１０２が一旦結像する第１クロスオーバＡが形成されるとともに、開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間には第２クロスオーバが形成されるように各レンズ１０３，１０４，１０８やアパーチャ１０６，１０９が操作される。第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離をａとするとともに、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離をｂとする。また、各レンズ間の距離のうち、電子銃１０１／集束レンズ１０３間の距離をｐとするとともに、集束レンズ１０３／開き角制御レンズ１０８間の距離をｑとし、開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離をｒとし、対物レンズ１０４／試料１０５間の距離をｓとする。また、開き角制御レンズ１０８のアパーチャ１０９の径をＤとする。
【０００８】
このような図５に示す構成を有した装置において、集束レンズ１０３の励起強度を操作することでビーム電流値を設定する。このビーム電流値を設定することによって第１クロスオーバ／開き角制御レンズ１０８間の距離ａを推測し、特許文献１中の（３）式を用いてビーム電流値から最適な開き角αoptを求める。そして、最適な開き角αoptと上述した距離ａと、さらに開き角制御レンズ１０８のアパーチャ１０９の径Ｄと開き角制御レンズ１０８／対物レンズ１０４間の距離ｒと対物レンズ１０４／試料１０５間の距離ｓとを特許文献１中の（５）、（６）式にそれぞれ代入して、第２クロスオーバを形成しつつ試料１０５上に電子ビーム１０２が結像してフォーカスされるような開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ1および対物レンズ１０４の焦点距離ｆ2をそれぞれ求めて、これらのレンズ１０４，１０８に応じた励起強度を操作することで最適な開き角αoptを実現する。
【０００９】
このときには、開き角制御レンズ１０８／第２クロスオーバ間の距離ｂが、すなわち開き角制御レンズ１０８と対物レンズ１０４との間で結像して形成される第２クロスオーバの位置が、開き角制御レンズ１０８の焦点距離ｆ1によって変動するので、開き角制御レンズ１０８の励起強度を操作しつつ、対物レンズ１０４の励起強度を操作している。
【００１０】
特許文献２の場合には、特許文献１をさらに改良したもので、第２クロスオーバを形成しない開き角制御モードを提案している。開き角制御レンズの焦点距離を特許文献１の場合よりも長く設定することができ、弱い励起強度で用いることが可能となる。
【００１１】
ところで、電子銃としては、加熱して熱電子を放出させることで電子ビームを発生させる熱電子放出型と、強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用して電子を放出させることで電子ビームを発生させる電界放出型とがある。電界放出型では、ビーム電流値を大きく確保するために集束レンズを電子銃側に近づけると十分な縮小率を確保するのが難しくなる。これは、集束レンズが『拡大モード』で動作して、ビーム角がレンズによってしぼむからである。そこで、電界放出型においてもビーム電流値を大きく確保するために、必要な縮小率を回復すべく集束レンズを２段にすることを提案している（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
また、上述した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）や（３）式（最適な開き角の算出式）では対物レンズの収差については考慮しているが、電子銃や集束レンズの収差については考慮していない。上述した電界放出型の場合には電流角密度が低く、対物レンズの収差のみを考慮したのでは、電子ビーム径の評価が不正確となり、ひいては最適な開き角を実現することができない。そこで、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張したものを提案している（例えば、非特許文献１参照）。本明細書中の下記（１）式、（２）式については、非特許文献１中の（４１）式、（４２）式と同じである。
【００１３】
ｄ2＝Ｐ×α6＋Ｑ×α2＋Ｒ＋Ｓ／α2 …（１）
ただし、Ｐ＝１／８×Ｃs2
Ｑ＝１／２×Ｃc2×（ΔＥ／Ｖacc）2
＋４／π4×Ｃs×Ｃsg×（Ｖacc／Ｖext）3/2×（Ｉb／Ｂ）2×１／ｄco4
Ｒ＝４／π4×Ｃc×Ｃcg×（ΔＥ／Ｖacc）2×（Ｖacc／Ｖext）3/2
×Ｉb／Ｂ×１／ｄco2
Ｓ＝４／π4×Ｉb／Ｂ＋（１．２２×λ）2
＋３２／π8×Ｃsg2×（Ｖacc／Ｖext）3×（Ｉb／Ｂ）4×１／ｄco8
＋８／π4×Ｃcg2×（ΔＥ／Ｖacc）2×（Ｖacc／Ｖext）3
×（Ｉb／Ｂ）2×１／ｄco4
ここで、ｄは試料に照射されるときの電子ビーム径、Ｉbはビーム電流、αは操作される開き角、Ｃsは対物レンズの球面収差係数、Ｃcは対物レンズの色収差係数、Ｖextは電子銃の引き出し電圧、Ｖaccは電子銃の加速電圧、ΔＥは電子ビームのエネルギー拡がり、Ｃsgは集束レンズの球面収差係数、Ｃcgは集束レンズの色収差係数、Ｂは電子ビームの輝度、ｄcoは電子源の径（ただし直径）、λは電子ビームのde Broglie波長をそれぞれ表す。上記（１）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（２）式（電子ビーム径の評価式）となる。
【００１４】
そして、所望の値のビーム電流Ｉbが与えられたときに上記（１）式の各係数が決まるので、電子ビーム径ｄを最小にする開き角αoptが存在する。
【００１５】
αopt4＝｛√（Ｑ2＋１２×Ｐ×Ｓ）−Ｑ｝／（６×Ｐ） …（２）
上記（２）式が、電子銃や集束レンズの収差を考慮したものに拡張した特許文献１中の（３）式（最適な開き角の算出式）となる。そして、このビーム電流Ｉbの値に応じて開き角を上記（２）式で与えられる値に調整するように制御する。
【特許文献１】特公昭５６−１０７４０号公報（第１−４頁、第５，６図）
【特許文献２】特許第３３５１６４７号公報（第１−４頁、図３，４）
【特許文献３】特開２００２−３５２７５９号公報（第２−４頁、図１−４）
【非特許文献１】藤田真、「数値シミュレーションによる電子源特性の評価方法について」、島津評論 別刷、第６０巻、第１・２号、ｐ．６９−８６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、上述したように、特許文献２の場合には、特許文献１よりも焦点距離を長く設定することができて、弱い励起強度で用いることが可能であるが、開き角制御レンズが拡大モードで動作するので、十分な縮小率を確保することが難しくなる。その結果、試料上のビーム径を十分に小さくすることができない。ここで、拡大モードとは、図６（ａ）に示すように、エミッタＥまたはクロスオーバＣの開き角をα０とするとともに、試料Ｓでの開き角をα１としたときにα０＞α１の条件を満たすレンズＬのビームのことを示す。拡大モードの逆の縮小モードとは、図６（ｂ）に示すように、α０＜α１の条件を満たすレンズＬのビームのことを示す。
【００１７】
上述したように、特許文献３のように電子レンズを２段にして縮小率を確保することも考えられるが、レンズの個数が増える。レンズの個数が増えることでコスト的に不利となり、また、レンズ制御も煩雑なものになってしまう。
【００１８】
この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる電子ビーム制御装置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】
【００１９】
ところで、集束レンズや対物レンズといったレンズの総合レンズ倍率をＭとしたとき、その総合レンズ倍率Ｍを導入することができる。なお、総合レンズ倍率Ｍは試料上のガウス像径ｄｇと電子源の径ｄcoとの比で表される。各レンズの励起強度が決まると、その焦点距離などから総合レンズ倍率Ｍを求めることができる。ところで、ビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、下記（３）式のような関係式が成立する。
【００２０】
Ｍ＝２／π×１／ｄco×√（Ｉb／Ｂ）×１／αopt …（３）
ここで、上記（３）式においても、上述した（１）式や（２）式といった最適な開き角αoptを求める場合においても、ビーム電流の依存性はビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）という形態で常に入っている。すなわち、あるパラメータをｔとして、そのパラメータｔ＝Ｉb／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角αoptとはｔの関数でともに表される。
【００２１】
Ｍ＝Ｍ（ｔ）、 αopt＝αopt（ｔ） …（４）
つまり、ビーム電流Ｉbを変化させたとき、総合レンズ倍率および最適な開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。この組み合わせ、すなわち総合レンズ倍率および開き角の相関関係が所定の条件で満たされるように決められ、その所定の条件が試料に照射されるときの電子ビーム径が最小になる条件であれば、（Ｍ、αopt）が動作曲線上を動く限り、最適な開き角αoptが実現できていることになる。動作曲線のグラフの一例は図２に示すとおりである。
【００２２】
ここで重要なのは、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角αoptは、レンズ配置とレンズの励起強度とによって一意的に求めることができる動作パラメータであって、電子ビームを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉbや輝度Ｂを知る必要がないことに留意されたい。
【００２３】
なお、上記（４）式の具体的な関数を求めるには、電子源の径ｄcoや、各レンズの球面／色収差係数Ｃs，Ｃc，Ｃsg，Ｃcgの値を知る必要がある。収差係数については、以前より近軸軌道法・収差積分法を用いて評価することができていた。電子源の径、特に電界放出型では径が非常に小さく、実測が難しく、従来はその見積もり値しか得られていなかったが、近年、非特許文献１のように数値シミュレーションによって電子源の径ｄcoを定量評価できる一般的な方法を提案している（非特許文献１中の（３１）式を参照）。これらの手法によって、上記（４）式を数値シミュレーションで評価することができる。
【００２４】
このように、ビーム電流Ｉbの値や電子ビームの輝度Ｂを直接的に求めなくても、上述した動作曲線上にある励起強度を求めて、最適な開き角αoptを実現する。
【００２５】
この発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項１に記載の発明は、電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する３つのレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、前記３つのレンズとして、電子ビームの照射方向に対して上流側である前記電子源側から順に第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを配設し、前記第２レンズは、電子ビームを絞る絞り孔を有したアパーチャを配設しており、前記装置は、各レンズの励起強度を操作することでレンズを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第２レンズと第１レンズ３との間に電子ビームが一旦結像するクロスオーバを形成し、前記第１レンズと第２レンズとの間には前記クロスオーバを形成しないように各レンズを制御することを特徴とするものである。
【００２６】
［作用・効果］請求項１に記載の発明によれば、第１レンズと第２レンズとの間にはクロスオーバを形成しないので、第２レンズの焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、第２レンズと第３レンズとの間にクロスオーバを形成するので、第２レンズを縮小モードで使用することになる。したがって、従来のようにレンズの個数を増やすことで縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。その結果、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【発明の効果】
【００２７】
この発明に係る電子ビーム制御装置によれば、第１レンズと第２レンズとの間にはクロスオーバを形成せずに、第２レンズと第３レンズとの間にクロスオーバを形成するので、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【実施例】
【００２８】
以下、図面を参照してこの発明の実施例を説明する。
図１は、実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。
【００２９】
図１に示す電子ビーム制御装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）やマイクロフォーカスＸ線管（以下、適宜『Ｘ線管』と略記する）などに用いられている。本実施例では、Ｘ線管を例に採って説明する。また、図１に示すＸ線管１はＸ線非破壊検査機器など代表されるＸ線撮像装置に用いられ、Ｘ線撮像装置は、Ｘ線管１と、Ｘ線管１から照射されたＸ線を検出するＸ線検出器２とを備えている。Ｘ線検出器２は、例えばイメージインテンシファイア（Ｉ．Ｉ）やフラットパネル型Ｘ線検出器（ＦＰＤ）などがある。Ｘ線管１から照射されたＸ線をＸ線検出器２が検出することで、検出されたＸ線に基づいてＸ線画像を撮像する。
【００３０】
Ｘ線管１は、電子銃として電界放出型エミッタ（以下、適宜『エミッタ』と略記する）１１と、強電界をかけるために正電圧を印加する引き出し電極１２と、引き出された電子ビームＢを加速させるために正電圧を印加する加速電極１３とを備えている。本実施例では、３つのレンズで電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、電子ビームＢの照射方向に対して上流側（エミッタ１１側）から順に、集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６を備えている。そして、対物レンズ１６よりも下流側に、電子ビームＢの衝突によりＸ線を発生させるターゲット１７を備えている。エミッタ１１は、この発明における電子源に相当し、集束レンズ１４は、この発明における第１レンズに相当し、絞りレンズ１５は、この発明における第２レンズに相当し、対物レンズ１６は、この発明における第３レンズに相当する。
【００３１】
この他に、Ｘ線管１は、集束レンズ１４に電流を流すレンズ電源２１と、絞りレンズ１５に電流を流すレンズ電源２２と、対物レンズ１６に電流を流すレンズ電源２３とを備えるとともに、コントローラ２４と入力部２５とメモリ部２６とを備えている。
【００３２】
負電圧を印加するサプレッサ電極（図示省略）と上述した引き出し電極１２との間で強電界をかけ、トンネル効果やショットキー効果を利用してエミッタ１１から電子を放出させることで電子ビームＢを発生させる。そして、引き出された電子ビームＢを加速電極１３によって加速させて、ターゲット１７に向けて照射させる。
【００３３】
集束レンズ１４、絞りレンズ１５および対物レンズ１６は、それぞれ円環状に構成されている。また、絞りレンズ１５には、電子ビームＢを絞る絞り孔を有したアパーチャ１５ａを配設している。各レンズ１４〜１６には、各レンズ電源２１〜２３を介してコントローラ２４に接続されており、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６に電流を流すことで磁界を発生させて、光学のレンズと同様に各レンズ１４〜１６は電子ビームＢの特性を制御する。具体的には、各レンズ１４〜１６は、それに流す電流、すなわち励起強度を変えることで、焦点距離や、電子ビームＢが一旦結像するクロスオーバの位置、ターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの開き角αなどの特性を制御する。なお、電子ビームＢの特性は、各レンズ１４〜１６の励起強度の他に、アパーチャ１５ａの径や、各レンズ１４〜１６をそれぞれ配設するレンズ配置などによっても制御される。このような特性を決定する各レンズ１４〜１６の励起強度や、アパーチャ１５ａの径や、レンズ配置などの電子ビームＢの条件を、本明細書では『ビームモード』と定義づける。
【００３４】
本実施例では、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードを採用する。また、ビームモードを指定すれば、３つのレンズ１４〜１６の励起強度のうち独立変数となるのは２つになる。例えば、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度をそれぞれ独立変数として与えれば、同じビームモードを指定する限り、残りの対物レンズ１６については、ターゲット１７上に結像するという条件から一意的に決定される。そこで、後述するように、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度と、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）とを対応付けることが可能となる。したがって、動作曲線上の条件（Ｍ、αopt）を実現する各レンズ１４，１５の励起強度を求めることができる。
【００３５】
ターゲット１７は、タングステンなどに代表されるＸ線を発生させる物質で構成されている。電子ビームＢがターゲット１７に衝突することによりＸ線が発生する。
【００３６】
コントローラ２４は、Ｘ線管１内の各構成を統括制御する。具体的には、引き出し電極１２や加速電極１３に電圧を印加する制御、各レンズ電源２１〜２３から各レンズ１４〜１６にそれぞれ電流を流して励起強度を決定する制御を行う。さらに、本実施例では、予め記憶された総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表、および後述する入力部２５から入力された動作曲線上の動作点を指定するパラメータ（例えばｔなど）の値に基づいて、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角αoptの動作曲線上の点に対応した各レンズ１４，１５の励起強度を決定し、それらの励起強度を操作することで最適な開き角αoptを実現する。コントローラ２４は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）などで構成されている。コントローラ２４は、この発明における制御手段に相当する。
【００３７】
入力部２５は、マウスやキーボードやジョイスティックやトラックボールやタッチパネルなどに代表されるポインティングデバイスで構成されている。入力部２５によって入力された入力データに基づいて、コントローラ２４はＸ線管１内の各構成を統括制御する。本実施例では、動作パラメータを入力して、コントローラ２４は上述した動作曲線上にある各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。励起強度を決定することで、コントローラ２４は各レンズ１４，１５を制御する。集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するようにコントローラ２４は制御する。
【００３８】
メモリ部２６は、コントローラ２４を介して送られてきた各種のデータを書き込んで記憶して、必要に応じて読み出す機能を備えている。メモリ部２６は、ＲＯＭ（Read-only Memory）やＲＡＭ（Random-Access Memory）などに代表される記憶媒体などで構成されている。また、メモリ部２６は２つの変数の組み合わせテーブルを記憶しており、この組み合わせテーブルを読み出すことでコントローラ２４は上述した各レンズ１４，１５の励起強度を決定する。本実施例では、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）の組み合わせテーブル２６ａおよび各レンズ１４，１５の励起強度の対応表を用いている。
【００３９】
続いて、電子ビーム制御方法に係る一連の処理について、図２〜図４のグラフを参照して説明する。
【００４０】
『課題を解決するための手段』の欄でも述べたように、ビーム電流Ｉbと輝度Ｂとの比（Ｉb／Ｂ）と総合レンズ倍率Ｍとの間には、上記（３）式のような関係式が成立する。ｔ＝Ｉb／Ｂで定義すると、総合レンズ倍率Ｍと最適な開き角αoptとは、上記（４）式のようにｔの関数でともに表される。ビーム電流Ｉbを変化させたとき、総合レンズ倍率および開き角の組み合わせ（Ｍ、αopt）は上記（４）式の与える動作曲線上を動いてそれぞれが変化する。動作曲線のグラフの一例は、図２に示すとおりである。
【００４１】
図２では、総合レンズ倍率Ｍを横軸にとって、最適な開き角αoptを縦軸にとっている。なお、最適な開き角αoptとは、試料（本実施例ではターゲット１７）に照射される電子ビーム径が最小になる開き角αである。また、開き角は、図１に示すようにターゲット１７に照射されるときの電子ビームＢの角度である。
【００４２】
図２のグラフから、開き角αoptはビーム電流値の小さな領域では一定に、ビーム電流値の中間領域ではαoptは総合レンズ倍率Ｍの１／３乗に比例して増やすべきことがわかる。さらに、ビーム電流値の大きな領域では総合レンズ倍率Ｍを一定にして開き角αoptを上げることで電流を増やす必要があることがわかる。
【００４３】
最適な開き角αoptが実現されているときのプローブの特性を求めた評価例のグラフは、図３に示すとおりである。プローブの特性として、ビーム電流Ｉbと試料（本実施例ではターゲット１７）に照射されたときの電子ビーム径ｄとの関係を示している。ビーム電流Ｉbを横軸にとって、電子ビーム径ｄを縦軸にとっている。
【００４４】
図３のグラフから、ビーム電流値の小さな領域では電子ビーム径ｄは電流によらずにほぼ一定で、ビーム電流値の中間領域では電流とともに徐々に増加するが、あるビーム電流の閾値を超えると電子ビーム径ｄはＩb3/2に比例して急激に増加する。この図３のグラフからも図２に示した最適な開き角αoptのふるまいがビーム電流領域によって異なるであろうことがわかる。
【００４５】
なお、電子源の径ｄcoや、各レンズ１４〜１６の球面／色収差係数に基づいて、図２に示す動作曲線を数値シミュレーションで評価することができる。収差係数については、近軸軌道法・収差積分法を用いて評価するとともに、電子源の径ｄcoについては、非特許文献１のように数値シミュレーションによって定量評価する。
【００４６】
なお、総合レンズ倍率Ｍおよび最適な開き角αoptの関係を示す動作曲線は、レンズ特性によって決まるものであって、電子ビームＢを照射させるビーム条件を動作曲線上に載せるためにビーム電流Ｉbや輝度Ｂを知る必要がない。
【００４７】
前述したように、集束レンズ１４の励起強度および絞りレンズ１５の励起強度を１次変数とし、総合レンズ倍率Ｍおよび開き角αを２次変数とし、図２の縦軸および横軸が（Ｍ、αopt）のグラフを、図４のように縦軸および横軸が（ＮＩcl、ＮＩiris）のグラフに２次元写像を行うことができる。このとき、動作曲線は、図２のような状態から図４のような状態に写像される。図４では、実線を図２から写像された動作曲線とし、１点鎖線が開き角α一定の等高線を、点線が総合レンズ倍率Ｍ一定の等高線をそれぞれ示す。なお、集束レンズ１４の励起強度（図４では符号をＮＩcl）を横軸にとり、絞りレンズ１５の励起強度（図４ではＮＩiris）を縦軸にとる。
【００４８】
かかる図２・図４のグラフはテーブル化されており、メモリ部２６の組み合わせテーブル２６ａに記憶されている。入力部２５から動作曲線上の位置を示すパラメータ（例えばｔ＝Ｉb／Ｂ）を入力すると、コントローラ２４は動作曲線上の指定点に対応する集束レンズ１４および絞りレンズ１５の励起強度を決定する。
【００４９】
例えば、図４の動作曲線上で左から４番目の『○』を指定する。このとき、この動作曲線上の『○』に対応する総合レンズ倍率Ｍは、点線の等高線から０．３であり、開き角αは、１点鎖線の等高線から７．０（ｍｒａｄ）である。
【００５０】
そのときの集束レンズ１４の励起強度は１０７０（ＡＴ）であり、絞りレンズ１５の励起強度は４２０（ＡＴ）となる。そして、決定された集束レンズ１４および絞りレンズ１５の各励起強度を上述した値（１０７０（ＡＴ），４２０（ＡＴ））で操作することで開き角αを、Ｍ＝０．３の条件での最適な開き角αopt＝７．０（ｍｒａｄ）とすることができる。
【００５１】
また、残りのレンズである対物レンズ１６の励起強度については、総合レンズ倍率Ｍが決まるとともに、上述したように集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度が決まっていることからターゲット１７上に結像するという条件から一意的に決定される。
【００５２】
以上のように構成されたＸ線管１によれば、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成しないので、アパーチャ１５ａの絞りによる絞りレンズ１５の焦点距離を長く設定することができる。したがって、弱い励起強度で用いることが可能となる。また、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するので、絞りレンズ１５を図６（ｂ）に示すような縮小モードで使用することになる。したがって、従来のようにレンズの個数を増やすことで縮小率を確保せずとも、縮小モードによって十分な総合レンズの縮小率を確保することができる。その結果、レンズの個数を増やさずに焦点距離を長く設定することができる。
【００５３】
上述した特許文献１のように第１クロスオーバを絞りレンズ１５よりも上流に形成するためには、集束レンズ１４の励起強度を上げる必要があるが、一般的には、励起強度が高いほど大きな収差が発生する。特に、集束レンズ１４の収差が問題になる大ビーム電流動作時には、集束レンズ１４と絞りレンズ１５との間にはクロスオーバを形成せずに、絞りレンズ１５と対物レンズ１６との間にクロスオーバＣを形成するビームモードの方が収差の点でも優れていることになる。このビームモードでは、クロスオーバＣは絞りレンズ１５の下流側にしか形成されない。最終的なビーム電流値にまで落とした段階でのクロスオーバ形成であるので、ビーム電流が大きいほど影響が深刻なBoersch効果を最低限に抑えることが可能になる。
【００５４】
この発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。
【００５５】
（１）上述した実施例では、マイクロフォーカスＸ線管を例に採って説明したが、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や電子線マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）、さらには透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）やＡｕｇｅｒ分光装置や電子線リソグラフィー装置や電子ビームライターなどに用いてもよい。また、Ｘ線管を、非破壊検査機器などの工業用装置を例に採ったＸ線撮像装置に用いたが、Ｘ線診断装置などの医用装置に用いてもよい。
【００５６】
（２）上述した実施例では、電界放出型と例に採って説明したが、熱電子放出型に例示されるように適用される電子銃の構成については特に限定されない。
【００５７】
（３）上述した実施例では、集束レンズ１４、アパーチャ１５ａを備えた絞りレンズ１５および対物レンズ１６の３段構成であったが、レンズの数については複数であれば特に限定されない。アパーチャを備えたレンズについても、集束レンズ１４と対物レンズ１６との間に配置された絞りレンズ１５に限定されない。
【００５８】
（４）上述した実施例では、所定の条件は、試料であるターゲット１７に照射されるときの電子ビーム径ｄが最小になる条件であったが、所定の条件としては、電子ビーム径ｄが最小となる最適な開き角αoptの条件以外にも、最小以外の様々な電子ビーム径ｄの条件でも存在し、そのような電子ビーム径ｄの条件においても、総合レンズ倍率Ｍと開き角αとの相関関係を規定することができる。したがって、図２・図４に示す動作曲線以外に動作曲線を定義することも可能である。
【００５９】
（５）上述した実施例では、集束レンズ１４の励起強度、絞りレンズ１５の励起強度を決定してから、残りの対物レンズ１６を一意的に決定したが、レンズの決定順については特に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】実施例に係る電子ビーム制御装置の概略図である。
【図２】総合レンズ倍率および開き角の動作曲線のグラフである。
【図３】プローブの特性のグラフである。
【図４】写像された動作曲線のグラフである。
【図５】従来の装置の光学系の構成を示す概略図である。
【図６】（ａ）は、拡大モードを模式的に示した図であり、（ｂ）は、縮小モードを模式的に示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ … Ｘ線管（マイクロフォーカスＸ線管）
１１ … エミッタ（電界放出型エミッタ）
１４ … 集束レンズ
１５ … 絞りレンズ
１６ … 対物レンズ
１７ … ターゲット
２４ … コントローラ
Ｍ … 総合レンズ倍率
α … 開き角
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する３つのレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、前記３つのレンズとして、電子ビームの照射方向に対して上流側である前記電子源側から順に第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを配設し、前記第２レンズは、電子ビームを絞る絞り孔を有したアパーチャを配設しており、前記装置は、各レンズの励起強度を操作することでレンズを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第２レンズと第１レンズ３との間に電子ビームが一旦結像するクロスオーバを形成し、前記第１レンズと第２レンズとの間には前記クロスオーバを形成しないように各レンズを制御することを特徴とする電子ビーム制御装置。
【請求項１】
電子ビームを発生させる電子源と、電子源からの電子ビームの特性を制御する３つのレンズとを備えた電子ビーム制御装置であって、前記３つのレンズとして、電子ビームの照射方向に対して上流側である前記電子源側から順に第１レンズ、第２レンズおよび第３レンズを配設し、前記第２レンズは、電子ビームを絞る絞り孔を有したアパーチャを配設しており、前記装置は、各レンズの励起強度を操作することでレンズを制御する制御手段を備え、前記制御手段は、前記第２レンズと第１レンズ３との間に電子ビームが一旦結像するクロスオーバを形成し、前記第１レンズと第２レンズとの間には前記クロスオーバを形成しないように各レンズを制御することを特徴とする電子ビーム制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−１０９４３１（Ｐ２００７−１０９４３１Ａ）
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２９６４１４（Ｐ２００５−２９６４１４）
【出願日】平成１７年１０月１１日（２００５．１０．１１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年４月２６日（２００７．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月１１日（２００５．１０．１１）
【出願人】（０００００１９９３）株式会社島津製作所 (3,708)
【Ｆターム（参考）】
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