CN108885961B

CN108885961B - 电子显微镜

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Publication number: CN108885961B
Application number: CN201680084076.4A
Authority: CN
Inventors: 大岛卓; 峰邑浩行; 安斋由美子; 圆山百代; 小濑洋一; 扬村寿英
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-05-01
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: US11251011B2; JPWO2017168554A1; JP6568646B2; DE112016006486B4; DE112016006486T5; CN108885961A; US20200303152A1; WO2017168554A1

Abstract

为了提供一种能够迅速且容易地进行环形照明、广域照射、希望的干涉模式与正常照明之间的切换或者得到良好的S/N的电子显微镜，具有：光电阴极(101)，其使用负的电子亲和力；激发光学系统，其用于激发光电阴极；以及电子光学系统，其通过经由激发光学系统照射的激发光(12)将从光电阴极产生的电子束(13)照射到试样上，激发光学系统包括激发光的光源装置(107)和光调制单元(108)，该光调制单元(108)配置在激发光的光路中并对激发光进行空间相位调制。

Description

电子显微镜

技术领域

本发明涉及一种电子显微镜。

背景技术

以往，在高分辨率的电子显微镜中，作为高亮度电子源，使用如冷阴极场发射电子源、肖特基电子源那样前端较小的针形状且虚拟光源尺寸为几nm至几十nm的电子源。作为在电子显微镜中提高分辨率的电子光学的调制方法之一，例如可举出专利文献1所记载的环形照明。该环形照明例如将图2示出的环形照明用光圈20配置于电子束的路径中，通过中央遮蔽部23遮蔽电子束的中心部分，使用物镜将通过了环形孔径部分21的电子束与试样表面进行对焦，由此，光束彼此干涉而能够以较深的焦深进行观察。

另外，在专利文献2中公开了以下技术：在使用光电阴极的电子源中使用负的电子亲和力将光入射到p型GaAs薄膜阴极而进行电子发射，在该电子源中将电子的发射模式设为各种形状以用于电子束曝光，因此从多个光学元件对光电阴极照射激发光、扫描照射光或者在阴极上设置用于遮挡电子发射的掩模等以获得细光束。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-124205号公报

专利文献2：日本特表2001-526446号公报

发明内容

发明要解决的问题

在现有的环形照明中，为了将专利文献1示出的专用光圈插入到电子束路径，需要一种用于固定中央遮蔽部23的支架22，由与该支架22或周围部件碰撞的电子束产生的散射电子飞入，有可能引起噪音。另外，在切换使用孔径24的观察与使用环形孔径部分21的观察的情况下，通常需要各个位置的精确调整，从而认为简单地切换使用是较困难的。另外，从电子源发射的电子束在中央部分的电流密度最高，但是该部分被中央遮蔽部23遮挡，因此探针电流量减少，其结果为图像的S/N有可能恶化。即，在使用现有的环形照明中，光源形状和尺寸使用了固定电子源，因此考虑在通过电子源下游的光圈形成环形光束的地方会有调整难度。

另一方面，如专利文献2那样在多个光路、光的扫描中存在的光源尺寸较大，如果将该光源缩小并设为较小的点则通常无法获得足够的探针电流。另外，如果将掩模放置于光电阴极则有可能制作尺寸非常小的环形光源，但是需要进行激发光的焦点与该掩模的位置对准，进一步需要对其结果产生的光源与电子光学系统进行位置对准，从而担心可用性较差。另外，在需要与通常不是环形的光学条件之间进行切换的情况下，每次都需要与光电阴极的移动进行位置对准，从而也认为可用性较差。并且，示出将环形光照射到光电阴极，但是光电阴极表面处的光强度分布并不成为环形，仅得到单峰，得到的电子束也为单峰。

本发明的目的在于，提供一种电子显微镜，例如能够迅速且容易地进行环形照明、广域照射、希望的干涉模式与正常照明之间的切换或者得到良好的S/N。

用于解决问题的手段

作为用于达到上述目的的一个实施方式的电子显微镜，其特征在于，具有：

光电阴极，其使用了负的电子亲和力；

激发光学系统，其用于激发上述光电阴极；以及

电子光学系统，其将通过经由上述激发光学系统照射的激发光从上述光电阴极产生的电子束照射到试样上，

上述激发光学系统包括上述激发光的光源装置和光调制单元，该光调制单元配置于上述激发光的光路中，并对上述激发光进行空间相位调制。

另外，一种电子显微镜，其特征在于，具有：

激发光光源；

光电阴极，其通过来自上述激发光光源的激发光来发射电子；

光调制单元，其配置于上述激发光光源与上述光电阴极之间的光路中，能够将上述激发光进行光调制；以及

电子光学系统，其将从上述光电阴极发射的电子作为电子束而照射到试样上。

根据本发明，能够提供一种电子显微镜，例如迅速且容易地进行环形照明、广域照射、希望的干涉模式与正常照明之间的切换或者得到良好的S/N。

附图说明

图1是表示本发明第一实施例所涉及的电子显微镜的光激发电子枪一例的概要截面图。

图2是用于说明使用电子束的现有环形照明的环形照明用掩模的平面图。

图3是表示本发明第一实施例所涉及的电子显微镜一例的概要整体截面图。

图4A是表示图1示出的光激发电子枪的光调制单元(透射型空间相位调制器)一例的平面图。

图4B是表示图4A示出的透射型空间相位调制器的截面结构一例的截面图。

图4C是表示图4A示出的透射型空间相位调制器的截面结构的其它例的截面图。

图5A是用于说明使用图4A示出的透射型空间相位调制器的情况下的光电阴极膜上的激发光强度的曲线图。

图5B是表示由通过了图4A示出的透射型空间相位调制器的区域A的激发光从光电阴极膜发射的电子束(正常)的示意截面图。

图5C是表示由通过了图4A示出的透射型空间相位调制器的区域B的激发光从光电阴极膜发射的电子束(环形)的示意截面图。

图6是表示本发明第二实施例所涉及的电子显微镜的光激发电子枪一例的概要截面图。

图7A是用于说明图6示出的光激发电子枪的光调制单元(反射型空间相位调制器)的试样的示意俯视图(正常(光斑)照射)。

图7B是用于说明图6示出的光激发电子枪的光调制单元(反射型空间相位调制器)的试样的示意俯视图(广域照射)。

图8是用于说明图6示出的光激发电子枪的光调制单元(反射型空间相位调制器)的光电阴极膜上的激发光的示意平面图(叉型干扰模式)。

具体实施方式

发明人等研究了讯速地切换电子束的正常照明与其它照明的方法。其结果，得到了以下见解：如果通过光调制单元改变激发光的形状，则不需要变更电子束光学系统而能够讯速地变更电子束形状。本发明是基于这种新见解而生成的。具体地说，例如在切换环形照明与正常照明的情况下，作为电子源使用利用负的电子亲和力的光电阴极、即以p型半导体膜为主体且表面具有功函数减小单元的光电阴极和该激发光使用设置于真空中的聚光透镜、位于大气中的激发用平行光源以及在激发光的光路中的光调制单元。在该光调制单元为透射型空间相位调制器的情况下，例如在透明板和透明板条上配置轴对称形的相移区域，由此经由这里的激发光在聚光透镜的焦点处形成中心较暗的环形形状。其结果，发射的电子束为环形状，经由电子光学系统在试样上成像、照射。

通过上述结构，通过将相移区域配置在激发光的光路中，由此在由聚光透镜会聚的光电阴极膜上的焦点为中央暗且周边亮的环形模式，其结果，从光电阴极膜发射到真空中的电子光源依赖于光的强度，因此成为圆环状。从该光电阴极膜发射的电子的电子发射角的特征在于宽度较窄，在更下方的电子光学系统中缩小且缩小至试样时根据角度限制孔径选择中心附近的电子束的结果，仅选择从阴极大致垂直地发射的电子束，因此照射到试样上的电子束实现中央部分空的环形照明，因此能够进行焦深较深的观察。该环形照明仅在激发光通过透射型空间相位调制器的相移区域时实现，因此移动透射型空间相位调制器并使无相位变化的光通过，由此激发光的焦点成为较小的一个光斑，因此不需要变更电子束光学系统而能够迅速且简单地与正常观察进行切换而使用。另外，在环形照明时电子束电流也不会减少并能够保持良好的S/N而进行观察。

以下，通过实施例并使用附图说明本发明。此外，相同标记表示相同结构要素。

第一实施例

图1是本发明第一实施例所涉及的电子显微镜的电子枪概要截面图。在本实施例中，主要说明切换环形照明与正常照明的情况。光电阴极101具有光电阴极膜10和透明基板11，当从上面入射激发光12时从光电阴极膜10的下面产生电子，由与相对的引出电极103之间的电场进行加速而作为电子束13从下部的开口部14被引导至下面的电子光学系统。该电子源使用作为负的电子亲和力而公知的现象，光电阴极膜10为p型半导体，代表性地使用GaAs、GaP等。在它们的表面上吸附功函数降低单元、代表性的Cs和氧气而使用。与电子枪相邻地设置为此准备的准备室(未图示)，通过真空阀和阴极移动单元来调整光电阴极101的表面状态。作为表面状态的调整单元具有用于去除半导体表面的氧化物、碳化物的清洁单元。具体地说，使用了加热器。更优选地同时使用原子氢产生单元则效果更佳。并且，通过Cs蒸发单元和氧气导入单元减少表面的功函数，得到真空度低于阴极膜内部导体的状态。其结果，作为激发光通过入射对p型半导体的带间迁移足够能量的光而从价带被激发到导带的电子已经处于势能高于真空度的状态，通过膜表面的电场被发射到真空中。GaAs情况下的激发光的波长需要850nm以下，优选为780nm-660nm左右。在GaP的情况下波长最好为540nm以下。当在光电阴极膜内导带电子扩散时光源尺寸变大的结果为，亮度降低，这对显微镜不好。因此，最好膜比1μm更薄。并且p型杂质也需要足够浓度。为了支持该膜，粘贴在不吸收激发光的透明基板11上而使用。在该光电阴极膜为GaAs的情况下，透明基板11使用玻璃或者GaP等带隙宽的半导体等。可以直接粘贴在透明基板11上，但是也能够经由中间层来粘贴。另外，在使用半导体作为透明基板11的情况下，也可以通过外延生长来形成光电阴极膜10，在该情况下，也可以生长中间的缓冲层。

对电子源的加速电压从外部通过加速电源105施加给与光电阴极膜10电接触的阴极保持件104，在与引出电极之间形成加速电场。该电子枪通过未图示的真空排气单元、优选未图示的离子泵和非蒸发吸气泵进行排气。

对光电阴极101会聚激发光12的聚光透镜102(图1)是以通过透明基板11在光电阴极膜10上产生的焦点为最小的方式修正球面像差而成的透镜。在本实施例中，平行光的直径为4-4.2mm，NA(Numerical Aperture：数值孔径)为0.5。其结果，660nm波长的激发光(激光))在光电阴极膜10上如图5A的虚线A所示，得到直径1μm(半值宽度)左右。此时，平行激发光从位于真空容器外的平行光源107发出，也经由透射型空间相位调制器108和窗口106入射到真空容器109的内部。在此，在未积极地使用透射型空间相位调制器108的情况下(正常照明)，经由由透射型空间相位调制器的透明平板构成的图4A的区域A中图示的部分。

图3示出使用该电子枪的扫描电子显微镜(SEM)的例子。从图3示出的光激发电子枪30的下部开口取出的电子束13通过配置在电子光学系统壳体31的内部的第一聚光透镜32、第二聚光透镜33而被缩小，并由物镜36在试样37上聚焦。能够通过用于使该焦点位置进行移动的偏转器35以及测量从试样37产生的电子的二次电子检测器38来观察试样表面的微细结构。本实施例所使用的电子源的能量分布为0.1-0.2eV，优于W(钨)的冷阴极场发射(CFE)电子源的0.3eV，特别是在低加速中能够通过降低色差来提高分辨率。

例如在将加速电源105设为-2kV的情况下，从光激发电子枪30发射的电子束13的发射角电流密度为39mA/sr以上。此时，光源直径为1μm，为了能够进行分辨率1nm以下的观察，需要将在试样上成像的光源尺寸设为0.5nm以下。因此，将第一、第二聚光透镜和物镜36的总缩小率设为1/2000以下。

在此，调节孔径(角度限制孔径)34和光学条件，使得电子光学地物镜在试样上的开口半角αo的特征性值为10mrad。其结果，能够通过孔径34的电子束为光激发电子枪30的光源侧的光束打开半角αs即5μrad以下极窄的范围。其结果，照射到试样37上的电子的探针电流得到3pA以上且能够充分进行观察。此时的焦深为光斑直径/αo、100nm左右。如果直到该程度的落差、深度则能够通过一个视场进行高分辨率观察。

接着，当通过切换单元(未图示)滑动透射型空间相位调制器108并且激发光12经过设置在图4A的B区域上的相移区域B时，所会聚的激发光在光电阴极膜10上，如图5A的实线B所示成为中央部分暗的环形模式。其直径为2μm左右。其结果，从光电阴极膜10发射的电子束13成为如图5C所示那样中央部空的环形。在图3的SEM中通过1/2000左右的缩小系统使用该电子束的情况下，光源侧的打开半角αs为5μrad，这是前进20mm而离轴为100nm以下这种极窄的且从直径2μ的光源发射的环形截面形状被充分保存的情况。在此，以下是用于得到该环形的相移区域的条件。

图4B示出截面结构的例子。相移区域40使光的相位位移π，以下公式是该部分的高度h的条件。

[式1]

h＝λ/(2(n-1))····(1)

在此，n为透明相位掩模的折射率。作为特征性值使用石英(n＝1.46)，在波长660nm的情况下，为h＝717nm。以下公式是使相移区域40的外径D与激发光直径一致并用于将内径d设为环形的条件。

[式2]

这样产生的环形电子束经由电子透镜在试样37上成像时，具有干涉性，焦深延长50％左右。因此，适合于观察高度、深度为150nm左右的试样。另外，与以往例的图2示出的环形光圈相比，不存在降低光束的亮度的因素，因此能够通过足够量(几个pA以上)的探针电流来获取高S/N比的图像。在使用图4A的区域A的正常照射的情况下，从光电阴极膜发射的电子束如图5B所示成为光斑状的截面形状。在本实施例中，通过被插入到激发光学系统中的透射型空间相位调制器108的一种即相位掩模(相移区域)40的取入取出(区域A与区域B的选择)能够进行通常观察与环形照明的切换，因此不需要变更电子光学系统而瞬间进行且视野不会改变，因此具有两者较容易进行比较这种优点。

在此，从在本实施例所使用的光电阴极101发射的电子的干涉性较高这一情况较重要。作为正常光源直径1μm左右的电子源有使用W(钨)丝的热电子源，但是在该情况下，与光激发电子源不同，不产生干涉。

此外，作为相移区域，如图4C所示制作内径d部分的相移区域41，使外径D的激发光与轴对齐也起到相同的效果。

在本实施例中示出为了应用于高分辨率的SEM而大幅缩小的电子光学系统的例子，但是在缩小程度小或者等倍或者放大系统中成像的情况下也有用。例如使用该光激发电子枪作为空心圆锥束照明能够对试样照射电子束，因此通过将透射电子、散射电子进行放大成像，会得到像差降低、生物体试样的对比度增加等。

根据上述本实施例，能够提供一种能够迅速且容易地切换环形照明与正常照明且得到良好的S/N的电子显微镜。另外，在环形照明中，能够获取焦深较深且高S/N比的图像。

第二实施例

使用图6至图8说明本发明的第二实施例。此外，记载于第一实施例且未记载于本实施例的事项只要没有特殊情况也能够适用于本实施例。在本实施例中，说明切换广域照射或者叉型干扰模式与正常照明的情况。

作为光调制单元使用空间相位调制器(SLM：Spatial Light Modulator空间光调制器)，由此在阴极表面上能够形成激发光的各种模式。在本实施例中，说明将响应速度快的反射型液晶SLM用作光调制单元的例子。SLM通过二维地配置的液晶的取向方向电场进行控制来对相位赋予调制。图6是表示使用反射型SLM的光激发电子源的一例的概要结构截面图。真空容器内部的电子枪的所有结构与第一实施例的图1相同，未图示真空容器等的结构。电子光学系统的结构与图3的结构相同。在该情况下，由于使用反射型SLM 60，因此激发光12从侧面入射。标记61表示被调制的激发光。

在此，如果将反射型SLM 60的设定设为用于保存平面镜那样的波面的模式(波面保护模式)，则由聚光透镜产生的焦点与图5A中的虚线A相同成为衍射界限较小的光斑，从光电阴极膜10发射的电子束13如图5B所示成为光斑状(正常照射)，因此能够进行高分辨率观察(高分辨率观察模式)。

另一方面，如果扰乱波面(扰乱波面的模式)，则激发光焦点变大。能够通过波面的扰乱方式来选择其尺寸。图7A和图7B为所观察的试样的例子。观察对象为在半导体基板70中产生的细微电路，在反射型SLM 60中保存波面的情况下(正常照明)，如图7A所示，观察电子束72也被缩小为微小的光斑，从而进行高分辨率的SEM观察。在此，在半导体基板70上设置容易带电的区域(带电区域)71的情况下，在该区域上照射电子束(观察电子束)72时会产生带电，引起尺寸精度或对比度异常，从而S/N恶化。在这种情况下，通过反射型SLM 60来扰乱激发光的波面(扰乱波面的模式)，如图7B所示扩大电子的光源尺寸，将带电控制光束73照射到包围半导体基板70上的带电区域71的广泛区域(带电控制模式)。由此，在带电区域71中局部蓄积的电荷变得平坦，因此保持尺寸精度或者能够校正对比度异常。在此，在波面保护模式与扰乱波面的模式之间通过切换单元(未图示)能够高速地切换反射型SLM 60，由此在SEM的扫描中能够切换观察电子束72与带电控制光束73并在高S/N的状态下进行测量。根据带电的正负、带电容易度，能够通过激发光12的强度和反射型SLM 60的设定来控制该带电控制电子束的照射时间、间隔、电流量、照射范围。这样，改变使用反射型SLM从光电阴极膜发射的电子束的形状，不需要改变电子光学系统的设定，因此能够提供一种以更短时间且高吞吐量来进行半导体的模式观察、检查装置。

另外，能够使用反射型SLM通过全息光栅形成单元(未图示)构成该衍射光栅，因此能够制作图8示出的叉型干涉条纹模式。从该形状的电子光源发射的电子束是以由于干涉从电子束的中心轴上分离的角度分离具有轨道角动量的螺旋波而得到的。通过电子光学系统选择并使用该电子束，由此成为对具有手性的试样的有效计测单元。进一步成为对于今后的电子螺旋波应用来说重要的试验装置。即，这是因为不需要如目前那样制作特殊的孔径而形成基于反射型SLM 60的激发光的干涉模式，从而为了能够生成希望的电子螺旋波而能够容易地生成各种模式。

通过使用反射型SLM，能够讯速地进行通过在光电阴极膜上成像的希望的激发光模式而形成的希望的电子束模式照明与正常照明。

以上，根据本实施例，能够提供一种迅速且容易地切换广域照射或者希望干涉模式与正常照明或者得到良好的S/N的电子显微镜。另外，通过切换广域照明与正常照明，能够抑制由带电引起的对比度异常、S/N的恶化。另外，在使用叉型干涉条纹模式发射电子束的情况下，可成为对具有手性的试样的有效计测单元。

此外，本发明并不限定于上述实施例，会包括各种变形例。例如即使是使用液晶的反射型作为空间相位调制器的实施例，如果功能相同则效果也相同，即使使用透射型空间相位调制器也起到相同的效果这一情况不需要举出具体例来说明。上述实施例仅是为了更容易说明本发明而详细进行说明的，并不限定于必须具备所说明的所有结构的实施例。另外，还能够将某一实施例的结构的一部分替换为其它实施例的结构，另外，还能够将其它实施例的结构附加到某一实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其它结构的追加、删除、替换。

附图标记说明

101：光电阴极；102：聚光透镜；103：引出电极；104：阴极保持件；105：加速电源；106：窗口；107：平行光源；108：透射型空间相位调制器(光调制单元)；109：真空容器；10：光电阴极膜；11：透明基板；12：激发光；13：电子束；14：开口部；20：现有的环形照明用光圈；21：环形孔径部分；22：支架；23：中央遮蔽部；24：通常孔径；30：光激发电子枪；31：电子光学系统壳体；32：第一聚光透镜；33：第二聚光透镜；34：角度限制孔径；35：偏转器；36：物镜；37：试样；38：二次电子检测器；40：相移区域；41：相移区域；60：反射型空间相位调制器(光调制单元)；61：被调制的激发光；70：半导体基板；71：带电区域；72：观察电子束(正常照射)；73：带电控制电子束(广域照射)。

Claims

1.一种电子显微镜，其特征在于，

该电子显微镜具有：

光电阴极，其使用负的电子亲和力；

激发光学系统，其用于激发上述光电阴极；以及

电子光学系统，其通过经由上述激发光学系统照射的激发光将从上述光电阴极产生的电子束照射到试样上，

上述激发光学系统包括上述激发光的光源装置和光调制单元，该光调制单元配置在上述激发光的光路中，对上述激发光进行空间相位调制，

上述光调制单元在能够通过上述激发光的由透明的平板构成的透射型空间相位调制器的一部分中包括使所通过的上述激发光的焦点环形状地会聚在上述光电阴极上的相移区域，

在激发光学系统中设置激发光中心部分与外侧部分的通过距离不同的透明相位掩模，由此在上述光电阴极上形成环状的激发光焦点，从而使用从上述光电阴极放出的环状电子束。

2.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

上述激发光学系统具备：聚光透镜，其将上述激发光收敛到上述光电阴极的微小区域。

3.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，

上述光调制单元通过全息光栅形成单元来制作叉型激发光模式，从上述叉型激发光模式发射的电子束是以由于干涉从电子束的中心轴上分离的角度分离具有轨道角动量的螺旋波而得到的。

4.一种电子显微镜，其特征在于，

该电子显微镜具有：

激发光光源；

光调制单元，其配置在上述激发光光源与上述光电阴极之间的光路上，能够将上述激发光进行光调制；以及

电子光学系统，其将从上述光电阴极发射的电子作为电子束而照射到试样上，

5.根据权利要求4所述的电子显微镜，其特征在于，

上述光调制单元具有：

不产生光调制的第一区域；

产生光调制的第二区域；以及

切换单元，其用于切换上述第一区域与上述第二区域。

6.根据权利要求4所述的电子显微镜，其特征在于，

上述光调制单元包括通过施加有无光调制的电场进行控制的液晶部。