CN1822305A - 扫描电子显微镜 - Google Patents

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Abstract

一种扫描电子显微镜，具有将电子束照射到试样上的照射光学系统，在试样室内放置试样的试样台，在试样台的周围被配置至少一个的电场供给电极，被配置成覆盖电场供给电极那样的离子电流检测电极。

Description

扫描电子显微镜
技术领域
本发明是属于在由扫描电子显微镜(以下称为SEM)进行的二次电子像观察方法中，通过使用由试样周围残留的气体分子的二次电子的倍增，检测出由此被倍增的气体环境中的离子，来形成图像的方法。本发明是涉及用于实现提高在由SEM得到的高速扫描的二次电子像的像质的电场供给电极以及离子电流检测电极的技术。
背景技术
作为SEM的成像方法，大多尝试使用试样周围的残留气体分子，倍增二次电子，检测离子电流的方法。对于关于这种原理的内容在secondary electron imaging in the variable pressure scanning electronmicroscope scanning 20、436-441(1998)的论文中被举出。
作为这种方法的具体适用方式，在特开2001-126655中公开了在高真空二次电子像观察时将作为二次电子集电极使用的板状电极作为电场供给电极并用，使用试样台作为离子电流检测电极的检测方式。另外，在特开平2003-132830中公开了使用二次电子集电极作为电场供给电极，使用除试样台以外个别专用电极作为离子电流检测电极的检测方式。
在特开2002-289129中公开了将试样台作为电场供给电极以及离子电流检测电极两者共用的检测方法。
图8是特开2003-132830中的SEM的检测系统的基本结构。将一次电子束2由物镜6聚集到被置于气体环境中的试样14上，由偏转装置4二维地扫描试样14。伴随着一次电极束2的照射从试样14产生二次电子18。二次电子18通过施加了正电压的板形电场供给电极23制造的电场，向该电场供给电极23方向加速。被加速的二次电子18和试样周围的气体分子碰撞，生成电子-离子对(气体分子的离子化)。二次电子18和由离子化生成的电子通过电场供给电极23制造的电场进一步加速，再次和气体分子碰撞，生成电子-离子对。通过反复该过程，随着接近电场供给电极23，电子数、离子数以指数函数增长(气体倍增)。一般二次电子漂移的距离(试样-电场供给电极间距离)越长气体倍增的规模越大。离子向电气地连接到试样台16，或是向和试样台16被电气绝缘地离子电流检测电极22漂移。漂移的离子作为离子电流被检测出来。所得到的离子电流信号通过倍增器19、A/D转换器31被用于成像中。在这里示出的电场供给电极23在观察高真空二次电子像时，作为二次电子集电极被使用。
图9是特开平2001-126655中的电子显微镜的电场供给电极23和试样台16的放大图。由试样表面释放出的二次电子18在电场供给电极23附近由气体倍增产生很多离子。所产生的离子13向施加了接地电位或者负电压的试样台16(离子电流检测电极)漂移，从试样台16作为离子电流被检测。所得到的电流信号通过倍增器19、A/D变换器13被用于成像。在这里所示的电场供给电极23在观察高真空二次电子像时作为二次电子集电极被使用。
图10是特开平2002-289129中的电子显微镜的试样台16附近的放大图。从试样表面释放出的二次电子18通过由被施加了负电压的试样台16制造的电场，向接地电位的物镜6漂移，在物镜附近通过气体倍增产生很多离子。所产生的离子从试样台16作为离子电流被检测出。所得到的电流信号通过倍增器19、A/D转换器31被用于成像中。
发明内容
要得到气体倍增式离子电流检测型SEM的扫描速度的高速化以及图像的高画质化，需要同时实现由漂移事件缩短而引起电流信号应答速度的高速化、以及由电子雪崩产生的离子的倍增率提高和由离子检测效率提高所引起的离子电流产额增大。
在特开2001-126655(图9)上，作为接地电位的试样台和施加了正电压的电场供给电极的空间变为电子以及离子的漂移空间。电子雪崩是由于电子在气体环境中漂移的过程上以指数函数增大，多个离子在离试样台(离子电流检测电极)很远处发生。因此，在气体环境中产生的离子直到到达离子电流检测电极的漂移时间变长，对于用于SEM像形成的电流信号应答速度高速化这点不能说被充分的研究了。
另一方面，SEM像的像质当离子电流产额越多越有改善。离子电流产额是由电子雪崩产生的离子倍增率和由离子电流检测电极引起的检测效率决定的。一般可知随着二次电子的漂移距离越长离子的倍增率越大。例如，在特开2001-126655(图9)的方法以及特开2003-132830(图8)的方法上，通过适当设定成为二次电子产生面的试样面和电场供给电极之间(漂移距离)的距离，可在某种程度上优化离子的倍增率。但是，在特开平2002-289129的方法上，动作距离(Working Distance：以下称为W.D.)就是二次电子的漂移距离，当W.D.小时不能得到充分的离子倍增率。
另外，由于加速二次电子的电位梯度越是急剧离子倍增率越大，所以也可以说是依存于电场供给电极作出的电位梯度。但是关于以提高离子的倍增率为目的的电场供给电极的形状优化，在上述的以往方法中未被充分考虑。
本发明的SEM在气体倍增式离子电流检测型SEM中，具有在试样台周围至少配置一个电场供给电极和以覆盖该电极的方式配置的离子电流检测电极。
根据这样的结构，例如可如下述这样取得SEM像。将从电子枪产生并加速得到的一次电子束通过聚光透镜和物镜聚集到试样上。与此相伴，由偏转器扫描试样上的一次电子束的照射点。通过给电场供给电极施加适当电压，使伴随一次电子束照射从试样释放出的二次电子倍增。从离子电流检测电极，检测在这个过程中倍增的离子作为离子电流。由于离子电流检测电极作成覆盖电场供给电极的形状，因此可有效地检测在电场供给电极附近生成的离子。另外，由于电场供给电极-离子检测电极间的距离比以往技术中的电极配置短，因此可缩短由漂移时间所引起的应答速度。
根据本发明，在使用由试样周围的残留气体分子产生的二次电子倍增，由含有二次电子信息的离子电流形成图像的SEM中，比起以往的检测系统，实现应答速度的高速化、离子产额的提高。
附图说明
图1是表示根据本发明的SEM的第1实施例的图。
图2是表示根据本发明的SEM的离子检测电极以及电场供给电极的第1实施例的图。
图3是表示根据本发明的SEM的离子检测电极以及电场供给电极的第2实施例的图。
图4是表示根据本发明的SEM的离子检测电极以及电场供给电极的第3实施例的图。
图5是表示根据本发明的SEM的第2实施例的图。
图6是表示根据本发明的SEM的第3实施例的图。
图7是表示根据本发明的SEM的第4实施例的图。
图8是表示以往的SEM的结构图。
图9是以往的SEM的电场供给电极的试样台附近的放大图。
图10是以往的SEM的电子显微镜的电场供给电极的试样台附近的放大图。
图11是本发明的一个实施例所示的SEM的离子电流的典型测定的例子。
图12是表示本发明的气体成分特性比较图。
具体实施方式
(实施例1)
图1表示本发明的SEM的实施例。作为照射光学系统的动作，将由电子枪1放射的一次电子束2通过物镜6聚集在被放置在真空室36内的气体环境中(典型值为气压1～数千帕)的试样14上，由偏转装置4扫描试样14。伴随一次电子束2的照射，从试样14产生二次电子18。二次电子18通过施加了正电压(典型值为1～500V左右)的网格状(典型的网格状参数是网格间距1250μm、网格线径200μm)的电场供给电极11和施加了负电压(典型值为0～-50V左右)的试样台16制造的电场，向该电场供给电极11方向加速。被加速的二次电子18和试样周围的气体分子碰撞，生成电子-离子对。二次电子18及由离子化生成的电子通过电场供给电极11以及试样台16制造的电场加速，再次离子化气体分子。通过反复该过程，引起电子雪崩，随着接近电场供给电极11电子数、离子数以指数函数方式倍增。
离子面向被接地的离子电流检测电极7漂移，作为离子电流被检测出。所得到的电流信号由倍增器19倍增，通过A/D转换器31被用于成像中。
离子电流检测电极7具有上部电极和下部电极，分别保持在相同电位上。离子电流检测电极7中为了提高离子的检测效率，也可以施加负电压(典型值为-10V～0V)使用。
对于离子电流检测电极7以及覆盖在上部电极和下部电极之间被配置的电场供给电极11可以设计成可分别独立地手动或者自动地向离试样台近或者远的位置滑动的调整结构，通过控制装置用自动或者手动进行。在试样带电影响给图像带来影响的情况，通过调节离子电流检测电极7或者电场电极11和试样14之间的距离，控制面向试样台的离子量或者电子量，将试样的带电相抵。例如，在由一次电子束的照射使试样带负电时，通过将离子电流检测电极7远离试样14，增加面向试样面离子的量。由该离子相抵试样面上的负电荷，由此使试样面带电量减少。这种情况下，离子电流的产额通过调节施加给电场供给电极11的电压以及电场供给电极11与试样14的距离进行控制。另外，在由二次电子释放使试样带正电时，通过将电场供给电极11接近试样14，使多个气体倍增的电子面向试样面。由该电子相抵试样面上的正电荷，由此使试样面的带电减少。这种情况，离子电流的产额通过调节施加给电场供给电极11的电压以及离子电流检测电极7和试样14相对距离进行控制。另外，即使是使W.D.变化的时候，通过分别调节电极的位置关系，可将试样面-各电极之间的距离保持一定，可将试样面带电程度、离子电流的产额和漂移距离保持一定。
向试样台16、电场供给电极11、离子检测电极7施加的各电压的控制是由电压控制结构30进行的。
进行像观察时的气体压力、W.D.等的参数的优化是通过调节使得用手动或者自动方式将离子电流变为最大来进行。
气体压力通过向控制装置(未图示)输入所希望的值进行控制，在使真空泵工作状态下由阀门的开闭来进行。优化是通过向电场供给电极11施加不引起放电范围内的高电压，调整气体压力来进行。另外，在希望用更高的分析能力进行测定时，有必要缩短WD，降低气体压力。
将试样36在高真空状态(10-2～10-5帕左右)观察时，向二次电子集电极23施加正电压(典型值1～500V)使用。此时，在二次电子测定中使用由闪烁器(scintillator)、光导、光电倍增管组成的高真空二次电子检测器8。
在图2中将离子电流检测电极7和电场供给电极11的一个例子用放大图表示。这个形状是做成圆筒型的离子电流检测电极7覆盖在圆盘状网格型的电场供给电极11的周围的形状。此时，离子电流检测电极7以及电场供给电极11可以分别独立地向离试样台近或者远方向滑动。
图3是表示离子电流检测电极和电场供给电极其他的例子。这里，是做成板状(典型的是做成剖面是コ字型)的环形离子电流检测电极25覆盖围绕在试样14周围的形状的网格型的环形电场供给电极24的形状。
图4是进一步表示其他的离子电流检测电极和电场供给电极的例子。该形状是做成板状离子电流检测电极34覆盖在网格型的电场供给电极35的周围的形状。离子电流检测电极34的板的形状为类似于对在物镜6的周围被插入的其他的检测器等的插入不干涉的形状。在高真空的二次电子像观察时，将离子电流检测电极34、电场供给电极35作为二次电子集电极使用。
电场供给电极是由电场供给电极和离子电流检测电极中的某一个或者两个的形状为单线状、或网格状、或多孔板状、或板状的导体构成的。
通过这样结构，在例如将电场供给电极设为由直径200μm左右的细线构成的网格状的时候，通过在该电极附近被制造的电位梯度的大电场，可产生局部的并且有效果的电子雪崩。但是，电场供给电极的形状并不限于这里所述的细线状。
(实施例2)
图5表示根据本发明的SEM的第二实施例。在该检测系统中，作为电场供给电极和离子电流检测电极，使用包围和图3所示相同的试样14的形状的网格状环形(doughnut)电场供给电极24和包围环形供给电极24形状(典型的断面是コ字型的形状)的板状的环形离子电流检测电极25。在这里作为例子，令网格参数为网格间距1250μm、网格线径200μm。环形电场供给电极24和环形离子电流检测电极25固定在试样台16上。环形电场供给电极24和环形离子电流检测电极25也可以固定在镜体上。环形电场供给电极24、环形离子电流检测电极25中由于使二次电极向环形电场供给电极24漂移，并且提供在环形电场供给电极24的网格线附近使电子雪崩发生所需的电场，所以分别施加正电压(典型值为1～500V)、负电压(典型值为-10～0V)。另外，在试样台16中为了给予二次电子初速度，施加负电压(典型值为-50～0V)。
设置在环形电场供给电极24和试样台16之间的辅助电极A10是包围试样14的网格状的电极(典型的网格参数为网格间距1250μm、网格线径200μm)。为了使二次电子18向环形电场供给电极24加速，而向辅助电极A10施加比电压供给电极24低的正电压(典型值为1～200V)。另外，如电场供给电极的形状一样，辅助电极A10并不限于网格状。
由电子雪崩引起倍增的离子，由于电场向电流检测电极25漂移，从该电极25检测出的电流作为离子电流。被检测出的离子电流由倍增器19倍增，通过A/D转换器用于成像。
向试样台16、环形离子电流检测电极25、环形电场供给电极24、辅助电极A10施加的电压是由电压控制结构30控制。
在图1所示的实施例中，由于试样14和离子电流检测电极之间的距离依存于W.D.，所以离子电流的产额也依存于W.D.，每次进行W.D.的变更都需要优化各电压、气体压力。在本实施例中，W.D.变更时，将环形电场供给电极24、环形离子电流检测电极25以及辅助电极A10固定在试样台上时，由于是和试样台一起同时移动，所以试样14和环形电场供给电极24以及环形离子电流检测电极25之间的距离不依存于W.D.，如果进行了一次各电压、气体压力的优化后，在每次W.D.变更时不需要再次进行优化。
(实施例3)
图6表示根据本发明SEM的第三实施例。在本实施例离子检测电极34和电场供给电极35中使用图4所示的形状的电极，作为例子表示引入了辅助电极B26(典型值为数十μm的金属丝形状)的情况。由试样14产生的二次电子中多数向电场供给电极35漂移，但是通过向辅助电极B26供给正电压(典型值为1～100V)，未向电场供给电极35漂移的二次电子27，向该辅助电极B26在漂移过程中离子化残留气体中的分子。由气体倍增产生的离子或者电子29向带电的试样14漂移，通过和试样中的电荷相抵，减少试样的带电。
二次电子像的形成方法和图1、图5所示的实施例的SEM相同。
向试样台16、离子电流检测电极34、电场供给电极35、辅助电极B26施加的电压通过控制电压控制结构30进行。
观察在试样室内是高真空下的二次电子像时，将离子电流检测电极34或者电场供给电极35作为二次电子集电极使用。在二次电子集电极上所收集的二次电子用高真空二次电子检测器8检测。通过将离子电流检测电极34或者电场供给电极35作为二次电子集电极合用，可节省空间搭载。
图7表示根据本发明SEM的第四实施例。在本实施例中作为电场供给电极，使用和图2的电场供给电极11相同的网格状的电场供给电极11，将试样台16作为离子检测电极合用。这里，作为例子网格参数设为网格间距1250μm、网格线径200μm。通过将试样台作为离子检测电极合用，可检测出向试样台漂移的离子，因此可提高检测效率。二次电子18在电场供给电极11的附近引起电子雪崩，被倍增的离子向施加了负电压(典型值为-10～0V)的试样台16漂移。从试样台16检测出的离子电流由试样室内倍增器33倍增，通过A/D转换器31被用于图像成型。通过将倍增器设计在试样室内，可将检测电极和直到倍增器的距离缩短，可减少背景噪声。向试样台16、电场供给电极11施加的电压通过控制向电压控制结构30施加的电压来进行。
在观察高真空中的二次电子像时，除了二次电子集电极23以外，电场供给电极11也作为二次电子集电极使用。
本发明的检测系统的方式不是仅限于上述4个实施例的方式。例如，当W.D.大(例如大于等于15mm)时，作为电场供给电极以及离子电流检测电极，使用和图1的实施例中所示相同的电场供给电极11和离子电流检测电极7；当W.D.小(例如为10mm)时，作为电场供给电极以及离子电流检测电极，使用和图5的实施例中所示相同的环形电场供给电极24和环形离子电流检测电极25；当W.D.更小(例如小于等于5mm)的时候，作为离子电流检测电极，合用和图7的实施例所示相同的试样台16这样的方式也在本发明的范畴内。
然后，关于为了比较本发明的检测系统和以往的检测系统而进行的一个实验结果来记述。图11中表示图1所示的本发明的实施例SEM的离子电流的典型的测定例，和图9所示的本发明的以往SEM的离子电流的典型的测定例。将试样-电场供给电极11之间距离和试样-离子电流检测电极7之间距离进行优化，使得离子电流的产额最大。纵轴表示在本发明的离子电流检测电极7上测定的电流的相对值(根据(专利文献1)的方法在试样台上检测出的离子电流的相对值)，横轴表示向电场供给电极供给的电压。测定是在电子束加速电压：25kV，电子束量：200pA，W.D.：25mm，气压：100Pa，材料：铜的条件下进行的。在测定时将离子电流检测电极7以及试样台设为接地电位。如图中所看见那样，在图1的实施例中是最大值，可得到以往的检测系统的离子电流量数十倍的离子电流。由于离子漂移时间缩短，可将应答时间加速大于等于十μsec。另外试样室内的残留气体并不是限定为大气，也可以是具有其他气体引入装置，使用Ar、Xe等稀有气体或者氮气的结构。
图12表示使用大气、氮气、Ar、Xe的各种气体测定的离子电流的测定结果。气体压力为50Pa。电流值将残留气体是大气时的最大电流值当作1进行标准化。作为残留气体，使用除大气以外的气体例如具有如下情况。具有在真空室内的真空度为1～数千帕左右的低真空状态的低真空SEM观察中，在将试样室设为低真空状态时，由于当试样室内水蒸气进入，真空度就很难提高，所以不希望在试样室内进入水蒸气的情况。例如，考虑将试样室的真空度再次提高等情况。这样的情况下，如图12中所见那样，在氮气和大气中都非常好，但是最好使用具有电压-电流特性的氮气气体。另外，由于Ar、Xe等离子化剖面积比大气分子大，所以用比较低的电压可得到大的离子电流。

Claims (14)

1.一种具有将电子束照射到试样上的照射光学系统，和在试样室内放置试样的试样台的气体倍增式离子电流检测型扫描电子显微镜，其特征在于具有：
在上述试样台的周围被配置至少一个的电场供给电极，
和离子电流检测电极，
上述电场供给电极被配置成被上述离子电流检测电极覆盖。
2.一种扫描电子显微镜，其特征在于具有：
将电子束照射到试样上的照射光学系统，
放置试样的试样台，
内部置有上述试样台的试样室，
为了通过照射上述电子束使由上述试样所产生的二次电子加速而提供电场的电场供给电极；
在上述试样室中具有检测由上述试样室内的残留气体和上述被加速的二次电子发生碰撞所产生的离子的离子电流检测电极，
上述离子电流检测电极具有上部电极和下部电极，
上述电场供给电极被配置在上述上部电极和下部电极之间。
3.如权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
上述离子电流检测电源具有覆盖上述电场供给电源的周围的形状。
4.如权利要求1～2中任一项所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
上述电场供给电极和离子电流检测电极中的某一个或者两个的形状是单线状、或网格状、或多孔板状、或板状。
5如权利要求1所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
具有对上述试样台或者上述离子电流检测电极或者上述电场供给电极施加电压的单元，和
控制该施加电压的单元。
6.如权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
在上述试样室内具有第一电极，用于形成用于向通过照射上述电子束由上述试样所产生的二次电子给予希望的速度的电场。
7.如权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
在上述试验室内具有第二电极，用于提供通过加速二次电子引起由残留气体分子所产生的气体倍增所需的电场，提供使由上述气体倍增所产生的离子或者电子在上述带电的试样上漂移的电场。
8.如权利要求5～7中任一项所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
上述施加电压控制单元控制上述第一电极或者第二电极的施加电压。
9.如权利要求1或2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
具有独立地调整上述离子电流检测电极和上述电场供给电极相对位置的单元。
10.如权利要求1或2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
具有调整上述离子电路检测电极或者上述电场供给电极和上述试样台的相对位置的单元。
11.如权利要求1或2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
将上述试样台作为上述离子电流检测电极合用。
12.如权利要求1或2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
可将上述电场供给电极或者离子电流检测电极作为二次电子集电极(Collector)合用。
13.如权利要求1或2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
在上述试样室内具有用于将从上述离子电流检测电极检测出的离子电流倍增到成像所需的强度的倍增器。
14.如权利要求2所述的扫描电子显微镜，其特征在于：
上述残留气体是空气、氮气或者稀薄气体。
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