JP2001076665A - 低エネルギー反射電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 常に回折像面を絞り位置に持って来ることが
できる低エネルギー反射電子顕微鏡を提供すること。 【解決手段】 対物ミニレンズ７を用いて像倍率を変え
ていく場合、対物レンズ制御手段２１は、対物レンズ６
と対物ミニレンズ７を合わせた系がつくる像面位置が常
にウイーンフィルタ１６の中央に来るように、ＯＬ電源
１９とＯＭ電源２０を制御する。また、制御装置２２は
対物レンズ制御手段２１からの情報に基づき、対物レン
ズ制御手段２１の制御による像倍率変化に拘わらず、回
折絞り９の位置に回折像面を位置させるための電位信号
Ｖａを前記電位制御手段１８に送る。電位制御手段１８
は、送られてくる電位信号Ｖａに基づき、ウイーンフィ
ルタ１６の電極と磁極に共通の電位Ｖａが与えられるよ
うに電磁極電源１７を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】 本発明は、ウイーンフィル
タを備えた低エネルギー反射電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】 低エネルギー反射電子顕微鏡（ＬＥＥ
Ｍ）は、試料に電子ビームを照射し、その照射によって
試料から発生する反射電子をスクリーンなどに導いて試
料像を結像させる装置である。

【０００３】この低エネルギー反射電子顕微鏡ではビー
ムセパレータが用いられる。ビームセパレータは、試料
を照射する１次電子ビームと、試料で反射された２次電
子ビームを振り分けるためのものである。現在の低エネ
ルギー反射電子顕微鏡においては、ビームセパレータと
してウイーンフィルタを用いているものとセクター磁場
を用いているものがあるが、本発明は前者の、ウイーン
フィルタを用いた低エネルギー反射電子顕微鏡に関す
る。

【０００４】ウイーンフィルタについて説明すると、ウ
イーンフィルタは、光軸に対して互いに直交する電場と
磁場からなり、ある特定のエネルギーの電子だけ、両者
からの力が釣り合って直進する。この場合、その特定の
エネルギー以外の電子は偏向されてしまうので、ウイー
ンフィルタの出口にスリットを置けば、あるエネルギー
の電子だけを選ぶことができる。これが、エネルギーフ
ィルタとしての、通常のウイーンフィルタの使われ方で
ある。

【０００５】さて、電子を逆方向からウイーンフィルタ
に入射させると、磁場が及ぼす力の方向が逆になるの
で、電場と磁場の及ぼす力は同方向となり、電子のエネ
ルギーにほぼ関係なく強い偏向作用を持つことになる。
ウイーンフィルタをビームセパレータとして用いる場合
は、この事実を用いている。すなわち、１次電子ビーム
に対しては偏向器として働き、逆方向に進む２次電子ビ
ームに対しては、そのまま直進するようにできる。これ
によって、ウイーンフィルタをビームセパレータとして
用いた低エネルギー反射電子顕微鏡では、２次側、すな
わち結像光学系の側の光軸を直線にできるという長所が
生まれる。なお、セクター磁場を用いた装置では、１次
電子ビームと２次電子ビームの両方が偏向されてしま
い、どちらかの光軸を直線にすることは不可能である。

【０００６】さて、図１は、対物レンズの下流に倍率調
整用、とくに低倍率のために用いられる対物ミニレンズ
（透過電子顕微鏡ＴＥＭで通常Objective MiniLens:OM
と呼ばれているもの）を備えた低エネルギー反射電子顕
微鏡を示したものである。低エネルギー反射電子顕微鏡
でＯＭを用いるのは前例がなく、倍率の可変範囲を広げ
るために有効である。

【０００７】図１において、電子ビーム源１からの１次
電子ビームは、１０ｋＶ程度に加速され、照射レンズ系
２によって集束される。ウイーンフィルタ３は、１次電
子ビームの行路と、試料台４上の試料５からの反射電子
の行路とを分離するためのものであり、Ｅ×Ｂ型エネル
ギーフィルタとして構成されるが、その電場ベクトルＥ
と磁場ベクトルＢは、１次電子ビームが試料５に垂直に
入射し、且つ反射電子に対してはウイーン条件を満足す
るように設定される。このことにより、１次電子ビーム
はウイーンフィルタ３によって大きく偏向され、試料５
に向けて垂直に入射させられ、試料５から発生し、カソ
ードレンズ（図示せず）で加速された反射電子はウイー
ンフィルタ３では何の偏向作用も受けず直進する。な
お、試料５および、対物レンズ６内に組み込まれた電極
にはそれぞれ所定の電圧が印加されており、これによっ
て前記カソードレンズが形成され、このカソードレンズ
によって１次電子ビームは減速され、１００Ｖ程度の加
速電圧で試料５に入射する。

【０００８】試料５から発生され、カソードレンズで加
速された反射電子は、対物レンズ６（第１の対物レン
ズ）および対物ミニレンズ７（第２の対物レンズ）を介
してウイーンフィルタ３に入射し、ウイーンフィルタ３
を直進した反射電子は第１中間レンズ（集束レンズ）８
で集束される。そして、孔径が可変に構成された回折絞
り９を通過した反射電子の像は、第２中間レンズ１０に
より所定の大きさに拡大されてスクリーン１１に結像さ
れる。これによって反射電子像を観察することができ
る。

【０００９】ところで、ウイーンフィルタ３にはエネル
ギー分散作用があるため、結像光学系側へのビームがエ
ネルギーごとに分離されてしまっては、最終的な像がボ
ケてしまう。しかし、もし中間像がウイーンフィルタ３
の中央にできていれば、最初の半分の分散の寄与と、残
り半分の寄与が打ち消しあい、最終像面ではエネルギー
分散の影響がなくなることが知られている。そこで、特
に高分解能の像を見る場合には、中間像は常にウイーン
フィルタ３の中央にくる条件に設定される。なお、図１
において、１２はウイーンフィルタ３の中央の面を示し
ており、この光軸Ｏに垂直な中央面１２上に前記中間像
が位置するように、対物レンズ６と対物ミニレンズ７の
レンズ強度が制御される。

【００１０】また、図１の装置においては、第１中間レ
ンズ８の後段に、試料からの反射電子の取り込み角を制
限する絞り９が置かれているが、この絞りは、ＴＥＭの
場合は対物レンズがつくる回折像面の位置（試料面の直
ぐ近く、したがって対物レンズ内部）に置かれ、回折絞
り、あるいは対物絞りと呼ばれている。回折像面は、試
料面のいろいろな場所から同じ角度で出た電子が、その
角度ごとに別々の点に集まる面であり、ここに絞りを置
くことで、電子の取り込み角を制限できるわけである。
また、試料が結晶性の場合、ここに回折パターンが形成
されるので、その一部を選んで結像させることで、試料
の構造を反映した像が得られる。このような事情はＴＥ
ＭでもＬＥＥＭでも同じである。

【００１１】しかしＬＥＥＭでは、対物レンズの内部に
絞りを置いてしまうと、１次電子ビームまで制限してし
まうことになり望ましくない。また、ＬＥＥＭでは対物
レンズ内部でエネルギーの小さい反射電子を強電場で引
き込んで加速する必要があり、レンズ内に高電圧をかけ
た前記電極が存在する。よって、径が可変であるような
可動絞りをその場所に置くこと自体が困難となる。そこ
でＬＥＥＭでは、次にできる回折像面の位置に回折絞り
が置かれる。これは図１では第１中間レンズ８の後であ
る。この場合、この回折絞り位置に回折像面が来るよう
にレンズ条件が設定される。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】 この図１の光学系で
対物ミニレンズ７を用いて像倍率を変えていく場合、対
物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系がつくる像
面位置が常にウイーンフィルタ３の中央に来るように、
対物レンズ６と対物ミニレンズ７のレンズ強度が制御さ
れる。このとき、対物レンズ６と対物ミニレンズ７の強
度比率によって、回折像面の位置は一定に保たれない。
したがって、倍率を変えるごとに回折像面位置は移動し
てしまい、回折絞り位置に回折像面が来るという条件は
必ずしも満たされなくなる。この問題を解決するため
に、その都度第１中間レンズ８のレンズ強度を変えるこ
とが考えられるが、このレンズ強度は、第２中間レンズ
１０の手前に像が来るための条件で決まってしまい、可
変にはできない。

【００１３】本発明はこのような点に鑑みて成されたも
ので、その目的は、常に回折像面を絞り位置に持って来
ることができる低エネルギー反射電子顕微鏡を提供する
ことにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】 この目的を達成する本
発明の低エネルギー反射電子顕微鏡は、電子ビーム源
と、該電子ビーム源からの１次電子ビームを集束するた
めの照射レンズ系と、該照射レンズ系により集束された
１次電子ビームを偏向して試料台上の試料に垂直に入射
させると共に、試料から発生する２次電子を直進させる
ウイーンフィルタと、該ウイーンフィルタと前記試料台
との間に配置された対物レンズと、前記ウイーンフィル
タを通過した２次電子ビームを集束するための集束レン
ズと、該集束レンズの後段に配置された回折絞りを備え
た低エネルギー反射電子顕微鏡において、前記対物レン
ズは第１の対物レンズと第２の対物レンズを備え、該第
１の対物レンズと第２の対物レンズのつくる像面位置が
前記ウイーンフィルタの中央に来るように、前記第１の
対物レンズと第２の対物レンズを制御する対物レンズ制
御手段と、該対物レンズ制御手段の制御による像倍率変
化に拘わらず、前記回折絞り位置に回折像面が来るよう
に、前記ウイーンフィルタの電極と磁極の電位を制御す
る電位制御手段を備えたことを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】 以下、本発明の実施の形態につ
いて説明するが、その前に、ウイーンフィルタの基本的
な構造について説明する。

【００１６】図２は、ウイーンフィルタの基本的な構造
を示したものであり、１３ａおよび１３ｂは電極であ
り、１４ａおよび１４ｂは磁極である。図２に示すよう
に、ウイーンフィルタは、電極と磁極が９０度間隔に交
互に配置されて構成されており、電極１３ａと１３ｂ、
および磁極１４ａと１４ｂはそれぞれ対向している。

【００１７】また、磁極１４ａおよび１４ｂはアース電
位とされている。一方、電極１３ａには電極電源１５に
より＋Ｖの電位が与えられ、電極１３ｂには電極電源１
５により−Ｖの電位が与えられており、このように電極
には絶対値が同じ正負の電位が与えられている。したが
って、ウイーンフィルタの光軸Ｏ上の電位はアース電位
となっている。

【００１８】以上、ウイーンフィルタの構造について説
明したが、このようなウイーンフィルタにおいて、電極
１３ａ，１３ｂと磁極１４ａ，１４ｂにある共通の電位
を重畳させると、ウイーンフィルタの光軸上に電位変化
が生じ、これによってレンズ作用を発生させることがで
きる。言い方を変えれば、ウイーンフィルタ全体をある
電位に浮かせて、軸対称レンズ作用を同時に持たせると
いうことである。このような制御により、ウイーンフィ
ルタが本来の機能の他に軸対称レンズ作用を同時に持
ち、かつそのレンズ作用の強さを可変にできる。

【００１９】本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡の特
徴は、このような、本来の機能の他に軸対称レンズ作用
を同時に持つウイーンフィルタを備えていることであ
り、以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説
明する。

【００２０】図３は、本発明の低エネルギー反射電子顕
微鏡の一例を示したものである。図３において、図１お
よび図２と同一構成要素には同一番号を付けている。

【００２１】図３において、１６はウイーンフィルタで
あり、その構成は図２の構成と同じである。このウイー
ンフィルタ１６は、電磁極電源１７を介して電位制御手
段１８に接続されている。

【００２２】また、１９は、前記対物レンズ６の電源で
あるＯＬ電源であり、２０は、前記対物ミニレンズ７の
電源であるＯＭ電源である。これらの電源１９，２０は
対物レンズ制御手段２１に接続されており、この対物レ
ンズ制御手段２１と前記電位制御手段１８は、制御装置
２２を介して接続されている。

【００２３】さて図４は、前記ウイーンフィルタ１６と
電磁極電源１７との接続関係を説明するために示したも
のである。図４に示すように、電磁極電源１７は、ウイ
ーンフィルタ１６の電極１３ａ，１ｂおよび磁極１４
ａ，１４ｂに接続されており、電磁極電源１７は電位制
御手段１８の制御により、電極１３ａ，１３ｂと磁極１
４ａ，１４ｂにある共通の電位Ｖａを与えるものであ
る。この結果、ウイーンフィルタ１６は、本来の機能の
他に軸対称レンズ作用を同時に持ち、そして電位Ｖａが
変わるとそのレンズ作用の強さは変わる。

【００２４】以下、このような構成の動作を説明する。

【００２５】電子ビーム源１からの１次電子ビームは、
１０ｋＶ程度に加速され、照射レンズ系２によって集束
される。そして、１次電子ビームはウイーンフィルタ１
６によって大きく偏向され、試料５に向けて垂直に入射
させられ、試料５から発生し、前記カソードレンズで加
速された反射電子はウイーンフィルタ１６では何の偏向
作用も受けず直進する。

【００２６】さて、図３の光学系で対物ミニレンズ７を
用いて像倍率を変えていく場合、対物レンズ制御手段２
１は、対物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系が
つくる像面位置が常にウイーンフィルタ１６の中央に来
るように、ＯＬ電源１９とＯＭ電源２０を制御する。こ
の結果、対物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系
がつくる像面位置は常にウイーンフィルタ１６の中央に
来る。

【００２７】このとき何の補正も行われないと、上述し
たように、像倍率を変える毎に回折像面位置は移動して
しまい、回折絞り９の位置に回折像面が来なくなる。

【００２８】そこで、図３の装置においては、対物レン
ズ制御手段２１による対物レンズ６，７の制御情報が制
御装置２２に送られる。そして、制御装置２２はその情
報に基づき、対物レンズ制御手段２１の制御による像倍
率変化に拘わらず、回折絞り９の位置に回折像面を位置
させるための電位信号Ｖａを前記電位制御手段１８に送
る。

【００２９】電位制御手段１８は、送られてくる電位信
号Ｖａに基づき、ウイーンフィルタ１６の電極１３ａ，
１３ｂと磁極１４ａ，１４ｂに共通の電位Ｖａが与えら
れるように電磁極電源１７を制御する。この結果、ウイ
ーンフィルタ１６のレンズ作用によって、回折絞り９の
位置に回折像面が来る。

【００３０】以上、図３の装置の動作について説明した
が、このような本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡に
おいては、対物ミニレンズによって像倍率を可変にした
場合に生じる回折像面の移動を補正することができるの
で、回折絞り位置に常に回折像面をもって来ることが可
能となる。

【００３１】また、一般に、光学系の中間像位置にレン
ズが置かれた場合、それより下流の像面位置には影響を
与えず、回折像面の位置だけが変化するので、本発明に
おいては、像面位置はそのままで、回折像面を常に絞り
位置にもって来ることが可能になる。

【００３２】

【図面の簡単な説明】

【図１】 対物レンズの下流に対物ミニレンズを備えた
低エネルギー反射電子顕微鏡を示したものである。

【図２】 ウイーンフィルタの基本的な構造を示したも
のである。

【図３】 本発明の一例を示した図である。

【図４】 図３のウイーンフィルタを説明するために示
した図である。

【符号の説明】

１…電子ビーム源、２…照射レンズ系、３、１６…ウイ
ーンフィルタ、４…試料台、５…試料、６…対物レン
ズ、７…対物ミニレンズ、８…第１中間レンズ、９…回
折絞り、１０…第２中間レンズ、１１…スクリーン、１
２…中央面、１３ａ、１３ｂ…電極、１４ａ、１４ｂ…
磁極、１５…電極電源、１７…電磁極電源、１８…電位
制御手段、１９…ＯＬ電源、２０…ＯＭ電源、２１…対
物レンズ制御手段、２２…制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム源と、該電子ビーム源からの
   １次電子ビームを集束するための照射レンズ系と、該照
   射レンズ系により集束された１次電子ビームを偏向して
   試料台上の試料に垂直に入射させると共に、試料から発
   生する２次電子を直進させるウイーンフィルタと、該ウ
   イーンフィルタと前記試料台との間に配置された対物レ
   ンズと、前記ウイーンフィルタを通過した２次電子ビー
   ムを集束するための集束レンズと、該集束レンズの後段
   に配置された回折絞りを備えた低エネルギー反射電子顕
   微鏡において、前記対物レンズは第１の対物レンズと第
   ２の対物レンズを備え、該第１の対物レンズと第２の対
   物レンズのつくる像面位置が前記ウイーンフィルタの中
   央に来るように、前記第１の対物レンズと第２の対物レ
   ンズを制御する対物レンズ制御手段と、該対物レンズ制
   御手段の制御による像倍率変化に拘わらず、前記回折絞
   り位置に回折像面が来るように、前記ウイーンフィルタ
   の電極と磁極の電位を制御する電位制御手段を備えたこ
   とを特徴とする低エネルギー反射電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記電位制御手段は、前記ウイーンフィ
   ルタの電極と磁極に共通の電位を与えることを特徴とす
   る請求項１記載の低エネルギー反射電子顕微鏡。