JP2002100316A

JP2002100316A - 低真空走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2002100316A
Application number: JP2000288285A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Ogawa; 康司小川
Original assignee: NIPPON DENSHI TECHNICS KK; Jeol Ltd
Current assignee: NIPPON DENSHI TECHNICS KK; Jeol Ltd
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2002-04-05

Abstract

(57)【要約】【課題】低い真空度でも２次電子を効率よく検出する
ことができる低真空走査電子顕微鏡を実現する。【解決手段】試料２５には試料電源３６からマイナス
電圧が印加されており、試料から飛び出た２次電子は、
試料２５もしくは試料周辺に印加されたマイナス電圧に
よって作られた周辺ガス分子をイオン化させるに充分な
電界で加速され、試料周辺のガス分子に衝突しイオン化
させる。これらが更に周辺ガス分子に衝突することで更
なるイオンや電子を生じさせ、電子雪崩現象を引き起こ
す。試料２５に近づいたプラスイオンは、試料２５もし
くは試料周辺から電子を受け取り、イオンから分子に変
化する。これにより、始めに発生した２次電子等が増幅
された試料吸収電流を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料室内部を低真
空に維持し、試料のチャージアップを防止すると共に水
分を含んだ試料の観察を行うことができる低真空走査電
子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、試料上に電子ビー
ムを細く集束すると共に、試料上の所定範囲を電子ビー
ムで走査するようにしている。試料に電子ビームを照射
することによって２次電子が発生するが、この２次電子
を検出し、この検出信号を一次電子ビームの走査と同期
した陰極線管に供給し、試料の走査像を表示するように
している。

【０００３】このような走査電子顕微鏡の基本構成を図
１を参照して説明する。１は対物レンズであり、対物レ
ンズの上部には図示していないが電子ビームを発生し加
速する電子銃やコンデンサレンズなどが設けられてい
る。一次電子ビーム２はコンデンサレンズと対物レンズ
１とによって細く集束され、試料３に照射される。ま
た、図示していないが、対物レンズの上部には、試料上
で一次電子ビーム２を２次元的に走査するための走査コ
イルが配置されている。

【０００４】試料３への電子ビーム２の照射によって２
次電子が発生するが、２次電子は電源４から３００Ｖ程
度の電圧が印加されたメッシュ状のコレクター５に集め
られる。コレクター５によって集められた２次電子は、
２次電子検出器７に導かれる。２次電子検出器７は、コ
ロナリング電源８から１０ｋＶ程度の高電圧が印加され
るコロナリング９と、２次電子が加速されて入射するシ
ンチレータ１０と、シンチレータの光を電気信号に変換
する光電子増倍管１１より構成されている。

【０００５】２次電子検出器７によって検出された２次
電子信号は、図示していないが増幅器や輝度やコントラ
ストを調整する信号処理回路等を経て一次電子ビームの
走査に同期した陰極線管に輝度変調信号として供給され
る。その結果、陰極線管の画面上には試料の特定の２次
元領域の２次電子走査像が表示されることになる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】試料３が絶縁物試料の
場合や、試料に水分が含まれている場合には、試料が入
れられる試料室の真空度を低くすることが行われてい
る。しかしながら、試料室内部の真空度を低くすると、
コロナリング９に高電圧が印加されていることから、放
電現象が発生し、像の観察が不可能となってしまう。

【０００７】このため、低真空下でも２次電子を検出す
る方式として、試料に照射された一次ビームにより２次
電子および反射電子等が試料から飛び出ることで、試料
に流れる微量の試料吸収電流を計測し、その電流の強弱
により、像を形成する吸収電流検出方式がある。

【０００８】図２はこの検出方式の具体的構成を示して
おり、試料３に吸収された電流は、試料吸収電流計測器
１５によって計測される。計測された試料吸収電流は、
電流増幅回路１６によって増幅され、図示していない陰
極線管に供給される。しかしながら、吸収電流は、入射
電流に対して極端に微量であるため、入射電流を極端に
大きくするなどしなければ、より分解能の高い像を得る
ことは難しい。

【０００９】更に、上記した吸収電流検出方式を発展さ
せたタイプの検出方式も考えられている。図３はこのよ
うな検出方式を図示しており、この方式では、低真空下
において、対物レンズ１の下にリング状の電極１７を配
置し、この電極１７にリング電極電圧電源１８から所定
の電圧を印加し、この結果生じた電界で、試料３から出
る２次電子等を引っ張り、周辺ガス分子と衝突を起こす
ことで電子雪崩現象を起こさせる。その結果生じた正イ
オンは試料３に向かい、吸収電流として検出される。こ
の方式の場合、試料から発生した２次電子の量にほぼ比
例した大きな電流を検出することができる。なお、リン
グ電極１７には、電界により２次電子を加速し周辺ガス
をイオン化させるに十分な正の電圧が印加される。

【００１０】しかしながら、図３に示した方式では、リ
ング電極１７の周辺では電界が強く、電子に与えるエネ
ルギーも強いが、試料３をリング電極１７から離してし
まった場合（例えば、長い作動距離の場合）には、試料
３周辺の電界は弱く、電流を計測することになる試料も
しくは試料周辺（試料台等）の近くでイオン化が効率よ
く起こるとは言い難い。

【００１１】また、この場合、イオン等への電子の供給
源として、最も近い点が試料とは限らなくなってくるた
め、試料もしくは試料周辺ではない他の接地電位部分に
電流が流れてしまう場合がある。したがって、長い作動
距離では図３に示した方式でも高い分解能の２次電子像
の観察は難しい。

【００１２】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、低い真空度でも２次電子を効率よ
く検出することができる低真空走査電子顕微鏡を実現す
るにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
低真空走査電子顕微鏡は、電子銃から発生し加速された
一次電子ビームをコンデンサレンズと対物レンズによっ
て試料室内の試料上に細く集束すると共に、試料上の一
次電子ビームの照射範囲を２次元的に走査し、試料への
一次電子ビームの照射によって発生した２次電子を２次
電子検出器によって検出し、検出信号に基づいて試料の
２次電子像を得るようにすると共に、試料室内を低真空
に維持するようにした走査電子顕微鏡において、試料に
電圧を印加し、試料の吸収電流を検出するようにしたこ
とを特徴としている。

【００１４】請求項１の発明では、試料に電圧を印加
し、その電界により試料から飛び出た２次電子を加速
し、ガス分子をイオン化する。イオン化されたガス分子
及び電子は電界により加速され、更に他のガス分子と衝
突してガスをイオン化する。このようにして電子雪崩現
象を生じさせ、プラスイオンを試料に引き寄せ、試料に
吸収させる。この試料吸収電流に基づいて２次電子像を
表示させる。

【００１５】請求項２の発明では、試料に電圧を印加す
るために試料台に電圧を印加するようにした。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図４は、本発明に基づく低
真空走査電子顕微鏡の一例を示したもので、２０は走査
電子顕微鏡の鏡筒である。鏡筒２０の上部には電子銃室
２１が配置されている。電子銃室２１内には、熱電子銃
や電界放射型電子銃などの電子銃が設けられている。

【００１７】電子銃から発生し加速された一次電子ビー
ム２は、コンデンサレンズ２２と対物レンズ２３によっ
て試料室２４内に配置された試料２５上に細く集束され
る。対物レンズ２３の上部には、一次電子ビーム２を偏
向するための走査コイル２６が設けられている。走査コ
イル２６には、図示していない走査信号発生回路から、
試料２５の所定領域を一次電子ビームで走査するための
走査信号が供給される。

【００１８】対物レンズ２３の底部には、微小開口を有
したオリフィス絞り２７が設けられている。このオリフ
ィス絞り２７により、電子銃室２１から対物レンズ２３
内部の各空間と、試料室２４内とは差動排気される。す
なわち、電子銃室２１や対物レンズ２３上部の空間は、
排気管２８を介して拡散ポンプ等により高真空に排気さ
れている。

【００１９】試料室２４には、３つのバルブ３１，３
２，３３が設けられているが、バルブ３１は排気管３０
との接続のために設けられており、走査電子顕微鏡を低
真空で使用する際にはこのバルブは閉じられている。バ
ルブ３２はロータリーポンプ（図示せず）に接続され、
バルブ３３はバリアブルリークバルブに接続されてい
る。このバルブ３２，３３の開閉により、試料室２４内
は所望の低真空に維持される。

【００２０】試料２５は導電性の試料台３４上に載置さ
れている。この試料台３４は、電気的に絶縁された試料
移動装置３０により、水平方向と垂直方向とに移動させ
られる。試料台２５は、電流計測回路３５に接続されて
いるが、試料台２５（試料）と電流計測回路３５は、試
料電源３６により、所定の電圧に浮かされている。電流
計測回路３５からの信号は、アイソレーションアンプ３
７を介して接地電位で動作する増幅回路３８に供給され
る。増幅回路３８の出力は、図示していない陰極線管に
供給される。このような構成の動作を次に説明する。

【００２１】まず、低真空下における試料２５の像観察
について説明する。最初に電子銃室２１から対物レンズ
２３内の電子ビーム通過領域を排気管３０を介して、例
えば、拡散ポンプで真空排気し、それらの領域の真空度
を１×１０^-3Ｐａ程度とする。また、試料室２４内部を
バルブ３２と３３をオープンにし、バルブ３２を介して
ロータリーポンプで試料室内を排気すると共に、バルブ
３３を介して大気あるいは窒素ガス等を試料室２４内に
導入し、この試料室内の真空度を１０〜３００Ｐａ程度
の低真空に維持する。

【００２２】鏡筒２０と試料室２４内部を所望の真空度
にした後、電子銃室２１内の電子銃から一次電子ビーム
２を発生し加速させる。一次電子ビーム２はコンデンサ
レンズ２２と対物レンズ２３により試料２５に細く集束
される。更に一次電子ビーム２は、走査コイル２８によ
って２次元的に走査される。一次電子ビーム２によって
試料２５からは２次電子が発生する。

【００２３】図５は試料２５から発生した２次電子の振
る舞い（ガス分子のイオン化）を説明するための図であ
る。試料２５には試料電源３６からマイナス電圧（例え
ば、マイナス３００Ｖ程度の電圧）が印加されており、
試料から飛び出た２次電子は、試料２５もしくは試料周
辺に印加されたマイナス電圧によって作られた周辺ガス
分子をイオン化させるに充分な電界で加速され、試料周
辺のガス分子に衝突しイオン化させる。

【００２４】発生したイオンおよび電子は、試料もしく
は周辺電界により、マイナスイオン及び電子は、試料か
ら離れる方向へ加速される。一方、プラスイオンは、試
料方向へ加速される。これらが更に周辺ガス分子に衝突
することで更なるイオンや電子を生じさせ、電子雪崩現
象を引き起こす。試料２５に近づいたプラスイオンは、
試料２５もしくは試料周辺から電子を受け取り、イオン
から分子に変化する。これにより、始めに発生した２次
電子等が増幅された試料吸収電流を得ることができる。

【００２５】従来用いられていた電極にかかる電圧によ
る電界は、ある程度の距離が離れてしまうことで極端に
弱まってしまうため、一度ガス分子に衝突しイオン化さ
せた加速された２次電子や、衝突により飛び出た電子等
を再度加速してガス分子をイオン化させるに十分なエネ
ルギーまで持ち上げることは難しい。これに対し、本発
明では、作動距離が長い場合は、電流計測する部分の周
辺でイオン化を起こすことで効果的に増幅が行われる。

【００２６】試料に電圧をかけることによる効果は、電
子等を加速するのみならず、周辺に発生したイオンの確
実な収束を目的ともしている。この試料に電圧をかける
ことで、電子雪崩現象を電界が特に強い試料周辺で起こ
すことができ、それにより発生したイオンを周辺に多数
存在するグランド電位にとらわれることなく確実に試料
方向へ運ぶことが可能となる。

【００２７】また、非導電性試料の場合では、試料には
電流が流れないため、試料への吸収電流は計測できな
い。しかしこの場合、一次電子ビームにより試料が少な
からずマイナスに帯電するが、それ以上のマイナス電圧
が確実に試料台にかけられており、この電界で試料を包
み込むほど十分に小さな試料ならばその影響はほとんど
無視することができる。

【００２８】図６は、試料吸収電流を検出するための回
路構成を示しており、試料２５に吸収された電流は、試
料台３４を介して電流計測回路３５によって増幅され、
アイソレーションアンプ３７に供給される。アイソレー
ションアンプ３７は、発光ダイオードと光検出器より構
成されており、試料吸収電流の強弱に応じて発光する光
を光検出器で検出する。この光検出器によって検出され
た信号が２次電子信号強度に比例する。

【００２９】この光検出器からの信号は増幅回路３８に
よって増幅された後、陰極線管（図示せず）に供給さ
れ、陰極線管には２次電子像が表示される。なお、試料
２５，試料台３４，電流計測回路３５，アイソレーショ
ンアンプ３７の発光ダイオードは、試料電源３６によ
り、所定の電位に維持される。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、試料に電圧を印加し、その電界により試料から飛び
出た２次電子を加速し、ガス分子をイオン化する。イオ
ン化されたガス分子及び電子は電界により加速され、更
に他のガス分子と衝突してガスをイオン化する。このよ
うにして電子雪崩現象を生じさせ、プラスイオンを試料
に引き寄せ、試料に吸収させる。この試料吸収電流に基
づいて２次電子像を表示させるようにした。この結果、
２次電子等による周辺ガス分子との電子雪崩現象を検出
部周辺で起こすことができるため、試料から飛び出た２
次電子等を試料と対物レンズの距離（作動距離）の大小
に大きく左右されずに増幅し観察することが可能とな
る。

【００３１】また、試料もしくは試料周辺に電圧をかけ
ることで、作動距離の大小に関係なく周辺のグランド電
位（０Ｖ）にイオンが向かってしまうことを防ぎ、確実
に試料もしくは試料周辺に集めることができるため、吸
収電流をより効率よく得ることができる。

【００３２】更に、試料もしくは試料周辺に電圧をかけ
ることで、試料もしくは試料周辺の電子の放出を促し、
吸収電流をより効率よく得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の走査電子顕微鏡の一例を示す図である。

【図２】従来の走査電子顕微鏡の一例を示す図である。

【図３】従来の走査電子顕微鏡の一例を示す図である。

【図４】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一例を示す図
である。

【図５】２次電子によるガス分子のイオン化の様子を示
す図である。

【図６】吸収電流の検出回路の一例を示す図である。

【符号の説明】

２０鏡筒２１電子銃室２２コンデンサレンズ２３対物レンズ２４試料室２５試料２６走査コイル２７オリフィス絞り２８排気管２９オリフィス３１，３２，３３バルブ３４試料台３５電流計測回路３６試料電源３７アイソレーションアンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G001 AA03 BA07 CA03 DA05 GA01 GA06 GA09 GA11 HA13 JA02 JA03 JA14 KA03 LA20 PA07 QA01 5C001 BB07 CC04 5C033 NN01 NP08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃から発生し加速された一次電子ビ
ームをコンデンサレンズと対物レンズによって試料室内
の試料上に細く集束すると共に、試料上の一次電子ビー
ムの照射範囲を２次元的に走査し、試料への一次電子ビ
ームの照射によって発生した２次電子を２次電子検出器
によって検出し、検出信号に基づいて試料の２次電子像
を得るようにすると共に、試料室内を低真空に維持する
ようにした走査電子顕微鏡において、試料に電圧を印加
し、試料の吸収電流を検出するようにした低真空走査電
子顕微鏡。
【請求項２】試料に電圧を印加するために試料台に電
圧を印加するようにした低真空走査電子顕微鏡。