JP2003151480A - 二次電子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い検出領域を対象とする場合に、感度の均
一性と検出効率の高さとをともに満足させる。 【解決手段】 二次電子を放出する試料１１と検出器
（グリッド１２ａ）との間の空間に負電位を印加したリ
ペラ電極２０を挿入し、このリペラ電極２０と正電位が
印加された検出器のコレクタグリッド１２ａとを合わせ
た静電レンズ系により、中心軸から離れた位置より出射
する電子の軌道を該軸に近づく方向に曲げ、検出器まで
確実に案内する。これにより、試料と検出器とを近接し
た配置において、中心軸から離れた位置より出射する電
子も高い確率で捕集でき、広い検出領域１１ａ内での感
度の均一性を高くすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、走査電子顕微鏡や
電子線マイクロアナライザ等に用いられる二次電子検出
器に関する。 【０００２】 【従来の技術】走査電子顕微鏡では、試料面から放出さ
れる二次電子の検出にエバーハート・ソーンレイ（Ever
hart-Thornley）型の検出器が一般に用いられる。図５
はこの種の二次電子検出器の概略構成図である。 【０００３】主電子ビーム１０が試料１１に照射される
と、これによって励起された二次電子は試料１１面から
飛び出し、検出器カバーであるコレクタ１２に印加され
た正電圧（ここでは200Ｖ）に引き寄せられる。二次電
子は前面のコレクタグリッド１２ａの隙間を通過し、高
電圧（ここでは10ｋＶ）の印加されたシンチレータ１３
に衝突し、エネルギを失って光電子を発生する。この光
電子をライトガイド１４で光電子増倍管１５まで案内
し、多段階に設けられた増倍面１７により順次増幅して
最終的に検出面１８で捕集する。このようにして光電子
増倍管１５では、シンチレータ１３に到達した二次電子
の量に対応した電気信号を出力することができる。 【０００４】ところで、走査電子顕微鏡では一般的に観
察対象の領域が比較的狭く、また最終的に人間が目視で
観察できる程度の画像が取得できればよい。それに対
し、液晶検査装置などの検査装置では、より高度な検出
性能が要求される。何故なら、液晶検査装置では、一度
に信号を採取しなければならない検出領域が広い（例え
ば５０×６０ｍｍ）上に、信号の変化量に基づいて各Ｔ
ＦＴ電極の良・不良判定を行うため上記検出領域内での
検出感度の均一性が要求されるからである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
二次電子検出器では、広い検出領域における感度むらを
小さくするべく試料と検出器との離間距離を大きくとる
と、全体的に検出器に到達し得る二次電子の数が少なく
なり検出効率が低くなってしまう。逆に、検出効率を上
げようとして試料と検出器とを近づけると、試料上での
電子発生位置と検出器との位置関係に依って検出効率が
ばらつき、検出領域内での感度むらが大きくなってしま
う。すなわち、検出領域を広げようとする場合、その領
域内での感度の均一性と検出効率との両者を共に満足さ
せることは困難であった。そのため、こうした二次電子
検出器を用いて上述したような検査装置を実現すること
は難しかった。 【０００６】本発明はこのような課題を解決するために
成されたものであり、その目的とするところは、広い検
出領域に対して、高い検出効率と高い感度均一性とを達
成することができる二次電子検出器を提供することにあ
る。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に成された本発明は、試料に電磁波又は粒子線が照射さ
れることにより励起された二次電子を、電子誘引部によ
る正電位で引き寄せて検出部で検出する二次電子検出器
において、前記試料と電子誘引部との間に、二次電子の
軌道を該電子誘引部の中心軸方向に曲げるための、負電
位が印加された補助電極を配置したことを特徴としてい
る。 【０００８】 【発明の実施の形態】この発明に係る二次電子検出器で
は、負電位である補助電極と正電位である電子誘引部と
を合わせて、検出部近傍が焦点になるような１つの仮想
的な電子集束レンズを構成する。すなわち、補助電極
は、二次電子の有する負電荷との間の反発力によって、
試料上で上記中心軸との交点から離れた位置より放出さ
れた二次電子の軌道を該軸に近づく方向に徐々に曲げ、
電子誘引部により形成される電場に確実に捕獲されるよ
うにして、最終的に検出部に到達させる。一方、もとも
と試料上で中心軸との交点に近い位置より放出された二
次電子は、補助電極の電位の影響をあまり受けず、中心
軸に近い軌道を通って電子誘引部により形成される電場
に確実に捕獲され、最終的に検出部に到達する。 【０００９】なお、補助電極の形状は試料上の検出領域
の形状などに応じて適宜に決めればよいが、一例として
は、上記中心軸を中心とする円環体とすることができ
る。また、補助電極に印加する負電位の大きさは、試料
と補助電極との離間距離や電子誘引部の正電位の大きさ
などによって適宜に決めればよい。 【００１０】 【発明の効果】本発明に係る二次電子検出器によれば、
試料上の広い検出領域のいずれの位置から放出される二
次電子をも、高い効率で検出部に到達させることができ
る。したがって、検出領域内の各位置における検出感度
の均一性が高まり、しかも高い検出効率が達成できる。
これにより、広い検出領域における定量的な分析が可能
となり、検出領域内の各微小位置の検出信号の強度をそ
れぞれ判定するような検査装置に好適である。それ以外
にも、本発明の二次電子検出器を走査電子顕微鏡の検出
器として用いれば、観察対象の画像内の微小領域の濃淡
などがより明瞭になるという利点がある。 【００１１】 【実施例】以下、本発明に係る二次電子検出器の一実施
例について図面を参照して説明する。図４は本実施例の
二次電子検出器の要部の構成図である。図中、既に説明
した図５に記載の構成要素と同一又は相当する構成要素
には同一の符号を付している。 【００１２】この構成の特徴は、試料１１と検出器の一
部を構成する上記電子誘引部としてのコレクタグリッド
１２ａとの間の空間に、補助電極として二次電子の集束
を補助するリペラ電極２０を挿入している点である。リ
ペラ電極２０には負電位Ｖrが印加されており、コレク
タグリッド（以下、単に「グリッド」という）１２ａに
より形成される静電場の作用に加え、リペラ電極２０に
より形成される静電場の作用によって、試料１１上の比
較的広い検出領域１１ａ内のいずれの位置から出射した
二次電子も効率よくグリッド１２ａへと案内し、そのグ
リッド１２ａの隙間を通過させてその内部の図示しない
検出部（例えばシンチレータ）へと到達させる。 【００１３】次いで、本発明に係る二次電子検出器に特
徴的な検出動作の原理について、従来の検出器との相違
を明らかにしながら詳述する。 【００１４】ここでは、試料１１から放出された二次電
子が検出器に到達するまでのその電子の挙動を検討する
ために、近軸軌道解析の手法を用いる。なお、グリッド
１２ａに到達した電子は殆ど全てが検出部へと達すると
看做すことができるから、以下、「検出器に到達した」
とは「グリッド１２ａに到達した」と同じ意味であると
する。 【００１５】図１は従来の二次電子検出器での近軸軌道
解析のためのモデルであって、横軸（ｚ軸）は検出器
（グリッド１２ａ）の中心線上の距離、縦軸は試料１１
面上での中心線との交点（ｚ＝０の位置）からの離間距
離を表す。同解析では、試料１１とグリッド１２ａとで
静電レンズ系が構成されているものと看做す。静電レン
ズ系による静電場は検出器の中心線（図１中でのｚ軸）
に関して軸対称であるので、軸対称レンズの光学特性解
析の手法を用いることができる。いま、試料１１面（ｚ
＝０、物面に相当）が接地電位（Ｖs＝０Ｖ）、グリッ
ド１２ａ（ｚ＝110mmに中心を有する球で近似）がＶg＝
＋200Ｖの電位にあるとする。 【００１６】周知のように、近軸特性は物面での初期条
件が相違する２つの軌道ｇ(z)、ｈ(z)によって特徴付け
られる。 ｇ(z)： ｇ(0)＝１，ｇ’(0)＝０ ｈ(z)： ｈ(0)＝０，ｈ’(0)＝１ 定性的に言うと、ｇ(z)は試料１１上で中心軸から離れ
た位置から垂直に飛び出す二次電子の軌道、ｈ(z)は中
心軸上から所定の斜め角度で飛び出す二次電子の軌道で
ある。 【００１７】試料１１から放出された二次電子の初期エ
ネルギがＥse＝0.2ｅＶ、1.0ｅＶ、及び5.0ｅＶである
場合における近軸軌道計算結果を、図１（ａ）、（ｂ）
に示す。その特徴は以下の通りである。 (ｉ) 位置Ｓ２から飛び出す二次電子の軌道ｇ(z)は、初
期エネルギに依存せず、ほぼ同一の軌道を描く。 (ii) 位置Ｓ１から飛び出す二次電子の軌道ｈ(z)は、初
期エネルギが高いほどグリッド１２ａの設置位置での中
心軸からのずれ量が大きくなる。 【００１８】(ii)に挙げた理由によって、このような従
来の構成では初期エネルギが高い場合にグリッド１２ａ
に到達する割合が減少し、そのために検出効率が低下す
るものと考えられる。一方、(i)の特徴は陰極レンズに
特有なものである。陰極レンズは電子出射面での電界が
面に垂直になっているため、面に垂直出射するｇ(z)軌
道は、初期エネルギが充分に小さいという条件下であれ
ば初期エネルギへの依存性が低い。後で説明するが、本
発明による二次電子検出器では、この特徴を軸外出射軌
道の収束に利用している。 【００１９】次に、検出器を試料１１面に近づけた配置
として、グリッド１２ａをｚ＝60mmに中心を有する球で
近似した場合の近軸軌道計算結果を図２（ａ）、（ｂ）
に示す。この場合でも、上記(ｉ)、(ii)の特徴は成立し
ている。但し、試料１１とグリッド１２ａとの間の離間
距離が短くなったために、グリッド１２ａの設置位置に
おけるｈ(z)軌道の拡がりは図１の場合よりも抑えられ
ている。例えば初期エネルギ1.0ｅＶの場合で比較する
と、グリッド１２ａの設置位置でのずれ量Ｄh1はＤh2に
縮小する。すなわち、ｈ(z)軌道では電子の検出効率が
向上していることを意味する。 【００２０】しかしながら、ｇ(z)軌道を見ると、中心
軸から離間した位置Ｓ２から出射した二次電子は飛行中
にグリッド１２ａによる電場の影響で徐々に曲げられて
ゆくものの、グリッド１２ａの設置位置で充分に収束さ
れているとは言えない。このために、中心軸から離れた
位置より出射した電子（以下「軸外出射電子」と呼ぶ）
の検出効率を100％近くにまで上げることは、非常に困
難である。一方、このような試料１１と検出器との間隔
を狭めた配置では、中心軸上から出射した電子の検出効
率は高いので、検出領域を広げた場合には該領域内で大
きな検出感度の不均一性が生じてしまう。 【００２１】上記２つのケースを考えると、試料１１と
検出器との離間距離を短くすることで得られる高感度と
いうメリットを享受するには、軸外出射電子の検出感度
を向上させ、感度の均一性を図ることが必要である。そ
のためには、近軸軌道解析でのｇ(z)軌道が検出器に収
束するようにすればよい。上述の通り、陰極レンズでは
ｇ(z)軌道の初期エネルギ依存性は小さいので、対象と
するエネルギ範囲全般に対して軸外軌道を収束させるこ
とは容易である。 【００２２】軸外軌道を検出器位置で中心軸上又はその
近傍に集めるには、検出器がレンズの第２焦点面にある
ようにすればよい。何故なら、焦点面でｇ(z)軌道は中
心軸と交差するからである。焦点位置を制御するために
は、レンズの特性を変えることが必要であり、そのため
の方法としては試料１１と検出器との間の空間の電場を
変化させるような電極を追加することが考えられる。そ
こで、ここでは試料１１とグリッド１２ａとの間の空間
に、図４に示したような、負電位を印加した円環状のリ
ペラ電極２０を追加配置するものとする。この電位を調
整することで焦点位置（クロスオーバ位置）を移動させ
ることができ、電位を適宜に設定すれば、焦点面と検出
器位置とを一致させることができる。 【００２３】図３（ａ）、（ｂ）にはリペラ電極２０へ
の印加電位をＶr＝−25Ｖに調整したときの近軸軌道計
算結果を示す。図３（ａ）により、軸外ｇ(z)軌道がリ
ペラ電極２０によって検出器に向かって収束している様
子がわかる。 【００２４】こうしたリペラ電極２０を付加した検出器
の検出特性を確認するために、３Ｄ表面電荷法による軌
道計算を行った。これに用いた検出器のモデルは、図６
に示すように図４とほぼ同じ構成であって、試料１１に
対して短距離配置の検出器（グリッド１２ａ）に円環状
のリペラ電極２０を組み合わせたものである。リペラ電
極２０の円環の内穴径はＤ＝φ80mmである。また外径は
φ140mmであるが、これは動作特性には殆ど影響しな
い。電位は試料がＶs＝０Ｖ、グリッド１２ａはＶg＝＋
200Ｖ、リペラ電極２０の電位はＶr＝−25Ｖである。 【００２５】図６には電位分布の一部とＥse＝５ｅＶに
対する二次電子の軌道を描出している。これにより、リ
ペラ電極２０の作用によって二次電子が検出器へと導か
れている状況がわかる。また図７は図６の軌道を側面か
ら見た状態を示す図、図８は比較対照とするためにリペ
ラ電極２０を挿入しない場合の軌道を示す図である。図
７、図８を比較すれば、軸外出射電子がきわめて効率よ
く検出器に収束していることがわかる。 【００２６】このようにして、試料１１と検出器との間
に負電位を印加したリペラ電極２０を付加することによ
って、試料１１面上の中心軸から離れた位置から放出さ
れる二次電子をも効率良く検出器まで案内できることが
わかる。 【００２７】すなわち、上記結果は、例えば図４に示し
たように、試料１１上の広い検出領域１１ａ内のいずれ
の位置から出射した二次電子も同じような効率でもって
検出器に到達し得ることを意味する。実際には、二次電
子を励起するための電子ビーム１０は検出領域１１ａ内
を所定のパターンで走査し、その電子ビーム１０を受け
た位置で励起された二次電子が試料１１面から放出され
る。このように検出領域１１ａ内から放出された二次電
子は、中心軸からの離間距離に拘わらず、高い効率でも
ってグリッド１２ａに到達し、最終的に検出部へと達す
ることになる。 【００２８】もちろん、円環状のリペラ電極は単に一例
であって、検出領域の形状などに応じてリペラ電極は適
宜の形状に変形することが望ましい。また、リペラ電極
に印加する負電位はリペラ電極の挿入位置などに依存
し、一般的には、その挿入位置が試料から遠い（逆に言
えば検出器に近い）ほど、電位の絶対値を大きくするこ
とが必要となる。 【００２９】なお、上記実施例は本発明の単に一例にす
ぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行える
ことは明らかである。

【図面の簡単な説明】 【図１】 従来の二次電子検出器での近軸軌道解析結果
を示す図。 【図２】 従来の二次電子検出器（短離間距離配置）で
の近軸軌道解析結果を示す図。 【図３】 本発明の一実施例による二次電子検出器での
近軸軌道解析結果を示す図。 【図４】 本発明の一実施例による二次電子検出器の要
部の構成図。 【図５】 走査電子顕微鏡における一般的な二次電子検
出器の構成図。 【図６】 本発明の一実施例による二次電子検出器に対
する３Ｄ表面電荷法による軌道計算結果を示す図。 【図７】 図６の軌道を側面から見た状態を示す図。 【図８】 リペラ電極を挿入しない従来の構成での軌道
計算結果を示す図。 【符号の説明】 １０…電子ビーム １１…試料 １１ａ…検出領域 １２…コレクタ １２ａ…コレクタグリッド １３…シンチレータ １４…ライトガイド １５…光電子増倍管 ２０…リペラ電極

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 試料に電磁波又は粒子線が照射されるこ
   とにより励起された二次電子を、電子誘引部による正電
   位で引き寄せて検出部で検出する二次電子検出器におい
   て、 前記試料と電子誘引部との間に、二次電子の軌道を該電
   子誘引部の中心軸方向に曲げるための、負電位が印加さ
   れた補助電極を配置したことを特徴とする二次電子検出
   器。