JP2003234080A

JP2003234080A - 電子線照射装置

Info

Publication number: JP2003234080A
Application number: JP2002029792A
Authority: JP
Inventors: Shigeki Yoshida; 茂樹吉田; Mitsuru Otsuka; 満大塚
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-02-06
Filing date: 2002-02-06
Publication date: 2003-08-22

Abstract

(57)【要約】【目的】高い空間分解能を損なうことなく走査電子顕
微鏡を小型化し、且つ、大きな試料を観察することがで
きる電子線照射装置を提供すること。【構成】本体が電子光学鏡筒部と第１のチャンバー
と第２のチャンバーから成り、前記電子光学鏡筒部は前
記第１のチャンバーに含まれ、前記第２のチャンバーは
電子光学鏡筒部及び前記第１のチャンバーを外側から囲
む形で形成され、前記電子光学鏡筒部は電子線源と前記
電子線源から放出された電子を加速する加速電極と、加
速された電子線を収束する電子レンズとを備えた電子光
学鏡筒部であって、且つ、前記電子光学鏡筒と試料との
相対位置を移動させることによって前記電子線の試料上
への照射位置を走査する手段を備え、前記第１及び第２
のチャンバーの一部分に開口部が設けられ、前記開口部
を塞ぐ状態で試料を固定し、且つ、前記第１のチャンバ
ーと試料によって形成される空間と前記第２のチャンバ
ーと試料によって形成される空間をそれぞれ排気する経
路を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、特に小型で且つ低
真空下で動作可能な電子線照射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は細く絞った
電子線を試料上に照射し、試料から発生する２次電子や
反射電子を検出して像を形成する装置であり、高分解能
で表面を観察する手段として幅広い分野で用いられてい
る。

【０００３】走査電子顕微鏡の一般的な構成を説明す
る。図３において、３１は電子銃、３２は加速電極、３
３はコンデンサーレンズ、３４は偏向レンズ、３５は対
物レンズ、３６は試料、３７は２次電子検出器、３８は
画像表示装置を示している。電子銃３１から放出された
電子は加速電極３２により所望の電圧に加速され、コン
デンサーレンズと対物レンズによって収束されて、試料
３６上に微小なプローブを形成する。このプローブを偏
向レンズ３４により走査し、プローブ領域近傍から発生
する２次電子や反射電子を検出器３７で検出して、この
信号強度を前記プローブの走査と同期させて画像表示装
置３８に表示する。

【０００４】尚、図３には示していないが、実際には装
置内部を真空に排気するための複数の真空ポンプや、
又、レンズ系を冷却するための冷却循環装置等が装備さ
れる。市販されている走査電子顕微鏡の設置面積は機種
により異なるが通常は３ｍ×３ｍ程度であり、装置の総
重量は数１００ｋｇから1 トンを超える程度である。こ
のように走査電子顕微鏡は光学顕微鏡や走査型プローブ
顕微鏡等の観察手段に比べると圧倒的に大型であり、更
に複雑且つ高価格でもある。

【０００５】走査電子顕微鏡を小型化し、操作性や機能
性を向上させる試みは幾つか提案されている。例として
特開平５−１８２６２７号公報に開示されている方法を
説明する。

【０００６】上記公報によれば「基板上に形成された電
界放出冷陰極と、上記基板上に絶縁物を介して被着及び
形成され、上記冷陰極より電子線を引き出す引出し電極
とで形成される電子線源、上記引出し電極上に絶縁物を
介して被着及び形成され、上記電子線を加速する加速電
極、上記加速電極上に直接若しくは絶縁物を介して被着
及び形成された検出器、及び上記冷陰極と上記引出し電
極と上記加速電極と上記検出器に対し電気的に接続され
た複数の接続線を備えた超小型表面センサー」とし、こ
れにより電子銃と加速電極と検出器とを含む表面センサ
ーの小型化を達成している。

【０００７】又、前記公報においては、電子線照射位置
を走査する機構として上記表面センサーをピエゾ素子上
に配置し、このピエゾ素子の駆動によって上記表面セン
サーを走査する方法を実施例として挙げている。

【０００８】更に、特開平５−１５９７３５号公報にお
いては、電子源、加速及び収束電極、検出器を一体構造
とすることでＳＥＭを小型化し、更に低真空状態の維持
を目的とした差動排気機構を設けている。

【０００９】一方、従来のＳＥＭでは困難であった大き
な試料を観察したり、或は試料の大きさに拘らず試料表
面の微細構造や形態を観察したい場合がある。このよう
な課題に対し、特開平１０−９２３６６号公報では、試
料室に開口部を設け、この開口部を試料が塞ぐ状態で試
料を固定することで、試料の大きさに拘らずＳＥＭ観察
ができるようにした。又、特開平５−１５９７３６号公
報では、電子銃や加速や収束のための電子光学系から成
る鏡筒自体に移動機能を持たせ、電子線を試料の所望の
位置に照射することで大きな試料に対応している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
特開平５−１８２６２７号公報に記載された表面センサ
ーは、装置の小型化については達成されているものの、
電子線照射装置或は走査電子顕微鏡としての性能は、充
分に保持されているとは言い難い。走査電子顕微鏡にお
いて充分な空間分解能を得るには、１次電子線を充分細
く絞って試料上に照射する必要がある。一般に電子線源
から放出された電子線は発散傾向を持つため、この電子
線を収束するためには何らかの電子レンズが必要とな
る。

【００１１】ところが、上記の表面センサーには電子線
を収束するための電子レンズが記述されていないので、
試料上で充分収束されたプローブを形成できないと考え
られる。

【００１２】又、次の特開平５−１５９７３５号公報に
おいては、小型化については或る程度達成されているも
のの、電子線の走査機構の記述がなく、記録ディスクの
情報を再生する電子ビームピックアップとしての機能が
紹介されているのみで、所謂顕微鏡としての構成は記述
されていない。又、差動排気機構についても、低真空状
態を維持するためのものである。低真空中では、１次電
子が試料に到達するまでの過程と試料表面から放出され
た２次電子や反射電子が検出器に到達する過程で、多く
の電子が雰囲気中のガス分子と衝突してしまい、その結
果として空間分解能の低下や像質の低下が引き起こされ
るという課題がある。

【００１３】大きい試料については、上記特開平１０−
９２３６６号及び特開平５−１５９７３６号公報におい
て、或る程度の大きい試料への対応は図られているが、
ＳＥＭ本体は依然として大きいままであり、特に後者の
例においては、大きな試料を入れるためのチャンバーや
大きい鏡筒を移動できるだけのスペースのために、通常
のＳＥＭ装置よりも更に大きなものとなっている。

【００１４】本発明は上記問題に鑑みてなされたもの
で、その目的とする処は、高い空間分解能を損なうこと
なく走査電子顕微鏡を小型化し、且つ、大きな試料を観
察することができる電子線照射装置を提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、本体が電子光学鏡筒部と第１のチャンバ
ーと第２のチャンバーから成り、前記電子光学鏡筒部は
前記第１のチャンバーに含まれ、前記第２のチャンバー
は電子光学鏡筒部及び前記第１のチャンバーを外側から
囲む形で形成され、前記電子光学鏡筒部は電子線源と前
記電子線源から放出された電子を加速する加速電極と、
加速された電子線を収束する電子レンズとを備えた電子
光学鏡筒部であって、且つ、前記電子光学鏡筒と試料と
の相対位置を移動させることによって前記電子線の試料
上への照射位置を走査する手段を備え、前記第１及び第
２のチャンバーの一部分に開口部が設けられ、前記開口
部を塞ぐ状態で試料を固定し、且つ、前記第１のチャン
バーと試料によって形成される空間と前記第２のチャン
バーと試料によって形成される空間をそれぞれ排気する
経路を設けたことを特徴とする。

【００１６】従って、本発明によれば、小型電子源に加
速電極、収束電極を一体化する構造とすることでこれら
を含む電子光学鏡筒を小型化することができる。又、こ
の電子光学鏡筒全体を圧電体等で水平方向に走査するこ
とで走査に必要な電極群を省くことができ、電子光学系
を必要以上に複雑にすることなく走査電子顕微鏡機能を
実現することができる。

【００１７】更に、本発明の装置によるチャンバーは、
開口部を有し、それを塞ぐ状態で試料を固定するため試
料の大きさに関係なく所望の試料の表面を観察すること
ができる。

【００１８】又、第１チャンバーとそれを外から囲む第
２チャンバーを有し、第１チャンバーと第２チャンバー
の間を第１チャンバー内と隔離して真空排気できるた
め、第１チャンバー内を高真空にすることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。

【００２０】＜実施の形態１＞図１は本発明に係る電子
線照射装置の構成図であり、同図において、１は電子光
学鏡筒部、２はピエゾスキャナ（ここでは円筒型）、３
は第１チャンバー、４は第２チャンバー、５は試料とチ
ャンバーの接触部で、ここではＯリングを用いている。
６は第１チャンバー内の排気経路、７は第２チャンバー
の排気経路、８は２次電子検出器、９はガス導入経路、
１０は第１チャンバーと第２チャンバーのシール部、１
１は電子源、電子光学系、ピエゾスキャナ、２次電子検
出器への電源供給やそれらからの信号を検出するケーブ
ルである。１２は試料で、ここでは定盤の表面を観察し
た。１３は装置本体の電子源や電子光学系の電源及びコ
ントローラー、１４は２次電子像を表示する表示装置で
ある。

【００２１】図２に電子光学鏡筒部１の内部を示した。

【００２２】１５は絶縁体基板を表し、その一部には電
子光学鏡筒の内部を排気するための開孔部１６が設けら
れている。絶縁体基板１５上には電極１７が形成され、
更ににその上にカーボンナノチューブから成る電子源チ
ップ１８が形成されている。１９は引出し電極、２０は
加速電極、２１は電子を収束するための収束レンズであ
るアインツェルレンズであり、２２，２３，２４の３つ
の電極によって構成されている。但し、収束レンズはア
インツェルレンズに限るものではなくどのような静電レ
ンズであっても構わない。

【００２３】上記電極１７，１９，２０，２１，２２，
２３，２４及び外周電極２５は、絶縁体１５，２６，２
７により電気的に絶縁され、引出し配線（不図示）を通
じて電極端子２８に接続されており、外部から各電極に
対して独立に電圧を印加できる。３２はピエゾスキャナ
２との接続部分を表し、Ｏリング３０により真空をシー
ルし、開孔部１５から電子光学鏡筒内部を排気すること
ができる。

【００２４】本発明による試料表面の一般的な観察方法
を以下に示す。

【００２５】先ず、試料１２の表面の観察したい箇所に
本発明による電子線照射装置を設置する。このとき第１
チャンバーを第２チャンバーに対して引き上げておき、
第１チャンバーのＯリング部５は試料表面に接しないよ
うにしておく。次に、排気経路７を経て、第１、２チャ
ンバー内をスクロールポンプで排気した。１ｐａ程度ま
で排気できると、第１チャンバーを下に降ろし、Ｏリン
グ５を試料表面に接触させ、排気経路６を介して第１チ
ャンバー内を排気する。

【００２６】ここでは、ターボ分子ポンプ（不図示）に
て排気した。２０分程度経過した後、外部のコントロー
ラから電力を電子光学鏡筒部１、ピエゾスキャナ２及び
２次電子検出器８に供給し、電子光学鏡筒部１から電子
線を試料１２の表面に照射し、同時にピエゾスキャナ２
をＸ，Ｙ方向に走査しながら、それと同期して２次電子
検出器８の信号強度を検出した。

【００２７】表示装置１４には、試料１２の表面形態が
表示された。ピエゾ２によるＺ方向の移動及び収束レン
ズ２１を調整してフォーカスを調整した。像質はＳＮの
良い良好なもので、長時間に亘って安定した像が得られ
た。又、空間分解能は１０ｎｍ程度が得られた。これ
は、電子線が照射される第１チャンバー内の真空度が良
好なため、残留ガス等によって、照射される電子ビーム
が広がったり、検出される２次電子の収集効率が低下す
るとことの影響が殆どないためである。

【００２８】尚、本実施の形態は本発明を制限するもの
ではない。例えば、排気方法については、下記のような
方法も採ることができる。

【００２９】上記実施の形態では、第１チャンバーと第
２チャンバーを別々に排気したが、排気経路７を閉じて
おいて、先ず、第１チャンバーを試料表面から引き離し
た状態で排気経路６のみで排気し、第１、２チャンバー
内を排気し、或る程度排気されると、第１チャンバーを
下に下げて試料表面とＯリング５と接触させ、排気経路
６を介して排気しても良い。このようにしても、大気圧
＞第２チャンバー内＞第１チャンバー内の順に圧力は低
くなり、電子線照射による２次電子の検出をし易い真空
環境を形成することができる。

【００３０】又、電子光学鏡筒内部を上記第１、２チャ
ンバーとは別途に排気することもできる。これにより、
第１チャンバー内と電子光学鏡筒内部に差動排気作用が
生じるため、より安定した電子ビームの動作が可能とな
る。よって、例えば、試料からの脱ガスが多いような試
料についても電子光学鏡筒内部の真空度の上昇を最小限
に留めることができ、観察試料の幅を広げることができ
る。

【００３１】＜実施の形態２＞次に、本発明の実施の形
態２について説明する。尚、装置構成は実施の形態１と
同様である。

【００３２】ここでは、真空の質をコントロールするた
めに、観察前に、不活性ガスでチャンバー内を置換して
から観察した例を示す。

【００３３】先ず、試料１２の表面の観察したい箇所に
本発明に係る電子線照射装置を設置する。このとき、第
１チャンバーを第２チャンバーに対して引き上げてお
き、第１チャンバーのＯリング部５は試料表面に接しな
いようにしておく。

【００３４】次に、排気経路７を経て、第１、２チャン
バー内をスクロールポンプで排気した。１ｐａ程度まで
排気できると、ガス導入経路９よりＡｒを大気圧まで導
入後、再び排気経路７を経て第１、２チャンバー内をス
クロールポンプで排気した。この操作を３回繰り返し
た。その後、第１チャンバーを下に降ろし、Ｏリング５
を試料表面に接触させ、排気経路６を介して第１チャン
バー内を排気する。ここでは、ターボ分子ポンプ（不図
示）にて排気した。２０分程度経過した後、外部のコン
トローラから電力を電子光学鏡筒部１、ピエゾスキャナ
２及び２次電子検出器８に供給し、電子光学鏡筒部１か
ら電子線を試料１２の表面に照射し、同時にピエゾスキ
ャナ２をＸ，Ｙ方向に走査しながら、それと同期して２
次電子検出器８の信号強度を検出した。

【００３５】表示装置１４には、試料１２の表面形態が
表示された。ピエゾ２によるＺ方向の移動及び収束レン
ズ２１を調整してフォーカスを調整した。像質はＳＮの
良い良好なもので、長時間に亘って安定した像が得られ
た。特に、電子線照射によるコンタミネーションの付着
が少なかった。これは、初期のチャンバー内をＡｒで置
換したため、チャンバー内の残留有機成分が減少したた
めと思われる。

【００３６】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
よれば、電子線照射装置を用いることで、大きな試料の
任意の場所を、電子線照射による２次電子検出観察に適
した真空の環境を実現しながら、比較的簡便に表面観察
ができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る電子線照射装置の構成を示す図で
ある。

【図２】本発明に係る電子線照射装置の電子光学鏡筒部
の構造を示す図である。

【図３】従来の走査型電子顕微鏡の構造を示す図であ
る。

【符号の説明】

１電子光学鏡筒部２ピエゾスキャナ３第１チャンバー４第２チャンバー５Ｏリング６第１チャンバー内の排気経路７第２チャンバーの排気経路８２次電子検出器９ガス導入経路１０シール部１１ケーブル１２試料１３電源及びコントローラー１４表示装置１５絶縁体基板１６開孔部１７電極１８電子源チップ１９引出し電極２０加速電極２１アインツェルレンズ２２〜２３アインツェルレンズ２５外周電極２６，２７絶縁体２８電極端子２９ピエゾスキャナとの接続部分３０Ｏリング３１電子銃３２加速電極３３コンデンサーレンズ３４偏向レンズ３５対物レンズ３６試料３７２次電子検出器３８画像表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】本体が電子光学鏡筒部と第１のチャンバ
ーと第２のチャンバーから成り、前記電子光学鏡筒部は
前記第１のチャンバーに含まれ、前記第２のチャンバー
は電子光学鏡筒部及び前記第１のチャンバーを外側から
囲む形で形成され、前記電子光学鏡筒部は電子線源と前
記電子線源から放出された電子を加速する加速電極と、
加速された電子線を収束する電子レンズとを備えた電子
光学鏡筒部であって、且つ、前記電子光学鏡筒と試料と
の相対位置を移動させることによって前記電子線の試料
上への照射位置を走査する手段を備え、前記第１及び第
２のチャンバーの一部分に開口部が設けられ、前記開口
部を塞ぐ状態で試料を固定し、且つ、前記第１のチャン
バーと試料によって形成される空間と前記第２のチャン
バーと試料によって形成される空間をそれぞれ排気する
経路を設けたことを特徴とする電子線照射装置。
【請求項２】前記第２チャンバーに対し、前記電子光
学鏡筒部を含む前記第１のチャンバーが相対的に位置が
可変であることを特徴とする請求項１記載の電子線照射
装置。
【請求項３】電子光学鏡筒内を独立に排気する手段を
備えることを特徴とする請求項１又は２記載の電子線照
射装置。
【請求項４】電子光学鏡筒部を試料に対して水平方向
に走査する手段が圧電体の駆動によるものであることを
特徴とする請求項１〜３記載の電子線照射装置。
【請求項５】圧電体の駆動により電子光学鏡筒部を上
下方向に移動させ、この移動によって試料に対する電子
線の収束位置を調整できることを特徴とする請求項１〜
４記載の電子線照射装置。
【請求項６】前記第１のチャンバー及び第２のチャン
バーにガス導入のための導入機構を設けたことを特徴と
する請求項１〜５記載の電子線照射装置。