JP2003297271A

JP2003297271A - モノクロメータ付走査形電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2003297271A
Application number: JP2002100722A
Authority: JP
Inventors: Toshimichi Taya; 俊陸田谷; Tadashi Otaka; 正大高; Hideo Todokoro; 秀男戸所; Mitsugi Sato; 佐藤　　貢
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-04-03
Filing date: 2002-04-03
Publication date: 2003-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】照射電子ビームの電流強度を著しく下げずに、
エネルギーを単色化し色収差を低減して、像分解能を高
めることのできるモノクロメータを備えた走査形電子顕
微鏡を提供する。【解決手段】電子ビームを収束する第１集束レンズと第
２集束レンズの間に、それぞれ２つの扇形磁場を有し、
且つスリットを介して対称に配置される前段と後段の偏
向磁場を形成し、前段偏向磁場でスリット位置に磁場分
散方向（ｘ）の空間収束をさせるとともに、スリットで
エネルギー幅を制限し、更に前記後段の偏向磁場で再び
空間的に点収束させるとともに、エネルギー分散を打ち
消し、前記第２集束レンズの物点を形成させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査形電子顕微鏡に
係わり、特に照射電子ビームのエネルギーを単色化する
モノクロメータを備えた走査形電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の走査形電子顕微鏡（ＳＥＭ）は半
導体試料などの電子線の帯電防止を目的にして、照射電
子線の加速エネルギーを下げて使用する場合が多い。こ
のような低加速ＳＥＭにおいて、照射電子のもつエネル
ギー幅が加速エネルギーに対して大きく、いわゆる色収
差によって十分に小さなスポット径が得られなく像分解
能に限界が生じる。

【０００３】このような場合には、照射電子のもつエネ
ルギー幅をさらに縮小する必要がある。この技術は一般
に単色化（モノクロ化）とよばれ、従来からいくつかの
技法が提案されている。例えば、図８に示したE. Welme
r のエネルギーフィルタを備えた荷電粒子装置（US6,23
9,430 B1）がある。これはH. Rose の発明したオメガフ
ィルタ（特開６２−６６５５３号）を走査形電子顕微鏡
の第１集束レンズ４と第２集束レンズ１３の間に装着し
て、エネルギー分散したビームをスリット８でモノクロ
化しようとするものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
オメガ型磁場エネルギーフィルタをそのままモノクロメ
ータと利用する方式には次のような問題がある。

【０００５】電子源の点光源１より発したビーム３は、
第１扇形磁場６の入射像面２３に物点としてクロスオー
バを作り、オメガフィルタの出射像面１１にモノクロ化
されて結像される。このモノクロ像が試料表面１８に絞
られるのだが、エネルギー選択スリット位置８では空間
的には収束されていない。そのため十分に小さくエネル
ギーを絞ると、ビーム電流は減少する。

【０００６】本発明の目的は、照射電子ビームの電流強
度を著しく下げずに、エネルギーを単色化し色収差を低
減して、スポット径を縮小することにより、像分解能を
高めることのできる実用的なモノクロメータを備えた走
査形電子顕微鏡を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のモノクロメータ
を備えた走査形電子顕微鏡の光学系を図１に示す。１は
フィールドエミッション型電子源、２は電子ビームの中
心軸、３はビームの広がり、４は第１集束レンズ、５は
そのクロスオーバ、６は第１扇形磁場、７は第２扇形磁
場、８はエネルギー選択スリット、９は第３扇形磁場、
１０は第４扇形磁場、１１はそのクロスオーバ、１２は
絞り、１３は第２集束レンズ、１４はそのクロスオー
バ、１５と１６は走査用コイル、１７は対物レンズ、１
８は試料、１９は２次電子検出器、２２は２次電子ビー
ムである。

【０００８】本発明の動作原理は次の通りである。電子
源１より加速され出射された電子ビーム３は、第１集束
レンズ４でクロスオーバ５を結ばれる。その後、第１扇
形磁場６により９０度以上に偏向され、第２扇形磁場７
で反対方向に同一角度で向されて、スリット８の位置で
ｘ方向に収束され、エネルギー選択される。その後スリ
ットを含む面に対して対称な位置に設置された第３，第
４扇形磁場９，１０によって鏡対称の軌道を描いて点収
束するとともに、前段（第１，２扇形磁場）で生じたエ
ネルギー分散を相殺して非分散のクロスオーバ１１を形
成する。このモノクロ化されたクロスオーバを、第２集
束レンズ１３で縮小して、さらに対物レンズ１７で縮小
して、試料表面１８に微小なクロスオーバを形成する。
このビームは走査用コイル１５，１６で走査され、発生
された２次電子２２は検知器１９で検出され、ＣＲＴに
顕微鏡像として表示される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明のオメガ型モノクロメータ
の電子光学系による電子ビームの軌道の詳細を図２に示
す。オメガ型のモノクロメータは、基本的には電子ビー
ムの軸外に電子ビームを偏向させる第１の偏向磁場と、
当該第１の偏向磁場で偏向された電子ビームを偏向前の
電子ビームの照射方向と同じ方向に偏向させる第２の偏
向磁場と、当該第２の偏向磁場によって偏向された電子
ビームを、前記電子ビームの光軸に戻す方向に偏向させ
る第３の偏向磁場と、当該第３の偏向磁場で偏向された
電子ビームを、前記電子ビーム光軸に沿うように偏向す
る第４の偏向磁場を含むエネルギーフィルタである。

【００１０】図の右側はｙ方向（磁力線の方向）のビー
ムの広がりを表している。前図１における第１集束レン
ズ４のクロスオーバ５から発した電子ビーム３ａはｘ方
向（図２の左側に表示）には第１扇形磁場６を通過後、
自由空間で収束した後、第２扇形磁場７を通過し、スリ
ット８の位置で収束する。（図上では点線で表示）エネ
ルギーの違いは第１，２扇形磁場６，７によってスリッ
ト８上で分散されるので、スリット幅を小さくすること
により、モノクロ化される。スリットを通過した電子ビ
ームは対称面２１に対して鏡対称に設置された第３，４
の扇形磁場９，１０によって鏡対称の電子軌道を描く
が、最終のクロスオーバ１１において分散が打ち消さ
れ、ｘ方向に収束される。扇形磁場による偏向を受けな
い状態の電子ビームの光軸方向に、第１，第２扇形磁場
６，７に対称になるように第３，第４扇形磁場９，１０
が設けられている。

【００１１】一方、ｙ方向の電子軌道は、図２の右側に
示したように、第１扇形磁場６の端縁磁場へのいわゆる
斜め入射の効果によりｚ軸に対して並行ビーム３ｂにな
るように適当な入射角を選択する。したがってスリット
８ではビームはｙ方向に広がった細いライン状になる。
スリット８を通過後、並行ビームは鏡対称に設置された
第３，４の扇形磁場９，１０によってクロスオーバ１１
においてｙ方向にも収束される。したがって、１１での
クロスオーバでは、点収束と非分散（分散がゼロ）の３
重収束が達成されるように、扇形磁場類のパラメータが
選択される。

【００１２】上記のモノクロメータの収束特性を計算す
るには、ＴＲＩＯ（T. Matsuo, H.Matsuda et al.；Com
puter Program“TRIO”for Third Order Calculation o
fIon Trajectory；Mass Spectrometry 24 (1976)，pp19
-62）と呼ばれる軌道計算プログラムを使用した。パラ
メータの定義を図３に示した。ここに自由空間距離はＤ
Ｌ１，ＤＬ２，ＤＬ３、磁場への入射角はＥＰ１、磁場
中の偏向軌道半径はＡＭ１，ＡＭ２、第１，４扇形磁場
の偏向角はＷＭ１、第２，３扇形磁場の偏向角はオメガ
型の軌道を描くには偏向角は同じで向きが反対の関係に
なる。

【００１３】本実施例のモノクロメータでは、第１，２
扇形磁場による軌道パラメータと、第３，４扇形磁場に
よる軌道パラメータは、鏡対称面２１に対して対称に設
定する。

【００１４】物点５での電子ビームの大きさ（ｘ１，ｙ
１）が無視できるほど小さいとき、エネルギー分散の方
向をｘとする直交ｘ−ｙ軸に関して、ビームの広がり角
を２と２βとし、エネルギー幅をδ（＝ΔＥ／Ｅ）とし
た場合、モノクロメータのレンズ系を通過後の、ｘ方向
のビーム幅ｘ２は２次近似で次の式で表される。

【００１５】ｘ２＝Ａ＊＋Ｄ＊δ＋ＡＤ＊δ＋ＤＤ＊δ２＋ＡＡ＊２＋ＢＢ＊β２ …（１）ここにＡはｘ方向収差係数、Ｄはエネルギー分散係数、
ＡＤ，ＤＤ，ＡＡ，ＢＢはそれぞれのビームのエネルギ
ーの広がりと空間の広がり角に関する２次収差係数であ
る。

【００１６】またｙ方向のビーム幅ｙ₂ は次の式で与え
られる。

【００１７】ｙ₂ ＝Ｂ＊β＋ＢＡ＊βα …（２）本発明のより具体的な実施例として、上記のパラメータ
を下記の値に定めた場合の収束条件を示す。

【００１８】

【００１９】この場合のビームの１次収差係数Ａ，Ｂ，
Ｄがモノクロメータ内で変化する値を図４に示す。

【００２０】横軸はビームの進行方向ｚ軸を表し左のゼ
ロが物点（クロスオーバ）５で、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ
４はそれぞれ第１，２，３，４の扇形磁場６，７，９，
１０を表し、中間点“６”がスリット８で、右端位置
“１２”がモノクロ収束点１１を表す。縦軸はそれぞれ
の位置での１次収差係数である。図４より明らかなよう
に、スリット８の位置でｘ方向開角αの収差係数Ａが収
束（Ａ＝０）しており、エネルギー分散係数Ｄが−０.
０２７である。ｙ方向開角βの収差係数Ｂを見ると、
Ｍ１に入射後、Ｍ２，スリット，Ｍ３およびＭ４入射ま
でｚ軸に対して並行（Ｂ＝０.０２３）であるが、Ｍ４
を出射後はクロスオーバ１１（ｚ軸の目盛１２の位置）
でｘ方向とｙ方向が同時に収束しており、しかも分散も
相殺されている。このように１次近似の軌道計算では、
本発明のモノクロメータでは、空間的にもエネルギー的
にも３重収束（Ａ＝Ｂ＝Ｄ＝０）されている。

【００２１】さらに２次近似の収差係数においても、式
（１），（２）の空間の広がりに関する２次収差係数Ａ
Ａ，ＢＢ，ＢＡの変化を図５に示すと、最終のクロスオ
ーバ１１では、３つとも除去されている。（ＡＡ＝ＢＢ
＝ＢＡ＝０）これはモノクロメータのスリット位置での
鏡対称性による効果である。

【００２２】以上述べたように、本発明のモノクロメー
タを走査形電子顕微鏡の第１集束レンズの下に配置すれ
ば、スリットでエネルギー制限された後に、１次と２次
の収差係数Ａ，Ｂ，Ｄ，ＡＡ，ＢＢ，ＢＡのすべてが収
束したモノクロ収束点が得られる。これを第２集束レン
ズの物点にして、対物レンズで縮小すれば、色収差の少
ない極微小のスポットが得られＳＥＭの分解能が向上す
る。

【００２３】本発明の具体的な実施例として、４つの扇
形磁極を２体化されたモノクロメータを図６に示す。４
０は第１と第４の扇形磁場の磁路（ヨーク）、４１は第
２と第３の扇形磁場の磁路、４２は第１と第４扇形磁場
の励磁コイル、４３は第１と第４の磁極、４４は第２と
第３の磁極、４５，４７，４９，５１はそれぞれの磁場
への入射口、４６，４８，５０，５２はそれぞれ磁場の
出射口、５３はエネルギー分散をしないでビームを通す
場合の通路、５４は第２と第３磁場の励磁コイル、５５
はスリットを収納する穴である。

【００２４】２体の場合はそれぞれの位置を微量に調整
して、モノクロ点収束を得る場合に有効である。

【００２５】他の実施例として、複数の磁極を一体化し
たモノクロメータを図７に示す。５６は一体化した磁路
である。４つの磁極が一つの磁路の中に収納されている
ので、相対位置が機械加工精度で保証されるので、優れ
た対称性を有するモノクロメータが作成でき、部品点数
も少なくなる利点がある。

【００２６】

【発明の効果】本発明の構成によれば、照射電子ビーム
の電流強度を過度に下げることなく、エネルギーを単色
化し色収差を低減して、スポット径を縮小することがで
き、像分解能の高いモノクロメータを備えた走査形電子
顕微鏡を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のオメガ型モノクロメータを備えた走査
形電子顕微鏡の光学系を示す図である。

【図２】本発明のオメガ型モノクロメータの電子光学系
を示す図である。

【図３】本発明のオメガ型モノクロメータの電子光学パ
ラメータを示す図である。

【図４】本発明のオメガ型モノクロメータの１次収束性
を示す図である。

【図５】本発明のオメガ型モノクロメータの２次収束性
を示す図である。

【図６】本発明の２体化されたモノクロメータを示す図
である。

【図７】本発明の１体化されたモノクロメータを示す図
である。

【図８】オメガフィルタの収束性を示す図である。

【符号の説明】

１…フィールドエミッション型電子源、２…電子ビーム
の中心軸、３…ビームの広がり、４…第１集束レンズ、
５，１４…クロスオーバ、６…第１扇形磁場（Ｍ１）、
７…第２扇形磁場（Ｍ２）、８…エネルギー選択スリッ
ト、９…第３扇形磁場（Ｍ３）、１０…第４扇形磁場
（Ｍ４）、１１…クロスオーバ（モノクロ収束点）、１
２…絞り、１３…第２集束レンズ、１５，１６…走査用
コイル、１７…対物レンズ、１８…試料、１９…２次電
子検出器、２２…２次電子。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大高正茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部那珂事業所内 (72)発明者戸所秀男茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部那珂事業所内 (72)発明者佐藤貢茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部那珂事業所内Ｆターム(参考） 5C033 JJ07 UU02 UU10 5C038 KK12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを放出する電子銃，電子ビーム
を収束する第１集束レンズ，第２集束レンズおよび対物
レンズを有する走査形電子顕微鏡において、前記第１集束レンズと第２集束レンズの間に、それぞれ
２つの扇形磁場を有し、且つスリットを介して対称に配
置される前段と後段の偏向磁場を形成し、前段偏向磁場
でスリット位置に磁場分散方向（ｘ）の空間収束をさせ
るとともに、スリットでエネルギー幅を制限し、更に前
記後段偏向磁場で再び空間的に点収束させるとともに、
エネルギー分散を打ち消し、前記第２集束レンズの物点
を形成させる電子エネルギーモノクロメータを備えた走
査形電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１において、前記電子ビームは、前段の第１扇形磁場で９０度以上に
偏向されて自由空間を通過後、前段の第２扇形磁場で、
上記第１扇形磁場の偏向方向と逆で同一角度で偏向され
て、自由空間に設置されたスリットの位置で、同一エネ
ルギーのビームは分散方向（ｘ）に収束されるととも
に、スリット幅でエネルギーを制限されて通過し、上記
第２扇形磁場と鏡対称に設置された後段の第３扇形磁場
に入射して偏向されて、自由空間を通過後、上記第１扇
形磁場と鏡対称に設置された後の段第４扇形磁場で逆方
向に偏向され、初期の入射方向（ｚ）と同一方向に出射
してエネルギー分散が打ち消されたｘ，ｙ同時収束のク
ロスオーバを形成し、第２集束レンズの物点とする電子
エネルギーモノクロメータ付きの走査形電子顕微鏡。
【請求項３】請求項２において、空間的に広がった電子ビームは、ｘ方向（エネルギー分
散方向）には、第１集束レンズの物点が第１扇形磁場に
よって、第２扇形磁場との間にｘ収束され、第２扇形磁
場によって鏡対称面のスリットにｘ収束され、第３扇形
磁場によって第４扇形磁場との間にｘ収束され、第４扇
形磁場によって、初めの物点と鏡対称の位置にｘ収束す
るとともに、スリットでエネルギー幅を縮小し、後段の
第３，４扇形磁場を通過後、ｘ収束点でエネルギー分散
が打ち消される収束特性を有するモノクロメータを備え
た走査形電子顕微鏡。
【請求項４】請求項２において、第１扇形磁場の入口磁極端面がビームの入射方向の垂直
面に対して偏向方向と同一方向の入射角をもち、入射
後、ｙ方向（磁力線の方向）にビームの中心軸ｚ（進行
方向）に対してほぼ並行して第２，第３扇形磁場を通過
し、鏡対称の第４扇形磁場の出射角で、出射後ｙ方向に
対して、ｘ方向と同時収束して、エネルギー分散が打ち
消されたクロスオーバを形成するモノクロメータを備え
た走査形電子顕微鏡。
【請求項５】請求項２において、第１扇形磁場と第２扇形磁場と、後段の第３扇形磁場と
第４扇形磁場の形状が、スリットを含む中間面に対して
鏡対称にすることにより、入射前の物点と鏡対称な位置
におけるクロスオーバで、エネルギー分散１次係数Ｄ
と、ビームのｘ方向の開角α、およびｙ方向の開角βに
関する１次収差係数Ａ，Ｂがゼロに収束されるととも
に、開角α、および開角βに関する２次収差係数ＡＡ，
ＢＢ，ＢＡがゼロに収束される特性を有するモノクロメ
ータを備えた走査形電子顕微鏡。
【請求項６】請求項２において、第１および第４の扇形磁場を一体の磁路（ヨーク）で形
成し、第２および第３の扇形磁場を別の一体の磁路（ヨ
ーク）で形成され、前者磁路の第１と第４扇形磁場の間
にトンネルを設け、磁場を印加しない場合に入射ビーム
が偏向されずに出射できるとともに、後者磁路の第３と
第４扇形磁場の中間部に空洞を設け、内部にスリットを
備える機構を有するモノクロメータを備えた走査形電子
顕微鏡。
【請求項７】上記のモノクロメータが全ての扇形磁場を
含む一つの磁路で形成され、第１と第４扇形磁場の間に
トンネルを設けられ、磁場を印加しない場合に入射ビー
ムが偏向されずに出射できるとともに、第３と第４扇形
磁場の中間部に空洞を設け、内部にスリットが備えら
れ、それぞれの磁極に異なる極性を発生させる励磁コイ
ルを内蔵したモノクロメータを備えた走査形電子顕微
鏡。