JP2004087455A

JP2004087455A - 走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡の制御方法

Info

Publication number: JP2004087455A
Application number: JP2003084445A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Kazumori; 数　森　　　啓　悦
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-03-26
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】試料に負電圧を印加するリターディング法で、試料を傾斜させた場合でも電子ビームの光軸に対する対称性が保たれ、非点収差の発生が抑えられ、高分解能が得られる走査電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電子銃と、該電子銃から発生した電子ビームを細く集束して試料に照射するための対物レンズと、試料を電子ビームに対して傾斜させる試料傾斜手段と、試料に負電圧を印加するための電源とを備えた走査電子顕微鏡において、前記対物レンズと試料との間の電子ビーム通路を囲むように配置される筒状のシールド電極と、該シールド電極の試料側の先端部に絶縁的に取り付けられる先端電極とを設け、前記シールド電極には対物レンズの磁極の電位と同等の電位を与え、前記先端電極には前記試料の電位と同等の電位を与えるようにしたことを特徴とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走査電子顕微鏡に関し、特に試料に負電圧を印加するリターディング法を利用した際に、試料を傾斜させても高分解能像を得ることの可能な走査電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型電子顕微鏡において、試料のチャージアップやダメージを避けるために、低加速電圧の電子ビームを用いる試料観察が行われるが、対物レンズの収差は通過する電子ビームのエネルギーが低いほど悪化する傾向がある。それを避けるため、電子ビームのエネルギーを高くして対物レンズ領域を通過させると共に、試料に負の電位を印加することにより試料直前で電子ビームを減速して試料に入射させる方法が実用化されている。この方法はリターディング法と呼ばれており、低加速電圧においても高い分解能で試料観察が可能である。この場合、試料から発生した２次電子は、対物レンズからの磁界にとらえられて内側磁極の中を通って対物レンズ上部へ進行するため、対物レンズの内部あるいは対物レンズ上部で２次電子を検出する。このリターディング法では、試料と対物レンズとの間に一次電子ビームを減速させる電界が発生しているが、試料を傾斜させない場合においては、試料と対物レンズとの間の電界は電子ビームの光軸に対して軸対称性が保たれるので、一次電子ビームに与える影響（非点収差）は小さい。しかしながら、試料を傾斜させた場合には当該一次電子ビームに与える影響が大きくなるので、このような場合においても高分解能観察が可能となる走査電子顕微鏡の例も検討されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２５５５８８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記に述べたようなリターディング法において、試料を傾斜させたときには、試料と対物レンズとの間の電界は電子ビームの光軸に対して軸対称性が崩れ、光軸に対して横方向の電界成分が発生し、一次電子ビームの非点収差が増大して高分解能が得られない問題が生じる。
【０００５】
本発明は、試料を傾斜させた場合でも、当該電界の電子ビーム光軸に対する対称性が保たれ、一次電子ビームの非点収差の発生が抑えられ、分解能の低下を抑えることができる走査電子顕微鏡を提供する。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明の走査電子顕微鏡は、電子銃と、該電子銃から発生した電子ビームを細く集束して試料に照射するための対物レンズと、試料を電子ビームに対して傾斜させる試料傾斜手段と、試料に負電圧を印加するための電源とを備えた走査電子顕微鏡であって、前記対物レンズと試料との間の電子ビーム通路を囲むように配置される筒状のシールド電極と、該シールド電極の試料側の先端部に絶縁的に取り付けられる先端電極とを設け、前記シールド電極には対物レンズの磁極の電位と同等の電位を与え、前記先端電極には前記試料の電位と同等の電位を与えるようにしたことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の走査電子顕微鏡の制御方法は、電子銃と、該電子銃から発生した電子ビームを細く集束して試料に照射するための対物レンズと、試料を電子ビームに対して傾斜させる試料傾斜手段と、試料に負電位を印加するための電源と、対物レンズと試料との間の電子ビーム通路を囲むように配置される筒状のシールド電極と、該シールド電極の試料側の先端部に絶縁的に取り付けられる先端電極とを備えた走査電子顕微鏡の制御方法であって、前記シールド電極には前記対物レンズの磁極の電位と同等の電位を与え、前記先端電極には前記試料の電位と同等の電位を与えるようにしたことを特徴とする。
【０００８】
【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１は本発明に基づく走査型電子顕微鏡の一例を示す。１は電子銃で、電子銃１から発生した一次電子ビームＥｂは、集束レンズ２とセミインレンズ型の対物レンズ３によって試料４上に細く集束される。一次電子ビームＥｂは、走査コイル５によって偏向され、試料４上を二次元的に走査される。なお、走査コイル５には、図示してない走査信号発生回路から観察倍率に応じた振幅の２次元走査信号が供給される。１０は、この走査型電子顕微鏡を制御する制御装置でパソコン等のコンピュータから成り、図示していないがキーボード、マウス等の入力装置と、表示装置（ＣＲＴ）等を備えている。
【０００９】
試料４を載置する試料ステージ７は、一次電子ビームＥｂの光軸に垂直な平面内のＸ、Ｙ軸方向の移動を行うための水平移動機構、Ｚ軸方向（光軸方向）の移動を行うための垂直移動機構（試料昇降手段）７ｂ、および傾斜機構（試料傾斜手段）７ａを備え、ステージ駆動回路１２を介して制御装置１０によって制御される。また、試料４（試料ステージ７）には電源１１が接続されるが、この電源１１は試料４に負電圧を印加し、これにより電子ビームＥｂを減速させるためのリターディング用の電源である。
【００１０】
対物レンズ３は、電子ビーム通路を取り巻くように配置される内側磁極３ｂ、その外側を取り巻くように配置される外側磁極３ｃ、両磁極を接続するヨーク３ａ及び励磁コイル３ｄにより構成されている。対物レンズ３の中央付近には、レンズの外側から光軸へむけて磁極３ａ、３ｂを貫通する孔３ｅと３ｆが光軸に対して対称に開けられている。そして、一方の孔３ｅには２次電子検出器６が挿入されており、試料４から発生し対物レンズ３内を上昇してきた２次電子は孔３ｅの中に誘引されて２次電子検出器６へ入射して検出される。
【００１１】
２次電子検出器６は図示してないがシンチレータと光電子増倍管とを組み合わせた構造を有しており、先端に設けられた円形のシンチレータの周囲部分にはリング状の電極が設けられ、その電極には２次電子を引き寄せる正の１０ｋＶ程度の電圧が印加される。２次電子検出器６の検出信号は、図示していないが、増幅器によって増幅された後、表示装置に供給される。これにより、当該検出信号は表示装置の画面において試料４の２次電子像として表示される。
【００１２】
８は、対物レンズ３と試料４との間に電子ビームＥｂの通路を囲むように配置される筒状のシールド電極であり、磁極３ｂ，３ｃと同じ電位（通常はアース電位）が与えられる。９は、シールド電極を保持して移動させる移動機構である。この移動機構９は、前記孔３ｆを介して対物レンズ３内に挿入されると共に、シールド電極８を電子ビームＥｂの光軸に沿って上下に移動させる機構を備えており、最も上に位置させた時、シールド電極８が対物レンズ３内にすべて収納されるようになっている。
【００１３】
シールド電極８の試料側の先端部にはリング電極８ａが電気的絶縁物を介して取り付けられており、そのリング電極８ａには電源１３が接続されている。前記移動機構９及びシールド電極８の内面には、電子が入射したときに２次電子を発生する効率の高い材料、例えば重元素材料がコーティングされている。これにより、電子ビームＥｂの照射により試料４より発生した２次電子が対物レンズ３内に入射して、移動機構９およびシールド電極８の内面に衝突した場合、入射した数より多い２次電子が発生し、対物レンズ内で２次電子を増幅することができる。以上の構成の動作を次に説明する。
【００１４】
まず、試料４の傾斜をさせないでリターディング法により観察を行う場合、先に述べたように、対物レンズ３と試料４との間での電界の軸対称性の乱れは発生しないため、シールド電極８は不要であり、制御装置１０はシールド電極８を最も上に位置させ、シールド電極８が対物レンズ３内にすべて収納されるようにする。これにより、試料像（２次電子像）を高分解能で観察することができる。
【００１５】
一方、試料４の傾斜を行う場合、制御装置１０はシールド電極８を下降させて対物レンズ３と試料４との間に配置させるが、その際、試料ステージ７の高さ位置情報Ｚ及び傾斜角度の情報θに基づき、シールド電極８の先端部が試料４に接触しないで適切な間隔を置くような位置でシールド電極８を停止させる。オペレータが、傾斜角度を増すように、すなわち試料傾斜が大きくなるように指示あるいは操作した場合、試料４とシールド電極８の先端部の間隔が縮まるので、制御装置１０は傾斜角度の情報θに基づきシールド電極８を電子ビームの通路に沿って上昇させ、適切な間隔が維持されるようにする。オペレータが試料ステージ７の上下を指示した場合にも、全く同様に制御装置１０はシールド電極８をそれに合わせて上下させ、適切な間隔が維持されるようにする。これにより、試料昇降手段である垂直移動機構７ｂによる試料４と対物レンズ３との距離の変化にかかわらず、試料４とシールド電極８との距離が一定に保たれる。
【００１６】
このように試料４を傾斜させた状態で２次電子像を観察する場合、図示していない走査信号発生回路から走査信号が走査コイル５に供給され、試料４上の対物レンズ３直下の領域が電子ビームＥｂによってラスター走査される。電子ビームＥｂの加速電圧は、例えば−４ｋＶと高く設定され、比較的高いエネルギーで電子ビームＥｂが対物レンズ３内部を通過することから、電子ビームＥｂが対物レンズ３から受ける収差は低減される。そして、試料４には電源１１より例えば−３ｋＶの負電圧が印加されるため、電子ビームＥｂは試料４の直前で減速され、１ｋＶのエネルギーにて試料４に照射される。
【００１７】
なお、従来このように試料４に負電圧を印加したリターディング法では、試料ステージ７を傾斜させると、接地電位である対物レンズ３と試料４との間に発生する電界には、図２に示すような等電位線の乱れが生じる。これにより破線で示す光軸に対して電界の軸対称性が崩れ、光軸に対して横方向の電界成分が発生し、電子ビームＥｂは傾斜方向に曲げられる結果、非点収差が増大して高分解能が得られなくなる。
【００１８】
本発明では、この弊害を取り除くために、対物レンズ３と試料４との間にシールド電極８を配置し、その中を通して電子ビームＥｂが試料４に照射されるようにする。シールド電極８は対物レンズ３と同一の電位（通常は接地電位）が与えられているため、シールド電極８には対物レンズの磁極の電位と同等の電位が与えられることとなり、シールド電極８内には軸対称性面で不正電界は発生しない。また、シールド電極８の先端部に取り付けられているリング８ａには、試料４に印加される電圧と同じ電圧（例えば−３ｋＶ）か、これより若干低めの電圧（例えば−２．９５ｋＶ）を電源１３によって印加する。したがって、このリング８ａには試料４の電位と同等の電位が与えられる。これにより、試料４とシールド電極８の先端部とはほぼ同電位となるため、試料４とシールド電極８の先端部との間に付加的な電界は発生しない。そのため、試料４を傾斜した状態でも、分解能低下の原因となる非点収差の発生が抑えられた状態で電子ビームＥｂが試料４に照射される。従って、試料４を傾斜した状態でも、試料像（２次電子像）を高分解能で観察することができる。
【００１９】
なお、制御装置１０によるシールド電極８の位置制御は、試料４の垂直位置情報Ｚと、試料４の傾斜角度情報θの２つのパラメータから決定したシールド電極８の垂直位置情報Ｚ１をテーブルとして記憶しておき、その時その時のＺ、θの情報に基づいてテーブルからシールド電極８の垂直位置情報Ｚ１を読み出して行うようにすればよい。
【００２０】
図３は、図１におけるシールド電極８を移動させる移動機構９を、対物レンズ３と試料４との間で光軸に直交する方向から光軸上に出し入れする方式に置き換えた実施例を示している。図３において、シールド電極８は光軸に直交するように配置される支持棒１５の一端に支持されている。図３（ａ）では、シールド電極８は電子ビームＥｂの光軸を囲むように配置されている。この支持棒１５の他端は走査電子顕微鏡の試料室（図示せず）を貫通して大気側にまで延び、大気側において駆動機構１６に取り付けられている。そして、駆動機構１６を操作することにより、支持棒１５を前後させれば、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、支持棒１５の先端に取り付けられているシールド電極８を対物レンズ３と試料４との間の光軸上に挿脱することができる。なお、図３（ｂ）は、支持棒１５および駆動機構１６の動作により、シールド電極８を電子ビームＥｂの光軸（電子ビーム通路）から待避させた状態を示しており、支持棒１５と駆動機構１６とにより待避機構が構成されている。
【００２１】
図３の実施例において、試料４を傾斜させる場合には、まず始めに、制御装置１０は、シールド電極８が試料４と干渉せずに挿入できるように、試料４の垂直位置を設定する。次に、シールド電極８を図３（ａ）に示す位置に駆動機構１６によって挿入し、シールド電極８のリング電極８ａに対して試料４に印加されている負電圧とほぼ同じ電圧を印加する。これによって、前述した実施例と同様に、傾斜した状態であっても、高分解能の２次電子像を得ることができる。
【００２２】
以上、本発明の実施例の形態を説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。対物レンズ３と試料４との間に電界が発生し、その電界の光軸に関する軸対称性が１次電子ビームＥｂに対して悪影響を与える走査電子顕微鏡であれば、セミインレンズ型の対物レンズに限らず、他の形態の対物レンズにおいても本発明を適用することができる。また、２次電子検出器は対物レンズ内に配置したが、対物レンズ３の上部に配置してもよい。また、シールド電極８の下端面の形状は、試料傾斜の方向に合わせて適当な傾斜を持たせてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、対物レンズと試料の間に電極を設け、この電極に対して試料に印加する電圧と同一の電圧を印加することによって、試料を傾斜させても電子ビームの光軸に対する対称性が保たれ、非点収差の発生を抑えられ高分解能の観察ができる。また、この電極は試料の傾斜角度や作動距離によって最適な所定位置に制御することにより、より非点収差を改善できる。
【００２４】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。
【図２】負電圧を試料に印加し、試料傾斜したときの対物レンズと試料間の等電位図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す走査電子顕微鏡の概略構成図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…集束レンズ、３…対物レンズ、４…試料、５…走査コイル、６…２次電子検出器、７…試料ステージ、８…シールド電極、９…移動機構、１０…制御装置、１１、１３…電源、１４…移動機構制御回路、１５…支持棒、１６…駆動機構

Claims

電子銃と、該電子銃から発生した電子ビームを細く集束して試料に照射するための対物レンズと、試料を電子ビームに対して傾斜させる試料傾斜手段と、試料に負電圧を印加するための電源とを備えた走査電子顕微鏡において、前記対物レンズと試料との間の電子ビーム通路を囲むように配置される筒状のシールド電極と、該シールド電極の試料側の先端部に絶縁的に取り付けられる先端電極とを設け、前記シールド電極には対物レンズの磁極の電位と同等の電位を与え、前記先端電極には前記試料の電位と同等の電位を与えるようにしたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
前記シールド電極を電子ビーム通路から待避させる待避機構を設けたことを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡。
前記シールド電極を電子ビーム通路に沿って移動させるための移動手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡。
前記シールド電極は、対物レンズ内に収納可能に設けられたことを特徴とする請求項３記載の走査電子顕微鏡。
前記試料傾斜手段による試料傾斜が大きくなるのに応じて前記シールド電極を電子ビーム通路に沿って上昇させるように前記移動手段を制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項３又は４記載の走査電子顕微鏡。
試料と対物レンズとの距離を変化させる試料昇降手段を備えると共に、該試料昇降手段による試料と対物レンズとの距離の変化にかかわらず前記試料と前記シールド電極との距離が一定に保たれるように前記移動手段を制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項３乃至５のいずれかに記載の走査電子顕微鏡。
電子銃と、該電子銃から発生した電子ビームを細く集束して試料に照射するための対物レンズと、試料を電子ビームに対して傾斜させる試料傾斜手段と、試料に負電位を印加するための電源と、対物レンズと試料との間の電子ビーム通路を囲むように配置される筒状のシールド電極と、該シールド電極の試料側の先端部に絶縁的に取り付けられる先端電極とを備えた走査電子顕微鏡の制御方法において、前記シールド電極には前記対物レンズの磁極の電位と同等の電位を与え、前記先端電極には前記試料の電位と同等の電位を与えるようにしたことを特徴とする走査電子顕微鏡の制御方法。
前記試料傾斜手段による試料傾斜が大きくなるのに応じて前記シールド電極を電子ビーム通路に沿って上昇させるようにすることを特徴とする請求項７記載の走査電子顕微鏡の制御方法。
前記試料と前記対物レンズとの距離の変化にかかわらず前記試料と前記シールド電極との距離が一定に保たれるようにすることを特徴とする請求項７又は８記載の走査電子顕微鏡の制御方法。