JP2005071747A - 走査型電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大型試料の任意の位置を観察することを可能にし、また、三次元立体像を容易に得ることができ小型化された走査型電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】 複数の電子光学鏡筒１が、真空容器のフレーム５内で試料３に対向して平面状に配置されている。ピエゾ素子スキャナ２は、前記電子光学鏡筒１と試料３との相対位置を変化させて、試料３に対する電子線の照射位置を走査し、かつ電子光学鏡筒１を上下方向に移動させて試料に対する電子線の収束位置を調整する。複数の電子光学鏡筒を球面状に配置してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は小型の走査型電子顕微鏡装置、特に、電子銃と電子検出器を有する電子光学鏡筒を試料に対して複数配置した走査型電子顕微鏡装置に関するものである。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は細く絞った１次電子線を試料表面に照射し、試料から発生する２次電子や反射電子の信号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広範囲な分野で用いられている。近年においては、低加速電圧で高分解能観察が可能な装置（低加速ＳＥＭ）が開発され、絶縁物観察や高分解能極表面観察に用いられている。また、試料を低真空中に保持した状態で表面を観察できる装置（低真空ＳＥＭ或いは環境制御型ＳＥＭ）が開発され、食品や生物試料等の水分を含む材料の観察や絶縁物の観察にも応用されつつある。

図６は、従来の走査型電子顕微鏡を示す構成図である。

図６において電子銃はフィラメント３１とウェネルト３２から成り、３３は加速電極、３４はコンデンサレンズ、３５は走査コイル、３６は非点補正装置、３７は対物レンズ、３８は対物レンズ絞り、３９は反射電子検出器、４０は２次電子検出器、４１は試料、４２は試料ステージ、４３は画像表示装置を示している。

電子銃から放出された電子は加速電極３３により所望の電圧に加速され、コンデンサレンズ３４と対物レンズ３７によって収束されて、試料４１上に微小なプローブを形成する。このプローブを走査コイル３５により走査し、プローブ照射領域近傍から発生する２次電子や反射電子を検出器３９，４０で検出して、この信号強度をプローブの走査と同期させて画像表示装置４３に表示する。なお図６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、またレンズ系を冷却するため冷却水循環装置等が装備される。市販されている走査型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。このように走査型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る。

走査型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いくつか提案されている。代表的な例として下記特許文献１に開示されている方法を説明する。上記発明の明細書によれば「電子走査系と電子検出系とを複数配列してなるセンサ部と、センサ部に対向して試料を載置する載置台と、載置台をセンサ部に対し相対変位させるステージ駆動手段と、センサ部の電圧制御回路と、ステージ駆動制御回路と、検出信号を処理する演算制御手段と、センサ部とステージ駆動手段を格納し排気できる真空チャンバを具備することを特徴とする電子顕微鏡」としており、これにより電子銃と加速電極と検出器とを含む走査型電子顕微鏡の小型化を達成している。また上記発明においては、電子線照射位置を走査する機構として電子走査系に偏向電極を組み込んだ方法を実施例として挙げている。

また、装置の小型化と相反して試料サイズの大型化への対応にも様々な提案がなされている。電子線走査面内における大型試料に対しては、試料ステージの移動範囲を拡大するとともに、位置制御や番地指定方法などの提案がある。一方、立体形状の把握としては、試料傾斜や鏡筒の角度可変化により複数枚の画像を取得し、三次元形状を計算する手法が開示されている。代表的な例としては、下記特許文献２、下記特許文献３、又は下記非特許文献１などが挙げられる。どちらにしろ、あらゆる試料に対応できる小型の走査型電子顕微鏡はこれからもニーズが多いと考えられる。
特開平５−２９９０４９号公報 特開平１−２１１８４９号公報 特開平８−７８１８号公報 日本機械学会論文集５３巻４９４号、ｐ．１９６１

しかしながら、上記特許文献１の電子顕微鏡においては装置の小型化は達成されているものの、走査型電子顕微鏡としての性能は、充分に保持されているとはいい難い。走査型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が、電子線源から放出された電子線は一般的に発散傾向をもつため、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。ところが、上記の電子顕微鏡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からである。更に上記の電子顕微鏡においては、充分収束されていないプローブを偏向電極で偏向して試料表面を走査しているうえに、電子検出系が電子走査系の一方向側にのみ設置されている。従って電子走査系や電子検出系と試料の相対位置により、照射プローブの形状も試料からの放出電子の検出感度も一様ではなくなっていると考えられる。本発明の課題は上記の問題点を解決し、高い空間分解能をできるだけ損なわずに走査型電子顕微鏡の小型化を達成することである。

また、大型試料を観察する際に、試料ステージの可動範囲を広げたり、試料傾斜機構や鏡筒傾斜機構を付加することは走査型電子顕微鏡本体の大型化につながってしまう。そこで本発明の課題は上記の問題点を解決し、大型試料にも対応できる小型の走査型電子顕微鏡を提案することである。

上述の課題を解決するため、本発明の走査型電子顕微鏡は、複数の電子光学鏡筒が、真空容器内で試料に対向して面状に配置されている。

特に、圧電体を駆動することにより前記電子光学鏡筒と試料との相対位置を変化させて、試料に対する電子線の照射位置を走査する手段、及び前記相対位置を変化させるための圧電体とは別の圧電体を駆動することにより前記各電子光学鏡筒を上下方向に移動させ、前記試料に対する前記電子線の収束位置を調整する手段が有る。

また、複数の電子光学鏡筒を平面状又は球面状に配置することができる。

本発明により、大型試料の任意の位置を観察することが可能でかつ小型化された走査型電子顕微鏡が実現した。また、三次元立体像を容易に得ることができかつ小型化された走査型電子顕微鏡が実現した。

まず、本発明の実施の形態について、構成とその作用を説明する。

走査型電子顕微鏡装置が大型化する最大の理由は、高分解能を達成するために磁界型レンズを用い、しかも２０−３０ｋＶの高加速電圧を印加できるように構成されているためである。高加速電子を収束或いは走査するためのレンズ構成部品が大きくなり、また励磁電流を流すコイルを冷却する必要もあり、必然的に電子光学鏡筒が大型化する。また電子光学鏡筒と検出器、試料室を含む大容量の容器内を真空に維持するために大型の排気系も必要になる。本発明は上記問題点を解決し走査型電子顕微鏡装置の小型化を実現するため、複数の電子光学鏡筒が、真空容器内で試料に対向して面状に配置され、特に、微小な電子線源と、加速された電子線を収束する微小な静電レンズと、試料から放出された電子を検出する検出器を一体化した電子光学鏡筒を用い、かつ上記電子光学鏡筒と試料の相対位置を変化させることによって電子線を試料表面上でラスタスキャンすることを特徴とする。

上記の微小な電子光学鏡筒に収納される電子放出源は熱電子放出のように高温加熱する必要がなく、かつ低真空でも安定に動作する方式が望ましい。更に高い空間分解能を得るには電子放出源の面積ができるだけ小さいことが望ましい。このような性質を備える電子放出源として、例えばカーボンナノチューブ或いはカーボンナノファイバからの電界放出を用いることできる。また上記の微小な電子光学鏡筒は静電レンズの電極間に生じる放電を避けるために充分低い加速電圧を設定する。通常は加速電圧が低くなると空間分解能が低下してしまうという問題があるが、本発明においては偏向によって電子線を走査する必要がなく、電子線の中心を常に光軸上に置けること、また低加速電圧のもとで充分短い焦点距離を設定できること、等の特徴から空間分解能の低下を最小限に抑えることができる。

電子線の照射により放出された二次電子や反射電子を感度良く検出するためには、あらゆる方向に放出された電子を出来るだけ無駄にすることなく検出器に取り込むことが重要である。また、試料形状に凹凸が多い場合、検出器の位置によっては試料自身が邪魔をして放出電子を遮ってしまうことがある。これらの事から、本発明の検出器は電子光学鏡筒先端の試料対向面に電子レンズを取り囲むように、光軸に対象に配置されていることが望ましいと考えた。この構成により、電子光学鏡筒を走査して試料表面を観察する際に、電子線の照射位置と検出器の位置は一定に保たれ、常に同一の条件で測定することができる。

電子光学鏡筒と試料の相対位置を走査する方法としては、走査トンネル顕微鏡と同様に圧電体（ピエゾ素子）の駆動を利用することができる。すなわち上述した微小な電子光学鏡筒或いは試料をピエゾ素子から成るスキャナ上に形成し、このピエゾ素子を駆動することによって１次電子線の照射位置を水平方向に走査することができる。上記本発明の手段によれば、観察範囲にかかわらず電子光学鏡筒と試料間（或いは電子源と試料間）の距離を充分小さくできるので、比較的単純かつ微小なレンズ構成によって電子線を試料上に充分収束して照射できる。更に、観察範囲にかかわらず電子光学鏡筒先端の検出器と試料の間の距離を充分小さくできるので、試料から放出された電子は感度良く検出することができる。

また、本発明は上記電子光学鏡筒の作製法について何ら制限を設けるものではないが、薄膜成長技術、半導体プロセス技術、またマイクロメカニクスや集束イオンビーム（ＦＩＢ）等による微細加工技術を複合し、微小な電子光学鏡筒を作製することが可能である。

走査型電子顕微鏡装置が大型化する理由の一つとして試料サイズが影響している。試料を細かく切断することなく大きな試料のさまざまな部位を観察したい場合、試料を電子光学鏡筒や検出器に対して大きく移動させなければならない。試料ステージを大きくするだけでなく、その移動範囲まで真空系の中で確保しなければならず、既存の装置では全体が大型化してしまうことは避けられない。そこで、本発明においては、小型化した電子光学鏡筒をマトリックス状に平面配置し、試料を移動するのではなく、観察したい部位に最も近い電子光学鏡筒を使用して像を得られる構成とした。

更に、小型化した複数の電子光学鏡筒を球面状に配置すれば、試料の三次元立体形状を計測することも可能となる。通常の走査型電子顕微鏡装置において三次元立体形状を把握するためには、電子光学鏡筒もしくは試料を傾斜させることで相対角度を変化させ、各角度における二次電子像から画像処理により三次元構造を構築する。しかし本発明においては、試料をのぞむあらゆる方向に電子光学鏡筒が配置されているため、試料や鏡筒の傾斜装置や傾斜操作をすることなく、必要な像を得ることができる。

＜実施形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る走査型電子顕微鏡の基本構成を示す図である。

図１に本実施形態の全体像を示す。１は電子光学鏡筒、２はピエゾ素子スキャナ、３は試料、４は回転／傾斜及びＸＹＺ移動機構を有する試料ステージ、５は装置全体のフレームである。また６は電子光学鏡筒１の中の各レンズや検出器と、ピエゾ素子スキャナ２を制御するコントロールユニット、７は走査型電子顕微鏡像を表示するディスプレイである。フレーム５は、その内部が排気系（不図示）により真空に保たれ、真空容器を構成している。電子光学鏡筒１は、ピエゾ素子スキャナ２を介してフレーム５側に支持されている。

図２は、本発明の実施形態１に係る電子光学鏡筒の配置を示す図である。

図２に示すように、電子光学鏡筒１とピエゾ素子スキャナ２は試料に対向する平面上でマトリックス配置されている。図中では１０×１０個のユニットを配置しているが、数／密度／配置ともにこの図に制限されるものではない。

図３は、本発明の実施形態１に係る走査型電子顕微鏡の電子光学鏡筒を示す図である。

図３において、本実施形態の電子光学鏡筒１、ピエゾ素子スキャナ２を含む部分を拡大した断面を表す。ピエゾ素子スキャナ２は上下２つの部位に分かれ、ＸＹ方向駆動用のピエゾ素子８とＺ方向駆動用のピエゾ素子９から成る。ＸＹ方向駆動用のピエゾ素子８により、前記電子光学鏡筒と試料との相対位置を変化させて、試料上への照射位置を走査し、Ｚ方向駆動用のピエゾ素子９により、電子光学鏡筒を上下方向に移動させて試料に対する電子線の収束位置を調整する。１０は絶縁体基板を表し、Ｚ方向駆動用のピエゾ素子９に固定されている。絶縁体基板１０上には電極膜１１が形成され、更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１２が形成されている。１３は引出し電極、１４は加速電極、１５は電子を収束するためのアインツェルレンズを表し、１６，１７，１８の３つの電極によって構成されている。電子光学鏡筒１の試料対向面には試料３から放出された電子を検出するための検出器１９が配置されている。上記の電極１１−１８及び検出器１９は絶縁体１０，２０，２１により電気的に絶縁され、引出し配線（不図示）を通じてコントロールユニット６に接続され、外部から各々独立に電圧を印加できる。

本装置を動作するには、まず引出し電極１３に電圧を印加して電子源１２より電子を放出させ、加速電極１４、収束レンズ１５を動作することにより、試料３上に細く絞った電子線を照射する。このとき、電子光学鏡筒１と試料３との電位差は自由に設定できるが、通常のＳＥＭと同様の観察を行う場合は電子光学鏡筒１−試料３を同電位に設定すればよい。このとき電子はこの空間内を直線的に運動し、光軸上の試料表面に照射される。なお、フォーカスは収束レンズ１５の設定値、或いはピエゾ素子スキャナ２を駆動して試料をＺ方向に移動させるか、或いはその両方を組み合わせることによって行うことができる。

電子光学鏡筒１と試料３の相対位置を走査する際には、試料３を固定したまま電子光学鏡筒１をピエゾ素子スキャナ２によりラスタスキャンすればよい。

なお、図３では円筒型のピエゾ素子スキャナを例示しているが、スキャン精度を高めるにはテトラポット型のピエゾ素子スキャナを採用する方がより好ましい。本実施形態では観察中に試料を移動する必要がないので、試料の重量には特に制約がない。また、観察位置を大きく移動させる場合には、所望の観察部位上部に存在する電子光学鏡筒を動作させればよく、試料３を移動する必要はない。

検出器１９は試料への電子線照射により照射領域近傍から発生した二次電子や反射電子を検出するためのもので、例えば、ｐｎ接合をもつ半導体で形成されたものを用いると反射電子を電流として検出できる。また、電極、シンチレータ、ライトパイプ、光電子倍増管を積層したものを用いれば二次電子と反射電子を検出できる。検出器で検出した信号強度をピエゾ素子スキャナ２を動作させて走査させるための信号と同期させてディスプレイ７に表示することで試料表面の像を得ることができる。

なお、本発明の走査型電子顕微鏡は試料上で電子線を充分収束させるために電子光学鏡筒−試料間の距離は通常のＳＥＭに比べてかなり短く、標準的な使用条件としては数１０ｎｍから数１０μｍ程度である。

＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係る走査型電子顕微鏡の基本構成を示す図である。

図４に本実施形態の全体像を示す。１は電子光学鏡筒、２はピエゾ素子スキャナ、３は試料、４は回転及びＸＹＺ移動機構を有する試料ステージ、５は装置全体のフレームである。また６は電子光学鏡筒１の中の各レンズや検出器と、ピエゾ素子スキャナ２を制御するコントロールユニット、７は走査型電子顕微鏡像を表示するディスプレイである。フレーム５は、その内部が排気系（不図示）により真空に保たれ、真空容器を構成している。電子光学鏡筒１は、ピエゾ素子スキャナ２を介してフレーム５側に支持されている。

図５は、本発明の実施形態２に係る電子光学鏡筒の配置を示す図である。

図５に示すように、電子光学鏡筒１とピエゾ素子スキャナ２は試料に対向する球面上に、試料ステージ４の中心を望む方向に向いて配置されている。電子光学鏡筒１とピエゾ素子スキャナ２のユニット数／密度／配置ともにこの図に制限されるものではない。また、電子光学鏡筒１とピエゾ素子スキャナ２の構成は実施形態１の図３と同様である。

本実施形態において、試料表面の三次元形状を把握する際には、試料ステージ４を使用して試料の真上に図５の中心に位置する電子光学鏡筒１を移動し、二次電子像を得る。その後、試料を移動させることなく、次々に試料を望む角度の異なる電子光学鏡筒を使用して像を得る。これらにより得られた複数の像から画像処理を用いて三次元立体画像を構成しディスプレイ７に表示する。以上の操作のみで立体画像が得られるため、試料や鏡筒の傾斜装置は必要なく、走査型電子顕微鏡を小型化することができた。

なお、本発明の走査型電子顕微鏡は試料をあらゆる方角から観察するために、電子光学鏡筒と試料間の距離は実施形態１より長く設定され、標準的な使用条件としては数１０μｍから数ｍｍ程度である。

本発明の実施形態１に係る走査型電子顕微鏡の基本構成を示す図 同じく電子光学鏡筒の配置を示す図 同じく走査型電子顕微鏡の電子光学鏡筒を示す図 本発明の実施形態２に係る走査型電子顕微鏡の基本構成を示す図 同じく電子光学鏡筒の配置を示す図 従来の走査型電子顕微鏡を示す構成図

符号の説明

１ 電子光学鏡筒
２ ピエゾ素子スキャナ
３ 試料
４ 試料ステージ
５ フレーム
６ コントロールユニット
７ ディスプレイ
８ ＸＹ方向駆動用のピエゾ素子
９ Ｚ方向駆動用のピエゾ素子
１０ 絶縁体基板
１１ 電極膜
１２ 電子源チップ
１３ 引出し電極
１４ 加速電極
１５ 収束レンズ
１６ 収束レンズ１
１７ 収束レンズ２
１８ 収束レンズ３
１９ 検出器
２０ 絶縁体
２１ 絶縁体

Claims (9)

1. 複数の電子光学鏡筒が、真空容器内で試料に対向して面状に配置されたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
2. 前記各電子光学鏡筒と試料との相対位置を変化させて、試料に対する電子線の照射位置を走査する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡装置。
3. 前記走査手段は、圧電体を駆動することにより前記相対位置を変化させることを特徴とする請求項２に記載の走査型電子顕微鏡装置。
4. 前記各電子光学鏡筒は、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、前記加速された電子線が照射された試料から放出された電子を検出する検出器とを備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡装置。
5. 前記各電子光学鏡筒の先端であり、前記試料に対向する面に前記電子レンズを取り囲むように前記検出器が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の走査型電子顕微鏡装置。
6. 前記相対位置を変化させるための圧電体とは別の圧電体を駆動することにより前記各電子光学鏡筒を上下方向に移動させ、前記試料に対する前記電子線の収束位置を調整する手段を更に有することを特徴とする請求項４又は５に記載の走査型電子顕微鏡装置。
7. 前記電子光学鏡筒内の前記電子レンズが静電レンズであり、前記静電レンズを構成する電極に印加する電圧を変えることによってレンズの焦点距離を選択或いは調整することを特徴とする請求項４又は５に記載の走査型電子顕微鏡装置。
8. 前記複数の電子光学鏡筒が平面状に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡装置。
9. 前記複数の電子光学鏡筒が球面状に配置されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡装置。

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