JP2006010430A - 表面電位分布測定方法および測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 表面電位分布を有する測定試料に対して荷電粒子ビームを走査し、反転荷電粒子を検出手段により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法において、検出手段の引き込み電圧の影響に起因する測定誤差を防止もしくは軽減する。
【解決手段】 表面電位分布を有する測定試料０に対して、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームを走査し、試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出手段２５により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法において、荷電粒子光学系の光軸と検出手段２５の捕獲部との間に、接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材２６を介在させる。
【選択図】 図１

Description

この発明は表面電位分布測定方法および測定装置に関する。

光導電性の感光体等の誘電体における表面電荷分布あるいは表面電位分布をミクロンオーダーで高分解能に計測する方法として、特許文献１、２記載のものが知られている。これら特許文献に記載された測定方法では、測定試料の表面が荷電粒子ビームにより走査され、測定試料表面で発生する２次電子が検出される。この方法の場合、直接に測定されるのは測定試料表面の電界分布であり、この電界分布に基づいて表面電位分布が演算的に求められる。

発明者は先に、表面電位分布を有する試料に対して荷電粒子ビームを走査し、「入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが反転するような状態」が存在する条件下で測定試料の表面電位分布を測定する方法を提案した（特許文献３）。

この方法では、測定試料の表面電位分布を測定可能であるが、荷電粒子の速度ベクトルが反転する速度領域では、荷電粒子の速度が「さほど大きくない」ため、検出手段の引き込み電圧の影響で、入射荷電粒子の軌跡が曲げられ、走査位置が「狙いの位置」からずれる虞れや、検出器の影響により荷電粒子の速度が変化する虞れがある。

特開２００３−２９５６９６ 特開２００３−３０５８８１ 特願２００３−４０６００２

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって「表面電位分布を有する測定試料に対して、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームを走査し、試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出器により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法」において、検出手段の引き込み電圧の影響に起因する測定誤差を防止もしくは軽減することを課題とする。

この発明の表面電位分布測定方法は「表面電位分布を有する測定試料に対して、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームを走査し、試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出手段により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法」であって以下の如き特徴を有する（請求項１）。

即ち、荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に「接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材」を介在させる。

若干補足すると、測定対象としての「表面電位分布」は、試料における実質的な表面即ち「試料表面及びその極く近傍（表面から数μｍ程度）の領域」における電位の分布である。表面電位分布を発生させる原因は、試料表面に存在する電荷（イオン等）や、試料の表面層にある程度局在的に存在する電荷（試料表面に撃ち込まれて捕獲されたイオンや、試料表面に撃ち込まれた電子が材料分子の電子軌道に捕獲され、上記材料分子をマイナスイオン化した状態で表面層部分に留まっているもの）である場合もあるし、試料表面部が導電性であってこの部分に外部から電圧が印加されて試料表面に電位分布を生じている場合もある。従って「表面電荷」とは、電荷分布状態が「測定試料内部方向に比して、測定試料の面内の分布範囲が大きい状態」を指す。

「荷電粒子」は、電子やイオン等の「電荷を有する微粒子」であって電界や磁界の作用を受け、走査することが可能なものである。測定試料を走査する荷電粒子ビームは「電子ビームやイオンビーム」を好適に用いることができる。

「荷電粒子光学系」は、荷電粒子ビームを走査して、荷電粒子を測定試料の所望部位へ向けて照射する荷電粒子ビーム走査手段であり、具体的には「荷電粒子ビームの発生源として電子銃を有し、電子銃で発生した電子ビームを走査・集束する電磁レンズ等を有するもの」や、「荷電粒子ビームの発生源として液体金属イオン銃を有し、イオン銃で発生したイオンビームを走査・集束する電磁レンズ等を有するもの」を好適な例として挙げることができる。

荷電粒子ビームによる測定試料の走査は、２次元的に行うことも出来るし、１次元的に行っても良い。２次元的な走査を行えば測定試料表面の２次元領域の表面電位分布を測定できるし、１次元的な走査を行えば測定試料表面上の線状領域（直線でも曲線でも良く、例えば円形状の線状領域や楕円形状の線状領域も考えられる。）における表面電位分布を測定できる。

「２次元的なシールド面部材」における「２次元的」とは、シールド面部材が検出手段の引き込み電圧による電界を遮蔽できる面積領域を有することを意味し、実際の形状は平面的な形状に限らず、後述する「円筒状や半球面形状等の３次元的な形状」を有することができる。

「接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材」を荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に介在させることにより、検出器の引き込み電圧による電界が「荷電粒子の走査される空間領域に対して有効に遮蔽もしくは軽減」される。
この発明の表面電位分布測定装置は「請求項１記載の表面電位分布測定方法を実施するための装置」であって、試料保持手段と、荷電粒子光学系と、検出手段と、測定手段と、シールド面部材とを有する（請求項２）。

「試料保持手段」は、表面電位分布を有する測定試料の表面電位を有する面を被走査面として保持する。
「荷電粒子光学系」は、試料保持手段に保持された測定試料の被走査面を荷電粒子ビームで走査する手段であって、上記の如きものである。

「検出手段」は、荷電粒子ビームのうちで「その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子」を捕獲して検出する手段である。
「測定手段」は、検出手段による検出結果に基づき測定試料の表面電位を演算する手段であり具体的にはマイクロコンピュータ等で構成できる。

「２次元的なシールド面部材」は、荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に配置され、接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる。

２次元的なシールド面部材としては「グリッドメッシュ（導電体によるメッシュ状構造物）」を好適に用いることが出来る（請求項３）、グリッドメッシュは開口効率（単位面積あたりの開口部面積の割合）が２５％以上のものであることが好ましい（請求項４）。開口効率が２５％以下であると「入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子（以下「反転荷電粒子」と呼ぶ）」のうちで、グリッドメッシュに吸収されるものが増え、検出器による検出精度が低下する。また、開口効率が大きすぎると、検出器の引き込み電圧による電界を荷電粒子に対して有効に遮蔽することができない。開口効率の上限は９０％程度が良い。

請求項２または３または４記載の表面電位分布測定装置における「２次元的なシールド面部材」は、これを円筒状とし、荷電粒子光学系の光軸を囲繞するように設けることが出来る（請求項５）。また、２次元的なシールド面部材を略半球面形状とし、測定試料を覆うように配置することもできる（請求項６）。勿論、２次元的なシールド面部材を「平面的な形状」として、荷電粒子光学系の光軸と検出器との間に「衝立」のように配置してもよい。

請求項２〜６の任意の１に記載の表面電位分布測定装置において、２次元的なシールド部材は「荷電粒子光学系の鏡筒により保持」することができる（請求項７）。
請求項２〜７の任意の１に記載の表面電位分布測定装置は「光導電性の感光体に形成された静電潜像による表面電位分布を測定対象として測定を行う」ものであることができ、測定試料としての光導電性試料を均一帯電させる帯電手段と、均一帯電された光導電性試料に対して光像を照射して露光を行う露光手段を有する構成とすることができる（請求項８）。

上記の如く、この発明では、荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に２次元的なシールド部材が介在するので、走査される荷電粒子に対する検出手段の（捕獲部に印加される）引き込み電圧による電界の作用が有効に遮蔽もしくは軽減される。このため、入射荷電粒子の軌跡が曲げられて「走査位置が狙いの位置」からずれたり、検出器の影響により荷電粒子の速度が変化したりすることが有効に防止され、もしくは軽減される。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１に本発明の実施例を示す。
図１に示す実施の形態は「荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる装置」である。
この表面電位分布測定装置は、測定試料０の表面電位分布を測定する装置である。装置各部は密閉ケーシング２７に収められ、密閉ケーシング２７内は吸引手段２９により「実質的な真空状態」に減圧できるようになっている。図１（ａ）において、測定試料０には表面電位分布が形成されており、密閉ケーシング２７内は減圧されているものとする。

測定試料０を走査する電子ビームは電子銃１０から放射され、ビームモニタ１３を通過し、コンデンサレンズ１５により集束しつつアパーチュア１７、ビームブランカ１８を通過し、偏向コイルにおよる走査レンズ１９により２次元的に偏向される。偏向された電子ビームは対物レンズ２１により測定試料０の表面に向かって集束される。

ビームモニタ１３は電子銃１０から放射される電子ビームの強度をモニタするためのものであり、アパーチュア１７は測定試料０に照射される電子ビームの「電流密度（単位時間あたりの照射粒子数）を制御する」ためのものであり、ビームブランカ１８は「電子ビームをオン・オフ」するためのものである。上記電子銃１０から測定試料０に至る電子ビームの照射路に配置される各部は図示されない駆動用電源に接続されており、これらは図示されないコンピュータ等の制御手段により制御される。

上記電子銃１０、ビームモニタ１３、コンデンサレンズ１５、アパーチュア１７、ビームブランカ１８、走査レンズ１９、対物レンズ２１および図示されない駆動用電源は「荷電粒子光学系」を構成する。

上記の如くして、走査レンズ１９により２次元的に偏向された電子ビームは測定試料０の表面を２次元的に走査する。
なお、荷電粒子ビームとしてイオンビームを用いる場合には、上記電子銃１０に代えて「液体金属イオン銃」等を用いればよい。

説明中の例において、表面電位分布を有する測定試料０は「表面もしくは表面近傍（表面近傍の浅い内部領域）が負極性に帯電」し、帯電状態に応じた表面電位分布を持つ。測定試料０は、図の如く支持部２３に平面的に支持されている。支持部２３は「導電性の板状部材」で接地されている。測定試料０の表面電位分布は試料表面側の空間に、電子ビームの各電子に対してクーロン反発力を作用させる電界を形成する。支持部２３は「表面電位分布を有する測定試料０の表面電位を有する面を被走査面として保持」する試料保持手段である。

図１（ｂ）の如く、ｚ方向を「測定試料０の表面に立てた法線の方向」とし、試料表面に平行にｘ軸、ｙ軸を取り（ｘ，ｙ）座標を測定試料０の表面に設定する（ｙ方向は図面に直交する方向である。）。
このとき「電子ビームにより２次元的に走査される領域：Ｓ」を、２次元座標を用いてＳ(ｘ，ｙ)で表すと、例えば、０ｍｍ≦ｘ≦１ｍｍ、０ｍｍ≦ｙ≦１ｍｍである。この領域：Ｓ(ｘ，ｙ)に形成されている表面電位分布をＶｐ(ｘ，ｙ)（＜０）とする。
電子ビームによる測定試料０の２次元的な走査の、開始から終了に至る時間をＴ₀≦Ｔ≦Ｔ_Fとすると、走査が行われているときの時間：Ｔは、走査領域：Ｓ(ｘ，ｙ)内の各走査位置と１：１に対応する。

図１（ｂ）は測定試料０の近傍を説明図的に示している。測定試料０における「走査される領域：Ｓ」は、走査レンズ１９の倍率設定により「そのサイズを変える」ことが可能であり、例えば５ｍｍ×５ｍｍ程度の低倍率から１μｍ×１μｍ程度の高倍率まで、様々な倍率で観察することができる。

電子銃１０から放射される電子ビームの速度を「ｖ」とし、そのｘ，ｙ，ｚ方向の成分を「ｖｘ，ｖｙ，ｖｚ」とする。厳密には、電子ビームの走査に伴い、電子ビームにおける各電子の速度成分：ｖｘ，ｖｙ，ｖｚは変化するが、説明の簡単のために、ｖｘ＝ｖｙ＝０、ｖｚ＝ｖとする。

電子銃１０における電子ビームの「加速電圧」をＶｂとし、測定試料の表面電位を上記の如くＶｐ（＜０）とする。電子ビームの電子は、当初、加速電圧：Ｖｂに相当する速度で測定試料０に向かって移動するが、試料表面に接近するに従い、測定試料の負の帯電状態によるクーロン力により反発されて減速される。

図２（ｂ）は電子の加速電圧：Ｖｂが「−Ｖｐに対してＶｂ＞-Ｖｐ」である場合を説明図的に示している。この場合、電子は徐々に減速されるものの測定試料０に到達する。図２（ａ）は、電子の加速電圧：Ｖｂが「−Ｖｐに対してＶｂ＜-Ｖｐ」である場合を説明図的に示している。この場合、電子ビーム中の電子の速度は測定試料の反発クーロン力により漸減し、測定試料０に到達する以前に速度：ｖが０となり、その後反発クーロン力の作用で速度：ｖ（試料表面における法線方向の成分：ｖｚ）の向きが反転する。このように速度：ｖの向きが反転した電子が前述の「反転荷電粒子」である。

このような反転荷電粒子は、図１に示す検出手段２５に捕獲される。図１（ｂ）に示すように、検出手段２５（の捕獲部）には電子と逆極性（正極性）の「引き込み電圧」が電源ＥＡから印加されており、この引き込み電圧により「反転荷電粒子（電子）」を捕獲する。捕獲された電子数は増幅され、その強度（単位時間あたりに捕獲された電子数）に応じた検出信号に変換される。

検出手段２５に捕獲される電子は、測定試料０の表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)により反発されたものであるから、時間：Ｔにおいて捕獲される電子の強度：Ｆ(Ｔ)は、時間：Ｔをパラメータとした表面電位分布：Ｖｐ{ｘ(Ｔ)，ｙ(Ｔ)}と対応関係にある。上に説明した場合において、検出手段２５に捕獲される反転荷電粒子は、Ｖｂ＜−Ｖｐ(ｘ，ｙ)を満足する電子であるから、測定結果は「測定試料０の表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)を、電子銃１０における加速電圧：Ｖｂを測定の閾値として、領域的に２分」したものになる。

即ち、走査領域：Ｓ(ｘ，ｙ)のうち「反転荷電粒子が捕獲された領域」は、表面電位分布：−Ｖｐ(ｘ，ｙ)＞Ｖｂの領域であり、反転荷電粒子が捕獲されなかった領域は、表面電位分布：−Ｖｐ(ｘ，ｙ)＜Ｖｂの領域である。

従って、検出手段２５から得られる検出信号を適当な間隔でサンプリングすることにより−Ｖｐ(ｘ，ｙ)が測定の閾値：Ｖｂより大きいか小さいかを「サンプリングに対応した微小領域」ごとに特定できる。このような操作は「ＣＰＵやマイクロコンピュータにより実現される測定手段」により実行される。

上には、荷電粒子ビームとして「電子ビーム」の場合を説明したが、上の例において電子銃１０に代えて「液体金属イオン銃」を用いれば、荷電粒子ビームとしてイオンビームを使用した測定を行うことができる。測定試料０の表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)＞０の場合には、荷電粒子ビームの荷電粒子として「ガリウムなどのプラスイオン」や陽子を用いればよい。

一般に、測定試料０における表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)の絶対値の最大値を、Ｍａｘ｜Ｖ(ｘ，ｙ)｜とするとき、加速電圧：Ｖｂが、
Ｖｂ＜Ｍａｘ｜Ｖ(ｘ，ｙ)｜
となる条件で荷電粒子ビームの走査を行うことにより、表面電位：Ｖｐ(ｘ，ｙ)の「測定の閾値：Ｖｂに対する大小関係」を特定できることになる。

図３に示す表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)（＜０ 測定試料０を支持する支持部２３側の面が接地状態であるときの表面の電位分布）は、中心部（ｘ＝０）で略−５２０Ｖ、中心部を離れるに従い電位がマイナス方向に大きくなり、中心から０．１ｍｍ以上離れた周辺領域では略−８３０Ｖ程度になっている。

このような表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)に対して、加速電圧：Ｖｂを６００Ｖ及び７４０Ｖとして測定を行ったときの、−Ｖｐ(ｘ，ｙ)＞６００Ｖの領域：Ｓ６００、および−Ｖｐ(ｘ，ｙ)＞７５０Ｖの領域：Ｓ７５０を示している。これら領域Ｓ６００、Ｓ７５０の外側では荷電粒子ビーム（電子ビーム）の電子の多くが測定試料に到達し、反転荷電粒子が少ないため、検出手段の検出する電子数は非常に少ない。

加速電圧：Ｖｂを複数段階に切り替えて測定を行えば、表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)を「測定ごとの加速電圧（即ち測定の閾値）：Ｖｂごとに輪切りにした領域」が得られるので、これらを用いることにより「表面電位分布：Ｖｐ(ｘ，ｙ)の全体的な状態」を演算により特定できる。勿論、加速電圧：Ｖｂを切り替えるステップを細かくして測定回数を増やすほど、精度の良い測定が可能になる。測定手段による演算により「表面電位分布のプロファイル」等を求めることも容易に実現できる。

周辺の電場環境の影響で、加速電圧：-Ｖｂが必ずしも閾値に等しくならないような場合には、静電場環境をあらかじめ計算しておき、それをもとに補正することができる。

検出手段２５はシンチレータにより捕獲電子による「シンチレーション光」を発生させ、このシンチレーション光を電子増倍管等で増幅して検出信号とする。

さて、図１に示すように、荷電粒子光学系の光軸と検出手段２５の捕獲部との間には、２次元的なシールド面部材２６が配置されている。シールド面部材２６は、この実施の形態では図４に示すように平面的な「グリッドメッシュ」であり、検出手段２５の捕獲部と荷電粒子光学系の光軸との間に「衝立」状に配置され、接地電位とされている。

グリッドメッシュ２６は、図４に示すように、導電体による外枠２６Ａとその内側に格子状に張り渡された導電細線部２６Ｂとからなり、外枠２６Ａを接地することにより導電細線部２６Ｂの張り渡された面が接地電位に略等しい２次元的な略等電位面となる。

略接地電位にあるグリッドメッシュ２６が、荷電粒子光学系の光軸と検出手段２５の捕獲部との間に介在することにより、検出手段２５の捕獲部に印加されている引き込み電圧による電界の影響が「測定試料０へ入射する荷電粒子ビーム」に対して遮蔽され、このため、荷電粒子ビームはその軌道を逸らされることなく、精度良く測定試料の「狙いとする位置」へ向かって入射する。

一方で、反転荷電粒子はグリッドメッシュ２６の接地電位に引かれてグリッドメッシュ２６へ向かい、その開口部（導電細線部の間）を通過すると引き込み電圧による電界の作用で検出手段２５の捕獲部に向かう。

グリッドメッシュ２６の開口率は、前述の如く２５％以上で９０％程度以下であることが好ましいが、導電細線部２６Ｂのピッチを１ｍｍとした場合、導電細線の幅を０．５ｍｍ以下とすれば、開口率：２５％以上を実現できる。１ｍｍピッチで導電細線の幅を０．１ｍｍとすれば、略８０％の開口率を実現できる。

グリッドメッシュ２６を構成する材料としては導電性のものを適宜に用いることができるが、特にアルミニウム・銅などの非磁性材料、ＳＵＳ等の弱磁性材料を用いることにより、磁場の影響を極力抑えることが出来る。

上に実施の形態を説明した表面電位分布測定装置は、表面電位分布を有する測定試料０の表面電位を有する面を被走査面として保持する試料保持手段２３と、この試料保持手段に保持された測定試料０の被走査面を荷電粒子ビームで走査する荷電粒子光学系１０〜２１等と、荷電粒子ビームのうちで、その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を捕獲して、その強度を試料表面上の位置に対応させて検出する検出手段２５と、この検出手段による検出結果に基づき測定試料の表面電位を演算する測定手段（図示されず）と、荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に配置され、接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材２６とを有する（請求項２）。

そして、この装置により、表面電位分布を有する測定試料０に対して、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームを走査し、試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出手段２５により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法において、荷電粒子光学系の光軸と検出器との間に、接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材２６を介在させる表面電位分布測定方法（請求項１）が実施される。

図５は実施の別の形態を要部のみ示している。
この実施の形態では、測定試料０を平面的に支持する試料保持手段２３０は、誘電体層２３２を導電層２３１、２３３により挟持した３層構造となっており、導電層２３３は接地され、導電層２３１には可変直流電源ＥＢからバイアス電圧が印加されるようになっている。

導電層２３１にバイアス電圧が印加されると、試料０の表面側の電位分布は、測定試料０の表面電位分布に「均一なバイアス電位」を重畳したものとなる。荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合であれば、電子ビームの加速電圧：Ｖｂを予め十分に大きくしておき、導電層２３１に印加されるバイアス電圧の極性を負極性として、電子ビームとして入射する電子を反発するバイアス電位を形成するようにする。

バイアス電圧：Ｖｇを印加すると、測定試料表面の表面電位分布：Ｖｐ（ｘ、ｙ）は、
Ｖｐ（ｘ，ｙ）＝Ｖｓ（ｘ、ｙ）＋Ｖｇ
となる。

図１の場合のように、測定試料０の背面側を支持する試料保持手段２３が接地されている場合であれば、Ｖｇ＝０であり、Ｖｐ（ｘ，ｙ）＝Ｖｓ（ｘ、ｙ）である。
図５のように、バイアス電圧：Ｖｇを印加する場合、例えば、Ｖｇ＝−１０００Ｖを印加すれば、図４に示した電位分布の例では中心(ｘ＝０)での表面電位が略−１５２０Ｖ（＝−５２０Ｖ−１０００Ｖ）となり、中心から０．１ｍｍはなれた部分では、略−１８３０Ｖとなり、表面電位は全体的に１０００Ｖ下がる。

測定試料に入射する荷電粒子ビームの「入射速度ベクトルの試料表面における法線方向の成分が反転」する条件は、加速電圧：Ｖｂとバイアス電位：Ｖｇとで定まり、反転の生じる閾値：Ｖｔｈは、
Ｖｔｈ＝−（Ｖｂ＋Ｖｇ）
となり、この場合に図３のＳ６００の領域と同じ検出信号を得るためには、Ｖｂ＝１．６ｋＶ、Ｖｇ＝−１０００Ｖとすれば良く、Ｓ７５０の領域と同じ検出信号を得るには、Ｖｂ＝１．７５ｋＶ、Ｖｇ＝−１０００Ｖとするか、あるいはＶｂ＝１．６ｋＶ，Ｖｇ＝−８５０Ｖとしてもよい。

このように、測定試料０の表面電位分布をバイアス的に変化させる電圧印加手段（試料保持手段２３０と可変直流電源ＥＢ）を有することにより、加速電圧：Ｖｂを固定した状態でも上記Ｖｔｈを変えて表面電位分布を測定することが可能となる。上記電圧印加手段による印加電圧を変える場合、印加電位の変化ステップを細かく設定することにより、反転の閾値：Ｖｔｈを「より細かく設定」できる。また、表面電位分布が「プラスからマイナスに変化しているような分布」であっても測定が可能となる。

なお、測定試料における表面電位分布が「導体パターンによる電位分布」の場合、背面に電圧を印加する方法のほかに、導体にかかる電圧自身に電位バイアスを印加する方法を用いても良い。荷電粒子ビームが正電荷を帯びている場合には、反転の閾値：Ｖｔｈは、
Ｖｔｈ＝Ｖｂ−Ｖｇ
となる。

図６に示すのは、請求項５記載の表面電位分布測定装置の実施の１形態を要部のみ示すものである。混同の虞がないと思われるものについては、図５におけると同一の符号を付した。

この実施の形態では、２次元的なシールド面部材が円筒状であって、荷電粒子光学系の光軸を囲繞するように設けられる。即ち、２次元的なシールド面部材は円筒形状のグリッドメッシュ（図４に示した如きものを円筒状に巻くように形成したもの）２６Ａであり、荷電粒子光学系の光軸まわりの試料近傍に図の如く配置される。検出手段２５の引き込み電圧が及ぼす電界は、走査される試料領域と検出手段の捕獲部を結ぶ領域のみならず、その周辺部にも影響するので、荷電粒子光学系の光軸の周り全体を囲繞するように円筒状のグリッドメッシュ２６Ａで覆うと、引き込み電圧による電界の作用を囲繞された領域内で有効に遮蔽できる。

このように円筒形状のグリッドメッシュ２６Ａを用いることにより、これを用いない場合における「入射荷電粒子（電子）の軌跡のシフト」を１／５以下に減少させることができることが実験的に確認された。

図７に示すのは、請求項６の表面電位分布測定装置の実施の１形態の要部であり、混同の虞がないと思われるものについては図５に置けると同一の符号を付した。

この実施の形態においては、２次元的なシールド面部材２６Ｂ１は略半球面形状のグリッドメッシュであって、測定試料０の試料表面を覆うように配置されている。この実施の形態の場合、測定試料表面に入射する荷電粒子（電子）に対する検出手段２５の引き込み電圧の影響が軽減されるとともに、グリッドメッシュ２６Ｂ１の外へ出た反転荷電粒子の検出手段２５による収集効率は、図６の実施の形態よりも高い。

この実施の形態ではまた、グリッドメッシュ２６Ｂ１のほかに、これよりも若干大きい第２のグリッドメッシュ２６Ｂ２を、グリッドメッシュ２６Ｂ１の外側に設けて、直流電圧電源ＥＣから適宜の電圧を印加できるようにしている。例えば、グリッドメッシュ２６Ｂ１を接地し、外側のグリッドメッシュ２６Ｂ２に直流電圧電源ＥＣにより−１００Ｖを印加すると、反転荷電粒子は検出手段２５に到達しやすくなり、また、グリッドメッシュ２６Ｂ２に印加する電圧をプラス電圧にすると、反転荷電粒子は検出手段２６に到達し難くなるので、外側のグリッドメッシュ２６Ｂ２に「エネルギフィルタ」の機能を持たせることができる。

図８に示すのは、請求項７の表面電位分布測定装置の実施の１形態の要部であり、混同の虞がないと思われるものについては図５に置けると同一の符号を付した。

この実施の形態においては、２次元的なシールド面部材２６Ｃが、荷電粒子光学系の鏡筒２１Ｃにより保持されている。２次元的なシールド面部材２６Ｃは「導電性材料による円筒」であって、走査される荷電粒子ビームが通過する空間領域を囲繞するようにして設けられ、接地されている。

このようなシールド面部材２６Ｃを用いると、荷電粒子光学系の対物レンズ２１と測定試料０との間の距離が１０ｍｍ程度以上と大きく、引き込み電圧による電界の作用を受ける粒子軌道領域が大きいような場合に上記電圧の影響（粒子の軌道の変動や速度の変動）を有効に軽減させることができる。また、この実施の形態では、２次元的なシールド面部材２６Ｃのほかに、グリッドメッシュ２６も設けられている。このように、２次元的なシールド面部材は複数個が用いられることもできる。グリッドメッシュ２６も鏡筒２１Ｃに保持させることができることは言うまでもない。

即ち、請求項７記載の表面電位分布測定装置において、帯電粒子光学系の鏡筒に保持されるのは、請求項３〜６に記載のシールド面部材自体であることもできるし、これらとは別体のシールド面部材であることもできる。

図９に示すのは、請求項８記載の表面電位分布測定装置の実施の１形態の要部である。混同の虞がないと思われるものについては、図８におけると同一の符号を付した。
図９の表面電位分布測定装置は「光導電性の感光体に形成された静電潜像による表面電位分布」を測定対象として測定を行うもので、測定試料０は「光導電性試料」である。

この表面電位分布測定装置は、光導電性試料である測定試料０を均一帯電させる「帯電手段」と、均一帯電された光導電性試料に対して光像を照射して露光を行う「露光手段」とを有する。

この実施の形態において、測定試料０を均一帯電させるための帯電手段としては、帯電粒子光学系が用いられる。「荷電粒子光学系」として「電子ビームを用いるもの」を例として説明する。

測定試料０に対し、電子ビームを２次元的に走査して測定試料０を均一に帯電させる。このとき、電子ビームの加速電圧：Ｖｂを「２次電子放出比：δが１となる加速電圧」よりも高い加速電圧に設定する。このようにすると、入射電子量が「放出される２次電子量を上回る」ため測定試料に電子が蓄積され、測定試料は負極性に均一帯電する。

加速電圧：Ｖｂと照射時間を適切に調整することにより、測定試料を所望の表面電位に帯電させることができる。帯電手段としては、上記のものとは別に、接触帯電や注入帯電、イオン照射帯電等の使用も可能である。

「露光手段」は、光源である半導体レーザ９０と、コリメートレンズ９１、アパーチュア９２、イメージパターン９３、ミラーＭ１、Ｍ２、結像レンズ９４を有する。半導体レーザ９０を点灯させると、放射されたレーザ光はコリメートレンズ９１で平行光束化され、アパーチュア９２を介して透光性のイメージパターン９３を照射する。

イメージパターン９３を透過した光はミラーＭ１により反射され、結像レンズ９４を透過し、ミラーＭ２で反射されて測定試料０に照射され、測定試料０の表面にイメージパターン９２の光像を結像する。この光像により測定試料０が露光され、測定試料０にイメージパターン９２に対応する静電潜像が形成される。この静電潜像が測定対象としての表面電位分布であり、上に説明した如くして測定される。

請求項８記載の表面電位分布測定装置の実施の別形態を図１０に示す、混同の虞がないと思われるものについては、図１以下の各図面におけると同一の符号を付した。
光導電性の感光体に形成される静電潜像は、暗減衰のため「測定可能な時間」が数十秒程度しかないので、測定試料０が光導電性の感光体（光導電性試料）である場合には、密閉ケーシング内に「静電潜像形成手段」が配置される。

図１０において、電子銃１０、ビームモニタ１３、コンデンサレンズ１５、アパーチュア１７、ビームブランカ１８、走査レンズ１９、対物レンズ２１、支持部２３の部分は、図１に示した実施の形態におけると同様のものであり、したがって図１に関する説明を援用する。

なお、電子銃１０、ビームモニタ１３、コンデンサレンズ１５、アパーチュア１７、ビームブランカ１８、走査レンズ１９、対物レンズ２１は、荷電粒子走査系１１Ａを構成し、荷電粒子走査系１１Ａの各構成部分は、荷電粒子ビーム制御部３１により制御されるようになっており、荷電粒子走査系１１Ａと荷電粒子ビーム制御部３１とは「荷電粒子光学系」を構成している。測定試料０は「光導電性の感光体」であり、接地された導電性の支持部２３の上面に平面的に支持される。

符号３４は光源である半導体レーザ、符号３５はコリメートレンズ、符号３６はアパーチュア、符号３７はマスク、符号３８、３９、４０は「結像レンズ」を構成するレンズを示している。これらは「光像照射部」を構成し、半導体レーザ制御部３３や図示されない光像照射制御部とともに「露光手段」を構成している。

図示されない光像照射制御部は、結像レンズ３８、３９、４０とマスク３７との位置関係の調整によるフォーカシングや倍率変換を行い得るようになっている。

符号２５は検出手段、符号２６０は信号処理部、符号２６０Ａはモニタ、符号２８０はプリンタ等のアウトプット装置を示している。信号処理部２６０、モニタ２６０Ａ、アウトプット装置２８０は「測定手段」を構成する。符号２９０は除電用の発光素子を示す。

上記各部は、図示の如くケーシング３０内に配設され、ケーシング内部は吸引手段３２により高度に減圧できるようになっている。即ち、ケーシング３０は「真空チャンバ」としての機能を有している。また、装置の全体はホストコンピュータ５０（制御手段、装置の各部を総合的に制御する）により制御されるようになっている。上述の荷電粒子ビーム制御部３１や信号処理部２６０等は、ホストコンピュータ５０に「その機能の一部」として設定することもできる。

図１０に示す状態において、表面を均一に帯電された測定試料０は支持部２３上に載置され、ケーシング３０内部は高度に減圧されている。この状態で、半導体レーザ３４を点灯し、マスク３７の光像を測定試料０の均一帯電された面上に結像させる。この露光により測定試料０に、照射された光像に応じた静電潜像のパターンが形成される。

このように静電潜像のパターンが形成された面を、電子ビームにより２次元的に走査し、前述の如く、測定試料０の表面電位により反発された反転荷電粒子（電子）を、接地されたグリッドメッシュ２６を介して検出手段２５により捕獲し、その強度を検出して電気信号に変換する。

先に説明した実施の形態と同様に、加速電圧：Ｖｂを切り替え、切り替えるたびに測定を繰り返して静電潜像の「表面電位分布のプロファイル」を、ホストコンピュータ５０により制御される「演算手段」としての信号処理部２６０により演算算出して、アウトプット装置２８０に出力することができる。

光導電性試料である測定試料０に静電潜像のパターンを形成するには、光像による露光に先立ち、その表面を均一に帯電する必用があるが、この均一帯電は、図９に即して説明した実施の形態の場合と同様、電子ビームの２次元的走査を利用して行う。

図１１には、光導電性の感光体に形成される静電潜像を測定の対象とする表面電位分布測定装置の他の実施形態を示す。繁雑を避けるべく、混同の虞が無いと思われるものについては、図１、図１０におけると同一の符号を付した。

荷電粒子走査系１１Ａを構成する、電子銃１０、アパーチュア１３、コンデンサレンズ１５、アパーチュア１７、ビームブランカ１８、走査レンズ１９および対物レンズ２１は図１、図１０におけるものと同様の構成であり、メッシュグリッド２６、検出手段２５および図示されない信号処理部等も、図１０に即して上に説明したものと同様である。符号３００はケーシングを示す。

光導電性の感光体である測定試料０１は、光導電性の感光体の一般的形態であるドラム状に形成され、図示されない駆動手段により矢印方向（反時計方向）へ等速回転される。測定試料０１がケーシング３００内にセットされたのち、ケーシング３００内部は図示されない吸引手段により高度に減圧される。

符号４２で示す帯電部は、例えば、帯電ブラシや帯電ローラ等による接触式の帯電手段であり、減圧下のケーシング内で測定試料０１を均一に接触帯電させる。このとき、測定試料０１は矢印方向（反時計回り）に等速回転される。勿論、図１０に即して説明した例のように、電子ビームを利用した帯電により測定試料０１の帯電を行うこともできる。

符号４１で示す「露光部」は、均一帯電された試料０１に対して光像を照射して露光を行う。露光部４１としては例えば、光プリンタ等に関連して広く知られた「光走査装置」を用い、光書込みにより「光像の照射」を行うことができる。このように「光像の照射」を光書込みで行うと、書込みで形成する静電潜像のパターンの形態を任意に変化させることができ、静電潜像の所望のパターン（エリアパターンやラインパターン）を容易に形成できる。

なお、露光部４１として光走査装置を用いる場合、光走査装置が大きくなってケーシング３００内への設置が困難であるような場合には、光走査装置をケーシング３００の外部に設け、ケーシング３００に透明な窓部を設けて、この窓部を介して外部から光導電性試料０１への光像の照射を行うようにしてもよい。

荷電粒子走査系１１Ａによる電子ビームの走査は、図１、図１０の実施の形態と同様に、電子ビームを２次元的に偏向させて行っても良いが、測定試料０１は矢印方向へ等速回転しつつ走査を受けるので、電子ビームを図面に直交する方向へ１次元的に偏向させ、この偏向と測定試料０１の回転とを組合せて２次元的な走査を実現することもできる。

なお、測定試料としての光導電性試料は公知の適宜のものであることができ、導電性基体上に単層の光導電層を設けた構造のものや、導電性支持体上に電荷発生層と電荷輸送層を形成した「機能分離型感光体」であることができる。

若干付言すると、走査電子顕微鏡等には「反射電子を検出する測定方法」があるが、この反射電子とは、一般的に「走査される電子ビームと試料物質の相互作用」により、入射電子が試料後方に散乱され、試料の表面から飛び出す電子である。反射電子のエネルギーは入射電子のエネルギーに匹敵し、反射電子の強度は試料の原子番号が大きいほど大きいといわれ、試料の組成の違い、凹凸を検査するための測定方法である。

この発明における「反転荷電粒子」は、上に説明したように、測定試料表面の電位分布の影響を受けて「試料表面に到達する前に反転する荷電粒子」であり、このような反転荷電粒子を検出して表面電位分布を測定するこの発明の測定方法は、反射電子を検出する測定方法とは全く異なる測定方法である。

表面電位分布測定装置の実施の１形態を説明するための図である。 表面電位分布による荷電粒子の反転を説明するための図である。 測定された表面電位分布の例を説明するための図である。 ２次元的なシールド面部材の１例としてのグリッドメッシュを説明するための図である。 表面電位分布測定装置の実施の別形態の要部を示す図である。 表面電位分布測定装置の実施の他の形態の要部を示す図である。 表面電位分布測定装置の実施の他の形態の要部を示す図である。 表面電位分布測定装置の実施の他の形態の要部を示す図である。 光導電性試料の静電線像の表面電位分布を測定する実施の形態を説明するための図である。 光導電性試料の静電線像の表面電位分布を測定する実施の別形態を説明するための図である。 光導電性試料の静電線像の表面電位分布を測定する実施の形態を説明するための図である。

符号の説明

０ 測定試料
１０ 電子銃
２１ 対物レンズ
２５ 検出手段

Claims (8)

1. 表面電位分布を有する測定試料に対して、荷電粒子光学系により荷電粒子ビームを走査し、試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの上記試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出手段により捕獲検出して検出信号を得る表面電位分布測定方法において、
   荷電粒子光学系の光軸と検出手段の捕獲部との間に、接地電位と略等電位で、荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材を介在させることを特徴とする表面電位分布測定方法。
2. 請求項１記載の表面電位分布測定方法を実施するための装置であって、
   表面電位分布を有する測定試料の表面電位を有する面を被走査面として保持する試料保持手段と、
   この試料保持手段に保持された測定試料の上記被走査面を荷電粒子ビームで走査する荷電粒子光学系と、
   上記荷電粒子ビームのうちで、その入射速度ベクトルの上記試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を捕獲する検出手段と、
   この検出手段による検出結果に基づき上記測定試料の表面電位を演算する測定手段と、
   上記荷電粒子光学系の光軸と上記検出手段の捕獲部との間に配置され、接地電位と略等電位で、上記荷電粒子を通過させる２次元的なシールド面部材とを有することを特徴とする表面電位分布測定装置。
3. 請求項２記載の表面電位分布測定装置において、
   ２次元的なシールド面部材が、グリッドメッシュであることを特徴とする表面電位分布測定装置。
4. 請求項３記載の表面電位分布測定装置において、
   グリッドメッシュの開口効率が２５％以上であることを特徴とする表面電位分布測定装置。
5. 請求項２または３または４記載の表面電位分布測定装置において、
   ２次元的なシールド面部材が円筒状であって、荷電粒子光学系の光軸を囲繞するように設けられることを特徴とする表面電位分布測定装置。
6. 請求項２または３または４記載の表面電位分布測定装置において、
   ２次元的なシールド面部材が略半球面形状であって、測定試料を覆うように配置されることを特徴とする表面電位分布測定装置。
7. 請求項２〜６の任意の１に記載の表面電位分布測定装置において、
   ２次元的なシールド部材が、荷電粒子光学系の鏡筒により保持されることを特徴とする表面電位分布測定装置。
8. 請求項２〜７の任意の１に記載の表面電位分布測定装置において、
   光導電性の感光体に形成された静電潜像による表面電位分布を測定対象として測定を行うものであり、
   測定試料としての光導電性試料を均一帯電させる帯電手段と、
   均一帯電された光導電性試料に対して光像を照射して露光を行う露光手段を有することを特徴とする表面電位分布測定装置。

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