JP2007149568A - 電子検出器及びそれを備えたビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 対物レンズ内に引き込まれた被検出電子の検出を支障無くかつ効率的に行うことのできる電子検出器及びそれを備えたビーム装置を提供する。
【解決手段】 対物レンズ４のビーム通過孔２４を通過した電子ビーム（一次ビーム）８は、試料６に照射される。これにより試料６上で発生し、対物レンズ４に引き込まれた被検出電子９は、当該ビーム通過孔２４に配置された環状の電子検出器５により検出される。この電子検出器５は、電子ビーム８が通過する貫通孔が形成された環状体２２と、この環状体２２の内側に設けられた検出素子２１から構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子ビーム等の一次ビームが照射された試料から発生する被検出電子の検出を行う電子検出器及び当該電子検出器を備えたビーム装置に関する。

観察対象となる試料に電子ビーム等の一次ビームを照射し、これにより試料から発生した二次電子や反射電子等の二次的情報である被検出電子を検出し、当該検出時における検出信号に基づいて試料像を形成して表示するビーム装置として、走査電子顕微鏡が知られている。

この走査電子顕微鏡において、電子ビーム源（一次ビーム源）である電子銃から加速されて放出された電子ビーム（一次ビーム）は、集束レンズ及び対物レンズによって試料上に細く集束されて照射される。このとき、電子ビームは走査コイルにより偏向され、これにより電子ビームは試料上を走査する。

電子ビームの走査（照射）により、試料からは二次電子及び反射電子等の被検出電子が発生する。被検出電子は、電子検出器によって検出される。

電子検出器は、被検出電子の検出に基づいて検出信号を出力する。走査電子顕微鏡は、当該検出信号を基に、試料像となる走査像を形成して表示する。

このような走査電子顕微鏡において、試料から発生して対物レンズ内に引き込まれた被検出電子の検出が検討されており、当該被検出電子を支障無くかつ効率的に検出することが重要となっている。

ここで、対物レンズ内に引き込まれた被検出電子を検出する際に、対物レンズの外側に配置された電子検出器によって検出する構成を採用すると、この被検出電子に電場若しくは磁場（以下、「場」という）を作用させて、当該被検出電子を電子検出器側に誘導する必要がある。

この場合、その場によって、一次ビームである電子ビームの軌道に変化が生じるという問題がある。そして、これを回避するために、電子ビームの軌道が変化しないように更に別の場を作用させる必要があり、装置の構成及び制御が複雑になるという問題点がある。

そこで、対物レンズ内に引き込まれた被検出電子を、対物レンズ内に配置された電子検出器によって検出することが検討されている。

なお、対物レンズ内で反射電子を検出するものとして、ライトガイドに設けられたシンチレータ（検出素子）に、電子ビーム及び二次電子を通過させるための開口部を形成し、この開口部を電子ビームと同軸上に配置するものもある（特許文献１参照）。

特開２０００−２９９０７８号公報

対物レンズ内に引き込まれた被検出電子を、対物レンズ内に配置された電子検出器により検出する場合に、一次ビームである電子ビームが通過するための開口が形成された平板状の検出器を対物レンズ内部に設け、当該開口を電子ビームの光軸上に位置させるようにすることが考えられる。

しかし、この場合においては、電子ビームの通過する範囲が当該開口の大きさによって制限されることとなる。これにより、試料上での観察視野を大きくすると、電子ビームが当該開口から外れて電子検出器自体によって遮られてしまい、観察視野に制約が生じるという問題があった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、対物レンズ内に引き込まれた被検出電子の検出を支障無くかつ効率的に行うことのできる電子検出器及びそれを備えたビーム装置を提供することを目的とする。

本発明に基づく電子検出器は、対物レンズのビーム通過孔に配置され、当該ビーム通過孔を通過した一次ビームが照射された試料から発生する被検出電子の検出を行う電子検出器であって、一次ビームが通過する貫通孔を有する環状体からなり、当該環状体の内側面が被検出電子を検出するための検出面となっていることを特徴とする。

また、本発明に基づくビーム装置は、対物レンズのビーム通過孔を通過した一次ビームを試料に照射し、これにより試料から発生した被検出電子の検出を行うビーム装置において、上記電子検出器を当該ビーム通過孔に備えたことを特徴とする。

本発明において、対物レンズのビーム通過孔に配置される電子検出器は、一次ビームが通過する貫通孔を有する環状体からなり、当該環状体の内側面が被検出電子を検出するための検出面となっている。

この場合、対物レンズのビーム通過孔において、当該環状体の貫通孔の軸はビーム光軸に沿うこととなるので、この環状体によって電子ビームによる観察視野に制約が生じることはない。

以下、図面を参照して、本発明における実施の形態について説明する。図１は、本発明に基づくビーム装置を示す概略構成図である。

同図において、一次ビーム源である電子銃１からは、加速された電子ビーム（一次ビーム）８が試料６に向けて放出される。放出された電子ビーム８は、集束レンズ２及び対物レンズ４により、試料６上に細く集束されて照射される。このとき電子ビーム８は走査コイル３により偏向される。これにより、電子ビーム８は試料６上を走査する。

電子ビーム８の走査（照射）により、試料６からは二次電子及び反射電子等の被検出電子９が発生する。試料６から発生した被検出電子９は、電子検出器５により検出される。ここで、電子検出器５は環状となっており、後述するように対物レンズ４の内部に配置されている。

電子検出器５は、被検出電子９の検出に基づく検出信号を出力する。当該検出信号は、アンプ５ａにより増幅された後にＡ／Ｄ変換され、画像処理部５ｂに送られる。

画像処理部５ｂは、Ａ／Ｄ変換後の検出信号に基づいて画像データ（走査像データ）を作成する。当該画像データは、バスライン１０を介して表示部１２に送られる。表示部１２は、画像データに基づいて、その画像（走査像）を表示する。

ここで、電子銃１には、高圧電源１ａにより、駆動用の電圧が印加される。また、集束レンズ２及び対物レンズ４には、それぞれレンズ電源２ａ，４ａにより、レンズ駆動用の電流が供給される。そして、走査コイル３には、コイル電源３ａにより、コイル駆動用の電流が供給される。

これら各電源１ａ，２ａ，３ａ，４ａは、バスライン１０に接続されている。また、バスライン１０には、システム制御部１１が接続されている。これにより、電子銃１、集束レンズ２、走査コイル３、及び対物レンズ４は、対応する各電源１ａ，２ａ，３ａ，４ａを介してシステム制御部１１により駆動制御されることとなる。

試料６は、ステージ機構７に載置されている。ステージ機構７は、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に試料６を移動させる。ここで、Ｘ−Ｙ平面は水平面となっており、Ｚ方向は垂直方向となっている。また、ステージ機構７は、必要に応じて試料６の傾斜や回転を行う。

ステージ機構７には、ステージ駆動部７ａが接続されている。ステージ駆動部７ａは、ステージ機構７に駆動用の信号を供給する。これによって、ステージ機構７が駆動される。

また、ステージ駆動部７ａは、バスライン１０を介してシステム制御部１１に接続されている。これにより、システム制御部１１は、ステージ駆動部７ａを介して、ステージ機構７の駆動制御を行う。

なお、バスライン１０には入力部１３が接続されている。入力部１３は、マウス等のポインティングデバイス及びキーボードを備えており、本ビーム装置のオペレータが入力部１３を手動操作することにより、本ビーム装置のオペレーションに必要な指示等の入力を行う。

ここで、図２に、対物レンズ４内に配置された環状の電子検出器５を示す。同図に示すごとく、この電子検出器５は、対物レンズ４におけるビーム通過孔２４内に設けられている。

詳述すると、対物レンズ４はヨーク部２６を備えており、このヨーク部２６の中心には、電子ビーム８が通過するためのビーム通過孔２４が形成されている。このビーム通過孔２４の中心軸は、電子ビーム８の光軸と一致する。

そして、ビーム通過孔２４の内側面２４ａに図示しない絶縁膜を介して電子検出器５が固定され、これにより電子検出器５が当該ビーム通過孔２４内に支持されて設けられている。

この電子検出器５は、電子ビーム８が通過する貫通孔を有する金属製の環状体２２からなり、その内側に検出素子２１が設けられている。これにより、環状体２２の内側面は被検出電子を検出するための検出面となっている。この検出素子２１は、ＰＮジャンクション（ＰＮ接合）素子からなり、図示しない絶縁層を介して環状体２２に配置されている。検出素子２１にて検出した被検出電子９に基づく検出信号は、検出素子２１からアンプ５ａ（図１参照）に送られる。

なお、対物レンズ４のヨーク部２６内にはコイル部２５が備えられている。このコイル部２５には、レンズ電源４ａ（図１参照）からレンズ駆動用の電流が供給される。また、対物レンズの先端２７は試料６と対向しており、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に入射した電子ビーム８は、当該先端２７を通過して試料６に到達する。ここで、対物レンズ４は、接地電位となっている。

次に、図３を参照して、本発明における電子検出器の第１実施例について説明する。この電子検出器５には、連続して形成された検出素子２１が絶縁層（図示せず）を介して金属製の環状体２２に設けられている。そして、同図に示すごとく、環状体２２には、切換スイッチＳ１を介して接地電位もしくは正のバイアス電位が印加できるようになっている。このバイアス電位は可変となっており、所望の電位の設定が可能となっている。

図３に示す状態では、切換スイッチＳ１の可動接点Ｔ１は接点Ｐ１に接触しており、これにより環状体２２は接地電位とされている。この状態で、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に引き込まれた被検出電子９は、接地電位とされた環状体２２に引き寄せられる。この結果、当該被検出電子９は、検出素子２１により検出される。

ここで、検出素子２１による被検出電子９の検出効率をさらに上げる場合には、切換スイッチＳ１の切換動作を行って可動接点Ｔ１を接点Ｑ１に接触させ、これにより環状体２２に正のバイアス電位を印加する。この結果、被検出電子９は、正電位とされた環状体２２にさらに引き寄せられることとなり、検出素子２１による検出効率が向上する。

次に、図４を参照して、本発明における電子検出器の第２実施例について説明する。この電子検出器５においては、環状体２２の貫通孔に、電子ビーム８の光軸に沿って互いに離間して個別に配置された複数の検出素子３１が多段に設けられている。これら複数の検出素子３１は、絶縁層（図示せず）を介して環状体２２に固定されている。

各検出素子３１について、個別に検出信号がアンプ５ａに出力されるようになっている。これにより、環状体２２の内側面において、各位置の検出素子３１ごとの被検出電子９の検出結果がわかる。よって、環状体２２の内側面における特定の位置範囲にある複数の検出素子３１を指定し、当該位置範囲での被検出電子９の検出結果を取得することができる。従って、被検出電子９のうちの二次電子及び反射電子の当該内側面における検出位置範囲が異なる場合には、何れか一方の被検出電子のみについての検出結果を得ることができる。

すなわち、環状体２２の内側面における試料６に近い側の位置範囲では、試料６から発生した二次電子が主に検出される。試料６からの二次電子を検出することにより試料６の表面情報を得ることができるので、表面情報を取得したい場合には、当該位置範囲にある複数の検出素子３１を指定し、二次電子を選択検出する。

また、環状体２２の内側面における試料６から遠い側の位置範囲では、試料６から発生した反射電子が主に検出される。試料６からの反射電子を検出することにより試料６の組成情報を得ることができるので、組成情報を取得したい場合には、当該位置範囲にある複数の検出素子３１を指定し、反射電子を選択検出する。

さらに、この第２実施例においても、環状体２２には、切換スイッチＳ２を介して接地電位もしくは正のバイアス電位が印加できるようになっている。そして、このバイアス電位は可変となっており、所望の電位の設定が可能となっている。

図４に示す状態では、切換スイッチＳ２の可動接点Ｔ２は接点Ｐ１に接触しており、これにより環状体２２は接地電位とされている。この状態で、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に引き込まれた被検出電子９は、接地電位とされた環状体２２に引き寄せられる。この結果、当該被検出電子９は、検出素子２１により検出される。

ここで、検出素子２１による被検出電子９の検出効率をさらに上げる場合には、切換スイッチＳ２の切換動作を行って可動接点Ｔ２を接点Ｑ２に接触させ、これにより環状体２２に正のバイアス電位を印加する。この結果、被検出電子９は、正電位とされた環状体２２にさらに引き寄せられることとなり、検出素子２１による検出効率が向上する。

さらに、図５を参照して、上記第２実施例における変形例について説明する。図５は、当該変形例における電子検出器の断面の一方側を示す図である。

同図に示すごとく、電子検出器５を構成する環状体３２の内側面には複数の凸部３２ａが形成されている。そして、各凸部３２ａにおける被検出電子９が入射する側の面３２ｂには、検出素子３１が個別に設けられている。

従って、各検出素子３１は、被検出電子９の入射方向に面するように傾斜して配置されることとなる。この構成により、各検出素子３１による被検出電子９の検出効率をさらに向上させることができる。なお、この変形例においても、上述のごとく環状体３２に正のバイアス電位を印加したり、接地電位とすることができるようにしても良い。

そして、本発明におけるビーム装置は、図１に示すように対物レンズ４を介して一次ビームである電子ビーム８を試料６に照射し、これにより試料６から発生した被検出電子９の検出を行うものであって、図２に示すように、対物レンズ４において電子ビーム８が通過するビーム通過孔２４内に上記電子検出器５のうちの何れかを備えた装置である。これにより、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に引き込まれた被検出電子９を、当該電子検出器５によって効率良く検出することができる。

次に、図６を参照して、本発明におけるビーム装置の第１の変形例について説明する。同図に示すごとく、対物レンズ４のビーム通過孔２４内において、電子検出器５が配置されているとともに、この電子検出器５を間に挟んで電子ビーム（一次ビーム）８の照射方向での下流側には第１の電極４１が設けられており、さらに当該照射方向での上流側には第３の電極４３が設けられている。これら第１及び第３の電極４１，４３も、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に配置されている。

第１の電極４１は、電子ビーム８が通過する貫通孔が形成された環状の形状を備えている。また、第３の電極４３も、同様に電子ビーム８が通過する貫通孔が形成された環状の形状を備えている。

そして、第１の電極４１には第１の負のバイアス電圧が印加されるとともに、第３の電極４３には第３の負のバイアス電圧が印加される。図６に示す例では、電子検出器５は接地電位とされている。なお、各バイアス電圧は可変となっており、適宜設定可能であるが、第３の負のバイアス電圧の大きさ（絶対値）は、第１の負のバイアス電圧の大きさよりも大きく設定される。

この場合でのポテンシャルの分布図が、同図の左側に示されている。この分布図において、−Ｚ方向は電子ビーム８の照射方向（垂直下方方向）に対応し、ポテンシャルの方向は負電位の大きさに対応する。

図６の例において、被検出電子９に含まれる二次電子９ａは、第１の負のバイアス電圧が印加された第１の電極４１によるポテンシャルの障壁を通過することができない。一方、二次電子９ａよりもエネルギーが高い反射電子９ｂは、当該ポテンシャルの障壁を通過することができ、当該通過後、電子検出器５により検出される。なお、電子検出器５を間に挟んで第１の電極４１の反対側には第３の電極４３が配置されており、この電極４３に印加された第３の負のバイアス電圧によるポテンシャルによって、反射電子９ｂの上方へのさらなる移動が妨げられる。これにより、電子検出器５による反射電子９ｂの検出を効率良く行うことができる。

このような構成によれば、二次電子９ａを除外した状態で反射電子９ｂのみの検出を確実かつ効率良く行うことができる。

さらに、図７を参照して、本発明におけるビーム装置の第２の変形例について説明する。同図に示す例においても、対物レンズ４のビーム通過孔２４内において、電子検出器５が配置されているとともに、この電子検出器５を間に挟んで電子ビーム（一次ビーム）８の照射方向での下流側には第１の電極４１が設けられており、さらに当該照射方向での上流側には第３の電極４３が設けられている。

第１の電極４１及び第３の電極４３は、電子ビーム８が通過する貫通孔が形成された環状の形状を備えている。

さらに、この例においては、第１の電極４１の下流側には、第２の電極４２が設けられている。この第２の電極４２も、同様に電子ビーム８が通過する貫通孔が形成された環状の形状を備えている。これらこれら第１、第２及び第３の電極４１，４２，４３も、対物レンズ４のビーム通過孔２４内に配置されている。

そして、第１の電極４１には正のバイアス電圧が印加されるとともに、第２の電極４２には第２の負のバイアス電圧が印加される。図７に示す例では、電子検出器５は接地電位とされている。なお、各バイアス電圧は可変となっており、適宜設定可能であるが、第３の負のバイアス電圧の大きさは、第２の負のバイアス電圧の大きさよりも大きく設定される。

この場合でのポテンシャルの分布図が、同図の左側に示されている。この分布図においても、−Ｚ方向は電子ビーム８の照射方向（垂直下方方向）に対応し、ポテンシャルの方向は負電位の大きさに対応する。

図７の例において、被検出電子９に含まれる二次電子９ａは、第２の負のバイアス電圧が印加された第２の電極４２によるポテンシャルの障壁を通過することができない。一方、二次電子９ａよりもエネルギーが高い反射電子９ｂは、当該ポテンシャルの障壁を通過することができる。このとき、反射電子９ｂは、第１の電極に印加された正のバイアス電圧により加速されることとなり、当該ポテンシャルの障壁をより確実に通過することができる。

さらに、当該ポテンシャルの障壁を通過した反射電子９ｂは、当該正のバイアス電圧により加速された結果、運動エネルギーが高い状態となって電子検出器５の検出素子に衝突されて検出されので、検出効率が向上する。なお、電子検出器５を間に挟んで第１の電極４１の反対側には第３の電極４３が配置されており、この電極４３に印加された第３の負のバイアス電圧によるポテンシャルによって、反射電子９ｂの上方へのさら移動が妨げられる。これにより、電子検出器５による反射電子９ｂの検出をさらに効率良く行うことができる。

このような構成によれば、二次電子９ａを除外した状態で反射電子９ｂのみの検出をより確実かつ効率良く行うことができる。

なお、上記各変形例において、必要があれば、電子検出器５に正のバイアス電圧を印加するようにしても良い。

このように、本発明においては、対物レンズのビーム通過孔に配置される電子検出器は、一次ビームが通過する貫通孔を有する環状体からなり、当該環状体の内側面が被検出電子を検出するための検出面となっている。

この場合、この場合、対物レンズのビーム通過孔において、当該環状体の貫通孔の軸はビーム光軸に沿うこととなるので、この環状体によって電子ビームによる観察視野に制約が生じることはない。ここで、環状体からなる電子検出器が、ビーム光軸を中心として軸対称となる位置に配置されるので、電子ビームの軸補正を小さくすることができる。

そして、環状とされた電子検出器を対物レンズのビーム通過孔内に配置しているので、電子検出器が占有するスペースが小さくできるとともに、被検出電子の検出面積を大きくすることができ、また電子検出器が信号源となる試料表面に接近しかつ信号（被検出電子）自体を取り囲む構成となっているので、検出効率が向上する。

また、複数段の検出素子と電極への電圧印加の組み合わせにより、混合する二次電子及び反射電子のエネルギー帯を連続的に調整することができ、観察目的に応じた画像の最適なコントラストを得ることが可能となる。

さらに、０．５〜２．０ｋＶ程度の低エネルギーの反射電子の検出効率を上げることが可能となる。

そして、複数の検出素子を多段に配置することにより、放出角度に依存した反射電子の検出を行うことが可能となる。

なお、上記の例においては、環状体は一体のものであったが、これに限らす、当該環状体は、貫通孔の軸方向と平行な複数の境界線により分割された複数の構成体から組み立てられ、個々の構成体ごとに個別に被検出電子の検出が行えるようにしてもよい。

本発明に基づくビーム装置を示す概略構成図である。 対物レンズ内に配置された電子検出器を示す図である。 本発明に基づく電子検出器の第１実施例を示す図である。 本発明に基づく電子検出器の第２実施例を示す図である。 本発明に基づく電子検出器の第２実施例の要部を示す図である。 本発明に基づくビーム装置の第１の変形例を示す図である。 本発明に基づくビーム装置の第２の変形例を示す図である。

符号の説明

１…電子銃、２…集束レンズ、３…走査コイル、４…対物レンズ、５…電子検出器、６…試料、７…ステージ機構、８…電子ビーム（一次ビーム）、９…被検出電子、２１…検出素子、２２…環状体、２４…ビーム通過孔

Claims (10)

1. 対物レンズのビーム通過孔に配置され、当該ビーム通過孔を通過した一次ビームが照射された試料から発生する被検出電子の検出を行う電子検出器であって、一次ビームが通過する貫通孔を有する環状体からなり、当該環状体の内側面が被検出電子を検出するための検出面となっている電子検出器。
2. 環状体の内側面には、一次ビームの光軸に沿って互いに離間して配置された複数の検出素子が多段に設けられていることを特徴とする請求項１記載の電子検出器。
3. 各検出素子は、被検出電子の入射方向に面するように傾斜して設けられていることを特徴とする請求項２記載の電子検出器。
4. 対物レンズのビーム通過孔を通過した一次ビームを試料に照射し、これにより試料から発生した被検出電子の検出を行うビーム装置において、請求項１乃至３何れか記載の電子検出器を当該ビーム通過孔に備えたことを特徴とするビーム装置。
5. 対物レンズのビーム通過孔において、電子検出器の下流側には、一次ビームが通過する貫通孔が形成された環状の第１の電極が配置されていることを特徴とする請求項４記載のビーム装置。
6. 第１の電極には、負のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項５記載のビーム装置。
7. 対物レンズのビーム通過孔において、第１の電極の下流側には、一次ビームが通過する貫通孔が形成された環状の第２の電極が配置されていることを特徴とする請求項５記載のビーム装置。
8. 第１の電極には正のバイアス電圧が印加され、第２の電極には負のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項７記載のビーム装置。
9. 電子検出器には、正のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項４乃至８何れか記載のビーム装置。
10. 対物レンズのビーム通過孔において、電子検出器の上流側には、一次ビームが通過する貫通孔が形成された環状の第３の電極が配置され、当該第３の電極には負のバイアス電圧が印加されることを特徴とする請求項５乃至９何れか記載のビーム装置。
    

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