JP2008078142A - 荷電粒子ビーム器具および荷電粒子を検出する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 荷電粒子ビーム器具（１０）が提供される。
【解決手段】 器具は、荷電粒子光学コラム（１２）と、電圧源と、検出器（１４）と、試料ホルダ（１８）とを含み、コラム（１２）は、一次荷電粒子のビームを試料ホルダ（１８）上の試料（２０）に向けて、二次荷電粒子を試料から放出させるよう機能し、電圧源は、第２の荷電粒子を検出器（１４）に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍において確立するよう機能し、検出器は、二次荷電粒子を検出するよう機能し、器具はさらに、第１の電圧と第２の電圧との間で可変であることにより検出器（１４）によって検出される二次荷電粒子の数を増大させるさらなる電圧源（１６）を含み、第１の電圧は、二次荷電粒子を試料から引離してそれらの少なくともいくつかが試料（２０）または試料ホルダ（１８）に衝突することを防止する電界の成分を確立し、第２の電圧は、二次荷電粒子を試料の方に引寄せてそれらの少なくともいくつかがコラム（１２）に衝突することを防止する電界の成分を確立する。
【選択図】図２

Description

発明の分野
この発明は、荷電粒子ビーム器具、特に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と、そのような器具において試料から放出される荷電粒子を検出する方法とに関する。

発明の背景
公知の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、電子光学コラムと、電圧源と、エバーハート−ソーンリー（Everhart-Thornley）検出器と、試料ホルダとを含む。コラムは、試料ホルダ上の試料に一次電子のビームを向けて、二次電子を試料から放出させるよう機能する。電圧源は、二次電子を検出器の方に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍に確立するよう機能する。検出器は、二次電子のいくつかを検出するよう機能する。

ＳＥＭの重要な特徴はその解像力である。一般的に、最も小さなスポットサイズ（スポットサイズとは、試料の表面での一次電子のビームの直径である）は、短い作動距離で得られる（作動距離とは、試料から、コラムの対物レンズの試料に近い方の端部までの距離である）。なぜならば、最適な集束角（semi angle）が維持され得るのであれば、作動距離が短くなるほど収差係数が小さくなるからである（集束角とは、一次電子のビームが試料の表面で集束されるのに従って形成される円錐の先端によって含まれる角度である）。したがってＳＥＭは典型的には短い作動距離で用いられる。

しかしながら、検出器によって検出される二次電子の数もまた、短い作動距離では減少する。なぜならば、二次電子は、試料ホルダとコラムの対物レンズの磁極片とによって電界から遮蔽されるからである。

ほとんどの二次電子が２ｅＶから５ｅＶまでの運動エネルギしか有しないので、コラムの対物レンズの強い磁界は、特にビームエネルギが高い場合に、ほとんどの二次電子を螺旋状に上昇させるか、または試料、試料ホルダもしくはコラムに衝突させ、その結果、検出器によって検出される二次電子の数がさらに減少する。

発明の概要
この発明の第１の局面に従うと、荷電粒子ビーム器具が提供され、荷電粒子ビーム器具は、荷電粒子光学コラムと、電圧源と、検出器と、試料ホルダとを含み、コラムは、一次荷電粒子のビームを試料ホルダ上の試料に向けて、二次荷電粒子を試料から放出させるよう機能し、電圧源は、二次荷電粒子を検出器の方に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍に確立するよう機能し、検出器は、二次荷電粒子を検出するよう機能し、器具はさらに、第１の電圧と第２の電圧との間で可変であることにより検出器によって検出される二次荷電粒子の数を増大させるさらなる電圧源を含み、第１の電圧は、二次荷電粒子を試料から引離してそれらの少なくともいくつかが試料または試料ホルダに衝突することを防止する電界の成分を確立し、第２の電圧は、二次荷電粒子を試料の方に引寄せてそれらの少なくともいくつかがコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立する。

この発明は、公知の器具よりも多くの二次荷電粒子を検出することが可能である荷電粒子ビーム器具を提供できる。なぜならば、さもなければ検出器によって検出される前に試料、試料ホルダまたはコラムに衝突するであろう二次荷電粒子の少なくともいくつかは、
さらなる電圧源により確立された電界の成分により、そのように衝突することを妨げられるからである。

典型的には、さらなる電圧源は、第２の荷電粒子の挙動が主にコラムの対物レンズの磁界によって決定される場合に第１の電圧で動作して、二次荷電粒子の少なくともいくつかが試料または試料ホルダに衝突することを防ぐ。さらなる電圧源は、二次荷電粒子の挙動が主に電界によって決定される場合に第２の電圧で動作して、二次荷電粒子の少なくともいくつかがコラムに衝突することを防ぐ。

荷電粒子光学コラムは、好ましくは電子光学コラムである。
この発明の好ましい実施例においては、荷電粒子ビーム器具は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）であって、その荷電粒子光学コラムは、一次電子のビームを試料に向けて二次電子を試料から放出させるよう機能する電子光学コラムである。

検出器は有利には、それに衝突する光子に反応することにより、二次荷電粒子のいくつかを検出するよう機能し、光子は、試料ホルダと検出器との間の、二次荷電粒子のいくつかと気体分子との衝突の結果として生成される。

これに代えて、または付加的に、検出器は有利には、それに衝突する二次荷電粒子に反応することにより、二次荷電粒子のいくつかを検出するよう機能する。

電圧源は有利には、検出器の一部を形成し得る。
好ましい実施例においては、検出器は、コラムの対物レンズの磁極片の側方で、電子光学コラムの外部に位置する。

この発明の好ましい実施例においては、検出器はエバーハート−ソーンリー検出器である。

さらなる電圧源は好ましくは、第１の電圧と第２の電圧との間で連続的に可変である。
一次荷電粒子のビームが試料に向けられる場合、二次荷電粒子は、試料の表面に対してほぼ平行な角度から直交する角度までという、試料の表面に対する広範な角度で放出される。試料の表面に対してたとえば６０°の角度で放出される二次荷電粒子のいくつかがコラムに衝突することを防止する大きさの電界の成分は、試料の表面に対してたとえば３０°の角度で放出される二次荷電粒子を試料または試料ホルダに衝突させ得る。

反対に、試料に衝突させることなく、試料の表面に対して３０°の角度で放出される二次荷電粒子のいくつかがコラムに衝突することを防止する大きさの電界の成分は、試料の表面に対して６０°の角度で放出される二次荷電粒子がコラムに衝突することを防止しない。

さらなる電圧源が第１の電圧と第２の電圧との間で連続的に可変である場合、器具のユーザは、試料の表面に対して特定の角度または角度範囲で放出される二次荷電粒子の少なくともいくつかが、試料、試料ホルダまたはコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立するように、さらなる電圧源の電圧を設定することが可能である。

典型的には、ユーザは、試料の表面から最大数の二次荷電粒子が放出される試料表面に対する角度または角度範囲で放出される二次荷電粒子の少なくともいくつかが、試料、試料ホルダまたはコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立するように、さらなる電圧源の電圧を設定するであろう。この態様で、検出器によって検出される二次荷電粒子の数の最大の増加が得られると考えられる。

これに代えて、ユーザは、さもなければ二次荷電粒子を試料、試料ホルダまたはコラムに衝突させるであろう試料の表面に対する角度または角度範囲で放出される二次荷電粒子の少なくともいくつかが検出器によって検出されることを可能にする電界の成分を確立するように、さらなる電圧源の電圧を設定してもよい。この態様で、公知の器具を用いた場合には得られない、試料に関する情報が得られると考えられる。

さらなる電圧源が第１の電圧と第２の電圧との間で連続的に可変である場合、器具は有利には、検出器の出力を最大化するように、第１の電圧と第２の電圧との間でさらなる電圧源の電圧を変化させるよう機能するコントローラを含む。

コラムは、コラム内で磁界を発生して一次荷電粒子のビームを試料の表面に対して集束および走査するための磁気コイルを含む。コラムの対物レンズからの磁束の漏れは、試料の近傍においてコラムの対物レンズの外部に、磁界を延在させる。磁界は、二次荷電粒子に螺旋を描かせる。

一次荷電粒子のビームを集束しかつ走査するために要求される磁界の強度は、ビームを構成する荷電粒子の運動エネルギに依存する。比較的高い運動エネルギを備えた一次荷電粒子のビームについては、比較的強い磁界が要求されるのに対し、比較的低い運動エネルギを備えた一次荷電粒子のビームについては、比較的弱い磁界が要求される。こうして、試料の近傍における磁界の強度は、一次荷電粒子の運動エネルギに依存する。

特定の運動エネルギを備えた二次荷電粒子については、荷電粒子によって描かれる螺旋の直径は磁界の強度に反比例する。

こうして、一次荷電粒子が比較的高い運動エネルギを有する場合、試料の近傍における磁界は比較的強く、二次荷電粒子は比較的小さな直径の螺旋を描く。

試料から、試料の表面に対して小さな角度で比較的強い磁界内に放出される二次荷電粒子は、試料または試料ホルダに螺旋状に入り込み得る。そのような二次荷電粒子は、二次荷電粒子を試料から引離す電界の成分によって、試料または試料ホルダに螺旋状に入り込むことを妨げられる。

一方、一次荷電粒子が比較的低い運動エネルギを有する場合、試料の近傍における磁界は比較的弱く、二次荷電粒子は比較的大きな直径の螺旋を描く。

試料から、試料の表面に対して大きな角度で比較的弱い磁界内に放出される二次荷電粒子は、コラムに螺旋状に入り込み得る。そのような二次荷電粒子は、二次荷電粒子を試料の方に引寄せる電界の成分によって、コラムに螺旋状に入り込むことを妨げられる。

したがって、さらなる電圧源を用いて、比較的低い運動エネルギを備えた一次荷電粒子によって構成されるビームおよび比較的高い運動エネルギを備えた一次荷電粒子によって構成されるビームの両方について、二次荷電粒子の少なくともいくつかが、試料、試料ホルダまたはコラムに衝突することを防止し得る。

さらに、さらなる電圧源は、一次荷電粒子の運動エネルギと、二次荷電粒子の運動エネルギと、二次荷電粒子が放出される試料の表面に対する角度とのさまざまな条件下で、二次荷電粒子が試料、試料ホルダまたはコラムに衝突することを防止し得る。

数学的モデル化の結果、かつ二次荷電粒子の粒子の運動エネルギが３ｅＶであると仮定
すれば、この発明の第１の局面に従った器具を用いることにより、検出器によって検出される二次荷電粒子の数における５０％を超える上昇が可能であると考えられる。

この発明の好ましい実施例において、さらなる電圧源は５０Ｖの範囲を超えて可変である。

有利には、さらなる電圧源は、コラムの対物レンズと試料ホルダとの間に位置する電極に接続される。

有利には、電極は開口部を備えて形成され、一次荷電粒子のビームが電極を通って試料に向けられるように、対物レンズに対して位置する。

好ましくは、開口部は実質的に円形であって、電極は、コラムの光軸が開口部の中央を通過するように、対物レンズに対して位置する。

この電極の構成が有利であるのは、電極による電界の成分がコラムの光軸を中心として実質的に対称的であるからである。したがって電極による電界の成分は、特に低い運動エネルギを備えた荷電粒子のビームの場合にコラムと試料との間に位置する電極から生じることが予期されるものである、一次荷電粒子のビームの非点収差を引起さない（非点収差とは、試料においてビームを非円形にさせる、ビームの変形である）。

これに代えて、または付加的に、有利には、さらなる電圧源はコラムの対物レンズおよび／または試料ホルダに接続されてもよい。

さらなる電圧源が対物レンズと試料ホルダとの両方に接続されることは、想定はされるが、典型的にはこれは一方または他方に接続されるであろう。

さらなる電圧源が対物レンズに接続される場合、試料ホルダは典型的には電気接地に接続されるであろう。さらなる電圧源が試料ホルダに接続される場合、対物レンズは典型的には電気接地に接続されるであろう。

この発明の好ましい実施例においては、さらなる電圧源は試料ホルダに接続され、対物レンズは電気接地に接続され、さらなる電圧源は＋２５Ｖから−２５Ｖの間で可変である。

この発明の第２の局面に従うと、荷電粒子を検出する方法が提供される。方法は、一次荷電粒子のビームを荷電粒子光学コラムから試料に向けて、二次荷電粒子を試料から放出させるステップと、二次荷電粒子を検出器の方に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍に確立するステップと、検出器によって二次荷電粒子の少なくともいくつかを検出するステップとを含み、方法はさらに、二次荷電粒子を試料から引離してそれらの少なくともいくつかが試料に衝突することを防止するか、または二次荷電粒子を試料の方に引寄せてそれらの少なくともいくつかがコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立することにより、検出器によって検出される二次荷電粒子の数を増大させるステップを含む。

二次荷電粒子を試料から引離すかまたは試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップは、有利には、二次荷電粒子の挙動が主にコラムの対物レンズの磁界によって決定される場合に二次荷電粒子を試料から引離す電界の成分を確立するステップと、二次荷電粒子の挙動が主に電界によって決定される場合に二次荷電粒子を試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップとを含む。

これに代えて、または付加的に、有利には、二次荷電粒子を試料から引離すかまたは試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップは、成分の大きさおよび方向を、二次荷電粒子の少なくともいくつかが放出される試料の表面に対する角度または角度範囲、ビームの一次荷電粒子の運動エネルギおよび／または二次荷電粒子の運動エネルギもしくは運動エネルギ範囲に従って決定するステップを含む。

この発明を、例示のために、添付の図面を参照して説明する。

実施例の詳細な説明
図１は、カール・ツァイス（Carl Zeiss）ＥＶＯ走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の部分２を示す。部分２は、電子光学コラム４の対物レンズの磁極片３と、試料ホルダ６上に載置される試料５と、エバーハート−ソーンリー二次電子検出器８の加速電極７とを含む。検出器８は、コラム４の外部であって、コラム４の対物レンズの磁極片３の側部に位置する。

以下の式を用いて、ＳＥＭにおける電界および磁界（非相対論的）における電子の運動をモデル化する。

ここで、ｅは電子の電荷であって、ｖは電子の速度であって、Ｂは磁束密度であって、Ｅは静電界強度であって、ｍは電子の質量であって、ａは電子の加速度であって、ｔは時間を示し、ｘ、ｙおよびｚは、速度、磁束密度、静電界強度および加速度の成分を示す。

ＳＥＭで生じる場のほとんどについて、これらの式の解析解は可能ではないので、これらはモデルの目的について有限差分要素法によって数値的に解かれる。

試料からの二次電子放出の角度分布についてランバートの余弦則を適用して、以下の式を用いて試料から放出される二次電子の合計数をモデル化する。

ここでθは試料の表面に対する二次電子の放出の極角であって、φは二次電子検出器に対する二次電子の放出の角度であり、かつ、以下のとおりである。

検出される電子の数は以下により得られる。

これらの式は、Δφ→ｄφおよびΔθ→ｄθについて厳密である。
このモデルを用いて、二次電子検出器に対して角度φ＝０°かつ試料の表面に対してθ＝０，５，１０，…，８５，９０°で放出される二次電子が検出器に到達するか否かを判断し、次いで、角度φ＝１０°かつθ＝０，５，１０，…，８５，９０°で放出される二次電子が検出器に到達するか否かを判断し、以下同様にφ＝３５０°まで判断する。上述のようにΔθ＝５°およびΔφ＝１０°を用い、かつランバートの余弦則を考慮しなければ、６８４の二次電子（Δθの１９の値をΔφの３６の値に乗ずる）の挙動がモデル化される。

以下の表１は、ランバートの余弦則を考慮した、θ＝０，５，１０，…，８５，９０°について放出される二次電子の合計数を示す。

ＳＥＭをモデル化した場合、θの値とφの値との組合せごとに１つの二次電子しか放出されないと仮定されることが理解されるであろう。一旦ランバートの余弦則がモデルに含められると、これはθの各値で試料から放出される二次電子の数について非整数の値をもたらす。もちろん、実際のＳＥＭにおいてθの値とφの値との任意の組合せで放出される二次電子の数は、１よりも大きな数オーダの大きさであって、統計的分布によって求められ、二次電子の整数をもたらすであろう。しかしながらこれは、異なった条件下で検出される二次電子の数の比率のみに関係するものであるモデルの有用性を損なうものではなく。

また、二次電子が広い範囲の運動エネルギを備えた試料から放出されること、および、試料から放出される二次電子の合計数をモデル化するために用いられた式を二次電子が試料から放出される運動エネルギの範囲にわたり二次電子の運動エネルギについて以下の数式に従って積分することにより、このモデルが改良され得ることが認識されるであろう。

しかしながら、運動エネルギの各値で試料から放出される二次電荷の数、すなわち、

が未知であるので、近似として、二次電子は３ｅＶの平均運動エネルギで試料から放出されると仮定する。

モデルの目的で、コラム４の対物レンズの磁極片３の開口部の中心から加速電極７の端部の中心までの距離は、約１９ｍｍであると仮定する。

以下の表２は、試料ホルダ６に印加される０，−５，−１０，−１５および−２０Ｖの電圧で検出器８によって検出される二次電子の合計数を示す。モデルは、３０ｋｅＶのビームエネルギ（すなわち一次電子の運動エネルギ）と、２ｅＶの二次電子の運動エネルギと、試料に近い側の磁極片の端部から２４６ｍｍで開始するビームを集束させるであろうものに対応するコラムの対物レンズの磁界と、検出器８の加速電極７および電気接地に接続されるコラムの対物レンズの磁極片３に印加される＋４００Ｖの電圧とを仮定する。表の下から２つ目の行は、試料から放出される二次電子の合計数から計算される、試料ホルダに印加される電圧ごとの検出器の検出効率のパーセンテージを示し、表の最後の行は、０Ｖの電圧が試料ホルダに印加された場合と比較した、試料ホルダに印加される電圧ごとの検出器の検出効率における向上のパーセンテージを示す。ランバートの余弦則の影響は放出された二次電子の数に既に含まれており、よって検出された二次電子の数に含まれている。

以下の表３は、表２と同じ条件であるが二次電子の運動エネルギが３ｅＶであると仮定した、検出器によって検出される二次電子の合計数と、効率のパーセンテージと、検出器の効率における向上とを示す。

説明のために、上の表３における、試料の表面に対する角度が２５°で、試料ホルダに印加される電圧が０Ｖである場合に試料から放出される二次電子の検出数についての値０．６７７９１３は、以下のように計算される。

ここで、数「１１」はモデルによって計算された（３６のうち）検出される電子の数である。

以下の表４は、表２および表３と同じ条件であるが、二次電子の運動エネルギが４ｅＶであると仮定した、検出器によって検出される二次電子の合計数と、効率のパーセンテージと、効率における向上とを示す。

以下の表５は、表２から表４と同じ条件であるが、二次電子の運動エネルギが５ｅＶであると仮定した、検出器によって検出される二次電子の合計数と、効率のパーセンテージと、効率における向上（当てはまる場合）とを示す。

以下の表６は、試料ホルダ６に０、＋１、＋２、＋３および＋４Ｖの電圧が印加された場合の、検出器によって検出される二次電子の合計数と、効率のパーセンテージと、検出器の効率における向上とを示す。モデルは、１ｋｅＶのビームエネルギと、３ｅＶの二次電子の運動エネルギとを仮定する。対物レンズの磁界、検出器に印加される電圧、および試料ホルダの接地は上述のものと同様である。

表３からわかるように、数学的モデルは、この発明の第１の局面に従ったＳＥＭが、（二次電子の挙動が主に対物レンズの磁界によって決定される）高いエネルギの一次電子ビームで用いられた場合に、公知の器具よりも５７％近く多い二次電子（３ｅＶ）を検出可能であると予測する。表６はまた、この発明のＳＥＭが、（二次電子の挙動が主に検出器の加速電極による電界の成分によって決定される）低いエネルギの一次電子ビームで用いられた場合に、公知の器具よりも５０％近く多い二次電子（３ｅＶ）を検出可能であることを示す。

図１ａを参照すると、ＳＥＭの形でのこの発明の第１の局面に従った第１の荷電粒子ビーム器具の部分１０が示される。部分１０は、電子光学コラム１２の形での荷電粒子光学コラムと、エバーハート−ソーンリー検出器１４の形での検出器と、電子光学コラム１２の対物レンズの磁極片２２と試料２０が載置される試料ホルダ１８との間に位置する環状電極１７に結合されるさらなる電圧源１６とを含む。環状電極１７は、一次電子のビーム（図示せず）が環状電極１７を通って試料２０に向けられるように、試料２０の上方に位置する。コラム１２はまた、一次電子のビームを試料２０に対して集束しかつ走査する磁界を生成するための磁気コイル（図示せず）をも含む。

エバーハート−ソーンリー検出器１４は、電圧源（図示せず）に接続される加速電極２４を含む。電圧源によって加速電極２４に印加される＋４００Ｖの電圧は、試料ホルダ１８と磁極片２２との間に電界を生じさせ、この電界は、試料２０から放出される二次電子を検出器１４の方に引寄せる成分を有する。

コラム１２、エバーハート−ソーンリー検出器１４および試料ホルダ１８の構造および動作は詳細には説明していない。なぜならば、それらは上で説明したカール・ツァイスＥＶＯのような公知のＳＥＭにおける要素の構造および動作と同様だからであり、それは荷電粒子ビーム器具の分野における当業者が熟知しているものである。

さらなる電圧源１６は、＋２５Ｖおよび−２５Ｖの電圧供給と、これらの電圧供給間に接続される分圧器とを含む。分圧器は、＋／−２５Ｖの範囲における出力電圧を生成するよう機能する。分圧器の出力は環状電極１７に接続される。磁極片２２は電気接地に接続される。

図２は、この発明の第１の局面に従った第２のＳＥＭの部分１０を示す。第２のＳＥＭは、環状電極が存在せず、さらなる電圧源１６の分圧器の出力が試料ホルダ１８に接続される点以外では、第１のＳＥＭと同一である。図２においては、第１および第２のＳＥＭについて共通する要素は同じ参照番号で示す。

図３は、図２のＳＥＭと同様の構造であるがさらなる電圧源１６を備えない、公知のＳＥＭの部分３０を示す。部分３０は、コラム３２と、エバーハート−ソーンリー検出器３４と、試料４０が載置される試料ホルダ３８とを含む。図３のＳＥＭは、コラム３２からの一次電子のビーム（図示せず）が試料４０に向けられて使用されている。一次電子は約１ｋｅＶの運動エネルギを有する。二次電子は、一次電子が試料に向けられる結果として、試料の表面に対するあらゆる角度で試料から放出されることが認識されるであろう。しかしながら、明確化のために、図３においては試料の表面に対して６０°の角度で放出される二次電子のみを示し、それらを総じて参照番号４２で示す。

コラム３２の内部からコラム３２の対物レンズの磁極片３３を通るいくらかの磁束の漏れが存在する。磁束の漏れは、磁極片３３と試料４０との間に磁界を延在させる。この磁界は磁極片３３のごく近傍において比較的強く、試料４０のごく近傍において比較的弱い。

試料４０とコラムの対物レンズの磁極片３３との間の磁界を通って移動する二次電子は螺旋を描き、螺旋の直径は、二次電子が通って移動する場の領域における磁界の強度に反比例する。こうして、試料４０のごく近傍においては、螺旋の直径は比較的大きいのに対し、磁極片３３のごく近傍においては螺旋の直径は比較的小さい。

同時に、試料４０と磁極片３３との間を移動する二次電子は、検出器の加速電極３５に印加される＋４００Ｖの電圧から生じる電界の成分によって検出器３４の方に引寄せられる。

試料の表面に対して６０°の角度で試料４０から放出される二次電子のうちの１つによって描かれる経路は図４に示され、これを総じて参照番号４４で示す。

図４からは明白ではないが、電子によって描かれる経路４４は、３つの互いに直交する方向の各々における成分を有する。第１の方向（ｘ方向）は試料４０の表面に対し平行であり、かつ図４の平面に対し平行である。第２の方向（ｙ方向）は、試料の表面に対し平行であり、かつ図４の平面に対し直交する。第３の方向（ｚ方向）は、試料の表面に対し直交し、かつ図４の平面に対し平行である。これらの方向は、この説明の残りを通して用いられる。

説明のために、図面の左から右に向かう運動は正のｘ方向にあると考え、図面の平面に
入る運動は正のｙ方向にあると考え、図面の上部から下部に向かう運動は正のｚ方向にあると考える。

電子の経路４４は、最初部分４６と、中間部分４８と、最終部分５０とからなる。最初部分４６の間、電子は試料の表面から放出され、磁界を通って磁極片３３の大まかな方向において試料４０から遠ざかるように移動する。磁界を通る電子の運動は、それに螺旋を描かせる。

したがって、経路４４の最初部分４６は、正のｘおよび負のｙ方向において、ならびに負のｚ方向において成分を有する螺旋の部分からなる。螺旋は比較的大きいが小さくなる直径を有する。なぜならば、電子は、試料４０のごく近傍における磁界の比較的弱い領域から、磁極片３３のごく近傍における磁界の比較的強い領域に移動するからである。

正のｘ方向における螺旋の成分の大きさは、検出器３４の加速電極３５に印加される電圧から生じる電界の成分によって増大される。

中間部分４８の間に、電子は磁界の比較的強い領域を移動し、これは電子に比較的小さな直径の螺旋の部分を描かせる。それにより、電子の経路は、中間部分４６の始まりで負のｚ方向における成分と、中間部分の終わりで正のｚ方向における成分とを有する。中間部分を通して、電子の経路は負のｙ方向における成分を有する。

経路４４の最終部分５０は、負のｙおよび正のｚ方向における成分を有する螺旋の部分からなる。最終部分の始まりでは、経路は負のｘ方向における成分を有するが、最終部分の終わりでは、検出器の加速電極によって確立される電界の成分のために、正のｘ方向における成分を有する。螺旋の部分は、比較的大きく次第に大きくなる直径であるが、なぜならば電子は磁界の比較的強い領域から比較的弱い領域に移動するからである。最終部分５０の終わりでは、電子は、電子が最初部分４６の始まりで放出されたポイントから正のｘ方向および負のｙ方向において近い距離である試料の表面上のポイントで、試料４０に衝突する。したがって、電子は検出器３４によって検出されない。

図５は、図３および図４の公知のＳＥＭと同様の条件下で、すなわち約１ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子によって構成されるビームで、使用されている図２の公知のＳＥＭを示す。ここでも、明確化のために、図５には試料の表面に対して６０°の角度で試料から放出される二次電子のみを示す。しかしながら、図５においては、さらなる電圧源１６によってＳＥＭの試料ホルダ１８に対して＋２Ｖの電圧が印加されている。総じて参照番号５２で示す、試料の表面に対して６０°の角度で放出される二次電子のいくつかは、結果として生じる電界の成分によって、試料またはコラム１２の対物レンズの磁極片２２に衝突することを妨げられているので、検出器１４に到達する。

試料の表面に対して６０°の角度で試料２０から放出される二次電子の１つによって描かれる経路が図６に示され、これを総じて参照番号５４で示す。

電子の経路５４は、最初部分５６、中間部分５８および最終部分６０からなる。最初部分５６は、正のｘおよび負のｙ方向における、ならびに負のｚ方向における成分を有する螺旋の部分からなる。負のｚ方向における成分の大きさは、図４に示す電子のものと比較すると、試料ホルダ１８に印加される＋２Ｖ電圧から生じる電界の成分の分だけ減じられている。

したがって、中間部分５８の間、電子は図４に示す電子よりもゆっくりと移動し、その電子によって描かれる螺旋の直径は、図４に示す電子によって描かれるものよりも小さい
。なぜならば、磁界の特定の強度について、電子によって描かれる螺旋の直径はその速度に比例するからである。中間部分５８の終わりでは、電子の経路は負のｙ方向において比較的大きな成分を有し、正のｚ方向において比較的小さな成分を有する。

経路５４の最終部分６０の間に、電子は磁界の比較的強い領域から移動するに従って、比較的大きく、かつ増大してゆく直径の螺旋の部分を描く。螺旋の部分の間に、負のｙ方向における成分は正のｚ方向における成分よりも大きいままであるので、電子が試料の表面の平面に到達したときには、それは試料の表面との衝突を防止するのに十分遠く負のｙ方向に移動している。電子が試料を超えて正のｚ方向に移動するに従って、磁界の影響は小さくなり、螺旋の部分の直径は大きくなる。検出器の加速電極による電界の成分は、電子が最終部分６０の終わりで検出器１４に到達するまで、電子を正のｘ方向において引寄せる。

図７は、約３０ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子によって構成されるビームによって、試料表面に対して４５°の角度で公知のＳＥＭにおいて試料４０から放出された二次電子の経路を示す。二次電子の経路は、総じて参照番号６２で示す。公知のＳＥＭにおいては、試料の表面に対して４５°の角度で放出された二次電子のいずれも検出器に到達せずに、試料に衝突することがわかるであろう。

図８に、試料の表面に対して４５°の角度で試料４０から放出される二次電子のうちの１つによって描かれる経路を示す。これを総じて参照番号６４で示す。

経路６４は、最初部分６６と、中間部分６８と、最終部分７０とからなる。最初部分６６の間に、電子は試料の表面から放出されて、試料４０のごく近傍における磁界を通って、磁極片３３の大まかな方向において試料４０から遠ざかるように移動する。試料のごく近傍における磁界の強度は、磁極片３３のごく近傍における磁界のものよりも小さいが、試料のごく近傍における磁界の強度は、ＳＥＭが約１ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子からなるビームで用いられた場合の磁界の強度と比較すると、比較的高い。

したがって、経路６４の最初部分６６の間、電子は比較的小さな直径の螺旋の部分を描く。螺旋の部分は、正のｘおよび負のｙ方向における成分と、負のｚ方向における成分とを有する。中間部分６８の間に、電子は方向を変更するので、電子の経路は中間部分の始まりで正のｘ方向における成分を有し、中間部分の終わりで負のｘ方向における成分を有する。

経路６４の最終部分７０は、負のｙおよびｘ方向ならびに正のｚ方向における成分を有する螺旋の部分からなる。最終部分の終わりにおいて、電子はそれが最初部分６６の始まりで放出されたポイントから負のｘおよびｙ方向において小さな距離の、試料の表面上のポイントで試料４０に衝突する。電子は検出器３４によって検出されない。

図９は、図７および図８の公知のＳＥＭと同様の条件下で、すなわち、約３０ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子によって構成されるビームで、使用されている図２のＳＥＭを示す。図９には、試料の表面に対して４５°の角度で試料から放出される二次電子のみを示す。しかしながら、図９においては、さらなる電圧源１６によって試料ホルダ１８に対して−２０Ｖの電圧が印加されている。総じて参照番号７２で示す、試料の表面に対して４５°の角度で放出される二次電子のいくつかは、結果として生じる電界の成分によって、試料またはコラム１２の対物レンズの磁極片２２に衝突することを妨げられるので、検出器１４に到達する。

図１０に、試料の表面に対して４５°の角度で試料２０から放出される二次電子のうち
の１つによって描かれる経路を示す。これを総じて参照番号７４で示す。

電子の経路７４は、最初部分７６と、中間部分７８と、最終部分８０とからなる。最初部分７６は、さまざまな場合に、正および負のｘおよびｙ方向の両方における成分を有するが、電子がコラムの磁極片２２に向かって試料から遠ざかって移動する場合にのみ負のｚ方向の成分を有する。螺旋の直径は、電子が磁界の比較的弱い領域から比較的強い領域に移動するに従って、最初部分７６の始まりから終わりにかけて減少する。

経路７４の最初部分７６の終わりで、電子は磁極片の開口部にほとんど入っているが、ここで、ビームを構成する一次電子による強い磁界に晒される。磁界は、負のｚ方向における電子の経路の成分を、正のｚ方向における成分に変更する。

経路７４の中間部分７８の間に、電子が磁極片２２から遠ざかって試料２０に近づき、磁界の比較的強い領域から比較的弱い領域に移動するに従って、電子は、直径が増大してゆく螺旋の部分を描く。同時に、正のｘ方向における電子の経路の成分は、検出器１４の加速電極に印加される電圧によって確立される電界の成分によって増大する。中間部分７８の終わりで、電子の経路は正のｚおよびｘ方向における成分を有し、かつ試料のごく近傍に存在する。

試料ホルダ１８に印加される−２０Ｖ電圧による試料のごく近傍における電界の成分は、正のｚ方向における電子の経路の成分を、負のｚ方向における成分に変更する。経路７４の最終部分８０の間に、電子は、それが最初部分７６の始まりで試料の表面から放出されたポイントから正のｘ方向に十分な距離を移動しているので、検出器の加速電極による電界の成分の影響が磁界の影響よりも大きくなる。

したがって、経路７４の最終部分８０は、正のｘおよびｚ方向において実質的に直線状であり、最終部分の最後において、電子は検出器１４に到達して検出される。

上述の説明は、この発明の２つの実施例にしか関連せず、この発明が、この発明の上記の記載によって定義される他の実施例をも含むことが理解されるであろう。

この発明の第１の局面に従ったＳＥＭの性能を予測するために用いられる数学的モデルの基礎をなす、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略部分断面図である。 この発明の第１の局面に従った第１のＳＥＭの概略部分断面図である。 この発明の第１の局面に従った第２のＳＥＭの概略部分断面図である。 約１ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子のビームで用いられる公知のＳＥＭの概略部分断面図であって、試料の表面に対して６０°の角度で試料から放出される二次電子の経路を示す図である。 二次電子のうちの１つの経路を示す図３の詳細を示す図である。 約１ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子のビームで、かつ試料が載置される試料ホルダにさらなる電圧源からの＋２Ｖの電圧が印加されて使用されている、図２のＳＥＭの概略部分断面図であって、試料の表面に対して６０°の角度で試料から放出される二次電子の経路を示す図である。 二次電子のうちの１つの経路を示す図５の詳細を示す図である。 約３０ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子のビームで使用されている図３の公知のＳＥＭの概略部分断面図であって、試料の表面に対して４５°の角度で試料から放出される二次電子の経路を示す図である。 二次電子のうちの１つの経路を示す図７の詳細を示す図である。 約３０ｋｅＶの運動エネルギを備えた一次電子のビームで、かつ試料が載置される試料ホルダにさらなる電圧源から−２０Ｖの電圧が印加されて使用されている、図２のＳＥＭの概略的部分断面図であって、試料の表面に対して４５°の角度で試料から放出される二次電子の経路を示す図である。 二次電子のうちの１つの経路を示す、図９の詳細を示す図である。

符号の説明

１０ 荷電粒子ビーム器具、１２ 荷電粒子光学コラム、１４ 検出器、１８ 試料ホルダ。

Claims (19)

1. 荷電粒子ビーム器具であって、
   荷電粒子光学コラムと、
   電圧源と、
   検出器と、
   試料ホルダとを含み、
   コラムは、一次荷電粒子のビームを試料ホルダ上の試料に向けて、二次荷電粒子を試料から放出させるよう機能し、
   電圧源は、二次荷電粒子を検出器の方に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍に確立するよう機能し、
   検出器は、二次荷電粒子を検出するよう機能し、
   器具はさらに、
   第１の電圧と第２の電圧との間で可変であることにより検出器によって検出される二次荷電粒子の数を増大させるさらなる電圧源を含み、第１の電圧は、二次荷電粒子を試料から引離してそれらの少なくともいくつかが試料または試料ホルダに衝突することを防止する電界の成分を確立し、第２の電圧は、二次荷電粒子を試料の方に引寄せてそれらの少なくともいくつかがコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立する、荷電粒子ビーム器具。
2. 荷電粒子光学コラムは、電子光学コラムである、請求項１に記載の器具。
3. 器具は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）であって、その荷電粒子光学コラムは、一次電子のビームを試料に向けて二次電子を試料から放出させるよう機能する電子光学コラムである、請求項１に記載の器具。
4. 検出器は、検出器に衝突する光子に反応することにより、二次荷電粒子のいくつかを検出するよう機能し、光子は、試料ホルダと検出器との間の、二次荷電粒子のいくつかと気体分子との衝突の結果として生成される、前記請求項のいずれかに記載の器具。
5. 検出器は、検出器に衝突する二次荷電粒子に反応することにより、二次荷電粒子のいくつかを検出するよう機能する、前記請求項のいずれかに記載の器具。
6. 検出器はエバーハート−ソーンリー検出器である、前記請求項のいずれかに記載の器具。
7. さらなる電圧源は、第１の電圧と第２の電圧との間で連続的に可変である、前記請求項のいずれかに記載の器具。
8. 器具は、検出器の出力を最大化するように、第１の電圧と第２の電圧との間でさらなる電圧源の電圧を変化させるよう機能するコントローラを含む、請求項７に記載の器具。
9. さらなる電圧源は、５０Ｖの範囲を超えて可変である、前記請求項のいずれかに記載の器具。
10. さらなる電圧源は、コラムの対物レンズと試料ホルダとの間に位置する電極に接続される、前記請求項のいずれかに記載の器具。
11. 電極は、開口部を備えて形成され、かつ、一次荷電粒子のビームが電極を通って試料に向けられるように対物レンズに対して位置する、請求項１０に記載の器具。
12. 開口部は実質的に円形であって、電極は、コラムの光軸が開口部の中央を通過するように対物レンズに対して位置する、請求項１１に記載の器具。
13. さらなる電圧源は、コラムの対物レンズおよび／または試料ホルダに接続される、前記請求項のいずれかに記載の器具。
14. さらなる電圧源は、試料ホルダに接続され、対物レンズは電気接地に接続される、請求項１３に記載の器具。
15. さらなる電圧源は、＋２５Ｖと−２５Ｖとの間で可変である、請求項１４に記載の器具。
16. 荷電粒子を検出する方法であって、
    一次荷電粒子のビームを荷電粒子光学コラムから試料に向けて、二次荷電粒子を試料から放出させるステップと、
    二次荷電粒子を検出器の方に引寄せる成分を有する電界を試料の近傍に確立するステップと、
    検出器によって二次荷電粒子の少なくともいくつかを検出するステップとを含み、方法はさらに、
    二次荷電粒子を試料から引離してそれらの少なくともいくつかが試料に衝突することを防止するか、または二次荷電粒子を試料の方に引寄せてそれらの少なくともいくつかがコラムに衝突することを防止する電界の成分を確立することにより、検出器によって検出される二次荷電粒子の数を増大させるステップを含む、方法。
17. 二次荷電粒子を試料から引離すかまたは試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップは、二次荷電粒子の挙動が主にコラムの対物レンズの磁界によって決定される場合に二次荷電粒子を試料から引離す電界の成分を確立するステップと、二次荷電粒子の挙動が主に電界によって決定される場合に、二次荷電粒子を試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップとを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 二次荷電粒子を試料から引離すかまたは試料の方に引寄せる電界の成分を確立するステップは、成分の大きさおよび方向を、二次荷電粒子の少なくともいくつかが放出される試料の表面に対する角度または角度範囲、ビームの一次荷電粒子の運動エネルギおよび／または二次荷電粒子の運動エネルギもしくは運動エネルギ範囲に従って決定するステップを含む、請求項１６または請求項１７に記載の方法。
19. 添付の図面の図２、図５、図６、図９および図１０を参照して上記に実質的に説明され、かつそれらに例示される、荷電粒子ビーム器具。

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