JP2008153158A - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、低エネルギーの反射電子も検出することができ、反射電子と２次電子を別々に、かつ同時に検出することができる走査形電子顕微鏡を提供することを目的としている。
【解決手段】電子源１と、該電子源１から発生した１次電子ビーム２を観察試料５上に集束する対物レンズ４と、前記電子源１と対物レンズ４との間に配置された少なくとも１つの集束レンズ３と、前記１次電子ビーム２をＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、前記集束レンズ３は、対物レンズ４との間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置ないしクロスオーバ位置より観察試料５側に、第１の荷電粒子検出器１１を備え、かつ前記クロスオーバ位置より電子源側に第２の荷電粒子検出器１２を備えて成される。
【選択図】図３

Description

本発明は走査形電子顕微鏡に関し、更に詳しくは反射電子と２次電子を分離して検出することができる走査形電子顕微鏡に関する。

図６は電子光学系の構成例を示す図である。走査光学系は省略されている。電子源１から放出された１次電子ビーム２は、図示しない加速電極によって所望の加速電圧に加速された後、ビーム整形絞り７によって真円形に整形される。その後、対物レンズ４で電子ビーム２を集束し、観察試料５の試料面で合焦点となるように制御する。この状態で、図示しない走査偏向器を用いて観察試料５の上で２次元走査し、発生した信号即ち２次電子や反射電子を検出し、走査像を生成する。

通常、ビーム整形絞り７はビーム電流制限機能を有しており、該ビーム整形絞り７と電子源１との間に有るレンズ（図示せず）の強度を変えることで、ビーム電流を増減させることが可能である。このようなビーム電流を増減させる制御をすると、対物レンズ４から見た仮想光源位置が変化してしまい、対物レンズ４で正しい集束角（開き角）の制御ができなくなる。走査像の分解能は、観察試料５上でのビーム径に依存するが、ビーム径は集束角に強く依存する。

最適な集束角の時、最も小さいビーム径が得られ、走査像の分解能が最高となる。そこで、集束レンズ３を用いることにより、仮想光源位置の変化を補正し、正しい集束角で１次電子ビーム２を観察試料５に合焦させることができる。

従来の荷電粒子検出器の構成図と動作を、図７及び図８に示す。図７は従来の荷電粒子検出器と２次電子軌道を示す図、図８は従来の荷電粒子検出器と反射電子軌道を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。

観察試料５から放射された２次電子１０は、さまざまな方向とエネルギーを持つが、対物レンズ４の場や周辺構造物の場に従って、ある軌道を描いて飛行する。ここで、対物レンズ４や周辺構造物を適切に設計することにより、２次電子１０をレンズ内の荷電粒子検出器８の方向に飛行させることが可能である。

図７において、２次電子１０は、１次電子ビーム２よりもエネルギーが低いので、対物レンズ４の磁場で大きな集束作用を受け、０回ないし１回以上のクロスオーバを作る。磁場を抜ける時の２次電子１０の軌道が発散する方向であれば、荷電粒子検出器８に到達し、走査像信号となる。通常、電子光学シミュレーションや実験により、２次電子の検出効率が最良となる位置を決定し、荷電粒子検出器８を配置する。

図８において、反射電子９は、１次電子ビーム２とほぼ同じエネルギーを持つので、対物レンズ４の磁場による集束作用は大きくない。従って、反射電子９はクロスオーバを作らずに荷電粒子検出器８に到達する。荷電粒子検出器８には、１次電子ビーム２を通すための穴が開いているが、この穴の径よりも反射電子９の径が大きい場合には、反射電子９が荷電粒子検出器８で検出され、走査像信号となる。

１次電子ビーム２の集束角が５〜１０ｍｒａｄに対し、反射電子９は数倍大きな出射角を持つと考えられるので、走査像信号には反射電子信号が含まれる。従って、荷電粒子検出器８で得られる信号は、２次電子と反射電子を足した信号である。ここで、２次電子と反射電子の相違点について説明する。２次電子はエネルギーが低いので、観察試料表面の像をとらえることに適しており、反射電子はエネルギーが高いので、ある程度観察試料の内部まで入り込み、観察試料の組成をとらえることに適している。

従来のこの種の装置としては、光軸上に発生源側検知器と試料側検知器とを有し、これら検知器により、試料から放射される２次電子のほとんど全てを検出するようにした技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、１次電子ビームと試料との相互作用に基づいて生じる２次電子又は後方散乱電子を検出するために、第１の検出器及び第２の検出器を有する装置が知られている（例えば特許文献２参照）。また、簡易な構造の装置で、試料からの２次電子と反射電子を分離検出できるようにした装置が知られている（例えば特許文献３参照）。また、試料から放出された２次電子を検出する第１の検出器と、該第１の検出器の穴を通過した２次電子を検出する第２の検出器を設け、これら検出器の出力を合成したり、分離したりして２次電子を検出することができるようにした装置が知られている（例えば特許文献４参照）。
特開２０００−３０６５４号公報（段落００２１〜００２６、図１、図２） 特開２００４−２２１０８９号公報（段落００３５〜００３７、図２） 特開２０００−２９９０７８号公報（段落００２０〜００３３、図１〜図５） 特許第３１３６３５３号公報（段落００２４〜００３７、図１、図２）

前述した従来技術では、２次電子と反射電子を別々に検出することが困難であった。もっと正確に言えば、２次電子と反射電子を別々に、かつ同時に検出することが困難であった。別々にかつ同時に検出できない理由は、前述したように、荷電粒子検出器８で得られる信号は、２次電子と反射電子を足した信号であるからである。

ここで、同時性が無くてよければ、エネルギーフィルタを用いる公知技術がある。例として、２次電子に対する感度が悪い検出器、例えば半導体検出器を用いれば、反射電子のみを検出することができる。即ち、半導体検出器には、２次電子と反射電子が入射するが、２次電子に対しては感度が悪いので、結果として反射電子のみを検出することができるものである。

また、検出器位置に偏向器を入れることで、エネルギーの低い２次電子だけを曲げて検出器に到達させることも行われている。偏向器を動作させても、反射電子はエネルギーが高いため曲げることができない。従って、２次電子だけを曲げて検出器に到達させることができる。しかしながら、同時性が得られた方がスループット的に有利である。

２次電子に対する感度が悪い検出器には、もう一つの欠点がある。それは、１次電子ビームエネルギーが低い場合の反射電子に対する感度が悪いことである。なぜなら、反射電子のエネルギーも低いからである。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、低エネルギーの反射電子も検出することができ、反射電子と２次電子を別々に、かつ同時に検出することができる走査形電子顕微鏡を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置より電子源側に荷電粒子検出器を備え、かつクロスオーバ位置乃至クロスオーバ位置より観察試料側に１次電子ビーム径より大きい開口の絞りを備えることを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記対物レンズは、磁界型対物レンズであることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記対物レンズは、鏡筒外壁の電位に対して試料ホルダ側に電位差を持たせたカソードレンズであることを特徴とする。
（４）請求項４記載の発明は、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して試料ホルダに電位差を持たせたカソードレンズとの重畳レンズであることを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して、対物レンズ内に電位差を持たせた静電減速型対物レンズとの重畳レンズであることを特徴とする。
（６）請求項６記載の発明は、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、該対物レンズが接地電位かつ試料ホルダに高電圧を印加したカソードレンズとの重畳レンズであることを特徴とする。
（７）請求項７記載の発明は、前記集束レンズより上にビーム整形絞りを有することを特徴とする。
（８）請求項８記載の発明は、電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置ないしクロスオーバ位置より観察試料側に、第１の荷電粒子検出器を備え、かつ前記クロスオーバ位置より電子源側に第２の荷電粒子検出器を備えることを特徴とする。
（９）請求項９記載の発明は、電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置乃至クロスオーバ位置より観察試料側に、荷電粒子検出器を備えることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、反射電子は前記絞りを通過して荷電粒子検出器に到達することができ、２次電子は前記絞りで遮断される。従って、反射電子のみを分離して検出することができ、従来得られなかった低エネルギーの反射電子像を得ることができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、対物レンズとして磁界型対物レンズを用い、試料上に細かく絞った電子ビームを照射することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、対物レンズとしてカソードレンズを用いることで、収差の少ない画像を得ることができる。
（４）請求項４記載の発明によれば、対物レンズとして磁界型対物レンズとカソードレンズの重畳レンズを用いることで、より収差の少ない画像を得ることができる。
（５）請求項５記載の発明によれば、対物レンズとして磁界型対物レンズと静電減速型対物レンズとの重畳レンズを用いることで、収差の少ない画像を得ることができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、対物レンズとして磁界型対物レンズとカソードレンズとの重畳レンズを用いることで、収差の少ない画像を得ることができる。
（７）請求項７記載の発明によれば、集束レンズより上にビーム整形絞りを有することで、１次電子ビームを真円にすることができ、１次電子ビーム電流制限を行ない、正確な画像を得ることができる。
（８）請求項８記載の発明によれば、反射電子と２次電子を別々にかつ同時に検出することができる。
（９）請求項９記載の発明によれば、この荷電粒子検出器により２次電子を効率よく検出することができる。

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。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態を図１,図２に示す。図１は本発明の第１の実施の形態における反射電子の軌道を示す図、図２は本発明の第２の実施の形態における２次電子の軌道を示す図である。図６,図７と同一のものは、同一の符号を付して示す。なお、ここでは、走査光学系は省略されている。図１において、１は電子ビーム２を発生する電子源、４は該電子源１から発生した１次電子ビーム２を観察試料５上に集束する対物レンズ、３は前記電子源１と対物レンズ４との間に配置された少なくとも１つの集束レンズ、７は１次電子ビーム２を真円に整形すると共に１次電子ビーム電流の制限を行なうビーム整形絞りである。

前記集束レンズ３は、対物レンズ４との間に１次電子ビーム２が１回クロスオーバを有するように動作するものとする。８はクロスオーバ位置より電子源側に設けられた荷電粒子検出器、６はクロスオーバ位置より観察試料５側に設けられた１次電子ビーム径より大きい開口をもつ絞りである。９は観察試料５より放射される反射電子である。図２に示す構成は、図１に示す構成と同じである。図２において、１０は観察試料５から放射される２次電子である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

電子源１より発生した１次電子ビーム２は、ビーム整形絞り７で真円にされ、１次電子ビーム電流制限を受けた後、集束レンズ３で集束作用を受け、対物レンズ４との間に１回クロスオーバＣを結ぶ。クロスオーバＣの位置には１次電子ビーム２のビーム径よりも大きい径の開口を有する絞り６が設けられており、１次電子ビーム２は絞り６を通過する。絞り６を通過した１次電子ビーム２は、対物レンズ４により細かく集束され、観察試料５上に照射される。

図１に示すように、観察試料５から発生した反射電子９は、１次電子ビーム２と概略同じ軌道を逆向きに描く。即ち、対物レンズ４で集束作用を受け、絞り６付近でクロスオーバを持ち、発散する。そして、集束レンズ３で再度若干の集束作用を受け、荷電粒子検出器８で反射電子９が検出される。

図２に２次電子の軌道を示す。観察試料５から発生した２次電子１０は対物レンズ４により大きな集束作用を受け、絞り６位置で大きく広がる。絞り６に当たった２次電子１０は絞り６に吸収される。絞り６の開口を通り抜けたごく一部の２次電子２が、荷電粒子検出器８に到達するが、絞り６によって制限されているため、ほとんど画質に寄与しない。

従って、荷電粒子検出器８で得られる画像は、反射電子像となる。この結果、反射電子９のみを分離して検出することができる。ここで、荷電粒子検出器８を低エネルギー電子ビームに感度の高い構造のものにしておいても、２次電子はほとんど寄与しないため、反射電子像を得ることができる。このようにすることで、従来得られなかった低エネルギー反射電子像が得られる。
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態における反射電子と２次電子の同時検出の説明図である。図１,図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。なお、ここでも走査光学系は省略している。図３において、１は電子ビーム２を発生する電子源、４は該電子源１から発生した１次電子ビーム２を観察試料５上に集束する対物レンズ、３は前記電子源１と対物レンズ４との間に配置された少なくとも１つの集束レンズ、７は１次電子ビーム２を真円に整形し、１次電子ビーム電流の制限を行なうビーム整形絞りである。

前記集束レンズ３は、対物レンズ４との間に１次電子ビーム２が１回クロスオーバを有するように動作するものとする。１１は１次電子２のクロスオーバＣ付近に設けられた第１の荷電粒子検出器としての２次電子検出器、１２はクロスオーバ位置より電子源側に設けられた第２の荷電粒子検出器としての反射電子検出器である。２次電子検出器１１は、図２において、２次電子を吸収する機能を持つ絞り６を２次電子検出器として利用するようにしたものである。９は観察試料５より放射される反射電子である。１０は観察試料５から放射される２次電子である。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

電子源１より発生した１次電子ビーム２は、ビーム整形絞り７で真円にされた後、集束レンズ３で集束作用を受け、対物レンズ４との間に１回クロスオーバＣを結ぶ。クロスオーバＣの位置には１次電子ビーム２のビーム径よりも大きい径の開口を有する２次電子検出器１１が設けられており、１次電子ビーム２は２次電子検出器１１を通過する。２次電子検出器１１を通過した１次電子ビーム２は、対物レンズ４により細かく集束され、観察試料５上に照射される。

図３に示すように、観察試料５から放射された反射電子９は、１次電子ビーム２と概略同じ軌道を逆向きに描く。即ち、対物レンズ４で集束作用を受け、２次電子検出器１１付近でクロスオーバを持ち、発散する。集束レンズ３で再度若干の集束作用を受け、反射電子検出器１２の位置で反射電子９が検出される。

一方、２次電子１０は対物レンズ４で大きな集束作用を受け、２次電子検出器１１の位置で大きく広がる。２次電子検出器１１に当たった２次電子１０は、走査２次電子像になる。２次電子検出器１１の開口を通り抜けたごく一部の２次電子１０が、反射電子検出器１２に到達するが、２次電子検出器１１の開口（絞り）によって制限されているため、ほとんど像質に寄与しない。

従って、２次電子検出器１１で得られる画像は２次電子像、反射電子検出器１２で得られる画像は反射電子像となる。ここで、反射電子検出器１２を低エネルギー電子ビームに感度の高い構造のものにしておいても、２次電子１０は殆ど寄与しないため、反射電子像を得ることができる。このようにすることで、従来得られなかった低エネルギー反射電子像が得られると同時に、２次電子像も同じ時間に得ることができる。
（第３の実施の形態）
上述した発明において、対物レンズ４としては通常の対物レンズを用いることができるが、更に高画質の画像を得るために対物レンズ４の構成に工夫が施される。図４は本発明に用いられる対物レンズであるカソードレンズの構成例を示す図である。図において、４は対物レンズ、４１は対物レンズ４に励磁電流を流すためのコイルである。対物レンズ４の表面の電位に対して、観察試料５には負電位が印加されている。この結果、対物レンズ４の先端と観察試料５との間に形成される減速場で１次電子ビームが収束されることにより、観察試料５の反射電子像又は２次電子像について収差の少ない画像を得ることができる。

また、本発明によれば、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して試料ホルダに電位差を持たせたカソードレンズとの重畳レンズを用いることができる。このようにすれば、より収差の少ない画像を得ることができる。

また、本発明によれば、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して、対物レンズ内に電位差を持たせた静電減速型対物レンズとの重畳レンズを用いることができる。このようにすれば、収差の少ない画像を得ることができる。

また、本発明によれば、前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、該対物レンズが接地電位かつ試料ホルダに高電圧を印加したカソードレンズとの重畳レンズを用いることができる。このようにすれば、収差の少ない画像を得ることができる。

また、本発明によれば、前記集束レンズより上にビーム整形絞りを有することにより、１次電子ビームを真円にすることができ、正確な画像を得ることができる。
なお、図５に２次電子軌道と反射電子軌道のシミュレーション結果を示す。横軸はＸＹ方向を縦軸はＺ方向を示す。単位は何れもｍｍである。観察試料５から１６０ｍｍ上に、反射電子９がクロスオーバを持つ。１次電子ビーム２は、観察試料５から２１０ｍｍ上にクロスオーバを結ぶようにした。５０ｍｍの違いは、反射電子９に対する対物レンズ４の球面収差による。この時、２１０ｍｍ〜１６０ｍｍのどこかに、絞り又は２次電子検出器を置き、更に上方に反射電子検出器を置けばよい。

従来は低エネルギーの反射電子を検出できないという問題があった。これに対し、
電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも一つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するため走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置より電子源側に荷電粒子検出器を備え、かつクロスオーバ位置ないしクロスオーバ位置より観察試料側に１次電子ビーム径より大きい径の絞りを備えることにより、低エネルギーの反射電子を検出できるようになった。

また、従来は反射電子と２次電子を別々に、かつ同時に検出できないという問題があった。これに対し、電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、
前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置ないしクロスオーバ位置より観察試料側に、第１の荷電粒子検出器を備え、かつ前記クロスオーバ位置より電子源側に第２の荷電粒子検出器を備えることにより、反射電子と２次電子を別々にかつ同時に検出できるようになった。

本発明の第１の実施の形態における反射電子の軌道を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における２次電子の軌道を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における反射電子と２次電子の同時検出の説明図である。 カソードレンズの構成例を示す図である。 ２次電子／反射電子軌道のシミュレーション結果を示す図である。 電子光学系の構成例を示す図である。 従来の荷電粒子検出器と２次電子軌道を示す図である。 従来の荷電粒子検出器と反射電子軌道を示す図である。

符号の説明

１ 電子源
３ 集束レンズ
４ 対物レンズ
５ 観察試料
７ ビーム成形絞り
９ 反射電子
１０ ２次電子
１１ ２次電子検出器
１２ 反射電子検出器
Ｃ クロスオーバ

Claims (9)

1. 電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、
   前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置より電子源側に荷電粒子検出器を備え、かつクロスオーバ位置乃至クロスオーバ位置より観察試料側に１次電子ビーム径より大きい開口の絞りを備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
2. 前記対物レンズは、磁界型対物レンズであることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
3. 前記対物レンズは、鏡筒外壁の電位に対して試料ホルダ側に電位差を持たせたカソードレンズであることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
4. 前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して試料ホルダに電位差を持たせたカソードレンズとの重畳レンズであることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
5. 前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、対物レンズ外壁の電位に対して、対物レンズ内に電位差を持たせた静電減速型対物レンズとの重畳レンズであることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
6. 前記対物レンズは、磁界型対物レンズと、該対物レンズが接地電位かつ試料ホルダに高電圧を印加したカソードレンズとの重畳レンズであることを特徴とする請求項１記載の走査形電子顕微鏡。
7. 前記集束レンズより上にビーム整形絞りを有することを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の走査形電子顕微鏡。
8. 電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、
   前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置ないしクロスオーバ位置より観察試料側に、第１の荷電粒子検出器を備え、かつ前記クロスオーバ位置より電子源側に第２の荷電粒子検出器を備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
9. 電子ビームを発生する電子源と、該電子源から発生した１次電子ビームを観察試料上に集束する対物レンズと、前記電子源と対物レンズとの間に配置された少なくとも１つの集束レンズと、前記１次電子ビームをＸＹ方向に２次元走査しながら観察試料表面に照射するための走査偏向器とを有する走査形電子顕微鏡において、
   前記集束レンズは、対物レンズとの間に１次電子ビームが１回クロスオーバを有するように動作し、かつクロスオーバ位置乃至クロスオーバ位置より観察試料側に、荷電粒子検出器を備えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。

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