JP2012138324A - 二次電子検出器、及び荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で放電を防止し、良好な画像を高い検出効率で得る。
【解決手段】シンチレーター２１をフォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａに、電子をシンチレーター２１に引き込むシンチレーターキャップ２２をシンチレーター２１の周囲に配置する。フォトマルチプライヤー２３はその周囲に真空シールを設け、試料室に配置する。シンチレーターキャップ２２とフォトマルチプライヤー２３との間には不透明素材からなる絶縁部材２５を配置し、絶縁部材２５はシンチレーターキャップ２２とフォトマルチプライヤー２３を絶縁すると共に、フォトマルチプライヤー２３の側周部２３ｂを覆いフォトマルチプライヤー２３への光の入射を防止する。シンチレーター２１とフォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａとの間には、光学顕微鏡の照明光を遮断するバンドフィルター２７を配置し、光学顕微鏡との同時観察を可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、二次電子検出器及び荷電粒子ビーム装置に係り、特に電子を吸収して光を発生するシンチレーター、このシンチレーターからの光を増服する光電子増倍管を備えた二次電子検出器、及びこの二次電子検出器を備えた荷電粒子ビーム装置に関する。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）、あるいは電子線薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ検査装置等の荷電粒子ビーム装置では、一次荷電粒子を試料に照射して、試料表面から放出される二次電子を二次電子検出器で検出する。このような荷電粒子ビーム装置である走査電子顕微鏡は、電子銃から一次電子線としての電子ビームを対物レンズ等の収束手段によって試料上に集束しつつ、走査手段で２次元的に走査して試料に照射し、この電子ビームの照射によって発生した二次電子を二次電子検出器で検出し、検出信号を前記電子ビームの走査に同期した表示手段に供給し、試料の走査像を得る。

このような二次電子検出器として、以下のものがある。図３は従来の二次電子検出器を示す断面図である。この二次電子検出器４０は、前記試料からの二次電子を受け、光を発生するシンチレーター４１、シンチレーター４１からの光を導くライトガイド４２、シンチレーター４１の周囲に配置されシンチレーターに二次電子を吸引するため高電圧（例えば１０ＫＶ）が印加されるシンチレーターキャップ４３、シンチレーターが発生した光を増幅するフォトマルチプライヤー（光電子増倍管：ＰＭＴ）４４、フォトマルチプライヤー４４が挿入されるソケット４５を備えて構成される（特許文献１、特許文献２参照）。

特開平２００４−１４２５１号公報 特開２００９−０４３５９４号公報

ここで、二次電子検出器４０は、ライトガイド４２の部分を取付部材４７に取り付けて、真空チャンバーである試料室に取り付けられる。これにより、シンチレーター４１を真空側に、ソケット４５を大気圧である試料室外に配置する。このため、ライトガイド４２と取付部材４７との間で真空シールが施されている。ここで、ライトガイド４２はガラスなどで構成され、真空シールは、ライトガイド４２の周囲と取付部材４７との間を接着剤４６で充填することによってなされる。ここで、図中符号４６ａ、４６ｂは接着剤４６の盛り上げ部、符号４８はシンチレーターキャップ４３に高電圧を印加するためのケーブルを示している。なお、真空シールはＯリングで行うこともできる。

しかし、従来の二次電子検出器４０では、シンチレーター４１からの微弱な光は、ライトガイド４２を通過してフォトマルチプライヤー４４に入射するため、ライトガイド４２の素材よって光が減衰したり、ライトガイド４２の両端面での反射によっても光の減衰があったりするため、シンチレーター４１からの光を効率良くフォトマルチプライヤー４４へ導くことができないという問題がある。

また、近年同一試料室内に光学顕微鏡を配置して電子顕微鏡と同一試料の観察を行う走査電子顕微鏡が提供され、このような走査電子顕微鏡にあっては、光学顕微鏡の照明光がシンチレーター４１側から入射してしまうこととなる。この照明光はシンチレーター４１の入射側に照明光の波長領域の光を遮断する波長フィルターを配置して遮光できるが、ライトガイド４２側面等から入射するものはフォトマルチプライヤー４４に入射して検出されてしまうため、電子顕微鏡像と光学顕微鏡像とを同時に観察することができないという問題がある。

さらに、シンチレーターキャップ４３には、数千ボルトの高電圧が印加されている一方、フォトマルチプライヤー４４には、電子を光電陰極からの電子をダイノード電極に当てるために数百ボルトの電圧を印加しており、この印加電圧がフォトマルチプライヤー４４表面に電位が発生している。これに対処し検出効率を上げるためにライトガイドを廃止して直接接触させると上記２つの間の電位差により両部材管に放電が発生し、これが雑音源となり良好な画像を得ることができないという問題がある。

そこで本発明は、簡単な構成で、放電を防止しつつ良好な画像を高い検出効率で得ることができる二次電子検出器、及び荷電粒子ビーム装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するための請求項１の発明は、電子を吸収して光を発生するシンチレーターと、このシンチレーターからの光を増服する光電子増倍管とを備えた二次電子検出器であって、前記シンチレーターを前記光電子増倍管の入射側端部に配置し、電子を前記シンチレーターに向け加速する電極部材を前記シンチレーターの周囲を覆うように配置し、前記電極部材と前記光電倍増管との間に前記電極部材及び前記光電子倍増管に接触して両者を絶縁する絶縁部材を配置したことを特徴とする二次電子検出器である。

同じく請求項２の発明は、請求項１に記載の二次電子検出器において、前記光電倍増管は、その周面に二次電子検出器が取り付けられる機器の取り付け部との間で真空シール部を形成することを特徴とする。

同じく請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の二次電子検出器において、前記シンチレーターと光電倍増管の入射側端部との間であって、前記絶縁部材の厚みで形成される空間部に特定の波長領域の光を遮断し前記光電倍増管への進入を遮断するパスフィルターを配置したことを特徴とする。

同じく請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の二次電子検出器において、前記絶縁部材は、光の進入を防止する不透明の素材で、前記光電倍増管の周面を覆うように構成したことを特徴とする。

同じく請求項５の発明は、試料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電子検出器を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置である。

同じく請求項６の発明は、請求項５に記載の荷電粒子ビーム装置において、光学顕微鏡と試料の照明装置とを備え、前記電子ビームでの観察と光学顕微鏡での観察を同時に行うことが可能なことを特徴とする。

同じく請求項７の発明は、請求項５又は請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置において、装置本体に請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電子検出器が、前記光電子倍増管の側面で真空シールされて取り付けられていることを特徴とする。

本発明に係る二次電子検出器及び荷電粒子ビーム装置によれば、簡単な構成で、良好な画像を、放電を防止しつつ、高い検出効率で得ることができる。

実施形態例に係る荷電粒子ビーム装置を示す模式図である。 実施形態例に係る二次電子検出器を示す断面図である。 従来の二次電子検出器を示す断面図である。

以下、実施形態に係る荷電粒子ビーム装置として走査電子顕微鏡を図面に基づいて説明する。図１は実施形態例に係る荷電粒子ビーム装置を示す模式図、図２は実施形態例に係る二次電子検出器を示す断面図である。以下、実施の形態として走査電子顕微鏡を例として説明するが、本発明は、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）、あるいは電子線薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）アレイ検査装置等の荷電粒子ビーム装置に適用できる。

走査電子顕微鏡１０は、鏡筒１１内上部の荷電ビーム源である電子線源１２から発生した荷電ビームとしての電子線１３を、コンデンサレンズ１４で収束し、偏向コイル１５で偏向走査して、対物レンズ１６で収束及びフォーカスを調整し、試料室１７内の試料１８上を２次元走査する。電子線で走査された試料１８からは二次電子１９が放出され、この二次電子１９は、二次電子検出器２０で検出される。

また、走査電子顕微鏡１０には、制御装置１００、入力装置１１０、画像表示装置１２０が配置されている。制御装置１００は、前記偏向コイル１５の走査信号、対物レンズ１６の制御信号を発生する他、二次電子検出器２０からの信号と前記走査信号とを同期して走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を画像表示装置１２０に表示させる。

さらに、走査電子顕微鏡１０には、光学顕微鏡３０が配置され、この光学顕微鏡３０は、所定の波長の照明光により試料１８の拡大像を撮像素子で撮像し、制御装置１００を介して画像表示装置１２０で前記ＳＥＭ像と同時に表示することができる。なお、試料１８は、図示していない試料台に配置されており、任意の位置に移動できる他、観察に適した任意の角度に傾斜させることができる。

次に二次電子検出器２０について説明する。図２は実施形態例に係る二次電子検出器を示す断面図である。この二次電子検出器２０は、前記試料１８からの二次電子を受け、光を発生するシンチレーター２１、シンチレーター２１の周囲に配置されシンチレーターに二次電子を吸引するため高電圧が印加される電極部材としてのシンチレーターキャップ２２、シンチレーターが発生した光を増幅するフォトマルチプライヤー（光電増倍管：ＰＭＴ）２３、フォトマルチプライヤー２３が挿入されるソケット２４を備えている。なお、シンチレーター２１は口径約１０ｍｍ、厚さ約１ｍｍ、フォトマルチプライヤー２３は口径約１４ｍｍ、全長８５ｍｍである。

ここで、シンチレーター２１はフォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａに近接して配置されている。また、シンチレーターキャップ２２は、略円筒形の金属部材であり、シンチレーター２１及びフォトマルチプライヤー２３の入射側端部の周囲に配置され、ケーブル２９から高電圧（例えば１０ＫＶ）が印加され、電子をシンチレーター２１に向け加速する。シンチレーターキャップ２２の外径は約２３ｍｍ、内径は約１６ｍｍ、全長約１０ｍｍである。

一般に、フォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａ側に高電圧が印加されるシンチレーターキャップ２２を取り付けると、フォトマルチプライヤー２３で発生する光電子に影響を与え、シンチレーション光の増幅に影響を与えると考えられてきた。このため、フォトマルチプライヤーにライトガイドを設け、このライトガイドにシンチレーターキャップを取り付けてきた。しかし、発明者らは、フォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａ側にシンチレーターキャップ２２を配置しても、光電子への影響は取得される画像に影響を与える程のものではないことを実験で確認した、なお、シンチレーターキャップ２２の形状、寸法等は、使用するフォトマルチプライヤーやその他の条件により異なる。

二次電子検出器２０は、フォトマルチプライヤー２３を取付部材２８にはめ込んで、この取付部材２８を試料室１７に取り付けることにより走査電子顕微鏡１０に取り付けられる。これにより、シンチレーター２１を真空側に、ソケット２４を大気圧である試料室外に配置する。このため、フォトマルチプライヤー２３と取付部材２８との間で真空シールがなされている。真空シールは、フォトマルチプライヤー２３の周囲と取付部材２８との間に接着剤２６を充填することによってなされる。ここで、図中符号２６ａ、２６ｂは接着剤２６の盛り上げ部を示している。なお、真空シールはＯリングで行うこともできる。

さらに、フォトマルチプライヤー２３の周囲から入射側端部にかけてその周囲には、絶縁部材２５を配置している。この絶縁部材２５は、例えば不透明なフッ素ゴムを素材として、フォトマルチプライヤー２３の側周部２３ｂを覆う円筒部２５ａと、フォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａにまで回り込む回り込み部２５ｂとを備えて構成される。なお、回り込み部２５ｂは、シンチレーター２１の光がフォトマルチプライヤー２３に入射するのを妨げない程度の寸法が入射側面２３ａの周縁から飛び出す。

これにより、絶縁部材２５は、円筒部２５ａで、透明ガラスで構成されたフォトマルチプライヤー２３の側周部２３ｂからの光を遮る。これにより、光学顕微鏡の照明光がフォトマルチプライヤー２３に進入するのを防止する。なお、絶縁部材はフッ素ゴムの他、絶縁性を備え、真空中で使用できるものであれば他の素材のものでもよい。また、絶縁部材は、弾性に富む素材が好ましい。シンチレーターキャップ２２をその側方からねじ込まれる小ねじをフォトマルチプライヤー２３に当接させて固定する構造とした場合、絶縁部材２５を弾性に富む素材にしておくと、小ねじの先端が絶縁部材２５に当たって反発されるので、シンチレーターキャップ２２とフォトマルチプライヤー２３との固定が確実なものとなる。

また絶縁部材２５の絶縁部材２５は、フォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａとシンチレーターキャップ２２とに接触して、両者の間を絶縁する。本実施形態例では、これにより、絶縁部材２５とシンチレーターキャップ２２との間の放電を防止して、雑音の発生を抑制し良好な走査顕微鏡による拡大像の取得を可能としている。

また、二次電子検出器２０において、シンチレーター２１とフォトマルチプライヤー２３の入射側面２３ａとの間には、絶縁部材２５の回り込み部２５ｂの厚みにより隙間部が形成される。二次電子検出器２０は、この隙間部にバンドフィルター２７を配置している。このバンドフィルター２７は、光学顕微鏡３０の照明光中の波長領域の光を遮断する光学フィルターである。本実施形態では、これにより、光学顕微鏡の照明光がフォトマルチプライヤー２３の入射面に進入するのを防止して、前記絶縁部材２５と相まって光学顕微鏡３０との同時観察を可能とする。

以上説明したように、本実施形態に係る走査電子顕微鏡によれば、二次電子検出器は、ライトガイドを備えない構造としたから、ライトガイドに起因するシンチレーター光の劣化を防止できる。このとき、二次電子検出器はフォトマルチプライヤーにおいて確実に真空シールされて、走査電子顕微鏡の試料室に配置される。

また、二次電子検出器のフォトマルチプライヤーには絶縁体を配置したので、高電圧が印加されるシンチレーターキャップとフォトマルチプライヤーとの間の放電を防止でき、取得する画像を良好なものとできる他、絶縁体でフォトマルチプライヤー側面部からの不要な光の進入を防止できる。

さらに、シンチレーターとフォトマルチプライヤーとの間にバンドフィルターを配置して、光学顕微鏡の照明光がフォトマルチプライヤーに進入するのを防止でき、フォトマルチプライヤーの側面からの光進入を防止する絶縁体と相まって、光学顕微鏡の照明下で良好なＳＥＭ像を取得でき、同一観察領域を光学顕微鏡と走査電子顕微鏡で同時に観察できる。

１０ 走査電子顕微鏡
１１ 鏡筒
１２ 電子線源
１３ 電子線
１４ コンデンサレンズ
１５ 偏向コイル
１６ 対物レンズ
１７ 試料室
１８ 試料
１９ 二次電子
２０ 二次電子検出器
２１ シンチレーター
２２ シンチレーターキャップ
２３ フォトマルチプライヤー（光電子増倍管）
２３ａ 入射側面
２３ｂ 側周部
２４ ソケット
２５ 絶縁部材
２５ａ 円筒部
２５ｂ 回り込み部
２６ 接着剤
２６ａ、２６ｂ 回り込み部
２７ バンドフィルター
２８ 取付部材
２９ ケーブル
３０ 光学顕微鏡
１００ 制御装置
１１０ 入力装置
１２０ 画像表示装置

Claims (7)

1. 電子を吸収して光を発生するシンチレーターと、このシンチレーターからの光を増服する光電子増倍管とを備えた二次電子検出器であって、
   前記シンチレーターを前記光電子増倍管の入射側端部に配置し、
   電子を前記シンチレーターに向け加速する電極部材を前記シンチレーターの周囲を覆うように配置し、
   前記電極部材と前記光電子増倍管との間に前記電極部材及び前記光電子増倍管に接触して両者を絶縁する絶縁部材を配置した、
   ことを特徴とする二次電子検出器。
2. 前記光電子増倍管は、その周面に二次電子検出器が取り付けられる機器の取り付け部との間で真空シール部を形成することを特徴とする請求項１に記載の二次電子検出器。
3. 前記シンチレーターと光電倍増管の入射側端部との間であって、前記絶縁部材の厚みで形成される空間部に特定の波長領域の光を遮断し前記光電子増倍管への進入を遮断するパスフィルターを配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の二次電子検出器。
4. 前記絶縁部材は、光の進入を防止する不透明の素材で、前記光電倍増管の周面を覆うように構成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の二次電子検出器。
5. 試料に電子ビームを照射する電子ビーム照射手段と、請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電子検出器を備えることを特徴とする荷電粒子ビーム装置。
6. 光学顕微鏡と試料の照明装置とを備え、前記電子ビームでの観察と光学顕微鏡での観察を行うことを特徴とする請求項５に記載の荷電粒子ビーム装置。
7. 装置本体に請求項１から請求項４のいずれかに記載の二次電子検出器が、前記光電子増倍管の側面で真空シールされて取り付けられていることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の荷電粒子ビーム装置。