JP2592180B2 - 磁気フィルタ式低損失走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、荷電粒子を用いた試料の試験に、且つ特
に、一次電子ビームを集束させるために使用する磁界が
又、検査すべき試料から散乱した電子のエネルギーろ過
及び／又はエネルギー分析を与えるために使用される電
子顕微鏡検査に関係している。

従来技術及び解決しようとする課題 非常に小さい特徴部の検査は、多くの産業にとって、
また特に半導体の特徴及び構造を検査すべきマイクロエ
レクトロニクス産業にとって重大である。荷電粒子試験
法は、非破壊生のものとすることができるので、光の波
長より小さい寸法を持った構造の検査に特に適してい
る。これらの構造を検査するため、電子顕微鏡が多くの
場合使用されている。このような顕微鏡は、約1930年以
後利用可能となっており、これらには光学顕微鏡の光学
的な光波長限界がない。

良好な分解能及び被写界深度を与えるため、当該分野
においては走査型電子顕微鏡（SEM）が知られている。S
EMは超小形回路を検査するために且つ又製造工程の一部
分としてレジスト層に種々のパターンを露光させるため
に使用されてきている。一般に、細く集束させた電子ビ
ーム（一次ビーム）が試料又は工作物に導かれる。そし
て、試料が電子ビームによって走査されるときにある方
法で得られる信号から、画像が形成される（又は画像を
形成することから情報が抽出される）。通常、ある割合
の電子が試料から散乱させられて、後方散乱電子信号
（BSE）を生じさせる。若干の二次電子放出も又その一
次ビームの入射によって発生されることがある。

SEMの動作のための１つの技法においては、低損失電
子（LLE）が集められる。これらの低損失電子は典型的
には、応用物理学近況報告集第19巻第７号232ページに
おいてO.C.ウェルズ（O.C.Wells in Applied Physics L
etters,Vol.19,No.7,page 232,October 1,1971）によっ
て定義されているように、一次エネルギーの約１％未満
を失ったものである。この参照文献は、球状格子の減速
界エネルギー・フィルタを使用して小さいエネルギー損
失だけを受けた後方散乱電子を集めることについて記述
している。固体試料からの低損失画像は、100Å（非弾
性散乱事象間の平均自由行程によって課せられる理論的
限界はより低い）より一般的には浅い情報深度を持って
いる。これらの画像は、強い形態学的及び電子チャネリ
ング・コントラストを示すものである。

走査型電子顕微鏡には、二つの形式のものが知られて
いる。その第１のものは、外部焦点最終レンズを用いた
通常のSEMである。この形式の機器においては、試料
は、電子ビームをその試料へ集束させる磁界（集束磁
界）の外側に配置される。第２形式のSEMは、コンデン
サ−対物レンズ又は他の形式の内部焦点レンズに試料を
取り付けることによって分解能の改善が得られる、いわ
ゆる高分解能SEMである。空間分解能の改善は、コンデ
ンサ−対物レンズの収差が比較的小さいために得られ
る。それゆえ、一つの動作モードにおいては、その集束
磁界を与えるために使用するコンデンサ−対物レンズの
高磁界領域に固体試料がある角度で取り付けられる。こ
の配置においては、その集束レンズ磁界の第２半部によ
って射出レンズ口径の中へそらされた電子が集められ
る。

次の参照文献は、この発明に関する背景を与えるため
に走査型電子顕微鏡の諸特徴を記述したものである。

1.V.E.Cosslett etal,Electron Microscopy,Proceeding
s of the Stockholm Conference,September,1956,page
12. 2.O.C.Wells etal,Appl.Phys.Lett.Vol.23,No.6,p.353,
September 15,1973. 3.O.C.Wells,Appl.Phys.Lett.37（６） p.507,Septembe
r 15,1980. 4.O.C.Wells,Appl.Phys.Lett.49（13）,p.764,Septembe
r 29,1986. 5.O.C.Wells,Scanning,Vol.10,p.73-81（1988）． 上記の参照文献から明らかなように、低損失電子は、
検査すべき試料のより明確な表面画像を与えるために使
用される。しかしながら、最高エネルギー電子を除くす
べてが電子検出器に達するのを止めるために減速格子を
使用することは、問題を伴わないわけではない。最高電
圧のSEMにこの形式の格子配列を使用することは、減速
界エネルギー・フィルタのスクリーンにおけるそのよう
な高電圧のためにSEMの本体内においてアーク放電が生
じることがあるので、困難である。従って、電圧が55kV
を越えることがあるような高電圧の存在下で低損失電子
画像化が行えるようなSEMを提供することが、本発明の
目的である。

判るように、SEMにおける分解能は、磁気集束レンズ
の高磁界領域に試料を配置することによって改善するこ
とができる。このような顕微鏡においては又、試料に接
近してその磁界中に電子検出器（シンチレータ）を配置
して、低損失電子と、ビーム軸からあまりにも離れて配
置された検出器に達しないようにその集束磁界によって
抑制されている他の散乱電子と、を区別することなく散
乱電子の多くを遮ることによって、画像を形成すること
ができることが知られている。上の参照文献１（Cossle
tt外）は、検出器が顕微鏡の磁極片ギャップへ押し入れ
られるようになっている顕微鏡について記載している。
試料が高磁界領域にあるときに、その試料への高入射角
を使用することによって、且つ電子が衝突電子ビームに
対して小さい角度（30°未満）により散乱させられた場
合の試料から散乱した電子をエネルギー・フィルタする
ことによって、低損失電子画像を形成することができる
（参照文献２）。本発明の実施においては、一次ビーム
の入射角度及び散乱角度が束縛されない、高磁界領域に
浸した試料の低損失電子画像化を与える装置及び技法を
提供することが更なる目的である。

電子光学の分野においても知られていることである
が、真空中の一様な磁界中で進行する電子はらせん軌道
をたどり、この場合この軌道の半径は、その磁界に垂直
な速度に比例しそしてその磁界の強さに反比例してい
る。この速度がその磁界に垂直であるならば、軌道は円
となる。このことは、ヒリエ外（Hillier etal,J.Appl.
Physics,15,664,（1944））によって指摘されたよう
に、透過型電子顕微鏡においてある特定のエネルギー損
を持った電子を選択するために使用されている。この顕
微鏡においては、電子が試料から出る点において、電子
ビーム軸に垂直に付加的な一様な磁界が発生されるよう
になっている。この外部磁界中で移動する電子は、スリ
ット及び検出器に対してほぼ半円をなす。

E.マンロー（E.Munro,Electron Microscopy 1974:Eig
hth International Congress of Electron Microscopy,
Camberra,Australia,Vol.1,pp.218-219（1974））によ
って指摘され、且つ上記の参照文献５においてO.C.ウェ
ルズ（Wells）によって論述されているように、集束レ
ンズ磁界の第２半部は、散乱電子の若干のエネルギー・
フィルタリングを与えるものである。しかしながら、そ
のようなフィルタリングはおそらく重要なものではな
い。従って、これらの参照文献の教示事項とは対照的
に、電子ビーム方向に本質的に平行である、顕微鏡の磁
気レンズの高磁界領域に既に存在する磁界を使用して、
上のものとは異なった方法で散乱電子をエネルギー分析
することが、本発明の更なる目的である。

顕微鏡に既に存在する集束用磁界を使用して検査すべ
き試料の低損失電子画像化を与えることが、本発明の更
なる目的である。

本発明の実施においては、散乱電子は、その集束用磁
界が知られているならば、集束用磁界中で正確に計算で
きる軌道をたどる。それゆえ、電子顕微鏡において試料
から散乱した電子の数、エネルギー及び散乱角が、顕微
鏡の磁気集束レンズの高磁界領域内に配置された検出器
において散乱電子の遮断位置を記録することによって、
推断できるような装置及び技法を提供することが、本発
明の更なる目的である。

顕微鏡の磁界領域において、一次電子ビームにおける
電子のエネルギーの100％と約50％との間の範囲にある
エネルギーを持った電子の散乱を受けるような位置に、
検出器が配された電子顕微鏡を提供することが、本発明
の更なる目的である。

検査すべき試料が望ましくはコンデンサ−対物レンズ
の高磁界領域に配置され、且つ検出器も又そのコンデン
サ−対物レンズの高磁界領域に配置され、この検出器が
低損失電子だけに応答するように精密に配置された走査
型電子顕微鏡を提供することが、本発明の別の目的であ
る。

電子、イオン、分子、原子、又は陽子のような正又は
負に荷電した粒子のエネルギー分析にこの発明の技法を
適用することが、本発明の更なる目的である。

低損失電子画像を得るために減速界エネルギー・フィ
ルタを必要としない走査型電子顕微鏡を提供すること、
且つ更に、低損失電子画像化を与えるときに比較的高い
ビーム・エネルギーと共に比較的低い試料傾斜角度を利
用することができる簡単化した走査型電子顕微鏡を提供
することが、本発明の別の目的である。

通常の顕微鏡を改装して、顕微鏡の試料交換棒へ検出
器を組み込むことができるようにし、これにより顕微鏡
の高磁界領域において低損失電子画像化が達成できる位
置への検出器の迅速な配置を可能にする走査型電子顕微
鏡を提供することが、本発明の更なる目的である。

課題を解決するための手段 これら課題を解決するために、本願発明は、電子ビー
ムを発生するための装置と、上記電子ビームを検査すべ
き標本に導くための装置と、上記標本を浸す磁界を発生
するための装置と、上記標本から散乱した電子を検出す
るための検出器であって、上記標本から散乱した低損失
電子の軌道の同じ包絡面に沿って複数の位置に配置さ
れ、その各々が上記低損失電子を収集する複数の検出器
と、を備えている電子装置を開示する。

本発明の実施の際には、分析すべき試料又は標本は、
望ましくはコンデンサ−対物レンズの高磁界領域に取り
付けられる。この試料は、一次電子ビームに対して傾斜
させるか又は直角に取り付けることができる。低損失電
子の到達し得る領域の表面のちょうど内側には、これら
の電子を集めるために接線方向又は半径方向に検出器が
配置されている。集束用磁界のために、低損失電子は集
められることになるが、あるエネルギーより多くを失っ
た散乱電子は、その集束用磁界によって比較的小さい領
域内に閉じ込められるので、検出器に達しない。理想的
には検出器の表面は、検出すべき低損失電子のたどる経
路の包絡面を規定する包含領域表面に従うように曲げら
れるべきである。固体ダイオード、シンチレータ、ダイ
ノード、チャネルプレート、又は電流収集用電極を含む
任意の形式の検出器を使用することができる。

試料は高分解能を得るために顕微鏡の高磁界領域に配
置されるが、このような配置はこの発明の実施には必要
でない。しかしながら、走査型電子顕微鏡の高磁界領域
における試料のその配置は、採択した実施例である。こ
の採択実施例の別の態様は、集束用磁界における検出器
の位置が、規定された範囲内のエネルギーを持った低損
失電子を検出するようになっていることである。採択実
施例においては、LLEは一次ビームにおける電子の約95
％と100％との間の範囲にあるエネルギーを持ってい
る。このエネルギー範囲に対する外方限界は一次ビーム
におけるエネルギーの約50％の最小エネルギーまでであ
る。なお更に、この特定の実施例においては、検出器
は、コンデンサ−対物レンズの磁極片を通して又はこれ
の間で顕微鏡の高磁界領域へ挿入するようにすることが
できる。

本発明の装置及び技法においては、任意に小さい受容
エネルギー「窓」、及びエネルギー・フィルタリング・
システムの集束収差によって制限されない任意に大きい
入力受容立体角を持ったエネルギー・フィルタが準備さ
れている。

この明細書のかなりの部分は、走査型電子顕微鏡（SE
M）に関連してこの発明を説明するが、この発明は、走
査型透過電子顕微鏡（STEM）、走査用付属部品が付加さ
れている透過型電子顕微鏡（TEM）と一般に呼ばれてい
る機器、又は細く集束した粒子ビームが固体（又は他の
任意の）試料について走査されるような任意の機器にお
いて、利用することができる。

これら及びその他の目的、特徴及び利点は、採択実施
例についての次の一層詳細な説明から明らかになるであ
ろう。

実施例 本発明の基本的な考えは第1A図及び第1B図に図解して
おり、又第1C図〜第1E図に基本的概念の変形を図解して
いる。第1A図及び第1B図において、試料又は標本10はコ
ンデンサ−対物レンズの磁界Ｈ中に置かれている。一次
電子ビーム（図示していない）は位置12において標本10
に当たり、そしてこの位置から電子が散乱する。矢印14
及び16は、磁界Ｈ中で移動するこれらの散乱電子のある
ものの軌道を表している。電子軌道14は低損失電子（LL
E）のたどる軌道を表しており、又軌道16はそれより低
いエネルギーを有する後方散乱電子（BSE）のたどる軌
道を表している。このBSEのたどる軌道は、そのLLEのた
どるそれよりもより曲がっているので、半径方向検出器
18（第1A図）又は接線方向検出器18（第1B図）に達しそ
こなう。これら二つの線図において、標本10に衝突する
一次電子ビームによるＸ線の発生に起因した検出器18か
らの背景計数（カウント）を減少させるために、Ｘ線の
吸収器20を使用している。

第1C図に関連して更に明らかになるように、検出器18
は、LLEの諸軌道が定める面のちょうど内側に取り付け
るか、又は（第6A図及び第6B図に関して更に詳細に説明
するように）本装置の動作中にその位置調整が行えるよ
うに位置決め機構に取り付けるようにすることができ
る。この方法で、エネルギー・フィルタリングを達成す
ることができる。本採択実施例においては、試料10及び
検出器18は両方とも検出器18がLLEだけを検出するよう
に配置されるときには、顕微鏡の高磁界領域に配置され
る。更に明確には、この採択実施例においては、その検
出LLEのエネルギーは、一次ビームにおける電子のエネ
ルギーの100％と約75％との間の範囲にあるようにする
ことができる。

第1A図及び第1B図において、試料10は（第1C図におい
て更に精密に示した）入力電子ビームに対してほとんど
垂直に又はある角度で配置している。図解の容易さのた
めに、顕微鏡のコンデンサ−対物レンズの諸磁極片は、
第1A図及び第1B図には示していない。これらの磁極片は
第1C図には示してある。

第1C図は、一般的動作を第1A図及び第1B図に示した装
置の図解である。この理由のため、同じ参照数字は同じ
素子を指示するのに使用している。この図においては、
集束用磁気レンズの磁極片22を示しており、又試料又は
標本10に当たる一次電子ビームを表す矢印も示してい
る。低損失電子は、その一つが矢印14によって指示され
ている種々の軌道をたどり、従って検出器18に当たるこ
とができる。比較的低いエネルギーを有するBSEは、比
較的半径の小さい軌道をたどるので、検出されない。第
1B図において、検出器18は、LLEの軌道が検出器の収集
面に実質上正接するように配置されている。

第1C図は、磁極片22を有するコンデンサ−対物レンズ
の高磁界領域からのLLEの収集を図解しており、この場
合には、試料10を傾けているので、LLEは広範囲の頂面
にわたって収集することができる。この図はLLEの軌道
を規定する包絡面をより明確に図示しており、又LLEだ
けを検出するために収集器（検出器）18をこの包絡面の
ちょうど内側の位置まで移動させることができる様子を
示している。同じく、第1A図及び第1B図に存在する素子
を固定するために、同じ参照数字を使用する。

試料から散乱したそれらの低損失電子の諸軌道は、上
記のE.マンロー（Munro）によって計算され且つＲ−Ｚ
モードでプロットされている。一次電子ビーム電圧を上
昇させると、集束用磁界はその標本上の同じ位置に焦点
を保つために増大させなければならない。しかしなが
ら、コンデンサ−対物レンズの磁極片22が飽和しないか
ぎり、LLE軌道14はそのような場合に変わることはな
く、従って検出器（一つ又は複数）18は、加速電圧及び
集束用磁界を調整したときにその位置を調整する必要は
ない。諸軌道14の包絡面が規定する包含領域の表面は、
それらの軌道がレンズの軸から最も遠い場合の点を含ん
でいる。

座標系は次のとおりである。即ち、ｚ軸は顕微鏡の軸
に沿っている。電子ビームは負のｚ軸方向（矢印24）に
おいて試料に近づく。この座標の原点は、そのビームが
試料10と会う箇所である。ｙ軸は収集器18の方に向いて
おり、従って収集面は、（第1C図に示すように平たく且
つ垂直であるならば）ｙ＝一定の平面内にある。電子軌
道の曲率のために、LLEは、第1C図に示した位置におい
て収集器に到達するためには、紙の面に対してほとんど
直角に試料を去らなければならない。この理由のため、
開いた矢印26は、試料10に対するｘ軸、収集器18に対す
るｙ軸、及び各軌道に対するＲ座標を示している（上か
らの図に関しては第1D図及び第1E図を見よ）。

第1C図は、試料10が完全には磁気集束レンズの中心に
ないときの状況を示している。包含領域の表面は、この
場合このレンズの中間平面において完全には垂直でな
く、そしてこの平面の上下で内方へ曲がっている。図示
した収集器18は、ほとんど完全に磁極片ギャップをふさ
ぐものである。この収集器は、xy平面の上約45°と下約
30°との間の角度で試料を去るLLEを収集することがで
きる。理想的には、検出器18は、軌道14の包絡面に一致
するような形状とすべきである。実際には、第1C図に描
いた方法は、試料を（図示したように）水平から30°だ
け傾けるならば十分に機能する、ということが知られて
いる。

エネルギー・フィルタリング効果を達成するために必
要とされる第1A図、第1B図及び第1C図における検出器18
の運動は、散乱電子が到達し得る領域の中へ若しくはそ
の外へ検出器を持っていく単純運動か、又はこの表面の
種々の部分への運動か、又はこれら二つの組合せとする
ことができる。別の方法として、検出器18を移動させる
という作用は、固定した検出器の前でナイフ・エッジ又
は他の装置（例えば電子を散乱させる装置）を動かすこ
とによって達成できる。

第1D図及び第1E図に、第1C図に関しての上からの図を
示している。第1D図においては、限定的な場合を図解し
ており、この場合には、収集器18は、試料10から散乱し
た零損失電子が収集器の中心をちょうどかするように配
置している。第1E図は、収集器18を試料10により近く持
って来た更に一般的な場合について図解しており、この
場合には、低損失電子のすべてが収集される。図示の諸
元、及びエネルギーＥ_oは次の項において更に詳細に説
明する。

数学的解析 近似として、xy平面におけるエネルギー弁別Ｓ_max及
び受容半角θ_collは、平たい収集器及び一様な磁界（第
1D図，第1E図）の仮定において計算することができる。
電子は、ｚ軸に沿って負方向に紙の平面に直角で試料に
接近する。磁界は、紙からの一様な強さＢ_zのものであ
ると仮定する。試料の表面は、図面の平面に対して傾斜
させてもよく、従って円形の試料は長円として示してい
る。エネルギーＥ＝（１−ｓ）Ｅ_oの電子がそのxy平面
へ散乱されるものと仮定する。ここで、Ｅ_oは一次エネ
ルギーであり、そしてｓは試料における端数のエネルギ
ー損失である。xy平面における軌道の曲率半径Ｒ（Ｅ）
は次のとおりである。

第1D図は、エネルギーの損失なしでｘ方向へ散乱され
た電子を示している。これらの電子は、収集器が試料か
ら2R（Ｅ_o）の距離にあるならば、収集器の中心をちょ
うどかすることになる。

より一般的な場合には、収集器までの距離は、ｋが１
未満であるとして、2kR（Ｅ_o）である（第1E図）。（１
−ｓ）Ｅ_oより大きいエネルギーの電子は、この場合、
試料からの放出の初期方向がｘ方向に対してθ未満の角
度にあるならば、収集器に達することができる。ここ
で、ｓは次式によって与えられる。

収集器に達する最低速の電子は、ｘ方向に試料を去って
収集器をその中心点でかする。この検出器システムのエ
ネルギー弁別Ｓ_maxは、式２においてθ＝０に対応する
ｓの値によって与えられる。すなわち、 Ｓ_max＝１−ｋ² （３） ｘ方向のいずれかの側における有効な収集器半角θ_coll
は、式２においてｓ＝０に対するθの値によって定ま
る。すなわち、 マンロー（Munro）のデータから、試料がレンズの中間
平面にあるならば、Ｒ（Ｅ_o）＝0.15Dである。但し、Ｄ
はレンズの内径及び間隔（互いに等しいと仮定）であ
る。それゆえ、上の各式から、Ｄ＝1cmを有するレンズ
に関しては、収集器の15μｍの移動が、１％だけエネル
ギー弁別を変化させる。従って、精密な収集器運動が必
要とされる。

LLE画像のためには、Ｓ_maxは視野を確認している間は
0.1でよく、そして画像を記録している間は0.01未満で
よい。以前LLE作業に対して使用していた減速界エネル
ギー・フィルタでは、受容円すいの半角は30°であっ
た。表１に従って、３％のフィルタ分解能では、対応す
る半角は20°である。レンズ内のLLEの包含領域の表面
に対しより厳密に従うように収集器の表面を曲げること
ができるならば、受容角度のかなりの改善が期待でき
る。

試料−収集器間距離へのエネルギー弁別Ｓ_maxの依存
性は、低倍率における視野を制限するものである。すな
わち、10cm平方の顕微鏡写真を1000直径の倍率で記録し
たならば、視野は直径100μｍの大きさがある。上記大
きさのレンズでは、エネルギー弁別は視野の全域で100/
15＝6.7％だけ変化する。

第２図 第1A図〜第1E図は、単一の検出器の使用を例示してい
るが、本発明は、第２図に例示したように多数の検出器
の使用も含んでいる。同じく、前に説明したものと同じ
機能を持った素子を示すために、同じ参照数字を使用す
る。それゆえ、試料10に位置12において一次電子ビーム
が衝突して、そこから電子が散乱する。これらの散乱電
子は、（例えば）試料がこの種々の発出角度に対応する
種々の信号を得るために、検出器18A〜18Dによって検出
する。これらの多数の検出器は、単一の検出器の有効面
を細分割することによって、又は各ユニットが（第２図
に示したように）種々の極線角若しくは方位角でその面
を去るLLEを遮断するように配置した別々の複数のユニ
ットを取り付けることによって、又は図示した位置を次
々に占めるように単一の検出器を移動させることによっ
て、又はこれらの任意の組合せによって得ることができ
る。例えば、０°の発出角度で出発するLLEは収集器18A
によって収集され、又1350°の発出角度で試料10から散
乱したLLEは検出器18Dによって集められる。これは、
（例えば、試料の両側に配置した一対の検出器を用い
て）周知の「和又は差」技法を（この独特の検出器シス
テムにより）適用して試料から増大した情報を得ること
を可能にする。検出器18A〜18Dは、顕微鏡の集束レンズ
の磁界内に配置されている。

集束用磁界は、LLEとBSEとの間のエネルギー区別を与
えるために使用しているので、前に注記したような減速
界エネルギー・フィルタの格子間のアーク放電の可能性
によって引き起こされるこのLLE画像化システムにおけ
る電圧の実用的限界は、消失する。すなわち、本発明
は、LLE画像化における加速電圧として（55kVより大き
い、典型的には200kV以上の）より高い電圧を使用する
ことを可能にする。更に、これは、結晶におけるチャネ
リング・コントラスト、及びより高い分解能、並びに一
様な薄膜の下に隠された表面下の諸特徴の画像化を可能
にする。

多くの商用モデルのSEM,STEM,又はTEMにおいては、試
料は、側面から入る試料挿入棒を用いて、コンデンサ−
対物（又は類似の）レンズの高磁界領域へ導入するよう
になっている。これは、第6A図及び第6B図に関して説明
するように、標本取付具と同じ棒上に検出器を取り付け
ることを可能にする。この特徴は、本発明の利点が得ら
れるよう、在来のSEM（及び走査用付属部品を備えた透
過型電子顕微鏡）を改装できるようにする。

本発明の変質的な特徴は、ある種の有効面を持った検
出器を、この有効面が試料10からのある選んだエネルギ
ー範囲及びある選んだ放出立体角内に散乱した電子の到
達し得る領域のちょうど内側にあるように配置すること
である。検出器の設計は、位置が固定していても又は調
整可能であっても、多くの変形をとることができる。例
えば、最も簡単な検出器システムは、増幅器・電流監視
装置に接続された、平たい又は曲がった導電電極であ
る。この導電電極は、電子が（ナイフ・エッジに関して
第1A図に示したように）側面から、第1B図に示したよう
に実質上接線方向に、又はこれらの中間の任意の角度で
その導電面に当たるように挿入されればよい。

検出器18は、接地電位又は任意の他の電位にある固体
ダイオードでもよい。典型的には、これらのダイオード
は、多くの既知の技法のいずれかによりｐ−ｎ接合（又
は他の任意の形式の電気的に有効な接合部）を製作する
ことによって作る。この接合は、シリコン層又は他の半
導体材料層の表面に近く配置する。この接合内に到来散
乱電子によって誘起される信号は、SEM技術においてよ
く知られているように、試料の特性を表示するものであ
る。この接合は、収集目的を達成するために、LLEの軌
道に対して垂直に、接線方向に又は任意の角度で取り付
けることができる。

前の段落で説明した検出器装置は、一般的に平たい面
をもつように製造しているけれども、本発明は又、第３
図に示すように曲面をもったそのような検出器にも関係
している。この実施例においては、検出器18に、散乱電
子に接近可能な領域の表面と一層厳密に一致するように
曲面を持っている。従って、この曲面形検出器18は、例
えば０°〜135°の発出角度を持った散乱電子を検出す
ることができる。

第３図における検出器18は、例えば、これに導線28で
増幅器・電流監視装置を接続することのできる曲がった
導電電極である。この代替例として、検出器は、光検出
器に結合された光パイプ（又はこれの等価物）上の蛍り
ん光体またはシンチレータ材料でもよい。

電荷結合素子（CCD）配列のような半導体ダイオード
配列を、第1A図に示した位置に、又はLLEがその配列の
表面に一層斜めの角度で当たるように別の角度で挿入し
てもよい。このCCD配列の出力は、ビデオモニタへ（LLE
からの信号を測定するための計算機による解析を含む）
それにおける表示のために送るようにすることができ
る。SEMの視野がダイオード配列間隔に比べて大きいと
きには、LLE遮断の位置は、標本上の電子ビームの位置
が変わるにつれて変化する。標本上での一次電子ビーム
のラスタ走査の方向及びレート、並びにCCD配列の読出
しの計算機制御によりこの見掛けの運動は補償される。
そのCCD配列は、表面に到着する電荷の分布を測定する
ことができ、従って計算システムに結合した場合には、
その配列から得られた情報を処理するのに使用すること
ができる。この方法で、検出器又はナイフ・エッジから
得ることができるのと同じ情報が得られる。

判るように、検出器は、平たくても又は曲がっていて
もよく且つ金属化されていても又はいなくてもよい蛍り
ん光体又はシンチレータ材料から作ることができる。こ
れらの検出器は上述のように電子を検出する目的のため
に、光検出器に結合することができる。これらの検出器
設計はいずれも、散乱電子が検出器に入るときのエネル
ギーを変更するために、正又は負の電位で動作させるこ
とができる。例えば、正のバイアスを加えることによ
り、比較的低い一定ビーム・エネルギーでの動作を可能
にすることができる。

検出器表面をLLEの軌道の包絡面が定める形状に曲げ
ているならば、LLEはその表面にほとんど正接する角度
で検出器のその表面に入ることになる。シンチレータ検
出器からの光の収集効率は、第４図に例示するように、
光ファイバ又は光パイプの中心上にシンチレータ検出器
を配置することによって改善することができる。この図
において、試料10から散乱した電子は、検出器18（これ
らの検出器のそれぞれは、光ファイバ又は光パイプ30の
中心に配置されている）への軌道29をたどる。

第５図は、第４図の検出器配列の変形を示しており、
これは一層容易に製造できる形式のものである。この図
において、検出器18は、光ファイバ30の曲面に付着させ
たシンチレータ材料の連続した層である。それらの光フ
ァイバはそれぞれ、ファイバ30内の光の完全内部反射を
与えるために使用した内側透過部分32及びクラッディン
グ部分34を備えている。これらのファイバを適当な腐食
液中で食刻させたとき、コア32はクラッディング材料34
より遅いレートで食刻される。このために曲面領域36
（これの上にシンチレータ材料18を付着させる）が残
る。

第５図に示した形式の検出器設計のものは、容易に製
造でき、これは、シンチレータ層18が発生する光の光フ
ァイバ配列への非常に有効な結合を与えるものである。
この光ファイバの配列は、光ファイバ配列の大きさに依
存してより大きい受容角度にわたってLLEを収集するよ
うに配列することができる。

これらの検出器設計はいずれも、金網を付加して検出
器の内面と接触させるか又はこれから離し、且つ金網及
び検出器にどのような電位でも有利なものをバイアスと
して与えて、動作させることができる。一例として、そ
の金網は、試料と金網との間の電子の運動に対する妨害
を避けるために、接地電位に保持するようにすることが
でき、一方、金網の後ろにある検出器は、検出器が一層
高感度になる速度まで電子を加速するために且つより低
い入射電子ビーム・エネルギーの使用を可能にするため
に正の電位に保持するようにすることができる。

その金網は、到来電子が金網の針金に当たって検出し
得る散乱電子を生じさせるような細かい間隔を持つよう
にすることができる。この代替例として、金網は、目の
粗い織り方にして、例えば検出器に加えた正電位が金網
の開口部を貫通できるようにし、そしてこの方法で収集
器の有効面として作用する金網の面を越えた境界面を設
定するようにすることができる。本発明の実施の際に
は、そのような吸引界が金網の開口部を貫通する程度
は、制御して、検出器を物理的に動かすことによって達
成されるであろうようなものと同じ効果を達成すること
ができる。その吸引界による検出器のこの有効な「位置
決め」は、非常に細かい網目から目の粗い網目までに及
ぶ任意の程度の開口部を持った金網を用いて実現するこ
とができる。

検出器の前にナイフ・エッジを配置するという案は、
次のように一般化することができる。

上述の検出器の代わりに、金属若しくは非金属の一つ
若しくは複数の板における一つ若しくは複数の穴を用い
て、又は以下で説明するように検出器と共に位置決めし
たナイフ・エッジを用いて、集束レンズの磁界によりエ
ネルギー・フィルタリング作用を達成するようにするこ
とができる。それらの穴は、一つの電子が一つの穴だけ
を通過するように横に並べて、又は一つの電子が二つ以
上の穴を順に通過することができるように前後に並べて
配置することができる。これらの二つの配列の組合せも
又使用することができる。板におけるその穴（一つ又は
複数）を通過する電子は、電流増幅器、シンチレータ、
又は固体ダイオード、又は検出中の粒子のスピンに感じ
る検出器を含む技術上既知の他の任意の形式の検出器に
よって検出することができる。これらの検出器は、穴
（一つ又は複数）の出口側に配置することができる。こ
れとは別の方法として、電子は穴（一つ又は複数）を通
過した後上述の方法のいずれかで検出する前に、偏向さ
せ、加速し、減速し、ダイオードへ導き、又は粒子スピ
ンに従って分類し、又はどのようなものでも任意の方法
で処理するようにすることができる。

第1C図においては、試料又は標本は、周知のコンデン
サ−対物レンズの手法で磁界分布の中心近くに取り付け
てあるように示していた。しかしながら、本発明は、試
料がレンズの磁界に完全に浸るか、部分的に浸るか、又
はこの磁界から完全に遮へいされていようとも、BSE及
びLLEが試料の上方で集束磁界に入るような任意の形式
のレンズにも又十分に適用できる。

第1C図は、磁気レンズの上方及び下方の磁極片の平面
の間に配置した検出器を示しているが、検出器は、この
位置に配置する必要はない。本発明の原理は、このレン
ズ穴へと上方又は下方に延びた（又は完全にその内部に
置いた）検出器にも又十分に適用できる。

第6A図及び第6B図は、分析すべき試料及び検出器の両
方を収容する保持器の側面図及び上面図を例示してい
る。この実施例も又、コンデンサ−対物（又は類似の）
レンズと共に使用する任意の側面入口試料挿入棒に適用
できる。前の諸図面において使用したものと同じ参照数
字を、標本10及び検出器18に対し使用している。例え
ば、第6A図の側面図においては、棒38が試料10及び検出
器18の両方を支持するために使用している。その検出器
には、これの出力を関連の電子回路42に結合する電流導
体40が接続している。又はこれと別の方法として、上述
の検出器の任意のものを使用することができるであろ
う。

10と18との間には、Ｘ線阻止具を配置してもよい。

検出器18の上面の上方には、シールド44を配置してい
る。

前に注記したように、電子ビーム電圧を上昇させる
と、焦点を標本上の同じ位置に保つために、磁界を増大
しなければならない。磁極片が飽和しないかぎり、LLE
軌道はそのような場合において変わらず、従って、検出
器位置は、加速電圧及び集束用磁界が調整されたとき
に、レンズ軸に対して調整する必要がない。しかしなが
ら、この形式の試料挿入棒においては、その棒全体を動
かすことによって顕微鏡内の試料を動かすことが通例で
あり、従ってこの棒に対して任意の方向に検出器の位置
を調整するための機構を設けるようにすることができ
る。これは、通常のSEM、及び走査用付属部品を備えたT
EMに対するLLE検出器の容易な改装を可能にする。

例 本発明は、ISIモデル130S SEMの上方試料段を用いて
評価した。透過型検出器は、その上方段の下のそれの通
常の位置から除き、そしてこの実験のために変更した。
これは、上方段と同じ高さの側面ポートレベルに再び取
り付けた。その透過型検出器をビームから取り出すこと
のできる機構には、正確な運動のためにマイクロメータ
を取り付けた。透過シンチレータは除去し、そして光パ
イプを延長して顕微鏡の軸の近くまで持っていった。理
想的には、その光パイプは、試料棒に対して直角である
ポートを通して挿入するべきであるが、これは、エネル
ギー分散性Ｘ線検出器が占めていた。その新しい検出器
はそれゆえ、試料棒に対して45°のポートを通して挿入
し、そして光パイプの端部はシンチレーティング面が試
料棒に平行な垂直平面内にあるように45°に切断した。
コラムの左側にある三つの検出器のうちの任意の一つ
は、試料の近くの適当な位置へ移動させることができる
ようにした。

未変更の上方段試料保持器においては、試料の運動
は、試料台座（stub）の上方面と同じ平面内で生じる。
これは、顕微鏡と共に供給された検出器を用いて二次電
子（SE）又は後方散乱電子（BSE）の画像をとるために
はよいが、その平面の下である方向に試料を去るLLEが
検出器に到達するのを不可能にする。予備の試料挿入組
立体を購入し、そして外側の配置棒は90°動かした。試
料台座の表面は、垂直になったが、試料運動はなお水平
面内にあった。試料棒軸の左の半空間はそれゆえ、LLE
の脱出のために妨げられなくなった。ある試料台座を作
ってその台座軸上に横向きに試料を配置した。台座軸は
これで水平となり、従って試料の傾きは保持器内のその
台座を回転させることによって変えることができるよう
になった。LLE画像化のために、試料は、操作員から離
れる方向に30°以下傾ける。LLEは次にレンズ磁界によ
って左方のシンチレータへ偏向させる（このレンズ内の
磁界を反転させるべきであったならば、試料は操作員の
方へ傾けられたであろう）。これは、LLE方法を使用す
るときに必須のSE画像に影響を及ぼさないが、顕微鏡と
共に供給されたBSE検出器の収集効率に影響を及ぼすこ
とがある。

この方法の最初の試行の間、光パイプの端部は、キシ
レンの溶液からプラスチック・シンチレータの層で覆
い、そしてアルミニウム処理した。この方法は、10keV
の電子エネルギーに対しては十分に機能するが、層が薄
すぎたので、ここで使用した40keVでは失敗であった。
直径1.0cm、厚さ0.1cmのアルミニウム処理イットリウム
・アルミニウム・ガーネット（YAG）単結晶シンチレー
タ円板からは、大いに改善した信号が得られた。理想的
には光電子増幅管をそのYAGシンチレータの放出線に整
合するように取り替えるべきであるが、これは行わなか
った。

この新しい検出器の動作は、試料として銅の網目を用
いて確認した。このモデルのSEMにおいては、コンデン
サ−対物レンズは、直径300倍以下の倍率では活動化さ
せず、従って低倍率では前にあるコンデンサ・レンズで
ビームを集束させることによって低分解能画像を得るよ
うにしている。SE画像においては、標本は観察方向から
照明されているように見える。この動作モードにおいて
は、BSEは、レンズ磁界によって偏向させられず、試料
からのシンチレータの距離に関係なく新しい検出器から
信号が得られる。予想されるはずであるが、これは、シ
ンチレータの方向から照明された画像を与える。

そのコンデンサ−対物レンズを活動化させると、両画
像の分解能が大いに改善する。LLE信号は、シンチレー
タが試料から所要距離未満にあるときにだけ得られる。
照明の有効方向は、レンズ磁界によるLLEの偏向から予
想されるように、直角角分変化している。これは、粗い
標本からの典型的なLLE画像を与え、これは、検出器の
限られた立体角のために強い陰を伴い、また検出器に対
して正しく方向づけられた試料面の部分だけからの試料
面の満足な画像化が生じる。

この検出器は、今度はGaAsの研究のために使用する。
GaAs上に成長したGaInAsからのLLE及びSE画像の比較対
を作った。そのSE画像は、GaInAs表面上の粒子を取り囲
む暗い領域を示しているが、これはLLE画像には現れて
いない。これは、仕事関数には影響を及ぼすがLLE信号
には影響を及ぼさない薄い表面層であると考えられる。
この材料の小さい点がその表面上に見られる。そのLLE
画像は、SE画像より雑音が多いが、一般的な感じではノ
マルスキ（Nomarski）画像に符合する比較的強い形態学
的コントラストを示している。

比較的高倍率での比較対も又作った。視野はその中心
におけるちり粒子によって識別した。やはり又、SE画像
は、SE放出が減少した小さい領域を示したが、LLEは比
較的強い形態学的コントラストを示した。ある場合に
は、LLE画像は、モリン外（Morin etal.Phil.Mag.A,40,
511（1979））によって記述された転位画像と類似の方
法でチャネリング状態と共に変化する細い線を示した。

本発明は、電子顕微鏡における使用のための新しい技
法及び装置を与えるものであり、そして特に、以前の装
置よりも大きさが小さく且つより高いビーム・エネルギ
ーで動作させることのできるLLE検出器装置を利用して
いる。本発明は、集束レンズの磁極片の下にエネルギー
・フィルタを置くことがもはや必要でなくなるので、よ
りゆるやかに傾斜した試料の使用を可能にする。

例のように、LLE画像は、同じビーム電流に対しては
散乱電子画像よりも雑音が多い。この意図は、比較的浅
い情報深度で種々の画像コントラストを得ることであ
る。以前の研究でわかっていたことであるが、BSE又はL
LE画像で固定した入射角では、形態学的及び電子チャネ
リング・コントラストの強さは検出器の発出角度に依存
している。それゆえ一般に、接線平面に対する高い発出
角度では、形態学的コントラストは弱く（又は零でさえ
ある）、且つチャネリング・コントラストは強いままで
あろう。これにより示唆されることであるが、第1C図に
示した検出器を種々の２平面の間で部分部分に分割し
て、この各部分が試料からの種々の発出角度からLLEを
集めるようにすることが有効であろう。この方法で、発
出角度は、特定の問題に対して最適化され得るであろ
う。

本発明の実施の際には（例えば、固体ダイオード並び
に関連のナイフ・エッジ及びＸ線阻止具を用いた）検出
器を、操作用付属部品を備えた任意の透過型電子顕微鏡
の試料変更棒へ組み込むことが可能である。この方法
で、非常に単純な機器により高電圧LLE画像を得ること
が可能である。更に、これは、P.モリン外（P.Morin et
al.Phil.Mag.A,40,511 （1979） and P.Morin etal.Sca
nning,2,217 （1979））により記述された方法による、
高ビーム・エネルギーでのチャネリング・コントラスト
を用いた結晶欠陥の研究に有利である。本発明の諸原理
に従って（例えば網目又はナイフ・エッジを用いて）エ
ネルギーを選択した後、LLEをシンチレータへと加速す
ることによって、この顕微鏡の低電圧形式のものを構成
することも又可能である。

本発明についてこれの特定の実施例に関して説明した
が、本発明の精神及び範囲から外れることなくそれに種
々の変形を行い得ることは、技術に通じた者には明らか
であろう。

【図面の簡単な説明】

第1A図〜第1E図は、本発明の原理の種々の相を図解して
いる。第1A図及び第1B図は、集束用磁界が生成するエネ
ルギー・フィルタリングを図解した、走査型電子顕微鏡
の内部部分の（一次電子ビームの方向に沿った）上面図
を示している。ここで、第1A図は、散乱電子軌道の包絡
面に対して直角になっている検出器の配置を示してお
り、又第1B図は、散乱電子軌道の包絡面に正接している
検出器の配置を示している。第1C図は、コンデンサ−対
物レンズの高磁界領域における低損失電子が取る経路を
更に詳細に図解しており、この場合試料を傾斜させてい
るので低損失電子を広範囲の頂面にわたって集めること
ができる。第1D図及び第1E図は第1C図における上方から
の二つの図であって、第1D図は、零損失電子が収集器の
中心をかする限定的な場合を示しており、又第1E図は、
収集器を試料により近く持って来た一般的な場合を図解
している。 第２図は、試料から散乱した電子の種々の発出角度に
対応する種々の信号を与えるために、コンデンサ−対物
レンズの磁界領域に配置した多数の検出器を使用するこ
とについて図解している。 第３図は、試料から散乱した低損失電子を長さ方向に
沿った種々の位置において集める曲面型検出器の使用を
図解している。 第４図は、コンデンサ−対物レンズの磁界領域内に隔
置した複数の検出器の使用を図解しており、この場合、
各検出器は光ファイバ又は光パイプと接触して配置して
いる。 第５図は、第４図の検出器構造の変形を示しており、
この場合、光ファイバ配列は、ファイバのよりゆっくり
食刻されたコアがファイバのより速く食刻されたクラッ
ディングの上に突出するように食刻されており、またそ
の配列の全面はシンチレータ材料で被覆されている。 第6A図及び第6B図は、顕微鏡のコンデンサ−対物レン
ズの磁界中への挿入のため、検出器を取り付けた試料保
持装置の、それぞれ側面図及び上面図を示している。 〔符号説明〕 10:試料 12:一次電子ビームが当たる位置 14:低損失電子の軌道 16:後方散乱電子の軌道 18:検出器、18A〜18D:複数の検出器 20:X線吸収器、22:磁極片 29:軌道、30:光ファイバ 32:内側透過部分、34:クラッディング部分 36:曲面領域、38:棒 40:導体、42:電子回路 44:シールド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オリヴアー・クレイグ・ウェルス アメリカ合衆国ニューヨーク州，10598, ヨークタウン・ハイツ，レランド・ドラ イブ 1324 (56)参考文献 特開 昭57−19948（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−64743（ＪＰ，Ａ) 特開 昭55−128242（ＪＰ，Ａ) 実開 昭54−70359（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭57−82052（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−174856（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭49−7985（ＪＰ，Ｂ１)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを発生するための装置と、 上記電子ビームを検査すべき標本に導くための装置と、 上記標本を浸す磁界を発生するための装置と、 上記標本から散乱した電子を検出するための検出器であ
   って、上記標本から散乱した低損失電子の軌道の包絡面
   に実質上一致する曲がった電子収集面を有し、上記低損
   失電子だけが上記電子収集面に到達するような位置にお
   いて上記磁界中に配置されている検出器と、 を備えている電子装置。
2. 【請求項２】電子ビームを発生するための装置と、 上記電子ビームを検査すべき標本に導くための装置と、 上記標本を浸す磁界を発生するための装置と、 上記標本から散乱した電子を検出するための検出器であ
   って、上記標本から散乱した低損失電子の軌道の同じ包
   絡面に沿って複数の位置に配置され、その各々が上記低
   損失電子を収集する複数の検出器と、 を備えている電子装置。
3. 【請求項３】荷電粒子のビームを発生するための装置
   と、 上記荷電粒子ビームを検査すべき標本に導くための装置
   と、 上記標本を浸す集束用電磁界を発生するための装置と、 上記標本から散乱した荷電粒子を検出するための検出器
   であって、上記標本に入射する荷電粒子と実質上同じエ
   ネルギーを持って上記標本から散乱した荷電粒子の軌道
   の包絡面が上記検出器の表面に接するような、上記電磁
   界中の位置に配置されている検出器と、 を備えている電子装置。
4. 【請求項４】上記検出器が上記散乱荷電粒子を収集する
   ための曲面を持っており、上記曲面が上記標本に入射す
   る荷電粒子のエネルギーと実質上同じエネルギーを持っ
   て上記標本から散乱した荷電粒子の軌道の包絡面に対応
   する形状を有する、請求項３の電子装置。
5. 【請求項５】上記検出器の荷電粒子収集面が上記軌道に
   実質上接するように配置された複数の検出器を備えてい
   る、請求項３の電子装置。
6. 【請求項６】上記標本から散乱した荷電粒子を収集する
   ための複数の検出器を備えていて、上記検出器が光パイ
   プに接続されたシンチレータ検出器からなっている、請
   求項３の電子装置。