JP2993873B6 - 荷電粒子線応用装置及び電子線応用装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、走査形荷電粒子顕微鏡及びその類似装置に係り、特に低加速領域において高分解能でかつ二次電子の高検出効率に好適な荷電粒子光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査形電子顕微鏡の分解能を向上させるために、特開昭６１−２９４７４６号に記載されているような光学系が用いられている。すなわち、輝度が高く、エネルギ幅の小さな電界放射形（ＦＥ）電子銃と、レンズの内部に試料を配置して収差を極力小さくしたインレンズ形対物レンズとを組合わせたものである。このような光学系においても低加速領域においては分解能は低下する。
【０００３】
一方、色収差を低減するために、特公昭６３−３４５８８に記載されているような光学系が提案されている。
【０００４】
この光学系は、電子線が試料を照射する直前まで高加速電圧とし、試料照射時に減速して低加速電圧化するものである。この場合、レンズ通過時の電子線のエネルギが高いので、レンズ収差を小さくできる。すなわち、高分解能化が図れる。
【０００５】
以上の観点から、低加速領域で従来以上の高分解能を得るためには、上記両者の光学系を組合せれば可能となる。すなわち、試料はレンズの内部に配置し、この試料に負の電圧を印加して減速すればよい。
【０００６】
ただ、この場合問題となるのは二次電子の検出である。試料がレンズの外部にある従来の場合には、特公昭６３−３４５８８に示されているように、一次電子線の減速電界で二時電子が加速されるまでに二次電子検出器の電界で二次電子を検出するように構成すればよかった。しかし、試料をレンズの内部に配置したインレンズ形では、レンズの磁界が強いためにこの磁界に二時電子が強く束縛されるばかりでなく、二次電子検出器をレンズの内部に配置できないという問題が生じる。
【０００７】
また、一次電子線と二次電子とを分離することについては特開昭６２−３１９３３号に磁界のみで分離することが開示されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、二次電子の高検出感度が得られる電子光学系を提供することにある。
【０００９】
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出た第 １の荷電粒子線を絞って試料に照射する対物レンズと、 前記対物レンズと前記試料との間で前記第１の荷電粒子 線を減速させる減速手段と、前記第１の荷電粒子線を試 料に照射し、前記試料から発生する第２の荷電粒子を前 記第１の荷電粒子線から分離する第１の偏向器と、前記 第１の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への 影響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第 ２の偏向器と、を具備したことを特徴とする荷電粒子線 応用装置にある。
【００１０】
電子源と、前記電子源から出た１次電子線 を減速する負の電圧を試料に印加する手段と、減速され た前記１次電子線の前記試料への照射によって前記試料 から発生する２次電子と前記１次電子線とを第１の電界 と第１の磁界とで分離する第１の偏向器と、前記第１の 偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響を 補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の偏 向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置に ある。
【００１１】
また、電子源と、前記電子源から出た１次 電子線の試料への照射によって前記試料から発生する２ 次電子を加速する負の電圧を試料に印加する手段と、加 速された前記２次電子と前記第１次電子線とを第１の電 界と第１の磁界とで分離する第１の偏向器と、前記第１ の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響 を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の 偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置 にある。
【００１２】
更にまた、電子源と、前記電子源から出た １次電子線を絞って試料に照射する対物レンズと、前記 試料から発生する２次電子を加速する電界を発生する手 段と、前記対物レンズを通った前記１次電子線と前記加 速された２次電子とを分離する第１の偏向器と、前記第 １の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影 響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２ の偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装 置にある。
【００１３】
ただ、この場合問題となるのは二次電子の検出である。試料がレンズの外部にある従来の場合には、特公昭６３−３４５８８に示されているように、一次電子線の減速電界で二次電子が加速されるまでに二次電子検出器の電界で二次電子を検出するように構成すればよかった。しかし、試料をレンズの内部に配置したインレンズ形では、レンズの磁界が強いためにこの磁界に二次電子が強く束縛されるばかりでなく、二次電子検出器をレンズの内部に配置できないという問題が生じる。
【００１４】
一方、二次電子検出に関しては、Ｅ×Ｂ形のフィルタを試料と検出器との間に用いているので、一次電子線を直進するようにしてやれば、エネルギの異なる二次電子は自然に偏向されることになる。すなわち、図５に示すように電子線２の加速電圧Ｖ ₀ にたいして、次式を満足するようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道に影響を与えない。
【００１５】
【数１】

【００１６】
この時、検出すべき二次電子８のエネルギは減速電圧ＶＲでありかつ電子線２と方向が逆であるので、二次電子８の偏向角θは、
【００１７】
【数２】

【００１８】
となる。
【００１９】
この偏向方向を検出器の方向と一致させておけば、二次電子は検出器に向かって進むので、検出効率の向上が図れることになる。
【００２０】
【実施例】
本発明の一実施例を図１により説明する。
【００２１】
電子銃１からでた電子線２は、幾つかのレンズ（本実施例では加速レンズ３、コンデンサレンズ４、対物レンズ５）により細く絞られて試料６上を照射する。この電子線２は偏向器７により試料６上で二次元的に走査される。また、試料６からでてきた二次電子８は、二次電子検出器９により検出されて映像信号となる。
【００２２】
ここで、試料６は電子線２を減速するために負の電圧ＶＲが印加されている。
【００２３】
このとき、出てきた二次電子はこの減速電圧ＶＲにより逆に加速され、検出器９の電界のみでは十分に検出器９の方に偏向できなくなる。
【００２４】
そこで、出てきた二次電子８を検出器９の方に偏向するために偏向器を配置すればよいが、電子線２の軌道に影響のないように電界Ｅと磁界Ｂとを直交させたいわゆるＥ×Ｂ形のフィルタ１０を対物レンズ５と検出器９との間に配置している。このとき、（１）式のようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道には影響を与えずに二次電子８のみを検出器の方に偏向でき、検出効率の向上が図れる。
【００２５】
ただ、この場合、フィルタ１０による色収差が問題になる。この色収差による偏向角βは、
【００２６】
【数３】

【００２７】
で表わされる。ここで、ΔＶは電子線２のエネルギ幅である。
【００２８】
すなわち、図２に示すようにこの色収差により物点１２でＳβの拡がりを持つことになり、対物レンズの倍率をＭとすると試料上ではＭＳβの拡がりを生ずる。具体的数値の典型的な一例を示すと、θ＝３０°、ΔＶ＝０.３ｅＶ、Ｖ ₀ ＝１ｋＶ、としてＶＲに対するβは図３に示すものとなる。この図からβを大きく見積もって５×１０ ^-5 とし、Ｓ＝２００ｍｍ，Ｍ＝１／５０とすると、０.２μｍの拡がりとなる。この値は、電子線２の所望の値（〜ｎｍ）より非常に大きい。
【００２９】
そこで、本発明では図４ならびに図１に示すように、Ｅ×Ｂ形のフィルタ１１を配置してこの色収差を自己消去できるようにした。すなわち、図４から分かるようにΔＶのエネルギが拡がりを持つ電子線２があたかも物点１２の一点から出たかのようになるようにフィルタ１１を動作させる。このフィルタ１１の偏向角β′は、
【００３０】
【数４】

【００３１】
とすればよい。
【００３２】
以上により、電子線２の径を増大させることなく、二次電子８のみを検出器９の方に偏向することが可能となる。すなわち、低加速領域でも高分解能でかつ二次電子の高検出効率が得られることになる。
【００３３】
図１に示す本発明を実施した結果のごく一例を以下に示す。フィルタ１１を物点１２とフィルタ１０とのほぼ中間に配置して電界Ｅと磁界Ｂとの作用長を約２０ｍｍとなるように構成し、Ｖ0＝１ｋＶと固定にしてＶＲ＝０〜９００Ｖと変化させた。このとき、フィルタ１０、１１のそれぞれのＥとＢの強さをＥ＝０〜２５Ｖ／ｍｍ，０〜５０Ｖ／ｍｍ，Ｂ＝０〜１４ガウス（Gauss)，０〜２８GaussとＶＲに連動させて変化させたところ、４〜６ｎｍの高分解能が実現できた。
【００３４】
本発明は、１ｋＶ以下の低加速電圧でｎｍオーダの分解能を得ることを目的になされたため、フィルタを２段にしたが、目的によっては１段で構成しても二次電子の高検出効率化は可能であることは、本実施例で述べた通りである。
【００３５】
また、本実施例では試料がレンズの内部に配置したが、レンズの外側に配置された構成の光学系にたいしても実施することができる。なおこの場合、二次電子検出器は試料と対物レンズとの間にあってもよいし、図１のように対物レンズの上側にあってもよいことはいうまでもない。要は、試料と二次電子検出器との間にＥ×Ｂ形のフィルタがあれば実現できる。
【００３６】
さらに、本発明は走査形電子顕微鏡に対して述べたが、これに限ることなく類似の電子線応用装置一般に適用できるし、さらにイオン線のような荷電粒子線応用装置一般に適用できることは言うまでもない。ただ、正の電荷を持っている荷電粒子線の場合には、減速電圧は正の値にする必要がある。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、低加速領域でも荷電粒子線径を増大させることなく二次荷電粒子を検出器の方に偏向することが可能となるので、高分解能でかつ二次荷電粒子の高検出効率が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す荷電粒子光学系の縦断面図。
【図２】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差に関する説明図。
【図３】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差により生じる偏向角と試料に印加した減速電圧との関係曲線図。
【図４】フィルタの色収差を自己打消しさせるための基本光学系の縦断面図。
【図５】Ｅ×Ｂ形フィルタによる一次電子線と二次電子の軌道を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…電子線、３…加速レンズ、４…コンデンサレンズ、５…対物レンズ、６…試料、７…偏向器、８…二次電子、９…二次電子検出器、１０，１１…Ｅ×Ｂ形フィルタ、１２…物点。

Claims (11)

1. 荷電粒子源と、前記荷電粒子源から出た第１の荷電粒子線を絞って試料に照射する対物レンズと、前記対物レンズと前記試料との間で前記第１の荷電粒子線を減速させる減速手段と、前記第１の荷電粒子線を試料に照射し、前記試料から発生する第２の荷電粒子を前記第１の荷電粒子線から分離する第１の偏向器と、前記第１の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の偏向器と、を具備したことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
2. 前記第１の偏向器と第２の偏向器は電界と磁界が交叉する如く配置されていることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線応用装置。
3. 前記第１と第２の偏向器はＥ×Ｂフィルタであることを特徴とする請求項２記載の荷電粒子線応用装置。
4. 前記第１の荷電粒子線が試料に入射するエネルギーが１ＫｅＶ以下であることを特徴とする請求項１から３いずれか記載の荷電粒子線応用装置。
5. 電子源と、前記電子源から出た１次電子線を減速する負の電圧を試料に印加する手段と、減速された前記１次電子線の前記試料への照射によって前記試料から発生する２次電子と前記１次電子線とを第１の電界と第１の磁界とで分離する第１の偏向器と、前記第１の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置。
6. 電子源と、前記電子源から出た１次電子線の試料への照射によって前記試料から発生する２次電子を加速する負の電圧を試料に印加する手段と、加速された前記２次電子と前記第１次電子線とを第１の電界と第１の磁界とで分離する第１の偏向器と、前記第１の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置。
7. 電子源と、前記電子源から出た１次電子線の試料への照射によって前記試料から発生する２次電子を加速する負の電圧を試料に印加する手段と、加速された前記２次電子と前記第１次電子線とを第１の電界と第１の磁界とで分離する第１の偏向器と、前記電子源と前記第１の偏向器との間に前記１次電子線の収差を取り除く如く第２の電界と第２の磁界を発生する第２の偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置。
8. 電子源と、前記電子源から出た１次電子線を絞って試料に照射する対物レンズと、前記試料から発生する２次電子を加速する電界を発生する手段と、前記対物レンズを通った前記１次電子線と前記加速された２次電子とを分離する第１の偏向器と、前記第１の偏向器により発生する前記第１の荷電粒子線への影響を補正する第２の電界と第２の磁界とを発生する第２の偏向器と、を具備したことを特徴とする電子線応用装置。
9. 前記第１の偏向器と第２の偏向器は電界と磁界が交叉する如く配置されていることを特徴とする請求項５から８のいずれか記載の電子線応用装置。
10. 前記第１と第２の偏向器はＥ×Ｂフィルタであることを特徴とする請求項９記載の荷電粒子線応用装置。
11. 前記１次電子線が試料に入射するエネルギーが１ＫｅＶ以下であることを特徴とする請求項５から１０いずれか記載の荷電粒子線応用装置。

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