JP3101141B2 - 電子ビーム装置 - Google Patents

電子ビーム装置

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JP3101141B2
JP3101141B2 JP06014378A JP1437894A JP3101141B2 JP 3101141 B2 JP3101141 B2 JP 3101141B2 JP 06014378 A JP06014378 A JP 06014378A JP 1437894 A JP1437894 A JP 1437894A JP 3101141 B2 JP3101141 B2 JP 3101141B2
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試料に電子ビームを照
射し、試料から発生した2次電子を検出するようにした
走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】走査電子顕微鏡において、内側の磁極と
外側の磁極の下端面より下方に単一のレンズ磁場を形成
する対物レンズが用いられている。この場合、試料はこ
のレンズ磁場の中に置くことにより、高分解能の2次電
子像の観察が可能となる。このような走査電子顕微鏡に
おいて、2次電子を検出する方式として2種類考えられ
ている。図1は第1の方式を示したもので、1は対物レ
ンズであり、内側磁極2、外側磁極3、コイル4より構
成されている。この対物レンズ1により磁極2,3の下
端面より下方にレンズ磁場が形成され、このレンズ磁場
の中に試料5が配置される。
【0003】試料5には図示していない電子銃からの電
子ビームが対物レンズ1により細く集束され、照射され
る。試料5への電子ビームの照射によって発生した2次
電子は、対物レンズ1の上部に設けられた2次電子検出
器6、対物レンズ1の下部に設けられた一対の2次電子
検出器7,8によって検出される。2次電子検出器6は
試料5が対物レンズ1に接近して配置された場合に主と
して用いられるもので、試料5から発生した2次電子
は、対物レンズ1の磁場によって拘束され、対物レンズ
1の上部に取り出されて2次電子検出器6によって検出
される。
【0004】なお、2次電子検出器6,7,8は、それ
ぞれシンチレータと光電子増倍管を組み合わせた構造を
有しており、また、シンチレータの前面のリング状の電
極に正の電圧が印加され、2次電子を引き寄せる電界が
その前面に形成されている。一対の検出器7,8は試料
5が対物レンズ1から離れて配置されたときに主として
用いられるもので、試料5から発生した2次電子は、検
出器7,8の前面に形成された電界により検出器に引き
寄せられ検出される。
【0005】図2は第2の方式を示しており、図1と同
一部分には同一番号を付してある。この方式では、対物
レンズ1の内側磁極2に2次電子検出器9が取り付けら
れており、試料5から発生した2次電子は、対物レンズ
のレンズ磁場によって拘束されて上方に向かい、2次電
子検出器9の前面に形成された電界により検出器9に引
き寄せられて検出される。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】図1に示した第1の方
式では、高分解能観察時には試料1と対物レンズ2(磁
極下端面)との間の距離すなわちワーキングディスタン
スを短くし、試料5を対物レンズ1の磁場の中に配置す
る。この場合、試料5から発生した2次電子の軌道は、
2次電子のエネルギーが小さい(数eV程度)ため、対
物レンズの磁力線に沿って動く。図3は対物レンズ1の
下部における磁力線Mと、対物レンズ1の軸上磁場分布
Bzを示している。この図から明らかなように、試料か
ら発生した2次電子SEは、磁力線Mに沿って磁極下端
面付近までは光軸に沿って上に動くため、試料より下方
の検出器7,8には僅かな2次電子しか入射せず、この
検出器よって検出された信号を陰極線管に供給しても、
良い画質の像を表示することはできない。
【0007】一方、対物レンズ1の上方に配置された2
次電子検出器6の電界は、磁極下端面付近では非常に弱
いため、磁極下端面より上では、2次電子SEの一部は
磁力線に沿って対物レンズの内側磁極3方向に動き、最
終的には2次電子の一部は内側磁極3に衝突してしまう
ため、対物レンズ1の上方の検出器6によって検出され
た信号に基づいて2次電子像を表示しても、十分なる画
質の像を得ることはできない。
【0008】図2に示した第2の方式では、光軸付近に
おける検出器の電界強度が強いため、低加速電圧では一
次電子ビームがこの電界によって曲げられ、対物レンズ
1の光軸外を通るため、レンズの軸外収差で高分解能の
2次電子像を得ることができなくなる。図4はこの様子
を示しており、Eは検出器9のシンチレータ部分に印加
された正の電圧による等電位面、EBは一次電子ビーム
である。
【0009】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、2次電子の検出効率を高め、高画
質の2次電子像を得ることができる電子ビーム装置を実
現するにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく電子ビー
ム装置は、内側磁極と外側磁極を有し、磁極の下端面よ
り下方に単一のレンズ磁場を形成する対物レンズを備
え、この対物レンズによって電子ビームを集束して試料
に照射すると共に、試料から発生した2次電子を検出す
るようにした電子ビーム装置において、内側磁極の下端
面より上の位置で該内側磁極に2次電子を通過させる開
口を設け、内側磁極の外側に該開口を通過した2次電子
を検出する検出器を設けるように構成したことを特徴と
している。
【0011】
【作用】本発明に基づく電子ビーム装置は、対物レンズ
の内側磁極の下端面より上に該内側磁極に2次電子を通
過させる開口を設け、その開口の外側に配置した2次電
子検出器により該開口を通過した2次電子を検出する。
【0012】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図5は本発明の一実施例である走査電子顕
微鏡を示しており、11は電子銃である。電子銃11か
ら発生した電子ビームEBは、集束レンズ12と対物レ
ンズ13によって試料14上に細く集束される。また、
電子ビームEBは、偏向コイル15,16によって偏向
され、試料14上の電子ビームの照射位置は走査され
る。なお、図示していないが、偏向コイル15,16に
は走査信号発生回路から2次元走査信号が供給される。
【0013】対物レンズ13は、ヨーク17、内側磁極
18、外側磁極19、コイル20より構成されており、
内側磁極18の下端面に近い位置に開口21が穿たれて
いる。内側磁極18の開口21部分の外側に、外側磁極
19に2次電子検出器22が取り付けられている。2次
電子検出器22はシンチレータと光電子増倍管とを組み
合わせた構造を有しており、円形状のシンチレータの周
囲部分にはリング状の電極が設けられ、その電極には2
次電子を引き寄せる正の電圧が印加される。この電圧値
は数kVから数10kVの範囲から選択される。2次電
子検出器22の検出信号は、増幅器23によって増幅さ
れた後、電子ビームEBの走査と同期した陰極線管24
に供給される。このような構成の動作は次の通りであ
る。
【0014】上記した構成で、2次電子像を観察する場
合、図示していない走査信号発生回路から所定の走査信
号が偏向コイル15,16に供給され、試料14上の任
意の2次元領域が電子ビームEBによってラスター走査
される。ここで、対物レンズ13は内側磁極18と外側
磁極19の下端面より下方に単一のレンズ磁場が形成さ
れるように構成されており、このレンズ磁場の中に試料
14が配置されている。試料14への電子ビームの照射
によって発生した2次電子は、レンズ磁場により拘束さ
れて上方に向かう。
【0015】ここで、内側磁極18の開口21付近に
は、検出器22の前面に印加された電圧に基づく電界が
形成されている。この電界により試料14から発生し対
物レンズ13内を上方に向かってきた2次電子は、検出
器22方向に曲げられ、そして、2次電子検出器22に
入射して検出される。その検出信号は、増幅器23を介
して偏向コイル15への走査信号と同期した陰極線管2
4に供給され、陰極線管24には試料の任意の領域の2
次電子像が表示される。
【0016】さて、2次電子が通過する開口21と2次
電子検出器22の位置が対物レンズ13の下方にあるた
め、検出器が対物レンズ上方にある場合(例えば図1の
検出器6の配置)に比べ、内側磁極18の下端面付近の
検出器22による電界は強いため、2次電子は検出器2
2方向に効率良く曲げられ、より多くの2次電子が開口
を通って検出器22によって捕獲でき、結果として高画
質の2次電子像を得ることができる。
【0017】また、内側磁極13に穿たれた開口21付
近には磁界が形成され、この磁界は2次電子に対して集
束作用を有することになる。そのため、開口21を通っ
て2次電子検出器22に向かう2次電子は、集束されよ
り効率良く検出器に捕獲されることになる。なお、この
開口21により形成される磁場により集束される2次電
子の軌道を計算すると、開口21を通過して検出器に向
かう2次電子は曲線を辿り、開口21部分または開口2
1部より内側で最も高い位置を通る。その結果、検出器
22の中心位置を開口21の中心位置より下方に配置す
ることにより、開口21を通過した2次電子を全て検出
器22に入射させることができる。
【0018】なお、2次電子検出器22を光軸から遠ざ
けること、更に、内側磁極18の開口21により、2次
電子検出器22からの電界を光軸付近で弱めることがで
きる。そのため、試料14に照射される一次電子ビーム
EBが検出器22からの電界で曲げられる角度が小さく
なり、一次電子ビームEBが対物レンズ13の中心付近
を通ることができる。従って、対物レンズ13の軸外収
差が小さくなり、電子ビームの加速電圧を低くしても高
分解能の2次電子像を得ることが可能となる。
【0019】上記したように、試料14からの2次電子
は、対物レンズ13のレンズ磁場によって拘束され、対
物レンズ13の内部を上方に向かう。そして、内側磁極
18の下端面に近い位置に穿たれた開口21による磁界
により集束され、更に、2次電子検出器22の前面に形
成された電界により開口21を通過して2次電子検出器
22に入射する。しかしながらこの際、2次電子の一部
は開口21の上部の内側磁極18に衝突することが実験
的および計算上確認された。
【0020】図6はこの開口21の上部の磁極に衝突す
る2次電子を検出器22に導くための改良された実施例
を示している。この実施例では、内側磁極18の内側の
開口21の上部にドーナツ状の減速電極25を配置し
た。この減速電極25には、例えば、数Vから数10V
の負の電圧が印加されており、開口21の上部で内側磁
極18に衝突していた2次電子は、この減速電極25の
働きにより、開口21を通って検出器22に入射する。
【0021】検出器22からの電界の一次電子ビームE
Bに対する影響を小さくするためには、開口21の径を
小さくすることが好ましい。しかしながら、開口21の
径を小さくすると、2次電子の一部が開口21の下部の
内側磁極18に衝突する。図7の実施例は、この点を考
慮したもので、図6の実施例の構造にプラスして、開口
21の下方に円筒状の加速電極26を配置した。なお、
この実施例で、減速電極25は円筒状に形成されている
が、加速電極26、減速電極25共に円筒状に限定され
るものではなく、ドーナツ状の平板状で形成しても良
い。ただし、いずれの場合でも、軸対称の構成であるこ
とが好ましい。加速電極26には数10Vの正の電圧が
印加される。またこれらの電極に電圧を印加するケーブ
ルを通すため開口21とは別に内側磁極18と外側磁極
19に開口を設けても良い。このように構成することに
より、2次電子はほとんど内側磁極18に衝突すること
なく開口21を通過して検出器22に入射する。
【0022】図8は本発明の他の実施例を示している。
この実施例では、内側磁極18の下端面の位置に対し
て、外側磁極19の下端面の位置が上部にある場合であ
り、2次電子検出器22は外側磁極19の下端面より下
方に配置されている。
【0023】図9は本発明の他の実施例を示している。
この実施例では、一次電子ビームEBの軸対称に一対の
2次電子検出器27,28を配置している。従って、内
側磁極18には軸対称に2つの開口29,30が穿たれ
ている。この実施例では、2次電子検出器27,28を
軸対称には位置しているので、2次電子検出器からの電
界による一次電子ビームEBの不正な偏向は相殺され
る。
【0024】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく電
子ビーム装置は、対物レンズの内側磁極の下端面より上
に該内側磁極に2次電子を通過させる開口を設け、その
開口の外側に配置した2次電子検出器により該開口を通
過した2次電子を検出するように構成した。その結果、
試料からの2次電子を数多く検出器に導くことができる
と共に、2次電子検出器からの電界による一次電子ビー
ムの不正な偏向も極めて小さくすることができる。従っ
て、高分解能で高画質の走査電子顕微鏡像を観察するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の走査電子顕微鏡における対物レンズ部分
と2次電子検出器とを示す図である。
【図2】従来の走査電子顕微鏡における対物レンズ部分
と2次電子検出器とを示す図である。
【図3】図1の構成における磁力線と対物レンズの軸上
磁場分布を示す図である。
【図4】図2の構成における一次電子ビームの不正な偏
向を示す図である。
【図5】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一実施例を示
す図である。
【図6】本発明の他の実施例の要部を示す図である。
【図7】本発明の他の実施例の要部を示す図である。
【図8】本発明の他の実施例の要部を示す図である。
【図9】本発明の他の実施例の要部を示す図である。
【符号の説明】
11 電子銃 12 集束レンズ 13 対物レンズ 14 試料 15,16 偏向コイル 17 ヨーク 18 内側磁極 19 外側磁極 20 コイル 21 開口 22 2次電子検出器 23 増幅器 24 陰極線管

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 内側磁極と外側磁極を有し、磁極の下端
    面より下方に単一のレンズ磁場を形成する対物レンズを
    備え、この対物レンズによって電子ビームを集束して試
    料に照射すると共に、試料から発生した2次電子を検出
    するようにした電子ビーム装置において、内側磁極の下
    端面より上の位置で該内側磁極に2次電子を通過させる
    開口を設け、内側磁極の外側に該開口を通過した2次電
    子を検出する検出器を設けるように構成した電子ビーム
    装置。
  2. 【請求項2】 検出器の中心位置が、内側磁極に設けら
    れた開口の中心位置より下側となるように該検出器を配
    置した請求項1記載の電子ビーム装置。
  3. 【請求項3】 内側磁極の内側であって、内側磁極に設
    けられた開口の上方に、減速電極を設け、減速電極に負
    の電圧を印加した請求項1記載の電子ビーム装置。
  4. 【請求項4】 内側磁極の内側であって、内側磁極に設
    けられた開口の下方に、加速電極を設け、加速電極に正
    の電圧を印加した請求項1記載の電子ビーム装置。
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