JP3790646B2

JP3790646B2 - 低エネルギー反射電子顕微鏡

Info

Publication number: JP3790646B2
Application number: JP24688699A
Authority: JP
Inventors: 藤誠嘉
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1999-09-01
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2019-09-01
Also published as: JP2001076665A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウイーンフィルタを備えた低エネルギー反射電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
低エネルギー反射電子顕微鏡（ＬＥＥＭ）は、試料に電子ビームを照射し、その照射によって試料から発生する反射電子をスクリーンなどに導いて試料像を結像させる装置である。
【０００３】
この低エネルギー反射電子顕微鏡ではビームセパレータが用いられる。ビームセパレータは、試料を照射する１次電子ビームと、試料で反射された２次電子ビームを振り分けるためのものである。現在の低エネルギー反射電子顕微鏡においては、ビームセパレータとしてウイーンフィルタを用いているものとセクター磁場を用いているものがあるが、本発明は前者の、ウイーンフィルタを用いた低エネルギー反射電子顕微鏡に関する。
【０００４】
ウイーンフィルタについて説明すると、ウイーンフィルタは、光軸に対して互いに直交する電場と磁場からなり、ある特定のエネルギーの電子だけ、両者からの力が釣り合って直進する。この場合、その特定のエネルギー以外の電子は偏向されてしまうので、ウイーンフィルタの出口にスリットを置けば、あるエネルギーの電子だけを選ぶことができる。これが、エネルギーフィルタとしての、通常のウイーンフィルタの使われ方である。
【０００５】
さて、電子を逆方向からウイーンフィルタに入射させると、磁場が及ぼす力の方向が逆になるので、電場と磁場の及ぼす力は同方向となり、電子のエネルギーにほぼ関係なく強い偏向作用を持つことになる。ウイーンフィルタをビームセパレータとして用いる場合は、この事実を用いている。すなわち、１次電子ビームに対しては偏向器として働き、逆方向に進む２次電子ビームに対しては、そのまま直進するようにできる。これによって、ウイーンフィルタをビームセパレータとして用いた低エネルギー反射電子顕微鏡では、２次側、すなわち結像光学系の側の光軸を直線にできるという長所が生まれる。なお、セクター磁場を用いた装置では、１次電子ビームと２次電子ビームの両方が偏向されてしまい、どちらかの光軸を直線にすることは不可能である。
【０００６】
さて、図１は、対物レンズの下流に倍率調整用、とくに低倍率のために用いられる対物ミニレンズ（透過電子顕微鏡ＴＥＭで通常Objective MiniLens:OMと呼ばれているもの）を備えた低エネルギー反射電子顕微鏡を示したものである。低エネルギー反射電子顕微鏡でＯＭを用いるのは前例がなく、倍率の可変範囲を広げるために有効である。
【０００７】
図１において、電子ビーム源１からの１次電子ビームは、１０ｋＶ程度に加速され、照射レンズ系２によって集束される。ウイーンフィルタ３は、１次電子ビームの行路と、試料台４上の試料５からの反射電子の行路とを分離するためのものであり、Ｅ×Ｂ型エネルギーフィルタとして構成されるが、その電場ベクトルＥと磁場ベクトルＢは、１次電子ビームが試料５に垂直に入射し、且つ反射電子に対してはウイーン条件を満足するように設定される。このことにより、１次電子ビームはウイーンフィルタ３によって大きく偏向され、試料５に向けて垂直に入射させられ、試料５から発生し、カソードレンズ（図示せず）で加速された反射電子はウイーンフィルタ３では何の偏向作用も受けず直進する。なお、試料５および、対物レンズ６内に組み込まれた電極にはそれぞれ所定の電圧が印加されており、これによって前記カソードレンズが形成され、このカソードレンズによって１次電子ビームは減速され、１００Ｖ程度の加速電圧で試料５に入射する。
【０００８】
試料５から発生され、カソードレンズで加速された反射電子は、対物レンズ６（第１の対物レンズ）および対物ミニレンズ７（第２の対物レンズ）を介してウイーンフィルタ３に入射し、ウイーンフィルタ３を直進した反射電子は第１中間レンズ（集束レンズ）８で集束される。そして、孔径が可変に構成された回折絞り９を通過した反射電子の像は、第２中間レンズ１０により所定の大きさに拡大されてスクリーン１１に結像される。これによって反射電子像を観察することができる。
【０００９】
ところで、ウイーンフィルタ３にはエネルギー分散作用があるため、結像光学系側へのビームがエネルギーごとに分離されてしまっては、最終的な像がボケてしまう。しかし、もし中間像がウイーンフィルタ３の中央にできていれば、最初の半分の分散の寄与と、残り半分の寄与が打ち消しあい、最終像面ではエネルギー分散の影響がなくなることが知られている。そこで、特に高分解能の像を見る場合には、中間像は常にウイーンフィルタ３の中央にくる条件に設定される。なお、図１において、１２はウイーンフィルタ３の中央の面を示しており、この光軸Ｏに垂直な中央面１２上に前記中間像が位置するように、対物レンズ６と対物ミニレンズ７のレンズ強度が制御される。
【００１０】
また、図１の装置においては、第１中間レンズ８の後段に、試料からの反射電子の取り込み角を制限する絞り９が置かれているが、この絞りは、ＴＥＭの場合は対物レンズがつくる回折像面の位置（試料面の直ぐ近く、したがって対物レンズ内部）に置かれ、回折絞り、あるいは対物絞りと呼ばれている。回折像面は、試料面のいろいろな場所から同じ角度で出た電子が、その角度ごとに別々の点に集まる面であり、ここに絞りを置くことで、電子の取り込み角を制限できるわけである。また、試料が結晶性の場合、ここに回折パターンが形成されるので、その一部を選んで結像させることで、試料の構造を反映した像が得られる。このような事情はＴＥＭでもＬＥＥＭでも同じである。
【００１１】
しかしＬＥＥＭでは、対物レンズの内部に絞りを置いてしまうと、１次電子ビームまで制限してしまうことになり望ましくない。また、ＬＥＥＭでは対物レンズ内部でエネルギーの小さい反射電子を強電場で引き込んで加速する必要があり、レンズ内に高電圧をかけた前記電極が存在する。よって、径が可変であるような可動絞りをその場所に置くこと自体が困難となる。そこでＬＥＥＭでは、次にできる回折像面の位置に回折絞りが置かれる。これは図１では第１中間レンズ８の後である。この場合、この回折絞り位置に回折像面が来るようにレンズ条件が設定される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
この図１の光学系で対物ミニレンズ７を用いて像倍率を変えていく場合、対物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系がつくる像面位置が常にウイーンフィルタ３の中央に来るように、対物レンズ６と対物ミニレンズ７のレンズ強度が制御される。このとき、対物レンズ６と対物ミニレンズ７の強度比率によって、回折像面の位置は一定に保たれない。したがって、倍率を変えるごとに回折像面位置は移動してしまい、回折絞り位置に回折像面が来るという条件は必ずしも満たされなくなる。この問題を解決するために、その都度第１中間レンズ８のレンズ強度を変えることが考えられるが、このレンズ強度は、第２中間レンズ１０の手前に像が来るための条件で決まってしまい、可変にはできない。
【００１３】
本発明はこのような点に鑑みて成されたもので、その目的は、常に回折像面を絞り位置に持って来ることができる低エネルギー反射電子顕微鏡を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成する本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡は、電子ビーム源と、該電子ビーム源からの１次電子ビームを集束するための照射レンズ系と、該照射レンズ系により集束された１次電子ビームを偏向して試料台上の試料に垂直に入射させると共に、試料から発生する２次電子を直進させるウイーンフィルタと、該ウイーンフィルタと前記試料台との間に配置された対物レンズと、前記ウイーンフィルタを通過した２次電子ビームを集束するための集束レンズと、該集束レンズの後段に配置された回折絞りを備えた低エネルギー反射電子顕微鏡において、前記対物レンズは第１の対物レンズと第２の対物レンズを備え、該第１の対物レンズと第２の対物レンズのつくる像面位置が前記ウイーンフィルタの中央に来るように、前記第１の対物レンズと第２の対物レンズを制御する対物レンズ制御手段と、該対物レンズ制御手段の制御による像倍率変化に拘わらず、前記回折絞り位置に回折像面が来るように、前記ウイーンフィルタの電極と磁極の電位を制御する電位制御手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明するが、その前に、ウイーンフィルタの基本的な構造について説明する。
【００１６】
図２は、ウイーンフィルタの基本的な構造を示したものであり、１３ａおよび１３ｂは電極であり、１４ａおよび１４ｂは磁極である。図２に示すように、ウイーンフィルタは、電極と磁極が９０度間隔に交互に配置されて構成されており、電極１３ａと１３ｂ、および磁極１４ａと１４ｂはそれぞれ対向している。
【００１７】
また、磁極１４ａおよび１４ｂはアース電位とされている。一方、電極１３ａには電極電源１５により＋Ｖの電位が与えられ、電極１３ｂには電極電源１５により−Ｖの電位が与えられており、このように電極には絶対値が同じ正負の電位が与えられている。したがって、ウイーンフィルタの光軸Ｏ上の電位はアース電位となっている。
【００１８】
以上、ウイーンフィルタの構造について説明したが、このようなウイーンフィルタにおいて、電極１３ａ，１３ｂと磁極１４ａ，１４ｂにある共通の電位を重畳させると、ウイーンフィルタの光軸上に電位変化が生じ、これによってレンズ作用を発生させることができる。言い方を変えれば、ウイーンフィルタ全体をある電位に浮かせて、軸対称レンズ作用を同時に持たせるということである。このような制御により、ウイーンフィルタが本来の機能の他に軸対称レンズ作用を同時に持ち、かつそのレンズ作用の強さを可変にできる。
【００１９】
本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡の特徴は、このような、本来の機能の他に軸対称レンズ作用を同時に持つウイーンフィルタを備えていることであり、以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図３は、本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡の一例を示したものである。図３において、図１および図２と同一構成要素には同一番号を付けている。
【００２１】
図３において、１６はウイーンフィルタであり、その構成は図２の構成と同じである。このウイーンフィルタ１６は、電磁極電源１７を介して電位制御手段１８に接続されている。
【００２２】
また、１９は、前記対物レンズ６の電源であるＯＬ電源であり、２０は、前記対物ミニレンズ７の電源であるＯＭ電源である。これらの電源１９，２０は対物レンズ制御手段２１に接続されており、この対物レンズ制御手段２１と前記電位制御手段１８は、制御装置２２を介して接続されている。
【００２３】
さて図４は、前記ウイーンフィルタ１６と電磁極電源１７との接続関係を説明するために示したものである。図４に示すように、電磁極電源１７は、ウイーンフィルタ１６の電極１３ａ，１ｂおよび磁極１４ａ，１４ｂに接続されており、電磁極電源１７は電位制御手段１８の制御により、電極１３ａ，１３ｂと磁極１４ａ，１４ｂにある共通の電位Ｖａを与えるものである。この結果、ウイーンフィルタ１６は、本来の機能の他に軸対称レンズ作用を同時に持ち、そして電位Ｖａが変わるとそのレンズ作用の強さは変わる。
【００２４】
以下、このような構成の動作を説明する。
【００２５】
電子ビーム源１からの１次電子ビームは、１０ｋＶ程度に加速され、照射レンズ系２によって集束される。そして、１次電子ビームはウイーンフィルタ１６によって大きく偏向され、試料５に向けて垂直に入射させられ、試料５から発生し、前記カソードレンズで加速された反射電子はウイーンフィルタ１６では何の偏向作用も受けず直進する。
【００２６】
さて、図３の光学系で対物ミニレンズ７を用いて像倍率を変えていく場合、対物レンズ制御手段２１は、対物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系がつくる像面位置が常にウイーンフィルタ１６の中央に来るように、ＯＬ電源１９とＯＭ電源２０を制御する。この結果、対物レンズ６と対物ミニレンズ７を合わせた系がつくる像面位置は常にウイーンフィルタ１６の中央に来る。
【００２７】
このとき何の補正も行われないと、上述したように、像倍率を変える毎に回折像面位置は移動してしまい、回折絞り９の位置に回折像面が来なくなる。
【００２８】
そこで、図３の装置においては、対物レンズ制御手段２１による対物レンズ６，７の制御情報が制御装置２２に送られる。そして、制御装置２２はその情報に基づき、対物レンズ制御手段２１の制御による像倍率変化に拘わらず、回折絞り９の位置に回折像面を位置させるための電位信号Ｖａを前記電位制御手段１８に送る。
【００２９】
電位制御手段１８は、送られてくる電位信号Ｖａに基づき、ウイーンフィルタ１６の電極１３ａ，１３ｂと磁極１４ａ，１４ｂに共通の電位Ｖａが与えられるように電磁極電源１７を制御する。この結果、ウイーンフィルタ１６のレンズ作用によって、回折絞り９の位置に回折像面が来る。
【００３０】
以上、図３の装置の動作について説明したが、このような本発明の低エネルギー反射電子顕微鏡においては、対物ミニレンズによって像倍率を可変にした場合に生じる回折像面の移動を補正することができるので、回折絞り位置に常に回折像面をもって来ることが可能となる。
【００３１】
また、一般に、光学系の中間像位置にレンズが置かれた場合、それより下流の像面位置には影響を与えず、回折像面の位置だけが変化するので、本発明においては、像面位置はそのままで、回折像面を常に絞り位置にもって来ることが可能になる。
【００３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】対物レンズの下流に対物ミニレンズを備えた低エネルギー反射電子顕微鏡を示したものである。
【図２】ウイーンフィルタの基本的な構造を示したものである。
【図３】本発明の一例を示した図である。
【図４】図３のウイーンフィルタを説明するために示した図である。
【符号の説明】
１…電子ビーム源、２…照射レンズ系、３、１６…ウイーンフィルタ、４…試料台、５…試料、６…対物レンズ、７…対物ミニレンズ、８…第１中間レンズ、９…回折絞り、１０…第２中間レンズ、１１…スクリーン、１２…中央面、１３ａ、１３ｂ…電極、１４ａ、１４ｂ…磁極、１５…電極電源、１７…電磁極電源、１８…電位制御手段、１９…ＯＬ電源、２０…ＯＭ電源、２１…対物レンズ制御手段、２２…制御装置

Claims

電子ビーム源と、
該電子ビーム源からの１次電子ビームを集束するための照射レンズ系と、
該照射レンズ系により集束された１次電子ビームを偏向して試料台上の試料に垂直に入射させると共に、試料から発生する２次電子を直進させるウイーンフィルタと、
該ウイーンフィルタと前記試料台との間に配置された対物レンズと、
前記ウイーンフィルタを通過した２次電子ビームを集束するための集束レンズと、
該集束レンズの後段に配置された回折絞りを備えた低エネルギー反射電子顕微鏡において、
前記対物レンズは第１の対物レンズと第２の対物レンズを備え、
該第１の対物レンズと第２の対物レンズのつくる像面位置が前記ウイーンフィルタの中央に来るように、前記第１の対物レンズと第２の対物レンズを制御する対物レンズ制御手段と、
該対物レンズ制御手段の制御による像倍率変化に拘わらず、前記回折絞り位置に回折像面が来るように、前記ウイーンフィルタの電極と磁極の電位を制御する電位制御手段
を備えたことを特徴とする低エネルギー反射電子顕微鏡。
前記電位制御手段は、前記ウイーンフィルタの電極と磁極に共通の電位を与えることを特徴とする請求項１記載の低エネルギー反射電子顕微鏡。