JP4205224B2 - エネルギーフィルタを有する粒子線装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡用の粒子線装置に関し、詳細には、粒子線発生器と対物レンズとの間に配置され、分散を有するエネルギーフィルタを有する粒子線装置に関する、
【０００２】
【従来の技術】
エネルギーフィルタを有する透過電子顕微鏡の形態をとる粒子線装置は、たとえば、米国特許第４，７４０，７０４号、米国特許第４，７６０，２６１号及び米国特許第５，４４９，９１４号から知られている。これらの従来例に記載されているエネルギーフィルタは分散フィルタである。すなわち、フィルタに侵入する帯電粒子は、フィルタを通過するとき、その粒子のエネルギーに応じた大きさで偏向する。米国特許第４，７４０，７０４号に記載されているフィルタは、その出願人の透過電子顕微鏡９１２ Ｏｍｅｇａに摘要される。９１２ Ｏｍｅｇａの場合、フィルタは結像光路内の検査すべき標本と、標本が電子光学的に結像される投映スクリーン又はカメラとの間に配置されている。そのような結像側エネルギーフィルタを使用して、粒子が標本の中で受けたエネルギー損失を解析することができる。同時に、エネルギー帯域幅が縮小した粒子のみが結像に寄与するために、エネルギーによって決まる結像光路内の結像誤差、色収差を減少させることもできる。
【０００３】
ラスタ電子顕微鏡並びに透過電子顕微鏡における結像色誤差を補正するために、照明光路内において、電子源と検査すべき標本との間にミラー補正器を設けることは米国特許第５，３１９，２０７号から知られている。この特許に記載されているミラー補正器は磁気ビームデフレクタと、磁気ビームデフレクタ内で２つの対称平面を互いに対して結像する静電ミラーとから構成されている。ビームデフレクタは分散特性を有しているが、補正は全体としては分散形ではない。すなわち、補正器に入射した粒子は補正器を完全に通過し終わった後でも、粒子エネルギーに従って決まる大きさの偏向を全く起こさない。
しかしながら、この種の補正は相対的に高いコストを要し、これまでは市場に提示されていない。
【０００４】
補正器に代わるものとして、Ｏｐｔｉｋ第８５巻（第３号）の９５から９８ページ（１９９０号）の論文から、透過電子顕微鏡の照明光路内にエネルギーフィルタを設けることが知られている。エネルギーフィルタを使用することによって、その後に続く結像に寄与する粒子のエネルギー帯域幅が狭くなるため、少なくともエネルギー従属誤差は減少する。この場合にも、粒子線のエネルギー論的分割のために、フィルタは分散要素を有しているが、フィルタは全体としては分散を伴わないので、フィルタに流入した粒子はフィルタを完全に通過した後でもエネルギーによって決まる大きさの偏向を全く起こさず、これは先の場合と同様である。フィルタ全体の分散なし状態は、フィルタが中心平面に対して対称であり且つ２つの互いに対称なフィルタ部分における分散が厳密に逆向きであることによって得られる。フィルタがこのように分散を伴わないことにより、フィルタでわずかな電圧変動があっても、フィルタの背後ではビームの揺動は起こらない。しかし、分散のないフィルタには、スリット絞りを使用してエネルギー選択を行うエネルギー選択平面において得られる分散が相対的に小さいという欠点もある。また、分散は一般に粒子エネルギーによって決まり、粒子エネルギーが大きくなるにつれて減少するので、高いエネルギー鮮鋭度を実現すべき場合にはフィルタ内部の粒子エネルギーを相対的に低くしなければならない。上記の論文では３ＫｅＶの粒子エネルギーから始めており、Ｈ．Ｒｏｓｅがさらに研究を進めた結果、有意義なエネルギー範囲として３から５ＫｅＶを指定している。ところが、フィルタ内部の粒子エネルギーが低いと、いわゆるＢｏｅｒｓｃｈ効果によってエネルギー幅が拡張する。特にフィルタ内部における粒子源の中間結像の場合、そのような中間像の粒子密度が高くなるために、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果は重大な影響を及ぼすので、既に、Ｈ．ＲＯｓｅはフィルタ内部で非点収差中間像のみをもたらすフィルタを使用することを提案している。
【０００５】
さらに、日本特許６２−９３８４８からは、電子源と対物レンズとの間に分散エネルギーフィルタを有するラスタ電子顕微鏡が知られている。しかし、ここに記載されている光学系においては、フィルタは相対信号を発生するためにのみ使用されるので、本来の二次電子測定信号と相対信号との商を算出することにより、電子源の雑音が後に形成される像に及ぼす不都合な影響を除去できる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、さらに結像又は像形成に使用される粒子線が高いエネルギー鮮鋭度を有することができ且つＢｏｅｒｓｃｈ効果の影響は小さい粒子線装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、粒子線発生器と対物レンズとの間に配置され、分散を有するエネルギーフィルタを有し、そのエネルギーフィルタは第１の入力側平面を色消し状態で第１の出力側平面に結像すると共に、第２の入力側平面を第２の出力側平面に分散結像し、且つ粒子線発生器はエネルギーフィルタの第１の入力側平面に結像されている粒子線装置である。
【０００８】
本発明による粒子線装置においては、前記の論文の場合と同様に、照明側の粒子線発生器と対物レンズとの間にエネルギーフィルタが配置されている。しかし、先の論文に記載される構造とは異なり、このエネルギーフィルタは分散を有する。すなわち、フィルタを完全に通り抜けた粒子は、フィルタの終端で、粒子の運動エネルギーによって決まる大きさの偏向を生じる。この場合のフィルタは、第１の入力側平面を色消し状態で出力側平面に結像すると同時に、第２の入力側平面を第２の出力側平面に分散結像するいわゆる結像エネルギーフィルタである。本発明による粒子線装置の場合、粒子線発生器、より厳密にいえば、粒子線発生器の粒子を放出する面は、エネルギーフィルタの第１の入力側平面に結像されるので、エネルギーフィルタの分散があるにもかかわらず、粒子線のエネルギー変動は第２の出力側平面及びその背後における粒子線発生器の像の移動を全く引き起こさない。
【０００９】
分散エネルギーフィルタは、分散なしエネルギーフィルタより大きな分散を有するので、本発明による粒子線装置では、エネルギーフィルタリング後の粒子線のエネルギー鮮鋭度が等しいとして、従来の技術に従った構造の場合より高い平均粒子エネルギーを設定することができる。この平均粒子エネルギーは５から３５ＫｅＶに設定でき、好ましくは８から２０ＫｅＶに設定すべきであろうが、そのように高い平均粒子エネルギーによって、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果の悪影響は明らかに減少する。
【００１０】
本発明による粒子線装置においては、適切なスリット状選択絞りによるエネルギー選択は、エネルギーフィルタの出力側領域で又は第２の出力側平面におけるエネルギーフィルタの背後で実行できる。
粒子線発生器の第１の入力側平面への結像は、エネルギーフィルタの背後のエネルギー選択によって後続する光路内の粒子線の開口の切り取りが起こらないように拡大して行われるのが好ましい。
【００１１】
本発明の有利な一実施態様では、粒子はエネルギーフィルタに入射する前に既に相対的に高いエネルギーまで加速され、エネルギーフィルタと後続する結像段を同じエネルギーをもって通過し、対物レンズの中又は対物レンズと検査すべき標本との間になって初めてより低い所望の最終エネルギーまで制動される。本発明による粒子線装置のこの実施態様は、特に、粒子線を対物レンズにより検査すべき標本の上へ集束する低電圧ラスタ電子顕微鏡として構成できる。そこで、標本を走査するために、対物レンズの領域に、粒子線焦点を２つの互いに垂直な方向に偏向する偏向手段が設けられている。このような低電圧ラスタ電子顕微鏡における目標エネルギーは１０ｅＶから１０ＫｅＶである。
【００１２】
このような低電圧ラスタ電子顕微鏡の場合、対物レンズとフィルタとの間に、検査すべき標本から放出される二次電子を検出する検出器を設けることができる。標本から反射散乱する粒子を検出するために、別の検出器を設けることが可能であり、この場合、この反射散乱粒子の光路はエネルギーフィルタから側方へ外れているのが好ましい。直接に反射散乱する粒子をエネルギー損失を受けた粒子から分離するために、フィルタと反射散乱粒子を検出する検出器との間に、さらにスリット絞りを配置することができる。
【００１３】
低電圧ラスタ電子顕微鏡としての実施態様に代わるものとして、本発明による粒子線装置を高電圧透過電子顕微鏡としても構成できることは言うまでもない。この場合、エネルギーフィルタから射出した直後に、粒子線は所望の高い目標エネルギーまで加速されるであろう。
エネルギーフィルタの分散は、フィルタ内部の平均粒子エネルギーで、５から２０μｍ／ｅＶの範囲、好ましくは１０から１５μｍ／ｅＶの範囲とすべきであろう。フィルタの分散が５から１０μｍ／ｅＶ以下であると、十分なエネルギー鮮鋭度が得られないか又は選択絞りのスリット幅をごく狭くすることが必要になる。一方、１５から２０μｍ／ｅＶの上限値を越えてしまうと、選択絞りの背後の粒子線の開口は大きくなりすぎるので、その結果、後続する電子光学結像要素はより大きな開口誤差を発生させる。そのため、色誤差の減少により可能になる分解能の獲得は再び補償されるか、又はさらに過剰補償される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、図面に示した実施形態に基づいて本発明の個々の点をさらに詳細に説明する。
図１において、１は熱電界放出源の形態をとるビーム発生器、１ａは電子を放出する陰極先端である。陰極先端１ａに対して正電位にある抽出電極２により陰極先端１ａから電子を抽出し、その後、電子を陽極３の電位まで加速する。陽極３は、装置全体を通って設置された、導電材料から成るビーム誘導管４と導電接続している。陽極電位、従って、ビーム誘導管４の電位は接地電位に対して約１０ｋＶになる。陽極３のすぐ後に磁気集光レンズ５が続き、その後に開口絞り６が続いている。エネルギーフィルタ７は、いわゆる入力側像平面９（第１の入力側平面）を無収差、色消し状態で出力側像平面１０（第１の出力側平面）に結像すると同時に、入力側回折平面（第２の入力側平面）を分散、無収差の状態で出力側回折平面（第２の出力側平面）に結像する結像分散電子エネルギーフィルタである。入力側回折平面には開口絞り６が配置されている。すなわち、この平面は開口絞り６の平面と一致する。出力回折平面には、スリット絞りとして構成されたエネルギー選択絞り８が配置されている。分散フィルタ７自体は磁気フィルタそのものであり、図中、７ａ〜７ｃはフィルタの３つの磁石部分である。フィルタの詳細な構造は米国特許第４，７４０，７０４号に記載されているので、フィルタの構成の詳細についてはこれを参照のこと。
【００１５】
フィルタ７は図１の図面の平面に対し垂直な平面に対して対称の構造であるが、分散を生じる。すなわち、フィルタを通過した電子はフィルタの背後で、光軸に対し電子のエネルギーによって決まる大きさで偏向し、その結果、中心にスリットを有する選択絞り８は、中心エネルギーからのエネルギー偏差が分散及びスリット幅により定まるエネルギー偏差より大きい電子を捕捉する。高電圧変動が電子を放出する陰極先端１ａの後続する像の側方への移動を引き起こさないようにするために、陰極先端１ａはフィルタ７の入力側像平面９に結像され、さらに、フィルタ７から色消し状態で出力側像平面１０に結像される。
【００１６】
エネルギー選択絞り８の後には第２の集光レンズ１１が続き、選択絞り８はこの集光レンズ１１を経て対物レンズ１３の後方焦点面に結像される。同時に、集光レンズ１１はフィルタ７の出力側像平面１０の結像により陰極先端１ａの別の中間像を形成する。この中間像は後続する対物レンズ１３により再度縮小されて、検査すべき標本１５の上へと結像される。対物レンズ１３は磁気レンズと静電レンズとを組合わせたものである。標本１５と対物レンズ１３の磁極片は接地電位にあるので、電子は、ビーム誘導管４から射出した後、ビーム誘導管４の端部と対物レンズ１３の外側磁極片とのほぼ間で１０ｅＶから５ＫｅＶの目標エネルギーまで制動される。標本１５のより広い側部領域を走査するために、対物レンズ１３の磁極片に磁気偏向光学系１４がさらに配置されている。
【００１７】
標本１５から射出する二次電子を検出するために、対物レンズ１３と第２の集光レンズ１１との間に、中心に孔のある回転対称形電子検出器が配置されている。この検出器はシンチレーション検出器、半導体検出器又はマイクロチャネルプレート検出器として構成できる。
【００１８】
電子光学光路の詳細を図２に示す。電子を放出する陰極先端１ａは第１の集光レンズ５により分散フィルタ７の入力側像平面９に結像され、この像はフィルタ７により色消し、無収差の状態で出力側像平面１０に結像される。開口絞り６は第１の集光レンズ５とフィルタ７の入力側像平面９との間の、選択絞り８が配置されている出力側共役平面に無収差で分散結像される平面に配置されている。そこで、陰極先端１ａの入力側像平面９への結像は５倍から４０倍の倍率を有し、そのため、フィルタ７の内側の、選択絞り８の平面における有効開口は対応して縮小されることになる。従って、フィルタ７の射出側におけるエネルギーのフィルタリングが電子光束の開口の重大な切断を引き起こすことはない。
【００１９】
電子エネルギーが１０ＫｅＶであるとき、エネルギーフィルタが１０から１５μｍ／ｅＶの分散を有するならば、スリット幅が２μｍである選択絞り８により、０．１から０．２ｅＶのエネルギー幅が設定される。典型的な分散エネルギーフィルタの場合、入力側像平面９と入力側回折平面６との間隔は４０から８０mmであるので、スリット幅は狭いが、１．５×１０^-5の開口が問題なく伝達される。その後に、出力側像平面１０に形成される陰極先端１ａの像を約４００から７００分の一の縮小率で縮小して標本１５の上に結像する、第２の集光レンズ１１と対物レンズ１３とから成る二段階結像光学系が続いているため、標本平面では、６×１０^-3から１×１０^-2の範囲の最適最終開口及び約１ｎｍから３ｎｍのゾンデサイズが得られる。
【００２０】
標本１５で散乱して戻って来る電子はビーム誘導管４の標本側端部と、標本１５との間の遅延磁界からビーム誘導管４の中へと戻って加速され、ビーム誘導管の中で一次電子と全く等しいエネルギーを再び獲得し、その結果、フィルタ７に到達する。しかし、電子の移動方向が逆であるため、それらの反射散乱電子はフィルタの磁石部分７ａにおいて逆方向へ偏向され、この光路に沿って一次電子検出器１６に到達する。この一次電子検出器１６も、通常、シンチレーション検出器、半導体検出器又はマイクロチャネルプレート検出器として構成できる。磁石部分７ａと一次電子検出器１６との間には、たとえば、標本１５又は選択絞り８との交換作用を受けた異なるエネルギーを有する電子をフィルタリングする第２のスリット絞り１７がさらに配置されている。
【００２１】
図１及び図２に示す本発明の実施形態の場合、分散フィルタは米国特許第４７４０７０４号に従って構成されている。この場合のフィルタは、出願人が透過電子顕微鏡９１２Ｏｍｅｇａで使用しているいわゆるオメガフィルタである。あるいは、米国特許第４７６０２６１号又は米国特許第５４４９９１４号に従ったいわゆるアルファフィルタとしてフィルタ７を構成することも可能である。
【００２２】
図１の実施形態では、第１の集光レンズ５は磁気レンズとして構成されている。図３に示す実施形態においては、集光レンズ２４は、ビーム発生器２１の中へ陰極先端２１ａと一体化されている静電レンズである。この非対称形の双電位静電液浸レンズ２４は抽出電極２１と、陽極２３との間に配置されている。このレンズの、ビーム発生器２１に向いた側の開口直径は、陽極２３に向いた側の開口直径より著しく大きい。このような静電液浸レンズ２４も同様に、電子を放出する陰極先端２１ａを直接に拡大して、後続する分散フィルタの入力側像平面（図示せず）に結像する。
図４ａ及び図４ｂには、本発明と組合わせて使用するのが好ましい２つの別の対物レンズを示す。図４ａの対物レンズ３３と図１の対物レンズ１３との相違点は、対物レンズ３３の場合には外側磁極片３３ａが短く、内側磁極片３３ｂと同じ高さで終わっているということである。これにより、一点鎖線で表されている光軸に対し垂直に整列された環状の磁極片ギャップ３３ｂが形成される。このように磁極片ギャップを構成することによって、磁界は標本３５に向かう方向に流出し、その結果、標本３５の侵入状態はさらに強くなり、そのため、開口誤差は減少する。静電レンズが重なり合っているので、電極３４は外側磁極片３３ａの延長として形成されている。
【００２３】
図４ｂの対物レンズ３６は、ビーム誘導管４が延長されていて、磁気レンズ３６の外側磁極片３６ａの高さ又はその背後の位置ではじめて終わるという点で、先に説明した対物レンズと異なっている。そこで、ビーム誘導管４の標本側端部と、標本３８と対物レンズとの間に配置される制動電極３７との間の静電レンズは、磁気レンズ３６の背後になってはじめて形成されている。この実施例の場合、標本３８と制動電極３７は、接地電位に対して負である共通の電位にある。この対物レンズを使用すると、目標エネルギーがきわめて低くても、陰極を接地電位に対して相対的に高い電位に保持でき、その結果、漂遊磁界は再び強い負になることがわかるので、この対物レンズは目標エネルギーがきわめて低い場合に特に有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 低電圧ラスタ電子顕微鏡の形態をとる本発明による粒子線装置の電子光学構成要素の断面図。
【図２】 図１に示す低電圧ラスタ電子顕微鏡における原理上の光路を示す図。
【図３】 静電集光レンズを有する本発明を有する粒子線装置の光源側部分の概略原理図。
【図４】 図１に示す低電圧ラスタ電子顕微鏡に使用するための対物レンズの２つのさらに別の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１…ビーム発生器、１ａ…陰極先端、４…ビーム誘導管、６…開口絞り、７…エネルギーフィルタ、８…エネルギー選択絞り、９…入力側像平面、１０…出力側像平面、１３…対物レンズ、１５…標本、１６…一次電子検出器、１７…第２のスリット絞り、３３，３６…対物レンズ、３５，３８…標本。

Claims (9)

1. 粒子線発生器（１，１ａ）と対物レンズ（１３，３３，３６）との間に配置され、分散を有するエネルギーフィルタ（７）を有し、そのエネルギーフィルタ（７）は第１の入力側平面（９）を色消し状態で第１の出力側平面（１０）に結像すると共に、第２の入力側平面（６）を第２の出力側平面（８）に分散結像し、且つ粒子線発生器（１，１ａ）はエネルギーフィルタ（７）の第１の入力側平面（９）に拡大結像されている粒子線装置。
2. エネルギーフィルタの動作は第２の出力側平面で絞り（８）により行われる請求項１記載の粒子線装置。
3. フィルタ（７）内部の粒子エネルギーは５から３０ＫｅＶである請求項１または請求項２に記載の粒子線装置。
4. 粒子は対物レンズ（１３，３３，３６）において又は対物レンズ（３６）と検査すべき標本（１５，３５，３８）との間でより低いエネルギーまで制動される請求項１から３のいずれか１項に記載の粒子線装置。
5. 粒子線発生器（１，１ａ）は対物レンズにより検査すべき標本（１５，３５，３８）の上へ集束され、検査すべき標本（１５，３５，３８）を走査する偏向手段（１４）が設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の粒子線装置。
6. 対物レンズ（１３）とフィルタ（７）との間に、二次粒子を検出する検出器（１２）が設けられている請求項１から５のいずれか１項に記載の粒子線装置。
7. 反射散乱粒子を検出する別の検出器（１６）が設けられている請求項１から６のいずれか１項に記載の粒子線装置。
8. フィルタ（７）と反射散乱粒子を検出する検出器（１６）との間に、エネルギー選択のための絞り（１７）が設けられている請求項７記載の粒子線装置。
9. フィルタ（７）は粒子のエネルギーに対して５から２０μｍ／ｅＶ、好ましくは１０から１５μｍ／ｅＶの分散を有する請求項１から８のいずれか１項に記載の粒子線装置。

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