JP4292068B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特にその２次電子検出系の構成と制御に関するものである。

走査電子顕微鏡は、試料に１次電子線を走査して照射し、試料から発生する２次電子を２次電子検出器で走査に同期して検出することにより試料像を形成する装置である。通常、１次電子線が照射された試料からは数ｅＶ〜数十ｅＶという非常に小さいエネルギーを持った２次電子が発生し、発生した２次電子は２次電子検出器から印加される約１０ｋＶの横方向の正電界に導かれて２次電子検出器に取り込まれる。この基本的なプロセスに加えて近年は、試料近傍に数百ボルトの正電圧を印加したバイアス電極を設け、２次電子を検出器側へ軌道修正させて収量増加を図っている。バイアス電極は“２次電子コレクタ電極”や“補助電極”などと呼ばれる板状や網状のものであり、形状や印加電圧などを変えて最適値を探し出し、２次電子収量増加を図っている。これら正電界を利用して２次電子収量増加を目的とする電極はこれまでいくつも提案されており、“負電荷の２次電子は正電界で軌道修正させる”というのが一般的であった（特開平６−１０３９５１号公報など）。一方、特開平９−１４７７８２号公報には、−１００Ｖ〜−５００Ｖの負電圧を印加したリング状の電極を試料上部（２次電子検出器とは逆の方向にＵ字型）に配置して、検出器方向に２次電子を誘導する方法が記載されている。

特開平６−１０３９５１号公報 特開平９−１４７７８２号公報

１次電子線照射によって試料から発生する２次電子は、通常、垂直方向に０〜９０度、水平方向に０〜３６０度の範囲で様々な方向に放出される。特開平９−１４７７８２号公報では、２次電子検出器の方向に開いたＵ字形の負電圧印加電極を配置し、上記のように様々な方向性を持った２次電子を２次電子検出器の方向に誘導している。しかし、シミュレーションによって２次電子軌道を解析すると、２次電子は対物レンズ下部又は下部構造物に衝突して吸収されるだけでなく、試料ステージやその他対物レンズ近傍に設置される様々な検出器（アース電位）にも衝突してしまい、結果的に２次電子検出器に到達するのは発生した２次電子のうちのごく一部であることがわかった。この傾向は高分解能の観察をしようとするとき、つまり対物レンズが試料に近接しているときに著しく、結果として像質の悪い画像しか得られていなかった。

本発明は、試料から放出された２次電子の軌道（特に光軸近傍を通る２次電子）を積極的に軌道修正して２次電子検出器による２次電子の検出効率を向上させることを目的とする。

本発明では、試料から光軸に近い方向に放出された２次電子を積極的に２次電子検出器側に軌道修正するとともに、アース電位の部品に対して回避軌道に乗せながら２次電子検出器まで導く。そのために、対物レンズ下部（下磁極）あるいは対物レンズ下部構造物の１次電子線の照射口に近い部位に第１補助電極を配置して１Ｖ〜３０Ｖの負電位を印加し、横方向の電位を強くすることで試料から発生した２次電子をできるだけ２次電子検出器側に軌道修正させる。

すなわち、本発明は、試料を保持する試料ステージと、収束した１次電子線を試料に照射する対物レンズと、電子線照射によって試料から発生した２次電子を検出する２次電子検出器とを含む走査電子顕微鏡において、対物レンズ下部の１次電子線照射口近くに負電位の第１補助電極を設置したものである。第１補助電極は外周方向へ向かう横方向電界を形成し、この電界により、試料から発生した２次電子の軌道を外周方向に偏向し、横方向に配置した２次電子検出器に入射する２次電子を増加させるように作用する。

第１補助電極の少なくとも２次電子検出器側に、正電位の第２補助電極を設置するのが好ましい。第２補助電極は、第１補助電極の負電界により試料側に押し返された２次電子を２次電子検出器方向へ偏向し、横方向に配置した２次電子検出器に入射する２次電子を増加させるように作用する。

第１補助電極はリング状又は２次検出器に向いた側が開放したＵ字状の形状を有し、第２補助電極は第１補助電極より径の大きいリング状又は２次電子検出器に向いた側が閉じたＵ字状の形状とすることができる。第１補助電極の電位は−５〜−２０Ｖ程度が好ましく、第２補助電極の電位は＋５〜＋２０Ｖ程度が好ましい。

２次電子検出器と試料との間に正電位の第３補助電極を設置するのが更に好ましい。具体的には、２次電子検出器を表面に約１０ｋＶの正電圧を印加したシンチレータ（電子−光変換素子）と、変換された光を検出する光電子増倍管で構成し、シンチレータ表面電極と試料との間に板状の第３の補助電極を配置して正電位を印加する。これにより、２次電子の軌道をシンチレータの方向に偏向・誘導し、２次電子検出器に入射する２次電子を増加させることができる。

本発明は、また、試料を保持する試料ステージと、収束した１次電子線を試料に照射する対物レンズと、電子線照射によって試料から発生された２次電子を検出する２次電子検出器とを含む走査電子顕微鏡において、対物レンズ下部に１次電子線通過穴を有する環状の反射電子検出器を備え、反射電子検出器は１次電子線通過穴の近くに負電位の第１補助電極を有し、外周側に正電位の第２補助電極を有する。第１補助電極の電位は−５〜−２０Ｖ程度が好ましく、第２補助電極の電位は＋５〜＋２０Ｖ程度が好ましい。

本発明によると、試料から発生した２次電子を効率良く２次電子検出装置に取り込むことができ高像質の画像を得ることが出来る。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。理解を容易にするため、以下の図において、同じ構成部分には同じ符号を付して説明する。

図１は従来の走査電子顕微鏡の概略図であり、１次電子線照射によって試料から発生した２次電子の軌道を説明する図である。試料２は、真空排気された試料室１８内で試料ステージ２０に保持されている。対物レンズ１の下面より照射される１次電子線３が試料２の表面で走査されると、試料２の情報をもった２次電子４，６が発生する。２次電子４は光軸に対して小さな角度で放出された２次電子であり、２次電子６は光軸に対して大きな角度をもって放出された２次電子である。この２次電子を、ある方向に取り付けられた２次電子検出器（シンチレータ近傍に約１０ｋＶの正電界を形成）５に取り込むことで試料画像を形成する。しかし、２次電子検出器５に到達するまでには２次電子軌道を変えてしまう障害物（アース電位）となる構成部品が存在し、２次電子検出の効率を妨げる原因となっている。これは、負電荷を持った２次電子は、２次電子検出器のように正電位で引き込むことが可能であるが、それと同時に２次電子を引き込む軌道近傍にアース電位があると正電位の等電位面を押し曲げ、２次電子軌道そのものを変えてしまうことで生じる。この２次電子検出の効率を妨げる原因となるアース電位の構成部品としては、ＥＤＸ、ＷＤＸ、ＥＢＳＰなどの分析機器１９や、試料微動ステージ２０、試料２と対向する対物レンズ１の下面などがある。

図２に一般的な走査電子顕微鏡における２次電子のエネルギー分布を示し、図３に試料から発生する２次電子の発生方向を示す。図２に示すように、試料より発生する２次電子は数ｅＶ〜数１０ｅＶ程度のエネルギーを持っている。反射電子は、１次電子線とほぼ同じエネルギーを有する。また、通常、１次電子が照射された試料からは、光軸に対して垂直方向には図３（ａ）に示すように±９０度方向、水平方向には図３（ｂ）に示すように３６０度と、様々な方向に数ｅＶ〜数十ｅＶの２次電子７が放射される。

図４に、シミュレーションによる２次電子軌道を示す。図４（ａ）は、シミュレーションの前提となる対物レンズ１、試料２、２次電子検出器５の配置図である。試料２と２次電子検出器５の間には、３００Ｖの正電圧を印加したバイアス電極１２を設けた。２次電子検出器５には、２次電子を引き込むために１０ｋＶの正電圧を印加する。図４（ｂ）は、試料からの２次電子の発生方向として図３に示すような発生方向を想定し、試料より数ｅＶ〜数１０ｅＶ程度の２次電子が発生したと想定した時の２次電子軌道のシミュレーション結果である。

図４（ｂ）から、試料から発生する数ｅＶ〜数１０ｅＶのエネルギー幅を持った２次電子のうち、数ｅＶ程度の比較的低エネルギー側の２次電子は２次電子検出器が発生する正電界によってある程度引き込まれているが、数１０ｅＶ程度の高エネルギー側の２次電子には対物レンズに衝突してしまうもの、２次電子検出器が発生する引き込み電界の影響を受けないものがあり、検出効率低下の原因となっていることが分かる。更に、光軸近傍の２次電子については２次電子検出器側に引き込みにくいことも視覚的にわかる。本発明は、この現状装置における問題点に着目し、その改善を図るものである。

図５は、本発明による走査電子顕微鏡の概略図である。対物レンズ１の下面より照射される１次電子線３が試料２の表面で走査されると、試料情報をもった２次電子４，６が発生する。この２次電子４，６を、２次電子検出器（シンチレータ近傍に約１０ｋＶの正電界を形成）に取り込むことで画像を形成する。本発明では、光軸近傍の方向に放射された２次電子４を積極的に軌道修正するために、対物レンズ１の下部構造物の１次電子線３の照射口に近い部位に第１補助電極１３を設置する。第１補助電極１３の形状は、光軸を取り囲むリング状又は２次電子検出器５に対向する側が開放したＵ字状の形状が良い。第１補助電極１３にはマイナス数ボルトからマイナス数十ボルト（約−５〜−２０Ｖ）の負電圧を印加し、対物レンズ下磁極等アース電位の物体に２次電子が衝突しないように軌道修正する。

リング状又は２次電子検出器５に対向した側が開放したＵ字状の形状が良い理由は、図３に示したように、試料から発生する２次電子はあらゆる方向に発生しているからである。Ｕ字状の場合、Ｕ字の開放部が２次電子検出器の方向に向くように設置すれば、あらゆる方向に発生する２次電子に対して方向性をもたせることが可能となり、リング状よりも効果的である。また、第１補助電極１３に印加する電圧に関して言えば、負電荷の２次電子のエネルギー以上の負電圧を印加すると試料からの２次電子の発生そのものを抑制してしまうことになる。図２に示した２次電子のエネルギー分布から分かるように、２次電子のエネルギー幅は約５〜２０ｅＶ程度であることから、これ以上の負電圧を印加する必要性はない。また、一般的な走査電子顕微鏡では試料と対物レンズ下面との距離（ワーキングディスタンス）を任意に変更可能であるため、ワーキングディスタンスを変更しても２次電子に与える負電界が同じになるように第１補助電極１３に印加する負電圧は約−５〜−２０Ｖの範囲で任意に変更できるようにする。

更に好ましくは、第１補助電極１３の２次電子検出器側に第２補助電極１４を設置して、数ボルト（約＋５〜＋２０Ｖ）の正電位を印加できるようにする。この第２補助電極１４は、第１補助電極１３で試料側に押し返された２次電子の軌道を再び引き上げて２次電子をできるだけ２次電子検出器側に導く役目を果たす。第２補助電極１４の形状は、第１補助電極と同じようにリング状又はＵ字状とすればよい。Ｕ字状とする場合には、Ｕ字の閉じた側が２次電子検出器の方を向くようにして設置する。

第２補助電極１４に数ボルト（約＋５〜＋２０Ｖ）の正電位を印加する理由は、第１補助電極１３による印加電圧はマイナス数ボルト（約−５〜−２０Ｖ）であり、第１補助電極１３による印加電圧以上の逆バイアスを第２補助電極１４で印加する必要はないからである。例えば、第１補助電極１３に−Ｖａボルトの負電圧を印加して、第２補助電極１４に＋Ｖｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）の正電圧を印加すると、２次電子は第２補助電極１４による電界の影響を強く受け、強いては第２補助電極自身に２次電子が引き込まれて（衝突）しまい、結果的に２次電子検出器５の方向に引き込むことが出来なくなるからである。また、一般的な走査電子顕微鏡ではワーキングディスタンスが任意に変更可能であるため、第１補助電極１３と同様、第２補助電極が２次電子に与える正電界がいつも同じになるように第２補助電極の印加電圧は、約＋５〜＋２０Ｖの範囲で任意に変更できるようにする。

第１補助電極１３と第２補助電極１４により軌道修正された２次電子を２次電子検出器５に導くため、２次電子検出器５の電極の前面に２次電子検出器５の電極と絶縁した状態で試料側に向った構造の第３補助電極を配置し、数十ボルト〜数百ボルトの正電位を印加する。この第３補助電極は、従来の走査電子顕微鏡に設置されていたバイアス電極と同じものである。従来の走査電子顕微鏡には第３補助電極だけが設置されていたため、前記のように２次電子の検出効率をそれほど上げることができなかった。しかし、本発明による第１補助電極、第２補助電極と第３補助電極とを組み合わせることによって、２次電子検出効率を向上することができる。

第３補助電極１２を設置することにより、対物レンズ１下部と２次電子検出器５の間の空間へ放出された２次電子の軌道を修正することが可能となる。これは、試料台周辺や試料微動ステージ２０、その他試料近傍に置かれる各検出器（ＥＤＸ／ＷＤＸ／ＥＢＳＰ）１９など対物レンズ下磁極近傍の障害物（アース電位）を避けて、２次電子を２次電子検出器５の方向に誘導する役目を果たす。第１補助電極１３及び第２補助電極１４と同様、ワーキングディスタンスが変更されたとしても、２次電子に与える電界がいつも同じになるよう第３補助電極への印加電圧は任意に変更できるようにする。

図６は、第１補助電極１３、第２補助電極１４及び第３補助電極１２を設置した時の２次電子軌道のシミュレーション結果を示す図である。図４（ｂ）と図６とを比較すると、図６に丸で囲んで示したＡ部において２次電子の軌道線が増していることが分かる。また、図６に丸で囲んで示したＢ部に注目すると、本発明の場合、２次電子が対物レンズ１の下面に衝突することなく２次電子検出器方向に導かれているのが分かる。補助電極を設置することによる効果は、第１補助電極１３のみを設置した時より第１補助電極１３と第２補助電極１４を同時に設置した時の方が効果があり、第１補助電極１３、第２補助電極１４及び第３補助電極１２を同時に設置すると更に効果が増す。

本発明では、単に正電界を利用して２次電子を２次電子検出器方向へ導くのではなく、負電荷を有する２次電子と負電位に印加された電極の間で起こる斥力と正電界による引力を適度にコントロールして２次電子収率の増加を図るものである。これによって従来よりも２次電子の収量よりも増加させることが可能となり、照射する１次電子線を可能な限り絞った状態での観察が可能となる。２次電子の検出効率を上げることにより、レンズ条件をより高分解能条件に設定した観察が可能になり、観察分解能向上や像質向上などに寄与する。

図７は、半導体反射電子検出器を使用する走査電子顕微鏡の構成を示す模式図である。対物レンズ下面より照射される１次電子線３が試料表面で走査されると、２次電子６と共に試料の組成情報をもった反射電子２２が発生する。図２に示すように、反射電子は２次電子に比べてエネルギーが高く、１次電子線のエネルギーと同等のエネルギーをもっている。半導体反射電子検出器１５は、反射電子像観察を目的とした検出器として対物レンズ下磁極のすぐ下に設置される。問題となるのは半導体反射電子検出器１５もアース電位であり、２次電子軌道に対して悪影響を及ぼすことである。試料によっては、半導体反射電子検出器１５での反射電子像観察と同時に（反射電子検出器を設置しながら）、２次電子検出器５を用いて２次電子像の観察も行いたい場合もある。この場合、何も対策をしないと、２次電子軌道は半導体反射電子検出器１５によるアース電位の影響を受けて結果的に２次電子検出効率が低下する。そこで、本発明では、半導体検出器１５に、前記した第１補助電極１３を、あるいは第１補助電極１３と第２補助電極１４を組込む。

図８は本発明による半導体反射電子検出器の構造例を示す図であり、図８（ａ）は断面図、図８（ｂ）は下面図である。この半導体検出器１５は、半導体検出素子ベース１７上に、４分割半導体検出素子１６を形成したものである。中央には、１次電子線を通過させる穴を有する。本発明では、半導体検出器１５の半導体素子部に予め電界を発生することのできる導線又は電極を組み込んでおく。内径側には第１補助電極１３となる電極を設置し、外径側に第２補助電極１４となる電極を組込む。この構造の半導体検出器１５を用いることで、２次電子検出器５による２次電子収量を損なうことなく同時に反射電子を半導体検出器で取り込むことが可能となり、上記の２次電子・反射電子同時観察の場合の問題を解決することが出来る。なお、反射電子は試料に照射される１次電子線のエネルギーとほぼ同じエネルギーを有し、通常の加速電圧は０．５ｋＶ〜３０ｋＶであるため、反射電子の検出に際して負電位の第１補助電極１３が与える影響はほとんど無い。

図９は、本発明による走査電子顕微鏡を低真空２次電子検出に応用した例を示す図である。低真空２次電子検出のメカニズム（ガス増幅型検出方式）は、試料室内真空度を１〜約３０００Ｐａという低真空状態において、試料から放射される２次電子（通常低真空状態での２次電子観察は困難である）を正電界で引き上げ、加速させて残留ガス分子と雪崩現象的な衝突を繰り返すことで、２次電子情報を持ったプラスイオンを増幅させる。その後、プラスイオンは試料より試料電流（吸収電流）としてアンプに取り込まれて低真空２次電子像を形成する。

本発明の走査電子顕微鏡によると、この低真空２次電子検出に使用する正電圧を第１補助電極１３及び第２補助電極１４から印加することができる。すなわち、第１補助電極１３と第２補助電極１４の印加電圧を制御して両電極とも正電位にすることで、試料室圧力１Ｐａ以上に保持して試料に電子線を照射し、発生するイオンを検出して画像を形成するガス増幅型検出方式のための電界印加用電極に兼用できる。この場合、それら補助電極は試料室の真空状態によって負又は正の電圧に制御を変更できるようにしておくと好都合である。第１補助電極１３及び第２補助電極１４を備える半導体検出器を装着すると、半導体検出器による反射電子の組成像、立体像等とガス増幅型２次電子像を同時に観察することもできる。

一般的な走査電子顕微鏡の構成を示す図。 試料から発生する２次電子のエネルギー分布図。 試料から発生する２次電子の発生方向を示す図。 一般的な走査電子顕微鏡における２次電子検出器の位置と２次電子軌道を示す図。 本発明による走査電子顕微鏡の構成例を示す図。 本発明の走査電子顕微鏡と一般的な走査電子顕微鏡の２次電子軌道の違いを示す図。 本発明による走査電子顕微鏡の他の構成例を示す図。 本発明による半導体反射電子検出器の構造例を示す図。 本発明による走査電子顕微鏡を低真空２次電子検出に応用した例を示す図。

符号の説明

１：対物レンズ、２：試料、３：１次電子線、４：２次電子の軌道、５：２次電子検出器、６：２次電子の軌道、１２：第３補助電極、１３：第１補助電極、１４：第２補助電極、１５：半導体検出器、１６：半導体検出素子、１７：半導体検出素子ベース、１８：試料室、１９：検出器（ＥＤＸ／ＷＤＸ／ＥＢＳＰ）、２０：ステージ、２２：反射電子

Claims (7)

1. 試料を保持する試料ステージと、
   収束した１次電子線を試料に照射する対物レンズと、
   電子線照射によって試料から発生した２次電子を検出する２次電子検出器とを含む走査電子顕微鏡において、
   前記対物レンズ下部に配置され、負電圧が印加される第１補助電極と、
   前記第１補助電極によって試料側に押し戻された２次電子を再び引き上げる電界を形成するように正電圧が印加されると共に、前記第１補助電極と前記２次電子検出器との間であって、前記１次電子線の光軸からの距離が前記第１補助電極より遠く、前記２次電子検出器よりも近い位置に配置された第２補助電極とを備え、
   前記２次電子検出器は、前記第１補助電極によって試料側に押し戻され、前記第２補助電極によって再び引き上げられる２次電子の軌道上に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、前記第１補助電極はリング状又は前記２次検出器に向いた側が開放したＵ字状の形状を有し、前記第２補助電極は前記第１補助電極より径の大きいリング状又は前記２次電子検出器に向いた側が閉じたＵ字状の形状を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１又は２記載の走査電子顕微鏡において、前記第１補助電極の電位は−５〜−２０Ｖであり、前記第２補助電極の電位は＋５〜＋２０Ｖであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記２次電子検出器と試料との間に正電位の第３補助電極を設置したことを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 試料を保持する試料ステージと、
   収束した１次電子線を試料に照射する対物レンズと、
   電子線照射によって試料から発生された２次電子を検出する２次電子検出器とを含む走査電子顕微鏡において、
   前記対物レンズ下部に１次電子線通過穴を有する環状の反射電子検出器を備え、
   前記反射電子検出器は、前記１次電子線通過穴の周囲に配置され、負電圧が印加される第１補助電極と、前記１次電子線の光軸からの距離が前記第１補助電極より遠く、前記２次電子検出器よりも近い位置に配置され、前記第１補助電極によって試料側に押し戻された２次電子を再び引き上げる電界を形成するように正電圧が印加される第２補助電極とを備え、
   前記２次電子検出器は、前記第１補助電極によって試料側に押し戻され、前記第２補助電極によって再び引き上げられる２次電子の軌道上に配置されていることを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項５記載の走査電子顕微鏡において、前記第１補助電極の電位は−５〜−２０Ｖであり、前記第２補助電極の電位は＋５〜＋２０Ｖであることを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 請求項１〜６のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記第１補助電極の電位を正電位に切換えて印加可能であることを特徴とする走査電子顕微鏡。

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