JP4319636B2 - 低真空走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、生ものや湿気を含む試料の観察に適する低真空走査電子顕微鏡の電子光学系の改良に関する。

生ものや湿気を含む自然状態の試料を観察するに適する環境型あるいは低真空型と呼ばれる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）においては、電子銃室を高真空に保つ一方、試料室を自然状態に近い低真空状態に保っている。具体的には、電子光学系である電子銃室が１０^−２Ｐａ〜１０^−４Ｐａであるのに対し、試料室は数Ｐａ〜数百Ｐａである。

特許文献１には、オリフィス２枚と筒状の電子線通路を持つ環境型走査電子顕微鏡を開示しており、実質的に三段階のコンダクタンスでの差動排気とすることにより、電子光学系と試料室との圧力比を大きく確保する構造としている。

また、特許文献２には、自然状態の試料を観察可能な走査電子顕微鏡において、差動排気開口部を３段とする構造が開示されている。

特開２００３−２２９０８３号公報 特公平６−６５０１４号公報（特開平１−１８３０４７号公報）

しかし、特許文献１に開示された構造は、筒状の延伸圧力開口の設置によって、試料表面の偏向領域が制限されてしまう。さらに、対物レンズの励磁点から試料表面までの距離が遠く、ＳＥＭとしての分解能が低下してしまう欠点がある。

また、特許文献２においても、図示された構造から見る限り、同様に、試料表面の偏向領域が制限され易く、また、対物レンズの励磁点から試料表面までの距離が遠く、ＳＥＭの分解能を高めることは難しいと考えられる。

本発明の目的は、電子光学系と試料室の圧力比を所定値に保つ差動排気を行う必要があり、また、良質な画像を得るために所定値以上のプローブ電流を必要とする低真空走査電子顕微鏡において、試料台上の十分な偏向領域を確保することである。

本発明の他の目的は、分解能の高い低真空走査電子顕微鏡を提供することである。

本発明はその一面において、電子源から照射される電子ビームを収束させる働きを持つ対物レンズの対物絞りと、電子光学系と試料室との差動排気のためのオリフィスとを兼用して三段に構成した低真空走査電子顕微鏡において、電子光学系における電子線の偏向支点を、三段対物絞りの実質的中段に設定したことを特徴とする。

本発明は他の一面において、さらに、対物レンズのレンズ主面をも、前記三段対物絞りの実質的中段に設定したことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様においては、試料台上の十分な偏向領域を確保する低真空走査電子顕微鏡を提供することができる。

また、本発明の望ましい実施態様においては、分解能の高い低真空走査電子顕微鏡を提供することができる。

本発明によるその他の目的と特徴は、以下に述べる実施形態の中で明らかにする。

図１は、本発明の一実施例による低真空走査電子顕微鏡の電子光学系の構成例と偏向領域を示す概略図である。また、図２は、同じく本発明の一実施例による低真空走査電子顕微鏡の電子光学系において、試料表面上に電子線を照射した状態を示す概略図である。

電子源１から放出される電子線２は、ウェネルト（Wehnelt）電極３の電位により、収束作用を受け、軌道を曲げられ、ウェネルト電極３と加速電極４の間に第一のクロスオーバー５（図２）を作る。さらに、加速電圧により加速された電子線２は、加速電極４を通過し、コンデンサレンズ６により収束作用を受け、コンデンサレンズ６と対物レンズ７の間に第二のクロスオーバー８（図２）を作る。次に、電子線２は、偏向器上段９により軌道を曲げられ、さらに偏向器下段１０によって再び軌道を曲げられ、対物絞り１１により通過エリアが制限される。この対物絞り１１を通過した電子線２は、図１の偏向支点１２、図２の対物レンズ主面１３を通過して、試料台１４の表面に照射される。試料表面に最終的に照射される電流をプローブ電流１５と呼ぶ。対物絞り１１は、低真空ＳＥＭモードのときの電子光学系１６（１０^−２Ｐａ〜１０^−４Ｐａ）と、試料室１７（数Ｐａ〜数百Ｐａ）との差動排気を実現するオリフィスを兼用している。

ここで、本実施例では、対物絞り１１を、上段絞り１１１、中段絞り１１２、及び下段絞り１１３の三段構成とし、図1に示すように、偏向器９，１０による偏向支点１２を、中段絞り１１２の位置に設定している。また、図２に示すように、対物レンズ７のレンズ主面１３を、三段対物絞り１１の中段絞り１１２の位置に設定している。

本実施例では、三枚の対物絞り（兼オリフィス）１１１，１１２、及び１１３によってコンダクタンスを維持しており、偏向器９，１０によって偏向される電子線２の偏向支点１２を、三段対物絞り１１の実質的な中央部である中段絞り１１２付近に設定している。このため、電子光学系１６と試料室１７との真空圧力比を所定値に保つために制約された三段対物絞り１１の孔径の範囲内で、試料台１４の表面上の偏向領域を大きく確保することができる。

さて、この対物絞り１１を通過した電子線２は、図２に示すように、対物レンズ７のレンズ主面１３により収束され、試料台１４の表面に偏向される。なお、図２では、分かり易くするため、三段対物絞り１１の孔径を、図１よりも大きく図示している。ここで、対物レンズ７のレンズ主面１３を、三段対物絞り１１の実質的な中央部である中段絞り１１２付近に設定している。このため、対物レンズの励磁強度を変化させても歪み無く偏向・照射することができる。

図３は、対物絞り１１の孔径によるプローブ電流１５の値Ｉｐと圧力比Ｘの値を示したグラフである。図に示すように、必要とされるプローブ電流値Ｉｐと圧力比Ｘが図に破線で示すＩｐａ及びＸｂである場合、対物絞り一枚では両方を同時に満たすことはできない。例えば、絞りの孔径がｄ１のとき、対物絞り一枚による圧力比Ｘ１の特性で、必要な差動排気の圧力比Ｘｂを満足することができるが、プローブ電流特性Ｉｐで必要なプローブ電流値Ｉｐａを満足することは到底できない。さらに、絞りの孔径がｄ２のときは、プローブ電流値Ｉｐａを満足しているが、圧力比Ｘｂを満足することができない。

これに対して、三段対物絞り１１（１１１，１１２，及び１１３）の構成では、圧力比特性Ｘ３に示すように、絞りの孔径がｄ２のときに、プローブ電流値Ｉｐａ及び圧力比Ｘｂを同時に満足させることができる。

図４は、図１の要部拡大寸法図である。この図に示した寸法によって、上述した本実施例の特徴を数式化して以下に説明する。

三段対物絞り１１の構成を採用する場合、並びに、三枚の絞り（兼オリフィス）１１１，１１２、及び１１３とも同じ孔径の場合に成立する関係式（１）〜（３）によって、プローブ電流値Ｉｐと差動排気における圧力比Ｘのバランスの妥当性が得られる。

４Ｌ^２Ｉｐ／π^２Ｄ^２β ＜ ｄ^２ ＜ ３Ｓ／２９π（Ｘ−１）……………………（１）
４Ｌ^２Ｉｐ／π^２Ｄ^２β＝ｄ_ａ ^２ ………………………………………………………（２）
３Ｓ／２９π（Ｘ−１）＝ｄ_ｂ ^２ ……………………………………………………（３）
ここで、Ｉｐはプローブ電流値（Ａ）、Ｄはプローブ径（ｍ）、βは輝度（Ａ／ｍ^２・ｓｔｒ）、Ｓは電子光学系を排気する実効排気速度（ｍ^３／ｓ）、Ｘは差動排気の圧力比、Ｌは電子線照射面から対物絞りまでの距離（ｍ）、ｄは絞りの孔径（ｍ）である。

絞りの孔径ｄ_ａは、必要となるプローブ電流Ｉｐを含め、電子光学系１６側から決定され、一方、絞りの孔径ｄ_ｂは、必要となる差動排気の圧力比Ｘを含む低真空試料室１７側によって決定される。これらの式は、電子光学系１６のプローブ電流Ｉｐの式および真空排気に関する理論式を変形させたものである。設計するに当り、良質な像を得るために必要なプローブ電流Ｉｐの大きさと、必要となる差動排気の圧力比Ｘを式に代入して、三段対物絞り１１の孔径を決定する。また、ｄ_ａ＜ｄ_ｂとならなければならないため、設計段階で、ポンプの排気速度、排気コンダクタンスを考慮に入れることも必要である。

前述した特許文献１においては、オリフィス２枚と筒状の電子線通路があり、実質の形は三段階のコンダクタンスでの差動排気になっていると考えられる。しかし、最下段の延伸圧力開口の設置によって、試料台上の偏向領域が制限されてしまう。これに対し、本発明のこの実施例によれば、（１）偏向器９，１０によって偏向される電子線２の偏向支点１２を、三段対物絞り１１の中段１１２に設定しているため、図１に示すように、試料台表面の偏向領域を大きく確保することができる。また、（２）図２に示すように、三枚の対物絞り（兼オリフィス）１１の中段１１２に対物レンズ７のレンズ主面１３を設定することによって、対物レンズの励磁強度を変化させても歪み無く偏向・照射することができる。

次に、本実施例における試料台１４上の偏向領域Wは、図４に示す寸法に対して、（４）式により決定することができる。

W＝L×ｄ／ｌ…………………………………………………………………………（４）
ここで、Ｗは試料上の偏向領域、Ｌは試料台表面から偏向支点１２までの距離、ｌは三段対物絞り１１の各絞り１１１，１１２，及び１１３間の間隔、ｄは絞りの孔径である。

したがって、特許文献１のように最下段の延伸圧力開口までの距離があると三段対物絞り１１の絞り間距離ｌが大きくなり、試料台１４上の偏向領域Ｗが狭くなってしまうことは明らかである。これに対して、本実施例によれば、偏向器９，１０による偏向支点１２を三段絞り１１の実質的中央部である中段絞り１１２の位置に設定したことにより、限られた絞り孔径ｄにおいて、試料台１４上の十分な偏向領域Ｗを確保することができる。

上記した式を用いることにより必要な偏向領域Ｗを決めれば、最低限必要となる絞りの孔径ｄ及び絞り間の距離ｌを決めることが可能となる。また、この式から絞りの孔径ｄを選定するに当り、（５）式に示す条件を考慮に入れる必要があり、上述した（１）〜（３）式の条件と（５）式を両方同時に満足するような絞りの孔径ｄを選定する。

（Ｗｌ／Ｌ）^２ ＜ ３Ｓ／２９π（X−１）………………………………………（５）
以上の本発明の実施例は、電子源１から照射される電子ビーム２を収束させる対物レンズ７の対物絞り１１と、電子光学系１６と試料室１７との差動排気のためのオリフィスとを兼用して三段（１１１〜１１３）に構成した低真空走査電子顕微鏡を対象としている。ここで、電子光学系１６における電子線２の偏向支点１２を、三段対物絞り１１の実質的中段１１２に設定している。

これにより、差動排気の圧力比を大きくとるとともに、必要なプローブ電流を得て良質な画像を観察できる低真空ＳＥＭにおいて、試料面の偏向領域を大きく確保するとともに、三段構造の対物絞りを採用したＳＥＭにおいて、必要とされる電流量を確保し、ＳＥＭとしての分解能を向上することができる。

図５は、本発明の一実施例に適用できる低真空走査電子顕微鏡の排気系の概略構成図である。排気開始と同時に、第１の補助ポンプとしてのメンブレン（Membrane）ポンプ１８で主ポンプ１９及び電子銃室２０の予備排気を行い、第２の補助ポンプとしてのメンブレンポンプ２１で試料室１７の排気を行う。予備排気完了後、主ポンプ１９の内部及び電子銃室２０は、主ポンプ１９の起動可能な真空圧力となり、ここで初めて、主ポンプ１９を起動する。その際、試料室１７を高真空にする場合は、メインバルブ２２を開口する。低真空ＳＥＭモード（試料室真空圧力：数Ｐａ〜数百Ｐａ）にするときは、メインバルブ２２を閉じておき、電子銃室２０のみを主ポンプ１９にて高真空排気を行い、試料室１７の低真空制御は、ニードルバルブ２３によって行う。

図６は、本発明の他の実施例による低真空走査電子顕微鏡の真空排気系の概略構成図である。排気開始と同時に、補助ポンプ１８によって、主ポンプ１９、電子銃室２０、及び試料室１７の予備排気を行い、予備排気完了後に、主ポンプ１９を起動する。主ポンプ１９には、高真空と低真空の同時排気を可能とするように、メインポート１９１と、低真空排気用の中間ポート１９２付き複合ターボ分子ポンプを採用している。そして、高真空にする電子銃室２０にメインポート１９１を接続し、低真空とする試料室１７を中間ポート１９２に接続し、真空排気する。これにより、補助ポンプ一台を節約することができる。

本発明の一実施例による低真空走査電子顕微鏡の電子光学系の偏向領域を示す概略構成図。 本発明の一実施例による低真空走査電子顕微鏡の電子光学系において、試料表面に電子線を偏向・照射した状態を示す概略構成図。 対物絞りの孔径に対するプローブ電流値と差動排気の圧力比を示すグラフ。 図１の要部拡大寸法図。 本発明の一実施例による低真空走査電子顕微鏡の真空排気系の概略構成図。 本発明の他の実施例による低真空走査電子顕微鏡の真空排気系の概略構成図。

符号の説明

１…電子源、２…電子線、３…ウェネルト電極、４…加速電極、５…第一のクロスオーバー、６…コンデンサレンズ、７…対物レンズ、８…第二のクロスオーバー、９…偏向器上段、１０…偏向器下段、１１…三段対物絞り（兼オリフィス）、１１１…上段絞り、１１２…中段絞り、１１３…下段絞り、１２…偏向支点、１３…レンズ主面、１４…試料台、１５…プローブ電流、１６…電子光学系、１７…試料室、１８，２１…補助（メンブレン）ポンプ、１９…主ポンプ、１９１…メインポート、１９２…中間ポート、２０…電子銃室、２２…メインバルブ、２３…ニードルバルブ。

Claims (5)

1. 電子源から照射される電子ビームを収束させる働きを持つ対物レンズの対物絞りと、電子光学系と試料室との差動排気のためのオリフィスとを兼用して三段に構成した低真空走査電子顕微鏡において、電子光学系における電子線の偏向支点を、三段対物絞りの実質的中段に設定したことを特徴とする低真空走査電子顕微鏡。
2. 電子源から照射される電子ビームを収束させる働きを持つ対物レンズの対物絞りと、電子光学系と試料室との差動排気のためのオリフィスとを兼用して三段に構成した低真空走査電子顕微鏡において、電子光学系における電子線の偏向支点及び前記対物レンズのレンズ主面を、三段対物絞りの実質的中段に設定したことを特徴とする低真空走査電子顕微鏡。
3. 請求項１又は２において、補助ポンプによって、主ポンプ，電子銃室，及び試料室の予備排気を行い、この予備排気の後で、主ポンプによって、電子銃室を高真空排気しながら、試料室を低真空排気することを特徴とする低真空走査電子顕微鏡。
4. 請求項３において、前記補助ポンプは、主ポンプと電子銃室の予備排気を行う第１の補助ポンプと、試料室の予備排気を行う第２の補助ポンプを備えたことを特徴とする低真空走査電子顕微鏡。
5. 請求項１又は２において、補助ポンプで主ポンプと電子銃室の予備排気を行い、この予備排気の後で、前記主ポンプのメインポートによって、電子銃室を高真空排気しながら、主ポンプの中間ポートによって、試料室を低真空排気することを特徴とする低真空走査電子顕微鏡。

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