JP4354197B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
走査電子顕微鏡は、通常、一次電子ビームによって試料から発せられる二次電子および／または後方散乱電子（ＢＳＥ）を検証するために、１つまたは複数の検出器を試料室に有している。画像を生成するために後方散乱電子の強度に依拠するか、それとも二次電子（ＳＥ）の強度に依拠するかに応じて、試料画像の異なるコントラストが生成される。
【０００２】
【従来の技術】
非特許文献１には、通常の走査電子顕微鏡によって、試料を透過した電子に基づいて画像を生成することができる構成が記載されている。この構成は、試料台の上に受容され、内部に試料ホルダが収容されている円筒状の遮蔽ユニットを含んでいる。この遮蔽ユニットは、電子ビームの入射側で試料から射出される電子が、検出器に到達することができないように作用する。そのために遮蔽ユニットは、走査電子顕微鏡の対物レンズの下側の磁極片の後にすぐ続いている。このような構成によって可能なコントラストは、透過式での明視野コントラストに相当しており、試料の中央領域の信号の検出を可能にするにすぎない。なぜなら、試料から射出された電子が検出器に到達できる領域は、絞りの直径によって制限されるからである。
【０００３】
電子顕微鏡において暗視野コントラストで画像を生成することは、従来、いわゆる走査・透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に委ねられている。このＳＴＥＭとは、多段階のコンデンサシステムを電子源と試料の間に備え、かつ、同様に多段階構成であり、試料を拡大して検出面に結像する電子光学的な結像システムを備えている透過電子顕微鏡である。そしてＳＴＥＭモードのときには、コンデンサシステムが、電子源を縮小して試料に結像するように制御される。
【０００４】
透過電子顕微鏡では、通常の試料平面は、最後のコンデンサレンズとしても対物レンズとしても作用するコンデンサ・対物レンズ・単フィールドレンズの磁極片間隙の高さに位置しているので、入射する一次電子ビームの光学軸に対して試料表面が傾斜している、すなわち、試料の表面法線が光学軸に対して３０°またはそれ以上の角度をなしている、傾いた試料を使った検査を透過電子顕微鏡で行うことは不可能である。このような試料の傾きは、従来、走査電子顕微鏡でしか実現することができていない。
【０００５】
【非特許文献１】
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｖｏｌ １７３，（１９９９）、２１９−２２５頁の論文
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、透過式での試料画像の生成が、異なるコントラスト付けで可能な走査電子顕微鏡を提供することである。このとき本発明は、試料室に収納されるべき、走査電子顕微鏡の追加ユニットの形態で構成されるのが望ましい。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料室と、試料室の中に配置された電子検出器と、試料室の中に配置された、試料ホルダを備える試料台とを備える走査電子顕微鏡において、試料ホルダに対して相対的に調節可能な絞りを備える絞りシステムが試料ホルダと検出器の間に設けられている。
【０００８】
本発明による走査電子顕微鏡は通常どおり、試料室と、試料室の中に配置された電子の検出器と、試料室の中に配置された、試料ホルダを備える試料台とを有している。試料台に、試料ホルダに対して相対的に調節可能な、絞りを備える絞りシステムが、試料ホルダと検出器の間に受容されている。
【０００９】
試料ホルダに対して相対的に調節可能な絞りによって、画像記録のコントラストを変えることができる。たとえば、走査電子顕微鏡の光学軸付近を延びる、試料を透過した電子がフェードアウトされるように絞りが設計、調節されていると、比較的大きな角度で散乱した電子だけが画像生成に寄与し、その結果は暗視野コントラストに相当する。このコントラスト付けは、たとえばＺコントラストをもつ試料の場合や、格子構造欠陥または配列欠陥をもつ結晶質の試料の場合、あるいは相転移をもつ試料の場合に、コントラストを高める。それに対して、ちょうど光学軸の付近で射出された電子、および光学軸に対して少ない角度で射出された電子が絞りを透過し、それによって画像生成に寄与するように絞りが構成、調節されていると、このコントラストは明視野コントラストに相当する。
【００１０】
試料台を、これに受容されている遮蔽ユニットを含めて、走査電子顕微鏡の光学軸に対して垂直方向へスライドさせ、それと同時に絞りを反対方向に位置調節することによって、広い試料範囲の連続的な画像、あるいは試料全体の連続的な画像を所望のコントラストで生成することができる。
【００１１】
試料ホルダは遮蔽ユニットに配置されるのが好ましく、絞りは、試料ホルダと反対を向いている方の側で遮蔽ユニットに受容される。そうすれば遮蔽ユニットは、試料から射出される電子のうち、絞り開口部を通過したものだけが検出器に到達できるように働く。このような遮蔽ユニットは、電子に対して透過性でない円筒状の管として構成されていてよく、この管の断面形状をどうするかは重要ではない。遮蔽体は、対物レンズの方を向いている側にリングを有しているのが望ましく、このリングによって、対物レンズの磁極片のすぐ後に続いている領域が電子の射出に対して密閉され、そのようにして、後方散乱した電子、または一次電子ビームで照射された試料面から射出された二次電子が、検出器に達することが防止される。
【００１２】
検出器は、二次電子を検出するように、および／または一次電子のエネルギーに匹敵するエネルギーを有している電子を検出するように構成されていてよい。
【００１３】
格別に有利には、検出器は、電子で照射されると１以上の収量で二次電子を放出する変換部材を有している。この変換部材は絞りのすぐ後方に配置されるのが好ましく、それにより、絞り開口部を透過するすべての電子が、この変換部材に対して入射するようになる。
【００１４】
絞りシステムは、試料ホルダと検出器の間に選択的に挿入可能な、異なる絞り開口部をもつ複数の絞りを有しているのが好ましい。それにより、コントラストの種類を簡単に変えることができる。格別に有利には、絞り交換のためのモータ駆動装置が設けられるのが望ましく、それによって、試料室に手で介入する必要がなくなる。駆動装置が、絞り調節のために十分に長い調節距離を備えていれば、この駆動装置を同時に絞りの切換にも利用することができる。
【００１５】
暗視野コントラストを生成するために、絞り、または絞りの１つは、電子に対して透過性でない中央領域を有しているのが望ましい。
【００１６】
試料ホルダは、走査電子顕微鏡の光学軸に対して垂直な軸を中心として傾動可能であるのが好ましく、この場合、試料ホルダの表面法線と光学軸との間で３０°またはこれ以上の傾動角が可能であるのが望ましい。
【００１７】
本発明は、特に、走査電子顕微鏡のための追加ユニットとして構成されていてよい。このような追加ユニットは、試料台の上に受容可能な円筒状の遮蔽ユニットと、遮蔽ユニットに配置された試料ホルダと、試料台の方を向いている側で遮蔽ユニットを密閉する、試料ホルダに対して相対的に調節可能な、絞りを備える絞りホルダとを有している。このような追加ユニットによって、および絞りホルダの調節駆動のために必要な制御部によって、通常の走査電子顕微鏡で暗視野コントラスト画像を生成することが簡単なやり方で可能である。
【００１８】
別案の追加ユニットでは、遮蔽ユニットが電子検出器を取り囲んでおり、遮蔽ユニットの入射開口部は、交換可能な絞りによって閉じられている。そして、さらに遮蔽ユニットには、絞りに対して相対的に調節可能、ないし絞りホルダに対して相対的に調節可能な試料ホルダが受容されている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、図面に描かれている実施形態を参照しながら、本発明のさらに詳細な事項について詳しく説明する。
【００２０】
図１には、符号（１）で走査電子顕微鏡の支柱、符号（２）でその試料室がそれぞれ示されている。走査電子顕微鏡そのものは、電子源としての役目をする陰極（４）と、その後に続く抽出電極（５）と、陰極（４）から射出された電子を支柱エネルギーまで加速させる加速電極（６）とを備える従来式の構造を有していてよい。
【００２１】
電極ビーム生成部の後には、電子ビームの開口が調整される磁気的なコンデンサレンズ（６）と、対物レンズ（９）とが続いている。対物レンズは、コイルと磁極片を備える純粋に磁気的なレンズであってよく、もしくは、静電レンズと磁気レンズの組み合わせであってよい。なお、コンデンサレンズ（６）は加速電極でもある。図示した実施形態ではさらに、陽極（７）から光学軸（ＯＡ）に沿って対物レンズ（９）の磁極片間隙の高さまで達し、必要に応じて試料電位とは異なる電位に設定されるビームガイド管（８）が設けられている。それにより、ビームガイド管からの出口と試料との間の静電的な遅延場によって、対物レンズの磁場で生成されるレンズ作用に少なくとも部分的に空間的に重ね合わされる静電レンズが形成される。
【００２２】
対物レンズ（９）の磁極片間隙の高さには、さらに偏向システム（１０）のコイルが配置されており、このコイルによって、対物レンズ（９）で生成される電子フォーカスを光学軸（ＯＡ）に対して垂直方向へ、試料の走査のために偏向可能である。
【００２３】
試料室（２）の内部には、３つの空間方向へ、すなわち光学軸（ＯＡ）に対して垂直にも平行にもモータでスライド可能であるとともに光学軸（ＯＡ）に対して垂直な軸（２６）を中心として傾動可能なＳＥＭ試料台（１６）が配置されている。なお、この試料台（１６）の傾動と共に本体（１１）と絞りホルダー（１５）も共に傾動する。これに伴ってリング（１３）と対物レンズ（９）とが衝突する恐れがあるが、その場合、試料台（１６）光軸方向に調整して当たらないようにすることが望ましい。それに伴ってレンズ（９）の焦点距離も調整する。
【００２４】
試料台（１６）の上に、本発明による追加ユニットが設置されている。この追加ユニットは、広がって膨らんでいる内部空間（１４）と、それぞれ互いに同軸に配置された２つの開口部とを備える円筒状の本体（１１）を主として備え、それぞれの開口部は円筒状の本体（１１）のそれぞれ両端にある。本体（１１）は遮蔽ユニットを構成している。対物レンズ（９）の方を向いている開口部は、一般的な透過電子顕微鏡で試料ホルダとして利用される試料ホルダを備えている。対物レンズ側で本体（１１）に続いているのが、対物レンズ側の開口部を同軸に取り囲む遮蔽リング（１３）であり、この遮蔽リングは、対物レンズ（９）の出口側の端部と試料との間の中間スペースをほぼ閉止している。試料台が傾動しても対物レンズと本体（１１）の間に中間スペースができないようにするために、遮蔽リングを金属ベローズとして構成することが望ましい。
【００２５】
対物レンズ（９）と反対側には、本体（１１）の後に絞りシステムの絞りホルダ（１５）とそこに設けられている複数の絞り開口部（１９，２０，２１）を備える絞りが続いている。光学軸（ＯＡ）に対する絞り開口部の位置は、圧電駆動装置を介して両方向に、光学軸（ＯＡ）に対して垂直な平面で調節可能である。さらに絞りはモータで切換可能であり、すなわち、絞り開口部が光学軸（ＯＡ）に位置するように、３つの絞り開口部の各々を選択的に１つの位置に切り換えることができる。絞り切換のため、および絞りの調節のためのモータ駆動装置は図１では符号（１８）で示されている。載置台すなわち試料台（１６）のための駆動装置は図１では符号（１７）で示されている。
【００２６】
絞り（１９，２０，２１）のうち、少なくとも１つの絞り（２０）は、暗視野コントラストのための電子に対して透過性でない中央領域を有しており、すなわち絞り開口部が環状になっている。
【００２７】
さらに載置台（１６）の上にはプリズム形の変換部材（２２）が載っている。変換部材（２２）は、たとえば銅、真鍮、金のような原子番号の大きい材料でできており、電子で照射されると、入射した電子よりも多くの電子を再び放出するという特性を有している。
【００２８】
さらに、試料室（２）の中には電子検出器が配置されており、この電子検出器は、図示した実施形態ではＥｖｅｒｈａｒｄ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器として構成されており、加速電極（２３）と、シンチレータ（２４）を備えるガラス棒（２５）とを有している。
【００２９】
以上に説明した構成により、電子源から射出された電子は対物レンズ（９）によって、試料ホルダ（１２）の上に置かれた試料に焦点合わせされる。遮蔽リング（１３）によって、対物レンズ側で試料から射出された電子（後方散乱電子または二次電子）が検出器（２３，２４，２５）に到達できないことが保証される。
【００３０】
対物レンズと反対を向いている方の本体（１１）の側にある絞りによって、光路に合わせて切り換えられた絞り開口部（１９，２０，２１）を通過した電子だけが画像生成に寄与することが保証される。電子に対して透過性でない中央領域をもつ絞り（２０）が合わされている場合には、その結果として、試料に当って相応の角度で散乱した電子だけがこの絞りを通って変換部材に入射することになる。小さすぎる角度または大きすぎる角度で散乱した他のすべての電子は、本体（１１）の壁に吸収されるか、または絞りの透過性でない領域によって吸収される。このように本体の膨らんだ構成は、試料に当って強く散乱しすぎた電子に対するビームトラップとしての役目も果たす。すなわち、本体は遮蔽リングなどと共に遮蔽ユニットとして働く。
【００３１】
切換で合わされた絞りを通過した電子は、変換部材で二次電子放出によってわずかに増幅され、次いで、変換部材から射出された電子が検出器（２３，２４，２５）で検出される。試料の完全な画像を生成するために、偏向システム（１０）によって一次電子ビームを連続的に試料全体にわたってスキャニングし、その都度のスキャンと同期して検出器でその都度の信号を検出する。このようにして連続的に画像全体を構築する。一次電子ビームをこのようにスキャニングしているとき、絞りは定置に保たれる。より広い試料視野を検出するために、部分画像を記録するたびに試料台をスライドさせることよって試料をスライドさせ、それと同時に絞りを反対方向へ本体（１１）に対して変位させることができる。
【００３２】
こうして光路に合わせて切り換えられる絞りの選択と調節に応じて、異なるコントラストを生成することができ、特に、電子に対して透過性でない中央領域をもつ絞りが光路に合わされているときには、暗視野コントラストを生成することができる。
【００３３】
図２の実施形態は、走査電子顕微鏡に関しては図１の実施形態に対応しているので、その関連については図１についての上の説明を参照されたい。
【００３４】
この別案の実施形態では、やはりシンチレーション検出器（２３，２４，２５）として構成されていてよい検出器がＳＥＭ試料台（１６）の上に直接載っている。この検出器は、対物レンズ側の入射開口部をもつ円筒状の遮蔽ユニット（３０）で取り囲まれている。異なる開口部をもつ複数の絞りを含んでいる絞りホルダ（３１）が、遮蔽ユニットの入射開口部を閉じている。図１の実施形態とは異なり、絞りホルダ（３１）はこの実施形態では調節可能ではなく、切換可能であるにすぎず、絞り開口部の１つを中央の切換位置へ切り換えることができ、それによって、その絞り開口部が遮蔽ユニットの開口部の上に位置するようになる。電子顕微鏡の光学軸に対して相対的な絞りの調節は、試料台（１６）の駆動装置を通じて行われる。
【００３５】
絞りホルダの対物レンズ側には、他のコンポーネントおよび特に絞りホルダに対して調節可能なように、試料ホルダ（３３）が受容されている。このとき試料ホルダ（３３）は圧電駆動装置（３６）を通じて、光学軸（ＯＡ）に対して直角方向で絞りホルダに対して相対的に調節可能である。所望のコントラストの生成は、この実施形態では、このような絞りに対する相対的な試料の調節を通じて行われる。
【００３６】
この第２実施形態では、シンチレーション検出器を使用することによって、より優れた信号対雑音比が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による走査電子顕微鏡を断面で示す原理図である。
【図２】本発明の別案の実施形態を断面で示す原理図である。
【符号の説明】
１ 支柱
２ 試料室
４ 陰極
５ 抽出電極
６ コンデンサレンズ
７ 陽極
８ ビームガイド管
９ 対物レンズ
１０ 偏向システム
１１ 本体
１３ 遮蔽リング
１５ 絞りホルダ
１６ ＳＥＭ試料台
２２ 変換部材
２３ 加速電極
２４ シンチレータ
２５ ガラス棒
３０ 遮蔽ユニット
３１ 絞りホルダ
３３ 試料ホルダ
３６ 圧電駆動装置

Claims (7)

1. 光学軸を規定する電子光学素子と、
   試料室と、
   前記試料室の中に配置された試料台と、
   前記試料台の上に配置された電子検出器と、
   前記試料台上に配置された遮蔽ユニットであって、前記電子光学素子と前記電子検出器との間に位置し前記光学軸が通る２つの開口部を有する遮蔽ユニットと、
   前記遮蔽ユニットの前記電子光学素子側の開口部、または、前記遮蔽ユニット内に配置された試料ホルダと、
   前記遮蔽ユニットの前記電子検出器側の開口部に配置された絞りホルダとを備え、
   前記絞りホルダは、前記試料ホルダと前記検出器との間に選択的に配置可能な、異なる絞り開口部をもつ複数の絞りを保持し、かつ、前記絞りホルダは、前記光学軸に対して垂直な２方向に、前記試料台に対して相対的に調節可能であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 前記遮蔽ユニットが、電子に対して透過性でない円筒状の管として構成されている請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
3. 光学軸を規定する電子光学素子と、
   試料室と、
   前記試料室の中に配置された試料台と、
   前記試料台の上に配置され、電子で照射されると二次電子を放出する変換部材と、
   前記試料室の中に配置された前記二次電子を検出する電子検出器と、
   前記試料台上に配置された遮蔽ユニットであって、前記電子光学素子と前記変換部材との間に位置し前記光学軸が通る２つの開口部を有する遮蔽ユニットと、
   前記遮蔽ユニットの前記電子光学素子側の開口部、または、前記遮蔽ユニット内に配置された試料ホルダと、
   前記遮蔽ユニットの前記変換部材側の開口部に配置された絞りホルダとを備え、
   前記絞りホルダは、前記試料ホルダと前記変換部材との間に選択的に配置可能な、異なる絞り開口部をもつ複数の絞りを保持し、かつ、前記絞りホルダは、前記光学軸に対して垂直な２方向に、前記試料台に対して相対的に調節可能であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 前記電子検出器が、試料により散乱された後の一次電子を検出するように構成されている請求項１または２に記載の走査電子顕微鏡。
5. 前記絞りまたは前記絞りの１つが電子に対して透過性でない中央領域を有している請求項１から４までのいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡。
6. 前記試料台が、前記光学軸に対して垂直な軸を中心として傾動可能である請求項１から５までのいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡。
7. 光学軸を規定する電子光学素子と、試料室と、前記試料室の中に配置された試料台と、前記試料台の上に配置された電子検出器とを有する走査電子顕微鏡の前記試料台上に配置されるように設計された走査電子顕微鏡のための追加ユニットであって、
   前記試料台上に配置され２つの開口部を有する遮蔽ユニットであって、該２つの開口部は、前記電子光学素子と前記電子検出器との間に配置され前記光学軸が通るように設計された遮蔽ユニットと、
   前記遮蔽ユニットの前記電子光学素子側の開口部、または、前記遮蔽ユニット内に配置された試料ホルダと、
   前記遮蔽ユニットの前記電子検出器側の開口部に配置された絞りホルダとを備え、
   前記絞りホルダは、前記試料ホルダと前記検出器との間に選択的に配置可能な、異なる絞り開口部をもつ複数の絞りを保持し、かつ、前記絞りホルダは、前記光学軸に対して垂直な２方向に、前記試料台に対して相対的に調節可能であることを特徴とする追加ユニット。

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