JP4620221B2 - エネルギ分解及び角度分解電子分光用の結像装置、その方法及び分光器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、あるエネルギ分布及び角度分布を持つ荷電粒から成る粒子の粒子ビームを検出装置に結像するための結像装置及び方法並びにこの結合装置を用いた分光器、特に、エネルギ分解能及び角度分解能の電子回折を測定する結像装置及び方法並びにこの結像装置を用いた分光器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料のサンプルを電磁放射又は電荷粒子で照射すると、サンプル内での相互作用によって荷電粒子の放射が生じて、その空間分布（又は角度分布）及びエネルギ分布から、相互作用の際の物理的又は化学的プロセス又は関与した粒子の配置若しくは相互作用領域について逆推量行うことができる。これを基礎にして、例えば、電子回折試験法又は分光試験法を用いて多数の分析方法が開発されてきた。
【０００３】
公知の分析法には、粒子流（例えば、電子、イオン又はイオン群、原子又は原子群から成るもの）の角度分布及びエネルギ分布を同時に検出することに問題がある。例えば、サンプルの高エネルギの電子の反射を検査する場合（ＲＨＥＥＤ法（高速反射電子線回折法））と、エネルギ濾過が行われて検出された回折像で弾性散乱行程と非弾性散乱行程とを分離できるか否かが問題になる。純粋の散乱をモデル化すると構造的分解能(Strukturaufloesung)を改善することができる。
【０００４】
ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２に、電子回折試験で場所的分解能（Ortsdaufloesung） 及びエネルギ分解能を同時に用いる従来のシステムが説明されている。第１の例として、回折像の部分を走査することができる走査機構が示されており、そのエネルギ分析法が記載されているが、干渉が生じ易く、時間が掛かり、特にリアルタイム分析、例えば固体の表面変化を観察するためのリアルタイム分析が限定された態様でしかできないか全くできない。リアルで同時のエネルギ分解能及び角度分解能による分析は、回折パターンをいくつかの対のフィルタ又は各々が３個組のフィルタ（一般に、濾過電極の群）によって観察する第２の例で達成される。所定の減速電界が濾過電極間に形成され、例えば、弾性的に散乱される電子を通過させるが非弾性散乱電子を反射するようになっている。
【０００５】
Japanese Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.) （日本応用物理ジャーナル（仮訳）） 第３５巻、１９９６年、３５５９頁以下のワイ・ホリオ（Ｙ． Ｈｏｒｉｏ）の論文に、第２の例を実現するための球形のグリッドの形の濾過電極が開示されているが、これらの濾過電極は、必然的に作用距離が小さく、汚染があればエネルギ分解能及び感度が小さくなるという不利な点がある。これに対して、ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２（本発明の図１６参照）によれば、平坦なグリッド電極３，４の形の濾過電極と、相互間の距離が電子の角度散乱に対応し濾過電極を指向する平行電子ビームを形成する偏向装置とを組み合わせて用いることによって改良を行った。平行電子路を平面濾過電極に組み合わせて使用すると、サンプルからの検出器２の作用距離、結像装置の感度、強度に関するワイ・ホリオによる技術の不利な点を解消することができる。極限条件で測定を行うために、平坦な濾過電極を用いる技術の場合にも、結像品質は、例えば、像ひずみを制限して最大回折距離を高精度で測定できる品質（電子回折を高度に分解する品質）になっていなければならない。
【０００６】
従来のエネルギ選択結像（energieselektive Abbildung） での像ひずみは、特に、不均一散乱角収束（inhomogene Streuwinkelfokussierung） によって、また、グリッド形濾過電極３，４における干渉モアレパターンによって生じる。散乱角収束(Streuwinkelfokussierung) の品質が制限されているために、特に、散乱角が大きい場合は、平行な部分光線間の距離と散乱電子の角散乱との間の対応関係が、もはや線形でなくなる。使用法に応じて、像寸法と像の分解能（解像能）との双方又は片方がこれによって制限される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特に散乱光像を広げることと像の分解能を高めて結像品質を高めることによって特徴づけられる、粒子ビームの角度分解及びエネルギ分解結像を行うための改善された結像装置及び方法を提供することである。更に、本発明の課題は、対応して設計された分光器及びその操作方法及び使用方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の重要なことは、例えば、電子のような荷電粒のエネルギ選択及び角度選択結像を行うための結像装置に、粒子ビームに直角な前付けの入口孔又は前付けの入口グリッドを設けることである。入口グリッドは偏向装置に対して電気的に絶縁されており、その電位は、望ましくは、接地電位になっている。これは、サンプル側の偏向ユニットによって発生される電界を制限するのに用いられ、エッジビーム制御（Randstrahllenkung）をよりよく行えるようにする。エッジビーム制御とは、また、散乱角が像のエッジまでの大きさの場合にも、散乱角と、平行にされた粒子軌道間の距離との間の関係が線形になることを保証する制御のことをいう。第１実施形態によれば、入口グリッドは、偏向装置の軸に直角に設けられ、望ましくは＋／−１０°までの大きな散乱角範囲を結像するために実施化された実質に平坦なグリッドである。しかし、適応例によっては、結像に最高の線形性（最小ひずみ）がより重要である場合、入口グリッドの第２実施形態に基づいて、この入り口グリッドは球形グリッドとして形成される。球形グリッドの場合は、入口グリッドは対応の所定の球半径を持つ球欠面の形をしている。
【０００９】
本発明の他の重要なことは、平行で減速された粒子ビームを発生させる偏向ユニットと、この平行な粒子ビームに直角に配置された単一の濾過グリッドから成る濾過装置との上述の組み合わせに基づいて、本発明による、荷電粒子ビームのエネルギ分解及び角度分解結像を行うための装置をさらに改良することにある。このことは、偏向装置と検出装置の間には粒子ビームと直角に延びる濾過グリッド電極があるだけであって、これらの偏向装置と検出装置との間の空間に別のビーム成形用電極がないことを意味する。濾過グリッドは、偏向装置と協働して、例えば、電子回折の検査の際に非弾性的に散乱された電子の濾過に用いられる減速電界アナライザ（Gegenfeldanalysator）を形成する。
【００１０】
一群の濾過電極から単一の濾過グリッドに転換することは、特に先付けの入口グリッドと協働する場合は、取り付け全体が簡単になることのみならず結像品質を高めるという点で重要な利点になる。驚くべきことには、本発明の発明者は、濾過グリッドを用いると、従来の結像装置を用いたのと同じ高感度のエネルギー選択が達成され、しかもモアレパターンが生ぜず、従って、結像品質が改良されることを発見した。
【００１１】
本発明の課題は、また、分光器、特に、上述の結像装置を備えた電子回折分光器を提供することである。このような分光器は、すべての通常のエネルギレベル（それぞれ低、中、高のエネルギ電子回折に対応するＬＥＥＤ，ＭＥＥＤ、ＨＥＥＤ）用の電子回折試験、エネルギ分解及び角度分解されたイオンの散乱試験、弾性散乱及び非弾性拡散（例えば、キクシライン（Kikushi-Linien）に基づくもの）による構造解析、又は角度分解電子分光に用いることが望ましい。本発明に基づく結像装置の使用は回折分光器への使用に限定されない。本発明に基づく装置は、いわゆる飛行時間分光（"Time-of-Flight"-Spektroskopie）用の電子鏡として使用することもできる。
【００１２】
本発明の課題は、さらに、特定のエネルギ分布及び角度分布を持つ荷電粒子から成る粒子ビームを検出装置に結像する方法を提供することである。この結像のために、粒子は偏向装置によって減速された平行粒子ビームにされ又は平行減速軌道をとるように成形され、濾過グリッドへ指向される。濾過グリッドは偏向装置と共働して或るカットオフエネルギを越えるエネルギを有する粒子を検出装置へ選択的に通過させるが、低エネルギを有する粒子を反射する。本発明の望ましい実施形態によれば、粒子は、偏向装置に入る前に、サンプルの前方の、平面入り口グリッド又は球欠状の入り口グリッド（球状入り口グリッド）によって偏向装置に対してシールドされて無電界の空間を通過する。
【００１３】
本発明には、エネルギ分解能が、例えば、１０ｋｅＶの電子エネルギレベルに対して約２ｅＶであるように著しく高まる利点がある。更に、結像特性が公知装置に対して改善されており、特に、最大回折結像（Beugungsmaxima）に対するひずみが減少している。他の利点は、本発明に基づく結像装置の構造が簡単であること、像がひずまないこと（散乱角収束（Streuwinkelfokussierung）が改良されていること）、結像寸法が大きくなっていること（利用できる結像散乱角が大きいこと）である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を特定のエネルギ分布及び角度分布を持つ電子ビームを結像する結像装置について以下に説明するが、本発明は電子を結像することに限定されず、他の電荷粒子を結像するのに適用できるものである。
【００１５】
図１乃至３は、断面図で、電子ビーム１０８のエネルギ分解及び角度分解結像をするための、本発明に基づく結像装置１００に一実施形態を縦断面図で示すが、明確化のために、ハウジング１０１内に結像段部だけを示している。詳述すると、結像段部は、入り口部１１０、偏向装置１２０、濾過装置１３０及び検出装置１４０を含む。円筒状のハウジング１０１は、更に、ハウジング１０１内にある部品を取り付けるための保持装置と、これらの部品に所望の制御電圧を印加しかつ検出装置１４０から結像信号を得るための電気結線と、ハウジング１０１を例えば分光器に接続するための外側保持装置とを含む。しかし、これらの部品は公知のものであるから詳細には説明しない。結像装置１００の幾何学的寸法は適用例に応じて選択され、例えば、ハウジングの直径は約５ｃｍ乃至１５ｃｍの範囲に、結像段部の軸方向の長さはハウジングの直径の０．５倍乃至１．５倍の範囲にある。結像装置１００の光軸はハウジング１０１の円筒軸に一致する。
【００１６】
入り口部１１０は、図示の実施形態では、段付き孔の形をした入り口窓１１１によって形成されている。入り口窓１１１は接地されてその電位を接地電位とし、結像装置１００のサンプル側前方に無電界の空間を形成してこの空間が大きな散乱角を持つ電子ビームに影響しないようになっていることが望ましい。例えば、＋／−６°を超える散乱角をフェードアウトする。段付き構造にされた入り口窓１１１は軸対称に取り付けられたリング孔部１１１ａと、軸方向に延びる円筒形部１１１ｂと、それのサンプル側端に設けた他のリング孔部１１１ｃとを含む。段状構造になっているために、偏向装置１２０の電界をサンプル側に部分的に延ばすことができる。
【００１７】
図示の実施形態の偏向装置１２０は４個の減速レンズ１２１、１２２、１２３及び１２４を含む。これとは別に、これよりも少ない（少なくとも１個）かこれよりも多い減速レンズを設けてもよい。減速レンズはハウジング１０１の内側に軸対称に設けられ、シートメタルリングとして構成されるのが望ましい。減速レンズ１２１−１２４の寸法と制御方法は適用例に応じて選択される。また。各減速レンズには可変制御電圧をバイアスするための別個のコネクタを設けるか、すべての減速レンズに共通の接続装置と各減速レンズの制御電圧を設定するための固定分割段部（feste Teilerstufen） とを設けるかする。
【００１８】
濾過装置１３０には１個の濾過グリッド１３１だけが設けられている。この濾過グリッド１３１は、ハウジング１０１内において、電子ビーム１０８の入射方向でみて最後の減速レンズ１２４と検出装置１４０との間に設けられている。濾過グリッド１３１は、ハウジングの軸に直角に、入り口窓１１１と減速レンズ１２１−１２４によって形成される電子ビーム１０８の入射領域全体を横切って延びる平面グリッドである。このグリッドは望ましくは約Ｔ＝９０％の高い透過度を有し、長方形、傾斜したストライプ状のグリッド又はワイヤグリッドである。
【００１９】
検出装置１４０は、適宜なセンサ（図示せず）と協働する蛍光スクリーン１４１を含む。センサはＣＣＤカメラ、光ダイオード、電子増倍管の一つ又はこれらを組み合わせたものでもよい。蛍光スクリーン１４１は、帯電を避けるために、電導材を含んで形成されるのが望ましい。低電流で非常に感度の高い測定を行う場合は、蛍光スクリーン１４１をチャンネル−プレート電子増倍管に換えてもよく、その際、その後に適宜な蛍光スクリーンを設ける。
【００２０】
操作について述べると、図１の左端に概略的に示されたサンプル１０２から射出された電子ビーム１０８は入り口窓１１１を通して偏向装置１２０に入る。電子ビーム１０８は、サンプルの面で散乱後、発散粒子軌跡を形成する電子の束である。図面では、軌跡は、１線につき１°の散乱角の開きをつけた線で示す。入り口窓１１１を通過した電子ビームのうちで散乱角が＋／−６°を下回るものの角度分布がハウジングの軸に直角な基準面では電子ビーム分布になる。電子は減速レンズ１２１−１２４によって形成された電界の影響を受けて矢印Ａの方向へ移動し、この際、実質的に平行で直線の粒子軌跡を有する電子ビーム１０９が形成される。電子はビームの方向に増加する減速レンズのカウンタポテンシャル（Gegenpotentiale） によって減速される。電子ビーム１０９は進行方向Ａに直角な基準平面で元の角度分布に対応する電子ビーム分布を形成するが、この際、大きな散乱角に対してはハウジングの軸からの距離を大きく、小さな散乱角に対してはハウジングの軸からの距離を小さくさせる。
【００２１】
従って、減速レンズは二重の機能を果たす。一方では、上記の平行な粒子の軌跡（いわゆる”平行回折像”）を形成する。他方、電子を減速する。この場合、減速は、電子が最後の減速レンズ１２４を過ぎる時にできるだけ低いエネルギレベルを有することになるように強く行われることが望ましい。こうすることによって濾過グリッド１３１でのエネルギ分解能が高まる。例えば、約９０％減速すると、エネルギ分解能が約１０倍向上する。
【００２２】
減速レンズ１２１−１２４にバイアスされる静電位（stationaeren Potentiale）は、具体的な構造と所望の精度で静電気学（例えば、各レンズの電界分布に関するもの）に基づいて計算され、適宜な数値シミュレーション（numerische Simulationen）を用いて決定される。シミュレーションのための入力の大きさを選ぶためには、特に、偏向装置１２０を通過する粒子軌道が平行にされかつ強く減速されなければならないということが要件になる。例えば、平行化を行うためには、シミュレーション条件として、０．５°未満の粒子軌跡の拡散が考慮される。他の条件は、偏角を線形に設定することである。このことは、大きな散乱角に対しても、散乱角とシリンダ軸からの対応の粒子軌道の距離との間に線形関係が保たれなければならないことを意味する。これはピンクッションディストーション（ネガティブディストーション）（Kissenverformung） と名付けられている結像ひずみを最小限に押さえる。計算又は数値シミュレーションで減速レンズの電位を決定することは以下に述べる発明の他の実施形態についても行われる。
【００２３】
減速レンズ１２３を通過後、電子は、減速電界を形成するための減速レンズ１２４に対して電位差（濾過減速電位）が生じるようにバイアスされた濾過グリッド１３１に当たり、所定のカットオフエネルギを下回るエネルギレベルを有する電子が粒子ビーム内へ反射され（矢印Ｂ参照）、高いエネルギを有する粒子だけが検出装置１４０へ通過していくことができるようになっている。達成できるエネルギ選択感度は、濾過グリッド１３１の構造と、作動パラメータと、特に減速電界の大きさと、グリッドの孔（目）の寸法（メッシュサイズ）とに依存する。高い結像品質を達成するために、濾過グリッド１３１でグリッド孔（目）を３００μｍ以下にすることが望ましい。
【００２４】
かなり高いエネルギレベルを有する電子が濾過グリッド１３１のグリッド孔（目）を通過し、蛍光スクリーン１４１に当たる。加速電位を蛍光スクリーン１４１と濾過グリッド１３１との間に与えてもよい。
【００２５】
減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−６ｋＶ、−９ｋＶ、−９．４ｋＶ及び−１０ｋＶである。濾過グリッド（電界グリッド）１３１の電位は−７ｋＶである。
【００２６】
図１及び２に示された電子軌道は、本発明に基づく結像装置１００の濾過効果を示す。図１によれば、電子ビームの電子は１０００１ｅＶのエネルギレベルを有する。ひずみのない像を形成するのに寄与せず、従って、濾過グリッド１３１で反射される高い散乱角（＋／−６°）を有するビームの部分を除いて、全電子が濾過グリッド１３１を通過して蛍光スクリーン１４１に至る。しかし、図２において全エレクトンが９９９９ｅＶのエネルギレベルを有するに過ぎない場合は、全電子が濾過グリッド１３１で反射され、結像装置内へ戻される。図１及び２は、約１０ｋｅＶのエネルギレベルの場合は約２ｅＶの優れたエネルギ分解能を示す。
【００２７】
図３は、本発明の他の利点を示す。即ち、電子ビームのそれぞれ異なった０°及び５°の散乱角について優れた散乱角収束（Streuwinkelfokussierung）を示す。サンプル位置での電子ビームの広がり(Elektronenstrahlausdehnung)をδｘとすると、蛍光スクリーン１４１上での広がりは、例えば、δｘ／５乃至δｘ／１０の範囲の寸法になる。
【００２８】
濾過グリッド１３１の特別な利点はグリッドの孔又は目の収束効果（fokussierende Wirkung）にある。グリッド孔を通して小さな電界突き抜け現象（Felddurchgriff） が生じるので、これらのグリッド孔はそれぞれ対応の電子−光学レンズを形成する。この収束効果は、約２ｅＶ乃至６ｅＶの電子エネルギレベルだけについて、即ち、すでに減速された遅い電子だけについて生じる。
【００２９】
図４乃至６は本発明の第２実施形態を示す。結像装置１００は、入り口部１１０の構造を除いて、図１乃至３に基づく結像装置１００と実質的に同じである。従って、同一部品には同一の参照番号が使用されている。
【００３０】
図４においては、入り口部１１０内に、シリンダ状のハウジング１０１の軸に直角に延びる実質的に平面の入り口グリッド１１２が設けられている。入り口グリッド１１２は接地されていて、結像装置１００のサンプル側に電界のない空間が形成されるようになっている。入り口グリッド１１２は電子ビーム１０８の入り口部全体にわたって延び、望ましくは、濾過グリッド１３１と同様に、長方形若しくは傾斜したストライプ又はワイヤメッシュとして形成される。入り口グリッド１１２の幾何学的寸法は適応例に応じて選択される。例えば、約３００μｍの大きなグリッド孔については透過率(Transmission)が約９０％と高くなり、サンプルからの弱いレフレックス（Reflexe−ひずみや他の光学的欠陥を持たない粒子ビームをいう）も結像することができるようになる。しかし、これは像の分解能を制約する。グリッド孔が５０μｍまでと小さい場合は、透過率は約６０％と低いが、像の分解能は向上する。
【００３１】
入り口グリッド１１２は、電解エッチ板として製造されることが望ましい。この板は、入り口グリッド１１２が全グリッド領域について理想面からのずれが１／１０ｍｍよりも少なくなるように形成され、実質的に平面になっている。
【００３２】
図１及び２に対応する図４及び５は、本発明に基づく結像装置１００が高エネルギレベル選択を行うことを示す。−３００Ｖが印加されたサンプルから射出される電子は１０００１ｅＶのエネルギレベルでは濾過グリッド１３１を通過し（図４参照）、９９９９ｅＶのエネルギレベルでは濾過グリッド１３１によって反射される（図５参照）。
【００３３】
図３に対応する図６は、本発明に基づく結像装置１００を用いてそれぞれ散乱角が０°及び３°の電子ビームについて行った改良された散乱角収束を示す。この結像性能が向上していることの他に、図４に基づく実施形態の利点は、電子結像のための角度範囲が拡大されていることである。この優れた収束特性によって＋／−１０°までの像散乱角を結像することが可能である。
【００３４】
図４乃至６に基づく実施形態の場合、減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−５．５ｋＶ、−７．５ｋＶ、 −８．８５ｋＶ及び−１０ｋＶである。濾過グリッド１３１の電位は−７ｋＶである。
【００３５】
図７乃至１１は本発明に基づく結像装置１００のさらに別の実施形態（第３実施形態）を示し、これでは、入り口部１１０内に球形入り口グリッド１１３を設け、この球形入り口グリッド１１３の球半径は小さな角度範囲（図７及び８）では、小さく、＋／−２３°までの大きな角度範囲（図９乃至１１）では大きく形成する。球形入り口グリッド１１３は、上述の実施形態と同様に、適用例に応じて選択されるグリッド孔（目）を有する。球形入り口グリッド１１３は、適応例に応じ、約５０ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲内で選択される球半径を有する球面上に広がっている。球形入り口グリッド１１３は、結像装置１００の光軸に関して軸対称に設けられている。グリッドエッジは、光軸に直角な平面にリング状のホルダ１１６によってハウジング１０１の内側に接続されている。サンプル１０２からホルダ１１６への垂直距離（サンプル距離）は、球形入り口グリッド１１３の半径の値の３倍乃至４倍に相当するものが望ましいが、それより小さくてもよい。利点は、結像装置１００の結像特性がサンプル距離に敏感には依存することがなく、サンプル距離が適用例に応じて変化できるようになっていることである。
【００３６】
接地電位にある球形入り口グリッド１１３はサンプル側に電界のない空間を形成しており、偏向装置１２０の第１減速レンズ１２１の第１等電位平面（Aequipotentialflaeche）を定めている。
【００３７】
そこで、減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−４ｋＶ、−５ｋＶ、−８．６ｋＶ及び−１０ｋＶである（図７）か、それぞれ、−３ｋＶ、−７ｋＶ、−８．８ｋＶ及び−１０ｋＶである（図９）。濾過グリッド１３１は双方とも−７ｋＶの電位になっている。
【００３８】
球形入り口グリッド１１３は次のように製造される。例えば、板又はフィルムをエッチング加工して平坦な濾過グリッドを製造したようにして格子状網（グリッドネット）を形成し、これを球状に曲げ、例えば、コーティングによって補強する。このように球状にされたグリッドネットをその縁で適宜なホルダ１１６でハウジング１０１の内部に取り付ける。
【００３９】
球形入り口グリッド１１３を取り付けることの利点は、散乱角が大きい場合に、像の線形性がさらに改善されることにある。ひずみは最小にされ、散乱光の収束（Streulichtfokussierung） が改善される。これは、図８及び１１にそれぞれ示されている。更に、エネルギ選択性が改善される。例えば、図９は、１０００６ｅＶのエネルギレベルを有する電子が濾過グリッド１３１を通過することを示している。例えば、１０００４ｅＶのより低いエネルギレベルを有する電子を結像しようとしても、これらの電子は濾過グリッド１３１で反射される（図１０）。
【００４０】
図１２は、また、散乱角が大きい場合にも電子ビームの結像が高品質で行われることを示す。これにはひずみの、散乱角に対する従属性が示されている。バージョン１乃至４で示された曲線は、それぞれ、図１、４、７及び９に基づいて上述した実施形態の場合に対応している。図示されたひずみの値は従来の結像装置では達成できないものである。
【００４１】
本発明に基づいて電子回折試験を行う場合、操作を電子ビームのすれすれ入射（streifender Einfall） へ切り替え、横寸法が３００μｍ乃至１ｍｍの範囲、縦寸法がこれの５乃至１０倍以上の範囲の楕円形の照射スポット（Bestrahlungsfleck）を生じるようにすることができる。この場合、散乱角収束が優れているために、このような照射スポットから射出されるビームは平行になって流れ、すべて一つのスポットに収束される。収束によりスポットが鮮明になり、スポットの位置を正確に測定できるのである。
【００４２】
図１３に、本発明に基づく結像装置を用いてシリコンのサンプルに電子回折試験を行った際のエネルギ濾過が一連の図で示されている。ビーム電圧Ｖｐ＝１５０００Ｖの電圧に設定してシリコンのサンプルの（１１１）面を照射して検出された回折電子ビームの散乱角は＋／−１０°である。これは全視野２０°に対応する。４つの像はそれぞれ濾過グリッド１３１の異なった減速電位について得られた回折パターンを示す。詳細に述べると、Ｖｐ−３００Ｖ、Ｖｐ−１５Ｖ、Ｖｐ−２Ｖ及びＶｐ−０Ｖがそれぞれ設定された。エネルギ濾過を行うことによって、散乱レフレックスを背景放射（Hintergrundstrahlen） からはっきり分離するのみならず、散乱レフレックスの位置をより正確に測定できる。
【００４３】
図１４は、本発明に基づく結像装置を用いて、Ｔ＝５８５℃の温度でシリコンの（１１１）面で電子を散乱させた時のエネルギ損失を測定したものを示す。これはある決まったレフレックスについて検出装置によって供給される検出装置信号（任意の単位）の、散乱電子のエネルギに対する従属性を示す。偏向装置１２０に対する濾過グリッド１３１の減速電位の変化に基づいて、異なったエネルギ範囲の散乱部（Streuanteil）を検出することができる。曲線ｘ１は、３．４ｅＶの半幅値を有する弾性散乱ピーク（elastisches Streupeak）を示す。非弾性散乱（曲線ｘ５）の領域では表面プラズモン（Oberflaechenplasmonen)（ａ）、体積プラズモン(Volumenplasmonen)（ｂ） 及び多重散乱損失(Mehrfachstreuverlusten)（ｃ） が示されている。
【００４４】
本発明に基づく結像装置は、図１５に概略図として示されている回折分光器に設けるのが望ましい。図1５は、ＲＨＥＥＤ電子源３５０、本発明に基づく分光器３００、制御要素３６０及びデータ処理装置３７０を有するＲＨＥＥＤ装置である。電子源３５０は公知の構造を有し、サンプル３２０の照射用に設けられている。散乱電子ビームは、上述の実施形態の１つの結像装置内に設けられた分光器によって検出される。蛍光スクリーン（ここでは参照番号３１５で示されている）は２つの測定チャンネルを通じて同時にモニタされる。ビームスプリッタ３３１は、分割された一方の像を二次元検出装置３３０（例えば、ＣＣＤカメラ）を用いて像検出部に供給し、分割された他方の像を全回折像の輝度を示す積分像信号（integrales Bildsignal）検出用の、迅速に応答するダイナミックセンサ３３２に供給する。
【００４５】
制御要素３６０は、電子源３５０の供給装置３６１と、電子源３５０用偏向装置３６２と、分光器制御装置３６３、ロックインシステム３６４及び電流増幅器３６５とを含む。データ処理装置３７０は、コンピュータ制御されることが望ましく、供給装置３６１用の制御信号を供給するための回路３７１と、放射パラメータを設定するための回路３７２と、分光器制御信号を供給するための回路３７３と、ロックインデータ記録用の回路３７４と、ＭＢＳ装置（図示せず）による成長工程（Wachstumsvorgaenge） を制御するための回路３７５と、像処理・像ディスプレー用回路３７６とを含む。
【００４６】
図１５に基づく分光器の構造のこれ以上の詳細はＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２から知られることであり、この文献に記載されている分光器及び電子結像用電極制御の詳細については、これを本発明の記述に組み入れることにする。
【００４７】
本発明に基づく電荷粒子のエネルギ・角度選択結像を行うことは次のように変形できる。例えば、温度のために又は汚染を避けるためにサンプルをできるだけ検出装置から遠くに設けなければならない場合、結像装置の上述のコンパクトな構造から離れて、軸方向乃至はビームの方向に延ばした構造にすることができる。更に、電子ビームの反射部分又は濾過グリッドによってそらされた電子ビーム部分を受けて結像してはならない電子を吸収する捕捉電極をハウジング内に追加して設けることができる。最後に、本発明に基づく結像装置は、ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２から知られるように像の部分シフト用装置を設けることができる。このような装置は、例えば、偏向コイルと調節コイルにより形成され、像部選択をサンプル室内の真空度を劣化させずにコンピュータ制御できるという利点がある。
【００４８】
以上、本発明のまとめは次の通りである。
【００４９】
結像装置としては、
（１）特定のエネルギ分布と角度分布を有する荷電粒子を含む粒子の粒子ビームを検出装置に結像するため、少なくとも１つの減速レンズを有し、粒子ビーム内に該粒子ビームの相互間の距離が該粒子の角度分布に対応する実質的に平行な粒子軌跡を形成する偏向装置と、減速電界を形成するために電位がバイアスされ、該粒子についてエネルギを選択的に透過させるように設けられた濾過装置とを具備し、該偏向装置の前方サンプル側に軸対称の段付き孔又は入り口グリッドの形に形成され、該偏向装置に対して電気絶縁され接地電位にされた入り口窓を該偏向装置と該検出装置との間に設けて構成する。
（２）（１）において、前記入り口グリッドは平面入り口グリッドであり、結像装置の光軸に直角に設置される。
（３）（１）において、前記入り口グリッドは所定の球半径を有する球欠面の形状を成す球形入り口グリッドである。
（４）（１）乃至（３）のいずれかの１において、前記荷電粒子を射出するサンプルと前記球形入り口グリッドとの間のサンプル距離が前記球半径の３倍乃至４倍である。
（５）（１）において、前記入り口グリッドは３００μｍ以下の寸法のグリッド開口を有する。
（６）（１）において、前記濾過装置は濾過グリッドを含み、ビーム方向へ前記偏向装置の最後の減速レンズから前記検出装置までの空間に粒子ビーム形成用電極が存在しないようにする。
（７）（６）において、前記粒子ビームはその平行な軌跡が前記濾過グリッド平面に直角になっている。
（８）（６）において、前記濾過グリッドは３００μｍ以下の寸法のメッシュ孔を含む。
（９）（６）において、前記偏向装置のビーム方向の最後の減速レンズと前記濾過グリッドとの間にカットオフエネルギレベルを定める濾過減速電位をビーム方向へ印加し、該カットオフエネルギレベルを有する粒子を該濾過グリッドを通過させることを可能にする。
（１０）（１）において、前記検出装置は、光学像を形成するための結像スクリーンと、該光学像を検出するためのセンサとを含む。
（１１）（１）において、前記減速レンズの減速電位と前記濾過グリッドの濾過減速電位とは、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子又は荷電分子の結像を行うように設定されている。
【００５０】
本発明に基づく分光器は（１）乃至（１１）のいずれかの１の結像装置を含む。
【００５１】
本発明に基づく結像方法は、
（１２）特定のエネルギ分布及び角度分布を有する荷電粒子を検出装置に結像するための結像方法であって、実質的に平行な粒子軌跡を形成するための少なくとも１つの減速レンズを有する偏向装置に入る粒子ビームを段付き孔の形の入り口窓で限定するか、サンプル側で該偏向装置の前に設けられ該偏向装置の前に無電界の空間を形成する入り口グリッドを通過させ、該粒子ビームを、該偏向装置と粒子をエネルギ選択透過させる構成になっている。
（１３）（１２）において、前記無電界の空間は平面入り口グリッド又は球形入り口グリッドによって限定される。
（１４）（１２）において、前記濾過装置内の粒子ビームを、前記偏向装置に減速電界を形成するためビームの方向にみて最後の減速レンズとの間に減速電位が印加された濾過グリッドを通過させる。
（１５）（１２）において、電子回折試験のために、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子若しくは荷電分子のエネルギ及び角度分解結像法、弾性及び非弾性散乱を分離することによる構造分析法、角度分解光電子及びオージェ電子分光法及び”飛行時間”分光用の電子鏡の全部又はこれらの任意の組み合わせ若しくはこれらの１つを用いる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく結像装置の第１実施形態の概略縦断面図である。
【図２】粒子ビームが全反射する場合の図１に基づく結像装置の説明図である。
【図３】散乱角が異なる場合の図１に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図４】平面入り口グリッドを有する、本発明に基づく結像装置の第２実施形態の概略縦断面図である。
【図５】粒子ビームが全反射する場合の図４に基づく結像装置の説明図である。
【図６】散乱角が異なる場合の図５に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図７】球形に曲げられた入り口グリッドを有する本発明に基づく結像装置の第３実施形態の概略縦断面図である。
【図８】散乱角が異なる場合の図７に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図９】球形に曲げられた入り口グリッドを有する本発明に基づく結像装置の第４実施形態の概略縦断面図である。
【図１０】粒子ビームが全反射する場合の図９に基づく結像装置の説明図である。
【図１１】散乱角が異なる場合の図９に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図１２】図１乃至１１で説明されている実施形態について散乱角の関数としてひずみをグラフで示すものである。
【図１３】回折像のエネルギ濾過の説明図である。
【図１４】シリコンサンプルのエネルギ損失を測定したものをグラフで示すものである。
【図１５】本発明に基づく分光器を設けたＲＨＥＥＤ装置の概略図である。
【図１６】従来のエレクトロンビーム結像装置の断面図である。
【符号の説明】
１００ 結像装置
１０１ ハウジング
１０２ サンプル
１０８，１０９ 電子ビーム
１１０ 入り口部
１１１ 入り口窓
１１１ａ リング孔部
１１１ｂ 円筒形部
１１１ｃ リング孔部
１１２，１１３ 入り口グリッド
１１６ ホルダ
１２０ 偏向装置
１２１−１２４ 減速レンズ
１３０ 濾過装置
１３１ 濾過グリッド
１４０ 検出装置
１４１ 蛍光スクリーン
１５０ 分光器
３００ 分光器
３１５ 蛍光スクリーン
３２０ サンプル
３３０ 二次元検出装置（ＣＣＤカメラ）
３３１ ビームスプリッタ
３３２ ダイナミックセンサ
３５０ 電子源
３６０ 制御要素
３６１ 供給装置
３６２ 偏向装置
３６３ 分光器制御装置
３６４ ロックインシステム
３６５ 電流増幅器
３７０ データ処理装置
３７１−３７６ 回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、あるエネルギ分布及び角度分布を持つ荷電粒から成る粒子の粒子ビームを検出装置に結像するための結像装置及び方法並びにこの結合装置を用いた分光器、特に、エネルギ分解能及び角度分解能の電子回折を測定する結像装置及び方法並びにこの結像装置を用いた分光器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
材料のサンプルを電磁放射又は電荷粒子で照射すると、サンプル内での相互作用によって荷電粒子の放射が生じて、その空間分布（又は角度分布）及びエネルギ分布から、相互作用の際の物理的又は化学的プロセス又は関与した粒子の配置若しくは相互作用領域について逆推量行うことができる。これを基礎にして、例えば、電子回折試験法又は分光試験法を用いて多数の分析方法が開発されてきた。
【０００３】
公知の分析法には、粒子流（例えば、電子、イオン又はイオン群、原子又は原子群から成るもの）の角度分布及びエネルギ分布を同時に検出することに問題がある。例えば、サンプルの高エネルギの電子の反射を検査する場合（ＲＨＥＥＤ法（高速反射電子線回折法））と、エネルギ濾過が行われて検出された回折像で弾性散乱行程と非弾性散乱行程とを分離できるか否かが問題になる。純粋の散乱をモデル化すると構造的分解能(Strukturaufloesung)を改善することができる。
【０００４】
ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２に、電子回折試験で場所的分解能（Ortsdaufloesung） 及びエネルギ分解能を同時に用いる従来のシステムが説明されている。第１の例として、回折像の部分を走査することができる走査機構が示されており、そのエネルギ分析法が記載されているが、干渉が生じ易く、時間が掛かり、特にリアルタイム分析、例えば固体の表面変化を観察するためのリアルタイム分析が限定された態様でしかできないか全くできない。リアルで同時のエネルギ分解能及び角度分解能による分析は、回折パターンをいくつかの対のフィルタ又は各々が３個組のフィルタ（一般に、濾過電極の群）によって観察する第２の例で達成される。所定の減速電界が濾過電極間に形成され、例えば、弾性的に散乱される電子を通過させるが非弾性散乱電子を反射するようになっている。
【０００５】
Japanese Journal of Applied Physics (Jpn. J. Appl. Phys.) （日本応用物理ジャーナル（仮訳）） 第３５巻、１９９６年、３５５９頁以下のワイ・ホリオ（Ｙ． Ｈｏｒｉｏ）の論文に、第２の例を実現するための球形のグリッドの形の濾過電極が開示されているが、これらの濾過電極は、必然的に作用距離が小さく、汚染があればエネルギ分解能及び感度が小さくなるという不利な点がある。これに対して、ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２（本発明の図１６参照）によれば、平坦なグリッド電極３，４の形の濾過電極と、相互間の距離が電子の角度散乱に対応し濾過電極を指向する平行電子ビームを形成する偏向装置とを組み合わせて用いることによって改良を行った。平行電子路を平面濾過電極に組み合わせて使用すると、サンプルからの検出器２の作用距離、結像装置の感度、強度に関するワイ・ホリオによる技術の不利な点を解消することができる。極限条件で測定を行うために、平坦な濾過電極を用いる技術の場合にも、結像品質は、例えば、像ひずみを制限して最大回折距離を高精度で測定できる品質（電子回折を高度に分解する品質）になっていなければならない。
【０００６】
従来のエネルギ選択結像（energieselektive Abbildung） での像ひずみは、特に、不均一散乱角収束（inhomogene Streuwinkelfokussierung） によって、また、グリッド形濾過電極３，４における干渉モアレパターンによって生じる。散乱角収束(Streuwinkelfokussierung) の品質が制限されているために、特に、散乱角が大きい場合は、平行な部分光線間の距離と散乱電子の角散乱との間の対応関係が、もはや線形でなくなる。使用法に応じて、像寸法と像の分解能（解像能）との双方又は片方がこれによって制限される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、特に散乱光像を広げることと像の分解能を高めて結像品質を高めることによって特徴づけられる、粒子ビームの角度分解及びエネルギ分解結像を行うための改善された結像装置及び方法を提供することである。更に、本発明の課題は、対応して設計された分光器及びその操作方法及び使用方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の重要なことは、例えば、電子のような荷電粒のエネルギ選択及び角度選択結像を行うための結像装置に、粒子ビームに直角な前付けの入口孔又は前付けの入口グリッドを設けることである。入口グリッドは偏向装置に対して電気的に絶縁されており、その電位は、望ましくは、接地電位になっている。これは、サンプル側の偏向ユニットによって発生される電界を制限するのに用いられ、エッジビーム制御（Randstrahllenkung）をよりよく行えるようにする。エッジビーム制御とは、また、散乱角が像のエッジまでの大きさの場合にも、散乱角と、平行にされた粒子軌道間の距離との間の関係が線形になることを保証する制御のことをいう。第１実施形態によれば、入口グリッドは、偏向装置の軸に直角に設けられ、望ましくは＋／−１０°までの大きな散乱角範囲を結像するために実施化された実質に平坦なグリッドである。しかし、適応例によっては、結像に最高の線形性（最小ひずみ）がより重要である場合、入口グリッドの第２実施形態に基づいて、この入り口グリッドは球形グリッドとして形成される。球形グリッドの場合は、入口グリッドは対応の所定の球半径を持つ球欠面の形をしている。
【０００９】
本発明の他の重要なことは、平行で減速された粒子ビームを発生させる偏向ユニットと、この平行な粒子ビームに直角に配置された単一の濾過グリッドから成る濾過装置との上述の組み合わせに基づいて、本発明による、荷電粒子ビームのエネルギ分解及び角度分解結像を行うための装置をさらに改良することにある。このことは、偏向装置と検出装置の間には粒子ビームと直角に延びる濾過グリッド電極があるだけであって、これらの偏向装置と検出装置との間の空間に別のビーム成形用電極がないことを意味する。濾過グリッドは、偏向装置と協働して、例えば、電子回折の検査の際に非弾性的に散乱された電子の濾過に用いられる減速電界アナライザ（Gegenfeldanalysator）を形成する。
【００１０】
一群の濾過電極から単一の濾過グリッドに転換することは、特に先付けの入口グリッドと協働する場合は、取り付け全体が簡単になることのみならず結像品質を高めるという点で重要な利点になる。驚くべきことには、本発明の発明者は、濾過グリッドを用いると、従来の結像装置を用いたのと同じ高感度のエネルギー選択が達成され、しかもモアレパターンが生ぜず、従って、結像品質が改良されることを発見した。
【００１１】
本発明の課題は、また、分光器、特に、上述の結像装置を備えた電子回折分光器を提供することである。このような分光器は、すべての通常のエネルギレベル（それぞれ低、中、高のエネルギ電子回折に対応するＬＥＥＤ，ＭＥＥＤ、ＨＥＥＤ）用の電子回折試験、エネルギ分解及び角度分解されたイオンの散乱試験、弾性散乱及び非弾性拡散（例えば、キクシライン（Kikushi-Linien）に基づくもの）による構造解析、又は角度分解電子分光に用いることが望ましい。本発明に基づく結像装置の使用は回折分光器への使用に限定されない。本発明に基づく装置は、いわゆる飛行時間分光（"Time-of-Flight"-Spektroskopie）用の電子鏡として使用することもできる。
【００１２】
本発明の課題は、さらに、特定のエネルギ分布及び角度分布を持つ荷電粒子から成る粒子ビームを検出装置に結像する方法を提供することである。この結像のために、粒子は偏向装置によって減速された平行粒子ビームにされ又は平行減速軌道をとるように成形され、濾過グリッドへ指向される。濾過グリッドは偏向装置と共働して或るカットオフエネルギを越えるエネルギを有する粒子を検出装置へ選択的に通過させるが、低エネルギを有する粒子を反射する。本発明の望ましい実施形態によれば、粒子は、偏向装置に入る前に、サンプルの前方の、平面入り口グリッド又は球欠状の入り口グリッド（球状入り口グリッド）によって偏向装置に対してシールドされて無電界の空間を通過する。
【００１３】
本発明には、エネルギ分解能が、例えば、１０ｋｅＶの電子エネルギレベルに対して約２ｅＶであるように著しく高まる利点がある。更に、結像特性が公知装置に対して改善されており、特に、最大回折結像（Beugungsmaxima）に対するひずみが減少している。他の利点は、本発明に基づく結像装置の構造が簡単であること、像がひずまないこと（散乱角収束（Streuwinkelfokussierung）が改良されていること）、結像寸法が大きくなっていること（利用できる結像散乱角が大きいこと）である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を特定のエネルギ分布及び角度分布を持つ電子ビームを結像する結像装置について以下に説明するが、本発明は電子を結像することに限定されず、他の電荷粒子を結像するのに適用できるものである。
【００１５】
図１乃至３は、断面図で、電子ビーム１０８のエネルギ分解及び角度分解結像をするための、本発明に基づく結像装置１００に一実施形態を縦断面図で示すが、明確化のために、ハウジング１０１内に結像段部だけを示している。詳述すると、結像段部は、入り口部１１０、偏向装置１２０、濾過装置１３０及び検出装置１４０を含む。円筒状のハウジング１０１は、更に、ハウジング１０１内にある部品を取り付けるための保持装置と、これらの部品に所望の制御電圧を印加しかつ検出装置１４０から結像信号を得るための電気結線と、ハウジング１０１を例えば分光器に接続するための外側保持装置とを含む。しかし、これらの部品は公知のものであるから詳細には説明しない。結像装置１００の幾何学的寸法は適用例に応じて選択され、例えば、ハウジングの直径は約５ｃｍ乃至１５ｃｍの範囲に、結像段部の軸方向の長さはハウジングの直径の０．５倍乃至１．５倍の範囲にある。結像装置１００の光軸はハウジング１０１の円筒軸に一致する。
【００１６】
入り口部１１０は、図示の実施形態では、段付き孔の形をした入り口窓１１１によって形成されている。入り口窓１１１は接地されてその電位を接地電位とし、結像装置１００のサンプル側前方に無電界の空間を形成してこの空間が大きな散乱角を持つ電子ビームに影響しないようになっていることが望ましい。例えば、＋／−６°を超える散乱角をフェードアウトする。段付き構造にされた入り口窓１１１は軸対称に取り付けられたリング孔部１１１ａと、軸方向に延びる円筒形部１１１ｂと、それのサンプル側端に設けた他のリング孔部１１１ｃとを含む。段状構造になっているために、偏向装置１２０の電界をサンプル側に部分的に延ばすことができる。
【００１７】
図示の実施形態の偏向装置１２０は４個の減速レンズ１２１、１２２、１２３及び１２４を含む。これとは別に、これよりも少ない（少なくとも１個）かこれよりも多い減速レンズを設けてもよい。減速レンズはハウジング１０１の内側に軸対称に設けられ、シートメタルリングとして構成されるのが望ましい。減速レンズ１２１−１２４の寸法と制御方法は適用例に応じて選択される。また。各減速レンズには可変制御電圧をバイアスするための別個のコネクタを設けるか、すべての減速レンズに共通の接続装置と各減速レンズの制御電圧を設定するための固定分割段部（feste Teilerstufen） とを設けるかする。
【００１８】
濾過装置１３０には１個の濾過グリッド１３１だけが設けられている。この濾過グリッド１３１は、ハウジング１０１内において、電子ビーム１０８の入射方向でみて最後の減速レンズ１２４と検出装置１４０との間に設けられている。濾過グリッド１３１は、ハウジングの軸に直角に、入り口窓１１１と減速レンズ１２１−１２４によって形成される電子ビーム１０８の入射領域全体を横切って延びる平面グリッドである。このグリッドは望ましくは約Ｔ＝９０％の高い透過度を有し、長方形、傾斜したストライプ状のグリッド又はワイヤグリッドである。
【００１９】
検出装置１４０は、適宜なセンサ（図示せず）と協働する蛍光スクリーン１４１を含む。センサはＣＣＤカメラ、光ダイオード、電子増倍管の一つ又はこれらを組み合わせたものでもよい。蛍光スクリーン１４１は、帯電を避けるために、電導材を含んで形成されるのが望ましい。低電流で非常に感度の高い測定を行う場合は、蛍光スクリーン１４１をチャンネル−プレート電子増倍管に換えてもよく、その際、その後に適宜な蛍光スクリーンを設ける。
【００２０】
操作について述べると、図１の左端に概略的に示されたサンプル１０２から射出された電子ビーム１０８は入り口窓１１１を通して偏向装置１２０に入る。電子ビーム１０８は、サンプルの面で散乱後、発散粒子軌跡を形成する電子の束である。図面では、軌跡は、１線につき１°の散乱角の開きをつけた線で示す。入り口窓１１１を通過した電子ビームのうちで散乱角が＋／−６°を下回るものの角度分布がハウジングの軸に直角な基準面では電子ビーム分布になる。電子は減速レンズ１２１−１２４によって形成された電界の影響を受けて矢印Ａの方向へ移動し、この際、実質的に平行で直線の粒子軌跡を有する電子ビーム１０９が形成される。電子はビームの方向に増加する減速レンズのカウンタポテンシャル（Gegenpotentiale） によって減速される。電子ビーム１０９は進行方向Ａに直角な基準平面で元の角度分布に対応する電子ビーム分布を形成するが、この際、大きな散乱角に対してはハウジングの軸からの距離を大きく、小さな散乱角に対してはハウジングの軸からの距離を小さくさせる。
【００２１】
従って、減速レンズは二重の機能を果たす。一方では、上記の平行な粒子の軌跡（いわゆる”平行回折像”）を形成する。他方、電子を減速する。この場合、減速は、電子が最後の減速レンズ１２４を過ぎる時にできるだけ低いエネルギレベルを有することになるように強く行われることが望ましい。こうすることによって濾過グリッド１３１でのエネルギ分解能が高まる。例えば、約９０％減速すると、エネルギ分解能が約１０倍向上する。
【００２２】
減速レンズ１２１−１２４にバイアスされる静電位（stationaeren Potentiale）は、具体的な構造と所望の精度で静電気学（例えば、各レンズの電界分布に関するもの）に基づいて計算され、適宜な数値シミュレーション（numerische Simulationen）を用いて決定される。シミュレーションのための入力の大きさを選ぶためには、特に、偏向装置１２０を通過する粒子軌道が平行にされかつ強く減速されなければならないということが要件になる。例えば、平行化を行うためには、シミュレーション条件として、０．５°未満の粒子軌跡の拡散が考慮される。他の条件は、偏角を線形に設定することである。このことは、大きな散乱角に対しても、散乱角とシリンダ軸からの対応の粒子軌道の距離との間に線形関係が保たれなければならないことを意味する。これはピンクッションディストーション（ネガティブディストーション）（Kissenverformung） と名付けられている結像ひずみを最小限に押さえる。計算又は数値シミュレーションで減速レンズの電位を決定することは以下に述べる発明の他の実施形態についても行われる。
【００２３】
減速レンズ１２３を通過後、電子は、減速電界を形成するための減速レンズ１２４に対して電位差（濾過減速電位）が生じるようにバイアスされた濾過グリッド１３１に当たり、所定のカットオフエネルギを下回るエネルギレベルを有する電子が粒子ビーム内へ反射され（矢印Ｂ参照）、高いエネルギを有する粒子だけが検出装置１４０へ通過していくことができるようになっている。達成できるエネルギ選択感度は、濾過グリッド１３１の構造と、作動パラメータと、特に減速電界の大きさと、グリッドの孔（目）の寸法（メッシュサイズ）とに依存する。高い結像品質を達成するために、濾過グリッド１３１でグリッド孔（目）を３００μｍ以下にすることが望ましい。
【００２４】
かなり高いエネルギレベルを有する電子が濾過グリッド１３１のグリッド孔（目）を通過し、蛍光スクリーン１４１に当たる。加速電位を蛍光スクリーン１４１と濾過グリッド１３１との間に与えてもよい。
【００２５】
減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−６ｋＶ、−９ｋＶ、−９．４ｋＶ及び−１０ｋＶである。濾過グリッド（電界グリッド）１３１の電位は−７ｋＶである。
【００２６】
図１及び２に示された電子軌道は、本発明に基づく結像装置１００の濾過効果を示す。図１によれば、電子ビームの電子は１０００１ｅＶのエネルギレベルを有する。ひずみのない像を形成するのに寄与せず、従って、濾過グリッド１３１で反射される高い散乱角（＋／−６°）を有するビームの部分を除いて、全電子が濾過グリッド１３１を通過して蛍光スクリーン１４１に至る。しかし、図２において全エレクトンが９９９９ｅＶのエネルギレベルを有するに過ぎない場合は、全電子が濾過グリッド１３１で反射され、結像装置内へ戻される。図１及び２は、約１０ｋｅＶのエネルギレベルの場合は約２ｅＶの優れたエネルギ分解能を示す。
【００２７】
図３は、本発明の他の利点を示す。即ち、電子ビームのそれぞれ異なった０°及び５°の散乱角について優れた散乱角収束（Streuwinkelfokussierung）を示す。サンプル位置での電子ビームの広がり(Elektronenstrahlausdehnung)をδｘとすると、蛍光スクリーン１４１上での広がりは、例えば、δｘ／５乃至δｘ／１０の範囲の寸法になる。
【００２８】
濾過グリッド１３１の特別な利点はグリッドの孔又は目の収束効果（fokussierende Wirkung）にある。グリッド孔を通して小さな電界突き抜け現象（Felddurchgriff） が生じるので、これらのグリッド孔はそれぞれ対応の電子−光学レンズを形成する。この収束効果は、約２ｅＶ乃至６ｅＶの電子エネルギレベルだけについて、即ち、すでに減速された遅い電子だけについて生じる。
【００２９】
図４乃至６は本発明の第２実施形態を示す。結像装置１００は、入り口部１１０の構造を除いて、図１乃至３に基づく結像装置１００と実質的に同じである。従って、同一部品には同一の参照番号が使用されている。
【００３０】
図４においては、入り口部１１０内に、シリンダ状のハウジング１０１の軸に直角に延びる実質的に平面の入り口グリッド１１２が設けられている。入り口グリッド１１２は接地されていて、結像装置１００のサンプル側に電界のない空間が形成されるようになっている。入り口グリッド１１２は電子ビーム１０８の入り口部全体にわたって延び、望ましくは、濾過グリッド１３１と同様に、長方形若しくは傾斜したストライプ又はワイヤメッシュとして形成される。入り口グリッド１１２の幾何学的寸法は適応例に応じて選択される。例えば、約３００μｍの大きなグリッド孔については透過率(Transmission)が約９０％と高くなり、サンプルからの弱いレフレックス（Reflexe−ひずみや他の光学的欠陥を持たない粒子ビームをいう）も結像することができるようになる。しかし、これは像の分解能を制約する。グリッド孔が５０μｍまでと小さい場合は、透過率は約６０％と低いが、像の分解能は向上する。
【００３１】
入り口グリッド１１２は、電解エッチ板として製造されることが望ましい。この板は、入り口グリッド１１２が全グリッド領域について理想面からのずれが１／１０ｍｍよりも少なくなるように形成され、実質的に平面になっている。
【００３２】
図１及び２に対応する図４及び５は、本発明に基づく結像装置１００が高エネルギレベル選択を行うことを示す。−３００Ｖが印加されたサンプルから射出される電子は１０００１ｅＶのエネルギレベルでは濾過グリッド１３１を通過し（図４参照）、９９９９ｅＶのエネルギレベルでは濾過グリッド１３１によって反射される（図５参照）。
【００３３】
図３に対応する図６は、本発明に基づく結像装置１００を用いてそれぞれ散乱角が０°及び３°の電子ビームについて行った改良された散乱角収束を示す。この結像性能が向上していることの他に、図４に基づく実施形態の利点は、電子結像のための角度範囲が拡大されていることである。この優れた収束特性によって＋／−１０°までの像散乱角を結像することが可能である。
【００３４】
図４乃至６に基づく実施形態の場合、減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−５．５ｋＶ、−７．５ｋＶ、 −８．８５ｋＶ及び−１０ｋＶである。濾過グリッド１３１の電位は−７ｋＶである。
【００３５】
図７乃至１１は本発明に基づく結像装置１００のさらに別の実施形態（第３実施形態）を示し、これでは、入り口部１１０内に球形入り口グリッド１１３を設け、この球形入り口グリッド１１３の球半径は小さな角度範囲（図７及び８）では、小さく、＋／−２３°までの大きな角度範囲（図９乃至１１）では大きく形成する。球形入り口グリッド１１３は、上述の実施形態と同様に、適用例に応じて選択されるグリッド孔（目）を有する。球形入り口グリッド１１３は、適応例に応じ、約５０ｍｍ乃至１５０ｍｍの範囲内で選択される球半径を有する球面上に広がっている。球形入り口グリッド１１３は、結像装置１００の光軸に関して軸対称に設けられている。グリッドエッジは、光軸に直角な平面にリング状のホルダ１１６によってハウジング１０１の内側に接続されている。サンプル１０２からホルダ１１６への垂直距離（サンプル距離）は、球形入り口グリッド１１３の半径の値の３倍乃至４倍に相当するものが望ましいが、それより小さくてもよい。利点は、結像装置１００の結像特性がサンプル距離に敏感には依存することがなく、サンプル距離が適用例に応じて変化できるようになっていることである。
【００３６】
接地電位にある球形入り口グリッド１１３はサンプル側に電界のない空間を形成しており、偏向装置１２０の第１減速レンズ１２１の第１等電位平面（Aequipotentialflaeche）を定めている。
【００３７】
そこで、減速レンズ１２１−１２４の電位の例は、それぞれ、−４ｋＶ、−５ｋＶ、−８．６ｋＶ及び−１０ｋＶである（図７）か、それぞれ、−３ｋＶ、−７ｋＶ、−８．８ｋＶ及び−１０ｋＶである（図９）。濾過グリッド１３１は双方とも−７ｋＶの電位になっている。
【００３８】
球形入り口グリッド１１３は次のように製造される。例えば、板又はフィルムをエッチング加工して平坦な濾過グリッドを製造したようにして格子状網（グリッドネット）を形成し、これを球状に曲げ、例えば、コーティングによって補強する。このように球状にされたグリッドネットをその縁で適宜なホルダ１１６でハウジング１０１の内部に取り付ける。
【００３９】
球形入り口グリッド１１３を取り付けることの利点は、散乱角が大きい場合に、像の線形性がさらに改善されることにある。ひずみは最小にされ、散乱光の収束（Streulichtfokussierung） が改善される。これは、図８及び１１にそれぞれ示されている。更に、エネルギ選択性が改善される。例えば、図９は、１０００６ｅＶのエネルギレベルを有する電子が濾過グリッド１３１を通過することを示している。例えば、１０００４ｅＶのより低いエネルギレベルを有する電子を結像しようとしても、これらの電子は濾過グリッド１３１で反射される（図１０）。
【００４０】
図１２は、また、散乱角が大きい場合にも電子ビームの結像が高品質で行われることを示す。これにはひずみの、散乱角に対する従属性が示されている。バージョン１乃至４で示された曲線は、それぞれ、図１、４、７及び９に基づいて上述した実施形態の場合に対応している。図示されたひずみの値は従来の結像装置では達成できないものである。
【００４１】
本発明に基づいて電子回折試験を行う場合、操作を電子ビームのすれすれ入射（streifender Einfall） へ切り替え、横寸法が３００μｍ乃至１ｍｍの範囲、縦寸法がこれの５乃至１０倍以上の範囲の楕円形の照射スポット（Bestrahlungsfleck）を生じるようにすることができる。この場合、散乱角収束が優れているために、このような照射スポットから射出されるビームは平行になって流れ、すべて一つのスポットに収束される。収束によりスポットが鮮明になり、スポットの位置を正確に測定できるのである。
【００４２】
図１３に、本発明に基づく結像装置を用いてシリコンのサンプルに電子回折試験を行った際のエネルギ濾過が一連の図で示されている。ビーム電圧Ｖｐ＝１５０００Ｖの電圧に設定してシリコンのサンプルの（１１１）面を照射して検出された回折電子ビームの散乱角は＋／−１０°である。これは全視野２０°に対応する。４つの像はそれぞれ濾過グリッド１３１の異なった減速電位について得られた回折パターンを示す。詳細に述べると、Ｖｐ−３００Ｖ、Ｖｐ−１５Ｖ、Ｖｐ−２Ｖ及びＶｐ−０Ｖがそれぞれ設定された。エネルギ濾過を行うことによって、散乱レフレックスを背景放射（Hintergrundstrahlen） からはっきり分離するのみならず、散乱レフレックスの位置をより正確に測定できる。
【００４３】
図１４は、本発明に基づく結像装置を用いて、Ｔ＝５８５℃の温度でシリコンの（１１１）面で電子を散乱させた時のエネルギ損失を測定したものを示す。これはある決まったレフレックスについて検出装置によって供給される検出装置信号（任意の単位）の、散乱電子のエネルギに対する従属性を示す。偏向装置１２０に対する濾過グリッド１３１の減速電位の変化に基づいて、異なったエネルギ範囲の散乱部（Streuanteil）を検出することができる。曲線ｘ１は、３．４ｅＶの半幅値を有する弾性散乱ピーク（elastisches Streupeak）を示す。非弾性散乱（曲線ｘ５）の領域では表面プラズモン（Oberflaechenplasmonen)（ａ）、体積プラズモン(Volumenplasmonen)（ｂ） 及び多重散乱損失(Mehrfachstreuverlusten)（ｃ） が示されている。
【００４４】
本発明に基づく結像装置は、図１５に概略図として示されている回折分光器に設けるのが望ましい。図1５は、ＲＨＥＥＤ電子源３５０、本発明に基づく分光器３００、制御要素３６０及びデータ処理装置３７０を有するＲＨＥＥＤ装置である。電子源３５０は公知の構造を有し、サンプル３２０の照射用に設けられている。散乱電子ビームは、上述の実施形態の１つの結像装置内に設けられた分光器によって検出される。蛍光スクリーン（ここでは参照番号３１５で示されている）は２つの測定チャンネルを通じて同時にモニタされる。ビームスプリッタ３３１は、分割された一方の像を二次元検出装置３３０（例えば、ＣＣＤカメラ）を用いて像検出部に供給し、分割された他方の像を全回折像の輝度を示す積分像信号（integrales Bildsignal）検出用の、迅速に応答するダイナミックセンサ３３２に供給する。
【００４５】
制御要素３６０は、電子源３５０の供給装置３６１と、電子源３５０用偏向装置３６２と、分光器制御装置３６３、ロックインシステム３６４及び電流増幅器３６５とを含む。データ処理装置３７０は、コンピュータ制御されることが望ましく、供給装置３６１用の制御信号を供給するための回路３７１と、放射パラメータを設定するための回路３７２と、分光器制御信号を供給するための回路３７３と、ロックインデータ記録用の回路３７４と、ＭＢＳ装置（図示せず）による成長工程（Wachstumsvorgaenge） を制御するための回路３７５と、像処理・像ディスプレー用回路３７６とを含む。
【００４６】
図１５に基づく分光器の構造のこれ以上の詳細はＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２から知られることであり、この文献に記載されている分光器及び電子結像用電極制御の詳細については、これを本発明の記述に組み入れることにする。
【００４７】
本発明に基づく電荷粒子のエネルギ・角度選択結像を行うことは次のように変形できる。例えば、温度のために又は汚染を避けるためにサンプルをできるだけ検出装置から遠くに設けなければならない場合、結像装置の上述のコンパクトな構造から離れて、軸方向乃至はビームの方向に延ばした構造にすることができる。更に、電子ビームの反射部分又は濾過グリッドによってそらされた電子ビーム部分を受けて結像してはならない電子を吸収する捕捉電極をハウジング内に追加して設けることができる。最後に、本発明に基づく結像装置は、ＤＥ−ＯＳ １９７ ０１ １９２から知られるように像の部分シフト用装置を設けることができる。このような装置は、例えば、偏向コイルと調節コイルにより形成され、像部選択をサンプル室内の真空度を劣化させずにコンピュータ制御できるという利点がある。
【００４８】
以上、本発明のまとめは次の通りである。
【００４９】
結像装置としては、
（１）特定のエネルギ分布と角度分布を有する荷電粒子を含む粒子の粒子ビームを検出装置に結像するため、少なくとも１つの減速レンズを有し、粒子ビーム内に該粒子ビームの相互間の距離が該粒子の角度分布に対応する実質的に平行な粒子軌跡を形成する偏向装置と、減速電界を形成するために電位がバイアスされ、該粒子についてエネルギを選択的に透過させるように設けられた濾過装置とを具備し、該偏向装置の前方サンプル側に軸対称の段付き孔又は入り口グリッドの形に形成され、該偏向装置に対して電気絶縁され接地電位にされた入り口窓を該偏向装置と該検出装置との間に設けて構成する。
（２）（１）において、前記入り口グリッドは平面入り口グリッドであり、結像装置の光軸に直角に設置される。
（３）（１）において、前記入り口グリッドは所定の球半径を有する球欠面の形状を成す球形入り口グリッドである。
（４）（１）乃至（３）のいずれかの１において、前記荷電粒子を射出するサンプルと前記球形入り口グリッドとの間のサンプル距離が前記球半径の３倍乃至４倍である。
（５）（１）において、前記入り口グリッドは３００μｍ以下の寸法のグリッド開口を有する。
（６）（１）において、前記濾過装置は濾過グリッドを含み、ビーム方向へ前記偏向装置の最後の減速レンズから前記検出装置までの空間に粒子ビーム形成用電極が存在しないようにする。
（７）（６）において、前記粒子ビームはその平行な軌跡が前記濾過グリッド平面に直角になっている。
（８）（６）において、前記濾過グリッドは３００μｍ以下の寸法のメッシュ孔を含む。
（９）（６）において、前記偏向装置のビーム方向の最後の減速レンズと前記濾過グリッドとの間にカットオフエネルギレベルを定める濾過減速電位をビーム方向へ印加し、該カットオフエネルギレベルを有する粒子を該濾過グリッドを通過させることを可能にする。
（１０）（１）において、前記検出装置は、光学像を形成するための結像スクリーンと、該光学像を検出するためのセンサとを含む。
（１１）（１）において、前記減速レンズの減速電位と前記濾過グリッドの濾過減速電位とは、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子又は荷電分子の結像を行うように設定されている。
【００５０】
本発明に基づく分光器は（１）乃至（１１）のいずれかの１の結像装置を含む。
【００５１】
本発明に基づく結像方法は、
（１２）特定のエネルギ分布及び角度分布を有する荷電粒子を検出装置に結像するための結像方法であって、実質的に平行な粒子軌跡を形成するための少なくとも１つの減速レンズを有する偏向装置に入る粒子ビームを段付き孔の形の入り口窓で限定するか、サンプル側で該偏向装置の前に設けられ該偏向装置の前に無電界の空間を形成する入り口グリッドを通過させ、該粒子ビームを、該偏向装置と粒子をエネルギ選択透過させる構成になっている。
（１３）（１２）において、前記無電界の空間は平面入り口グリッド又は球形入り口グリッドによって限定される。
（１４）（１２）において、前記濾過装置内の粒子ビームを、前記偏向装置に減速電界を形成するためビームの方向にみて最後の減速レンズとの間に減速電位が印加された濾過グリッドを通過させる。
（１５）（１２）において、電子回折試験のために、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子若しくは荷電分子のエネルギ及び角度分解結像法、弾性及び非弾性散乱を分離することによる構造分析法、角度分解光電子及びオージェ電子分光法及び”飛行時間”分光用の電子鏡の全部又はこれらの任意の組み合わせ若しくはこれらの１つを用いる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に基づく結像装置の第１実施形態の概略縦断面図である。
【図２】粒子ビームが全反射する場合の図１に基づく結像装置の説明図である。
【図３】散乱角が異なる場合の図１に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図４】平面入り口グリッドを有する、本発明に基づく結像装置の第２実施形態の概略縦断面図である。
【図５】粒子ビームが全反射する場合の図４に基づく結像装置の説明図である。
【図６】散乱角が異なる場合の図５に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図７】球形に曲げられた入り口グリッドを有する本発明に基づく結像装置の第３実施形態の概略縦断面図である。
【図８】散乱角が異なる場合の図７に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図９】球形に曲げられた入り口グリッドを有する本発明に基づく結像装置の第４実施形態の概略縦断面図である。
【図１０】粒子ビームが全反射する場合の図９に基づく結像装置の説明図である。
【図１１】散乱角が異なる場合の図９に基づく結像装置の結像特性の説明図である。
【図１２】図１乃至１１で説明されている実施形態について散乱角の関数としてひずみをグラフで示すものである。
【図１３】回折像のエネルギ濾過の説明図である。
【図１４】シリコンサンプルのエネルギ損失を測定したものをグラフで示すものである。
【図１５】本発明に基づく分光器を設けたＲＨＥＥＤ装置の概略図である。
【図１６】従来のエレクトロンビーム結像装置の断面図である。
【符号の説明】
１００ 結像装置
１０１ ハウジング
１０２ サンプル
１０８，１０９ 電子ビーム
１１０ 入り口部
１１１ 入り口窓
１１１ａ リング孔部
１１１ｂ 円筒形部
１１１ｃ リング孔部
１１２，１１３ 入り口グリッド
１１６ ホルダ
１２０ 偏向装置
１２１−１２４ 減速レンズ
１３０ 濾過装置
１３１ 濾過グリッド
１４０ 検出装置
１４１ 蛍光スクリーン
１５０ 分光器
３００ 分光器
３１５ 蛍光スクリーン
３２０ サンプル
３３０ 二次元検出装置（ＣＣＤカメラ）
３３１ ビームスプリッタ
３３２ ダイナミックセンサ
３５０ 電子源
３６０ 制御要素
３６１ 供給装置
３６２ 偏向装置
３６３ 分光器制御装置
３６４ ロックインシステム
３６５ 電流増幅器
３７０ データ処理装置
３７１−３７６ 回路
Claims (15)
- 特定のエネルギ分布と角度分布を有する荷電粒子を含む粒子の粒子ビームを検出装置に結像するため、
少なくとも１つの減速レンズを有し、粒子ビーム内に相互間の距離が該粒子の角度分布に対応する実質的に平行な粒子軌跡を形成する偏向装置と、
減速電界を形成するために電位がバイアスされ、該粒子についてエネルギを選択的に透過させるように設けられた濾過装置とを具備し、
該偏向装置の前方サンプル側に所定の球半径を有する球欠面の形状を成す球形入り口グリッドの形に形成され、該偏向装置に対して電気絶縁され接地電位にされた入り口窓を該偏向装置と該検出装置との間に設けて成り、
前記荷電粒子を射出する前記サンプルと前記球形入り口グリッドとの間のサンプル距離が前記球半径の３倍乃至４倍である
結像装置。 - 特定のエネルギ分布と角度分布を有する荷電粒子を含む粒子の粒子ビームを検出装置に結像するため、
少なくとも１つの減速レンズを有し、粒子ビーム内に相互間の距離が該粒子の角度分布に対応する実質的に平行な粒子軌跡を形成する偏向装置と、
減速電界を形成するために電位がバイアスされ、該粒子についてエネルギを選択的に透過させるように設けられた濾過装置とを具備し、
該偏向装置の前方サンプル側に３００μｍ以下の寸法のグリッド開口を有する入り口グリッドの形に形成され、該偏向装置に対して電気絶縁され接地電位にされた入り口窓を該偏向装置と該検出装置との間に設けて成る
結像装置。 - 前記入り口グリッドは平面入り口グリッドであり、前記結像装置の光軸に直角に設置されることを特徴とする請求項２に記載の結像装置。
- 前記濾過装置は濾過グリッドを含み、ビーム方向へ前記偏向装置の最後の減速レンズから前記検出装置までの空間に粒子ビーム形成用電極が存在しないようにした請求項１乃至３のいずれか１項に記載の結像装置。
- 前記粒子ビームはその平行な軌跡が前記濾過グリッド平面に直角になっている請求項４に記載の結像装置。
- 前記濾過グリッドは３００μｍ以下の寸法のメッシュ孔を含む請求項４に記載の結像装置。
- 前記偏向装置のビーム方向の最後の減速レンズと前記濾過グリッドとの間にカットオフエネルギレベルを定める濾過減速電位をビーム方向へ印加し、該カットオフエネルギレベルを有する粒子を該濾過グリッドを通過させることを可能にした請求項４に記載の結像装置。
- 前記検出装置は、光学像を形成するための結像スクリーンと、該光学像を検出するためのセンサとを含む請求項１又は２に記載の結像装置。
- 前記減速レンズの減速電位と前記濾過グリッドの濾過減速電位とは、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子又は荷電分子の結像を行うように設定されている請求項１又は２に記載の結像装置。
- 請求項１乃至９のいずれかの１に記載の結像装置を含む分光器。
- 特定のエネルギ分布及び角度分布を有する荷電粒子を検出装置に結像するための結像方法であって、実質的に平行な粒子軌跡を形成するための少なくとも１つの減速レンズを有する偏向装置に入る粒子ビームに、サンプル側で該偏向装置の前に設けられ該偏向装置の前に無電界の空間を形成し所定の球半径を有する球欠面の形状を成し前記サンプルとの間のサンプル距離が前記球半径の３倍乃至４倍となるように配置された球形入り口グリッドを通過させ、該粒子ビームを、該偏向装置と粒子をエネルギ選択透過させることができる濾過装置とを通過させる結像方法。
- 特定のエネルギ分布及び角度分布を有する荷電粒子を検出装置に結像するための結像方法であって、実質的に平行な粒子軌跡を形成するための少なくとも１つの減速レンズを有する偏向装置に入る粒子ビームに、サンプル側で該偏向装置の前に設けられ該偏向装置の前に無電界の空間を形成し３００μｍ以下の寸法のグリッド開口を有する入り口グリッドを通過させ、該粒子ビームを、該偏向装置と粒子をエネルギ選択透過させることができる濾過装置とを通過させる結像方法。
- 前記無電界の空間は平面入り口グリッド又は球形入り口グリッドによって限定される請求項１１又は１２に記載の結像方法。
- 前記濾過装置内の粒子ビームを、前記偏向装置に減速電界を形成するためビームの方向にみて最後の減速レンズとの間に減速電位が印加された濾過グリッドを通過させる請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載の結像方法。
- 電子回折試験のために、電子、イオン、イオンビーム又は荷電原子若しくは荷電分子のエネルギ及び角度分解結像法、弾性及び非弾性散乱を分離することによる構造分析法、角度分解光電子及びオージェ電子分光法及び”飛行時間”分光用の電子鏡の全部又はこれらの任意の組み合わせ若しくはこれらの１つを用いた請求項１１又は１２に記載の結像方法。
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