JP4702880B2 - 表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置に係り、更に詳しくは、荷電粒子ビームを用いた表面電位分布測定方法及び該測定方法の実施に好適な表面電位分布測定装置に関する。

レーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置では、画像情報に応じて変調された光源からの光を走査光学系などを介して感光体上に集光させるとともに、所定の方向（主走査方向）に走査させ、感光体上に静電潜像を形成している。そして、その静電潜像にトナーを付着させ、該トナーを紙などに転写して出力画像としている。

感光体上に形成される静電潜像は、出力画像の品質に大きく影響する。そこで、感光体上に形成された静電潜像を評価する方法及び装置が種々提案されている。そして、その評価結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、出力画像の品質向上を図っていた。例えば、特許文献１及び特許文献２には、試料面を電子ビームで走査し、該走査で放出される二次電子を用いて静電潜像を観察する方法が提案されている。

ところで、近年、画像情報のデジタル化が急速に進み、画像形成装置の出力画像の更なる高品質化への要求が年々高くなっている。しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている方法では、前記要求に応じるのに必要な精度の評価結果を得るのが困難であった。

また、特許文献３及び特許文献４には、試料に対する印加電圧の影響を予め予測し、荷電粒子ビームの偏向条件を調整する装置が開示されているが、試料の帯電状態については何ら考慮されていない。

特開平３−２９８６７号公報 特開平３−４９１４３号公報 特開平１０−３３４８４４号公報 特開平３−２６１０５７号公報

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、物体の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、試料の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、荷電粒子ビームを用いて試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、前記試料表面を前記荷電粒子ビームで走査し、前記試料表面の２次元面内の複数の計測点における電位情報をそれぞれ計測する工程と、装置構成に基づいて、前記試料の電荷又は電位の分布モデルを設定する工程と、前記分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を算出する工程と、前記算出された荷電粒子ビームの軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報をそれぞれ算出する工程と、前記計測された電位情報と前記算出された電位情報とを比較して前記分布モデルを修正する工程と、前記修正された分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を算出する工程と、該算出された荷電粒子ビームの軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報をそれぞれ算出し、該算出された電位情報に基づいて前記表面電位の分布を算出する工程と、を含む表面電位分布測定方法である。

これによれば、試料表面が荷電粒子ビームで走査され、複数の計測点における電位情報がそれぞれ計測されるとともに、分布モデルに基づいて算出された荷電粒子ビームの軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報がそれぞれ算出され、計測された電位情報と算出された電位情報とを比較して前記分布モデルが修正される。更に、該修正された分布モデルに基づいて荷電粒子ビームの軌道が算出され、該軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報が算出され、該電位情報に基づいて表面電位の分布が算出される。このように、荷電粒子ビームの軌道を計算して、表面電位を修正しているため、荷電粒子ビームの軌道がずれても、精度良く表面電位分布を求めることができる。

上記請求項１に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項２に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記計測する工程では、前記荷電粒子ビームの加速電圧及び前記試料に印加されるバイアス電圧の少なくともいずれかを変更しながら、前記複数の計測点における電位を計測し、前記各荷電粒子ビームの軌道を算出する工程では、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することとすることができる。

上記請求項１又は２に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項３に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記計測する工程では、前記試料の表面に到達する前に、反発された荷電粒子の検出信号を計測することとすることができる。

上記請求項１〜３に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項４に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記計測する工程では、前記試料表面を電子ビームで走査することとすることができる。

上記請求項１〜４に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項５に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記計測する工程では、前記試料として感光体が用いられることとすることができる。

上記請求項１〜５に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項６に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記計測する工程に先立って、前記試料の表面に潜像を形成する工程を、更に含むこととすることができる。

上記請求項１〜６に記載の各表面電位分布測定方法において、請求項７に記載の表面電位分布測定方法の如く、前記各算出された荷電粒子ビームの軌道に基づいて、前記試料の表面電荷の分布状態を求める工程を、更に含むこととすることができる。

請求項８に記載の発明は、荷電粒子ビームを用いて試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、前記ビーム発生装置と試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する光学系と、前記試料近傍に配置され、前記試料の表面における電位情報が含まれる信号を検出する検出装置と、前記検出装置の検出結果から前記試料の表面における電位情報を求めるとともに、装置構成に応じて設定された前記試料の電荷又は電位の分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を計算し、該軌道に基づいて算出された電位情報と前記求められた電位情報とを比較して前記分布モデルを修正し、該修正された分布モデルに基づいて前記試料の表面における電位情報を算出する処理装置と、を備える表面電位分布測定装置である。

これによれば、処理装置により、検出装置の検出結果から試料の表面における電位情報が求められるとともに、前記分布モデルに基づいて計算された荷電粒子ビームの軌道に応じて試料の表面における電位情報が算出され、該電位情報と求められた電位情報とを比較して前記分布モデルが修正される。そして、該修正された分布モデルに基づいて荷電粒子ビームの軌道の軌道が計算され、該軌道に応じて試料の表面における電位情報が算出される。このように、荷電粒子ビームの軌道を計算して、表面電位を修正しているため、荷電粒子ビームの軌道がずれても、精度良く表面電位分布を求めることができる。

上記請求項８に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項９に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記処理装置は、前記ビーム発生装置を介して前記荷電粒子ビームの加速電圧を変更させ、異なる加速電圧での前記検出装置の複数の検出結果から前記電位情報を求め、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することとすることができる。

上記請求項８又は９に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１０に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記試料にバイアス電圧を印加する電源回路を更に備えることとすることができる。

この場合において、請求項１１に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記処理装置は、前記電源回路を介して前記バイアス電圧を変更させ、異なるバイアス電圧での前記検出装置の複数の検出結果から前記電位情報を求め、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することとすることができる。

上記請求項８〜１１に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１２に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記処理装置は、更に前記試料の表面電位の分布状態に基づいて、表面電位分布のプロファイルを算出することとすることができる。

上記請求項８〜１２に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１３に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記処理装置は、更に前記荷電粒子ビームの軌道の計算結果に基づいて、前記試料における表面電荷の分布状態を求めることとすることができる。

上記請求項８〜１３に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１４に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記試料表面に潜像を形成する潜像形成装置を更に備えることとすることができる。

上記請求項８〜１４に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１５に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記荷電粒子は電子であることとすることができる。

上記請求項８〜１５に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１６に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記試料は感光体であることとすることができる。

上記請求項８〜１６に記載の各表面電位分布測定装置において、請求項１７に記載の表面電位分布測定装置の如く、前記検出装置は、前記試料表面に到達する前に、反発された荷電粒子を検出することとすることができる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１４に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置１００の概略構成が示されている。

図１に示される表面電位分布測定装置１００は、電子銃１０、筐体３０、コンデンサレンズ（静電レンズ）３５、ビームブランキング電極３７、ゲートバルブ４０、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ（偏向電極）５５、対物レンズ５７、ビーム射出開口部６１、試料台８１、検出器９１、制御系３、排出系８３及び駆動用電源（図示省略）などを備えている。

前記電子銃１０は、電子ビームを放出する。ここでは、電子銃１０は、一例として図２に示されるように、エミッタ１１から電子が放出される電界放出型電子銃であり、引き出し電極３１、及び加速電極３３などを有している。

引き出し電極３１は、エミッタ１１の−Ｚ側に配置され、エミッタ１１に強電界を発生させるための電圧（引き出し電圧Ｖext）が印加される。これにより、エミッタ１１の先端から電子ビームが放出される。なお、本実施形態では、−Ｚ方向に向けて電子ビームが放出されるものとする。

加速電極３３は、引き出し電極３１の−Ｚ側に配置され、エミッタ１１から放出された電子ビームに所望のエネルギを与えるための電圧（加速電圧Ｖacc）が印加される。

図１に戻り、前記コンデンサレンズ３５は、加速電極３３の−Ｚ側に配置され、電子ビームを細く絞る。

前記ビームブランキング電極３７は、コンデンサレンズ３５の−Ｚ側に配置され、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦする。

前記ゲートバルブ４０は、ビームブランキング電極３７の−Ｚ側に配置され、筐体３０の内部を、電子銃１０が含まれる領域と試料台８１が含まれる領域とに分割するためのバルブであり、測定時など必要なときのみ、ゲートバルブ４０を開放状態とすることができる。なお、以下では、便宜上、電子銃１０が含まれる領域を「電子銃室」、試料台８１が含まれる領域を「試料室」という。

前記アパーチャ５１は、ゲートバルブ４０の−Ｚ側に配置され、ゲートバルブ４０が開放状態のときに、ゲートバルブ４０の開口部を通過した電子ビームのビーム径を規定する。

前記スティグメータ５３は、アパーチャ５１の−Ｚ側に配置され、非点収差を補正する。

前記走査レンズ５５は、スティグメータ５３の−Ｚ側に配置され、スティグメータ５３からの電子ビームを偏向する。

前記対物レンズ５７は、走査レンズ５５の−Ｚ側に配置され、走査レンズ５５からの電子ビームをビーム射出開口部６１を介して試料７１の表面に集束する。

以下では、コンデンサレンズ３５、ビームブランキング電極３７、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ５５、及び対物レンズ５７を含む光学系を電子ビーム光学系５ともいう。

前記試料台８１は、その上に試料７１が載置され、不図示の駆動機構によりＸＹ面内で２次元的に移動可能である。この試料台８１は導電性を有しており、接地されている。

前記検出器９１は、試料７１の近傍に配置され、試料７１の表面に到達する前に、試料７１の表面近傍で反発された電子（以下、「一次反発電子」ともいう）を検出する。この検出器９１としては、シンチレータ、光電子増倍管などが用いられる。また、検出器９１には、一次反発電子の検出感度を高めるため、正の電圧（例えば１０ｋＶ）が印加されている。

上記電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１及び検出器９１は、筐体３０内に収容されている。

前記排気系８３は、複数の排気装置から構成され、筐体３０内を高真空状態にする。ここでは、筐体３０の下方（−Ｚ側）から排気しているが、これに限定されるものではない。また、複数個所から排気しても良い。

前記制御系３は、コンピュータ、入力装置、表示装置及びプリンタ装置などを有している。そして、コンピュータは、あらかじめインストールされているプログラムにしたがって、電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１、及び排気系８３などをそれぞれ制御するとともに、検出器９１の出力信号に基づいて試料７１の表面電位分布を求める。なお、本実施形態では、一例として試料７１の表面電位ポテンシャルは負であるものとする。

ここで、試料７１に照射される電子（以下、「入射電子」ともいう）の加速電圧Ｖaccと試料７１の表面電位ポテンシャルとの関係について図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、わかりやすくするために簡略化されている。ここでは、試料７１の表面における入射電子が照射される位置での表面電位ポテンシャルをＶp（＜０）とする。そこで、Ｂ地点と試料７１の表面との間に電圧Ｖpが印加されているとみなすことができる。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、電位を単位電荷が持つ電気的な位置エネルギーとして図示している。

入射電子は、電位ポテンシャルが０（Ｖ）の区間（ＡＢ間）では、表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けることなく、加速電圧Ｖaccに対応する速度で試料７１の表面に向かう方向（−Ｚ方向）に移動する。そして、Ｂ地点を過ぎると、入射電子は表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けるようになる。

入射電子に対する表面電位ポテンシャルＶpの影響は、加速電圧Ｖaccと表面電位ポテンシャルＶpとの大小関係によって大きく異なっている。

（１）｜Ｖacc｜＞｜Ｖp｜の場合
この場合には、図３（Ａ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速されるものの、ほとんどの入射電子は試料７１の表面に到達する。従って、一例として図４（Ａ）に示されるように、検出器９１では、一次反発電子は検出されない。

（２）｜Ｖacc｜＜｜Ｖp｜の場合
この場合には、図３（Ｂ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速され、試料７１の表面に到達する前に０となる。そして、そこを起点として、試料７１の表面から離れる方向（＋Ｚ方向）に進む。すなわち、入射電子のＺ軸方向の速度ベクトルが、試料７１の表面に到達する前に反転し、入射電子は試料７１の表面に到達せずに戻ることとなる。この試料７１の表面に到達しなかった入射電子の一部が、一例として図４（Ｂ）に示されるように、一次反発電子として検出器９１で検出される。

なお、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで観察や分析などに利用されている「反射電子」は、「試料最表面や少し内部で散乱し、そのうちの一部の電子が空間に脱出したもの」であり（日本表面科学会編「表面分析辞典」ｐ２３５、共立出版株式会社、１９８６年発行）、本明細書における「一次反発電子」とは全く異なるものである。

次に、前述のように構成される表面電位分布測定装置１００を用いて、試料７１の表面電位分布を測定する方法について図５〜図１４を用いて説明する。図５のフローチャートは、オペレータによって行われる処理であり、図６のフローチャートは、制御系３を構成するコンピュータによって行われる処理である。なお、ゲートバルブ４０は閉状態であり、電子銃室は高真空状態、試料室は大気圧状態にあるものとする。また、ここでは、試料７１の表面は２次元的に走査されるものとする。

最初のステップ４０１では、試料台８１に潜像が形成されている試料７１を載置（セット）する。

次のステップ４０３では、排気系８３を稼動させ、試料室内を高真空状態とする。

次のステップ４０５では、ゲートバルブ４０を開状態とする。

次のステップ４０７では、制御系３を構成するコンピュータに表面電位分布の測定を指示する。そして、オペレータによって行われる処理は終了する。

制御系３を構成するコンピュータでは、表面電位分布の測定の指示を受けると、図６のフローチャートに対応するプログラムの先頭アドレスがそのプログラムカウンタにセットされ、表面電位分布の測定処理がスタートする。

最初のステップ５０１では、繰り返し回数が格納されるカウンタｉに初期値１をセットする。

次のステップ５０３では、加速電圧Ｖaccを予め設定されている初期値にセットする。

次のステップ５０５では、予め設定されている走査領域の走査を指示する。なお、走査中は、検出器９１の出力信号を不図示のメモリに保存する。

次のステップ５０７では、走査領域の走査が完了したか否かを判断する。走査領域の走査が完了していなければ、ここでの判断は否定され、所定の時間の経過後に再度判断する。一方、走査領域の走査が完了していれば、ここでの判断は肯定され、ステップ５０９に移行する。

このステップ５０９では、メモリに保存されている検出器９１の出力信号を二次元のコントラスト像に変換する（図７（Ａ）及び図７（Ｂ）参照）。ここでは、コントラスト像における白い領域は検出器９１での検出量が多い領域を示し、黒い領域は検出器９１での検出量が少ない領域を示している。そして、白い領域と黒い領域との境界は、検出器９１の出力信号が大きく変化するところである。Ｖacc＝−７００Ｖの場合（図７（Ｂ）参照）には、Ｖacc＝−６５０Ｖの場合（図７（Ａ）参照）に比べて入射電子の速度が速いため、入射電子が反発される領域が減少し、その結果、コントラスト像における黒い領域が増えている。

次のステップ５１１では、コントラスト像に対して２値化処理を行い、２値化データを取得する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向について２値化データを取得する。

次のステップ５１３では、２値化データに基づいて黒い領域の直径（像径）を算出する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向についてそれぞれ像径を算出する。そして、ここで算出された像径を、そのときの加速電圧Ｖaccに対応付けて不図示のメモリに保存する。

次のステップ５１５では、カウンタｉの値が予め設定されている値Ｎ（２以上の整数）と等しいか否かを判断する。カウンタｉの値がＮと等しくなければ、ここでの判断は否定され、ステップ５１７に移行する。

このステップ５１７では、カウンタｉの値に１を加算する。

次のステップ５１９では、現在の加速電圧Ｖaccの値に予め設定されている増分（Δｖとする）を加算する。そして、上記ステップ５０５に戻る。

以下、ステップ５１５での判断が肯定されるまで、ステップ５０５〜ステップ５１９の処理を繰り返し行う。

そして、カウンタｉの値がＮと等しくなると、上記ステップ５１５での判断は肯定され、ステップ５２１に移行する。

このステップ５２１では、前記メモリに保存されている加速電圧Ｖacc毎の像径に基づいて、表面電位（Ｖａ（x,y）とする）を求める。一例として図８には、Ｘ軸方向における、計測された表面電位と走査位置との関係が示されている。

ところで、入射電子の軌道は、一例として図９に示されるように、試料７１の表面電位によって曲がる場合がある。これにより、倍率が変化したり、走査領域の形状が変形することが予想される。例えば、走査領域の形状が、図１０（Ａ）に示される矩形の正常型ではなく、一例として図１０（Ｂ）に示されるような樽型、あるいは一例として図１０（Ｃ）に示されるような糸巻き型となるおそれがある。特に、試料がマイナスに帯電しているときには、糸巻き型となることが多い。また、深さ方向（Ｚ軸方向）における表面電位プロファイルの測定精度が十分でない場合がある。

そこで、次のステップ５２３では、電位分布モデルを設定する。ここでは、一例として、試料７１の形状、帯電部の厚み（膜厚）、及び検出器９１の位置などの各種設計値を考慮してモデリングされる。なお、この場合に、さらに電子ビーム光学系５の構成や電子ビーム光学系５を構成する各光学部品の特性なども考慮しても良い。

次のステップ５２５では、設定された電位分布モデルに基づいて電磁場解析を行い、一例として図１１に示されるように、電子軌道を算出する。

次のステップ５２７では、算出された電子軌道に応じて表面電位（Ｖｂ（x,y）とする）を算出する。一例として図１２には、Ｘ軸方向における、算出された表面電位と走査位置との関係が示されている。

次のステップ５２９では、予め設定されている複数の評価位置について、Ｖｂ（x,y）とＶａ（x,y）の差分（Δ（x,y）とする）をそれぞれ求める。一例として図１３には、Ｘ軸方向における、計測された表面電位と算出された表面電位とが重ねて示されている。

次のステップ５３１では、全ての評価位置で、Δ（x,y）が、予め設定されている値Ｍ以下であるか否かを判断する。例えば、感光体で用いられる潜像の場合には、差分が１０（％）以下、あるいは２０（Ｖ）以下であれば、後工程におけるトナーの付着量に大きな違いはないため、Ｍ＝２０（Ｖ）とすることができる。Δ（x,y）がＭを超えている評価位置があれば、ここでの判断は否定され、ステップ５３３に移行する。

このステップ５３３では、Δ（x,y）に応じて電位分布モデルを修正する。例えば、Δ(x,y)がバイアス成分をもつような場合には、平均電位が異なっていると判断し、電位分布モデルにおける各電位に上記バイアス成分を付加する。また、Δ(x,y)が凹凸形状である場合には、潜像の形状（深さ及び幅など）が異なっていると判断し、電位分布モデルにおける潜像の形状を上記凹凸形状に近づける。これにより、より適切な電位分布モデルとなる。そして、上記ステップ５２５に戻る。

以下、ステップ５３１での判断が肯定されるまで、上記ステップ５２５〜５３３の処理を繰り返し行う。そして、全ての評価位置で、Δ（x,y）がＭ以下となれば、ステップ５３１での判断は肯定され、ステップ５３５に移行する。

このステップ５３５では、Ｖｂ（x,y）に基づいて表面電位分布を算出する。なお、ここでは、さらに、表面電位分布プロファイルを求めても良い。一例として図１４には、Ｘ軸方向における表面電位分布プロファイルが示されている。

次のステップ５３７では、算出結果を表示装置に表示する。そして、表面電位分布の取得処理を終了する。ここでは、表示装置に表示される表面電位分布（あるいは表面電位分布プロファイル）の方向について、オペレータが指示することができる。また、表面電位分布（あるいは表面電位分布プロファイル）を三次元的に表示することも可能である。さらに、算出結果をプリンタ装置で印刷することもできる。

このように、電子軌道を計算して、表面電位を修正しているため、入射電子の軌道がずれても、精度良く表面電位分布を求めることができる。

なお、上記ステップ５２３において、Ｖａ（x,y）を参照して電位分布モデルを設定しても良い。これにより、ステップ５２５〜５３３の処理の繰り返し回数を少なくすることができる。すなわち、処理時間を短縮することができる。

次に、試料として感光体が用いられる場合に、該感光体の表面に静電潜像を形成する方法の一例について説明する。感光体は、導電性支持体の上に積層された電荷発生層（CGLとする）、及び電荷輸送層（CTLとする）などから構成されている。感光体は、表面が帯電している状態で露光されると、CGLの電荷発生材料（CGMとする）によって光が吸収され、正負両極性のチャージキャリアが発生する。このキャリアは、電界によって、一方はCTLに、他方は導電性支持体に注入される。CTLに注入されたキャリアは、CTL中を電界によってCTL表面まで移動し、感光体表面の電荷と結合して消去する。これにより、感光体表面に電荷分布すなわち静電潜像が形成される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００では、制御系３を構成するコンピュータ及び該コンピュータにて実行されるプログラムとによって、処理装置が実現されている。なお、コンピュータによるプログラムに従う処理によって実現した処理装置の少なくとも一部をハードウェアによって構成することとしても良いし、あるいは全てをハードウェアによって構成することとしても良い。

また、本実施形態では、電子銃１０によってビーム発生装置が構成され、電子ビーム光学系５によって光学系が構成され、検出器９１によって検出装置が構成されている。

そして、制御系３を構成するコンピュータによって行われる上記処理において、本発明に係る表面電位分布測定方法が実施されている。

以上説明したように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００によると、試料７１の表面は、電子銃１０から放出される電子ビームで走査される。そして、検出器９１の出力信号から試料７１の表面における電位情報が求められ、該電位情報に基づいて適切な電位の分布モデルが決定される。さらに、決定された分布モデルに応じて電子ビームの軌道が計算され、該計算結果に基づいて試料７１の表面電位の分布状態が求められる。従って、これまでほとんど考慮されていなかったビームの曲がりなどを含む電子ビームの挙動が、正しく反映されるため、従来はきわめて困難であった走査領域の歪曲や電位分布プロファイルの深さ方向における変形などが適切に補正され、電位分布をミクロンオーダーで測定することが可能となる。すなわち、試料７１の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

また、本実施形態によると、いわゆる電位鞍点が生じるような、電界強度が高い電位分布であっても、表面電位分布を精度良く測定することができる。

特に、本実施形態によると、従来は困難であった、潜像における深さ方向の電位分布を精度良く測定することができる。

また、本実施形態によると、検出器９１は、試料７１の表面に到達する前に試料７１の表面近傍で反発された一次反発電子を検出している。この場合には、検出対象の１次反転電子は試料表面に達していないので、試料の材質や表面形状の影響を受けるおそれがない。従って、精度良く試料の表面電位分布を測定することが可能となる。

なお、上記実施形態では、表面電位分布の取得処理において、電位分布モデルを用いる場合について説明したが、これに限らず、電位分布モデルに代えて、電荷分布モデルを用いても良い。この場合について、図１５に示されるフローチャートを用いて、主として上記実施形態と異なる部分を説明する。なお、図１５における図６と同様な処理を行う処理については、図６と同じ符号を付けている。

ステップ５１５での判断が肯定されると、ステップ５２１に移行する。

このステップ５２１では、前記メモリに保存されている加速電圧Ｖacc毎の像径に基づいて、表面電位Ｖａ（x,y）を取得する。

次のステップ５２３´では、電荷分布モデルを設定する。ここでは、一例として、試料７１の形状、帯電部の厚み（膜厚）、及び検出器９１の位置などの各種設計値を考慮してモデリングされる。なお、この場合に、さらに電子ビーム光学系５の構成や電子ビーム光学系５を構成する各光学部品の特性なども考慮しても良い。

次のステップ５２５´では、設定された電荷分布モデルに基づいて電磁場解析を行い、電子軌道を算出する。

次のステップ５２７では、算出された電子軌道に応じて表面電位Ｖｂ（x,y）を算出する。

次のステップ５２９では、予め設定されている複数の評価位置について、Ｖｂ（x,y）とＶａ（x,y）の差分Δ（x,y）をそれぞれ求める。

次のステップ５３１では、全ての評価位置で、Δ（x,y）が、予め設定されている値Ｍ以下であるか否かを判断する。Δ（x,y）がＭを超えている評価位置があれば、ここでの判断は否定され、ステップ５３３´に移行する。

このステップ５３３´では、Δ（x,y）に応じて電荷分布モデルを修正する。これにより、より適切な電荷分布モデルとなる。そして、上記ステップ５２５´に戻る。

以下、ステップ５３１での判断が肯定されるまで、上記ステップ５２５´〜５３３´の処理を繰り返し行う。そして、全ての評価位置で、Δ（x,y）がＭ以下となれば、ステップ５３１での判断は肯定され、ステップ５３５に移行する。

このステップ５３５では、Ｖｂ（x,y）に基づいて表面電位分布を算出する。この場合であっても、上記実施形態と同様な結果を得ることができる。

次のステップ５３７では、算出結果を表示装置に表示する。そして、表面電位分布の取得処理を終了する。

なお、上記ステップ５２３´において、Ｖａ（x,y）を参照して電荷分布モデルを設定しても良い。これにより、ステップ５２５´〜５３３´の処理の繰り返し回数を少なくすることができる。すなわち、処理時間を短縮することができる。

また、上記実施形態において、Ｖｂ（x,y）に基づいて表面電荷分布を求めることができる。一例として図１６には、Ｘ軸方向における表面電荷分布が示されている。この場合には、従来は困難であった、潜像における深さ方向の電荷分布を精度良く測定することができる。

また、上記実施形態において、一例として図１７（Ａ）に示されるように、試料７１の＋Ｚ側に、更にグリッドメッシュＧＭを配置しても良い。これにより、入射電子の軌道のずれをある程度補正することができる。また、一例として図１７（Ｂ）に示されるように、前記検出器９１の前方（＋Ｘ側）にグリッドメッシュＧＭを配置しても良い。これにより、入射電子の軌道のずれの影響をある程度補正することができる。

また、上記実施形態では、加速電圧Ｖaccを変化させる場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではない。例えば、試料７１にバイアス電圧（Ｖsubとする）が印加されるようにし、バイアス電圧Ｖsubを変化させても良い。具体的には、図１８に示されるように、試料台８１上に電極８５を形成し、該電極８５にマイナスの電圧（Ｖsubとする）を印加する電源８６を更に設けても良い。これにより、試料７１にバイアス電圧Ｖsubが印加されることとなる。例えば、Ｖacc＝−１８００Ｖ、Ｖsub＝−１２５０Ｖのときには、図１９（Ａ）に示されるように、上記実施形態におけるＶacc＝−６５０Ｖのときとほぼ同じコントラスト像が得られる。また、Ｖacc＝−１８００Ｖ、Ｖsub＝−１１００Ｖのときには、図１９（Ｂ）に示されるように、上記実施形態におけるＶacc＝−７００Ｖのときとほぼ同じコントラスト像が得られる。

また、上記実施形態では、潜像が形成された試料を表面電位分布測定装置にセットする場合について説明したが、表面電位分布測定装置内で試料に潜像を形成しても良い。この場合には、表面電位分布測定装置が潜像を形成する機能を有することとなる。これにより、リアルタイムでの表面電位分布測定が可能となる。

一例として、図２０に潜像を形成する機能を有する表面電位分布測定装置２００が示されている。この表面電位分布測定装置２００は、試料表面を光で走査し、潜像のパターンを形成するパターン形成装置２２０が、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に付加されたものである。なお、図２０では、制御系が省略されている。

図２０におけるパターン形成装置２２０は、半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０３、アパーチャ２０５、及び３つのレンズ（２０７、２０９、２１１）からなる結像レンズなどを備えている。また、試料７１の近傍には、試料表面を除電するためのＬＥＤ２１３が配置されている。このパターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３は、不図示の制御系によって制御される。

表面電位分布測定装置２００における潜像の形成方法について簡単に説明する。

（１）ＬＥＤ２１３を点灯させ、試料表面を除電する。

（２）電子銃１０から放出される電子ビームを用いて、試料表面を均一に帯電する。ここでは、加速電圧を、２次電子放出比が1となる電圧より高い電圧に設定することにより、入射電子量が、放出電子量より上回るため電子が試料に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、試料はマイナスに帯電することとなる。なお、加速電圧と照射時間とを制御することにより、所望の電位に帯電させることができる。

（３）半導体レーザ２０１を発光させる。半導体レーザ２０１からのレーザ光は、コリメートレンズ２０３で略平行光となり、アパーチャ２０５で規定のビーム径とされた後、結像レンズで試料表面に集光される。これにより、試料表面に潜像のパターンが形成される。

従って、表面電位分布測定装置２００では、電子銃１０、電子ビーム光学系５、パターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３によって潜像形成装置が構成されている。

また、上記実施形態では、試料が板状の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば試料が円筒形状であっても良い。また、この場合に、一例として図２１に示される表面電位分布測定装置２５０のように、潜像の形成装置を備えていても良い。この表面電位分布測定装置２５０は、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に潜像の形成装置が付加されたものである。この形成装置は、帯電部７５、露光部７６、及び除電部７７を有している。ここでは、試料７１の表面は、帯電部７５により帯電され、露光部７６により潜像のパターンが形成される。表面電位分布の測定後は、試料７１の表面は、除電部７７で除電される。この場合に、試料がレーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置に用いられる感光ドラムであれば、表面電位分布の測定結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、画像形成に関する各工程のプロセスクォリティが向上し、高画質化、高耐久性、高安定性、及び省エネルギー化が実現できる。

また、この場合に、露光部７６は、一例として図２２に示されるように、半導体レーザ１１０、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、２つの折り返しミラー（１１４、１１８）、ポリゴンミラー１１５、及び２つの走査レンズ（１１６、１１７）などを備えていても良い。

半導体レーザ１１０は、露光用のレーザ光を出射する。コリメートレンズ１１１は、半導体レーザ１１０から出射されたレーザ光を略平行光とする。アパーチャ１１２は、コリメートレンズ１１１を透過した光のビーム径を規定する。ここでは、アパーチャ１１２の大きさを替えることで、２０μｍ〜２００μｍの範囲で任意のビーム径を生成することが可能である。シリンダレンズ１１３は、アパーチャ１１２を透過した光を整形する。折り返しミラー１１４は、シリンダレンズ１１３からの光の光路をポリゴンミラー１１５の方向に折り曲げる。

ポリゴンミラー１１５は、複数の偏向面を有し、折り返しミラー１１４からの光を所定角度範囲で等角速度的に偏向する。２つの走査レンズ（１１６、１１７）は、ポリゴンミラー１１５で偏向された光を等速度的な光に変換する。折り返しミラー１１８は、走査レンズ１１７からの光の光路を試料７１の方向に折り曲げる。

この露光部７６の動作について簡単に説明する。半導体レーザ１１０から出射された光は、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、及び折り返しミラー１１４を介して、ポリゴンミラー１１５の偏向面近傍に一旦結像される。ポリゴンミラー１１５は、不図示のポリゴンモータによって一定の速度で図２２中の矢印方向に回転しており、その回転に伴って偏向面近傍に結像された光は等角速度的に偏向される。この偏向された光は、さらに２つの走査レンズ（１１６、１１７）を透過し、折り返しミラー１１８の長手方向を所定角度範囲で等速度的に走査する光に変換される。そして、この光は、折り返しミラー１１８で反射され、試料７１の表面を走査する。すなわち、光スポットが試料７１の母線方向に移動する。これにより、試料７１の母線方向に対して、ラインパターンを含めた任意の潜像パターンを形成することができる。

また、上記実施形態では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合について説明したが、これに限らず、イオンビームを用いても良い。この場合には、前記電子銃に代えてイオン銃が用いられる。そして、例えばイオン銃としてガリウム（Ｇａ）液体金属イオン銃が用いられる場合には、加速電圧は正の電圧となり、試料７１には、表面電位が正となるようにバイアス電圧が付加される。

また、上記実施形態では、試料の表面電位ポテンシャルが負の場合について説明したが、試料の表面電位ポテンシャルが正であっても良い。すなわち、表面の電荷が正電荷であっても良い。この場合には、ガリウムなど正のイオンビームを試料に照射すれば良い。

また、上記実施形態では、ゲートバルブ４０がビームブランキング電極３７の−Ｚ側に配置される場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、ゲートバルブ４０が、電子銃１０と試料台８１との間に配置されていれば良い。

また、上記実施形態では、電子銃として電界放出型電子銃を用いる場合について説明したが、これに限らず、熱電子放出型電子銃を用いても良いし、図２３に示されるように、いわゆるショットキーエミッション（ＳＥ）型電子銃を用いても良い。このショットキーエミッション型電子銃は、エミッタ１１、サプレッサ電極１２、引き出し電極３１、及び加速電極３３などを有している。なお、Ｉfはフィラメント電流、Ｉeはエミッション電流、Ｖsはサプレッサ電圧である。ＳＥ型電子銃は、熱陰極電界放出型電子銃とも呼ばれている。

また、上記実施形態では、一次反発電子を検出して表面電位分布を求める場合について説明したが、これに限らず、例えば、試料の材質や表面形状の影響を受けるおそれがない場合には、二次電子を検出して表面電位分布を求めても良い。

以上説明したように、本発明の表面電位分布測定方法によれば、物体の表面電位分布を精度良く測定するのに適している。また、本発明の表面電位分布測定装置によれば、試料の表面電位分布を精度良く測定するのに適している。

本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置を説明するための図である。 図１における電子銃を説明するための図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ加速電圧と試料表面の電位ポテンシャルとの関係を説明するための図である。 図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、それぞれ加速電圧による入射電子の挙動を説明するための図である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その１）である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その２）である。 図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、それぞれコントラスト像を説明するための図である。 計測された表面電位と走査位置との関係を説明するための図である。 入射電子の曲がりを説明するための図である。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は、それぞれ走査領域の変形を説明するための図である。 電子軌道を説明するための図である。 算出された表面電位と走査位置との関係を説明するための図である。 図８と図１２を重ねた図である。 得られた表面電位分布を説明するための図である。 図６のフローチャートの変形例である。 得られた表面電荷分布を説明するための図である。 図１７（Ａ）及び図１７（Ｂ）は、それぞれグリッドメッシュを説明するための図である。 試料に印加されるバイアス電圧を説明するための図である。 図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）は、それぞれ図１８におけるコントラスト像を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例１を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例２を説明するための図である。 図２１における露光部を説明するための図である。 図２の電子銃とは異なる電子銃を説明するための図である。

符号の説明

３…制御系（処理装置）、５…電子ビーム光学系（光学系）、１０…電子銃（ビーム発生装置）、７５…帯電部（潜像形成装置の一部）、７６…露光部（潜像形成装置の一部）、７７…除電部（潜像形成装置の一部）、８２…電源（電源回路）、９１…検出器（検出装置）、１００…表面電位分布測定装置、２００…表面電位分布測定装置、２２０…パターン形成装置（潜像形成装置の一部）、２５０…表面電位分布測定装置。

Claims (17)

1. 荷電粒子ビームを用いて試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、
   前記試料表面を前記荷電粒子ビームで走査し、前記試料表面の２次元面内の複数の計測点における電位情報をそれぞれ計測する工程と、
   装置構成に基づいて、前記試料の電荷又は電位の分布モデルを設定する工程と、
   前記分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を算出する工程と、
   前記算出された荷電粒子ビームの軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報をそれぞれ算出する工程と、
   前記計測された電位情報と前記算出された電位情報とを比較して前記分布モデルを修正する工程と、
   前記修正された分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を算出する工程と、
   該算出された荷電粒子ビームの軌道に応じて前記複数の計測点における電位情報をそれぞれ算出し、該算出された電位情報に基づいて前記表面電位の分布を算出する工程と、を含む表面電位分布測定方法。
2. 前記計測する工程では、前記荷電粒子ビームの加速電圧及び前記試料に印加されるバイアス電圧の少なくともいずれかを変更しながら、前記複数の計測点における電位を計測し、
   前記各荷電粒子ビームの軌道を算出する工程では、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することを特徴とする請求項１に記載の表面電位分布測定方法。
3. 前記計測する工程では、前記試料の表面に到達する前に、反発された荷電粒子の検出信号を計測することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面電位分布測定方法。
4. 前記計測する工程では、前記試料表面を電子ビームで走査することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面電位分布測定方法。
5. 前記計測する工程では、前記試料として感光体が用いられることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面電位分布測定方法。
6. 前記計測する工程に先立って、前記試料の表面に潜像を形成する工程を、更に含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面電位分布測定方法。
7. 前記各算出された荷電粒子ビームの軌道に基づいて、前記試料の表面電荷の分布状態を求める工程を、更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の表面電位分布測定方法。
8. 荷電粒子ビームを用いて試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、
   前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と、
   前記ビーム発生装置と試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する光学系と、
   前記試料近傍に配置され、前記試料の表面における電位情報が含まれる信号を検出する検出装置と、
   前記検出装置の検出結果から前記試料の表面における電位情報を求めるとともに、装置構成に応じて設定された前記試料の電荷又は電位の分布モデルに基づいて前記荷電粒子ビームの軌道を計算し、該軌道に基づいて算出された電位情報と前記求められた電位情報とを比較して前記分布モデルを修正し、該修正された分布モデルに基づいて前記試料の表面における電位情報を算出する処理装置と、を備える表面電位分布測定装置。
9. 前記処理装置は、前記ビーム発生装置を介して前記荷電粒子ビームの加速電圧を変更させ、異なる加速電圧での前記検出装置の複数の検出結果から前記電位情報を求め、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することを特徴とする請求項８に記載の表面電位分布測定装置。
10. 前記試料にバイアス電圧を印加する電源回路を更に備えることを特徴とする請求項８又は９に記載の表面電位分布測定装置。
11. 前記処理装置は、前記電源回路を介して前記バイアス電圧を変更させ、異なるバイアス電圧での前記検出装置の複数の検出結果から前記電位情報を求め、前記電圧毎に前記荷電粒子ビームの軌道を算出することを特徴とする請求項１０に記載の表面電位分布測定装置。
12. 前記処理装置は、更に前記試料の表面電位の分布状態に基づいて、表面電位分布のプロファイルを算出することを特徴とする請求項８〜１１のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
13. 前記処理装置は、更に前記荷電粒子ビームの軌道の計算結果に基づいて、前記試料における表面電荷の分布状態を求めることを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
14. 前記試料表面に潜像を形成する潜像形成装置を更に備えることを特徴とする請求項８〜１３のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
15. 前記荷電粒子は電子であることを特徴とする請求項８〜１４のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
16. 前記試料は感光体であることを特徴とする請求項８〜１５のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
17. 前記検出装置は、前記試料表面に到達する前に、反発された荷電粒子を検出することを特徴とする請求項８〜１６のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。