JP5230063B2 - 電子ビーム暗視野像形成のための装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビーム撮像のための装置および方法に関する。

市販の最も一般的な２種類の電子顕微鏡は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）である。ＳＥＭは、集束させた電子ビームで標本を走査する。電子ビームを標本に当てると、二次電子および／または後方散乱電子が発生する。そして、それらを検出し、一般に標本表面の画像に変換している。ＴＥＭは、電子ビームを標本の中を通過させ、標本の内部構造に関するさらに詳しい情報を明らかにする。

明視野像形成と暗視野像形成は、ＴＥＭの場合にしばしば使用される。ＴＥＭでは、中央回折スポットからの電子を選択することにより明視野像が形成される。また、ＴＥＭでは、回折電子（中央回折スポットからの電子ではない）の一部または全部を選択することにより暗視野像が形成される。電子の選択は開口部を用いて実施され、選択された電子は対物レンズの後側焦点面に透過される。従って、開口部を通して見える回折パターンを除き、回折パターンのほとんどの部分は遮断される。

暗視野像形成は一般に、ＳＥＭにはあまり使用されない。ＳＥＭ暗視野検出システムは、レンズ下検出器とレンズ裏検出器に分類することができる。

図１は、レンズ下構成を有する従来のＳＥＭ暗視野検出システム１００を示している。レンズ下構成１００では、検出器１０４が対物レンズ１０２の下に配置され、電子ビーム柱の底部（標本の近く）に配置される。不都合なことに、イマージョン対物レンズ技術はレンズ下検出器１０４の収集効率に悪影響を与える。そのため、一般的には非イマージョン対物レンズ設計が使用され、その結果、収差係数は大きくなり、画像解像度は低くなる。また、レンズ下構成の場合、検出器１０４の極角識別閾値をうまく制御することができない。なぜなら、電子エネルギーや放射方位角が、検出器１０４の許容極角に影響を与える可能性があるからである。図２は、標本から放射される散乱電子に関する極角θおよび方位角φの定義を示している。

図３は、レンズ下構成を有する従来のＳＥＭ暗視野検出システム３００を示す概略図である。一般的なレンズ裏構成３００は、図３に示す検出器３０４に似た軸外検出器３０４を使用している。検出器３０４は、対物レンズ３０２の「裏側」に配置される。すなわち、検出器３０４は、電子ビーム柱において対物レンズの上側と両側に配置される。レンズ裏構成３００では、イマージョン対物レンズ技術の使用が可能であるが、不都合なことに、極角の識別はほとんど出来ない。また、許容極角は、１次ビームのランディングエネルギーやビーム走査の影響を受け易い。

他のレンズ裏アプローチとしては、領域分割された検出器とともにウィーンフィルタを使用するものがある。イマージョンレンズ技術は、このアプローチと共に使用することが可能であるが、このアプローチはビーム走査の影響を受け易く、方位角識別能力が非常に低く、極角識別能力も非常に低く、あるいは極角識別能力を全く持たない。

本発明の一実施形態は、対物レンズ、走査デフレクタ、反走査デフレクタ、エネルギーフィルタ・ドリフトチューブ、および領域分割された検出器を含む電子ビーム走査装置に関する。対物レンズには、高い抽出電界を有するように構成されたイマージョンレンズが使用され、標本表面で散乱された電子の方位角の識別を可能にする。反走査デフレクタは、入射電子ビームの走査方向の補正に使用される。エネルギーフィルタ・ドリフトチューブは、散乱電子を標本表面からの軌道の極角に従って整列させるように構成される。

暗視野像形成機能と明視野像形成機能を備えたＳＥＭシステムを提供することが必要とされている。また、暗視野像形成機能を犠牲にすることなく、イマージョンレンズによって生成される画像の解像度を確保するように設計されたシステムアーキテクチャも、必要とされている。

図４Ａは、本発明の一実施形態による改良型レンズ下検出器構成を有するＳＥＭ暗視野像形成システムを示す立体図である。図面の説明のために、システムの構成要素を指す矢印が記載されている。図面の下部には、イマージョンレンズ電極片４０２が図示されている。次に、柱を上にたどってゆくと、走査板４０４およびウィーンフィルタ４０６がある。さらに上にたどってゆくと、シンチレータ検出器４１０があり、検出器４１０の正面にはエネルギーフィルタ・コンポーネント４０８が配置されている。

図４Ｂは、ＳＥＭ暗視野像形成システム４００の略断面図である。イマージョン対物レンズ４０２、静電レンズ４１２、反走査四重極レンズ４１４、エネルギーフィルタ・ドリフトチューブ４０８、およびシンチレータ検出器４１０を含む種々の選択構成要素が図示されている。

方位角識別を可能にするために、イマージョンレンズ４０２は、高い抽出電界を有するように構成される。ただし、優れた極角識別能力を得るためには、様々なエネルギーの電子の放射状拡散を均一化しなければならない。ある程度の時間をかけて電子のエネルギーを「本来」のエネルギーまで低下させることにより、この放射状拡散を均一化することができる。その理由は、最小エネルギーの電子は最長の移動時間を有するであろうから、それらの電子が拡散する半径方向の速度成分は、もっと高いエネルギーの電子よりも大きくすることができるからである。本発明の一実施形態によれば、エネルギーフィルタ４０８は、二次電子のエネルギースペクトル全体にわたって二次電子の極角を整列させるように構成される。これは、ドリフトチューブ構成を使用して、電子をその軸方向のエネルギーの関数に従って放射状に拡散させることにより行われる。

静電レンズ４１２は、撮像路ビームの拡散を調節するように構成されたレンズである。すなわち、静電レンズ４１２の強度を調節すれば、散乱電子の円錐角を調節することができ、好ましくはその円錐角を一定に保つことができる。あるいは、静電レンズ４１２は散乱電子の経路上に配置してもよく、エネルギーフィルタ・ドリフトチューブ４０８の直前または直後に配置してもよい。

反走査四重極レンズ４１４は、主走査デフレクタ４１３（図５のＡに示す）によって実施される走査を補正するための幾つかの補正デフレクタから構成される。代替実施形態において、反走査レンズ４１４は、八重極レンズ、六重極レンズ、または多重極レンズから構成される場合もある。シンチレータ検出器４１０は、領域分割された光パイプを有するＹＡＰシンチレータからなる。

図５のＡは、本発明の一実施形態によるＳＥＭ暗視野像形成システムにおける走査デフレクタ４１３および補正デフレクタ４１４を示す断面図である。図５のＢは、図５Ａに対応する電子軌道を示す図である。図５のＢに粒子軌道５０４として示すように、電子はほぼ軸に沿って検出器の入口面５０２に入射し、その際、半径方向の傾きを僅かに持つ場合もあれば、全く持たない場合もある。（図５のＢは、走査デフレクタと２つの補正デフレクタの大まかな位置をそれぞれ「ＳＤ」、「ＣＤ１」および「ＣＤ２」で示している）

図６は、本発明の一実施形態によるエネルギーフィルタ・コンポーネントを示している。この実施形態の場合、エネルギーフィルタ４０８は導電性または抵抗性のエネルギーフィルタ・ドリフトチューブ６１２から構成され、その電圧は様々であってよく、例えば０ボルト〜マイナス５０００ボルトの間の電圧を有する場合がある。ドリフトチューブ６１２はその両端に網を有し、各網が円筒部に導電性接続されている。さらに、ドリフトチューブ６１２の検出器側には、ドリフトチューブ６１２を接地網６１４から分離するための小さな隙間６１６が存在する。

一実施形態において、エネルギーフィルタ・ドリフトチューブ６１２の電圧は、標本の表面電位に設定される。この設定は、二次電子が検出されなくなる遮断電圧を高速電圧スウィープによって判定した後、電圧を低下させ、その遮断電圧をエネルギーフィルタ・ドリフトチューブ６１２に設定することによってなされる。このスウィープ／電圧低下手順は、標本に絶縁性部分（例えば酸化によって生じる）があり、その表面電位が分からないときに使用することが望ましい。表面電位が分かっている場合（例えば、標本が導電性である場合）は、エネルギーフィルタ電圧をその表面電位に単に設定する（「合わせる」）だけでよい。

図７Ａは、本発明の一実施形態による、複数の電子エネルギーを種々の極角で検出するための検出器の入口面における電子のランディング位置を示す図である。このスポット図は、１電子ボルト、２電子ボルト、５電子ボルト、および１０電子ボルトの二次電子に関するシミュレーションから得られたシンチレータ面におけるスポット図である。各エネルギーに関する点は線でひとつに接続され、各象限ごとに０度から９０度までの初期極角が、５度づつ増加されて図示されている。各象限におけるプロットは、０度、９０度、１８０度、および２７０度の方位角にそれぞれ相当する。図７Ａのスポット図は、検出器を領域分割することで、方位角と極角の識別が可能になることを示している。

図７Ｂは、本発明の一実施形態による検出器の領域分割の一例を示す図である。図７Ｂの検出器設計は、中央領域Ｃと、４つの外側四分円領域Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３およびＱ４からなる非常に単純な構成である。この構成は、図示のように領域分割された光パイプに取り付けられた１インチのＹＡＰ結晶を用いて作成される。あるいは、この構成は、光ファイバー束を用いて作成してもよい。５本の光電子増倍管を使用することが望ましい。全ての検出器領域から得られた検出データを加算することにより、明視野像と電圧コントラスト画像が得られる。また、画像は、外側四分円領域のうちの１以上を使用してキャプチャしてもよいし、ある信号（または幾つかの信号を結合したもの）から他の信号（または幾つかの信号を結合したもの）を減算し、差分信号を計算することによりキャプチャしてもよい。

上記の説明では、本発明の種々の実施形態を理解してもらうために、多数の詳細を提示している。しかしながら、本発明の実施例に関する上記の説明は、発明の実施形態を網羅しようとするものでもなければ、発明を開示された形態に厳密に制限するためのものでもない。当業者であれば、それらの詳細のうちの幾つかが無くても本発明を実施することは可能であり、また、他の方法または構成要素を使用して本発明を実施することも可能である。その他、本発明の態様が不明瞭になることを避けるために、周知の構造や処理については詳しく記載していない。記載した本発明の実施形態や例は、例示のためのものであり、本発明の範囲内で種々の同等の変更を施すことも可能であることは、当業者には明らかであろう。

上記の詳細な説明を参照すれば、そのような変更を本発明に施すことも可能である。特許請求の範囲に使用される用語は、本発明を明細書に開示された特定の実施形態に制限するためのものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって規定され、特許請求の範囲はクレーム解釈の定説に従って解釈されるべきである。

レンズ下構成を有する従来のＳＥＭ暗視野検出システムを示す立体図である。 従来の角度の定義を示す図である。 レンズ下構成を有する従来のＳＥＭ暗視野検出システムを示す概略図である。 本発明の一実施形態による改良されたレンズ下構成を有するＳＥＭ暗視野検出システムを示す立体図である。 本発明の一実施形態によるＳＥＭ暗視野検出システムの略断面図である。 Ａは本発明の一実施形態によるＳＥＭ暗視野検出システムの走査デフレクタおよび補正デフレクタを示す断面図である。Ｂはそれに対応する電子軌道を示す図である。 本発明の一実施形態によるエネルギーフィルタ・コンポーネントを示す図である。 本発明の一実施形態によるエネルギーフィルタ・コンポーネントを示す図である。 本発明の一実施形態による、複数の電子エネルギーを種々の極角で検出する検出器の平面における電子のランディング位置を示す図である。 本発明の位置実施形態による検出器の領域分割の一例を示す図である。

Claims (22)

1. 入射電子ビームを標本表面に集束させ、該標本表面から散乱電子ビームを抽出するように構成された対物レンズと、
   前記入射電子ビームを偏向し、前記入射電子ビームで前記標本表面を走査するように構成された走査デフレクタと、
   前記散乱電子ビームを偏向し、前記入射電子ビームの走査方向を補正するように構成された反走査デフレクタと、
   前記反走査デフレクタよりも後ろで前記散乱電子ビームを受け取るように配置され、前記散乱電子ビーム中の電子を前記標本表面からの軌道の極角に従って整列させるように、その軸方向の前記散乱電子のエネルギーが大きくなるほど極角が大きくなるように放射状に拡散させるエネルギーフィルタ・ドリフトチューブと、
   前記エネルギーフィルタ・ドリフトチューブよりも後ろで前記散乱電子ビームを受け取るように配置された、領域分割された検出器と
   からなる電子ビーム走査装置。
2. 前記対物レンズは、高い抽出電界を有するように構成されたイマージョンレンズを含み、前記散乱電子の方位角の識別が可能である、請求項１に記載の電子ビーム走査装置。
3. 前記反走査デフレクタは四重極レンズから構成される、請求項１に記載の電子ビーム走査装置。
4. 前記反走査デフレクタは、前記散乱電子をほぼ軸に沿って、軸に垂直であって標本表面に平行な半径方向の僅かな傾きをもって前記検出器の入口面に入射させるように構成される、請求項３に記載の電子ビーム走査装置。
5. 前記エネルギーフィルタ・ドリフトチューブは、両端にエネルギーフィルタ網を有するドリフトチューブと、隙間によって分離された接地網とから構成される、請求項１に記載の電子ビーム走査装置。
6. 前記ドリフトチューブに可変電圧が印加され、前記接地網に接地電圧が印加され、前記可変電圧が標本表面の電位に設定されることをさらに含む、請求項５に記載の電子ビーム走査装置。
7. 前記領域分割された検出器は、領域分割された光パイプに取り付けられたＹＡＰシンチレータからなる、請求項１に記載の電子ビーム走査装置。
8. 前記光パイプは、中央領域と外側領域とに領域分割される、請求項７に記載の電子ビーム走査装置。
9. 前記外側領域は４つの四分円を含む、請求項８に記載の電子ビーム走査装置。
10. 画像形成モードは、全ての前記領域から検出された信号を加算することにより画像を生成する、請求項８に記載の電子ビーム走査装置。
11. 画像形成モードは、四分円のうちの少なくとも１つから検出された信号を用いて画像を生成する、請求項１０に記載の電子ビーム走査装置。
12. 画像形成モードは、少なくとも２つの外側領域から検出された信号間の差を計算することにより画像を生成する、請求項１０に記載の電子ビーム走査装置。
13. 前記散乱電子ビームの円錐角を調節するように構成された静電レンズをさらに含む、請求項１に記載の電子ビーム走査装置。
14. 前記静電レンズは、前記標本表面と前記走査デフレクタの間に配置される、請求項１３に記載の電子ビーム走査装置。
15. 前記静電レンズは前記ドリフトチューブよりも後ろに配置され、且つ前記デフレクタよりも前に配置される、請求項１３に記載の電子ビーム走査装置。
16. 前記静電レンズは前記反走査デフレクタよりも後ろに配置され、且つ前記ドリフトチューブよりも前に配置される、請求項１３に記載の電子ビーム走査装置。
17. 電子ビーム走査を使用して画像形成する方法であって、
    入射電子ビームを偏向し、該入射電子ビームで標本表面を走査するステップと、
    前記入射電子ビームを標本表面に集束させるステップと、
    前記標本表面から散乱電子ビームを抽出するステップと、
    前記散乱電子ビームを偏向し、前記入射電子ビームの走査方向を補正するステップと、
    エネルギーフィルタ・ドリフトチューブを用いてその軸方向の前記散乱電子のエネルギーが大きくなるほど極角が大きくなるように放射状に拡散させることで前記散乱電子ビーム中の電子を前記標本表面からの軌道の極角に従って整列させるステップと、
    前記散乱電子ビームを領域分割された検出器を用いて検出するステップと
    からなる方法。
18. 前記エネルギーフィルタ・ドリフトチューブの電圧を前記標本表面の電位に設定するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記電圧は、電圧スウィープにより二次電子の遮断電圧を判定することによって設定される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記集束させるステップおよび前記抽出するステップは、イマージョン対物レンズシステムを用いて実施され、前記散乱電子ビーム中の電子の方位角の識別が可能である、請求項１７に記載の方法。
21. 前記散乱電子ビームを偏向するステップは、多重極レンズを用いて実施される、請求項１７に記載の方法。
22. 入射電子ビームを偏向し、該入射電子ビームで標本表面を走査する手段と、
    前記入射電子ビームを前記標本表面に集束させる手段と、
    前記標本表面から散乱電子ビームを抽出する手段と、
    前記散乱電子ビームを偏向し、前記入射電子ビームの走査方向を補正する手段と、
    軸方向の前記散乱電子のエネルギーが大きくなるほど極角が大きくなるように放射状に拡散させることで前記散乱電子ビーム中の電子を前記標本表面からの軌道の極角に従って整列させるエネルギーフィルタ・ドリフトチューブと、
    前記エネルギーフィルタ・ドリフトチューブからの前記散乱電子ビームを領域分割された検出器を用いて検出する手段と
    からなる走査型電子顕微鏡。