JP6344078B2 - 電子ビーム装置並びに電子ビーム装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームを試料に照射して、試料から発生する二次電子やX線などを検出し、それに基づき試料の形状を観察して元素分析を行う電子線マイクロアナライザや走査型電子顕微鏡などの電子ビーム装置並びに電子ビーム装置の制御装置及び制御方法に関する。

電子ビーム装置の一つである電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）は、電子銃で発生した電子ビームを集束レンズを用いて小さな径に絞り、試料に照射する。電子ビームが照射された試料からは、特性X線や二次電子などが放出され、これを検出器で検出することにより、試料に含まれる元素の定性・定量分析が行われる。

特許文献１には、このような電子ビーム装置が記載されている。図５に特許文献１に記載の電子ビーム装置の概略図を示す。この電子ビーム装置５２０は、電子銃５１と試料台５９の間に、集束レンズ５２、遮蔽板５６、ファラデーカップ５５、及び対物レンズ５３を備える。ファラデーカップ５５には、入口側に通過アパーチャ板５７、出口側に対物アパーチャ板５８が設けられている。これらのうち電子銃５１、ファラデーカップ５５、遮蔽板５６、通過アパーチャ板５７、及び対物アパーチャ板５８は、真空チャンバ５０に収容されている。

この電子ビーム装置５２０は以下のように動作する。電子銃５１から発生した電子ビーム５１０は集束レンズ５２で一旦集束され、その後、遮蔽板５６に設けられたアパーチャ５６ａ以上の拡がりを持つように、遮蔽板５６に照射される。アパーチャ５６ａを通過した電子ビームは、通過アパーチャ板５７に設けられたアパーチャ５７ａからファラデーカップ５５内に入る。ここで電子ビームの一部は出口側の対物アパーチャ板５８で遮られ、その電流量が検出される。一方、対物アパーチャ板５８の開口部（対物アパーチャ）を通り抜けた電子ビームは、対物レンズ５３で小さな径に絞られ、試料台５９上に載置された分析対象の試料５４に照射される。この電子線照射により試料５４から放射される特性X線は、図示しないX線分光器によって分光されつつ検出され、試料に含まれる元素からの特性X線の強度に基づいてその元素の濃度が求められる。

ファラデーカップ５５の対物アパーチャ板５８で遮られた電子ビームの強度（電子の流量）は、電流検出回路５１２により検出される。集束レンズ制御部５１３は、電流検出回路５１２で検出される電流値が一定の値となるように、集束レンズ電源５１４を介して集束レンズ５２をフィードバック制御している。電子ビーム装置５２０では、このように、ファラデーカップ５５によって電子ビーム強度（ビーム電流量）を確認し、その強度が一定となるように集束レンズ５２のパワーをフィードバック制御して、試料に照射される電子ビーム強度を安定化させている。

特開平10-162760号公報

このような電子ビーム装置５２０において、通常の状態では前記のとおり集束レンズ５２のパワーは正しくフィードバック制御されているが、過渡的な状態、例えば、電子銃５１を立ち上げた直後や電子ビームの加速電圧を大きく変化させる際には、集束レンズ５２のフィードバック制御がそのような変化に追随できず、図６の断面模式図に範囲（Ｓ）で示すように、電子ビーム５１０は、集束レンズ５２により十分な集束を受けずに真空チャンバ５０の側壁に直接照射される場合がある。このような場合に、真空チャンバ５０の側壁に照射された電子は、そこに付着している汚れやパーティクル等に蓄積し、その部分にチャージアップが生じる。真空チャンバ５０の側壁にチャージアップが生じると、真空チャンバ５０で囲まれた領域を進行する電子ビームはその電位により影響を受け、軸ずれが生じる。

試料５４の分析の精度を高め、感度を高めるためには、電子ビームの強度（電流量）を大きくする必要がある。しかし、電子ビームの強度を大きくすると、上述の場合に生じるチャージアップの量が大きくなり、電子ビームの軸ずれの量が大きくなる。

本発明が解決しようとする課題は、真空チャンバの側壁におけるチャージアップを防止することのできる電子ビーム装置並びに電子ビーム装置の制御装置及び制御方法を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係る電子ビーム制御装置は、真空チャンバ内に配設された電子銃とアパーチャ板を備える電子ビーム装置において、前記電子銃から射出され、前記アパーチャ板に設けられたアパーチャを通過する電子ビームを制御するために集束レンズに供給する集束電流の量を制御する装置であって、
a) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する加速電圧変更検出部と、
b) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記集束電流の量に所定の最小値を設定する最小集束電流値設定部と、
を備えることを特徴とする。

前記「所定の最小値」としては、集束レンズにより集束された電子ビームが真空チャンバの側壁に照射されないような値とすることができる。これにより、前記のようなチャージアップが防止され、電子ビームの軸ずれを防止することができる。このような「所定の最小値」は、電子銃とアパーチャ板の間に設けられた集束レンズからアパーチャ板までの距離及び真空チャンバの大きさ等の幾何学的配置に基づいて予め定めることができる。
また、「所定の最小値」として、電子ビームがアパーチャ板の、アパーチャの周囲の所定の範囲のみを照射するような値や、ユーザが分析で使用する最小のビーム電流の値とすることもできる。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る電子ビーム装置は、
a) 電子ビームを射出する電子銃と、
b) 前記電子ビームを集束する集束レンズと、
c) 前記集束レンズによって集束した前記電子ビームが通過するアパーチャを有するアパーチャ板と、
d) 前記電子銃と前記アパーチャ板を収容する真空チャンバと、
e) 前記アパーチャを通過する電子ビームを制御するために前記集束レンズに供給する集束電流の量を制御する装置であって、
e1) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する加速電圧変更検出部と、
e2) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記集束電流の量に所定の最小値を設定する最小集束電流値設定部と、
を有する電子ビーム制御装置と、
を備えることを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するために成された本発明に係る電子ビーム装置の制御方法は、
真空チャンバ内に配設された電子銃とアパーチャ板を備える電子ビーム装置の制御方法であって、
a) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する検出ステップと、
b) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記アパーチャ板に設けられたアパーチャを通過する電子ビームを制御するために集束レンズに供給する集束電流の量を所定の最小値に設定するステップと、
を有することを特徴とする。

上記構成の電子ビーム制御装置、該制御装置を備える電子ビーム装置、及び電子ビーム装置の制御方法によれば、電子銃に印加する加速電圧の設定値を変更する場合に、電子ビーム制御装置が、集束レンズに供給する集束電流の量を所定の最小値に設定する。所定の最小値として、集束レンズにより集束された電子ビームが真空チャンバの側壁に照射されないような値とすることができる。これにより、真空チャンバ側壁におけるチャージアップを防止でき、電子ビームの軸ずれを防止することができる。

実施例に係る電子ビーム装置の構成概略図。 本実施例における電子ビームの集束の態様を説明する概略図。 本実施例におけるシミュレーションを説明する図。 本実施例における電子ビーム制御装置の動作を説明するフローチャート。 従来の電子ビーム装置を説明する概略図。 従来の電子ビーム装置の集束レンズが制御されていない場合における、電子ビームを説明する断面模式図。

以下、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１に本実施例に係る電子ビーム装置１２０の構成の概略図を示す。電子ビーム装置１２０は、電子銃１１、集束レンズ１２、対物レンズ１３、遮蔽板１５、真空チャンバ１６、アパーチャ板１８、試料台１９、集束レンズ電源１１４、及び電子ビーム制御装置１１５を備える。本実施例では、電子銃１１に所定の加速電圧を印加した状態で電子銃から射出される電子ビーム１１０を、集束レンズ１２で集束して、該集束レンズ１２の位置に設けられた遮蔽板１５の開口及びアパーチャ板１８に設けられたアパーチャに通し、対物レンズ１３で再度集束して試料台１９上に載置された試料１４に照射することにより、試料から放出される二次電子線を図示しない検出器により検出する電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を例に説明する。電子ビーム制御装置１１５は、メモリ１１１、最小集束電流値設定部１１２及び加速電圧変更検出部１１３を備え、具体的にはコンピュータで具現化される。電子ビーム制御装置１１５には、入力部１１６が接続されており、入力部１１６は、電子ビーム制御装置１１５に対して、ユーザが指示を入力するためのキーボードやマウス等、コンピュータに対する公知の入力手段で構成される。

電子ビーム装置１２０の電子ビームの集束の態様を図２（Ａ）及び図２（Ｂ）を用いて説明する。電子銃１１から発生した電子ビーム１１０は、集束レンズ１２で集束された後、アパーチャ板１８に至る。ここで、通常の動作時には、集束レンズ１２に供給する集束電流量が十分に大きく、電子ビーム１１０は、図２（Ｂ）のように、アパーチャ板１８に設けられたアパーチャを通るように集束レンズ１２によって集束される。

集束レンズ１２に供給する集束電流の量が小さくなるにつれて、電子ビーム１１０は、集束レンズ１２により十分な集束を受けなくなり、アパーチャ板１８で一部が遮られるようになり、やがて、図２（Ａ）に示すように、アパーチャ板１８が設けられた位置での電子ビーム１１０の直径がアパーチャ板１８の一辺の長さと等しくなる。換言すると、アパーチャ板１８が設けられた位置における電子ビーム１１０の直径が、真空チャンバ１６の側壁間距離と等しくなる。本実施例では、この場合の集束電流の量を所定の最小値とする。

ここで、上述の最小値は、電子銃１１とアパーチャ板１８の間に設けられた集束レンズ１２からアパーチャ板１８までの距離及び真空チャンバ１６の大きさ等の幾何学的配置に基づく光線追跡により予め定めることができる。本実施例では、図３に示すように、遮蔽板１５に設けられた開口の直径φ_ｃが１ｍｍ、遮蔽板１５からアパーチャ板１８までの距離Ｄが２６０ｍｍ、該アパーチャ板１８が設けられた位置での真空チャンバ１６の側壁間距離φ_ｗが６ｍｍである場合を説明する。なお、図３の物点Ｏは、電子ビーム１１０を射出する電子銃１１に相当する。アパーチャ板１８が設けられた位置における電子ビーム１１０の直径が、真空チャンバ１６の側壁間距離と等しくなる場合における、アパーチャ板１８が設けられた位置の像に対応する像点Ｉのアパーチャ板１８からの距離Ｌは、φ_ｃ：φ_ｗ＝（Ｌ−Ｄ）：Ｌという比例関係から、Ｌ＝３１２ｍｍと求まる。

像点Ｉが形成される位置は集束レンズ１２等の光学系の特性による。そのため、上述のように各部の大きさが決まると、近軸近似による光線追跡（シミュレーション）などの計算により、アパーチャ板１８からの距離Ｌに像点Ｉが形成される場合に対応する集束電流の量を求めることができる。本実施例では、この集束電流の量Ｉ_ｃは、加速電圧Ｖ_ｃが１０ｋＶ、集束レンズ１２のコイルの巻き数が８５０の場合、０．７５Ａと計算される。なお、アパーチャ板１８が設けられた位置での電子ビーム１１０の広がりは、加速電圧の平方根に比例する。そのため、加速電圧Ｖ_ｃの場合の上述の計算結果から、装置に設定する設定加速電圧がＶ_ｒｋＶである場合の集束電流の量Ｉ_ｒは、Ｉ_ｒ＝Ｉ_ｃ×√（Ｖ_ｒ／Ｖ_ｃ）により、計算することができる。例えば、設定加速電圧Ｖ_ｒが２０ｋＶの場合の集束電流の量Ｉ_ｒは、Ｉｒ＝０．７５×√（２０／１０）＝１．０６Ａと計算される。

このように、所定の最小値として、集束レンズ１２により集束された電子ビーム１１０が真空チャンバ１６の側壁に照射されないような値とすることができる。このように、予め定めた最小値は、キーボードで構成された入力部１１６を操作して、電子ビーム制御装置１１５内のメモリ１１１に記憶させる。本実施例では、設定加速電圧が２０ｋＶの場合を説明するため、上述の１．０６Ａを最小値としてメモリ１１１に記憶させる。

本実施例に係る電子ビーム装置並びに電子ビーム装置の制御装置及び制御方法は、電子銃１１を立ち上げた直後や電子ビームの加速電圧を大きく変化させる際等の過渡的な状態における動作に特徴を有する。そのため、以下では、電子ビーム装置１２０において、電子銃１１に印加する加速電圧を１０ｋＶから２０ｋＶに変更する場合の動作を図４を参照しつつ説明する。

まず、電子ビーム装置１２０のユーザは、入力部１１６を操作して、加速電圧の値２０ｋＶを入力する（ステップＳ４１）。電子ビーム制御装置１１５の加速電圧変更検出部１１３は、入力部１１６から加速電圧の値が入力されたことをトリガーとして、加速電圧の変更を検出する（ステップＳ４２）。加速電圧変更検出部１１３は、この変更を検出すると、最小集束電流値設定部１１２がメモリ１１１から所定の最小値（１．０６Ａ）を読み出し、集束レンズ１２に供給する集束電流の量に該所定の最小値を設定する（ステップＳ４３）。これにより、最小集束電流値設定部１１２から集束レンズ電源１１４に該最小値の電流を流す制御信号が送出され、集束レンズ電源１１４から集束レンズ１２に該最小値の集束電流が供給される。このように、集束レンズ１２に所定の最小値を供給した後、電子ビーム制御装置１１５は、電子銃１１に印加する加速電圧をステップＳ４１で入力された値（２０ｋＶ）に変更する（ステップＳ４４）。

このように、加速電圧の変更が指示される場合において、直ちに加速電圧が変更されることなく、集束レンズ１２に所定の最小値である集束電流を供給した後に加速電圧が変更される。そして、該最小値は集束レンズ１２により集束された電子ビーム１１０が真空チャンバ１６の側壁に照射されないような値であるため、電子ビーム１１０が真空チャンバ１６の側壁に直接照射されることがない。これにより、真空チャンバ側壁におけるチャージアップを防止でき、電子ビーム１１０の軸ずれを防止することができる。

また、所定の最小値として、ユーザが分析で使用する最小のビーム電流の値にする場合では、加速電圧の設定値の変更に伴って集束電流の値が変化する範囲を小さくすることができる。これにより、電子ビーム装置が所期の分析条件となるのに要する時間を短くすることができ、電子ビーム装置の操作性を向上させることができる。

上述の実施例では、電子銃１１に印加する加速電圧を１０ｋＶから２０ｋＶに変化させる場合を説明したが、加速電圧の値はこれに限られない。また、加速電圧変更検出部１１３が、入力部１１６から加速電圧の値が入力されたこと（ユーザの指示）をトリガーとして、加速電圧の変更を検出する場合を説明したが、加速電圧変更検出部１１３は、ユーザの指示によらず、試料台１９の位置情報など別の信号をトリガーとして、加速電圧の変更を検出してもよい。

電子銃１１を立ち上げる場合は、加速電圧が印加されていない状態（０ｋＶ）から所定の加速電圧（例えば１０ｋＶ）へ加速電圧を変化させる場合と見なすことができ、このように電子銃を立ち上げる場合も、上述の実施例と同様に集束電流の量を制御することができる。また、電子線マイクロアナライザ（ＥＰＭＡ）を例に説明したが、本発明の電子ビーム制御装置を、走査型電子顕微鏡など他の電子ビーム装置に適用可能であることは明らかである。

１１、５１…電子銃
１２、５２…集束レンズ
１３、５３…対物レンズ
１４、５４…試料
１６、５０…真空チャンバ
１８、５７、５８…アパーチャ板
１９、５９…試料台
５５…ファラデーカップ
１５、５６…遮蔽板
５６ａ、５７ａ…アパーチャ
１１０、５１０…電子ビーム
１１１…メモリ
１１２…最小集束電流量設定部
１１３…加速電圧変更検出部
１１４、５１４…集束レンズ電源
１１５…電子ビーム制御装置
１１６…入力部
１２０、５２０…電子ビーム装置
５１２…電流検出回路
５１３…集束レンズ制御部

Claims (6)

1. 真空チャンバ内に配設された電子銃とアパーチャ板を備える電子ビーム装置において、前記電子銃から射出され、前記アパーチャ板に設けられたアパーチャを通過する電子ビームを制御するために集束レンズに供給する集束電流の量を制御する装置であって、
   a) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する加速電圧変更検出部と、
   b) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記集束電流の量に０でない所定の最小値を設定する最小集束電流値設定部と、
   を備えることを特徴とする、電子ビーム制御装置。
2. 前記所定の最小値は、前記電子銃と前記アパーチャ板の間に設けられた前記集束レンズから前記アパーチャ板までの距離及び前記真空チャンバの大きさに基づいて定められることを特徴とする、請求項１に記載の電子ビーム制御装置。
3. a) 電子ビームを射出する電子銃と、
   b) 前記電子ビームを集束する集束レンズと、
   c) 前記集束レンズによって集束した前記電子ビームが通過するアパーチャを有するアパーチャ板と、
   d) 前記電子銃と前記アパーチャ板を収容する真空チャンバと、
   e) 前記アパーチャを通過する電子ビームを制御するために前記集束レンズに供給する集束電流の量を制御する装置であって、
   e1) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する加速電圧変更検出部と、
   e2) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記集束電流の量に０でない所定の最小値を設定する最小集束電流値設定部と、
   を有する電子ビーム制御装置と、
   を備えることを特徴とする、電子ビーム装置。
4. 前記所定の最小値は、前記電子銃と前記アパーチャ板の間に設けられた前記集束レンズから前記アパーチャ板までの距離及び前記真空チャンバの大きさに基づいて定められることを特徴とする、請求項３に記載の電子ビーム装置。
5. 真空チャンバ内に配設された電子銃とアパーチャ板を備える電子ビーム装置の制御方法であって、
   a) 前記電子銃に印加される加速電圧が変更されることを検出する検出ステップと、
   b) 前記変更が検出された場合に、前記加速電圧を変更する前に、前記アパーチャ板に設けられたアパーチャを通過する電子ビームを制御するために集束レンズに供給する集束電流の量を０でない所定の最小値に設定するステップと、
   を有することを特徴とする、電子ビーム装置の制御方法。
6. 前記所定の最小値は、前記電子銃と前記アパーチャ板の間に設けられた前記集束レンズから前記アパーチャ板までの距離及び前記真空チャンバの大きさに基づいて定められることを特徴とする、請求項５に記載の電子ビーム装置の制御方法。

Images