JPH02242555A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野］ この発明は、刊行物　Ｗ、Ｔｅ１ｉｃｐｓ　ａｎｄ　Ｅ
、Ｂａｕｅｒ。

Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｐｙ　１７　（１９８５
）　ｐ、５７．により既知の態様を有する電子顕微鏡の
改良に関するものである。

［従来の技術］ 電子源によって供給される電子ビームが、１５〜２０　
ＫｅＶのエネルギーまで加速され、磁場によって偏向さ
れ、カソードレンズの後焦点面に設けられた電子レンズ
によって収束される電子顕微鏡か知られている。カソー
ドレンズの電場で、電子ビームは減速され、低いエネル
ギーを有する（数百ｅｖに調整された）平行ビームとし
て７１１１１定試料表面に入射する。試料表面の原子か
ら弾力的に反射された電子は、前記カソードレンズの電
場によって、最初のエネルギーになるまで再び加速され
る。

同時にそれらの自然波のために干渉し、その結果カソー
ドレンズの後焦点面に、表面原子の格子配列による回折
縞（ＬＥＥＤ−低エネルギー電子回折）か生じる。磁場
中において反射されて戻ってきた電子ビームは、最初の
電子ビームから分けられている。後述する電子光学装置
によって、拡大された回折縞、あるいは超拡大された試
料表面のいずれか一方をディスプレイスクリーンで見る
ことが出来る。後者の場合、単一のＬＥＥＤ反射からの
電子は選択され、ディスプレイスクリーン生しる像は、
適切な結晶構造の局部分布を再生する。

［発明が解決しようとする課題、課題を解決するための
手段、作用］ この発明の目的は、クレームにおいて定義され、以下に
説明されているように、従来の電子顕微鏡の像の鮮明さ
を改良するという問題を解決するものである。

従来公知の電ｒ−顕微鏡においては、第１の光路と第２
の光路を分けることを必要とする磁場は、第１ビームの
必要とされる偏向の影響たけでなくエネルギー分散の影
響までも受ける。これは、幾らか強く偏向された第１ビ
ームの電子のエネルギーより幾らか高いか低いエネルギ
ーを有する電子を意味する。公知の電子顕微鏡において
、カソードレンズの焦点面にある電子源の像は、たとえ
収差のない電子レンズを通過しても、鮮明でなく横への
エネルギー分散が生じる。なお、電子源によって供給さ
れる電子は、通常のエネルギー幅を有する。エネルギー
幅は、電界放射源の約０．３ｅＶと熱電子源の約０．４
〜０．５ｅＶの総計である。

カソードレンズの焦点面の第１光ビーム焦点の不鮮明さ
と同一焦点面のＬＥＥＤ反射の不鮮明さとの関係は、］
：１である。すなわち、不鮮明な第１光ビーム焦点は、
不鮮明なＬＥＥＤ反射に相当する結果となる。

反射された電子ビームについても同様の問題がある。第
１の電子は、反射の際エネルギー損失し、第２の電子を
発生することができる。その結果、生じた電子は、光路
において弾性的に反射された「使用できる」電子に付随
するが、エネルギーはこれらか有していたものより減る
。もしそれらの比率が重大であれば、ＬＥＥＤ縞および
表面の像のコントラスｊ・と鮮明さが悪くなる。

上述した問題点は、この発明によって解決することがで
きる。好ましくは、エネルギー分散静電回折場において
、第１光ビームと第２光ビームとの両方か磁場と」（同
していれば良い。

第１光ビームの静電回折場は、遅れて磁場方向と反対側
に回ＩＪ７シ、静電回折場の幾何学および電気に関する
パラメーターは、カソードレンズの焦点面の第１光ビー
ムのエネルギー分散かＯになるまで選択される。焦点面
の電子源の像およびＬＥＥＤ反射は、これまでの場合よ
りもより鮮明となる。これに対応して不要な電子は、分
散エネルギーフィルターによって第２光ビームから排除
される。このフィルターは例えば１．ｅＶ以下のエネル
ギー幅を通過させ、電子光学の結像を損なうことのない
ようにしている。

加えて、カソードレンズについても改良がある。

横方向の解像度は、平面な試料表面の前方の加速場によ
って引き起こされるイメージエラーに本質的に依存して
いる。このイメージエラーは、場の強度に反比例してい
る（Ｈ，Ｉｊｃｂｌ、ｆ）ｐｔｊｋ　８０（１９８ｇ）
４参照）。この発明の電子顕微鏡に用いられるカソード
レンズは、試料表面の前の場の強度および横方向への解
像度が、従来の電子顕微鏡よりも実質的に高くなるよう
に構成されることが望ましい。

さらに、カソードレンズと光学ミラー顕微鏡対物レンズ
とを一体的に構成するように改良する。

こうすることによってまず第１に試料表面の顕微鏡観察
を可能にし、第２にＵ■ライトを非常に効率よく、ミラ
一対物レンズを介して試料表面に照射することができ、
したがって、この電子顕微鏡は、フォトエミッション（
ｐｈｏｔｏ−ｅｎｌｉｓｓｉｏｎ）顕微鏡の目的として
も使用することができる。

［実施例、発明の効果］ 第１図は電子顕微鏡を概略的に示した図であり、この電
子顕微鏡は、真空容器内（図示せず）に配置されており
、電子ビーム源１０を有している。

この電子ビーム源１０は、単に概略的に示されているだ
けであり、通常の方法によって形成され得る。電子ビー
ム源１０は、はぼ１５〜２０ｃＶのエネルギーの第１ビ
ーム１２を発生ずる。この第１ビーム１２はアパーチャ
ストップ１４、電子レンズ１６．２つのカーブしたコン
デンザープレ−１・によって形成されたエネルギー収束
を行う静電偏向場］８、第１ビームの光路をあらかじめ
定められた方に一定角Φをもって偏向する（曲げる）磁
界偏向場２０、ステイグメーター（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ
）２４、後述する光学システム２２、そして、カッドレ
ンズ２６を連続して通過し、試料固定装置２９によって
固定された試料２８の表面に向かう。

電子は、試料の表面から反射して第２ビーム３０を形成
する。この第２ビーム３０は、カソードレンズ２６、第
１ビームと同一経路の光学システム２２とステイグメー
ター（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）　２４、第１ビームと逆方
向に偏向させ、第１ビームと分する磁界偏向場２０を連
続して通過する。第２ビーム３０はそれから、第２ビー
ム３０のエネルギーを減する５・１減速レンズ３２、コ
ントラストストップ３４、エネルギーフィルター３６．
１：５加速レンズ３８（第２ビームは元の速度まで加速
される）、投影対物レンズ４２を形成する２つの投影レ
ンズ４０ａ、４０ｂを連続して通過する。

投影対物レンズの像面には、検出器４４の入力平面か配
置されている。この検出器４４は、２枚のチャンネル仮
、第２電子増信管、ルミネッセンススクリーン、光フア
イバー窓あるいは対物レンズの像面に発生する電子分布
を検出する公知の装置１、Ｏ 等を含んでいる。

静電偏向場］８は、球面コンデンサーによって構成され
ており、磁界偏向場２０とは反対方向に第１ビームを偏
向し、第１ビーム中の電子のエネルギーフォーカシング
をカソードレンズ２６の後焦点面に向けるように磁界偏
向場とあらかじめ関連している。

エネルギーフォーカシングの状態は次式で表される。

（Ｄ／Ｌ”　　）　　＝　　（Ｄ／　ｆ　ｍ　　）　　
−１＋　　（υ／　λ）この方程式は第２Ａ図乃至第２
Ｃ図によって導かれる。これらの式においてそれぞれの
文字は以下の内容を表す。

Ｕ：第１ビーム電子の平均加速電圧 ΔＵ：Ｕの偏差 Ｘ：Ｘ座標の関連基の中心 Ｙ：Ｙ座標の関連基の中心 α：入射角 δ：主電子相対的エネルギー分散量 λ：電場の分散係数 ］　１ υ：磁場の分散係数 り、電場の中心と磁場の中心との間の距離Ｌ′　：体物
距離 Ｌ゛　：像距離 Φ：扇形角 ｆ：焦点距離 ｒ：偏向ビームの曲率半径 」二連の説明では削除されている指数のｅとｍは、それ
ぞれ電場と磁場について表している。

ここで０ｍ−２０°　　ｒ、−１，２ｃｍ５Ｌ”　＝１
３゜５　ａｍの場合、上述の方程式を解決するためにＤ
＝５ｃｍ、（１）、＝８°が与えられる。

電子レンズ］６は、カソードレンズ２６の後焦点面の電
子源を映す。カソードレンズ２６の物体面は、このレン
ズの射出側焦点面に実質上一致する。ステイグメーター
２４は、静電オクタポール場を作り出し、第２ビームの
非点収差を補償する通常の方法を提供する。

エネルギーフィルター３６は、２枚のカーブした球面コ
ンデンサーによって形成されるエネルギ一分散電界偏向
場４６と、要求されるエネルギ幅（例えば１．ｅＶ）の
選択をするエネルギー分析器を形成するエネルギースト
ップ４８とを含む。

光学システム２２は、順にシュワルツシルト（Ｓｃｈｗ
ａｒｚｓｃｈｉｌｄ）鏡対物しンス５０、電子ビーム１
２．３０およびアイピース５４のための中央アパーチャ
を備えた鏡対物レンズのような光路を変えることのでき
るｍ５２、を含む。光学システム２２はさらに、化学ビ
ーム（例えばデュオプラズマトロンＩＪＶ（例えば、Ｊ
、Ａ、＋？、　Ｓａｍｓｏｎ　ａｎｄＨｃｌｍｕｔ　Ｉ
ｊｅｂｌ、Ｒｅｖ、Ｓｃｊ、　１ｎｓｔｒ、、３３．Ｎ
ｏ、Ｉ２，１３４０１３４３、Ｄｅｃ、］９Ｇ２参照）
）の放射ビーム源５６と中央か開口し光路を変えるため
の鏡６０とを含む。

前記放射ビーム源５６は、規準され電子ビーム１２．３
０の光路の共通部分で反射されることの出来るＵＶ放射
のビーム５８を与えるコリメーターレンズと共同する。

その結果、鏡５２が光路から外れていて、フォトエレク
トロンが発生しているとき試料２８の表面上にビーム５
８を照射することができる。他方、鏡５２が揺動してい
る場合マイクロスコープ５０．５４は、光学観測と試料
２８の表面の位置合わせを可能にする。電子ビーム１２
．３０の光路の共通部分の延長線上に形成された光路６
６には、さらに投影レンズ６２とルミネッセンススクリ
ーン６４あるいは電子像受容体が配置されている。磁場
２０が解除され、Ｕｖ源５６からのＵＶ放射によってフ
ォトエレクトロンが試料２８の表面から発生していると
き、中間倍率（例えば４００倍）である試料２８の表面
のフォトエレクトロン像は、カソードレンズ２６と共同
する投影レンズ６２によって、ルミネッセンススクリー
ン６４に形成することができる。

この実施例では電子レンズ１６，４０ａ。

４０ｂは、静電アインゼル（ｅｉｎｚｃｌ）　レンズで
ある。第３ａ図及び第３ｂ図に典型的でより好ましい構
造が示されている。このレンズは、カップ型のメタル部
分４１０を含んでおり、その底平部分は中央口４１２を
有している。カップの開口側には、ストップライクディ
スク４］４が圧接されている。カップの内部には、はぼ
中空円筒状に形成コ４ された中央電極４１６か位置している。底平部分とディ
スク４１４との間には、外環ビーズ状に６つの独立した
ザファイア等のボール４１８が保持されている。中央電
極は、メタル部分４１０の壁部にある穴から外部に通じ
る電気接続部分４２０を具備している。

第４図には、電子顕微鏡の一部分がより詳細に示されて
おり、鏡５２、ステイグメーター２４、シュワルツンル
ト鏡対物レンズ５０、カソードレンズ２６か示されてい
る。シュワルツシルト鏡対物レンズ５０は、球面状の凹
面鏡５０ａと球面状の凸面鏡５．Ｏｂとを含んでいる。

カソードレンズ２６は、はぼ地電圧に設定され、試料表
面からの電子を約−１５Ｋｖに加速する加速電極２６ａ
を含んでいる。カソードレンズ２６はさらに、外側部分
がカップ型で内側部分が中空円筒型で、地電圧に設定さ
れたある端電極２６ｂを含んでいる。この外側部分及び
内側部分は、シュワルツンルト鏡対物レンズの光路へ向
くアパーチャ２６ｃを具（６ｉｆした円錐部分により接
続されている。電極２６ａ１．５ と２６ｂとの間には、１セツト３つのサファイアホール
２６ｅが２セツト保持されており、じょうご型の中央電
極２６ｄが約−１，５Ｋｖに設定されている。なお、カ
ソードレンズについては、Ｈ、Ｌ　ｉ　ｅ　ｂｉｎ　０
ｐｔｉｃ　８０．Ｎｏ、１（１９８８）４−８にその詳
細が記載されている。

第５図は減速レンズ３２を示した図であり、この減速レ
ンズ３２は、絶縁材料のロッド３２ｃに取り付けられた
２つの管状電極３２ａ、３２ｂを有している。レンズ部
分は、電極３２ａと３２ｂとの間の互いに向かい合った
部分のギャップ３２ｄに存在する。電極３２ｂは比較的
長く形成されており、第２光路３０を選択的に切り替え
ることのできる複数の溝開口を具備した板状の可動ホル
ダー３４を有している。これは、コントラストストップ
を形成する。第６図には、加速レンズ３８か示されてお
り、この加速レンズ３８は、３つの管状電極３８ａ、３
８ｂ、３８ｃを有している。事実上加速レンズは中間の
電極３８ｂとこれに隣接した電極３８ａ、３８ｃの端と
の間の電場に形成されている。電極３８ａは比較的長く
形成されており、前記コントラストストップと同様に形
成されるエネルギーストップであるホルダ４８を含んで
いる。

対称的な光路（入射と射出とのギャップは扇形場から等
しい距離）を具備する静電扇形場４６のエネルギー分解
度は、次式で与えられる。

ΔＵ　＝　Ｕ　Ｓ　／　２　ｒ　ｅ ここでＵは通過エネルギーを表し、Ｓは入射と射出との
間のギャップ（場合によっては、コントラストストップ
あるいはエネルギーストップによって形成される）の幅
を表し、ｒ８は扇形場の半径を表す。

この実施例では、通過エネルギーＵは３　ｋｅＶであり
、ギャップ幅Ｓは２０μｍであり、ビーム形陽の半径ｒ
８は３６ｍｍである。この結果エネルギ分解度は０．８
３ｅＶとなる。

２つの偏向場の偏向による不鮮明画像を避けるため、磁
場２０と静電場４６は、公知の光路の組み合わせの原理
が用いられている。すなわち、力］７ ソードレンズ２６は、磁場２０の偏向の中心で試料表面
を写し、減速レンズ３２は、減速場４６の偏向の中心で
この第１の像を写し、加速レンズ３８は、投影光学装置
４２の入射面でこの第２の像を写す。この方法によると
第１と第２の像の不鮮明はなくなり、２つの偏向場によ
る試料表面の像は鮮明なものとなる。

同時にＬＥＥＤ縞を伴うカソードレンズの焦点面は、静
電偏向場４６、磁場２０、コントラストストップの平面
の減速レンズ３４、エネルギーストップの平面の一部分
により写し出される。

試料表面というよりはむしろＬＥＥＤ縞の像が検出器４
４によって検出されたなら、３つの電極３８ａ、、３８
ｂ、３８ｃを含む（第６図参照）加速レンズ３８は、静
電偏向場４６の中心よりむしろエネルギーストップ４８
を投影光学系４２の入射平面に写して調整される。

電子レンズ１６を不要にしてもエネルギーフォカンング
には同等影響を与えないか、第１ビームの方向性フォー
カシングは、レンズと同様に偏白場の扇形角度をより大
きくする他の電子光学系によらなければならない。

【図面の簡単な説明】

ｍ　Ｉ　Ａ図および第１Ｂ図は、この発明に係る電子顕
微鏡の１実施例の概要を図式的に示す図；第２Ａ図は、
第１図の電子顕微鏡において、静電および電磁回折場と
第１光ビーム路のエネルギーフォーカシングを説明する
ための方程式とを含む、第１光ビーム路を部分的に示す
図；第２Ｂ図は電磁回折場と連立方程式とを示す図：第
２Ｃ図は静電回折場と連立方程式とを示す図；第３ａ図
および第３ｂ図は、それぞれ静電レンズを軸方向から見
た図；第４図は、第１図の電子顕微鏡において試料を取
付けた図；第５図は減速レンズを示す図、そして、第６
図は加速レンズを示す図である。 １０・・・電子ビーム源、１２．３０・・・電子ビーム
。 ］８・・・静電偏向場、２０・・・磁界偏向場、４６・
・・静電扇形陽、５４・・マイクロスコープ、５６・・
・放射ビーム源。 出願人代理人　弁理士　鈴江武彦 １つ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）電子ビーム源と、実質的に一定な磁気偏向場と、
   対物面を具備する電子レンズとが折曲した第１光路に沿
   って順次配置されており、前記電子レンズのほぼ対物面
   に試料の表面を保持する装置を有しており、 カソードレンズと、磁気偏向場と、映像電子−光学装置
   と、電子ディスプレイ装置とが第２光路に沿って順次配
   置されており、 前記第１光路上で磁気偏向場の前に設けられ、この磁気
   偏向場の偏向方向とは反対の方向に第１ビームを偏向す
   るように形成され、前記磁気偏向場によって起こるエネ
   ルギー分散を補償する実質上一定のエネルギー選択静電
   偏向場、を有することを特徴とする電子顕微鏡。 （２）前記電子レンズはカソードレンズであることを特
   徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。 （３）前記第１光路中に、指向性フォーカシングする電
   子−光学装置が配置されていることを特徴とする請求項
   １に記載の電子顕微鏡。（４）前記指向性フォーカシン
   グする電子−光学装置は、第２の電子レンズを含んでい
   ることを特徴とする請求項３に記載の電子顕微鏡。 （５）前記エネルギー選択静電偏向場は、前記第２の電
   子レンズと磁気偏向場との間に配置されており、前記第
   ２の電子レンズは、前記電子レンズの入射側の焦点面に
   電子ビーム源を写すことを特徴とする請求項４に記載の
   電子顕微鏡。 （６）前記電子ビーム源と第２の電子レンズとの間の第
   １光路中にアパーチャストップが配置されていることを
   特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。 （７）前記エネルギー選択静電偏向場は、前記磁気偏向
   場と映像電子−光学装置との間の第２光路中に配置され
   ていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。 （８）前記第２光路中において、前記エネルギー選択静
   電偏向場の前と後にそれぞれ、電子を加速する装置と、
   電子を減速する装置とを有することを特徴とする請求項
   ７に記載の電子顕微鏡。 （９）前記エネルギー選択静電偏向場の後の第２光路に
   エネルギーストップが配置されていることを特徴とする
   請求項７に記載の電子顕微鏡。 （１０）前記映像電子−光学装置は、第２光路に位置す
   る投影対物レンズを含んでいることを特徴とする請求項
   １に記載の電子顕微鏡。 （１１）測定試料の表面からフォトエレクトロンを発生
   させ得るエネルギーを有する電磁放射ビーム源と、第１
   光路および第２光路の共通部分に放射ビームを反射する
   光学装置とを有することを特徴とする請求項１に記載の
   電子顕微鏡。 （１２）前記磁気偏向場と電子レンズとの間に、試料表
   面の光学調査を行う光学マイクロスコープの対物レンズ
   システムが配置されていることを特徴とする請求項１に
   記載の電子顕微鏡。 （１３）前記対物レンズシステムは、シュワルツシルト
   鏡対物レンズであることを特徴とする請求項１２に記載
   の電子顕微鏡。 （１４）前記対物レンズシステムとアイピースとの間の
   光路中に配置され、光路を通すアパーチャを具備した鏡
   を有することを特徴とする請求項１２に記載の電子顕微
   鏡。 （１５）前記鏡は、第１光路と第２光路の共通部分から
   選択的に移動するように可動可能に設けられていること
   を特徴とする請求項１４に記載の電子顕微鏡。 （１６）ルミネッセンススクリーンのような比較的小倍
   率で試料表面の像を写す電子光学装置と電子映像受像機
   とを含む、映像光路を有することを特徴とする請求項１
   に記載の電子顕微鏡。