JPH02257556A - 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） 本発明は、特に電界放射型電子銃を備えた電子顕微鏡に
係り、さらに具体的にいえば、電子線の衝突による絞り
板の汚染を防止すると共に、常に高分解能を得ることが
可能な電子顕微鏡に関する。

（従来の技術） 走査電子顕微鏡では、試料上における電子線開き角度（
以下、ビーム開き角）を決定するための絞り板が、集束
レンズの主面またはその近傍に設置されていが、この絞
り板には検鏡中の電子線の衝突によってコンタミネーシ
ョンが付着してしまう。

そして、このコンタミネーションが増大すると、非点収
差の増加や光軸のずれが発生し、分解能を著しく低下さ
せてしまう。

したがって、コンタミネーションが増大したような場合
には、絞り板を鏡体から取り外してクリニングするか、
あるいは予め絞り板に加熱装置を設置し、鏡体内の真空
中に絞り板を置いたまま該加熱装置に通電し、絞り板自
体を加熱してコンタミネーションを昇華除去する方法が
とられている。

しかし、集束レンズ近傍の狭い領域に加熱装置を有する
絞り板を設置することは困難であり、−膜内には用いら
れていない。

これらの問題点を解決する方法としては、実公昭５１−
２９３３９号公報に記載されるように、試料室内の試料
載置台に、試料ホルダとの交換が可能な電子銃を設け、
該電子銃からの電子線照射によって絞り板をクリーニン
グするようにした装置が提案されている。

（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術は、いずれも絞り板が汚染された後の
処理に関するものであって、クリーニングに長時間を要
するという問題があった。

本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、初めか
ら絞り板が汚染されない構造であり、かつ、ビーム開き
角を自由に設定することが可能な電子顕微鏡を提供する
ことである。

（課題を解決するための手段） 前記の問題点を解決するために、本発明は以下のような
手段を請じた。

（１）電界放射型電子銃と、該電界放射型電子銃から放
射された電子線を集束、焦点合わせする電子レンズ群と
を具備した電子顕微鏡において、前記電界放射型電子銃
の最終段電極と前記レンズ群との間の高真空領域に絞り
板を設置した。

（２）前記（１）の構成では、レンズ群によってプロー
ブ電流を制御できなくなるので、引出し電極に印加する
引出電圧を制御することによってプローブ電流を制御す
るとともに、プローブ電流制御によって起こる仮想的な
電子源位置の変化に伴う焦点のずれを、対物レンズの主
面での電子線の広がりが一定となるように集束レンズの
焦点距離を制御して補正し、試料から見たビーム開き角
αｉが一定に維持されるようにした。

（作用） （１）絞り板が、高真空が保たれた位置に設置されるの
で、電子線による絞り板の汚染が発生しない。

（２）加速電圧やプローブ電流を変化させても、ビーム
開き角を任意の値に維持できるので、常に最適状態に電
子光学系を維持することができるようになる。

（実施例） 絞り板へのコンタミネーションの付着は、真空状態の悪
い状況で電子線が絞り板に照射されたときに発生する問
題で、真空圧力を１Ｏ−７Ｐａ程度まで下げると、電子
線による絞り板の汚染はほとんど発生しない。

一方、電界放射型電子銃においては、その真空度が１０
−７〜１Ｏ−８Ｐａ程度でなければ安定した動作が得ら
れないために、特に加速電極近傍においては高真空が保
たれるように構成されている。

そこで、本発明においては、絞り板を高真空が保たれた
加速電極の下方に設置するようにした。

以下に、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例である電界放射型走査電子顕
微鏡の主要部の構造を示した断面図である。

同図において、電子線の発生源である電界放射型電子銃
は、陰極１、陰極１からエミッシβンを引出すための第
１の陽極（引出し電極）２、および電子線を加速するた
めの第２の陽極（加速電極）３によって構成されている
。

陰極１と引出し電極２との間には引出し用電源１１によ
って引出し電圧Ｖｔが印加され、これによって陰極１か
らは電界放射による電子線１０が放射される。

陰極１と加速電極３との間には加速用電源１２によって
加速電圧ｖＯが印加され、これによって前記電子線１０
が加速される。該電子線１０のビーム径は絞り板４によ
って制限される。

ビーム径を制限された電子線１０は集束レンズ５によっ
て集束され、さらに対物レンズ８で焦点合わせされ、試
料９の表面で集束電子ビームとなる。なお、集束レンズ
５と対物レンズ８との間にはＸ方向偏向器６、Ｙ方向偏
向器７が設置され、該偏向器によって前記集束電子ビー
ムは試料９の表面で走査される。

このような構成を有する電子顕微鏡では、絞り板４が高
真空状態（約１０’Ｐａ）にある加速電極直下に配置さ
れているために、電子線が照射されてもコンタミネーシ
ョンが付着せず、汚染されることがない。

ところで、上記したように加速電極３と集束レンズ５と
の間に絞り板４を設置すると、集束レンズ５によってプ
ローブ電流を制御できなくなる。

したがって、本実施例においては、陰極１から放射され
る電子線のビーム電流の制御を、引出し電圧Ｖｔを制御
することによって行う。

電界放射型電子銃の場合、引出し電圧Ｖｌによって広範
囲にビーム電流を変えられるため、引出し電圧ｖ１を制
御することによって、集束レンズ５の下部に絞り板４を
配置した場合と同等以上の広範囲なプローブ電流制御が
可能になる。

ところが、電界放射型電子銃を電子ビームの発生源とし
て用いる場合に、引出し電極２および加速電極３が静電
レンズとして機能するために、引出し電圧Ｖｌを制御し
てプローブ電流を変えたり、試料ダメージを考慮して加
速電圧ｖ２を制御すると、後段のレンズ系から見た場合
、その仮想的な電子源位置が変化する。

第３図は、引出電圧Ｖｔと加速電圧ｖＯの比ＶＯ／Ｖｌ
と、陰極１から仮想電子源位置までの距離Ｓとの関係を
示した図である。このように、電界放射型電子銃におい
ては、ＶＯ／Ｖｌによって仮想的な電子源位置が移動し
てしまう。

また、仮想的な電子源位置が移動すると試料上でのビー
ムの焦点もずれるため、その焦点合わせを行うことにな
るが、従来技術においては、第４図に示すように仮想的
な電子源位置が１３ａから１３ｂに移動すると、集束レ
ンズ５の焦点位置１４が動かないように集束レンズ電流
を制御して焦点合わせを行っていた。

しかし、これでは同図に示すごとく、対物レンズ８の主
面での電子線の広がりが変化し、予め設定した最適ビー
ム開き角αｉを維持することができず、最高分解能が得
られなくなってしまうという新たな問題が発生する。

そこで、本発明においては、第５図に示すように、仮想
電子源の位置が１３ａから１３ｂに移動した場合には、
後に詳述するように、対物レンズ主面での電子線の広が
りが一定となるように集束レンズ５の焦点位置を１４ａ
から１４ｂに移動させ、これによってビーム開き角αｉ
が一定になるようにする。

以下、仮想的な電子源位置と最適ビーム開き角との関係
について説明する。

第２図において、仮想的な電子源１３と陰極１との距離
を８１陰極１と絞り板４との距離をＬａ。

陰極１と集束レンズ５の主面との距離をＬｌ、集束レン
ズ５の主面と対物レンズ８の主面との距離をＬ２、対物
レンズ８の主面と試料面との距離をＬｌ、集束レンズ５
の主面と集束レンズ５によるビームの焦点位置１４まで
の距離をＬｃ、絞り板４の穴の半径をＲａとすると、試
料９上に於けるビーム開き角αｉは（２）式で与えられ
る。

ａ　ｊ　−ＩＲａ／（Ｓ＋Ｌａ　））　Ｘ　ｌ（Ｓ＋Ｌ
ｌ）　／Ｌｃ）　Ｘ　Ｉ（Ｌ２−Ｌｅ）／Ｌｌｌ　　（
ｒａｄ）−（２） 、したがって、仮想的な電子源位置Ｓの変化に対して、
集束レンズ５によるビームの焦点位置Ｌｃは（３）式で
与えられることになる。

Ｌ　ｃ＝　１Ｌ２（Ｓ＋ＬＬ）Ｒａｔ　／　ｌＬｉ　（
Ｓ＋Ｌａ）　　ａ　　Ｉ＋（Ｓ＋Ｌ１）Ｒａｔ・・・（
３） （２）式は、任意の仮想電子源位ｒａＳと、任意のビー
ム開き角αｉをパラメータとしているので、仮想電子源
位置Ｓを前記第３図に関して説明した関係より求め、さ
らに、後述するようにして最適ビーム開き角αｉを求め
て前記（３）式に代入すれば、引出し電圧および加速電
圧が変化した場合に、ビーム開き角αｉを変化させない
で焦点合わせを行うことが可能なＬｅを算出することが
できるようになる。

そして、集束レンズ５の焦点位置合わせによって試料上
での焦点がずれたならば、さらに対物レンズ８を制御し
て焦点合わせを行うようにした。

このような調整方法によれば、−旦最適ビーム開き角α
ｉを設定すれば、その後、プローブ電流を制御するため
に引出電圧ｖｌを変化させ、仮想的な電子源位置が変化
しても、最適ビーム開き角αｌが維持されるようになる
。

ところで、試料に照射する電子ビームの径が最も細くな
り、最高分解能が得られるビーム開き角αｌは電子線の
加速領域によって異なる。

以下、加速領域が異なることによる最適ビーム開き角α
ｉの違いについて、加速電圧をＶＯ（Ｖ）、対物レンズ
の色収差係数をＣｃ　（＋ａｍ）、球面収差係数をＣｓ
　（ｍａ＋）、電子線のエネルギ幅をΔＶ　（ｅＶ）、
電子のドブロイ波長をλ（ａ■）として説明する。

色収差が支配的な低加速領域では、回折による電子線の
広がりδｄと色収差による電子線の広がりδＣとがバラ
ンスするときに最も細い電子プローブが得られる。

回折による電子線の広がりδｄは、周知のように（４）
式で与えられる。

δｄ−１，２２Ｘλ／αｌ　・・・（４）また、色収差
による電子線の広がりδＣも、周知のように（５）式で
与えられる。

δｃ−ＣｃＸ（ΔＶ／　ＶＯ）　ｘ　ａ　ｉ　　−（５
）そして、δｄ−δＣを満足するときのビーム開き角α
ｉが低加速領域でのビーム開き角となるので、 １．２２Ｘλ／ａ　１−Ｃｃ　ｘ　　（ＡＶ／　ＶＯ）
Ｘαｉ から、低加速領域での最適ビーム開き角αｉは（６）式
で与えられる。

ａｉ　＝　１．１Ｘ（（λ／Ｃｃ）ｘ　（ＶＯ／　ΔＶ
）ｌｌ１２・・・（６） 一方、球面収差が支配的な高加速領域での最適ビーム開
き角αｉは、周知のように（７）式で与えられる。

αｉ　−（４λ／　Ｃｓ）”−（７） なお、低加速領域と高加速領域との境界は、それぞれの
領域でのビーム開き角αｉが一致する点での加速電圧で
決定される。

すなわち、ドブロイ波長λを、 １／２ λ−（１５０／ＶＯ）　　　Ｘ　１０−０−７（ａとす
ると、 １、ＩＸ　ｌ（λ／Ｃｃ）ｘ　（ｖｏ　／　Δｖ）１１
／２　＝（４λ／　Ｃ５）１１４ から、境界での加速電圧Ｖｓは（８）式で与えられる。

４　　　　−２／３　　　４／３ Ｖｓ−１，７１Ｘ１０　　ＸＣｓ　　　　ＸＣｅｘＡＶ
’／３（Ｖ）　　−（８） したがって、加速電圧ｖＯ≦Ｖｓの低加速領域では前記
（８）式に基づいてビーム開き角αｉを設定し、加速電
圧ＶＯ＞Ｖｓの高加速領域では前記（７）式に基づいて
ビーム開き角αｉを設定するようにすれば、常に最高分
解能が得られる条件が維持さ、れる。

なお、電子光学系の収差係数は、対物レンズ８の主面と
試料９との距離Ｌ１によって変化するので、対物レンズ
８の励磁主・流から距離Ｌｌを求めれば、その試料位置
における収差係数を求めることができる。

したがって、対物レンズの励磁電流と収差係数ＣｃｓＣ
ｓとの関係を予め適宜の手段で記憶しておけば、収差係
数Ｃｃ％Ｃｓは簡単に求められる。

以下に、前記（２）式〜（７）式に基づいて焦点合わせ
を行う方法を、第６図のフローチャートおよび第７図の
ブロック図によって説明する。

第７図において第１図と同一の符号は同一または同等部
分を表しているが、第１図に示した偏向器６．７の動作
は本発明には直接関係しないので省略しである。

ステップＳ１では、観察試料、観察内容に応じた加速電
圧ｖＯを加速用電源１２によって設定すると共に、引出
し電圧Ｖｌを引出し用電源１１で制御することによって
エミッション電流を制御し、観察試料、観察内容に応じ
た最適プローブ電流を設定する。

ステップＳ２では、陰極１から仮想電子源位置までの距
離Ｓが、前記第３図に関して説明した距離ＳとＶＯ／Ｖ
ｌとの関係が記憶された第１の記憶手段３０から後述す
る第３の演算手段に出力される。

ステップＳ３では、第１の演算手段３１において、前記
ステップＳ１で設定した加速電圧ｖＯが前記（６）式に
代入され、あるいは（７）式に基づいて最適ビーム開き
角αｌが設定されると共に、その値が表示手段３７に表
示される。

この時の収差係数Ｃｃ、Ｃｓは、第２の演算手段３２が
対物レンズ電流を対物レンズ制御回路３３から読取り、
該対物レンズ電流に基づいて対物レンズの主面から試料
９までの距離Ｌｉを算出すると共に、該距離Ｌ１に対応
する収差係数Ｃｅ。

Ｃｓを、両者の関係が予め記憶された第２の記憶手段３
４から読出すことによって求められる。

ステップＳ４では、第３の演算手段３５において、前記
（３）式にステップＳ２で求めた距１ＩｉｌＳ１および
ステップＳ３で求めたビーム開き角αｉが代入され、対
物レンズ主面での電子線の広がりが一定となる集束レン
ズの焦点圧、Ｉｆｆ　Ｌ　ｃが算出される。

ステップＳ５では、集束レンズの焦点距離Ｌｃが前記ス
テップＳ４で算出した値となるように、集束レンズ制御
回路３６によって集束レンズ電流が制御される。

ステップＳ６では、集束レンズの焦点距離をＬｃにする
ことによって生じた試料上での焦点ずれが、対物レンズ
制御回路３３を制御することによって調整される。

このような焦点合わせ方法によれば、ビーム開き角αｉ
を当初の設定値からずらすことなくプローブ電流を制御
できるようになる。

なお、試料表面の凹凸が大きくなると、最高分解能が得
られるビーム開き角αｉでは焦点深度が浅すぎる場合が
ある。したがって、このような場合には、最高分解能が
得られる条件よりも、さらにビーム開き角ａｉを小さく
して焦点深度を深くすることが重要である。

したがって、表面の凹凸が大きい試料を観察する場合に
は、ステップＳ３においてビーム開き角αｉを適宜設定
するようにし、凹凸があまり大きくない試料に対しては
、（６）式または（７）式に基づいた最適ビーム開き角
αｉを加速電圧と連動して設定するようにすれば、いか
なる凹凸状態の試料に対しても最適な電子光学系を容易
に実現できる。

（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果が達成される。

（１）絞り板が、高真空が保たれた加速電極と集束レン
ズとの間に設置されるので、電子線による絞り板の汚染
が発生しない。

（２）加速電圧やプローブ電流を変化させても、ビーム
開き角を任意の値に維持できるので、常に最適状態に電
子光学系を維持することができるようになる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である電界放射型走査電子顕
微鏡の主要部のＩＲ造を示した断面図である。 第２図は仮想的な電子源位置と最適ビーム開き角との関
係を説明するための図である。 第３図は加速電圧ＶＯ／引出電圧Ｖｌｌと陰極から仮想
電子源位置までの距、ｌｌｌ５との関係を示した図であ
る。 第４図は従来技術による焦点合わせ方法を説明するため
の図である。 第５図は本発明による焦点合わせ方法を説明するための
図である。 第６図は本発明による焦点合わせ方法を示したフローチ
ャートである。 第７図は本発明の電子顕微鏡の機能ブロック図である １・・・陰極、２・・・第１陽極（引出し電極）、３・
・・第２陽極（加速電極）、４・・・絞り板、５・・・
集束レンズ、６．７・・・偏向器、８・・・対物レンズ
、９・・・試料、１０・・・電子ビーム

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも陰極、該陰極から電子線を引出すため
   の引出し電極、および該電子線を加速するための加速電
   極によって構成された電界放射型電子銃と、 前記引出し電極に印加する引出し電圧、および加速電極
   に印加する加速電圧のうち、少なくとも引出し電圧を制
   御する手段と、 少なくとも前記電界放射型電子銃から放射された電子線
   を集束する集束レンズ、および前記集束レンズで一旦集
   束された電子線を試料上で焦点合わせする対物レンズに
   よって構成された電子レンズ群と、 前記レンズ群よりも電界放射型電子銃側に設置された絞
   り板とを具備したことを特徴とする電子顕微鏡。
2. （２）前記絞り板は、前記電界放射型電子銃の最終段電
   極と前記レンズ群との間に設置されることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の電子顕微鏡。
3. （３）特許請求の範囲第１項または第２項記載の電子顕
   微鏡において、 引出し電圧および加速電圧に基づいて仮想的な電子源位
   置を検出する手段と、 最適ビーム開き角を設定する手段と、 仮想的な電子源位置に拘らず、対物レンズ主面での電子
   線の広がりが一定となるように、集束レンズの焦点距離
   を制御する手段とをさらに具備したことを特徴とする電
   子顕微鏡。
4. （４）特許請求の範囲第３項記載の電子顕微鏡において
   、 前記最適ビーム開き角を設定する手段は、加速電圧をＶ
   ０、対物レンズの色収差係数をＣｃ、対物レンズの球面
   収差係数をＣｓ、電子線のエネルギ幅をΔＶ、電子のド
   ブロイ波長をλ（ｍｍ）とした時に、最適ビーム開き角
   αｉを以下のようにして決定することを特徴とする電子
   顕微鏡。 Ｖ０≦１．７１×１０＾４×Ｃｓ＾−＾２＾／＾３×Ｃ
   ｃ＾４＾／＾３×ΔＶ＾４＾／＾３ の場合には、 αｉ＝１．１×｛（λ／Ｃｃ）×（Ｖ０／ΔＶ）｝＾１
   ＾／＾２Ｖ０＞１．７１×１０＾４×Ｃｓ＾−＾２＾／
   ＾３×Ｃｃ＾４＾／＾３×ΔＶ＾４＾／＾３ の場合には、 αｉ＝（４λ／Ｃｓ）＾１＾／＾４
5. （５）特許請求の範囲第３項または第４項記載の電子顕
   微鏡において、 前記集束レンズの焦点距離を制御する手段は、（１）式
   より集束レンズの焦点距離Ｌｃを制御することを特徴と
   する電子顕微鏡。 Ｌｃ＝｛Ｌ２（Ｓ＋Ｌｌ）Ｒａ｝／｛Ｌｉ（Ｓ＋Ｌａ）
   αｉ＋（Ｓ＋Ｌｌ）Ｒａ｝・・・（１） ただし、 αｉ・・・最適ビーム開き角 Ｓ・・・陰極と仮想的な電子源位置との距離Ｌａ・・・
   陰極と絞り板との距離 Ｌ２・・・集束レンズ主面と対物レンズ主面との距離Ｌ
   ｉ・・・対物レンズ主面と試料面との距離Ｒａ・・・絞
   り板の穴の半径
6. （６）特許請求の範囲第３項ないし第５項のいずれかに
   記載の電子顕微鏡において、 ビーム開き角を表示する手段をさらに具備したことを特
   徴とする電子顕微鏡。