JPH02273445A

JPH02273445A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH02273445A
Application number: JP1094967A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Sato; 達夫佐藤; Mamoru Nakasuji; 護中筋; Shohei Suzuki; 正平鈴木; Hiroyasu Shimizu; 弘泰清水; Shinobu Tokushima; 忍徳島
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-04-14
Filing date: 1989-04-14
Publication date: 1990-11-07
Anticipated expiration: 2013-08-13
Also published as: JP2787084B2

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〕本発明は走査型電子顕微鏡に関するものであり、特に試
料室低圧力の気体を導入する走査型電子顕微鏡（以下、
ＥＳＥＭという）に関するものである。

〔従来の技術］従来のＥＳＥＭは、圧力制限アパーチャによって電子銃
室と試料室とを分離し、電子銃室は高真空に保ち、試料
室には酸素や窒素等の低圧力の気体を導入している。そ
して、電子銃室には電子銃、集束装置、偏向装置を設け
、電子銃から放出された電子線を集束、偏向させて圧力
制限アパーチャから試料室に導入し、試料室内に設けた
ターゲット（試料）を照射している。ターゲットから発
生した２次電子は、電極にて捕獲されるが、ターゲット
と電極との間に介在する気体の分子が２次電子によりイ
オン化され、一種の増幅作用が行われる。（例えば気体
として酸素を用いた場合、０□→−Ｃ−→０４＋０＋２
　ｅ−）電極は２次電子を効率的に捕獲するように、ターゲｙ　
ｌ・に対して適当な正電圧が印加され、電極に流れる電
流は電流増幅器□等を通って検出される。

以上説明したようなＥＳＥＭは、例えば、アメリカ特許
節４，７８５，１．８２明細書に記載されている二〔発明が解決しようとする課題〕しかしながら、２次電子検出用の電極が圧力制限アパー
チャとターゲットの間にある従来の構成では、１次電子
が低圧力の気体により散乱され、電子線の径が大きくな
ってしまう。

一方、気体で散乱されないままターゲットまで到達する
電子線は、径が小さいままターゲットに入射するため、
この電子線のみが細いプローブとして価値がある。この
非散乱電子線は気体の圧力増加、電子の走る距離が長く
なると強度が小さくなる、という問題点がある。

すなわち、気体で散乱されないでターゲラ１−に入射す
る電子の量は、気体の圧力Ｐと、１次電子が気体中を走
る距離Ｄ（圧力制限アパーチャとターゲットの距離）と
の積Ｐ−Ｄに依存している。

従って、１次電子の散乱で失う景を小さく抑えようとす
れば、圧力制限アパーチャからターゲットまでの距離り
を短くするか、気体の圧力Ｐを小さくする必要がある。

他方、ターゲットからの２次電子が気体と衝突して気体
をイオン化させることにより、効率良く２次電子を増幅
させるためには、Ｐ−Ｄ’　　（ただし、Ｄ゛は２次電
子がターゲットを出てから電極に捕獲されるまでに進む
距離）に最適値がある。

従って、１次電子に対する上述の条件と２次電子に対す
る上述の条件とは、圧力制限アパーチャとターゲットの
間に２次電子検出用の電極を置く限り（Ｄ＝Ｄ’　）、
共に満足させることは難しい。

そこで、２次電子検出用の電極を対物レンズの外側に配
設することが考えられる。このように構成すれば、圧力
制限アパーチャとターゲットとの距離を短くしたり、両
者の間の気体の圧力を小さくしても、電極の位置は比較
的自由に決定できるので、例えば圧力の小さい気体でも
所望の増幅効果の得られる位置に電極を配設することも
可能となる。

しかしながら、電極を対物レンズの外側に配設する構成
では、スペースを確保するため、対物Ｉ／ンズの上極と
下極との間の開き角を小さくする必要があり、磁束が上
極と下極との間で漏れ、大きいアンペアターン（ＡＴ）
のコイルを用意しなければならないと共に、磁極が飽和
する可能性が大きくなる。

そこで本発明は、１次電子を散乱で失うことなく２次電
子増幅を有効に行なうと共に、小型の電子顕微鏡を得る
ことを目的とする。

〔課題を解決する為の手段］本発明は、電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを
通して低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査
し、前記ターゲットからの２次電子を２次電子検出器で
検出する電子光学系、を有する走査型電子顕微鏡におい
て、前記電子光学系の対物レンズを上極をボーア径の比
較的小さい磁極として構成すると共に、前記対物レンズ
の下極をボーア径の比較的大きい磁極として構成し、前
記上極と前記下極との端部の間に前記２次電子検出器の
少なくとも一部を配設したことを特徴とする走査型電子
顕微鏡である。

また前記２次電子検出器は、前記電子光学系の軸を中心
としたリング状の電極を、前記軸方向へずらせて複数配
設して構成され、それぞれの電極を前記ターゲットに対
して正の等電位としたことを特徴とする走査型電子顕微
鏡である。

さらに、前記電極は、前記上極の先端近傍と前記下極の
先端近傍とに少なくともそれぞれ１つずつ設けられ、そ
れぞれの電極と磁極との間には放電防止用の絶縁膜を介
在せしめたことを特徴とする走査型電子顕微鏡である。

さらにまた、電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャ
を通して低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走
査し、前記ターゲットからの２次電子を２次電子検出器
で検出する電子光学系、を有する走査型電子顕微鏡にお
いて、前記２次電子検出器として前記ターゲットに対し
て正の電位を与えられた電極を用い、前記電極による等
電位面の方向が前記電子光学系の対物レンズによる磁界
の方向のほぼ平行となるように前記電極を配設したこと
を特徴とする走査型電子顕微鏡である。

〔作用〕

本発明では、対物レンズの下極のボーア径（穴径）は比
較的大きく、上極のボーア径（穴径）は比較的小さいた
め、これらの磁極が作る磁極分布はこのレンズの焦点距
離と同程度となり、極端に強励磁で磁極を飽和させるこ
とはなく、また極端に弱励磁で球面収差係数を大きくさ
せることはない。なお、この場合さらに、上極を電子光
学系の軸と小さい角度を持つ円錐形とし、下極を電子光
学系の軸と直交する平面内にすることによって、上極と
下極のボーア径部以外での距離をかなり大きく取れるよ
うになり、無駄な磁束が漏れることがなくなる。

いずれにしても、このようなレンズ磁極構造のため、両
磁極の間に広い空間が確保できるので、検出器電極ある
いはシンチレータ等の検出器を設けることができる。

また、２次電子検出器を電子光学系の軸を中心とするリ
ング状の複数の電極から構成し、これら複数の電極の各
々は電子光学系の軸とターゲットとの交点位置からほぼ
等距離の位置にあるように径と位置とが選択されると共
に、相互に接続され、ターゲットに対して正電位を与え
て構成することにより、２次電子が電極の近傍を多重走
行し易くなるため、気体に衝突する機会が増加し、効率
的に増幅作用が行なえる。

また、電極と磁極との間に放電防止用の絶縁膜を介在せ
しめたので、電極に比較的大きな正の電位を与えても、
磁極との間で放電の生ずることもない。

さらに、ターゲットに対して正の電位を与えられた電極
を対物レンズによる磁界中に配設することにより、ター
ゲットからの２次電子が電界で加速されると速度を持つ
ため、対物レンズによる磁界によって螺旋運動させられ
る。２次電子は、もし気体分子と衝突しなければ、ずっ
と磁束に捕捉された状態で螺旋運動しながら磁界に沿っ
て往復運動する。しかしながら、低圧力の気体が存在す
るため、２次電子は気体分子と衝突して、気体分子をイ
オン化すると共に、エネルギーを失うため、その磁界か
らは解放され、電極による電界に引っ張られて電極によ
り近い場所まで移動し、エネルギーを得て再びそこの磁
界に捕捉され、磁界に沿った往復運動を行なう。このよ
うに、２次電子は磁界に沿って往復運動をしつつ徐々に
電極に近づいて行き、ついには電極に捕獲される。

〔実施例］第１図は本発明の第１実施例の電子光学系を示す図であ
る。

電子銃１を出た電子線は、排気管２ａを介して不図示の
ポンプにより排気され高真空に維持された電子銃室２を
進み、コンデンサレンズ３及び対物レンズ１１で必要な
径に絞られ、ターゲット１６に照射される。ターゲット
１６に照射される電子線は偏向器４ａ、４ｂにより２次
元的に走査される。電子銃室２の先端には圧力制限アパ
ーチャ１２が形成され、ターゲットの置かれた試料室１
７が連結している。

試料室１７には低圧力の気体（酸素、窒素等）が不図示
の導入管、バルブ等を介して導入されるが、圧力制限ア
パーチャ１２がらターゲット１６までの間に検出器等が
ないため、それらの間の距離を短く設定することができ
、電子銃１がら出た電子（１次電子）が低圧力の気体と
衝突することによる散乱電子の量は、気体の圧力が小さ
いこともあって、十分小さ（できる。

対物レンズ１１は、電子光学系の軸！に対して小さい角
度ψを存し、かっボーア径（穴径）の比較的小さい磁極
である上極８と、ボーア径の比較的大きい磁極である下
極９とを有する。

電極１４ａ、１．４　ｂ、電子光学系の軸２を中心とす
るリング状に形成されており、電極１４ａは放電防止シ
ート１５　ａを介して」二極８先端に近接して配設され
、電極１．４　ｂは放電防止シート１５ｂを介して下極
９先端に近接して配設されている。

そして、電極１４ａ、１４ｂは、電子光学系の軸！とタ
ーゲット１６との交点位置からほぼ等距離の位置に置か
れているため、電極１４ａの径に比し電極１４ｂの径が
大きくなっている。これら電極１４ａ、１．４　ｂは互
いに連結されて電気的に一体になっていると共に、ター
ゲット１６に対して正の電位が与えられている。

１次電子がターゲット１６に衝突することによって、タ
ーゲット１６から放出された２次電子ば、電極１４’ａ
、１４ｂの方向に引かれるが、電極１４ａ、１４ｂが２
つの方向にあるため、ずくに電極１４ａ、１４ｂには入
らず、２つの電極１．４　ａ、１４ｂによる電界の方向
と２次電子の有するエネルギーとの関係で、符号１３で
示したように電極１４ａ、１４ｂを結んだ面にほぼ直交
する方向で往復運動し、気体と衝突してエネルギーが小
さくなってから電極１４ａ、１４ｂに捕獲される。

従って、圧力制限アパーチャ１２とターゲット１６の間
隔を短くしたにもかかわらず、２次電子の走行距離を短
くすることがなく、むしろ２次電子の往復運動により走
行距離を長くできるので、２次電子が気体と衝突する機
会が増え、気体分子のイオン化による十分な増幅作用を
得ることができる。この場合、さらに細かく見れば、２
次電子は磁場中を運動することになるので、実際の電子
の軌道は電界のみによる符号１３の軌道のまわりを螺旋
運動しながらすすむことになり、実際には走行距離がよ
り長くなっている。

なお、２次電子が気体と衝突して作る電子、イオンベア
の数は、２次電子が失うエネルギーに比例するので、電
極１４ａ、１．４ｂには大きい電圧が印加できた方が存
利なため（エネルギーは電極１４ａ、１４ｂに印加され
る電圧の大きさに依存している）、電極１４ａ、１４ｂ
は円形断面の金属線を同軸円形に整形して作ることが好
ましい。

そして、ターゲット１６、磁極８．９等はアース電位に
設定されているので、電極１４ａ、１４ｂと近接してい
る磁極８．９と電極１４ａ、１４ｂとの間で放電が生じ
る可能性があるが、薄い絶縁膜のシート１５　ａ、１５
ｂがこれらの放電を防止している。

また、上述の磁極８．９の構造により、２つの磁極８．
９の間には広い空間が確保されるので、シンチレータ５
やライトガイド６を配設することもできる。なお、ライ
トガイド６に結合した符号７の部材はフォトマルである
。

さらに、符号１０は電子光学系の軸！を中心とした円筒
状に設けられた真空シールを示しているが、真空シール
１０の内径を対物レンズ１１による制約の範囲内で最大
の大きさになせば、２次電子の軌道を遠くまで延ばすこ
とも可能で、−往復の軌道長を大きくできる。

第２図は本発明の第２実施例の要部を示す図であって、
対物レンズの先端部分を拡大して示した図であり、第１
図と同符号のものは同一機能の部材を示している。

第２図の実施例が第１図の実施例と大きく異なる点は、
第２図の実施例が電極１４ａ、１４ｂに関してターゲッ
ト１６の反対側に先窄まりの金属部品（等電位面を順次
先細りにする部材）２０を付加したことにある。

この金属部品２０は、磁極８．９、圧力制限アパーチャ
部材１２０、ターゲット１６等と同様にアース電位にな
っており、電極１４ａ、１４ｂから離れた位置での等電
位面は、第２図に示したように金属部品２０の内側に沿
うように延びていき、その結果、第２図に点線１９で示
した如く、電極１４ａ、１４ｂを結ぶ面のほぼ中心を通
り、金属部品２０の最奥部に向かってポテンシャルの尾
根ができる。また、電極１４ａ、１４ｂに関してターゲ
ット１６側にも、圧力制限アパーチャ部材１２０とター
ゲノｌ□　１６とによってあたかも金属部品２０を設け
たのと同じような効果が得られる結果、電子光学系の軸
ｌとターゲット１６とのほぼ交点位置に向かってポテン
シャルの尾根１９ができる。

従って、ターゲット１６から出た２次電子は、ポテンシ
ャルの尾根に集まる傾向を示し、軌道が拡がらないので
、多重走行し易くなり、２次電子を有効に電極１４．ａ
、１４ｂに捕獲させることができる。その結果、電極１
４ａ、１４ｂから得られる検出電流が太きくＳ／Ｈの良
好な信号が得られる。

なお、以上の説明では、リング状の２つの電極を電気的
に連結して検出器を構成したが、リング状の複数の電極
を用いてもよく、また、１つの電極を螺旋状に設けても
良いし、さらに、軸中心の円周上の一部に設けた電極で
もよい。

第３図は本発明の第３実施例の要部を示す図であって、
対物レンズの先端部分を拡大して示した図であり、第１
図と同符号のものは同一機能の部材を示している。

第３図の実施例が第１図の実施例と大きく異なる点は、
第３図の実施例がターゲット１６に対して正の電位を与
えられた電極３０ａ、３０ｂを有する。電極３０ａ、３
０ｂは、電子の捕捉面を有し、この捕捉面を対物レンズ
による磁界の方向と平行になるように配設することによ
り、電極３０ａ、３０ｂによる等電位面の方向は対物レ
ンズ（上側磁極８と下側磁極９が図示されている）によ
る次回の方向と平行となる。

その結果、ターゲット１６から出た２次電子（ｅ−）は
、電界に引っ張られて電極３０ａ、３０ｂの方向へ進む
が、２次電子は電界で加速されると速度を持つため、対
物レンズ（磁極８．９）による磁界（図には欠伸の破線
で示した）によって螺旋運動させられる。２次電子はも
し気体分子と衝突しなければ、ずっと磁束に捕捉された
状態で螺旋運動しながら磁界に沿って往復運動する。

しかしながら、２次電子の運動空間には低圧力の気体が
存在するため、２次電子は気体分子と衝突して気体分子
をイオン化する（０２　＋ｅ−→０゛＋０＋２ｅ”　）
と共に、エネルギーを失うため、捕捉されていた磁界か
ら解放され、電極３０ａ、３０ｂによる電界に引っ張ら
れて電極３０ａ、３０ｂにより近い場所まで移動し、エ
ネルギーを得て再びそこの磁界に捕捉され、磁界に沿っ
た往復運動を行なう。このように、２次電子は磁界に沿
って往復運動をしつつ徐々に電極３０ａ、３０ｂに近づ
いていき、ついには電極３０ａ、３０ｂに捕捉される。

２次電子が気体分子に衝突することにより、気体分子が
イオン化されて生じた電子も同」二の動作によって電極
３０ａ、３０ｂに捕捉される。すなわち、２次電子は磁
界の強さと、電界の強さと、気体の圧力とで定まる距離
移動してから、はとんどエネルギーを失った状態で電極
３０ａ、３０ｂに捕捉される。

その結果、２次電子と気体分子との衝突の機会は増大し
、効率の良い増幅が行なえる。

また、気体の圧力が低（なると２次電子は気体分子と衝
突する確率が減少するが、第３図の構成では、２次電子
が螺旋を描きながら往復運動する回数が増えるのみで、
最終的に電極に捕捉されるときは、はぼ同じエネルギー
になっているので、気体に与えるエネルギーは圧力が低
下する前とほぼ等しくなり、圧力が低下する前と同程度
のイオン−電子対が得られ、増幅効率はそれほど変動し
ない。逆に気体の圧力が高（なると２次電子は気体分子
と衝突する確率が増加するので、２次電子の往復運動の
回数は減少するが、気体に与えるエネルギーは圧力が高
くなる前とほぼ等しく、その結果、圧力が低下する前と
同程度のイオン−電子対が得られ、増幅効率はそれほど
変動しない。

なお、第３図では、電極３０ａ、３０ｂを１８０度対向
位置に設けた例を上げたが、方向圧を無くすために、図
と直交する１８０度対向位置にさらに電極を設けてもよ
く、さらに、電子光学系の軸！を中心としたリング状に
設けてもよい。

また、以上の実施例では電極３０ａ、３０ｂによる等電
位面の方向が対物レンズによる磁界の方向と平行になる
ように電極３０ａ、３０ｂを配設したが、等電位面の方
向の磁界の方向とが平行な場合には、最も効率が良いが
、電極の位置は、磁界に捕らえられながら、徐々に電極
に近づいていくような作用を電子に与える範囲内のほぼ
平行な位置まで拡張して考えることができる。

さらに、対物レンズの上極と下極とのボーア径がほぼ等
しいような場合には、磁界が下極の下側にも生じるので
、電極を下極の下側の磁界中に置くこともできる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によれば、１次電子を散乱で失
うことな（２次電子増幅を有効に行ないうるばかりでな
く以下のような効果がある。

（イ）対物レンズの上極のボーア径が小さいため、電子
光学系の軸」二の磁場の分布の半値幅を小さくでき、小
さい焦点距離の対物レンズが実現できる。

（ロ）レンズ上極と下極の間に広い空間ができるので、
この内部に２次電子検出器を無理なく設けられる。

（ハ）レンズの上極と下極の開き角を大きくできるので
、両極間の磁束の漏れが少なくなり、薄い磁極でも飽和
が生じない。また磁束を有効に軸上に集められるので、
励磁コイルのＡＴを小さくできる。

（ニ）２次電子が磁場中で螺旋軌道を取るため、気体と
衝突する確率が増え、大きい検出電流が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の電子光学系を示す図、第
２図は本発明の第２実施例の電子光学系の要部を示す図
、第３図は本発明の第３実施例の電子光学系の要部を示
す図、である。〔主要部分の符号の説明〕８・・・対物レンズの上極、９・・・対物レンズの下極、１４ａ、１４ｂ、３０ａ、３０　ｂ　・・・電極２０・
・・金属部品。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを通し
て低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査し、
前記ターゲットからの２次電子を２次電子検出器で検出
する電子光学系、を有する走査型電子顕微鏡において、前記電子光学系の対物レンズの上極をボーア径の比較的
小さい磁極として構成すると共に、前記対物レンズの下
極をボーア径の比較的大きい磁極として構成し、前記上
極と前記下極との端部の間に前記２次電子検出器の少な
くとも一部を配設したことを特徴とする走査型電子顕微
鏡。
（２）前記２次電子検出器は、前記電子光学系の軸を中
心としたりリング状の電極を、前記軸方向へずらせて複
数配設して構成され、それぞれの電極を前記ターゲット
に対して正の等電位としたことを特徴とする請求項（１
）記載の走査型電子顕微鏡。
（３）前記電極は、前記上極の先端近傍と前記下極の先
端近傍とに少なくともそれぞれ１つずつ設けられ、それ
ぞれの電極と磁極との間には放電防止用の絶縁膜を介在
せしめたことを特徴とする請求項（２）記載の走査型電
子顕微鏡。
（４）電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを通し
て低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査し、
前記ターゲットからの２次電子を２次電子検出器で検出
する電子光学系、を有する走査型電子顕微鏡において、前記２次電子検出器として前記ターゲットに対して正の
電位を与えられた電極を用い、前記電極による等電位面
の方向が前記電子光学系の対物レンズによる磁界の方向
とほぼ平行となるように前記電極を配設したことを特徴
とする走査型電子顕微鏡。