JPH03173053A - 走査型電子顕微鏡 - 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］ この発明は走査型電子顕微鏡に関し、特に低倍率時には
直線性の良い画像を得られ、高倍率時には高分解能な画
像を得ることのできる走査型電子顕微鏡に関する。

［従来の技術］ 第２図は従来の電子Ｉｌ偏向装置を有する走査型電子顕
微鏡（Ｓ　Ｅ　Ｍ　：　Ｓｃａｎｎｉｇ　Ｅｌｅｃｔｏ
ｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　）の構成図である。第
２図において、陰極１を出た電子線３は通常は接地され
ている加速電極２と上記陰極１との間の電位差によって
所望の速度に加速される。

なお、第２図には示さないが、陰極１が電界放出型陰極
の場合には陰極１と加速電極２との間に引き出し電極が
配置される。

破線で示した電子線３は照射レンズ４および対物レンズ
７の作用によりステージ９に載置され゛た試料８に収束
される。照射レンズ４の励磁電流を変化させることによ
って、電子線３の開き角を制限する開き角制限開口に対
する電子線３の照射条件、および試料８の表面における
電子線３の開き角や電流値を変化させたりするようにな
っている。また、電子線３は上（１１１１偏向器５およ
び下側偏向器６の作用によって偏向され、設定された範
囲の走査領域および走査方向に従って試料８上を２次元
的に走査する。試料８に電子線３が照射されることによ
り、この試料８の材質や形状に応じた強度の２次電子ま
たは反射電子が試料８から放出される。この放出された
２次電子および反射電子は検出器１０によって検出され
、増幅器１７によって増幅などの適当な信号処理がなさ
れ、検出された電子数に比例した検出信号に変換される
。

この検出信号は走査信号発生器１１から出力された走査
信号に同期した同期信号とともにＣＲＴＩ８に入力され
、電子線３の走査に同期して試料８の表面に対応した映
像がＣＲＴ１８上に表示される。

ここで、走査信号発生器１１から上側偏向器５および下
側偏向器６に与えられる走査信号について考える。走査
信号発生器１１が発生する走査信号は、電子線３の走査
領域における観察倍率（以下、倍率という）および回転
角を設定する倍率回転設定器１６から送出される倍率デ
ータおよび回転データに基づいてマルチプライングＤ／
Ａコンバータ１２ａ、１２ｂで変化される。増幅器１３
ａ、１３ｂは、入力した上記走査信号を増幅して走査信
号に応じた偏向器電流を偏向器５．６に与える。電子線
３はこの偏向器電流に応じた偏向器ら、６の作用により
偏向され、倍率回転設定器１６から送出された上記倍率
データおよび回転データに対応する領域を走査する。こ
のとき、偏向歪み収差、すなわち、映像の偏向歪みが最
小になる上側偏向器５および下側偏向器６の偏向感度比
および偏向方向差が得られるように倍率回転データが決
定されるようになっている。

また、鏡筒と試料室との間に圧力制限アパーチャを設け
、試料室に試料から発生する２次電子を増幅する気体を
導入したＥ　Ｓ−Ｅ　Ｍ　（Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｔａｌ
　Ｓｃａｎｎｉｇ　ＥｌｅｃＬｏｒｏｎ　ｍ１ｃｒｏｓ
ｃｏｐｅ　）では、上記圧力制限アパーチャを通過する
電子線が上記圧力制限アパーチャによってけられること
がないようにこの圧力制限アパーチャ付近で電子線３の
偏向軌道幅が最小になる偏向感度比および偏向方向差が
得られるように倍率データおよび回転データが決定され
るようになっている。

ここで、電子線３を偏向することによって発生し、走査
型電子顕微鏡の映像に影響を及ぼす２種類の収差、すな
わち、偏向歪み収差および偏向色収差について説明して
おく。

偏向歪み収差は、偏向された電子線が光軸に近いほど小
さく、遠いほど大きくなるものであって、走査する走査
領域の大きさの３乗に比例する。したがって、偏向歪み
収差によって映像に生じる偏向歪みは、倍率が高い（走
査領域が小さい）はど小さく、倍率が低い（走査領域が
大きい）はど大きくなる傾向にある。このため、偏向歪
み収差が映像に及ぼす影響は、高倍率時に小さく、低倍
率時に大きくなる。

偏向色収差は、試料上に収束される電子線の直径に影響
するものであって、電子線のエネルギー分散や電子線を
収束する電子レンズの励磁電流の安定度などに起因して
生じ、偏光幅に比例する。

この偏光色収差は、偏光幅に比例するぼけであるため、
低倍率時に大きく、高倍率時に小さくなるが、観察画面
の大きさに対するぼけの割合は同じになる。また最近で
は、特に高倍率、かつ高分解能で観察することが要求さ
れており、偏光色収差係数を小さくすることが望まれる
。

また、電子線を偏向したときに発生する収差についてシ
ュミレーションした結果、偏向領域が比較的小さい場合
、映像に及ぼす影響は偏向色収差が最も大きいことが明
らかとなった。

［発明が解決しようとする課題］ 上述した従来の走査型電子顕微鏡においては、偏向歪み
収差をほぼ０にしであるために偏向歪みは少ないが偏向
色収差については考慮されていない。したがって、低倍
率の場合には偏向歪み収差が低く抑えられているので、
良好な映像を得ることができる。しかし、高倍率を得よ
うとする場合には、偏向色収差が映像に及ぼす影響が大
となる。すなわち、電子線径が大きくなって映像がぼけ
てしまい、特に低加速時に高倍率の映像を得ようとした
ときに充分な分解能が得られないという問題があった。

また、上述した従来のＥＳＥＭにおいては、偏向軌道幅
が最小となる点は圧力制限アパーチャ付近に位置するの
で、低倍率、すなわち、大きな走査領域を得るために電
子線を大きく偏向した場合でも圧力制限アパーチャによ
って上記偏向した電子線がけられることはない。しかし
、高倍率を得ようとする場合には、上述した走査型電子
顕微鏡と同様に偏向色収差が映像に及ぼす影響が大とな
るため、特に低加速時に高倍率の映像を得ようとしたと
きに充分な分解能が得られないという問題があった。

この発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたもの
であって、偏向歪みを小さく、広い領域の走査が可能で
、しかも、高い分解能を得ることができる走査型電子顕
微鏡を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記目的のため、この発明の走査型電子顕微鏡は、２段
の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも一方を観
察倍率に連動せしめて制御する制御手段を有し、この制
御手段は、所定の観察倍率よりも低い観察倍率のときに
は試料上の電子線の偏向歪みを最小とし、所定の観察倍
率より高い観察倍率のときには試料上の電子線の直径を
最小とするように制御を行う。

また、この発明の走査型電子顕微鏡の前記制御手段は、
所定の観察倍率より低い観察倍率のときには圧力制限ア
パーチャ付近で電子線の偏向軌道の幅を最小とし、所定
の観察倍率より高い観察倍率のときには試料上の電子線
の直径を最小とするように制御を行う。

し作用］ 低倍率時には、電子線の偏向歪みを最小とするように２
段偏向器の偏向方向および偏向感度を制御することによ
り、偏向歪み収差を小さくすることができる。高倍率時
には、偏向時の電子線径が最小となるように２段の偏向
器の偏向方向および偏向感度を制御することにより、偏
向色収差を小さくすることができる。

また、低倍率時には、圧力制限アパーチャ付近で電子線
の偏向軌道幅が最小となるように２段の偏向器の偏向方
向および偏向感度を制御することにより、圧力制限アパ
ーチャによって電子線がけられことを防止する。

［実施例］ 次に、この発明について図面を参照して説明する。

第１図はこの発明の走査型電子顕微鏡の実施例を示す構
成図であり、第２図に示す従来例と同一符号は同一また
は相当部分を示し、その説明を省略する。

倍率判定器１９は、倍率回転設定器１６がら受は取った
倍率データの値が設定された倍率データの値と比較して
低い場合は偏向歪み収差を最小にする指示をデータ補正
器２０に与え、上記受は取った倍率データの値が設定さ
れた倍率データの値と比較して高い場合は偏向色収差を
最小にする指示をデータ補正器２０に与える。

データ補正器２０は倍率判定器１９がらの指示に従って
倍率データおよび回転データを補正処理し、この結果得
られた補正データをマルチプライングＤ／Ａコンバータ
１２ｂに出力する。この補正処理は、偏向歪み収差また
は偏向色収差を最小にする上（！ＰＩ偏向器らおよび下
側偏向器６の偏向感度比および偏向方向差が得られるよ
うにマルチプライングＤ／Ａコンバータ１２ｂに与える
倍率データおよび回転データに補正演算をする処理であ
る。この補正演算は倍率データは定数倍し、回転データ
はオフセット値を加算するものである。

上述した偏向歪み収差および偏向色収差を最小にする偏
向感度比および偏向方向差を得る倍率データおよび回転
データを求める方法としては、実験によって倍率データ
および回転データを変化させて偏向歪み収差または偏向
色収差が最小となる倍率データおよび回転データを求め
ることも可能であるが、計算によって求めることも可能
であり、以下計算によって求めた場合について説明する
。

初めに、偏向歪み収差を最小にする偏向感度比および偏
向方向差を求める場合について説明する。

上側偏向器５による偏向幅を％１ｌＵＴ下側偏向器６に
よる偏向幅をちとしたとき、この２つの偏向幅による偏
向歪みＳは（１１式となる。

Ｓ＝ＫｕｕＵｗｕＷｕＷｕ＋Ｋｕｕｏ％ＱｕＷｏＷｎ　
＋　ＫｕｎｏＷｕｌｌｎＷ。

＋ＫｏｏｏＷｎＷｏＷｏ＋ＫｏｎｕＷｎＷｏＷｕ＋Ｋｏ
ｕｕＷｏＷｕＷｕ　　（１）ただし、％ｌＩＵ、ＩＩＯ
は複素数（例えば、Ｗｇ＝ｘ＋ｊｙ　。

Ｗｕ＝ｘ−ｊｙ　）である。

合成された偏向軌道による偏向幅でこの偏向歪みＳを示
すと、（２）式となる。

Ｓ＝　Ｋ（ｌｌｕ４Ｗｎ）（％！ｌｕ＋％ｌ１ｏ）（１
’１ｕ）Ｗｏ＞　　　　　　　　（２１（２）式におい
て、Ｋは合成された偏向軌道による偏向歪み収差係数で
ある。したがって、（１）式および（′２式により、偏
向歪み収差係数には（３）式のように表すことができる
。

Ｋ　＝　（Ｋｕｕｕ％１ｌｕＷｕＷｕ＋Ｋｕｔ＋ｎ％Ｉ
ＩＵ％ＩＵＩｌｌＤ＋にｕｏｎｗｕｗｏｗ。

＋ＫＤＤＤＩＩＩＤ％１ｌＤｌｌｌＤ＋にｏｎｕＷｏＷ
ｎＷｕ　＋　ＫｎｕｕＷｏＷｃ＋Ｗｕ　）　／（Ｗｕ＋
１１ｎ）（％１ｕ＋Ｗｎ）（＄１ｕ＋Ｗｏ）　　　　　
　　　　　　ｔ３）この偏向歪み収差係数にの絶対値が
最小となるようにＷυとＷＤとの関係を求める０通常、
この解（条件）は％１ｕ／％１．＝定数の形で表される
。この解に基づいて偏向感度比Ｉ　Ｗｕ／ｖｌｏ　Ｉお
よび偏向方向差Ａｒｇ（Ｎｕ／Ｗ。）を求めることがで
きる。

そして最終的には、上記偏向感度比１％ｌｕ／ｗ。

および偏向方向差Ａｒｇ（Ｗυ／ＷＤ）を満たす偏向器
電流が増幅器１３ｂから下側偏向器６に供給されるよう
に補正した倍率データおよび回転データをデータ補正器
２０からマルチプライングＤ／Ａコンバータ１２ｂに送
出する。

また、ＥＳＥＭの場合、電子線３の偏向軌道幅が最小に
なる点を圧力制限アパーチャ付近に位置させる偏向感度
比および偏向方向差を得る倍率データおよび回転データ
を得る方法としては、実験により上記倍率データおよび
回転データを変えながら圧力制限アパーチャにけられず
に最大の視野を得る倍率データおよび回転データを得る
方法がある。また、この他にも、計算によって圧力制限
アパーチャ付近での−Ｅ側偏向器５および下側偏向器６
による電子線の偏向軌道の偏向幅がｌ１ｌＵ＝ＩＩＩ。

となる偏向感度比および偏向方向差を得る倍率データお
よび回転データを決める方法もある。また、ＥＳＥＭに
おいても走査領域の希望する範囲における偏向歪み収差
が最小となる条件に近付けることは必要である。

次に、偏向色収差を最小にする偏向感度比および偏向方
向差を求める場合について説明する。

上側偏向器５による偏向色収差係数をにＵ、下側偏向器
６による偏向色収差係数をＫＤとすると、この上側偏向
器５および下側偏向器６を動作させたときの合成された
偏向軌道による偏向色収差係数には（２）式に示すよう
になる。

Ｋ＝（にｕＷｔｒ＋Ｋｏｓ１ｏ）　／　（Ｗｏ＋Ｗｏ）
　　　　　　（４）したがって、この偏向色収差係数Ｋ
を最小にする条件は（５）式のようになる。

Ｗυ／％１ｏ＝−に［１／にυ　　　　　　　　　　　
　（５１この条件に基づいて偏向感度比１　ｗｕ／　ｖ
ｌｏ　ｌおよび偏向方向差Ａｒｇ（Ｎｏ／Ｎｏ）を求め
ることができる。

そして最終的には、上記偏向感度比ＩＷυ／ＷＯおよび
偏向方向差Ａｒｇ（ｗｕ／　Ｗｏ）を満たす偏向器電流
が増幅器１３ｂから下側偏向器６に供給されるように補
正した倍率データおよび回転データをデータ補正器２０
からマルチプライングＤ／Ａコンバータ１２ｂに送出す
る。

なお、以上の説明では、倍率に応じて偏向器電流の補正
を行う偏向器は、下側偏向器６のみ、とじたが、上側偏
向器５のみとしてもよく、また、上側偏向器５および下
側偏向器６の両方としてもよい。

なお、以上の説明では、倍率に応じて補正を行っている
が、高倍率時には固定的に定めた倍率データおよび回転
データをマルチプライングＤ／Ａコンバータ１２ａ、１
２ｂに与え、低倍率時にのみ倍率に応じた補正を行うよ
うにしてもよく、また、上記高倍率時と低倍率時とを逆
にして補正を行うようにしてもよい、また、上述の説明
では、高倍率時に偏向色収差を最小にするように偏向器
を駆動する場合について述べたが、より一般的に小偏向
時に電子線径が最小になるように偏向器を駆動しても良
い。

なお、上述した実施例は走査型顕微鏡について述べたが
、これと同様に２段偏向器を有する測長機についてもこ
の発明を適用することができることはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように、この発明の走査型電子顕微鏡によ
れば、低倍率時には、電子線の偏向歪みを最小とするよ
うに２段偏向器の偏向方向および偏向感度の少なくとも
一方を制御することにより、偏向歪み収差を小さくする
ことができる。したがって、直線性のよい映像を得るこ
とができる効果がある。高倍率時には、偏向時の電子線
径が最小となるように２段の偏向器の偏向方向および偏
向感度の少なくとも一方をを制御することにより、偏向
色収差を小さくすることができる。したがって、ぼけの
すくない解像度の高い映像を得ることができる効果があ
る。

また、ＥＳＥＭの場合、低倍率時には、圧力制限アパー
チャ付近で電子線の偏向軌道幅が最小となるように２段
の偏向器の偏向方向および偏向感度の少なくとも一方を
制御することにより、圧力制限アパーチャによって電子
線がけられことを防止する効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の走査型電子顕微鏡の一実施例を示す
構成図、第２図は従来の走査型電子顕微鏡の構成図であ
る。 ３・・・電子線、５・・−上側偏向器、６・−・下側偏
向器、１１・・・走査信号発生器、１６・・・倍率回転
データ設定器、１つ・・・倍率判定器、２０・・・デー
タ補正器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料に照射する電子線を偏向するための２段の偏
   向器を電子線通路に沿って設けた走査型電子顕微鏡にお
   いて、 前記２段の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも
   一方を観察倍率に連動せしめて制御する制御手段を設け
   、該制御手段は、所定の観察倍率よりも低い観察倍率の
   ときには前記試料上の電子線の偏向歪みを最小とし、前
   記所定の観察倍率より高い観察倍率のときには前記試料
   上の電子線の直径を最小とすることを特徴とする走査型
   電子顕微鏡。
2. （２）試料に照射する電子線を偏向するための２段の偏
   向器を電子線通路に沿って設け、鏡筒と試料室との間に
   圧力制限アパーチャを形成するとともに前記試料室に試
   料から放出される２次電子を増幅するための気体を導入
   してなる走査型電子顕微鏡において、 前記２段の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも
   一方を観察倍率に連動せしめて制御する制御手段を設け
   、該制御手段は、所定の観察倍率より低い観察倍率のと
   きには前記圧力制限アパーチャ付近で前記電子線の偏向
   軌道の幅を最小とし、前記所定の観察倍率より高い観察
   倍率のときには前記試料上の電子線の直径を最小とする
   ことを特徴とする走査型電子顕微鏡。