JPH04322048A

JPH04322048A - 走査形電子顕微鏡及び類似装置の二次電子または反射電子検出器

Info

Publication number: JPH04322048A
Application number: JP9192591A
Authority: JP
Inventors: Kashio Kageyama; 甲子男影山; Osamu Yamada; 理山田; Shinobu Otsuka; 忍大塚; Tetsuya Nishioka; 西岡　徹弥
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1992-11-12
Anticipated expiration: 2016-10-22
Also published as: JP3220997B2

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査形電子顕微鏡及び
その類似装置に係り、特に、二次電子などの試料像信号
検出器として、パルス計数形検出器を用いたものに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査形電子顕微鏡は、細く収束した電子
ビームを試料上で二次元走査し、試料から発生する二次
電子などの信号を検出，増幅し、この信号を輝度変調信
号として、陰極線管などの上に拡大された試料像を表示
するものである。この、信号を検出する手段としては、
電子の入射により発光するシンチレータ（電子−光変換
素子）と、光電子増倍管を組み合わせたもの（シンチレ
ータ−ホトマルチプライヤ型検出器）が一般的に用いら
れており、光電子増倍管の出力電流を、増幅器で増幅し
て、そのまま陰極線管の輝度変調信号とするか、あるい
は一旦Ａ／Ｄ変換器でデジタル信号として画像メモリな
どのデジタル回路を経由して後、再びＤ／Ａ変換器によ
りアナログ信号として陰極線管の輝度変調信号として、
画像を形成していた。

【０００３】この方法では、信号を連続量（アナログ量
）として扱っているが、一方、本来検出する信号は、粒
子としての電子の集合であり、信号の大きさとは、電子
の数であるので、個々の電子を別々に分離検出してこれ
を計数して信号とする方法（パルス計数法）があり、微
弱光の検出などには、光電子増倍管を用いた方法が使用
されている。

【０００４】パルス計数法では、入射してくる電子を別
々に検出するため、検出器，増幅器，計数回路は、電子
の入射間隔よりも高速で動作するものであることが必要
であるが、走査型電子顕微鏡の二次電子信号量は、小さ
くても数ｐＡであり、１ｐＡは、１秒あたり６，２５０
，０００　個の電子数に相当するので、これを数え落と
し無しで計数するには、（電子の発生が確率過程である
ことを考慮して）上記の検出系には、１００ＭＨｚをこ
える動作速度が必要であり、これを満足することが容易
でなかったため、従来、パルス計数法は使用していなか
った。しかし近年、上記の条件をみたす高速の検出系が
可能になり、走査形電子顕微鏡にパルス計数法を利用す
ることが行なわれるようになった。

【０００５】パルス計数法は、例えば、文献「Ｓｅｃｏ
ｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｃｏｕｎｔｉｎｇ　Ｉ
ｍａｇｅｓ　ｉｎ　ＳＥＭ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　
ｏｆ　ｔｈｅ　ＸＩＩｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，１９９０，ｐｐ４０２−４０３」
に報告されているように、アナログ信号として処理する
方法に比べ、（１）同一の二次電子量の場合には、数倍
，Ｓ／Ｎ比が向上し、ノイズの少ないデータが得られる
。

【０００６】（２）同じＳ／Ｎ比のデータを得るために
は、二次電子量が少なくて良い。すなわち、試料を照射
する一次電子量を減らすことができ、空間分解能の向上
，帯電，試料汚染の減少，試料損傷減少などができる。

【０００７】という利点があり、優れた方法である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シンチレー
タ−ホトマルチプライヤ型検出器によるパルス計数法を
用いる場合、問題になる点の一つは、シンチレータの寿
命である。アナログ信号として処理する場合、現在一般
的に用いているのは、陰極線管の蛍光面に使用するもの
と類似の蛍光体を塗布したもので、機械的損傷及び、表
面の汚損以外には、かなり大量の電子を照射しても劣化
しないが、これは、発光した光の減衰時間が数十ｎｓと
長く、前述の高速動作の条件を満たさない。現在使用し
得るものは、樹脂中にシンチレーション材料を混入した
もの（プラスチックシンチレータ）で、減衰時間数ｎｓ
のものがあり、これを用いているが、これは、電子照射
で発光するとともに発光中心が減少していくため、使用
時間とともに検出効率が低下する。寿命を延ばすために
は、できるだけ少ない二次電子量で使用しなければなら
ないが、走査型電子顕微鏡では、二次電子信号以外に、
反射電子信号やＸ線信号を観測する場合が多く、このよ
うな場合には、二次電子信号を観測する場合の数倍から
数百倍の一次電子量が必要であり、この場合には、二次
電子信号を観測しているか否かには関わらず、検出器に
大量の二次電子が入射するので、寿命が短くなってしま
う。

【０００９】もう一つの問題は、上述したように、パル
ス計数方式では、個々の電子を分離して計数しなければ
ならないが、入射電子量が大きくなるということは、入
射間隔が短くなることであり、これが検出器の時間分解
能をこえると、全く正常に動作しなくなってしまうこと
である。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この問題を解決するため
には、シンチレータに入射する電子量が過大にならない
ように制限してやれば良い。通常、二次電子を引き寄せ
るためと、シンチレータを発光させるのに十分なエネル
ギを入射電子に与えるために、シンチレータ前面には、
１０ｋＶ程度の正の電圧を印加しており、二次電子は、
試料とシンチレータとの間に形成されている電気力線に
そって飛来する。試料とシンチレータとの間の空間にメ
ッシュ状あるいはリング状の電極をおき、これに本来の
その電極位置の電位よりも低い電圧を印加すると、二次
電子の一部ははね返され、あるいは軌道を曲げられてシ
ンチレータに到達しなくなり、入射する電子量を減らす
ことができる。この電極の電圧を適当に設定することに
より、必要な信号量を確保し、かつ過大にならないよう
に制御することができる。

【００１１】

【作用】前記、電極に印加する電圧を発生する電源は、
その出力を制御するための入力信号、即ち制御信号を変
化させることにより、電極に印加される電圧を変化させ
ることができるようにする。

【００１２】試料に入射する一次電子の量に応じてシン
チレータへ入射する電子の量を制御する構成とする場合
には、試料に入射する電子の量を検出する検出器を電子
線通路に設置し、この出力信号に対応した制御信号を作
り、前記電源へ入力すればよい。この制御信号は、前記
パルス計数形検出器の時間分解能をこえる時の一次電子
の検出器の出力信号、またはシンチレータを必要以上に
劣化させる時の出力信号をあらかじめ測定しておき、こ
の信号量を越えるとシンチレータへの入射電子量を減少
させる方向に電圧を発生させれば、シンチレータの寿命
を著しく短くしたり、検出器の時間分解能を越えるよう
な電子量をシンチレータへ入射させることはなくなる。

【００１３】また、一次電子の信号からでなく、試料か
ら発生する二次電子の量に応じて制御信号を発生させる
場合には、パルス計数形検出器自身の出力信号から制御
信号を発生させ、シンチレータへの入射電子量を制御す
ればよい。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例を図１により説明する
。走査形電子顕微鏡は電子銃１より発生した電子線２を
収束レンズ３及び対物レンズ７により細く絞り試料８上
に照射する。同時に走査回路で駆動される偏向系６によ
り二次元的に偏向し、試料より発生した二次電子等の像
信号を輝度信号として像を形成するものである。本実施
例では試料８への一次電子の信号量からシンチレータ１
１への入射電子量を制御するよう構成した。そのため一
次電子量を検出するため電子線通路に絞り４をもうけ、
この出力をプリアンプ５により増幅するようにした。

【００１５】試料より発生した二次電子９はシンチレー
タ表面に印加された高電圧電源２３からの電圧により引
き寄せられシンチレータ１１に衝突する。この時、試料
とシンチレータ間にもうけられた二次電子制御電極１０
に印加された電圧によりシンチレータに到達する二次電
子量が変化することは前項で述べた。

【００１６】電子がシンチレータに衝突すると、シンチ
レータはある時間発光する。この光は表面を充分に研磨
した棒状のライトガイド１２と呼ばれるものにより、全
反射しながら真空外へ取りだされる。この光を光電子増
倍管１３により電気信号に変換し、さらにプリアンプ１
４により増幅する。このプリアンプ１４の出力はノイズ
を含んでいるため、波高弁別器１５によりノイズを除去
し、さらにカウンタへ入力するため波形整形される。カ
ウンタ１５は走査回路１８で作られる画像の一画素分の
周期のクロックで、計数値をレジスタ１７ヘ出力すると
ともにリセットされ、次の画素のデータを計数開始する
。レジスタ１７のデータはＤ／Ａコンバータ２０により
アナログ信号となり、さらに増幅器２１により増幅され
、陰極線管２２のグリッドに印加され輝度信号となる。これらで構成されたものをパルス計数形検出器と呼ぶ。

【００１７】一次電子量に比例したプリアンプ５の出力
は、不感帯回路２５へ入力される。この不感帯回路は、
図２に示すように入力信号がある基準電圧に達するまで
は出力信号が発生しないもので、一般のオペアンプ等で
構成できる。不感帯回路２５へは基準電圧発生器２６か
らＶ１の信号が入力される。このＶ１なる電圧は、パル
ス計数形検出器の時間分解能をこえる時の一次電子量に
相当する一次電子検出器のプリアンプ出力電圧があらか
じめ設定されている。従ってこの不感帯回路２５の出力
は、Ｖ１の電圧を超えるまで出力されないが、Ｖ１を越
えるとシンチレータ１１へ入射する二次電子を減らすよ
うに負の制御信号を発生する。また一次電子検出器のプ
リアンプ５の出力がＶ１に達するまでは、基準電圧発生
器２７からの制御信号により、シンチレータ１１へ入射
する二次電子に影響がないように二次電子制御電極の電
圧を設定し、発生した二次電子９はほとんどシンチレー
タに取り込まれる。

【００１８】以上のような構成にすれば、パルス計数形
検出器の時間分解能を越えるような大量の二次電子がシ
ンチレータに取り込まれることはなくなる。また、上記
Ｖ１の電圧を通常観察状態の範囲の上限に設定しておけ
ば、シンチレータの寿命を著しく短くするようなことは
ない。

【００１９】本実施例では、試料に入射する一次電子の
量を絞り板により直接検出し、その信号をもとに二次電
子制御電極への電圧を制御した。しかし近年の走査型電
子顕微鏡の構成をみると、図１のように高圧電源２９及
び収束レンズ電源３０等はマイクロコンピュータにより
制御されており、加速電圧値，電子銃からの放射電流値
、収束電流値等は容易に読み取れる。したがって、これ
ら電子光学系の条件から、一次電子の電流量を求め、マ
イクロコンピュータから直接、前記制御電源の入力信号
、即ち、二次電子制御電極の電圧を制御することもでき
る。この方式によれば、不感帯回路２５，加算器２８，
基準電圧発生器２６，２７は不要となり、さらに容易に
装置を実現できる。

【００２０】つぎに、パルス計数形検出器自身の出力に
より、シンチレータへ入射する二次電子の量を制御した
場合の実施例について図３により説明する。試料から発
生した二次電子を検出し、その出力から像信号を得るパ
ルス計数形検出器については図１で説明したとおりであ
る。ここでカウンタ１６からの出力をレジスタへ入力す
ると同時にデジタル比較器３１へ入力するようにする。デジタル比較器３１は、あらかじめ設定した設定値とカ
ウンタの出力データを比較し、カウンタ１６の出力が設
定値を越えると制御信号を発生する。この制御信号によ
り制御電源２４は、二次電子制御電極の電圧を負方向に
、階段的に変化させカウンタの出力が設定値以下になる
ようにする。制御電源２４は、二次電子量が減少し比較
器からの制御信号が無くなっても再び電圧が上昇するよ
うなことはないように構成し、上昇させる場合は、別な
制御信号発生器３２から制御信号を入力し、二次電子量
を手動で制御するようにする。以上のような構成にすれ
ば、二次電子を減少させる場合は自動で、増加させる場
合は手動となる制御が実現できる。これにより、シンチ
レータに設定値以上の二次電子が入射することはなく、
図１の実施例と同様の結果が得られる。

【００２１】カウンタの出力値が一定値以下になった場
合に、二次電子量を自動的に増加させるようにすること
も可能であるが、一般的にはカウンタ出力値は試料形状
によって大きく変化しているので、この方法は適当では
ないと考えられる。

【００２２】

【発明の効果】本発明によれば、パルス計数形検出器の
シンチレータへ必要以上の二次電子を入射させることが
なくなるので、シンチレータの寿命を著しく短くするよ
うなことはなくなるという効果がある。また、パルス計
数形検出器の時間分解能を越えるような二次電子がシン
チレータへ入射することがなくなるため、パルス計数回
路の動作が誤って動作することもなくなるという効果も
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】試料に入射する一次電子の量に応じて、シンチ
レータヘ入射する電子の量を制御した場合の実施例を示
す図である。

【図２】図１における不感帯回路２５の入力と出力信号
の関係図である。

【図３】パルス計数形検出器自身の出力信号により、シ
ンチレータへ入射する電子の量を制御し、さらに二次電
子を減少させる場合は自動で、増加させる場合は手動で
制御した場合の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子線、３…収束レンズ、４…絞り板
、５…プリアンプ、６…偏向系、７…対物レンズ、８…
試料、９…二次電子、１０…二次電子制御電極、１１…
シンチレータ、１２…ライトガイド、１３…光電子増倍
管、、１４…プリアンプ、１５…波高弁別器、１６…カ
ウンタ、１７…レジスタ、１８…走査回路、１９…マイ
クロコンピュータ、２０…Ｄ／Ａコンバータ、２１…増
幅器、２２…陰極線管、２３…高電圧電源、２４…制御
電源、２５…不感帯回路、２６…基準電圧発生器、２７
…基準電圧発生器、２８…加算器、２９…高電圧電源、
３０…収束レンズ電源、３１…デジタル比較器、３２…
制御信号発生器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルス計数型のシンチレータ−ホトマルチ
プライヤ型電子検出器を備えた走査形電子顕微鏡及び類
似装置の二次電子または反射電子検出器において、シン
チレータへ入射する電子の量を制御可能としたことを特
徴とする、走査形電子顕微鏡及び類似装置の二次電子ま
たは反射電子検出器。
【請求項２】請求項１の二次電子または反射電子検出器
において、試料と検出器の間に、電子抑制電極を配置し
、この電極に印加する電圧を可変として、シンチレータ
へ入射する電子の量を制御可能としたことを特徴とする
、走査形電子顕微鏡及び類似装置の二次電子または反射
電子検出器。
【請求項３】請求項１または２の二次電子または反射電
子検出器において、試料へ入射する一次電子の量に応じ
て、シンチレータへ入射する電子の量を制御可能とした
ことを特徴とする、走査形電子顕微鏡及び類似装置の二
次電子または反射電子検出器。
【請求項４】請求項１または２の二次電子または反射電
子検出器において、該検出器の出力の量に応じて、シン
チレータへ入射する電子の量を制御可能としたことを特
徴とする、走査形電子顕微鏡及び類似装置の二次電子ま
たは反射電子検出器。
【請求項５】請求項３または４の二次電子または反射電
子検出器において、シンチレータへ入射する電子の量の
制御は、これを減少させる場合は自動で、これを増加さ
せる場合は手動としたことを特徴とする、走査形電子顕
微鏡及び類似装置の二次電子または反射電子検出器。