JPH05144403A - 荷電粒子線顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アスペクト比の大きな穴の底であっても高品
位な画像情報を得ることができるようにする。 【構成】 被検物５に荷電粒子線を集束して照射する電
子光学系２，３，４と、その荷電粒子線を変調する変調
手段１２と、被検物５上のその荷電粒子線の照射点の近
傍にレーザビームを集束して照射する光学系１５，１
６，１８，１９と、被検物５から反射されるそのレーザ
ビームの位相変化を検出する位相変化検出手段２０，２
１，２２とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばアスペクト比の
大きな穴の底でも良好に観察できる荷電粒子線顕微鏡に
関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡等の荷電粒子線顕微鏡
は、光学顕微鏡の倍率に比べて格段に高い倍率を有する
ため様々な用途で使用されているが、用途を更に拡大す
るべく観察系の種々の改善が行われている。図３（ａ）
は従来の第１の荷電粒子線顕微鏡を示し、この図３
（ａ）において、荷電粒子線源１を発した荷電粒子線は
コンデンサレンズ２、走査コイル３及び対物レンズ４を
経て被検物５に照射される。被検物５は保持機構６によ
って保持されている。７は走査信号を発生する走査手段
を示し、その走査信号及び走査位置を示す信号がそれぞ
れ走査コイル３及び表示手段８に供給される。

【０００３】走査コイル３により荷電粒子線を被検物５
上で走査することにより、被検物５からその表面形状及
び材質に応じた２次電子が発生し、この２次電子が被検
物５に比べ正電位を与えられたコレクタ電極９で集めら
れる。コレクタ電極９により集められた２次電子がシン
チレータ１０に衝突して光が発生し、この光がフォトマ
ルチプライア１１により電気信号に変換され、この電気
信号が表示手段８に供給される。これにより、表示手段
８の表示画面には被検物５の表面の疑似画像が表示され
る。

【０００４】また、図４は従来の第２の荷電粒子線顕微
鏡を示すが、この図４において図３（ａ）に対応する部
分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。この
図４において、１２は変調手段を示し、この変調手段１
２から変調信号が出力され、この変調信号が荷電粒子線
源１及びロックインアンプ１３の一方の入力端子に供給
される。荷電粒子線源１から放出される荷電粒子線には
その変調信号により振幅変調がかけられている。１４は
歪ゲージ等よりなる超音波検出器を示し、超音波検出器
１４は保持機構６と一体に又は保持機構６とは別体で独
立に構成されている。超音波検出器１４は、保持機構６
に保持された被検物５に密着して配置され、超音波検出
器１４の出力信号がロックインアンプ１３の他方の入力
端子に供給されている。超音波検出器１４からの出力信
号の内で変調手段１２の変調信号に同期した成分がロッ
クインアンプ１３により増幅され、この増幅された信号
が表示手段８に供給されている。

【０００５】図４において、荷電粒子線源１を発した振
幅変調された荷電粒子線は、コンデンサレンズ２、走査
コイル３及び対物レンズ４を経て被検物５に照射され
る。被検物５には、その表面の特性に応じた強度で、変
調手段１２により荷電粒子線に与えられた変調と等しい
周期の振動（超音波）が発生する。この振動が超音波検
出器１４により電気信号に変換され、この電気信号がロ
ックインアンプ１４に供給されている。従って、表示手
段８ではその超音波検出器１４により検出された被検物
５の振動の分布が疑似画像として表示される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示す第１の従来例においては、被検物５の表面のアスペ
クト比の大きな穴の底が良好に観察できない不都合があ
った。即ち、図３（ｂ）に示すように、被検物５の表面
に内径ａで深さｂの穴５ａが形成されているものとし
て、そのアスペクト比ｂ／ａが大きい場合には、穴５ａ
の底で発生した２次電子が穴の壁に衝突してしまい、十
分な電気信号を得ることができない。

【０００７】また、図４に示す第２の従来例は、被検物
５上の荷電粒子線の照射点で発生した振動、即ち超音波
のうち、被検物内を通過した超音波を超音波検出器１４
で検出することによって、被検物５を観察する。従っ
て、超音波は伝搬経路（被検物５）で種々の影響を大き
く受けてしまうため、ＳＮ比が悪いという不都合があっ
た。本発明は斯かる点に鑑み、アスペクト比の大きな穴
の底であっても高品位な画像情報を得ることができる荷
電粒子線顕微鏡を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による荷電粒子線
顕微鏡は、例えば図１に示す如く、被検物（５）に荷電
粒子線を集束して照射する電子光学系（２，３，４）
と、その荷電粒子線を変調する変調手段（１２）と、そ
の被検物（５）上のその荷電粒子線の照射点（５ｂ）の
近傍にレーザビームを集束して照射する光学系（１５，
１６，１８，１９）と、その被検物（５）から反射され
るそのレーザビームの位相変化を検出する位相変化検出
手段（２０，２１，２２）とを設けたものである。

【０００９】この場合、例えば図２に示すように、その
被検物（５）上に２次電子増倍を行う蒸気（２４）を封
入し、この蒸気中に所定の電圧を印加した電極（２３）
を設け、この電極（２３）より得られる電流とそのレー
ザビームの位相変化とよりその被検物（５）の表面状態
を観察するようにしてもよい。

【００１０】

【作用】斯かる本発明によれば、被検物（５）の表面に
照射される荷電粒子線は変調されているため、被検物
（５）上の荷電粒子線の照射点から超音波振動が生じ
る。そして、被検物（５）上のその照射点の近傍から反
射されるレーザビームの位相もその超音波振動に同期し
て変化するので、その位相変化を検出することにより被
検物（５）の表面の情報を得ることができる。この場
合、２次電子を検出する方式ではないので、アスペクト
比の小さい穴であっても正確に観察することができる。
更に、レーザビームは被検物（５）の荷電粒子線の照射
点の近傍に集束されており、超音波の発生源から超音波
の検出点であるレーザビームの反射面までの伝搬路は非
常に短い。従って、伝播路での影響は少なく、アスペク
ト比の大きな穴の底の高品位な画像情報を得ることがで
きる。

【００１１】また、例えば図２に示すように、被検物
（５）上に２次電子増倍を行う蒸気（２４）を封入し、
この蒸気（２４）中に所定の電圧を印加した電極（２
３）を設けた場合には、被検物（５）から放出される２
次電子は蒸気（２４）中で増倍されて電極（２３）に達
する。従って、その電極（２３）を介して得られる電流
からも被検物（５）の表面状態を観察することができ、
被検物（５）を２次電子と超音波とから多面的に観察す
ることができる。この場合、電極（２３）は被検物
（５）より出た２次電子が蒸気により２次電子増倍を繰
り返し、増幅された電子を直接検出しているので、レー
ザビームが照射されても検出される電流は変化しない。
これに対して、通常のシンチレータを用いる方式とレー
ザビームを用いる方式とを併用すると、シンチレータか
ら発生する光とレーザビームとの区別がつかないので、
シンチレータ側での観測結果のＳＮ比が悪化する虞があ
る。

【００１２】

【実施例】以下、本発明による荷電粒子線顕微鏡の一実
施例につき図１を参照して説明する。この図１において
図３及び図４に対応する部分には同一符号を付してその
詳細説明を省略する。図１は本実施例の全体の構成を示
し、この図１において、荷電粒子線源１から順にコンデ
ンサレンズ２、走査コイル３、対物レンズ４及び被検物
５を配置し、被検物５を保持機構６に保持する。そし
て、変調手段１２の変調信号を荷電粒子線源１及びロッ
クインアンプ１３の一方の入力端子に供給し、走査手段
７から出力される走査信号Ｓ１及び走査位置を示す信号
をそれぞれ走査コイル３及び表示手段８に供給する。

【００１３】１５は中央部に貫通孔を有する穴あきガル
バノミラー、１６は中央部に貫通孔を有する穴あき光学
対物レンズを示し、走査コイル３と対物レンズ４との間
に電子光学鏡筒の光軸に対して約４５°傾斜させてその
穴あきガルバノミラー１５を配置する。そして、穴あき
ガルバノミラー１５と被検物５との間に穴あき光学対物
レンズ１６を配置する。また、走査手段７から出力され
る走査信号Ｓ１をミラー用の駆動手段１７に供給し、こ
の駆動手段１７で走査コイル３に同期して穴あきガルバ
ノミラー１５を振動させる。

【００１４】１８はレーザダイオードを示し、このレー
ザダイオード１８から放射状に射出されるレーザ光ＬＢ
をハーフミラー１９で反射レーザ光と透過レーザ光とに
分け、反射レーザ光を穴あきガルバノミラー１５に向け
て、透過レーザ光を全反射鏡２０に向ける。この全反射
鏡２０より反射されたレーザ光がハーフミラー１９で更
に反射される方向に順に、結像レンズ２１及びアバラン
シェフォトダイオード（以下「ＡＰＤ」と略称する）２
２を配置し、このＡＰＤ２２の出力信号をロックインア
ンプ１３の他方の入力端子に供給し、ロックインアンプ
１３の出力信号を表示手段８に供給する。

【００１５】この場合、レーザダイオード１８を出てハ
ーフミラー１９で反射されたレーザ光が、穴あきガルバ
ノミラー１５及び穴あき光学対物レンズ１６を介して被
検物５上の荷電粒子線の照射点の近傍にスポット状に集
束するように光学系を構成する。また、走査コイル３に
より荷電粒子線が被検物５上で走査されるのに追従し
て、穴あきガルバノミラー１５の振動によりそのレーザ
光のスポットも移動させる。穴あき光学対物レンズ１６
の開口数ＮＡを０．４程度にすると、被検物５上での例
えば波長０．７８μｍのレーザ光のスポットの直径を１
μｍ程度に絞ることができる。また、荷電粒子線顕微鏡
の倍率が高く荷電粒子線の被検物５上での走査範囲がレ
ーザ光のスポットの中に収まる場合には、穴あきガルバ
ノミラー１５によるレーザ光の走査は省くことができ
る。

【００１６】また、被検物５により反射されたレーザ光
は穴あき光学対物レンズ１６及び穴あきガルバノミラー
１５を介してハーフミラー１９に向う。このハーフミラ
ー１９を透過した被検物５からのレーザ光は、ハーフミ
ラー１９で反射された全反射鏡２０からのレーザ光と干
渉し、これら干渉する２つのレーザ光は結像レンズ２１
でＡＰＤ２２の受光面に集束される。ＡＰＤ２２からは
その２つのレーザ光の干渉信号が出力される。

【００１７】上述の如く構成された本例の動作について
以下説明する。先ず、変調手段１２により変調された荷
電粒子線源１を出た荷電粒子線は、コンデンサレンズ２
で集束されて走査コイル３で走査された後、穴あきガル
バノミラー１５の貫通孔及び穴あき光学対物レンズ１６
の貫通孔を通過する。その後、荷電粒子線は対物レンズ
４により更に絞られて被検物５の照射点５ｂに照射され
る。被検物５の照射点５ｂからは荷電粒子線の変調周波
数と同一の周波数の超音波が、その照射点５ｂの表面状
態及び熱特性に応じた強度で発生する。

【００１８】一方、レーザダイオード１８を出た光はハ
ーフミラー１９、穴あきガルバノミラー１５及び穴あき
光学対物レンズ１６により、被検物５の荷電粒子線の照
射点５ｂの近傍に照射される。被検物５の表面は超音波
により振動しており、被検物５からの反射レーザ光はこ
の振動による位相の変調を受けている。この反射光は再
び穴あき光学対物レンズ１６及び穴あきガルバノミラー
１５を経てハーフミラー９に戻る。そして、レーザダイ
オード１８からハーフミラー１９を透過して全反射鏡２
０に入射し、この全反射鏡２０で反射され更にハーフミ
ラー１９で反射された参照光と、その被検物５で反射さ
れてハーフミラー１９を透過したレーザ光とは干渉し、
この干渉光が結像レンズ２１によってＡＰＤ２２に入射
する。ＡＰＤ２２により電気信号となった被検物５の振
動を表す信号の内で、変調手段１２の変調信号と同期し
た成分のみがロックインアップ１３により増幅され、こ
の増幅された信号と走査手段７からの走査位置を示す信
号によって表示手段８上に被検物５の疑似画像が表示さ
れる。

【００１９】この場合、荷電粒子線の変調周波数、即ち
被検物５の振動の周波数は例えば数ＭＨｚ〜数１０ＭＨ
ｚであり、被検物５の振動の振幅はレーザ光の波長に比
べ極端に小さくない程度である。また、荷電粒子線の変
調周波数が小さい程に被検物５の振動の振幅は大きくな
り検出感度が向上するが、変調周波数が小さいほどに１
回の走査時間を長くする必要がある。

【００２０】上述のように本例によれば、被検物５上の
変調された荷電粒子線に起因する振動がレーザ光の位相
変化に変換され、この位相変化が電気的な干渉信号とし
て検出される。そして、レーザ光は被検物５上の荷電粒
子線の照射点５ｂの近傍に集束されているので、その照
射点５ｂで発生した振動（超音波）はほぼ直接的にレー
ザ光の位相変化に変換され、超音波の伝搬による影響は
ほぼ無視できる程度になる。従って、観測対象が被検物
５上のアスペクト比の大きな穴の底であっても、高品位
な観測画像を得ることができる。なお、上述実施例にお
いては、レーザダイオード１８とハーフミラー１９との
間にレーザ光を平行光束に変換するコリメータレンズを
配置してもよい。これにより、レーザ光の干渉の幅が例
えば倍程度になり、それに応じて検出感度も例えば倍程
度になる。

【００２１】また、上述実施例では、全反射鏡２０から
の参照光との干渉により被検物５から反射されたレーザ
光の位相を検出するようにしているが、その全反射鏡２
０は省略することもできる。この場合には、例えば被検
面５から反射されたレーザ光をハーフミラー１９で反射
させて積極的にレーザダイオード１８に戻す。レーザダ
イオード１８は出力光と戻り光との位相関係又は戻り光
の強度等により端子間電圧又は供給電流等が変化するの
で、その特性の変化より被検面５からの反射光の位相変
化又は強度変化等を検出することができる。

【００２２】次に図２を参照して本発明の他の実施例に
つき説明する。この実施例は図１の実施例に更に別の観
測系を付加したものであり、図２において図１に対応す
る部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。
図２は本例の全体の構成を示し、この図２において、対
物レンズ４の荷電粒子線源１側の側面の近傍と被検物５
との間に、輪帯状の検出電極２３を設け、被検物５と検
出電極２３との間の空間には減圧された水蒸気２４を満
たす。その検出電極２３には被検物５に対して所定の正
の電圧を印加しておき、その検出電極２３で検出された
電流又はこの電流を電圧に変換した信号をスイッチ回路
２５の一方の入力端子に供給する。なお、水蒸気２４の
代わりに２次電子増倍作用のある他の気体を封入しても
よい。

【００２３】本例においても、レーザダイオード１８を
出たレーザ光がハーフミラー１９、穴あきガルバノミラ
ー１５及び穴あき光学対物レンズ１６を介して被検物５
上の荷電粒子線の照射点にスポットを結ぶように光学系
が構成されている。そして、被検物５で反射したレーザ
光が、穴あき光学対物レンズ１６及び穴あきガルバノミ
ラー１５を経てハーフミラー１９に戻り、この戻り光が
全反射鏡１２から反射され更にハーフミラー１９で反射
された参照光と干渉し、この干渉光がＡＰＤ２２で電気
信号に変換されるように構成されている。そして、ＡＰ
Ｄ２２の出力信号をロックインアップ１３の他方の入力
端子に供給し、ロックインアンプ１３の出力信号をスイ
ッチ回路２５の他方の入力端子に供給し、スイッチ回路
２５の出力信号を表示手段８に供給する。その外の構成
は図１と同様である。

【００２４】上述の如く構成された本実施例の動作につ
いて以下説明する。図２において、変調手段１２により
変調された荷電粒子線源１を出た荷電粒子線は、コンデ
ンサレンズ２で集束された後に走査コイル３で走査され
る。その後、荷電粒子線は穴あきガルバノミラー１５の
貫通孔、穴あき光学対物レンズ１６の貫通孔及び検出電
極２３の貫通孔を通過し、対物レンズ４により更に絞ら
れて被検物５に照射される。被検物５では荷電粒子線の
変調周波数と同一の周波数の超音波が、被検物５上の荷
電粒子線の照射点の表面状態及び熱特性に応じた強度で
発生する。これと同時に、その照射点から表面状態に応
じた通常の２次電子も発生する。

【００２５】発生した２次電子は、検出電極２３に印加
された電圧によって水蒸気２４の分子と衝突し、２次電
子増倍を繰り返しながらドリフトして検出電極２３に到
達し、検出電極２３では発生した２次電子に対応する電
流が検出される。この電流又はこの電流を電圧に変換し
た信号がスイッチ回路２５の他方の入力端子に供給され
る。

【００２６】一方、レーザダイオード１８を出たレーザ
光はハーフミラー１９、穴あきガルバノミラー１５、穴
あき光学対物レンズ１６及び検出電極２３の外側を経て
被検物５上の荷電粒子線の照射点の近傍にスポットとし
て集束される。被検物５の表面は超音波により振動して
おり、被検物５からの反射レーザ光はこの振動による位
相変調を受けている。この反射レーザ光は再び検出電極
２３の外側、穴あき光学対物レンズ１６及び穴あきガル
バノミラー１５を経てハーフミラー９に戻る。そして、
レーザダイオード１８からハーフミラー１９を透過して
全反射鏡鏡２０に入射し、この全反射鏡２０で反射され
て更にハーフミラー１９で反射された参照光とその被検
物５から反射されてハーフミラー１９を透過したレーザ
光とが干渉し、この干渉光が結像レンズ２１によってＡ
ＰＤ２２に入射する。被検物５の振動に対応するレーザ
光の位相変化はＡＰＤ２２により電気信号に変換され、
この電気信号の内で変調手段１２の変調信号と同期した
成分のみがロックインアップ１３により増幅されてスイ
ッチ回路２５の一方の入力端子に供給される。

【００２７】そして、このロックインアンプ１３からの
信号と検出電極２３からの信号とが、スイッチ回路２５
で切り替えられて表示手段８に供給される。そのスイッ
チ回路２５の切り替えは図示省略した制御手段等からの
信号又はオペレータからのマニュアル的な切り替え信号
により制御される。表示手段８には、被検物５上の観測
領域を発生する２次電子の量により捉えた疑似画像又は
発生する超音波の振幅により捉えた疑似画像が表示され
る。例えば、アスペクト比の大きな穴の近傍ではロック
インアンプ１３からの信号を表示手段８に供給し、その
他の領域では検出電極２３からの信号を表示手段８に供
給することにより、アスペクト比の大きな穴の底でもそ
の他の領域でも高品位な観測画像を得ることができる。

【００２８】この場合、検出電極２３は直接２次電子を
検出しているので、レーザ光の影響を受けない利点があ
る。これに対して、通常のシンチレータを用いて２次電
子を光に変換して検出する方式では、レーザ光と２次電
子による光とが混じってしまうので、２次電子の検出に
誤差が生じる虞がある。ただし、この誤差の発生は例え
ば、シンチレータ方式で２次電子を検出しているときに
レーザダイオード１８の発光を停止するか、シャッター
でレーザ光を遮蔽する等により防止することは可能であ
るが、機構又は回路構成が複雑化する不都合がある。

【００２９】また、図２では表示手段８は１個だけ設け
られているが、ロックインアンプ１３の出力信号用の表
示手段と検出電極２３用の表示手段とを別個に用意し
て、被検面５の観測面の状態を２次電子と超音波との２
面から同時に観測するようにしてもよい。このように同
時に観測を行う場合には、レーザ光の影響を受けない検
出電極２３を用いる方式は特に有益である。なお、本発
明は上述実施例に限定されず本発明の要旨を逸脱しない
範囲で種々の構成を取り得ることは勿論である。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、被検物からの情報は発
生する２次電子ではなく変調された荷電粒子線による振
動から得ると共に、その振動の発生箇所の近傍で直接そ
の振動をレーザビームの位相変化に変換して検出してい
る。従って、観測対象がアスペクトの高い穴の底であっ
ても、高品位な画像情報を得ることができる利点があ
る。

【００３１】また、被検物上に２次電子増倍を行う蒸気
を封入して２次電子検出用の電極を設けた場合には、被
検物からの情報を発生する２次電子及び発生する振動の
両方から得ることにより、被検物のより多面的な画像情
報を得ることができる。しかも、その電極は直接２次電
子を検出しているため、レーザビームの影響を受けない
利点がある。更に、２次電子検出の障害がない部分につ
いては通常の２次電子による画像のみを得るようにし
て、表面形状のみの情報を得ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による荷電粒子線顕微鏡の一実施例の全
体の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の他の実施例の全体の構成を示すブロッ
ク図である。

【図３】（ａ）は従来の第１の荷電粒子線顕微鏡を示す
ブロック図、（ｂ）はアスペクト比の高い穴を示す断面
図である。

【図４】従来の第２の荷電粒子線顕微鏡を示すブロック
図である。

【符号の説明】

１ 荷電粒子線源 ２ コンデンサレンズ ３ 走査コイル ４ 対物レンズ ５ 被検物 ６ 保持手段 ７ 走査手段 ８ 表示手段 １２ 変調手段 １３ ロックインアンプ １５ 穴あきガルバノミラー １６ 穴あき光学対物レンズ １８ レーザダイオード １９ ハーフミラー ２０ 全反射鏡 ２１ 結像レンズ ２２ アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ） ２３ 検出電極 ２４ 水蒸気 ２５ スイッチ回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検物に荷電粒子線を集束して照射する
   電子光学系と、 前記荷電粒子線を変調する変調手段と、 前記被検物上の前記荷電粒子線の照射点の近傍にレーザ
   ビームを集束して照射する光学系と、 前記被検物から反射される前記レーザビームの位相変化
   を検出する位相変化検出手段とを設けた事を特徴とする
   荷電粒子線顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記被検物上に２次電子増倍を行う蒸気
   を封入し、該蒸気中に所定の電圧を印加した電極を設
   け、 該電極より得られる電流と前記レーザビームの位相変化
   とより前記被検物の表面状態を観察するようにした事を
   特徴とする請求項１記載の荷電粒子線顕微鏡。