JPH06176733A - 低加速走査型反射電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ＬＥＥＭを用いてバルク状の試料の所望の範
囲の位相差像を観察する。 【構成】 電子銃４１からの電子ビームは、偏向コイル
４４、４５によりＸ，Ｙ方向に偏向を受ける。このビー
ムはレンズ４８、カソード対物レンズ４９により試料５
０面上に収束される。従って、試料５０の表面の所定の
範囲は収束された電子ビームにより走査される。このと
き、試料５０の前面の所定の位置には回折像が形成され
るが、レンズ４８はその回折像を分割型電子線検出器４
７の位置に結像する。分割型電子線検出器４７の出力信
号は信号処理回路５３に入力され、所定の演算が施さ
れ、ＣＲＴ５４に入力される。これによって信号処理回
路５３の出力信号は電子銃４１から放出された電子ビー
ムの走査と同期してＣＲＴ５４に表示される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低加速電子顕微鏡（以
下、ＬＥＥＭと称す）に係り、特に、細く絞った電子ビ
ームで試料面の所定の範囲を走査する低加速走査型反射
電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】透過型電子顕微鏡（以下、ＴＥＭと称
す）においては回折像が得られることが知られており、
この回折像は、試料の結晶構造の解析に直接利用される
だけではなく、暗視野像の観察、あるいは強磁性体の磁
区の構造の観察等にも利用されている。

【０００３】そして、ＴＥＭを用いた磁区構造の観察の
方法としては、回折面上において磁区の磁気により偏向
されて形成された回折パターンの一部分を対物絞りで覆
い隠して磁区のパターンを得る、いわゆるフーコー法が
知られているが、良好な磁区のパターンを得るものとし
て走査透過型位相差電子顕微鏡（ＤＰＣ（Differential
Phase Contrast ）−ＳＴＥＭ）が知られている。

【０００４】その原理は概略次のようである。図２はＤ
ＰＣ−ＳＴＥＭの光学系の概略を示す図であり、図示し
ない電子銃から放出された電子ビームは対物前方レンズ
２により収束されて、矢印で示す試料３に照射されると
共に、走査コイル１により試料３の所定の範囲を走査す
るようになされている。電子ビームは試料３を透過する
過程において種々の方向に散乱され、その回折像は対物
結像レンズ４により、図中５で示す対物レンズの後焦点
面上に形成される。この回折像は、図３に示すように、
試料３の位置に関係なく、試料３によりどの方向に散乱
されたかによって結像される位置が決定される。図３に
おいては、試料３によりθだけ散乱された電子は、試料
３のどの位置で散乱されたかによらずＡの位置に結像
し、試料３によりφだけ散乱された電子はＢの位置に結
像し、試料３により散乱されず直進した電子はＯの位置
に結像している。つまり、後焦点面５においては、試料
３の位相差情報を有していることが分かる。

【０００５】そこで、後焦点面５に形成されている回折
像を、図２のように、後段の中間レンズ６、投影レンズ
７の励磁を調整することによって二つの検出器８、９上
に結像させる。

【０００６】図においては、電子ビームが試料３の１０
で示す位置に照射されている場合の光線図は実線で示さ
れており、試料３の１１で示す位置に照射される場合の
光線図は波線で示されている。なお、このとき、試料３
の電子顕微鏡像は投影レンズ７の下部に縮小されて結像
されている。

【０００７】これらの検出器８、９の代わりにフィルム
を置けば回折像を撮影することはできるが、これだけで
は電子がどのような方向に散乱されているかは分かる
が、その差は知ることができない。そこで、図２のよう
に二つの検出器８、９を配置し、これらの検出器で電子
ビーム量を電気信号に変換し、その差、即ち、いま検出
器８の出力をＡ、検出器９の出力をＢとすると（Ａ−
Ｂ）の信号をＳＴＥＭの電子ビーム走査信号に同期させ
てＣＲＴに表示すると、位相差像を得ることができる。
つまり、位相差情報は、対物レンズ後焦点面５上での電
子回折像のシフトとして生ずるので、当該シフト量を後
段のレンズで拡大し、シフトした分のみの情報を像にす
るのである。

【０００８】検出器としては、図４Ａに示すような２分
割型のものでもよいし、同図Ｂに示すような４分割型の
ものでもよく、４分割型の検出器の場合には、位相差を
得るためには、検出器１５、１６、１７および１８の出
力をそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄとすると、（Ａ＋Ｄ）−
（Ｂ＋Ｃ）の演算、あるいは（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）の
演算または（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）の演算を行えばよ
い。

【０００９】従って、試料として強磁性体を用い、その
回折像を検出器上に形成させ、上記の演算を行い、その
結果得られる信号をＣＲＴに表示することによって明瞭
な磁区構造を観察することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、磁区の
構造の観察をＴＥＭを用いてフーコー法により観察する
にしろ、ＤＰＣ−ＳＴＥＭを用いて観察するにしろ、試
料は薄膜に形成しなければならいので、得られた磁区の
像が本来の磁区を表すものであるかどうか疑わしい場合
があった。即ち、磁性体試料の磁区構造は試料の形に強
く依存する場合が多く、従って試料を作成する際に薄膜
化することによって磁区構造が変化し、得られた磁区の
像がその意味を失ってしまう場合があるのである。

【００１１】ところで、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥ
Ｍと称す）においては試料は薄膜である必要はなく、バ
ルク状態でもよいので、ＳＥＭを用いて磁区構造の観察
を行うことが考えられる。そして実際、試料からの反射
電子を図４Ａ、Ｂに示すような分割型電子線検出器によ
り検出して上述したと同様の演算を行い、その結果得ら
れた信号を電子ビームの走査と同期させてＣＲＴに表示
することによって磁区構造を観察する方法も提案されて
はいるが、ＳＥＭは加速電圧が数百ボルト以上であり、
回折像が形成されないので、ＤＰＣ−ＳＴＥＭの場合と
比較するとコントラストが非常に低く、良好な磁区の像
は得られないものである。

【００１２】これに対して、バルク状の試料を用いるこ
とができ、且つ回折像が得られるものとしてＬＥＥＭが
知られている。その構成例を図５に示す。図５は本出願
人が特願平４−９５１８０号で提案したＬＥＥＭの構成
を示す図であり、図５において、ウィーンフィルタ（以
下、ＷＦと称す）２８は一次電子ビームの光路と、試料
２３からの反射電子の光路とを分離するためのものであ
り、Ｅ×Ｂ型エネルギーフィルタで構成されるが、その
電場ベクトルＥと、磁場ベクトルＢは、一次電子ビーム
が試料２３に垂直に入射し、且つ反射電子に対してはウ
ィーン条件を満足するように設定される。このような条
件はＷＦ２８を弱エキサイテーションとし、フィルタの
長さＬを大きくすることによって実際に達成できること
が確認されている。なお、ここでフィルタの長さＬは、
荷電粒子の電荷量、質量をそれぞれｅ，ｍ、ＷＦ１３の
電場強度、磁場強度をそれぞれＥ，Ｂとするとき、下記
の（１）式で与えられる値である。

【００１３】 Ｌ＝πＥｍ／ｅＢ² …（１） 以上のことにより、電子銃２１から放出され、照射レン
ズ２２を通過した一次電子ビームはＷＦ２８によって大
きく偏向され、試料２３に向けて垂直に入射させられ、
試料２３から発生し、電極２４、２５からなるカソード
対物レンズ２７を通過した反射電子はＷＦ２８では何の
偏向作用も受けず直進する。なお、図５においてθで示
すものは、電子銃２１から放出される一次電子ビームの
光軸と反射電子の光軸とのなす角度であり、この角度θ
は30°〜45°程度となされる。

【００１４】試料２３から発生され、カソード対物レン
ズ２７、ＷＦ２８を直進した反射電子は結像レンズ系２
９を通る。結像レンズ系２９は、反射電子の像をスクリ
ーン３０に投影する場合には投影レンズとしての機能を
果たすように励磁されるものあり、従ってこの場合には
反射電子の像は結像レンズ系２９によって所定の倍率に
拡大され、スクリーン３０に投影されるので、オペレー
タは矢印３４の方向からスクリーン３０に結像された反
射電子像を観察することができる。しかし、スクリーン
３０を光軸から外し、反射電子をＷＦ３１に導いてエネ
ルギー分析を行う場合には、結像レンズ系２９は無励磁
とされるか、または収束レンズとして機能するように励
磁される。

【００１５】エネルギー分析が行われるときには、反射
電子は結像レンズ系２９からＷＦ３１に入射される。こ
のＷＦ３１はエネルギー分析を行うために配置されてい
るものであり、リターディング型ＷＦ等の周知の構成の
ものを使用することができる。そしてこのＷＦ３１は、
その直前に結像された像または回折像が当該ＷＦ３１の
直後に結像されるように、即ち、当該ＷＦ３１が一つの
レンズとして作用するに十分な強度で使用される。従っ
てこのＷＦ３１のフィルタの長さＬは短くなされている
ものである。

【００１６】このことによって種々のエネルギーを有す
る反射電子の中から所定のエネルギーを有する反射電子
のみが選別され、選別された反射電子はＷＦ３１を直進
し、その像は結像レンズ系３２により所定の大きさに拡
大されてスクリーン３３に結像される。これによって単
色の像を観察することができる。

【００１７】ところで、図５に示す構成においては、電
子ビームの加速電圧は数十ボルト〜200Ｖ程度であり、
ＳＥＭより低い加速電圧が用いられるので、試料２３の
前面には回折像が形成されることが分かっている。従っ
て、図５に示す構成は、反射電子を用いて試料の拡大像
を観察する、いわゆる直接写像型ＬＥＥＭであるが、試
料の前面に形成される回折像を適宜のレンズを用いて適
当な位置に結像させ、その位置に図４に示すような分割
型電子線検出器を配置してその分割型電子線検出器の出
力信号に上述したと同様な演算を施し、その結果得られ
た信号をＣＲＴに表示することによってバルク状の磁性
体試料の磁区の構造を観察できる可能性があることが分
かる。

【００１８】しかし、図５に示すような直接写像型ＬＥ
ＥＭにおいては一次電子ビームは試料上に収束されてし
まうので、１点の回折像だけしか得られないという問題
がある。即ち、磁区構造の観察等において回折像を利用
する場合には、図６Ａに示すように、電子ビームｅはあ
る程度の広がりをもつ平行ビームとなされて試料ＳＰの
所望の範囲に照射されることが望ましい。実際、ＴＥＭ
あるいはＤＰＣ−ＳＴＥＭにおいては照射系レンズによ
り図６Ａに示すような状態で電子ビームが試料に照射す
るようになされている。

【００１９】しかし、図５に示す直接写像型ＬＥＥＭに
おいては、図６Ｂに示すように、電子ビームｅは試料Ｓ
Ｐの殆ど１点に収束されてしまうので、図５の構成では
所望の範囲の磁区の構造を同時に観察することは難しい
ものである。

【００２０】これは次の理由による。図５の構成におい
ては、カソード対物レンズ２７は、試料２３に入射する
電子ビームと、試料２３からの反射電子ビームに対して
同じレンズ作用を及ぼす。そこで、このカソード対物レ
ンズ２７のレンズ作用について考えてみると、図５に示
すＬＥＥＭは直接写像型であるが故に、カソード対物レ
ンズ２７は、試料２３からの反射電子ビームに対しては
試料２３の拡大像を所定の位置に結像させるレンズ作用
を有することが必要になる。即ち、カソード対物レンズ
２７の焦点は試料２３面上にあることが必要となる。従
って、一次電子ビームがある太さを有する平行ビームで
あったとしても、この一次電子ビームはカソード対物レ
ンズ２７によって試料２３面上に収束され、図６Ｂに示
すような状態になるのである。

【００２１】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、バルク状の試料の所望の範囲の回折像を観察する
ことができる低加速走査型反射電子顕微鏡を提供するこ
とを目的とするものである。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の低加速走査型反射電子顕微鏡は、低エネ
ルギーの電子ビームを試料面に略垂直に入射させると共
に、試料面上に収束させた状態で試料面上を走査する手
段と、試料から略垂直方向に反射された反射電子に基づ
いて試料の回折像を形成する手段と、回折像が形成され
る位置に配置された電子線検出器とを備えることを特徴
とする。

【００２３】

【作用及び発明の効果】電子ビームは低い加速電圧で加
速され、試料に略垂直に入射され、試料表面の所定の範
囲を収束された状態で走査するようになされる。試料か
らの反射電子は試料から略垂直方向にでるが、このとき
試料前面の所定の位置には回折像が形成される。そし
て、この回折像が形成される位置には電子線検出器が配
置されている。従って電子線検出器の出力信号を電子ビ
ームの走査と同期してＣＲＴに表示することによって回
折像を観察することができる。なお、試料前面の回折像
が形成される位置に電子線検出器を配置することができ
ない場合には、その回折像をレンズで所望の位置に結像
させ、その位置に電子線検出器を配置すればよい。

【００２４】このように、入射電子ビームは試料表面に
略垂直に入射し、且つ反射電子ビームは試料表面から略
垂直にでるので、試料はバルクの状態でもよいものであ
る。また、入射電子ビームは試料表面上に収束される
が、試料表面上を走査するようになされるので、試料表
面の所定の範囲に渡って、その回折像を得ることができ
る。

【００２５】更に、電子線検出器として、請求項２記載
のように分割型電子線検出器とした場合には、各検出器
の出力信号に所定の演算を施し、その結果得られた信号
をＣＲＴに表示することによって明瞭な位相差像を得る
ことができるので、これを利用することによって磁性体
の磁区構造の観察を良好に行うことができる。

【００２６】

【実施例】以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
図１は本発明に係る低加速走査型反射電子顕微鏡の一実
施例の構成を示す図であり、図中、４１は電子銃、４２
は電源、４３は収束レンズ、４４はコンデンサ絞り、４
５、４６は偏向コイル、４７は分割型電子線検出器、４
８はレンズ、４９はカソード対物レンズ、５０は試料、
５１は走査信号発生回路、５２は増幅器、５３は信号処
理回路、５４はＣＲＴ、５５、５６は電源を示す。

【００２７】電子銃４１から放出された電子ビームは、
電源４２により与えられる10Ｖ〜 200Ｖ程度の低い加速
電圧により加速され、収束レンズ４３によって収束さ
れ、コンデンサ絞り４４を通過して偏向コイル４４、４
５によりＸ，Ｙ方向に偏向を受ける。なお、偏向コイル
４４、４５の一方は電子ビームをＸ方向に偏向するため
の偏向コイルであり、他方はＹ方向に偏向するための偏
向コイルであり、これらの偏向コイル４４、４５には走
査信号発生回路５１で発生された走査信号が増幅器５２
で増幅されて供給される。

【００２８】偏向コイル４４、４５で偏向を受けた電子
ビームは、レンズ４８、カソード対物レンズ４９により
試料５０面上に収束される。従って、試料５０の表面の
所定の範囲は収束された電子ビームにより走査されるこ
とになる。なお、試料５０は電源５６によって所定の電
位になされている。また、カソード対物レンズ４９は電
磁レンズで構成することも可能であることは当然である
が、電磁レンズで構成した場合には、強磁性体の磁区構
造を観察する際にはレンズ磁場のシールドが必要となる
が、図に示すようにアインツェルレンズを組み合わせて
構成すればそのようなシールドは不要となるので有効な
ものである。

【００２９】このとき、試料５０の前面の所定の位置に
は回折像が形成されるが、レンズ４８はその回折像を分
割型電子線検出器４７の位置に結像する。分割型電子線
検出器４７の出力信号は信号処理回路５３に入力され、
所定の演算が施される。例えば、分割型電子線検出器４
７が図４Ａに示すように２分割型である場合には、二つ
の検出器の差が演算され、また、図４Ｂに示すように４
分割型である場合には、４個の検出器の出力をＡ，Ｂ，
Ｃ，Ｄとしたとき、（Ａ＋Ｄ）−（Ｂ＋Ｃ）、あるいは
（Ａ＋Ｂ）−（Ｃ＋Ｄ）、または（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋
Ｄ）の演算が行われる。

【００３０】そして、信号処理回路５３の出力信号はＣ
ＲＴ５４に入力される。ＣＲＴ５４には走査信号発生回
路５１で発生された走査信号がＣＲＴの電子ビームの走
査を行うための信号として供給されているので、信号処
理回路５３の出力信号は電子銃４１から放出された電子
ビームの走査と同期して表示されることになる。

【００３１】以上の動作により、ＣＲＴ５４には、ＤＰ
Ｃ−ＳＴＥＭにおける位相差像と同等の明瞭な位相差像
が表示されることになるので、試料５０として磁性体を
用いれば、その磁区構造を示す画像をＣＲＴ５４上で観
察することができる。

【００３２】以上、本発明の一実施例について説明した
が、本発明は上記実施例に限定されるものではなく種々
の変形が可能である。例えば、上記実施例では加速電圧
を10Ｖ〜 200Ｖ程度としたが、加速電圧を数十ｋＶ程度
とし、試料にも加速電圧とほぼ同じ電圧を印加しておい
て入射する電子ビームを試料の直前で減速し、反射電子
を再び加速するようにしてもよいものであり、これによ
れば、低エネルギーの電子ビームが走行する距離を短く
することができるので、低エネルギー電子ビームに対す
る外部からの影響を排除するための構成は容易になるも
のである。

【００３３】また、上記実施例では試料５０の前面に形
成される回折像をレンズ４８により電子線検出器４７の
位置に結像させるようにしたが、電子線検出器４７を最
初の回折像の位置に配置することができる場合にはレン
ズ４８は必要ないものであることは明かである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の構成を示す図である。

【図２】 ＤＰＣ−ＳＴＥＭの原理を説明するための図
である。

【図３】 ＴＥＭの回折像を説明するための図である。

【図４】 分割型電子線検出器の構成例を示す図であ
る。

【図５】 本出願人が先に提案したＬＥＥＭの構成を示
す図である。

【図６】 従来のＬＥＥＭの問題点を説明するための図
である。

【符号の説明】

４１…電子銃、４２…電源、４３…収束レンズ、４４…
コンデンサ絞り、４５、４６…偏向コイル、４７…分割
型電子線検出器、４８…レンズ、４９…カソード対物レ
ンズ、５０…試料、５１…走査信号発生回路、５２…増
幅器、５３…信号処理回路、５４…ＣＲＴ、５５、５６
…電源。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 低エネルギーの電子ビームを試料面に略
   垂直に入射させると共に、試料面上に収束させた状態で
   試料面上を走査する手段と、試料から略垂直方向に反射
   された反射電子に基づいて試料の回折像を形成する手段
   と、回折像が形成される位置に配置された電子線検出器
   とを備えることを特徴とする低加速走査型反射電子顕微
   鏡。
2. 【請求項２】 前記電子線検出器は分割型電子線検出器
   であることを特徴とする請求項１記載の低加速走査型反
   射電子顕微鏡。