JPH06223765A - 走査電子顕微鏡における熱電子陰極自動制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 熱電子陰極の加熱電流を最適な状態に正確に
自動的に設定することができる走査電子顕微鏡における
熱電子陰極の自動制御方法を実現する。 【構成】 コンピュータ２０の制御により、加熱電源５
から熱電子陰極２に供給される電流を予想される最適値
Ｉａの値から少なめのＩｂに設定する。そして加熱電流
を徐々に増やしていき、その間試料１３から発生する２
次電子を検出し、検出信号をＡＤ変換器１９によってデ
ィジタル信号に変換し、コンピュータ２０に供給する。
コンピュータ２０は２次電子信号強度の変化を監視し、
その強度が飽和した時点で加熱電源５を制御し、電流の
増加動作を停止させる。そして、２次電子信号強度が飽
和したときの加熱電流となるように加熱電源５を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電子銃を用いた走査
電子顕微鏡において、電子銃の熱電子陰極の加熱を自動
的に制御するための走査電子顕微鏡における熱電子陰極
の自動制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、電子銃から発生し
た電子ビームを集束レンズ，対物レンズで試料上に細く
集束し、さらに、電子ビームを偏向コイルによって２次
元的に走査し、試料への電子ビームの照射によって発生
した２次電子や反射電子などを検出するようにしてい
る。検出された信号を電子ビームの２次元走査に同期し
た陰極線管に供給することにより、陰極線管上に２次電
子像や反射電子像を表示することができる。このような
走査電子顕微鏡において、電子銃としては、タングステ
ンやＬａＢ_６などの材料で形成された熱電子陰極を通電
加熱するタイプのものが広く用いられている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱電子陰極
を用いた走査電子顕微鏡においては、良好な像を観察す
るためには、電子銃の熱電子陰極の加熱電流を最適に制
御することが重要である。すなわち、加熱電流を最適に
制御し、電子銃からの電子ビームの電流を最大とするこ
とにより、明るいＳＮ比の優れた走査像を得ることがで
きる。しかしながら、この加熱電流の調整は、観察者が
走査像を観察しながら手動で行っており、熟練を要する
作業であると共に、最適な状態に電流を設定することは
困難である。

【０００４】また、加熱電流を自動設定することも行わ
れている。この自動設定においては、加熱電流を変化さ
せて熱電子陰極からのエミッション電流を測定し、この
電流の変化率（微分処理）を求め、変化率が特定の値と
なった際の電流に熱電子陰極の加熱電流を設定してい
る。しかしながら、変化率（微分）を用いる方式のた
め、設定変化率がある範囲を有しているので、自動設定
後において常に一定のエミッション電流とならず（再現
性が悪く）、正確な制御を行うことが困難である。

【０００５】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、熱電子陰極の加熱電流を最適な状
態に正確に自動的に設定することができる走査電子顕微
鏡における熱電子陰極の自動制御方法を実現するにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく走査電子
顕微鏡における熱電子陰極の自動制御方法は、熱電子陰
極を通電加熱する方式の電子銃からの電子ビームを試料
上に細く集束すると共に、電子ビームを２次元的に走査
し、試料への電子ビームの照射に伴って得られた情報に
基づいて試料の走査像を得るようにした走査電子顕微鏡
において、熱電子陰極の加熱電流を初期状態から変化さ
せると共に、試料からの情報信号を検出し、加熱電流を
増加させても検出信号強度が飽和してほぼ変化しない状
態に加熱電流を設定するか、あるいは、加熱電流を検出
信号の急峻なピークの時の電流値に設定するようにした
ことを特徴としている。

【０００７】また、上記加熱電流の設定動作の前に、熱
電子陰極の加熱電流を初期状態に設定すると共に、試料
からの情報信号を検出しつつ、電子銃のアライメント手
段を操作して電子銃からの電子ビームの出射方向の傾斜
状態を変化させ、検出信号の最大値の状態に電子ビーム
の傾斜方向を設定する傾斜方向の設定と、電子ビームの
出射方向を水平方向に変化させ、検出信号の最大値の状
態に電子ビームの出射方向の水平方向位置を設定する水
平方向位置の設定とを行うようにしたことを特徴として
いる。

【０００８】

【作用】本発明に基づく走査電子顕微鏡における熱電子
陰極の自動制御方法は、熱電子陰極の加熱電流を初期状
態から変化させると共に、試料からの情報信号を検出
し、加熱電流を増加させても検出信号強度が飽和してほ
ぼ変化しない状態に加熱電流を設定するか、あるいは、
加熱電流を検出信号の急峻なピークの時の電流値に設定
する。

【０００９】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図１は、本発明を実施するための走査電子
顕微鏡の一例を示しており、１は電子銃である。電子銃
１はタングステンやＬａＢ_６などの材料で形成された熱
電子陰極（フィラメントともいう）２，ウェーネルト電
極３，アノード４を有している。熱電子陰極２は加熱電
源５によって通電加熱されると共に、加速電源６から加
速電圧が印加される。熱電子陰極２とウェーネルト電極
３との間にはバイアス抵抗７が挿入されている。また、
アノード４は接地されている。

【００１０】アノード４の下部にはアライメントコイル
８，９が配置されているが、アライメントコイル８，９
にはアライメント電源１０からアライメント電流が供給
される。電子銃１から発生し加速された電子ビームは集
束レンズ１１，対物レンズ１２によって細く集束され、
試料１３に照射される。試料１３上の電子ビームの照射
位置は、偏向コイル１４に走査信号を供給することによ
って走査される。１５は偏向コイル１４に走査信号を供
給する走査信号発生回路である。

【００１１】試料１３への電子ビームの照射に伴って発
生した２次電子は、フォトマルチプライアなどの２次電
子検出器１６によって検出される。検出器１６によって
検出された信号は、増幅器１７によって増幅された後、
陰極線管１８に輝度変調信号として供給される。また、
増幅器１７の出力信号は、ＡＤ変換器１９によってディ
ジタル信号に変換された後、コンピュータ２０に供給さ
れる。コンピュータ２０は、熱電子陰極の加熱電源５，
加速電源６，アライメント電源１０，走査信号発生回路
１５などを制御する。このような構成の動作を次に説明
する。

【００１２】通常の走査像を得る場合、コンピュータ２
０は走査信号発生回路１５を制御し、試料１３上の所望
の範囲を電子ビームが走査するように、回路１５から走
査信号を偏向コイル１４に供給する。試料１３への電子
ビームの照射に伴って発生した２次電子は、検出器１６
によって検出され、検出信号は増幅器１７によって増幅
された後、走査信号が供給されている陰極線管１８に輝
度信号として供給されることから、陰極線管１８上には
試料１３の所定領域の２次電子走査像が表示される。

【００１３】さて、上記した走査像の取得の前に、熱電
子陰極２の加熱電流を制御し、熱電子陰極２からのエミ
ッションを最適に設定する必要がある。ここで、加熱電
源５から熱電子陰極２に供給される電流を変化させ、熱
電子陰極から放出された電子ビームを試料１３上に照射
し、その際試料１３から発生した２次電子を検出する
と、加熱電流の変化に対し、２次電子の検出信号は図２
に示すように変化する。この変化曲線では、加熱電流が
ある値（Ｉａ）になると、それ以上加熱電流を増加させ
ても２次電子信号の強度は飽和しており、一定となる。
本発明の一実施例では、加熱電源５から熱電子陰極２に
供給される電流を、この２次電子信号の飽和点における
加熱電流Ｉａに設定する。この設定の方法を次に説明す
る。

【００１４】まず、コンピュータ２０の制御により、加
熱電源５から熱電子陰極２に供給される電流を予想され
る最適値Ｉａの値から少なめのＩｂに設定する。そして
加熱電流を徐々に増やしていき、その間試料１３から発
生する２次電子を検出し、検出信号をＡＤ変換器１９に
よってディジタル信号に変換し、コンピュータ２０に供
給する。コンピュータ２０は２次電子信号強度の変化を
監視し、その強度が飽和した時点で加熱電源５を制御
し、電流の増加動作を停止させる。そして、２次電子信
号強度が飽和したときの加熱電流となるように加熱電源
５を制御する。その後、この加熱電流のもとで電子ビー
ムを発生させ、試料１３の所望領域で走査することによ
り、最適の輝度の走査像を得ることが可能となる。

【００１５】この２次電子が飽和する電流値はフィラメ
ントのある使用時間内では一点であり、そのため、この
実施例における加熱電流の自動設定は正確に所定の電流
値とすることができ、また、再現性にも優れている。な
お、２次電子信号強度が熱電子陰極２の加熱電流の増加
によっても飽和して一定値となる理由は、熱電子陰極か
らのエミッション電流は加熱電流の増加にともなって増
加するものの、エミッション電流が特定の値以上となる
と、電子はウェーネルト電極３により多く当たるように
なり、アノード４を通って試料に向かう電子の量は変化
しなくなるためである。

【００１６】上述した実施例において、試料１３に照射
される電子ビームの焦点をずらした状態と正確に焦点が
あった状態とで自動加熱電流の設定を行ったが、焦点を
ずらした状態のほうがより再現性に優れていることが確
認された。また、試料上で走査しながら加熱電流の設定
を行った場合と、試料１３上にスポット状に電子ビーム
を照射し、電子ビームの走査を行わない場合とで比較を
行ったが、スポット状に電子ビームを照射した状態で加
熱電流の自動設定を行うほうがより再現性が優れている
ことが確認された。

【００１７】前記した実施例では、図２に示した変化曲
線を用いて自動的に加熱電流の設定を行ったが、電子銃
１からの電子ビームの軸が合っていない場合には、図３
に示すように飽和点（Ｉａ）を過ぎてから加熱電流を増
加させると２次電子信号強度が減少してしまう。この図
３に示したカーブでは、正確な加熱電流の設定が困難と
なる。そのため、加熱電流の自動設定の前に、電子銃１
のアライメントを行う必要がある。

【００１８】この電子銃１のアライメントは、まず加熱
電流を適宜な値に固定し、コンピュータ２０からの制御
によってアライメント電源１０を制御し、アライメント
コイル８，９に電子ビームの照射方向の傾斜補正の信号
を供給する。この際、常に２次電子検出信号の強度を監
視し、信号強度が最大のときのコイル８，９に供給した
アライメント電流の組み合わせを検出し、傾斜補正のア
ライメント電流をその組み合わせに設定する。次にアラ
イメントコイル８，９に水平（Ｘ，Ｙ）方向のシフト用
の補正信号を供給し、傾斜補正と同様に２次電子検出信
号を監視する。そして、信号強度が最大のときのコイル
８，９に供給したアライメント電流の組み合わせを検出
し、水平方向の補正のアライメント電流をその組み合わ
せに設定する。このような動作を行うことにより、図３
の変化カーブを図２の変化カーブとすることができ、そ
の後自動的な加熱電流の設定動作を行えば、再現性の良
い正確な加熱電流の設定を実行することができる。な
お、電子銃１のアライメントは、先ず水平方向の補正
（設定）を行い、次に傾斜方向の補正（設定）を行って
も良い。

【００１９】前記した自動的な加熱電流の設定は、図２
のカーブにおいて、２次電子検出信号が飽和する点Ｉａ
に対して行ったが、このＩａ点は、加熱電流の値が最も
低い状態である。従って、この状態で走査像を得れば、
最適な輝度とコントラストの像を得ることができる一
方、加熱電流が低いので熱電子陰極２の寿命も長くする
ことができる。熱電子陰極２の寿命を更に長くするため
には、加熱電流をより低い状態で使用すれば良く、例え
ば、図２のカーブで最初のピーク位置Ｉｃに加熱電流を
設定しても、輝度について言えばかなり良い状態で使用
することができる。しかしながら、最初のピーク位置Ｉ
ｃで使用すると、電子銃１の輝度は比較的高いものの、
電子ビームのビーム径は大きくなり、試料１３上で細く
集束できず、得られる像の分解能が悪化してしまう。

【００２０】ところで、像倍率が低くなると必ずしも電
子ビームを最大に細く絞る必要もなくなる。すなわち、
倍率が低い場合には、最初のピークＩｃで加熱電流を設
定しても分解能上はそれ程影響されない。このような点
から、倍率が低い場合には、最初のピークＩｃに加熱電
流を設定して使用することは熱電子陰極２の寿命を考慮
すると有効である。そのため、倍率が低く設定された場
合、例えば、５千倍以下の場合、コンピュータ２０から
の制御により加熱電源５は制御され、熱電子陰極２に供
給される加熱電流の値は低くされる。加熱電流を徐々に
低くすると共に２次電子信号強度の変化を監視し、コン
ピュータ２０により急峻に２次電子検出信号強度が変化
する位置（Ｉｃ）を検出し、この検出した位置における
加熱電流に熱電子陰極の加熱電流を設定する。

【００２１】なお、この最初のピーク位置Ｉｃを利用す
る場合、僅かな加熱電流の変化により輝度が大きく変化
するため、短いステップで加熱電流の自動設定動作を実
行する必要がある。もちろん、飽和位置Ｉａを利用する
場合には、加熱電流の変化に対する輝度（２次電子信号
強度）の変化は僅かであるので、加熱電流の自動設定動
作を行うステップはそれ程短くする必要はない。

【００２２】以上本発明の実施例を説明したが、本発明
はこれらの実施例に限定されない。例えば、２次電子信
号を監視するようにしたが、反射電子信号や試料の吸収
電流などを監視するようにしても良い。

【００２３】また、上記実施例においては、先ず加熱電
流を予想される最適値Ｉａの値から少なめのＩｂに設定
したが、加熱電流をＩａの値から若干多めの値に設定
し、加熱電流をＩａよりも更に下げ、そして電流を徐々
に増やしても良い。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく走
査電子顕微鏡における熱電子陰極の自動制御方法は、熱
電子陰極の加熱電流を初期状態から変化させると共に、
試料からの情報信号を検出し、加熱電流を増加させても
検出信号強度が飽和してほぼ変化しない状態に加熱電流
を設定するか、あるいは、加熱電流を検出信号の急峻な
ピークの時の電流値に設定するようにしたので、熱電子
陰極の加熱電流を最適な状態に正確に自動的に設定する
ことができる。また、より低い加熱電流に設定できるの
で、熱電子陰極の寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施するための走査電子顕微鏡の一例
を示す図である。

【図２】熱電子陰極の加熱電流と試料の２次電子信号強
度との関係を示す図である。

【図３】熱電子陰極の加熱電流と試料の２次電子信号強
度との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 熱電子陰極 ３ ウェーネルト電極 ４ アノード ５ 加熱電源 ６ 加速電源 ７ バイアス抵抗 ８，９ アライメントコイル １０ アライメント電源 １１ 集束レンズ １２ 対物レンズ １３ 試料 １４ 偏向コイル １５ 走査信号発生回路 １６ ２次電子検出器 １８ 陰極線管 １９ ＡＤ変換器 ２０ コンピュータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱電子陰極を通電加熱する方式の電子銃
   からの電子ビームを試料上に細く集束すると共に、電子
   ビームを２次元的に走査し、試料への電子ビームの照射
   に伴って得られた情報に基づいて試料の走査像を得るよ
   うにした走査電子顕微鏡において、熱電子陰極の加熱電
   流を初期状態から変化させると共に、試料からの情報信
   号を検出し、加熱電流を増加させても検出信号強度が飽
   和してほぼ変化しない状態に加熱電流を設定するように
   した走査電子顕微鏡における熱電子陰極の自動制御方
   法。
2. 【請求項２】 熱電子陰極を通電加熱する方式の電子銃
   からの電子ビームを試料上に細く集束すると共に、電子
   ビームを２次元的に走査し、試料への電子ビームの照射
   に伴って得られた情報に基づいて試料の走査像を得るよ
   うにした走査電子顕微鏡において、熱電子陰極の加熱電
   流を初期状態に設定すると共に、試料からの情報信号を
   検出しつつ、電子銃のアライメント手段を操作して電子
   銃からの電子ビームの出射方向の傾斜状態を変化させ、
   検出信号の最大値の状態に電子ビームの傾斜方向を設定
   する傾斜方向の設定と、電子ビームの出射方向を水平方
   向に変化させ、検出信号の最大値の状態に電子ビームの
   出射方向の水平方向位置を設定する水平方向位置の設定
   とを行い、その後、熱電子陰極の加熱電流を初期状態か
   ら変化させると共に、試料からの情報信号を検出し、加
   熱電流を増加させても検出信号強度が飽和してほぼ変化
   しない状態に加熱電流を設定するようにした走査電子顕
   微鏡における熱電子陰極の自動制御方法。
3. 【請求項３】 熱電子陰極を通電加熱する方式の電子銃
   からの電子ビームを試料上に細く集束すると共に、電子
   ビームを２次元的に走査し、試料への電子ビームの照射
   に伴って得られた情報に基づいて試料の走査像を得るよ
   うにした走査電子顕微鏡において、熱電子陰極の加熱電
   流を初期状態から変化させると共に、試料からの情報信
   号を検出し、加熱電流を検出信号の急峻なピークの時の
   電流値に設定するようにした走査電子顕微鏡における熱
   電子陰極の自動制御方法。