JPH06236744A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境制御型の走査型電子顕微鏡において、１
次電子ビームの気体による散乱を防ぐと共に、正イオン
が試料にチャージアップして２次電子信号のＳＮ比が低
下するのを防止する。 【構成】 真空室（１）と試料室（２）とが圧力制御ア
パーチャ（３）を介して接している。試料室（２）内に
は試料（７）が収納される。圧力制限アパーチャ（３）
から試料（７）直上までの間に電子ビームの通路を形成
する細管（１７）が設けられている。この細管（１７）
はアースに接続されている。電子ビームは試料（７）の
直上まで細管の内部を走行することになり、電子ビーム
の気体による散乱を防ぐことができる。また、細管（１
７）はアース電極として機能しているので、１次電子ビ
ームが試料（７）に入射したことにより試料（７）から
放出された２次電子の増倍作用によって生じる正イオン
が試料にチャージアップするのを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境制御型の走査型電
子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の走査型電子顕微鏡は、真空中に配
置された試料(ターゲット）から放出される２次電子を
シンチレータの発光により検出している。これに対し
て、所謂環境制御型の走査型電子顕微鏡は、水蒸気等の
低圧気体中に配置された試料からの２次電子をその気体
によりガス増幅し、この増幅された２次電子を検出電極
で直接検出している。斯かる環境制御型の走査型電子顕
微鏡によれば、通常の電子顕微鏡では観察できないよう
な種々の試料を観察することができる。

【０００３】図２は従来の環境制御型の走査型電子顕微
鏡の一例を示し、この図２において、電子銃（１１）が
収納された真空室（１）（実際には、差動排気のために
アパーチャにより区切られた複数の部屋からなる）と試
料室（２）とが圧力制限アパーチャ（３）を介して接し
ている。その圧力制限アパーチャ（３）の周囲には絶縁
体（４）を介して電磁レンズよりなる対物レンズ（５）
が配置されている。試料室（２）には気体供給源（１
０）より、ガス増幅を行う気体（例えば水蒸気）が供給
されると共に、試料室（２）の気体の圧力は真空ポンプ
（６）により０．１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保たれてい
る。また、試料室（２）の気体は圧力制限アパーチャ
（３）を通って真空室（１）中に流れるが、真空ポンプ
（１３）により真空室（１）の気体の圧力は試料室
（２）の内部よりも小さい圧力（高い真空度の状態）、
例えば圧力制限アパーチャ（３）の真上で１０-2〜１０
-3Ｔｏｒｒ程度に保たれている。実際には上述したよう
に、真空室（１）はアパーチャにより複数の部屋に分離
されており、各々の部屋に真空ポンプが設けられ電子銃
（１１）は最も高い真空度の部屋に配置されている。

【０００４】試料室（２）の内部に観察対象とする絶縁
物よりなる試料（７）が収納される。また、２次電子検
出器（１５）には可変電圧源（８）より試料（７）に対
して正の電圧が印加されている。その２次電子検出器
（１５）から得られる２次電子信号がプリアンプ（９）
を介して図示省略した処理装置に取り込まれる。試料
（７）の観察を行う場合には、真空室（１）の電子銃
（１１）から放出された１次の電子ビームが圧力制限ア
パーチャ（３）を通過して試料（７）上に集束され、こ
の集束された電子ビームが走査される。このときに、試
料（７）から放出される２次電子は２次電子検出器（１
５）の電場により２次電子検出器（１５）の方向へ運動
しながら試料室（２）中の気体によりガス増幅され、そ
の結果生じた正イオンが試料（７）に照射されて、電子
ビームの照射により生じた試料（７）の負のチャージが
中和される。また、ガス増幅された２次電子は２次電子
検出器（１５）に取り込まれ、この２次電子信号がプリ
アンプ（９）を介して外部の処理装置に取り込まれる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２の
装置では、１次の電子ビームが試料室（２）内において
気体中を圧力制限アパーチャ（３）から試料（７）まで
（通常数ｍｍ）走行するため、１次の電子ビームは気体
分子により散乱を受け、元の電子ビームに比べビーム径
は大きくなってしまう。そのため、分解能が低下した
り、散乱電子がノイズの原因になりＳＮ比が低下するこ
とがある。

【０００６】また、１次の電子ビームに比べて遥かに過
剰な正イオンが試料（７）に降り注ぐため、試料（７）
の絶縁性が高い場合にはその試料（７）が正にチャージ
アップするようになる。このチャージアップの結果、２
次電子検出器（１５）と試料（７）との間の電位差が小
さくなり、ガス増幅率が減少する。そのために、２次電
子検出器のゲインが低下して、得られる観察画像のＳＮ
比が低下するという不都合がある。この２次電子検出器
と試料との間の電位差の減少を２次電子検出器の電圧の
上昇で補おうとしても、今度は２次電子検出器とその近
傍のアース電位の金属（例えばレンズ）との間の電位差
が大きくなりすぎて、それらの間に微少放電が起こる。
そして、その微少放電ノイズが観察画像上に現れて、結
局はＳＮ比を向上させることができない。

【０００７】本発明は斯かる点に鑑み、１次の電子ビー
ムの気体による散乱を最小限に抑えることと、試料上に
降り注いだ正イオンを吸収することによって、高い分解
能と高いＳＮ比をもった走査型電子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】本発明による走査型電子
顕微鏡は、例えば図１に示す如く、電子銃（１１）から
射出した電子線の通路を形成する真空室（１）と、真空
室（１）に圧力制限アパーチャ（３）を挟んで連結さ
れ、ガス増幅を行う気体が気体供給源（１０）から供給
されると共に、試料（７）が収納される試料室（２）
と、その電子銃（１１）により発生した電子線をその圧
力制限アパーチャ（３）を通して試料室（２）に収納さ
れた試料（７）上に集束する集束手段（１２，５）と、
その集束された電子線をその試料（７）上で走査する走
査手段（１４）と、試料室（２）に配置され、その試料
（７）から発生した後にその気体によりガス増幅された
２次電子を検出する２次電子検出器（１５）とを有する
走査型電子顕微鏡において、試料室（２）内の気体によ
る１次の電子ビームの散乱を減少させるために、圧力制
限アパーチャ（３）から試料（７）直上までの間に、真
空ポンプによって真空排気される１次の電子ビームの通
路（１７ａ）を形成する細管（１７）を設ける。また更
に、気体によるガス増幅により生じ、その後試料（７）
上に降り注いで留まっている負のチャージアップの中和
に寄与しない余分な正イオンを吸収するために、この細
管（１７）をアース電極としても機能させたものであ
る。

【０００９】

【作用】本発明によれば、圧力制限アパーチャから試料
直上までの間に真空排気された１次の電子ビームの通路
が細管により形成され、１次の電子ビームが気体中を走
行する距離は、細管の出口を出てから試料までの僅かな
距離となるため、１次の電子ビームの気体による散乱は
大幅に減少する。したがって、１次ビームのビーム径が
大きくなってしまうことはなくなり、ノイズ源となる散
乱電子もなくなる。また、この細管がアース電極を兼ね
ている場合には、試料直上まで延びているので、ガス増
幅により生じ、試料上に降り注いだ正イオンのうち、負
のチャージアップの中和に寄与しない余分な正イオンは
この電極に引き寄せられ、やがて吸収される。したがっ
て、試料が正にチャージアップすることはなくなる。

【００１０】その結果、常に高い分解能と高いＳＮ比の
観察画像を得ることができるようになる。なお、この細
管は試料直上に配置されているため、試料より発生する
２次電子のうち細管の方向へ発生したもの中には、アー
ス電極としての細管に吸収され、検出器へ到達しないも
のもある。そのため、２次電子検出器の２次電子捕獲効
率は多少減少するが、ガスによる１次の電子ビームの散
乱防止と試料の正のチャージアップ防止による分解能向
上とＳＮ比向上の効果の方が大きく、全体としては、観
察画像は向上する。

【００１１】

【実施例】以下、本発明による走査型電子顕微鏡の一実
施例につき図１を参照して説明する。本例は、環境制御
型の走査型電子顕微鏡に本発明を適用したものであり、
この図１において、図２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。

【００１２】図１において、真空室（１）の上部には電
子銃（１１）が配置され、真空室（１）の中段の外側に
はコンデンサーレンズ（１２）が配置され、真空室
（１）の下段の外側には電磁偏向器（１４）が配置され
ている。尚、真空室（１）は概念的に一つの部屋で示し
たが、実際には複数の圧力制限アパーチャ板にて仕切ら
れた例えば３つの部屋から構成されており、各々の部屋
が真空ポンプにより差動排気されるように構成されてい
る。そして、最も真空度の高い部屋に電子銃（１１）が
設けられる。また、真空室（１）と圧力制限アパーチャ
板（３）を挟んで試料（７）が収納された試料室（２）
が配置され、この試料室（２）には気体供給源（１０）
よりガス増幅を行う気体（例えば水蒸気）が供給される
と共に、試料室（２）の気体の圧力は真空ポンプ（６）
により０．１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保たれている。圧
力制限アパーチャ板（３）から試料（７）の直上まで、
電子銃（１１）から射出された電子線の通路を形成する
金属製の細管（１７）が設けられている。細管（１７）
は、圧力制限アパーチャ板（３）の圧力制限アパーチに
連通する圧力制限アパーチャとほぼ等しい大きさの内径
を有しており、ハーメチックシール（１８０）を介して
アースに接続した線路が接続されることによりアースさ
れている。細管の開口（１７ａ）から圧力制限アパーチ
ャ（３）を通って、真空室（１）に漏れた試料室（２）
の気体は、真空ポンプ（１３）により排気され、真空室
（１）の気体の圧力は試料室（２）より高い真空度（小
さい圧力）に維持されている。なお、図では真空ポンプ
（１３）のみを記載したが、複数の真空ポンプを用いて
も良く、例えば空間的に許容されるならば、細管（１
７）の内部を直接排気する専用のポンプを用いても良い
ことは当然である。

【００１３】２次電子検出器（１５）には試料室（２）
の側壁の絶縁性のハーメチックシール（１８）を介して
可変電圧源（８）より試料（７）に対して正の電圧が供
給され、その２次電子検出器（１５）からの２次電子信
号がプリアンプ（９）を介して図示省略した処理装置に
取り出されている。本例の動作の説明を行うに、電子銃
（１１）から放出された電子ビームは、コンデンサーレ
ンズ（１２）により集束された後に、圧力制限アパーチ
ャ（３）、細管（１７）の内部を通過して試料室（２）
の内部の試料（７）に照射される。従来であれば、圧力
制限アパーチャ（３）を通過した１次の電子ビームは試
料（７）に至るまでの間（数ｍｍ程度）気体中を走行す
ることになる。これにより１次の電子ビームは気体によ
り散乱を受け、スポット径は元の電子ビームに比べ大き
くなってしまう。しかし、本例では、試料室（２）内に
おける１次の電子ビームの経路に真空ポンプ（１３）に
よって真空排気された電子線通路（１７ａ）が設置され
ているため、１次の電子ビームの散乱は大幅に減少され
る。

【００１４】１次の電子ビームは電磁偏向器（１４）に
より試料（７）上で走査されると共に、対物レンズ
（５）によりその試料（７）上で集束される。その１次
の電子ビームの照射により試料（７）から２次電子が発
生する。このとき、細管（１７）の先端が試料（７）の
直上にあるが、細管（１７）は肉厚（外径と内径との
差）が小さいので、試料（７）から発生した２次電子
は、ほとんどが細管（１７）に妨害されることなく、２
次電子検出器（１５）が作る電場により２次電子検出器
（１５）の方向へと引き寄せられる。この途中で２次電
子が試料室（２）の内部の気体と衝突を繰り返すことに
より、多量の正イオンが発生する。従来であれば、この
正イオンは試料（７）に降り注ぎ、一部は積極的に負の
チャージアップの中和に寄与するものの、残りの過剰な
正イオンは試料（７）上に留まるため、試料（７）は正
にチャーアップすることになる。しかし、本例では、１
次の電子ビームの通路を形成する細管（１７）がアース
電極として試料直上に配置されているため、試料上に留
まっている負のチャージアップの中和に寄与しない余分
な正イオンはこの電極の方向へ引き寄せられやがて吸収
される。したがって、試料が正にチャージアップするこ
とが無くなる。

【００１５】この結果、１次の電子ビームは殆ど散乱さ
れずに小さいビーム径のままで試料（７）に到達し、ま
た、試料（７）は正のチャージアップをすることがない
ため、試料（７）と２次電子検出器との間の電位差はほ
ぼ一定に保たれ、２次電子検出器からは常に一定で且つ
高い分解能と高いＳＮ比の２次電子信号が得られ、最終
的に分解能とＳＮ比が高いレベルで一定の良好な観察画
像が得られる。

【００１６】

【発明の効果】本発明によれば、気体による１次の電子
ビームの散乱を減少することができるので、高い分解能
と高いＳＮ比を得ることができる。また、試料上に留ま
る余分な正イオンを吸収することができるので、試料が
正にチャージアップするのが防止され、高いＳＮ比を得
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の一実施例の概
略構成を示す縦断面に沿う端面図である。

【図２】従来の環境制御型の走査型電子顕微鏡の一例の
要部を示す縦断面に沿う端面図である。

【符号の説明】

１ 真空室 ２ 試料室 ３ 圧力制限アパーチャ ４ 絶縁体 ５ 対物レンズ ６，１３ 真空ポンプ ７ 試料 ８ 可変電圧源 ９ プリアンプ １０ 気体供給源 １１ 電子銃 １２ コンデンサーレンズ １４ 電磁偏向器 １５ ２次電子検出器 １７ 電子線通路形成手段（アース電極） １８、１８０ ハーメチックシール

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子線源から射出した電子線の通路を形
   成する真空室と、 前記真空室に圧力制限開口を挟んで連結され、ガス増幅
   を行う気体が供給されると共に、試料が収納される試料
   室と、 前記電子線源により発生した電子線を前記圧力制限開口
   を通して前記試料室に収納された試料上に集束する集束
   手段と、 前記集束された電子線を前記試料上で走査する走査手段
   と、 前記試料室に配置され、前記試料から発生した後に前記
   気体によりガス増幅された２次電子を検出する２次電子
   検出手段とを有する走査型電子顕微鏡において、 前記試料室内における前記圧力制限アパーチャから前記
   試料直上までの間に、真空ポンプによって真空排気され
   る前記電子線の通路を形成する細管を設けたことを特徴
   とする走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記細管が、前記気体によるガス増幅に
   より生じ、前記試料上に降り注いで留まっている正イオ
   ンを吸収するためのアース電極を兼ねることを特徴とし
   た走査型電子顕微鏡。