JPH06338282A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料の正へのチャージアップを防ぐととも
に、２次電子が効率良く２次電子検出手段に引き寄せら
れるようにして、良好な観察像を得る。 【構成】 真空室１と、電子増倍作用のある気体が供給
されると共に、試料７が収納される試料室２と、電子銃
１５からの電子線を試料７上に集束するコンデンサレン
ズ１６及び対物レンズ５と、集束された電子線を試料７
上で走査する電磁偏向器１７と、試料７から発生した後
に前記気体により電子増倍された２次電子を検出する圧
力制限アパーチャ板３と、圧力制限アパーチャ板３と試
料７との間の試料室２に配置され、前記気体の電子増倍
作用により生じるイオンを収集するためのイオンコレク
ターとしてのグリッド電極１９と、圧力制限アパーチャ
板３とグリッド電極１９との間の電界がグリッド電極１
９と試料７との間の電界よりも大きくなるような電圧
を、グリッド電極１９に印加する可変電圧源２０とを備
えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えばいわゆる環境
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、いわゆる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
気体によりガス増倍（電子増倍）し、この増倍された２
次電子を検出電極で直接検出している。この環境制御型
の走査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】ただし、通常の低加速走査型電子顕微鏡に
おいては、試料に入射する１次の電子線の量と試料から
放出される２次電子の量とがほぼ等しいのに対して、環
境制御型の走査型電子顕微鏡においては、電子ビームの
加速電圧が比較的大きいために、試料に入射する１次の
電子線の量よりも試料から放出される２次電子の量が減
り、試料が負にチャージアップ（帯電）する傾向にある
が、環境制御型の走査型電子顕微鏡はその試料の負のチ
ャージを中和させる機構を有している。

【０００４】図４（ａ）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４（ａ）において、電子
銃（図示省略）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（外枠は不図示）とが圧力制限アパ
ーチャ板３を介して接している。その圧力制限アパーチ
ャ板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には図示省略
した供給源より電子増倍作用のある気体（例えば水蒸
気）が供給されると共に、試料室２の気体の圧力は図示
省略した真空ポンプにより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
ーチャ板３のアパーチャ３ａを通って真空室１中に流れ
るが、真空ポンプ６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板３の真上で１０^-2〜１０^-3Ｔ
ｏｒｒ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は最も高
い真空度の部屋に配置されている。

【０００５】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、この従来例では、圧
力制限アパーチャ板３が２次電子検出器を兼ねており、
圧力制限アパーチャ板３に可変電圧源８より試料７に対
して正の電圧が印加されている。その圧力制限アパーチ
ャ板３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。

【０００６】試料７の観察を行う場合には、真空室１の
電子銃から放出された電子ビームが圧力制限アパーチャ
板３のアパーチャ３ａ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次電子検出器として
の圧力制限アパーチャ板３の電場により試料室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、電子増倍された２
次電子は圧力制限アパーチャ板３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。

【０００７】図４（ｂ）は従来の環境制御型の走査型電
子顕微鏡の他の例を示す。この従来例は圧力制限アパー
チャ板と２次電子検出器とを分離したものであり、この
図４（ｂ）において図４（ａ）と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。

【０００８】図４（ｂ）において、圧力制限アパーチャ
板３の周囲で且つ試料７の上方に、内径数ｍｍのリング
状の２次電子検出器１０が配置され、２次電子検出器１
０には可変電圧源１１より正の電圧が印加されている。
また、２次電子検出器１０からの２次電子信号がプリア
ンプ１２を介して図示省略した処理装置に取り込まれて
いる。更に、圧力制限アパーチャ板３にも可変電圧源８
より試料７に対して正の電圧が印加されている。

【０００９】この場合、絶縁物よりなる試料７から放出
される２次電子は、２次電子検出器１０の電場により２
次電子検出器１０の方向に運動しようとするが、この方
向は電磁レンズ５によって発生する磁力線を横切る方向
である。そこで、２次電子は直線的に２次電子検出器１
０に飛び込めなくなりレンズ磁場に絡み付くような運動
を始める。この２次電子及び試料室２の内部の気体のガ
ス増幅の結果生じた電子群は、最終的には最も電圧の高
い２次電子検出器１０に吸収されることになるが、その
走行距離は直線的に飛び込む場合と比べて数倍にも長く
なる。また、圧力制限アパーチャ板３に正の電圧を多少
印加することによって、２次電子及び電子群は圧力制限
アパーチャ板３の方向に多少引っぱられながら最終的に
２次電子検出器１０に吸収されることになるので、走行
距離はさらに長くなる。この結果として、図４（ｂ）の
装置は図４（ａ）の装置と比べて、試料室２がより高い
真空度（気体の圧力がより小さい状態）で図４（ａ）の
装置と同等の電子増幅率を持つことになる。気体の圧力
が小さい状態では１次の電子ビームの散乱も少なくなる
ため、図４（ｂ）の装置は図４（ａ）の装置より良好な
ＳＮ比で２次電子の検出を行うことができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、それら
図４（ａ）の装置及び図４（ｂ）の装置ともに、１次の
電子ビームに比べ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次電子検出器と試料との間の電位差が小さ
くなり、電子増幅率が減少する。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。

【００１１】また、２次電子検出器と試料との間の電位
差を２次電子検出器１０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成り過ぎて
それらの間に微小放電が起こる。そして、その微小放電
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。

【００１２】この発明はこのような事情に鑑みてなされ
たもので、その課題は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できる走
査型電子顕微鏡を提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め請求項１記載の発明の走査型電子顕微鏡は、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、電子増倍作用の
ある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電子増倍された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２次電子検出手段と前記試料との間の
前記試料室に配置され、前記気体の電子増倍作用により
生じるイオンを収集するためのグリッド電極と、前記２
次電子検出手段と前記グリッド電極との間の電界が前記
グリッド電極と前記試料との間の電界よりも大きくなる
ような電圧を、前記グリッド電極に印加する電圧源とを
備えている。

【００１４】また、請求項２記載の発明の走査型電子顕
微鏡は、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、電子増倍作用のある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電子増
倍された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２次電子検出手段
と前記試料との間の前記試料室に配置され、前記気体の
電子増倍作用により生じるイオンを収集するためのグリ
ッド電極と、このグリッド電極に交流電圧を印加する交
流電圧源とを備えている。

【００１５】

【作用】イオンコレクターとしてグリッド電極を用い、
このグリッド電極に所定の電圧を印加することにより、
グリッド電極に大多数の正イオンを収集し、試料の正の
チャージアップを防ぐことができるとともに、２次電子
を効率良く２次電子検出手段に引き寄せることができ
る。

【００１６】また、グリッド電極に交流電圧を印加する
ことにより、荷電粒子は２次電子検出手段と試料との間
を往復運動するが、電子の質量はイオンの質量に比べて
格段に小さいので、グリッド電極の交流電圧による振幅
はイオンより電子の方が格段に大きい。従って２次電子
は２次電子検出手段によって収集されるが、イオンはグ
リッド電極近傍にトラップされるようになり、最終的に
はイオンはグリッド電極によって収集されてしまう。

【００１７】

【実施例】以下、この発明の実施例を図面に基づいて説
明する。

【００１８】図１はこの発明の第１実施例に係る走査型
電子顕微鏡の概略構成を示す縦断面図である。この実施
例は、環境制御型の走査型電子顕微鏡にこの発明を適用
したものであり、この図１において、図４（ａ）及び
（ｂ）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。

【００１９】真空室１の上部には電子銃１５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１６
が配置され、真空室１の下段の外側には電磁偏向器１７
が配置されている。なお、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１
５が設けられる。また、真空室１と圧力制限アパーチャ
板３を挟んで絶縁性の試料７が収納された試料室２が配
置され、この試料室２には図示省略した供給源よりガス
増倍（電子増倍）作用のある気体（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１
８により０．１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保たれている。

【００２０】前記圧力制限アパーチャ板３のアパーチャ
３ａを通って、試料室２の気体が真空室１に漏れるが、
真空ポンプ６により真空室１の気体の圧力は試料室２よ
りも高い真空度（小さい圧力）に維持されている（実際
には、差動排気により順次真空度が高くなる）。この実
施例においても、その圧力制限アパーチャ板３が２次電
子検出器を兼ねており、その圧力制限アパーチャ板３に
は試料室２の側壁の絶縁性のハーメチックシール２１ａ
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、その圧力制限アパーチャ板３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。

【００２１】この実施例では、その圧力制限アパーチャ
板３と試料７との間の試料室２の内部に、イオンコレク
ターとして格子状電極であるグリッド電極１９を配置す
る。また、試料室２の側壁の絶縁性のハーメチックシー
ル２１ｂを介して、そのグリッド電極１９には可変電圧
源２０より試料７に対して正の電圧を供給する。可変電
圧源２０よりグリッド電極１９に供給される電圧は０〜
５００Ｖ程度に設定される。この電圧は圧力制限アパー
チャ板３とグリッド電極１９との間の電界Ｅｄをグリッ
ド電極１９と試料７との間の電界Ｅｉより大きくなるよ
うにする（Ｅｄ＞Ｅｉ）。これにより質量の小さい２次
電子は電界Ｅｄ，Ｅｉにより加速され、グリッド電極１
９に収集されることなく通過する。イオンの方は質量が
大きく、スピードが遅いのでＥｄ／Ｅｉの比に応じて大
部分がグリッド電極１９に収集される。

【００２２】なお、必要に応じてイオンコレクター１９
には負の電圧を印加する場合もある。

【００２３】この実施例の動作の説明を行うに、電子銃
１５から放出された電子ビームは、コンデンサーレンズ
１６により集束された後に、圧力制限アパーチャ板３の
アパーャ３ａ及びグリッド電極１９を通過して試料室２
の内部の試料７上に照射される。また、その電子ビーム
は電磁偏向器１７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上での電子ビームのスポ
ット径が所定の値に設定される。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。

【００２４】図２に示すように、試料７から発生した２
次電子は、電気力線に沿うようにしてグリッド電極１９
を通過した後に、２次電子検出器としての圧力制限アパ
ーチャ板３が作る電場によりその圧力制限アパーチャ板
３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の内部の気体成分と衝突を繰り返すことにより、
多量の正のイオンが発生するが、圧力制限アパーチャ板
３と試料７との間にグリッド電極１９が存在するため、
グリッド電極１９に供給する電圧を前述のように（Ｅｄ
＞Ｅｉ）設定することによりグリッド電極１９を通過し
て試料７に向かうイオン以外の大多数のイオンがグリッ
ド電極１９に収集される。そのため、試料７が正にチャ
ージアップするのを防止できる。

【００２５】また、イオンコレクターとして中央に円形
の孔を有する単なる電極板を用いた場合には、試料７か
らの２次電子はその孔を通じてしか圧力制限アパーチャ
板３に達することができないので、２次電子の多くが圧
力制限アパーチャ板３によってカットされて２次電子信
号のロスが生じるが、この実施例ではイオンコレクター
としてグリッド電極１９を用いたので、すべての２次電
子がグリッド電極１９を通過し、効率良く圧力制限アパ
ーチャ板３に引き寄せられる。一方、ほとんどのイオン
はスピードが遅いのでグリッド電極１９によって収集さ
れるが、イオンの一部は試料７に達し、試料７の負のチ
ャージアップの中和を行う。

【００２６】上述のようにして、試料７と２次電子検出
器としての圧力制限アパーチャ板３との間の電圧はほぼ
一定に保たれ、圧力制限アパーチャ板３からは常に一定
で且つ高いＳＮ比の２次電子信号が得られ、最終的にＳ
Ｎ比が高いレベルで一定の良好な観察画像が得られる。

【００２７】なお、図１の実施例では圧力制限アパーチ
ャ板３が２次電子検出器を兼用しているが、変形例とし
て図３に示すように、圧力制限アパーチャ板３とは別体
の２次電子検出器を設けてもよい。

【００２８】即ち、図３において、圧力制限アパーチャ
板３の周囲で且つグリッド電極１９の上方にリング状の
２次電子検出器１０を配置し、この２次電子検出器１０
に、試料室２の側壁の絶縁性のハーメチックシール２１
ｃを介して可変電圧源１１より試料７に対して正の電圧
を供給し、その２次電子検出器１０からの２次電子信号
をプリアンプ１２を介して図示省略した処理装置に取り
出す。また、圧力制限アパーチャ板３には可変電圧源８
より正の電圧が供給されている。他の構成は図１の実施
例と同様である。

【００２９】この図３の走査型電子顕微鏡においては、
電子銃からの電子ビームは、圧力制限アパーチャ板３の
アパーチャ及びグリッド電極１９を通過して試料７に入
射する。そして、試料７から発生した２次電子は、グリ
ッド電極１９を通過して、ガス増倍されながら２次電子
検出器１０に捕捉される。この場合、グリッド電極１９
が正イオンを収集して、試料７の正電位へのチャージア
ップが防止されるので、図１の実施例と同様に、常に一
定で且つ高いＳＮ比の２次電子信号が得られる。更に、
図３の場合には、ガス増倍される際の２次電子の走行距
離が長くなり、より高い真空度（より小さい圧力）で図
１の実施例と同等な電子増倍率が得られる。従って、１
次の電子ビームの散乱を少なくして、ＳＮ比を更に改善
できる。

【００３０】次に、この発明の第２実施例について説明
する。第２実施例では、第１実施例におけるイオンコレ
クターとしてのグリッド電極へ電圧を印加する電圧源を
交流電圧源にした。

【００３１】この実施例において、グリッド電極のイオ
ンコレクターに交流電圧を印加することにより荷電粒子
はイオンコレクターを中心に２次電子検出器と試料との
間を往復運動することになり、その振幅はイオンコレク
ター電圧に比例し、その周波数の２乗及び荷電粒子の質
量に反比例する。この実施例の走査型電子顕微鏡では、
電子とイオンとがイオンコレクターの近傍に存在し、そ
れらの質量は３〜４桁の差がある。この結果電子とイオ
ンとでは、イオンコレクターの交流電圧による振幅は、
３〜４桁差となる。例えば電子が２次電子検出器まで数
ｍｍ運動するとき、２次電子は２次電子検出器に収集さ
れるが、イオンはほとんどイオンコレクター近傍にトラ
ップされているようになり、最後にはイオンはイオンコ
レクターに収集されてしまう。このような条件下におい
て、試料の正へのチャージアップが防止される。

【００３２】但し、イオンコレクターへ印加する交流電
場は一般には走査型電子顕微鏡像のノイズとなるが、電
子顕微鏡像１画素の取り込みに必要な周波数以上である
と平均化されてノイズにならない。交流の周波数ν，１
フレームの走査時間ｔ，画素数ｎ×ｎとすると、ノイズ
にならない条件は ν≧１／（ｔ×ｎ×ｎ）Ｈｚ であり、印加する交流はこれを満足する必要がある。

【００３３】上述の実施例においては、格子状のグリッ
ド電極を用いているが、電子ビームの光軸に対称な複数
の孔をもった金属板をグリッド電極として用いてもよ
い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明の走査型電
子顕微鏡によれば、質量が大きくスピードの遅い正イオ
ンの大多数はグリッド電極により収集され、試料の正へ
のチャージアップを防ぐことができるとともに、質量が
小さく、スピードの速い２次電子は、グリッド電極を通
過し、効率良く２次電子検出手段に引き寄せられる結
果、良好な観察像を得ることができる。

【００３５】また、グリッド電極に交流電圧印加するこ
とにより、荷電粒子はグリッド電極が配置された２次電
子検出手段と試料との間を往復運動するが、電子とイオ
ンとではグリッド電極の交流電圧による振幅はイオンよ
り電子の方が格段に大きいので、２次電子は２次電子検
出手段によって収集され、イオンはグリッド電極近傍に
トラップされるようになり、最終的にはイオンはグリッ
ド電極によって収集されるため、試料の正へのチャージ
アップを防ぐことができ、良好な観察像を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１はこの発明の第１実施例に係る走査型電子
顕微鏡の概略構成を示す縦断面図である。

【図２】図２は図１の走査型電子顕微鏡の一部を拡大し
た断面図である。

【図３】図３は第１実施例の変形例に係る走査型電子顕
微鏡の要部を示す断面図である。

【図４】図４は従来の環境制御型の走査型電子顕微鏡の
概略構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 真空室 ２ 試料室 ３ 圧力制限アパーチャ板 ３ａ アパーチャ ５ 対物レンズ ６，１８ 真空ポンプ ７ 試料 ８，１１，２０ 可変電圧源 ９，１２ プリアンプ １０ ２次電子検出器 １５ 電子銃 １６ コンデンサーレンズ １７ 電磁偏向器 １９ グリッド電極 ２０ 可変電圧源

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、電子増倍
   作用のある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
   気体により電子増倍された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２次電子検出手段と前記試料との間の前記試料室に
   配置され、前記気体の電子増倍作用により生じるイオン
   を収集するためのグリッド電極と、 前記２次電子検出手段と前記グリッド電極との間の電界
   が前記グリッド電極と前記試料との間の電界よりも大き
   くなるような電圧を、前記グリッド電極に印加する電圧
   源とを備えていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 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、電子増倍
   作用のある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
   気体により電子増倍された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２次電子検出手段と前記試料との間の前記試料室に
   配置され、前記気体の電子増倍作用により生じるイオン
   を収集するためのグリッド電極と、 このグリッド電極に交流電圧を印加する交流電圧源とを
   備えていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。