JPH0757680A

JPH0757680A - 電子線装置

Info

Publication number: JPH0757680A
Application number: JP20396793A
Authority: JP
Inventors: Miyuki Matsutani; 幸松谷
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1993-08-18
Filing date: 1993-08-18
Publication date: 1995-03-03
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JP3123861B2

Abstract

(57)【要約】【目的】ＥＰＭＡにおいて試料上におけるプローブ径
を広げて分析する場合、プローブ電流が変更された場合
にも試料上におけるプローブ径が変化しないようにす
る。【構成】ＯＬ主面でのプローブ径をＲ、試料２でのプ
ローブ径をｒ、ＯＬ主面と試料２との距離をｗ、ＯＬ主
面でのビーム径がＲのときにプローブが試料２に最適開
き角で合焦するときの焦点距離をｆ₀ とすると、一般
に、ｆ（ｒ，Ｒ）＝ｆ₀／（1−ｆ₀・ｒ／ｗ・Ｒ）が成り立つ。従って、制御部６は、試料２上でのプロー
ブ径がｒに設定されているときにプローブ電流が変更さ
れ、その結果ＯＬ主面でのビーム径がＲ′になったとす
ると、上式に基づいてＯＬの焦点距離ｆ（ｒ，Ｒ′）を
求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子顕微鏡あるいは電
子プローブマイクロアナライザ（以下、ＥＰＭＡと称
す）等の電子線装置に係り、特に試料面上における電子
プローブ（以下、単にプローブと称す）の径及びプロー
ブ電流が調整可能となされている電子線装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ＥＰＭＡ等の元素分析等の分析機
能を備える電子線装置においては、電子銃と、集束レン
ズ系と、対物絞りと、対物レンズと試料位置とがこの順
に配置された、いわゆる上方対物絞り方式が採用されて
おり、プローブ電流及び試料位置におけるプローブ径が
調整可能となされている。

【０００３】図１は上方対物絞り方式を採用した電子線
装置の概略構成例を示す図であり、図中、１は電子銃、
ＣＬ1 は第１集束レンズ、ＣＬ2 は第２集束レンズ、Ａ
Ｐは対物絞り、ＯＬは対物レンズ、２は試料、３は第１
集束レンズＣＬ1 のコイル、４は第２集束レンズＣＬ2
のコイル、５は対物レンズＯＬのコイル、６は制御部、
７は操作部、Ｏは光軸を示す。なお、図１において各レ
ンズはその主面のみを示し、各レンズのコイルは片側だ
けを示す。

【０００４】電子銃１からの電子線は、ＣＬ1 、ＣＬ2
で集束され、ＡＰを通過した電子線だけがＯＬによって
試料２の表面に照射される。

【０００５】さて、いまＥＰＭＡにおいて試料２の所望
の微小領域を分析する場合を考えると、この場合にはプ
ローブを細く絞る必要があり、そのために制御部６には
微小領域を分析するための分析モード（以下、この分析
モードを第１分析モードと称す）が備えられている。従
って、操作部７によって第１分析モードが指示される
と、制御部６は、設定されているプローブ電流、加速電
圧等に基づいて、開き角が最適開き角α、即ち、与えら
れた条件下でプローブ径が最小になるような開き角にな
るように、ＣＬ1 ，ＣＬ2 及びＯＬの励磁電流を決定
し、決定した励磁電流をコイル３、４、５に供給する。

【０００６】この結果、プローブは、図１において符号
８で示すように、試料２に対して最適開き角をもって照
射するので、試料２上でのプローブ径は最小となり、微
小領域の分析を良好に行うことが可能となる。

【０００７】しかし、試料２の比較的広い領域の範囲内
の平均組成を分析したい場合、あるいは試料２の表面に
比較的大きな凹凸があると予測される場合、または強度
の大きなプローブを照射すると試料２が破損してしまう
ことが予測される場合には試料２の表面におけるプロー
ブ径を数μｍ〜数百μｍに広げて照射することが行われ
る。なお、本明細書中においては、プローブ径はプロー
ブの半径の値とする。

【０００８】従って、制御部６にはプローブ径を広げて
分析するための分析モード（以下、この分析モードを第
２分析モードと称す）も備えられており、操作部７によ
って第２分析モードが指示されると、制御部６は、設定
されているプローブ電流、加速電圧等に基づいて、例え
ば図１において符号９で示すように、試料２上でのプロ
ーブ径が設定された値になるようにＯＬの焦点距離を制
御することによってプローブの集束位置を変更する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電子線装置
においては、従来から分析モードの選択とは全く独立に
プローブ電流を任意に変化させることができるようにな
されているのが通常であり、操作部７からプローブ電流
の変更を指示すると、制御部６は設定されたプローブ電
流を与えるように電子銃１を制御する。

【００１０】従って、第２分析モード時にもプローブ電
流を変更することは可能なのであるが、第２分析モード
時にプローブ電流を変更すると試料２上におけるプロー
ブ径が変わってしまうという問題があった。

【００１１】それを説明すると次のようである。図２は
図１のＯＬ、試料２の近傍の光線図を拡大して示す図で
あり、いまプローブ電流はＩ_P0に設定されているとし、
このときＯＬ主面上でのビーム径はＲ₀ であるとする。
なお、ＯＬ主面上のビーム径Ｒはプローブ電流Ｉ_P の関
数であり、これをＲ（Ｉ_P）と表すことにする。そして
電子銃１及び集束レンズＣＬ₁ ，ＣＬ₂ の特性、ＡＰの
径、ＯＬの特性は既知であるから、結局関数Ｒ（Ｉ_P）
の方程式は既知である。

【００１２】さて、分析が第１分析モードで行われる場
合には、制御部６は図２の一点鎖線１１で示すようにプ
ローブが最適開き角αで試料２に照射するようにＣＬ1
，ＣＬ2 及びＯＬの励磁電流を決定する。

【００１３】また、第２分析モードが設定された場合に
は、制御部６は、試料２上におけるプローブ径が指定さ
れた値ｒになるようにＯＬの焦点距離を延ばす。これに
よって、電子線はＯＬによって実線１２で示すように点
Ｕに集束されるようになるので、試料２上ではプローブ
径はｒとなる。

【００１４】そして、この状態においてプローブ電流が
増加されたとすると最適開き角も増加するため、プロー
ブ電流の増加に伴ってＯＬ主面上でのビーム径が大きく
なるが、いまＯＬ主面上でのビーム径がＲ₀ からＲ′に
なったとすると、この場合にはＯＬの焦点距離は変更さ
れないから、電子線は破線１３で示すように点Ｕに集束
するようになされ、従って試料２上におけるプローブ径
は線分ＱＳとなり、予め設定されているプローブ径ｒよ
り大きくなってしまう。

【００１５】これに対して、ＡＰをＯＬ主面上に配置す
る方式を採用すれば上述したような問題は生じないが、
その場合には絞り数は制限されているため、最適開き角
から大きくずれてしまうプローブ電流領域が存在するこ
とになる。そこで、図１に示すような上方対物絞り方式
が採用されているのであり、この方式によれば、プロー
ブを最適開き角で試料２上に照射させることができるの
であるが、上述した問題が生じてくるのである。

【００１６】以上、プローブ電流が増加された場合につ
いて説明したが、プローブ電流が減少された場合には、
最適開き角がプローブ電流と共に減少する限り、同様の
議論によって試料２上におけるプローブ径は予め設定さ
れているプローブ径より小さくなる。

【００１７】本発明は、上記の課題を解決するものであ
って、試料上におけるプローブ径を広げて分析する場合
において、プローブ電流が変更された場合にも試料上に
おけるプローブ径が変化することのない電子線装置を提
供することを目的とするものである。

【００１８】

【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、本発明の電子線装置は、電子銃と、集束レンズ系
と、対物絞りと、対物レンズと試料位置とがこの順に配
置されてなり、プローブ電流及び試料位置におけるプロ
ーブ径が調整可能となされている電子線装置において、
試料上におけるプローブ径が所定の値に設定されている
状態においてプローブ電流が変更された場合には、変更
されたプローブ電流値と、当該設定されている試料上に
おけるプローブ径と、対物レンズの主面と試料との距離
等に基づいて試料上でのプローブ径が変化しないように
対物レンズの焦点距離を変更する制御手段を備えること
を特徴とする。

【００１９】

【作用】制御手段は、試料上におけるプローブ径が所定
の値に設定されている状態においてプローブ電流が変更
されると、変更されたプローブ電流値と、当該設定され
ている試料上におけるプローブ径と、対物レンズの主面
と試料との距離等に基づいて試料上でのプローブ径が変
化しないように対物レンズの焦点距離を変化させる。

【００２０】これによって、プローブ電流が変更された
場合にも試料上におけるプローブ径は変化しないので、
良好に試料の分析等を行うことができる。

【００２１】

【実施例】以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。
本発明に係る電子線装置の全体としての構成は図１に示
すと同様であるが、制御部６の動作が異なっている。以
下、制御部６の動作について説明するが、まず制御部６
がどのような動作を行えば上述した目的が達成できる
か、その原理について説明する。

【００２２】いま、プローブ電流はＩ_P0とし、このと
き、図２に示すように、ＯＬ主面上でのビーム径はＲ₀
であり、プローブは点Ｕに集束され、これによって試料
２上におけるプローブ径はｒになされているとする。そ
して、この状態においてプローブ電流がＩ_P′ に増加さ
れ、ＯＬ主面上でのビーム径がＲ′になったとする。プ
ローブ電流が変更されたときにＯＬの焦点距離が変更さ
れない場合には試料２上でのプローブ径が設定値ｒから
ずれるのであるが、図２の実線１４で示すように、ＯＬ
主面上でのビーム径がＲ′になったときにはプローブが
点Ｖにフォーカスするようにすれば試料２上でのプロー
ブ径を設定値であるｒに保つことができる。

【００２３】ところで、試料２上におけるプローブ径が
ｒに設定されたとき、試料２上でのプローブ径は厳密に
は設定プローブ径ｒと最小プローブ径ｒ_P が合成された
値となる。ここで、最小プローブ径ｒ_P とは、電子銃１
の輝度、ＯＬの収差、あるいは回折効果等によって制限
されるプローブ径の最小値である。

【００２４】従って、試料２上での実際のプローブの直
径は

【００２５】

【数１】

【００２６】となるが、最小プローブ径ｒ_P は通常 1μ
ｍ以下であるのに対して、ｒは通常 1μｍ以上であり、
しかも最小プローブ径ｒ_P の 2倍以上はあるのが通常で
あるから、ｒは最小プローブ径ｒ_P に対して十分大きい
とすることができ、従って(1)式の値はｒに等しいとす
ることができる。

【００２７】次に、任意に与えられたプローブ電流Ｉ_P
に対して、ＯＬ主面上でのビーム径をＲ（Ｉ_P）、プロ
ーブが最適開き角αで試料２上に集束しているときのＯ
Ｌの焦点距離はｆ（0,Ｒ）と表記することとし、また、
プローブが図３で試料２の後方にフォーカスしていると
き、即ち、ＯＬ主面上でのビーム径がＲであるときに試
料２上でのプローブ径が設定された値ｒになるようにフ
ォーカスしているときのＯＬの焦点距離はｆ（ｒ，Ｒ）
と表記することとする。また、ｆ（0,Ｒ），ｆ（ｒ，
Ｒ）における像距離をそれぞれｗ，ｗ＋△ｗとする。

【００２８】さて、図３において、一般的に幾何学的な
性質から

【００２９】

【数２】

【００３０】が成り立ち、これは

【００３１】

【数３】

【００３２】と変形される。

【００３３】また、物体距離はＯＬの励磁とは無関係に
一定であるので、与えられたプローブ電流Ｉ_P に対し
て、次の(4) 式が一般的に成り立つ。

【００３４】

【数４】

【００３５】従って、(3) 式及び(4) 式から次の(5) 式
が成り立つことになる。

【００３６】

【数５】

【００３７】よって、

【００３８】

【数６】

【００３９】となるが、この(6) 式は一般的に成り立つ
から、(6) 式にｒ＝ｒ，Ｒ＝Ｒ′を代入すれば、ＯＬ主
面上におけるビーム径がＲ′で、試料２上におけるプロ
ーブ径がｒとなる焦点距離を求めることができることが
分かる。即ち、上述したように、Ｒ′はプローブ電流Ｉ
_P′ の値から求めることができ、図１においてＡＰの位
置と口径が固定されているので、ｆ（0,Ｒ′）はＯＬ主
面上でのビーム径Ｒ′から一義的に定まり、ｒは設定さ
れた値であり、ｗは規定値であるから、ｆ（ｒ，Ｒ′）
は(6) 式から求めることができるのである。

【００４０】そこで、制御部６は、試料２上でのプロー
ブ径ｒが設定されているときにプローブ電流が変更され
た場合には(6) 式によりＯＬの焦点距離を求め、その焦
点距離を達成する励磁電流をＯＬのコイル５に供給する
処理を行う。なお、ＯＬの励磁電流と焦点距離との関係
は既知であるから、その関係をＲＯＭ等に記憶し、焦点
距離の値を入力アドレスとして励磁電流を出力するよう
にしておけばよい。

【００４１】以上の処理が実行されることによって、例
えば図２においてプローブ電流が増加されてＯＬ主面上
でのビーム径がＲ₀ からＲ′に増大したとしても、ＯＬ
の焦点距離が変更されることによってプローブは点Ｖに
フォーカスされるようになるので、試料２上でのプロー
ブ径はｒのままであり、試料２上におけるプローブ径は
変化することはない。

【００４２】このように、プローブ電流が変更された場
合には制御部６は(6) 式に基づいてＯＬの焦点距離を変
更するのであるが、上述したようにＲはプローブ電流Ｉ
_P の関数であり、ｆ（0,Ｒ）はＲの関数、即ちプローブ
電流Ｉ_P の関数であるので、結局、制御部６は設定され
ている試料２上でのプローブ径ｒとプローブ電流Ｉ_P及
びＯＬ主面と試料２との距離ｗに基づいて焦点距離を求
めるのである。

【００４３】以上、プローブ電流を増加させた場合につ
いて説明したが、プローブ電流が減少された場合にも制
御部６は(6) 式の演算を行ってＯＬの焦点距離を制御す
るので、試料２上におけるプローブ径はプローブ電流が
変更される前と変わらないものである。

【００４４】以上、本発明の一実施例について説明した
が、次に他の実施例について説明する。上記の実施例で
はプローブ電流が変更されたときには制御部６は(6) 式
を演算してＯＬの焦点距離を求めるものとしたが、この
実施例ではＯＬの励磁パラメータを用いることによっ
て、より簡単な演算でＯＬの焦点距離を求めようとする
ものである。

【００４５】まず、演算の原理について説明する。い
ま、図１において、ＯＬのコイル５のコイル巻数をＮ、
コイル電流をＩ、相対論的な加速電圧をＶ^* とすると、
ＯＬの励磁パラメータＪは次の式で表されることが知ら
れている。

【００４６】

【数７】

【００４７】また、励磁パラメータＪは焦点距離ｆを用
いて近似的に表されることも知られている。そこで、い
ま励磁パラメータＪが焦点距離ｆを用いて

【００４８】

【数８】

【００４９】と近似できるものとすると、(8) 式におい
てプローブが試料２に対してｒ＝ 0で照射するとき（な
お、以下においてはｒ＝ 0のときのＯＬの焦点距離をｆ
₀ と略記する）、つまり、ｆ＝ｆ（ｒ，Ｒ）＝ｆ（0,
Ｒ）＝ｆ₀ のときの励磁パラメータをＪ₀（＝Ｊ
（ｆ₀））とおけば、プローブ電流が変更されたことに
伴ってＯＬの焦点距離をｆ₀ からｆに変化させるために
必要な励磁パラメータの変化量△Ｊは次の式で表すこと
ができる。

【００５０】

【数９】

【００５１】つまり、プローブ電流が変更されたときに
は(9) 式で与えられる量だけＯＬの励磁パラメータを補
正すれば試料２上におけるプローブ径は変化しないこと
になる。

【００５２】さて、ここで、(9) 式に(6) 式を代入する
と、

【００５３】

【数１０】

【００５４】となるが、

【００５５】

【数１１】

【００５６】であるから、

【００５７】

【数１２】

【００５８】であり、従って(10)式は

【００５９】

【数１３】

【００６０】となる。ここで、通常はｆ₀ ≒ｗであり、
且つ試料２上におけるプローブ径ｒはＯＬ主面上におけ
るビーム径Ｒより十分小さいが、いま例えば、ｆ₀ ／ｗ
＝0.9，ｒ／Ｒ＝0.3 とすると

【００６１】

【数１４】

【００６２】となり、この(14)式から、(10)式をｒ／Ｒ
について１次まで展開して近似したときの誤差は最大で
も 5％程度であることが分かる。なお、ｒ／Ｒ＝0.3 と
いう値はｒ／Ｒの最大値に近い値であり、通常ではｒ／
Ｒ＝0.01〜0.1 程度であるので誤差はより小さいもので
ある。

【００６３】従って、この誤差の範囲内で

【００６４】

【数１５】

【００６５】とすることができる。

【００６６】ここで、プローブ電流が基準プローブ電流
Ｉ_P0であるときのＯＬ主面上におけるビーム半径、即ち
Ｒ（Ｉ_P0）をＲ₀ と表し、試料２上でのプローブ径が予
め定められている基準プローブ径ｒ₀ であるときにプロ
ーブ電流Ｉ_P を変更したとする。このとき

【００６７】

【数１６】

【００６８】の値を考えると、この値は(15)式からｆ₀
（Ｒ（Ｉ_P））＝ｆ₀（Ｉ_P），ｆ₀（Ｒ（Ｉ_P0））＝ｆ₀
（Ｉ_P0）とおいて次の式で表される。

【００６９】

【数１７】

【００７０】ところで、(16)式の右辺のｆ₀（Ｉ_P）／ｆ
₀（Ｉ_P0）の値は１次近似の範囲内ではほぼ 1であると
考えられる（実際にもプローブ電流が10^-12 〜10^-5Ａの
範囲ではｆ₀ の変化は約 3％以下である）ので、(15)式
と(16)式から

【００７１】

【数１８】

【００７２】となる。この(17)式の右辺は(9) 式の左辺
と同じであるから、プローブ電流を変更した場合には(1
7)式の左辺の演算で求められる量だけＯＬの励磁パラメ
ータを補正すれば試料２上でのプローブ径は変化しない
ようにすることができる。

【００７３】なお、ｆ₀（Ｉ_P）とｆ₀（Ｉ_P0）との差が
大きく異なってｆ₀（Ｉ_P）／ｆ₀（Ｉ_P0）の値が１次近
似の範囲内ではほぼ 1と仮定できない場合も考えられる
が、プローブ電流を変化させたときに物体距離が大きく
変動する場合であってもＯＬの焦点距離を集束レンズの
励磁に連動させて合焦位置（ｒ＝ 0）における合焦状態
を一定に保つ手段は公知であるので、ここではｆ
₀（Ｉ_P）／ｆ₀（Ｉ_P0）の値は１次近似の範囲内ではほ
ぼ 1であると考えることにする。

【００７４】そして、(17)式の左辺の各項の物理的な意
味を考えると、△Ｊ（ｒ，Ｒ₀）はプローブ電流Ｉ_P が
基準プローブ電流Ｉ_P0であり、ＯＬ主面上でのビーム径
がＲ₀ であるときに試料２上でのプローブ径をｒに変更
する場合に補正すべき励磁パラメータの補正量を意味し
ている。また、△Ｊ（ｒ₀，Ｒ）は、プローブ電流Ｉ_P
を変更してＯＬ主面上でのビーム径Ｒを変化させた場合
にも試料２上でのプローブ径を基準プローブ径ｒ₀ に保
つために補正すべき励磁パラメータの補正量を意味して
おり、特に、△Ｊ（ｒ₀，Ｒ₀）は、△Ｊ（ｒ₀，Ｒ）の
補正量においてＲ＝Ｒ₀ である場合の値である。

【００７５】従って、プローブ電流を基準プローブ電流
Ｉ_P0とし、ＯＬ主面上でのビーム径がＲ₀ であるときに
試料２上でのプローブ径を任意のｒにするために必要な
励磁パラメータの補正量△Ｊ（ｒ，Ｒ₀ ）を各プローブ
径ｒについて理論的あるいは実験的に求めてテーブル化
し（以下、このテーブルを第１テーブルと称す）、更に
プローブ電流Ｉ_P を任意に変更した場合にも試料２上で
のプローブ径を基準プローブ径ｒ₀ に保つために必要な
励磁パラメータの補正量△Ｊ（ｒ₀ ，Ｒ）を各プローブ
電流Ｉ_P について理論的あるいは実験的に求めてテーブ
ル化して（以下、このテーブルを第２テーブルと称
す）、制御部６がこれら二つのテーブルを管理するよう
にする。また制御部６は△Ｊ（ｒ₀ ，Ｒ₀ ）の値を保持
している。

【００７６】そして、制御部６は、試料２上でのプロー
ブ径ｒが設定されているときにプローブ電流が変更され
た場合には、設定されているプローブ径ｒに基づいて第
１テーブルから△Ｊ（ｒ，Ｒ₀ ）の補正量を求めると共
に、変更されたプローブ電流Ｉ_P に基づいて第２テーブ
ルから△Ｊ（ｒ₀ ，Ｒ）を求め、更に△Ｊ（ｒ₀ ，Ｒ
₀ ）の値とから(17)式の右辺の演算を行い、ＯＬの励磁
パラメータの補正量を求める。

【００７７】そして、制御部６は、この励磁パラメータ
の補正量から焦点距離をどのように変更すべきかを(9)
式から求め、それに基づいてＯＬのコイル５に供給すべ
き励磁電流を(7) 式と(8) 式の関係から求めて、その求
めた励磁電流をコイル５に供給する。

【００７８】なお、励磁パラメータの補正量と焦点距離
の関係は(9) 式から一義的に定まり、焦点距離と励磁電
流の関係もコイル巻数Ｎは一定であるから相対論的な加
速電圧が決まれば(7) 式と(8) 式の関係から一義的に定
まるので、上述したように(9) 式及び(7) ，(8) を用い
て演算するのではなく、励磁パラメータの補正量と励磁
電流の関係を予め求めてテーブル化しておき、求めた励
磁パラメータの補正量から直接励磁電流を求めることが
できるようにすることも可能である。

【００７９】以上、本発明の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ことは当業者に明かである。

【００８０】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、プローブ電流を変更しても試料上でのプロー
ブ径は自動的に一定に保たれるので、試料の分析を良好
に行うことができ、また操作性も向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成を示す図である。

【図２】発明が解決しようとする課題を説明するため
の図である。

【図３】プローブ径に対する一般式を説明するための
図である。

【符号の説明】

１…電子銃、ＣＬ1 …第１集束レンズ、ＣＬ2 …第２集
束レンズ、ＡＰ…対物絞り、ＯＬ…対物レンズ、２…試
料、３…第１集束レンズＣＬ1 のコイル、４…第２集束
レンズＣＬ2 のコイル、５…対物レンズＯＬのコイル、
６…制御部、７…操作部、Ｏ…光軸。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃と、集束レンズ系と、対物絞りと、
対物レンズと試料位置とがこの順に配置されてなり、プ
ローブ電流及び試料位置におけるプローブ径が調整可能
となされている電子線装置において、試料上におけるプローブ径が所定の値に設定されている
状態においてプローブ電流が変更された場合には、変更
されたプローブ電流値と、当該設定されている試料上に
おけるプローブ径と、対物レンズの主面と試料との距離
等に基づいて試料上でのプローブ径が変化しないように
対物レンズの焦点距離を変更する制御手段を備えること
を特徴とする電子線装置。