JPH08180827A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子顕微鏡の鏡筒部を対物レンズ以外の拡大
レンズ系を省き対物レンズ後方で直接画像を検出するこ
とにより、鏡筒部をほぼ１／２の大きさにすると共に操
作性の向上を図る。 【構成】 電子源１と、収束照射レンズ２、対物レンズ
３、固体画像検出器５とからなる電子顕微鏡。 【効果】 従来よりコンパクトな透過電子顕微鏡を提供
するとともに画像取得後の種々の画像処理にも威力を発
揮する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、従来の電子顕微鏡装置
と全く同様の目的で使用することができ、かつ装置的に
簡易なものとして操作性を向上させる場合に利用するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、
「”電子顕微鏡の理論と応用Ｉ”，電子顕微鏡学会編，
昭和３４年１０月，丸善発行」に記載されているよう
に、対物レンズによって拡大像を得た後、投射レンズな
どでさらに高倍率に拡大して、肉眼でも観察できる程度
で蛍光板上に拡大像を得る。あるいは写真乾板上に露光
させ、等倍率以上の光学的拡大像を得る。

【０００３】電子顕微鏡はすでに完成された装置である
から、装置構成や大きさは極めて自然なものであると考
えられていた。しかし、ＴＥＭの電子光学系は対物レン
ズの下方に投射レンズ系があり、この投射レンズ系を収
納するために、幾何学的倍率に対応した長さやスペース
が必要となるので、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と比較
してみると、ほとんど倍の大きさとなっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子顕微鏡の分解能
は、電子レンズ系の収差に起因して電子光学的に定めら
れるが、一方で顕微鏡像の観察、記録は蛍光板や写真乾
板（フィルム）を用いて行なうため、蛍光体や感光剤粒
子の大きさによって観察や記録される最小の大きさが定
められ、それに合わせて拡大倍率も決定される。例え
ば、格子間隔２Åの結晶格子像を記録するとき、写真乳
剤の粒子が１０μｍであれば、その１０倍程度（〜０．
１ｍｍ）が最小記録単位となり、倍率として最低でも５
×１０⁵倍必要となる。ところが、電子顕微鏡の対物レ
ンズ一段のみでは最大１０００倍程度の倍率しか得られ
ないから、不足の倍率を投射レンズなどによって補って
いる。従って、最終的に得る像の大きさによって幾何光
学的に、拡大投影に要する距離が必要となるため装置を
大型化させる原因となる。

【０００５】上述したように、従来の透過型電子顕微鏡
は、長さ方向に大きく通常の小型の実験室で容易に使用
することが困難である。

【０００６】本願発明は、コンパクトな大きさで使用し
やすく、かつ画像取得にあたり、大きな写真フィルムや
蛍光板等を真空中に置くことなく像を得ることができ、
記録、再読みだし等を容易に行なう電子顕微鏡を提供す
るものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本願発明は、従来の電子
顕微鏡から投射レンズを取り去った構造の電子顕微鏡で
あることにに特徴があり、その構成は、電子線源と、電
子線を収束し試料に照射する第１のレンズ系と、電子線
の照射により試料の像を形成する第２のレンズ系と、該
第２のレンズ系の結像面上に配置された、試料の像を検
出する検出器と、試料の像を記録する記録手段とからな
る像検出手段、および検出、記録した試料の像を電子光
学的手段を用いずに拡大観察する拡大観察手段とからな
ることを特徴とする。

【０００８】また本願発明は、試料の像を検出する検出
器と試料の像を記録する記録手段とが、第２のレンズ系
の結像面上で相互に交換可能な構造からなることを特徴
とする。さらに、試料の像を検出する検出器は、電荷結
合素子や撮像管型検出器からなり、試料の像を記録する
記録手段は、表面に電子線レジストや帯電物質を有する
記録用投影板からなることを特徴とする。

【０００９】このような構成からなる電子顕微鏡を用い
ることにより、上記課題は解決される。

【００１０】

【作用】図を用いて本発明の作用を説明する。図８およ
び図９は、従来の電子顕微鏡の光学的模式図を示すもの
である。図８に示す電子顕微鏡は、電子源１、収束照射
レンズ２、対物レンズ３、投射レンズ４、蛍光板や写真
フィルムよりなる像投影板５’から構成される。また図
９に示す電子顕微鏡は、電子源１、収束照射レンズ２、
対物レンズ３、中間レンズ３１、投射レンズ４、蛍光板
や写真フィルムよりなる像投影板５’から構成される。
図８と図９で異なる点は、対物レンズ３と投射レンズ４
の間の中間レンズ３１である。すなわち、近年のほとん
ど完成された電子顕微鏡では低倍率から高倍率までをカ
バーするために中間レンズ３１を用い、この中間レンズ
３１が動作しない状態から十分な高倍率を得る状態ま
で、またその間の領域でも任意の倍率で観察できるよう
に異なったポール・ピースのレンズを選択できるように
なっている。

【００１１】これに対し、本発明の光学的模式図を図１
に示す。本発明では、従来の電子顕微鏡から投射レンズ
４を取り去り、また従来用いられていた蛍光板や写真フ
ィルムからなる像投影板５’の代りに、対物レンズ３も
しくは中間レンズ３１の下部に電荷結合素子や撮像管型
検出器から構成された画像検出器や記録用投影板などの
像検出手段５１を設置し、像検出手段５１により像の検
出、記録を行ない、検出、記録した像を走査型トンネル
顕微鏡（ＳＴＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）な
どの拡大観察手段を用いて検出、記録した画像を走査す
ることにより、微小領域像を高倍率で再生観察する。

【００１２】次に、本発明による電子顕微鏡像の拡大観
察手段について説明する。本発明の拡大観察手段は、検
出、記録された像を走査する探針と、該探針を動作させ
る手段と、上記探針により検出した信号を増幅する手段
と、上記信号から観察像を形成し、拡大表示する手段と
からなる観察手段や、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴ
Ｍ）、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）により、電子線
レジストを塗布した記録用投影板などからなる画像検出
手段５１で検出した像の表面を探針で走査し、像の表面
と探針の間に流れる電流を検出し、検出した電流を増幅
器で増幅し、増幅した電流から走査像を形成、記録し、
高倍率で再生観察を行なう。

【００１３】以上述べたように、本発明を用いることに
より、従来の電子顕微鏡で必要とされていた投射レンズ
や大型の蛍光板などからなる像投影板が不用となり、ま
た像投影板の代わりに高分解能記録ができる電子線レジ
ストを塗布した記録用投影板を用いているので、電子顕
微鏡の大きさをコンパクトにすることが可能となる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）以下、図２を用いて第一の実施例について
示す。従来装置の中間レンズ３１に相当する補助拡大レ
ンズ３２の像面に電荷結合素子などからなる固体画像検
出器５を置き従来装置の投射レンズでの倍率のおおよそ
１／１０〜１／１００の拡大像を検出する。対物レンズ
３および補助拡大レンズ３２で得られる最高倍率は、１
０，０００〜１００，０００倍程度であるから、画像検
出器分解能が１〜１０μｍであれば、１Åオーダーの大
きさは充分に可視化できる。そしてこれら分解能は現状
の光学的ビデオカメラのＣＣＤ素子の画素数から言えば
すでに充分に達成されているものである。即ち、本発明
で最も高分解能を必要とする場合には、蛍光板などによ
って一旦光学像とすることなく、直接電子線の走査像を
該検出器で検出することによって検出器分解能を低下さ
せること無く使用できる。画像記録にあたっては、これ
ら電子光学的画像をそのまま記録して充分な分解能を得
るが、検出器としてそれほど高性能のものを用意しない
で観察した場合には次に述べる実施例と同様に行なうこ
とによって、高分解能の画像を得る。

【００１５】なお、従来の（投射レンズを有する）電子
顕微鏡においても、すでにＴＶカメラを蛍光板下部に取
付け観察するシステムは存在するが、その主たる目的は
蛍光板での暗い画像を直接観察する場合に、画像を明る
くして観察する装置（イメージ・インテンシファイア
ー）にあり、本発明と同等の目的で使用されている訳で
はない。

【００１６】（実施例２）前記実施例より、構造をさら
に簡易化した実施例について図３を用いて説明する。対
物レンズ３の像面に画像検出器５を置く。この場合、拡
大像の倍率は１００〜１０００倍程度であり、検出器分
解能が１〜１０μｍであれば、１０〜１００Åのオーダ
ーが直接その場観察するときの分解能となる。従って、
ＣＣＤなど固体画像検出器５による走査像のみでは画像
記録に当って、分解能不足があるため記録は電子線レジ
スト等を用いて行なう。すなわち、固体画像検出器５と
相互に画像検出位置を交換することができるようにし
て、最小線幅１００Å以下を記録することのできるレジ
ストを用いることによって、１Åであっても僅か１００
倍の倍率で記録することができる。その代り、１００Å
で記録された画像を可視化できる大きさまで拡大して再
画像化しなければならないが、これは、走査型電子顕微
鏡（ＳＥＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）などに
よって容易に実施できるものである。

【００１７】ポジ画像を得る場合にはＰＭＭＡ（ポリメ
チルメタクリレイト）、ネガ画像を得るにはＲＴ−２０
００Ｎ（日立化成製）など高分子感光剤を用い、前者で
５ｎｍ後者で１０ｎｍ程度の解像度を得た。この値はフ
ィルムの感光乳剤の粒子の大きさ数μmに対してほぼ１
／１０００であり、投射レンズ系の拡大率の逆数に匹敵
することから本法においても充分な高分解能像を得られ
ることが示された。このときの、露出量はおおよそ１０
０μＣ／cm²であった。

【００１８】（実施例３）実施例１、２において画像検
出器として、いわば、固体カメラを用いたが、同様目的
では、イメージ・オルシコン、イメージ・アイコノスコ
ープやビジコンなどの原理を用いた撮像管型検出器１０
も有効である。検出器配置の概略を図４に示す。撮像管
型検出器１０は、レジストなどの画像検出器９と相互に
交換できるようにして顕微鏡本体と真空状態で接続され
る。本実施例では、対物レンズ像面がターゲット電極と
なり、電荷パターンは、別の読みとり用電子銃の走査に
よって二次電子量として検出される。イメージ・オルシ
コン型とアイコノスコープ型では像面にターゲットを置
く点は同等であるが、電荷パターンは像面側（アイコノ
スコープ）とターゲット裏面（イメージオルシコン）に
形成されるので読み取り用電子銃はそれぞれの側に置か
れる。

【００１９】これら撮像管は、元来、いわゆる真空管で
あるから、真空と大気圧の遮断面として蛍光板を置き、
光学画像として撮像することも可能であるが、前記した
ように蛍光板を用いず直接真空中に封入する方が高分解
能を得る。

【００２０】（実施例４）前記実施例では、いずれもそ
の場観察に際しては二次元の撮像素子を用いて画像検出
器とした。これに対して、検出器では微小部電子線密度
を直接捉えるのが本実施例である。図５において、偏向
コイルなど偏向器１３によって電子ビームを走査し像面
上にあるスリット板１１の微小孔を通過した電流をファ
ラデイ・ケージ１２によって捕捉し、二次元の走査像を
得る。

【００２１】（実施例５）本実施例は基本的に図５と同
等であるが、ファラデイ・ケージによってではなく探針
によって画像情報を検出する。ただし探針は探針先端以
外で拾う電流を最小とするため探針先端部を除いて酸化
絶縁し、さらに金等をコーティングしてチャージアップ
による像の歪を防止する。図６において探針１４はＳｉ
の微細加工によって製作し表面酸化して絶縁膜１５を形
成した後Ａｕ膜１６を蒸着し、探針先端部のみ最後に酸
化膜を落して導電性とする。探針の走査はプローブ顕微
鏡と同様に圧電素子を用いて行っても良いが、対物レン
ズより後方で偏向コイルなど偏向器１３を用いて電子ビ
ームを走査しても良い。走査速度からいえばこの方が高
速の走査に耐える。

【００２２】なお、本実施例で検出器として探針を用い
る理由は、以下にある。すなわち、探針は前記実施例４
と同じ目的で微小部電流を検出するのに使われるが、フ
ァラデイ・ケージにおいては微小孔の大きさとしてレー
ザーや電子線による加工でおおよそ１μｍ程度までが限
界であり、それ以下の大きさは困難である。探針を用い
ると先端の曲率半径は０．１μｍ程度のものは容易に製
作できる。そして探針に対して電流が入射するとき、ご
く先端部の平坦な部分での吸収割合が最も高く、曲面
や、円錐状の斜面では照射電子の殆どは全反射や斜め方
向への散乱をおこし、探針への吸収電流の割合が極めて
少ない。そして、探針先端部の平面上の部分での吸収電
流は、探針材料によってその割合は異なるものの後方散
乱電子がおおよそ５０％程度であるため、検出電流もそ
の分少なくなるが、微小部電流の検出について、充分な
機能を有し前記先端曲率半径０．１μｍの探針の場合で
直径１００Å程度の円形部分での吸収電流が検出電流の
９０％を占める。すなわち、前記ファラデイ・ケージの
場合より二桁以上微小部での電流検出が可能である。こ
の分解能は前記実施例２の場合に匹敵し、その場観察で
も充分な分解能を得ることができる。

【００２３】（実施例６）実施例２において、レジスト
の代わりに表面が平坦で、一様に酸化されたシリコン・
ウェハーなどからなる記録板１７を置いたのが本実施例
であり図７に示す。この表面酸化したシリコンウェハー
など記録板１７に電子線の画像を結ばせると、記録板表
面には画像の電子密度分布に対応した電荷分布が残る。
この電荷分布を走査型プローブ顕微鏡を用いて、プロー
ブ顕微鏡探針１７と記録板１６の間にはたらく電荷の反
発力／斥力を検出し、圧電素子からなるスキャナー１９
によって探針１７を走査し、検出力一定時には探針の変
位情報を、もしくは検出力をそのまま変位として検出し
て増幅器６によって増幅し、二次元走査像を得て顕微鏡
像を得ることが出来る。また、導電性探針をもつプロー
ブ顕微鏡では、電位を検出して顕微鏡像を得ることも可
能である。表面の酸化膜の厚さは電子顕微鏡の加速電圧
に見合ってきめるが、１００ｋＶの場合で２００〜１０
００Åが適当であった。記録板としては、その他、ガラ
ス板なども使用できるが過度の照射によるチャージ・ア
ップとその影響による像の歪を避けた条件で使用しなけ
ればならない。

【００２４】

【発明の効果】以上実施例によって説明したように、本
発明によれば試料面から後方（下方）の拡大系の占める
鏡筒の大きさのために特に垂直方向に高さの大きかった
透過型電子顕微鏡が従来の大きさの（鏡筒の高さ方向
で）おおよそ１／２〜２／３とすることが出来、また、
試料を傾斜させて種々の照射角での透過像を得て試料内
部を３次元的に解析するコンピューター・トモグラフ
（ＣＴ）法を適用するにあたっても画像情報を直接コン
ピューターに記憶できるなどのメリットを合わせもつも
のである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明の概念を示す模式図。

【図２】本願発明の第１実施例を示す図。

【図３】本願発明の第２実施例を示す図。

【図４】本願発明の第３実施例を示す図。

【図５】本願発明の第４実施例を示す図。

【図６】本願発明の第５実施例を示す図。

【図７】本願発明の第６実施例を示す図。

【図８】従来の電子顕微鏡の拡大系を示す光学的概念
図。

【図９】従来の電子顕微鏡の拡大系を示す光学的概念
図。

【符号の説明】

１…電子線源、２…収束照射レンズ、３…対物レンズ、
４…投射レンズ、５…固体画像検出器、６…増幅器、７
…表示装置、８…記憶制御装置、９…画像記録板、１０
…撮像管型画像検出器、１１…スリット板、１２…ファ
ラデイ・ケージ、１３…偏向器、１４…探針、１５…絶
縁膜、１６…導電性膜、１７…絶縁板、１８…プローブ
顕微鏡探針、１９…スキャナー、３１…中間レンズ、３
２…補助拡大レンズ、５１…像検出手段。

フロントページの続き (72)発明者 土井 隆久 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 富松 聡 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 村越 久弥 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子線源と、電子線を収束し試料に照射す
   る第１のレンズ系と、電子線の照射により試料の像を形
   成する第２のレンズ系と、該第２のレンズ系の結像面上
   に配置され、像を検出する検出器と像を記録する記録手
   段とからなる像検出手段と、該像検出手段により検出、
   記録された像を拡大観察する拡大観察手段とからなるこ
   とを特徴とする電子顕微鏡。
2. 【請求項２】電子線源と、電子線を収束し試料に照射す
   る第１のレンズ系と、電子線の照射により試料の像を形
   成する第２のレンズ系と、該第２のレンズ系の結像面上
   に配置された像検出手段とからなり、該像検出手段は、
   試料の像の検出する検出器と、試料の像を記録する記録
   手段とから構成され、かつ上記検出器と上記記録手段は
   相互に交換して配置できる構成からなり、上記像検出手
   段により検出、記録された像を拡大観察する拡大観察手
   段とからなることを特徴とする電子顕微鏡。
3. 【請求項３】上記像検出手段は、電荷結合素子からなる
   検出器と記録用投影板とからなることを特徴とする請求
   項１、２のいずれかに記載の電子顕微鏡。
4. 【請求項４】上記像検出手段は、撮像管型検出器と記録
   用投影板からなることを特徴とする請求項１、２のいず
   れかに記載の電子顕微鏡。
5. 【請求項５】上記記録用投影板は、表面に電子線レジス
   トが塗布されていることを特徴とする請求項３、４のい
   ずれかに記載の電子顕微鏡。
6. 【請求項６】上記記録用投影板は、表面が帯電物質によ
   り構成されていることを特徴とする請求項３、４のいず
   れかに記載の電子顕微鏡。
7. 【請求項７】上記拡大観察手段は、検出、記録された像
   を走査する探針と、該探針を動作させる手段と、上記探
   針により検出した信号を増幅する手段と、上記信号から
   観察像を形成し、拡大表示する手段とからなることを特
   徴とする請求項１、２のいずれかに記載の電子顕微鏡。