JPH08511903A - 二次電子用検出器を具えた粒子‐光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）における一次ビーム用の焦点調節装置８は磁気ギャップレンズ（34）と磁気単極レンズ（38）との組み合わせの既知の方法にある。標本から放出される二次電子が、偏向ユニット52、すなわち実際の検出器（64,66）がギャップレンズと単極レンズとの間の無磁界空間に配設されている検出器によって本発明に従って検出される。この空間はギャップレンズの下に配設された遮蔽板（44）により無磁界にされる。高い検出効率と大きい視野とを達成するために焦点調節装置８の磁極先端は電位が標本の電位よりも高い誘引電極（42）を設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】 二次電子用検出器を具えた粒子‐光学装置 本発明は、装置の光学軸に沿って伝播する電気的に充電された粒子の一次ビー ムを発生するための粒子源を具え、ビームによって試験されるべき標本を走査す るために配設されて、中に標本が配置されるべき範囲の付近にビーム焦点を形成 するための焦点調節装置を具えた、粒子‐光学装置に関連しており、前記の焦点 調節装置はレンズ磁界が光学軸に沿って互いに対して偏移されたギャップレンズ と単極レンズとの組み合わせとして構成され、且つ標本から発生する電気的に充 電された粒子を検出するための検出装置を設けられ、少なくとも前記検出装置の 一部は焦点調節装置内に置かれている。 この種類の装置は、1990年２月２日に特願平2-24336号で出願され、特開平3-2 30464号として1991年10月14日に公開された日本特許出願から既知である。 引用された日本特許出願に記載された装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であ る。この種類の顕微鏡は標本を横断して電子焦点を走査することにより標本の電 子光学画像を形成するために用いられる。この既知の装置は電子焦点を形成する ための焦点調節装置を具えており、その焦点調節装置は普通の磁気ギャップレン ズと磁気単極レンズとの組み合わせにより形成されている。 普通のギャップレンズにおけるレンズ磁界はそのレンズの鉄回路内のギャップ により普通の方法で発生され、単極レンズにおけるレンズ磁界もレンズの鉄回路 の端部とそれの付近、特に装置内で試験されるべき標本との間に既知の方法で発 生される。普通のレンズのレンズ磁界はこの既知の装置においては単極レンズの レンズ磁界の上に置かれる。 単極型のレンズは標本と対向する端部が光学軸の周りに回転対称に配置されて いる漏斗として形成された鉄回路を有している。磁界がその漏斗の最も細い部分 の範囲で磁極材料から発散するような方法で、レンズコイルがこのレンズの励磁 を与える。電子レンズの磁極材料が無い環境においてレンズ効果を生じると言う この種類のレンズの既知の利点を、その範囲において提供して、所望のレンズ効 果が得られる。それでこのレンズは、標本を横断してレンズにより形成される電 子焦点を走査することにより、標本の電子光学画像を作るために用いられ得る。 この種類のレンズはかくして走査電子顕微鏡に普通に用いられている。ここで、 試験されるべき標本が、例えば漏斗形のレンズ磁極の端部から１mmの距離におい て、レンズ磁極に対して厳密に配置される。 走査電子顕微鏡における電子ビームの加速電圧は、試験されるべき標本の性質 に依存して選択される。この加速電圧は、可能な限り多くの一次電子ビームによ り標本の充電を妨害するために、（１kVの程度の大きさの）比較的低い値を有さ ねば成らない。例えば集積電子回路内の電気的絶縁層の研究の間、あるいは所定 の生物学的標本の場合にこれは起こり得る。しかしながら、その他の標本は、例 えば30kVの程度の大きさのより高い加速電圧を必要とする。これらの高い加速電 圧で、ギャップレンズの（１nmの程度の大きさの）分解能を満足させるが、しか しながらこの種類のレンズの色収差が前記の低い加速電圧の場合に分解能を低下 させることは、ギャップレンズの既知の特性である。そのような低い加速電圧に 対しては、（再び１nmの程度の大きさの）適当な分解能を提供する単極レンズが 必要である。 走査電子顕微鏡においては、一次電子ビームにより標本内に放出される（５〜 50eVの程度の大きさの）低いエネルギーの二次電子を研究することにより、標本 が通常観察される。これらの低エネルギーの電子が検出器の方向に加速される。 標本まで延在する磁界を発生する単極レンズが用いられる場合には、標本の付近 において、電子が標本を離れる範囲における標本へ接している磁界線の周りで、 これらの電子が螺旋状の運動を実行する。しかしながら、単極レンズ内に検出器 が配置された場合には、単極レンズ内の点から出発する磁界線に沿って伝播した 二次電子のみが検出器に到達し、すべての他の二次電子は検出器によって「見ら れ」ない。この効果によって、単極レンズを具えている電子顕微鏡の視野は１mm の自由動作距離の場合にほぼ0.1×0.1mm²に制限される。この単極レンズの小さ い視野によって、（数mm²の視野を有する）ギャップレンズの使用が、低い加速 電圧の場合には大切であり、大きい視野によって試験されるべき標本の領域を 選択することがそれで可能であり、その後この領域が（高い分解能の）単極レン ズによって詳細に研究され得る。かくして一つの焦点調節装置を形成するように 単極レンズと普通のギャップレンズとの組み合わせが、所定の標本に対する所望 の加速電圧の選択を可能にする。ギャップレンズの励磁は消勢され得て、装置内 のあらゆる変化をさせるために顕微鏡使用者に対して必要であるギャップレンズ の励磁無しで（特に標本の垂直位置を変えるために必要であるギャップレンズの 励磁無しで）磁気単極レンズが励磁され得る。 この焦点調節装置の別の利点は、それが二次電子用の検出器を収容するための 空間を提供することにある。それでレンズ側において標本から発散する二次電子 は、この組み込み検出器により観察され得る。 既知の走査電子顕微鏡においては、二次電子用の検出器はギャップレンズのレ ンズ磁界の上と同時に単極磁界の上に取り付けられる。検出器のこの配置は以下 に記載される欠点を有している。 一次ビームにより標本から放出された二次電子は、標本面に対して45°の角度 に対して最大値を有する方向性分布を表すのに対して、二次電子の非常に小さい 一部分のみがこの面に垂直な方向に発散する。（二次電子の方向的依存性の更に 詳細な記載に対しては、L.Reimerによる書籍「Scanning Electron Microscopy」 （特に第186頁）、Spriger Verlag，1985，ISBN 3-540-13530-8．を参照された い。 レンズと検出器との既知の形態の欠点は、電子が検出器へ到達するためにギャ ップレンズのレンズ磁界を通過しなくてはならぬことにより生じる。このレンズ のみが励磁条件にある場合には、すなわち電子ビームがこのレンズにより標本上 に合焦される場合には、このレンズのレンズ磁界は比較的強くなり、標本の範囲 における磁界は数十倍弱くなるかあるいはすべての実際の目的に対しては実質的 に零に等しいとさえ考えれれ得る。外部電子（すなわち磁界強度が非常に低い標 本からの電子）がレンズ磁界内へ加速され、光学軸にほぼ平行に伝播する電子の みがレンズ磁界を実際に横断し得る。すべての他の電子はレンズ磁界内へ帰るよ うに強制され且つ、それ故に、検出器へは到達しない。この現象は磁気びん効果 として既知である。（この現象のもっと詳細な説明に対しては、「Advances in Optical and Electron Microscopy」Vol．12，ISBN 0-12-029912-7，1991，Acad emic Pres Ltd，内のP．Kruitよる発表「Magnetic Through-the-lens Detection in Electron Microscopy，part I」特に第１章「Introduction」及び関連する 第１図を参照されたい。）二次電子の場合には、それ故に、垂直方向に標本面か ら発散された電子のみが、検出器へ到達するようにレンズ磁界を横断できる。す でに記載されたように、これは二次電子の全数の小さい部分のみに関係するのだ から、検出効率はこの現象のために非常に低くなる。 非常に高い検出効率が達成され得る前述の種類の装置を提供することが本発明 の目的である。 この目的のために、本発明の第１態様によると、その装置は実質的に無磁界空 間がレンズ磁界の間に存在し、且つ焦点調節装置内に置かれた検出装置の部分が 検出装置内へ標本から発生する粒子を偏向させるための偏向ユニットを具えてお り、該偏向ユニットは無磁界空間内に配設されることを特徴としている。 検出ユニットは無磁界空間内に配設されるので、レンズ磁界と偏向磁界とは相 互に妨害しない。二次電子はもはやギャップレンズのレンズ磁界を横断する必要 がないので、焦点調節装置へ入る全部の電子がまったく偏向ユニットにより検出 装置内の検出器へ輸送され得る。そのような偏向ユニットは、例えば等しいが反 対の磁界強度の２個の積層された静電双極子の装置により形成されてもよい。そ のような装置は、一次ビームがそれにより影響されないか又はほとんど影響され ないと言う利点を提供する。（この点に関しては本出願人により先に出願された 国際出願IPC/IB95/00142を参照されたい。） 本発明の第２の態様によると、この装置は、実質的に無磁界空間がレンズ磁界 の間に存在し、且つ焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分が、検出でき る信号へ二次電子の流れを変換するために対称軸を有する板形状の検出器を具え ており、その検出器は一次ビームの通過を許容するための中央開口を設けられ、 且つそれの対称軸が光学軸と一致するような方法で無磁界空間内に配置されるこ とを特徴としている。 板形状の検出器は平らな板あるいは、例えば円錐状に曲げられた板として形成 されてもよい。円錐状に形成された検出器は、例えば検出器面が、一般的に言っ て、これも円錐状である単極レンズの外部形状に適合されねばならぬ場合に必要 である。検出器が平らな板として形成された場合には、いわゆるチャネル板が検 出器に対してすなわち電気光学変換器により達成されるシンチレーター水晶に対 して使用され得る。これらの検出素子はその時それらの対称軸が光学軸と一致す るような方法で配置され得る。しかしながら、それらはその時一次ビームの邪魔 されない通過を許容するように開口を設けられねばならない。シンチレーター検 出器は、検出器面が円錐状でなくてはならぬ場合にも用いられ得る。焦点調節装 置内にそれ自信が配置される検出器が使用される場合には、焦点調節装置の壁を 通る通路は必要ないかあるいはほとんど必要ない。小さい厚さの電源及び信号電 線がこの検出器を運転するために必要である。これらの電線は、更に電線が焦点 調節レンズ磁界を妨害しない位置に設けられる最小寸法の開口を通って供給され 得る。 引用された日本特許文献はギャップレンズと単極レンズとの間に検出器を配置 する可能性を論じていることは注目されるべきである。しかしながら、この可能 性は磁束密度が単極レンズの端部の付近において高いと言う事実に基づいて無条 件に拒絶される。これは検出器のための穴の準備が、装置の画質に悪影響を有し 得る「不正軸」を引き起こす比対称の磁界を生じ得るからである。この可能性の 即座の拒絶と組み合わせてこの位置決めのこの方法の可能性のその文書内の記載 が、この技術に熟達した人に対して、文書(欧州特許庁審決No.T26/85)の技術的 な教示を実現するのをこの人が思い止まらせる理由を付した報告を構成する。 本発明の別のステップに従って、この装置は検出装置の通過のために焦点調節 装置の壁内に穴が設けられ、この壁は少なくとも１個の別の穴を設けられ、該穴 はその壁の円周上に対称に分配されていることを特徴としている。 検出器用の穴による単極レンズの磁界の妨害がまだ心配されねばならぬ場合に は、この問題は多数の追加の孔を有する壁を与えることにより避けられ、壁の厚 さはこれらの孔の付近においてさえも磁気飽和が起こり得ないように選ばれる。 このステップは、所望の回転対称磁界にはかくして効果が光学軸の近くでは１／ ｎに減少する多極磁界（ｎ極磁界）を重畳されると言う思想に基づいている。 ギャップレンズと単極レンズとの間の無磁界空間は、焦点調節装置がギャップ レンズのレンズ磁界を遮蔽するための遮蔽板を設けられ、該遮蔽板はギャップレ ンズのレンズ磁界と検出器の偏向ユニットとの間に配置され且つ光学軸の範囲に 穴を設けられ、該穴がギャップレンズ内の穴の直径よりも小さい直径を有してい ると言う本発明による別のステップに従って達成され得る。 本発明による別のステップに従って、この装置は焦点調節装置が光学軸の範囲 に開口を有する漏斗形状端部を具え、前記開口の付近に標本の電位に対して正で ある電位の付与のための誘引電極を配設されていることを特徴としている。 不充分な数の二次電子が所定の環境（例えば、ギャップレンズが励磁され且つ 同時に端部における開口が比較的小さい断面を有する場合）において焦点調節装 置へ入らねばならぬ時には、誘引電極が検出装置に対する二次電子の増大される 「生産高」に寄与できる。 この誘引電極の有利な実施例は、軸が焦点調節装置の開口の軸と一致する漏斗 として形成されることを特徴とすることを実験が示した。 本発明のこれらの及びその他の、もっと詳細な態様が図面を参照して記載され 且つ図解されるであろう。ここで； 図１は、焦点調節装置と検出器とが本発明に従って配置された粒子‐光学装置 を図式的に示しており； 図２は、検出器用の偏向コイルが無磁界空間内に配置されている走査電子顕微 鏡用の焦点調節装置の断面図であり； 図３は、板形状検出器が無磁界空間内に配置されている走査電子顕微鏡用の焦 点調節装置の断面図である。 図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の円柱２の一部の形態で粒子光学装置を示 している。通例のように、この装置において電子のビームが（図には示されてい ない）電子源により作りだされ、そのビームがこの装置の光学軸４に沿って伝播 する。この電子ビームは、集光レンズ６のような１個以上の電磁レンズを横断で き、その後そのビームは焦点調節装置８に到達する。図２及び３を参照して以下 に詳細に説明されるはずの、この焦点調節装置は標本室12の壁10により形成もさ れる磁気回路の一部を形成している。焦点調節装置８は標本14が走査される電子 ビーム焦点を形成するために用いられる。走査は、焦点調節装置内に設けられた 走査コイル16によって、ｙ方向と同時にｘ方向に、標本を横断して電子ビームを 動かすことにより実行される。標本14は、ｘ移動のための支持物20とｙ移動のた めの支持物22とを具えている標本台18上に収容されている。標本の所望の範囲が これらの２個の支持物によって試験のために選択され得る。標本台18は、所望さ れた場合に、標本を傾けるための傾斜装置24も具えている。標本からは、焦点調 節装置８の方向に戻る放出された二次電子がある。これらの二次電子は、以下に 記載されるはずであり且つこの焦点調節装置内に収容された検出装置26，28によ り検出される。検出装置からは、例えば陰極線管（図には示されていない）によ って、標本の画像を形成するために用いられ得る信号を引き出される。 図２及び３は図１に示されたような装置に用いるための焦点調節装置８のもっ と詳細な表現である。これらの図面の斜線部分は、光学軸４の周りに回転対称に 置かれている。この焦点調節装置はギャップレンズと単極レンズとから成ってい る。このギャップレンズはギャップ34を有する鉄回路30により形成されている。 磁気レンズ磁界はコイル32の励磁による既知の方法でギャップ34の範囲において 発生され；その場合にはコイル46はスイッチオンされない。焦点調節装置８は単 極レンズとしても励磁され得る。その場合にはコイル32が励磁されないのに対し て電流がコイル46へ印加される。その場合には磁界線が鉄部分31から、漏斗形状 端部36を介して、磁極先端38へ延びる。この磁極先端から磁界線が（この図には 示されていない）標本へ横切って、その後磁界線は、例えば標本室12の壁10を介 して、鉄部分31へ帰る。この方法で焦点調節装置が励磁される場合には、レンズ 磁界は磁極先端38の下に直接置かれる。 ギャップレンズのギャップ34の範囲でのレンズ磁界と単極レンズのレンズ磁界 との間に、ギャップレンズのレンズ磁界を遮蔽するための遮蔽板44を設けられて いる。この遮蔽板は一次ビームの通過を許容するために光学軸４の範囲に開口45 を設けられている。かくして検出装置の部分が配置され得る無磁界空間53が創出 される。 焦点調節装置８の端部すなわち磁極先端38は、一次ビームと二次電子との通過 を許容するための穴40を有する漏斗として形成されている。充分に高い生産高を 有する焦点調節装置内へ二次電子を導入するために、特にギャップレンズによる 一次ビームの焦点調節の場合には、漏斗形状の誘引電極42を設けられる。二次電 子を開口である穴40内へ動かすように、この電極が充分に高い静電的電位を受け る。この誘引電極は、光学軸から比較的大きい距離から発生する二次電子がまだ 検出器の到達範囲内へ動かされ得ると言う利点も提供する。コンピュータシミュ レーションが、１×１mm²の画像視野がかくして標本上に実現され、二次電子の8 0％がまだこの画像視野の縁において検出されることを示した。 図２においては、焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分が静電双極子 磁界の組立品52により形成されている。この組立品が標本からの粒子を検出装置 内へ偏向するための偏向ユニットを構成している。魅力のある実施例においては これらの双極子磁界が３個の静電双極子54，56及び58により発生される。その時 中央双極子が光学軸の範囲で他の２個の双極子54及び58の磁界の２倍強い磁界を 発生する。この形態が一次ビームにほとんど影響しないのに対して、標本から発 生する二次電子は双極子58の磁界により、通路60を介して、実際の検出器62へ効 率よく案内される。その通路60は開口48を介して焦点調節装置８の漏斗形状端部 36の壁内に延びている。磁極先端38の範囲でのレンズ磁界が開口の存在により影 響されるのを防止するために、更に多くの（なるべく同じ大きさの）孔50が対称 に分布される様式で漏斗形状端部36の円周に設けられ得る。これらの孔の範囲で の材料の厚さはこの時焦点調節装置の動作の間に磁気飽和が生じ得ないように選 ばれねばならない。実際には４個の孔の数がレンズ磁界の妨害を防止するのに充 分であることが見だされた。 図３における焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分は、チャネル板66 と実際の検出器、例えばシンチレーター又は陽極ターゲット板との組立品により 形成されている。この時二次電子の実際の検出は焦点調節装置８内で完全に行わ れるので、偏向された二次電子に対しては通路は必要ない。検出器の励起のため 及び壁を通り信号を抽出するために電気導体を通過させることがせいぜい必要で あろう。しかしながら、これらの導体は非常に細いので、比較的小さい孔がこの 目的を満たす。もし必要ならば、これらの導体は、例えばレンズコイル32に沿っ て別に送られることもできる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トローイスト カルス ゼヘル オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １ (72)発明者 ヘンストラ アレクサンダー オランダ国 5621 ベーアー アインドー フェン フルーネヴァウツウェッハ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．装置の光学軸（４）に沿って伝播する電気的に充電された粒子の一次ビーム を発生するための粒子源を具え、ビームによって試験されるべき標本（14）を走 査するために配設されて、 中に標本（14）が配置されるべき範囲の近くにビーム焦点を形成するための 焦点調節装置（８）を具え、該焦点調節装置（８）はレンズ磁界が光学軸（４） に沿って互いに対して偏移されたギャップレンズ（34）と単極レンズ（38）との 組み合わせとして構成され、 且つ標本（14）から発生する電気的に充電された粒子を検出するための検出 装置（26，28）を設けられ、少なくとも前記検出装置（26，28）の一部（28）は 焦点調節装置（８）内に置かれている、 粒子‐光学装置において、 実質的に無磁界空間（53）がレンズ磁界の間に存在し、且つ焦点調節装置（８ ）内に置かれた検出装置（26，28）の部分（28）が検出装置（62）内へ標本か ら発生する粒子を偏向させるための偏向ユニット（52）を具えており、該偏向ユ ニット（52）は無磁界空間（53）に配設されることを特徴とする粒子‐光学装置 。 ２．装置の光学軸（４）に沿って伝播する電気的に充電された粒子の一次ビーム を発生するための粒子源を具え、ビームによって試験されるべき標本（14）を走 査するために配設されて、 中に標本（14）が配置されるべき範囲の近くにビーム焦点を形成するための 焦点調節装置（８）を具え、該焦点調節装置（８）はレンズ磁界が光学軸（４） に沿って互いに対して偏移されたギャップレンズ（34）と単極レンズ（38）との 組み合わせとして構成され、 且つ標本（14）から発生する電気的に充電された粒子を検出するための検出 装置（26，28）を設けられ、少なくとも前記検出装置（26，28）の一部（28）は 焦点調節装置（８）内に置かれている、 粒子‐光学装置において、 実質的に無磁界空間（53）がレンズ磁界の間に存在し、且つ焦点調節装置（８ ）内に置かれている検出装置の部分（64，66）が、二次電子の流れを検出でき る信号に変換するために対称軸を有する板状検出器（64）を具え、該検出器（64 ）は一次ビームの通過を許容するために中央開口を設けられ且つその検出器の対 称軸が光学軸（４）と一致するように無磁界空間（53）内に配置されたことを特 徴とする粒子‐光学装置。 ３．請求項１又は２記載の粒子‐光学装置において、 検出装置の通過のために穴（48）が焦点調節装置（８）の壁（36）に設けら れて、前記の壁は少なくとも１個の他の穴（50）を設けられ、前記の穴は円周上 に対称に分布されていることを特徴とする粒子‐光学装置。 ４．請求項１又は２記載の粒子‐光学装置において、 焦点調節装置（８）はギャップレンズ（34）のレンズ磁界を遮蔽するための 遮蔽板（44）を設けられており、該遮蔽板（44）はギャップレンズ（34）のレン ズ磁界と焦点調節装置内に置かれている検出器の部分（28）との間に配置され且 つ光学軸（４）の範囲に穴（45）を設けられ、該穴（45）はギャップレンズの穴 の直径よりも小さい直径を有することを特徴とする粒子‐光学装置。 ５．請求項１又は２記載の粒子‐光学装置において、 焦点調節装置（８）は光学軸（４）の範囲に開口（40）を有する漏斗状の端 部（38）を具えており、前記開口（40）の付近に標本（14）の電位に対して正で ある電位を受けるために焦点調節装置（８）内に少なくとも部分的に置かれてい る誘引電極（42）を配設されていることを特徴とする粒子‐光学装置。 ６．請求項５記載の粒子‐光学装置において、 誘引電極（42）は軸が焦点調節装置（８）の軸と一致する漏斗として形成さ れていることを特徴とする粒子‐光学装置。