JPH09274881A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２次電子の検出効率を向上させることができ
る走査電子顕微鏡を実現する。 【解決手段】 試料５への一次電子ビームの照射によっ
て２次電子が発生するが、２次電子は対物レンズ１の磁
場によって拘束され、対物レンズ内部を螺旋運動をしな
がら上方に向かう。この時、ソレノイドコイル６による
磁界は、２次電子を光軸方向に集束するように機能し、
螺旋運動をしながら対物レンズ１内を上方に向かう２次
電子が、発散して対物レンズの壁部に衝突して吸収され
ることを防ぐ役割を有している。電極７には６０Ｖ程度
の電圧が印加されている。この結果、円錐台形状の電極
７の先端の電界により、試料５から発生し広範囲の角度
で放出される２次電子を光軸方向に集めることができ、
効率良く２次電子を対物レンズ１の光軸に沿って上方に
導くことに効果がある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する分野】本発明は、試料からの２次電子を
効率良く検出することができる走査電子顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、電子銃から発生し
た一次電子ビームを集束レンズや対物レンズ等で試料上
に細く集束し、更に、試料上の電子ビームの照射位置を
２次元的に走査している。そして、試料への一次電子ビ
ームの照射によって発生した２次電子を検出している。

【０００３】この２次電子を効率良く検出するため、お
よび対物レンズの収差を小さくすることを目的として、
対物レンズとして磁界イマージョン型対物レンズが用い
られている。この磁界イマージョン型対物レンズとして
は、セミインレンズ，スノーケル（Snorkel）レンズ，
単磁極レンズ等が良く知られている。

【０００４】この磁界イマージョン型対物レンズでは、
試料は対物レンズの磁場内に配置され、試料から発生し
た２次電子は、対物レンズの磁力線に巻き付くように螺
旋運動をしながら対物レンズ上方に巻き上がっていく。
対物レンズの上部には、２次電子検出器が光軸から離れ
て設けられており、対物レンズ上部に到達した２次電子
は、この２次電子検出器によって検出される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たセミインレンズ，スノーケル（Snorkel ）レンズ，単
磁極レンズと呼ばれる型のレンズの場合、図１にその軸
上磁場分布を示すように、試料が配置される位置は、磁
界分布のピークよりも後方となる。すなわち、図１はセ
ミインレンズにおける軸上磁場分布を示しており、横軸
は光軸方向の位置であり、Ｓが試料が配置される位置で
ある。また、縦軸は磁界の強度である。なお、試料位置
Ｓより右側に２次電子検出器が配置される。

【０００６】図中の磁場分布のＢ１はセミインレンズの
外側磁極の先端と試料との間の距離が１０ｍｍで１２０
０ＡＴで励磁を行った場合、Ｂ２はその距離が５ｍｍで
８００ＡＴで励磁を行った場合、Ｂ３はその距離が２ｍ
ｍで６００ＡＴで励磁を行った場合である。いずれの場
合にも試料は磁界分布のピーク位置よりも後方に位置し
ている。その結果、試料から発生した２次電子が、磁界
中を螺旋運動をしてレンズの上方まで上がっていくため
には、磁界のピーク値を乗り越えなければならない。

【０００７】しかしながら、電子ビームの鉛直軸からの
角度をθとしたとき、磁界中の異なる場所ａ，ｂでこの
角度は磁界の強度によって次のように変化すると言われ
ている。

【０００８】 ｓｉｎθｂ／ｓｉｎθａ＝Ｂ（ｂ）／Ｂ（ａ） …（１） 今、ａを試料位置、ｂを磁界が最大となる位置とする
と、θａで試料面上から放射された電子は、試料面から
遠ざかるにつれて、Ｂ（ｂ）／Ｂ（ａ）が次第に大きく
なるので、θｂが大きくなる。すなわち、電子は鉛直軸
に対する傾きを大きくしていくことになる。

【０００９】従って、磁界の弱い位置から磁界の強い位
置に向かう電子は、磁界に平行な方向の速度成分を次第
に失い、これと直角な方向の速度を大きくすることにな
る。θｂが９０°となると、磁界に平行方向の速度を失
い、ここから電子は引き返す。これは磁界ミラーあるい
はボトルネックと呼ばれている現象で、ビームの閉じ込
めなどに利用されている。

【００１０】図２は単磁極型対物レンズに対して、８０
０ＡＴの励磁を行った場合の２次電子軌道の数値計算結
果である。図において、Ｐは単磁極型対物レンズの磁極
であり、Ｓが試料である。図でほぼ横方向に示された線
Ｂは対物レンズによる磁束線である。また、Ｅ１〜Ｅ３
は試料から放射された２次電子であり、２次電子は、そ
の一部が折り返し点Ｒにおいて引き返されている。Ｅｒ
は折り返し点から戻された２次電子を示している。

【００１１】図２では試料Ｓの中心から０．１，０．
２，０．３，０．４，０．５ｍｍの位置から放射された
２次電子Ｅ１、試料Ｓの中心から０°〜９０°まで１０
°おきに放射された２次電子Ｅ２、および、試料Ｓの中
心から２ｍｍおよび４ｍｍの位置から４５°方向に放射
された２次電子Ｅ３の軌道を示している。

【００１２】いずれの２次電子Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３も磁束
線Ｂに沿って螺旋運動を行いながら巻き上がっている
が、７０°，８０°，９０°の方向に放射された電子
は、途中から引き返している。なお、図３は試料Ｓの中
心から６０°までに放射された２次電子Ｅ２の拡大図で
ある。

【００１３】図４に示した表は、前記した式（１）によ
ってどれだけの初期角度で放射された電子が引き返すか
を求めたものである。すなわち、図４は、試料上の磁界
の最大磁界に対する比Ｂｓ／Ｂｍとミラー現象によって
引き返す２次電子の最小角度θｍとを示している。ラデ
ィアルギャップレンズ（Radial gap lens ）の磁界分布
は図１に示されているが、磁界分布のピークは、磁極面
近傍にあるため、常に試料Ｓより磁極Ｐ寄りにある。

【００１４】図２の数値計算結果は、図１の磁界分布の
Ｂ２の場合であるが、磁界ピーク位置は、試料から１．
１ｍｍ上方にあって、試料位置における磁界強度Ｂｓ
と、磁界分布のピーク位置における磁界強度Ｂｍとの比
Ｂｓ／Ｂｍは０．８１となる。この場合、電子が引き返
される臨界の放射角度は、６３．８°と求まる。数値計
算でも、６０°方向に放射された電子は磁界のピークを
通過しているが、７０°以上の方向に放射された電子は
引き返されているので、両者は良い一致を示していると
いえる。

【００１５】比Ｂｓ／Ｂｍは，磁極１と試料２との間の
距離Ｓ２によって変化し、それに伴ってθａの値も変化
する。この値は、Ｓ２＝２ｍｍでは５３°、Ｓ２＝１８
ｍｍでは７３°と求められる。低加速電圧での光学特性
は、Ｓ２が大きい値ほど良かったが、２次電子の巻き上
げ特性に関しても、Ｓ２を大きくすることは有利であ
る。すなわち、単磁極レンズは、ここでも低加速走査電
子顕微鏡用対物レンズとして適していることが実証され
る。

【００１６】いずれにしても、上記したように、試料か
らの放射角度がある値以上の２次電子は、対物レンズの
磁界のピークを越えられず、試料方向に戻されてしま
い、２次電子の検出効率をこの点で向上させることはで
きない。

【００１７】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、２次電子の検出効率を向上させる
ことができる走査電子顕微鏡を実現するにある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
走査電子顕微鏡は、一次電子ビームを細く集束するため
の対物レンズと、対物レンズ磁場内に配置される試料
と、対物レンズの上部に配置された２次電子検出器と、
対物レンズの磁場内に配置された試料と向き合う対物レ
ンズの磁極の近傍に配置された電極と、対物レンズの磁
極の内側に配置されたソレノイドコイルとを備え、電極
による電界により試料から放射される２次電子を捕獲
し、ソレノイドコイルによる磁界により、２次電子を対
物レンズの中心方向に束ねるようにしたことを特徴とし
ている。

【００１９】請求項１の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、対物レンズの磁場内に配置された試料と向き合う対
物レンズの磁極の近傍に配置された電極による電界によ
り試料から放射される２次電子を捕獲し、対物レンズの
磁極の内側に配置されたソレノイドコイルによる磁界に
より、２次電子を対物レンズの中心方向に束ね、効率良
く２次電子を対物レンズ上部に取り出す。

【００２０】請求項２の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、試料位置を対物レンズの磁場ピーク位置より後方と
したことを特徴としている。請求項２の発明に基づく走
査電子顕微鏡は、試料位置を対物レンズの磁場ピーク位
置より後方とし、試料の傾斜角を大きくできるようにし
た。

【００２１】請求項３の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、対物レンズの上部に電界と磁界より成るビームセパ
レータを設け、ビームセパレータで一次電子ビームを直
進させ、対物レンズ内部を引き上げられた２次電子を偏
向して２次電子検出器に導くようにしたことを特徴とし
ている。

【００２２】請求項３の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、対物レンズの上部に設けられた電界と磁界より成る
ビームセパレータで一次電子ビームを直進させ、対物レ
ンズ内部を引き上げられた２次電子を偏向して２次電子
検出器に導き、一次電子ビームの偏向収差をなくして２
次電子の検出効率を高める。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図５は本発明に基づく走査
電子顕微鏡の一例を示している。１はセミインレンズタ
イプの対物レンズであり、対物レンズ１は内側磁極２、
外側磁極３、励磁コイル４より構成されている。

【００２４】５は試料であり、試料５は対物レンズ１が
発生する磁場内に配置されている。対物レンズ１の内側
にはソレノイドコイル６が設けられ、また、ソレノイド
コイル６の内側には先端がほぼ円錐台状の電極７が設け
られている。

【００２５】対物レンズ１の上部には、ビームセパレー
タ８が配置されるが、ビームセパレータ８は、光軸に沿
って配置された第１の一対の電極９、一対の磁極１０、
第２の一対の電極１１とより構成されている。第１の電
極９と第２の電極１１は、図面上左右に一対の電極が配
置されており、磁極１０は、一対の磁極が紙面に垂直方
向に配置されている。

【００２６】磁極１０の一対の磁極の間の空間方向に
は、２次電子検出器１２が設けられている。この２次電
子検出器１２は、詳細に図示していないが、２次電子を
収集するための収集電極が設けられ、この電極に、例え
ば、１０ｋＶの高電圧が印加されている。また、２次電
子検出器１２には、２次電子の入射によって発光するシ
ンチレータと、シンチレータの光を光電子に変化する光
電変換面、光電子を増倍する増倍手段などが設けられて
いる。なお、１３は２次電子検出器１２のシールド電極
である。

【００２７】上記ビームセパレータ８の上部と下部に
は、他部からの漏洩磁場などにより、ビームセパレータ
内の電界と磁界が乱されないように、シールド板１４，
１５が設けられている。シールド板１４は前記した対物
レンズ１の内側に配置されている電極７に接続されてお
り、このシールド板１４と電極７には６０Ｖ程度の電圧
が印加されている。

【００２８】なお、図示していないが、ビームセパレー
タ８の上部には、一次電子ビームを発生し加速する電子
銃や、一次電子ビームを集束するコンデンサレンズや、
一次電子ビームを２次元的に走査するための偏向コイル
等が配置されている。このような構成の動作を次に説明
する。

【００２９】まず、図示していない電子銃から発生し加
速された一次電子ビームは、コンデンサレンズと対物レ
ンズ１とによって試料５上に細く集束される。また、一
次電子ビームは、偏向コイルによって試料上で２次元的
に走査される。この際、一次電子ビームはビームセパレ
ータ８内を通過するが、ビームセパレータ８では、第１
の一対の電極９と一対の磁極１０と第２の一対の電極１
１とによって電界と磁界が発生されている。この電界と
磁界の強さは、一次電子ビームが直進する条件に設定さ
れている。

【００３０】試料５への一次電子ビームの照射によって
２次電子が発生するが、２次電子は対物レンズ１の磁場
によって拘束され、対物レンズ内部を螺旋運動をしなが
ら上方に向かう。この時、ソレノイドコイル６による磁
界は、２次電子を光軸方向に集束するように機能し、螺
旋運動をしながら対物レンズ１内を上方に向かう２次電
子が、発散して対物レンズの壁部に衝突して吸収される
ことを防ぐ役割を有している。

【００３１】また、ほぼ円錐台形状の電極７には６０Ｖ
程度の電圧が印加されている。この結果、円錐台形状の
電極７の先端の電界により、試料５から発生し広範囲の
角度で放出される２次電子を光軸方向に集めることがで
き、効率良く２次電子を対物レンズ１の光軸に沿って上
方に導くことに効果がある。

【００３２】対物レンズ１の磁場によって拘束され、対
物レンズ１の上部に取り出された２次電子は、ビームセ
パレータ８に入射する。この２次電子の進む向きは、一
次電子ビームの進行する向きと逆になっており、したが
って、一次電子ビームが直進する条件下では、２次電子
はビームセパレータ８によって偏向される。

【００３３】すなわち、一次電子ビームの直進の条件
が、電界の強さをＥ、磁界の強さをＢ、一次電子ビーム
の速度をｖとした場合、Ｅ＝ｖＢとなるが、２次電子の
速度は、−ｖ_eとなり、ビームセパレータ８の直進の条
件を満足せず、ある方向に偏向される。

【００３４】ビームセパレータ８における電界の強さＥ
と磁界の強さＢとを選ぶことにより、一次電子ビームが
ビームセパレータ８内を直進し、２次電子を偏向して一
対の磁極１０の間の空間方向に向けることが可能とな
る。一対の磁極１０の間の空間方向に向かった２次電子
は、２次電子検出器１２に引き寄せられて検出される。

【００３５】このように、上記した構成では、一次電子
ビームをビームセパレータ８内で直進させ、２次電子を
ビームセパレータ８によって偏向させ、２次電子検出器
１２方向に導くことができるので、２次電子検出器１２
を一次電子ビームの光軸から離して配置でき、一次電子
ビームが２次電子検出器１２に印加される高電圧の影響
を受けず、そのため、一次電子ビームの偏向収差をほと
んどなくすことができる。

【００３６】次に、試料５から放射された２次電子の捕
獲についてより詳細に説明する。図６は、内側磁極２の
内側に円錐台形状の電極７を挿入して、この電極７に与
える電圧を調整して発生した全２次電子を捕獲した場合
を示している。この場合、電極７に６０Ｖの電圧が印加
され、全２次電子が捕獲されている。

【００３７】電極７に印加する電圧が５０Ｖの場合で
は、９０°方向に出射した２次電子は、磁界のピークを
通過できず、戻されることが分かった。また、外側磁極
２と試料５との間の距離Ｓ２が２ｍｍの場合には、全２
次電子を捕獲するためには、電極７に１００Ｖ印加する
必要があった。

【００３８】後者の場合、外側磁極２と試料５との間の
距離Ｓ２は２ｍｍで、図１に示した軸上磁場分布におい
て、Ｂｓ／Ｂｍ＝０．６４、θｍ＝５３，２°である。
この場合、試料５上には、約１０Ｖの電界がかかる。

【００３９】ラディアルギャップレンズの場合には、電
界によって２次電子が吸い上げられるだけではなお不十
分である。図６に見られるように、対物レンズ内に吸い
上げられた２次電子は、この中でばらばらになって、一
部の２次電子は、対物レンズの壁に衝突して消滅してし
まう。なお、図６は図７に２次電子Ｅ２の軌道の拡大図
を示す。

【００４０】この現象を防ぐためには、これら対物レン
ズの壁に衝突する２次電子に、再び電界か磁界を加えて
検出器まで導く必要がある。例えば、電界を加える場合
には、対物レンズ内部に付加電極を設け、この電極を３
分割して、下から順に、１００Ｖ、２５０Ｖ、５００Ｖ
の電圧を加えることが考えられる。

【００４１】このようにした場合、中心軸から３ｍｍ以
上離れた位置から放射された２次電子を捕獲することは
できないが、それ以外は、全ての方向に放射された２次
電子を対物レンズの上方まで導くことができる。しかし
ながら、電極に加える電圧がこの程度の場合には、２次
電子を細く束ねて２次電子検出器まで導くことは困難で
ある。

【００４２】電極を設けてこの電極に電圧を印加するこ
とと同じ効果は、ソレノイドコイル６を対物レンズ１の
内側磁極２の内側に巻くことによって達成できる。磁界
によって電子を導く場合の電子の回転半径ｒ_mと、電界
によって電子を導く場合の電子の回転半径ｒ_eは、次の
ように表すことができる。

【００４３】

【数１】

【００４４】ここで、直径５ｍｍの範囲内に２次電子を
入れるものとし、対物レンズ２に入射するときの２次電
子の最大角度を３０°とすると、２次電子のエネルギー
が５０Ｖの場合、４７．７Ｇａｕｓｓの磁界が必要とな
り、２次電子のエネルギーが１０Ｖの場合、２１，４Ｇ
ａｕｓｓの磁界が必要となる。

【００４５】しかしながら、図５の例では、２次電子は
既に電極によって６０Ｖまで加速されており、また、２
次電子の初期エネルギーを加算すれば、２次電子のエネ
ルギーは１００Ｖ程度となる。今、角度を１０°以内と
考えれば、電界によって２次電子を束ねるためには１４
ｋＶの高い電圧が必要となるのに対し、磁界の場合に
は、２３．４Ｇａｕｓｓで２次電子を束ねることができ
る。

【００４６】このように、対物レンズ内部で２次電子を
細く束ねて２次電子検出器１２にまで導くためには、電
界よりも磁界を用いるべきであることが分かる。この程
度の弱い磁界の印加は、一次電子ビームの特性にあまり
影響を与えない。Ｓ２＝３ｍｍの場合に、ソレノイドコ
イルで１００ＡＴの磁界を加えた場合には、球面収差Ｃ
ｓは１．２ｍｍ、色収差Ｃｃは１．２ｍｍで、収差係数
にほとんど変化はない。

【００４７】図８に円錐台形状の電極７とソレノイドコ
イル６とを用いた場合の数値計算による電界、磁界の様
子と２次電子の軌道とを示している。試料５から発生し
た２次電子Ｅは、電極による電界と、ソレノイドコイル
による磁界により、ほぼ全体が対物レンズ内部で細く束
ねられ、対物レンズ２上部に取り出される。

【００４８】このように、磁界型イマージョンレンズの
場合、２次電子を対物レンズの上方に導くためには、弱
い電界を試料近傍に加えることが必要であるが、対物レ
ンズ内部に入ってからは、２次電子を上方に導くために
は、磁界を加えることが有効である。

【００４９】以上本発明の一実施の形態例を詳述した
が、本発明はこの実施の形態例に限定されない。例え
ば、対物レンズとしてセミインレンズ形式の対物レンズ
を用いたが、単磁極型対物レンズ等の磁場内に試料を配
置する形式の対物レンズであれば全て用いることができ
る。

【００５０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
基づく走査電子顕微鏡は、対物レンズの磁場内に配置さ
れた試料と向き合う対物レンズの磁極の近傍に配置され
た電極による電界により試料から放射される２次電子を
捕獲し、対物レンズの磁極の内側に配置されたソレノイ
ドコイルによる磁界により、２次電子を対物レンズの中
心方向に束ね、２次電子を対物レンズ上部に取り出すよ
うに構成したので、２次電子が対物レンズの壁に衝突し
て消滅することなく、効率良く検出することができる。

【００５１】請求項２の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、試料位置を対物レンズの磁場ピーク位置より後方と
したので、試料の傾斜角を大きくすることができる。請
求項３の発明に基づく走査電子顕微鏡は、対物レンズの
上部に設けられた電界と磁界より成るビームセパレータ
で一次電子ビームを直進させ、対物レンズ内部を引き上
げられた２次電子を偏向して２次電子検出器に導くよう
に構成したので、一次電子ビームの偏向収差をなくして
２次電子の検出効率を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】セミインレンズにおける軸上磁場分布を示す図
である。

【図２】単磁極型対物レンズに対して、８００ＡＴの励
磁を行った場合の２次電子軌道の数値計算結果を示す図
である。

【図３】図２における試料Ｓの中心から６０°までに放
射された２次電子Ｅ２の拡大図である。

【図４】試料上の磁界の最大磁界に対する比Ｂｓ／Ｂｍ
とミラー現象によって引き返す２次電子の最小角度θｍ
とを示す表である。

【図５】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一例を示す図
である。

【図６】２次電子軌道の数値計算結果を示す図である。

【図７】図６における試料Ｓの中心から６０°までに放
射された２次電子Ｅ２の拡大図である。

【図８】円錐台形状の電極７とソレノイドコイル６とを
用いた場合の数値計算による電界、磁界の様子と２次電
子の軌道とを示す図である。

【符号の説明】

１ 対物レンズ ２ 内側磁極 ３ 外側磁極 ４ 励磁コイル ５ 試料 ６ ソレノイドコイル ７ 円筒状電極 ８ ビームセパレータ ９ 第１の一対の電極 １０ 一対の磁極 １１ 第２の一対の電極 １２ ２次電子検出器 １３ ２次電子検出器のシールド電極 １４，１５シールド板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次電子ビームを細く集束するための対
   物レンズと、対物レンズ磁場内に配置される試料と、対
   物レンズの上部に配置された２次電子検出器と、対物レ
   ンズの磁場内に配置された試料と向き合う対物レンズの
   磁極の近傍に配置された電極と、対物レンズの磁極の内
   側に配置されたソレノイドコイルとを備え、電極による
   電界により試料から放射される２次電子を捕獲し、ソレ
   ノイドコイルによる磁界により、２次電子を対物レンズ
   の中心方向に束ねるようにした走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 試料位置を対物レンズの磁場ピーク位置
   より後方とした請求項１記載の走査電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 対物レンズの上部に電界と磁界より成る
   ビームセパレータを設け、ビームセパレータで一次電子
   ビームを直進させ、対物レンズ内部を引き上げられた２
   次電子を偏向して２次電子検出器に導くようにした走査
   電子顕微鏡。