JPH10199465A - 電子ビーム装置の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料の表面電位が変化しても、最適な検出効
率で２次電子の検出を行うことができる電子ビーム装置
の調整方法を実現する。 【解決手段】 試料１４の表面電位が変化すると、２次
電子の軌道が変化して検出効率が落ちていく。試料１４
の表面電位が変化した場合に、減速電極２３と加速電極
２４に印加される電圧を最適なものとし、常に最適な検
出効率で２次電子の検出を行うようにする。すなわち、
減速電極２３と加速電極２４に印加する電圧をステップ
状に変化させ、各変化ごとに２次電子検出器２２の検出
信号をモニタし、最大の検出信号が得られたときの電圧
を各電極に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料に電子ビーム
を照射し、試料から発生した２次電子を検出するように
した走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置の調整方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡において、内側の磁極と
外側の磁極の下端面より下方に単一のレンズ磁場を形成
する対物レンズが用いられている。この場合、試料はこ
のレンズ磁場の中に置くことにより、高分解能の２次電
子像の観察が可能となる。このような走査電子顕微鏡に
おいて、２次電子を検出する方式として２種類考えられ
ている。図１は第１の方式を示したもので、１は対物レ
ンズであり、内側磁極２、外側磁極３、コイル４より構
成されている。この対物レンズ１により磁極２，３の下
端面より下方にレンズ磁場が形成され、このレンズ磁場
の中に試料５が配置される。

【０００３】試料５には図示していない電子銃からの電
子ビームが対物レンズ１により細く集束され、照射され
る。試料５への電子ビームの照射によって発生した２次
電子は、対物レンズ１の上部に設けられた２次電子検出
器６、対物レンズ１の下部に設けられた一対の２次電子
検出器７，８によって検出される。２次電子検出器６は
試料５が対物レンズ１に接近して配置された場合に主と
して用いられるもので、試料５から発生した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
１の上部に取り出されて２次電子検出器６によって検出
される。

【０００４】なお、２次電子検出器６，７，８は、それ
ぞれシンチレータと光電子増倍管を組み合わせた構造を
有しており、また、シンチレータの前面のリング状の電
極に正の電圧が印加され、２次電子を引き寄せる電界が
その前面に形成されている。一対の検出器７，８は試料
５が対物レンズ１から離れて配置されたときに主として
用いられるもので、試料５から発生した２次電子は、検
出器７，８の前面に形成された電界により検出器に引き
寄せられ検出される。

【０００５】図２は第２の方式を示しており、図１と同
一部分には同一番号を付してある。この方式では、対物
レンズ１の内側磁極２に２次電子検出器９が取り付けら
れており、試料５から発生した２次電子は、対物レンズ
のレンズ磁場によって拘束されて上方に向かい、２次電
子検出器９の前面に形成された電界により検出器９に引
き寄せられて検出される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図１に示した第１の方
式では、高分解能観察時には試料１と対物レンズ２（磁
極下端面）との間の距離すなわちワーキングディスタン
スを短くし、試料５を対物レンズ１の磁場の中に配置す
る。この場合、試料５から発生した２次電子の軌道は、
２次電子のエネルギーが小さい（数ｅＶ程度）ため、対
物レンズの磁力線に沿って動く。

【０００７】この場合、試料から発生した２次電子は、
磁力線に沿って磁極下端面付近までは光軸に沿って上に
動くため、試料より下方の検出器７，８には僅かな２次
電子しか入射せず、この検出器よって検出された信号を
陰極線管に供給しても、良い画質の像を表示することは
できない。

【０００８】一方、対物レンズ１の上方に配置された２
次電子検出器６の電界は、磁極下端面付近では非常に弱
いため、磁極下端面より上では、２次電子の一部は磁力
線に沿って対物レンズの内側磁極３方向に動き、最終的
には２次電子の一部は内側磁極３に衝突してしまうた
め、対物レンズ１の上方の検出器６によって検出された
信号に基づいて２次電子像を表示しても、十分なる画質
の像を得ることはできない。

【０００９】図２に示した第２の方式では、光軸付近に
おける検出器の電界強度が強いため、低加速電圧では一
次電子ビームがこの電界によって曲げられ、対物レンズ
１の光軸外を通るため、レンズの軸外収差で高分解能の
２次電子像を得ることができなくなる。

【００１０】上記のような問題点に鑑み、特願平６−１
４３７８号に開示された発明では、内側磁極と外側磁極
を有し、磁極の下端面より下方に単一のレンズ磁場を形
成する対物レンズを備え、この対物レンズによって電子
ビームを集束して試料に照射すると共に、試料から発生
した２次電子を検出するようにした電子ビーム装置にお
いて、内側磁極の下端面より上の位置で該内側磁極に２
次電子を通過させる開口を設け、内側磁極の外側に該開
口を通過した２次電子を検出する検出器を設けるように
構成した電子ビーム装置が開示されている。

【００１１】この先願の発明では、試料からの２次電子
を数多く検出器に導くことができると共に、２次電子検
出器からの電界による一次電子ビームの不正な偏向を極
めて小さくすることができる。従って、高分解能で高画
質の走査電子顕微鏡像を観察することができる。

【００１２】しかしながら、先願の発明において、試料
として絶縁物や半導体が用いた場合、試料の帯電によ
り、試料の表面電位が変化し、試料から発生した２次電
子の軌道が変化して、２次電子の検出効率が低下するこ
とが判明した。

【００１３】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、試料の表面電位が変化しても、最
適な検出効率で２次電子の検出を行うことができる電子
ビーム装置の調整方法を実現するにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく電子ビー
ム装置の調整方法は、磁極を有し、磁極の下端面より下
方に単一のレンズ磁場を形成する対物レンズを備え、こ
の対物レンズによって電子ビームを集束して試料に照射
すると共に、磁極の下端面より上の位置で該磁極に２次
電子を通過させる開口を設け、磁極の外側に該開口を通
過した２次電子を検出する検出器を設け、磁極の内側で
あって、磁極に設けられた開口の上方に、負の電圧が印
加される減速電極を設け、磁極に設けられた開口の下方
に、正の電圧が印加される加速電極を設け電子ビーム装
置において、減速電極と加速電極に異なった電圧を段階
的に印加し、各電圧印加時の検出器の出力信号を監視
し、最大の出力信号が得られた時の電圧を各電極に印加
するようにしたことを特徴としている。

【００１５】本発明では、減速電極と加速電極によって
２次電子を２次電子検出器に導くに際、減速電極と加速
電極に異なった電圧を段階的に印加し、各電圧印加時の
検出器の出力信号を監視し、最大の出力信号が得られた
時の電圧を各電極に印加する。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を詳細に説明する。図３は本発明を実施するための
走査電子顕微鏡の一例を示しており、１１は電子銃であ
る。電子銃１１から発生した電子ビームＥＢは、集束レ
ンズ１２と対物レンズ１３によって試料１４上に細く集
束される。また、電子ビームＥＢは、偏向コイル１５，
１６によって偏向され、試料１４上の電子ビームの照射
位置は走査される。なお、図示していないが、偏向コイ
ル１５，１６には走査信号発生回路から２次元走査信号
が供給される。

【００１７】対物レンズ１３は、ヨーク１７、内側磁極
１８、外側磁極１９、コイル２０より構成されており、
内側磁極１８の下端面に近い位置に開口２１が穿たれて
いる。内側磁極１８の開口２１部分の外側に、外側磁極
１９に２次電子検出器２２が取り付けられている。２次
電子検出器２２はシンチレータと光電子増倍管とを組み
合わせた構造を有しており、円形状のシンチレータの周
囲部分にはリング状の電極が設けられ、その電極には２
次電子を引き寄せる正の電圧が印加される。この電圧値
は数ｋＶから数１０ｋＶの範囲から選択される。

【００１８】内側磁極１８の内側の開口２１の上部に
は、ドーナツ状の減速電極２３が配置されている。この
減速電極２３には、例えば、数Ｖから数１０Ｖの負の電
圧が印加されており、開口２１の上部で内側磁極１８に
衝突していた２次電子は、この減速電極２３の働きによ
り、開口２１を通って検出器２２に入射する。

【００１９】また、開口２１の下方には、ドーナツ状の
加速電極２４が配置されている。加速電極２６には数１
０Ｖの正の電圧が印加される。このように構成すること
により、２次電子はほとんど内側磁極１８に衝突するこ
となく開口２１を通過して検出器２２に入射する。な
お、この実施の形態で、加速電極２４、減速電極２３共
にドーナツ状に限定されるものではなく、円筒状に形成
しても良い。ただし、いずれの場合でも、軸対称の構成
であることが好ましい。

【００２０】図４は図３の走査電子顕微鏡における主要
な電気回路部分を示している。２次電子検出器２２の検
出信号は、増幅器２５によって増幅された後、電子ビー
ムＥＢの走査と同期した陰極線管２６に供給される。ま
た、２次電子検出器２２の検出信号は、増幅器２５によ
って増幅された後、ＡＤ変換器２７によってディジタル
信号に変換された後、コンピュータのごとき制御回路２
８に供給される。制御回路２８は減速電極２３の電源２
９と加速電極２４の電源３０を制御する。このような構
成の動作は次の通りである。

【００２１】上記した構成で、２次電子像を観察する場
合、図示していない走査信号発生回路から所定の走査信
号が偏向コイル１５，１６に供給され、試料１４上の任
意の２次元領域が電子ビームＥＢによってラスター走査
される。ここで、対物レンズ１３は内側磁極１８と外側
磁極１９の下端面より下方に単一のレンズ磁場が形成さ
れるように構成されており、このレンズ磁場の中に試料
１４が配置されている。試料１４への電子ビームの照射
によって発生した２次電子は、レンズ磁場により拘束さ
れて上方に向かう。

【００２２】ここで、内側磁極１８の開口２１付近に
は、検出器２２の前面に印加された電圧に基づく電界が
形成されている。この電界により試料１４から発生し対
物レンズ１３内を上方に向かってきた２次電子は、検出
器２２方向に曲げられ、そして、２次電子検出器２２に
入射して検出される。その検出信号は、増幅器２５を介
して偏向コイル１５への走査信号と同期した陰極線管２
６に供給され、陰極線管２６には試料の任意の領域の２
次電子像が表示される。

【００２３】さて、２次電子が通過する開口２１と２次
電子検出器２２の位置が対物レンズ１３の下方にあるた
め、検出器が対物レンズ上方にある場合（例えば図１の
検出器６の配置）に比べ、内側磁極１８の下端面付近の
検出器２２による電界は強いため、２次電子は検出器２
２方向に効率良く曲げられ、より多くの２次電子が開口
を通って検出器２２によって捕獲でき、結果として高画
質の２次電子像を得ることができる。

【００２４】また、内側磁極１８に穿たれた開口２１付
近には磁界が形成され、この磁界は２次電子に対して集
束作用を有することになる。そのため、開口２１を通っ
て２次電子検出器２２に向かう２次電子は集束され、よ
り効率良く検出器に捕獲されることになる。なお、この
開口２１により形成される磁場により集束される２次電
子の軌道を計算すると、開口２１を通過して検出器に向
かう２次電子は曲線を辿り、開口２１部分で最も高い位
置を通る。その結果、検出器２２の中心位置を開口２１
の中心位置より下方に配置することにより、開口２１を
通過した２次電子を全て検出器２２に入射させることが
できる。

【００２５】なお、２次電子検出器２２を光軸から遠ざ
けること、更に、内側磁極１８の開口２１により、２次
電子検出器２２からの電界を光軸付近で弱めることがで
きる。そのため、試料１４に照射される一次電子ビーム
ＥＢが検出器２２からの電界で曲げられる角度が小さく
なり、一次電子ビームＥＢが対物レンズ１３の中心付近
を通ることができる。従って、対物レンズ１３の軸外収
差が小さくなり、電子ビームの加速電圧を低くしても高
分解能の２次電子像を得ることが可能となる。

【００２６】上記したように、試料１４からの２次電子
は、対物レンズ１３のレンズ磁場によって拘束され、対
物レンズ１３の内部を上方に向かう。そして、内側磁極
１８の下端面に近い位置に穿たれた開口２１による磁界
により集束され、更に、２次電子検出器２２の前面に形
成された電界により開口２１を通過して２次電子検出器
２２に入射する。

【００２７】しかしながらこの際、２次電子は、開口２
１部分を上限とする曲線状の軌道を辿るが、２次電子の
一部は開口２１の上部の内側磁極１８に衝突することが
確認された。このため、内側磁極１８の内側の開口２１
の上部に減速電極２３を配置し、この減速電極２３に電
源２９から負の電圧を印加している。この結果、開口２
１の上部で内側磁極１８に衝突していた２次電子は、こ
の減速電極２３の働きにより、開口２１を通って検出器
２２に入射する。

【００２８】また、検出器２２からの電界の一次電子ビ
ームＥＢに対する影響を小さくするためには、開口２１
の径を小さくすることが好ましい。しかしながら、開口
２１の径を小さくすると、２次電子の一部が開口２１の
下部の内側磁極１８に衝突する。このため、開口２１の
下方に加速電極２４を配置し、この加速電極２４に電源
３０から正の電圧を印加している。

【００２９】上記した構成で、試料１４の表面電位が変
化すると、２次電子の軌道が変化して検出効率が落ちて
いく。本発明では、試料１４の表面電位が変化した場合
に、減速電極２３と加速電極２４に印加される電圧を最
適なものとし、常に最適な検出効率で２次電子の検出を
行うようにする。

【００３０】すなわち、減速電極２３と加速電極２４に
印加する電圧をステップ状に変化させ、各変化ごとに２
次電子検出器２２の検出信号をモニタし、最大の検出信
号が得られたときの電圧を各電極に印加する。このよう
な電極電圧の調整方法を図５のフロー図を参考に説明す
る。

【００３１】調整をスタートさせると、まず、加速電極
２４に電源３０から加速電圧Ｖａを設定する（ステップ
１）。次に、減速電極２３に減速電圧Ｖｒを設定する
（ステップ２）。この状態で検出器２２の出力を制御回
路２８でモニタする（ステップ３）。次のステップ４で
は、減速電圧Ｖｒの値を１ステップ（ΔＶｒ）づづ変化
させる。

【００３２】この結果、減速電極２３には、Ｖｒ＋ΔＶ
ｒ，Ｖｒ＋２ΔＶｒ，……，Ｖｒ＋ｉΔＶｒ，…，Ｖｒ
＋ｎΔＶｒが順々に設定される。このときの検出器２２
の検出出力ＤＲ₁ ，ＤＲ₂ ，……，ＤＲ₁ ，…，ＤＲ_n
は、制御回路２８によってモニタされる。

【００３３】ステップ５では、常に得られた検出器２２
の出力ＤＲ₁ と、その一つ前の検出器出力ＤＲ_i-1 とが
比較される。ＤＲ_i ＞ＤＲ_i-1 である場合には、ステッ
プ４で減速電極２３の電圧が１ステップ変化させられる
が、ＤＲ_i ≦ＤＲ_i-1 である場合には、検出出力ＤＲ
_i-1 が得られたの時の、減速電極２３に印加された電圧
Ｖｒ＋（ｉ−１）ΔＶｒが最大の検出出力が得られたと
きの電圧であるため、この電圧が減速電極２３の設定電
圧Ｖｒｏとされる（ステップ６）。

【００３４】次に、電源３０から加速電極２４に印加さ
れる加速電圧Ｖａを１ステップ（ΔＶａ）づづ変化させ
る（ステップ８）。この結果、加速電極２４には、Ｖａ
＋ΔＶａ，Ｖａ＋２ΔＶａ，……，Ｖａ＋ｉΔＶａ，
…，Ｖａ＋ｎΔＶａが順々に設定される。このときの検
出器２２の検出出力ＤＡ₁ ，ＤＡ₂ ，……，ＤＡ_i ，
…，ＤＡ_n は、制御回路２８によってモニタされる（ス
テップ７）。

【００３５】ステップ９では、常に得られた検出器２２
の出力ＤＡ_i と、その一つ前の検出器出力ＤＡ_i-1 とが
比較される。ＤＡ_i ＞ＤＡ_i-1 である場合には、ステッ
プ７で加速電極２４の電圧が１ステップ変化させられる
が、ＤＡ_i ≦ＤＡ_i-1 である場合には、検出出力ＤＡ
_i-1 が得られたの時の、加速電極２４に印加された電圧
Ｖａ＋（ｉ−１）ΔＶａが最大の検出出力が得られたと
きの電圧であるため、この電圧が加速電極２４の設定電
圧Ｖａｏとされる（ステップ１０）。

【００３６】このようにして、最適な減速電極２３への
設定電圧Ｖｒｏ、すなわち、Ｖｒ＋（ｉ−１）ΔＶｒ
と、最適な加速電極２４への設定電圧Ｖａｏ、すなわ
ち、Ｖａ＋（ｉ−１）ΔＶａとが制御回路２８内のメモ
リに記憶される（ステップ１１）。制御回路２８は電源
２９，３０を制御して、記憶された各電圧を各電極に印
加する。

【００３７】このような調整を行うことにより、試料１
４の表面電位が変化しても、最大の検出効率で２次電子
の検出を行うことができる。したがって、通常の走査像
観察モードでの電子ビームの走査を行い、検出器２２の
検出出力信号を陰極線管２６に供給すれば、陰極線管２
６上に像質の優れた走査２次電子像が表示されることに
なる。

【００３８】以上本発明の実施の形態を説明したが、本
発明は上記した形態に限定されない。例えば、最初に減
速電極電圧の調整を行い、その後加速電極電圧の調整を
行ったが、その順序は逆であってもよい。また、単磁極
の対物レンズであっても本発明を適用することができ
る。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく電
子ビーム装置の調整方法においては、減速電極と加速電
極によって２次電子を２次電子検出器に導くに際、減速
電極と加速電極に異なった電圧を段階的に印加し、各電
圧印加時の検出器の出力信号を監視し、最大の出力信号
が得られた時の電圧を各電極に印加するようにしたの
で、試料の表面電位が変化しても、効率良く２次電子を
検出することができ、高分解能で高画質の走査電子顕微
鏡像を観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の走査電子顕微鏡における対物レンズ部分
と２次電子検出器とを示す図である。

【図２】従来の走査電子顕微鏡における対物レンズ部分
と２次電子検出器とを示す図である。

【図３】本発明が適用される走査電子顕微鏡の構成を示
す図である。

【図４】図３の走査電子顕微鏡における電気回路の構成
を示す図である。

【図５】本発明に基づく方法の一例を説明するためのフ
ロー図である。

【符号の説明】

１１ 電子銃 １２ 集束レンズ １３ 対物レンズ １４ 試料 １５，１６ 偏向コイル １７ ヨーク １８ 内側磁極 １９ 外側磁極 ２０ コイル ２１ 開口 ２２ ２次電子検出器 ２３ 減速電極 ２４ 加速電極 ２５ 増幅器 ２６ 陰極線管 ２７ ＡＤ変換器 ２８ 制御回路 ２９，３０ 電源

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁極を有し、磁極の下端面より下方に単
   一のレンズ磁場を形成する対物レンズを備え、この対物
   レンズによって電子ビームを集束して試料に照射すると
   共に、磁極の下端面より上の位置で該磁極に２次電子を
   通過させる開口を設け、磁極の外側に該開口を通過した
   ２次電子を検出する検出器を設け、磁極の内側であっ
   て、磁極に設けられた開口の上方に、負の電圧が印加さ
   れる減速電極を設け、磁極に設けられた開口の下方に、
   正の電圧が印加される加速電極を設けた電子ビーム装置
   において、減速電極と加速電極に異なった電圧を段階的
   に印加し、各電圧印加時の検出器の出力信号を監視し、
   最大の出力信号が得られた時の電圧を各電極に印加する
   ようにした電子ビーム装置の調整方法。