JPH1054878A

JPH1054878A - 蛍光装置およびこれを用いた撮像装置並びに検査装置

Info

Publication number: JPH1054878A
Application number: JP9119084A
Authority: JP
Inventors: Masanari Takaguchi; 雅成高口; Hiroshi Kakibayashi; 博司柿林; Tetsuya Oshima; 徹也大島; Kenji Samejima; 賢二鮫島; Tatsuo Makishima; 達男牧島; Keiichi Kanebori; 恵一兼堀; Hiroyuki Shinada; 博之品田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-02-24

Abstract

(57)【要約】【課題】入射粒子線像−光像変換のための蛍光体にお
ける荷電粒子線の散乱を、蛍光体に外部より電界を印加
することにより抑え、高発光量を維持しつつ解像度、S/
Nの低下を防ぐ。【解決手段】蛍光体の電子線入射面と蛍光出射面に電
極を設け、電極間に電圧を印加する。【効果】解像度、S/Nの低下の大きな影響をおよぼす
低エネルギー荷電粒子線の入射位置からの散乱による外
れ量を抑え、上記目的を達成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に高感度、高精細
な撮像を可能とする蛍光装置と、これを具備した撮像装
置並びに蛍光装置を用いた電子線による検査ＳＥＭに関
する。

【０００２】

【従来の技術】蛍光体を用いて撮像を行う撮像装置の例
として、Ultramicroscopy(ウルトラマイクロスコピー)
第52巻,p7-20(1993年)に開示されているような、電子顕
微鏡用カメラが挙げられる。この撮像装置においては、
蛍光体で電子線像を光像に変換し、この光像を光学素子
(本文献では光ファイバプレート、それ以外では光学レ
ンズ)により撮像素子(本文献では電荷結合素子(以下Ｃ
ＣＤと略)、それ以外では撮像管)上に結像し、これを撮
影していた。

【０００３】次に、蛍光体の面間に電圧を印加する従来
例として、特開昭58-206029号の陰極線間蛍光面が挙げ
られる。この発明においては、蛍光体の電子線入射面側
には光導電膜と金属反射膜が、光出射面側には透明電極
が接して成膜されており、さらに、金属反射膜と透明電
極間に10ボルト程度の電圧が印加し、電子線が蛍光体に
入射すると蛍光を発生する。このことをカソードルミネ
ッセンス現象と言う。カソードルミネッセンス現象で発
生した光が光導電膜に入射し入射した位置の電気抵抗が
下がると同時に電圧も低下する。これに対し蛍光体の電
圧は上昇するその後、光導電膜には光がこなくなり電気
抵抗が上がると同時に電圧も上昇する。同様に蛍光体も
電圧が低下する。この際、蛍光体のエネルギーバンドギ
ャップ相当である数ボルトの変化によって蛍光体の電圧
が変化した位置に対応した部分だけが発光する。この現
象をエレクトロルミネッセンス現象と言う。つまり、カ
ソードルミネッセンス現象と発光にエレクトロルミネッ
センス現象とによる発光が重畳するため、蛍光体単独で
の発光に比べ、高輝度の発光が得られるという特徴があ
った。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】像情報を持った荷電粒
子線は蛍光体内で、主にプラスの電荷を持った原子の電
磁気力により散乱されてしまうため、蛍光発光位置が荷
電粒子線入射軸を中心に広がりを持つことになる。従っ
て、蛍光体に入射する時点で十分な分解能を持った像で
も、蛍光体を通して光像に変換する際、いわゆるボケた
光像となってしまう。またさらに大きく散乱してしま
い、像情報を完全に失った電子線は、像に対してランダ
ムなノイズを形成し、S/Nの著しい劣化を招くことにな
る。

【０００５】こうした解像度、S/Nの劣化を防ぐために
は、荷電粒子線が入射軸から大きくはずれる前に蛍光体
外に出るようにすれば良い。例えばUltramicroscopy(ウ
ルトラマイクロスコピー)第54巻,p293-300(1994年)に開
示されているように電子線の広がり幅がある程度までに
抑えられるように薄くしていた。しかしこの方法には以
下の問題があった。つまり、電子線は蛍光体内で電離作
用を起こし、蛍光体にエネルギーを付与しながら、電子
自身は次第にエネルギーを低下させていく。そして蛍光
体はこのエネルギーを受けて蛍光を発光する。付与エネ
ルギー量は、電子線が蛍光体を透過する長さに応じて増
加するため、解像度劣化を防ぐために蛍光体を薄くする
ことは、すなわち発光量を減少させるという問題を招い
た。

【０００６】また、従来技術（特開昭58-206029号）の
欄で説明したカソードルミネッセンス現象と発光にエレ
クトロルミネッセンス現象とを重畳して得る方式では、
原理的に蛍光体のエネルギーバンドギャップ相当である
数ボルトのゼロクロス形の交流を光導電膜と蛍光体との
間に電圧を印加するが電子線の方向制御するに足りる電
圧が掛からないために、ボケの原因となる電子線散乱の
発生を抑えることが出来ないという問題があった。

【０００７】本発明の目的は、発光ボケを少なくし、高
発光量と高解像度、高S/Nの全てを満足した蛍光装置を
具備した電子顕微鏡及びこの蛍光装置含む電子線による
検査ＳＥＭを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本出願では、蛍光体の電
子線入射面と蛍光放射面に電極を設け、ルミネッセンス
現象により蛍光する際の散乱荷電粒子を電極間に直流高
電圧を印加し、蛍光体内に入射した荷電粒子線の散乱方
向を蛍光放射面方向に制御することにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】初めに、従来技術の項で述べた既
知の装置構成を、以下図１、２を用いて説明する。図１
に電子顕微鏡の像をレンズまたはオプティカルファイバ
プレートで撮像素子受光面上に結像し、撮影する場合の
装置の全体構成図を示す。電子顕微鏡１において、電子
線源２から放射された電子線３は、対物レンズ１０によ
り試料９に照射される。電子線３は、試料９において結
晶構造や組成等を反映した回折などの相互作用を受け、
予め薄膜化された試料９を透過する。透過した電子線３
は中間レンズ、投射レンズ等の電子レンズ８でガラス窓
５上に薄膜化された蛍光体４上に結像される。図１(a)
ではレンズ６を用いた撮像管７による撮像法を、図１
(ｂ)ではオプティカルファイバプレート１１を介した電
荷結合素子(CCD)１２による撮像を図示した。ここでオ
プティカルファイバプレート１１は光ファイバの束のこ
とである。何れの場合でも薄膜化された蛍光体４におい
て電子線像を光像に変換し、この光像を撮像する。図２
(a)に蛍光体４部分の拡大図を示す。

【００１０】ここでは１ヵ所にのみ入射した電子線の軌
跡１３と電子線の存在領域の包絡線１８、及び発生した
蛍光１４の光路を示した。多くの電子顕微鏡において
は、電子線は100kV〜300kVに加速される。このエネルギ
ー領域では、電子線の透過できる蛍光体の厚さ(飛程)は
20-100μm程度である。このため、蛍光体４の厚さは、
飛程の半分程度に抑え、図２(a)に示されたように、電
子線が完全に停止する前に蛍光体外に出るようにしてあ
る。電子線は蛍光体４内で電離作用によりエネルギーを
失う。一方、蛍光体ではこのエネルギーを受け、価電子
帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯には正孔が残さ
れる。ここで発生した電子−正孔対は短時間内に再結合
し、この時に蛍光体材料ごとに決まったエネルギー(波
長)の蛍光が発生する。従って、蛍光体４を飛程の半分
程度に抑え、電子線の透過する距離が短くなるというこ
とは、蛍光体４からの発光量が低減してしまうことにな
る。蛍光は全方位に発生するため、電子線の入射面と相
対した面(これを出射面と呼ぶ)から外部に直接出射する
蛍光は全発光の50％未満となる。通常はこの出射面側に
受光素子が設置され、蛍光を検知することになるため、
できるかぎり検出効率を向上させるため、従来より入射
面に薄い反射膜１５を設けていた(Ultramicroscopy(ウ
ルトラマイクロスコピー)第54巻,p293-300(1994年)記
載)。この反射膜１５は、電子線のエネルギーを殆ど低
下させずに十分な光反射率を維持するため、蒸着された
アルミニウム膜が一般的であった。

【００１１】蛍光の発生領域は、電子線の軌跡に沿って
３次元的に分布する。図２(a)のような点入射電子線に
よる発光分布(横軸は電子線の入射軸からの距離)は図２
(b)に示した形となり、主に蛍光体４内での電子線の広
がりに起因する発光分布を持つことになる。

【００１２】以下に本出願の実施例を示すが、電子線を
例に取り、蛍光体内での電子線の振舞いを理解するため
には、次の(1)〜(3)に記述した３つの要素について検討
しなければならない。

【００１３】(1)平均自由行程平均自由行程(λ)とは、電子が１回散乱されるまでに進
む平均距離のことである。非弾性散乱の効果を考慮した
平均自由行程のエネルギー依存性は、 λ（Ｅ）＝４β（β＋１）Ｅ²Ａ／（πＮ_AρΖ（Ｚ＋１）ｅ⁴）＝ａ＋ｂＥ−− −（式１） β＝５．４４Ｚ^(2/3)／Ｖ（β：スクリーニンク゛ハ゜ラメータ）−−−−− （式２）Ｅ：電子エネルギー(＝eV/300)、A：原子量、Z：原子番
号 e：電子の電荷、ＮA：アボガドロ数、ρ：密度で表記される。

【００１４】この式より、以下の結論を得る。

【００１５】低エネルギー電子線ほど散乱確率が大
きくなり、蛍光体の発光量も増大する。

【００１６】(2)エネルギー損失電子線は連続的に徐々にエネルギーを落していく。ここ
でエネルギー(Ｅ)の電子線の単位長さあたりのエネルギ
ー損失量(dE/dx)はベーテ(Bethe)の公式より、 dE/dx（Ｅ）＝２πｅ⁴Ｎ_AρＺ／（ＥＡ）×ｌｎ（１．６６Ｅ／Ｊ）−−−（式３）Ｊ＝１４Ｚ｛１−ｅｘｐ（‐０．１Ｚ）｝＋７５．５Ｚ／Ｚ^(Z/7.5)‐Ｚ²／（１００＋Ｚ）−−−−（式４）特に、Ｅ<300keVでは、 dE/dx（Ｅ）（ｋｅＶ／μｍ）＝１００／Ｅ（ｋｅＶ）−−−−（式５）で近似される。これより以下の結論を得る。

【００１７】低エネルギー電子ほどより多くのエネ
ルギーを蛍光体に付与する。

【００１８】このため低エネルギー電子周辺ほど発
光量が大きい。

【００１９】(3)散乱角エネルギー(Ｅ)の電子線が進行方向からある角度(ω)ず
れるとする。この時ωとω+dωの間の方向に散乱される
確率は、散乱断面積(dσ/dΩ(Ｅ))で表され、 dσ/dΩ(Ｅ)＝Ｚ（Ｚ＋１）ｅ⁴／４Ｅ²／（１−ｃｏｓω＋２β）²＝ａ／｛Ｅ（１− ｃｏｓω）＋ｂ｝−−−−（式６）で表記される。

【００２０】この式より、以下の結論を得る。

【００２１】低エネルギー電子ほど、より広角散乱
を受けやすい。

【００２２】以上の結果〜をまとめると、以下の結
論を得る。

【００２３】蛍光体内で連続的にエネルギーを失っ
ていった電子は、エネルギーが下がるほど、入射軸から
より外れた位置で蛍光量を増大させる。このような迷行
電子線は既に像情報を維持しておらず、ランダムバック
グラウンドノイズとして像全面を覆い、解像度、S/Nを
著しく低下させる。これを言い替えると、停止寸前の電
子線を蛍光体外に取り出すか、蛍光体内で入射軸から外
れないようにする、即ち散乱電子に対し蛍光体外に取り
出す側に加速する手段を有することにより、解像度、S/
Nは格段に良好になる。加速手段として電界を形成する
手段がある。

【００２４】尚、ここでは電子線の説明を行ったが、質
量や電荷の異なる他の荷電粒子線に関しても上記の結論
を得ることができる。

【００２５】（実施例１）そこで本発明においては、従
来構造の蛍光体４に以下に述べる新規構造を導入した蛍
光装置を図３にその１実施例として示す。本発明におい
ては、先ず蛍光の出射面側に透明電極１７を設けた。次
に、従来から備えられていた反射膜１５を電極としても
使用することとし、新規の透明電極１７の間に直流電源
１６をつなぎ、両電極間に電圧を印加することにした。
ここでは電子線を入射軸方向に引っ張り、拡散を防ぐ目
的で、透明電極側を高圧とした。印加する最適な電圧値
は、電子線のエネルギーや蛍光体の厚さにより異なるた
め、直流電源１６は電圧可変であることが望まれる。ま
た、透明電極１７としては、導電性と透光性を兼ね備え
た酸化スズ(SnO₂)、酸化インジウム(In₂O₃)、酸化チタ
ン(TiO₂)等が適当と考えられる。

【００２６】前記結論で述べたように、低エネルギー
の電子線ほど解像度、S/Nを劣化させる効果が大きい。
従って、電極間に印加する電圧は低電圧でも解像度、S/
Nの大きな向上が期待できる。つまり入射電子線のエネ
ルギーが300keVの場合でも、印加電圧は数100kVは必要
なく、数100V〜数kVで解像度、S/N向上の効果は十分で
ある。この程度の直流電源は、簡便な既製品が容易に入
手でき、低コストで実現できるという特長がある。この
結果、図３(a)に示したように、入射直後の高エネルギ
ー電子線の軌道は殆ど変化ないが、解像度、S/Nの劣化
に大きく影響する低エネルギー電子線の軌道１３を蛍光
体内で入射軸から外れないようにし、更にエネルギーの
下がった停止寸前の電子線がより多く蛍光体外に取り出
される。図３(a)においても１ヵ所にのみ入射した電子
線の軌跡１３と電子線の存在領域の包絡線１８、及び発
生した蛍光１４の光路を示した。このような点入射電子
線による発光分布(横軸は電子線の入射位置からの距離)
は、図３(b)に示した形となり、図２(b)よりシャープな
ものとなる。この結果、蛍光体内で発生する像のボケは
低下し、解像度が向上する。解像度向上の様子を、図４
を用いて説明する。図４(a)は電子顕微鏡で拡大され、
画面２０に投影された矢印型撮影対象物１９の電子線像
であり、電子−光変換する前の像であるため、蛍光体で
発生するボケの影響がなく、シャープな矢印像が得られ
ている。図４(b)は図２図示の従来型蛍光体を用いで撮
影した像であり、図４(a)に比べ、同一像が著しく幅を
持ち、像のボケは大きい。図４(c)は図３図示の本出願
の蛍光体を用いで撮影した像であり、像の幅は図４(b)
と図４(c)の中間の状態となり、解像度低下が抑えられ
ている。

【００２７】尚、これまでは電子線入射時の記載を行っ
たが、電荷の有無に係わらず他粒子入射時についても同
様の説明ができる。イオン線、原子線、分子線が入射し
た際には、各粒子は蛍光体４内で自らの軌道電子をはぎ
とられ、この結果何れも荷電粒子線となる。ここで電荷
が正となる場合と負になる場合があるが、後者の場合は
電子線と同様の粒子線の入射面側を負電位、蛍光の出射
面側を正電位とする。前者では逆に、粒子線の入射面側
を正電位、蛍光の出射面側を負電位とすることにより、
発光領域の制限と解像度低下の抑制を図ることができ
る。

【００２８】（実施例２）図５は蛍光体の電子顕微鏡へ
の取り付け部分の水平方向から見た詳細断面図である。
電子顕微鏡の観察室２１の下部には、カメラや各種分析
装置を設置できるように、通常数十センチ径の穴が設け
られている。この穴部分に蛍光体を取り付けるための変
換フランジ２２を取り付ける。更にこの変換フランジ２
２には、ネジ山を持った固定フランジ２４を取り付け
る。このネジにあわせてキャップ２６を作製し、ガラス
基板５を下から締め付けて固定できるようにする。ここ
でキャップ２６とガラス基板５の間には、例えば薄いテ
フロン板のような、スペーサ２５をはさむことで、締め
付けの際にガラス基板５に無理な力が入らないようにす
る。ガラス基板５の外周部表面は、図６で詳述するよう
にアルミニウム薄膜が成膜されているが、十分に平坦で
あり、ガラス基板５と変換フランジ２２の間に真空シー
ル(通常樹脂製のオーリング)をはさむことにより、電子
顕微鏡観察室２１内の真空を保持できる。

【００２９】（実施例３）次に蛍光体のより詳細な構造
と作製の手順、電極間の電圧のかけ方についての実施例
を図６を用いて説明する。図６(a)は断面図、図６(b)は
上から見た平面図、図６(ｃ)は透過電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）に応用した図である。初めに両面とも十分に平坦な
鏡面の平行平板のガラス基板５を準備する。ガラス基板
５の外周部には穴をあけ、導電製の電流取り出しピン３
１を埋め込む。尚、このような基板は市販されているも
のもある。この上に、透明電極２７を蒸着、スパッタな
どで成膜する。透明電極２７には、酸化スズ(SnO₂)、酸
化インジウム(In₂O₃)、酸化チタン(TiO₂)を用いること
ができる。

【００３０】透明電極２７は、本実施例では正方形に作
製しているが、一部分から電流取り出しピン３１まで引
出領域を設けておく。次に透明電極２７の正方形領域上
に、絶縁接着剤２８を用いて蛍光体４を貼り付ける。こ
こで接着面となる側は、接着前に予め鏡面研磨してお
く。貼り合わせ後、蛍光体４を目的の厚さに粗研磨し、
その後鏡面研磨する。通常上記張り合わせを行なったと
き、蛍光体４の周辺には接着剤は滲み出すことになる。
本実施例では、これを電極間の絶縁材として、積極的に
利用することにした。これが図６における絶縁接着剤２
８であり、蛍光体４の粗研磨時に蛍光体と同じ高さまで
一緒に研磨される。さらに透明電極２７の電流取り出し
ピン３１付近の引出領域上に絶縁材２９を塗布し、最後
に全面に電極３０を成膜する。ここで絶縁材２９は上記
の絶縁接着剤２８と同一材料でも構わない。また、電極
３０としては、成膜の容易な、蒸着したアルミニウム薄
膜が適当だと考えられるが、金、銀、白金等の導電性の
良い金属膜を蒸着、またはスパッタなどで成膜しても良
い。蛍光体４内での電子線の広がりを抑えるためには、
電極３０を電気的に接地し、透明電極２７側を高圧側と
するのが都合が良い。そこで電極３０上にアース線３２
を接続し、電流取り出しピン３１に高圧線３３を接続す
る。アース線３２は、近傍の例えば電子顕微鏡観察室２
１や変換フランジ２２等に接触させ、電気的な接地をと
れば良い。そして高圧線３３は既に真空外部に出ている
ため、準備した直流電源１６に直ちに接続できる。この
蛍光装置を透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に応用した図を図
６(ｃ)に示す。真空部と大気圧との境になる電極３０の
部分にはゴム性オーリングを挿入して真空漏れを防いで
いる。図６(ｃ)は蛍光装置については詳細を略した概略
構成としている。

【００３１】（実施例４）以上は、電子顕微鏡を例に取
り、入射粒子線、及び蛍光体内での荷電粒子線が何れも
電子線である場合の実施例であったが、入射粒子線が光
子の場合を説明する。図７には主に医療用に用いられる
Ｘ線撮影の例を示す。通常Ｘ線撮影では、Ｘ線発生装置
３４から発生されるＸ線３６を被検者３５に照射し、透
過したＸ線をフィルムもしくはカメラにて撮影する。本
実施例は撮像装置の例を示している。透過したＸ線はそ
のままでは波長が短すぎるためにカメラ４３で検知する
ことがでぎないため、、初めに蛍光体３８にて可視光近
辺の波長を持った光線４２に変換され、これが光学レン
ズ４１によりカメラ４３の撮像面上に結像される。この
時、Ｘ線は光電効果により一度高速の電子線に変換さ
れ、次にこの電子線が蛍光体を励起して蛍光を発光させ
る。従って、Ｘ線の保持している像情報は、蛍光体の厚
さ方向に高エネルギーを持った電子線に変換されるた
め、事情は図２、３等に示した実施例と同様である。従
って、この場合も、蛍光体３８を挾む様に電極３７及び
透明電極３９を設け、この両者間に直流電源４０を接続
し、透明電極３９側を正電位とすることにより、蛍光体
３８内での高速電子線の広がりを抑えることが可能とな
る。

【００３２】（実施例５）次に、イメ−ジインテンシフ
ァイヤにおける実施例を示す。イメ−ジインテンシファ
イヤの基本構造を図８に示した。イメ−ジインテンシフ
ァイヤでは、入射した光像をフォトカソ−ド５０で電子
線像に変換し、電子線像に直流電圧５１を印加して蛍光
体５２で光像に直す。この時、蛍光体５２には高電圧に
加速された電子線像が入射するため、ここでの電子線の
広がりが解像度低下を招く。従って、この蛍光体に図示
のような電極５３と透明電極５４を設け、この両者に直
流電圧５５を印加することにより、解像度向上を図るこ
とができる。

【００３３】（実施例６）ここでは、半導体装置の電子
線による検査装置に適用した実施例を示す。図９には、
上記出願装置の構成を示す。電子源２０１から放射され
た電子線は、半導体試料２０７に入射する。これにより
発生した散乱電子線は電磁偏向器２０３で結像系に導か
れ、拡大レンズ２１３、２１４で拡大された後、蛍光板
２１５に入射する。個々で電子線像が光像に変換され、
光ファイバー２１６で導かれ、２次元状に配置した光検
出器又はＣＣＤ２１７で撮影される。この時、散乱電子
線像は高エネルギ−状態にあるため、蛍光板２１５内で
も散乱され、ＣＣＤ２１７での撮影像がボケてしまう。
そこで蛍光板２１５をはさむように電極３００と透明電
極３０１を設け、透明電極３０１側を正電位になるよう
に直流電圧を電極３００と透明電極３０１間に印加する
ことにより、ＣＣＤ２１７での撮影像の解像度を大きく
向上させることができる。

【００３４】蛍光体に電圧を印加することにより、２次
元情報を持った各種粒子線、もしくはこれが引き起こす
２次荷電粒子線が入射軸に対して垂直方向に広がらない
ようにすることにした。特に、例えば電子顕微鏡像撮影
の場合、解像度、S/N劣化に大きな影響を及ぼす低エネ
ルギー電子線の散乱、拡散を防ぎ、厚い蛍光体を用いて
高発光量を実現しつつ、高解像度、高S/Nを維持できる
ようにした。

【００３５】つぎに図９の構成について説明する。

【００３６】装置は大別して電子光学系４０１，試料室
４０２，画像検出部４０３，画像処理部４０４および制
御部４０５より構成されている。

【００３７】まず電子光学系４０１について説明する。
加速電源２２３により高圧の負電位が与えられている電
子源２０１から放出した電子ビームは，コンデンサレン
ズ２０２によって収束され矩形絞り２０４を照射する。
ただし，この電子ビームは焦点を結ぶ前に電磁偏向器２
０３によって偏向を受ける。電磁偏向器２０３は入射電
子ビームと試料から反射した電子ビームの光路を分離す
るためのものである。矩形絞り２０４を透過した電子ビ
ームは対物レンズ２０６により半導体試料２０７上に矩
形絞りの像を形成する。矩形絞りの大きさはたとえば40
0μｍ角，対物レンズにより1/4に縮小し半導体試料上で
は100μｍ角にする。この照射領域は，走査偏向器２０
５により半導体試料上の任意の位置に移動、又は走査す
ることが可能である。電子源２０１には先端部が平面で
その領域が10μｍ以上のLaB6熱電子源を用いた。これに
より，広い面積に均一に電子ビームを照射することが可
能となる。

【００３８】半導体試料２０７，試料台２０８には電源
２０９により，電源２２３より小さい負の電位またはわ
ずかに大きい負の電位を印加する。電子源２０１の電位
より小さい電位を印加した場合は，後方散乱電子を用い
て検査する場合であり電子ビームは試料２０７直前で減
速されて試料に衝突し，試料表面の原子により散乱され
る。これらの散乱電子を電磁偏向器２０３で結像系に導
き，これにより作られる像を拡大レンズ２１３，２１４
により拡大することで半導体試料表面のパターンを反映
した顕微鏡像を蛍光板２１５上に得ることができる。

【００３９】試料室４０２には試料台２０８上に半導体
試料２０７が載置され，負の高電圧が印加されている。
このステージにはステージ位置測定器２２７が設置さ
れ，試料台を連続移動しながら像を得るためにステージ
の位置をリアルタイムで正確に計測している。これには
たとえばレーザ干渉計が用いられている。さらにウェハ
の高さを正確に計測するために光学式の試料高さ測定器
２２６も取りつけられている。これはたとえばウェハの
検査領域に光を斜めから入射させ，その反射光の位置の
変化からウェハの高さを計測する装置である。

【００４０】次に画像検出部４０３について説明する。
画像検出には蛍光板２１５とCCD２１７とから成る。蛍
光板２１５では両側に電極３００と透明電極３０１を設
けている。この電極間に高電圧を印加し、電子線の散乱
を防ぎ、光ファイバー２１６で光学結合させることによ
り、光学像を光学画像検出素子上に結像させる。あるい
は，光ファイバー２１６の代わりに光学レンズを置き，
そのレンズにより蛍光板２１５の上に形成された半導体
試料表面の画像をCCD２１７上に結像する。そしてCCD２
１７により電気信号化された画像は画像処理部４０４に
送られる。

【００４１】画像処理部４０４は画像記憶部２１８・２
１９，演算部２２０，欠陥判定部２２１より構成されて
いる。取り込まれた画像は，モニタ２２２に表示され
る。検査装置各部の動作命令および動作条件は，制御計
算機２２９から入出力される。制御計算機２２９には予
め電子線発生時の加速電圧・電子線偏向幅・偏向速度・試
料台移動速度・検出器の信号取り込みタイミング等々の
条件が入力されている。また，ステージ位置測定器２２
７，試料高さ測定器２２６の信号から補正信号を生成
し，電子線が常に正しい位置に照射されるよう対物レン
ズ２０６や，走査偏向器２０５に補正信号を送る。ビー
ム制御系２２８は電子線を制御するレンズ制御部２２４
や偏向器に信号を送る偏向器制御部２２５、試料高さ測
定部２２６、ステージ位置測定器２２７へ制御計算機２
２９からの指令を受けて分配制御を行う。２３０は試料
の位置を粗調整するための光学顕微鏡。２１２は試料か
らの二次電子像の拡大像の位置を示す。

【００４２】

【発明の効果】蛍光体に電圧を印加することにより、２
次元情報を持った各種粒子線、もしくはこれが引き起こ
す２次元荷電粒子線が入射軸に対して垂直方向に広がら
ないようにすることにした。特に、例えば電子顕微鏡像
撮影の場合、解像度、S/N劣化に大きな影響を及ぼす低
エネルギー電子線の散乱、拡散を防ぎ、厚い蛍光体を用
いて高発光量を実現しつつ、高解像度、高S/Nを維持で
きるようにした。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子顕微鏡とこれに設置した撮像装置の全体構
成図。

【図２】従来の蛍光体構造図と電子線広がり分布を示す
図。

【図３】本発明の蛍光体構造図と電子線広がり分布を示
す図。

【図４】従来の撮影像と本出願による改善された撮影像
の比較を示す図。

【図５】本発明の蛍光体の電子顕微鏡への取り付けを示
す構造図。

【図６】本発明の蛍光体の詳細な構造図。

【図７】本発明のＸ線撮影での装置構成図。

【図８】本発明のイメ−ジインテンシファイヤにおける
応用例を示す図。

【図９】本発明の半導体評価装置における応用例を示す
図。

【符号の説明】

１：電子顕微鏡、２：電子線源、３：電子線、４：蛍光
体、５：ガラス窓、６：レンズ、７：撮像管、８：電子
レンズ、９：試料、１０：対物レンズ、１１：オプティ
カルファイバプレート、１２：電荷結合素子(CCD)、１
３：軌跡、１４：蛍光、１５：反射膜、１６：直流電
流、１７：透明電極、１８：包絡線、１９：矢印型撮影
対象物、２０：画面、２１：電子顕微鏡観察室、２２：
変換フランジ、２３：真空シール、２４：固定フラン
ジ、２５：スペーサ、２６：キャップ、２７：透明電
極、２８：絶縁接着剤、２９：絶縁剤、３０：電極、３
１：電流取り出しピン、３２：アース線、３３：高圧
線、３４：Ｘ線発生装置、３５：被検者、３６：Ｘ線、
３７：電極、３８：蛍光体、３９：透明電極、４０：直
流電流、４１：光学レンズ、４２：光線、４３：カメ
ラ、５０：フォトカソ−ド、５１：直流電圧、５２：蛍
光体、５３：電極、５４：透明電極、５５：直流電圧、
２０１：電子源、２０２：コンデンサレンズ、２０３：
電磁偏向器、２０４：矩形絞り、２０５：走査偏向器、
２０６：対物レンズ、２０７：半導体試料、２０８：試
料台、２０９：電源、２１０：結像系偏向器、２１１：
結像レンズ、２１２：拡大像、２１３：拡大レンズ、２
１４：拡大レンズ、２１５：蛍光板、２１６：光ファイ
バー、２１７：ＣＣＤ、２１８：画像記憶部、２１９：
画像記憶部、２２０：演算部、２２１：欠陥判定部、２
２２：モニタ、２２３：加速電源、２２４：レンズ制御
部、２２５：偏向器制御部、２２６：試料高さ測定器、
２２７：ステージ位置測定器、２２８：ビーム制御系、
２２９：制御計算機、２３０：光学顕微鏡、３００：電
極、３０１：透明電極：４０１：電子光学系、４０２：
試料室、４０３：画像検出部、４０４：画像処理部、４
０５：制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鮫島賢二東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者牧島達男千葉県茂原市早野3300番地株式会社日立製作所電子デバイス事業部内 (72)発明者兼堀恵一東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者品田博之東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子線を光線に変換する蛍光体において、
任意の面間に可変な電圧を印加することにより、蛍光体
内での荷電粒子線の散乱、拡散領域を制御する手段を含
むことを特徴とした蛍光装置。
【請求項２】請求項１記載の蛍光体において、任意の面
間に可変な電圧を印加することにより、電圧を印加しな
いときに対して蛍光体の発光領域を小さくすることを特
徴とした蛍光装置。
【請求項３】請求項１記載の粒子線は光子、イオン線、
であり、荷電粒子線は、これらの粒子線のうち、電荷を
持ったものであることを特徴とした蛍光装置。
【請求項４】請求項１記載の任意の面間とは、粒子線の
入射面と蛍光の出射面であることを特徴とした蛍光装
置。
【請求項５】請求項１記載の蛍光体に印加する電圧は、
蛍光体内での荷電粒子線が正電荷を持つ場合、粒子線の
入射面側が正電位であり、蛍光の出射面側が負電位であ
ること、蛍光体内での荷電粒子線が負電荷を持つ場合、
粒子線の入射面側が負電位であり、蛍光の出射面側が正
電位であることを特徴とした蛍光装置。
【請求項６】請求項４および５記載の蛍光体は、粒子線
の入射側と蛍光の出射側に膜状電極を有することを特徴
とした蛍光装置。
【請求項７】請求項６記載の電極において、蛍光の出射
面には透明電極を用いることを特徴とした蛍光装置。
【請求項８】請求項７記載の透明電極には、酸化スズ(S
nO2)、酸化インジウム(In2O3)、酸化チタン(TiO2)のい
ずれか単体もしくは複合して用いることを特徴とした蛍
光装置。
【請求項９】請求項６記載の電極において、粒子線の入
射面には、電子線の透過能が大きく、かつ光反射率の大
きい金属薄膜を用い、電極と光反射膜の２つの機能を持
たせることを特徴とした蛍光装置。
【請求項１０】請求項９記載の金属膜電極には、アルミ
ニウム(Al)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)を用いることを
特徴とした蛍光装置。
【請求項１１】請求項１記載の蛍光体に印加する電圧に
おいて、粒子線の入射面側が接地されていることを特徴
とした蛍光装置
【請求項１２】粒子線を光線に変換する蛍光体におい
て、任意の面間に可変な電圧を印加することにより、蛍
光体内での荷電粒子線の散乱、拡散領域を制御する手段
と、前記蛍光体からの光像をフォトカソ−ドで電子線像
に変換し、電子線像に電圧を印加して蛍光体で光像に直
す手段を含むことを特徴とするイメ−ジインテンシファ
イヤ。
【請求項１３】光を通過する基板と、前記基板上に形成
した第２の電極部材と、前記第２の電極部材上に配置し
た蛍光体と、前記蛍光体上に設けた第１の電極部材を有
し、前記第１と第２の電極部材間に電圧を印加する電源
を具備したことを特徴とする蛍光装置。
【請求項１４】前記第１の電極部材は薄膜で形成されて
いることを特徴とする請求項１３記載の蛍光装置。
【請求項１５】前記電源は直流電源であることを特徴と
する請求項１３記載の蛍光装置。
【請求項１６】光を通過する基板と、前記基板上に形成
した第２の電極部材と、前記第２の電極部材上に配置し
た蛍光体と、前記蛍光体上に設けた第１の電極部材を有
し、前記第１の電極部材を通過した荷電粒子線を前記第
２の電極部材方向に向ける電源を具備したことを特徴と
する蛍光装置。
【請求項１７】光を通過する基板と、前記基板上に形成
した第２の電極部材と、前記第２の電極部材上に配置し
た蛍光体と、前記蛍光体上に設けた第１の電極部材と、
前記第１の電極部材を通過した荷電粒子線と、前記第２
の電極方向に前記荷電粒子線を加速する加速手段を含む
ことを特徴とする蛍光装置。
【請求項１８】光を通過する基板と、前記基板上に形成
した第２の電極部材と、前記第２の電極部材上に配置し
た蛍光体と、前記蛍光体上に設けた第１の電極部材と、
前記第１の電極部材を通過した荷電粒子線と、前記第２
の電極方向に前記荷電粒子線を加速する電界を発生する
手段を含むことを特徴とする蛍光装置。
【請求項１９】光像を電子線像に変換する光電子線変換
手段と、変換された電子線を光変化する第１と第２の電
極部材間に設けられた蛍光体と、前記光電子線変換手段
と第１の電極部材間に印加する第１の電源と、前記第１
の電極部材と第２の電極部材間に印加する第２の電極を
含むことを特徴するイメージインテンシファイヤ。
【請求項２０】電圧を印加する第１の電極部材と第２の
電極部材と、前記第１の電極部と、第２の電極部材の間
に前記第１の電極部材を通過した粒子線が光に変換され
る蛍光体とを具備し、前記蛍光体から光を受光した方向
に配置された光検出器と、前記蛍光体と前記光検出器の
間に配置された光学体からなることを特徴する撮像装
置。
【請求項２１】前記光検出器は光像を検出することを特
徴する請求項２０記載の撮像装置。
【請求項２２】前記光検出器が２次元状に複数個配置さ
れていることを特徴する請求項２０記載の撮像装置。
【請求項２３】前記光検出器がＣＣＤ装置であることを
特徴する請求項２２記載の撮像装置。撮像装置。
【請求項２４】荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷
電粒子線を集束する荷電粒子光学系と試料を保持する試
料台と、前記試料台上の試料からの荷電粒子線像を検出
する撮像装置とを含む荷電粒子線応用装置において、前
記撮像装置が電圧を印加するための第１の電極部材と第
２の電極部材と、前記第２の電極部材が基板の上形成さ
れ、前記第１の電極部材と、前記第２の電極部材の間に
荷電粒子線像を光に変換する蛍光部材と、前記第１の電
極部材と前記第２の電極部材と前記蛍光部材とを保持す
る保持手段と、前記蛍光部材から光を受光する方向に配
置された光検出器と、前記蛍光部材と前記光検出器の間
に配置された光学部材とを含むことを特徴荷電粒子線応
用装置。
【請求項２５】前記荷電粒子線が電子線であることを特
徴する請求項２４記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項２６】前記基板が真空部と大気圧部とを区切る
光を透過させる部材であることを特徴する請求項２４記
載の荷電粒子線応用装置。
【請求項２７】電子源と、前記電子源からの電子線を集
束する電子光学系と試料を保持する試料台と、前記試料
台上の試料からの２次荷電粒子線像を検出する撮像装置
とを含む電子線検査装置において、電圧を印加するため
の第１の電極部材と第２の電極部材と、前記第１の電極
部と、前記第２の電極部材の間に荷電粒子線像を光に変
換する蛍光部材と、前記第１の電極部材と前記第２の電
極部材と前記蛍光部材とを保持する基板と、前記蛍光部
材から受光する方向に光検出器を配置し、前記蛍光部材
と前記光検出器の間に光学部材を設けたことを特徴する
電子線検査装置。
【請求項２８】前記基板が真空部と大気圧部とを区切る
光を透過する部材であることを特徴する請求項２７記載
の電子線検査装置。