JPH1064465A - 電子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子銃と集束レンズ系との間の距離を短くす
ることができる電子ビーム装置を実現する。 【解決手段】 隔壁２３に設けられた棒状の磁極２８，
２９とコイル３０，３１よりなる棒磁石により、電子ビ
ームはまずＸ方向に１段目の偏向を受け、隔壁２６に設
けられた棒状の磁極３３，３４とコイル３５，３６より
なる棒磁石により、電子ビームはＸ方向に２段目の偏向
を受けてＸ方向の軸合わせが行われる。Ｙ方向の電子ビ
ームの軸合わせも同様に、隔壁２３のＹ方向に設けられ
た棒状の磁極とコイルよりなる棒磁石により、電子ビー
ムはまずＹ方向に１段目の偏向を受け、隔壁２６のＹ方
向に設けられた棒状の磁極とコイルよりなる棒磁石によ
り、電子ビームはＹ方向に２段目の偏向を受けてＹ方向
の軸合わせが行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子銃を収納した
超高真空室と電子ビームを集束する比較的低い真空室と
を備えた走査電子顕微鏡等の電子ビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査電子顕微鏡では、電子銃から
の一次電子ビームをコンデンサレンズと対物レンズによ
り試料上に細く集束し、更に、一次電子ビームを走査コ
イルにより試料上で２次元的に走査している。そして試
料への電子ビームの照射によって発生した２次電子等を
検出し、検出信号を電子ビームの走査と同期した陰極線
管に供給して陰極線管上に２次電子像などを表示するよ
うにしている。

【０００３】このような走査電子顕微鏡において、光源
を小さくでき、また、比較的大電流が得られる電界放射
型電子銃が使用されてきている。図１はこのような走査
電子顕微鏡を示しており、１は電界放射エミッタ２、引
出電極３、加速電極４より成る電界放射型電子銃であ
る。エミッタ２と引出電極３との間には、図示していな
い引出電源から例えば２〜３ｋＶ程度の引出電圧が印加
される。

【０００４】この引出電圧の印加によりエミッタ２の先
端部には強電界が形成され、エミッタ２先端から電子が
電界放射される。電界放射された電子は、エミッタ２と
加速電極４との間に接続された加速電源からの加速電圧
により加速され、電子ビームＥＢとして取り出される。

【０００５】電界放射型電子銃１から発生し加速された
電子ビームＥＢは、コンデンサレンズ５と対物レンズ６
とによって試料７上に細く集束される。また、電子ビー
ムＥＢは走査コイル８に供給される走査信号により、試
料４上で２次元的に走査される。

【０００６】試料７への電子ビームＥＢの照射によって
発生した２次電子は、図示していない検出器によって検
出される。検出器の検出信号は、適宜増幅された後、走
査コイル８による電子ビームの２次元走査と同期した陰
極線管に供給され、陰極線管の表示画面上には試料の走
査２次電子像が表示される。

【０００７】さて、上記した電界放射型電子銃１が収納
された電子銃室９は、良く知られているように超高真空
に維持しなければならない。この電子銃室９の真空度
は、通常１０^-10 Torr程度に維持される。一方、コンデ
ンサレンズ５や対物レンズ６が収納される鏡筒部１０の
真空度は、１０^-6Torr程度で十分である。

【０００８】そのため、電子銃室９と鏡筒部１０との間
に、直径が１００μｍ〜５００μｍ程度の開口を有した
アパーチャ板１１，１２を配置し、アパーチャ板１１，
１２で仕切られた領域を中間室１３としている。そし
て、電子銃室９、中間室１３、鏡筒部１０とをそれぞれ
別個の排気系で排気し、差動排気によって電子銃室９内
を所定の超高真空としている。なお、電界放射型電子銃
１の迅速な交換作業のために、電子銃室９の下部の適当
な部分に仕切弁が設けられる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記した走査電子顕微
鏡では、アパーチャ板１１，１２を電子銃室９と鏡筒部
１０との間に挿入し、中間室１３を設けるようにしてい
るので、電界放射型電子銃１とコンデンサレンズ５等と
の間の距離が長くなり、電子ビームの軸合わせ機構が必
要となる。そのため、中間室１３内に２段の偏向コイル
１４，１５が設けられている。この偏向コイル１４，１
５により電子ビームは２段偏向され、所定の軸合わせが
実行される。

【００１０】しかしながら、超高真空の中に電磁偏向コ
イル１４，１５を挿入するためには、それらのコイルを
超高真空的に封じ切るか、モールドしなければならな
い。その結果、大きな空間を超高真空内に形成しなけれ
ばならない。電磁偏向コイルに変えて、静電偏向板を用
いることも考えられるが、静電偏向では、電子ビームの
加速電圧が数ｋＶ程度では対応できるものの、加速電圧
が数１０ｋＶ以上となると、偏向電圧が数ｋＶ以上とな
り、絶縁対策のために大きな空間が必要となる。

【００１１】上記の理由により、電界放射型電子銃１と
コンデンサレンズ５との距離を短くすることができず、
せっかく電界放射型電子銃１から大電流が得られても、
その極一部しかコンデンサレンズ５内に入り込まないた
め、明るいビームを試料７に照射することができない。

【００１２】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、電子銃と集束レンズ系との間の距
離を短くすることができると同時に、電子銃から放出さ
れた電子線を小さな差動排気アパーチャをうまく通過さ
せて後段のコンデンサレンズのレンズ中心に入射させる
ことができる電子ビーム装置を実現するにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
電子ビーム装置は、電子銃を収納した電子銃室と、電子
銃から発生した電子ビームを集束する鏡筒部と、電子銃
室と鏡筒部との間の中間室とを備えており、電子銃室と
中間室と鏡筒部とを差動排気するように構成した電子ビ
ーム装置において、中間室の上下部分において真空外か
ら棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に挿入された
棒磁石により電子ビームの軸合わせを行うようにしたこ
とを特徴としている。

【００１４】請求項１の発明では、電子銃室と中間室と
鏡筒部とを差動排気するように構成すると共に、真空外
から棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に挿入され
た棒磁石により電子ビームの軸合わせを行う。

【００１５】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、電子銃は電界放射型電子銃であることを特徴とし
ている。請求項３の発明では、請求項１の発明におい
て、対向する棒磁石をヨークによって磁気的に接続した
ことを特徴としている。

【００１６】請求項４の発明では、請求項１の発明にお
いて、棒磁石は間隙から着脱可能に配置され、間隙内に
棒磁石に代えて加熱ヒーターを挿入するようにしたこと
を特徴としている。

【００１７】請求項５の発明に基づく電子ビーム装置
は、電子ビーム通路を真空的に隔てる壁部分に真空外か
ら棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に設けられた
棒磁石により電子ビームの非点補正や電子ビームの集束
を行うようにしたことを特徴としている。

【００１８】

【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２は本発明に基づく走査
電子顕微鏡の一例の要部を示しており、図１の従来装置
と同一ないしは類似の構成要素には、同一番号を付しそ
の詳細な説明は省略する。

【００１９】電子銃室９はステンレス等の非磁性体で形
成された電子銃室壁２０によって囲まれており、図示し
ていないが、超高真空ポンプによって内部は排気されて
いる。この電子銃室２０内には電界放射型電子銃１が収
納されている。

【００２０】電子銃室９の下部には中間室１３が設けら
れているが、この中間室壁２１もステンレス等の非磁性
体で形成されている。中間室１３内部はスパッタイオン
ポンプ２２と繋がっており、中間室１３は独立に排気さ
れるように構成されている。この電子銃室９と中間室１
３との間には円盤状の隔壁２３が配置されており、この
隔壁２３上に第１のアパーチャ板２４が配置されてい
る。

【００２１】中間室１３の下部には鏡筒部１０が設けら
れているが、この鏡筒壁２５もステンレス等の非磁性体
で形成されている。鏡筒部１０は図示していない真空ポ
ンプと繋がっており、鏡筒部１０内部は独立に排気され
るように構成されている。この中間室１３と鏡筒部１０
との間には円盤状の隔壁２６が配置されており、この隔
壁２６上に第２のアパーチャ板２７が配置されている。
この鏡筒部１０内にはコンデンサレンズや対物レンズが
配置される。

【００２２】電子銃室９と中間室１３との間の円盤状の
隔壁２３には、Ｘ方向において、対向して２か所に真空
外から細長い間隙が穿たれており、この間隙には、それ
ぞれ磁極２８，２９が挿入されている。各磁極２８，２
９にはそれぞれコイル３０，３１が巻かれているが、コ
イル３０，３１は共通に接続され、単一の励磁電源３２
から電流が供給される。この結果、隔壁２３に設けられ
た間隙には、棒磁石が挿入されたことになり、この２つ
の棒磁石の対向する面はそれぞれＮとＳとなるように構
成されている。

【００２３】また、図示はされていないが、円盤状の隔
壁２３のＸ方向と９０°回転したＹ方向にも、同様に２
か所間隙が穿たれており、これらの間隙にも磁極とコイ
ルよりなる棒磁石が挿入され、それらの棒磁石の対向す
る面はＮとＳとなるように構成されており、同一平面上
でＸ，Ｙの電子線の偏向が可能となる。

【００２４】中間室１３と鏡筒部１０との間の円盤状の
隔壁２６にも同様に、Ｘ方向において、対向して２か所
に真空外から細長い間隙が穿たれており、この間隙に
は、それぞれ磁極３３，３４が挿入されている。各磁極
３３，３４にはそれぞれコイル３５，３６が巻かれてい
るが、コイル３５，３６は共通に接続され、単一の励磁
電源３７から電流が供給される。

【００２５】この結果、隔壁２６に設けられた間隙に
は、棒磁石が挿入されたことになり、この２つの棒磁石
の対向する面はそれぞれＮとＳとなるように構成されて
いる。なお、２段偏向による電子ビームの軸合わせのた
め、隔壁２６における磁極３３と３４先端の磁性は、隔
壁２３における磁極２８と２９先端の磁性と反転されて
おり、磁極２８，２９による電子ビームの偏向の向きと
磁極３３，３４による電子ビームの偏向の向きとは逆に
されており、いわゆる２段偏向による電子線のふりもど
しが実現される。

【００２６】また、図示はされていないが、円盤状の隔
壁２６のＸ方向と９０°回転したＹ方向にも、同様に２
か所間隙が穿たれており、これらの間隙にも磁極とコイ
ルよりなる棒磁石が挿入され、それらの棒磁石の対向す
る面はＮとＳとなるように構成されている。

【００２７】図３は電子銃室９と中間室１３との間の隔
壁２３部分の部分断面図であり、電子銃室壁と隔壁２３
との間には、メタルＯリング３８が設けられ、真空シー
ルがされている。なお、隔壁２３に設けられた点線部分
は、Ｙ方向の棒磁石を挿入する細長い間隙３９を示して
いる。このような構成の動作を次に説明する。

【００２８】電子銃室９と中間室１３との間には、直径
が１００μｍ〜５００μｍ程度の開口を有したアパーチ
ャ板２４が配置され、また、中間室１３と鏡筒部１０と
の間には、同じく直径が１００μｍ〜５００μｍ程度の
開口を有したアパーチャ板２７が配置されている。そし
て、電子銃室９、中間室１３、鏡筒部１０とをそれぞれ
別個の排気系で排気し、差動排気によって電子銃室９内
を所定の高真空としている。なお、電界放射型電子銃１
の迅速な交換作業のために、隔壁２６には仕切弁４０が
設けられている。

【００２９】さて、電界放射型電子銃１から発生した電
子ビームの軸合わせを行う必要があるが、この実施の形
態では隔壁２３に設けられた棒状の磁極２８，２９とコ
イル３０，３１よりなる棒磁石により、電子ビームはま
ずＸ方向に１段目の偏向を受け、隔壁２６に設けられた
棒状の磁極３３，３４とコイル３５，３６よりなる棒磁
石により、電子ビームはＸ方向に２段目の偏向を受けて
Ｘ方向の軸合わせが行われる。

【００３０】この電子ビームの各偏向の大きさは、励磁
電源３２，３７からの励磁電流の大きさを調整すること
によって行うことができる。また、Ｙ方向の電子ビーム
の軸合わせも同様に、隔壁２３のＹ方向に設けられた棒
状の磁極とコイルよりなる棒磁石により、電子ビームは
まずＹ方向に１段目の偏向を受け、隔壁２６のＹ方向に
設けられた棒状の磁極とコイルよりなる棒磁石により、
電子ビームはＹ方向に２段目の偏向を受けてＹ方向の軸
合わせが行われる。

【００３１】図４は本発明の他の実施形態を示す平面図
であり、図２の構成と同一部分には同一番号が付されて
いる。この実施の形態では、対向する磁極（図ではＸ方
向の磁極のみ示す）２８，２９は、ヨーク４１によって
磁気的に接続されている。このように構成すると、磁気
抵抗を減少させ、少ない励磁電流で所望の電子ビームの
軸合わせを行うことができる。

【００３２】なお、図２の構成で、隔壁２３の上部に電
子銃室９と中間室１３とを真空的に分離するアパーチャ
板２４を配置したが、アパーチャ板を隔壁２３の下部に
配置しても良い。

【００３３】ところで、電子銃室等を超高真空状態とす
るためには、電子銃室を排気する際に、電子銃室の加熱
を行い、各部材からの吸着ガスの焼きだし処理を行わね
ばならない。図２に示した本発明の構成では、各間隙に
挿入された磁極とコイルより成る組み合わせ（棒磁石）
を間隙から引き出し、この棒磁石に代えて加熱ヒーター
を各間隙に挿入し、加熱ヒーターにより電子銃室内や中
間室内の焼きだし処理を効率良く行うことができる。

【００３４】上記した構成では、対向する棒磁石を関連
させて励磁し、電子ビームの軸合わせのために用いた
が、その他の構成を用いることもできる。図５は４極レ
ンズの構成を示している。Ｎ極とＮ極及びＳ極とＳ極が
対向して配置されている。この配置では、磁力線は図に
示す向きに形成される。この結果、図６に示すように円
状のビームをこの４極レンズに入射させると、ビームは
図６に示すようにＸ方向に引き伸ばされた形状となり
（１次元の集束作用）、Ｙ方向の集束作用（レンズ）と
なる。

【００３５】そこで、更にもう１組の４極レンズを４５
゜ずらせて設置すると、同様にＸ方向に集束させること
ができ、Ｘ，Ｙ２次元方向の集束が可能となる。そこ
で、図７に示すように同一平面に前記Ｘ方向及びＹ方向
の集束レンズを配置すると、８極のレンズとなり、前述
したようにビームの形状を変化させることができるよう
になり、非点補正を行うことができる。

【００３６】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこの形態に限定されない。例えば、走査電子顕微
鏡を例に説明したが、透過型電子顕微鏡等他の電子ビー
ム装置にも本発明を適用することができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１の発明では、電子銃室と中間室
と鏡筒部とを差動排気するように構成すると共に、真空
外から棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に挿入さ
れた棒磁石により電子ビームの軸合わせを行うように構
成したので、中間室部分の構造をコンパクトにすること
ができ、電子銃とコンデンサレンズとの間の距離を従来
に比べて１／３以下とすることができるため、電子ビー
ムの強度を９倍以上とすることができる。

【００３８】また、超高真空室内に偏向系を入れる必要
がないため、電子銃室の真空度を改善することができ
る。請求項２の発明では、請求項１の発明において、電
子銃は電界放射型電子銃であることを特徴としており、
簡単な構成で、電界放射型電子銃が収納された電子銃室
内部の真空度を極めて高くすることができる。

【００３９】請求項３の発明では、請求項１の発明にお
いて、対向する棒磁石をヨークによって磁気的に接続し
たので、磁気抵抗を減少させることができ、軸合わせの
ための励磁電流を少なくすることができる。

【００４０】請求項４の発明では、請求項１の発明にお
いて、棒磁石は間隙から着脱可能に配置され、間隙内に
棒磁石に代えて加熱ヒーターを挿入するようにしたの
で、簡単に高真空室の加熱焼きだし処理を行うことがで
きる。

【００４１】請求項５の発明に基づく電子ビーム装置
は、電子ビーム通路を真空的に隔てる壁部分に真空外か
ら棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に設けられた
棒磁石により電子ビームの非点補正又は集束を行うよう
にしたので、簡単な構成により、高い真空度を維持した
状態で電子ビームの非点補正又は集束を行うことができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の電界放射型電子銃を用いた走査電子顕微
鏡を示す図である。

【図２】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一例の要部を
示す図である。

【図３】図２の走査電子顕微鏡の一部断面斜視図であ
る。

【図４】磁極をヨークによって接続した実施の形態を示
す図である。

【図５】４極レンズの説明図である。

【図６】ビームの集束作用の説明図である。

【図７】８極レンズの説明図である。

【符号の説明】

１ 電界放射型電子銃 ９ 電子銃室 １０ 鏡筒部 ２２ スパッタイオンポンプ ２３，２６ 隔壁 ２４，２７ アパーチャ板 ２８，２９，３３，３４ 磁極 ３０，３１，３５，３６ コイル ３２，３７ 励磁電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/256 Ｈ０１Ｊ 37/256

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子銃を収納した電子銃室と、電子銃か
   ら発生した電子ビームを集束する鏡筒部と、電子銃室と
   鏡筒部との間の中間室とを備えており、電子銃室と中間
   室と鏡筒部とを差動排気するように構成した電子ビーム
   装置において、中間室の上下部分において真空外から棒
   磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に挿入された棒磁
   石により電子ビームの軸合わせを行うようにした電子ビ
   ーム装置。
2. 【請求項２】 電子銃は電界放射型電子銃である請求項
   １記載の電子ビーム装置。
3. 【請求項３】 対向する棒磁石をヨークによって磁気的
   に接続した請求項１記載の電子ビーム装置。
4. 【請求項４】 棒磁石は間隙から着脱可能に配置され、
   間隙内に棒磁石に代えて加熱ヒーターを挿入するように
   した請求項１記載の電子ビーム装置。
5. 【請求項５】 電子ビーム通路を真空的に隔てる壁部分
   に真空外から棒磁石を挿入する間隙を設け、この間隙に
   設けられた棒磁石により電子ビームの非点補正又は集束
   を行うようにした電子ビーム装置。