JPH11195396A - エネルギーフィルタを有する粒子線装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 結像又は像形成に使用される粒子線が高いエ
ネルギー鮮鋭度を有することができ且つＢｏｅｒｓｃｈ
効果の影響は小さい粒子線装置を提供すること。 【解決手段】 本発明による粒子線装置は照明光路内に
分散結像エネルギーフィルタを有する。エネルギーフィ
ルタにより、さらに粒子光学結像に寄与する粒子のエネ
ルギー鮮鋭度は向上し、それに伴って、結像色誤差は減
少する。フィルタ７を完全に通過した後に発生する分散
にもかかわらず、印加される高電圧の電圧変動がビーム
発生器（１，１ａ）の像の移動を引き起こすことのない
ように、ビーム発生器は拡大してフィルタの平面（９）
に結像され、フィルタ（７）から色消し状態で出力側像
平面（１０）に、結像される。分散フィルタの分散は非
分散フィルタと比べて強いため、本発明による粒子線装
置はフィルタ内部の粒子エネルギーが高いときでも稼動
でき、従って、非分散フィルタと比較して、Ｂｏｅｒｓ
ｃｈ効果は低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡用の粒
子線装置に関し、詳細には、粒子線発生器と対物レンズ
との間に配置され、分散を有するエネルギーフィルタを
有する粒子線装置に関する、

【０００２】

【従来の技術】エネルギーフィルタを有する透過電子顕
微鏡の形態をとる粒子線装置は、たとえば、米国特許第
４，７４０，７０４号、米国特許第４，７６０，２６１
号及び米国特許第５，４４９，９１４号から知られてい
る。これらの従来例に記載されているエネルギーフィル
タは分散フィルタである。すなわち、フィルタに侵入す
る帯電粒子は、フィルタを通過するとき、その粒子のエ
ネルギーに応じた大きさで偏向する。米国特許第４，７
４０，７０４号に記載されているフィルタは、その出願
人の透過電子顕微鏡９１２ Ｏｍｅｇａに摘要される。
９１２ Ｏｍｅｇａの場合、フィルタは結像光路内の検
査すべき標本と、標本が電子光学的に結像される投映ス
クリーン又はカメラとの間に配置されている。そのよう
な結像側エネルギーフィルタを使用して、粒子が標本の
中で受けたエネルギー損失を解析することができる。同
時に、エネルギー帯域幅が縮小した粒子のみが結像に寄
与するために、エネルギーによって決まる結像光路内の
結像誤差、色収差を減少させることもできる。

【０００３】ラスタ電子顕微鏡並びに透過電子顕微鏡に
おける結像色誤差を補正するために、照明光路内におい
て、電子源と検査すべき標本との間にミラー補正器を設
けることは米国特許第５，３１９，２０７号から知られ
ている。この特許に記載されているミラー補正器は磁気
ビームデフレクタと、磁気ビームデフレクタ内で２つの
対称平面を互いに対して結像する静電ミラーとから構成
されている。ビームデフレクタは分散特性を有している
が、補正は全体としては分散形ではない。すなわち、補
正器に入射した粒子は補正器を完全に通過し終わった後
でも、粒子エネルギーに従って決まる大きさの偏向を全
く起こさない。しかしながら、この種の補正は相対的に
高いコストを要し、これまでは市場に提示されていな
い。

【０００４】補正器に代わるものとして、Ｏｐｔｉｋ第
８５巻（第３号）の９５から９８ページ（１９９０号）
の論文から、透過電子顕微鏡の照明光路内にエネルギー
フィルタを設けることが知られている。エネルギーフィ
ルタを使用することによって、その後に続く結像に寄与
する粒子のエネルギー帯域幅が狭くなるため、少なくと
もエネルギー従属誤差は減少する。この場合にも、粒子
線のエネルギー論的分割のために、フィルタは分散要素
を有しているが、フィルタは全体としては分散を伴わな
いので、フィルタに流入した粒子はフィルタを完全に通
過した後でもエネルギーによって決まる大きさの偏向を
全く起こさず、これは先の場合と同様である。フィルタ
全体の分散なし状態は、フィルタが中心平面に対して対
称であり且つ２つの互いに対称なフィルタ部分における
分散が厳密に逆向きであることによって得られる。フィ
ルタがこのように分散を伴わないことにより、フィルタ
でわずかな電圧変動があっても、フィルタの背後ではビ
ームの揺動は起こらない。しかし、分散のないフィルタ
には、スリット絞りを使用してエネルギー選択を行うエ
ネルギー選択平面において得られる分散が相対的に小さ
いという欠点もある。また、分散は一般に粒子エネルギ
ーによって決まり、粒子エネルギーが大きくなるにつれ
て減少するので、高いエネルギー鮮鋭度を実現すべき場
合にはフィルタ内部の粒子エネルギーを相対的に低くし
なければならない。上記の論文では３ＫｅＶの粒子エネ
ルギーから始めており、Ｈ．Ｒｏｓｅがさらに研究を進
めた結果、有意義なエネルギー範囲として３から５Ｋｅ
Ｖを指定している。ところが、フィルタ内部の粒子エネ
ルギーが低いと、いわゆるＢｏｅｒｓｃｈ効果によって
エネルギー幅が拡張する。特にフィルタ内部における粒
子源の中間結像の場合、そのような中間像の粒子密度が
高くなるために、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果は重大な影響を及
ぼすので、既に、Ｈ．ＲＯｓｅはフィルタ内部で非点収
差中間像のみをもたらすフィルタを使用することを提案
している。

【０００５】さらに、日本特許６２−９３８４８から
は、電子源と対物レンズとの間に分散エネルギーフィル
タを有するラスタ電子顕微鏡が知られている。しかし、
ここに記載されている光学系においては、フィルタは相
対信号を発生するためにのみ使用されるので、本来の二
次電子測定信号と相対信号との商を算出することによ
り、電子源の雑音が後に形成される像に及ぼす不都合な
影響を除去できる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、さら
に結像又は像形成に使用される粒子線が高いエネルギー
鮮鋭度を有することができ且つＢｏｅｒｓｃｈ効果の影
響は小さい粒子線装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、粒子線発生器
と対物レンズとの間に配置され、分散を有するエネルギ
ーフィルタを有し、そのエネルギーフィルタは第１の入
力側平面を色消し状態で第１の出力側平面に結像すると
共に、第２の入力側平面を第２の出力側平面に分散結像
し、且つ粒子線発生器はエネルギーフィルタの第１の入
力側平面に結像されている粒子線装置である。

【０００８】本発明による粒子線装置においては、前記
の論文の場合と同様に、照明側の粒子線発生器と対物レ
ンズとの間にエネルギーフィルタが配置されている。し
かし、先の論文に記載される構造とは異なり、このエネ
ルギーフィルタは分散を有する。すなわち、フィルタを
完全に通り抜けた粒子は、フィルタの終端で、粒子の運
動エネルギーによって決まる大きさの偏向を生じる。こ
の場合のフィルタは、第１の入力側平面を色消し状態で
出力側平面に結像すると同時に、第２の入力側平面を第
２の出力側平面に分散結像するいわゆる結像エネルギー
フィルタである。本発明による粒子線装置の場合、粒子
線発生器、より厳密にいえば、粒子線発生器の粒子を放
出する面は、エネルギーフィルタの第１の入力側平面に
結像されるので、エネルギーフィルタの分散があるにも
かかわらず、粒子線のエネルギー変動は第２の出力側平
面及びその背後における粒子線発生器の像の移動を全く
引き起こさない。

【０００９】分散エネルギーフィルタは、分散なしエネ
ルギーフィルタより大きな分散を有するので、本発明に
よる粒子線装置では、エネルギーフィルタリング後の粒
子線のエネルギー鮮鋭度が等しいとして、従来の技術に
従った構造の場合より高い平均粒子エネルギーを設定す
ることができる。この平均粒子エネルギーは５から３５
ＫｅＶに設定でき、好ましくは８から２０ＫｅＶに設定
すべきであろうが、そのように高い平均粒子エネルギー
によって、Ｂｏｅｒｓｃｈ効果の悪影響は明らかに減少
する。

【００１０】本発明による粒子線装置においては、適切
なスリット状選択絞りによるエネルギー選択は、エネル
ギーフィルタの出力側領域で又は第２の出力側平面にお
けるエネルギーフィルタの背後で実行できる。粒子線発
生器の第１の入力側平面への結像は、エネルギーフィル
タの背後のエネルギー選択によって後続する光路内の粒
子線の開口の切り取りが起こらないように拡大して行わ
れるのが好ましい。

【００１１】本発明の有利な一実施態様では、粒子はエ
ネルギーフィルタに入射する前に既に相対的に高いエネ
ルギーまで加速され、エネルギーフィルタと後続する結
像段を同じエネルギーをもって通過し、対物レンズの中
又は対物レンズと検査すべき標本との間になって初めて
より低い所望の最終エネルギーまで制動される。本発明
による粒子線装置のこの実施態様は、特に、粒子線を対
物レンズにより検査すべき標本の上へ集束する低電圧ラ
スタ電子顕微鏡として構成できる。そこで、標本を走査
するために、対物レンズの領域に、粒子線焦点を２つの
互いに垂直な方向に偏向する偏向手段が設けられてい
る。このような低電圧ラスタ電子顕微鏡における目標エ
ネルギーは１０ｅＶから１０ＫｅＶである。

【００１２】このような低電圧ラスタ電子顕微鏡の場
合、対物レンズとフィルタとの間に、検査すべき標本か
ら放出される二次電子を検出する検出器を設けることが
できる。標本から反射散乱する粒子を検出するために、
別の検出器を設けることが可能であり、この場合、この
反射散乱粒子の光路はエネルギーフィルタから側方へ外
れているのが好ましい。直接に反射散乱する粒子をエネ
ルギー損失を受けた粒子から分離するために、フィルタ
と反射散乱粒子を検出する検出器との間に、さらにスリ
ット絞りを配置することができる。

【００１３】低電圧ラスタ電子顕微鏡としての実施態様
に代わるものとして、本発明による粒子線装置を高電圧
透過電子顕微鏡としても構成できることは言うまでもな
い。この場合、エネルギーフィルタから射出した直後
に、粒子線は所望の高い目標エネルギーまで加速される
であろう。エネルギーフィルタの分散は、フィルタ内部
の平均粒子エネルギーで、５から２０μｍ／ｅＶの範
囲、好ましくは１０から１５μｍ／ｅＶの範囲とすべき
であろう。フィルタの分散が５から１０μｍ／ｅＶ以下
であると、十分なエネルギー鮮鋭度が得られないか又は
選択絞りのスリット幅をごく狭くすることが必要にな
る。一方、１５から２０μｍ／ｅＶの上限値を越えてし
まうと、選択絞りの背後の粒子線の開口は大きくなりす
ぎるので、その結果、後続する電子光学結像要素はより
大きな開口誤差を発生させる。そのため、色誤差の減少
により可能になる分解能の獲得は再び補償されるか、又
はさらに過剰補償される。

【００１４】

【発明の実施の形態】次に、図面に示した実施形態に基
づいて本発明の個々の点をさらに詳細に説明する。図１
において、１は熱電界放出源の形態をとるビーム発生
器、１ａは電子を放出する陰極先端である。陰極先端１
ａに対して正電位にある抽出電極２により陰極先端１ａ
から電子を抽出し、その後、電子を陽極３の電位まで加
速する。陽極３は、装置全体を通って設置された、導電
材料から成るビーム誘導管４と導電接続している。陽極
電位、従って、ビーム誘導管４の電位は接地電位に対し
て約１０ｋＶになる。陽極３のすぐ後に磁気集光レンズ
５が続き、その後に開口絞り６が続いている。エネルギ
ーフィルタ７は、いわゆる入力側像平面９（第１の入力
側平面）を無収差、色消し状態で出力側像平面１０（第
１の出力側平面）に結像すると同時に、入力側回折平面
（第２の入力側平面）を分散、無収差の状態で出力側回
折平面（第２の出力側平面）に結像する結像分散電子エ
ネルギーフィルタである。入力側回折平面には開口絞り
６が配置されている。すなわち、この平面は開口絞り６
の平面と一致する。出力回折平面には、スリット絞りと
して構成されたエネルギー選択絞り８が配置されてい
る。分散フィルタ７自体は磁気フィルタそのものであ
り、図中、７ａ〜７ｃはフィルタの３つの磁石部分であ
る。フィルタの詳細な構造は米国特許第４，７４０，７
０４号に記載されているので、フィルタの構成の詳細に
ついてはこれを参照のこと。

【００１５】フィルタ７は図１の図面の平面に対し垂直
な平面に対して対称の構造であるが、分散を生じる。す
なわち、フィルタを通過した電子はフィルタの背後で、
光軸に対し電子のエネルギーによって決まる大きさで偏
向し、その結果、中心にスリットを有する選択絞り８
は、中心エネルギーからのエネルギー偏差が分散及びス
リット幅により定まるエネルギー偏差より大きい電子を
捕捉する。高電圧変動が電子を放出する陰極先端１ａの
後続する像の側方への移動を引き起こさないようにする
ために、陰極先端１ａはフィルタ７の入力側像平面９に
結像され、さらに、フィルタ７から色消し状態で出力側
像平面１０に結像される。

【００１６】エネルギー選択絞り８の後には第２の集光
レンズ１１が続き、選択絞り８はこの集光レンズ１１を
経て対物レンズ１３の後方焦点面に結像される。同時
に、集光レンズ１１はフィルタ７の出力側像平面１０の
結像により陰極先端１ａの別の中間像を形成する。この
中間像は後続する対物レンズ１３により再度縮小され
て、検査すべき標本１５の上へと結像される。対物レン
ズ１３は磁気レンズと静電レンズとを組合わせたもので
ある。標本１５と対物レンズ１３の磁極片は接地電位に
あるので、電子は、ビーム誘導管４から射出した後、ビ
ーム誘導管４の端部と対物レンズ１３の外側磁極片との
ほぼ間で１０ｅＶから５ＫｅＶの目標エネルギーまで制
動される。標本１５のより広い側部領域を走査するため
に、対物レンズ１３の磁極片に磁気偏向光学系１４がさ
らに配置されている。

【００１７】標本１５から射出する二次電子を検出する
ために、対物レンズ１３と第２の集光レンズ１１との間
に、中心に孔のある回転対称形電子検出器が配置されて
いる。この検出器はシンチレーション検出器、半導体検
出器又はマイクロチャネルプレート検出器として構成で
きる。

【００１８】電子光学光路の詳細を図２に示す。電子を
放出する陰極先端１ａは第１の集光レンズ５により分散
フィルタ７の入力側像平面９に結像され、この像はフィ
ルタ７により色消し、無収差の状態で出力側像平面１０
に結像される。開口絞り６は第１の集光レンズ５とフィ
ルタ７の入力側像平面９との間の、選択絞り８が配置さ
れている出力側共役平面に無収差で分散結像される平面
に配置されている。そこで、陰極先端１ａの入力側像平
面９への結像は５倍から４０倍の倍率を有し、そのた
め、フィルタ７の内側の、選択絞り８の平面における有
効開口は対応して縮小されることになる。従って、フィ
ルタ７の射出側におけるエネルギーのフィルタリングが
電子光束の開口の重大な切断を引き起こすことはない。

【００１９】電子エネルギーが１０ＫｅＶであるとき、
エネルギーフィルタが１０から１５μｍ／ｅＶの分散を
有するならば、スリット幅が２μｍである選択絞り８に
より、０．１から０．２ｅＶのエネルギー幅が設定され
る。典型的な分散エネルギーフィルタの場合、入力側像
平面９と入力側回折平面６との間隔は４０から８０mmで
あるので、スリット幅は狭いが、１．５×１０^-5の開口
が問題なく伝達される。その後に、出力側像平面１０に
形成される陰極先端１ａの像を約４００から７００分の
一の縮小率で縮小して標本１５の上に結像する、第２の
集光レンズ１１と対物レンズ１３とから成る二段階結像
光学系が続いているため、標本平面では、６×１０^-3か
ら１×１０^-2の範囲の最適最終開口及び約１ｎｍから３
ｎｍのゾンデサイズが得られる。

【００２０】標本１５で散乱して戻って来る電子はビー
ム誘導管４の標本側端部と、標本１５との間の遅延磁界
からビーム誘導管４の中へと戻って加速され、ビーム誘
導管の中で一次電子と全く等しいエネルギーを再び獲得
し、その結果、フィルタ７に到達する。しかし、電子の
移動方向が逆であるため、それらの反射散乱電子はフィ
ルタの磁石部分７ａにおいて逆方向へ偏向され、この光
路に沿って一次電子検出器１６に到達する。この一次電
子検出器１６も、通常、シンチレーション検出器、半導
体検出器又はマイクロチャネルプレート検出器として構
成できる。磁石部分７ａと一次電子検出器１６との間に
は、たとえば、標本１５又は選択絞り８との交換作用を
受けた異なるエネルギーを有する電子をフィルタリング
する第２のスリット絞り１７がさらに配置されている。

【００２１】図１及び図２に示す本発明の実施形態の場
合、分散フィルタは米国特許第４７４０７０４号に従っ
て構成されている。この場合のフィルタは、出願人が透
過電子顕微鏡９１２Ｏｍｅｇａで使用しているいわゆる
オメガフィルタである。あるいは、米国特許第４７６０
２６１号又は米国特許第５４４９９１４号に従ったいわ
ゆるアルファフィルタとしてフィルタ７を構成すること
も可能である。

【００２２】図１の実施形態では、第１の集光レンズ５
は磁気レンズとして構成されている。図３に示す実施形
態においては、集光レンズ２４は、ビーム発生器２１の
中へ陰極先端２１ａと一体化されている静電レンズであ
る。この非対称形の双電位静電液浸レンズ２４は抽出電
極２１と、陽極２３との間に配置されている。このレン
ズの、ビーム発生器２１に向いた側の開口直径は、陽極
２３に向いた側の開口直径より著しく大きい。このよう
な静電液浸レンズ２４も同様に、電子を放出する陰極先
端２１ａを直接に拡大して、後続する分散フィルタの入
力側像平面（図示せず）に結像する。図４ａ及び図４ｂ
には、本発明と組合わせて使用するのが好ましい２つの
別の対物レンズを示す。図４ａの対物レンズ３３と図１
の対物レンズ１３との相違点は、対物レンズ３３の場合
には外側磁極片３３ａが短く、内側磁極片３３ｂと同じ
高さで終わっているということである。これにより、一
点鎖線で表されている光軸に対し垂直に整列された環状
の磁極片ギャップ３３ｂが形成される。このように磁極
片ギャップを構成することによって、磁界は標本３５に
向かう方向に流出し、その結果、標本３５の侵入状態は
さらに強くなり、そのため、開口誤差は減少する。静電
レンズが重なり合っているので、電極３４は外側磁極片
３３ａの延長として形成されている。

【００２３】図４ｂの対物レンズ３６は、ビーム誘導管
４が延長されていて、磁気レンズ３６の外側磁極片３６
ａの高さ又はその背後の位置ではじめて終わるという点
で、先に説明した対物レンズと異なっている。そこで、
ビーム誘導管４の標本側端部と、標本３８と対物レンズ
との間に配置される制動電極３７との間の静電レンズ
は、磁気レンズ３６の背後になってはじめて形成されて
いる。この実施例の場合、標本３８と制動電極３７は、
接地電位に対して負である共通の電位にある。この対物
レンズを使用すると、目標エネルギーがきわめて低くて
も、陰極を接地電位に対して相対的に高い電位に保持で
き、その結果、漂遊磁界は再び強い負になることがわか
るので、この対物レンズは目標エネルギーがきわめて低
い場合に特に有利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 低電圧ラスタ電子顕微鏡の形態をとる本発明
による粒子線装置の電子光学構成要素の断面図。

【図２】 図１に示す低電圧ラスタ電子顕微鏡における
原理上の光路を示す図。

【図３】 静電集光レンズを有する本発明を有する粒子
線装置の光源側部分の概略原理図。

【図４】 図１に示す低電圧ラスタ電子顕微鏡に使用す
るための対物レンズの２つのさらに別の実施形態を示す
図。

【符号の説明】

１…ビーム発生器、１ａ…陰極先端、４…ビーム誘導
管、６…開口絞り、７…エネルギーフィルタ、８…エネ
ルギー選択絞り、９…入力側像平面、１０…出力側像平
面、１３…対物レンズ、１５…標本、１６…一次電子検
出器、１７…第２のスリット絞り、３３，３６…対物レ
ンズ、３５，３８…標本。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 粒子線発生器（１，１ａ）と対物レンズ
   （１３，３３，３６）との間に配置され、分散を有する
   エネルギーフィルタ（７）を有し、そのエネルギーフィ
   ルタ（７）は第１の入力側平面（９）を色消し状態で第
   １の出力側平面（１０）に結像すると共に、第２の入力
   側平面（６）を第２の出力側平面（８）に分散結像し、
   且つ粒子線発生器（１，１ａ）はエネルギーフィルタ
   （７）の第１の入力側平面（９）に結像されている粒子
   線装置、特に電子線装置。
2. 【請求項２】 エネルギーフィルタの動作は第２の出力
   側平面で絞り（８）により行われる請求項１記載の粒子
   線装置。
3. 【請求項３】 粒子線発生器（１，１ａ）は第１の入力
   側平面（９）に拡大結像されている請求項１又は２記載
   の粒子線装置。
4. 【請求項４】 フィルタ（７）内部の粒子エネルギーは
   ５から３０ＫｅＶである請求項１から３のいずれか１項
   に記載の粒子線装置。
5. 【請求項５】 粒子は対物レンズ（１３，３３，３６）
   において又は対物レンズ（３６）と検査すべき標本（１
   ５，３５，３８）との間でより低いエネルギーまで制動
   される請求項１から４のいずれか１項に記載の粒子線装
   置。
6. 【請求項６】 粒子線発生器（１，１ａ）は対物レンズ
   により検査すべき標本（１５，３５，３８）の上へ集束
   され、検査すべき標本（１５，３５，３８）を走査する
   偏向手段（１４）が設けられている請求項１から５のい
   ずれか１項に記載の粒子線装置。
7. 【請求項７】 対物レンズ（１３）とフィルタ（７）と
   の間に、二次粒子を検出する検出器（１２）が設けられ
   ている請求項１から６のいずれか１項に記載の粒子線装
   置。
8. 【請求項８】 反射散乱粒子を検出する別の検出器（１
   ６）が設けられている請求項１から７のいずれか１項に
   記載の粒子線装置。
9. 【請求項９】 フィルタ（７）と反射散乱粒子を検出す
   る検出器（１６）との間に、エネルギー選択のための絞
   り（１７）が設けられている請求項８記載の粒子線装
   置。
10. 【請求項１０】 フィルタ（７）は粒子のエネルギーに
    対して５から２０μｍ／ｅＶ、好ましくは１０から１５
    μＭ／ｅＶの分散を有する請求項１から９のいずれか１
    項に記載の粒子線装置。