JPS63274049A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 この発明は、電子ビームを試料に照射して発生させた電
子を検出して画像を生成する走査型電子顕微鏡において
、電子ビームを試料に結像する対物レンズと試料との距
離が小さくなった場合など、試料面から放射された２次
電子が効率良好に捕獲し得ない問題を解決するため、対
物レンズの磁極内に設けた円筒状の対物′ｇｉｔｉに電
圧を印加して２次電子を当該対物レンズの電子源側に設
けた検出器に導くように構成すると共に、この検出器の
中央の開口部に設けた円筒状の検出２ｕ７ｉ１極に電圧
を印加して２次電子が検出器の検出面に導かれるように
構成することにより、２次電子を効率良好にｈ１１獲す
ると共に、対物レンズと試料との間を近づけて分解能を
向上さゼ得るようにしている。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、対物レンズの磁極内に設けた円筒状の対物電
極に電圧を印加して試料面から放射された２次電子を、
対物レンズの電子源側に配置した検出器に導くと共に、
この検出器の開口部に設けた円筒状の検出電極に電圧を
印加して２次電子を検出器の検出面に導いて検出するよ
うに構成した走査型電子顕微鏡に関するものである。

〔従来の技術と発明が解決しようとする問題点〕従来、
走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭという）の２次電子捕獲
のために、シンチレータ検出器と光電子倍増管とを組み
合わせた検出系（以下ＰＭという）が使われることが多
かった。しかし、最近チャ矛ルプレート（以下ＣＰとい
う）をＰＭの代わりに採用する例が出現している。ＣＰ
はＰＭに較べて、構造が簡単であり、又薄形であるので
、２次電子発生源に近接して設定できる利点がある。

従来のＳＥＭにおける２次電子捕獲系の代表例を第５図
に示す。

第５図（イ）は、最も昔通的なＰＭを用いた系を示す。

これは、１次電子ビーム３３が試料３４を照射する方向
に対して、横方向から２次電子３５をＰＭを構成するシ
ンチレータ３６に正の高電圧を印加して捕獲し、衝突の
際に発生した光を光電子倍増管３７で増幅して検出信号
を出力するものである。このＰＭの構成は、電子光学系
３１を構成する対物レンズ３２と試料３４との間の間隔
（以下Ｗ　Ｄ　（ｗｏｒｋｉｎｇ　ｄｉｓｔａｎｃｅ）
という）が小さくなると、２次電子が対物レンズ３２の
磁界に捕獲されるなどの理由によって２次電子の収率が
悪くなり、かつ収率に異方性が生じてしまう問題点があ
る。

第５図（ロ）は、試料３４から放射された２次電子が対
物レンズ３２の磁極内を通って上側に到達し、これをＰ
Ｍの電界によって横方向に集められる系を示す。この場
合には、対物レンズ３２と試料３４との間のＷＤを小さ
くしても、２次電子３５−１の捕獲率が小さくなること
はない、しかし、電子光学系３１の中に２次電子捕獲の
ための横方向の電界を浸入させてしまうため、光学系の
対称性をｔ員ね、試料２４に結像されるビームスポット
の形状を歪ませてしまうなどの問題点がある。

これを改善するために、左側にもＰＭを配置して対称性
を良くする工夫も為されているが、充分な効果を発揮す
るものではなく、しかも構造が複雑となってしまう。

第５図（ハ）は、ＣＰを用いた系を示す、これは、ＣＰ
が薄形であるので、対物レンズ３２と試料３４との間に
設置することもできる。この場合には、試料３４の表面
からの反射電子が多数、直接にＣＰに入射するので、Ｓ
ＥＭ像の解像力の低下や、ＣＰそのものの劣化をまねき
易い問題点がある。

第５図（ニ）は、ＣＰを対物レンズ３２の真上に配置し
た系を示す。ＣＰの特徴は、ＣＰの動作に必要な電圧が
低いこと、構造上中心に開口部を設けることができるこ
とであって、第５図（ハ）および（ニ）、に示すような
配置が可能である。この第５図（ニ）の配置は、対物レ
ンズ３２と試料３４との間のＷＤを更に小さくすること
ができる上に、更に、反射電子の入射を少なくすること
ができる。しかし、第５図（ニ）の配置のままでは、２
次電子３５−３が対物レンズ３２の強い磁界を通るため
に、ＣＰの２次電子の捕獲率が低下してしまう問題点が
ある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、前記問題点を解決するため、電子ビームを試
料面に結像させる対物レンズ２の磁極開口部の内側を貫
通し、内側に電子ビームを通すための空間を有する円筒
部分と当該対物レンズ２の磁極開口部の検出器５側を覆
うつば状部分とを有する対物電極８と、中央に電子ビー
ムを通すための開口部を持ち、対物電極８の円筒状部分
を通過して到来した２次電子を検出する検出器５と、検
出器５の中央の電子ビームを通す開口部を覆う円筒部分
と電子ビームによって当該検出器５が照射されないよう
に覆うつば部分を持つ検出器電極７と、対物電極８およ
び検出器電極７に夫々所定の電圧を供給する電源Ｅ２お
よび電ｍＥＩ　とを設け、電子ビームによって照射され
た試料面から放射された２次電子を、対物電極８および
検出器電極７に所定の電圧を印加して生成した静電界に
よって検出器５の検出面に導いて検出するようにしてい
る。

第１図は本発明の原理構成図を示す。図中電子ビーム１
は、図示外の電子源および照射系によって生成されたも
のである。

対物レンズ２は、電子ビームｌを試料３に結像するもの
である。

２次電子４．４°は、試料３面から放射された２次電子
を示す。

検出器５は、中央に電子ビーム１が通る孔を設けた２次
電子を検出するもの（例えばｃｐなど）である。

検出器電極７は、対物レンズ２の磁極内を通ってきた２
次電子を検出器５の検出面に導くと共に電子ビーム１．
が検出器５に照射されないようにするものである。

対物電極８は、対物レンズ２の磁極の内部に設けられ、
所定の電圧を印加して試料３面から放射された２次電子
を検出器５の検出面に導くものである。

（作用〕 次に動作を説明する。

第１図に示すように、検出器５、対物電極８、および検
出器電極７などを配置する。そして、図示外の電子源お
よび照射系によって生成された電子ビーム１が対物レン
ズ２によって試料３に結像されると、当該試料３から２
次電子が放射される。

この放射された２次電子は、対物レンズ２による磁界お
よび対物電極８によって生成された静電界によって図示
２次電子４．４°に示すように、対物レンズ２の磁極の
ほぼ中心部即ち中心軸Ｏの近傍を回る態様で通り抜け、
磁界が弱くなった位置で中心軸０から離れて検出器５の
検出面に図示のように衝突して捕獲される。この際、検
出器５の中心部に設けた円筒状の検出器電極７に所定の
負の電圧を印加して２次電子が図中矢印を用いて示すよ
うに検出器５の検出面に入射するように設定する。

以上のように、試料３から放射された２次電子を、対物
レンズ２の磁極に内部に配置した対物電極８によって対
物レンズ２の上側に導き、更に、検出器５の中心部の開
口部分に負の電圧を印加した検出器電極７によって２次
電子を検出器５の検出面に導くように構成することによ
り、２次電子の捕獲率を向上させることが可能となると
共に、ＷＤを極めて小さくして分解能を高めることが可
能となる。

〔実施例〕

まず、第３図を用いて第１図構成によって２次電子が検
出器５Ｃよって効率良好に捕獲される態様について簡単
に説明する。第３図は、説明の都合上、本発明に係わる
対物電極８および検出器電極７を設けてない構成を示す
。

第３図において、電子ビーム１は、対物レンズ２によっ
てレンズ作用を受け、試料３に微小スポットとして結像
される。試料３の表面から発生した２次電子４．４゛は
、対物レンズ２が作る磁界によって捕らえられて細く絞
られながら上方に拡散し、更に、検出器５の電界に引か
れ、２次電子が捕獲される。この際、対物レンズ２の磁
界の向きは、中心軸０の近傍では、当該中心軸Ｏにほぼ
平行である。このような磁場内での２次電子の軌道は、
中心軸０に垂直な面への投影は円を措く。

この円の半径ｒは、円の周囲での磁場が一様であるとみ
なしたとき、下式（１）で与えられる。

Ｂ ここで、ｍ、は電子の静止’ｆｆｌ！　（９，Ｉ　Ｘｌ
０−３１にｇ）、Ｃは光速（３Ｘ１０”ｍ）　、ｅは電
子の電荷（１，６ＸＩＯ−１９ｃ）　、Ｅｏは電子の静
止エネルギー（ｍ、　ｃ２．５１１Ｋｅν）、Ｅは２次
電子の運動エネルギー、Ｂは磁束密度を表す。

対物レンズ２の磁場Ｂは、実際には位置によって変化す
る。磁場をつくる両磁極の形が対称レンズの場合は、磁
場Ｂはほぼ中央面６で最大となり、その両側で中央面６
から遠ざかるに従ってゆるやかに減少する。式（１）か
ら明らかなように、円軌道の半径ｒは、磁束密度Ｂに反
比例するから、半径ｒは中央面６で最小となり、その両
側では大きくなる。この様相を模式的に表したものが第
３図および第１図２次電子４．４゛を用いて示す曲線で
ある。この式ｆｉ＋から求めた軌道半径ｒ　　（ｍｍ）
の例を第４図に示す。２次電子の運動エネルギーは、零
から１次電子のエネルギーまでの広い分布を持つが、解
像度の高いＳＥＭ像を形成するのは、１０ｅＶ以下のエ
ネルギーを持つ２次電子である。

磁束密度Ｂは、対物レンズ２の中央で数百Ｇ以上あるの
が普通である。２次電子の軌道半径ｒは、対物レンズ２
内では１ｍｍよりもはるかに小さく、対物レンズ２の外
側で磁場のすそ野の領域（１００Ｇ以下）でようや＜１
ｍｍ以上になる。従って、第３図に示すように検出器５
を配置したのみでは、大部分の２次電子は図示ように検
出器５の中心の孔を通過してしまい、検出器５の有効面
に入らないことになる。

このため、本発明は、第１図に示したように、対物電極
８を附加し、これに電［Ｅ！から＋ｌＯ■ないし＋２０
０Ｖ位の正の直流電圧を与える。

また、従来接地電位にあった検出器５のシールド７−１
に対して、電ａＥ＋から０ないし一５０Ｖ位の負の直流
電圧を与える。以上のＫｔ１加によって、第１に、対物
電極８によって、対物レンズ２中を通過する２次電子の
エネルギーが１時的に大きくなる。−例として、電源Ｅ
２から＋ｌｌ０Ｖ程度の電圧を対物電極８に印加し、２
次電子の対物レンズ２中のエネルギーを１００ｅＶと考
えると、第４図から１００Ｇの磁場中で軌道半径ｒが３
゜４ｍｒｎとなる。磁束密度は、対物レンズ２の中央を
離れるに従い減少するが、対物電極８は対物レンズ２の
上部で水平方向にも広がっているため、２次電子のエネ
ルギーは対物レンズ２を通り抜けて、当該対物レンズ２
の上部に達しても、まだ１００ｅＶよりも大きい、それ
ゆえ、２次電子の軌道半径ｒは広がり、検出器５の検出
面に到達できるようになる。

更に、検出器５のシールド７−１に対して負の電圧を保
持させることにより、２次電子は検出器５の開口部を通
り抜けることができなくなり、全ての２次電子が検出器
５によって捕獲されるので、２次電子の捕獲効率が大幅
に改善される。

尚、第１図対物電極８および検出器電極７に印加する最
適電圧は、対物レンズ２、対物型Ｊｌｉｔ８および検出
器電極７の構造によって変化するので、検出器５から出
力される検出電圧が最大となるように設定すればよい。

次に、第２図を用いて本発明を走査型電子顕微鏡（ＳＥ
Ｍ）に応用した装置の構成および動作を説明する。

第２図において、電子銃１１によって発生された電子は
、集束レンズ１２および対物レンズ１６によって試料１
７の上に微小スポットとして結像される。絞り１３は電
子ビームの広がりを制限などするためのものである。偏
向１８１４．１４”は協働して電子の微小スポットを試
料１７の表面に面走査するものである。試料１７表面か
ら電子ビームによって励起された２次電子が発生する。

この２次電子は、数ｅＶのエネルギーで上方に拡散する
が、対物レンズ１６の磁場に捕獲されて、中心軸近くに
収束しつつやがては検出器１５の正電位に引かれて、検
出器１５に到達する。検出された２次電子信号は、通常
のＳＥＭの手法と同様に処理し、試料１７表面の２次電
子像が図示外のディスプレイ上に表示される。

本実施例は、対物レンズ１６のポールピースを貫通して
試料側の磁極面に達する円筒状の対物電極１４と、これ
に対向して検出器１５の開口を貫通して検出器の裏面（
検出面でない裏面）に達する円筒状の検出器電極１５を
配置し、前者を＋ｌＯｖないし＋２００■の範囲の適切
な値に保ち、後者をＯｖないし一５０■の範囲に保つこ
とにより、既述したように、全ての２次電子が検出器１
５の検出面で捕獲される。

尚、これら２つの対物電極１４と検出器電極１５とによ
って静電レンズが形成されるが、このレンズは、１次電
子ビーム（５００ｅ　Ｖ以上）に対して弱い作用しか与
えないが、試料１７の表面から発生する２次電子に対し
ては強い作用を与え、検出器１５に達する２次電子の収
率を高めている。

このレンズ作用は、対物電極型＃１４゛および検出器電
極電源１５゛　によって適切な値に調節される。

尚、第２図図中エアロック室２０は試料１９を図示位置
に大気中から導入する場合などに予備的に排気し、迅速
に試料１９の交換を行うものである。真空排気装置２１
は試料室１９などを真空排気するものである。真空排気
装置２２は電子銃１１が格納されている部分などを真空
排気するものである。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、対物レンズの磁
極内に設けた円筒状の対物電極に電圧を印加して２次電
子を当該対物レンズの電子源側に設けた検出器に導くよ
うに構成すると共に、この検出器の中央の開口部に設け
た円筒状の検出器電極に電圧を印加して２次電子が検出
器の検出面に導かれるような構成を採用しているため、
２次電子を効率良好に捕獲することができる。また、対
物レンズと試料との間を近づけて分解能を向上させるこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、第２図は本発明の１実施
例構成図、第３図は本発明の動作説明図、第４図は軌道
半径例、第５図は従来の２次電子検出説明図を示す。 図中、Ｏは中心軸、１は電子ビーム、２は対物レンズ、
３は試料、４．４゛は２次電子、５は検出器、７は検出
器電極、８は対物電極を表す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電子ビームを試料に照射して発生させた電子を検出して
   画像を生成する走査型電子顕微鏡において、 電子ビームを試料面に結像させる対物レンズ（２）の磁
   極開口部の内側を貫通し、内側に電子ビームを通すため
   の空間を有する円筒部分と、当該対物レンズ（２）の磁
   極開口部の検出器（５）側を覆うつば状部分とを有する
   対物電極（８）と、 中央に電子ビームを通すための開口部を持ち、対物電極
   （８）の円筒状部分を通過して到来した２次電子を検出
   する検出器（５）と、 検出器（５）の中央の電子ビームを通す開口部を覆う円
   筒部分と、電子ビームによって当該検出器（５）が照射
   されないように覆うつば部分を持つ検出器電極（７）と
   、 対物電極（８）および検出器電極（７）に夫々所定の電
   圧を供給する電源Ｅ＿２および電源Ｅ＿１とを備え、電
   子ビームによって照射された試料面から放射された２次
   電子を、対物電極（８）および検出器電極（７）に所定
   の電圧を印加して生成した静電界によって検出器（５）
   の検出面に導いて検出するように構成したことを特徴と
   する走査型電子顕微鏡。