JPWO2011065240A1 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

カラムの温度上昇を抑制し、かつ分解能等の性能を維持しつつ、装置の小型化を達成することができる走査電子顕微鏡を提供する。電子源から放出された電子線を集束レンズにより集束させて試料上に照射し、試料からの二次電子を検出することで、試料を観察する走査電子顕微鏡において、前記集束レンズは、電磁コイル型および永久磁石型の両方を有することを特徴とする。

Description

本発明は、電子源から放出された電子線を試料上に照射し、試料からの二次電子等を検出することで、試料を観察する走査電子顕微鏡に関するものである。

近年、取り扱い性重視や環境への配慮の観点から、小型化に特化した走査電子顕微鏡の開発が行われている。そのため、カラムに備えられた集束レンズの小型化が求められる。一般的に、電磁コイル型の集束レンズの小型化を試みるには、コイル線の巻き数を減らすか、またはコイル線径を小さくする必要がある。

コイル線径はそのままに巻き数を減らせば、当然電磁コイルの小型化は図られるが、磁場強度は減少する。一方、巻き数はそのままにコイル線径を小さくすれば、磁場強度を維持したまま小型化を図ることはできるが、コイル線の抵抗値が上昇し、発熱量が増大する。磁場強度を維持できなければ、試料上に照射される電子線のスポット径を小さくすることができず、走査電子顕微鏡の分解能を維持することができない。また、発熱量の増大によりカラム表面温度が上昇すると、ＩＥＣ等の各種規格を満足できなくなり、性能面では温度ドリフトによる像のシフトやフォーカスずれが発生する。従って、電磁コイル型の集束レンズを小型化するには、磁場強度の減少や発熱量の増大という問題を解決する必要がある。

このような問題を解決するため、たとえば特許文献１では、電磁コイル型の集束レンズに代えて、電磁コイル型よりも小型の永久磁石コイル型の集束レンズを採用する構成を開示している。

特開２００８−２０４７４９号公報

しかしながら、上記特許文献１は、電磁コイル型の集束レンズは用いずに、全て永久磁石コイル型の集束レンズを用いているため、集束レンズの追加を試み、励磁条件を変更している。すなわち、特許文献１は、プローブ電流やスポット径を変更する際、集束レンズの着脱を行う必要があり、操作性が悪く、また光軸のずれが発生する。
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、カラムの温度上昇を抑制し、かつ分解能等の性能を維持しつつ、装置の小型化を達成することができる走査電子顕微鏡を提供するものである。

上記課題を解決するために本発明は、複数の電磁コイル型の集束レンズのうち、１部を永久磁石型の集束レンズへ変更する。

すなわち、本発明による走査電子顕微鏡は、電子源から放出された電子線を集束レンズにより集束させて試料上に照射し、試料からの二次電子、反射電子、その他の信号を検出することで、試料を観察する走査電子顕微鏡において、前記集束レンズは、電磁コイル型および永久磁石型の両方を有する。

この場合、集束レンズは、最上段が永久磁石型であってもよい。また、永久磁石型の集束レンズの下部、同軸および上部の少なくとも１部に、電子線の光軸を補正する偏向器を有してもよい。

本発明の走査電子顕微鏡によれば、カラムの温度上昇を抑制し、かつ分解能等の性能を維持しつつ、装置の小型化を達成することができる。これにより、装置の取り扱い性を向上させることができる上、操作を簡易化させることができる。また、装置の消費電力を抑えることができるため、環境に配慮した走査電子顕微鏡が実現できる。

通常の走査電子顕微鏡の概略構成図である。 本発明の走査電子顕微鏡の概略構成図である。 本発明の走査電子顕微鏡の概略構成図である。 本発明の走査電子顕微鏡に係る偏向器（下段）によるアライメントを示した説明図である。 本発明の走査電子顕微鏡に係る偏向器（中段）によるアライメントを示した説明図である。 本発明の走査電子顕微鏡に係る偏向器（上段）によるアライメントを示した説明図である。

本発明は、試料に電子線を照射し試料表面からの二次電子等を検出して試料表面の画像を取得する走査電子顕微鏡に関するものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜通常の走査電子顕微鏡＞
図１は、通常の走査電子顕微鏡の概略構成図である。通常の走査電子顕微鏡は、電子線２を放出する電子源１、負の電圧を発生するウェネルト電極３、正の電圧を発生するアノード電極４、加速された電子線２を集束する第一集束レンズ６および第二集束レンズ７、試料へのスポット径を調整する対物レンズ１２、対物レンズ１２を通過する電子線２を制限する対物絞り１１、試料を載置する試料台１０、を備える。

次に、通常の走査電子顕微鏡の原理について、図１を参照しながら説明する。装置内部は真空排気され、目標の真空圧力に到達した後、電子源１に高圧が印加される。高圧に印加された電子源１からは、電子線２が放出される。放出された電子線２はウェネルト電極３の電位により、集束作用を受け、軌道を曲げられてウェネルト電極３とアノード電極４の間に第一のクロスオーバー５を作る。その後、ウェネルト電極３により加速された電子線２は、アノード電極４を通過し、第一集束レンズ（電磁コイル型）６により集束作用を受け、第一集束レンズ６と第二集束レンズ（電磁コイル型）７の間に第二のクロスオーバー８を作る。さらに、第二集束レンズ（電磁コイル型）７と対物レンズ１２の間に第三のクロスオーバー９を作る。電子線２は対物レンズ１２により集束、対物絞り１１に制限され、試料台１０に載置された試料表面に照射される。試料表面に照射された電子線２は試料表面で跳ね返る反射電子および試料表面から飛び出す二次電子等を発生させる。これら反射電子および二次電子を試料室内に設置されている検出器に取り込み、増幅回路を経て、また、デジタル変換してからディスプレイに送り込み、操作画面にて試料表面の画像として確認することができる。なお、対物絞り１１は、図１に示される位置以外に設置してもよい。

＜本実施形態の走査電子顕微鏡＞
図２および図３は、本実施形態の走査電子顕微鏡の概略構成図である。本実施形態の走査電子顕微鏡は、先に述べた通常の走査電子顕微鏡と比較して、第一集束レンズ６または第二集束レンズ７が永久磁石型の集束レンズ１３、１４に置き換わる点が相違する。永久磁石型の集束レンズは小型かつ軽量であるため、図３のように第二集束レンズに永久磁石型を配置するよりも、図２のように第一集束レンズに永久磁石型を配置した方が、重心が低くなるため好ましい。重心が低ければ、装置の安定性が増し、外乱（振動）の影響を受け難くなるからである。

まず、第一集束レンズ１３に永久磁石型を採用する場合（図２）について説明する。この場合、上述の通常の走査電子顕微鏡と同様に、ウェネルト電極３により加速された電子線２は、アノード電極４を通過し、第一集束レンズ（永久磁石型）１３により集束作用を受け、第一集束レンズ（永久磁石型）１３と第二集束レンズ（電磁コイル型）７の間に第二のクロスオーバー８を作る。

ただし、永久磁石型の第一集束レンズ１３は、電磁コイル型のように電流制御ができず、第二のクロスオーバー８の上下位置を任意に変更することはできない。しかしながら、第二集束レンズ（電磁コイル型）７と対物レンズ１２の間に作られる第三のクロスオーバー９の上下位置に関しては、第二集束レンズ（電磁コイル型）７を電流制御することで変更可能である。

次に、第二集束レンズ１４に永久磁石型を採用する場合（図３）について説明する。この場合も、ウェネルト電極３により加速された電子線２は、アノード電極４を通過し、第一集束レンズ（電磁コイル型）６により集束作用を受け、第一集束レンズ６と第二集束レンズ（永久磁石型）１４の間に第二のクロスオーバー８を作る。この第二のクロスオーバー８の上下位置は、第一集束レンズ（電磁コイル型）６の電流制御により変更可能である。しかしながら、第二集束レンズ１４と対物レンズ１２の間に得られる第三のクロスオーバー９の上下位置に関しては、永久磁石型の第二集束レンズ１４を電流制御することができないため、任意に変更することはできない。よって、試料上でのプローブ電流のスポット径を調整するには、第一集束レンズ（電磁コイル型）６の電流制御により行う。

以上の説明の通り、本実施形態では、電子線２の起動に沿って配置される複数の電磁コイル型の集束レンズのうち、一部を永久磁石型の集束レンズへ変更する。

このような構成により、試料上でのスポット径及びプローブ電流を調整する機能を維持しつつ、走査電子顕微鏡の小型化、操作の簡易化を実現することが可能である。同時に、少なくとも１つ分の電磁コイル型の集束レンズの発熱量を削減でき、環境にやさしい走査電子顕微鏡を実現することができる。

＜本実施形態の走査電子顕微鏡のアライメント＞
図４〜６は、本実施形態の走査電子顕微鏡に係る偏向器によるアライメントを示した説明図である。ウェネルト電極３またはアノード電極４の加速電圧が変化すると、永久磁石型の集束レンズ１３または１４を通過した後の電子線２は、クロスオーバーの上下位置が変化する。

高加速電圧の場合は、電子線２は強い加速を受けて直進しやすいため、長焦点となりかつ光軸ずれを起こしにくい。しかしながら、低加速電圧の場合は、電子線２は短焦点となりかつ光軸ずれを起こしやすい。この光軸ずれを補正するために、本実施形態では、永久磁石型の集束レンズの下部（下側）（図４）、同軸（集束レンズと同じ中心軸）（図５）または上部（上側）（図６）に偏向器１５を配置する。

図４、５では、光軸ずれ発生以後の電子線２へ補正磁場を当てて光軸ずれを補正しているのに対し、図６では、光軸ずれ方向と逆方向の補正磁場を予め電子線へ当てて光軸ずれを補正している。また、図５では、偏向器１５を永久磁石型の集束レンズ１３、１４と同軸上に配置する構成上、永久磁石型の集束レンズの穴径が必然的に大きくなり、磁場強度が減少するおそれがある。よって、偏向器の制御上および構成上、図４が最も望ましい実施形態である。なお、図４〜６の偏向器は磁界式であるが、電界式としてもよい。また、図４〜６の偏向器を複数組み合わせても良い。

一般的に、永久磁石型の集束レンズは、製造過程において部品点数が多くなり、個々のばらつきを抑えることが難しい。よって、永久磁石型の集束レンズを用いた走査電子顕微鏡は、光軸ずれが起きやすく、装置の性能上問題があった。そこで、本実施形態では、この問題を解決すべく、光軸ずれを補正する偏向器１５を設けている。

このように、偏向器１５に光軸ずれを打ち消すような電界又は磁界を印加することにより、電子線２を補正し、正常軌道となる電子線１６を得ることができる。これにより、加速電圧によらず良好な画像を取得することが可能となる。

＜まとめ＞
本実施形態の走査電子顕微鏡によれば、電磁コイル型の集束レンズのうち一部を永久磁石型の集束レンズへ変更する。

こうすることで、電磁コイル型の集束レンズにより試料上でのスポット径及びプローブ電流を調整する機能を維持しつつ、永久磁石型の集束レンズにより走査電子顕微鏡の小型化、操作の簡易化を実現することが可能である。同時に、少なくとも１つ分の電磁コイル型の集束レンズの発熱量を削減でき、環境にやさしい走査電子顕微鏡を実現することができる。

また、本実施形態の走査電子顕微鏡によれば、永久磁石型の集束レンズの下部、同軸または上部に偏向器を配置する。

こうすることで、電子線の光軸ずれを補正し、加速電圧によらず良好な画像を取得することが可能となる。

以上の説明の通り、本実施形態の走査電子顕微鏡は、従来型の走査電子顕微鏡と比較して小型化に特化しているため、その使用用途は、従来型と同様に専門的な研究・検査用としてはもちろん、学校教育の一環、個人の趣味用としてまで、多岐に亘り得る。

なお、本実施形態では、走査電子顕微鏡の性能を維持したまま小型化する手法について説明したが、装置自体の大きさをそのままにすれば、磁場強度の向上、分解能の向上、発熱量の減少等、走査電子顕微鏡の性能を向上させることができることは言うまでもない。

１ 電子源
２ 電子線
３ ウェネルト電極
４ アノード電極
５ 第一のクロスオーバー
６ 第一の集束レンズ（電磁コイル型）
７ 第二の集束レンズ（電磁コイル型）
８ 第二のクロスオーバー
９ 第三のクロスオーバー
１０ 試料台
１１ 対物絞り
１２ 対物レンズ
１３ 第一の集束レンズ（永久磁石型）
１４ 第二の集束レンズ（永久磁石型）
１５ 偏向器

Claims (3)

1. 電子源から放出された電子線を集束レンズにより集束させて試料上に照射し、試料からの二次電子、反射電子、その他の信号を検出することで、試料を観察する走査電子顕微鏡において、
   前記集束レンズは、電磁コイル型および永久磁石型の両方を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 前記集束レンズは、最上段が永久磁石型であることを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡。
3. さらに、前記永久磁石型の集束レンズの下部、同軸および上部の少なくとも１部に、前記電子線の光軸を補正する偏向器を有することを特徴とする請求項１または２記載の走査電子顕微鏡。

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