WO2015163266A1 - 走査電子顕微鏡、及びその制御方法 - Google Patents

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香織 白幡
大輔 備前
慎 榊原
早田　康成
源 川野
秀之 数見
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株式会社日立ハイテクノロジーズ
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Definitions

  • the present invention relates to a scanning electron microscope that irradiates a sample while scanning an electron beam and forms an image with an electron signal such as secondary electrons from the sample, and in particular, a spectroscopic method for detecting and detecting secondary electrons by energy discrimination. It is about technology.
  • SEM scanning electron microscope
  • an image is formed by irradiating a sample while scanning primary electrons emitted from an electron source and detecting secondary electrons generated in the sample.
  • the secondary electrons can be divided into “true” secondary electrons characterized by having an energy of 50 eV or less, and backscattered electrons having an energy comparable to the incident energy of the primary electrons. Contrast reflecting the pattern surface shape, potential, work function, etc. can be obtained from “true” secondary electrons. On the other hand, contrast reflecting the difference in pattern material is obtained from backscattered electrons (see Non-Patent Document 1).
  • a retarding method in which a negative voltage V r ( ⁇ 0) is applied to the sample and the primary electrons are decelerated immediately above the sample is effective.
  • a voltage V r of several kV is typically applied to the sample.
  • secondary electrons generated in the sample are accelerated by the retarding voltage V r , and most of the secondary electrons pass through the objective lens that is a converging lens. That is, when the retarding method is applied to the configuration disclosed in Patent Document 1, there is a problem that almost no secondary electrons are incident on the spectrometer.
  • R is a specific constant determined by the size and shape of the spectrometer and the dimensions of the slit.
  • An object of the present invention is to provide an SEM having an electron spectroscopy system in which the number of electrons incident on the spectrometer and the energy resolution do not change even when the retarding voltage V r is changed while using the retarding method, and a control method thereof. There is.
  • an electron source a first deflector that deflects a primary electron beam emitted from the electron source, and a primary electron beam deflected by the first deflector are converged.
  • a voltage application unit that applies a voltage to the sample, a spectroscope for spectroscopic analysis of secondary electrons, a detector that detects secondary electrons that have passed through the spectroscope, and a second deflector and spectroscope SEM that includes an electrostatic lens provided and a voltage control unit that controls a voltage applied to the electrostatic lens based on a negative voltage applied to the sample, and the electrostatic lens superimposes a deflection action and a convergence action.
  • a deflector for deflecting secondary electrons from the sample generated by focusing and irradiating the primary electron beam emitted from the electron source to the outside of the optical axis of the primary electron beam;
  • a spectroscope for separating secondary electrons, a detector for detecting secondary electrons that have passed through the spectroscope, an electrostatic lens provided between the deflector and the spectroscope, and for superimposing the deflection action and the convergence action
  • a SEM control method that controls the first bias voltage applied to the electrostatic lens based on the negative voltage applied to the sample by applying a negative voltage that decelerates the primary electron beam to the sample.
  • the present invention while using the retarding method, without even changing the retarding voltage V r to vary the incident electron number and energy resolution of the spectrometer, it is possible to energy spectroscopy of the secondary electrons.
  • FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of an SEM according to Embodiment 1.
  • FIG. 2 is an enlarged view of an electrostatic lens according to Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a shape of an electrostatic lens electrode according to Example 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a method of applying a voltage to an electrostatic lens electrode according to Example 1.
  • FIG. 3 is a schematic overall configuration diagram of an SEM according to Embodiment 2.
  • FIG. FIG. 10 is a diagram for explaining the relationship between energy resolution and retarding bias voltage according to the second embodiment.
  • 6 is a schematic overall configuration diagram of an SEM according to Embodiment 3.
  • FIG. It is a flowchart for demonstrating the adjustment method of an electrostatic lens voltage and a retarding voltage based on each Example. It is a figure for demonstrating the determination method of the secondary electron deflection angle based on each Example. It is a figure for demonstrating the determination method of the optimal electrostatic lens voltage value based on each Example.
  • Example 1 an electron source, a first deflector that deflects a primary electron beam emitted from the electron source, a converging lens that converges the primary electron beam deflected by the first deflector, and a convergence A second deflector that deflects secondary electrons from the sample generated by the generated primary electron beam out of the optical axis, a voltage application unit that applies a negative voltage to the sample to decelerate the primary electron beam, and a secondary A spectroscope for splitting electrons, a detector for detecting secondary electrons that have passed through the spectroscope, an electrostatic lens provided between the second deflector and the spectroscope, and applied to the electrostatic lens
  • An embodiment of an SEM having a voltage control unit that controls a voltage to be applied based on a negative voltage applied to a sample and an electrostatic lens that superimposes a deflection action and a convergence action will be described.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the SEM according to the first embodiment.
  • primary electrons 102 generated by an electron source 101 are deflected and scanned by a deflector 103, pass through a secondary electron deflector 104, and then narrowed down by an objective lens 105 that functions as a converging lens.
  • the objective lens 105 is an example of a convergent lens, and another convergent lens can be arranged on the optical axis as necessary.
  • the sample 106 is placed on the sample holder 112, and the sample 106 and the sample holder 112 are in electrical contact.
  • a retarding voltage can be applied to the sample holder 112 from a retarding power source 107 that functions as a voltage application unit, and the primary electrons 102 are decelerated by the retarding voltage and enter the sample 106.
  • the voltage applied from the retarding power source 107 which is a voltage applying unit is referred to as a retarding voltage V r ( ⁇ 0).
  • the secondary electrons 108 generated due to the irradiation of the sample 106 with the primary electrons 102 are accelerated by the retarding voltage V r , and then deflected outside the optical axis of the primary electrons 102 by the secondary electron deflector 104.
  • the secondary electron deflector 104 is an optical element in which an electric field and a magnetic field are orthogonal to each other, and the magnitude of the electric field and the magnetic field is such that the primary electrons 102 are not deflected by the secondary electron deflector 104 (hereinafter referred to as Wien condition). Set. Under the Wien condition, the secondary electrons 108 incident on the secondary electron deflector 104 from the opposite direction to the primary electrons 102 are deflected off the optical axis by the secondary electron deflector 104.
  • the secondary electrons 108 deflected out of the optical axis are subjected to convergence and deflection actions by the electrostatic lens 109 installed in the front stage of the spectroscope 110 and then enter the spectroscope 110.
  • the spectroscope 110 has a feature that only the secondary electrons 108 having a specific energy E p can pass therethrough.
  • the secondary electrons 108 that have been split through the spectroscope 110 are detected by a detector 111.
  • the configuration of the spectroscope 110 will be described with respect to an electrostatic deflection type having a sector type using two cylindrical electrodes.
  • a spectroscope of another shape for example, an electrostatic deflection type such as a hemispherical type is described.
  • E p can be selected by changing the voltage ⁇ V d applied to the two cylindrical electrodes of the spectrometer 110, and the energy spectrum of the secondary electrons 108 can be acquired by sweeping V d .
  • the secondary electrons 108 are designed to enter the spectroscope 110 vertically, the secondary electrons 108 are deflected and enter the spectroscope 110 due to disturbances such as assembly accuracy and the leakage magnetic field of the objective lens. Since the incident angle of the secondary electrons 108 affects the energy resolution, it is preferable that the incident angle of the secondary electrons 108 be as close to the spectroscope 110 as possible. The energy resolution also decreases when the secondary electrons 108 are spatially spread and enter the spectroscope 110. Therefore, an optical element for converging and deflecting the secondary electrons 108 and entering the spectroscope 110 is required.
  • this optical element is desirably compact, and the SEM of this embodiment In FIG. 5, an electrostatic lens 109 is used.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the electrostatic lens 109 of this embodiment.
  • the electrostatic lens 109 includes two grounded electrostatic lens electrodes A201 and B202, and an electrostatic lens electrode C203 and an electrostatic lens electrode C′204 which are divided to apply different voltages.
  • the electrostatic lens electrode C203 and the electrostatic lens electrode C′204 include a negative first bias voltage V b1 ( ⁇ 0) applied by the bias power source A205, a voltage V SEC1 of the electrostatic lens power source A206, and an electrostatic lens. A voltage superimposed with the voltage V SEC2 of the power supply B 207 is applied.
  • the electrostatic lens electrode A201 and the electrostatic lens electrode B202 have an annular shape, in other words, a donut shape.
  • the electrostatic lens electrode C′204 is obtained by dividing the shapes of the electrostatic lens electrode A201 and the electrostatic lens electrode B202. Moreover, you may use the electrode divided
  • the function of the electrostatic lens 109 is divided into the electrostatic lens electrode C203 and the electrostatic lens electrode C′204.
  • the electrostatic lens 109 of this embodiment when V SEC1 ⁇ V SEC2 , the secondary electrons 108 can obtain both the deflection action and the convergence action.
  • the first bias voltage V b1 applied by the bias power source A 205 is controlled according to the retarding voltage V r . Therefore, the bias power source A 205 and the retarding power source 107 are connected to the voltage control device 113 functioning as a voltage control unit, and when the retarding voltage V r changes, the first bias voltage V b1 is also changed in conjunction with it.
  • V b1 and V r The relationship between V b1 and V r is determined in advance by the device manufacturer, and a control algorithm that changes in conjunction with the voltage control device 113 is implemented. Therefore, users need only to set the retarding voltage V r.
  • the voltage control device 113 which is a voltage control unit, is configured by a computer including a central processing unit (CPU) for executing a mounted control algorithm, a memory for storing programs and data, and the like. be able to. Since the relationship between V b1 , V SEC1 and V SEC2 and V r varies depending on the assembly accuracy of each device, it must be set for each device.
  • V b1 , V SEC1, V SEC2 and V r a retarding voltage V r ( ⁇ 0) is set (801) and applied to the sample holder 112.
  • V r ⁇ 0
  • setting is made so that the passing energy of the spectrometer is the same as the negative polarity voltage applied to the sample, that is, the passing energy E p of the spectrometer 110 is ⁇ eV r (802).
  • e is the elementary charge.
  • FIG. 9 illustrates a graph 901 showing the relationship between the deflection angle ⁇ and the detection signal amount.
  • the deflection angle ⁇ max is an optimum value.
  • V b1M and ⁇ V 1M having the highest detected signal amount are optimum values.
  • the electrode A201 and the electrostatic lens electrode B202 shown in FIG. 2 need not always be grounded.
  • the first bias voltage Vb1 may be applied. In this case, it is necessary to carry out the adjustment method separately shown in the flow of FIG.
  • Example 2 a negative second bias voltage is applied to the entire spectrometer for floating, and this bias voltage is controlled in accordance with the negative retarding voltage applied to the sample.
  • An SEM in which the voltage for discrimination for each energy is superimposed on the negative second bias voltage, and an input unit for the user to input the energy resolution of the spectrometer. The energy resolution input from the input unit This is an example of SEM for controlling the difference between the negative second bias voltage applied to the spectroscope and the negative voltage applied to the sample in accordance with the value of.
  • FIG. 5 shows the configuration of the SEM according to the second embodiment.
  • this embodiment is obtained by adding a bias power source B501, a ⁇ E input unit 502, a spectroscope power source A503, and a spectroscope power source B504 to the configuration of the first embodiment shown in FIG.
  • the spectrometer power supply A503 and the spectrometer power supply It is applied to the cylindrical electrode by superimposing a voltage ⁇ V d to V b2 by B 504.
  • the energy of the secondary electrons 108 changes when the retarding voltage V r is changed.
  • the relationship between the energy E p of the secondary electrons 108 to be detected through the energy resolution ⁇ E spectroscope 110 spectrometer 110 is expressed by the equation (1).
  • V b2 0 V
  • the second bias voltage Vb2 and the retarding voltage Vr are set to satisfy the following relationship.
  • the energy resolution ⁇ E can be kept constant by changing the second bias voltage V b2 in accordance with the fluctuation of the retarding voltage V r . Further, by reducing the difference between the voltage V r and the voltage V b2 , the energy resolution ⁇ E can be improved without changing the configuration of the spectrometer 110.
  • the voltages V r and V b2 are controlled by the voltage control device 113 to which the retarding power source 107 and the bias power source B 501 are connected. As an example of control, for example,
  • the energy resolution ⁇ E even when performing control retarding voltage V r is changed in way (7) shown in the graph 601 of FIG. 6 is kept constant, the V r If not controlled
  • the energy resolution ⁇ E changes with the change. Since the change in V r corresponds to the change in the incident energy of the primary electrons 102 on the sample 106, the secondary electrons acquired by the incident energy of the different primary electrons 102 on the sample 106 are controlled by controlling the equation (7). 108 energy spectra can be compared quantitatively.
  • the energy resolution ⁇ E can be freely set by the user.
  • the user inputs a desired ⁇ E and retarding voltage V r to a ⁇ E input unit 502 connected to the voltage control device 113. Then, under the control of the voltage control device 113,
  • the second bias voltage V b2 determined in (1) is output from the bias power source B501.
  • the constant R is determined by the configuration of the spectrometer 110, for example, the size of the electrode, it is assumed that the device manufacturing side records it in the voltage controller 113 in advance.
  • Example 3 further includes a potential meter that measures the surface potential of the sample, measures the potential of the sample with the potential meter before irradiating the sample with primary electrons, and has a negative polarity according to the variation in the potential of the sample.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of the SEM according to the present embodiment. In this configuration, a potential meter 701 is added to the configuration of the second embodiment shown in FIG.
  • the retarding voltage V r applied to the sample holder 112 by the retarding power source 107 may be different from the potential V S of the sample surface.
  • the bias voltages V b1 and V b2 are controlled with respect to the retarding voltage V r , so that there arises a problem of deviating from the optimum point.
  • the bias voltages V b1 and V b2 are controlled with respect to the potential V S on the sample surface.
  • the surface potential V S is measured with the potential meter 701 before the sample 106 is observed with the SEM.
  • the potential meter 701 for example, a Kelvin probe or the like is used.
  • the potential meter 701 only needs to measure the potential V S on the surface of the sample 106, and is not limited to the Kelvin probe.
  • the potential meter 701 is connected to the voltage control device 113.
  • the bias voltages V b1 and V b2 described in the first and second embodiments are controlled with respect to the retarding voltage V r .
  • the bias voltages V b1 and V b2 are controlled based on the surface potential V S measured by the potential meter 701. Take control. Specifically, for example, V r in equation (8) may be set to V S.
  • the voltage controller 113 is programmed to control the bias voltages V b1 and V b2 with respect to the surface potential V S , and the user performs any adjustment work. And optimum bias voltages V b1 and V b2 can be obtained.
  • the bias voltage can be optimally controlled even when the voltage V r applied to the sample holder 112 by the retarding power source is different from the potential V S of the sample surface.
  • this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included.
  • the above-described embodiments have been described in detail for better understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.

Abstract

リターディング電圧Vr を変化させても分光器への入射電子数やエネルギー分解能が変化しない電子分光系を有する走査電子顕微鏡を提供する。電子源（１０１）と、電子源から放出される一次電子線を偏向する第一の偏向器（１０３）と、第一の偏向器によって偏向された一次電子線を収束し、収束された一次電子線により生じた試料（１０６）からの二次電子（１０８）を光軸外に偏向する第二の偏向器（１０４）と、一次電子線を減速する負極性の電圧を試料に印加する電圧印加部（１０７）と、二次電子を分光するための分光器（１１０）と、分光器を通過した二次電子を検出する検出器（１１１）と、第二の偏向器と分光器との間に設けられた静電レンズ（１０９）と、静電レンズに印加する電圧を試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する電圧制御部（１１３）を有し、静電レンズは、偏向作用と収束作用を重畳させる。

Description

走査電子顕微鏡、及びその制御方法
　本発明は、電子ビームを走査しながら試料に照射し、試料からの二次電子等の電子の信号で画像を形成する走査電子顕微鏡に係り、特に二次電子をエネルギー弁別して検出するための分光技術に関するものである。
　現在、サブミクロン～ナノサイズの試料観察には走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下、SEM）が広く用いられている。SEMでは電子源から放出された一次電子を走査しながら試料に照射し、試料で発生した二次電子を検出することで画像を形成している。ここで、二次電子は50 eV以下のエネルギーを持つことを特徴とする“真の”二次電子と、一次電子の入射エネルギーと同程度のエネルギーを持つ後方散乱電子とに分けられる。“真の”二次電子からはパターン表面の形状、電位、仕事関数等の違いを反映したコントラストが得られる。一方、後方散乱電子からはパターン材料の違いを反映したコントラストが得られる（非特許文献１参照）。
　近年、各社から製品化されているSEMには複数の検出器が装備されており、多様なコントラストの画像が得られるようになった。その一方、画像コントラストの解釈が難しくなり、SEMで検出している二次電子のエネルギーを定量的に分析することへの要望が高まっている。加えて、一次電子照射に伴う試料へのダメージを低減するため、一次電子のエネルギーが低い条件で二次電子のエネルギー分析を行うことが求められている。SEMにおいて二次電子のエネルギー分光を行う方法として、例えば特許文献１に示す方法が知られている。
特開２００１－２３６９１６号公報
L. Reimer: "Scanning Electron Microscopy" Springer (1998)
　特許文献１で開示されている方法では、SEMの対物レンズと試料の間に分光器を設置することにより、二次電子のエネルギー分光を行う。しかし、このような構成では対物レンズと試料間の距離を短くすることが難しく、その結果、一次電子の空間分解能が劣化するという課題がある。
　一次電子のエネルギーが低い条件で高い空間分解能を得る方法として、試料に負極性の電圧Vr（<0）を印加し、試料直上で一次電子を減速するリターディング法が有効である。
このリターディング法では、典型的には数kVの電圧Vrを試料に印加する。この場合、試料で発生した二次電子はリターディング電圧Vrで加速され、大部分の二次電子は収束レンズである対物レンズを通過する。つまり、特許文献１で開示されている構成にリターディング法を適応すると、分光器には殆ど二次電子が入射しないという課題が生じる。
　そこで、リターディング法を適応したSEMにおいて二次電子のエネルギー分析を行うためには、対物レンズを通過した二次電子を光軸外に偏向した後、分光器に入射させる必要がある。また、対物レンズを通過した二次電子は空間的に広がっているので、分光器に入射する二次電子数を増やすためには収束機構が必要となるという課題がある。
　一方、リターディング光学系において、観察対象を変更するため一次電子の試料への入射エネルギーを変えることは、リターディング電圧Vrを変える事で実現している。ここで、Vrを変えると二次電子のエネルギーが変わるため、二次電子の収束位置が変化するという課題が生じる。また、分光器のエネルギー分解能ΔEと分光器を通過して検出される二次電子のエネルギーEpとは以下の関係式が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　ここで、Rは分光器のサイズや形状、スリットの寸法で決まる固有の定数である。リターディング法を用いる場合、二次電子は試料に印加した電圧Vrによって加速される。つまり、観察対象の変更等のためVrを変化させると、分光器に入射する二次電子のエネルギーも変わり、エネルギー分解能ΔEが変化するという課題が生じる。
　本発明の目的は、リターディング法を用いながら、リターディング電圧Vrを変化させても分光器への入射電子数やエネルギー分解能が変化しない電子分光系を有するSEM、及びその制御方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するため、本発明においては、電子源と、電子源から放出される一次電子線を偏向する第一の偏向器と、第一の偏向器によって偏向された一次電子線を収束する収束レンズと、収束レンズによって収束された一次電子線により生じた試料からの二次電子を一次電子線の光軸外に偏向する第二の偏向器と、一次電子線を減速する負極性の電圧を試料に印加する電圧印加部と、二次電子を分光するための分光器と、分光器を通過した二次電子を検出する検出器と、第二の偏向器と分光器との間に設けられた静電レンズと、静電レンズに印加する電圧を試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する電圧制御部と、を有し、静電レンズは偏向作用と収束作用を重畳させるSEMを提供する。
　また、上記の目的を達成するため、電子源から放出される一次電子線を収束、照射して生じた試料からの二次電子を前記一次電子線の光軸外に偏向する偏向器と、二次電子を分光するための分光器と、分光器を通過した二次電子を検出する検出器と、偏向器と分光器との間に設けられ、偏向作用と収束作用を重畳させる静電レンズとを備え、一次電子線を減速する負極性の電圧を試料に印加し、試料に印加する負極性の電圧に基づき、静電レンズに印加する第一のバイアス電圧を制御するSEMの制御方法を提供する。
　本発明により、リターディング法を用いながら、リターディング電圧Vrを変化させても分光器への入射電子数やエネルギー分解能を変化させることなく、二次電子のエネルギー分光が可能となる。
実施例１に係るSEMの概略全体構成図である。 実施例１に係る静電レンズの拡大図である。 実施例１に係る静電レンズ電極の形状を説明するための図である。 実施例１に係る静電レンズ電極への電圧印加方法を説明するための図である。 実施例２に係るSEMの概略全体構成図である。 実施例２に係るエネルギー分解能とリターディング・バイアス電圧の関係を説明するための図である。 実施例３に係るSEMの概略全体構成図である。 各実施例に係る、静電レンズ電圧とリターディング電圧の調整法を説明するためのフロー図である。 各実施例に係る、二次電子偏向角の決定方法を説明するための図である。 各実施例に係る、最適な静電レンズ電圧値の決定法を説明するための図である。
　以下に、本発明を実施するための種々の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。各実施例において、図面中の数番が共通するものは同一物を示している。
　まず、実施例１として、電子源と、電子源から放出される一次電子線を偏向する第一の偏向器と、第一の偏向器によって偏向された一次電子線を収束する収束レンズと、収束された一次電子線により生じた試料からの二次電子を光軸外に偏向する第二の偏向器と、一次電子線を減速する負極性の電圧を試料に印加する電圧印加部と、二次電子を分光するための分光器と、分光器を通過した二次電子を検出する検出器と、第二の偏向器と分光器との間に設けられた静電レンズと、静電レンズに印加する電圧を試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する電圧制御部を有し、静電レンズは、偏向作用と収束作用を重畳させる構成のSEMの実施例を説明する。
　図１は実施例１に係るSEMの構成を示す図である。図１に示すSEMは、電子源１０１で生成された一次電子１０２は偏向器１０３で偏向・走査され、二次電子偏向器１０４を通過した後、収束レンズとして機能する対物レンズ１０５で細く絞られ試料１０６に入射する。なお、対物レンズ１０５は、収束レンズの一例であり、光軸上に必要に応じて他の収束レンズを配置できる。
　試料１０６は試料ホルダ１１２上に置かれており、試料１０６と試料ホルダ１１２間は電気的に接触している。試料ホルダ１１２には、電圧印加部として機能するリターディング電源１０７よりリターディング電圧を印加する事ができ、一次電子１０２はリターディング電圧によって減速されて試料１０６に入射する。以下、電圧印加部であるリターディング電源１０７より印加する電圧をリターディング電圧Vr(<0)とする。
　一次電子１０２の試料１０６への照射に起因して発生した二次電子１０８はリターディング電圧Vrによって加速されたのち、二次電子偏向器１０４で一次電子１０２の光軸外に偏向される。ここで、二次電子偏向器１０４は電場と磁場が直交した光学素子であり、その電場と磁場の大きさは一次電子１０２が二次電子偏向器１０４において偏向されない条件（以下、ウィーン条件）に設定する。ウィーン条件において、一次電子１０２とは反対方向から二次電子偏向器１０４に入射する二次電子１０８は二次電子偏向器１０４において光軸外に偏向される。
　光軸外に偏向された二次電子１０８は、分光器１１０の前段に設置された静電レンズ１０９によって、収束および偏向作用を受けて後、分光器１１０に入射する。分光器１１０は、特定のエネルギーEpを持つ二次電子１０８のみが通過できるという特徴を持つ。分光器１１０を通過して分光された二次電子１０８は検出器１１１で検出される。
　本実施例では、分光器１１０の構成として二枚の円筒電極を用いたセクタ型を有する静電偏向型のものについて説明するが、他の形状の分光器、例えば半球型などの静電偏向型の分光器を用いても本実施例の効果を得る事ができる。分光器１１０の二枚の円筒電極に印加する電圧±Vdを変える事で、Epを選択でき、Vdを掃引することで二次電子１０８のエネルギースペクトルが取得できる。
　ここで、二次電子１０８はリターディング電圧Vrによって加速されるため、Vrが変化すると静電レンズ１０９における偏向および収束作用の大きさが変化する。そこで、本実施例では、リターディング電圧Vrが変化しても二次電子１０８の分光器１１０への入射電子数が変化しない静電レンズ１０９の構成および電圧制御方法を示す。
　二次電子１０８が垂直に分光器１１０に入射するように設計した場合でも、組み立て精度や、対物レンズの漏れ磁場等の外乱によって、二次電子１０８は偏向されて分光器１１０に入射する。二次電子１０８の入射角はエネルギー分解能に影響を与えるため、分光器１１０に対してなるべく垂直に近い方が良い。また、二次電子１０８が空間的に広がって分光器１１０に入射した場合もエネルギー分解能が低下する。従って、二次電子１０８を収束および偏向して分光器１１０に入射するための光学素子が必要となる。ただし、二次電子１０８を偏向および収束するための光学素子が大きくなると、装置全体が長くなり、振動等のノイズが発生するため、この光学素子はコンパクトである事が望ましく、本実施例のSEMにおいては静電レンズ１０９を用いる。
　図２に本実施例の静電レンズ１０９の拡大図を示す。静電レンズ１０９は接地された二枚の静電レンズ電極Ａ２０１および静電レンズ電極Ｂ２０２と、異なる電圧を印加するために分割された静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４で構成される。
静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４には、バイアス電源Ａ２０５で印加する負極性の第一のバイアス電圧Vb1(<0)に静電レンズ電源Ａ２０６の電圧VSEC1および静電レンズ電源Ｂ２０７の電圧VSEC2を重畳した電圧をそれぞれ印加する。
　ここで、図３の左側に示すように、静電レンズ電極Ａ２０１および静電レンズ電極Ｂ２０２の形状はアニュラー形状、言い換えるならドーナツ型であり、図３の中央に示すように、静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４は、静電レンズ電極Ａ２０１および静電レンズ電極Ｂ２０２の形状を分割したものとする。また、図３の右側に示す四分割した場合のように、２分割以上に分割した電極を用いても良い。２分割した場合は一方向の偏向作用が得られ，４分割以上した場合には二方向の偏向作用を得る事ができる。四分割の場合は、図３の右側に示すように、静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４に加え、静電レンズ電極Ｃ’’３０１および静電レンズ電極Ｃ’’’３０２が追加配置される。
　以下、静電レンズ１０９の機能を、静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４に二分割した場合について説明する。ここで、本実施例の静電レンズ１０９において、VSEC1≠VSEC2とした場合、二次電子１０８は偏向作用と収束作用の両方を得る事ができる。また、静電レンズ電極Ｃ２０３および静電レンズ電極Ｃ’２０４に偏向作用と収束作用を重畳させているため、全体をコンパクトな構成とすることができる。実際には、全体の厚さ6 mm程度の構成にすることが可能である。なお、VSEC1＝VSEC2とした場合は、静電レンズ１０９は収束作用のみを得る事ができる。
　リターディング電圧Vrが変化すると二次電子１０８のエネルギーが変化するため、静電レンズ１０９における二次電子１０８の収束位置も変化する。どの値のリターディング電圧Vrでも二次電子１０８の収束位置を一定に保つため、バイアス電源Ａ２０５で印加する第一のバイアス電圧Vb1をリターディング電圧Vrに応じて制御する。そこで、バイアス電源Ａ２０５およびリターディング電源１０７は、電圧制御部として機能する電圧制御装置１１３に接続し、リターディング電圧Vrが変化した際は連動して第一のバイアス電圧Vb1も変化させる。
　なお、Vb1とVrの関係は予め装置製造者が決定し、電圧制御装置１１３に連動して変化させる制御アルゴリズムを実装しておく。そのため、ユーザーはリターディング電圧Vrを設定するだけで良い。ここで、電圧制御部である電圧制御装置１１３は、実装される制御アルゴリズムを実行するための中央処理部(Central Processing Unit：ＣＰＵ)、プログラムやデータを記憶するメモリなどを備えた計算機で構成することができる。Vb1、VSEC1およびVSEC2とVrの関係は各装置の組み立て精度等によって変動するものなので、各装置毎に設定する必要がある。
　ここで、図８の処理フローを用いてVb1、VSEC1およびVSEC2とVrの関係の調整方法を説明する。まず、リターディング電圧Vr(<0)を設定し（８０１）、試料ホルダ１１２に印加する。次に、分光器の通過エネルギーが試料に印加する負極性の電圧と同じ、すなわち、分光器１１０の通過エネルギーEpが、-eVrとなるように設定する（８０２）。ここでeは電気素量である。次に、二次電子偏向器１０４による二次電子１０８の偏向角θを連続的に変化（８０３）させながら検出器１１１の検出信号量をモニターし、検出信号量が最大となる偏向角θmaxに設定する（８０４）。図９に偏向角θと検出信号量との関係を示すグラフ９０１を例示した。グラフ９０１において、偏向角θmaxが最適値となる。
　次に、最適値θmaxにおいてVb1とΔV1(=VSEC1-VSEC2)に関する検出信号量の等高線図（マップ）を取得する（８０５）。図１０の(a)に示す等高線図１００１において、検出信号量が最も高いVb1MおよびΔV1Mが最適値である。
　図３の右側に示したように、静電レンズ電極Ｃ２０３、静電レンズ電極Ｃ’２０４、静電レンズ電極Ｃ’’３０１および静電レンズ電極Ｃ’’’３０２のように四分割されている場合は、まず上記の方法でθmax、Vb1MおよびΔV1Mを決定する。その後、静電レンズ電極Ｃ’’３０１および静電レンズ電極Ｃ’’’３０２にそれぞれ電圧VSEC3およびVSEC4を印加する。そして、ΔV2(=VSEC3-VSEC4)に関する検出信号量をモニターし、図１０の(b)のグラフ１００２に示すように、検出信号量が最大となる電圧ΔV2Mを求める事で決定できる。
　なお、本実施例の静電レンズ１０９において、図２に示した電極Ａ２０１および静電レンズ電極Ｂ２０２は常に接地している必要はなく、例えば、図４に示すように、静電レンズ電極Ｂ２０２に第一のバイアス電圧Vb1を印加しても良い。この場合は、別途図８のフローで示した調整方法を実施する必要がある。
　以上説明した実施例１の構成により、リターディング電圧Vrを変化させても分光器への入射電子数を変化させることなく、二次電子のエネルギー分光が可能なSEMを提供することができる。
　実施例２は、分光器全体には負極性の第二のバイアス電圧を印加してフローティングし、このバイアス電圧を試料に印加する負極性のリターディング電圧に応じて制御し、また二次電子をエネルギー毎に弁別するための電圧が負極性の第二のバイアス電圧に重畳されるSEM、分光器のエネルギー分解能をユーザーが入力するための入力部を更に有し、入力部から入力されたエネルギー分解能の値に応じて、分光器に印加する負極性の第二のバイアス電圧と試料に印加する負極性の電圧の差を制御するSEMの実施例である。
　図５に実施例２に係るSEMの構成を示す。同図に示すように、本実施例は、図１に示す第一の実施例の構成に、バイアス電源Ｂ５０１、ΔE入力部５０２、分光器電源Ａ５０３および分光器電源Ｂ５０４を加えたものである。バイアス電源Ｂ５０１により分光器１１０全体を負極性の第二のバイアス電圧Vb２（<0）でフローティングし、二次電子１０８の軌道をエネルギー毎に分離するために、分光器電源Ａ５０３および分光器電源Ｂ５０４により電圧±VdをVb２に重畳して円筒電極に印加する。
　本実施例で採用するリターディング光学系では、リターディング電圧Vrを変えると二次電子１０８のエネルギーも変わる。一方、分光器１１０のエネルギー分解能ΔEと分光器１１０を通過して検出される二次電子１０８のエネルギーEpの関係は上述した（１）式で表される。ここで、Vrが数kVの大きさであり、二次電子１０８のとして50 eV以下の“真の”二次電子を考えると、Vb２=0 Vの条件下では、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 となる。従って、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 となり、エネルギー分解能ΔEはVrによって変動する。
　例えば、R=1 %の場合、Vr=-1000 VではΔE=10 eVであるが、Vr=-5000 VではΔE=50 eVとなる。このようなΔEの変動は、50 eV以下の“真の”二次電子を分光し定量的な情報を得る上で障害となる。
　そこで、本実施例では、バイアス電源Ｂ５０１により分光器１１０全体を第二のバイアス電圧Vb２でフローティングする。ここで、第二のバイアス電圧Vb２とリターディング電圧Vrには以下の関係を満たすようにする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　分光器１１０を第二のバイアス電圧Vb２でフローティングする場合、二次電子１０８はバイアス電圧Vb２によって減速されて分光器１１０に入射するため、EpおよびΔEは以下の式で書き表せる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　従って、リターディング電圧Vrの変動に応じて第二のバイアス電圧Vb２も変化させることで、エネルギー分解能ΔEを一定に保つことができる。また、電圧Vrと電圧Vb２の差を小さくすることで、分光器１１０の構成を変えずにエネルギー分解能ΔEを向上することもできる。電圧VrおよびVb２の制御は、リターディング電源１０７およびバイアス電源Ｂ５０１が接続された電圧制御装置１１３により行う。制御の一例として、例えば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 となるように制御する。
　この場合、図６のグラフ６０１に示すように（７）式の制御を行うとリターディング電圧Vrが変化してもエネルギー分解能ΔEは一定に保たれるが、制御を行わないとVrの変化に伴いエネルギー分解能ΔEも変化する。Vrの変化は一次電子１０２の試料１０６への入射エネルギーの変化に対応するため、（７）式の制御を行うことで、異なる一次電子１０２の試料１０６への入射エネルギーで取得した二次電子１０８のエネルギースペクトルを定量的に比較することが可能になる。
　本実施例の構成においては、エネルギー分解能ΔEはユーザーが自由に設定することも可能である。ユーザーは電圧制御装置１１３に接続されたΔE入力部５０２に所望のΔＥおよびリターディング電圧Vrを入力する。すると、電圧制御装置１１３の制御により、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 で決定された第二のバイアス電圧Vb2がバイアス電源Ｂ５０１から出力される。
　なお、定数Rは分光器１１０の構成、例えば電極の大きさ、で決まるため、予め装置製造側が電圧制御装置１１３に記録させておくものとする。
　本実施例によれば、リターディング電圧Vrを変化させても分光器への入射電子数に加え、エネルギー分解能を変化させることなく、二次電子のエネルギー分光が可能なSEMを提供することができる。また、エネルギー分解能をユーザーが自由に設定できるので、使い勝手の良いSEMを提供することができる。
　実施例３は、試料の表面電位を計測する電位計測計を更に具備し、試料に一次電子を照射前に電位計測計で試料の電位を計測し、試料の電位の変動に応じて負極性のバイアス電圧を変化させるSEMの実施例である。図７は本実施例に係るSEMの構成を示す図である。図５に示す実施例２の構成に、電位計測計７０１を加えた構成となっている。
　絶縁体をSEMで観察する場合、リターディング電源１０７で試料ホルダ１１２に印加するリターディング電圧Vrと試料表面の電位VSが異なる場合が生じる。電圧Vrと電位VSが異なる場合、実施例１および２の構成ではバイアス電圧Vb1およびVb2をリターディング電圧Vrに対して制御しているため最適点からずれるという課題が生じる。
　本実施例では、上記の課題を解決するため、試料表面の電位VSに対してバイアス電圧Vb1およびVb2を制御する。具体的には、試料１０６をSEMで観察する前に表面電位VSを電位計測計７０１で計測する。電位計測計７０１としては、例えばケルビンプローブなどを用いる。しかし、電位計測計７０１は試料１０６表面の電位VSを計測できれば良く、ケルビンプローブに限定するものではない。
　図７に示すように、電位計測計７０１は電圧制御装置１１３に接続されている。実施例１および２で記載したバイアス電圧Vb1およびVb2の制御はリターディング電圧Vrに対して制御しているが、本実施例では電位計測計７０１で計測した表面電位VSを基に制御を行う。具体的には、例えば（８）式 におけるVrをVSとすれば良い。
　電位計測計７０１による電位計測が行われる場合、表面電位VSに対してバイアス電圧Vb1およびVb2を制御するように電圧制御装置１１３はプログラムされており、ユーザーが何も調整作業を行うことなく、最適なバイアス電圧Vb1およびVb2を得る事ができる。
　本実施例によれば、リターディング電源で試料ホルダ１１２に印加する電圧Vrと試料表面の電位VSが異なる場合であっても、バイアス電圧を最適に制御することが可能となる。
　なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上述した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
　更に、上述した各構成、機能、電圧制御装置等は、それらの一部又は全部を実現するプログラムを作成する例を説明したが、それらの一部又は全部を例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現しても良いことは言うまでもない。
１０１　電子源
１０２　一次電子
１０３　偏向器
１０４　二次電子偏向器
１０５　対物レンズ
１０６　試料
１０７　リターディング電源
１０８　二次電子
１０９　静電レンズ
１１０　分光器
１１１　検出器
１１２　試料ホルダ 
１１３　電圧制御装置 
２０１　静電レンズ電極Ａ 
２０２　静電レンズ電極Ｂ 
２０３　静電レンズ電極Ｃ 
２０４　静電レンズ電極Ｃ’ 
２０５　バイアス電源Ａ 
２０６　静電レンズ電源Ａ 
２０７　静電レンズ電源Ｂ
３０１　静電レンズ電極Ｃ’’ 
３０２　静電レンズ電極Ｃ’’’
５０１　バイアス電源Ｂ 
５０２　ΔE入力部 
５０３　分光器電源Ａ 
５０４　分光器電源Ｂ 
６０１　グラフ
７０１　電位計測計
９０１　グラフ
１００１　等高線図
１００２　グラフ

Claims (15)

  1. 電子源と、
    前記電子源から放出される一次電子線を偏向する第一の偏向器と、
    前記第一の偏向器によって偏向された前記一次電子線を収束する収束レンズと、
    前記収束レンズによって収束された前記一次電子線により生じた試料からの二次電子を前記一次電子線の光軸外に偏向する第二の偏向器と、
    前記一次電子線を減速する負極性の電圧を前記試料に印加する電圧印加部と、
    前記二次電子を分光するための分光器と、
    前記分光器を通過した二次電子を検出する検出器と、
    前記第二の偏向器と前記分光器との間に設けられた静電レンズと、
    前記静電レンズに印加する電圧を前記試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する電圧制御部と、を有し、
    前記静電レンズは偏向作用と収束作用を重畳させる、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  2. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記静電レンズは少なくとも接地した二枚の電極と、異なる電圧を印加できるように分割された電極とを備え、
    前記分割された電極は前記接地した二枚の電極の間に位置し、
    前記電圧制御部は、
    前記分割された電極に、前記試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する負極性の第一のバイアス電圧と、偏向作用を作るための異なる大きさの電圧とを重畳させて印加する、ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  3. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記静電レンズは少なくとも接地した電極と、異なる電圧を印加できるように分割された電極と、分割されていない電極とを備え、
    前記分割された電極は、前記接地した電極と前記分割されていない電極との間に位置し、前記電圧制御部は、
    前記分割された電極に、前記試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する前記第一のバイアス電圧と、偏向作用を作るための異なる大きさの電圧を重畳させて印加し、
    前記分割されてない電極に、前記第一のバイアス電圧を印加する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  4. 請求項２または３の何れかに記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記分割された電極はアニュラー形状で、複数に分割されている、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  5. 請求項２または３の何れかに記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記分割された電極および前記分割されていない電極に印加する前記第一のバイアス電圧は、前記分光器の通過エネルギーが前記試料に印加する負極性の電圧と同じ場合に、前記検出器の検出信号量が最大となるように設定される、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  6. 請求項１に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記分光器は静電偏向型であり、
    前記分光器には負極性の第二のバイアス電圧が印加され、
    前記二次電子をエネルギー毎に弁別するための電圧が前記第二のバイアス電圧に重畳されている、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  7. 請求項６に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記電圧制御部は、
    前記第二のバイアス電圧の絶対値を、前記試料に印加する負極性の電圧の絶対値よりも小さくなるように制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  8. 請求項６に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記電圧制御部は、
    前記第二のバイアス電圧と前記試料に印加する負極性の電圧の差が一定となるように制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  9. 請求項６に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記分光器のエネルギー分解能を入力するための入力部を更に具備し、
    前記電圧制御部は、
    前記入力部から入力されたエネルギー分解能の値に応じて、前記第二のバイアス電圧と前記試料に印加する負極性の電圧の差を制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  10. 請求項６に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記試料の表面電位を計測する電位計測計を更に具備し、
    前記試料に前記一次電子を照射前に前記電位計測計で前記試料の電位を計測し、
    前記電圧制御部は、
    計測した前記試料の電位の変動に応じて前記第二のバイアス電圧を変化させる、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  11. 請求項１０に記載の走査電子顕微鏡であって、
    前記電圧制御部は、
    前記第二のバイアス電圧と前記試料の電位の差が一定となるように制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
  12. 電子源から放出される一次電子線を収束、照射して生じた試料からの二次電子を前記一次電子線の光軸外に偏向する偏向器と、前記二次電子を分光するための分光器と、前記分光器を通過した二次電子を検出する検出器と、前記偏向器と前記分光器との間に設けられ、偏向作用と収束作用を重畳させる静電レンズとを備え、
    前記一次電子線を減速する負極性の電圧を前記試料に印加し、前記試料に印加する負極性の電圧に基づき、前記静電レンズに印加する第一のバイアス電圧を制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡の制御方法。
  13. 請求項１２に記載の走査電子顕微鏡の制御方法であって、
    前記静電レンズは、分割されていない二枚の電極と、前記分割されていない二枚の電極の間に位置し、異なる電圧を印加できるように分割された電極とを備え、前記分割されていない二枚の電極の少なくとも一方は接地され、
    前記分割された電極に、前記試料に印加する負極性の電圧に基づき制御する前記第一のバイアス電圧と、偏向作用を作るための異なる大きさの電圧とを重畳させて印加し、
    前記分割された電極に印加する前記第一のバイアス電圧は、前記分光器の通過エネルギーが前記試料に印加する負極性の電圧と同じ場合に前記検出器の検出信号量が最大となるように設定する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡の制御方法。
  14. 請求項１２に記載の走査電子顕微鏡の制御方法であって、
    前記分光器には、負極性の第二のバイアス電圧と、前記二次電子をエネルギー毎に弁別するための電圧が重畳して印加され、
    前記第二のバイアス電圧と前記試料に印加する負極性の電圧の差が一定となるように制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡の制御方法。
  15. 請求項１２に記載の走査電子顕微鏡の制御方法であって、
    前記分光器には、負極性の第二のバイアス電圧と、前記二次電子をエネルギー毎に弁別するための電圧が重畳して印加され、
    ユーザーが入力するエネルギー分解能の値に応じて、前記第二のバイアス電圧と前記試料に印加する負極性の電圧の差を制御する、
    ことを特徴とする走査電子顕微鏡の制御方法。
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