WO2016063325A1

WO2016063325A1 - 走査電子顕微鏡

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Publication number: WO2016063325A1
Application number: PCT/JP2014/077811
Authority: WO
Inventors: 寿英揚村; 正司笹氣; 小林　大祐; 俊輔佐藤
Original assignee: 株式会社日立ハイテクノロジーズ
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2016-04-28
Also published as: US20170309437A1; JP6283423B2; JPWO2016063325A1; DE112014006978B4; US10297416B2; DE112014006978T5

Abstract

冷陰極型（ＣＦＥ）電子源とブースティング法を組み合わせて使用する走査電子顕微鏡において、ＣＦＥ電子源の電流安定性を高めて低加速電圧においても高分解能の画像を取得できるようにする。ＣＦＥ電子源（１０１）と正（＋）電位のアノード電極（１０３）と当該電極（１０３）を接地電位から分離する絶縁体（１０４）とを単一の真空チャンバ（１０５）に収容するとともに、当該真空チャンバ（１０５）にイオンポンプ（１０６）と非蒸発型ゲッター（ＮＥＧ）ポンプ（１０７）を接続する構成を採用する。

Description

走査電子顕微鏡

　本発明は、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせた走査電子顕微鏡に関する。

　特許文献１には、ブースティング法（試料を接地電位に保ったまま、一次電子ビームを高加速電圧でＳＥＭカラム内を通過させ、対物レンズを通過する直前で接地電位まで減速させる手法）が開示されている。ブースティング法は、磁場が試料上に界浸しないアウトレンズ型の対物レンズを単体で使用するよりも遥かに高い分解能を、低加速電圧で実現することができる。なお、ブースティング法を適用した商用のＳＥＭにおいては、もっぱら、ショットキー型電子源（ＳＥ電子源）が使用される。

　特許文献２及び３には、電子源を常に加熱しない冷陰極型（CFE: Cold Field-Emission）電子源が開示されている。ＣＦＥ電子源は、ＳＥ電子源と比較すると、その電流安定性（１０％／ｍｉｎ）が非常に悪い。ＣＦＥ電子源を備えたＳＥＭは、一般に、電子源の表面を清浄にする目的で、瞬間的に電子源を加熱するフラッシングを実施する。なお、フラッシング後の電子源回りの残留ガスの吸着及び脱離により電子ビームのエミッション電流が減少又は変動する。このエミッション電流の減少に要する時間が長ければ長いほど、ＣＦＥ電子源の電流安定性は向上する。エミッション電流の減少は、電子源回りの残留ガス量に依存するため、電子源が含まれる電子銃室に非蒸発ゲッタポンプを具備して、電子源回りの残留ガスをできるだけ減らすことにより、電流安定性をより向上させる技術が開示されている（特許文献２、３）。

　特許文献４には、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせるＳＥＭが概念的に示されている。

特開昭６３－１６０１４４号公報（特許第２７８９０９４号）特開２００９－４１１２号公報特開２００７－１５７６８２号公報特開２０１３－２５４７３６号公報

　現在、ブースティング法を適用した商用のＳＥＭにおいては、ＳＥ電子源が使用されているが、ＳＥ電子源は、電流安定性が非常高い（２％／ｈｒ以下）一方、そのエネルギー幅が０．６ｅＶと広く、低加速電圧（特に１ｋＶ以下）において分解能性能が著しく低下する。これに対し、ＣＦＥ電子源のエネルギー幅はタングステン単結晶を用いた場合に０．３ｅＶであり、１ｋＶ以下の低加速電圧の分解能性能を向上させたい場合には、非常に優位な電子源となりうる。

　そこで、発明者は、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせた世界初の商用ＳＥＭを目指して設計及び開発をすすめたが、発明者が、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせたところ、電子源を構成する引出電極やアノード電極周りの電位分布が、ＣＦＥ電子源をブースティング法に組み合わせない場合と比較して変化し易いだけでなく、電子源周りの残留ガス量が極端に多くなって電流安定性が低下することを発見した。

　因みに、特許文献４には、この発明者らの発見したＣＦＥ電子源とブースティング法の組み合あわせに固有の技術課題（残留ガスの発生原因と電流安定性の低下との関係）については何ら示されていない。

　発明者らは、この新たに発見した固有の技術課題の解決手法を検討する過程で、「電子ビームの照射中に、正（＋）電位のアノード電極を保持する絶縁体から発生するガス成分が、既存のイオンポンプによって取り切れていないことを発見し、そのガス成分をイオンポンプと非蒸発型ゲッター（NEG:NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプで取り除く」ことを着想するに至った。なお、ＮＥＧポンプには、ArやCH₄などの化学的に安定なガスを排気できないという欠点があるため、ＮＥＧポンプだけを使っても電流安定性は向上しない。一方イオンポンプは、ArやCH₄を排気できるという利点がある。このため、発明者らは、より高い電流安定度を実現するためには、イオンポインプとＮＥＧポンプを組み合わせて電子ビームの照射中に、正（＋）電位のアノード電極を保持する絶縁体から発生するガス成分を取り除くことが重要であると考えた。

　この着想は、前述した特許文献４と同様、特許文献２及び３にも開示されていない。

　例えば特許文献２（特開２００９－４１１２号公報）には、イオンポンプとＮＥＧポンプを組み合わせた排気構造が実施例として開示されているものの、ＮＥＧポンプを用いて排気しているのは電子源の回りだけである。また、ＮＥＧポンプの真空待ち時間の長さを問題視しており、“真空排気する領域をあえて下流側に広げる”という本願発明の発想に至ることはない。

　特許文献３（特開２００７－１５７６８２号公報）の段落［0084］～［0085］には、システムの動作前にバルブ２１やバルブ１６を閉止するとの記載があり、ＳＥＭ観察中には、ＮＥＧポンプのみを使用して電子銃周りを排気することが開示されている。すなわち、特許文献３には、電子ビーム照射中に、本願発明のように、イオンポンプとＮＥＧポンプを組み合わせて真空排気する着想は示されていない。

　上記課題を解決するために、例えば請求の範囲に記載の構成を採用する。本明細書は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例として、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせて使用する走査電子顕微鏡にあって、ＣＦＥ電子源と正（＋）電位のアノード電極と当該電極を接地電位から分離する絶縁体を単一の真空チャンバに収容すると共に、当該真空チャンバにイオンポンプとＮＥＧポンプを接続する構成を採用する。

　また、他の一例として、また、ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせて使用する走査電子顕微鏡にあって、ＣＦＥ電子源を収容する第１の真空チャンバに第１のイオンポンプと第１のＮＥＧポンプを接続し、正（＋）電位のアノード電極と当該電極を接地電位から分離する絶縁体を収容する第２の真空チャンバに第２のイオンポンプと第２のＮＥＧポンプを接続する構成を採用する。

　本発明によれば、ＣＦＥ電子源とブースティング法とを組み合わせて使用する場合にも、ＣＦＥ電子源の電流安定性を高めて低加速電圧においても高分解能の画像を取得することができる。前述した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

第１の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第１の実施例に係る走査電子顕微鏡の全体構成を示す図。電子源から放出されるエミッション電流の減衰特性を示す図。第２の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第３の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第４の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第５の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第６の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第７の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。第８の実施例に係る電子源とその周辺部分の装置構成を示す断面図。

　実施例では、ＣＦＥ（Cold Field-Emission）電子源と、ＣＦＥ電子源から電子を引き出す引出電極と、電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正（＋）電位のアノード電極と、アノード電極を接地電位から分離する第１の絶縁体と、ＣＦＥ電子源とアノード電極の両方を含む単一の真空チャンバと、真空チャンバに接続されるイオンポンプと、真空チャンバに接続されるＮＥＧポンプと、ＣＦＥ電子源、引出電極、アノード電極、第１の絶縁体、真空チャンバ、イオンポンプ、ＮＥＧ（NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプを収容する鏡筒と、鏡筒に連結された試料室とを有する走査電子顕微鏡を開示する。また、引出電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と、第２の絶縁体を介して引出電極を筐体に取り付けると共に、アノード電極を引出電極と共にその内部に収容する円筒状の取付部材であり、鏡筒の内径よりも小さい外径を有する筒状部分に、取付部材の内空間と外空間を連結する少なくとも１つの横穴を有する取付部材とを更に有することを開示する。また、アノード電極が位置する空間は、取付部材に形成された横穴と、取付部材の筒状部分と筐体との間に形成される連結路とを通じて電子源の位置する空間と接続されることを開示する。

　また、実施例では、ＣＦＥ（Cold Field-Emission）電子源と、ＣＦＥ電子源から電子を引き出す引出電極と、引出電極に対して上流側に位置し、電子源を収容する第１の真空チャンバと、電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正（＋）電位のアノード電極と、アノード電極を接地電位から分離する第１の絶縁体と、引出電極に対して下流側に位置し、アノード電極を収容する第２の真空チャンバと、第１の真空チャンバに接続される第１のイオンポンプと、第１の真空チャンバに接続される第１のＮＥＧポンプ（NONEVAPORATIVE GETTER）と、第２の真空チャンバに接続される第２のイオンポンプと、第２の真空チャンバに接続される第２のＮＥＧ（NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプと、ＣＦＥ電子源、引出電極、第１の真空チャンバ、アノード電極、第１の絶縁体、第２の真空チャンバ、第１及び第２のイオンポンプ、第１及び第２のＮＥＧポンプを収容する鏡筒と、鏡筒に連結された試料室とを有する走査電子顕微鏡を開示する。

　また、実施例では、ＣＦＥ電子源は、タングステン単結晶チップ、ナノチップ、カーボンナノチューブチップ及び超電導チップのいずれかであることを開示する。

　また、実施例では、第１の絶縁体は、セラミックス、及びエンジニアリングプラスチックのいずれかであることを開示する。

　また、実施例では、第１の絶縁体は、引出電極を通過した電子がアノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、第２の電子がアノード電極、若しくは、真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられることを開示する。

　また、実施例では、アノード電極は、引出電極を通過した電子がアノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、第２の電子がアノード電極、若しくは、真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と第１の絶縁体との衝突を遮る構造を有することを開示する。

　また、実施例では、引出電極を時間選択的に加熱可能なヒータを更に有することを開示する。

　また、実施例では、引出電極とアノード電極の間に配置される制御電極と、制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体とを更に有し、第２の絶縁体は、引出電極を通過した電子が制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、第２の電子が引出電極、アノード電極、及び／又は、真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられることを開示する。

　また、実施例では、引出電極とアノード電極の間に配置される制御電極と、制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体とを更に有し、制御電極は、引出電極を通過した電子が制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、第２の電子が引出電極、アノード電極、及び／又は、真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有することを開示する。

　また、実施例では、引出電極とアノード電極の間に配置され、かつ、構成要素の１つに第２の絶縁体を含むモノクロメータユニットを更に有し、モノクロメータユニットは、引出電極を通過した電子がモノクロメータユニット内の非絶縁体に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、第２の電子が非絶縁体、引出電極、アノード電極、及び／又は、真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有することを開示する。

　以下、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明の実施の態様は、後述する形態例に限定されるものではなく、その技術思想の範囲において、種々の変形が可能である。

　（１）第１の実施例
　（１－１）装置構成
　（全体構成）
　図２に、本実施例に係る走査電子顕微鏡１００の全体構成例を示す。走査電子顕微鏡１００は、鏡筒（カラム）１０、試料室１２１、各種の電源、及び制御部を有している。前記各種の電源として、例えば電源ユニット１２２（加速電圧電源１２３、引出電圧電源１２４）、ブースター電圧電源１２６を用意する。加速電圧電源１２３は電子源１０１に接続され、引出電圧電源１２４は引出電極１０２に接続され、ブースター電圧電源１２６は、ブースター制御基板１２７を介して、アノード電極１０３とブースター電極１４４に接続される。制御部は、制御マイコン／制御ＰＣ１３１、モニターディスプレイ１３２、キーボード１３３、マウス１３４、検出制御器１３５を有している。

　筐筒（カラム）１０では、電子源１０１から出力された一次電子ビーム１１１のビーム径とプローブ電流量を調整する対物可動絞り１４１がコンデンサレンズ１０８の下流に配置される。対物可動絞り１４１を通過した一次電子ビーム１１１は対物レンズ１４２により収束され、偏向器１４３により偏向走査される。偏向走査される一次電子ビーム１１１は、試料室１２１に配置されたステージ１５０に載置された試料１５１の観察領域に照射される。なお、対物可動絞り１４１は、筒状のブースター電極１４４の内部に配置される。

　試料１５１の観察領域から発生された反射電子１５２及び二次電子１５３は、検出器１５４によって検出される。なお、検出器１５４の検出信号は、前述した検出制御器１３５を通じて制御マイコン／制御ＰＣ１３１に与えられ、制御マイコン／制御ＰＣ１３１の画像処理を経てモニターディスプレイ１３２に２次元画像として表示される。

　（電子源周りの構成）
　図１に、電子源１０１及びその周辺部分の装置構成を示す。図１は、電子源周りの装置構成をある断面について表している。鏡筒（カラム）１０内に現れる各部材の多くは、電子源１０１を延長した軸線に対して略回転対称の形状を有している。

　本実施例における電子源１０１は、常時加熱しない方式の電子源である。当該電子源は、一般には、ＣＦＥ電子源と呼ばれる。電子源１０１には、例えばタングステン単結晶チップ、カーボンナノチューブチップ、先端の曲率半径をナノメートルオーダーまで先鋭化させた、又は、部材の上に電子ビーム若しくはイオンビームのデポジションによって生成されたナノチップ、超伝導チップなどを使用する。ＣＦＥ電子源には、エミッション電流が減衰しない特性を示すものがあるが、いずれのＣＦＥ電子源も、その周囲の真空度が高いほどエミッション電流が安定する点で共通する。

　図１に示す装置構成の説明に戻る。電子源１０１は、ガイシ１１０を通じて鏡筒（カラム）１０に取り付けられている。この構造により、電子源１０１は、接地電位から分離され、高電圧（例えば０．１ｋＶから３０ｋＶの負電位）に保持される。電子源１０１の下流には、引出電極１０２が配置される。引出電極１０２は、略井戸型又は略深鉢型の断面形状を有し、ガイシ１０９を通じて鏡筒（カラム）１０の内部に配置された円筒１１５（取付部材）に取り付けられている。因みに、円筒１１５の下端は、絶縁フランジ１０４に取り付けられている。

　このガイシ１０９を通じた鏡筒（カラム）１０への取り付けにより、引出電極１０２も接地電位から分離され、高電圧に保持される。円筒１１５の側面には離散的に複数の横穴１１５Ａが形成されている。この横穴１１５Ａを通じ、円筒１１５と引出電極１０２とアノード電極１０３で囲まれたサブ真空チャンバ（差動排気系の下流部分に相当する）と、電子源１０１が配置される側のサブ真空チャンバ（差動排気系の上流部分に相当する）とが連結される。図１では、円筒１１５の左右側面の同じ高さ位置に同径の横穴１１５Ａが形成されているが、横穴１１５Ａが形成される高さ位置は任意である。すなわち、横穴１１５Ａの高さ位置は、円周方向について全て同じでも、ばらついていても構わない。また、横穴１１５Ａは、円周上の同一位置について高さ違いで複数形成されていても良い。

　引出電極１０２に印加される電圧（引出電圧）は、電子源１０１に印加される電位に対し、一般的には２ｋＶ～７ｋＶの正電位に保持される。なお、引出電極１０２としてナノチップを使う場合、引出電圧は数１００Ｖオーダである。この引出電圧により、電子源１０１の先端からは、一次電子ビーム１１１が引き出される。引出電極１０２の中心部分（電子源１０１の軸線上）には、引き出された一次電子ビーム１１１の一部を通過させるための絞りが形成される。一般的には、電子源１０１を収容する引出電極１０２の筒部の外側面には、加熱ヒータ１１６が配置される。加熱ヒータ１１６は、一次電子ビーム１１１を引き出さない期間に（ＳＥＭ観察の停止中に）オン制御され、引出電極１０２を加熱する。この加熱により、引出電極１０２の表面に吸着されたガスを熱脱離する。この結果、ＳＥＭ観察中に、一次電子ビーム１１１が引出電極１０２に衝突した場合でも、ガスの発生量は抑制される。

　引出電極１０２の下流には、アノード電極１０３が配置される。アノード電極１０３は、絶縁フランジ１０４（ガイシ１０４Ａを含む）を通じて鏡筒（カラム）１０に取り付けられる。絶縁フランジ１０４により、アノード電極１０３は、接地電位から分離され、高電圧（加速電圧）に保持される。ブースティング法を適用する本実施例の場合、一般的には、アノード電極１０３は最大１０ｋＶの正電位に保持される。この加速電圧により、引出電極１０２の絞りを通過した一次電子ビーム１１１は加速され、下流の光学系（例えばコンデンサレンズ１０８）へと出力される。

　絶縁フランジ１０４は、その中央部分（電子源１０１の軸線上）に形成された絞りを除き、絶縁フランジ１０４より上流側の空間（電子源室）と絶縁フランジ１０４より下流側の空間（中間室）とを分離している。以下では、電子源１０１を含む空間（電子源室）を規定する容器部分を真空チャンバ１０５と呼ぶ。このように、本実施例の電子源１０１とアノード電極１０３は、１つの（又は共通の）真空チャンバ１０５に収容される。真空チャンバ１０５は、接地電位に保持されている。真空チャンバ１０５（電子源室）と中間室（コンデンサレンズ１０８等を収容する空間）との間は、絶縁フランジ１０４の絞りを通じて差動排気される。

　真空チャンバ１０５の真空排気には、２つの真空ポンプが用いられる。１つは、メイン真空ポンプ１０６であり、１つは、サブ真空ポンプ１０７である。メイン真空ポンプ１０６は、単独で真空チャンバ１０５を10^-8hPa程度の真空状態にできるポンプである。メイン真空ポンプ１０６には、例えばイオンポンプを利用する。サブ真空ポンプ１０７は、真空チャンバ１０５の真空度を高める目的で使用されるポンプである。サブ真空ポンプ１０７には、例えばＮＥＧポンプを利用する。メイン真空ポンプ１０６及びサブ真空ポンプ１０７は、それぞれ複数配置しても良い。図１ではサブ真空ポンプ１０７をメイン真空ポンプ１０６の上流側に配置した並列構造であるが、サブ真空ポンプ１０７とメイン真空ポンプ１０６を直列に配置する構造を採用しても良い。

　（１－２）電流安定性の向上
　続いて、本実施例に係る走査電子顕微鏡内で発生する現象を説明する。前述したように、アノード電極１０３は、引出電極１０２の電位よりも高い電位に保持される。このため、一次電子ビーム１１１がアノード電極１０３に衝突した際に発生される二次的な電子（二次電子や反射電子）１１２は、引出電極１０２の方に辿り着くことはできず、アノード電極１０３に再度衝突する。この再度の衝突により、二次的な電子１１３が発生される。

　二次的な電子１１３は、周囲との電位関係（引出電極１０２、アノード電極１０３、真空チャンバ１０５及びコンデンサレンズ１０８との電位関係）により、絶縁フランジ１０４に含まれるガイシ１０４Ａに衝突する。ところが、ガイシ１０４Ａは、ポーラス構造であり、多くのガスを吸着又は吸蔵している。このため、ガイシ１０４Ａは、二次的な電子１１３との衝突部分から、多くのガス１１４を真空チャンバ１０５内に放出する。このガス１１４の発生こそが、ＣＦＥ電子源をブースティング法と組み合わせて使用する場合に電流安定性を低下させる原因である。

　なお、ガイシ１０４Ａは、接地電位とブースター電位を電気的に分離する絶縁体であり、前述したように、二次的な電子１１３が衝突すると表面の吸着ガス及び内部の吸蔵ガスを放出する。また、ガイシ１０４Ａは、二次的な電子１１３の衝突によって表面が帯電する。ガイシ１０４Ａは、一般的には、セラミックスであるが、エンジニアリングプラスチックでも構わない。ガス１１４は、二次的な電子１１３が鏡筒（カラム）１０の内壁に再衝突することで発生した二次的な電子がガイシ１０４Ａに再衝突することによっても発生される。

　ところで、本実施例の走査電子顕微鏡では、電子源１０１とアノード電極１０３が、１つの（同じ）真空チャンバ１０５に含まれている。具体的には、図１に示すように、ガス１１４が発生する領域付近の上方部分（円筒１１５に形成された相対的大きい口径の横穴１１５Ａに近く、引出電極１０２に形成された相対的に口径の小さい絞りから遠い位置）で、電子源１０１が含まれる空間とアノード電極１０３が含まれる空間とが連結されている。このため、発生したガス１１４の大部分は、引出電極１０２の絞りではなく、分子レベルから見た抵抗が相対的に小さい横穴１１５Ａを通過し、メイン真空ポンプ１０６及びサブ真空ポンプ１０７によって排気される。すなわち、本実施例の場合、ガス１１４の大部分は、横穴１１５Ａから鏡筒（カラム）１０と円筒１１５との間に形成された連結路を通過して、メイン真空ポンプ１０６及びサブ真空ポンプ１０７により排気される。

　結果的に、メイン真空ポンプ１０６及びサブ真空ポンプ１０７は、電子源周辺の残留ガス量を一時的にも増やすことなく、真空チャンバ１０５からガス１１４を十分に排気することができる。

　図３に、フラッシング直後におけるエミッション電流の減衰特性を示す。本実施例の減衰特性曲線１３は、エミッション電流が初期設定値から半分に減衰するまでの時間が１００ｍｉｎ程度以上であることを示している。なお、減衰特性曲線１１は、後述する比較例１に対応する特性であり、減衰特性曲線１２は、後述する比較例２に対応する特性である。

・比較例１：
　引出電極１０２より上流側の真空チャンバ（電子源１０１を含む）と、引出電極１０２より下流側の真空チャンバ（アノード電極１０３を含む）とを異なる真空チャンバとして独立に設け、各真空チャンバにそれぞれメイン真空ポンプを接続した走査電子顕微鏡。

・比較例２：
　比較例１の構成に加え、引出電極１０２より上流側の真空チャンバ（電子源１０１を含む）にのみサブ真空ポンプを接続した走査電子顕微鏡。

　図３に示すように、比較例１におけるエミッション電流（電子源１０１から放出される一次電子ビーム１１１全体にかかる電流）の初期設定値からの半減時間は１ｍｉｎ程度、比較例２におけるエミッション電流の初期設定値からの半減時間は１０ｍｉｎ程度であり、本実施例の構成の優位性が確かめられる。このことは、本実施例の場合、比較例１及び２に比して、高輝度安定領域を長くできることを意味する。一般に、高輝度安定領域とは、エミッション電流が当初の５０％以上であり、かつ、プローブ電流（引出電極１０２の絞りを通過したエミッション電流）が当初の９０％である領域をいう。高輝度安定領域では、ＣＦＥノイズと呼ばれる特有のノイズが低く、しかも、試料表面を走査するプローブビームが高輝度で安定している。このため、本実施例では、比較例に比して、高輝度のプローブ電流を長時間維持することができる。

　（１－３）まとめ
　本実施例の構造の採用により、ＣＦＥ電子源から引き出された一次電子ビーム１１１を２ｋＶ以下の加速電圧で加速する場合でも（ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせる場合でも）、エミッション電流やプローブ電流を安定に動作させて、高分解能の画像を得ることができる。このため、試料が磁性体の場合や試料の形状が平坦ではない場合にもＳＥＭによる観察が可能となり、ユーザの利便性が飛躍的に向上する。なお、本実施例では、走査電子顕微鏡について説明したが、本実施例の顕微鏡構造は、ＦＩＢとＳＥＭが共存する複合荷電粒子線装置にも適用できる。後続する実施例についても同様である。

　（２）第２の実施例
　（２－１）装置構成
　図４に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図４には、図１との対応部分に同一符号を付して示している。図４が図１と相違する点の１つは、ガイシ１０９の外周部がその全周に亘って鏡筒（カラム）１０の内壁面に直接固定され、結果的に独立した２つの真空チャンバが設けられる点である。すなわち、本実施例に係る走査電子顕微鏡では、引出電極１０２より上流側の空間を仕切る真空チャンバ１０５Ａ（電子源１０１を含む）と、引出電極１０２より下流側の空間を仕切る真空チャンバ１０５Ｂ（アノード電極１０３を含む）が独立に設けられる。

　図４が図１と相違する点の他の１つは、真空チャンバ１０５Ａ及び１０５Ｂのそれぞれにメイン真空ポンプとサブ真空ポンプが設けられる点である。すなわち、真空チャンバ１０５Ａにはメイン真空ポンプ１０６とサブ真空ポンプ１０７が設けられ、真空チャンバ１０５Ｂにはメイン真空ポンプ１０６Ａとサブ真空ポンプ１０７Ａが設けられる。本実施例の場合、二次的な電子１１３がガイシ１０４Ａに衝突することによって発生したガス１１４を、発生源と同じ真空チャンバ１０５Ｂに設けられたメイン真空ポンプ１０６Ａとサブ真空ポンプ１０７Ａを通じて速やか、かつ、十分に排気することができる。

　換言すると、走査電子顕微鏡の使用中に発生するガス１１４の大部分は、下流側の真空チャンバ１０５Ｂに接続されたメイン真空ポンプ１０６Ａ及びサブ真空ポンプ１０７Ａにより排気される。この結果、電子源１０１の周りのガス濃度が一時的にも高まる可能性を低減することができる。このため、実施例１に係る走査電子顕微鏡と同等の効果（図３の減衰特性曲線１３）を得ることができる。

　（３）第３の実施例
　前述の第１及び第２の実施例では、ガイシ１０４Ａに対する二次的な電子１１３の衝突により発生したガス１１４を真空チャンバ内から十分に排気するための技術について説明したが、本実施例ではガス１１４の発生自体を抑制できる構造について説明する。

　（３－１）装置構成
　図５に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図５には、図１との対応部分に同一符号を付して示している。すなわち、本実施例の場合、１つの真空チャンバ１０５内に電子源１０１とアノード電極１０３の両方が含まれる構造を前提とする。図５が図１と相違する点は、絶縁フランジ１１８に対するガイシ１１７とアノード電極１０３の取り付け構造である。

　図１の場合、絶縁フランジ１０４とガイシ１０４Ａは一体構造であり、アノード電極１０３は絶縁フランジ１０４の内周側部分の表面とガイシ１０４Ａの一部分の表面に跨るように載置されていた。このため、ガイシ１０４Ａの大部分は、アノード電極１０３の外側に露出されていた。しかし、図５に示す構造では、アノード電極１０３は、絶縁フランジ１１８に載置されたガイシ１１７の上に載置される。すなわち、アノード電極１０３は、ガイシ１１７を挟んで絶縁フランジ１１８から分離されている。

　ガイシ１１７は筒形状であり、その内側面は絶縁フランジ１０４の中心に形成された絞りより外側に位置する一方、その外側面は少なくともアノード電極１０３の外周縁部より内側に位置するように配置される。ただし、ガイシ１１７の外側面は、図５に示すように、アノード電極１０３等で発生した二次的な電子１１３が回り込めない位置に取り付けられる必要がある。例えばガイシ１１７の高さ（ｚ方向）が大きく、アノード電極１０３と絶縁フランジ１１８との間の隙間が大きい場合、ガイシ１１７の外側面がアノード電極１０３の外縁よりもできるだけ離れる（内側に位置する）ように配置する。一方、ガイシ１１７の高さ（ｚ方向）が小さく、アノード電極１０３と絶縁フランジ１１８との間の隙間が小さい場合、ガイシ１１７の外側面はアノード電極１０３の外縁付近まで配置できる。

　（３－２）まとめ
　本実施例の顕微鏡構造を採用する場合、ＣＦＥ電子源から引き出された一次電子ビーム１１１を２ｋＶ以下の加速電圧で加速する場合でも（ＣＦＥ電子源とブースティング法を組み合わせる場合でも）、アノード電極１０３で発生した二次的な電子１１３とガイシ１１７の衝突を防ぐことができる。このため、前述の実施例と同様、エミッション電流やプローブ電流を安定に動作させて、高分解能の画像を得ることができる。しかも、本実施例の場合には、本質的にガス１１４が発生しないため、実施例１の場合よりも、電子源１０１の周辺状態を良好に保ちつつ走査電子顕微鏡を使用することができる。なお、本実施例の顕微鏡構造は、第２の実施例（図４）にも適用することができる。

　（４）第４の実施例
　図６に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図６には、図５との対応部分に同一符号を付して示している。図６が図５と相違する点は、アノード電極１０３の形状である。本実施例におけるアノード電極１０３は、断面Ｌ字形状を形成する構造体が、アノード電極１０３の外周縁に沿うように、その下面から下方に突出するスカート状の部材として形成される点で相違する。ただし、ここでのスカート状の部材は、絶縁フランジ１１８とは非接触である。スカート状の部材は、アノード電極１０３と絶縁フランジ１１８との間に形成される隙間を小さくし、二次的な電子１１３の回り込みによるガイシ１１７との衝突を一段と難しくする働きをする。

　本実施例の顕微鏡構造を採用すれば、真空チャンバ１０５内におけるガスの発生を第３の実施例に比して一段と抑制することができる。また、隙間の大きさは、アノード電極１０３のスカート状の部材の長さで調整できるため、ガイシ１１７の高さを高くしてアノード電極１０３と絶縁フランジ１１８の距離を離すことが可能となる。本実施例の顕微鏡構造も、第２の実施例（図４）にも適用できる。

　（５）第５の実施例
　図７に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図７には、図６との対応部分に同一符号を付して示している。図７が図６と相違する点は、アノード電極１０３の形状である。本実施例におけるアノード電極１０３は、断面Ｌ字形状を形成する構造体が、アノード電極１０３の外周縁に沿うように、その上面から上方に突出する壁構造体として形成される点で、第４の実施例の構造と相違する。

　略鉢形状又は略深皿形状のアノード電極１０３を用いるのは、二次的な電子１１３がアノード電極１０３から飛び出さないようにするためである。このようにしても、第４の実施例の場合と同様、二次的な電子１１３とガイシ１１７との衝突によるガス１１４の発生を低減することができる。なお、壁構造体の高さは、二次的な電子１１３の回り込みを防ぐことができれば任意の高さで良い。

　本実施例の顕微鏡構造を採用すれば、前述の第４の実施例と同様に、真空チャンバ１０５内におけるガス１１４の発生を抑制することができる。また、二次的な電子１１３の回り込みは壁構造体により防止されるため、ガイシ１１７の高さは任意に定めることができる。本実施例の顕微鏡構造も、第２の実施例（図４）に適用することができる。

　（６）第６の実施例
　図８に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図８には、図７との対応部分に同一符号を付して示している。図８が図７と相違する点は、アノード電極１０３の絶縁フランジ１１８に対する取り付け構造である。具体的には、外周縁に沿ってアノード電極１０３の上面から上方に突出する壁構造体の上端付近の外側面にてガイシ１１７と接続され、当該ガイシ１１７を通じて絶縁フランジ１１８に取り付けられている円筒１１５に取り付けられる点である。図８の場合、ガイシ１１７は、横穴１１５Ａより下の位置で円筒１１５に取り付けられる。もっとも、取り付け構造は、これに限らず、ガイシ１０９とガイシ１１７が、鏡筒（カラム）１０に直接取り付けられる構造でも良い。

　なお、本実施例の場合、外周縁に沿ってアノード電極１０３の上面から上方に突出する壁構造体の高さは第５の実施例よりも高く（少なくとも、引出電極１０２の下端面よりも高く）形成されている。すなわち、本実施例のアノード電極１０３は、第５の実施例よりも深い鉢形状又は井戸型形状を有している。アノード電極１０３に形成される壁構造体の高さが十分に高いため、二次的な電子１１３が上記壁構造体を乗り越えてガイシ１１７に衝突する可能性はほとんどない。

　本実施例の顕微鏡構造を採用しても、前述の第５の実施例と同様に、真空チャンバ１０５内におけるガスの発生を抑制することができる。本実施例の顕微鏡構造も、第２の実施例（図４）に適用することができる。

　（７）第７の実施例
　図９に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図９には、図１との対応部分に同一符号を付して示している。図９が図１と相違する点は、引出電極１０２とアノード電極１０３の間に、制御電極１２０が配置されている点である。制御電極１２０は、引出電極１０２とアノード電極１０３のレンズ作用によって一次電子ビーム１１１の光源位置が変化しないように調整し（すなわち、光源位置を一定に保ち）、電子光学系の制御精度の向上を図る目的で設置される部材である。

　ところが、引出電極１０２を通過した一次電子ビーム１１１が制御電極１２０に衝突することにより発生した電子、及び／又は、制御電極１２０に衝突した電子が電子銃内の構成要素に再度衝突することにより発生した電子がガイシに衝突することでもガスが放出される。

　そこで、制御電極１２０に、放出電子とガイシの衝突を回避させるための構造を採用する。構造の１つは、制御電極１２０の取り付けに使用するガイシ１１９への放出電子の衝突を回避するための構造である。この構造として、本実施例の制御電極１２０は、図８に示すアノード電極１０３と同様の構造を採用する。すなわち、制御電極１２０を、その底面の中心位置に絞りが形成された略鉢形状又は略深皿形状の電極として構成し、外周縁に沿って制御電極１２０の上面から上方に突出する壁構造体の上端付近の外側面にてガイシ１１９と接続する構造を採用する。なお、ガイシ１１９は、絶縁フランジ１０４に取り付けられている円筒１１５に固定されている。ここでも、ガイシ１１９は、円筒１１５に形成された横穴１１５Ａを塞がないように、横穴１１５Ａより下の位置に取り付けられる。

　別の構造の１つは、アノード電極１０３から発生される二次的な電子１１３とガイシ１０４Ａとの衝突を回避するための構造である。この構造として、本実施例の制御電極１２０は、制御電極１２０の外周縁に沿うように、その下面から下方に突出するスカート形状の部材を配置する構造を採用する。もっとも、制御電極１２０にスカート形状の部材を配置する代わりに、アノード電極１０３に図６に示す構造や図７に示す構造を採用しても良い。

　以上のように、制御電極１２０を引出電極１０２とアノード電極１０３の間に配置する場合でも、本実施例のように、ガイシ１１９及び１０４Ａに二次的な電子１１３が衝突しない構造を採用することにより、真空チャンバ１０５内におけるガス１１４の発生を効果的に抑制することができる。なお、図９に示す制御電極１２０の構造例は一例であり、二次的な電子１１３がガイシ１０４Ａやガイシ１１９に衝突しない構造であれば、どのような構造であっても良い。本実施例の顕微鏡構造も、第２の実施例（図４）に適用することができる。

　（８）第８の実施例
　図１０に、本実施例に係る走査電子顕微鏡を構成する電子源及びその周辺部分の装置構成を示す。図１０には、図１との対応部分に同一符号を付して示している。図１０が図１と相違する点は、引出電極１０２とアノード電極１０３の間に、モノクロメータユニット１２８が配置されている点である。モノクロメータユニット１２８は、電子源１０１から放出される一次電子ビーム１１１のエネルギー幅を低減するためのものであれば、どのような構造でも良い。

　ＳＥ電子源をＣＦＥ電子源に入れ替えることでエネルギー幅を低減する効果を得られるのと同様、ＣＦＥ電子源とモノクロメータユニット１２８を組み合わせることによってもエネルギー幅の更なる低減を実現できる。例えば１ｋＶ以下の低加速電圧によって、前述の実施例よりも更に分解能の高い画像を取得することが可能となる。なお、モノクロメータユニット１２８にも絶縁部材（ガイシ）が含まれる場合がある。そこで、前述した他の実施例で説明した各種の構造を採用し、モノクロメータユニット１２８の内部の絶縁部材に、二次的に発生した放出電子が衝突しないようにする。

　本実施例によれば、前述の実施例よりも一段と低い加速電圧による分解能の高い画像を取得することができる。本実施例の顕微鏡構造も、第２の実施例（図４）に適用することができる。

　（９）他の実施例
　本発明は、上述した実施例の構成に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば上述した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために、一部の実施例について詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要は無い。また、ある実施例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、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成に他の構成を追加し、又は、各実施例の一部構成を他の構成で置換し、又は各実施例の一部構成を削除することも可能である。また、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示すものであり、製品上必要な全ての制御線や情報線を表すものでない。実際にはほとんど全ての構成が相互に接続されていると考えて良い。

１０…鏡筒（カラム）
１１…減衰特性曲線（比較例１）
１２…減衰特性曲線（比較例２）
１３…減衰特性曲線（実施例１）
１０１…電子源
１０２…引出電極
１０３…アノード電極
１０４…絶縁フランジ
１０４Ａ…ガイシ
１０５…真空チャンバ
１０５Ａ…真空チャンバ
１０５Ｂ…真空チャンバ
１０６…メイン真空ポンプ
１０６Ａ…メイン真空ポンプ
１０７…サブ真空ポンプ
１０７Ａ…サブ真空ポンプ
１０８…コンデンサレンズ
１０９…ガイシ
１１０…ガイシ
１１１…一次電子ビーム
１１２…二次的な電子（二次電子や反射電子）
１１３…二次的な電子（再衝突後の電子）
１１４…ガス
１１５…円筒
１１５Ａ…横穴
１１６…加熱ヒータ
１１７…ガイシ
１１８…絶縁フランジ
１１９…ガイシ
１２０…制御電極

Claims

　ＣＦＥ（Cold Field-Emission）電子源と、
　前記ＣＦＥ電子源から電子を引き出す引出電極と、
　前記電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正（＋）電位のアノード電極と、
　前記アノード電極を接地電位から分離する第１の絶縁体と、
　前記ＣＦＥ電子源と前記アノード電極の両方を含む単一の真空チャンバと、
　前記真空チャンバに接続されるイオンポンプと、
　前記真空チャンバに接続されるＮＥＧ（NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプと、
　前記ＣＦＥ電子源、前記引出電極、前記アノード電極、前記第１の絶縁体、前記真空チャンバ、前記イオンポンプ、前記ＮＥＧポンプを収容する鏡筒と、
　前記鏡筒に連結された試料室と
　を有する走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と、
　前記第２の絶縁体を介して前記引出電極を前記筐体に取り付けると共に、前記アノード電極を前記引出電極と共にその内部に収容する円筒状の取付部材であり、前記鏡筒の内径よりも小さい外径を有する筒状部分に、前記取付部材の内空間と外空間を連結する少なくとも１つの横穴を有する取付部材と
　を更に有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記アノード電極が位置する空間は、前記取付部材に形成された前記横穴と、前記取付部材の筒状部分と前記筐体との間に形成される連結路とを通じて前記電子源の位置する空間と接続される
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記ＣＦＥ電子源は、タングステン単結晶チップ、ナノチップ、カーボンナノチューブチップ及び超電導チップのいずれかである
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記第１の絶縁体は、セラミックス、及びエンジニアリングプラスチックのいずれかである
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記第１の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、前記第２の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられる
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記アノード電極は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、前記第２の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第１の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極を時間選択的に加熱可能なヒータを更に有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
　前記制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と
　を更に有し、
　前記第２の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられる
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
　前記制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と
　を更に有し、
　前記制御電極は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置され、かつ、構成要素の１つに第２の絶縁体を含むモノクロメータユニットを更に有し、
　前記モノクロメータユニットは、前記引出電極を通過した電子が前記モノクロメータユニット内の非絶縁体に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記非絶縁体、前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　ＣＦＥ（Cold Field-Emission）電子源と、
　前記ＣＦＥ電子源から電子を引き出す引出電極と、
　前記引出電極に対して上流側に位置し、前記電子源を収容する第１の真空チャンバと、
　前記電子を加速して下流側に位置する光学系に出力する正（＋）電位のアノード電極と、
　前記アノード電極を接地電位から分離する第１の絶縁体と、
　前記引出電極に対して下流側に位置し、前記アノード電極を収容する第２の真空チャンバと、
　前記第１の真空チャンバに接続される第１のイオンポンプと、
　前記第１の真空チャンバに接続される第１のＮＥＧ（NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプと、
　前記第２の真空チャンバに接続される第２のイオンポンプと、
　前記第２の真空チャンバに接続される第２のＮＥＧ（NONEVAPORATIVE GETTER）ポンプと、
　前記ＣＦＥ電子源、前記引出電極、前記第１の真空チャンバ、前記アノード電極、前記第１の絶縁体、前記第２の真空チャンバ、前記第１及び第２のイオンポンプ、前記第１及び第２のＮＥＧポンプを収容する鏡筒と、
　前記鏡筒に連結された試料室と
　を有する走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記ＣＦＥ電子源は、タングステン単結晶チップ、ナノチップ、カーボンナノチューブチップ及び超電導チップのいずれかである
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記第１の絶縁体は、セラミックス、及びエンジニアリングプラスチックのいずれかである
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記第１の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、前記第２の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられる
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記アノード電極は、前記引出電極を通過した電子が前記アノード電極に衝突した際に放出される第２の電子、及び／又は、前記第２の電子が前記アノード電極、若しくは、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第１の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極を時間選択的に加熱可能なヒータを更に有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
　前記制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と
　を更に有し、
　前記第２の絶縁体は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子が衝突しない位置に取り付けられる
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置される制御電極と、
　前記制御電極を接地電位から分離する第２の絶縁体と
　を更に有し、
　前記制御電極は、前記引出電極を通過した電子が前記制御電極に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
　請求項１２に記載の走査電子顕微鏡において、
　前記引出電極と前記アノード電極の間に配置され、かつ、構成要素の１つに第２の絶縁体を含むモノクロメータユニットを更に有し、
　前記モノクロメータユニットは、前記引出電極を通過した電子が前記モノクロメータユニット内の非絶縁体に衝突した際に放出される第２の電子、並びに／又は、前記第２の電子が前記非絶縁体、前記引出電極、前記アノード電極、及び／又は、前記真空チャンバの内壁に再衝突して放出される第３の電子と前記第２の絶縁体との衝突を遮る構造を有する
　ことを特徴とする走査電子顕微鏡。