WO2018154638A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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detector
electrostatic field
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竜樹 佐藤
寿英 揚村
恒典 野間口
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J37/05—Electron or ion-optical arrangements for separating electrons or ions according to their energy or mass

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus.
  • Patent Document 1 A technique for discriminating and detecting secondary electrons and backscattered electrons in a charged particle beam apparatus is disclosed (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 a deceleration space for decelerating signal electrons is provided in a detection system, a deflection field is generated in the deceleration space, and secondary electrons with reduced energy are selectively collected. Further, the energy of the signal electrons to be detected is selected by controlling the potential of the deceleration space.
  • an object of the present invention is to provide a charged particle beam apparatus capable of collecting emitted particles generated in a sample by energy and collecting them with high efficiency without affecting the primary particle beam.
  • a charged particle beam apparatus includes a charged particle beam source that emits a primary charged particle beam, an objective lens that focuses the primary charged particle beam on a sample, and between the charged particle beam source and the tip of the objective lens.
  • a passage electrode made of a metal member, a detector for detecting secondary charged particles emitted from the sample, and an electrostatic field electrode electrically insulated from the passage electrode, the passage electrode being a primary charged particle
  • the line is formed so as to pass inside the passage electrode, and the electrostatic field electrode is formed so as to cover the outer periphery of the passage electrode.
  • a charged particle beam apparatus capable of collecting emitted particles generated in a sample by energy and collecting them with high efficiency without affecting the primary particle beam.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an SEM of Example 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of an SEM of Example 2. The figure which installed the secondary electron detector of Example 2 in 4 directions.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an SEM of Example 3. The schematic sectional drawing of a passage electrode.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of a potential distribution when there is no high-resistance material of Example 3. Schematic of potential distribution when there is a high resistance material of Example 3. Schematic of a beam electrode.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an SEM of Example 4.
  • FIG. 6 is a schematic diagram of an SEM of Example 5. Schematic of FIB-SEM. An example of a monitor screen.
  • a scanning electron microscope (hereinafter referred to as SEM) will be described as an example of one aspect of the charged particle beam apparatus, but the present invention is not limited to this.
  • a focused ion beam-scanning electron microscope combined apparatus hereinafter referred to as a scanning electron microscope
  • FIB-SEM focused ion beam-scanning electron microscope combined apparatus
  • STEM scanning transmission electron microscope
  • the SEM is a device that obtains a two-dimensional scanned image by accelerating a primary electron beam emitted from an electron source and scanning the sample two-dimensionally, thereby detecting signal electrons generated from the sample. .
  • the primary electron beam is narrowed down using an objective lens. The smaller the aberration of the objective lens, the finer the primary electron beam can be focused, and the sample can be observed with higher resolution. That is, it is preferable that the aberration of the objective lens is smaller.
  • an optical system (hereinafter referred to as a deceleration optical system) that decelerates the primary electron beam in front of the sample is effective.
  • a deceleration optical system since primary electrons pass through the objective lens with high energy, chromatic aberration can be reduced.
  • a retarding method and a boosting method as means for realizing a deceleration optical system.
  • a potential gradient is provided between the sample and the SEM mirror so that the primary electron beam is decelerated, but the voltage application portion is different.
  • a negative voltage is applied to the sample.
  • an electrode through which a primary electron beam passes hereinafter referred to as a boosting electrode
  • a positive voltage is applied to the electrode.
  • signal electrons detected by SEM are roughly divided into two.
  • One is a secondary electron having a low energy (generally 50 eV or less), and the other is a backscattered electron having a high energy (generally 50 eV or more and less than the irradiation energy of the primary electron beam).
  • the secondary electron image shows contrast mainly reflecting the surface shape of the sample.
  • the contrast obtained depends on the energy.
  • An image in which a component having an energy equivalent to the irradiation energy of the primary electron beam among the backscattered electrons is detected shows a contrast reflecting the surface shape and composition distribution of the sample.
  • information including the composition and structure inside the sample is reflected in the contrast of the image.
  • various sample information can be obtained by detecting the signal electrons separately for each energy.
  • Patent Document 1 As means for solving the problem. However, as described above, in Patent Document 1, it is impossible to achieve both suppression of aberrations of the primary electron beam and high-efficiency detection of secondary electrons. Therefore, an embodiment that solves this problem will be described below.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the SEM of Example 1. As shown in FIG. 1, an axis parallel to the path through which the primary electron beam passes is defined as the Z axis, and an arbitrary axis defining on a plane perpendicular to the Z axis is defined as the R axis.
  • the SEM of FIG. 1 includes an electron source 101 that generates a primary electron beam 130, an extraction electrode 102 for extracting electrons from the electron source 101, an objective lens 104 that focuses the primary electron beam 130 on a sample 103, and primary electrons.
  • the boosting electrode 105 for accelerating the line 130, the sample stage 106 on which the sample 103 is installed, the secondary electron detector 110 for detecting the secondary electrons 131a generated in the sample 103, and the path of the primary electron beam 130 are surrounded.
  • a passage electrode 112 formed in contact with the boosting electrode 105, an extraction power source 140 for applying an extraction voltage between the electron source 101 and the extraction electrode 102, and an acceleration to the electron source 102 for accelerating the primary electron beam.
  • FIG. 1 shows an example in which a boosting method for applying a positive voltage to the boosting electrode 105 and a retarding method for applying a negative voltage to the sample 103 are combined. It doesn't matter. That is, only the boosting method or the retarding method may be used.
  • the secondary electron detector 110 is installed between the electron source 102 and the sample 103. Furthermore, the first grid electrode 111 having a mesh structure in which signal electrons enter between the secondary electron detector 110 and the objective lens 104, and the electron source 102 and the first grid electrode 111 are disposed. The first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115 and the second grid electrode 116 having a mesh structure, which are electrically insulated from the passage electrode 112, and between the electron source 101 and the secondary electron detector 110. Between the electron source 101 and the trajectory control electrode 117, a backscattered electron detector 118 for detecting the backscattered electrons 131b is disposed between the trajectory control electrode 117 and the trajectory control electrode 117.
  • the following power supplies that is, a detector power supply 144 that applies a positive voltage to the secondary electron detector 110, and a first voltage that applies a negative voltage to the first electrostatic field electrode 113 are applied.
  • the first deceleration power source 145 and the second deceleration power source 146 are given a potential substantially equal to that of the sample.
  • an electric field region formed by the first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115, and the second lattice electrode 116 and decelerating signal electrons is referred to as a deceleration space.
  • FIG. 2 is a diagram showing the arrangement of secondary electron detectors.
  • the first electrostatic field electrode 113 is provided with an opening 114 formed on its side wall at the tip surface 114a on the side of the passage electrode 112 and the tip surface 114b on the side away from the passage electrode 112, to detect secondary electrons.
  • the container 110 is disposed to face the opening 114. That is, the sensitive surface 110a of the secondary electron detector 110 is arranged so as to face the deceleration space.
  • the sensing surface 110a is in the R-axis direction and closer to the passage electrode 112 than the front end surface 114a (FIG. 2A), inside the opening 114 (FIG.
  • the sensing surface 110a may be disposed so as to overlap the tip surfaces 114a and 114b.
  • the sensing surface 110a is preferably arranged parallel to the axis of the passage electrode 112, but may be slightly inclined within a range where secondary electrons can be efficiently acquired.
  • FIG. 3 is a schematic view of the opening.
  • FIG. 3A three patterns of a round hole (FIG. 3A), a square hole (FIG. 3B), and a structure cut out toward the end (FIG. 3C) are shown, but the present invention is not limited to these.
  • the primary electron beam 130 emitted from the electron source 101 passes through the passage electrode 112, is narrowed down by the objective lens 104, and is irradiated onto the sample 103.
  • signal electrons such as secondary electrons 131a and backscattered electrons 131b are emitted.
  • the signal electrons are accelerated by the retarding voltage and the boosting voltage, travel toward the electron source 101, and pass through the first lattice electrode 111.
  • the signal electrons guided to the deceleration space are again decelerated to the same level as the energy generated at the sample 103.
  • the secondary electrons 131a having low energy among the signal electrons are collected with high efficiency by the strong deflection field and detected with high efficiency by the secondary electron detector 110.
  • the backscattered electrons 131b still have high energy even if decelerated, they pass through the decelerating space, the trajectory is corrected by the trajectory control electrode 117, and are detected by the backscattered electron detector 118 with high efficiency.
  • the secondary electrons 131a can be detected with high efficiency.
  • the signal electrons are discriminated into the secondary electrons 131a and the backscattered electrons 131b and collected, and the difficulty of coexistence of aberration suppression of the primary electrons 130 and detection efficiency of the secondary electrons 131a is overcome.
  • a voltage for decelerating the signal electrons by the retarding voltage and the boosting voltage is applied to the first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115, and the second lattice electrode 116, A deceleration space is formed.
  • the optical system applies only the retarding method or the boosting method, a deceleration space can be formed in the same way by applying a voltage that decelerates the signal electrons to one electrode. .
  • the retarding method and the boosting method it is possible to selectively detect only the secondary electrons 131a by the deflection field without applying a voltage to each electrode. In this case, the deceleration space is not formed.
  • An embodiment in which the deceleration optical system is not applied will be described later (FIG. 8).
  • the deflection field for guiding the secondary electrons 131a to the secondary electron detector 110 is, for example, an Everhart-Thornley detector (ET) having a scintillator (sensitive surface 110a), a light guide, and a photomultiplier tube in the secondary electron detector 110. It can be easily formed by using a detector.
  • FIG. 4 shows a conceptual diagram of the ET detector. This detector includes a scintillator 201 that converts colliding electrons into light, a light guide 202 that transmits light, and a photomultiplier tube 203 that converts and amplifies the reached light into an electrical signal.
  • the detector power supply 144 applies a high voltage (for example, 10 kV) to the scintillator 201.
  • the boosting voltage is a high voltage (for example, 8 kV)
  • the detector power supply 144 is not required by making the boosting electrode 105 and the scintillator 201 conductive.
  • the formation method of said deflection field is not ask
  • a mesh electrode is disposed between the scintillator 201 and the first electrostatic field electrode 113, and a positive voltage is applied to the mesh electrode to cause the secondary electrons 131a to move toward the secondary electron detector 110. It does not matter if it is deflected.
  • FIG. 5 is a diagram in which secondary electron detectors are installed in four directions.
  • the number of secondary electron detectors 110 installed is not limited. However, if the number of installed secondary electrons 110 is small (for example, only one), the collection efficiency changes depending on the position where the secondary electrons 131a enter. That is, in the deceleration space, the former is far detected between the secondary electrons 131a that have entered in the direction in which the secondary electron detector 110 is installed and the secondary electrons 131a that have entered in the opposite direction across the passage electrode 112. Cheap. Therefore, in the observation image obtained from the secondary electron detector 110 in one direction, brightness unevenness depending on the generation position of the secondary electrons 131a on the sample occurs.
  • the secondary electron detector 110 In order to suppress this unevenness, it is required to reduce the bias in the collection efficiency of the secondary electrons 131a. Therefore, by installing the secondary electron detector 110 in a plurality of directions and using an electric circuit that appropriately processes the signal obtained from each detector, an image with reduced brightness unevenness can be acquired. It has been found from an electron trajectory simulation study that it is preferable to install detectors in three or more directions.
  • the secondary electron detector 110 by installing the secondary electron detector 110 in a plurality of directions, discrimination based on the emission angle of the secondary electrons 131a becomes possible. By this discharge angle discrimination, an image in which the uneven structure on the sample surface is emphasized can be obtained.
  • the signal electron emission angle distribution is asymmetric with respect to the irradiation axis. That is, the signal electrons are emitted with a bias with respect to some angular directions.
  • An image in which the uneven structure on the sample surface is emphasized can be acquired by selectively detecting signal electrons in a part of the angular direction using this bias.
  • the secondary electrons 131a can be acquired according to the respective emission angles by the secondary electron detectors 110 arranged in four directions. Therefore, by forming an image only with a signal obtained from any one of the secondary electron detectors 110, a contrast in which the above-described uneven structure is emphasized can be obtained. Further, by subtracting the signal from the opposing secondary electron detector 110, it is possible to obtain a contrast in which the unevenness and the inclined surface of the sample are more emphasized. In addition, when an image is formed by adding signals obtained by the four secondary electron detectors 110, contrast other than the concavo-convex structure tends to appear more clearly.
  • the backscattered electron detector 118 for example, an annular ET detector is used.
  • a high voltage is applied to the scintillator similarly to the secondary electron detector 110, it is necessary to control the potential of the deceleration space so that the secondary electrons 131a are not drawn by the high voltage.
  • the detection method of the backscattered electrons 131b does not matter. Detection may be performed using an annular semiconductor detector, or a conversion electrode may be installed to detect conversion electrons generated when backscattered electrons 131b collide. An example using the conversion electrode will be described later (FIG. 8).
  • the backscattered electrons 131 b can reach the backscattered electron detector 118 through the mesh openings in the second lattice electrode 116. Therefore, the backscattered electrons 131b passing through the second lattice electrode 116 can be increased by increasing the ratio of the area of the opening to the mesh (opening ratio). On the other hand, as the aperture ratio of the second lattice electrode 116 is higher, the potentials of the trajectory control electrode 117 and the backscattered electron detector 118 are more likely to leak into the deceleration space, and the trajectory of the secondary electrons 131a is affected.
  • the backscattered electron detector 118 When an ET detector is used as the backscattered electron detector 118, a high voltage applied to the scintillator 201 leaks into the deceleration space. When the amount of leakage is large, the secondary electrons 131a pass through the deceleration space and are detected by the backscattered electron detector 118. Therefore, it is desirable that the aperture ratio of the second lattice electrode 116 is determined by the detection balance of the secondary electrons 131a and the backscattered electrons 131b.
  • the second electrostatic field electrode 115 is installed just outside the passage electrode 112 to prevent an electric field that attracts the secondary electrons 131a from being generated in the deceleration space. It is out.
  • the same voltage need not be applied to the first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115, and the second grid electrode 116, respectively.
  • the second electrostatic field electrode 115 is installed inside the first electrostatic field electrode 113, a voltage is applied to the second electrostatic field electrode 115 from the outside of the first electrostatic field electrode 113. A means to do this is required.
  • the voltage applying means the second grid electrode 116 is brought into contact with the same potential, whereby a simple structure can be obtained as shown in FIG. Even in this case, the second grid electrode 116 and the second electrostatic field electrode 115 do not need to be at the same potential as the first electrostatic field electrode 113.
  • the second electrostatic field electrode 115 is required to have an outer diameter as small as possible in order to guide as many signal electrons as possible to the deceleration space. Considering that the inner diameter of the passage electrode 112 needs to be a certain value or more in order to pass the primary electron beam 130, the risk of discharge and the collection efficiency of signal electrons are weighed and optimized in the design of these electrodes. It is desirable.
  • the path of the primary electron beam 130 is separated from the deceleration space by the passage electrode 112, the influence of the primary electrons 130 due to the space potential formed by the deceleration space and the scintillator is mitigated.
  • a mesh-shaped first grid electrode 111 having the same potential as the passage electrode 112 is provided. By making the first grid electrode 111 into a mesh shape, an extra potential is prevented from leaking from the vicinity of the lower end of the passage electrode 112. This allows signal electrons to enter the deceleration space without affecting the primary electron beam 130.
  • the passage electrode 112, the first electrostatic field electrode 113, and the second electrostatic field electrode 115 are expressed in a cylindrical shape, but these electrodes can form a desired potential in the following detection system operation. The shape does not matter.
  • signal electrons in an arbitrary energy band can be guided to the secondary electron detector 110 by controlling the voltage applied to the passage electrode 112 and the first electrostatic field electrode 113. That is, it is possible to selectively detect the backscattered electrons 131b in a part of the energy band using the secondary electron detector 110.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the SEM of Example 2
  • FIG. 8 is a diagram in which the secondary electron detector of Example 2 is installed in four directions.
  • two first electrostatic field electrodes 113a and 113b are provided and arranged on the electron source 101 side and the objective lens 104 side.
  • the space between the two first electrostatic field electrodes is defined as “opening”.
  • the scintillator 201 when a high voltage is applied to the scintillator 201, it enters the deceleration space through an opening between the first electrostatic field electrode 113 a on the objective lens side and the first electrostatic field electrode 113 b on the electron source side. A lateral deflection field is formed. Accordingly, even in such a configuration, only the decelerated secondary electrons 131a can be collected in the deflection field, and the secondary electrons 131a can be selectively detected by the secondary electron detector 110.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the SEM of Example 3.
  • the center pipe 300 is installed in the passage path of the primary electron beam 130.
  • a schematic cross-sectional view of the center pipe 300 is shown in FIG.
  • the passage electrode 112 corresponds to the inner wall metal coating 301 of the cylindrical part.
  • the inner wall metal coating 301 is covered with a high resistance material 302.
  • a part of the high resistance material 302 is covered with an outer wall metal coating 303 corresponding to the second electrostatic field electrode 115.
  • the center pipe 300 is obtained by applying the outer wall metal coating 303 to the inner wall metal coating 301 and a part of the outer wall to the insulating material 302.
  • the high-resistance material 302 for example, alumina whose resistance value is controlled so as not to cause charging by collision of signal electrons is used.
  • the inner wall metal coating 301 and the outer wall metal coating 303 are made of any one of gold, silver, and titanium, or a combination thereof. However, the materials of the high resistance material and the metal coating are not limited to these.
  • These metal coatings to which different voltages are applied are separated by the high resistance material 302, and the two metal coatings can be brought close to a thickness at which the high resistance material 302 is not destroyed by the potential difference. Since this thickness can be made smaller than the distance between the electrodes when the insulating property is maintained by the space, the secondary electrons 131a can be detected more efficiently.
  • FIG. 10A and 10B are schematic diagrams of the potential distribution of Example 3.
  • FIG. 10A shows a case where the high-resistance material 302 is not present
  • FIG. 10B shows a case where the high-resistance material 302 is present.
  • the potential distribution shown in FIG. 10A draws equipotential lines that are substantially parallel to the passage electrode 112 in the vicinity of the center pipe 300. Due to this potential distribution, the secondary electrons 131 a that have entered the vicinity of the passage electrode 112 are bent inward and collide with the inner wall metal coating 301. That is, it is not detected by the secondary electron detector 110.
  • FIG. 10A draws equipotential lines that are substantially parallel to the passage electrode 112 in the vicinity of the center pipe 300. Due to this potential distribution, the secondary electrons 131 a that have entered the vicinity of the passage electrode 112 are bent inward and collide with the inner wall metal coating 301. That is, it is not detected by the secondary electron detector 110.
  • FIG. 10A draws equipotential
  • the high resistance material 302 by installing the high resistance material 302, a minute current flows between the outer wall metal coating 303 and the first grid electrode 111, and the potential distribution on the surface of the high resistance material is made uniform. . That is, the equipotential lines near the surface of the high resistance material 302 are substantially perpendicular to the center pipe 300. Due to this uniform potential distribution, the secondary electrons 321 advance straight in the vicinity of the center pipe 300 and enter the deceleration space, and are detected by the secondary electron detector 110. Thus, by using a material having an appropriate resistivity for the high-resistance material 302, signal electrons can be detected more efficiently. Note that the resistance value of the high resistance material 302 is desirably 10 13 ⁇ or less.
  • the beam electrode 310 is disposed so as to be in contact with the outer wall metal coating 303 of the center pipe 300.
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of the beam electrode.
  • the beam electrode 310 is installed for the purpose of introducing a voltage to the outer wall metal coating 303.
  • a structure formed by the ring body portion 311 and the beam portion 312 that are in contact with the outer wall metal coating 303 is preferable so as not to hinder the progress of signal electrons.
  • an electrode having a mesh structure may be used for the purpose of preventing leakage of the potential from the backscattered electron detector 118.
  • Example 3 shows an example in which the conversion electrode 121 is used as a method of detecting the backscattered electrons 131b.
  • backscattered electrons 118, a third electrostatic field electrode 120 having an opening, a second lattice electrode 116 in contact with the third electrostatic electrode, and a third electrostatic field electrode are contacted and backscattered.
  • the conversion electrode 121 with which a part of the electrons 131b collides is arranged closer to the electron source 101 than the deceleration space.
  • a negative voltage power source 148 that applies a voltage to the third electrostatic field electrode 120, the second lattice electrode 116, and the conversion electrode 121 is provided.
  • a plurality of backscattered electron detectors 118 are installed is shown, but the number is not limited.
  • the backscattered electrons 131b that have passed through the deceleration space with high energy collide with the conversion electrode 121 and generate converted electrons 132.
  • the converted electrons 132 are guided toward the backscattered electron detector 118 by the deflection field.
  • the method for forming the deflection field is not limited, but, similar to the secondary electron detection in the first embodiment, by using an ET detector for the backscattered electron detector 118 and applying a high voltage to the scintillator. Can be realized easily.
  • the secondary electrons 131a pass through the deceleration space and move backward. Detection by the scattered electron detector 118 can be suppressed.
  • the conversion electrode 121 is in contact with the third electrostatic field electrode 120 and is applied with the same voltage.
  • the conversion electrode 121 is not necessarily required to have the same voltage as the third electrostatic field electrode 120 and the second grid electrode 116. .
  • a voltage for example, a potential difference of 30 V
  • the generated conversion electrons 132 enter the deceleration space, and secondary electrons are generated. The detection by the detector 110 can be suppressed.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the SEM of Example 4.
  • the passage electrode 112 is provided with a passage hole for allowing the primary electron beam 130 to pass therethrough. Accordingly, the secondary electrons 431 a entering the passage hole cannot be detected by the secondary electron detector 110. That is, it can be said that this structure loses some signal electrons. Furthermore, depending on SEM observation conditions, the secondary electrons 431a may converge at the lower end of the passage electrode 112 and most of them may enter the passage hole, which may greatly impair detection efficiency.
  • the first deflector 401a is installed closer to the objective lens than the lower end of the passage electrode 112.
  • the trajectory of the secondary electrons 431 a that would normally enter the passage hole can be bent to the outside of the passage electrode 112.
  • the secondary electrons 431b having a trajectory bent and passed through the first lattice electrode 111 are detected by the secondary electron detector 110 according to the same principle as in FIG.
  • high detection efficiency can be maintained even under conditions where secondary electrons converge at the lower end of the passage electrode 112.
  • the configuration of the first deflector 401a is not limited, but an orthogonal electromagnetic field device (hereinafter, ExB) is preferable.
  • ExB is a means for deflecting only signal electrons without bending the primary electrons by utilizing the fact that the traveling directions of primary electrons and signal electrons are opposite.
  • a specific configuration includes an electrode pair facing each other with the primary electrons and a magnetic pole pair facing each other with the primary electrons in a direction perpendicular to the electrode pair. These electrode pair and magnetic pole pair form an electric field and a magnetic field that deflect the primary electrons and signal electrons, respectively.
  • the second deflector 401b is installed closer to the electron source than the upper end of the passage electrode 112.
  • the purpose of the second deflector 401b is to suppress an increase in aberration of the primary electron beam 130. It is the first deflector 401a that causes an increase in aberrations to be suppressed.
  • the dispersion of the trajectory is caused by the variation in energy of the primary electron beam 130, and as a result, the aberration becomes worse. Therefore, in order to suppress the dispersion of the trajectory, ExB is arranged as the second deflector 401b on the electron source side, and an electromagnetic field is formed in the opposite direction to the first deflector 401a.
  • FIG. 13 is a schematic diagram of the SEM of Example 5.
  • the deceleration optical system is not applied.
  • the SEM to which the deceleration optical system is not applied is referred to as a non-deceleration optical system SEM.
  • SEM the SEM to which the deceleration optical system is not applied
  • a non-deceleration optical system SEM a method of deflecting only secondary electrons and detecting separately from backscattered electrons is already known.
  • Example 4 only the secondary electrons are selectively detected by setting the first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115, and the second lattice electrode 116 to the same potential (ground potential) as the sample. Is possible.
  • the energy of backscattered electrons can be discriminated.
  • the secondary electrons 531a travel in the SEM with low energy.
  • the secondary electrons 531a having low energy are repulsed without being able to overcome the electrostatic potential formed by the negative voltage.
  • the slightly lower energy component 531b in the backscattered electrons is decelerated in the deceleration space to an energy that can be collected by the deflection field, and detected by the secondary electron detector 110.
  • the high-energy component 531 c of the backscattered electrons passes through the deflection field even when decelerated by the deceleration space, and is detected by the backscattered electron detector 118.
  • which detector detects backscattered electrons of a certain energy varies depending on the voltage applied to the first electrostatic field electrode 113, the second electrostatic field electrode 115, and the second lattice electrode 116. . Therefore, by controlling these voltages, the energy band of backscattered electrons detected by the secondary electron detector 110 and the backscattered electron detector 118 can be controlled.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the FIB-SEM.
  • the SEM mirror 601 and the FIB mirror 602 shown in FIGS. 1, 6, 8, 12, and 13 are installed in a sample chamber 600 in which two mirrors can be installed. Even in the configuration in which such two mirrors are installed, the secondary electrons can be detected efficiently without affecting the primary electron beam and the primary ion beam based on the principle described above.
  • the arrangement direction of the two mirrors does not matter.
  • the SEM mirror 601 is arranged perpendicular to the sample chamber, but the FIB mirror 602 may be arranged perpendicular to the sample chamber.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a GUI screen (display unit).
  • This embodiment includes the SEM 700 shown in FIGS. 1, 6, 8, 12, and 13, a PC 701 that controls the SEM 700, and a monitor 702 that displays an operation screen.
  • the monitor 702 displays a scanning image 703 obtained from the secondary electron detector and a scanning image 704 obtained from the backscattered electron detector. As described above, since secondary electrons and backscattered electrons reflect different information of the sample in the image, these two images have different contrasts.
  • the SEM has a function of adjusting the brightness and contrast of the scanned image.
  • the monitor 702 includes an operation screen (first input unit) 705 for adjusting the brightness and / or contrast gradation of each of the two images.
  • the monitor 702 includes an operation screen (second input unit) 706 for operating an energy threshold value of signals acquired by the two detectors. By selecting the energy threshold on this operation screen, the potential of the deceleration space is controlled, and the ratio of the signal electrons drawn into the secondary electron detector and the signal electrons passing through the backscattered electron detector is changed.
  • This function allows the user to select the desired sample information more directly. This is because the potential of the deceleration space is not important for the user who knows the desired sample information, and the energy band of the acquired signal electrons is important. Therefore, instead of manipulating the potential of the deceleration space or the voltage applied to the electrodes forming the deceleration space, manipulating the energy band of the signal electrons that are expected to be actually detected as in this embodiment. Thus, the user can understand the image much more gently.

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Abstract

荷電粒子線装置は、一次荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、一次荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、荷電粒子線源と対物レンズ先端との間に設置され金属部材からなる通路電極と、試料から放出される二次荷電粒子を検出する検出器と、通路電極と電気的に絶縁された静電場電極と、を備え、通路電極は一次荷電粒子線が該通路電極の内側を通過するように形成され、静電場電極は通路電極の外周を覆うように形成されている。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線装置に関する。
　荷電粒子線装置において、二次電子と後方散乱電子を弁別検出する技術が開示されている（特許文献１）。特許文献１では、検出系内に信号電子を減速する減速空間を設け、この減速空間に偏向場を発生させ、エネルギーが低くなった二次電子を選択的に収集する。また、該減速空間の電位を制御することで検出する信号電子のエネルギーを選別する。
ＷＯ９９／４６７９８号公報
　特許文献１のような減速空間を備えた検出系では、偏向場が一次電子線径路上に漏れ出ているため、一次電子線のエネルギー分散による収差増大を避けられない。ここで、一次電子線軌道への影響を抑制するために偏向場を弱めると、二次電子の収集効率が低下する。即ち、一次電子線の収差抑制と信号電子の高効率検出を両立できない。
　そこで、本発明の目的は、一次粒子線に影響を与えることなく、試料で発生した放出粒子をエネルギーで選別して高効率に収集できる荷電粒子線装置を提供することにある。
　本発明の一態様の荷電粒子線装置は、一次荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、一次荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、荷電粒子線源と対物レンズ先端との間に設置され金属部材からなる通路電極と、試料から放出される二次荷電粒子を検出する検出器と、通路電極と電気的に絶縁された静電場電極と、を備え、通路電極は一次荷電粒子線が該通路電極の内側を通過するように形成され、静電場電極は通路電極の外周を覆うように形成されている。
　本発明によれば、一次粒子線に影響を与えることなく、試料で発生した放出粒子をエネルギーで選別して高効率に収集できる荷電粒子線装置を提供できる。
実施例１のＳＥＭの概略図。 二次電子検出器の配置を示す図。 開口の概略図。 ＥＴ検出器の概略図。 二次電子検出器を４方向に設置した図。 実施例２のＳＥＭの概略図。 実施例２の二次電子検出器を４方向に設置した図。 実施例３のＳＥＭの概略図。 通路電極の概略断面図。 実施例３の高抵抗材料がない場合の電位分布の概略図。 実施例３の高抵抗材料がある場合の電位分布の概略図。 梁電極の概略図。 実施例４のＳＥＭの概略図。 実施例５のＳＥＭの概略図。 ＦＩＢ－ＳＥＭの概略図。 モニタ画面の一例。
　以下の実施例では、荷電粒子線装置の一態様として、走査電子顕微鏡（以下、ＳＥＭ）を例に説明するがこれに限られることはなく、例えば、集束イオンビーム－走査電子顕微鏡複合装置（以下、ＦＩＢ－ＳＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、等にも適用可能である。
　ＳＥＭは、電子源から放出された一次電子線を加速して試料上で二次元的に走査し、これによって試料から発生する信号電子を検出することで、二次元の走査像を得る装置である。一次電子線が試料に照射される際には、対物レンズを用いて一次電子線を細く絞る。対物レンズの収差が小さいほど、一次電子線を細く絞ることができ、試料をより高い分解能で観察することができる。即ち、対物レンズの収差はより小さい方が好ましい。
　一方、昨今のＳＥＭにおいては、試料の極表面観察や試料ダメージの低減を目的に、低加速電圧での観察需要が増加している。一般に加速電圧が下がると、対物レンズでの収差が増加し、ＳＥＭ像の分解能は劣化する。これは、対物レンズを通過する際の一次電子線のエネルギーが低いために、色収差が増大することが大きな原因である。
　低加速電圧においても高分解能を達成するためには、一次電子線を試料手前で減速する光学系（以下、減速光学系）が有効である。減速光学系では、一次電子が高エネルギーで対物レンズを通過するため、色収差を小さくすることができる。
　減速光学系を実現する手段として、リターディング法とブースティング法がある。両方法とも、試料とＳＥＭ鏡体との間に一次電子線が減速されるような電位勾配を設けるが、電圧を印加する部分が異なる。リターディング法では、試料に負電圧を印加する。ブースティング法では、ＳＥＭ鏡体内に一次電子線が通過する電極（以下、ブースティング電極）を設け、その電極に正電圧を印加する。これらの手法により、低加速電圧における高分解能化が実現される。
　また、ＳＥＭで検出する信号電子は、２つに大別される。１つはエネルギーの低い（一般に５０ｅＶ以下）二次電子であり、もう１つはエネルギーの高い（一般に５０ｅＶ以上で一次電子線の照射エネルギー以下）後方散乱電子である。二次電子像は、主に試料の表面形状を反映したコントラストを示す。一方、後方散乱電子の場合は、そのエネルギーによって得られるコントラストが異なる。後方散乱電子の内、一次電子線の照射エネルギー程度のエネルギーを持つ成分を検出した画像は、試料の表面形状及び組成分布を反映したコントラストを示す。また、比較的低エネルギーの後方散乱電子を検出した際には、試料内部の組成や構造を含む情報が画像のコントラストに反映される。以上のように、信号電子をエネルギー毎に分けて検出することで多様な試料情報を得ることができる。
　通常の光学系であれば、例えば偏向器によって低エネルギーの二次電子のみを偏向して検出することが可能である。しかし、減速光学系では、二次電子や後方散乱電子が、試料とＳＥＭ鏡体間の電位差によって加速され、高エネルギーとなる。高エネルギーとなった二次電子のみを偏向することは困難であるため、それを解決する手段として特許文献１がある。しかし、上述の通り、特許文献１では、一次電子線の収差抑制と二次電子の高効率検出を両立することができない。そこで、以下、この課題を解決する実施例を説明する。
　図１は実施例１のＳＥＭの概略図である。尚、図１に示すように、一次電子線が通る経路に平行な軸をＺ軸、Ｚ軸に垂直な平面上に定義する任意の軸をＲ軸とする。
　図１のＳＥＭは、一次電子線１３０を発生する電子源１０１と、電子源１０１から電子を引き出すための引出電極１０２と、一次電子線１３０を試料１０３上に集束する対物レンズ１０４と、一次電子線１３０を加速するブースティング電極１０５と、試料１０３を設置する試料台１０６と、試料１０３で発生した二次電子１３１ａを検出する二次電子検出器１１０と、一次電子線１３０の経路を囲むように形成されブースティング電極１０５に接触している通路電極１１２と、電子源１０１と引出電極１０２の間に引出電圧を印加する引出電源１４０と、一次電子線を加速するために電子源１０２に加速電圧を印加する加速電源１４１と、ブースティング電極１０５及び通路電極１１２に正電圧を印加するブースティング電源１４２と、試料台１０６及び試料１０３に負電圧を印加するリターディング電源１４３とを備える。
　ここで、図１には、ブースティング電極１０５に正電圧を印加するブースティング法と試料１０３に負電圧を印加するリターディング法を組み合わせた例を示したが、減速光学系を実現する手法は問わない。即ち、ブースティング法あるいはリターディング法の何れかのみでも良い。
　二次電子検出器１１０は電子源１０２と試料１０３との間に設置される。更に、二次電子検出器１１０と対物レンズ１０４との間に信号電子が進入するメッシュ構造を有する第一の格子電極１１１と、電子源１０２と第一の格子電極１１１との間に配置され、通路電極１１２と電気的に絶縁される第一の静電場電極１１３、第二の静電場電極１１５及びメッシュ構造を有する第二の格子電極１１６と、電子源１０１と二次電子検出器１１０の間に配置され信号電子の軌道を制御する軌道制御電極１１７と、電子源１０１と軌道制御電極１１７の間に後方散乱電子１３１ｂを検知する後方散乱電子検出器１１８が配置される。
　各電極には、電圧を印加するために以下の電源、即ち、二次電子検出器１１０に正電圧を印加する検出器電源１４４、第一の静電場電極１１３に負電圧を印加する第一の減速電源１４５、第二の静電場電極１１５及び第二の格子電極１１６に負電圧を印加する第二の減速電源１４６、並びに、軌道制御電極１１７に負電圧を印加する軌道制御電源１４７が、各々接続される。ここで、第一の減速電源１４５と第二の減速電源１４６には、概ね試料と同程度の電位が与えられる。以下、第一の静電場電極１１３、第二の静電場電極１１５及び第二の格子電極１１６により形成され、信号電子を減速する電界領域を減速空間と呼ぶ。
　図２は二次電子検出器の配置を示す図である。第一の静電場電極１１３には、その側壁に、通路電極１１２側の先端面１１４ａ、及び、通路電極１１２から離間する側の先端面１１４ｂからなる開口１１４が設けられており、二次電子検出器１１０は、この開口１１４に対向して配置されている。即ち、二次電子検出器１１０の感受面１１０ａが減速空間を臨むように配置されている。例えば、感受面１１０ａは、Ｒ軸方向であって先端面１１４ａよりも通路電極１１２側に（図２Ａ）、又は、開口１１４の内部に（図２Ｂ）、又は、Ｒ軸方向であって先端面１１４ｂよりも通路電極１１２から離間する方向に（図２Ｃ）配置されている。尚、感受面１１０ａが先端面１１４ａ、１１４ｂに重畳して配置されていても良い。また、感受面１１０ａは通路電極１１２の軸と平行に配置されることが好ましいが、二次電子を効率的に取得できる範囲内で若干傾斜があっても良い。
　この開口１１４を通して減速空間に強力な偏向場を形成し、信号電子の一部が二次電子検出器１１０へと導かれる。図３は開口の概略図である。図３では、丸穴（図３Ａ）、角穴（図３Ｂ）、端部方向へと切り欠いた構造（図３Ｃ）の３通りを示しているが、これらに限定されるものではない。
　次に、図１に示したＳＥＭの動作原理について説明する。電子源１０１から放出された一次電子線１３０は、通路電極１１２を通過して対物レンズ１０４により細く絞られ、試料１０３に照射される。一次電子線１３０が試料１０３に照射されると、二次電子１３１ａや後方散乱電子１３１ｂなどの信号電子が放出される。信号電子は、リターディング電圧とブースティング電圧の分だけ加速されて電子源１０１方向へと進行し、第一の格子電極１１１を通過する。減速空間へと導かれた信号電子は、試料１０３で発生した時点でのエネルギーと同程度まで再び減速される。減速空間において、信号電子の中でエネルギーの低い二次電子１３１ａは、強力な偏向場によって高効率に収集され、二次電子検出器１１０に高効率に検出される。一方、後方散乱電子１３１ｂは減速されてもなお高いエネルギーを持つため、減速空間を通過し、軌道制御電極１１７によって軌道を修正され、後方散乱電子検出器１１８に高効率に検出される。
　更に、一次電子線１３０の経路への電界漏れを遮蔽することによって、一次電子線１３０への影響なく減速空間に強力な偏向場を形成し、二次電子１３１ａを高効率で検出できる。かくして、信号電子は二次電子１３１ａと後方散乱電子１３１ｂに弁別されて収集され、一次電子１３０の収差抑制と二次電子１３１ａの検出効率の両立の困難性は克服される。
　尚、本実施例においては、信号電子をリターディング電圧とブースティング電圧分だけ減速する電圧を第一の静電場電極１１３と第二の静電場電極１１５と第二の格子電極１１６とに与え、減速空間を形成している。当然ながら、リターディング法あるいはブースティング法のどちらかだけを適用した光学系であれば、一方の電圧分だけ信号電子を減速する電圧を電極に与えることで、同様に減速空間を形成可能である。更には、リターディング法及びブースティング法を適用しない光学系においては、各々の電極に電圧を印加せずに偏向場によって二次電子１３１ａのみを選択的に検出することが可能である。この場合、上記の減速空間は形成されない。減速光学系を適用しない実施例については後述する（図８）。
　二次電子１３１ａを二次電子検出器１１０へと導く偏向場は、例えば二次電子検出器１１０に、シンチレータ（感受面１１０ａ）とライトガイドと光電子増倍管を有するＥｖｅｒｈａｒｔ－Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器（ＥＴ検出器）を用いることで容易に形成できる。図４は、ＥＴ検出器の概念図を示す。この検出器は、衝突した電子を光に変換するシンチレータ２０１、光を伝達するライトガイド２０２、及び、到達した光を電気信号に変換・増幅する光電子増倍管２０３を有する。検出器電源１４４はシンチレータ２０１に高電圧（例えば１０ｋＶ）を印加する。これにより、減速空間内に強力な横方向の電界が形成され、二次電子１３１ａを二次電子検出器１１０に導くことができる。また、ブースティング電圧が高電圧の場合（例えば８ｋＶ）には、ブースティング電極１０５とシンチレータ２０１を導通させることで、検出器電源１４４は不要となる。尚、上記の偏向場の形成方法は問わない。例えば、シンチレータ２０１と第一の静電場電極１１３との間に、メッシュ状の電極を配置し、このメッシュ状の電極に正電圧を印加することで二次電子１３１ａを二次電子検出器１１０方向へと偏向しても構わない。
　図５は二次電子検出器を４方向に設置した図である。二次電子検出器１１０の設置数は限定されないが、設置数が少ないと（例えば、１つのみ）、二次電子１３１ａが進入する位置によって収集効率が変化する。即ち、減速空間において二次電子検出器１１０が設置された方向に進入した二次電子１３１ａと通路電極１１２を隔てた反対方向に進入した二次電子１３１ａとでは、前者の方が遥かに検出されやすい。従って、１方向の二次電子検出器１１０から得られる観察画像には、試料上での二次電子１３１ａの発生位置に依存した明るさのムラが発生する。このムラを抑制するために、二次電子１３１ａの収集効率の偏りを減らすことが求められる。そこで、二次電子検出器１１０を複数方向に設置し、各検出器から得られた信号を適切に処理する電気回路を用いることで、明るさのムラを抑制した画像を取得できる。３方向以上に検出器を設置することが好適であることが電子軌道シミュレーション検討から分かっている。
　更に、二次電子検出器１１０を複数方向に設置することによって、二次電子１３１ａの放出角度による弁別が可能となる。この放出角度弁別によって、試料表面の凹凸構造を強調した画像を得ることができる。観察する試料の表面が、凹凸構造や一次電子線１３０の照射軸に対して傾斜した構造を有する場合、信号電子の放出角度分布は照射軸に対して非対称となる。即ち、信号電子が一部の角度方向に対して偏って放出される。この偏りを利用し、一部の角度方向の信号電子を選択的に検出することによって、試料表面の凹凸構造を強調した画像を取得することができる。
　本実施例では、４方向に配置された二次電子検出器１１０によって、二次電子１３１ａをそれぞれの放出角度に応じて取得できる。従って、何れか１つの二次電子検出器１１０から得られる信号のみで画像を形成することで、上記の凹凸構造を強調したコントラストが得られる。また、向かい合う二次電子検出器１１０からの信号を減算することで、より試料の凹凸や傾斜面を強調させたコントラストを得ることができる。また、４つの二次電子検出器１１０で得られた信号を加算して画像を形成した場合には、凹凸構造以外のコントラストがより鮮明に現れやすくなる。
　後方散乱電子検出器１１８には、例えば円環形状のＥＴ検出器が用いられる。この場合には、二次電子検出器１１０と同様にシンチレータに高電圧が印加されるため、二次電子１３１ａがこの高電圧によって引き込まれないよう減速空間の電位を制御する必要がある。ここで、後方散乱電子１３１ｂの検出方法は問わない。円環形状の半導体検出器を用いて検出しても構わないし、変換電極を設置し後方散乱電子１３１ｂが衝突した際に生じる変換電子を検出する構成でも構わない。変換電極を用いる実施例は後述する（図８）。
　ここで、後方散乱電子１３１ｂは、第二の格子電極１１６におけるメッシュの開口部を通過して後方散乱電子検出器１１８へと到達できる。従って、該メッシュに対する開口部の面積の割合（開口率）を高くすることで、第二の格子電極１１６を通過する後方散乱電子１３１ｂを増やすことができる。一方、第二の格子電極１１６の開口率が高いほど、軌道制御電極１１７と後方散乱電子検出器１１８の電位が減速空間に漏れやすくなり、二次電子１３１ａの軌道に影響するようになる。後方散乱電子検出器１１８にＥＴ検出器を用いた場合には、シンチレータ２０１に印加された高電圧が減速空間内に漏れ出す。漏れ出し量が大きい場合には、二次電子１３１ａが減速空間を通過し、後方散乱電子検出器１１８で検出されてしまう。従って、第二の格子電極１１６の開口率は、二次電子１３１ａと後方散乱電子１３１ｂの検出バランスによって決定されることが望ましい。
　通路電極１１２が減速空間に露出していると、信号電子が通路電極１１２方向へ力を受けるような電界が減速空間内に生じる。すると、通路電極１１２付近から減速空間に進入した二次電子１３１ａは、通路電極１１２へと吸引されてしまい、その多くが検出されない。これを克服するために、本構成においては、通路電極１１２のすぐ外側に第二の静電場電極１１５を設置し、二次電子１３１ａを吸引してしまう電界が減速空間内に発生することを防いでいる。上記の構成とすることにより、一次電子線１３０の収差抑制と二次電子１３１ａの高効率検出の両立が可能となる。
　ここで、第一の静電場電極１１３と第二の静電場電極１１５と第二の格子電極１１６とはそれぞれ同じ電圧が印加される必要はない。しかし、第二の静電場電極１１５は、第一の静電場電極１１３よりも内側に設置されているため、第一の静電場電極１１３よりも外側から第二の静電場電極１１５に電圧を印加する手段が必要となる。この電圧印加手段として第二の格子電極１１６を接触させて同電位とすることで、図１に示すように簡素な構造にすることができる。この場合においても、第二の格子電極１１６及び第二の静電場電極１１５が、第一の静電場電極１１３と同電位である必要はない。
　ここで、通路電極１１２と第二の静電場電極１１５には、それぞれ異なる電圧が印加される。従って、両者の間で放電が発生しないよう適切な距離を保つ必要がある。一方、第二の静電場電極１１５には、可及的多数の信号電子を減速空間に導くために、その外径を可能な限り小さくすることが求められる。通路電極１１２の内径が、一次電子線１３０を通過させるために一定以上にする必要があることを考えれば、これら電極の設計においては、放電のリスクと信号電子の収集効率を秤にかけて最適化することが望まれる。
　また、一次電子線１３０の経路は、通路電極１１２によって減速空間と隔てられているため、減速空間やシンチレータが形成する空間電位によって一次電子１３０が受ける影響は緩和される。ここで、一次電子１３０が受ける影響を極めて小さく保つためには、減速空間や偏向場の電位が漏れ出ない程度に通路電極１１２を長くする必要がある。本実施例では、通路電極１１２を小型化する手法として、通路電極１１２と同電位となるメッシュ状の第一の格子電極１１１を設置する。第一の格子電極１１１をメッシュ状とすることで、通路電極１１２の下端付近から余計な電位が漏洩するのを防ぐ。これにより、一次電子線１３０に影響を与えることなく、減速空間への信号電子の進入を許している。
　本実施例において、通路電極１１２、第一の静電場電極１１３、及び第二の静電場電極１１５は、円筒状で表現されるが、これら電極は下記の検出系動作に際して所望の電位を形成できれば、その形状は問わない。
　本構成によれば、通路電極１１２及び第一の静電場電極１１３に印加する電圧を制御することによって、任意のエネルギー帯の信号電子を二次電子検出器１１０へと導くことができる。即ち、二次電子検出器１１０を用いて、一部のエネルギー帯の後方散乱電子１３１ｂを選択的に検出することも可能である。
　図７は実施例２のＳＥＭの概略図、図８は実施例２の二次電子検出器を４方向に設置した図である。実施例２では、２つの第一の静電場電極１１３ａ、１１３ｂを有しており、電子源１０１側と対物レンズ１０４側とに配置される。本実施例では、この２つの第一の静電場電極の間の空間を、「開口」と定義する。
　実施例１と同様、シンチレータ２０１に高電圧が印加されると、対物レンズ側の第一の静電場電極１１３ａと電子源側の第一の静電場電極１１３ｂとの間の開口を通して、減速空間に横方向の偏向場が形成される。従って、このような構成においても、減速された二次電子１３１ａのみを偏向場で収集することができ、二次電子検出器１１０において二次電子１３１ａを選択的に検出することができる。
　図８は実施例３のＳＥＭの概略図である。実施例３では、一次電子線１３０の通過経路にセンターパイプ３００を設置している。センターパイプ３００の概略断面図を図９に示す。通路電極１１２は、筒状部品の内壁金属コーティング３０１に相当する。内壁金属コーティング３０１は、高抵抗材料３０２に覆われている。更に、高抵抗材料３０２の一部は、第二の静電場電極１１５に相当する外壁金属コーティング３０３に覆われている。換言すると、センターパイプ３００は、絶縁材３０２に対して、内壁金属コーティング３０１と外壁の一部に外壁金属コーティング３０３を施したものである。高抵抗材料３０２には、例えば、信号電子の衝突によって帯電を引き起こさないよう抵抗値が制御されたアルミナを用いる。内壁金属コーティング３０１及び外壁金属コーティング３０３は、金、銀、チタンの何れか一つ、又はそれらの組み合わせからなる。しかし、高抵抗材料と金属コーティングの材質は、これらに限定されるものではない。
　これら異なる電圧が印加される金属コーティングは、高抵抗材料３０２によって隔てられており、電位差によって高抵抗材料３０２が破壊されない厚みまで２つの金属コーティングを近づけることができる。この厚みは、空間によって絶縁性を保持する場合の電極間距離よりも小さくすることができるため、より高効率な二次電子１３１ａの検出が可能となる。
　更に、高抵抗材料３０２は、外壁金属コーティング３０３と第一の格子電極１１１との間の電位分布に影響する。図１０は実施例３の電位分布の概略図であり、図１０Ａは高抵抗材料３０２がない場合を、図１０Ｂは高抵抗材料３０２がある場合を示す。図１０Ａに示す電位分布は、センターパイプ３００近傍で通路電極１１２に略平行な等電位線を描く。この電位分布によって、通路電極１１２近傍に進入した二次電子１３１ａは、軌道を内側へ曲げられ、内壁金属コーティング３０１に衝突してしまう。即ち、二次電子検出器１１０で検出されない。一方、図１０Ｂに示すように、高抵抗材料３０２を設置することで、外壁金属コーティング３０３と第一の格子電極１１１の間に微小な電流が流れ、高抵抗材料表面の電位分布を均一化する。即ち、高抵抗材料３０２の表面近傍での等電位線がセンターパイプ３００に対して略垂直となる。この均一化された電位分布によって、センターパイプ３００近傍において二次電子３２１は直進して減速空間内に進入し、二次電子検出器１１０で検出される。このように、高抵抗材料３０２に適当な抵抗率の材料を用いることで、信号電子をより高効率に検出することが可能となる。尚、高抵抗材料３０２の抵抗値は、１０１３Ω以下であることが望ましい。
　梁電極３１０は、センターパイプ３００の外壁金属コーティング３０３と接触するよう配置される。図１１に梁電極の概略図を示す。梁電極３１０は、外壁金属コーティング３０３に電圧を導入することを目的に設置される。また、信号電子の進行を阻害しないよう、外壁金属コーティング３０３と接触する輪体部３１１と梁部３１２で形成される構造が好ましい。尚、実施例１、２で記載したように後方散乱電子検出器１１８からの電位の漏れ出しを防ぐ目的でメッシュ構造を有する電極を用いても良い。
　実施例３は、後方散乱電子１３１ｂの検出方法として変換電極１２１を用いる例を示す。ここでは、後方散乱電子１１８と、開口を有する第三の静電場電極１２０と、第三の静電電極と接触する第二の格子電極１１６と、第三の静電場電極と接触し、後方散乱電子１３１ｂの一部が衝突する変換電極１２１を減速空間よりも電子源１０１側に配置する。また、第三の静電場電極１２０、第二の格子電極１１６及び変換電極１２１に電圧を印加する負電圧電源１４８を備える。実施例３では、後方散乱電子検出器１１８を複数設置する例を示すが、その数は問わない。
　実施例１、２と同様に減速空間を高エネルギーで通過した後方散乱電子１３１ｂは、変換電極１２１に衝突し、変換電子１３２を生じる。この変換電子１３２を偏向場により後方散乱電子検出器１１８方向へと導く。ここで、偏向場を形成する方法は問わないが、実施例１での二次電子検出と同様に、後方散乱電子検出器１１８にＥＴ検出器を用いて、シンチレータに高電圧を印加することで、容易に実現できる。
　また、第二の格子電極１１６及び第三の減速電極１２０に、第一の静電場電極１１３又は梁電極１１９よりも低い電圧を印加することで、二次電子１３１ａが減速空間を通過して後方散乱電子検出器１１８で検出されることを抑制できる。
　尚、変換電極１２１は、第三の静電場電極１２０と接触し、同じ電圧が印加されているが、必ずしも第三の静電場電極１２０及び第二の格子電極１１６と同じ電圧である必要はない。例えば、第三の静電場電極１２０及び第二の格子電極１１６よりも低い電圧（例えば電位差３０Ｖ）を変換電極１２１に印加することで、生じた変換電子１３２が減速空間へ進入し、二次電子検出器１１０で検出されることを抑制できる。
　図１２は実施例４のＳＥＭの概略図である。通路電極１１２には、一次電子線１３０を通過させるために通路穴が設けてある。従って、この通路穴に進入する二次電子４３１ａは、二次電子検出器１１０で検出することはできない。即ち、いくらかの信号電子をロスしてしまう構造であるといえる。更に、ＳＥＭの観察条件によっては、二次電子４３１ａが通路電極１１２の下端で収束して、そのほとんどが通路穴に進入する場合もあり、検出効率を大きく損なう可能性がある。
　そこで、通路電極１１２の下端よりも対物レンズ側に第一の偏向器４０１ａを設置する。第一の偏向器４０１ａを適切な強さで動作させることで、本来なら通路穴に進入してしまう二次電子４３１ａの軌道を通路電極１１２の外側まで曲げることができる。軌道を曲げられ、第一の格子電極１１１を通過した二次電子４３１ｂは、図１と同様の原理によって、二次電子検出器１１０によって検出される。かくして、二次電子が通路電極１１２の下端で収束する条件においても、高い検出効率を保つことができる。
　ここで、第一の偏向器４０１ａの構成は問わないが、直交電磁界装置（以下、ＥｘＢ）が好適である。ＥｘＢとは、一次電子と信号電子の進行方向が逆であることを利用し、一次電子を曲げずに、信号電子のみを偏向する手段である。具体的な構成は、一次電子を挟んで対向する電極対と、電極対と直行する方向に一次電子を挟んで対向する磁極対からなる。これらの電極対と磁極対は、それぞれ一次電子と信号電子に偏向作用を与える電界と磁界を形成する。
　ＥｘＢを動作させる際には、一次電子に対して電界が与える偏向作用を打ち消すように、同じ量で反対向きの偏向作用を与えるような磁界を設定する。従って、一次電子はＥｘＢから偏向作用を受けない。一方、信号電子は進行方向が一次電子とは反対方向であるため、磁界から受ける偏向作用の向きが一次電子とは反対方向になる。即ち、信号電子にとっては、電界と磁界による偏向は同じ方向に作用する。以上の原理によって、ＥｘＢによって一次電子を偏向することなく、信号電子のみを偏向することができる。
　本実施例においては、減速光学系を適用していることから、信号電子を偏向する際に、比較的大きな偏向作用が必要となる。従って、一次電子線１３０への影響を緩和するために、ＥｘＢを第一の偏向器４０１ａとして利用することがより望ましい。
　更に、本実施例では、通路電極１１２の上端よりも電子源側に第二の偏向器４０１ｂを設置する。第二の偏向器４０１ｂの目的は、一次電子線１３０の収差増大を抑制することである。抑制したい収差増大の原因となるのは、第一の偏向器４０１ａである。第一の偏向器４０１ａにＥｘＢを用いた場合においても、一次電子線１３０が持つエネルギーのばらつきによって、軌道の分散が生じて結果的に収差が悪くなる。従って、この軌道の分散を抑制するために、電子源側に第二の偏向器４０１ｂとしてＥｘＢを配置し、第一の偏向器４０１ａとは逆方向に電磁界を形成する。この２つのＥｘＢによって、一次電子線１３０の軌道分散が相殺され、収差の増大を抑制することができる。
　図１３は実施例５のＳＥＭの概略図である。ここでは、減速光学系を適用していない。以下、減速光学系を適用しないＳＥＭを非減速光学系ＳＥＭと呼ぶ。非減速光学系ＳＥＭの場合に、二次電子のみを偏向し、後方散乱電子と分けて検出する手法は既に知られる。実施例４でも、第一の静電場電極１１３と第二の静電場電極１１５と第二の格子電極１１６を試料と同電位（接地電位）にすることで、二次電子のみを選択的に検出することが可能である。
　更に、後方散乱電子のエネルギーを弁別することもできる。非減速光学系ＳＥＭでは、信号電子が加速されないため、二次電子５３１ａは低いエネルギーを持ってＳＥＭ内を進行する。ここで、第一の静電場電極１１３に負電圧を印加すると、エネルギーの低い二次電子５３１ａはこの負電圧が形成する静電ポテンシャルを乗り越えることができずに追い返される。ここで、後方散乱電子の内やや低いエネルギーの成分５３１ｂは、偏向場によって収集できる程度のエネルギーまで減速空間で減速され、二次電子検出器１１０によって検出される。更に、後方散乱電子の内高いエネルギーの成分５３１ｃは、減速空間によって減速されても偏向場を通過し、後方散乱電子検出器１１８によって検出される。ここで、あるエネルギーの後方散乱電子がどちらの検出器で検出されるかは、第一の静電場電極１１３と第二の静電場電極１１５と第二の格子電極１１６に印加する電圧によって変化する。従って、これら電圧を制御することによって、二次電子検出器１１０と後方散乱電子検出器１１８で検出される後方散乱電子のエネルギー帯を制御することができる。
　このように、非減速光学系ＳＥＭにおいても二次電子と後方散乱電子の弁別検出及び後方散乱電子のエネルギー弁別検出ができる。　
　図１４はＦＩＢ－ＳＥＭの概略図である。本ＦＩＢ－ＳＥＭは、２つの鏡体が設置できる試料室６００に図１、図６、図８、図１２、図１３に示すＳＥＭ鏡体６０１とＦＩＢ鏡体６０２が設置される。このような２つの鏡体が設置される構成においても、前述の原理に基づいて、一次電子線、及び一次イオン線に影響を与えることなく、二次電子を効率良く検出できる。ここで、２つの鏡体の配置方向については問わない。図１４ではＳＥＭ鏡体６０１が試料室に対して垂直に配置されているが、ＦＩＢ鏡体６０２が試料室に対して垂直に配置されていても良い。また、２つの鏡体の光軸が互い垂直になるよう配置されても構わない。２つの鏡体の光軸が傾斜して配置される場合には、試料６０３が設置される試料台は、ＳＥＭ鏡体６０１とＦＩＢ鏡体６０２に対して試料６０３が垂直に配置できるように回転する機構を備えていても良い。
　図１５はＧＵＩ画面（表示部）の一例を示す図である。本実施例は、図１、図６、図８、図１２、図１３に示すＳＥＭ７００とＳＥＭ７００を制御するＰＣ７０１と操作画面を表示するモニタ７０２から構成される。モニタ７０２には、二次電子検出器から得られた走査像７０３及び後方散乱電子検出器から得られた走査像７０４が表示される。前述の通り、二次電子と後方散乱電子は、試料の異なる情報を画像に反映させるため、これら２つの画像はコントラストが異なる。
　一般的にＳＥＭでは、走査像の明るさとコントラストを調整する機能が備わっている。本実施例では、２つの画像が同時に取得できるため、これら２つの画像の明るさとコントラストは独立かつ同時に変更可能であることが望まれる。そこで、モニタ７０２は、２つの画像それぞれの明るさ及び／又はコントラストの階調を調整する操作画面（第一の入力部）７０５を備える。更に、モニタ７０２は、２つの検出器で取得する信号のエネルギー閾値を操作する操作画面（第二の入力部）７０６を備える。この操作画面でエネルギー閾値を選択することで、減速空間の電位を制御し、二次電子検出器に引き込まれる信号電子と後方散乱電子検出器に抜ける信号電子の割合を変化させる。これらの操作にはスクロールバーを適用することで、簡単かつ素早く行うことができる。
　この機能によって、ユーザは欲しい試料情報をより直接的に選択できるようになる。なぜならば、欲しい試料情報が明確なユーザにとっては、減速空間の電位は重要ではなく、取得した信号電子のエネルギー帯が重要となるためである。従って、減速空間の電位や減速空間を形成する電極に印加される電圧を操作するのではなく、本実施例のように、実際に検出されると予想される信号電子のエネルギー帯を操作することで、ユーザの画像理解をはるかに優しくすることができる。
　以上の実施例によれば、一次電子線の収差抑制と二次電子の高効率検出を両立することができる。
１０１…電子源、１０２…引出電極、１０３…試料、１０４…対物レンズ、１０５…ブースティング電極、１０６…試料台、１１０…二次電子検出器、１１１…第一の格子電極、１１２…通路電極、１１３…第一の静電場電極、１１４…開口、１１５…第二の静電場電極、１１６…第二の格子電極、１１７…軌道制御電極、１１８…後方散乱電子検出器、１３０…一次電子線、１３１ａ…二次電子、１３１ｂ…後方散乱電子、１４０…引出電源、１４１…加速電源、１４２…ブースティング電源、１４３…リターディング電源、１４４…検出器電源、１４５…第一の減速電源、１４６…第二の減速電源、１４７…軌道制御電源

Claims (20)

  1. 　一次荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
    　前記一次荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、
    　前記荷電粒子線源と前記対物レンズ先端との間に設置され、金属部材からなる通路電極と、
    　前記試料から放出される二次荷電粒子を検出する第一の検出器と、
    　前記通路電極と電気的に絶縁された静電場電極と、を備え、
    　前記通路電極は、前記一次荷電粒子線が該通路電極の内側を通過するように形成され、
    　前記静電場電極は、前記通路電極の外周を覆うように形成される、
    荷電粒子線装置。
  2. 　前記静電場電極は、その側壁に開口を備え、
    　前記第一の検出器の感受面は、前記開口に対向して配置される、請求項１記載の荷電粒子線装置。
  3. 　前記静電場電極は、前記対物レンズ側と前記荷電粒子源側に各々一つずつ配置され、
    　前記対物レンズ側の静電場電極と前記荷電粒子源側の静電場電極の間に開口を備え、
    　前記第一の検出器の感受面は、前記開口に対向して配置される、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
  4. 　前記静電場電極は、前記開口を有する側の第一の静電場電極と、該第一の静電場電極と前記通路電極の間に配置される第二の静電場電極とからなり、
    　前記通路電極と前記第二の静電場電極は、電気的に絶縁されており、
    　前記第一の静電場電極は、前記第二の静電場電極の外周を覆うように形成される、
    　請求項２乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  5. 　前記対物レンズと前記検出器との間に配置され、前記通路電極と同じ電位となる第一の格子電極を備える、
    　請求項１乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  6. 　前記通路電極と前記第二の静電場電極と接触する高抵抗材料を備える、
    　請求項４に記載の荷電粒子線装置。
  7. 　前記高抵抗材料の抵抗値は１０１３Ω以下である、
    　請求項６に記載の荷電粒子線装置。
  8. 　前記第二の静電場電極に接触する第二の格子電極を備える、請求項７記載の荷電粒子線装置。
  9. 　前記静電場電極は前記開口を複数備え、各々の開口に対応して前記検出器を備える、請求項１又は２に記載の荷電粒子線装置。
  10. 　前記検出器を複数備える、請求項３記載の荷電粒子線装置。
  11. 　前記複数の検出器で得られた信号を加算及び／又は減算するシステムを備える、請求項１０又は１１記載の荷電粒子線装置。
  12. 　前記感受面は、前記二次荷電粒子を光に変換するシンチレータであり、
    　前記第一の検出器は、変換された光を検出する光検出器を備え、
    　前記シンチレータに正電圧を印加する高電圧電源を備え、
    　前記シンチレータの正電圧により前記静電場電極で減速された一部の前記二次荷電粒子を前記第一の検出器に偏向する、
    請求項２又は３に記載の荷電粒子線装置。
  13. 　前記二次荷電粒子を前記第一の検出器の方向に偏向する偏向器を備える、請求項１乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  14. 　前記通路電極と前記対物レンズとの間に前記二次荷電粒子を偏向する第二の偏向器を備える、請求項１乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  15. 　前記第一の検出器と前記荷電粒子線源との間に、該第一の検出器で検出されなかった前記二次荷電粒子の一部を検出する第二の検出器を備える、請求項１乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  16. 　前記第一の検出器で取得されなかった前記二次荷電粒子の一部が衝突する変換電極を備え、
    　前記第二の検出器が前記二次荷電粒子の衝突により前記変換電極で発生した荷電粒子を検出する、請求項１５記載の荷電粒子線装置。
  17. 　前記第二の検出器と前記第一の検出器との間に軌道制御電極を備える、請求項１５記載の荷電粒子線装置。
  18. 　荷電粒子像を表示する表示部を更に備え、
    　前記表示部は、前記荷電粒子像の明るさ及び／又はコントラストの階調を設定する第一の入力部、及び／又は、前記検出器が検出する前記二次荷電粒子のエネルギー帯を設定する第二の入力部を備える、請求項１乃至３何れか一に記載の荷電粒子線装置。
  19. 　一次荷電粒子線を放出する荷電粒子線源と、
    　前記一次荷電粒子線を試料上に集束させる対物レンズと、
    　前記荷電粒子線源と前記対物レンズ先端との間に設置され、金属部材からなる通路電極と、
    　前記試料から放出される二次荷電粒子を検出する第一の検出器と、
    　前記通路電極と電気的に絶縁された静電場電極と、を備え、
    　前記一次荷電粒子線は前記通路電極の内側を通過し、
    　前記通路電極と前記検出器との間に前記試料から放出された二次荷電粒子を試料の電位程度まで減速する減速空間を形成し、
    　前記減速空間内に偏向場を形成し、
    　前記減速空間内で減速された前記二次荷電粒子の一部を前記偏向場によって前記検出器方向へ偏向する、
    荷電粒子線装置。
  20. 　前記第一の検出器が検出する前記二次荷電粒子のエネルギーが前記減速空間において５０ｅＶ以下となるように前記減速空間の電位を調整可能である、請求項１９記載の荷電粒子線装置。
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