JP2002540562A - 磁気浸レンズ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 磁気浸レンズが、この磁気浸レンズの縦軸Ｘ−Ｘの周囲に対称に配置された内側磁極片および外側磁極片（１０，１１）を備える。内側磁極片（１０）は通り孔（１２）を有し、上記磁気浸レンズは、内側磁極片の前に置かれた試料（Ｓ）から放出される二次電子を通り孔（１２）に沿って導くための磁気影像界を生成する。磁気浸レンズは、通り孔内に配置された軸対称の検出装置（２０）を備える。この検出装置（２０）は、集束電極（２１）と、反発電極（２２）と、抽出電極（２３）と、検出電極（２４）と、反射電極（２５）とから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、磁気浸レンズ（magnetic immersion lens ）に関する。

【０００２】 さらに詳しくいえば、本発明は、上記磁気浸レンズの縦軸の周囲に対称に配置
された内側磁極片および外側磁極片を備え、この内側磁極片が通り孔（through-
bore）を有するタイプの磁気浸レンズに関するものである。この磁気浸レンズを
使用する際は、内側磁極片の先端の前に、通常約２mmの適切な作動距離をおいて
試料が置かれる。上下が逆転した状態の従来の磁気浸レンズの一例を図１に示す
。

【０００３】 一つの応用例として、磁気浸レンズは走査型電子顕微鏡等の電子顕微鏡の一部
に使用されている。この場合、磁気浸レンズの磁気影像界が一次電子ビームを拘
束して通り孔に沿った軸軌道を強制的に通過させ、試料上に集束させる。試料か
ら放出された二次電子は磁気影像界によって通り孔内に案内され、通り孔内に配
置された二次電子検出装置によって検出される。通り孔内のスペースに制限があ
るため、この二次電子検出装置はコンパクトである必要があり、このことが深刻
な技術上の問題となっている。

【０００４】 また一方で、静電偏向界を用いた検出装置は磁気浸レンズの磁気影像界を歪め
るおそれがあり、とりわけ、一次電子ビームの整列不良を生じさせ、これによっ
て顕微鏡の電子光学特性の悪化を招く。このような問題は、低電圧での顕微鏡使
用の場合、特に、一次電子エネルギーが１keV 以下の場合に特に深刻である。

【０００５】 周知のレンズ内二次電子検出装置は、ウェイン（Wein）・エネルギーフィルタ
の形状をしており、ＳＰＩＥ、第２０１４巻、荷電粒子光学（charged-particle
optics ）（１９９３年発行）のエム．サトー（M. Sato ）、エイチ．トドコロ
（H. Todokoro ）、およびケー．カゲヤマ（K. Kageyama ）による論文「二次電
子を検出するためのＥ交差Ｂ界を有するシュノーケル型円錐形対物レンズ（a sn
orkel type conical objective lens with E cross B fields for detecting se
condary electronics ）」に記載されている。

【０００６】 この検出装置は、二次電子を抽出するために使用される一次電子ビームの軸に
垂直な平面に静電界を生成するための静電偏光器を有している。この検出装置は
また、この静電界に垂直でしかもこの静電界と同一平面内にある磁界を生成する
ためのコイルを有している。この磁界の強度および方向は、一次電子ビームに作
用する静電界の力を補償するようになっている。したがって、１keV 程度の低い
エネルギーの場合でも感知できるほどの一次電子ビームの整列不良は生じない。
それにもかかわらず、この検出装置は構造が複雑で、調整が難しく最適結果を得
るのが困難である。

【０００７】 本発明によれば、磁気浸レンズの縦軸の周囲に対称に配置された内側磁極片お
よび外側磁極片を備え、上記内側磁極片は通り孔を有する磁気浸レンズであって
、この磁気浸レンズは、上記内側磁極片の前に置かれた試料から放出される荷電
粒子を上記通り孔に沿って導くための磁気影像界を生成し、上記磁気浸レンズは
、さらに、上記磁気影像界によって上記通り孔に沿って導かれた荷電粒子を検出
するために上記通り孔内に配置された軸対称の荷電粒子検出装置を備え、この荷
電粒子検出装置が、上記荷電粒子を上記縦軸から偏向させるための反発手段と、
上記反発手段により偏向された荷電粒子を検出するための検出手段とを具備する
ような構成の磁気浸レンズが提供される。

【０００８】 以下、添付図面を参照しながら、本発明の実施例を例示の形でのみ述べる。

【０００９】 図２に示すように、磁気浸レンズはシュノーケル型であり、磁気浸レンズの縦
軸Ｘ−Ｘの周囲に対称に配置された内側磁極片１０および外側磁極片１１を備え
ており、内側磁極片１０は通り孔１２を有している。

【００１０】 ここでは、試料Ｓが、内側磁極片１０の先端の前に通常約２mmの適切な作動距
離ｄをおいて置かれている。試料Ｓの表面から放出された荷電粒子は、磁気浸レ
ンズの磁気影像界により束縛されて内側磁極片１０の通り孔１２に入り、そこで
螺旋軌道をとり、通り孔１２内に配置された検出装置２０によって検出される。
この実施例においては、磁気浸レンズは走査型電子顕微鏡の一部である。したが
って、この場合、荷電粒子は二次電子であり、磁気浸レンズの縦軸Ｘ−Ｘに沿っ
て導かれる一次電子ビームによって試料表面から放出される。

【００１１】 検出装置２０の詳細を図３に示す。この検出装置は、縦軸Ｘ−Ｘの周囲に対称
に配置された多数の電極によって構成される。すなわち、上記検出装置は、集束
電極２１、反発電極２２、抽出電極２３、検出電極２４および反射電極２５によ
って構成される。集束電極２１は、通り孔１２への入り口から約２０mmの位置に
設けられた環状板電極からなる。この電極は、約５０Ｖの正電圧V_fに保たれてお
り、通り孔に入ってくる二次電子を加速するのに有効である。加速された電子は
環状板電極内の中央開口２１′を通過し、反発電極２２に向かって集束軌道をと
る。

【００１２】 反発電極２２は、縦軸Ｘ−Ｘを中心とした円筒状電極であり、約−２０Ｖの負
電圧V_rに保たれている。反発電極２２は二次電子を加速電極２１に向けて戻し、
これと同時に二次電子を縦軸Ｘ−Ｘから偏向させる。図２に、上記のような二つ
の電子の軌跡T₁、T₂を示す。軌跡T₁をとる電子は、軌跡T₂をとる電子とは異なる
角度で通り孔に入る。偏向された電子は、抽出電極２３によって検出電極２４に
向かって加速される。抽出電極２３および検出電極２４は共に環状であり、反発
電極２２の周囲に配置され、反発電極２２とは電気的に絶縁されていて、それぞ
れ縦軸Ｘ−Ｘに垂直な平面上に位置している。抽出電極２３は、網目状になって
いて、約＋１５０Ｖの正電圧V_eに保たれている。また一方で、検出電極２４は、
板電極状になっていて＋５００Ｖの正電位V_dに保たれている。加速された電子は
、抽出電極２３の網目を通り抜けて検出電極２４によって検出される。

【００１３】 反射電極２５は、集束電極２１と反発電極２２の間に位置しており、約−５Ｖ
の負電圧V_rに保たれている。反射電極は、反発電極２２によって偏向された二次
電子が内側磁極片１０の壁および集束電極２１に衝突するのを防止し、検出電極
２４によって集められる電子の流れから逸脱するのを防止する。反射電極２５に
印加される負電圧V_rは、検出電極２４により検出される二次電子信号が最大にな
るように調整することができる。

【００１４】 本実施例においては、反射電極２５は、集束電極２１に隣接した環状板電極２
５′と、軸方向にて反発電極２２と重なっている円筒状電極２５″と、上記の電
極２５′、２５″を相互に接続する円錐台状電極２５′′′とから構成される。

【００１５】 反発電極２２の効果は、二次電子軌跡が縦軸にさらに沿っていくのを防止する
ことと、二次電子軌跡を縦軸から離すことにある。さらに、検出装置２０が軸対
称になっているため、二次電子は、磁気影像界の著しい歪みや、結果として起こ
る一次電子ビームの整列不良を生じることなく、検出電極２４に導かれる。

【００１６】 図３に詳述した軸対称の検出装置２０は、コンピュータ・シミュレーション技
術を用いてモデル化されたものである。このモデルは、１keV の一次電子ビーム
を２mmの作動距離に支持された試料の表面に集束させることができる磁気影像界
を有している。異なる角度の軌跡で試料表面を離れ、５eVの運動エネルギーを有
する１０００個の二次電子を用いたこのコンピュータ・シミュレーションによる
検討の結果、二次電子の８０％以上が検出電極２４に入射することがわかった。

【００１７】 図４はこのコンピュータ・シミュレーションの一例を示す図であり、ここでは
、わかり易くするために、１０００個の二次電子のうちの１０個だけを選んで示
している。図５は、検出器２０の領域内の静電位の軸方向分布φ(z) が±２０Ｖ
より大きくないことを示している。この軸方向分布を一般的な１０００eVの一次
電子ビームエネルギーＥｐと比較すると、検出装置の効果による静電分布は、一
次電子ビームの電子光学特性に対してほとんどあるいは全く影響がない。このこ
とは、磁気レンズを検出装置と一緒にまたは検出装置なしで動作させることによ
って形成される高分解能電子プローブのレンズ収差値を比較するような他の計算
によって、別に確認されている。

【００１８】 図２および図３の実施例においては、検出電極２４は環状板電極の形状を有し
ている。これに替わる実施例においては、別の形状の検出手段が使用可能である
。例えば、環状マイクロチャンネル・プレート・アセンブリ（annular microcha
nnel plate assembly ）、環状固体ダイオード、環状シンチレータ（annular sc
intillator）、あるいは、好ましくは電気的に絶縁された多数の部分から構成さ
れる検出装置が使用可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 周知の磁気浸レンズの縦断面図である。

【図２】 本発明の磁気浸レンズの一部の縦断面図である。

【図３】 図２の磁気浸レンズに使用される検出装置の詳細な構成を示す図である。

【図４】 上記検出装置のコンピュータ・シミュレーションを表す図である。

【図５】 上記検出装置により占有される磁気浸レンズの領域内の静電位の軸方向分布を
示す図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 バッデカ，ランジャン クリシュナチャン ドラ イギリス国，マンチェスター エム28 ３ ピーエヌ，ウォースレー，ウォークデン， ホープフィールド ドライブ 40 (72)発明者 リード，フランク ヘンリー イギリス国，チェシャー エスケー11 ０ エヌディー，マクルスフィールド フォレ スト，ハーディングランド ファーム Ｆターム(参考） 5C033 DD09 DE06 FF10 JJ07 MM07 UU02 UU04

Claims (21)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁気浸レンズの縦軸の周囲に対称に配置された内側磁極片お
   よび外側磁極片を備え、前記内側磁極片は通り孔を有する磁気浸レンズであって
   、 前記磁気浸レンズは、前記内側磁極片の前に置かれた試料から放出される荷電
   粒子を前記通り孔に沿って導くための磁気影像界を生成し、前記磁気浸レンズは
   、さらに、前記磁気影像界によって前記通り孔に沿って導かれた荷電粒子を検出
   するために前記通り孔内に配置された軸対称の荷電粒子検出装置を備え、前記荷
   電粒子検出装置は、前記荷電粒子を前記縦軸から偏向させるための反発手段と、
   前記反発手段により偏向された荷電粒子を検出するための検出手段とを具備する
   ことを特徴とする磁気浸レンズ。
2. 【請求項２】 前記荷電粒子検出装置が、さらに、前記反発手段に向けて前
   記荷電粒子を集束させるための集束手段を備えたことを特徴とする請求項１に記
   載の磁気浸レンズ。
3. 【請求項３】 前記荷電粒子検出装置が、さらに、前記荷電粒子を前記通り
   孔の側面および前記集束手段から離して偏向させるための反射手段を備えること
   を特徴とする請求項２に記載の磁気浸レンズ。
4. 【請求項４】 前記反発手段が、前記荷電粒子が前記検出手段によって検出
   される前に、前記荷電粒子を、前記試料に向かって軌跡上を移動させるように配
   置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ
   。
5. 【請求項５】 前記検出手段が、前記縦軸上に中心を有すると共に前記縦軸
   に垂直な平面上に配置された環状板電極を具備することを特徴とする請求項１か
   ら４のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
6. 【請求項６】 前記荷電粒子検出装置が、検出用の前記環状板電極に向けて
   前記荷電粒子を加速するための抽出電極を有することを特徴とする請求項５に記
   載の磁気浸レンズ。
7. 【請求項７】 前記抽出電極が、前記検出手段の環状板電極に平行でかつ前
   記検出手段の環状板電極から離れた平面内に配置された環状網目を具備すること
   を特徴とする請求項６に記載の磁気浸レンズ。
8. 【請求項８】 前記検出手段が、環状マイクロチャンネル・プレート・アセ
   ンブリを具備することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気
   浸レンズ。
9. 【請求項９】 前記検出手段が、環状固体ダイオードを具備することを特徴
   とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
10. 【請求項１０】 前記検出手段が、環状シンチレータを具備することを特徴
    とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
11. 【請求項１１】 前記検出手段が、複数のセグメントを具備することを特徴
    とする請求項１から４のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
12. 【請求項１２】 前記複数のセグメントが互いに電気的に絶縁されているこ
    とを特徴とする請求項１１に記載の磁気浸レンズ。
13. 【請求項１３】 前記反発手段が、前記通り孔の縦軸の周囲に対称に配置さ
    れると共に前記荷電粒子と同じ極性を有する円筒状電極を具備することを特徴と
    する請求項１から１２のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
14. 【請求項１４】 前記荷電粒子検出装置が、さらに、前記反発手段および前
    記反射手段に向けて前記荷電粒子を集束させるための集束手段を具備し、前記反
    射手段は、前記反発手段と前記集束手段との間に伸びており、前記反発手段によ
    って偏向された前記荷電粒子を前記集束手段から離すと共に前記磁気浸レンズの
    前記通り孔の側面から離して偏向させるように配置されることを特徴とする請求
    項１に記載の磁気浸レンズ。
15. 【請求項１５】 前記反射手段が、軸方向にて前記反発手段と重なっている
    ことを特徴とする請求項１４に記載の磁気浸レンズ。
16. 【請求項１６】 前記反射手段が、前記集束手段に隣接した環状板電極と、
    前記反発手段に隣接した円筒状電極と、前記環状板電極と前記円筒状電極とを相
    互に接続する円錐台電極とを具備することを特徴とする請求項１４または１５に
    記載の磁気浸レンズ。
17. 【請求項１７】 前記荷電粒子が二次電子であることを特徴とする請求項１
    から１６のいずれか一項に記載の磁気浸レンズ。
18. 【請求項１８】 請求項１から１７のいずれか一項に記載の磁気浸レンズと
    、一次電子ビームを、前記磁気浸レンズの前記通り孔に沿って前記磁気浸レンズ
    の前記内側磁極片の前に置かれた試料上に導くための手段とを備えることを特徴
    とする電子顕微鏡。
19. 【請求項１９】 前記電子顕微鏡が、走査型電子顕微鏡の形状を有している
    ことを特徴とする請求項１８に記載の電子顕微鏡。
20. 【請求項２０】 添付図面の図２から図５を参照して本願明細書の中で記載
    された磁気浸レンズと実質的に同一である磁気浸レンズ。
21. 【請求項２１】 本願明細書の中で記載された電子顕微鏡と実質的に同一で
    ある電子顕微鏡。