JP2010140688A - 電子線装置及び電子線装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対物レンズの上方に電子検出器が設置された電子線装置においても、反射電子の検出や、反射電子及び二次電子の検出を良好に行うことができる電子線装置を提供する。
【解決手段】電子線装置は、所定の加速電圧により加速された電子線２１を放出する電子線源１と、電子線源１から放出された電子線２１を集束して試料２０に照射するための対物レンズ６と、集束された電子線２１を試料２０上で走査するための走査コイル５と、対物レンズ５の上方に設置され、電子線２１が通過するための孔が形成された電子検出器７とを具備し、電子線２１の照射に応じて試料２０から発生した被検出電子２２を引き寄せるための電界を発生させる電極９が電子検出器７に設けられているとともに、該電界に起因して生じる電子線２１の偏向を補正するための補正用コイル４が電子検出器７の下方に設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査電子顕微鏡等の電子線装置及び電子線装置の動作方法に関する。

走査電子顕微鏡において、電子銃等の電子線源から加速されて放出された一次電子線は、対物レンズによるレンズ作用によって、プローブ径が試料面上で小さくなるようにその焦点が合わされる。この状態で、電子線は、試料面上で二次元的に走査され、これにより試料から発生する二次電子や反射電子等の被検出電子が信号として検出される。

このような被検出電子を検出するための検出器は、対物レンズの下方、又は対物レンズの上方に設置される。

検出器によって検出された被検出電子に基づく検出信号は、画像信号として増幅され、画像処理手段に送られる。画像処理手段は、該検出信号に基づいて、画像データを作成する。

画像データは、ディスプレイを備える表示手段に送られる。表示手段は、画像データに基づく走査像を表示する。

上記検出器が対物レンズの上方に設置された装置において、検出器が一次電子線の軸上に配置される例は少なく、通常、検出器は、一次電子線の軸上から外れた位置に設置される（例えば、特許文献１参照）。

そして、試料から発生して上昇した被検出電子を検出器側に偏向させて該検出器により検出させる。

また、試料から発生して上昇した被検出電子を反射板に入射させ、これにより反射板から発生する二次電子を検出器により検出することも行われている（例えば、特許文献２参照）。

検出器を一次電子線の軸上に配置する場合には、半導体素子からなる検出器、又はシンチレータを備える検出器を配置するようにしている。

特開平７−２４０１６８号公報 特開平９−１７１７９１号公報

対物レンズの上方に電子検出器が設置された電子線装置において、一次電子線の加速電圧が低い場合では、一次電子線の照射により試料から発生する反射電子の検出が困難であった。また、試料から発生する二次電子を含めて検出することも困難であった。

本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、対物レンズの上方に電子検出器が設置された電子線装置においても、反射電子の検出や、反射電子及び二次電子の検出を良好に行うことができる電子線装置及び電子線装置の動作方法を提供することを目的としている。

また、このときの一次電子線の不要な偏向を防ぐことにより、分解能の低下を防止することのできる電子線装置及び電子線装置の動作方法を提供することをも目的としている。

本発明に基づく電子線装置は、所定の加速電圧により加速された電子線を放出する電子線源と、電子線源から放出された電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、集束された電子線を試料上で走査するための走査コイルと、対物レンズの上方に設置され、該電子線が通過するための孔が形成された電子検出器とを具備した電子線装置であって、該電子線の照射に応じて試料から発生した被検出電子を引き寄せるための電界を発生させる電極が電子検出器に設けられているとともに、該電界に起因して生じる該電子線の偏向を補正するための補正用コイルが電子検出器の下方に設置されていることを特徴とする。

また、本発明に基づく電子線装置の動作方法は、所定の加速電圧により加速された電子線を放出する電子線源と、電子線源から放出された電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、集束された電子線を試料上で走査するための走査コイルと、対物レンズの上方に設置され、該電子線が通過するための孔が形成された電子検出器と、制御手段とを具備し、該電子線の照射に応じて試料から発生した被検出電子を引き寄せるための電界を発生させる電極が電子検出器に設けられているとともに、該電界に起因して生じる該電子線の偏向を補正するための補正用コイルが電子検出器の下方に設置されている電子線装置の動作方法であって、該制御手段は、該電極に印加される電圧を電子線の加速電圧に連動して変化させることを特徴とする。

本発明においては、一次線である電子線（一次電子線）の照射に応じて試料から発生した被検出電子を引き寄せるための電界を発生させる電極が、対物レンズの上方に設置された電子検出器に設けられており、該電界に起因して生じる該電子線の偏向を補正するための補正用コイルが電子検出器の下方に設置されている。

そして、対物レンズの上方に到達した反射電子及び二次電子等の被検出電子が、該電極によって形成された電界の作用により、電子検出器に引き寄せられることとなる。

これにより、対物レンズの上方に位置する電子検出器によっても、被検出電子の検出を効率良く行うことができる。

このとき、該電極に印加される電圧を調整することにより、被検出電子として、「反射電子のみを含む場合」、又は「反射電子及び二次電子を含む場合」の何れかを選択して電子検出器により検出することができる。

そして、該電極により形成された電界の作用により、一次電子線が不要に偏向されることがあるが、補正用コイルを動作させることによって、補正用コイルが発生する磁界の作用により、一次電子線の偏向を補正することができる。

これにより、一次電子線の不要な偏向を防ぐことができ、観察時における分解能の低下を防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明について説明する。図１は、本発明における電子線装置を示す概略構成図である。本電子線装置は、走査電子顕微鏡の構成を備えている。

図中、１は電子銃からなる電子線源である。電子線源１からは、所定の加速電圧により加速された電子線（一次電子線）２１が試料２０に向けて放出される。このようにして電子線源１から放出された電子線２１は、集束レンズ２により集束され、対物絞り３の孔（貫通孔）を通過する。

対物絞り３の孔を通過した電子線２１は、その下方（下流側）にある検出器（電子検出器）７の孔（貫通孔）を通過する。その後、該電子線２１は、補正用コイル４及び走査コイル５を経由して、対物レンズ６に入射する。

対物レンズ６の先端側は、試料２０と対面している。この対物レンズ６を通過した電子線２１は、対物レンズ６が形成する磁界により集束され、試料２０上に焦点が合わされた状態で試料２０に照射される。このようにして集束された電子線２１は、走査コイル５による偏向作用によって、試料２０上で走査される。

電子線２０が照射された試料２０からは、反射電子や二次電子からなる被検出電子２２が発生する。この被検出電子２２は、対物レンズ６が形成する磁界あるいはそれに付属する電界により捕獲されて、対物レンズ６内部を上昇する。

このようにして上昇した被検出電子２２は、検出器７に到達する。検出器７は、試料２０側に位置するシンチレータ８と、シンチレータ８の周囲に位置するリング形状の電極９と、これらシンチレータ８及び電極９を支持するライトガイド１０とを備えている。シンチレータ８及びライトガイド１０には、電子線２１が通過するための上述した孔が形成されている。

電子線源１には、駆動電源１ａから駆動用の電力が供給される。これにより、電子線源１からは、所定の加速電圧により加速された電子線２１が放出される。

集束レンズ２には、駆動電源２ａから、励磁用電流が供給される。これにより、集束レンズ２が動作する。集束レンズ２は、電子線２１を対物絞り３の位置で集束するように、磁界を発生する。

補正用コイル４には、駆動電源４ａから、励磁用電流が供給される。これにより、補正用コイルが動作する。補正用コイル４は、一次線である電子線２１の軸を補正するための磁界を発生する。

走査コイル５には、駆動電源５ａから、励磁用電流が供給される。これにより、走査コイル５が動作する。走査コイル５は、電子線２１を適宜偏向して、電子線２１を試料２０上で走査するための磁界を発生する。

対物レンズ６には、駆動電源６ａから、励磁用電流が供給される。これにより、対物レンズ６が動作する。対物レンズ６は、電子線２１を試料２０上で細く集束させるための磁界を発生する。

これらの駆動電源は、バスライン１８を介して、ＣＰＵ１４により制御される。また、ＣＵＰ１４に繋がるバスライン１８には、メモリ１５が、書き込み／読み出し可能なように接続されている。

また、バスライン１８には、液晶表示装置（ＬＣＤ）等からなる表示部１６と、キーボードやポインティングデバイス（マウス等）からなる入力部１７が接続されている。

検出器７の電極９には、電源１３により、所定の電圧が印加される。電源１３は、バスライン１８を介して、ＣＰＵ１４により制御される。

また、検出器７のシンチレータ８に被検出電子２２に到達すると、シンチレーション光が発生し、このシンチレーション光は、ライトガイド１０により、光電子増倍管１１に導かれる。

光電子増倍管１１により検出された該シンチレーション光に基づく信号は、増幅された後、画像処理部１２に送られる。画像処理部１２は、当該増幅された信号に基づき、画像データを形成する。該画像データは、バスライン１８を介して、表示部１６に送られる。表示部１６は、該画像データに基づく画像を、走査像として表示する。

ここで、ＣＰＵ１４は、各駆動電源及び電源１３、画像処理部１２、メモリ１５、及び表示部１６の各動作の制御を行う。

以下、本発明における電子線装置の動作について説明する。

電子線源１から、加速されて放出された電子線２１は、集束レンズ２及び対物レンズ６の励磁により試料２０上に細く集束されて照射される。このとき、走査コイル５の動作により、電子線２１は偏向されて試料２０上を走査する。

電子線２１の走査（照射）に基づき、試料２０からは、反射電子や二次電子からなる被検出電子２２が発生する。このようにして試料２０から発生した被検出電子２２は、そのエネルギーの違いにより、対物レンズ６の内部を上昇する軌道が異なるが、検出対象とされた被検出電子２２が最終的に検出器７のシンチレータ８に到達する。

被検出電子２２のシンチレータ８への衝突エネルギーは、一次線である電子線２１の加速電圧や、検出器７が位置する空間の電界により、相違が生じる。

ここで、本電子線装置においては、少なくとも、補正用コイル４、走査コイル５及び対物レンズ６の各外側壁面は接地電位とされている。これにより、試料２０から検出器７のシンチレータ８直前までの空間には、検出器７の電極９が発生する電界以外の電界は存在しない。

また、シンチレータ８は蛍光物質から構成されており、シンチレータ８に衝突する被検出電子２１のエネルギーが大きいほど発光量が大きい。通常、走査電子顕微鏡での検出器で用いられるシンチレータは、シンチレータに衝突する電子（被検出電子）のエネルギーが１ｋｅＶ以下では殆ど発光しない。

従って、本発明では、試料２０からの被検出電子２２を加速してシンチレータ８に入射させるための電界を発生させるリング状の電極９が検出器７に備えられている。

本発明のように、対物レンズ６の上方に配置された検出器７の孔を電子線２１が通過する構成の場合には、電極９への印加電圧を必要以上に上げると、高圧放電及び電子線２１への影響の発生が考えられる。よって、少なくとも高圧放電が生じることなく、検出器７により検出される被検出電子２２の信号量が十分となるような電圧を電極９に印加するように制御する必要がある。

ここで、電子線２１の加速電圧にも依存するが、電極９への印加電圧を極端に小さく設定することにより、試料２０からの二次電子がシンチレータ８に到達しない状態とし、被検出電子２２として反射電子のみをシンチレータ８に到達するようにすることもできる。試料２０からの反射電子に基づく走査像（反射電子像）は、試料２０の組成や結晶情報などが含まれており、有用な解析データとなる。

検出器７は、シンチレータ８に入射した被検出電子２２に基づくシンチレーション光を光電子増倍管１１に送る。光電子増倍管１１は、該シンチレーション光に基づく電気信号を出力する。該信号は、増幅された後、画像処理部１２に送られる。

画像処理部１２は、当該増幅された信号に基づき、画像データを形成する。該画像データは、バスライン１８を介して、表示部１６に送られる。表示部１６は、該画像データに基づく画像を、試料像として表示する。

ここで、上述のように、検出器７の電極９に電圧を印加すると、この電圧印加に起因して生じる電界により、検出器７の孔を通過する電子線２１が少なからず偏向してしまうこととなる。検出器７の設置状態により、リング状の電極９の中心を電子線２１が正確に通過するとは限らないからである。

この場合、対物レンズ６に入射する電子線２１の軸がずれてしまい、該電子線２１の軸外収差や非点などが発生することとなる。

よって、対物レンズ６に入射する電子線２１の軸ずれを小さくするために、駆動電源４ａから補正用コイル４に励磁用電流を供給し、補正用コイル４を動作させる。このときの励磁用電流は、検出器７の電極９への印加電圧と連動するように、ＣＰＵ１４により設定される。

すなわち、ＣＰＵ１４は、電子線源１に駆動電力を供給する駆動電源１ａを制御して、電子線源１から放出される電子線２１の加速電圧を所定の電圧とするとともに、該加速電圧と連動して、最適な条件となる印加電圧が検出器７の電極９に印加されるように、電源１３を制御する。

また、これと同時にＣＰＵ１４は、該印加電圧と連動する軸補正用の励磁用電流が補正用コイル４に供給されるように、駆動電源４ａを制御する。

電子線２１の加速電圧に応じた電極９への印加電圧のデータや、該印加電圧に応じた補正用コイルへの励磁用電流のデータ等は、メモリ１５に記憶されている。ＣＰＵ１４は、これらデータをメモリ１５から読み出して、各電源等の制御を行う。

ここで、（１）反射電子のみを被検出電子２２として検出器７により検出する場合における、電子線２１の加速電圧に応じた検出器７の電極９への印加電圧の例としては、加速電圧０．５ｋＶ時で印加電圧２．５ｋＶ、加速電圧１ｋＶ時で印加電圧２ｋＶ、加速電圧１．５ｋＶ時で印加電圧１．５ｋＶ、加速電圧２ｋＶ時で印加電圧１ｋＶ、加速電圧２．５ｋＶ時で印加電圧０．５ｋＶ、加速電圧３ｋＶ時で印加電圧０ｋＶの設定となる。

また、（２）二次電子及び反射電子の双方を含む被検出電子２２を検出器７により検出する場合における、電子線２１の加速電圧に応じた検出器７の電極９への印加電圧の例としては、加速電圧０．５〜３ｋＶ時での印加電圧は１０ｋＶとなる。

これらの各印加電圧のデータは、上記（１）及び（２）の場合ごとに、メモリ１５に記憶されている。

また、補正用コイル４に供給される励磁用電流のデータは、電子線２１の加速電圧の値ごとに、検出器７の電極８への印加電圧に連動する値としてメモリ１５に記憶されている。本発明では、所定の加速電圧において、該印加電圧が高くなるほど該励磁用電流が大きくなるように設定される。

該印加電圧が高ければ、電極８により形成される電界が大きくなり、対物レンズ６へ入射する電子線２１の偏向量が大きくなる。よって、該偏向量を補正するための補正用コイル４による励磁を大きくする必要があるからである。

なお、上記においては、検出器７及び補正用コイル４が走査コイル５の上方に配置されるものであった。しかしながら、本発明は、このような構成に限定されるものではない。

ここで、図２に本発明の変形例を示す。本変形例では、検出器７及び補正用コイル４が、走査コイル５と対物レンズ６との間に配置された例である。このような構成でも、上記と同様の効果を得ることができる。

このように、本発明における電子線装置は、所定の加速電圧により加速された電子線２１を放出する電子線源１と、電子線源１から放出された電子線２１を集束して試料２０に照射するための対物レンズ６と、集束された電子線２１を試料２０上で走査するための走査コイル５と、対物レンズ５の上方に設置され、電子線２１が通過するための孔が形成された電子検出器７とを具備し、電子線２１の照射に応じて試料２０から発生した被検出電子２２を引き寄せるための電界を発生させる電極９が電子検出器７に設けられているとともに、該電界に起因して生じる電子線２１の偏向を補正するための補正用コイル４が電子検出器７の下方に設置されていることを特徴としている。

また、本発明における電子線装置の動作方法は、所定の加速電圧により加速された電子線２１を放出する電子線源１と、電子線源１から放出された電子線２１を集束して試料２０に照射するための対物レンズ６と、集束された電子線２１を試料２０上で走査するための走査コイル５と、対物レンズ６の上方に設置され、電子線２１が通過するための孔が形成された電子検出器７と、制御手段（ＣＰＵ）１４とを具備し、電子線２１の照射に応じて試料２０から発生した被検出電子２２を引き寄せるための電界を発生させる電極８が電子検出器７に設けられているとともに、該電界に起因して生じる電子線２１の偏向を補正するための補正用コイル４が電子検出器７の下方に設置されている電子線装置の動作方法であって、制御手段１４は、電極８に印加される電圧を電子線２１の加速電圧に連動して変化させることを特徴としている。

このとき、補正用コイル４に供給される電流は、電極８への印加電圧に連動して変化するように設定することができる。

ここで、図１に示すごとく、電子検出器７は走査コイル５の上方に設置され、補正用コイル５は電子検出器７と走査コイル５との間に設置されている構成とすることができる。

また、図２に示すごとく、電子検出器７は走査コイル５の下方に設置され、補正用コイル５は電子検出器７と対物レンズ６との間に設置されている構成とすることもできる。

本発明では、上記構成を備えることにより、一次線である電子線２１が電子検出器７の孔を通過する構造であっても、電子検出器７に電極９を配置することにより、反射電子のみ、又は二次電子及び反射電子を含む被検出電子２２を効率良く検出することが可能となる。

また、反射電子のみを被検出電子２２として検出して反射電子像を取得する場合に、電子線２１の加速電圧が低くなるのに連動して、電極９への印加電圧が高くなるようにすることにより、低加速電圧時においても良好な反射電子像を得ることができる。

そして、電子線２１の加速電圧が高いときには、該印加電圧を低く設定することにより、高加速電圧時においても良好な反射電子像を取得することができる。

また、該印加電圧を調整して設定することにより、被検出電子２２における二次電子と反射電子の割合を適宜調整することができる。

電子線２１の加速電圧に応じて、該印加電圧を正負の両方の値で設定することにより、試料２０から出るときに加速場の影響を受けた二次電子の取捨選択をすることもできる。

補正用コイル４を設けたことにより、該印加電圧の変化により、対物レンズ６へ入射する電子線２１の軸がずれる場合でも、該軸を最適な状態に戻すことができる。

本発明における電子線装置の一実施例を示す概略構成図である。 本発明における電子線装置の変形例を示す概略構成図である。

符号の説明

１…電子銃（電子線源）、２…集束レンズ、３…対物絞り、４…補正用コイル、５…走査コイル、６…対物レンズ、７…検出器（電子検出器）、８…シンチレータ、９…電極、１０…ライトガイド、１１…光電子増倍管、１２…画像処理部、１３…電源、１４…ＣＰＵ（制御手段）、１５…メモリ、１６…表示部、１７…入力部、１８…バスライン、２０…試料、２１…電子線、２２…被検出電子、１ａ，２ａ…駆動電源、４ａ〜６ａ…駆動電源

Claims (9)

1. 所定の加速電圧により加速された電子線を放出する電子線源と、電子線源から放出された電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、集束された電子線を試料上で走査するための走査コイルと、対物レンズの上方に設置され、該電子線が通過するための孔が形成された電子検出器とを具備した電子線装置であって、該電子線の照射に応じて試料から発生した被検出電子を引き寄せるための電界を発生させる電極が電子検出器に設けられているとともに、該電界に起因して生じる該電子線の偏向を補正するための補正用コイルが電子検出器の下方に設置されていることを特徴とする電子線装置。
2. 該電極に印加される電圧は、電子線の加速電圧に連動して変化することを特徴とする請求項１記載の電子線装置。
3. 補正用コイルに供給される電流は、該電極への印加電圧に連動して変化することを特徴とする請求項２記載の電子線装置。
4. 電子検出器は、走査コイルの上方に設置されており、補正用コイルは、電子検出器と走査コイルとの間に設置されていることを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の電子線装置。
5. 電子検出器は、走査コイルの下方に設置されており、補正用コイルは、電子検出器と対物レンズとの間に設置されていることを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の電子線装置。
6. 所定の加速電圧により加速された電子線を放出する電子線源と、電子線源から放出された電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、集束された電子線を試料上で走査するための走査コイルと、対物レンズの上方に設置され、該電子線が通過するための孔が形成された電子検出器と、制御手段とを具備し、該電子線の照射に応じて試料から発生した被検出電子を引き寄せるための電界を発生させる電極が電子検出器に設けられているとともに、該電界に起因して生じる該電子線の偏向を補正するための補正用コイルが電子検出器の下方に設置されている電子線装置の動作方法であって、該制御手段は、該電極に印加される電圧を電子線の加速電圧に連動して変化させることを特徴とする電子線装置の動作方法。
7. 該制御手段は、補正用コイルに供給される電流を該電極への印加電圧に連動して変化させることを特徴とする請求項６記載の電子線装置の動作方法。
8. 電子線装置における電子検出器は、走査コイルの上方に設置されており、補正用コイルは、電子検出器と走査コイルとの間に設置されていることを特徴とする請求項６又は７記載の電子線装置の動作方法。
9. 電子線装置における電子検出器は、走査コイルの下方に設置されており、補正用コイルは、電子検出器と対物レンズとの間に設置されていることを特徴とする請求項６又は７記載の電子線装置の動作方法。

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