JP2011249273A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料像の取得時における分解能の低下をもたらすことなく、試料からの低角度放出反射電子の検出を効率良く行う。
【解決手段】走査電子顕微鏡は、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試料上で集束させるための対物レンズと、集束した電子線を試料上で走査するための走査偏向器と、電子線源からの電子線が通過するインナーチューブとを備え、インナーチューブの内壁に第１のシンチレータを設けるとともに、電子線の走査に応じて試料から発生する第１の被検出電子が第１のシンチレータに衝突して発光が生じ、該発光によりインナーチューブの内部において電子線源側に向かって進む第１の光を検出するための光検出器を設置し、該光検出器による検出結果に基づいて走査像を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、集束した電子線を試料面上で走査することにより、試料の走査画像を取得するための走査電子顕微鏡に関する。

走査電子顕微鏡において、一次電子線は、対物レンズによる励磁によって、試料面上でそのプローブ径が小さくなるように集束される。この状態で、走査偏向器により、電子線を試料面上で二次元的に走査し、これにより試料から発生する反射電子等の被検出電子を電子検出器により輝度信号として検出する。

通常、このような被検出電子を検出するための電子検出器は、対物レンズの下方（試料側）若しくは上方（電子線源側）に設置されており、これにより検出された輝度信号は、増幅器により増幅される。

増幅された輝度信号は、画像処理ボードに送られる。画像処理ボードは、輝度信号及び走査信号に基づき、走査画像データを形成する。これにより形成された走査画像データは、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部に送られ、該走査画像データに基づく画像が走査像として表示部により表示される。

対物レンズの上方に配置される電子検出器の例としては、一次電子線の光軸に対応する位置に開口が形成されて該光軸近傍に配置される検出器や、該光軸から外れた位置に配置される検出器がある。

さらに、光軸外に配置されて輝度信号を検出するものの中には、試料からの反射電子を反射板に衝突させて、これにより該反射板から発生する二次電子を検出するものもある。

ここで、対物レンズの上方に電子検出器を配置する場合、空間的制限が大きいので、電子検出器は対物レンズの下方に配置されることが多い。

また、試料から発生する被検出電子の中で、反射電子のみ検出するために、一次電子線が通過するインナーチューブの内壁に二次電子を衝突させて吸収し、インナーチューブ内を上昇してきた反射電子を選択的にインナーチューブ内部で検出するものもある（特許文献１参照）。

なお、一次電子線の走査に応じて試料から発生する反射電子の中で、特に低い角度（例えば３０度以下）で放出される電子は、その試料の極表面の情報及び結晶構造の情報等の非常に有用な情報を多く含んでいる。従って、このような低角度で放出された反射電子の効率的な検出が望まれている。

特開平１０−１３４７５４号公報

通常の走査電子顕微鏡においては、試料からの二次電子の検出を行う目的で、対物レンズ下面より離れた位置に二次電子検出器が配置されている。この二次電子検出器と試料表面までの距離は大きいので、上述した低角度で放出される反射電子は当該二次電子検出器まで到達することが困難である。よって、この二次電子検出器を用いてこのような反射電子を検出することはできない。

従って、当該反射電子の検出を行うためには、対物レンズの下方であって、対物レンズ下面と試料との間に円板状の電子検出器を挿入し、当該電子検出器を用いて反射電子（低角度放出の反射電子及び高角度放出の反射電子を含む）の検出を行っていた。

しかしながら、このような構成では、当該電子検出器の存在によって、試料表面を対物レンズ下面に近付けることに制限が生じ、対物レンズ下面から試料表面までの作動距離（ＷＤ）が必然的に長くなる。この結果、試料像（走査像）を得る際の分解能の低下をもたらすこととなる。

また、対物レンズの下部に設けられている電子線が通過する穴の径を大きくして、対物レンズの内部に電子検出器を配置して反射電子等を検出する構成も検討されているが、対物レンズ内部において空間的制限が大きく生じることとなる。

本発明は、このような点に鑑みて成されたものであり、試料像の取得時における分解能の低下をもたらすことなく、試料からの低角度放出反射電子の検出を効率良く行うことのできる走査電子顕微鏡の提供を行うことを目的とする。

本発明に基づく走査電子顕微鏡は、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試料上で集束させるための対物レンズと、集束した電子線を試料上で走査するための走査偏向器と、電子線源からの電子線が通過するインナーチューブとを備える走査電子顕微鏡において、インナーチューブの内壁に第１のシンチレータを設けるとともに、電子線の走査に応じて試料から発生する第１の被検出電子が第１のシンチレータに衝突して発光が生じ、該発光によりインナーチューブの内部において電子線源側に向かって進む第１の光を検出するための光検出器を設置し、該光検出器による検出結果に基づいて走査像を形成することを特徴とする。

本発明においては、電子線源からの電子線が通過するためのインナーチューブの内壁に設けられたシンチレータに、試料からの被検出電子が衝突することにより、該シンチレータにおいて発光が生じ、これによりインナーチューブ内部において電子線源側に向かう光の検出を行う。

これにより、対物レンズと試料との間に電子検出器を配置することなく、試料表面を対物レンズ下面に近付けた状態で、試料からの反射電子等の被検出電子の検出を効率良く行うことができる。この結果、試料観察時での作動距離を短くすることができ、試料像を取得する際の分解能の低下を防ぐことができる。

特に、本発明の場合、試料からの被検出電子として、低角度放出の反射電子を該シンチレータに衝突させることができるので、分解能の低下をもたらすことなく当該低角度放出反射電子の検出を効率良く行うことができる。

本発明における走査電子顕微鏡を示す概略構成図である。 本発明における走査電子顕微鏡の要部を示す図である 本発明における変形例の要部を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の第１実施例について説明する。図１は、本発明における走査電子顕微鏡を示す概略構成図である。

同図において、電子銃（電子線源）１から放出される電子線７は、所定の加速電圧によって加速されており、集束レンズ２が発生する磁界により対物絞り１０に向けて集束される。対物絞り１０には孔１０ａが形成されており、当該集束された電子線７は対物絞り１０の孔１０ａを通過する。さらに、孔１０ａを通過した電子線７は、電子／光検出手段６を構成するライトガイド（導光部材）２５及びシンチレータ２４に設けられた開口２３を通過する。

ここで、電子銃１から放出された電子線７は、電子銃１から検出手段６の開口２３に至るまでの間は、インナーチューブ（真空パイプ）８の前段部分（図示省略）の内部を通過する。そして、検出手段６の開口２３を通過した電子線７は、インナーチューブ８の後段部分８ａ内部を通過し、試料５に到達する。

検出手段６は、インナーチューブ８の前段部分と後段部分（以下、当該後段部分を「後段インナーチューブ」という）８ａとの間に位置している。そして、後段インナーチューブ８ａの下端部における内壁には、シンチレータ（第１のシンチレータ）９が設けられている。このシンチレータ９は、粉末のシンチレータ材料を塗布する等の方法により設けられる。後段インナーチューブ８ａの当該下端部は、対物レンズ４の電子線通過孔内に位置しており、試料５と対向するように配置される。

後段インナーチューブ８ａ内を通過した電子線７は、対物レンズ４が発生する磁界によって試料５上に電子プローブとして集束される。また、このとき、この集束された電子線７は、走査偏向器３の動作に基づき試料５の上面を走査する。走査偏向器３は、後段インナーチューブ８ａの外側に配置されている。また、試料５は、図示しない試料ステージに載置されている。

この電子線７の試料５上での走査に基づき、試料５上での該走査領域からは、反射電子等の被検出電子（検出対象電子）が発生する。この被検出電子の検出については、後述する。

電子銃１、集束レンズ２、走査偏向器３及び対物レンズ４は、それぞれ対応する駆動電源１ａ〜４ａにより駆動される。各駆動電源１ａ〜４ａはバスライン１２に接続されている。バスライン１２には、ＣＰＵ１３が接続されている。これにより、これら駆動電源１ａ〜４ａは、バスライン１２を介してＣＰＵ１３によって駆動制御される。

また、検出手段６は、ライトガイド（導光部材）２５と、このライトガイド２５の先端部分の下面であってインナーチューブ８内に位置する部分に設けられたシンチレータ（第２のシンチレータ）２４と、該ライトガイド２５の基端に接続された光電子増倍管（ＰＭＴ）２６から構成されている。シンチレータ２４は、後段インナーチューブ８ａを介して試料５と対向するように位置している。シンチレータは、被検出電子の入射に応じて発光するものである。本発明（第１実施例）では、光電子増倍管２６が光検出器となる。

検出手段６を構成する光電子増倍管２６からの出力信号（検出信号）は、画像処理部１１に送られる。これと同時に画像処理部１１には、電子線７を走査偏向器により走査するための走査信号がＣＰＵ１３よりバスライン１２を介して送られる。画像処理部１１は、当該検出信号及び走査信号に基づき、走査像データを作成する。該走査像データは、バスライン１２を介してメモリ１４に送られ、メモリ１４内に適宜格納される。

メモリ１４内に格納された走査像データは、ＣＰＵ１３の制御によって読み出されることにより、バスライン１２を介して表示部１５に送られる。表示部１５は、当該走査像データに基づく走査像（試料像）を表示する。

なお、ＣＰＵ１３の制御によって、画像処理部１１からの走査像データ１１が、バスライン１２を介して表示部１５に送られる場合もある。この場合は、ライブ画像としての走査像が表示部１５により表示されることとなる。

上記構成において、各駆動電源１ａ〜４ａ、画像処理部１１、メモリ１４及び表示部１５は、それぞれＣＰＵ１３により制御される。また、図中の入力部１６は、マウス等のポインティングデバイス及びキーボード等のキーデバイスからなる。

以上が、本発明における走査電子顕微鏡の構成である。次に、本走査電子顕微鏡の動作について、図２を交えて説明する。

電子銃１から放出された電子線７は、上述したように集束レンズ２、対物絞り１０の孔１０ａ、検出手段６の開口２３、及びインナーチューブ８を通過した後、試料５の上面に到達する。このとき、上記のように、対物レンズ４の磁界によって電子線７は試料５上で集束するとともに、走査偏向器３の動作に基づき試料５上の所定領域を走査する。電子線７による試料５上での走査は、ＣＰＵ１３から駆動電源３ａに供給される走査信号に基づいて行われる。

電子線７の走査によって試料５上からは、反射電子等の被検出電子が発生する。このようにして発生した被検出電子の中の各種放出角度の反射電子２１は、図２に示すごとく、対物レンズ４が発生する磁界あるいはそれに付属する電界によって捕獲されて、対物レンズ４内部を上昇する。

上記反射電子２１のうちで、試料５の表面（上面）に対して３０度以下で放出される低角度放出反射電子２１ａは、後段インナーチューブ８ａの下端部内壁に設けられたシンチレータ９（第１のシンチレータ）に衝突する。

これによりシンチレータ９においては、衝突する該反射電子２１ａの量に基づく発光が生じる。この発光による光２２（第１の光）は、後段インナーチューブ８ａ内部において、後段インナーチューブ８ａの下端部から上方に向かって進む。

後段インナーチューブ８の上端部分まで進んだ光２２は、検出手段６のシンチレータ２４を通過し、ライトガイド２５に到達する。ここで、検出手段６のシンチレータ２４（第２のシンチレータ）は、後段インナーチューブ８ａの下端部内壁に設けられたシンチレータ９から発生する光２２が透過する材料からなっている。

また、インナーチューブ８において、少なくとも後段インナーチューブ８ａ全体の内壁部分は、予め鏡面処理が施されている。従って、後段インナーチューブ８ａの内壁部分のうち、シンチレータ９によって被われていない内壁部分は、鏡面が露出されており、シンチレータ９から発生した光２２を後段インナーチューブ８ａの内部において効率良く上方へ導くことができる。

検出手段６のライトガイド２５に到達した光２２は、ライトガイド２５内部において、ライトガイド２５の先端部分からその基端側に導光される。このようにして導光された光２２は、光検出器である光電子増倍管２６により検出される。

また、上述した電子線７の走査によって発生する反射電子のうちで、試料５の表面に対して３０度を超える角度で放出される高角度放出反射電子２１ｂの大部分は、対物レンズ４内部を上昇した後、後段インナーチューブ８ａの内壁に衝突することなく、そのまま後段インナーチューブ８ａ内を上昇する。

このようにして、後段インナーチューブ８ａ内を上昇した該反射電子２１ｂは、検出手段６のシンチレータ２４に衝突する。この衝突によって、シンチレータ２４で発光が生じ、その光（第２の光）はライトガイド２５に入射する。この第２の光も、上記第１の光と同様に、ライトガイド２５内部をその基端側に導光される。このようにして導光された第２の光も光電子増倍管２６によって検出される。

この結果、検出手段６を構成する光電子増倍管２６は、試料から発生した低角度放出反射電子２１ａ及び高角度放出反射電子２１ｂの双方を含む検出信号を画像処理部１１に出力する。

画像処理部１１は、上述したように、光電子増倍管２６からの該検出信号とＣＰＵ１３からの走査信号とに基づき、走査像データを作成する。該走査像データは、メモリ１４に格納され、その後ＣＰＵ１３の制御によってメモリ１４から読み出されて表示部１５に送られる。表示部１５は、当該走査像データに基づく走査像の表示を行う。

また、画像処理部１１によって作成された走査像データを、ＣＰＵ１３の制御によって、バスライン１２を介して表示部１５に送ることも可能である。この場合も、表示部１５は、当該走査像データに基づく走査像の表示を行う。

このようにして表示された各走査像は、試料から発生した低角度放出反射電子２１ａ及び高角度放出反射電子２１ｂの双方の情報に基づく試料像となっている。

次に、本発明の第２実施例について、以下に説明する。この第２実施例においては、反射電子の衝突に応じて、第１のシンチレータ９が発光する第１の光の波長と第２のシンチレータ２４が発光する第２の光の波長を異なるものとする。例えば、第１のシンチレータ９から発生する第１の光の波長を６００ｎｍ程度とし、第２のシンチレータ２４から発生する第２の光の波長を４００ｎｍ程度とする。これは、各シンチレータ９，２４の材料を選択することによって設定可能である。

さらに、検出手段６を構成するライトガイド２５と光電子増倍管２６との間に分光器（図示せず）を設ける。この分光器は、波長の相違に基づき、第１の光又は第２の光のうちの何れか一方を選択して光電子増倍管２６に導光するという機能を有する。

これにより、検出手段６において、分光器により第１の光が選択されて光電子増倍管２６に導光された場合には、取得される走査像データは、低角度放出反射電子２１ａに基づく像データとなる。また、分光器により第２の光が選択されて光電子増倍管２６に導光された場合には、取得される走査像データは、高角度放出反射電子２１ｂに基づく像データとなる。ここで、分光器による分光機能を解除することにより、双方の反射電子２１ａ，２１ｂに基づく走査像データを取得することも可能となる。

さらに、上記第１実施例及び第２実施例の変形例として、第１のシンチレータ９を図３のように設けることもできる。図３では、図１及び図２における後段インナーチューブ８ａのうち、右側断面の部分のみを図示している。

図３において、後段インナーチューブ８ａの下端部内壁面には、多数の段部８ｂが形成されている。これら各段部８ｂにおいて上方に面している面（上側面）のそれぞれに、第１のシンチレータ９が設けられている。さらに、各段部８ｂの上面は鏡面となっている。

このような構成とすれば、各段部８ｂの上面に設けられた第１のシンチレータ９に反射電子２１ａが衝突して生じる第１の光２２を、後段インナーチューブ８ａ内においてさらに効率良く上方に導光することができる。

また、他の変形例としては、後段インナーチューブ８ａの下端部内壁面に設けられる第１のシンチレータ９を単結晶からなるシンチレータとすることもできる。

さらに、検出手段６において高角度放出反射電子２１ｂの検出を行う素子として、シンチレータを用いる構成とせずに半導体素子（半導体検出器）を用いることもできる。この場合、ライトガイド２５及び光電子増倍管２６を設けなくても、該半導体検出器によって第１の光２２の検出を同時に行うことができる。この場合、該半導体検出器が光検出器を構成する。

このように、本発明における走査電子顕微鏡は、電子線７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７を試料５上で集束させるための対物レンズ４と、集束した電子線４を試料５上で走査するための走査偏向器３と、電子線源１からの電子線７が通過するインナーチューブ８（８ａ）とを備える走査電子顕微鏡において、インナーチューブ８（８ａ）の内壁に第１のシンチレータ９を設けるとともに、電子線７の走査に応じて試料５から発生する第１の被検出電子２１ａが第１のシンチレータ９に衝突して発光が生じ、該発光によりインナーチューブ８（８ａ）の内部において電子線源１側に向かって進む第１の光２２を検出するための光検出器２６を設置し、該光検出器２６による検出結果に基づいて走査像を形成する。

第１のシンチレータは９、インナーチューブ８（８ａ）内壁において形成された多数の段部８ｂに形成されており、それぞれの発光面が電子線源１側に向いているように構成することもできる。このとき、各段部８ｂにおいてシンチレータ９が設けられる面を鏡面とすることもできる。

また、インナーチューブ８（８ａ）の内壁において、第１のシンチレータ９が設けられた部分以外の露出面に鏡面部分を設けることができる。これにより、第１の光２２を効率よく導光することが可能となる。

さらに、第１の光２２を受光する導光部材２５が配置されており、該導光部材２５によって導光された光が光検出器２６によって検出される。このとき、導光部材２５の受光面に第２のシンチレータ２４が配置されており、電子線７の走査に応じて試料５から発生する第２の被検出電子２１ｂが第２のシンチレータ２４に衝突して生じる第２の光も光検出器２６によって検出される。第２のシンチレータ２４は、第１のシンチレータ９から生じた第１の光２２が透過可能となる材質により構成されている。

そして、第１のシンチレータ９から発生する第１の光２２の波長と、第２のシンチレータ２４から発生する第２の光の波長とは相違しており、第１又は第２の光の何れか一方を光検出器に導くことのできる分光手段を導光部材に設けることもできる。

また、変形例として、第１の光２２を検出する光検出器を、半導体素子から構成される半導体検出器とし、電子線の走査に応じて試料から発生する第２の被検出電子も該半導体検出器によって検出するようにすることもできる。

本発明においては、インナーチューブ８ａの内壁にシンチレータ９を設けることにより、これまで検出が困難であった低角度放出の反射電子２１ａに基づく走査像を得ることが可能となる。

この場合、当該反射電子２１ａの検知に起因する信号が、インナーチューブ８ａ内を通るシンチレーション光であるので、電子線７の光軸上の近傍に検出面が位置する検出手段６を用いて当該信号を検出できるので、別途検出器を設ける必要がなく、装置が複雑化することがない。

そして、当該信号が光であるので、検出手段が対物レンズ４下面からある程度離れていても効率的に信号の検出が可能となる。

また、第１の被検出電子２１ａの検知に基づくシンチレーション光２２の波長と、第２の被検出電子２１ｂの検知に基づくシンチレーション光の波長とを変え、さらにこれらの光を選別する分光器を設けることにより、分光して別々の像を取得することが可能となる。

１…電子銃（電子線源）、２…集束レンズ、３…走査偏向器、４…対物レンズ、５…試料、６…検出手段、７…電子線、８…インナーチューブ、８ａ…後段インナーチューブ、９…第１のシンチレータ、１０…対物絞り、１１…画像処理部、１２…バスライン、１３…ＣＰＵ、１４…メモリ、１５…表示部、１６…入力部、２…反射電子、２１ａ…低角度放出反射電子、２１ｂ…高角度放出反射電子、２２…第１の光、２４…第２のシンチレータ、２５…ライトガイド（導光部材）、２６…光電子増倍管（光検出器）

Claims (9)

1. 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試料上で集束させるための対物レンズと、集束した電子線を試料上で走査するための走査偏向器と、電子線源からの電子線が通過するインナーチューブとを備える走査電子顕微鏡において、インナーチューブの内壁に第１のシンチレータを設けるとともに、電子線の走査に応じて試料から発生する第１の被検出電子が第１のシンチレータに衝突して発光が生じ、該発光によりインナーチューブの内部において電子線源側に向かって進む第１の光を検出するための光検出器を設置し、該光検出器による検出結果に基づいて走査像を形成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 第１のシンチレータは、インナーチューブ内壁において形成された多数の段部に形成されており、それぞれの発光面が電子線源側に向いていることを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡。
3. インナーチューブの内壁において、第１のシンチレータが設けられた部分以外の露出面には鏡面部分があることを特徴とする請求項１又は２記載の走査電子顕微鏡。
4. 第１の光を受光する導光部材が配置され、該導光部材によって導光された光を光検出器により検出することを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の走査電子顕微鏡。
5. 導光部材の受光面に第２のシンチレータが配置され、電子線の走査に応じて試料から発生する第２の被検出電子が第２のシンチレータに衝突して生じる第２の光を光検出器が検出することを特徴とする請求項１乃至４何れか記載の走査電子顕微鏡。
6. 第２のシンチレータは、第１のシンチレータから生じた第１の光が透過可能となる材質により構成されていることを特徴とする請求項４記載の走査電子顕微鏡。
7. 第１のシンチレータから発生する第１の光の波長と、第２のシンチレータから発生する第２の光の波長とは相違しており、第１又は第２の光の何れか一方を光検出器に導くことのできる分光手段が導光部材に設けられていることを特徴とする請求項５又は６記載の走査電子顕微鏡。
8. 光検出器は、半導体素子から構成される半導体検出器であることを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の走査電子顕微鏡。
9. 電子線の走査に応じて試料から発生する第２の被検出電子を該半導体検出器によって検出することを特徴とする請求項８記載の走査電子顕微鏡。

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