JP2018518005A - モノクロメーターを備えた電子線装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、モノクロメーターにおいて、電子線の進路を偏向させるシリンドリカル型静電レンズを対称に配列し、その間に選択可能な複数のスリットが含まれた絞りを配置することで、指定したエネルギー範囲の電子線を選択することが可能なモノクロメーターを備えた電子線装置に関し、スリットと円形開口部を１つの絞り部に並列配置することで、高分解能を有しながらも保全性に優れたモノクロメーターを備えることから、空間分解能とエネルギー分解能が向上する効果を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モノクロメーターを備えた電子線装置に関し、より詳細には、モノクロメーターにおいて、電子線の進路を偏向させるシリンドリカル型静電レンズを対称に配列し、選択可能な複数のスリットがその間に含まれた絞り（aperture）を配置することで、指定したエネルギー範囲の電子線を選択することが可能なモノクロメーターを備えた電子線装置に関する。
電子は、静電場または磁場により経路を変更できるので、複数の電子が一緒に電子線の進行方向を調整したり、電子線を集束または分散する機能を果たす電子経路調整装置のことを、光の経路を調整する光学系になぞらえて電子光学系という。
電子線は陰極（cathode）から得ており、概ねタングステン（Ｗ）表面に酸化ジルコニア（ＺｒＯ）で被覆したショットキー型（Schottky）電子源、または冷陰極電界放出電子源（Cold fieldemission electron source）から得る。このような電子線においては、ビームをなす電子が平均的に有する一定のエネルギー範囲から外れる電子が存在し、一定のエネルギー範囲を前提に調整された電子光学系において、このような電子の経路は設定された経路範囲から外れるようになり、ビーム径を増加させる原因となる。
電子線から、指定のエネルギー範囲の粒子を選択し、その範囲から外れるエネルギーを有する粒子を除去する単色化装置であるモノクロメーター（Monochromator）は、電場と磁場とをともに使用するウィーンフィルター（Wienfiler）型モノクロメーター、電子線をシリンドリカルレンズが形成する静電場の内部で円運動させる静電場モノクロメーター、および進行する電子線が非対称静電場に入射して経路が移動されるメーレンシュテットエネルギー分析器（Mollenstedt Energy Analyzer）型モノクロメーターなどがある。
ここで、シリンドリカルレンズは、中心に長方形の開口部を有する複数の電極から構成され、中心電極に電子を減速する高電圧が印加され、前後両側の２つの電極は等しい電圧にする電子レンズであり、複数の電極の間には絶縁材が備えられる。高電圧が印加された中心電極近傍で電子のエネルギーがほぼ０まで減少し、レンズの光軸の外部を通過する成分が選択され、レンズ軸の色収差によって発生するエネルギー分散を利用して荷電粒子のエネルギーを分析する方式である。電子源における中心軸を外れた成分をエネルギー絞りで検出し、静電レンズの中心軸の外を通過させてエネルギーを分光して、中心エネルギー部のみ選択するモノクロメーターであって、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のような電子ビーム装置に用いられる。このようなモノクロメーターは、電子線の色収差の影響を減少させて画像分解能を向上させる。
特許文献１は、モノクロメーターおよびこれを備えた電子ビーム装置に関し、それぞれ複数の電極を含む２つの静電レンズと、その間に備えられたエネルギー絞りとから構成された単色化装置に関する技術を開示している。しかし、前記特許文献１は、一般光学系を用いるためには絞りを切り替えなければならない問題があり、エネルギー分解能を高めるためには狭い幅のスリットを用いなければならないが、この場合、電子ビームの通過による汚染でビーム電流が減少し不安定になる問題がある。
大韓民国公開特許第２０１５−０１４６０７９号
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、スリットが形成された絞り面に円形開口部をともに設けて、絞りをそのままして置き、電子線が通過する位置をスリットから開口部に変える位置移動だけでも、モノクロメーターから一般光学系に切り替えることができ、絞りに同一または異なる大きさのスリットを複数形成することで、電子ビームの通過による汚染でビーム電流が減少し不安定になる場合でも、絞り上のスリットの位置移動だけで他のスリットを選択可能にして、ビーム電流の安定化を実現するモノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明は、モノクロメーターを備えた電子線装置であって、前記装置は、電子源と、前記電子源から放出される電子線のエネルギーを予め定めた範囲に制限するモノクロメーターと、レンズ系と、検出器とを含み、前記モノクロメーターは、複数の長方形エネルギー選択スリットと、複数のダミースリットと、複数の円形スリットとを備えた絞り部と、スリットを切り替えるために絞りの位置を移動調整する位置調整部とを含む、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記モノクロメーターは、前記電子線の入射方向（ｚ）に垂直な平面（ｘｙ）をなす複数の電極から構成されるが、前記複数の電極は、前記入射方向（ｚ）と平行に形成された長方形開口部を備え、前記電極に電圧が印加されると、前記長方形開口部が形成した電場の静電レンズの作用により、前記入射方向の中心軸（ｘ０ｙ０）に沿って入射する電子が、前記長方形開口部の短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）にエネルギー分布に応じて互いに異なる位置に偏向されて前記入射方向と平行に進むようにする第１電極部と、前記偏向されて進む電子線のうち予め定めたエネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に属する粒子のみを、予め定めた偏向位置（ｘ、ｘ＋Ｓｘ）で選択的に通過させるように、偏向される方向と短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）とが一致するように形成された複数の長方形エネルギー選択スリット、位置選定のための複数のダミースリット、および複数の円形スリットを備える絞り部と、偏向されて進む電子線のエネルギーに応じてスリットの位置を移動調整する位置調整部とを含む、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記絞り部のスリットは、中心層の上面および下面に金属薄膜を形成した薄膜層に形成するが、前記中心層の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭素（Ｃ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）またはモリブデン（Ｍｏ）であり、厚さが２０ｎｍ〜５００μｍであり、前記金属薄膜の材質は白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）であり、厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記円形スリットの径は１０ｎｍ〜５００μｍであり、前記長方形エネルギー選択スリットの短辺の長さは５０ｎｍ〜１００μｍであり、長辺の長さは１００ｎｍ〜１０００μｍである、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記絞り部は、前記薄膜層を支持するホルダ（holder）と、前記ホルダを位置調整部に連結する支持部（support）と、前記位置調整部を前記絞り部設置装置に固定するベース（Base）とを含み、前記位置調整部は、前記偏向される方向（ｘ）、または前記偏向される方向と垂直方向（ｙ）に前記スリットの移動を可能にする、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記ホルダ、前記支持部、前記位置調整部、および前記ベースの接続面は、それぞれ前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向に対する角度範囲が１度以内である、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、同一の大きさまたは異なる大きさで、前記電子線の偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する長辺（Ｓｙ）の方向（ｙ）に予め定めた間隔（Ｌｙ）分離れて配列される、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記直交する長辺（Ｓｙ）の方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、前記第１電極部に入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数の円形スリットは同一大きさまたは互いに異なる大きさであり、前記複数の円形スリットは、前記複数の長方形エネルギー選択スリットから前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）に予め定めた距離（Ｍｘ）分離隔して並んで配列される、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記複数の円形スリットは、前記入射方向の中心軸ｘ０と一致する位置に配置される、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記エネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして、電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上に一致する位置に配置された前記複数の円形スリットを用いて試料に電子線を照射する、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、前記電子線の偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）、および前記偏向される方向と直交する方向（ｙ）に沿ってそれぞれ同一の大きさで予め定めた間隔（Ｌｘ、Ｌｙ）で配列され、前記直交する方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、複数の同一の大きさおよび複数の互いに異なる大きさを含み、前記複数の同一大きさを有するスリットは、電子線の偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）に沿って予め定めた間隔（Ｌｘ）で配列され、前記複数の互いに異なる大きさを有するスリットは、前記偏向される方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）に沿って予め定めた間隔（Ｌｙ）で配列され、前記直交する方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数のダミースリットは２つであり、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）の中心位置から、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）の両縁にそれぞれ１つずつ位置する、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記複数の円形スリットは、同一の大きさまたは互いに異なる大きさであり、前記円形スリットは、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）に沿って配列されるか、前記直交する方向（ｙ）の両縁に位置する、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記エネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして、電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上に一致する位置に配置された前記複数の円形スリットを用いて試料に電子線を照射する、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明において、前記長方形エネルギー選択スリットの長辺の方向は、前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向と互いにずれる角度範囲が１度以内となるようにアラインメントされた、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記絞り部の後段に、前記エネルギー選択スリットを通過した電子ビームの入射方向（ｚ）と平行に形成された開口部を備えた複数の電極から構成された電極に電圧が印加されると、開口部の電界が前記エネルギー選択スリットを通過した電子線を元の位置である前記入射方向の中心軸（ｘ０ｙ０）に偏向させる第２電極部を含み、前記第２電極部の位置は、前記絞りを中心に前記第１電極部とは対称である、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明はまた、前記モノクロメーターを用いた、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）を提供する。
本発明はさらに、前記電子線装置を用いて試料に電子線を集束し、試料の表面で発生する二次信号を感知し、試料室における試料表面の画像を観察する、走査型電子顕微鏡を提供する。
本発明はまた、前記電子線装置を用いて試料室の試料を透過した電子線を拡大投影するスクリーンを介して、前記透過電子線によって試料の拡大像を結像する、透過電子顕微鏡を提供する。
本発明はさらに、前記電子線装置を用いて試料から放出された電子線のエネルギーを分析し、試料の元素分析化学結合状態、Ｐｈｏｎｏｎ状態、Ｐｌａｓｍｏｎ状態を分析する、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
本発明はまた、前記電子線装置を用いて、ガス導入部が備えられた試料室内の試料表面をエッチングする電子ビームエッチング装置を提供する。
本発明の電子線装置は、スリットと円形開口部とを１つの絞り部に並列配置することで、高分解能を有しながらも保全性に優れたモノクロメーターを備えるため、空間分解能とエネルギー分解能が向上する効果を有する。
本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置が、ＥＥＬＳとＳＥＭに実現されたシステムを示す概念図である。 絞り部のスリット幅が狭くなるほど、より精密なエネルギー分解能が得られることを示す、スリット間隔によるエネルギー分解能の関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの絞り部に対する（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置が、ＥＥＬＳとＴＥＭに実現されたシステムを示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの絞り部に形成されたスリットの配列を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、電子線ビームの分布方向に応じてエネルギー選択スリットの位置アラインメントを示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、スリットを備えたモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、円形スリットとエネルギー選択スリットを各１列ずつ配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、１列の円形スリットおよび複数の列から構成されたエネルギー選択スリットを並んで配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、複数の円形スリットおよび複数の列から構成されたエネルギー選択スリットを並んで配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置において、エネルギー選択スリットが第１電極部を通過した電子ビームの中心部にアラインメントされた状態のモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。 本発明の一実施形態に係る、ＳＥＭおよびＴＥＭに実現された、モノクロメーターを備えた電子線装置の試料観察部位を示す概念図である。
以下、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施できる程度に好ましい実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の詳細な説明に先立ち、以下に説明される本明細書および請求の範囲に使用された用語や単語は通常または辞書的な意味に限定して解釈されてはならない。したがって、本明細書に記載された実施形態と図面に示された構成は本発明の最も好ましい一実施形態に過ぎず、本発明の技術的思想をすべて代弁するものではないので、本出願時点においてこれらを代替できる多様な均等物と変形例があり得ることを理解しなければならない。
図１は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置が、ＥＥＬＳ（Electron Energy Loss Spectroscopy）８０とＳＥＭに実現されたシステムを示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた電子線装置は、電子源３９０と、前記電子源から放出された電子線を集束する第１透過レンズ１９０と、前記第１透過レンズを通過した電子線５０のエネルギーを予め定めた範囲に制限するモノクロメーターと、レンズ系８１０と、前記レンズ系に含まれるか、前記レンズ系とは別途に電子線を追加集束する第２透過レンズ２９０と、検出器８３１、８３２とを含む。前記電子源がレンズ系を通過した後、真空試料室９００内の試料ホルダ８６０上に置かれた試料８５０に走査されて放出する反射電子および二次電子は、前記検出器８３１、８３２で検出される。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターは、複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１と、複数のダミースリット２０と、複数の円形スリット１１とを備えた絞り部６０と、スリットを切り替えるために絞りの位置を移動調整する位置調整部８６１とを含む。本発明の一実施形態において、前記ＥＥＬＳ８０は、ＥＥＬＳ用絞り部６２と、電子検出器８３０とを備える。本発明の一実施形態において、前記電子源、前記真空試料室、および前記レンズ系は、真空ポンプＰ１、Ｐ２を介して真空を排気するか、維持する。前記電子線装置は、電気的制御装置９１０および制御用コンピュータ９２０により制御する。
本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターは、前記電子線の入射方向ｚに垂直な平面ｘｙをなす複数の電極から構成されるが、前記複数の電極は、前記入射方向ｚと平行に形成された長方形開口部を備え、前記電極に電圧が印加されると、前記長方形開口部が形成した電場の静電レンズの作用により、前記入射方向の中心軸ｘ０ｙ０に沿って入射する電子が、前記長方形開口部の短辺Ｓｘの方向ｘに、エネルギー分布に応じて互いに異なる位置５０１、５０２、５０３に偏向されて前記入射方向と平行に進むようにする第１電極部９０と、前記偏向されて進む電子線のうち予め定めたエネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に属する粒子のみを、予め定めた偏向位置範囲（ｘ、ｘ＋Ｓｘ）で選択的に通過させるように、偏向される方向と短辺Ｓｘの方向ｘとが一致するように形成された複数の長方形エネルギー選択スリット５０３、１２０、１２１、位置選定のための複数のダミースリット２０、および複数の円形スリット１１を備える絞り部６０と、偏向されて進む電子線のエネルギーに応じてスリットの位置を移動調整する位置調整部８６１とを含む。
前記第１電極部は、長方形開口部が並んで配列された複数の電極から構成され、前記長方形開口部の長辺をｙ軸とし、短辺をｘ軸とした時、入射する電子線は、ｘ軸の原点から予め定めた微小距離δｘ分移動し、ｙ軸は移動しない原点に入射する。すなわち、前記第１電極部に入射する電子線は偏向されて入射し、開口部が形成する電位の中心から外れた位置に入射し、ｘ方向に偏向力を受けることになる。この時、長方形開口部の短辺の方向であるｘ方向に移動したので、長辺の方向であるｙ方向には軌跡の変化がなく、ｘ方向には軌跡を変更しながらエネルギーごとに荷電粒子線が分離されて進む。
すなわち、長方形開口部が並んで配列された複数の電極である第１電極部を通過した電子線がなすビームは、中心部エネルギーＥ０の電子線５００と、中心部エネルギーより小さい値Ｅ０−δＥのエネルギー電子線５０１、および中心部エネルギーより大きい値Ｅ０＋δＥのエネルギー電子線５０２に分離されて進む。この時、前記絞り部６０のエネルギー選択スリット５０３を前記中心部エネルギーＥ０の電子線５００にアラインメントして、均一なエネルギーを有する電子線のみ選択的に通過させるようにする。アライメントとは、前記電子線５００の分布とスリット５０３の位置、角度を一致させる調整を意味する。平行状態表示７００は電子線５００の分布の方向とスリット５０３の角度が一致していることを示している。このようなアラインメントは、前記スリットの位置を移動調整する位置調整部８６１を調整して行う。
図２は、絞り部のスリット幅が狭くなるほど、より精密なエネルギー分解能が得られることを示す、スリット間隔によるエネルギー分解能の関係を示すグラフである。スリットの幅を狭くするほど、電子線のエネルギー均一度を高めることが可能である。本発明の一実施形態において、前記絞り部のスリット幅を狭く形成するために、前記スリットは、中心層２３の上面２１および下面２２に金属薄膜を形成した薄膜層に形成するが、前記中心層の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭素（Ｃ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）またはモリブデン（Ｍｏ）で厚さが２０ｎｍ〜５００μｍであり、前記金属薄膜の材質は白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）で厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記円形スリット１１の径は１０ｎｍ〜５００μｍであり、前記長方形のエネルギー選択スリットの短辺Ｓｘの長さは５０ｎｍ〜１００μｍであり、長辺Ｓｙの長さは１００ｎｍ〜１０００μｍに形成する。
図３は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの絞り部の連結構造５に対する（ａ）平面図および（ｂ）断面図である。本発明の一実施形態において、前記絞り部は、前記薄膜層を支持するホルダ３０と、前記ホルダを位置調整部８６１に連結する支持部３１と、前記位置調整部８６１を前記絞り部設置装置に固定するベース３３とを含み、前記位置調整部８６１は、前記偏向される方向ｘ、または前記偏向される方向と垂直方向（ｙ）に前記スリットの移動を可能にする。前記絞り部の前記薄膜層に絞り部のスリット１が形成され、前記薄膜層は中心層を基準に金属薄膜をコーティングし、絞り部のコーティング層断面２を観察すると金属薄膜が中心層の両側で互いに対称して位置する。本発明の一実施形態において、前記ホルダ３０は、電子線装置の鏡筒（column）に鏡筒結合部３２を介して連結される。また、前記ホルダ３０は、ホルダ結合部３００を用いて前記支持部３１に固定される。
図４は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置が、ＥＥＬＳとＴＥＭに実現されたシステムを示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた電子線装置は、電子源３９０と、前記電子源から放出される電子線５０のエネルギーを予め定めた範囲に制限するモノクロメーターと、レンズ系８１０と、ＳＴＥＭ（Scanning Transmission Electron Microscopy）用検出器８３３と、ＴＥＭ用検出器８４０と、スクリーン８３４とを含む。前記電子源がレンズ系を通過した後、真空試料室内の試料ホルダ８６０に位置した試料８５０を透過する透過電子は、前記ＳＴＥＭ用検出器８３３および／または前記スクリーン８３４で検出される。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターは、複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１、複数のダミースリット２０、および複数の円形スリット１１とを備えた絞り部６０と、スリットを切り替えるために絞りの位置を移動調整する位置調整部８６１とを含む。本発明の一実施形態において、前記ＥＥＬＳ８０は、ＥＥＬＳ用絞り部６２と、電子検出器８３０とを備える。本発明の一実施形態において、前記電子源、前記真空試料室、および前記レンズ系は、真空ポンプＰ１、Ｐ２を介して真空を排気するか、維持する。前記電子線装置は、電気的制御装置９１０および制御用コンピュータ９２０により制御する。
図５は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの絞り部に形成されたスリットの配列を示す概念図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る、電子線ビームの分布方向に応じてエネルギー選択スリットの位置アラインメントを示す概念図である。本発明の一実施形態に係る前記ホルダ３０、前記支持部３１、前記位置調整部８６１、および前記ベース３３の接続面は、それぞれ前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向に対する角度範囲が１度以内である。すなわち、前記ホルダ、前記支持部、前記位置調整部、および前記ベースを調整して、前記スリットと前記第１電極部の長辺方向の角度の誤差範囲は１度以内とならなければならない。
図７は、本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、スリットを備えたモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。複数のスリットを備えた形態を示す。本発明の一実施形態に係る前記複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１は、同一の大きさまたは異なる大きさで、前記電子線が偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘと直交する長辺Ｓｙの方向ｙに予め定めた間隔Ｌｙ分離れて配列されることが好ましい。また、前記直交する長辺Ｓｙの方向ｙに沿って配列される予め定めた間隔Ｌｙは、前記第１電極部に入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸ｘ０ｙ０に入射させる入射絞り６１の開口部の径より大きいことが好ましい。
図８は、本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、円形スリットとエネルギー選択スリットとを各１列ずつ配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。本発明の一実施形態に係る前記複数の円形スリット１１は同一大きさまたは互いに異なる大きさであり、前記複数の円形スリット１１は、前記複数の長方形スリット１２０、１２１から前記偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘに予め定めた距離Ｍｘ分離隔して並んで配列される。本発明の他の実現形態に係る前記複数の円形スリット１１は、前記入射方向の中心軸x０と一致する位置に配列される。本発明の一実施形態において、前記エネルギー範囲Ｅ、Ｅ＋ΔＥに制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして、電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上に一致する位置に配置された前記複数の円形スリット１１のうちの１つを用いて試料に電子線を照射することになる。
図９は、本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、１列の円形スリットおよび複数の列から構成されたエネルギー選択スリットを並んで配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図であり、図１０は、本発明の一実施形態に係る、入射絞り部の電子線エネルギー分布と、複数の円形スリットおよび複数の列から構成されたエネルギー選択スリットを並んで配列したモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１は、同一の大きさで前記電子線が偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘ、および前記偏向される方向と直交する方向ｙに沿ってそれぞれ予め定めた間隔Ｌｘ、Ｌｙで配列され、前記直交する方向ｙに沿って配列される予め定めた間隔Ｌｙは、入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸ｘ０ｙ０に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい。本発明の他の実施形態において、前記複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１は、複数の同一大きさおよび複数の互いに異なる大きさを含み、前記複数の同一の大きさを有するスリットは、電子線が偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘに沿って予め定めた間隔Ｌｘで配列され、前記複数の互いに異なる大きさを有するスリットは、前記偏向される方向ｘと直交する方向ｙに沿って予め定めた間隔Ｌｙで配列され、前記直交する方向ｙに沿って配列される予め定めた間隔Ｌｙは、入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸ｘ０ｙ０に入射させる入射絞り６１の開口部の径より大きくなる。
本発明の一実施形態において、前記複数のダミースリット２０は２つであり、前記偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘの中心位置から、前記偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘと直交する方向ｙの両縁にそれぞれ１つずつ位置する。本発明の他の実施形態において、前記複数の円形スリット１１は、同一大きさまたは互いに異なる大きさであり、前記円形スリット１１は、前記偏向される方向である短辺Ｓｘの方向ｘと直交する方向ｙに沿って配列されるか、前記直交する方向ｙの両縁に位置する。また、本発明の電子線装置は、前記エネルギー範囲Ｅ、Ｅ＋ΔＥに制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上に一致する位置に配置された前記複数の円形スリット１１のうちの１つを用いて試料に電子線を照射する。さらに、前記エネルギー選択スリット５０３の長辺の方向は、前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向と互いにずれる角度範囲が１度以内となるようにアラインメントされる。
図１１は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置において、エネルギー選択スリットが第１電極部を通過した電子ビームの中心部にアラインメントされた状態のモノクロメーターの絞り部を示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記電子線装置は、前記絞り部の後段に、前記エネルギー選択スリットを通過した電子ビームの入射方向ｚと平行に形成された開口部を備えた複数の電極から構成された電極に電圧が印加されると、開口部の電界が前記エネルギー選択スリットを通過した電子線を、元の位置である前記入射方向の中心軸ｘ０ｙ０に偏向させる第２電極部９１を含み、前記第２電極部の位置は、前記絞りを中心として前記第１電極部に対称である。
図１２は、本発明の一実施形態に係る、ＳＥＭおよびＴＥＭに実現された、モノクロメーターを備えた電子線装置の試料観察部位を示す概念図である。本発明の電子顕微鏡は、電子線装置の光学系８１１において試料入射電子線５２を試料に入射させる。前記入射した電子線の作用により、ＳＥＭの場合は試料室の試料から出た二次電子５４を二次電子検出器８３３で検出し、ＴＥＭの場合は試料室の試料を透過した電子線５３を拡大投影するスクリーン８３５を介して拡大像を観察する。
本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた電子線装置は、電子線損失分光装置として使用可能である。また、本発明の一実施形態に係るモノクロメーターを備えた電子線装置を用いて、試料から放出された電子線のエネルギーを分析し、試料の元素分析、化学結合状態、Ｐｈｏｎｏｎ状態、Ｐｌａｓｍｏｎ状態を分析することが可能である。本発明の他の実施形態に係るモノクロメーターを備えた電子線装置は、ガス導入部を試料室に導入して、試料表面をエッチングする電子ビームエッチング装置として機能することができる。
以上、本願の例示的な実施形態について詳細に説明したが、本願の権利範囲はこれに限定されるものではなく、次の請求の範囲で定義している本願の基本概念を利用した当業者の様々な変形および改良形態もまた本願の権利範囲に属する。
本発明で使用されるすべての技術用語は、別に定義されない限り、本発明の関連分野における通常の当業者が一般的に理解するものと同じ意味で使用される。本明細書に参考文献として記載されるすべての刊行物の内容は本発明に導入される。
１ 絞り部のスリット
２ 絞り部のコーティング層断面
５ 絞り部の連結構造
１１ 円形スリット
２０ ダミースリット
２１ スリット上面の金属薄膜
２２ スリット下面の金属薄膜
２３ スリット中心層
３０ ホルダ
３１ 支持部
３２ 結合部
３３ ベース
５０ 電子線
５２ 試料入射電子線
５３ 試料透過電子線
５４ 二次電子
６０ 絞り部
６１ 入射絞り
６２ ＥＥＬＳ用絞り部
８０ ＥＥＬＳ(ElectronEnergy Loss Spectroscopy)
９０ 第１電極部
９１ 第２電極部
１２０、１２１ 長方形エネルギー選択スリット
１９０ 第１透過レンズ
２９０ 第２透過レンズ
３００ ホルダ結合部
３０１ ホルダガイド
３９０ 電子源
５００ エネルギーＥ０の電子線
５０１ エネルギーＥ０−δＥの電子線
５０２ エネルギーＥ０＋δＥの電子線
５０３ 絞り部のエネルギー選択スリット
７００ 平行状態表示
８１０ レンズ系
８１１ 光学系
８３０ 電子検出器
８３１、８３２ 検出器
８３３ ＳＴＥＭ用二次電子検出器
８３５ ＴＥＭ用スクリーン
８４０ ＴＥＭ用検出器
８５０ 試料
８６０ 試料ホルダ
８６１ 位置調整部
９００ 真空試料室
９１０ 電気的制御装置
９２０ 制御用コンピュータ
Ｐ１、Ｐ２ 真空ポンプ
本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであって、スリットが形成された絞り部に円形開口部をともに設けて、絞り部を交換することなく、電子線が通過する位置をスリットから開口部に変える位置移動だけで、モノクロメーターから一般光学系に切り替えることができ、絞り部に同一または異なる大きさのスリットを複数形成することで、電子ビームの通過による汚染でビーム電流が減少し不安定になる場合でも、絞り部位置移動だけで他のスリットを選択可能にして、ビーム電流の安定化を実現するモノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
また、前記絞り部の後段に、前記エネルギー選択スリットを通過した電子ビームの入射方向（ｚ）と平行に形成された開口部を備えた複数の電極から構成された電極に電圧が印加されると、開口部の電界が前記エネルギー選択スリットを通過した電子線を元の位置である前記入射方向の中心軸（ｘ０ｙ０）に一致するように偏向させる第２電極部を含み、前記第２電極部の位置は、前記絞りを中心に前記第１電極部とは対称である、モノクロメーターを備えた電子線装置を提供する。
図１は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターを備えた電子線装置が、ＥＥＬＳ（Electron Energy Loss Spectroscopy）８０とＳＥＭに実現されたシステムを示す概念図である。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターを備えた電子線装置は、電子源３９０と、前記電子源から放出された電子線を集束する第１転送レンズ１９０と、前記第１転送レンズを通過した電子線５０のエネルギーを予め定めた範囲に制限するモノクロメーターと、レンズ系８１０と、前記レンズ系に含まれるか、前記レンズ系とは別途に電子線を追加集束する第２転送レンズ２９０と、検出器８３１、８３２とを含む。前記電子源がレンズ系を通過した後、真空試料室９００内の試料ホルダ８６０上に置かれた試料８５０に走査されて放出する反射電子および二次電子は、前記検出器８３１、８３２で検出される。本発明の一実施形態において、前記モノクロメーターは、複数の長方形エネルギー選択スリット１２０、１２１と、複数のダミースリット２０と、複数の円形スリット１１とを備えた絞り部６０と、スリットを切り替えるために絞りの位置を移動調整する位置調整部８６１とを含む。本発明の一実施形態において、前記ＥＥＬＳ８０は、ＥＥＬＳ用絞り部６２と、電子検出器８３０とを備える。本発明の一実施形態において、前記電子源、前記真空試料室、および前記レンズ系は、真空ポンプＰ１、Ｐ２を介して真空を排気するか、維持する。前記電子線装置は、電気的制御装置９１０および制御用コンピュータ９２０により制御する。
前記第１電極部は、長方形開口部が並んで配列された複数の電極から構成され、前記長方形開口部の長辺をｙ軸とし、短辺をｘ軸とした時、入射する電子線は、ｘ軸の原点から予め定めた微小距離δｘ分移動し、ｙ軸は移動しない原点に入射する。すなわち、前記第１電極部に入射する電子線は開口部が形成する電位の中心から外れた位置に入射し、ｘ方向に偏向力を受けることになる。この時、長方形開口部の短辺の方向であるｘ方向に移動したので、長辺の方向であるｙ方向には軌跡の変化がなく、ｘ方向には軌跡を変更しながらエネルギーごとに荷電粒子線が分離されて進む。
図２は、絞り部のスリット幅が狭くなるほど、より良好なエネルギー分解能が得られることを示す、スリット間隔によるエネルギー分解能の関係を示すグラフである。スリットの幅を狭くするほど、電子線のエネルギー分解能を高めることが可能である。本発明の一実施形態において、前記絞り部のスリット幅を狭く形成するために、前記スリットは、中心層２３の上面２１および下面２２に金属薄膜を形成した薄膜層に形成するが、前記中心層の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭素（Ｃ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）またはモリブデン（Ｍｏ）で厚さが２０ｎｍ〜５００μｍであり、前記金属薄膜の材質は白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）で厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍであり、前記円形スリット１１の径は１０ｎｍ〜５００μｍであり、前記長方形のエネルギー選択スリットの短辺Ｓｘの長さは５０ｎｍ〜１００μｍであり、長辺Ｓｙの長さは１００ｎｍ〜１０００μｍに形成する。
図５は、本発明の一実施形態に係る、モノクロメーターの絞り部に形成されたスリットの配列を示す概念図であり、図６は、本発明の一実施形態に係る、電子線ビームの分布方向に応じてエネルギー選択スリットの位置と角度のアラインメントとを示す概念図である。本発明の一実施形態に係る前記ホルダ３０、前記支持部３１、前記位置調整部８６１、および前記ベース３３の接続面は、それぞれ前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向に対する角度範囲が１度以内である。すなわち、前記ホルダ、前記支持部、前記位置調整部、および前記ベースを調整して、前記スリットと前記第１電極部の長辺方向の角度の誤差範囲は１度以内とならなければならない。
１ 絞り部のスリット
２ 絞り部のコーティング層断面
５ 絞り部の連結構造
１１ 円形スリット
２０ ダミースリット
２１ スリット上面の金属薄膜
２２ スリット下面の金属薄膜
２３ スリット中心層
３０ ホルダ
３１ 支持部
３２ 結合部
３３ ベース
５０ 電子線
５２ 試料入射電子線
５３ 試料透過電子線
５４ 二次電子
６０ 絞り部
６１ 入射絞り
６２ ＥＥＬＳ用絞り部
８０ ＥＥＬＳ(Electron Energy Loss Spectroscopy)
９０ 第１電極部
９１ 第２電極部
１２０、１２１ 長方形エネルギー選択スリット
１９０ 第１転送レンズ
２９０ 第２転送レンズ
３００ ホルダ結合部
３０１ ホルダガイド
３９０ 電子源
５００ エネルギーＥ０の電子線
５０１ エネルギーＥ０−δＥの電子線
５０２ エネルギーＥ０＋δＥの電子線
５０３ 絞り部のエネルギー選択スリット
７００ 平行状態表示
８１０ レンズ系
８１１ 光学系
８３０ 電子検出器
８３１、８３２ 検出器
８３３ ＳＴＥＭ用二次電子検出器
８３５ ＴＥＭ用スクリーン
８４０ ＴＥＭ用検出器
８５０ 試料
８６０ 試料ホルダ
８６１ 位置調整部
９００ 真空試料室
９１０ 電気的制御装置
９２０ 制御用コンピュータ
Ｐ１、Ｐ２ 真空ポンプ

Claims (22)

  1. モノクロメーターを備えた電子線装置であって、
    前記装置は、電子源と、前記電子源から放出される電子線のエネルギーを予め定めた範囲に制限するモノクロメーターと、レンズ系と、検出器とを含み、
    前記モノクロメーターは、
    複数の長方形エネルギー選択スリットと、複数のダミー（ｄｕｍｍｙ）スリットと、複数の円形スリットとを備えた絞り（Ａｐｅｒｔｕｒｅ）部と、
    スリットを切り替えるために絞りの位置を移動調整する位置調整部とを含む、モノクロメーターを備えた電子線装置。
  2. 前記モノクロメーターは、
    前記電子線の入射方向（ｚ）に垂直な平面（ｘｙ）をなす複数の電極から構成されるが、前記複数の電極は、前記入射方向（ｚ）と平行に形成された長方形開口部を備え、前記電極に電圧が印加されると、前記長方形開口部が形成した電場の静電レンズの作用により、前記入射方向の中心軸（ｘ０ｙ０）に沿って入射する電子が、前記長方形開口部の短辺の方向（ｘ）にエネルギー分布に応じて互いに異なる位置に偏向され、前記入射方向と平行に進むようにする第１電極部と、
    前記偏向されて進む電子線のうち予め定めたエネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に属する粒子のみを、予め定めた偏向位置範囲（ｘ、ｘ＋Ｓｘ）で選択的に通過させるように、偏向される方向と短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）が一致するように形成された複数の長方形エネルギー選択スリットと、位置選定のための複数のダミースリットと、複数の円形スリットとを備える絞り部と、
    偏向されて進む電子線のエネルギーに応じてスリットの位置を移動調整する位置調整部とを含む、請求項１に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  3. 前記絞り部のスリットは、中心層の上面および下面に金属薄膜を形成した薄膜層に形成するが、
    前記中心層の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、炭素（Ｃ）、白金イリジウム（ＰｔＩｒ）またはモリブデン（Ｍｏ）で厚さが２０ｎｍ〜５００μｍであり、
    前記金属薄膜の材質は白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）で厚さは１０ｎｍ〜２００ｎｍであり、
    前記円形スリットの径は１０ｎｍ〜５００μｍであり、
    前記長方形エネルギー選択スリットの短辺（Ｓｘ）の長さは５０ｎｍ〜１００μｍであり、長辺（Ｓｙ）の長さは１００ｎｍ〜１０００μｍである、請求項２に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  4. 前記絞り部は、前記薄膜層を支持するホルダ（holder）と、
    前記ホルダを位置調整部に連結する支持部（support）と、
    前記位置調整部を前記絞り部設置装置に固定するベース（Base）とを含み、
    前記位置調整部は、前記偏向される方向（ｘ）、または前記偏向される方向と垂直方向（ｙ）に前記スリットの移動を可能にする、請求項３に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  5. 前記ホルダ、前記支持部、前記位置調整部、および前記ベースの接続面は、
    それぞれ前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向に対する角度範囲が１度以内である、請求項４に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  6. 前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、同一大きさまたは異なる大きさで、前記電子線の偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する長辺（Ｓｙ）の方向（ｙ）に予め定めた間隔（Ｌｙ）分離れて配列される、請求項２に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  7. 前記直交する長辺（Ｓｙ）の方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、
    前記第１電極部に入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、請求項６に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  8. 前記複数の円形スリットは、同一の大きさまたは互いに異なる大きさであり、
    前記複数の円形スリットは、前記複数の長方形エネルギー選択スリットから、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）に予め定めた距離（Ｍｘ）分離隔して並んで配列された、請求項６に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  9. 前記複数の円形スリットは、前記入射方向の中心軸x０と一致する位置に配列される、請求項６に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  10. 前記エネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上に一致する位置に配置された前記複数の円形スリットのうちの１つを用いて試料に電子線を照射する、請求項８または９に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  11. 前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、同一の大きさで、前記電子線が偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）、および前記偏向される方向と直交する方向（ｙ）に沿ってそれぞれ予め定めた間隔（Ｌｘ、Ｌｙ）で配列され、
    前記直交する方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、
    入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、請求項２に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  12. 前記複数の長方形エネルギー選択スリットは、複数の同一の大きさおよび複数の互いに異なる大きさを含み、
    前記複数の同一の大きさを有するスリットは、電子線が偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）に沿って予め定めた間隔（Ｌｘ）で配列され、
    前記複数の互いに異なる大きさを有するスリットは、前記偏向される方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）に沿って予め定めた間隔（Ｌｙ）で配列され、
    前記直交する方向（ｙ）に沿って配列される予め定めた間隔（Ｌｙ）は、
    入射する電子線の電流分布を予め定めた大きさに制限して、前記中心軸（ｘ０ｙ０）に入射させる入射絞りの開口部の径より大きい、請求項２に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  13. 前記複数のダミースリットは２つであり、
    前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）の中心位置から、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）の両縁にそれぞれ１つずつ位置する、請求項２に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  14. 前記複数の円形スリットは、同一の大きさまたは互いに異なる大きさであり、
    前記円形スリットは、前記偏向される方向である短辺（Ｓｘ）の方向（ｘ）と直交する方向（ｙ）に沿って配列されるか、前記直交する方向（ｙ）の両縁に位置する、請求項２、１１、および１２のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  15. 前記電子線装置は、
    前記エネルギー範囲（Ｅ、Ｅ＋ΔＥ）に制限しない場合、前記第１電極部に印加される電圧をＯＦＦにして電子線を偏向させずに直進させ、前記入射方向の中心軸x０の延長線上にある一致する位置に配置された前記複数の円形スリットのうちの１つを用いて試料に電子線を照射する、請求項１４に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  16. 前記絞り部の長方形エネルギー選択スリットの長辺の方向は、前記第１電極部の前記長方形開口部の長辺の方向と互いにずれる角度範囲が１度以内となるようにアラインメントされた、請求項２〜９、および１１〜１３のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  17. 前記電子線装置は、
    前記絞り部の後段に、前記エネルギー選択スリットを通過した電子ビームの入射方向（ｚ）と平行に形成された開口部を備えた複数の電極から構成された電極に電圧が印加されると、開口部の電界が前記エネルギー選択スリットを通過した電子線を、元の位置である前記入射方向の中心軸（ｘ０ｙ０）に偏向させる第２電極部を含み、
    前記第２電極部の位置は、前記絞りを中心として前記第１電極部に対称である、請求項１〜９、および１１〜１３のいずれか１項に記載のモノクロメーターを備えた電子線装置。
  18. 請求項１７に記載のモノクロメーターを用いた、電子線損失分光装置（ＥＥＬＳ）。
  19. 請求項１７に記載の電子線装置を用いて試料に電子線を集束し、
    試料の表面で発生する二次信号を感知し、
    試料室の試料表面の画像を観察する、走査型電子顕微鏡。
  20. 請求項１７に記載の電子線装置を用いて試料室の試料を透過した電子線を拡大投影するスクリーンを介して、
    前記透過電子線によって試料の拡大像を結像する、透過電子顕微鏡。
  21. 請求項１７に記載の電子線装置を用いて試料から放出された電子線のエネルギーを分析し、
    試料の元素分析、化学結合状態、Ｐｈｏｎｏｎ状態、Ｐｌａｓｍｏｎ状態を分析する、モノクロメーターを備えた電子線装置。
  22. 請求項１７に記載の電子線装置を用いて、ガス導入部が備えられた試料室内の試料表面をエッチングする、電子ビームエッチング装備。
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