JP3942108B2 - 二次電子用検出器を具えた粒子‐光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、装置の光学軸に沿って伝播する荷電粒子の一次ビームを発生するための粒子源を具え、ビームによって試験されるべき標本（被検体）を走査するために配設されて、中に標本が配置されるべき範囲の付近にビーム焦点を形成するための焦点調節装置を具えた、粒子−光学装置に関連しており、前記の焦点調節装置はレンズ磁界が光学軸に沿って互いに対して偏移されたギャップレンズと単極レンズとの組み合わせとして構成され、且つ標本から発生する荷電粒子を検出するための検出装置を設けられ、少なくとも前記検出装置の一部は焦点調節装置内に置かれている。
この種類の装置は、1990年２月２日に特願平2-24336号で出願され、特開平3-230464号として1991年10月14日に公開された日本特許出願から既知である。
この日本特許出願に記載された装置は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）である。この種類の顕微鏡は標本を横断して電子焦点を走査することにより標本の電子光学画像を形成するために用いられる。この既知の装置は電子焦点を形成するための焦点調節装置を具えており、その焦点調節装置は普通の磁気ギャップレンズと磁気単極レンズとの組み合わせにより形成されている。
普通のギャップレンズにおけるレンズ磁界はそのレンズの鉄回路内のギャップにより通常のようにして発生され、単極レンズにおけるレンズ磁界もレンズの鉄回路の端部とそれの付近、特に装置内で試験されるべき標本との間に既知のようにして発生される。普通のレンズのレンズ磁界はこの既知の装置においては単極レンズのレンズ磁界の上方に位置する。
単極型のレンズは標本と対向する端部が光学軸の周りに回転対称に配置されている漏斗として形成された鉄回路を有している。磁界がその漏斗の最も細い部分の領域で磁極材料から発散するように、レンズコイルがこのレンズを励磁する。従って、この領域に所望のレンズ効果が得られ、これにより電子レンズの磁極材料が無い環境においてレンズ効果を生じると言うこの種類のレンズの既知の利点が得られる。それでこのレンズは、標本を横断してレンズにより形成される電子焦点を走査することにより、標本の電子光学画像を作るために用いられ得る。この種類のレンズはかくして走査電子顕微鏡に普通に用いられている。ここで、試験されるべき標本は、例えば漏斗形のレンズ磁極の端部から１mmの距離において、レンズ磁極に対して厳密に配置される。
走査電子顕微鏡における電子ビームの加速電圧は、試験されるべき標本の性質に依存して選択される。この加速電圧は、一次電子ビームにより標本が帯電されるのを可能な限り多く阻止するために、（１kVの程度の大きさの）比較的低い値にする必要がある。例えば集積電子回路内の電気的絶縁層の研究の間、あるいは所定の生物学的標本の場合にこれは起こり得る。しかしながら、その他の標本は、例えば30kVの程度の大きさのより高い加速電圧を必要とする。これらの高い加速電圧では、ギャップレンズの（１nmの程度の大きさの）分解能で充分であるが、この種類のレンズの色収差が前記の低い加速電圧の場合の分解能を低下させることは、ギャップレンズの既知の特性である。そのような低い加速電圧に対しては、適切な（この場合も１nmの程度の大きさの）分解能を提供する単極レンズが必要である。
走査電子顕微鏡においては、通常、一次電子ビームにより標本内に放出される（５〜50eVの程度の大きさの）低いエネルギーの研究用の二次電子により、標本が観察される。これらの低エネルギーの電子が検出器の方向に加速される。標本まで延在する磁界を発生する単極レンズが用いられる場合には、標本の付近において、電子が標本を離れる領域で標本へ接している磁界線を囲むように、これらの電子が螺旋状の運動を実行する。しかしながら、単極レンズ内に検出器が配置された場合には、単極レンズ内の点から出発する磁界線に沿って伝播した二次電子のみが検出器に到達し、すべての他の二次電子は検出器によって「見られ」ない。この効果によって、単極レンズを具えている電子顕微鏡の視野は１mmの自由動作距離の場合にほぼ0.1×0.1mm²に制限される。この単極レンズの小さい視野によって、（数mm²の視野を有する）ギャップレンズの使用が、低い加速電圧の場合には大切であり、大きい視野によって試験されるべき標本の領域を選択することがそれで可能であり、その後この領域が（高い分解能の）単極レンズによって詳細に研究され得る。かくして一つの焦点調節装置を形成するように単極レンズと普通のギャップレンズとの組み合わせが、所定の標本に対する所望の加速電圧の選択を可能にする。従って、顕微鏡の使用者は、装置のいかなる変更をも行う必要なしに（特に標本の垂直方向の位置を変える必要なしに）ギャップレンズを消磁できるとともに単極レンズを励磁しうる。
この焦点調節装置の別の利点は、それが二次電子用の検出器を収容するための空間を提供することにある。それでレンズ側において標本から発散する二次電子は、この組み込み検出器により観察され得る。
既知の走査電子顕微鏡においては、二次電子用の検出器はギャップレンズのレンズ磁界の上と同時に単極磁界の上に取り付けられる。検出器のこの配置は以下に記載される欠点を有している。
一次ビームにより標本から放出された二次電子は、標本面に対して45°の角度に対して最大値を有する方向性分布を表すのに対して、二次電子の非常に小さい一部分のみがこの面に垂直な方向に発散する。（二次電子の方向的依存性の更に詳細な記載に対しては、L.Reimerによる書籍「Scanning Electron Microscopy」（特に第186頁）、Spriger Verlag, 1985, ISBN 3-540-13530-8.を参照されたい。
レンズと検出器との既知の形態の欠点は、電子が検出器へ到達するためにギャップレンズのレンズ磁界を通過しなくてはならぬことにより生じる。このレンズのみが励磁条件にある場合には、すなわち電子ビームがこのレンズにより標本上に合焦される場合には、このレンズのレンズ磁界は比較的強くなり、標本の範囲における磁界はその数十分の一に弱くなるかあるいはすべての実際の目的に対しては実質的に零に等しいとさえ考えられ得る。外部電子（すなわち磁界強度が非常に低い標本からの電子）がレンズ磁界内へ加速される場合、光学軸にほぼ平行に伝播する電子のみがレンズ磁界を実際に横断し得る。すべての他の電子はレンズ磁界内へ帰るように強制され且つ、それ故に、検出器へは到達しない。この現象は磁気びん効果として既知である。（この現象のもっと詳細な説明に対しては、「Advances in Optical and Electron Microscopy」Vol. 12, ISBN 0-12-029912-7, 1991, Academic Pres Ltd,内のP. Kruitによる発表「Magnetic Through-the-lens Detection in Electron Microscopy, part I」特に第１章「Introduction」及び関連する第１図を参照されたい。）従って、二次電子の場合には、標本面から垂直方向に発散された電子のみが、検出器へ到達するようにレンズ磁界を横断できる。前述したように、これらの電子は総数の二次電子のうちのわずかな部分のみであり、検出効率はこの現象のために非常に低くなる。
非常に高い検出効率が達成され得る前述の種類の装置を提供することが本発明の目的である。
この目的のために、本発明の第１態様によると、その装置は実質的に無磁界空間がレンズ磁界の間に存在し、且つ焦点調節装置内に置かれた検出装置の部分が検出装置内へ標本から発生する粒子を偏向させるための偏向ユニットを具えており、該偏向ユニットは無磁界空間内に配設されることを特徴としている。
検出ユニットは無磁界空間内に配設されるので、レンズ磁界と偏向磁界とは相互に妨害しない。二次電子はもはやギャップレンズのレンズ磁界を横断する必要がないので、焦点調節装置へ入る全部の電子がまったく偏向ユニットにより検出装置内の検出器へ輸送され得る。そのような偏向ユニットは、例えば互いに等しい大きさで反対方向の磁界強度の２個の積層された静電双極子の装置により形成しうる。そのような装置は、一次ビームがそれにより影響されないか又はほとんど影響されないと言う利点を提供する。（この点に関しては本出願人により先に出願された国際出願IPC/IB95/00142を参照されたい。）
本発明の第２の態様によると、この装置は、実質的に無磁界空間がレンズ磁界の間に存在し、且つ焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分が、検出できる信号へ二次電子の流れを変換するために対称軸線を有する板形状の検出器を具えており、その検出器は一次ビームの通過を許容するための中央開口を設けられ、且つそれの対称軸線が光学軸と一致するように無磁界空間内に配置されることを特徴としている。
板形状の検出器は平らな板あるいは、例えば円錐状に曲げられた板として形成してもよい。円錐状に形成された検出器は、例えば検出器面が、一般的に言って、これも円錐状である単極レンズの外部形状に適合されねばならぬ場合に必要である。検出器が平らな板として形成された場合には、いわゆるチャネル板を検出器に対して、すなわち電気光学変換器が後続するシンチレーター結晶に対して使用し得る。この場合、これらの検出素子はそれらの対称軸線が光学軸と一致するように配置し得る。しかしながら、これら素子には、一次ビームの邪魔されない通過を許容するように開口を設ける必要がある。シンチレーター検出器は、検出器面が円錐状でなくてはならぬ場合にも用いられ得る。焦点調節装置内にそれ自体が配置される検出器が使用される場合には、焦点調節装置の壁を通る通路は必要ないかあるいはほとんど必要ない。細い、電源及び信号用の電線のみがこの検出器を運転するために必要である。これらの電線は、これらが焦点調節レンズ磁界を妨害しない位置に設けた最小寸法の開口を通し得る。
前記の日本特許文献がギャップレンズと単極レンズとの間に検出器を配置する可能性を論じていることは注目されるべきである。しかしながら、この可能性は磁束密度が単極レンズの端部の付近において高いと言う事実に基づいて無条件に受け入れられるものではない。その理由は、検出器のための穴を設けることにより、装置の画質に悪影響を及ぼす「不正軸」を引き起こす比対称の磁界を生じるおそれがあるからである。上述した可能性が受け入れられないということと、この位置決め方法の可能性に関する前記の日本特許文献における開示とが相俟って、当業者がこの日本特許文献の技術的教示を実行することを思いとどまらせている理由となるものである（欧州特許庁審決No.T26/85）。
本発明の別のステップに従って、この装置は、検出装置の通路用の穴が焦点調節装置の壁内に設けられ、この壁には少なくとも１個の別の穴が設けられ、これらの穴はその壁の円周上に対称に分配されていることを特徴としている。
検出器用の穴により単極レンズの磁界が依然として妨害されるおそれがある場合には、この問題は、多数の追加の孔を壁に設け、壁の厚さはこれらの孔の付近においてさえも磁気飽和が起こり得ないように選択することにより回避される。このステップは、所望の回転対称磁界上に多極磁界（ｎ極磁界）が重畳され、その効果が光学軸の近くでは１／ｎに減少すると言う思想に基づいている。
ギャップレンズと単極レンズとの間の無磁界空間は、焦点調節装置にギャップレンズのレンズ磁界を遮蔽するための遮蔽板を設け、該遮蔽板はギャップレンズのレンズ磁界と検出器の偏向ユニットとの間に配置し且つこの遮蔽板には光学軸の領域において穴を設け、該穴がギャップレンズ内の穴の直径よりも小さい直径を有するようにする本発明による他のステップに従って達成され得る。
本発明による更に他のステップに従って、この装置は、焦点調節装置が光学軸の領域で開口を有する漏斗形状端部を具え、前記開口の付近に標本の電位に対して正である電位を生じる誘引電極が配設されていることを特徴としている。
所定の環境（例えば、ギャップレンズが励磁され且つ同時に端部における開口が比較的小さい断面を有する場合）において、不充分な数の二次電子しか焦点調節装置へ入らない場合には、誘引電極が検出装置に対する二次電子の「歩留り」の増大に寄与できる。
この誘引電極は、その軸線が焦点調節装置の開口の軸線と一致する漏斗として形成するのが有利であることを実験により確かめた。
本発明のこれらの及びその他のより詳細な観点を、図面を参照して説明する。
図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の円柱２の一部の形態で粒子光学装置を示している。通例のように、この装置において電子のビームが（図には示されていない）電子源により作りだされ、そのビームがこの装置の光学軸４に沿って伝播する。この電子ビームは、集光レンズ６のような１個以上の電磁レンズを通過でき、その後そのビームは焦点調節装置８に到達する。図２及び３を参照して以下に詳細に説明するこの焦点調節装置は磁気回路の一部を成し、この磁気回路は標本室12の壁10によっても形成されている。焦点調節装置８は、標本14が走査される電子ビーム焦点を形成するために用いられる。走査は、焦点調節装置内に設けられた走査コイル16によって、ｙ方向と同時にｘ方向に、標本を横断して電子ビームを動かすことにより実行される。標本14は、ｘ方向移動のための支持体20とｙ方向移動のための支持体22とを具えている標本台18上に収容されている。標本の所望の領域がこれらの２個の支持体によって試験のために選択され得る。標本台18は、所望された場合に、標本を傾けるための傾斜装置24も具えている。標本からは、焦点調節装置８の方向に戻る方向に移動する二次電子が放出される。これらの二次電子は、以下に記載するようにこの焦点調節装置内に収容された検出装置26，28により検出される。検出装置からは、例えば陰極線管（図には示されていない）によって、標本の画像を形成するために用いられ得る信号が取出される。
図２及び３は図１に示されたような装置に用いるための焦点調節装置８をより詳細に示している。これらの図面の斜線部分は、光学軸４を中心に回転対称に置かれている。この焦点調節装置はギャップレンズと単極レンズとから成っている。このギャップレンズはギャップ34を有する鉄回路30により形成されている。磁気レンズ磁界はコイル32の励磁により既知のようにしてギャップ34の領域に発生され、この場合にはコイル46はスイッチオンされない。焦点調節装置８は単極レンズとしても励磁され得る。その場合にはコイル32が励磁されずに、電流がコイル46へ供給される。その場合には磁界線が鉄部分31から、漏斗形状端部36を介して、磁極先端38へ延びる。この磁極先端から磁界線が（この図には示されていない）標本を横切って、その後磁界線は、例えば標本室12の壁10を介して、鉄部分31へ戻る。このようにして焦点調節装置が励磁される場合には、レンズ磁界は磁極先端38の直下に位置する。
ギャップレンズのギャップ34の領域におけるレンズ磁界と単極レンズのレンズ磁界との間に、ギャップレンズのレンズ磁界を遮蔽するための遮蔽板44を設けられている。この遮蔽板には一次ビームを通過させるために光学軸４の領域に開口45が設けられている。かくして検出装置の部分を配置し得る無磁界空間53が形成される。
焦点調節装置８の端部すなわち磁極先端38は、一次ビームと二次電子とを通過させるための穴40を有する漏斗として形成されている。特にギャップレンズにより一次ビームを焦点調節する場合には、充分に高い歩留りで焦点調節装置内へ二次電子を導入するために、漏斗形状の誘引電極42が設けられている。この電極は、二次電子を開口である穴40内へ移動させるのに充分に高い静電位を受ける。この誘引電極は、光学軸から比較的遠い距離から発生する二次電子をも依然として検出器の範囲内へ移動させ得ると言う利点も提供する。コンピュータシミュレーションによれば、１×１mm²の画像視野を標本上に実現でき、二次電子の80％が依然としてこの画像視野の縁において検出されることが確かめられた。
図２においては、焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分が静電双極子磁界の組立品52により形成されている。この組立品が標本からの粒子を検出装置内へ偏向するための偏向ユニットを構成している。好適な実施例においてはこれらの双極子磁界が３個の静電双極子54，56及び58により発生される。この場合、中央双極子が光学軸の領域で他の２個の双極子54及び58の磁界の２倍強い磁界を発生する。この形態が一次ビームにほとんど影響しないのに対して、標本から発生する二次電子は双極子58の磁界により、通路60を介して、実際の検出器62へ効率よく案内される。その通路60は焦点調節装置８の漏斗形状端部36の壁内の開口48を介して延在している。磁極先端38の領域でのレンズ磁界が開口の存在により影響されるのを防止するために、更に多くの（なるべく同じ大きさの）孔50を対称に分布されるように漏斗形状端部36の円周に設け得る。この場合、これらの孔の領域での材料の厚さは、焦点調節装置の動作中に磁気飽和が生じ得ないように選ばれねばならない。実際には４個の孔の数がレンズ磁界の妨害を防止するのに充分であることを確かめた。
図３における焦点調節装置内に置かれている検出装置の部分は、チャネル板66と実際の検出器、例えばシンチレーター又は陽極ターゲット板との組立品により形成されている。この場合、二次電子の実際の検出は完全に焦点調節装置８内で行われるので、偏向された二次電子に対しては通路は必要ない。検出器の励起のため及び壁を通り信号を抽出するために電気導体を通過させることがせいぜい必要であろう。しかしながら、これらの導体は非常に細いので、比較的小さい孔がこの目的を満たす。もし必要ならば、これらの導体は異なるように、例えばレンズコイル32に沿って導くようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、焦点調節装置と検出器とが本発明に従って配置された粒子−光学装置を図式的に示しており；
図２は、検出器用の偏向コイルが無磁界空間内に配置されている走査電子顕微鏡用の焦点調節装置の断面図であり；
図３は、板状検出器が無磁界空間内に配置されている走査電子顕微鏡用の焦点調節装置の断面図である。

Claims (5)

1. 粒子−光学装置であって、該粒子−光学装置は、
   該粒子−光学装置の光学軸に沿って伝播する荷電粒子の一次ビームを発生するとともにこの一次ビームによって試験されるべき標本を走査するように配置された粒子源と、
   前記標本が配置されるべき領域の近くにビーム焦点を形成する焦点調節装置とを具えており、前記焦点調節装置はギャップレンズ及び単極レンズの組み合わせとして構成され、前記ギャップレンズ及び前記単極レンズの磁界は、前記光学軸に沿って互いにシフトされており、前記焦点調節装置には、前記標本から発生する荷電粒子を検出するための検出装置が設けられ、この検出装置の少なくとも一部は、前記焦点調節装置内に位置している当該粒子−光学装置において、
   実質的に無磁界空間が、前記ギャップレンズの磁界と前記単極レンズの磁界との間に存在し、前記検出装置のうち前記焦点調節装置内に位置する部分は、前記標本から発生する粒子を前記検出装置中に偏向させる偏向ユニットを具え、前記偏向ユニットは前記無磁界空間内に配置され、前記単極レンズの壁には、前記検出装置の通路用の穴が設けられ、前記壁には、少なくとも１つの他の穴が設けられ、前記検出装置の通路用の穴及び前記他の穴は、前記壁の円周上に対称的に分布していることを特徴とする粒子−光学装置。
2. 粒子−光学装置であって、該粒子−光学装置は、
   該粒子−光学装置の光学軸に沿って伝播する荷電粒子の一次ビームを発生するとともにこの一次ビームによって試験されるべき標本を走査するように配置された粒子源と、
   前記標本が配置されるべき領域の近くにビーム焦点を形成する焦点調節装置とを具えており、前記焦点調節装置はギャップレンズ及び単極レンズの組み合わせとして構成され、前記ギャップレンズ及び前記単極レンズの磁界は、前記光学軸に沿って互いにシフトされており、前記焦点調節装置には、前記標本から発生する荷電粒子を検出するための検出装置が設けられ、この検出装置の少なくとも一部は、前記焦点調節装置内に位置している当該粒子−光学装置において、
   実質的に無磁界空間が、前記ギャップレンズの磁界と前記単極レンズの磁界との間に存在し、前記焦点調節装置内に位置する前記検出装置の部分は、前記標本から発生する荷電粒子の流れを検出可能な信号に変換する対称軸線を有する板状検出器を具え、この板状検出器には、一次ビームの通過を可能にする中央開口が設けられていると共に、この板状検出器は、その対称軸線が前記光学軸と一致するように前記無磁界空間内に配置されており、前記単極レンズの壁には、前記検出装置の通路用の穴が設けられ、前記壁には、少なくとも１つの他の穴が設けられ、前記検出装置の通路用の穴及び前記他の穴は、前記壁の円周上に対称的に分布していることを特徴とする粒子−光学装置。
3. 請求項１又は２に記載の粒子−光学装置において、前記焦点調節装置には、前記ギャップレンズのレンズ磁界を遮蔽する遮蔽板が設けられ、この遮蔽板は、前記ギャップレンズのレンズ磁界と、前記焦点調節装置内に位置する前記検出器の一部との間に配置され、前記遮蔽板には、前記光学軸を囲む穴が設けられ、この穴は、前記ギャップレンズの内径より小さい直径を有することを特徴とする粒子−光学装置。
4. 請求項１又は２に記載の粒子−光学装置において、前記焦点調節装置は、光学軸を囲む開口を有する漏斗状の端部を具え、前記開口の付近において、前記焦点調節装置内に少なくとも部分的に位置し、前記標本の電位に対して正である電位を受ける誘引電極が配置されていることを特徴とする粒子−光学装置。
5. 請求項４に記載の粒子−光学装置において、前記誘引電極が漏斗の形状に形成され、この漏斗の軸線が前記焦点調節装置の開口の軸線と一致していることを特徴とする粒子−光学装置。

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