JP4721821B2 - 走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡における信号検出方法 - Google Patents

Description

本発明は走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡における信号検出方法に関し、更に詳しくは非導電性試料の観察を行なう場合における走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡における信号検出方法に関する。

非導電性試料への電子ビーム照射による帯電が画像に与える影響は、帯電電位により２次電子の軌道が変えられ、画像に異常なコントラストが発生してしまうことである。このコントラストを少なくするには、場の影響を受けにくいエネルギーの高い電子を集める必要がある。

図５は従来装置の構成概念図である。図において、１は試料、２は該試料１を保持する試料ホルダである。３はセミインレンズ型の対物レンズである。ＥＢは試料に照射される電子ビーム、４は試料表面から放出される２次電子を検出する２次電子検出器である。該２次電子検出器４で検出された信号は、図示しない画像処理部で画像処理され、試料表面像が得られることになる。

セミインレンズタイプの磁場配置では、試料１上に非常に強い磁場が発生している。この時、試料１から放出される電子は、磁場と電子のエネルギーに関連した回転（ラーマ）運動をする。図中に示すらせん運動の軌跡がラーマ運動を示している。この時のラーマ半径ｒ_cは次式で表わされる。

ｒ_c∝ｖ／Ｂ
ここで、ｖは荷電粒子の速度、Ｂは磁束密度である。ここで、ラーマ半径はイオンが磁力線に巻き付いて回転する時の円の半径をいう。

上記式のラーマ半径の速度依存性から、図５に示すような位置に配置された２次電子検出器４には、小さい回転半径で回転してしまうエネルギーの低い電子は届かず、回転半径が大きいために直線的な軌道を持つことができるエネルギーの高い電子のみが２次電子検出器４に到達することができる。

図に示す装置のもう一つの特徴は、軌道が直線的であるため、放出角度が試料表面に対して小さい電子が検出される点である。一般的に、エネルギーの高い電子は、わずかな小角散乱で試料表面から放出される必要があるため、試料表面に対して放出角度の小さい電子は試料の浅い位置から放出される。このため、エネルギーが高く、放出角度が試料表面に対して小さい電子は試料表面の形状に依存した情報を持つことになる。

従来のこの種の装置としては、対物レンズ内に円筒状部材を設け、この円筒状部材の内側に、２次電子発生効率の高い面を設ける技術が知られている（例えば特許文献１参照）。また、インレンズタイプの対物レンズの電子源側に配置した検出器を有し、試料の面に対して小さな角度をなす方向に放出された反射電子を検出した試料像を形成する装置が知られている（例えば特許文献２参照）。
特開２００１−５７１７２号公報（段落００１４〜００２４、図１） 特開２００１−１１０３５１号公報（段落００１５〜００１９、図１）

低角度、高エネルギーの電子は、ほぼ直線的な運動をすると考えられるため、検出器の視野が作動距離（ワークディスタンス：ＷＤ）で決定されてしまう。ここで、低角度とは、試料１から電子が放出される角度のことをいい、例えば低角度であるとは試料から放出される電子の角度が試料よりわずかに立ち上がった角度をいう。つまり、試料からほぼ水平方向に反射されることになる。検出器の視野（作動距離）が短かくなれば、信号量が減るため像のコントラスト差が小さくなる。そこで、視野を大きくしようと作動距離を長くすると、ビームが絞れず高分解能での観察が困難になってしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、作動距離を短くした状態で低角度、高エネルギーの電子を集めることができる走査電子顕微鏡及び走査電子顕微鏡における信号検出方法を提供することを目的としている。

本発明では、試料の周囲に壁を作り、低角度、高エネルギーの電子を一度壁に当ててそこから再放出される２次電子をセミインレンズ検出器（２次電子検出器）で検出するようにしたものである。

（１）請求項１記載の発明は、少なくとも対物レンズで集束した電子ビームを試料の表面に照射し、該試料表面から放出された２次電子を２次電子検出器で検出し、該検出された２次電子に基づいて試料表面の画像を得るようにした走査電子顕微鏡において、前記試料の表面に金、白金又は銅でできた壁を有する２次電子放出部材を配置すると共に、該部材は電圧を印加できる構成とし、該部材の壁から放出された２次電子を前記２次電子検出器に導くように構成したことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記２次電子放出部材は格子状の形状をなしていることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記２次電子放出部材の格子間隔は、試料上の磁場分布と対物レンズ形状から決められることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記対物レンズは、インレンズ型若しくはセミインレンズ型であることを特徴とする。
（５）請求項５記載の発明は、前記２次電子検出器は、対物レンズ中若しくは対物レンズの上方に配置されていることを特徴とする。

（６）請求項６記載の発明は、少なくとも対物レンズで集束した電子ビームを試料の表面に照射し、該試料表面から放出された２次電子を２次電子検出器で検出し、該検出された２次電子に基づいて試料表面の画像を得るようにした走査電子顕微鏡における信号検出方法において、前記試料の表面に金、白金又は銅でできた壁を有する２次電子放出部材が配置されていると共に、該部材に電圧を印加し、該部材の壁から放出された２次電子を前記２次電子検出器に導くようにすることを特徴とする。

（７）請求項７記載の発明は、前記２次電子放出部材は格子状の形状をなしていることを特徴とする。
（８）請求項８記載の発明は、前記２次電子放出部材の格子間隔は、試料上の磁場分布と対物レンズ形状から決められることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、２次電子放出率の高い金、白金又は銅でできた壁に試料からの放出電子を衝突させ、該壁から放出される２次電子を２次電子検出器で検出するようにしたので、作動距離を短かくした状態で低角度、高エネルギーの電子を集めることができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、壁として格子状の形状を用いた結果、該壁に当たった電子を効率よく２次電子に変換することができ、２次電子検出像を効率よく検出することができる。
（３）請求項３記載の発明によれば、壁の間隔を最適なものに設定することができ、発生する２次電子を増やすことができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、対物レンズをインレンズ型若しくはセミインレンズ型のいずれの場合にも本発明を適用することができる。

（５）請求項５記載の発明によれば、２次電子検出器を２次電子を効率よく捕獲することができる位置に設けるので、２次電子検出像を効率よく検出することができる。
（６）請求項６記載の発明によれば、試料表面に２次電子放出率の高い金、白金又は銅でできた壁を配置することで、この部材に電圧を印加し、該部材の壁から放出された２次電子を２次電子検出器に導くことができる。

（７）請求項７記載の発明によれば、壁として格子状の形状を用いた結果、該壁に当たった電子を効率よく２次電子に変換することができ、２次電子検出像を効率よく検出することができる。
（８）請求項８記載の発明によれば、壁の間隔を最適なものに設定することができ、発生する２次電子を増やすことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態例の要部の構成例を示す図である。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）は試料１を上から見た図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図において、１は試料、２は該試料１を保持する試料ホルダである。６は試料１を覆う壁としてのメッシュである。該メッシュ６は２次電子放出率の高い材料でできている。例えば金や白金が用いられる。しかしながら、２次電子放出率は材質によりそれほど変わるものではなく、その他の材質例えば銅等を用いることができる。メッシュの格子の形状は、丸、三角等任意の形状であってよい。以下にメッシュ６の取り付け工程を説明する。

先ず、メッシュ６を試料１の上からかぶせる。次に、メッシュ６を試料ホルダ２に固定する。この時、メッシュ６が試料ホルダ２から電気的に浮かないようにする。つまり、メッシュ６と試料ホルダ２は電気的に同電位となるようにする。この結果、試料ホルダ２に電圧をかけるとメッシュ６にも同じ電圧がかかることになる。

メッシュ６の格子間隔Ｗの決定には２つの条件がある。一つは、エネルギーの高い電子（反射電子）のラーマ半径以下にすることである。この条件を満たすことができなければ、電子を壁に当てることができない。もう一つの条件は、壁から再放出される２次電子が対物レンズ３の内壁に衝突しないように格子の間隔Ｗを十分小さくする必要がある。

このことは、試料真上では磁場が強く、対物レンズ３内に入っていくことで磁場が急激に弱くなっていくような磁場配位の時に重要になる。この時、必要な格子間隔Ｗは対物レンズ形状及び試料上の磁場分布に依存するため、装置の磁場分布及び対物レンズ形状に対する電子軌道を計算する必要がある。

格子の高さＨはどの放出角までの電子を当てるかで決まるが、格子の間隔Ｗの半分程度が必要とされる。ここで、試料ホルダ２に電圧を印加する。７は試料ホルダ２に印加される電源である。該電源７の電圧は可変できるようになっている。このように構成されたものの動作を説明すれば、以下の通りである。

電子銃（図示せず）から出射された電子ビームＥＢは、試料１に照射される。この時、試料１から放出された高エネルギーの電子は、ほぼ直線的に運動し、メッシュ６の内壁に衝突する。メッシュ６の内壁に衝突した電子は、メッシュ内壁から２次電子を放出させる。次に、試料ホルダ２に所定の電圧を電源７から印加すると、メッシュ内壁から放出された２次電子が２次電子検出器４（図５参照）によって検出される。

このように、本発明によれば、メッシュ６の内壁に試料１からの放出電子を当て、該内壁から放出される２次電子を２次電子検出器４で検出するようにしたので、作動距離を短かくした状態で低角度、高エネルギーの電子を集めることができる。また、壁としてメッシュ条の形状を用いた結果、該壁に衝突した電子を効率よく２次電子に変換することができ、２次電子検出像を効率よく検出することができる。また、本発明によれば、格子の間隔を最適なものに設定することができ、発生する２次電子を増やすことができる。ここで、２次電子放出部材（メッシュ）の格子間隔は、試料近傍の磁場分布と対物レンズ形状から決めることができる。これによれば、壁の間隔を最適なものに設定することができ、発生する２次電子を増やすことができる。

図２は本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。図５と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１は試料、２は該試料１を保持する試料ホルダ、３は対物レンズ、４は２次電子検出器である。１０は対物レンズ３の内壁にはめ込まれた２次電子放出率の高い材料でできたパイプである。１１は該パイプ１０の中心に穿たれた電子ビーム及び電子通過用の穴である。７はパイプ１０に電圧を印加する電源である。

図３はパイプの構成例を示す図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。（ａ）はパイプを下から見た図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。図において、１１は電子ビーム及び電子通過用穴、１２〜１４はパイプ１０の底部に穿たれた穴である。これら穴１２〜１４は、対物レンズ内壁部を高真空に引く時に空気抵抗（コンダクタンス）を低減するための穴である。１５，１６はパイプ１０の両端に設けられたパイプが上下に移動するためのつめである。このようなパイプの取り付け手順を説明すれば、以下の通りである。

先ず、金属のパイプ１０を対物レンズ３の内壁にはめ込む（Ｓ１）。この場合において、パイプ１０が壁の役割をする。観察する際には、パイプ１０を試料１に接触させて使用する。低角の反射電子を壁に当てるために、試料とパイプ間の隙間を開けない方が効率的だからである。パイプ１０の材質は、２次電子放出率の高いものを使用する。パイプ１０の直径の決定には図１に示したものと同様に、二つの条件がある。

一つはエネルギーの高い電子（反射電子）のラーマ半径以下にすることである。この条件を満たさなければ、電子を壁に当てることはできない。もう一つは、壁から再放出される２次電子が対物レンズ３の内壁に衝突しないようにパイプの直径を十分小さくする必要がある。これは、試料１の真上では磁場が強く対物レンズ３内に入っていくことで磁場が急激に弱くなっていくような磁場配位の時に重要になる。この時、必要な直径は、対物レンズ形状及び試料上の磁場分布に依存するため、装置の磁場分布及び対物レンズ形状に対する電子軌道を計算する必要がある。

パイプ１０を上下に移動させるための機構が必要である（Ｓ２）。パイプ１０は、通常は対物レンズ内部に収めておいて、スキャンスピードを遅くした時にパイプ１０を試料１と接触する位置まで下げるようにする。パイプ１０には、電源７から電圧を印加する。この印加電圧は可変できるようにしておく。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

先ず、観察位置、作動距離を決める。次に、パイプ１０を試料に接触するまで下げる。パイプ１０と試料１とが接触した状態で試料ホルダ２に電源７から（試料ホルダ２とパイプ１０は接触しているので、電源７を印加すると試料ホルダ２にも印加されることになる）電圧を印加する。この結果、電子ビームＥＢが試料１に照射され、試料１から放出される電子は穴１１を通ってパイプ１０の内壁に衝突し、２次電子に変換される。この変換された２次電子が電源７からの電圧印加により、２次電子検出器４にて検出される。

この実施の形態例によれば、インレンズ若しくはセミインレンズ型の対物レンズの内壁に２次電子放出率の高い材料でできたパイプをはめ込むことで、該パイプ内壁に衝突して２次電子に変換される効率を向上させることができ、作動距離を短かくした状態で低角度、高エネルギーの電子を集めることができる。

図４は本発明の第３の実施の形態例の要部を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０は試料１（図示せず）を覆うメッシュである。２は試料１を保持する試料ホルダである。９は試料ホルダ２の上部に設けられた試料台である。（ａ）は試料を上から見た図、（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。この場合、メッシュ２０が壁の役割を果たす。格子の形状は丸，四角，三角等、任意の観察領域を囲んでいればどのような形状でもよい。メッシュ２０の材質としては、２次電子放出率の高い物質を使用する。

メッシュ２０を試料台９と固定する。この時、メッシュ２０が試料台９から浮かないようにする。即ち、試料ホルダ２に電源７から電圧を印加した時、試料台９を介してメッシュ２０にも電圧が印加されるようにする。また、３点以上でメッシュ２０を試料台９に固定することで、メッシュの位置を変えられるようにする。

ここで、メッシュ２０の格子点間の間隔の決定には二つの条件がある。一つは、エネルギーの高い電子（反射電子）のラーマ半径以下にすることである。これを満たさなければ、電子を壁に衝突させることができない。もう一つは、壁から再放出される２次電子が対物レンズ３の内壁に衝突しないように格子間隔を十分小さくする必要がある。これは、試料真上では磁場が強く、対物レンズ３内に入っていくことで磁場が急激に弱くなっていくような磁場配位の時に重要になる。この時、必要な格子間隔は対物レンズ３及び試料１上の磁場分布に依存するため、装置の磁場分布及び対物レンズ形状に対する電子軌道を計算する必要がある。

格子の高さは、どの放出角までの電子を衝突させるかで決まる。それには格子の間隔の半分程度が必要となる。また、試料台９に印加する電圧は可変できるようにしておく。また、メッシュ２０は、不良の際に交換できるように脱着可能な方法（例えばネジ止め等）で固定する。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

試料１から放出された高エネルギーの電子は、ほぼ直線的に運動し、メッシュ２０の内壁に衝突する。メッシュ２０の内壁に衝突した電子は、メッシュ内壁から２次電子を放出させる。ここで、電源７から適当な電圧を印加すると、メッシュ内壁から放出された２次電子が２次電子検出器４（図２参照）で検出される。

この実施の形態例によっても、内壁に試料からの放出電子を衝突させ、該内壁から放出される２次電子を２次電子検出器で検出するようにしたので、作動距離を短かくした状態で低角度、高エネルギーの電子を集めることができる。

以上、説明した実施の形態例１〜３の構成・動作について比較説明する。
（実施の形態例１）
本発明の効果を効率的に得るために最も簡単と思われる方法である。この方法は安価で構成も単純であるが、壁や試料は再利用できない。
（実施の形態例２）
本発明の効果を効率的に得るために、ＳＥＭそのもの（対物レンズ）に改良を加えたものである。実施の形態例１の方法では、メッシュと重なった部分の観察は行えないが、この方法では、試料を動かすことで観察位置を変えることができるため、試料の全面観察可能である。また、観察時の試料作成（メッシュのはりつけ）が不要である。
（実施の形態例３）
本発明の効果を効率的に得るために、試料ホルダに改良を加える方法である。この方法では、新しく対物レンズを作成する必要がなく、これまでの装置に応用可能である。メッシュは再利用することができ、試料を取り出した時にメッシュを動かすことで、試料の全面観察可能である。

本発明によれば、以下のような効果が得られる。
１）低角度、高エネルギーの電子を検出器に取り込むことで、信号量を増やすことができる。
２）低角度、高エネルギーの電子は表面形状の情報を持っているため、ＳＥＭ像の表面コントラストを強調することができる。
３）試料が非導電性の場合、低角度、高エネルギーの電子が表面コントラストを強調することで、帯電による異常コントラストを緩和することができる。

本発明の第１の実施の形態例の要部の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施の形態例を示す構成図である。 パイプの構成例を示す図である。 本発明の第３の実施の形態例の要部を示す構成図である。 従来装置の構成概念図である。

符号の説明

１ 試料
２ 試料ホルダ
６ メッシュ
７ 電源

Claims (8)

1. 少なくとも対物レンズで集束した電子ビームを試料の表面に照射し、該試料表面から放出された２次電子を２次電子検出器で検出し、該検出された２次電子に基づいて試料表面の画像を得るようにした走査電子顕微鏡において、
   前記試料の表面に金、白金又は銅でできた壁を有する２次電子放出部材を配置すると共に、該部材は電圧を印加できる構成とし、該部材の壁から放出された２次電子を前記２次電子検出器に導くように構成したことを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 前記２次電子放出部材は格子状の形状をなし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. 前記２次電子放出部材の格子間隔は、試料上の磁場分布と対物レンズ形状から決められることを特徴とする請求項２記載の走査電子顕微鏡。
4. 前記対物レンズは、インレンズ型若しくはセミインレンズ型であることを特徴とする請求項１記載の走査電子顕微鏡。
5. 前記２次電子検出器は、対物レンズ中若しくは対物レンズの上方に配置され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。
6. 少なくとも対物レンズで集束した電子ビームを試料の表面に照射し、該試料表面から放出された２次電子を２次電子検出器で検出し、該検出された２次電子に基づいて試料表面の画像を得るようにした走査電子顕微鏡における信号検出方法において、
   前記試料の表面に金、白金又は銅でできた壁を有する２次電子放出部材が配置されていると共に、該部材に電圧を印加し、該部材の壁から放出された２次電子を前記２次電子検出器に導くようにすることを特徴とする走査電子顕微鏡における信号検出方法。
7. 前記２次電子放出部材は格子状の形状をなしていることを特徴とする請求項６記載の走査電子顕微鏡における信号検出方法。
8. 前記２次電子放出部材の格子間隔は、試料上の磁場分布と対物レンズ形状から決められることを特徴とする請求項７記載の走査電子顕微鏡における信号検出方法。

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