JP5089865B2 - 表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面電位分布測定方法及び表面電位分布測定装置に係り、更に詳しくは、荷電粒子ビームを用いた表面電位分布測定方法及び該測定方法の実施に好適な表面電位分布測定装置に関する。

レーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置では、画像情報に応じて変調された光源からの光を走査光学系などを介して感光体上に集光させるとともに、所定の方向（主走査方向）に走査させ、感光体上に静電潜像を形成している。そして、その静電潜像にトナーを付着させ、該トナーを紙などに転写して出力画像としている。

感光体上に形成される静電潜像は、出力画像の品質に大きく影響する。そこで、感光体上に形成された静電潜像を評価する方法及び装置が種々提案されている。そして、その評価結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、出力画像の品質向上を図っていた。例えば、特許文献１及び特許文献２には、試料面を電子ビームで走査し、該走査で放出される二次電子を用いて静電潜像を観察する方法が提案されている。

ところで、近年、画像情報のデジタル化が急速に進み、画像形成装置の出力画像の更なる高品質化への要求が年々高くなっている。しかしながら、上記特許文献１及び特許文献２に開示されている方法では、前記要求に応じるのに必要な精度の評価結果を得るのが困難であった。

特開平３−２９８６７号公報 特開平３−４９１４３号公報

本発明は、かかる事情の下になされたもので、その第１の目的は、物体の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定方法を提供することにある。

また、本発明の第２の目的は、物体の表面電位分布を精度良く測定することができる表面電位分布測定装置を提供することにある。

本発明は、第１の観点からすると、潜像が形成されている物体表面を荷電粒子ビームで走査し、前記物体の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、前記荷電粒子ビームの加速電圧及び前記物体に印加する印加電圧の少なくとも一方を変更しながら、前記荷電粒子が前記物体の表面に到達する前に前記物体表面近傍で反発された反発電子を検出する工程と；前記検出する工程での検出結果に基づいて複数のコントラスト像を取得する工程と；前記複数のコントラスト像のそれぞれについて、前記反発電子の検出量に基づいて前記潜像の径を計測する工程と；前記計測する工程での計測結果に基づいて前記物体の表面電位の分布状態を求める工程と；を含み、前記加速電圧Ｖａｃｃ、入射電子に対する前記物体の表面電位ポテンシャルＶｐを用いて、前記複数のコントラスト像に、｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の両方が同時に存在するように前記加速電圧が設定され、前記潜像の径を計測する工程では、前記コントラスト像における前記｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と前記｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする表面電位分布測定方法である。

これによれば、物体の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

本発明は、第２の観点からすると、潜像が形成されている試料表面を荷電粒子ビームで走査し、前記試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、試料が、その中の所定位置にセットされる筐体と；前記筐体内に配置され、前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と；前記筐体内で前記ビーム発生装置と前記試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを偏向する走査レンズ、及び該走査レンズからの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する対物レンズを含む光学系と；前記筐体内で前記試料近傍に配置され、前記試料表面に到達する前に前記試料表面近傍で反発された反発電子を検出する検出装置と；前記ビーム発生装置を介して前記荷電粒子ビームの加速電圧を変更しながら該荷電粒子ビームを前記試料表面に集束させ、異なる加速電圧での前記検出装置の複数の検出結果に基づいて複数のコントラスト像を取得し、該複数のコントラスト像について、前記反発電子の検出量に基づいて前記潜像の径をそれぞれ計測し、該計測された複数の潜像の径に基づいて、前記試料の表面電位の分布状態を求める処理装置と；を備え、該処理装置は、前記加速電圧Ｖａｃｃ、入射電子に対する前記物体の表面電位ポテンシャルＶｐを用いて、前記複数のコントラスト像に、｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の両方が同時に存在するように前記加速電圧を設定し、前記コントラスト像における前記｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と前記｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする表面電位分布測定装置である。

これによれば、試料の表面電位分布を精度良く測定することが可能となる。

この場合において、前記処理装置は、前記加速電圧を変更する際に、更に光軸方向に関する前記荷電粒子ビームの集束位置のずれを補正することとすることができる。

この場合において、前記処理装置は、前記対物レンズに対する印加電圧を制御して、前記集束位置のずれを補正することとすることができる。

上記各表面電位分布測定装置において、前記処理装置は、前記加速電圧を変更する際に、更に前記試料表面における前記荷電粒子ビームの走査範囲の変動を補正することとすることができる。

この場合において、前記処理装置は、前記走査レンズに対する印加電圧を制御して、前記走査範囲の変動を補正することとすることができる。

上記各表面電位分布測定装置において、前記処理装置は、更に前記試料の表面電位の分布状態に基づいて、表面電位分布のプロファイルを算出することとすることができる。

上記各表面電位分布測定装置において、前記試料にバイアス電圧を印加する電源回路を更に備えることとすることができる。

上記各表面電位分布測定装置において、前記試料は感光体であることとすることができる。

上記各表面電位分布測定装置において、前記筐体内で前記ビーム発生装置と前記試料がセットされる所定位置との間に配置され、前記筐体の内部を２つの領域に分割可能な仕切り弁を更に備えることとすることができる。

以下、本発明の一実施形態を図１〜図１２（Ｃ）に基づいて説明する。図１には、本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置１００の概略構成が示されている。

図１に示される表面電位分布測定装置１００は、電子銃１０、筐体３０、コンデンサレンズ（静電レンズ）３５、ビームブランキング電極３７、ゲートバルブ４０、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ（偏向電極）５５、対物レンズ５７、ビーム射出開口部６１、試料台８１、検出器９１、制御系３、排出系８３及び駆動用電源（図示省略）などを備えている。

電子銃１０は、荷電粒子ビームとしての電子ビームを放出する。ここでは、電子銃１０は、一例として図２に示されるように、エミッタ１１から電子が放出される電界放出型電子銃であり、引き出し電極３１、及び加速電極３３を有している。

引き出し電極３１は、エミッタ１１の−Ｚ側に配置され、図２に示されるように、エミッタ１１に強電界を発生させるための電圧（引き出し電圧Ｖext）が印加される。これにより、エミッタ１１の先端から電子ビームが放出される。本実施形態では、−Ｚ方向に向けて電子ビームが放出されるものとする。

加速電極３３は、引き出し電極３１の−Ｚ側に配置され、エミッタ１１から放出された電子ビームに所望のエネルギを与えるための電圧（加速電圧Ｖacc）が印加される。

図１に戻り、コンデンサレンズ３５は、加速電極３３の−Ｚ側に配置され、電子ビームを細く絞る。

ビームブランキング電極３７は、コンデンサレンズ３５の−Ｚ側に配置され、電子ビームをＯＮ／ＯＦＦする。

ゲートバルブ４０は、ビームブランキング電極３７の−Ｚ側に配置され、筐体３０の内部を、電子銃１０が含まれる領域と試料台８１が含まれる領域とに分割するためのバルブであり、測定時などの必要なときのみ、ゲートバルブ４０を開放することができる。なお、以下では、便宜上、電子銃１０が含まれる領域を「電子銃室」、試料台８１が含まれる領域を「試料室」という。

アパーチャ５１は、ゲートバルブ４０の−Ｚ側に配置され、ゲートバルブ４０が開放状態のときにゲートバルブ４０の開口部を通過した電子ビームのビーム径を規定する。

スティグメータ５３は、アパーチャ５１の−Ｚ側に配置され、非点収差を補正する。

走査レンズ５５は、スティグメータ５３の−Ｚ側に配置され、スティグメータ５３からの電子ビームを偏向する。

対物レンズ５７は、走査レンズ５５の−Ｚ側に配置され、走査レンズ５５からの電子ビームをビーム射出開口部６１を介して試料７１の表面に集束する。

以下では、コンデンサレンズ３５、ビームブランキング電極３７、アパーチャ５１、スティグメータ５３、走査レンズ５５、及び対物レンズ５７を含む光学系を電子ビーム光学系５ともいう。

試料台８１は、その上に試料７１が載置され、不図示の駆動機構によりＸＹ面内で２次元的に移動可能である。この試料台８１は導電性を有しており、接地されている。

検出器９１は、試料７１の近傍に配置され、試料７１の表面に到達する前に、試料７１の表面近傍で反発された電子（以下、「一次反発電子」ともいう）を検出する。この検出器９１としては、シンチレータ、光電子増倍管などが用いられる。また、検出器９１には、一次反発電子の検出感度を高めるため、正の電圧（例えば１０ｋＶ）が印加されている。

上記電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１及び検出器９１は、筐体３０内に収容されている。

排気系８３は、複数の排気装置から構成され、筐体３０内を高真空状態にする。ここでは、筐体３０の下方（−Ｚ側）から排気しているが、これに限定されるものではない。また、複数個所から排気しても良い。

制御系３は、コンピュータ、入力装置、表示装置及びプリンタ装置などを有している。そして、コンピュータは、オペレータの指示に応じて、あらかじめインストールされているプログラムにしたがって、電子銃１０、電子ビーム光学系５、試料台８１、及び排気系８３をそれぞれ制御するとともに、検出器９１の出力信号に基づいて試料７１の表面電位分布を求める。なお、本実施形態では、一例として試料７１の表面電位ポテンシャルは負であるものとする。

ここで、試料７１に照射される電子（以下、「入射電子」ともいう）の加速電圧と試料７１の表面電位ポテンシャルとの関係について図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を用いて説明する。図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、わかりやすくするために簡略化されている。ここでは、試料７１の表面における入射電子が照射される位置での表面電位ポテンシャルをＶp（＜０）とする。そこで、Ｂ地点と試料７１の表面との間に電圧Ｖpが印加されているとみなすことができる。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、電位を単位電荷が持つ電気的な位置エネルギーとして図示している。

入射電子は、電位ポテンシャルが０（Ｖ）の区間（ＡＢ間）では、表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けることなく、加速電圧Ｖaccに対応する速度で試料７１の表面に向かう方向（−Ｚ方向）に移動する。そして、Ｂ地点を過ぎると、入射電子は表面電位ポテンシャルＶpの影響を受けるようになる。

入射電子に対する表面電位ポテンシャルＶpの影響は、加速電圧Ｖaccと表面電位ポテンシャルＶpとの大小関係によって大きく異なっている。
（１）｜Ｖacc｜＞｜Ｖp｜の場合
この場合には、図３（Ａ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速されるものの、ほとんどの入射電子は試料７１の表面に到達する。
（２）｜Ｖacc｜＜｜Ｖp｜の場合
この場合には、図３（Ｂ）に示されるように、入射電子は、Ｂ地点を過ぎるとその速度は徐々に減速され、試料７１の表面に到達する前に０となる。そして、そこを起点として、試料７１の表面から離れる方向（＋Ｚ方向）に進む。すなわち、入射電子のＺ軸方向の速度ベクトルが、試料７１の表面に到達する前に反転し、入射電子は試料７１の表面に到達せずに戻ることとなる。この試料７１の表面に到達しなかった入射電子の一部が、一次反発電子として検出器９１で検出されるように設定されている。

なお、例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などで用いられている「反射電子」は、「試料最表面や少し内部で散乱し、そのうちの一部の電子が空間に脱出したもの」であり（日本表面科学会編「表面分析辞典」ｐ２３５、共立出版株式会社、１９８６年発行）、本明細書における「一次反発電子」とは全く異なるものである。

そこで、入射電子の加速電圧を変更しながら、一次反発電子を検出器９１で検出することにより、試料７１の表面電位を計測することができる。すなわち、測定中に加速電圧Ｖaccを変えながら、試料７１の表面を電子ビームで走査し、一次反発電子を検出することにより、試料７１の表面電位分布を計測することが可能となる。

このとき、一例として図４（Ａ）に示されるように、加速電圧｜Ｖacc｜を０から徐々に大きくしても良いし、一例として図４（Ｂ）に示されるように、加速電圧｜Ｖacc｜を｜Ｖ0｜から｜Ｖ1｜に徐々に大きくしても良いし、一例として図４（Ｃ）に示されるように、加速電圧｜Ｖacc｜を｜Ｖ1｜から｜Ｖ0｜に徐々に小さくしても良い。なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）では、便宜上、加速電圧が連続して変化するように示されているが、実際の測定時には、データ処理などに時間を要するため、加速電圧はステップ状に変化する。

例えば、Ｘ軸方向における試料７１の表面電位分布をＶp（ｘ）とすると、Ｖ0は、予測される表面電位の絶対値の最小値（Ｍin｜Ｖp（ｘ）|）に基づいて設定される値であり、Ｖ1は予測される表面電位の絶対値の最大値（Ｍax｜Ｖp（ｘ）|）に基づいて設定される値である。そこで、一例として図５に示されるように、Ｖacc＝Ｖ0のときには、多くの一次反発電子が検出器９１で検出されるが、Ｖacc＝Ｖ1のときには、ほとんど検出されない。なお、Ｍin｜Ｖp（ｘ）|及びＭax｜Ｖp（ｘ）|が、測定前に予測できない場合には、広い範囲で測定しても良い。

通常、加速電圧Ｖaccが変化すると、一例として図６（Ａ）〜図６（Ｃ）に示されるように、電子ビーム光学系５の他のパラメータが一定の場合には、光軸方向（ここではＺ軸方向）に関する電子ビームの集束位置が変化する。｜Ｖacc｜が大きくなると集束位置は−Ｚ方向にシフトし、｜Ｖacc｜が小さくなると集束位置は＋Ｚ方向にシフトする。これにより、Ｚ軸方向に関して試料表面の位置が一定であれば、加速電圧に応じて分解能が変化することになる。

ところで、Ｚ軸方向に関して対物レンズ５７の主点と集束位置との距離、いわゆる作動距離（ＷＤとする）は、一例として図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示されるように、対物レンズ５７の印加電圧（Ｖolとする）に応じて変化する。ＶolとＷＤとの間には、ほぼ逆比例の関係が成立する。そこで、加速電圧｜Ｖacc｜の変化に連動して対物レンズ５７に対する印加電圧Ｖolを変化させることにより、Ｚ軸方向に関して集束位置をほぼ一定とすることができる。例えば、加速電圧｜Ｖacc｜を徐々に大きくするときには、対物レンズ５７に対する印加電圧Ｖolを徐々に大きくすれば良い。これにより、集束位置が補正され、任意の加速電圧に対しても良好な検出結果を得ることができる。

また、一例として図８及び図９に示されるように、加速電圧Ｖaccが変化すると、試料表面における走査領域の大きさが変化する。例えば倍率が一定の場合には、走査領域の大きさは、加速電圧の絶対値の逆数にほぼ比例する。なお、図８及び図９における縦軸は走査領域の長手方向の長さである。

ところで、前記走査レンズ５５に対する印加電圧（Ｖscanとする）が変化すると、電子ビームの偏向角（θとする）が変化する。この偏向角θは、印加電圧Ｖscan及び加速電圧|Ｖacc|と次の（１）式で示される関係にある。ここでαは係数である。

θ≒α×Vscan／|Vacc| ……（１）

そこで、加速電圧｜Ｖacc｜の変化に連動して走査レンズ５５に対する印加電圧Ｖscanを変化させることにより、走査領域の大きさの変動を抑制することができる。例えば、加速電圧｜Ｖacc｜を徐々に大きくするときには、走査レンズ５５に対する印加電圧Ｖscanを徐々に大きくすれば良い。

次に、前述のように構成される表面電位分布測定装置１００を用いて、試料７１の表面電位分布を測定する方法について図１０及び図１１を用いて説明する。図１０のフローチャートは、オペレータによって行われる処理であり、図１１のフローチャートは、制御系３を構成するコンピュータによって行われる処理である。なお、ゲートバルブ４０は閉状態であり、電子銃室は高真空状態、試料室は大気圧状態にあるものとする。また、ここでは、試料７１の表面は２次元的に走査されるものとする。

最初のステップ４０１では、試料台８１に潜像が形成されている試料７１を載置する。

次のステップ４０３では、排気系８３を稼動させ、試料室内を高真空状態とする。

次のステップ４０５では、ゲートバルブ４０を開状態とする。

次のステップ４０７では、制御系３を構成するコンピュータに表面電位分布の測定を指示する。そして、オペレータによって行われる処理は終了する。

制御系３を構成するコンピュータは、表面電位分布の測定の指示を受けると、最初のステップ５０１では、繰り返し回数が格納されるカウンタｉに初期値１をセットする。

次のステップ５０３では、加速電圧Ｖaccを予め設定されている初期値にセットする。

次のステップ５０５では、作動距離ＷＤが変化しないように、加速電圧Ｖaccに応じて対物レンズ５７に対する印加電圧を調整する。

次のステップ５０７では、走査領域の大きさが変化しないように、加速電圧Ｖaccに応じて走査レンズ５５に対する印加電圧を調整する。

次のステップ５０９では、コントラスト像を取り込む（図１２（Ａ）及び図１２（Ｂ）参照）。コントラスト像における白い領域は検出器９１での検出量が多い領域であり、黒い領域は検出器９１での検出量が少ない領域を示している。そして、白い領域と黒い領域との境界は、検出器９１の出力信号が大きく変化するところである。Ｖacc＝−７５０Ｖの場合（図１２（Ｂ）参照）には、Ｖacc＝−６００Ｖの場合（図１２（Ａ）参照）に比べて入射電子の速度が速いため、入射電子が反転する領域が減少し、黒い領域が増えている。

次のステップ５１１では、コントラスト像に対して２値化処理を行い、２値化データを取得する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向について２値化データを取得する。

次のステップ５１３では、２値化データに基づいて潜像の径を算出する。例えばＸ軸方向及びＹ軸方向についての表面電位の分布状態を測定する場合には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向について潜像の径を算出する。ここで算出された潜像の径は、加速電圧Ｖaccに対応付けて不図示のメモリに保存される。

次のステップ５１５では、カウンタｉの値が予め設定されている値Ｎ（２以上の整数）と等しいか否かを判断する。カウンタｉの値がＮと等しくなければ、ここでの判断は否定され、ステップ５１７に移行する。

このステップ５１７では、カウンタｉの値に１を加算する。

次のステップ５１９では、現在の加速電圧Ｖaccの値に予め設定されている増分（Δｖとする）を加算する。そして、上記ステップ５０５に戻る。

以下、ステップ５１５での判断が肯定されるまで、ステップ５０５〜ステップ５１９の処理を繰り返し行う。

そして、カウンタｉの値がＮと等しくなると、上記ステップ５１５での判断は肯定され、ステップ５２１に移行する。

このステップ５２１では、前記メモリに保存されている表面電位分布を示すデータ（加速電圧Ｖacc毎の潜像の径）に基づいて、一例として図１２（Ｃ）に示されるように、表面電位分布プロファイルを算出する。

次のステップ５２３では、算出結果を表示装置に表示する。そして、表面電位分布の取得処理を終了する。なお、図１２（Ｃ）にはＸ軸方向における電位分布プロファイルが示されている。この場合には、潜像の中心（ｘ＝０）の電位は約−５２０Ｖであり、外側に向かうにつれて電位がマイナス方向に大きくなり、｜ｘ｜＝０．１ｍｍ以上の周辺部では約−８３０Ｖ程度になっていることがわかる。また、ここでは、表示装置に表示される電位分布プロファイルの方向について、オペレータが指示することができる。そして、電位分布プロファイルを３次元的に表示することも可能である。さらに、算出結果をプリンタ装置で印刷することもできる。

また、オペレータの要求により、更に上記測定結果に基づいて、試料７１の表面電荷分布を求めても良い。

ここで、試料としての感光体が用いられる場合に、該感光体の表面に静電潜像を形成する方法の一例について説明する。感光体は、導電性支持体の上に積層された電荷発生層（CGLとする）、及び電荷輸送層（CTLとする）などから構成されている。感光体は、表面が帯電している状態で露光されると、CGLの電荷発生材料（CGMとする）によって光が吸収され、正負両極性のチャージキャリアが発生する。このキャリアは、電界によって、一方はCTLに、他方は導電性支持体に注入される。CTLに注入されたキャリアは、CTL中を電界によってCTL表面まで移動し、感光体表面の電荷と結合して消去する。これにより、感光体表面に電荷分布すなわち静電潜像が形成される。

以上の説明から明らかなように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００では、制御系３を構成するコンピュータ及び該コンピュータにて実行されるプログラムとによって、処理装置が実現されている。なお、コンピュータによるプログラムに従う処理によって実現した処理装置の少なくとも一部をハードウェアによって構成することとしても良いし、あるいは全てをハードウェアによって構成することとしても良い。

また、本実施形態では、電子銃１０によってビーム発生装置が構成され、電子ビーム光学系５によって光学系が構成され、検出器９１によって検出装置が構成され、ゲートバルブ４０によって仕切り弁が構成されている。

そして、上記制御系３を構成するコンピュータによって行われる処理において、本発明に係る表面電位分布測定方法が実施されている。

以上説明したように、本実施形態に係る表面電位分布測定装置１００によると、電子銃１０（ビーム発生装置）から放出される電子ビーム（荷電粒子ビーム）の加速電圧を変更させながら、電子ビームを試料７１の表面に集束させ、試料７１の表面に到達する前に試料７１の表面近傍で反発された一次反発電子を検出器９１（検出装置）で検出する。そして、異なる加速電圧での検出器９１の複数の検出結果に基づいて、試料７１の表面電位の分布状態を求めている。この場合には、検出対象の１次反発電子は試料表面に達していないので、試料の材質や表面形状の影響を受けるおそれがない。従って、精度良く試料の表面電位分布を測定することが可能となる。

また、本実施形態によると、ゲートバルブ４０を備えているため、例えば、試料からガスが放出されやすい場合や、試料交換を頻繁に行う場合であっても、電子銃室を常時高真空に保つことができ、電子銃１０の劣化を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によると、加速電圧を変更する際に、その加速電圧に応じて対物レンズ５７に対する印加電圧Ｖolを同時に調整している。これにより、光軸方向に関して集束位置がずれるのを抑制することができる。従って、試料の表面電位分布の測定精度を更に向上させることが可能となる。

また、本実施形態によると、加速電圧を変更する際に、その加速電圧に応じて走査レンズ５５に対する印加電圧Ｖscanを同時に調整している。これにより、走査領域の大きさが変化するのを抑制することができる。従って、試料の表面電位分布の測定精度を更に向上させることが可能となる。

なお、上記実施形態において、例えば、予想される表面電位の絶対値が小さい場合には、表面電位分布を測定する際の加速電圧が小さくなり、外部磁場などの外乱の影響により、電子ビームを正しく走査させることが困難となるおそれがある。この場合に、一例として図１３に示されるように、試料台８１上に電極８５を形成し、該電極８５にマイナスの電圧（Ｖsubとする）を印加する電源８６を更に設けても良い。これにより、試料７１にバイアス電圧Ｖsubが印加されることとなる。例えば、表面電位が０〜−５００Ｖのときに、Ｖsub＝−５００Ｖとすれば、表面電位分布を測定する際の加速電圧は、−５００Ｖ〜−１０００Ｖとなり、Ｖsub＝−２０００Ｖとすれば、表面電位分布を測定する際の加速電圧は、−２０００Ｖ〜−２５００Ｖとなり、外乱の影響を小さくすることが可能となる。すなわち、電子ビームの制御が容易となり、測定精度が更に向上するとともに、前記電子ビーム光学系５を構成する各部品の加工精度の許容範囲を広くすることが可能となる。

また、バイアス電圧Ｖsubを印加すると、バイアス電圧Ｖsubを印加していないときよりも、表面電位分布を測定する際の加速電圧の最小値と最大値との比を小さくすることができる。これにより、表面電位分布の測定結果に対して、加速電圧の変化による走査領域の大きさの変動及び電子ビームの集束位置の変動の影響は相対的に小さくなり、場合によっては前記集束位置の補正及び走査領域の補正の少なくとも一方を省略することも可能である。

また、上記実施形態では、潜像が形成された試料を表面電位分布測定装置にセットする場合について説明したが、表面電位分布測定装置内で試料に潜像を形成しても良い。この場合には、表面電位分布測定装置が潜像を形成する機能を有することとなる。これにより、リアルタイムでの表面電位分布測定が可能となる。

一例として、図１４に潜像を形成する機能を有する表面電位分布測定装置２００が示されている。この表面電位分布測定装置２００は、試料表面を光で走査し、潜像のパターンを形成するパターン形成装置２２０が、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に付加されたものである。なお、図１４では、制御系が省略されている。

図１４におけるパターン形成装置２２０は、半導体レーザ２０１、コリメートレンズ２０３、アパーチャ２０５、及び３つのレンズ（２０７、２０９、２１１）からなる結像レンズなどを備えている。また、試料７１の近傍には、試料表面を除電するためのＬＥＤ２１３が配置されている。このパターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３は、不図示の制御系によって制御される。

表面電位分布測定装置２００における潜像の形成方法について簡単に説明する。
（１）ＬＥＤ２１３を点灯させ、試料表面を除電する。
（２）電子銃１０から放出される電子ビームを用いて、試料表面を均一に帯電する。ここでは、加速電圧を、２次電子放出比が1となる電圧より高い電圧に設定することにより、入射電子量が、放出電子量より上回るため電子が試料に蓄積され、チャージアップを起こす。この結果、試料はマイナスに帯電することとなる。なお、加速電圧と照射時間とを制御することにより、所望の電位に帯電させることができる。
（３）半導体レーザ２０１を発光させる。半導体レーザ２０１からのレーザ光は、コリメートレンズ２０３で略平行光となり、アパーチャ２０５で規定のビーム径とされた後、結像レンズで試料表面に集光される。これにより、試料表面に潜像のパターンが形成される。

従って、表面電位分布測定装置２００では、電子銃１０、電子ビーム光学系５、パターン形成装置２２０及びＬＥＤ２１３によって潜像形成装置が構成されている。

また、上記実施形態では、試料が板状の場合について説明したが、本発明がこれに限定されるものではなく、例えば試料が円筒形状であっても良い。また、この場合に、一例として図１５に示される表面電位分布測定装置２５０のように、潜像の形成装置を備えていても良い。この表面電位分布測定装置２５０は、上記実施形態における表面電位分布測定装置１００に潜像の形成装置が付加されたものである。この形成装置は、帯電部７５、露光部７６、及び除電部７７を有している。ここでは、試料７１の表面は、帯電部７５により帯電され、露光部７６により潜像のパターンが形成される。表面電位分布の測定後は、試料７１の表面は、除電部７７で除電される。この場合に、試料がレーザプリンタやデジタル複写機などの電子写真方式の画像形成装置に用いられる感光ドラムであれば、表面電位分布の測定結果を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、画像形成に関する各工程のプロセスクォリティが向上し、高画質化、高耐久性、高安定性、及び省エネルギー化が実現できる。

また、この場合に、露光部７６は、一例として図１６に示されるように、半導体レーザ１１０、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、２つの折り返しミラー（１１４、１１８）、ポリゴンミラー１１５、及び２つの走査レンズ（１１６、１１７）などを備えていても良い。

半導体レーザ１１０は、露光用のレーザ光を出射する。コリメートレンズ１１１は、半導体レーザ１１０から出射されたレーザ光を略平行光とする。アパーチャ１１２は、コリメートレンズ１１１を透過した光のビーム径を規定する。ここでは、アパーチャ１１２の大きさを替えることで、２０μｍ〜２００μｍの範囲で任意のビーム径を生成することが可能である。シリンダレンズ１１３は、アパーチャ１１２を透過した光を整形する。折り返しミラー１１４は、シリンダレンズ１１３からの光の光路をポリゴンミラー１１５の方向に折り曲げる。

ポリゴンミラー１１５は、複数の偏向面を有し、折り返しミラー１１４からの光を所定角度範囲で等角速度的に偏向する。２つの走査レンズ（１１６、１１７）は、ポリゴンミラー１１５で偏向された光を等速度的な光に変換する。折り返しミラー１１８は、走査レンズ１１７からの光の光路を試料７１の方向に折り曲げる。

この露光部７６の動作について簡単に説明する。半導体レーザ１１０から出射された光は、コリメートレンズ１１１、アパーチャ１１２、シリンダレンズ１１３、及び折り返しミラー１１４を介して、ポリゴンミラー１１５の偏向面近傍に一旦結像される。ポリゴンミラー１１５は、不図示のポリゴンモータによって一定の速度で図１６中の矢印方向に回転しており、その回転に伴って偏向面近傍に結像された光は等角速度的に偏向される。この偏向された光は、さらに２つの走査レンズ（１１６、１１７）を透過し、折り返しミラー１１８の長手方向を所定角度範囲で等速度的に走査する光に変換される。そして、この光は、折り返しミラー１１８で反射され、試料７１の表面を走査する。すなわち、光スポットが試料７１の母線方向に移動する。これにより、試料７１の母線方向に対して、ラインパターンを含めた任意の潜像パターンを形成することができる。

また、上記実施形態では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いる場合について説明したが、これに限らず、イオンビームを用いても良い。この場合には、前記電子銃に代えてイオン銃が用いられる。そして、例えばイオン銃としてガリウム（Ｇａ）液体金属イオン銃が用いられる場合には、加速電圧は正の電圧となり、試料７１には、表面電位が正となるようにバイアス電圧が付加される。

また、上記実施形態では、試料の表面電位ポテンシャルが負の場合について説明したが、試料の表面電位ポテンシャルが正であっても良い。すなわち、表面の電荷が正電荷であっても良い。この場合には、ガリウムなど正のイオンビームを試料に照射すれば良い。

また、上記実施形態では、ゲートバルブ４０がビームブランキング電極３７の−Ｚ側に配置される場合について説明したが、これに限定されるものではない。要するに、ゲートバルブ４０が、電子銃１０と試料台８１との間に配置されていれば良い。

また、上記実施形態では、電子銃として電界放出型電子銃を用いる場合について説明したが、これに限らず、熱電子放出型電子銃を用いても良いし、図１７に示されるように、いわゆるショットキーエミッション（ＳＥ）型電子銃を用いても良い。このショットキーエミッション型電子銃は、エミッタ１１、サプレッサ電極１２、引き出し電極３１、及び加速電極３３などを有している。なお、Ｉfはフィラメント電流、Ｉeはエミッション電流、Ｖsはサプレッサ電圧である。ＳＥ型電子銃は、熱陰極電界放出型電子銃とも呼ばれている。

また、上記実施形態において、例えば予備的な測定のような場合には、加速電圧を変更する際に、対物レンズ５７に対する印加電圧Ｖol及び走査レンズ５５に対する印加電圧Ｖscanの少なくとも一方を調整しなくても良い。

以上説明したように、本発明の表面電位分布測定方法によれば、物体の表面電位分布を精度良く測定するのに適している。また、本発明の表面電位分布測定装置によれば、試料の表面電位分布を精度良く測定するのに適している。

本発明の一実施形態に係る表面電位分布測定装置を説明するための図である。 図１における電子銃を説明するための図である。 図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は、それぞれ加速電圧と試料表面の電位ポテンシャルとの関係を説明するための図である。 図４（Ａ）〜図４（Ｃ）は、それぞれ加速電圧の変更方法を説明するための図である。 加速電圧と一次反発電子との関係を説明するための図である。 図６（Ａ）〜図６（Ｃ）は、それぞれ加速電圧と集束位置との関係を説明するための図である。 図７（Ａ）〜図７（Ｃ）は、それぞれ対物レンズに対する印加電圧と作動距離との関係を説明するための図である。 加速電圧毎の走査領域の大きさと倍率との関係を説明するための図である。 走査領域の大きさと加速電圧の絶対値の逆数との関係を説明するための図である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その１）である。 表面電位分布の測定方法を説明するためのフローチャート（その２）である。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）は、それぞれ測定結果を説明するための図である。 試料に印加されるバイアス電圧を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例１を説明するための図である。 図１の表面電位分布測定装置の変形例２を説明するための図である。 図１５における露光部を説明するための図である。 図２の電子銃とは異なる電子銃を説明するための図である。

符号の説明

３…制御系（処理装置）、５…電子ビーム光学系（光学系）、１０…電子銃（ビーム発生装置）、３０…筐体、４０…ゲートバルブ（仕切り弁）、５５…走査レンズ、５７…対物レンズ、７１…試料（物体）、７５…帯電部（潜像形成装置の一部）、７６…露光部（潜像形成装置の一部）、７７…除電部（潜像形成装置の一部）、８２…電源（電源回路）、９１…検出器（検出装置）、１００…表面電位分布測定装置、２００…表面電位分布測定装置、２２０…パターン形成装置（潜像形成装置の一部）、２５０…表面電位分布測定装置。

Claims (14)

1. 潜像が形成されている物体表面を荷電粒子ビームで走査し、前記物体の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定方法であって、
   前記荷電粒子ビームの加速電圧及び前記物体に印加する印加電圧の少なくとも一方を変更しながら、前記荷電粒子が前記物体の表面に到達する前に前記物体表面近傍で反発された反発電子を検出する工程と；
   前記検出する工程での検出結果に基づいて複数のコントラスト像を取得する工程と；
   前記複数のコントラスト像のそれぞれについて、前記反発電子の検出量に基づいて前記潜像の径を計測する工程と；
   前記計測する工程での計測結果に基づいて前記物体の表面電位の分布状態を求める工程と；を含み、
   前記加速電圧Ｖａｃｃ、入射電子に対する前記物体の表面電位ポテンシャルＶｐを用いて、
   前記複数のコントラスト像に、｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の両方が同時に存在するように前記加速電圧が設定され、
   前記潜像の径を計測する工程では、前記コントラスト像における前記｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と前記｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする表面電位分布測定方法。
2. 前記計測する工程では、前記反発電子の検出量を２値化し、該２つの値の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする請求項１に記載の表面電位分布測定方法。
3. 前記計測する工程での計測結果に基づいて前記物体の表面電荷の分布状態を求める工程を、更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の表面電位分布測定方法。
4. 前記物体は感光体であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面電位分布測定方法。
5. 潜像が形成されている試料表面を荷電粒子ビームで走査し、前記試料の表面電位の分布状態を測定する表面電位分布測定装置であって、
   試料が、その中の所定位置にセットされる筐体と；
   前記筐体内に配置され、前記荷電粒子ビームを発生するビーム発生装置と；
   前記筐体内で前記ビーム発生装置と前記試料との間に配置され、前記ビーム発生装置からの荷電粒子ビームを偏向する走査レンズ、及び該走査レンズからの荷電粒子ビームを前記試料表面に集束する対物レンズを含む光学系と；
   前記筐体内で前記試料近傍に配置され、前記試料表面に到達する前に前記試料表面近傍で反発された反発電子を検出する検出装置と；
   前記ビーム発生装置を介して前記荷電粒子ビームの加速電圧を変更しながら該荷電粒子ビームを前記試料表面に集束させ、異なる加速電圧での前記検出装置の複数の検出結果に基づいて複数のコントラスト像を取得し、該複数のコントラスト像について、前記反発電子の検出量に基づいて前記潜像の径をそれぞれ計測し、該計測された複数の潜像の径に基づいて、前記試料の表面電位の分布状態を求める処理装置と；を備え、
   該処理装置は、前記加速電圧Ｖａｃｃ、入射電子に対する前記物体の表面電位ポテンシャルＶｐを用いて、前記複数のコントラスト像に、｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の両方が同時に存在するように前記加速電圧を設定し、前記コントラスト像における前記｜Ｖａｃｃ｜＞｜Ｖｐ｜の領域と前記｜Ｖａｃｃ｜＜｜Ｖｐ｜の領域の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする表面電位分布測定装置。
6. 前記処理装置は、前記反発電子の検出量を２値化し、該２つの値の境界から前記潜像の径を計測することを特徴とする請求項５に記載の表面電位分布測定装置。
7. 前記処理装置は、前記加速電圧を変更する際に、更に光軸方向に関する前記荷電粒子ビームの集束位置のずれを補正することを特徴とする請求項５又は６に記載の表面電位分布測定装置。
8. 前記処理装置は、前記対物レンズに対する印加電圧を制御して、前記集束位置のずれを補正することを特徴とする請求項７に記載の表面電位分布測定装置。
9. 前記処理装置は、前記加速電圧を変更する際に、更に前記試料表面における前記荷電粒子ビームの走査範囲の変動を補正することを特徴とする請求項５〜８のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
10. 前記処理装置は、前記走査レンズに対する印加電圧を制御して、前記走査範囲の変動を補正することを特徴とする請求項９に記載の表面電位分布測定装置。
11. 前記処理装置は、更に前記試料の表面電位の分布状態に基づいて、表面電位分布のプロファイルを算出することを特徴とする請求項５〜１０のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
12. 前記試料にバイアス電圧を印加する電源回路を更に備えることを特徴とする請求項５〜１１のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
13. 前記試料は感光体であることを特徴とする請求項５〜１２のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。
14. 前記筐体内で前記ビーム発生装置と前記試料がセットされる所定位置との間に配置され、前記筐体の内部を２つの領域に分割可能な仕切り弁を更に備えることを特徴とする請求項５〜１３のいずれか一項に記載の表面電位分布測定装置。