JPH05266854A - 走査電子顕微鏡及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】低加速電圧から高加速電圧まで効率よく二次電
子を捕獲可能な二次電子検出系を備え、一次電子の偏向
量及び非点集差の小さな高性能走査電子顕微鏡を提供す
る。 【構成】試料３上に一次電子線１を照射、照射により放
出される二次電子２は螺旋運動をしながら上昇する。対
物レンズ５から離れると急速に磁束密度が低下して発散
し、二次電子検出器４からの引込み電界により偏向され
て捕獲される。一次電子線１が二次電子検出器４からの
引出し電界にさらされて偏向するのを防止するため、二
次電子２が透過可能な開口部を有するシールド電極８を
設けており、二次電子２はシールド電極８に妨げられ
ず、二次電子検出器４に捕獲される。 【効果】一次電子線の偏向量および非点集差を大幅に低
減でき、かつ、二次電子の収率を劣化させることが無い
ため、高分解能，高感度な高性能走査電子顕微鏡が実現
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査電子顕微鏡に係わ
り、特に一次電子線の低加速電圧から高加速電圧までの
広い範囲で、高分解能，高感度を保持するに好適な二次
電子検出器系を備える走査電子顕微鏡及びその運転方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査電子顕微鏡は図３に示すよう
な二次電子検出器断面である。二次電子検出器４には二
次電子２を効率よく捕獲するために、検出器のシンチレ
ータ部に１０ｋＶ程度の高電圧が印加されている。この
高電圧は一次電子線１の光軸上に引込み電界を及ぼし、
一次電子線１を偏向させる。高電圧加速時には光軸上に
及ぼす電界強度は一次電子の加速電圧量に比べて十分小
さいため、一次電子線の偏向量は問題にならなかった。
しかし、近年、走査電子顕微鏡が超微細化した半導体の
パターン観察に多用されるのに伴い、ダメージの少ない
低加速電圧で使用したいとの要求が強まっている。低加
速電圧時には、一次電子線の偏向量が大きくなり、分解
能の大幅な低下を招くという問題があった。

【０００３】この問題を回避するための手段として、特
開昭57−30253号公報には、一次電子と二次電子との分
離を促進する電極と、分離後に検出器電界から一次電子
線をシールドする円筒電極を設置していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、二
次電子線がシールド電極に入ることを防止するために、
一次電子線から二次電子線をシールド電極入射前に完全
に分離する必要があり、試料からシールド電極を十分離
すか、またはシールド電極の径を十分小さくする、或い
は二次電子線の分離を促進するために、新たに分離用電
界を作ることが必要になるなどの問題があった。

【０００５】第一番目の発明の目的は、低加速電圧から
高加速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子
検出系を備え、一次電子の偏向量の小さな高性能走査電
子顕微鏡を提供することにある。

【０００６】第二番目の発明の目的は、低加速電圧から
高加速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子
検出系を備え、コンパクトな構造で一次電子の偏向量の
小さな高性能走査電子顕微鏡を提供することにある。

【０００７】第三番目の発明の目的は、低加速電圧から
高加速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子
検出系を備え、一次電子の偏向量の小さな高性能走査電
子顕微鏡の運転方法を提供することにある。

【０００８】第四番目の発明の目的は、低加速電圧から
高加速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子
検出系を備え、特に、低加速電圧時には一次電子の偏向
量の小さな高性能走査電子顕微鏡の運転方法を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記第１番目の発明の目
的は、一次電子照射系からの一次電子線を対物レンズ磁
場内に装着した試料に照射し、該試料から発生した二次
電子を、引込み電界により捕獲する二次電子検出器を有
する走査電子顕微鏡において、前記引込み電界が及ぶ前
記一次電子線光軸周囲に、前記二次電子が透過可能なシ
ールド手段を設けたことにより達成される。

【００１０】上記第２番目の発明の目的は、一次電子照
射系からの一次電子線を対物レンズ磁場内に装着した試
料に照射し、該試料から発生した二次電子を、引込み電
界により捕獲する二次電子検出器を有する走査電子顕微
鏡において、前記引込み電界が及ぶ前記一次電子線光軸
周囲の少なくとも一部に、前記二次電子が透過可能なシ
ールド手段を前記一次電子線光軸の周囲に設けたことに
より達成される。

【００１１】上記第３番目の発明の目的は、一次電子照
射系からの一次電子線を対物レンズ磁場内に装着した試
料に照射し、該試料から発生した二次電子を、引込み電
界により二次電子検出器内に捕獲する走査電子顕微鏡の
運転方法において、前記引込み電界が及ぶ前記一次電子
線光軸周囲に、前記二次電子が透過可能なシールド手段
を設け、前記一次電子線の偏向を抑えて運転することに
より達成される。

【００１２】上記第４番目の発明の目的は、一次電子照
射系からの一次電子線を対物レンズ磁場内に装着した試
料に照射し、該試料から発生した二次電子を、引込み電
界により二次電子検出器内に捕獲する走査電子顕微鏡の
運転方法において、前記一次電子線の電圧加速時には、
前記引込み電界が及ぶ前記一次電子線光軸周囲に、前記
二次電子が透過可能なシールド手段を設け、前記一次電
子線の偏向を抑えて運転することにより達成される。

【００１３】

【作用】インレンズ方式の走査電子顕微鏡では、二次電
子検出器は偏向コイルと対物レンズの間に設置されるこ
とが一般的である。また、アウトレンズ方式の走査電子
顕微鏡でも同様に、偏向コイルと対物レンズの間に設置
されている。

【００１４】上記第一番目の発明では、偏向コイルの底
部から対物レンズの上部までをシールドすれば光軸に二
次電子検出器からの引込み電界が到達しないために、二
次電子検出器電界による偏向を完全に防止できる。しか
し、通常の板状の電極では二次電子をもシールドしてし
まうため、このシールド手段には二次電子を透過可能な
開口を設けることで、低加速電圧から高加速電圧まで効
率よく二次電子を捕獲可能な二次電子検出系を備え、一
次電子の偏向量の小さな高性能走査電子顕微鏡が提供さ
れるものである。

【００１５】上記第二番目の発明では、偏向コイルの底
部から対物レンズの間の適当な位置をシールドすれば光
軸に二次電子検出器からの引込み電界の到達が抑制され
るために、二次電子検出器電界による偏向防止効果が向
上する。しかし、通常の板状の電極では二次電子をもシ
ールドしてしまうため、このシールド手段には二次電子
を透過可能な開口を設けることで、低加速電圧から高加
速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子検出
系を備え、コンパクトな構造で一次電子の偏向量の小さ
な高性能走査電子顕微鏡が提供されるものである。

【００１６】上記第三番目の発明では、偏向コイルの底
部から対物レンズの上部までをシールドすれば光軸に二
次電子検出器からの引込み電界が到達しないために、二
次電子検出器電界による偏向を完全に防止できる。そし
て、このシールド手段には二次電子を透過可能な開口が
設けてあるため、二次電子検出系は低加速電圧から高加
速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能であり、一次電
子の偏向量の小さな高性能走査電子顕微鏡の運転方法が
提供されるものである。

【００１７】上記第四番目の発明では、低加速電圧から
高加速電圧まで効率よく二次電子を捕獲可能な二次電子
検出系を備え、特に、低加速電圧時には、前記引込み電
界が及ぶ前記一次電子線光軸周囲に、前記二次電子が透
過可能なシールド手段を設け、前記一次電子線の偏向を
抑えて運転するため、一次電子の偏向量の小さな高性能
走査電子顕微鏡の運転方法が提供されるものである。

【００１８】

【実施例】本発明の実施例を、以下、図１及び図２に基
づいて説明する。

【００１９】図１は、二次電子検出器の断面図を示し、
図２は図１の二次電子検出器を備えた走査電子顕微鏡の
全体構成図を示す。

【００２０】図１において、例えば電子銃で発生した一
次電子線１は走査するための偏向コイル７を通過後、対
物レンズ５を通過しながら直径がナノメートル程度に収
束され、試料３上に照射される。一次電子線１の照射に
より後方散乱の一次電子とともに、二次電子２が試料３
から角度分布を持って放出される。後方散乱の一次電子
１はエネルギーが一次電子に近いため直進することか
ら、絞り６により二次電子検出器４に検出されるのを防
いでいる。二次電子２はエネルギーが数ｅＶと低いた
め、対物レンズ５の磁束に巻きついて螺旋運動をしなが
ら資料から上昇する。対物レンズ５から離れると急速に
磁束密度が低下し、二次電子２は旋回から振りほどかれ
て発散し、偏向コイル７と対物レンズ５との間に浸透す
る二次電子検出器４からの引込み電界により偏向されて
二次電子検出器４に捕獲される。一方、一次電子線１も
偏向コイル７と対物レンズ５との間で二次電子検出器４
からの引出し電界にさらされるため、この間にシールド
電極８を挿入する。シールド電極８には二次電子２が透
過可能な開口を設けており、二次電子２はシールド電極
８に妨げられず、二次電子検出器４に捕獲される。

【００２１】本実施例では、一次電子線１が二次電子検
出器４からの引込み電界に直接さらされる部分が無く、
一次電子線１の偏向量を大幅に低減できる。このため、
二次電子検出器４を一次電子線１に近接でき、二次電子
２を捕獲しやすい。二次電子２がシールド電極８を透過
する割合は、シールド電極８に占める開口面積比に比例
する。したがって、シールド電極８を細い線材により構
成すれば、高収率が容易に得られる。

【００２２】ここで、図１で説明した二次電子検出器を
備えた走査電子顕微鏡の全体構成について図２を用いて
説明する。

【００２３】フィールドエミッションチップ１０からの
一次電子線１はこのチップ１０と陽極１１間の電界で加
速される。更に、収束レンズ１２と対物絞り１３，中間
レンズ１４によって電子電流量とスポットサイズの調整
を行う。対物レンズ５の上部に一次電子線１を走査する
二段の偏向コイル７が装着され、試料３上を走査する。
試料３からの二次電子２は対物レンズ５の強磁場で螺旋
軌道を描きながら上昇し、二次電子検出器４により検出
されるものである。

【００２４】図４は、シールド電極８の作用を説明する
図であり、シールド電極の断面の模式図を示す。このよ
うなシールド電極８は通常の円筒の側面に複数の開口８
１を設けるか、網状または螺旋状の材料を円筒状にする
ことで容易に製作できる。円筒の直径に比べて開口８１
の径（幅）を小さくすれば、シールド電極８内に浸透す
る等電位線１０で示すように、円筒中央の一次電子線１
の光軸上での電界を十分小さくできるため、一次電子１
の偏向量を大幅に低下できる。さらに、シールド電極８
内の電界が打ち消される位置が光軸と一致するようにシ
ールド電極８の位置を調整して設置すれば、一次電子線
１の偏向を完全に防止できる。

【００２５】また、二次電子２は試料から角度分布を持
って放出されるが、磁場の影響を受けて対物レンズの磁
束に巻きつくようにして螺旋運動をしながら上昇する。
対物レンズから離れてシールド電極８内に入ると急速に
磁束密度が低下し、二次電子２は旋回から振りほどかれ
て発散する。シールド電極８には透過可能な開口８１が
あるため、二次電子２はシールド電極８に妨げられずに
シールド電極８を透過し、二次電子検出器に捕獲され
る。

【００２６】以上説明したように、シールド電極８には
二次電子２が透過可能な開口８１が設けてあり、二次電
子２はこの開口８１を通過可能なためシールド電極８に
妨げられず、二次電子検出器４に捕獲されることができ
る。一方、一次電子線１はこのシールド電極８により二
次電子検出器４からの引込み電界に直接さらされる部分
が無くなり、一次電子線１の偏向量が低減できるもので
ある。

【００２７】図５に線材により構成したシールド電極を
示す。複数の輪または螺旋状のシールド電極を構成する
線電極８２を直線材８３で固定した構造である。電極８
２の間隔を細かくすることによりシールド電極内部に浸
透する電界を低減できる。また、シールド電極内部では
浸透する電界がほぼ軸対称であるため、一次電子の偏向
及び非点収差が発生しない。

【００２８】図５では軸方向にシールド電極の径が一定
であるが、二次電子検出器からの電界が強いところで径
を大きくすることにより、網の目を細かくすることが出
来、光軸に到達する電界を十分に減衰することが出来る
ため、効率的にシールドできる。

【００２９】そして、二次電子がシールドをほぼ垂直に
透過させることにより、透過率を向上させるためには、
図６に示すように、試料側でシールド電極の径を大きく
する構造とすればよい。また、同様の効果は、図７に示
すように、シールド電極８の間隔を変化させることによ
っても実現することが出来る。つまり、二次電子検出器
の引込み電界が強い部分では、シールド電極８の間隔を
粗にすればよい。とくに、二次電子２がシールド電極８
を透過する場所が電界の弱い部分に偏っている場合に
は、シールド効果を落さずに、二次電子の収率を向上で
きるものである。なお、以上説明したシールド電極８を
構成する材料は、金属材料が好適であり、例えば、アル
ミニウム，銅，ステンレス鋼等が考えられる。また、材
料の表面を金属材料により蒸着したり、メッキしたりす
ることも同等の効果が達成できる。つまり、この材料は
導電性が有ればよく、その他、適当な強度，加工性，腐
食性が要求される。以下についても同様である。

【００３０】次に、第二の実施例を図８に基づいて説明
する。

【００３１】第一の実施例では、シールド電極８を固定
としていたが、本実施例では移動機構９を設けることで
シールド電極８，一次電子照射系と試料３の間を移動可
能としている。高電圧加速時には一次電子線の偏向量は
十分小さいのでシールド電極８は取外しても十分運転可
能であり、更に、取外した方が二次電子線を効果的に捕
獲できる。これに対して、低電圧加速時にはシールド電
極は一次電子線の偏向を抑えるために必要なものであ
る。

【００３２】走査電子顕微鏡では二次電子検出器４以外
にＸ線検出器などが試料近傍に挿入されることがある。
また、高電圧加速時にはシールド電極自身不要である。
そこで、真空容器の外からの操作によりシールド電極８
を移動することが要求される。この移動方向としては、
大きく３つの方法が考えられる。

【００３３】第１の方法は、移動機構９を引き抜くこと
によりシールド電極８を横方向に移動する方法である。

【００３４】第２の方法は、移動機構９を回転させるこ
とによりシールド電極８を横方向に回転移動する方法で
ある。

【００３５】第３の方法は、移動機構９を上に移動する
ことにより、偏向コイル７の内部方向に収納する方法で
ある。

【００３６】また、図８におけるシールド電極移動機構
９により、図９に示すようにシールド電極の電位分布の
中心と一次電子線の光軸が一致するように、シールド電
極８の位置を調整し、非点集差及び偏向量を最小にする
制御が可能である。即ち、半径方向の電界が最小となる
位置と一次電子線１の光軸とが一致するように調整する
ものである。

【００３７】第三の実施例を図１０及び図１１に基づい
て説明する。

【００３８】本実施例ではシールド電極８を伸縮可能な
バネ状の螺旋材により作成してある。この螺旋は軸に沿
って均一径でも良いが、収納時のコンパクト化を図るた
め不均一径にすることもできる。

【００３９】図１０の実施例では、移動機構９２を回転
移動し、シールド電極８を圧縮した後、移動機構９１を
引き抜くなどして、シールド電極８を移動する。

【００４０】また、図１１の実施例では、移動機構９３
を上下に移動し、シールドが不要なときには偏向コイル
７の底部に収納することができる。

【００４１】第四の実施例を図１２に基づいて説明す
る。

【００４２】前述した３つの実施例では、シールド電極
８は試料３や対物レンズ５と同電位、即ち接地であっ
た。本実施例ではシールド電極８に二次電子２の引出し
を促すような正の電位を電源１１を介して印加する。シ
ールド電極８自身は軸対称なので電圧が印加されても、
非点集差や偏向の原因とはならない。これにより、例え
ば試料２の深穴または帯電した領域から二次電子２を引
出す場合に、二次電子収率を向上することができる。

【００４３】以上は、主にインレンズ方式の走査電子顕
微鏡において、本願発明を適用した実施例について説明
したが、アウトレンズ方式の走査型電子顕微鏡において
も同等の効果が得られる。

【００４４】図１３及び図１４は、アウトレンズ方式の
走査電子顕微鏡を示す。アウトレンズ方式の走査電子顕
微鏡においても試料３上で発生した二次電子２を対物レ
ンズ５を通過後、対物レンズ５と偏向コイル７との間に
設置した二次電子検出器４で捕獲検出することが出来
る。この場合にも、インレンズ方式の走査電子顕微鏡と
同様に一次電子線１が二次電子検出器４からの引込み電
界にさらされる。そこで、対物レンズ５と偏向コイル７
との間にシールド電極８を設置する。これにより、アウ
トレンズ方式の走査電子顕微鏡においても検出器電界に
よる一次電子線１の偏向を防止できる。

【００４５】

【発明の効果】第一番目の発明によれば、一次電子線の
加速電圧が低電圧加速であっても、一次電子線の偏向量
および非点集差を大幅に低減でき、かつ、二次電子の収
率を劣化させることが無いため、高分解能，高感度な高
性能走査電子顕微鏡が実現できる。

【００４６】第二番目の発明によれば、一次電子線の加
速電圧が低電圧加速であっても、一次電子線の偏向量お
よび非点集差を大幅に低減でき、かつ、二次電子の収率
を劣化させることが無いため、コンパクトな構造で、高
分解能，高感度な高性能走査電子顕微鏡が実現できる。

【００４７】第三番目の発明によれば、一次電子線の加
速電圧が低電圧加速であっても、一次電子線の偏向量お
よび非点集差を大幅に低減でき、かつ、二次電子の収率
を劣化させることが無いため、高分解能，高感度な高性
能走査電子顕微鏡の運転方法が実現できる。

【００４８】第四番目の発明によれば、一次電子線の加
速電圧が低電圧加速である場合は特に、一次電子線の偏
向量および非点集差を大幅に低減でき、かつ、二次電子
の収率を劣化させることが無いため、高分解能，高感度
な高性能走査電子顕微鏡の運転方法が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】インレンズ方式の走査電子顕微鏡の二次電子検
出系の断面図。

【図２】二次電子検出器を備えた走査電子顕微鏡の全体
構成図。

【図３】従来の二次電子検出系の断面図。

【図４】シールド電極の作用を示す断面図。

【図５】線材により作成したシールド電極の鳥瞰図。

【図６】試料側でシールド電極の径を大きくした構造を
示す断面図。

【図７】不等間隔に電極を配置したシールド電極の構造
を示す断面図。

【図８】シールド電極の移動機構を持つ二次電子検出系
の断面図。

【図９】シールド電極と一次電子線の位置関係の調整を
示す断面図。

【図１０】伸縮可能なシールド電極の移動機構を持つ二
次電子検出系の断面図。

【図１１】伸縮可能な収納式シールド電極を持つ二次電
子検出系の断面図。

【図１２】電位を印加可能なシールド電極を持つ二次電
子検出系の断面図。

【図１３】アウトレンズ方式の走査顕微鏡の二次電子検
出系の断面図。

【図１４】薄型対物レンズを持つアウトレンズ方式の走
査顕微鏡の二次電子検出系の断面図。

【符号の説明】

１…一次電子線、２…二次電子、３…試料、４…二次電
子検出器、５…対物レンズ、６…絞り、７…偏向コイ
ル、８…シールド電極、９…シールド電極移動機構、１
２…絶縁材、８１…開口、８２…輪状電極、８３…線状
電極、９，９１，９２…移動機構。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一次電子照射系からの一次電子線を対物レ
   ンズ磁場内に装着した試料に照射し、該試料から発生し
   た二次電子を、引込み電界により捕獲する二次電子検出
   器を有する走査電子顕微鏡において、 前記引込み電界が及ぶ前記一次電子線光軸の周囲に、前
   記二次電子が透過可能なシールド手段を設けたことを特
   徴とする走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】一次電子照射系からの一次電子線を対物レ
   ンズ磁場内に装着した試料に照射し、該試料から発生し
   た二次電子を、引込み電界により捕獲する二次電子検出
   器を有する走査電子顕微鏡において、 前記引込み電界が及ぶ前記一次電子線光軸の少なくとも
   一部に、前記二次電子が透過可能なシールド手段を前記
   一次電子線光軸の周囲に設けたことを特徴とする走査電
   子顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項２に記載の走査型電子顕微鏡におい
   て、 前記シールド手段は、前記一次電子線光軸に沿って前記
   試料との距離を可変可能に構成したことを特徴とする走
   査電子顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１又は請求項２に記載の走査型電子
   顕微鏡において、 上記シールド手段は、前記二次電子が透過可能な開口部
   を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項１又は請求項２に記載の走査型電子
   顕微鏡において、 上記シールド手段は、前記一次電子光軸の周囲方向に略
   軸対称に配置されていることを特徴とする走査電子顕微
   鏡。
6. 【請求項６】請求項１又は請求項２に記載の走査型電子
   顕微鏡において、 上記シールド手段は、前記一次電子光軸の周囲方向に略
   軸対称に構成し、かつ、その半径方向が前記試料に向っ
   て大きくなるように構成したことを特徴とする走査電子
   顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項１又は請求項２に記載の走査型電子
   顕微鏡において、 上記シールド手段は、前記二次電子が透過可能な複数の
   開口部を有し、かつ、その開口部の間隔が前記試料側で
   大きくなるよう構成したことを特徴とする走査電子顕微
   鏡。
8. 【請求項８】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の
   走査型電子顕微鏡において、 上記シールド手段を前記一次電子光軸から該光軸と交叉
   する方向に移動させる機構を設けたことを特徴とする走
   査電子顕微鏡。
9. 【請求項９】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の
   走査型電子顕微鏡において、 上記シールド手段は網状或いは螺旋状の部材から構成さ
   れていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
10. 【請求項１０】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
    の走査型電子顕微鏡において、 上記シールド手段は導電製材料から構成されていること
    を特徴とする走査型電子顕微鏡。
11. 【請求項１１】請求項１乃至請求項６のいずれかに記載
    の走査型電子顕微鏡において、 上記シールド手段は、前記試料に比べて正の電位が印加
    されていることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
12. 【請求項１２】一次電子照射系からの一次電子線を対物
    レンズ磁場内に装着した試料に照射し、該試料から発生
    した二次電子を、引込み電界により二次電子検出器内に
    捕獲する走査電子顕微鏡の運転方法において、 前記引込み電界が及ぶ前記一次電子線光軸周囲に、前記
    二次電子が透過可能なシールド手段を設け、前記一次電
    子線の偏向を抑えて運転することを特徴とする走査電子
    顕微鏡の運転方法。
13. 【請求項１３】請求項１２に記載の走査電子顕微鏡の運
    転方法において、 前記シールド手段を前記一次電子照射系と前記試料間の
    前記一次電子線の偏向を抑えることが可能な位置に移動
    させて運転することを特徴とする走査電子顕微鏡の運転
    方法。
14. 【請求項１４】一次電子照射系からの一次電子線を対物
    レンズ磁場内に装着した試料に照射し、該試料から発生
    した二次電子を、引込み電界により二次電子検出器内に
    捕獲する走査電子顕微鏡の運転方法において、 前記一次電子線の電圧加速時には、前記引込み電界が及
    ぶ前記一次電子線光軸周囲に、前記二次電子が透過可能
    なシールド手段を設け、前記一次電子線の偏向を抑えて
    運転することを特徴とする走査電子顕微鏡の運転方法。