JPH07169429A

JPH07169429A - 走査透過電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH07169429A
Application number: JP5276436A
Authority: JP
Inventors: Akimitsu Okura; 昭光大蔵; Ryoichi Miyamoto; 亮一宮本
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1993-11-05
Filing date: 1993-11-05
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】試料と対物レンズとの間隙に制約があっても、
他の検出器と併用して透過電子像が観察でき、しかも、
明視野像と暗視野像のどちらでも目的に応じて容易に観
察することのできる手段を提供すること。【構成】走査形電子顕微鏡において、試料９と透過電子
検出器２３との間に、明視野像コントラストを与える絞
りと、暗視野像コントラスト与える絞りを、共通の絞り
台２５上に保持した手段を設け、光軸上から出し入れす
ることにより、所望の透過電子像を得ることができるよ
う構成する。また、前記明視野像コントラストを与える
絞りは、試料からの散乱電子角度（半開角）が１０mrad
以下となる電子線通過孔を有する部材で構成し、前記暗
視野像コントラスト与える絞りは、試料からの散乱電子
角度（半開角）が少なくとも５０mrad以上となる電子線
遮断幅を有する部材で構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査形電子顕微鏡及び
その類似装置に係り、特に走査透過電子顕微鏡に使用す
るに好適な試料像観察装置とその観察方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料に収束電子線を照射し、走査するこ
とにより、試料から得られる信号をもとに走査像を得る
装置、いわゆる走査形電子顕微鏡（通称ＳＥＭ）では、
試料からの二次電子や反射電子信号による試料表面の観
察だけでなく、非常に薄い（通常数百ｎｍ以下の）試料
に対しては、透過電子による走査透過像の観察が可能で
ある。このような観察装置は、走査透過電子顕微鏡（Sc
anning Transmission Electron Microscope；通称ＳＴ
ＥＭ)又はＳＴＥＭ像観察装置と呼ばれている。電界放
出形電子銃と組合わせて用いると、加速電圧が５ｋＶ〜
数１０ｋＶという比較的低い加速電圧でも、きわめて高
いコントラストを有し、分子・原子レベルの超高分解能
の透過電子像が得られることから、最近、非常に注目さ
れている。しかるにＳＥＭにおいては、多機能性、すな
わち二次電子像や反射電子像あるいはＸ線像といった異
種信号像を同時に、あるいは交互に観察できるようにな
っていることも非常に重要になってきている。ところ
が、多目的機能を備えようとすると、試料とその試料上
に電子ビームをフォーカスさせる電磁レンズ（対物レン
ズ）との間隙には限度があり、反射電子検出器や透過電
子検出器あるいは透過電子像用のコントラスト絞りを同
時に取り付けることは難しい。特に、対物レンズのギャ
ップ内に試料を挿入して観察する方式いわゆるインレン
ズタイプのＳＥＭでは、この問題は重要な課題となって
いる。

【０００３】さらに、透過電子像そのものにも明視野像
と暗視野像があり、それぞれの目的に合わせたコントラ
スト絞りと透過電子検出器を必要とするが、試料と対物
レンズ間のギャップが狭い場合は、同時には取付けられ
ないという難点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した試料
と対物レンズとの間隙に制約があっても、他の検出器と
併用して透過電子像が観察でき、しかも、明視野像と暗
視野像のどちらでも目的に応じて容易に観察することの
できる手段と方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明では、ＳＥＭにおいて、試料と透過電子検
出器との間に、明視野像コントラストを与える絞りと、
暗視野像コントラストとを与える絞りを、共通の絞り台
上に保持した手段を設け、光軸上から出し入れすること
により、所望の透過電子像を得ることができるよう構成
する。また、前記明視野像コントラスト与える絞りは、
試料からの散乱電子角度（半開角）が１０mrad以下とな
る孔径を有し、また前記暗視野像コントラスト与える絞
りは、試料からの散乱電子角度（半開角）が少なくとも
５０mrad以上となる電子線遮断幅を有する部材で構成し
たことを特徴とする。

【０００６】

【作用】上記した構成によれば、試料と対物レンズ間の
ギャップ内、あるいは、対物レンズの下方において、一
箇所の位置に設けた明視野／暗視野用のコントラスト絞
り手段と、別の一箇所に設けた一個の透過電子検出手段
により、最も単純でスペースをとらないＳＴＥＭ像観察
装置構成とすることができ、目的に応じて明視野像と暗
視野像を容易に観察することができるようになる。しか
も、反射電子検出器やＸ線検出器に対する空間的な配置
の問題も生ずること無く、二次電子像，反射電子像，Ｘ
線像の観察も可能であり、多目的観察が行えるようにな
る。

【０００７】

【実施例】以下で本発明の具体的実施例を図面を用いて
詳述する。

【０００８】図１は本発明の一実施例であり、電界放出
形電子銃と三段電磁レンズ系でかつ、試料が対物レンズ
内に置かれる、いわゆるインレンズタイプのＳＥＭに適
用した場合の一実施例である。

【０００９】同図において、電界放出陰極１と静電レン
ズ２などからなる電界放出形電子銃３から放出された電
子ビーム４は、第１コンデンサーレンズ５，第２コンデ
ンサーレンズ６及び対物レンズ７により、試料ステージ
８上の試料９の面上で極めて細い電子プローブ１０に収
束される。電子プローブ１０は、偏向コイル１１ａ，１
１ｂと走査電源１２により、試料面上で走査される。電
子プローブ１０の走査により、試料面から発生した二次
電子１３は、対物レンズ磁場に捕らえられて対物レンズ
７の上磁極孔１４を通り、二次電子検出器１５に導かれ
る。二次電子検出器１５により検出された信号は、増幅
回路１６により映像信号となり、信号選択回路１７を経
て、陰極線管（Cathode Ray Tube；以下、ＣＲＴと略
す）１８に送られる。走査像の倍率は、ＳＥＭの原理か
ら明らかなように、ＣＲＴ上のスクリーン幅と電子プロ
ーブの試料面上での走査幅との比で決まる。この倍率の
変化は、倍率可変回路１９と走査電源１２とによって行
われる。また、倍率の調整や偏向コイル偏向角の調整
は、偏向制御回路２０によって行われる。一方、透過走
査電子像（以下、ＳＴＥＭ像と略す）の場合は、前記試
料９（薄膜試料）を透過した電子２１が対物レンズ７の
下磁極孔２２を通過して透過電子検出器２３により検出
される。透過電子検出器２３により検出された信号は、
増幅回路２４により映像信号となり、信号選択回路１７
を経て、ＣＲＴ１８に送られる。前記信号選択回路１７
は、観察したい信号像を選択する回路であり、二次電子
像であれば二次電子信号を、ＳＴＥＭ像であれば透過電
子信号をＣＲＴ１８に送る。あるいは、図１の例では図
示されていないが、反射電子信号やＸ線信号なども必要
に応じて選択できるようになっている。また、同じく図
１には図示されていないが、複数個のＣＲＴを使って、
一方は二次電子像、他方はＳＴＥＭ像というように異種
信号像を同時に映しだせるように信号選択回路１７を使
い分けできるようにしてあってもかまわない。

【００１０】さて、透過電子２１には、試料に衝突する
ことなく、入射電子線（電子プローブ）と同じエネルギ
ーのまま通りぬけた透過電子（非散乱電子）と、試料に
衝突してある程度のエネルギーを失って透過した電子
（非弾性散乱電子）と、試料に衝突してもエネルギーを
失わずに透過した電子（弾性散乱電子）とがある。そし
て非散乱電子と非弾性散乱電子は、試料照射角α₀に見
合った小さな散乱角（通常、約１０mrad以下）で透過す
ることが知られている。また、非散乱電子と非弾性散乱
電子を信号にすれば明視野像がえられ、弾性散乱電子を
信号にすれば暗視野像がえられる。したがって、散乱角
を適当に選ぶならば、明視野像と暗視野像をそれぞれ観
察できることになるが、従来は、対物レンズギャップの
制約から、どちらか一方か、又は、対物レンズ下方に別
々の透過電子検出器を配置していたため、ＳＴＥＭ絞り
装置２５の付替えが必要であったり、透過電子検出器が
複雑化し、高価なものになるといった難点があった。そ
こで本発明の図１に示した実施例では、この点を改良
し、対物レンズ７の下方に設けた１個の透過電子検出器
２３と、試料９と対物レンズの下磁極１０２との間に設
けた明視野像／暗視野像兼用のＳＴＥＭ絞り装置２５と
により、扱いやすく、簡便なＳＴＥＭ絞り装置となるよ
う構成している。

【００１１】図２は、図１で示した実施例において、対
物レンズ部と、透過電子検出器の部分をもう少し詳しく
説明するための構成図である。図２（ａ）は、対物レン
ズ７とＳＴＥＭ絞り装置２５のＳＴＥＭ絞り部２６と透
過電子検出器２３の部分を拡大して示したもの、また、
図２（ｂ）は、上記（ａ）と等価な電磁レンズ光学系を
示したものである。図２（ａ),（ｂ）において、電子プ
ローブ１０は、対物レンズ７の上磁極１０１側にできる
第１対物レンズ（Ｌ１）２７により、試料９の面上に入
射半角α₀(通常１０mrad程度）で収束される。今、偏向
コイル（図示せず）によって走査された電子プローブ１
０が、光軸の中心上で試料面に収束されているとする
と、試料を透過した電子のうち、散乱角がおおよそ１０
mrad以内では［非散乱電子＋非弾性散乱電子］２８が、
また、おおよそ５０mrad以上の散乱角では弾性散乱電子
２９が占め、試料９の後方に置かれたＳＴＥＭ絞り部２
６に入射する。このＳＴＥＭ絞り部２６を通過した電子
は、対物レンズ７の下磁極１０２側にできる第２対物レ
ンズ（Ｌ２）３０により、下磁極１０２の下方で再度、
収束され、［非散乱電子＋非弾性散乱電子］２８は、半
開角α_i以内で、また弾性散乱電子２９は、半開角α_i
以上の角度α_eで透過電子検出器２３のシンチレータ１
０３に衝突して発光する。この光はライトガイド３１で
真空外に伝えられ、フォトマルチプライヤー３２で増幅
され、透過電子信号として取り出される。図２の例で
は、ＳＴＥＭ絞り部２６の中心軸部が［非散乱電子＋非
弾性散乱電子］２８を遮った状態にあるので、得られる
ＳＴＥＭ像は暗視野像となる。逆に、ＳＴＥＭ絞り部２
６を光軸に対して直角に左右に少し動かし、中心軸部分
に開口部をもってくれば、α_iの範囲内にある［非散乱
電子＋非弾性散乱電子］２８がシンチレータ１０３に取
り込まれるので、得られるＳＴＥＭ像は明視野像とな
る。このように、ＳＴＥＭ絞り装置２５を真空外から、
光軸に対して少し動かすだけで、容易に明視野像と暗視
野像を１個の透過電子検出器で観察することが可能とな
る。

【００１２】図３は、本発明のＳＴＥＭ絞り部２６の一
実施例であり、（ａ）は平面の、（ｂ）は断面の構造概
略図である。同図において、ＳＴＥＭ絞り台３３の上
に、絞り板３４と絞り押さえ３５が取り付けられ、押さ
えねじ１０４で固定されている。絞り板３４は、透過電
子のうち［非散乱電子＋非弾性散乱電子］２８を適切に
遮るよう計算されたｌ₁とｌ₂の幅をもつ電子線遮断部３
６，３７と、弾性散乱電子を通過させるための開口部３
８，３９，４０を有する。該電子線遮断部３６又は３７
を透過電子線の光軸中心に置くことにより、暗視野像を
得ることができる。一方、電子線遮断部３６，３７と隣
接して、明視野像用絞り孔４１，４２には、丸穴の開口
部が設けられている。これらは、α_iに見合うか又は、
それよりも小さい半開角に相当する口径を有しており、
これらの絞り孔を通過した透過電子により、明視野像が
得られるようになっている。なお、絞り板３４は同一の
部材（例えばＭｏ製薄板）で例示したが、本発明の内容
はこれに限定されるものではなく、電子線遮断部３６，
３７は、例えば他の金属を張り合わせて作製してあって
もよい。

【００１３】図４は、本発明のＳＴＥＭ絞り部２６のう
ち、絞り板３４部分の他の一実施例である。この例で
は、絞り板３４ａに設けられた暗視野像用絞り孔４３，
４４は、中心部がｌ₁とｌ₂の幅をもつ電子線遮断部４
５，４６と、透過電子を通過させる半月形の開口部４７
ａ，４７ｂ、及び４８ａ，４８ｂで構成されている。ま
た、明視野像用絞り孔４１，４２は、図３と同様、２つ
の丸穴の開口部を有している。これらの絞り孔は明視野
像用，暗視野像用各々２個有する例で示したが、各々１
個、あるいは３個以上で構成してあってもかまわない。
また、右端の開口部４９は、この絞り板がずれないよう
にするためのねじ穴用開口部であり、前記押さえねじ１
０４と同軸になるよう穴位置が決められている。

【００１４】図５は、本発明のＳＴＥＭ絞り部２６のう
ち、絞り板３４部分の他の一実施例である。この例で
は、絞り板３４ｂに設けられた暗視野像用絞り孔５１，
５２は、各々中心部がｌ₁とｌ₂の幅をもつ十字状の電子
線遮断部５３，５４と、透過電子を通過させるための扇
形に４分割された開口部とを有している。この実施例で
は、図３の実施例にくらべ、透過電子線を遮断する際の
対称性が良くなり、より厳密な暗視野像が得られる利点
がある。明視野像用絞り孔４１，４２、及び右端のねじ
穴用開口部４９については、図３の実施例と同様であ
る。

【００１５】図６は、本発明のＳＴＥＭ絞り部２６のう
ち、絞り板３４部分の他の一実施例である。この例で
は、絞り板３４ｃに設けられた暗視野像用絞り孔５５，
５６は台形状をしている。こうすることにより、電子線
遮断部５７の幅を、例えばｌ₂から次第に広くとること
ができ、ＳＴＥＭ絞り全体を移動させることにより、暗
視野像として必要な最適幅を容易に調整することができ
るという利点がある。

【００１６】図７は、本発明の他の一実施例である。図
１と同一構成部材を意味するものは、同一符番でもって
示すものとする。この実施例では、ＳＴＥＭ絞り装置２
５は、対物レンズギャップ内ではなく、対物レンズの下
方に設けている。対物レンズギャップの大きさに制約を
受けないので、ＳＴＥＭ絞り装置そのものを必要に応じ
てやや大きく作ることができる利点がある。

【００１７】図８は、本発明の他の一実施例であり、試
料ステージが対物レンズギャップ内にない場合、いわゆ
るアウトレンズ方式のＳＴＥＭ像を得る場合に適用した
例である。この例では、対物レンズの下方に取り付けら
れた試料ステージ５９の下方に、ＳＴＥＭ絞り装置２５
を設けているが、構造，機能的には図１〜図７に示した
ＳＴＥＭ絞り装置とほぼ同等である。

【００１８】なお、図１，図７，図８では電界放出形電
子銃を搭載した走査形電子顕微鏡に適用した場合につい
て実施例を示したが、本発明の内容はこれに限定される
ものではなく、熱電子銃タイプの走査形電子顕微鏡に適
用した場合についても同様の効果を奏しうる。

【００１９】

【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば単純
な構成により、目的に応じて明視野像と暗視野像を容易
に観察することができ、走査形電子顕微鏡としての多目
的観察が行えるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成概略図である。

【図２】本発明の一実施例であって、図１の対物レンズ
部と透過電子検出部を詳しく説明するための構成図であ
る。

【図３】本発明の一実施例であって、ＳＴＥＭ絞り装置
の絞り板の部分を示す構成図である。

【図４】本発明の一実施例であって、ＳＴＥＭ絞り装置
の絞り板の部分を示す構成図である。

【図５】本発明の一実施例であって、ＳＴＥＭ絞り装置
の絞り板の部分を示す構成図である。

【図６】本発明の一実施例であって、ＳＴＥＭ絞り装置
の絞り板の部分を示す構成図である。

【図７】本発明の他の一実施例を示す構成概略図であ
る。

【図８】本発明の他の一実施例を示す構成概略図であ
る。

【符号の説明】

３…電界放出形電子銃、４…電子ビーム、５…第１コン
デンサーレンズ、６…第２コンデンサーレンズ、７…対
物レンズ、８…試料ステージ、９…試料、１０…電子プ
ローブ、１２…走査電源、１３…二次電子、１４…対物
レンズの上磁極孔、１５…二次電子検出器、１６…増幅
回路、１７…信号選択回路、１８…CRT、１９…倍率可
変回路、２０…偏向制御回路、２１…透過電子、２２…
対物レンズの下磁極孔、２３…透過電子検出器、２４…
増幅回路、２５…ＳＴＥＭ絞り装置、２６…ＳＴＥＭ絞
り部、２７…第１対物レンズ、２８…［非散乱電子＋非
弾性散乱電子］、２９…弾性散乱電子、３０…第２対物
レンズ、３１…ライトガイド、３２…フォトマルチプラ
イヤー、３３…ＳＴＥＭ絞り台、３４，３４ａ，３４
ｂ，３４ｃ…絞り板、３５…絞り押さえ、３６，３７…
電子線遮断部、３８，３９，４０…開口部、４１，４２
…明視野像用絞り孔、４３，４４…暗視野像用絞り孔、
４５，４６…電子線遮断部、４７ａ，４７ｂ，４８ａ，
４８ｂ…開口部、４９…ねじ穴用開口部、５１，５２…
暗視野像用絞り孔、５３，５４…電子線遮断部、５５，
５６…暗視野像用絞り孔、５７…電子線遮断部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線を試料上で走査する手段を有し、前
記試料から検出された映像信号を表示手段に導入して走
査像を得る装置において、試料と透過電子検出器との間
に、明視野像コントラスト与える絞りと、暗視野像コン
トラスト与える絞りとを、共通の絞り台上に保持できる
手段を設け、光軸上から出し入れすることにより、所望
の透過電子像を得ることができるよう構成したことを特
徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項２】前記明視野像コントラスト与える絞りは、
試料からの散乱電子角度（半開角）が１０mrad以下とな
る孔径を有し、また前記暗視野像コントラスト与える絞
りは、試料からの散乱電子角度（半開角）が少なくとも
５０mrad以上となる電子線遮断幅を有することを特徴と
する請求項１に記載の走査透過電子顕微鏡。
【請求項３】電子線を試料上で走査する手段を有し、前
記試料から検出された映像信号を表示手段に導入して走
査像を得る装置において、試料と透過電子検出器との間
に、明視野像コントラスト与える絞りと、暗視野像コン
トラスト与える絞りとを、共通の絞り台上に保持できる
手段を設け、光軸上から出し入れすることにより、一個
の透過電子検出器で、所望の透過電子像が得られるよう
構成したことを特徴とする走査透過電子像観察方法。