JPH0766766B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

電子顕微鏡

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JPH0766766B2
JPH0766766B2 JP1079590A JP7959089A JPH0766766B2 JP H0766766 B2 JPH0766766 B2 JP H0766766B2 JP 1079590 A JP1079590 A JP 1079590A JP 7959089 A JP7959089 A JP 7959089A JP H0766766 B2 JPH0766766 B2 JP H0766766B2
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    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams

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  • Analytical Chemistry (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、特に電界放射型電子銃を備えた電子顕微鏡に
係り、さらに具体的にいえば、電子線の衝突による絞り
板の汚染を防止すると共に、常に高分解能を得ることが
可能な電子顕微鏡に関する。
（従来の技術） 走査電子顕微鏡では、試料上における電子線開き角度
（以下、ビーム開き角）を決定するための絞り板が、集
束レンズの主面またはその近傍に設置されていが、この
絞り板には検鏡中の電子線の衝突によってコンタミネー
ションが付着してしまう。
そして、このコンタミネーションが増大すると、非点収
差の増加や光軸のずれが発生し、分解能を著しく低下さ
せてしまう。
したがって、コンタミネーションが増大したような場合
には、絞り板を鏡体から取り外してクリーニングする
か、あるいは予め絞り板に加熱装置を設置し、鏡体内の
真空中に絞り板を置いたまま該加熱装置に通電し、絞り
板自体を加熱してコンタミネーションを昇華除去るる方
法がとられている。
しかし、集束レンズ近傍の狭い領域に加熱装置を有する
絞り板を設置することは困難であり、一般的には用いら
れていない。
これらの問題点を解決する方法としては、実公昭51-293
39号公報に記載されるように、試料室内の試料載置台
に、試料ホルダとの交換が可能な電子銃を設け、該電子
銃からの電子線照射によって絞り板をクリーニングする
ようにした装置が提案されている。
（発明が解決しようとする課題） 上記した従来技術は、いずれも絞り板が汚染された後の
処理に関するものであって、クリーニングに長時間を要
するという問題があった。
本発明の目的は、以上に述べた問題点を解決し、初めか
ら絞り板が汚染されない構造であり、かつ、ビーム開き
角を自由に設定することが可能な電子顕微鏡を提供する
ことである。
（課題を解決するための手段） 前記の問題点を解決するために、本発明は以下のような
手段を講じた。
（１）電界放射型電子銃と、該電界放射型電子銃から放
射された電子線を集束、焦点合わせする電子レンズ群と
を具備した電子顕微鏡において、前記電界放射型電子銃
の最終段電極と前記レンズ群との間の高真空領域に絞り
板を設置した。
（２）前記（１）の構成では、レンズ群によってプロー
ブ電流を制御できなくなるので、引出し電極に印加する
引出電圧を制御することによってプローブ電流を制御す
るとともに、プローブ電流制御によって起こる仮想的な
電子源位置の変化に伴う焦点のずれを、対物レンズの主
面での電子線の広がりが一定となるように集束レンズの
焦点距離を制御して補正し、試料から見たビーム開き角
αｉが一定に維持されるようにした。
（作用） （１）絞り板が、高真空が保たれた位置に設置されるの
で、電子線による絞り板の汚染が発生しない。
（２）加速電圧やプローブ電流を変化させても、ビーム
開き角を任意の値に維持できるので、常に最適状態に電
子光学系を維持することができるようになる。
（実施例） 絞り板へのコンタミネーションの付着は、真空状態の悪
い状況で電子線が絞り板に照射されたときに発生する問
題で、真空圧力を10-7Pa程度まで下げると、電子線によ
る絞り板の汚染はほとんど発生しない。
一方、電界放射型電子銃においては、その真空度が10-7
〜10-8Pa程度でなければ安定した動作が得られないため
に、特に加速電極近傍においては高真空が保たれるよう
に構成されている。
そこで、本発明においては、絞り板を高真空が保たれた
加速電極の下方に設置するようにした。
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
第１図は本発明の一実施例である電界放射型走査電子顕
微鏡の主要部の構造を示した断面図である。
同図において、電子線の発生源である電界放射型電子銃
は、陰極１、陰極１からエミッションを引出すための第
１の陽極（引出し電極）２、および電子線を加速するた
めの第２の陽極（加速電極）３によって構成されてい
る。
陰極１と引出し電極２との間には引出し要電源11によっ
て引出し電圧V1が印加され、これによって陰極１からは
電界放射による電子線10が放射される。
陰極１と加速電極３との間には加速用電源12によって加
速電圧V0が印加され、これによって前記電子線10が加速
される。該電子線10のビーム径は絞り板４によって制限
される。
ビーム径を制限された電子線10は集束レンズ５によって
集束され、さらに対物レンズ８で焦点合わせされ、試料
９の表面で集束電子ビームとなる。なお、集束レンズ５
と対物レンズ８との間にはＸ方向偏向器６、Ｙ方向偏向
器７が設置され、該偏向器によって前記集束電子ビーム
は試料９の表面で走査される。
このような構成を有する電子顕微鏡では、絞り板４が高
真空状態（約10-7Pa）にある加速電極直下に配置されて
いるために、電子線が照射されてもコンタミネーション
が付着せず、汚染されることがない。
ところで、上記したように加速電極３と集束レンズ５と
の間に絞り板４を設置すると、集束レンズ５によってプ
ローブ電流を制御できなくなる。したがって、本実施例
においては、陰極１から放射される電子線のビーム電流
の制御を、引出し電圧V1を制御することによって行う。
電界放射型電子銃の場合、引出し電圧V1によって広範囲
にビーム電流を変えられるため、引出し電圧V1を制御す
ることによって、集束レンズ５の下部に絞り板４を配置
した場合と同等以上の広範囲なプローブ電流制御が可能
になる。
ところが、電界放射型電子銃を電子ビームの発生源とし
て用いる場合に、引出し電極２および加速電極３が静電
レンズとして機能するために、引出し電圧V1を制御して
プローブ電流を変えたり、試料ダメージを考慮して加速
電圧V2を制御すると、後段のレンズ系から見た場合、そ
の仮想的な電子源位置が変化する。
第３図は、引出電圧V1と加速電圧V0の比V0/V1と、陰極
１から仮想電子源位置までの距離Ｓとの関係を示した図
である。このように、電界放射型電子銃においては、V0
/V1によって仮想的な電子源位置が移動してしまう。
また、仮想的な電子源位置が移動すると試料上でのビー
ムの焦点もずれるため、その焦点合わせを行うことにな
るが、従来技術においては、第４図に示すように仮想的
な電子源位置が13aから13bに移動すると、集束レンズ５
の焦点位置14が動かないように集束レンズ電流を制御し
て焦点合わせを行っていた。
しかし、これでは同図に示すごとく、対物レンズ８の主
面での電子線の広がりが変化し、予め設定した最適ビー
ム開き角αｉを維持することができず、最高分解能が得
られなくなってしまうという新たな問題が発生する。
そこで、本発明においては、第５図に示すように、仮想
電子源の位置が13aから13bに移動した場合には、後に詳
述するように、対物レンズ主面での電子線の広がりが一
定となるように集束レンズ５の焦点位置を14aから14bに
移動させ、これによってビーム開き角αｉが一定になる
ようにする。
以下、仮想的な電子源位置と最適ビーム開き角との関係
について説明する。
第２図において、仮想的な電子源13と陰極１との距離を
Ｓ、陰極１と絞り板４との距離をLa、陰極１と集束レン
ズ５の主面との距離をL1、集束レンズ５の主面と対物レ
ンズ８の主面との距離をL2、対物レンズ８の主面と試料
面との距離をLi、集束レンズ５の主面と集束レンズ５に
よりビームの焦点位置14までの距離をLc、絞り板４の穴
の半径をRaとすると、試料９上に於けるビーム開き角α
ｉは（２）式で与えられる。
αｉ＝｛Ra/（Ｓ＋La｝）×｛（Ｓ＋L1）/Lc｝×｛（L2
−Lc）/Li｝ （rad） …（２） したがって、仮想的な電子源位置Ｓの変化に対して、集
束レンズ５によるビームの焦点位置Lcは（３）式で与え
られることになる。
Lc＝｛L2（Ｓ＋L1）Ra｝／｛Li（Ｓ＋La）αｉ＋（Ｓ＋
L1）Ra｝ …（３） （２）式は、任意の仮想電子源位置Ｓと、任意のビーム
開き角αｉをパラメータとしているので、仮想電子源位
置Ｓを前記第３図に関して説明した関係より求め、さら
に、後述するようにして最適ビーム開き角αｉを求めて
前記（３）式に代入すれば、引出し電圧および加速電圧
が変化した場合に、ビーム開き角αｉを変化させないで
焦点合わせを行うことが可能なLcを算出することができ
るようになる。
そして、集束レンズ５の焦点位置合わせによって試料上
での焦点がずれたならば、さらに対物レンズ８を制御し
て焦点合わせを行うようにした。
このような調整方法によれば、一旦最適ビーム開き角α
ｉを設定すれば、その後、プローブ電流を制御するため
に引出電圧V1を変化させ、仮想的な電子源位置が変化し
ても、最適ビーム開き角αｉが維持されるようになる。
ところで、試料に照射する電子ビームの径が最も細くな
り、最高分解能が得られるビーム開き角αｉは電子線の
加速領域によって異なる。
以下、加速領域が異なることによる最適ビーム開き角α
ｉの違いについて、加速電圧をV0（Ｖ）、対物レンズの
色収差係数をCc（mm）、球面収差係数をCs（mm）、電子
線のエネルギ幅をΔＶ（eV）、電子のドブロイ波長をλ
（mm）として説明する。
色収差が支配的な低加速領域では、回折による電子線の
広がりδｄと色収差による電子線の広がりδｃとがバラ
ンスするときに最も細い電子プローブが得られる。
回折による電子線の広がりδｄは、周知のように（４）
式で与えられる。
δｄ＝1.22×λ／αｉ …（４） また、色収差による電子線の広がりδｃも、周知のよう
に（５）式で与えられる。
δｃ＝Cc×（ΔV/V0）×αｉ …（５） そして、δｄ＝δｃを満足するときのビーム開き角αｉ
が低加速領域でのビーム開き角となるので、 1.22×λ／αｉ＝Cc×（ΔV/V0）×αｉ から、低加速領域での最適ビーム開き角αｉは（６）式
で与えられる。
αｉ＝1.1×｛（λ/Cc）×（V0/ΔＶ）｝１ ］ ２ …
（６） 一方、球面収差が支配的な高加速領域での最適ビーム開
き角αｉは、周知のように（７）式で与えられる。
αｉ＝（４λ/Cc）１ ］ ４ …（７） なお、低加速領域と高加速領域との境界は、それぞれの
領域でのビーム開き角αｉが一致する点での加速電圧で
決定される。
すなわち、ドブロイ波長λを、 λ＝（150/V0）１ ］ ２×10-7（mm） とすると、 1.1×｛（λ/Cc）×（V0/ΔＶ）｝１ ］ ２＝（４λ/Cs）
１ ］ ４ から、境界での加速電圧Vsは（８）式で与えられる。
Vs＝1.71×104×Cs-2 ］ ３×Cc4 ］ ３×ΔV4 ］ ３（Ｖ）…
（８） したがって、加速電圧V0≦Vsの低加速領域では前記
（６）式に基づいてビーム開き角αｉを設定し、加速電
圧V0＞Vsの高加速領域では前記（７）式に基づいてビー
ム開き角αｉを設定するようにすれば、常に最高分解能
が得られる条件が維持される。
なお、電子光学系の収差係数は、対物レンズ８の主面と
試料９との距離Liによって変化するので、対物レンズ８
の励磁電流から距離Liを求めれば、その試料位置におけ
る収差係数を求めることができる。
したがって、対物レンズの励磁電流と収差係数Cc、Csと
の関係を予め適宜の手段で記憶しておけは、収差係数C
c、Csは簡単に求められる。
以下に、前記（２）式〜（７）式に基づいて焦点合わせ
を行う方法を、第６図のフローチャートおよび第７図の
ブロック図によって説明する。
第７図において第１図と同一の符号は同一または同等部
分を表しているが、第１図に示した偏向器６、７の動作
は本発明には直接関係しないので省略してある。
ステップS1では、観察試料、観察内容に応じた加速電圧
V0を加速用電源12によって設定すると共に、引出し電圧
V1を引出し用電源11で制御することによってエミッショ
ン電流を制御し、観察試料、観察内容に応じた最適プロ
ーブ電流を設定する。
ステップS2では、陰極１から仮想電子源位置までの距離
Ｓが、前記第３図に関して説明した距離ＳとV0/V1との
関係が記憶された第１の記憶手段30から後述する第３の
演算手段に出力される。
ステップS3では、第１の演算手段31において、前記ステ
ップS1で設定した加速電圧V0が前記（６）式に代入さ
れ、あるいは（７）式に基づいて最適ビーム開き角αｉ
が設定されると共に、その値が表示手段37に表示され
る。
この時の収差係数Cc,Csは、第２の演算手段32が対物レ
ンズ電流を対物レンズ制御回路33から読取り、該対物レ
ンズ電流に基づいて対物レンズの主面から試料９までの
距離Liを算出すると共に、該距離Liに対応する収差係数
Cc,Csを、両者の関係が予め記憶された第２の記憶手段3
4から読出すことによって求められる。
ステップS4では、第３の演算手段35において、前記
（３）式にステップS2で求めた距離Ｓ、およびステップ
S3で求めたビーム開き角αｉが代入され、対物レンズ主
面での電子線の広がりが一定となる集束レンズの焦点距
離Lcが算出される。
ステップS5では、集束レンズの焦点距離Lcが前記ステッ
プS4で算出した値となるように、集束レンズ制御回路36
によって集束レンズ電流が制御される。
ステップS6では、集束レンズの焦点距離をLcにすること
によって生じた試料上での焦点ずれが、対物レンズ制御
回路33を制御するとによって調整される。
このような焦点合わせ方法によれば、ビーム開き角αｉ
を当初の設定値からずらすことなくプローブ電流を制御
できるようになる。
なお、試料表面の凹凸が大きくなると、最高分解能が得
られるビーム開き角αｉでは焦点深度が浅すぎる場合が
ある。したがって、このような場合には、最高分解能が
得られる条件よりも、さらにビーム開き角αｉを小さく
して焦点深度を深くすることが重要である。
したがって、表面の凹凸が大きい試料を観察する場合に
は、ステップS3においてビーム開き角αｉを適宜設定す
るようにし、凹凸があまり大きくない試料に対しては、
（６）式または（７）式に基づいた最適ビーム開き角α
ｉを加速電圧と連動して設定するようにすれば、いかな
る凹凸状態の試料に対しても最適な電子光学系を容易に
実現できる。
（発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明によれば次のよ
うな効果が達成される。
（１）絞り板が、高真空が保たれた加速電極と集束レン
ズとの間に設置されるので、電子線による絞り板の汚染
が発生しない。
（２）加速電圧やプローブ電流を変化させても、ビーム
開き角を任意の値に維持できるので、常に最適状態に電
子光学系を維持することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例である電界放射型走査電子顕
微鏡の主要部の構造を示した断面図である。 第２図は仮想的な電子源位置と最適ビーム開き角との関
係を説明するための図である。 第３図は加速電圧V0/引出電圧V11と陰極から仮想電子源
位置までの距離Ｓとの関係を示した図である。 第４図は従来技術による焦点合わせ方法を説明するため
の図である。 第５図は本発明による焦点合わせ方法を説明するための
図である。 第６図は本発明による焦点合わせ方法を示したフローチ
ャートである。 第７図は本発明の電子顕微鏡の機能ブロック図である。 １……陰極、２……第１陽極（引出し電極）、３……第
２陽極（加速電極）、４……絞り板、５……集束レン
ズ、６、７……偏向器、８……対物レンズ、９……試
料、10……電子ビーム

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも陰極、該陰極から電子線を引出
    すための引出し電極、および該電子線を加速するための
    加速電極によって構成され、高真空領域に設置された電
    界放射型電子銃と、 前記引出し電極に印加する引出し電圧、および加速電極
    に印加する加速電圧のうち、少なくとも引出し電圧を制
    御する手段と、 少なくとも前記電界放射型電子銃から放射された電子線
    を集束する集束レンズ、および前記集束レンズで一旦集
    束された電子線を試料上で焦点合わせする対物レンズを
    含み、前記高真空領域外に設置された電子レンズ群と、 前記レンズ群よりも電界放射型電子銃側の、前記高真空
    領域に設置された絞り板とを具備したことを特徴とする
    電子顕微鏡。
  2. 【請求項２】前記絞り板は、前記電界放射型電子銃の最
    終段電極と前記レンズ群との間に設置されることを特徴
    とする特許請求の範囲第１項記載の電子顕微鏡。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項または第２項記載の
    電子顕微鏡において、引出し電圧および加速電圧に基づ
    いて仮想的な電子源位置を検出する手段と、 最適ビーム開き角を設定する手段と、 仮想的な電子源位置に拘らず、対物レンズ主面での電子
    線の広がりが一定となるように、集束レンズの焦点距離
    を制御する手段とをさらに具備したことを特徴とする電
    子顕微鏡。
  4. 【請求項４】特許請求の範囲第３項記載の電子顕微鏡に
    おいて、 前記最適ビーム開き角を設定する手段は、加速電圧をV
    0、対物レンズの色収差係数をCc、対物レンズの球面収
    差係数をCs、電子線のエネルギ幅をΔＶ、電子のドブロ
    イ波長をλ（mm）とした時、最適ビーム開き角αｉを以
    下のようにして決定することを特徴とする電子顕微鏡。 V0≦1.71×104×Cs-2 ］ ３×Cc4 ］ ３×ΔV4 ］ ３ の場合には、 αｉ＝1.1×｛（λ/Cc）×（V0/ΔＶ）｝１ ］ ２ V0＞1.71×104×Cs-2 ］ ３×Cc4 ］ ３×ΔV4 ］ ３ の場合には、 αｉ＝（４λ/Cs）１ ］ ４
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第３項または第４項記載の
    電子顕微鏡において、 前記集束レンズの焦点距離を制御する手段は、（１）式
    より集束レンズの焦点距離Lcを制御することを特徴とす
    る電子顕微鏡。 Lc＝｛L2（Ｓ＋L1）Ra｝／｛Li（Ｓ＋La）αｉ＋（Ｓ＋
    L1）Ra｝ …（１） ただし、 αｉ…最適ビーム開き角 Ｓ…陰極と仮想的な電子源位置との距離 La…陰極と絞り板との距離 L1…陰極と集束レンズ主面との距離 L2…集束レンズ主面と対物レンズ主面との距離 Lc…対物レンズ主面と試料面との距離 Li…絞り板の穴の半径
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第３項ないし第５項のいず
    れかに記載の電子顕微鏡において、 ビーム開き角を表示する手段をさらに具備したことを特
    徴とする電子顕微鏡。
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