JPH08264149A - 走査型電子顕微鏡の２次電子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、試料から発生した２次電子を検出
する走査型電子顕微鏡の２次電子検出器に関し、対物レ
ンズの軸の周りに筒状の加速管を設けて加速電圧を印加
すると共に内壁に２次電子放出物質を形成し、試料から
放出された２次電子がたとえ加速管の内壁に衝突しても
２次電子を放出すると共に加速電圧によって２次電子を
検出器に向かって加速し、試料から発生した２次電子が
対物レンズの磁界による拘束を外れても効率的に検出可
能にすることを目的とする。 【構成】 電子ビームを細く絞って試料上に照射する対
物レンズと、この対物レンズの軸を貫通する筒状であっ
て、試料から離れるに従い電圧が高くなる加速管と、こ
の加速管を通過した２次電子を検出する検出器とを備え
るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料から発生した２次
電子を検出する走査型電子顕微鏡の２次電子検出器に関
するものである。

【０００２】最近、走査型電子顕微鏡において、非導電
性の試料、例えば半導体の表面に細く絞った電子ビーム
を照射して走査し、そのときに発生した２次電子を収集
して２次電子像を画面上に表示し、観察することが行わ
れている。この際、非導電性の試料上の電子ビームがチ
ャージして分解能の高い良質な２次電子像が観察できな
くなってしまうので、電子ビームの加速電圧を低く、例
えば２ＫＶ以下の加速電圧に加速した電子ビームを試料
に照射しても効率良好に２次電子を収集することが望ま
れている。

【０００３】

【従来の技術】従来、走査型電子顕微鏡において、細く
絞った電子ビームを試料に照射し、そのときに発生した
２次電子を効率良好に検出する２次電子検出器として図
２に示すようなものがある。

【０００４】図２は、従来技術の説明図を示す。図２に
おいて、対物レンズの上側の磁極２１および下側の磁極
２２は、電子ビーム２５を試料２３上に結像させる磁界
分布を形成するためのものである。

【０００５】試料２３は、電子ビームを走査してそのと
きに発生した２次電子を収集し、２次電子画像を表示し
た観察しようとする対象の試料である。軸２４は、対物
レンズなどの軸である。

【０００６】電子ビーム２５は、図示外の電子銃によっ
て発生された電子ビームであって、対物レンズによって
集束して細く絞り、試料２３上を走査するためのもので
ある。

【０００７】レンズ電極２６は、対物レンズの内側に設
けた円筒状のものであって、レンズ電極２８によって保
持されると共に正電圧を印加するものである。検出器２
９は、２次電子を検出する検出器である。

【０００８】電極３０は、負の電圧を印加して試料２３
から引き出して２次電子が通り過ぎないで、検出器２９
に収集されるようにするものである。次に、２次電子の
収集について簡単に説明する。

【０００９】（１） 図示外の電子銃によって発生さ
せ、加速した電子ビーム２５を、対物レンズの上側の磁
極２１と下側の磁極２２によっ形成した磁界分布によっ
て細く絞って試料２３上を走査する。このとき補正コイ
ル３３によって電子ビーム２５を細く絞られるように補
正すると共に、図示外の偏向コイルによって試料２３上
を走査する。

【００１０】（２） （１）で電子ビーム２５によって
試料２３上を走査すると、当該試料２３から２次電子が
放出される。この放出された２次電子は、対物レンズの
磁界中を回転しながら上の方向に放出される。この際、
軸４の周りに円筒状に設けたレンズ電極２６に印加した
正電圧によって上方向に引き出される。

【００１１】（３） （２）で上方向に引き出された２
次電子は、負電圧を印加した陽極３０によって通過する
ことが妨げられ、検出器２９に向かって誘導し捕獲して
検出するようにしていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の図２の構成によれば、対物レンズの内側に円筒状のレ
ンズ電極２６を設けて正の電圧を印加し、対物レンズの
磁界による２次電子の閉じ込め作用と、当該レンズ電極
２６に正電圧を印加して上方向に加速する作用によって
極めて効率良好に、試料２３から放出された２次電子を
検出器２９によって捕獲して検出することができた。

【００１３】一般的に電子顕微鏡の分解能は、加速電圧
に依存し、加速電圧が高い程分解能が高くなるのが普通
である。低加速電圧で比較的に高い分解能を得ようとす
ると、対物レンズの作動距離（焦点距離）を小さくする
しかない。作動距離を小さくすると、試料２３と対物レ
ンズの下側の磁極２２との間の空隙が小さくなり、この
間から２次電子を引き出して検出することは困難となる
ので、上述した図２のように対物レンズの上側から検出
するようにし、このときに円筒状のレンズ電極２６に正
電圧を印加して試料２３から放出された２次電子を加速
して効率的に検出することが行われていた。

【００１４】しかし、図２の試料２３から放出される２
次電子の軌道は、その初速度や方向が多様である。その
中でかなりの部分はレンズ電極２６に衝突してしまう。
特に、半導体のような試料２３の場合には、当該試料２
３に電圧Ｖｂを印加した状態の２次電子像を観察する必
要があり、この電圧Ｖｂを印加すると、電圧Ｖｂ分だけ
２次電子の電圧が高まってしまい、対物レンズの磁界に
よる拘束から逃れてレンズ電極２６に衝突してしまい、
検出器２９に到達できず、２次電子の収集効率が低下
し、分解能の高い２次電子像を得られないという問題が
あった。

【００１５】特に、低加速電圧例えば１４００Ｖで加速
した電子ビームで試料２３上を走査してそのときに発生
した２次電子を対物レンズの磁界で拘束しつつレンズ電
極２６に印加した正電圧で上方向に誘導して検出器２９
で収集する場合、試料２３に電圧Ｖｂ＝−６００Ｖとい
うような大きな電圧を印加してしまうと、電子ビームの
試料２３に対する入射電圧は１４００−６００＝８００
Ｖとなり、このときに放出される２次電子は６００Ｖと
なり、一次電子の電圧（エネルギー）の７５％であり、
対物レンズの磁界による拘束は期待できず、円筒状のレ
ンズ電極２６の内壁に衝突していまい、検出器２９には
到達しなくて２次電子を検出できないこととなってしま
う問題があった。

【００１６】本発明は、これらの問題を解決するため、
対物レンズの軸の周りに筒状の加速管を設けて加速電圧
を印加すると共に内壁に２次電子放出物質を形成し、試
料から放出された２次電子がたとえ加速管の内壁に衝突
しても２次電子を放出すると共に加速電圧によって２次
電子を検出器に向かって加速し、試料から発生した２次
電子が対物レンズの磁界による拘束を外れても効率的に
検出可能にすることを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】図１を参照して課題を解
決するための手段を説明する。図１において、電子ビー
ム５は、対物レンズによって細く絞って試料３を照射す
るものである。

【００１８】試料３は、電子ビーム５を照射して走査す
る対象の試料である。加速管６は、円筒状の半導電性の
筒状であって、加速電圧を形成するものである。

【００１９】レンズ電極７、８は、加速管６に電圧を印
加するものである。検出器９は、２次電子を検出するも
のである。電極１０は、２次電子が通過しないように戻
すものであって、負電圧を印加するものである。

【００２０】

【作用】本発明は、図１に示すように、筒状の加速管６
の上部および下部に設けたレンズ電極７、８によって当
該加速管６に加速電圧を印加し、電子ビーム５を対物レ
ンズによって細く絞って試料３を照射して走査し、その
ときに発生した２次電子を加速管６の加速電圧によって
試料３から検出器９の方向に徐々に加速して効率的に検
出器９によって収集されるようにしている。

【００２１】この際、加速管６の内壁に２次電子を発生
し易い物質を形成しておき、試料３から放出された２次
電子が対物レンズの磁界の拘束から外れて加速管６の内
壁に衝突したときに２次電子が発生され、この発生され
た２次電子を更に当該加速管６の加速電圧によって加速
することを繰り返し、検出器９に向けて２次電子の加速
するようにしている。

【００２２】また、負電圧を印加した電極１０を設け、
加速された２次電子が検出器９に補足されないで通過し
てしまうのを阻止し、当該検出器９によって効率的に収
集されるようにしている。

【００２３】従って、対物レンズの軸の周りに筒状の加
速管６を設けて加速電圧を印加すると共に内壁に２次電
子放出物質を形成し、試料３から放出された２次電子が
たとえ加速管６の内壁に衝突しても２次電子を放出する
と共に加速電圧によって２次電子を検出器９に向かって
加速することにより、試料３から発生した２次電子が対
物レンズの磁界による拘束を外れても効率的に検出する
ことが可能となった。

【００２４】

【実施例】次に、図１を用いて本発明の実施例の構成お
よび動作を順次詳細に説明する。図１は、本発明の１実
施例構成図を示す。

【００２５】図１において、対物レンズの上側の磁極１
および下側の磁極２は、図示外のコイルに電流を流した
ときに発生した磁界を導いて軸４上にレンズ磁界を形成
するものである。

【００２６】試料３は、細く絞った電子ビーム５を照射
した状態で走査し、発生した２次電子を収集して輝度変
調などし、画面上にいわゆる２次電子像を生成する対象
の試料であり、例えば半導体のウェハである。

【００２７】電子ビーム５は、図示外の電子銃によって
発生された電子ビームである。加速管６は、円筒状の形
状を持って加速電圧を形成するものであり、上側のレン
ズ電極８および下側のレンズ電極７の間に電圧を印加し
て徐々に電圧の変化する加速電圧を形成するものであ
る。この加速管６は、半導電性であって、内壁を２次電
子が発生し易い物質で形成あるいは内壁に２次電子を発
生し易い物質を塗布や蒸着や気相法などによって形成し
ておく。

【００２８】検出器９は、試料３から放出された２次電
子を検出するものである。電極１０は、負電圧を印加
し、加速管６によって加速された２次電子が検出器９の
位置を通過してしまうのを阻止して検出器９の方向に押
しやるものである。

【００２９】軌道１１は、試料３から放出された２次電
子の軌道ある。この軌道１１のうち、対物レンズの軸上
の磁界による螺旋運動の半径が大きくなって図示のよう
に加速管６の内壁に衝突した場合には、当該内壁が２次
電子発生効率の良好な物質で形成されているため、更に
２次電子を発生させ、当該発生された２次電子は加速管
６の加速電圧によって図示のように上方に加速され、更
に加速管６に衝突したときに更に２次電子が発生される
ことを繰り返し、軌道１２に示すように、検出器９に向
けて走行し、試料３から発生した２次電子を極めて効率
的に検出器９で検出することが可能となる。

【００３０】補正コイル１３は、電子ビーム５が試料３
上で細く絞られるように補正するものであって、いわゆ
る対物レンズの非点を補正するものである。次に、図１
の構成の動作を詳細に説明する。

【００３１】（１） 半導電性の加速管６の上側のレン
ズ電極８に正電圧Ｖ２および下側のレンズ電極７に正電
圧Ｖ１を印加する。このときに正電圧Ｖ１＜正電圧Ｖ２
とし、加速管６に加速電圧が形成されるようにする。例
えば正電圧Ｖ１＝＋３０Ｖ、正電圧Ｖ２＝＋８０Ｖ（接
地電位）とすると、試料３から検出器９に向けて加速電
圧が形成されることとなる。この正電圧は、実際には、
電子ビーム５の加速電圧、試料３に印加する電圧Ｖｂに
対応して、検出器９によって最も効率的に検出され、最
適な２次電子画像が得られるように、レンズ電極７、８
に印加する正電圧Ｖ１、Ｖ２を実験的に求めて設定、あ
るいは２次電子像を観察しながら最適値に設定する。

【００３２】（２） 電極１０に、加速管６によって加
速された２次電子が検出器９を通過しないように、適度
な負電位を印加する。 （３） 図示外の電子銃によって発生させた電子ビーム
５を細く絞って試料３上を照射した状態で走査する。

【００３３】（４） （３）で電子ビーム５を試料３上
を照射して発生した２次電子を加速管６の加速電圧によ
って上方向に加速し、２次電子が対物レンズの磁界の拘
束から外れて加速管６の内壁に衝突した場合には、当該
内壁から新たな２次電子が発生するので、この２次電子
を加速管６の加速電圧によって検出器９の方向に加速す
ることを繰り返し、２次電子を検出器９に向けて誘導す
る。

【００３４】（５） （４）で誘導された２次電子を検
出器９に衝突させ、２次電子を検出する。この際、検出
器９を通過しようとする２次電子は、負電圧を印加した
電極１０によって押し返して検出器９によって検出す
る。

【００３５】以上によって試料３から放出された２次電
子がたとえ対物レンズの磁界の拘束から外れて加速管６
の内壁に衝突しても当該内壁が２次電子の発生し易い物
質で形成されているので、新たな２次電子が発生し、こ
の２次電子を更に加速管６の加速電圧によって検出器９
の方向に加速し、結果として極めて効率的に２次電子を
検出器９に向けて誘導して検出することが可能となる。

【００３６】次に、試料３に電圧Ｖｂを印加する場合に
ついて説明する。 （１） 試料３に電圧Ｖｂとして、電子ビーム５の加速
電圧Ｖａの数十％以上とする場合、例えば ・加速電圧Ｖａ＝１４００Ｖ ・電圧Ｖｂ＝−６００Ｖ とすると、一次電子である電子ビーム５が試料３に入射
する電圧差（エネルギー）は、１４００−６００＝８０
０Ｖとなる。試料３から放出される２次電子の電圧（エ
ネルギー）は６００Ｖとなり、一次電子の６００÷８０
０×１００＝７５％となる。このように一次電子の電圧
に比較し、７５％もの高い２次電子の電圧となると、図
１の対物レンズの磁界による螺旋運動による拘束が可能
は半径が大きくなり、加速管６の内壁に衝突してしまう
割合が非常に大きくなるが、本願発明では、加速管６の
内壁に衝突しても新たな２次電子が放出されると共に、
加速管６による加速電圧によって検出器９に向けて加速
されることを繰り返し、極めて効率的に試料３から発生
した２次電子を検出器９に導くことが可能となる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
対物レンズの軸の周りに筒状の加速管６を設けて加速電
圧を印加すると共に内壁に２次電子放出物質を形成し、
試料３から放出された２次電子がたとえ加速管６の内壁
に衝突しても２次電子を放出すると共に加速電圧によっ
て２次電子を検出器９に向かって加速する構成を採用し
ているため、試料３から発生した２次電子が対物レンズ
の磁界による拘束を外れても効率的に検出することがで
きるようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例構成図である。

【図２】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１、２：対物レンズの磁極 ３：試料 ５：電子ビーム ６：加速管 ７：８：レンズ電極 ９：検出器 １０：電極 １１、１２：２次電子の軌道 １３：補正コイル Ｖ１、Ｖ２：加速管のレンズ電極に印加する正電圧 Ｖｂ：試料に印加する電圧

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを細く絞って試料上に照射する
   対物レンズと、 この対物レンズの軸を貫通する筒状であって、試料から
   離れるに従い電圧が高くなる加速管と、 この加速管を通過した２次電子を検出する検出器とを備
   えた走査型電子顕微鏡の２次電子検出器。
2. 【請求項２】上記加速管を半導電性とし、両端に電圧を
   印加して加速電圧を形成したことを特徴とする請求項１
   記載の走査型電子顕微鏡の２次電子検出器。
3. 【請求項３】上記加速管の内壁を２次電子の発生し易い
   物質にしたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２
   記載の走査型電子顕微鏡の２次電子検出器。
4. 【請求項４】上記２次電子を検出する検出器に衝突しな
   いで通過してしまう２次電子を阻止し当該検出器に衝突
   させる負電圧を印加する電極を備えたことを特徴とする
   請求項１ないし請求項３記載のいずれかの走査型電子顕
   微鏡の２次電子検出器。