JPH09190793A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 反射電子の検出効率に優れたインレンズ型あ
るいはセミインレンズ型対物レンズを用いた走査電子顕
微鏡を実現する。 【解決手段】 反射電子検出器１０の位置を対物レンズ
９のレンズ主面位置に一致させると、電子ビーム通過開
口１１の径を最小とすることができる。すなわち、対物
レンズ９の上部にある走査コイルによる電子プローブの
走査は、対物レンズ９のレンズ主面を中心にして振り戻
されるため、低倍観察の際の電子ビーム通過開口１１の
径の制限は、反射電子検出器１０がレンズ主面位置にあ
る限り、電子ビームの入射角まで小さくできる。このた
め、試料４から放出される反射電子の内、対物レンズ９
の磁場によって光軸方向に集束される反射電子の多くを
検出することができるので、反射電子の検出効率を極め
て高くすることができる。従って、反射電子像を高い分
解能で観察することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能の反射電
子像を観察することができる走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、試料への電子ビー
ムの照射に基づいて発生した２次電子、反射電子、ある
いはＸ線などを検出している。図１はコニカル対物レン
ズを用いた走査電子顕微鏡を示しており、図中１は電子
銃である。電子銃１から発生し加速された電子ビームＥ
Ｂは、コンデンサレンズ２と対物レンズ３とによって試
料４上に細く集束される。なお、対物レンズ３は試料４
上に磁場が洩れないピンホール形（下磁極の径が上磁極
の径より小さい）であり、５は対物レンズ絞りである。

【０００３】更に電子ビームＥＢは、走査コイル６，７
によって試料４上で２次元的に走査される。試料４への
電子ビームの照射によって発生した反射電子は、対物レ
ンズ３と試料４との間に配置され、中心に電子ビームＥ
Ｂの通過開口が穿たれたドーナツ状の反射電子検出器８
によって検出される。検出器８によって検出された信号
は、電子ビームＥＢの２次元走査と同期した陰極線管に
供給され、陰極線管上には試料の反射電子像が表示され
る。なお、反射電子検出器７としては、ＰＮジャンクシ
ョンなどの半導体検出器、マイクロチャンネルプレー
ト、ロビンソン型検出器などが用いられる。

【０００４】この図１に示した走査電子顕微鏡におい
て、対物レンズ３の軸上磁場分布は、図中点線Ｂで示す
ように試料４上には及んでいない。対物レンズ３の焦点
が長くなるため、その収差が大きく、反射電子像の分解
能は３ｎｍ以下とすることができない。

【０００５】図２はインレンズタイプの対物レンズを用
いた走査電子顕微鏡を示しており、図１の走査電子顕微
鏡と同一ないしは類似の構成要素には同一番号が付され
ている。この図２の走査電子顕微鏡では試料４はインレ
ンズタイプの対物レンズ９内に配置されており、詳しく
は、試料４は対物レンズ９の軸上磁場分布Ｂのピーク位
置（レンズ主面位置）に置かれている。また、中心に電
子ビームＥＢの通過開口が設けられた反射電子検出器１
０は、試料４の上部に置かれている。

【０００６】この図２の走査電子顕微鏡では、試料４を
対物レンズ９の磁場内に配置しているので、レンズ収差
を図１のピンホール型より１桁小さくすることができる
ものの、反射電子の検出効率が必ずしも十分ではなく、
電子銃として電界放射型電子銃を用いても、反射電子像
の分解能を２ｎｍ以下とすることができない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したインレンズ型
の対物レンズ９を用いた走査電子顕微鏡では、２次電子
像を観察する場合、試料４から発生した２次電子を対物
レンズ磁場によって拘束し、対物レンズ９の上部にまで
引上げ、対物レンズ９の上部に配置した２次電子検出器
（図示せず）によって検出しているので、２次電子の検
出効率が向上すると共に、２次電子検出器を対物レンズ
９と試料４との間に配置する必要がないので、対物レン
ズと試料４との間の距離（ワーキングディスタンス）を
小さくでき、高分解能の走査電子顕微鏡が提供できる利
点がある。

【０００８】しかしながら、反射電子に注目すると、一
次電子ビームＥＢの光軸Ｏに対してある一定の角度Φ以
内の反射電子ｒｅ１は、図３に示すように、対物レンズ
の磁場によって、対物レンズの中央部に巻き上げられ、
対物レンズの上部に向かって反射電子検出器１０に入射
しない。また、一次電子ビームＥＢの光軸Ｏに対してあ
る一定角度Φ以上の反射電子ｒｅ２は、ミラー効果によ
り対物レンズの磁場により曲げられ、試料４に戻ってし
まって反射電子検出器１０に入射しない。そのため、反
射電子の検出効率は十分でなく、高分解能の反射電子像
の観察は困難である。なお、図中の点線Ｂは対物レンズ
の軸上磁場分布である。

【０００９】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、反射電子の検出効率に優れたイン
レンズ型あるいはセミインレンズ型対物レンズを用いた
走査電子顕微鏡を実現するにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
走査電子顕微鏡は、電子ビームを試料上に集束するため
のインレンズタイプあるいはセミインレンズタイプの対
物レンズと、試料上の電子ビームの照射位置を走査する
ための走査手段と、試料への電子ビームの照射によって
得られた反射電子を検出する反射電子検出器とを備えた
走査電子顕微鏡において、試料を対物レンズの磁場のピ
ーク位置の下部に配置し、反射電子検出器を対物レンズ
の磁場のピーク位置に配置すると共に、反射電子検出器
に小さな電子ビーム通過孔を設けたことを特徴としてお
り、反射電子を極めて効率良く検出し、高分解能の反射
電子像の観察を可能とする。

【００１１】請求項２の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、請求項１の手段に加えて、反射電子検出器を水平方
向と垂直方向に位置調整が可能に構成しており、反射電
子検出器の位置と電子ビーム通過開口の位置を最適に合
わせることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図４は本発明に基づく走査
電子顕微鏡の要部を示しており、図２の従来装置と同一
ないしは類似の構成要素には同一番号を付し、その詳細
な説明は省略する。この図４の走査電子顕微鏡と図２の
走査電子顕微鏡の構成はほとんど同じであり、試料４と
反射電子検出器１０の位置が相違する。また、反射電子
検出器１０は、駆動機構１２により、水平方向（ｘ，ｙ
方向）と垂直方向（ｚ方向）に移動できるように構成さ
れている。なお、駆動機構１２は、真空外から操作でき
るようにされている。

【００１３】対物レンズ９はインレンズタイプであり、
試料４はこの対物レンズの磁場内に配置されるが、試料
４の位置は対物レンズ９の磁場のピーク（軸上磁場分布
Ｂの最大値、あるいはレンズ主面位置）より下方とされ
る。反射電子検出器１０は、ＰＮジャンクションなどの
半導体検出器、マイクロチャンネルプレート、ＹＡＧ
（イットリューム・アルミニューム・ガーネット）、ロ
ビンソン型検出器などが用いられ、対物レンズ９内の試
料４の上方で、対物レンズ９の磁場のピーク位置に置か
れる。なお、反射電子検出器１０には電子ビームＥＢの
通過開口１１が設けられており、電子ビームの通過開口
１１の中心と光軸Ｏとは一致させられる。

【００１４】この実施の形態で用いられているインレン
ズタイプの対物レンズ９は、セミインレンズタイプの対
物レンズと共に、レンズ収差が小さく、試料に照射され
る電子ビームを２ｎｍ〜０．６ｎｍ程度まで細くでき
る。更に、レンズ磁場が試料内の反射電子の発生領域を
拘束して、反射電子信号発生源をより小さな領域とし、
そして試料表面に制限することができる。

【００１５】ここで、試料４への電子ビームＥＢの照射
によって反射電子が発生するが、試料から放出される反
射電子は、前記したように、対物レンズ９の磁場によっ
てある放出角以内の反射電子は光軸上に収束される。一
方、ある放出角以上のものは磁場によって試料方向に押
し戻される。このある放出角は、対物レンズ磁場の強度
によって決定され、対物レンズ磁場が強いとある放出角
は大きくなる。従って、インレンズタイプであれば対物
レンズの上磁極片、セミインレンズタイプであれば対物
レンズの磁極片と試料４との間の距離が定められたと
き、すなわち、試料上の磁場が決まったとき、試料から
放出した反射電子を有効に検出する位置が存在し、か
つ、検出器の大きさの最適値があることを意味する。

【００１６】反射電子検出器１０を試料４により近付け
ると、低倍観察のため一次電子ビームＥＢ（電子プロー
ブ）が通過する開口１１の径を大きくしなければならな
い。その結果、前記したように、試料から放出された反
射電子のうち、放出角以内のものは対物レンズ磁場で光
軸に収束されることから、検出器１０に検出される反射
電子は僅かで、多くの反射電子は検出器１０の電子ビー
ム通過開口１１の内側を通過してしまう。

【００１７】従って、光軸に収束されない数少ない反射
電子を検出するには、検出器１０の外径を大きくする必
要がある。しかしながら、検出器１０の外径を大きくす
ると、試料４の傾斜角に制限が加わり、また、検出器の
コストがアップし、更に、浮游容量が増大して応答速度
の制限（ＴＶスキャンが困難）などの欠点が生じる。

【００１８】反射電子検出器１０の位置を対物レンズ９
のレンズ主面位置に一致させると、電子ビーム通過開口
１１の径を最小とすることができる。すなわち、対物レ
ンズ９の上部にある走査コイルによる電子プローブの走
査は、対物レンズ９のレンズ主面を中心にして振り戻さ
れるため、低倍観察の際の電子ビーム通過開口１１の径
の制限は、反射電子検出器１０がレンズ主面位置にある
限り、電子ビームの入射角まで小さくでき、電子ビーム
通過開口１１の径を最小とすることができる。

【００１９】このように、反射電子検出器１０の位置を
対物レンズ９のレンズ主面位置とすることにより、電子
ビームの通過開口１１の径を最小とすることができ、試
料４から放出される反射電子の内、対物レンズ９の磁場
によって光軸方向に集束される反射電子の多くを検出す
ることができるので、反射電子の検出効率を極めて高く
することができる。従って、反射電子像を高い分解能で
観察することが可能となる。なお、試料４と反射電子検
出器１０との間の距離は１ｍｍ程度とされ、また、反射
電子検出器１０の電子ビーム通過開口１１の径は、０．
１ｍｍ〜１ｍｍとされる。

【００２０】以上のように、図４の走査電子顕微鏡にお
いては、光軸方向に集束される反射電子を効率良く検出
できるので、試料からの放出角度が大きい反射電子を積
極的に検出する必要がなくなり、反射電子検出器１０の
外径を小さくできる。その結果、検出器の大形化に伴う
試料４の傾斜角の制限、検出器のコストアップ、浮游容
量の増大による応答速度の制限（ＴＶスキャンが困難）
などの欠点が生じることはなくなる。

【００２１】なお、反射電子検出器１０の位置を正確に
対物レンズ９のレンズ主面位置とするために、駆動機構
１２が設けられており、この駆動機構１２を操作するこ
とにより、検出器１０を光軸Ｏに沿って微調整でき、正
確な位置合わせを行うことができる。また、駆動機構１
２により反射電子検出器１０を水平方向（ｘ，ｙ方向）
に微動させ、電子ビーム通過開口１１の中心と光軸Ｏと
を正確に一致させることができる。

【００２２】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこの形態に限定されない。例えば、インレンズタ
イプの対物レンズを用いて説明したが、セミインレンズ
タイプの対物レンズを用いた場合にも本発明を適用する
ことができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明によれば、反射電子の検出効率に
優れたインレンズ型あるいはセミインレンズ型対物レン
ズを用いた走査電子顕微鏡を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のピンホール型対物レンズを用いた走査電
子顕微鏡を示す図である。

【図２】従来のインレンズタイプの対物レンズを用いた
走査電子顕微鏡を示す図である。

【図３】対物レンズ磁場による反射電子の軌道を説明す
るための図である。

【図４】本発明に基づくインレンズタイプの対物レンズ
を用いた走査電子顕微鏡の要部を示す図である。

【符号の説明】

４ 試料 ９ 対物レンズ １０ 反射電子検出器 １１ 電子ビーム通過開口 １２ 駆動機構

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを試料上に集束するためのイ
   ンレンズタイプあるいはセミインレンズタイプの対物レ
   ンズと、試料上の電子ビームの照射位置を走査するため
   の走査手段と、試料への電子ビームの照射によって得ら
   れた反射電子を検出する反射電子検出器とを備えた走査
   電子顕微鏡において、試料を対物レンズの磁場のピーク
   位置の下部に配置し、反射電子検出器を対物レンズの磁
   場のピーク位置に配置すると共に、反射電子検出器に小
   さな電子ビーム通過孔を設けた走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 反射電子検出器は水平方向と垂直方向に
   位置調整が可能である請求項１記載の走査電子顕微鏡。