JPH09270241A

JPH09270241A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH09270241A
Application number: JP8079008A
Authority: JP
Inventors: Katsushige Tsuno; 津野勝重
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1996-04-01
Filing date: 1996-04-01
Publication date: 1997-10-14

Abstract

(57)【要約】【課題】曲がった光軸の光学系を利用し、かつ２次収
差の発生を抑えてＳＥＭ像を得るとともに、真空度の異
なる室を真空度を分離して連結する。【解決手段】走査電子顕微鏡の電子銃と対物レンズの
間に中心面に対して対称な多重プリズム連鎖を設置し、
多重プリズム連鎖により、電子ビームの軌道を曲げて試
料へ照射するとともに、試料から放出される２次電子を
前記電子ビームの軌道から分離して取り出して検出し、
また、連続曲面を有するパイプによって電子銃室と試料
室を分離し、中間に真空ポンプによる真空引き口を備え
て真空引きするようにしたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は多重プリズム連鎖に
より電子ビームの軌道を一旦曲げた後試料面を走査する
ようにした走査電子顕微鏡に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年における走査電子顕微鏡の発展はめ
ざましく、今では電子顕微鏡と言うと透過型（ＴＥＭ）
であるよりは走査型（ＳＥＭ）がイメージされるように
なりつつある。このような発展の理由の１つは分解能の
著しい向上である。ＴＥＭなみの分解能が達成できるよ
うになって始めて、ＳＥＭはＴＥＭに代わって電子顕微
鏡の代表になったのである。この高分解能を可能にした
のは電界放射型電子銃（ＦＥＧ）の普及である。ＦＥＧ
は早くから知られており、特殊な装置として用いられて
きたが、一般的な利用が可能となるには超高真空技術の
発展を待たねばならなかった。一方、ＳＥＭの利用の幅
を拡げたのは低真空ＳＥＭの普及である。試料のまわり
を低真空にすると、空気がイオン化されるため導電性の
ない試料の観察が出来たり、水分を含んだ試料の観察が
可能となった。従って現代のＳＥＭでは、電子銃室は超
高真空、試料室は低真空が要求されている。

【０００３】このような高真空を必要とする電子銃室等
と、低真空にならざるを得ない、或いは低真空が望まし
い試料室等の真空の程度の異なる２つまたはそれ以上の
領域が混在する真空系を必要とする系においては、図６
（ａ）に示すように電子銃室１と試料室２とを分離し、
これらを細い穴をもったオリフィス３によって仕切るこ
とが行われている。また、図６（ｂ）に示すように、高
真空室４と低真空室５の真空度の開きが大きい場合に
は、中間室６を設け、高真空室４と中間室６の間を第１
オリフィス７で、中間室６と低真空室５の間を第２オリ
フィス８で仕切ることが行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このように、電子ビー
ムの発生源（電子銃）とその到達点（試料）との間は電
子光学系の光軸が直線をとるので、高真空室と低真空室
とは直線的に連結されなければならず、その経路を長く
することや、途中に何段階かのオリフィスを入れること
によって大きな真空度の違いに耐えられるように設計さ
れてはいるが、このような直線的に連結される系におい
ては、低真空室の試料面上を発した空気の分子等が直進
して高真空室へ拡散することを避けることが出来ず、そ
のため試料室を低真空化したＦＥＧ付ＳＥＭはまだ商用
機としては実現していない。この対策として、電子銃部
の光軸を試料近傍の光軸に対して傾斜させ、ビームのパ
スを曲げることも考えられるが、この場合は不所望の２
次収差が発生してプローブ径が大きくなるため、高分解
能ＳＥＭであるためには、この収差補正装置等が必要に
なり、複雑な装置構成となることが避けられない。ま
た、仮にビームパスを曲げたとしてもその曲げ方によっ
ては気体分子の通過を充分には防ぐことが出来ないこと
から、真空度の異なる室の連結法として光軸を曲げるこ
とは実際問題としてほとんど行われなかった。しかしな
がら、近年ビーム光学技術の進展によって曲がった光軸
を用いても２次収差を発生させないような系がいくつか
考案されるようになって来た。その例は、２つの磁界セ
クター磁石と１つの電界ミラーを用いるキャスターン・
ヘンリ型フィルタ、オメガフィルタ、アルファフィル
タ、多重プリズム連鎖等である。

【０００５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
で、２次収差の発生を極力小さくした曲がった光軸を有
する光学系を利用してＳＥＭ像を得ること、また該光学
系を用いて真空度の異なる室を連結することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の走査電子顕微鏡
は、走査電子顕微鏡の電子銃と対物レンズの間に中心面
に対して対称な多重プリズム連鎖を設置し、電子ビーム
の軌道を曲げて試料へ照射し、試料からの２次電子を電
子ビーム軌道から分離して検出可能とし、さらに２次収
差の発生を無視できるほど小さく抑えた状態で光軸を曲
げて電子銃室と試料室との真空度の分離をより明確にし
たことを特徴としている。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て説明する。図１は多重プリズム連鎖を用いたビームセ
パレータを説明する図であり、低加速電子顕微鏡（ＬＥ
ＥＭ）用に開発したビームセパレータとその内部を通る
電子の軌道を示したものである。図２は多重プリズム連
鎖を用いた場合の回折面上における収差図形である。図
３は多重プリズム連鎖のＳＥＭへの挿入位置を示す図で
ある。本発明において多重プリズム連鎖とは、電子ビー
ムを曲げる装置（磁極）であるプリズムを複数個繋げた
ものを意味し、ビームセパレータとは試料に入って来る
ビームと試料から出ていくビームが同じ光軸上を通るた
め、これを途中で分離するためのものである。

【０００８】図１の多重プリズム連鎖では、矢印で示す
ように、左側から入ったビームが、磁極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ
３で曲げられて上方に抜け（ビームパスＡ）、例えば、
上方に置いた試料から出たビームが磁極Ｐ４、Ｐ５、Ｐ
６、Ｐ７で曲げられて下方へ抜けていく（ビームパス
Ｂ）場合を示している。多重プリズム連鎖を構成する各
磁極はコイルにより形成され、ビームを曲げたときに２
次収差が発生しないように、図のｘ軸に対して対称な磁
極形状配置になっている。後述するように、このような
多重プリズム連鎖により、図１のｙ軸方向（上下方向）
のビームパスＢを利用して電子銃室と試料室とを連結
し、ＳＥＭの真空系の仕切りに応用することができ、図
１において、下方を電子銃室側、上方を試料室側として
図の矢印と逆方向に電子ビームを照射する（ビームパス
Ｂ）とすると、試料からの２次電子が、ビームパスＡを
通るので左側に検出器を配置することによりＳＥＭ像が
得られる。この構成は、２次電子検出器を照射ビームか
ら離間して配置できるので、検出器電圧がビームに影響
しないようにできる利点がある。

【０００９】図２は、図１に示す多重プリズム連鎖を用
いた場合の回折面（図３における回折面Ｄｏ、Ｄｉ）上
における収差図形を示してものであり、図２（ａ）は入
射ビーム系（図３の回折面Ｄｏ）、図２（ｂ）は出射ビ
ーム系（図３の回折面Ｄｉ）を示し、各点の収差は１０
０倍して表示している。ここで問題にしている系では、
出射ビーム系のみを考えればよい。図２から明らかなよ
うに回折面上でのビームの拡がりはほとんどない。図に
は、±１０Ｖエネルギーの異なるビームによる回折点も
示してあるが、回折面上で若干の分散を示している。こ
の分散量は、エネルギー幅０．４ｅＶ程度のＦＥＧでは
問題とならないが、図１に示した装置の各磁極形状の調
整によって、エネルギー分散を零に調整することも可能
であり、逆に出来るだけエネルギー分散を大きくなるよ
うに設計し、回折面上にスリットを置いて入射ビームの
エネルギー幅を制限し分解能の向上をはかることも可能
である。

【００１０】図３は多重プリズム連鎖をＳＥＭに用いる
場合の挿入位置を示している。図３において、１０は電
子銃、１１はコンデンサレンズ、１２は回折面（Ｄ
ｏ）、１３は多重プリズム連鎖、１４は回折面（Ｄ
ｉ）、１５は対物レンズ、１６は試料、１７は２次電子
検出位置（Ｄｇ）である。電子銃１０から放出されたビ
ームは図示しない加速電極で加速され、コンデンサレン
ズ１１で集束されて多重プリズム連鎖１３で曲げられ
る。図２で説明したように、多重プリズム連鎖１３でビ
ームを曲げたとき、回折面（Ｄｏ）に対して回折面（Ｄ
ｉ）におけるビームの広がりは殆どなく２次収差は発生
しない。そして、対物レンズ１５で、多重プリズム連鎖
１３の回折面Ｄｉを物面としてこれを試料１６上に投影
し、この投影点を図示しない偏向系により走査する。試
料から放出される２次電子は、図１で説明したように同
じ光軸上を通り、多重プリズム連鎖１３で照射ビームパ
スから分離されて２次検出位置（Ｄｇ）に導かれ、ＳＥ
Ｍ像が得られる。このように、２次収差を発生させずに
ビームパスを曲げてＳＥＭ像が得られ、このとき２次電
子検出器を照射ビームから離間して配置することができ
る。

【００１１】なお、多重プリズム連鎖１３は真空をこの
上下で仕切るためでもあるので、プリズム連鎖内では、
ビームの通路は図１に示したビームパスに沿った形を有
する細いパイプ内に制限されている。また、図３では、
回折面（Ｄｏ、Ｄｉ）が実像を形成しているので、この
面にオリフィスを入れて上下の仕切りを完全にすること
も可能である。ただし、ベルシエ効果（ビームを絞った
ときに電子同士が衝突して互いの速度が変化してしまう
こと）を防ぐため、実像を形成しないような光学系をと
る必要のある場合には、あまり小さなオリフィスをもう
けることは出来ない。また、図３の例では、多重プリズ
ム連鎖をコンデンサレンズと対物レンズ間に入れている
が、本発明はこれに限られるものではなく、電子銃とコ
ンデンサレンズの間に挿入してもよい。

【００１２】次に、多重プリズム連鎖でビームを曲げた
ときに、高真空室と低真空室との仕切りをより完全にす
る系について説明する。図４（ａ）に示すような曲がっ
た光軸を有する系を考える。このように電子ビームを曲
げて通過させるに際し、２次収差を最小限にするとうい
う要請から、この系は中心面に対して上下対称でなけれ
ばならない。即ち、図４において、Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃、
Ｒ₄をビームの回転半径、Ｌ₁、Ｌ₅を第１、第２オリ
フィスからの曲面パイプまでの直線部距離、Ｌ₂、Ｌ₄
を曲面パイプ間の直線部距離としたとき、Ｒ₁＝Ｒ₄、
Ｒ₂＝Ｒ₃、Ｌ₁＝Ｌ₅、Ｌ₂＝Ｌ₄である。真空を保
つための上下にオリフィスで仕切られたパイプの直径は
２ｈとする。パイプ断面の形は、図４（ｂ）に示すよう
に円形、楕円形、４角形等いずれでもかまわない。この
ように、単にパイプを曲げただけでは上下の真空室を完
全に仕切ることは出来ない。完全に仕切るためには、途
中に真空ポンプを置いて、この真空ポンプの方向に向か
って入り込んだ気体分子は再び出て来ることはないとい
う条件が必要である。又、低真空域も含め、全系が気体
分子同士の衝突は無視出来る分子流領域の真空度にある
ことが前提となる。

【００１３】図５に示すような系を考え、気体分子が下
方から上方に向かって昇って来る場合を考えてみる。パ
イプは曲げられているので、第２オリフィスを通過して
壁面Ａ、Ｂと衝突することなく壁面Ｃ、Ｄに達するビー
ムはない。又、壁面Ａに衝突したビームは必ず壁面Ｂに
再び衝突する。この時、壁面Ｂに衝突した気体が、壁面
Ｃ、Ｄに達せずに必ず真空ポンプに連なるパイプの側に
入ってしまうためには、真空ポンプ側に連なるパイプの
半径をＤ、ビームパスの回転半径をＲ₂、真空通路のパ
イプの直径を２ｈ、曲面パイプの中間における直線部分
の１／２の距離をＬ₃としたとき、Ｄが、Ｄ＞｛（Ｒ₂＋ｈ）²−（Ｒ₂−ｈ）²｝^1/2＋Ｌ₃＝
２（Ｒ₂ｈ）^1/2＋Ｌ₃ を満たせば良い。この条件を満足すると、下側から入っ
た気体分子は必ず真空ポンプ側に向かい、上方へ抜ける
ことがない。ここでの考察では、紙面と平行な面内での
分子の動きだけを考えたているが、紙面に垂直な向きの
運動成分は考える必要がない。又、パイプはその最大直
径の面のみについて考えたが、この面より奥、又は手前
を進むビームについては、ｈが小さくなるので、必ず上
式の条件を満足する。こうして、第１オリフィスと第２
オリフィスとの真空を完全に仕切ることが可能となる。

【００１４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、多重プリ
ズム連鎖を用いてビームパスを曲げ、２次収差の発生を
極力抑えてＳＥＭ像を得ることが可能となり、２次電子
検出器をビームから離間させて配置することが可能とな
り、また、連続曲面を有するパイプによって低真空室と
高真空室を分離する系において、その中間に真空ポンプ
による引口を備えることにより、低真空室と高真空室を
完全に分離することができ、試料室を低真空化したＦＥ
Ｇ付ＳＥＭを実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】多重プリズム連鎖を用いたビームセパレータ
とその内部を通る電子の軌道を示す図である。

【図２】多重プリズム連鎖を用いた場合の回折面上に
おける収差図形を示す図である。

【図３】多重プリズム連鎖のＳＥＭへの挿入位置を示
す図である。

【図４】高真空室と低真空室との仕切りをより完全に
する系を説明する図である。

【図５】高真空室と低真空室との仕切りをより完全に
する系を説明する図である。

【図６】高真空室と低真空室の分離を行う従来例を説
明する図である。

【符号の説明】

１０…電子銃、１１…コンデンサレンズ、１２…回折面
（Ｄｏ）、１３…多重プリズム連鎖、１４…回折面（Ｄ
ｉ）、１５…対物レンズ、１６…試料、１７…２次電子
検出位置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】走査電子顕微鏡の電子銃と対物レンズの
間に中心面に対して対称な多重プリズム連鎖を設置し、
該多重プリズム連鎖により、電子ビームの軌道を曲げて
試料へ照射するとともに、試料から放出される２次電子
を前記電子ビームの軌道から分離して取り出し、検出す
るようにしたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１記載の走査電子顕微鏡におい
て、多重プリズム連鎖の回折面にオリフィスを配置した
ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】請求項１記載の走査電子顕微鏡におい
て、多重プリズム連鎖の出射回折面上にスリットを設け
て入射ビームのエネルギーを低減させるようにしたこと
を特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】連続曲面を有するパイプによって電子銃
室と試料室を分離するようにした走査電子顕微鏡におい
て、中間に真空ポンプによる真空引き口を備え、真空引
き口に連なるパイプの半径をＤ、ビームパスの回転半径
をＲ₂、真空通路のパイプの直径を２ｈ、曲面パイプの
中間における直線部分の半分の長さをＬ₃としたとき、Ｄ＞２（Ｒ₂ｈ）^1/2＋Ｌ₃ とするとともに、ビームパスの系全体を中心面に対して
対称としたことを特徴とする走査電子顕微鏡。