JPH02267846A

JPH02267846A - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH02267846A
Application number: JP1087786A
Authority: JP
Inventors: Mamoru Nakasuji; 護中筋; Tatsuo Sato; 達夫佐藤; Shohei Suzuki; 正平鈴木; Hiroyasu Shimizu; 弘泰清水
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1989-04-06
Filing date: 1989-04-06
Publication date: 1990-11-01

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は走査型電子顕微鏡に関するものであり、特に試
料室に低圧力の気体を導入する走査型電子顕微鏡（以下
、ＥＳＥＭという）に関するものである。

（従来の技術）従来のＥＳＥＭは、圧力制限アパーチャによって電子銃
室と試料室とを分離し、電子銃室は高真空に保ち、試料
室には酸素、窒素等の低圧力の気体を導入している。そ
して、電子銃室には電子銃、集中装置、偏向装置を設け
、電子銃から放出された電子線を集束、偏向させて圧力
制限アパーチャから試料室に導入し、試料室内に設けた
ターゲット（試料）を照射している。ターゲットから発
生した２次電子は、電極にて捕獲されるが、ターゲット
と電極との間に介在する気体分子が二次電子によりイオ
ン化され（例えばＯｔ＋ｅ−→０９十ｏ＋２ｅ）、一種
の増幅作用が行なわれる。

電極は２次電子を効率的に捕獲するように、ターゲット
に対して適当な正電位が印加され、電極に流れる電流は
電流増幅器等を通って検出される。

以上説明したようなＥＳＥＭは、例えば、アメリカ特許
第４，７８５．１８２明細書に記載されている。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、２次電子検出用の電極が圧力制限アパー
チャとターゲットとの間にある従来の構成では、１次電
子が低圧力の気体の分子により散乱され、電子線（電子
ビーム）の径が大きくなってしまう、一方、気体で散乱
されないままターゲットに到達する電子線の径は、集束
装置の機能に応じた細い径に絞られており、この電子線
のみが細いプローブとして利用価値がある。けれども、
この非散乱電子線は、気体の圧力増加、電子の走る距離
が大きくなると強度が小さくなるという問題点がある。

すなわち、散乱されないでターゲットに入射する電子の
量は、気体の圧力Ｐと、１次電子が気体中を走る距離Ｄ
（圧力制限アパーチャとターゲットとの距離）との積Ｐ
−Ｄに依存している。

従って、１次電子の散乱量を小さく抑えようとすれば、
圧力制限アパーチャからターゲットまでの距離りを短く
するか、気体の圧力Ｐを小さくする必要がある。

他方、ターゲットからの２次電子が気体分子と衝突して
気体をイオン化させることにより、効率良く２次電子を
増幅させるためには、Ｐ　−Ｄ’（ただし、Ｄ゛は２次
電子がターゲットを出てから電極に捕獲されるまでに進
む距＃）に最適値がある。

従って、１次電子に対する上述の条件と２次電子に対す
る上述の条件とは、圧力制限アパーチャとターゲットと
の間に２次電子検出用の電極を置（限り（Ｄ＝Ｄ″）、
共に満足させることは難かしい。

そこで本発明は、１次電子線を散乱で失うことなく、２
次電子増幅を有効に行なうことのできる走査型電子顕微
鏡を得ることを目的とする。

（課題を解決するための手段）そこで本発明は、電子銃からの電子線を圧力制限アパー
チャを通して低圧力の気体中にあるターゲットに照射し
て走査すると共に、前記ターゲットからの２次電子を前
記ターゲットに対して正の電位を与えた電極により捕獲
する電子光学系、を有する走査型電子顕微鏡において、
前記電極は、前記電子光学系の軸を中心とし、かつ又前
記軸の方向へずらせた少なくとも２つの円周上の少くと
も一部であって、ほぼ同じラジアル方向の位置に設けら
れた電極であることを特徴とする走査型電子顕微鏡であ
る。

また、前記電極は、前記電子光学系の対物レンズの磁極
の外側に設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡であ
る。

さらにまた、前記電極に関して前記ターゲットとは反対
側に、前記ターゲットと同電位の２次電子反射板を設け
たことを特徴とする走査型電子顕微鏡゛である。

また、電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを通し
て低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査する
と共に、前記ターゲットからの２次電子を前記ターゲッ
トに対して正の電位を与えた電極により捕獲する電子光
学系、を有する走査型電子顕微鏡において、前記電極は
、前記対物レンズの内側に設けたことを特徴とする走査
型電子顕微鏡である。

（作　用）ターゲットから電極の方向を見ると、隣接する電極によ
る等電位面がターゲットへ向かって凸状に形成されるの
で、ターゲットから放出された２次電子は等電位面の先
端に向けて加速される。２次電子が隣接する電極の間に
向けて進んでいくと、２次電子は電極の方向に引力を受
けるが、２次電子は電界により加速されである程度の速
度を持っているため電極の方向へは急に曲がれず、電極
の間を通り過ぎてしまう、隣接した電極を結んだ面を通
り過ぎてしまう、隣接した電極を結んだ面を通過した２
次電子は、隣接した電極による減速電界中を進むことに
なる。従って、２次電子は速度零になったときからター
ゲットの方向へ逆戻りを始め、加速、減速、逆戻りの過
程を繰り返す、ところが、２次電子の運動空間には低圧
力の気体が存在しているので、２次電子は気体分子と衝
突して運動エネルギーを失い、振動の振幅が次第に小さ
くなる減衰振動をし、はとんど運動エネルギーを失った
後に電極に捕獲される。

すなわち、２次電子がターゲットから放出されてから電
極に捕獲されるまでに長い距離走ることになるから、仮
に、気体の圧力が低くとも、２次電子と気体分子との間
に多重衝突が起こり、多くの２次電子が増倍されて電極
に捕獲される電子の数は、従来の構成のものに比し多く
なる。

さらに、気体の圧力が小さい時は２次電子と気体分子と
の衝突確率が小さいため、２次電子は衝突による運動エ
ネルギーの減少の程度が小さく、２次電子は電極の間を
多数回往復運動をし、逆に気体の圧力が大きい時は２次
電子の往復回数が少ないので、（気体の圧力）×（２次
電子の走行距離）の値の圧力依存性が少なく、気体の圧
力が多少変化しても感度変化が小さいという効果もある
。

また、電極を電子光学系の軸方向へ複数ずらせて配設す
る構成なので、圧力制限アパーチャからターゲットまで
の距離りを短くするか、気体の圧力Ｐを小さくするとい
う一次電子線の径を小さく抑えるという条件を満足させ
つつ、同じ圧力の下でも２次電子の走行距離を大きくす
ることができるので、効率良く２次電子が増幅される。

〔実施例〕

第１図は本発明の第１実施例を示すＥＳＥＭの対物レン
ズ回り及び検出器の説明図である。検出器１１は電子光
学系の軸２を中心とするリング状の電極１１ａ、ｌｌｂ
を軸！方向へずらせて対物レンズ５の磁極５ａの外側に
配設してなり、軸Ｅとターゲラ１−１３の交点から両電
極１１ａ、１１ｂまでの距離はほぼ等しく、かつ、両電
極１１ａ、１１ｂは、接続されてターゲット１３に対し
て正の同電位となっている。電子銃１から放出された電
子線は排気ポンプ１４にて高真空に排気された電子銃室
２を通り、コンデンサレンズ３と対物レンズ５とによっ
てターゲット１３上に集束される。

また、電子線は偏向器４によってターゲット１３上を走
査される。対物レンズ５の磁極５ａの先端には圧力制限
アパーチャアが設けられ、電子銃室２と試料室１７とが
分離されている。試料室１７には不図示のパイプを通し
て低圧力の気体（例えば、水蒸気）が導入されているが
、圧力制限アパーチャアからターゲット１３までの距離
は短く、電子銃１からの一次電子線が散乱で失われる量
は無視できる程度である。検出器１１を構成する電１１
１ａ、ｌｌｂには正の電位が与えられているから、それ
らの電極１１ａ、ｌｌｂが作る等電位面は例えば、符号
１５．１６で示されているようになる。ターゲット１３
から等電位面までの距離が極小になる方向は、電極１１
ａ、ｌｌｂの近くでは符号１５に示したように２つの方
向があるが、電極１１ａ、ｌｌｂから離れると符号１６
に示したように１つの方向しか無い。

１次電子線がターゲット１３に当たることによりターゲ
ット１３から発生した２次電子は、速度が小さい時は等
電位面に最も近い方向、すなわち、ターゲラ１−１３に
向かって凸状に形成された等電位面１６の先端に向けて
加速されて進むが、電極１１ａ、ｌｌｂを含む面に向か
って電位は強くなるから、２次電子は加速され速度が大
きくなる。

電極１１ａ、ｌｌｂを含む面を越えると電位は減少する
方向になるが、２次電子は慣性のため、電位減少の影響
をそれほど受けないので上記面を越えて進む、すなわち
、２次電子の軌道は、符号１２で示したようになり、検
出器１１を構成する２つの電極１１ａ、ｌｌｂの間をす
り抜ける。電極１１ａ、ｌｌｂを結んだ面を通り抜ける
と、２次電子は減速電界中を進むことになるため、速度
が零になった位置からターゲット１３の方向に戻ってく
る。従って、気体との衝突が無ければ多重振動する。し
かしながら、２次電子は低圧力の気体中を進むことにな
るため、気体と衝突してエネルギーを失った２次電子は
、符号１２のように電極１１ａもしくはｌｌｂに入射す
る。従って、上記実施例によれば、２次電子が従来の片
道軌道をとる構成に比べて２次電子が数回の振動をした
後、電極１１ａ、ｌｌｂに捕獲されるので、２次電子が
多くの距離を進むため、高感度となる。

なお、第１図に示した反射板１０は検出器１１に関して
ターゲット１３とは反対側に全周にて設けられ（ターゲ
ット１３から見れば検出器１１の背後に設けられ）、タ
ーゲット１３に対して負の電位を与えられることで、運
動エネルギーの大きな２次電子を検出器１１の方向へ戻
す作用を果す。

また、第１図の符号８は、ライトガイド９を有するシン
チレータである。

第２図はさらに低い圧力のガス中でも十分な信号が得ら
れるようにした本発明の第２実施例のＥＳＥＭの主要部
を示す図である。電子銃室２２内にある電子銃２１から
出た電子線は排気管２１４を経てポンプにて高真空に排
気された電子銃室２２を通り、コンデンサレンズ２３と
対物レンズ２５とによってターゲット２１３上に集束さ
れる。

偏向器２４は電子銃室２２の外部に上下２段あるため、
電子線は圧力制限アパーチャ２７を偏向中心として試料
上を走査される。

対物レンズ２５の磁極２５ａ先端は比較的大径に形成さ
れ、そこには先端に圧力制限アパーチャ２７を形成され
たライナチューブ２６が入り込んでおり、ライナチュー
ブ２６の外周でかつ対物レンズ２５の磁場中には、電子
光学系の軸２を中心とした螺線状に形成された電極２１
１が設けられ、この電極２１１にはターゲット２１３に
対して正電位が与えられている。

なお、ターゲラ）２１３から見て電極２１１の背後には
ターゲット２１３と同じアース電位の反射板２１０が設
けられている。

また、試料室２１７には、気体導入バルブ２９、気体導
入口２８を通して低圧力の気体が導入されている。

このような構成であるから、ターゲット２１３から出た
２次電子は対物レンズ２５の磁場のため、符号２１２で
示したようにサイクロイド運動をしながら電極２１１の
方向へ加速されるが、磁場があるため電極２１１の方向
へ真すぐには進めず、結局電橋２１１の横を通り過ぎて
しまう、そして２次電子は気体分子と衝突して運動エネ
ルギーを失った後、電極２１１に捕獲され、電気信号と
なる。第２図の場合には、磁場があるため、サイクロイ
ドの軌道骨だけ長い距離進むため、低い圧力でも十分大
きな増幅効果が得られる。

また、電極２１１の外側にはアースポテンシャルの反射
板２１０が設けられ、この反射板２１０と電極２１１間
の電界が強くなるようにすることによって、低速に減速
された２次電子が低速のまま長距離進むのを防止するこ
とができるので、電極２１１の応答速度を早くすること
ができる。

なお、第１図の第１実施例では、２つのリング状の電極
１１ａ、Ｉｌｂを電気的に接続して電極としていたので
、電源を共用できるというメリットがあるが、別々の電
源を用いる場合には、２つのリング状の電極１１ａ、Ｉ
ｌｂは接続することなく、得られた信号電流を増幅等し
た後、信号を合成するようにしてもよい、また、電極の
構造は、第２図の第２実施例のように螺線状にしたり、
第１図の電極１１ａ、ｌｌｂのほぼ同じラジアル方向の
一部分のみで構成したものであっても構わない、そして
、このような種々の電極の構造は、第２図の第２実施例
の場合でも同様に採用できることである。

さらに、電極は、例えば第１図においてさらにリング状
の電極を軸！方向にずらせて配置しても、隣接する電極
の間に同じような電界が生ずるので、何ら問題なく採用
でき、空間的に余裕のある場合には、より広範囲に２次
電子を捕獲できるので好ましい。

（発明の効果）以上述べたように本発明によれば、１次電子線の散乱量
を大きくすることなく２次電子を効率良く増幅すること
ができる。

特に、複数の電極を電子光学系の軸とターゲットとの交
点位置からほぼ等距離にあるように電子光学系の軸方向
へずらせて配設することにより、ターゲットに近い等電
位面の凸部先端が上記交点位置の方向を向くので、ター
ゲットからの２次電子を効率良く電極間に導くことがで
きる。

また、複数の電極に関してターゲットとは反対側にター
ゲットと同電位の２次電子板を設けることにより、電極
間を通り抜けた２次電子であって運動エネルギーが大き
いために電極による電界の束縛から離れようとするもの
を、再び電極の方向へ戻すことができ、有効に２次電子
を電極に捕獲させることができる。

さらに、電極を電子光学系の対物レンズの内側に配設す
ることにより、２次電子を対物レンズの磁場によってサ
イクロイド運動させることができるので、２次電子が電
極に達するまでの道程をより長くすることができ、それ
だけ２次電子と気体分子との衝突回数が増えるため、効
率良（増幅することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明第１実施例を示すＥＳＥＭの対物レンズ
回り及び検出器の説明図、第２図は本発明の第２実施例
を示すＥＳＥＭの対物レンズ回り及び検出器（′ｒ４極
）の説明図、である。（主要部分の符号の説明）１１・・・検出器、１１ａ、Ｉｌｂ、２１１−・・電極ｌ０１２１０・・・反射板。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを通し
て低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査する
と共に、前記ターゲットからの２次電子を前記ターゲッ
トに対して正の電位を与えた電極により捕獲する電子光
学系、を有する走査型電子顕微鏡において、前記電極は、前記電子光学系の軸を中心とし、かつ又前
記軸の方向へずらせた少なくとも２つの円周上の少くと
も一部であって、ほぼ同じラジアル方向の位置に設けら
れた電極であることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
（２）前記電極は、前記電子光学系の対物レンズの磁極
の外側に設けたことを特徴とする請求項（１）記載の走
査型電子顕微鏡。
（３）前記電極に関して前記ターゲットとは反対側に、
前記ターゲットと同電位の２次電子反射板を設けたこと
を特徴とする請求項（１）記載の走査型電子顕微鏡。
（４）電子銃からの電子線を圧力制限アパーチャを通し
て低圧力の気体中にあるターゲットに照射して走査する
と共に、前記ターゲットからの２次電子を前記ターゲッ
トに対して正の電位を与えた電極により捕獲する電子光
学系、を有する走査型電子顕微鏡において、前記電極は
、前記対物レンズの内側に設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。