JPH06223763A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 環境制御型の走査型電子顕微鏡において、正
イオンが試料にチャージアップして２次電子信号のＳＮ
比が低下するのを防止する。 【構成】 真空室（１）と試料室（２）とが圧力制御ア
パーチャ板（３）を介して接している。試料室（２）内
には試料（７）が収納される。試料（７）上には、気体
噴出配管（１５）を通して気体供給源（１７）より中性
気体が噴出される。この中性気体は、電子銃（１１）か
ら１次電子が試料（７）に入射したことにより試料
（７）より放出された２次電子の増倍作用の他に、試料
（７）上に付着した正イオンを除去する機能を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境制御型の走査型電
子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】通常の走査型電子顕微鏡は、真空中に配
置された試料(ターゲット）から放出される２次電子を
シンチレータの発光により検出している。これに対し
て、所謂環境制御型の走査型電子顕微鏡は、水蒸気等の
低圧気体中に配置された試料からの２次電子をその気体
によりガス増幅し、この増幅された２次電子を検出電極
で直接検出している。斯かる環境制御型の走査型電子顕
微鏡によれば、通常の電子顕微鏡では観察できないよう
な種々の試料を観察することができる。

【０００３】図３（ａ）は従来の環境制御型の走査型電
子顕微鏡の一例を示し、この図３（ａ）において、電子
銃が収納された真空室（１）（実際には、差動排気のた
めにアパーチャにより区切られた複数の部屋からなる）
と試料室（２）とが圧力制限アパーチャ板（３）を介し
て接している。その圧力制限アパーチャ板（３）の周囲
には絶縁体（４）を介して電磁レンズよりなる対物レン
ズ（５）が配置されている。試料室（２）には気体供給
源（１０）より、ガス増幅を行う試料室（２）の雰囲気
としての気体（例えば水蒸気）が供給されると共に、試
料室（２）の気体の圧力は真空ポンプ（６）により０．
１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保たれている。また、試料室
（２）の気体は圧力制限アパーチャ板（３）の圧力制限
アパーチャ（３ａ）を通って真空室（１）中に流れる
が、真空ポンプ（１３）により真空室（１）の気体の圧
力は試料室（２）の内部よりも小さい圧力（高い真空度
の状態）、例えば圧力制限アパーチャ板（３）の真上で
１０-2〜１０-3Ｔｏｒｒ程度に保たれている。実際には
上述したように、真空室（１）はアパーチャにより複数
の部屋に分離されており、各々の部屋に真空ポンプが設
けられ電子銃は最も高い真空度の部屋に配置されてい
る。

【０００４】試料室（２）の内部に観察対象とする試料
（７）が収納される。また、この従来例では、圧力制限
アパーチャ板（３）が２次電子検出器を兼ねており、圧
力制限アパーチャ板（３）に可変電圧源（８）より試料
（７）に対して正の電圧が印加されている。その圧力制
限アパーチャ板（３）から得られる２次電子信号がプリ
アンプ（９）を介して図示省略した処理装置に取り込ま
れる。

【０００５】試料（７）の観察を行う場合には、真空室
（１）の電子銃から放出された電子ビームが圧力制限ア
パーチャ板（３）の圧力制限アパーチャ（３ａ）を通過
して試料（７）上に集束され、この集束された電子ビー
ムが走査される。このときに、試料（７）から放出され
る２次電子は２次電子検出器としての圧力制限アパーチ
ャ板（３）の電場により試料室（２）中の気体によりガ
ス増幅され、その結果生じた正イオンが試料（７）に照
射されて、電子ビームの照射により生じた試料（７）の
負のチャージが中和される。また、ガス増幅された２次
電子は圧力制限アパーチャ板（３）に取り込まれ、この
２次電子信号がプリアンプ（９）を介して外部の処理装
置に取り込まれる。

【０００６】図３（ｂ）は従来の環境制御型の走査型電
子顕微鏡の他の例を示す。この従来例は圧力制限アパー
チャ板と２次電子検出器とを分離したものであり、この
図３（ｂ）において図３（ａ）と対応する部分に同一符
号を付してその詳細説明を省略する。図３（ｂ）におい
て、圧力制限アパーチャ板（３）の周囲で且つ試料
（７）の上方に、内径数ｍｍリング状の２次電子検出器
（１９）が配置され、２次電子検出器（１９）には可変
電圧源（８）より正の電圧が印加されている。また、２
次電子検出器（１９）からの２次電子信号がプリアンプ
（９）を介して図示省略した処理装置に取り込まれてい
る。さらに、圧力制限アパーチャ板（３）にも可変電圧
源（２０）より試料（７）に対して正の電圧が印加され
ている。

【０００７】この場合、絶縁物よりなる試料（７）から
放出される２次電子は、２次電子検出器（１９）の電場
により２次電子検出器（１９）の方向に運動しようとす
るが、この方向は対物レンズ（５）によって発生する磁
力線を横切る方向である。そこで、２次電子は直線的に
２次電子検出器（１９）に飛び込めなくなり、レンズ磁
場に絡み付くような運動を始める。この２次電子及び試
料室（２）の内部の気体のガス増幅の結果生じた電子群
は、最終的には最も電圧の高い２次電子検出器（１９）
に吸収されることになるが、その走行距離は直線的に飛
び込む場合と比べて数倍にも長くなる。また、圧力制限
アパーチャ板（３）に正の電圧を多少印加することによ
って、電子群は圧力制限アパーチャ板（３）の方向に多
少引っ張られながら最終的に２次電子検出器（１９）に
到達するようになり、走行距離はさらに長くなる。この
ように、図３（ｂ）の装置は図３（ａ）の装置と比べ
て、試料室（２）がより高い真空度で図３（ａ）の装置
と同等のガス増幅率を持つことになる。真空度がより高
い状態では、１次の電子ビームの気体による散乱も少な
くなるため、図３（ｂ）の装置は図３（ａ）の装置より
良好なＳＮ比で２次電子の検出を行うことができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３
（ａ）及び図３（ｂ）の装置では、１次の電子ビームに
比べて遥かに過剰な正イオンが試料（７）に降り注ぐた
め、試料（７）の絶縁性が高い場合にはその試料（７）
が正にチャージアップするようになる。このチャージア
ップの結果、２次電子検出器と試料（７）との間の電位
差が小さくなり、ガス増幅率が減少する。そのために、
２次電子検出器のゲインが低下して、得られる観察画像
のＳＮ比が低下するという不都合がある。

【０００９】また、２次電子検出器と試料との間の電位
差を２次電子検出器の電圧の上昇で補おうとしても、今
度は２次電子検出器とその近傍のアース電位の金属（例
えばレンズ）との間の電位差が大きくなりすぎて、それ
らの間に微少放電が起こる。そして、その微少放電ノイ
ズが観察画像上に現れて、結局はＳＮ比を向上させるこ
とができない。

【００１０】本発明は斯かる点に鑑み、正イオンが試料
にチャージアップして２次電子信号のＳＮ比が低下する
のを防止できる走査型電子顕微鏡を提供することを目的
とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による走査型電子
顕微鏡は、例えば図１（ａ）に示す如く、電子銃（１
１）から射出した電子線の通路を形成する真空室（１）
と、真空室（１）に圧力制限アパーチャ（３ａ）を挟ん
で連結され、ガス増幅を行う試料室（２）の雰囲気とし
ての気体が気体供給源（１７）から気体噴出配管（１
５）を通して気体噴出口（１６）から供給されると共
に、試料（７）が収納される試料室（２）と、その電子
銃（１１）により発生した電子線をその圧力制限アパー
チャ（３ａ）を通して試料室（２）に収納された試料
（７）上に集束する集束手段（１２，５）と、その集束
された電子線をその試料（７）上で走査する走査手段
（１４）と、試料室（２）に配置され、その試料（７）
から発生した後にその気体によりガス増幅された２次電
子を検出する２次電子検出手段（３）とを有する走査型
電子顕微鏡において、試料室（２）内の気体によるガス
増幅により生じ、その後試料（７）上に降り注いだ正イ
オンを除去するために、中性気体を試料（７）上に噴出
させる気体噴出手段（図１(a) 、(b) では気体供給源１
７、気体噴出配管１５、気体噴出口１６の共用）を配置
したものである。

【００１２】この場合、図１（ａ）または図１（ｂ）に
示すように気体供給源（１７）が、ガス増幅を行う試料
室（２）の雰囲気としての気体を送り込む供給源と、正
イオンを除去するための気体を送り込む供給源を兼ねて
いてもよいし、図２（ａ）または図２（ｂ）に示すよう
にガス増幅を行う試料室（２）の雰囲気としての気体を
送り込む気体供給源（１０）と、正イオンを除去するた
めの気体を送り込む気体供給源（１７）とが別々になっ
ていてもよい。

【００１３】

【作用】本発明によれば、１次の電子ビームによる試料
（７）の負のチャージアップの中和に寄与しない試料
（７）上の正イオンは、気体噴出手段により噴出された
中性気体により除去される。この結果、正イオンによっ
て試料（７）が正にチャージアップすることがなく、試
料（７）と２次電子検出手段（３）との間の電圧は一定
に保たれる。従って、常に高いレベルで一定のＳＮ比の
２次電子信号が得られ、この２次電子信号よりノイズの
少ない良好な観察画像が得られる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明による走査型電子顕微鏡の一実
施例につき図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、（ｂ）を
参照して説明する。まず、図１（ａ）の実施例につき説
明するが、図１（ａ）において、図３（ａ）に対応する
部分には同一符号を付してその詳細説明を省略する。

【００１５】図１（ａ）は本実施例の走査型電子顕微鏡
を示し、この図１（ａ）において、真空室（１）の上部
には電子銃（１１）が配置され、真空室（１）の中段の
外側にはコンデンサーレンズ（１２）が配置され、真空
室（１）の下段の外側には電磁偏向器（１４）が配置さ
れている。尚、真空室（１）は概念的に一つの部屋で示
したが、実際には複数の圧力制限アパーチャ板にて仕切
られた例えば３つの部屋から構成されており、各々の部
屋が真空ポンプにより差動排気されるように構成されて
いる。そして、最も真空度の高い部屋に電子銃（１１）
が設けられる。また、真空室（１）と圧力制限アパーチ
ャ板（３）を挟んで試料（７）が収納された試料室
（２）が配置され、この試料室（２）には気体供給源
（１７）より気体噴出配管（１５）を介して気体噴出口
（１６）からガス増幅を行う中性気体（例えば水蒸気）
が供給されると共に、試料室（２）の気体の圧力は真空
ポンプ（６）により０．１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保た
れている。

【００１６】その圧力制限アパーチャ板（３）の圧力制
限アパーチャ（３ａ）を通って、試料室（２）の気体が
真空室（１）に漏れるが、真空ポンプ（１３）により真
空室（１）の気体の圧力は試料室（２）より高い真空度
（小さい圧力）に維持されている（実際には、差動排気
により順次真空度が高くなる）。本例においては、その
圧力制限アパーチャ板（３）が２次電子検出器を兼ねて
おり、その圧力制限アパーチャ板（３）には試料室
（２）の側壁の絶縁性のハーメチックシール（１８）を
介して可変電圧源（８）より試料（７）に対して正の電
圧が供給され、その圧力制限アパーチャ板（３）からの
２次電子信号がプリアンプ（９）を介して図示省略した
処理装置に取り出されている。

【００１７】本例では、気体供給源（１７）より気体噴
出配管（１５）を介して試料室（２）内に送り込まれる
中性気体の出口である気体噴出口（１６）が、試料
（７）の直上に試料（７）に向くように配置されてい
る。この気体噴出配管（１５）は、試料（７）より発生
した２次電子が２次電子検出器へと向かう進路を遮るこ
とのないような位置に配置されている。

【００１８】本例の動作の説明を行うに、電子銃（１
１）から放出された電子ビームは、コンデンサーレンズ
（１２）により集束された後に、圧力制限アパーチャ板
（３）の圧力制限アパーチャ（３ａ）を通過して試料室
（２）の内部の試料（７）に照射される。また、その電
子ビームは電磁偏向器（１４）により試料（７）上で走
査されると共に、対物レンズ（５）によりその試料
（７）上での電子ビームのスポット径が所定の値に設定
される。その１次の電子ビームの照射により試料（７）
から２次電子が発生する。

【００１９】試料（７）から発生した２次電子は、２次
電子検出器としての圧力制限アパーチャ板（３）が作る
電場によりその圧力制限アパーチャ板（３）の方向へと
引き寄せられる。この途中で２次電子が試料室（２）の
内部の気体と衝突を繰り返すことにより、多量の正イオ
ンが発生する。従来であれば、この正イオンは試料
（７）に降り注ぎ、一部は積極的に負のチャージアップ
の中和に寄与するものの残りの過剰な正イオンは試料
（７）上に留まるため、試料（７）は正にチャーアップ
することになる。しかし、本例では、気体供給源（１
７）から気体噴出配管（１５）を介して試料室（７）に
送り込まれる中性気体の出口である気体噴出口（１６）
が試料（７）に向くように配置されているためこの気体
噴出口より噴出した中性気体は試料（７）に向かって噴
出し、試料（７）上の余分な正イオンを除去する。その
ため、試料（７）が正にチャージアップすることが無く
なる。

【００２０】この正イオンに中性気体を噴出させるこ
と、つまり気体分子を正イオンに衝突させることによっ
て、正イオンのあるものは気体分子との衝突で運動量を
得て試料（７）上から離脱しアース電位の試料室（２）
内壁等で中性化される。また、あるものは、衝突時に気
体分子より電子を受け取って中性分子となって試料
（７）上から放出される。この際、気体分子は電子を奪
われて正イオンとなるが、元々運動量を持っているた
め、試料に留まるようなことはなく、これも試料室
（２）内壁等で中性化される。

【００２１】このような過程により試料（７）上の正イ
オンは除去され、試料（７）はチャージアップのない状
態となる。この結果、試料（７）と２次電子検出器とし
ての圧力制限アパーチャ板（３）との間の電位差はほぼ
一定に保たれ、圧力制限アパーチャ板（３）からは常に
一定で且つ高いＳＮ比の２次電子信号が得られ、最終的
にＳＮ比が高いレベルで一定の良好な観察画像が得られ
る。

【００２２】なお、図１（ａ）の例では圧力制限アパー
チャ板（３）が２次電子検出器を兼用しているが、図１
（ｂ）に示すように、圧力制限アパーチャ板（３）とは
別体の２次電子検出器を設けてもよい。即ち、図１
（ｂ）において、圧力制限アパーチャ板（３）の周囲且
つ試料（７）の上方にリング状の２次電子検出器（１
９）を配置し、この２次電子検出器（１９）に、試料室
（２）の側壁の絶縁性のハーメチックシール（１８）を
介して可変電圧源（８）より試料（７）に対して正の電
圧の供給し、その２次電子検出器（１９）からの２次電
子信号をプリアンプ（９）を介して図示省略した処理装
置に取り出す。また、圧力制限アパーチャ板（３）には
可変電圧源（２０）より正の電圧が供給されている。他
の構成は図１（ａ）の例と同様である。

【００２３】この図１（ｂ）の走査型電子顕微鏡におい
ては、試料（７）から発生した２次電子は、ガス増幅さ
れながら２次電子検出器（１９）に到達する。この場
合、ガス増幅によって生じ、試料（７）に降り注いだ正
イオンのうち負のチャージアップの中和に寄与しない余
分な正イオンを、気体噴出口（１６）より噴出した中性
気体が除去するため、試料（７）の正のチャージアップ
は防止される。さらに図１（ｂ）の場合には、ガス増幅
される際の２次電子の走行距離が長くなり、より高い真
空度で図１（ａ）の例と同等のガス増幅率が得られる。
したがって、１次の電子ビームの気体による散乱を少な
くして、ＳＮ比をさらに改善できる。

【００２４】次に、本発明のさらに他の実施例につき図
２（ａ）を参照して説明する。本例は、ガス増幅を行う
試料室（２）の雰囲気としての中性気体を試料室（２）
に送り込む気体供給源（１０）と、正イオンを除去させ
るための中性気体を試料室（２）に送り込む気体供給源
（１７）をそれぞれ独立に設けたものであり、その他の
構成は図１（ａ）の例と同様である。この図２（ａ）の
例では、試料室の雰囲気としての気体の量とは独立して
正イオンを除去のための気体の量を制御することができ
るため、より完全な正のチャージアップの防止を行うこ
とができる。

【００２５】また、図２（ｂ）も、ガス増幅を行う気体
と正イオン除去のための気体を独立に試料室（２）に供
給できるものであり、その他の構成は図１（ｂ）の例と
同様である。なお、本発明は上述実施例に限定されず本
発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の構成を取り得るこ
とは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】本発明によれば、ガス増幅作用により生
じ、その後試料上に降り注いだ正イオンのうち、１次の
電子ビームによる負のチャージアップの中和に寄与しな
い余分な正イオンを、噴出される中性気体によって除去
させるため、試料が正にチャージアップするのが防止さ
れる。即ち、従来例では２次電子検出手段におけるゲイ
ンを下げ２次電子信号のＳＮ比を低下させる働きのあっ
た過剰正イオンを中性気体により除去できるようになる
ため、２次電子信号のＳＮ比が高いレベルで一定し、良
好な観察像だ得られるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の一実施例の概
略構成図を示す縦断面に沿う端面図である。

【図２】本発明の他の実施例の概略構成を示す縦断面に
沿う端面図である。

【図３】従来の環境制御型の走査型電子顕微鏡の一例の
要部を示す縦断面に沿う端面図である。

【符号の説明】

１ 真空室 ２ 試料室 ３ 圧力制御アパーチャ板 ３ａ 圧力制御アパーチャ ４ 絶縁体 ５ 対物レンズ ６、１３ 真空ポンプ ７ 試料 ８、２０ 可変電圧源 ９ プリアンプ １０、１７ 気体供給源 １１ 電子銃 １２ コンデンサーレンズ １４ 電磁偏向器 １５ 気体噴出配管 １６ 気体噴出口 １８ ハーメチックシール １９ ２次電子検出器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子線源から射出した電子線の通路を形
   成する真空室と、 前記真空室に圧力制限開口を挟んで連結され、ガス増幅
   を行う雰囲気としての気体が供給されると共に、試料が
   収納される試料室と、 前記電子線源により発生した電子線を、前記圧力制限開
   口を通して前記試料室に収納された試料上に集束する集
   束手段と、 前記集束された電子線を前記試料上で走査する走査手段
   と、 前記試料室に配置され、前記試料から発生した後に前記
   気体によりガス増幅された２次電子を検出する２次電子
   検出手段とを有する走査型電子顕微鏡において、 前記試料室内で前記試料上に中性気体を噴出させる気体
   噴出手段を設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡。