JPS5938701B2 - 二段試料台を備えた走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型試料の高分解能像と大型試料の像とを切替
え観察できるようにした二段試料台を備えた走査電子顕
微鏡に関する。

一般に走査型電子顕微鏡は、透過型電子顕微鏡と異なり
、大型の試料（例えば直径１０ＣｒｒＬ、厚さ７．５ｃ
ｆｒＬ程度）でもその表面全面を観察することができる
ように大きな試料移動範囲が要求されている。

そのため、第１図に示すように、試料台１は、対物レン
ズ２の後方に設置され、二次元方向に大きく試料移動し
たり、−１０°〜９０°の範囲で試料傾斜をさせたり、
３６０°の試料回転をさせることができるようにされて
いる。

しかし、このように大きな範囲で試料移動をさせると試
料台に振動が入り易く、また試料台の熱膨張により試料
ドリフトが生じ、像が安定しない。

また、第１図に見られるように、試料と対物レンズ２と
の間が大きく、各種の収差が太きい。

さらに、第１図に示すように、大型の試料を収容する試
料室３の容積が大きく、鏡体内を高い真空度に保つのが
難しく、コンタミネイション（試料面上にカーボンが析
出すること）が生じる等、高分解能像を得る観点からす
ると各種の不具合があった。

このような事情に対処して高分解能の走査像を得るため
に、従来の透過型電子顕微鏡にアタッチメントを使用し
てその対物レンズの磁極間に試料を挿入する装置が提供
されているが、この場合は走査型電子顕微鏡の本来の要
求である大型の試料の観察ができないという欠点があっ
た。

そこで、大型試料の観察ができると共に、主として小型
試料の高分解能像を観察することができる走査型電子顕
微鏡として、第２図に示すように、大型試料室４と小型
試料室５とを備えたものが提案されている。

しかしこの場合は、大型試料室４が小型試料室５の上方
（電子銃６に近い方）に位置しているため次のような欠
点が考えられる。

（１）大型試料室４内には、試料台１の他に、試料移動
装置、Ｘ線分光器等の付加装置が取り付けられているた
め鏡体の重心が高く不安定きなり、振動傷害を受けて高
分解能像を得られない。

（２）小型試料室５内の試料台７を使用して小型試料の
高分解能像を観察する場合、不使用部分である大型試料
室４内をも真空排気しなければならず到達真空度（１０
−５Ｔｏｒｒ程度）までの時間が長くなると共に、大型
試料室の内壁等から吸着ガスが発生しきれいな真空が得
られない。

（３）大型試料室４の側壁には主として大型の試料を載
置するための大型の試料台１を挿入する大きな切欠き部
があり、この部分からの外乱磁界による影響を電子線が
受けて小型試料の高分解能像を得られない。

（４）小型試料観察用の対物レンズ８は鏡体の最下端部
に設置されているため、上記対物レンズ８の下方に他の
レンズを取り付けられず、透過走査像（ＳＴＥＭ像）、
電子回折像、エネルギー損失像を得る面での性能（コン
トラスト、分解能、感度）に限界がある。

本発明は、上記欠点を除去するためになされたものであ
り、鏡体の重心を低くして安定性を増し、小型試料を観
察する場合の到達真空度までの時間を短くし、かつ高真
空が得られ、小型試料の高分解能像又は大型試料の像を
観察することができる二段試料台を備えた走査型電子顕
微鏡を提供することを目的とする。

以下、本発明による走査型電子顕微鏡の実施例について
図面に基づいて詳細に説明する。

本発明による走査型電子顕微鏡は、第３図に示すように
その電子光学系において、電子銃１０、集束レンズ１１
，１２、第一走査コイル１３、第二走査コイル１４、小
型試料用の第一の２次電子検出器１５、小型試料観察用
の第一対物レンズ１６、小型試料用の第一試料台１７、
大型試料観察用の第二対物レンズ１８、大型試料用の第
二の２次電子検出器１９及び大型試料用の第二試料台２
０を有してなる。

電子銃１０から射出された電子線束は、集束レンズ１１
．１２によって縮少され、この電子線束を第一走査コイ
ル１３及び第二走査コイル１４を用いて２段偏向して２
次元的に走査し、この電子線束をさらに第一対物レンズ
１６又は第二対物レンズ１８で約１００λ程度に縮少し
て試料表面上に焦点合せをし、試料表面から発生する２
次電子をそれぞれ第一の２次電子検出器１５又は第二の
２次電子検出器１９を用いて電気信号にし、それを増幅
して陰極線管により２次元的な走査像を観察する。

なお、第３図中、符号２１は集束レンズの絞り、２２は
第二対物レンズの絞り、２３は小型試料室、２４は大型
試料室、２５．２６．２７は真空排気口である。

小型試料観察用の第一対物レンズ１６は、第３図に示す
ように、大型試料観察用の第二対物レンズ１８の上方、
電子銃１０に近い側に配置され、上記第一対物レンズ１
６の磁極間に形成された小型試料室２３内には小型試料
用の第一試料台１７が設けられている。

上記小型試料室２３の直上には、第一試料台１７上に載
置された試料面から発生する２次電子を検出する第一の
２次電子検出器１５が設けられている。

上記第一対物レンズ１６の下方には、大型試料観察用の
第二対物レンズ１８が設けられている。

上記第二対物レンズは、第３図から明らかなように略円
錐台構造を有し、その下方には大型試料室２４が形成さ
れている。

この大型試料室２４内の第二対物レンズ１８の焦点面近
傍には大型試料用の第二試料台２０が設けられ、この第
二試料台２０の側方には大型試料２８の表面から発生す
る２次電子を検出する第二の２次電子検出器１９が設け
られている。

上記のように、大型試料室２４を鏡体の最下端に設けた
ので、鏡体は安定する。

小型試料を観察するときは、第一対物レンズ１６、第一
試料台１７及び第一の２次電子検出器１５を使用する。

この場合は、小型試料は、第３図に示すように、第一対
物レンズ１６の磁場の中心に入るため電子光学的なレン
ズの収差が小さく、また、第一試料台１７の試料移動範
囲を大きくする必要がないので試料台に振動が入りにく
く、試料微動精度を高くすることができ、高分解能像を
得ることができる。

大型試料を観察するときは、第二対物レンズ１８、第二
試料台２０及び第二の２次電子検出器１９を使用する。

この場合は、従来の走査型電子顕微鏡と全く同様に大型
試料の走査像を観察することができる。

なお、このときは第一試料台１７は抜き去り、第一対物
レンズ１６と第二対物レンズ１８との電源を切り替える
必要がある。

第４図は第二の実施例を示す縦断面図である。

この実施例においては、第一対物レンズ１６と第二対物
レンズ１８との間に、大型試料２８を観察する際に使用
する第三走査コイル２９が設けられている。

第３図に示すように、第二走査コイル１４と第二試料台
２０との間は大きく離れているため、大型試料を低倍率
で観察する場合第二走査コイル１４で曲げられた電子線
は、第一対物レンズ１６の中央を通らず収差が大きかっ
たり、又は第一対物レンズの内径によって遮ぎられ大型
試料２８面上を走査できないことがあり低倍率を得にく
い。

そこで、第４図に示すように、第一対物レンズ１６と第
二対物レンズ１８との間に第三走査コイル２９を設けて
、第一走査コイル１３又は第二走査コイル１４と第三走
査コイル２９とを用いて２段偏向すると、電子線を第一
対物レンズ１６の中央を通すことができ、大型試料２８
の収差の少ない（第三走査コイル２９が無い場合の約１
／１０）走査像を得ることができる。

なお、この場合は第一走査コイル１３或は第二走査コイ
ル１４及び第三走査コイル２９の電源切替装置を設ける
必要がある。

第５図は第三の実施例を示す縦断面図である。

この実施例においては、小型試料室２３と大型試料室２
４との間の電子線通路３０に通気制限装置３１として遮
断弁が設けられている。

第一試料台１７を使用して小型試料を観察するときは、
大型試料室２４は小型試料の観察には全く関係のない空
間である。

従って、この部分も真空排気すると、小型試料室２３の
到達真空度までの時間が長くかかったり、大型試料室２
４の内壁、Ｘ線分光器その他の付加装置から吸着ガスが
際限なく放出されて高真空が得られない。

そこで、第５図に示すように、通気制限装置３１として
遮断弁を設け、小型試料を観察するときはこれを閉じて
電子線通路３０を遮断すると、第一対物レンズ１６より
上方の空間だけを真空排気すればよいので上記欠点を除
去することができる。

なお、第５図中、符号３２は通気制限装置３１の駆動装
置である。

また、通気制限装置３１としては第５図に示すような遮
断弁だけに限られず、直径１闘長さ２０ｗ／／、程度の
円筒からなるオリフィス（図示せず）を上記電子線通路
３０に沿って設けてもよい。

この場合は、電子線通路３０が遮断されるわけではない
が、１Ｏ−３Ｔｏｒｒ以上の真空度ではガス分子は直線
運動をするので通気制限の効果を発揮できる。

第６図は第四の実施例を示す縦断面図である。

この実施例においては、第二対物レンズ１８′すしてミ
ニレンズを採用している。

ここで、ミニレンズとは、通常の対物レンズが直径１５
〜２０ｃｒｒＬであるのに対し、直径５ｃｒｒＬ以下の
小型のレンズでその内部に走査コイルを含まないものを
いう。

前述のように、大型試料室２４内で大型試料２８を大き
な範囲で試料移動をさせるため、第二試料台２０の周囲
はできるだけ広い空間を有していることが望ましい。

また、Ｘ線分光器を使用して試料のＸ線スペクトル分析
をする場合は、試料２８をできるだけ対物レンズ１８′
に近づけ、かつ、試料面に対するＸ線取出角を大きくす
る必要があるが、対物レンズの直径が小さいミニレンズ
を使用すれば上記両方の要求を同時に満足させることが
できる。

また、対物レンズを小型にすることは製造コストを低減
することにも役立つ。

本発明は以上のように構成されたから、鏡体の重心を低
くして鏡体を安定させることができ、振動傷害の影響を
受けることが少なく高分解能像を得ることができる。

また、小型試料室２３と大型試料室２５との間を通気制
限するようにしたので、小型試料を観察するときの小型
試料室２３の到達真空度までの時間を短くすることがで
き、かつ高真空を得ることができる。

さらに、大型試料室２４は小型試料室２３の下方に設け
られているので、小型試料を観察するときに大型試料室
２４の切欠き部からの外乱磁界による影響を電子線が受
けることがなく、高分解能像を得ることができる。

さらにまた、第一対物レンズ１６の下方に第二対物レン
ズ１８が設けられているので、この第二対物レンズ１８
を使用して第一試料台１７に載置された試料のＳＴＥＭ
像を観察することができる。

また、第二対物レンズとしてミニレンズを使用した場合
は、大型試料室２４内での試料移動範囲を容易に大きく
することができ、また、製造コストを低減することがで
きる等の効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の走査型電子顕微鏡を示す縦断面図、第２
図は改良提案された従来の走査型電子顕微鏡を示す縦断
面図、第３図は本発明による二段試料台を備えた走査型
電子顕微鏡の第一の実施例を示す縦断面図、第４図ない
し第６図は第二ないし第四の実施例を示す縦断面図であ
る。 １０・・・・・・電子銃、１３・・・・・・第一走査コ
イル、１４・・・・・・第二走査コイル、１５・・・・
・・第一の２次電子検出器、１６・・・・・・第一対物
レンズ、１７・・・・・・第一試料台、１８．１８’・
・・・・・第二対物レンズ、１９・・・・・・第二の２
次電子検出器、２０・・・・・・第二試料台、２３・・
・・・・小型試料室、２４・・・・・・大型試料室、２
８・・・・・・大型試料、２９・・・・・・第三走査コ
イル、３０・・・・・・電子線通路、３１・・・・・・
通気制限装置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 走査型電子顕微鏡の電子光学系において、電子銃に
   近い側から小型試料観察用の第一対物レンズ及び小型試
   料室と、大型試料観察用の、略円錐台構造を有する第二
   対物レンズ及び大型試料室とを配置し、上記第一対物レ
   ンズの近傍にはその磁極間に小型試料を提示することが
   できる第一試料台を設け、上記第二対物レンズの後方に
   は、その焦点面近傍に大型試料を提示することができる
   第二試料台を設けてなり、小型試料の高分解能像又は大
   型の試料の像を切換え観察出来、しかも第二試料室には
   Ｘ線分析用の機器の装着を可能にしたことを特徴さする
   二段試料台を備えた走査型電子顕微鏡。