荷電粒子線装置
【課題】簡便にＳＥやＢＳＥの角度とエネルギーを弁別し、観察対象試料の必要な情報を画像化する荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【解決手段】一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に、走査電子ビームで試料を観察する荷電粒子線装置の二次荷電粒子の検出器や検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、幅広い分野で対象試料の表面や断面の観察に用いられている。ＳＥＭでは、一次電子ビームと試料の相互作用で発生した、０から５０ｅＶの比較的低いエネルギーの二次電子（ＳＥ）と、５０ｅＶから一次電子ビームのエネルギーまで幅広い分布を持った後方散乱電子（ＢＳＥ）を検出して画像化している。
【０００３】
ＳＥやＢＳＥは、それぞれ検出するエネルギー範囲によって得られる情報が異なることは一般的に知られている。例えば数ｅＶのＳＥは試料表面や凹凸の情報を、それ以上のエネルギーのＳＥは試料内部情報を反映しており、また、試料表面の電位情報を反映することもある。ＢＳＥは試料の組成情報や結晶情報と、ＳＥよりさらに深い試料内部情報が反映される。また、ＢＳＥの中で特に試料表面で散乱された低エネルギー損失電子（ＬＬＥ）は、組成情報を含み、かつ試料表面の情報を反映する。
【０００４】
昨今のＳＥＭにおいては、ＳＥやＢＳＥのエネルギー分布と、試料から放出される際の角度分布と、検出器・検出系の関係（一般的にはアクセプタンスと呼ばれる）が、必要な前記情報を得るための重要な要素となってきている。そのため、市販されているＳＥＭでは、ＳＥやＢＳＥを検出するための検出器や、光学系と検出器を組み合わせた検出系について、これまで多くの工夫がなされ、多くのシステムが提案されている。
【０００５】
エネルギー分布に関し、ＳＥ、ＢＳＥのエネルギー分布の高エネルギー側の閾値を変化させて検出することは非常に難しい。例えば、特許文献１では、一次電子線を試料に照射したときに発生する反射電子や二次電子等の信号電子のエネルギー分布を画像として表示するため、信号検出器に印加されている電圧を変化させ信号電子を検出しているが、低エネルギー側の閾値を変化させているに過ぎない。また、エネルギーフィルタを併用した検出器を除き、低いエネルギーの閾値も、ほとんどが検出器の物理的な特性（検出器が検出可能なエネルギー範囲）によって一義的に決まる。例外的に、電子オージェ分光のような例では、半球型のエネルギーアナライザや同軸ミラー型のエネルギーアナライザを使用してバンドパスのエネルギー閾値の設定が可能ではあるが、装置は大掛かりで高価となり、市販されている汎用的なＳＥＭでは採用されていない。
【０００６】
角度分布においては、検出素子そのものを分割したり、試料の高さを調整して検出器を見込む立体角を変化させたりして放出電子の検出角度を調整している。特にＢＳＥ検出においては、特定の角度範囲のＢＳＥだけを検出することが可能となってきている。一方、特定の角度範囲で検出されたＳＥ、ＢＳＥのエネルギー分布は見ていない。
【０００７】
そして、従来のＳＥＭにおいて、ＳＥやＢＳＥを検出した後の信号処理と言えば、検出信号をアナログ電気信号として処理するか、検出器に入射した電子の数として捕らえたパルス信号として処理するかのいずれかとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−００４９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、従来のＳＥＭでは、エネルギー領域を任意に設定した上で、その領域内の放出電子を画像化することは出来なかった。
【００１０】
本発明で解決するべき課題は、簡便にＳＥやＢＳＥの角度とエネルギーを弁別し、観察対象試料の必要な情報を画像化する荷電粒子線装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
ＳＥやＢＳＥは、そのエネルギーや放出角度によって、試料表面や凹凸情報、試料内部情報、試料表面の電位情報、試料の組成や結晶情報や試料内部情報が反映される。従って、ＳＥやＢＳＥのエネルギー分布と、試料から放出される際の角度分布と検出器・検出系の関係（アクセプタンス）が、これら情報を得るための重要な要素となっている。本発明によって、簡便にＳＥやＢＳＥの角度とエネルギーを弁別し、画像化するＳＥＭ装置を提供され、任意に設定可能な特定のエネルギーや角度のＳＥやＢＳＥを弁別して観察対象試料の真に必要な情報が可視化でき、ユーザが対象としている観察試料の物理現象解明や、利便性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図。
【図２】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図。
【図３】種々の検出器の特性を示す図。
【図４】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（ＥＴ検出器を備えた）。
【図５】エネルギーと電子放出収量、ＥＴ検出器のエネルギー感度の関係図。
【図６】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（エネルギーフィルタを備えた）。
【図７】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（セミインレンズと電極を備えた）。
【図８】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（図６、図７の走査電子顕微鏡で検出された放出電子）。
【図９】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（試料に正のバイアス電圧を印加した）。
【図１０】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（エネルギーシフト後）。
【図１１】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（図４のＥＴ検出器に波形処理ユニットと制御ＰＣを備える）。
【図１２】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（セミインレンズを備え、試料に負のバイアス電圧を印加した）。
【図１３】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（ブースター電極を備える）。
【図１４】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（高エネルギー側へシフト後、ＲＯＩを設定した）。
【図１５ａ】エネルギーと電子放出収量、Ｘ線カウントの関係図。
【図１５ｂ】エネルギーと電子放出収量、Ｘ線カウントの関係図（図１３のブースター電極を備えた）。
【図１６】分割検出器の一実施例。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて実施形態について説明する。
【００１５】
図１は本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図を示す。
【００１６】
電子銃１は、一次電子ビーム６を電子源から引き出し、ユーザが設定するエネルギーまで加速する。コンデンサレンズ２は、絞り３や対物レンズ４との関係により、一次電子ビーム６のプローブ電流量や一次電子ビーム６の試料への照射角を制御する。対物レンズ４は、一次電子ビーム６を試料５にフォーカスする。一次電子ビーム６が試料５に照射されると、照射時のエネルギーや試料５の組成、結晶性、試料電位、凹凸、試料厚さ、試料傾斜角（一次電子ビーム６の試料５への照射角）などに依存して、放出電子７が放出される。
【００１７】
放出電子７は、一次電子ビーム６の光軸と同軸かつ対物レンズ４の直下に配置された検出器８０で検出され、電気信号が出力される。検出器８０から出力された電気信号は、波形処理ユニット９に入力され、電気信号に波形整形、波高弁別処理を施して放出電子７のエネルギー毎のチャンネルにカウント数を蓄積する。検出器８０は、放出電子７のエネルギーが大きいほど波高の高いパルス信号を出力し、また、一定時間内に入射した放出電子７の数が多いほど、パルス信号を多く出力し、その信号が波形処理ユニット９で処理される。制御ＰＣ１０は、エネルギー分布の特定エネルギー範囲を選択して波形処理ユニット９に蓄積されたデータを元に、放出電子７のエネルギースペクトルを表示したり、エネルギー分布を数値処理したり、設定したエネルギー領域に対応したエネルギーの放出電子７に依存したＳＥＭ像のみ表示したりする機能を有する。ここでは図示していないが、一次電子ビーム６の光軸調整に使用されるアライナーや、一次電子ビーム６を試料５上で走査するための偏向ユニット、一次電子ビームの試料５上の中心位置をシフトさせるイメージシフトユニット、非点収差を補正するためのスティグマユニットなど、ＳＥＭに必要な構成要素は、ＳＥＭカラムに全て含まれる。
【００１８】
また、昨今では高次の収差を補正する収差補正器や、一次電子ビームのエネルギー幅を小さくするモノクロメータも、ＳＥＭカラムには含まれるようになっている。また、図示していない偏向ユニットに波形処理ユニット９から偏向信号を送信することもある。
【００１９】
本発明の手法を放出電子７のエネルギー分布（横軸は放出電子７のエネルギー、縦軸は放出電子収量）を示す図２を用いて説明する。エネルギー分布は、０ｅＶから一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーＥ０に相当する範囲に分布している。そのうち、０ｅＶから５０ｅＶの放出電子７を二次電子（ＳＥ）、５０ｅＶからＥ０の放出電子７を後方散乱電子（ＢＳＥ）と一般的に呼ばれている。
【００２０】
制御ＰＣ１０は、得られたエネルギー分布に対して、図２にあるように対象エネルギー範囲ＲＯＩ１、ＲＯＩ２を設定することができる。それぞれ設定したエネルギー範囲の放出電子７のカウント数を反映したＳＥＭ画像のみ、制御ＰＣ１０に表示することができる。図２で言えば、ＲＯＩ１で得られるＳＥＭ像は、低エネルギー損失電子（ＬＬＥ）像であり、ＲＯＩ２で得られるＳＥＭ像は、試料のある特定の深さの情報を反映したＢＳＥ像である。
【００２１】
信号のカウントについて、例えば２つの領域を設定した場合、該２つの領域で得られるカウント数をそのまま加算、減算、あるいはそのカウント数の割合を変化させて加算、減算することも可能である。また、ＲＯＩの設定については、２箇所に限らず、何箇所にも設定可能である。さらに、波形処理ユニット９、あるいは制御ＰＣ１０は、エネルギー分布に微分処理を施すことも可能で、特に特定の情報を持った微小なエネルギー分布の変化に対して検出感度を上げることも可能である。
【００２２】
ＳＥＭには一次電子ビーム６や、試料５の観察領域を動かすためのステージのドリフトによる取得画像のズレを補正するドリフト補正機能も搭載することが可能である。ＲＯＩの設定が増えると画像取得に時間がかかるため、本ドリフト補正機能は有効である。
【００２３】
このように本発明は、検出器８０と組み合わせたエネルギーフィルタと同様の効果を、検出器８０の改造ではなく、検出器８０後段の電気信号を用いてエネルギーフィルタを実現するものである。すなわち検出器８０では入射する全てのエネルギー範囲の放出電子７を一旦検出し、検出器８０後段の波形処理ユニット９でエネルギーフィルタリングする方法であって、これまでのＳＥＭでは見られない新しい手法である。従来のエネルギーフィルタでは、エネルギー分布の高エネルギー側の閾値を変化させて検出することは出来なかった。
【００２４】
ここで、図２のエネルギー分布は、必ずしも制御ＰＣ１０で表示するエネルギー分布とは一致しない。電子放出収量は、あくまで試料から放出された直後の状態を反映したもの（つまり、試料から放出された電子がすべて検出できた場合のエネルギー分布図）であって、検出器８０に入射する電子量とは必ずしも一致しないためである。検出器に入射する電子量は、電子光学系の条件と検出器８０の配置で決まる検出効率（放出エネルギーと角度で示される特性でアクセプタンスと一般的に呼ばれている）と、検出器８０の特性によって変わる。前者はＳＥＭ装置メーカによって差異があり、それらは各々メーカの発想や努力によって検討される任意性の高い要素であるため、本発明では議論しない。そのため、後者の検出器８０の特性のみを対象に議論する。
【００２５】
図３は、種々の検出器の特性を示す図である。
【００２６】
電子顕微鏡の検出器８０では、Everhart−Thornley（ＥＴ）検出器やＹＡＧ検出器に代表される、シンチレータとＰＭＴを組み合わせた検出器（シンチレータとＰＭＴの間に光を転送するためのライトガイドを設けたり、シンチレータ前方に放出電子を効率良くシンチレータにガイドするための電極を設けたりすることもある）、シリコンＰＩＮ型、ＰＮ接合型、ドリフト型、アバランシェ型の半導体検出器、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）や電子増倍管などが用いられる。
【００２７】
図３では、一次電子ビーム６の照射エネルギーＥ0を１５ｋｅＶとした。縦軸右側は、検出器８０のエネルギー感度を示す。通常、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器も、半導体検出器も、１０ｋｅＶ以上ではほぼ一定な感度を有している（ただし、塗布型シンチレータの場合は塗布厚の依存性があり、高エネルギーになるにつれてシンチレータに入射する電子がシンチレータを突き抜けはじめ、除々に感度は下がる）。しかし、５から８ｋｅＶよりエネルギーが下がると、急激に感度が落ち始め２から３ｋｅＶが検出限界となる。ただし半導体検出器において、昨今では、表面不感層を極力薄くして５００ｅＶ程度まで検出限界を拡張した半導体検出器も手に入るようになって来ている。従って、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器では、放出電子のエネルギー分布がたとえ０から１５ｋｅＶであっても、実際に検出できるのは２から１５ｋｅＶであって、かつ２から８ｋｅＶでは、放出電子量よりも少ないカウント数となる。また同様に、半導体検出器では、実際に検出できるのは５００ｅＶから１５ｋｅＶであって、かつ５００ｅＶから８ｋｅＶでは、放出電子量よりも少ないカウント数となる。一方、ＭＣＰや電子増倍管は、５００ｅＶから１ｋｅＶに感度のピークがある。このエネルギー範囲で、かつ、ある程度の感度でＳＥも検出できる唯一の検出器と言っても良い。しかし、高エネルギーでは感度が下がるうえ、通常、検出器は１０-4Ｐａ程度の真空内に置かれるためコンタミネーションの影響を受け、感度低下の経時変化が著しいため、市販の汎用的なＳＥＭでは好んでは採用されていない。
【００２８】
本発明の利点として、検出器の感度範囲であれば、どのエネルギー範囲にでもＲＯＩを設定できることが挙げられる。すなわちエネルギーのバンドパス検出が可能である。例えば、エネルギーフィルタを搭載した検出器では、高エネルギー側のエネルギーの閾値を可変することはできず、低エネルギー側の閾値のみ可変できる。すなわちエネルギーのハイパス検出器である。シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器や半導体検出器は、上記した検出器のエネルギー検出限界によって、低エネルギー側の閾値が一義的に決まる。すなわちエネルギーフィルタを搭載した検出器と同様、エネルギーのハイパス検出である。一方、ＭＣＰは感度特性からバンドバス検出が可能と考えられるが、バンドパスのエネルギー範囲に任意性はなく、従って、エネルギー弁別をして得られるＳＥＭ像は基本的には平滑化されたものであって、前述した試料情報を反映させることの意味がなくなってしまう。
【００２９】
検出器のエネルギー分解能は、検出器に入射した一個の放出電子が、検出器内の初めの増幅過程でどれだけ多くのキャリアを発生するかで決まる。この原理においては、半導体検出器の方が、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器や、ＭＣＰや電子増倍管よりもエネルギー分解能が高い。現在のシリコンプロセスで作製された半導体検出器は、３％程度のエネルギー分解能（５ｋｅＶで１５０ｅＶのエネルギー分解能）となる。例えば最表面と組成を反映した１％（５ｋｅＶで５０ｅＶのエネルギー分解能）ＬＬＥ像を取得する場合は分解能が不十分である。しかし、図３には図示していないが、放射線検出の分野では、１％以下の分解能を実現する超伝導検出器の開発が進んでおり、このような検出器がＳＥＭに採用できるようになれば、本発明はより汎用性の高いエネルギー弁別機能となる。
【００３０】
図３の考察から、単純に放出電子を検出器で捕らえるだけでは、各々の検出器のエネルギー検出限界によって、ＳＥは検出できないことになる。すなわちＢＳＥしか検出できない。しかし実際には、ＳＥＭはＥＴ検出器をＳＥ検出器として適用したことで飛躍的な発展を遂げてきた。
【００３１】
図４、図５を用いて原理を説明する。図４の検出器８１は、ＥＴ検出器であって、一般的にチャンバー検出器、あるいはＬｏｗｅｒ検出器などと呼ばれており、シンチレータ表面には＋１０ｋｅＶのバイアス電圧が印加されている。この例では、一次電子ビーム６の試料５への照射エネルギーを５ｋｅＶとしている。放出電子７のうちＳＥは、シンチレータの作る電界によって広い角度範囲で放出されたＳＥがシンチレータで検出される。シンチレータに入射する際のＳＥのエネルギーは１０ｋｅＶから１０.０５０ｋｅＶとなる。一方、ＢＳＥはもともとの放出エネルギーが高いためシンチレータの作る電界には作用されず、ほぼ、一次電子ビーム６の試料５上の照射点から検出器８を見込んだ立体角に放出されたＢＳＥのみ、シンチレータで検出される。シンチレータに入射する際のＢＳＥのエネルギーは１０.０５０ｋｅＶから１５ｋｅＶとなる。この状態を示すエネルギーと電子放出収量、ＥＴ検出器のエネルギー感度の関係を図５に示す。すなわち、元の０から５ｋｅＶのエネルギー分布が、１０ｋｅＶから１５ｋｅＶにシフトしたことになり、このエネルギー範囲では、ＥＴ検出器の感度は十分である。従って、１０ｋｅＶから１５ｋｅＶのエネルギー範囲でＲＯＩを設定すれば、ＳＥとＢＳＥの分離は原理的には可能である。しかし前述したように、ＲＯＩの閾値は検出器のエネルギー分解能に依存した拡がりがあるため、現在の半導体検出器のエネルギー分解能では、完全にＳＥとＢＳＥを分離することはできない。なお、昨今では、照射エネルギーが１ｋｅＶ以下の極低加速電圧観察がＳＥＭでも主流となってきており、特に５００ｅＶより低くなると、ＳＥとＢＳＥの区別がなくなってくるため、完全に分離する必要性はない場合も想定されることは付記しておくべきである。
【００３２】
現在の半導体検出器やシンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器を利用する限りエネルギー分解能の制限はあるが、本発明は高い方のエネルギーの閾値を可変することが出来る点で優れている。従って、図４、図５で説明したようなエネルギーシフトやエネルギーフィルタと併用することは有効であり、設計次第で１％以下のエネルギー分解能を実現することも可能である。
【００３３】
図６は、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０とエネルギーフィルタ１１を、一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。エネルギーフィルタ１１には試料電位に対して負のバイアス電圧１２を印加してある。バイアス電圧１２が作る電位障壁を越えられないエネルギーを持った放出電子７はフィルタで追い返され、電位障壁を越えたエネルギーを持った放出電子７は、一旦そのエネルギーをフィルタの作る電位障壁まで減速するものの、フィルタ通過後に元のエネルギーに加速されて検出器８０に検出される。図７は、試料側に磁場を積極的に漏らして高分解能ＳＥＭ像を得るタイプの対物レンズ４（セミインレンズ）であって、対物レンズ４中に一次電子ビーム６の光軸と同軸に電極１３を設置し、試料電位に対して負のバイアス電圧が印加してある。バイアス電圧１２が作る電位障壁を越えられないエネルギーを持った放出電子７は電極で追い返され、電位障壁を越えたエネルギーを持った放出電子７は、一旦そのエネルギーを電極の作る電位障壁まで減速するものの、フィルタ通過後にもとのエネルギーに加速されて検出器８０に検出される。
【００３４】
図６と図７で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図８で説明できる。一次電子ビーム６の試料５上でのエネルギーはＥ0であって、放出電子７が検出器に到達する前には一旦そのエネルギーを失うものの、最終的にはもとのエネルギーまで加速されるためエネルギーシフトはなく、検出系（図６ではエネルギーフィルタ、図７では電極）でエネルギーの低い放出電子７は除外されている。従って、検出系で低いエネルギーの閾値を設定していることと等価である。一方、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によって、高いエネルギーの閾値が設定可能なため、図８で黒塗りされた部分のエネルギーを持った放出電子７のみ、ＳＥＭ画像として可視化することができる。
【００３５】
図９は、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０を一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続し、かつ試料５に正のバイアス電圧１２を印加した例である。図９で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図１０で説明できる。一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーはＥ0とバイアス電圧１２の作る電位Ｅｂの和である。一方、図１０上で０ｅＶよりマイナス側にシフトしている放出電子７の分布は、実際には、Ｅｂの電位障壁を越えられない試料５内で生成された試料から放出されない電子である。従って、低いエネルギーの閾値を設定していることと等価であるが、ＢＳＥへの適用となると一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーが大きくなるため、低加速電圧による試料極表面の観察には適さなくなる。従って、図９のシステムでは、図５のようなエネルギーシフトできる検出系と組み合わせ、波形処理ユニット９と制御ＰＣで高エネルギー側のＢＳＥをカットし、試料５表面の電位コントラストを反映するようＳＥの検出エネルギー範囲を制御することに適している。
【００３６】
図１１は、図４の検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。図５で説明したように、シンチレータに印加したバイアス電圧１２の電位分だけ、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。
【００３７】
図１２は、試料側に磁場を積極的に漏らして高分解能ＳＥＭ像を得るタイプの対物レンズ４であって、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０を一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。試料５には、一般的にはリターディングと呼ばれる低加速電圧で高分解能ＳＥＭ像を実現するための負のバイアス電圧１２が印加されている。このバイアス電圧１２によって、放出電子７は対物レンズ４の上流方向に加速されて検出器８０に入射する。従って、図１１と同様、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。図１３は、電子銃１通過直後に一次電子ビーム６を一旦加速し、対物レンズ４の通過直前に減速するためのブースター電極１４を、一次電子ビーム６の光軸と同軸に配置し、ブースター電極には正のバイアス電圧１２が印加されており、バイアス電圧１２の電位中に検出器８０が設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。このバイアス電圧１２によって、放出電子７は対物レンズ４への進入直後に上流方向に加速されて検出器８０に入射する。従って、これも図１１や図１２と同様、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。
【００３８】
図１１、図１２、図１３で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図１４で説明できる。図１１、図１３の一次電子ビーム６の試料５上でのエネルギーはＥ0、図１２の一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーはＥ0とバイアス電圧１２の作る電位Ｅｂの和（Ｅｂは負電位のため、Ｅ0よりも低いエネルギーとなる）である。図１１、図１２、図１３全て、検出器８０や検出器８１に放出電子７が到達する段階では、バイアス電圧Ｅｂ分だけ高エネルギー側にエネルギー分布がシフトする。エネルギー分布のシフトが検出器８０や検出器８１の感度制限より大きければ、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によって、ＲＯＩを設定し、例えば図１４で黒塗りされた部分のエネルギーを持った放出電子７のみ、ＳＥＭ画像として可視化することができる。
【００３９】
図１や図６、図７、図９、図１１、図１２、図１３で示した検出器や電極配置、バイアス電圧印加方法は、それぞれ組み合わせて動作できる条件が存在し、また、一つの検出器だけでなく、二つ以上の検出器を組み合わせて動作させることもできることは、容易に想定できる。
【００４０】
ここまではＳＥやＢＳＥ検出について述べたが、検出器８０が半導体検出器や超伝導検出器の場合、検出素子の製作条件によっては、一次電子ビーム６と試料５の相互作用により発生する試料５の組成を反映した特性Ｘ線を検出することもできる。この条件においては、図１５ａのようなエネルギー分布が得られる。このエネルギー分布でＲＯＩを設定することも可能であるが、図１３の検出系を利用すれば、図１５ｂのようなエネルギー分布を得ることも可能である。Ｘ線は電場の影響を受けないためエネルギーシフトが発生しない。ここでは一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0が５ｋｅＶ、ブースター電極１３へのバイアス電圧１２が８ｋｅＶの例を示す。通常、Ｘ線やＢＳＥは、一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0に依存した相互作用領域において、特に最深部で発生していることや、Ｘ線励起にはある程度のエネルギーが必要なため一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0を、一般的には５ｋｅＶ以上にする必要がある。試料５がシリコンの場合、一次電子ビーム６はおおよそ５００ｎｍの内部まで到達する。従って、ＢＳＥやＸ線のマッピング画像は試料内部の情報を反映し、試料表面の情報は反映しない。しかし、実際には１００ｎｍ以下の浅い領域の組成情報を得たいようなアプリケーションは多い。一方、エネルギーの低いＳＥは通常数十ｎｍの浅い領域から発生するが、組成情報は反映しない。そこで、図１５ｂのようなエネルギー分布を得ることができれば、特性Ｘ線のピークにＲＯＩ１を、エネルギーシフトした放出電子分布のＳＥの部分にＲＯＩ２を設定し、ＲＯＩ１にカウントが存在するときのみ、ＲＯＩ２でカウントされた信号のみを反映した画像を表示することができれば、組成と表面の情報を含んだマッピング画像の取得が可能となる。当然ながら、ＲＯＩ２はＳＥだけでなく、特定のエネルギー範囲に設定しても良いし、ＲＯＩ１も一つ以上のピークに設定することも可能である。
【００４１】
さて、放出電子７の角度分布も、必要な情報を得るために重要な要素である。角度分布は、例えば図１では、検出器８０と試料５の距離で、検出できる放出電子７の角度範囲が決まるが、例えば、作動距離（ＷＤ）と呼ばれる対物レンズ４の底面から試料５までの距離を変化させることで、その角度範囲も可変となる。また、図６、図７、図９、図１２、図１３では、放出電子７が対物レンズ４のレンズ場を通過する際、一次電子ビーム６と同様にフォーカス作用を受けるため、検出器８０に到達する際には、試料５上での放出角度に依存して放出電子７の軌道が拡がり、この拡がりを利用して角度範囲を変更することもできる。電子光学的な条件で角度範囲を設定する他に、一次電子ビーム６の光軸と同軸に配置する検出器８０の検出面を、図１６に示すように分割することもできる。検出器８０の検出面は円周上に分割（８０ａ）、同軸上に分割（８０ｂ）、円周同軸上に分割（８０ｃ）することができ、それぞれの検出エリアで検出された放出電子７によって生成された電気信号は、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０に送信され、それぞれの検出面に対してエネルギー分布を取得することが可能となる。電子光学的な条件変更と検出器８０の検出面の分割によって、制限された範囲で放出電子７の角度弁別が可能となり、また、検出系と波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によるエネルギー弁別が可能となれば、より広い選択肢で放出電子７の検出が可能となり、試料表面や凹凸情報、試料内部情報、試料表面の電位情報、試料の組成や結晶情報や試料内部情報の選択的抽出が可能となる。なお、図１１のような一次電子ビーム６の光軸上に配置されない検出器でも、配置空間の専有があるものの、二つ以上の検出器を、光軸を中心軸とした円周上に配置することで８０ａのような角度選択性を実現することができる。
【００４２】
これまではＳＥＭを中心に説明したが、ＳＥＭだけではなく、一つ以上のイオンビームを用いて試料５を加工して観察断面を形成して、断面をＳＥＭ観察するような複合荷電粒子線装置や、試料５を通過する程度の高エネルギー一次電子ビーム６を用いた走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のＳＥやＢＳＥ、透過電子（ＴＥ）の信号検出にも、本発明は適用可能である。また、ＳＴＥＭにおいては、透過電子のエネルギーロス分布を測定して特定の元素や組成情報を得ることができるＥＥＬＳ分析がある。市販のＥＥＬＳ装置は非常に高価で大型であるが、本発明を利用すれば、低価格、小型のＥＥＬＳ装置が実現できる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 電子銃
２ コンデンサレンズ
３ 絞り
４ 対物レンズ
５ 試料
６ 一次電子ビーム
７ 放出電子
９ 波形処理ユニット
１０ 制御ＰＣ
１１ エネルギーフィルタ
１２ バイアス電圧
１３ 電極
１４ ブースター電極
８０、８１ 検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に、走査電子ビームで試料を観察する荷電粒子線装置の二次荷電粒子の検出器や検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、幅広い分野で対象試料の表面や断面の観察に用いられている。ＳＥＭでは、一次電子ビームと試料の相互作用で発生した、０から５０ｅＶの比較的低いエネルギーの二次電子（ＳＥ）と、５０ｅＶから一次電子ビームのエネルギーまで幅広い分布を持った後方散乱電子（ＢＳＥ）を検出して画像化している。
【０００３】
ＳＥやＢＳＥは、それぞれ検出するエネルギー範囲によって得られる情報が異なることは一般的に知られている。例えば数ｅＶのＳＥは試料表面や凹凸の情報を、それ以上のエネルギーのＳＥは試料内部情報を反映しており、また、試料表面の電位情報を反映することもある。ＢＳＥは試料の組成情報や結晶情報と、ＳＥよりさらに深い試料内部情報が反映される。また、ＢＳＥの中で特に試料表面で散乱された低エネルギー損失電子（ＬＬＥ）は、組成情報を含み、かつ試料表面の情報を反映する。
【０００４】
昨今のＳＥＭにおいては、ＳＥやＢＳＥのエネルギー分布と、試料から放出される際の角度分布と、検出器・検出系の関係（一般的にはアクセプタンスと呼ばれる）が、必要な前記情報を得るための重要な要素となってきている。そのため、市販されているＳＥＭでは、ＳＥやＢＳＥを検出するための検出器や、光学系と検出器を組み合わせた検出系について、これまで多くの工夫がなされ、多くのシステムが提案されている。
【０００５】
エネルギー分布に関し、ＳＥ、ＢＳＥのエネルギー分布の高エネルギー側の閾値を変化させて検出することは非常に難しい。例えば、特許文献１では、一次電子線を試料に照射したときに発生する反射電子や二次電子等の信号電子のエネルギー分布を画像として表示するため、信号検出器に印加されている電圧を変化させ信号電子を検出しているが、低エネルギー側の閾値を変化させているに過ぎない。また、エネルギーフィルタを併用した検出器を除き、低いエネルギーの閾値も、ほとんどが検出器の物理的な特性（検出器が検出可能なエネルギー範囲）によって一義的に決まる。例外的に、電子オージェ分光のような例では、半球型のエネルギーアナライザや同軸ミラー型のエネルギーアナライザを使用してバンドパスのエネルギー閾値の設定が可能ではあるが、装置は大掛かりで高価となり、市販されている汎用的なＳＥＭでは採用されていない。
【０００６】
角度分布においては、検出素子そのものを分割したり、試料の高さを調整して検出器を見込む立体角を変化させたりして放出電子の検出角度を調整している。特にＢＳＥ検出においては、特定の角度範囲のＢＳＥだけを検出することが可能となってきている。一方、特定の角度範囲で検出されたＳＥ、ＢＳＥのエネルギー分布は見ていない。
【０００７】
そして、従来のＳＥＭにおいて、ＳＥやＢＳＥを検出した後の信号処理と言えば、検出信号をアナログ電気信号として処理するか、検出器に入射した電子の数として捕らえたパルス信号として処理するかのいずれかとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−００４９９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記のように、従来のＳＥＭでは、エネルギー領域を任意に設定した上で、その領域内の放出電子を画像化することは出来なかった。
【００１０】
本発明で解決するべき課題は、簡便にＳＥやＢＳＥの角度とエネルギーを弁別し、観察対象試料の必要な情報を画像化する荷電粒子線装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置を提供する。
【発明の効果】
【００１２】
ＳＥやＢＳＥは、そのエネルギーや放出角度によって、試料表面や凹凸情報、試料内部情報、試料表面の電位情報、試料の組成や結晶情報や試料内部情報が反映される。従って、ＳＥやＢＳＥのエネルギー分布と、試料から放出される際の角度分布と検出器・検出系の関係（アクセプタンス）が、これら情報を得るための重要な要素となっている。本発明によって、簡便にＳＥやＢＳＥの角度とエネルギーを弁別し、画像化するＳＥＭ装置を提供され、任意に設定可能な特定のエネルギーや角度のＳＥやＢＳＥを弁別して観察対象試料の真に必要な情報が可視化でき、ユーザが対象としている観察試料の物理現象解明や、利便性が飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図。
【図２】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図。
【図３】種々の検出器の特性を示す図。
【図４】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（ＥＴ検出器を備えた）。
【図５】エネルギーと電子放出収量、ＥＴ検出器のエネルギー感度の関係図。
【図６】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（エネルギーフィルタを備えた）。
【図７】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（セミインレンズと電極を備えた）。
【図８】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（図６、図７の走査電子顕微鏡で検出された放出電子）。
【図９】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（試料に正のバイアス電圧を印加した）。
【図１０】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（エネルギーシフト後）。
【図１１】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（図４のＥＴ検出器に波形処理ユニットと制御ＰＣを備える）。
【図１２】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（セミインレンズを備え、試料に負のバイアス電圧を印加した）。
【図１３】本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図（ブースター電極を備える）。
【図１４】放出電子のエネルギーと放出電子収量の関係図（高エネルギー側へシフト後、ＲＯＩを設定した）。
【図１５ａ】エネルギーと電子放出収量、Ｘ線カウントの関係図。
【図１５ｂ】エネルギーと電子放出収量、Ｘ線カウントの関係図（図１３のブースター電極を備えた）。
【図１６】分割検出器の一実施例。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて実施形態について説明する。
【００１５】
図１は本発明の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略図を示す。
【００１６】
電子銃１は、一次電子ビーム６を電子源から引き出し、ユーザが設定するエネルギーまで加速する。コンデンサレンズ２は、絞り３や対物レンズ４との関係により、一次電子ビーム６のプローブ電流量や一次電子ビーム６の試料への照射角を制御する。対物レンズ４は、一次電子ビーム６を試料５にフォーカスする。一次電子ビーム６が試料５に照射されると、照射時のエネルギーや試料５の組成、結晶性、試料電位、凹凸、試料厚さ、試料傾斜角（一次電子ビーム６の試料５への照射角）などに依存して、放出電子７が放出される。
【００１７】
放出電子７は、一次電子ビーム６の光軸と同軸かつ対物レンズ４の直下に配置された検出器８０で検出され、電気信号が出力される。検出器８０から出力された電気信号は、波形処理ユニット９に入力され、電気信号に波形整形、波高弁別処理を施して放出電子７のエネルギー毎のチャンネルにカウント数を蓄積する。検出器８０は、放出電子７のエネルギーが大きいほど波高の高いパルス信号を出力し、また、一定時間内に入射した放出電子７の数が多いほど、パルス信号を多く出力し、その信号が波形処理ユニット９で処理される。制御ＰＣ１０は、エネルギー分布の特定エネルギー範囲を選択して波形処理ユニット９に蓄積されたデータを元に、放出電子７のエネルギースペクトルを表示したり、エネルギー分布を数値処理したり、設定したエネルギー領域に対応したエネルギーの放出電子７に依存したＳＥＭ像のみ表示したりする機能を有する。ここでは図示していないが、一次電子ビーム６の光軸調整に使用されるアライナーや、一次電子ビーム６を試料５上で走査するための偏向ユニット、一次電子ビームの試料５上の中心位置をシフトさせるイメージシフトユニット、非点収差を補正するためのスティグマユニットなど、ＳＥＭに必要な構成要素は、ＳＥＭカラムに全て含まれる。
【００１８】
また、昨今では高次の収差を補正する収差補正器や、一次電子ビームのエネルギー幅を小さくするモノクロメータも、ＳＥＭカラムには含まれるようになっている。また、図示していない偏向ユニットに波形処理ユニット９から偏向信号を送信することもある。
【００１９】
本発明の手法を放出電子７のエネルギー分布（横軸は放出電子７のエネルギー、縦軸は放出電子収量）を示す図２を用いて説明する。エネルギー分布は、０ｅＶから一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーＥ０に相当する範囲に分布している。そのうち、０ｅＶから５０ｅＶの放出電子７を二次電子（ＳＥ）、５０ｅＶからＥ０の放出電子７を後方散乱電子（ＢＳＥ）と一般的に呼ばれている。
【００２０】
制御ＰＣ１０は、得られたエネルギー分布に対して、図２にあるように対象エネルギー範囲ＲＯＩ１、ＲＯＩ２を設定することができる。それぞれ設定したエネルギー範囲の放出電子７のカウント数を反映したＳＥＭ画像のみ、制御ＰＣ１０に表示することができる。図２で言えば、ＲＯＩ１で得られるＳＥＭ像は、低エネルギー損失電子（ＬＬＥ）像であり、ＲＯＩ２で得られるＳＥＭ像は、試料のある特定の深さの情報を反映したＢＳＥ像である。
【００２１】
信号のカウントについて、例えば２つの領域を設定した場合、該２つの領域で得られるカウント数をそのまま加算、減算、あるいはそのカウント数の割合を変化させて加算、減算することも可能である。また、ＲＯＩの設定については、２箇所に限らず、何箇所にも設定可能である。さらに、波形処理ユニット９、あるいは制御ＰＣ１０は、エネルギー分布に微分処理を施すことも可能で、特に特定の情報を持った微小なエネルギー分布の変化に対して検出感度を上げることも可能である。
【００２２】
ＳＥＭには一次電子ビーム６や、試料５の観察領域を動かすためのステージのドリフトによる取得画像のズレを補正するドリフト補正機能も搭載することが可能である。ＲＯＩの設定が増えると画像取得に時間がかかるため、本ドリフト補正機能は有効である。
【００２３】
このように本発明は、検出器８０と組み合わせたエネルギーフィルタと同様の効果を、検出器８０の改造ではなく、検出器８０後段の電気信号を用いてエネルギーフィルタを実現するものである。すなわち検出器８０では入射する全てのエネルギー範囲の放出電子７を一旦検出し、検出器８０後段の波形処理ユニット９でエネルギーフィルタリングする方法であって、これまでのＳＥＭでは見られない新しい手法である。従来のエネルギーフィルタでは、エネルギー分布の高エネルギー側の閾値を変化させて検出することは出来なかった。
【００２４】
ここで、図２のエネルギー分布は、必ずしも制御ＰＣ１０で表示するエネルギー分布とは一致しない。電子放出収量は、あくまで試料から放出された直後の状態を反映したもの（つまり、試料から放出された電子がすべて検出できた場合のエネルギー分布図）であって、検出器８０に入射する電子量とは必ずしも一致しないためである。検出器に入射する電子量は、電子光学系の条件と検出器８０の配置で決まる検出効率（放出エネルギーと角度で示される特性でアクセプタンスと一般的に呼ばれている）と、検出器８０の特性によって変わる。前者はＳＥＭ装置メーカによって差異があり、それらは各々メーカの発想や努力によって検討される任意性の高い要素であるため、本発明では議論しない。そのため、後者の検出器８０の特性のみを対象に議論する。
【００２５】
図３は、種々の検出器の特性を示す図である。
【００２６】
電子顕微鏡の検出器８０では、Everhart−Thornley（ＥＴ）検出器やＹＡＧ検出器に代表される、シンチレータとＰＭＴを組み合わせた検出器（シンチレータとＰＭＴの間に光を転送するためのライトガイドを設けたり、シンチレータ前方に放出電子を効率良くシンチレータにガイドするための電極を設けたりすることもある）、シリコンＰＩＮ型、ＰＮ接合型、ドリフト型、アバランシェ型の半導体検出器、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）や電子増倍管などが用いられる。
【００２７】
図３では、一次電子ビーム６の照射エネルギーＥ0を１５ｋｅＶとした。縦軸右側は、検出器８０のエネルギー感度を示す。通常、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器も、半導体検出器も、１０ｋｅＶ以上ではほぼ一定な感度を有している（ただし、塗布型シンチレータの場合は塗布厚の依存性があり、高エネルギーになるにつれてシンチレータに入射する電子がシンチレータを突き抜けはじめ、除々に感度は下がる）。しかし、５から８ｋｅＶよりエネルギーが下がると、急激に感度が落ち始め２から３ｋｅＶが検出限界となる。ただし半導体検出器において、昨今では、表面不感層を極力薄くして５００ｅＶ程度まで検出限界を拡張した半導体検出器も手に入るようになって来ている。従って、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器では、放出電子のエネルギー分布がたとえ０から１５ｋｅＶであっても、実際に検出できるのは２から１５ｋｅＶであって、かつ２から８ｋｅＶでは、放出電子量よりも少ないカウント数となる。また同様に、半導体検出器では、実際に検出できるのは５００ｅＶから１５ｋｅＶであって、かつ５００ｅＶから８ｋｅＶでは、放出電子量よりも少ないカウント数となる。一方、ＭＣＰや電子増倍管は、５００ｅＶから１ｋｅＶに感度のピークがある。このエネルギー範囲で、かつ、ある程度の感度でＳＥも検出できる唯一の検出器と言っても良い。しかし、高エネルギーでは感度が下がるうえ、通常、検出器は１０-4Ｐａ程度の真空内に置かれるためコンタミネーションの影響を受け、感度低下の経時変化が著しいため、市販の汎用的なＳＥＭでは好んでは採用されていない。
【００２８】
本発明の利点として、検出器の感度範囲であれば、どのエネルギー範囲にでもＲＯＩを設定できることが挙げられる。すなわちエネルギーのバンドパス検出が可能である。例えば、エネルギーフィルタを搭載した検出器では、高エネルギー側のエネルギーの閾値を可変することはできず、低エネルギー側の閾値のみ可変できる。すなわちエネルギーのハイパス検出器である。シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器や半導体検出器は、上記した検出器のエネルギー検出限界によって、低エネルギー側の閾値が一義的に決まる。すなわちエネルギーフィルタを搭載した検出器と同様、エネルギーのハイパス検出である。一方、ＭＣＰは感度特性からバンドバス検出が可能と考えられるが、バンドパスのエネルギー範囲に任意性はなく、従って、エネルギー弁別をして得られるＳＥＭ像は基本的には平滑化されたものであって、前述した試料情報を反映させることの意味がなくなってしまう。
【００２９】
検出器のエネルギー分解能は、検出器に入射した一個の放出電子が、検出器内の初めの増幅過程でどれだけ多くのキャリアを発生するかで決まる。この原理においては、半導体検出器の方が、シンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器や、ＭＣＰや電子増倍管よりもエネルギー分解能が高い。現在のシリコンプロセスで作製された半導体検出器は、３％程度のエネルギー分解能（５ｋｅＶで１５０ｅＶのエネルギー分解能）となる。例えば最表面と組成を反映した１％（５ｋｅＶで５０ｅＶのエネルギー分解能）ＬＬＥ像を取得する場合は分解能が不十分である。しかし、図３には図示していないが、放射線検出の分野では、１％以下の分解能を実現する超伝導検出器の開発が進んでおり、このような検出器がＳＥＭに採用できるようになれば、本発明はより汎用性の高いエネルギー弁別機能となる。
【００３０】
図３の考察から、単純に放出電子を検出器で捕らえるだけでは、各々の検出器のエネルギー検出限界によって、ＳＥは検出できないことになる。すなわちＢＳＥしか検出できない。しかし実際には、ＳＥＭはＥＴ検出器をＳＥ検出器として適用したことで飛躍的な発展を遂げてきた。
【００３１】
図４、図５を用いて原理を説明する。図４の検出器８１は、ＥＴ検出器であって、一般的にチャンバー検出器、あるいはＬｏｗｅｒ検出器などと呼ばれており、シンチレータ表面には＋１０ｋｅＶのバイアス電圧が印加されている。この例では、一次電子ビーム６の試料５への照射エネルギーを５ｋｅＶとしている。放出電子７のうちＳＥは、シンチレータの作る電界によって広い角度範囲で放出されたＳＥがシンチレータで検出される。シンチレータに入射する際のＳＥのエネルギーは１０ｋｅＶから１０.０５０ｋｅＶとなる。一方、ＢＳＥはもともとの放出エネルギーが高いためシンチレータの作る電界には作用されず、ほぼ、一次電子ビーム６の試料５上の照射点から検出器８を見込んだ立体角に放出されたＢＳＥのみ、シンチレータで検出される。シンチレータに入射する際のＢＳＥのエネルギーは１０.０５０ｋｅＶから１５ｋｅＶとなる。この状態を示すエネルギーと電子放出収量、ＥＴ検出器のエネルギー感度の関係を図５に示す。すなわち、元の０から５ｋｅＶのエネルギー分布が、１０ｋｅＶから１５ｋｅＶにシフトしたことになり、このエネルギー範囲では、ＥＴ検出器の感度は十分である。従って、１０ｋｅＶから１５ｋｅＶのエネルギー範囲でＲＯＩを設定すれば、ＳＥとＢＳＥの分離は原理的には可能である。しかし前述したように、ＲＯＩの閾値は検出器のエネルギー分解能に依存した拡がりがあるため、現在の半導体検出器のエネルギー分解能では、完全にＳＥとＢＳＥを分離することはできない。なお、昨今では、照射エネルギーが１ｋｅＶ以下の極低加速電圧観察がＳＥＭでも主流となってきており、特に５００ｅＶより低くなると、ＳＥとＢＳＥの区別がなくなってくるため、完全に分離する必要性はない場合も想定されることは付記しておくべきである。
【００３２】
現在の半導体検出器やシンチレータ＋ＰＭＴタイプの検出器を利用する限りエネルギー分解能の制限はあるが、本発明は高い方のエネルギーの閾値を可変することが出来る点で優れている。従って、図４、図５で説明したようなエネルギーシフトやエネルギーフィルタと併用することは有効であり、設計次第で１％以下のエネルギー分解能を実現することも可能である。
【００３３】
図６は、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０とエネルギーフィルタ１１を、一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。エネルギーフィルタ１１には試料電位に対して負のバイアス電圧１２を印加してある。バイアス電圧１２が作る電位障壁を越えられないエネルギーを持った放出電子７はフィルタで追い返され、電位障壁を越えたエネルギーを持った放出電子７は、一旦そのエネルギーをフィルタの作る電位障壁まで減速するものの、フィルタ通過後に元のエネルギーに加速されて検出器８０に検出される。図７は、試料側に磁場を積極的に漏らして高分解能ＳＥＭ像を得るタイプの対物レンズ４（セミインレンズ）であって、対物レンズ４中に一次電子ビーム６の光軸と同軸に電極１３を設置し、試料電位に対して負のバイアス電圧が印加してある。バイアス電圧１２が作る電位障壁を越えられないエネルギーを持った放出電子７は電極で追い返され、電位障壁を越えたエネルギーを持った放出電子７は、一旦そのエネルギーを電極の作る電位障壁まで減速するものの、フィルタ通過後にもとのエネルギーに加速されて検出器８０に検出される。
【００３４】
図６と図７で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図８で説明できる。一次電子ビーム６の試料５上でのエネルギーはＥ0であって、放出電子７が検出器に到達する前には一旦そのエネルギーを失うものの、最終的にはもとのエネルギーまで加速されるためエネルギーシフトはなく、検出系（図６ではエネルギーフィルタ、図７では電極）でエネルギーの低い放出電子７は除外されている。従って、検出系で低いエネルギーの閾値を設定していることと等価である。一方、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によって、高いエネルギーの閾値が設定可能なため、図８で黒塗りされた部分のエネルギーを持った放出電子７のみ、ＳＥＭ画像として可視化することができる。
【００３５】
図９は、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０を一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続し、かつ試料５に正のバイアス電圧１２を印加した例である。図９で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図１０で説明できる。一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーはＥ0とバイアス電圧１２の作る電位Ｅｂの和である。一方、図１０上で０ｅＶよりマイナス側にシフトしている放出電子７の分布は、実際には、Ｅｂの電位障壁を越えられない試料５内で生成された試料から放出されない電子である。従って、低いエネルギーの閾値を設定していることと等価であるが、ＢＳＥへの適用となると一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーが大きくなるため、低加速電圧による試料極表面の観察には適さなくなる。従って、図９のシステムでは、図５のようなエネルギーシフトできる検出系と組み合わせ、波形処理ユニット９と制御ＰＣで高エネルギー側のＢＳＥをカットし、試料５表面の電位コントラストを反映するようＳＥの検出エネルギー範囲を制御することに適している。
【００３６】
図１１は、図４の検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。図５で説明したように、シンチレータに印加したバイアス電圧１２の電位分だけ、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。
【００３７】
図１２は、試料側に磁場を積極的に漏らして高分解能ＳＥＭ像を得るタイプの対物レンズ４であって、対物レンズ４の上流（電子銃１側）に検出器８０を一次電子ビーム６の光軸と同軸に設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。試料５には、一般的にはリターディングと呼ばれる低加速電圧で高分解能ＳＥＭ像を実現するための負のバイアス電圧１２が印加されている。このバイアス電圧１２によって、放出電子７は対物レンズ４の上流方向に加速されて検出器８０に入射する。従って、図１１と同様、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。図１３は、電子銃１通過直後に一次電子ビーム６を一旦加速し、対物レンズ４の通過直前に減速するためのブースター電極１４を、一次電子ビーム６の光軸と同軸に配置し、ブースター電極には正のバイアス電圧１２が印加されており、バイアス電圧１２の電位中に検出器８０が設置し、検出器８０に波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０を接続した例である。このバイアス電圧１２によって、放出電子７は対物レンズ４への進入直後に上流方向に加速されて検出器８０に入射する。従って、これも図１１や図１２と同様、エネルギー分布を高いエネルギー側にシフトさせる作用を持つ。
【００３８】
図１１、図１２、図１３で検出できる放出電子７のエネルギー分布は図１４で説明できる。図１１、図１３の一次電子ビーム６の試料５上でのエネルギーはＥ0、図１２の一次電子ビーム６の試料５上での照射エネルギーはＥ0とバイアス電圧１２の作る電位Ｅｂの和（Ｅｂは負電位のため、Ｅ0よりも低いエネルギーとなる）である。図１１、図１２、図１３全て、検出器８０や検出器８１に放出電子７が到達する段階では、バイアス電圧Ｅｂ分だけ高エネルギー側にエネルギー分布がシフトする。エネルギー分布のシフトが検出器８０や検出器８１の感度制限より大きければ、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によって、ＲＯＩを設定し、例えば図１４で黒塗りされた部分のエネルギーを持った放出電子７のみ、ＳＥＭ画像として可視化することができる。
【００３９】
図１や図６、図７、図９、図１１、図１２、図１３で示した検出器や電極配置、バイアス電圧印加方法は、それぞれ組み合わせて動作できる条件が存在し、また、一つの検出器だけでなく、二つ以上の検出器を組み合わせて動作させることもできることは、容易に想定できる。
【００４０】
ここまではＳＥやＢＳＥ検出について述べたが、検出器８０が半導体検出器や超伝導検出器の場合、検出素子の製作条件によっては、一次電子ビーム６と試料５の相互作用により発生する試料５の組成を反映した特性Ｘ線を検出することもできる。この条件においては、図１５ａのようなエネルギー分布が得られる。このエネルギー分布でＲＯＩを設定することも可能であるが、図１３の検出系を利用すれば、図１５ｂのようなエネルギー分布を得ることも可能である。Ｘ線は電場の影響を受けないためエネルギーシフトが発生しない。ここでは一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0が５ｋｅＶ、ブースター電極１３へのバイアス電圧１２が８ｋｅＶの例を示す。通常、Ｘ線やＢＳＥは、一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0に依存した相互作用領域において、特に最深部で発生していることや、Ｘ線励起にはある程度のエネルギーが必要なため一次電子ビーム６の試料５の照射エネルギーＥ0を、一般的には５ｋｅＶ以上にする必要がある。試料５がシリコンの場合、一次電子ビーム６はおおよそ５００ｎｍの内部まで到達する。従って、ＢＳＥやＸ線のマッピング画像は試料内部の情報を反映し、試料表面の情報は反映しない。しかし、実際には１００ｎｍ以下の浅い領域の組成情報を得たいようなアプリケーションは多い。一方、エネルギーの低いＳＥは通常数十ｎｍの浅い領域から発生するが、組成情報は反映しない。そこで、図１５ｂのようなエネルギー分布を得ることができれば、特性Ｘ線のピークにＲＯＩ１を、エネルギーシフトした放出電子分布のＳＥの部分にＲＯＩ２を設定し、ＲＯＩ１にカウントが存在するときのみ、ＲＯＩ２でカウントされた信号のみを反映した画像を表示することができれば、組成と表面の情報を含んだマッピング画像の取得が可能となる。当然ながら、ＲＯＩ２はＳＥだけでなく、特定のエネルギー範囲に設定しても良いし、ＲＯＩ１も一つ以上のピークに設定することも可能である。
【００４１】
さて、放出電子７の角度分布も、必要な情報を得るために重要な要素である。角度分布は、例えば図１では、検出器８０と試料５の距離で、検出できる放出電子７の角度範囲が決まるが、例えば、作動距離（ＷＤ）と呼ばれる対物レンズ４の底面から試料５までの距離を変化させることで、その角度範囲も可変となる。また、図６、図７、図９、図１２、図１３では、放出電子７が対物レンズ４のレンズ場を通過する際、一次電子ビーム６と同様にフォーカス作用を受けるため、検出器８０に到達する際には、試料５上での放出角度に依存して放出電子７の軌道が拡がり、この拡がりを利用して角度範囲を変更することもできる。電子光学的な条件で角度範囲を設定する他に、一次電子ビーム６の光軸と同軸に配置する検出器８０の検出面を、図１６に示すように分割することもできる。検出器８０の検出面は円周上に分割（８０ａ）、同軸上に分割（８０ｂ）、円周同軸上に分割（８０ｃ）することができ、それぞれの検出エリアで検出された放出電子７によって生成された電気信号は、波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０に送信され、それぞれの検出面に対してエネルギー分布を取得することが可能となる。電子光学的な条件変更と検出器８０の検出面の分割によって、制限された範囲で放出電子７の角度弁別が可能となり、また、検出系と波形処理ユニット９と制御ＰＣ１０によるエネルギー弁別が可能となれば、より広い選択肢で放出電子７の検出が可能となり、試料表面や凹凸情報、試料内部情報、試料表面の電位情報、試料の組成や結晶情報や試料内部情報の選択的抽出が可能となる。なお、図１１のような一次電子ビーム６の光軸上に配置されない検出器でも、配置空間の専有があるものの、二つ以上の検出器を、光軸を中心軸とした円周上に配置することで８０ａのような角度選択性を実現することができる。
【００４２】
これまではＳＥＭを中心に説明したが、ＳＥＭだけではなく、一つ以上のイオンビームを用いて試料５を加工して観察断面を形成して、断面をＳＥＭ観察するような複合荷電粒子線装置や、試料５を通過する程度の高エネルギー一次電子ビーム６を用いた走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）のＳＥやＢＳＥ、透過電子（ＴＥ）の信号検出にも、本発明は適用可能である。また、ＳＴＥＭにおいては、透過電子のエネルギーロス分布を測定して特定の元素や組成情報を得ることができるＥＥＬＳ分析がある。市販のＥＥＬＳ装置は非常に高価で大型であるが、本発明を利用すれば、低価格、小型のＥＥＬＳ装置が実現できる。
【符号の説明】
【００４３】
１ 電子銃
２ コンデンサレンズ
３ 絞り
４ 対物レンズ
５ 試料
６ 一次電子ビーム
７ 放出電子
９ 波形処理ユニット
１０ 制御ＰＣ
１１ エネルギーフィルタ
１２ バイアス電圧
１３ 電極
１４ ブースター電極
８０、８１ 検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、前記荷電粒子源と異なる第二の荷電粒子源を備え、当該第二の荷電粒子源からの荷電粒子線を試料に照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記制御部は、少なくとも２つ以上のエネルギー範囲を選択でき、それぞれのエネルギー範囲に対応した信号を重畳して前記表示部に画像表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記波形処理部は、エネルギー分布に微分処理を施したエネルギー分布を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項３の荷電粒子線装置において、
前記制御部によって選択された複数のエネルギー範囲の信号に対し、信号比を変えて重畳した画像を表示することを特徴とする請求項１〜４記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記一次荷電粒子線と前記試料の相互作用によって発生した特性Ｘ線も検出し、特定のＸ線に対応したエネルギー範囲と、前記二次荷電粒子の任意のエネルギー範囲を設定し、設定したＸ線のエネルギー範囲に信号があるときのみ、設定したエネルギー範囲の二次荷電粒子の情報を画像表示する機能を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、ＰＩＮ型フォトダイオード、ＰＮ接合型フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、あるいはシリコンドリフト素子であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、シンチレータ、光電子増倍管で構成された検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、マイクロチャンネルプレート、あるいは電子増倍管であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、超伝導検出素子であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、同軸及び/又は円周方向に検出領域に分割され、それぞれの検出領域からの信号を前記波形処理部で処理することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記二次荷電粒子のエネルギー分布の、低エネルギー側の閾値を設定するエネルギーフィルタを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記試料を載置する試料台を備え、当該試料台に電圧を印加する電源を特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記一次荷電粒子線軌道軸と同軸に電極を備え、当該電極に電圧を印加する電源を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１】
一次荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、当該一次荷電粒子線を試料上に集束する集束レンズと、当該試料上の照射点から放出された二次荷電粒子を検出する検出器とを備える走査型荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号を波形処理し、二次荷電粒子のエネルギー分布情報を作成する波形処理部と、前記エネルギー分布情報の任意のエネルギー範囲の情報を選択して表示部に画像表示する制御部を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線装置において、前記荷電粒子源と異なる第二の荷電粒子源を備え、当該第二の荷電粒子源からの荷電粒子線を試料に照射することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記制御部は、少なくとも２つ以上のエネルギー範囲を選択でき、それぞれのエネルギー範囲に対応した信号を重畳して前記表示部に画像表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記波形処理部は、エネルギー分布に微分処理を施したエネルギー分布を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項３の荷電粒子線装置において、
前記制御部によって選択された複数のエネルギー範囲の信号に対し、信号比を変えて重畳した画像を表示することを特徴とする請求項１〜４記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記一次荷電粒子線と前記試料の相互作用によって発生した特性Ｘ線も検出し、特定のＸ線に対応したエネルギー範囲と、前記二次荷電粒子の任意のエネルギー範囲を設定し、設定したＸ線のエネルギー範囲に信号があるときのみ、設定したエネルギー範囲の二次荷電粒子の情報を画像表示する機能を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、ＰＩＮ型フォトダイオード、ＰＮ接合型フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、あるいはシリコンドリフト素子であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、シンチレータ、光電子増倍管で構成された検出器であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、マイクロチャンネルプレート、あるいは電子増倍管であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、超伝導検出素子であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、同軸及び/又は円周方向に検出領域に分割され、それぞれの検出領域からの信号を前記波形処理部で処理することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記二次荷電粒子のエネルギー分布の、低エネルギー側の閾値を設定するエネルギーフィルタを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１３】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記試料を載置する試料台を備え、当該試料台に電圧を印加する電源を特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１の荷電粒子線装置において、
前記一次荷電粒子線軌道軸と同軸に電極を備え、当該電極に電圧を印加する電源を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−３３６７１（Ｐ２０１３−３３６７１Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６９７３５（Ｐ２０１１−１６９７３５）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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