荷電粒子線顕微方法
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査形荷電粒子顕微鏡及びその類似装置に係り、特に低加速領域において高分解能でかつ二次電子の高検出効率に好適な荷電粒子光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査形電子顕微鏡の分解能を向上させるために、特開昭６１−２９４７４６号に記載されているような光学系が用いられている。すなわち、輝度が高く、エネルギ幅の小さな電界放射形（ＦＥ）電子銃と、レンズの内部に試料を配置して収差を極力小さくしたインレンズ形対物レンズとを組合わせたものである。このような光学系においても低加速領域においては分解能は低下する。
【０００３】一方、色収差を低減するために、特公昭６３−３４５８８に記載されているような光学系が提案されている。
【０００４】この光学系は、電子線が試料を照射する直前まで高加速電圧とし、試料照射時に減速して低加速電圧化するものである。この場合、レンズ通過時の電子線のエネルギが高いので、レンズ収差を小さくできる。すなわち、高分解能化が図れる。
【０００５】以上の観点から、低加速領域で従来以上の高分解能を得るためには、上記両者の光学系を組合せれば可能となる。すなわち、試料はレンズの内部に配置し、この試料に負の電圧を印加して減速すればよい。
【０００６】ただ、この場合問題となるのは二次電子の検出である。試料がレンズの外部にある従来の場合には、特公昭６３−３４５８８に示されているように、一次電子線の減速電界で二次電子が加速されるまでに二次電子検出器の電界で二次電子を検出するように構成すればよかった。しかし、試料をレンズの内部に配置したインレンズ形では、レンズの磁界が強いためにこの磁界に二次電子が強く束縛されるばかりでなく、二次電子検出器をレンズの内部に配置できないという問題が生じる。
【０００７】また、一次電子線と二次電子とを分離することについては特開昭６２−３１９３３号に磁界のみで分離することが開示されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低加速領域で高分解能化を図り、かつ二次電子の高検出感度が得られる電子光学系を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を減速させるための減速電界を通して試料に照射する工程と、試料へ第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、分離工程で発生する第１の荷電粒子線への影響を、第２のフィルタを用いて補正する工程から成る荷電粒子線顕微方法にある。
【００１０】まず、試料照射の直前に電子線の減速を行えば、低加速電圧でも高分解能が得られることは従来技術からも分かる。
【００１１】一方、二次電子検出に関しては、Ｅ×Ｂ形のフィルタを試料と検出器との間に用いているので、一次電子線を直進するようにしてやれば、エネルギの異なる二次電子は自然に偏向されることになる。すなわち、図５に示すように電子線２の加速電圧Ｖ0にたいして、次式を満足するようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道に影響を与えない。
【００１２】
【数１】
【００１３】この時、検出すべき二次電子８のエネルギは減速電圧ＶＲでありかつ電子線２と方向が逆であるので、二次電子８の偏向角θは、
【００１４】
【数２】
【００１５】となる。
【００１６】この偏向方向を検出器の方向と一致させておけば、二次電子は検出器に向かって進むので、検出効率の向上が図れることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１により説明する。
【００１８】電子銃１からでた電子線２は、幾つかのレンズ（本実施例では加速レンズ３、コンデンサレンズ４、対物レンズ５）により細く絞られて試料６上を照射する。この電子線２は偏向器７により試料６上で二次元的に走査される。また、試料６からでてきた二次電子８は、二次電子検出器９により検出されて映像信号となる。
【００１９】ここで、試料６は電子線２を減速するために負の電圧ＶＲが印加されている。
【００２０】このとき、出てきた二次電子はこの減速電圧ＶＲにより逆に加速され、検出器９の電界のみでは十分に検出器９の方に偏向できなくなる。
【００２１】そこで、出てきた二次電子８を検出器９の方に偏向するために偏向器を配置すればよいが、電子線２の軌道に影響のないように電界Ｅと磁界Ｂとを直交させたいわゆるＥ×Ｂ形のフィルタ１０を対物レンズ５と検出器９との間に配置している。このとき、（１）式のようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道には影響を与えずに二次電子８のみを検出器の方に偏向でき、検出効率の向上が図れる。
【００２２】ただ、この場合、フィルタ１０による色収差が問題になる。この色収差による偏向角βは、
【００２３】
【数３】
【００２４】で表わされる。ここで、ΔＶは電子線２のエネルギ幅である。
【００２５】すなわち、図２に示すようにこの色収差により物点１２でＳβの拡がりを持つことになり、対物レンズの倍率をＭとすると試料上ではＭＳβの拡がりを生ずる。具体的数値の典型的な一例を示すと、θ＝３０°、ΔＶ＝０.３ｅＶ、Ｖ0＝１ｋＶ、としてＶRに対するβは図３に示すものとなる。この図からβを大きく見積もって５×１０-5とし、Ｓ＝２００ｍｍ，Ｍ＝１／５０とすると、０.２μｍの拡がりとなる。この値は、電子線２の所望の値（〜ｎｍ）より非常に大きい。
【００２６】そこで、本発明では図４ならびに図１に示すように、Ｅ×Ｂ形のフィルタ１１を配置してこの色収差を自己消去できるようにした。すなわち、図４から分かるようにΔＶのエネルギが拡がりを持つ電子線２があたかも物点１２の一点から出たかのようになるようにフィルタ１１を動作させる。このフィルタ１１の偏向角β′は、
【００２７】
【数４】
【００２８】とすればよい。
【００２９】以上により、電子線２の径を増大させることなく、二次電子８のみを検出器９の方に偏向することが可能となる。すなわち、低加速領域でも高分解能でかつ二次電子の高検出効率が得られることになる。
【００３０】図１に示す本発明を実施した結果のごく一例を以下に示す。フィルタ１１を物点１２とフィルタ１０とのほぼ中間に配置して電界Ｅと磁界Ｂとの作用長Ｌを約２０ｍｍとなるように構成し、Ｖ0＝１ｋＶと固定にしてＶＲ＝０〜９００Ｖと変化させた。このとき、フィルタ１０、１１のそれぞれのＥとＢの強さをＥ＝０〜２５Ｖ／ｍｍ，０〜５０Ｖ／ｍｍ，Ｂ＝０〜１４ガウス（Gauss)，０〜２８GaussとＶＲに連動させて変化させたところ、４〜６ｎｍの高分解能が実現できた。
【００３１】本発明は、１ｋＶ以下の低加速電圧でｎｍオーダの分解能を得ることを目的になされたため、フィルタを２段にしたが、目的によっては１段で構成しても二次電子の高検出効率化は可能であることは、本実施例で述べた通りである。
【００３２】また、本実施例では試料がレンズの内部に配置したが、レンズの外側に配置された構成の光学系にたいしても実施することができる。なおこの場合、二次電子検出器は試料と対物レンズとの間にあってもよいし、図１のように対物レンズの上側にあってもよいことはいうまでもない。要は、試料と二次電子検出器との間にＥ×Ｂ形のフィルタがあれば実現できる。
【００３３】さらに、本発明は走査形電子顕微鏡に対して述べたが、これに限ることなく類似の電子線応用装置一般に適用できるし、さらにイオン線のような荷電粒子線応用装置一般に適用できることは言うまでもない。ただ、正の電荷を持っている荷電粒子線の場合には、減速電圧は正の値にする必要がある。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、低加速領域でも荷電粒子線径を増大させることなく二次荷電粒子を検出器の方に偏向することが可能となるので、高分解能でかつ二次荷電粒子の高検出効率が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す荷電粒子光学系の縦断面図。
【図２】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差に関する説明図。
【図３】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差により生じる偏向角と試料に印加した減速電圧との関係曲線図。
【図４】フィルタの色収差を自己打消しさせるための基本光学系の縦断面図。
【図５】Ｅ×Ｂ形フィルタによる一次電子線と二次電子の軌道を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…電子線、３…加速レンズ、４…コンデンサレンズ、５…対物レンズ、６…試料、７…偏向器、８…二次電子、９…二次電子検出器、１０，１１…Ｅ×Ｂ形フィルタ、１２…物点。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、走査形荷電粒子顕微鏡及びその類似装置に係り、特に低加速領域において高分解能でかつ二次電子の高検出効率に好適な荷電粒子光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査形電子顕微鏡の分解能を向上させるために、特開昭６１−２９４７４６号に記載されているような光学系が用いられている。すなわち、輝度が高く、エネルギ幅の小さな電界放射形（ＦＥ）電子銃と、レンズの内部に試料を配置して収差を極力小さくしたインレンズ形対物レンズとを組合わせたものである。このような光学系においても低加速領域においては分解能は低下する。
【０００３】一方、色収差を低減するために、特公昭６３−３４５８８に記載されているような光学系が提案されている。
【０００４】この光学系は、電子線が試料を照射する直前まで高加速電圧とし、試料照射時に減速して低加速電圧化するものである。この場合、レンズ通過時の電子線のエネルギが高いので、レンズ収差を小さくできる。すなわち、高分解能化が図れる。
【０００５】以上の観点から、低加速領域で従来以上の高分解能を得るためには、上記両者の光学系を組合せれば可能となる。すなわち、試料はレンズの内部に配置し、この試料に負の電圧を印加して減速すればよい。
【０００６】ただ、この場合問題となるのは二次電子の検出である。試料がレンズの外部にある従来の場合には、特公昭６３−３４５８８に示されているように、一次電子線の減速電界で二次電子が加速されるまでに二次電子検出器の電界で二次電子を検出するように構成すればよかった。しかし、試料をレンズの内部に配置したインレンズ形では、レンズの磁界が強いためにこの磁界に二次電子が強く束縛されるばかりでなく、二次電子検出器をレンズの内部に配置できないという問題が生じる。
【０００７】また、一次電子線と二次電子とを分離することについては特開昭６２−３１９３３号に磁界のみで分離することが開示されていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、低加速領域で高分解能化を図り、かつ二次電子の高検出感度が得られる電子光学系を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を減速させるための減速電界を通して試料に照射する工程と、試料へ第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、分離工程で発生する第１の荷電粒子線への影響を、第２のフィルタを用いて補正する工程から成る荷電粒子線顕微方法にある。
【００１０】まず、試料照射の直前に電子線の減速を行えば、低加速電圧でも高分解能が得られることは従来技術からも分かる。
【００１１】一方、二次電子検出に関しては、Ｅ×Ｂ形のフィルタを試料と検出器との間に用いているので、一次電子線を直進するようにしてやれば、エネルギの異なる二次電子は自然に偏向されることになる。すなわち、図５に示すように電子線２の加速電圧Ｖ0にたいして、次式を満足するようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道に影響を与えない。
【００１２】
【数１】
【００１３】この時、検出すべき二次電子８のエネルギは減速電圧ＶＲでありかつ電子線２と方向が逆であるので、二次電子８の偏向角θは、
【００１４】
【数２】
【００１５】となる。
【００１６】この偏向方向を検出器の方向と一致させておけば、二次電子は検出器に向かって進むので、検出効率の向上が図れることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】本発明の一実施例を図１により説明する。
【００１８】電子銃１からでた電子線２は、幾つかのレンズ（本実施例では加速レンズ３、コンデンサレンズ４、対物レンズ５）により細く絞られて試料６上を照射する。この電子線２は偏向器７により試料６上で二次元的に走査される。また、試料６からでてきた二次電子８は、二次電子検出器９により検出されて映像信号となる。
【００１９】ここで、試料６は電子線２を減速するために負の電圧ＶＲが印加されている。
【００２０】このとき、出てきた二次電子はこの減速電圧ＶＲにより逆に加速され、検出器９の電界のみでは十分に検出器９の方に偏向できなくなる。
【００２１】そこで、出てきた二次電子８を検出器９の方に偏向するために偏向器を配置すればよいが、電子線２の軌道に影響のないように電界Ｅと磁界Ｂとを直交させたいわゆるＥ×Ｂ形のフィルタ１０を対物レンズ５と検出器９との間に配置している。このとき、（１）式のようにＥとＢを印加すれば、電子線２の軌道には影響を与えずに二次電子８のみを検出器の方に偏向でき、検出効率の向上が図れる。
【００２２】ただ、この場合、フィルタ１０による色収差が問題になる。この色収差による偏向角βは、
【００２３】
【数３】
【００２４】で表わされる。ここで、ΔＶは電子線２のエネルギ幅である。
【００２５】すなわち、図２に示すようにこの色収差により物点１２でＳβの拡がりを持つことになり、対物レンズの倍率をＭとすると試料上ではＭＳβの拡がりを生ずる。具体的数値の典型的な一例を示すと、θ＝３０°、ΔＶ＝０.３ｅＶ、Ｖ0＝１ｋＶ、としてＶRに対するβは図３に示すものとなる。この図からβを大きく見積もって５×１０-5とし、Ｓ＝２００ｍｍ，Ｍ＝１／５０とすると、０.２μｍの拡がりとなる。この値は、電子線２の所望の値（〜ｎｍ）より非常に大きい。
【００２６】そこで、本発明では図４ならびに図１に示すように、Ｅ×Ｂ形のフィルタ１１を配置してこの色収差を自己消去できるようにした。すなわち、図４から分かるようにΔＶのエネルギが拡がりを持つ電子線２があたかも物点１２の一点から出たかのようになるようにフィルタ１１を動作させる。このフィルタ１１の偏向角β′は、
【００２７】
【数４】
【００２８】とすればよい。
【００２９】以上により、電子線２の径を増大させることなく、二次電子８のみを検出器９の方に偏向することが可能となる。すなわち、低加速領域でも高分解能でかつ二次電子の高検出効率が得られることになる。
【００３０】図１に示す本発明を実施した結果のごく一例を以下に示す。フィルタ１１を物点１２とフィルタ１０とのほぼ中間に配置して電界Ｅと磁界Ｂとの作用長Ｌを約２０ｍｍとなるように構成し、Ｖ0＝１ｋＶと固定にしてＶＲ＝０〜９００Ｖと変化させた。このとき、フィルタ１０、１１のそれぞれのＥとＢの強さをＥ＝０〜２５Ｖ／ｍｍ，０〜５０Ｖ／ｍｍ，Ｂ＝０〜１４ガウス（Gauss)，０〜２８GaussとＶＲに連動させて変化させたところ、４〜６ｎｍの高分解能が実現できた。
【００３１】本発明は、１ｋＶ以下の低加速電圧でｎｍオーダの分解能を得ることを目的になされたため、フィルタを２段にしたが、目的によっては１段で構成しても二次電子の高検出効率化は可能であることは、本実施例で述べた通りである。
【００３２】また、本実施例では試料がレンズの内部に配置したが、レンズの外側に配置された構成の光学系にたいしても実施することができる。なおこの場合、二次電子検出器は試料と対物レンズとの間にあってもよいし、図１のように対物レンズの上側にあってもよいことはいうまでもない。要は、試料と二次電子検出器との間にＥ×Ｂ形のフィルタがあれば実現できる。
【００３３】さらに、本発明は走査形電子顕微鏡に対して述べたが、これに限ることなく類似の電子線応用装置一般に適用できるし、さらにイオン線のような荷電粒子線応用装置一般に適用できることは言うまでもない。ただ、正の電荷を持っている荷電粒子線の場合には、減速電圧は正の値にする必要がある。
【００３４】
【発明の効果】本発明によれば、低加速領域でも荷電粒子線径を増大させることなく二次荷電粒子を検出器の方に偏向することが可能となるので、高分解能でかつ二次荷電粒子の高検出効率が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す荷電粒子光学系の縦断面図。
【図２】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差に関する説明図。
【図３】Ｅ×Ｂ形フィルタの色収差により生じる偏向角と試料に印加した減速電圧との関係曲線図。
【図４】フィルタの色収差を自己打消しさせるための基本光学系の縦断面図。
【図５】Ｅ×Ｂ形フィルタによる一次電子線と二次電子の軌道を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電子銃、２…電子線、３…加速レンズ、４…コンデンサレンズ、５…対物レンズ、６…試料、７…偏向器、８…二次電子、９…二次電子検出器、１０，１１…Ｅ×Ｂ形フィルタ、１２…物点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した前記第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を減速させるための減速電界を通して試料に照射する工程と、試料へ前記第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と前記第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、前記分離工程で発生する前記第１の荷電粒子線への影響を、前記第２のフィルタを用いて補正する工程を含むことを特徴する荷電粒子線顕微方法。
【請求項２】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した前記第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を加速電圧より低い低加速電圧で試料に照射する工程と、試料へ前記第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と前記第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、前記分離工程で発生する前記第１の荷電粒子線への影響を、前記第２のフィルタを用いて補正する工程を含むことを特徴する荷電粒子線顕微方法。
【請求項３】前記低加速電圧として１ｋＶ以下を用いることを特徴する請求項２記載の荷電粒子線顕微方法。
【請求項４】前記フイルタとして電界及び磁界を用いたフィルタであることを特徴とする請求項１，２，３いずれか記載の荷電粒子線顕微方法。
【請求項１】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した前記第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を減速させるための減速電界を通して試料に照射する工程と、試料へ前記第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と前記第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、前記分離工程で発生する前記第１の荷電粒子線への影響を、前記第２のフィルタを用いて補正する工程を含むことを特徴する荷電粒子線顕微方法。
【請求項２】荷電粒子源から第１の荷電粒子線を所定の加速電圧で引き出し、引き出した前記第１の荷電粒子線を絞るためのレンズを通過させ、試料上の所定の位置へ走査偏向する工程と、偏向された前記第１の荷電粒子線を加速電圧より低い低加速電圧で試料に照射する工程と、試料へ前記第１の荷電粒子線の照射により試料から発生する第２荷電粒子線と前記第１の荷電粒子線とを第１のフィルタで分離する工程と、前記分離工程で発生する前記第１の荷電粒子線への影響を、前記第２のフィルタを用いて補正する工程を含むことを特徴する荷電粒子線顕微方法。
【請求項３】前記低加速電圧として１ｋＶ以下を用いることを特徴する請求項２記載の荷電粒子線顕微方法。
【請求項４】前記フイルタとして電界及び磁界を用いたフィルタであることを特徴とする請求項１，２，３いずれか記載の荷電粒子線顕微方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【特許番号】特許第３１３９４８４号（Ｐ３１３９４８４）
【登録日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【発行日】平成１３年２月２６日（２００１．２．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１０−３６２１２９
【分割の表示】特願平７−３０４０８８の分割
【出願日】昭和６３年１１月２４日（１９８８．１１．２４）
【公開番号】特開平１１−２４２９４２
【公開日】平成１１年９月７日（１９９９．９．７）
【審査請求日】平成１０年１２月２１日（１９９８．１２．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 昭５９−１５５９４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６０−４７３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−９０８３９（ＪＰ，Ａ）
【登録日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【発行日】平成１３年２月２６日（２００１．２．２６）
【国際特許分類】
【分割の表示】特願平７−３０４０８８の分割
【出願日】昭和６３年１１月２４日（１９８８．１１．２４）
【公開番号】特開平１１−２４２９４２
【公開日】平成１１年９月７日（１９９９．９．７）
【審査請求日】平成１０年１２月２１日（１９９８．１２．２１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【参考文献】
【文献】特開 昭５９−１５５９４１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６０−４７３５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開 昭６２−９０８３９（ＪＰ，Ａ）
[ Back to top ]