走査電子顕微鏡
【課題】 低真空試料室内で起こるガス増幅を利用し、正の誘導電流検出方式を用いたVP-SEMにおいて、二次電子と反射電子の分離同時検出が可能なVP-SEMを実現する。かつ電極数を最小に抑えた安価なVP-SEM用の多種電子検出器を提供する。
【解決手段】 試料室内に、試料からの反射電子を当てて副次電子を生じさせるための反射板を設け、反射板の電位を接地電位にする。かつ、反射板と前記試料台の間隙に、正電位、典型的には+100〜+500 Vの正の電圧を印加した電界供給電極を設ける。更に、反射電子起因のイオン電流を検出する第１検出電極と、二次電子起因のイオン電流（厳密には二次電子起因と反射電子起因のイオン電流が混じった電流）を検出する第２検出電極とを設けることにより、同時分離検出を達成する。
【解決手段】 試料室内に、試料からの反射電子を当てて副次電子を生じさせるための反射板を設け、反射板の電位を接地電位にする。かつ、反射板と前記試料台の間隙に、正電位、典型的には+100〜+500 Vの正の電圧を印加した電界供給電極を設ける。更に、反射電子起因のイオン電流を検出する第１検出電極と、二次電子起因のイオン電流（厳密には二次電子起因と反射電子起因のイオン電流が混じった電流）を検出する第２検出電極とを設けることにより、同時分離検出を達成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低真空走査電子顕微鏡(VP-SEM)に適用される二次荷電粒子の検出装置および方法に関わる。すなわち、観察面の情報を持った電子をガス分子とのイオン化散乱によって増幅(ガス増幅)し、同時に増幅されるイオンを検出電極に向かって移動させ、それによって検出電極に流れる正の誘導電流を検出して画像を形成する装置および方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
検出原理にガス増幅を利用したVP-SEMとは、一次電子線の照射によって低真空雰囲気中に放出される電子に起因する二次荷電粒子を検出して画像を形成する電子線装置であり、通常の高真空SEMとは、検出原理と装置構成が異なっている。
【０００３】
一次電子線照射により発生した二次荷電粒子は、電界によって加速され、残留ガス分子とのイオン化散乱を繰り返す。イオン化散乱が繰り返し起こることにより、電子およびイオンは増幅(ガス増幅)され、これらの増幅されたイオン／電子を検出電極で検出することにより、画像を形成する。上記のイオン／電子は、検出電極に流れる正／負の誘導電流の形で検出される。発生したイオン／電子を検出電極に向けて移動させるため、検出電極とイオン／電子の発生箇所の間には何らかの電位勾配が設定される。
【０００４】
イオンの移動による正の誘導電流を検出する方式と、電子の移動による負の誘導電流を検出する方式とでは、物理原理は全く同じだが、試料室内に供給される電位勾配や、電界供給用の電極の形状などが異なっており、用途に応じて様々な検出器形態が存在している。
【０００５】
正の誘導電流を検出する方式としては、例えば、特開２００１−１２６６５５には、正イオン電流の検出電極を試料台に配置し、電界供給電極として対物レンズの周囲に配置された二次電子コレクタ電極（高真空二次電子検出器に接続されている）を用いた形態のVP-SEMが開示されている。また、特開２００３−１３２８３０には、曲面形状のイオン電流検出電極を、電界供給電極と試料台の間（イオン化散乱の発生する経路上）に配置した形態のVP-SEMが開示されている。
【０００６】
負の誘導電流を検出する方式としては、例えば、スキャニング3、215 (1980)(Scanning3, 215 (1980))に開示されたG. D. Danilatosらの方式がある。この方法では、電子電流の検出電極と電界供給電極を兼用する方式をとっており、検出電極の表面電位は周囲の電位よりも高く維持される。
【０００７】
上で説明した各先行文献に開示された技術は、いずれも二次電子起因のイオン／電子を検出して低真空二次電子像を得るための技術である。しかしながら、低真空二次電子像だけではなく、低真空反射電子像を観察したいというニーズもある。二次電子像は、エッジ情報に富み、試料の表面構造を観察するのに優れた画像である。一方、反射電子像は、組成情報に富み、試料の組成分布を観察するのに優れた画像である。従って、低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方が取得可能なVP-SEMが望まれている。
【０００８】
特表２００２−５１６６４７号公報には、負の誘導電流を検出する方式を用いて、低真空二次電子と低真空反射電子の両方を検出可能なVP-SEMが開示されている。以下、図１９を用いて特表２００２−５１６６４７に開示されるVP-SEMの構成について説明する。
【０００９】
低真空大気環境に保たれた試料室１０１内に、観察対象となる試料１０２が設置してある。試料１０２の上方にはプレート状もしくはメッシュ状の検出電極１０３が設置されており、さらに上方には反射板兼電界供給電極１０４が設置されている。検出電極１０３は接地電位であり、反射板兼電界供給電極１０４には電源１０５によって-100〜-500Vの負の電圧が印加されている。
【００１０】
SEM観察を行うときには、一次電子線１０６を対物レンズ１０７によって試料１０２の観察面上に収束させる。一次電子線２の照射位置からは、反射電子１０８及び二次電子１０９が発生する。エネルギーの低い二次電子１０９は、電位勾配が存在しない試料台１１０と検出電極１０３間では、ガス分子に吸収され、もしくは試料台１１０にかえり、検出電極１０３に到達しない。一方、エネルギーが高い反射電子１０８は、反射板兼電界供給電極１０４に当たってさらに電子を発生させる。この発生した電子を副次電子１１１と呼ぶこととする。
【００１１】
副次電子１１１は反射板兼電界供給電極１０４と検出電極１０３の間の領域に作られる電位勾配にしたがって検出電極１０３に向けて加速される。この過程でガス分子とのイオン化散乱が起こり、新たに電子-イオンペアが生成される。加速、イオン化散乱の過程は検出電極１０３に近づくにつれて指数関数的に起こり、結果、電子が増幅される。これをガス増幅と呼ぶ。増幅された電子が検出電極１０３に近づくと、検出電極１０３には負の誘導電流１１２が流れる。誘導電流１１２は増幅器１１３によって増幅される。一次電子線２は図示しない偏向器によって試料１０２面上を二次元的に走査され、その走査と同期して増幅された信号を図示しない画像処理端末上に表示することで低真空反射電子像が得られる。
【００１２】
また、特表２００２−５１６６４７号公報には、メッシュ電極の変わりに円盤形電極を用い、前記の反射板に印加する電圧と、円盤状検出電極に印加する電圧とを調整することにより、検出する二次荷電粒子のモード（二次電子のみを検出するモード、反射電子のみを検出するモード、二次電子と反射電子を両方検出するモード）が切替可能な構成例も開示されている。図２０を用いてこの別形態について説明する。この形態では、検出電極にドーナツ状の円盤型電極１１４を用いており、検出電極１１４と反射板兼電界供給電極１０４の両者にそれぞれ別個の電源１１５、１１６を接続し、それぞれにV1、V2の電圧を供給する。低エネルギーの二次電子１０９を検出する場合は、V1= V2=+500Vを印加する。このとき、二次電子１０９は検出電極１１４に向けて加速され、ガス増幅を起こす。検出電極１１４では、負の誘導電流１１２を検出する。二次電子１０９と反射電子１０８を混合で検出する場合は、検出電極１１４に印加する電圧V1を正の電圧に固定し、反射板兼電界供給電極１０４に印加する電圧V2が- V1と+V1の間の任意の値に設定する。ただし、この場合、増幅器１１７はフローティング増幅器でなければならない。
【００１３】
以上、特表２００２−５１６６４７の構成により、一台の装置で低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方が取得可能なVP-SEMが実現可能となる。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１２６６５５
【特許文献２】特開２００３−１３２８３０
【特許文献３】特表２００２−５１６６４７
【非特許文献１】G. D. Danilatos et, al，Scanning3, 215 (1980)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特表２００２−５１６６４７に開示のVP-SEMでは、二次電子１０９と反射電子１０８起源の副次電子１１１を同一の検出電極１１４で検出しているため、両者を分離検出することができない。よって、特表２００２−５１６６４７に開示されたVP-SEMにおいては、低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方を同時検出することは不可能である。
【００１６】
また、ガス増幅検出器との併用によって反射電子像を同時検出できる反射電子検出器としては、半導体検出器やなどが用いられているが、それらは高価であるため、安価な反射電子検出器が望まれている。
そこで、本発明では、二次電子と反射電子の分離同時検出が可能な安価なVP-SEM用の電子検出器を提供することを目的とする。
【００１７】
さらに本発明では、分離同時検出された二次電子信号および反射電子信号に対して適当な演算を施して、二次電子と反射電子の分離の度合いを自由に調整したSEM画像を取得可能なVP-SEMを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明においては、低真空走査電子顕微鏡(VP-SEM)に対して、正の誘導電流検出方式を適用し、かつ少なくとも一つのガス増幅発生用の電界供給電極と、試料から放出される荷電粒子のうち、少なくとも二種類の異なる荷電粒子に起因する二種類の誘導電流を分離して同時に検出する少なくとも二系統の検出手段とを備えることにより上記の課題を達成する。
【００１９】
より具体的には、上記二系統の検出手段が、上記二種類の異なる荷電粒子の一方に起因する前記誘導電流を検出する第１の検出電極と、二種類異なる荷電粒子のうちのもう一方の荷電粒子に起因する前記誘導電流を検出する第２の検出電極と、試料から放出される二種類の荷電粒子をガス増幅して得られる二種類のイオンをそれぞれ、上記の第１検出電極と第２検出電極へ分離して移動させる手段とを備えることで、課題を解決する。
【００２０】
更に具体的には、試料からの反射電子を当てて副次電子を生じさせるための反射板を試料室内に設け、反射板の電位を接地電位にする。更に、被観察試料を保持する試料台と反射板との間隙に、正の電位（典型的には+100〜+500 V程度）が印加される電界供給電極を設ける。かつ、反射電子起因のイオン電流を検出する第１検出電極と、二次電子起因のイオン電流（厳密には二次電子起因と反射電子起因のイオン電流が混じった電流）を検出する第２検出電極とを設けることにより、同時分離検出を達成する。
【発明の効果】
【００２１】
かかる構成によれば、最小の構成で、副次電子と二次電子のガス増幅を単一の電界供給電極によって起こしつつ、増幅されたイオンに関しては、副次電子(反射電子)起源のイオンと、二次電子起源のイオンとでそれぞれ別個の検出系で検出できるため、反射電子像および二次電子像の分離検出が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下では、本発明の代表的な実施例について図を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例では、低真空二次電子画像と低真空反射電子像の両方が取得可能な走査電子顕微鏡のうち、反射電子検出電極が一次電子線の照射光軸近傍に配置された、いわゆる軸上検出型の反射電子検出電極を備え、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用する方式の実施例について説明する。
【００２３】
図１には、軸状検出型反射電子検出手段と、反射板−検出電極兼用型の低真空ＳＥＭにおいて、二次電子検出手段を試料台もしくはその近傍に配置した形式の走査電子顕微鏡の外観構成を模式的に示した。図１に示す走査電子顕微鏡は、電子光学鏡筒、試料室９，検出された二次電子／反射電子起因のイオン電流信号を信号処理して画像を形成する情報処理部１４，画像処理部に接続された画像処理端末１５等により構成される。画像処理端末１５には、形成画像を表示するための表示手段や、当該表示手段に表示されるＧＵＩに対して装置の操作に必要な情報を入力する情報入力手段等を備えている。なお、電子光学鏡党内の各構成要素、例えば一次電子線の加速電圧、各電極に印加する電流・電圧などは、観察条件制御部６６により調整される。
【００２４】
走査電子顕微鏡鏡筒内部に格納された電子銃１は、タングステン熱電子銃を用いて構成されており、典型的にはエネルギー0.5〜30 keV)の一次電子線２を発生させる。コンデンサーレンズ３は、一次電子線２を収束させる作用を持ち、一次電子線２がSEM観察に好適な光学条件になるように設定される。対物レンズ４も、一次電子線２を収束させる作用を持ち、試料５上の観察対象部位に一次電子線２を収束させる。対物レンズ４の底面は、電子光学鏡筒の底面を構成している。偏向器６は、試料５上の一次電子線２の照射位置を所望の観察視野範囲に従って走査させる。一次電子線２の照射に伴って試料からは反射電子７および二次電子８が発生する。試料５が収められた試料室９の内部の真空度は、該試料室９への大気導入口１０のニードルバルブ１１の閉開によって制御する。
【００２５】
本VP-SEMは低真空での観察モードの他に、高真空での観察モードを備えており、高真空での観察時には、ニードルバルブ１１を閉じ、試料室９の内部を10-3 Pa以下の高真空状態に保つ。試料５から発生した二次電子８は、高真空用の二次電子検出器で検出される。本実施例では、高真空用二次電子検出器として、シンチレータと光電子増倍管からなるEverhart Thornley型検出器１２を用いた。このとき、二次電子８の捕集効率を高めるため、典型的には+300 Vを印加した二次電子コレクタ電極１３によって試料室９内に電位勾配を供給する。一方、反射電子７は、対物レンズ４直下に設置する図示しない反射電子検出器によって検出する。反射電子検出器には、半導体検出器もしくはマイクロチャンネルプレートを用いる。検出された信号はおのおの電気的に増幅された後、画像処理部１４でA／D変換され、一次電子線２の走査と同期させて、画像処理端末１５に表示する。これにより、観察視野範囲のSEM画像が得られる。
【００２６】
低真空での観察時には、ニードルバルブ１１の閉開によって、試料室９内を一定のガス圧力に保つ。また、二次電子コレクタ電極１３の電位が接地電位に切り替えられる。ガス圧力は、典型的には1〜300 Paである。
対物レンズ４直下には、接地電位の円盤状の反射板１６を設置する。本実施例の反射板１６は、反射電子起因の誘導電流を検出する第１電子検出電極を兼用しており、電極底面（試料台に向いて配置される面）は試料から発生した反射電子が衝突する衝突面を形成している。さらにまた、当該衝突面は反射電子起因のイオン電流の検出面を兼ねるため、衝突面にはイオン電流検出用電極が形成されている。反射板１６の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。反射板１６の外径には制限は特に設けないが、試料室９内の構造物との干渉を避けるため、典型的には50 mmφ以下程度とする。反射板１６の中心には、一次電子線２が通過するための円形の穴が設けられており、穴径は典型的には1〜5mmφ程度である。反射板１６と試料台１７の間隙には、ドーナツ状の円盤型の電界供給電極１８を設置する。電界供給電極１８の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。電界供給電極１８には、電界供給電極用電源１９によって+100〜+500 Vの正の電圧を印加する。反射板１６と電界供給電極１８の間隔は1 mm〜10 mm程度とする。ただし、この間隔が大きくなりすぎると、作動距離(working distance、 WD)を短くした場合の観察に支障をきたすことから、一般的には1 mm〜3 mmとする。電界供給電極１８の外径は、一般的には反射板１６の外径と同程度であり、内径は20 mm程度とする。試料から放出される反射電子７の角度検出範囲の最大値は、電界供給電極１８の内径で決まっており、検出角度領域を大きくしたい場合は、電界供給電極１８の内径を20 mmより大きくしてもよい。また、WDが短い場合(例えば WD = 5 mm)などでは、電界供給電極１８の内径を小さくしても角度検出範囲を大きくとれることから、電界供給電極Xの内径を20 mmより小さくしてもよい。いずれの場合でも、電界供給電極１８の外径は内径+10 mm〜30 mmとする。なお、反射板１６の外径は、電界供給電極１８の内径より小さくなってもよい。この場合、反射板１６の外径で反射電子７の角度検出領域が決まる場合もある。いずれの場合にせよ、観察するWDに対応して所望の角度検出領域が確保できるように反射板１６と電界供給電極１８の大きさを決定する。
【００２７】
ガス圧力を調整するニードルバルブ１１、二次電子コレクタ電極１３に印加される電圧、電界供給電極１８に印加される電圧は観察条件制御部６６により、観察条件に好適な条件に設定される。なお、低真空観察時には、ガス圧力、電界供給電極１８に印加される電圧は、ユーザーが所望の設定値に設定してもよい。
【００２８】
低真空での反射電子の検出は次のようにして行う。
試料５から放出された反射電子７は、二次電子と比較して高エネルギー(約0.5 keV以上)であるため、低真空雰囲気中であっても反射板１６の衝突面まで到達する。反射板１６に衝突した反射電子７は衝突面と相互作用して、数eV程度の低エネルギーの副次電子２０を放出させる。副次電子２０は、電界供給電極１８の供給する電界にしたがって加速される。この過程でガス増幅が起こり、電界供給電極１８近傍で電子、イオンが増幅される。増幅された副次電子２０起源のイオン２１は、低電位である反射板１６に向かってドリフトする。電位勾配は、接地電位である反射板１６および同じく接地電位である試料台１７と、唯一正の電圧を印加された電界供給電極１８によって作られており、電界供給電極１８より上方で作られる副次電子２０起源のイオン２１は、ほとんどが反射板１６に向かってドリフトする。イオン２１のドリフトによって反射板１６には反射電子起源の正の誘導電流２２が流れる。反射板１６には誘導電流２２を増幅するための反射電子検出用増幅器２３が接続されており、所望の利得で電流信号を増幅する。
【００２９】
一方、低真空での二次電子の検出は次のようにして行う。
試料５から放出された数 eV程度のエネルギーを持つ二次電子８は、電界供給電極１８の供給する電界にしたがって加速される。この過程でガス増幅が起こり、電界供給電極１８近傍で電子、イオンが増幅される。増幅された二次電子８起源のイオン２４のほとんどは、副次電子２０起源のイオン２１とは逆に、ほとんどが試料台１７にむかってドリフトする。試料台１７には、ドリフトしてくる二次電子起源の正の誘導電流２５を検出するための第２検出電極が設けられており、第２検出電極で検出された誘導電流２５は二次電子検出用増幅器２６によって、所望の利得で増幅される。従って、本実施例においては、上記電界供給電極１８が上記第１検出電極と第２検出電極の間に形成する電位差によって、反射電子ないし二次電子の分離効果および検出電極までのドリフト効果が実現される。
【００３０】
実施例１の反射板１６、電界供給電極１８は、試料台の上下(WDの上下)にともなって各々の試料７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。
【００３１】
低真空モード、高真空モードのいずれに関しても、得られた信号を電気的に増幅した後、画像処理部１４でA／D変換し、一次電子線２の走査と同期させて、画像処理端末１５に表示する。これにより、観察視野範囲のSEM画像が得られる。
【００３２】
上記のように、本発明では、正の電圧を印加した電界供給電極１８が反射板１６と試料台１７との間に供給する電界によって、ガス増幅だけでなく、エネルギー弁別も行っている。電位勾配は、低エネルギーの電子(主に二次電子８)を電界供給電極１８に向かって加速させ、その結果、低エネルギーの電子は反射板には到達できない。また、高エネルギーの電子(反射電子７)は、電界の影響を受けずに反射板１６に到達できる。これにより、エネルギー弁別が行われる。
【００３３】
しかし、低エネルギー電子には低エネルギーの反射電子も含まれており、試料台１７から検出される誘導電流２５には、反射電子起源の情報も含まれている。また、電界供給電極１８近傍でのイオンの挙動はほぼランダムであり、副次電子２０起源のイオン２１の一部が試料台１７に向かってドリフトする、もしくは、同様に二次電子８起源のイオン２４が反射板１６に向かってドリフトするということもありうる。結果として、得られた反射電子像、二次電子像には、お互いの情報が若干混じっているということもありうる。そこで、本発明の画像処理部１４には、得られた各信号に任意の重みを乗じて加算、減算した合成画像を出力できる画像処理機能を設けた。
【００３４】
画像処理機能について、図２〜４を用いて説明する。図２〜４は、画像処理端末１５の画面の模式図である。図２に示したように、画像処理端末の画面２７には、同時に取得した反射電子像２８および二次電子像２９を表示する。各々のコントラストおよび、ブライトネスは、自動もしくは手動で増幅器の利得を調整することで調整する。図３には画像処理機能によって反射電子信号と二次電子信号を電気的に加算もしくは減算した第三の画像である合成画像３０を追加で出力した画像処理端末の画面２７を示す。
【００３５】
合成画像は画像処理機能によって、例えば、次のようにして作成する。
デジタル変換された各画素当たりの輝度を、反射電子信号および二次電子信号でそれぞれA、Bとすると、合成画像では、各画素につき、C = k ×A + l ×B の輝度の画像を出力する。ここで、k、l、はそれぞれ-1〜+1まで値をもつパラメータで、一枚の画像に対して定数である。または、k、l、は各画素の輝度に依存してもよく、例えば、k に関してはA の関数、l に関してはB の関数であっても良い。
【００３６】
k、l のパラメータセットの決定方法は、設計者が事前に標準サンプルを用いて観察、画像合成した結果から決定してもよく、複数のパラメータセットをあらかじめ実装してあっても良い。
【００３７】
パラメータセットの例としては、k = -0.1 、 l = +1のような「反射電子情報を差し引いた二次電子像用パラメータセット」(図３参照)、k = +1 、 l = -0.1のような「二次電子情報を差し引いた反射電子像用パラメータセット」(図４参照)、k = +1 、 l = +1のような「反射電子情報、二次電子情報混合画像用パラメータセット」などがある。
【００３８】
ユーザーがパラメータセットの呼び出しを行うには、キーボードで各パラメータセットに対応したキーを入力する、もしくは図３に示したように画面２７上に表示されたボタン３１のうち、所望のセットに対応するボタンを選択し、クリックする。図３は、「反射電子情報を差し引いた二次電子像用パラメータセット」を選択したときの様子を示したものである。
【００３９】
またk、l、の各パラメータは、ユーザーが画像を観察しながら所望の画像が得られるように任意に設定してもよく、その場合、ユーザーは、例えば、図４に示したような画面２７内のk 値バー３２、l 値バー３３を見ながらキーボードやダイヤルなどの手動操作装置でパラメータを設定する。このとき、可動バー３４は、操作に対応して現在のk、l、の値を出力する。または、図４に示したように、画面２７内の可動バー３４をマウスのクリック＆ドラッグで直接左右に動かしてもよい。画像処理部１４は、これらの操作を反映させ、ユーザーが指定したk、l、の値に対応した合成画像を画面２７に表示する。図３は、ユーザーが可動バー３４をマウスのクリック＆ドラッグで調整して、「二次電子情報を差し引いた反射電子像用パラメータセット」を実現したときの様子を示したものである。
【００４０】
なお、合成画像用の信号の合成は、デジタル信号同士である必要はなく、アナログ信号同士で行ってもよい。この場合、アナログ回路によって、デジタル信号のときと同様に画像の合成を行う。
【００４１】
図５では、図１に示した構成の走査電子顕微鏡において、試料台以外の位置に第２検出電極を設置した変形例を示した。なお、以下の説明においては、図１の構成例と共通する要素については説明は省略する。電界供給電極１８と試料台１７の間に接地電位のドーナツ状の円盤型の検出電極３５を設置する。検出電極３５の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。検出電極３５の内径は電界供給電極１８の内径と同程度かそれ以下であり、一般的には電界供給電極１８の内径-10 mmφ程度とする。検出電極３５と電界供給電極１８の間隔は、1 mm〜10 mm程度とする。
【００４２】
図５の構成例では、試料台から発生した二次電子８は電界供給電極１８の供給する電場にしたがって加速され、該電極１８近傍でガス増幅を起こす。増幅されたイオン２４は、接地電位である検出電極３５に向かってドリフトし、検出電極３５には二次電子起源の正の誘導電流２５が流れる。この電流信号から実施例１と同様に低真空二次電子像を得る。
【００４３】
図５に示した構成例は、図１の構成例と比較して数々の利点がある。
まず、試料台から信号を検出する必要がないため、試料台１７を冷却するための、ステージクーリングシステム３６と併用することが可能である。図１の構成例では、ステージクーリングシステムを用いると、試料台１７に接続した増幅器がステージクーリングシステムからのノイズ信号を検出してしまい、像観察が困難であったが、図５の構成例では、検出電極から信号を検出するため、画像へのノイズの影響なくステージクーリングシステム３６を併用できる。
【００４４】
また、検出電極３５の浮遊容量を小さくでき、増幅回路２６のレスポンスを向上できる。図１の構成例では、複雑な構成をした試料台１７に増幅器を接続しており、試料台１７の大きな浮遊容量が原因で、出力信号のレスポンスが遅かった。図５の構成例の検出電極３５は、構造が単純であるため、典型的には、浮遊容量を試料台１７の1/3以下にまで低減できる。
【００４５】
さらに、検出電極３５が試料台１７とは離間しているため、電界供給電極１８と第２検出電極３５との間の電位勾配を最適化する上で、設計の自由度が大きくなる。すなわち、図１の構成例においては、試料台１７上に検出電極３５が形成されているため、検出電極３５の設計形状が試料台１７の表面形状に制約され、電界供給電極１８の形状を工夫する以外に電位勾配の最適化はできなかった。一方、図５の構成例では、電界供給電極１８と検出電極３５の双方に間隔や形状を工夫する余地があるため、ガス増幅に好適な電位勾配を形成する上で、設計自由度が図１の構成例に比べて高くなる。
【００４６】
さらに、試料台１７から発生する二次電子８を電界供給電極１８に向けて加速させるため、試料台１７に負の電圧を印加することも可能になる。このとき、電圧の印加は試料台用電源３７によって行い、印加電圧は典型的には0〜-500 Vである。図１の構成例で試料台１７に電圧を印加しようとすると、増幅器をフローティング増幅器にする必要があるため、製造コストが図５の構成例に比べて高くなる。
【００４７】
なお、図５の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３５は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。
【００４８】
図６（旧図９）に、本実施例の類型の更に別な変形例を示した。図６の構成例は、図１の構成例の電界供給電極の形状を、断面が円形のリング状としたものである。この場合、電界供給電極３９と反射板１６との間隔は1〜5 mm程度が好ましく、電極の直径は1〜10 mm程度が好ましい。電界供給電極３９の形状は、反射板１６の中心軸に関して対称とする。反射電子７の検出、二次電子８の検出は、実施例１と同様に行う。
【００４９】
図７（旧図１２）には、本実施例の類型の更に別な変形例を示した。図７の構成例は、電界供給電極の形状を断面が円形のリング状とし、図５の構成例における反射板１６と第２検出電極３５の間隙に、円筒形の低角度反射電子検出用反射板５４を設けた構成例である。反射板１６、低角度反射電子検出用反射板５４、検出電極３５、電界供給電極３９は、一次電子線２の光軸に関して対称になるように配置する。
【００５０】
図７の構成例では、試料から放出される反射電子の仰角に対する角度弁別が可能になる。以下では角度弁別の方法を説明する。
【００５１】
一次電子線２光軸から見込む仰角が小さい方向に反射された反射電子５５(以下、高角度反射電子と呼ぶ)は、反射板１６に当たり、副次電子２０を生成する。一方、一次電子線２の光軸から見込む仰角が大きい方向に反射された反射電子５６(低角度反射電子と呼ぶ)は、低角度反射電子検出用反射板５４に当たり、低角度反射電子５６起源の副次電子５７を生成する。仰角の小さな反射電子を多く検出するため、低角度反射電子検出用反射板５４は、高角度反射電子検出用電極である反射板１６と、二次電子検出用電極である第２検出電極３５により構成される空間に、中心軸が一次電子線光軸と一致するように配置されている。あるいは、電子の衝突面の法線が一次電子線光軸と垂直になるように配置されている。
【００５２】
副次電子２０、および低角度反射電子５６起源の副次電子５７、および試料から放出された二次電子８は電界供給電極３９に向かって加速され、ガス増幅を起こす。これによって増幅されたイオンは、それぞれ副次電子２０起源のイオン２１は反射板１６に、副次電子５７起源のイオン５８は低角度反射電子検出用反射板５４に、二次電子８起源のイオン２４は検出電極３５に向かってドリフトし、それぞれの反射板１６、５４／検出電極３５には正の誘導電流２２、５９、２５が流れる。得られた信号を、それぞれに接続した増幅器２３、６０、２６によって増幅する。これによって、三種類の異なる情報を持ったSEM画像が得られる。これらの三種の画像の任意の組み合わせに関しても、実施例１の方法によって合成画像が得られるようにしてもよい。
【００５３】
なお、図７の構成例の反射板１６、低角度反射電子検出用反射板５４、検出電極３５、電界供給電極３９は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００５４】
図８には、本実施例の類型において、軸状検出用電極の誘導電流検出面を複数の検出セグメントに分割して、反射電子の方位角に対する弁別検出を可能にした構成例について示す。図８に示す構成例では、第１検出電極、すなわち反射板１６のイオン電流検出面は、検出領域a４１〜d４４の四つのセグメントに分割されている。
【００５５】
一次電子線照射により発生した反射電子４５は電界供給電極１８の開口部を通過し、元々持っていた方位角成分に応じて検出領域a４１〜d４４のいずれかのセグメントに衝突する。特定の検出セグメント、例えば検出領域a４１にあたった反射電子４５は、副次電子２０を生成する。生成された副次電子２０は電界供給電極１８に向かってドリフトし、ガス増幅を起こす。増幅されたイオン２１の大部分は、検出領域a４１に向かってドリフトし、検出領域a４１には正の誘導電流４６が流れる。電流信号は検出領域a４１に接続された検出領域a用増幅器４７によって増幅され、SEM画像が得られる。同様に各反射板b４２〜d４４には専用の増幅器４８〜５０が接続され、それぞれ対応した反射板b４２〜d４４にあたった反射電子起源の正の誘導電流５１〜５３を増幅する。これら四種類の信号は、それぞれが検出する反射電子の放出方位に依存しており、それぞれ異なった試料表面の構造情報を持つ。よって、各信号から、四種類の異なった試料依存の情報を含むSEM画像が得られる。なお、図８に示した方位角弁別検出方式は、本実施例のいずれの構成例と組み合わせることも可能である。
【００５６】
以上、本実施例の類型について、図１〜８に示される構成例を用いて説明したが、図１の構成例で説明した画像信号処理手法は、本実施例のいずれの構成例にも適用可能である。特に、図８に示した方位角弁別検出方式と組み合わせれば、試料の表面形状に関する新たな情報を引き出せる。例えば複数の画像で信号の減算を行えば、試料の表面形状の方位角による異方性が強調され、結果立体構造を強調した合成画像が得られる。
【００５７】
（実施例２）
実施例１では、軸上検出型の反射電子検出方式で、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用する方式の実施例について説明したが、本実施例では、同じく軸状検出型で、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用しない方式の実施例について説明する。
【００５８】
図９には、本実施例の類型の一構成例を示した。図９に示す構成例の走査電子顕微鏡は、図１の構成例の装置において、反射板１６と試料台１７の間隙にドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極６１を設置したものである。実施例１で説明した各構成とは異なり、反射板は接地されている。この検出電極６１の内径は、ガス増幅されたイオン２１の検出効率を高めるため、電界供給電極１８の内径より小さくする。ガス増幅されたイオン２１は、検出電極６１に向かってドリフトし、検出電極６１には正の誘導電流２２が流れる。得られた電流信号を、反射電子検出用増幅器２３によって増幅することでSEM画像を得る。図９の構成例では、図５の構成例と同様に、試料を冷却するためのステージクーリングシステム３６を導入してもよい。
【００５９】
なお、図９の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６０】
図１０には、図９の構成例の変形例を示した。本構成例の走査電子顕微鏡は、図９の構成例のドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極６１と試料台１７との間隙に、実施例９、１２の電界供給電極と同様の断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極６２を備えたものである。電界供給電極６２には、+100〜+500 Vの正の電圧を、二次電子増幅用電界供給電極用電源６３によって印加する。二次電子８をガス増幅することで増幅されたイオン２４は試料台１７に向かってドリフトする。二次電子起源の正の誘導電流２５は、試料台１７に接続した二次電子検出用増幅器２６によって検出する。
【００６１】
なお、本構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１、電界供給電極６２は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６２】
図１１に示す構成例は、図１０の構成例の電界供給電極６２と試料台１７の間隙に、ドーナツ状の円盤型の検出電極３５を備えたものである。二次電子８起源の正の誘導電流２５の検出は、実施例２、９と同様に行う。実施例１２では、実施例２と同様に、試料を冷却するためのステージクーリングシステム３６や二次電子８を加速するための試料台用電源３５を導入してもよい。なお、本構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１、電界供給電極６２、検出電極３５は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６３】
図１２には、図１１の構成例のさらに別の変形例について示した。本構成例の装置は、二次電子専用検出器として、実施例５の二次電子検出系と同じ形態で、電界供給電極を断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極６２としたものを備えた構成例である。
【００６４】
二次電子８は、電界供給電極によってガス増幅される。増幅されたイオン２４は円筒形状の検出電極３８に向かってドリフトする。二次電子起源の正の誘導電流２５は、試料台１７に接続した検出電極３８によって検出する。
【００６５】
以上、本実施例の類型の装置について、図９〜１２で示される構成例について説明したが、以上で説明した構成例における反射電子検出用検出電極６１は、図８に示されるように複数のセグメントに分割してもよい。
【００６６】
（実施例３）
実施例１および２では、軸上検出方式の装置の類型について示したが、本実施例では、いわゆる軸外検出方式の走査電子顕微鏡に対して本発明を適用した実施例について説明する。なおここで、軸外検出とは軸上検出に対する技術用語であり、電子線２光軸から見込む仰角が比較的小さい方向に反射される反射電子(高角度反射電子)を検出する軸上検出に対し、仰角が大きい方向に反射される反射電子(低角度反射電子)を検出するために、検出器を光軸から傾けて配置し、軸外で検出する検出方式の意味である。
【００６７】
図１３には、軸外検出方式で、低真空二次電子と低真空反射電子とを分離検出するための最も基本的な構成例について示した。ここで、図１３は、低真空反射電子と低真空二次電子を分離検出するための要部のみを示した図であり、走査電子顕微鏡を構成するためのその他の構成要件・動作等については、図１に示される走査電子顕微鏡と同等である。従って、図１と共通する構成要素については図示を省略し、特に断らない限り、以下使用する図面についても同様である。
【００６８】
図１３に示す構成例では、反射電子起因の誘導電流検出用の第１検出電極を、試料台１７の軸外に配置し、二次電子起因の誘導電流を検出するための第２検出電極を、試料台１７の表面に配置している。第２検出電極と第１検出電極の空間には、ガス増幅を行うための電界供給電極１８が配置されており、電界供給電極１８によって第１、第２の各検出電極との間に形成される電界によって、二次電子と反射電子とが分離され、かつ検出電極へドリフトされる。電界供給電極１８には、正電位を供給するための電源１９が接続されており、電源１９から電界供給電極１８に印加される電位は、第１、第２の各検出電極との電位差が所定値になるように、情報処理部１４によって制御される。また、第１、第２の各検出電極には、反射電子検出用増幅器２３，二次電子検出用増幅器２６がそれぞれ接続されており、かつ接地されている。各電極で検出された誘導電流信号は、情報処理部１４によって適当な演算処理が行われ低真空反射電子像、低真空二次電子像が形成される。
【００６９】
図１３に示す構成例では、第１検出電極は反射板１６と兼用であり、従って、第１検出電極は、反射電子との衝突面を備えている。衝突効率を高めるため、反射板１６は、衝突面が試料台側に向き、かつ反射電子衝突面の中心軸と一次電子線の光軸とが鋭角をなすような角度に配置されている。また、反射板１６は、衝突面の中心軸と、一次電子線２の光軸とが、一次電子線２の走査中心でおおむね一致するように配置される。反射板１６および電界供給電極１８の形状は、反射板の中心軸に関して対称とする。
なお、図１３に示す構成例において、反射板１６、電界供給電極１８は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台１７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。また、試料台１７を固定したとき、反射板１６と電界供給電極１８のどちらか一方もしくは両者は、反射板１６の中心軸と一次電子線２の光軸が一次電子線２の走査中心でおおむね一致する状態で、試料５に近づく方向もしくは遠ざかる方向に、図示しない駆動装置によって移動してもよい。
【００７０】
実施例１、２では、検出器が対物レンズ４直下にあったためWDを特に短くしたい(例えば、WD≦5mm)場合、試料台１７と検出器が干渉し、観察が不可能だったが、この構成では、検出器を軸外に設置していることから、短WDでの観察が可能になる。
【００７１】
図１４には、本実施例の類型の別な構成例を示した。図１４に示す構成は、図１３の構成例において、接地電位である検出電極を電界供給電極１８と試料台１７の間隙に配置した変形例である。
【００７２】
検出電極３５の形状は、反射板１６の中心軸に関して対称とする。実施例４では、電界供給電極１８が試料台１７近傍につくる電位勾配を検出電極３５が遮蔽しないようにするため、検出電極３５の内径は、電界供給電極１８の内径より3 mm〜10 mm程度大きくする。二次電子検出の方法は、実施例２と同様に行う。
【００７３】
この構成では、図５の構成例と同様の理由で、ステージクーリングシステム３６、試料台用電源３７との併用が可能になる。
【００７４】
図１５には、本実施例の類型の別な構成例を示した。図１５の構成例は、図１４の構成例において、二次電子検出用の検出電極の形状を変更したものである。図１５の構成例では、二次電子検出用に、イオンの検出効率を高めるため、電界供給電極１８の周囲を囲む円筒形状の検出電極３８を設置する。検出電極は接地電位とする。検出電極３８は、中心軸が反射板の中心軸と一致するように設置する。検出電極３８の内径は、一般的には10〜50 mmφ程度である。検出電極３８の中心軸は反射板１６の中心軸と一致するように配置する。反射電子７の検出、二次電子８の検出は、図１４の構成例と同様に行う。
【００７５】
図１５の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台１７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。また、試料台１７を固定したとき、反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８は、反射板１６の中心軸と一次電子線２の光軸が一次電子線２の走査中心でおおむね一致する状態で、試料５に近づく方向もしくは遠ざかる方向に、図示しない駆動装置によって移動してもよい。
【００７６】
なお、本実施例の全ての構成例において、電界供給電極の形状はドーナツ状の円盤型に限定されるものではない。ガス増幅は、電界供給電極と接地電位の反射板もしくは試料台もしくは検出電極との間に作られる電位勾配に依存しており、ガス増幅の利得が最大となるように電界供給電極の形状を決定する。
【００７７】
この構成では、図１４の構成例と同様に、ステージクーリングシステム３６、試料台用電源３７との併用が可能になる。また、二次電子８起源のイオン２４に対する検出電極３８の見込み角を大きくする事ができるので、図１４の構成例に対して、イオン２４の捕集効率が向上する。
【００７８】
図１６には、図１５に示した構成例において、電界供給電極の形状を変えた変形例について示す。図１５の構成例における電界供給電極は、反射電子の通過する開口を備えた円盤形状の金属板により構成されているが、本構成例の電界供給電極は、曲面を持った複数の電極により構成されている。以下詳述する。図１６において、反射板１６と，円筒電極３８は、それぞれ反射電子起因の誘導電流検出電極（第１検出電極）、二次電子起因の誘導電流検出電極（第２検出電極）であり、第１検出電極は電子の衝突面を備えている。
【００７９】
円筒電極３８の内壁面には、ベアリングのような球形状の電界供給電極４０が複数配列されている。各電界供給電極４０は、円筒電極３８の中心軸に関して軸対称になるように配置される。また、各電極の大きさは1〜10 mm程度が好ましい。
複数の電界供給電極４０の電極は全て短絡されており、複数の電界供給電極４０のいずれかには、正電位を印加するための電源１９が接続されている。電界供給電極４０と反射板１６もしくは検出電極３８との距離は1〜10 mm程度が好ましい。
【００８０】
この構成例のように、電界供給電極４０の表面を曲面とすることで、接地電位である各検出電極との間に起こる放電を抑制しやすくなる。
【００８１】
なお、図１６の構成例から、反射板１６を除いた形状の装置を実現することも可能である。そのような変形例を図１７aに示した。円筒電極３８や電界供給電極４０の形状は図１６の構成例と同等であるが、反射板１６が無い。反射電子の検出は、円筒電極とは別に設けた反射電子検出用の検出電極により行う。典型的には、軸上検出型の反射電子検出電極と組み合わせて用いられる。
【００８２】
なお、図１７aに示す構成は、実施例１から３のいずれの構成と組み合わせることも可能である。
【００８３】
実施例１、２の二次電子検出器では、完全に二次電子のみの検出が行われていたわけではなく、反射板に到達するまえに、電界供給電極の作る電界に引き寄せられた低エネルギー(数百eV以下)の反射電子も検出していた。本構成例では、図１７aに示す二次電子検出器の配置を工夫することで、低エネルギーの反射電子の検出を抑制できるという効果がある。具体的には、円筒電極３８の中心軸と電子線の光軸２の角度が垂直になるようにし、それぞれの交点が試料の観察面より下方になるようにすればよい。この様子を図１７bに示した。このようにすることで極々低角度で低エネルギーの反射電子以外は電界供給電極４０に到達しなくなる。一般に、低角度ほど放出される反射電子の量は少なくなることが知られており、これにより、反射電子の検出が抑制される。
【００８４】
（実施例４）
軸上検出方式の装置構成においては、反射板兼第１検出電極が電子光学鏡筒の直下、あるいは対物レンズの直下に配置されることになるため、電界供給電極との間に形成される電位勾配が一次電子線の軌道に一部重なる。この影響をなくすため、対物レンズ直下に電場シールドを設けてもよい。図１８には、反射板１６の反射電子衝突面に電場シールドを設けた構成例について示した。電界供給電極１８の作り出す電界は、接地電位である電場シールド６４によって遮蔽される。電場シールド６４は対物レンズ４と電気的に導通されていてもよい。電場シールド６４は、磁性を帯びると一次電子線２に影響を与えるため、非磁性である必要がある。なお、電場シールド６４は、差動排気のためのアパチャー６５を備えてもよい。これによって、電場シールド６４内の真空度を試料室内より高く保つことができ、電場シールド６４内で起こる、ガス分子との散乱による一次電子線２の広がりを抑制できる。
【００８５】
以上、実施例１から４について、検出電極と電界供給電極を形状、配置場所で類別して説明したが、以上の実施例において、反射板に、反射板の反射電子が当たる面に酸化マグネシウムもしくはマグネシウムもしくは金などを塗布もしくは蒸着してもよい。副次電子の放出効率を高める効果がある。また、以上の実施例において、反射板として、半導体検出器、マイクロチャンネルプレートなど、反射電子を直接検出する反射電子検出器を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施例に関わる走査電子顕微鏡の構成例を示す図。
【図２】第１の実施例の走査電子顕微鏡において、電子像と反射電子像が同時に表示されている場合の画像処理端末の出力画面。出力されているときの画面。
【図３】第１の実施例において、合成画像を作成するためのk、l の各パラメータを画像処理部から呼び出している様子を示す図。
【図４】第１の実施例において、合成画像を作成するためのk、l の各パラメータをＧＵＩ上で設定しているときの様子を示す図。
【図５】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図６】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図７】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図８】第１の実施例において、反射板を複数セグメントに分けて構成した図。
【図９】第２の実施例における構成例の光学系要部を示す図。
【図１０】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１１】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１２】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１３】第３の実施例における構成例の光学系要部を示す図。
【図１４】第３の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１５】第３の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１６】第３の実施例における電界供給電極変形例について示す図。
【図１７ａ】第３の実施例における電界供給電極変形例について示す図。
【図１７ｂ】図１７aの実施例の配置例について示す図。
【図１８】第４の実施例における電界シールドについて示す図。
【図１９】従来技術である特表２００２−５１６６４７の特徴を示す模式図。
【図２０】従来技術である特表２００２−５１６６４７の特徴を示す模式図。
【符号の説明】
【００８７】
１…電子銃、２…一次電子線、３…コンデンサーレンズ、４…対物レンズ、５…試料、６…偏向器、７…反射電子、８…二次電子、９…試料室、１０…大気導入口、１１…ニードルバルブ、１２…Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ型検出器、１３…二次電子コレクタ電極、１４…画像処理部、１５…画像処理端末、１６…反射板、１７…試料台、１８…ドーナツ状円盤型電界供給電極、１９…電界供給電極用電源、２０…副次電子、２１…副次電子２０起源のイオン、２２…反射電子起源の正の誘導電流、２３…反射電子検出用増幅器、２４…二次電子８起源のイオン、２５…二次電子起源の正の誘導電流、２６…二次電子検出用増幅器、２７…画像処理端末の画面、２８…反射電子像、２９…二次電子像、３０…合成画像、３１…パラメータ選択用ボタン、３２…ｋ 値バー、３３…ｌ 値バー、３４…可動バー、３５…ドーナツ状の円盤型の検出電極、３６…ステージクーリングシステム、３７…試料台用電源、３８…円筒形状の検出電極、３９…、断面が円形のリング状の電界供給電極、４０…曲面を持った複数の電界供給電極、４１…反射板ａ、４２…反射板ａ、４３…反射板ｂ、４４…反射板ｄ、４５…反射板ａにあたった反射電子、４６…反射板ａにあたった反射電子４５起源の正の誘導電流、４７…反射板ａ用増幅器、４８…反射板ｂ用増幅器、４９…反射板ｃ用増幅器、５０…反射板ｄ用増幅器、５１…反射板ｂにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５２…反射板ｃにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５３…反射板ｄにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５４…低角度反射電子検出用反射板、５５…高角度反射電子、５６…低角度反射電子、５７…低角度反射電子５６起源の副次電子、５８…低角度反射電子５６起源の副次電子５７起源のイオン、５９…低角度反射電子検出用反射板にあたった低角度反射電子起源の正の誘導電流、６０…低角度反射電子検出用反射板用増幅器、６１…ドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極、６２…断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極、６３…二次電子増幅用電界供給電極用電源、６４…電場シールド、６５…差動排気のためのアパーチャ、
６６…観察条件制御部、１０１…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料室、１０２…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料、１０３…特表２００２−５１６６４７の実施例の検出電極、１０４…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射板兼電界供給電極、１０５…特表２００２−５１６６４７の実施例の電源、１０６…特表２００２−５１６６４７の実施例の一次電子線、１０７…特表２００２−５１６６４７の実施例の対物レンズ、１０８…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射電子、１０９…特表２００２−５１６６４７の実施例の二次電子、１１０…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料台、１１１…特表２００２−５１６６４７の実施例の副次電子、１１２…特表２００２−５１６６４７の実施例の負の誘導電流、１１３…特表２００２−５１６６４７の実施例の増幅器、１１４…特表２００２−５１６６４７の実施例の円盤型検出電極、１１５…特表２００２−５１６６４７の実施例の検出電極１１４用電源、１１６…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射板兼電界供給電極１０４用電源。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低真空走査電子顕微鏡(VP-SEM)に適用される二次荷電粒子の検出装置および方法に関わる。すなわち、観察面の情報を持った電子をガス分子とのイオン化散乱によって増幅(ガス増幅)し、同時に増幅されるイオンを検出電極に向かって移動させ、それによって検出電極に流れる正の誘導電流を検出して画像を形成する装置および方法に属する。
【背景技術】
【０００２】
検出原理にガス増幅を利用したVP-SEMとは、一次電子線の照射によって低真空雰囲気中に放出される電子に起因する二次荷電粒子を検出して画像を形成する電子線装置であり、通常の高真空SEMとは、検出原理と装置構成が異なっている。
【０００３】
一次電子線照射により発生した二次荷電粒子は、電界によって加速され、残留ガス分子とのイオン化散乱を繰り返す。イオン化散乱が繰り返し起こることにより、電子およびイオンは増幅(ガス増幅)され、これらの増幅されたイオン／電子を検出電極で検出することにより、画像を形成する。上記のイオン／電子は、検出電極に流れる正／負の誘導電流の形で検出される。発生したイオン／電子を検出電極に向けて移動させるため、検出電極とイオン／電子の発生箇所の間には何らかの電位勾配が設定される。
【０００４】
イオンの移動による正の誘導電流を検出する方式と、電子の移動による負の誘導電流を検出する方式とでは、物理原理は全く同じだが、試料室内に供給される電位勾配や、電界供給用の電極の形状などが異なっており、用途に応じて様々な検出器形態が存在している。
【０００５】
正の誘導電流を検出する方式としては、例えば、特開２００１−１２６６５５には、正イオン電流の検出電極を試料台に配置し、電界供給電極として対物レンズの周囲に配置された二次電子コレクタ電極（高真空二次電子検出器に接続されている）を用いた形態のVP-SEMが開示されている。また、特開２００３−１３２８３０には、曲面形状のイオン電流検出電極を、電界供給電極と試料台の間（イオン化散乱の発生する経路上）に配置した形態のVP-SEMが開示されている。
【０００６】
負の誘導電流を検出する方式としては、例えば、スキャニング3、215 (1980)(Scanning3, 215 (1980))に開示されたG. D. Danilatosらの方式がある。この方法では、電子電流の検出電極と電界供給電極を兼用する方式をとっており、検出電極の表面電位は周囲の電位よりも高く維持される。
【０００７】
上で説明した各先行文献に開示された技術は、いずれも二次電子起因のイオン／電子を検出して低真空二次電子像を得るための技術である。しかしながら、低真空二次電子像だけではなく、低真空反射電子像を観察したいというニーズもある。二次電子像は、エッジ情報に富み、試料の表面構造を観察するのに優れた画像である。一方、反射電子像は、組成情報に富み、試料の組成分布を観察するのに優れた画像である。従って、低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方が取得可能なVP-SEMが望まれている。
【０００８】
特表２００２−５１６６４７号公報には、負の誘導電流を検出する方式を用いて、低真空二次電子と低真空反射電子の両方を検出可能なVP-SEMが開示されている。以下、図１９を用いて特表２００２−５１６６４７に開示されるVP-SEMの構成について説明する。
【０００９】
低真空大気環境に保たれた試料室１０１内に、観察対象となる試料１０２が設置してある。試料１０２の上方にはプレート状もしくはメッシュ状の検出電極１０３が設置されており、さらに上方には反射板兼電界供給電極１０４が設置されている。検出電極１０３は接地電位であり、反射板兼電界供給電極１０４には電源１０５によって-100〜-500Vの負の電圧が印加されている。
【００１０】
SEM観察を行うときには、一次電子線１０６を対物レンズ１０７によって試料１０２の観察面上に収束させる。一次電子線２の照射位置からは、反射電子１０８及び二次電子１０９が発生する。エネルギーの低い二次電子１０９は、電位勾配が存在しない試料台１１０と検出電極１０３間では、ガス分子に吸収され、もしくは試料台１１０にかえり、検出電極１０３に到達しない。一方、エネルギーが高い反射電子１０８は、反射板兼電界供給電極１０４に当たってさらに電子を発生させる。この発生した電子を副次電子１１１と呼ぶこととする。
【００１１】
副次電子１１１は反射板兼電界供給電極１０４と検出電極１０３の間の領域に作られる電位勾配にしたがって検出電極１０３に向けて加速される。この過程でガス分子とのイオン化散乱が起こり、新たに電子-イオンペアが生成される。加速、イオン化散乱の過程は検出電極１０３に近づくにつれて指数関数的に起こり、結果、電子が増幅される。これをガス増幅と呼ぶ。増幅された電子が検出電極１０３に近づくと、検出電極１０３には負の誘導電流１１２が流れる。誘導電流１１２は増幅器１１３によって増幅される。一次電子線２は図示しない偏向器によって試料１０２面上を二次元的に走査され、その走査と同期して増幅された信号を図示しない画像処理端末上に表示することで低真空反射電子像が得られる。
【００１２】
また、特表２００２−５１６６４７号公報には、メッシュ電極の変わりに円盤形電極を用い、前記の反射板に印加する電圧と、円盤状検出電極に印加する電圧とを調整することにより、検出する二次荷電粒子のモード（二次電子のみを検出するモード、反射電子のみを検出するモード、二次電子と反射電子を両方検出するモード）が切替可能な構成例も開示されている。図２０を用いてこの別形態について説明する。この形態では、検出電極にドーナツ状の円盤型電極１１４を用いており、検出電極１１４と反射板兼電界供給電極１０４の両者にそれぞれ別個の電源１１５、１１６を接続し、それぞれにV1、V2の電圧を供給する。低エネルギーの二次電子１０９を検出する場合は、V1= V2=+500Vを印加する。このとき、二次電子１０９は検出電極１１４に向けて加速され、ガス増幅を起こす。検出電極１１４では、負の誘導電流１１２を検出する。二次電子１０９と反射電子１０８を混合で検出する場合は、検出電極１１４に印加する電圧V1を正の電圧に固定し、反射板兼電界供給電極１０４に印加する電圧V2が- V1と+V1の間の任意の値に設定する。ただし、この場合、増幅器１１７はフローティング増幅器でなければならない。
【００１３】
以上、特表２００２−５１６６４７の構成により、一台の装置で低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方が取得可能なVP-SEMが実現可能となる。
【００１４】
【特許文献１】特開２００１−１２６６５５
【特許文献２】特開２００３−１３２８３０
【特許文献３】特表２００２−５１６６４７
【非特許文献１】G. D. Danilatos et, al，Scanning3, 215 (1980)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
特表２００２−５１６６４７に開示のVP-SEMでは、二次電子１０９と反射電子１０８起源の副次電子１１１を同一の検出電極１１４で検出しているため、両者を分離検出することができない。よって、特表２００２−５１６６４７に開示されたVP-SEMにおいては、低真空二次電子像と低真空反射電子像の両方を同時検出することは不可能である。
【００１６】
また、ガス増幅検出器との併用によって反射電子像を同時検出できる反射電子検出器としては、半導体検出器やなどが用いられているが、それらは高価であるため、安価な反射電子検出器が望まれている。
そこで、本発明では、二次電子と反射電子の分離同時検出が可能な安価なVP-SEM用の電子検出器を提供することを目的とする。
【００１７】
さらに本発明では、分離同時検出された二次電子信号および反射電子信号に対して適当な演算を施して、二次電子と反射電子の分離の度合いを自由に調整したSEM画像を取得可能なVP-SEMを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明においては、低真空走査電子顕微鏡(VP-SEM)に対して、正の誘導電流検出方式を適用し、かつ少なくとも一つのガス増幅発生用の電界供給電極と、試料から放出される荷電粒子のうち、少なくとも二種類の異なる荷電粒子に起因する二種類の誘導電流を分離して同時に検出する少なくとも二系統の検出手段とを備えることにより上記の課題を達成する。
【００１９】
より具体的には、上記二系統の検出手段が、上記二種類の異なる荷電粒子の一方に起因する前記誘導電流を検出する第１の検出電極と、二種類異なる荷電粒子のうちのもう一方の荷電粒子に起因する前記誘導電流を検出する第２の検出電極と、試料から放出される二種類の荷電粒子をガス増幅して得られる二種類のイオンをそれぞれ、上記の第１検出電極と第２検出電極へ分離して移動させる手段とを備えることで、課題を解決する。
【００２０】
更に具体的には、試料からの反射電子を当てて副次電子を生じさせるための反射板を試料室内に設け、反射板の電位を接地電位にする。更に、被観察試料を保持する試料台と反射板との間隙に、正の電位（典型的には+100〜+500 V程度）が印加される電界供給電極を設ける。かつ、反射電子起因のイオン電流を検出する第１検出電極と、二次電子起因のイオン電流（厳密には二次電子起因と反射電子起因のイオン電流が混じった電流）を検出する第２検出電極とを設けることにより、同時分離検出を達成する。
【発明の効果】
【００２１】
かかる構成によれば、最小の構成で、副次電子と二次電子のガス増幅を単一の電界供給電極によって起こしつつ、増幅されたイオンに関しては、副次電子(反射電子)起源のイオンと、二次電子起源のイオンとでそれぞれ別個の検出系で検出できるため、反射電子像および二次電子像の分離検出が可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下では、本発明の代表的な実施例について図を用いて説明する。
（実施例１）
本実施例では、低真空二次電子画像と低真空反射電子像の両方が取得可能な走査電子顕微鏡のうち、反射電子検出電極が一次電子線の照射光軸近傍に配置された、いわゆる軸上検出型の反射電子検出電極を備え、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用する方式の実施例について説明する。
【００２３】
図１には、軸状検出型反射電子検出手段と、反射板−検出電極兼用型の低真空ＳＥＭにおいて、二次電子検出手段を試料台もしくはその近傍に配置した形式の走査電子顕微鏡の外観構成を模式的に示した。図１に示す走査電子顕微鏡は、電子光学鏡筒、試料室９，検出された二次電子／反射電子起因のイオン電流信号を信号処理して画像を形成する情報処理部１４，画像処理部に接続された画像処理端末１５等により構成される。画像処理端末１５には、形成画像を表示するための表示手段や、当該表示手段に表示されるＧＵＩに対して装置の操作に必要な情報を入力する情報入力手段等を備えている。なお、電子光学鏡党内の各構成要素、例えば一次電子線の加速電圧、各電極に印加する電流・電圧などは、観察条件制御部６６により調整される。
【００２４】
走査電子顕微鏡鏡筒内部に格納された電子銃１は、タングステン熱電子銃を用いて構成されており、典型的にはエネルギー0.5〜30 keV)の一次電子線２を発生させる。コンデンサーレンズ３は、一次電子線２を収束させる作用を持ち、一次電子線２がSEM観察に好適な光学条件になるように設定される。対物レンズ４も、一次電子線２を収束させる作用を持ち、試料５上の観察対象部位に一次電子線２を収束させる。対物レンズ４の底面は、電子光学鏡筒の底面を構成している。偏向器６は、試料５上の一次電子線２の照射位置を所望の観察視野範囲に従って走査させる。一次電子線２の照射に伴って試料からは反射電子７および二次電子８が発生する。試料５が収められた試料室９の内部の真空度は、該試料室９への大気導入口１０のニードルバルブ１１の閉開によって制御する。
【００２５】
本VP-SEMは低真空での観察モードの他に、高真空での観察モードを備えており、高真空での観察時には、ニードルバルブ１１を閉じ、試料室９の内部を10-3 Pa以下の高真空状態に保つ。試料５から発生した二次電子８は、高真空用の二次電子検出器で検出される。本実施例では、高真空用二次電子検出器として、シンチレータと光電子増倍管からなるEverhart Thornley型検出器１２を用いた。このとき、二次電子８の捕集効率を高めるため、典型的には+300 Vを印加した二次電子コレクタ電極１３によって試料室９内に電位勾配を供給する。一方、反射電子７は、対物レンズ４直下に設置する図示しない反射電子検出器によって検出する。反射電子検出器には、半導体検出器もしくはマイクロチャンネルプレートを用いる。検出された信号はおのおの電気的に増幅された後、画像処理部１４でA／D変換され、一次電子線２の走査と同期させて、画像処理端末１５に表示する。これにより、観察視野範囲のSEM画像が得られる。
【００２６】
低真空での観察時には、ニードルバルブ１１の閉開によって、試料室９内を一定のガス圧力に保つ。また、二次電子コレクタ電極１３の電位が接地電位に切り替えられる。ガス圧力は、典型的には1〜300 Paである。
対物レンズ４直下には、接地電位の円盤状の反射板１６を設置する。本実施例の反射板１６は、反射電子起因の誘導電流を検出する第１電子検出電極を兼用しており、電極底面（試料台に向いて配置される面）は試料から発生した反射電子が衝突する衝突面を形成している。さらにまた、当該衝突面は反射電子起因のイオン電流の検出面を兼ねるため、衝突面にはイオン電流検出用電極が形成されている。反射板１６の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。反射板１６の外径には制限は特に設けないが、試料室９内の構造物との干渉を避けるため、典型的には50 mmφ以下程度とする。反射板１６の中心には、一次電子線２が通過するための円形の穴が設けられており、穴径は典型的には1〜5mmφ程度である。反射板１６と試料台１７の間隙には、ドーナツ状の円盤型の電界供給電極１８を設置する。電界供給電極１８の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。電界供給電極１８には、電界供給電極用電源１９によって+100〜+500 Vの正の電圧を印加する。反射板１６と電界供給電極１８の間隔は1 mm〜10 mm程度とする。ただし、この間隔が大きくなりすぎると、作動距離(working distance、 WD)を短くした場合の観察に支障をきたすことから、一般的には1 mm〜3 mmとする。電界供給電極１８の外径は、一般的には反射板１６の外径と同程度であり、内径は20 mm程度とする。試料から放出される反射電子７の角度検出範囲の最大値は、電界供給電極１８の内径で決まっており、検出角度領域を大きくしたい場合は、電界供給電極１８の内径を20 mmより大きくしてもよい。また、WDが短い場合(例えば WD = 5 mm)などでは、電界供給電極１８の内径を小さくしても角度検出範囲を大きくとれることから、電界供給電極Xの内径を20 mmより小さくしてもよい。いずれの場合でも、電界供給電極１８の外径は内径+10 mm〜30 mmとする。なお、反射板１６の外径は、電界供給電極１８の内径より小さくなってもよい。この場合、反射板１６の外径で反射電子７の角度検出領域が決まる場合もある。いずれの場合にせよ、観察するWDに対応して所望の角度検出領域が確保できるように反射板１６と電界供給電極１８の大きさを決定する。
【００２７】
ガス圧力を調整するニードルバルブ１１、二次電子コレクタ電極１３に印加される電圧、電界供給電極１８に印加される電圧は観察条件制御部６６により、観察条件に好適な条件に設定される。なお、低真空観察時には、ガス圧力、電界供給電極１８に印加される電圧は、ユーザーが所望の設定値に設定してもよい。
【００２８】
低真空での反射電子の検出は次のようにして行う。
試料５から放出された反射電子７は、二次電子と比較して高エネルギー(約0.5 keV以上)であるため、低真空雰囲気中であっても反射板１６の衝突面まで到達する。反射板１６に衝突した反射電子７は衝突面と相互作用して、数eV程度の低エネルギーの副次電子２０を放出させる。副次電子２０は、電界供給電極１８の供給する電界にしたがって加速される。この過程でガス増幅が起こり、電界供給電極１８近傍で電子、イオンが増幅される。増幅された副次電子２０起源のイオン２１は、低電位である反射板１６に向かってドリフトする。電位勾配は、接地電位である反射板１６および同じく接地電位である試料台１７と、唯一正の電圧を印加された電界供給電極１８によって作られており、電界供給電極１８より上方で作られる副次電子２０起源のイオン２１は、ほとんどが反射板１６に向かってドリフトする。イオン２１のドリフトによって反射板１６には反射電子起源の正の誘導電流２２が流れる。反射板１６には誘導電流２２を増幅するための反射電子検出用増幅器２３が接続されており、所望の利得で電流信号を増幅する。
【００２９】
一方、低真空での二次電子の検出は次のようにして行う。
試料５から放出された数 eV程度のエネルギーを持つ二次電子８は、電界供給電極１８の供給する電界にしたがって加速される。この過程でガス増幅が起こり、電界供給電極１８近傍で電子、イオンが増幅される。増幅された二次電子８起源のイオン２４のほとんどは、副次電子２０起源のイオン２１とは逆に、ほとんどが試料台１７にむかってドリフトする。試料台１７には、ドリフトしてくる二次電子起源の正の誘導電流２５を検出するための第２検出電極が設けられており、第２検出電極で検出された誘導電流２５は二次電子検出用増幅器２６によって、所望の利得で増幅される。従って、本実施例においては、上記電界供給電極１８が上記第１検出電極と第２検出電極の間に形成する電位差によって、反射電子ないし二次電子の分離効果および検出電極までのドリフト効果が実現される。
【００３０】
実施例１の反射板１６、電界供給電極１８は、試料台の上下(WDの上下)にともなって各々の試料７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。
【００３１】
低真空モード、高真空モードのいずれに関しても、得られた信号を電気的に増幅した後、画像処理部１４でA／D変換し、一次電子線２の走査と同期させて、画像処理端末１５に表示する。これにより、観察視野範囲のSEM画像が得られる。
【００３２】
上記のように、本発明では、正の電圧を印加した電界供給電極１８が反射板１６と試料台１７との間に供給する電界によって、ガス増幅だけでなく、エネルギー弁別も行っている。電位勾配は、低エネルギーの電子(主に二次電子８)を電界供給電極１８に向かって加速させ、その結果、低エネルギーの電子は反射板には到達できない。また、高エネルギーの電子(反射電子７)は、電界の影響を受けずに反射板１６に到達できる。これにより、エネルギー弁別が行われる。
【００３３】
しかし、低エネルギー電子には低エネルギーの反射電子も含まれており、試料台１７から検出される誘導電流２５には、反射電子起源の情報も含まれている。また、電界供給電極１８近傍でのイオンの挙動はほぼランダムであり、副次電子２０起源のイオン２１の一部が試料台１７に向かってドリフトする、もしくは、同様に二次電子８起源のイオン２４が反射板１６に向かってドリフトするということもありうる。結果として、得られた反射電子像、二次電子像には、お互いの情報が若干混じっているということもありうる。そこで、本発明の画像処理部１４には、得られた各信号に任意の重みを乗じて加算、減算した合成画像を出力できる画像処理機能を設けた。
【００３４】
画像処理機能について、図２〜４を用いて説明する。図２〜４は、画像処理端末１５の画面の模式図である。図２に示したように、画像処理端末の画面２７には、同時に取得した反射電子像２８および二次電子像２９を表示する。各々のコントラストおよび、ブライトネスは、自動もしくは手動で増幅器の利得を調整することで調整する。図３には画像処理機能によって反射電子信号と二次電子信号を電気的に加算もしくは減算した第三の画像である合成画像３０を追加で出力した画像処理端末の画面２７を示す。
【００３５】
合成画像は画像処理機能によって、例えば、次のようにして作成する。
デジタル変換された各画素当たりの輝度を、反射電子信号および二次電子信号でそれぞれA、Bとすると、合成画像では、各画素につき、C = k ×A + l ×B の輝度の画像を出力する。ここで、k、l、はそれぞれ-1〜+1まで値をもつパラメータで、一枚の画像に対して定数である。または、k、l、は各画素の輝度に依存してもよく、例えば、k に関してはA の関数、l に関してはB の関数であっても良い。
【００３６】
k、l のパラメータセットの決定方法は、設計者が事前に標準サンプルを用いて観察、画像合成した結果から決定してもよく、複数のパラメータセットをあらかじめ実装してあっても良い。
【００３７】
パラメータセットの例としては、k = -0.1 、 l = +1のような「反射電子情報を差し引いた二次電子像用パラメータセット」(図３参照)、k = +1 、 l = -0.1のような「二次電子情報を差し引いた反射電子像用パラメータセット」(図４参照)、k = +1 、 l = +1のような「反射電子情報、二次電子情報混合画像用パラメータセット」などがある。
【００３８】
ユーザーがパラメータセットの呼び出しを行うには、キーボードで各パラメータセットに対応したキーを入力する、もしくは図３に示したように画面２７上に表示されたボタン３１のうち、所望のセットに対応するボタンを選択し、クリックする。図３は、「反射電子情報を差し引いた二次電子像用パラメータセット」を選択したときの様子を示したものである。
【００３９】
またk、l、の各パラメータは、ユーザーが画像を観察しながら所望の画像が得られるように任意に設定してもよく、その場合、ユーザーは、例えば、図４に示したような画面２７内のk 値バー３２、l 値バー３３を見ながらキーボードやダイヤルなどの手動操作装置でパラメータを設定する。このとき、可動バー３４は、操作に対応して現在のk、l、の値を出力する。または、図４に示したように、画面２７内の可動バー３４をマウスのクリック＆ドラッグで直接左右に動かしてもよい。画像処理部１４は、これらの操作を反映させ、ユーザーが指定したk、l、の値に対応した合成画像を画面２７に表示する。図３は、ユーザーが可動バー３４をマウスのクリック＆ドラッグで調整して、「二次電子情報を差し引いた反射電子像用パラメータセット」を実現したときの様子を示したものである。
【００４０】
なお、合成画像用の信号の合成は、デジタル信号同士である必要はなく、アナログ信号同士で行ってもよい。この場合、アナログ回路によって、デジタル信号のときと同様に画像の合成を行う。
【００４１】
図５では、図１に示した構成の走査電子顕微鏡において、試料台以外の位置に第２検出電極を設置した変形例を示した。なお、以下の説明においては、図１の構成例と共通する要素については説明は省略する。電界供給電極１８と試料台１７の間に接地電位のドーナツ状の円盤型の検出電極３５を設置する。検出電極３５の形状は、一次電子線２の光軸に関して対称とする。検出電極３５の内径は電界供給電極１８の内径と同程度かそれ以下であり、一般的には電界供給電極１８の内径-10 mmφ程度とする。検出電極３５と電界供給電極１８の間隔は、1 mm〜10 mm程度とする。
【００４２】
図５の構成例では、試料台から発生した二次電子８は電界供給電極１８の供給する電場にしたがって加速され、該電極１８近傍でガス増幅を起こす。増幅されたイオン２４は、接地電位である検出電極３５に向かってドリフトし、検出電極３５には二次電子起源の正の誘導電流２５が流れる。この電流信号から実施例１と同様に低真空二次電子像を得る。
【００４３】
図５に示した構成例は、図１の構成例と比較して数々の利点がある。
まず、試料台から信号を検出する必要がないため、試料台１７を冷却するための、ステージクーリングシステム３６と併用することが可能である。図１の構成例では、ステージクーリングシステムを用いると、試料台１７に接続した増幅器がステージクーリングシステムからのノイズ信号を検出してしまい、像観察が困難であったが、図５の構成例では、検出電極から信号を検出するため、画像へのノイズの影響なくステージクーリングシステム３６を併用できる。
【００４４】
また、検出電極３５の浮遊容量を小さくでき、増幅回路２６のレスポンスを向上できる。図１の構成例では、複雑な構成をした試料台１７に増幅器を接続しており、試料台１７の大きな浮遊容量が原因で、出力信号のレスポンスが遅かった。図５の構成例の検出電極３５は、構造が単純であるため、典型的には、浮遊容量を試料台１７の1/3以下にまで低減できる。
【００４５】
さらに、検出電極３５が試料台１７とは離間しているため、電界供給電極１８と第２検出電極３５との間の電位勾配を最適化する上で、設計の自由度が大きくなる。すなわち、図１の構成例においては、試料台１７上に検出電極３５が形成されているため、検出電極３５の設計形状が試料台１７の表面形状に制約され、電界供給電極１８の形状を工夫する以外に電位勾配の最適化はできなかった。一方、図５の構成例では、電界供給電極１８と検出電極３５の双方に間隔や形状を工夫する余地があるため、ガス増幅に好適な電位勾配を形成する上で、設計自由度が図１の構成例に比べて高くなる。
【００４６】
さらに、試料台１７から発生する二次電子８を電界供給電極１８に向けて加速させるため、試料台１７に負の電圧を印加することも可能になる。このとき、電圧の印加は試料台用電源３７によって行い、印加電圧は典型的には0〜-500 Vである。図１の構成例で試料台１７に電圧を印加しようとすると、増幅器をフローティング増幅器にする必要があるため、製造コストが図５の構成例に比べて高くなる。
【００４７】
なお、図５の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３５は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。
【００４８】
図６（旧図９）に、本実施例の類型の更に別な変形例を示した。図６の構成例は、図１の構成例の電界供給電極の形状を、断面が円形のリング状としたものである。この場合、電界供給電極３９と反射板１６との間隔は1〜5 mm程度が好ましく、電極の直径は1〜10 mm程度が好ましい。電界供給電極３９の形状は、反射板１６の中心軸に関して対称とする。反射電子７の検出、二次電子８の検出は、実施例１と同様に行う。
【００４９】
図７（旧図１２）には、本実施例の類型の更に別な変形例を示した。図７の構成例は、電界供給電極の形状を断面が円形のリング状とし、図５の構成例における反射板１６と第２検出電極３５の間隙に、円筒形の低角度反射電子検出用反射板５４を設けた構成例である。反射板１６、低角度反射電子検出用反射板５４、検出電極３５、電界供給電極３９は、一次電子線２の光軸に関して対称になるように配置する。
【００５０】
図７の構成例では、試料から放出される反射電子の仰角に対する角度弁別が可能になる。以下では角度弁別の方法を説明する。
【００５１】
一次電子線２光軸から見込む仰角が小さい方向に反射された反射電子５５(以下、高角度反射電子と呼ぶ)は、反射板１６に当たり、副次電子２０を生成する。一方、一次電子線２の光軸から見込む仰角が大きい方向に反射された反射電子５６(低角度反射電子と呼ぶ)は、低角度反射電子検出用反射板５４に当たり、低角度反射電子５６起源の副次電子５７を生成する。仰角の小さな反射電子を多く検出するため、低角度反射電子検出用反射板５４は、高角度反射電子検出用電極である反射板１６と、二次電子検出用電極である第２検出電極３５により構成される空間に、中心軸が一次電子線光軸と一致するように配置されている。あるいは、電子の衝突面の法線が一次電子線光軸と垂直になるように配置されている。
【００５２】
副次電子２０、および低角度反射電子５６起源の副次電子５７、および試料から放出された二次電子８は電界供給電極３９に向かって加速され、ガス増幅を起こす。これによって増幅されたイオンは、それぞれ副次電子２０起源のイオン２１は反射板１６に、副次電子５７起源のイオン５８は低角度反射電子検出用反射板５４に、二次電子８起源のイオン２４は検出電極３５に向かってドリフトし、それぞれの反射板１６、５４／検出電極３５には正の誘導電流２２、５９、２５が流れる。得られた信号を、それぞれに接続した増幅器２３、６０、２６によって増幅する。これによって、三種類の異なる情報を持ったSEM画像が得られる。これらの三種の画像の任意の組み合わせに関しても、実施例１の方法によって合成画像が得られるようにしてもよい。
【００５３】
なお、図７の構成例の反射板１６、低角度反射電子検出用反射板５４、検出電極３５、電界供給電極３９は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００５４】
図８には、本実施例の類型において、軸状検出用電極の誘導電流検出面を複数の検出セグメントに分割して、反射電子の方位角に対する弁別検出を可能にした構成例について示す。図８に示す構成例では、第１検出電極、すなわち反射板１６のイオン電流検出面は、検出領域a４１〜d４４の四つのセグメントに分割されている。
【００５５】
一次電子線照射により発生した反射電子４５は電界供給電極１８の開口部を通過し、元々持っていた方位角成分に応じて検出領域a４１〜d４４のいずれかのセグメントに衝突する。特定の検出セグメント、例えば検出領域a４１にあたった反射電子４５は、副次電子２０を生成する。生成された副次電子２０は電界供給電極１８に向かってドリフトし、ガス増幅を起こす。増幅されたイオン２１の大部分は、検出領域a４１に向かってドリフトし、検出領域a４１には正の誘導電流４６が流れる。電流信号は検出領域a４１に接続された検出領域a用増幅器４７によって増幅され、SEM画像が得られる。同様に各反射板b４２〜d４４には専用の増幅器４８〜５０が接続され、それぞれ対応した反射板b４２〜d４４にあたった反射電子起源の正の誘導電流５１〜５３を増幅する。これら四種類の信号は、それぞれが検出する反射電子の放出方位に依存しており、それぞれ異なった試料表面の構造情報を持つ。よって、各信号から、四種類の異なった試料依存の情報を含むSEM画像が得られる。なお、図８に示した方位角弁別検出方式は、本実施例のいずれの構成例と組み合わせることも可能である。
【００５６】
以上、本実施例の類型について、図１〜８に示される構成例を用いて説明したが、図１の構成例で説明した画像信号処理手法は、本実施例のいずれの構成例にも適用可能である。特に、図８に示した方位角弁別検出方式と組み合わせれば、試料の表面形状に関する新たな情報を引き出せる。例えば複数の画像で信号の減算を行えば、試料の表面形状の方位角による異方性が強調され、結果立体構造を強調した合成画像が得られる。
【００５７】
（実施例２）
実施例１では、軸上検出型の反射電子検出方式で、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用する方式の実施例について説明したが、本実施例では、同じく軸状検出型で、かつ反射電子検出用電極と反射板とを兼用しない方式の実施例について説明する。
【００５８】
図９には、本実施例の類型の一構成例を示した。図９に示す構成例の走査電子顕微鏡は、図１の構成例の装置において、反射板１６と試料台１７の間隙にドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極６１を設置したものである。実施例１で説明した各構成とは異なり、反射板は接地されている。この検出電極６１の内径は、ガス増幅されたイオン２１の検出効率を高めるため、電界供給電極１８の内径より小さくする。ガス増幅されたイオン２１は、検出電極６１に向かってドリフトし、検出電極６１には正の誘導電流２２が流れる。得られた電流信号を、反射電子検出用増幅器２３によって増幅することでSEM画像を得る。図９の構成例では、図５の構成例と同様に、試料を冷却するためのステージクーリングシステム３６を導入してもよい。
【００５９】
なお、図９の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６０】
図１０には、図９の構成例の変形例を示した。本構成例の走査電子顕微鏡は、図９の構成例のドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極６１と試料台１７との間隙に、実施例９、１２の電界供給電極と同様の断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極６２を備えたものである。電界供給電極６２には、+100〜+500 Vの正の電圧を、二次電子増幅用電界供給電極用電源６３によって印加する。二次電子８をガス増幅することで増幅されたイオン２４は試料台１７に向かってドリフトする。二次電子起源の正の誘導電流２５は、試料台１７に接続した二次電子検出用増幅器２６によって検出する。
【００６１】
なお、本構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１、電界供給電極６２は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６２】
図１１に示す構成例は、図１０の構成例の電界供給電極６２と試料台１７の間隙に、ドーナツ状の円盤型の検出電極３５を備えたものである。二次電子８起源の正の誘導電流２５の検出は、実施例２、９と同様に行う。実施例１２では、実施例２と同様に、試料を冷却するためのステージクーリングシステム３６や二次電子８を加速するための試料台用電源３５を導入してもよい。なお、本構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極６１、電界供給電極６２、検出電極３５は、図示しない駆動装置によって、試料台１７の上下に伴って各々の試料５との相対距離が保存されるように上下してもよい。
【００６３】
図１２には、図１１の構成例のさらに別の変形例について示した。本構成例の装置は、二次電子専用検出器として、実施例５の二次電子検出系と同じ形態で、電界供給電極を断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極６２としたものを備えた構成例である。
【００６４】
二次電子８は、電界供給電極によってガス増幅される。増幅されたイオン２４は円筒形状の検出電極３８に向かってドリフトする。二次電子起源の正の誘導電流２５は、試料台１７に接続した検出電極３８によって検出する。
【００６５】
以上、本実施例の類型の装置について、図９〜１２で示される構成例について説明したが、以上で説明した構成例における反射電子検出用検出電極６１は、図８に示されるように複数のセグメントに分割してもよい。
【００６６】
（実施例３）
実施例１および２では、軸上検出方式の装置の類型について示したが、本実施例では、いわゆる軸外検出方式の走査電子顕微鏡に対して本発明を適用した実施例について説明する。なおここで、軸外検出とは軸上検出に対する技術用語であり、電子線２光軸から見込む仰角が比較的小さい方向に反射される反射電子(高角度反射電子)を検出する軸上検出に対し、仰角が大きい方向に反射される反射電子(低角度反射電子)を検出するために、検出器を光軸から傾けて配置し、軸外で検出する検出方式の意味である。
【００６７】
図１３には、軸外検出方式で、低真空二次電子と低真空反射電子とを分離検出するための最も基本的な構成例について示した。ここで、図１３は、低真空反射電子と低真空二次電子を分離検出するための要部のみを示した図であり、走査電子顕微鏡を構成するためのその他の構成要件・動作等については、図１に示される走査電子顕微鏡と同等である。従って、図１と共通する構成要素については図示を省略し、特に断らない限り、以下使用する図面についても同様である。
【００６８】
図１３に示す構成例では、反射電子起因の誘導電流検出用の第１検出電極を、試料台１７の軸外に配置し、二次電子起因の誘導電流を検出するための第２検出電極を、試料台１７の表面に配置している。第２検出電極と第１検出電極の空間には、ガス増幅を行うための電界供給電極１８が配置されており、電界供給電極１８によって第１、第２の各検出電極との間に形成される電界によって、二次電子と反射電子とが分離され、かつ検出電極へドリフトされる。電界供給電極１８には、正電位を供給するための電源１９が接続されており、電源１９から電界供給電極１８に印加される電位は、第１、第２の各検出電極との電位差が所定値になるように、情報処理部１４によって制御される。また、第１、第２の各検出電極には、反射電子検出用増幅器２３，二次電子検出用増幅器２６がそれぞれ接続されており、かつ接地されている。各電極で検出された誘導電流信号は、情報処理部１４によって適当な演算処理が行われ低真空反射電子像、低真空二次電子像が形成される。
【００６９】
図１３に示す構成例では、第１検出電極は反射板１６と兼用であり、従って、第１検出電極は、反射電子との衝突面を備えている。衝突効率を高めるため、反射板１６は、衝突面が試料台側に向き、かつ反射電子衝突面の中心軸と一次電子線の光軸とが鋭角をなすような角度に配置されている。また、反射板１６は、衝突面の中心軸と、一次電子線２の光軸とが、一次電子線２の走査中心でおおむね一致するように配置される。反射板１６および電界供給電極１８の形状は、反射板の中心軸に関して対称とする。
なお、図１３に示す構成例において、反射板１６、電界供給電極１８は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台１７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。また、試料台１７を固定したとき、反射板１６と電界供給電極１８のどちらか一方もしくは両者は、反射板１６の中心軸と一次電子線２の光軸が一次電子線２の走査中心でおおむね一致する状態で、試料５に近づく方向もしくは遠ざかる方向に、図示しない駆動装置によって移動してもよい。
【００７０】
実施例１、２では、検出器が対物レンズ４直下にあったためWDを特に短くしたい(例えば、WD≦5mm)場合、試料台１７と検出器が干渉し、観察が不可能だったが、この構成では、検出器を軸外に設置していることから、短WDでの観察が可能になる。
【００７１】
図１４には、本実施例の類型の別な構成例を示した。図１４に示す構成は、図１３の構成例において、接地電位である検出電極を電界供給電極１８と試料台１７の間隙に配置した変形例である。
【００７２】
検出電極３５の形状は、反射板１６の中心軸に関して対称とする。実施例４では、電界供給電極１８が試料台１７近傍につくる電位勾配を検出電極３５が遮蔽しないようにするため、検出電極３５の内径は、電界供給電極１８の内径より3 mm〜10 mm程度大きくする。二次電子検出の方法は、実施例２と同様に行う。
【００７３】
この構成では、図５の構成例と同様の理由で、ステージクーリングシステム３６、試料台用電源３７との併用が可能になる。
【００７４】
図１５には、本実施例の類型の別な構成例を示した。図１５の構成例は、図１４の構成例において、二次電子検出用の検出電極の形状を変更したものである。図１５の構成例では、二次電子検出用に、イオンの検出効率を高めるため、電界供給電極１８の周囲を囲む円筒形状の検出電極３８を設置する。検出電極は接地電位とする。検出電極３８は、中心軸が反射板の中心軸と一致するように設置する。検出電極３８の内径は、一般的には10〜50 mmφ程度である。検出電極３８の中心軸は反射板１６の中心軸と一致するように配置する。反射電子７の検出、二次電子８の検出は、図１４の構成例と同様に行う。
【００７５】
図１５の構成例の反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８は、試料台１７の上下にともなって、各々と試料台１７との相対距離を保存するように上下してもよい。この場合、反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８の上下運動は、図示しない駆動装置によって行う。また、試料台１７を固定したとき、反射板１６、電界供給電極１８、検出電極３８は、反射板１６の中心軸と一次電子線２の光軸が一次電子線２の走査中心でおおむね一致する状態で、試料５に近づく方向もしくは遠ざかる方向に、図示しない駆動装置によって移動してもよい。
【００７６】
なお、本実施例の全ての構成例において、電界供給電極の形状はドーナツ状の円盤型に限定されるものではない。ガス増幅は、電界供給電極と接地電位の反射板もしくは試料台もしくは検出電極との間に作られる電位勾配に依存しており、ガス増幅の利得が最大となるように電界供給電極の形状を決定する。
【００７７】
この構成では、図１４の構成例と同様に、ステージクーリングシステム３６、試料台用電源３７との併用が可能になる。また、二次電子８起源のイオン２４に対する検出電極３８の見込み角を大きくする事ができるので、図１４の構成例に対して、イオン２４の捕集効率が向上する。
【００７８】
図１６には、図１５に示した構成例において、電界供給電極の形状を変えた変形例について示す。図１５の構成例における電界供給電極は、反射電子の通過する開口を備えた円盤形状の金属板により構成されているが、本構成例の電界供給電極は、曲面を持った複数の電極により構成されている。以下詳述する。図１６において、反射板１６と，円筒電極３８は、それぞれ反射電子起因の誘導電流検出電極（第１検出電極）、二次電子起因の誘導電流検出電極（第２検出電極）であり、第１検出電極は電子の衝突面を備えている。
【００７９】
円筒電極３８の内壁面には、ベアリングのような球形状の電界供給電極４０が複数配列されている。各電界供給電極４０は、円筒電極３８の中心軸に関して軸対称になるように配置される。また、各電極の大きさは1〜10 mm程度が好ましい。
複数の電界供給電極４０の電極は全て短絡されており、複数の電界供給電極４０のいずれかには、正電位を印加するための電源１９が接続されている。電界供給電極４０と反射板１６もしくは検出電極３８との距離は1〜10 mm程度が好ましい。
【００８０】
この構成例のように、電界供給電極４０の表面を曲面とすることで、接地電位である各検出電極との間に起こる放電を抑制しやすくなる。
【００８１】
なお、図１６の構成例から、反射板１６を除いた形状の装置を実現することも可能である。そのような変形例を図１７aに示した。円筒電極３８や電界供給電極４０の形状は図１６の構成例と同等であるが、反射板１６が無い。反射電子の検出は、円筒電極とは別に設けた反射電子検出用の検出電極により行う。典型的には、軸上検出型の反射電子検出電極と組み合わせて用いられる。
【００８２】
なお、図１７aに示す構成は、実施例１から３のいずれの構成と組み合わせることも可能である。
【００８３】
実施例１、２の二次電子検出器では、完全に二次電子のみの検出が行われていたわけではなく、反射板に到達するまえに、電界供給電極の作る電界に引き寄せられた低エネルギー(数百eV以下)の反射電子も検出していた。本構成例では、図１７aに示す二次電子検出器の配置を工夫することで、低エネルギーの反射電子の検出を抑制できるという効果がある。具体的には、円筒電極３８の中心軸と電子線の光軸２の角度が垂直になるようにし、それぞれの交点が試料の観察面より下方になるようにすればよい。この様子を図１７bに示した。このようにすることで極々低角度で低エネルギーの反射電子以外は電界供給電極４０に到達しなくなる。一般に、低角度ほど放出される反射電子の量は少なくなることが知られており、これにより、反射電子の検出が抑制される。
【００８４】
（実施例４）
軸上検出方式の装置構成においては、反射板兼第１検出電極が電子光学鏡筒の直下、あるいは対物レンズの直下に配置されることになるため、電界供給電極との間に形成される電位勾配が一次電子線の軌道に一部重なる。この影響をなくすため、対物レンズ直下に電場シールドを設けてもよい。図１８には、反射板１６の反射電子衝突面に電場シールドを設けた構成例について示した。電界供給電極１８の作り出す電界は、接地電位である電場シールド６４によって遮蔽される。電場シールド６４は対物レンズ４と電気的に導通されていてもよい。電場シールド６４は、磁性を帯びると一次電子線２に影響を与えるため、非磁性である必要がある。なお、電場シールド６４は、差動排気のためのアパチャー６５を備えてもよい。これによって、電場シールド６４内の真空度を試料室内より高く保つことができ、電場シールド６４内で起こる、ガス分子との散乱による一次電子線２の広がりを抑制できる。
【００８５】
以上、実施例１から４について、検出電極と電界供給電極を形状、配置場所で類別して説明したが、以上の実施例において、反射板に、反射板の反射電子が当たる面に酸化マグネシウムもしくはマグネシウムもしくは金などを塗布もしくは蒸着してもよい。副次電子の放出効率を高める効果がある。また、以上の実施例において、反射板として、半導体検出器、マイクロチャンネルプレートなど、反射電子を直接検出する反射電子検出器を使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】第１の実施例に関わる走査電子顕微鏡の構成例を示す図。
【図２】第１の実施例の走査電子顕微鏡において、電子像と反射電子像が同時に表示されている場合の画像処理端末の出力画面。出力されているときの画面。
【図３】第１の実施例において、合成画像を作成するためのk、l の各パラメータを画像処理部から呼び出している様子を示す図。
【図４】第１の実施例において、合成画像を作成するためのk、l の各パラメータをＧＵＩ上で設定しているときの様子を示す図。
【図５】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図６】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図７】第１の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図８】第１の実施例において、反射板を複数セグメントに分けて構成した図。
【図９】第２の実施例における構成例の光学系要部を示す図。
【図１０】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１１】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１２】第２の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１３】第３の実施例における構成例の光学系要部を示す図。
【図１４】第３の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１５】第３の実施例における別な構成例の光学系要部を示す図。
【図１６】第３の実施例における電界供給電極変形例について示す図。
【図１７ａ】第３の実施例における電界供給電極変形例について示す図。
【図１７ｂ】図１７aの実施例の配置例について示す図。
【図１８】第４の実施例における電界シールドについて示す図。
【図１９】従来技術である特表２００２−５１６６４７の特徴を示す模式図。
【図２０】従来技術である特表２００２−５１６６４７の特徴を示す模式図。
【符号の説明】
【００８７】
１…電子銃、２…一次電子線、３…コンデンサーレンズ、４…対物レンズ、５…試料、６…偏向器、７…反射電子、８…二次電子、９…試料室、１０…大気導入口、１１…ニードルバルブ、１２…Ｅｖｅｒｈａｒｔ Ｔｈｏｒｎｌｅｙ型検出器、１３…二次電子コレクタ電極、１４…画像処理部、１５…画像処理端末、１６…反射板、１７…試料台、１８…ドーナツ状円盤型電界供給電極、１９…電界供給電極用電源、２０…副次電子、２１…副次電子２０起源のイオン、２２…反射電子起源の正の誘導電流、２３…反射電子検出用増幅器、２４…二次電子８起源のイオン、２５…二次電子起源の正の誘導電流、２６…二次電子検出用増幅器、２７…画像処理端末の画面、２８…反射電子像、２９…二次電子像、３０…合成画像、３１…パラメータ選択用ボタン、３２…ｋ 値バー、３３…ｌ 値バー、３４…可動バー、３５…ドーナツ状の円盤型の検出電極、３６…ステージクーリングシステム、３７…試料台用電源、３８…円筒形状の検出電極、３９…、断面が円形のリング状の電界供給電極、４０…曲面を持った複数の電界供給電極、４１…反射板ａ、４２…反射板ａ、４３…反射板ｂ、４４…反射板ｄ、４５…反射板ａにあたった反射電子、４６…反射板ａにあたった反射電子４５起源の正の誘導電流、４７…反射板ａ用増幅器、４８…反射板ｂ用増幅器、４９…反射板ｃ用増幅器、５０…反射板ｄ用増幅器、５１…反射板ｂにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５２…反射板ｃにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５３…反射板ｄにあたった反射電子起源の正の誘導電流、５４…低角度反射電子検出用反射板、５５…高角度反射電子、５６…低角度反射電子、５７…低角度反射電子５６起源の副次電子、５８…低角度反射電子５６起源の副次電子５７起源のイオン、５９…低角度反射電子検出用反射板にあたった低角度反射電子起源の正の誘導電流、６０…低角度反射電子検出用反射板用増幅器、６１…ドーナツ状の円盤型の反射電子検出用検出電極、６２…断面が円形のリング状の二次電子増幅用電界供給電極、６３…二次電子増幅用電界供給電極用電源、６４…電場シールド、６５…差動排気のためのアパーチャ、
６６…観察条件制御部、１０１…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料室、１０２…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料、１０３…特表２００２−５１６６４７の実施例の検出電極、１０４…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射板兼電界供給電極、１０５…特表２００２−５１６６４７の実施例の電源、１０６…特表２００２−５１６６４７の実施例の一次電子線、１０７…特表２００２−５１６６４７の実施例の対物レンズ、１０８…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射電子、１０９…特表２００２−５１６６４７の実施例の二次電子、１１０…特表２００２−５１６６４７の実施例の試料台、１１１…特表２００２−５１６６４７の実施例の副次電子、１１２…特表２００２−５１６６４７の実施例の負の誘導電流、１１３…特表２００２−５１６６４７の実施例の増幅器、１１４…特表２００２−５１６６４７の実施例の円盤型検出電極、１１５…特表２００２−５１６６４７の実施例の検出電極１１４用電源、１１６…特表２００２−５１６６４７の実施例の反射板兼電界供給電極１０４用電源。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を試料に照射する照射光学系と、被観察試料を保持する試料台と、当該試料台を格納する試料室内とを備え、前記電子線照射によって試料から放出される荷電粒子を、試料室内のガス分子との相互作用によってガス増幅し、当該増幅された荷電粒子を正の誘導電流として検出する走査電子顕微鏡において、
前記試料から放出される荷電粒子のうち、少なくとも二種類の異なる荷電粒子に起因する二種類の誘導電流を分離して同時に検出する少なくとも二系統の検出手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記二系統の検出手段は、
ガス増幅用電界供給電圧と、
前記二種類の異なる荷電粒子の一方に起因する前記誘導電流を検出する第１の検出電極と、
該第１の検出電極に接続された第１の増幅器と、
もう一方の荷電粒子に起因する前記誘導電流を検出する第２の検出電極と、
該第２の検出電極に接続された第２の増幅器とを少なくとも備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
電子線を試料に照射する電子光学鏡筒と、被観察試料を保持する試料台と、当該試料台を格納する試料室内とを備え、前記電子線照射によって試料から放出される荷電粒子を、試料室内のガス分子との相互作用によってガス増幅し、当該増幅されたイオンを正の誘導電流として検出する走査電子顕微鏡において、
前記電子線照射により、前記被観察試料から放出される荷電粒子のうち反射電子起因の誘導電流を検出する第１検出電極と、
前記電子線照射により、前記被観察試料から放出される荷電粒子のうち二次電子起因の誘導電流を検出する第２検出電極と、
前記反射電子によってガス増幅されたイオンと、前記二次電子によってガス増幅したイオンとを、分離して前記第１検出電極と前記第２検出電極へ移動させる手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記反射電子の衝突面を備え、
前記ガス増幅したイオンの移動手段として、ガス増幅用の電界供給電極を備え、
当該電界供給電極が、前記試料台と前記第１検出電極との間に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極が、角度成分の異なる反射電子が衝突する複数の反射電子衝突面を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記反射電子の高角度成分が衝突する第１の衝突面と、前記反射電子の低角度成分が衝突する第２の衝突面とを備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記ガス増幅したイオンの移動させる手段として、前記試料台と前記第１検出電極との間に配置されたガス増幅用の電界供給電極を備え、
当該第１検出電極は、前記電子光学鏡筒下面と前記試料台との空間において前記照射電子線光軸から一定距離離れた位置に、前記衝突面が前記試料台を向くように配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極と前記電子光学鏡筒の底面との間に配置された、反射電子の衝突する衝突面を備えた反射板を備え、当該反射板が接地されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記電子光学鏡筒底面の下部に配置され、かつ、方位角の異なる反射電子が衝突する領域に分割された複数の衝突面を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項３から９のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記試料台が前記第２検出電極を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項４から９のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第２検出電極が、前記電界供給電極と前記試料台との間に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項７に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、円盤状電極により構成され、
前記第２検出電極は、前記衝突面の中心軸に対して軸対称な位置に配置された円筒状電極により構成され、
前記電界供給電極は、前記円筒内部に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記電界供給電極は、前記円筒状電極の内壁面に設けられた複数の半球面状電極により構成されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項８に記載の走査電子顕微鏡において、
前記反射板は、一次電子線通過用開口の下部に形成された、電子線の光軸に関して対称な形状、かつ非磁性の材質からなる電場シールドを備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記電場シールドの内部に形成された差動排気用アパーチャを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項３から１５のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極に替えて、反射電子検出器を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項３から１６のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極または第２検出電極から検出される誘導電流の信号に対して、所定の演算を施し、一つの画像に合成して出力する画像処理装置を備えた走査電子顕微鏡。
【請求項１】
電子線を試料に照射する照射光学系と、被観察試料を保持する試料台と、当該試料台を格納する試料室内とを備え、前記電子線照射によって試料から放出される荷電粒子を、試料室内のガス分子との相互作用によってガス増幅し、当該増幅された荷電粒子を正の誘導電流として検出する走査電子顕微鏡において、
前記試料から放出される荷電粒子のうち、少なくとも二種類の異なる荷電粒子に起因する二種類の誘導電流を分離して同時に検出する少なくとも二系統の検出手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の走査電子顕微鏡において、前記二系統の検出手段は、
ガス増幅用電界供給電圧と、
前記二種類の異なる荷電粒子の一方に起因する前記誘導電流を検出する第１の検出電極と、
該第１の検出電極に接続された第１の増幅器と、
もう一方の荷電粒子に起因する前記誘導電流を検出する第２の検出電極と、
該第２の検出電極に接続された第２の増幅器とを少なくとも備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
電子線を試料に照射する電子光学鏡筒と、被観察試料を保持する試料台と、当該試料台を格納する試料室内とを備え、前記電子線照射によって試料から放出される荷電粒子を、試料室内のガス分子との相互作用によってガス増幅し、当該増幅されたイオンを正の誘導電流として検出する走査電子顕微鏡において、
前記電子線照射により、前記被観察試料から放出される荷電粒子のうち反射電子起因の誘導電流を検出する第１検出電極と、
前記電子線照射により、前記被観察試料から放出される荷電粒子のうち二次電子起因の誘導電流を検出する第２検出電極と、
前記反射電子によってガス増幅されたイオンと、前記二次電子によってガス増幅したイオンとを、分離して前記第１検出電極と前記第２検出電極へ移動させる手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記反射電子の衝突面を備え、
前記ガス増幅したイオンの移動手段として、ガス増幅用の電界供給電極を備え、
当該電界供給電極が、前記試料台と前記第１検出電極との間に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極が、角度成分の異なる反射電子が衝突する複数の反射電子衝突面を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記反射電子の高角度成分が衝突する第１の衝突面と、前記反射電子の低角度成分が衝突する第２の衝突面とを備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記ガス増幅したイオンの移動させる手段として、前記試料台と前記第１検出電極との間に配置されたガス増幅用の電界供給電極を備え、
当該第１検出電極は、前記電子光学鏡筒下面と前記試料台との空間において前記照射電子線光軸から一定距離離れた位置に、前記衝突面が前記試料台を向くように配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項３に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極と前記電子光学鏡筒の底面との間に配置された、反射電子の衝突する衝突面を備えた反射板を備え、当該反射板が接地されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、前記電子光学鏡筒底面の下部に配置され、かつ、方位角の異なる反射電子が衝突する領域に分割された複数の衝突面を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項３から９のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記試料台が前記第２検出電極を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項４から９のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第２検出電極が、前記電界供給電極と前記試料台との間に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項７に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極は、円盤状電極により構成され、
前記第２検出電極は、前記衝突面の中心軸に対して軸対称な位置に配置された円筒状電極により構成され、
前記電界供給電極は、前記円筒内部に配置されたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１３】
請求項１１に記載の走査電子顕微鏡において、
前記電界供給電極は、前記円筒状電極の内壁面に設けられた複数の半球面状電極により構成されることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項８に記載の走査電子顕微鏡において、
前記反射板は、一次電子線通過用開口の下部に形成された、電子線の光軸に関して対称な形状、かつ非磁性の材質からなる電場シールドを備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項１４に記載の走査電子顕微鏡において、
前記電場シールドの内部に形成された差動排気用アパーチャを有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項３から１５のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極に替えて、反射電子検出器を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項３から１６のいずれか１項に記載の走査電子顕微鏡において、
前記第１検出電極または第２検出電極から検出される誘導電流の信号に対して、所定の演算を施し、一つの画像に合成して出力する画像処理装置を備えた走査電子顕微鏡。
【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１５】
【図１６】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１５】
【図１６】
【図１７ａ】
【図１７ｂ】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−４７３１０（Ｐ２００８−４７３１０Ａ）
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２１９１６０（Ｐ２００６−２１９１６０）
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年８月１１日（２００６．８．１１）
【出願人】（０００２３３５５０）株式会社日立ハイテクサイエンスシステムズ (112)
【Ｆターム（参考）】
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