(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
散乱光を発する試料が内部に配置されるチャンバと、光を検出する前記チャンバ外の光検出部とを備え、前記試料が発する散乱光を検出する光検出装置において、
前記散乱光を集光して非散乱光に変換する楕円面鏡と、
前記チャンバに設けられており、前記楕円面鏡により変換して得た非散乱光が通過するチャンバ開口部と、
該チャンバ開口部を気密封止しており、前記チャンバ開口部を通過する非散乱光を平行化して前記光検出部へ伝送するコリメートレンズと
を備え、
前記試料の観察面と前記コリメートレンズの光軸とが平行となる位置に前記コリメートレンズが前記チャンバに設けられている
ことを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記楕円面鏡の２焦点と異なる位置に載置面の略中央が位置しており、前記試料が載置される試料台を備えることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記楕円面鏡は、前記２焦点を結ぶ焦点軸よりも内面側に集光するよう構成してあることを特徴とする請求項２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記楕円面鏡は、内外に貫通する孔部を備え、
前記楕円面鏡の外面側から前記孔部を撮像する撮像部を備え、
前記孔部は、貫通方向に狭窄する狭窄部を備える
ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の光検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光した光を平行化して伝送する光検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発光材料からなる試料に可視光ビーム、電子線及びＸ線ビーム等の励起ビームを照射して、励起させた試料からの光を検出する光検出装置が広く使われている（例えば、特許文献１乃至３参照）。また、励起ビームとして電子線又はＸ線ビームを用いる場合、真空状態又は低真空状態のチャンバ内に試料を配置し、当該試料に励起ビームを照射することがある。この場合、励起させた試料からの光を集光鏡で集光し、チャンバ外の光検出部に伝送して検出する。チャンバ内で集光した光を光検出部に伝送するために、チャンバ壁面を貫通して、チャンバ及び光検出部を接続する光ファイバーを用いた光検出装置が使われている（例えば、特許文献４参照）。
【０００３】
近年、半導体の微細加工技術の進歩に伴って、より短波長の光を半導体製造プロセスに用いるようになってきている。例えば、次世代の半導体製造プロセスでは、２００ｎｍ以下の波長を有する真空紫外線が用いられる可能性がある。しかし、電子線励起により真空紫外光を発光する固体発光材料が見出されていないため、真空紫外光を発光する寿命、安定性及び経済性に優れた固体発光素子は、開発されていない。そこで、電子線励起により真空紫外光を発光する固体発光材料を探索するために、電子線照射した材料が真空紫外線を発光した場合に、当該真空紫外線を検出する光検出装置が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２３５８３６号公報
【特許文献２】特開２００２−５１４７４７号公報
【特許文献３】特開２００５−２２８８８６号公報
【特許文献４】特開２００５−５０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来技術による装置では、チャンバ及び光検出部間を接続する光ファイバーに生じる損失により、光検出部に伝送される光の強度が減衰して検出感度が低下するという問題あった。特に、真空紫外線は光ファイバーを透過しないため、光検出部に伝送されず、検出できないという問題があった。
【０００６】
本願は、斯かる事情に鑑みてなされたものである。その目的は、楕円面鏡により集光した光をコリメートレンズにより平行化して光ファイバーを用いずに伝送することにより、高い光検出感度を有する光検出装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願に開示する光検出装置は、散乱光を発する試料が内部に配置されるチャンバと、光を検出する前記チャンバ外の光検出部とを備え、前記試料が発する散乱光を検出する光検出装置において、前記散乱光を集光して非散乱光に変換する楕円面鏡と、前記チャンバに設けられており、前記楕円面鏡により変換して得た非散乱光が通過するチャンバ開口部と、該チャンバ開口部を気密封止しており、前記チャンバ開口部を通過する非散乱光を平行化して前記光検出部へ伝送するコリメートレンズとを備え、前記試料の観察面と前記コリメートレンズの光軸とが平行となる位置に前記コリメートレンズが前記チャンバに設けられていることを特徴とする。
【０００８】
本発明にあっては、チャンバ内に配置された試料を内面が覆うように楕円面鏡が配置される。試料が発する散乱光は、楕円面鏡の内面での反射により集光されて非散乱光に変換される。非散乱光は、チャンバ外の光検出部に繋がるチャンバ開口部に向かう。チャンバ開口部は、嵌合してあるコリメートレンズにより、チャンバの真空度を保持すべく気密封止されている。チャンバ開口部に向かった光は、コリメートレンズにより平行化されて、チャンバ外の光検出部に伝送される。
【０００９】
本願に開示する光検出装置は、前記楕円面鏡の２焦点と異なる位置に載置面の略中央が位置しており、前記試料が載置される試料台を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明にあっては、試料台の載置面の略中央が楕円面鏡の２焦点間の外側に位置するよう試料台が楕円面鏡に対して配置される。試料台に載置された試料が発する散乱光は、楕円面鏡の内面での反射により、楕円面鏡の２焦点と異なる位置へ集光されて非散乱光に変換される。非散乱光は、チャンバ開口部のコリメートレンズに入射して平行化される。
【００１１】
本願に開示する光検出装置は、前記楕円面鏡は、前記２焦点を結ぶ焦点軸よりも内面側に集光するよう構成してあることを特徴とする。
【００１２】
本発明にあっては、試料が発した散乱光が、楕円面鏡の内面での反射により楕円面鏡の焦点軸から楕円面鏡の内面側へ外れた位置へ集光されて非散乱光に変換される。非散乱光は、チャンバ開口部のコリメートレンズに入射して平行化される。
【００１３】
本願に開示する光検出装置は、前記楕円面鏡は、内外に貫通する孔部を備え、前記楕円面鏡の外面側から前記孔部を撮像する撮像部を備え、前記孔部は、貫通方向に狭窄する狭窄部を備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明にあっては、楕円面鏡の外面側から孔部が撮像される。撮像して得た孔部の画像には、楕円面鏡の外面に位置する孔部の開口部と、狭窄部の内周縁とが映る。画像に映った開口部及び内周縁の位置関係は、試料台の載置面に対する楕円面鏡の傾斜角度に依存する。
【発明の効果】
【００２３】
当該装置の一観点によれば、楕円面鏡により集光した光をコリメートレンズにより平行化して光ファイバーを用いずに伝送することにより、高い光検出感度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施の形態１に係るＳＥＭの例を示すブロック図である。
【図２】楕円面鏡を示す側面図及び上面図である。
【図３】コリメートレンズの他の取付例を示す模式的断面図である。
【図４】実施の形態１に係る楕円面鏡及びコリメートレンズを含む光学系を示す断面模式図である。
【図５】楕円面鏡で集光された光及び分光部のスリットに照射された光夫々の光束断面の例を示す模式図である。
【図６】水平状態の楕円面鏡及び試料の側面図と、楕円面鏡を撮像して得た画像とを示す模式図である。
【図７】傾斜状態の楕円面鏡及び試料の側面図と、楕円面鏡を撮像して得た画像とを示す模式図である。
【図８】孔部の他の形状例を示す模式的断面図である。
【図９】実施の形態２に係るＳＥＭの例を示すブロック図である。
【図１０】実施の形態２に係る楕円面鏡及びコリメートレンズを含む光学系を示す断面模式図である。
【図１１】実施の形態２に係る楕円面鏡及びコリメート鏡を含む光学系を示す断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
実施の形態１
以下、実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。本願に係る光検出装置は、真空下又はガス雰囲気下のチャンバ内に配置された試料が発する散乱光を集光して検出する。例えば、チャンバ内の試料に光を照射し、試料表面での反射により放射される散乱光又は光励起により試料が発する散乱光を検出する光検出装置である。また、例えば、試料にレーザ光、電子線、Ｘ線及びガンマ線等のビームを照射し、ビーム励起により試料が発する散乱光を検出する光検出装置である。ここで、試料が発する散乱光は、試料に照射された光の波長に等しい弾性散乱光に限るものではなく、波長が異なる非弾性散乱光も含む。非弾性散乱光は、例えば、ラマン散乱光である。また、ビーム励起により試料が発する散乱光は、例えば、カソードルミネッセンス光及びホトルミネッセンス光等の発光並びに蛍光等である。
【００２６】
発光の有無を検出する光検出装置に限るものではなく、分光器を用いて試料表面から発する散乱光のスペクトルを検出する光検出装置であってもよい。更に照射するビームを走査して、試料の表面における発光及びスペクトルの局所分布を検出する光検出装置も含まれる。例えば、試料に電子線を照射して試料表面の像を取得するＳＥＭ（ Scanning Electron Microscope、走査型電子顕微鏡）に対して、電子線励起による発光スペクトルを測定する分光部を備えた光検出装置であってもよい。本実施の形態は、分光部を備えたＳＥＭを光検出装置の例に挙げて説明する。
【００２７】
図１は、実施の形態１に係るＳＥＭの例を示すブロック図である。ＳＥＭは、電子線照射部（ビーム照射部）１と、内部の試料台５に試料４が配置されるチャンバ２と、電子線を照射した試料４から放出される二次電子を検出する二次電子検出部８とからなる従来公知のＳＥＭの基本構造を含む。また、ＳＥＭは、チャンバ２から伝送されてきた光のスペクトルを検出するチャンバ２外の分光部（光検出部）７とを含む。電子線照射部１は、電子線を発生するフィールドエミッション型の電子銃１１と、電子線を収束させる集束レンズ１２と、電子線を走査するための走査コイル１３とを含む。
【００２８】
また、電子線照射部１は、走査コイル１３により走査方向に沿って偏向した電子線を集光する対物レンズ１４とを含む。電子銃１１から発生した電子線は、集束レンズ１２、走査コイル１３及び対物レンズ１４を通過して出射口から試料４に向けて出射する。電子線照射部１は、チャンバ２に設けられた開口部から挿入され、チャンバ２を気密封止するよう装着されている。また、チャンバ２は、コリメートレンズ２１が嵌合する開口部（チャンバ開口部）２４を備える。コリメートレンズ２１は、所定の高さを有する円柱及び当該円柱の一端に凸部が形成された形状を有する。コリメートレンズ２１の外周面となる円柱側面は、チャンバ２の開口部２４の内周面に接合してある。これにより、コリメートレンズ２１は、チャンバ２の開口部２４を気密封止している。
【００２９】
電子線照射部１内の電子線が通過する部分及びチャンバ２内夫々は、ターボ分子ポンプ等の真空排気部６ａ、６ｂにより真空排気される。ＳＥＭは、試料４に照射した電子線を用いて試料面を走査し、電子線の照射スポットに位置する試料面の一部から放出される２次電子を２次電子検出部８により検出する。そしてＳＥＭは、試料４の試料面の２次電子像を取得することで、試料面を撮像する。チャンバ２は、電子線照射部１の出射口の直下に配置された楕円面鏡３を内部に備えており、楕円面鏡３の内面側に試料４が載置される試料台５を備える。楕円面鏡３には、電子線照射部１から出射した電子線が楕円面鏡３の外面から内面に向かって通過する孔部３０が設けられている。
【００３０】
楕円面鏡３の孔部３０を通過した電子線は、試料４に照射される。楕円面鏡３は、電子線が照射されてた試料４の試料面の一部がカソードルミネッセンスにより発する散乱光を、内面での反射により集光して非散乱光に変換する。また、チャンバ２の開口部２４に嵌合してあるコリメートレンズ２１は、楕円面鏡３により変換された非散乱光を平行化する。コリメートレンズ２１を通過して平行化した光は、空間を伝播して分光部７に伝送される。分光部７は、伝送された光を図示しない内蔵の短冊状スリットを通して分光し、スペクトルを検出する。
【００３１】
図２は、楕円面鏡３を示す側面図及び上面図である。図２Ａは、楕円面鏡３を電子線照射方向及び楕円面鏡３の集光方向に対して共に略垂直な方向から見た側面図を示す。図２Ｂは、楕円面鏡３の電子線照射部１側から見た上面図を示す。楕円面鏡３は、内面に長軸を回転軸とする楕円面（回転楕円面）の極近傍の部分面からなる曲面が反射面として形成されている。電子線照射部１側の楕円面鏡３の上面略中央には、円孔の孔部３０が上面に対して略垂直に楕円面鏡３の上面から内面に向かって貫通している。
【００３２】
孔部３０は、楕円面鏡３の上面に開口部を有する円孔の上部３１と、上部３１の内径よりも短い内径を有しており、楕円面鏡３の内面に開口部を有する円孔の狭窄部３２とが同一の中心軸上に連結してなる。電子線照射部１から出射した電子線は、孔部３０の上部３１及び狭窄部３２を通過して試料４に照射される。電子線を試料４の試料面で走査する場合、走査範囲は孔部３０の狭窄部３２の内径により制限される。ＳＥＭは、試料４の試料面のみならず、楕円面鏡３の上面で電子線を走査して、楕円面鏡３の上面を撮像可能にしてある。
【００３３】
図３は、コリメートレンズ２１の他の取付例を示す模式的断面図である。コリメートレンズ２１は、外周面がチャンバ２の開口部２４の内周面に接合する場合に限るものではなく、交換可能にチャンバ２の開口部２４に取り付けてもよい。例えば、チャンバ２の開口部２４には、開口部２４から突設する円筒及び円筒の端部に設けられたフランジ部からなる真空ポート２００が溶接等により接合されている。コリメートレンズ２１には、金属等の円板からなるフランジ２１０が外周面に接合されている。フランジ２１０は、コリメートレンズ２１の入射側にフランジ面を有しており、当該フランジ面には、ゴム等の弾性体又は銅等の金属からなるリング状のガスケット２１３が嵌合する円周溝を備え、真空ポート２００のフランジ面との間でガスケット２１３を挟持する。
【００３４】
また、フランジ２１０には、外縁に沿って所定間隔で複数の孔部が設けられ、各孔部にはボルト２１１が挿通される。真空ポート２００には、フランジ２１０の複数の孔部と共にボルト２１１が挿通する複数の孔部が設けられている。フランジ２１０及び真空ポート２００の各孔部を挿通したボルト２１１夫々は、ナット２１２によりネジ留めされる。真空ポート２００にネジ留めされたフランジ２１０のガスケット２１３は、真空ポート２００のフランジ面に圧接することで、チャンバ２の開口部２４を気密封止する。真空ポート２００にボルト留めしてあるフランジ２１０を、接合してあるコリメートレンズ２１と共に交換することにより、チャンバ２の開口部２４に取り付けるコリメートレンズ２１を交換可能となる。例えば、試料４が放射する発光又は蛍光等を含む散乱光の波長域に応じて、透過波長域の異なるコリメートレンズ２１に交換可能となる。
【００３５】
図４は、実施の形態１に係る楕円面鏡３及びコリメートレンズ２１を含む光学系を示す断面模式図である。図４中の破線は、楕円面鏡３の内面を部分面とする楕円面の断面周縁を示しており、楕円面鏡３の焦点Ｆ１、Ｆ２を２焦点とする楕円である。図４中のＬ０及びＬ２１夫々は、楕円面鏡３の焦点Ｆ１、Ｆ２を結ぶ焦点軸及びコリメートレンズ２１の光軸を示す。図４中のＬ５は、試料台５の載置面の焦点軸Ｌ０方向の略中央を通り、載置面の法線方向に延びる中央線を示す。試料台５の載置面は、例えば、矩形又は円形の載置面を有する。試料台５は、焦点Ｆ１、Ｆ２が中央線Ｌ５上に位置しないよう楕円面鏡３に対して配置される。孔部３０は、貫通方向の中心軸が焦点Ｆ１、Ｆ２間の外側に位置するよう楕円面鏡３に設けられている。試料４は、試料台５の載置面の略中央に載置される。以上により、孔部３０を通過して試料４の試料面上に照射される電子線の照射スポット４０は、焦点Ｆ１、Ｆ２と異なる位置となる。
【００３６】
更に、楕円面鏡３は、照射スポット４０に位置する試料４の一部が発する散乱光を焦点軸Ｌ０から、例えば数μｍの距離ΔＺを離れた集光位置Ａ１に集光するよう構成されている。楕円面鏡３の内面の曲率及び距離ΔＺは、図４に示す光学系で試料４が発する散乱光の集光効率が高くなるよう決定される。例えば、異なる曲率及び距離ΔＺ夫々での集光効率を実験又は光学シミュレーションにより求めて、高い集光効率が得られた曲率及び距離ΔＺを選択するとよい。試料４が発する散乱光は、楕円面鏡３により集光位置Ａ１に集光されて非散乱光に変換される。非散乱光は、集光位置Ａ１を通過する光軸Ｌ２１を有するコリメートレンズ２１に入射して平行化される。
【００３７】
図４に示す例では、光軸Ｌ２１が焦点軸Ｌ０に平行となるようコリメートレンズ２１を配置しているが、これに限るものではなく、焦点軸Ｌ０に平行でなくてもよい。楕円面鏡３は、略同一の立体角を有する放物面鏡と比較して、試料台５の載置面の垂直方向に対する曲率が小さくなるため、試料台５の載置面からの高さが低くなる。よって、放物面鏡でなく楕円面鏡３を用いて集光することにより、試料４及び電子線照射部１の出射口間の距離を短くして、ＳＥＭの分解能を向上させることが可能となる。
【００３８】
図５は、楕円面鏡３で集光された光及び分光部７のスリットに照射された光夫々の光束断面の例を示す模式図である。図５Ａは、楕円面鏡３で集光された光の集光位置Ａ１付近における光束断面の例を示す模式図である。図５Ｂは、分光部７の光学系によりスリット上に集光された光のスリット位置における光束断面の例を示す模式図である。楕円面鏡３で集光位置Ａ１に集光された光は、図５Ａの斜線部で示す一方向に延びた扇形状の光束断面Ｂ０となる。また、光束断面Ｂ０の略中央には、楕円面鏡３の孔部３０による楕円状の影が、図５Ａ中の白抜で示す如く位置する。楕円面鏡３で集光されてコリメートレンズ２１で平行化された光は、分光部７が有する集光レンズ等からなる光学系で集光されて内蔵するスリットに光軸がスリット面に対して略垂直となるよう照射される。図５Ｂの斜線で示す如く、分光部７が有する光学系により、スリットＳに沿って延びた三日月状の光束断面Ｂ１を有する光に変換されてスリットＳに照射される。
【００３９】
一方、従来技術では、楕円面鏡３の２焦点Ｆ１、Ｆ２のうち、１つの焦点Ｆ１又はＦ２が載置面の中央線Ｌ５上に位置するよう試料台５が配置されており、当該１つの焦点Ｆ１又はＦ２に照射スポット４０が位置する。そして、楕円面鏡３は、散乱光を楕円面鏡３の他の焦点Ｆ１又はＦ２に集光する。この従来技術では、楕円面鏡３で他の焦点Ｆ１又はＦ２に集光した光が図５Ａ中の二点鎖線で示す略円形の光束断面Ｃ０を有する。また、光束断面Ｃ０の略中央には、楕円面鏡３の孔部３０による略円状の影が位置する。そして光束断面Ｃ０を有する光束が集光され、スリットＳには、図５Ｂの二点鎖線で示す略円状の光束断面Ｃ１を有する光が照射される。
【００４０】
従来技術における略円状の光束断面Ｃ１を有する光束は、スリットＳを通過する光の光量が小さくなり、高感度の分光部７を得ることができない。本発明では、スリットＳに沿って一方向に延びた光束断面Ｂ１を有する光がスリットＳに入射することにより、スリットＳを通過する光の光量を増大させて高感度の分光部７を得ることが可能となる。
【００４１】
図６は、水平状態の楕円面鏡３及び試料４の側面図と、楕円面鏡３を撮像して得た画像とを示す模式図である。図６Ａは、水平状態の楕円面鏡３を電子線照射方向及び楕円面鏡３の集光方向に対して共に略垂直な方向から見た側面図を示す。図６Ｂは、水平状態の楕円面鏡３の電子線照射部１側から見た上面図を示す。図６Ａに示す如く楕円面鏡３の孔部３０の中心軸Ｌ３０が試料４の試料面に対して略垂直である場合、楕円面鏡３の上面が試料面に対して略水平となる。図６Ｂは、略水平状態の楕円面鏡３を図６Ａ中の白抜矢印方向から撮像した場合の画像を示す。図６Ｂに示す画像の例では、楕円面鏡３の上面の略中央には、孔部３０の上部３１の開口部と、狭窄部３２の開口部とが略同心円状に映っている。図６Ｂ中のΔＸは、上部３１の開口部の外縁と、狭窄部３２の開口部の内縁との距離を示す。
【００４２】
図７は、傾斜状態の楕円面鏡３及び試料４の側面図と、楕円面鏡３を撮像して得た画像とを示す模式図である。図７Ａは、傾斜状態の楕円面鏡３を電子線照射方向及び楕円面鏡３の集光方向に対して共に略垂直な方向から見た側面図を示す。図７Ｂは、傾斜状態の楕円面鏡３の電子線照射部１側から見た上面図を示す。図７Ａに示す如く楕円面鏡３の孔部３０の中心軸Ｌ３０が試料４の試料面の法線に対して傾斜角度θを有して傾斜する場合、楕円面鏡３の上面が試料面に対して傾斜した状態となる。図７Ｂは、ＳＥＭが傾斜状態の楕円面鏡３を図７Ａ中の白抜矢印から撮像した場合の画像を示す。図７Ｂに示す画像の例では、楕円面鏡３の上面の略中央に上部３１の開口部と、狭窄部３２の開口部とが楕円状に映っている。また、上部３１の開口部の外縁と、狭窄部３２の開口部の内縁との距離ΔＸが図６Ｂに示す距離ΔＸよりも短くなっている。
【００４３】
撮像した楕円面鏡３の画像に基づいて距離ΔＸを計測することにより、楕円面鏡３の傾斜角度θが算出される。楕円面鏡３の傾斜角度θを調整する機構をＳＥＭに備えることにより、ＳＥＭのユーザは、算出した傾斜角度θに基づいて楕円面鏡３の傾斜角度θを容易に調整することが可能となる。すなわち、ＳＥＭのユーザは、算出した傾斜角度θに基づいて楕円面鏡３の集光位置Ａ１を容易に調整することが可能となる。
【００４４】
図８は、孔部３０の他の形状例を示す模式的断面図である。楕円面鏡３の孔部３０は、内径の異なる円孔の上部３１及び狭窄部３２からなる場合に限らない。例えば、図８Ａに示す如く、楕円面鏡３の上面の開口部を底面とする円錐台の上部３１と、上部３１の上面に連結する円孔の狭窄部３２とからなる場合でもよい。また、図８Ｂに示す如く、楕円面鏡３の上面に開口部を有する椀状の上部３１と、上部３１の底部に設けられた円孔の狭窄部３２とからなる場合であってもよい。
【００４５】
本発明では、平行化した光をチャンバ２から分光部７へ伝送することにより、光ファイバーを用いた場合における伝送損失が生じないため、高い検出感度を得ることが可能となる。また、本発明では、光ファイバーで伝送できない真空紫外光を分光部７へ伝送して検出することが可能となる。更に、本発明では、カソードルミネッセンスにより試料から放射される光をＳＥＭを用いて高感度に検出することが可能となる。
【００４６】
電子線を試料４の試料面で走査する場合、照射スポット４０の試料面上の移動に伴って集光位置Ａ１が移動し、コリメートレンズ２１により平行化された光束の平行度が低下する。例えば焦点Ｆ２から離れる方向に照射スポット４０が移動した場合、集光位置Ａ１は、焦点Ｆ１に向かう方向に移動し、コリメートレンズ２１を通過した光束は、平行光よりも広がる。そこで、広がった光束を補正して平行光にすべく補正レンズをコリメートレンズ２１の出射側及び同軸上に設けてもよい。補正レンズは、集光位置Ａ１の移動に応じて、コリメートレンズ２１の光軸上を移動可能にするとよい。補正レンズを備えることにより、電子線を試料面で走査して照射スポット４０が試料面上を移動する場合であっても、平行化した光を伝送することが可能となる。
【００４７】
また、試料台５に真空用ピエゾアクチュエータを設けて、試料台５を試料４の載置面内方向に移動してもよい。この場合、電子線照射部１は、電子線を走査せず、試料台５を載置面内方向に移動させることにより、照射スポット４０を試料面内で走査する。これにより、走査中であっても照射スポット４０に対する楕円面鏡３の配置が変化しないため、補正レンズを設けずに平行化した光を伝送することが可能となる。また、試料面に対する照射スポット４０の走査範囲が孔部３０の狭窄部３２の内径により制限されることがなく、広範囲に試料面を走査することが可能となる。
【００４８】
実施の形態２
本実施の形態は、実施の形態１がチャンバ２の開口部２４に設けられたコリメートレンズ２１により平行化するのに対して、光伝送装置に設けられたコリメートレンズ２１又はコリメート鏡により平行化するようにしてある。また、実施の形態１が一つの分光部７を備えるのに対して複数の分光部を備える。図９は、実施の形態２に係るＳＥＭの例を示すブロック図である。チャンバ２には、試料台５の載置面の略中央から上側に所定距離離れた位置へ各中心軸が向かうよう側面に設けられた２つの開口部２４、２４を備える。各開口部２４には、筒状の支持筒９０ａ、９０ｂが挿通している。支持筒９０ａ、９０ｂ夫々の外面及びチャンバ２の側面は、ベローズ（ベローズ式真空接続管）９１ａ、９１ｂにより各開口部２４を気密封止するよう接続されている。
【００４９】
ベローズ９１ａ、９１ｂにより、支持筒９０ａ、９０ｂがチャンバ２内側又は外側へ向けて移動している場合であっても、チャンバ２内の真空状態は維持される。支持筒９０ａ、９０ｂ夫々は、先端付近の内側に楕円面鏡３を備えており、上面に電子線照射部１からのビームを楕円面鏡３の孔部３０に導入するための図示しない開口部が設けられている。また、支持筒９０ａ及び９０ｂ夫々は、下面に楕円面鏡３の孔部３０を通過した電子線を試料４へ照射するための図示しない開口部が設けられている。支持筒９０ａ及び９０ｂの他端近傍の内側は、コリメートレンズ２１の外周面が接合されて気密封止されている。
【００５０】
支持筒９０ａ及び支持筒９０ｂのいずれか一方が試料台５の載置面の略中央に向かって挿入された場合、他の支持筒９０ａ又は支持筒９０ｂは、載置面の略中央から退避するようにしてある。楕円面鏡３及びコリメートレンズ２１を備える支持筒９０ａ、９０ｂ夫々は、試料台５の載置面の略中央に向かって挿入された場合、照射スポット４０に位置する試料４の一部が発する散乱光を集光して非散乱光に変換し、平行化して第１分光部７ａ又は第２分光部７ｂに各伝送する光伝送装置を構成する。第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂ夫々は、内蔵するスリットにより分光してスペクトルを検出する分光器であり、夫々波長帯域の異なるスペクトルを測定する。例えば、第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂ夫々は紫外光領域及び可視光領域のスペクトルを測定する。
【００５１】
楕円面鏡３で集光された散乱光は、焦点Ｆ１、Ｆ２と異なり、焦点軸から距離ΔＺ離れた集光位置Ａ１に集光して非散乱光に変換されるため、図５Ａの斜線部で示す如く、一方向に延びた扇形状の断面Ｂ０を有する。楕円面鏡３で集光されてコリメートレンズ２１で平行化される。第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂ夫々が有する集光レンズ等からなる光学系で集光されて図５Ｂの斜線で示す如く、スリットＳに沿って延びた三日月状の断面Ｂ１を有する光束がスリットＳに照射される。
【００５２】
一方、集光位置Ａ１が焦点Ｆ１、焦点Ｆ２のいずれかに位置する従来技術の楕円面鏡を用いた場合、集光された光の光束は、図５Ａの二点破線で示す略円状の断面Ｃ０を有する。そして、従来技術では、第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂ夫々が有する光学系で集光されて内蔵するスリットに照射される光は、図５Ｂの二点鎖線で示す断面Ｃ１を有する。以上により、本発明の楕円面鏡３を用いた場合、第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂのスリットＳを通過する光束の光量が多くなるため、高い検出感度を得ることが可能となる。
【００５３】
図１０は、実施の形態２に係る楕円面鏡３及びコリメートレンズ２１を含む光学系を示す断面模式図である。電子線を試料４の試料面で走査する場合、照射スポット４０の試料面上の位置に応じて集光位置Ａ１が移動し、コリメートレンズ２１を通過した非散乱光の平行度が低下する。例えば図１０の黒矢印で示す焦点Ｆ２から離れる方向に照射スポット４０が移動した場合、集光位置Ａ１は、黒矢印の反対方向に移動し、コリメートレンズ２１を通過した光束は、平行光よりも広がる。そこで、コリメートレンズ２１を点線で示す位置へ黒矢印の反対方向に移動して、コリメートレンズ２１を通過した光束を平行光にする。支持筒９０ａ、９０ｂに内蔵されるコリメートレンズ２１を楕円面鏡３の焦点軸に沿って移動可能にすることにより、電子線を試料面で走査した場合であっても、コリメートレンズ２１により平行化することが可能となる。
【００５４】
図１１は、実施の形態２に係る楕円面鏡３及びコリメート鏡を含む光学系を示す断面模式図である。コリメートレンズ２１の代わりにコリメート鏡を用いて非散乱光を平行化してもよい。図１１に示す光学系の例では、放物面（回転放物面）の一部からなる反射面を有する放物面鏡であるコリメート鏡２２を備える。コリメート鏡２２は、楕円面鏡３により集光位置Ａ１に集光されて得られた非散乱光を平行化する。支持筒９０ａ、９０ｂは、更に反射鏡２３を備える。反射鏡２３は、コリメート鏡２２により平行化された非散乱光を直角に反射して第１分光部７ａ又は第２分光部７ｂに向けて伝送する。反射鏡２３の代わりに集光鏡を用いて第１分光部７ａ又は第２分光部７ｂのスリットＳに集光してもよい。
【００５５】
支持筒９０ａ、９０ｂ夫々は、コリメートレンズ２１の外周面が他端近傍の内側が接合されて気密封止されている場合を示したが、これに限るものではない。例えば、支持筒９０ａ、９０ｂ夫々をコリメートレンズ２１が設けられる位置で二つの部分筒に分離し、分離面夫々にフランジ部を設けてフランジ部同士をネジ留めして連結する継手構造とする。各フランジ部には、フランジ面に設けられた円周溝にガスケットが装着される。そして、ガスケットを介してネジ留めされるフランジ部同士がコリメートレンズ２１の外周縁近傍を挟持することで、分離した部分筒を連結して気密封止するとよい。これにより、コリメートレンズ２１を交換可能となる。例えば、試料４が放射する散乱光の波長域に応じて、透過波長域の異なるコリメートレンズ２１に交換が可能となる。
【００５６】
本実施の形態２は、第１分光部７ａ及び第２分光部７ｂの２つの分光部を備える場合を示したが、これに限るものではなく３つ以上の分光部を備えてもよい。この場合、チャンバ２は、試料台５の載置面の略中央から上側に所定距離離れた位置へ各中心軸が向かうよう側面に設けられており、複数の分光部に対応した支持筒夫々が挿入される複数の開口部を備えるとよい。そして、複数の支持筒のうち、一つの支持筒が試料台５の載置面の略中央に向かって挿入された場合、他の支持筒は、載置面の略中央から退避するよう構成するとよい。
【００５７】
本実施の形態２は以上の如きであり、その他は実施の形態１と同様であるので対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【符号の説明】
【００５８】
１  電子線照射部（ビーム照射部）
２  チャンバ
３  楕円面鏡
４  試料
５  試料台
６ａ、６ｂ  真空排気部
７  分光部（光検出部）
７ａ  第１分光部（光検出部）
７ｂ  第２分光部（光検出部）
８  ２次電子検出部
９０ａ、９０ｂ  支持筒（支持部）
９１ａ、９１ｂ  ベローズ
１１  電子銃
１２  集束レンズ
１３  走査コイル
１４  対物レンズ
２１  コリメートレンズ
２２  コリメート鏡
２３  反射鏡
２４  開口部（チャンバ開口部）
３０  孔部
３１  上部
３２  狭窄部
４０  照射スポット
２００  真空ポート
２１０  フランジ
２１１  ボルト
２１２  ナット
２１３  ガスケット
Ａ１  集光位置
Ｆ１、Ｆ２  焦点
Ｌ５  中央線
Ｌ２１  光軸
Ｌ３０  中心軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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