(57)【要約】【課題】  試料に負電圧を印加するリターディング法により試料表面の観察を行う際に、試料を傾斜させても高分解能像を得ることを可能にする走査電子顕微鏡を提供する。【解決手段】  内側磁極５ａと外側磁極５ｂの間に絶縁部材５ｄが配置され、内側磁極５ａと外側磁極５ｂが電気的に絶縁される構造となっている。試料６は試料台７に電気的導通を持たせて取り付けられ、試料台７は試料ステージ８と電気的に絶縁されて試料ステージ８に載置される。試料台７と外側磁極５ｂに電源９により負電位が印加されると、試料台７及び試料６と外側磁極５ｂは同電位となり、試料を傾斜させても、電子線の光軸に対して電界の対称性が保たれる。そのため、簡単な構造で且つ複雑な制御を行うことなく、低加速電圧の観察条件においても高分解能の像観察が可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃と、前記電子銃から発生した電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、試料に負電圧を印加するための電源と、前記試料を電子線に対して傾斜させる手段とを備えた電子顕微鏡において、
前記対物レンズの磁極は、電子線通路に近い側の内側磁極に対して前記内側磁極を外周から囲む外側磁極を電気的に絶縁されるように構成すると共に、前記対物レンズの外側磁極に前記試料と同等の負電圧を印加するようにした、ことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
前記試料に負電圧を印加するための電源により、前記対物レンズの外側磁極に負電圧を印加するようにした、ことを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料に電子線を照射して試料表面の観察を行う走査電子顕微鏡に関わり、特に試料に負電圧を印加するリターディング法により試料表面の観察を行う際に、試料を傾斜させても高分解能像を得ることを可能にする走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡は、電子銃から放射され、加速した電子線を細く絞って試料表面に照射し、試料から発生する二次電子、反射電子などの信号を検出して、試料表面の観察を行う装置である。試料のチャージアップや損傷を低減するために、試料に照射する電子線のエネルギーを小さくすることが有効であり、生体試料、高分子材料をはじめ、特に近年の半導体試料などの観察においては、電子線の加速電圧が１ｋＶ以下の極めて低い条件で観察することも多い。
【０００３】
ところで、走査電子顕微鏡は、電子線を細く絞るために電子レンズを用いるが、電子レンズの収差は電子線のエネルギーが低いほど悪くなる傾向にあり、電子線を細く絞ることが困難になる。この問題を避けるために、電子線のエネルギーを比較的高く保ったまま電子線が対物レンズを通過するようにし、試料に負の電位を印加して、試料直前で電子線を減速させて試料に照射させる方法が実用化されている。このようにして、実質的に低加速電圧で高分解能の像観察を行う方法はリターディング法と呼ばれている。
【０００４】
図１に、リターディング法で観察を行う走査電子顕微鏡の概略構成例を示す。
図１において、鏡筒１の内部が断面図で示されている。電子銃２から放射された電子線ＥＢは、集束レンズ３、対物レンズ５により細く集束されて試料６の表面に照射される。試料表面から発生した二次電子は、対物レンズ５の軸上磁界に導かれて対物レンズ５の上方に達し、二次電子検出器10で検出される。偏向コイル４により電子線ＥＢを二次元的に走査することができ、二次電子検出器10で検出された二次電子の信号は、画像処理装置（図示せず）を経て表示装置（図示せず）に送られて二次電子像が表示される。試料６を支持する試料台７は試料ステージ８に載置される。試料ステージ８は試料ステージ駆動装置（図示せず）により、試料６を水平・垂直移動及び傾斜、回転させることができる。
【０００５】
試料台７は試料ステージ８と電気的に絶縁され、試料６には試料台７を介して、電源９により負電位が印加されている。このように試料に負電位を印加することにより、電子レンズの収差低減、検出信号の増加、試料の極表面からの情報取得など、試料を観察する上で多くの利点が得られる。
【０００６】
リターディング法では、対物レンズと試料との間に電子線を減速させるための電界を生じさせているが、図２（ａ）に示すように試料を傾斜させない場合、接地電位の対物レンズ５と負電位が印加された試料６の間に生じる電界（等電位線で表す）は、電子線の光軸（破線で表す）に対して対称性が保たれる。しかし、図２（ｂ）に示すように試料を傾斜させると、電界の対称性が失われて電子線が曲げられるため、電子線の非点収差が増大して高分解能観察が困難となる。こうした問題を解決する方法が、特許文献１の特許第３４７４０８２号公報、特許文献２の特開２００４−８７４５５号公報等に開示されている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３４７４０８２号公報
【特許文献２】特開２００４−８７４５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、リターディング法で試料を傾斜させて観察を行う場合の問題を解決するために、特許文献１の特許第３４７４０８２号公報においては、対物レンズと試料との間に電極を設け、試料と該電極の電圧を同電位とすることで、試料傾斜に伴う非対称電界が発生しないようにする技術が開示されている。しかし、対物レンズと試料の間に大きな試料を傾斜させても干渉しないように新たな電極を設けるため、電極の大きさや形状に制限があり、充分な効果を上げられないという問題がある。また、試料を傾斜させない場合に、試料をできるだけ対物レンズに近づけて、より収差の少ない高分解能象を得る、ということができないという問題もある。
【０００９】
また、特許文献２の特開２００４−８７４５５号公報においては、対物レンズ内に収納可能な筒状のシールド電極を設け、該シールド電極は対物レンズの磁極と同等電位を与え、該シールド電極の先端に絶縁的に取り付けられる先端電極を設け、該先端電極には試料と同等の電位を与えるようにした技術が開示されている。また、該シールド電極を対物レンズ内に収納する代わりに、電子線通路から退避させる技術も開示されている。これによれば、試料を傾斜させても常に電子線の光軸に対する対称性が保たれ、必要に応じて試料を対物レンズに近づけることも可能である。しかし、これを可能にするためには、試料の傾斜角度や対物レンズと試料の距離に応じて、該シールド電極の位置を正確に制御する必要があるので、操作が煩雑になるという問題がある。また、該シールド電極の昇降機構または水平方向の移動機構を狭い空間内に組み込む必要があるので、装置の構造が複雑になるため技術的に解決する問題が多く、さらには装置の製造コストが高くなるという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、装置の構造が簡単で、煩雑な操作を必要とせずに、リターディング法で試料を傾斜させて高分解能の観察を行うことが可能な走査電子顕微鏡の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記に問題を解決するため、本発明は、
電子銃と、前記電子銃から発生した電子線を集束して試料に照射するための対物レンズと、試料に負電圧を印加するための電源と、前記試料を電子線に対して傾斜させる手段とを備えた電子顕微鏡において、
前記対物レンズの磁極は、電子線通路に近い側の内側磁極に対して前記内側磁極を外周から囲む外側磁極が電気的に絶縁されるように構成すると共に、前記負電圧を印加するための電源により、前記対物レンズの外側磁極に前記試料と同等の負電圧を印加するようにしたことを特徴とする。
【００１２】
また本発明は、前記試料に負電圧を印加するための電源により、前記対物レンズの外側磁極に負電圧を印加するようにしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
対物レンズの電子線通路に近い側の内側磁極に対して外周に配置された外側磁極を電気的に絶縁するように構成すると共に、外側磁極に試料と同等の負電圧を印加するようにしたので、
リターディング法で試料を傾斜させても、電子線の光軸に対する対物レンズと試料との間の電界の対称性が保たれ、電子線の非点収差の増大を防止できる。そのため、簡単な構造で且つ複雑な制御を行うことなく、低加速電圧の観察条件においても高分解能の像観察が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。図３は、本発明に基づく走査顕微鏡のセミインレンズ型対物レンズ周辺の概略構成例を示した図である。セミインレンズ型対物レンズは、内側磁極と外側磁極の下端面の下方に漏れるレンズ磁界を形成し、電子線を集束して試料に照射するようにした対物レンズである。なお、各説明図中の各構成要素について、説明の重複を避けるため、同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付している。
【００１５】
図３中の対物レンズ５は、内側磁極５ａ、外側磁極５ｂ、励磁コイル５ｃと絶縁部材５ｄとで構成され、電子線の光軸を中心として円筒状に配置されており、その断面が示されている。従来のセミインレンズ型対物レンズの磁極は一体で作られているが、図３に示すように、本発明のセミインレンズ型対物レンズの磁極は、内側磁極５ａと外側磁極５ｂの間に絶縁部材５ｄが配置され、内側磁極５ａと外側磁極５ｂとが電気的に絶縁される構造となっている。試料６は試料台７に電気的導通を持たせて取り付けられ、試料台７は試料ステージ８と電気的に絶縁されて試料ステージ８に載置される。試料台７と外側磁極５ｂに電源９により負電位が印加されると、試料台７及び試料６と外側磁極５ｂは同電位となる。
【００１６】
図４は、上記のセミインレンズ型対物レンズで試料を観察する時に、試料台７と外側磁極５ｂに負電位を印加した場合の磁力線と等電位線の様子を模式的に表したものである。内側磁極５ａと外側磁極５ｂによって作られる磁界の磁束密度は、内側磁極５ａと外側磁極５ｂの先端部に集中して高くなり、電子線ＥＢを強く集束する。一方、磁界に重畳して内側磁極５ａと外側磁極５ｂ及び試料６との間に生じている電界が、電子線ＥＢに減速作用をもたらす。
【００１７】
図５は、上記のセミインレンズ型対物レンズについて、試料を傾斜しない状態で、試料台７と外側磁極５ｂに負電位を印加した場合の等電位線の様子をシミュレーション計算により求めたデータである。電子線ＥＢが通過する光軸上において電位が急激に変化する場所（等電位線が密集している所）は、内側磁極５ａと外側磁極５ｂの先端より上方の対物レンズ内であることがわかる。当然ながらこの場合の電界は光軸に対して対称となっている。
【００１８】
図６は、上記のセミインレンズ型対物レンズについて、試料を傾斜させた状態で、試料台７と外側磁極５ｂに負電位を印加した場合の等電位線の様子をシミュレーション計算により求めたデータである。この場合にも、電子線ＥＢが通過する光軸上において電位が急激に変化する場所（等電位線が密集している所）は、試料を傾斜させない時と大きな変化は見られず、光軸に対する電界の対称性が保たれていることが分かる。
【００１９】
以上のように、本発明の実施の形態を、セミインレンズ型対物レンズを例にとって説明したが、本発明は、セミインレンズ型対物レンズを搭載した走査電子顕微鏡に限定されるわけではない。例えば、図７に示すアウトレンズ型対物レンズを用いる走査電子顕微鏡においても実施することができる。アウトレンズ型対物レンズは分析機能を有する分析走査電子顕微鏡をはじめ多くの走査電子顕微鏡に汎用的に用いられている対物レンズである。
【００２０】
図７において、対物レンズ５は、内側磁極５ａ、外側磁極５ｂ、励磁コイル５ｃと絶縁部材５ｄとで構成され、電子線の光軸を中心として円筒状に配置されており、その断面が示されている。従来のアウトレンズ型対物レンズの磁極は一体で作られているが、図７に示すように、本発明のアウトレンズ型対物レンズの磁極は、内側磁極５ａと外側磁極５ｂの間に絶縁部材５ｄが配置され、内側磁極５ａと外側磁極５ｂとが電気的に絶縁される構造となっている。試料６は試料台７に電気的導通を持たせて取り付けられ、試料台７は試料ステージ８と電気的に絶縁されて試料ステージ８に載置される。試料台７と外側磁極５ｂに電源９により負電位が印加されると、試料台７及び試料６と外側磁極５ｂは同電位となる。
【００２１】
以上説明したように、対物レンズの外側磁極と試料とに同等の負電圧を印加することによって、装置の構造が簡単で、煩雑な操作を必要とせずに、リターディング法で試料を観察する時、試料を傾斜させても高分解の像観察が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】リターディング法で観察を行う従来の走査電子顕微鏡の概略構成例を示す図。
【図２】試料に負電位を印加して傾斜観察すると電子線が曲がることを説明するための図。
【図３】本発明を実施する走査電子顕微鏡のセミインレンズ型対物レンズの概略構成例を示す図。
【図４】セミインレンズ型対物レンズで試料観察を行う場合、負電位を印加した時の磁力線と等電位線の様子を示す模式図。
【図５】セミインレンズ型対物レンズで試料観察を行う場合、試料を傾斜しない時の等電位線の様子をシミュレーション計算で求めたデータを示す図。
【図６】セミインレンズ型対物レンズで試料観察を行う場合、試料を傾斜した時の等電位線の様子をシミュレーション計算で求めたデータを示す図。
【図７】本発明を実施する走査電子顕微鏡のアウトレンズ型対物レンズの概略構成例を示す図。
【符号の説明】
【００２３】
（同一または類似の動作を行うものには共通の符号を付す。）
ＥＢ  電子線
１  鏡筒                          ２  電子銃
３  集束レンズ                    ４  偏向コイル
５  対物レンズ                    ５ａ  内側磁極
５ｂ  外側磁極                    ５ｃ  励磁コイル
５ｄ  絶縁部材                    ６  試料
７  試料台                        ８  試料ステージ
９  電源                          10  二次電子検出器
【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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