(57)【要約】【課題】  誘電体の表面に生じている電荷分布あるいは電位分布をミクロンオーダーの高分解能で計測する装置を提供する。【解決手段】  表面電荷分布または表面電位分布を有する試料２３を照射する荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子発生手段１４と、該荷電粒子発生手段からの荷電粒子ビームで試料２３上を走査する走査手段２２と、荷電粒子ビームを試料２３上に集束させるレンズ手段２４と、走査手段２２による荷電子ビームの照射によって試料２３の表面から得られる荷電粒子を検出する信号検出手段１３とを備える。レンズ手段が少なくとも一つの静電レンズ手段２４を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電荷分布または表面電位分布を有する試料を荷電粒子ビームで走査し、該荷電粒子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて前記試料の電荷分布または電位分布の状態を測定する方法において、前記荷電粒子ビームの光学系に該荷電粒子ビームを前記試料上に集束させる静電レンズを用いたことを特徴とする表面電荷分布または表面電位分布の測定方法。
【請求項２】
表面電荷分布または表面電位分布を有する試料を照射する荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子発生手段と、該荷電粒子発生手段からの荷電粒子ビームで前記試料上を走査する走査手段と、前記荷電粒子ビームを前記試料上に集束させるレンズ手段と、前記走査手段による荷電粒子ビームの走査によって得られる荷電粒子を検出する信号検出手段とを備え、前記レンズ手段は少なくとも一つの静電レンズ手段を有することを特徴とする表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項３】
前記静電レンズ手段は、前記荷電粒子ビームの光学系の対物レンズであることを特徴とする請求項２記載の表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項４】
前記静電対物レンズは、減速型静電対物レンズであることを特徴とする請求項３記載の表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項５】
前記荷電粒子発生手段は前記試料を照射する荷電粒子ビームのための電子銃を有し、前記走査手段は、前記静電対物レンズと前記電子銃との間に該電子銃からの荷電粒子ビームを走査するために配置された偏向手段を有することを特徴とする請求項３記載の表面電位分布の測定装置。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームの光学系の射出開口部は、前記試料からの電子が試料側に引き戻される方向の電界ベクトルを有することを特徴とする請求項２記載の表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項７】
前記荷電粒子ビームの光学系の射出開口部の周辺近傍に、電子衝突時に放出電子が発生する部材を配置したことを特徴とする請求項２記載の表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項８】
前記信号検出手段は、前記走査手段による前記試料の表面の２次元的な走査により該試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの前記試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出して検出信号を得ることを特徴とする請求項２記載の表面電荷分布または表面電位分布の測定装置。
【請求項９】
請求項２乃至８のいずれか一項に記載の測定装置と、前記試料として感光体に荷電粒子を照射することで該感光体上にほぼ均一に帯電電荷を生成する手段と、該生成手段により帯電した前記感光体を選択的に露光するための光学系手段とを備え、該光学系手段による露光後に前記測定装置により前記感光体の表面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、前記感光体表面の静電潜像分布を測定することを特徴とする感光体静電潜像の測定装置。
【請求項１０】
請求項２乃至９のいずれか一項に記載の測定装置を用いて、前記試料の厚さ方向にかかる電界強度が３０V/μm以上でありかつ４０V/μm以下の条件下で、前記試料に電荷を１０−８クーロン/mm2以上照射したときに、耐絶縁領域が９９%以上であることを特徴とする試料からなる潜像担持体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料表面の電荷分布または電位分布を測定する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子ビームによる静電潜像の観察方法としては、電子ビーム照射による２次電子を検出する方式がある（例えば特許文献１および２）。この方式では、静電潜像が形成される試料としては、ＬＳＩチップや静電潜像を記憶・保持できる試料に限定されている。すなわち、暗減衰を生じる通常の感光体は、測定することができない。通常の誘電体は電荷を半永久的に保持することができるので、電荷分布を形成後、時間をかけて測定を行っても、測定結果に影響を与えることはない。しかしながら、感光体の場合は、抵抗値が無限大ではないので、電荷を長時間保持できず、暗減衰が生じ時間とともに表面電位が低下してしまう。感光体が電荷を保持できる時間は、暗室であってもせいぜい数十秒である。従って、帯電・露光後に電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察しようとしても、その準備段階で静電潜像は消失してしまう。
【０００３】
そこで、本発明者は、暗減衰を有する感光体試料であっても静電潜像を測定することのできる測定方式を提案した（例えば特許文献３乃至６）。感光体試料では、その試料表面に電位分布または電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。電荷密度が相対的に高い領域では、荷電粒子ビームの照射による２次電子に試料から離れる方向への力が働くような電界強度を生じることから、２次電子は検出器に達するが、電荷密度が相対的に低い領域では、逆に試料に引き戻す方向への力が働くような電界強度を生じるため、発生した２次電子はこの電界によって引き戻され、検出器に到達する量が減少する。従って、表面電荷分布に応じたコントラスト像を検出することができる。
【特許文献１】特開平３−２９８６７号公報
【特許文献２】特開平３−４９１４３号公報
【特許文献３】特開２００３−２９５６９６号公報
【特許文献４】特開２００３−３０５８８１号公報
【特許文献５】特開２００４−２３３２６１号公報
【特許文献６】特開２００４−２５１８００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
通常のＳＥＭでは、対物レンズとして、収差補正の良好な磁界レンズを使うことが一般的である。通常のＳＥＭによる試料観察の場合、試料の表面電位は、０Vあるいは０Vに近いため、発生した２次電子は、引き込み電圧により、検出器に問題なく到達することができる。
【０００５】
しかしながら、試料の表面に電位あるいは電荷があり、その電位の大きさが電子のエネルギに比べて無視できない程度に大きい場合には、相対的には、クーロン反発力の影響を与えることから、その場合、電子光学系側に押し戻す力が大きくなることを意味するので、放出電子のうち、電子光学系の電磁対物レンズの射出開口部に戻ってしまう成分が増大するおそれがある。
【０００６】
本来、検出器に到達すべき２次電子あるいは１次の反転電子が、電子光学系の電磁対物レンズの射出開口部に戻ってしまうと、検出器による検出ができなくなり、電荷密度の高い領域が電荷密度の低い領域であると誤認してしまい、ノイズの発生要因となる可能性がある。従って、電子光学系の射出開口部への電子逆戻り発生現象を抑制することにより、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、これにより電荷分布または電位分布の高分解能での計測が可能となる。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、従来技術ではきわめて困難であった、誘電体の表面に生じている電荷分布あるいは電位分布をミクロンオーダーの高分解能で計測する装置を提供することにあり、また感光体上の静電潜像を高分解能で測定する装置を提供することにある。
【０００８】
なお、ここで述べる表面電荷は、厳密には、電荷は試料内に空間的に散らばっていることは周知の通りである。このため、表面電荷とは、電荷分布状態が、厚さ方向に比べて、面上に大きく分布している状態を指す。また、電荷は、電子だけでなく、イオンも含める。
【０００９】
また表面に導電部があり、この導電部に電圧が印加されて、それにより、試料表面あるいはその近傍が電位分布を生じている状態であってもよい。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、表面電荷分布または表面電位分布を有する試料を荷電粒子ビームで走査し、該荷電粒子ビームの走査によって得られる検出信号に基づいて前記試料の電荷分布または電位分布の状態を測定する方法において、前記荷電粒子ビームの光学系に該荷電粒子ビームを前記試料上に集束させる静電レンズを用いたことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、表面電荷分布または表面電位分布を有する試料を照射する荷電粒子ビームを発生させる荷電粒子発生手段と、該荷電粒子発生手段からの荷電粒子ビームで前記試料上を走査する走査手段と、前記荷電粒子ビームを前記試料上に集束させるレンズ手段と、前記走査手段による荷電粒子ビームの照射によって前記試料の表面から得られる荷電粒子を検出する信号検出手段とを備え、前記レンズ手段が少なくとも一つの静電レンズ手段を有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記静電レンズ手段が前記荷電粒子ビームの光学系の対物レンズであることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記静電対物レンズが減速型静電対物レンズであることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記荷電粒子発生手段は前記試料を照射する荷電粒子ビームのための電子銃を有し、前記走査手段は、前記静電対物レンズと前記電子銃との間に該電子銃からの荷電粒子ビームを走査するために配置された偏向手段を有することを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記荷電粒子ビームの光学系の射出開口部が、前記試料からの電子が試料側に引き戻される方向の電界ベクトルを有することを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記荷電粒子ビームの光学系の射出開口部の周辺近傍に、電子衝突時に放出電子が発生する部材を配置したことを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記信号検出手段が、前記走査手段による前記試料の表面の２次元的な走査により該試料表面に入射する荷電粒子のうち、その入射速度ベクトルの前記試料表面における法線方向の成分が反転した荷電粒子を検出して検出信号を得ることを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項２乃至８のいずれか一項に記載の測定装置と、前記試料として感光体に荷電粒子を照射することで該感光体上にほぼ均一に帯電電荷を生成する手段と、該生成手段により帯電した前記感光体を選択的に露光するための光学系手段とを備え、該光学系手段による露光後に前記測定装置により前記感光体の表面を電子ビームで走査し、該走査で得られる検出信号により、前記感光体表面の静電潜像分布を測定することを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、請求項２乃至９のいずれか一項に記載の測定装置を用いて、前記試料の厚さ方向にかかる電界強度が３０V/μm以上でありかつ４０V/μm以下の条件下で、前記試料に電荷を１０−８クーロン/mm2以上照射したときに、耐絶縁領域が９９%以上である試料からなる潜像担持体であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
請求項１に記載の発明によれば、荷電粒子の光学系で荷電粒子ビームを集束させるレンズに静電レンズを用いることにより、荷電粒子が荷電粒子光学系に戻ることを防止することができるので、従来は困難であった、表面電荷分布または表面電位分布の測定を高精度に測定することができる。
【００２１】
請求項２に記載の発明によれば、荷電粒子ビームを集束させるレンズ手段として、少なくとも一つの静電レンズ手段を用いることにより、荷電粒子が荷電粒子光学系に戻ることを防止することができるので、従来は困難であった、表面電荷分布または表面電位分布の測定を高精度に測定する装置を提供することができる。
【００２２】
請求項３に記載の発明によれば、対物レンズを静電レンズ手段で構成することにより、２次電子の検出感度を上げることができる。
【００２３】
請求項４に記載の発明によれば、静電対物レンズにマイナスの電圧を印加して、減速型静電対物レンズとすることにより、等電位面が染み出す方向、すなわち荷電粒子光学系鏡筒から放出する方向への作用力が働くことから、信号検出手段へ向かうべき検出電子の荷電粒子光学系への進入を抑制することができる。
【００２４】
請求項５に記載の発明によれば、静電対物レンズ手段と電子銃との間に荷電粒子ビームを走査するための偏向手段を配置することで、静電対物レンズと荷電粒子ビームの射出開口とを、接近させることができ、その結果、検出荷電粒子の荷電粒子光学系への進入を抑制することができる。
【００２５】
請求項６に記載の発明によれば、例えば減速型静電対物レンズを荷電粒子ビームの射出開口部の付近に配置することにより、電子が試料側に引き戻される方向の電界ベクトルを射出開口部に形成することができ、検出電子の荷電粒子光学系への進入を抑制することができる。
【００２６】
請求項７に記載の発明によれば、荷電粒子ビームが荷電粒子光学系より射出する荷電粒子ビームの射出開口部の周辺近傍に、電子衝突時に放出電子が発生する部材を配置することにより、効率よく電子を検出することが可能となる。
【００２７】
請求項８に記載の発明によれば、試料に入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが反転するような状態が存在する条件下で荷電粒子ビームを走査し、その反転粒子を計測することにより、従来はきわめて困難であった電位分布測定が、ミクロンオーダーの高分解能で測定することができる装置を提供することができる。
【００２８】
１次反転粒子の場合は、エネルギの電子軌道方向の分布が非常に少ないので、従来方式では２次電子が射出開口に進入する割合が非常に高くなってしまうが、この２次電子の進入を阻止できる点で、静電対物レンズを用いる本発明が特に有効である。
【００２９】
請求項９に記載の発明によれば、静電潜像の形成に必要な帯電手段と露光手段とを設けることにより、リアルタイム測定が可能となり、時間とともに表面電荷量が減衰する感光体の静電潜像をミクロンオーダーの高分解能で測定することが可能となる。
【００３０】
また、感光体の静電潜像を測定して、その情報を画像形成装置の設計にフィードバックすることにより、作像のための各工程のプロセスクォリティが向上するため、高画質、高耐久、高安定、省エネルギ化が実現できる。
【００３１】
請求項１０に記載の発明によれば、荷電粒子の照射によって得られる２次電子又は３次以上の高次電子の電子信号を検出することにより、正常な箇所と電気的破壊が発生している箇所とを識別することが可能となる。また電荷リーク箇所を特定して、品質を評価することにより、高耐久かつ高画質を実現する感光体を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、本発明の特徴を図示の実施例に沿って詳細に説明する。
【実施例】
【００３３】
図１に本発明に係る測定方法を実施するのに好適な測定装置の実施例を示す。
【００３４】
本発明に係る測定装置１０は、ケーシング１０ａと、該ケーシング内に真空下で収納され、荷電粒子ビームを照射する荷電粒子照射部１１と、試料設置部１２と、１次反転荷電粒子や２次電子などを検出する荷電粒子捕獲器からなる信号検出手段１３とを備える。
【００３５】
ここでいう、荷電粒子とは、電子ビームあるいはイオンビームなど電界や磁界の影響を受ける粒子を指す。以下、電子ビームを照射する実施例で説明する。
【００３６】
荷電粒子照射部すなわち電子ビーム照射部１１は、電子ビーム発生手段である電子銃１４と、強電界を発生させて、この電界の働きにより、エミッタ先端から電子を放出させるための引き出し電極１５と、電子に所望のエネルギを与えるための加速電極１６とを有し、電子銃１４からの電子ビームは、引き出し電極１５および加速電極１６を経て電子光学系１７に放出される。この放出された電子ビームを受ける電子光学系１７は、図示の例では、電子ビームを集束させるためのコンデンサレンズ（静電レンズ）１８と、電子ビームをON/OFFさせるためのビームブランキング電極からなるビームブランカ１９と、電子ビームの照射電流を制御するための可動絞りであるアパーチャ２０と、非点補正のためのスティングメータ２１と、該スティングメータを通過した電子ビームを走査させるための偏向電極からなる走査レンズ２２と、該走査レンズを経た電子ビームを試料設置部１２上の試料２３上に集光させるための静電レンズからなる対物レンズ２４とを有する。これらレンズ等の各光学系要素には、図示しない駆動用電源が接続されている。また、電子光学系１７の射出開口２５が形成されたビーム射出開口部材２６に近接して、試料設置部１２の側に開口２５に整合する開口２７ａを有する放出電子発生部材２７が配置されている。
【００３７】
図１に示す例では、測定装置１０の電子光学系１７の電子レンズ１８、２４には、静電レンズが用いられているが、コンデンサレンズ１８は従来と同様な磁界レンズを用いることができる。
【００３８】
この静電レンズと磁界レンズについて説明するに、電子レンズには、静電レンズと磁界レンズとがある。磁界レンズとは、磁場により電子線を集束させるレンズであり、コイルを巻いたソレノイド磁石に電流を流すことによって発生する磁場により電子線を曲げる。コイルへの電流を変えると発生する磁場が変わり、焦点距離や倍率が変わる。電磁レンズとか磁場レンズと呼ぶこともあり、前記した従来の装置では、対物レンズにも、この磁界レンズが用いられていた。
【００３９】
これに対し、静電レンズとは、ここでは静電界により電子線を集束させるレンズを指す。磁界型レンズより収差が大きいデメリットがあり、走査電子顕微鏡としては、対物レンズとして磁界レンズを用いるほうが一般的であるが、電位分布を測定する本発明ではあえて静電レンズを用いている。
【００４０】
この静電レンズで構成された対物レンズすなわち静電対物レンズ２４は、基本的に、ビームが通過する中心に開口が形成された３枚の導電性円板２４ａ、２４ｂ、２４ｃで構成されており、上下の円板２４ａ、２４ｃは接地されている。中央の円板２４ｂに電圧を印加することで電界が発生し、電子ビームが通ると電気的な力を受けて電子のコースが変わることで、静電レンズが形成される。
【００４１】
この静電対物レンズ２４は、偏向電極すなわち走査レンズ２２を静電対物レンズ２４と電子銃１４との間に配置することにより、電子光学系１７のビーム射出開口２５の近傍に配置することができる。
【００４２】
静電対物レンズの中央の円板２４ｂの電圧はプラス電圧およびマイナス電圧のいずれであっても、凸レンズとしての効果をもたらす。プラス電圧を印加すると入射電子は加速するため、加速型静電対物レンズとなり、マイナス電圧を印加すると入射電子は減速するため、減速型静電対物レンズとなる。作動距離など条件でも変わるが、例えば加速電圧Vbが１kVの場合、減速型対物レンズでは−２００〜−７００V程度の電圧が中央の円板２４ｂに印加される。加速型対物レンズの場合は、＋１０００〜２０００Ｖ程度の電圧が中央の円板２４ｂに印加される。一般的に、加速型対物レンズの方が収差が小さいが、２次電子が引っ張られる可能性がある。そのため、プラスの電圧を印加すると電子が電子光学系鏡筒に入り込む方向に力が働き、マイナスの電圧を印加すると、電子光学系鏡筒から放出する方向（等電位面が染み出す方向）に力が働く。従って、マイナスの電圧を静電対物レンズ２４の円板２４ｂに印加する静電対物レンズにより、電子光学系射出開口２５への電子の進入を抑制する効果が働くことになる。
【００４３】
なお、イオンビームの場合には、電子銃１４の代わりに液体金属イオン銃などを用いる。この場合、試料２３への入射荷電粒子がプラスイオンであれば、このプラスイオンに対して静電対物レンズ２４は逆の働きとなり、プラス電圧で減速型静電対物レンズ、マイナス電圧で加速型静電対物レンズとなる。
【００４４】
２次電子や１次反転電子などを検出する信号検出手段１３を構成する荷電粒子捕獲器として、シンチレータや光電子増倍管などの検出器が用いられる。通常、シンチレータは、引き込み電圧１０kV程度の高電圧を印加されることにより、荷電粒子を捕獲する。
【００４５】
ビームの射出開口２５の周辺に配置された放出電子発生部材２７は、該部材に電子が衝突したときに２次電子を放出しやすいアルミ、銅、金などの金属部材であり、接地されていることが望ましい。
【００４６】
図１には、ビーム射出開口部材２６とは別に、電子が発生し易い専用の導電部材を放出電子発生部材２７として配置した例を示したが、ビーム射出開口部材２６と放出電子発生部材２７とを図３に示すように共用させることができる。
【００４７】
本発明に係る測定装置１０の動作を以下に説明する。
【００４８】
荷電粒子照射部１１から電子光学系１７の射出開口２５を経て電子ビームが試料設置部１２上に配置された試料２３に衝突すると、該試料から２次電子が発生する。電子ビームの照射を受ける試料２３の表面に電位分布あるいは電荷分布があると、空間に表面電荷分布に応じた電界分布が形成される。電荷密度が相対的に高い領域では、荷電粒子ビームの照射による２次電子に試料２３から離れる方向への力が働くような電界強度が生じる。そのため、電荷密度が高い領域からの２次電子は検出器１３に達する。これに対し、電荷密度が相対的に低い領域では、逆に試料２３に引き戻す方向への力が働くような電界強度を生じるため、この電荷密度が低い領域で発生した２次電子は、この電界によって引き戻され、検出器１３に到達する量が減少する。従って、従来よく知られているように、検出器である信号検出手段１３からの信号処理によって、試料２３上の表面電荷分布に応じたコントラスト像を検出することができる。
【００４９】
この電荷密度と電子の動きとの関係を図２に沿って説明する。図２（ａ）は、荷電粒子捕獲器である検出器１３と、試料２３との間の空間における電位分布を、等高線表示で説明図的に示したものである。試料２３の表面は、光減衰により電位が減衰した部分を除いては、負極性に一様に帯電した状態であり、検出器１３には正極性の電位が与えられているから、実線で示す電位等高線群においては、試料２３の表面から検出器１３に近づくに従い電位が高くなる。
【００５０】
従って、試料２３における負極性に均一帯電している部分である図中の点Ｑ１や点Ｑ２で発生した２次電子ｅｌ１、ｅｌ２は、検出器１３の正電位に引かれ、矢印Ｇ１や矢印Ｇ２で示すように変位し、検出器１３に捕獲される。
【００５１】
他方、図２（ａ）において、点Ｑ３は、光照射されて負電位が減衰した部分であり、点Ｑ３の近傍では電位等高線の配列は破線で示すように、この部分の電位分布では点Ｑ３に近いほど電位が高くなっている。換言すると、点Ｑ３の近傍で発生した２次電子ｅｌ３には、矢印Ｇ３で示すように、試料２３側に拘束する電気力が作用する。このため２次電子ｅｌ３は、破線の電位等高線の示すポテンシャルの穴に捕獲され、検出器１３に向って移動しない。図２（ｂ）は、前記したポテンシャルの穴を模式的に示している。
【００５２】
試料２３の表面に電位あるいは電荷があり、その電位の大きさが電子のエネルギに比べて無視できない程度、例えば表面電位がマイナス数百Vからマイナス千V程度である場合には、検出器すなわち荷電粒子捕獲器１３の引き込み電圧による電界強度よりも大きい電界を生じて、試料２３で発生した２次電子を含む試料２３からの全放出電子のうち、電子光学系開口である射出開口２５に向かう２次電子の割合が増大する。
【００５３】
ここで、本発明に係る測定装置１０では、前記したように、静電対物レンズ２４にマイナスの電圧が印加されていると、図３に示すように、電子光学系鏡筒である電子光学系１７の射出開口２５から試料２３側に湧き出る方向に等電位面２８が生じる。このためビーム射出開口２５の近傍では、電子銃１４側に電界ベクトル２９が生じることから、電子は、電子光学系開口２５内へ進入しにくくなる。この結果、検出電子は、電子光学系開口２５を避けるように進んで、周辺の導電部である放出電子発生部材２７に衝突すると、そこで新たな放出電子（n次電子）が発生する。n次電子は、試料２３と離れており、数十eVの小さいエネルギであるため、検出器１３に引き込まれる。
【００５４】
そのため、マイナスの電圧を印加する静電対物レンズ２４により、電子光学系開口２５への２次電子のような電子の進入を抑制する効果が働くことになる。
【００５５】
従って、本発明に係る測定装置１０によれば、静電対物レンズ２４により、電子光学系１７の射出開口２５への電子の逆戻り発生現象を抑制することができることから、Ｓ／Ｎ比を向上することができ、これにより、試料２３上の電荷分布を高分解能で計測することが可能となる。
【００５６】
ビーム射出開口部材２６とは別に、電子が発生し易い専用の導電部材を放出電子発生部材２７として配置する場合、図４に示すように、放出電子発生部材２７は、放出電子が、検出器１３に到達しやすいように、検出器１３の側に傾けて設けることができる。
【００５７】
なお、図４に示す例では、後述する図６に示す例におけると同様に、試料設置部１２は、一対の導電体１２ａ、１２ｃ間に絶縁体１２ｂを介在させた積層構造を有し、試料２３が載る一方の導電体１２ａには調整可能な印加電圧Vgが印加され、他方の導電体１２ｂが接地（GND）されている。
【００５８】
次ぎに、電位分布のプロファイルをより高精度に計測する測定のモデルを図５に示す。電子ビームの加速電圧をVb、試料２３の電位ポテンシャルをVp(<0)とする。但し、入射荷電粒子が電子あるいはマイナスイオンの場合、Vp＜0であるが、入射荷電粒子がプラスイオンの場合、Vp＞0となる。
【００５９】
入射電子は、当初は加速電圧Vbに相当する速度で試料２３へ向けて移動するが、試料２３の表面に接近するに従い、試料電荷のクーロン反発の影響を受けて速度が変化する。この場合、一般的に以下のような現象が起こる。
【００６０】
Vb>−Vp（図５（ａ））の場合、電子は、速度は減速されるものの、試料２３に到達する。
【００６１】
Vb<−Vp（図５（ｂ））の場合、照射電子の速度は試料２３の電位ポテンシャルの影響を受けて、徐々に減速し、試料２３に到達する前に速度が零となって、反対方向に進み照射電子が試料２３に到達することなく検出器１３に到達する。ここでは、１次反転荷電粒子、特に電子の場合を１次反転電子と呼ぶことにする。
【００６２】
このことから、試料２３の表面を入射電子で走査し、これら反転電子を検出器１３で検出できる構成とすることにより、試料２３の電位ポテンシャル分布Vp(x)を計測することが可能となる。
【００６３】
試料２３に正電位ポテンシャル（Vp>0）が与えられる場合には、ガリウムなどプラスのイオンや陽子を入射すればよい。
【００６４】
すなわち、次式（１）を満足する条件で、荷電粒子の加速電圧Vbを試料に走査させることにより、入射する荷電粒子の試料垂直方向の速度ベクトルが、反転する状態が存在し、その反転した1次反転荷電粒子を検出することにより、試料の表面電位分布を測定することが可能となる。
【００６５】
加速電圧Vb＜Max｜Vp(x)|  …（１）
従って、本発明に係る測定装置１０によれば、試料２３の表面を入射電子で走査し、これらの反転電子を検出器１３で検出することにより、試料２３の電位ポテンシャル分布Vp(x)を正確に計測することが可能となる。
【００６６】
図６に示すように、試料設置部１２を図４に示した例におけると同様、一対の導電体１２ａ、１２ｃ間に絶縁体１２ｂを介在させた積層構造とすることができる。試料２３が載る一方の導電体１２ａには調整可能な印加電圧Vgが印加され、他方の導電体１２ｂが接地（GND）されている。このような積層構造の試料設置部１２を用いることにより、一方の導電体１２ａを介して試料２３の下部に電圧を印加することができるので、試料２３の表面電位分布Vpにバイアスを付与することができ、また導電体１２ａへの印加電圧Vgの調整により、このバイアス成分が調整成分となる。
【００６７】
図７（ａ）は、試料２３の表面の電荷分布によって生じた表面電位分布Vs(x)の一例を示す。ここで、表面電位分布Vs(x)は、便宜上、電荷分布を有する誘電体試料の反対面すなわち裏面が接地(GND)状態での表面の電位分布を指す。
【００６８】
図７（ａ）のグラフの特性線から明らかなように、中心(X=0)電位が約−５２０Vであり、中心から外側に向かうに従って、電位がマイナス方向に大きくなり、中心から半径が０．１mmを越える周辺領域の電位は約−８３０V程度になっている。
【００６９】
図７（ｂ）および図７（ｃ）は、それぞれ試料２３を２次元的に走査したときに検出器１３の検出信号により得られた画像である。白い部分は検出量が大きく、黒い部分は検出量が少ないことを表す。
【００７０】
電子の加速電圧Vbが６００Vの場合には、図７（ｂ）に示す測定結果が得られた。この場合、検出信号量に差のある白部と黒部の境界は、Vs(x)=−６００Vをスレッシュレベル電位（Vth）とする等高線で示されることから、このコントラスト像をVth=−６００Vのコントラスト像と表現することができる。図７（ｃ）は、Vb=７５０Vで得られた測定結果を示す。加速電圧Vbが７５０Vの場合、図７（ｂ）に示したVb=６００Vの場合に比べて、入射電子速度が早い分、試料２３に到達する可能性が高くなり、入射電子の速度が反転する領域が減る結果、黒い部分が増える。このため、図７（ｃ）に示すVth=−７５０Vのコントラスト像が得られた。すなわち、境界を示すスレッシュレベル電位と、電子の加速電圧の符号を反転させた値とが等しい（Vth=−Vb）関係が成立する。
【００７１】
周辺の電場環境や試料電位状態の影響で、Vth=−Vbが成立しない場合には、電子光学系１７および検出器１３等の静電場環境をあらかじめ計算しておき、それをもとに補正することにより、実際の電位分布の高精度測定を実現することができる。
【００７２】
１次電子が試料２３に衝突して発生する２次電子は、エネルギや放出方向に分布があるので、一部の２次電子が射出開口２５に進入し、検出器１３に到達できないにすぎないが、１次反転電子の場合は、エネルギの電子軌道方向の分布が非常に少ないので、従来方式では２次電子が射出開口２５に進入する割合が非常に高くなる。そのような点で、射出開口２５への進入を確実に阻止する静電対物レンズ２４を用いる本発明が特に有効である。
【００７３】
荷電粒子が正の電荷である場合、表面電位分布を得るために１次反転荷電粒子を検出するときは、検出器１３の引き込み電圧は負にすることが望ましい。
【００７４】
図８は感光体試料に静電潜像を形成し、これを測定する方法を実施する装置１００を示す。なお、図１に示した測定装置１０と同一の機能部分には、同一の参照符号が付されている。
【００７５】
接地された試料設置部１２上の感光体試料１２３の構成は、図示しないが従来よく知られているように、導電性支持体の上に電荷発生層（CGL)および電荷輸送層(CTL)が順次積層されて構成されている。前記電荷輸送層(CTL)の表面が電荷によって帯電している状態で、感光体試料１２３が露光されると、電荷発生層（CGL)を構成する電荷発生材料(CGM)によって、光が吸収される。この光の吸収により、電荷発生層（CGL)には、正負両極性の一対のチャージキャリアが発生する。この一対のキャリアは、電界によってその一方が電荷輸送層(CTL)に、また他方が前記導電性支持体にそれぞれ移動することにより、それぞれに注入される。電荷輸送層(CTL)に注入されたキャリアは電界によって電荷輸送層(CTL)中を該電荷輸送層(CTL)の表面まで移動し、該電荷輸送層(CTL)の表面すなわち感光体表面の電荷と結合することにより、この表面電荷を消去する。これにより、感光体表面に残存する電荷との関係で、感光体試料１２３の表面に電荷分布すなわち静電潜像が形成される。
【００７６】
このような特性を有する感光体試料１２３の表面を一様に帯電させるために、本発明に係る装置１００の試料設置部１２上に、感光体試料１２３が配置され、荷電粒子照射部１１から電子光学系１７を経て電子ビームが照射される。
【００７７】
前記装置１００の荷電粒子照射部１１および電子光学系１７を有する荷電粒子照射系は、基本的に、図１に示した測定装置１０のそれと同様であるが、図面の簡素化のために、図８に示す例では、荷電粒子照射部１１の引き出し電極１５および加速電極１６が省略されており、これに代えて電子ビームを観測するビームモニタ１０１が電子銃１４の出力部に設けられている。また、放出電子発生部材２７が省略されているが、放出電子発生部材２７をビーム射出開口部材２６と一体にあるいはこれと別体に設けることができる。
【００７８】
荷電粒子照射部１１から感光体試料１２３に照射するための電子ビームの加速電圧Vbは、２次電子放出比δが１となる加速電圧より高い加速電圧に設定することにより、感光体試料１２３への入射電子量が、該感光体試料から放出される放出電子量より上回るために、該試料に電子を蓄積することができる。従って、２次電子放出比δが１となる加速電圧Vbで加速された電子ビームを用いて感光体試料１２３の表面を一様に走査することにより、感光体試料１２３の表面を一様にマイナスに帯電させることができる。この加速電圧と照射時間とを適切に設定することにより、感光体試料１２３の表面に所望の帯電電位を形成することができる。
【００７９】
感光体試料１２３を帯電させるために、別の帯電手段として、接触帯電や注入帯電及びイオン照射帯電を用いることができる。
【００８０】
次ぎに、表面が均一に帯電した感光体試料１２３に露光光学系により、選択的な露光を行う。露光光学系は、所望のビーム径及びビームプロファイルを形成するように調整されている。
【００８１】
露光光学系を構成する露光部３０は、荷電粒子照射部１１、試料設置部１２、検出器１３および電子光学系１７を真空下で密封可能のケーシング１０ａ内に収容されている。露光部３０は、感光体が感度を示す波長を射出するレーザ・ダイオード(LD)のような光源３１と、該光源からの発散光を平行光束に変換するコリーメートレンズ３２と、平行光束の口径を所望の値に絞るアパーチャ３３と、該アパーチャを経た平行光束を感光体試料１２３上に収束するための結像レンズ群３４ａ、３４ｂ、３４ｃとを有し、感光体試料１２３上に所望のビーム径およびビームプロファイルを生成することができる。また、ＬＤ制御部３５による光源３１の制御により、適切な露光時間、露光エネルギを感光体試料１２３上に照射できる。この照射で、例えばラインのパターンを形成するために、露光部３０の光学系にガルバノミラーやポリゴンミラーを用いたスキャニング機構を付けても良い。スキャニング機構を付けることにより、感光ドラムのような筒状感光体の母線方向に対して、ラインパターンを含めた任意の潜像パターンを形成することができる。すなわち、感光体試料１２３の形状は、平面の他、前記したような筒状の曲面であっても良い。
【００８２】
前記した露光部３０による感光体試料１２３への選択露光により、感光体試料１２３の表面に静電潜像を形成することができる。
【００８３】
このようにして得られた感光体試料１２３上の静電潜像を、前記したと同様に、電子光学系１７からの電子ビーム照射によって得られる２次電子あるいは1次反転電子を検出する検出器１３からの検出信号によって、測定することが可能となる。この静電潜像の測定では、電子ビームの加速電圧Vbは、２次電子放出比δが１に等しくなる加速電圧に設定される。
【００８４】
図８に示す装置１００では、検出器１３からの検出信号が検出部３６を経て信号処理部３７に出力され、この信号処理部３７で所定の処理を受けて測定結果出力部３８に出力される。また、ケーシング１０ａ内には、測定終了後に感光体試料１２３の表面に残留する電荷を除去するための発光ダイオードのような残留電荷除去用光源４０が配置されており、この光源４０を制御するＬＥＤ制御部４１、走査レンズ２２を制御する荷電粒子制御部４１、試料設置部１２の移動を制御する試料台制御部４２および前記したＬＤ制御部３５は、ホストコンピュータ４３の制御下で動作する。
【００８５】
また、本発明の応用として、次ぎに述べるように、感光体の電荷リーク箇所を特定して、品質を評価することができる。
【００８６】
前述した通り、試料の表面を帯電させることで、該試料の厚さ方向に電界強度を与えることができる。電界強度は、１０V/μm以上が望ましい。電界強度が極端に小さいと静電破壊を起こさないし、また起こすような試料だと、試料全体が静電破壊を起こしていまい、その結果評価しにくい恐れがある。従って、１０V/μm程度の電界強度で静電破壊を起こすことのない試料についての品質評価が行える。
【００８７】
絶縁体試料として、潜像担持体である感光体の耐絶縁性を評価する実施例について以下に説明する。
【００８８】
感光体の膜厚dが３０μmであり、その帯電電位Vが−９００Vであるとすると、感光体の厚さ方向にかかる電界強度の絶対値Eは、次式（２）で示される。
【００８９】
Ｅ＝Ｖ／Ｄ＝３０V/μm    …（２）
電荷リークは、感光体の最も弱いところから発生し、電荷リークによって生じる正孔が感光体の表面にまで達する。そうすると、この正孔が感光体表面のマイナス電荷と相殺されて、表面に前記したと同様に、電荷分布が起きる。
【００９０】
この電荷分布を荷電粒子照射部１１および電子光学系１７からの前記した電子ビームで走査し、その２次電子あるいはｎ次電子を検出器１３で検出することにより、前記感光体の静電破壊を起こした電荷リーク箇所をミクロンオーダーで特定することが出来る。
【００９１】
感光体試料に照射する総電荷量は、単位面積あたりで考えると１０−８C/ mm2以上であることが望ましい。総電荷Cmは、次式（３）で示すとおり、照射電流A、照射面積Sおよび照射時間tで決まる。
【００９２】
Ｃｍ＝Ａ×Ｔ／Ｓ    …（３）
例えば、照射電流が５×１０−１０A、照射面積が１mm2、照射時間が２０秒とすることができる。照射面積の増大に比例して、照射時間は長くすると良い。照射電流量を大きくすればそれだけ短い時間で済む。照射時間を長くするなどして、試料に照射する総電荷量を増やすと、それだけ電荷リーク箇所は顕著に現れてくる。
【００９３】
例えば、照射電流が１０−９A、照射面積が１mm2で、５分間照射すると、総電荷量は３×１０−７C/mm2であり、多少時間はかかるが、異常箇所が存在する感光体があれば、正常品との差異がはっきりする。
【００９４】
感光体に要求される絶縁耐圧は通常３０V/μm以上であり、高いものだと４０V/μm程度を要求される。この条件下で、電荷リーク領域が１％以下であることが望ましい。１％以下であれば、出力画像に地汚れとして目立たなくなることがわかっている。従って、望ましい潜像担持体の条件としては、絶縁耐圧が３０V/μm以上でありかつ４０V/μm以下の条件下で、試料に対して電子を１０−８C/mm2以上照射したときに、破壊されていない耐絶縁領域が99%以上あることと言える。
【００９５】
図９は、照射電流Aが１０−９A、照射面積Sが１．４７mm2で、潜像担持体に対して照射時間tが４分間の条件で帯電さたときの測定結果である。この場合、照射された電荷密度Cmは、次式（４）に示される。
【００９６】
Ｃｍ＝Ａｔ／Ｓ＝１．６×１０−７C/mm2    …（４）
このときの電荷リークが発生している領域の面積率が小さいほど、耐絶縁性が高いと言える。図９（ａ）は、電荷リーク面積比が１．２％の例を示す画像結果であり、耐絶縁領域が８８．８%であることから、地汚れが発生しやすい悪いサンプルであると言える。他方、図９（ｂ）は電荷リーク面積比が０．４%の例を示す画像結果であり、ホールサイズが小さく良品と言える。
【００９７】
このように、本発明に係る装置１０または１００を用いることにより、試料の耐絶縁性を評価することができる。
【００９８】
図１０に、感光体試料の耐絶縁性を評価するための電荷リーク面積算出のフローを示す。図１０に示すように、例えば図１の測定装置１０または図８に示す測定装置１００で、荷電粒子照射部１１からの電子ビームを電子光学系１７を経て試料設置部１２の試料１２、１２３に照射し、その表面の走査によって該表面を所定の電荷量で均一に帯電させる（ステップＳ１）
その後、ステップＳ１での帯電による絶縁破壊箇所を観察するために、荷電粒子照射部１１から電子光学系１７を経る電子ビームで前記表面を走査し、この走査による２次電子を検出器１３で検出する（ステップＳ２）。
【００９９】
検出器１３で検出された検出信号は信号処理部３７で２次元マッピング処理を受ける（ステップＳ３）。
【０１００】
信号処理部３７は、さらに、マッピング処理を施した情報に２値化処理を施す（ステップＳ４）。続いて、信号処理部３７は、この２値化処理を施されたデータから荷電リークを生じた箇所を特定し（ステップＳ５）、特定されたリーク箇所の面積を算出し（ステップＳ６）、その結果を測定結果出力部３８に出力し（ステップＳ７）、該出力部に結果を表示させる。
【０１０１】
本発明によれば、前記したように、荷電粒子の光学系で荷電粒子ビームを集束させるレンズに静電レンズを用いることにより、荷電粒子が荷電粒子光学系に戻ることを防止することができるので、従来は困難であった、表面電荷分布または表面電位分布の測定を高精度に測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明に係る測定装置の実施例を模式的に示す光学配置図である。
【図２】測定原理を示す説明図であり、図２（ａ）は電位の等高線上で電子の軌道を示す説明図であり、図２（ｂ）は試料の電荷密度分布を示すグラフである。
【図３】図１に示した測定装置の射出開口近傍における電位を模式的に示す説明図である。
【図４】図１に示した測定装置の変形例を示す図３と同様な図面である。
【図５】図３に示した測定装置の測定モデルを示し、図５（ａ）および図５（ｂ）はそれぞれ荷電粒子の加速電圧Vbと試料２３の電位ポテンシャルVpとの関係の場合分けを示す図面である。
【図６】図１に示した測定装置のさらに他の変形例を示す図３と同様な図面である。
【図７】電位分布密度と検出信号との関係を示す説明図であり、図７（ａ）は試料表面の電位分布を示すグラフであり、図７（ｂ）および図７（ｃ）は２次元的な走査によって得られる信号のそれぞれスレッシュ電位を異にしたコントラスト像を示す図面である。
【図８】本発明に係る測定装置の他の実施例を模式的に示す図１と同様な図面である。
【図９】図９（ａ）および図９（ｂ）は、それぞれ試料の耐絶縁性を評価するため電荷リーク測定結果を示す図面である。
【図１０】耐絶縁性評価のための荷電リーク測定手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【０１０３】
１０、１００  測定装置
１１  荷電粒子照射部
１３  （信号検出手段）検出器
１４  （荷電粒子発生手段）電子銃
１７  （荷電粒子ビームの光学系）電子光学系
２２  （走査手段）走査レンズ
２３、１２３  試料
２４  （集束レンズ手段）静電対物レンズ
２５  射出開口
２７  放出電子発生部材
【図１】
2006172790.tif 000003
【図２】
2006172790.tif 000004
【図３】
2006172790.tif 000005
【図４】
2006172790.tif 000006
【図５】
2006172790.tif 000007
【図６】
2006172790.tif 000008
【図７】
2006172790.tif 000009
【図８】
2006172790.tif 000010
【図９】
2006172790.tif 000011
【図１０】
2006172790.tif 000012