(57)【要約】【課題】広いエネルギー領域において高エネルギー分解能を実現できる装置を提供する。【解決手段】装置は、１次電子線を発生させるための電子線源１０１と、１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系１０２，１０５，１１２と、試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを検出可能なエネルギー分析系を備える。エネルギー分析系は、反射電子を分散させるウィーンフィルタ１０８と、ウィーンフィルタ１０８によって分散された反射電子のエネルギースペクトルを測定するための検出器１０７と、ウィーンフィルタ１０８の４極場の強度を変化させながら、４極場の強度の変化と同期して検出器１０７の反射電子の検出位置を移動させる動作制御部１５０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電子線を発生させるための電子線源と、
前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、
前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを検出可能なエネルギー分析系を備え、
前記エネルギー分析系は、
前記反射電子を分散させるウィーンフィルタと、
前記ウィーンフィルタによって分散された反射電子のエネルギースペクトルを測定するための検出器と、
前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる動作制御部とを備える装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であって、
前記動作制御部は、反射電子が前記検出位置でフォーカスするように、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であって、
前記エネルギー分析系は、前記電子線源と前記ウィーンフィルタとの間に配置された非点補正器をさらに備え、前記非点補正器は、前記４極場の強度の変化に同期して、１次電子線の非点収差を打ち消すように動作する装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であって、
前記エネルギー分析系は、前記ウィーンフィルタの出口側に配置されたシャントをさらに備え、
前記シャントは、前記反射電子の分散する方向に延びるスリットを有するスリットを有する装置。
【請求項５】
１次電子線を発生させるための電子線源と、
前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、
前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを検出可能なエネルギー分析系を備え、
前記エネルギー分析系は、
前記反射電子を分散させるウィーンフィルタと、
前記ウィーンフィルタによって分散された反射電子のエネルギースペクトルを測定するための検出器を備え、
前記検出器は、前記分散された反射電子のエネルギーごとのフォーカス位置に実質的に一致する検出面を有する装置。
【請求項６】
請求項５に記載の装置であって、
前記検出器の検出面は、曲面または平面である装置。
【請求項７】
請求項５に記載の装置であって、
前記エネルギー分析系は、前記電子線源と前記ウィーンフィルタとの間に配置された非点補正器をさらに備えた装置。
【請求項８】
請求項５に記載の装置であって、
前記エネルギー分析系は、前記ウィーンフィルタの出口側に配置されたシャントをさらに備え、
前記シャントは、前記反射電子の分散する方向に延びるスリットを有する装置。
【請求項９】
電子線源により発生させた１次電子線を試料まで導き、
前記試料から発生した反射電子をウィーンフィルタによって分散させ、
前記分散された反射電子のエネルギースペクトルを検出器で測定し、
前記エネルギースペクトルの測定中、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、
前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる工程は、前記エネルギースペクトルの測定中、反射電子が前記検出位置でフォーカスするように、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる工程である方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の方法であって、
前記４極場の強度の変化に同期して、１次電子線の非点収差を非点補正器で打ち消す工程をさらに含む方法。
【請求項１２】
電子線源により発生させた１次電子線を試料まで導き、
前記試料から発生した反射電子をウィーンフィルタによって分散させ、
前記分散された反射電子のエネルギースペクトルを検出器で測定する工程を含み、
前記検出器は、前記分散された反射電子のエネルギーごとのフォーカス位置に実質的に一致する検出面を有する方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であって、
前記検出器の検出面は、曲面または平面である方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料から発生した反射電子のエネルギーを分析するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス観察を目的とする走査電子顕微鏡において、観察対象となるデバイスパタンの微細化に伴いパタンの多層化が進んで来ているため、透過力の大きい高い加速電圧を用い、観察対象の試料の表面からの深さによって定まる適切なエネルギーを持つ反射電子を観察するのが有効である。この目的のために、反射電子のエネルギースペクトルを測定する機能が必要となる。
【０００３】
この反射電子のエネルギー分析のために、従来はウィーンフィルタによって反射電子を光軸からわずかに逸らした上で、エネルギーアナライザ、たとえば静電球面アナライザ、磁場セクタ型アナライザに反射電子を導き、これによってエネルギー分析を行っている。この目的のために用いられるウィーンフィルタは、試料に向かう１次電子線と試料から引き返す反射電子を振り分けるためのビームセパレータとして働く。あるいは、ウィーンフィルタ自身のエネルギー分散作用を用いて、一個のウィーンフィルタがビームセパレータとエネルギーアナライザとして同時に動作する場合もある。ウィーンフィルタのビームセパレータとしての利用に関しては、例えば特許文献１に記載されている。ウィーンフィルタとエネルギーアナライザを組み合わせる手法に関しては、例えば特許文献２に記載されている。またウィーンフィルタのみでエネルギー分析を行う手法に関しては、例えば特許文献３に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４２２４８６号公報
【特許文献２】米国特許第６４５５８４８号公報
【特許文献３】米国特許公開２００６／００７６４８９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
エネルギーを選択した反射電子像の形成において、選択すべきエネルギー値は対象となる試料の観察目的によって異なってくる。そのため、最初に反射電子のなるべく広い範囲のエネルギースペクトルを測定し、試料を特徴づけるのに有効なエネルギー領域をおおまかに特定する。次に、その特定のエネルギー値付近のスペクトルを詳しく調べた上で、最終的にあるエネルギー値だけを選択した反射電子像を形成する。この手順において、最初に広いエネルギー領域を分析する際は、エネルギー分解能よりも測定時間の短縮が優先される。したがって、通常のようなアナライザのパスエネルギーを掃引してスペクトルを取得するシリアル検出ではなく、広いエネルギー領域のスペクトルを短時間で取得できるパラレル検出が望ましい。一方、特定のエネルギー値付近でのスペクトルを詳しく測定する際にはエネルギー分解能が優先となり、検出はシリアルでも構わないが、理想的にはパラレル検出が望まれる。最終的に特定のエネルギーのみを選んで反射電子像を得る際は、やはり高エネルギー分解能が要求される。
【０００６】
反射電子のエネルギー分析のために通例用いられるエネルギーアナライザとして静電球面アナライザがある。このタイプのアナライザは、高いエネルギー分解能を有するが、狭い電極間をくぐり抜けた電子のみが出射側で検出される構造であることから、一度に検出できるエネルギー領域は非常に制限される。特に、分析したい反射電子のエネルギーが例えば数１０keVと高い場合、電極に印加する電圧が大きくなることで引き起こされる放電を避けるために電極間隔は狭くせざるをえず、同時検出の可能なエネルギー領域はより制限される。この事情により、静電球面アナライザは通常、検出器を一か所に固定してパスエネルギーを掃引するシリアル検出の方式にならざるを得ない。すなわち静電球面アナライザは、広いエネルギー領域を短時間で測定する用途には適合しない。
【０００７】
ウィーンフィルタ単独でエネルギー分析を行う場合は、ウィーンフィルタの形状とそれに付随する電磁場シャントの形状を工夫すれば、広いエネルギー領域をパラレル検出することは可能である。しかし、そのエネルギー領域のすべてのエネルギー値に対して高エネルギー分解能を得ることはできない。この理由は、ウィーンフィルタによって分散したエネルギーごとのビームは、光軸に垂直な検出面上にはフォーカスせずに大きくボケてしまうからである。そのため、ウィーンフィルタは低エネルギー分解能でパラレル検出を行う目的には適合するが、高エネルギー分解能を実現できない。
【０００８】
本発明は、広いエネルギー領域において高エネルギー分解能を実現できる装置および方法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】
【０００９】
一態様では、１次電子線を発生させるための電子線源と、前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを検出可能なエネルギー分析系を備え、前記エネルギー分析系は、前記反射電子を分散させるウィーンフィルタと、前記ウィーンフィルタによって分散された反射電子のエネルギースペクトルを測定するための検出器と、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる動作制御部とを備える装置が提供される。
【００１０】
一態様では、前記動作制御部は、反射電子が前記検出位置でフォーカスするように、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる。
一態様では、前記エネルギー分析系は、前記電子線源と前記ウィーンフィルタとの間に配置された非点補正器をさらに備え、前記非点補正器は、前記４極場の強度の変化に同期して、１次電子線の非点収差を打ち消すように動作する。
一態様では、前記エネルギー分析系は、前記ウィーンフィルタの出口側に配置されたシャントをさらに備え、前記シャントは、前記反射電子の分散する方向に延びるスリットを有する。
【００１１】
一態様では、１次電子線を発生させるための電子線源と、前記１次電子線を試料まで導いて集束かつ偏向させる電子光学系と、前記試料から発生した反射電子のエネルギースペクトルを検出可能なエネルギー分析系を備え、前記エネルギー分析系は、前記反射電子を分散させるウィーンフィルタと、前記ウィーンフィルタによって分散された反射電子のエネルギースペクトルを測定するための検出器を備え、前記検出器は、前記分散された反射電子のエネルギーごとのフォーカス位置に実質的に一致する検出面を有する装置が提供される。
【００１２】
一態様では、前記検出器の検出面は、曲面または平面である。
一態様では、前記エネルギー分析系は、前記電子線源と前記ウィーンフィルタとの間に配置された非点補正器をさらに備える。
一態様では、前記エネルギー分析系は、前記ウィーンフィルタの出口側に配置されたシャントをさらに備え、前記シャントは、前記反射電子の分散する方向に延びるスリットを有する。
【００１３】
一態様では、電子線源により発生させた１次電子線を試料まで導き、前記試料から発生した反射電子をウィーンフィルタによって分散させ、前記分散された反射電子のエネルギースペクトルを検出器で測定し、前記エネルギースペクトルの測定中、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる方法が提供される。
【００１４】
一態様では、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる工程は、前記エネルギースペクトルの測定中、反射電子が前記検出位置でフォーカスするように、前記ウィーンフィルタの４極場の強度を変化させながら、前記４極場の強度の変化と同期して前記検出器の前記反射電子の検出位置を移動させる工程である。
一態様では、前記方法は、前記４極場の強度の変化に同期して、１次電子線の非点収差を非点補正器で打ち消す工程をさらに含む。
【００１５】
一態様では、電子線源により発生させた１次電子線を試料まで導き、前記試料から発生した反射電子をウィーンフィルタによって分散させ、前記分散された反射電子のエネルギースペクトルを検出器で測定する工程を含み、前記検出器は、前記分散された反射電子のエネルギーごとのフォーカス位置に実質的に一致する検出面を有する方法が提供される。
一態様では、前記検出器の検出面は、曲面または平面である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、広いエネルギー領域にわたって高エネルギー分解能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】走査電子顕微鏡の一実施形態を示す模式図である。
【図２】ウィーンフィルタの８極構造の一実施形態を示す模式図である。
【図３】ウィーンフィルタの断面斜視図である。
【図４】ウィーンフィルタの出口側に配置されたシャントを示す斜視図である。
【図５】ウィーンフィルタの動作のシミュレーション結果の一例を示す図である。
【図６】ウィーンフィルタの動作のシミュレーション結果の他の例を示す図である。
【図７】分散した反射電子のフォーカス面に沿って配置された検出面を有する検出器の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、走査電子顕微鏡の一実施形態を示す模式図である。図１に示す走査電子顕微鏡は、試料１０６から放出された反射電子のエネルギーを分析するための装置に適用可能である。図１において、電子線源である電子銃１０１で発生させた１次電子線１０３は、一般に多段レンズから構成されたコンデンサーレンズ系１０２で集束される。１次電子線１０３は、ウィーンフィルタ１０８を通過し、さらに対物レンズ１０５で集束され、試料１０６に照射される。１次電子線１０３は偏向器１１２によって偏向され、試料１０６の表面を走査する。
【００１９】
一般に、試料１０６で発生する反射電子線が光軸となす角度は広い分布を持つ。試料１０６からの反射電子は反射電子絞り１１０によって制限され、反射電子絞り１１０の開口を通過できる反射電子１０４と、排除される反射電子１０４ａに分離される。この反射電子絞り１１０の開口がエネルギー分析系から見た光源となる。反射電子絞り１１０を通過した反射電子線１０４は、ウィーンフィルタ１０８よってエネルギーごとに偏向され、検出器１０７に導かれる。反射電子線１０４は検出器１０７により検出され、反射電子のエネルギースペクトルが検出器１０７により測定される。検出器１０７に接続された画像化装置１２１は、このエネルギースペクトルから試料１０６を特徴づけるエネルギー領域を選択し、その選択されたエネルギー領域内における検出器１０７の出力信号のみを用いて画像を形成する。この画像が目的としていた反射電子像である。
【００２０】
ウィーンフィルタ１０８および検出器１０７は、動作制御部１５０に接続されており、ウィーンフィルタ１０８および検出器１０７の動作は動作制御部１５０よって制御される。動作制御部１５０は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）および記憶装置を備えた汎用のコンピュータまたは専用のコンピュータを備えている。
【００２１】
走査電子顕微鏡において、ウィーンフィルタ１０８の動作を以下に説明する。まず１次電子線の入射方向に対して、電場と磁場が電子線に及ぼす力の方向が逆になり、互いに打ち消し合うようにする。このための電場と磁場の強度の条件がウィーン条件と呼ばれ、E1=vB1と表される。ここでE1はウィーンフィルタ１０８がつくるｘ方向の電場の一様成分であり、方位角θに関してcosθ依存性をもつ。またB1はｙ方向の磁場の一様成分であり、方位角θに関してsinθ依存性をもつ。速度vをもつ電子がウィーンフィルタ１０８に入射した場合、電場と磁場がウィーン条件を満たす場合に電子はそのままウィーンフィルタ１０８を直進する。このウィーン条件が実現されている状況で、電子が光軸に沿って逆方向からウィーンフィルタ１０８に入射した場合は、磁場からの力の方向が逆転するので、電場と磁場は同一方向の力を電子に及ぼし、ウィーンフィルタ１０８は偏向器としての働きを示す。以上のことから、ウィーンフィルタ１０８は１次電子には影響を与えず、１次電子とは逆方向から入射した電子線を偏向させて光軸から逸らすことが可能となる。
【００２２】
ウィーンフィルタ１０８が一様な電場と磁場を形成する場合に、１次電子線はｘ方向には若干の集束レンズ作用を受けるが、ｙ方向にはそのような集束レンズ作用がない。そこで、１次電子線は非点収差をもったレンズを通過する際と同様の作用を受ける。この作用を打ち消すために、一様な電場と磁場のどちらか、あるいは両方に４極場成分を重畳させる。一般に４極場はｘ方向とｙ方向に異なるレンズ作用を及ぼすので、４極場の強度を調整すれば、ウィーンフィルタ１０８全体としてｘ方向とｙ方向に対称な、すなわち軸対称なレンズ作用となり、１次電子線に非点収差を与えない。この条件はスティグマティック条件と呼ばれる。この条件を満たすための４極場は、電場でつくる場合はcos2θ依存性を持つE2成分、磁場でつくる場合はsin2θ依存性を持つB2成分となり、あるいはこれらE2成分およびB2成分を重畳するのでもよい。
【００２３】
次に、ウィーンフィルタ１０８の構造に関して説明する。一般にスティグマティック条件を満たすウィーンフィルタは、一様場と４極場の両方を持つ必要があるため、電磁場重畳型の多極子レンズタイプが多く用いられる。多極子レンズタイプの最小構成は４極構造となるが、４極構造では理想的な一様場が作れずに余分な多極子成分が多く発生してしまい、これによって１次電子線に対して収差が発生する。そこでより多くの極を持つ構造、例えば８極構造が採用される。
【００２４】
図２は、ウィーンフィルタ１０８の８極構造の一実施形態を示す模式図であり、ビーム軸に垂直な方向から見たウィーンフィルタ１０８の上面図を示している。８つの極１０９は、ウィーンフィルタ１０８の中心線の周りに等間隔で配置されている。これら極１０９はコイル１０９ａをそれぞれ備えている。各極１０９に電圧Vn、励磁ATn（n=１,２,…,８）をかけることで、ウィーン条件を満たす一様場と、スティグマティック条件のための４極場を生成する。すべての極１０９は電極と磁極として働くため、各極１０９のコアは、例えばパーマロイのような磁性体からなる。
【００２５】
従来技術において、ビームセパレータとして用いるウィーンフィルタによる偏向角はわずかであり、典型的には偏向は１０°程度である。本実施形態では、ウィーンフィルタ１０８の電磁極の形状を変更して、反射電子が出射するウィーンフィルタの出口側（上側）においてテーパー形状を持つことで、大きな角度の偏向が可能となる。これによって、広いエネルギー領域を同時に測定することが可能となる。
【００２６】
図３は、ウィーンフィルタ１０８の断面斜視図である。各極１０９の中心側端部の上面は、ウィーンフィルタ１０８の中心線に向かって下方に傾斜するテーパー面１０９ｂから構成されている。８つの極１０９のテーパー面１０９ｂは、ウィーンフィルタ１０８の中心線の周りに等間隔で並び、上を向いた円錐台形状の面を形成する。試料１０６から放出された反射電子１０４は、ウィーンフィルタ１０８に下方から進入し、テーパー面１０９ｂから構成されるウィーンフィルタ１０８の出口から出る。
【００２７】
上述のような多極構造でウィーンフィルタ１０８を構成した場合、フリンジ領域での電磁場の分布が大きく広がってしまい、ウィーンフィルタ１０８の周辺に置かれた構造物によって電場と磁場が別々に影響を受けてしまう。この効果は特に、テーパー構造をもつウィーンフィルタ１０８の出口側で大きい。この効果によって電場と磁場の分布が一致しなくなると、ウィーンフィルタ１０８の中央付近ではウィーン条件が満たされていてもフリンジ領域では満たされなくなり、１次電子線が偏向されてしまう。
【００２８】
従来は、この効果を防ぐためにウィーンフィルタの入口と出口に電磁場シャントを置き、強制的に電磁場を減衰させるようにする。これに対し、本実施形態では、反射電子を大きく偏向させるために、図４のようにウィーンフィルタ１０８の出口側に、スリット１１６を入れたシャント１１５を配置する。このスリット１１６は、本来は反射電子が分散する方向のみに設置されればよいが、電磁場の対称性を保つために８極のすべての方向にスリット１１６を並べるのが理想である。スリット１１６は、放射状に延びており、同じ形状または相似形を有する。スリット１１６は、シャント１１５の中央に形成された通孔１１７の周りに配列されており、各スリット１１６の内側開口端は通孔１１７に接続されている。複数のスリット１１６のうちの１つは、通孔１１７から反射電子１０４の分散（偏向）する方向に延びている。シャント１１５の通孔１１７の直径は、テーパー面１０９ｂから構成されるウィーンフィルタ１０８の出口の直径よりも小さい。このようなシャント１１５は、フリンジ場を減衰させ、かつ検出器１０７に広いエネルギー領域を同時に測定させることを可能とする。シャント１１５は電位０の磁性体、たとえばパーマロイで構成される。本実施形態では、シャント１１５は放射状に延びる複数のスリット１１６を有するが、一実施形態では、シャント１１５は、通孔１１７から反射電子１０４の分散（偏向）する方向に延びる１つのスリット１１６のみを有してもよい。
【００２９】
図５は、本実施形態におけるウィーンフィルタ１０８の動作のシミュレーション結果を示す図である。一般に、試料面での１次電子線の走査領域は非常に狭いため、反射電子線１０４の発生領域は点電子源とみなしてよい。このシミュレーションでは、反射電子線１０４は、反射電子絞り１１０を抜けた後に平行ビームとなることを仮定している。反射電子絞り１１０の直径が小さいほどエネルギー分解能が向上するが、同時に感度を損なう。従って、反射電子絞り１１０の直径は、最終的に必要な分解能と感度から決定する必要がある。図５に示すシミュレーションでは、エネルギーごとのビームの集束状況を見やすくするために、反射電子絞り１１０の直径を実際よりかなり大きめに仮定している。ウィーンフィルタ１０８は、ウィーン条件とスティグマティック条件を同時に満たすように各極１０９の電圧と励磁が設定されている。
【００３０】
反射電子絞り１１０を通過した反射電子１０４は、ウィーンフィルタ１０８によって、反射電子のエネルギーに依存して異なる角度で偏向され、その結果、反射電子は分散する。分散した反射電子は検出器１０７に入射し、反射電子のエネルギースペクトルは検出器１０７によって測定される。１次電子線のエネルギーをE0とすれば、一般に反射電子のエネルギーはE0から０まで連続的に分布するが、図５のシミュレーションでは、反射電子のエネルギーとしてE0から０．４E0まで、０．２E0刻みでの軌道計算結果を示している。検出器１０７は、E0から０．４E0までのエネルギー幅０．６E0の領域を一度に測定可能である。一度に測定可能な領域はウィーンフィルタ１０８の一様場強度によって調整可能である。すなわち、電場と磁場の一様成分E1、B1をウィーン条件を満たしながら変えることによって、１次電子線に対するつり合い条件を保ったまま反射電子の分散作用を変えることができる。例えば、ウィーンフィルタ１０８の分散作用を弱めることでE0から０までのすべての領域を一度に測定することも可能である。しかし、測定可能な領域を広げるほどエネルギー分解能は低下する。したがって、あらかじめ観察すべき領域がある程度特定されている場合は、エネルギー範囲を狭くするほうが有利である。
【００３１】
図５においてエネルギー分解能に関して見てみると、０．６E0のエネルギーを持つ反射電子は、検出器１０７の検出面１０７ａにおいてエネルギー分散方向と直交する方向にラインフォーカスしている。しかし他のエネルギーを持つ反射電子は、エネルギー分散方向に広がり、この分だけエネルギー分解能が損なわれる。このように、一般に、ウィーンフィルタ１０８の偏向作用によって分散された反射電子のうち、ある特定のエネルギーを持つ反射電子のみが検出器１０７の検出面１０７ａにフォーカスする。この状況はエネルギー分解能の面で望ましいものではないが、広いエネルギー領域を短時間でパラレル検出する目的には適うものである。前述のように、図５においては反射電子絞り１１０の直径は大きめに仮定されており、この直径を減らすことで、感度を損なう代わりにエネルギー分解能を改善することが可能である。
【００３２】
ウィーンフィルタ１０８はスティグマティック条件を満たすために４極場成分を有する。ウィーンフィルタ１０８の４極場は、ビームのｘ方向、ｙ方向のフォーカス位置を別々に移動させる働きをもつ。そこで、ウィーンフィルタ１０８の４極場の強度を、本来のスティグマティック条件とは別の値に設定することで、ある特定のエネルギーを持つ反射電子のフォーカス位置を検出器１０７の検出面１０７ａに一致させることが可能となる。図６はその一例を示し、エネルギーE0で検出面１０７ａでのフォーカス条件が満たされるように４極場の強度を調整した場合のシミュレーション結果を示している。
【００３３】
４極場の強度を調整することにより任意のエネルギーでフォーカス条件を満たすことができるが、幅広いエネルギー領域にわたって反射電子を同時に検出器１０７の検出面１０７ａにフォーカスさせることはできない。そこで、本実施形態では、４極場の強度を時間的に変化させ、それに同期して検出器１０７の検出位置を動かしていけば、広いエネルギー領域において高いエネルギー分解能が達成され、最良のスペクトルが得られる。例えば、動作制御部１５０は、ウィーンフィルタ１０８に指令して４極場の強度を変化させて図５に示すフォーカス条件を成立させるとともに、検出器１０７の検出位置をエネルギー０．６E0の位置に移動させる。結果として、反射電子は、エネルギー０．６E0の検出位置において検出器１０７の検出面１０７ａ上にフォーカスする。同様に、動作制御部１５０は、ウィーンフィルタ１０８に指令して４極場の強度を変化させて図６に示すフォーカス条件を成立させるとともに、検出器１０７の検出位置をエネルギーE0の位置に移動させる。結果として、反射電子は、エネルギーE0の検出位置において検出器１０７の検出面１０７ａ上にフォーカスする。
【００３４】
このように、動作制御部１５０は、４極場の強度を変化（掃引）させながら、４極場の強度の変化に同期して、検出器１０７の検出位置を移動（掃引）させることにより、広いエネルギー領域（例えば、E0から０．４E0までの範囲）にわたって高いエネルギー分解能を達成できる。４極場の強度と、検出器１０７の対応する検出位置との関係は、ウィーンフィルタ１０８の動作のシミュレーションにより求めることができる。このような実施形態により、ウィーンフィルタ１０８によって高エネルギー分解能のもとでのシリアル検出が可能となる。
【００３５】
一実施形態では、検出器１０７は、検出面１０７ａを構成するシンチレータと、イメージセンサ（例えばＣＣＤ）から構成された光検出器と、シンチレータによって電子から変換された光を光検出器に導くＦＯＰ（ファイバオプティクプレート）などのライドガイドを備える。この構成では１０μm程度の位置分解能が可能である。検出器１０７の検出位置の移動は、光検出器の信号出力位置を変化させることにより、達成される。
【００３６】
４極場の強度を変化させると、４極場は本来のスティグマティック条件から外れてしまう。そこで、４極場の強度の変化によって発生する１次電子線の非点収差を打ち消すために、非点補正器１１１が設けられる。非点補正器１１１は動作制御部１５０に接続されており、非点補正器１１１が１次電子線の非点収差を打ち消す補正動作は動作制御部１５０によって制御される。より具体的には、動作制御部１５０は、４極場の強度の変化によって発生する１次電子線の非点収差を非点補正器１１１が打ち消すように、非点補正器１１１の補正強度を４極場の強度の変化に同期させる。非点補正器１１１は、電子銃１０１とウィーンフィルタ１０８との間に配置される。そのような配置であれば、非点補正器１１１は１次電子線だけに作用し、反射電子には影響しないので、１次電子線に対しての非点収差の補正が可能になる。
【００３７】
一般に電子分光系においては、検出器を一か所にだけ配置し、分光器の偏向強度を掃引することでエネルギースペクトルを得る方式が多い。今の場合でも、ウィーンフィルタの一様場成分E1、B1をウィーン条件を満たしながら掃引させることで、どこか一か所に設置した検出器でスペクトルを取得することが可能である。かつ、その一様場成分E1、B1の掃引に同期させて４極場を変化させることで、すべてのエネルギーで高エネルギー分解能を実現することができる。しかしながら、エネルギースペクトルを測定している時間帯に一様場成分E1、B1を変化させることは望ましくない。なぜなら、一般にウィーンフィルタは磁気飽和、磁束の漏洩の現象があるために、あらかじめ計算した数値による電圧値、励磁値による制御のもとでは、１次電子線に対してのつり合い条件を厳密に保つのは困難だからである。この効果によって、一様場成分E1、B1を変化させると、エネルギー分析の対象となる試料上の視野が掃引中に移動してしまう現象が起きる。本実施形態では、４極場の強度の掃引中にウィーンフィルタ１０８の一様場成分E1、B1は固定である。エネルギースペクトルを測定している間に４極場の強度は変化するが、４極場は１次電子線を偏向させる効果はない。したがって、特別な制御をすることなく、４極場の強度を掃引している際の視野を厳密に固定できる。
【００３８】
次に、他の実施形態について説明する。図６において、ウィーンフィルタ１０８によって分散された反射電子のエネルギーごとのフォーカス位置は、厳密にはある曲面に沿って並び、近似的には、この曲面は平面として扱うことが可能である。この現象は、通常の軸対称レンズの像面湾曲収差に相当するものである。そこで、この曲面または平面に一致する検出器１０７の検出面１０７ａを設置すれば、４極場の強度を掃引することなく、すべてのエネルギー値において反射電子は検出器１０７の検出面１０７ａ上に同時にフォーカスすることができる。結果として、最良のエネルギー分解能が得られる。そこで、図７に示すように、一実施形態では、検出器１０７は、予め定められたエネルギー領域（例えば、E0から０．４E0までの範囲）においてエネルギーごとのフォーカス位置に実質的に一致する検出面１０７ａを有する。この検出面１０７ａは曲面または平面から構成される。検出面１０７ａは、反射電子のフォーカス面、すなわち、ウィーンフィルタ１０８によって分散された反射電子の複数のフォーカス位置を含む面に沿って配置される。反射電子のフォーカス面は、ウィーンフィルタ１０８の動作のシミュレーションから定めることができる。
【００３９】
図７に示す実施形態では、ウィーンフィルタ１０８の４極場はスティグマティック条件から外れるため、非点補正器１１１により１次電子線の非点収差を打ち消すことが必要である。本実施形態では、４極場の強度は固定されているので、エネルギースペクトルの測定中に非点補正器１１１の補正強度を変化させる必要はない。
【００４０】
検出器１０７の検出面１０７ａは、光軸に対して傾いている。検出面１０７ａを平面で構成する場合の光軸から測った角度は、ウィーンフィルタ１０８とシャント１１５の形状、ウィーンフィルタ１０８に進入する反射電子の開き角、分析するエネルギー領域によって変わってくる。典型的な値としては、検出面１０７ａの光軸からの角度は、１０°±５°程度となる。この角度は、ウィーンフィルタ１０８の形状などの上記パラメータが定まれば一意に決定される。
【００４１】
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。
【符号の説明】
【００４２】
１０１      電子銃
１０２      コンデンサーレンズ系
１０３      １次電子線
１０４      反射電子線
１０５      対物レンズ
１０６      試料
１０７      検出器
１０８      ウィーンフィルタ
１０９      極
１０９ａ    コイル
１０９ｂ    テーパー面
１１０      反射電子絞り
１１２      偏向器
１１５      シャント
１１６      スリット
１１７      通孔
１２１      画像化装置
１５０      動作制御部
【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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