(57)【要約】【課題】検出器が試料から遠ざかることによる感度低下、走査範囲の減少を解消し、走査コイルが発生する磁場により検出される２次電子に対する影響を除くこと。【解決手段】荷電粒子を試料に照射する対物レンズ２と、電子光学系の軸３と同軸で、かつ、対物レンズ２の内側に配置した２次電子を検出するシンチレータ１１と、シンチレータ１１で光変換した光を対物レンズ２の外側に導く光導体１３と、光導体１３で導かれた光を増幅して信号を取り出す光電子増倍管１２と、対物レンズ２の内側であって光導体１３の外側に走査器４の少なくとも一部の走査コイル４ｂを備え、シンチレータ１１及び走査コイル４の配置位置により、試料Ｓとの距離を縮め、感度低下や走査範囲の減少の問題を解消する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次ビームを試料に照射する対物レンズと、
電子光学系の軸と同軸で、かつ、前記対物レンズの内側に配置した２次電子を検出するシンチレータと、
前記シンチレータで光変換した光を対物レンズの外側に導く光導体と、
前記光導体で導かれた光を増幅して信号を取り出す光電子増倍管とを備えることを特徴とする、走査型電子顕微鏡。
【請求項２】
１次ビームを試料に照射する対物レンズと、
２次電子を検出する検出器と、
前記対物レンズの内側に走査器の少なくとも一部の走査コイルを備えることを特徴とする、走査型電子顕微鏡。
【請求項３】
１次ビームを試料に照射する対物レンズと、
電子光学系の軸と同軸で、かつ、前記対物レンズの内側に配置した２次電子を検出するシンチレータと、
前記シンチレータで光変換した光を対物レンズの外側に導く光導体と、
前記光導体で導かれた光を増幅して信号を取り出す光電子増倍管と、
前記対物レンズの内側であって前記光導体の外側に走査器の少なくとも一部の走査コイルを備えることを特徴とする、走査型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記シンチレータと対物レンズの試料側先端との間にメッシュ状の導体を備え、当該メッシュ状導体はシンチレータに対して負電位であることを特徴とする、請求項１又は３に記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記走査コイルの内側に、金属製筒を電子光学系の軸と同軸に備えることを特徴とする、請求項２，３，又は４のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記光導体は、前記シンチレータから電子光学系の軸方向に進む光を取り出し方向に変える光反射部を光軸上に備えることを特徴とする、請求項１又は３に記載の走査型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子を用いて分析、計測、観察、製造を行う装置に関し、特に、走査型電子顕微鏡の２次電子検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡や電子線マイクロアナライザーなど、分析対象物の分析、計測、あるいは観察を行う装置において、荷電粒子等の１次ビームを対象物に照射することにより、試料から放出される２次電子、反射電子、オージェ電子等の電子信号を検出して観察や分析を行う。また、電子線描画装置やイオンビーム加工装置などの対象物の加工を行う製造装置においても、電子信号検出器を設けることにより、試料から放出される２次電子、反射電子、オージェ電子等の電子信号を検出して観察や分析を行うことができる。
【０００３】
この１次ビームの照射による分析、観察において、２次電子信号やＳＥＭ像を分析、観察する際には、多くの場合、対物レンズに巻き込まれた電子を、対物レンズの外側に軸非対称に配置したシンチレータを利用した検出器により増幅し検出している。
【０００４】
図５は、従来の２次電子を検出する構成を説明するための概略図である。図５（ａ）はインレンズ方式と呼ばれ、対物レンズの発する磁場の中心に試料を配置する構成であり、図５（ｂ），（ｃ）は、セミインレンズ方式と呼ばれ、対物レンズの照射源と反対側の端部に試料を配置する構成である。
【０００５】
いずれの方式においても、対物レンズ１０２に対して照射源側の外側に２次電子の検出器を設けた構成としている。検出器は、例えば、シンチレータ１１１と光電子増倍管（ＰＭＴ）１１２の組み合わせを用いることができ、試料Ｓから放出され対物レンズ１０２の磁場により対物レンズ１０２内に巻き込まれた２次電子をシンチレータ１１１で光変換し、光電子増倍管１１２により増幅して検出している。
【０００６】
また、図５（ｃ）に示す構成例のように、対物レンズ１０２に対して照射源側の外側に、光軸と軸対称にＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）１１３等の検出器を配置する構成や、図５（ｄ）に示す構成例のように、対物レンズ１０２に対して照射源側の外側に、斜めに切断したＹＡＧ単結晶を光軸なまで延ばして試料Ｓから発生した２次電子を光変換し、この光をライトガイドで外側に配置した光電子増倍管１１２に導いて検出する構成が知られている。
【０００７】
なお、図５（ｃ）に示す構成例では、ＭＣＰの出力側が高圧でフローティングされているため、ＭＣＰ１１３の信号をアンプ１１４で増幅した後、光変換回路１１５ａで光信号に変換し、この光信号を電気変換回路１１５ｂで電気信号に変換するホトカプラ１１５の構成としている。
【０００８】
上記図５（ｃ）、（ｄ）に示した構成は、例えば、特許文献１に記載されている。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−１７１７９１号公報（図６，図７）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
前記図５（ａ），（ｂ）に示したように、対物レンズの外側で軸非対称に配置した検出器により検出する構成では、検出器が対物レンズの試料側と反対側の外側に配置されるため、検出器が試料から遠くなり、検出感度が低くなるという問題がある。
【００１１】
また、走査系のコイル（図５では示していない）は、検出器（シンチレータ１１１及びＰＭＴ１１２）を対物レンズ１０２の外側に配置した分だけさらに試料Ｓから遠い位置に配置することになるため、１次ビームを走査することによる試料面上での移動量が大きくなり、低倍率を得ることが困難になるという問題がある。
【００１２】
また、前記図５（ｃ）の構成では、信号の取り出しにホトカプラ等を用いる必要があり、また、ＭＣＰの反応速度も低いため、応答が悪く走査速度が低下することになる。そのため、テレビ受像器の表示に要する高速スキャンに対応することができず、リアルタイムの観察ができないという問題がある。また、ＭＣＰの動作が可能となる高真空を用いる必要がある。
【００１３】
上記した特許文献に示される対物レンズは、扁平な形状の対物レンズが用いられているが、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で通常用いられる対物レンズは、縦方向（照射する１次ビームの軸方向）に長い形状である。特に、試料の取り回しを良くするために、先端部を細くした対物レンズでは、対物レンズの軸方向の上面と下面との距離が大きくなる。
【００１４】
このような対物レンズを有した走査型電子顕微鏡に対して、図５（ｄ）に示したような検出器（シンチレータ１１６，ＰＭＴ１１２）を適用させると、走査器１０４のコイル（走査コイル１０４ａ，１０４ｂ）が試料面から遠く離れてしまうため、試料面上で十分な走査範囲を確保することは難しくなる。図６はこの状態を示している。縦型の対物レンズ１０２の場合には、試料Ｓと走査器１０４（走査コイル１０４ａ，１４０ｂ）との間の距離は、シンチレータ１１６やＰＭＴ１１２の幅に加えて対物レンズ１０２の縦方向の長さ分だけ長くなり、走査範囲が狭まることになる。また、対物レンズ１０２の縦方向の長さ分だけ、シンチレータ１１６が受ける２次電子の取り込みの効率が低下することになる。
【００１５】
この問題に対して、走査コイルを２次電子検出面（シンチレータ）よりも試料面に接近させて配置することにより走査範囲の問題を解決することも考えられるが、走査コイルを試料に接近させると、走査コイルが発生する磁場により、検出する２次電子に影響するという問題がある。
【００１６】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、検出器が試料から遠ざかることによる感度低下、走査範囲の減少の問題を解消することを目的とし、また、走査コイルが発生する磁場により検出される２次電子に対する影響を除くことを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の走査型電子顕微鏡は、２次電子を検出するシンチレータや走査コイルの配置位置に特徴を持たせることにより、試料と検出器との距離や試料と走査コイルとの距離を縮め、これにより感度低下、走査範囲の減少の問題を解決し、また、走査コイルが発生する磁場により検出される２次電子に対する影響を除くものである。
【００１８】
本発明の走査型電子顕微鏡の第１の態様は、１次ビームを試料に照射する対物レンズと、電子光学系の軸と同軸で、かつ対物レンズの内側に配置した２次電子を検出するシンチレータと、シンチレータで光変換した光を対物レンズの外側に導く光導体と、光導体で導かれた光を増幅して信号を取り出す光電子増倍管とを備える構成とする。なお、１次ビームは、電子の他にイオンとすることもできる。
【００１９】
第１の態様によれば、２次電子を検出するシンチレータを、電子光学系の軸と同軸でかつ対物レンズの内側に配置することにより、試料と２次電子の検出位置との距離を縮めることができ、これにより、試料と検出器との間の距離が遠ざかることによる感度低下や走査範囲の減少の問題を解消することができる。
【００２０】
本発明の走査型電子顕微鏡の第２の態様は、１次ビームを試料に照射する対物レンズと、２次電子を検出する検出器と、対物レンズの内側に走査器の少なくとも一部の走査コイルを備える構成とする。
【００２１】
第２の態様によれば、対物レンズの内側に走査器の少なくとも一部の走査コイルを配置することにより、走査範囲の減少の問題を解消することができる。
【００２２】
また、本発明の走査型電子顕微鏡の第３の態様は、第１の態様と第２の態様を備える構成であって、１次ビームを試料に照射する対物レンズと、電子光学系の軸と同軸で、かつ、前記対物レンズの内側に配置した２次電子を検出するシンチレータと、シンチレータで光変換した光を対物レンズの外側に導く光導体と、光導体で導かれた光を増幅して信号を取り出す光電子増倍管と、対物レンズの内側であって前記光導体の外側に走査器の少なくとも一部の走査コイルを備え、シンチレータ及び走査コイルの配置位置により、感度低下や走査範囲の減少の問題を解消する。
【００２３】
また、本発明の走査型電子顕微鏡の第４の態様は、シンチレータと対物レンズの試料側先端との間にメッシュ状の導体を備え、メッシュ状導体はシンチレータに対して負電位とする。この構成により、シンチレータにより生じる高圧電界が照射する１次ビームや２次電子に与える影響を防止する。
【００２４】
また、本発明の走査型電子顕微鏡の第５の態様は、走査コイルの内側に、金属製筒を電子光学系の軸と同軸に備える構成とする。この金属製筒により、走査コイルによる磁場が電子光学系の軸を通る照射する１次ビームに与える影響を防止することができる。
【００２５】
また、本発明の走査型電子顕微鏡の第６の態様は、光導体は、シンチレータから電子光学系の軸方向に進む光を取り出し方向に変える光反射部を光軸上に備える。
【００２６】
また、本発明の走査型電子顕微鏡は、電子顕微鏡や電子線マイクロアナライザーなど、分析対象物の分析、計測、あるいは観察を行う装置に適用するほか、電子線描画装置やイオンビーム加工装置などの対象物の加工を行う製造装置においても、電子信号検出器を設けることにより適用することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。  図１は本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図である。
【００２８】
走査型電子顕微鏡は、電子銃等の１次ビームを照射する照射源と、１次ビームを集束するコンデンサレンズ、試料上に１次ビームの焦点を合わせる対物レンズ、試料上において１次ビームを走査させる走査器、１次ビームの照射により試料から放出される２次電子を検出する検出器等を備える。
【００２９】
図１では、これらの構成の内、対物レンズ２、走査器４、及び検出器等の走査型電子顕微鏡の一部の構成のみを示し、その他の構成については省略している。
【００３０】
図１において、走査型電子顕微鏡１は、１次ビーム源と試料Ｓとの間を結ぶ電子光学系の軸３と同軸に、対物レンズ２、走査器４の一部の走査コイル４ｂ、検出器を構成するシンチレータ１１、シンチレータで光変換した光を導出するライトガイド等の光導体１３の各構成要素を、軸３に向かって外側から内側に配置して備える。
【００３１】
対物レンズ２は、対物コイル２ａ及び磁極２ｂを備える。図１に示す構成では、磁極２ｂの先端は試料Ｓに向かって細く絞られた形状とする。走査器４は、走査コイル４ａ，４ｂを備え、少なくとも試料Ｓ側（下側の）の走査コイル４ｂは対物レンズ２の内側に同軸に配置される。
【００３２】
シンチレータ１１は、電子光学系の軸３と同軸に、対物コイル２ａ及び走査コイル４ａの内側に配置される。シンチレータ１１は、対物コイル２ａの内側の位置に配置することにより、試料Ｓとの距離を短くすることができ、これにより２次電子の検出効率を高めることができる。シンチレータ１１は、試料Ｓから放出された２次電子を検出して光変換する。なお、シンチレータは、例えばＹＡＧ結晶を用いることができる。光変換された光は、ライトガイド等の光導体１３を介してＰＭＴ（Ｐｈｏｔｏ  Ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  Ｔｕｂｅ，光電子増倍管）１２に導かれる。
【００３３】
ここで、光導体１３についても、電子光学系の軸３と同軸に対物コイル２ａ及び走査コイル４ａの内側に配置される。光導体１３は、電子光学系の軸３に沿って延びる部分１３ａと、軸３に対して垂直方向に延びる部分１３ｂを備え、さらに、この部分１３ａと１３ｂが交差する部分には光反射部１４が形成される。部分１３ａはシンチレータ１１と同径のものを使用し、その試料側の一端（前記交差部分と軸３に対して反対側の端部）にはシンチレータ１１が取り付けられる。光反射部１４は、シンチレータ１１で光変換され軸方向に進んだ光をＰＭＴ（光電子増倍管）１２に向けて反射する。光反射部１４には、光の反射効率を高めるために金属蒸着が施される。なお、光反射部１４の反射方向は、必ずしも軸３に対して垂直である必要はなく、所定の反射角度とすることができる。この場合には、その反射方向にＰＭＴ（光電子増倍管）１２に設置する。このとき、延びる部分１３ｂは、ＰＭＴ（光電子増倍管）１２が設置された位置に応じて、軸３に対して必ずしも垂直方向とはならない。
【００３４】
シンチレータ１１の前方（試料Ｓ側）には、シンチレータ１を覆うようにメッシュ状の導体１６が設けられ、このシンチレータ１１には電源１７により正の高電圧（例えば、１０ｋＶ程度）が印加され、メッシュ状導体１６はアース電位に接地される。なお、電源１７は可変電源とし、メッシュ状導体１６の電位を可変とすることができる。
【００３５】
また、光導体１３ａには、電子光学系の軸３位置に軸方向に沿って開口部が形成され、その軸方向に沿った穴内には薄肉の金属製パイプ１５が設けられる。金属パイプ１５はアース電位に接地される。
【００３６】
この金属パイプ１５及びメッシュ状導体１６は、シンチレータ１１の高圧により生じる電界が、１次ビームや２次電子に影響を与えるのを防止する。なお、１次ビームは、金属パイプ１５を通すため、光導体１３ａはチャージアップすることはない。
【００３７】
なお、前記した金属パイプ１５及びメッシュ状導体１６はアース電位に限らず、シンチレータ１１に印加する高電圧に対して低い任意の電圧としてもよい。
【００３８】
上記した構成の走査型電子顕微鏡によれば、１次ビーム源（図示してない）で発生した１次ビームは、金属パイプ１５内を通過して軸３に試料Ｓに向け照射される。１次ビームは、対物レンズ２によって試料Ｓ上に集光されると共に、走査器４により試料Ｓ上を走査する。この１次ビームの走査において、走査器４の走査コイル４ｂは、対物レンズ２の内側に配置されることにより、試料Ｓとの距離を短くすることができる。
【００３９】
１次ビームの照射により試料Ｓから放出された２次電子は、対物レンズ２の磁場により対物レンズ２内に巻き込まれ、シンチレータ１１で検出される。このとき、シンチレータ１１には正の高電圧が印加されているが、シンチレータ１１はメッシュ状導体１６により覆われた状態にあるため、高電圧で形成される電界の影響を受けることなく検出が行われる。
【００４０】
なお、１次ビームを走査器４で走査する際の磁場は、試料Ｓに最も近い走査コイル４ｂを、対物レンズ２内においてシンチレータ１１よりも１次ビーム源側に配置することにより、シンチレータ１１による２次電子の検出には影響を与えない。
【００４１】
シンチレータ１１は、試料Ｓから放出され対物レンズ２内に巻き込まれた２次電子を捕らえて光変換する。光変換で得られた光は、光導体１３ａを介して上方（１次ビーム源側）に導かれ、光反射部１４においてＰＭＴ１２側に反射される。反射された光は、光導体１３ｂを介してＰＭＴ１２に届き、増幅されて検出される。
【００４２】
図２は、本発明の走査型電子顕微鏡の他の構成を説明するための概略図である。図２に示す構成例は、図１に示す構成において、走査器４の走査コイル４ａ，４ｂを共に対物レンズ２の内側と光導体１３の外側に間に配置する構成である。
【００４３】
本発明の構成は、上記構成の他に、セミインレンズ方式やインレンズ方式に適用することもできる。
【００４４】
図３はセミインレンズ方式を適用した本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図であり、図４はインレンズ方式を適用した本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図である。
【００４５】
図３に示すように、セミインレンズ方式を適用した走査型電子顕微鏡１′は、前記した構成と同様に、１次ビーム源と試料Ｓとの間を結ぶ電子光学系の軸３と同軸に、対物レンズ２、走査器４の一部の走査コイル４ｂ、検出器を構成するシンチレータ１１、シンチレータで光変換した光を導出するライトガイド等の光導体１３の各構成要素を、軸３に向かって外側から内側に配置して備え、対物レンズ２の照射源と反対側の端部に試料Ｓを備える。
【００４６】
また、図４に示すように、インレンズ方式を適用した走査型電子顕微鏡１″は、前記した構成と同様に、１次ビーム源と試料Ｓとの間を結ぶ電子光学系の軸３と同軸に、対物レンズ２、走査器４の一部の走査コイル４ｂ、検出器を構成するシンチレータ１１、シンチレータで光変換した光を導出するライトガイド等の光導体１３の各構成要素を、軸３に向かって外側から内側に配置して備え、対物レンズ２の発する磁場の中心に試料Ｓを備える。
【００４７】
このセミインレンズ方式やインレンズ方式に適用した構成においても、２次電子を検出するシンチレータや走査コイルの配置位置に特徴を持たせることにより、試料と検出器との距離や試料と走査コイルとの距離を縮め、これにより感度低下、走査範囲の減少の問題を解決することができ、また、走査コイルが発生する磁場により検出される２次電子に対する影響を除くことができる。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、検出器が試料から遠ざかることによる感度低下、走査範囲の減少の問題を解消することができ、走査コイルが発生する磁場により検出される２次電子に対する影響を除くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図である。
【図２】本発明の走査型電子顕微鏡の他の構成を説明するための概略図である。
【図３】セミインレンズ方式に適用した本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図である。
【図４】インレンズ方式に適用した本発明の走査型電子顕微鏡を説明するための概略図である。
【図５】従来の２次電子を検出する構成を説明するための概略図である。
【図６】縦型の対物レンズに適用した場合の状態を説明するための概略図である。
【符号の説明】
１…走査型電子顕微鏡、２…対物レンズ、２ａ…対物コイル、２ｂ…磁極、３…軸、４…走査器、４ａ，４ｂ…走査コイル、１１…シンチレータ、１２…ＰＭＴ（光電子増倍管）、１３…光導体（ライトガイド）、１４…光反射部、１５…金属パイプ、１６…メッシュ状導体、１７…電源、１０２…対物レンズ、１０４…走査器、１０４ａ，１０４ｂ…走査コイル、１１１…シンチレータ、１１２…ＰＭＴ、１１３…ＭＣＰ、１１４…アンプ、１１５…フォトカプラ、１１５ａ…光変換回路、１１５ｂ…電気変換回路、１１６…シンチレータ、１１７…検出器、１１５ｂ発光記載、Ｓ…試料。
【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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