(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
当該装置の光学軸に沿って進行する荷電粒子の１次ビームを発生する粒子源と、当該装置によって照射されるべき試料のための試料ホルダと、
上記試料ホルダの近傍に１次ビームの焦点を形成するための浸漬レンズであって、該浸漬レンズと上記試料ホルダとの間に磁界を発生させるよう設けられた浸漬レンズと、
合焦されたビームによって上記試料を走査するための走査装置と、
１次ビームの入射に応じて上記試料から発せられる信号を検出し、検出電極と上記試料ホルダとの間の空間に電界を発生する静電検出電極を有する検出手段とを含む、粒子光学装置であって、
上記検出手段は、上記浸漬レンズの磁界と同じ空間の中で光学軸を横切って延在する光学軸回りの多極電界を発生するよう配置されることを特徴とする粒子光学装置。
【請求項２】
上記検出手段はまた、多極電界と同じ空間の中で光学軸を横切って延在する光学軸回りの多極磁界を発生するよう配置される、請求項１記載の粒子光学装置。
【請求項３】
上記浸漬レンズと独立に多極電界及び／又は多極磁界の強さを調整する調整手段を含む、請求項１又は２記載の粒子光学装置。
【請求項４】
１次ビームの入射に応じて上記試料から発せられる信号は、上記試料から発せられる荷電粒子によって形成される、請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の粒子光学装置。
【請求項５】
１次ビームの入射に応じて上記試料から発せられる信号は、多極電界の中のガスイオン化によって発生される光信号によって形成される、請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の粒子光学装置
【発明の詳細な説明】
本発明は、装置の光学軸（４）に沿って進行する荷電粒子の１次ビームを発生する粒子源と、
装置によって照射されるべき試料のための試料ホルダと、
試料ホルダの近傍に１次ビームの焦点を形成するための浸漬レンズ（合焦装置）と、
合焦されたビームによって試料を走査するための走査装置と、
１次ビームの入射に応じて試料から発せられる信号を検出し、検出電極と試料ホルダとの間の空間に電界を発生する静電検出電極を有する検出手段とを含む粒子光学装置に関する。
上述の種類の装置は、１９９３年７月１３日公開の日本国特許出願第３−５３８１１号の英抄第５−１７４７６８（Ａ）号より既知である。
上述の種類の装置は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）として知られている。ＳＥＭでは、検査されるべき試料の領域は、装置の光学軸に沿って進行する通常は電子である荷電粒子の１次ビームによって走査される。ＳＥＭでは、電子ビームのための加速電圧は検査されるべき試料の特性に依存して選択される。この加速電圧は１次電子ビームによる試料の帯電を最小化するよう（１ｋＶのオーダの）比較的低い値を有するべきである。これは、例えば集積電子回路の中の電気的絶縁層、又は所与の生物学的試料の観察の場合に生じうる。更に、いくつかの検査では、１次ビームの電子が試料中に小さな深さだけ侵入し、結果として画像のより良いコントラストが形成されることが望ましい。他の試料は、しかしながら、例えば３０ｋＶのオーダのより高い加速電圧を必要とする。
検査されるべき試料を照射することにより、かなり低い、例えば５乃至５０ｅＶのオーダのエネルギーを有する荷電粒子（一般的に２次電子）が放出される。これらの２次電子のエネルギー及び／又はエネルギー分布は、試料の特性及び組成に関する情報を提供する。従ってＳＥＭには２次電子用の検出器が設けられることが望ましい。これらの電子は、試料の１次ビームが入射する側において放出され、その後、１次電子の入射方向と反対向きに戻る。そのように戻る２次電子の近傍に（例えば３００Ｖの正電圧を有する電極を設けられた）検出器が配置されるとき、２次電子はこの電極によって捕捉され、検出器はそのように検出された電流に比例する電気信号を出力する。試料の（２次電子）画像はこのように既知の方法で形成される。画像の品質、特に画像が形成される速度及び信号対雑音比のために、検出される電流はできる限り大きいことが望ましい。
いわゆる環境制御型ＳＥＭ（ＥＳＥＭ）では、試料は０．０１Ｔｏｒｒ（≒１．３Ｎ／ｍ2）乃至２０Ｔｏｒｒ（≒２６３０Ｎ／ｍ2）、従って従来のＳＥＭが動作する圧力よりも数倍高い圧力のガスの雰囲気の中に配置される。試料と一次ビームの入射に応じて試料から発せられる信号を検出する検出手段に関連づけられる静電検出電極との間の電圧によって発生される電界は、試料を包囲するガスの原子をイオン化することが可能な速度まで、試料から発せられる２次電子を加速する。これらのイオン化中、ガスの原子から１つ以上の電子が放出され、これらの電子自体が加速され、再び更なるイオン化によって更なる電子を放出することができ、これは繰り返されうる。試料を囲むガスはこのように、２次電子電流を増幅するものとして作用し、それにより検出されるべき電流は原理的に２次電子自体によって生ずる電流よりも大きい。
ガス雰囲気で動作するＳＥＭ（以下「環境制御型ＳＥＭ」又はＥＳＥＭと称される）の従来のＳＥＭと比較した場合の更なる利点は、ＥＳＥＭでは、従来のＳＥＭの慣習的な真空条件下では撮像することが非常に困難な湿った又は非導電性の試料（例えば生物学的試料、合成材料、セラミック材料又はガラス繊維）の電子光学画像の形成が可能となることである。ＥＳＥＭは、試料が高い真空条件下での電子ビームによる観察のために通常要求される乾燥、凍結、又は真空コーティング動作の悪影響を受けることなく、試料がその「自然な」条件に維持されることを可能とする。
更に、ＥＳＥＭの試料空間の中の比較的高い許容圧力により、形成されたガスイオンは、高解像度の画像の形成を妨げるであろう非導電性試料の帯電を中和する。ＥＳＥＭはまた液体の移動、化学反応、溶解、結晶化、及び従来のＳＥＭの試料空間で許容可能な圧力をはるかに越える比較的高い蒸気圧で行われる他のプロセスといった現象の直接的なリアルタイムの観察を可能とする。
引用された英抄第５−１７４７６８（Ａ）号によれば、１次ビームは浸漬レンズによって試料上に合焦される。既知のように、浸漬レンズは、レンズの磁極片と試料との間の空間に磁界を発生する磁気レンズである。１次ビームによって試料から放出される電子は、次に浸漬レンズの界線を略追従しつつ、試料から検出器の静電検出電極へ戻る。引用された英抄において開示される静電検出電極は、（この電極上の電圧よりも低い電圧を担持する）試料とこの電極との間に電界を発生する環状電極である。ＥＳＥＭの中でガス雰囲気による十分に高い電流増幅効果を達成するために、しかしながら、検出器電極のために比較的高い電圧が必要とされ、電気降伏の危険性のため、試料と検出器電極との間の距離は比較的大きな最小距離よりも小さくてはならない。従って、連続するイオン化の数、従って電流増幅は制限される。
本発明は、既知のＥＳＥＭの電流増幅よりも高い電流増幅を有するＥＳＥＭを提供することを目的とする。このため、本発明による粒子光学装置は、検出手段が、浸漬レンズの磁界と同じ空間の中で光学軸を横切って延在する光学軸回りの多極電界を発生するよう配置されることを特徴とする。
本発明は、所与の界の強さにおいて、多極子の光学軸において、光学軸の外側の電界の強さは実質的により高くなりうるという、電気多極子の特性を利用する。従って、１次電子ビームに対して僅かな影響のみを与える一方でそれでもなお強い検出器界を与えることができ、それにより多数の多極イオン化、従って試料の周辺のガス雰囲気中の高い電流増幅を実現するために、加速されるべき２次電子は適当なエネルギーを受ける。更に、試料が多極電界を発生する電極組立体によって「認識される」空間角度は、非常に大きい。
本発明は、既に知られているように、磁界の中を動く電子は、動きの方向に垂直に、且つ磁界に対して垂直に向いた力を受けるということの認識に基づく。磁界が存在しない場合、試料から検出器電極へ進行する２次電子は、ガス原子との衝突による方向の変化を除き、検出器電極へ略直線の経路を追従する。磁界が存在する場合、従ってかかる電子は検出器電極への動きの方向から逸らされて偏向される。（理論上は、所与の磁界ジオメトリでは、エネルギーの損失が存在しない場合はかかる電子は検出器電極へ到達することすらできない。）従って、この電子は実質的により長い距離を進行し、それによりガス原子との衝突の可能性はかなり増加する。ガス原子との電離衝突により、かかる電子は進行中に毎回エネルギーの所与の量を失い、それにより最終的には検出器電極によって捕捉される。このかなり長い進行の間に、この電子は比例的に多い数の電離衝突を受けており、従ってより多数の電子を放出している。同じことは、かかる衝突によって放出される電子についても成り立つ。従って、放出される電子のカスケードが形成され、それにより検出されるべき信号は追加的な磁界が存在しない場合よりもはるかに大きい。この検出されるべき信号は多様な形状でありえ、その全てが試料から放出される電子の電流の表現を構成する。
本発明の文脈においては、「検出手段と試料ホルダとの間の空間」という語句は、荷電粒子（及びおそらくこれらの粒子によって発生される粒子、例えばイオン化によって発生される電子及びイオン）が、検出器電極によって捕捉される前に横切る空間として理解されるべきである。
本発明の１つの実施例では、検出手段はまた、多極電界と同じ空間の中で光学軸を横切って延在する光学軸回りの多極磁界を発生するよう配置される。この実施例は、浸漬レンズ自体によって試料空間の中に発生される磁界が、電子増倍のために電子の経路の長さの所望の延長を達成するのに十分に強くない場合に特に望ましい。この実施例は、多極子の光学軸における所与の界の強さにおいて、光学軸の外側の磁界強さが実質的により大きくなりうるという、磁気多極子の特性を利用する。従って、１次電子ビーム上にわずかな影響のみを与える一方で、それでもなお２次電子の経路の長さを増加するよう強い磁界が獲得されうる。
本発明による粒子光学装置の望ましい実施例は、浸漬レンズと独立に多極電界及び／又は多極磁界（多極界）の強さを調整する調整手段を含む。これは装置の使用の高い柔軟性を与え、変化を受けやすい様々な撮像パラメータ、例えば試料と対物レンズとの間の距離、１次電子当たりの２次電子の数、加速電圧、試料空間中のガス圧、試料を放電するのに必要とされるイオンの数等に対して多極界が適合されることを可能とする。
本発明の実施例における検出されるべき信号の検出は、１次ビームの入射に応じて試料から発せられる信号は、試料から発せられる荷電粒子によって形成されることによって行われる。試料から発せられる荷電粒子のこの電流は、２次電子の電流（即ち、試料から放出される電子及びガス放電において増倍によって発生される電子の総数）でありうる。或いは、試料から発せられる荷電粒子の電流は、ガス放電中に生じ、電界の影響下で試料を移動させ、試料の電流として測定されうるイオンの電流によって形成される。第３の可能性は、試料から発せられる荷電粒子の電流が、ガス放電中に生じ、例えば検出手段によって発生された電界の影響下で、検出手段の電極へ移動し、検出器電流として測定されうることからなる。或いは、このようにして形成された２つ以上の電流を組み合わせ、次に生ずる信号を検出することが可能である。
本発明の更なる実施例では、検出されるべき信号の検出は、１次ビームの入射に応じて試料から発せられる信号が、多極電界の中のガスイオン化によって発生される光信号によって形成されることによって行われる。この効果はまた、より大きな検出器電界及び／又は検出器磁界によって増幅され、それは、より検出器電界及び／又は検出器磁界では、エネルギー及び／又は２次電子の経路の長さ、従ってまたイオン化の数、及びまたそれによって発生される光の量が増加されるためである。
本発明を以下対応する参照番号が対応する要素を示す図を参照して詳述する。図中、
図１は本発明が使用されうる粒子光学装置の図式的な表現を示す図であり、
図２は追加的な磁界による電子増倍の過程を図式的に示す図であり、
図３Ａは四極磁界を発生するための電極組立体を示す図であり、
図３Ｂは多極電界及び／又は多極磁界を発生するための極形態を示す斜視図であり、
図４は検出器の多極電界及び／又は多極磁界と協働する磁界を有す浸漬レンズを有する試料空間を示す図である。
図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）のコラム２の一部の形状である粒子光学装置を示す図である。従来どおり、この装置の中の電子源（図示せず）は装置の光学軸４に沿って進行する電子のビームを発生する。この電子ビームは、集光レンズ６といった１つ以上の電磁レンズを通過し、その後レンズ８に到達する。いわゆる単極子レンズであるこのレンズは磁気回路の一部を形成し、この磁気回路は更に試料室１２の壁１０によって形成される。レンズ８は、試料１４を走査するための電子ビーム焦点を形成するために使用される。かかる走査は、レンズ８上に設けられた走査コイル１６によって電子ビームをｘ方向及びｙ方向に移動することによって行われる。試料１４は、ｘ変位用のキャリア２０及びｙ変位用のキャリア２２を含む試料台１８の上に配置される。検査のための試料の望ましい領域は、これらの２つのキャリアによって選択されうる。レンズ８の方向に戻る２次電子は試料から放出される。これらの２次電子は、このレンズのボアの中に設けられる検出器２４によって検出される。制御ユニット２６は、検出器を作動し、検出された電子の電流を例えば陰極管によって試料の画像を形成するために使用されうる信号へ変換するために、検出器に接続される。
図２は、ガス雰囲気中の追加的な磁界による電子増倍の過程を示す図である。電子の動きの簡単化のため、多極形態ではなく板型検出電極が想定されているが、これは電子の増倍の原理を明瞭化する上で本質的に重要ではないことに注意すべきである。
先行する対物レンズ８によって合焦される１次電子ビーム（図示せず）は、装置の光学軸４に沿って試料ホルダ２０の上の試料１４に入射する。説明の簡単化のため、検出器電極は対物レンズ８の下に配置された板３０として構成されると想定する。この検出器板３０の中央には１次ビームが通過するための開口が設けられている。検出器電極３０は正電圧を有し、それにより試料の中で放出された２次電子はこの電極の方向に加速される。図２中、図面の簡単化のため、追加的な磁界Ｂは記号３８によって示されるように図の平面に対して垂直に延在すると仮定される。試料１４から発せられる２次電子１４は、正電極３０と接地された試料１４との組合せによって発生される電界によって電極３０の方向に加速される。電子の速度により、これはサイクロイド経路４０を追従するよう磁界Ｂによって偏向される。進行している間に少しでもエネルギーを失えば、磁界Ｂの存在により電子は電極３０に到達することを防止される。電極３０における電圧は、この経路を追従している間に、電子が試料空間中に存在するガス原子４１をイオン化し、それにより少なくとも１つの追加的な自由電子が形成されるよう、十分なエネルギーを得ることを確実にするために十分高く（例えば３００Ｖに）される。イオン化電子及び追加的な電子は、電界によって再びサイクロイド経路４２の中で加速され、その後、上述の過程自体が繰り返されうる。イオン化電子はイオン化の間にエネルギーの所与の量を失っているため、電極３０により近く配置される経路に沿って進行し始める。上述の過程は、試料空間中を移動する全ての電子について繰り返され、当該の電子が電極３０に達するまで全ての電子ついて続けられる。図面の簡単化のため、各電離衝突について電子の数は２倍には示されていない。このように試料空間内でなだれ状の放電が達成され、電子のガス原子との衝突の確率は追加的な磁界の存在により実質的に増加されている。イオン化によって放出される電子の量、従って２次電子によって形成される電流信号もまた、このように比例的に増加する。
図３Ａは、光学軸を横切って延在する光学軸回りの多極電界を発生するための電極組立体の形状を示す図である。図３Ａに示される電極組立体は、相互に電気的に絶縁され、全てが１つの平面上に配置され、図の平面に垂直に延びる光学軸４の回りに対称的に組分けされた４つの板型導体（極）６０−ａ，６０−ｂ，６０−ｃ，及び６０−ｄからなる。この図はまた相互に直交するｘ方向及びｙ方向を示す。光学軸こ面するこれらの極の境界線は、双曲線に対する正接である仮想中央円の回りに配置される双曲線として形成される。製造の簡単化のため、双曲線の形状は既知の方法で円弧によって近似されうる。極６０−ａ乃至６０−ｄの夫々は、電位Ｖ1，Ｖ2，Ｖ3及びＶ4に調整されうる。最も単純な場合、Ｖ1及びＶ3はＶ2及びＶ4と同様に等しくなり、このときＶ2及びＶ4はＶ1及びＶ3の逆となる。図は電極の１つの層のみを示すが、所望であれば重なり合う（即ち図の平面に平行であるがこの平面の上下に）複数の層を設けることもまた可能である。このように電気四極子の設計及び／又は励起に関してより高い程度の柔軟性が得られる。
また、四極子の効果が失われることなく、極６０−ａ乃至６０−ｄの上記の電位の全てに対して１つの一定の量を加えることが可能である。この一定の量は電極の次の層に対しては異なる値を有してもよく、それにより静電単極子、従ってレンズ効果を有する素子が四極子の上に重ね合わされる。
図３Ｂは、多極電界及び／又は多極磁界を発生するための極の形態を示す斜視図である。この図の多極形態は、円筒状外囲器６６と、円筒内に均等に分布されるよう設けられた多数のｎの極６４−１乃至６４−ｎ（図中ｎは８）とからなる磁気回路によって形成される。原理的には、本発明を実行するために四極子よりも高次の多極界は必要とされないが、例えば機械的な不完全さのため、例えば図中ｎ＝８であるがｎ＝１２もまた可能であるような、より高次の界を発生する可能性を有することが望ましい。外囲器６６の円筒軸は、図１に示される粒子光学装置の光学軸４と一致する。
様々な多極界、即ち磁界及び静電磁界はｎの極によって発生される。これらの極の夫々は、電界及び磁界を発生するよう配置され、これらの多極界を決定する極の面は装置の光学軸に平行に延在する。各極６４−ｉには、磁界を発生する励起コイル６８−ｉ及び電界を発生するポールキャップ７０−ｉが設けられている。各励起コイル６８−ｉ及び各ポールキャップ７０−ｉは個々に励起され、それにより所望の多極磁界及び多極電界の夫々は８つの極６４−１乃至６４−８によって発生される。
図４は、検出器の多極電界及び／又は多極磁界と協働する磁界を有する浸漬レンズを有する試料空間の断面図を示す図である。浸漬レンズのための合焦界を発生する磁気回路は、浸漬レンズのファンネル型の極８と、（磁束について）それと接触する試料室１２の壁１０とからなる。従って、磁界線５２は、浸漬レンズのファンネル型の極８の端から試料ホルダ２０、即ち壁１０を通じて磁気回路と接触する試料１４へ延在する。光学軸４と一致する対称軸を有する多極装置４６は、浸漬レンズの磁界５２と同じ空間の中に収容される。図示される多極装置４６は従って、図３Ｂの多極子の形状、又は図３Ａの電気四極子の形状を有する。図３Ａの場合、矩形４６の高さは、板型導体６０−ａ乃至６０−ｄの厚さを構成し、図３Ｂの場合、矩形４６の高さは、円筒状外囲器６６の軸方向の寸法を構成する。
既知であるように、このコラム中の圧力は様々な理由により、ＥＳＥＭの試料空間の中の圧力の上記の値（≒２５００Ｎ／ｍ2まで）よりもかなり低くなくてはならない。この圧力差を維持することを可能とするため、既知の方法で試料空間とコラム２との間に分離ダイアフラム２８が設けられる。ダイアフラム２８には、例えば０．１ｍｍのボアが設けられる。コラムの中の所望の圧力は、このダイアフラムの真上にポンプ開口（図示せず）を設けることによって維持されうる。
多極装置５６の様々な極の励起は、図示されるように２つの接触子を通じて多極装置４６に接続される制御可能電源５０によって実現される。この電源は、静電電極のために様々な独立に制御可能な電圧を与え、磁極のために様々な独立に制御可能な電流を与えうるよう配置される。
図４に示される実施例は、２次電子を捕捉するための比較的広い空間角度と、電子が比較的長い期間に亘って含まれることができそれにより電子が適当な量の電気エネルギー（従って運動エネルギー）を獲得し、従って２次電子の高い電流増幅が行われうるような極の間の放電空間とを有する検出器を適用する。２次電子によって形成される電流信号の更なる処理は、様々な極に接続される処理ユニット（図示せず）の中で行われる。電流信号の更なる処理は本発明では重要でないため、これについては詳述しない。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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