(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２段の電子レンズにより収束させた電子線で試料面を走査し、試料面から発生した二次電子を検出することにより、当該試料の像を観察する方式の電子線装置において、
前記少なくとも２段の電子レンズの中で対物レンズを形成する電子レンズの電子銃側に位置する電子銃側偏向手段と、
前記対物レンズを形成する電子レンズの前記試料側に位置する試料側偏向手段と、
該試料側偏向手段を前記対物レンズを通る電子線の経路に対して出し入れ可能にする移動手段とを設け、
高分解能像観察時には、前記試料側偏向手段を電子線の経路から取り出し、前記電子銃側偏向手段を用いて電子線を走査し、
低倍率像観察時には、前記試料側偏向手段を電子線の経路に入れ、前記試料側偏向手段を用いて電子線を走査するように構成したことを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の発明において、
前記対物レンズの機能を実質的に無効にする手段を設け、
前記低倍率像観察時には、前記対物レンズよりも電子銃側に位置する電子レンズによって電子線が収束されるように構成したことを特徴とする電子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の発明において、
前記電子銃側偏向手段と前記試料側偏向手段を切換える手段が設けられていることを特徴とする電子線装置。
【請求項４】
請求項１に記載の発明において、
前記試料側偏向手段に走査中心を移動させるための制御手段が設けられていることを特徴とする電子線装置。
【請求項５】
請求項１に記載の発明において、
前記試料を保持した試料ステージの垂直方向の位置を検出する手段を設け、
前記試料ステージが所定の位置範囲内にあるときだけ、前記試料側偏向手段の移動を可能にするように構成したことを特徴とする電子線装置。
【請求項６】
請求項１に記載の発明において、
前記低倍率像観察時には、電子線の加速電圧が５ｋＶ以下に制御されるように構成したことを特徴とする電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料を電子線で走査したとき発生する信号により試料の像を得る電子線装置に係り、特に走査型電子顕微鏡に好適な電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば走査電子顕微鏡などの電子線装置では、電子銃と対物レンズの間に光軸(電子線軸)に沿って２段に配置した偏向器によって電子線(電子ビーム)を偏向させ、試料に照射される電子線(一次電子線)が試料の観察領域を走査するようにしている。
【０００３】
偏向器による偏向電界(電界形の場合)又は偏向磁界(磁界形の場合)は、偏向器の中心軸(光軸)から離れるにしたがって電界或いは磁界の均一性が保たれなくなってしまうことから、低倍率を得るために一次電子線の偏向角を大きくすると、一次電子線が偏向器内の不均一な電界又は磁界の影響を受け、この結果、得られた像の周辺部で歪やぼけが生じることになる。
この影響は、偏向器の構造、特に偏向器の内径に依存し、これにより最低倍率が制限されてしまう。
【０００４】
そこで、従来の走査電子顕微鏡、特に対物レンズに焦点距離が短いインレンズやシュノーケル型レンズを採用した走査電子顕微鏡では、低倍率で使用する際には対物レンズの励磁を無効にしたり、或いは対物レンズの励磁を弱く設定した上で偏向器を１段だけ使用して一次電子線を偏向していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、低倍率動作について充分な配慮がされているとは言えず、極低倍率のもとで広い視野を可能にする点に問題があった。
すなわち、上記したように、従来技術では、低倍率で使用する際には対物レンズの励磁を無効にしたり、或いは対物レンズの励磁を弱く設定した上で偏向器を１段だけ使用して一次電子線を偏向してるが、しかし、この場合、最低倍率(最大観察視野)は、最終段レンズである対物レンズの形状、特に穴径(孔径)に制限されてしまう。
【０００６】
対物レンズの高分解能化を図る場合、対物レンズの穴径の縮小化が効果的であることが知られているが、このことは視野が狭くなることを意味し、その結果、対物レンズを高分解能化した場合、視野探しに適した低い倍率の像が得られなくなる。
【０００７】
いずれにしても、上記従来技術では、１０倍以下の低倍率の像を形成するのは極めて困難である。
また、対物レンズにより一次電子線を試料に収束させる場合、試料上での収束角は最小でも数mrad程度にしかならず、このときの焦点深度は最も深くても０.５ｍｍ程度が限界であった。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、偏向角を大きくしても歪が無く、深い焦点深度による極低倍率に容易に対応することができる電子線装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、少なくとも２段の電子レンズにより収束させた電子線で試料面を走査し、試料面から発生した二次電子を検出することにより、当該試料の像を観察する方式の電子線装置において、前記少なくとも２段の電子レンズの中で対物レンズを形成する電子レンズの電子銃側に位置する電子銃側偏向手段と、前記対物レンズを形成する電子レンズの前記試料側に位置する試料側偏向手段と、該試料側偏向手段を前記対物レンズを通る電子線の経路に対して出し入れ可能にする移動手段とを設け、高分解能像観察時には、前記試料側偏向手段を電子線の経路から取り出し、前記電子銃側偏向手段を用いて電子線を走査し、低倍率像観察時には、前記試料側偏向手段を電子線の経路に入れ、前記試料側偏向手段を用いて電子線を走査するようにして達成される。
【００１０】
このとき、前記対物レンズの機能を実質的に無効にする手段を設け、前記低倍率像観察時には、前記対物レンズよりも電子銃側に位置する電子レンズによって電子線が収束されるように構成してもよい。
【００１１】
同じく、このとき、前記電子銃側の偏向手段と前記試料側の偏向手段を切換える手段が設けられているようにしても良く、前記電子銃側の偏向手段で電子線を走査させ、前記試料側の偏向手段では走査中心を移動させるための制御手段が設けられているようにしても良い。
【００１２】
また、このとき、前記試料を保持した試料ステージの垂直方向の位置を検出する手段を設け、前記試料ステージが所定の位置範囲内にあるときだけ、前記試料側の偏向手段の移動を可能にするようにしても良く、低倍率像観察時には、電子線の加速電圧が５ｋＶ以下に制御されるようにしても良い。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による電子線装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明に係る電子線装置を走査型電子顕微鏡として具現した場合の一実施の形態で、電子顕微鏡の鏡筒などは省略して描かれている。
図１の構成において、鏡筒の頂部に陰極１と引出電極２が設けてあり、これらの間に電圧Ｖ1 が印加され、これにより陰極１から電子が放出される
この放出された電子が陰極１と加速電極３の間に印加されている電圧Ｖacc により加速されて一次電子線Ｅとなり、絞り５により不要な領域が除去され、レンズ制御電源１２により制御されている収束レンズ４、６と、対物レンズ８により細く絞られて電子線ビームＥｂとなり、試料９上に照射される。なお、英字Ｅは、通常、電界を表わす符号として定着しているが、ここでは一次電子線を表わす符号として用いている。
【００１４】
電子線ビームＥｂは、対物レンズ８の手前で陰極１側に配置されている２段型の偏向器７ａ、７ｂ、又は対物レンズ８の後で試料９側に配置されている偏向器１７の何れかによって偏向され、試料ステージ１０の上に載置保持されている試料９の面を二次元的に走査する。
【００１５】
図で下側にある偏向器１７は、図２に示すように、偏向器駆動部１８により電子線ビームＥｂの経路に対して出し入れ可能な構造に作られ、試料室２１の外から位置が制御できるようになっており、偏向器位置検出部１９により、偏向器１７の位置が検出できるようになっている。
【００１６】
電子線ビームＥｂが試料９に照射されると、試料９から二次電子Ｓa、Ｓb が発生し、例えばシンチレータを備えたフォトマルチプライヤからなる信号検出器１４ａ、１４ｂによって検出される。
従って、これら信号検出器１４ａ、１４ｂからは各二次電子Ｓa、Ｓb の強度に応じた信号が得られることになる。
【００１７】
そこで、これら信号検出器１４ａ、１４ｂの信号を輝度変調信号として像表示装置１５に供給することにより、像表示装置１５の画像表示面に試料９の拡大像が表示されることになる。
なお、この実施形態では、対物レンズ８として、図示のように、シュノーケル型レンズが用いられているが、シュノーケル型以外の任意の形式のレンズを用いても良い。
【００１８】
偏向器７ａ、７ｂと偏向器１７の何れにより電子線ビームＥｂを偏向させるかは、偏向制御部１６のスイッチによって切換られるようになっており、これらは観察目的や観察条件に応じて使用者により任意に選択される。
【００１９】
例えば高分解能観察が目的のときは、偏向器１７を電子線ビームＥｂの経路から引き出し、試料９の位置を対物レンズ８の極近傍まで近づけ、高分解能観察用の作動距離(ワーキングデスタンス：ＷＤ)に設定してから偏向器７ａ、７ｂにより電子線ビームＥｂを偏向させ、試料９が電子線ビームＥｂにより走査されるようにする。
【００２０】
従って、このときは、従来技術と同様、最低倍率は数１０倍以上の範囲に制限されるが、反面、高倍率像による高分解能での観察が得られることになる。
【００２１】
一方、低倍率像の観察が目的のときは、対物レンズ８から試料９までの距離が必要な値にまで大きくなるようにして、この間の電子線ビームＥｂの経路に偏向器１７を挿入し、低倍率用の作動距離に設定してから偏向器１７を働かせ、電子線ビームＥｂが偏向され、試料９が走査されるように設定する。
【００２２】
従って、このとき、偏向器１７は、試料ステージ１０の位置を確認して、対物レンズ８から試料９までの距離が所定値以上あるときだけ、挿入が可能になるようになっており、これにより１０倍程度の低倍率で広い視野が確保できることになる。
【００２３】
試料ステージ１０は、図３に示すように、試料ステージ駆動部２２によって位置が制御されるが、このときステージ位置検出部２３によって試料ステージ１０の垂直方向位置と傾斜角度が検出され、対物レンズ８から試料９までの距離が所定値以上あるときだけ偏向器１７の挿入が可能になるように、位置制御部２０によって制御される。
【００２４】
また、偏向器１７を電子線ビームＥｂの経路から引き出すことも同様で、挿入されている試料ステージ１０の垂直方向位置と傾斜角度の何れか一方、又は双方が予め定められた範囲内になっているときだけ、引き出しが可能になるように、位置制御部２０によって制御される。
【００２５】
次に、図４のフローチャートにより、上記実施形態に係る走査電子顕微鏡の動作について説明する。
最初、使用者が観察条件を選択する(Ｓ１)。そして、高分解能観察が目的のときはＳ１０以降の処理に進み、低倍率像の観察が目的のときはＳ２０以降の処理に進む。
【００２６】
いま、高分解能観察が選択されたとすると(Ｓ１０)、このときは、まず、偏向器１７を電子線ビームＥｂの経路から引き出し(Ｓ１１)、次いで試料９の位置を対物レンズ８に近づけ、高分解能観察用の作動距離に設定する(Ｓ１２)。
【００２７】
この後、制御部１６により偏向器７ａ、７ｂに切換え(Ｓ１３)、これにより電子線ビームＥｂを偏向させ、試料９が電子線ビームＥｂにより走査されるようにする(Ｓ１４)。
これにより、このときは従来技術と同様、最低倍率は数１０倍以上の範囲に制限されるが、高倍率像による高分解能での観察が得られることになる。
【００２８】
一方、低倍率像の観察が選択されたときは(Ｓ２０)、まず、試料ステージ１０の垂直方向位置と傾斜角度を確認する(Ｓ２１)。
そして、結果がＮＧ、つまり対物レンズ８から試料９までの距離が必要な値にまで大きくなっていなかったときは、試料ステージ１０を動かして対物レンズ８から試料９までの距離が必要な値になるようにし(Ｓ２２)、この後、偏向器１７を電子線ビームＥｂの経路に挿入する(Ｓ２３)。
【００２９】
一方、Ｓ２１での結果がＯＫ、つまり対物レンズ８から試料９までの距離が必要な値になっていたときは、そのままＳ２３の処理に進み、偏向器１７を電子線ビームＥｂの経路に挿入する。
この後、制御部１６により偏向器１７に切換え(Ｓ２４)、これにより電子線ビームＥｂを偏向させ、試料９が走査されるようにし(Ｓ２５)、これにより１０倍程度の低倍率でも広い視野が確保できるようにするのである。
【００３０】
この実施形態では、低倍率像の観察に際しては、陰極１と加速電極３の間に印加されている電圧、すなわち加速電圧Ｖacc を５ｋＶ以下にするのが望ましい。これは、加速電圧が低い程、一次電子線ビームＥｂを偏向させるのに必要な磁界や電界が小さくて済むからで、偏向器７ａ、７ｂ、及び偏向器１７で発生させるべき磁界や電界が小さくでき、同じ強度ならより広範囲の走査が得られるからである。
【００３１】
次に、この実施形態では、偏向器１７が設けてあり、これは対物レンズ８よりも試料９側に配置されているので、これにより観察している視野を電気的に広範囲に移動させることができる。
この場合、対物レンズ８で一次電子線ビームＥｂを試料９上に収束させる動作をさせ、偏向器７ａ、７ｂで、試料９上の一次電子線ビームＥｂを走査する。そして、この状態で、視野移動に必要な制御信号を偏向制御部１６から偏向器１７に供給する。
【００３２】
これにより、一次電子線ビームＥｂは、偏向器７ａ、７ｂにより試料９上で二次元的に走査され、このとき偏向器１７では、一次電子線ビームＥｂによる走査の中心が移動させられるとになる。
例えば、いま、図５に示すように、偏向器７ａ、７ｂによる走査可能範囲をａ×ｂとすると、偏向器１７により走査中心を移動させて走査した場合、この走査可能範囲ａ×ｂ全体が移動させられることになる。
【００３３】
そして、この結果、図示のように、走査範囲はｋ１ａ×ｋ２ｂ(ｋ１、ｋ２：定数)と広範囲に広がることになる。
このとき試料ステージ１０は、前述したように位置制御部２０によって制御されることになる。
【００３４】
また、この実施形態では、焦点深度の深い極低倍率像が容易に得られる。
この場合、まず、偏向制御部１６により偏向器１７を選択し、この偏向器１７により一次電子線ビームＥｂを試料９上で二次元的に走査させる。
【００３５】
この状態で、レンズ制御電源１２により対物レンズ８の励磁を無効にするか、または弱励磁に設定して、対物レンズ８よりも陰極１側に位置する収束レンズ４、６により一次電子線ビームＥｂを試料９に収束させるようにする。
この結果、焦点深度が深くなり、焦点ずれの少ない極低倍率像を容易に得ることができる。
【００３６】
次に、この実施形態における偏向器１７について説明すると、これは、Ｘ方向とＹ方向の二次元方向に偏向可能なら、磁界形と静電形の何れの偏向器で構成しても良い。
まず、図６は、磁界形で構成した偏向器１７の一実施形態で、上下１対になった電磁コイル１７ａ、１７ｂによりＸ方向の偏向が得られ、左右１対になった電磁コイル１７ｃ、１７ｄでＹ方向の偏向が得られるように構成したもので、各々のコイルには制御部１６から制御された電流が供給され、一次電子線ビームＥｂが磁界によって二次元方向に偏向される。
【００３７】
次に、図７と図８は静電形で構成した偏向器１７の実施形態で、まず図７は、上下と左右で対になった４枚の偏向板(電極板)１７ｅ、１７ｆ、１７ｇ、それに１７ｈで構成された偏向器１７の一実施形態で、次に図８は、４５度の角度で順次配置した８枚の偏向板１７ｉ、１７ｊ、１７ｋ、１７ｌ、１７ｍ、１７ｎ、１７ｏ、それに１７ｐで構成された偏向器１７の一実施形態である。
【００３８】
これら図７と図８の実施形態では、各々の偏向板には制御部１６から制御された電圧が印加され、一次電子線ビームＥｂが電界により偏向される。
また、上記実施形態では、５ｋＶの比較的低い加速電圧のとき偏向器１７を動作させるようにし、これにより、極低倍率を実現するに必要な偏向器１７の形状が小型化できるようにしている。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、偏向器の偏向角を大きくしても歪やぼけの無い像が得られるので、例えば１０倍以下の極低倍率の像観察にも簡単に対応することができ、従って、本発明によれば、視野探しを容易に行うことができるという効果が得られる。
また、本発明によれば、低倍率像を得る場合にも容易に深い焦点深度が得られるので、低倍率で広範囲の像が鮮明に観察できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電子線装置を走査電子顕微鏡として具現した場合の一実施形態を示す概略構成図である。
【図２】本発明の一実施形態における偏向器と試料の位置関係を説明するための構成図である。
【図３】本発明の一実施形態における偏向器と試料ステージの制御を説明するためのブロック図である。
【図４】本発明の一実施形態の動作を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態における走査可能範囲の説明図である。
【図６】本発明の実施形態における磁界形偏向器の一例を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態における電界形偏向器の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態における電界形偏向器の他の一例を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｅ  電子線(一次電子線)
Ｅｂ  電子線ビーム(一次電子線ビーム)
Ｓａ、Ｓｂ  二次電子
１  陰極
２  引出電極
３  加速電極
４  収束レンズ
５  絞り
６  収束レンズ
７ａ、７ｂ  偏向器
８  対物レンズ
９  試料
１０  試料ステージ
１２  レンズ制御電源
１４ａ、１４ｂ  信号検出器
１５  像表示装置
１６  偏向制御部
１７  偏向器
１８  偏向器駆動部
１９  偏向器位置検出部
２０  位置制御部
２１  試料室
２２  試料ステージ駆動部
２３  試料ステージ位置検出部
【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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【図８】
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