(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料室圧力を１Ｐａ以上に保持して試料に電子線を照射し、発生するイオンを検出して試料像を表示する走査電子顕微鏡において、上記イオンを検出する専用のイオン検出電極と、上記試料の表面から発生した二次電子を加速し、上記二次電子を試料室内のガス分子に衝突させることによりイオンを発生させるバイアス電極とを備え、
上記イオン検出電極は、上記試料を保持する試料台若しくはこの試料台を支持する試料ステージに固定されるとともに、電気的に接続され、上記イオン検出電極は、上下方向の長さが可変であり、上記イオン検出電極の上端と上記バイアス電極の距離が一定になるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
試料室圧力を１Ｐａ以上に保持して試料に電子線を照射し、発生するイオンを検出して試料像を表示する走査電子顕微鏡において、上記イオンを検出する専用のイオン検出電極と、上記試料の表面から発生した二次電子を加速し、上記二次電子を試料室内のガス分子に衝突させることによりイオンを発生させるバイアス電極とを備え、
上記イオン検出電極は、上記試料を保持する試料台やこの試料台を支持する試料ステージから離れて設置されるとともに、上記バイアス電極とこのイオン検出電極の上端の距離が一定となるように設置され、上記イオン検出電極は、上下方向の長さが可変であり、上記イオン検出電極の下端と上記試料の距離が一定になるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２記載の走査電子顕微鏡において、上記イオン検出電極に電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡に係り、特に、試料室圧力が高い状態において、電子線照射により発生したイオンを吸収する吸収電流方式の二次電子検出器を用いるに好適な走査電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、試料室圧力の可変な走査電子顕微鏡において、試料室圧力が高い状態では、試料表面から発生した二次電子を上部に位置した正バイアス電極により加速させ、試料室中に残存するガス分子に衝突させることにより発生したイオンを、試料室内部に位置する試料台または試料ステージから吸収し、その吸収電流信号を増幅、Ａ／Ｄ変換し、像を形成する吸収電流方式が用いられている。このイオンは、二次電子情報を有していることから、試料の表面情報を得ることができる。上部に位置した正バイアス電圧は、０Ｖから３００Ｖまで１０Ｖステップで可変でき、試料表面から発生した二次電子を加速させるスピードを変えることによりイオンを発生させる量を調整することができる。発生したイオンは、試料とバイアス電圧間に形成される電界により試料側へ戻され、試料室内部に位置し導電性を有する試料台や試料ステージから吸収される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の吸収電流方式の走査電子顕微鏡において、観察する絶縁物試料が大きい場合、イオンの吸収量が減少するという問題があることが明らかになった。その原因について検討したところ、絶縁物試料大きさにより試料自体の電位が変化してバイアス電極間に生じる電界に乱れが生じ、試料室内のイオンの移動度が変化してしまうことが要因であるものと考えられた。
【０００４】
本発明の目的は、一次電子励起のイオンや反射電子励起のイオン、バイアス電極電界により生じた二次電子励起のイオンなどのイオンを効率よく検出し、吸収電流を得ることができる走査電子顕微鏡を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、試料室圧力を１Ｐａ以上に保持して試料に電子線を照射し、発生するイオンを検出して試料像を表示する走査電子顕微鏡において、上記イオンを検出する専用のイオン検出電極と、上記試料の表面から発生した二次電子を加速し、上記二次電子を試料室内のガス分子に衝突させることによりイオンを発生させるバイアス電極とを備え、上記イオン検出電極は、上記試料を保持する試料台若しくはこの試料台を支持する試料ステージに固定されるとともに、電気的に接続され、上記イオン検出電極は、上下方向の長さが可変であり、上記イオン検出電極の上端と上記バイアス電極の距離が一定になるように制御する制御手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、一次電子励起のイオンや反射電子励起のイオン、バイアス電極電界により生じた二次電子励起のイオンなどのイオンを効率よく検出し、吸収電流を得るものとなる。
【０００８】
（２）また、上記目的を達成するために、本発明は、試料室圧力を１Ｐａ以上に保持して試料に電子線を照射し、発生するイオンを検出して試料像を表示する走査電子顕微鏡において、上記イオンを検出する専用のイオン検出電極と、上記試料の表面から発生した二次電子を加速し、上記二次電子を試料室内のガス分子に衝突させることによりイオンを発生させるバイアス電極とを備え、上記イオン検出電極は、上記試料を保持する試料台やこの試料台を支持する試料ステージから離れて設置されるとともに、上記バイアス電極とこのイオン検出電極の上端の距離が一定となるように設置され、上記イオン検出電極は、上下方向の長さが可変であり、上記イオン検出電極の下端と上記試料の距離が一定になるように制御する制御手段を備えるようにしたものである。かかる構成により、一次電子励起のイオンや反射電子励起のイオン、バイアス電極電界により生じた二次電子励起のイオンなどのイオンを効率よく検出し、吸収電流を得るものとなる。
【０００９】
（３）上記（２）において、好ましくは、上記イオン検出電極に電圧を印加する電圧印加手段を備えるようにしたものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図１及び図２を用いて、本発明の第１の実施形態による走査電子顕微鏡の構成について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による走査電子顕微鏡の構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による走査電子顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【００１１】
フィラメント１は、高真空中に配置されている。フィラメント１は、例えば、タングステンワイヤーをヘアピン状に曲げたものを用いる。フィラメント１に電流を印加することにより、フィラメント１の先から熱電子が放出される。フィラメント１から放出された電子は、加速電極２によって加速され、電子線３を形成する。加速電極２に印加する電圧は、例えば、〜３０ｋＶである。電子線３は、コンデンサレンズ４および対物レンズ５により細く絞られたのち、試料６に照射される。偏向コイル８に供給される電流を制御することにより、電子線３は、ＸＹ二次元走査される。偏向コイル８による走査距離は、コンピュータ７により制御される。
【００１２】
試料室圧力が低い状態，例えば、１０−３Ｐａでは、電子線照射により試料６から発生した二次電子９は、二次電子検出器１０で検出され、増幅器（省略）により電圧変換、増幅される。その後、Ａ／Ｄ変換器１１でデジタル信号に変えられた後、ディスプレイ１２に画像表示される。
【００１３】
導電性の無い試料の観察を行う場合には、試料室圧力が高い状態，例えば、１〜２７０Ｐａとする。試料室圧力が高い状態では、電子線３は試料６に照射される前に試料室に残存するガス分子と衝突し、そのガス分子をイオン化させる。導電性の無い試料６に照射された電子線３は、試料６の表面に帯電する現象がみられるが、照射前の電子線３の衝突によりイオン化したガス分子が試料６の表面に帯電した電子を中和することにより、試料６表面の帯電現象を減少させる。その際一般的に、試料６から発生した反射電子１３を上部に位置させた反射電子検出器１４により取得し、増幅器（省略）により増幅させた後、Ａ／Ｄ変換機１５によりデジタル信号に変え、ディスプレイ１２に反射電子像を表示させている。
【００１４】
試料室圧力が高い状態では、試料６の表面から発生した二次電子９の平均自由行程は、試料室真空度１３Ｐａで１０ｍｍ、２７０Ｐａで０．５ｍｍと短いため試料室に残存するガス分子に阻害され、二次電子検出器１０まで到達できず情報を得ることができない場合がある。そこで、二次電子情報を取得するため、二次電子検出器１０の先端に位置したバイアス電極１６に正電圧（０〜３００Ｖ）を印加させることにより試料６の表面から発生した二次電子９を加速し、試料室中に残存するガス分子に衝突させることによりイオンを発生させる。この発生したイオンは、試料６とバイアス電極１６の間に形成された電界により、試料側へ移動し、導電性の試料台１７または導電性の試料ステージ１８より吸収電流として吸収電流方式二次電子検出器１９より検出される。吸収電流信号は、増幅器（図示せず）により増幅され、Ａ／Ｄ変換器２０によりデジタル信号に変えられ、ディスプレイ１２に画像表示される。
【００１５】
さらに、本実施形態においては、イオン検出電極２１を設けている。イオン検出電極２１は、アルミや銅などの導電性材料で形成されている。イオン検出電極２１は、試料台１７と電気的に接続されて、試料台１７に取り付けられている。また、イオン検出電極２１は、バイアス電極１６によってイオンを加速する経路のそばに配置されている。移動するイオンは、試料台１７や試料ステージ１８に吸収されるだけでなく、イオン加速経路のそばに配置されたイオン検出電極２１によっても検出される。その結果、大きな絶縁物試料を試料台１７の上においた場合に、試料自体の電位が変化してバイアス電極間に生じる電界に乱れが生じ、試料室内のイオンの移動度が変化した場合でも、効率的にイオン電流を吸収でき、吸収電流を得ることができるものである。なお、イオン検出電極２１の詳細については、図２を用いて後述する。
【００１６】
次に、図２を用いて、本実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細構成について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００１７】
イオン検出電極２１は、蛇腹構造を有する導電性の板材である。イオン検出電極２１は、試料６とバイアス電極１６間であって、イオンを加速する経路，すなわち、イオン発生通路の傍に、斜めに配置している。イオン検出電極２１の底部は、導電性の試料台１７に接触しており、電気的に導通している。なお、イオン検出電極２１としては、板材に代えて、導電体の棒を用いることもできる。イオン検出電極２１は、蛇腹構造を有しているため、上下方向の高さＨ１を変えることができる。モータ駆動回路２３は、イオン検出電極２１の上下方向の高さＨ１を変えるために備えられている。
【００１８】
対物レンズ５と試料６の間の距離，即ち、ワーキングディスタンスＬ１は、観察状態に応じて一般に変えられる。二次電子像を観察する場合には、ワーキングディスタンスＬ１は、例えば、１０ｍｍとすると、Ｘ線分析を行う場合には、ワーキングディスタンスＬ１を、例えば、１５ｍｍとする。このように、ワーキングディスタンスＬ１を１０ｍｍから１５ｍｍに変更して、Ｘ線分析を行いながら、二次電子像も観察しようとした場合、ディスプレイ１２に表示される二次電子増が暗くなるということが判明した。その原因について検討した結果、ワーキングディスタンスＬ１を長くすることにより、バイアス電極電界が弱くなり、イオン検出電極２１によって検出されるイオン電流が低下する。そこで、ワーキングディスタンスＬ１が変わった場合でも、バイアス電極１６とイオン検出電極２１の上端の距離Ｌ２が一定となるように、イオン検出電極２１の高さＨ１を変えたところ、イオン電流の低下を防止することができた。そこで、本実施形態では、ワーキングディスタンスＬ１に応じて、イオン検出電極２１の高さＨ１をモータ駆動回路２３によって制御して、バイアス電極１６とイオン検出電極２１の上端の距離Ｌ２が一定となるようにしている。
【００１９】
そのために、フォーカス電流読み取り回路２２は、対物レンズ５のフォーカス電流から対物レンズ５と試料６間の距離Ｌ１を取得する。モータ駆動回路２３は、フォーカス電流読み取り回路２２によって取得された対物レンズ５と試料６間の距離Ｌ１が変化した場合には、イオン検出電極２１の先端とバイアス電極１６と距離Ｌ２が一定となるように、イオン検出電極２１を上下に伸縮して、高さＨ１を自動的に変えるようにしている。
【００２０】
イオン検出電極２１から取得した吸収電流は、試料台１７または試料ステージ１８と直接接しているため吸収電流方式二次電子検出器１９より検出することができ、現状の吸収電流情報に加えてディスプレイ１２に表示させることができる。
【００２１】
なお、バイアス電極１６とイオン検出電極２１との距離Ｌ２は、数値入力することより、任意の距離に設定することができる。また、モーター駆動回路２３をオフにした場合に、手動でもイオン検出電極２１の上下形状を変化させることができるつまみを備えている。さらに、イオン検出電極２１とバイアス電極１６との距離設定は、オートモーターで制御される試料ステージ１８ともリンクさせ使用することができる。このイオン検出電極２１の左右形状も蛇腹構造をしており、つまみにより手動で形状を変化させてイオン検出面積を増やすこともできる。
【００２２】
また、イオン検出電極２１は、試料台１７ではなく、試料ステージ１８に装着してもよいものである。
【００２３】
以上説明したように、本実施形態によれば、イオン加速経路の傍にイオン検出電極２１を設けることにより、イオン電流を効率よく検出でき、吸収電流を得ることができる。また、ワーキングディスタンスＬ１が変わった場合でも、イオン検出電極２１の高さＨを変え、バイアス電極１６とイオン検出電極２１の間の距離Ｌ２が一定となるように制御することにより、イオン電流の低下を防止することができる。
【００２４】
次に、図３を用いて、本発明の第２の実施形態による走査電子顕微鏡の構成について説明する。なお、本実施形態による走査電子顕微鏡の全体構成は、図１に示したものと同様である。
図３は、本発明の第２の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００２５】
本実施形態において、外部イオン検出電極２４は、試料台１７とは電気的に接続されておらず、独立に設けられている。外部イオン検出電極２４は、試料６とバイアス電極１６間のイオン発生通路に設けられており、導電体の棒または板形状をした受け皿のような形状である。バイアス電極６と外部イオン検出電極２４の上端の距離Ｌ２は一定である。また、外部イオン検出電極２４の左右形状も蛇腹構造をしており、形状を自由に変化させることのできるつまみによりイオン検出面積を変化させる機構も有する。
【００２６】
フォーカス電流読み取り回路２２は、対物レンズ５のフォーカス電流から試料６の位置を確認することができる。モーター駆動回路２３Ａは、フォーカス電流読み取り回路２２によって検出された試料の位置に基づいて、外部イオン検出電極２４の下端と試料６との距離Ｌ３が一定になるように、外部イオン検出電極２４の長さ形状を可変する。モーター駆動回路２３ＡのＯｆｆ時には手動でも外部イオン検出電極２４の形状を変化させることができるつまみを有している。
【００２７】
外部イオン検出電極２４から得た信号は、吸収電流方式二次電子検出器１９に送られ、従来の試料台１７または試料ステージ１８から得られる吸収電流情報に加えて、ディスプレイ１２に画像表示させることができる。
【００２８】
なお、外部イオン検出電極２４と、二次電子検出器１９との間にスイッチ手段を設け、外部イオン検出電極２４からの情報を二次電子検出器１９に入力するのを、オン・オフすることができる。例えば、カーボンや高分子フィルムのように二次電子が少ない場合には、スイッチ手段をオンして、吸収電流を増加させ、アルミナのように発生する二次電子が多い場合には、スイッチ手段をオンして、吸収電流が多くなりすぎるのを防止することができる。
【００２９】
また、試料ステージ１８を接地電位としたとき、試料ステージ１８に対してイオン検出電極２４に電圧を印加する可変電圧源２７を備えている。可変電圧源２７の電圧を変えることにより、試料６から得られる情報の質を変えることができる。
【００３０】
以上説明したように、本実施形態によれば、イオン加速経路の傍にイオン検出電極２４を設けることにより、イオン電流を効率よく検出でき、吸収電流を得ることができる。また、ワーキングディスタンスＬ１が変わった場合でも、イオン検出電極２４の高さＨを変え、イオン電流の低下を防止することができる。さらに、イオン検出電極２４と試料台６は非接触であるため、試料が大きい場合にも適用できるものである。
【００３１】
次に、図４を用いて、本発明の第３の実施形態による走査電子顕微鏡の構成について説明する。なお、本実施形態による走査電子顕微鏡の全体構成は、図１に示したものと同様である。
図４は、本発明の第３の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。なお、図１，図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００３２】
本実施形態では、バイアス電極２５は、円板状をしている。そこで、イオン検出電極２６は、試料６を取り囲むような円筒状としている。イオン検出電極２６の上端とバイアス電極２５の距離Ｌ２は一定である。ワーキングディスタンスＬ１が変化した場合、モータ駆動回路２３Ａは、試料６とイオン検出電極２６の下端の距離Ｌ３が一定になるように、イオン検出電極２４の形状を変化させる。
【００３３】
なお、図３において説明したように、外部イオン検出電極２６と、二次電子検出器１９との間にスイッチ手段を設け、外部イオン検出電極２６からの情報を二次電子検出器１９に入力するのを、オン・オフすることもできる。また、試料ステージ１８に対してイオン検出電極２６に電圧を印加する可変電圧源を備え、可変電圧源の電圧を変えることにより、試料６から得られる情報の質を変えることもできる。
【００３４】
以上説明したように、本実施形態によれば、イオン加速経路の傍にイオン検出電極２６を設けることにより、イオン電流を効率よく検出でき、吸収電流を得ることができる。また、ワーキングディスタンスＬ１が変わった場合でも、イオン検出電極２６の高さＨを変え、イオン電流の低下を防止することができる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、一次電子励起のイオンや反射電子励起のイオン、バイアス電極電界により生じた二次電子励起のイオンなどのイオンを効率よく検出し、吸収電流を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による走査電子顕微鏡の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第２の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施形態による走査電子顕微鏡に用いるイオン検出電極２１の詳細の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…フィラメント
２…加速電極
３…電子線
４…コンデンサレンズ
５…対物レンズ
６…試料
７…コンピュータ
８…偏向コイル
９…二次電子
１０…二次電子検出器
１１，１５…Ａ／Ｄ変換機
１２…ディスプレイ
１３…反射電子
１４…反射電子検出器
１６…バイアス電極
１７…試料台
１８…試料ステージ
１９…吸収電流方式二次電子検出器
２０…Ａ／Ｄ変換器
２１，２４，２６…イオン検出電極
２２…フォーカス電流読み取り回路
２３…モーター駆動回路
２５…円板状バイアス電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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