(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に電磁波又は粒子線が照射されることにより励起された二次電子を、電子誘引部による正電位で引き寄せて検出部で検出する二次電子検出器において、
該電子誘引部を試料に対向する位置に設け、且つ
電子誘引部の中心軸から外れた位置より生成する二次電子の軌道を該中心軸方向に曲げ、該電子誘引部が焦点となるような負電位が印加された補助電極を前記試料と該電子誘引部との間に配置したことを特徴とする二次電子検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡や電子線マイクロアナライザ等に用いられる二次電子検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡では、試料面から放出される二次電子の検出にエバーハート・ソーンレイ（Everhart-Thornley）型の検出器が一般に用いられる。図５はこの種の二次電子検出器の概略構成図である。
【０００３】
主電子ビーム１０が試料１１に照射されると、これによって励起された二次電子は試料１１面から飛び出し、検出器カバーであるコレクタ１２に印加された正電圧（ここでは200Ｖ）に引き寄せられる。二次電子は前面のコレクタグリッド１２ａの隙間を通過し、高電圧（ここでは10ｋＶ）の印加されたシンチレータ１３に衝突し、エネルギを失って光電子を発生する。この光電子をライトガイド１４で光電子増倍管１５まで案内し、多段階に設けられた増倍面１７により順次増幅して最終的に検出面１８で捕集する。このようにして光電子増倍管１５では、シンチレータ１３に到達した二次電子の量に対応した電気信号を出力することができる。
【０００４】
ところで、走査電子顕微鏡では一般的に観察対象の領域が比較的狭く、また最終的に人間が目視で観察できる程度の画像が取得できればよい。それに対し、液晶検査装置などの検査装置では、より高度な検出性能が要求される。何故なら、液晶検査装置では、一度に信号を採取しなければならない検出領域が広い（例えば５０×６０ｍｍ）上に、信号の変化量に基づいて各ＴＦＴ電極の良・不良判定を行うため上記検出領域内での検出感度の均一性が要求されるからである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の二次電子検出器では、広い検出領域における感度むらを小さくするべく試料と検出器との離間距離を大きくとると、全体的に検出器に到達し得る二次電子の数が少なくなり検出効率が低くなってしまう。逆に、検出効率を上げようとして試料と検出器とを近づけると、試料上での電子発生位置と検出器との位置関係に依って検出効率がばらつき、検出領域内での感度むらが大きくなってしまう。すなわち、検出領域を広げようとする場合、その領域内での感度の均一性と検出効率との両者を共に満足させることは困難であった。そのため、こうした二次電子検出器を用いて上述したような検査装置を実現することは難しかった。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、広い検出領域に対して、高い検出効率と高い感度均一性とを達成することができる二次電子検出器を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、試料に電磁波又は粒子線が照射されることにより励起された二次電子を、電子誘引部による正電位で引き寄せて検出部で検出する二次電子検出器において、
該電子誘引部を試料に対向する位置に設け、且つ
電子誘引部の中心軸から外れた位置より生成する二次電子の軌道を該中心軸方向に曲げ、該電子誘引部が焦点となるような負電位が印加された補助電極を前記試料と電子誘引部との間に配置したことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
この発明に係る二次電子検出器では、負電位である補助電極と正電位である電子誘引部とを合わせて、検出部近傍が焦点になるような１つの仮想的な電子集束レンズを構成する。すなわち、補助電極は、二次電子の有する負電荷との間の反発力によって、試料上で上記中心軸との交点から離れた位置より放出された二次電子の軌道を該軸に近づく方向に徐々に曲げ、電子誘引部により形成される電場に確実に捕獲されるようにして、最終的に検出部に到達させる。一方、もともと試料上で中心軸との交点に近い位置より放出された二次電子は、補助電極の電位の影響をあまり受けず、中心軸に近い軌道を通って電子誘引部により形成される電場に確実に捕獲され、最終的に検出部に到達する。
【０００９】
なお、補助電極の形状は試料上の検出領域の形状などに応じて適宜に決めればよいが、一例としては、上記中心軸を中心とする円環体とすることができる。また、補助電極に印加する負電位の大きさは、試料と補助電極との離間距離や電子誘引部の正電位の大きさなどによって適宜に決めればよい。
【００１０】
【発明の効果】
本発明に係る二次電子検出器によれば、試料上の広い検出領域のいずれの位置から放出される二次電子をも、高い効率で検出部に到達させることができる。したがって、検出領域内の各位置における検出感度の均一性が高まり、しかも高い検出効率が達成できる。これにより、広い検出領域における定量的な分析が可能となり、検出領域内の各微小位置の検出信号の強度をそれぞれ判定するような検査装置に好適である。それ以外にも、本発明の二次電子検出器を走査電子顕微鏡の検出器として用いれば、観察対象の画像内の微小領域の濃淡などがより明瞭になるという利点がある。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明に係る二次電子検出器の一実施例について図面を参照して説明する。図４は本実施例の二次電子検出器の要部の構成図である。図中、既に説明した図５に記載の構成要素と同一又は相当する構成要素には同一の符号を付している。
【００１２】
この構成の特徴は、試料１１と検出器の一部を構成する上記電子誘引部としてのコレクタグリッド１２ａとの間の空間に、補助電極として二次電子の集束を補助するリペラ電極２０を挿入している点である。リペラ電極２０には負電位Ｖrが印加されており、コレクタグリッド（以下、単に「グリッド」という）１２ａにより形成される静電場の作用に加え、リペラ電極２０により形成される静電場の作用によって、試料１１上の比較的広い検出領域１１ａ内のいずれの位置から出射した二次電子も効率よくグリッド１２ａへと案内し、そのグリッド１２ａの隙間を通過させてその内部の図示しない検出部（例えばシンチレータ）へと到達させる。
【００１３】
次いで、本発明に係る二次電子検出器に特徴的な検出動作の原理について、従来の検出器との相違を明らかにしながら詳述する。
【００１４】
ここでは、試料１１から放出された二次電子が検出器に到達するまでのその電子の挙動を検討するために、近軸軌道解析の手法を用いる。なお、グリッド１２ａに到達した電子は殆ど全てが検出部へと達すると看做すことができるから、以下、「検出器に到達した」とは「グリッド１２ａに到達した」と同じ意味であるとする。
【００１５】
図１は従来の二次電子検出器での近軸軌道解析のためのモデルであって、横軸（ｚ軸）は検出器（グリッド１２ａ）の中心線上の距離、縦軸は試料１１面上での中心線との交点（ｚ＝０の位置）からの離間距離を表す。同解析では、試料１１とグリッド１２ａとで静電レンズ系が構成されているものと看做す。静電レンズ系による静電場は検出器の中心線（図１中でのｚ軸）に関して軸対称であるので、軸対称レンズの光学特性解析の手法を用いることができる。いま、試料１１面（ｚ＝０、物面に相当）が接地電位（Ｖs＝０Ｖ）、グリッド１２ａ（ｚ＝110mmに中心を有する球で近似）がＶg＝＋200Ｖの電位にあるとする。
【００１６】
周知のように、近軸特性は物面での初期条件が相違する２つの軌道ｇ(z)、ｈ(z)によって特徴付けられる。
ｇ(z)：  ｇ(0)＝１，ｇ’(0)＝０
ｈ(z)：  ｈ(0)＝０，ｈ’(0)＝１
定性的に言うと、ｇ(z)は試料１１上で中心軸から離れた位置から垂直に飛び出す二次電子の軌道、ｈ(z)は中心軸上から所定の斜め角度で飛び出す二次電子の軌道である。
【００１７】
試料１１から放出された二次電子の初期エネルギがＥse＝0.2ｅＶ、1.0ｅＶ、及び5.0ｅＶである場合における近軸軌道計算結果を、図１（ａ）、（ｂ）に示す。その特徴は以下の通りである。
(ｉ) 位置Ｓ２から飛び出す二次電子の軌道ｇ(z)は、初期エネルギに依存せず、ほぼ同一の軌道を描く。
(ii) 位置Ｓ１から飛び出す二次電子の軌道ｈ(z)は、初期エネルギが高いほどグリッド１２ａの設置位置での中心軸からのずれ量が大きくなる。
【００１８】
(ii)に挙げた理由によって、このような従来の構成では初期エネルギが高い場合にグリッド１２ａに到達する割合が減少し、そのために検出効率が低下するものと考えられる。一方、(i)の特徴は陰極レンズに特有なものである。陰極レンズは電子出射面での電界が面に垂直になっているため、面に垂直出射するｇ(z)軌道は、初期エネルギが充分に小さいという条件下であれば初期エネルギへの依存性が低い。後で説明するが、本発明による二次電子検出器では、この特徴を軸外出射軌道の収束に利用している。
【００１９】
次に、検出器を試料１１面に近づけた配置として、グリッド１２ａをｚ＝60mmに中心を有する球で近似した場合の近軸軌道計算結果を図２（ａ）、（ｂ）に示す。この場合でも、上記(ｉ)、(ii)の特徴は成立している。但し、試料１１とグリッド１２ａとの間の離間距離が短くなったために、グリッド１２ａの設置位置におけるｈ(z)軌道の拡がりは図１の場合よりも抑えられている。例えば初期エネルギ1.0ｅＶの場合で比較すると、グリッド１２ａの設置位置でのずれ量Ｄh1はＤh2に縮小する。すなわち、ｈ(z)軌道では電子の検出効率が向上していることを意味する。
【００２０】
しかしながら、ｇ(z)軌道を見ると、中心軸から離間した位置Ｓ２から出射した二次電子は飛行中にグリッド１２ａによる電場の影響で徐々に曲げられてゆくものの、グリッド１２ａの設置位置で充分に収束されているとは言えない。このために、中心軸から離れた位置より出射した電子（以下「軸外出射電子」と呼ぶ）の検出効率を100％近くにまで上げることは、非常に困難である。一方、このような試料１１と検出器との間隔を狭めた配置では、中心軸上から出射した電子の検出効率は高いので、検出領域を広げた場合には該領域内で大きな検出感度の不均一性が生じてしまう。
【００２１】
上記２つのケースを考えると、試料１１と検出器との離間距離を短くすることで得られる高感度というメリットを享受するには、軸外出射電子の検出感度を向上させ、感度の均一性を図ることが必要である。そのためには、近軸軌道解析でのｇ(z)軌道が検出器に収束するようにすればよい。上述の通り、陰極レンズではｇ(z)軌道の初期エネルギ依存性は小さいので、対象とするエネルギ範囲全般に対して軸外軌道を収束させることは容易である。
【００２２】
軸外軌道を検出器位置で中心軸上又はその近傍に集めるには、検出器がレンズの第２焦点面にあるようにすればよい。何故なら、焦点面でｇ(z)軌道は中心軸と交差するからである。焦点位置を制御するためには、レンズの特性を変えることが必要であり、そのための方法としては試料１１と検出器との間の空間の電場を変化させるような電極を追加することが考えられる。そこで、ここでは試料１１とグリッド１２ａとの間の空間に、図４に示したような、負電位を印加した円環状のリペラ電極２０を追加配置するものとする。この電位を調整することで焦点位置（クロスオーバ位置）を移動させることができ、電位を適宜に設定すれば、焦点面と検出器位置とを一致させることができる。
【００２３】
図３（ａ）、（ｂ）にはリペラ電極２０への印加電位をＶr＝−25Ｖに調整したときの近軸軌道計算結果を示す。図３（ａ）により、軸外ｇ(z)軌道がリペラ電極２０によって検出器に向かって収束している様子がわかる。
【００２４】
こうしたリペラ電極２０を付加した検出器の検出特性を確認するために、３Ｄ表面電荷法による軌道計算を行った。これに用いた検出器のモデルは、図６に示すように図４とほぼ同じ構成であって、試料１１に対して短距離配置の検出器（グリッド１２ａ）に円環状のリペラ電極２０を組み合わせたものである。リペラ電極２０の円環の内穴径はＤ＝φ80mmである。また外径はφ140mmであるが、これは動作特性には殆ど影響しない。電位は試料がＶs＝０Ｖ、グリッド１２ａはＶg＝＋200Ｖ、リペラ電極２０の電位はＶr＝−25Ｖである。
【００２５】
図６には電位分布の一部とＥse＝５ｅＶに対する二次電子の軌道を描出している。これにより、リペラ電極２０の作用によって二次電子が検出器へと導かれている状況がわかる。また図７は図６の軌道を側面から見た状態を示す図、図８は比較対照とするためにリペラ電極２０を挿入しない場合の軌道を示す図である。図７、図８を比較すれば、軸外出射電子がきわめて効率よく検出器に収束していることがわかる。
【００２６】
このようにして、試料１１と検出器との間に負電位を印加したリペラ電極２０を付加することによって、試料１１面上の中心軸から離れた位置から放出される二次電子をも効率良く検出器まで案内できることがわかる。
【００２７】
すなわち、上記結果は、例えば図４に示したように、試料１１上の広い検出領域１１ａ内のいずれの位置から出射した二次電子も同じような効率でもって検出器に到達し得ることを意味する。実際には、二次電子を励起するための電子ビーム１０は検出領域１１ａ内を所定のパターンで走査し、その電子ビーム１０を受けた位置で励起された二次電子が試料１１面から放出される。このように検出領域１１ａ内から放出された二次電子は、中心軸からの離間距離に拘わらず、高い効率でもってグリッド１２ａに到達し、最終的に検出部へと達することになる。
【００２８】
もちろん、円環状のリペラ電極は単に一例であって、検出領域の形状などに応じてリペラ電極は適宜の形状に変形することが望ましい。また、リペラ電極に印加する負電位はリペラ電極の挿入位置などに依存し、一般的には、その挿入位置が試料から遠い（逆に言えば検出器に近い）ほど、電位の絶対値を大きくすることが必要となる。
【００２９】
なお、上記実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜に変更や修正を行えることは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  従来の二次電子検出器での近軸軌道解析結果を示す図。
【図２】  従来の二次電子検出器（短離間距離配置）での近軸軌道解析結果を示す図。
【図３】  本発明の一実施例による二次電子検出器での近軸軌道解析結果を示す図。
【図４】  本発明の一実施例による二次電子検出器の要部の構成図。
【図５】  走査電子顕微鏡における一般的な二次電子検出器の構成図。
【図６】  本発明の一実施例による二次電子検出器に対する３Ｄ表面電荷法による軌道計算結果を示す図。
【図７】  図６の軌道を側面から見た状態を示す図。
【図８】  リペラ電極を挿入しない従来の構成での軌道計算結果を示す図。
【符号の説明】
１０…電子ビーム
１１…試料
１１ａ…検出領域
１２…コレクタ
１２ａ…コレクタグリッド
１３…シンチレータ
１４…ライトガイド
１５…光電子増倍管
２０…リペラ電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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