SEM における信号検出と像コントラストの違い

各種 SEM における電子の検出法と像の見え方の違い
Illumination Effects and Image Contrasts Due to Various Electron Detectors in SEM
小野昭成，柴田昌

照

Ono Akishige and Shibata Masateruａ

日本電子株式会社

要旨

二次電子検出器や反射電子検出器は，対物レンズとの位置関係で SEM 像の見え方に大きな影響を及ぼす．汎用形 SEM で用いられているアウトレンズ検出器は強い照明効果を持つので試料表面の凹凸がわかりやすい．超高分解能 SEM で用いられる TTL 検出器
はアウトレンズ検出器とはコントラストが大きく異なり，照明効果が弱いので凹凸がわかりにくいが，低加速電圧では，検出電子のエネルギー選択を行うことによって表面の形態情報と組成情報を分離して観察することが可能である．シュノーケル対物レンズで用いられる下方検出器では，より強い照明効果が得られるが，作動距離により照明方向が変わるので像解釈の際に注意が必要である．光軸に対称に置いた反射電子検出器の出力を演算することで，組成情報と凹凸情報を分離して観察することが可能である．
アウトレンズ検出器および下方検出器の場合，検出器方向を考えないと凹凸を間違えることがある．

キーワード：アウトレンズ検出器，TTL 検出器，下方検出器，反射電子検出器，照明効果

1.

2.2
はじめに検出器の種類

二次電子検出器は対物レンズに対する配置から 2 種類に分試料から放出される二次電子や反射電子を検出して画像信けられる．一つは，対物レンズと試料の間の空間に置かれた号とする二次電子検出器や反射電子検出器は，置かれているもので（図 1a）アウトレンズ検出器と呼ばれている．この位置によって SEM 像の見え方に大きな影響を及ぼす．特に配置は，SEM の開発当初から用いられており，多くの汎用最近の超高分解能 SEM で用いられる TTL 検出器は汎用形形 SEM で採用されている．もう一つは，対物レンズの上方SEM で用いられるアウトレンズ検出器とはコントラストが空 間 に 置 か れ た も の で（ 図 1b）TTL（Through The Lens）

大きく異なる．ここでは，各種 SEM で用いられている検出検出器と呼ばれ，対物レンズの磁場を通して二次電子を検出器の種類と得られる像コントラストの違いを整理すると同時するものである．これは，超高分解能 SEM で用いられている．に，アウトレンズ検出器および下方検出器における照明効果

2.2.1と凹凸感の違いなどに触れ，データ解釈を誤らないための注

SEM 像の凹凸感は検出器の位置に大きく左右される．す意について述べることとする．

アウトレンズ検出器の特性

なわち，光を使って物体を見たときとの類似性から，検出器位置からの光で照明された試料を，入射電子プローブ方向か2.

二次電子検出器ら観察していると考えられるが，アウトレンズ検出器は電子2.1

基本構造プローブ方向すなわち光軸からオフセットされているため，二次電子を検出するには，シンチレータ（蛍光物質）と光その方向から光を当てたような強い照明効果が得られ，凹凸電子増倍管を組み合わせた，いわゆる ET 検出器（Everhart-感が強くなる．図 2 に示すように，実際の二次電子検出器

1）

Thornley 検出器） が用いられる．シンチレータ表面にはには二次電子と反射電子が入射するが，二次電子はエネル

10 kV 程度の高電圧が印加されており，これによって生じたギーが小さいので，検出器と反対方向に放出されたものでも電界が試料から放出された二次電子を加速し，この電子をシ検出器の高電界によって偏向され検出器に入射するため，無ンチレータ表面に衝突させ発光させる．この光を光電子増倍影照明的なコントラストを形成する．一方，反射電子は試料管で増幅し，電気信号とする．

から検出器に向かって放出されたもののみが直線的に検出器に入射し，反対方向に放出されたものは入射しないので，検出器方向から強い光を当てたような像コントラストを形成すａ〒 196–8558 昭島市武蔵野 3–1–2
TEL: 042–542–2246; FAX: 042–542–1924
2008 年 5 月 19 日受付
162る．したがって，SEM 像の立体感を与えるのは主として反射電子ということになる．低加速電圧では反射電子のエネルギーが低くなるため，照明効果が若干弱くなる．
顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

図 3 コレクタ電圧による照明効果の違い．
試 料：IC の ボ ン デ ィ ン グ パ ッ ド の 表 面 加 速 電 圧：1 kV
WD= 8 mm．aa コレクタ電圧 300 V．b コレクタ電圧 −50 V．

図 1 2 種類の二次電子検出器．a．アウトレンズ検出器．b．
TTL 検出器（シュノーケル対物レンズの例）．

図4
図2

アウトレンズ検出器の照明効果

TTL 検出器の照明効果

料上への漏れ磁場が大きいため，試料から放出された二次電子は漏れ磁場にトラップされた状態になり，アウトレンズ検アウトレンズ検出器では，シンチレータの前にはコレクタ出器では検出が難しい．このため開発されたのが対物レンズと呼ばれる補助電極が置かれており，この電極に −50 V ～上方に置かれた TTL 検出器で，試料から放出された二次電+ 300 V の電圧が印加されている．このコレクタは二次電子子は試料上の漏れ磁場および対物レンズ磁場にトラップされを効率よく集めたり，逆に抑制することでシンチレータを保たまま，TTL 検出器の電界によって加速され，レンズ磁場護する目的で使われるが，コレクタ電圧をうまく使うと比較が弱くなったところで光軸から離れて検出器シンチレータ面的平坦に近い構造でも立体感豊かに観察することが可能であに入射する．TTL 検出器の場合は，観察方向と照明方向がる．図 3 はその例で IC のボンディングパッドの表面である．

一致しているため，照明効果が弱く立体感に乏しい像となる

図 3a はコレクタ電圧を + 300 V にしたもので，二次電子の検（図 4）．二次電子検出器の前にエネルギーフィルタを置くこ

出効率が高く明るい像が得られるが，表面の立体感はほとんとによって，表面形状と組成情報の分離を行うことができる

ど無い．それに対して，図 3b はコレクタ電圧を −50 V にしが，これに関しては本特集の“エネルギー選択による信号検たもので二次電子は遮蔽され，反射電子のみで画像が形成さ出（E×B）”および“磁界・静電界複合光学系 SEM におけれているため照明効果が強く，メッキ表面の微妙な凹凸が観る信号検出”を参照されたい．

察される．
2.2.2

TTL 検出器の特性

3.

下方検出器

インレンズ形あるいはシュノーケル形対物レンズといったシュノーケル形対物レンズの下方空間に二次電子検出器を超高分解能 SEM で用いられる強励磁対物レンズの場合，試置いた場合，この検出器を下方検出器と呼ぶ．図 5 に示す

特集

各種 SEM における電子の検出法と像の見え方の違い

163【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

ように，TTL 検出器がエネルギーの低い二次電子を検出す検出のような加速のための高電界は必要とせず，半導体検出るのに対して，エネルギーの高い反射電子は対物レンズの漏器あるいはシンチレータ／光電子増倍管を利用した単純な構

れ磁場の影響を受けることなく下方検出器に入射し，検出さ造の検出器が用いられる．反射電子は原子番号に依存する組れる．また，対物レンズが OFF となる低倍率モードでは，成情報を持つほか，試料表面の凹凸の情報を持つが，原子番TTL 検出器では検出されにくい二次電子も下方検出器に入号依存性が二次電子に比べて強く，平均原子番号の大きな部射する．下方検出器はアウトレンズ検出器と似ているが，像分ほど明るく，小さな部分ほど暗くなるので組成情報を得るを形成するのは主として反射電子であるため，アウトレンズために多く使われる．表面が平坦な試料であれば組成コント検出器と違って陰影の強い像となる．図 6 はカーボン基板ラストがそのまま得られるが，表面に凹凸がある場合は凹凸上の蒸着金粒子の SEM 像で，TTL 検出器による像（図 6a）と組成の情報が混在することになる．光軸に関して対称な構と下方検出器による像（図 6b）を比較したものである．図

造を持つ反射電子検出器が用いられているときは照明効果が6a では金粒子の外形がわかるものの凹凸の判断はできない

弱くなるため，凹凸情報の割合は少なくなり，組成情報が多のに対して，図 6b では左方向から試料を照明しながら観察く得られる．

した像となっており，凹凸がはっきりわかる．

光軸に関して対称に同じ特性を持つ 2 つの検出器が置かれているとき，出力信号の和を取ると組成像が得られるが，出4.

反射電子検出器

力信号の差を取ると，組成情報の割合が小さくなり，凹凸像

反射電子は高いエネルギーを持っているので，二次電子のが得られる 2）．この凹凸像を使うと通常の二次電子像に比べて照明効果が極めて強くなり，なだらかな凹凸も見やすくなる．図 7 は図 6 と同一視野の反射電子像である．図 7a の組成像ではカーボン基板が暗く，蒸着金粒子が明るく観察されるほか，金粒子の中には矢印で示すような電子チャンネリングコントラストが観察される．図 7b の凹凸像ではカーボンと金の明るさの差はほとんど無く，右方向から照明を受けた状態で金粒子の表面形状が観察され，電子チャンネリングコ
ントラストは観察されない．図 6b に示す下方検出器による像と比較すると，下方検出器では組成の情報が混入しているのに対して，反射電子検出器による凹凸像では組成情報はほとんど入っていないことがわかる．なお，図 6b と図 7b の

図5下方検出器の配置

図 6 TTL 検出器と下方検出器の像の違い．
試 料： カ ー ボ ン 基 板 上 の 蒸 着 金 粒 子 加 速 電 圧：5 kV
WD = 8 mm．a TTL 検出器．b 下方検出器．
164

図 7 反射電子検出器による組成像と凹凸像．
試 料： カ ー ボ ン 基 板 上 の 蒸 着 金 粒 子 加 速 電 圧：5 kV
WD = 8 mm．a 組成像．b 凹凸像．
顕微鏡 Vol. 43, No. 3（2008）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

照明方向の違いは検出器の配置に起因するもので基本的な問題ではない．
5.

検出器位置の凹凸感に及ぼす影響

アウトレンズ検出器は強い照明効果を持っているので，画面上で検出器がどの方向にあるかを考えていないと試料表面の形状によっては，凹凸を間違って解釈してしまうことがある．その例を図 8 に示す．図 8a では矢印の部分が凹んで見えるが，図 8b では凸となって見えている．図 8a では検出器は画面の上方に置かれていて，それによって照明されたような状態となっており，これが実際の試料の凹凸を表したものである．図 8b では検出器は画面下方に置かれている．通常は検出器が画面の上方に来るような設計がされているが，試料室に複数の検出器が取り付けられている場合には，設計上の制限から必ずしも全ての検出器が適切な位置に配置できない場合があるので注意が必要である．
下方検出器の場合，作動距離（working distance, WD）によって検出器の方向が見かけ上変わるので注意を要する．これは WD が短くなると対物レンズの漏洩磁場が強くなることが原因で，検出器方向とは違った方向に放出された反射電子の軌道が変わり，検出器に入射することによる．その例

作動距離の違いによる下方検出器の照明方向の変化．
試 料：IC の 電 極 加 速 電 圧：1 kV．a WD = 15 mm．b
WD = 6 mm．

として IC の電極の像を図 9 に示す．実際の検出器は画面左上にあり，WD = 15 mm（図 9a）では見かけ上の検出器方向が実際の検出器の方向とほぼ一致しているが，WD = 6 mm（図9b）では見かけ上の検出器方向は反時計方向に約 90° 回転している．図 10 は，図 9 の像を反時計方向に 135° 回転させたものであるが，図 10a と図 10b では凹凸が逆に見える．

図 10 画像を回転させたときの凹凸感の違い．試料：IC の電極 加速電圧：1 kV．a WD = 15 mm．b WD = 6 mm．

これは，スキャンローテーション（画像の電気的回転機能，ラスターローテーションとも呼ばれる）を使った場合，回転角によっては凹凸を間違って解釈する場合があることを意味している．
6. おわりにSEM の高機能化とともに種々の電子検出器が取り付けられるようになり，試料から放出される電子が持つ情報を色々な形で利用できるようになった．このことは一つ間違えると情報を誤って解釈しかねないことを意味しているおり，これを防ぐには検出器の特性を十分理解して使う必要がある．
文

図 8 検出器位置による凹凸感の違い．
試料：卵の殻 加速電圧：5 kV WD = 10 mm．

特集

各種 SEM における電子の検出法と像の見え方の違い

献1）Everhart, T.E. and Thornley, R.F.M.: J. Sci. Inst., 37，246–248（1960）
2）Kimoto, S., Hashimoto, H. and Suganuma, T.: Proc. ElectronMicroprobe Symp., Washington D.C., 1964, p. 480

165【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】