JP6690949B2

JP6690949B2 - 走査型電子顕微鏡

Info

Publication number: JP6690949B2
Application number: JP2016005865A
Authority: JP
Inventors: 林　雅宏; 雅宏林
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2015-01-23
Filing date: 2016-01-15
Publication date: 2020-04-28
Anticipated expiration: 2036-01-15
Also published as: JP2016139607A; CN105826152A; CN105826152B

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、以下「ＳＥＭ」と記す）に関するものである。

例えば特許文献１に記載されたＳＥＭは、細く絞った電子線をプローブとして試料に照射しながら当該電子線照射位置を走査し、電子線照射に応じて試料の各位置で発生した電子（二次電子または反射電子）を検出器により検出する。このような電子検出により、ＳＥＭは試料の表面分析を行うことができる。ＳＥＭは、光学顕微鏡に比べ拡大率が大きい点に特長を有しており、半導体マスクパターン検査などのナノスケールの微細構造を可視化する装置とし不可欠である。

試料に電子線が照射されると、該試料から二次電子または反射電子が発生する。二次電子は、試料の表面近くから発生する電子である。二次電子を検出して得られる像（二次電子像）は試料の微細な凹凸を反映している。反射電子は、試料を構成している原子に当たって跳ね返された電子である。反射電子の数は試料の組成（平均原子番号、結晶方位など）に依存するので、反射電子を検出して得られる像（反射電子像）は試料の組成分布を反映している。二次電子像または反射電子像に基づいて試料の表面分析を行うことができる。

ＳＥＭにおいて用いられるプローブは電子線であることから、試料表面へ照射される電子線量の増減は困難ではない。一方で、絶縁体試料などを測定する場合には、帯電現象が発生し、画質の低下が生じる。それ故、ＳＥＭでは、これまで入射電子量の制限や帯電防止用のクエンチングガスが採用されてきた。

特開２００７−４２５１３号公報

発明者らは、従来のＳＥＭについて詳細に検討した結果、以下のような課題を発見した。すなわち、入力電子の減少やノイズ対策として、高画質（高Ｓ／Ｎ）を得る手段として二次電子検出器のゲインの増大が重要となる。近年、半導体マスクパターンの微細化やナノインプリント技術により、ＳＥＭには微細パターン計測を高速で処理する高スループット化が求められている。この要求に対して、電子ビーム径を小さくしてプローブを高速掃引することで測定スピードを向上させる試みが行われている。その結果、二次電子検出器には多大な負担が掛り、検出器性能が高スループット化のボトルネックになりつつある。

ＳＥＭでは、マイクロチャネルプレート（Micro-Channel Plate、以下「ＭＣＰ」と記す）を含む検出器が用いられる。ＭＣＰは、小型・軽量・高ゲインであり、磁場の影響をあまり受けない等の特性を有することから、測長用走査型電子顕微鏡（ＣＤ-ＳＥＭ）などの二次電子検出器として広く使用されている。なお、本明細書では、試料表面で発生してＭＣＰの入力面に到達する二次電子または反射電子と、ＭＣＰ内で増倍されて該ＭＣＰの出力面から出力される二次電子を区別するため、試料表面で発生した二次電子を単に「電子」と記すものとする。

ＳＥＭにおいて用いられる検出器として、ＭＣＰの他にも半導体や光電子増倍管がある。しかしながら、エネルギーの低い二次電子を検出するためには検出器を出来るだけ試料表面に近づけ、ＳＥＭ鏡筒の電磁場を乱さない設計が必要となる。ＭＣＰ以外の検出器は、物理的構造の制約から試料表面から離れた位置に設置せざるを得ず、それ故、エネルギーの低い二次電子を収集するには加速電界の付加などが必要になるなど電磁場設計が複雑化する。このことがＳＥＭの検出器としてＭＣＰが使用される大きな理由の一つになっている。

一方で、ＭＣＰ検出器を用いたＳＥＭにおいても、スループットは十分ではなく、更なる高スループット化が望まれる。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、高スループットでの試料の表面分析を可能にするための構造を備えた走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を提供することを目的としている。

本実施形態に係るＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）は、電子銃と、照射部と、検出器と、を備える。電子銃は、電子線を発生させる。照射部は、試料上における電子線照射位置を走査させながら該試料に電子線を照射する。検出器は、試料への電子線照射に応じて該試料で発生した電子を検出する。特に、検出器は、試料で発生した電子の入射に応じて発生した二次電子を増倍するＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）と、ダイノードと、アノードにより構成された第１構造、または、ＭＣＰと、アノードと、電極により構成された第２構造を有する。

第１構造を有する検出器において、ＭＣＰは、試料からの電子が到達する位置に設けられた入力面と、入力面に対向する出力面を有する。増倍された二次電子は出力面から出力される。ダイノードは、ＭＣＰの出力面に対してＭＣＰの入力面の反対側に設けられ、ＭＣＰの出力面から出力された二次電子を増倍する。ダイノードは、ＭＣＰの出力面の電位よりも高い電位に設定される。アノードは、ダイノードにより増倍された二次電子を収集するため、ダイノードからＭＣＰの出力面および該ダイノード間の中間位置までの空間内に設けられる。アノードは、ＭＣＰの出力面から出力された二次電子をダイノードへ通過させる開口を有する。また、アノードは、ダイノードの電位よりも高い電位に設定される。

一方、第２構造を有する検出器では、ＭＣＰは、試料からの電子が到達する位置に設けられた入力面と、入力面に対向する出力面を有する。増倍された二次電子は出力面から出力される。アノードは、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子を収集するため、アノードＭＣＰの出力面に対してＭＣＰの入力面の反対側に設けられる。アノードは、ＭＣＰの出力面の電位よりも高い電位に設定される。電極は、アノードからＭＣＰの出力面および該アノード間の中間位置までの空間内に設けられる。この電極は、ＭＣＰの出力面から出力された二次電子をアノードへ通過させる開口を有する。また、この電極は、アノードの電位よりも高い電位に設定される。

なお、本発明に係る各実施形態は、以下の詳細な説明及び添付図面によりさらに十分に理解可能となる。これら実施例は単に例示のために示されるものであって、本発明を限定するものと考えるべきではない。

また、本発明のさらなる応用範囲は、以下の詳細な説明から明らかになる。しかしながら、詳細な説明及び特定の事例はこの発明の好適な実施形態を示すものではあるが、例示のためにのみ示されているものであって、本発明の範囲における様々な変形および改良はこの詳細な説明から当業者には自明であることは明らかである。

本実施形態によれば、高スループットで試料の表面分析を行うことができる。

第１実施形態に係るＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の概略構成を示す図である。第１構造を有する検出器の断面構造とともに、ＭＣＰ積層体、アノードおよびダイノードの各平面構造を示す図である。図２に示された検出器（第１構造）における電極それぞれを所定電位に設定するための具体的な構造および各電極における電位設定状態を示す図である。図２に示された検出器（第１構造）のゲイン特性を示すグラフである。図２に示された検出器（第１構造）のリニアリティ特性を示すグラフである。図２に示された検出器（第１構造）において、アノードの開口率を変えながら測定された、ダイノード電位と相対ゲインとの関係を示すグラフである。第２構造を有する検出器の断面構造を示す図である。図７に示された検出器（第２構造）における電極それぞれを所定電位に設定するための具体的な構造および各電極における電位設定状態を示す図である。図７に示された検出器（第２構造）のリニアリティ特性を示すグラフである。

[本願発明の実施形態の説明]
最初に本願発明の実施形態の内容をそれぞれ個別に列挙して説明する。

（１）本実施形態に係るＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）は、電子銃と、照射部と、検出器と、を備える。電子銃は、電子線を発生させる。照射部は、試料上における電子線照射位置を走査させながら該試料に電子線を照射する。検出器は、試料への電子線照射に応じて該試料で発生した電子を検出する。特に、検出器は、試料で発生した電子の入射に応じて発生した二次電子を増倍するＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）と、ダイノードと、アノードにより構成された第１構造、または、ＭＣＰと、アノードと、電極により構成された第２構造を有する。

一方、第２構造を有する検出器では、ＭＣＰは、試料からの電子が到達する位置に設けられた入力面と、入力面に対向する出力面を有する。増倍された二次電子は出力面から出力される。アノードは、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子を収集するため、アノードは、ＭＣＰの出力面に対してＭＣＰの入力面の反対側に設けられる。アノードは、ＭＣＰの出力面の電位よりも高い電位に設定される。電極は、アノードからＭＣＰの出力面および該アノード間の中間位置までの空間内に設けられる。この電極は、ＭＣＰの出力面から出力された二次電子をアノードへ通過させる開口を有する。また、この電極は、アノードの電位よりも高い電位に設定される。

（２）第１構造を有する検出器では、本実施形態の一態様として、アノードの開口率は、９０％以下であるのが好ましい。本実施形態の一態様として、アノードは、二次元的に配列された複数の開口を有するのが好ましい。また、本実施形態の一態様として、ダイノードは、二次電子放出効率を高める膜がコーティングされた金属平板からなるのが好ましい。

（３）一方、第２構造を有する検出器では、本実施形態の実施態様として、電極の開口率は、９０％以下であるのが好ましい。本実施形態の一態様として、電極は、二次元的に配列された複数の開口を有するのが好ましい。本実施形態の一態様として、アノードは、金属平板からなるのが好ましい。

以上、この[本願発明の実施形態の説明]の欄に列挙された各態様は、残りの全ての態様のそれぞれに対して、または、これら残りの態様の全ての組み合わせに対して適用可能である。

[本願発明の実施形態の詳細]
本願発明に係るＳＥＭの具体例を、以下に添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、これら例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、また、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図されている。また、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

まず、本発明を想到するに至った経緯について説明する。ＳＥＭにおいて検出器として用いられるＭＣＰは、二次元配列され互いに独立した複数のマイクロチャンネル構造を有する二次電子増倍器である。ＭＣＰは、入力面に対して出力面が高電位とされることで電子増倍することができる。すなわち、各チャネルの内壁面に荷電粒子が衝突すると二次電子が放出され、その電子は電位勾配によって加速されてチャネルの内壁面に衝突する。このような過程が各チャネル内で繰り返されて、増倍された多数の電子が出力面から出力される。

ＭＣＰの電子増倍機能は、各チャンネルの内壁部が電荷飽和することで制限される。この電荷飽和の抑制には、チャンネル壁部を流れるストリップ電流による電子供給が有効である。これまで、ＭＣＰの抵抗を下げることによりストリップ電流を増やす試みが行なわれてきた。ＭＣＰの低抵抗化による取り出し電荷の線形範囲（リニアリティ）の拡大は有効な手段である。しかし、その一方で、ＭＣＰ抵抗は負の温度係数を持ち、また放熱が困難な高真空中でＭＣＰが使用されることから、ＭＣＰ自身のストリップ電流による発熱が原因でワーミングや放電現象を引き起こしてしまうという問題点を有している。現状のＳＥＭに使用されているＭＣＰ検出器は充分に低抵抗化対策を施したものであり、これ以上の低抵抗化は実用上困難である。

また、一価の素電荷しか持たない電子を検出器により電気信号へ変換するとともに、その電気信号をノイズと区別する為には、１０⁵〜１０⁶程度の増倍率（ゲイン）が必要である。ゲインは高Ｓ／Ｎを達成する為に必須である。試料に照射する電子ビームを細く絞ることにより走査距離が長くなるにも拘らず、高スループット化の要求に対応する為に一定時間内に検出器へ入射する二次電子が大幅に増加すると、ＭＣＰのリニアリティの上限を超えてしまう現象により低Ｓ／Ｎとなる。つまり、ＭＣＰ抵抗によって決まるリニアリティの上限により、入射電子最大量とゲインとはトレードオフの関係を有する（下記（１）式）。
(ＭＣＰリニアリティ上限)＝(入射電子最大量)×（ゲイン） …（１）

本発明は、以上のような本発明者らによる検討に基づいて、高スループットで試料の表面分析を行うことができるＳＥＭを提供するものであり、特に検出器の構成に特徴を有する。以下に、本発明のＳＥＭの実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）１の概略構成を示す図である。ＳＥＭ１は、電子銃２、アノード３、アライメントコイル４、コンデンサレンズ５、偏向走査コイル６、反射電子検出器７、二次電子検出器８、対物レンズ９、レーザ干渉計１０、ステージ１１およびモータ１２を、真空筐体内に備える。これらのうち、アライメントコイル４、コンデンサレンズ５、偏向走査コイル６および対物レンズ９は、試料２０に電子線を照射しながら試料２０上における電子線照射位置を走査する照射部を構成する。

電子銃２は、電子線を発生させる。電子銃２は、例えばタングステン線により構成されている。タングステン線の先端は鋭利かつ所定面を持つように整形形成されており、このような形状に加工された電子銃２は、アノード３との間に印加された高電圧により電子線を発生させる。アノード３は、電子銃２に対して高電圧が印加され、電子銃２から放出された電子を加速させる。アライメントコイル４は、電子銃２から放出される電子線を偏向させることで軸合せする。コンデンサレンズ５は、電子銃２から放出された電子線を集束する。偏向走査コイル６は、試料２０上に照射される電子線をＸ方向およびＹ方向に走査させる。

反射電子検出器７は、試料２０に電子線を照射したときに試料２０で生じた反射電子を検出する。反射電子検出器７は、円板状で中心に電子線が通過する孔を有し、全周を例えば４分割した扇型であって、４分割した部分の信号の和で電子数に依存した濃淡を持つ反射電子像を得ることができ、また、左右２つの信号の差で形状の凹凸を強調表示することもできる。二次電子検出器８は、試料２０に電子線を照射したときに試料２０で生じた二次電子の収集、検出および増幅を行う。二次電子検出器８は、円板状で中心に電子線が通過する孔を有する。二次電子検出器８で検出された信号に基づいて二次電子像を得ることができる。

対物レンズ９は、電子線を試料２０表面上に細く絞る。レーザ干渉計１０は、ステージ１１に取り付けられた反射鏡に向けて出力したレーザ光と、該反射鏡で反射されたレーザ光とを干渉させることで、ステージ１１の位置を計測する。ステージ１１は、試料２０を載置し、その試料２０を任意の座標位置に正確に移動させる装置であって、モータ１２により駆動される。モータ１２は、ステージ１１をＸ方向およびＹ方向に駆動する動力であって、サーボモータ、超音波モータなどが適している。

図２（ａ）および図３（ａ）は、図１のＳＥＭに適用可能な検出器１００Ａの構成を示す図である。この検出器１００Ａは、図１中の二次電子検出器８として用いられる。なお、検出器１００Ａは反射電子検出器７として用いられてもよい。検出器１００Ａは、第１構造として、ＭＣＰ１１１およびＭＣＰ１１２からなる積層体（以下「ＭＣＰ積層体」と記す）、アノード１２０Ａ、ダイノード１３０Ａ、外部電源３００Ａに接続されたブリーダ回路２００Ａを含む。ブリーダ回路２００Ａは、図３（ｂ）に示された例のような電位勾配を形成させるため、各電極に所定電圧を印加する。

この第１構造を有する検出器１００Ａにおいて、ＭＣＰ１１１、１１２それぞれは、二次元配列され互いに独立した複数のマイクロチャンネル構造を有する二次電子増倍器である。各チャネルは、１０μｍ程度の内径を有し、ＭＣＰ積層体の入力面（以下「ＭＣＰ入力面」と記す）の鉛直方向（電子入射方向に一致）に対して１０°程度傾斜している。ただし、ＭＣＰ１１１とＭＣＰ１１２とでは各チャネルの傾斜方向が相違している。ＭＣＰ入力面には、イン電極（以下、「ＭＣＰ−ＩＮ電極）と記す）１１３を介してブリーダ回路２００Ａから伸びたリード線１１４が接続されている。同様に、ＭＣＰ積層体の出力面（以下「ＭＣＰ出力面」と記す）には、アウト電極（以下、「ＭＣＰ−ＯＵＴ電極」と記す）１１５を介してブリーダ回路２００Ａから伸びたリード線１１６が接続されている。すなわち、ブリーダ回路２００Ａからリード線１１４、１１６を介してＭＣＰ−ＩＮ電極１１３およびＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５それぞれに所定電圧が印加されることにより、ＭＣＰ入力面およびＭＣＰ出力面それぞれが所定電位に設定される。ＭＣＰ積層体は、入力面に対して出力面が高電位とされることで、入力面への電子の到達に応じて発生した二次電子を増倍し、出力面から増倍された二次電子を出力する。

ダイノード１３０Ａは、ＭＣＰ出力面の側（ＭＣＰ出力面に対してＭＣＰ入力面とは反対側）に設けられ、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子を増倍する。ダイノード１３０Ａには、リード線１３１Ａを介してブリーダ回路２００Ａが接続されており、ブリーダ回路２００Ａからダイノード１３０Ａに所定電圧が印加されることにより、ダイノード１３０Ａの電位がＭＣＰ出力面より高い電位に設定される。ダイノード１３０Ａは、ＭＣＰ出力面に平行に配置された金属平板（例えばＳＵＳ平板）である。ダイノード１３０Ａは、その金属平板の表面（ＭＣＰ出力面に対面した面）に高δ膜（二次電子放出効率が高い膜）がコーティングされているのが好ましい。高δ膜は、例えばアルカリ金属膜であり、好適にはＭｇＦ_２膜である。

アノード１２０Ａは、ダイノード１３０ＡからＭＣＰ出力面およびダイノード１３０Ａ間の中間位置までの空間内に、ＭＣＰ出力面に平行に設けられている。なお、アノード１２０Ａは、ＭＣＰ出力面およびダイノード１３０Ａの中間位置に配置されてもよい。アノード１２０Ａは、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子をダイノード１３０Ａへ通過させる開口を有する。アノード１２０Ａは、リード線１２１Ａに接続されており、アノード１２０Ａから出力された電気パルス信号は増幅器（Ａｍｐ）２５０により増幅される。なお、アノード１２０Ａと増幅器２５０との間にはコンデンサ２５１は配置されており、このコンデンサ２５１には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをグランドレベルにする機能がある。アノード１２０Ａの電位は、ダイノード１３０Ａより高い電位に設定されており、ダイノード１３０Ａにより増倍された二次電子を収集する。アノード１２０Ａの開口率は９０％以下であるのが好ましい。また、アノード１２０Ａは、二次元配列された複数の開口を有するメッシュ形状であるのが好ましい。

ＭＣＰ積層体（図２（ｂ））、アノード１２０Ａ（図２（ｃ））およびダイノード１３０Ａ（図２（ｄ））それぞれの中央には、孔が設けられており、それらの孔には管部１６０が挿入されている。試料２０に照射されるべき電子線は、この管部１６０の内部空間を通過する。

アノード１２０Ａはセラミック板１４１とセラミック板１４２との間に挟まれている。ダイノード１３０Ａはセラミック板１４２とセラミック板１４３との間に挟まれている。ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５およびセラミック板１４１〜１４３それぞれは、円環形状を有する。ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５およびセラミック板１４１〜１４３の相対的位置関係はネジ１５１、１５２により固定され、これにより第１構造を有する検出器１００Ａが組み立てられている。

この検出器１００Ａでは、ＭＣＰ入力面からＭＣＰ出力面へ向かう方向に沿って順にアノード１２０Ａおよびダイノード１３０Ａが配置されている。また、ＭＣＰ出力面の電位よりもダイノード１３０Ａの電位が高く、ダイノード１３０Ａの電位よりもアノード１２０Ａの電位が高くなるよう、ブリーダ回路２００Ａが、リード線１１４（図２（ａ）、図３（ａ）および図３（ｂ）の例ではグランド電位）、１１６、１２１Ａ、１３１Ａを介してこれら電極に所定電圧を印加している（図３（ａ）および図３（ｂ）参照）。ＭＣＰ入力面に電子が到達すると、電子到達に応答して発生した二次電子がＭＣＰ１１１、１１２において増倍される。その増倍された多数の二次電子はＭＣＰ出力面から出力される。ＭＣＰ出力面から出力された多数の二次電子の殆どはアノード１２０Ａの開口を通過してダイノード１３０Ａに衝突し、この衝突により更に多数の二次電子がダイノード１３０Ａで発生する。ダイノード１３０Ａで発生した多数の二次電子は、アノード１２０Ａにより収集される。すなわち、ＭＣＰ入力面に電子が到達すると、その電子数に応じた波高値を有する電気パルス信号がアノード１２０Ａから出力される。

図３（ｂ）に示された電位勾配の一例は、ＭＣＰ入力面（ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３）の電位Ｖ１が０Ｖ（グランド電位）、ＭＣＰ出力面ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５）の電位Ｖ２が＋２０００Ｖ、アノード１２０Ａの電位Ｖ３が＋２５００Ｖにそれぞれ設定され、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４はＶ２〜Ｖ３の範囲（Ｖ４設定レンジ）内の正電位に設定されている。なお、ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３〜アノード１２０Ａまでの電位勾配は、以下の実験例に示されたように、アノード１２０Ａの電位Ｖ３が０Ｖ（グランド電位）に設定されてもよい。この場合、例えば、ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３の電位Ｖ１が−２５００Ｖ、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５の電位Ｖ２が−５００Ｖ、アノード１２０Ａの電位Ｖ３が０Ｖ（グランド電位）にそれぞれ設定され、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４はＶ２〜Ｖ３の範囲（Ｖ４設定レンジ）内の負電位に設定される。

図４は、検出器１００Ａのゲイン特性を示すグラフである。横軸はゲインであり、縦軸はＭＣＰ出力面から出力された電子の計数値（パルスカウント）である。第１構造を有する検出器１００Ａおよび比較例の何れにおいても、ＭＣＰ出力面とアノード１２０Ａとの間の距離は１ｍｍ、アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとの間の距離は１ｍｍである。ダイノード１３０ＡはＭｇＦ_２膜がコーティングされたＳＵＳ板である。ＭＣＰ入力面の電位Ｖ１は−２５００Ｖ、ＭＣＰ出力面の電位Ｖ２は−５００Ｖ、アノード１２０Ａの電位Ｖ３は０Ｖ（グランド電位）である。比較例では、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４は０Ｖ（グランド電位）に設定され、アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとを束ねて、ＭＣＰからの出力二次電子を全て検出した。本実施形態に適用される検出器１００Ａでは、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４が−２５０Ｖに設定されたときのアノード１２０Ａで二次電子を検出した。

図４から分るように、比較例のゲインと比べて、検出器１００Ａのゲインは６.３倍程度であった。検出器１００Ａのゲイン特性において比較例のゲインピーク位置にサブピークが認められるが、これは、ＭＣＰ出力面から出力された多数の二次電子の一部がダイノード１３０Ａに到達することなくアノード１２０Ａにより直接に捕捉されたことを表している。なお、以下では、比較例（アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとを束ねてアノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとが等電位に設定された場合）のゲインに対する検出器１００Ａ（ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４よりもアノード１２０Ａの電位Ｖ３が高く設定された場合）のゲインの比を「相対ゲイン」という。

図５は、検出器１００Ａのリニアリティ特性を示すグラフである。横軸はアノード１２０Ａからの出力電流値（Ａ）であり、縦軸は規格化ゲインである。規格化ゲインは、出力電流値が小さいときのゲインを１００としている。なお、図５において、記号「●」はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３と同電位に設定されたときのリニアリティ特性、記号「■」はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−１００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「◆」はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−２００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「▲」はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−３００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、「＊」と「−」の合成記号はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−４００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「×」はダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−５００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性をそれぞれ示す。この測定に用いられた検出器１００Ａおよび比較例の何れも、ＭＣＰ出力面とアノード１２０Ａとの間の距離は１ｍｍ、アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとの間の距離は１ｍｍである。ダイノード１３０ＡはＭｇＦ_２膜がコーティングされたＳＵＳ板である。ＭＣＰ入力面の電位Ｖ１は−２５００Ｖ、ＭＣＰ出力面の電位Ｖ２は−５００Ｖ、アノード１２０Ａの電位Ｖ３は０Ｖ（グランド電位）とした。比較例では、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４は０Ｖに設定され、ダイノード１３０Ａとアノード１２０Ａとが束ねられた。図５から分るように、比較例と比べて、ダイノード１３０Ａの電位Ｖ４がアノード１２０Ａの電位Ｖ３に対して−２００Ｖに設定された検出器１００Ａでは、ＤＣリニアリティが約７倍程度拡大した。

図４および図５から、比較例に対して本実施形態に適用される検出器１００Ａではゲインの増倍分だけリニアリティも拡大されることが分かる。

図６は、アノード１２０Ａの開口率を変えながら測定された、検出器１００Ａのダイノード電位Ｖ４と相対ゲインとの関係を示すグラフである。図６（ａ）は、アノード１２０Ａの開口率が８１％である場合の関係を示す。図６（ｂ）は、アノード１２０Ａの開口率が９０％である場合の関係を示す。図６（ｃ）は、アノード１２０Ａの開口率が９６％である場合の関係を示す。この測定に用いられた検出器１００Ａにおいて、ダイノード１３０Ａは高δ膜がコーティングされていないＳＵＳ板である。ＭＣＰ入力面の電位Ｖ１は−２５００Ｖ、ＭＣＰ出力面の電位Ｖ２は−５００Ｖ、アノード１２０Ａの電位Ｖ３は０Ｖ（グランド電位）である。変動させたダイノード１３０Ａの電位範囲は−５０Ｖ〜−５００Ｖである。また、図６（ａ）〜図６（ｃ）それぞれには、ＭＣＰ出力面とダイノード１３０Ａとの間の距離を２.０ｍｍとして、ＭＣＰ出力面とアノード１２０Ａとの間の距離ｄ１およびアノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとの間の距離ｄ２の比ｄ１／ｄ２が、それぞれ０.５ｍｍ／１.５ｍｍ、１.０ｍｍ／１.０ｍｍ、１.５ｍｍ／０.５ｍｍに設定された構成での測定値が示されている。

これら図６（ａ）〜図６（ｃ）から分るように、アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとの間の距離ｄ２が１.５ｍｍの場合より、距離ｄ２が１.０ｍｍの場合に相対ゲインが大きく、距離ｄ２が０.５ｍｍの場合に更に相対ゲインが大きい。したがって、ダイノード１３０ＡからＭＣＰ出力面およびダイノード１３０Ａ間の中間位置までの空間にアノード１２０Ａが配置されると（アノード１２０ＡはＭＣＰ出力面およびダイノード１３０Ａ間の中間位置に配置されてもよい）、相対ゲインを大きくすることができて好ましい。また、相対ゲインの差は、アノード１２０Ａとダイノード１３０Ａとの電位差が小さい場合に顕著であり、アノード１２０Ａの開口率が小さい場合に顕著である。したがって、アノード１２０Ａの開口率は９０％以下であるのが好ましい。

次に、図１のＳＥＭ１に適用可能な、第２構造を有する検出器１００Ｂについて、図７（ａ）、図８（ａ）〜図８（ｂ）および図９を参照して説明する。図７（ａ）および図８（ａ）は、図１のＳＥＭ１の二次電子検出器８（または反射電子検出器７）に適用可能な検出器１００Ｂの構成を示す図である。この検出器１００Ｂは、第２構造として、ＭＣＰ１１１およびＭＣＰ１１２からなるＭＣＰ積層体、アノード１２０Ｂ、電極１３０Ｂ、外部電源３００Ｂに接続されたブリーダ回路２００Ｂを含む。ブリーダ回路２００Ｂは、図８（ｂ）に示された例のような電位勾配を形成させるため、各電極に所定電圧を印加する。

この第２構造を有する検出器１００Ｂにおいて、ＭＣＰ１１１、１１２それぞれは、二次元配列され互いに独立した複数のマイクロチャンネル構造を有する二次電子増倍器である。各チャネルは、１０μｍ程度の内径を有し、ＭＣＰ入力面の鉛直方向に対して１０°程度傾斜している。ただし、ＭＣＰ１１１とＭＣＰ１１２とでは各チャネルの傾斜方向が相違している。ＭＣＰ入力面には、ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３を介してブリーダ回路２００Ｂから伸びたリード線１１４が接続されている。同様に、ＭＣＰ出力面には、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５を介してブリーダ回路２００Ｂから伸びたリード線１１６が接続されている。すなわち、ブリーダ回路２００Ｂからリード線１１４、１１６を介してＭＣＰ−ＩＮ電極１１３およびＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５それぞれに所定電圧が印加されることにより、ＭＣＰ入力面およびＭＣＰ出力面それぞれが所定電位に設定される。ＭＣＰ積層体は、入力面に対して出力面が高電位とされることで、入力面への電子の到達に応じて発生した二次電子を増倍し、出力面から増倍された二次電子を出力する。

アノード１２０Ｂは、ＭＣＰ出力面の側（ＭＣＰ出力面に対してＭＣＰ入力面とは反対側）に設けられている。アノード１２０Ｂには、リード線１２１Ｂを介してブリーダ回路２００Ｂが接続されており、ブリーダ回路２００Ｂからアノード１２０Ｂに所定電圧が印加されることにより、アノード１２０Ｂの電位がＭＣＰ出力面より高い電位に設定される。アノード１２０Ｂは、ＭＣＰ出力面に平行に配置された金属平板（例えばＳＵＳ平板）であり、ＭＣＰ出力面より高い電位に設定されることにより、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子を収集する。また、アノード１２０Ｂから出力された電気パルス信号は増幅器（Ａｍｐ）２５０により増幅される。なお、アノード１２０Ｂと増幅器２５０との間にはコンデンサ２５１は配置されており、このコンデンサ２５１には、出力を絶縁することで、信号出力レベルをグランドレベルにする機能がある。

電極１３０Ｂは、アノード１２０ＢからＭＣＰ出力面およびアノード１２０Ｂ間の中間位置までの空間内に、ＭＣＰ出力面に平行に設けられている。なお、電極１３０Ｂは、ＭＣＰ出力面およびアノード１２０Ｂの中間位置に配置されてもよい。電極１３０Ｂは、ＭＣＰ出力面から出力された二次電子をアノード１２０Ｂへ通過させる開口を有する。電極１３０Ｂは、リード線１３１Ｂに接続されており、電極１３０Ｂの電位は、アノード１２０Ｂより高い電位に設定される。電極１３０Ｂの開口率は９０％以下であるのが好ましい。また、電極１３０Ｂは、二次元配列された複数の開口を有するメッシュ形状であるのが好ましい。

ＭＣＰ積層体（図７（ｂ））、電極１３０Ｂ（図７（ｃ））およびアノード１２０Ｂ（図７（ｄ））それぞれの中央には、孔が設けられており、それらの孔には管部１６０が挿入されている。試料２０に照射されるべき電子線は、この管部１６０の内部空間を通過する。

電極１３０Ｂはセラミック板１４１とセラミック板１４２との間に挟まれている。アノード１２０Ｂはセラミック板１４２とセラミック板１４３との間に挟まれている。ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５およびセラミック板１４１〜１４３それぞれは、円環形状を有する。ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５およびセラミック板１４１〜１４３の相対的位置関係はネジ１５１、１５２により固定され、これにより第２構造を有する検出器１００Ｂが組み立てられている。

この検出器１００Ｂでは、ＭＣＰ入力面からＭＣＰ出力面へ向かう方向に沿って順に電極１３０Ｂおよびアノード１２０Ｂが配置されている。また、ＭＣＰ出力面の電位よりもアノード１２０Ｂの電位が高く、アノード１２０Ｂの電位よりも電極１３０Ｂの電位が高くなるよう、ブリーダ回路２００Ｂが、リード線１１４（図７（ａ）、図８（ａ）および図８（ｂ）の例ではグランド電位）、１１６、１２１Ｂ、１３１Ｂ（図７（ａ）、図８（ａ）および図８（ｂ）の例では正電位）を介してこれら電極に所定電圧を印加している（図８（ａ）および図８（ｂ）参照）。ＭＣＰ入力面に電子が到達すると、電子到達に応答して発生した二次電子がＭＣＰ１１１、１１２において増倍される。その増倍された多数の二次電子はＭＣＰ出力面から出力され、電極１３０Ｂによりアノード１２０Ｂへ向かって加速される。その結果、ＭＣＰ出力面から出力された多数の二次電子の殆どは電極１３０Ｂの開口を通過してアノード１２０Ｂにより収集される。すなわち、ＭＣＰ入力面に電子が到達すると、その電子数に応じた波高値を有する電気パルス信号がアノード１２０Ｂから出力される。

図８（ｂ）に示された電位勾配の一例は、ＭＣＰ入力面（ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３）の電位Ｖ１が０Ｖ（グランド電位）、ＭＣＰ出力面（ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５）の電位Ｖ２が＋２０００Ｖ、アノード１２０Ｂの電位Ｖ３が＋２１００Ｖにそれぞれ設定され、電極１３０Ｂの電位Ｖ４はＶ２を超える範囲（Ｖ４設定レンジ）の正電位（例えば＋２５００Ｖ）に設定されている。なお、ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３〜アノード１２０Ｂまでの電位勾配は、以下の実験例に示されたように、アノード１２０Ｂの電位Ｖ３が０Ｖ（グランド電位）に設定されてもよい。この場合、例えば、ＭＣＰ−ＩＮ電極１１３の電位Ｖ１が−２３００Ｖ、ＭＣＰ−ＯＵＴ電極１１５の電位Ｖ２が−５００Ｖ、アノード１２０Ｂの電位Ｖ３が０Ｖ（グランド電位）にそれぞれ設定され、電極１３０Ｂの電位Ｖ４はＶ３を超える範囲（Ｖ４設定レンジ）の正電位（例えば＋５００Ｖ）に設定される。

図９は、検出器１００Ｂのリニアリティ特性を示すグラフである。横軸はアノード１２０Ｂからの出力電流値（Ａ）であり、縦軸は規格化ゲインである。規格化ゲインは、出力電流値が小さいときのゲインを１００としている。なお、図９において、記号「◆」は電極１３０Ｂの電位Ｖ４がアノード１２０Ｂの電位Ｖ３と同電位に設定されたときのリニアリティ特性、記号「■」は電極１３０Ｂの電位Ｖ４がアノード１２０Ｂの電位Ｖ３に対して＋１００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「▲」は電極１３０Ｂの電位Ｖ４がアノード１２０Ｂの電位Ｖ３に対して＋２００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「×」は電極１３０Ｂの電位Ｖ４がアノード１２０Ｂの電位Ｖ３に対して＋３００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性、記号「＊」は電極１３０Ｂの電位Ｖ４がアノード１２０Ｂの電位Ｖ３に対して＋４００Ｖに設定されたときのリニアリティ特性をそれぞれ示す。この測定に用いられた検出器１００Ｂでは、ＭＣＰ出力面と電極１３０Ｂとの間の距離は１ｍｍ、電極１３０Ｂとアノード１２０Ｂとの間の距離は１ｍｍである。アノード１２０ＢはＳＵＳ板である。ＭＣＰ入力面の電位Ｖ１は−２３００Ｖ、ＭＣＰ出力面の電位Ｖ２は−１５００Ｖ、アノード１２０Ｂの電位Ｖ３は０Ｖ（グランド電位）とした。図９から分るように、第２構造を有する検出器１００Ｂによっても、電極１３０Ｂ−アノード１２０Ｂ間の電位差を例えば２００Ｖ以上確保することによりＤＣリニアリティが拡大した。また、図５の比較例に対して本実施形態に適用される検出器１００Ｂでもゲインの増倍分だけリニアリティも拡大されることが分かる。

本実施形態のＳＥＭの検出器８（または検出器７）には、上述のような構造を有する検出器１００Ａまたは検出器１００Ｂが適用される。したがって、検出器１００Ａまたは検出器１００Ｂへの入射電子量が増加しても、ＭＣＰ１１１、１１２のゲインの増大を抑えつつ、検出器全体のゲインを大きくすることができる。したがって、本実施形態のＳＥＭ１は、高スループットで試料の表面分析を行うことができる。また、検出器１００Ａおよび検出器１００Ｂは、何れもＭＣＰ１１１，１１２のゲインを低く抑えることができることから、ＭＣＰ積層体の入力面と出力面との間に印加する電圧を低くすることができ、寿命特性が改善する。検出器１００Ａは、ＭＣＰ積層体とダイノード１３０Ａとの間にアノード１２０Ａが挿入された構成を有し、また、検出器１００Ｂは、ＭＣＰ積層体とアノード１２０Ｂとの間に電極１３０Ｂが挿入された構成を有することから、従来の構成のものと比べて大型化が抑制される。

以上の本発明の説明から、本発明を様々に変形しうることは明らかである。そのような変形は、本発明の思想および範囲から逸脱するものとは認めることはできず、すべての当業者にとって自明である改良は、以下の請求の範囲に含まれるものである。

１…走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、２…電子銃、３…アノード、４…アライメントコイル、５…コンデンサレンズ、６…偏向走査コイル、７…反射電子検出器、８…二次電子検出器、９…対物レンズ、１０…レーザ干渉計、１１…ステージ、１２…モータ、２０…試料、１００Ａ，１００Ｂ…検出器、１１１，１１２…マイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）、１１３…ＭＣＰ−ＩＮ電極、１１５…ＭＣＰ−ＯＵＴ電極、１２０Ａ，１２０Ｂ…アノード、１３０Ａ…ダイノード、１３０Ｂ…電極。

Claims

電子線を発生させる電子銃と、
試料上における電子線照射位置を走査させながら前記試料に前記電子線を照射する照射部と、
前記試料への電子線照射に応じて前記試料で発生した電子を検出する検出器と、を備え、
前記検出器は、
前記試料で発生した電子の入射に応じて発生した二次電子を増倍するマイクロチャネルプレートであって、前記試料からの電子が到達する位置に設けられた入力面と、前記入力面に対向する、増倍された前記二次電子を出力する出力面と、を有するマイクロチャネルプレートと、
前記出力面に対して前記入力面の反対側に設けられるとともに前記出力面の電位よりも高い電位に設定された第１電極と、
前記第１電極から前記出力面および前記第１電極間の中間位置までの空間内に設けられた第２電極であって、前記出力面から出力された二次電子を前記第１電極へ通過させる開口を有するとともに前記第１電極の電位よりも高い電位に設定された第２電極と、を含み、
前記第１電極が前記出力面から出力された二次電子を増倍するダイノードとして機能するとともに前記第２電極が前記ダイノードにより増倍された二次電子を収集するアノードとして機能する前記検出器の構成において、前記ダイノードと前記アノードとの電位差が１００〜２００Ｖに設定される、
走査型電子顕微鏡。
前記アノードの開口率は、９０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
前記アノードは、二次元的に配列された複数の開口を有することを特徴とする請求項１または２に記載の走査型電子顕微鏡。
前記ダイノードは、二次電子放出効率を高める膜がコーティングされた金属平板からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の走査型電子顕微鏡。
電子線を発生させる電子銃と、
試料上における電子線照射位置を走査させながら前記試料に前記電子線を照射する照射部と、
前記試料への電子線照射に応じて前記試料で発生した電子を検出する検出器と、を備え、
前記検出器は、
前記試料で発生した電子の入射に応じて発生した二次電子を増倍するマイクロチャネルプレートであって、前記試料からの電子が到達する位置に設けられた入力面と、前記入力面に対向する、増倍された前記二次電子を出力する出力面と、を有するマイクロチャネルプレートと、
前記出力面に対して前記入力面の反対側に設けられるとともに前記出力面の電位よりも高い電位に設定された第１電極と、
前記第１電極から前記出力面および前記第１電極間の中間位置までの空間内に設けられた第２電極であって、前記出力面から出力された二次電子を前記第１電極へ通過させる開口を有するとともに前記第１電極の電位よりも高い電位に設定された第２電極と、を含み、
前記第１電極が前記出力面から出力された二次電子を収集するアノードとして機能するとともに前記第２電極が前記出力面から前記アノードへ向かう二次電子を加速する電極として機能する前記検出器の構成において、前記アノードと前記第２電極との電位差が２００〜４００Ｖに設定される、
走査型電子顕微鏡。
前記第２電極の開口率は、９０％以下であることを特徴とする請求項５に記載の走査型電子顕微鏡。
前記第２電極は、二次元的に配列された複数の開口を有することを特徴とする請求項５または６に記載の走査型電子顕微鏡。
前記アノードは、金属平板からなることを特徴とする請求項５〜７の何れか一項に記載の走査型電子顕微鏡。