JP6742015B2 - 電子検出装置および電子検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、電子を試料に照射して当該試料から放出あるいは反射された電子を検出・増幅する電子検出装置および電子検出方法に関するものである。

走査型電子顕微鏡は試料（サンプル）に細く絞った電子ビームを照射して発生する２次電子あるいは反射電子などの信号電子を検出・増幅して当該試料の画像を形成し、ミクロンあるいはナノの世界を観察あるいは計測する技術である。

高画質の画像を得るためには、信号電子を高いＳＮＲで検出・増幅することが非常に大事である。電子はいわゆる素粒子の１つであり、電子の電荷量は１.６ｘ１０のマイナス１６乗クーロンと非常に小さいため、個々の電子を検出するためには、ノイズなしに非常に大きな増幅を行う必要がある。

電子を検出・増幅するために、超低ノイズで非常に高い増幅率を有する電気素子として、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）が広く使われている。ＭＣＰはレンコンの薄切りのような形状を有する高抵抗鉛ガラスから出来た厚み１ｍｍ程度の薄い板であり、チャンネルと呼ばれる数ミクロンの穴が無数に並んでいる。真空中にてＭＣＰの両端に数ＫＶの電圧を印加すると、ＭＣＰの一方の面から入射した電子はチャンネル内部で起こる雪崩現象によって増倍され、もう一方の面から放出される。放出された電子をアノードで回収して電流に変換することにより増幅が実現する。ＭＣＰ、１枚当たり１０００倍以上の増幅が可能であり、複数枚のＭＣＰを使う多段に構成し、１０の７乗以上の増倍を実現することが出来る。

しかし、ＭＣＰのチャンネルを形成するガラス壁には厚みがあるため、 ＭＣＰ端面の総面積は穴の面積と壁の面積の総和からなる。つまり、ＭＣＰに向かった電子の有る部分は壁に衝突し、検出されない。ＭＣＰ総面積に占める穴の割合が開口率である。ＭＣＰは大凡６０％の開口率を有する。

ＭＣＰのチャンネルに入射した電子の約５０％が実質的に増幅に寄与するとされるため、最終的な信号電子の最大検出効率は３０％以下となってしまうのが現状である。

ＭＣＰで増幅された信号は電流アンプで増幅される。電流アンプは大きな電流ノイズを持つため、ＳＮＲをアンプによって劣化させないためにはそのノイズに比べて十分に大きな信号を入力する必要がある。一方、画像の本来的なＳＮＲは１画素を構成する電子の個数の平方根で決まるため、検出する電子の数が減少するとそれに伴ってＳＮＲが劣化する。

入射する電子が１０００個以上と十分に多いときはＭＣＰの検出率が３０％と低くても電流アンプ増幅後の画像ＳＮＲを１０以上に保つことが可能で実用上十分高画質が得られる。

しかしながら、走査型電子顕微鏡のように、ｎｍオーダーに細く絞った電子ビームを走査（例えばデジタル走査）しながら発生する電子を検出・増幅する用途では、１ピクセルあたりに発生する電子数は１００個以下と非常に少ないため、検出効率が低いと、画像を形成する元信号のＳＮＲが１０よりも極端に低くなり、そのままでは実用に耐えないという問題がある。

１ピクセル当たりの照射電子量を増加すれば、画質向上が可能であるが、そのためにはさらに高い電子密度の電子ビームを照射する必要がある。電子ビームを細く絞る対物レンズには収差がある上、電子ビームは負電荷をもち、互いに反発しあう性質があるため、安定した観察に必要な低い加速電圧で無暗に電流密度を上げることは技術的に困難である。さらに、電子ビームの大量照射は、測定対象と反応を起こして変質、帯電によって発生する大きな電位差がダメージを与えるため、照射量の増大には限界がある。

試料に照射する電子ビームの電流を増加させずにＳＮＲを上げる方法としては、何度も同じ場所を走査して画像蓄積を行う方法もあるが、蓄積回数に比例してスループットが低下するため、高速が要求される場合（例えばマスクのパターンの測長、欠陥検査等の場合）には使えない。

以上の理由で、出来るだけ少ない電子ビーム量で高速に所望の画像が形成できるように、信号電子（２次電子、反射電子等）の検出効率向上が望まれている。

また、リターディング法によって照射電子ビームエネルギーを変えると、発生する２次電子のエネルギーが変化して検出効率が変化するため、照射電子ビームエネルギーが変化しても、２次電子の検出効率が変化しないことが望まれる。

本発明は、上述したＭＣＰの電子検出・増幅素子の開口率等による検出損失による影響を低減し、更に、検出・増幅率を向上させることに特徴がある。

そのため、本発明は、電子照射によって発生した２次電子等をＭＣＰ等に入射前に２次電子発生板で増倍することによってＭＣＰ等に入射する信号電子数を増大し、ＭＣＰ等の開口率制限による信号電子検出損失を十分補償して実質的に信号電子欠落が起こらないようにすると共に、増幅率を向上させることを目的とする。

また、同時に、電子増倍板の応用として試料で生じた２次電子、反射電子等のエネルギーの違いによって軌道が変化することを利用して、２次電子と反射電子等とを分離して同時検出を実現することを目的とする。

そのために、本発明は、電子を試料に照射して当該試料から放出あるいは反射された電子を検出・増幅する電子検出装置において、所定加速電圧のエネルギーを有する１次電子ビームを細く絞って試料に照射する磁界型の対物レンズと、細く絞られた１次電子ビームを試料上で走査するように１次電子ビームを偏向する偏向装置と、１次電子ビームを試料の方向に通過させる穴を有し、かつ細く絞られた１次電子ビームを試料に照射して走査した際に放出された第１の２次電子を加速する正の第１の加速電圧を印加すると共に第１の加速電圧で加速された第１の２次電子が衝突したときに増倍された第２の２次電子を発生させる２次電子発生板と、１次電子ビームを試料の方向に通過させる穴を有すると共に第１の２次電子を２次発生板の方向に通過させる穴を有し、かつ２次電子発生板で増倍された第２の２次電子を加速する正の第２の加速電圧を印加すると共に第２の加速電圧で加速された増倍された２次電子を更に増倍するＭＣＰと、ＭＣＰで増倍された２次電子を検出するアノードとを備える。

この際、２次電子発生板の１次電子ビームが通過する穴の部分に、試料から放出された第１の２次電子が１次電子ビームの走行経路の逆方向への走行を抑止する負の電圧を印加した、中心に１次電子ビームが通過する穴を有するリペラー電極を設けるようにする。

また、２次電子発生板に第１の２次電子が衝突して第２の２次電子を発生させる面を、１次電子ビームの走行方向に対して凸状にし、第２の２次電子の増倍効率を高めるようにする。

また、２次電子発生板の表面に短冊状、針円周状、あるいは粒子状の２次電子放出材料を形成するようにする。

また、ＭＣＰを円周方向および半径方向のいずれか１方向以上に複数に分割し、分割検出・増幅可能にする。

また、ＭＣＰを２次電子発生板の方向に傾けるようにする。

また、ＭＣＰをＡＰＤに置き換えるようにする。

また、２次電子発生板とＭＣＰとの組を、１次電子ビームの軌道に同軸に２組設け、内側の１組で試料から放出された反射電子を検出・増倍し、外側の１組で試料から放出された第１の２次電子を検出・増倍するようにする。

本発明は、電子照射によって発生した２次電子を２次電子発生板に衝突させてＭＣＰ等に入射前に増倍することによってＭＣＰ等に入射する信号電子数を増大し、ＭＣＰ等の開口率制限による２次電子検出損失を十分補償して実質的に信号電子欠落が起こらないようにすると共に、増幅率を向上させることが可能となる。

１次電子のランディグエネルギーと独立に２次電子発生板に入射するエネルギーを決められるので、リターディング方式を行ってもランディグエネルギーとは独立に２次電子検出効率を一定に保つことが可能となる。

また、同時に、試料から放出、反射された２次電子、反射電子のエネルギーの違いによって軌道が変化することを利用して、２次電子と反射電子とを分離して同時検出を実現することが可能となる。

図１は、本発明の１実施例構成図を示す。

図１において、１次電子ビーム１は、図示外のＴＦＥエミッター等の電子銃、集束レンズ、偏向装置、および図示の対物レンズ２などから構成される鏡筒によって発生され、試料（サンプル）３の表面を照射しつつ平面走査（Ｘ方向、Ｙ方向の走査）し、２次電子、反射電子を発生させるものである。発生された２次電子、反射電子は、２次電子発生板６で増倍され、更に２次電子発生板６に対向配置されたＭＣＰ７で検出・増幅され、図示外のディスプレイ上に画像（２次電子画像、反射電子画像など）を表示する。

対物レンズ２は、図示外の集束レンズで数百ミクロン程度に集束された１次電子ビーム１を、試料３の表面においてｎｍオーダーに細く絞るためのものであって、ここでは、磁界型の対物レンズである。磁界型の対物レンズ２を用いたため、試料３の表面に細く絞った１次電子ビームで平面走査したときに放出された２次電子等は当該対物レンズ２の強磁界によって後述する図９に示すように軸上をらせん運動しながら、上方（１次電子ビーム１の照射方向と逆方向）に走行し、リペラー電極５に印加された負電圧によりその上方への走行が阻止されて外側にそれて、正の電圧の印加された２次電子発生板６に向けて走行し、衝突して第２の２次電子を発生する。

試料３は、観察、測長の対象となる試料（サンプル）である。

第１の２次電子４は、１次電子ビーム１を平面走査した試料３（電位Ｖ２）から放出された２次電子である。

第２の２次電子４１は、２次電子発生板６から放出された２次電子である。

リペラー電極５は、負の電圧を印加し、第１の２次電子４などが軸上を上方向に走行するのを阻止するものである。

２次電子発生板６は、第１の２次電子４などが衝突して第２の２次電子４１を発生させ、電子増倍させるためのものである。

ＭＣＰ７は、第２の２次電子４１を検出・増幅するものである。

Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４は、１次電子ビーム１、試料３、２次電子発生板６、ＭＣＰ７の電圧あるいは印加した電圧である（図１、図４等参照）。ここで、Ｖ３−Ｖ２は第１の加速電圧に相当し、Ｖ４−Ｖ３は第２の加速電圧に相当する。

次に、図１の構成の動作を詳細に説明する。

（１）１次電子ビーム１はＴＦＥエミッター等の電子銃から放出された電子ビームを加速した後、試料３の表面を２次元走査するために偏向装置にて偏向され、２次電子発生板６、ＭＣＰ７の空間を通過後、最終的に対物レンズ２によって必要なビームスポットサイズに絞られて試料３の表面に照射される。

（２）試料３に照射した１次電子ビーム１によって生じる２次電子、反射電子は試料３と電子増倍板６との間に与えられた数百ボルトのバイアス電圧（第１の加速電圧＝Ｖ３−Ｖ２）により加速されコラム上方に移動する。この電圧バイアスは、１次電子ビーム１のランディング電圧とは独立に制御できるため、２次電子発生板６に入射する電子のエネルギーは常に２次電子放出効率が高い最適値に保たれる。

（３）ＭＣＰ７には１次電子ビーム１が通過するための穴が中心に開いているため、試料３に垂直に上昇してきた２次電子等の成分は検出できない。そこで、試料３に垂直方向に発生した２次電子等の成分を検出するために、リペラー電極５を設け、その先端部に数百ボルトの電圧を加えることにより、電位障壁を作り、数百ボルト以下のエネルギーを持つ電子がＭＣＰ７の穴（軸上にある穴）を突き抜けて上方に行かないようにする。リペラー電極５に加えた電圧よりも小さなエネルギーを持つ２次電子等は穴を通過するのを阻止されＭＣＰ７の方に向かうため検出できるようになる。リペラー電極５の電圧を高くすることにより、より高いエネルギーを有した２次電子等を検出可能になるが、１次電子ビーム１のエネルギーに匹敵するほど大きくすると、１次電子ビーム１の軌道が変化し、正しい１次電子ビーム１の照射が出来なくなる恐れがあるため、リペラー電極５に加えることのできる電圧は１次電子ビーム１のエネルギーと比較して十分に小さな電圧が利用される。リペラー電極５の穴および形状は１次電子ビーム１に影響しないように正確に軸対称に作る必要があり、かつ、１次電子ビーム１が穴の中心を通過するように設計することが必要である。また、１次電子ビーム１が大きく偏向された後にリペラー電極５の内部を通過するため、１次電子ビーム１を最大に偏向した際に１次電子ビーム１がリペラー電極５の内側に衝突しない大きさが必要である。

（４）鏡筒（コラム）を上方に移動した２次電子等は電子増倍板６に衝突する。電子増倍板６に衝突した２次電子等（第１の２次電子４１）は元の数よりも多い第２の２次電子を発生させる。発生した第２の２次電子４１を電子増倍板６とＭＣＰ７との間に加えられたバイアス電圧（第２の加速電圧＝Ｖ４−Ｖ３）によってＭＣＰ７に入射させ所望の増幅を行い電流信号として図示外のアノードより取り出す。取り出した信号は電流アンプに供せられ、Ａ／Ｄ変換装置を介してコンピュータにデジタル信号として取り込まれる。種々の画像処理を行った後、所望のサイズ、デプスを有する画像としてディスプレイ上に表示、あるいは画像情報として記憶デバイスに記憶される。

（５）電子増倍板６は導電性の板の表面に高い２次電子発生効率（２から２０程度）を有する材料を被覆したものである。導電性の板は低抵抗の金属が望ましいが、ｎＡ以下の非常に小さな電流を増倍するために使用するので、本発明の目的を達成するためには、完全な絶縁体でない限りメガΩのように抵抗値が高くても利用できる。高い２次電子発生効率を持つ材料としては、ＭｇＯをはじめ、ＢａＯ、ＭｇＦ５Ｃｕ−ＢｅＯ，Ｃｕ−ＢｅＯ６，２Ａｇ−ＭｇＯ−ＣＳ９，２Ｃｓ−Ｓｂ，１０ＧａＰ−Ｃｓ２０〜４０等が利用できる。例えばＭｇＯ薄膜などを用いた場合７倍程度の増倍率が得られる。

大きな２次電子放出効率を持つ２次電子放出材料は一般的に絶縁体が多い。従って、厚い膜を電子増倍板表面に設けると電気抵抗値が非常に大きくなり、大きな信号を取り出すことが出来ない。そこで、電子増倍板６の表面に設ける膜は２次電子放出比が大きく、トンネル効果によって電子が絶縁膜表面にアノードから供給されるように、数十ｎｍ以下の厚みであることが望ましい。２次電子放出材料に導電性があれば尚良い。導電性材料を混ぜたコンポジット材料を用いることが出来る。

（６）尚、電子増倍板６は図示したように２次電子等の方向に対して垂直に成らないように傾けて設置することが望ましく、垂直に配置した場合と比較してさらに電子放出量を増すことが出来る。

電子増倍板から放出した２次電子のエネルギーは数ｅＶと低いので、そのままでは、再度電子増倍板６に戻って吸収されてしまい、増倍作用が起こらない。そこで、発生した２次電子を効率よくＭＣＰ７に入射できるように、電子増倍板６とＭＣＰ７の入力端との間に数百ボルトの電位差（第２の加速電圧＝Ｖ４−Ｖ３）を与える。ＭＣＰ７の検出効率が最大となる入射エネルギーがあるので、その値になるように調整することが望ましい。

ＭＣＰ７に入力された電子はＭＣＰ７両端に加えられたバイアス電圧によって電子増倍が起こり、ＭＣＰ７のアノードから信号電流が出力される。

（７）本発明を利用すると以下の利点が発生する。

例えば、超高速検査の際に実際に起こる極端な例としてサンプルへの電子ビーム走査によって１ピクセル当たり１個あるいは０個の電子が発生したとする。通常のＭＣＰでは、ＭＣＰに入射した電子の３割以下しか信号検出できないので、約１個あるいは０個の電子は検出されず、画像信号は０になる。従って、画像にはアンプ等のノイズだけが現れる。

一方、本発明の電子増倍板６を用いると、約７倍の電子数増加が起こるため、ＭＣＰ７に供せられる電子数は１ピクセル当たり７個あるいは０個となり、その内３割の２個あるいは０個が検出されるため、画像形成をすることが出来る。

このように本発明を利用すると、従来では画像形成さえ出来ない電子ビーム照射条件下でさえ画像を形成することが可能となり、超高速電子ビーム走査をしたような場合でさえ、品質の高い画像を得ることができる_。

図２は、本発明の１実施例構成図（その２）を示す。図２は、図１のＭＣＰ７を円周方向および半径方向に分割し、かつ斜めに傾斜して２次電子検出効率を向上させた実施例を示す。他の構成は、図１と同一であるので、説明を省略する。

図２において、ＭＣＰ７は、図示のように、２次電子発生板６から放出された第２の２次電子４１の方向に、当該ＭＣＰ７のチャネルの穴（表面に垂直に穴がある）の開口数が最大となる方向に傾斜したものである。更に、ＭＣＰ７は、半径方向、および円周方向に複数に分割、例えば２×４の合計８個に分割され、それぞれ独立に第２の２次電子を検出・増幅することが可能な構造となっている。これにより立体的な信号を検出できるようになる。

尚、ＭＣＰ７は通常は１枚で構成するが、機械的に分割した各個別のＭＣＰ７の素子を保持具に固定して構成してもよい。

以上のように、ＭＣＰ７を傾斜したことにより、２次電子発生板６でプリ増倍した第２の２次電子４１を最大開口率で検出・増幅することが可能となる。

図３は、本発明の説明図を示す。

図３の（ａ）は、効率∝材料の２次電子放出効率×入射角度（Ｃｏｓθ）・・（式１）を示す。

この（式１）の「効率」は、１次電子ビーム１が試料３を照射したとき、あるいは第１の２次電子４が２次電子発生板６、第２の２次電子４１がＭＣＰ７に衝突したときに、放出される２次電子発生効率を表すものであって、「材料の２次電子放出効率」と「入射角度（Ｃｏｓθ）」との積で求められるものである。

・「材料の２次電子放出効率」は、電子ビーム１が２次電子発生板６の表面に垂直入射した際の２次電子発生効率であって、例えば図３の（ｂ）に示すような特性を有するものである。すなわち、入射エネルギーｅＶが０Ｖから約３００Ｖまでは２次電子発生効率が徐々に大きくなり、約３００Ｖで最大値を有し、それよりも高くなると徐々に小さくなる傾向を有するものである。約３００Ｖよりも高くなると、表面から深く浸透して発生した２次電子が表面から放出されなくなるからである。

・「入射角度（Ｃｏｓθ）」は、電子ビームが２次電子発生板６に衝突（入射）する角度である。入射角度が小さいほど大きな値（発生効率が大）となるものである。

したがって、２次電子発生効率を高めるには、例えば試料３から放出された第１の２次電子４が２次電子発生板６に衝突する角度が小さいほどよいが、あまり小さくすると衝突できないおそれがあるので、両者を考慮して図１、図２ではθ＝約４５度としている（実際には実験で最大効率の角度θを求めて設定する）。

図４は、本発明の説明図（その２）を示す。これは、図１、図２のＶ１（１次電子ビーム１の電位）、Ｖ２（試料３の電位）、Ｖ３（２次電子発生板６の電位）、Ｖ４（ＭＣＰ７の電位）の電位関係を模式的に示したものである。ここでは、Ｖ２＝０Ｖとしている。

図４において、
・Ｖ１＝１．５ＫＶ：１次電子ビーム１の電位Ｖ１が１．５ＫＶを表す。

・Ｖ２＝０付近：試料３の電子Ｖ２が０Ｖを表す。

・Ｖ３＝０．３ＫＶ：２次電子発生板６の電位Ｖ３が０．３ＫＶを表す。

・Ｖ４＝０．４ＫＶ：ＭＣＰ７の電位Ｖ４が０．４ＫＶを表す。

以上の関係から、試料３と２次電子発生板６との間にはＶ３−Ｖ２＝０．３ＫＶの第１の加速電圧、２次電子発生板６とＭＣＰ７との間にはＶ４−Ｖ３＝０．４ＫＶ−０．３ＫＶ＝０．１ＫＶの第２の加速電圧が印加されていることとなる。例えばリターディング法のように試料電位Ｖ２が変われば自動的にＶ３を変化させることにより、２次電子発生板６に入射される２次電子Ｍのエネルギーは一定に保持される。

以上の関係から、試料３から放出された第１の２次電子４は第１の加速電圧で２次電子発生板６に向けて加速され、２次電子発生板６で発生した第２の２次電子４１は第２の加速電圧でＭＣＰ７に向けて加速されることとなる。

図５は、本発明の１実施例構成図（その３）を示す。図５は、図１中のＭＣＰ７の代わりにＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）８を用いた構成例を示す。他は、図１と同一であるので説明を省略する。

図５において、ＡＰＤ８は、第２の２次電子４１を検出・増倍するものである。ＡＰＤ８は、図１のＭＣＰ７とその構造が異なり、チャンネルが無いので、原理上、開口率が１００％に出来るが、ＡＰＤ８には外部回路とやり取りするための端子やＡＰＤ８としては動作しない周辺部があるため、信号となる電子をＡＰＤ８の有効部に全て照射出来ない場合がある。そこで、２次電子発生板６に第１の２次電子４（あるいは反射電子）を衝突させて電子数を増倍した後に、ＡＰＤ８に入射することで、開口損失を補償して検出効率を上げることが可能となる。

ＡＰＤ８を用いた場合は、ＡＰＤ８に入射した電子が増倍しやすいように２次電子発生板６とＡＰＤ８との間に加える電位差を２ｋＶ程度ないしそれ以上にすることが望ましい。

以上のように、図１から図５のＭＣＰ７の代わりにＡＰＤ８を用いることにより、ＭＣＰ７のチャネル開口率が低いことによる信号損失を低減し、２次電子を効率的に検出・増倍することが可能となる。

図６は、本発明の１実施例構成図（その４）を示す。図６は、試料３に１次電子ビーム１の照射を行った際に発生する信号電子のうちエネルギーの低い第１の２次電子４と、１電子ビーム１とほぼ同じエネルギーを有する反射電子４２とを区別して増倍検出する例を示す。

エネルギーの低い第１の２次電子４の検出・増倍は図示のように、２次電子発生板６１とＭＣＰ７１で行い、エネルギーの高い反射電子４２の検出・増倍は図示のように、２次電子発生板６２とＭＣＰ７２で行う。

（１）エネルギーの低い２次電子（第１の２次電子）４は、０から１００ｅＶ程度の低いエネルギーを持つ２次電子であって、試料３の表面であらゆる方向に向いて発生する。発生した２次電子（第１の２次電子）４は、鏡筒（コラム）の上方に向かう電位差（Ｖ３−Ｖ２＝第１の加速電圧）により加速されて上昇する。横方向の速度成分を有するため、上昇に伴い円錐状に広がっていく。２次電子４の中で横方向エネルギーの大きなものは円錐の外周部に集まり、横方向エネルギーの低いものは中心部にあつまる。

（２）一方、軸方向にエネルギーの高い電子（反射電子４２）は、光が鏡で反射するように１次電子ビーム１が試料３の表面で反射したもので、エネルギーは１次電子ビーム１と同じ程度に高い。実際には１次電子ビーム１が少し試料３に潜った所で反射電子が発生するため、散乱方向やエネルギーが少し変わり、僅かに広がりながら、ほぼ垂直に鏡筒（コラム）を登って行く。もちろん、傾斜をもつ試料から生じる反射電子は傾斜面に依存した方向に散乱されるが、ここでは、真っ直ぐ戻ってくる反射電子を取り扱う。

以上の性質を利用すると、２次電子（第１の２次電子）４の横方向エネルギーの区別あるいは２次電子と反射電子４２とを区別して検出・増倍することが可能となる。

（３）次に、２次電子検出を行うために、２次電子検出・増倍用の２次電子発生板６２，６１は図示のように１次電子ビーム１の軸から少し離れた場所に円環状に配置する。試料３の表面で発生した第１の２次電子４は試料３と２次電子増倍板６１との間に与えられた３００Ｖ程度の電位差（第１の加速電圧）により加速され、円環状に配置された２次電子増倍板６１に衝突し大量の２次電子（第２の２次電子）４１を発生する。発生した第２の２次電子４１は２次電子増倍板６１とＭＣＰ７１との間に与えられた電位差（Ｖ４−Ｖ３＝第２の加速電圧）によって加速され、ＭＣＰ７１に入射し増倍され電気信号となる。

（４）一方、試料３で反射した反射電子４２は１次電子ビーム１の軸に近い場所を通過するため、２次電子増倍板６２は出来る限り１次電子ビーム１の軸に近づけて図示のように配置する。発生した反射電子４２はほぼ１次電子ビーム１のエネルギーを持って上昇するが、２次電子発生板６２の電位を制御することによって２次電子を発生するために最適なエネルギーで２次電子発生板６２に衝突し大量の第２の２次電子４３を発生する。発生した第２の２次電子４３は２次電子発生板６２とＭＣＰ７２との間に与えられた電位差（Ｖ６−Ｖ５）によって吸引されてＭＣＰ７２に入射し、ＭＣＰ７２にて増倍され電気信号に変換される。

以上のようにして、試料３に１次電子ビーム１を照射して平面走査した際に発生した低いエネルギーの第１の２次電子４および高いエネルギーの反射電子４２をそれぞれ独立に増倍・検出することが可能となる。尚、反射電子の検出をより確実にするために、１次電子ビーム１の入射角を少し傾斜させて、反射電子がしっかりと反射板にあたるようにすることもできる。あるいは、反射電子用の２次電子発生板６２をリペラー電極５の内側にまで張り出してもよい。

図７は、本発明の説明図（その３）を示す。図７は、図６の第１の２次電子４および反射電子４２を増倍するときの加速電圧の例を模式的に示す。これは、図６のＶ１（１次電子ビーム１の電位）、Ｖ２（試料３の電位）、Ｖ３（２次電子発生板６１の電位）、Ｖ４（ＭＣＰ７１の電位）、Ｖ５（２次電子発生板６２の電位）、Ｖ６（ＭＣＰ７２の電位）の電位関係を模式的に示したものである。ここでは、Ｖ２＝０Ｖとしている。

図７において、
・Ｖ１＝１．５ＫＶ：１次電子ビーム１の電位Ｖ１が１．５ＫＶを表す。

・Ｖ２＝０付近：試料３の電子Ｖ２が０Ｖを表す。

・Ｖ３＝０．３ＫＶ：２次電子発生板６１の電位Ｖ３が０．３ＫＶを表す。

・Ｖ４＝０．４ＫＶ：ＭＣＰ７１の電位Ｖ４が０．４ＫＶを表す。

・Ｖ５＝１．５ＫＶ：２次電子発生板６２の電位Ｖ５が１．５ＫＶを表す。ここでは、反射電子４２（１次電子ビーム１の電子とほぼ同じ）が衝突するので、１次電子ビーム１の電位とほぼ同じ（若干低い）としたものである。尚、Ｖ５は、反射電子４２（１次電子ビーム１の電位１．５ＫＶ）が衝突して２次電子を発生させればよいので、０ないし１．５ＫＶの範囲内のいずれの電位でも良いが、望ましくは２次電子発生効率が最良となる約３００Ｖ（図３参照）が良い。

・Ｖ６＝２．０ＫＶ：ＭＣＰ７１の電位Ｖ４が２．０ＫＶを表す。

以上の関係から、試料３と２次電子発生板６１との間にはＶ３−Ｖ２＝０．３ＫＶの第１の加速電圧、２次電子発生板６１とＭＣＰ７１との間にはＶ４−Ｖ３＝０．４ＫＶ−０．３ＫＶ＝０．１ＫＶの第２の加速電圧が印加され、それぞれ加速されることとなる。

同様に、試料３と２次電子発生板６２との間にはＶ５−Ｖ２＝１．５ＫＶ（望ましくは２次電子発生効率が最大となる約３００Ｖ（図３参照））の第１の加速電圧、２次電子発生板６２とＭＣＰ７２との間にはＶ６−Ｖ５＝０．５ＫＶの加速電圧が印加され、加速されることとなる。

図８は、本発明の１実施例構成図（その５）を示す。図８は、ＭＣＰ７の中心部に設けたリペラー電極５と呼ばれる、電極が長く伸びて、先端が小さく蕾んでいる実施例を示す。

図８に示すように、電子ビーム走査を行う偏向系（電子ビーム偏向装置）９が備わっており、１次電子ビーム１を偏向し試料３の表面を２次元走査（Ｘ方向およびＹ方向に走査）する。１次電子ビーム１の太さは精々１００ミクロン程度のオーダーであるが、電子ビームを走査した際に対物レンズ２で発生する収差を小さくするために、対物レンズ２の中心を１次電子ビーム１が通過するように２段偏向する。２段偏向を行った場合、図に示したように、ＭＣＰ７を通過する１次電子ビーム１は最大数ｍｍと大きく振られた状態にあるため、ＭＣＰ７の内壁に衝突しないように比較的大きな穴が開いている。

振られた１次電子ビーム１は最終的には数ｎｍの大きさに絞られるため、試料３に向かって、円錐状に１次電子ビーム１の軌跡範囲は小さくなる。つまり、ＭＣＰ７に近い場所では１次電子ビーム１の走査に影響しないように大きな開口が必要であるが、対物レンズ２に近づくにつれて、１次電子ビーム１の走査に必要な軌跡範囲は狭くなるため、小さな開口にしても１次電子ビーム１の走査を妨げないように出来る。

本実施例では、ＭＣＰ７から細長くリペラー電極５が対物レンズ２の方向（軸上の方向）に延び、先端が小さくなっている。このリペラー電極５には数百ボルトの負電圧が掛かっており、試料３の表面で発生した２次電子（第１の２次電子）４が穴の中心部（軸上の穴）を抜けて行ってしまうのを阻止している。発生した第１の２次電子４は鏡筒（コラム）の上方に行くにつれ加速するためエネルギーが高く成る。２次電子４が発生した直後であれば、加速が十分でないので小さなエネルギーで穴を通り抜けてしまうのを防止できる。

本実施例では、２次電子発生地点に近い位置にリペラー電極５を配置し、穴の大きさを、数百ミクロンまで小さく出来るので、試料３で発生した２次電子４が穴を抜けて行くのを確実に防止できる。

図９は、本発明の説明図（その４）を示す。図９は、図８のリペラー電極５の先端部分における２次電子（第１の２次電子）４の振る舞いを模式的に示したものである。

図９において、試料３の表面に１次電子ビーム（例えば１．５ＫＶ）１を照射しつつ平面走査した際に、２次電子（第１の２次電子）４が放出され、対物レンズ２の強磁界により図示のように軸上を螺旋状に回転しながら上方向の図示外の第１の加速電圧の印加された２次電子発生板６に向けて吸引される。この際、試料３から放出された２次電子（第１の２次電子）４の可及的に近い、いまだ加速されていない部分に図示の先が少し細くなった円筒状のリペラー電極５を配置して負の電圧（例えばー１００Ｖ）を印加することで、効率的に当該第１の２次電子４は軸上からそれた当該リペラー電極５の外側に押しやり、図示のような軌道を上方向に配置した図示外の２次電子発生板６に向けて加速し、衝突して２次電子（第２の２次電子４１）を発生させることが可能となる。

図１０は、本発明の説明図（その５）を示す。図１０は、２次電子発生板６の表面の構造例を模式的に示す。

図１０において、２次電子発生板６上では、電子（第１の２次電子４、反射電子４１等）は物質に照射されると深く潜り込み散乱を起こす。散乱した電子のうち物質の表面から１０ｎｍ程度の距離にある電子が、物質外部に２次電子として取り出される。そのため、試料３に垂直に電子ビームを照射した場合よりも、斜め方向から照射した場合の方が沢山の２次電子が放出される。図１０はこの性質を利用して沢山の２次電子を２次電子発生板６から放出させる方法の例を示す。

図１０の（ａ）は、２次電子発生板６の表面に短冊状材料を設けてこの上に電子増倍膜を形成した例を示す。この例では、短冊状（柱状）構造を持つ例えばカーボンナノチューブの材料の上に電子増倍材料を形成した例（形成、塗布等）を示す。カーボンナノチューブはその名が示す通り、数ｎｍから数十ｎｍの穴径を持つ柱状物質である。現在では、容易に特定の方向に配向したカーボンナノチューブのシートを作ることが可能である。カーボンナノチューブ自身あるいはその表面に電子放出材料を被覆することで、沢山の２次電子を放出させることが可能となる。

図１０の（ｂ）は、２次電子発生板６の表面に針円周状材料を設けてこの上に電子増倍膜を形成した例を示す。図示の針状の材料を表面に設けてこの上に電子増倍膜を形成したので、物質に入射した電子から表面までの距離が短くなるため、内部散乱した２次電子が沢山外部に放出させることが可能となる。

図１０の（ｃ）は、２次電子発生板６の表面にナノオーダーの粒子状材料を設けてこの上に電子増倍膜を形成した例を示す。図示の粒子状の材料を表面に設けてこの上に電子増倍膜を形成したので、物質に入射した電子から表面までの距離が短くなるため、内部散乱した２次電子を沢山外部に放出させることが可能となる。尚、ナノ粒子そのものを電子増倍材料から形成してもよい。

以上のような２次電子発生板６の構造を採用すると、当該２次電子発生板６を入射する第１の２次電子４、反射電子４２に対して傾斜しなくても電子増倍効率を高めることが可能となる。

図１１は、本発明の説明図（その６）を示す。図１１は、図１０の２次電子発生板６の表面の１部を拡大し、２次電子の発生・放出の様子を模式的に表したものである。加速された第１の２次電子４（あるいは反射電子４２）が２次電子発生板６の表面の図９のいずれかの形状の材料に照射（衝突）すると、２次電子が放出される。２次電子の発生は、材料の表面近傍で発生したもののみが外部に放出されるので、材料に垂直に入射するよりも斜めに入射した方が効率的に放出される（Ｃｏｓθに比例）。図１１に図示のように突起（短冊状、針状、粒子状など）に加速された第１の２次電子４が入射すると、その反射方向を中心にガウス分布で２次電子が放出されるので、可及的に材料の斜め方向が入射させ、２次電子発生効率を高めることが望ましい。

本発明の１実施例構成図である。 本発明の１実施例構成図（その２）である。 本発明の説明図である。 本発明の説明図（その２）である。 本発明の１実施例構成図（その３）である。 本発明の１実施例構成図（その４）である。 本発明の説明図（その３）である。 本発明の１実施例構成図（その５）である。 本発明の説明図（その４）である。 本発明の説明図（その５）である。 本発明の説明図（その６）である。

１：１次電子ビーム
２：対物レンズ
３：試料
４：第１の２次電子
４１、４３：第２の２次電子
４２：反射電子、
５：リペラー電極
６，６１，６２：２次電子発生板
７，７１．７２：ＭＣＰ
８：ＡＰＤ
９：偏向系
１０：２次電子放出材料

Claims (9)

1. 電子を試料に照射して当該試料から放出あるいは反射された電子を検出・増幅する電子検出装置において、
   所定加速電圧のエネルギーを有する１次電子ビームを細く絞って試料に照射する磁界型の対物レンズと、
   前記細く絞られた１次電子ビームを試料上で走査するように当該１次電子ビームを偏向する偏向装置と、
   前記１次電子ビームを前記試料の方向に通過させる穴を有し、かつ前記細く絞られた１次電子ビームを前記試料に照射して走査した際に放出された第１の２次電子を加速する正の第１の加速電圧を印加し、かつ前記磁界型の対物レンズの磁界の作用により前記試料から放出された前記第１の２次電子を軸上を螺旋回転しつつ前記第１の加速電圧の印加された方向に向けて加速すると共に該第１の加速電圧で加速された第１の２次電子が衝突したときに増倍された第２の２次電子を発生させる、前記第１の２次電子を加速して吸引して衝突させる２次電子発生板と、
   前記１次電子ビームを前記試料の方向に通過させる穴を有すると共に前記第１の２次電子を前記２次電子発生板の方向に通過させる穴を有し、かつ前記２次電子発生板で前記増倍された第２の２次電子を加速する正の第２の加速電圧を印加すると共に該第２の加速電圧で加速された増倍された２次電子を更に増倍する、前記第２の２次電子を加速して吸引して衝突させるＭＣＰと、
   該ＭＣＰで増倍された２次電子を検出するアノードと
   を備えたことを特徴とする電子検出装置。
2. 前記２次電子発生板の前記１次電子ビームが通過する穴の部分に、試料から放出された前記第１の２次電子が当該１次電子ビームの走行経路の逆方向への走行を抑止する負の電圧を印加した、中心に前記１次電子ビームが通過する穴を有するリペラー電極を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子検出装置。
3. 前記２次電子発生板に前記第１の２次電子が衝突して前記第２の２次電子を発生させる面を、前記１次電子ビームの走行方向に対して凸状にし、該第２の２次電子の増倍効率を高めたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の電子検出装置。
4. 前記２次電子発生板の表面に短冊状、針円周状、あるいは粒子状の２次電子放出材料を形成したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電子検出装置。
5. 前記ＭＣＰを円周方向および半径方向のいずれか１方向以上に複数に分割し、分割検出・増幅可能にしたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電子検出装置。
6. 前記ＭＣＰを前記２次電子発生板の方向に傾けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載に電子検出装置。
7. 前記ＭＣＰをＡＰＤに置き換えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電子検出装置。
8. 前記２次電子発生板と前記ＭＣＰとの組を、前記１次電子ビームの軌道に同軸に２組設け、内側の１組で試料から放出された反射電子を検出・増倍し、外側の１組で試料から放出された前記第１の２次電子を検出・増倍することを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の電子検出装置。
9. 電子を試料に照射して当該試料から放出あるいは反射された電子を検出・増幅する電子検出方法において、
   所定加速電圧のエネルギーを有する１次電子ビームを細く絞って試料に照射する磁界型の対物レンズと、
   前記細く絞られた１次電子ビームを試料上で走査するように当該１次電子ビームを偏向する偏向装置とを設け、
   ２次電子発生板は、第１の２次電子を加速して吸引して衝突させるものであって、前記１次電子ビームを前記試料の方向に通過させる穴を有し、前記細く絞られた１次電子ビームを前記試料に照射して走査した際に放出された第１の２次電子を加速する正の第１の加速電圧を印加し、かつ前記磁界型の対物レンズの磁界の作用により前記試料から放出された前記第１の２次電子を軸上を螺旋回転しつつ前記第１の加速電圧の印加された方向に向けて加速すると共に該第１の加速電圧で加速された第１の２次電子が衝突したときに増倍された第２の２次電子を発生させ、
   ＭＣＰは、前記第２の２次電子を加速して吸引して衝突させるものであって、前記１次電子ビームを前記試料の方向に通過させる穴を有すると共に前記第１の２次電子を前記２次電子発生板の方向に通過させる穴を有し、前記２次電子発生板で前記増倍された第２の２次電子を加速する正の第２の加速電圧を印加すると共に該第２の加速電圧で加速されて増倍された２次電子を更に増倍し、
   アノードは、前記ＭＣＰで増倍された２次電子を検出する
   ことを特徴とする電子検出方法。

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