JPH0917368A - 単磁極型対物レンズおよび走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高い分解能の２次電子の検出効率が良い単磁
極型の対物レンズおよび走査電子顕微鏡を実現する。 【構成】 ヨーク７の内側には内側コイル８が巻回され
ており、また、ヨーク７の外側には外側ヨーク９が巻回
されている。この内側コイル８と外側コイル９とには、
励磁電流が流される。コニカル形状の対物レンズ６の下
部には試料１０が配置されており、また、対物レンズ６
の外側には、対物レンズの傾斜に沿って２次電子検出器
１１が配置されている。外側コイル９で作られる磁場強
度の分布は、試料１０まで少し浸透しており、２次電子
ｅは、光軸Ｏを回転しながら上昇していく。２次電子ｅ
が光軸に沿ってある程度まで上昇すると、２次電子検出
器１１方向に引き寄せられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査電子顕微鏡などに
用いて最適な単磁極型対物レンズと、２次電子検出効率
が優れた走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡などでは、最終段の集束
レンズ（対物レンズ）として各種のタイプのものが用い
られている。その中で最近単磁極型の対物レンズが注目
されてきている。図１の１はこのような単磁極型の対物
レンズの１例を示しており、図１（ａ）において２はヨ
ークである。このヨーク２の内側には励磁コイル３が設
けられており、この励磁コイル３には図示していない対
物レンズ電源から励磁電流が供給される。

【０００３】図示していない電子銃から発生した電子ビ
ームＥＢは、ヨーク２と励磁コイル３とで構成される対
物レンズ１より集束作用を受け、試料４上に集束する。
試料４への電子ビームＥＢの照射によって発生した２次
電子は、図示していないが、対物レンズ１の側部に配置
された２次電子検出器によって検出される。検出器によ
って検出された２次電子信号は、電子ビームの走査に同
期した陰極線管に供給され、試料の２次電子走査像が陰
極線管上に得られることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記した対物レンズ１
の磁場強度の分布をＢで示しており、この分布Ｂはヨー
ク２の先端部でピークを示す。また、図１（ｂ）の模式
図に示すように、対物レンズ１Ｌの主面Ｍは、試料４よ
り遠く離れており、その結果、対物レンズの収差係数が
大きくなり、得られる走査像の分解能が悪かった。

【０００５】図２は試料４が傾斜させられている状態を
示しており、この図では対物レンズ１の構成は省略され
ており、対物レンズの磁場強度の分布Ｂと試料４および
２次電子検出器５が示されている。磁場強度の分布Ｂは
試料４にまで達しておらず、試料４を高傾斜観察した場
合、２次電子検出器５の反対方向に放出された２次電子
ｅの多くは、試料面に吸収されてしまい、２次電子検出
器５にまで到達することができない。従って、２次電子
の検出効率が悪く、得られる走査電子顕微鏡像では、試
料４の傾斜面の部分が暗くなってしまう。

【０００６】図３には対物レンズのヨークの外側に励磁
コイルを巻いた場合の磁場強度の分布Ｂを示している。
この場合、磁場強度の分布Ｂは、試料４に近付くことに
なる。しかしながら、試料への電子ビームＥＢの照射に
よって発生した２次電子ｅは、磁場強度の強磁場によっ
てとらえられ、光軸Ｏに沿って上昇し、２次電子検出器
５によって検出できないという問題が生じる。

【０００７】更に、磁場強度の分布Ｂが試料４を固定す
る試料台または対物レンズ近傍にある構造物（図示せ
ず）にまで深く及ぶと、構造物を構成する磁性体材料が
磁化されてしまい、その結果、得られる走査電子顕微鏡
像が歪むという問題も生じる。

【０００８】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、高い分解能の２次電子の検出効率
が良い単磁極型の対物レンズおよび走査電子顕微鏡を実
現するにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
単磁極型対物レンズは、コニカル形状の単一ヨークと、
ヨークの内側に巻回された内側コイルと、ヨークの外側
に巻回された外側コイルとより成ることを特徴としてい
る。

【００１０】請求項２の発明に基づく単磁極型対物レン
ズは、内側コイルと外側コイルに同一の向きの電流を流
したことを特徴としている。請求項３の発明に基づく単
磁極型対物レンズは、内側コイルと外側コイルに逆の向
きの電流を流したことを特徴としている。

【００１１】請求項４の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、電子銃からの電子ビームを対物レンズによって試料
上に細く集束し、試料への電子ビームの照射によって発
生した２次電子を２次電子検出器によって検出し、検出
信号に基づいて試料の２次電子像を得るようにした走査
電子顕微鏡において、対物レンズとしてコニカル形状の
単一ヨークと、ヨークの内側に巻回された内側コイル
と、ヨークの外側に巻回された外側コイルとより成る単
磁極型対物レンズを用い、対物レンズの外側または内側
のいずれか一方に２次電子検出器を配置するように構成
したことを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明に基づく対物レンズは、コニカル形状の
単一ヨークと、ヨークの内側に巻回された内側コイル
と、ヨークの外側に巻回された外側コイルとより構成
し、レンズ主面を試料に近付けることによりレンズの収
差係数を小さくし、分解能を向上させる。

【００１３】本発明に基づく走査電子顕微鏡は、対物レ
ンズとしてコニカル形状の単一ヨークと、ヨークの内側
に巻回された内側コイルと、ヨークの外側に巻回された
外側コイルとより成る単磁極型対物レンズを用い、対物
レンズの外側または内側のいずれか一方に２次電子検出
器を配置し、試料に磁界を少し浸透させ、試料から発生
した２次電子をサイクロトロン運動によって捕獲し、試
料表面近傍で２次電子検出器の電界によって２次電子を
サイクロトロン運動から解放して２次電子検出器に引き
寄せる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図４は、本発明に基づく走査電子顕微鏡の
単磁極型対物レンズ６を示しており、７は対物レンズを
構成する単一のコニカル状のヨークである。ヨーク７の
内側には内側コイル８が巻回されており、また、ヨーク
７の外側には外側ヨーク９が巻回されている。この内側
コイル８と外側コイル９とには、図示していない励磁電
源から、同方向に励磁電流が流される。

【００１５】コニカル形状の対物レンズ６の下部には試
料１０が配置されており、この試料１０は角度θまで任
意に傾斜が可能に構成されている。また、コニカル形状
の対物レンズ６の外側には、対物レンズの傾斜に沿って
２次電子検出器１１が配置されている。この２次電子検
出器１１は、その前面に２次電子を引き寄せる吸引電場
が発生できるように構成されている。

【００１６】図示していないが、対物レンズ６の上部に
は、電子ビームを発生する電子銃、電子銃からの電子ビ
ームを集束するコンデンサレンズ、電子ビームを試料１
０上で２次元的に走査するための走査コイルなどが設け
られている。このような構成の動作を次に説明する。

【００１７】内側コイル８と外側コイル９とに同方向に
励磁電流を流すと、内側コイル８で作られる磁束の向き
と、外側コイル９で作られる磁束の向きとは一致し、磁
場強度の分布は、符号が同一で試料１０に磁場強度の分
布が少し浸透するようになる。

【００１８】図５（ａ）は図４の対物レンズ６の構造と
磁場強度分布Ｂを示しており、この磁場強度の分布Ｂ
は、内側コイル８で作られる磁場と、外側コイル９で作
られる磁場とが合成されたものである。図５（ｂ）は対
物レンズの模式図を示している。磁場強度分布Ｂは、内
側コイル８で作られる磁場レンズ８Ｌと、外側コイル９
で作られる磁場レンズ９Ｌとが合成された対物レンズ６
Ｌによって形成される。その結果、対物レンズ６Ｌの主
面Ｍが試料１０に近付き、対物レンズ６の収差係数が小
さくなり、分解能が向上する。

【００１９】ここで、図４において電子銃（図示せず）
から発生した電子ビームＥＢは、対物レンズ６による磁
場によって試料１０上に細く集束される。試料１０への
電子ビームＥＢの照射によって発生した２次電子ｅは、
２次電子検出器１１に印加されている吸引電場によって
２次電子検出器１１に引き寄せられ検出される。

【００２０】外側コイル９で作られる磁場強度の分布
は、図６で示すように試料１０まで少し浸透しており、
試料１０から発生した２次電子ｅは、磁場によってサイ
クロトロン運動し、光軸Ｏを回転しながら上昇してい
く。２次電子ｅが光軸に沿ってある程度まで上昇する
と、試料１０の表面近くでは、２次電子検出器に印加さ
れた吸引電場による２次電子の吸引力が強く働き、２次
電子ｅはサイクロトロン運動から解放され、２次電子検
出器１１方向に引き寄せられる。

【００２１】この結果、２次電子ｅは、２次電子検出器
１１に効率良く検出される。検出器１１の検出信号は、
図示していないが、一次電子ビームＥＢの走査と同期し
た陰極線管に供給され、陰極線管には試料１１の２次電
子像が表示される。

【００２２】このように、上記した実施例では、分解能
が向上し、試料１０の高傾斜時に２次電子検出器１１の
反対方向に放出される２次電子をも効率良く検出できる
ため、試料の高傾斜時においても、試料の傾斜面を明る
く観察することができる。

【００２３】図７は本発明の他の実施例を示している。
この実施例と図４の実施例とで同一構成要素には同一番
号が付されている。この実施例と図４の実施例と相違す
る点は、内側コイル８に流す電流の向きと、外側コイル
９に流す電流の向きとを互いに逆にした点である。この
ように構成すると、内側コイル８で形成される磁束の向
きと、外側コイル９で形成される磁束の向きとが互いに
逆となり、磁場強度の分布Ｂは符号が反転した形となる
が、図４の構成と同様な効果を得ることができる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
基づく単磁極型対物レンズは、コニカル形状の単一ヨー
クと、ヨークの内側に巻回された内側コイルと、ヨーク
の外側に巻回された外側コイルとより構成したので、対
物レンズのレンズ主面を試料に近付けることが可能とな
り、対物レンズの収差係数を小さくでき、分解能を向上
させることができる。

【００２５】請求項２の発明に基づく単磁極型対物レン
ズは、内側コイルと外側コイルに同一の向きの電流を流
し、また、請求項３の発明に基づく単磁極型対物レンズ
は、内側コイルと外側コイルに逆の向きの電流を流し
た。この結果、請求項１の発明と同様に、対物レンズの
レンズ主面を試料に近付けることが可能となり、対物レ
ンズの収差係数を小さくでき、分解能を向上させること
ができる。また、請求項２の発明では、内側コイルと外
側コイルとによって電子ビームの集束作用を行わせてい
るため、それぞれのコイルに供給する励磁電流量を少な
くでき、コイルの発熱を緩和することができる。

【００２６】請求項４の発明に基づく走査電子顕微鏡
は、電子銃からの電子ビームを対物レンズによって試料
上に細く集束し、試料への電子ビームの照射によって発
生した２次電子を２次電子検出器によって検出し、検出
信号に基づいて試料の２次電子像を得るようにした走査
電子顕微鏡において、対物レンズとしてコニカル形状の
単一ヨークと、ヨークの内側に巻回された内側コイル
と、ヨークの外側に巻回された外側コイルとより成る単
磁極型対物レンズを用い、対物レンズの外側または内側
のいずれか一方に２次電子検出器を配置するように構成
した。

【００２７】この結果、試料に磁界を少し浸透させ、試
料から発生した２次電子をサイクロトロン運動によって
捕獲し、試料表面近傍で２次電子検出器の電界によって
２次電子をサイクロトロン運動から解放して２次電子検
出器に引き寄せることができる。従って、２次電子の検
出効率を高くでき、試料を高傾斜させても、２次電子検
出器と反対方向となる試料面も明るく観察できるように
なり、ＳＮ比が高く画質も向上した２次電子像を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の単磁極型対物レンズを示す図である。

【図２】試料を傾斜させた場合の２次電子の検出効率を
説明するための図である。

【図３】外側コイルを設けた場合の２次電子の検出効率
を説明するための図である。

【図４】本発明に基づく単磁極型対物レンズの一実施例
を示す図である。

【図５】図４の実施例の模式図を示す図である。

【図６】試料を傾斜させた場合の２次電子の検出効率を
説明するための図である。

【図７】本発明に基づく単磁極型対物レンズの他の実施
例を示す図である。

【符号の説明】

６ 対物レンズ ７ ヨーク ８ 内側レンズ ９ 外側レンズ １０ 試料 １１ ２次電子検出器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 コニカル形状の単一ヨークと、ヨークの
   内側に巻回された内側コイルと、ヨークの外側に巻回さ
   れた外側コイルとより成る単磁極型対物レンズ。
2. 【請求項２】 内側コイルと外側コイルに同一の向きの
   電流を流した請求項１記載の単磁極型対物レンズ。
3. 【請求項３】 内側コイルと外側コイルに逆の向きの電
   流を流した請求項１記載の単磁極型対物レンズ。
4. 【請求項４】 電子銃からの電子ビームを対物レンズに
   よって試料上に細く集束し、試料への電子ビームの照射
   によって発生した２次電子を２次電子検出器によって検
   出し、検出信号に基づいて試料の２次電子像を得るよう
   にした走査電子顕微鏡において、対物レンズとしてコニ
   カル形状の単一ヨークと、ヨークの内側に巻回された内
   側コイルと、ヨークの外側に巻回された外側コイルとよ
   り成る単磁極型対物レンズを用い、対物レンズの外側ま
   たは内側のいずれか一方に２次電子検出器を配置するよ
   うに構成した走査電子顕微鏡。