特許 6943932 電子顕微鏡の制御方法および電子顕微鏡

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6943932

(24)【登録日】2021年9月13日

(45)【発行日】2021年10月6日

(54)【発明の名称】電子顕微鏡の制御方法および電子顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/06 20060101AFI20210927BHJP

   H01J 37/067 20060101ALI20210927BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20210927BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/06 A

   H01J37/06 Z

   H01J37/067

   H01J37/28 B

【請求項の数】6

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2019-164661(P2019-164661)

(22)【出願日】2019年9月10日

(65)【公開番号】特開2021-44130(P2021-44130A)

(43)【公開日】2021年3月18日

【審査請求日】2020年8月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(72)【発明者】

【氏名】小泉 充

【審査官】 後藤 大思

(56)【参考文献】

【文献】 特開平０５−１８２６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１８−１４７６５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／００−３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

固定バイアス抵抗によるセルフバイアス方式の熱電子銃、前記熱電子銃に加速電圧を供給する加速電圧電源、および試料に電子線を照射するための集束レンズを備えた電子顕微鏡の制御方法であって、
前記加速電圧電源を流れる電流であるロードカレント値を取得する工程と、
前記ロードカレント値に基づいて、前記熱電子銃のフィラメントの高さを求める工程と、
前記フィラメントの高さおよび所望のプローブ電流に基づいて、前記集束レンズの条件を設定する工程と、
を含む、電子顕微鏡の制御方法。

【請求項2】

請求項１において、
前記集束レンズの条件を設定する工程では、前記フィラメントの高さと前記集束レンズの条件との関係を示すテーブルを用いて、前記集束レンズの条件を設定する、電子顕微鏡の制御方法。

【請求項3】

請求項１または２において、
前記フィラメントを交換する工程を含み、
前記ロードカレント値を取得する工程は、前記フィラメントを交換する工程の後に行われる、電子顕微鏡の制御方法。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記集束レンズの条件を設定する工程では、前記フィラメントの高さに基づいて、所望のプローブ電流が得られる前記集束レンズの条件を設定する、電子顕微鏡の制御方法。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記フィラメントの高さを求める工程では、前記加速電圧および前記ロードカレント値に基づいて、前記フィラメントの高さを求める、電子顕微鏡の制御方法。

【請求項6】

固定バイアス抵抗によるセルフバイアス方式の熱電子銃と、
前記熱電子銃に加速電圧を供給する加速電圧電源と、
前記加速電圧電源を流れる電流であるロードカレント値を計測する電流計と、
試料に電子線を照射するための集束レンズと、
前記熱電子銃および前記集束レンズを制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記ロードカレント値を取得する処理と、
前記ロードカレント値に基づいて、前記熱電子銃のフィラメントの高さを求める処理と、
前記フィラメントの高さおよび所望のプローブ電流に基づいて、前記集束レンズの条件を設定する処理と、
を行う、電子顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子顕微鏡の制御方法および電子顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

電子顕微鏡で用いられる電子銃として、熱電子銃が知られている。熱電子銃としては、タングステンからなるフィラメントを利用したものや、ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）の単結晶からなるフィラメントを利用したものなどが用いられている。

【0003】

このような熱電子銃では、フィラメントが劣化した場合には、フィラメントの交換が必要となる（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１８−１０６８９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、フィラメントの製造工程における位置ずれや、フィラメントの取付け誤差などによって、フィラメントを交換すると、電子銃の輝度が変化する場合がある。電子銃の輝度が変化すると、照射電流量、すなわち、プローブ電流が大きく変化してしまう場合がある。このように、プローブ電流が大きく変化すると、観察結果や分析結果に影響があるため、継続した観察や分析を行ううえで支障をきたす。例えば、ＥＤＳ分析などでは、フィラメントの交換によってプローブ電流が変化すると、フィラメントを交換する前に取得したＥＤＳスペクトルと、フィラメントを交換した後に取得したＥＤＳスペクトルとを単純に比較することができない。

【課題を解決するための手段】

【0006】

（１）本発明に係る電子顕微鏡の制御方法の一態様は、
固定バイアス抵抗によるセルフバイアス方式の熱電子銃、前記熱電子銃に加速電圧を供給する加速電圧電源、および試料に電子線を照射するための集束レンズを備えた電子顕微鏡の制御方法であって、
前記加速電圧電源を流れる電流であるロードカレント値を取得する工程と、
前記ロードカレント値に基づいて、前記熱電子銃のフィラメントの高さを求める工程と、
前記フィラメントの高さおよび所望のプローブ電流に基づいて、前記集束レンズの条件を設定する工程と、
を含む。

【0007】

このような電子顕微鏡の制御方法では、フィラメントの高さに基づいて光学系の条件を設定するため、フィラメントを交換することによって生じるプローブ電流の変化を小さくできる。

【0008】

（２）本発明に係る電子顕微鏡は、
固定バイアス抵抗によるセルフバイアス方式の熱電子銃と、
前記熱電子銃に加速電圧を供給する加速電圧電源と、
前記加速電圧電源を流れる電流であるロードカレント値を計測する電流計と、
試料に電子線を照射するための集束レンズと、
前記熱電子銃および前記集束レンズを制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記ロードカレント値を取得する処理と、
前記ロードカレント値に基づいて、前記熱電子銃のフィラメントの高さを求める処理と、
前記フィラメントの高さおよび所望のプローブ電流に基づいて、前記集束レンズの条件を設定する処理と、
を行う。

【0009】

このような電子顕微鏡の制御方法では、制御部がフィラメントの高さに基づいて光学系の条件を設定するため、フィラメントを交換することによって生じるプローブ電流の変化を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。

【図2】制御装置の処理の一例を示すフローチャート。

【図3】ロードカレント値とフィラメントの高さの関係を示すグラフ。

【図4】フィラメントの高さと集束レンズの条件の関係を示すテーブル。

【図5】電界シミュレーションによるクロスオーバーの高さの評価結果を示す図。

【図6】電界シミュレーションによるクロスオーバーの高さの評価結果を示す図。

【図7】フィラメントの高さとプローブ電流の関係を示すグラフ。

【図8】電子銃の一部を模式的に示す図。

【図9】電子銃の一部を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

【0012】

１． 電子顕微鏡
まず、本実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

【0013】

電子顕微鏡１００は、電子銃１０と、加速電圧電源２０と、光学系３０と、検出器４０と、増幅器４２と、ＡＤ変換器４４と、アライメント電源５０と、集束レンズ電源５２と、対物レンズ電源５４と、走査信号発生回路５６と、制御装置６０（制御部の一例）と、を含む。

【0014】

電子銃１０は、電子線を放出する。電子銃１０は、熱電子銃である。熱電子銃は、熱電子放出を利用した電子銃である。電子銃１０は、陰極１２と、ウェーネルト電極１４と、陽極１６と、バイアス抵抗１８と、を含む。

【0015】

陰極１２は、例えば、タングステンからなるフィラメントである。なお、陰極１２は、ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）の単結晶からなるフィラメントであってもよい。ウェーネルト電極１４は、陰極１２と陽極１６との間に配置されている。ウェーネルト電極１４は、陰極１２に対してマイナスのバイアス電圧が与えられており、放出電子の量を制御するために用いられる。陽極１６は、例えば、接地電位であり、試料Ｓへの電子線の加速エネルギーは陰極１２と陽極１６との電位差で決定される。陽極１６は、例えば、接地電位である。陰極１２、ウェーネルト電極１４、および陽極１６によるレンズ作用によって、クロスオーバーが形成される。

【0016】

バイアス抵抗１８は、自己バイアス電圧を発生させるための抵抗器である。バイアス抵抗１８は、陰極１２とウェーネルト電極１４との間に配置されている。バイアス抵抗１８の抵抗値は固定されている。電子銃１０は、固定バイアス抵抗１８によるセルフバイアス方式の熱電子銃である。

【0017】

電子銃１０では、陰極１２を加熱することによって熱電子を放出させる。放出された電子は、陰極１２と陽極１６との間に印加された加速電圧によって加速される。エミッション電流は、ウェーネルト電極１４に印加されたバイアス電圧によって制御される。エミッション電流は、電子銃１０から放出される電子電流である。陰極１２、ウェーネルト電極１４、および陽極１６によるレンズ作用によって、クロスオーバーが形成される。

【0018】

ここで、電子銃１０では、エミッション電流がバイアス抵抗１８に流れることでバイアス抵抗１８で発生する電圧を、バイアス電圧として利用する。これにより、エミッション電流が制限される。バイアス電圧はエミッション電流に比例する。このように、電子銃１０は、バイアス電圧がエミッション電流に依存するセルフバイアス方式の熱電子銃である。

【0019】

バイアス電圧、すなわち自己バイアス電圧は、全エミッション電流がバイアス抵抗１８を流れるときに生じる電圧降下分の電圧が、陰極１２とウェーネルト電極１４との間に印加されることになり、一種のフィードバック作用を発生させる。そのため、エミッション電流を変動させる因子が発生しても、自己バイアス電圧の作用により、エミッション電流の変動は低減される。したがって、電子銃１０では、エミッション電流を安定化できる。

【0020】

加速電圧電源２０は、電子を加速させるための加速電圧を供給する。加速電圧は、陰極１２と陽極１６との間に印加される電圧である。加速電圧電源２０は、ロードカレント値を計測するための電流計２２を有している。ロードカレント値は、加速電圧電源２０を流れる電流であり、エミッション電流と、加速電圧を発生させるために加速電圧電源２０内部を流れる電流と、を加算したものである。

【0021】

光学系３０は、第１アライメントコイル３２ａと、第２アライメントコイル３２ｂと、集束レンズ３４と、対物絞り３５と、対物レンズ３６と、偏向コイル３８と、を含む。

【0022】

第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂは、電子銃１０から放出された電子線を偏向させる。第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂは、例えば、ＧＵＮアライメントに用いられる。ＧＵＮアライメントとは、電子銃１０から放出された電子線を集束レンズ３４の光軸に一致するように電子線を偏向させる軸合わせをいう。

【0023】

集束レンズ３４は、電子線を集束する。集束レンズ３４は、プローブ電流とプローブ径を制御するために用いられる。例えば、集束レンズ３４の励磁を強くすると、対物絞り３５を通過する電子の量が少なくなり、集束レンズ３４の励磁を弱くすると対物絞り３５を通過する電子の量が多くなる。また、集束レンズ３４の励磁を強くすると、焦点距離が短くなり、電子プローブの縮小率が大きくなる。これらの機能を利用して、プローブ電流の制御およびプローブ径の制御を行うことができる。プローブ電流は、試料に照射される電子プローブを流れる電流である。

【0024】

対物レンズ３６は、電子プローブを試料表面に集束させるためのレンズである。集束レンズ３４および対物レンズ３６によって、電子線が集束されて電子プローブが形成される。

【0025】

偏向コイル３８は、電子プローブの走査を行うためのコイルである。偏向コイル３８に走査信号を供給することによって、電子プローブの走査が行われる。

【0026】

検出器４０は、試料Ｓに電子線が照射させることによって発生した電子を検出する。検出器４０によって検出された信号は、増幅器４２で増幅された後、ＡＤ変換器４４によってデジタル信号に変換され、制御装置６０に送られる。

【0027】

アライメント電源５０は、第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂにアライメント電流を供給する。集束レンズ電源５２は、集束レンズ３４に励磁電流を供給する。対物レンズ電源５４は、対物レンズ３６に励磁電流を供給する。走査信号発生回路５６は、走査信号を発生させ、当該走査信号を偏向コイル３８に供給する。

【0028】

制御装置６０は、電子顕微鏡１００を構成する各部を制御する。制御装置６０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）など）を含む。制御装置６０では、ＣＰＵで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種計算処理、各種制御処理を行う。

【0029】

２． 電子顕微鏡の動作
２．１． 制御装置の処理
次に、電子顕微鏡１００の動作について説明する。まず、電子顕微鏡１００で、走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）を取得する場合について説明する。

【0030】

電子顕微鏡１００において、ＳＥＭ像を取得する場合、制御装置６０は、試料Ｓの所望の領域が電子プローブで走査されるように、走査信号発生回路５６を制御する。これにより、走査信号発生回路５６から走査信号が偏向コイル３８に供給され、試料Ｓの所望の領域が電子プローブで走査される。試料Ｓへの電子線の照射によって発生した電子は、検出器４０によって検出され、検出信号は増幅器４２によって増幅された後、制御装置６０に送られる。制御装置６０は、検出信号に基づいて、ＳＥＭ像を生成する。

【0031】

次に、電子銃１０のフィラメントを交換した後の電子顕微鏡１００の立ち上げ時の動作について説明する。電子顕微鏡１００では、電子銃１０のフィラメントを交換することによって生じるプローブ電流の変化が小さくなるように、制御装置６０が集束レンズ電源５２を制御する。

【0032】

図２は、電子銃１０のフィラメントを交換した後の、制御装置６０の処理の一例を示すフローチャートである。

【0033】

フィラメント交換後は、電子顕微鏡１００の鏡筒および試料室は大気圧である。そのため、真空ポンプを動作させ、鏡筒および試料室の排気を開始する（Ｓ１００）。制御装置６０は、鏡筒および試料室に配置された真空ゲージで計測された真空度をモニターし、所定の真空度に達した場合（Ｓ１０２のＹｅｓ）、ユーザーに観察可能であることを通知する（Ｓ１０４）。ユーザーへの通知は、例えば、液晶ディスプレイなどの表示部に観察可能であることを通知する画像を表示することによって行われる。

【0034】

制御装置６０は、ユーザーからの観察開始指示の入力を受け付けると（Ｓ１０６のＹｅｓ）、加速電圧電源２０、アライメント電源５０、集束レンズ電源５２、対物レンズ電源５４、および走査信号発生回路５６に対して、それぞれＳＥＭ像の観察条件を設定する（Ｓ１１６）。ＳＥＭ像の観察条件は、あらかじめ設定されたＳＥＭ像観察の初期条件であってもよいし、ユーザーによって入力されたＳＥＭ像の観察条件であってもよい。

【0035】

制御装置６０は、あらかじめ設定された所定時間待機する（Ｓ１１０）。これにより、電子顕微鏡１００を構成する各部を安定させることができる。前記所定時間は、例えば、１０秒以上６０秒以下である。

【0036】

制御装置６０は、所定時間経過した後（Ｓ１１０のＹｅｓ）、加速電圧電源２０の電流計２２からロードカレント値Ｉ_Ｌ０を取得する（Ｓ１１２）。

【0037】

制御装置６０は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ０に基づいて、集束レンズ３４の条件を設定する（Ｓ１１４）。具体的には、制御装置６０は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ０に基づいて、フィラメントの高さを求め、求めたフィラメントの高さに基づいて、集束レンズ３４の条件を求める。制御装置６０は、求めた集束レンズ３４の条件となるように集束レンズ電源５２を制御する。これにより、集束レンズ３４が求めた条件となる。集束レンズ３４の条件の設定方法の詳細については後述する。

【0038】

次に、制御装置６０は、ＧＵＮアライメントの調整を行う（Ｓ１１８）。例えば、制御装置６０は、電子銃１０から放出された電子線が集束レンズ３４の光軸に一致するように、第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂを動作させる。第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂの動作は、アライメント電源５０を制御することによって制御できる。アライメント調整は、例えば、制御装置６０が、公知のオートＧＵＮアライメントを実行することによって行われる。

【0039】

ここで、ＧＵＮアライメントの調整は、２つのアライメントコイル（第１アライメントコイル３２ａおよび第２アライメントコイル３２ｂ）に供給される励磁電流を制御することによって、電子線を平面内の２方向に動かして、最適な条件を探索することで行われる。また、ＧＵＮアライメントの調整を行うためには、検出器４０で検出する信号量の適正化が必要である。例えば、公知の自動コントラスト・ブライトネス調整によるゲイン調整によって信号量を適正化できる。このように、ＧＵＮアライメントの調整には時間がかかるが、本処理では集束レンズ３４を安定化させるための時間で行われるため、効率がよく、フィラメント交換後、観察を開始できるまでの時間を短縮できる。

【0040】

次に、制御装置６０は、フォーカスの調整を行う（Ｓ１２０）。制御装置６０は、最適なフォーカスとなるように、対物レンズ３６を動作させる。対物レンズ３６の動作は、対物レンズ電源５４を制御することによって制御できる。フォーカスの調整は、例えば、制御装置６０が、公知のオートフォーカスを実行することによって行われる。なお、フォーカスの調整する際にも、上述したゲイン調整を行ってもよい。

【0041】

次に、制御装置６０は、加速電圧電源２０の電流計２２からロードカレント値Ｉ_Ｌ１を取得する（Ｓ１２２）。

【0042】

制御装置６０は、ロードカレント値Ｉ_Ｌ１とロードカレント値Ｉ_Ｌ０の差を求め、差があらかじめ設定された基準値ΔＩ_Ｌよりも小さいか否かを判定する（Ｓ１２４）。すなわち、｜Ｉ_Ｌ１−Ｉ_Ｌ０｜＜ΔＩ_Ｌを満たすか否かを判定する。これにより、ロードカレント値が安定したか否かを判定できる。

【0043】

｜Ｉ_Ｌ１−Ｉ_Ｌ０｜＜ΔＩ_Ｌを満たさないと判定した場合（Ｓ１２４のＮｏ）、制御装置６０は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ１に基づいて、集束レンズ３４の条件を設定する（Ｓ１２６）。具体的には、制御装置６０は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ１に基づいて、フィラメントの高さを求め、求めたフィラメントの高さに基づいて、集束レンズ３４の条件を求める。制御装置６０は、求めた集束レンズ３４の条件となるように集束レン
ズ電源５２を制御する。これにより、集束レンズ３４が求めた条件となる。集束レンズ３４の条件の設定方法の詳細については後述する。

【0044】

制御装置６０は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ１に基づいて、集束レンズ３４の条件を設定した後、ロードカレント値Ｉ_Ｌ１をロードカレント値Ｉ_ＬＯとして（Ｓ１２８）、ステップＳ１１８に戻る。そして、ステップＳ１１８、ステップＳ１２０、ステップＳ１２２、ステップＳ１２４、ステップＳ１２６、ステップＳ１２８の処理を、｜Ｉ_Ｌ１−Ｉ_Ｌ０｜＜ΔＩ_Ｌを満たすまで繰り返す。

【0045】

制御装置６０は、｜Ｉ_Ｌ１−Ｉ_Ｌ０｜＜ΔＩ_Ｌを満たすと判定した場合（Ｓ１２４のＹｅｓ）、処理を終了する。

【0046】

２．２． 条件設定
次に、集束レンズ３４の条件を設定する処理について説明する。集束レンズ３４の条件を設定する処理Ｓ１１６，Ｓ１２６は、取得したロードカレント値Ｉ_Ｌ０に基づいてフィラメントの高さを求める処理と、求めたフィラメントの高さに基づいて集束レンズ３４の条件を設定する処理と、を含む。フィラメントの高さとは、フィラメントの先端とウェーネルト電極１４の先端との間の距離である（図５に示すフィラメントの高さＨ、参照）。

【0047】

図３は、ロードカレント値Ｉ_Ｌとフィラメントの高さ（Filament height）Ｈの関係を示すグラフである。図３では、加速電圧ごとに、ロードカレント値Ｉ_Ｌとフィラメントの高さＨの関係を示している。具体的には、加速電圧５ｋＶの場合のロードカレント値Ｉ_Ｌとフィラメントの高さＨの関係、加速電圧１０ｋＶの場合のロードカレント値Ｉ_Ｌとフィラメントの高さＨの関係、加速電圧１５ｋＶの場合のロードカレント値Ｉ_Ｌとフィラメントの高さＨの関係を示している。

【0048】

図３に示すグラフを用いて、加速電圧およびロードカレント値Ｉ_Ｌからフィラメントの高さＨを求めることができる。

【0049】

図４は、フィラメントの高さＨと集束レンズ３４の条件の関係を示すテーブル２である。図４に示すテーブル２では、フィラメントの高さＨと、所望するプローブ電流と、によって、集束レンズ３４の条件（励磁電流）が決まる。図４に示す例では、プローブ電流は、Ｂｉｇｇｅｓｔ、Ｌａｒｇｅ、Ｍｉｄｄｌｅ、Ｓｔａｎｄａｒｄ、Ｓｍａｌｌの５段階に設定可能である。例えばＢｉｇｇｅｓｔの場合、プローブ電流が１０ｎＡ程度であり、Ｌａｒｇｅの場合、プローブ電流が２ｎＡ程度であり、Ｍｉｄｄｌｅの場合、プローブ電流が４００ｐＡ程度であり、Ｓｔａｎｄａｒｄの場合、プローブ電流が８０ｐＡ程度であり、Ｓｍａｌｌの場合、プローブ電流が１６ｐＡ程度である。

【0050】

プローブ電流は、ユーザーが任意に選択可能である。例えば、ＥＤＳ分析など大きなプローブ電流が必要な場合には、ＢｉｇｇｅｓｔやＬａｒｇｅが選択され、通常のＳＥＭ観察では、ＭｉｄｄｌｅやＳｔａｎｄａｒｄが選択される。また、電子線に弱い試料を観察する場合などには、Ｓｍａｌｌが選択される。プローブ電流の選択は、例えば、ユーザーが、所望するプローブ電流を、観察を開始する指示とともに入力してもよい。なお、プローブ電流は、あらかじめ設定されていてもよい。

【0051】

図４に示すテーブル２では、フィラメントの高さが０．４ｍｍであって、所望のプローブ電流がＢｉｇｇｅｓｔの場合、集束レンズ３４の励磁電流は、ａ１［Ａ］である。また例えば、フィラメントの高さが０．６ｍｍであって、所望のプローブ電流がＬａｒｇｅの場合、集束レンズ３４の励磁電流は、ｂ３［Ａ］である。

【0052】

このようにテーブル２を用いることによって、フィラメントの高さＨから、所望のプローブ電流を得るための集束レンズ３４の条件を設定できる。なお、ここでは、集束レンズ３４の条件として励磁電流を挙げたが、集束レンズ３４の条件はこれに限定されず、集束レンズ３４を制御するための制御値であればよい。このような制御値としては、ＤＡＣ値などが挙げられる。

【0053】

例えば、フィラメントを交換した際に、フィラメントの製造工程における位置ずれや、フィラメントの取付け誤差などによって電子銃１０の輝度が変化しても、テーブル２を用いて集束レンズ３４の条件を設定することで、試料に照射されるプローブ電流の変化を小さくできる。

【0054】

２．３． フィラメントの高さと電子銃の輝度との関係
図５および図６は、電界シミュレーションによるクロスオーバーの高さＨの評価結果を示す図である。図５および図６ともに、加速電圧１５ｋＶで、フィラメントの高さＨを変えて計測した。ただし、バイアス電界は、図３に示すロードカレント値Ｉ_Ｌの結果に基づき修正している。

【0055】

図５は、フィラメントの高さＨが０．４ｍｍ付近の場合であり、ロードカレント値が約１００μＡである。図６は、フィラメントの高さＨが０．６ｍｍ付近の場合であり、ロードカレント値が約６０μＡである。バイアス抵抗を４ＭΩとした場合、バイアス電圧は図５の場合、４Ｍ［Ω］×１００μ［Ａ］＝４００［Ｖ］であり、図６の場合、４Ｍ［Ω］×６０μ［Ａ］＝２４０［Ｖ］となる。この条件で、電子がフィラメント付近から約０．１ｅＶの初期エネルギーで射出されるとき、電位勾配によって電子はそれぞれ異なる軌道をとる。具体的には、図５ではクロスオーバーがウェーネルト電極の外側で集束し、図６ではウェーネルト電極の内側で集束している。なお、図５および図６では、クロスオーバーの位置を円で囲んでいる。このことは、フィラメント高さＨの変化がエミッション電流とバイアス電圧の変化と連動してクロスオーバーの位置を変化させることを示しており、フィラメント高さＨの変化が電子銃の輝度も変化させていることがわかる。

【0056】

なお、フィラメントから放出される電子は熱電子であるため、実際には、初期エネルギーは０．１ｅＶよりも広いエネルギー分布を持つ。したがって、実際の電子銃の動作がこの図５および図６に示す例と完全に一致するとはいえない。しかしながら、多少の初期エネルギーの増減ではクロスオーバーの位置は大きく変わらず、初期エネルギーの増減よりもフィラメントの高さＨの変化の方が、クロスオーバーの位置が大きく変化する。そこで、実際に同一フィラメントでフィラメントの高さを変えて、電子銃の輝度の変化を調べた。

【0057】

図７は、フィラメントの高さＨとプローブ電流Ｉｐの関係を示すグラフである。図７に示すグラフは、同一のフィラメントとウェーネルト電極の組み合わせで、フィラメントの高さＨを変えた時に、集束レンズの条件を一定とし、かつ、ＧＵＮアライメントを最適な条件として、プローブ電流Ｉｐの変化を計測した結果である。

【0058】

図７に示すプローブ電流Ｉｐの変化は、集束レンズの条件を一定として得られたものである。したがって、プローブ電流Ｉｐの変化は、電子銃の輝度の変化に対応する。輝度は、電子銃の明るさを示す量であり、明るさを単位立体角あたりの電流密度で表したものである。

【0059】

なお、プローブ電流Ｉｐの変化には、上述したクロスオーバーの位置の変化も含まれるが、クロスオーバーの位置の変化は、クロスオーバーの位置から集束レンズまでの距離に対して小さい。例えば、クロスオーバーの位置から集束レンズまでの距離が数ｃｍである
のに対して、クロスオーバーの位置の変化は数ｍｍ以下である。そのため、クロスオーバーの位置の変化によるプローブ電流Ｉｐの変化（すなわち輝度の変化）は、極めて小さい（例えば１０％以下）と考えられる。

【0060】

したがって、図７に示すグラフにおいて、プローブ電流Ｉｐの変化は、電子銃の輝度の変化に対応するといえる。

【0061】

図７では、ウェーネルト電極に近い領域Ａ、輝度が低下した領域Ｂ、最適な高い輝度が得られる領域Ｃ、輝度が低下した領域Ｄ、に分けられる。領域Ａおよび領域Ｂは、バイアス効果が弱い条件であり、領域Ｄはバイアス効果が強すぎるため輝度が低下している。バイアス効果とは、バイアス電圧がエミッション電流を制限する度合いをいい、バイアス効果が強いほどエミッション電流が制限されることを意味する。セルフバイアス方式の電子銃では、暗電流を含むロードカレント値でバイアス電圧が決定され、フィラメントの高さＨでバイアス効果が変化する。

【0062】

ここで、熱電子銃では、一般的に、カットオフ電圧の手前に最大輝度条件があり、最大輝度条件の手前のバイアス効果が弱まる条件では輝度が低下する。領域Ｂ、領域Ｃ、および領域Ｄは、この関係にある。また、領域Ａはバイアス効果が弱いためにプローブ電流が増加し、見かけの輝度が高まっているように思われるが、クロスオーバーが複数の輝点に分裂する不具合があるため、最適なバイアス条件とはいえない。これらのことから、フィラメントの高さＨが領域Ｃのときに、バイアス効果が最適となり、高い輝度が得られる。

【0063】

図７に示すグラフは、集束レンズの条件を固定してフィラメントの高さＨを変えたときのプローブ電流の変化を表しているが、集束レンズの条件を設定するために利用するのは、プローブ電流が一定となる集束レンズの条件となる。これは、図７に示すグラフと類似するカーブを持ち、３次以上の曲線で近似できる。フィラメントの高さを変えたときに、プローブ電流が一定となる集束レンズの条件をまとめたものが図４に示すテーブル２である。例えば、プローブ電流Ｉｐは、次式のような関係式で表される。

【0064】

Ｉｐ（ＡｃｃＶ，Ｃｌ，Ｈ）≒
−Ａ（ＡｃｃＶ，Ｃｌ）・Ｈ^３＋Ｂ（ＡｃｃＶ，Ｃｌ）・Ｈ^２
−Ｃ（ＡｃｃＶ，Ｃｌ）・Ｈ＋Ｄ（ＡｃｃＶ，Ｃｌ）
ただし、Ｉｐはプローブ電流であり、ＡｃｃＶは加速電圧であり、Ｃｌは集束レンズの条件である。また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは、フィラメントの高さＨに応じて個別に変化する係数である。

【0065】

上述したテーブル２は、上記式から作成することができる。

【0066】

３． 効果
本実施形態に係る電子顕微鏡の制御方法は、固定バイアス抵抗１８によるセルフバイアス方式の熱電子銃１０、熱電子銃１０に加速電圧を供給する加速電圧電源２０、および試料に電子線を照射するための集束レンズ３４を備えた電子顕微鏡の制御方法であって、加速電圧電源２０を流れる電流であるロードカレント値を取得する工程と、ロードカレント値に基づいて熱電子銃１０のフィラメントの高さＨを求める工程と、フィラメントの高さＨに基づいて集束レンズ３４の条件を設定する工程と、を含む。そのため、フィラメントを交換することによって生じるプローブ電流の変化を小さくできる。

【0067】

例えば、従来、フィラメントを交換した後に、熱電子銃の輝度が低く所望のプローブ電流が得られなかった場合、当該フィラメントを不良として破棄していた。これに対して、本実施形態では、熱電子銃１０の輝度が低くても集束レンズ３４の作用によって所望のプ
ローブ電流が得られるため、当該フィラメントを使用できる。

【0068】

例えば、図７に示す例では、フィラメントの高さが０．４５ｍｍ程度の領域Ｂに位置するフィラメントは、十分なプローブ電流が得られないとして、破棄されていた。これに対して、本実施形態では、領域Ｂに位置するフィラメントであっても、集束レンズ３４の作用によって、領域Ｃと同等のプローブ電流が得られるため、当該フィラメントを利用できる。

【0069】

また、本実施形態では、ロードカレント値に基づいてフィラメントの高さＨを求め、フィラメントの高さＨに基づいて集束レンズ３４の条件を設定するため、容易に、集束レンズ３４の条件を設定できる。例えば、プローブ電流に基づいて集束レンズ３４の条件を設定する場合、ファラデーカップなどを用いてプローブ電流を測定しなければならない。本実施形態では、取得が容易なロードカレント値を取得すればよいため、容易に、集束レンズ３４の条件を設定できる。

【0070】

また、本実施形態では、固定バイアス抵抗１８によるセルフバイアス方式の熱電子銃１０であるため、バイアス抵抗を可変にできる方式と比べて、小型、かつ、簡易な構成とすることができる。

【0071】

４． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

【0072】

４．１． 第１変形例
例えば、上述した実施形態では、電子銃１０の陰極１２として用いられるフィラメントとして、タングステンからなるフィラメント、および、ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）の単結晶からなるフィラメントを挙げたが、フィラメントの材質はこれに限定されない。陰極１２に用いられるフィラメントの材質としては、例えば、Ｔａ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｉなどが挙げられる。また、陰極１２として、Ｔｈ、Ｙ_２Ｏ_３、ＴｈＯ_２、Ｂａ、ＣｅＯ_２、Ｏｓ、Ｉｒが塗布された金属ワイヤー、またはこれらの金属を含有する金属ワイヤーフィラメントを用いてもよい。これにより、金属表面の仕事関数を低下できるため、加熱温度を下げることができ、長寿命の電子源を実現できる。

【0073】

また、陰極１２として、ＬａＢ_６の単結晶からなるフィラメントの他にも、ＣｅＢ_６、ＣａＢ_６、ＢａＢ_６、ＺｒＣ、ＳｉＣ、ＴａＣ、ＴｉＣ、ＮｂＣなどの単結晶からなるフィラメントを用いてもよい。また、焼結体の多孔質のタングステンに、ＢａＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３からなる電子放射物質を含む含浸型カソードを、先端の電子放出面を丸く加工したチップにして金属ワイヤーの先端に取り付けて電子銃１０の陰極１２としてもよい。

【0074】

４．２． 第２変形例
図８および図９は、電子顕微鏡１００の電子銃１０の一部を模式的に示す図である。なお、図９では、電子銃１０の一部を構成する部材ごとに、分解して図示している。

【0075】

電子銃１０では、図８および図９に示すように、フィラメントユニット１０２を交換することによって、フィラメントを交換できる。フィラメントユニット１０２とウェーネルト電極１４との間には、スペーサー１０４を配置できる。フィラメントユニット１０２とウェーネルト電極１４との間に配置するスペーサー１０４の数によって、フィラメントの高さを調整可能である。

【0076】

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない
。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

【0077】

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【符号の説明】

【0078】

２…テーブル、１０…電子銃、１２…陰極、１４…ウェーネルト電極、１６…陽極、１８…バイアス抵抗、２０…加速電圧電源、２２…電流計、３０…光学系、３２ａ…第１アライメントコイル、３２ｂ…第２アライメントコイル、３４…集束レンズ、３５…対物絞り、３６…対物レンズ、３８…偏向コイル、４０…検出器、４２…増幅器、４４…ＡＤ変換器、５０…アライメント電源、５２…集束レンズ電源、５４…対物レンズ電源、５６…走査信号発生回路、６０…制御装置、１００…電子顕微鏡、１０２…フィラメントユニット、１０４…スペーサー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】