特許 7550320 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】

(24)【登録日】2024-09-04

(45)【発行日】2024-09-12

(54)【発明の名称】電子顕微鏡

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/244 20060101AFI20240905BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20240905BHJP

   H01J 37/05 20060101ALI20240905BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20240905BHJP

【ＦＩ】

H01J37/244

H01J37/28 A

H01J37/05

H01J37/22 502H

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2023544837

(86)(22)【出願日】2021-08-31

(86)【国際出願番号】 JP2021031931

(87)【国際公開番号】W WO2023032034

(87)【国際公開日】2023-03-09

【審査請求日】2023-12-05

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高口 桂

(72)【発明者】

【氏名】大嶋 卓

(72)【発明者】

【氏名】森下 英郎

(72)【発明者】

【氏名】小瀬 洋一

(72)【発明者】

【氏名】片根 純一

(72)【発明者】

【氏名】揚村 寿英

(72)【発明者】

【氏名】波田野 道夫

【審査官】中尾 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００７－２６３７７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１２０６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３７１６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－０２２５６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／２２１３６２（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／２４４

Ｈ０１Ｊ ３７／２８

Ｈ０１Ｊ ３７／０５

Ｈ０１Ｊ ３７／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

試料に対して電子線を照射することにより前記試料を観察する電子顕微鏡であって、
前記電子線をパルス状に出射するパルス電子出射機構、
前記パルス状の電子線を前記試料に対して照射することにより前記試料から放出される信号電子を検出する検出器、
前記パルス状の電子線の照射パラメータを制御するとともに前記検出器が出力する検出信号のサンプリングタイミングを制御するタイミング制御部、
前記信号電子を飛行時間によって弁別する飛行時間算出部、
を備え、
前記タイミング制御部は、前記信号電子の飛行距離と前記信号電子のエネルギーから導かれる、前記信号電子の飛行時間以下のパルス幅で、前記電子線を出射するように、前記パルス電子出射機構を制御し、
前記電子顕微鏡はさらに、前記試料の帯電量が基準値以下のときにおける前記信号電子のエネルギースペクトルと、前記検出器が検出した前記信号電子のエネルギースペクトルとを比較することにより、前記試料の表面電位を計算する、演算部を備える
ことを特徴とする電子顕微鏡。

【請求項2】

試料に対して電子線を照射することにより前記試料を観察する電子顕微鏡であって、
前記電子線をパルス状に出射するパルス電子出射機構、
前記パルス状の電子線を前記試料に対して照射することにより前記試料から放出される信号電子を検出する検出器、
前記パルス状の電子線の照射パラメータを制御するとともに前記検出器が出力する検出信号のサンプリングタイミングを制御するタイミング制御部、
前記信号電子を飛行時間によって弁別する飛行時間算出部、
を備え、
前記タイミング制御部は、前記信号電子の飛行距離と前記信号電子のエネルギーから導かれる、前記信号電子の飛行時間以下のパルス幅で、前記電子線を出射するように、前記パルス電子出射機構を制御し、
前記電子顕微鏡はさらに、前記試料に対して前記電子線を照射する対物レンズを備え、
前記検出器は、前記試料を載置するステージと、前記対物レンズとの間に配置されており、
前記飛行時間算出部は、前記飛行時間または前記信号電子のエネルギーを用いて、前記電子線を照射した位置における前記試料の元素を同定する
ことを特徴とする電子顕微鏡。

【請求項3】

前記タイミング制御部は、前記パルス電子出射機構が前記電子線を出射してから前記信号電子が前記検出器へ到達するまでに要する時間以後のタイミングで前記検出信号をサンプリング開始するように、前記サンプリングタイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１または２記載の電子顕微鏡。

【請求項4】

前記タイミング制御部は、前記パルス電子出射機構が第１電子線を出射してから次の第２電子線を出射するまでの間の期間において、前記第１電子線によって生じた前記検出信号をサンプリングし終えるように、前記サンプリングタイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１または２記載の電子顕微鏡。

【請求項5】

前記タイミング制御部は、前記パルス電子出射機構が前記電子線を出射した後において前記検出器が最初に前記信号電子を検出した時点から前記検出信号をサンプリング開始するように、前記サンプリングタイミングを制御する
ことを特徴とする請求項１または２記載の電子顕微鏡。

【請求項6】

前記電子顕微鏡はさらに、前記試料の表面電位の２次元分布を出力するインターフェースを備える
ことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。

【請求項7】

前記電子顕微鏡はさらに、前記試料に対して前記電子線を照射する対物レンズを備え、
前記検出器は、前記パルス電子出射機構と前記対物レンズとの間に配置されており、
前記電子顕微鏡はさらに、前記信号電子を前記検出器へ向けて偏向させるビームセパレータを備え、
前記パルス電子出射機構は、光源と、前記光源からの励起光により電子を放出するフォトカソードと、によって構成されている
ことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。

【請求項8】

前記パルス電子出射機構は、パルス幅１ｎｓ以下で前記電子線を出射できるように構成されており、
前記飛行時間算出部は、１０ｅＶ以下のエネルギーを有する前記信号電子を弁別し、
前記演算部は、前記飛行時間算出部が弁別した１０ｅＶ以下のエネルギーを有する前記信号電子を前記検出器が検出した結果を用いて、前記試料の表面電位を計算する
ことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。

【請求項9】

前記電子顕微鏡はさらに、前記同定した前記試料の元素を提示するインターフェースを備える
ことを特徴とする請求項２記載の電子顕微鏡。

【請求項10】

前記電子顕微鏡はさらに、
前記試料に対して前記電子線を照射する対物レンズ、
前記信号電子を前記検出器へ向けて偏向させる分離器、
前記信号電子が前記検出器へ到達する前に前記信号電子を減速させる減速器、
を備え、
前記試料と前記対物レンズとの間には、前記信号電子を加速する電界が形成される
ことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。

【請求項11】

前記電子顕微鏡はさらに、
前記信号電子を前記検出器へ向けて偏向させる分離器、
前記信号電子が前記検出器へ到達する前に前記信号電子を減速させる減速器、
を備え、
前記試料と前記対物レンズとの間には、前記信号電子を加速する電界が形成される
ことを特徴とする請求項２記載の電子顕微鏡。

【請求項12】

前記パルス電子出射機構は、１０ｅＶのエネルギーを有する前記信号電子が前記試料から前記検出器まで飛行する飛行時間と、１ｅＶのエネルギーを有する前記信号電子が前記試料から前記検出器まで飛行する飛行時間との間の差分よりも短いパルス幅で、前記電子線を出射する
ことを特徴とする請求項１０または１１記載の電子顕微鏡。

【請求項13】

前記演算部は、前記信号電子を用いて前記試料の観察画像を生成し、
前記演算部は、前記試料の表面電位と、前記観察画像から得られる前記試料の表面形状とを比較することにより、前記試料の腐食の進行状態を計測する
ことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子顕微鏡に関する。

【背景技術】

【0002】

試料表面を高い空間分解能で観察または分析する手段として走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）が利用されている。ＳＥＭ像の信号源は、電子線を照射した際に試料より放出される信号電子である。エネルギー５０ｅＶ以下の信号電子は２次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）、エネルギー５０ｅＶ以上の信号電子は反射電子（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）として区別される。ＳＥを検出すると試料表面の凹凸形状や表面電位を反映したコントラストが得られ、ＢＳＥを検出すると試料の組成や結晶方位を反映したコントラストが得られる。このように、特定のエネルギー帯に含まれる信号電子を検出することにより、所望のコントラストが強調されたＳＥＭ像を得る観察手法は、エネルギー弁別検出と呼ばれる。

【0003】

特許文献１は、パルス化された荷電粒子線を試料に照射して発生する信号電子を、対物レンズを通過後に光軸外のＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）検出器に導き、得られる信号電子のエネルギースペクトルから、エネルギー数１００ｅＶ～数ｋｅＶのエネルギー帯に含まれるオージェ電子の特性エネルギーを取得し、この特性エネルギーに基づき試料の組成を分析する手法を開示している。

【0004】

非特許文献１は、電子線出射機構の１例を記載している。同文献は、光照射にともない電子が放出される活性層がＧａＡｓで構成されている、高輝度フォトカソードを用いた光励起方式のパルス電子銃について記載している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】ＵＳ７０３０３７５

【非特許文献】

【0006】

【文献】著者 Morishita 他、「Resolution improvement of low-voltage scanning electron microscope by bright and monochromatic electron gun using negative electron affinity photocathode」、雑誌名Journal of Applied Physics、ボリューム127、論文番号164902、発行年2020年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

一般的に、ＳＥは数ｅＶのエネルギーで発生量のピークを持ち、高エネルギーのＢＳＥは照射エネルギーＥ０を最大エネルギーとしてブロードなエネルギー分布を持つ。ＢＳＥ像を観察すると、試料表面の組成の違いや結晶方位の違いを反映したコントラストを含むＳＥＭ像が得られる。信号電子の軌道上に遮蔽電界の強度を制御できるエネルギーフィルタを用いて低エネルギーの信号電子を検出せずに高エネルギーの信号電子を選択的に検出することによりＢＳＥ像が得られる。ＳＥＭでＢＳＥを弁別検出するにはエネルギー５０ｅＶ以下のＳＥを遮蔽できればよく、エネルギー分解能数１００ｅＶ程度のエネルギーフィルタで充分な弁別検出性能が得られる。一方、ＳＥ像を観察すると、試料表面の形状や電位分布を反映したコントラストを含むＳＥＭ像が得られる。特にエネルギー１０ｅＶ以下のＳＥは表面電位分布の影響を受けやすいので、検出されるＳＥのエネルギー帯を制御することにより、電位コントラストが強調されたＳＥＭ像が得られるものと期待される。しかし、ＳＥの検出エネルギーを制御するには１ｅＶ以下の高いエネルギー分解能が必要であり、遮蔽電界型のエネルギーフィルタでは必要なエネルギー分解能が得られない。

【0008】

高いエネルギー分解能を持つエネルギーフィルタとして、偏向型のアナライザを用いる方式がある。偏向型のアナライザには円筒面や球面を用いるものがあり、内側と外側の電極に各々適切な電圧を設定し、アナライザ出口に設けたスリットを通過できる電子のエネルギー範囲を制限するフィルタとして用いる。スリット幅を調整することにより、１ｅＶ以下の高いエネルギー分解能を実現できる。一方、アナライザ型のエネルギーフィルタは特定の狭いエネルギー範囲に含まれる電子のみ通過できるように制御され、それ以外の大部分の荷電粒子はスリットに遮蔽される。これにより、信号電子のエネルギー分布を得るには、信号電子の通過できるエネルギー条件について、広いエネルギー範囲を掃引して検出する必要がある。したがって、偏向型アナライザを用いてエネルギー分布を測定する場合は、高いエネルギー分解能が得られる一方、計測スループットが課題となる。

【0009】

高いエネルギー分解能と高い計測スループットを両立したエネルギー弁別検出手法として、電子が試料から検出器に到達するまでの飛行時間（ＴＯＦ）を利用するものが挙げられる。ＴＯＦ検出は質量分析機において実用的に利用されている検出技術である。検出対象が同一軌道上を飛来する同種の荷電粒子の場合、高エネルギーの荷電粒子ほど短時間で検出器に到達するので、ＴＯＦを計測することによりエネルギーを識別できる。

【0010】

ＴＯＦを用いた検出方式においては、計測可能なエネルギー帯に含まれる荷電粒子が同時に検出器に飛来して同時に検出される。ＴＯＦ方式においては、アナライザ型のエネルギーフィルタとは異なり、通過できるエネルギーを制御するために、電極電圧を掃引する必要がない。したがって、同じドーズ量で計測スループットや試料ダメージを比較した場合、ＴＯＦ検出方式は優位である。なお、ＴＯＦ検出方式は連続的に信号検出される系には適用できず、信号または信号を発生させるプローブがパルス化されるようにして、ＴＯＦを測定するためのタイミングを制御することが重要となる。

【0011】

特許文献１のように広いエネルギー範囲のエネルギースペクトルを計測するには、ビームセパレータなどを用いて、エネルギーの違いによって偏向方向が分散しないようにする必要がある。このとき、試料に負電圧を印加することによって信号電子を数ｋｅＶ以上に加速した状態で、ビームセパレータを用いて信号電子を軸外に偏向し、軸外に設けたドリフト空間においてＴＯＦ検出する必要がある。検出器の性能を考慮すると、エネルギー数ｋｅＶ以上に加速された電子を、オージェ電子を識別できるほどの高いエネルギー分解能でＴＯＦ検出するためには、数メートル程度の長いドリフト空間を必要とする。これにより電子顕微鏡のサイズが大型化してしまう。

【0012】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、長いドリフト空間を搭載することなく十分なエネルギー分解能が得られ、従来と同程度の装置サイズで高いエネルギー弁別検出性能を得ることができる、電子顕微鏡を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る電子顕微鏡は、電子線をパルス状に出射するパルス電子出射機構を備え、前記電子線を前記試料に対して照射することにより前記試料から放出される信号電子を飛行時間によって弁別することにより、前記信号電子のエネルギーを弁別する。

【発明の効果】

【0014】

本発明に係る電子顕微鏡によれば、長いドリフト空間を搭載することなく十分なエネルギー分解能が得られ、従来と同程度の装置サイズで高いエネルギー弁別検出性能を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】試料に対してエネルギーＥ０の電子線を照射した際に放出される信号電子のエネルギー分布を示す。

【図2】実施形態１に係る電子顕微鏡１の構成図である。

【図3】非特許文献１が記載している光励起方式のパルス電子銃の構成図である。

【図4】検出器２８の詳細構成図である。

【図5】電子顕微鏡１の別構成例を示す。

【図6】試料２３から検出器２８までの空間が等電位である場合について、Ｌ＝１０ｍｍ、１００ｍｍ、１０００ｍｍに対するエネルギーＥ_０＝０．１ｅＶ～１ｋｅＶの信号電子のＴ_ｔｏｆの計算結果を示す。

【図7】パルス電子銃１１から放出される電子線のパルス波形の１例を示す。

【図8】照射電子線１４が試料２３に照射されるタイミング、信号電子２が検出器２８で検出されるタイミングなどの内部トリガのタイムチャートを示す。

【図9】照射電子線１４が試料２３に照射されるタイミング、信号電子２が検出器２８で検出されるタイミングなどの内部トリガの別タイムチャートを示す。

【図10】試料表面の電位分布を計測する手法について説明するエネルギー分布図である。

【図11A】通常のＳＥＭ像（表面形状像）の例を示す。

【図11B】等電位線の例を示す。

【図11C】電位マッピング像の例を示す。

【図12】実施形態２に係る電子顕微鏡１の構成図である。

【図13】実施形態２における電子顕微鏡１が備えるユーザインターフェースの１例を示す。

【図14A】実施形態３に係る電子顕微鏡１の構成図を示す。

【図14B】実施形態３に係る電子顕微鏡１の構成図を示す。

【図15A】金属表面を観察した場合の形状像の例を示す。

【図15B】図１５Ａの線分ＡＢに沿った電位プロファイルの計測例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

＜実施の形態１＞
図１は、試料に対してエネルギーＥ０の電子線を照射した際に放出される信号電子のエネルギー分布を示す。ＳＥは、５０ｅＶ以下、特に１０ｅＶ以下のエネルギーを有するものが多く発生する。本発明の実施形態１においては、典型的には１ｎｓ程度以下の短パルス幅の電子線を生成できるパルス電子銃を搭載したＳＥＭを用いて、エネルギー約１０ｅＶ以下のＳＥを主な検出対象とする。

【0017】

この場合、試料に対して照射するパルス電子線のパルス幅を短く設定できれば、長いドリフト空間を搭載せずに充分なエネルギー分解能が得られ、従来と同程度の装置サイズで高いエネルギー弁別検出性能を得ることができる。この検出手法を用いることにより、ＢＳＥ信号の混入がない、純粋なＳＥ像を得ることができる。さらに、ＴＯＦをエネルギーに変換して得られるＳＥのエネルギースペクトルからＳＥ発生量のピークエネルギーを検知し、そのエネルギーシフト量に基づき試料の表面電位の分布像を取得できる。これにより、半導体デバイスをはじめとする試料表面の電位コントラストを強調したＳＥＭ像を提供できる。

【0018】

図２は、本実施形態１に係る電子顕微鏡１の構成図である。電子顕微鏡１は、ＳＥＭとして構成されている。電子顕微鏡１は、試料２３に対しパルス化した照射電子線１４を照射するためのパルス電子銃１１（パルス電子出射機構）、照射電子線１４の径を制限するためのアパーチャ（図示せず）、照射電子線１４を試料上に収束するためのコンデンサレンズや対物レンズ２２などの電子レンズ、収束された照射電子線１４を試料上で走査するための偏向器２１、試料２３を置いて移動させ観察領域を決めるための試料台２４およびその移動機構、信号電子２を光軸外の検出器の方向に偏向するためのビームセパレータ２５、信号電子２を検出するための検出器２８、制御部３１（タイミング制御部）、ＴＯＦ演算部３２、エネルギースペクトル演算部３３、ＳＥＭ像の表示装置（図示せず）、真空排気設備（図示せず）、などを備える。

【0019】

制御部３１は、パルス電子線の照射パラメータ（例：パルス電子銃１１からの照射タイミング、光学条件など、電子線の照射状態に対して影響を与えるパラメータ）や信号電子を検出するタイミングを制御するためのタイミング制御を実施し、あるいは試料の表面電位を計算する。制御部３１はその他に、電子顕微鏡１が備える各部を制御する。その他の機能部については後述する。

【0020】

本実施形態１のエネルギー弁別検出系においては、試料上で発生した信号電子２が検出器２８に到達するまでの飛行時間（ＴＯＦ）の違いを用いてエネルギーを弁別する。信号電子２が試料２３から連続的に放出されている状況においてはＴＯＦを計測できないので、一定の周期で時間的に離散化して信号電子２を試料２３から発生させるために、信号電子２の発生源となる試料２３への照射電子線１４をパルス化する必要がある。パルス電子銃１１はこの目的のために搭載され、後述するＴＯＦ検出を達成できる仕様を備えたパルス電子銃であれば、どのような方式のものでも構わない。パルス電子銃１１は、通常のＳＥＭ観察とＴＯＦ計測を切り替えて利用できるようにするために、目的に応じて連続電子線とパルス電子線の両方を切り替えて利用できる電子銃であることが好ましい。

【0021】

パルス電子銃１１は、試料２３への照射電圧や照射電流を制御でき、パルス電子銃として利用する場合は所望のパルス幅やパルス間隔などの条件を設定できることが望ましい。パルス電子銃１１の１例として、冷陰極電界放出型、ショットキー放出型、熱電子放出型など、既存のＳＥＭで利用されている連続電子線を放出する各種電子銃を用い、パルス電子銃１１と試料２３との間の照射電子線１４の軌道上に印加される偏向場を高速制御して、直下に置かれた絞りを用いてパルス電子線を生成する、高速ブランキングユニットを組み合わせた方式のパルス電子銃を適用することができる。この方式の電子銃は、ブランキングｏｆｆで使用した場合は通常の連続電子線の電子銃として利用でき、ブランキングｏｎで使用した場合はパルス電子銃として利用できる。パルス幅やパルス間隔といった条件はブランキングを適切に制御することによって設定することができる。

【0022】

パルス電子銃１１の別例として、金属や半導体の表面部に短パルス幅の励起光を照射して光電効果によって放出される電子を照射電子線として利用する、光励起方式のパルス電子銃を適用することができる。この方式の電子銃は、励起光として連続光を照射すれば連続電子線が放出され、パルス光を照射すればパルス電子線が放出される。ＴＯＦ検出において必要なパルス幅やパルス間隔といった条件を設定できるパルス光源を用いることにより、対応するパルス幅やパルス間隔のパルス電子線を用いることができる。

【0023】

ＳＥＭにおいて高い空間分解能を得るためには、高輝度な電子源を用いることが重要である。輝度は電子銃の照射性能の指標の１つであり、単位面積、単位立体角あたりに放出される電流量で定義される。低輝度な電子源を用いた場合、試料上の最小スポット径が電子銃の光源径に起因する試料上のスポット径によって制限される。高い空間分解能と高いエネルギー分解能を両立したＴＯＦ検出系を実現するには、高輝度な短パルス電子銃を用いることが重要である。

【0024】

図３は、非特許文献１が記載している光励起方式のパルス電子銃の構成図である。このパルス電子銃は、本実施形態１におけるパルス電子銃１１として用いることができる。このパルス電子銃は、高輝度かつ短パルス幅のパルス電子線を照射でき、本発明の電子線応用装置に対し好ましい照射性能を備えている。

【0025】

フォトカソードは、基板４５と活性層４６によって構成されている。フォトカソードの表面は、活性化処理を経て電子親和力が負（Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ａｆｆｉｎｉｔｙ：ＮＥＡ）の状態になっており、内部の伝導帯下端のエネルギー準位と比べて真空準位が低い状態となっている。この状況下でフォトカソードに励起光を照射すると、価電子帯から伝導帯に励起された電子がフォトカソードの外部に効率よく放出される。このＮＥＡ表面を持つフォトカソードを高輝度電子源として利用するには、活性層４６が透明な基板４５の上に形成されたフォトカソードの裏側に光学レンズ４４を配置する構成が重要となる。活性層４６に対し大きい開口数で励起光４２を集光することにより、励起光の集光径を１μｍ程度にでき、ピーク輝度がＳｃｈｏｔｔｋｙ電子銃と同程度の高輝度パルス電子銃が得られる。

【0026】

大気領域に設置したパルス光源４１を用いて、ビューポート４３を介してパルス化した励起光４２を、真空排気された電子銃チャンバ内に設置されたフォトカソードに照射して放出される照射電子線１４のパルス幅は、≪１ｎｓを達成できる。フォトカソード直下には引出電極４７が設置され、陰極電圧４８を印加すると、陰極と引出電極４７の間に加速電界が形成され、フォトカソードより放出された電子線が試料の方向に加速されながら収束される。

【0027】

高輝度ＮＥＡフォトカソードを用いた電子銃のエネルギー幅は単色性が良く、冷陰極電子銃よりも小さいエネルギー幅を持つ。単色性の良い電子銃をＳＥＭに搭載した場合、低加速観察で空間分解能の制限となる色収差を低減できる点で優位である。したがって、高輝度ＮＥＡフォトカソードを用いたパルス電子銃と本発明のＴＯＦ検出系を組み合わせることにより、ＳＥＭの低加速条件で試料表面の電位分布を高い空間分解能で計測するとともに、高いエネルギー分解能を得ることができるものと期待される。

【0028】

本実施形態１の対物レンズ２２は、試料に対してレンズ磁場を漏洩するセミインレンズ方式またはインレンズ方式の対物レンズである。試料近傍にレンズ場が形成されて球面収差や色収差などのレンズ収差を小さくできるので、高い空間分解能で試料を観察できる。本実施形態１ではセミインレンズ方式の対物レンズとして説明するが、ＴＯＦ検出に関する部分はどちらの方式の対物レンズを用いた場合も同様である。セミインレンズ方式と比べて、インレンズ方式は観察できる試料サイズに制限があるが、より短焦点距離であるので分解能はインレンズ方式の方が優位である。セミインレンズ方式は対物レンズ下部に空間的な制約がないので、比較的サイズの大きい試料を高い空間分解能で観察できる。

【0029】

パルス電子銃１１より照射された照射電子線１４は、対物レンズ２２により試料２３に収束される。セミインレンズ型の対物レンズ２２を用いた場合、試料上で発生したＳＥ２はレンズ磁場により収束されながら対物レンズ２２を通過する。対物レンズよりパルス電子源側に搭載されたビームセパレータ２５により、ＳＥは光軸外に偏向されて検出器２８の方向に導かれる。これにより、検出器２８によってＳＥを効率よく検出することができる。

【0030】

ビームセパレータ２５の１例として、電界偏向場と磁界偏向場が互いに直交する方向に印加されるウィーンフィルタを適用することができる。別のビームセパレータとして、照射電子線の軌道上に、３段以上の電界偏向場または磁界偏向場を光軸に沿って並べたものを適用してもよい。図２においてはビームセパレータ２５としてウィーンフィルタを搭載した例を説明する。ウィーンフィルタの検出器側に配置される偏向電極２６はメッシュ状となっており、ウィーンフィルタによって軸外偏向され偏向電極２６を通過したＳＥは、光軸外に設置された検出器２８にて検出される。ＳＥが試料２３から検出器２８の感受面に到達するのに要する時間が、この検出系のＴＯＦ（飛行時間）となる。

【0031】

図４は、検出器２８の詳細構成図である。検出器２８は、表面に金属蒸着したシンチレータ５２とライトガイド５３と光電子増倍管５４を備える、一般的にＥｖｅｒｈａｒｔ＆Ｔｈｏｒｎｌｅｙ（ＥＴ）型として知られる検出器を利用する。通常のＳＥＭにおいては、検出器の感受面に１０ｋＶ程度の正電圧が印加される。これにより、ＳＥは検出器に捕集されるとともに、エネルギー１０ｋｅＶ以上に加速されてシンチレータ５２に衝突することによって、シンチレータ５２から充分な光量が放出され、光電子増倍管５４によって検出することが可能となる。これにより、低エネルギーのＳＥに対し充分な検出感度が得られる。なお、図４では感受面にシンチレータを用いるＥＴ型検出器を適用した場合について説明したが、検出器の構成はこれに限定するものではない。この他にも、半導体検出器、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）、マルチチャンネルプレート（ＭＣＰ）などの感受面に対し正電圧を印加し、加速されたＳＥを検出する構成とすれば、同様の検出性能を得ることができる。

【0032】

詳細は数式を用いて後述するが、試料２３から検出器２８までの間にＳＥに対する加速電界が分布している場合、ＳＥのエネルギーの違いによるＴＯＦの違いが生じにくくなる。したがって、ＴＯＦ検出するための検出器２８は、図４に示すように検出器感受面の直前までＳＥが加速されない構成とするのが好ましい。すなわち、試料２３と検出器２８の間の信号電子２の飛行空間は等電位に近い空間であることが好ましい。そこで、検出器２８の手前に試料２３や対物レンズ２２と同電位のメッシュ状のガード電極５１を配置し、その後方に通常の構成と同じＥＴ型検出器を配置する。図４の構成において検出器感受面に＋１０ｋＶ程度の正電圧を印加すると、ガード電極５１を通過した信号電子２は加速されてＥＴ検出器により検出される。

【0033】

図５は、電子顕微鏡１の別構成例を示す。通常検出とＴＯＦ計測を切り替えて使用できるようにするために、図５に記載するように、通常検出するための検出器２９とＴＯＦ検出するための検出器２８を、ビームセパレータ２５の両側に配置してもよい。これにより、視野探しの時には連続電子線で通常検出されたＳＥＭ像を観察し、ＳＥのエネルギースペクトルまたはその分布画像を計測する際にＴＯＦ検出することができる。

【0034】

偏向電極２６は両側をメッシュ電極として構成し、電磁界偏向場の向きを反転できるように電磁極を構成することにより、ＳＥの偏向方向を制御できる。通常検出用の検出器にはガード電極５１を配置せず、検出器感受面の近傍に捕集電界を分布させ、検出器の近傍に飛来したＳＥを加速して検出できるように構成する。ビームセパレータ２５によって通常検出器の方向に偏向されたＳＥは、メッシュ状の偏向電極２６を通過した後に加速されるように電界を分布する。

【0035】

ＴＯＦ検出による信号電子のエネルギーの演算方法について、図４を参照しながら詳細を説明する。試料２３（点Ａ、ｓ＝０）において発生した信号電子２が検出器２８（点Ｂ、ｓ＝Ｌ）まで進む場合を考える。経路ＡＢ上の電位をＶ（ｓ）［Ｖ］、試料電位はＶ（０）＝Ｖ_０［Ｖ］とする。エネルギー保存則を適用すると、試料上からエネルギーＥ_０で放出された信号電子２の経路ＡＢ上の任意の位置ｓにおけるエネルギーは Ｅ（ｓ）＝Ｅ_０＋ｅ［Ｖ（ｓ）－Ｖ_０］となる。ｅは電子の電荷素量であり、ｅ＝１．６×１０^－１９［Ｃ］である。エネルギーＥ（ｓ）の電子の速度の計算式 ｄｓ／ｄｔ＝√［２Ｅ（ｓ）／ｍ］に基づき、経路ＡＢを運動する電子の飛行時間（ＴＯＦ）Ｔ_ｔｏｆ［ｓ］は、電子の質量ｍ＝９．１×１０^－３１［ｋｇ］として以下の式１で計算できる。

【0036】

【数1】

【0037】

エネルギーＥ（ｓ）の大きい電子ほどＴ_ｔｏｆが小さくなるので、Ｔ_ｔｏｆの違いによって信号電子のエネルギーを識別できる。経路ＡＢ上が等電位空間である場合はＶ（ｓ）＝Ｖ_０なので、式１は以下の式２に変形できる。

【0038】

【数2】

【0039】

図６は、１例として、試料２３から検出器２８までの空間が等電位である場合について、Ｌ＝１０ｍｍ、１００ｍｍ、１０００ｍｍに対するエネルギーＥ_０＝０．１ｅＶ～１ｋｅＶの信号電子のＴ_ｔｏｆの計算結果を示す。例として飛行距離Ｌ＝１００ ｍｍでＳＥを主な検出対象とした場合、エネルギーＥ_０＝数ｅＶの電子に対するＴＯＦは１００ｎｓ程度となる。周期信号を時間分解能１ｎｓ程度で検出することは可能であるので、エネルギー数ｅＶ程度のＳＥに対し、充分なエネルギー分解能が得られる。

【0040】

試料２３から検出器２８までの空間が等電位でない場合は、信号電子２が加速または減速される。特に電子が加速される領域ではＴＯＦの時間差が小さくなる。試料２３に負電圧を印加するリタ―ディング法や、電子銃から試料手前までの空間に正電圧を印加するブースティング法を適用し、試料２３から放出された信号電子２が検出器２８に到達するまでの空間内で加速される装置構成でＴＯＦ検出する場合の検出方式については、実施形態３で説明する。

【0041】

図７は、パルス電子銃１１から放出される電子線のパルス波形の１例を示す。パルス幅６１やパルス間隔６２はパルス波形から定義され、同一パルス幅（τ_ｐ）、同一パルス間隔（Ｔ_ｉｎｔ）で周期的に電子線が試料に照射される。パルス周波数はパルス間隔の逆数であり、単位時間に試料に照射される電子線パルスの数を表す。試料２３にパルス電子線が照射されると、発生する信号電子も時間的に離散化された信号となる。

【0042】

ＳＥＭでＴＯＦ検出する場合に必要となる、パルス電子線のパルス幅に関する条件について説明する。エネルギー弁別検出のターゲットとなる電子のエネルギーに対応するＴＯＦと比べて設定されるパルス幅が大きい場合、パルス電子線の先頭部が照射されて放出されたＳＥと、パルス電子線の最後尾が照射されて放出されたＳＥについて、発生時には異なるエネルギーのＳＥであるにも関わらず、検出時に同じＴＯＦとなる状況が発生する。例えばＬ＝１００ｍｍの場合について式１を用いると、エネルギー１ｅＶの電子のＴＯＦは１７０ｎｓ、エネルギー１００ｅＶの電子のＴＯＦは１７ｎｓとなる。パルス電子線のパルス幅を１５３ｎｓに設定した場合、先頭のパルス電子線によって放出された１ｅＶの電子と最後尾のパルス電子線によって放出された１００ｅＶの電子は同じタイミングで検出器に到達することになる。このように、ターゲットとする電子のエネルギーのＴＯＦよりも著しくパルス幅を大きく設定すると、ＴＯＦ検出系のエネルギー分解能が低下することがわかる。したがって、パルス電子線のパルス幅は小さいほど好ましい。本実施形態１においてエネルギー弁別検出のターゲットとする約１０ｅＶ以下のＳＥについて高いエネルギー分解能を得るには、パルス幅１ｎｓ以下とすることが望ましい。

【0043】

ＳＥＭでＴＯＦ検出する場合に必要となる、パルス電子線のパルス間隔に関する条件について説明する。パルス間隔が小さい場合、１つ目のパルス電子線を照射した時に発生した最低エネルギーの信号電子が検出される前に、２つ目のパルス電子線を照射した時に発生した信号電子が検出されて、必要なエネルギースペクトルが得られない。この状況を回避するために、パルス電子線のパルス間隔は検出対象の最低エネルギーのＴＯＦよりも大きく設定すればよい。例えばＬ＝１００ｍｍで検出すべきＳＥの最低エネルギーを０．１ｅＶに設定した場合、エネルギー０．１ｅＶのＴＯＦは５３３ｎｓとなるので、パルス間隔１μｓ（パルス周波数１ＭＨｚ）に設定すればよい。

【0044】

以上より、試料～検出器が等電位の空間でＬ＝１００ｍｍの場合、エネルギー１ｅＶ程度のＳＥをエネルギー弁別検出するには、パルス幅～１ｎｓ、かつパルス間隔１μｓ（パルス周波数１ＭＨｚ）程度に設定するのがよい。飛行距離Ｌ＝１００ｍｍは従来のＳＥＭに搭載されている検出器の寸法と同程度であり、大幅な構成変更をする必要がなく搭載可能な検出器のサイズである。

【0045】

パルス電子線を試料に照射するタイミングや信号電子２を検出するタイミングの制御方法について、以下で詳細を説明する。ＴＯＦに基づき信号電子２のエネルギーを計測するためには、各パルスについてＴＯＦを計算する時間基準を正確に設定することが重要である。タイミング制御手法の１例として、照射電子線１４が試料２３に照射されるタイミングや、試料２３から放出される信号電子２が検出器２８に到達するタイミングに基づき、各パルスに対応する信号を検出する開始するタイミングを設定する方法が考えられる。

【0046】

図８は、照射電子線１４が試料２３に照射されるタイミング、信号電子２が検出器２８で検出されるタイミングなどの内部トリガのタイムチャートを示す。第１のパルス電子線と第２のパルス電子線との間の時間間隔は、照射電子線のパルス間隔（Ｔ_ｉｎｔ）に等しい。この手法を適用する場合、パルス電子銃１１で照射電子線のパルスを生成する照射トリガが生成されるタイミングと、検出器２８で信号電子が検出する検出トリガが生成されるタイミングとの間の時間差ΔＴに基づいてＴＯＦが算出される。ΔＴは、制御部３１とパルス電子銃１１との間の接続ケーブルの長さ、パルス電子銃１１から照射されるパルス光がフォトカソードに到達するまでの時間、フォトカソードから放出されたパルス電子線が試料に到達するまでの時間、試料上で発生した信号電子が検出器２８に到達する時間、検出器２８と制御部３１との間の接続ケーブルの長さ、などを考慮してセットされる。

【0047】

図８によれば、制御部３１は以下のように各タイミングを制御することになる：（ａ）パルス電子銃１１が照射電子線１４を出射してから信号電子２が検出器２８へ到達するまでに要する時間（ΔＴ）以後のタイミングで検出信号をサンプリング開始するように、検出器２８のサンプリングタイミング（検出トリガ）を制御する；（ｂ）パルス電子銃１１が１つ目の照射電子線１４（例えば図８の１つ目の照射トリガ）を出射してから２つ目の照射電子線１４（例えば図８の２つ目の照射トリガ）を出射するまでの期間において、１つ目の照射電子線１４によって生じた信号電子をサンプリングし終えるように（図８の１つ目のサンプリングが２つ目の照射トリガの前に完了するように）、検出器２８のサンプリングタイミング（検出トリガ）を制御する。

【0048】

図９は、照射電子線１４が試料２３に照射されるタイミング、信号電子２が検出器２８で検出されるタイミングなどの内部トリガの別タイムチャートを示す。図８とは異なるタイミング制御の手法として、照射電子線と同程度のエネルギーを持つＢＳＥが検出されるタイミングを基準とする制御方法が考えられる。信号電子を検出するタイミングの基準としてＢＳＥを用いる場合、システムの遅延時間を考慮する必要がないので、より正確なＳＥのエネルギー計測が可能となるものと期待される。計測条件によっては、必ずしも照射エネルギーと同程度のエネルギーを持つＢＳＥが検出されない場合も想定されるが、低エネルギーのＳＥに対して適切なサンプリング時間を設定している場合、想定したエネルギーのＢＳＥが検出されないことに起因する算出エネルギーの誤差は充分に小さいものとなる。

【0049】

ＢＳＥが検出されるタイミングを基準とする検出方式は、試料のＷＤ（Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｄｉｓｔａｎｃｅ）が様々に変わる条件でも有効に利用することができる。例えば、ＷＤ数ｍｍでの観察条件から、分析のためにＷＤを１５ｍｍ程度の長ＷＤに設定する場合を考える。ＢＳＥを利用しない場合は、ＷＤの変更に伴うＴＯＦの変化を加味して、検出された信号電子のエネルギーを検出する必要がある。一方、ＢＳＥを利用した場合は、ＴＯＦをエネルギー変換するためのアルゴリズムはＷＤには依存せず、エネルギーの計算誤差を小さくできるメリットがある。

【0050】

図９によれば、制御部３１は以下のように各タイミングを制御することになる：パルス電子銃１１が照射電子線を出射した後（照射トリガ後）において、検出器２８が最初の信号電子（ＢＳＥ）を検出した時点から、検出器２８がサンプリングを開始するように、検出トリガを制御する。

【0051】

セミインレンズ型またはインレンズ型の対物レンズ２２を用いる本実施形態１の構成の場合、ＴＯＦ検出するために設置された検出器によるＢＳＥ検出率は小さいので、エネルギーセパレータの電子源側の空間や対物レンズよりも試料側の空間に、照射電子線と同程度のエネルギーを持つＢＳＥを効率よく検出できる検出器７１、検出器７２を設置し、ＢＳＥが検出されるタイミングと同期するように、ＴＯＦ検出器のタイミングが制御されるとともに、検出される信号電子のＴＯＦが算出される構成とすることが好ましい。この場合、制御部３１の検出トリガとして、検出器７１または検出器７２の検出信号を用いる。なお、検出器７２は、半導体検出器、ＡＰＤ、ＭＣＰのほか、シンチレータを用いたＥＴ型検出器など、ＢＳＥに対し感度を持つ検出器であれば、どのようなものを用いてもよい。

【0052】

図１０は、試料表面の電位分布を計測する手法について説明するエネルギー分布図である。上記の手順に従い、検出された信号電子のＴＯＦからエネルギーが算出され、ＳＥのエネルギースペクトルが得られる。試料表面が帯電していない場合（すなわち帯電量が基準値以下である場合）、エネルギーＥ_ｐｅａｋ=２～３ｅＶ付近にＳＥの発生量のピーク（Ｓ１）が観測される。これに対し、試料表面が帯電している場合はピークエネルギーＥ_ｐｅａｋが試料の帯電の極性や帯電量に依存してシフトする。試料表面が負帯電する場合は高エネルギー側にピーク（Ｓ２）が観測され、正帯電する場合は低エネルギー側にピーク（Ｓ３）が観測される。制御部３１（演算部）は、ＴＯＦ検出によって得られたエネルギースペクトルから、ＳＥのピークエネルギーを算出し、ピークシフト量に基づいて表面電位を計算する。この手法によって推定された表面電位を、ＳＥＭの各ピクセルについて計算し、それをマッピング像として表示することによって、表面電位の分布像が得られる。

【0053】

図１１Ａ～図１１Ｃは、上記手法を用いて電位分布像を取得した場合の表示画面の例を示す。図１１Ａは通常のＳＥＭ像（表面形状像）、図１１Ｂは等電位線、図１１Ｃは電位マッピング像の例である。この解析手法を用いることにより、半導体デバイス試料表面の不純物１１０１や欠陥１１０２を解析できる。

【0054】

制御部３１は、図１１Ａ～図１１Ｃに示すような表面電位分布を、ユーザインターフェース上で提示してもよい。ユーザインターフェースは、例えば後述する図１３のように画面上のＧｒａｐｈｉｃａｌ Ｕｓｅｒ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ：ＧＵＩとして構成することができる。

【0055】

照射電子線１４の１パルスあたりの電子数の最大値は、パルス電子銃の輝度に依存する。試料表面の帯電の状況によっては、１パルスあたりの電子数を小さくして、帯電に寄与する電子が緩和するための時間を充分に設けるためにパルス間隔を大きくして観察する方が好ましい電位分布像が得られる場合も考えられる。このような状況を考慮すると、各ピクセルに複数の電子線パルスが照射されるようにパルス電子銃とＳＥＭの走査信号を同期し、ＴＯＦ検出信号を積算してＳＥのエネルギースペクトルを取得ように制御してもよい。

【0056】

試料表面の帯電の影響を制御する目的で試料に電圧を印加する制御をしてもよい。試料に照射する電子数をＮ_ｉｎ、試料より放出される信号電子の数をＮ_ｏｕｔとした場合、信号電子のイールドηはη＝Ｎ_ｏｕｔ／Ｎ_ｉｎとして定義される。イールドηは照射エネルギーに依存する。イールドηが～１となる条件は照射エネルギー～１ｋｅＶ付近に存在し、それよりも照射エネルギーが大きい場合はη＜１となり試料表面は負帯電し、それよりも照射エネルギーが小さい場合はη＞１となり表面が正帯電する。この現象を利用することにより、試料表面の帯電状態を制御できる。

【0057】

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係る電子顕微鏡１は、パルス状の電子線を照射するパルス電子銃１１を備え、試料から放出される信号電子の飛行時間によって、信号電子のエネルギーを弁別する。パルス電子銃１１は、パルス幅１ｎｓ以下で前記電子線を出射する。これにより、約１０ｅＶ以下のエネルギーを有するＳＥを精度よくエネルギー弁別することができる。

【0058】

本実施形態１に係る電子顕微鏡１は、試料の帯電量が基準値以下のときにおける信号電子のエネルギースペクトルと、検出器２８が検出した信号電子のエネルギースペクトルとを比較することにより、試料の表面電位を計算する。これにより、約１０ｅＶ以下のエネルギーを有するＳＥを用いて、試料表面の電位分布像を得ることができる。

【0059】

＜実施の形態２＞
図１２は、本発明の実施形態２に係る電子顕微鏡１の構成図である。本実施形態２においては、実施形態１とは異なりビームセパレータ２５を搭載せず、試料上から直線的に検出器に到達する信号電子をＴＯＦ検出する。パルス電子銃１１や検出器２８の構成は実施形態１と同様である。実施形態１と異なる構成について、以下で詳細を説明する。

【0060】

実施形態１と同様に、通常検出するための検出器２９と検出器２８を別々に配置して、目的に応じて通常検出とＴＯＦ検出を切替えて使用できるようにできれば、視野探しの時には連続電子線で通常検出されたＳＥＭ像を観察し、エネルギー分析が必要な時にＴＯＦ検出を実施できる。

【0061】

本実施形態２における対物レンズ２２は、試料に磁場を漏洩しないアウトレンズ方式の対物レンズである。実施形態１のセミインレンズ型と異なりアウトレンズ型の対物レンズは試料近傍にレンズ磁場が分布しないので、試料から放出された信号電子は、発生時の初期角度を保存して飛来する。試料２３と検出器２８との間は電位差がないように構成され、図４と同様の配置となっているので、飛行距離Ｌは試料２３と検出器２８の先端部のガード電極５１との間の距離と概ね一致する。

【0062】

実施形態１では対物レンズ２２の漏洩磁場によって収束されたＳＥが検出されるので、大部分のＳＥが検出器２８で捕集される。これに対し、本実施形態２で検出される信号電子は、試料２３から臨む検出器感受面の立体角によって信号検出量が制限される。したがって、対物レンズ２２を円錐状に構成し、感受面の大きい検出器を配置することにより、ＴＯＦ検出できる信号電子の検出立体角を大きくすることができる。また、円錐状の対物レンズ２２の周囲に複数の検出器２８を搭載し、各検出器で検出された信号を同期して積算したものを出力するように制御してもよい。

【0063】

実施形態１はビームセパレータ２５を利用するので、エネルギー５０ｅＶ以下の低エネルギーのＳＥに限定してＴＯＦ検出する場合には好ましいが、同じ条件で数ｋｅＶ以上の高エネルギーの信号電子をＴＯＦ検出するには向いていない。これに対し、本実施形態２はビームセパレータ２５が不要であるので、広いエネルギー範囲の信号電子をＴＯＦ検出できる。これにより、ＴＯＦ検出を用いてオージェ電子のエネルギー分光検出が可能となる。

【0064】

オージェ電子は、電子線照射に伴い内殻電子が散乱されて空準位が生じ、外殻電子がこの空準位に遷移する際に放出されるエネルギーによって放出される電子である。オージェ電子のエネルギーは、内殻準位と外殻準位との間のエネルギー差に対応するエネルギーを持つ。オージェ電子のエネルギーは元素に固有であるので、オージェ電子のエネルギーピークと元素との間の対応関係を記述したデータテーブルを用意しておき、ＴＯＦ検出によって得られた信号電子のエネルギースペクトル上のピークを検知してそのデータテーブルを参照することにより、試料上の電子線照射位置の構成元素を特定できる。これを各ピクセルで実施すれば、元素分析の分布像を得ることができる。

【0065】

ＴＯＦ演算部３２は、以上の原理にしたがって、オージェ電子のＴＯＦまたはエネルギースペクトル上のピークを用いて、試料上の電子線を照射した位置の元素を特定することができる。

【0066】

オージェ電子は試料最表面から放出されるので、オージェ電子を検出する場合は試料表面を事前に清浄化することが必要となる。そこで、ＳＥＭと同じ試料室に試料表面を清浄化するためのイオンビーム照射装置を搭載し、オージェ電子を検出する直前で試料表面にイオンビームを照射して表面クリーニングを実施することが好ましい。イオンビーム装置の構成の１例として、集束イオンビーム装置とＳＥＭを組合せたＦＩＢ－ＳＥＭのようにイオンビームと電子ビームを試料上の同一領域に照射できるような構成が考えられる。また、ＳＥＭの試料室とは異なる別の真空チャンバ内にイオンビーム装置を搭載する装置構成としてもよい。

【0067】

図１３は、本実施形態２における電子顕微鏡１が備えるユーザインターフェースの１例を示す。画面Ｉ１（左上）は元素選択画面、画面Ｉ２（右上）は測定条件とＳＥＭ像の表示画面、画面Ｉ３（下）はスペクトルやマッピング像の表示画面に対応する。試料の材料組成が既知の場合、分析したい元素をＩ１の表の中から選択する。Ｉ２に表示されたSEM像から分析したい視野や領域を特定する。Ｉ２のマーク（×）で示したポイントＡやポイントＢのように点分析することも可能である。分析した結果はＩ３に表示される。校正用の標準試料を用いてＴＯＦ検出により算出されたエネルギー値をキャリブレーションできるようにしておくことにより、解析精度を改善することができる。以上の分析機能を利用することにより、異物検査や試料の酸化状態の分布を局所解析することができる。

【0068】

図１３において、実施形態１で説明した試料の表面電位分布を提示してもよい。例えば表面電位を表示するタブを図１３の上部に配置し、ユーザがそのタブを選択すると、図１１Ａ～図１１Ｃで説明したような表面電位分布を表示する。

【0069】

＜実施の形態３＞
図１４Ａと図１４Ｂは、本発明の実施形態３に係る電子顕微鏡１の構成図を示す。本実施形態３においては、リタ―ディング法やブースティング法を適用したＳＥＭに本発明のＴＯＦ検出技術を適用した構成例を説明する。パルス電子銃１１や検出器２８の構成は実施形態１と同様である。実施形態１と異なる構成について、以下で詳細を説明する。

【0070】

試料２３の極表面観察、帯電、ダメージなどに起因する悪影響を低減するために、低照射エネルギーで照射電子線１４を照射することによりＳＥＭ観察が実施される。低照射エネルギーのＳＥＭ観察において高い空間分解能を得るために、照射電子線１４に対する減速電界を試料と対物レンズ２２との間に分布させる観察手法が使われる。この手法は実質的には試料と対物レンズ２２との間に電界レンズを形成して対物レンズ２２を短焦点化するものであり、電極電圧の仕方によってリタ―ディング法またはブースティング法と呼ばれる。

【0071】

照射電子線１４が減速して照射される電界が分布している場合、試料上で発生した信号電子はこの電界によって加速される。実施形態１に記載した式１からわかるように、加速領域では信号電子のＴＯＦの時間差が短くなるので、加減速されない場合とは異なる検出器構成が必要となる。

【0072】

図１４Ａの装置構成において試料に１ｋＶの負電圧を印加した場合について、ＳＥをＴＯＦ検出する手法を説明する。試料以外の構成物は特に言及しない限りは接地電位として説明する。試料上でＥ_０＝１ｅＶ、１０ｅＶ、１００ｅＶの信号電子について考える。式１に従うと、対物レンズ２２を通過後の設置電位の空間内における各電子のエネルギーは、Ｅ＝１００１ｅＶ、１０１０ｅＶ、１１００ｅＶとなる。各電子が試料から放出された直後に１ｋｅＶ近くまで加速される場合に、１００ｍｍ走行した時の各電子のＴＯＦは、５．３３ｎｓ、５．３１ｎｓ、５．０８ｎｓとなる。このように加速された電子のＴＯＦの時間差が０．１ｎｓ以下と小さいので、既存の回路技術でエネルギーの違いを識別するのは難しい。この問題を回避するには、一度加速した信号電子２を減速空間に導き、この減速空間内でＴＯＦの時間差ができるように設定した検出系でＴＯＦ検出する方式が有効である。

【0073】

ビームセパレータ２５を用いて軸外偏向した信号電子を、ビーム管８２とビーム管８３に導いて減速させる。ビーム管内部で信号電子を減速させる際に、電子のエネルギーが急激に小さくなるような電位差を設けると、強い収束作用を受けて信号電子は収束後に軌道が発散して高効率な検出が困難となる。したがって、減速させる場合は何段階かに分けて緩やかに減速しながら検出器に導く構成が好ましい。図１４Ａではビーム管８２、およびビーム管８３を設けて２段階に分けて減速する場合の構成例を示す。

【0074】

各ビーム管には負電圧を印加して１ｋｅＶ以上に加速されたＳＥが減速されるように構成されている。ＳＥの軌道を適切に制御するための各ビーム管に印加される電圧値は、電極の寸法に依存するが、例えばビーム管８２に－０．５ｋＶ、ビーム管８３に－０．９ｋＶを印加した場合、ビーム管８２の中でＳＥのエネルギーは約５００ｅＶ、ビーム管８３の中でＳＥのエネルギーは約１００ｅＶとなる。この場合、検出器２８のガード電極５１には、最も近くに配置されるビーム管と同じ電圧を設定しておく。このようにすることにより、ビーム管８３の中で充分なＴＯＦの時間差を作ることによって、エネルギー弁別検出が可能となる。

【0075】

減速空間となるビーム管が実質的なＴＯＦ空間となるので、減速の程度と減速空間となるビーム管の長さによってエネルギー分解能が決まる。例えば、ＴＯＦ空間では試料上でエネルギー１ｅＶと１０ｅＶのＳＥがリタ―ディング電界により加速された後、減速されてエネルギー１００ｅＶとなるように減速されて、Ｌ＝１０００ｍｍの空間でＴＯＦ計測される場合を考える。この時の１ｅＶの電子のＴＯＦは１６８ｎｓ、１０ｅＶの電子のＴＯＦは１６１ｎｓとなり、１ｎｓ程度の時間分解能でパルス波形を解析できれば、充分にエネルギー値を分析することが可能である。パルス幅やパルス間隔は、減速空間のＴＯＦの検出挙動に合わせて好ましい数値が設定される。

【0076】

図１４Ａでは、リタ―ディング法を適用した場合について示したが、ブースティング法を適用した場合も同様である。ブースティング時の装置構成を図１４Ｂに示す。リタ―ディング時とブースティング時では電圧を印加する電極と、印加電圧の極性が異なる。試料２３を接地とする場合、照射電子線と信号電子を加速するためのブースティング電極８１に正電圧が印加される。

【0077】

＜実施の形態４＞
本発明の実施形態４では、金属の腐食過程の計測において、実施形態１～３で説明したＳＥのＴＯＦ検出を適用する例を説明する。金属が腐食する（錆びる）過程は、金属と水との間の界面において金属材料を構成する原子が酸化されることによって生じる。酸化還元反応が起こる部位においては局所的に電界集中が生じるので、金属と液体（または溶媒）の界面に対して、実施形態１～３で説明したＴＯＦ検出系を備えたＳＥＭを用いて局所電位分布を観察することにより、腐食の進行状態を計測できる。

【0078】

図１５Ａは、上記手法を用いて金属表面を観察した場合の形状像の例を示す。線分ＡＢの途中に、周辺の組成とは異なる白色の領域が観察される。この領域が腐食している可能性が考えられる。

【0079】

図１５Ｂは、図１５Ａの線分ＡＢに沿った電位プロファイルの計測例を示す。図１５Ａの白色領域に相当する部分の電位が周辺の電位よりも高いことが分かる。これにより当該部分が腐食している可能性があると推定できる。制御部３１（演算部）は、この電位が高い部分を特定することにより、当該部分の腐食の進行状況を推定することができる。例えば周辺部分の電位と比較して当該部分の電位がどの程度高いかに応じて、腐食進行度を推定することができる。

【0080】

＜本発明の変形例について＞
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

【0081】

以上の実施形態において、電子顕微鏡１が備えるインターフェース（例えば図１３で説明したもの）は、例えば制御部３１がディスプレイ上にインターフェースを画面表示することによって構成することができる。

【0082】

以上の実施形態において、制御部３１、ＴＯＦ演算部３２、エネルギースペクトル演算部３３は、これらの機能を実装した回路デバイスなどのハードウェアによって構成することもできるし、これらの機能を実装したソフトウェアをＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などの演算装置が実行することにより構成することもできる。これらの機能部のうち全部または一部を統合してもよい。例えば試料の表面電位を計算する処理（演算部としての動作）は、これら機能部のうちいずれが実施してもよい。その他の演算についても同様である。

【符号の説明】

【0083】

１…電子顕微鏡
１１…パルス電子銃
１４…照射電子線
２１…偏向器
２２…対物レンズ
２３…試料
２４…試料台
２５…ビームセパレータ
２６…偏向電極
２７…対向電極
２８…検出器
２９…検出器
３１…制御部
３２…ＴＯＦ演算部
３３…エネルギースペクトル演算部
４１…パルス光源
４２…励起光
４３…ビューポート
４４…光学レンズ
４５…基板
４６…活性層
４７…引出電極
４８…陰極電圧
５１…ガード電極
５２…シンチレータ
５３…ライトガイド
５４…光電子増倍管
５５…アンプ
５６…検出器電圧
６１…パルス幅
６２…パルス間隔
７１…検出器
７２…検出器
８１…ブースティング電極
８２…ビーム管
８３…ビーム管
９１…リターディング電圧
９２…ブースティング電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図15A】

【図15B】