JPH11213933A

JPH11213933A - 蛍光装置およびこれを用いた撮像装置並びに検査装置

Info

Publication number: JPH11213933A
Application number: JP10016607A
Authority: JP
Inventors: Masanari Takaguchi; 雅成高口; Hiroshi Kakibayashi; 博司柿林; Tetsuya Oshima; 徹也大島; Kenji Samejima; 賢二鮫島; Tatsuo Makishima; 達男牧島; Keiichi Kanebori; 恵一兼堀; Hiroyuki Shinada; 博之品田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-08-06

Abstract

(57)【要約】【課題】入射粒子線像−光像変換のための蛍光体にお
ける荷電粒子線の散乱を、蛍光体に外部より電界を印加
することにより抑え、高発光量を維持しつつ解像度、S/
Nの低下を防ぐ。【解決手段】蛍光体の電子線入射面と蛍光出射面に電
極を設け、電極間に電圧を印加する。【効果】解像度、S/Nの低下の大きな影響をおよぼす
低エネルギー荷電粒子線の入射位置からの散乱による外
れ量を抑え、上記目的を達成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は特に高感度、高精細
な撮像を可能とする蛍光装置と、これを具備した撮像装
置並びに蛍光装置を用いた電子線による検査ＳＥＭに関
する。

【０００２】

【従来の技術】蛍光体を用いて撮像を行う撮像装置の例
として、Ultramicroscopy(ウルトラマイクロスコピー)
第52巻,p7-20(1993年)に開示されているような、電子顕
微鏡用カメラが挙げられる。この撮像装置においては、
蛍光体で電子線像を光像に変換し、この光像を光学素子
(本文献では光ファイバプレート、それ以外では光学レ
ンズ)により撮像素子(本文献では電荷結合素子(以下Ｃ
ＣＤと略)、それ以外では撮像管)上に結像し、これを撮
影していた。

【０００３】次に、蛍光体の面間に電界を印加する従来
例として、特開昭58-206029号の陰極線間蛍光面が挙げ
られる。この発明においては、蛍光体の電子線入射面側
には光導電膜と金属反射膜が、光出射面側には透明電極
が接して成膜されており、さらに、金属反射膜と透明電
極間に１ボルト／マイクロメータ程度の電界を印加し、
電子線が蛍光体に入射すると蛍光を発生する。このこと
をカソードルミネッセンス現象と言う。カソードルミネ
ッセンス現象で発生した光が光導電膜に入射し入射した
位置の電気抵抗が下がると同時に電界も低下する。これ
に対し蛍光体の電界は上昇する。その後、光導電膜には
光がこなくなり電気抵抗が上がると同時に電界も上昇す
る。同様に蛍光体も電界が低下する。この際、蛍光体の
エネルギーバンドギャップ相当である数ボルトの変化に
よって蛍光体の電圧が変化した位置に対応した部分だけ
が発光する。このように蛍光体に１ボルト／マイクロメ
ータ程度の電界振幅を与えた際に発光する現象をエレク
トロルミネッセンス現象と言う。つまり、カソードルミ
ネッセンス現象と発光にエレクトロルミネッセンス現象
とによる発光が重畳するため、蛍光体単独での発光に比
べ、高輝度の発光が得られるという特徴があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】像情報を持った荷電粒
子線は蛍光体内で、主にプラスの電荷を持った原子の電
磁気力により散乱されてしまうため、蛍光発光位置が荷
電粒子線入射軸を中心に広がりを持つことになる。従っ
て、蛍光体に入射する時点で十分な分解能を持った像で
も、蛍光体を通して光像に変換する際、いわゆるボケた
光像となってしまう。またさらに大きく散乱してしま
い、像情報を完全に失った電子線は、像に対してランダ
ムなノイズを形成し、S/Nの著しい劣化を招くことにな
る。

【０００５】こうした解像度、S/Nの劣化を防ぐために
は、荷電粒子線が入射軸から大きくはずれる前に蛍光体
外に出るようにすれば良い。例えばUltramicroscopy(ウ
ルトラマイクロスコピー)第54巻,p293-300(1994年)に開
示されているように電子線の広がり幅がある程度までに
抑えられるように薄くしていた。しかしこの方法には以
下の問題があった。つまり、電子線は蛍光体内で電離作
用を起こし、蛍光体にエネルギーを付与しながら、電子
自身は次第にエネルギーを低下させていく。そして蛍光
体はこのエネルギーを受けて蛍光を発光する。付与エネ
ルギー量は、電子線が蛍光体を透過する長さに応じて増
加するため、解像度劣化を防ぐために蛍光体を薄くする
ことは、すなわち発光量を減少させるという問題を招い
た。

【０００６】また、従来技術（特開昭58-206029号）の
欄で説明したカソードルミネッセンス現象と発光にエレ
クトロルミネッセンス現象とを重畳して得る方式では、
原理的に蛍光体のエネルギーバンドギャップ相当である
１ボルト／マイクロメータ程度のゼロクロス形の交流電
界を光導電膜と蛍光体との間に印加するが、電子線の方
向制御するに足りる電界が掛からないために、ボケの原
因となる電子線散乱の発生を抑えることが出来ないとい
う問題があった。

【０００７】本発明の目的は、発光ボケを少なくし、高
発光量と高解像度、高S/Nの全てを満足した蛍光装置を
具備した電子顕微鏡及びこの蛍光装置含む電子線による
検査ＳＥＭを提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本出願では、蛍光体の電
子線入射面と蛍光放射面に電極を設け、ルミネッセンス
現象により蛍光する際の散乱荷電粒子を電極間に１０ボ
ルト／マイクロメータ以上の直流高電界を印加し、蛍光
体内に入射した荷電粒子線の散乱方向を蛍光放射面方向
に制御することにした。

【０００９】

【発明の実施の形態】初めに、従来技術の項で述べた既
知の装置構成を、以下図２、３を用いて説明する。図３
に電子顕微鏡の像をレンズまたはオプティカルファイバ
プレートで撮像素子受光面上に結像し、撮影する場合の
装置の全体構成図を示す。電子顕微鏡１において、電子
線源２から放射された電子線３は、対物レンズ１０によ
り試料９に照射される。電子線３は、試料９において結
晶構造や組成等を反映した回折などの相互作用を受け、
予め薄膜化された試料９を透過する。透過した電子線３
は中間レンズ、投射レンズ等の電子レンズ８でガラス窓
５上に薄膜化された蛍光体４上に結像される。図３(a)
ではレンズ６を用いた撮像管７による撮像法を、図３
(ｂ)ではオプティカルファイバプレート１１を介した電
荷結合素子(CCD)１２による撮像を図示した。ここでオ
プティカルファイバプレート１１は光ファイバの束のこ
とである。何れの場合でも薄膜化された蛍光体４におい
て電子線像を光像に変換し、この光像を撮像する。図２
(a)に蛍光体４部分の拡大図を示す。

【００１０】ここでは１ヵ所にのみ入射した電子線の軌
跡１３と電子線の存在領域の包絡線１８、及び発生した
蛍光１４の光路を示した。多くの電子顕微鏡において
は、電子線は100kV〜300kVに加速される。このエネルギ
ー領域では、電子線の透過できる蛍光体の厚さ(飛程)は
20-100μm程度である。このため、蛍光体４の厚さは、
飛程の半分程度に抑え、図２(a)に示されたように、電
子線が完全に停止する前に蛍光体外に出るようにしてあ
る。電子線は蛍光体４内で電離作用によりエネルギーを
失う。一方、蛍光体ではこのエネルギーを受け、価電子
帯の電子が伝導帯に励起され、価電子帯には正孔が残さ
れる。ここで発生した電子−正孔対は短時間内に再結合
し、この時に蛍光体材料ごとに決まったエネルギー(波
長)の蛍光が発生する。従って、蛍光体４を飛程の半分
程度に抑え、電子線の透過する距離が短くなるというこ
とは、蛍光体４からの発光量が低減してしまうことにな
る。蛍光は全方位に発生するため、電子線の入射面と相
対した面(これを出射面と呼ぶ)から外部に直接出射する
蛍光は全発光の50％未満となる。通常はこの出射面側に
受光素子が設置され、蛍光を検知することになるため、
できるかぎり検出効率を向上させるため、従来より入射
面に薄い反射膜１５を設けていた(Ultramicroscopy(ウ
ルトラマイクロスコピー)第54巻,p293-300(1994年)記
載)。この反射膜１５は、電子線のエネルギーを殆ど低
下させずに十分な光反射率を維持するため、蒸着された
アルミニウム膜が一般的であった。

【００１１】蛍光の発生領域は、電子線の軌跡に沿って
３次元的に分布する。図２(a)のような点入射電子線に
よる発光分布(横軸は電子線の入射軸からの距離)は図２
(b)に示した形となり、主に蛍光体４内での電子線の広
がりに起因する発光分布を持つことになる。

【００１２】以下に本出願の実施例を示すが、電子線を
例に取り、蛍光体内での電子線の振舞いを理解するため
には、次の(1)〜(3)に記述した３つの要素について検討
しなければならない。

【００１３】(1)平均自由行程平均自由行程(λ)とは、
電子が１回散乱されるまでに進む平均距離のことであ
る。非弾性散乱の効果を考慮した平均自由行程のエネル
ギー依存性は、 λ（Ｅ）＝４β（β＋１）Ｅ²Ａ／（πＮＡρΖ（Ｚ＋１）ｅ⁴）＝ａ＋ｂＥ−− −（式１） β＝５．４４Ｚ^(2/3)／Ｖ（β：スクリーニンク゛ハ゜ラメータ）−−−−− （式２）Ｅ：電子エネルギー(＝eV/300)、A：原子量、Z：原子番
号 e：電子の電荷、ＮA：アボガドロ数、ρ：密度で表記される。

【００１４】この式より、以下の結論を得る。

【００１５】低エネルギー電子線ほど散乱確率が大
きくなり、蛍光体の発光量も増大する。

【００１６】(2)エネルギー損失電子線は連続的に徐々にエネルギーを落していく。ここ
でエネルギー(Ｅ)の電子線の単位長さあたりのエネルギ
ー損失量(dE/dx)はベーテ(Bethe)の公式より、 dE/dx（Ｅ）＝２πｅ⁴ＮＡρＺ／（ＥＡ）×ｌｎ（１．６６Ｅ／Ｊ）−−−（式３）Ｊ＝１４Ｚ｛１−ｅｘｐ（‐０．１Ｚ）｝＋７５．５Ｚ／Ｚ^(Z/7.5)‐Ｚ²／（１００＋Ｚ）−−−−（式４）特に、Ｅ<300keVでは、 dE/dx（Ｅ）（ｋｅＶ／μｍ）＝１００／Ｅ（ｋｅＶ）−−−−（式５）で近似される。これより以下の結論を得る。

【００１７】低エネルギー電子ほどより多くのエネ
ルギーを蛍光体に付与する。

【００１８】このため低エネルギー電子周辺ほど発
光量が大きい。

【００１９】(3)散乱角エネルギー(Ｅ)の電子線が進行方向からある角度(ω)ず
れるとする。この時ωとω+dωの間の方向に散乱される
確率は、散乱断面積(dσ/dΩ(Ｅ))で表され、 dσ/dΩ(Ｅ)＝Ｚ（Ｚ＋１）ｅ⁴／４Ｅ²／（１−ｃｏｓω＋２β）²＝ａ／｛Ｅ（１−ｃｏｓω）＋ｂ｝−−−−（式６）で表記される。

【００２０】この式より、以下の結論を得る。

【００２１】低エネルギー電子ほど、より広角散乱
を受けやすい。

【００２２】以上の結果〜をまとめると、以下の結
論を得る。

【００２３】蛍光体内で連続的にエネルギーを失っ
ていった電子は、エネルギーが下がるほど、入射軸から
より外れた位置で蛍光量を増大させる。このような迷行
電子線は既に像情報を維持しておらず、ランダムバック
グラウンドノイズとして像全面を覆い、解像度、S/Nを
著しく低下させる。これを言い替えると、停止寸前の電
子線を蛍光体外に取り出すか、蛍光体内で入射軸から外
れないようにする、即ち散乱電子に対し蛍光体外に取り
出す側に加速する手段を有することにより、解像度、S/
Nは格段に良好になる。加速手段として電界を形成する
手段がある。

【００２４】尚、ここでは電子線の説明を行ったが、質
量や電荷の異なる他の荷電粒子線に関しても上記の結論
を得ることができる。

【００２５】（実施例１）そこで本発明においては、従
来構造の蛍光体４に以下に述べる新規構造を導入した蛍
光装置を図１にその１実施例として示す。本発明におい
ては、先ず蛍光の出射面側に透明電極１７を設けた。次
に、従来から備えられていた反射膜１５を電極としても
使用することとし、新規の透明電極１７の間に直流電源
１６をつなぎ、両電極間に電界を印加することにした。
ここでは電子線を入射軸方向に引っ張り、拡散を防ぐ目
的で、透明電極側を高圧とした。印加する最適な電界値
は、電子線のエネルギーや蛍光体の厚さにより異なるた
め、直流電源１６は電界可変であることが望まれる。ま
た、透明電極１７としては導電性と透光性を兼ね備えた
酸化スズ(SnO２)、酸化インジウム(In２O３)、酸化チタ
ン(TiO２)等が適当と考えられる。

【００２６】前記結論で述べたように、低エネルギー
の電子線ほど解像度、S/Nを劣化させる効果が大きい。
従って、電極間に印加する電界は低電界でも解像度、S/
Nの大きな向上が期待できる。つまり入射電子線のエネ
ルギーが300keVの場合でも、印加電圧は数100kVは必要
なく、数100V〜数kVの電圧、すなわち数１０ボルト／マ
イクロメータ〜数100ボルト／マイクロメータの電界
で、解像度、S/N向上の効果は十分である。この程度の
直流電源は、簡便な既製品が容易に入手でき、低コスト
で実現できるという特長がある。この結果、図１(a)に
示したように、入射直後の高エネルギー電子線の軌道は
殆ど変化ないが、解像度、S/Nの劣化に大きく影響する
低エネルギー電子線の軌道１３を蛍光体内で入射軸から
外れないようにし、更にエネルギーの下がった停止寸前
の電子線がより多く蛍光体外に取り出される。図１(a)
においても１ヵ所にのみ入射した電子線の軌跡１３と電
子線の存在領域の包絡線１８、及び発生した蛍光１４の
光路を示した。このような点入射電子線による発光分布
(横軸は電子線の入射位置からの距離)は、図１(b)に示
した形となり、図２(b)よりシャープなものとなる。こ
の結果、蛍光体内で発生する像のボケは低下し、解像度
が向上する。解像度向上の様子を、図４を用いて説明す
る。図４(a)は電子顕微鏡で拡大され、画面２０に投影
された矢印型撮影対象物１９の電子線像であり、電子−
光変換する前の像であるため、蛍光体で発生するボケの
影響がなく、シャープな矢印像が得られている。図４
(b)は図２図示の従来型蛍光体を用いで撮影した像であ
り、図４(a)に比べ、同一像が著しく幅を持ち、像のボ
ケは大きい。図４(c)は図１図示の本出願の蛍光体を用
いで撮影した像であり、像の幅は図４(b)と図４(c)の中
間の状態となり、解像度低下が抑えられている。

【００２７】尚、これまでは電子線入射時の記載を行っ
たが、電荷の有無に係わらず他粒子入射時についても同
様の説明ができる。イオン線、原子線、分子線が入射し
た際には、各粒子は蛍光体４内で自らの軌道電子をはぎ
とられ、この結果何れも荷電粒子線となる。ここで電荷
が正となる場合と負になる場合があるが、後者の場合は
電子線と同様の粒子線の入射面側を負電位、蛍光の出射
面側を正電位とする。前者では逆に、粒子線の入射面側
を正電位、蛍光の出射面側を負電位とすることにより、
発光領域の制限と解像度低下の抑制を図ることができ
る。

【００２８】（実施例２）図５は蛍光体の電子顕微鏡へ
の取り付け部分の水平方向から見た詳細断面図である。
電子顕微鏡の観察室２１の下部には、カメラや各種分析
装置を設置できるように、通常数十センチ径の穴が設け
られている。この穴部分に蛍光体を取り付けるための変
換フランジ２２を取り付ける。更にこの変換フランジ２
２には、ネジ山を持った固定フランジ２４を取り付け
る。このネジにあわせてキャップ２６を作製し、ガラス
基板５を下から締め付けて固定できるようにする。ここ
でキャップ２６とガラス基板５の間には、例えば薄いテ
フロン板のような、スペーサ２５をはさむことで、締め
付けの際にガラス基板５に無理な力が入らないようにす
る。ガラス基板５の外周部表面は、図６で詳述するよう
にアルミニウム薄膜が成膜されているが、十分に平坦で
あり、ガラス基板５と変換フランジ２２の間に真空シー
ル(通常樹脂製のオーリング)をはさむことにより、電子
顕微鏡観察室２１内の真空を保持できる。

【００２９】（実施例３）次に蛍光体のより詳細な構造
と作製の手順、電極間の電界のかけ方についての実施例
を図６を用いて説明する。図６(a)は断面図、図６(b)は
上から見た平面図、図６(ｃ)は透過電子顕微鏡（ＴＥ
Ｍ）に応用した図である。初めに両面とも十分に平坦な
鏡面の平行平板のガラス基板５を準備する。ガラス基板
５の外周部には穴をあけ、導電製の電流取り出しピン３
１を埋め込む。尚、このような基板は市販されているも
のもある。この上に、透明電極２７を蒸着、スパッタな
どで成膜する。透明電極２７には、酸化スズ(SnO２)ま
たは酸化インジウム(In２O３)または酸化チタン(TiO２)
の単体または複合体を用いることができる。即ち、透明
電極は、可視光領域を透過し導電性の良い材料で有れば
よい。

【００３０】透明電極２７は、本実施例では正方形に作
製しているが、一部分から電流取り出しピン３１まで引
出領域を設けておく。次に透明電極２７の正方形領域上
に、絶縁接着剤２８を用いて蛍光体４を貼り付ける。こ
こで接着面となる側は、接着前に予め鏡面研磨してお
く。貼り合わせ後、蛍光体４を目的の厚さに粗研磨し、
その後鏡面研磨する。通常上記張り合わせを行なったと
き、蛍光体４の周辺には接着剤は滲み出すことになる。
本実施例では、これを電極間の絶縁材として、積極的に
利用することにした。これが図６における絶縁接着剤２
８であり、蛍光体４の粗研磨時に蛍光体と同じ高さまで
一緒に研磨される。さらに透明電極２７の電流取り出し
ピン３１付近の引出領域上に絶縁材２９を塗布し、最後
に全面に電極３０を成膜する。ここで絶縁材２９は上記
の絶縁接着剤２８と同一材料でも構わない。また、電極
３０としては、成膜の容易な、蒸着したアルミニウム薄
膜が適当だと考えられるが、金、銀、白金のいずれかで
もよく、蛍光体との接触抵抗が低く導電性の良い金属膜
を蒸着、またはスパッタなどで成膜しても良い。蛍光体
４内での電子線の広がりを抑えるためには、電極３０を
電気的に接地し、透明電極２７側を高圧側とするのが都
合が良い。そこで電極３０上にアース線３２を接続し、
電流取り出しピン３１に高圧線３３を接続する。アース
線３２は、近傍の例えば電子顕微鏡観察室２１や変換フ
ランジ２２等に接触させ、電気的な接地をとれば良い。
そして高圧線３３は既に真空外部に出ているため、準備
した直流電源１６に直ちに接続できる。この蛍光装置を
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）に応用した図を図６(ｃ)に示
す。真空部と大気圧との境になる電極３０の部分にはゴ
ム性オーリングを挿入して真空漏れを防いでいる。図６
(ｃ)は蛍光装置については詳細を略した概略構成として
いる。

【００３１】（実施例４）以上は、電子顕微鏡を例に取
り、入射粒子線、及び蛍光体内での荷電粒子線が何れも
電子線である場合の実施例であったが、入射粒子線が光
子の場合を説明する。図７には主に医療用に用いられる
Ｘ線撮影の例を示す。通常Ｘ線撮影では、Ｘ線発生装置
３４から発生されるＸ線３６を被検者３５に照射し、透
過したＸ線をフィルムもしくはカメラにて撮影する。本
実施例は撮像装置の例を示している。透過したＸ線はそ
のままでは波長が短すぎるためにカメラ４３で検知する
ことがでぎないため、、初めに蛍光体３８にて可視光近
辺の波長を持った光線４２に変換され、これが光学レン
ズ４１によりカメラ４３の撮像面上に結像される。この
時、Ｘ線は光電効果により一度高速の電子線に変換さ
れ、次にこの電子線が蛍光体を励起して蛍光を発光させ
る。従って、Ｘ線の保持している像情報は、蛍光体の厚
さ方向に高エネルギーを持った電子線に変換されるた
め、事情は図２、３等に示した実施例と同様である。従
って、この場合も、蛍光体３８を挾む様に電極３７及び
透明電極３９を設け、この両者間に直流電源４０を接続
し、透明電極３９側を正電位とすることにより、蛍光体
３８内での高速電子線の広がりを抑えることが可能とな
る。

【００３２】（実施例５）次に、イメ−ジインテンシフ
ァイヤにおける実施例を示す。イメ−ジインテンシファ
イヤの基本構造を図８に示した。イメ−ジインテンシフ
ァイヤでは、入射した光像をフォトカソ−ド５０で電子
線像に変換し、電子線像に直流電源５１を接続して蛍光
体５２で光像に直す。この時、蛍光体５２には高電圧に
加速された電子線像が入射するため、ここでの電子線の
広がりが解像度低下を招く。従って、この蛍光体に図示
のような電極５３と透明電極５４を設け、この両者に直
流電源５５を接続することにより、解像度向上を図るこ
とができる。

【００３３】（実施例６）ここでは、半導体装置の電子
線による検査装置に適用した実施例を示す。図９には、
上記出願装置の構成を示す。電子源２０１から放射され
た電子線は、半導体試料２０７に入射する。これにより
発生した散乱電子線は電磁偏向器２０３で結像系に導か
れ、拡大レンズ２１３、２１４で拡大された後、蛍光板
２１５に入射する。個々で電子線像が光像に変換され、
光ファイバー２１６で導かれ、２次元状に配置した光検
出器又はＣＣＤ２１７で撮影される。この時、散乱電子
線像は高エネルギ−状態にあるため、蛍光板２１５内で
も散乱され、ＣＣＤ２１７での撮影像がボケてしまう。
そこで蛍光板２１５をはさむように電極３００と透明電
極３０１を設け、透明電極３０１側を正電位になるよう
に直流電圧を電極３００と透明電極３０１間に印加する
ことにより、ＣＣＤ２１７での撮影像の解像度を大きく
向上させることができる。

【００３４】蛍光体に電界を印加することにより、２次
元情報を持った各種粒子線、もしくはこれが引き起こす
２次荷電粒子線が入射軸に対して垂直方向に広がらない
ようにすることにした。特に、例えば電子顕微鏡像撮影
の場合、解像度、S/N劣化に大きな影響を及ぼす低エネ
ルギー電子線の散乱、拡散を防ぎ、厚い蛍光体を用いて
高発光量を実現しつつ、高解像度、高S/Nを維持できる
ようにした。

【００３５】つぎに図９の構成について説明する。

【００３６】装置は大別して電子光学系４０１，試料室
４０２，画像検出部４０３，画像処理部４０４および制
御部４０５より構成されている。

【００３７】まず電子光学系４０１について説明する。
加速電源２２３により高圧の負電位が与えられている電
子源２０１から放出した電子ビームは，コンデンサレン
ズ２０２によって収束され矩形絞り２０４を照射する。
ただし，この電子ビームは焦点を結ぶ前に電磁偏向器２
０３によって偏向を受ける。電磁偏向器２０３は入射電
子ビームと試料から反射した電子ビームの光路を分離す
るためのものである。矩形絞り２０４を透過した電子ビ
ームは対物レンズ２０６により半導体試料２０７上に矩
形絞りの像を形成する。矩形絞りの大きさはたとえば40
0μｍ角，対物レンズにより1/4に縮小し半導体試料上で
は100μｍ角にする。この照射領域は，走査偏向器２０
５により半導体試料上の任意の位置に移動、又は走査す
ることが可能である。電子源２０１には先端部が平面で
その領域が10μｍ以上のLaB6熱電子源を用いた。これに
より，広い面積に均一に電子ビームを照射することが可
能となる。

【００３８】半導体試料２０７，試料台２０８には電源
２０９により，電源２２３より小さい負の電位またはわ
ずかに大きい負の電位を印加する。電子源２０１の電位
より小さい電位を印加した場合は，後方散乱電子を用い
て検査する場合であり電子ビームは試料２０７直前で減
速されて試料に衝突し，試料表面の原子により散乱され
る。これらの散乱電子を電磁偏向器２０３で結像系に導
き，これにより作られる像を拡大レンズ２１３，２１４
により拡大することで半導体試料表面のパターンを反映
した顕微鏡像を蛍光板２１５上に得ることができる。

【００３９】試料室４０２には試料台２０８上に半導体
試料２０７が載置され，負の高電圧が印加されている。
このステージにはステージ位置測定器２２７が設置さ
れ，試料台を連続移動しながら像を得るためにステージ
の位置をリアルタイムで正確に計測している。これには
たとえばレーザ干渉計が用いられている。さらにウェハ
の高さを正確に計測するために光学式の試料高さ測定器
２２６も取りつけられている。これはたとえばウェハの
検査領域に光を斜めから入射させ，その反射光の位置の
変化からウェハの高さを計測する装置である。

【００４０】次に画像検出部４０３について説明する。
画像検出には蛍光板２１５とCCD２１７とから成る。蛍
光板２１５では両側に電極３００と透明電極３０１を設
けている。この電極間に高電界を印加し、電子線の散乱
を防ぎ、光ファイバー２１６で光学結合させることによ
り、光学像を光学画像検出素子上に結像させる。あるい
は，光ファイバー２１６の代わりに光学レンズを置き，
そのレンズにより蛍光板２１５の上に形成された半導体
試料表面の画像をCCD２１７上に結像する。そしてCCD２
１７により電気信号化された画像は画像処理部４０４に
送られる。

【００４１】画像処理部４０４は画像記憶部２１８・２
１９，演算部２２０，欠陥判定部２２１より構成されて
いる。取り込まれた画像は，モニタ２２２に表示され
る。検査装置各部の動作命令および動作条件は，制御計
算機２２９から入出力される。制御計算機２２９には予
め電子線発生時の加速電圧・電子線偏向幅・偏向速度・試
料台移動速度・検出器の信号取り込みタイミング等々の
条件が入力されている。また，ステージ位置測定器２２
７，試料高さ測定器２２６の信号から補正信号を生成
し，電子線が常に正しい位置に照射されるよう対物レン
ズ２０６や，走査偏向器２０５に補正信号を送る。ビー
ム制御系２２８は電子線を制御するレンズ制御部２２４
や偏向器に信号を送る偏向器制御部２２５、試料高さ測
定部２２６、ステージ位置測定器２２７へ制御計算機２
２９からの指令を受けて分配制御を行う。２３０は試料
の位置を粗調整するための光学顕微鏡。２１２は試料か
らの二次電子像の拡大像の位置を示す。

【００４２】

【発明の効果】蛍光体に電界を印加することにより、２
次元情報を持った各種粒子線、もしくはこれが引き起こ
す２次元荷電粒子線が入射軸に対して垂直方向に広がら
ないようにすることにした。特に、例えば電子顕微鏡像
撮影の場合、解像度、S/N劣化に大きな影響を及ぼす低
エネルギー電子線の散乱、拡散を防ぎ、厚い蛍光体を用
いて高発光量を実現しつつ、高解像度、高S/Nを維持で
きるようにした。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の蛍光体構造図と電子線広がり分布を示
す図。

【図２】従来の蛍光体構造図と電子線広がり分布を示す
図。

【図３】電子顕微鏡とこれに設置した撮像装置の全体構
成図。

【図４】従来の撮影像と本出願による改善された撮影像
の比較を示す図。

【図５】本発明の蛍光体の電子顕微鏡への取り付けを示
す構造図。

【図６】本発明の蛍光体の詳細な構造図。

【図７】本発明のＸ線撮影での装置構成図。

【図８】本発明のイメ−ジインテンシファイヤにおける
応用例を示す図。

【図９】本発明の半導体評価装置における応用例を示す
図。

【符号の説明】

１：電子顕微鏡、２：電子線源、３：電子線、４：蛍光
体、５：ガラス窓、６：レンズ、７：撮像管、８：電子
レンズ、９：試料、１０：対物レンズ、１１：オプティ
カルファイバプレート、１２：電荷結合素子(CCD)、１
３：軌跡、１４：蛍光、１５：反射膜、１６：直流電
流、１７：透明電極、１８：包絡線、１９：矢印型撮影
対象物、２０：画面、２１：電子顕微鏡観察室、２２：
変換フランジ、２３：真空シール、２４：固定フラン
ジ、２５：スペーサ、２６：キャップ、２７：透明電
極、２８：絶縁接着剤、２９：絶縁剤、３０：電極、３
１：電流取り出しピン、３２：アース線、３３：高圧
線、３４：Ｘ線発生装置、３５：被検者、３６：Ｘ線、
３７：電極、３８：蛍光体、３９：透明電極、４０：直
流電流、４１：光学レンズ、４２：光線、４３：カメ
ラ、５０：フォトカソ−ド、５１：直流電源、５２：蛍
光体、５３：電極、５４：透明電極、５５：直流電源、
２０１：電子源、２０２：コンデンサレンズ、２０３：
電磁偏向器、２０４：矩形絞り、２０５：走査偏向器、
２０６：対物レンズ、２０７：半導体試料、２０８：試
料台、２０９：電源、２１０：結像系偏向器、２１１：
結像レンズ、２１２：拡大像、２１３：拡大レンズ、２
１４：拡大レンズ、２１５：蛍光板、２１６：光ファイ
バー、２１７：ＣＣＤ、２１８：画像記憶部、２１９：
画像記憶部、２２０：演算部、２２１：欠陥判定部、２
２２：モニタ、２２３：加速電源、２２４：レンズ制御
部、２２５：偏向器制御部、２２６：試料高さ測定器、
２２７：ステージ位置測定器、２２８：ビーム制御系、
２２９：制御計算機、２３０：光学顕微鏡、３００：電
極、３０１：透明電極：４０１：電子光学系、４０２：
試料室、４０３：画像検出部、４０４：画像処理部、４
０５：制御部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鮫島賢二東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者牧島達男千葉県茂原市早野3300番地株式会社日立製作所電子デバイス事業部内 (72)発明者兼堀恵一東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者品田博之東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】粒子線を透過する第１の電極と、前記第１
の電極に接して設けられた蛍光体と、前記蛍光体で粒子
線によって光線出射される面に第２電極を設けたことを
特徴する蛍光装置。
【請求項２】前記第１の電極が光に対し反射する反射膜
であることを特徴する請求項１記載の蛍光装置。
【請求項３】前記第２の電極は光を透過する透明電極で
あることを特徴する請求項１記載の蛍光装置。
【請求項４】前記第１の電極と前記第２の電極との間に
前記蛍光体に電界を与えるための電圧を印加する電圧印
加手段を有することを特徴するでん請求項１記載の蛍光
装置。
【請求項５】前記粒子線が荷電粒子線であることを特徴
とする請求項１から請求項４のいずれか記載の蛍光装
置。
【請求項６】前記荷電粒子線が正電荷を持つ場合、前記
第１の電極が前記第２の電極に比べ正電位であることを
特徴する請求項５記載の蛍光装置。
【請求項７】前記荷電粒子線が負電荷を持つ場合、前記
第１の電極が前記第２の電極に比べ負電位であることを
特徴する請求項５記載の蛍光装置。
【請求項８】前記第２の電極が薄膜電極であることを特
徴する請求項１から７のいずれか記載の蛍光装置。
【請求項９】前記透明電極には、酸化スズ(SnO2)または
酸化インジウム(In2O3)または酸化チタン(TiO2)のいず
れか単体もしくは複合体であることを特徴する請求項３
記載の蛍光装置。
【請求項１０】前記反射膜が金属膜であることを特徴す
る請求項２記載の蛍光装置。
【請求項１１】前記金属膜は、アルミニウム(Al)または
銀(Ag)または金(Au)または白金(Pt)のいずれかを用いた
ことを特徴とした請求項１０記載の蛍光装置。
【請求項１２】前記第１の電極が接地されていることを
特徴とした請求項１の蛍光装置
【請求項１３】光像を有する光線を電子線像に変換する
手段と、電子線像に電界を印加する領域と、前記電子線
像が通過する第１の電極と、前記第１の電極に接して設
けられた蛍光体と、前記電子線によって前記蛍光体で光
線を出射する面に第２電極を設けたことを特徴するイメ
−ジインテンシファイヤ。
【請求項１４】前記光線を電子線像に変換する手段と前
記第１の電極に前記電子線像を加速する電界を与えるた
めの電圧印加手段を有することを特徴する請求項１３記
載のイメ−ジインテンシファイヤ。
【請求項１５】前記第１の電極が光に対し反射する反射
膜であることを特徴する請求項１３記載のイメ−ジイン
テンシファイヤ。
【請求項１６】前記第２の電極は光を透過する透明電極
であることを特徴する請求項１３記載のイメ−ジインテ
ンシファイヤ。
【請求項１７】前記第１の電極と前記第２の電極との間
に前記蛍光体に電界を与えるための電圧を印加する電圧
印加手段を有することを特徴するでん請求項１３記載の
イメ−ジインテンシファイヤ。
【請求項１８】電子線像が通過する第１の電極と、前記
第１の電極に接して設けられた蛍光体と、前記電子線が
前記蛍光体で光線を出射する面に第２電極と、前記第２
の電極を透過した光線像を集光する光学体と、集光され
た前記光線像を検出する光検出器とを具備することを特
徴する撮像装置。
【請求項１９】前記光検出器が２次元状に複数個配置さ
れていることを特徴する請求項１８記載の撮像装置。
【請求項２０】前記光検出器がＣＣＤ装置であることを
特徴する請求項１８記載の撮像装置。撮像装置。
【請求項２１】荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの荷
電粒子線を集束して試料に照射する荷電粒子光学系と試
料を保持する試料台と、前記試料台上の試料からの荷電
粒子線が通過する第１の電極と、前記第１の電極に接し
て設けられた蛍光体と、前記電子線によって前記蛍光体
で光線を出射する面に第２電極と、前記第２の電極を透
過した光線像を集光する光学体と、集光された前記光線
像を検出する光検出器とを含むことを特徴とした荷電粒
子線応用装置。
【請求項２２】前記荷電粒子線が電子線であることを特
徴する請求項２１記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項２３】前記第２の電極が真空部と大気圧部とを
区切る光を透過させる部材であることを特徴する請求項
２１記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項２４】電子源と、前記電子源からの電子線を集
束する電子光学系と試料を保持する試料台と、前記試料
台上の試料からの２次荷電粒子線像を検出する撮像装置
とを含む電子線検査装置において、電子線が通過する第
１の電極と、前記第１の電極に接して設けられた蛍光体
と、前記電子線によって前記蛍光体で光線を出射する面
に第２電極と、前記第２の電極を透過した光線像を集光
する光学体と、集光された前記光線像を検出する光検出
器とを含むことを特徴とする電子線検査装置。
【請求項２５】前記電界は、その強度が１０ボルト／マ
イクロメータ以上であることを特徴とした請求項４記載
の蛍光装置。
【請求項２６】前記電界は、その強度が１０ボルト／マ
イクロメータ以上であることを特徴とした請求項１３記
載のイメージインテンシファイヤ。