JP6103678B2 - Electron detection apparatus and electron detection method - Google Patents
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Description
本発明は、サンプルからの電子を増倍して検出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。 The present invention relates to an electron detection device and an electron detection method that detect and multiply electrons from a sample.
従来、走査型顕微鏡では2次電子等を検出するために種々の電子検出器が利用されている。その中で、画像に影が出来ないなどの利点のために、円環状マルチチャンネルプレート(MCP)が利用されている。 Conventionally, various electron detectors are used in a scanning microscope to detect secondary electrons and the like. Among them, an annular multichannel plate (MCP) is used because of the advantage that the image cannot be shaded.
MCPは拡大観察するとハチの巣のような構造を持ち、4から10ミクロン程度の円形開口が多数設けられており、その中に電子を増倍するためのチャンネルが形成されている。チャンネルの表面には高効率電子放出材料がコーティングされている。開口部からチャンネルに入射された電子は、チャンネル内部にて加速電界(加速電圧)で加速され、それぞれのチャンネル表面に衝突しながら大量の2次電子を発生し、それを繰り返すことでネズミ算式に電子数が増倍する。 The MCP has a honeycomb-like structure when magnified, and is provided with a large number of circular openings of about 4 to 10 microns, in which channels for multiplying electrons are formed. The surface of the channel is coated with a high efficiency electron emission material. Electrons entering the channel from the opening are accelerated by an accelerating electric field (acceleration voltage) inside the channel, and generate a large amount of secondary electrons while colliding with the surface of each channel. The number of electrons increases.
1枚のMCPには最大1kV程度の電圧を印加する。この電圧はMCPを構成するガラスが溶けてしまわない程度の電圧に設定されている。この印加電圧により繰り返し2次電子放出を行い、1枚のMCPを用いることで、最大1000倍程度の電子数増倍を行うことが出来る。増倍された電子をさらに別のMCPに通すことでさらに増倍することも出来る。例えば、2枚利用すれば原理的には1000000程度の増倍を行うことが出来る。つまり、サンプルの表面の1個の電子は百万個に増倍することが可能である。MCPによる電子数増倍は2次電子の発生によって行われ、本質的にノイズを発生しないため、極めて電気的SN比の高い信号を得ることが出来る。 A voltage of about 1 kV at the maximum is applied to one MCP. This voltage is set to such a level that the glass constituting the MCP does not melt. Secondary electron emission is repeatedly performed with this applied voltage, and by using one MCP, the number of electrons can be increased up to about 1000 times. Further multiplication can be performed by passing the multiplied electrons through another MCP. For example, if two sheets are used, in principle, multiplication of about 1000000 can be performed. That is, one electron on the surface of the sample can be multiplied to one million. Electron multiplication by MCP is performed by the generation of secondary electrons and essentially no noise is generated, so that a signal with an extremely high electrical SN ratio can be obtained.
また、MCPは1mm以下と非常に薄いため、電子が増倍される過程で移動する距離が短く、GHzを超える周波数応答を持つ。増倍された電子はアノード電極に衝突し、電子数に比例した電流に変換されて出力される。 Further, since the MCP is very thin at 1 mm or less, the distance traveled in the process of multiplying electrons is short, and has a frequency response exceeding GHz. The multiplied electrons collide with the anode electrode, are converted into a current proportional to the number of electrons, and are output.
上述した従来の種々の利点を有するMCPであるが、チャンネル間にはチャンネルを分離するための側壁があるため、開口部に向かってきた電子の一部分は壁に当たり、チャンネル(開口部)には入らない。チャンネルの壁は通常Ni等の低抵抗金属で出来ていて、MCPに電圧を加えるための電極と成っている。そのため、そこに当たった電子は吸収されアースされてしまい、信号が失われる。従って、従来のMCPは原理的に100%の効率で電子を検出することが困難という問題があった。 Although the MCP has various advantages as described above, there are side walls for separating the channels between the channels, so that a part of the electrons coming to the opening hits the wall and enters the channel (opening). Absent. The wall of the channel is usually made of a low resistance metal such as Ni and serves as an electrode for applying a voltage to the MCP. Therefore, the electrons that hit there are absorbed and grounded, and the signal is lost. Therefore, the conventional MCP has a problem that it is difficult to detect electrons with an efficiency of 100% in principle.
また、電子顕微鏡が形成する画像(2次電子画像)は、細く絞った1次電子をサンプル表面に照射しつつ平面走査して放出された2次電子の強度を検出することによって得られる。1次電子ビームを照射することによってサンプル表面で発生した2次電子は、それぞれ試料上の固有の位置における2次電子発生確率情報を有する。これらを100%利用することで、サンプル表面状態を再現することが出来る。発生した2次電子の情報を全部利用するためにはサンプル表面で発生した電子を100%検出する必要がある。しかしながら、実在のMCPの開口率は精々60%程度であるため、おおよそ半分の電子の持つ固有の情報は利用できない状態にある。サンプル表面情報を完全に再現するためには、100%効率で電子が検出出来る場合の2倍以上の1次電子ビームをサンプルに照射して余分に表面から2次電子を発生させる必要である。このことは、1次電子ビーム装置は2倍以上に余分の1次電子ビームを照射する必要が生じ、かつ、サンプル表面状態には2倍以上の電子(1次電子、2次電子など)が蓄積することに成り、チャージアップなどの種々の不具合が生じるという問題があった。 In addition, an image (secondary electron image) formed by the electron microscope is obtained by detecting the intensity of the secondary electrons emitted by performing planar scanning while irradiating the finely focused primary electrons on the sample surface. The secondary electrons generated on the sample surface by irradiating the primary electron beam each have secondary electron generation probability information at a specific position on the sample. By using 100% of these, the sample surface state can be reproduced. In order to use all the information of the generated secondary electrons, it is necessary to detect 100% of the electrons generated on the sample surface. However, since the actual MCP has an aperture ratio of about 60%, the unique information of about half of the electrons is not available. In order to completely reproduce the sample surface information, it is necessary to generate extra secondary electrons from the surface by irradiating the sample with a primary electron beam more than twice that when electrons can be detected with 100% efficiency. This means that the primary electron beam device needs to irradiate more than twice the amount of the primary electron beam, and the sample surface state has more than twice the number of electrons (primary electrons, secondary electrons, etc.). There is a problem that various problems such as charge-up occur due to accumulation.
また、現実の電子顕微鏡にMCPを適用した場合、サンプル表面で生じた2次電子の軌道は1点に集まる性質があるため、MCPの一部分にしか2次電子が照射されない。非常に小さな電流が入力される場合は、開口の損失問題を除けば、入力され得た2次電子数は所望の電子数に増倍することが出来る。しかしながら、入射電流が多くなると、同時刻に複数のチャンネルに入射される2次電子の確率が増大し、あるチャンネルでは増倍が出来ても他のチャンネルでは増倍が不十分(飽和による増倍が不十分など)になるという増倍欠損あるいは数え落とし現象が起こるという問題があった。 Further, when the MCP is applied to an actual electron microscope, the secondary electron trajectory generated on the sample surface has a property of being collected at one point, and therefore, only a part of the MCP is irradiated with the secondary electrons. When a very small current is input, the number of secondary electrons that can be input can be increased to a desired number of electrons, except for the problem of loss of the aperture. However, when the incident current increases, the probability of secondary electrons entering multiple channels at the same time increases, and even if multiplication is possible in one channel, multiplication is insufficient in other channels (multiplication due to saturation). There is a problem that a multiplication deficiency or counting off phenomenon occurs.
この現象により、MCPを構成するチャンネル全体で増倍できる最大の電流量が決まっているためにおこる飽和現象で、大電流を入力してもそれに比例した出力電流が出なくなるという問題があった。 This phenomenon is a saturation phenomenon that occurs because the maximum amount of current that can be multiplied in the entire channels constituting the MCP is determined, and there is a problem that even if a large current is input, an output current proportional to that amount is not generated.
また、一点に電子が集中して入射されるため、MCPの一部分だけが酷使される状態となり、寿命が短くなることも起こるという問題があった。 In addition, since electrons are concentrated and incident on one point, only a part of the MCP is overused, and there is a problem that the lifetime is shortened.
本発明は、上記問題点を解決するため、サンプルからの電子(サンプルから放出、サンプルで反射、サンプルの表面で反転した電子)をほぼ完全に検出すると共に、あるチャネルによる増倍飽和による影響を低減して大きな入力電流まで比例した出力電流の検出を実現することを目的とする。 In order to solve the above problems, the present invention detects electrons from a sample (electrons emitted from the sample, reflected by the sample, and inverted by the surface of the sample) almost completely, and also affects the influence of multiplication saturation caused by a certain channel. The purpose is to realize output current detection that is reduced and proportional to a large input current.
本発明は、そのために、サンプルからの電子を増倍して検出する電子検出装置において、サンプルからの電子を衝突させて2次電子を放出して増倍する第1の電子増倍手段と、第1の電子増倍手段にサンプルからの電子を加速して集束し衝突させる電圧を印加する第1の電圧印加手段と、第1の電子増倍手段より増倍されて放出された2次電子を衝突させて2次電子を放出して増倍する第2の電子増倍手段と、第2の電子増倍手段に第1の電子増倍手段から放出された電子を加速して集束し衝突させる電圧を印加する第2の電圧印加手段と、第2の電子増倍手段により増倍されて放出された2次電子を衝突させて電流を検出するアノードと、アノードに第2の電子増倍手段から放出された電子を加速して衝突させる電圧を印加する第3の電圧印加手段とを備える。 To this end, the present invention provides an electron detection apparatus that multiplies and detects electrons from a sample, and emits secondary electrons to collide with electrons from the sample, thereby multiplying the first electron multiplication means. First voltage applying means for applying a voltage for accelerating, focusing and colliding electrons from the sample to the first electron multiplying means, and secondary electrons emitted after being multiplied by the first electron multiplying means A second electron multiplying means that emits secondary electrons by making them collide with each other, and the electrons emitted from the first electron multiplying means are accelerated and focused on the second electron multiplying means for collision. A second voltage applying means for applying a voltage to be applied; an anode for detecting a current by colliding with secondary electrons emitted after being multiplied by the second electron multiplying means; and a second electron multiplication on the anode. A third voltage for applying a voltage for accelerating and colliding electrons emitted from the means And a pressurizing means.
この際、サンプルからの電子を、サンプルに1次電子を細く絞って照射する磁界型の対物レンズの軸上磁界により、軸上を螺旋させて第1の電圧印加手段により正の電圧の印加された第1の電子増倍手段に向けて走行させ、第1の電子増倍手段に衝突させて2次電子を放出させて増倍するようにしている。 At this time, a positive voltage is applied by the first voltage applying means by spiraling the axis by the axial magnetic field of the magnetic field type objective lens that irradiates the sample with the primary electrons finely focused on the sample. It is made to travel toward the first electron multiplying means, and it is made to collide with the first electron multiplying means to emit secondary electrons for multiplication.
また、第1の電子増倍手段は、電子が衝突したときに1以上の2次電子を放出する物質を形成あるいは塗布するようにしている。 Further, the first electron multiplying means forms or coats a substance that emits one or more secondary electrons when the electrons collide.
また、第1の電子増倍手段は、サンプルからの加速された電子の進行方向に向かって、凹型あるいは凸型に形成して凹型の内面あるいは凸型の外面に電子を衝突させて増倍するようにしている。 The first electron multiplying means is formed in a concave shape or a convex shape in the direction of travel of accelerated electrons from the sample, and multiplies the electrons by colliding with the concave inner surface or the convex outer surface. I am doing so.
また、第1の電子増倍手段、第2の電子増倍手段、およびアノードは、中心部分に、サンプルに細く絞って照射する1次電子が通過する孔を設けるようにしている。 In addition, the first electron multiplying means, the second electron multiplying means, and the anode are provided with a hole through which a primary electron that is squeezed and irradiated on the sample finely passes in the center portion.
また、第2の電子増倍手段は、微小な多数の孔を設け、孔内に入射した電子が孔の内壁に衝突することを繰り返して増倍した後、アノードに向けて走行するようにしている。 Further, the second electron multiplying means is provided with a large number of minute holes, and after multiplying the electrons incident on the holes repeatedly hitting the inner wall of the hole, the second electron multiplying means travels toward the anode. Yes.
また、第1の電子増倍手段および第2の電子増倍手段は、電子の入射部分から出射部分にいたる間に電界を徐々に高くし、放出された2次電子が繰り返し衝突するように形成するようにしている。 The first electron multiplying means and the second electron multiplying means are formed so that the electric field is gradually increased from the electron incident portion to the light emission portion so that the emitted secondary electrons repeatedly collide. Like to do.
本発明は、サンプルからの電子をほぼ完全に検出すると共に、あるチャネルによる増倍飽和による影響を低減して大きな入力電流まで比例した出力電流の検出することができる。 The present invention can detect electrons from a sample almost completely, and can detect an output current proportional to a large input current by reducing the influence of multiplication saturation caused by a certain channel.
本発明は、サンプルからの電子をほぼ完全に検出すると共に、あるチャネルによる増倍飽和による影響を低減して大きな入力電流まで比例した出力電流の検出することを実現した。 The present invention realizes detection of an output current proportional to a large input current by detecting the electrons from the sample almost completely and reducing the influence of multiplication saturation caused by a certain channel.
図1は、本発明の1実施例構造図を示す。 FIG. 1 shows a structural diagram of one embodiment of the present invention.
図1の(a)は構造図を示し、図1の(b)は第1の電子増倍装置2、第2の電子増倍装置3を構成する開口部4の入射部分、出射部分、アノード5、およびリペラー電極7に印加する電圧V1、V2、V3、V4、V5をそれぞれ示す。
1A is a structural diagram, and FIG. 1B is an incident part, an emission part, and an anode of an opening 4 constituting the
ここで、図1の(a)は、センター部分(光軸上)に孔を設けて当該孔に円筒状のリペラー電極7を配置し、図示外の磁界型の対物レンズで、1次電子ビームを右から左方向に通過させて細く絞って左側の図示外のサンプル1(図2を参照)に照射しつつ平面走査し、そのときに放出された2次電子を左から右方向に加速しつつ走行させ(磁界型対物レンズの磁界により軸上を螺旋させながら加速しつつ走行させ)、当該リペラー電極7に適切な電圧を印加して周辺に設けた第1の電子増倍装置2に照射(衝突)させて2次電子を増倍するように構成した構造例を示す。
Here, FIG. 1A shows a case where a hole is provided in the center portion (on the optical axis), a cylindrical repeller electrode 7 is disposed in the hole, and a primary electron beam is formed by a magnetic field type objective lens not shown. Is scanned from the right to the left , narrowed down, and scanned on the left while irradiating the sample 1 (see FIG. 2) on the left, and the secondary electrons emitted at that time are accelerated from the left to the right. The
更に、詳細に説明すれば、走査型顕微鏡では、1次電子ビームをサンプル1に対して垂直に照射し、かつ、サンプル1で生じた電子(2次電子、反射電子、反転電子)を高効率回収するために、中心部(軸上)に穴の開いた検出器を利用することが行われる。1次電子ビームは図1の中心の穴を通過して左から右方向に走行して図示外のサンプル1(図2参照)に照射する。サンプル1の表面にて発生した電子(2次電子、反射電子、反転電子)は何もしないとこの穴の部分に集まり、当該穴を通過してしまい、電子検出装置(図1の第1の電子増倍装置2)に導かれないので、中心部にはリペラー電極7を設けて適切な正あるいは負の電圧を加え、サンプル1の表面で生じた電子が穴を抜けて行ってしまわないように追い返えしたり引きつけたりし、当該穴の周辺にリング状に配置した第1の電子増倍装置2に衝突させて2次電子を増倍するように構成する。
More specifically, in the scanning microscope, the primary electron beam is irradiated perpendicularly to the
図1の(a)において、サンプル1からの2次電子は、図示外のサンプル1(図2参照)からの電子(放出、反射、反転した電子)の例であって、第1の電子増倍装置2に印加された電圧(正の電圧V1、図1の(b)参照)により加速されたものである。
In FIG. 1A, secondary electrons from the
第1の電子増倍装置2は、サンプル1からの電子を加速して衝突させる正の電圧V1を印加するものであって、電子が衝突されると1以上の2次電子を放出して増倍するためのものである。
The
ここで、第1の電子増倍装置2は、リペラー電極7と接触すると同じ電位となり、第1の電子増倍装置2に電子が届かなくなり、効果を発揮しなくなるので、それを防止するために、リペラー電極7に電気的に接触しないように、電気絶縁して周辺に配置する。当該第1の電子増倍装置2の電極は電子の軌道を解析してもっとも電子が集まる場所に配置することが望ましい。例えばリング状に配置することが望ましい。
Here, when the
第2の電子増倍装置3は、第1の電子増倍装置2により増倍された2次電子を、更に増倍するものであって、入力部と出力部との間に図1の(b)に記載した電圧V2と電圧V3を印加して2次電子を繰り返し衝突、放出させて増倍した後、右側からアノード5に向けて放出されるものである。第2の電子増倍装置3は、いわゆるマルチチャネルプレート(MCP)といわれる,多数の微細な穴(チャネル)から構成される2次電子増倍装置である。
The second
開口部4は、第2の電子増倍装置3に設けた開口部(チャネル)であって、当該開口部4の内部に入射した2次電子が増倍され、当該開口部4と隣接する開口部4との間の部分に衝突した2次電子は吸収されてしまい、増倍対象とはならないものである。通常、開口部4の全体の対する割合は、60%位である。
The opening 4 is an opening (channel) provided in the
アノード5は、第2の電子増倍装置3によって増倍された2次電子を衝突させ、電流として検出するものであって、図1の(b)の電圧V4を印加するものであり、当該アノード5で検出された電流に相当する電圧を外部に出力(出力信号)として送出するものである。
The anode 5 collides the secondary electrons multiplied by the
センターホール6は、軸上の穴であって、ここでは、リペラー電極7を配置する部分である。 The center hole 6 is a hole on the shaft, and is a portion where the repeller electrode 7 is disposed here.
リペラー電極7は、サンプル1からの電子(2次電子、反射電子、反転電子)が右側にそのまま通過することなく、第1の電子増倍装置2に衝突するように適正な電圧V5(正あるいは負の電圧)を印加するものである。
The repeller electrode 7 has an appropriate voltage V5 (positive or negative) so that the electrons (secondary electrons, reflected electrons, and inverted electrons) from the
尚、アノードは必要に応じて電気的あるいは機械的に分割しても良い。また、第1の電子増倍装置2、第2の電子増倍装置3も、電気的あるいは機械的に分割しても構わないし、互いに独立動作する複数の電子増倍装置の集合体であっても構わない。
The anode may be divided electrically or mechanically as necessary. The
図1について、更に詳細に説明すると、
(1)サンプル1の表面に1次電子ビームが照射されるとサンプル1の表面に2次電子等が生成する。この2次電子等が走査型顕微鏡における画像形成情報の全てを含んでいる。サンプル1の表面で生成した2次電子は電界によって第1の電子増倍装置2に引きつけられる。第1の電子増倍装置2が有効に働くためには、数10eV以上のエネルギーを電子が有していることが必要である。そのため、入射する電子のエネルギーを適切な値にするために数10V以上の電圧V1を当該第1の電子増倍装置2に印加し、当該電圧V1により引きつけられた電子は当該第1の電子増倍装置2に衝突して約2倍以上に増倍する。
Referring to FIG. 1 in more detail,
(1) When the surface of the
(2)第1の電子増倍装置2としては、良く知られているようにBaO、MgF等の高2次電子放出材料の薄膜を利用する。2次電子が出てきやすいように、数から数10nm程度の薄膜が望ましく、その後ろには導電体の薄膜があり、電子を供給できることが望ましい。これらの材料にある閾値以上のエネルギーを有した電子を照射すると、入射電子数の2倍から5倍量の2次電子が生じ、もとの電子数は2倍から5倍に増倍される。例えば100eV程度のエネルギーを有するように電位勾配を作り、薄膜に電子を衝突させることが望ましい。
(2) As the
(3)電子が生成する速度はピコ秒よりも小さく、時間軸に対して正確に電子数だけが増倍された状態が実現される。それぞれの電子は元の電子のコピーなので、同じ位置の情報を持っている。 (3) The speed at which electrons are generated is smaller than picoseconds, and a state in which only the number of electrons is accurately multiplied with respect to the time axis is realized. Since each electron is a copy of the original electron, it has the information at the same position.
(4)電子の個数が2倍以上に増倍された後に、第2の電子増倍装置3を構成する開口部4を通過する。開口率は100%以下なので、増倍された電子の一部分が通過する。確率的にはサンプル1の表面で生じた2次電子の数は第1の電子増倍装置2により2倍以上になっているため、開口部4を通過後も、100%サンプル表面で生じた電子の情報を保持していると考えられる。開口部4を通過した電子は第2の電子数増倍装置3によって1000倍から1000000倍に増倍される。増倍された電子は最終的にアノード5に衝突し、運動エネルギーを失って電流を生じる。生じた電流を図示外の電流電圧変換回路等の電気回路、あるいはパルス検出回路にて検出することでサンプル1の表面で生じた2次電子の量あるいは電子数を検出することができる。
(4) After the number of electrons has been multiplied by two or more, it passes through the opening 4 constituting the
(5)尚、第1の電子増倍装置2は、上述したBaO,MgFに加えて更に、5Cu−BeO,Cu−BeO6,2Ag−MgO−CS9,2Cs−Sb,10GaP−Cs20〜40等の 高2次電子放出材料を表面にコーティングした部材(金属、セラミック、プラスチック等)によって出来ており、必要によって電圧を加えられるように電圧印加手段に接続されている。増倍された電子は第2の電子増倍装置3を構成する開口部4を通過する。開口部4の縁部分に当たって一部分の電子は通過することが出来ないが、第1の電子増倍装置2によって、開口の縁に当たって損失する以上に電子数が増加されているので、当該開口部4の通過後も、サンプル1の表面で生じた電子の情報を受け継ぐ電子を100%第2の電子増倍装置3に入力することが可能となり、サンプル1の表面で発生した電子の持つ情報を欠損すること無く、検出することが出来るようになる。アノード5で電流検出に必要なコンデンサーや抵抗あるいはアンプ類は真空中に置くことによって、外部からのノイズの影響を受けることなく電流を検出できるように成る。
(5) In addition to the BaO and MgF described above, the
図1の(b)は、図1の(a)の第1の電子増倍装置2、第2の電子増倍装置3を構成する開口部4の入射部分、出射部分、アノード5、およびリペラー電極7に印加する電圧V1、V2、V3、V4、V5の例をそれぞれ模式的に示す。
FIG. 1B shows an incident part, an emission part, an anode 5 and a repeller of the opening 4 constituting the
図2は、本発明の他の実施例構造図を示す。図1の(a)の第1の電子増倍装置2が2次電子の進行方向に対して凸型(先狭まり)のリング状の内面に当該2次電子を衝突させて増倍する構造に対して、当該図2は凹型(先広がり)のリング状の外面に当該2次電子を衝突させて増倍する他の実施例構造例を示す。ここで、サンプル1、第2の電子増倍装置3、開口部4、アノード5、リペラー電極7は、図1の対応するものと同じであるので、説明を省略する。
FIG. 2 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention. The
図2において、第1の電子増倍装置2は、凹型(先広がり)のリング状の構造を有し、リング状の外面に、サンプル1からの電子を照射して増倍するものであって、センターホール6の外周に生じるいわゆる不感領域に配置したものである。
In FIG. 2, the
この配置理由は、図2に示すように、第2の電子増倍装置3(例えばマルチチャンネルプレート)の穴と筒状のリペラー電極7との間には溝が存在し、不感領域がある。また、サンプル1の表面で生じた電子は磁界型の対物レンズの磁界により螺旋しながら円環状に集められてくるので、仮にその円環状の電子が不感領域に入射されてしまうと全く電子は増倍されず検出もされなくなる。それを防ぐために、図2に示したようにセンターホールの周辺部の当該溝を覆うように、第1の電子増倍装置2を設ける。センターホール型の場合は、円環状であることが望ましい。センターホールが無い場合は、点対象図形あるいは円形であることが望ましい。また、第1の電子増倍装置2によって増倍された電子がまんべんなく第2の電子増倍装置3の開口部4に分散して入射するように、開口部4の周辺に図3に示すバイアス電極41を設ける。通常、第2の電子増倍装置3であるMCPの表面には、ガラスチャンネルへ電圧を加えるための電極が蒸着等によって設けられている。本他の実施例では、さらにその上に絶縁膜を設けて、チャンネルに電圧を加えるための電極からは絶縁し、その上に電極(図3のバイアス電極41)を設ける。センターホールに設けたリペラー電極7に加える電圧V5とは異なった電圧V6(図3参照)が加えられるように、独立した電圧供給手段を有することが望ましい。同じ電圧を加えると、両側から絞られる形の電界と成るため、入射される2次電子の分布が狭い領域に押し込められる。逆にこのような電界を利用した場合には、電界を強弱に可変することで、電子が集中する位置を移動させ、第2の電子増倍装置3(例えばMCP)の寿命を延ばすことも出来る。
The reason for this arrangement is that, as shown in FIG. 2, a groove exists between the hole of the second electron multiplier 3 (for example, multi-channel plate) and the cylindrical repeller electrode 7, and there is a dead area. Further, the electrons generated on the surface of the
円環状に収束されてきた電子はこの第1の電子増倍装置2によって2倍以上に増倍される。その後に、第2の電子増倍装置3を構成する開口部4に目がけて、電子は分散照射される。2倍以上の個数にサンプル1の表面で生じた電子は増倍されているため、開口部4の開口率が60%の場合、確率的にサンプル1の表面で生じた電子の情報を欠損すること無く、第2の電子増倍装置3に伝えられる。
The electrons that have converged in an annular shape are multiplied by two or more times by the
図3は、本発明の要部構造図(図2)を示す。 FIG. 3 shows a structural diagram (FIG. 2) of the main part of the present invention.
図3の(a)は側面図を示し、図3の(b)は上面図を示す。ここで、第1の電子増倍装置2、第2の電子増倍装置3、リペラー電極7は、図2の対応するものと同一である。
3A shows a side view, and FIG. 3B shows a top view. Here, the
図3の(a)および(b)において、バイアス電極41は、上述したように、第1の電子増倍装置2によって増倍された電子がまんべんなく第2の電子増倍装置3の開口部4に分散して入射するように、開口部4の周辺に設けたバイアス電圧V6を印加するバイアス電極であって、通常、第2の電子増倍装置3であるマルチチャンネルプレートの表面にはガラスチャンネルへ電圧を加えるための電極が蒸着等によって設けられているので、さらにその上に絶縁膜を設けて、チャンネルに電圧を加えるための電極からは絶縁し、その上に電極(バイアス電極41)を設けたものである。当該バイアス電極41には、センターホールに設けたリペラー電極7に加える電圧V5とは異なった電圧V6(図3参照)が加えられるように、独立した電圧供給手段を有している。ここで、同じ電圧を加えると、両側から絞られる形の電界と成るため、入射される2次電子の分布が狭い領域に押し込められる。逆にこのような電界を利用した場合には、電界を強弱に可変することで、電子が集中する位置を移動させ、第2の電子増倍装置3(例えばMCP)の寿命を延ばすことも出来る。
3A and 3B, as described above, the bias electrode 41 is configured such that the electrons multiplied by the
図4は、本発明の他の実施例構造図を示す。図4は、第1の電子増倍装置2としてメッシュ状の電極を利用した他の実施例を示す。開口率は90%以上と出来るだけ大きくする。表面に高2次電子放出材料をコーティングした、メッシュ電極を第2の電子増倍装置3の開口部4の手前に配置する。メッシュ状の電極の開口の側面あるいは表面に衝突して増倍した電子が第2の電子増倍装置3を構成する開口部4に上手く導かれることが重要である。メッシュ状の電極(第1の電子増倍装置2)に当たって生じた電子が全て第2の電子増倍装置を構成する開口部4に導かれるように、メッシュ状の電極にバイアス電圧を掛けて必要な電位勾配を得ることが望ましい。また、メッシュ状の電極から飛び出た電子が最も集まる場所に第2の電子増倍装置3の開口部4を配置することが望ましい。
FIG. 4 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 4 shows another embodiment using a mesh electrode as the
ここで、図4のようにセンターホールを有する場合には、軸上に配置したリペラー電極7には適切な電圧を印加し、発生した2次電子が通過しないようにしてある。電位勾配あるいは磁界型の対物レンズの磁界によって、サンプル1からの2次電子はメッシュ状の電極の表面あるいは側面に衝突し、衝突した場合には電子数が増倍される。通過した場合は増倍されない。
Here, when the center hole is provided as shown in FIG. 4, an appropriate voltage is applied to the repeller electrode 7 arranged on the shaft so that the generated secondary electrons do not pass. Due to the potential gradient or the magnetic field of the magnetic field type objective lens, the secondary electrons from the
図5は、本発明の他の実施例構造図を示す。図5は第2の電子増倍装置3の未開口部に高効率電子放出材料をコーティングして第1の電子増倍装置2を構成した例を示す。この例では、サンプル1の表面で発生した電子は電界により第2の電子増倍装置3へ集まってくる。集まってきた電子の一部分は第2の電子増倍装置3の開口部4に入射して、増倍される。
FIG. 5 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 5 shows an example in which the
一方、第2の電子増倍装置3の未開口部には高効率電子放出材料をコーティングしてあるため、そこに衝突した電子は、2個以上の電子に増倍される。増倍された電子は散らばるため、開口部4に入射するものも現れる。それにより、サンプル1の表面で発生した電子の情報は第2の電子増倍装置3に伝えられて、増倍される。このように増倍された電子は最終的にアノード5に衝突し電流に変換されたのち電気回路にて検出する。
On the other hand, since the non-opening portion of the
ここで、第1の電子増倍装置2、第2の電子増倍装置3はそれぞれ独立して電圧を印加できるようにしてあることが望ましい。
Here, it is desirable that the first
尚、第2の電子増倍装置3の中央にセンターホールがある場合には、当該センターホールはサンプル1を照射するための1次電子ビームが通過する場所であり、センターホールの周辺部にはリペラー電極7があり、サンプル1の表面で生成した電子が穴を抜けて行かないように電界(電圧)を加える。サンプル1の表面で生じた電子は、第2の電子増倍装置3の表面に引き寄せられる。ある電子は開口部4に入射され、第2の電子増倍装置3で増倍される。一方、第1の電子増倍装置2が構成されている表面に衝突した電子は表面に設けられた高効率電子放出材料によって複数の電子に増倍される。増倍された電子は、開口部4に突入し第2の電子増倍装置3にて増倍される。増倍された電子はアノード5に衝突し、電流に変換され電気回路により検出される。
When there is a center hole in the center of the
図6は、本発明の他の実施例構造図を示す。図6の例では、2次電子増倍作用のある膜を両面に設け傾斜した薄板状の部材を多数並べていることに特徴がある。衝突した電子は部材の表あるいは裏に衝突して多くの電子を発生する。この部材は電子が発生しやすい適切な角度に傾斜しており、衝突によって発生した電子が効率よく第2の電子増倍装置3の開口部4に入射して増倍され、検出されるようにしてある。
FIG. 6 is a structural diagram of another embodiment of the present invention. The example of FIG. 6 is characterized in that a large number of inclined thin plate members are arranged by providing films having a secondary electron multiplication effect on both surfaces. The colliding electrons collide with the front or back of the member and generate many electrons. This member is inclined at an appropriate angle at which electrons are likely to be generated, and the electrons generated by the collision are efficiently incident on the opening 4 of the
この部材は、厚みが薄いので、複数枚重ねることも可能であり。それぞれの部材を電気的に独立させることによって、それぞれに適切な電圧(バイアス電圧)を加えることが可能となっている。それぞれに適切な電圧を加えることで最終的に効率よく第2の電子増倍装置3の開口部4に導くことが出来る。
Since this member is thin, it is possible to stack a plurality of members. By making each member electrically independent, an appropriate voltage (bias voltage) can be applied to each member. By applying an appropriate voltage to each, it is finally possible to efficiently lead to the opening 4 of the
図7は、本発明の要部構造図を示す。図7は複数の第2の電子増倍装置2である例えばマルチチャンネルプレート(MCP)をアライメントする方法を示す。
FIG. 7 shows a structural diagram of the main part of the present invention. FIG. 7 shows a method of aligning a plurality of
図7において、MCPには数ミクロンから数十ミクロンの大きさのチャンネルと呼ばれる穴が、開いている。これらの穴は、非常に規則正しく並んでいる。光ファイバーを用いて製造されるので、ロットが同じ場合、複数のMCPには相対的には全く同じ位置に穴があいている。MCPを重ねて使用することで、より高い増倍率を得ることが出来るが、それぞれのMCPのチャンネル穴の位置がずれていると図7の(c)に示すように、第1のMCPで増倍された信号の一部分しか利用できなくなり、信号の欠損が生じる。本実施例では、図7の(b)に示すように、重ねる複数のMCPの穴を正しくアライメントすることで、信号欠損を防止できる。 In FIG. 7, the MCP has holes called channels having a size of several microns to several tens of microns. These holes are very regularly arranged. Since it is manufactured using an optical fiber, when a lot is the same, a plurality of MCPs have holes at exactly the same positions. A higher multiplication factor can be obtained by using multiple MCPs. However, if the positions of the channel holes of each MCP are shifted, the first MCP increases as shown in FIG. Only a part of the doubled signal can be used, resulting in signal loss. In this embodiment, as shown in FIG. 7B, signal loss can be prevented by correctly aligning the holes of a plurality of overlapping MCPs.
それぞれのMCPには、精密なアライメントが出来るように、アライメント用のマークを設ける。例えば、MCPの側面に複数の切り欠きを精密に設けてアライメントマークとする、あるいは、MCPのチャンネル部分には光が通るので、その一部分にアライメントマークを設けて、複数のMCPの相対位置を正確に合わせることが可能である。顕微鏡等で合わせこんだ後に仮止めすれば、位置合わせを維持出来る。 Each MCP is provided with an alignment mark so that precise alignment is possible. For example, a plurality of notches are precisely provided on the side surface of the MCP to form an alignment mark, or light passes through the channel portion of the MCP. Therefore, an alignment mark is provided in a part of the MCP to accurately determine the relative position of the plurality of MCPs. It is possible to match. The alignment can be maintained if temporarily fixed after alignment with a microscope or the like.
尚、複数のMCPのアライメントを正確に合わせると、第1のMCPにて増倍された電子は、ほぼ100%第2のMCPの開口部4に入射されるため、信号欠損が起こらない。 If the alignment of the plurality of MCPs is accurately adjusted, the electrons multiplied by the first MCP are almost 100% incident on the opening 4 of the second MCP, so that no signal loss occurs.
また、第1のMCPのチャンネル穴の大きさを、第2のMCPの穴の大きさと変えることも出来る。例えば、第2のMCPの穴を大きくすれば、第1のMCPで増倍された電子群が上手く全て第2のMCPのチャンネル(開口部4)に入力できる。逆に、非常に小さなチャンネルとして、確率的に全ての電子が第2のMCPに入力出来るようにすることも出来る。 Further, the size of the channel hole of the first MCP can be changed from the size of the hole of the second MCP. For example, if the hole of the second MCP is enlarged, all the electron groups multiplied by the first MCP can be successfully input to the channel (opening 4) of the second MCP. Conversely, as a very small channel, all electrons can be stochastically input to the second MCP.
また、MCPには最大出力電流がある。その電流はMCPの電気抵抗値で決定される。小さな抵抗値を持つMCPの方がより大きな出力電流を取り出すことが出来る。しかしながら、MCP全体の電気抵抗値を下げると、発熱が大きく成り、MCPが溶けてしまうという不具合があり、やみくもに抵抗値を下げることは出来ない。第1のMCPの電気抵抗と第2のMCPの電気抵抗は独立に変えられるので、例えば、電子が最初に入射されるMCPの抵抗値は高くし、そこには高い電圧を印加する。これにより、初段にて1000倍以上の高い増倍率が得られる。一方、第2のMCPの電気抵抗値は低くする。印加する電圧も下げる。これにより、数10から数百倍程度の増倍を行う。このようにすると、MCPのガラスを溶かすことなく、出力可能な最大電流量を増加することが出来るようになる。 The MCP has a maximum output current. The current is determined by the electric resistance value of the MCP. The MCP having a small resistance value can extract a larger output current. However, when the electrical resistance value of the entire MCP is lowered, there is a problem that heat generation increases and the MCP is melted, so that the resistance value cannot be lowered suddenly. Since the electrical resistance of the first MCP and the electrical resistance of the second MCP can be changed independently, for example, the resistance value of the MCP on which electrons are first incident is increased, and a high voltage is applied thereto. Thereby, a high multiplication factor of 1000 times or more can be obtained in the first stage. On the other hand, the electrical resistance value of the second MCP is lowered. Also lower the applied voltage. As a result, multiplication from several tens to several hundreds is performed. In this way, the maximum amount of current that can be output can be increased without melting the MCP glass.
図8は、本発明の他の実施例構造図(傘の内側で増倍する例)を示す。図8は、図1に対応するものであって、第1の電子増倍装置2の傘の内側の部分に沿って図示の点線で示すように電界を発生させ(入口の部分と、出口の部分とで図示の点線で示すように電界を発生させ)、電子が衝突して放出することを繰り返させて増倍する構造としたものである。電界の発生は、サンプル1と第1の電子増倍装置2の入口との間に電圧V11、当該入口と出口との間に電圧V12、出口と第2の電子増倍装置3との間に電圧V13を印加し、図示の点線で示す電界を発生させる。
FIG. 8 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention (an example of multiplication inside an umbrella). FIG. 8 corresponds to FIG. 1 and generates an electric field as shown by the dotted line in the figure along the inner part of the umbrella of the first electron multiplier 2 (inlet part and outlet part). As shown by the dotted line in the figure, an electric field is generated at the portion), and electrons are collided and emitted, and the multiplication is repeated. The electric field is generated between the
以上によって、第1の電子増倍装置2で数倍から数百倍程度の電子の増倍を行うことが可能となる。
As described above, the
図9は、本発明の他の実施例構造図(傘の外側で増倍する例)を示す。図9は、図2に対応するものであって、第1の電子増倍装置2の傘の外側の部分に沿って図示の点線で示すように電界を発生させ(入口の部分と、出口の部分とで図示の点線で示すように電界を発生させ)、電子が衝突して放出することを繰り返させて増倍する構造としたものである。電界の発生は、サンプル1と第1の電子増倍装置2の入口との間に電圧V11、当該入口と出口との間に電圧V12、出口と第2の電子増倍装置3との間に電圧V13を印加し、図示の点線で示す電界を発生させる。
FIG. 9 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention (an example of multiplication outside the umbrella). FIG. 9 corresponds to FIG. 2 and generates an electric field as indicated by the dotted line in the figure along the outer part of the umbrella of the first electron multiplier 2 (inlet part and outlet part). As shown by the dotted line in the figure, an electric field is generated at the portion), and electrons are collided and emitted, and the multiplication is repeated. The electric field is generated between the
以上によって、第1の電子増倍装置2で数倍から数百倍程度の電子の増倍を行うことが可能となる。
As described above, the
図10は、本発明の他の実施例構造図(2つの傘で増倍する例)を示す。図10は、図8と図9との2つを組み合わせたものであって、内側に配置した第1の電子増倍装置2の傘の外側の部分、更に、外側に配置した第1の電子増倍装置2の傘の内側の部分、に沿って図示の点線で示すように電界を発生させ(入口の部分と、出口の部分とで図示の点線で示すように電界を発生させ)、電子が衝突して放出することを繰り返させて増倍する構造としたものである。電界の発生は、サンプル1と第1の電子増倍装置2の入口との間に電圧V11、当該入口と出口との間に電圧V12、出口と第2の電子増倍装置3との間に電圧V13を印加し、図示の点線で示す電界を発生させる。
FIG. 10 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention (an example of multiplication with two umbrellas). FIG. 10 is a combination of the two of FIG. 8 and FIG. 9. The
以上によって、内側と外側とに設けたそれぞれの第1の電子増倍装置2で数倍から数百倍程度の電子の放出角度の広がりのある場合の増倍を行うことが可能となる。
As described above, it is possible to perform multiplication when the
図11は、本発明の応用例を示す。図11は、図1から図10の第1の電子増倍装置2および第2の電子増倍装置3を有する電子検出装置を利用した応用例を示し、ここでは、走査型電子顕微鏡を測長装置として用いた場合の応用例を示す。
FIG. 11 shows an application example of the present invention. FIG. 11 shows an application example using the electron detection device having the first
図11の(a)は全体構造図を示し、図11の(b)はマスク26の上を1次電子ビームで走査する様子を示し、図11の(c)は図11の(b)の更に詳細な様子を示す。
FIG. 11A shows the entire structure, FIG. 11B shows a state where the
図11の(a)において、電子銃21は、1次電子ビームを発生するものである。 In FIG. 11A, the electron gun 21 generates a primary electron beam.
対物レンズ22は、磁界型の対物レンズであって、1次電子ビームを細く絞ってサンプル1であるマスク26に照射するものである。
The objective lens 22 is a magnetic field type objective lens and irradiates the
試料室23は、XYステージ25、マスク26などを収納する真空の容器である。
The sample chamber 23 is a vacuum container that houses the
精密位置測定装置24は、XYステージ25の位置を精密に測定するものであって、例えばレーザ干渉計である。
The precision position measuring device 24 measures the position of the
XYステージ25は、マスク26を搭載して、X方向およびY方向に移動させるものである。
The
マスク26は、サンプルの例であって、2次電子画像を取得して測長などする対象のサンプルである。
The
2次電子検出装置27は、1次電子ビームをマスク26の照射しつつ平面走査し、そのときに放出された2次電子、反射された反射電子などを検出する検出器であって、図1から図10で既述した第1の電子増倍装置2および第2の電子増倍装置3などから構成されるものである。
The secondary electron detector 27 is a detector that performs planar scanning while irradiating the
図11の(b)は、図11の(a)のマスク26上を1次電子ビームが平面走査する様子を模式的に示す。ここでは、XYステージ25で横方向に走査し、図示外のビーム走査装置で縦方向に走査する様子を模式的に示す。横方向のXYステージによる走査は、端に辿りつくとステップ状にXYステージ25で縦方向に移動させた後、横方向(逆方向)にXYステージ25で走査することを繰り返す。
FIG. 11B schematically shows a state in which the primary electron beam is planarly scanned on the
図11の(c)は、図11の(b)で横方向にXYステージ25で走査するときに前回の走査と若干オーバラップするように走査する。
In FIG. 11C, scanning is performed so as to slightly overlap the previous scanning when the
以上のXYステージ25に搭載したマスク26を細く絞った1次電子ビームで照射しつつ走査するときに当該マスク26から放出された2次電子を、図1から図10で既述した第1の電子増倍装置2および第2の電子増倍装置3などによる電子検出装置で高感度(従来の2次電子増倍装置3であるMCPに比して2倍程度以上の高感度)に検出して拡大画像(2次電子画像)を高速に取得し、その画像中のパターンの測長などを行うことにより、従来に比して短時間に測長することが可能となる。
The secondary electrons emitted from the
1:サンプル
2:第1の電子増倍装置
3:第2の電子増倍装置
4:開口部
41:バイアス電極
5:アノード
6:センターホール
7:リペラー電極
1: Sample 2: First electron multiplier 3: Second electron multiplier 4: Opening 41: Bias electrode 5: Anode 6: Center hole 7: Repeller electrode
Claims (8)
前記サンプルからの電子を衝突させて2次電子を放出して第1の増倍を行う、当該サンプルに1次電子を細く絞って照射する磁界型の対物レンズの軸上磁界により軸上を螺旋させて走行させた後に衝突させる正の電圧の印加された、該対物レンズの軸上磁界に対して前記サンプルと反対側に配置した第1の電子増倍手段と、
前記第1の電子増倍手段に、前記サンプルからの電子を、当該サンプルに1次電子を細く絞って照射する磁界型の対物レンズの軸上磁界により軸上を螺旋されて正の電圧を印加して前記第1の電子増倍手段に向けて走行させ、当該第1の電子増倍手段に衝突させて2次電子を放出させて第1の増倍を行うための第1の電圧印加手段と、
前記第1の電子増倍手段により第1の増倍を行って放出された2次電子を衝突させて2次電子を放出して第2の増倍を行う第2の電子増倍手段と、
前記第2の電子増倍手段に、前記第1の電子増倍手段から放出された電子を加速して衝突させる電圧を印加する第2の電圧印加手段と、
前記第2の電子増倍手段により第2の増倍を行って放出された2次電子を衝突させて電流を検出するアノードと、
前記アノードに、前記第2の電子増倍手段から放出された電子を加速して衝突させる電圧を印加する第3の電圧印加手段とを設け、
前記第1の電子増倍手段および前記第2の電子増倍手段は、光軸に対して軸対称に構成し、かつ当該光軸に対応する部分に1次電子が通過する空間あるいは穴を有し、
かつ前記第1の電子増倍手段は、リング形状の板であって、前記サンプルからの電子を加速して当該リング形状の板の表面に衝突させて新たな2次電子を放出させて前記第1の増倍を行う反射型構造を有することを特徴とする電子検出装置。 In an electron detection device that multiplies and detects electrons from a sample,
The first multiplication is performed by colliding electrons from the sample to emit secondary electrons, and the axis is spiraled by an on-axis magnetic field of a magnetic field type objective lens that irradiates the sample with finely focused primary electrons. First electron multiplying means disposed opposite to the sample with respect to the on-axis magnetic field of the objective lens, to which a positive voltage is applied for collision after being run.
A positive voltage is applied to the first electron multiplying means by being spiraled on the axis by an axial magnetic field of a magnetic field type objective lens that irradiates the sample with electrons from the sample and finely squeezes primary electrons onto the sample. Then, the first voltage applying means for traveling toward the first electron multiplying means and colliding with the first electron multiplying means to emit secondary electrons to perform the first multiplication. When,
Second electron multiplying means for performing second multiplication by colliding with secondary electrons emitted by performing first multiplication by the first electron multiplying means and emitting secondary electrons;
A second voltage applying means for applying a voltage for accelerating and colliding electrons emitted from the first electron multiplying means to the second electron multiplying means;
An anode for detecting a current by colliding with secondary electrons emitted by performing second multiplication by the second electron multiplication means;
A third voltage applying means for applying a voltage for accelerating and colliding electrons emitted from the second electron multiplying means on the anode;
The first electron multiplying means and the second electron multiplying means are configured to be axially symmetric with respect to the optical axis, and have a space or hole through which primary electrons pass in a portion corresponding to the optical axis. And
The first electron multiplying means is a ring-shaped plate that accelerates electrons from the sample and collides with the surface of the ring-shaped plate to emit new secondary electrons, thereby An electron detector having a reflective structure for multiplying 1.
第1の電子増倍手段および第2の電子増倍手段は、光軸に対して軸対称に構成し、かつ当該光軸に対応する部分に1次電子が通過する空間あるいは穴を設け、
かつ、前記第1の電子増倍手段は、リング形状の板であって、前記サンプルからの電子を加速して当該リング形状の板の表面に衝突させて新たな2次電子を放出させて前記第1の増倍を行う反射型構造を設け、
前記サンプルからの電子を、当該サンプルに1次電子を細く絞って照射する磁界型の対物レンズの軸上磁界により軸上を螺旋させて走行させた後に衝突させる正の電圧の印加された、該対物レンズの軸上磁界に対して前記サンプルと反対側に配置した第1の電子増倍手段に衝突させて2次電子を放出させて第1の増倍を行うステップと、
前記第1の電子増倍手段より増倍されて放出された2次電子を加速して、第2の電圧印加手段により所定電圧が印加された第2の電子増倍手段に衝突させて2次電子を放出させて第2の増倍を行うステップと、
前記第2の電子増倍手段により第2の増倍をされて放出した2次電子をアノードに衝突させて電流を検出するステップと
を有する電子検出方法。 In an electron detection method for detecting by multiplying electrons from a sample,
The first electron multiplying means and the second electron multiplying means are configured to be axially symmetric with respect to the optical axis, and provide a space or hole through which primary electrons pass in a portion corresponding to the optical axis,
The first electron multiplying means is a ring-shaped plate, accelerates electrons from the sample and collides with the surface of the ring-shaped plate to emit new secondary electrons, and Providing a reflective structure for performing the first multiplication;
A positive voltage applied to collide the electron from the sample after traveling on the axis spirally by the on-axis magnetic field of the magnetic field type objective lens that irradiates the sample with finely focused primary electrons. Colliding with first electron multiplying means disposed on the opposite side of the sample with respect to the axial magnetic field of the objective lens to emit secondary electrons to perform first multiplication;
The secondary electrons multiplied and emitted by the first electron multiplying means are accelerated and collided with the second electron multiplying means to which a predetermined voltage is applied by the second voltage applying means, so that the secondary electrons are collided. Emitting electrons to perform a second multiplication;
A method of detecting an electric current by causing the secondary electrons emitted by the second multiplication by the second electron multiplication means to collide with the anode.
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