EOS津野
電子光学講座

コンタクト eostsuno@yahoo.co.jp
 

世界中のTEMメーカーは今や3社に絞られましたが逆にSEMは10社を超えるメーカーが 競っています。その中でも、試料とOLの間にET検出器を置いて、SEM独特のコントラスト を守り抜いているZeissと、何よりも空間分解能重視で世界の半導体検査用SEMの半分 以上のシェアを確保している日立が典型的なSEMのメーカーであると言えましょう。 ここでは、両者のSEMの構成をご紹介し、続いて、世界のSEMメーカーの国と メーカー名をご紹介します。20年以上前には、電子顕微鏡学会にはSEM開発の担当者は 小人数しか出席をしなかったものですが、今や電子のとれた顕微鏡学会では、SEM 担当者がその中心的存在となっています。電子顕微鏡学会を揺るがす大きな出来事と しては、生物学の形態学から遺伝学への進化に伴って、生物向けのTEMの需要が激減 したことと、収差補正法の成功によって、むしろ、SEMでは高分解能は、半導体検査 装置以外では要求されていない、即ち、自然界には原子分解能に到達出来ないので あれば、収差補正を必要とするような高倍率で見たい対象は存在しない、 半導体などの人工生成物だけが数万倍以上の高倍率を必要としているものだという ことが明らかとなりました。ここでは、典型的SEMのメーカーである、Zeissと日立の SEMについてその構成を詳しくご紹介したのち、世界のSEMメーカーが現在どれだけ あるかをご紹介しましょう。私自身は、会社員時代はTEMの担当をしておりましたが、 退職後の仕事として取り組んだのは、その多くがSEMでした。SEMはここ10年間を見て 見ましても、新規参入を目指して開発を始めたメーカーの数も多く、景気 の動向によって本業の方に集中せざるを得なくなり途中で挫折したケースが大部分 ではありましたが、依然として、魅力ある開発対象と考えられる商品であり続けて いると言えましょう。

コントラスト優先のZeissと空間分解能優先の日立のSEM

ZeissのSEM-Gemini

ZeissのSEMは試料と対物レンズ底面の間に置かれたET検出器をあくまで使えるように、 試料と対物レンズの間を電場も磁場もない空間に保った独特の構成をしています。そして、 試料とレンズの間の距離を変えることで、ET検出器で検出される二次電子とOLに吸い込 まれて、OLの上部で、半導体検出器で検出される二次電子の割合を変化させることが 出来ます(図5参照)。これに対して、日立のSEMは全2次電子を対物レンズOLの中に 吸い込み、ウィーン・フィルタ製のビームセパレータを用いて2次電子を光軸から 曲げて対物レンズ上部の横に置かれたET検出器で検出しています(図9参照)。試料の 横に置かれたET検出器で2次電子を検出するには、OLと検出器の間を無磁場、無電場 の空間としなければなりません。一方、OLに2次電子を吸い込ませる日立ハイテク 方式では、吸い込まれた2次電子がOLの中を登っていくときにレンズの中の無磁場 空間を巻き上がっていくようにしなければならない(図10参照)ことと、一次ビームを 妨げずに、二次電子を検出器に引き込まなければなりません。このために使われたのが、 Wienフィルタを利用したビームセパレータ(図12参照)で上から下に降りて いく一次ビームに影響することなく、下から上に上がっていく二次ビームだけを検出器 の方に曲げてやることが出来ます。このように、SEMの基本形はZeissと日立の 二社で全く異なる方式が使われています。この違いは、Zeissは像のコントラスト重視、 日立は像の空間分解能重視と言う要求される性質の違いから来ているとも言えます。 つまり、Zeissは半導体検査装置はICT、一般用途はZeissSと別れていたのに対し、日立は 検査装置で世界を席巻するシェアを持つ一大メーカーとして、年々向上する半導体の微細 化に対応する分解能の検査装置を供給する責務を負っているという違いにもよるものと 言えましょう。

ZeissのSEM Geminiの特徴

一般に、対物レンズの磁場が試料から離れているレンズでは、試料が磁場の中に置かれた レンズに比べて性能が悪くなるため、ZeissのGeminiでは、ドイツの英知を結集したGemini レンズによって、この不利な点をカバーしています。試料からの2次電子を対物レンズに 吸い込ませるのではなく、試料と対物レンズの間を無磁場空間にすることによって、 この空間に置かれたET検出器で検出させることは、SEMの立体感のある独特のコントラスト を得る上で魅力的なことでした。他の大部分のメーカーが、二次電子が対物レンズに吸い 込まれてしまって、この魅力的な検出器が使えなくなったことをあきらめてしまったこと に対し、ドイツの伝統的な電子光学の英知を結集して性能を落とすことなく、魅力的な コントラストを作ることが出来る試料と対物レンズの間のET検出器を残したのが、Zeissの Geminiだったのです。しかしながら、Geminiのカタログではこの点をうまく説明して おらず、対物レンズの一部を凹レンズにすることによって、対物レンズと試料の間を 無磁場の空間にすることによってもレンズ性能を落とさずに済んでいると言う記述を しています。読者の多くは、軸対称なレンズで凹レンズはミラーなどの特別な場合を 除いて実現できないということを知っていますので、対物レンズが凹レンズを含んで いるという記述によってGeminiはうさん臭い装置だという印象を与えてしまっています。 凹レンズになるというのは、物面から像面までのレンズ全体に渡ってではなく、レンズ 作用の一部分だけ見ればと言う意味なのですがそれがうまく伝わってはくれていない ように見受けられます。

さらには、ET検出器にそれほどこだわった設計がなぜなされてきたかについても十分な 説明がなされていないため、この凹レンズの記述によってずいぶん損をしていると言わ ざるを得ません。図1がZeissの特許からとったGeminiレンズの構造を示す図です。 Zeiss以外のほとんどのメーカーでは、対物レンズの性能を低加速電圧でも維持する ため、試料と対物レンズの間の空間に電場や、磁場がかかるタイプのレンズを使用 していますので、試料から発生した二次電子は対物レンズに吸い込まれてしまい、 試料とレンズの間に置かれたET検出器で二次電子を検出することはできません。 Geminiでこれが出来るのは、Geminiのレンズがこの空間を無電場、無磁場の空間に してもレンズの性能が落ちないレンズを使用しているためです。しかし、このレンズ の特許(電子顕微鏡システム用対物レンズ及び電子顕微鏡システム 特許公開番号  特開2004-134379) は数年後に有効期限が切れますので、まだ真似をすることが出 来ません。これまでSEMは低加速電圧でも高空間分解能を維持するため、やむを得ず、 ET検出器の使用をあきらめて、対物レンズに吸い込まれた二次電子を像にしてき ましたが、数年後にGeminiレンズをまねたレンズを作れるよう、ET検出器によって、 優れたコントラストの二次電子像が復活されるレンズ開発を始める時期に来ていると 言えましょう。

リターディング型電場・磁場重畳型対物レンズについてはかつてシーメン スにいた Frosien と Plies による開発が元になっており、Zeiss が汎用 SEM への適 用を Frosien の ICT が CD-SEM への適用の権利を持ち今日に至っています。一方、 インレンズ検出器については Zach, Rose の開発が元になっていると言われてい ます。 GEMINI は、これら二つの技術の融合として生まれましたが、その後の Zeiss 独 自の 技術もあるのではないかと疑うに足る性能が実験的には確認されていました。

この SEM と比較すべき特異な SEM としては世界で圧倒的なシェアを持つ日立 の CD-SEM があります。両者の技術上の違いはそのまま Zeiss が汎用 SEM で有利な 性能をもち、日立は CD-SEM で必要とされる性能において優位性を持っている ことから説明されます。日立の CD-SEM はレンズヨークが部分的に高電圧に置か れる 構造である(図7参照)のに対し、GEMINI ではブースターと呼ばれるパイプが対物レン ズ の軸上を通り、これのみが高電圧上に置かれています(図4参照)。 日立 CD-SEM では、 後で示しますように、磁場中への放出電子は対物レンズに吸い上げられ、ウィーン フィルタ型ビームセパレータを介して 対物レンズ上部に設置された ET 検出器に 導かれます。これに対し GEMINI では対 物レンズ上方の光軸上に穴のあいたインレンズ検出器がおかれ、これと従来 方 式の対物レンズの横に置かれる ET 検出器の二つに対して放出電子が分配される 方式が取られています。 この二次電子のET検出器と対物レンズ上方の半導体検出器 への分配は、試料と対物レンズの距離を調節することによって自由に変えることが 出来、両検出器による二次電子の分配の割合を試料と対物レンズの間の距離を変える ことで自由に調節することが出来ます(図5参照)。この調節による像の変化は、Gemini レンズのユーザーであるJFEスチールから論文として出版されています。 (J. Microscopy, Low-voltage SEM contrasts of steel surface studied by observations and electron trajectory simulations for GEMINI lens system, Microscopy 10 2018, 1-6 K. Tandokoro, M. Nagoshi, T. Kawano, K. Sato, K. Tsuno) ここでは、電子の放出角度とエネルギーの関係を電子光学シミュレーション に よって解析しています。

2. 対物レンズと ET 検出器

図 2 に(a)では各部品の電位がどのように構成されているか、(b)では試料と 向き合う対物レンズのどの部分がどのようなレンズの働きをしているかを示す図、 (c)では、その結果、電子がどのような軌道を取っているかを示しています。この 軌道から、各部分が凸レンズ作用か凹レンズ作用をしているのかをガラスレンズで わかりやすく示しています。この図は、Geminiのカタログからとったものです。 軸対称なレンズでは凹レンズは作れないのですが、凹レンズの前後に凸レンズが 描かれていますので、レンズ全体としては凸レンズ作用をしているわけで、 シェルツァーの定理に反するような構成をしているわけではありません。部分的に 見れば凹レンズ作用をさせることで、収差を減らしているのだということをこの 図は言いたいわけです。なぜ、試料を磁場の外においても収差が大きくならない レンズが作れたのかを説明するための道具として、それは、部分的に凹レンズの 領域を作ることによって、全体の収差を小さくすることに成功しているので、 試料を磁場の外に出すことが出来たと言っているわけです。 しかしながら、これは、 シーメンスが電子顕微鏡事業から撤退し、その技術をZeissとICTが引き継いだときに、 Zeissは汎用SEM、ICTは半導体検査用SEMを引き継がせたといううわさが正しければ、 Zeissは半導体検査装置と言う急速に分解能の向上を要求されるSEM開発のくびきから 解放されて、空間分解能よりも像コントラスト優先の装置に専念できたために、実現 することが出来た選択でしたが、近年、半導体以外にも、薬品などでサイズが小さい ことがその効果に効いてくるような物質も登場してきていますので、いつまでも、 分解能よりもコントラスとト言選択が通用するかはわからない時代に入ったとも 言えます。

この点、後で示します日立の場合は、半導体検査装置において、世界で圧倒的な シェアを持つため、半導体の構造微細化の速度に合わせて検査装置としてのSEMの 空間分解能向上の責任を背負って、分解能優先でSEMを開発せざるを得なかったわけ です。このように、Zeissはコントラスト、日立は空間分解能優先でSEMを開発して 来たということが出来ます。

このレンズ の外側ヨークは ポールピースと 一体に描いていますが、実際には先端の ポールピース部分が本体ヨークと分かれており(図 2 の電 場分布の図参照)その部分 がこの装置では磁性体で試料に磁場がほとんどかから ない Conventional と呼ばれる レンズ形式となりますが、このポールピースを非磁性体 にした場合は Semi-in-lens と呼ばれる、試料が磁場中に置かれる高解像度モード に出来ます。バルクの鉄鋼 材料を観察するためには Conventional レンズを用いるこ とが必須でから鉄鋼会社で 高解像SEMを使おうとした場合Geminiレンズがもともと必要になります。 日本製の SEMでは、簡易型のSEMは試料に磁場が掛からないタイプが多いのですが、高級機は 全て試料が磁場中に置かれますので、鉄鋼会社で日本製SEMを選択しようとすれば 簡易型SEMしかないことになります。

図 2 の中央の図は電場分布とそのレンズ作用を示しています。8kV の加速電圧は 対物レンズの先端付近で 500V に減速されています。先端は金属カバーがあり、電場 の試料上への漏れを防いで います。ちなみに、試料はアース電位上に置かれています。 右側の図は、左の図のようなレンズ作用によって、電子がどのような軌道を描くのかが、 描かれています。中央の図で示されているように、全体としては凸レンズなのですが、 中央でいったん凹レンズ作用をさせていますので、右側の図で示されるようなへこんだ 軌道を取ることが出来るわけです。このように凹レンズ作用をする部分を持つことに よって、負の収差を作る部分を持つことが出来、レンズの収差を小さくすることに貢献 しています。もちろん、シェルツァーの定理により、軸対称レンズで負の収差を作ることは できないのですが、それは、レンズ全体、即ち物面から像面までのレンズ全体で見れば と言うことであって、部分的に凹レンズを取る領域を造った上で、レンズ全体の作用と すれば凸レンズ作用をしているようにレンズを構成することによって、収差の小さい レンズを構成することは許されているわけです。このように、なぜ試料が磁場の外に 置かれていながら、収差の小さいレンズを構成することが出来たのかが、説明されて いるのですが、Zeissのカタログでは詳しい文章による説明がないため、シェルツァーの 定理を知っている人たちには、これらの図がむしろ、インチキ臭い説明のように感じられ てしまうかもしれません。

図 3 は対物レンズの先端部分の拡大図で、これもGeminiレンズの特許からとったもの です。 磁極と電極が入り乱れて存在していますが、左から伸びているのが磁性体で、 そこから飛び出しているものが電極とその抑えの部分です。上で説明したような 作用を実現させるために考案された複雑な構成ですが、電場も磁場もレンズの外の 空間に漏れださないように上で述べた作用を実際に行えるように工夫されています。

図 5 は、試料面から放出された2次電子の軌道を示しています。少なくとも ZY 面内 で見れ ば+-90°の全方位に対して電子を放出させています。10eV までは 全ての放出 電子が対物レンズ内にを吸い上げられてインレンズ検出器に向かって いることが わかります。但し、インレンズ検出器には一次電子を通すための穴が開 いています のでたとえば 0.1eV の放出電子などはその多くがインレンズ 検出器に捕捉されない 可能 性があります。放出電子のエネル ギーが 100eV 以上では一部 が ET 検出器に 向かって進ん でいます。インレンズ検出器に 入る量は放出電子のエネル ギーが 高くなるほど低くな っています。 0.1eV と 1eV の場合 は全ての電子が対物レンズ 内に吸い込まれているので 図 では 10eV 以上の放出電 子を示しています。この 図から 試料付近では ET 検出器の電 場の影響は強くなく、たまた ま検出器の方向 に放出され た電子が検出器の方向に走 っており、検出器の電場は検 出器近くに電子が 達してか ら影響を及ぼしているよう に見えます。

以上の場合角度の大きいビームが ET検出器の方(すなわち大きな Y座標値)に来 ている ことがわかるが、ET 検出器の方には小さな角度で放出された電子と検出 器のない側に 放出された電子は来ていないこともわかる。つまり、放出電子は ET検出器の電場に よって引っ張り込まれているわけではないということが出来 ます。 インレンズ検出器上の座標は放出電 子の角度分布をほとんどそのまま反映している ことで、その傾向は 1eV の放出 電子に置いて最も著しいことです。

以上のように Zeiss 社製の汎用 SEM である GEMINI の対物レンズの電場・磁場 を求め、 その中を飛行する放出電子の軌道を解析することによって、放出電子 のエネルギーと 放出角度分布の関係を調べることが出来ました。リターディングを 行わない通常の SEM と異なり、ブースターを用いたリターディングSEM では エネルギーの小さい放出電子が インレンズ検出器に、ET 検出器には検出器の方 向にたまたま放出されたエネルギーの 高い放出電子が入ることがわかりました。イ ンレンズ検出器で検出される放出電子の 角度分布は検出器上の電子の到達位置 を二次元検出器を用いて調べることが出来れば 計測が可能かもしれません。

日立のSEM の特徴

1969年 には日立初の商用SEM 「HSM-2」を発売{1}。分解能にブレークスルーをもたらし たの は電界放出(FE)形電子源(a)の実用化でした。FE電子源の発明者である米国 シカゴ大学のAlbert V. Crewe教授の指導を受け、1972年には国産初の商用FE-SEM 「HFS2」を発売し,当時の一般的なSEMの三倍を超える高分解能(3 nm)を実現しました。 そ の後,FE電子源を搭載した半導体ウェー ハ専用の測長SEM「S-6000」を1984年に 発売。1985年にはより超高分解能を実現 したインレンズFE-SEM「UHS-T1」を鳥 取 大学に納入し,世界初のエイズウイルス のSEM像撮影に貢献しました。

磁場浸潤型レンズとスルーザレンズ検出器

TEMでは早い時期に磁場浸潤型レンズの使用による分解能の飛躍的向上が図られ、電場 レンズとの性能の差がはっきりとし、電場レンズを選択した電子顕微鏡メーカーの 撤退の原因にもなりましたが、SEMではConventionalと呼ばれる、試料に磁場のかから ないタイプの対物レンズが使われ続けました。その理由は検出器にありました。Zeissの SEMで説明しましたように、ET検出器を試料と対物レンズの間に置いて使うためには、 試料を無磁場、無電場の空間に置く必要がありました。しかしながら、やがて、TemScan と呼ばれる、TEMにビーム走査機能を付けてSEMやSTEM像を観察できる装置が当時日本電子 にいた小池によって作られました。ここでは、SEMの検出器は対物レンズの上部に取り付け られました。このタイプはスルーザレンズ方式と呼ばれ、装置もインレンズSEMと汎用SEM の合体したタイプが作られるようになりました。しかしながら、 FEGの登場でインレンズ SEMが力を失うと、磁場浸潤型レンズとして、大きな試料を入れられる方式が模索されました。 スルーザレンズ検出器としては、日立のウィーン型ビームセパレータとET検出器による 方式{2}(図5参照)と、Zeissによるインレンズ検出器方式が代表的です。

日立は汎用SEMと半導体検査用SEMで別の装置作りを選びました。そのため、検査装置 では、6に示すように、リターディングの採用、そのための対物レンズの分割、対物 レンズ底面を平らにするなど、汎用SEMでは出来ないレンズ構成となっています。半導体 デバイスの微細化に伴う高分解能化のニーズにより, 走査電子顕微鏡は急速に進化を 遂げたのです。現在では,これまで走査 電子顕微鏡では不可能だった0.34 nmの格子 分解能(STEM)を 実現する装置を提供できる時代になっており,透過電子顕微鏡で 観 察していたバイオテクノロジー分野への応用も期待されています。

スルーザレンズ方式の検出器

セミインレンズではレンズコイルが試料の上部にあるため二次電子の検出に困難が ありました。このため、対物レンズ磁場で巻き上がった二次電子が磁場のなくなった ところで広がってしまうのを防いでコイルの上に置かれた検出器に持ち込むための 工夫(図10参照)が必要でした。日立SEMの特徴は、フィールド・エミッション電子銃 (図8参照)、高空間分解能対物レンズ(図7参照)と、これに吸い上げられた全2次電子 のExBウィーンフィルタ(図12参照)とET検出器による検出(図12参照)です。

日立のウィーンフィルタ・ビームセパレータの特許も数年後には切れますので、Zeiss の対物レンズとET検出器、日立のWien型ビームセパレータによる対物レンズ上を登って 来た全2次電子の検出機能を組み合わせたSEMを作ることで、Zeissと日立のSEMの長所を 兼ね備えたSEMを今から開発しておけば、両特許の切れる数年後に空間分解能と コントラストの両方に置いて最も優れたSEMが開発できる可能性があるのではないかと 考えられる。

Zeiss,日立以外のSEM


Czech TeScan
Delong Company

Germzny ICT
Israel OPAL Technologies

Japan Apco
Holon
      JEOL日本電子
Seiko (Hitachiが買収)
Technex工房 (永久磁石SEM)
Netherland FEI
U.K. Cambridge (Zeissが買収)

SEMはこれだけ多くのメーカーがひしめき合う市場である。特徴のあるSEMを今から準備し、 両者の特許の切れた時点で発売すれば、トップのシェアを獲得できるかもしれない。
作成日 2018/05/19 2019/02/09 .

図1.GeminiSEMの全体像。Geminiの特許より。

図2. Gemini対物レンズの構造と電子線の軌道。

図3. Gemini対物レンズの先端付近の構造。

図4.Zeissのブースター。

図5.ZeissのGeminiでWDを変えたことによる2次電子のET検出器とOL内への吸い込み 割合の変化。丹所らのJEM論文より。

図6.日立のCD-SEMの概略構成図。

図7.日立のCD-SEM対物レンズの右半分のメッシュ(左)、磁場等高線(右半分)、レンズ特性。

図8.日立FEGのチップ先端。

図9.日立SEMの構成図。

図10.日立SEMの2次電子検出(ビームセパレータ省略)。

図11.日立のCD-SEMの対物レンズ。

図12.Wien Filterビームセパレータの構造とET検出器並びに2次電子の軌道。

図13.OpeaのCD-SEMカラム。

図14.ICTのCD-SEM。
文献 {1} 日立評論、Vol.94 No.02 168?169 測る―社会・産業分野に貢献する計測技術 土井 秀明  江角 真  佐藤 貢 二村 和孝  高口 雅成  品田 博之 {2} High Resolution CD-SEM System Yoichi Ose, Makoto Ezumi and Hideo Todokoro  Hitachi, Ltd., depend-wd-of-2ndele-gemini目次 SEM(走査型電子顕微鏡)
1.SEM開発の歴史及び検出器
2.SEM用対物レンズ
3.SEM二次電子の発生
4.SEMの_ET検出器
5.低加速SEMのためのリターディング
6.電子銃や検出器とレンズの関係>
7.
永久磁石を使ったSEM
*************************
目次(全体)EOS津野の電子光学
1.最初のページ
2.レンズ設計
3.偏向と非点補正
4.走査電子顕微鏡SEM
5.光電子顕微鏡PEEM
6.エネルギー・アナライザ
7.Wien Filter
8.収差補正
9. スピン回転器
10.著者のページ

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