CN102308357A - 带电粒子束装置 - Google Patents

Abstract

本发明的扫描带电粒子束装置包括样品室(8)和检测器，上述检测器兼具如下功能：在上述样品室被控制为低真空(1Pa～3000Pa)时，对由气体闪烁的发光现象得到的具有图像信息的光(17)中的、至少从真空紫外区域到可见光区域的光进行检测；对由电子和气体分子的级联放大而得到的具有图像信息的离子电流(11、13)进行检测。由此，能够实现能够应对各种样品的观察的装置，而且，通过设计上述检测部的最佳结构，能够对得到的图像赋予附加价值，将该观察图像提供给多种领域的利用者。另外，通过与高真空用检测器一起使用上述检测器，能够与真空模式无关地向各领域的利用者提供图像。

Description

带电粒子束装置

技术领域

本发明涉及使用电子束、离子束等带电粒子束的带电粒子束装置，特别涉及能够并用检测至少从真空紫外光区域到可见光区域的区域的光的手段、以及光的检测和离子电流检测的带电粒子束装置。

背景技术

以扫描电子显微镜为代表的带电粒子束装置，在样品上扫描较细地会聚的带电粒子束来从样品得到想要的信息(例如样品图像)。

在这样的带电粒子束装置中，以往作为低真空(1Pa～3000Pa左右)区域中的观察方法，主要是利用能量较高的反射电子进行的观察。其原因在于，在低真空下存在的大量气体分子和具有图像信号的电子彼此之间反复发生碰撞，导致在该检测过程中，具有图像信息的电子能量丧失，而无法到达检测器，因此利用能量较高的电子、即反射电子的方法成为能够容易进行观察的方法。得到的图像能够明显地反映出观察样品的材料的种类，具体而言能够明显反映出原子序数效应，特别是在材料领域中的表面观察、其表面分析中目前还被广泛利用。此外，无论高真空或低真空，都要充分地应对快速的扫描速度(TV-Scan等)，因此这也是被用作主要检测器的原因之一。

然而，近年来，利用电子具有的能量较小的二次电子的检测方法被广泛研究。例如存在有专利文献1、2、3。其中的大多数为利用级联放大的方法，该级联放大是通过在样品上方预先配置电极，使从样品产生的二次电子加速，反复与存在于样品室内的气体分子碰撞、放大。

该方法大致通过两种检测方法为人们所熟知。一种为检测放大后的二次电子本身的电子电流检测法，另一种为检测在二次电子和气体分子发生碰撞时生成的正离子的离子检测法。

作为现有技术的代表例，电子电流法中列举有专利文献1，离子电流法中列举有专利文献2、3。

因为得到的图像的基本的信号源都是来自观察样品的二次电子，所以得到的图像都酷似高真空二次电子图像，能够得到与反射电子图像不同性质的图像、即具有观察样品的极其表面的信息的图像。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：US 4785182

专利文献2：日本特开2001-126655号公报

专利文献3：日本特开2006-228586号公报

专利文献4：日本特开2003-515907号公报

专利文献5：日本特开2004-503062号公报

专利文献6：US 6,781,124 B2

专利文献7：US 7,193,222 B2

专利文献8：US 6,979,822 B1

非专利文献

非专利文献1：Molecular Spectra and Molecular Structure D.Van NostrandCompany，Inc.

发明内容

发明要解决的课题

然而，另一方面，与高真空二次电子图像或反射电子图像不同，存在难以以快速的扫描速度进行观察这样的性能方面的技术难题。作为理由，被认为是由于如下原因所致：在电子和离子的级联放大过程中流动速度比较慢的离子传播形成图像的电子，因此，最终观察的图像与一次电子束的扫描速度出现差异。即，在物理上存在检测速度的极限。

近年来，特别是低真空下的图像的需求是观察样品的极其表面图像的取得，是能够与高真空的二次电子图像充分比较的高画质的二次电子观察。而且，需要上述低真空下的二次电子观察的领域涉及生物/化学材料领域、地质学领域、半导体领域等多个领域。

因此，作为用于观察低真空下的样品的极其表面的方法，本发明研究了如下检测单元，该检测单元不以以往检测出的电子或离子作为信号源，而是以光为信号源。

利用了该检测单元的检测方法及图像观察方法，作为现有技术有专利文献4、5以及与其类似的专利文献6、7、8等。

若赋予放电(包含等离子状态)状态中的电子、气体分子、离子较高的能量，则会从基态能级跃迁到激发态能级，然后很快(在数ns期间保持激发态，然后立刻)返回到基态。在返回该基态时，放出与跃迁时的能量相当的光子。该光为特别是具有气体的种类、即原子或分子固有的光谱(spectre)的光。在利用该发光现象(气体闪烁(gas scintillation))的检测方法的情况下，当然因为检测光，因此具有应对快速的扫描速度的足够的响应速度，而且得到的图像也酷似高真空二次电子图像。

研究上述文献可知，由气体闪烁的发光现象产生的光的种类没有记载，而且没有能够进一步提高性能或发现附加价值的内容。

在利用该现象的情况下，特别重要之处在于，根据处理何种光，最优化的方法不同。

在真空内发生的发光的光谱取决于导入的气体的种类。本发明人发现：这种光的波长与通常SEM所使用的闪烁体(scintillator)的发光(波长大约为420nm左右)的波长不同，扩展到更短的波长的真空紫外区域。

由于光的波长扩展到真空紫外区域，因此认为采用专利文献4、5所示的技术有效地进行检测的情况存在局限性。这是因为，如上述那样使用通常SEM所用的光的检测器，与闪烁体的发光光谱相应地选择了光波导(light guide)的材质和光电倍增管，对于除此之外的波长，至少光波导的透射率、光电倍增管的光-光电子转换率大幅度降低(参照图4、图5)。

本发明的一个目的在于，提供低真空下的以光为检测信号源的高效的检测方法。

而且，除上述目的之外，还研究了并用光检测和离子电流检测的技术。

作为其方法，在上述那样考虑了光的性质的基础上，由于现有检测方法，特别是离子电流检测的构造本身比较简单，因此也能够充分考虑将检测具有图像信息的光的方法和离子电流检测相组合的方法。

根据实验，能够利用现有检测方法的离子电流检测的画质和检测具有图像信息的光而得的画质来确认图像质量的差异。虽然都是非常接近高真空二次电子图像的图像，但根据作为观察对象的样品的种类，得到对比度(contrast)的差异，因此是非常有用的图像质量的差异，暗示能够应对各种样品的观察。这意味着，除了现有技术所覆盖的领域的利用者之外，对不同的多种领域的利用者也是有用的。

当然，在处理具有图像信息的光的情况下，具有即使对于TV-Scan这样的高速扫描也能够充分应对的反应速度。

因此，本发明的目的还在于，最大限度地发挥以光为检测信号源的检测方法、和以离子为检测信号源的检测方法各自的性能/功能，设计检测部的最佳结构，从而对得到的图像赋予附加价值，将该观察图像提供给多种领域的利用者。

用于解决课题的手段

根据成为本发明的基础的实验，也存在发光的光的波长在可见区域的光，但还是包含大量来自真空紫外区域的可见区域的光。因此，在本发明中充分考虑要处理的光的性质，采用从真空紫外区域到可见区域都能够检测的结构。

因此，在本发明中，用于检测光的检测部具有光波导(光波导路)，该光波导(光波导路)由至少能够透射从真空紫外光区域到可见光区域的光的材质构成。

另外，为了并用光检测和离子检测，具有被控制为低真空(1Pa～3000Pa)的样品室，上述检测器包括：具有对至少一个以上的电极施加了+300～+500V电压的阳极，利用配置在该阳极附近的光波导(光波导路)检测具有图像信息的光，利用与光波导耦合的光电倍增管将光转换为光电子并放大后形成图像的控制部；作为电流信号，从与上述电极不同电位的其他电极检测具有图像信息的离子电流，并形成图像的控制部。

发明的效果

根据本发明，最大限度地发挥低真空下的以光为检测信号源的检测方法和作为以往技术的以离子为检测信号源的检测方法各自的性能/功能，将检测部设计成最佳结构，从而能够使得到的图像具有附加效果，将该观察图像提供给多种领域内的利用者。

附图说明

图1是本发明的一例的扫描电子显微镜的概略图。

图2是本发明的一例的检测器和Everhart Thornley型检测器(高真空二次电子检测器)的放大图。

图3是空气的发光光谱分析结果图(引自非专利文献1)。

图4是表示压克力(acryl)和石英的光的透射率的图(引自住友化学SUMIPEX/信越化学石英数据表)。

图5是光电倍增管的放射灵敏度曲线图(引自滨松光子学数据表)。

图6是表示本发明的一例的检测器的电极结构例的概略图。

图7是表示本发明的一例的检测器的电极结构例的概略图。

图8是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图9是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图10是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图11是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图12是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图13是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图14是表示本发明的一例的检测器的光波导和电极结构例的概略图。

图15是本发明的一例的检测器的光波导及构成半浸没型物镜的概略图。

图16是表示利用本发明的一例的检测器取得的图像和利用现有方法取得的SEM图像的图。

图17是表示利用本发明的一例的检测器取得的图像和利用现有方法取得的SEM图像的图。

具体实施方式

以下，利用附图说明本发明的具有代表性的一个实施例。

实施例1

在本实施例中表示关于检测器的实施例，该检测器具备：检测具有图像信息的光的检测部，该具有图像信息的光是通过在检测具有图像信息的光的扫描电子显微镜中、在被控制为低真空(例如1Pa～3000Pa)的观察样品室内发生的气体闪烁的发光现象而得到的；检测具有图像信息的离子电流的检测部，该具有图像信息的离子电流是通过电子和气体分子的级联放大(气体放大)而得到的。

图1是示意性地表示配置有本发明的一例的检测器的扫描电子显微镜的外观结构的结构图。

图1所示的扫描电子显微镜由如下部分构成，即：包含物镜4的电子光学***；观察样品室8；将由光波导20检测到的光转换成光电子并进行放大的光电倍增管21；对输出的图像信号进行处理来形成图像的控制部22、或者同样地对由检测到的二次电子引起的正的离子电流信号进行信号处理来形成图像的控制部22；与控制部连接的图像处理终端23等。图像处理终端23包括用于显示形成图像的显示单元、对该显示单元所显示的GUI(Graphical UserInterface：图形用户界面)输入装置的操作所需要的信息的信息输入单元等。此外，自动或者通过利用者在图像处理终端23上输入所希望的值，通过观察条件控制部24调整电子光学***的各构成要素，例如一次电子束的加速电压、施加于各电极的电流/电压等。

扫描电子显微镜所具有的电子源1一般照射0.3kV～30kV的一次电子束2。多级透镜3被控制成适合观察的条件，具有会聚一次电子束的作用。物镜4也同样具有会聚一次电子束的作用，使一次电子束在作为观察对象的样品5上成像，结成适合于观察的焦点。偏转器25使样品5上的一次电子束的照射位置在所希望的观察视野范围内扫描。而且利用控制偏转器25的偏转信号控制部26能够改变扫描速度。伴随着一次电子束的照射，从样品放出二次电子6、反射电子7。

观察样品室8的内部的真空度，通过向该观察样品室8导入大气的大气导入口27的针阀(needle valve)28的开闭来控制。本低真空SEM除了具有低真空下的观察模式外，还具有高真空下的观察模式，在高真空下进行观察时，关闭针阀28，将观察样品室8的内部保持为10^-3Pa以下的高真空状态。此时，通过高真空用的二次电子检测器检测从样品5产生的二次电子6。通常，高真空用二次电子检测器利用被称为Everhart Thornley型检测器29的由闪烁体55和光电倍增管构成的检测器来检测二次电子6。在闪烁体附近施加有+10kV43，而且为了提高二次电子6的收集效率，典型的方法为利用施加了+300V的二次电子收集电极30向观察样品室8内供给电位梯度。

利用设置在物镜4正下方的反射电子检测器31检测反射电子7。反射电子检测器31利用半导体检测器或微通道板(micro channel plate)。在使用半导体检测器的情况下，在后述的低真空下的观察模式下也能进行反射电子检测。以后，假定反射电子检测器31为半导体检测器。

由检测到的二次电子、反射电子引起的信号被电气放大后，利用控制部22进行A/D转换，并使其与一次电子束2的扫描同步，显示在图像处理终端23上。由此，得到观察视野范围的SEM图像。

在进行低真空下的观察时，通过针阀28的开闭，将样品室8内保持为恒定的气体压力19。另外，将二次电子收集电极30的电位切换为接地电位。典型的样品室内部的气体压力19为1～300Pa，但在特别的情况下能够控制到3000Pa。

以下，表示以在低真空下的观察为目的，经过气体闪烁的发光现象及电子和气体分子引起的级联放大(气体放大)形成图像的过程。

(1)在被控制为低真空气氛(1Pa～3000Pa)的样品室8中，从被照射了一次电子束2的样品5产生二次电子6

(1)-1通过一次电子与样品室中的中性气体分子的碰撞而生成电子和正离子

(1)-2从样品5产生二次电子6

(2)从样品5产生的二次电子6被配置在样品上方的第一电极9(+300V～+500V)吸引，与中性气体分子反复发生碰撞，由于电子雪崩引起的级联放大而生成电子和正离子。另一方面，反射电子具有与一次电子相同的能量，同样与中性气体分子发生碰撞，生成电子和正离子

(2)-1由于来自样品的二次电子的电子雪崩，而使由二次电子引起的电子10、和由二次电子引起的正离子11放大

(2)-2同样地生成由反射电子引起的电子12和正离子13

检测该阶段的正的离子电流、即由二次电子引起的正离子11和由反射电子引起的正离子13并取得图像的方法称为离子电流检测法。此外，气体闪烁的发光现象，经过以下的过程来取得图像。

(3)在由样品上的正电极形成的电场的作用下，由等离子状态(放电)的较大的能量赋予电子和中性气体分子能量，从基态14向激发态15跃迁

(3)-1从基态14(稳定的原子/分子状态)向激发态15(不稳定的原子/分子的状态)跃迁

(4)在从不稳定的激发态返回基态时，生成具有与跃迁到激发态的跃迁能量相当的光能的光、即具有图像信息的光(紫外光/可见光)17

(4)-1根据观察样品室8内的中性气体分子18的种类、气体压力19，产生发光波长峰值不同的光

(5)在光波导20的表面直接检测在(4)中发出的光，利用光电倍增管(PMT)21将光转换成电子并放大后，经由形成图像的控制部22进行观察

在此，图2中表示本发明的检测器41的放大图。

对设置在光波导20附近的第一电极9施加+300V～+500V的正电压，向观察样品室内供给电位梯度。利用该电位梯度，在由于上述(2)的电子雪崩引起的级联放大的同时，发生上述(3)(4)的气体闪烁。利用与第一电极9不同电位的另外的第二电极32，检测由上述(2)产生的具有图像信息的正的离子电流、即由二次电子引起的正离子11和由反射电子引起的正离子13，经由电气放大电路通过控制部22构建观察图像。

另一方面，由上述(3)、(4)产生的具有图像信息的光17，利用光波导20直接检测，在光波导内透过并入射到与光波导耦合的光电倍增管21。然后，在光被转换成光电子并放大后，以所希望的增益通过电气放大电路42放大后，同样地通过控制部22构建观察图像。

假定图2所示的光波导具有能够充分透射从真空紫外区域到可见区域的光的性能。另外，假定光电倍增管也具有能够将从真空紫外区域到可见区域的光转换成光电子并放大的性能。

以下，利用图3说明为了检测这种光，与从真空紫外区域到可见区域的光对应的必要性。图3是非专利文献1的空气的发光光谱分析结果44。如该图所示，空气中所含的主要构成分子为氮，得到的发光光谱也是在从真空紫外区域到可见区域的整个范围内观测氮分子所引起的发光光谱。如上述所示，通常低真空SEM具有通过针阀28的开闭将观察样品室8内保持为恒定气体压力19的结构，一般导入了大气(空气)。因此，认为具有图像信息的光的光谱与氮的光谱大致等同。

为了检测该从真空紫外区域到可见区域的光，需要充分透射该范围内的光的光波导(光波导路)、能够利用光电倍增管将光转换成光电子并放大。利用以下公式表示检测从真空紫外区域到可见区域的光时的效果。

作为光波导的材质例，图4举例表示了压克力的光的透射率45和石英的光的透射率46。如该图所示，与压克力相比，石英能够充分透射从真空紫外区域到可见区域的光。

另外，图5是比较光电倍增管的放射灵敏度曲线的图，表示了通常SEM所使用的光电倍增管的放射灵敏度曲线47和本发明所使用的光电倍增管的放射灵敏度曲线48。

若将入射到光波导的光的光子的数量设为N、λ表示波长、h表示普朗克常数(6.626×10^-34Js)、c表示真空中的光的速度(2.998×10⁸m/s)、将光电倍增管的放大率设为G、光波导的光的透射率中的影响设为L(λ)、光电倍增管的对应波长范围相关的放射灵敏度设为P(λ)、入射到光波导的光的最大波长设为λ_max且最小波长设为λ_min，则从光电倍增管作为图像信号而被取出的检测信号量I由

$I=\mathrm{GNhc}\underset{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\∫}}\frac{L\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}$ …(式1)

表现。因此，根据式(1)，检测信号量增大的条件为：

a.光电倍增管的放大率G大；

b.入射到光波导的光的光子数N多；

c.与光波导的透射率和光电倍增管的放射灵敏度相关的右边部分

$\underset{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\∫}}\frac{L\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}$

大，

其中，由光波导的材质和光电倍增管的种类决定的为a项和c项。一般而言，光电倍增管的光电子的放大率为10⁵～10⁶，因此与入射波长有关的项目为c项。在此，假设入射到光波导的光的波长在可见光区域中为最大波长λ_max＝600nm，在真空紫外区域中为最小波长λ_min＝200nm。另外，比较通常标准SEM中的光波导和光电倍增管的规格和采用本技术方案记载的光波导和光电倍增管的规格时的

$\underset{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\∫}}\frac{L\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}$

的值。

·通常SEM所使用的结构(400nm附近～600nm)的情况下，

$\underset{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\∫}}\frac{L\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}=\frac{211.6\×18.097}{160000}=0.02393$

·充分对应到紫外区域(200nm～600nm)的结构的情况下，

$\underset{{\mathrm{\λ}}_{\min }}{\overset{{\mathrm{\λ}}_{\max }}{\∫}}\frac{L\left(\mathrm{\λ}\right)P\left(\mathrm{\λ}\right)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}=\frac{368\×22.681}{160000}=0.05217$

预计到大约2.18倍的效果。

以上，通过考察气体闪烁的发光现象中的光的光谱，并考察作为图像信号取出的检测信号量，确认了上述发明的重要性。

根据上述结果，通过具有最佳结构的低真空扫描电子显微镜，能够发挥使用了具有图像信息的光的检测方法的性能。

另外，光波导20的形状优选为检测面积尽可能宽阔的形状，而且，为了增大表面积，也可以在光波导表面上形成凹凸。

另一方面，具有图像信息的离子电流的检测，能够在构造方面比较简单地配置。电子雪崩(级联气体放大现象)在被施加了正电压的第一电极9附近最为活跃地发生，因此在图2所示的位置设置与第一电极9不同电位的另外的第二电极32，由其检测离子电流、即由二次电子引起的正离子11和由反射电子引起的正离子13。

通过这样得到的图像信号电流，能够如图1或上述那样地利用控制部22进行信号处理并进行观察。

通过像这样在光波导附近配置电极，能够对在发生级联放大现象时所产生的光(特别是真空紫外光)高效率地进行检测，在这方面非常有效。在上述的实施例中，采用了在光波导的周围配置电极的结构，但只要是附近就能期待同样的效果。

实施例2

说明第一电极9及第二电极32的形状。

第一电极9的主要作用在于，在被调整为所希望的气体压力的观察样品室8内形成电位梯度，具体而言，形成使由气体闪烁引起的发光现象和电子雪崩(级联气体放大现象)活跃发生的集中的电位梯度。

因此，第一电极9的形状中，数μm～数mm间隔的网状、板状、多个棒状或者如图6所示的环状能够廉价地得到现象的效果。特别是在制作多个棒状的电极时，朝向样品5方向一侧的前端部也可以成型为像针那样尖的形状。

该第一电极9的形状所要注意是，由于在附近配置了用于检测光的光波导20，因此需要不阻碍入射到光波导20的光。另外，第一电极9如上述那样，控制直接有助于图像的现象。

因此，能够控制该第一电极9的电压和观察样品室的气体压力。也可以预先通过实验求得与各电压、各气体压力、各气体的种类相对应的最佳条件表，仅通过在GUI上输入利用者需要的必要信息就能自动地构建选择出最佳条件的***。

另外，第二电极32的主要作用在于，检测通过电子雪崩(级联气体放大现象)被放大的、具有图像信息的离子11以及13。因此，第二电极32与用于以所希望的增益进行放大的电气放大电路42连接，检测到的信号电流不得不直接被电气放大。另外，如上述那样，被施加了正电压的第一电极9的极附近为最佳位置，因此需要如第一电极9的形状所注意的那样，不阻碍入射到光波导20的光。

因此，该第二电极32的形状也同样地为数μm～数mm间隔的网状、板状、多个棒状或如图6所示的环状等，能够比较廉价地得到效果。关于配置，配置在第一电极9内侧或外侧都可以。

实施例3

图8表示具有技术方案1的结构的带电粒子束装置的其他的实施例。除光波导的形状以外与实施例1所示的相同。本光波导形状中考虑了入射的光和光波导的形状，由此与其他的实施例不同。

本光波导朝着入射的光的方向成为尖的锥状，尽可能以面接收从各个方向入射的光。为了使光没有遗漏地传播，该角度也可以以考虑了全反射临界角ψ的角度来成型，该全反射临界角ψ根据以下所示的光波导的折射率n₁和光的入射角θ计算出。

∵ψ＝sin^-1(0.6711)＝42.155°

在入射角θ为90度、即相对于光波导的面垂直入射的情况下，一般的光波导的材料(压克力PMMA树脂)的折射率n为1.49～1.5左右，根据上式，全反射临界角ψ约为42度。

另外，在光波导为圆柱状的情况下，在由圆柱底面接收到的光中、只有在该位置以相当于立体角的半角的约42度以内的角度被放射的光在光波导内部的外周面上发生全反射，传播到另一端的面。该全反射是损失少的、高效率的传播。各向同性地发生的光，在空气的折射率n₀＝1时，以

$\frac{1}{2}(1-\sin \mathrm{\ψ})=\frac{1}{2}(1-\frac{n_0}{n_1})=16.7\%$

的比例封闭在光波导内传播。

如该式这样，作为增大光的传播比例的研究项目之一，最好尽可能选择折射率大的材质，这对于高真空二次电子检测器来说也相同。

实施例4

图9表示具有技术方案1的结构的带电粒子束装置的其他的实施例。除光波导的形状以外与实施例1所示的相同。本光波导形状中考虑了入射的光和光波导的形状，因此与其他的实施例不同。

在该光波导的情况下，由多根细线状的光纤56构成，并利用带子(band)51将它们捆束。捆束而得的光纤光波导50的检测受光面侧呈喇叭状地展开，检测从各方向朝向检测器而来的光。入射的光朝向光波导，从作为图像信号源的样品5方向大致以放射方式地入射，因此考虑到该情况，是利用喇叭上的朝向各方向的光纤的前端部进行检测的方法。

光在捆束而得的光纤光波导50内的各光纤内发生全反射而被传播到终端。之后，传播来的光被直接导入所耦合的光电倍增管，经由电气放大电路42形成图像。

实施例5

图10表示其他实施例。除光波导的形状以外与实施例1所示的相同。本光波导形状专用于检测具有图像信息的光的方法，将第二光波导39延伸至物镜附近，配置在作为观察对象的样品5的正上方，并且与其一起构成相当于第一电极9的第五电极40，因此与其他的实施例不同。

该实施例的目的在于缩短样品5和作为检测部的光波导之间的距离，具有能够尽可能地缩短观察工作距离(WD：working distance)，能够更高效率地检测光，进行高分辨率观察的特征。

如图10所示，一次电子束经过本实施例的光波导附近，因此在该附近实施导电性。在样品5和第五电极40之间发生的气体闪烁的发光现象所产生的光直接被第二光波导39检测到。配置的第二光波导39可以如图10所示是在物镜附近围绕成环状的形状。

实施例6

图11表示本发明的其他实施例。除光波导20、第一电极9、第二电极32以外与实施例1所示的相同。本实施例在除上述光波导20、第一电极9、第二电极32以外的实施例1中构成高真空用二次电子检测器，因此与其他实施例不同，用于实现该结构的实施例表示在图11中。

光波导20作为共用光波导33采用分成高真空二次电子检测器用和低真空化下的光检测用这两种的构造。可以由一种材料、一个零件构成，也可以由能够透射从真空紫外区域到可见区域的光且能够弯曲成任意形状的光纤构成。

另外，例如如图11所示，相当于第一电极9的第三电极34配置在不阻碍高真空二次电子的轨道的位置。与上述实施例1同样，数μm～数mm间隔的网状、环状、板状、多个棒状等形状能够比较廉价地得到效果。

另外，与上述实施例1同样，相当于第二电极32的第四电极38配置在第三电极34的内侧或外侧。形状也同样为数μm～数mm间隔的网状、环状、板状、多个棒状等，能够比较廉价地得到效果。

通过实施例3得到的效果为，出于与真空模式无关地观察图像的目的，可以向利用者提供具有集成的检测器的带电粒子束装置。

现有的扫描电子显微镜，通常在高真空下由高真空二次电子观察专用检测器构成，在低真空下由基于离子电流检测的低真空二次电子观察专用检测器构成，在观察样品室8内配备有用于分别配置它们的端口(port)。

然而，在通过本实施例构成的情况下，在观察样品室内应该准备的检测器用的端口能够与真空模式无关地仅由集成的检测器的端口构成。该效果，针对期望进行多种多样的观察的利用者逐渐增多的近年来的需求，能够提供一种具有扩展性的扫描电子显微镜，其除了能安装各种分析装置(WDX：波长分散型X射线分析装置、EDX：能量分散型X射线分析装置等使用X射线的其他装置、EBSP：晶粒解析装置、CL：阴极发光分光装置、拉曼分光装置等)之外，还能安装特别设计的顾客期望的特别附属装置等。而且，还能够预计到以下效果：能够根据得到的图像质量的差异，消除真空模式的概念，观察具有特征的二次电子图像，且各领域的利用者不用在意观察对象的样品的种类，就能够连续地进行表面观察。

实施例7

图12表示其他实施例。虽然与实施例1所示的结构相同，但本实施例为光电倍增管仍然使用现有的光电倍增管、即对应的波长区域为可见区域(特别是在420nm左右)的实施例，因此与其他实施例不同。

将光转换成光电子并进行放大的光电倍增管的对应波长区域为可见区域，因此为了高效地转换成光电子，需要通过某种手段将包含真空紫外区域的光的检测光的波长转换成可见区域的光。作为该手段，例如如图12所示，能够在光波导20的表面涂覆与真空紫外区域的光发生反应而发出可见区域的光的荧光体。这种荧光体由BaMgAl₁₀O₁₇:Eu等成分构成，近年来使用于PDP(等离子显示屏)等。在使用通过真空紫外区域的光发光的荧光体的情况下，预测到与直接利用光波导进行检测相比，有少量应答延迟(数百μs)，但通常SEM中所谓的高速扫描速度为～0.033s/frame(～33ms/frame)，因此该应答不成问题。该实施例所使用的波长转换用光波导35的表面也可以为形成凹凸、容易涂覆荧光体的表面。另外，该凹凸也可以预先加工成实施例2那样考虑了光波导材质引起的临界反射角的形状。

实施例8

接着，以与实施例7同样的构思，考虑转换入射的光的波长。为了方便起见，利用图2的本发明的检测器41进行说明。

将图2中使用的光波导20设为使用波长转换用光波导35，此时的光电倍增管由通常SEM中所使用的光电倍增管本身构成。

波长转换光波导将紫外区域的光转换成可见区域的光，在转换效率方面稍稍存在问题，但具有光电倍增管能够使用通常SEM所使用的光电倍增管的优点。在该情况下是与实施例7非常类似的方法，但省去了涂覆荧光体的麻烦，仅简单地变更光波导的材质就能够得到足够的效果。

实施例9

图13表示其他的实施例。虽然与实施例1所示的结构相同，但在本实施例中，相当于光波导附近的第一电极9的电极，将能够充分透射具有图像信息的光的透明电极36蒸镀于光波导表面上，因此与其他的实施例不同。

能够容易地利用近年来为了用于PDP(等离子显示屏)而开发出的技术。本实施例的透明电极也是其中之一，将其应用于本发明。由处理的光的种类、即真空紫外区域的光、荧光体的发光和透明电极构成的PDP的技术，能够充分应用于本实施例的检测器构造。如图13那样在透明度及透射性高的复合光波导37的表面蒸镀有ITO蒸镀膜等具有导电性的透明度高的薄膜。该具有导电性的透明度高的薄膜通过直接发挥相当于第一电极9的功能，能够使实施例1、实施例3所示的气体闪烁中的发光现象、级联气体放大现象发生。与实施例1、实施例3较大不同之处在于，完全不存在由于将第一电极9、第二电极32这样的构造物配置在作为检测部的光波导附近而阻碍入射的光的情况。

优选在复合光波导37的表面形成凹凸，该突起只要能够获得与实施例1所示的第一电极9相同的效果即可。

在该实施例中，仅在光波导表面蒸镀透明电极即可，或者也可以如图13所示，设成使用了该复合光波导37的双重构造，成为在一方上蒸镀透明电极36，在另一方上涂覆实施例5所示的荧光体的形态。

实施例10

图14表示其他实施例。本实施例使用光波导20和分支光波导(光纤制)65来分支光路，高真空时使用由光波导构成的光路，低真空时使用由光纤构成的光路，使用一个光电倍增管进行检测并形成图像，这一点与其他实施例不同。

压克力或石英等能够透射大范围的波长光的光波导，由于材质、制造上等的课题而难以分支光路。而且由于在样品室内放射的光的方向未必是一个方向，因此优选光路能够自由弯曲且能够自由地配置在最佳位置。

在图14所示的结构中，能够同时解决上述课题、问题。此时如(实施例1)所说明的那样，优选包括能够从紫外区域到可见区域工作的特性的光电倍增管。在低真空下的光检测所使用的光纤前端检测部周边(图14中分支光波导65前端部及第一电极9附近)具备上述实施例中所说明的电极。

实施例11

与图8所示的结构相关联，在光路(光波导)中，不仅能够从朝向样品侧的面进行检测，而且还能够从光波导的侧面进行检测。作为一般的光波导的使用方法，能够列举出从朝向样品侧的平面进行检测，但为了最大限度地检测发出的光，也能够从光波导侧面进行检测。

实施例12

图15表示其他的实施例。利用半浸没型物镜62谋求高分辨率化，且具有真空工作排气用孔板(orifice)66，能够在高真空和低真空两种真空模式下观察，利用由于半浸没型物镜发生的泄漏磁场的影响而卷起到物镜内的二次电子64和残留在物镜内的气体分子发生碰撞的气体放大作用，检测此时发出的光并形成图像，因此与其他的实施例不同。

在低真空下使用半浸没型物镜的情况下，一般而言，在达到最大磁场的透镜主面位置设置真空工作排气用孔板。孔板的孔径选择大约100μm～1000μm左右，从样品产生的二次电子受到半浸没型物镜的磁场的影响而被卷起，经过该孔被吸入透镜内。在利用由该磁场引起的二次电子的卷起作用的带电粒子束装置中，利用ExB(维也纳过滤器(wien filter))能够不影响一次电子束，而仅对从样品表面卷起的二次电子以接近大致100％的检测效率捕获二次电子。

利用该作用，通过更多的二次电子和半浸没型物镜的低像差，来实现光的高效率检测和高分辨率，在这一点作为低真空下的检测方法，与其他实施例存在较大不同。

最后得到的图像的效果由图16、图17表示。

同时分别对具有图像信息的光和离子电流进行检测并同时进行观察时，能够拍摄到图16所示的观察照片。在图16中，例示了具有图像信息的离子电流图像57、检测具有图像信息的光而得到的图像58。如图16所示，两者都非常酷似高真空二次电子图像，但能够确认局部不同的对比度。充分考虑到了如下情况：在生物/化学材料领域、地质学领域、半导体领域等领域中，很多利用者期望同时观察具有根据样品5的种类而不同的对比度的图像。

另外，在图17中表示了具有图像信息的离子电流检测的高速扫描时的图像59、具有图像信息的光检测的高速扫描时的图像60。通过进行该比较，表示了检测出具有图像信息的光的情况下的具有特征性的性能。原本是利用光的检测，利用上述方法，如上所述那样使流动速度比较慢的离子与图像信号的应答性能无关，而且不是像离子电流检测方法那样利用电气放大电路进行放大，而是利用光电倍增管进行放大，因此与TV(～0.033s/frame)那样的高速扫描速度相应地，对于通过控制部22形成观察图像的信号也能够高速应答。

符号说明

1 电子源

2 一次电子束

3 多级透镜

4 物镜

5 样品

6 二次电子

7 反射电子

8 观察样品室

9 第一电极

10 由二次电子引起的电子

11 由二次电子引起的正离子

12 由反射电子引起的电子

13 由反射电子引起的正离子

14 基态

15 激发态

16 跃迁能量

17 具有图像信息的光(紫外区域/可见区域)

18 气体分子

19 气体压力

20 光波导

21 光电倍增管(PMT)

22 (图像形成)控制部

23 图像处理终端

24 观察条件控制部

25 偏转器

26 偏转信号控制部

27 大气导入口

28 针阀

29 Everhart Thornley型检测器(高真空二次电子检测器)

30 二次电子收集电极

31 反射电子检测器

32 第二电极

33 共用光波导

34 第三电极

35 波长转换用光波导

36 透明电极

37 复合光波导

38 第四电极

39 第二光波导

40 第五电极

41 本发明的检测器

42 电气放大电路

43 +10kV

44 空气的发光光谱分析结果

45 光波导(压克力)的光的透射率

46 石英的光的透射率

47 通常的SEM所使用的光电倍增管的放射灵敏度曲线

48 本发明所使用的光电倍增管的放射灵敏度曲线

49 锥状光波导

50 捆束的光纤光波导

51 带子

52 与紫外区域的光反应并发光的荧光体

53 具有图像信息的可见区域的光

54 SEM整体控制部

55 高真空二次电子检测器用闪烁体

56 光纤细线

57 离子电流图像

58 具有图像信息的光的图像

59 离子电流检测的高速扫描时的图像

60 具有图像信息的光的检测的高速扫描时的图像

61 接地电极

62 半浸没型物镜

63 ExB(维也纳过滤器)

64 由磁场卷起的二次电子

65 分支光波导(光纤制)

66 真空工作排气用孔板

Claims (14)

1.一种带电粒子束装置，包括：

带电粒子源；

带电粒子光学***，其包括透镜，会聚从带电粒子源放出的一次带电粒子束而在样品上进行扫描；

检测器，其检测通过上述一次带电粒子束的扫描而从样品产生的信号粒子；以及

控制部，其控制上述透镜，

该带电粒子束装置利用上述检测单元的信号取得样品图像，

该带电粒子束装置的特征在于，

具有被控制为低真空(1Pa～3000Pa)的样品室，

上述检测器包括：

具有对至少一个以上的电极施加了+300～+500V的电压的阳极，利用配置在该阳极附近的光波导(光波导路)检测具有图像信息的光，利用与光波导耦合的光电倍增管将光转换成光电子并放大后，形成图像并能够进行观察的控制部；以及

作为电流信号，从与上述电极不同电位的其他电极检测具有图像信息的离子电流，并形成图像的控制部。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

用于检测上述具有图像信息的光的检测部具有光波导(光波导路)，该光波导(光波导路)由至少能够透射从真空紫外光区域到可见光区域的光的材质构成。

3.根据权利要求1或2所述的带电粒子束装置，其特征在于，

与光波导(光波导路)耦合的光电倍增管能够以至少20％～30％的量子效率将从真空紫外光区域到可见光区域的光转换成光电子然后放大。

4.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

调整观察样品室的气体压力和阳极的电压，能够同时控制具有图像信息的光的发光现象、和具有图像信息的离子电流放大现象。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

用于检测离子电流的电极形状包括网状、环状、板状或多个棒状。

6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

将上述光波导做成锥形状。

7.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

由多根光纤构成上述光波导(光波导路)，该带电粒子束装置具有使上述光纤的受光面朝向检测方向的光波导。

8.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

将上述光波导延伸到物镜附近，且配置在作为观察对象的样品正上方，通过与上述光波导一同构成电极，提高形成图像的光的检测效率。

9.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

在高真空(1.0×10^-4Pa～1Pa)区域中，对低真空区域和高真空区域中分别形成图像的光使用同一光电倍增管。

10.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

将与具有图像信息的光发生反应并发光的荧光体涂覆于上述光波导表面，至少将光的波长转换为400nm到420nm的波长。

11.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

光波导(光波导路)附近的阳极，在上述光波导表面上为充分透射形成图像的光的透明且具有阳极的功能。

12.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

作为在高真空和低真空中共用的检测器，其结构为：组合光波导和光纤，使光路向高真空侧和低真空侧分支，在两真空模式下共用光电倍增管。

13.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

检测来自光波导侧面的光。

14.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

利用半浸没型物镜谋求高分辨率化，并且具有真空工作排气用孔板，能够在高真空和低真空两种真空模式下观察，检测通过由于半浸没型物镜发生的泄漏磁场的影响而被卷起到物镜内的二次电子和残留在物镜内的气体分子发生碰撞的气体放大作用而发出的的光，并形成图像。

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