JP6166029B2 - Electron detection apparatus and electron detection method - Google Patents
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Description
本発明は、入力された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 for multiplying and detecting input electrons.
従来、走査型電子顕微鏡は広く微小構造物を観察、検査あるいは測定するために利用されている。 Conventionally, scanning electron microscopes are widely used for observing, inspecting or measuring microstructures.
走査電子顕微鏡はサンプル表面に細く絞った電子を決められたタイミングで走査して照射する機能と共に、サンプル表面で生じた２次電子を決められたタイミングで検出して画像信号を生成する。検出された２次電子信号はＡＤ変換装置などでデジタル信号に変換される。実用的なサンプリング速度は数ＭＨｚから１ＧＨｚ程度である。この変換速度のことをピクセルレートと呼ぶ。サンプル表面で生じる２次電子量はサンプル表面に照射した電子数にサンプルの２次電子発生効率を掛けた量である。これは１ピクセル当たりに換算すると電子１個から１０００個分の非常に微量な電気量である。電子１個は１０のマイナス１９乗クーロンと非常に小さいため。このような微小電子を電気的に検出するためには、非常に大きな増幅をする必要がある。 The scanning electron microscope scans and irradiates finely focused electrons on the sample surface at a predetermined timing, and detects secondary electrons generated on the sample surface at a predetermined timing to generate an image signal. The detected secondary electron signal is converted into a digital signal by an AD converter or the like. A practical sampling rate is about several MHz to 1 GHz. This conversion speed is called a pixel rate. The amount of secondary electrons generated on the sample surface is an amount obtained by multiplying the number of electrons irradiated on the sample surface by the secondary electron generation efficiency of the sample. This is a very small amount of electricity corresponding to 1 to 1000 electrons when converted per pixel. One electron is very small, 10 minus 19th power coulomb. In order to electrically detect such minute electrons, it is necessary to perform a very large amplification.
しかしながら、トランジスタ等の半導体増幅装置を用いた増幅では熱雑音が大きいため１個の電子の持つ信号を増幅することは出来ない。熱雑音を減らすためには、絶対零度近傍に冷却すると効果的であるが、絶対零度に冷やすためには特殊な冷凍装置を用いる必要があり、大きな場所も必要なため実用的でない。そこで熱雑音の影響を受けにくく、かつ、室温で利用可能な図１４で示したようなＭＣＰと呼ばれる２次電子増倍作用を利用した一種の真空管デバイスを利用して目的を達成する。 However, amplification using a semiconductor amplifying device such as a transistor cannot amplify a signal of one electron because of high thermal noise. In order to reduce thermal noise, it is effective to cool to near absolute zero. However, in order to cool to absolute zero, it is necessary to use a special refrigeration apparatus, which is not practical because it requires a large place. Therefore, the object is achieved by using a kind of vacuum tube device using a secondary electron multiplication function called MCP as shown in FIG. 14 which is hardly affected by thermal noise and can be used at room temperature.
ＭＣＰはマルチチャンネルプレートの略であり、非常に沢山の独立した細長いトンネル構造をしたチャンネルと呼ばれる微小細孔がガラス基板の中に設けられているガラス素子である。ＭＣＰは中空の細長い鉛ガラス管を集積した厚みが１ｍｍ以下の板状の物体である。この構造は、細く引き伸ばされたグラスファイバーを大量に束ねて、固めた後薄くスライスして、エッチングすることにより、作られる。それぞれのチャンネル内部は動作時に１０のマイナス４乗パスカルよりも良い真空に維持されており、その表面は２次電子増倍作用をもちその１つ１つのチャンネルが電子を増倍する。中空ガラス管の内側には鉛ガラスから水素還元法により得られた２次電子増倍効果のある材料あるいは特殊加工を施した膜が存在し、そこに電子が加速後衝突することでネズミ算式に次々と電子が増倍される仕組みと成っている。 MCP is an abbreviation for multi-channel plate, and is a glass element in which minute pores called channels having a large number of independent and elongated tunnel structures are provided in a glass substrate. The MCP is a plate-like object having a thickness of 1 mm or less in which hollow elongated lead glass tubes are integrated. This structure is made by bundling a large amount of thinly stretched glass fiber, hardening it, slicing it thinly, and etching it. The interior of each channel is maintained in a vacuum better than 10 minus 4 Pascals during operation, and its surface has a secondary electron multiplication effect, and each channel multiplies electrons. Inside the hollow glass tube, there is a secondary electron multiplication effect material or specially processed film obtained from lead glass by the hydrogen reduction method. It is a mechanism for multiplying electrons one after another.
ＭＣＰを用いて電子増倍するためには、ＭＣＰに入射した電子を加速するためにＭＣＰ両端に１０００V程度のバイアス電圧を印加することが必要である。ＭＣＰ素子以外の部分に高電圧が掛からないように、ＭＣＰ以外の部材と電気的に絶縁するためにテフロン（登録商標）、エンジニアリングプラスチック等のプラスチックで出来た絶縁支持部材を用いてＭＣＰは周辺を囲まれて真空中に支持されている。１枚の素子には通常最大１ＫＶ程度の電圧が印加され、１枚のＭＣＰでは最大１００００倍くらいの電子増倍を行うことが出来る。増倍率をもっと増やしたい場合は、ＭＣＰ素子を重ねることによって実現され、２枚重ねるとＭＣＰに入射した１個の電子は１０の６乗倍増倍することが出来る。さらに大きな電子増倍が必要な場合には、ＭＣＰを３枚以上重ねることにより、１０の７乗にも及ぶ増倍率を実現することが出来る。 In order to multiply electrons using the MCP, it is necessary to apply a bias voltage of about 1000 V across the MCP in order to accelerate the electrons incident on the MCP. In order to prevent high voltage from being applied to parts other than the MCP element, the MCP is surrounded by an insulating support member made of plastic such as Teflon (registered trademark) or engineering plastic in order to electrically insulate it from members other than the MCP. Surrounded and supported in a vacuum. A voltage of about 1 KV is normally applied to one element, and an electron multiplication of about 10000 times can be performed with one MCP. When it is desired to further increase the multiplication factor, it is realized by stacking MCP elements. When two sheets are stacked, one electron incident on the MCP can be multiplied by 10 to the sixth power. When a larger electron multiplication is required, a multiplication factor as large as 10 7 can be realized by stacking three or more MCPs.
ＭＣＰによる電子増倍作用は電子散乱現象を用いたものである。電子に高いエネルギーを与えて物質に衝突させると、入射した電子よりも多い数の電子が物質から真空中に弾き飛ばされる原理に基づいている。２次電子発生膜とは散乱して出てくる２次電子の数が特別に多い物質のことを指す。１個の加速された電子を２次電子発生膜に当てると、その膜からは２個以上の電子が放出される。電子を弾き飛ばすために必要な最低エネルギーは量子力学で厳密に決まっており、入射電子のエネルギーがそのエネルギーを超えている限り衝突によって２次電子が生じる。最初の衝突によって放出された電子をさらに加速して２次電子放出膜に当てるとそれぞれの電子に対してさらに２個以上の電子が放出される。これを繰り返すことで、ねずみ算的に電子の個数が増加する。 The electron multiplication effect by MCP uses the electron scattering phenomenon. This is based on the principle that when electrons are given high energy and collide with a substance, more electrons than the incident electrons are blown away from the substance into the vacuum. The secondary electron generating film refers to a substance having a particularly large number of secondary electrons that are scattered. When one accelerated electron is applied to the secondary electron generating film, two or more electrons are emitted from the film. The minimum energy required to bounce off electrons is strictly determined by quantum mechanics, and secondary electrons are generated by collision as long as the energy of the incident electrons exceeds that energy. When the electrons emitted by the first collision are further accelerated and applied to the secondary electron emission film, two or more electrons are emitted for each electron. By repeating this, the number of electrons increases in a false manner.
２次電子発生のために必要なエネルギーは数エレクトロンボルトのオーダーである。熱雑音は１エレクトロンボルトよりも小さいため、散乱現象の雑音にならない。電子は素粒子であり、自然数の倍数しか存在しないため、これらの増幅によって得られた電子の個数は自然数である。ＭＣＰの増幅は本質的にデジタル増幅であり、半導体増幅装置とは原理が異なるため、大きなＳＮＲを有する２次電子信号を得ることが出来る。ＭＣＰにより増倍された電子はマイクロアンペアー程度の電流として出力されるため、これらの電気信号は漏れ電流の非常に小さい高速電流電圧変換回路により画像信号に変換され、ＳＥＭ画像形成に利用される。ＭＣＰは１ｎｓ以下の高速パルスを増幅することが出来るため、超高速の時間分解能が必要なＴＯＦＳＩＭＳ等の超高感度分析装置やウエハー、マスク検査装置の超高速２次電子検出装置として利用されている。 The energy required for generating secondary electrons is on the order of several electron volts. Since thermal noise is less than 1 electron volt, it does not become noise of scattering phenomenon. Since electrons are elementary particles and exist only in multiples of natural numbers, the number of electrons obtained by these amplifications is natural numbers. The amplification of MCP is essentially digital amplification, and the principle is different from that of a semiconductor amplifying device, so that a secondary electron signal having a large SNR can be obtained. Since the electrons multiplied by the MCP are output as a current of the order of microamperes, these electric signals are converted into image signals by a high-speed current-voltage conversion circuit having a very small leakage current and used for SEM image formation. Since MCP can amplify high-speed pulses of 1 ns or less, it is used as an ultra-high-speed secondary electron detector for ultra-high-sensitivity analyzers such as TOFSIMS and wafer and mask inspection devices that require ultra-high-speed time resolution. .
ＭＣＰを動作させるためには、図１５に示したように、ＭＣＰ素子に加える電圧の他に、検出したい電子をＭＣＰに入射するための引き込み電圧、ＭＣＰ素子から出射する電子を回収して電流に変換するアノードに加えるアノード電圧等が別途必要である。 In order to operate the MCP, as shown in FIG. 15, in addition to the voltage to be applied to the MCP element, a pull-in voltage for allowing electrons to be detected to enter the MCP, and electrons emitted from the MCP element are recovered and converted into a current. An anode voltage or the like applied to the anode to be converted is separately required.
従来のＭＣＰ回路では、高圧回路を簡単にするために１つの高圧電源が発生した電圧を固定抵抗による抵抗分割回路によって電圧差を作り引き込み電圧、ＭＣＰ電圧、アノード電圧をそれぞれ作り出し、それぞれ供給している。 In the conventional MCP circuit, in order to simplify the high-voltage circuit, the voltage generated by one high-voltage power supply is made a voltage difference by a resistance dividing circuit with a fixed resistor, and a pull-in voltage, an MCP voltage, and an anode voltage are respectively generated and supplied. Yes.
大出力電流用ＭＣＰの電気抵抗値は数ＭΩオーダー以下である。例えばＭＣＰが１枚の電気抵抗値を１ＭΩと仮定すると、ＭＣＰに１ＫＶの電圧を印加すると１ｍＡの電流が流れる。発熱量は印加電圧と電流の積で与えられ、１Ｗ相当の発熱が起こる。 The electrical resistance value of the large output current MCP is on the order of several MΩ or less. For example, assuming that the electrical resistance value of one MCP is 1 MΩ, a current of 1 mA flows when a voltage of 1 KV is applied to the MCP. The amount of heat generation is given by the product of the applied voltage and current, and heat generation equivalent to 1 W occurs.
空気中であれば、１Ｗの熱は対流よって自由に拡散し、十分に冷却できる。一方、ＭＣＰは１０のマイナス４乗以上の高真空中に保持されているため、空気対流による熱放散がなく輻射によるエネルギー放散だけであるため、実質的な熱流路がなく熱が蓄積される。エッチング装置等では真空中であってもヘリウムガスを流すなどして冷却する例もあるが、ＭＣＰ周辺にガスを流すと放電してしまうため、利用できない。従って、従来のようにテフロン、エンジニアリングプラスチック等で周辺から熱的に隔離されていると、熱の逃げ場がなく蓄熱容易で１Ｗの発熱でさえＭＣＰの温度は数百度を軽く超えＭＣＰを構成しているガラスが融けるほどの高温になる。 In the air, 1 W of heat can be freely diffused by convection and sufficiently cooled. On the other hand, since MCP is held in a high vacuum of 10 to the fourth power or higher, heat is not dissipated by air convection but only energy is dissipated by radiation, and heat is accumulated without a substantial heat channel. In an etching apparatus or the like, there is an example where cooling is performed by flowing helium gas even in a vacuum, but it cannot be used because it discharges when gas flows around the MCP. Therefore, if it is thermally isolated from the surroundings with Teflon, engineering plastics, etc. as before, heat storage is easy without heat escape, and even with 1W heat generation, the temperature of the MCP slightly exceeds several hundred degrees and constitutes the MCP. The glass is hot enough to melt.
ＭＣＰは超高速かつ低ノイズで電子増倍出来ることが特徴であるが、必ずしも現在流通しているＭＣＰは高速大量に連続入射される電子を増倍するには向いていない。１００ＭＨｚを超える広帯域幅ではＭＣＰ出力が飽和を起こし、入力に比例した増倍ができなくなる。単発的にＭＣＰに入力されるパルス状電子を増倍する目的であれば、ＭＣＰ電圧を上げてゲインを上げれば大きな瞬時出力電流を大きく取ることが可能である。 MCP is characterized by being capable of electron multiplication with ultra-high speed and low noise. However, currently available MCPs are not necessarily suitable for multiplying electrons that are continuously incident in large quantities at high speed. In a wide bandwidth exceeding 100 MHz, the MCP output is saturated, and multiplication in proportion to the input cannot be performed. For the purpose of multiplying the pulsed electrons that are input to the MCP once, it is possible to increase a large instantaneous output current by increasing the gain by increasing the MCP voltage.
しかしながら、検査装置等の応用では画像を形成する必要があるため、大量の電子がＭＣＰに同時にしかも高速に連続的に入射される。この連続入射される信号に比例した電流を連続に出力する必要がある。このような連続信号を増倍する目的の場合、ＭＣＰが出力可能な平均電流値自身が数十マイクロアンペアー以上に大きくないと、入力された電子に比例して電子を増倍することは出来ないことが実験的に判明している。 However, since it is necessary to form an image in applications such as inspection apparatuses, a large amount of electrons are incident on the MCP continuously at a high speed. It is necessary to continuously output a current proportional to the continuously incident signal. For the purpose of multiplying such a continuous signal, if the average current value that can be output by the MCP is not larger than several tens of microamperes, it is not possible to multiply the electrons in proportion to the input electrons. It has been found experimentally.
ＭＣＰの平均最大出力電流を増加させるためには低電気抵抗ＭＣＰを利用することが必要である。しかしながら、低抵抗ＭＣＰを作ることが困難な上、たとえ低抵抗ＭＣＰが出来たとしても、ＭＣＰには１ＫＶ程度の高電圧を掛けて使用する性質上、その発熱によりＭＣＰに大きな熱が蓄積して温度が上昇しＭＣＰが溶融破損するため、従来の技術では実質的に１０ＭΩよりも小さな抵抗を持つＭＣＰは安定的商用利用が不可能であるという問題があった。 In order to increase the average maximum output current of the MCP, it is necessary to use a low electrical resistance MCP. However, it is difficult to make a low-resistance MCP, and even if a low-resistance MCP is made, due to the property of applying a high voltage of about 1 KV to the MCP, a large amount of heat accumulates in the MCP due to its heat generation. As the temperature rises and the MCP melts and breaks, the conventional technology has a problem that the MCP having a resistance substantially smaller than 10 MΩ cannot be stably used.
また、従来の抵抗分割式ＭＣＰバイアス回路を用いると、低抵抗ＭＣＰは動作中に温度が変化するため、実際にＭＣＰに印加される電圧が変動してそれに伴い増倍率が変動し、所望の増倍度を実現できないという問題があった。 In addition, when a conventional resistance division type MCP bias circuit is used, the temperature of the low resistance MCP changes during operation. Therefore, the voltage actually applied to the MCP fluctuates, and the multiplication factor fluctuates accordingly. There was a problem that the double could not be realized.
また、ＭＣＰの電極にはＭＣＰ抵抗値の１割程度の抵抗値を持つブリーダ抵抗と呼ばれる、電流迂回用の抵抗を利用する。ＭＣＰの抵抗値が数十ＭΩの場合は高圧電源の出力電流は１ｍＡもあれば十分であるが、ＭＣＰの抵抗値が低い場合、ブリーダ抵抗の値もそれに応じて低くする必要があり、１０ｍＡを超え、高圧で大電流の大型高圧電源を必要としコスト増大を招いてしまうという問題もあった。 In addition, a current bypass resistor called a bleeder resistor having a resistance value about 10% of the MCP resistance value is used for the MCP electrode. When the resistance value of the MCP is several tens of MΩ, it is sufficient if the output current of the high-voltage power supply is 1 mA. However, when the resistance value of the MCP is low, the bleeder resistance value needs to be lowered accordingly, and 10 mA is reduced. There is also a problem that a large high-voltage power supply with a high voltage and a large current is required, resulting in an increase in cost.
本発明は、上記問題点を解決するため、入力された電子を増倍して検出するＭＣＰ素子近傍に絶縁性かつ熱伝導率の高い材料を配置してその１端をＭＣＰ素子あるいはＭＣＰ素子の給電電極に接触させ、かつ、他端をＭＣＰ素子の外側の部材に接触させて、ＭＣＰ素子で発生した熱を逃がす熱流路を形成し、ＭＣＰの発熱による影響を低減してＭＣＰゲインの変動を抑止および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と共に、更に、ＭＣＰ素子を温度制御して最適かつ長寿命にすることを目的とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the present invention arranges an insulating and high thermal conductivity material in the vicinity of an MCP element that detects by multiplying input electrons, and one end of the MCP element or MCP element Contact the power supply electrode and contact the other end with the outer member of the MCP element to form a heat flow path that releases the heat generated in the MCP element, reducing the influence of heat generated by the MCP, and changing the MCP gain. The purpose is to realize suppression and output current detection proportional to a large input current, and to control the temperature of the MCP element to achieve an optimum and long life.
本発明は、そのために、入力された電子を増倍して検出するマイクロ・チャネル・プレート（以下「ＭＣＰ」という）を用いて電子を増倍して検出するＭＣＰ装置において、真空中に配置されたＭＣＰを支持する、電気絶縁性熱導電体の材料からなる支持部材と、支持部材のＭＣＰを保持した部分と反対側の部分を、室温あるいは所定温度の外部部材に接触させ、ＭＣＰに発生する熱を外部部材に逃がす、あるいはＭＣＰの温度を外部部材の温度に近づける、外部部材によって構成される熱流路を設け、ＭＣＰが発生する熱を外部に逃がしてＭＣＰを冷却、あるいはＭＣＰの温度を外部部材の温度に近づけて所定温度に保持する。 For this purpose, the present invention is arranged in a vacuum in an MCP apparatus that multiplies and detects electrons using a micro channel plate (hereinafter referred to as “MCP”) that multiplies and detects input electrons. The support member made of an electrically insulating thermal conductor material that supports the MCP and the portion of the support member opposite to the portion that holds the MCP are brought into contact with an external member at room temperature or a predetermined temperature, and is generated in the MCP. A heat flow path composed of an external member that releases heat to the external member or brings the temperature of the MCP close to the temperature of the external member is provided to cool the MCP by releasing the heat generated by the MCP to the outside, or the temperature of the MCP is externally set. The temperature is kept close to the temperature of the member at a predetermined temperature.
この際、電気絶縁性熱導電体として、窒化アルミニウムとするようにしている。 At this time, aluminum nitride is used as the electrically insulating thermal conductor.
また、ＭＣＰの温度を測定する温度測定装置を設けるようにしている。 Further, a temperature measuring device for measuring the temperature of the MCP is provided.
また、ＭＣＰに印加する電圧および流れる電流を測定してこれら電圧および電流からＭＣＰの抵抗値を算出し、算出した抵抗値をもとに予め求めたＭＣＰの抵抗値とＭＣＰの温度との関係曲線からＭＣＰの温度を算出するようにしている。 Further, the voltage applied to the MCP and the flowing current are measured, the resistance value of the MCP is calculated from the voltage and current, and the relationship curve between the resistance value of the MCP obtained in advance based on the calculated resistance value and the temperature of the MCP. From this, the temperature of the MCP is calculated.
また、測定された温度をもとにＭＣＰに印加する電圧を制御するようにしている。 Further, the voltage applied to the MCP is controlled based on the measured temperature.
また、ＭＣＰに印加する電圧を制御して所望の温度に調整するようにしている。 In addition, the voltage applied to the MCP is controlled to be adjusted to a desired temperature.
また、ＭＣＰを加熱あるいは冷却する装置を設け、当該装置を制御して所望温度あるいは抵抗値に調整するようにしている。 Also, a device for heating or cooling the MCP is provided, and the device is controlled to adjust to a desired temperature or resistance value.
本発明は、入力された電子を増倍して検出するＭＣＰ素子近傍に絶縁性かつ熱伝導率の高い材料を配置してその１端をＭＣＰ素子あるいはＭＣＰ素子の給電電極に接触させ、かつ、他端をＭＣＰ素子の外側の部材に接触させて、ＭＣＰ素子で発生した熱を逃がす熱流路を形成し、ＭＣＰの発熱による影響を低減してＭＣＰゲインの変動を抑止および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と共に、更に、ＭＣＰ素子を温度制御して最適かつ長寿命にすることを実現した。 In the present invention, an insulating and high thermal conductivity material is arranged in the vicinity of the MCP element for detecting the input electrons by multiplying them, and one end thereof is brought into contact with the power supply electrode of the MCP element or the MCP element, and The other end is brought into contact with the member outside the MCP element to form a heat flow path for releasing the heat generated by the MCP element, and the influence of heat generation of the MCP is reduced to suppress the fluctuation of the MCP gain and to be proportional to a large input current. In addition to detecting the output current, the MCP element was also temperature-controlled to achieve an optimum and long life.
詳細に説明すれば、下記のようになる。 The details are as follows.
（１）従来では安定利用できなかった例えば５ＭΩ以下の低抵抗のＭＣＰ素子１を真空中で安定に利用することが可能となり、より大電流の出力を安定してＭＣＰ素子１から取り出すことが出来る。
(1) The
（２）ＭＣＰ素子１の温度を一定に保つことができるので、抵抗分割型のバイアスを行った場合にも、ＭＣＰ素子１の抵抗値は一定値に制御され、ＭＣＰ素子１に実質的に印加される電圧を一定に保つことが可能となり、ゲインを高く保つことが出来る。抵抗分割方式ではなくＭＣＰ素子１に直接給電する方式では、ＭＣＰ素子１の抵抗値に関わらず所望の電圧を印加することができるため、ＭＣＰ素子１の抵抗変化に関わらず一定の電圧をＭＣＰ素子１の両端に加えることが可能であり、ＭＣＰ素子ゲインを一定に保つことが出来る。
(2) Since the temperature of the
（３）ＭＣＰ素子１の出力電流を電圧に変換する電流電圧変換アンプは一定のノイズを持っているが、ＭＣＰ素子１から大電流を取り出すことが出来ると、アンプのノイズに対して大きな信号と成るため、従来よりも格段に高いＳ／Ｎ比の画像信号を得ることが出来るように成る。より大きな出力電流が取り出せることはＭＣＰ素子１の実質的な増倍率が増加したことを意味する。ＭＣＰ素子１の波高ばらつきによる統計ノイズはＭＣＰ素子１の増倍率の平方根に比例することが知られているため、Ｓ／Ｎ比は増倍率の平方根に比例する。本発明を実施するとＭＣＰ素子１のＳ／Ｎ比を向上することが出来る。
(3) Although the current-voltage conversion amplifier that converts the output current of the
（４）ＭＣＰに熱が蓄積せず、熱流路によって自由にＭＣＰ素子１の温度が管理出来るので、ＭＣＰ素子１の熱破損を未然に防止することが出来るように成る。ＭＣＰ素子１の標準的な使用方法を超えて、高いパフォーマンスを引き出すオーバードライブが出来るようになる。ＭＣＰ素子１の温度を所望の温度に制御し実質的な抵抗値を下げることで、ＭＣＰ素子１の最大出力電流を増大することが出来る。ＭＣＰ素子１の抵抗値は温度に対して何倍も変化するので、温度を適切に設定することで通常の何倍もの出力電流を取り出すことが出来るようになる。本来は抵抗値が高くて、小さな出力電流しか取り出せないＭＣＰ素子１も本方法では室温に置いて低い抵抗値のＭＣＰ素子１と同等の出力電流を得られるようになるためＭＣＰ素子１のパフォーマンスが格段に高くなる。
(4) Since heat does not accumulate in the MCP and the temperature of the
（５）ＭＣＰ素子１の寿命はＭＣＰ素子１のチャンネル内部に付着する炭素物質の蓄積によるとされている。１００度以上にＭＣＰ素子１の温度を上げることによって、ＭＣＰ素子１に付着する炭素等の汚染物質を減少することが可能となり、ＭＣＰ素子１のの寿命を延ばすことができる。
(5) The lifetime of the
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において、ＭＣＰ素子１は、ＭＣＰ（公知）から構成される電子を倍増する素子であって、ここでは、中心に穴が開いた円盤状の形状を有するものである。ＭＣＰ素子１は、通常、真空中に配置し、当該ＭＣＰ素子１自身に電圧を印加して電流が流れるので両者の積に相当する熱量（例えば数Ｗ）が発生し、当該ＭＣＰ素子１の表側と裏側の間に電圧（例えば数百Ｖから１ないし２ＫＶの電圧）を印加する関係で電気絶縁性の材料で保持する必要があり、従来はガラス、プラスチックなどの熱絶縁性の材料で保持されていたので、ＭＣＰ素子１の発熱により室温から７０℃ないし３００℃程度に加熱されていた。
In FIG. 1, an
給電電極２は、電気伝導性の材料で作成され、ＭＣＰ素子１の表側（上側）と裏側（下側）との間に電圧（数百Ｖから１ないし２ＫＶ程度の直流電圧）をそれぞれ印加するための電極であると共に、ＭＣＰ素子１を保持する部材である。
The feeding electrode 2 is made of an electrically conductive material, and applies a voltage (a DC voltage of several hundred volts to about 1 to 2 KV) between the front side (upper side) and the back side (lower side) of the
外部ＭＣＰ支持部材３は、本発明に係わる電気絶縁性熱伝導体の部材で作成したものであって、ＭＣＰ素子１を保持する電気伝導性の給電電極２を鏡筒６に対して、電気絶縁性の態様で固定する部材である。外部ＭＣＰ支持部材３は、電気絶縁性熱伝導性の部材、例えば後述する図８の窒化アルミニウムなどの部材である。
The external MCP support member 3 is made of a member of an electrically insulating heat conductor according to the present invention, and the electrically conductive feeding electrode 2 holding the
アノード４は、正の電圧が印加される部分であって、ＭＣＰ素子１で増倍された電子が入射して検出される部分である。
The
導電性熱伝導体５は、電気的に伝導性かつ熱伝導性の材料で作成され、ＭＣＰ素子１で発生した熱を、電気的絶縁性かつ熱伝導体である外部ＭＣＰ支持部材３を経由して、ここでは、鏡筒（室温）６に逃がすための部材である。
The conductive heat conductor 5 is made of an electrically conductive and heat conductive material, and the heat generated in the
鏡筒６は、走査型電子顕微鏡などの鏡筒であって、ここでは、室温に保持される外部部材である。 The lens barrel 6 is a lens barrel such as a scanning electron microscope, and is an external member held at room temperature here.
内部ＭＣＰ支持部材１１は、電気的に伝導性かつ熱伝導性の材料で作成され、円盤状のＭＣＰ素子１の中心部に図示のように穴を設けた場合に、当該ＭＣＰ素子１の中心部の穴の縁から熱を鏡筒６に逃がすための、外部ＭＣＰ支持部材３に対して並列に設けた経路である。
The internal MCP support member 11 is made of an electrically conductive and thermally conductive material, and when a hole is provided in the center of the disc-shaped
バイアス電極１２は、内部ＭＣＰ支持部材１１の内側に設けた電気的に伝導性のパイプ状の電極であって、バイアス電圧を印加して下から上方向に進行した１次電子が図示外の上側に配置した試料に入射し、そのときに放出された２次電子、反射電子のうち２次電子がＭＣＰ素子１の中心部分を通過して下側に進行しないように、負の電圧を印加して正の電圧が印加されたＭＣＰ素子１の表側（上側）に入射するようにするためのものである。
The
以上のように、電気的に絶縁性かつ熱伝導性の良好な材料で作成した外部ＭＣＰ支持部材３および内部ＭＣＰ支持部材１１でＭＣＰ素子１を保持することにより、高電圧をＭＣＰ素子１の表側と裏側との間に印加し、かつＭＣＰ素子１で発生した熱を良好に鏡筒６に逃がして冷却したり、後述するように、ＭＣＰ素子１を所定温度に制御（調整）したりすることが可能となる。
As described above, the
図２は、本発明の給電電極の説明図を示す。図示の給電電極２は、図１の給電電極２の詳細構造例を示す。 FIG. 2 is an explanatory diagram of the power feeding electrode of the present invention. The illustrated feeding electrode 2 shows a detailed structure example of the feeding electrode 2 of FIG.
図２の（ａ）は給電電極２の断面模式図を示す。 FIG. 2A shows a schematic cross-sectional view of the feeding electrode 2.
図２の（ａ）において、ＭＣＰ素子１は、図１のＭＣＰ素子１であって、ここでは、円盤状かつ中心に穴の開いた形状を持つものであり、表側（上側）と裏側（下側）との間に電圧を印加し、上側から入射した電子を増倍して下側から出射する公知のものである。
In FIG. 2 (a), the
Ｎｉメッキ２１は、ＭＣＰ素子１の表側、裏側にそれぞれ電圧を印加するために当該ＭＣＰ素子１の外周部にＮｉをメッキした電極である。
The Ni plating 21 is an electrode in which Ni is plated on the outer peripheral portion of the
給電電極２は、ＭＣＰ素子１の外周部にメッキしたＮｉメッキ２１の部分あるいはＭＣＰ素子１の図示外の全面にＮｉメッキした部分に接触してＭＣＰ素子１に電圧を印加するための電極であると共に、ＭＣＰ素子を保持かつＭＣＰ素子で発熱した熱を外部の外部部材に逃がす（あるいは外部部材と同じ温度に保持させる）ためのものである。
The power supply electrode 2 is an electrode for applying a voltage to the
アノード４は、ＭＣＰ素子１を通過して増倍された電子を入射して検出するためのものである。
The
図２の（ｂ）および（ｃ）は、給電電極２の種類例を示す。 (B) and (c) of FIG. 2 show examples of types of the feeding electrode 2.
図２の（ｂ）はＭＣＰ素子１の外周部に接触する給電電極２の例を示し、図２の（ｃ）はＭＣＰ素子１の外周部およびメッシュ状の部分で接触する給電電極２の例を示す。図２の（ｃ）のようにＭＣＰ素子１の外周部およびメッシュ状の部分で接触することにより、より均一にＭＣＰ素子１の表側と裏側とに電圧を印加、および発生した熱を外部に取り出して外部部材８（例えば鏡筒６）に逃がしたりなどすることが可能となる。
2B shows an example of the feeding electrode 2 that contacts the outer peripheral portion of the
以上説明した図１から図２の構造をもとに、本願発明について以下詳細に説明する。 The present invention will be described in detail below based on the structure shown in FIGS.
（１）図１に示したように通常、ガラスやプラスチックのような電気絶縁材料は熱伝導率が極端に低い（図８参照）。これは熱伝導が主に自由電子によって行われるためとされている。一方、従来の常識に反して窒化アルミニウムは電気的に絶縁体でありながら良好な熱伝導性を有する（図８参照）。本発明ではこのガラスやプラスチックに代わって電気的に絶縁体でありながら銅に匹敵するほどの熱伝導性の良い窒化アルミニウム等の材料をＭＣＰ支持部材３，１１として利用することに特徴がある。これにより、電気的に絶縁性を保ちながら、従来の装置には事実上存在しなかった大容量のＭＣＰ素子１から装置外部（鏡筒６）へ熱を逃がす熱流路を確保し、ＭＣＰ素子１の温度は当該ＭＣＰ素子１の発熱量を熱流量で除した温度に制御可能となりＭＣＰ素子１の温度をある範囲で自由に変え、一定に保つことができる手段を獲得する。
(1) As shown in FIG. 1, normally, an electrical insulating material such as glass or plastic has extremely low thermal conductivity (see FIG. 8). This is because heat conduction is mainly performed by free electrons. On the other hand, contrary to conventional common sense, aluminum nitride has good thermal conductivity while being an electrical insulator (see FIG. 8). The present invention is characterized in that a material such as aluminum nitride having an excellent thermal conductivity comparable to copper is used as the MCP support members 3 and 11 in place of the glass and plastic, although it is an electrical insulator. Thus, while maintaining electrical insulation, a heat flow path for releasing heat from the large-
本実施例では窒化アルミニウムを例としてあげているが、電気絶縁性が良好かつ熱伝導性が良好であるものであれば何でもよく、例えば、表面が電気的に絶縁処理してあるヒートパイプ（金属でも可）でも同等の効果が得られるものである。 In this embodiment, aluminum nitride is taken as an example, but any material having good electrical insulation and good thermal conductivity may be used. For example, a heat pipe (metal) whose surface is electrically insulated. However, the same effect can be obtained.
（２）次に、ＭＣＰ素子１は電気抵抗を有するもので、電圧を加えると電気が流れ、それに伴って発熱を起こす。図２に示すように、ＭＣＰ素子１で発生したジュール熱は、一旦接触している金属等で出来た熱伝導性の給電電極２に流れる。この給電電極２に電気的に絶縁性かつ熱伝導性の良好な外部ＭＣＰ支持部材３，１１の一端を接触させ、他の端部を鏡筒６に接続せることにより、ＭＣＰ素子１から給電電極２に流れ込んだ熱は最終的に鏡筒６に流れこむ。このように発熱源であるＭＣＰ素子１から装置外部（鏡筒６）へ放熱するための熱流路が生成されるためＭＣＰ素子１に蓄熱することがない。
(2) Next, the
（３） 一方、ＭＣＰ支持部材３，１１からの熱の流入先である鏡筒６（例えば電子顕微鏡の鏡筒）は１０kg以上の大量の鉄をベースとした金属塊で出来ており、ＭＣＰ素子１で生じる全熱量（数ワット）と比較して比較に成らないほど大きな熱容量を持っている。従って、ＭＣＰ素子１からの熱が鏡筒６に移動してきても鏡筒６の温度はほとんど変化しない。
(3) On the other hand, the lens barrel 6 (for example, an electron microscope lens barrel) to which heat from the MCP support members 3 and 11 flows is made of a metal lump based on a large amount of iron of 10 kg or more, and is an MCP element. Compared with the total amount of heat generated in 1 (several watts), the heat capacity is incomparably large. Therefore, even if the heat from the
（４） 更に、装置が半導体工場のクリーンルーム等に設置してある場合には、装置の鏡筒６の表面は空調によって室温が２０度近傍で一定に成るように調整された空気に接しているため、鏡筒６の表面は常にほぼ室温と同じに保たれている。結果的にＭＣＰ素子１で発熱した熱は最終的に鏡筒６外に排出されるため、ＭＣＰ素子１および鏡筒６の温度は殆ど上昇しない。
(4) Furthermore, when the apparatus is installed in a clean room or the like of a semiconductor factory, the surface of the lens barrel 6 of the apparatus is in contact with air that has been adjusted by air conditioning so that the room temperature becomes constant around 20 degrees. Therefore, the surface of the lens barrel 6 is always kept substantially the same as the room temperature. As a result, the heat generated by the
以上のように、ＭＣＰ素子１で発生した熱を電気絶縁性かつ熱伝導性の良好な材料で作成したＭＣＰ支持部材３，１１を介して積極的に鏡筒６に流す熱流路を設けることにより、ＭＣＰ素子１の温度を室温付近に維持あるいはＭＣＰ素子１の温度を通常よりも低い温度に維持することが可能となる。
As described above, by providing a heat flow path for actively flowing the heat generated in the
（５）また、図２に示したものは、穴あきのＭＣＰ素子１に対応した給電電極２である。給電電極２は金属で出来ておりＭＣＰ素子１の外周部に設けられたＮｉメッキ等がされた給電部分に直接接触してＭＣＰ素子１の表側と裏がとにそれぞれ電圧を加えるために利用される。ＭＣＰ素子１の表側と裏側に電圧を印加するため、ＭＣＰ素子１の表側、裏側に接触して用いられる。一方、給電電極２は熱伝導体が良好であり、ＭＣＰ素子１で発生した熱を外部（鏡筒６）に逃がす熱流路となる。この給電電極２に熱伝導性の良好な電気的な絶縁体をしっかりと接触させることで絶縁を保ちながらＭＣＰ素子１で発生した熱を装置外部（鏡筒６）に逃がすことができる。
(5) Also, what is shown in FIG. 2 is a feeding electrode 2 corresponding to the
穴あきＭＣＰ素子１の場合には、ＭＣＰ素子１の外側だけでなく、ＭＣＰ素子１の穴の内側の部分にも熱伝導性の良好かつ電気的に絶縁性の内部ＭＣＰ支持部材１１を接触させる。これにより、ＭＣＰ素子１の内側からも熱を鏡筒６に向かって熱を逃がすことが出来るように成る。ＭＣＰ素子１の中心の穴の部分と内部ＭＣＰ支持部材１１はしっかりと接触させる必要があるため、ＭＣＰ素子１の両面から挟み込む構造が望ましい。図３の（ｃ）に示したように、ＭＣＰ素子１に入射される電子の邪魔にならないように給電電極２をメッシュ状に加工して、ＭＣＰ素子１の上に被せて、ＭＣＰ素子１の全体と給電電極２が接触するようにすることも出来る。このようにすると、ＭＣＰ素子１の全体をより均一温度に維持することができるようになる。
In the case of the
次に、図３は、本発明の他の実施例構造図を示す。図３は、ＭＣＰ素子１の温度を測定する温度検出装置１３を配置して当該ＭＣＰ素子１の温度を直接に測定可能とした構造例を示す。他の構造は、図１の構造と同じであるので、説明を省略する。
Next, FIG. 3 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 3 shows a structural example in which a
図３において、温度検出装置１３は、ＭＣＰ素子１の温度を測定する装置であって、電気的に絶縁かつ可及的に熱的に絶縁された温度測定素子（温度センサ）を当該ＭＣＰ素子１に接触あるいは近傍に接触して配置したものである。
In FIG. 3, the
高圧電源３１は、ＭＣＰ素子１の表側（上側）、裏側（下側）、アノード４、バイアス電極１２に所定の電圧を印加するものである。
The high-
ここで、ＭＣＰ素子１で発生する熱量はＭＣＰ素子１の抵抗値およびＭＣＰ素子１に印加する電圧によって随時変化する。そのため、ＭＣＰ素子１の動作条件が変化すると、ＭＣＰ素子１の温度が変化する。ＭＣＰ素子１の温度が適切な温度に制御されているかどうか知るためには、ＭＣＰ素子温度をリアルタイムに測定すればよい。本実施例ではＭＣＰ素子１に接触あるいは可及的近傍に図３に図示の温度検出装置１３を設けることにより、ＭＣＰ素子１の温度をリアルタイムに測定することが可能となる。温度測定は、図示のように温度検出装置１３を設けてもよりが、ＭＣＰ素子１の抵抗値が負性温度抵抗特性を有することから、ＭＣＰ素子の抵抗値あるいはその変化量を測定し、予め測定しておいた曲線（印加電圧を流れる電流で除算して抵抗値を算出し、当該抵抗値と温度との関係を予め求めた曲線）から温度をリアルタイムに算出することも可能である。
Here, the amount of heat generated in the
次に、図４ないし図７のフローチャートの順番に従い、図１から図３の構造を用いたときの動作を詳細に説明する。 Next, the operation when the structure of FIGS. 1 to 3 is used will be described in detail according to the order of the flowcharts of FIGS.
図４は、本発明の動作説明フローチャート（その１）を示す。 FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the present invention (part 1).
図４において、Ｓ１は、ＭＣＰ温度を設定する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１の許容最大温度を、例えば２００度（２００℃）と設定する。
In FIG. 4, S1 sets the MCP temperature. This sets the allowable maximum temperature of the
Ｓ２は、ＭＣＰ電圧を印加する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１に規定電圧（初期値の電圧、あるいは前回切断したときに記憶しておいた電圧）を印加する。
In S2, an MCP voltage is applied. This applies a prescribed voltage (an initial value voltage or a voltage memorized at the previous disconnection) to the
Ｓ３は、電圧、電流を測定して抵抗値を算出する。これは、Ｓ２で印加された規定電圧のもとで、ＭＣＰ素子１に印加した電圧（当初は規定電圧）と、そのときにＭＣＰ素子１に流れた電流（通常は、ＭＣＰ素子１に電子が入射しない状態のときの電流（暗電流））を測定し、測定した電圧を電流で除算して抵抗値（ＭＣＰ素子１の抵抗値）を算出する。
In S3, the resistance value is calculated by measuring the voltage and current. This is because the voltage applied to the MCP element 1 (initially the specified voltage) under the specified voltage applied in S2 and the current flowing through the
Ｓ４は、ＭＣＰ温度を算出する。これは、予めＭＣＰ素子１について求めておいた温度と抵抗値との関係曲線（図９）を参照して、Ｓ３で算出した抵抗値のときの温度（ＭＣＰ素子１の温度）を算出する。
S4 calculates the MCP temperature. This calculates the temperature at the resistance value calculated in S3 (the temperature of the MCP element 1) with reference to the relationship curve (FIG. 9) between the temperature and the resistance value obtained in advance for the
Ｓ５は、設定温度を超えたか判別する。これは、Ｓ４で算出した現在のＭＣＰ素子１の温度が、Ｓ１で設定した温度（許容最大温度）を超えたか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ７で温度異常表示を画面上（あるいは所定パネル）に表示してオペレータに注意を促したり、または、Ｓ６でＭＣＰ電圧を切断して熱（温度が最大許容温度以上に上昇）による破損を防止したりする。Ｓ５のＮＯの場合には、終了し、所定時間毎にＳ３以降を繰り返す。
In S5, it is determined whether the set temperature has been exceeded. This determines whether the current temperature of the
以上によって、図１から図３のＭＣＰ素子１の許容最大温度（例えばＭＣＰ素子１のチャンネル部分（ガラス等）が溶け出して動作しなくなる温度あるいはその直前の温度）を設定しておき、ＭＣＰ素子１に規定電圧を印加して使用中に、所定温度以上になったときに自動的にアラームを表示したり、自動的に電圧を切断したりし、ＭＣＰ素子１の予期せぬ事態による破壊を防止することができる。
1 to 3, the allowable maximum temperature of the MCP element 1 (for example, the temperature at which the channel portion (glass or the like) of the
ここで、通常、走査型電子顕微鏡では、画面上に表示した２次電子画像が所望の明るさになるようにＭＣＰ素子１に印加する電圧を調整して当該ＭＣＰ素子１の２次電子増倍率を所望値に設定するようにしている。そして、ＭＣＰ素子１を使うに伴って、当該ＭＣＰ素子１の２次電子増倍率が徐々に低下していくので、それに伴い印加電圧を徐々に高くしていくように調整しているので、ある期間経過したときあるいは予期せぬ事態によりにＭＣＰ素子１の温度がＳ１で設定した最大許容温度以上になったときに自動的に温度異常表示したり、自動的に電圧を切断したりし、ＭＣＰ素子１の破壊を防止することが可能となる。
Here, normally, in the scanning electron microscope, the voltage applied to the
図５は、本発明の動作説明フローチャート（その２）を示す。 FIG. 5 shows a flowchart (part 2) for explaining the operation of the present invention.
図５において、Ｓ１１は、ＭＣＰ抵抗値を設定する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１の許容最小抵抗値を設定する。
In FIG. 5, S11 sets the MCP resistance value. This sets an allowable minimum resistance value of the
Ｓ１２は、ＭＣＰ電圧を印加する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１に規定電圧（初期値の電圧、あるいは前回切断したときに記憶しておいた電圧）を印加する。
In S12, the MCP voltage is applied. This applies a prescribed voltage (an initial value voltage or a voltage memorized at the previous disconnection) to the
Ｓ１３は、電圧、電流を測定する。 In step S13, voltage and current are measured.
Ｓ１４は、ＭＣＰ抵抗値を測定する。これらＳ１３、Ｓ１４は、Ｓ１２で印加された規定電圧のもとで、ＭＣＰ素子１に印加した電圧（当初は規定電圧）と、そのときにＭＣＰ素子１に流れた電流（通常は、ＭＣＰ素子１に電子が入射しない状態のときの電流（暗電流））を測定し、測定した電圧を電流で除算して抵抗値（ＭＣＰ素子１の抵抗値）を算出する。
In step S14, the MCP resistance value is measured. These S13 and S14 are the voltage applied to the
Ｓ１５は、抵抗値が小さくなりすぎたか判別する。これは、Ｓ１３で測定したＭＣＰ素子１の抵抗値が、Ｓ１１で設定してＭＣＰ抵抗値（許容最小抵抗値）よりも小さくなったか判別する。ＹＥＳの場合には、現時点の測定したＭＣＰ抵抗値が、Ｓ１１で設定したＭＣＰ抵抗値（許容最小抵抗値）よりも小さくなったと判明したので、Ｓ１６でＭＣＰ素子１に印加する電圧を低くし、Ｓ１３に戻り繰り返す。一方、ＮＯの場合には、終了する。
In step S15, it is determined whether the resistance value has become too small. This determines whether the resistance value of the
以上によって、図１から図３のＭＣＰ素子１の現在時点の測定した抵抗値が、Ｓ１１で設定した許容最小抵抗値によりも小さくなり過ぎたときに自動的にＭＣＰ素子１に印加する電圧を低くして負性抵抗特性をもつＭＣＰ素子１の抵抗値（図９など参照）を許容最小抵抗値よりも大きく保持させ、結果として大電流が流れてＭＣＰ素子１の予期せぬ事態による破壊を防止することができる。
As described above, when the measured resistance value of the
図６は、本発明の動作説明フローチャート（その３）を示す。 FIG. 6 shows a flowchart (part 3) for explaining the operation of the present invention.
図６において、Ｓ２２は、ＭＣＰ電圧を印加する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１に規定電圧（初期値の電圧、あるいは前回切断したときに記憶しておいた電圧）を印加する。
In FIG. 6, S22 applies the MCP voltage. This applies a prescribed voltage (an initial value voltage or a voltage memorized at the previous disconnection) to the
Ｓ２３は、出力電流と暗電流を測定する。 In step S23, the output current and the dark current are measured.
Ｓ２４は、ＳＮＲを出力電流と暗電流から算出する。これらＳ２３、Ｓ２４は、Ｓ２２でＭＣＰ素子１に規定電圧を印加した状態で、そのときのＭＣＰ素子１の暗電流（電子の入力がない状態のＭＣＰ素子１に流れる暗電流）と、電子（予め定めた規定電流の電子）をＭＣＰ素子１に入力したときの当該ＭＣＰ素子１の出力電流とを算出し、その比であるＳＮＲ（出力電流に対する暗電流の比）（図１０の（ｂ）参照））を算出する。
In S24, the SNR is calculated from the output current and the dark current. These S23 and S24 are the state in which the specified voltage is applied to the
Ｓ２５は、ＳＮＲ最大か判別する。これは、Ｓ２４で算出した現在のＭＣＰ素子１に印加した電圧のもとで、ＭＣＰ素子１に流れる暗電流と、電子（予め定めた所定電流の電子）を入力したときの出力電流との比であるＳＮＲを求め、当該求めたＳＮＲが最大値（ＳＮＲ最大）か判別する。ＹＥＳの場合には、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ２６でＭＣＰ素子１に印加する電圧を低くあるいは高くしてＳ２３以降を繰り返し、ＳＮＲ最大が得られるようにＭＣＰ素子１に印加する電圧を調整する。
In S25, it is determined whether the SNR is maximum. This is the ratio between the dark current flowing through the
以上によって、図１から図３のＭＣＰ素子１の現在時点（随時測定、あるいは装置起動時などの時点）の測定したＳＮＲが最大ＳＮＲとなるようにＭＣＰ素子１に印加する電圧を最適調整し、結果としてＭＣＰ素子１を常に最大ＳＮＲの状態で使用することが可能となる。
As described above, the voltage applied to the
図７は、本発明の動作説明フローチャート（その４）を示す。 FIG. 7 is a flowchart (part 4) for explaining the operation of the present invention.
図５において、Ｓ３１は、ＭＣＰ抵抗値を設定する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１の許容最小抵抗値を設定する。
In FIG. 5, S31 sets an MCP resistance value. This sets an allowable minimum resistance value of the
Ｓ３２は、ヒータ電圧を印加する。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１を加熱するヒータに規定電圧を印加して加熱する。
In S32, a heater voltage is applied. This is performed by applying a specified voltage to the heater that heats the
Ｓ３３は、電圧、電流を測定する。 In S33, voltage and current are measured.
Ｓ３４は、ＭＣＰ抵抗値を測定する。これらＳ３３、Ｓ３４は、Ｓ３２でヒータに規定電圧を印加した状態のもとで、ＭＣＰ素子１に印加した電圧（規定電圧）と、そのときにＭＣＰ素子１に流れた電流（通常は、ＭＣＰ素子１に電子が入射しない状態のときの電流（暗電流））を測定し、測定した電圧を電流で除算して抵抗値（ＭＣＰ素子１の抵抗値）を測定する。
In S34, the MCP resistance value is measured. These S33 and S34 are the voltage (specified voltage) applied to the
Ｓ３５は、抵抗値が小さくなりすぎたか判別する。これは、Ｓ３４で測定した現時点のＭＣＰ抵抗値が、Ｓ３１で設定した抵抗値（許容最小抵抗値）よりも小さくなったか判別する。ＹＥＳの場合には、現時点の測定したＭＣＰ抵抗値が、Ｓ３１で設定したＭＣＰ抵抗値（許容最小抵抗値）よりも小さくなったと判明したので、Ｓ３６でＭＣＰ素子１に印加する電圧を低くし、Ｓ１３に戻り繰り返す。一方、ＮＯの場合には、終了する。
In S35, it is determined whether the resistance value is too small. This determines whether the current MCP resistance value measured in S34 is smaller than the resistance value (allowable minimum resistance value) set in S31. In the case of YES, since it has been found that the MCP resistance value measured at the present time is smaller than the MCP resistance value (allowable minimum resistance value) set in S31, the voltage applied to the
以上によって、図１から図３のＭＣＰ素子１の現在時点の測定した抵抗値が、Ｓ３２でヒータにヒータ電圧を印加してＭＣＰ素子１を所定温度に加熱した状態で、Ｓ３１で設定した許容最小抵抗値によりも小さくなり過ぎたときに自動的にＭＣＰ素子１に印加する電圧を低くして負性抵抗特性をもつＭＣＰ素子１の抵抗値（図９など参照）を許容最小抵抗値よりも大きく保持させ、結果として、ヒータでＭＣＰ素子１を所定温度に加熱した状態で、大電流が流れてＭＣＰ素子１の予期せぬ事態による破壊を防止することができる。
From the above, the measured resistance value of the
図８は、本発明の説明図を示す。これは、図１および図３の外部ＭＣＰ支持部材３、内部ＭＣＰ支持部材１１の材料を説明ずる説明図を示し、（Ａ）が本願実施例に使用する材料であって、他は参考のために記載したものである。 FIG. 8 is an explanatory diagram of the present invention. This is an explanatory view for explaining the materials of the external MCP support member 3 and the internal MCP support member 11 shown in FIGS. 1 and 3, and (A) is a material used in the embodiment of the present invention, and the others are for reference. It is described in.
図８において、材料は、（Ａ）の本願発明に使用する材料を示し、他は参考材料である。 In FIG. 8, the material indicates the material used in the present invention of (A), and the others are reference materials.
熱伝導率は、材料の熱伝導率である。 Thermal conductivity is the thermal conductivity of the material.
導電性は、材料の電気的な導電性（伝導性）である。 The conductivity is the electrical conductivity (conductivity) of the material.
本願発明では、図１、図３のＭＣＰ素子１の表側、裏側に直流の高電圧を印加する必要があるため、当該ＭＣＰ素子１を電気的に絶縁性を持ち、かつ熱伝導性の良好な材料である必要があり、図８中の（Ａ）の窒化アルミニウムが適切であり、他の材料であっても電気的絶縁性かつ熱伝導性の良好な材料であればこれに限られることはない。（Ａ）の窒化アルミニウムは、熱伝導性が２００あり、銅の約半分であり、良好な熱伝導性の材料であると共に、電気的に絶縁性を有してＭＣＰ素子１を保持したときに当該ＭＣＰ素子の表側と裏側との間に直流の高電圧を印加可能である材料である。
In the present invention, since it is necessary to apply a high DC voltage to the front side and the back side of the
図９は、本発明のＭＣＰ素子の抵抗値と温度の関係説明図を示す。ここで、横軸はＭＣＰ素子１の温度（℃）を表し、縦軸はＭＣＰ素子１の抵抗値を表す。
FIG. 9 is an explanatory diagram of the relationship between the resistance value and temperature of the MCP element of the present invention. Here, the horizontal axis represents the temperature (° C.) of the
図９において、図示の曲線は、ＭＣＰ素子１の温度と抵抗値との関係を模式的に表したものである。ＭＣＰ素子１の抵抗値は、ＭＣＰ素子１に印加する電圧を、当該ＭＣＰ素子１に流れる電流（通常は、暗電流）で除算した値を当該ＭＣＰ抵抗値としている。図示の曲線が示すように、ＭＣＰ素子１は、温度が上昇するに伴い抵抗値が低くなるいわゆる負性抵抗特性を持つ公知のものである。
In FIG. 9, the illustrated curve schematically represents the relationship between the temperature and resistance value of the
通常、ＭＣＰ素子１のチャンネル部分がガラスなどで構成され、当該ガラスなどが溶解する温度あるいはそれに近い温度である約２００℃が許容最大温度である。ＭＣＰ素子１のチャンネルの材料およびその内面材料を高融点材料（高温動作可能な材料）にすれば、当然に許容最大温度は上昇するものである。
Usually, the channel portion of the
図１０は、本発明のＭＣＰ説明図を示す。 FIG. 10 is an explanatory diagram of the MCP according to the present invention.
図１０の（ａ）は、ＭＣＰ抵抗値と像倍率の関係図を示す。ここで、横軸はＭＣＰ素子１のＭＣＰ抵抗値を表し、縦軸はＭＣＰ素子１の増倍率を表す。
FIG. 10A shows a relationship between the MCP resistance value and the image magnification. Here, the horizontal axis represents the MCP resistance value of the
図１０の（ａ）において、曲線は、ＭＣＰ素子１のＭＣＰ抵抗値と、ＭＣＰ素子１の増倍率との関係をプロットした状態を模式的に表したものであって、ＭＣＰ抵抗値が小さくなるに従いＭＣＰ素子１の増倍率が大きくなる特性を有するものである。
In FIG. 10A, the curve schematically represents a state in which the relationship between the MCP resistance value of the
従って、図１０の（ａ）の曲線からＭＣＰ素子１の抵抗値が小さい程、ＭＣＰ素子１の増倍率は高くなることは判明する。しかし、ＭＣＰ素子１に印加する電圧を一定とすると当該ＭＣＰ素子１に流れる電流が大きくなって当該ＭＣＰ素子１に生じる発熱量が増大して当該ＭＣＰ素子１を高温にしてしまい、温度限界が生じるという問題が発生するので、適度な抵抗値が要求される。その結果、本願発明のように、ＭＣＰ素子１をより強力に冷却すれば（図８の（Ａ）の窒化アルミニウムをＭＣＰ支持部材３，１１に使用してより強力に冷却すれば）、より低抵抗のＭＣＰ素子１を使用して高い像倍率のＭＣＰ素子１を実現できることとなる。
Accordingly, it can be seen from the curve of FIG. 10A that the multiplication factor of the
図１０の（ｂ）は、ＭＣＰ温度とＳＮＲの関係図を示す。ここで、横軸はＭＣＰ素子１のＭＣＰ温度を表し、縦軸はＭＣＰ素子１のＳＮＲ（ＳＮ比）を表す。
FIG. 10B shows a relationship diagram between the MCP temperature and the SNR. Here, the horizontal axis represents the MCP temperature of the
図１０の（ｂ）において、太い曲線は、ＭＣＰ素子１のＭＣＰ温度と、ＭＣＰ素子１のＳＮＲとの関係を模式的に表したものであって、ＭＣＰ温度が大きくなるに従いＭＣＰ素子１のＳＮＲが大きくなってから小さくなる最大値が存在する状態を模式的に表したものである。また、図中の暗電流（ＭＣＰ素子１に流れる暗電流）、出力電流（ＭＣＰ素子１に規定電子を入力したときの電流）を表す。図中の太い曲線（ＳＮＲ）は出力電流と暗電流との比を表す。
In FIG. 10B, the thick curve schematically represents the relationship between the MCP temperature of the
従って、図１０の（ｂ）の太い曲線からＭＣＰ素子１の温度を変えた場合に、ＭＣＰ素子１のＳＮＲが最大となる最適温度が存在することが判明する。この最適温度にＭＣＰ素子１を温度調整すれば、最大ＳＮＲのＭＣＰ素子１の状態で２次電子を検出することが可能となる。
Accordingly, it can be seen from the thick curve in FIG. 10B that there is an optimum temperature at which the SNR of the
図１１は、本発明のＭＣＰ説明図を示す。 FIG. 11 shows an MCP explanatory diagram of the present invention.
図１１の（ａ）はＭＣＰ素子１の等価回路を示す。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１の等価回路の例を示し、ここでは、ＭＣＰ素子１のＭＣＰ本体抵抗４２と、ＭＣＰ素子１の入力された電子を倍増する部分であるいわゆるチャンネル部分のチャンネル抵抗Ｒ１との並列回路と表される様子を模式的に示す。ＭＣＰ本体抵抗Ｒ２は、ＭＣＰ素子１の自身の抵抗であって、電子が入射されて倍増することと関係のない当該ＭＣＰ素子１自身の抵抗である。一方、チャンネル抵抗Ｒ１は、ＭＣＰ素子１のチャンネル部分の抵抗であって、入射される電子を倍増するチャンネル部分の抵抗である。
FIG. 11A shows an equivalent circuit of the
図１１の（ｂ）は、ＭＣＰ素子１を所定温度（図示では、７０℃、１００℃、２００℃）に保持した場合の、ＭＣＰ素子１の使用時間（日）とＭＣＰ素子１の印加電圧との関係曲線を模式的に示す。横軸はＭＣＰ素子１の使用時間（日）を表し、縦軸はＭＣＰ素子１に印加する電圧（Ｖ）を表す。ここで、縦軸のＭＣＰ素子１に印加する電圧（Ｖ）は、ＭＣＰ素子１によって所定利得を得るときに当該ＭＣＰ素子１に印加する電圧であって、例えば走査型電子顕微鏡で２次電子をＭＣＰ素子１で検出して画面上に２次電子画像を表示した場合、当該２次電子画像が画面上で常に同じ明るさで表示されるように、ＭＣＰ素子１の使用時間（日）に応じて徐々に高くして常に同じ明るさになるようにＭＣＰ素子１の印加電圧を調整する必要があるので、規定の最大許容印加電圧に到達するまでの使用時間（日）と印加電圧（Ｖ）との関係を模式的に表したものである。
FIG. 11B shows the usage time (days) of the
また、３本の曲線は、ＭＣＰ素子１を７０℃、１００℃、２００℃に保持した状態で、使用時間（日）とそのときのＭＣＰ素子１の印加電圧との関係を模式的に表したものであって、ＭＣＰ素子１を高い温度に保持するに従い（あまり高いとＭＣＰ素子１のチャンネル部分の素材である例えばガラスが融けたり、あるいは表面状態が変化して電子を増倍しなくなり、更には破壊されてしまうので、これら現象が生じるまでの温度まで）、ＭＣＰ素子１の小さなチューブ状のチャンネル内部で電子が壁に入射、出射を繰り返して倍増される当該表面部分に、電子の照射によってコンタミが徐々に堆積して２次電子の放出度合いなどが低下してしまうことを温度を上げることで低減し、結果としてＭＣＰ素子１のチャンネル部分の内部表面の汚染度合いを低減して当該ＭＣＰ素子１（ＭＣＰ素子１のチャンネル部分）の寿命を伸ばすことが可能となる。この場合には、ＭＣＰ素子１は、温度加熱装置で加熱して所望温度に温度制御したり、あるいはＭＣＰ素子１に印加する電圧を制御して所望温度に温度制御したりする。
In addition, the three curves schematically represent the relationship between the usage time (days) and the applied voltage of the
以上の図１１の（ｂ）の３本の曲線が示すように、ＭＣＰ素子１（特に、チャンネルの内部）の温度を高い状態に保持すると、当該ＭＣＰ素子１のチャンネル内部のコンタミの堆積を少なくして当該ＭＣＰ素子１の寿命を長くすることが可能となる。
As shown by the three curves in FIG. 11B, when the temperature of the MCP element 1 (particularly the inside of the channel) is kept high, the accumulation of contamination inside the channel of the
図１２は、本発明の他の実施例構造図を示す。これは、図１から図３のＭＣＰ素子１が１段であったものを、ここでは、ＭＣＰ素子１を２段にした例を模式的に示す。更に、３段以上に重ねてもよい。
FIG. 12 shows a structural diagram of another embodiment of the present invention. This schematically shows an example in which the
図１２において、ＭＣＰ素子１は、２段のＭＣＰ素子１であって、同じ特性（特に、抵抗値）が同一であってもよいし、異なる特性（例えば抵抗値、印加電圧）のものであってもよい。
In FIG. 12, the
高圧電源２１は、温度制御手段３２からの指示に基づき規定温度となるような電圧をＭＣＰ素子１にそれぞれ印加するものである。
The high-voltage power supply 21 applies a voltage at a specified temperature to the
温度制御手段３２は、温度検出素子１３でＭＣＰ素子１の温度をそれぞれ検出し、当該検出した温度が規定温度となるように、高圧電源２１に指示して印加電圧を制御するものである。
The temperature control means 32 detects the temperature of the
以上のように、温度検出素子１３でＭＣＰ素子１のそれぞれの温度を検出し、規定温度（最適温度）となるように、当該ＭＣＰ素子１にそれぞれ電圧を印加することにより、ＭＣＰ素子１の発熱により規定温度に保持することが可能となる。
As described above, each temperature of the
尚、ＭＣＰ素子１を複数用いる場合には、複数ＭＣＰ素子１を図１２のように給電電極２を間に入れて重ねてもよいし、直接重ねてもよい。直接重ねるときは同じ抵抗値のものが発熱量、印加電圧で同じであるので都合がよい。異なる抵抗値の場合には、発熱量の違いに伴う冷却などを考慮する必要があるで、図１２のように給電電極２をそれぞれの間に入れてそれぞれに印加電圧を制御できるようにした方が望ましい。
When a plurality of
図１３は、本発明の他の実施例構造図を示す。これは、図１２に、ヒータ３３を設けてＭＣＰ素子１を規定温度に加熱する他の実施例構造を示す。ここでは、温度検出素子１３でＭＣＰ素子１のそれぞれの温度を検出し、ＭＣＰ素子１にヒータ３３（例えば電気絶縁されたセラミックヒータなど）を取り付けてこれに流す電流を制御して規定温度に制御する。尚、ＭＣＰ素子１毎にヒータ３３を取り付けて当該ＭＣＰ素子１毎に規定温度になるように当該ヒータ３３に流す電流を制御するようにしてもよい。
FIG. 13 is a structural diagram of another embodiment of the present invention. FIG. 12 shows another embodiment structure in which a heater 33 is provided to heat the
次に、図１４のフローチャートの順番に従い、図１２、図１３の動作を詳細に説明する。 Next, the operations of FIGS. 12 and 13 will be described in detail according to the order of the flowchart of FIG.
図４は、本発明の他の動作説明フローチャートを示す。 FIG. 4 is a flowchart for explaining another operation of the present invention.
図４において、Ｓ４１は、温度を設定する。これは、既述した図１２、図１３で、ＭＣＰ素子１の規定温度を設定、例えば１００℃に設定する。
In FIG. 4, S41 sets temperature. This is done by setting the specified temperature of the
Ｓ４２は、ＭＣＰ電圧を印加する。 In S42, the MCP voltage is applied.
Ｓ４３は、ＭＣＰ温度を測定する。これは、ＭＣＰ素子１に取り付けた温度検出素子１３で測定する。
S43 measures the MCP temperature. This is measured by the
Ｓ４４は、温度が設定値か判別する。これは、Ｓ４３で測定した現時点のＭＣＰ素子１の温度がＳ４１で設定した温度か判別する。ＹＥＳの場合には、終了する。ＮＯの場合には、Ｓ４５で電圧を調整又はヒータ電流を調整し、Ｓ４３に戻り繰り返す。このＳ４５で電圧を調整は図１２の構造でＭＣＰ素子１に印加する電圧で当該ＭＣＰ素子１に発生する熱量を制御して温度を調整する場合のものであり、ヒータ電流を調整は図１３の構造でＭＣＰ素子１に固定したヒータ３３のヒータ電流を制御して温度を調整する場合のものである。
In S44, it is determined whether the temperature is a set value. This determines whether the current temperature of the
以上によって、図１２、図１３のＭＣＰ素子１の温度を設定温度に保持した状態で、ＭＣＰ素子１に規定電圧を印加して使用することにより、例えば図１０の（ｂ）の最大ＳＮＲの温度で使用したり、あるいは図１１の（ｂ）の最大寿命の温度（例えば２００℃）で使用したりなどすることが可能となる。
As described above, for example, the temperature of the maximum SNR in FIG. 10B can be obtained by applying the specified voltage to the
図１５は、本発明の説明図を示す。これは、アノード、複数のＭＣＰ１，ＭＣＰ２への電圧供給例を示す。 FIG. 15 shows an explanatory diagram of the present invention. This shows an example of voltage supply to the anode and the plurality of MCP1 and MCP2.
図１５の（ａ）は、１つの電源（電圧）を設け、これを抵抗分割して、アノード、ＭＣＰ１，ＭＣＰに供給する様子を示す。この場合には、１つの電圧電源で済み、これを抵抗分割してＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４を発生させればよい。 FIG. 15A shows a state in which one power supply (voltage) is provided, and this is resistance-divided and supplied to the anode, MCP1 and MCP. In this case, only one voltage power source is required, and this may be divided by resistors to generate V1, V2, V3, and V4.
図１５の（ｂ）は、それぞれの電源（電圧）を設けた例を示す。この場合には、Ｖ１．Ｖ２．Ｖ３．Ｖ４のそれぞれの電源（電圧）を設ける必要がある。 FIG. 15B shows an example in which each power supply (voltage) is provided. In this case, V1. V2. V3. It is necessary to provide each power source (voltage) of V4.
図１６は、本発明の説明図（温度検出装置）を示す。ここで、温度検出装置１３はＭＣＰ素子１に取り付けて測定するものである。また、ＭＣＰ素子１自身で温度測定してもよい。この後者の場合には、ＭＣＰ素子１に印加する電圧と、そのときに流れる電流との積（発熱量）に対応づけて、当該ＭＣＰ素子１の温度を予め測定して保存しておき、温度測定時にＭＣＰ素子１に印加する電圧と電流とを測定してその積（発熱量）をもとに保存した関係図をもとに温度を算出すればよい。
FIG. 16 is an explanatory view (temperature detection device) of the present invention. Here, the
図１７は、本発明の説明図を示す。 FIG. 17 shows an explanatory diagram of the present invention.
図１７の（ａ）は、ヒートパイプでＭＣＰ素子１を冷却する場合の例を示す。図示の場合には、ヒートパイプ３４で、鏡筒６とＭＣＰ素子１を保持する部材とを接続して両者の温度をほぼ同じ、通常はＭＣＰ素子１を保持する部材の温度を室温に冷却するようにしたものである。尚、ヒートパイプの一端を鏡筒６に接続したが、この代わりに所定温度に保持した部材に接続することにより、ＭＣＰ素子１を所定温度に保持することも可能である。尚、ＭＣＰ素子１の温度は、温度センサ１３で測定したり、あるいは上述したように、ＭＣＰ素子１自身により測定したりする。
FIG. 17A shows an example in which the
図１７の（ｂ）は、ペルチェ素子３５でＭＣＰ素子１を冷却する場合の例を示す。図示の場合には、ペルチェ素子３５で、鏡筒６とＭＣＰ素子１を保持する部材とを接続して保持する部材の温度を冷却（あるいは必要に応じて流す電流の向きを逆にして加熱）するようにしたものである。
FIG. 17B shows an example in which the
尚、図１７の（ａ）（ｂ）で、ＭＣＰ素子１の温度は、温度センサ１３で測定したり、あるいは上述したように、ＭＣＰ素子１自身により測定したりする。
In FIGS. 17A and 17B, the temperature of the
１：ＭＣＰ素子
２：給電電極
３：外部ＭＣＰ支持部材
４：アノード
５：導電性熱伝導体
６：鏡筒
１１：内部ＭＣＰ支持部材
１２：バイアス電極
１３：温度検出装置（温度検出素子、温度センサ）
２１：Ｎｉメッキ
３１：高圧電源
３２：温度制御手段
３３：ヒータ
３４：ヒートパイプ
３５：ペルチェ素子
1: MCP element 2: Power supply electrode 3: External MCP support member 4: Anode 5: Conductive heat conductor 6: Lens barrel 11: Internal MCP support member 12: Bias electrode 13: Temperature detection device (temperature detection element, temperature sensor )
21: Ni plating 31: High voltage power supply 32: Temperature control means 33: Heater 34: Heat pipe 35: Peltier element
Claims (6)
いう）を用いて電子を増倍して検出するＭＣＰ装置において、
真空中に配置された前記ＭＣＰを支持する、電気絶縁性熱導電体の材料からなる支持部
材と、
前記支持部材のＭＣＰを保持した部分と反対側の部分を、室温あるいは所定温度の外部
部材に接触させ、当該ＭＣＰに発生する熱を該外部部材に伝導させ、あるいは当該ＭＣＰの温度を該外部部材の温度に近づける、外部部材と、
前記ＭＣＰの温度を測定、あるいは当該ＭＣＰに印加する電圧と流れる電流から予め作成しておいた電圧と電流に対応づけた温度の関係曲線をもとに該ＭＣＰの温度を算出する温度測定手段とを設け、
前記ＭＣＰの温度を前記外部部材の温度に近づけて所定温度に保持し、増倍率を向上、ＳＮ比を向上、あるいはコンタミの発生を低減の１つ以上を実現したことを特徴とするＭＣＰ装置。 In an MCP apparatus that multiplies and detects electrons using a micro channel plate (hereinafter referred to as “MCP”) that multiplies and detects input electrons,
A support member made of a material of an electrically insulating thermal conductor that supports the MCP placed in a vacuum;
The part of the support member opposite to the part holding the MCP is brought into contact with an external member at room temperature or a predetermined temperature, and heat generated in the MCP is conducted to the external member, or the temperature of the MCP is set to the external member. An external member that approaches the temperature of
A temperature measuring means for measuring the temperature of the MCP, or calculating a temperature of the MCP based on a voltage-current relationship curve prepared in advance from a voltage applied to the MCP and a flowing current; Provided,
Wherein the temperature of the MCP close to the temperature of the outer member and held at a predetermined temperature, improve the multiplication factor, MCP apparatus characterized by realizing one or more reducing improve SN ratio, or the occurrence of contamination.
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