JP2003229083A - 改良された環境型走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 慣用のＳＥＭの解像度と同等の解像度を達成
する環境型走査電子顕微鏡を提供することを目的とす
る。 【解決手段】 バイアスを加えられたリング電極が試料
からの２次電子を検出するほか、後方散乱電子に由来す
る信号を低減し、かつ電子ビームによって発生させられ
る信号雑音を低減するために、バイアスを加えられた圧
力制限開口電子検出器も備えられる。光学窓装置が備え
られ、使用者は従来の環境型ＳＥＭ電子像（直径０．５
ｍｍが限界である）を約７〜１０ｍｍに至る視野を包含
する標本の光学的可視光観察に容易に切り換えることが
できる。更に、この環境型ＳＥＭの構造は、慣用のＳＥ
ＭにおけるＥＤＸ検出器の取り出し角と同等なＸ線検出
器（ＥＤＸ検出器）の取り出し角を実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】発明の背景 この発明は、環境型走査電子顕微鏡の分野に係り、更に
詳しくは、気体環境において標準的なＳＥＭの解像性能
に到達する環境型（environmental）走査電子顕微鏡に
関するものである。

【０００２】背景を説明すると、環境型電子顕微鏡が標
準的な走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に優る利点は、ＳＥＭ
における通常の真空環境では像を形成することが極めて
困難な、水分を含んだ試料あるいは非導電性試料（例え
ば、生体系材料、プラスチック類、セラミック類、繊維
類）の高解像電子像を結ぶ能力にある。環境型電子顕微
鏡は、高真空電子ビーム観察で通常必要とされるような
乾燥、冷凍、もしくは真空コーティングによって試料が
変形されることがなく、試料の「自然な」状態はそのま
ま保たれる。また、環境型電子顕微鏡の試料室でたいて
い許容される比較的高いガス圧は効果的に作用して、非
導電性試料の表面に通常生成して高品質な像形成を阻害
する表面電荷を消衰させる。また、環境型走査電子顕微
鏡は、通常のＳＥＭ試料室で許容される蒸気圧とは掛け
離れた比較的高い蒸気圧で起こる流動性輸送、化学反
応、溶解、水和作用、結晶化、その他の過程を直接に実
時間で観察することを可能にする。

【０００３】米国特許第４，９９２，６６２号で開示さ
れているように、米国特許第４，５９６，９２８号で提
唱された環境型電子顕微鏡の当初の構想は、試料室を気
体環境に曝して、試料を液体中もしくは自然の状態に保
持するための条件付与媒体として作用させることであっ
た。また、試料室の気体環境を２次電子信号の増幅媒体
として使用する方法が、米国特許第４，７８５，１８２
号に開示されている。

【０００４】米国特許第４，８２４，００６号の環境型
ＳＥＭでは、試料を電子ビーム柱の磁気対物レンズ内に
完全に収容し、圧力制御と信号検出手段とを組み合せ
て、高真空下において、前処理を施さないフルサイズ試
料の電子ビーム観察が実現された。米国特許第４，８２
３，００６号の環境型ＳＥＭ設計は、圧力制御、電子ビ
ーム集束、及び信号増幅に関する諸要求を同時に満足
し、しかも試料の取扱いあるいは顕微鏡の解像力に関し
て実用上の制限を生ずることもなかった。しかし、米国
特許第４，８２４，００６号の環境型ＳＥＭの弱点は、
最終圧力制限開口によって標本を観察できる視野が制限
されることである。試料室から流出する気体が電子柱の
作用に影響を与えたり、１次電子ビームを吸収したりす
るのを防ぐためには、圧力制限開口が必要である。この
圧力制限開口も典型的には直径０．５ミリメートルであ
る。また、このことによって、視野は直径約０．５ミリ
メートルに制限される。このように視野が制限される
と、操作者は、標本の何処を観察しているか、また観察
したい領域はどこにあるのか、を知ることが困難にな
る。

【０００５】したがって、正規の環境型走査電子顕微鏡
電子像（直径略０．５ミリメートル制限される）と、Ｓ
ＥＭの典型的な視野性能と同等な略７〜１０ｍｍの視野
を含む標本の光学的可視光観察とを、操作者が切り換え
できる光学窓装置を具備した環境型走査電子顕微鏡を実
現することが望ましい。

【０００６】米国特許第４，８９７，５４５号は、米国
特許第４，８２６，００６号で開示されたものよりも更
に複雑な検出器配列を開示して、異なるバイアスを印加
した１組の電極を用いて気体中のその他の信号（例え
ば、後方散乱電子）の検出を可能にしている。米国特許
第４，８９７，５４５号は、各種の電極を使用して、試
料室からの様々な信号を収集する手段を論じているが、
一方の電極からの信号を最適化するために他方の電極に
印加すべき適切なバイアスについて論ずるには至ってい
ない。更に、米国特許第４，８９７，５４５号では、不
要な信号の収集手段として電極を使用したり、あるいは
１次ビームによって生じた信号雑音を低減させるために
電極を使用したりする構想についてはなんら言及してい
ない。したがって、信号の後方散乱電子成分、及び１次
電子ビームによって生ずる信号雑音を低減させることに
よって、２次電子検出能力を向上する環境型ＳＥＭの実
現が望ましい。

【０００７】また、米国特許第４，８２４，００６号及
び米国特許第４，８９７，５４５号の環境型ＳＥＭの比
較において、所望の２次電子の検出後における信号増幅
を最適化して、検出器雑音を信号それ自身に含まれる雑
音以下に低減させるが、像を形成するために適切な全信
号帯域幅を保持できる環境型ＳＥＭの実現が望ましいこ
とが明らかになった。

【０００８】大部分の最新形のＳＥＭは、標本の像を構
築したりあるいは標本からＸ線データのような他の情報
を収集したりするために、電子ビームが標本を覆うよう
に走査できる方法を用いている。これらの方法では、標
本の像の幾何学的な歪みを許容範囲内に抑えたまま、標
本の大部分を走査できる。典型的なＳＥＭでは、電子銃
は比較的大きな（２０マイクロメートル）電子源を発生
するが、標本の微小な詳細部の像を描くためには、この
電子群を所要の微小サイズに縮小する必要がある。この
縮小化は典型的には光学真空柱内の３つの電子レンズに
よって行われる。電子群の小部分のみが、「ペンシルビ
ーム」と便宜的にと呼ばれる最終ビームとして、標本に
到達する（図１の参照番号２を見よ）。

【０００９】図２に示すように、真空柱の縦軸に沿って
１次ビームを走査させるために、対物レンズ組立体５内
に３及び４のような走査コイルが配置される。２組の走
査コイル３及び４を通って電流が流れると、ペンシルビ
ームは図２に示すように偏向する。

【００１０】図３の従来の環境型ＳＥＭでは、２つの圧
力制限開口６及び７によって、試料室８内では高圧（例
えば、略５トル）が保たれるが、走査コイル９ａ、９ｂ
の領域では高真空（例えば、略０．０００１トル）が保
たれるようにできる。これらの圧力制限開口は通常は直
径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍであるから、前述のように、
これらの開口が標本を観察する視野を直径約０．５ｍｍ
に制限する。対照的に、典型的なＳＥＭでは同じ動作条
件下で少なくとも１０倍の視野が可能になる。したがっ
て、視野を増した少なくとも２つの圧力制限開口を備え
た環境型走査電子顕微鏡用の走査コイル偏向機構の実現
が望ましい。

【００１１】更に、米国特許第４，８２４，００６号の
ような従来の環境型ＳＥＭでは、Ｘ線検出器（ＥＤＸ検
出器）の取り出し角は慣用のＳＥＭのＥＤＸ検出器の取
り出し角と同等ではない。図４に示すように、慣用のＳ
ＥＭでは、対物レンズ２０２の円錐状基底部２０１の効
果によって、エネルギー分散形Ｘ線検出器(ＥＤＸ)２０
３はＥＤＸ検出器の柱体部を標本空間に張り出さないで
取り出し角略３０％で標本表面から出たＸ線を収集でき
る。

【００１２】しかし、環境型ＳＥＭでは、図５に示すよ
うに、偏平な下方柱端部２０５を持つ対物レンズ２０４
と、ガスマニホルド２０６及び２０７（圧力制限開口を
通って流入するガスを排気するために使用される）は、
同じ高さにある。環境型ＳＥＭでは、標本とデータ収集
デバイスとの間の作動距離は可能な限り短縮しなければ
ならないから、ＥＤＸ検出器が標本室内で占有できる空
間は制約される。このようなわけで、図５の環境型ＳＥ
Ｍの設計では、この作動距離を制限するために、標本室
におけるＥＤＸ検出器２０８の取り出し角を略２０°に
制限している。したがって、慣用のＳＥＭのＥＤＸ検出
器の取り出し角と同等のＥＤＸ検出器の取り出し角を備
えた環境型ＳＥＭの実現が望まれる。

【００１３】発明の目的 ゆえに、本発明の目的は前述のような従来技術の欠点を
解消する改良された環境型走査電子顕微鏡を提供するこ
とである。

【００１４】また、比較的高い蒸気圧で起こる液体輸
送、化学反応、溶解、水和作用、結晶化、その他の過程
を直接に実時間で観察できるようにする改良された環境
型走査電子顕微鏡を提供することも、この発明の目的で
ある。

【００１５】この発明の別の目的は、試料の取扱いある
いは顕微鏡解像力についてはなんらの実用上の制限も設
けないで、圧力制御、電子ビーム集束及び信号増幅に関
する所要の条件を同時に満たす改良された環境型走査電
子顕微鏡を提供することである。

【００１６】本発明の更に別の目的は、気体環境で標準
的なＳＥＭ解像度に到達できる改良された環境型走査電
子顕微鏡を提供することである。

【００１７】この発明の更に別の目的は、試料から出た
信号の後方散乱電子成分を低減するとともに、１次ビー
ムによって生ずる信号雑音を低減して、性能を向上した
２次電子検出器を具備する改良された環境型走査電子顕
微鏡を提供することである。

【００１８】この発明の更に別の目的は、試料の一層広
い表面積に電子ビームが入射できる改良された環境型走
査電子顕微鏡を提供し、それによって、標準的ＳＥＭの
試料観察視野と同等に拡大された試料観察視野を更に提
供することである。

【００１９】この発明の更に別の目的は、２次電子検出
器によって検出された信号用の改良された増幅器を具備
する改良された環境型走査電子顕微鏡を提供することで
ある。

【００２０】この発明の更に別の目的は、大形試料を観
察するための改良された方法を備える改良された環境型
走査電子顕微鏡を提供することである。

【００２１】この発明の更に別の目的は、気体検出器を
使用しながら同時に、試料の光学的観察を可能にする走
査電子顕微鏡を提供することである。

【００２２】この発明の更に別の目的は、標準的なＳＥ
ＭのＥＤＸ検出器の取り出し角と同等にまでＥＤＸ検出
器の取り出し角を向上した改良された環境型走査電子顕
微鏡を提供することである。

【００２３】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、電極が機械的
に支持されている検出器組立体を提供することである。

【００２４】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、電極検出器に
よって検出された信号のそれぞれは、電極検出器組立体
の他の電極検出器によって検出された信号から分離でき
る検出器組立体を提供することである。

【００２５】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、電子雑音の収
集を低減するために静電シールドを備える検出器組立体
を提供することである。

【００２６】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、圧力制限開口
を絶縁するが、支持構造体の絶縁材は１次ビームを乱さ
ないように「隠される」検出器組立体を提供することで
ある。

【００２７】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極組立体であって、電極の支持構造体は
電気的に絶縁されて、電極によって収集される各種の信
号が相互結合しないようにする電極組立体を提供するこ
とである。

【００２８】本発明の更に別の目的は、環境型走査電子
顕微鏡用の電極検出器組立体であって、強固な（例え
ば、標本との接触その他の所要の条件によって生ずる機
械的損傷を最小化するに十分な強度を有する）電極構造
体を備える検出器組立体を提供することである。

【００２９】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、軽易にクリー
ニング可能であり、それによって含水もしくは汚染した
標本で実施された実験の残留物を除去できる検出器組立
体を提供することである。

【００３０】この発明の更に別の目的は、環境型走査電
子顕微鏡用の電極検出器組立体であって、比較的安価に
交換できる検出器組立体を提供することである。

【００３１】本発明のその他の様々な目的、利点および
特徴は次の詳細な説明から容易に明らかになろうが、そ
の斬新な特徴は添付の特許請求の範囲に詳細に示してあ
る。

【００３２】発明の概要 この発明は、気体環境で標準的なＳＥＭ解像性能に到達
する改良された環境型走査電子顕微鏡に関するものであ
る。

【００３３】その好ましい実施態様では、電子顕微鏡
は、電子ビームを発生し、そのビームを観察対象の試料
に指向するための電子銃を具備する。この環境型走査電
子顕微鏡の対物レンズ組立体内で、電子ビームは電子光
学柱を通過して、差動的に排気される開口柱に到る。差
動的に排気される開口柱内で、電子ビームは集束し、最
終圧力制限開口の直径を横切るように走査する。

【００３４】試料室は、対物レンズ組立体の下方に配置
され、試料を圧力制限開口に正対させ気体環境で包まれ
た状態に保持して、試料の表面が電子の集束ビームに曝
されるようにする。試料マウントは試料室の内部に設置
され、試料を圧力制限開口の略１〜２５ｍｍ下方に支持
するように配置され、電子の集束ビームが試料と相互作
用できるようにする。

【００３５】本発明の一般目的の一つによれば、この環
境型ＳＥＭは電子検出器構造体を具備してなり、この構
造体は試料の表面から出た信号のうち後方散乱した電子
成分を低減し、かつ１次電子ビームによって生ずる信号
雑音を低減する。更に詳細に述べると、この構造体は、
試料室内であってかつ試料の表面の上方において、圧力
制限開口と、最終圧力制限開口もしくはその直下に設け
られてバイアスを印加されるリング電極とが一体構造に
なった、バイアス印加圧力制限開口電極を備える。この
リング電極組立体は、略５０〜１００μｍ径の細いリン
グ構造体で構成され、金属、焦性黒鉛等のような導電性
材料から作られる。リング電極は、適切にバイアスをか
けられて、標本の表面から出た２次電子からの所望の信
号を収集する。

【００３６】この環境型ＳＥＭでは、圧力制限開口検出
器電極は適切にバイアスをかけられて、（１）１次電子
と試料室内の気体との衝突によって生じた２次電子、
（２）圧力制限開口を通過した後方散乱電子と試料室内
の気体との衝突によって生じた２次電子、（３）標本と
試料室のその他の部分との間の気体を通過した後方散乱
電子の衝突によって生じた２次電子、および（４）圧力
制限開口に衝突した後方散乱電子によって生じた２次電
子、を含む有害な２次電子は圧力制限開口電極によって
途中で遮られて収集されるようになる。したがって、こ
れらの有害な２次電子信号成分はリング電極には収集さ
れず、リング電極から導出された２次電子像は一層純粋
な２次電子像であり、一層低い雑音レベルを示すように
もなる。

【００３７】本発明の別の一般目的によれば、この環境
型ＳＥＭは、リング電極で収集された信号を増幅するた
めの改良された増幅器を具備する。この増幅器はリング
電極のバイアス電圧で浮かせてあり、増幅器の出力はビ
デオ表示装置に供給される。増幅器は抵抗値Ｒの抵抗を
含むフィードバック機構を備える。増幅器の出力信号は
増幅され、Ｒによって損失した高周波信号を復元するよ
うにする。更に、増幅器は、いわゆるバーチャルアース
もしくは接地モードで動作する。

【００３８】有利には、この増幅器はＶ１に極く近いリ
ング電極の電圧を保つ。この設計によって、増幅器の出
力端における雑音も低減し、この環境型ＳＥＭの雑音の
主源はビームのショット雑音に由来するようになる。こ
の雑音低減を達成するためには、抵抗Ｒは少なくとも１
Ｍオームとなる。

【００３９】本発明の環境型ＳＥＭでは、操作者が正規
の環境型走査電子顕微鏡電子像（典型的には直径０．５
ｍｍに制限される）と略７〜１０ｍｍの視野をカバーす
る標本の光学的可視光観察とを容易に切り換えることも
できる。この環境型走査電子顕微鏡の光学覗窓装置は
（１）光源から試料を照射し試料の像を反射して試料の
継続的光学像を供給する光学像生成装置と、（２）光学
像を環境型ＳＥＭ表示装置および制御画面に表示できる
光学的表示装置とを備える。

【００４０】光学像生成装置では、比較的小形のミラー
が磁界集束レンズに取り付けられて試料に正対する。試
料はミラー（および対物レンズの下面）の反射光で照射
される。ミラーは標本の像を得るためにも使用され、レ
ンズを介して電荷結合素子（「ＣＣＤ」）ＴＶカメラに
像を送り返す。カメラからのＴＶ信号は標準ＴＶモニタ
に直接供給され、標本の継続的光学観察を実現する。こ
の光学像生成装置によって、実質的に「垂直俯瞰（top
down）」観察に等しい標本の観察が可能になる。

【００４１】光学的表示装置は、影像表示領域と、操作
者に操作および状態情報を表示するためのメニュー表示
領域とを有する表示画面を備える。影像表示領域には、
リング電極によって受け取られた電子像あるいは光学像
生成装置によって生成された光学像のいずれでも表示で
きる。更に、影像表示領域では、標本の電子像が光学像
のなかに「親子画像（picture-in-picture）」表示とし
て挿入されることも、あるいはその逆も可能であって、
操作者は標本の光学像と電子像とのうち選ばれたほうに
即座に切り換えることができる。

【００４２】この環境型ＳＥＭでは、Ｘ線検出器（ＥＤ
Ｘ検出器）の取り出し角は、慣用のＳＥＭのＥＤＸ検出
器の取り出し角と同等である。略３０°の取り出し角を
実現するために、圧力制限開口組立体は最終磁極片から
下方へ伸びて、試料が圧力制限開口の下方略１〜２５ｍ
ｍに配置されるようにする。

【００４３】本発明の環境型ＳＥＭの更に有利な特徴
は、試料の視野が拡大されており、標準的ＳＥＭの視野
と同等なことである。１次ビームが衝突する試料の表面
積を増すために、対物レンズ組立体は２つの圧力制限開
口と焦点距離を短くした磁気レンズの筐体を通過する電
子ビームを三重偏向させる走査組立体を備える。この設
計の結果として、環境型ＳＥＭは標本の視野を略７〜１
０ｍｍにまで到達させている。

【００４４】本発明の一般目的の一つによれば、環境型
走査電子顕微鏡の改良された電極検出器組立体も提供さ
れる。調査中の試料の表面から出た信号を収集する電極
に機械的強度を付与するために、この電子検出器組立体
はプリント回路板の形態をとっている。プリント回路板
は、試料から出た信号を収集するための収集電極を有す
る検出器ヘッドを備えている。一つの実施態様では、こ
れらの収集電極は、バイアスをかけられて試料の表面か
ら出た２次電子を収集するようにされたリング信号電極
と、バイアスをかけられて後方散乱および小角反射の電
子から生ずる信号を低減するようにされた電極パッドと
を備える。

【００４５】収集電極間の電気的漏洩を防ぐために、プ
リント回路板は、信号の絶縁手段となり、信号をエッジ
コネクタに伝導する。電線はプリント回路板に埋め込ま
れた導電路の形態をとる。

【００４６】本発明の別の一般目的によれば、この電極
検出器組立体は、電気雑音の捕捉を低減するための静電
シールド手段も提供する。静電シールドを達成するため
に、プリント回路板の頂面および底面は金めっきされた
銅被覆を備える。

【００４７】別の好ましい実施態様では、検出器ヘッド
は、信号リング電極からなる内側電子検出器と、内側電
子検出器の半径方向外側に配置されて複数の同心弧状セ
グメントからなる中間電子検出器と、中間電子検出器の
半径方向外側に配置されて第２の複数の同心孤状セグメ
ントからなる外側電子検出器を有してなる全体として環
状の電極組立体を備える。この構成では、信号リング電
極は試料の表面からでた増幅された低エネルギー２次電
子を主として収集する。中間電子検出器の第１の複数の
同心孤状セグメントは増幅された比較的高エネルギーの
後方散乱電子信号を主として収集する。第２の複数の同
心孤状セグメントは増幅された低角後方散乱電子信号を
主として収集する。

【００４８】本発明の電極検出器組立体では、プリント
回路板は、試料の表面から生じた２次電子を収集するた
めの検出器ヘッドと、その上に一体形成された最終圧力
制限開口の両方を備える。その結果として、圧力制限開
口は異なる寸法に簡単に相互交換可能であり、また、圧
力制限開口／電極構造体を製造するコストは比較的安価
なので、使用者は各種の寸法の圧力制限開口をもつ組立
体を１組と限らず入手できる。

【００４９】本発明の一般目的の一つによれば、この電
極検出器組立体は、また、対物レンズ組立体と試料室間
の気密シールと、電極検出器組立体を環境型走査電子顕
微鏡から簡単に取り外す手段も提供する。そのような結
果を得るために、真空シール用リングが検出器本体に密
に嵌合したプリント回路板から対物レンズ組立体まで伸
びて、対物レンズ組立体と試料室との間の気密シールを
形成する。更に、この真空シールリングはプリント回路
板を適切に配置させ、それによって、環境型走査電子顕
微鏡の収集電極と検出器ヘッドの圧力制限開口とを一体
構成にする。

【００５０】試料室内には、プリント回路板コネクタも
備えられ、検出器ヘッドから離隔したプリント回路板の
一端を受け止め、プリント回路板を環境型走査電子顕微
鏡内の所定の位置に保持する。プリント回路板を環境型
走査電子顕微鏡から簡単に取り外せるように、プリント
回路板はプリント回路板コネクタにスナップ止めされ
る。

【００５１】好ましい実施態様の詳細な説明 さて、図６を参照すると、調査すべき標本の表面から生
ずる２次電子および後方散乱電子を発生し、増幅し、検
出するためのデバイスを備えた環境型走査電子顕微鏡が
示してある。電子のビーム１２が、電子銃（図示せず）
によって対物レンズ組立体１１の電子光学柱１０を通っ
て放射される。真空光学柱１０は下端部に最終圧力制限
開口１４を備えている。この圧力制限開口１４は開口担
体１５の下端に形成される。この開口担体１５は、１９
９２年７月１日出願の米国特許出願番号０７／９０８，
８７０号で論じられており、その内容を本明細書に援用
する。この開口担体は最終圧力制限開口１４の上方に、
電子光学柱１０と直接連通する第２の圧力制限開口１７
を有する。好ましくは、最終圧力制限開口１４は略５０
０ミクロンの直径を有する。電子ビームは、電子ビーム
の強さを制御するために用いられる磁気レンズ１６およ
び１８を通過する。集束手段２０は、真空柱に隣接する
対物レンズ組立体１１の内部に位置し、最終圧力制限開
口１４を通るように電子のビームを指向することができ
る。

【００５２】その後でビームは最終圧力制限開口１４を
通って試料室２２内に指向され、そこで試料ステージ２
６上に支持された試料２４に衝突する。試料マウントす
なわちステージ２６は試料室２２の内部に設置され、最
終圧力制限開口の略１〜２５ｍｍ、好ましくは１〜１０
ｍｍ、下方に試料２４を支持するように配置され、電子
のビームが試料と相互作用できるようにする。試料室は
光学真空柱１０の下方に配置され、圧力略１〜５０トル
の気体、好ましくは窒素もしくは水蒸気の環境内におい
て圧力制限開口と正対する位置に試料２４を保持するこ
とができ、それによって電子銃から放射されて圧力制限
開口１４を通るように指向された荷電粒子ビームに試料
の表面が曝されるようにする。

【００５３】図６に示すように、試料室内では最終圧力
制限開口１４と試料２４との間にリング検出器２８が備
えられる。このリング電極検出器は好ましくは細いリン
グで形成され金属で作られる。好ましい実施態様では、
リング検出器の線径は略５０〜１０００ミクロンであ
る。リング検出器２８の直径は圧力制限開口１４の直径
よりも僅かに大きく、圧力制限開口１４の直下に隔離し
て配置される。

【００５４】１次ビーム１２が試料２４に衝突すると、
図６に示すように、２次電子３５と、３７、３８、およ
び３９のような後方散乱電子とが、試料から放出され
る。例示のため、図６では、リング電極２８には略＋５
００Ｖのバイアス電圧が印加される。圧力制限開口１４
を構成する衝突検出器３０はバイアスをかけてない。こ
の構成で、リング電極２８の高正電圧が原因となって、
２次電子３５が試料から放出され、それらの２次電子が
試料室２６内の気体環境の気体分子に衝突するまで加速
されるようになる。気体環境との多重衝突が原因となっ
て、他の電子が放出され、同様にリング電極２８に向け
て加速される。一般的には、多数のこのような衝突があ
り、ついには何百何千の電子の雲がリング電極２８に到
達する。しかし、リング電極２８の主たる目的は、試料
２４から出た２次電子によって誘発された電子を収集す
ることである。

【００５５】しかし、図６に示したように、２次電子は
他の原因による気体衝突によっても発生する；すなわ
ち： ａ）１次ビーム１２と試料室の気体環境との衝突、これ
らの２次電子は図６では参照番号４３で表してある； ｂ）圧力制限開口１４を通過する後方散乱電子３７と試
料室２２の気体環境との衝突、これらの２次電子は参照
番号４５と見出しを付けて表してある； ｃ）試料２４と試料室のその他の部位との間の気体環境
を通過する後方散乱電子３８の衝突、これらの２次電子
は参照番号４７で表してある；および ｄ）圧力制限開口１４に衝突し、参照番号４９で示され
る２次電子を発生する後方散乱電子３９である。

【００５６】これらの衝突によって発生するすべての２
次電子は試料室の気体環境における気体増殖によって増
幅され、所望の２次電子信号を増加する。しかし、４
３、４５、４７および４９のような後方散乱電子に由来
する２次電子は、リング検出器２８によって受け取られ
た２次電子像に有害な後方散乱成分を付加する。その
上、１次ビーム１２と試料室の気体環境との衝突によっ
て生成した２次電子４３は有害な背景雑音成分の原因と
なる。

【００５７】したがって、信号品質を高めるために、本
発明の環境型走査電子顕微鏡は性能を向上した２次電子
検出器を組み入れて、図６にある信号４３、４５、４７
および４９のような信号の後方散乱電子成分を低減さ
せ、更に信号４３のような１次電子によって生成される
信号雑音を低減させる。図７に示す本発明の実施態様で
は、リング電極２８は略２００〜２０００ボルト、好ま
しくは５００ボルトの電位にバイアスをかけられる。そ
れに加えて、圧力制限開口電極５０は、圧力制限開口を
画定する衝突検出器に一体に形成され、２００〜２００
０ボルトの電位のバイアスがかけられる。好ましい実施
態様では、リング電極２８と圧力制限開口電極５０とに
同一電位のバイアスをかけるのが望ましいことが分かっ
た。

【００５８】例えば、リング電極２８と圧力制限開口電
極５０とが共に５００ボルトのバイアスをかけられると
すれば、所望の２次電子３５は試料室２２の気体環境内
で加速され増幅されて、やはりリング電極２８によって
収集される更に多くの２次電子３６を発生する。しか
し、この構造では、有害な２次電子の大部分は圧力制限
開口電極５０で遮られる。更に詳述すれば、後方散乱電
子３７との衝突によって発生する２次電子４５は、圧力
制限開口電極５０の正電位表面に吸引される。更に、１
次ビーム１２と試料室２２の気体環境との衝突によって
発生した多数の２次電子も圧力制限開口電極５０に吸引
される。また、後方散乱電子３９と圧力制限開口５０と
の衝突によって発生した２次電子４９はもはや加速され
て圧力制限開口から逸走することはなく、気体増幅作用
は起こらない。したがって、大部分の有害な信号成分は
リング電極２８によって収集されず、それゆえに、リン
グ電極２８から出る画像信号は一層低い雑音レベルを有
する一層純粋な２次電子像である。このようにして、こ
の設計は、標準的なＳＥＭの解像特性と同等な約４０ｎ
ｍという試料の影像解像力を提供することが分かった。

【００５９】代替的な実施態様として、不要な２次電子
を収集するために、第２のリング電極２９が最終圧力制
限開口１４の上方の開口担体１５の内部に配置されても
よい（図７を見よ）。この電極２９も細いリングで形成
され金属で作られる。

【００６０】図８に示すように、本発明の環境型走査電
子顕微鏡は、リング検出器電極２８から出る信号用の性
能を向上した増幅器組立体５２も具備する。この環境型
走査電子顕微鏡では、リング電極２８からの信号電流
は、いわゆるバーチャルアースモードで使用される電流
増幅器５４に流れる。前述のように、リング電極２８と
圧力制限開口５０は典型的には同一直流バイアス（Ｖ
１）（図７の例では、略５００Ｖ）で最良に動作する。
この電圧は試料室内で十分な気体増殖作用を得るに要す
る電圧に設定される。図８のバーチャルアース増幅器
は、リング電極２８に印加されるバイアス電圧を基準と
して浮かせた電源で動作させる。増幅器の他の入力端
（５６と指定された＋入力端）もバイアス電圧に接続さ
れる。５８で示されるような増幅器の出力は、慣用の設
計の光結合増幅器システム（図示せず）を用いて、通常
の接地電位を基準とするように変換される。

【００６１】この増幅器は、抵抗値Ｒを有する抵抗６０
の形態のフィードバック系を備える。その結果として、
増幅器５４の出力は ＩｓＲ＋Ｖ１ によって表され、
Ｉｓはリング電極２８によって収集される電流であり、
Ｖ１は増幅器に印加されるバイアス電圧である。その結
果として、増幅器５４はリング電極２８の電圧をＶ１に
極く近くなるように保持する。

【００６２】所要の信号（ＩｓＲ）に加えて、増幅器５
４の出力には雑音も存在する。この雑音は多数の原因に
よって発生する；すなわち：（ａ）信号電流Ｉｓ中のシ
ョット雑音、（ｂ）増幅器で発生する雑音、および
（ｃ）抵抗６０からのジョンソン雑音である。本発明の
環境型ＳＥＭを使用して、試料の最良解像度を得るため
に標本の最小スポットサイズを得ようとする場合には、
影像雑音を最小化するように像は比較的緩慢な走査速度
で走査されなければならない。典型的には、略１〜２分
の時間が費やされる。

【００６３】抵抗Ｒからの雑音を最小にするためには、
抵抗値を好ましくは少なくとも１Ｍオームとする。この
高抵抗値は増幅器５４の周波数応答性を制限し、早い走
査速度で適切な影像を得ることは困難となる。適切な影
像を得るためには、ブースタ付高周波応答による別の増
幅器（図示せず）が用いられ、入力端における損失を補
償する。以前の環境型ＳＥＭでは、高速走査に適切な高
周波応答性を得るために、増幅器は低抵抗（５０ｋオー
ム）を使用した。しかし、この抵抗は有害なレベルのジ
ョンソン雑音を発生した。したがって、図８の増幅器シ
ステム５２も前述のように雑音の主な原因は電子ビーム
１２中のショット雑音であるように設計された。

【００６４】本発明の別の一般目的によれば、本発明の
環境型走査電子顕微鏡は光学顕微鏡を使用して大形標本
を観察するという進歩した方法を備える。この光学覗窓
装置によれば使用者は通常の環境型ＳＥＭ電子像（典型
的には直径０．５ｍｍに制限される）を略７〜１０ｍｍ
に至る視野をカバーする標本の光学的可視光観察に容易
に切り換えることができ、試料の光学的観察が可能な実
質的に性能を向上したＳＥＭを達成する。標本の著しく
広い観察を可能にするほか、この光学覗窓装置は有利に
はフルカラーの標準的光学像である標本の影像を提供す
る。更に、以下に更に詳細に説明するように、この光学
覗窓装置は顕微鏡の電子柱内を覗き込むかのような標本
の観察を可能にする。

【００６５】この環境型走査電子顕微鏡は、気体検出器
（すなわち、試料室の気体環境に浸された検出器）の既
存の特性を利用しており、検出器は試料室２２内の光の
影響を受けるおそれがない。これとは対照的に、慣用の
ＳＥＭにおいて２次電子結像に用いられる標準的なＥｖ
ｅｒｈａｒｄｔ−Ｔｈｏｒｎｌｅｙ検出器は、可視スペ
クトルに敏感な光電子増倍管を使用し、それゆえに、可
視光をＳＥＭ試料室内に導入することは不可能である。
また、ＳＥＭで使用される後方散乱電子検出器は同様に
光に敏感である。

【００６６】この環境型走査電子顕微鏡の光学覗窓装置
の２つの主要な構成品は次の通りである： （ａ）図９から図１１に示すように、試料の継続的光学
観察を実現するために光源から試料を照射し、ビデオユ
ニットに試料の像を反射するための光学像生成装置；お
よび （ｂ）図１２および図１３ａ−ｄに示すように、ＴＶカ
メラからの像を正規の環境型ＳＥＭ表示装置および制御
画面に表示できるようにするビデオ切換え信号もしくは
ビデオ表示装置。

【００６７】さて図９および図１０を参照すると、この
環境型ＳＥＭでは、試料２４は５軸（ＸＹＺ、傾斜およ
び回転）の移動を与える自動ステージ２６に載せられて
試料室２２内に配置される。環境型ＳＥＭの試料室２２
の外部筐体６４を通って伸びるビューポート６２も備え
られ、操作者が調査中に試料を直接観察できるようにす
る。

【００６８】図１０および図１１で最も良く分かるよう
に、光学覗窓装置の光学像生成装置は磁界集束レンズの
最終磁極片６８の下面に取り付けられた比較的小型のミ
ラー６６、もしくは最終磁極片の光学研磨された反射面
を具備する。この配置でミラー６６は試料２４に正対す
る。試料はミラー６６（および／もしくは次に示すよう
に、対物レンズ６８の下面）の反射光によって照明され
る。ミラーは試料２４の像をレンズ組立体を介して比較
的小型のＣＣＤ ＴＶカメラに転送するためにも使用さ
れる。カメラからのＴＶ信号は標準ＴＶモニタに直接転
送でき、試料の継続的な光学観察を可能にする。

【００６９】さらに詳細に説明すると、図１０および図
１１に示すように、光源７０は光ファイバ束７２次いで
鉛ガラス窓７４に結合される。鉛ガラス窓７４は真空シ
ールを成し、試料から出た電子ビーム１２によって生ず
るすべてのＸ線を吸収する。次に光線はレンズ７６によ
って集束され、ミラー６６で反射されて、試料２４に入
射する。好ましい実施態様では、図１１に示すように、
ミラー６６は本発明の環境型ＳＥＭの気体検出器に近接
して配置される。さらに別の好ましい実施態様で、対物
レンズ６８の下面すなわち最終磁極片７７は十分に研磨
される場合には、ミラー６６は省略でき、光ビームは最
終磁極片７７で反射されて試料に入射する。

【００７０】試料２４の像はミラー６６で反射されてレ
ンズ組立体８０に返送される。像はレンズ８０を通って
復路を通過した後、２組のプリズム８２および８４を通
過して、その後で像のビデオ表示を行うＣＣＤ撮像集積
回路８６に到達する。図１１で最も良く分かるように、
第１のプリズム８２は本発明の光学装置の内部に配置さ
れ、像は入射方向から１８０°反転して反射される。し
たがって、像はプリズム８２によって、２つの反射点８
２ａおよび８２ｂで反射される。像はプリズム８２の反
射点８２ｂで反射された後プリズム８４に入射し、反射
点８４ａで直角に一回だけ反射されてＣＣＤ撮像集積回
路８６に向かう。試料と画像ＣＣＤとの間の偶数回の反
射によって反転しない像が得られる。

【００７１】普通なら、試料からオフセットされたミラ
ーを使用するので、試料の好ましくない斜め観察が起こ
る。本発明の光学覗窓装置では、試料の「垂直俯瞰」観
察に実質的に等価な試料の観察ができるような角度で、
レンズ８０およびＣＣＤ撮像チップが取り付けられる。
その上に、使用者が顕微鏡の正面から電子光学柱を見下
ろして標本を見ているかのように像が形成される位置
に、ＣＣＤチップ８６が取り付けられる。好ましい実施
態様では、ＣＣＤ撮像チップ８６は動作上はＣＣＤ Ｔ
Ｖカメラに接続され、カメラからのＴＶ信号は直接標準
ＴＶモニタもしくはビデオレコーダに転送されて、試料
の継続的光学観察を行えるようにする。

【００７２】図１２に示す光学覗窓装置のビデオ表示組
立体は、メニュー表示領域９０と影像表示領域９２を含
むＶＧＡ表示画面８８を備える。メニュー表示領域９０
は操作者に操作および状態情報を表示する。

【００７３】図１３ａおよび図１３ｂに示すように、影
像表示領域９２はリング電極２８からの処理された電子
像と前述の光学像生成装置によって作成された光学像の
いずれかを表示できる。本発明の光学表示組立体のさら
に別の有利な特性は、試料の様々な電子像と光学像を同
時に見ることができるように「親子画像」表示として影
像表示領域に電子像もしくは光学像を挿入できることで
ある。図１３ｃに示すように、「親子画像」表示として
影像表示領域の電子像９４の中に光学像９８が挿入され
ている。図１３ｄでは、「親子画像」表示として影像表
示領域９２の光学像９６の中に電子像２００が挿入され
ている。このようにして、図１３ｃの光学像９８と図１
３ｄの電子像１００のいずれかの縮小変形もしくは選択
された部分が他の像の中に表示できる。電子回路が図１
３ａ−ｄで示した組合せの間で影像を即座に切り換える
ように作られることは、当業者には容易に理解される。

【００７４】図１４に示すように、本発明の環境型ＳＥ
Ｍの好ましい実施態様では、Ｘ線検出器（ＥＤＸ検出
器）１０２は略３０°の慣用のＳＥＭにおける取り出し
角と同等な取り出し角を有して、試料の表面から放出さ
れるＸ線を収集する。この所望の取り出し角を得るため
に、圧力制限開口組立体１０４は、真空柱を試料室から
分離する対物レンズ１０８の最終磁極片１０６から下方
に向かって伸びる。この延伸された圧力制限開口組立体
は、圧力制限開口１０５から試料１０３に至る気体行程
長を略１〜２５ｍｍ、更に好ましくは１〜１０ｍｍに保
つために用いられる。その結果として、対物レンズ１０
８の最終磁極片１０６から試料１０３に至る距離が増し
て、図１４で角度αによって示される略３０°の増大し
た取り出し角を有するＥＤＸ検出器が実現する。

【００７５】好ましい実施態様では、本発明の環境型走
査電子顕微鏡は慣用のＳＥＭで得られる視野と同等な拡
大された試料の視野も提供する。図１５でさらに詳細に
示すように、圧力制限開口１１８および１２０を貫通す
る電子ビームを指向する３組の走査コイル１１０、１１
２、および１１４と、短焦点距離の磁気レンズ１１６を
用いることによって、拡大された視野が得られる。さら
に、走査コイルの組１１０および１１２は圧力制限開口
１１８の上方に配置され、走査コイルの組１１４は圧力
制限開口１１８と最終圧力制限開口１２０の間に配置さ
れる。

【００７６】走査コイルや圧力制限開口の補助がなけれ
ば、電子ビームから発散する電子は１１６のような磁気
レンズの作用によって試料２４の上に集束される。線束
の縁部の電子はレンズの作用によってかなり偏向され
る。しかし、図１５の環境型ＳＥＭの磁気レンズ１１６
のように、レンズ巻線の電流を増すことによってレンズ
の焦点距離が短縮されると、線束は磁気レンズに近接し
た点を通るようになる。図１５の環境型走査電子顕微鏡
に関する短焦点距離レンズの影響を以下に更に詳しく説
明する。

【００７７】動作時には、第１の組の走査コイル１１０
が電子ビーム１２を角βで示されるように、上方の圧力
制限開口１１８に比較的近接して配置された第２の組の
走査コイル１１２に向かうように角度的には外向きに偏
向する。第２の組の走査コイル１１２は、角Φで示され
るように、電子ビームを上方の圧力制限開口１１２を通
って第３の組の走査コイル１１４に向かうように角度的
には内向きに偏向する。第３の組の走査コイル１１４
は、ビームを角度的には内向きに偏向し、見かけの軌跡
が電子源の像から出るようにする。磁界集束レンズ１１
６は短焦点距離を有しているから、レンズ集束作用は点
１２４でビームを曲げて、ビームが下方の圧力制限開口
１２０を通過するようにする。３組の走査コイル１１
０、１１２、および１１４と短焦点距離の磁界集束レン
ズ１１６の組合せによって、ビームは角変位の効果で試
料２４の一層大きな表面積（例えば、半径１０ｍｍ）に
衝突するようになる。その結果として、試料の視野は拡
大され、試料の一層大な表面積から放出される２次電子
およびその他の使用可能な情報（Ｘ線、イオン、その
他）が検出できる。

【００７８】本発明の結果として、気体環境で標準的な
ＳＥＭ解像性能に到達する環境型走査電子顕微鏡が設計
された。このように、出願人は、本明細書で示すよう
に、適切に変形されたＳＥＭを使用して、水蒸気の存在
下で水蒸気がビームスポット径の有意な劣化をもたらす
ことなく試料を観察できることを説明し、画像雑音が電
子ビームのショット雑音に限定され、何らの計測上の制
限もない検出器および信号処理系を製作した。

【００７９】本発明の別な一般目的によれば、性能を向
上した電子検出器組立体であって、電極は機械的に支持
され、電極構造体は強固であって試料との衝突によって
構造体に生ずる損傷を最小にし、支持構造体は電気的に
絶縁されて試料から放出される様々な信号が相互結合す
ることなく、電極構造体は軽易にクリーニング可能であ
り、それによって含水もしくは汚染した試料で実施され
た実験の残留物を除去できる組立体を提供することであ
る。

【００８０】それによって、圧力制限開口と一体形成さ
れた検出器ヘッド、各種の信号が相互結合しないように
電気的に絶縁された支持構造体、および環境型走査電子
顕微鏡内の電極検出器組立体を機械的に支持する支持構
造体を具備する環境型走査電子顕微鏡のために電子検出
器組立体が設計された。

【００８１】図１６の好ましい実施態様に示すように、
電極検出器組立体１３０は、調査すべき試料から出た信
号を収集するための収集電極１３６および１３８を有す
る検出器ヘッド１３４を備えたプリント回路板１３２の
形態である。前述の原理によれば、内側信号リング電極
１３６は適切にバイアスをかけられて、試料の表面から
出た２次電子を収集する。この信号リング電極１３６は
好ましくは３本の支持脚１４０ａ、１４０ｂ、および１
４０ｃによって印刷回路板１３２の検出器ヘッド１３４
から下向きに支持される。検出器ヘッド１３４は適切に
バイアスをかけた電極パッド１３８も備えて、試料の表
面から発して後方散乱および小角反射された電子に由来
する信号を低減するようにする。また、検出器ヘッドは
参照番号１４２で示すように、斜め下方に傾いており、
前述のように光学的観察装置による試料の観察を妨げな
いようにする。

【００８２】図１６に示すように、この電極検出器組立
体では最終圧力制限開口１４４が、プリント回路板１３
２の検出器ヘッド１３４の信号リング電極１３６の内側
に形成される。更に、図１７に示すように、この最終圧
力制限開口は逆円錐状リング１４６の端部に形成され、
好ましくは銅で作られて検出器ヘッドの上面に取り付け
られる。その結果として、信号リング１３６および電極
パッド１３８のような収集電極は検出器ヘッド上の最終
圧力制限開口１４４と一体に形成される。

【００８３】本発明の電極検出器組立体は不要な信号を
拾う接続線なしで信号リング１３６との電気的接続を与
える。この結果を得るために適当な絶縁が本発明の電極
検出器組立体に施されて、電極１３６と１３８の間の電
気的漏洩を防ぐ。図１６に示すように、この絶縁はプリ
ント回路板支持構造体自身の形態によって成される。複
数の導電路１４８、１５０、および１５２がプリント回
路板１３２に埋め込まれる。導電路１５０は電極パッド
１３８に接続される。導電路１５２は相殺の目的で電気
雑音を収集して、信号との雑音干渉混信から電子的減算
を行うための信号を収集するようにする。最後に導電路
１５４は接地接続である。これらの導電路１４８、１５
０および１５２はそれぞれエッジコネクタ１５６、１５
８および１６０に接続される。次いで、これらのエッジ
コネクタは、収集電極によって受け取られた情報を増幅
するために、導電路によって運ばれた信号を増幅器（図
示せず）に転送する。更に、これらの導電路の各々は露
出部分を有しているが、銅を有害な気体もしくは酸化か
ら保護するように金で電気めっきされている。

【００８４】プリント回路板１３２の上面および下面
は、図１６および図１７に示すように、金めっきされた
銅被覆１６４および１６６を備える。この銅被覆は電気
シールドとなって、埋込み導電路における信号の電気雑
音の収集を低減させ、絶縁回路板の導電性外被となる。
標準めっきされたスルーホール１６５は外被１６４およ
び１６６を相互に結合するために用いられる。２つの表
面１６４および１６６はエッジコネクタ１６２を介して
接地に接続される。更に、標準めっきされたスルーホー
ル１８２が備えられ、このスルーホールは銅面１６４お
よび１６６をプリント回路板１３２の両面に結合する
（図２０参照）。

【００８５】図１７に示すように、プリント回路板は
「Ｄ」字状の絶縁リング１６８も含んでおり、以下に更
に詳しく説明するように、このリングはプリント回路板
に接着されて対物レンズ組立体と試料室の間の真空シー
ルをもたらす。

【００８６】図１８から図２０にかけて、プリント回路
板技術を用いた電極検出器組立体を使用する環境型走査
電子顕微鏡が示してある。図１８で最も良く分かるよう
に、プリント回路板１３２は試料室１７０内にほぼ水平
に配置される。電子ビーム１７６が通過できるような経
路を設けた検出器本体１７２は、対物レンズ組立体１７
４に取り付けられる。この検出器本体１７２は本出願と
同一の譲受人に譲渡された米国特許第４，８２３，００
６号で開示された開口担体と類似であるが、本願では検
出器ヘッドは検出器本体の下方部分を形成する点が異な
っている。

【００８７】以下で更に詳しく説明するように、この検
出器本体１７２は対物レンズ１７４を貫通するように挿
入されて、圧力制限開口１４４の中心が正しい位置にく
るように調整する際の補助となる。この構成で、信号収
集リング電極１３６はプリント回路板１３６から下方に
延びて、観察中の試料１７８に正対する。その結果とし
て、１次ビーム１７６はプリント回路板の最終圧力制限
開口１４４を通り抜けて、試料１７８に衝突する。こう
して、試料の表面から放射された２次電子は適切にバイ
アスをかけられた信号リング電極１３６によって収集さ
れる。

【００８８】回路板１３２と検出器本体１７２周辺の間
に気密シールを施すために、真空シールリング１６８が
プリント回路板に接着され、検出器本体１７２から下方
に伸びる環状フランジ１８０に嵌合される。真空シール
リングは、圧力制限開口１４４を環境型走査電子顕微鏡
内の適切な位置に配置して電子ビーム１７６が試料１７
８に適切に衝突するようにする際の補助も行う。

【００８９】本発明の別の一般目的によれば、プリント
回路板の絶縁表面は１次ビームを乱さないように「隠さ
れる」。図２０で最も良く分かるように、プリント回路
板の頂面に取り付けられた銅リング１７１は十分な幅を
有しており、圧力制限開口１４４の外側に伸びて１次ビ
ーム１７６がプリント回路板の絶縁表面に衝突しないよ
うにする。

【００９０】更に、以下に更に詳しく説明するように、
最終圧力制限開口１４４を形成する逆円錐部分１４６は
様々な寸法に変更可能であり、プリント回路板は容易に
取り外されて、各種の寸法が挿入されて異なる目的に応
じて異なる寸法の圧力制限開口が与えられる。したがっ
て、圧力制限開口／電極構造体を製作するコストは十分
に安価であり、使用者は各種の寸法の圧力制限開口をも
つ組立体を１組と限らず入手できる。

【００９１】別の好ましい実施態様では、電極パッド１
４６から受信された信号は、実際の後方散乱電子信号検
出器として使用されてもよい。電極パッド１４６がその
ように使用される場合には、プリント回路板上にあって
電極パッド１４６に近接する電圧面が、２次電子検出器
信号環状電極１４４によって収集されない後方散乱電子
信号を収集する。したがって、本発明の電極検出器組立
体では、収集パッド１４６は単に「不要な後方散乱電子
信号および１次ビーム雑音」のみを収集することはな
い。

【００９２】本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許
第４，８９７，５４５号では、異なるタイプの電子信号
を拾う多数の電極を標本に近接して配置することによっ
て気体電子検出器が改良された。本願の図２１は、この
ような検出器を示す。この検出器は、米国特許第４，８
９７，５４５号で開示されたものであるが、低エネルギ
ー２次電子（電極Ｘ）、高エネルギー反射電子（電極Ｃ
およびＤ）、および低角反射電子（電極ＡおよびＢ）の
ように異なるタイプの電子を分離できるようにした。前
記の特許で開示されるように、これらの異なるタイプの
電子の各々は標本に関する異なる情報を伝える。

【００９３】本願の図２２は、環境型走査電子顕微鏡に
使用するためにプリント回路板技術を用いた電極検出器
組立体１８４を示すが、この電極検出器組立体は検出器
ヘッドに多数の電極を含んで米国特許第４，８９７，５
４５号に開示された検出器と類似な方法によって各種の
タイプの電子信号を拾う。以下に更に詳しく説明するよ
うに、図２２のこの電極検出器組立体は、検出器ヘッ
ド、適当な絶縁、および本願の図１６および図１７の実
施態様で示したような支持構造体を更に備えている。

【００９４】電極検出器組立体１８４の検出器ヘッド１
８６は、好ましくは銅製の３つの電極１９０、１９２お
よび１９４を備える。内側電子検出器１９０は信号リン
グとして形成され、検出器ヘッド内に形成された圧力制
限開口の半径方向外側に配置される。この信号リング電
極１９０は標本の表面から発して増幅された低エネルギ
ー２次電子を収集する。中間電子検出器１９２は、内側
電子検出器１９０の半径方向外側に配置され、１９２ａ
および１９２ｂのような第１の複数の同心分割略偏平弧
状セグメントから形成される。中間電子検出器は、主と
して試料の表面から出て増幅された高エネルギー２次電
子信号と後方散乱電子信号の混合信号を収集する。混合
信号に含まれる信号の相対的な強度は、圧力、試料距離
および使用される電極バイアスといったパラメータに依
存する。外側電子検出器１９４は中間電子検出器１９２
の半径方向外側に配置され、第２の複数の同心分割略偏
平弧状セグメント１９４ａおよび１９４ｂで形成され
る。外側電子検出器１９４は、標本の表面形状（topogr
aphy）を示す増幅された低角後方散乱反射信号を収集す
る。

【００９５】図２２に示すように、表面形状のような幅
広いスペクトルの撮像能力を備えるためには、中間リン
グ電子検出器１９２の同心弧状セグメント１９２ａおよ
び１９２ｂ、および外側電子検出器１９４の同心弧状セ
グメント１９４ａおよび１９４ｂは好ましくは相互に概
略直角な向きにある。弧状セグメントの片方の出力を他
の片方の出力から電子的に減算することによって、通常
は典型的な後方散乱電子検出器に関連してなされる方法
で、Ｚ−コントラスト抑圧による表面形状の陰影効果が
得られる。導電体はやはりプリント回路板に埋め込ま
れ、支持構造体は電気的に絶縁されて、各種の信号が相
互結合しないようにされる。図２２に示すように、導電
路１９６、１９８、２００、２０２および２０４は収集
電極１９０、１９２および１９４によって受信された信
号を、それぞれ２０６、２０８、２１０、２１２および
２１４のようなエッジコレクタに運ぶ。好ましい実施態
様では、導電路２００は信号リング電極１９０に接続さ
れる。導電路１９８および２０４は、中間電子検出器１
９２の同心弧状セグメント１９２ａおよび１９２ｂにそ
れぞれ接続される。導電路１９６および２０２は、外側
電子検出器１９４の同心弧状セグメント１９４ａおよび
１９４ｂに接続される。

【００９６】図２３に示すように、標本２１７の表面か
ら出る２次電子信号２１６は、信号リング電極１９０に
衝突するが、その際に高角反射電子２２０は中間電子検
出器の同軸弧状セグメント１９２ａもしくは１９２ｂの
どちかに衝突する。低角反射電子２２０は、外側電子検
出器１９４の同軸弧状セグメント１９４ａおよび１９４
ｂに衝突する。

【００９７】１３０（図１５）および１８４（図２２）
のような電極検出器組立体は、本願の図２４ないし図２
６に示すように、環境型走査電子顕微鏡内に機械的に支
持される。前述のように、真空シールリング１６８はプ
リント回路板から上方へ向けて伸びて、本体コネクタす
なわち開口担体１７２と密に嵌合して気密シールをなす
とともに、圧力制限開口１４４を適切な位置に配置す
る。信号ヘッドから遠隔したほうのプリント回路板の端
部は、２３２のような試料室１７０内に設けられたプリ
ント回路板コネクタにスナップ止めされる。プリント回
路板コネクタ２３２においては、１５６、１５８、１６
０もしくは１６２（図１６）あるいは２０６、２０８、
２１０、２１２および２１４（図２２）のようなエッジ
コネクタが適当な結線に接続され、結線は信号を増幅器
（図示せず）に運んで収集電極が受け取った情報を増幅
するようにする。プリント回路板コネクタ２３２はレン
ズ１７４で支持され、ケーブル結線２３４および２３６
によって試料室１７０に接続される。また、試料室の真
空特性を保持するために、接続ケーブル２３４と２３６
の間には真空シールコネクタ２３８が設けられる。した
がって、このようにして、シールリング１７１およびＰ
ＣＢコネクタ２３２はともに共働して、プリント回路板
を環境型走査電子顕微鏡内で所望の向きに機械的に支持
する。

【００９８】図２５および図２６には、環境型走査電子
顕微鏡からのプリント回路板の取り外しが示してある。
図２５で、プリント回路板１３２は最初に矢印ａの向き
に回動されて、真空シールリング１７１が本体検出器す
なわち開口担体１７２の下方延伸フランジ１８０から外
される。その後で、プリント回路板１３２とプリント回
路コネクタ２３２とのスナップ止めが外され、プリント
回線板が解放されて、プリント回路板は矢印ｂの方向に
移動され、環境型走査電子顕微鏡から取り外される。そ
の結果として、圧力制限開口は別の寸法に簡単に交換で
きるようになるし、また圧力制限開口／電極構造体を製
作するコストは十分安価になって使用者は異なる寸法の
圧力制限開口を備えた組立体を１組と限らず入手できる
ようになる。

【００９９】図２７および図２８は、本願のプリント回
路板検出器によってつくられる高電圧用の離隔空間を詳
細に示す。プリント回路板１３２と本体検出器１８０と
の嵌合構造の結果として、高電圧用の離隔空間がつくら
れる（図２７の高さｃおよび長さｄを見よ）。この電圧
隔離は図２８にも反映されており、参照番号２４０とし
て示されている。逆向き部分１４６および銅リング１７
１は、高圧のバイアスをかけられており、検出器本体１
８０は略０ボルトにバイアスがかけられている。

【０１００】この電極検出器組立体に使用される材料の
結果として、真空環境におけるガス放出は最小化され、
電極構造体は高温実験に伴う高温に対して耐性を有し、
機械的に安定で、かついずれの金属表面も環境型走査電
子顕微鏡で使用される気体環境に対して耐性を有する。
更に、プリント回路板は極めて正確に機械加工できるし
高温で使用することもできる。

【０１０１】また、好ましい実施態様では、プリント回
路板は主としてガラス繊維およびエポキシで作られる。
しかし、ガラス繊維およびエポキシは多層セラミック基
板に置換されてもよい。

【０１０２】本発明の電極検出器組立体の設計の結果と
して、比較的安価なプリント回路板構造体が使用され、
電極は機械的に支持され、信号収集のために埋込み導電
路が備えられ、１次ビームに対して露出する絶縁体はな
く、支持構造体は強固であって試料で構造体を打撃した
ために生ずる損傷を最小化し、構造体は簡単にクリーニ
ングでき、かつ安価に交換できる。

【０１０３】本発明を特定の好ましい実施態様を参照し
て詳しく説明したが、本発明の趣旨および範囲を逸脱す
ることなく、種々な変更および変形が可能なことを当業
者には容易に理解できよう。添付の特許請求の範囲は、
前述した事柄および各種の他の類似の変更および変形を
含むものと解釈されるべきである。

【図面の簡単な説明】

実施例を用いて行う次の詳細な説明は、以下に示す添付
の図面と関連させて最も良く理解できるであろうが、こ
こで説明する特定の実施態様のみに本発明を限定する意
図ではない。

【図１】典型的なＳＥＭ柱体内の電子ビームの概略図で
ある。

【図２】典型的なＳＥＭ柱体内のビーム偏向の概略図で
ある。

【図３】２組の走査コイルと２つの圧力制限開口を有す
る環境型走査電子顕微鏡の概略図である。

【図４】最新形ＳＥＭに内蔵されたＸ線検出器構造体の
概略図である。

【図５】従来技術の環境型走査電子顕微鏡に内蔵された
Ｘ線検出器用の構造体の概略図である。

【図６】環境型走査電子顕微鏡の電子の軌跡の例を示す
概略図である。

【図７】好ましい電子走行軌跡を示す本発明の環境型走
査電子顕微鏡の好ましい一実施態様の概略図である。

【図８】本発明の環境型走査電子顕微鏡に関連して使用
される改良された信号増幅装置の概略図である。

【図９】本発明の環境型走査電子顕微鏡に内蔵される光
学装置の平面図である。

【図１０】本発明の環境型走査電子顕微鏡に内蔵される
光学装置の側面図である。

【図１１】図１０の光学装置の拡大側面図である。

【図１２】本発明の環境型走査電子顕微鏡の画像表示装
置の表示画面である。

【図１３】ａ−ｄ図は図１２の表示画面に関する４つの
可能な画像組合せの概略図である。

【図１４】本発明の環境型走査電子顕微鏡に内蔵される
Ｘ線検出器組立体の概略図である。

【図１５】本発明の教示によって試料の視野が拡大され
た環境型走査電子顕微鏡の一実施態様の概略図である。

【図１６】本発明の教示による環境型走査電子顕微鏡用
の電極検出器組立体の底面図である。

【図１７】図１６の電極検出器組立体の平面図である。

【図１８】図１６および図１７の電極検出器組立体を用
いた環境型走査電子顕微鏡の好ましい一実施態様の概略
図である。

【図１９】図１６および図１７の電極検出器組立体を用
いた環境型走査電子顕微鏡の別の概略図である。

【図２０】図１９の環境型走査電子顕微鏡の一部の拡大
概略図であって、特に本発明の本体検出器と電極検出器
組立体との間のシーリングを示す。

【図２１】米国特許第４，８９７，５４５号の環状電極
検出器組立体の正面図である。

【図２２】本発明の教示による環境型走査電子顕微鏡用
の電極検出器組立体の別の好ましい実施態様の底面図で
ある。

【図２３】図２２の電極検出器組立体を用いた環境型走
査電子顕微鏡の概略図である。

【図２４】環境型走査電子顕微鏡内に機械的に支持され
た本発明の教示による電極検出器組立体の別の概略図で
ある。

【図２５】環境型走査電子顕微鏡から本発明の電極検出
器の取り外しを示す概略図である。

【図２６】環境型走査電子顕微鏡から本発明の電極検出
器の取り外しを示す概略図である。

【図２７】環境型走査電子顕微鏡に用いられる本発明の
電極検出器組立体を示す別の概略図であって、更に詳し
くは、それによって与えられる高電圧絶縁のための離間
空間を示す。

【図２８】本発明の教示による環境型走査電子顕微鏡用
の電極検出器組立体の底面図であって、電極検出器組立
体内の高電圧絶縁の離隔空間を示す。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シュルツ，ウィリアム ジー. アメリカ合衆国 03060 ニューハンプシ ャー州ナシュア，クロックタワー プレー ス １ (72)発明者 アームストロング，アレン イー. アメリカ合衆国 02173 マサチューセッ ツ州レキシントン，ロビンソン ロード 34 Ｆターム(参考） 5C033 KK09 NN01 NP01 UU03 UU04 UU05

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 調査対象の試料から出る信号を収集する
   ための収集電極手段を表面に有する検出器ヘッドを含む
   プリント回路板を含んでなる環境型走査電子顕微鏡用の
   電子検出器。
2. 【請求項２】 前記検出器ヘッドがバイアスを加えられ
   る信号リング電極を含み、試料の表面から出た２次電子
   を収集するようにする請求項１記載の電子検出器。
3. 【請求項３】 前記検出器ヘッドがバイアスを加えられ
   る電極パッドを含み、試料の表面から出た後方散乱電子
   および低角反射電子に由来する信号を低減するようにし
   た請求項１記載の電子検出器。
4. 【請求項４】 前記プリント回路板が絶縁手段を含ん
   で、前記収集電極手段の電極間の電気的漏洩を防止する
   ようにする請求項１記載の電子検出器。
5. 【請求項５】 前記絶縁手段がプリント回路板に埋め込
   まれた導電手段を含んで、前記収集電極手段によって受
   信された信号をエッジコレクタ手段へ運ぶようにした請
   求項４記載の電子検出器。
6. 【請求項６】 請求項１記載の電子検出器であって、静
   電雑音の混信を低減するように静電遮蔽手段を更に含む
   環境型走査電子顕微鏡。
7. 【請求項７】 電子ビームが試料室内に支持された調査
   対象の試料に衝突する環境型走査電子顕微鏡のための電
   子検出器であって、前記検出器が （ａ）試料から出た信号を収集するための収集電極手段
   を持った検出器ヘッド、 （ｂ）前記収集電極手段の電極間の電気漏洩を防止する
   ための絶縁手段、 （ｃ）静電雑音の混信を低減するための静電遮蔽手段、
   および （ｄ）環境型走査電子顕微鏡内部に前記プリント回路板
   を支持するための支持手段、 を有するプリント回路板を含んでなる電子検出器。
8. 【請求項８】 請求項７記載の電子検出器であって、信
   号との雑音干渉混信から電子的減算のための信号を収集
   するように雑音収集手段を更に含む電子検出器。
9. 【請求項９】 前記検出器ヘッドが一体的に形成された
   圧力制限開口を含み、その中を電子ビームが通過できる
   ようにする請求項７記載の電子検出器。
10. 【請求項１０】 前記絶縁手段がプリント回路板に埋め
    込まれた導電手段を含んで、前記収集電極手段によって
    受信された信号をエッジコネクタ手段へ運ぶように構成
    され、前記導電手段が複数の導電路を含み、当該導電路
    のうちの少なくとも１つは電気雑音を相殺目的で収集す
    るための手段を提供する請求項７記載の電子検出器。
11. 【請求項１１】 前記検出器ヘッドは全体として環状の
    電極組立体を含む請求項７記載の電子検出器であって、
    前記の環状の電極組立体が、信号リング電極から形成さ
    れた内側電子検出器、前記内側電子検出器の半径方向外
    側に配置されて第１の複数の同心弧状セグメントから形
    成された中間電子検出器、および前記中間電子検出器の
    半径方向外側に配置されて第２の複数の同心弧状セグメ
    ントから形成された外側電子検出器を有する電子検出
    器。