JPH04504325A - 環境形走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 気体環境下で用いられる改良された電子検出器発明の背景 本発明は、１９８７年５月２１日受付の標題、気体雰囲気下で用いられる２次電 子検出器、の米国特許出願番号第０５２．７００号、および１９８８年２月１９ 日受付の標題、環境形走査型電子顕微鏡のための集積電子光学・差動排気・作像 信号検出装置、の米国特許出願番号第１５８．２０８号の継続出願である。

本発明は環境形走査型電子顕微鏡（ＥＳＥＭ）の分野に関するものである。さら に詳細にいえば、本発明は、ＥＳＥＭにおいて、検出体積領域を定めることと信 号の分離を行なうために、気体の検出器装置の実際的な多重電極構造体をそなえ た、環境形走査型電子顕微鏡に関するものである。

背景技術との関連でいえば、ＥＳＥＭが標準形の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）よ りも優れている点は、湿気のある試料または非導電性の試料（例えば、生物材料 、プラスチックス、セラミックス、繊維）の高分解能電子像をうる性能を有する ことである。これらの試料については、ＳＥＭの通常の真空環境下において、像 をうろことは極めて困難である。ＥＳ、、ＥＭでは試料をその「自然な」状態に 保持しておくことができる。したがって、高真空中で電子ビームで観察する際に 通常必要である乾燥、冷凍、または真空被覆によって生ずる変化を、試料が受け ることはない。また、ＥＳＥＭ試料室に比較的高い気体圧力を容易に導入するこ とができるので、このことは、表面電荷を効果的に散逸させる働きをする。表面 電荷は非導電性の試料を観察する場合に蓄積するものであり、この表面電荷の蓄 積かあると、高品質の像をうることが困難になる。また、ＥＳＥＭにより、通常 のＳＥＭ試料室の中で許されるよりははるかに高い蒸気圧下で起こる、液体輸送 、化学反応、溶解、水和作用、結晶成長、およびその他の諸現象を、直接にかつ リアルタイムに観察することができる。

作像性能に関するこの技術的な利点のために、多くの分野において、研究者には 隠されていたミクロ現象の世界を観察することかできるようになった。このよう な分野の例を挙げれば、ただしそれらに限られるわけではないか、医学、生物学 、食品および薬品技術、地質学、複合材料、繊維、半導体、法医学、簡単にいえ ば、標準形のＳＥＭで像をうろことか困難な試料か関与しているすべての分野で ある。

けれども、これまでのＥＳＥＭ設計を用いた場合に起こる従来の問題点は、気体 の検出器が、試料に電子ビームが衝突することによって生ずる種々の信号、例え ば、低エネルギ２次電子、高エネルギ後方散乱電子、小角度反射電子、および大 角度反射電子、のような信号を分離する性能を有していないことであった。した がって、本発明により、ＥＳＥＭにおいて、検出器体積領域を定めることと信号 の分離を行なうことができる、気体の検出器装置のための実際的な多重電極構造 体かえられる。

、　さらに、従来のＥＳＥＭでは、電子検出器は圧力制限開口部と一体化されて 配置されていた。正にバイアスされた検出器電極／圧力制限開口部と（アースさ れた）試料支持台は平行板コンデンサを構成し、そして極板間の電位は距離に比 例して降下する。すなわち、極板間にある自由電子は、その位置がどこにあって も、正電極に向かう一定の加速度を受ける。けれども、もし電気的に分離された スクリーンまたはグリッドが試料と検出器電極との間に配置されるならば、ＥＳ ＥＭにおける信号の収集性能が大幅に改良されることがわかっている。適切な大 きさの電圧をグリッドに（およびまたは試料支持台に）加えることにより、収集 領域、すなわち、「検出体積領域」を、グリッドの上の領域とグリッドの下の領 域との、独立な電解強度を有する２つの領域に分割することができる。したがっ て、グリッドは電子検出器装置における制御素子になる。

発明の目的 本発明の全体的な目的は、気体環境下で用いられる改良された電子検出器をうる ことである。

本発明のまた１つの目的は、液体輸送、化学反応、溶解作用、水和作用、結晶成 長、および比較的高い蒸気圧で起こるその他の過程を直接にかつリアルタイムで 観察することができる環境形走査型電子顕微鏡に用いられる、改良された電子検 出器をうることである。

本発明のまた別の目的は、試料の表面から放出される種々の信号、例えば、低エ ネルギ２次電子、高エネルギ後方散乱電子、小角度反射電子、および大角度反射 電子を分離することができる、走査型電子顕微鏡に用いるための改良された電子 検出器をうることである。

本発明のまた別の目的は、ＥＳＥＭの中に検出体積領域を定めることができる、 環境形走査型電子顕微鏡に用いられる、電子検出器をうることである。

本発明のさらに別の目的は、全体的に環状の構造を有し、かつ、試料の表面から 放出される種々の信号を収集するために最初は同じ電位にバイアスされた複数個 の同心弓形扇状部分を有する、環境形走査型電子顕微鏡に用いられる電子検出器 をうることである。

本発明のまた別の目的は、電極の３次元アレイが圧力制限絞りの平面にまたはそ のすぐ下に全体的に配置された、またはこの絞りの下の平面および上の平面に全 体的に配置された、環境形走査型電子顕微鏡に用いられる電子検出器をうろこと である。

本発明のなおさらに別の目的は、信号の分離、フィルタ作用および増幅のために 複数個の電極か正電圧およびまたは負電圧でバイアスされた、環境形走査型電子 顕微鏡に用いられる電子検出器をうろことである。

本発明のさらに別の目的は、試料支持台と電子検出器との間に配置されかつバイ アスされたグリッドを有し、そしてそれにより電子ビームと試料との相互作用に よって放出された電子束をエネルギに従って容易に分離することができる、環境 形走査型電子顕微鏡をうろことである。

本発明のなおまた別の目的は、試料室の気体環境が原因となって試料から放出さ れる信号の気体環境内における増幅をさらに容易に設定し、かつ、制御する、バ イアスされたグリッドを試料室内に有する、環境形走査型電子顕微鏡をうること である。

本発明のなおさらに別の目的は、試料室内にバイアスされたグリッドを有し、そ してそれにより信号対雑音比が改良されて、高分解能作像信号をうることができ る、環境形走査型電子顕微鏡をうろことである。

本発明のこの他の目的およびこの他の利点は、詳細な説明と添付図面とから明ら かになるであろう。添付図面において、同等な部品には同じ番号か付されている 。

発明の要約 本発明は、全体的にいえば、改良された環境形走査型電子顧微鏡に関するもので ある。さらに詳細にいえば、本発明は、試料の表面から放出される種々の信号、 例えば、低エネルギ２次電子、高エネルギ後方散乱電子、小角度反射電子、およ び大角度反射電子、を分離することができる、環境形走査型電子顕微鏡と共に用 いられるための改良された電子検出器に関するものである。

１つの好ましい実施例では、電子顕微鏡は、電子ビームを発生し、かつ、電子ビ ームを検査されるべき試料に向けて進めるための、電子銃を有する。電子顕微鏡 の真空装置部分は、事実上円筒形をした対物レンズ磁気容器を有する。この容器 は軸方向に配置された真空ライナ管を有し、そしてこの管の下端には、圧力制限 絞りかそなえられる。対物レンズ容器はまた電子ビームを集束するための装置を 有し、この装置により、電子銃から放射された電子ビームを圧力制限絞りの直径 を横切って進めさせることができる。

試料室は、対物レンズ組立体の下に配置される。試料室は、気体で囲まれた試料 を、試料の表面が集束した電子ビームによって照射されつるように、圧力制限絞 りと整合した位置に保持することができる。試料取付台が試料室内に配置され、 かつ、集束した電子ビームが試料と相互作用することができるように、試料を圧 力制限絞りの下約１−１０ｍｍの位置に保持して配置される。

本発明の全体的な目的のうちの１つに従って、本発明の環境形走査型電子顕微鏡 は、適切な幾何学的形状の電子検出器を育し、そしてこの電子検出器により、試 料の表面から放出された種々の信号、すなわち、低エネルギ２次電子、高エネル ギ後方散乱電子、小角度反射電子、および大角度反射電子、を分離することかで きる。これらの種々の信号は試料に関する情報を有している。これらの情報は、 エネルギと角度の関係について、顕微鏡科学の当業者にとっては重要な情報であ る。

さらに詳細にいえば、この構造体は、圧力制限絞りと一体化して作成された電子 検出器を存する。通常は、この圧力制限絞り検出器はある電位にバイアスされる が、改良された作像性能をつるために、このバイアス電位は可変である。さらに 、３次元の全体的には環状の電極組立体が、試料室の中でかつ試料の表面の上方 に、かつ、圧力制限絞りの位置またはそのすぐ下方に、そなえられる。けれども 、この電極組立体はまた、圧力制限絞りの上の平面内にまたは下の平面内に配置 することができる。

この環状電極組立体は、細い導線のリングで作成された内側電子検出器を有する 。この導線の太さは約５０〜１００ミクロンであり、そして金属で作成されるこ とが好ましい。このリングの直径は圧力制限絞りの直径よりわずかに大きい。内 側電子検出器は、主として、増幅された２次電子信号を収集する。全体的に環状 の電極組立体はまた、内側電子検出器の半径方向外側に配置された中間電子検出 器を存する。この中間電子検出器は複数個の同心弓形扇状部分て構成される。中 間電子検出器の内側直径は約０．８ｍｍであり、そして外側直径は約３ｍｍであ る。中間電子検出器は、主として、２次電子信号と後方散乱電子との増幅された 混合体を収集する。この混合体の中の各信号の相対強度は、用いられる圧力と、 試料距離と、電極バイアスとのパラメータによって定まる。

環状電極組立体はさらに、中間電子検出器の半径方向外側に配置された、外側電 子検出器を存する。この外側電子検出器は、複数個の第２同心弓形扇状体で構成 される。

外側電子検出器は、主として、小角度反射信号を収集する。方向性形状図コント ラストをつるために、中間電子検出器と外側電子検出器は同心弓形扇状部分に分 割され、かつ、はぼ反対にまたは相互に垂直に配置される。さらに、環状電極組 立体の内側電子検出器と中間電子検出器と外側電子検出器は、同じ水平面の中に 配置される。

最後に、また別の電子検出器が、絞り支持体の中の圧力制限絞りの上に配置され る。この電子検出器は、主として、大角度反射電子を収集する。この電子検出器 は細いリングであって、金属で作成されることが好ましい。

最初、内側電子検出器と中間電子検出器と外側電子検出器は、同じ電位にバイア スされる。種々の電極からのすべての信号は、まず電極バイアスを調整すること によって操作され、そして次に電子装置によって（混合と処理）操作されること ができる。電極は、信号の分離とフィルタ作用と増幅のために、正電圧およびま たは負電圧でバイアスされる。試料からの信号は、圧力制限絞りの下の領域と上 の領域との両方の領域において、それ自身のエネルギによって、およびまたは電 極の電界によって電子／イオンに与えられたエネルギにより、気体をイオン化す る。

電極の電気出力は試料からの情報を有している。この情報は、電子顕微鏡のよく 知られている方法によって、解析されそして表示される。この結果をつるために 、本発明の環境形走査型電子顕微鏡は、円形電極組立体の各電子検出器に接続さ れた、分離した電流増幅器を育する。

この電流増幅器は、環状電極組立体の各検出器で収集された電流を受け取る。ま たは、環状電極組立体の電子検出器に接続された各増幅器は、これらの電子検出 器のおのおのを別々にバイアスする可変バイアス装置に、独立に、接続すること ができる。

圧力制限絞りと一体化して作成された検出器と、全体的に環状である電極組立体 と、絞り支持体電極検出器とを有する、ＥＳＥＭのための気体の検出器装置のこ の幾何学的構成体の場合、顕微鏡の中に検出体積領域を定めることと信号分離の ために、実際的な多重電極構造体がそなえられる。

それとは異って、またはそれに加えて、電気的に分離されたスクリーンまたはグ リッドを、試料と電極検出器との間に配置することができる。このグリッドは、 試料取付台の電位よりは大きいが電子検出器に加えられた電位よりは小さい電位 にバイアスされる。２次電子の加速度、したがって増幅度、を大きくするために 、グリッドは電子検出器よりも試料取付台により接近させて配置することか好ま しい。

スクリーンにより、ＥＳＥＭにおいて、着目する信号の収集と増幅に関して、大 幅な改良かえられる。適切な大きさの電圧をグリッド（およびまたは試料台）に 加えることにより、収集領域または「検出体積領域」を、独立な電界強度の２つ の領域、すなわち、グリッドの上の領域とグリッドの下の領域とに、分割するこ とができる。

したがって、グリッドはこの装置の制御素子になり、それにより、電子ビームと 試料との相互作用から生ずる電子束を容易に分離することができ、かつ、気体の 増幅因子をより容易に設定するおよび制御することができ、かつ、信号対雑音比 を改善することができ、高分解能（２次電子）作像信号かえられる。したがって 、２次電子のカスケード増幅の増強かえられる。このようにして、このグリッド により、検出器によって受け取られる信号の明瞭度は大幅に増大し、そしてこれ らの信号の分離によって増強される。

図面の簡単な説明 下記の詳細な説明は、添付図面を参照することにより、最もよく理解することが できる。下記の詳細な説明および添付図は例示のために与えられたものであって 、本発明がこれらの特定の実施例に限定されることを意味するものではない。

第１図は本発明の環境形走査型電子顕微鏡の１つの好ましい実施例の横断面概要 図（尺度は変えである）、第２図は図１の線２−２に沿っての平面図、第３図は 本発明の環境形走査型電子顕微鏡のまた別の好ましい実施例の横断面概要図（尺 度は変えである）、第４図は本発明の環境形走査型電子顕微鏡のさらに別の好ま しい実施例の横断面概要図（尺度は変えである）。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図に、検査される試料の表面から放射される２次電子および後方散乱電子を 発生しかつ増幅しかつ検出するための装置をそなえた、環境形走査型電子顕微鏡 （ｒＥｓＥＭＪ）が示されている。電子銃１２から放射された電子ビームは、対 物レンズ組立体１１の電子光学筒１１を通る。真空光学筒１０はその下端部に、 最終圧力制限絞り１４を有する。この圧力制限絞り１４は、絞り支持体１５の下 端部に作成される。この絞り支持体１５は１９８８年２月１９日受付の米国特許 出願番号環１５８．２０８号に開示されている。この出願中特許に開示されてい る内容は、参考として本発明に取り入れられている。この絞り支持体は、最終圧 力制限絞り１４の上方に、第２圧力制限絞り１７を存する。第２圧力制限絞り１ ７は電子光学筒１０と直接に通じている。最終圧力制限絞り１４の直径は約５０ ０ミクロンであることが好ましい。電子ビームは、磁界レンズ１６および１８の 中を通る。これらの磁気レンズは、電子ビームを集束するのに用いられる。集束 装置２０は、真空筒の近傍の対物レンズ組立体１１の中に配置され、そして電子 ビームを最終圧力制限絞り１４を通り抜けるように進めることができる。

その後、電子ビームは、最終圧力制限絞り１４を過つて試料室２２の中に進む。

そして電子ビームは、試料支持台２６の上に保持された試料２４と衝突する。試 料取付台または試料支持台２６は試料室の中に配置され、かつ、試料２４を、最 終圧力制限絞り１４の下方的１〜１０ｍｍに保持し、そして電子ビームと相互作 用することができるように配置する。試料室は、光学真空筒１０の下に配置され る。試料室は、試料２４を約１〜２５トルの圧力の気体の中に保持することがで きる。この気体は、窒素または水蒸気であることが好ましい。電子銃から放射さ れそして圧力制限絞り１４を通過して進んできた荷電料子ビームが試料の表面に 衝突するように、圧力制限絞りと整合して試料が配置される。

このＥＳＥＭの気体の検出器装置が特別の幾何学的構成に配置されているので、 試料から生ずる種々の信号を分離することができ、それにより、一層よい作像性 能をうろことができる。本発明の１つの好ましい実施例では、ＥＳＥＭは５個の 電極を有する。第１の電極は、試料表面で発生した低エネルギ２次電子が入射す る電子検出器２８である。この電子電極２８は、最終圧力制限絞り１４と一体化 して作成される。圧力制限絞り検出器２８には予め定められたバイアス電圧が加 えられる。このバイアス電圧により、試料から放出された２次電子がその絞りを 通って逃散するのが防止される。このようにして、一体化して作成された圧力制 限絞り検出器は、増幅された低エネルギ２次電子信号を収集する。

３個の電極、すなわち、３０と３２と３４は、全体的に環状の形をした電極組立 体３６（第１図および第２図を見よ）の中に一体化してそなえられる。全体的に 環状である電極組立体３６の内側検出器３０は細い環状体の形をしており、そし て金属で作成されることが好ましい。

この好ましい実施例では、内側電子検出器は細い線状体であって、その太さは約 ５０〜１００ミクロンである。

内側電子検出器３０の直径は圧力制限絞り１４の直径よりわずかに大きく、そし て圧力制限絞りのすぐ下におよびそれからは分離されて配置される。けれども、 電極組立体３６は圧力制限絞り１４の上または下に配置することができる。この 内側電子検出器は、試料の表面から放射された増幅された低エネルギ２次電子を 収集する。

環状電極組立体３６の中間電子検出器３２は、内側電子検出器３０の半径方向外 側に配置される。中間電子検出器３２は、３８ａおよび３８ｂのように（第２図 を見よ）、複数個の分離した同心円状の、全体的に平板状の、第１弓形扇状部分 で構成される。第ｔａに示されているように、中間環状電子検出器３２の内側直 径は約０．８ｍｍであり、そして外側直径か約３ｍｍであることが好ましい。こ の設計の場合、中間電子検出器は、主として、試料の表面から放出された高エネ ルギ２次電子信号と後方散乱電子信号との増幅された混合体を収集する。この混 合体の中の各信号の相対強度は、使用される圧力と試料距離および電極バイアス のパラメータによって定まる。

環状電極組立体３６の外側電子検出器３８は、中間電子検出器３２の半径方向外 側に配置される。外側電子検出器３８は、４０ａおよび４０ｂのように、複数個 の分離した同心円状の、全体的に平板状の、第２弓形扇状部分で構成される。外 側環状電子検出器３４は、増幅された小角度後方散乱反射信号を収集する。この 信号は試料の形状を示す。反射された信号の角度とは、試料の水平面から測った 作像用信号の入射角のことである。

形状図のような作像性能のより大きなスペクトルをつるために、中間環状電子検 出器３２の同心円状弓形扇状部分３８ａおよび３８ｂと外側電子弓状体３４の扇 状部分４０ａおよび４０ｂは、同じ扇状部分に分割される。

これらの扇状部分への分割は、全体的に相互に垂直に配位するように行なわれる ことが好ましい。弓形扇状部分の１つの半分体の出力を他の半分体の出力から電 子的に減算することにより、典型的な後方散乱電子検出器に通常付随する方式で 、Ｚコントラスト抑制により、形状図整形を実行することができる。

試料の表面から放出される大角度後方散乱電子を収集するために、また別の検出 器４２が、絞り支持体１５の中において、最終圧力制限絞り１４の上方でありか つ上部圧力制限絞り１７の下方に、配置される。絞り支持体検出器４２は細い環 状体に作成され、かつ、金属で作成されることが好ましい。この環状電極４２は 圧力制限絞り１４の上方に配置され、圧力制限絞り１４を通って逃散してくる後 方散乱電子が原因となって生ずるイオン化を検出し、およびまた、増幅された大 角度後方散乱反射信号を収集する。この大角度後方散乱反射信号は原子番号コン トラストを示す。

要約すると、前記の種々の検出器は下記のようにして種々の信号を分離する。圧 力制限絞り検出器２８と内側電子検出器３０は、主として、増幅された低エネル ギ２次電子関連の信号を収集するであろう。環状電極組立体の中間電子検出器３ ２は、主として、増幅された高エネルギ後方散乱電子信号を収集するであろう。

外側電子検出器３４は、主として、形状図コントラストを示す増幅された小角度 後方散乱反射信号を収集するであろう。一方、圧力制限絞り１４の上方に配置さ れた絞り支持体電子検出器４２は、主として、原子番号コントラストを示す増幅 された大角度後方散乱反射信号を収集するであろう。後方散乱電子の極く小部分 が２次電子と混合することがある。もしそのことが認められたならば、まず電極 バイアスを調整することによって、そしてそれから電子装置によって（混合およ び処理）操作された他の電極からの信号を使って、この小部分を電子的に減算す ることができる。

環状電極組立体３６の内側電子検出器３０と中間電子検出器３２と外側電子検出 器３４とが全体的に同一の水平面内にある場合でも、これらの３つの電極は分離 されており、そして最初は同じ電圧でバイアスされる。この同じバイアス電圧は ４００ボルトであることが好ましい。

けれども、信号の分離とフィルタ作用および増幅の目的のために、これらの５つ の電極のおのおのを、正電圧およびまたは負電圧を存する種々の電圧にバイアス することかできる。試料から放出される信号は、圧力制限絞り１４の上側および 下側の両方の領域において、それ自身のエネルギおよびまたは電極の電界によっ て電子イオンに与えられたエネルギによって、気体をイオン化する。

５個の電極の電気出力は試料からの情報を育している。

この情報は、電子顕微鏡の従来の方法によって、解析されそして表示される。特 に、３つの電子検出器３０．３２および３４は、４４．４６および４８のような 分離した電流増幅器に独立に相互接続される（第１図を見よ）か、または３つの 電子検出器から受け取った情報を増幅することができる、共通の可変電圧源に接 続された、分離した増幅器におのおのが相互接続される（第３図を見よ）かのい ずれかである。圧力制限絞り検出器２８および絞り支持体検出器４２は、それぞ れ、分離した電流増幅器５２および５４に、独立に、接続される。これらの増幅 器は、これら２つの検出器から情報を受け取る。増幅器４４．４６および４８は 検出器バイアス電圧で浮動し、そしてそれぞれ、６２．６４．６６のようなビデ オ回路をアースするために、完全バンド幅で結合される。

これらのビデオ回路は表示装置に接続される。

本発明のＥＳＥＭの気体の検出器装置の幾何学的構成により、低エネルギ２次電 子と、高エネルギ後方散乱電子と、小角度反射電子と、大角度反射電子とを収集 することができる。このようにして、本発明のＥＳＥＭにより、改良された作像 性能、特に、改良された形状図コントラストと原子番号コントラストかえられる 。

前記電子検出器装置において、圧力制限絞りおよび試料支持体（アース電位にあ る）と一体化して作成され正にバイアスされた検出器電極は、平行板コンデンサ を構成する。そこでは、「極板」の間の領域にわたって、電位は距離に比例して 降下する。電界強度は極板間において一定であるから、電子は極板間のどの位置 にあっても、正電極（すなわち、圧力制限絞り電極）に向って一様な加速度を受 ける。

もし電気的に分離されたスクリーンまたはグリッド７０が試料と検出器電極との 間に配置されるならば（第４図を見よ）、ＥＳＥＭの着目している信号の収集と 増幅について大幅な改良かえられる。このグリッド７０は導線の網で作成される ことが好ましい。適切な大きさの電圧をグリッドおよびまたは試料支持台）に加 えることにより、収集領域、すなわち、「検出体積領域」を独立な電界強度の２ つの領域に分割することができる。すなわち、グリッドの上の領域とグリッドの 下の領域に分割することが可能である。

例えば、もし試料取付台と圧力制限絞り電極検出器２８との間の距離が１０ｍｍ てあり、そして制御グリッド７０が試料取付台２６から１ｍｍの位置に配置され 、そして圧力制限電極が３００＋Ｖにバイアスされ、そして制御グリッド７０が ９０＋Ｖにバイアスされ、そして試料取付台がアース電位にバイアスされるなら ば、試料から放出される低エネルギ電子は優先して増幅されるであろう。

このようにして、グリッドはこの装置内の制御素子になる。この制御グリッドを 用いる場合、電子ビームと試料との相互作用から生ずる電子束の種々の成分をさ らに容易に分離することができる。グリッドに負電圧を加えた場合には、試料か らの低エネルギ２次電子を制御する傾向があるであろう。一方、正電圧を加える と、低エネルギ２次電子の収集を増幅することになるであろう。

さらに、気体の増幅因子をさらに容易に設定および制御することができる。気体 の増倍効果は気体の圧力と電界強度に決定的に依存するから、単一電極装置は、 与えられた圧力において、動作距離に対し厳しい制限を課すことになる。また、 弱い信号を増幅するために要求される高い電界強度により、アースされた金属と の隙間が最小である圧力制限絞りのまわりで、気体の好ましくないブレークダウ ンを生ずることがある。バイアスされたグリッドを用いることにより、これらの 領域のいずれにおいても、動作のさらに大きな自由度をうることができる。

さらに、高分解能（２次電子）作像信号に対し、信号対雑音比を改良することか できる。単一電極装置に比べて優れているこの主要な利点は、試料表面から放出 される２次電子がグリッドの下の強い電界によって優先して増幅か行なわれ、一 方、後方散乱で生じた自由電子およびグリッドの上方で生じた他の外部信号量子 は、グリッドの上の領域における比較的弱い電界によって、小さな増幅しか受け ない、という事実によるものである。このことにより、１つの作像信号において 、表面のより細部を示すことかでき、かつ、よりよいコントラストをうることが できる。

第１図および第３図の電極検出器構成体の場合に、前記制御グリッドを用いるこ とができる。または、電極が制御電極の上に配置されており、そして制御電極が 試料取付台に加えられた電圧よりは大きいが電極検出器に加えられた電圧よりは 小さい電圧でバイアスされたいずれの場合にも、前記制御電極を用いることがで きる。

本発明は一定の好ましい実施例について説明されたが、当業者には、本発明の範 囲内において、種々の変更のなしうることはすぐに解るであろう。請求の範囲は 、前記実施例およびその他のこのような種々の変更を行った実施例をすべて包含 するものである。

ＦＩ６．２ ＦＩｏ、３ 浄書（内容に変更なし） 補正書の翻訳文提出書　（曲法第１８４条の７組組

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（イ）電子ビームを発生しかつ前記電子ビームを試料に向けて進めるための 装置と、 （ロ）前記試料の表面から放出された信号を検出するための装置であって、前記 検出装置が、細いリングで作成された内側電子検出器と、前記内側電子検出器の 半径方向外側に配置されかつ複数個の第１同心弓形扇状部分で作成された中間電 子検出器と、前記中間電子検出器の半径方向外側に配置されかつ複数個の第２同 心弓形扇状部分で作成された外側電子検出器と、を有する全体的に環状の電極組 立体を有し、かつ、前記複数個の第１同心弓形扇状部分が方向性形状図コントラ ストをうるために前記複数個の同心弓形扇状部分に対し全体的に垂直に配置され 、かつ、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外側電子検出器とが全 体的に同じ水平面内に整合して配置された、前記検出器装置と、 （ハ）前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外側電子検出器とを最初 同じ電位に分離してバイアスするための装置と、 を有する改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２．請求項１において、前記内側電子検出器が太さが約５０〜１００ミクロンの 線状体である、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３．請求項１において、前記内側電子検出器が金属で作成された、前記改良され た環境形走査型電子顕微鏡。 ４．請求項１において、前記中間電子検出器の内側直径が約０．８ｍｍでありか つ外側直径が約３ｍｍである、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ５．請求項１において、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外側電 子検出器が最初約４００ボルトにバイアスされた、前記改良された環境形走査型 電子顕微鏡。 ６．（イ）下端部に圧力制限絞りを有する真空筒と、（ロ）前記真空筒の中に配 置されかつ荷電粒子ビームを放射することができる荷電粒子ビーム源と、（ハ） 前記真空筒の中に配置されかつ前記荷電粒子ビーム源によって放射された荷電粒 子を前記圧力制限絞りを通るように進めることができる集束装置と、 （ニ）前記圧力制限絞りの下に配置され、かつ、約１〜２５トルの圧力の気体に 囲まれて試料を保持することができ、かつ、前記試料の表面が前記荷電粒子ビー ム源から放射されそして前記圧力制限絞りを通って進む荷電粒子によって照射さ れるように前記圧力制限絞りと整合して配置された試料室と、 （ホ）前記試料室の中に配置され、かつ、集束した前記電子ビームと前記試料と が相互作用するように前記試料を前記圧力制限絞りの下約１ｍｍの位置に保持す るように配置された試料取付台と、（へ）前記試料の表面から放出された信号を 検出するための第１装置であって、前記第１検出装置が、細いリングで作成され た内側電子検出器と、前記内側電子検出器の半径方向外側に配置されかつ複数個 の第１同心弓形扇状部分で作成された中間電子検出器と、前記中間電子検出器の 半径方向外側に配置されかつ複数個の第２同心弓形扇状部分で作成された外側電 子検出器とを有する全体的に環状の電極組立体を有し、かつ、複数個の前記第１ 同心弓形扇状部分が複数個の前記第２同心弓形扇状部分に全体的に垂直に配置さ れ、かつ、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外側電子検出器とが 全体的に同じ水平面に沿って整合して配置された、前記第１検出器装置と、（ト ）前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外側電子検出器とを最初同じ 電位に分離してバイアスするための装置と、 を有する改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ７．請求項６において、前記圧力制限絞りの直径が約５００ミクロンである前記 改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ８．請求項６において、前記内側電子検出器が太さ約５０〜１００ミクロンの線 状体である、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ９．請求項６において、前記内側電子検出器が金属で作成された、前記改良され た環境形走査型電子顕微鏡。 １０．請求項６において、前記試料室が窒素で囲まれている、前記改良された環 境形走査型電子顕微鏡。 １１．請求項６において、前記中間電子検出器の内側直径が約０．８ｍｍであり かつ外側直径が約３ｍｍである、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １２．請求項６において、前記圧力制限絞りが前記試料から放射された信号を検 出しかつ前記圧力制限絞りと一体化して作成された第２装置を有する、前記改良 された環境形走査型電子顕微鏡。 １３．請求項１２において、前記第２検出器装置が最初予め定められた電位にバ イアスされた、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １４．請求項１２において、前記第２検出器装置を可変電位でバイアスすること ができる、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １５．請求項６において、前記試料から放射された信号を検出しかつ絞り支持体 の中で前記圧力制限絞りの上に配置された第３装置をさらに有する、前記改良さ れた環境形走査型電子顕微鏡。 １６．請求項１５において、前記第３検出器装置が好ましくは金属で作成された 細い環状リングである、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １７．請求項１５において、前記第３検出器装置を可変電位でバイアスすること ができる、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １８．請求項６において、前記内側電子検出器が主として増幅された低エネルギ ２次電子信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 １９．請求項６において、前記中間電子検出器が主として増幅された高エネルギ 後方散乱に関連した信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２０．請求項６において、前記外側電子検出器が主として増幅された小角度反射 信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２１．請求項１２において、前記第２検出器装置が主として増幅された低エネル ギ２次電子信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２２．請求項１５において、前記第３検出器装置が主として増幅された大角度反 射信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２３．（イ）電子ビームを発生しかつ前記電子ビームを試料に向けて進める装置 と、 （ロ）前記試料の表面から放出された信号を検出し、かつ、異なる電位でバイア スすることができる複数個の同心弓形扇状部分をそなえた全体的に環状の電極組 立体を有する検出器装置と、 を有する改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２４．細いリングで作成された内側電子検出器と、前記内側電子検出器の半径方 向外側に配置されかつ複数値の第１同心弓形扇状部分で作成された中間電子検出 器と、前記中間電子検出器の半径方向外側に配置されかつ複数個の同心弓形扇状 部分で作成された外側電子検出器とを有する全体的に環状の電極組立体を有し、 かつ、複数個の前記第１同心弓形扇状部分が複数個の前記第２同心弓形扇状部分 に全体的に垂直に配置され、かつ、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と 前記外側電子検出器とが全体的に同じ水平面に沿って整合して配置された、環境 形走査型電子顕微鏡の中の検査される試料の表面から放出される信号を検出する ための装置。 ２５．請求項２４において、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外 側電子検出器とを最初同じ電位に独立的にバイアスするための装置をさらに有す る、前記装置。 ２６．（イ）圧力制限絞りをそなえた軸方向に配置された真空ライナ管と、前記 ライナ管を通り試料に向って進む電子ビームを磁気作用で集束するための装置と を有する、事実上円筒形の対物レンズ磁気容器と、 （ロ）前記対物レンズの下に配置され、かつ、前記試料を気体で囲んで保持する ことができ、かつ、前記試料の表面が集束された電子ビームで照射されるように 前記圧力制限絞りと整合して配置された試料室と、 （ハ）（１）前記圧力制限絞りと一体化して作成された第１電子検出器と、 （２）前記圧力制限絞りの下に配置されかつ細いリングで作成された第２電子検 出器と、（３）前記第２電子検出器の半径方向外側に配置されかつおのおのが複 数個の同心弓形扇状部分で作成された第３電子検出器および第４電子検出器と、 （４）前記圧力制限絞りの上に配置された第５電子検出器、 を有する前記試料の表面から放出された信号を検出するための装置と、 を有する改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２７．請求項２６において、電子検出器のおのおのを最初同じ電位に独立的にバ イアスするための装置をさらに有する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡 。 ２８．請求項２７において、前記検出器のおのおのによって検出された情報を記 録し、かつ、前記検出器のおのおのに収集された電流を受け取るために前記検出 器のおのおのに接続された分離した電流増幅器を有する、記録装置をさらに有す る、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ２９．請求項２７において、前記検出器のおのおのによって検出された情報を記 録し、かつ、前記検出器のおのおのに収集された電流を分離して受け取るために 前記バイアス装置のおのおのに接続された単一電流増幅器を有する、記録装置を さらに有する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３０．請求項２６において、前記圧力制限絞りの直径が約５００ミクロンであり 、かつ、前記第２検出器が約５０〜１００ミクロンの太さの線状体を有する、前 記環境形走査型電子顕微鏡。 ３１．請求項２６において、前記第２検出器が金属で作成された、前記改良され た環境形走査型電子顕微鏡。 ３２．請求項２６において、前記第３検出器の内側直径が約０．８ｍｍでありか つ外側直径が約３ｍｍである、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３３．請求項２６において、前記第３電子検出器および前記第４電子検出器の前 記同心弓形扇状部分が方向性形状図コントラストをうるために相互に全体的に反 対に配置された、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３４．請求項２６において、前記第２電子検出器が主として増幅された２次電子 信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３５．請求項２６において、前記第３電子検出器が主として増幅された高エネル ギ後方散乱に関連した信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡 。 ３６．請求項２６において、前記第４電子検出器が主として増幅された関連する 小角度反射信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３７．請求項２６において、前記第５電子検出器が主として増幅された大角度反 射信号を収集する、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ３８．（イ）下端部に圧力制限絞りを有する真空筒と、（ロ）前記真空筒の中に 配置されかつ荷電粒子ビームを前記圧力制限絞りを通して放射することができる 荷電粒子ビーム源と、 （ハ）前記真空筒の中に配置されかつ前記荷電粒子ビーム源によって放射された 荷電粒子ビームを前記圧力制限絞りを通るように進めることができる集束装置と 、 （ニ）前記圧力制限絞りの下に配置され、かつ、約１〜２５トルの圧力の気体に 囲まれて試料を保持することができ、かつ、前記試料の表面が前記荷電粒子ビー ム源から放射されそして前記圧力制限絞りを通って進む荷電粒子ビームによって 照射されるように前記圧力制限絞りと整合して配置された試料室と、 （ホ）前記試料室の中に配置され、かつ、集束した前記電子ビームと前記試料と が相互作用するように前記試料を前記圧力制限絞りの下約１〜２０ｍｍの位置に 保持するように配置された試料取付台と、（へ）前記圧力制限絞りと一体化して 作成された電子検出器装置と、 （ト）前記試料取付台に加えられたバイアスと前記電子検出器装置に加えられた バイアスとの間の電位にバイアスされた制御グリッドであって、前記制御グリッ ドにより前記試料から放射された信号を前記制御グリッドへ向けて加速しそれに より２次電子をさらに増幅する、前記制御グリッドと、を有する改良された環境 形走査型電子顕微鏡。 ３９．請求項３８において、前記制御グリッドが前記電子検出器よりも前記試料 取付台により近くに配置された、前記環境形走査型電子顕微鏡。 ４０．請求項３８において、前記電極検出器が約３００Ｖ＋でバイアスされる、 前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４１．請求項４０において、前記制御グリッドが９０Ｖ＋にバイアスされる、前 記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４２．請求項４１において、前記試料取付台がアースにバイアスされる、前記改 良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４３．（イ）下端部に圧力制限絞りを有する真空筒と、（ロ）前記真空筒の中に 配置されかつ荷電粒子ビームを放射することができる荷電粒子ビーム源と、（ハ ）前記真空筒の中に配置されかつ前記荷電粒子ビーム源によって放射された荷電 粒子を前記圧力制限絞りを通るように進めることができる集束装置と、 （ニ）前記圧力制限絞りの下に配置され、かつ、約１〜２５トルの圧力の気体に 囲まれて試料を保持することができ、かつ、前記試料の表面が前記荷電粒子源か ら放射されそして前記圧力制限絞りを通って進む荷電粒子ビームによって照射さ れるように前記圧力制限絞りと整合して配置された試料室と、 （ホ）前記試料室の中に配置され、かつ、集束した前記電子ビームと前記試料と が相互作用するように前記試料を前記圧力制限絞りの下に保持するように配置す る試料取付台と、 （へ）細いリングで作成された内側電極検出器と、前記内側電子検出器の半径方 向外側に配置されかつ複数個の第１同心弓形扇状部分で作成された中間電子検出 器と、前記中間電子検出器の半径方向外側に配置されかつ複数個の第２同心弓形 扇状部分で作成された外側電子検出器とを有する全体的に環状の電極組立体と、 （ト）前記試料室内で前記試料取付台と全体的に環状の前記電極組立体との間に 配置された制御グリッドであって、より大きな増幅をうるために前記試料から前 記制御グリッドへ電子を加速するように前記試料取付台に加えられたバイアスよ りは大きくかっ全体的に環状の前記電極組立体に加えられたバイアスよりは小さ い電位にバイアスされる、前記制御グリッドと、 を有する改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４４．請求項４３において、複数個の前記第１同心弓形扇状部分が複数個の前記 第２同心弓形扇状部に対し全体的に反対側に配置された、前記改良された環境形 走査型電子顕微鏡。 ４５．請求項４３において、前記内側電子検出器と前記中間電子検出器と前記外 側電子検出器とが全体的に同じ水平面に沿って整合して配置された、前記改良さ れた環境形走査型電子顕微鏡。 ４６．請求項４３において、全体的に環状の前記電極組立体が前記試料取付台の 上約１０ｍｍの位置に配置された、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４７．請求項４６において、前記制御グリッドが前記試料取付台から約１ｍｍの 位置に配置された、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４８．請求項４７において、全体的に環状の前記電極組立体が３００Ｖ＋にバイ アスされることが好ましい、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ４９．請求項４８において、前記試料取付台がアースにバイアスされることが好 ましい、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。 ５０．請求項４９において、前記制御グリッドが９０Ｖ＋にバイアスされること が好ましい、前記改良された環境形走査型電子顕微鏡。