CN105917437B - 带电粒子束装置、图像生成方法、观察系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种能够简便地进行样本内部和表面的观察的带电粒子束装置。本发明的带电粒子束装置在以下模式下动作：根据来自通过被照射透射了样本(6)的内部的透射带电粒子而发光的发光构件(500)的光的检测信号(512)生成透射带电粒子图像的透射带电粒子图像模式；根据因来自样本(6)的二次带电粒子(517)或反射带电粒子而产生的检测信号(518)生成二次带电粒子图像的二次带电粒子图像模式。

Description

带电粒子束装置、图像生成方法、观察系统

技术领域

本发明涉及一种能够观察样本的内部和表面的带电粒子束装置和使用该装置的图像取得方法、观察系统。

背景技术

为了观察物体的微小区域的内部构造，使用了扫描型透射电子显微镜(STEM)、透射型电子显微镜(TEM)等。作为用于使用这样的电子显微镜来观察样本内部的普通的观察方法，已知在具备许多空孔的网状的样本台上配置被切薄到电子束能够透射的程度的样本，通过相对于样本面配置在与电子源侧相反的一侧的检测器，取得透射电子束。但是，在该方法中，为样本在网的空孔上浮出的结构，因此搭载到样本台上的操作非常困难。因此，在专利文献1中提出了能够直接载置观察用的样本的电子检测器。

另外，不只是电子显微镜，也能够通过光学显微镜观察物体的微小区域。通过使用光学显微镜，能够取得在电子显微镜中原理上不可能取得的颜色信息。通过对照射白色光或特定的光而被样本吸收或从样本释放的具有颜色信息的光进行成像，能够得到透射光学像。由此，例如通过将特定的染色材料放入生物体细胞样本等，能够只对细胞内的特定区域进行染色，因此通过观察该颜色，能够观察哪个区域被染色、或没有被染色。特别在病理诊断、生命科学的领域中被广泛使用。

无法通过电子显微镜取得颜色信息，另一方面，能够通过电子显微镜高分辨率地观察无法通过光学显微镜观察到的微小区域。另外，从电子显微镜图像得到的信息是反映了样本的密度差的信息，与通过光学显微镜得到的信息是不同性质的。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平10-283978号公报

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献1的检测器兼样本台与半导体、金属膜等通过电气布线等进行布线而得的电气系统上直接配置样本。该检测器兼样本台连接有布线，因此为了通过其他装置观察同一样本，需要卸下电气布线这样的非常麻烦的操作。另外，例如为了观察需要在显微镜观察用的样本台上培养样本自身的培养细胞等，将连接了电气布线的电路浸入培养液等中，由此，有时难以载置到检测器兼样本台。如以上那样，在现有技术中，在基于透射带电粒子的观察中，样本的设置、取出非常麻烦。

另外，一般在电子显微镜中，能够通过二次电子、反射电子等二次带电粒子取得具有样本的表面、形态的信息的图像。但是，如上述那样，用于通过透射带电粒子进行的观察的样本的设置等非常麻烦，因此在现有的装置中，非常不便于观察基于透射带电粒子的图像和基于二次带电粒子的图像的双方。

本发明就是鉴于该问题而提出的，其目的在于：提供一种能够简便地观察样本内部和表面的带电粒子束装置、以及使用了该装置的图像取得方法、观察系统。

用于解决问题的手段

为了解决上述问题，本发明的带电粒子束装置在以下的模式下动作：根据通过照射透射了样本的内部的透射带电粒子而发光的发光构件所发出的光的检测信号而生成透射带电粒子图像的透射带电粒子图像模式；根据因来自样本的二次带电粒子或反射带电粒子所产生的检测信号而生成二次带电粒子图像的二次带电粒子图像模式。

发明效果

根据本发明，通过使装载了样本的样本台发光并检测该发光，能够简便地进行基于透射带电粒子的图像观察。特别能够简便地观察样本内部和表面的双方。

通过以下的实施方式的说明能够明了上述以外的问题、结构以及效果。

附图说明

图1是光学显微镜观察和带电粒子束显微镜观察的概要说明图。

图2是具备检测元件的样本台的详细图。

图3是具备检测元件的样本台的详细图。

图4是具备检测元件的样本台的详细图。

图5是具备检测元件的样本台的详细图。

图6是用于检测来自检测元件的透射带电粒子的说明图。

图7是带电粒子束显微镜和光学显微镜的观察步骤。

图8是用于检测来自检测元件的透射带电粒子的说明图。

图9是用于检测来自检测元件的透射带电粒子的说明图。

图10是用于检测来自检测元件的透射带电粒子的说明图。

图11是实施例1的装置结构图。

图12是检测器的详细图。

图13是检测器的详细图。

图14是说明光学显微镜的观察方法的说明图。

图15是实施例2的装置结构图。

图16是用于检测来自检测元件的透射带电粒子的说明图。

具体实施方式

以下，使用附图说明各实施方式。

以下，说明本发明的样本台的细节和应用该样本台的带电粒子束装置。但这只是本发明的简单的一个例子，本发明并不限于以下说明的实施方式。本发明还能够应用于通过照射带电粒子束来观察样本的装置、例如扫描电子显微镜、扫描离子显微镜、扫描透射电子显微镜、它们和样本加工装置的复合装置、或应用了它们的分析/检查装置。此外，由本发明的样本台和载置该样本台的带电粒子束装置构成能够进行透射带电粒子束像的观察的观察系统。

另外，在本说明书中，“大气压”是大气气氛或预定的气体气氛，表示大气压或稍微负压状态的压力环境。具体地说，是约10⁵Pa(大气压)～10³Pa左右。

另外，在本说明书中，“样本台”表示能够在载置了样本的状态下与样本一起从带电粒子束装置卸下的单元。具体地说，如以下说明的那样，该“样本台”单元既可以具有发光构件和基座，也可以只由发光构件形成。

实施例1

<概要>

首先，说明本实施例的概要。在本实施例中，说明能够取得基于透射带电粒子的图像(透射带电粒子束像)和基于反射带电粒子、二次带电粒子等二次带电粒子的图像(二次带电粒子像)的带电粒子显微镜、观察系统。特别在本实施例中，说明根据来自相同的检测器的信号生成透射带电粒子束像和二次带电粒子束像。另外，作为本实施例的具体实施方式，说明以下的例子，即将在样本内部透射或散射后的带电粒子束变换为光并检测该光，由此生成基于透射带电粒子的图像，但并不限于此。

在本实施例中，更具体地说，由通过带电粒子束的照射而发光的发光构件形成载置样本的样本台的至少一部分，在位于该发光构件上的样本中透射或散射的带电粒子束被照射在该发光构件而产生光，通过带电粒子显微镜所具备的检测器检测该光，由此生成透射带电粒子束像。即，在本实施例中，不直接检测透射了样本的带电粒子束而变换为光进行检测。如以下详细说明的那样，将带电粒子束变换为光的发光构件，不需要从外部连接的电源电缆、信号线等布线。因此，能够使用相同样本台通过带电粒子束显微镜和其他装置进行观察，在装置间移动样本时，不需要卸下电气布线这样的非常麻烦的操作。另外，能够简单地将发光构件自身或具有发光构件的样本台对装置进行装卸，因此对于任意的样本，能够简单地将样本安装到样本台。特别在观察需要在显微镜观察用的样本台上培养样本自身的培养细胞等的情况下非常有效。

进而，如图1所示，如果使用本实施例的样本台，能够通过同一样本台进行通过带电粒子束显微镜进行的观察、通过光学显微镜等其他装置进行的观察。在图1中表示本实施例的具备能够将带电粒子束变换为光或放大而发光的检测元件500(也称为发光构件)的样本台600、带电粒子束显微镜601、光学显微镜602。能够将样本6装载在样本台600上。此外，在此检测元件并不限于具有电气回路、机械回路，而广泛地表示具有检测带电粒子束的功能的基本要素构件。例如如后述那样，有时也指发光构件自身。该检测元件能够检测出通过实际与带电粒子束显微镜所具备的检测器、放大器等检测系统组合地动作而检测出的带电粒子束作为电信号。因此，也可以是这些检测系统的一部分。另外，如图2所示，检测元件500有时自身成为样本台600。在该情况下，检测元件500和样本台600同义。

在本实施例中，可以用透明的构件制作该样本台所具备的检测元件。以下，在本说明书中，“透明”的含义是特定的波长区域的可视光或紫外光或红外光能够通过、或全部波长区域的可视光或紫外光或红外光能够通过。紫外光的波长大致为10～400nm，可视光的波长大致为380nm～750nm，红外光的波长大致为700nm～1mm(＝1000μm)左右的波长区域。例如，即使混合一些颜色，只要能够透过地看到，则特定的波长区域的可视光能够通过，如果是无色透明，则全部的波长区域的可视光能够通过。在此，“能够通过”是指至少通过该波长区域的光能够进行光学显微镜观察的光量的光通过(例如理想的是透射率为50％以上)。另外，在此，特定的波长区域是指至少包含光学显微镜的观察所使用的波长区域的波长区域。因此，能够将来自本实施例的样本台的一面侧的光透射样本而得到的“光透射信号”用于能够从样本台的另一面侧进行检测的普通的光学显微镜(透射型光学显微镜)。作为光学显微镜，只要是生物体显微镜、实体显微镜、倒立型显微镜、金属显微镜、荧光显微镜、激光显微镜等使用了光的显微镜，则可以是任意的。另外，在此为了说明而设为“显微镜”，但本发明与图像的放大率无关，能够普遍地应用于通过向样本照射光而取得信息的装置。

在本实施例中，在向样本6照射在带电粒子束显微镜内产生的带电粒子束后，在样本的内部透射或散射后的“带电粒子透射信号”通过样本台所具备的检测元件被检测出，由此能够取得透射带电粒子显微镜图像。如后述那样，为了将来自检测元件500的光变换为电信号并放大，在带电粒子束显微镜601内具备光检测器503。

另外，通过电子显微镜和光学显微镜得到的信息不同，因此，近年来希望通过电子显微镜和光学显微镜的双方观察同一样本的要求异常增多。但是，例如专利文献1的检测器兼样本台无法透射光，实质上是无法进行光学显微镜的观察的面向电子显微镜的样本台。因此，必须分开制作面向电子显微镜的样本和面向光学显微镜的样本，存在样本制作麻烦等问题。

本实施例的样本台能够装载到电子显微镜等带电粒子束显微镜装置，因此能够成为与光学显微镜共用的通用样本台。即，如在图中的箭头所图示的那样，通过在各显微镜之间移动同一样本台来进行观察，不面向各个显微镜观察而制作多个样本或转移样本，就能够保持将样本配置在一个样本台上来进行带电粒子束观察和光学观察。此外，既可以如图1那样，将同一样本台装载到个别配置的各显微镜中，也可以如后述那样，使用将光学显微镜和带电粒子显微镜一体化的复合型显微镜装置。以下，说明样本台、样本装载方法、图像取得原理、装置结构等的细节。

<样本台的说明>

使用图2说明本实施例的样本台的细节。本实施例的样本台由将带电粒子束变换为光的检测元件500构成。或者，由支持检测元件500的基座501(在透明的情况下，也称为透明构件)构成。在用同一样本台进行光学显微镜的观察和带电粒子束显微镜的观察的情况下，理想的是检测元件500和基座501是透明的。将样本6直接装载到检测元件500上。或者，也可以如后述那样，隔着膜等构件而间接地装载。基座501理想的是无色透明，但混合一些颜色也可以。作为基座501，是透明玻璃、透明塑料、透明的晶体等。在希望用荧光显微镜等观察的情况下，不吸收荧光为好，因此塑料较好。在本实施例的样本台中，如果至少位于配置样本的位置和在样本台中与配置样本的位置相对的面之间的检测元件和基座501是“透明”的，则能够进行光学的显微镜观察。此外，基座501不是必需的。

检测元件500是以下的元件，其检测例如以数keV～数十keV左右的能量飞来的带电粒子束，如果被照射带电粒子束，则发出可视光、紫外光、红外光等光。在用于本实施例的样本台的情况下，该检测元件将在载置在样本台的样本的内部透射或散射的带电粒子变换为光。发光波长是可视光、紫外光、红外光中的特定或任意某个波长区域即可。作为检测元件，例如可以使用闪烁器、荧光发光材料等。作为闪烁器的例子，可以是SiN(氮化硅)、YAG(钇铝石榴石)元件、YAP(钇铝钙钛矿)元件、BGO元件(铋锗氧化物)、GSO(钆硅氧化物)元件、LSO(镥硅氧化物)元件、YSO(钇硅氧化物)元件、LYSO(镥钇硅氧化物)元件、NaI(TI)(铊活化碘化钠)元件等无机闪烁器材料。或者，也可以是涂布了含有聚对苯二甲酸乙二醇酯等能够发光的材料的塑料闪烁器或有机闪烁器、含有蒽等的液体闪烁器所得的材料等。只要是能够将带电粒子束变换为光的元件，则检测元件500可以是任意的材料。

此外，在检测元件500是多晶体的情况下，向结晶部和各结晶之间的界面部照射带电粒子束的情况下的发光量分别不同，因此作为结果有时观察到各结晶的晶粒边界。如果混合各结晶的晶粒边界的信息和样本内部信息，则有时无法进行清楚的样本透射观察。因此，结晶的颗粒直径(大小)必须比观察对象的样本的大小充分小、或结晶的颗粒直径必须比观察对象的样本的大小充分大。在与结晶的颗粒直径无关地结晶的晶粒边界在透射观察中成为障碍的情况下，检测元件500可以使用单晶体。通过将样本配置在单晶体上来照射带电粒子束，能够不观察到结晶的晶粒边界而只实施样本内部信息的观察。但是，在对检测元件500使用了单晶体的情况下，如果通过光学显微镜观察装载到检测元件500上的样本，则在光通过单晶体时，光有时分离为2束。其结果是在光学显微镜的观察结果中，有时能够双重地看到被观察对象物。这是由于单结晶引起的双折射现象所导致的。因此，在将单晶体作为检测元件500，通过光学显微镜观察载置在该检测元件上的样本的情况下，透射了样本的光通过检测元件500内部，由此需要控制成光不分离。例如，如后述那样，对检测元件500配置样本的一侧和配置光源的一侧必须位于相反侧。

另外，作为其他例子，检测元件500也可以是将通过被照射带电粒子束而产生荧光的荧光剂涂布到基座501上所得的薄膜、微粒子。在该情况下，作为上述荧光剂的薄膜、微粒子成为检测元件500。例如，作为涂布材料，有绿色荧光蛋白质(Green FluorescentProtein，GFP)等荧光蛋白质。荧光颜色并不限于绿色，可以是蓝色、红色等任意的。特别可以是即使照射带电粒子束也不会瞬时劣化那样的GFP。例如，是高灵敏度绿色荧光蛋白质(enhanced GFP，EGFP)等。在希望观察的样本是细胞等生物体材料的情况下，还有作为蛋白质的GFP和细胞样本等的密合性好的优点。另外，对于涂布了GFP的基板，可以在装载样本后照射带电粒子束而提高GFP的荧光强度后进行观察，也可以在装载样本前照射带电粒子束，提高GFP的发光强度后装载样本。在该情况下，涂布材料被基座501支持并涂布或散布到基座501。在本实施例中，也包含它们，将通过在受光面接受带电粒子而发出光的构件统称为发光构件。带电粒子束的固体内平均自由行程依存于带电粒子束的加速电压，是数十nm～数十μm。因此，检测元件500的上表面的发光区域也从检测元件表面起成为相同程度的厚度的区域。由此，检测元件500的厚度只要大于该厚度即可。另一方面，如上述那样，在考虑通过相同的样本台进行光学显微镜观察的情况下，必须能够使通过光学显微镜进行观察时的光透射信号尽量透射，因此在混合了一些颜色的检测元件的情况下，最好尽量薄。

在由于照射带电粒子束，作为检测元件500的荧光剂引起损伤而不再发光的情况下，也可以通过进行冷却来防止损伤。在该情况下，具备能够通过水、液氮、帕耳帖元件等冷却检测元件500的样本架即可。

此外，在光学显微镜602是荧光显微镜的情况下，必须向样本注入荧光材料。在该情况下，理想的是注入样本的荧光材料的荧光波长带和本实施例中的作为上述发光构件的荧光材料的发光波长带错开。例如，在用绿色的荧光蛋白质涂布了检测元件500的情况下，理想的是用红色、蓝色等的荧光蛋白质染色样本。在用同一颜色实施发光构件的涂布和样本的染色的情况下，在荧光显微镜下不识别颜色，识别发光强度的不同即可。另外，在样本包含荧光材料的情况下，即使它是任意的颜色，在带电粒子束装置内的光检测器503中，都检测出来自检测元件500的光和来自样本的光。在该情况下，光检测器503只要预先使用发光波长的放大率不同的检测器(或使用分光器)，则作为结果就能够取得基于带电粒子的透射信息。具体地说，如果使用对来自发光构件的光的放大率比对来自样本的光的放大率高的光检测器503，则能够选择性地放大基于带电粒子的透射信号。另外，也可以在光检测器503中具备能够分开光的波长的分光器。另外，也可以在光检测器503和检测元件500之间配置透镜，放大来自检测元件500的光而直接观察该光。在该情况下，代替光检测器503，而通过人的眼睛直接检测光。

作为在光学显微镜中经常使用的样本台，有载玻片(或标本)、盘子(皿)等透明样本台。即，具备本实施例的能够将带电粒子束变换为光的检测元件的样本台，若将检测元件500放置到这些面向光学显微镜的普通的载玻片(例如约25mm×约75mm×约1.2mm)的形状上，则能够以此前用户使用过的经验、感觉来进行样本台操作、样本装载、样本观察。或者，也可以用上述的发光的构件形成载玻片、皿等样本台自身而作为样本台。由此，能够进行如下使用方法，即通过光学显微镜一次性地进行筛选检查，直接用带电粒子显微镜详细观察挑选出的样本。或者，普通的高性能的透射型带电粒子束显微镜装置用的样本调制需要大量劳动，因此也可以作为高性能的透射型带电粒子束显微镜观察前的筛选检查，利用基于本实施例的样本台的观察。另外，如后述那样，如果在这些显微镜之间移动样本时，在计算机上、纸面上将位置信息等作为图而共享，则能够通过各显微镜观察同一部位。

在图3(a)中表示样本台600的其他实施方式。在图3(a)中，在检测元件500的表面配置薄的膜502，在膜502上载置样本。如上述那样，带电粒子束的固体内平均自由行程依存于带电粒子束的加速电压，是数十nm到数十μm，因此膜502的厚度比该平均自由行程充分薄即可。图中A记载了该厚度。该薄的膜502必须是能够透射带电粒子束的至少一部分的厚度和材质。在还实施光学显微镜的观察的情况下，该薄的膜502还必须进而对光透明。如果配置了这样的薄的膜502，则能够防止检测元件500的表面的污浊、损伤等。作为该薄的膜502的一个例子，有用于提高样本和样本台的密合性使得样本与样本台不分离的物质。例如，在样本是细胞等生物体样本的情况下，细胞表面是脂质双层磷酸脂质所引起的负的带电状态，因此通过将正的带电状态的分子(赖氨酸、氨基硅烷类等)涂布在载玻片等样本台上，能够防止细胞样本从样本台剥离。或者，也可以涂布具有亲水性的材料，使得容易装载含有很多液体的状态的样本。或者，也可以涂布与成胶质那样的生物体样本的亲合性高的材料，使得容易载置或培养活的细胞、细菌。此外，在此，所谓涂布，广泛地包含散布、浸渍、涂敷等使涂布材料附着在样本台表面的方法。

另外，也可以如图3(b)所示，将上述的涂布用的分子、膜只配置在预定的位置。在此，预定的位置是指检测元件500中的一部分区域。例如，在使用将正的带电状态的分子只配置在预定的位置的样本台来观察细胞等生物体样本的情况下，可以将上述样本只配置在预定的位置。例如，在想要通过缩小希望观察的区域来缩短观察时间等情况下，本方法是有用的。另外，也可以至少在载置样本的面上，代替上述膜502、或在膜502上追加地具备导电性构件(带电防止构件)，使得在照射带电粒子束时不发生带电。所谓导电性构件，例如是碳材料、金属材料、ITO(铟、锡氧化物)、导电性有机物等。此外，上述膜的层数也可以是多层。

另外，也可以如图4(a)那样，在载置含水样本等的情况下，以围住样本的方式配置薄的膜702。薄的膜702例如是界面活性材料、有机物等。通过用薄的膜702围住样本使得覆盖样本表面，能够防止从样本的水分蒸发，防止样本的形状变化。

另外，也可以如图4(b)那样，在样本内部或周边导入置换物质703。置换物质703例如是离子液体等有机物。离子液体具有能够对电子照射面赋予导电性的性质。通过将离子液体配置在样本的内部、周边部，在真空中照射带电粒子束时，能够防止样本带电。进而，通过将样本所包含的水分置换为离子液体，即使配置在真空的样本室中，也能够保持样本的形态。向包含离子液体的样本照射带电粒子束，检测由于透射样本或被样本散射的带电粒子束造成的发光，由此能够取得较湿的样本的透射图像。作为使离子液体附着或导入到样本的方法，可以使样本浸渍在离子液体中，也可以通过喷涂等向样本喷上离子液体。

<样本装载方法>

以下说明将样本装载到样本台的方法。带电粒子束(在同时使用光学显微镜观察的情况下还有光)必须透射，因此样本必须薄。例如是数nm到数十μm左右的厚度。作为能够直接装载到检测元件500上的样本，例如有包含细胞的液体或粘膜、血液或尿等液状生物体检体、切片后的细胞、液体中的粒子、细菌、霉菌、病毒那样的微粒、包含微粒、有机物等的软材料等。除了上述的培养以外，样本的装载方法也考虑以下的方法。例如，有使样本分散到液体中来使该液体附着到检测元件的方法。另外，也可以将样本切片为能够透射带电粒子束的厚度，将切片后的样本配置在检测元件上。更具体地说，例如可以使样本附着在棉棒的前端而将其涂到检测器上，也可以用吸管滴下。另外，在微粒的情况下，可以撒到检测器上。既可以通过喷涂等来涂布，也可以使用使样本台高速旋转来涂布液体的旋涂法，还可以使用将样本台浸入液体后抬高来涂布的浸涂法。不管哪种方法，只要能够使样本厚度为数nm到数十μm左右的厚度，则可以是任意方法。

或者，也可以如图5那样，预先将数nm到数十μm左右的厚度的样本6装载到基座701上，将保持了样本6的基座701装载到检测元件500上。在该情况下，也可以将基座701看作样本的一部分。在该情况下，既可以如图5(a)那样使作为样本的一部分的基座701与检测元件500接触，也可以如图5(b)那样使样本6与检测元件500接触。基座701是网状、条纹状的基座等，其厚度是数μm到数mm左右。可以与基座701的厚度无关地进行本实施例的透射像取得。

<内部观察原理>

以下，说明使用了本实施例的样本台的光检测方法和能够取得透射带电粒子束的原理。在图6中，表示出将样本6配置在检测元件500上的状态。在样本台的周围示出光检测器503。光检测器503能够将来自检测元件500的光信号变换为电信号或放大。变换或放大后的电信号经由通信线输入到控制部、计算机，通过这些控制系统而图像化。可以将取得的图像(透射带电粒子束图像)显示在监视器等上。

在此，考虑在样本内存在密度高的部位508和密度低的部位509。在向样本内密度高的部位508照射一次带电粒子束510的情况下，带电粒子束大多数向后方散射，因此带电粒子束不到达检测元件500。另一方面，在向样本内密度低的部位509照射一次带电粒子束511的情况下，带电粒子束到达检测元件500而能够发光。其结果是能够通过检测元件500检测出样本内部的密度差(即变换为与密度差对应的强度的光信号)。该透射的程度根据带电粒子束的加速能量而改变。因此，通过改变带电粒子束的加速能量，还能够改变希望观察的内部信息及其区域。

在图6(a)中，表示将光检测器503配置在作为样本台的检测元件500的下侧的例子。在光检测器503和样本台之间(图中h的部分)可以有空间，但为了尽量高效地检测光，光检测器503和样本台之间的距离(距离h)最好尽量短。另外，也可以在光检测器503和样本台之间配置光学透镜、反射镜等光学系统而聚光。另外，也可以在光检测器503和样本台之间配置光传导构件513。光传导构件513对于从检测元件500产生的光的波长区域是透明的，是将检测元件500的光向光检测器503的方向传导的构件。光传导构件513例如是石英、玻璃、光纤、塑料等对于光是透明或半透明的材料。如果设为该结构，则能够从样本架分离地配置光检测器503，因此能够将与光检测器503连接的布线、电路配置在与样本台、保持样本台的样本架离开的位置。光检测器503和样本台之间的空间既可以是空气气氛，也可以是真空。在任意的情况下，光检测器503和样本台之间的空间都必须能够尽量使发光的波长区域通过。

在图6(b)中，表示将光检测器503配置在检测元件500的上表面的上侧的例子。在该情况下，检测发出的光的原理与上述相同。光检测器503和发光部分之间(图中x部分)最好尽量近。另一方面，带电粒子光学镜筒等位于样本6的上部，因此有时难以与样本台接近地配置光检测器503。在这样的情况下，也可以将上述光传导构件513配置在光检测器503和检测元件500之间。例如，这些光传导构件513，与光检测器503相比，可以自由地加工形状，因此可以使其尽量细等而接近样本6地配置。此外，如果设为该结构，则能够与配置了样本6的检测元件500完全分离地配置光检测器503。此外，也可以对图示的光检测器500或光传导构件513设置驱动机构而使其移动。如果使光检测器500或光传导构件513移动，则在希望变更样本架的位置、角度等情况下，能够防止与光检测器503、光传导构件513接触。

<观察步骤>

使用图7记载进行显微镜观察的步骤例子。首先，准备用于装载样本的检测元件500(发光样本台)。接着，根据需要将预定的构件配置到检测元件500。在此，预定的构件如上述那样，是用于提高样本和样本台的密合性的物质、导电性物质、用于反射光的物质、某种预定的气体材料等。如果不需要配置预定的构件，则不需要本步骤。接着，将样本装载到检测元件500上。

接着，转移到装载到带电粒子显微镜或光学显微镜并进行观察的步骤。步骤A是通过带电粒子显微镜进行观察的步骤，步骤B是通过光学显微镜进行观察的步骤。在A的步骤中，首先，如上述那样，将装载了样本的检测元件500配置到带电粒子显微镜装置内。接着，通过向样本照射带电粒子束，使带电粒子束透射或散射。接着，如果带电粒子到达检测元件500则发光，因此通过光检测器检测该发光。或者，检测从样本放出的二次带电粒子束、反射带电粒子束等二次的带电粒子。也可以如后述那样，使用存在于样本近旁的气体，检测由于气体闪烁现象而产生的光。接着，通过包含在带电粒子显微镜中的控制部或图像处理部等，根据通过检测器检测出的信号生成反映了样本的表面、透射信息的带电粒子像。如果带电粒子显微镜装置的观察结束，则将样本取出到带电粒子显微镜装置外。根据需要转移到B的光学显微镜的观察步骤。在光学显微镜的观察步骤B中，首先将装载了样本的检测元件500配置到光学显微镜装置内。如上述那样，在配置到光学显微镜装置时，如果必须是载玻片的形状，则也可以将检测元件500放置到载玻片上。接着，通过光学显微镜进行观察。如果观察结束，则也可以返回到带电粒子显微镜装置进行再观察。可以替换步骤A和B，如果如后述那样，是将带电粒子显微镜装置和光学显微镜装置一体化的装置，则也可以同时进行观察。

<光检测器>

接着，使用图8详细说明能够使用上述原理观察样本内部和样本表面的光检测器的结构。在本实施例的光检测器中，如后述那样，能够通过一个检测器观察样本内部和样本表面。在此，一个检测器表示构成为一个构件的检测器。例如，同时制作多个检测光的检测面的半导体检测元件、有许多放大光的部位的多通道板等，即使进行检测的部位是多个，也可以作为一个构件进行装卸，因此以下看作一个检测器。

另外，以下，样本表面是指由于一次带电粒子束入射到样本而产生的二次带电粒子、反射带电粒子能够从样本表面出来的脱出深度。例如，在一次带电粒子束的加速电压是15kV的情况下，检测二次带电粒子束的情况下的样本表面是作为脱出深度的数十nm以下左右，在检测反射带电粒子束的情况下，样本表面是作为脱出深度的数百nm以下左右。

在图8(a)中说明观察样本表面的情况，在图8(b)中说明观察样本内部的情况。光检测器503检测来自样本的光信号。光检测器503由能够使发光的波长区域通过的光传导构件513、能够在样本6和光传导构件513之间形成电场的电极516、能够放大光的光放大器519构成。另外，光放大器519与用于放大输出信号的放大器514连接，电极516与能够施加电压的电源515连接。电极516具有能够通过光、并能够施加电压的构造。例如，是网孔形状的金属网等。或者也可以如狭缝那样具备只在纵、横上通过光的部分。另外，在本实施例中，样本室内为低真空气氛，在样本近旁存在气体分子520。

在图8(a)中，说明检测二次电子等具有样本表面的信息的二次带电粒子的例子。在图8(a)中，在样本6和位于检测器的前面的光传导构件513之间形成电场。具体地说，从电源515向电极516施加电压，由此使得在样本和检测器之间产生电场。如果在样本6和电极516之间存在电场，则从样本释放的二次带电粒子和位于样本6和电极516之间的气体分子520碰撞，产生气体闪烁的发光现象。例如，在装置内部是低真空气氛(约1Pa～约3000Pa)的情况下，从照射了一次带电粒子射束511的样本6产生二次带电粒子517。二次带电粒子517被配置在样本上方的电极516吸引，与样本近旁的气体分子520重复碰撞。由此，对气体分子赋予能量，从基态(稳定的原子/分子状态)迁移到激发状态(不稳定的原子/分子的状态)。在从不稳定的激发状态恢复为基态时，发出具有相当于迁移为激发状态的迁移能量的光能量的光。该发光过程是由于二次带电粒子引起的，因此是具有样本表面信息的光(紫外光/可视光)518。该光518经由光传导构件513到达光放大器519。将通过光放大器514放大后的信号被发送到放大器514，然后根据该信号而显示图像。此外，光传导构件513具备能够充分透射从真空紫外区域到可视区域的光的部分。另外，光放大器519也具备能够将从真空紫外区域到可视区域的光变换为光电子并放大的性能。在本结构的情况下，还检测来自检测元件500的光，但在样本6和电极516之间能够通过电场使气体闪烁的发光比来自检测元件500的光大很多，因此可以无视来自检测元件500的光。其结果是能够主要取出从样本表面释放的二次带电粒子的信息，能够生成样本表面图像(也称为二次带电粒子图像)。

另一方面，在图8(b)中，说明以下的例子，即如上述那样通过检测元件将具有样本的内部构造的信息的透射带电粒子变换为光，通过光检测器检测来自检测元件的发光。在图8(b)中，将电极516的电压设定得比在图8(a)的状态下施加的电压小，使得不引起气体闪烁的发光现象。更具体地说，电极516的电压比产生气体闪烁的阈值小即可。在该情况下，样本6和电极516之间的电场小，因此不对从样本产生的二次带电粒子517进行加速，不产生由于与气体分子520的碰撞产生的光。因此，通过光放大器514只检测出由于透射样本6而从检测元件500产生的光512。即，在该情况下，间接地检测出透射带电粒子。其结果是从光检测器503输出具有样本的内部构造的信息的信号，根据它生成样本的透射像(也称为透射带电粒子像)。

通过切换图8(a)、(b)所示的各个光检测器的控制模式，能够切换地检测表示样本的表面信息的二次带电粒子所产生的光信号和表示样本的内部构造信息的透射带电粒子所产生的光信号。在该情况下，进行控制的只是施加到电极516的电压的值，因此，只通过附加变更电压的参数的功能，就能够通过同一光检测器503观察样本内部和样本表面。换言之，如果使用在本实施例中说明的检测器500，则不对现有的装置进行大幅改装，就能够实现上述功能。

另外，根据该方法，不移动架子来改变样本的位置和角度，就能够取得透射带电粒子像和二次带电粒子像。由此，能够以同一样本的同一视野或同一角度观察，因此能够简单地进行透射带电粒子像和二次带电粒子像的图像比较。

此外，电极516的电场形成在样本和光检测器之间即可，电极516的位置并不限于上述。例如，在图8中图示了将电极516配置在光传导构件513的稍前，但两者既可以接触，也可以稍微离开。另外，既可以如图9(a)那样位于光传导构件513的侧面周边，也可以位于带电粒子光学镜筒2的下侧等光传导构件513的周边以外。或者，也可以如图9(b)那样，将支持检测元件500的台与电源515连接，在检测元件500和样本6周边形成电场。在该情况下，光传导构件513的周边的电极516必须接地。在图9的结构的情况下，具有以下的特征，即气体闪烁引起的发光518、来自检测元件500的发光512不被电极516遮挡。

<真空度切换>

以上，说明了通过改变电极516的电压来切换透射像和表面像的方法。另一方面，也可以通过改变气体分子520的量来切换透射像和表面像。在图10中表示该情况。在施加电极518的电压并且电压固定的状态下，调节来自后述的气体导入口27的导入气体量。在图10(a)中，能够与图8(a)同样地根据气体闪烁取得样本表面信息。另一方面，如图10(b)所示那样，停止从气体导入口27的气体导入，如果样本近旁的气体分子减少，则不再产生气体闪烁，因此不取得因样本表面产生的信号。但是，在图10(b)的状态下，也通过检测器519检测来自检测元件500的光，因此取得透射像。在本结构的情况下，向电极516施加的电压是固定的，因此电源515的结构非常简单。此外，当然也可以具备能够改变电极516的电压的电源和控制导入到样本近旁的气体的流量的控制部的双方，同时控制电极516的电压和样本室的真空度。

<装置说明>

在此，在图11中记载将本实施例的样本台装载到普通的带电粒子束装置所得的装置。带电粒子显微镜主要由带电粒子光学镜筒2、相对于装置设置面支持带电粒子光学镜筒的壳体7(以下也有时称为真空室)以及控制它们的控制系统构成。在使用带电粒子显微镜时，通过真空泵4对带电粒子光学镜筒2和壳体7的内部进行真空排气。还通过控制系统控制真空泵4的启动和停止动作。在图中只示出一个真空泵4，但也可以有2个以上。

带电粒子光学镜筒2由产生一次带电粒子束的带电粒子源8、使产生的带电粒子束汇聚而导向镜筒下部并使一次带电粒子束在样本6上扫描的光学透镜1等要素构成。将带电粒子光学镜筒2设置得突出于壳体7内部，隔着真空密封构件123固定在壳体7上。在带电粒子光学镜筒2的端部，配置检测通过照射上述一次带电粒子束而得到的二次带电粒子(二次电子或反射电子等)的检测器3。检测器3也可以不是图示的位置，只要是壳体7内部即可。

由于到达样本6的带电粒子束而从样本内部或表面释放出反射带电粒子、透射带电粒子等二次带电粒子。通过检测器3检测该二次带电粒子。检测器3是能够检测和放大以数keV到数十keV的能量飞来的带电粒子束的检测元件。例如，是用硅等半导体材料制作的半导体检测器、能够在玻璃面或其内部将带电粒子信号变换为光的闪烁器等。

作为控制系统，本实施例的带电粒子显微镜具备装置使用者所使用的计算机35、与计算机35连接并进行通信的上位控制部36、依照从上位控制部36发送的指令进行真空排气系统、带电粒子光学系统等的控制的下位控制部37。计算机35具备显示装置的操作画面(GUI)的监视器、键盘、鼠标等对操作画面的输入单元。分别通过通信线43、44将上位控制部36、下位控制部37以及计算机35连接起来。

下位控制部37是收发用于控制真空泵4、带电粒子源8、光学透镜1等的控制信号的部位，进而将检测器3的输出信号变换为数字图像信号而向上位控制部36发送。在图中，经由前置放大器等放大器53将来自检测器3的输出信号连接到下位控制部37。如果不需要，则也可以没有放大器。

在上位控制部36和下位控制部37中，既可以混合存在模拟电路、数字电路，也可以将上位控制部36和下位控制部37统一为一个。此外，图11所示的控制系统的结构只不过是一个例子，只要满足本实施例所希望的功能，则控制单元或阀、真空泵、或通信用的布线等的变形例子也属于本实施例的带电粒子束显微镜的范畴。

壳体7上连接有一端与真空泵4连接的真空配管16，能够将内部维持为真空状态。同时，具备用于对壳体内部进行大气开放的漏泄阀14，能够在将样本台导入到装置内部时对壳体7的内部进行大气开放。漏泄阀14也可以没有，也可以有2个以上。另外，漏泄阀14在壳体7中的配置位置并不限于图11所示的地方，也可以配置在壳体7上的其他位置。

壳体7在侧面具备开口部，在该开口部通过盖构件122和真空密封构件124保持装置内部的真空气密。本实施例的带电粒子显微镜具备：样本架5，其用于使如上述那样装载在样本台上的样本在壳体7内部移动，变更样本和带电粒子光学镜筒之间的位置关系。在样本架5上可装卸地配置上述发光构件或具有发光构件的样本台。安装有成为盖构件122支持的底板的支持板107，将样本架5固定在支持板107上。样本架5具备向面内方向的XY驱动机构和向高度方向的Z轴驱动机构等。支持板107被安装成朝向盖构件122的相对面，并向壳体7内部延伸。从Z轴驱动机构以及XY驱动机构分别伸出支轴，分别与盖构件122具有的操作钮51和操作钮52连接。装置用户通过操作这些操作钮，能够调整样本的位置。另外，也可以如后述那样，构成为可以在盖构件122上具备光学显微镜。

在样本架5上可以可装卸地配置具备检测元件500的样本台600、或者作为样本台的检测元件500。样本台600或具有检测元件500的功能的样本台也可以配置在未图示的突起等之间、或通过样本台600和架5上的双面胶等粘接，由此暂时固定到样本架5上。由此，在变更了样本的位置、角度时，能够防止样本台的位置偏离。如上述那样，通过到达检测元件500的带电粒子束而产生光。在壳体7中具备用于检测该光并变换为电信号和信号放大的光检测器503。如上述那样，光检测器503由能够使来自样本台500的发光的波长区域通过的光传导构件513、能够在样本6和光传导构件513之间形成电场的电极516、能够放大光的光放大器519构成。光放大器519例如是半导体检测元件、光多路复用器等。这些光放大器519可以配置在壳体7内，但在由于装置的大小的原因而无法放入壳体7内的情况下，只要能够经由能够比较自由地加工形状的光传导构件513将光传导到光放大器519，则可以将光放大器519设置在壳体7的外边。光放大器519通过布线而连接用于放大输出信号的放大器514，来自放大器514的信号通过布线等经由下位控制部37最终作为图像显示在计算机35上的画面中。此外，虽然未图示，但也可以在装置内部的任意位置配置反射镜等光学部件，使得来自样本台500等的光进一步到达光传导构件513。

另外，电极516连接能够施加电压的电源515，经由下位控制部37实施该电源515的电压的控制。通过用户在计算机35的画面上等的操作，来实施该电压的控制。通过这样的结构，来选择是只检测来自检测元件500的发光、还是主要检测在样本6和电极516之间由于电场产生的气体闪烁的发光。该2个检测模式分别对应于具有样本表面的信息的图像和具有样本内部的信息的图像。即，如后述那样，只通过在计算机35的画面上控制向电极516施加的电压的强弱，就能够切换样本表面和样本内部的信息。

此外，在本实施例的带电粒子束装置中，能够通过检测器3和检测元件500的双方同时检测信号。由此，例如能够通过作为半导体检测器等的检测器3取得从样本产生的反射带电粒子的信号，通过光检测器503取得基于因透射带电粒子产生的光的内部信息，基于二次带电粒子的表面信息。能够在计算机35的画面上切换反射带电粒子的信息、表面信息或内部信息。另外，检测器3和光检测器503是不同的检测器，因此也可以通过各个检测器同时取得图像。

通过向样本室7的大气导入口27的针阀28的开闭来控制样本室7的内部的真空度。在本装置中，能够通过打开针阀28，使样本室的空间11内成为低真空状态(数Pa～数千Pa)，通过关闭针阀28，使空间11内成为高真空状态(数Pa以下)。如在图8中说明的那样，在向空间11内部导入了大气等气体后的低真空状态时，如果向电极516施加电压，则从样本释放的二次带电粒子516与气体分子520重复碰撞，产生光(紫外光/可视光)518，能够通过光检测器503取得样本表面的信息。如果将电极516的电压减小为不引起气体闪烁的发光现象的程度，则能够取得来自检测元件500的发光，因此能够取得样本内部的信息。另外，作为其他方法，如果使空间11内部成为高真空状态，则不引起气体闪烁的发光现象，因此能够同样地取得样本内部的信息。在此，用户通过计算机35的界面进行指示输入，由此通过上位控制部36和下位控制部37进行光检测器503的动作模式的切换(即向电极施加的电压的变更、真空度的控制)。此外，将在后面使用图13说明用户界面。本实施例的带电粒子束装置能够在以下的2个模式下动作：根据来自检测元件500的光的检测信号生成透射带电粒子图像的“透射带电粒子图像模式”；根据因来自样本的二次带电粒子产生的检测信号生成二次带电粒子图像的“二次带电粒子图像模式”。另外，上位控制部36和下位控制部37与各个模式对应地控制检测器、电极、真空度，另外能够切换这2个模式。当然，也可以具备这2个以外的动作模式。

在此，使用图12详细说明检测器3。检测器3例如如图12那样，检测元件的受光面被分割为A、B、C、D这4个元件。此外，分割数和分割形式并不限于图示。分割后的各个元件与布线522连接，来自各元件的信号输出到连接器523。即，在该情况下，检测面被分割为4个，但来自这4个检测面的信号汇集到连接器523而输出到外部。这意味着可以说，即使将检测元件分割为4个，检测器3也是“一个检测器”。

将一次带电粒子束通过孔524配置在检测器3的中心。将检测器3配置成该一次带电粒子束通过孔524的中心大致与带电粒子束的光轴200上一致。在用半导体制作检测元件所得的半导体检测器的情况下，有时与来自样本的反射带电粒子束同时地检测出从检测元件500发出的光。因此，也可以在检测器3的检测元件表面具备光不透射并且来自样本的反射带电粒子束能够透射的不透明膜525等。反射带电粒子束的能量与一次带电粒子束的照射能量大致等同。不透明膜525例如是金属膜。一般反射带电粒子束的能量是数kV到数十kV，因此为了使反射带电粒子束能够通过并且光不透射，不透明膜525的厚度优选是数十nm到数百nm左右。

另外，作为其他例子，也有时希望不检测反射带电粒子束而只检测来自检测元件500的发光。在该情况下，也可以在检测器3的检测元件表面配置对于来自检测元件500的光是透明的、并且不透射反射带电粒子的透明膜526。为了使来自样本的反射带电粒子束不透射，透明膜526的厚度优选是数百nm到数十μm左右。例如，在检测元件A和C的表面配置不透明膜525，在检测元件B和D的表面配置透明膜526。在该例子中，检测元件A、C具有检测反射带电粒子的受光面，检测元件B、D具有检测来自检测元件500的光的受光面。

由此，能够根据来自检测元件A、C的信号取得来自样本的反射带电粒子信号，能够根据来自检测元件B、D的信号取得具有透射带电粒子的信息的信号。因反射带电粒子产生的信号是反映了样本的形态信息的信号，因透射带电粒子产生的信号是反映了样本的内部信息的信号。此外，样本的形态信息是指入射到样本的带电粒子束由于在表面近旁存在的物质而受到后方散射并返回到检测器3侧的带电粒子束所构成的信息。因此，通过同时取得它们，能够同时生成强调了样本的形态信息的反射带电粒子像和强调了样本的内部信息的透射带电粒子像。能够通过下位控制部37控制显示在计算机35的画面上的图像信号。也可以由用户通过图13所示那样的计算机35的界面进行指示输入。通过使用图12所示的检测器，本实施例的带电粒子束装置能够在以下的2个模式下动作：根据来自检测元件500的光的检测信号生成透射带电粒子图像的“透射带电粒子图像模式”；根据因来自样本的反射带电粒子产生的检测信号生成反射带电粒子图像的“反射带电粒子图像模式”。上位控制部36和下位控制部37与各个模式对应地控制来自检测器3的各受光面的信号，与各受光面的检测信号对应地生成各个种类的图像。另外，这2个模式既可以同时动作，也可以切换这2个模式。

根据本方式，能够通过同一检测器3取得因反射带电粒子产生的信号和因透射带电粒子产生的信号，因此，本方式在装置内的节省空间等时有用。另外，能够不移动架子来改变样本的位置和角度地取得透射带电粒子像和二次带电粒子像。由此，能够以同一样本的同一视野或同一角度进行观察，因此能够简单地进行透射带电粒子像和二次带电粒子像的图像比较。另外，根据本方式，能够同时取得因反射带电粒子产生的信号和因透射带电粒子产生的信号，因此在观察状态时刻变化的样本的情况下特别有效。

此外，当然也可以不进行上述的光检测器503中的透射带电粒子像和二次带电粒子像的切换而只使用检测器3。

<操作画面>

在图13中表示操作画面的一个例子。操作画面60显示在计算机35的监视器上。在操作画面60中，具备用于控制带电粒子束的照射能量的照射能量E设定部61、开始照射的按键62、停止照射的按键63。进而，由变更带电粒子束的焦点的焦点调整部69、调整画面的亮度的亮度调整部70、调整图像对比度的对比度调整部71等构成。进而，操作画面60具备能够实时地显示显微镜图像的图像显示区域63和图像显示区域66。图像显示区域既可以只有一个，也可以有2个以上。如果有2个图像显示区域，则能够在图像显示区域63中显示来自光检测器503的输出，与此同时，在图像显示区域66中显示来自检测器3的输出。在此，能够同时显示，意味着能够与显示图像的定时无关地在同一画面上显示实时地取得的图像。此外，既可以将保存在计算机35内的存储器部中的图像显示在区域63、区域66上，也可以在不同的窗口等中显示来自光检测器503的输出图像和来自检测器3的输出图像。另外，操作画面60也可以具备用于保存图像的图像保存按键72、能够读出图像的图像读出按键73。

在用于切换通过光检测器503检测出的信号的详细设定部74中，由用于设定样本室内部的压力的真空压力设定部75和用于设定输入向电极516施加的电压的电极电压设定部76构成。如果使真空压力、电极电压模拟地连续变化，则也可以使透射信息和表面信息混合存在。因此，也可以如图示那样如滑动条那样使调整值模拟地变化。

但是，在不需要混合透射信息和表面信息的情况下，也可以不如图示那样是滑动条，而是通过按键的开、关简单地进行模式切换等操作。或者，在图像显示区域63中显示来自光检测器503的图像信号的情况下，也可以在图像显示区域63中显示模式切换部。例如，可以具有以下的功能，即如果选择表面像模式的选项卡64，则自动地设定电极电压设定部76的值，在图像显示区域63中显示具有表面信息的图像，如果按下内部像模式的选项卡65，则光检测器的电极的电压自动下降，取得来自检测元件500的发光信号，将透射像显示在图像显示区域63中。另外，在图像显示区域66中显示来自检测器3的图像信号的情况下，也可以通过同样的选项卡，选择切换基于反射带电粒子的图像和基于透射带电粒子的图像。即，也可以具有以下的功能，即如果按下反射像模式的选项卡67，则在图像显示区域66中显示来自图12所示的配置了不透明膜525的检测元件A和C的反射信号，如果按下内部像模式的选项卡68，则在图像显示区域66中显示来自图12所示的配置了透明膜526的检测元件B和D的样本透射信息。这样，用户不输入控制参数，而在画面上选择用户希望显示的图像的种类，由此自动地切换检测器的控制模式，用户能够简单地进行画面的切换。

此外，图13所示的显示的结构只不过是一个例子，只要满足本实施例所希望的功能，则显示位置、显示形式等的变形例属于本实施例的带电粒子束显微镜的范畴。

<光学显微镜观察时的说明>

在图14中表示通过光学显微镜观察装载在上述样本台600的样本的情况。首先，说明光学显微镜250的构造。光学显微镜250具备物镜252等光学透镜。经由光学透镜的显微镜信息被投影到目镜207。或者，也可以通过CCD照相机等变换为数字信号而显示在未图示的监视器上。

本实施例的样本台600被配置在样本架258上。样本架258具备能够相对于光学显微镜的光轴251在图中横方向和纸面垂直方向上移动的XY驱动机构、能够变更与物镜252之间的距离的Z轴驱动机构等驱动机构204。样本架258具有开口部259使得通过光学显微镜的光轴251，在该开口部上配置本实施例的样本台600。

光学显微镜250具备能够产生白色光、紫外光、控制了波长的光、激光等光子束的光源。光源是用于从图中样本台600的上侧照射光的光源255、或者用于从样本台600的下侧照射光的光源256等。此外，光源也可以是配置了光学显微镜250的房间的光源、太阳光等。光源通过未图示的通信线、电线等供给/控制光的光量和点亮熄灭用的电源。在图中上述说明的2个位置配置有光源，但最低有一个即可。另外，可以将光源配置在图示以外的地方。为了变更观察倍率或焦点位置，光学显微镜250具有光学透镜驱动机构253。通过光学透镜驱动机构253使物镜252在光学显微镜的光轴251方向上移动，由此能够使焦点对准样本台600上的样本6。另外，虽然没有图示，但也可以不是物镜252，而是使光学显微镜250内部的光学透镜在光轴251方向上移动，由此改变焦点。

从光源256发出的光经由光学显微镜250内部的反射镜等从物镜251或其周边部被释放并到达样本。在样本上反射的光子束到达物镜251。由此，照射到物镜251的光信号在光学显微镜251内部成像，能够通过目镜207实施样本的光学显微镜观察。

如上述那样，在检测元件500是单晶的情况下，如果在来自光源255的光通过样本后，在检测元件500内通过，则由于双折射现象，有时光分为2束。其结果是在通过目镜207进行观察的情况下，有时能够双重地看到样本。为了防止该情况，在图14(a)中表示出以下的方法，即配置样本台600使得样本6相对于检测元件500位于与光源255相反的一侧，并从样本台侧照射光源255的光。由此，从光源释放的光通过作为单晶的检测元件500(在此，光也可以分为2束)，然后照射到样本。通过了样本的光此后能够马上进入到光学系统。因此，不会双重地看到样本。

另外，作为其他例子，也可以如图14(b)所示，将其他样本台600b配置在装载了样本6的样本台600a的下侧，由此使双折射了的光再次返回。但是，根据样本台600a和样本台600b的结晶面的方向，有时存在改善了上述双折射的方向和没有改善的方向。因此，必须将样本台600b配置在抵消在样本台600a中产生的双折射的影响的方向上。因此，样本架258也可以具有用于容易地统一样本台600a和样本台500b的方向的突起506。另外，也可以如图13(b)’那样准备具有能够使样本台600a和样本台600b的方向一致的凹部605的样本台604，将其装载到光学显微镜250的样本架258上。在图14(b)所示的情况下，相对于样本台将光源配置在样本侧，从样本侧照射光，进而使透射了样本的光顺序地入射到样本台600a、样本台600b，并使其分别透射。

或者，如图14(c)所示，如果不是倒立型，而是光源位于样本6下侧、光学系统位于样本上侧的正立型光学显微镜，则能够样本在上方地进行观察。

实施例2

<大气压的带电粒子束装置观察时的说明>

接着，使用图15，说明将本实施例应用于能够在大气压下观察的带电粒子束装置的结构。本实施例的带电粒子束装置，主要由带电粒子光学镜筒2、相对于装置设置面支持带电粒子光学镜筒的第一壳体(以下也有时称为真空室)7、插入到第一壳体7而使用的第二壳体(以下也有时称为配件)121、配置在第二壳体内的样本架5、以及控制它们的控制系统构成。控制系统等的基本结构与图11相同，因此省略详细的说明。

第二壳体121的立方体形状的侧面中的至少一个侧面为开放面。主体部121的立方体形状的侧面中的设置隔膜保持构件155的面以外的面由第二壳体121的壁构成。或者，也可以在第二壳体121自身没有壁，而在组装到第一壳体7的状态下由第一壳体7的侧壁构成。第二壳体121通过设置在第一壳体7的侧壁的开口部插入到第一壳体7内部，具有在组装到第一壳体7的状态下容纳作为观察对象的样本6的功能。第一壳体7和第二壳体121之间隔着真空密封构件126固定在上述侧面侧的外壁面上。也可以将第二壳体121固定在第一壳体7的侧面、内壁面或带电粒子光学镜筒的任意一个上。由此，第二壳体121整体与第一壳体7嵌合。最简便的是利用带电粒子显微镜的真空样本室原来就具备的样本的运入/运出用的开口来制造第一壳体7的开口部。即，如果与原来开的孔的大小一致地制造第二壳体121，将真空密封构件126安装到孔的周围，则只需要必要最小限的装置改造即可。另外，还能够从第一壳体7卸下第二壳体121。

第二壳体121的侧面是在至少在样本能够出入的大小的面上与大气空间连通的开放面，在观察中，在大气压状态、稍微负压状态或希望的气体种类状态下放置容纳在第二壳体121的内部的样本6。此外，图15是与光轴平行的方向的装置截面图，因此开放面只示出一个面，但如果被图15的纸面进深方向和向前方向的第一壳体的侧面真空密封，则第二壳体121的开放面并不限于一个面。在将第二壳体121组装到第一壳体7的状态下，开放面至少有一个面以上即可。通过第二壳体的开放面，能够在第二壳体(配件)内部和外部之间运入和运出样本。

在第二壳体121的上面侧设置有带电粒子束能够透射或通过的隔膜10。该隔膜10能够从第二壳体121装卸。第一壳体7连接有真空泵4，能够对由第一壳体7的内壁面和第二壳体的外壁面以及隔膜10构成的闭合空间(以下称为第一空间)进行真空排气。由此，在本实施例中，通过隔膜10将第一空间11维持为高真空，另一方面，保持有样本的空间(在图中被隔膜、第二壳体121、盖构件122围住的空间。以下称为第二空间12)被维持为大气压、或与大气压大致等同的压力的气体气氛，因此在装置的动作过程中，能够将带电粒子光学镜筒2侧维持为真空状态，并且能够将样本6和上述样本台维持为大气压或预定压力的气氛。通过隔膜保持构件155保持隔膜10，能够通过更换隔膜保持构件155来更换隔膜10。

此外，能够如使用图16在后面说明的那样，对第一空间11调整真空度。即，也能够向第一空间内部导入气体分子而成为低真空环境。例如可以通过针阀28进行流量限制，通过大气导入口27导入气体分子。

在本实施例的带电粒子显微镜的情况下，能够用盖构件122盖住成为第二壳体121的至少一个侧面的开放面。在盖构件122上具备样本架等。

在本实施例的带电粒子显微镜中，具备向第二壳体121内供给置换气体的功能、或能够形成与第一空间不同的气压状态的功能。从带电粒子光学镜筒2的下端释放的带电粒子束通过被维持为高真空的第一空间11，通过图15所示的隔膜10，进而进入维持为大气压或稍微负压状态的第二空间12。即，第二空间是真空度比第一空间差(低真空度)的状态。在大气空间中，带电粒子束由于气体分子而散射，因此平均自由行程变短。即，如果隔膜10和样本6之间的距离大，则一次带电粒子束或通过一次带电粒子束的照射而产生的二次带电粒子、反射带电粒子、或透射带电粒子不会到达样本以及检测器3、检测元件500。另一方面，带电粒子束的散射概率与气体分子的质量数、密度成正比。因此，如果能够用质量数比大气轻的气体分子置换第二空间、或稍微抽真空，则带电粒子束的散射概率降低，带电粒子束能够到达样本。另外，即使不在第二空间全体中，至少能够对第二空间中的带电粒子束的通过路径、即隔膜和样本之间的空间的大气进行气体置换也可以。作为置换气体的种类，只要是氮气、水蒸气等比大气轻的气体，就能够呈现图像S/N的改善效果，但质量更轻的氦气、氢气的图像S/N的改善效果大。

由于以上的理由，在本实施例的带电粒子显微镜中，在盖构件122上设置有气体供给管100的安装部(气体导入部)。气体供给管100通过连结部102与储气罐103连结，由此将置换气体导入到第二空间12内。在气体供给管100的中途配置有气体控制用阀101，能够控制在管内流动的置换气体的流量。因此，从气体控制用阀101向下位控制部37延伸信号线，装置用户能够在显示在计算机35的监视器上的操作画面中控制置换气体的流量。另外，也可以手动地操作气体控制用阀101来开闭。

置换气体是轻元素气体，因此容易驻留在第二空间12的上部，难以对下侧进行置换。因此，盖构件122上，在气体供给管100的安装位置的下侧设置连通第二空间的内外的开口。例如，在图15中在压力调整阀104的安装位置设置开口。由此，大气气体被从气体导入部导入的轻元素气体挤压而从下侧的开口排出，因此能够高效地用气体置换第二壳体121内。此外，也可以将该开口兼用作后述的粗排气口。

另外，即使是氦气这样的轻元素气体，电子束散射有时也大。另外，在样本表面存在大量水分的情况下，必须使水分稍微蒸发。在该情况下，将储气罐103设为真空泵即可。另外，通过稍微进行抽真空，能够将第二壳体内部设为极低真空状态(即接近大气压的压力的气氛)，另外，能够只使样本表面上的水分蒸发。例如，在第二壳体121或盖构件122上设置真空排气口，一次对第二壳体121内进行真空排气。然后，可以导入置换气体。该情况下的真空排气使残留在第二壳体121内部的大气气体成分减少到一定量以下即可，因此不需要进行高真空排气，粗排气是足够的。

但是，在观察生物体样本等包含水分的样本等的情况下，一度放置在真空状态中的样本，水分蒸发而状态变化。因此，理想的是在完全蒸发前进行观察，或如上述那样，从大气气氛直接导入置换气体。第二壳体121的开放面在导入置换气体后被盖构件关闭，由此能够有效地将置换气体封闭在第二空间内。

这样，在本实施例中，能够将装载了样本的空间控制为从大气压(约10⁵Pa)到约10³Pa的任意的真空度。在现有的所谓低真空扫描电子显微镜中，电子束柱和样本室连通，因此如果降低样本室的真空度而成为接近大气压的压力，则电子束柱中的压力也联动地变化，难以将样本室控制为大气压(约10⁵Pa)～10³Pa的压力。根据本实施例，通过薄膜隔离第二空间12和第一空间11，因此能够自由地控制被第二壳体121和盖构件122围住的第二空间中的气氛的压力和气体种类。因此，能够将样本室控制为此前难以控制到的大气压(约10⁵Pa)～约10³Pa的压力。进而，不只是大气压(约10⁵Pa)下的观察，还能够使其连续地变化为其附近的压力而观察样本的状态。

如果将三通阀安装在上述开口的位置，则能够将该开口兼用作粗排气口和大气泄漏用排气口。即，如果将三通阀的一方安装在盖构件122，将另一方与粗排气用真空泵连接，对剩余的一方安装漏泄阀，则能够实现上述兼用排气口。

也可以代替上述开口而设置压力调整阀104。压力调整阀104具有以下功能：如果第二壳体121的内部压力成为一个大气压以上，则自动地打开阀。通过具备具有这样的功能的压力调整阀，在导入轻元素气体时，如果内部压力成为一个大气压以上，则自动地打开而将氮气、氧气等大气气体成分排出到装置外部，能够使轻元素气体充满装置内部。此外，存在在带电粒子显微镜中配备图示的储气罐或真空泵103的情况，也存在装置用户事后进行安装的情况。

能够将具备检测元件500的样本台安装到本带电粒子束装置的样本架5上。在将上述样本台装载到样本架上的状态下，检测元件500成为相对于样本被装载到隔膜的相反侧的状态。样本架近旁的光检测器503等的配置结构等与图11相同。在本结构的情况下，能够取得最大限度降低了由于抽真空等而发生的水分蒸发等形状变化的透射带电粒子束信号。另外，不需要将样本空间抽真空为高真空，因此能够以非常高的吞吐量取得样本台600上的样本的透射带电粒子束显微镜图像。

在图16中说明在本结构中能够取得配置在大气中的样本的表面信息和内部信息的原理。在图16(a)中，来自样本的二次带电粒子束517照射到隔膜10，通过直接通过了隔膜10的二次带电粒子束、或由于二次带电粒子束照射到隔膜10而生成的三次带电粒子束527以及气体分子520发生气体闪烁而发光。通过检测作为其结果而产生的光518，能够取得样本表面形态信息。另一方面，在图16(b)中，如果未向电极516施加电压，则二次带电粒子束或在隔膜10生成的三次带电粒子束527不发光。即，只有来自检测元件500的光被检测器519取得，因此能够通过检测器519检测出透射信息。此外，说明了在上述情况下向第一空间11导入气体分子而成为低真空状态的例子，但与图10所说明的方法同样地，通过切换第一空间11的真空度，也能够切换取得样本表面形态信息的模式和取得样本内部信息的模式。

另外，为了在大气压下同时取得基于透射带电粒子的样本内部图像和基于反射带电粒子的样本形态图像，使用检测器3即可。即，如图11所示那样，经由隔膜10照射到样本6而具有样本形态信息地反射来的反射带电粒子束再次通过隔膜10，被第一空间11内部的检测器3(检测元件A和C)检测。另外，经由隔膜10通过样本6后照射到检测元件500而具有样本透射信息地发光的光，能够通过隔膜10而被检测器3(检测元件B和D)取得。即，能够同时通过同一检测器检测出放置在大气压中的样本的样本形态信息和样本内部信息。

另外，在图15的装置中，能够卸下隔膜保持构件155和隔膜10。在该情况下，通过真空泵4与第一空间11一起还对第二空间12进行真空排气，因此能够使样本6周边成为真空状态。该状态与图11的结构相同，因此能够通过同一检测器即光检测器503观察利用了气体闪烁的样本表面信息、取得来自检测元件500的发光的样本透射信息。一般，光检测器503那样的光多路复用器的放大率比检测器3那样的半导体检测器高，因此通过检测器503取得的图像的画质更好。但是，如果如上述那样使用检测器3，则能够取得大气中的透射信息和表面信息。

此外，本发明并不限于上述的实施例，包含各种变形例子。例如为了容易理解地说明本发明而详细说明了上述实施例，并不一定限于具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外也能够向某实施例的结构追加其他实施例的结构。另外，能够对各实施例的结构的一部分进行其他结构的追加/删除/置换。另外，例如也可以通过用集成电路进行设计等而用硬件实现上述各结构、功能、处理部、处理单元等的一部分或全部。另外，也可以通过由处理器对实现各个功能的程序进行解释、执行，而用软件实现上述各结构、功能等。

能够将实现各功能的程序、表、文件等信息放置在存储器、硬盘、SSD(固态驱动器)等记录装置、或IC卡、SD卡、光盘等记录介质中。

另外，示出了被认为说明上必要的控制线、信息线，并不限于一定在产品上示出全部的控制线、信息线。实际上也可以认为几乎全部的结构相互连接。

符号说明

1：光学透镜；2：带电粒子光学镜筒；3：检测器；4：真空泵；5：样本架；6：样本；7：壳体；8：带电粒子源；10：隔膜；11：第一空间；12：第二空间；14：漏泄阀；15：开放面；16：真空配管；17：架支持台；18：支柱；19：盖构件用支持构件；20：底板；27：大气导入口；28：针阀；35：计算机；36：上位控制部；37：下位控制部；43、44、45：通信线；53：信号放大电路；60：操作画面；61：照射能量设定部；62：带电粒子束照射开始按键；63：图像显示区域；64：表面像模式的选项卡；65：内部像模式的选项卡；66：反射像模式的选项卡；68：内部像模式的选项卡；69：焦点调整部；70：亮度调整部；71：对比度调整部；72：图像保存按键；73：图像读出按键；100：气体供给管；101：气体控制用阀；102：连结部；103：储气罐或真空泵；104：压力调整阀；107：支持板；108：操作钮；109：操作钮；121：第二壳体；122：盖构件；123、124、125、126、128、129：真空密封构件；154：信号放大器；155：保持构件；156、157、158：信号线；159：隔膜保持基座；200：带电粒子束的光轴；204：驱动机构；207：目镜；208：电连接部；209：布线；250：光学显微镜；251：光学显微镜的光轴；252：物镜；253：光学透镜驱动机构；254：CCD照相机；255、256、257：光源；258：样本架；259：开口部；263：基座或轨道或导轨；500：检测元件；501：基座；502：薄的膜；503：光检测器；506：突起；508：密度高的部分；409：密度低的部分；510：一次带电粒子束；511：一次带电粒子束；512：从样本台500产生的光；513：光传导构件；514：信号放大器；515：高压电源；516：电极；517：二次带电粒子束；518：具有样本表面信息的光；519：光放大器；520：气体分子；521：台；522：布线；523：连接器；524：一次带电粒子束通过孔；525：不透明膜；526：透明膜；527：来自隔膜的释放电子；600：样本台；610：带电粒子束显微镜；602：光学显微镜；604：样本台；605：凹部；607：光通过孔；701：基座；702：薄的膜；703：置换物质。

Claims (17)

1.一种带电粒子束装置，其特征在于，具备：

带电粒子光学镜筒，其向样本照射一次带电粒子束；

样本架，其可装卸地配置通过照射透射了上述样本的内部的透射带电粒子而发光的发光构件或具有该发光构件的样本台；

检测器，其检测来自上述样本的信号；以及

控制部，其在以下的模式下控制上述检测器：根据来自上述发光构件的光的检测信号而生成透射带电粒子图像的透射带电粒子图像模式；根据因来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子所产生的检测信号而生成二次带电粒子图像的二次带电粒子图像模式，

通过同一检测器检测因来自上述发光构件的光和来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子而产生的检测信号。

2.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

能够不移动上述样本架地切换上述透射带电粒子图像模式和上述二次带电粒子图像模式。

3.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

具有在上述检测器和上述样本之间产生电场的电极，

通过切换上述电场的大小，来切换上述透射带电粒子图像模式和上述二次带电粒子图像模式。

4.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述检测器通过检测由于上述二次带电粒子与存在于上述样本近旁的气体碰撞而产生的光，取得因来自上述样本的二次带电粒子而产生的检测信号。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

能够变更装载上述样本的空间的真空度。

6.根据权利要求1所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述检测器具有检测来自上述发光构件的光的受光面和检测来自上述样本的反射带电粒子的受光面。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述检测器的受光面的至少一个，在表面具有上述反射带电粒子无法透射并且光透射的透明膜。

8.根据权利要求6所述的带电粒子束装置，其特征在于，

上述检测器的受光面的至少一个，在表面具有光无法透射并且上述反射带电粒子透射的不透明膜。

9.一种图像生成方法，其特征在于，

向样本照射一次带电粒子束；

将透射上述样本的内部并照射到装载上述样本的样本台的发光构件的透射带电粒子变换为上述光，

通过同一检测器检测因来自上述发光构件的光和来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子而产生的检测信号，生成透射带电粒子图像和二次带电粒子图像。

10.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

能够不移动上述样本地切换上述透射带电粒子图像和上述二次带电粒子图像。

11.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

通过切换上述检测器和上述样本之间的电场的大小，来切换因来自上述发光构件的光和来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子而产生的检测信号。

12.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

通过检测由于上述二次带电粒子与存在于上述样本近旁的气体碰撞而产生的光，取得因来自上述样本的二次带电粒子而产生的检测信号。

13.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

包括变更装载上述样本的空间的真空度的步骤。

14.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

同时检测来自上述发光构件的光和来自上述样本的反射带电粒子。

15.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

从上述样本台侧对被上述样本台保持的样本照射光，

向上述样本照射透射了上述样本台的光。

16.根据权利要求9所述的图像生成方法，其特征在于，

从上述样本侧对被上述样本台保持的样本照射光，

使透射了上述样本的光透射装载了上述样本的第一发光构件，

使透射了上述第一发光构件的光入射到配置在抵消因上述第一发光构件而产生的双折射的影响的方向上的第二发光构件。

17.一种观察系统，其特征在于，具备：

带电粒子光学镜筒，其向样本照射一次带电粒子束；

具有通过照射透射了上述样本的内部的透射带电粒子而发光的发光构件或具有该发光构件的样本台；

样本架，其可装卸地配置上述样本台；

检测器，其检测来自上述样本的信号；以及

控制部，其在以下的模式下控制上述检测器：根据来自上述发光构件的光的检测信号而生成透射带电粒子图像的透射带电粒子图像模式；根据因来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子所产生的检测信号而生成二次带电粒子图像的二次带电粒子图像模式，

通过同一检测器检测因来自上述发光构件的光和来自上述样本的二次带电粒子或反射带电粒子而产生的检测信号。