JP2001083087A

JP2001083087A - 像観察装置及び像観察方法

Info

Publication number: JP2001083087A
Application number: JP25766099A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Oraku; 英昭大楽; Yoshihiko Nakayama; 佳彦中山; Takatoshi Oikawa; 隆利及川; Ryuichi Tanaka; 隆一田中
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1999-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2001-03-30

Abstract

(57)【要約】【課題】電子線による試料損傷の低減とＣＬ像信号の
高効率取込みの両立化を実現する。【解決手段】ＣＬの波長分散は回折格子２４により行
ない、波長分散したＣＬを受光するために回折格子のロ
ーランド円上にマルチチャンネル光電子増倍管２３を配
置する。二次電子検出器４による二次電子像と、マルチ
チャンネル光電子増倍管２３による波長分散ＣＬ像を画
像合成手段３５で合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、カソードルミネッ
センス像を観察することのできる像観察装置及び像観察
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】試料に電子線を照射した時、試料から発
する紫外から赤外領域の発光をカソードルミネッセンス
（Cathode Luminescence：以下、ＣＬという）という。
ＣＬからは、同様に電子線照射によって発生する特性Ｘ
線、反射電子、二次電子等の情報を補間する情報が得ら
れることから、ＣＬ像観察もこれらと並んで特に近年盛
んになってきた。例えば、青色半導体レーザの分野では
窒化ガリウムへドープする発光効率改善等材料の研究の
有力な分析手段となり、医学の分野では細菌やウイル
ス、ミトコンドリアや細胞核等でもＣＬ測定が注目され
ている。電子線励起によるＣＬは紫外線励起によるフォ
トルミネッセンス（Photoluminescence：ＰＬ）とは励
起過程が異なるが、得られる情報は基本的には同じであ
る。ＣＬ像を得るシステムは電子線照射部と発生したＣ
Ｌを分光する分光測定部とから構成され、電子線は光線
に比べて容易に絞ることができるのでＰＬよりも微小な
領域における電気的、光学的特性を得るための手法とし
て普及してきた。

【０００３】従来は、透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡
をそのまま電子線照射部に用いＣＬ像観察を行なってい
たが、ＣＬは試料のバンドギャップによりその発光特性
が大きく異なり、加速電圧、試料電流などの電子線照射
の条件や、面走査、ライン走査スポット走査等の走査条
件の選択によっては発光をうまく捉えられない場合があ
ること、また観察のために像の明るさ、コントラストを
決定することが困難なこと等のため、各測定毎に必要に
応じて電子線照射の条件と観察条件の設定を行うのが通
常である。また、電子線の照射条件によっては試料表面
の損傷や帯電現象も起こり、ＣＬ像観察時にはこれらの
現象にも十分留意する必要がある。

【０００４】ＣＬ像には、ある一定の波長幅で波長分散
した波長分散ＣＬ像と波長分散せずに測定可能範囲内の
全域の発光を像にした非分散ＣＬ像の２種類があり、発
光位置を正確に分析するには、これらの像に二次電子像
を重ねて評価するのが一般的である。発光波長のピーク
が複数あるときは、その試料に特有の代表的な発光波長
において一つの波長分散像による分析をすることが多
い。必要に応じて他のＣＬ波長での分析を行なうが、多
くは分析する波長を時系列的に順次切り替えて測定す
る。この場合、鉱物に比較して高分子系材料、生物試料
などのＣＬは強度が弱い場合が多く、前述した電子線に
よる試料の損傷もあって再び電子線を同じ条件で照射し
ても、同じ発光現象が観測されないことが多い。このた
め、発光強度が弱く、しかも一度電子線を照射した試料
部位で満足するＣＬ像を得るには、オペレータの熟練し
た手腕が必要とされる。ＣＬ像に再現性がない理由の一
つに、試料内部で発生する二次電子が試料の表面に到達
せずに試料内部に蓄積され帯電するチャージアップ現象
がある。試料の同一部位では、二度目の電子線照射の際
には同じ像質の二次電子像観察が一般に容易でないよう
に、試料ダメージが激しい試料のＣＬ像観察は発光が減
少するために特に困難である。

【０００５】また、波長分散ＣＬ像の強度は非分散ＣＬ
像よりも相対的に弱くなるため、分析が一層困難とな
る。ＣＬの有無だけの評価にとどまらず、ＣＬ分析の多
くは未知な発光特性試料の分析や欠陥による発光強度−
波長特性の把握等、波長を変えた評価も重要であり、一
つの試料において複数の波長分散ＣＬ像から得られる情
報は多い。しかし、実際には光電子増倍管を受光器とす
る分光光度計を駆使しても、ある波長幅（例えば２０ｎ
ｍ）での一種類の波長分散ＣＬ像と二次電子像の同時分
析、それと非分散ＣＬ像と二次電子像の同時分析までし
かできないのが現状である。複数の波長でのＣＬ像観察
は時系列的な処理となってしまい、前述の電子線損傷等
の理由により同一条件での観察は非常に困難である。

【０００６】電子線損傷を回避して複数の波長分散ＣＬ
像を得る方法として、分光光度計を使用せず波長分散像
を得る方法もある。この方法は、ある波長域のみを反射
しそれ以外の波長域を透過させるダイクロイックミラー
と複数の光電子増倍管を用いて光学系を構成する方法で
あり、例えば反射波長が赤緑青（ＲＧＢ）である３枚の
ダイクロイックミラーを用い、各ダイクロイックミラー
の反射光を光電子増倍管等で受光するが、非効率的であ
る。つまり、同時に３種の波長分散ＣＬ像が得られる点
は分光光度計を用いた場合には見られない利点である
が、反面、分光素子となるダイクロイックミラーの表面
反射やミラー自身の光吸収によるロスがあること、光学
系の調整が複雑になること、光電子増倍管の数だけの高
圧発生回路とその制御が必要になること、また、分光手
段がフィルタであるために波長を変更しようとすればフ
ィルタを交換しなければならず、汎用性に欠ける。

【０００７】一方で、ＣＬ像と並んでＣＬ評価に不可欠
なＣＬスペクトル分析の分野では、測定波長範囲内での
スペクトル測定をするために近年有効な方法が確立がさ
れた。それは、分散素子に回折格子、受光素子にＣＣＤ
を用い、瞬時にＣＬスペクトル測定を行なう方法であ
る。この受光器にフォトダイオードアレイなどの半導体
検出器を用いるマルチチャンネル光検出器を用いた多波
長分光測光法は、感度や波長の正確さよりも測定時間を
優先させるもので発光時間が短い試料を分析するのに特
に有効である。ＣＬスペクトルが瞬時に測定できれば、
電子線照射の時間を短縮して試料の損傷を回避できる。
この方法は、高速測定（例えば１０ｍｓ〜）や繰り返し
のきかない発光現象の分光スペクトル測光を目的として
研究され、実用化されてきた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】マルチチャンネル光検
出器を用いた多波長分光測光法はＣＬスペクトル測定に
おいては有効であるが、この方法をＣＬ像観察に適用す
ることは多くの弊害があって現実的でない。その理由
は、受光器の各素子が自己電子走査によりデジタル処理
されることから受光器の各素子毎の時間的変化を取り出
すことができず、画像化のためには多大なデータ処理を
必要とするためである。合わせて、自己電子走査しない
直接アナログ出力（電流出力、電圧出力）機能を有する
増幅機能を持たない半導体検出器では、ＣＬの発光強度
が小さく、Ｓ／Ｎ等が十分なシステムを構築できない。
このようにＣＬ分析をＣＬスペクトル測定とＣＬ像観察
に大別した場合に、ＣＬスペクトル測定は高速化がなさ
れたが、ＣＬ像観察についてはＣＬ像を高速に得る有効
な手段がないのが現状である。

【０００９】本発明は、上記従来技術の問題点を解決す
るためになされたものであり、ＣＬを一括して受光し、
独立した信号処理系を自由に選択でき、同一部位の二次
電子像と多波長ＣＬ像の観察を迅速かつ容易に行うこと
のできる像観察装置及び像観察方法を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記目的は電子銃、電子
レンズ、偏向器、二次電子検出器、観察した二次電子像
を表示する表示手段を有する走査電子顕微鏡と、回折格
子、受光部を有する分光部と、電子線照射による試料か
らの発光を分光部に導く光ファイバとを備え、試料の二
次電子像、ＣＬ像を観察する像観察装置において、分光
部の受光器に分散波長帯に対応する各々の素子が独立し
たマルチチャンネル光電子増倍管を用い、二次電子像を
得るのと並行して複数の多波長ＣＬ情報が得られる構成
とし、二次電子像と同一観察部位で明るさとコントラス
トを最適とした各ＣＬ像の同時観察を可能とすることで
達成される。

【００１１】多波長分散ＣＬ像の波長を変更するには、
回折格子の回転角をモータ制御すればよい。また、ＣＬ
信号を信号処理する処理回路には、ＣＬ信号のＳ／Ｎ比
や信号量に応じて複数の検出素子の信号を加算できるス
イッチを設ける。この電子顕微鏡において、試料ステー
ジ制御手段により測定部位の移動を行なうことにより、
二次電子像、多波長での波長分散ＣＬ像を連続して自動
的に観察できる。また、照射ビームを電子線に代えてレ
ーザビームにすることができ、ＰＬを測定することがで
きる。ＰＬは大気中での分析が可能なことからＣＬより
先に普及した表面分析法であるが、本発明によると真
空、除振などに優れた電子顕微鏡の環境を利用し、また
ＣＬと同一の信号処理手段を用いてＰＬ分析を行うこと
ができる。

【００１２】すなわち、本発明による像観察装置は、試
料上に電子線を走査して照射する電子線照射手段と、電
子線照射によって試料から放出された二次電子を検出す
る二次電子検出器と、波長分散素子と検出器アレイとを
備える分光器と、電子線照射によって試料から放出され
たカソードルミネッセンスを分光器に導く手段と、二次
電子検出器の検出信号を処理して二次電子像を形成する
と共に検出器アレイの検出信号を処理して複数波長にお
けるカソードルミネッセンス像を形成し両者を合成する
画像合成手段とを備えることを特徴とする。検出器アレ
イはマルチチャンネル光電子増倍管であるのが好まし
い。

【００１３】検出器アレイの隣接する検出器の出力を選
択的に加算するカソードルミネッセンス信号加算手段を
備え、カソードルミネッセンス信号加算手段で加算され
た信号に基づいてカソードルミネッセンス像を形成する
ことが望ましい。また、レーザビーム発生装置と、レー
ザビーム発生装置から射出されたレーザビームを試料に
向けて照射する光学系とを更に備え、電子線に代えてレ
ーザビームを試料に照射し、試料から放出された蛍光を
分光器に導くように構成することでＰＬ像を形成するこ
とが可能となる。

【００１４】本発明による像観察装置は、試料上を走査
する電子線によって発生されたカソードルミネッセンス
を検出器アレイを備えるマルチチャンネル分光器で分光
するステップと、カソードルミネッセンススペクトルの
１つのピークに対応する波長域を検出する前記検出器ア
レイ中の隣接する複数の検出器の出力を加算するステッ
プと、加算された複数の検出器の出力に基づいてカソー
ドルミネッセンス像を形成するステップとを含むことを
特徴とする。

【００１５】従来のダイクロイックミラーによりＣＬを
分光する方法では、各波長の光軸が別系統になるので、
光学系設計上長光路が必要、光軸切替による光軸調整
難、切替ミラーによる約１０％の反射率低下が避けられ
ない、干渉フィルタ、ダイクロイックミラーの吸収によ
る波長分散時のエネルギー低下、等の問題がある。一
方、本発明は回折格子により波長分散し、ローランド円
上に設置された受光素子群から波長分散ＣＬ像を得るよ
うになされたものである。従って、本発明ではミラーの
反射や干渉フィルタやダイクロイックミラー等の吸収、
光軸の曲がりによる光の減少が無く、シンプルで効率良
い光学系を構成することができ、Ｓ／Ｎの良いＣＬ像を
得ることができる。また、二次電子像とＣＬ像の観察を
迅速に行うことができ、二次電子像と同一観察部位で任
意の波長のＣＬ像観察を容易に行うことができる。

【００１６】また、従来は、電子線を発生する電子線照
射部とＣＬ情報を得る分光測定部が独立に作動するの
で、ＣＬ像受光用の光電子倍増管が複数必要となる。ダ
イクロイックミラーによる分光時ではカラーＣＬ像を得
るためにＲ、Ｇ、Ｂに対応した３個の光電子倍増管と各
々の高圧発生器、信号処理系統が必要となり、システム
が大掛かりであり、ＣＬ像を得るためには光電子倍増管
から得られる信号を各々処理する専用大型ＰＣが必要と
なっていた。これに伴って同時に高圧発生器、アナログ
信号ケーブル、分光器等ＣＬ像と二次電子像の観察モー
ド切替、及びスペクトル測定する際のシステム取扱と制
御が複雑、となる問題があった。本発明では、ＣＬ像受
光用の受光素子群が１個で印加高圧も共通とする、いわ
いるマルチチャンネル分析を可能とし、その目的は前記
と同一である他、システム全体を小さくシンプルにする
ことができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明による像観察装置
の一実施の形態を示す概念図である。この像観察装置
は、走査電子顕微鏡にＣＬ測光用の分光部を付加した構
造を有する。走査電子顕微鏡は電子銃１、電子レンズ
２、偏向器３、二次電子検出器４、試料ステージ６、レ
ンズ制御回路１１、偏向制御回路１２、Ａ／Ｄ変換器１
３、アドレス制御回路１４、ディスプレイ１６、パソコ
ン１７、マウス１８、キーボード１９、及び画像合成手
段３５で構成されている。電子銃１から放射された電子
線７を電子レンズ２で収束し、偏向器３で２次元の走査
偏向して試料５に照射する。

【００１８】試料５に電子線が照射されると試料の形状
や材質に依存して二次電子等の２次粒子８が発生する。
この２次粒子８を二次電子検出器４で検出増幅し、Ａ／
Ｄ変換器１３でディジタル値に変換する。ディジタル値
に変換したデータは、画像合成手段３５内の画像メモリ
に記憶する。この時の画像メモリのアドレスは、アドレ
ス制御回路１４が電子線の走査信号に同期して生成す
る。この画像メモリは二次電子像の画像データを随時、
画像合成手段３５に転送する。画像合成手段３５は、パ
ソコン１７の表示メモリの画面データに画像データを合
成してディスプレイ１６にリアルタイム表示する。

【００１９】一方、分光部は、集光ミラー１０、分光器
２０、光ファイバ２１、ＣＬ受光器２３、回折格子２
４、分光器制御手段３６、分光器表示手段４３で概略構
成されている。試料５からは、二次電子８と同時にＣＬ
９が発光される。ＣＬ９は表面にアルミ膜を蒸着して効
率よくＣＬを集光する楕円面集光ミラー１０により光フ
ァイバ２１に集光され、分光器２０に導かれる。光ファ
イバ２１で導かれたＣＬは、回折格子２４に照射され
る。回折格子２４で波長分散された光は、ＣＬ受光器２
３で検出増幅される。ＣＬ受光器２３は複数個の受光素
子から構成されており、後述するようにＣＬ信号加算選
択手段３０により目的とするＣＬ波長信号を加算あるい
は選択して複数系統のＣＬ用Ａ／Ｄ変換機３１〜３４
（図示の例では４系統であるが、特に４系統に限る必要
はない）で各々Ａ／Ｄ変換され、ディジタル値に変換さ
れる。ディジタル値に変換した各データは画像合成手段
３５内の画像メモリに各々記憶する。この時の画像メモ
リのアドレスは、アドレス制御回路１４が電子線の走査
信号に同期して生成するのは電子顕微鏡の二次電子信号
処理の場合と同様である。

【００２０】画像合成手段３５はパソコン１７と接続さ
れ、パソコン１７はＳＥＭ制御手段１５と分光器制御手
段３６を同時に制御する。画像合成手段３５は、図示の
例では電子線の走査信号に同期した試料の二次電子情報
とＣＬ情報とを同時に複数系統処理する（図示の例で
は、二次電子情報１系統とＣＬ情報４系統の合計５系統
であるが、系統数は任意とすることができる）。このと
き、二次電子検出器４に印加する高圧信号２７はＳＥＭ
制御手段１５から供給され、得られるのは二次電子像信
号２６であり、また、ＣＬ受光器２３の各素子共通に印
加する高圧信号２８はＣＬ高圧手段２９から供給してＣ
Ｌ像信号群２５が得られる。それぞれ画像合成手段３５
によって二次電子像信号２６かＣＬ像信号群２５のいず
れかが、また、それら全てを重ね合わせ選択され、二次
電子像、ＣＬ像のいずれか、又は二次電子像とＣＬ像の
重ね合せ像が前記ディスプレイ１６に表示される。

【００２１】観察に当たっては、まず、試料の観察部位
を決定して二次電子像を観察する。例えば、レンズ制御
回路１１、偏向制御回路１２を制御して明るさと輝度を
自動調整して鮮明な画像とするＡＢＣＣ（Auto Brightn
ess and Contrast Control）機能や焦点ぼけを瞬時に補
正するＡＦＣ（Auto Focus control）等の自動機能によ
り条件を設定して二次電子像が観察できれば、それと同
時にＣＬ像は二次電子像と同一部位での観察像として自
動で観察できる。最適な画像の明るさとコントラストと
することは、ＣＬ高圧手段２９及び画像合成手段３５内
のゲイン調整機能で行う。

【００２２】本実施の形態によれば、最適な二次電子像
と同じ観察部位での波長分散ＣＬ像が同時に得られるば
かりでなく、双方の像がＳＥＭ制御手段１５を介して制
御されるので試料の損傷を最小とする照射時間制御がで
きる。また、二次電子８を妨げずにＣＬ９を集光できる
ように、集光ミラー１０はワーキングディスタンスを最
適化（例えば１５ｍｍ）して配置され、二次電子検出と
同時に有効にＣＬを集光する。ＣＬの波長分散は回折格
子２４により行なうので、効率的に高分解波長分散ＣＬ
像を得ることができる。

【００２３】次に、図２から図５を用いて、効率的に波
長分解ＣＬ像を得るための分光器について説明する。図
２に示すように、分光器２０は、回折格子２４、ＣＬ受
光器２３とスリット板３９及び回折格子駆動手段４０に
より構成される。ＣＬ受光器２３、スリット板３９と回
折格子２４はローランド円上にあり、合わせて無収差条
件を満足するように回折格子２４等に工夫がなされてい
る。ローランド円の半径は回折格子２４の曲率半径から
決まり、より明るい光学系（Ｆ値３程度）を構成する。
電子線照射部ＡでのＣＬ９が光ファイバ２１を通って回
折格子（例えば９００本／ｍｍの格子本数）２４で非分
散光３７、波長分散光３８に分散される。

【００２４】光検出器は、動作原理から外部光電効果
型、内部光電効果型、熱型に大別される。外部光電効果
型の光検出器は、真空中におかれた金属や半導体に光照
射したとき表面から真空中に電子が放出される現象を利
用するもので、光電子増倍管がその例である。一方、内
部光電効果型の光検出器は光導電型と光起電接合型に分
けられ、ＰＩＮフォトダイオードがその例であり、高感
度かつ小型である。特に個々の素子を直線的に配列した
アレイ型のタイプはフォトダイオードアレイとして広く
普及している。本発明においてＣＬ受光器として用いる
マルチチャンネル光電子増倍管は、独立した個々の光電
子増倍管の素子が直線的に配列した構造を有し、高速応
答性、微弱光検出性に優れた外部光電効果型の光検出器
アレイである。また、これらのＣＬ像を二次電子像と重
ね合せることにより、発光部位の特定が迅速に分析でき
る。

【００２５】図３は、マルチチャンネル光電子増倍管の
概略図である。光電子増倍管は一般にガラス管に封じら
れた真空管で、入射窓、光電面、電子増倍部から構成さ
れる。マルチチャンネル光電子増倍管７０は、入射窓７
１及び電圧供給線７４が共通で、チャンネル数だけの独
立した光電面７２、電子増倍部７３及び信号線７５を有
する。マルチチャンネル光電子増倍管の信号検出原理
は、通常の光電子増倍管と同じであり、入射窓７１を通
過した光線があるチャンネルに入射すると、そのチャン
ネルの光電面内の電子を励起し、真空中に光電子を放出
する（外部光電効果）。光電子は電子増倍部（ダイノー
ド上）で二次電子を放出する。ダイノードより放出され
た二次電子群は陽極（アノード）より取り出される。こ
れらが、各チャンネル毎に同時に行われる。このマルチ
チャンネル光電子増倍管７０は、高圧を印加して光電子
を増倍する機能を有するためＰＩＮフォトダイオードよ
り受光感度が高く、分光器の受光器として用いると、任
意に複数の測定波長を選択し、これら複数の波長での光
量計測を高速（例えば１０ｍｓ）かつパラレルに行うこ
とができる。

【００２６】図４は、スリット板３９の拡大図である。
スリット板３９にはスリット幅の異なる複数のスリット
５１〜５４が設けられており、分光器制御手段３６によ
って駆動制御される図示しないモータで光ファイバー２
１の出射端に位置するスリットを選択できるようになっ
ている。ＣＬ作像の際には、ＣＬ強度と目的とする波長
分散に合わせてスリット板３９に設けられたスリット幅
の異なる複数のスリット５１〜５４のうち最適なものを
分光器制御手段３６によって選択する。スリット板３９
のスリット幅は、例えばＣＬ信号のピークが予め設定し
た閾値を超えるように決定することができる。

【００２７】非分散光３７は全てのＣＬの波長域成分を
含んでおり、非分散光３７からＣＬ発光の有無を検出す
ることができる。一方、回折格子の一次分散光３８から
ＣＬ発光の波長特性が分析できる。非分散光３７と波長
分散光３８の切替は、回折格子２４からの分散光３８が
ＣＬ受光器２３上に結像するように回折格子制御手段４
０で回折格子２４の回転角度を制御することで行う。ス
リット幅により波長分散光３８の半値幅が、例えば５ｎ
ｍあるいは２０ｎｍのように規定される。ＣＬ信号群２
５はＣＬ信号加算選択手段３０に入力し、そこでＣＬス
ペクトルの同じピークに属するＣＬ信号を合算すること
で、ＣＬの波長情報を損なうことなく明るいＣＬ像を得
る。

【００２８】図５は、分光器の入射スリット幅とＣＬ波
長分解能及び測定されるスペクトルの関係を説明する図
である。図５（ａ）は入射スリット幅とＣＬ波長分解能
の関係を示す図であり、図５（ｂ）は測定されたＣＬス
ペクトルの形状が入射スリット幅に依存することを説明
する図である。例えば、ある波長に着目したＣＬ像は、
スリット幅が広い方がＳ／Ｎ比が高いので像の明るさと
最適コントラストが得られやすい。しかし、図５（ｂ）
に示すように、近接する波長でＣＬ発光ピークが複数あ
る場合、入射スリット幅を狭くすると複数のピークを有
するスペクトル５７が得られるが、入射スリット幅を広
くするとピークの分解が不十分なスペクトル５８しか得
ることができない。つまり、入射スリット幅を狭くする
ことによってＣＬ像波長分解が高いＣＬ分析ができる。

【００２９】図６は、二次電子とＣＬを信号処理する構
成例を示す概念図である。電子線が照射された試料５か
らは、形状や材質によって２次粒子８とＣＬ９が発生す
る。これらを画像データにする処理は前述のとおりであ
るが、ここではＣＬ信号群２５の処理について述べる。
集光ミラー１０によって集光されたＣＬを光ファイバ２
１で分光器２０に導き、ＣＬ受光器２３に結像させる。
ＣＬ受光器２３の各素子には共通のＣＬ高圧信号２８が
印加される。

【００３０】ＣＬ信号加算選択手段３０では、ＣＬ像を
形成すべき波長あるいは波長域の選定を行う。ＣＬ受光
器２３がｎ個の検出素子で構成される場合には、マルチ
プレクサ、アナログスイッチあるいは絶縁リレー等から
なる切り換え回路８０により、ｎ個の信号から４つの加
算信号を得、前述の４種類の独立したＣＬ用Ａ／Ｄ変換
器３１〜３４でアナログ／ディジタル変換を行なう。こ
れら４系統の信号と前述した二次電子信号２６を画像合
成手段３５同時に処理する。

【００３１】図７は、ＣＬ信号加算選択手段３０で行わ
れるＣＬ信号加算の概念を説明する図である。いま、Ｃ
Ｌスペクトル６０に試料に存在する４種類の物質に起因
する４つのピーク６１，６２，６３，６４が出現したと
する。これらのピーク６１，６２，６３のうち２つのピ
ーク６１，６２は互いに近接しており、またピーク６３
はブロードなピークであったとする。図５にて説明した
ように、分光器の入射スリット幅を広くすると、ピーク
強度がそれほど大きくないブロードなピーク６３に基づ
くＣＬ像としてはＳ／Ｎ比の高い像を得ることができる
が、近接したピーク６１，６２に基づく検出信号から各
々のピーク６１，６２に対応する２つのＣＬ像を分離し
て作像することができない。

【００３２】そこで本発明では、分光器の入射スリット
幅を広くする方法ではなく、ＣＬ受光器側で同じピーク
に基づく検出信号を加算処理することで、スペクトルの
近接したピークを分離しつつ、ＣＬの検出効率を高め
る。具体的には、図７に示すようなＣＬスペクトル６０
の場合、ＣＬ受光器２３の第ｈ番目の検出素子からｈ＋
１番目、ｈ＋２番目、…、ｉ−１番目、第ｉ番目の検出
素子までの（ｉ−ｈ＋１）個の検出素子の出力信号を加
算してピーク６１に対応するＣＬ信号とする。同様に、
ＣＬ受光器２３の第ｊ番目の検出素子から第ｋ番目の検
出素子までの（ｋ−ｊ＋１）個の検出素子の出力信号を
加算してピーク６２に対応するＣＬ信号とし、ＣＬ受光
器２３の第ｌ番目の検出素子から第ｍ番目の検出素子ま
での（ｍ−ｌ＋１）個の検出素子の出力信号を加算して
ピーク６３に対応するＣＬ信号とし、ＣＬ受光器２３の
第ｐ番目の検出素子から第ｑ番目の検出素子までの（ｑ
−ｐ＋１）個の検出素子の出力信号を加算してピーク６
４に対応するＣＬ信号とする。ＣＬ信号群２５の束ね方
は、パソコン１７上から指定できる。

【００３３】図８は、ＣＬ信号群２５の束ね方を指定す
るパソコンの入力画面の例を示す図である。入力画面９
０の上部には、その時の設定で分光器２０のＣＬ受光器
２３（マルチチャンネル光電子増倍管）が受光できる最
小波長と最大波長、及びＣＬ受光器２３のチャンネル番
号の表示９１が現れる。この例の場合、第１波長域から
第４波長域まで４つのＣＬ波長域を設定できるようにな
っており、オペレータは波長入力ボックス９２，９３等
に数値を入力して各波長域の下限波長と上限波長を設定
する。パソコン１７は、入力された各波長がＣＬ受光器
２３のどのチャンネルに対応するかを判定し、下限波長
と上限波長の間に含まれるＣＬ受光器２３のチャンネル
の出力が加算されて出力されるようにマルチプレクサ、
アナログスイッチあるいは絶縁リレー等からなる切り換
え回路８０を制御する。

【００３４】あるいは、ＣＬ信号加算選択手段３０でＣ
Ｌ信号群２５を少数の信号系統に束ねることなく、全て
の検出素子の出力信号を独立したデータとして取り込ん
で記憶しておき、その後データからＣＬスペクトルのピ
ーク構造を解析し、そのピーク構造の情報に基づいてデ
ータ処理によって同じピークに属するＣＬを検出してい
る検出素子の出力を束ねて加算するようにしてもよい。
この方法によると、試料損傷が激しい試料に対しても測
定誤差の無いＣＬ像観察が可能となる。また、ＣＬスペ
クトルを知らなくても未知試料にも対応できる。

【００３５】また、複数回の電子線照射が許されるよう
な試料に対しては、最初に、予測したＣＬ信号群２５の
束ね方でＣＬ像を作像、表示し、その結果を見てＣＬ信
号群２５の束ね方を修正するようにしてもよい。本発明
によれば、ＣＬ像も二次電子像と同一のビーム制御手段
によって制御でき、電子線照射部に電子顕微鏡を用いた
ときに二次電子像と同一のビーム制御、画像処理手段で
処理できることで像質の向上を図るだけでなく、同時分
析するＣＬ波長あるいは波長域を任意に設定できる。個
々の検出素子毎に信号処理して狭い波長域に対応するＣ
Ｌ像を作成することもできるし、検出素子間で検出信号
を加算し２素子、３素子分の出力を合算することにより
波長域を拡げてＳ／Ｎ比を向上することもできる。

【００３６】また、一般的には非分散ＣＬ像に対比して
波長分散後のＣＬ像は信号レベルが低く、像も鮮明では
ないが、二次電子と同一の信号処理からリカーシブ機能
によってＳ／Ｎを向上させ鮮明な波長分散ＣＬ像が得ら
れる等、Ｆ値が暗くなってもシステム的改善策が出来
る。生物試料への電子顕微鏡染色法は光学顕微鏡の光源
の代わりに真空に保たれた電子線照射部から走査する電
子線を試料を照射する方式であり観察や写真撮影ができ
るが高分解能と焦点深度が大きく試料を３次元的に観察
しうる特徴がある。鮮明な二次電子像を得る手段には、
非伝導性物質である組織片の試料表面の帯電を防ぎ、密
度の高い金属膜からの二次電子で高分解能を得るために
金や白金等の金属イオンを観察する組織表面にコーティ
ングすることである。ＣＬ観察の場合には、肺などの空
隙面の多い組織や細胞内微細器官の解析、観察には表面
コーティングができないので導電染色を行なう方法があ
る。重要な点は試料から発生する発光を利用する分析
は、試料表面に金属コーティングすると情報が誤ってし
まう。細胞の核（大きさ２μｍ）やミトコンドリア（大
きさ０．５μｍ程）に各々染色を施し、ＣＬ分析をする
と核の部分のみが発光するＣＬ像とミトコンドリアのみ
が発光するＣＬ像を同時に分析でき、二次電子線像と合
わせて、形状はもちろんのこと発光強度の違いにより異
常部位と特定等、様々な用途に利用できる。

【００３７】図９は、ディスプレイ１６の画面上に表示
される二次電子像とＣＬ像の概念図である。図９（ａ）
は二次電子像であり、図９（ｂ）〜（ｅ）はＣＬ像であ
る。図９（ｂ）は、例えば波長４３０ｎｍでのＣＬ像、
図９（ｃ）は例えば波長４３６ｎｍでのＣＬ像、図９
（ｄ）は例えば波長４５０ｎｍでのＣＬ像、図９（ｅ）
は例えば波長４６０ｎｍでのＣＬ像である。図９（ｆ）
は、二次電子像と前記多波長ＣＬ像を重ね合わせた合成
像の概念図である。

【００３８】まず、電子顕微鏡の通常観察手段により二
次電子像を観察する。二次電子像は、二次電子検出器４
の出力を表示ディスプレイ１６上の明るさに変換し、電
子線の走査とディスプレイ１６のブラウン管の走査を同
期させることでディスプレイ上に表示される。次に、こ
の観察部位でのＣＬ発光の有無を確認するには、そのま
まの試料状態で信号切替によってＣＬ光の発光強度を検
出し、電子線の走査とディスプレイのブラウン管の走査
を同期させることで、ディスプレイ１６上に二次電子像
と同一部位のＣＬ像が表示される。このとき最適な明る
さとコントラストは前述した自動明るさ調整、自動焦点
調整によって得られる。この時、ＣＬ像の発光波長特性
分析のために、予め分光器の測定波長範囲、ＣＬ受光器
への印加電圧、スリット幅等の測定条件を設定しておけ
ば、同時に多波長ＣＬ像観察が可能となり、図９（ａ）
〜（ｅ）に示すような各波長ＣＬ像の情報から図９
（ｆ）に示す合成像が得られる。

【００３９】以上のような構成により一式の入力系統に
よって二次電子像、ＣＬ像の観察、更に波長特性分析の
瞬時分析が自動で実現でき、二次電子像と同一部位で明
るさとコントラストを最適とした多波長ＣＬ像の観察を
容易にすることと操作性の向上が図れる。本発明による
と、電子線照射してＣＬを受光する一連の処理を電子線
制御の面からシステム的に制御でき、試料上を一度電子
線走査するだけでも複数波長分散ＣＬ像を観察可能であ
るので、試料の電子線照射損傷回避とＣＬ検出効率向上
を両立することができる。

【００４０】また、図１に示す像観察装置は、レーザビ
ーム発生装置４１と、レーザビーム発生装置４１から出
射されたレーザビーム４２を試料５に向けて反射するた
めの可動ミラー４５を備える。可動ミラー４５は、電子
線７を照射している時は電子線照射や二次電子検出の邪
魔にならない位置に退避しており、試料にレーザビーム
を照射するときのみ光軸上に移動される。レーザビーム
発生装置４１は、半導体レーザなどのレーザ光源とガル
バノミラー等を用いた光走査手段を備える。また、レー
ザビーム４２は、一つのビームを位相シフトさせ複数の
ビームを直線的に並べて各々のビーム直径を小さくして
もよい。試料５にレーザビーム４２を照射することによ
って発生される反射光、蛍光を前述のＣＬ像と同じ信号
処理系統で処理して像をディスプレイ１６に表示するこ
とができる。

【００４１】本発明の構成によると、試料を取り巻く暗
試料室、耐振動対応等の環境を電子線照射の場合と共通
化できるので、真空下での生物試料観察ができることの
他、システムが簡易となる。また、レーザを励起源に選
択すると一つのシステムで光励起と電子線励起による複
合評価が可能となる。これは医学分野をはじめ染色によ
る蛍光マーカでの癌治療、細胞の形態観察等、生体試料
では実用上の効果が大きい。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、受
光器がマルチチャンネル方式であるので、ＣＬ像の波長
あるいは波長域を任意に選択でき、光学的ロスの少ない
高効率ＣＬ分析ができる。さらに、二次電子像、ＣＬ像
の重ね合せを可能とし、電子線照射による試料の損傷を
最小にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による像観察装置の一実施の形態を示す
概念図。

【図２】分光器の構成例を示す図。

【図３】マルチチャンネル光電子増倍管の概略図。

【図４】スリット板の拡大図。

【図５】分光器の入射スリット幅とＣＬ波長分解能及び
測定されるスペクトルの関係を説明する図。

【図６】二次電子とＣＬを信号処理をする構成例を示す
概念図。

【図７】ＣＬ信号加算の概念を説明する図。

【図８】波長入力画面の説明図。

【図９】ディスプレイの画面上に表示される二次電子像
とＣＬ像の概念図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子レンズ、３…偏向器、４…二次電
子検出器、５…試料、６…試料ステージ、７…電子線、
８…２次粒子、９…カソードルミネッセンス、１０…集
光ミラー、１１…レンズ制御回路、１２…偏向制御回
路、１３…Ａ／Ｄ変換機、１４…アドレス制御回路、１
５…ＳＥＭ制御手段、１６…デイスプレイ、１７…パソ
コン、１８…マウス、１９…キーボード、２０…分光
器、２１…光ファイバー、２２…ステージ制御手段、２
３…ＣＬ受光器、２４…回折格子、２５…ＣＬ信号、２
６…二次電子信号、２７…二次電子高圧信号、２８…Ｃ
Ｌ高圧信号、２９…ＣＬ高圧手段、３０…ＣＬ信号加算
選択手段、３１…ＣＬ…Ａ／Ｄ変換機１、３２…ＣＬ…
Ａ／Ｄ変換機２、３３…ＣＬ…Ａ／Ｄ変換機３、３４…
ＣＬ…Ａ／Ｄ変換機４、３５…画像合成手段、３６…分
光器制御手段、３７…非分散光、３８…波長分散光、３
９…スリット板、４０…回折格子制御手段、４１…レー
ザビーム発生装置、４２…レーザビーム、４５…可動ミ
ラー、５１〜５４…スリット、６０…ＣＬスペクトル、
７０…マルチチャンネル光電子増倍管、７１…入射窓、
７２…光電面、７３…電子増倍部、７４…電圧供給線、
７５…信号線、８０…切り換え回路、９０…入力画面、
９２，９３…波長入力ボックス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中山佳彦茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者及川隆利茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者田中隆一茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地株式会社日立サイエンスシステムズ内Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA07 BA07 CA03 CA07 DA01 DA09 EA01 FA06 GA01 GA09 GA13 HA01 HA07 HA13 JA02 JA03 JA13 KA03 LA01 MA02 SA01 2G043 AA03 BA16 CA03 EA01 EA11 HA03 HA05 HA09 JA04 KA05 KA09 LA02 LA03 NA01 NA06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料上に電子線を走査して照射する電子
線照射手段と、電子線照射によって試料から放出された
二次電子を検出する二次電子検出器と、波長分散素子と
検出器アレイとを備える分光器と、電子線照射によって
試料から放出されたカソードルミネッセンスを前記分光
器に導く手段と、前記二次電子検出器の検出信号を処理
して二次電子像を形成すると共に前記検出器アレイの検
出信号を処理して複数波長におけるカソードルミネッセ
ンス像を形成し両者を合成する画像合成手段とを備える
ことを特徴とする像観察装置。
【請求項２】請求項１記載の像観察装置において、前
記検出器アレイはマルチチャンネル光電子増倍管である
ことを特徴とする像観察装置。
【請求項３】請求項１または２記載の像観察装置にお
いて、前記検出器アレイの隣接する検出器の出力を選択
的に加算するカソードルミネッセンス信号加算手段を備
え、該カソードルミネッセンス信号加算手段で加算され
た信号に基づいてカソードルミネッセンス像を形成する
ことを特徴とする像観察装置。
【請求項４】請求項１，２または３記載の像観察装置
において、レーザビーム発生装置と、前記レーザビーム
発生装置から射出されたレーザビームを試料に向けて照
射する光学系とを更に備え、電子線に代えてレーザビー
ムを試料に照射し、試料から放出された蛍光を前記分光
器に導くことを特徴とする像観察装置。
【請求項５】試料上を走査する電子線によって発生さ
れたカソードルミネッセンスを検出器アレイを備えるマ
ルチチャンネル分光器で分光するステップと、カソードルミネッセンススペクトルの１つのピークに対
応する波長域を検出する前記検出器アレイ中の隣接する
複数の検出器の出力を加算するステップと、前記加算された複数の検出器の出力に基づいてカソード
ルミネッセンス像を形成するステップとを含むことを特
徴とする像観察方法。