JP2002516647A - 環境走査型電子顕微鏡用の気体後方散乱電子検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ＥＳＥＭ試料チャンバーの気体環境内に位置する検出器組立体により、試料から放出される後方散乱電子信号のみを検出可能である環境走査型電子顕微鏡を提供する。この検出器組立体は、バイアスがかけられた変換器プレート及びコレクショングリッド/コレクションプレート/コレクターリング配置を含む。一次ビームは変換器プレートに形成された最終圧制限穴を通過し、それからサンプルに衝突する前にコレクショングリッド/プレート/リングの中央穴を通過する。コレクショングリッドは接地電位に保持され、したがってサンプルで発生した二次電子信号を集めない。後方散乱電子はコレクターグリッド/プレート/リングにより集められず、変換後方散乱電子を発生させる変換器プレートに衝突する。変換後方散乱電子は変換器プレートとコレクショングリッドの間に生じた電界により、気体中で増幅される。結果として、コレクショングリッド/プレート/リングはサンプルからの二次電子信号は集められないが、増幅された変換後方散乱電子信号のみを集める。さらにこの専用気体後方散乱電子検出器は、二次電子検出、後方散乱電子検出又は双方の相互間で容易に切替え可能である簡単で、低コスト電子検出器を製造するために利用される。

Description

【発明の詳細な説明】 環境走査型電子顕微鏡用の気体後方散乱電子検出器 本発明は環境走査型電子顕微鏡（ＥＳＥＭ）のフィールド（電界）に関し、特 にＥＳＥＭの気体環境における後方散乱電子信号のみを集めるように意図された 環境走査型電子顕微鏡用の気体後方散乱電子検出器に関する。 背景として、標準的な走査型電子顕微鏡（“ＳＥＭ”）を超える環境走査型電 子顕微鏡の効果は、通常のＳＥＭの真空環境において像を写すことが極端に難し い湿った又は非導電性試料（例えば生物学的物質、プラスチックス、セラミック ス、繊維など）の高解像度の電子像を生じさせる能力にある。環境走査型電子顕 微鏡は、試料を高真空電子ビーム観察に通常必要とされる乾燥、凍結又は真空塗 布（vaccum coating）により引き起こされるゆがみを受けることなしに、“自然 の”状態で維持することを可能にする。さらに、ＥＳＥＭ試料チャンバーに容易 に許容された比較的高気体圧は、通常非導電性試料上に蓄積される表面電荷を効 果的に散らす働きがあり、高品質画像の取得を妨げる。さらに環境走査型電子顕 微鏡は、通常のＳＥＭ試料チャンバーで許容させる以上の比較的高蒸気圧で起こ る液体輸送、化学反応、溶液、水和、結晶化及び他の工程の直接実時間観測をも 可能にする。 一般的には、ＥＳＥＭにおいて、電子ビームは電子銃により放出され、ＥＳＥ Ｍの低い端にある最終圧制限穴を有する対物レンズ組立体のある電子光学カラム を通過する。電子光学カラムにおいて、電子ビームは、ビームを集束させ、最終 圧制限穴を通過した電子ビームを導くように利用される磁気レンズを通過する。 その後ビームは最終圧制限穴を通して試料チャンバーへ向かい、試料ステージ 上に支えられた試料にビームが衝突する。試料ステー ジは、最終圧制限穴から約１〜２５mm下にある試料を支えるように配置され、電 子ビームを試料と相互作用させる。試料チャンバーは光学真空カラムの下に配置 され、最終圧制限穴と合わせて約１０^-2と５０トル（Torr）との間の圧である典 型的には水蒸気の気体の中に包まれたサンプルを維持し、その結果、試料表面は 電子銃から放出された電荷を帯びた粒子ビームに晒され、最終圧制限穴を通過す る。 米国特許第４、９９２、６６２号に開示されているように、米国特許第４、５ ９６、９２８号に提案されているような環境走査型電子顕微鏡の最初の概念は、 気体環境内で試料チャンバーを維持することであり、その結果気体環境は液体又 は自然状態の試料を維持させるための条件媒質として働く。加えて、二次電子信 号の増幅のための媒質としての試料チャンバーの気体環境の利用は、米国特許第 ４、７８５、１８２号に説明されている。 米国特許第４、８２３、００６号記載の環境ＳＥＭでは、高真空圧での不調製 、等身大試料の電子ビーム観察は、電子ビームカラムの磁気対物レンズ内の完全 に収容された圧制御及び信号検出手段により可能であった。米国特許第４、８２ ３、００６号記載の環境ＳＥＭ設計は、圧制御、電子ビーム集束及び信号増幅の 条件を同時に満たすが、試料の取扱い又は顕微鏡の解像力に実用的な限界を与え なかった。 米国特許第４、８８０、９７６号には、ＥＳＥＭの気体二次電子検出器の設計 と必要性が説明されている。その後の先行技術には、改良二次電子検出器と米国 特許第４、８９７、５４５号に開示されているような後方散乱電子を検出する検 出器を説明している。 しかしながら、後方散乱電子信号のみを集めるように意図された専用気体検出 器を提供することが望まれていることが分かった。さらに、二次及び後方散乱電 子検出モードの間を切替え可能である二重電子検出器を提供することも望まれて いることも分かった。 一次電子ビームはサンプルに当たると、従来の電子顕微鏡（“ＳＥＭ”）にお いて、多くのさまざまなタイプの信号が発生する。二つの最も重要な電子信号は ； ａ）サンプル表面の形態を示す高解像度画像を生じさせる二次電子（“ＳＥ” ）と、 ｂ）低解像度画像であるがサンプル材料の濃度変化に非常に敏感である信号を 生じさせる後方散乱電子（“ＢＳＥ”）である。さらにＢＳＥ画像は、サンプル のさまざまな材料成分の分布を示すのにしばしば利用される。 従来の高真空ＳＥＭはＳＥ検出器は標準装備されており、さらに多くのユーザ は、別個のＢＳＥ検出器を購入する。 加えて、ＥＳＥＭ検出器の基本的側面は、試料チャンバーの気体環境における 電子信号の増幅である。ＳＥＭにおいて利用される電子信号レベルは通常非常に 小さいので増幅器へ直接接続させることができないため、上記のことは重要であ る。増幅器からのノイズは非常に大きいのでＳＥＭを実用的機器にすることがで きない。従来の高真空ＳＥＭにおいて、二次電子信号はEverhartとThornleyによ り元々説明された複雑な配置の一部としての光電子増倍管により、（無視可能な 添加ノイズで）増幅される。よって、このタイプの検出器はEverhart-Thornley （Ｅ−Ｔ）検出器と普通に呼ばれる。利用される高電圧がＥＳＥＭの気体環境に おいて放電されるので、Ｅ-Ｔ検出器はＥＳＥＭでは機能しない。 したがって、信号の増幅を、次に続く電子回路のノイズを低減させるのに十分 高いレベルヘ持っていくように設計されたＥＳＥＭにおいて利用される気体検出 器を提供することが、非常に強く望まれている。 ＥＳＥＭの気体環境での信号増幅を図１に模式的に示す。図示するように、環 境走査型電子顕微鏡は調査されるサンプルの表面から放出される二次及び後方散 乱電子を発生させ、増幅し検出する装置 を提供する。電子ビーム１０は、電子銃（図示せず）による対物レンズ組立体１ １の電子光学カラムを通して放出される。真空光学カラムは、カラムの低い端で 最終圧制限穴１４を含む。ビーム１０は試料チャンバー１６へ向かい、ビームは 試料ステージ２０上に支えられた試料１８に衝突する。試料マウント又はステー ジ２０は試料チャンバー１６内に位置し、最終圧制限穴１４から約１〜２５mm、 好ましくは１〜１０mm下に配置され、電子ビームが試料と相互作用することを可 能にする。試料チャンバーは光学真空カラムの下に配置され、圧制限穴と合わせ て約１０^-2と５０トルの間の圧の気体、好ましくは窒素又は水蒸気に包まれたサ ンプル１８を維持でき、その結果試料表面は、電子銃から放出され、最終圧制限 穴１４を通して放出される電荷を帯びた粒子ビームに晒される。 ＥＳＥＭ検出器は電子信号を増幅させるために気体中において電界を利用する 。一次ビーム１０が試料１８に当たると、電子が放出される。サンプル１８と検 出器電極２２の間の電界は正の電圧に保たれ、図１に参照番号２７で表わされる 別の電子をさらに放出する気体分子をイオン化させるのに十分なエネルギーを有 するまで、２４にて信号電子を加速させる。二つの電子はさらに加速され、２８ にてさらに電子を発生させる。この過程では低ノイズ増幅器３０へ直接通過させ る電子電流の十分な増幅を発生させる。一般には、増幅は１００〜２，０００の 範囲である。増幅原則は気体にあるいずれの電子にも行われる。図１は試料表面 で発生した低エネルギー“二次電子”の増幅を示す。 さらに電子は後方散乱電子（“ＢＳＥ”）により気体中で発生する。上記電子 は、サンプルから反射された一次ビームからの高エネルギー電子である。ＢＳＥ は高速度を有しており、この高速度はＢＳＥがサンプルと検出器の間の気体中の 分子に衝突する可能性を減少させる。よって、わずかなＢＳＥのみが有用な気体 相互作用を発生させることがわかった。したがって、検出器電極により集められ た多くの信号は二次電子の増幅により発生する。 米国特許第５、３６２、９６４号には、ＢＳＥのような他の発生源により発生 した信号の収集を最小にさせながら、ＳＥ収集を最大にさせるＥＳＥＭ用の気体 検出器の設計における改良が開示されている。したがって、ＢＳＥにより発生し た信号のみを集めるように設計されたＥＳＥＭの検出器配置を提供することが望 まれていることが分かった。 Danilatosらへの米国特許第４、８９７、５４５号には、さまざまな電極がＳ Ｅ及びＢＳＥ情報のさまざまな部分を集める多重電極構造を開示している。ある 電極はＳＥでの豊富な信号を集め、またある電極はＢＳＥでの豊富な信号を集め る。しかしながら、上記米国特許は、ＢＳＥ信号のみを集める電極検出器に関す るものではない。さらに、先行技術は後方散乱電子（ＢＳＥ）を二次電子（ＳＥ ）に変換し、それから生じたＳＥ信号を高真空ＳＥＭでのみ集めることに関する 。しかしながら、気体環境においてＢＳＥ信号検出器を発生させる上記変換原理 の利用は存在しない。 したがって、本発明の目的は、先行技術における前述の欠如を回避する環境走 査型電子顕微鏡用の改良電子検出器を提供することにある。 さらに本発明の目的は、後方散乱電子信号のみを集めるように意図された専用 気体電子検出器の形である環境走査型電子顕微鏡用の改良電子検出器を提供する ことである。 本発明の他の目的は、二次及び後方散乱電子モード間の切替え可能な環境走査 型電子顕微鏡用の二重電子検出器を提供することである。 本発明の更なる目的は、電子信号の増幅を、次に続く電子回路のノイズを低減 させるのに十分高いレベルへ持っていく環境走査型電子顕微鏡を提供することで ある。 本発明の更なる別の目的は、気体環境におけるＢＳＥ信号検出器を生じさせる 変換原理を利用する環境走査型電子顕微鏡を提供することである。 本発明のさまざまな他の目的、効果及び特徴は、次の詳細な説明から容易に明 らかとなり、特に新規な特徴を添付した特許請求の範囲に指摘する。 本発明は後方散乱電子信号のみを集めるように意図された環境走査型電子顕微 鏡用の専用気体電子検出器に関する。加えて、本発明は二次と後方散乱電子モー ドの間を切替え可能にする環境走査型電子顕微鏡用の二重気体電子検出器に関す る。 環境走査型電子顕微鏡において、本発明を利用することは、電子検出器を利用 し、電子ビームを電子銃により発生させ、電子ビームが集束され、電子光学カラ ムの低い端に設けられた最終圧制限穴の径を走査されるまで、電子光学カラムを 通過する。最終圧制限穴は、試料チャンバーの比較的低真空から電子光学カラム の比較的高真空を分離させる。 試料チャンバーは電子光学カラムの下に位置し、最終圧制限穴と合わせて気体 中に包まれた試料を維持することができ、その結果試料表面は電子の集束ビーム に晒される。試料ステージは試料チャンバー内に位置し、最終圧制限穴の下約１ 〜１０mmに試料を支えるために配置され、集束電子ビームが試料と相互作用する ことを可能にする。試料チャンバーにおいて、試料は約１０^-2と５０トルの間、 好ましくは１と１０トルの間の圧に維持される。 後方散乱電子信号のみを集めるように意図された専用気体検出器を提供するた めに、本発明は衝突したサンプルの表面から放出された後方散乱電子が、変換器 プレートの表面で二次電子を発生させる負にバイアスをかけられた変換器プレー トを含む検出器組立体を含む。上記二次電子は“変換後方散乱電子”という。さ らに変換器プレートは試料チャンバーと電子カラムの間の最終圧制限穴として働 く。 さらに、検出器組立体は変換器プレートにより発生した変換後方散乱電子のみ を集める検出器部材を含む。以下に詳細に説明されるように、上記検出器部材は コレクショングリッド、コレクションプレート、又はコレクターリングの形であ る。 作動状態において、電子ビームは変換器プレートの中央開口部を通過し、それ から試料チャンバーにある試料に衝突する前に、検出部材にある穴を通過する。 検出部材はゼロ電位で保持され、したがって、試料で発生する二次電子信号を集 めることはできない。後方散乱電子は検出部材の穴配置を通過し、変換器プレー トに衝突する。結果として、二次電子は変換器プレートの表面で発生する（“変 換後方散乱電子”）。それから変換後方散乱電子は、変換器プレートと検出器部 材との間に生じた電界により試料チャンバーの気体内で、二次電子が従来の気体 二次電子検出器で増幅されると同じ方法で増幅される。気体中での変換後方散乱 電子信号の十分な増幅を得るために、変換器プレートとコレクターグリッド/プ レート/リングの間の間隔は、約１〜５mmの範囲が好ましい。したがって、検出 器部材の配置（つまりコレクショングリッド、コレクションプレート又はコレク ターリング）は、サンプルからの二次電子信号を集めるのではなく、増幅された 変換後方散乱電子信号のみを集める。 変換器プレートの効率は、後方散乱電子を二次電子へ効率よく変換させる材料 から変換器プレートを作ることにより増大する。したがって、好ましい実施例に おいて、変換器プレートは金又はマグネシウム塗布された、又は後方散乱電子か ら二次電子が高収量発生することが周知である他の材料から作られることが好ま しい。 さらに本発明は、二次電子検出と後方散乱電子検出との間若しくは双方の相互 間に容易に切替え可能であり、簡単で低コストな検出器配置に関する。この二重 電極検出器組立体は、変換器プレートと前記説明した検出器部材（つまりコレク ショングリッド、コレク ションプレート又はコレクティングリング）の一つを利用する。しかしながら、 二重電子検出器配置において、所定の電圧が変換器プレートに印加され、検出器 部材は二次電子信号、後方散乱電子信号のみ、又は双方を集める。 したがって、Ｖ_gが電子信号の必要な増幅を得るための電圧ならば、二次電子 信号は変換器プレートが+Ｖ_gの電圧でバイアスがかけられ、検出器部材が+Ｖ_gの 電圧でバイアスがかけられているなら、二重検出器によってのみ検出される。上 記二重検出器配置により、変換器プレートは-Ｖ_gの電圧でバイアスがかけられ、 検出器部材は０Ｖでバイアスがかけられていれば、後方散乱電子信号のみが検出 される。加えて、検出器部材へ印加された電圧が+Ｖ_gであり、変換器プレートへ 印加された電圧が-Ｖ_gと+Ｖ_gの間であるならば、二次および後方散乱電子信号の 双方が検出可能である。したがって、二次電子検出、後方散乱電子検出の間、又 は双方の相互間で容易に切替え可能であるように、二重電子検出器配置は設計さ れた。 短い気体通路の二重検出器組立体を改良するために、絶縁円錐部は変換器プレ ートの下で接続される。絶縁円錐部の穴はサンプルにさらに近い圧制限穴を形成 する。 加えて、“形態的”つまり後方散乱電子画像を示すために、検出器部材は電子 ビーム軸の周りに対称であるように形成される。したがって、検出器部材は分離 収集装置の形である。分離収集装置の二つのセグメントからの信号は、正常な材 料コントラストを与えるために足され、形態的画像を得るために引き算される。 記述された実施例を特定することのみにより、本発明の範囲を制限する意図の ない例により示された以下の詳細な説明は、添付図面とともに最善に理解される 。 図１は、従来の環境走査型電子顕微鏡の試料チャンバーにおける気体信号増幅 を説明する略図である。 図２は、従来のＳＥＭにおける電子カラムと試料チャンバーの略図である。 図３Ａは、本発明の教示による環境走査型電子顕微鏡用の専用気体後方散乱電 子検出器の好ましい実施例の略図である。 図３Ｂは、変換器プレートと等角図のコレクショングリッドを具体的に示す図 ３Ａの略図に相当する線図である。 図４は、本発明の教示による環走査型境電子顕微鏡用の専用気体後方散乱電子 検出器の他の好ましい実施例を示す略図である。 図５は、本発明の教示による環境走査型電子顕微鏡用の専用期待後方散乱電子 検出器の更に別の好ましい実施例の略図である。 図６は、図３から図５の専用気体後方散乱電子検出器とともに利用される多重 に区分化された電子検出器の好ましい実施例の平断面図である。 図７は、二次電子及び後方散乱電子信号の双方を集める、本発明の教示による ＥＳＥＭの二重電子検出器の好ましい実施例の略図である。 図８は、一次ビームの比較的長い気体通路を示す図７の二重電子検出器組立体 の略図である。 図９は、二重電子検出器に絶縁円錐部を加え、電子ビームの短い気体通路を設 けたことを具体的に示す図７の二重電子検出器における改良の略図である。 図２を参照するに、米国特許第５、３６２、９６４号及び第５、４１２、２１ １号に記載された先行の環境走査型電子顕微鏡の内容は、引用文献に含まれる。 本環境走査型電子顕微鏡において、調査されるサンプル表面から放出される二次 及び後方散乱電子を発生させ、増幅し、及び検出する装置が提供されている。具 体的には、電子ビーム３２は電子光学カラム３４と電子銃（図示せず）による対 物レンズ組立体３１を通過する。電子光学カラム３４内では、電子 ビームは、引用文献に含まれる米国特許第４、８２３、００６号及び第５、２５ ０，８０８号に開示された内容である差圧排気システムの影響を受ける。電子光 学カラム３４はその低い端で最終圧制限穴３６を含む。最終圧制限穴３６は穴支 持体３５の低い端内に形成される。上記穴支持体３５は、引用文献に含まれる米 国特許第４、８２３、００６号の内容に含まれる。電子ビームは、電子ビームの 強度を制御するのに利用される磁気レンズ３７及び３９を通過する。真空カラム に隣接した対物レンズ組立体３１内に配置された集束手段４０は、電子ビームを 最終圧制限穴３６を通すように向かわせることができる。 図２の先行のＥＳＥＭ構造において、ビームは最終圧制限穴３６を通り試料チ ャンバー４２へ順次向かい、ビームは試料ステージ４６上に支えられた試料４４ に当たる。試料マウント又はステージ４６は試料チャンバー４２内に位置し、最 終圧制限穴３６から約１〜２５mm、好ましくは１〜１０mm下で試料４４を支える ように配置され、電子ビームが試料と相互作用することを可能にする。試料チャ ンバー４２は電子光学カラム３４の下に配置され、最終圧制御穴３６と合わせて 約１０^-2と５０トルの間の圧で気体、好ましくは窒素又は水蒸気中に包まれたサ ンプル４４を維持することが可能であり、その結果試料表面は電子銃から放出さ れ、最終圧制限穴３６を通過する電荷を帯びた粒子ビームに晒される。 後方散乱電子信号のみを集める専用気体後方散乱気体電子検出器の好ましい実 施例を、図３Ａに示す。この電子検出器において、電子光学カラムからの電子ビ ームは変換器プレート５２にある中央開口部５０を通過し、それからサンプル５ ８に突き当たる前に、検出器部材５６の中央穴５４を通過する。さらに、変換器 プレート５２は試料チャンバーと電子カラムの間の最終圧制限穴として働く（図 ２の３６と一致する）。 図３Ａに示す実施例において、検出器部材５６はワイヤーメッ シュ構造を有するコレクショングリッドの形である。変換器プレート５２及びコ レクショングリッド５６は、ＥＳＥＭ試料チャンバー６０の気体環境内で支えら れる。 コレクショングリッド５６は大地電位に保持され、よって試料で発生した二次 電子信号を集めることができない。変換器プレート５２は電源６２による負電圧 に保持される。 図３Ａ及び図３Ｂに模式的に表わすように、後方散乱電子（ＢＳＥ）６３はコ レクショングリッド５６のワイヤーメッシュ構造に設けられた貫通孔を通過し、 変換器プレート５２に突き当たる。このことにより、変換器プレート５２の表面 で二次電子が発生する。単純化のために、変換器プレート５２の表面で発生した 上記二次電子は、“変換後方散乱電子”という。上記変換後方散乱電子は、変換 器プレート５２とコレクショングリッド５６の間に生じた電界により、サンプル 表面から放出された二次電子が従来の気体二次電子検出器で増幅されたのと同じ 方法で、試料チャンバーの気体中で増幅される。 さらに、ＥＳＥＭ試料チャンバーの気体環境中での信号増幅は電子信号の十分 な増幅を得るために、約１〜５mmの距離を必要とすることは周知である。よって 、変換器５２とコレクショングリッド５６のような検出器部材は、約１〜５mmの 距離を開けるべきである。 それから、上記変換後方散乱電子信号は信号増幅器５５を通して、更なる増幅 のために、コレクショングリッド５６により集められる。よって、電子検出配置 は二次電子信号を集めないが、代わりに増幅された変換ＢＳＥ信号のみを集める ように設計される。 図４の代わりの実施例において、コレクショングリッド５６はコレクションプ レート６６により交換される。コレクションプレート６６は中央に比較的大きな 穴６８を有し、ＢＳＥを貫通させるが、変換ＢＳＥを十分集める程の大きさであ る。 図５は代わりの専用気体電子検出器を示し、増幅された変換ＢＳ Ｅ信号を集めるために、コレクションリング７０が利用される。コレクションリ ング７０は環状であることが好ましく、リング面積は後方散乱電子が、変換器プ レート５２を何の障害もなく通過することを可能にするのに十分の大きさである 。 ＥＳＥＭの多くの応用において、単一電極（グリッド、プレート又はリング） はサンプル実験において発生した材料により汚染されっる。よって、単一電極を 損傷させずに洗浄可能であることは望ましい。したがって、コレクショングリッ ドを洗浄し、ＢＳＥの高透過の開口構造を維持することは難しいので、この点に 関して、図３Ａのコレクションプレート及び図４のコレクションリングは効果的 である。 後方散乱電子を二次電子へ効率的に変換される材料で変換機プレート５２を作 ることにより、コレクション電極で集められた信号は増大する。金はＢＳＥから 高収量のＳＥを発生させることが周知であり、酸化マグネシウムのような特定の 他の材料も利用される。 さらに、後方散乱電子検出器イメージングの優れた利用により、最小形態情報 で材料コントラストを示す画像を生じさせる。この場合には、検出器は前記した ように、一次ビーム軸の周りに対称的であることが必要である。 しかしながら、電子信号を集めるために、図６に示すような分離収集装置７２ を利用することにより一般的に行われる“形態的”ＢＳＥ画像を示す能力が必要 である。分離収集装置７２は二つのセグメント７２ａと７２ｂとを含み、セグメ ントの信号は通常の材料コントラストを得るために足され、形態的画像を得るた めに引き算がされる。 さらに、図３Ａ、３Ｂ、４及び５の専用気体後方散乱電子検出器配置は二次電 子検出、後方散乱電子検出、又は双方の相互間で容易に切替え可能である簡単で 低コスト検出器を作るのに利用される。二次電子及び後方散乱電子信号を集める ための上記二重検出器を、 図７に示す。 図３Ａ、３Ｂ、４及び５に示す検出器配置と比較して、コレクタープレート/ グリッド/リングは図７に示すＶ１の電圧でバイアスがかけられる。変換器プレ ート５２はＶ２の電圧でバイアスがかけられる。Ｖ_gが必要な電子信号増幅を得 るために必要とされる電圧であるならば、以下のチャートには、コレクショング リッド/コレクションプレート/コレクターリング上に集められる電子信号を示す 。 コレクションプレート/グリッド/リング 上に集められた信号 Ｖ１ Ｖ２ 二次電子 +Ｖ_g +Ｖ_g 後方散乱電子 ０Ｖ -Ｖ_g 二次電子と後方散乱電子 の双方 +Ｖ_g -Ｖ_gから+Ｖ_g 電子信号の必要な増幅を得るために、一般にはＶ_gは約１００〜５００ボルト の範囲である。 図８は、一次ビームの比較的長い通路のある二重電子検出器を示す。試料５８ は、二次電子信号の十分な増幅を発生させるために、コレクターリング７０の下 約１〜５mmに配置させる必要がある。さらに、後方散乱電子信号の十分な増幅を 得るために、コレクターリング７０は変換器プレート５２から約１〜５mmに配置 される。よって、図８の二重検出器配置において、一次電子ビームは約２〜１０ mmの気体中を移動しなければならない。このことは著しいビーム損失を招来させ 、性能減少を誘発する。 したがって、改良二重電子検出器は一次ビームの気体通路を短くするように設 計された。上記改良二重検出器配置を図９に示す。図 ９に示すように、絶縁円錐部８０は変換器プレート５２の下に接続される。絶縁 円錐部８０の低い開口部８１は、サンプルにさらに近い圧制限穴を形成する。検 出器リング７０と変換器プレート５２の間に高電圧が存在するので、円錐部８０ は電気的に絶縁でなければならない。 さらに、本発明は一次ビームの気体通路の効果を利用する。この目的のために 、従来の米国特許第５、２５０、８０８号には、差圧排気システムのある気体検 出器を統合させて、試料チャンバー一内の高気体圧までも有する電子カラムでの 高真空を可能にすることが開示されている。 環境走査型電子顕微鏡の先行の気体二次電子検出器において、一次ビームは増 幅に利用される同じ高圧気体ゾーンを通過する。一次電子と気体の間の相互作用 のために、このことは一次ビームのある程度の損失を引き起こす。１〜５mmの間 隔で、損失は通常許容される。 しかしながら、本発明の専用気体後方散乱電子検出器を利用する際に、一次ビ ームは変換器プレートとコレクションプレート/グリッド/リングの間の気体を移 動しなければならない。コレクターリングがゼロ電圧であるので、サンプルは後 方散乱電子検出用のコレクターグリッドの近くに配置されることが効果的である 。したがって、本発明の気体後方散乱電子検出における一次ビームの気体通路を 最小にさせるために、サンプルはコレクショングリッドの近くに配置され、必要 な気体増幅がさらに得られる。 したがって、本発明の一般的な目的によれば、環境走査型電子顕微鏡の改良電 子検出器は、後方散乱電子信号のみを集めるように意図された専用気体検出器の 形で提供される。さらにこの専用気体検出器は、信号の増幅を次に続く電子検出 器のノイズを低減させるのに十分高いレベルへもっていく。さらに、本発明は二 次電子検出、後方散乱電子検出、又は双方の相互間で容易に切替え可能である簡 単で、低コストな電子検出器を可能にする。 本発明は特定の好ましい実施例を参照して、特に示し説明されたが、本発明の 精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変形及び修正が可能であることは 、当業者には容易に理解される。添付した特許請求の範囲は、前述の内容と同様 にさまざまな他のかかる変形及び修正を含むものと解釈されるものである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 方の相互間で容易に切替え可能である簡単で、低コスト 電子検出器を製造するために利用される。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． （ａ） 試料チャンバーの気体環境内に包まれた試料に向かって電子カラ ムから電子ビームを発生させ導く手段と、 （ｂ） 試料チャンバーの気体環境内に位置し、試料から放出される後方散乱 信号のみを検出し、衝突したサンプルの表面から放出された後方散乱電子は変換 器プレートの表面で二次電子を発生させ、変換後方散乱電子を形成させる負にバ イアスをかけられた変換器プレートを含む検出器手段とを含む環境走査型電子顕 微鏡。 ２． 前記変換器プレートは前記電子ビームが通過する中央開口部を有する請求 項１記載の環境走査型電子顕微鏡。 ３． 前記変換器プレートの前記中央開口部は電子カラムと試料チャンバーの間 の最終圧制限穴を画成する請求項２記載の環境走査型電子顕微鏡。 ４． 前記検出器手段は前記変換器プレートにより発生した変換後方散乱電子の みを集める手段をさらに有する請求項１記載の環境走査型電子顕微鏡。 ５． 前記変換後方散乱電子収集手段は信号増幅器に接続されたコレクショング リッドの形である請求項４記載の環境走査型電子顕微鏡。 ６． 前期コレクショングリッドは試料で発生した二次電子を集めないように接 地バイアスをかけられた請求項５記載の環境走査型電子顕微鏡。 ７． 前記変換後方散乱電子収集手段は電子ビーム軸の周りに対称である一組の 収集セグメントを有する分離収集装置である請求項４記載の環境走査型電子顕微 鏡。 ８． 前記変換器プレート及び前記変換後方散乱電子収集手段は約１〜５mmの範 囲でお互いに離れている請求項４記載の環境走査型電子顕微鏡。 ９． 前記変換器プレートの底表面に接続され、前記変換器プレートの底表面か ら延在し、試料チャンバー内の短い電子ビーム通路が生じるように低い端に最終 圧制限穴を有する絶縁円錐部をさらに含む請求項４記載の環境走査型電子顕微鏡 。 １０． 前記変換器プレートは後方散乱電子の二次電子への変換効率を増大させ 、金及び酸化マグネシウムから成る群から選ばれる材料から少なくとも部分的に 作られる請求項１記載の環境走査型電子顕微鏡。 １１． （ａ） 試料チャンバーの気体環境内に包まれた試料に向かって電子カ ラムから電子ビームを発生させ導く手段と、 （ｂ） 二次電子信号及び試料から放出される後方散乱電子信号の双方を検出 し、試料の気体環境中に配置され、二次電子信号と後方散乱電子信号の検出の間 を切替え可能にする二重検出器手段とを含む環境走査型電子顕微鏡。 １２． 前記二重検出器手段は衝突したサンプルの表面から放出される後方散乱 電子が変換後方散乱電子を生じさせる電圧Ｖ２でバイアスをかけられた変換器プ レートを含み、前記試料チャンバーにある前記変換器プレートの下に位置し、二 次及び電圧Ｖ１でバイアス をかけられた後方散乱電子信号を集める手段をさらに含み、Ｖ_gが試料チャンバ ーの気体環境内の電子信号の必要な増幅を得るための電圧であり、Ｖ１が+Ｖ_gで あり、Ｖ２が+Ｖ_gであるならば二次電子信号のみが前記二重検出器手段により検 出され、Ｖ１が０Ｖであり、Ｖ２が-Ｖ_gであるならば、後方散乱電子信号のみが 検出され、Ｖ１が+Ｖ_gであり、Ｖ２が-Ｖ_gと+Ｖ_gの間にあるならば二次及び後方 散乱電子信号の双方が検出される請求項１１記載の環境走査型電子顕微鏡。 １３． Ｖ_gは約１００〜５００ボルトの範囲である請求項１２記載の環境走査 型電子顕微鏡。