JP2018195592A - 荷電粒子線装置及び走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線装置又は走査電子顕微鏡の性能向上を図ることができる。【解決手段】荷電粒子線装置は、荷電粒子線（１２）を放出する荷電粒子源と、荷電粒子源に接続され、荷電粒子線（１２）を加速する加速電源と、荷電粒子線（１２）を試料（２３）に集束させる第２の対物レンズ（２６）と、第２の検出器（１１０）とを有する。第２の対物レンズ（２６）は、試料（２３）に対して荷電粒子線（１２）が入射する側の反対側に設置されている。第２の検出器（１１０）には、荷電粒子線（１２）の入射に伴い試料（２３）から放出された電磁波及び試料（２３）で反射された電磁波のうち少なくとも１つが入射する。第２の検出器（１１０）は、入射した電磁波を検出する。【選択図】図１

Description

本発明は、荷電粒子線装置及び走査電子顕微鏡に関する。より特定的には、本発明は、性能向上を図ることができる荷電粒子線装置及び走査電子顕微鏡に関する。

荷電粒子線装置としては、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下、「ＳＥＭ」と略す。）、ＥＰＭＡ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｒｏｂｅ Ｍｉｃｒｏ Ａｎａｌｙｓｅｒ）、電子ビーム溶接機、電子線描画装置、及びイオンビーム顕微鏡などが存在する。

従来のＳＥＭでは、高分解能化の観点からレンズの短焦点化に工夫が成されている。高分解能化のためには、レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）においてＢを強く、かつレンズの厚み、つまりＢ分布のｚ幅を薄くすることが必要である。

下記特許文献１には、２つの対物レンズ（第１の対物レンズと第２の対物レンズ）を備えたＳＥＭが記載されている（以後、試料に対して電子銃側のレンズを第１の対物レンズといい、試料から見て電子銃の反対側にある対物レンズを第２の対物レンズと呼ぶ）。第２の対物レンズは、特に、加速電圧Ｖａｃｃが０．５〜５ｋＶの低加速時における高分解能観察モードで用いられる。第１の対物レンズは、加速電圧Ｖａｃｃが０．５〜３０ｋＶにおける通常の観察モードで用いられる。

下記特許文献１において、第１の対物レンズと第２の対物レンズとは同時に動作させることはなく、モード毎にモード切り替え手段によって切り替えられる。また、下記特許文献１の第２の実施例（［００１７］段落）では、第２の対物レンズの磁極の一部を電気的絶縁部を介して電流電位的に分離することが記載されている。そして、磁極の一部と試料には、電圧Ｖｄｅｃｅｌが印加される。

下記特許文献１の第１の実施例（［００１０］〜［００１６］段落）では、二次電子（又は反射電子）検出器は、第１の対物レンズよりもさらに電子銃側に置かれている。試料部で発生した二次電子（又は反射電子）は、第１の対物レンズの中を通過して検出器に入る。

下記特許文献２も、ＳＥＭの構成を開示している。特許文献２のＳＥＭにおいて対物レンズは、試料に対して電子銃とは反対側に配置される。二次電子は二次電子検出器からの引込み電界により偏向されて、二次電子検出器に捕獲される。

特開２００７−２５０２２３号公報 特開平６−１８１０４１号公報

本発明は、荷電粒子線装置又は走査電子顕微鏡の性能向上を図ることを目的としている。

上記目的を達成するためこの発明のある局面に従うと、荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、前記荷電粒子源に接続され、前記荷電粒子源から放出された前記荷電粒子線を加速する加速電源と、前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズと、前記荷電粒子線を前記試料上に走査させる偏向コイルと、前記荷電粒子線の焦点を光軸方向に移動させ、各焦点において、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された電磁波を検出する検出器とを備え、前記各焦点において検出された電磁波を用いた複数の画像から３次元データを構築し、表示装置を用いて３次元画像を表示する。

本発明によれば、荷電粒子線装置又は走査電子顕微鏡の性能向上を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態におけるＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態で、第１の対物レンズを使い、反射電子及び二次電子を検出する場合を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態で、主な集束に第２の対物レンズを使い、二次電子を検出する場合を示す概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態でのリターディング時のレンズ部を説明するための図であり、（ａ）リターディング時の等電位線、（ｂ）第２の対物レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）、及び（ｃ）リターディング時の荷電粒子の速度を説明する図である。 本発明の第１の実施の形態での絶縁部と試料台の他の構成を説明する概略断面図である。 本発明の第１の実施の形態における、第１の対物レンズによる開き角αの調整を説明する図であり、（ａ）シミュレーションデータ３（Ｖａｃｃ＝−１ｋＶ）、（ｂ）シミュレーションデータ４（Ｖａｃｃ＝−１０ｋＶ、Ｖｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶ）、及び（ｃ）シミュレーションデータ５（Ｖａｃｃ＝−１０ｋＶ、Ｖｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶ、第１の対物レンズを使用）に対応する図である。 本発明の第１の実施の形態において、偏向コイルの上下偏向コイルの強度比調整で偏向の交点を調整することを説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態において、第１の対物レンズがない簡易的な場合を説明する概略断面図である。 本発明の第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。 従来の構造を有するＳＥＭの装置構成を模式的に示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一変形例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。 第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。 本発明の第５の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一例を示す断面図である。 第５の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一変形例を示す断面図である。

次に、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面は模式的なものであり、寸法や縦横の比率は現実のものとは異なることに留意すべきである。

また、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具現化するための装置や方法を例示するものである。本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

［第１の実施の形態］
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態であるＳＥＭの概略構成を説明する。

このＳＥＭは、電子源（荷電粒子源）１１と、加速電源１４と、コンデンサレンズ１５と、対物レンズ絞り１６と、二段偏向コイル１７と、対物レンズ１８、２６と、検出器２０とを備えた電子線装置である。加速電源１４は、電子源１１から放出される一次電子線（荷電粒子線）１２を加速する。コンデンサレンズ１５は、加速された一次電子線１２を集束する。対物レンズ絞り１６は、一次電子線１２の不要な部分を除く。二段偏向コイル１７は、一次電子線１２を試料２３上で二次元的に走査する。対物レンズ１８、２６は、一次電子線１２を試料２３上に集束させる。検出器２０は、試料２３から放出された信号電子２１（二次電子２１ａ、反射電子２１ｂ）を検出する。

ＳＥＭは、電磁レンズの制御部として、第１の対物レンズ電源４１と、第２の対物レンズ電源４２と、制御装置４５とを備える。第１の対物レンズ電源４１は、第１の対物レンズ１８の強度を可変する。第２の対物レンズ電源４２は、第２の対物レンズ２６の強度を可変する。制御装置４５は、第１の対物レンズ電源４１と第２の対物レンズ電源４２とを制御する。

制御装置４５は、第１の対物レンズ１８の強度と第２の対物レンズ２６の強度とを、独立に制御できる。制御装置４５は、両レンズを同時に制御できる。また、図には示していないが、各電源は制御装置４５に接続されることで調整できるようになっている。

電子源１１としては、熱電子放出型（熱電子源型）、電界放出型（ショットキー型、又は冷陰極型）を用いることができる。第１の実施の形態では、電子源１１に、熱電子放出型のＬａＢ６などの結晶電子源、又はタングステンフィラメントが用いられている。電子源１１とアノード板（接地電位）との間には、例えば加速電圧−０．５ｋＶから−３０ｋＶが印加される。ウェーネルト電極１３には、電子源１１の電位よりも負の電位が与えられる。これにより、電子源１１から発生した一次電子線１２の量がコントロールされる。そして、電子源１１のすぐ前方に、一次電子線１２の一度目の最小径であるクロスオーバー径が作られる。この最小径が、電子源の大きさＳｏと呼ばれる。

加速された一次電子線１２は、コンデンサレンズ１５により集束される。これにより、電子源の大きさＳｏが縮小する。コンデンサレンズ１５により、縮小率及び試料２３に照射される電流（以下、プローブ電流と呼ぶ。）が調整される。そして、対物レンズ絞り１６により、不用な軌道の電子が取り除かれる。対物レンズ絞り１６の穴径に応じて、試料２３に入射するビームの開き角αとプローブ電流とが調整される。

対物レンズ絞り１６を通過した一次電子線１２は、走査用の二段偏向コイル１７を通過した後、第１の対物レンズ１８を通過する。汎用ＳＥＭは、第１の対物レンズ１８を使って、一次電子線１２の焦点を試料２３上に合わせる。図１のＳＥＭはこのような使い方もできる。

図１において、電子源１１から第１の対物レンズ１８までの構成により、一次電子線１２を試料２３に向けて射出する上部装置５１が構成される。また、電位板２２と、それよりも下に配置される部材とにより下部装置５２が構成される。下部装置５２に試料２３は保持される。上部装置５１は、その内部を通った荷電粒子線が最終的に放出される孔部１８ｃを有している。第１の実施の形態ではその孔部１８ｃは、第１の対物レンズ１８に存在する。検出器２０は、上部装置５１と下部装置５２との間に配置されている。より具体的には、検出器２０は、その孔部１８ｃの下に取り付けられている。検出器２０も、一次電子線１２が通過する開口部を有している。検出器２０は、孔部１８ｃと開口部とが重なるように、第１の対物レンズ１８の下部に取り付けられる。第１の対物レンズ１８の下部に複数の検出器２０が取り付けられてもよい。複数の検出器２０は、一次電子線１２の軌道をふさがないようにしつつ、検出器２０の検出部を上部装置５１の孔部１８ｃ以外にはできるだけ隙間がないようにして、取り付けられる。

図２に、第１の対物レンズ１８を使って、一次電子線１２の焦点を試料２３上に合わせる場合の例を示す。特に、厚みのある試料２３はこの方法で観察される。

一方で、第２の対物レンズ２６を主に使うときは、第１の対物レンズ１８を通過した一次電子線１２は、第２の対物レンズ２６で縮小集束される。この第２の対物レンズ２６は、試料２３に近づくほど強い磁場分布をしているため（図４の（ｂ）参照）、低収差レンズを実現している。また、第１の対物レンズ１８は、見やすい画像になるように、開き角αをコントロールすること、ならびに縮小率やレンズの形状、及び焦点深度を調整することに用いられる。すなわち、第１の対物レンズ１８は、これらの各制御値を最適化するのに用いられる。また、第２の対物レンズ２６のみで一次電子線１２を集束しきれない場合には、第１の対物レンズ１８で一次電子線１２を集束させるための補助を行うこともできる。

図３を参照して、リターディングをしない場合についての動作を説明する。

リターディングをしない場合には、図１の電位板２２は取り外してもよい。試料２３はできるだけ第２の対物レンズ２６に近づくように設置するのが良い。より詳しくは、試料２３は、第２の対物レンズ２６の上部（上面）からの距離が５ｍｍ以下になるように、第２の対物レンズ２６の上部に近づけて設置するのが好ましい。

一次電子線１２は、加速電源１４で加速されたエネルギーで試料２３上を走査する。そのとき二次電子２１ａは、第２の対物レンズ２６の磁場により磁束に巻きついて螺旋運動をしながら上昇する。二次電子２１ａは、試料２３表面から離れると、急速に磁束密度が低下することにより旋回から振りほどかれて発散し、二次電子検出器１９からの引込み電界により偏向されて二次電子検出器１９に捕獲される。すなわち、二次電子検出器１９は、二次電子検出器１９から発生する電界が、荷電粒子線によって試料から放出される二次電子を引き付けるように、配置される。このようにして、二次電子検出器１９に入る二次電子２１ａを多くすることができる。

次に、図４を用いてリターディングをする場合について概略を説明する。図４において、（ａ）はリターディング時の等電位線を示し、（ｂ）は第２の対物レンズの光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）を示し、（ｃ）はリターディング時の荷電粒子の速度を示している。

図４の（ｂ）に示されるように、第２の対物レンズ２６の光軸上磁束密度は試料に近いほど強い分布をしているので、対物レンズは低収差レンズになる。そして、試料２３に負の電位を与えると、一次電子線１２は試料２３に近づくほど減速する（図４の（ｃ）参照）。一次電子線１２は速度が遅いほど磁場の影響を受けやすくなるため、試料２３に近いほど第２の対物レンズ２６が強いレンズになるといえる。そのため、試料２３に負の電位を与えると、第２の対物レンズ２６はさらに低収差のレンズとなる。

また、信号電子２１は、試料２３のリターディング電圧による電界で加速され、エネルギー増幅して検出器２０に入る。そのため、検出器２０は高感度となる。このような構成にすることで、高分解能な電子線装置を実現できる。

また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離は、１０ｍｍから２００ｍｍとされる。より好ましくは３０ｍｍから５０ｍｍとすることが望ましい。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離が１０ｍｍより近いと、第１の対物レンズ１８の直下に置いた検出器２０で反射電子２１ｂが検出できる。しかし、リターディング時に二次電子２１ａが第１の対物レンズ１８の中に引きこまれやすくなる。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離を１０ｍｍ以上離すことで、二次電子２１ａは検出器２０で検出されやすくなる。また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との隙間が３０ｍｍ程度ある場合には、試料２３の出し入れがとても行いやすくなる。

次に、各部品の構成について詳細に説明する。まず第２の対物レンズ２６の形状について、図１を参照して説明する。

第２の対物レンズ２６を形成する磁極は、一次電子線１２の理想光軸と中心軸が一致した中心磁極２６ａと、上部磁極２６ｂと、筒形の側面磁極２６ｃと、下部磁極２６ｄとからなる。中心磁極２６ａは、上部ほど径が小さくなる形状である。中心磁極２６ａの上部は、例えば１段又は２段の円錐台形状である。中心磁極２６ａの下部は、円柱形状である。中心磁極２６ａの下部の中心軸には、貫通孔がない。上部磁極２６ｂは、中心に向かってテーパ状に中心磁極２６ａの重心に近い側が薄くなる、円盤形状である。上部磁極２６ｂの中心には、開口径ｄの開口が空いている。中心磁極２６ａの先端径Ｄは、６ｍｍより大きく１４ｍｍより小さい。開口径ｄと先端径Ｄとの関係は、ｄ−Ｄ≧４ｍｍとされる。

次に、磁極の具体的な例を示す。中心磁極２６ａと上部磁極２６ｂとの両者の試料側の上面は、同じ高さとされる。中心磁極２６ａの下部外径は６０ｍｍである。この外径が細いと、透磁率の低下を招くので好ましくない。

中心磁極２６ａがＤ＝８ｍｍの場合、上部磁極２６ｂの開口径ｄは、１２ｍｍから３２ｍｍとすることが好ましい。より好ましくは、開口径ｄは、１４ｍｍから２４ｍｍである。開口径ｄが大きいほど、光軸上磁束密度分布は山がなだらかになって幅が広がり、一次電子線１２の集束に必要なＡＴ（アンペアターン：コイル巻数Ｎ［Ｔ］と電流Ｉ［Ａ］との積）を小さくすることができるというメリットがある。しかし、開口径ｄと先端径Ｄとの関係がｄ＞４Ｄとなると、収差係数が大きくなる。ここでは上部磁極２６ｂの開口径ｄは２０ｍｍ、側面磁極２６ｃの外径は１５０ｍｍである。また、中心磁極２６ａの軸中心に貫通穴があってもよい。

ここで、例えば厚みが５ｍｍの試料２３に対し、３０ｋＶの高加速電圧でも一次電子線１２を集束させる場合には、先端径Ｄは６ｍｍより大きく１４ｍｍより小さくするのがよい。Ｄを小さくしすぎると、磁極が飽和し、一次電子線１２が集束しない。一方で、Ｄを大きくすると性能が悪くなる。また、ｄとＤとの大きさの差が４ｍｍより小さいと、磁極が近すぎて飽和しやすくなり、一次電子線１２が集束しない。また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離が１０ｍｍ以下になると、作業性が悪くなる。この距離が２００ｍｍより長すぎると、開き角αが大きくなりすぎる。この場合、収差を最適にするために、第１の対物レンズ１８を使ってαを小さくする調整が必要になり、操作性が悪くなる。

また例えば、５ｋＶ以下の加速電圧のみで使用し、試料２３の厚みが薄い場合は、先端径Ｄは６ｍｍ以下にしてもよい。ただし、例えば加速電圧が５ｋＶである場合において、Ｄを２ｍｍ、ｄを５ｍｍにし、試料２３の厚みを５ｍｍにし、第２の対物レンズ２６のみを用いると、磁極が飽和してしまい、一次電子線１２が集束しない。しかし、試料２３を薄いものに制限すれば、レンズはさらに高性能化できる。

試料２３に電位を与える方法として、第２の対物レンズ２６の磁極の一部に電気的絶縁部を挟んで一部の磁極を接地電位から浮かし、試料２３と磁極の一部にリターディング電圧を与えることもできる。ただし、この場合、磁気回路中に磁性体でないものを挟むと、磁気レンズが弱いものになる。また、リターディング電圧を高くすると放電が発生する。電気的絶縁部を厚くすると、さらに磁気レンズが弱いものになるという問題がある。

図１に示されるように、上部磁極２６ｂと中心磁極２６ａとの間に、非磁性体で成るシール部２６ｆ（例えば銅やアルミニウム又はモネル）を置くことが望ましい。シール部２６ｆは、上部磁極２６ｂと中心磁極２６ａとの間を、Ｏリング又はロウ付けで真空気密にする。第２の対物レンズ２６では、上部磁極２６ｂと、シール部２６ｆ及び中心磁極２６ａとにより、真空側と大気側とが気密分離される。上部磁極２６ｂと真空容器とは、図には示していないが、Ｏリングで気密になるように結合されている。このようにすることで、第２の対物レンズ２６は、真空側の面を除いて、大気にさらすことができるようになる。そのため、第２の対物レンズ２６を冷却しやすくなる。

真空容器の中に第２の対物レンズ２６を入れることもできるが、真空度が悪くなる。コイル部２６ｅが真空側にあると、ガス放出源になるからである。また、このように真空側と大気側とを気密分離しないと、真空引きをしたときにガスが第２の対物レンズ２６と絶縁板２５とが接しているところを通り、試料が動いてしまうという問題がある。

コイル部２６ｅは、たとえば６０００ＡＴのコイル電流にすることができる。コイルが発熱して高温になると、それを原因として、巻線の被膜が融けてショートが発生することがある。第２の対物レンズ２６が大気にさらすことができるようになることにより、冷却効率が上がる。例えば第２の対物レンズ２６の下面の台をアルミニウム製にすることで、その台をヒートシンクとして利用することができる。そして、空冷ファンや水冷などで第２の対物レンズ２６を冷却できるようになる。このように気密分離することで、強励磁の第２の対物レンズ２６とすることが可能になる。

図１を参照して、リターディング部を説明する。

第２の対物レンズ２６の上に、絶縁板２５を置く。絶縁板２５は、例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度の厚みのポリイミドフイルムやポリエステルフイルム等である。そして、その上に、磁性のない導電性のある試料台２４を置く。試料台２４は、例えば底面が２５０μｍ厚のアルミニウム板で、周縁が周縁端に近づくほど絶縁板２５から離れる曲面形状に加工されたものである。試料台２４は、さらに曲面部と絶縁板２５との間の隙間に絶縁材３１が充填されたものであってもよい。このようにすると、第２の対物レンズ２６と試料台２４との間の耐電圧が上がり、安定して使うことができる。試料台２４の平面形状は円形であるが、楕円、矩形など、どのような平面形状であってもよい。

試料台２４の上に試料２３が載置される。試料台２４は、リターディング電圧を与えるために、リターディング電源２７に接続される。電源２７は、例えば０Ｖから−３０ｋＶまで印加できる出力が可変の電源とする。試料台２４は、真空外部から位置移動ができるように絶縁物でできた試料台ステージ板２９に接続されている。これにより、試料２３の位置は変更可能である。試料台ステージ板２９は、ＸＹステージ（図示せず）に接続されており、真空外部から動かすことができる。

試料２３の上には円形の開口部のある導電性板（以下、電位板２２と呼ぶ）が配置される。電位板２２は、第２の対物レンズ２６の光軸に対し垂直に設置される。この電位板２２は、試料２３に対して絶縁して配置される。電位板２２は、電位板電源２８に接続される。電位板電源２８は、例えば０Ｖ及び−１０ｋＶから＋１０ｋＶの出力が可変の電源である。電位板２２の円形の開口部の直径は、２ｍｍから２０ｍｍ程度までであればよい。より好ましくは、開口部の直径は、４ｍｍから１２ｍｍまでであればよい。あるいは、一次電子線１２又は信号電子２１が通過する電位板２２の部分を導電性のメッシュ状にしてもよい。メッシュの網部が電子が通過しやすいように細くされ、開口率が大きくなるようにするとよい。この電位板２２は、中心軸調整のために真空外部から位置を移動できるように、ＸＹＺステージ６１に接続される。ＸＹＺステージ６１は、電位板２２を保持し、Ｘ方向、Ｙ方向、及びＺ方向に電位板２２を移動させるものである。

試料台２４の周縁は電位板２２側に厚みがある。例えば電位板２２が平らであると、電位板２２は試料台２４周縁で試料台２４に近くなる。そうなると放電しやすくなる。電位板２２が、試料２３の近く以外の場所では導電性試料台２４から離れる形状を有していることで、試料台２４との耐電圧を上げることができる。

電位板２２は、試料２３から１ｍｍから１５ｍｍ程度の距離を離すことで、放電しないように配置されている。しかし、離しすぎないように配置されるのがよい。その目的は、第２の対物レンズ２６の作る磁場が強い位置に減速電界を重ねるためである。もし、この電位板２２が試料２３から遠くに置かれた場合、あるいは電位板２２が無い場合、一次電子線１２が第２の対物レンズ２６で集束される前に減速してしまい、収差を小さくする効果が減少する。

それについて図４を参照して説明する（図４は、後で述べるシミュレーションデータ４のときに対応した説明図である）。図４の（ａ）は、リターディング時の等電位線を説明する図である。

仮に電位板２２の開口部が大きすぎ、試料２３と電位板２２との距離が近すぎる場合、等電位線が電位板２２の開口部より電子銃側に大きくはみ出して分布する。この場合、一次電子が、電位板２２に到着するまでに減速してしまうことがある。電位板２２の開口径が小さいほど、電界のもれを減少させる効果がある。ただし、信号電子２１が電位板２２に吸収されないようにする必要がある。そのため、放電を起こさない範囲で試料２３と電位板２２との電位差を調整するとともに、試料２３と電位板２２との距離を調整することと、電位板２２の開口径を適切に選ぶこととが大切となる。

図４の（ｂ）は、第２の対物レンズ２６の光軸上磁束密度分布Ｂ（ｚ）を説明する図である。縦軸はＢ（ｚ）、横軸は座標であり、第２の対物レンズ２６の表面が原点（−０）である。第２の対物レンズ２６に近いほど急激にＢ（ｚ）が大きくなっている様子が示されている。

図４の（ｃ）は、リターディング時の荷電粒子の速度を説明する図である。荷電粒子線の速度は、試料直前で減速していることが示されている。

電位板２２を試料２３の近くに置くことにより、一次電子の速度は、電位板２２近くまではあまり変わらない。そして、一次電子は、電位板２２あたりから試料２３に近づくほど速度が遅くなり、磁場の影響を受けやすくなる。第２の対物レンズ２６の作る磁場も試料２３に近いほど強くなっているので、両方の効果が合わさって、試料２３に近いほどさらに強いレンズになり、収差の小さいレンズになる。

加速電圧をできるだけ大きくしながら、リターディング電圧を加速電圧に近づけることができれば、照射電子エネルギーを小さくして、電子が試料２３の中に入り込む深さを浅くすることができる。これによって、試料の表面形状の高分解能観察が可能になる。さらに収差も小さくできることで、高分解能でかつ低加速のＳＥＭが実現できる。

第１の実施の形態では、試料２３と電位板２２との耐圧を簡単に高くすることができる。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間は１０ｍｍから２００ｍｍの距離とすることができる。そのため、例えば平坦な試料２３であれば、試料２３と電位板２２との間隔を５ｍｍ程度あければ、試料２３と電位板２２とに比較的簡単に１０ｋＶ程度の電位差を印加することができる。尖った部分がある試料２３の場合は放電しないように、距離や開口径を適切に選ぶ必要がある。

図５に、試料の異なる配置例を示す。図５に示されるように、さらに、円筒形で上面がＲ加工された円筒放電防止電極３０を、試料台２４の上の試料２３の周囲に設置して、放電しにくくするとよい。円筒放電防止電極３０は、試料上の等電位線を滑らかにして、試料２３のがたつきによる集束点のずれを緩和するのにも役立つ。

第１の実施の形態における検出器２０として、半導体検出器２０、マイクロチャンネルプレート検出器２０（ＭＣＰ）、又は蛍光体発光方式のロビンソン検出器２０が用いられる。これらの少なくともいずれかが第１の対物レンズ１８の直下に配置される。二次電子検出器１９は、二次電子２１ａを集めるように、電界が試料２３の上方にかかるように配置される。

半導体検出器２０、ＭＣＰ検出器２０又はロビンソン検出器２０は、第１の対物レンズ１８の試料側に接し、光軸から３ｃｍ以内に配置される。より好ましくは、検出部の中心が光軸におかれ、その中心に一次電子が通過する開口部が設けられている検出器２０が使用される。光軸から３ｃｍ以内に設置するのは、リターディングをした場合、信号電子は光軸近くに進むからである。

一次電子線１２は、加速電源１４（Ｖａｃｃ）で加速に用いられた加速電圧からリターディング電圧Ｖｄｅｃｅｌを引いた値、すなわち−（Ｖａｃｃ−Ｖｄｅｃｅｌ）［Ｖ］に電子電荷をかけたエネルギーで、試料２３上を走査する。そのとき、試料２３から信号電子２１が放出される。加速電圧とリターディング電圧との値によって、電子の影響の受け方は異なる。反射電子２１ｂは、第２の対物レンズ２６の磁場によって、回転する力を受けると同時に、試料２３と電位板２２との間の電界のために加速する。そのため、反射電子２１ｂの放射角の広がりが狭まり、検出器２０に入射しやすくなる。また、二次電子２１ａも第２の対物レンズ２６の磁場によって、回転する力を受けると同時に、試料２３と電位板２２との間の電界のために加速して、第１の対物レンズ１８の下にある検出器２０に入射する。二次電子２１ａも反射電子２１ｂも加速し、エネルギーが増幅されて検出器２０に入射するため、信号が大きくなる。

汎用ＳＥＭでは、第１の対物レンズ１８のようなレンズで電子を集束するのが通常である。この第１の対物レンズ１８は、通常、試料２３を第１の対物レンズ１８に近づけるほど高分解能になるように設計されている。しかし、半導体検出器２０などには厚みがあり、その厚み分は第１の対物レンズ１８から試料２３を離す必要がある。また、試料２３を第１の対物レンズ１８に近づけすぎると、二次電子２１ａが、第１の対物レンズ１８の外にある二次電子検出器１９に入りにくくなる。そのため汎用ＳＥＭでは、第１の対物レンズ１８直下の位置に配置され、一次電子が通過する開口部がある厚みの薄い半導体検出器２０が用いられる。試料２３は、検出器２０にぶつからないように少し隙間をあけて置かれる。したがって、試料２３と第１の対物レンズ１８とは少し離れてしまい、高性能化が難しくなる。

第１の実施の形態では、第２の対物レンズ２６を主レンズとして使う場合、試料２３を第２の対物レンズ２６に近づけて設置することができる。そして、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間の距離を離すことができる。例えば３０ｍｍ離せば、１０ｍｍ程度の厚みのあるＭＣＰ検出器２０を第１の対物レンズ１８の直下に置くことが可能になる。また、ロビンソン型の検出器２０や半導体検出器２０を置くことも当然にできる。反射板を置いて、信号電子２１を反射板にあてて、そこから発生又は反射した電子を第２の二次電子検出器で検出する方法もある。同等の作用を持つ様々な信号電子の検出器２０を設置することができる。

次に、レンズ光学系の性能に関連する開き角αについて説明する。

一次電子線１２が試料２３に当たるときのビーム径を、プローブ径と呼ぶ。プローブ径を評価する式として次の式を使う。なお、以下の数式において、「＾」に続く数字はべき指数である。

［数１］プローブ径Ｄｐｒｏｂｅ＝ｓｑｒｔ［Ｄｇ＾２＋Ｄｓ＾２＋Ｄｃ＾２＋Ｄｄ＾２］ ［ｎｍ］
［数２］光源の縮小直径Ｄｇ＝Ｍ１・Ｍ２・Ｍ３・Ｓｏ＝Ｍ・Ｓｏ ［ｎｍ］
［数３］球面収差Ｄｓ＝０．５Ｃｓ・α＾３ ［ｎｍ］
［数４］色収差Ｄｃ＝０．５Ｃｃ・α・ΔＶ／Ｖｉ ［ｎｍ］
［数５］回折収差：Ｄｄ＝０．７５×１．２２×Ｌａｍｂｄａ／α ［ｎｍ］
ここで、電子源の大きさがＳｏ、一段目コンデンサレンズ１５ａの縮小率がＭ１、二段目コンデンサレンズ１５ｂの縮小率がＭ２、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６とが作るレンズの縮小率がＭ３、全縮小率Ｍ＝Ｍ１×Ｍ２×Ｍ３、球面収差係数がＣｓ、色収差係数がＣｃ、試料面での一次電子線１２の開き角がα、照射電圧（一次電子が試料２３に衝突するときのエネルギーに対応する電圧）がＶｉ、一次電子線１２のエネルギー広がりに対応する電圧がΔＶ、電子の波長がＬａｍｂｄａである。

熱電子放出型電子源を用いたＳＥＭの性能の一例について、シミュレーションデータを使って説明する。図１の第１の対物レンズ１８はアウトレンズ型とする。

第１の対物レンズ１８で一次電子線１２を集束する場合を示す。これは、汎用ＳＥＭに対応する。

一次電子線１２のΔＶを１Ｖ、電子源の大きさＳｏを１０μｍとする。Ｍ１×Ｍ２＝０．００２８２とする。穴径３０ミクロンである対物レンズ絞り１６を置いて、不用な軌道電子を取り除く。この対物レンズ絞り１６の穴径によって、試料２３に入射するビームの開き角αとプローブ電流が調整できる。ＷＤを６ｍｍ、加速電圧Ｖａｃｃ＝−３０ｋＶ（Ｖｉ＝３０ｋＶ）とする。シミュレーション計算すると、
（シミュレーションデータ１）
Ｄｐｒｏｂｅ＝４．４ｎｍ、Ｄｇ＝１．５９、Ｄｓ＝３．８１、Ｄｃ＝０．９１６、Ｄｄ＝１．２５、
Ｃｓ＝５４．５ｍｍ、Ｃｃ＝１０．６ｍｍ、α＝５．１９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０５７５となる。

次に、第２の対物レンズ２６で一次電子線１２を集束する場合を示す。

図１の構成で、第２の対物レンズ２６と第１の対物レンズ１８との距離を４０ｍｍとする。第２の対物レンズ２６は、Ｄ＝８ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍとし、αを調整するため対物レンズ絞り１６の穴径を２１．８ミクロンとする。このとき、汎用ＳＥＭのときと比べてプローブ電流量が変化しないように、コンデンサレンズ１５を弱めて調整する。その他の条件は同じとする。Ｚ＝−４ｍｍの位置での性能をシミュレーションすると、
（シミュレーションデータ２）
Ｄｐｒｏｂｅ＝１．４４ｎｍ、Ｄｇ＝０．９２８、Ｄｓ＝０．６５７、Ｄｃ＝０．５０３、Ｄｄ＝０．７２９、
Ｃｓ＝１．８７ｍｍ、Ｃｃ＝３．３９１ｍｍ、α＝８．８９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９となる。

以上のように、第２の対物レンズ２６を用いることで、ＳＥＭの性能が大幅によくなっていることがわかる。

また、第１の対物レンズ１８で集束するときと比べて、第２の対物レンズ２６で集束するときは、Ｄｇが小さくなっている。このことはプローブ径を同等にする場合、第１の対物レンズ１８で集束するときと比べて、コンデンサレンズ１５を弱めることができることを示している。したがって、第２の対物レンズ２６を使うことで、汎用ＳＥＭと比べてプローブ電流を大電流化できることがわかる。

次に第１の対物レンズ１８は使わずに、第２の対物レンズ２６を使い、加速電圧Ｖａｃｃを−１ｋＶ（Ｖｉ＝１ｋＶ）とする場合を説明する（リターディング電圧は０Ｖとする）。プローブ電流が変化しないように、コンデンサレンズ１５を調整する（ただし、電子銃からの軌道とビーム量は−３０ｋＶのときと同じとする）。その他の条件は同じとする。以下がシミュレーションデータである。

（シミュレーションデータ３）
結果を図６の（ａ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝１５．６ｎｍ、Ｄｇ＝０．９２８、Ｄｓ＝０．６５７、Ｄｃ＝１５．１、Ｄｄ＝３．９９、
Ｃｓ＝１．８７ｍｍ、Ｃｃ＝３．３９ｍｍ、α＝８．８９ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９である。

この場合、Ｃｓ、Ｃｃ、α、Ｍ３、Ｄｓはシミュレーションデータ２と変わらない。ΔＶ／Ｖｉが大きくなるため、プローブ径がとても大きくなる。

次に、電位板２２を試料２３の上部に配置する例を説明する。電位板２２の開口径はΦ５ｍｍ、試料２３はΦ６ｍｍとする。試料測定面をＺ＝−４ｍｍ（第２の対物レンズ２６からの距離）とする。試料台２４と電位板２２との距離を８ｍｍ、試料測定面と電位板２２との間隔を５ｍｍとする。

加速電圧Ｖａｃｃは−１０ｋＶ、電位板２２を０Ｖ電位とし、試料２３をＶｄｅｃｅｌ＝−９ｋＶでリターディングし、Ｖｉ＝１ｋＶとした場合の数値をシミュレーションする。ここでは第１の対物レンズ１８は使わず、第２の対物レンズ２６のみで集束させる。

（シミュレーションデータ４）
結果を図６の（ｂ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝５．７２ｎｍ、Ｄｇ＝０．９２４、Ｄｓ＝２．９３、Ｄｃ＝４．６６、Ｄｄ＝１．２６、
Ｃｓ＝０．２６０ｍｍ、Ｃｃ＝０．３３０ｍｍ、α＝２８．２ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４７である。

リターディング電圧Ｖｄｅｃｅｌを−９ｋＶにすると、照射電子のエネルギーは１ｋｅＶとなる。加速電圧が−１ｋＶのときと比べて、プローブ径が大幅に改善している。

次にこの条件に第１の対物レンズ１８を追加して使用し、強度を適切に調整する（シミュレーションデータ１で必要なＡＴ（アンペアターン）の約０．３７倍としてみる）例を示す。

（シミュレーションデータ５）
結果を図６の（ｃ）に示す。

Ｄｐｒｏｂｅ＝４．０３ｎｍ、Ｄｇ＝１．６０、Ｄｓ＝０．６８２、Ｄｃ＝２．９２、Ｄｄ＝２．１７、
Ｃｓ＝０．３１２ｍｍ、Ｃｃ＝０．３５７ｍｍ、α＝１６．３ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０４３０である。

ここでＤｐｒｏｂｅが減少していることがわかる。シミュレーションデータ４ではＤｃ（＝４．６６）が飛びぬけて大きくなっていた。そこで、第１の対物レンズ１８を少し加えることで、αを小さくすることができる。Ｄｃは上記［数４］からＣｃとαに依存する。Ｃｃは少し大きくなっているが、αは相当小さくなっている。そのためＤｃは小さくなっている。［数１］から、Ｄｐｒｏｂｅは第１の対物レンズ１８を使うことで小さくできることがわかる。

図６の（ａ）のα＝８．８９ｍｒａｄに対して、図６の（ｂ）ではα＝２８．２ｍｒａｄであり、リターディングによって大きな値になっている。すなわち、強いレンズになっていることがわかる。また、そのためにＤｄも小さくなっていることがわかる。図６の（ｃ）では第１の対物レンズ１８でαを調整してαが小さくなっていることがわかる。

ここで大切なことは、対物レンズ絞り１６の穴径を小さくしてαを調整することも可能であるが、その場合はプローブ電流が減少してしまうということである。しかし、第１の対物レンズ１８を使用してαを調整してもプローブ電流は減少しない。そのため、試料２３から発生する二次電子２１ａと反射電子２１ｂは減少しない。

また、リターディング電圧の印加によって検出器２０の感度がよくなると、プローブ電流を減らすことができる。さらに対物レンズ絞り１６の穴径を小さくしてαを小さくすることもできる。また、コンデンサレンズ１５による縮小率Ｍ１×Ｍ２を小さくすることも可能になる。そのため、Ｄｇ、Ｄｓ、Ｄｃ、及びＤｄとの兼ね合いがあるので調整が必要だが、プローブ径をさらに小さくできる場合がある。対物レンズ絞り１６と第１の対物レンズ１８とでプローブ径を最適化できる。

また、試料２３によっては焦点深度が浅いレンズだと、凸凹の上の面と底の面どちらかにしかピントが合わないことがある。このような場合、プローブ径が同じでもαが小さいほど焦点深度が深くなり、きれいに見えることもある。第１の対物レンズ１８を使って、像を見やすいように最適化することもできる。

次に、第１の実施の形態における装置の様々な使い方の具体例を示す。

図６の（ｂ）では、加速電圧Ｖａｃｃを−１０ｋＶとし、試料２３を−９ｋＶでリターディングするシミュレーションを示したが、例えば、加速電圧Ｖａｃｃを−４ｋＶ、試料２３を−３．９ｋＶにして、Ｖｉ＝１００Ｖとすることもできる。加速電圧とリターディング電圧の比が１に近いほど、収差係数を小さくすることができる。また、上記では第２の対物レンズ２６の磁極について、Ｄ＝８ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍとした場合を示したが、Ｄ＝２、ｄ＝６等にすれば、試料高さや加速電圧の制限はあるが、より性能をよくすることができる。

また、加速電圧を−１０ｋＶとしてリターディング無しの場合、二次電子検出器１９で二次電子２１ａを検出できるが、半導体検出器２０では検出できない。しかし、加速電圧を−２０ｋＶとし、リターディング電圧を−１０ｋＶとすれば約１０ｋｅＶのエネルギーで二次電子２１ａが半導体検出器２０に入り、検出可能である。

また、加速電圧を−１０．５ｋＶとし、リターディング電圧を−０．５ｋＶとしたとき、二次電子２１ａは半導体検出器２０では感度よく検出できない。しかしこのとき、二次電子検出器１９で二次電子２１ａを検出することができる。すなわち、二次電子２１ａはリターディング電圧が低いときは二次電子検出器１９で捕らえることができ、リターディング電圧を徐々に上げていくと半導体検出器２０側で検出できる量が増えていく。このように、二次電子検出器１９は、焦点を合わせながらリターディング電圧を上げていく調整時にも役立つ。

第１の実施の形態の第２の対物レンズ２６は、Ｚ＝−４．５ｍｍで３０ｋｅＶの一次電子を集束できるように設計してある。試料位置が第２の対物レンズ２６に近づけば、例えばＺ＝−０．５ｍｍの位置では、１００ｋｅＶの一次電子も集束させることができる。リターディングをしない場合は、絶縁板２５（絶縁フイルム）を第２の対物レンズ２６の上に置かなくてもよい。そのため、この場合には、第２の対物レンズ２６は、加速電圧が−１００ｋＶの一次電子線１２を十分に集束できる。好ましくは第２の対物レンズ２６は、加速電源を−３０ｋＶから−１０ｋＶのいずれかにして加速された荷電粒子線を、対物レンズの磁極の試料に最も近いところから見て、０ｍｍから４．５ｍｍのいずれかの高さの位置に集束可能であるように設計される。

加速電圧は−１５ｋＶとし、試料２３は−５ｋＶとし、電位板２２に−６ｋＶをかけた場合について説明する。一次電子は、試料２３に当たるときには、１０ｋｅＶになる。試料２３から放出される二次電子２１ａのエネルギーは、１００ｅＶ以下である。電位板２２の電位は試料２３の電位よりも１ｋＶ低いため、二次電子２１ａは電位板２２を超えることができない。そのため、二次電子２１ａは検出できない。試料２３から放出された１ｋｅＶ以上のエネルギーを持っている反射電子２１ｂは、電位板２２を通過することができる。さらに電位板２２と第１の対物レンズ１８下の検出器２０との間に６ｋＶの電位差があり、反射電子２１ｂは加速され検出器２０に入る。このように電位板２２の電圧を調整できるようにすることによって、電位板２２をエネルギーフィルタとして使うこともでき、さらに信号電子２１を加速させることで感度を上げることも可能になる。

次に、試料の高さが例えば７ｍｍある場合について説明する。

このとき、リターディングをする場合でも、上部磁極２６ｂから絶縁板２５と試料台２４の厚みを含めて、例えばＺ＝−７．７５ｍｍ程度の位置において測定が行われる。この場合、第２の対物レンズ２６のみでは３０ｋｅＶの一次電子線１２を集束させることはできない。しかし、加速電圧を下げなくても第１の対物レンズ１８の助けを借りれば、一次電子線１２を集束可能である。

また、試料２３の高さによっては、第１の対物レンズ１８のみで集束させた方が性能良く観察できる場合もある（図２参照）。このように、試料２３によって最適な使い方を選ぶことができる。

上記では、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間隔を４０ｍｍとする場合について述べたが、この距離は固定式でも可動式にしてもよい。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との距離を離すほど、縮小率Ｍ３は小さい値になる。そして開き角αは大きくできる。この方法でαを調整することができる。

また、リターディング電圧が高いと信号電子２１は光軸の近くを通って、検出器２０の一次電子が通るための開口部に入りやすくなる。そのため検出器２０の開口部は小さい程よい。検出器２０の開口部はΦ１からΦ２ｍｍ程度にしておくと、感度がよい。電位板２２の開口径や高さを調整し、電位板２２の位置を光軸から少しずらすことで、信号電子２１が検出器２０に当たるように信号電子２１の軌道を調整して感度をよくする方法がある。また、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間に電場と磁場を直行させて印加するイークロスビー（ＥｘＢ）を入れ、信号電子２１を少し曲げるのもよい。一次電子の進行方向と信号電子２１の進行方向とは逆なので、少し信号電子２１を曲げるのに、弱い電場と磁場とを設けてもよい。少し曲がれば検出器２０中心の開口部に入らず、検出できるようになる。また、単に第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間に電界を光軸に対して横からかけてもよい。このようにしても、一次電子は影響を受けにくいし、横ずれだけであれば画像への影響は少ない。例えば二次電子検出器１９のコレクタ電極などによる電界を使って、信号電子２１の軌道をコントロールすることも可能である。

図３では、第２の対物レンズ２６を主レンズとして使っている。試料台２４が接地電位の場合、二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出される。反射電子２１ｂは半導体検出器２０又はロビンソン検出器２０などで検出される。試料２３と検出器２０とが１０ｍｍから２０ｍｍ程度離れているときは、感度よく検出できる。しかし、４０ｍｍ程度離れると、検出器２０に入らない反射電子２１ｂが増え、反射電子２１ｂの検出量が少なくなる。このときに試料２３にリターディング電圧を与えると、二次電子２１ａは半導体検出器２０又はロビンソン検出器２０などで検出されるようになる。また、リターディング電圧を与えることで、反射電子２１ｂの広がりは抑えられ、半導体検出器２０又はロビンソン検出器２０などにおいて高感度で検出できるようになる。このように電位板２２がない場合もリターディングは使用可能である。

図２では、試料２３が分厚い場合で、対物レンズとして第１の対物レンズ１８を使った場合を示した。図２では、電位板２２を動かすＸＹＺステージ６１を活用して、試料ステージとして使用することができる。より具体的には、電位板２２に代えて、試料台２４がＸＹＺステージ６１に接続されることにより、試料台２４がＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向に移動可能となる。このＸＹＺステージ６１は、試料台２４を第１の対物レンズ１８に近づける方向にも移動できる。これにより、汎用ＳＥＭのように装置が使用される。反射電子２１ｂは半導体検出器２０又はロビンソン検出器２０などで検出され、二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出される。通常、試料２３は接地電位であるが、簡易的にリターディングもできる（電位板２２なしでリターディングを行うことができる）。

なお、図２では、試料台２４がＸＹＺステージ６１に接続されるので、図１に示した電位板２２及び試料台ステージ板２９は不要となる。

第２の対物レンズ電源４２のみを使うときには、第１の対物レンズ１８と試料測定面との距離よりも、第２の対物レンズ２６と試料測定面との距離の方が近くなるように装置が構成され、第１の対物レンズ電源４１のみを使うときには、第２の対物レンズ２６と試料測定面との距離よりも、第１の対物レンズ１８と試料測定面との距離の方が近くなるように装置が構成される。

なお、高い測定性能が要求されず、比較的低性能の測定の場合であれば、第１の対物レンズ電源４１のみを使うときであっても、第２の対物レンズ２６と試料測定面との距離よりも、第１の対物レンズ１８と試料測定面との距離の方が近くなるようにする必要はない。第１の対物レンズ１８と試料測定面との距離よりも、第２の対物レンズ２６と試料測定面との距離の方が近くなるようにしてもよい。つまり、試料２３が第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間に配置されていればよい。例えば低倍率の測定の場合であれば、第２の対物レンズ２６の近くに試料２３を配置し、第１の対物レンズ電源４１を用いて第１の対物レンズ１８のみを使えばよい。

図１でリターディングをした場合、試料２３の電位が負になる。試料２３をＧＮＤレベルにしたまま電位板２２に正の電圧を印加することも可能である（この手法を、ブースティング法と呼ぶ）。試料２３に負の電圧を印加して、電位板２２に正の電位をかけて、低加速ＳＥＭとしてさらに性能をよくすることも可能である。例として、第１の対物レンズ１８は接地電位とし、電位板２２に＋１０ｋＶを印加し、試料２３は接地電位にする場合を説明する。加速電圧は−３０ｋＶとする。一次電子は第１の対物レンズ１８を通過するときは３０ｋｅＶであり、第１の対物レンズ１８から電位板２２にむけて加速され、電位板２２あたりから試料２３にむけて減速する。以下にこの場合のシミュレーションデータを示す。試料２３と電位板２２の形は、シミュレーションデータ４の場合と同じ条件とする。

（シミュレーションデータ６）
Ｄｐｒｏｂｅ＝１．３１ｎｍ、Ｄｇ＝０．９０４、Ｄｓ＝０．４９３、Ｄｃ＝０．３８９、Ｄｄ＝０．７１０、
Ｃｓ＝１．２９ｍｍ、Ｃｃ＝２．５６ｍｍ、α＝９．１３ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４４である。

以上の結果によると、ブースティングなしの場合（シミュレーションデータ２）と比べて、プローブ径が改善している。

信号電子２１は、試料２３と電位板２２との間では加速されるが、電位板２２と検出器２０との間では減速される。検出器２０が半導体検出器２０である場合に反射電子２１ｂを検出できるが、半導体検出器２０は接地電位であるため、二次電子２１ａは減速し、検出できない。二次電子２１ａは二次電子検出器１９で検出できる。リターディング電圧を試料２３に印加すれば、半導体検出器２０で二次電子２１ａも検出可能になる。

次に図７を参照して、二段偏向コイル１７の調整によって偏向軌道の交点を移動させることについて説明する。二段偏向コイル１７で試料２３上を二次元的に走査する。二段偏向コイル１７の電子源側を上段偏向コイル１７ａ、試料側を下段偏向コイル１７ｂと呼ぶ。

図１に示されるように、この二段偏向コイル１７は、上段偏向コイル１７ａの強度を可変する上段偏向電源４３と、下段偏向コイル１７ｂの強度を可変する下段偏向電源４４と、上段偏向電源４３と下段偏向電源４４とを制御する制御装置４５とにより制御される。

上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂは、第１の対物レンズ１８の内部から見て一次電子線１２が飛来してくる側に設置される（第１の対物レンズ１８のレンズ主面より上流に設置、又はレンズ主面の位置に下段の偏向部材を置く場合には外側磁極１８ｂ（図７参照。なお、図７の符号１８ａは内側磁極を示す。）より上流に設置される）。上段偏向電源４３と下段偏向電源４４との使用電流比は、制御装置４５によって可変となっている。

図７の（ａ）では、二段の偏向コイル１７によって、電子は光軸と第１の対物レンズ１８の主面の交点近くを通過する軌道になっている。第１の対物レンズ１８を主レンズとして使う場合（図２）には、このように設定される。第２の対物レンズ２６を主レンズとして使うときに、図７の（ａ）のようにすると偏向収差が大きくなり、低倍率の画像ほど歪んでしまう。第２の対物レンズ２６を主レンズとして使うときは、図７の（ｂ）のように、上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂの強度比が、電子が第２の対物レンズ２６の主面と光軸との交点近くを通過する軌道になるように調整される。調整は、上段偏向電源４３と下段偏向電源４４の使用電流比を調整する制御装置４５によって行われる。このようにすることで、画像の歪は減少する。なお、使用電流比を調整することで偏向軌道の交点（クロス点）をずらすのではなく、巻き数の異なるコイルをリレーなどで切り替える方式（巻数の異なるコイルを複数設け、用いるコイルを制御装置で選ぶ方式）や、静電レンズの場合は電圧を切り替える方式（使用電圧比を可変する方式）を採用してもよい。

図７に示されるように、偏向コイル１７は第１の対物レンズ１８内の隙間に配置してもよい。偏向コイル１７は、第１の対物レンズ１８内にあってもよいし、図１のようにそれよりもさらに荷電粒子線の上流側に位置してもよい。静電偏向を採用する場合には、偏向コイルに代えて偏向電極が採用される。

［第２の実施の形態］
図８を参照して、第１の対物レンズ１８のない簡易的な装置構成を説明する。

ここでは半導体検出器２０を下段偏向コイル１７ｂの下に置いている。第１の対物レンズ１８がない場合、その分下段偏向コイル１７ｂと第２の対物レンズ２６との距離を短くすることができる。このような装置構成は、小型化に適している。第１の実施の形態と比較して、第２の実施の形態でも第１の対物レンズ１８を使用することを除いて、同様に装置を使用することができる。検出器２０と第２の対物レンズ２６との距離は、１０ｍｍから２００ｍｍ離して設置されている。

図８の装置においては、電子源１１から下段偏向コイル１７ｂまでの構成により、一次電子線１２を試料２３に向けて射出する上部装置５１が構成される。また、電位板２２と、それよりも下に配置される部材とにより下部装置５２が構成される。下部装置５２に試料２３は保持される。上部装置５１は、その内部を通った荷電粒子線が最終的に放出される孔部を有している。その孔部は、下段偏向コイル１７ｂに存在する。検出器２０は、その孔部の下に取り付けられている。検出器２０も一次電子線１２が通過する開口部を有しており、孔部と開口部とが重なるように、検出器２０は下段偏向コイル１７ｂよりも下部に取り付けられる。

［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、電子源１１に電界放出型のものを用いる。電界放出型は、熱電子放出型と比べて輝度が高く、光源の大きさは小さく、一次電子線１２のΔＶも小さく、色収差の面でも有利である。第３の実施の形態では第１の実施の形態との比較のために、第１の実施の形態の二段目コンデンサレンズ１５ｂから下を第１の実施の形態と同じものとし、電子源部を電界放出型にし、一段目コンデンサレンズ１５ａをなくしている。一次電子線１２のΔＶを０．５ｅＶとし、電子源の大きさＳｏ＝０．１μｍとする。Ｚ＝−４ｍｍとし、加速電圧Ｖａｃｃを−３０ｋＶ、第１の対物レンズ１８はＯＦＦとした性能を計算すると、以下のようになる。

（シミュレーションデータ７）
Ｄｐｒｏｂｅ＝０．９７４ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝０．５９１、Ｄｃ＝０．２４８、Ｄｄ＝０．７３０、
Ｃｓ＝１．６９ｍｍ、Ｃｃ＝３．３６ｍｍ、α＝８．８８ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９
電界放出型電子源は熱電子放出型と比べて輝度が高い。さらにコンデンサレンズ１５が一段になっているので、プローブ電流は熱電子放出型のときと比べて多くなっている。それにもかかわらず、プローブ径が小さくなっていることがわかる。Ｄｄが一番大きな値を示している。

次の例では、加速電圧Ｖａｃｃを−１ｋＶ（Ｖｉ＝１ｋＶ）とする。第１の対物レンズ１８は使わすに、第２の対物レンズ２６を使い、電子を集束する。プローブ電流は変化しないようにコンデンサレンズ１５を調整する。その場合は、以下のようになる。

（シミュレーションデータ８）
Ｄｐｒｏｂｅ＝８．４８ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝０．５９１、Ｄｃ＝７．４５、Ｄｄ＝４．００、
Ｃｓ＝１．６８ｍｍ、Ｃｃ＝３．３６ｍｍ、α＝８．８８ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４９
以上のように、熱電子放出型（シミュレーションデータ３）では、Ｄｐｒｏｂｅ＝１５．６ｎｍなので、電界放出型電子源の方がよいことがわかる。

次に、電位板２２と試料２３を図１のように配置する例について説明する。試料測定面をＺ＝−４ｍｍとする。

加速電圧Ｖａｃｃは−１０ｋＶとし、電位板２２を０Ｖ電位にし、試料２３を−９ｋＶにした場合（Ｖｉ＝１ｋＶ）について計算結果を以下に示す。ここでは第１の対物レンズ１８は使わず、第２の対物レンズ２６のみで集束させている。

（シミュレーションデータ９）
Ｄｐｒｏｂｅ＝３．９２ｎｍ、Ｄｇ＝０．０７１、Ｄｓ＝２．９０、Ｄｃ＝２．３２、Ｄｄ＝１．２６、
Ｃｓ＝０．２６０ｍｍ、Ｃｃ＝０．３３０ｍｍ、α＝２８．１ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０２４８
収差の中でＤｓが一番大きな値になっている。これは、試料２３に近くほど電子の速さが遅くなり磁場の影響を受けやすくなることと、磁束密度が試料２３に近いほど大きな値であることから試料２３に近いほど強いレンズになっているため、αが大きくなりすぎたこととによる。Ｄｓは、αの３乗に比例することから、大きくなっている。第１の対物レンズ１８を使うことで改善するのがよい。

次に、第１の対物レンズ１８を使用し、強度を最適調整した場合（シミュレーションデータ１のＡＴ（アンペアターン）の約０．３１倍にした場合）のデータを示す。

（シミュレーションデータ１０）
Ｄｐｒｏｂｅ＝２．６８ｎｍ、Ｄｇ＝０．１０３、Ｄｓ＝１．０３、Ｄｃ＝１．６８、Ｄｄ＝１．８２、
Ｃｓ＝０．２７９ｍｍ、Ｃｃ＝０．３４４ｍｍ、α＝１９．５ｍｒａｄ、Ｍ３＝０．０３５８
収差係数だけを見ると悪化しているが、プローブ径はαを調節したことにより、さらに改善している。

ここでは第１の実施の形態と比較するため、対物レンズ絞り１６の穴径を２１．８ミクロンと同じにした。電界放出型の場合は、輝度が明るいため、そしてコンデンサレンズ１５が一段になっているため、さらに穴径を小さくできる。そのため、回折収差が主な収差になる。

以上のように本実施の形態によると、第２の対物レンズ２６を使い、リターディングすることで、αが大きくなるレンズ系になり、回折収差を減らせるレンズ系となっている。すなわち、荷電粒子線装置において低収差の第２の対物レンズを実現することができる。信号電子を高感度で検出し、安価に高分解能化を実現することができる。

本実施の形態によれば、信号電子が第１の対物レンズの中を通過しないため、検出部を簡単な構造にすることができる。第２の対物レンズの光軸上磁束密度は、試料に近いほど強い分布をしているので、対物レンズは低収差レンズになる。試料に負の電位を与えると、試料に近いほど強いレンズになり、対物レンズはさらに低収差レンズになる。試料のリターディング電圧による電界で、信号電子は加速され、エネルギー増幅して検出器に入るため、検出器は高感度となる。以上の構成によって、高分解能な荷電粒子線装置を実現することができる。

［第４の実施の形態］
次に、第４の実施の形態におけるＳＥＭ（荷電粒子装置の一例）の装置構成について説明する。以下の説明において、上述の実施の形態と同様の構成（各構成の変形例も含む）については、上述と同じ符号を付し、それらの構成についての詳細な説明については省略する。

上記の第１の実施の形態の大まかな構成は、次のように、第４の実施の形態においても同様である。上部装置５１には、電子源１１から第１の対物レンズ１８までの構成が配置されている。上部装置５１から試料２３に向けて一次電子線１２が射出される。下部装置５２には、第２の対物レンズ２６が配置されている。下部装置５２に試料２３が保持される。反射電子２１ｂや、二次電子検出器１９及び検出器２０（第４の実施の形態においては、これらを総称して、第１の検出器１９、２０ということがある）も、同様に設けられる。二次電子検出器１９は、二次電子２１ａを検出するために設けられる。

第４の実施の形態においては、第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との間に第２の検出器が配置されている点が、上述の実施の形態とは異なる。第２の検出器は、信号電子２１を検出するための第１の検出器１９、２０とは異なる検出器である。第２の検出器は、試料２３から放出又は反射された、第１の検出器の検出対象とは異なる電子又は電磁波が入射するように配置されている。第２の検出器は、第１の検出器の検出対象とは異なる電子又は電磁波を検出する。なお、第１の検出器として、検出器２０と二次電子検出器１９とのいずれか一方が配置されていて、他方が設けられていなくてもよい。

第４の実施の形態において、第２の検出器は、第１の対物レンズ１８よりも下方（試料２３や第２の対物レンズ２６に近づく側）に配置されている。特に、第１の検出器１９、２０に反射電子２１ｂ又は二次電子２１ａが入射する位置よりも、第２の検出器の一部に電子又は電磁波が入射する位置の方が、下方に位置している（第２の対物レンズ２６に近くなっている）。第２の検出器の一部に電子又は電磁波が入射する位置は、第１の検出器１９、２０に反射電子２１ｂ又は二次電子２１ａが入射する位置よりも、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置に近くなっている。なお、逆に、第２の検出器の一部に電子又は電磁波が入射する位置は、第１の検出器１９、２０に反射電子２１ｂ又は二次電子２１ａが入射する位置よりも、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置から離れていても構わない。

ここで、第２の検出器は、次のような電子及び電磁波のうちいずれかを検出可能あればよい。例えば、第２の検出器は、一次電子線１２の入射に伴い試料２３から放出された電磁波を検出可能であってもよい。この種の電磁波としては、例えば、特性Ｘ線、連続Ｘ線、及びカソードルミネッセンス（ＣＬ）などが挙げられる。また、例えば、第２の検出器は、試料２３に照射され、試料２３で反射された電磁波を検出可能であってもよい。この種の電磁波としては、可視光線や、赤外線、紫外線等の光が挙げられる。また、例えば、第２の検出器は、一次電子線１２の入射に伴い試料２３から放出されたオージェ電子を検出可能であってもよい。第４の実施の形態においては、第１の検出器１９、２０に加えて、このような電子及び電磁波のうちいずれかを検出可能な第２の検出器が設けられる。したがって、試料２３についてより多様な分析や観察を行うことができる。

以下、第４の実施の形態の具体例について説明する。

図９は、本発明の第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。

図９に示されるように、ＳＥＭの下部装置５２の上面側の空間は、真空壁６０で囲まれている。これにより、第１の対物レンズ１８や、第１の検出器１９、２０や、試料２３等は、真空環境におかれる。試料２３は、絶縁板２５を介して第２の対物レンズ２６の上面に配置された試料台２４に配置されている。信号電子２１を検出する検出器２０は、第１の対物レンズ１８の下端部に配置されている。二次電子２１ａを検出する二次電子検出器１９は、第１の対物レンズ１８の側部に配置されている。

ここで、図９に示されるＳＥＭには、試料２３から放出された特性Ｘ線１２１を検出する第２の検出器１１０が配置される。第２の検出器１１０は、エネルギー分散型Ｘ線（ＥＤＸ（ＥＤＳということもある））分析装置である。第２の検出器１１０は、ＳＥＭに付帯する装置として取り付けられている。このＳＥＭでは、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察に伴って、試料２３のＥＤＸ分析を行うことができる。第２の検出器１１０は、第１の検出器１９、２０による信号電子２１の検出を妨げないように配置されており、信号電子２１の検出と、特性Ｘ線１２１の検出とは、同時に（並行して）行うことができるが、これに限られるものではない。

第２の検出器１１０は、腕部１１３が、真空壁６０の外側に配置された本体部から、真空壁６０の内側に、略直線状に伸びるような構造を有している。腕部１１３は、真空壁６０で囲まれた真空部に差し込まれている。腕部１１３の先端部には、板状に形成された板状部１１４が設けられている。腕部１１３及び板状部１１４は、金属製であって、導電性を有している。

マウント部６５は、Ｏリング等を用いて、真空壁６０に、気密を維持するようにして取り付けられている。第２の検出器１１０は、マウント部６５に、複数個の調整ボルト６７及びナット等を用いて固定されている。調整ボルト６７及びナット等を調整することによりマウント部６５や調整ボルト６７の固定位置等が調整される。これにより、第２の検出器１１０の試料２３に対する位置を微調整することができる。第２の検出器１１０の大きな移動方向は、上下方向（図の矢印Ｚ方向；一次電子線１２の入射方向）や、腕部１１３の長手方向（図の矢印Ｙ方向）である。このように第２の検出器１１０の位置を調整することにより、腕部１１３の先端の位置、すなわち板状部１１４の位置を変更することができる。試料２３に対する板状部１１４の位置、すなわち一次電子線１２が通過する位置に対する板状部１１４の位置を、変更することができる。このことにより、第１の対物レンズ１８を用いて一次電子線１２を集束させる場合にも高さ調整及び前後左右の調整が可能になる。第２の検出器１１０、板状部１１４は、使用しないときは、腕部１１３の長手方向（図の矢印Ｙ方向）に大きく移動させて保管することができる。

板状部１１４は、一次電子線１２の出射方向（以下、光軸ということがある。）に対して略垂直になるように配置される。板状部１１４には、孔部１１４ａが設けられている。板状部１１４の位置は、孔部１１４ａを一次電子線１２が通過するように調整される。板状部１１４の試料２３側の面（図において下面）には、Ｘ線検知部１２０が配置されている。Ｘ線検知部１２０は、例えばシリコンドリフト検出器（ＳＤＤ）や超伝導遷移端センサ（ＴＥＳ）である。Ｘ線検知部１２０には、一次電子線１２の入射に伴い試料２３から放出された特性Ｘ線１２１が入射する。第２の検出器１１０は、Ｘ線検知部１２０に特性Ｘ線１２１が入射されたとき、入射した特性Ｘ線１２１を検知する。

なお、Ｘ線検知部１２０は、特性Ｘ線１２１を検知可能な部位と、他の信号電子や電磁波等を検知可能な部位とに分割されていてもよい。Ｘ線検知部１２０の試料側の面には、有機薄膜やベリリウム薄膜等が配置されていてもよい。これにより、試料２３から放出される二次電子２１ａや反射電子２１ｂがＸ線検知部１２０に入射せずに止まるようにし、Ｘ線検知部１２０がそれらの信号電子２１等の影響を受けないようにすることができる。

第２の検出器１１０の板状部１１４は、リターディングを行う場合の電位板としても機能する。すなわち、リターディング電源２７は、試料台２４に接続されており、板状部１１４は、腕部１１３を介して、例えば接地電位に接続される。板状部１１４は、上述の実施の形態における電位板２２と同様に機能する。そのため、電位板２２を別途設けることなく、電位板２２を設けている場合と同様の効果を得ることができる。なお、板状部１１４には、接地電位に限られず、正の電位、又は負の電位が与えられるようにしてもよい。

板状部１１４の位置は、上述のように適宜変更可能である。第１の対物レンズ１８と第２の対物レンズ２６との制御や、リターディング電圧の制御が行われることで、上述の実施の形態と同様に、試料２３を高分解能で観察できるようになる。また、それに合わせて、試料２３のＥＤＸ分析を行うことができ、多様な分析及び観察を行うことができる。

ここで、従来のように、ＳＥＭの対物レンズが試料２３に対して一次電子線１２を出射する側（図において上側）にのみ設けられている場合（本実施の形態において第１の対物レンズ１８のみが設けられているような場合に相当する）には、高分解能の観察を行おうとすると、対物レンズを試料２３に近接させる必要があった。

図１０は、従来の構造を有するＳＥＭの装置構成を模式的に示す断面図である。

図１０において、ＳＥＭの対物レンズ９１８と、反射電子を検出する検出器９２０と、二次電子検出器９１９とが示されている。高分解能の観察を行うために、試料９２３は、通常、対物レンズ９１８に近接して配置される。ＥＤＸ分析を行うためのＸ線検出器９１５を試料９２３に近づけて配置しようとすると、Ｘ線検出器９１５が対物レンズ９１８よりも試料９２３側にはみ出す。そうすると、Ｘ線検出器９１５が試料９２３に接触する可能性が高くなる。対物レンズ９１８と試料９２３との間の距離を短くするためには、Ｘ線検出器９１５を対物レンズ９１８の側方に配置する必要がある。

しかしながら、このようにＸ線検出器９１５を試料９２３から離れた位置に配置すると、検出効率が低くなる。Ｘ線検出器９１５に入射するＸ線量は、距離の二乗に反比例して減少するからである。また、試料２３の表面の凹部の内側から放射されたＸ線を検出することが困難になる。対物レンズ９１８によって遮られていない特性Ｘ線１２１をＸ線検出器９１５で検出するために、水平面（一次電子線１２の光軸に対して垂直な面）に対するＸ線検出器９１５の角度（図において角度α１で示す；取り出し角ということがある）を小さくする必要があるからである。

これに対し、図９に示されるような構造では、第２の対物レンズ２６が設けられていることにより、上部装置５１と第２の対物レンズ２６との間にスペースを設けた状態であっても、高い分解能で試料２３の観察を行うことができる。そして、ＥＤＸ分析について見ると、上部装置５１と第２の対物レンズ２６との間のスペースに、特性Ｘ線１２１が入射するＸ線検知部１２０を配置することができる。したがって、Ｘ線検知部１２０を試料２３により近づけることができ、かつ、Ｘ線検知部１２０に対する特性Ｘ線１２１の取り出し角を大きくすることができる。また、取り出し角を大きくすることができるので、試料２３の表面の凹部の内側から放射されたＸ線を検出することができるようになる。取り出し角が大きくなるとＸ線が試料２３を通過する幅が狭くなり、空間分解能が良くなる。これらのことから、ＳＥＭ像を最適な条件で観察できる配置のまま、同時にＸ線検知部１２０の検出立体角を大きくすることができて検出効率を高くすることができ、かつ、第２の検出器１１０の分解能を高くすることができる。

なお、上述の第１の実施の形態に対する第２の実施の形態のように、図９に示されるような構造において、第１の対物レンズ１８は設けられなくてもよい。また、第２の検出器１１０は、リターディングが行われるときに電位板２２として機能するものに限られない。第２の検出器１１０は、単に、特性Ｘ線１２１等を検出するＸ線検知部を備えているものであればよい。

図１１は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一変形例を示す断面図である。

図１１においては、図９に示される装置と同様にＥＤＸ分析を行うことができるＳＥＭの構成の一例が示されている。このＳＥＭは、図９に示される装置よりも単純な装置構成を有している。図１１に示されるように、この装置は、一次電子線１２を第２の対物レンズ２６で集束させるものである。上部装置５１（図１１においては、二段偏向コイル１７のほかの構成の図示は省略されている）には、対物レンズが設けられていない。また、リターディングは行われず、電位板は設けられてない。

この装置には、検出器２０及び二次電子検出器１９と、特性Ｘ線１２１を検出するＸ線検出器である第２の検出器２１０とが設けられている。第１の検出器１９、２０は、上述の第２の実施の形態と同様に、一次電子線１２が試料２３に対して入射する側に配置されている。二次電子検出器１９は、例えば、シンチレータ１９ａと、ライトガイド１９ｂと、コレクタ電極１９ｃとを有している。シンチレータ１９ａの電位は、例えば１０ｋＶ程度に維持される。コレクタ電極１９ｃの電位は、例えば−５０Ｖから３００Ｖ程度の範囲に維持される。これにより、試料２３から放出された二次電子２１ａがシンチレータ１９ａに入射する。

第２の検出器２１０の先端部近傍には、Ｘ線検出素子２２０が配置されている。第２の検出器２１０の内部には、Ｘ線検出素子２２０を冷却する冷却棒２１１が設けられている。第２の検出器２１０の先端部には、コリメータ２１４及びＸ線透過窓２２０ａが設けられている。試料２３から放射される特性Ｘ線１２１は、コリメータ２１４及びＸ線透過窓２２０ａから、第２の検出器２１０に入射する。入射した特性Ｘ線１２１は、Ｘ線検出素子２２０で検出される。

図１１に示される装置では、第２の対物レンズ２６を用いて一次電子線１２が集束される。そのため、一次電子線１２が試料２３に対して入射する側に対物レンズを配置しなくても、高い分解能で試料２３を観察できる。これにより、高い分解能での観察を可能としながら、第１の検出器１９、２０を試料２３から比較的離れた位置に配置することができる。したがって、ＥＤＸ分析を行うのにより好ましい位置に、第２の検出器２１０を配置することができる。具体的には、試料２３に近い位置に、検出立体角が大きくなるような姿勢で第２の検出器２１０を配置することができ、第２の検出器２１０の検出効率を高くすることができる。

なお、図１１に示される装置の構成例において、図１１に二点鎖線で示されるように、一次電子線１２が試料２３に対して入射する側にも対物レンズを配置してもよい。このように上側装置に対物レンズが配置されていても、第２の対物レンズ２６を用いることで、上述と同様の効果を得ることができる。すなわち、高い解像度で試料２３を観察できるようにしつつ、より理想的な位置に第２の検出器２１０を配置してＥＤＸ分析を行うことができるようになる。

図１２は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。

図１２に示されるＳＥＭでは、図１１に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、第１の検出器１９、２０が設けられている。このＳＥＭでは、上述のＥＤＸ分析装置に代えて、第２の検出器３１０が、付帯装置として取り付けられている。第２の検出器３１０は、カソードルミネッセンス（ＣＬということもある）を検出する。このＳＥＭでは、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察と同時に、ＣＬを用いた試料２３の分析を行うことができる。すなわち、第２の検出器３１０は、第１の検出器１９、２０による信号電子２１の検出を妨げないように配置されており、信号電子２１の検出と、ＣＬの検出とは、同時に（並行して）行うことができるが、これに限られるものではない。

第２の検出器３１０は、楕円鏡（光学素子の一例）３２０と、検出器本体３１０ａに取り付けられた光ファイバ３１１とを有している。楕円鏡３２０は、検出器２０と第２の対物レンズ２６との間の位置であって、一次電子線１２の通過経路上に配置されている。すなわち、楕円鏡３２０は、第１の検出器１９、２０よりも試料２３の近くに配置されている。楕円鏡３２０には、一次電子線１２や信号電子２１が通過する孔部が設けられている。試料２３から放出されたり反射されたりした信号電子２１は、孔部を通り抜けて、第１の検出器１９、２０に入射する。

一次電子線１２が入射することで試料２３から放出されたＣＬ３２１は、第２の検出器３１０の一部である楕円鏡３２０に入射する。すなわち、第２の検出器３１０の一部にＣＬ３２１が入射する位置は、第１の検出器１９、２０に信号電子２１が入射する位置よりも、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置に近くなっている。

楕円鏡３２０の鏡面３２０ｂは、試料２３から放出された光を光ファイバ３１１の先端部に集光するような形状を有している。第２の検出器３１０に入射したＣＬ３２１は、鏡面３２０ｂで反射されて光ファイバ３１１に集光され、光ファイバ３１１により検出器本体３１０ａに導かれる。これにより、第２の検出器３１０でＣＬ３２１が検出され、第２の検出器３１０を用いたＣＬによる分析が行われる。

このように、図１２に示される装置では、検出器２０と第２の対物レンズ２６との間の一次電子線１２の通過経路上に楕円鏡３２０を配置することができる。そのため、カソードルミネッセンス３２１の集光を効率的に行うことができる。したがって、高い分解能での試料２３の観察を可能としながら、高い感度でのＣＬによる分析を行うことができる。また、余裕を持って、楕円鏡３２０を配置可能な、試料２３と検出器２０との間のスペースをとることができる。したがって、楕円鏡３２０と試料２３との間隔を十分に確保することができ、試料２３が楕円鏡３２０に接触することを防止することができる。

図１３は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。

図１３においては、図１２において示されたＳＥＭの変形例が示されている。すなわち、図１３に示されるＳＥＭでは、図１２に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、第１の検出器１９、２０が設けられている。このＳＥＭでは、上述の第２の検出器３１０と同様にＣＬ３２１を検出する第２の検出器４１０が、付帯装置として取り付けられている。このＳＥＭでは、リターディングが行われる。

第２の検出器４１０は、放物面鏡（光学素子の一例）４２０と、検出器本体３１０ａと、光学レンズ４１１とを有している。放物面鏡４２０の鏡面４２０ｂは、試料２３からＣＬ３２１が放出される点を焦点とする曲面形状を有している。鏡面４２０ｂに入射したＣＬ３２１は、平行光となって光学レンズ４１１に入射する。ＣＬ３２１は光学レンズ４１１で屈折して集光され、検出器本体３１０ａに入射する。これにより、検出器本体３１０ａで、ＣＬ３２１が効率的に検出される。

放物面鏡４２０の下部には、導電性板である電位板４２２が取り付けられている。電位板４２２は、一次電子線１２や信号電子２１等が通過する孔部を有しており、試料２３の近傍に位置するように配置されている。また、第２の対物レンズ２６の上部には、絶縁板２５、試料台２４、絶縁材３１等が配置されている。試料台２４はリターディング電源２７に接続されており、電位板４２２は、電位板電源２８に接続されている。このような構成を有していることにより、このＳＥＭでは、上述の第１の実施の形態と同様に、リターディングが行われる。

このように、図１３に示される装置では、図１２に示される装置で得られる効果に加えて、さらに、リターディングが行われることによる効果が得られる。すなわち、照射電子エネルギーを小さくして、一次電子線１２の電子が試料２３の中に入り込む深さを浅くすることができる。これによって、試料の表面形状の高分解能観察が可能になる。さらに、電位板４２２を試料２３に近づけることで収差を小さくできるので、高分解能でかつ低加速のＳＥＭが実現できる。第２の対物レンズ２６と試料台２４との間に絶縁板２５が設けられているので、耐電圧が上がり、第２の対物レンズ２６による磁場を強くしつつ、安定して使用することができる。

図１２及び図１３に示されるＳＥＭにおいて、楕円鏡３２０や放物面鏡４２０、及びＣＬ３２１が入射する光学部品等の位置は、微調整可能である。例えば、図９に示されるように楕円鏡３２０や放物面鏡４２０等が大気部から保持されており、大気部から、楕円鏡３２０や放物面鏡４２０等の位置を変更することができる。

なお、楕円鏡３２０や放物面鏡４２０に設けられている一次電子線１２等が通過する孔部の大きさは、適宜設定される。すなわち、孔部が比較的小さければ、反射電子２１ｂの通過量は少なくなるが、ＣＬ３２１の光量は増加する。他方、孔部が比較的大きければ、ＣＬ３２１の光量は少なくなるが、反射電子２１ｂの通過量は多くなる。

図１４は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。

図１４に示されるＳＥＭでは、図１１に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、第１の検出器１９、２０が設けられている。このＳＥＭでは、上述のＥＤＸ分析装置に代えて、第２の検出器５１０が、付帯装置として取り付けられている。第２の検出器５１０は、光学顕微鏡としての機能を実現するものである。このＳＥＭでは、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察に伴って、光学的に試料２３を観察することができる。第２の検出器５１０は、第１の検出器１９、２０による信号電子２１の検出を妨げないように配置されており、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察と、光学的な観察とは、同時に行うことができるが、これに限られるものではない。

第２の検出器５１０は、光学顕微鏡の一例で、蛍光観察用の構成である。第２の検出器５１０は、光学検出部５１０ａと、光源５１１と、照射レンズ５１２と、励起フィルタ５１３と、光学対物レンズ５１４と、ダイクロイックミラー５１５と、吸収フィルタ５１６と、結像レンズ５１７とを有している。また、第２の検出器５１０は、反射ミラー（光学素子の一例）５２０を有している。反射ミラー５２０は、検出器２０と第２の対物レンズ２６との間の一次電子線１２の通過経路上に配置されている。すなわち、反射ミラー５２０は、第１の検出器１９、２０よりも試料２３の近くに配置されている。反射ミラー５２０には、一次電子線１２や信号電子２１が通過する孔部が設けられている。試料２３から放出されたり反射されたりした信号電子２１は、孔部を通り抜けて、第１の検出器１９、２０に入射する。

光源５１１から出射された光は、照射レンズ５１２及び励起フィルタ５１３を通って、ダイクロイックミラー５１５により反射される。そして、光学対物レンズ５１４を通して、反射ミラー５２０より試料２３に照射される。試料２３から放出（発光、蛍光又は反射）された放出光５２１は、第２の検出器５１０の一部である反射ミラー５２０に入射する。すなわち、第２の検出器５１０の一部に放出光５２１が入射する位置は、第１の検出器１９、２０に信号電子２１が入射する位置よりも、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置に近くなっている。なお、放出光５２１は、蛍光現象等により試料２３から発光した放出光のほか（蛍光観察が行われる場合）、可視光等が試料２３で反射された反射光であってもよく（一般的な可視光等を用いた観察が行われる場合）、以下ではそれらを区別せず放出光５２１と呼ぶ。

反射ミラー５２０に入射した放出光５２１が反射されると、放出光５２１が、光学対物レンズ５１４、ダイクロイックミラー５１５、及び吸収フィルタ５１６をこの順に透過する。そして、放出光５２１は、結像レンズ５１７を通して光学検出部５１０ａに結像する。これにより、光学検出部５１０ａで放出光５２１が検出される。

このように、このＳＥＭでは、検出器２０と第２の対物レンズ２６との間の一次電子線１２の通過経路上に、第２の検出器５１０の反射ミラー５２０を配置することができる。したがって、高い分解能での試料２３の観察を可能としながら、光学顕微鏡を用いた観察を効率的に行うことができるようになる。また、反射ミラー５２０を配置するための、試料料２３と検出器２０との間のスペースを、余裕を持ってとることができる。したがって、反射ミラー５２０と試料２３との間隔を十分に確保することができ、試料２３が反射ミラー５２０に接触することを防止することができる。また、図１３で示されたものと同様に、リターディングを行うことも可能である。

なお、第２の検出器５１０は、光学顕微鏡の一例である蛍光観察用の構成に限られるものではなく、共焦点レーザ顕微鏡などのさまざまな光学系を用いることもできる。また、このような反射光学系を用いずに、試料２３の上方に直接マイクロスコープ等を配置して、試料２３を光学的に撮像するようにしてもよい。この場合であっても、試料２３と検出器２０との間のスペースに、マイクロスコープ等を高い感度での観察を行うためにより理想的な姿勢で試料２３に対して配置することができる。したがって、高い分解能での試料２３の観察を可能としながら、光学的な観察を効率的に行うことができるようになる。

また、第２の対物レンズ２６側の、試料２３の下方に、光源を配置してもよい。この場合、下方から照射されて試料２３を透過した（試料２３から放出された）光が反射ミラー５２０に入射し、光学検出部５１０ａで検出されるようにすればよい。

図１４に示されるＳＥＭにおいて、反射ミラー５２０や光が通過する光学部品等の位置は、微調整可能である。例えば、図９に示されるように反射ミラー５２０や光学部品等が大気部から保持されており、大気部から、それらの位置を変更することができる。

なお、反射ミラー５２０に設けられている一次電子線１２等が通過する孔部の大きさは、適宜設定される。すなわち、孔部が比較的小さければ、反射電子２１ｂの通過量は少なくなるが、放出光５２１の光量は増加する。他方、孔部が比較的大きければ、放出光５２１の光量は少なくなるが、反射電子２１ｂの通過量は多くなる。

図１５は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。

図１５に示されるＳＥＭでは、図１１に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、第１の検出器１９、２０が設けられている。このＳＥＭでは、上述のＥＤＸ分析装置に代えて、第２の検出器６１０が、付帯装置として取り付けられている。第２の検出器６１０は、波長分散Ｘ線分光器（ＷＤＸ）である。このＳＥＭでは、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察に伴って、ＷＤＸによる試料２３の分析を行うことができる。第２の検出器６１０は、第１の検出器１９、２０による信号電子２１の検出を妨げないように配置されており、信号電子２１を検出することによる試料２３の観察と、ＷＤＸによる試料２３の分析とは、同時に行うことができるが、これに限られるものではない。

第２の検出器６１０は、Ｘ線検出器６１０ａと、試料２３から放射されたＸ線６２１が入射する分光結晶６２０とを有している。Ｘ線検出器６１０ａは、分光結晶６２０により回折したＸ線６２１が入射するように、ローランド円６１８に沿って移動する。分光結晶６２０の試料２３からの距離は、Ｘ線６２１の一定の取り出し角α１を保ったまま、変更される。分光結晶６２０は、第１の検出器１９、２０よりも試料２３の近くに位置することができる。分光結晶６２０は、第１の検出器１９、２０よりも試料２３から離して位置することもできる。また、Ｘ線検出器６１０ａは、分光結晶６２０により回折したＸ線６２１が入射するように、ローランド円６１８に沿って移動するものに限られるものではない。さらに、第２の検出器６１０の一部である分光結晶６２０にＸ線６２１が入射する位置は、第１の検出器１９、２０に信号電子２１が入射する位置よりも、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置から離れていても良い。

図１５に示されるＳＥＭにおいても、第２の対物レンズ２６が用いられているので、高い分解能での試料２３の観察を可能としながら、ＷＤＸによる分析を行うことができる。また、分光結晶６２０を配置できる、試料２３と検出器２０との間のスペースを、余裕を持ってとることができる。そのため、Ｘ線６２１の取り出し角α１を、水平面に対して大きくとることができる。したがって、試料２３上の微小領域から出たＸ線５２１を、効率良く取り込むことができ、ＷＤＸによる分析を高感度、高分解能で行うことができる。

なお、図１５に示されるＳＥＭにおいて、第２の検出器６１０に、Ｘ線６２１を取り込んで平行ビームとして取り出すポリキャピラリ（光学素子の一例；図１５に示されている）６１７が設けられていてもよい。このとき、Ｘ線６２１は、ポリキャピラリ６１７に入射し、平行ビームになってポリキャピラリ６１７から分光結晶６２０に出射される。ポリキャピラリ６１７の先端部を試料２３の近くに配置することができるので、多くのＸ線６２１を平行ビームとして取り出して、分光結晶６２０に入射されるＸ線６２１の強度を大きくすることができる。したがって、ＷＤＸによる分析をより高感度で行うことができる。

なお、図１５のＳＥＭにおいては、ポリキャピラリ６１７を設けているが、ポリキャピラリ６１７に代えて、集光ミラー、回折格子といった様々なタイプの光学素子を設けても良い。第２の検出器６１０は縦型ＷＤＸ又は横型ＷＤＸのいずれであっても良い。試料２３、ポリキャピラリ６１７及びＸ線検出器６１０ａは、ローランド円６１８に沿って移動するものに限られるものではない。Ｘ線検出器６１０ａはＣＣＤカメラのように二次元的なもので分光されたものを検出するものであっても良い。

図１５に示されるＳＥＭにおいて、第２の検出器６１０の位置は、微調整可能である。例えば、図９に示されるように第２の検出器６１０を構成する部材が大気部から保持されており、大気部から、第２の検出器６１０の位置を変更することができる。

図１６は、第４の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の別の変形例を示す断面図である。

図１６においては、ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０とともに、ＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０が付帯装置として設けられている、ＳＥＭの変形例が示されている。また、このＳＥＭでは、リターディングが行われる。図１６に示されるＳＥＭでは、図１１に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、第１の検出器１９、２０が設けられている。

ＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０は、上述の図１５に示されるものと同様に構成されている。第２の検出器６１０は、ポリキャピラリ６１７を用いたものであり、ＷＤＸによる分析をより高感度で行うことができる。

ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０は、上述の図１１に示されるものと同様の構成を有している。図１６に示される例において、第２の検出器２１０の先端部には、リターディングに用いられる電位板４２２が設けられている。電位板４２２は、第２の検出器２１０の筐体に取り付けられた電位板固定部２１８を介して、試料２３の近傍に位置するように配置されている。

電位板４２２は、一次電子線１２や信号電子２１等が通過する孔部を有しており、試料２３の近傍に位置するように配置されている。孔部は、試料２３から出射される特性Ｘ線１２１が第２の検出器２１０のコリメータ２１４及びＸ線透過窓２２０ａに入射するような位置に配置されている。また、第２の対物レンズ２６の上部には、絶縁板２５、試料台２４、絶縁材３１等が配置されている。試料台２４はリターディング電源２７に接続されており、電位板４２２は、電位板電源２８に接続されている。このような構成を有していることにより、このＳＥＭでは、上述の第１の実施の形態と同様に、リターディングが行われる。

このように、図１６に示される装置では、各第２の検出器２１０、６１０を試料２３に近づけることができるため、ＥＤＸ分析及びＷＤＸ分析の検出効率を高くしつつ、高い解像度で試料２３を観察することができる。また、リターディングが行われることによる効果が得られ、照射電子エネルギーを小さくして、一次電子線１２の電子が試料２３の中に入り込む深さを浅くすることができる。これによって、試料の表面形状の高分解能観察が可能になる。さらに、電位板４２２を試料２３に近づけることで収差を小さくできるので、高分解能でかつ低加速のＳＥＭが実現できる。

図１６に示されるＳＥＭにおいて、ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０やＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０を構成する部材等の位置は、微調整可能である。電位板４２２は、ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０とは接続されずに独立に動かせるようにしてもよい。

なお、電位板４２２は、ＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０側に取り付けられていてもよい。例えば、ポリキャピラリ６１７の先端部近傍に、電位板４２２が取り付けられていてもよい。また、電位板４２２は、ポリキャピラリ６１７とは接続されずに、独立に動かせるようにしてもよい。

ここで、電位板４２２に電子やＸ線が当たると、蛍光Ｘ線が出射される。そうすると、ＥＤＸ分析やＷＤＸ分析を行う際、試料２３から出射されたＸ線と電位板４２２から出射されたＸ線とが合わせて分析される。この電位板４２２から出射されるＸ線が分析結果に及ぼす影響を軽減するため、電位板４２２は、軽元素の薄膜（例えば、ベリリウム薄膜、有機薄膜、シリコンナイトライド薄膜などであるが、これに限られない）であることが好ましい。電位板４２２が軽元素の薄膜で構成される場合には、Ｘ線が、電位板４２２を通過しやすくなる。なお、電位板４２２が軽元素の薄膜で構成される場合には、電位板４２２の孔部が小さい場合であっても、Ｘ線が電位板４２２を通過し、検出器に入射しやすくなる。

また、電位板４２２から出射されるＸ線が分析結果に及ぼす影響を軽減するため、電位板４２２の材料として、例えば分析対象の試料２３とは検出ピークが異なる組成の材料が用いられるようにしてもよい。これにより、分析結果において電位板４２２の影響を除去しやすくなる。

なお、図１２から図１６に示される装置においても、図１１に示される装置について述べたのと同様に、一次電子線１２が試料２３に対して入射する側の対物レンズが設けられていてもよい。また、図１４に示されるようなＳＥＭにおいて、他の例と同様に電位板４２２が設けられ、リターディングが行われていてもよい。

また、第４の実施の形態においては、図１６に示されるような例に限られず、以上のような具体例のそれぞれに用いられる検出器を適宜組み合わせて１つの装置に配置するようにしてもよい。例えば、図１１に示されるようなＸ線検出器である第２の検出器２１０と、図１４に示されるような光学顕微鏡である第２の検出器５１０とが両方とも設けられていてもよい。これにより、多様な観察、分析を行うことができ、かつ、信号電子２１を検出することによる観察を高い分解能で行うことができる。

［第５の実施の形態］
次に、第５の実施の形態におけるＳＥＭ（荷電粒子装置の一例）の装置構成について説明する。以下の説明において、上述の実施の形態と同様の構成（各構成の変形例も含む）については、上述と同じ符号を付し、それらの構成についての詳細な説明については省略する。

上記の第１の実施の形態の大まかな構成は、次のように、第５の実施の形態においても同様である。上部装置５１には、電子源１１から第１の対物レンズ１８までの構成が配置されている。上部装置５１から試料２３に向けて一次電子線１２が射出される。下部装置５２には、第２の対物レンズ２６が配置されている。下部装置５２に試料２３が保持される。二次電子検出器１９及び検出器２０も、同様に設けられる。二次電子検出器１９は、二次電子２１ａを検出するために設けられる。

図１７は、本発明の第５の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一例を示す断面図である。

図１７に示されるＳＥＭでは、図１に示されるものと同様に、上部装置５１や、第２の対物レンズ２６や、二次電子検出器１９や、電位板２２等が設けられている。このＳＥＭでは、リターディングが行われる。このように、第５の実施の形態において、ＳＥＭは、基本的には図１に示されるものと同様の構成を有している。第５の実施の形態において、電位板２２の下面（試料２３側の面）に、反射電子２１ｂを検出する第１の検出器７２０が配置されている点で図１に示されるものとは異なっている。

第１の検出器７２０には、一次電子線１２や二次電子２１ａが通過する孔部７２０ａが設けられている。第１の検出器７２０としては、例えば、マイクロチャンネルプレートや、ロビンソン検出器や、半導体検出器等が用いられる。

このように、図１７に示される装置では、比較的試料２３に近い位置に、第１の検出器７２０が配置される。入射する反射電子２１ｂの立体角が大きく、反射電子２１ｂの検出感度が向上するので、より高い感度で試料２３の観察を行うことができる。

図１８は、第５の実施の形態に係るＳＥＭの装置構成の一変形例を示す断面図である。

図１８に示されるＳＥＭは、図１７に示されるものと基本的に同様の構成を有している。このＳＥＭでは、電位板２２の下面に、第１の検出器７２０に加えて、特性Ｘ線１２１を検出する第２の検出器８２０が設けられている。

第１の検出器７２０及び第２の検出器８２０は、互いに組み合わされて構成された検出ユニットとして構成されている。検出ユニットは、例えば、第２の対物レンズ２６側から見た一部の領域に第１の検出器７２０が配置され、他の領域に第２の検出器８２０が配置されたものである。検出ユニットには、一次電子線１２や二次電子２１ａが通過する孔部が設けられている。なお、第１の検出器７２０と第２の検出器８２０とは、別々に電位板２２の下面に取り付けられていてもよい。

このように、図１８に示されるＳＥＭでは、比較的試料２３に近い位置に、第１の検出器７２０と第２の検出器８２０とが配置される。すなわち、第１の検出器７２０に信号電子２１が入射する位置と、第２の検出器８２０に特性Ｘ線１２１が入射する位置とは、一次電子線１２が試料２３に入射する入射位置から同じ程度離れている。そのため、各検出器７２０、８２０に入射する反射電子２１ｂや特性Ｘ線１２１の立体角が大きくなる。したがって、第１の検出器７２０では、反射電子２１ｂの検出感度が向上するので、より高い感度で試料２３の観察を行うことができる。また、高い分解能で試料２３の観察を行えるようにしつつ、第２の検出器８２０によってＥＤＸ分析を効率的に行うことができる。第２の検出器８２０は、第１の検出器７２０による反射電子２１ｂの検出を妨げないように配置されており、反射電子２１ｂを検出することによる試料２３の観察と、ＥＤＸ分析とは、同時に行うことができる。

なお、第２の検出器８２０として、他の種の検出器が設けられていてもよい。第４の実施の形態で具体例として示されている検出器を適宜組み合わせて電位板２２の上方に配置するようにしてもよい。これにより、多様な観察、分析を行うことができ、かつ、信号電子２１を検出することによる観察を高い分解能で行うことができる。また、電位板２２の上方に、第１の検出器２０が配置されていてもよい。

なお、第５の実施の形態において、第１の検出器７２０の孔部７２０ａの寸法は、一次電子線１２が通過する程度に小さくてもよい。例えば、孔部７２０ａは、円形の貫通孔であって、その直径がたとえば１ミリメートルから２ミリメートル程度が好ましい。このように孔部７２０ａを小さくすることにより、反射電子２１ｂのほとんどは電位板２２より上方に通過することができなくなる。したがって、二次電子検出器１９又は検出器２０に入射する信号電子２１のほとんどが二次電子２１ａとなるため、反射電子像との混合でない、鮮明な二次電子像を得ることができる。

［その他］
本発明は上記実施形態によって記載したが、この開示の記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。例えば荷電粒子源から試料２３までの荷電粒子線の軌道を図では直線に描いてある。しかし、エネルギーフィルタなどを入れると軌道が曲げられる。荷電粒子線の軌道が曲がっている場合もある。このような場合も特許請求の範囲に記載された技術的範囲内に含まれる。また、第２の検出器１１０（又は、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、８２０）を使う場合、第１の検出器２０を第１の対物レンズ１８の内部に配置したり、第１の対物レンズ１８よりも電子源１１に近い位置に配置することも可能である。また、イオンビーム顕微鏡では負イオンの荷電粒子の場合、電子と同様の考え方ができ、第１の実施の形態、第４の実施の形態、又は第５の実施の形態と同様に適用できることがわかる。イオンの場合、電子と比べて質量が重いので、コンデンサレンズ１５を静電レンズに、偏向コイル１７を静電偏向に、第１の対物レンズ１８を静電レンズにしてもよい。また、対物レンズ２６は磁気レンズを用いる。

また、Ｈｅ^＋イオン源のようにプラスイオンの荷電粒子を用いる場合には、イオン源の加速電源として正の加速電源１４を用いる。リターディングを行わない場合は、第１の実施の形態、第４の実施の形態、又は第５の実施の形態と同様に装置を構成することができる。リターディングを行う場合は、リターディング電源２７をプラス電源に切り替えるほか、上述の実施の形態と同様に装置を構成することができる。このとき、電位板２２又は電位板４２２が接地電位であれば、試料２３から放出した信号電子２１は、負電荷であるため、試料２３に引き戻されてしまう。この場合、電位板２２又は電位板４２２の電位が試料２３の電位よりも高くなるように電位板電源２８を調整すればよい。例えば、荷電粒子線の加速電源１４を＋７ｋＶとし、上部装置５１を接地電位とし、電位板２２又は電位板４２２を＋６ｋＶとし、試料２３を＋５ｋＶとすればよい。そうすると、電位板２２又は電位板４２２の位置に置いた第１の検出器７２０によって信号電子２１を検出することができる。また、第１の検出器７２０は、電位板２２のＨｅ^＋イオン源側の面に配置してもよい。つまり、図１７において、第１の検出器７２０の電位板２２を挟んだ電位板２２の裏側の位置である。この場合、信号電子２１が試料２３から電位板２２の開口部を通過して上部装置５１に近づく方向に飛行した場合、上部装置５１の電位が接地電位であれば信号電子２１は電位板２２の正の電位に引き戻される。また、二次電子検出器１９の正の電位に引き付けられ、検出される場合もある。電位板２２の正の電位に引き戻される信号電子を電位板２２のＨｅ^＋イオン源側の面に配置された第１の検出器７２０で検出することも可能である。また、信号電子検出と同時に、第２の検出器１１０（又は、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、８２０）によって電磁波を検出することも可能となる。

また、対物レンズ（第１の対物レンズ１８又は第２の対物レンズ２６）が強いレンズ（焦点距離の短いレンズ）であれば、対物レンズの焦点深度は浅く、それにより、焦点を合わせることができる試料２３の高さの範囲は狭くなる。例えば、試料２３の表面（観察される面）に凹凸または高低差がある場合、試料２３の表面全体を焦点の合った状態で観察することは困難になる。このことは、第２の対物レンズ２６を用いてリターディングを行う場合に、対物レンズが強いレンズになればなるほど（焦点距離が短くなればなるほど）、顕著になる。

そこで、画像全体に焦点が合った画像を撮影するために、制御装置４５及び第２の対物レンズ電源４２を用いて第２の対物レンズ２６の強度を変化させればよい。第２の対物レンズ２６の強度を変化させることにより、焦点距離を光軸方向に変化させ、焦点距離ごとの画像を撮影する。そして、制御装置４５を用いて、各画像における焦点の合った部分を各々抽出し、抽出された部分を合成することによって、焦点深度の深い画像を作成することができる（焦点深度合成ＥＤＦ；Extended Depth of Focus）。

また、焦点距離ごとに画像を撮影する際、第２の対物レンズ２６の強度から焦点距離を求めることができるので、抽出された各部分の相対的な高さを把握することができる。これによって、複数の画像から３次元データを構築することができるので、表示装置を用いて３次元画像を表示することが可能となる。

さらに、信号電子２１（二次電子２１ａ、反射電子２１ｂ）を検出する第１の検出器１９（又は２０）とは別の第２の検出器１１０（又は、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、８２０）を用いて、試料２３から放出された電磁波（特性Ｘ線１２１、Ｘ線６２１及びＣＬ３２１）の信号も検出することができる。第２の対物レンズ２６の強度を変化させることにより、焦点距離を光軸方向に変化させ、それにより、信号電子２１（二次電子２１ａ、反射電子２１ｂ）及び電磁波の信号を焦点距離ごとに検出することにより、焦点距離ごとの画像を撮影することが可能となる。信号電子２１を用いた撮影範囲と電磁波の信号を用いた撮影範囲とは同じ範囲となる。信号電子２１を用いて撮影した画像（第１画像）における焦点の合った部分（第１部分）と、電磁波の信号を用いて撮影した画像（第２画像）における焦点の合った部分（第２部分）と、を同一撮影箇所ごとに対応させることにより、電磁波の信号を用いた、焦点深度の深い画像を作成することができる。

さらに、電磁波の信号データを基に３次元データを作成し、３次元画像を表示装置に再現することが可能になる。３次元データから３次元画像を表示装置に再現することにより、様々な視点や角度から立体的に画像を観察、評価可能になるとともに、元素や蛍光などの表面の３次元観察が高分解能で可能になる。また、信号電子２１を用いた画像と電磁波の信号を用いた画像とを合成し、合成画像を表示装置に表示することにより、観察者にとって理解しやすい画像を作成することも可能となる。また、光学顕微鏡を用いて撮影された画像と信号電子２１を用いた画像とを合成してもよい。

上述の各実施の形態におけるそれぞれの特徴点を適宜組み合わせてもよい。

上記説明によって本発明は、荷電粒子線装置であるＥＰＭＡ、電子線描画装置などの電子ビーム装置、又はイオンビーム顕微鏡などのイオンビーム装置に容易に適用できることが理解できる。

上述の実施の形態及び変形例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明のある局面に従うと、荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、荷電粒子源に接続され、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を加速する加速電源と、荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズと、荷電粒子線の入射に伴い試料から放出された電磁波及び試料で反射された電磁波のうち少なくとも１つが入射し、入射した電磁波を検出する第２の検出器とを備え、対物レンズは、試料に対して荷電粒子線が入射する側の反対側に設置されている。

好ましくは、荷電粒子線装置は、荷電粒子線の入射に伴い試料から放出された反射電子及び二次電子の少なくとも１つが入射し、入射した反射電子又は二次電子を検出する第１の検出器をさらに備える。

好ましくは、第２の検出器は、第１の検出器による反射電子又は二次電子の検出を妨げないように配置されており、第１の検出器による反射電子又は二次電子の検出と、第２の検出器による電磁波の検出とは、同時に行うことができる。

好ましくは、第２の検出器の一部に電磁波が入射する位置は、第１の検出器に反射電子又は二次電子が入射する位置と比べて、荷電粒子線が試料に入射する入射位置に近いか、入射位置から同じ程度離れている。

好ましくは、荷電粒子線は、荷電粒子源を有する上部装置の内部を通り、最終的に上部装置に設けられた孔部を通して試料に向けて放出され、第１の検出器は、孔部の最下部に取り付けられている。

好ましくは、第１の検出器は、荷電粒子線によって試料から放出される二次電子を引き付ける電界を生成し、二次電子を検出する二次電子検出器であり、荷電粒子源を有し荷電粒子線を放出する上部装置の側部に配置されている。

好ましくは、荷電粒子線は、荷電粒子源を有する上部装置の内部を通り、最終的に上部装置に設けられた孔部を通して試料に向けて放出され、第１の検出器は、孔部よりも荷電粒子源側に配置されている。

好ましくは、荷電粒子線装置は、試料に負電位を与える、荷電粒子線を減速するためのリターディング電源をさらに備える。

好ましくは、試料と対物レンズとの間には、試料と対物レンズとを絶縁する絶縁板が配置されている。

好ましくは、荷電粒子線装置は、試料の上部に、孔部のある電位板をさらに備え、電位板には、接地電位、正の電位、又は負の電位が与えられる。

好ましくは、荷電粒子線は、正のイオンであり、試料には、接地電位以上の正の電位が与えられており、電位板には、試料の電位と比べて同電位又は高い電位が与えられている。

好ましくは、第２の検出器は、電位板の試料側の面に配置されている。

好ましくは、荷電粒子線装置は、試料の上部に配置され、孔部のある電位板をさらに備え、第１の検出器は複数設けられており、複数の第１の検出器のうち１つが電位板の試料側の面に配置されている。

好ましくは、第２の検出器は、荷電粒子線の入射に伴い試料から放出されたＸ線を検出する。

好ましくは、第２の検出器は、試料の近くに配置された光学素子を有し、荷電粒子線の入射に伴い試料から放出され、光学素子に入射したカソードルミネッセンスを検出する。

好ましくは、第２の検出器は、試料の近くに配置された光学素子を有し、試料の表面に照射され、試料の表面で反射又は発光されて光学素子に入射した光を検出する。

好ましくは、光学素子は、楕円鏡、放物面鏡、及び反射鏡のいずれかである。

好ましくは、第２の検出器は、荷電粒子線の入射に伴い試料から放出されたＸ線を検出し、第２の検出器は、Ｘ線が入射する入射部が、導電性の腕部に形成された板状部に取り付けられており、板状部は、荷電粒子線が通過する開口部を有し、試料の近傍であって試料に対して荷電粒子線が入射する側に配置されており、板状部には、接地電位、正の電位、又は負の電位が与えられる。

好ましくは、荷電粒子線装置は、試料に対して荷電粒子線が入射する側に設置された、対物レンズとは異なる他の対物レンズをさらに備え、第２の検出器は、対物レンズにより荷電粒子線を試料に集束させる場合と、対物レンズとは異なる他の対物レンズにより荷電粒子線を試料に集束させる場合との両方の場合において検出を行うことができる。

好ましくは、荷電粒子線装置は、試料に対して荷電粒子線が入射する側に設置され、試料に入射する荷電粒子線の開き角を変更する、対物レンズとは異なる他の対物レンズをさらに備える。

好ましくは、第２の検出器の試料に対する位置が調整できるように構成されている。

好ましくは、（ｉ）前記対物レンズの焦点距離を変化させることにより、焦点距離ごとに、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された反射電子又は二次電子信号を用いた第１画像及び前記電磁波を用いた第２画像を撮影し、（ｉｉ）焦点距離ごとに撮影された、各第１画像において焦点の合った第１部分、及び当該第１部分に対応する、各第２画像において焦点の合った第２部分を、各第１画像及び各第２画像から、それぞれ抽出し、（ｉｉｉ）抽出された、複数の第１部分及び複数の第２部分を合成し、当該合成された画像を表示装置に表示させる、制御装置をさらに備える。

この発明の他の局面に従うと、走査電子顕微鏡は、上述のいずれかに記載の荷電粒子線装置を備える。

１１ 荷電粒子源（電子源）
１２ 荷電粒子線（一次電子線）
１３ ウェーネルト電極
１４ 加速電源
１５ コンデンサレンズ
１５ａ 一段目コンデンサレンズ
１５ｂ 二段目コンデンサレンズ
１６ 対物レンズ絞り
１７ 二段偏向コイル
１７ａ 上段偏向コイル
１７ｂ 下段偏向コイル
１８ 第１の対物レンズ
１８ａ 内側磁極
１８ｂ 外側磁極
１８ｃ 孔部
１９ 第１の検出器（二次電子検出器）
２０ 第１の検出器（半導体検出器、ロビンソン検出器又はＭＣＰ検出器）
２１ 信号電子
２１ａ 二次電子
２１ｂ 反射電子
２２、４２２ 電位板
２３ 試料
２４ 試料台
２５ 絶縁板
２６ 第２の対物レンズ
２６ａ 中心磁極
２６ｂ 上部磁極
２６ｃ 側面磁極
２６ｄ 下部磁極
２６ｅ コイル部
２６ｆ シール部
２７ リターディング電源
２８ 電位板電源
２９ 試料台ステージ板
３０ 円筒放電防止電極
３１ 絶縁材
４１ 第１の対物レンズ電源
４２ 第２の対物レンズ電源
４３ 上段偏向電源
４４ 下段偏向電源
４５ 制御装置
５１ 上部装置
５２ 下部装置
６１ ＸＹＺステージ
１１０、２１０、３１０、４１０、５１０、６１０、８２０ 第２の検出器
１１３ 腕部
１１４ 板状部
１２１ 特性Ｘ線（電磁波の一例）
３２０ 楕円鏡（光学素子の一例）
３２１ カソードルミネッセンス（ＣＬ；電磁波の一例）
４２０ 放物面鏡（光学素子の一例）
５２０ 反射ミラー（光学素子の一例）
５２１ 放出光（電磁波の一例）
６１７ ポリキャピラリ（光学素子の一例）
６２０ 分光結晶
６２１ Ｘ線（電磁波の一例）
７２０ 電位板部にある第１の検出器（半導体検出器、ロビンソン検出器又はＭＣＰ検出器）
α１ Ｘ線の取り出し角

Claims (8)

1. 荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源に接続され、前記荷電粒子源から放出された前記荷電粒子線を加速する加速電源と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズと、
   前記荷電粒子線を前記試料上に走査させる偏向コイルと、
   前記荷電粒子線の焦点を光軸方向に移動させ、各焦点において、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された電磁波を検出する検出器と
   を備え、
   前記各焦点において検出された電磁波を用いた複数の画像から３次元データを構築し、表示装置を用いて３次元画像を表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. （ｉ）前記焦点ごとに、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出された反射電子又は二次電子信号を用いた第１画像及び前記電磁波を用いた第２画像を撮影し、
   （ｉｉ）前記焦点ごとに撮影された、各第１画像において焦点の合った第１部分、及び当該第１部分に対応する、各第２画像の第２部分を、各第１画像及び各第２画像から、それぞれ抽出し、
   （ｉｉｉ）抽出された、複数の第１部分及び複数の第２部分をそれぞれ合成し、前記複数の第１部分が合成された画像及び前記複数の第２部分が合成された画像を表示装置に表示させる制御装置をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
3. 前記制御装置は、前記第１部分と前記第２部分とを合成し、当該合成された画像を前記表示装置に表示させることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線装置。
4. 前記制御装置は、前記第１部分、前記第２部分、及び前記第１部分の位置を含む３次元データから３次元画像を前記表示装置に再現させることを特徴とする請求項２又は３に記載の荷電粒子線装置。
5. 前記検出器は、前記荷電粒子線の入射に伴い前記試料から放出されたＸ線を検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。
6. 前記検出器は、カソードルミネッセンスを検出する、請求項１から４のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。
7. 前記試料に負電位を与える、前記荷電粒子線を減速するためのリターディング電源をさらに備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置を備える、走査電子顕微鏡。

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