JP2022174283A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高分解能な観察をしながら、試料に対する操作、加工又は測定ができる荷電粒子線装置を実現する。
【解決手段】一次電子線（１２）を放出する電子源と、電子源から放出される一次電子線（１２）を試料（２３）に集束させる下部対物レンズ（２６）と、を備え、下部対物レンズ（２６）は、試料（２３）に対して一次電子線（１２）が入射する側の反対側に配置され、下部対物レンズ（２６）の上部に、試料（２３）に対する操作、加工、及び測定のいずれか一つの処理を試料（２３）に対して行うための空間が確保されるように、試料（２３）の上部の配置構成が決定される荷電粒子線装置である。
【選択図】図９

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

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 Analyzer）、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従来技術として知られている。

従来のＳＥＭ（特許文献１、２及び３）では、電子線の対物レンズにおける収差が大きくなり分解能が不足する。このため、高分解能観察のためには収差を抑える技術が必要となる。

その技術として、試料と対物レンズの間に一次電子線を減速する電界を発生させるリターディング技術がある。通常は試料に負の電圧を印加する。この場合、対物レンズの収差が低減される。リターディング技術を用いることにより、低入射エネルギーでも高分解能観察が実現される。

特開平９－１７１７９１号公報（１９９７年６月３０日公開） 特開２０００－１３３１９４号公報（２０００年５月１２日公開） 特開平８－６８７７２号公報（１９９６年３月１２日公開）

リターディング技術を用いる場合、試料に対して電子銃側の空間に電位板を配置し、電位板と試料との間に電位差が与えられる。通常、試料に負の電圧を印加するため、試料の、電位板側の表面に尖りがあると、尖りの周辺に強い電界が生じ、電位板と試料との間に放電が起こるという問題点がある。

例えば、埃などが試料表面に付着した状態でリターディング電圧を印加すると、埃が電界方向に立ち上がり、その結果、試料表面に尖りが発生する場合がある。特に、試料表面の尖りが鋭ければ鋭いほど、また、上記の電位差が大きければ大きいほど、尖りの周辺に生じる電界集中が一層増大し、上記問題点は深刻となる。電位板と試料との間の電位差を大きくすることができなくなり、リターディング技術を実現することが困難となる。

また、試料表面の電界集中により試料特性を劣化させてしまうという問題点もある。さらに、電子銃から放出された一次電子線の軌道が曲げられてしまうという問題点もある。

このようなことは、上述した試料表面の尖りの他、例えば、（１）試料の、電位板側の表面に凹凸がある場合、（２）試料表面に傾斜があること及び試料が絶縁体であること等、電位板との間に生じる電界分布が試料台に平行とならない場合、であっても同様に起こり得る問題点である。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、リターディング技術を用いる荷電粒子線装置において、様々な試料に対し、試料表面に生じる電界を緩和し、リターディング技術の実効性に優れた荷電粒子線装置を実現することにある。

また、本発明の目的は、試料から見て電子銃の反対側の空間に配置された下部対物レンズを備える荷電粒子線装置において、下部対物レンズの上部に、試料に対する操作、加工又は測定を行うための各種装置を配置可能な空間を設けることにより、高分解能な観察をしながら、試料に対する操作、加工又は測定ができる荷電粒子線装置を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、上記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料に集束させる下部対物レンズと、を備え、上記下部対物レンズは、上記試料に対して上記荷電粒子線が入射する側の反対側に配置され、上記下部対物レンズの上部に、上記試料に対する操作、加工又は測定のいずれか一つを少なくとも含む、上記試料に対する処理を行うための空間が確保されるように、上記試料の上部の配置構成が決定される。

本発明の一態様によれば、下部対物レンズを使用することにより、試料を高分解能で観察しつつ、試料を測定したり操ったりすることが可能となる。更に、試料を低倍率で観察する場合には、上部対物レンズを使用することにより、一次電子線を集束すれば良い。これにより、高分解能な観察をしながら、試料に対する操作、加工又は測定ができる荷電粒子線装置を実現することができる。

本発明の実施形態１に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態２に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態３に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態４に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態５に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態６に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態７に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態８に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。 本発明の実施形態９に係るＳＥＭの構成を説明する概略断面図である。

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。

［実施形態１］
図１を参照して、本発明の実施形態１に係るＳＥＭの概略構成を説明する。

（ＳＥＭの基本構成）
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、上部対物レンズ１８と、下部対物レンズ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。上部対物レンズ１８及び下部対物レンズ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、上部対物レンズ１８及び下部対物レンズ２６からなる電磁レンズの制御部として、上部対物レンズ電源４１と、下部対物レンズ電源４２と、制御装置４５とを備える。上部対物レンズ電源４１は、上部対物レンズ１８の強度を可変する。下部対物レンズ電源４２は、下部対物レンズ２６の強度を可変する。制御装置４５は、上部対物レンズ電源４１と下部対物レンズ電源４２とを制御する。

制御装置４５は、上部対物レンズ１８の強度と下部対物レンズ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。

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、または冷陰極型）を用いることができる。本実施形態１では、電子源１１に、熱電子放出型のＬａＢ６などの結晶電子源、また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１４ｄ（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、上部対物レンズ１８を通過する。汎用ＳＥＭは、上部対物レンズ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から上部対物レンズ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７１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７２が構成される。下部装置７２に試料２３は保持される。上部装置７１は、その内部を通った一次電子線１２が最終的に放出される孔部１８ｃを有している。本実施形態１では、孔部１８ｃは上部対物レンズ１８に存在する。検出器２０は、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、検出器２０の開口部と孔部１８ｃとが重なるように、上部対物レンズ１８の下部に取り付けられる。上部対物レンズ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７１の孔部１８ｃ以外にはできるだけ隙間がないようにして、上部装置７１と下部装置７２との間に取り付けられる。

上部対物レンズ１８を通過した一次電子線１２は、下部対物レンズ２６で縮小集束される。下部対物レンズ２６は、試料２３に近づくほど強い磁場分布を有する低収差レンズを実現している。また、上部対物レンズ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、上部対物レンズ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、下部対物レンズ２６のみで一次電子線１２を集束しきれない場合には、上部対物レンズ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。

リターディングをしない場合には、電位板２２は取り外してもよい。また、電位板２２は取り外しが可能となっており、新たな電位板２２に付け替えることも可能である。試料２３はできるだけ下部対物レンズ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、下部対物レンズ２６の上部（上面）からの距離が５ｍｍ以下になるように、下部対物レンズ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、下部対物レンズ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。

下部対物レンズ２６の、光軸上における磁束密度は、試料に近いほど強い分布をしているので、リターディングをする場合には、下部対物レンズ２６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。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に近いほど下部対物レンズ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、下部対物レンズ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、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。上部対物レンズ１８と下部対物レンズ２６との距離が１０ｍｍより近いと、上部対物レンズ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が上部対物レンズ１８の中に引きこまれやすくなる。上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。まず下部対物レンズ２６の形状について、図１を参照して説明する。

下部対物レンズ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、多段または曲面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、光軸上における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、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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、上部対物レンズ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、下部対物レンズ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。ただし、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、下部対物レンズ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またはモネル）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リングまたはロウ付けで真空気密にする。下部対物レンズ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、下部対物レンズ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、下部対物レンズ２６を冷却しやすくなる。

真空容器の中に下部対物レンズ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下部対物レンズ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。下部対物レンズ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。例えば下部対物レンズ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下部対物レンズ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、強励磁の下部対物レンズ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。

下部対物レンズ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あるいはフッ素樹脂やセラミックス板等である。リターディング電圧を高くしたい場合は絶縁板２５の厚みを０．５ｍｍから２ｍｍ程度まで厚くしてもよい。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、下部対物レンズ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。リターディング電源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、第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃ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電位板２２が配置される。電位板２２は、下部対物レンズ２６の光軸に対し垂直に設置される。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または信号電子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。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、第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂに接続される。

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、下部対物レンズ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、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が下部対物レンズ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。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。

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。下部対物レンズ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。

本実施形態１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。上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。

本実施形態１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）、また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上部対物レンズ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またはロビンソン検出器２０は、上部対物レンズ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を進むからである。

一次電子線１２は、加速電源１４で加速に用いられた加速電圧（Ｖａｃｃ）からリターディング電圧Ｖｄｅｃｅｌを引いた値、すなわち－（Ｖａｃｃ－Ｖｄｅｃｅｌ）［Ｖ］に電子の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、下部対物レンズ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も下部対物レンズ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、上部対物レンズ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、上部対物レンズ１８のような、試料に対して電子銃側の空間に配置された対物レンズで電子を集束するのが通常である。上部対物レンズ１８は、通常、試料２３を上部対物レンズ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、その厚み分は上部対物レンズ１８から試料２３を離す必要がある。また、試料２３を上部対物レンズ１８に近づけすぎると、二次電子２１ａが、上部対物レンズ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、上部対物レンズ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と上部対物レンズ１８とは少し離れてしまい、高性能化が難しくなる。

本実施形態１では、下部対物レンズ２６を主レンズとして使う場合、試料２３を下部対物レンズ２６に近づけて設置することができる。そして、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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を上部対物レンズ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、そこから発生また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、本実施形態１における装置の様々な使い方の具体例を示す。

例えば、加速電圧Ｖａｃｃを－４ｋＶ、試料２３を－３．９ｋＶにして、照射電圧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、上記では下部対物レンズ２６の磁極について、Ｄ＝８ｍｍ、ｄ＝２０ｍｍとした場合を示したが、Ｄ＝２ｍｍ、ｄ＝６ｍｍ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。

下部対物レンズ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。試料位置が下部対物レンズ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）を下部対物レンズ２６の上に置かなくてもよい。そのため、この場合には、下部対物レンズ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、下部対物レンズ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、下部対物レンズ２６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と上部対物レンズ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、下部対物レンズ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上部対物レンズ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、上部対物レンズ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。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、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。上部対物レンズ１８と下部対物レンズ２６との距離を離すほど、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ２６とが作るレンズの縮小率は小さい値になる。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、上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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、単に上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。

本実施形態１では、下部対物レンズ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また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また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また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。

本実施形態１では、試料２３が分厚い場合、対物レンズとして上部対物レンズ１８を使ってもよい。電位板２２を動かす電位板ステージ６１及び第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂを活用して、試料ステージとして使用することができる。第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂは、上部対物レンズ１８に近づける方向にも移動できる（Ｚ方向ステージ調整部５６ａ）。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また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）。

下部対物レンズ電源４２のみを使うときには、上部対物レンズ１８と試料測定面との距離よりも、下部対物レンズ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、上部対物レンズ電源４１のみを使うときには、下部対物レンズ２６と試料測定面との距離よりも、上部対物レンズ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、上部対物レンズ電源４１のみを使うときであっても、下部対物レンズ２６と試料測定面との距離よりも、上部対物レンズ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。上部対物レンズ１８と試料測定面との距離よりも、下部対物レンズ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が上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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、下部対物レンズ２６の近くに試料２３を配置し、上部対物レンズ電源４１を用いて上部対物レンズ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、上部対物レンズ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。一次電子は上部対物レンズ１８を通過するときは３０ｋｅＶであり、上部対物レンズ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。

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、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、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、上部対物レンズ１８の内部から見て一次電子線１２が飛来してくる側の空間に設置される（上部対物レンズ１８のレンズ主面より上流に設置、また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）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。

二段の偏向コイル１７によって、電子は光軸と上部対物レンズ１８の主面の交点近くを通過する軌道になっている。上部対物レンズ１８を主レンズとして使う場合には、このように設定される。下部対物レンズ２６を主レンズとして使う場合には、上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂの強度比が、電子が下部対物レンズ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。

偏向コイル１７は、上部対物レンズ１８内の隙間に配置してもよい。偏向コイル１７は、上部対物レンズ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。

（シールド電極）
本実施形態１に係るＳＥＭにおいては、図１に示すように、電位板２２と試料台２４との間に、より具体的には、電位板２２と試料台２４に載置された試料２３との間に、シールド電極５１が配置される。試料台２４側から見れば、シールド電極５１及び電位板２２は、この順で配置される。

シールド電極５１は、絶縁碍子５２を挟むようにして、電位板２２と接続される。シールド電極５１は、絶縁碍子５２を介した電位板２２との接続により、試料２３の上方に固定される。また、絶縁碍子５２は絶縁体であるので、シールド電極５１は電位板２２と電気的に絶縁される。図１では、電位板２２の、試料２３の近くの場所に絶縁碍子５２を設けているが、電位板２２は、試料２３の近く以外の場所では試料台２４から離れる形状を有しているので、電位板２２の、試料２３の近く以外の場所、すなわち、後述する図２に示すように、試料台２４から、より離れた場所に絶縁碍子５２を設けてももちろん構わない。

また、シールド電極５１は、開口部を有する。シールド電極５１及び電位板２２の各開口部の中心軸同士は、実質的に一致しており、それら２つの開口部を、一次電子線１２及び信号電子２１（二次電子２１ａ、反射電子２１ｂ）が通過する。要は、一次電子線１２及び信号電子２１の通過が妨げられないように、シールド電極５１及び電位板２２の各開口部の中心軸同士が一致していればよい。

ここで注目すべきは、シールド電極５１は、配線５３を介して、試料台２４に電気的に接続される、つまり、シールド電極５１は、試料台２４と同電位となる点である。以下、試料台２４と同電位となるシールド電極５１を配置することによる効果について説明する。

まず、リターディングするとき、試料２３に強い電界をかけたくない場合に有効である。従来であれば、電位板２２と試料台２４との間に電位差が与えられた結果、試料２３の表面に強電界が生じると、試料２３の表面と電位板２２との間で放電してしまう。この放電は、試料２３の特性劣化を招いたり、試料２３にダメージを与えたりするおそれがある。一方、シールド電極５１の配置により、電位板２２と試料台２４との間に与えた電位差を電位板２２とシールド電極５１との間に与えることができる。つまり、電位板２２とシールド電極５１との間に電界を生じさせ、試料２３の表面に生じる電界を緩和することが可能となる。このことは、試料２３が半導体素子等、微細な構造を有するが故に電界発生を嫌う試料に特に有効である。

また、試料２３が絶縁体である場合、リターディング電圧の電位を試料２３の表面に印加することができない。一方、シールド電極５１の配置により、試料２３の表面近傍を試料台２４と同電位とすることができる。このことにより、試料２３が絶縁体であっても、試料２３の表面を試料台２４に与えた電位とすることが可能となる。

さらに、電位板２２と試料台２４との間に与えられた電位差により静電レンズが形成される。試料２３の表面に尖りや凹凸がある場合や、試料２３の表面に傾斜を持つ形状である場合、あるいは、試料２３が円柱形状であり、円柱の端のあたりを観察したい場合等では、試料２３の表面に電界が生じるため、静電レンズになる等電位線が光軸に対して回転対称とはならず、静電レンズが大きな収差を持つ。一方、シールド電極５１の配置により、試料２３の表面に生じる電界が緩和され、静電レンズを光軸に対して回転対称とすることが可能となる。

さらに、照射電圧を１ｋｅＶ程度以下にすれば、絶縁体でも帯電しにくくなることが知られている。リターディングをして照射電圧を１ｋｅＶ程度にする場合に、シールド電極５１を配置し、試料台２４とシールド電極５１とを同電位にすることにより、帯電しにくい状態で絶縁体を観察することができる。

ここで、下部対物レンズ２６の、光軸上における磁束密度は、試料２３に近いほど強い分布をしているので、下部対物レンズ２６は低収差レンズになる。試料２３に負の電位を与えると、試料２３に近いほど強いレンズになり、下部対物レンズ２６はさらに低収差レンズになる。試料２３のリターディング電圧による電界で、信号電子２１は加速され、エネルギー増幅して検出器２０に入るため、検出器２０は高感度となる。

さらに、シールド電極５１に負の電位を与えると一次電子線１２はシールド電極５１に近づくほど速度は減速するので、下部対物レンズ２６によって曲がりやすくなり、シールド電極５１に近づくほど、下部対物レンズ２６は強いレンズになる。また、シールド電極５１近くでは一次電子線１２がほとんど減速し終わり、試料２３との間では、ほんの少しの減速が起こるようになる（試料台２４とシールド電極５１とが同電位である場合）。

下部対物レンズ２６の、光軸上における磁束密度は、試料２３に近いほど強い分布をしている。シールド電極５１と試料２３との間は試料２３に近いほど強いレンズを構成し、シールド電極５１のない場合よりも、シールド電極５１と試料２３との間の強いレンズになる幅の分が多くなり、狭い幅で強いレンズにすることが可能である。

なお、シールド電極５１の電位は、別電源により試料台２４とは異なる別電位をあたえてもよい。二次電子２１ａがシールド電極５１を通過しない電位、例えば試料２３の電位より２００Ｖ低い電位をシールド電極５１にあたえればシールド電極５１を通過する信号電子２１は反射電子２１ｂのみにすることができ、反射電子２１ｂのみによる像が得られる。また、電位板２２としては、シールド電極５１と一体化されたもの、シールド電極５１とは別体の、電位板２２単体のもの、あるいは、第１の検出器７２０または第２の検出器８２０が取り付けられたものなどがある。さらに、各種の電位板２２を付け替えることができるようになっている。

（軸合わせ）
本実施形態１に係るＳＥＭにおいては、図１に示すように、補正器５４ａ、補正器５４ｂ、補正器５４ｃ、補正器５４ｄ、補正器５４ｅ及び補正器５４ｆが設けられる。補正器５４ａ～補正器５４ｆは、表示装置５７に表示された収差のある画像を調整するための補正器である。補正器５４ａ～補正器５４ｄは、補正器電源５５に接続されており、制御装置４５が補正器電源５５を制御する。補正器５４ａ～補正器５４ｄは、例えば、補正器５４ｂ及び補正器５４ｄをアライメント偏向器とし、補正器５４ａ及び補正器５４ｃを非点補正器とすればよい。あるいは、補正器５４ａに非点補正器とアライメント偏向器を配置し、補正器５４ｃをアライメント偏向器としてもよい。補正器５４ｅ及び補正器５４ｆは、上部装置７１の光軸と下部対物レンズ２６の光軸とを合わせるのに用い、例えばネジを用いて移動させることができる。

さらに、一次電子線１２の軌道を上部装置７１の光軸から下部対物レンズ２６の光軸に移動させて正確に合わせるには、例えばアライメント偏向器として、補正器５４ｃを用いるとよい。表示装置５７は、検出器２０から出る電気信号を走査信号と同期して二次元的に表示させる。表示装置５７の画像を見ながら、アライメント偏向器５４ｃで一次電子線１２の軌道を偏向させ、下部対物レンズ２６の光軸に合わせることで収差の少ない画像になるように調整される。アライメント偏向器はこのように１段でも可能であるが、さらに軸を調整するために、２段のアライメント偏向器を用いてもよい。例えば、補正器５４ｂ及び補正器５４ｄをアライメント偏向器とすることで軌道を平行移動、傾斜、またはその組み合わせができるようになる。

軸調整方法としてウォブラ法を用いてもよい。ウォブラ法は焦点距離を周期的に変動させる機能で軸合わせを容易にするために用いられる。ウォブラ法は画像の動きを見て等方的な動きになるように対物レンズ絞り１６や偏向器５４で調整する方法である。ウォブラ法は走査速度を速くする必要があり、高倍率で調整しようとする場合には、信号量が少なくなり、像が見えにくくなるため、調整が難しいことがある。下部対物レンズ２６の光軸を探す目的と非点補正を容易にするために、下部対物レンズ２６のレンズ状態を画像化させて調整するとよい。

試料２３の画像が見えるように下部対物レンズ２６の強度を調整する。その後、下部対物レンズ２６に対して二次元的に走査し、収差を発生させる偏向器１７（５４）に制御装置４５で切り替え、用いる。例えば、上段偏向コイル１７ａのみで下部対物レンズ２６に対して二次元的に走査させる。すなわち、偏向支点を下部対物レンズ２６の主面近くではなく、下部対物レンズ２６の物点から下部対物レンズ２６の主面の手前までの間になるようにする。この場合は上段偏向コイル１７ａの位置が偏向支点となる。

表示装置５７は、検出器２０から出る電気信号を走査信号と同期して二次元的に表示させる。表示装置５７には歪収差のある画像が現れる。表示装置５７に表示された収差のある画像を中心対称な歪の画像になるように補正器５４ａ～補正器５４ｆを用いて軸合わせ及び非点補正を行う。例えば、補正器５４ｅ及び補正器５４ｆを用いて粗い調整を行い、補正器５４ａ～補正器５４ｄを用いて細かい調整を行えばよい。

具体的な例を示す。補正器５４ｂ及び補正器５４ｄをアライメント偏向器として用いた場合、偏向強度を調整することで歪の中心を表示画面の中央に移動させるとよい。歪が中央に対して回転対象でなくひずんでいる場合は、非点補正器として例えば補正器５４ｃを用い、非点補正をすると中心対称な歪にできる。また、電位板２２やシールド電極５１を移動させることで軸を調整してもよい。そして、通常の画像を見る状態（すなわち偏向支点が下部対物レンズ２６の主面近くにある）にすると収差が補正できた画像が得られる。

下部対物レンズ２６に対して二次元的に走査する収差を発生させる偏向器として、例えば上段偏向コイル１７ａと下段偏向コイル１７ｂを用いて、強度比を変化させて偏向支点を調整して下部対物レンズ２６に対して二次元的に走査させてもよい。このことにより、倍率にあった歪像を見ることができる。例えば偏向支点を下部対物レンズ２６の物点（コンデンサレンズ１５ｂのクロスオーバー点）に近づけると高倍率時に歪画像が見やすくできる。以上の方法は上部対物レンズ１８を主レンズとする場合にも利用できる。

また、下部対物レンズ２６を主に使う場合、及びリターディング時の収差を調整する場合には、特に有効である。歪像から軸合わせ及び非点補正をプログラムで自動修正できるようにしてもよい。表示装置５７に表示された歪の画像の中心が表示画面の中央にくるように二段偏向コイル１７及び対物レンズ絞り１６を用いて調整し、その後、補正器５４ａ～補正器５４ｆを用いて歪像が点対称に近づくようにするとよい。

さらに、本実施形態１に係るＳＥＭにおいては、ウォブラ法も利用できるようにしてもよい。ウォブラ法では下部対物レンズ２６の電流量を変化させてもよいし、加速電圧やリターディング電圧及び電位板電圧を変化させてもよい。ウォブラ法を用いて二段偏向コイル１７を用いて軸調整をしてもよい。

（移動機構）
本実施形態１に係るＳＥＭにおいては、図１に示すように、電位板２２及び試料台２４をＸＹＺ方向に移動させる移動機構を備える。ＳＥＭの下部装置７２の上面側の空間は、真空壁６０で囲まれている。これにより、上部対物レンズ１８や、二次電子検出器１９、検出器２０や、試料２３等は、真空環境におかれる。移動機構は、具体的には、Ｚ方向ステージ調整部５６ａ、第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂ、第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃ、電位板ステージ６１及び試料台ステージ板２９から構成される。Ｚ方向ステージ調整部５６ａ、第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂ及び第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃは、真空外部に配置されており、ユーザにより操作される。電位板ステージ６１は、Ｚ方向ステージ調整部５６ａ及び第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂを用いたユーザによる操作により、ＸＹＺ方向に移動する。電位板ステージ６１の移動に伴い、電位板２２のＸＹＺ方向の移動が実現される。同様に、試料台ステージ板２９は、第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃを用いたユーザによる操作により、ＸＹ方向に移動する。ＸＹステージの移動に伴い、試料台ステージ板２９の移動に伴い、試料台２４のＸＹ方向の移動が実現される。

シールド電極５１は、電位板２２に接続されているため、ユーザは、Ｚ方向ステージ調整部５６ａ及び第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂを用いて、電位板２２及びシールド電極５１をＸＹＺ方向に移動させることができるので、電位板２２及びシールド電極５１の各開口部を位置調整することができる。

また、移動機構を、上述した補正器の１つとして用いることにより、電位板２２及びシールド電極５１を移動させて静電レンズの軸を調整することもできる。この調整の際、上部対物レンズ１８を用いて一次電子線１２の焦点を調整し、シールド電極５１の開口部を観察しながら位置調整してもよい。

リターディングをしている場合は、リターディングによる静電レンズの歪により収差が大きくなる、さらに、静電レンズと磁気レンズとの軸ずれも起こる。静電レンズと磁気レンズとの軸ずれに関しては、電位板ステージ６１による軸ずれ調整をするとよい。電位板ステージ６１は、上述した通り、試料２３の高さによって高さ（Ｚ方向）を調整し、左右前後方向（ＸＹ方向）に移動させることができる。

静電レンズの歪により収差が大きくなることに関しては、シールド電極５１により静電レンズを軸対称にできるものの、たとえば試料２３の傾きなどにより、少し磁気レンズとずれることがある。電位板ステージ６１により微調整することで収差を調整できる。

シールド電極５１の開口部の中心を光軸に合わせる方法として、下部対物レンズ２６をＯＦＦし、上部対物レンズ１８を用いてシールド電極５１に焦点を合わせて、シールド電極５１の開口部の中心が表示装置５７の表示画面の中央にくるように第１ＸＹ方向ステージ調整部５６ｂを操作して調整すればよい。これにより、静電レンズと下部対物レンズ２６の軸合わせを行うことができる。試料２３についても、同様に、第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃを操作して調整すればよい。

（ガス導入機構）
本実施形態１に係るＳＥＭにおいては、図１に示すように、ガス導入機構５８を備える。電位板２２から試料２３側の空間（以下、「下部空間」と称す。）と、電位板２２から上部対物レンズ１８側の空間（以下、「上部空間」と称す。）とは、電位板ステージ６１及びスライド板６２を用いて、真空的に分離される。ガス導入機構５８は、下部空間に各種ガスを導入し、下部空間内を低真空にしたり、試料２３の表面近傍にガスを滞留させたりする。

例えば、試料２３が絶縁物である場合、導電性物質でコーティングするのが通常であるものの、導電性物質のコーティングなしで観察を行う場合もある。このような場合に用いられる方法として、試料が帯電しないように試料室を低真空にする方法が知られている。

そこで、図１のＳＥＭにおいては、ガス導入機構５８を用いて、下部空間にガスを導入することにより、下部空間内を低真空にする。また、ガス導入機構５８を用いて導入される微少量のガスまたはイオンを試料２３に吹きかけることにより、試料２３を除電してもよい。

一方、上部空間内は高真空に保つことにより、一次電子線１２の散乱率を減らすことができるので、高真空時に近い性能を発揮することができる。

なお、低真空にすると、シールド電極５１と電位板２２との間の耐電圧不良が発生しやすくなる。このため、後述する図２に示すように、試料台２４から、より離れた場所に絶縁碍子５２を設けることにより、絶縁碍子５２の沿面距離を長くし、絶縁碍子５２の耐電圧を大きくなるようにしてもよい。

なお、ガス導入機構５８に代えて、下部空間内を排気する排気口を狭めることにより、下部空間内を低真空にすることも可能である。

［実施形態２］
図２を参照して、本発明の実施形態２に係るＳＥＭの概略構成を説明する。以下、本発明の実施形態１と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態２のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、電位板２２の下面に、反射電子２１ｂを検出する第１の検出器７２０及び特性Ｘ線１２１を検出する第２の検出器（電磁波の検出器）８２０を設けた点である。また、上述したように、絶縁碍子５２を、試料台２４から、より離れた場所に設けた点である。

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。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、下部対物レンズ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、または一方のみ電位板２２の下面に取り付けられていてもよい。

第１の検出器７２０及び第２の検出器８２０は、比較的試料２３に近い位置に配置される。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、第１の検出器７２０及び第２の検出器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。また、電位板２２の上方に、検出器２０が配置されていてもよい。第１の検出器７２０または第２の検出器８２０の孔部の寸法は、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または検出器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。

［実施形態３］
図３は、本発明の実施形態３に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１及び２と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態３のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、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（電磁波の検出器）１１０を備えた点である。

図３に示されるように、ＳＥＭの下部装置の上面側の空間は、真空壁６０で囲まれている。これにより、上部対物レンズ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を介して下部対物レンズ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、上部対物レンズ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、上部対物レンズ１８の側部に配置されている。

ここで、図３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、上部対物レンズ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。上部対物レンズ１８と下部対物レンズ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。

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。

［実施形態４］
図４は、本発明の実施形態４に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１、２及び３と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態４のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、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が設けられた点である。

ＷＤＸ分析用の第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、下部対物レンズ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４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４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。

［実施形態５］
図５は、本発明の実施形態５に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１、２、３及び４と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態５のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）３２１を検出する第２の検出器４１０が設けられた点である。

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、下部対物レンズ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。

なお、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。なお、放物面鏡４２０を楕円鏡にしてＣＬ３２１を検出してもよい。また、放物面鏡４２０の代わりに反射ミラーを配置し、光学レンズ４１１、検出器本体３１０aの位置に光学顕微鏡、蛍光顕微鏡を取り付けて観察できるようにしてもよい。二次電子検出器１９、半導体検出器２０による画像と第２の検出器４１０による画像を同時に観察するようにしてもよい。さらに、信号電子２１による画像と第２の検出器４１０による画像を重ねて表示するようにしてもよい。

［実施形態６］
図６は、本発明の実施形態６に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１～５と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態６のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、シールド電極５１、絶縁碍子５２及び配線５３に代えて、開放型ケース７００を備えた点である。

開放型ケース７００は、試料２３を覆うようにして、試料台２４上に配置される。開放型ケース７００は、その上面部７０１がシールド電極５１と同一の機能を担うものであり、その側面部７０２が配線５３と同一の機能を担うものである。具体的には、上面部７０１は、側面部７０２を介して、試料台２４に電気的に接続される。これにより、上面部７０１は、試料台２４と同電位となる。

開放型ケース７００は、留め具等を用いて試料台２４に固定されてもよい。また、上部と下部とに分離可能とし、ＳＥＭの外部で高さ調整を簡単に行えるようにしてもよい。調整後、試料台２４上に配置するようにすれば、試料２３と上面部７０１との距離を容易に調整可能となる。

例えば、上面部７０１は、非磁性体であり、導電性を有する。試料台２４に接する側面部７０２の端部は止めねじの先になっている。止めねじを回すことで高さが調整できる。試料台２４に導電性の止めねじが接しているので、上面部７０１は試料台２４と同電位になる。

上面部７０１は、試料２３を覆うように配置され、一次電子線１２が走査する部分に開口がある。試料台２４にリターディング電圧がかけられると、電位板２２との間に電位差が発生する。尖りのある試料２３の場合、上面部７０１がない場合、電位板２２との間で放電が発生しやすい。上面部７０１が試料２３の尖りを覆うことで放電を防止できる。

試料２３に凹凸があると上面部７０１がない場合、凹凸により静電レンズが乱れ、高解像にできない場合がある。上面部７０１を取り付けることで、電位が安定し、静電レンズが乱れないようにできる。

なお、本発明の実施形態６のＳＥＭでは、本発明の実施形態１のＳＥＭとは異なり、絶縁板２５と絶縁材３１とが一体化された絶縁部７１０を備えている点についても留意すべきである。

［実施形態７］
図７は、本発明の実施形態７に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１～６と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態７のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、シールド電極５１、絶縁碍子５２及び配線５３に代えて、密閉型ケース８００を備えた点である。

密閉型ケース８００は、開放型ケース７００とは異なり、試料２３を収納するものである。また、密閉型ケース８００は、その内部が密閉空間となっている。密閉型ケース８００は、その上面部８０１がシールド電極５１と同一の機能を担うものであり、その側面部８０２が配線５３と同一の機能を担うものである。具体的には、上面部８０１は、側面部８０２を介して、試料台２４に電気的に接続される。これにより、上面部８０１は、試料台２４と同電位となる。

上面部８０１に開口部を設け、導電薄膜８０３を用いて開口部を塞ぐことにより、密閉型ケース８００の内部に密閉空間を実現する。導電薄膜８０３を種々選択することにより、一次電子、反射電子、電磁波等を、導電薄膜８０３を介して、透過させる。また、開口部は平坦となるので、試料台２４を移動させても、電位板２２及び試料台２４から構成される静電レンズの形状は変わらず、その結果、電位板２２と上面部８０１との間の軸合わせは不要となる。

密閉型ケース８００の内部には、その密閉性により、ガスまたは液体を導入することができる。このため、試料２３としては、液体、生物、細胞等、高真空では観察不可能であったものも、取り扱うことが可能となる。

密閉型ケース８００も、開放型ケース７００と同様、留め具等を用いて試料台２４に固定されてもよい。また、上部と下部とに分離可能とし、ＳＥＭの外部で高さ調整を簡単に行えるようにしてもよい。調整後、試料台２４上に配置するようにすれば、試料２３と上面部８０１との距離を容易に調整可能となる。

導電薄膜８０３と上面部８０１とはできるだけ同一面にするのが好ましい。このことによって、試料台２４を動かした場合にも、電位板との間の電界を乱れないようにできる。導電薄膜８０３は３０ｎｍから１μｍ程度のもので、有機薄膜、カーボン薄膜、金属薄膜、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ポリイミド、グラフェン、酸化シリコンなどを用いることができる。導電薄膜８０３は薄いので、光やＸ線などの電磁波を通過させることができる。従って、図３、図４、図５のように第１の検出器１９、２０と第２の検出器１１０、２１０、６１０、４１０を同様に配置して信号電子２１と電磁波１２１、３２１及び光を同時に検出することができる。

密閉型ケース８００には、真空にすると蒸発して形が変形してしまうような試料を収納することができる。例えば、生物や液体中にある試料などに適している。密閉型ケース８００内に高さ調整用の台を置き、液中の試料を導電薄膜８０３に接するようにしてもよい。導電薄膜８０３と試料２３との間にガスがあるように設置してもよい。ガスは大気、ヘリウム、水素、窒素、アルゴンなどでもよい。圧力は大気圧でも減圧してもよい。密閉型ケース８００はＯリングなどでガスが漏れないようにする。

密閉型ケース８００に排気口を設けてもよいし、蓋をするときに外気を減圧して密閉してもよい。ガスを封入するようにして密閉してもよい。

なお、本発明の実施形態７のＳＥＭでも、本発明の実施形態１のＳＥＭとは異なり、絶縁板２５と絶縁材３１とが一体化された絶縁部８１０を備えている点についても留意すべきである。ただし、本発明の実施形態６のＳＥＭとは異なり、絶縁板２５に相当する部分が、本発明の実施形態１と同様、装置外部に向けて延在する点に留意すべきである。これにより、試料台２４の絶縁耐圧の向上が図られている。

［実施形態８］
図８は、本発明の実施形態８に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１～７と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態８のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、試料２３を、試料台２４上に載置することに代えて、電位板２２上に載置した点である。つまり、本発明の実施形態８のＳＥＭは、試料２３を載置する試料台として、電位板２２を用いたものである。

図８に示すように、試料２３は、電位板２２上に配置された試料台座９０４上に載置されている。上部対物レンズ１８の磁極（例えば接地電位、または電位を与える）１８ｄは、電位板２２と同一の機能を担うものである。シールド電極９００は、配線９０３を介して、試料台としての電位板２２と電気的に接続される。この接続により、シールド電極９００と電位板２２とが同電位となる。

試料台座９０４は、試料２３とシールド電極９００との距離を調整するためのものである。試料台座９０４の高さを調整することにより、試料２３とシールド電極９００との距離を調整することができる。

シールド電極９００は、シールド電極９００をＸＹＺ方向に移動させるシールド電極移動機構９０１に接続されている。シールド電極移動機構９０１は上述の実施形態１の移動機構と同様の機能も備えるものであることから、ここでは、説明を省略する。

なお、図８のＳＥＭでは、上部対物レンズ１８としてシュノーケルレンズを用いる。信号電子２１は、上部対物レンズ１８の中を進んでいき、上部対物レンズ１８の中や上部に配置された検出器に検出される。

本発明は、荷電粒子線装置であるＥＰＭＡ、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に容易に適用できることが理解できる。たとえば、荷電粒子線装置の一種であるミラー電子顕微鏡の対物レンズに下部対物レンズ２６を用いることができる。試料２３に一次電子線１２の加速電圧よりもわずかに大きい負の電位を与え、一次電子線１２を試料２３に当てず、反射させる。この場合、信号電子２１は一次電子線１２が反射されたものとなる。試料表面の微小な凹凸や電位分布の情報を得ることができる。また、移動機構を備えたシールド電極５１を配置し、位置を調整できるようにしてもよい。シールド電極５１に電位を与え、試料２３との電位差を調整できるようにしてもよい。

［実施形態９］
図９は、本発明の実施形態９に係るＳＥＭの装置構成の概要例を示す断面図である。以下、本発明の実施形態１～７と同様の部分については、同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本発明の実施形態９のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０及びＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０が設けられた点である。ＥＤＸ分析用の第２の検出器２１０及びＷＤＸ分析用の第２の検出器６１０については、本発明の実施形態４と同様の部分であるので、ここでは説明を行わない。

なお、図９には、図１等に記載された電位板２２及びシールド電極５１が記載されてはいない。しかしながら、図９に示したＳＥＭに図1等に記載された電位板２２及びシールド電極５１が設けられても良いことは言うまでもない。

また、本発明の実施形態９のＳＥＭと本発明の実施形態１のＳＥＭとで異なる点は、走査型プローブ顕微鏡（Scanning Probe Microscope、以下、「ＳＰＭ」と称する。）５００及びマニピュレータ５０４が設けられた点である。

まず、ＳＰＭ５００の構成及びその機能について説明する。

ＳＰＭ５００は、上部装置７１と下部対物レンズ２６との間に配置される。また、ＳＰＭ５００は、図１に示した電位板ステージ６１上に配置されても良い。さらに、ＳＰＭ５００は、下部対物レンズ２６の上部に配置されても良い。

ＳＰＭ５００は、カンチレバー（板バネ）５０１と、ＳＰＭ用検出器５０２と、ＳＰＭ用レーザ５０３を有する。カンチレバー５０１の先端には探針（ＳＰＭ探針）５０１ａが設けられている。ＳＰＭ５００は、探針５０１ａと試料２３との間に加わる力の変化をカンチレバー５０１のたわみや振動の変化量として検知する。この変化量の検知は、ＳＰＭ用検出器５０２がＳＰＭ用レーザ５０３から出射されるレーザ光を検知することにより行われる。ＳＰＭ５００、試料２３又は試料台２４には、ＸＹＺの各方向に伸縮可能な圧電素子が設けられている。圧電素子によって、ＳＰＭ５００、試料２３又は試料台２４は、ＸＹＺ方向に移動可能である。

また、焦点深度の合成（自動的に焦点位置を移動しながら複数枚の撮影をして、画像を合成することで被写界深度の深い画像を得る手法）の方法を利用した３次元画像を得ながら、カンチレバー５０１の探針５０１ａを操作しても良い。

ＳＰＭ５００の移動範囲は狭い。このため、ＳＰＭ５００を用いた観察だけでは、試料２３上においては、広範囲にわたり、目的の測定位置を探すことにはかなりの時間を要することが予想される。本実施形態のＳＥＭでは、試料２３のＳＥＭ像を、リアルタイムに、且つ、広範囲に、観察することができるので、ＳＰＭ５００の測定位置を素早く探し出すことができる。そして、カンチレバー５０１の先端にある探針５０１ａを、第２ＸＹ方向ステージ調整部５６ｃ又は圧電素子によって、目的の測定位置に確実に設置することができる。

また、上部対物レンズ１８のみを使用し、試料２３を観察する場合、上部対物レンズ１８と試料２３とを近づける必要がある。そのため、カンチレバー５０１のたわみや振動の変化量を検知する光学系（ここでは、ＳＰＭ用検出器５０２及びＳＰＭ用レーザ５０３）を、上部対物レンズ１８の直下に配置することが困難になることが予想される。

また、歪抵抗を有する自己検知型カンチレバーを用いれば、上述の光学系は不要とはなるものの、そもそも、カンチレバー５０１を操作させるためには、上部対物レンズ１８と試料２３との間にカンチレバー部を入れる必要がある。

このように、上部対物レンズ１８のみを使用する場合、試料２３を上部対物レンズ１８から離間させて（ワーキングディスタンスを大きくして）、試料２３の観察を行う必要がある。ワーキングディスタンスの拡大は、ＳＥＭの分解能を低下させるものである。本実施形態のＳＥＭでは、上部対物レンズ１８に加え、下部対物レンズ２６も使用することにより、試料２３の厚みがおよそ５ｍｍ以下のものであれば、試料２３を高分解能で観察しつつ、ＳＰＭ５００を使用して試料２３を測定したり、操ったりすることが可能となる。

さらに、試料２３を低倍率で観察する場合には、上部対物レンズ１８を使用して一次電子線１２を集束すれば良い。また、上部対物レンズ１８及び下部対物レンズ２６を使用して一次電子線１２の開き角αの最適化を行うことも可能である。当然のことながら、ワーキングディスタンスを大きくしても、ＳＥＭの分解能の低下を回避することができるので、上述の光学系を上部対物レンズ１８の直下に配置することが容易となる。

次に、マニピュレータ５０４を用いた、試料２３の測定及び試料２３の操作について説明する。

まず、試料２３の測定について説明する。

図９には、１つのマニピュレータ５０４のみが示されているが、本実施形態のＳＥＭは、複数のマニピュレータ５０４を備えていても良い。

マニピュレータ５０４の探針５０４ａを試料２３に接触させることにより、試料２３の電気特性を計測することができる。計測可能な電気特性としては、例えば、試料２３の抵抗値、試料２３の導電率、試料２３に流れる電流値、試料２３に印加される印加電圧、試料２３の絶縁性、試料２３のシート抵抗が挙げられる。

また、マニピュレータ５０４を用いて、試料２３に電子ビームを照射したときに流れる電流、すなわち電子線励起電流（ＥＢＩＣ）を測定することができる。本実施形態のＳＥＭでは、測定された電子線励起電流を基に試料２３の内部構造を画像化することも可能である。これにより、試料２３の内部に形成されたｐ－ｎ接合の可視化や、試料２３の結晶欠陥の観察が可能となる。

さらに、電子ビームとマニピュレータ５０４の探針５０４ａとの間を流れる吸収電流（電子線吸収電流（ＥＢＡＣ））を測定して試料２３の局部抵抗を測定することも可能である。

次に、試料２３の操作について説明する。

マニピュレータ５０４の探針５０４ａを試料２３に接触させることにより、試料２３を操作することができる。様々な形状の探針５０４ａを用意し、試料２３の一部を操作、加工（切断、剥離、穿孔、移動、接合）することができる。例えば、探針５０４ａを用いて、試料２３の一部をつかみ、移動させ、試料２３の別の位置に接合させることができる。また、試料２３の引張り測定、応力測定も可能になる。

マニピュレータ５０４にガス又は液体を供給する機構を設けても良い。その機構から供給されるガス又は液体を探針５０４ａから試料２３に供給することにより、試料２３の表面に薄膜を堆積する、試料２３の表面にマーキングする、試料２３の表面をエッチングする、試料２３の表面で化学反応を起こす、といったことが可能となる。

さらに、探針５０４ａに、加熱機構や、高周波振動可能なカッターを設けることにより、試料２３を用いて行う実験のバリエーションを増やすことができる。

なお、リターディングする場合には、探針５０４ａをマニピュレータ５０４から絶縁することが好ましい。

本実施形態のＳＥＭには、図９に示したとおり、加熱用レーザ６０１、集束イオンビーム（ＦＩＢ）６０２、物理蒸着装置（ＰＶＤ）６０３及び光学カメラ６０４がさらに設けられている。

加熱用レーザ６０１は、試料２３にレーザ光を照射することにより、試料２３を加熱したり、試料２３の一部を昇華・蒸発させたりするものである。本実施形態のＳＥＭでは、レーザ光照射による試料２３の状態変化を、リアルタイムで、且つ、高分解能で、観察することができる。加熱用レーザ６０１は、図４に示された、ポリキャピラリ６１７の位置に配置してもよい。また、加熱用レーザ６０１は、リターディングした状態で使用することも可能である。さらに、加熱用レーザ６０１の放出口は、上部装置７１と下部対物レンズ２６との間に配置することが好ましい。

集束イオンビーム６０２は、試料２３に細く絞ったイオンを照射することにより、試料２３を切削・加工するものである。本実施形態のＳＥＭでは、集束イオンビーム６０２を用いて、試料２３を切削・加工することができる。下部対物レンズ２６を使用する場合であれば、集束イオンビーム６０２の鏡筒を上部対物レンズ１８と干渉させることなく、試料２３の近傍に配置することができる。

物理蒸着装置６０３は、試料２３の表面に金属等の薄膜を蒸着するものである。本実施形態のＳＥＭでは、薄膜蒸着による試料２３の状態変化を、リアルタイムで、且つ、高分解能で、観察することができる。

本実施形態のＳＥＭでは、光学カメラ６０４を用いて、カンチレバー５０１及びマニピュレータ５０４の各位置を確認することも可能である。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

例えば、ＳＥＭから電位板２２を取り外してもよい。電位板２２又はシールド電極５１は必要に応じてＳＥＭに取り付けられる。電位板２２又はシールド電極５１は、ＳＥＭへの取り付け及びＳＥＭからの取り外しが可能である。リターディングをする場合であっても、電位板２２及びシールド電極５１を取り外してもよい。また、それらを取り付ける場合であれば、電位板２２及びシールド電極５１の各孔部が、マニピュレータ５０４の探針５０４ａ又はカンチレバー５０１より上方に位置するように配置すれば良い。

電位板２２及びシールド電極５１の形状は、一次電子線１２の光軸に対して回転対称であればよく、板状に限られるものではない。例えばリング形状でもよいし、下に凸の円錐形状で先端に孔を有するものでもよい。試料２３に対する処理を行うための空間が確保されるように、上記試料の上部における、電位板２２及びシールド電極５１の配置構成が決定される。

また、試料２３は、上部装置７１から２０ｍｍ以上、好ましくは３０ｍｍ以上、より好ましくは４０ｍｍ以上離すことが好ましい。

また、試料２３を低倍率で観察する場合には、上部対物レンズ１８を用いて一次電子線１２を集束させることが好ましい。一方、試料２３を高倍率、高分解能で観察する場合には、下部対物レンズ２６を使用することが好ましい。また、上部対物レンズ１８及び下部対物レンズ２６を同時に使用し、ＳＥＭの開き角αを最適化することが好ましい。

本発明の一態様に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、上記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を試料に集束させる対物レンズと、上記試料を載置する試料台と、上記荷電粒子線を通過させるシールド電極及び電位板とを備え、上記試料台側から、上記シールド電極及び電位板は、この順で配置されており、上記試料台と上記電位板との間には電位差が与えられ、上記シールド電極には、上記電位差により上記試料に生じる電界を緩和する電位が印加される。

上記シールド電極及び電位板を移動させる移動機構を備えることが好ましい。

上記対物レンズは、上記試料に対して上記荷電粒子線が入射する側の反対側に配置された下部対物レンズを含むことが好ましい。

上記対物レンズは、上記試料に対して上記荷電粒子線が入射する側に配置された上部対物レンズを含み、上記上部対物レンズの強度を可変する上部対物レンズ電源と、上記下部対物レンズの強度を可変する下部対物レンズ電源とを備え、上記上部対物レンズ電源のみを用いるとき、上記試料は、上記上部対物レンズと上記下部対物レンズとの間に配置され、上記下部対物レンズ電源のみを用いるとき、上記下部対物レンズと測定試料面との距離が上記上部対物レンズと測定試料面との距離よりも近くされることが好ましい。

上記シールド電極は、絶縁体を挟むようにして、上記電位板に接続され、上記シールド電極及び電位板は、それぞれ、上記荷電粒子線を通過させる開口部を有し、各開口部の中心軸同士は実質的に一致することが好ましい。

上記電位板及び試料台を含む空間内にガスを導入することにより、上記試料の近傍に当該ガスを滞留させるガス導入機構を備えることが好ましい。

上記電位板の、上記シールド電極との対向面に、上記電位板の開口部を塞がないように配置され、上記試料から放出される信号電子または電磁波を検出する検出器を備えることが好ましい。

上記シールド電極は、導電体を挟むようにして、上記試料台に接続され、且つ、上記導電体を介して、上記試料台と同電位となることが好ましい。

上記シールド電極及び上記導電体は、上記試料を覆うようにして上記試料台に載置される試料ケースを構成することが好ましい。

上記試料ケースは、密閉容器であり、上記シールド電極の開口部を塞ぐように薄膜部材が設けられており、上記薄膜部材は、上記荷電粒子線及び上記試料から放出される信号電子または電磁波を通過させる材料から構成されることが好ましい。

上記電位板は、上記上部対物レンズの、上記シールド電極と対向する磁極であることが好ましい。

本発明の一態様に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、試料に対して上記荷電粒子線が入射する側の反対側に配置され、上記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を上記試料に集束させる下部対物レンズと、上記試料を載置する試料台と、上記荷電粒子線を通過させるシールド電極及び電位板と、上記シールド電極及び電位板を移動させる移動機構と、上記電位板及び試料台を含む空間内にガスを導入することにより、上記試料の近傍に当該ガスを滞留させるガス導入機構とを備え、上記試料台側から、上記シールド電極及び電位板は、この順で配置されている。

上記下部対物レンズの上部に、上記試料に対する操作、加工又は測定のいずれか一つを少なくとも含む、上記試料に対する処理を行うための空間が確保されるように、上記試料の上部の配置構成が決定されることが好ましい。

本発明の一態様に係る走査電子顕微鏡は、上記荷電粒子線装置を備える。

１１ 電子源（荷電粒子源）、１２ 一次電子線（荷電粒子線）、１３ ウェーネルト電極、１４ 加速電源、１４ｄ アノード板、１５ 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 上部対物レンズ、１８ｂ 外側磁極、１８ｃ 孔部、１８ｄ 磁極、１９ 二次電子検出器（第１の検出器）、２０ 検出器（第１の検出器）（半導体検出器、ＭＣＰ検出器又はロビンソン検出器）、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 下部対物レンズ、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、３１ 絶縁材、４１ 上部対物レンズ電源、４２ 下部対物レンズ電源、４３ 上段偏向電源、４４ 下段偏向電源、４５ 制御装置、５１、９００ シールド電極、５２ 絶縁碍子、５３、９０３ 配線、５４ａ、５４ｂ、５４ｃ、５４ｄ、５４ｅ、５４ｆ 補正器、５５ 補正器電源、５６ａ Ｚ方向ステージ調整部、５６ｂ 第１ＸＹ方向ステージ調整部、５６ｃ 第２ＸＹ方向ステージ調整部、５７ 表示装置、５８ ガス導入機構、６０ 真空壁、６１ 電位板ステージ、６２ スライド板、６５ マウント部、６７ 調整ボルト、７１ 上部装置、７２ 下部装置、１１０、２１０、４１０、６１０、８２０ 第２の検出器（電磁波の検出器）、１１３ 腕部、１１４ 板状部、１１４ａ 孔部、１２０ Ｘ線検知部、１２１ 特性Ｘ線、２１４ コリメータ、２１８ 電位板固定部、２２０ Ｘ線検出素子、２２０ａ Ｘ線透過窓、３１０ａ 検出器本体、３２１ ＣＬ、４１１ 光学レンズ、４２０ 放物面鏡、４２０ｂ 鏡面、５００ ＳＰＭ、５０１ カンチレバー、５０１ａ 探針（ＳＰＭ探針）、５０２ ＳＰＭ用検出器、５０３ ＳＰＭ用レーザ、５０４ マニピュレータ、５０４ａ 探針、６０１ 加熱用レーザ、６０２ 集束イオンビーム、６０３ 物理蒸着装置、６０４ 光学カメラ、 ６１７ ポリキャピラリ、７００ 開放型ケース、７０１、８０１ 上面部、７０２、８０２ 側面部、７１０、８１０ 絶縁部、７２０ 電位板に設けられた第１の検出器（半導体検出器、ＭＣＰ検出器又はロビンソン検出器）、８００ 密閉型ケース、８０３ 導電薄膜、９０１ シールド電極移動機構、９０４ 試料台座

Claims (7)

1. 試料に対して荷電粒子線が入射する側の反対側に配置され、上記荷電粒子線を上記試料に集束させる下部対物レンズと、
   上記荷電粒子線を通過させるシールド電極及び電位板と、
   を備え、
   上記試料側から、上記シールド電極及び電位板は、この順で配置されており、
   上記電位板に絶縁体が接続され、当該絶縁体に上記シールド電極が接続され、
   上記シールド電極と、上記電位板の、上記絶縁体が接続された箇所との距離は、上記シールド電極と、上記電位板の開口部との距離よりも離れている、荷電粒子線装置。
2. 上記電位板から上記試料側の空間にガスを導入することにより、上記試料の近傍に当該ガスを滞留させるガス導入機構を備える、請求項１に記載の荷電粒子線装置。
3. 上記シールド電極の開口部を塞ぐように薄膜部材が設けられており、
   上記薄膜部材は、上記荷電粒子線及び上記試料から放出される信号電子または電磁波を通過させる材料から構成される、請求項１または２に記載の荷電粒子線装置。
4. 上記試料を載置する試料台を備え、
   上記シールド電極は、配線を介して、上記試料台に電気的に接続される、請求項１から３のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。
5. 上記ガスは、上記試料を除電可能なガスである、請求項２に記載の荷電粒子線装置。
6. 上記シールド電極と上記薄膜部材とは、同一面を構成する、請求項３に記載の荷電粒子線装置。
7. 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を備える、走査電子顕微鏡。

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