JP3822911B2

JP3822911B2 - 電子収集光導波路及びこれを備えた電子顕微鏡

Info

Publication number: JP3822911B2
Application number: JP50391498A
Authority: JP
Inventors: ジョンカウハムミカエル
Original assignee: ケイイーデベロツプメンツリミテッド
Priority date: 1996-07-01
Filing date: 1997-06-30
Publication date: 2006-09-20
Anticipated expiration: 2017-06-30
Also published as: DE69728885T2; GB9613728D0; EP0914669B1; GB2314926A; DE69728885D1; AU714501B2; WO1998000853A1; AU3269697A; EP0914669A1; GB2314926B; JP2000513487A; US6211525B1; ATE265741T1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子収集光導波路及びこれを備えた電子顕微鏡に関し、特に走査型電子顕微鏡等によって検査される試料から発する電子を検出する電子収集光導波路及びこれを備えた電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学顕微鏡では、検査される試料は可視光線、すなわち人間の目で感知できる範囲の波長の光子で照明され、普通の物体を目で見る方法で試料の表面と形状に関する情報を提供するために反射光を収集および使用することによってか、試料の内部構造の細部を明らかにするために試料を透過した光を収集および使用することによって見ることができる。一般的には、拡大レンズとミラーが使用され、画像の大きさを増大して試料が大きく見えるようにし、ひいては肉眼では見ることのできない形態を表すようにするが、（約２０００倍の倍率で）必然的にそれ以上拡大が不可能な点に到達する。
【０００３】
これは見ようとする試料が使用される光の波長と同じ大きさか、それより小さくなる（実際には光が試料に当たらずに試料を迂回し、何らかの干渉なしには試料について何も現すことができなくなる）からである。可視光線の「平均」波長は約６００ナノメートル（０．６マイクロメートル）である。例えば、細菌やバチルスは比較的大きい（長さ約１０マイクロメートル以上）ため、光学顕微鏡を使用して検査できるが、幅わずか１マイクロメートル未満であるウイルスは、光を使用して微細な細部を見るには小さすぎるので、光学顕微鏡を使用して明瞭な画像を提供することはできない。
【０００４】
電子顕微鏡は、試料を照明するために光の代わりに電子を使用することによってこの問題を部分的に解決している。電子は光の光子とほぼ同様に波として挙動するが、はるかに短い波長（普通、約０．００１マイクロメートル以下）を有する。従って、電子顕微鏡を使用して、従来の光学顕微鏡で明瞭に見るには小さすぎる、ウイルスのような物体及びその物体の細部を「見る」ことができる。
【０００５】
２つの主要な種類の電子顕微鏡が知られている。透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）として知られる第１の、より古い種類では、非常に薄い試料の全体が、ちょうど光学顕微鏡で光で照明されるように電子で照射され（これはどちらかと言えば部屋の中で電球を点灯することに似ている）、試料を通過した電子がスクリーンに当たり、電子が可視画像に変換されるようになる。本発明が主として関連する種類である、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）として知られる第２のより新しい種類では、電子の非常に狭いビームからなる点によって、どちらかと言えば部屋中に懐中電灯を振りまわすように、試料と交差する細い帯に沿って走査され、（完全なテレビの画像が、テレビ画面の蛍光体が点を形成する電子ビームによって帯に沿って走査される際、放射される光から形成されるのと同じ方法で）走査点から発する電子によって画像が形成される。
【０００６】
ＳＥＭでは目標（試料）に衝突する電子ビームは多数の多様な方向に放散する電子を生じる。最も明らかには、試料を透過し反対側から「見ることができる」電子が存在する。このモードで電子顕微鏡は走査型透過電子顕微鏡、すなわちＳＴＥＭとして機能する。次に、試料の表面から反射または「後方散乱」する電子ビームが存在する。本発明は主としてこれに関連する。最後に、試料が作られる原子から生じ、走査電子ビームとの衝突によってこうした原子からはじき出された電子が存在する。こうした電子の解放は「２次電子放出」として知られている。
【０００７】
電子ビームは、試料によって放出される他の有益かつ使用可能な形態のエネルギーをも発生することがある。例えば、試料によっては、電子が衝突すると電磁放射を発する材料からなるものがある。材料によって、この放射はＸ線の形態を取ることも、可視光線光子として現れることもある。こうした光子の放出は陰極ルミネセンス放出（ＣＥ）として知られている。
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
電子ビームの作用から利益を受けるために、ＳＥＭは放散する電子を収集し可視画像に変換する何らかの方法を有しなければならない。さらに、収集される電子の強度はかなり低い（簡単に言えば試料はあまり明るく見えない）ため、人間の目で見るのに好都合になるまで電子自体または電子が形成する画像を直接または間接的に増幅することが一般的である。これを達成する従来の方法の１つは、電子をシンチレータ（電子が当たると閃光を発する装置（または材料））に衝突させ、そのように形成された光を光電子増倍管に向けることにより行われるが、光電子増倍管は閃光をかなり大きな電気のパルスに変換する（つまり、電子に「戻す」わけだが、ここではテレビまたは陰極線管スクリーンといった普通の機器をドライブまたは制御するために使用できるような大きな量となる）。
【０００９】
本発明が主として関連するのは、シンチレータを使用する光への変換による収集された電子（と特に後方散乱された電子）の初期検出と、こうして形成された光の光電子増倍管等への供給である。
【００１０】
現在入手可能な成功した検出システムの１つは固体フィンガー状光導波路（普通透明なアクリル合成樹脂製であるが、ガラスまたは石英も使用される）を利用しており、その端面にシンチレータ材料（通常、蛍光体）が存在する。フィンガーはもう一方の端部に設置されて光電子増倍管（ＰＭＴ）の入力スクリーンから突出し、試料に面するシンチレータ層によって方向付けられ、後方散乱した電子がシンチレータ層に衝突してシンチレータ層から光を放出させるように後方散乱電子の経路に突き出されている。この光はシンチレータ層を通過してフィンガーの本体に至り、そこで（全反射によって）末端まで導かれＰＭＴに光となって達する。
【００１１】
長年にわたって使用されてきたこの種類の検出システムは非常に良好であるが、それにもかかわらず多数の欠点があり、そのうちおそらく最も深刻なものはシンチレータ層に対する矛盾する要求から生じる。問題点は、シンチレータ層に衝突する電子の大部分を（電子が光を発生することなく無駄に通過しないように）捕捉し、そこから光のパルスを生じる最上の機会を有するように、シンチレータ層は厚く、電子に対して比較的不伝導性である必要があるが、同時にその同じパルスがシンチレータ層によって吸収され浪費されずにシンチレータ層を通過して光導波路の本体に至るのに十分なだけ薄いことが最も好適であると言うことである。
【００１２】
これが本発明が解決しようとする問題であり、それによって本発明は、非常に単純なので一見して明らかであるがそれだけに完全に見過ごされてきた解決法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
より詳細には、本発明によって、端部が後方散乱電子の流れに挿入されるシンチレータ材料の側面層の代わりに、受け入れた電子をフィンガーに沿ってＰＭＴに反射する角度の表面を有するように配置され、表面にシンチレータ材料の被覆を有する電子レセプタを有する改良されたバージョンの光を方向付けるフィンガーが提案される。この方法で、ＰＭＴは、上記で説明された従来技術の検出器の場合のように事実上背面、すなわちシンチレータ層の出力側からではなく、シンチレータ層の前面、すなわち入力側から直接光を実際に「見て」受け入れることが認識される。すなわち、シンチレータ層によって放射された光はＰＭＴに達するためにシンチレータ層を通過する必要はなく、シンチレータ層によって減衰されないため、本発明の検出システムは従来技術のものより数倍（さらには数十倍）高感度である。
【００１４】
従って、１つの態様では、本発明は光検出器（light magnifire）に取り付ける電子収集光導波路を提供するが、この電子収集光導波路は、一端で光検出器に設置でき、もう一端が使用の際、試料から発する電子の流れに挿入される細長い光導波路本体と、本体に沿って受け入れた電子を設置端部に反射する角度の表面を有するように配置され、その表面にシンチレータ層を有し、そこで動作の際受け入れられた電子が光子に変換され、それが層の入力表面から光検出器の方向に放射される面積の広い電子レセプタとを含む。
【００１５】
光検出器の方向に角度を付けられたシンチレータ被覆表面と共に配置された電子レセプタを有する本発明の光収集導波路を使用する場合、光検出器はシンチレータ層の前方を実際に「見る」、すなわち入力側から直接光を受け入れることが認識される。
【００１６】
本発明の電子収集光導波路は電子顕微鏡、特に走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）と共に使用される。この際ＳＥＭの詳細を論じる必要はないが、この装置の基本構成部分が添付の図面の１つに示されていることに留意することはおそらく好都合であろう。ＳＥＭが発生する電子の狭いビームが、約２０，０００ボルト（２０ｋＶ）であることが多い高い負の電位の電子銃によって生じるが、大部分のＳＥＭの動作は実際には１ｋＶ〜３０ｋＶ（さらに広い電圧範囲で動作するＳＥＭもある）で可能である。低いｋＶでの動作が特に重要である。というのは、電圧が低いほど衝突する電子による試料の損傷が少なく、約１．５ｋＶでは放散する電子が衝突する電子とほぼ均衡し、電荷の蓄積によって生じる問題を減少させるからである。本発明では、放射された電子は大部分直接シンチレータ層表面で受け入れられる（光は直接そこから放出される）。電子が通過する中間境界層は存在しないので、システムが高いｋＶで良好に動作するだけでなく、低エネルギー（低電圧）電子も有用な光出力を提供する。
【００１７】
本発明の電子収集光導波路は光検出器に取り付けられる。取付手段は使用される特定の光検出器に適した何らかのもの（ねじ継手リングまたは差込金具のことがある）であり、光検出器自体は光電子増倍管（ＰＭＴ）のような何らかの適切な光検出装置である。通常の光電子増倍管は、日本のハママツによって市販されているbialkali type R268である。
【００１８】
本発明の電子収集光導波路は、一端で光検出器に設置でき、もう一端に電子レセプタを有する細長い光導波路本体を含む。この本体は当業技術分野でよく使用される固体の透明な「パイプ」の形状を含む多くの形状を取り得るが、好適な形状は内部反射性（中空）チューブである。このチューブは何らかの適当な断面を有し、何らかの適切な方法で構成される。しかし、好適なチューブは、矩形断面でくさび形（試料の上の制限された空間に適合するようにレセプタ端部の方向に先細になっている）であり、各々「内側」の表面が反射性である、４つの別個の細長い平面金属プレートから製作される。プレートは非磁性であるが導電性の材料であるべきだが、通常、アルミニウムであり、高度に研磨されて反射性表面を提供するか、反射性コーティング（シンチレータによって放出される光の性質に適したもの。すなわち、赤外線の場合、金コーティングが好適である）が行われる。
【００１９】
細長い光導波路本体の好適な形態は、一端で光検出器に設置でき、もう一端に電子レセプタを有するものである。このチューブは最も好適にはくさび形であり、光検出器の入力面に適合する寸法である光検出器の端部から先細になって先端、すなわちレセプタの端部に至り、そこでは試料とＳＥＭの出力の間の制限された空間の中に適合するような寸法に（より詳細には幅広いが薄く）なっている。他の検出器と同様、先端は利用可能な空間に適合するためにはできる限り薄いほうがよいが、同時にシンチレータによって放出される小さな光信号の最も有効な収集と伝達のためにはできる限り厚いほうがよい。この矛盾する要求のためある程度の妥協が必要となるが、本発明のシステムの場合感度が大きく改善されているため、好都合にも効率をある程度犠牲にして先端を薄くすることができる。本発明の好適実施形態では、先端は約４ｍｍの厚さを有する。
【００２０】
電子収集光導波路の本体は一端で光検出器に設置でき、もう一端に電子レセプタを有する。レセプタは面積の広い装置であり、（試料に対する適切な大きさの立体角を形成する）大きな範囲にわたってそこから放散する電子を収集するよう延びており、「動作」表面と呼ばれる表面（試料から放散する電子を受け入れる表面）が受け入れた電子を導波路本体に沿って設置端に反射する角度となるよう配置されている。その表面にはシンチレータ層が存在する。
【００２１】
最も単純な場合、レセプタは単に動作表面にシンチレータ層を有する堅固な支持基板（プレートまたはプレート状部材）であり、本体の端部で（何らかの適切な方法で、好適には容易に変更または交換できるような着脱式に）試料と（本体に沿った）光検出器とに設置される。わずかに複雑な設計では、レセプタは薄いくさびであり、くさびの表面はシンチレータ層を有し、試料と光検出器の両方に面する角度で設置されている。どちらの場合でも、表面の角度は、表面が試料からの電子を直接受け入れることができ、シンチレータ層の表面が放出する光が最初に層のある厚さを通過することなく直接導波路を照射する任意の角度である。試料支持平面に対して約２０°〜４０°、特に約２０°〜３０°の角度が十分満足すべきであると思われ、角度が大きい方が良好な結果を生じるが、角度の大きさとそれに伴うレセプタの厚さの間で妥協しなければならない。ここでは好適な角度は２２°である。
【００２２】
しかし、単純なプレートであってもより複雑なくさびであっても、本発明の電子収集導波路が定位置にあり、レセプタが電子銃と試料の間の直線上にある間、ＳＥＭの電子銃からの電子の流れは試料を通過し、それを走査することが可能でなければならないが、これは、普通レセプタが一般にその中心にビーム開口を有し、電子ビームがそれを通過して試料を照らすことができるということを意味する。このビーム開口は十分に大きく、最も低い倍率（試料の最も広い面積を走査する）でも走査電子ビームが妨害されずに通過できることが望ましい。大部分のＳＥＭの場合、約３ｍｍのビーム開口寸法で十分である。
【００２３】
極めて一般的には、前記ビーム開口は、レセプタのシンチレータ層の表面をわずかに越えて延びる導電性チューブと一線をなす。これは、電子ビームの無非点収差（ビームが本質的に円形の断面であること）がビーム開口に隣接した層の小さな範囲の局所的帯電によって歪められないという効果を有する。チューブは導電性で内部反射性材料ならほとんどどんなものでもよく、研磨されたアルミニウムが好適であるが、好適にはわずかに非対称的な形状のレセプタを電子ビームから遮蔽し、それによって非対称近接効果による非点収差歪みの可能性を減少させる。
【００２４】
シンチレータで被覆されたレセプタ基板の大きさと形状は放散する電子を収集するのに適したものなら何でも良いが、設計の際考慮すべきいくつかの問題がある。より詳細には、簡単な形状から見られるように、試料に対してレセプタの寸法が大きいこととあいまって、レセプタ動作表面の試料に対して角度をなす配置とそれらの間隔は、シンチレータ層に衝突する後方散乱電子から得られる放出された光のうち、電子収集導波路に最も近いシンチレータ層の部分から電子収集導波路に入る量が、電子収集導波路から最も遠い部分からのものよりはるかに多いということを意味する。
【００２５】
さらに、レセプタの電子ビーム開口とその突出したチューブのライニングの光を阻止する性質といった他の要素も、ほぼ同じ種類の均衡を損なう効果を有する。言い換えれば、このシステムは、レセプタの光検出器に面した側面からより多くの光を透過する、すなわちより高感度に見えるという欠点を有する。この効果は完全に克服することは非常に困難だが、非対称的な面（ビーム開口がさらに光検出器側に配置されている）を有し、凹状動作面（なめらかにカーブするかまたは２つかそれ以上の平坦な部分からなる）を有するレセプタを作製することによって、シンチレータの遠い方からの光が近い方からの光より目立つようにすることができる。電子ビームの各側に対する表面の有効な割合を注意深く調節することによって、両側から適度に等しい光の収集と伝達が可能な位置が発見できる。レセプタ基板の材料はごく好適には電気的良導体であるため、収集された電子から支持されたシンチレータ層に蓄積された電荷が容易にアース（接地）に放出される。通常、基板は、導波路本体と同様、金属、例えば、アルミニウム製である。
【００２６】
電子レセプタはその動作面上にシンチレータ層を有する。このシンチレータ層は何らかの適切な形状を取り、何らかの適当な材料製である。形状に関しては、好都合にもレセプタ基盤上の通常１０〜１００マイクロメートル厚の単なる薄い層である（層が厚いほどすべての電子が捕捉される機会は多くなるが、放出された光の光子が内部に深く入って出てこられなくなる可能性も高くなる）。材料に関しては、例えば、蛍光体であり、通常きわめて高感度で４４０ｎｍの範囲の光を放出する（これは使用される標準bialkali ＰＭＴに密接に対応している）一般的なＰ４７蛍光体であるが、多数の他の蛍光体が存在し、その中には良好な低ｋＶ特性を有するものや高いｋＶでより高い感度を有するものがある。また、蛍光体を使用するのではなく、シンチレータが他の種類の光放出性材料を使用することがある。すなわち、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）またはイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト（ＹＡＰ）の単結晶シンチレータはさらに本発明の可能性を拡大する。こうした材料は特に高感度なシンチレータである。ＹＡＧおよびＹＡＰはどちらも粉末の形態で入手でき、角度のあるレセプタ面に直接塗布するよう使用でき、非常に安価である。
【００２７】
本発明の検出システムは現在使用されている検出器を大きく改善する。その感度は競合する装置よりはるかに高く、低ｋＶ性能は大部分の競合品よりかなり良好である。高感度で先端が比較的薄いために、この新しい検出器は電界放出ＳＥＭ（これは特に最も高倍率な適用業務で使用され、きわめて低いプローブ電流で動作する。この条件では後方散乱検出は非常に困難であったが、ここで説明される新しい装置は、高感度なため、この重要な適用業務で役に立つ）と共に利用するのに理想的である。さらに、本発明の装置はその薄い断面形状のために高圧ＳＥＭと共に使用するのに非常に適しているが、ここでは残存している気体の分子のために、後方散乱電子ばかりか１次電子ビームも減衰または消失する前にごく短い距離しか移動できないので、試料は電子レンズのごく近くに配置しなければならず、移動経路の長さを短縮し、薄い検出器の必要性が不可欠なものとなる。
【００２８】
最後に、本発明の検出システムは、ＳＥＭとＴＥＭの両方のＳＴＥＭシステムでかなり有利に使用される。この場合、シンチレータの先端は試料の上に配置され、薄い試料を直接通過した電子を受け入れる。検出器を試料の直下に配置した場合、明るい視界の画像が見られ、検出器を一面に配置した場合、暗い視界の画像が見られる。格段に高い感度のため、検出器をＳＴＥＭ試料からかなり離れて配置し、ごく広範に散乱した電子だけを捕らえることができる。この情報は試料の組成と厚さについてさらに多くの理解を提供する。
【００２９】
【発明を実施するための最良の形態】
ここで本発明の実施形態が、例示としてだけの目的であるが、添付の概略図を参照して説明される。
図１は、通常の走査型電子顕微鏡の主要構成部分を示す。
図２ＡおよびＢは、走査型電子顕微鏡と共に使用される本発明の電子収集光導波路を示す。
図３Ａ〜Ｃは、図２で示される種類の電子収集光導波路と共に使用される異なった形態の電子レセプタを示す。
【００３０】
図１で概略的に示される走査型電子顕微鏡は固体試料から高倍率画像を得るために使用される器具である。これは電子銃（１２）から発する電子の細かな流れまたはビーム（１１）を発生することによって動作する。ビームは、ビームを制限し、形作り、方向付けする様々な開口プレート（１３、１４）と静電および磁気レンズ（コンデンサ・コイル１５、１６と対物焦点合わせ電極１７からなる）によって案内され、固体試料（１８）の上に非常に小さな点を形成する。この電子ビームは走査コイル（１９）を使用してテレビの画面と変わらない方法で側面から側面、上から下へ走査されるが、試料の走査される範囲はきわめて小さい。その全体は真空室（２１）に収容される。
【００３１】
電子ビームが試料に衝突する際、電子の一部は後方に反射（「後方散乱」：図２参照）される。これらの電子は跳ね返ったもとの試料の表面に関する貴重な情報を含んでいる。電子は適切な検出システムによって収集され、そこで受信された信号は変調された電圧となる。本発明の検出システムには、光検出器（この場合、光電子増倍管（３１））に設置され、先端の電子レセプタ（２４）によって後方散乱電子を収集する電子収集光導波路（２２）が存在する（この詳細は図２および図３に示される）。
【００３２】
ここでは図示されない手段によって、検出システムの光電子増倍管の出力電圧は増幅され、陰極線管（ＣＲＴ）の変調電極に適用され、試料の走査された範囲のテレビ状の画像を提供する。倍率は試料の走査された範囲とＣＲＴ状の範囲の比によって制御される。ＣＲＴの大きさは基本的に一定であるので、倍率を増大するためには走査される試料の範囲を縮小しなければならない。逆に、倍率を低減するためには、走査される範囲を増大する必要がある。
【００３３】
高倍率を得るために（ＳＥＭの場合、倍率の範囲は１０〜１００，０００倍またはそれ以上と予想される）、試料全体にわたって走査される電子ビームの直径はできる限り小さく保たれなければならず、最悪でも形成される画像の幅の１／１００以下であるべきであり、好適には、１／１０００以下である。この微細な焦点合わせは、ビームを多数の集光および集束段（１５）、（１６）、（１７）を通過させることによってなされる。このビームはまた、円形に保持され、楕円形または他の形に歪んでいないことが必要である。これは人工的に形状を引き伸ばしてその断面を円形に保つ無非点収差制御（図示せず）によって制御される。
【００３４】
ＳＥＭは、普通、高負電位の電子銃と共に動作する。これまでに示したように、この電圧は約２０，０００ボルト（２０ｋＶ）であることが多いが、大部分のＳＥＭの動作は１ｋＶ〜３０ｋＶで可能である。ＳＥＭによってはより広い範囲の電圧で動作するものもある。本発明ではより低いｋＶでの動作が特に重要であるが、本装置はすべての普通のｋＶでも良好に動作する。電子ビームの電流は非常に小さく、一般に１ピコアンペア〜１０ナノアンペア（１０^-12〜１０^-8アンペア）の範囲である。
【００３５】
ＳＥＭは様々な種類の電子銃から電子ビームを発生する。これには加熱陰極からの熱電子放出によって電子を発生する銃や、高い抽出電圧を用いてごく微細な点から電子が抽出される、電界放出によって電子を発生する銃が含まれる。ＳＥＭによっては２つの方法を組み合わせて使用するものがある。電界放出ＳＥＭは一般に電子ビーム中の電流の発生が少ないが、結果として生じる電子ビーム（またはプローブの大きさ）は熱電子放出の場合よりかなり小さい。
【００３６】
電子ビーム（１１）が試料（１８）の表面に衝突すると、多くのことが起こる。すなわち、２次電子（高エネルギーの電子ビームによって試料の原子構造から追い出された電子）がビームと試料との衝突によって発生する。２次電子は一般に試料のごく表面だけの情報を与える。もう１つの効果は後方散乱電子放出であるが、これは当初高い速度で試料に衝突した電子の一部が表面から反射または跳ね返るものである。
【００３７】
<後方散乱>
後方散乱は試料の元素組成に依存する。一般に、試料の原子量が増大すると後方散乱係数が増大する。これが意味することは、多数の相の異なった材料を含む試料の場合、後方散乱電子は、有効に収集されれば、低い原子番号と高い原子番号の範囲の差を示すということである。この効果は一般に単調で、後方散乱係数は原子番号に対してほぼ直線的に増大する。高エネルギー電子ビームは、あるわずかな距離だけ試料に侵入する。電子が深く侵入すればするほど、後方散乱して出てくる電子が存在する可能性が少なくなる。深く侵入した電子は多重衝突のためエネルギーの一部を失い、出現する時までに電子は入射電子ビームに対して１８０°の角度で出現するのではなく、より幅広く散乱し、様々な角度で出現するようになる。
【００３８】
後方散乱電子は、一般にその高エネルギーのため直線上を移動しているので、検出は非常に容易である。しかし、電子が普通１８０°の立体角にわたって放出されるという事実のためにそのすべてを検出することは困難であり、静電界によって高エネルギー粒子を検出器に引きつけるために数千ボルトの電圧が必要になるが、これは１次電子ビームに重大な歪みを発生し、高解像度動作を不可能にする。従って後方散乱電子はそれ自体のエネルギーで収集されなければならない。理想的な検出器は、試料の上に取り付けられて１８０°の立体角全体に及ぶように試料を覆う概念的に半球状のものであるが、これは現実には実用的でない。上部に電子ビームが入って試料に達することができるような穴がなければならず、その穴は走査ビームを何らかの形で制限しないように十分大きくなければならないが、それだけでなく、試料側には電子ビームの下の試料の運動が妨げられないように開いた間隙がなければならない。従って、電子の収集は望ましいものより小さいレセプタ表面の面積によってなさざるを得ない。
【００３９】
１次電子ビームの電流は、普通、１ｐＡ〜１０ｎＡである。合計後方散乱電子放出中の電流はそれよりかなり低い。非常に高感度な増幅器が取り付けられていれば、高いプローブ電流から信号を発生することはできるが、低い電流では何も見えない。従って改善された検出方法が必要である。
【００４０】
こうした重要な後方散乱電子の収集のために多数の専用検出器が製作されてきた。１つは、前に示したように、試料の上の最終レンズのすぐ下（電子が電子光学装置と走査システムから出る位置）に位置する（可倒式）アクリル光導波路フィンガーからなる。この検出器は内部に電子ビームを通過させる小さな穴（溝のこともある）を有する。試料に最も近い表面には、通常、蛍光体であるシンチレータ材料の層がある。後方散乱電子がシンチレータ層に衝突する際、電子は光に変換され、シンチレータ層を通過しフィンガーに沿ってＰＭＴまたは同様の光検出器に達する。このシステムはこうした後方散乱電子を感知するかなり有効な手段を与える。しかしそれは多数の欠点を有している。その最も重要なものは、形状、多重反射後の吸収と減衰および他の要素に関連する理由から、フィンガーが、どのような形状であっても、ＰＭＴの方向で高い感度を示すことである。これは受信された信号が試料の片側に有利に働くことを意味し、この非対称性によってある種の普通望ましくない形態的情報を含む信号が発生する。これは試料の組成中の小さな原子番号の差を探す場合問題となる。
【００４１】
この種類の検出器には別の大きな問題もある。この検出器はアクリル製のため電気的に非伝導性で、普通吸収された電子によって帯電し、それ以外の電子を寄せ付けないようになる。これを克服するために、普通金属性（または同様の）被覆を塗布することによってアクリルを導電性にしなければならない。しかしこれもまた欠点を有する。シンチレータ材料と光導波路の間に被覆が塗布された場合、この被覆は光導波路への光の侵入をも制限し、シンチレータ材料の上部に塗布された場合表面に到達した低エネルギー電子の障壁として機能する。
【００４２】
ＰＭＴへの光の有効な伝達のために、この種類のフィンガーはできる限り厚くなければならないが、レンズと試料の間の空間は非常に制限されている（通常レンズと試料の動作距離は１２ｍｍであり、高解像度作業ではこれはさらに小さくする必要がある）ため困難である。その結果検出器は約６ｍｍの厚さで製造され、厚さと効率の間の妥協がなされる。
【００４３】
試料に電子衝撃を与える第３の作用は陰極ルミネセンス放出（ある種の試料が電子ビームによって励起されると少量の光を発生する）である。これによって得られる少量の信号は後方散乱信号と同様の方法で収集されるが、シンチレータを必要としない。
【００４４】
第４の作用は電子吸収である。電子ビームが固体試料に衝突する際電子の一部が侵入し表面から再び出てこられなくなる。こうした電子は吸収され試料を通じて急速に接地に伝えられる。この小さな吸収電流を非常に高感度な増幅器に伝えることによってこの信号から画像が得られる。
【００４５】
もう１つの作用は、もちろん（ＴＥＭにおけるような）電子透過である。試料が非常に薄い場合電子ビームは試料を真っ直ぐ通過する。適切な検出器が薄い試料の上に配置されている場合、検出器は主として試料の厚さと組成によって変化する信号を受信する。
【００４６】
本発明は後方散乱電子検出器の改善されたより有効な形態に関する。これは図２で概略的に示される。本発明の検出システムは光検出器（３１）に取り付ける電子収集光導波路を有する。この電子収集光導波路は、一端で光検出器（３１）に設置でき、もう一端（使用の際試料からｅとして放散する後方散乱電子の円錐に挿入される端）に、受け取った電子ｅを本体に沿って設置端に反射するような角度の動作面（３３）を有するように配置された面積の広い電子レセプタ（一般に、図２Ｂの（３２））を（図示されない手段によって）支持し、その面にシンチレータ層（３４）を有する細長い電子収集光導波路本体（２２）を含む。
【００４７】
レセプタを支持する基板は研磨されたアルミニウムの薄いくさび（３５）からなり、図示される実施形態では、シンチレータ層（３４）の材料はくさび（３５）の上に直接蒸着された蛍光体である。この薄いくさび（３５）はその中心に貫通する穴（３６）を有し、そこを電子ビーム（１１）が通過する。この穴（３６）は、動作面（３３）の下面の下にわずかに延びる内面が研磨された導電性チューブ（アルミニウム・チューブ、（３７））と面一となっているが、そこではくさび（３５）にシンチレータ層（３４）が塗布されているので、くさび（３５）の小さな範囲の局所的帯電によって電子ビームの無非点収差は歪められることはない。なお、ここで「面一」とは前記穴（３６）の内面と突出している導電性チューブ（３７）の内面が同一面を形成していることを意味する。この導電性チューブ（３７）はまたわずかに非対称的な形状のくさび（３５）を電子ビーム（１１）から遮蔽することによって、非対称近接効果による非点収差歪みの可能性を減少させる。
【００４８】
くさび（３５）は、傾斜してだが、ＰＭＴにその動作面（３３）、及びシンチレータ層（３４）が直接見えるような角度であり、ここでは４つのアルミニウム・プレート（別個には図示されない）から構成される電子収集光導波路本体（２２）の（有効には「内側の」）端部に設置される。
【００４９】
電子収集光導波路本体（２２）はレセプタ端部に向かって先細になっているので、シンチレータ層（３４）が放射した光は（（３８）として表されている）直接ＰＭＴへか、または１つかそれ以上の内部反射によって透過する。その後ＰＭＴの出力が使用され、ビデオ・システム（３９）の画像を制御する。
【００５０】
他の検出器の場合と同様、電子収集光導波路本体（２２）の先端は小さな光信号の最も有効な透過のためにはできる限り厚くなければならないが、特にこの場合、システムの感度が大きく改善されているので、この効率をある程度犠牲にして先端を小さくすることができる（図示されるように厚さは約４ｍｍである）。
【００５１】
これまでに論じたように、本発明の検出システムは説明された限りでは、ＰＭＴに面する側面からの方が感度が高いという欠点を有している。この作用を克服することは非常に困難だが、成形された動作表面（３３）（湾曲しているかまたは２つかそれ以上の平面による凹状表面）を有するレセプタを製作することによって、シンチレータ層（３４）の遠い側面からの光がＰＭＴに近い側面からの光より目立つようになる。図３は、「平坦な」動作面（図３Ａ）を有するレセプタと、成形された面（図３Ｂ、図３Ｃ）を有するレセプタを示す。電子ビームの各側に対する表面の割合を注意深く調整することによって、すべての側から等しい収集が可能な設定が発見できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、通常の走査型電子顕微鏡の主要構成部分を示す。
【図２】図２ＡおよびＢは、走査型電子顕微鏡と共に使用される本発明の電子収集光導波路を示す。
【図３】図３Ａ〜Ｃは、図２で示される種類の電子収集光導波路と共に使用される異なった形態の電子レセプタを示す。

Claims

光検出器に取り付ける電子収集光導波路であって、
一端が光検出器に取り付け可能であり他端が使用の際に試料から放射する電子の流れに挿入される細長い電子収集光導波路本体と、
前記試料に対して適切な大きさの立体角を形成する広い面積を有し、作動表面が受け取った電子を前記電子収集光導波路本体に沿って前記光検出器の取り付け端に向かって反射できるような角度になるように配置され、前記作動表面上にはシンチレータ層が設けられ、動作の際受け取った電子は光子に変換されて前記光検出器に向かってシンチレータ層の入力面から放射されるようになされた電子レセプタとを有し、
前記電子レセプタは、実質的にその中心に前記電子ビームが通過して前記試料を照射することのできるビーム開口を備え、
前記ビーム開口は前記電子レセプタのシンチレータ層の表面からわずかに面一に突出している導電性チューブを備えていることを特徴とする電子収集光導波路。
請求項１に記載の電子収集光導波路において、前記電子収集光導波路本体が内部反射性中空チューブの形態である電子収集光導波路。
請求項２に記載の電子収集光導波路において、前記内部反射性中空チューブが前記電子レセプタ端に向かって先細になっている矩形断面でくさび形である電子収集光導波路。
請求項３に記載の電子収集光導波路において、前記内部反射性中空チューブが、各々その内部表面を反射性にした４つの別個の細長い平面を有する金属プレートから作製されている電子収集光導波路。
請求項１〜４のいずれかに記載の電子収集光導波路において、前記電子レセプタが、前記電子収集光導波路よりも薄いくさびの形態であり、前記くさび表面が、前記シンチレータ層を支持し、前記試料と前記光検出器との両方に面する角度に配置されている電子収集光導波路。
請求項１〜５の何れかに記載の電子収集光導波路において、前記電子レセプタが、ビーム開口がさらに前記光検出器側に配置された非対称な作動表面を有していることを特徴とする電子収集光導波路。
請求項６に記載の電子収集光導波路において、前記電子レセプタの非対称な面が凹状をなしている電子収集光導波路。
請求項１〜７のいずれかに記載の電子収集光導波路を常時装備した電子顕微鏡。