JP5259688B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子線の照射に従い試料を走査することによって前記試料の観察を行うことのできるようにした走査型の電子顕微鏡に関する。特に、従来では試料室内に入りきらないがために加工を必要としていた大きさの観察対象物であっても、該観察対象物に加工を施すことなく現状状態そのままでの観察を可能とする走査型電子顕微鏡に関する。

従来から、電子銃により発生された電子線を１乃至複数段に構成された電子レンズによって段階的に集束して細くに絞ることで電子線束を生成し、該生成した集束後の電子線（電子ビーム）を観察対象の試料上に照射することに従い前記試料を走査し、この走査に伴って該試料から放出される二次電子や反射電子等を検出することにより、使用者が前記試料の組成や表面の凹凸などの観察を行うことのできるようにした走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）が知られている。こうした従来の走査型電子顕微鏡の一例を挙げるとすれば、例えば下記に示す特許文献１に記載された走査型電子顕微鏡などがある。

特許第4349964号公報

従来知られた走査型電子顕微鏡の構成例を図６に示す。この図６に示された走査型電子顕微鏡は、電子線Ｚを発生する電子銃２と、前記電子銃２から発生された電子線Ｚを集束しまた集束後の該電子線Ｚ（電子ビーム）を偏向するための走査偏向手段（この例では段階的に構成されるコンデンサレンズ３及び走査コイル５及び対物レンズ６が該当する）と、電子線Ｚの照射に伴って観察対象の試料Ｘから放出される二次電子を検出するための二次電子検出器Ｓ１であって、シンチレータ８とライトガイドＦと光電子増倍管Ｍとを含んでなるものと、電子線Ｚの照射に伴って観察対象の試料Ｘから放出される反射電子を検出するための反射電子検出器Ｓ２と、前記電子銃２と前記走査偏向手段（３，５，６）及び前記反射電子検出器Ｓ２と前記シンチレータ８が内部に敷設される一方で、前記シンチレータ８とライトガイドＦを介して接続される長尺形状の光電子倍増管Ｓ１が鏡筒１の側面部から突出した状態に敷設される顕微鏡本体部たる鏡筒１と、観察対象の試料Ｘを収納する試料室３００と、前記鏡筒１内及び試料室３００内を真空状態に保つための真空ポンプ（図示せず）と、前記各部を制御するための各種制御装置（図示せず）とにより構成されている。

図６に示した従来の走査型電子顕微鏡の動作について説明する。まず、使用者は試料室３００の側面に設けられた開閉扉Ｋを開放して試料室３００内に観察対象の試料Ｘを収納する。その後、前記開放した開閉扉Ｋを閉じて試料室３００を閉鎖状態とする。真空ポンプを動作させることにより、前記鏡筒１内及び試料室３００内が真空状態に保たれる。すなわち、電子線Ｚの照射前に前記試料室３００及び鏡筒１内を満たしていた空気（大気）を外部に排出させて内部を真空状態として、試料室３００内に収納されている試料Ｘを外気から遮断する。こうして真空状態に保たれた前記鏡筒１内において、電子銃２で発生されかつ適宜に加速された電子線Ｚは１乃至複数段に構成された電子レンズ（電子線に干渉できる電場や磁場を利用した静電レンズや電磁レンズであって、上記コンデンサレンズ３や対物レンズ６などが相当する）で集束されて細くに絞られ、また走査コイル５によって偏向されることによって、真空状態に保たれている試料室３００内に収納された試料Ｘに照射され試料表面を走査する。

前記走査に伴う試料Ｘへの電子線Ｚの照射に応じて、前記試料Ｘから二次電子及び反射電子が放出される。そこで、該試料Ｘから放出される二次電子及び反射電子を前記各検出器Ｓ１，Ｓ２により検出する。該各検出器Ｓ１，Ｓ２により検出された二次電子及び反射電子に応じた各検知信号に基づいて図示を省略したＣＲＴなどの表示器上に組成像（コンポ像）や凹凸像（トポ像）などが映し出されることから、使用者は該表示器に映し出されたこれらの像を見て試料Ｘの観察を行うことができる。なお、前記走査コイル５による電子線Ｚの偏向制御だけでは観察可能な範囲は限られることから、試料室３００内において試料Ｘは垂直方向及び水平方向に移動可能であってさらには傾斜及び回転可能でもある載置台Ｏ（ステージなどとも呼ばれる）に載せられており、該載置台Ｏを駆動制御することで試料Ｘ上における大幅な観察位置（観察面）の変更を行うことができるようになっている。

ところで、自動車産業界においては、例えば車体に塗布されている塗料の種類の特定やその成分の分析さらには経年変化の調査、CVT（無段階変速機）のプーリの継続的な使用に伴う経年劣化の調査など、多様な分野にわたって自動車に用いられている各種材料や部品等の観察を行う必要がある。そのために、上記したような走査型電子顕微鏡が使用されている。ただし、上述したように、従来の走査型電子顕微鏡では、電子線照射時に試料室及び鏡筒内を真空状態に保つ必要があるので、閉鎖可能な試料室内に観察対象の試料を収納しなければならない。そのため、観察対象物がそのままでは試料室に収納することのできない大きいもの（例えば上記車体やプーリなどの自動車部材）であるような場合には、その観察対象物を切断等することによって前記試料室内に収納可能な大きさの試料に加工しなければならなかった。つまりは、観察対象物から試料室に収納可能な大きさの試料を切り出すなどしなければ、当該観察対象物の観察を行うことは不可能であった。

しかし、自動車部材のような観察対象物を切断等により一旦加工してしまうと、その観察対象物が有していた機能がどうしても失われてしまうことになるので、当該観察対象物を本来の用途で続けて使用することが難しくなる。言い換えるならば、観察対象物からの試料の切り出しは観察対象物の破壊である。例えば、車のボンネット上に塗布されている塗料を観察するために、ボンネットつまりは観察対象物から試料室に収納可能な大きさの試料を切り出してしまうと当該ボンネットに孔が開くことになり、該ボンネットを本来の用途で続けて使うことができなくなる。そのため、従来の走査型電子顕微鏡は、車両の使用に伴い劣化や摩耗等の影響をうける観察対象物（上記自動車部材）の時間的変化などを継続的に観察するには向いていなかった。これは、従来の走査型電子顕微鏡は、少なくとも試料室内に収納でき且つ載置台の駆動に応じて観察位置を変更することが可能な大きさの試料しか観察を行うことしかできないことに起因する問題である。

そこで、上記した問題を解決するために、従来の走査型電子顕微鏡において閉鎖可能な試料室をなくすことが考えられる（所謂暴露型の電子顕微鏡）。そうすれば、観察対象物を破壊しなくてすむが、試料室をなくした上で電子線照射による車体やプーリなどの大きな観察対象物の観察を可能な暴露型の電子顕微鏡を構成するには、本体部たる鏡筒の小型化及び軽量化が必須である。

しかし、従来の走査型電子顕微鏡は鏡筒内に磁場コイルで形成されたコンデンサレンズ及び対物レンズを具備してなるものであって、こうした磁場コイルの構造上の観点からコンデンサレンズや対物レンズをどうしても現状より小さく形成することができず、そのため鏡筒自体の小型化・軽量化が難しいものであった。また、鏡筒の側面部に長尺形状の光電子倍増管を直接敷設する関係上、比較的に全長が大きく大型で重量の重い光電子倍増管を支持するため、鏡筒自体にそれに耐えうる強度が必要とされるなどのことから、鏡筒を軽量化するのが難しかった。さらには、試料室をなくすことに伴う鏡筒内及び試料表面上における真空状態の確保や、小型化・軽量化することに伴い生じ易くなる鏡筒の振動による観察時の影響（例えば表示器に映し出される組成像や凹凸像がぶれて映し出されてしまい観察しにくいなどの影響が生じ得る）などが新たな問題として生じ得る。以上のことから、例えば車体やプーリなどの試料室に入りきらない大きな観察対象物を現状状態そのままで観察可能とした、試料室のない小型・軽量な走査型電子顕微鏡は未だ実現されていないしまた提案もされていない。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、従来では試料室内に入りきらないがために加工を必要としていた大きさの観察対象物であっても、該観察対象物に加工を施すことなく現状状態そのままでの観察を可能とした、小型・軽量な走査型電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明に係る走査型電子顕微鏡は、電子線を発生する電子銃（２）と、前記電子銃（２）から発生される電子線（Ｚ）を集束する集束レンズ（３）と、前記集束した電子線を偏向する走査コイル（５）と、前記偏向した電子線の焦点を観察対象物（Ｘ）にあわせる対物レンズ（６）と、前記対物レンズ（６）を前記走査コイル（５）と共に一体的に移動させる移動機構（Ｑ）と、前記電子線の照射に伴い観察対象物（Ｘ）から放出される二次電子を検出する二次電子検出器（Ｓ１）及び前記電子線の照射に伴い観察対象物（Ｘ）から放出される反射電子を検出する反射電子検出器（Ｓ２）の少なくともいずれか一方と、前記電子銃（２）から発生された電子線（Ｚ）の進行方向側の先端部（１ａ）が開口した鏡筒（１）であって、当該鏡筒（１）内に少なくとも前記電子銃（２）と前記集束レンズ（３）と前記走査コイル（５）と前記対物レンズ（６）と前記移動機構（Ｑ）とを含んでなるものと、前記鏡筒（１）の開口先端部（１ａ）に設けられ前記観察対象物（Ｘ）と接触させるシール部材（７）と、前記鏡筒（１）内を真空に引くことに従い前記シール部材（７）を介して前記鏡筒（１）に観察対象物（Ｘ）を吸着させる真空手段とを備えてなり、前記移動機構（Ｑ）は、前記対物レンズ及び前記走査コイルを球面体上で移動させるための駆動モータと、前記球面体を形成する球面座とを少なくとも含み、該球面座はその球面体の中心点が前記集束レンズの焦点位置に一致する曲率に形成されてなり、前記移動機構によって前記対物レンズと前記走査コイルとを一体的に移動することにより、前記鏡筒に観察対象物を吸着させたまま前記鏡筒内における前記電子線の進行方向を制御して視野移動することを特徴とする。

本発明によれば、鏡筒（１）の開口先端部（１ａ）に観察対象物（Ｘ）と接触させるシール部材（７）を設けておき、真空手段により前記鏡筒（１）内が真空に引かれた場合に、前記シール部材（７）を介して当該鏡筒（１）に観察対象物（Ｘ）を吸着させることにより、前記鏡筒（１）を観察対象物（Ｘ）に直接接触させた状態で密着固定する。前記鏡筒（１）は少なくとも電子銃（２）と集束レンズ（３）と走査コイル（５）と対物レンズ（６）と移動機構（Ｑ）とを内部に含んでなり、移動機構（Ｑ）によって対物レンズ（６）と走査コイル（５）とを一体的に移動できるようにしてある。こうすると、観察対象物（Ｘ）に対して直接鏡筒（１）の開口先端部（１ａ）を吸着させて観察対象物（Ｘ）と顕微鏡本体部である鏡筒（１）とが相対的に移動しないように密着固定される電子顕微鏡において、観察対象物（Ｘ）に鏡筒（１）を吸着させたまま前記鏡筒内における電子線の進行方向を制御して視野移動させることができるようになる。すなわち、鏡筒（１）を観察対象物（Ｘ）に対し直接マウントして電子線（Ｚ）を照射する際に、わざわざ観察対象物（Ｘ）から吸着させた鏡筒（１）を取り外すことなしに、観察対象物（Ｘ）に鏡筒（１）を吸着させたままで当該観察対象物表面の任意の位置に対して電子線を照射させることができる。これにより、試料室に入りきらない大きさの観察対象物（Ｘ）に加工を施すことなく現状状態そのままでの観察を行うことが容易かつ効率的にできるようになる。

なお、上記で括弧内に記した図面参照符号は、後述する実施形態において対応する構成要素等を参考のために例示したものである。

本発明によれば、真空ポンプにより鏡筒内を真空に引くことに応じてシール部材を介して当該鏡筒に観察対象物を吸着させ、前記鏡筒を観察対象物に直接接触させた状態で密着固定できるようにしたことから、これにより従来においては試料室に入りきらない大きさの観察対象物であっても加工を施すことなく現状状態そのままでの観察を行うことができる、という効果を奏する。

本発明に係る走査型電子顕微鏡の全体構成の一実施例を示す概念図である。 永久磁石を用いて構成されてなるコンデンサレンズ（又は対物レンズ）の一実施例を示す断面図である。 永久磁石を用いて構成されてなるコンデンサレンズ（又は対物レンズ）の別の実施例を示す断面図である。 観察対象物表面の凹凸具合毎に異なる形状からなるシール部材の一実施例を示す断面図である。 反射電子検出器の一実施例を示す概念図である。 従来知られた走査型電子顕微鏡の構成例を示す概念図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に従って詳細に説明する。

図１は、本発明に係る走査型電子顕微鏡の全体構成の一実施例を示す概念図である。図１に示された走査型電子顕微鏡は、観察対象物（試料）Ｘに対する電子線Ｚの照射及び走査等を行う顕微鏡本体部を形成する鏡筒１と、該鏡筒１とは別途独立に配置されており前記電子線Ｚの照射に伴い前記観察対象物Ｘから放出される二次電子及び反射電子のそれぞれを検出する二次電子検出器Ｓ１及び反射電子検出器Ｓ２と、当該鏡筒１内における電子線Ｚの発生や走査などの電子線制御を指示すると共に、該電子線制御に応じて前記各検出器Ｓ１，Ｓ２から出力される前記検出した二次電子及び反射電子それぞれに応じた検知信号（検出値など）に基づいて組成像（コンポ像とも呼ぶ）や凹凸像（トポ像とも呼ぶ）などを表示して使用者に提示する制御装置群Ａに大きく分けることができる。

顕微鏡本体部たる鏡筒１は例えば円柱形状をしており、その内部に電子線Ｚを発生する電子銃２と、前記電子銃２から発生されかつ加速された電子線Ｚを当該鏡筒１の径方向中心に集束するコンデンサレンズ３及び前記集束後の電子線Ｚ（電子ビーム）を集束且つ偏向制御する走査レンズ部４（なお、この実施形態ではコンデンサレンズ３及び走査レンズ部４が走査偏向手段に該当する）とを含んでなる。上記コンデンサレンズ３は電子レンズであるが、従来装置において用いていた磁場コイルの代わりに永久磁石を用いて構成されてなるものである（後述する図２参照）。また、後述するように走査レンズ部４に含まれる対物レンズ６も、磁場コイルの代わりに永久磁石を用いて構成されてなるものである。

ここで、永久磁石を用いて構成されてなるコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）の一例を図２に示す。図２は、永久磁石を用いて構成されてなるコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）の一実施例を示す断面図である。

図２に示すコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６、以下同じ）は、鏡筒１の内径にほぼ一致する大きさの直径を有する円柱形状に形成されてなり、その中央部には電子線Ｚを通すための中央孔３ａを有する。この中央孔３ａは磁場解析に応じてシミュレーションされた電子線Ｚの中心軸が通る位置からの距離に応じた磁束密度の分布に従いその直径の大きさが決められており、当該中央孔３ａの範囲内の電子線Ｚが集束される一方で範囲外の電子線Ｚは集束されない。すなわち、集束される電子線量は中央孔３ａの直径に比例する。このコンデンサレンズ３は、中央部に前記孔３ａを有する円板状の２つの永久磁石Ｊ１，Ｊ２を、それぞれが中央部に前記孔３ａを有する断面コの字状の第１コア１０と円板状の第２コア１１とにより電子線Ｚの進行方向つまりは鏡筒１の長尺方向に沿って挟みこんだサンドイッチ構造となっている。

ここで、磁場コイルの代わりに永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いる理由を述べる。一般的に走査型電子顕微鏡により元素分析などを行うには、電子線Ｚの照射に伴い観察対象物Ｘから放射されるＸ線放射量を所定のレベル以上確保する必要がある。そのため、より多くの電子線Ｚを集束する強力な磁場を前記中心孔３ａ付近に形成するために磁場コイル（コイル磁石）が用いられていた。しかし、通常の磁場コイルはコアに巻線を多数回巻き付ける構造であることに鑑みると小型化することが非常に難しく、それゆえ鏡筒１を小型化・軽量化するには向いていない。そこで、本実施形態においては磁場コイルに比べて小型化・軽量化しやすい永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いてコンデンサレンズ３を小型化・軽量化し、これにより鏡筒１自体の小型化・軽量化を実現するようにしている。

ただし、永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いたコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）では、磁場コイルを用いたものに比べると集束できる電子線Ｚの量が少ない。そうであるならば、観察対象物Ｘに対して電子線Ｚを照射しても元素分析のために必要とされるレベル以上のＸ線放出量が得られないので元素分析を行うことはできない。そこで、本発明に係る走査型電子顕微鏡は元素分析を行わないもの、つまりは二次電子及び反射電子を利用しての観察用途のみに使用を限定する。用途を限定することにより、観察に必要とされる二次電子及び反射電子を得るのに必要最低限の量の電子線Ｚを集束できればよいので、コンデンサレンズ３（及び対物レンズ６）は永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いて構成されてなるものであってよい。

ところで、上記したような永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いたコンデンサレンズ３の場合、永久磁石Ｊ１，Ｊ２の特性から磁場コイルが用いられた従来のコンデンサレンズのような磁場制御を電気的に行うことはできない。そこで、本実施形態において用いられるコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）については永久磁石Ｊ１，Ｊ２や各コア１０，１１の形状が異なるものを多数用意しておき、これらを必要に応じて交換することで磁場制御を行うことのできるようにしている。そうしたコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）の一例を図３に示す。図３は、永久磁石を用いて構成されてなるコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）の別の実施例を示す断面図である。

図３（ａ）に示すコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）は、図２に示したものと比較して断面コの字状の第１コア１０の形状が異なっている。ここに示した第１コア１０は、中心孔３ａに面する側のコア先端部１０ａが共に断面中央に配置された第２コア１１側に曲げられた形状に形成されている。これにより、第１コア１０の先端部１０ａと第２コア２０との間隔が狭くなると共に、第１コア１０の先端部１０ａが永久磁石Ｊ１，Ｊ２に近くなる。他方、図３（ｂ）に示すコンデンサレンズ３（又は対物レンズ６）は、図３（ａ）に示したものと比較すれば全体形状はほぼ同一であるが、永久磁石Ｊ１，Ｊ２の厚みを大きくしている。このようにして、永久磁石Ｊ１，Ｊ２と第１コア１０との距離（間隙）を図２に示したものと比較してより近くすることによって、あるいは永久磁石Ｊ１，Ｊ２をより体積の大きいものにすることによって、より強力な磁場を中心孔３ａ付近に形成させることができ（磁場制御）、より多くの電子線Ｚを集束させることができる。

図１の説明に戻って、前記コンデンサレンズ３により集束された電子線Ｚ（電子ビーム）は、走査レンズ部４によってその進行方向の向きが偏向制御される。この集束後の電子線Ｚを偏向制御する走査レンズ部４は、上段側に電子線Ｚを偏向するための走査コイル５を、下段側に該偏向された電子線Ｚを絞るための対物レンズ６をそれぞれ配置したものである。勿論、走査レンズ部４，該走査レンズ部４内に配置される走査コイル５及び対物レンズ６の径方向中央には、電子線Ｚを通すための孔４ａ，５ａ，６ａがそれぞれ設けてある。そして、この走査コイル５と対物レンズ６とが一体化された走査レンズ部４の視野移動を行うための移動機構として、前記走査レンズ部４を一定の球面体上で移動させるための駆動モータ（図示せず）及び前記球面体等を含んでなる球面座Ｑを有する。この球面座Ｑの球面体はその中心点がコンデンサレンズ３の焦点位置（図中Ｇ点参照）に一致する曲率に形成されてなり、前記焦点位置Ｇを基準として走査レンズ部４の下方に配置される。これによれば、前記駆動モータの動作に伴い前記焦点位置Ｇを基点に、前記走査レンズ部４は鏡筒１の径方向のどの方向にも前記球面上を滑らかに移動する（つまり視野移動する）。したがって、後述するようにして鏡筒１に観察対象物Ｘを密着固定させた状態で電子線Ｚを照射するようにした本実施形態においても、観察対象物Ｘを動かすことなく観察対象物Ｘ表面の任意の位置（ただし狭い範囲）に対し電子線Ｚを照射させることができる。

本実施形態では、従来のビーム偏向のための機構は大型であり鏡筒１の小型化・軽量化に対して実用的でない点を解決するためだけでなく、従来の走査コイルだけによる単なるビーム偏向では偏向時の収差が増大してしまい高い分解能が望めない点を解決するために、ビーム偏向に起因する収差を発生させない特殊な電子光学系として、上記の走査コイル５と対物レンズ６とを一体化した走査レンズ部４からなる電子光学系を採用したうえで、前記走査レンズ部４を移動する機構として球面座Ｑを用いている。すなわち、この構成によれば、前記球面座Ｑによる前記走査レンズ部４の移動によってビーム偏向時における対物レンズ６の主面の法線方向を電子線Ｚの進入方向と合わせることが可能となるので、視野を移動させた場合に現れるビーム偏向に起因する収差をできる限り少なくすることができる。また、電子銃２及びコンデンサレンズ３の光学軸から観察対象物Ｘに電子線Ｚを最終的に照射する走査レンズ部４の光学軸を外すことができることから、例えば電子銃２が熱電子放射型電子銃である場合には熱電子カソードの明るさが観察対象物Ｘまで到達することに起因する観察時に生じ得る悪影響を除去することができる。

鏡筒１は排出路Ｐを有してなり、該排出路Ｐは例えばフレキシブルなチューブ（例えばゴム管など）を介して図示を省略した真空ポンプと接続される。したがって、真空ポンプの動作に伴って前記排出路Ｐを介して鏡筒１内を満たしていた空気が外部へと排出されて、鏡筒１内部が真空状態に保たれるようになっている。

図１から理解できるように、本実施形態における鏡筒１において、電子銃４から発生された電子線Ｚの進行先の先端部１ａ側にはそもそも試料室が具えられておらずまた載置台も具えられていない。鏡筒１の先端部１ａは単に開口しているだけである。ただし、鏡筒１の開口先端部１ａには当該先端部の形状にあわせて形成された環状のシール部材７が設置されている。このシール部材７は弾力のある部材（例えばゴムなど）で形成されてなり、鏡筒１内部と外部との間で空気の出入りができないように鏡筒１と観察対象物Ｘとを密着させるためのものである。このシール部材７を介して鏡筒１と観察対象物Ｘとを密着させてから上記したようにして真空ポンプの駆動に伴って鏡筒１内部が真空状態に保たれると、その作用によって鏡筒１に観察対象物Ｘが吸着されて互いに密着した状態を維持させることができる。したがって、鏡筒１内の真空状態が解除されない限り、鏡筒１と観察対象物Ｘとは互いに離れることがない。

ところで、観察対象物Ｘの表面の凹凸具合によっては前記シール部材７を介しての鏡筒１と観察対象物Ｘとの密着度が低いがために、鏡筒１内を真空状態に保ち観察対象物Ｘを吸着させたとしても鏡筒１と観察対象物Ｘとが確実に固定されない恐れがある。そこで、観察対象物Ｘ表面の凹凸具合ごとに異なる形状のシール部材７を予め用意しておき、これらを観察対象物Ｘ表面の凹凸具合に応じて適宜に交換することのできるようになっている。図４は、観察対象物Ｘ表面の凹凸具合毎に異なる形状からなるシール部材７の一実施例を示す断面図である。

図４（ａ）に示すシール部材７は比較的に滑らかな表面の観察対象物Ｘとの固定に用いるものであり、当該シール部材７は断面円状部分から円弧部７ａが観察対象物Ｘとの接触側（すなわち観察面側）に突出した形状に形成されてなる。鏡筒１内部の真空状態の進行に応じて、この突出した円弧部７ａが押し潰されるように変形する。それにより、前記円弧部７ａと観察対象物Ｘとの接触面がより大きくなるように拡がった状態で鏡筒１に観察対象物Ｘが吸着され、また円弧部７ａと観察対象物Ｘ表面との間には隙間がなく鏡筒１内部と外部との間で空気の出入りがない高真空状態に鏡筒１内を保つことができることから、鏡筒１と観察対象物Ｘとは確実に密着固定される。

図４（ｂ）に示すシール部材７は小さな凹凸のある少し粗い表面の観察対象物Ｘとの固定に用いるものであり、当該シール部材７は観察対象物Ｘとの接触側（すなわち観察面側）に断面円状部分から鏡筒１の外周側に向かって拡げられるように、また先端部側が薄い押え板部７ｂを有した形状に形成されてなる。鏡筒１内部の真空状態の進行に応じて、この押え板部７ｂが観察対象物Ｘに押し潰されてより外周側へと拡げられるように変形する。それにより、前記押え板部７ｂと観察対象物Ｘとの接触面がより大きくなるように拡がった状態で鏡筒１に観察対象物Ｘが吸着され、また押え板部７ｂと観察対象物Ｘ表面との間には隙間がなく鏡筒１内部と外部との間で空気の出入りがない高真空状態に鏡筒１内を保つことができることから、小さな凹凸のある少し粗い表面の観察対象物Ｘであっても鏡筒１と観察対象物Ｘとは確実に密着固定される。

図４（ｃ）に示すシール部材は凹凸の大きな粗い表面の観察対象物Ｘとの固定に用いるものであり、当該シール部材７は観察対象物Ｘとの接触側（すなわち観察面側）に断面円状部分から鏡筒１の外周側及び内周側それぞれに向かって拡げられるように枝別れした２又の押え板部７ｃを有した形状に形成されてなる。鏡筒１内部の真空状態の進行に応じて、この押え板部７ｃが観察対象物Ｘに押し潰されてより外周側及び内周側へと拡げられるように変形する。それにより、前記枝別れした２又の押え板部７ｃが観察対象物Ｘ表面上の凹凸に沿って密着されるようにして互いの接触面がより大きい状態で鏡筒１に観察対象物Ｘが吸着され、こうした押え板部７ｃと観察対象物Ｘ表面との間には隙間がなく鏡筒１内部と外部との間で空気の出入りがない高真空状態に鏡筒１内を保つことができることから、凹凸の大きな粗い表面の観察対象物Ｘであっても鏡筒１と観察対象物Ｘとは確実に密着固定される。

なお、上記の各シール部材７は必ずしも上記した表面の観察対象物Ｘとの固定のみに用いることに限らない。例えば、図４（ｃ）に示したシール部材７を、比較的に滑らかな表面の観察対象物Ｘとの固定や小さな凹凸のある少し粗い表面の観察対象物Ｘとの固定に用いてもよい。

観察対象物Ｘの表面に電子線Ｚが照射されると、鏡筒１にシール部材７を介して密着固定（詳しくは吸着）されている観察対象物Ｘから二次電子及び反射電子が放出される。該観察対象物Ｘから発せられた二次電子及び反射電子は、二次電子検出器Ｓ１及び反射電子検出器Ｓ２によりそれぞれ検出される。

前記二次電子検出器Ｓ１は、シンチレータ８とライトガイドＦと光電子増倍管Ｍとを含んでなる。そのうちのシンチレータ８は鏡筒１内部に敷設される一方で、前記シンチレータ８とライトガイドＦを介して接続される長尺形状の光電子倍増管Ｍは鏡筒１の側面部に敷設されることなく、鏡筒１と別途独立した状態で鏡筒１の外部に分離配置される。この実施例において、鏡筒１内部に敷設された前記シンチレータ８と鏡筒１外部に分離配置された前記光電子倍増管Ｍとを接続するライトガイドＦとしては、フレキシブルな光ファイバーケーブル（光信号伝送路）が用いられる。フレキシブルな光ファイバーケーブルを用いることで、前記光電子倍増管Ｍを鏡筒１外部の任意の位置に配置しても観察対象物Ｘに対する鏡筒１の移動が大きく制限されることのないようにしている。

前記シンチレータ８で取得（受光）された二次電子は、光ファイバーケーブル内を通って光電子倍増管Ｍへと伝送される。光電子倍増管Ｍは伝送されてきた二次電子を電気的な検知信号へと変換し、該検知信号を電気的に接続された後述するコントローラ部Ｅ（図１参照）に出力する。このように、本実施例においては、長尺形状の光電子倍増管Ｍを鏡筒１に直接敷設することなく、光電子倍増管Ｍを鏡筒１外部に分離配置してフレキシブルな光ファイバーケーブルからなるライトガイドＦを介して鏡筒１内部に配置されるシンチレータ８と接続するようにしたことにより、鏡筒１を従来のような側面部が大きく突出した形状（図６参照）に形成する必要がないので鏡筒１を小型化できると共に、鏡筒１自体に光電子倍増管Ｍを支持させなくてよいので鏡筒１の強度が小さくてすむ、つまりは鏡筒１を軽量化できる。

他方、前記反射電子検出器Ｓ２は鏡筒１内部において観察対象物Ｘの直上に位置するように敷設されており、反射電子検出器Ｓ２の中央部には走査レンズ部４によってその進行方向の向きが偏向制御された電子線Ｚを通すための孔Ｓａが設けられている。ここで、前記反射電子検出器Ｓ２について図５を用いて説明する。図５は、反射電子検出器の一実施例を示す概念図である。ここに示す反射電子検出器Ｓ２は反射電子の検知領域を４分割にした４分割反射電子検出器であって、図示のように電子線Ｚを通すための孔Ｓａを中心にこれを囲むようにして４分割された検知領域（チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４）毎に設けられている極性切換チャンネルＲ１〜Ｒ４によって極性「＋」，「−」を自由に設定できるようにしてある。例えば、４チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４全ての極性切換チャンネルＲ１〜Ｒ４を「＋」に設定した場合には組成像が表示され、４チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４のうちの２チャンネル又は１チャンネルの極性切換チャンネル（Ｒ１〜Ｒ４）を「−」にその他のチャンネルの極性切換チャンネル（Ｒ１〜Ｒ４）を「＋」に設定した場合には凹凸像が表示される。すなわち、図５に示す反射電子検出器Ｓ２は、前記極性切換チャンネルＲ１〜Ｒ４の設定に従って組成像（コンポ像）及び凹凸像（トポ像）のいずれをも表示することが可能となっている。当該反射電子検出器Ｓ２は検出した反射電子に応じた電気的な検知信号を生成し、該検知信号を信号線Ｌ及びコネクタ９を介して電気的に接続された後述するコントローラ部Ｅ（図１参照）に出力する。

また、従来では試料の観察対象位置（観察面）を移動する際に電子線Ｚの中心軸は固定位置であるがゆえに、載置台Ｏを移動させることによって前記載置台Ｏ上の試料を移動させるようにしている。そして載置台Ｏに取り付けられているファラデーカップにより計測される電子線の強度分布に従い、載置台Ｏの移動に伴う試料と電子線Ｚの中心軸との相対的位置を把握するようにしている。しかし、本願発明では載置台Ｏを具えていない代わりに走査レンズ部４を球面座Ｑにより移動させることによって電子線Ｚの偏向制御を行っており、従来あった電子線Ｚの中心軸を割り出すためのファラデーカップを有していない。そのため、ファラデーカップに代わって走査レンズ部４の移動にあわせて変位する電子線Ｚの中心軸の位置を正しく把握させるための機構が必要である。

そこで、この実施形態においては、コンデンサレンズ３によって集束された電子線Ｚの中心軸のある位置を把握してその位置に走査レンズ部４の中心が位置するように調整（つまり光軸調整；センタリング）を行うために、上記した４分割反射電子検出器Ｓ２を使用する。その場合、電子線Ｚを照射することに応じて得られる反射電子が前記分割した４つの各検知領域（チャンネルＣＨ１〜ＣＨ４）に均等に分散した状態として検出された場合に、コンデンサレンズ３によって集束された電子線Ｚの中心軸と一致する位置に走査レンズ部４の中心が正しくセンタリングされたと判定すればよい。

ところで、前記球面座Ｑによる走査レンズ部４の動作に従っての電子線Ｚの走査だけでは移動範囲が限られることから、観察対象物Ｘを密着固定した状態のままでは観察可能な範囲が限られる。従来においては試料室内において試料（観察対象物Ｘ）は垂直方向及び水平方向に移動可能であってさらには傾斜及び回転可能な載置台Ｏ（図６参照）に載せられており、該載置台Ｏを駆動制御することで試料（観察対象物Ｘ）上における大幅な観察位置の変更を行うことのできるようになっていることは既に述べたとおりである。

しかし、図１から理解できるように、本願発明に係る装置では鏡筒１の開口先端部側（図中では下方側）にそもそも試料室が具えられておらずまた載置台も具えられていない。本願発明に係る装置では鏡筒１の開口先端部に観察対象物Ｘを吸着により密着固定させて電子線Ｚの照射を行うようにしているため、装置自体を観察対象物Ｘ上の任意の観察位置に移動させる必要がある。そうするには一旦観察対象物Ｘから鏡筒１を離す必要が有るが、本発明では鏡筒１と観察対象物Ｘとは鏡筒１内が高真空状態に保たれることによってシール部材７を介して吸着されているだけであるから、例えば鏡筒１自体を傾けるなどして鏡筒１と観察対象物Ｘとの密着状態を解除して鏡筒１内に外部から空気を入れてやるようにすれば、鏡筒１内の真空状態が解除されて鏡筒１と観察対象物Ｘとを離すことができ、鏡筒１を観察対象物Ｘの任意の位置に観察面を移動することが簡単にできるようになる。

上記のようにして真空状態を解除して鏡筒１を観察対象物Ｘの任意の位置に移動させた場合、観察を行うために再度鏡筒１内を高真空状態にする必要があるのは当然である。その際の時間の削減を目的として、本実施形態では鏡筒１内を２つの部屋１００,２００に分ける隔壁Ｈを設けてある。上記隔壁Ｈの中央部には電子線Ｚを通すための孔Ｈａが空いている。鏡筒１と真空ポンプ（図示せず）とを繋ぐための上記した排出路Ｐは、この隔壁Ｈによって分けられる２つの部屋１００，２００毎に設けられる。前記２つの部屋１００，２００のうち鏡筒１の開口先端部１ａ側（図中では下段側）の部屋２００と真空ポンプとを繋ぐ排出路の途中には、遮断扉Ｔ（シャッター）が設けてある。

前記遮断扉Ｔは鏡筒１と観察対象物Ｘとを相対的に移動させることのない電子線Ｚの照射時（つまり観察時）においては排出路Ｐを開放した状態に制御されるようになっており、上段側の部屋１００（第１の部屋）と同様に開口先端部１ａ側の部屋２００（第２の部屋）についても真空ポンプによって高真空状態が保たれるようになっている。他方、前記遮断扉Ｔは鏡筒１と観察対象物Ｘとを相対的に移動させる電子線Ｚが照射されていない時（つまり観察していない時）においては排出路Ｐを閉鎖した状態に制御されるようになっており、開口先端部１ａ側の部屋２００を上段側の部屋１００に比べて低真空状態とすることによって鏡筒１と観察対象物Ｘとを離しやすくするようにしている。また、鏡筒１内を２つの部屋１００，２００に分けていることから、鏡筒１を観察対象物１の任意の位置に移動した後に再度鏡筒１内を高真空状態にする際には、上段側の部屋１００に比較して低真空状態となった開口先端部１ａ側の部屋２００をできる限り速くに高真空状態とすればよいことから、鏡筒１内を高真空状態にするのに係る時間を節約することができる。

図１の説明に戻って、観察対象物Ｘに電子線Ｚを照射するために、上記した鏡筒１内に内装される電子銃２や走査偏向手段（この実施形態ではコンデンサレンズ３及び走査レンズ部４が該当する）に対する制御命令は、制御装置群Ｓに含まれるコントローラ部Ｅから行われる。前記コントローラ部Ｅは例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含んでなるコンピュータであって、鏡筒１内における電子線Ｚの走査に伴う観察対象物Ｘ表面への電子線Ｚの照射を制御するために、電子線制御部Ｂ及び走査レンズ部移動制御部Ｃに対して制御命令を送る。

前記電子線制御部Ｂは、コントローラ部Ｅからの制御命令に従って電子線Ｚの発生オン／オフを行うよう鏡筒１内の電子銃２を制御する。走査レンズ部移動制御部Ｃは、コントローラ部Ｅからの制御命令に従って電子線Ｚの偏向を行うよう鏡筒１内における球面座Ｑによる走査レンズ部４の移動操作を行う動作機構を制御する。また、コントローラ部Ｅは鏡筒１の外部に別途配置されている各検出器Ｓ１，Ｓ２から検出された二次電子及び反射電子に応じた信号を受信し、該受信した信号に基づいて組成像（コンポ像）や凹凸像（トポ像）などを表示部Ｄに表示する。使用者は、該表示部Ｄに表示されたこれらの像を見て観察対象物Ｘの観察を行うことができる。

なお、ここでは図示を省略したが、制御装置群Ｓは各部を動作させるための電源、真空ポンプのオン／オフを制御する真空ポンプ制御部、鏡筒１と真空ポンプとを繋ぐ排出路Ｐの途中に配置された遮断扉Ｔの開閉を制御する扉制御部などを含んでいてよい。勿論、上記した以外の制御部など他の構成要素を含んでいてよい。

以上のように、本実施形態においては鏡筒１の開口先端部１ａに観察対象物Ｘと直接接触するシール部材７を設ける。真空ポンプにより鏡筒１内が真空に引かれると、前記シール部材７が観察対象物Ｘに接触した状態のまま変形して鏡筒１に当該観察対象物Ｘを吸着させる。このとき、鏡筒１内及び観察対象物Ｘ表面上における真空状態が確保される。前記シール部材７を用いての観察対象物Ｘの吸着により、前記鏡筒１を観察対象物Ｘに直接接触させた状態で密着固定することができる。すなわち、従来の走査型電子顕微鏡が有していた閉鎖可能な試料室をなくしたかわりに、観察対象物Ｘに対して直接鏡筒１の開口先端部１ａを吸着させて観察対象物Ｘと顕微鏡本体部である鏡筒１とが相対的に移動しないように密着固定させる。

こうすると、試料室のない小型・軽量な鏡筒を有する電子顕微鏡であるにも関わらず、鏡筒１内及び観察対象物Ｘ表面上における真空状態を容易に確保することができるし、また鏡筒１あるいは観察対象物Ｘ自体が振動したとしても鏡筒１と観察対象物Ｘとは相対的に移動しないことから画像のぶれ等の観察時の悪影響は生じない。こうして、鏡筒１を観察対象物Ｘに対し直接マウントして電子線Ｚを照射できるようにしたので、従来においては試料室に入りきらない大きさの観察対象物Ｘであっても特に加工を施すことなく現状状態そのままでの観察を行うことができるようになる。

二次電子検出器Ｓ１を構成するシンチレータ８を鏡筒１内部に配置する一方で、光電子倍増管Ｍを鏡筒１外部に鏡筒１とは別途独立に分離配置したことから、鏡筒１に直接光電子倍増管Ｍを敷設する場合に比べて鏡筒１を小型化することができ、また鏡筒１自体に強度が必要とされないことから鏡筒１を軽量化することができる。また、コンデンサレンズ３と対物レンズ６を永久磁石Ｊ１，Ｊ２を用いて形成したことにより、磁場コイルで形成されたコンデンサレンズ及び対物レンズを用いる場合に比べてコンデンサレンズや対物レンズを小さく形成することができ、それにより鏡筒１自体の小型化・軽量化を図れる。さらには、走査コイル５と対物レンズ６とを一体構成した走査レンズ部４を球面座Ｑに従って一定の球面上を移動させて、鏡筒１内における電子線Ｚの進行方向を制御して視野移動させるようにしたので、試料室のない鏡筒１であるにも関わらず、観察対象物Ｘ上における大幅な観察位置（観察面）の変更を行うことができる。

また、本願発明に係る走査型電子顕微鏡の鏡筒１は小型・軽量であるので、本装置はアーム部の先端などに取り付けやすく、また開口先端部の向きが下方のみに制限されずにどのような向きであっても観察を行うことができることから、例えば自動車（完成車）全体つまりは自動車の上面、下面、側面などやエンジン内部あるいは室内などに使用されている部材を観察しやすい、という利点がある。

以上、図面に基づいて実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、様々な実施形態が可能であることは言うまでもない。また、本発明は走査型電子顕微鏡の使用目的に限定するものではない。例えば、電子ビーム描画装置にも利用可能である。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。

１…鏡筒
１ａ…開口先端部
２…電子銃
３…コンデンサレンズ
４…走査レンズ部
５…走査コイル
６…対物レンズ
７…シール部材
８…シンチレータ
９…コネクタ
１０，１１…コア
３００…試料室
Ａ…制御装置群
Ｂ…電子線制御部
Ｃ…走査レンズ部移動制御部
Ｄ…表示部
Ｅ…コントローラ部
Ｆ…ライトガイド
Ｈ…隔壁
Ｊ１，Ｊ２…永久磁石
Ｋ…開閉扉
Ｌ…信号線
Ｍ…光電子倍増管
Ｏ…載置台
Ｐ…排出路
Ｑ…球面座
Ｒ１〜Ｒ４…極性切換スイッチ
Ｓ１…二次電子検出器
Ｓ２…反射電子検出器
Ｔ…遮断扉
Ｘ…試料（観察対象物）
Ｚ…電子線（電子ビーム）

Claims (6)

1. 電子線を発生する電子銃と、
   前記電子銃から発生される電子線を集束する集束レンズと、
   前記集束した電子線を偏向する走査コイルと、
   前記偏向した電子線の焦点を観察対象物にあわせる対物レンズと、
   前記対物レンズを前記走査コイルと共に一体的に移動させる移動機構と、
   前記電子線の照射に伴い観察対象物から放出される二次電子を検出する二次電子検出器及び前記電子線の照射に伴い観察対象物から放出される反射電子を検出する反射電子検出器の少なくともいずれか一方と、
   前記電子銃から発生された電子線の進行方向側の先端部が開口した鏡筒であって、当該鏡筒内に少なくとも前記電子銃と前記集束レンズと前記走査コイルと前記対物レンズと前記移動機構とを含んでなるものと、
   前記鏡筒の開口先端部に設けられ前記観察対象物と接触させるシール部材と、
   前記鏡筒内を真空に引くことに従い前記シール部材を介して前記鏡筒に観察対象物を吸着させる真空手段と
   を備えてなり、
   前記移動機構は、前記対物レンズ及び前記走査コイルを球面体上で移動させるための駆動モータと、前記球面体を形成する球面座とを少なくとも含み、該球面座はその球面体の中心点が前記集束レンズの焦点位置に一致する曲率に形成されてなり、
   前記移動機構によって前記対物レンズと前記走査コイルとを一体的に移動することにより、前記鏡筒に観察対象物を吸着させたまま前記鏡筒内における前記電子線の進行方向を制御して視野移動することを特徴とする電子顕微鏡。
2. 前記二次電子検出器はシンチレータとライトガイドと光電子増倍管とを少なくとも含んでなるものであって、前記光電子増倍管を前記鏡筒外部に前記鏡筒とは別途独立に分離配置すると共に、前記鏡筒内部に敷設された前記シンチレータにより取得された二次電子を前記光電子増倍管に伝送する前記ライトガイドをフレキシブルな素材からなる光信号伝送路で形成したことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
3. 前記集束レンズ及び前記対物レンズの少なくともいずれか一方は永久磁石を用いて形成してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の電子顕微鏡。
4. 前記集束レンズ及び前記対物レンズの少なくともいずれか一方は、前記電子銃から発生された電子線を通すための孔を有する永久磁石をコアが囲むと共に、該コアの前記孔に面した端部を前記永久磁石側に傾いた形状に形成してなることを特徴とする請求項３に記載の電子顕微鏡。
5. 前記反射電子検出器は、電子線照射に従い観察対象物から放出される反射電子を検出する検知領域を４分割した検出器であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の電子顕微鏡。
6. 前記鏡筒内を２つの部屋に隔離する隔壁と、前記真空手段と前記２つの部屋それぞれとを結ぶ排出路と、前記２つの部屋のうち開口先端部側の部屋と前記真空手段とを結ぶ排出路を開閉する扉とを設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の電子顕微鏡。

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