JP6814247B2 - カソードルミネッセンス光学ハブ - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年５月１４日に出願された米国特許仮出願第６２／６７１，１５２号に対する優先権を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

電子またはイオンビームなどの高エネルギー荷電粒子が試料に衝突すると、光子が試料材料に応じて放出され得る。この現象は、カソードルミネッセンス（ＣＬ）として知られている。紫外線（ＵＶ）から可視光線を通り赤外線（ＩＲ）に至るまでの波長範囲におけるこれらの光子の収集および検出により、調査中の試料に関する豊富な情報を得ることができる。ＣＬは、典型的には、電子顕微鏡内の試料で検査され、それらのいずれかまたはすべてが電子顕微鏡のビームカラムの外側に位置し得る、例えば光センサ、画像アレイまたは分光器に光子を向けることによって収集される。電子顕微鏡のビームカラムの内側は低圧に保たれているので、電子は、ビームカラム内のガスによる著しい散乱なしに試料に進むことができる。光は収集された後、低圧環境から、光学窓を通して、そしてＣＬ光を分析する機器に伝達され得る。

ＣＬを介して放出された光子を収集するための一般的な方法は、電子ビーム（ｅビーム）と同軸上かつ試料の上方（より典型的には）もしくは下方、または試料の上方と下方の両方に位置する、放物面ミラーであり得る集光ミラーによるものである。集光ミラーがｅビームと同軸上で試料の上方に位置する場合、ミラーは、ｅビームがミラーを通過して妨げられることなく試料に向かうことを可能にするための穴を有する。

放出された光子からなるＣＬ信号は、光子を放出する試料に関する多くの情報を含む。ＣＬ信号の分析は、全ＣＬ強度、スペクトル情報、偏光情報、および角度分解発光を利用することができる。ＣＬ信号は弱いことが多く、分析のためにできるだけ多くの信号を保存することがしばしば重要である。さらに、各々が特定の信号に対して最適化されている、本明細書でＣＬ機器と呼ばれる別々の分析光学系および検出器を有することが多くの場合に重要である。例えば、スペクトル情報が分析にとって重要ではない場合、光の一部が失われる分光計を通過させてから光センサに光を通過させるのではなく、収集した光を光センサに直接結合するのが最善の方法であり得る。

ＣＬミラーの焦点が正確に電子ビームが衝突してＣＬが放出される試料上のスポットにあるようにＣＬミラーを試料上に位置合わせすることは、困難で時間のかかるプロセスであり得る。このため、複数の機器を顕微鏡のカラムに設置し、ＣＬミラーを各機器に位置合わせすると、ＣＬ光に対して複数種類の分析を実行することが困難になる場合がある。ＣＬ分析のための複数の機器は組み合わせてもよく、これによりユーザは、複数の測定のために試料に対して位置を変えることなく同じＣＬ集光ミラーを使用することが可能になる。しかしながら、複数の機器を組み合わせることによる１つの問題は、例えばＣＬ強度、スペクトル情報、偏光情報、および角度分解発光を含む、ＣＬ光に含まれるあらゆる情報の損失を最小限にして収集したＣＬ光を異なる機器に向けることである。

電子顕微鏡におけるカソードルミネッセンス光の収集のための装置の図である。 光学ハブ設計を利用した例示的なＣＬ光学系の概略図である。 光学ハブ設計および３つの別々のＣＬ検出機器を利用した例示的なＣＬ光学系の概略図である。 可動フィルタ機構を備えた光学ハブ設計を利用した例示的なＣＬ光学系の概略図である。 可動フィルタ機構を備え、光学アパーチャを通過する画像パターンの一部を選択するために光学ハブの折り返しミラーの精密な位置制御用に構成された、光学ハブ設計を利用した例示的なＣＬ光学系の概略図である。 例示的なＣＬ光学ハブの等角図である。 本発明の一態様による光学ハブの内部アセンブリを示す図である。

当業者は、本発明の教示を用いて開発することができる他の詳細な設計および方法を認識するであろう。ここに提供される例は、例示的なものであり、そして添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲を限定しない。以下の詳細な説明は、添付の図面を参照する。異なる図面中の同じ参照番号は、同じまたは類似の要素を識別し得る。

典型的なＣＬ機器では、図１に示すように、電子顕微鏡１００（図示せず）は、磁極片１２を出て試料３０に向けられるｅビーム１０を発生させる。ｅビーム１０が試料３０に衝突する点３２において、カソードルミネッセンス（ＣＬ）光３４が生成され得る。放物面ミラーであり得る集光ミラー２０は、ＣＬ光３４を電子顕微鏡１００の外側に位置し得る検出器に反射するために設けられる。集光ミラー２０は、典型的には、ミラー２０がｅビームを場合によっては妨げる材料（例えば、ダイヤモンド研磨アルミニウム）で作ることができるので、ｅビーム１０が通過することを可能にするアパーチャ２２を有する。集光ミラー２０によって収集されたＣＬ光３４は、試料３０上に適切に集束されると、ミラー２０の出射光軸（符号なし）に沿ってコリメートされる光パターン３５を発生させる。典型的なＣＬ機器では、集光ミラー２０によって収集された光は、光パターン３５を個々の機器に送るために一連の折り返しミラーおよび場合によっては光学スイッチを使用して異なるＣＬ分析機器に送られる。

本発明の一態様では、図２に示すように、「光学ハブ」１５０は、集光ミラー２０によって収集された光を異なるＣＬ分析機器（図示せず）に転送するように構成される。光学ハブ１５０は、ポートアジャスタ１４０を介して電子顕微鏡１００に接続され、ポートアジャスタ１４０は、光軸３６に垂直な方向に光軸３６の位置を調整するようにも構成され得る。光学ハブ１５０の内側は、電子顕微鏡１００の内側と同じ低圧環境を共有している。光学ハブ１５０の内部構成要素は、電子顕微鏡１００の環境を「汚染」せず、かつ電子顕微鏡１００内で発生したＸ線放射が電子顕微鏡１００および光学ハブ１５０内に安全に閉じ込められるような材料を含む。電気モータ駆動親ねじを含むことができる線形アクチュエータ１６０は、キャリッジ１６２を光軸３６に平行に移動させ、それにより折り返しミラー１６４は、光学窓２２２、２２４、２２６を通って電子顕微鏡１００の低圧環境の外側で主にコリメートされた光パターン３５を遮断して方向を変える。この手法の１つの重要な利点は、支持される光学窓の数に基本的な制限がなく、キャリッジ１６２を移動させることにより折り返しミラー１６４の位置の調整可能な性質が、光学窓（例えば、２２２、２２４および２２６）の外側に取り付けられたＣＬ機器への光パターン３５の精密な位置合わせを可能にすることである。さらに、光学ハブ１５０は、光学ハブ（１５０）の構成要素を変更する必要なく、異なるＣＬ機器で容易に再構成することができる。光学ハブ手法のさらなる利点は、典型的な設計手法よりも必要とされ得る折り返しミラーおよび光学スイッチが少ないことである。

図２に示す本発明のさらなる態様では、機構１７２は、試料３０の上方で集光ミラー２０を支持するために設けられる。最良の性能を得るために、集光ミラー２０は、集光ミラー２０の焦点が試料３０に集束した電子顕微鏡１００の電子ビームと一致するように精密に位置決めすることができる。ＣＬ光子が収集されているときに電子顕微鏡１００の動作を妨害しないように、集光ミラー２０を十分な距離だけ後退させることができることも有用である。後退および精密な位置決めは、機構１７２を光軸３６に平行に移動させる電気モータ駆動親ねじを含み得る線形アクチュエータ１７０を用いて達成することができる。衝突を防ぐために、キャリッジ１６２と機構１７２の動きの協調が必要な場合もある。例えば、コントローラ（図示せず）が機構１７２に対するキャリッジ１６２の移動を制御してもよい。

図３は、上述のような光学ハブ１５０と、光学ハブの光学窓２２２、２２４および２２６（図３では符号なし）の上方に取り付けられた３つの別々のＣＬ検出機器２３２、２３４、２３６とを有する例示的なＣＬ系を示す。折り返しミラー１６４の位置は、どの機器が光パターン３５を分析することができるかを選択する。使用され得る３つのＣＬ検出機器２２２、２２４および２２６の例は、（１）強度対波長を測定する光学分光計、（２）高い量子効率で全強度を測定する光電子増倍管（ＰＭＴ）、および（３）画像パターンの光の分布を測定および／またはキャプチャするカメラである。

図４に示す本発明のさらなる態様では、１つまたは複数の光学フィルタまたは偏光子を含むことができる光学フィルタ機構２２９は、折り返しミラー１６４によって向けられた後に光パターン３５を遮断するように移動させることができるか、または光パターン３５の邪魔にならないように移動させることができる。光学フィルタ機構２２９は、理想的には、軸３６に沿って任意の光学窓（例えば、２２２、２２４および２２６）に進むことができ、線形アクチュエータ２２８を使用して移動させることができる。ＣＬ検出機器（例えば、２２２、２２４、および２２６）は、光学フィルタ機構の上方に取り付けられており、図４には示されていない。フィルタ機構２２９は、フィルタ選択アクチュエータによって遠隔で選択可能になるように配置された複数のフィルタを含むことができる。

図５に示す本発明のさらなる態様では、ＣＬ検出機器（例えば、機器２２２、２２４、または２２６のうちの１つ）の内側のスリットまたは穴であり得る光学アパーチャ２５０は、光学アパーチャ２５０を通過することが許容される光パターン３５の一部を制限するように構成される。折り返しミラー１６４の位置の調整可能な性質により、光パターン３５を光学アパーチャ２５０上に精密に位置決めすることが可能になり、その結果、アパーチャ２５０を通過する光パターン３５の部分を調整することができる。この能力は、光学フィルタ機構２２９の使用と任意に組み合わされてもよい。

図６は、本発明の一態様による光学ハブ１５０の等角図である。光学ハブ１５０は、ポートアジャスタ１４０を介して取付フランジ２１０で電子顕微鏡（図示せず）に取り付けられる。光学ハブ１５０は、集光ミラー２０と、ミラー支持機構１７２とを含む。

図７は、本発明の一態様による光学ハブ１５０の内部アセンブリを示す。集光ミラー２０を支持するように構成された機構１７２は、親ねじ２７２および電気モータ２７３と共に移動される。折り返しミラーキャリッジアセンブリ１６２（ここでは明確にするために、設置された折り返しミラー１６４なしで示されている）は、親ねじ２６２および電気モータ２６３を介して移動される。

本発明のさらなる態様では、光は、光学ハブ折り返しミラー１６４を介して電子顕微鏡１００の外側から集光ミラー２０によって試料３０に導入されてもよく、または電子顕微鏡１００内の他の源から導入されてもよい。本発明のこの態様では、試料３０から出てくる集光ミラー２０によって収集された一部の光は、能動電子デバイスから放出された光、または試料３０に入射する光源から反射、蛍光、散乱、もしくは波長シフトした光を含み得る。

本発明を詳細に説明してきたが、本発明の精神から逸脱することなく本発明を修正できることが当業者には明らかであろうことは明白に理解される。本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態、設計、または配置の様々な変更を本発明に加えることができる。したがって、上述の説明は、限定的ではなく例示的であると見なされるべきであり、本発明の真の範囲は、添付の特許請求の範囲において定義されるものである。

本出願の説明に使用される要素、動作、または命令は、そのように明示的に説明されていない限り、本発明にとって重要または不可欠であると解釈されるべきではない。また、本明細書で使用する場合、冠詞「ａ」は、１つまたは複数の項目を含むことを意図している。さらに、「に基づく」という句は、他に明示的に述べられていない限り、「に少なくとも部分的に基づく」を意味することを意図している。

１０ ｅビーム
１２ 磁極片
２０ 集光ミラー
２２ アパーチャ
３０ 試料
３２ 点
３４ カソードルミネッセンス（ＣＬ）光
３５ 光パターン
３６ 光軸
１００ 電子顕微鏡
１４０ ポートアジャスタ
１５０ 光学ハブ
１６０ 線形アクチュエータ
１６２ キャリッジ／折り返しミラーキャリッジアセンブリ
１６４ 折り返しミラー
１７０ 線形アクチュエータ
１７２ ミラー支持機構
２１０ 取付フランジ
２２２ 光学窓／ＣＬ検出機器
２２４ 光学窓／ＣＬ検出機器
２２６ 光学窓／ＣＬ検出機器
２２８ 線形アクチュエータ
２２９ 光学フィルタ機構
２３２ ＣＬ検出機器
２３４ ＣＬ検出機器
２３６ ＣＬ検出機器
２５０ 光学アパーチャ
２６２ 親ねじ
２６３ 電気モータ
２７２ 親ねじ
２７３ 電気モータ

Claims (14)

1. 電子顕微鏡における光の収集および分析のための装置であって、
   遠位端で集光ミラーを支持する機構であって、前記機構は、前記電子顕微鏡の試料チャンバ内に延び、分析中の試料に近接して前記集光ミラーを位置決めするように構成され、
   前記集光ミラーは、前記集光ミラーによって収集された光が線形軸に沿ってコリメートされる光パターンを形成し、前記光パターンを形成する光線が互いに実質的に平行であるように構成される機構と、
   折り返しミラーを支持するキャリッジを有する第１の線形アクチュエータであって、前記折り返しミラーは、前記集光ミラーによって向けられた前記光を受け取るように位置する第１の線形アクチュエータとを備え、
   前記第１の線形アクチュエータは、前記折り返しミラーを複数の固定場所に移動させ、これにより、前記集光ミラーによって向けられた前記光が、前記折り返しミラーによって、前記複数の固定場所の各々に関連付けられかつ前記光の分析のために配置された一組の光学系または検出器へと反射されるように構成される、装置。
2. 可動光学フィルタアセンブリをさらに備え、前記可動光学フィルタアセンブリが、前記折り返しミラーと協調して前記複数の固定場所に移動するように構成される、
   請求項１に記載の装置。
3. 光学機器の一部に位置する光学アパーチャまたはスリットをさらに備え、前記折り返しミラーが、前記光パターンの一部を前記アパーチャまたはスリットを通して向けるように構成される、請求項１に記載の装置。
4. 集光ミラーを支持する前記機構が、分析中の前記試料の上または下に調整されるように前記集光ミラーを位置決めまたは移動させるように構成された第２の線形アクチュエータを備える、請求項１に記載の装置。
5. 前記集光ミラーによって収集された前記光が、カソードルミネッセンス光もしくは能動電子デバイスから放出された光を含む前記試料から出てくる他の光、または前記試料に入射する光源から反射、蛍光、散乱、もしくは波長シフトした光である、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の線形アクチュエータが、第１の親ねじと、第１の電気モータとを備える、請求項１に記載の装置。
7. 前記第２の線形アクチュエータが、第２の親ねじと、第２の電気モータとを備える、請求項４に記載の装置。
8. 前記可動光学フィルタアセンブリを位置決めするように構成された第３の線形アクチュエータ
   をさらに備える、請求項２に記載の装置。
9. 前記可動光学フィルタアセンブリが、複数の光学フィルタと、前記複数の光学フィルタのうちの１つを前記折り返しミラーと位置合わせするように構成された光学フィルタ選択アクチュエータとを備える、請求項２に記載の装置。
10. 前記折り返しミラーが、光を前記電子顕微鏡に導入するようにさらに構成される、請求項１に記載の装置。
11. 前記装置を電子顕微鏡ポートに取り付け、収集された光の光軸の位置を前記光軸に垂直な１つまたは複数の方向に調整するように構成されたポートアジャスタ
    をさらに備える、請求項１に記載の装置。
12. 光学機器に位置する光学アパーチャまたはスリットをさらに備え、前記折り返しミラーが、前記光パターンの一部を前記アパーチャまたはスリットを通して位置決めするように構成され、光学フィルタが、前記折り返しミラーと前記光学アパーチャまたはスリットとの間に位置決めされる、
    請求項２に記載の装置。
13. 遠位端で集光ミラーを支持する前記機構、折り返しミラーを支持するキャリッジを有する前記第１の線形アクチュエータ、および前記折り返しミラーがすべて、前記電子顕微鏡の一部を含む低圧チャンバ内に位置する、請求項１に記載の装置。
14. 遠位端で集光ミラーを支持する前記機構、折り返しミラーを支持するキャリッジを有する前記第１の線形アクチュエータ、前記折り返しミラーおよび前記第２の線形アクチュエータがすべて、前記電子顕微鏡の一部を含む真空チャンバ内に位置する、請求項４に記載の装置。