KR101247865B1 - 하전 입자선 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 주사 하전 입자선 장치는, 시료실(8)과, 검출기를 구비하고, 상기 검출기는 상기 시료실이 저진공(1㎩∼3000㎩)으로 제어되어 있을 때에, 가스 신틸레이션에 의한 발광 현상에 의해서 얻어지는 화상 정보를 갖는 광(17) 중 적어도 진공 자외 영역으로부터 가시광 영역까지의 광을 검출하는 기능과, 전자와 가스 분자의 캐스케이드 증폭에 의해서 얻어지는 화상 정보를 가진 이온 전류(11, 13)를 검출하는 기능을 겸비한다. 이에 의해, 다양한 샘플의 관찰에 대응할 수 있는 장치를 실현할 수 있게 되고, 또한, 상기 검출부의 최적 구성을 고안함으로써, 얻어지는 화상에 부가 가치를 부여하여, 그 관찰 화상을 폭 넓은 분야의 유저에게 제공할 수 있게 되었다. 또한, 상기 검출기를 고진공용 검출기와 병용 가능하게 함으로써, 진공 모드에 관계없이 폭 넓은 유저에게 화상을 제공할 수 있도록 되었다.

Description

하전 입자선 장치{CHARGED PARTICLE RADIATION DEVICE}
본 발명은, 전자선이나 이온선 등의 하전 입자선을 이용하는 하전 입자선 장치에 관한 것으로, 특히, 적어도 진공 자외광 영역으로부터 가시광 영역까지의 영역의 광을 검출하는 수단, 및 광의 검출과 이온 전류 검출의 병용화가 가능한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.
주사 전자 현미경으로 대표되는 하전 입자선 장치에서는, 가늘게 집속된 하전 입자선을 시료 상에서 주사하여 시료로부터 원하는 정보(예를 들면 시료상(試料像)를 얻는다.
이와 같은 하전 입자선 장치에서는, 종래부터 저진공(1㎩∼3000㎩ 정도) 영역에 있어서의 관찰 방법으로서, 비교적 에너지가 높은 반사 전자를 이용한 관찰이 주였다. 그 이유는, 저진공 하에 존재하는 많은 가스 분자와 화상 신호를 가진 전자 각각이 충돌을 반복함으로써, 이 검출 과정에서, 화상 정보를 가진 전자의 에너지는 잃게 되어, 검출기까지 다다를 수 없기 때문에, 보다 에너지가 높은 전자, 즉 반사 전자를 이용한 것을 용이하게 관찰할 수 있는 방법으로 되어 있었기 때문이다. 얻어지는 화상은, 관찰 샘플 재료의 종류, 상세하게는 원자 번호 효과가 현저하게 나타나고, 특히 재료 분야에서의 표면 관찰이나, 그 표면의 분석에 현재도 많이 이용되고 있다. 나아가서는, 고진공/저진공을 불문하고, 빠른 주사 속도(TV-Scan 등)에 충분히 대응하고 있기 때문에, 주력 검출기로서 이용되어 온 이유의 하나이기도 하다.
그러나 최근, 전자를 갖는 에너지가 작은 2차 전자를 이용한 검출 방법이 한창 연구되고 있다. 예를 들면, 특허 문헌 1, 2, 3이 존재한다. 그 대부분은, 시료 상방에 미리 전극을 배치하고, 시료로부터 발생한 2차 전자를 가속시키고, 시료실 내에 존재하는 가스 분자와 충돌ㆍ증폭을 반복하는 캐스케이드 증폭을 이용한 방법이다.
이 방법은 크게 2종류의 검출 방법으로 알려져 있다. 하나는 증폭한 2차 전자 그 자체를 검출하는 전자 전류 검출법, 또 하나는, 2차 전자와 가스 분자가 충돌하였을 때에 생성되는 플러스 이온을 검출하는 이온 검출법이다.
종래 기술의 대표예로서, 전자 전류법에서는 특허 문헌 1이, 이온 전류법에서는 특허 문헌 2, 3을 들 수 있다.
얻어지는 화상은 어느 쪽도, 기본적인 신호원이 관찰 샘플로부터의 2차 전자이므로, 고진공 2차 전자 화상과 매우 흡사하고, 반사 전자상과는 다른 성질의 화상, 즉 관찰 샘플의 극표면의 정보를 가진 화상을 얻을 수 있다.
[특허 문헌 1] US 4785182 [특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2001-126655호 공보 [특허 문헌 3] 일본 특허 공개 제2006-228586호 공보 [특허 문헌 4] 일본 특허 공개 제2003-515907호 공보 [특허 문헌 5] 일본 특허 공개 제2004-503062호 공보 [특허 문헌 6] US 6,781,124 B2 [특허 문헌 7] US 7,193,222 B2 [특허 문헌 8] US 6,979,822 B1
[비특허 문헌 1] Molecular Spectra and Molecular Structure D. Van Nostrand Company, Inc.
그러나 한편, 고진공 2차 전자상이나 반사 전자상과는 달리, 빠른 주사 속도에서의 관찰이 곤란한다고 하는 성능면에서의 기술적인 곤란이 있다. 이유로서, 전자와 이온의 캐스케이드 증폭 과정에 있어서 유동 속도가 비교적 느린 이온이, 화상을 형성하는 전자와 매개하고 있기 때문에, 최종적으로 관찰하는 화상과 1차 전자 빔의 주사 속도에 차이가 생기는 것이 원인이라고 생각된다. 즉, 물리적으로 검출 속도의 한계가 있다.
최근에는 특히, 저진공 하에 있어서의 화상의 니즈는, 관찰 샘플의 극표면 화상의 취득이며, 고진공의 2차 전자 화상과도 충분히 비교할 수 있는 질이 높은 2차 전자 관찰이다. 또한, 이들 저진공 하에서의 2차 전자 관찰이 요구되는 분야는, 생물ㆍ화학 재료 분야, 지질학 분야, 반도체 분야 등 다방면에 걸친다.
따라서 본 발명은, 저진공 하에 있어서의 샘플의 극표면 관찰을 하기 위한 방법으로서, 지금까지 검출해 온 전자나 이온이 아니라, 광을 신호원으로 한 검출 수단을 검토해 왔다.
이 검출 수단을 이용한 검출 방법 및 화상 관찰 방법은, 종래 기술로서 특허 문헌 4, 5 및 이것에 유사한 특허 문헌 6, 7, 8 등이 있다.
방전(플라즈마 상태를 포함함) 상태 중의 전자나 가스 분자, 이온에 높은 에너지가 공급되면 기저 상태로부터 여기 상태의 에너지 준위로 천이하고, 얼마 안 되어(수 ns 동안, 여기 상태를 유지하고, 그 후 바로) 기저 상태로 되돌아간다. 이 기저 상태로 되돌아갈 때에, 천이하였을 때의 에너지에 상당하는 광자를 방출한다. 이 광은 특히 가스의 종류, 즉 원자 또는 분자 고유의 스펙트럼을 가진 광이다. 이 발광 현상(가스 신틸레이션)을 이용한 검출 방법의 경우, 당연히 광을 검출하고 있기 때문에, 빠른 주사 속도에의 대응은 충분한 응답 속도를 갖고, 또한 얻어지는 화상도 고진공 2차 전자상과 매우 흡사하다.
상기 문헌을 검토하면, 가스 신틸레이션의 발광 현상에서 생기는 광의 종류에 관한 기술이 없어, 한층 더한 성능 향상이나 부가 가치를 발견할만한 내용은 없었다.
이 현상을 이용하는 경우, 특히 중요한 점은 어떤 종류의 광을 취급하고 있는지에 의해서 최적화의 어프로치 방법이 다르다.
진공 내에서 일어나고 있는 발광의 스펙트럼은, 도입하는 가스의 종류에 의존하고 있다. 이러한 종류의 광의 파장은, 통상 SEM에서 사용하고 있는 신틸레이터의 발광(약 420㎚ 근방)의 파장과는 달리, 더 짧은 파장의 진공 자외 영역까지 확대되어 있는 것을 본 발명자는 발견하였다.
광의 파장이 진공 시외 영역까지 확대되어 있기 때문에, 특허 문헌 4, 5에 기재되어 있는 바와 같은 기술에서는 효율적으로 검출하는 데에 한계가 있다고 생각된다. 왜냐하면, 상기한 바와 같이 통상 SEM에서 사용되는 광을 사용한 검출기는, 신틸레이터의 발광 스펙트럼에 맞추어 라이트 가이드의 재질과 광 전자상 배관이 선택되고, 그 이외의 파장에 대해서는 적어도 라이트 가이드의 투과율, 광 전자 증배관의 광-광 전자 변환율은 크게 저하하고 있기 때문이다(도 4, 도 5 참조).
본 발명의 하나의 목적은, 저진공 하에 있어서의 광을 검출 신호원으로 한 효율적인 검출 방법을 제공하는 데에 있다.
또한, 상기의 목적 외에, 광의 검출과, 이온 전류 검출을 병용하는 것을 검토하였다.
그 어프로치로서, 상기 광의 성질을 고려하는 한편, 종래 검출 방법, 특히 이온 전류 검출은, 구조 그 자체가 비교적 간단하므로, 화상 정보를 가진 광을 검출하는 방법과 이온 전류 검출을 조합하는 수단도 충분히 생각할 수 있다.
실험에 의해, 종래 검출 방법의 이온 전류 검출에 의한 화질과, 화상 정보를 가진 광을 검출한 화질에서, 상질(像質)의 차이를 확인할 수 있었다. 모두 고진공 2차 전자 화상에 매우 흡사한 화상이지만, 관찰 대상인 시료의 종류에 의해서 콘트라스트의 차이가 얻어지므로, 매우 유용한 상질의 차이이며, 다양한 샘플의 관찰에 대응할 수 있는 것을 시사하고 있다. 이것은, 종래 기술에서 커버해 온 분야의 유저 외에, 다른 폭 넓은 분야의 유저에게도 유용한 것을 의미하고 있다.
당연히, 화상 정보를 가진 광을 취급하는 경우, TV-Scan과 같은 고속 주사에도 충분히 대응하는 반응 속도를 갖고 있다.
따라서, 본 발명의 또다른 목적은, 광을 검출 신호원으로 하는 검출 방법과, 이온을 검출 신호원으로 하는 검출 방법 각각의 성능ㆍ기능을 최대한으로 끌어내고, 검출부의 최적 구성을 고안함으로써, 얻어지는 화상에 부가 가치를 부여하여, 그 관찰 화상을 폭 넓은 분야의 유저에게 제공하는 것에 있다.
본 발명의 기초로 된 실험에 의하면, 발광하고 있는 광의 파장은 가시 영역의 광도 존재하지만, 역시 진공 자외 영역으로부터의 가시 영역의 광을 많이 포함하고 있었다. 따라서, 본 발명에서는, 취급하는 광의 성질을 충분히 고려하여, 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지 검출 가능한 구성으로 하였다.
따라서, 본 발명에서는, 광을 검출하는 검출부는, 적어도 진공 자외광 영역으로부터 가시광 영역의 광을 투과율이 우수한 재질로 이루어지는 라이트 가이드(광 도파로)를 갖는 것으로 하였다.
또한, 광의 검출과 이온 검출을 병용하기 위해, 저진공(1㎩∼3000㎩)으로 제어된 시료실을 갖고,
상기 검출기가, 적어도 하나 이상의 전극에 +300∼+500V가 인가된 양전극을 갖고, 이 근방에 배치된 라이트 가이드(광 도광로)에 의해 화상 정보를 가진 광을 검출하고, 라이트 가이드에 결합된 광 전자 증배관에서 광을 광 전자로 변환ㆍ증폭 후, 화상을 형성하는 제어부와,
상기 전극과는 전위가 다른 별도의 전극으로부터 화상 정보를 가진 이온 전류를 전류 신호로서 검출하여, 화상을 형성하는 제어부로 이루어지는 것으로 하였다.
본 발명에 따르면, 저진공 하에 있어서의 광을 검출 신호원으로 한 검출 방법과 종래 기술인 이온을 검출 신호원으로 하는 검출 방법 각각의 성능ㆍ기능을 최대한으로 끌어내고, 검출부의 최적 구성을 고안함으로써, 얻어지는 화상에 부가가치를 부여하여, 그 관찰 화상을 폭 넓은 분야의 유저에게 제공하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일례인 주사 전자 현미경의 개략도.
도 2는 본 발명의 일례인 검출기와 Everhart Thornley형 검출기(고진공 2차 전자 검출기)의 확대도.
도 3은 공기의 발광 스펙트럼 분석 결과도(비특허 문헌 1로부터).
도 4는 아크릴과 석영의 광의 투과율을 도시한 도면(스미토모 화학 스미펙스/신에츠 화학 석영 데이터 시트로부터).
도 5는 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선도(하마마쯔 포토닉스 데이터 시트로부터).
도 6은 본 발명의 일례인 검출기의 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명의 일례인 검출기의 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 8은 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 9는 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 10은 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 11은 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 12는 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 13은 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 14는 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드와 전극 구성예를 도시한 개략도.
도 15는 본 발명의 일례인 검출기의 라이트 가이드, 및 세미인형 대물 렌즈를 구성한 개략도.
도 16은 본 발명의 일례인 검출기에서 취득한 화상과 종래 방법에서 취득한 SEM 화상을 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 일례인 검출기에서 취득한 화상과 종래 방법에서 취득한 SEM 화상을 도시한 도면.
이하에서는, 본 발명의 대표적인 일 실시예에 대해서 도면을 이용하여 설명한다.
<실시예 1>
본 실시예에서는, 화상 정보를 가진 광을 검출하는 주사 전자 현미경 중, 저진공(예를 들면, 1㎩∼3000㎩)으로 제어된 관찰 시료실 내에서 일어나는 가스 신틸레이션의 발광 현상에 의해서 얻어지는 화상 정보를 가진 광을 검출하는 검출부와, 전자와 가스 분자의 캐스케이드 증폭(가스 증폭)에 의해서 얻어지는 화상 정보를 가진 이온 전류를 검출하는 검출부를 겸비하는 검출기에 관한 실시예를 나타낸다.
도 1에는, 본 발명의 일례인 검출기를 배치한 주사 전자 현미경의 외관 구성을 모식적으로 나타낸 구성도를 도시하였다.
도 1에 도시한 주사 전자 현미경은, 대물 렌즈(4)를 포함하는 전자 광학계, 관찰 시료실(8), 라이트 가이드(20)에 의해 검출된 광을 광 전자로 변환하여 증폭하는 광 전자 증배관(21)과 출력되는 화상 신호를 처리하여 화상을 형성하는 제어부(22), 또한 마찬가지로, 검출된 2차 전자 기인의 플러스의 이온 전류 신호를 신호 처리하여 화상을 형성하는 제어부(22), 제어부에 접속된 화상 처리 단말기(23) 등에 의해 구성된다. 화상 처리 단말기(23)에는, 형성 화상을 표시하기 위한 표시 수단이나, 그 표시 수단에 표시되는 GUI에 대하여 장치의 조작에 필요한 정보를 입력하는 정보 입력 수단 등을 구비하고 있다. 또한, 전자 광학계의 각 구성 요소, 예를 들면 1차 전자 빔의 가속 전압, 각 전극에 인가하는 전류ㆍ전압 등은, 자동 혹은, 유저가 화상 처리 단말기(23) 상에서 원하는 값을 입력하고, 관찰 조건 제어부(24)에 의해 조정된다.
주사 전자 현미경에 구비하는 전자원(1)은, 일반적으로는 0.3㎸∼30㎸의 1차 전자 빔(2)을 조사한다. 복수단의 렌즈(3)는, 관찰에 적합한 조건으로 제어되어 있는 것으로 하고, 1차 전자 빔을 수속하는 작용을 갖는다. 대물 렌즈(4)도 마찬가지로 1차 전자 빔을 수속하는 작용을 갖고, 관찰 대상인 시료(5) 상에 결상되어, 관찰에 적합한 초점을 맺는다. 편향기(25)는, 시료(5) 상의 1차 전자 빔의 조사 위치를 원하는 관찰 시야 범위에 따라서 주사시킨다. 또한 편향기(25)를 제어하는 편향 신호 제어부(26)에 의해서, 주사 속도를 가변하는 것이 가능한 것으로 한다. 1차 전자 빔의 조사에 수반하여 시료로부터는 2차 전자(6)나 반사 전자(7)가 방출된다.
관찰 시료실(8)의 내부의 진공도는, 그 관찰 시료실(8)에의 대기 도입구(27)의 니들 밸브(28)의 개폐에 의해서 제어한다. 본 저진공 SEM은 저진공에서의 관찰 모드 외에, 고진공에서의 관찰 모드를 구비하고 있고, 고진공에서의 관찰 시에는, 니들 밸브(28)를 닫고, 관찰 시료실(8)의 내부를 10-3㎩ 이하의 고진공 상태로 유지한다. 이때, 시료(5)로부터 발생한 2차 전자(6)는, 고진공용의 2차 전자 검출기에 의해 검출된다. 통상, 고진공용 2차 전자 검출기는, Everhart Thornley형 검출기(29)라고 불리는 신틸레이터(55)와 광 전자 증배관으로 이루어지는 검출기에 의해 2차 전자(6)를 검출한다. 신틸레이터 근방은, +10㎸(43)가 인가되어 있고, 또한 2차 전자(6)의 포집 효율을 높이기 위해, 전형적으로는 +300V를 인가한 2차 전자 콜렉터 전극(30)에 의해서 관찰 시료실(8) 내에 전위 구배를 공급한다.
반사 전자(7)는, 대물 렌즈(4) 바로 아래에 설치하는 반사 전자 검출기(31)에 의해서 검출한다. 반사 전자 검출기(31)에는, 반도체 검출기 혹은 마이크로 채널 플레이트를 이용한다. 반도체 검출기를 이용한 경우는, 후술하는 저진공에서의 관찰 모드에서도 반사 전자 검출을 행할 수 있다. 이후에서는, 반사 전자 검출기(31)가 반도체 검출인 것으로 한다.
검출된 2차 전자, 반사 전자 기인의 신호는 전기적으로 증폭된 후, 제어부(22)에서 A/D 변환되고, 1차 전자 빔(2)의 주사와 동기시켜, 화상 처리 단말기(23)에 표시한다. 이에 의해, 관찰 시야 범위의 SEM 화상이 얻어진다.
저진공에서의 관찰 시에는, 니들 밸브(28)의 개폐에 의해서, 시료실(8) 내를 일정한 가스 압력(19)으로 유지한다. 또한, 2차 전자 콜렉터 전극(30)의 전위가 접지 전위로 절환된다. 전형적인 시료실 내부의 가스 압력(19)은, 1∼300㎩이지만, 특별한 경우, 3000㎩까지 제어 가능하다.
이하에, 저진공에서의 관찰을 목적으로 하여, 가스 신틸레이션의 발광 현상 및 전자와 가스 분자에 의한 캐스케이드 증폭(가스 증폭)을 거쳐서, 화상을 형성하는 과정을 이하에 기재한다.
(1) 저진공 분위기(1㎩∼3000㎩)로 제어된 시료실(8)에 있어서, 1차 전자 빔(2)이 조사된 시료(5)로부터 2차 전자(6)가 발생
(1)-1 1차 전자와 시료실 내의 중성 가스 분자의 충돌로, 전자와 플러스 이온을 생성
(1)-2 시료(5)로부터 2차 전자(6)가 발생
(2) 시료(5)로부터 발생한 2차 전자(6)는, 시료 상방에 배치된 제1 전극(9)(+300V∼+500V)으로 끌어 당겨지고, 중성 가스 분자와 충돌을 반복하여, 전자 사태에 의한 캐스케이드 증폭에 의해 전자와 플러스 이온을 생성. 한편, 반사 전자는 1차 전자와 동일한 에너지를 갖고 있고, 동일하게 중성 가스 분자와 충돌하여, 전자와 플러스 이온을 생성
(2)-1 시료로부터의 2차 전자의 전자 사태에 의해, 2차 전자에 기인하는 전자(10)와, 2차 전자에 기인하는 플러스 이온(11)이 증폭
(2)-2 마찬가지로 반사 전자에 기인하는 전자(12)와 플러스 이온(13)을 생성
이 단계의 플러스의 이온 전류 즉, 2차 전자에 기인하는 플러스 이온(11)과 반사 전자에 기인하는 플러스 이온(13)을 검출하고, 화상을 취득하는 방법을 이온 전류 검출법이라고 부른다. 또한, 가스 신틸레이션의 발광 현상에 대해서는 이하의 과정을 거쳐서 화상을 취득하게 된다.
(3) 시료 상의 플러스 전극에 의해서 형성되는 전계에 의해, 플라즈마 상태(방전)가 큰 에너지로부터, 전자와 중성 가스 분자에 에너지가 공급되어, 기저 상태(14)로부터 여기 상태(15)로 천이
(3)-1 기저 상태(14)(안정된 원자/분자 상태)로부터 여기 상태(15)(불안정한 원자/분자의 상태)
(4) 불안정한 여기 상태로부터 기저 상태로 되돌아갈 때에, 여기 상태로 천이한 천이 에너지에 상당하는 광 에너지를 가진 광 즉, 화상 정보를 가진 광(자외광/가시광)(17)이 생성
(4)-1 관찰 시료실(8) 내의 중성 가스 분자(18)의 종류, 가스 압력(19)에 의해 발광 파장 피크가 다른 광이 발생
(5) (4)에서 발광한 광을 라이트 가이드(20) 표면에서 직접 검출하고, 광 전자 증배관(PMT)(21)에서 광을 전자로 변환/증폭 후, 화상을 형성 제어부(22)를 통하여 관찰
여기서, 도 2에 본 발명의 검출기(41)의 확대도를 도시한다.
라이트 가이드(20)의 근방에 설치된 제1 전극(9)에는 +300V∼+500V의 플러스의 전압이 인가되고, 관찰 시료실 내에 전위 구배를 공급받는다. 이 전위 구배에 의해서, 상기 (2)의 전자 사태에 의한 캐스케이드 증폭과 동시에 상기 (3), (4)의 가스 신틸레이션을 발생시킨다. 상기 (2)에 의한 화상 정보를 가진 플러스의 이온 전류 즉 2차 전자에 기인하는 플러스 이온(11)과 반사 전자에 기인하는 플러스 이온(13)은, 제1 전극(9)과는 다른 전위의 별도의 제2 전극(32)에 의해 검출되고, 전기적인 증폭 회로를 거쳐서 제어부(22)에 의해 관찰 화상으로서 구축된다.
한편, 상기 (3), (4)에 의한 화상 정보를 가진 광(17)은, 라이트 가이드(20)에 의해 직접 검출, 라이트 가이드 내를 투과하고, 라이트 가이드에 결합된 광 전자 증배관(21)에 입사한다. 그 후, 광은 광 전자로 변환ㆍ증폭된 후, 원하는 이득으로 전기적인 증폭 회로(42)에 의해 증폭 후, 마찬가지로 제어부(22)에 의해 관찰 화상으로서 구축된다.
도 2에 도시한 라이트 가이드는, 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지의 광을 충분히 투과할 수 있는 것을 구비하는 것으로 한다. 또한, 광 전자 증배관도 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지 광을 광 전자로 변환, 증폭할 수 있는 성능을 구비하는 것으로 한다.
도 3을 이용하여, 이하에, 이러한 종류의 광을 검출하기 위해, 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지의 광에 대응하는 필요성에 대해서 설명한다. 도 3은, 비특허 문헌 1의 공기의 발광 스펙트럼 분석 결과(44)이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 공기에 포함되는 주된 구성 분자는 질소이며, 얻어진 발광 스펙트럼도 질소 분자에 기인한 것으로 진공 자외 영역으로부터 가시 영역에 걸쳐 관측되어 있다. 상기에 도시한 바와 같이, 통상 저진공 SEM은 니들 밸브(28)의 개폐에 의해서, 관찰 시료실(8) 내를 일정한 가스 압력(19)을 유지하는 구조를 구비하고 있고, 일반적으로는 대기(공기)를 도입하고 있다. 따라서, 화상 정보를 가진 광의 스펙트럼은 거의 질소의 스펙트럼과 동등한 것이 생각된다.
그런데, 이 진공 자외 영역으로부터 가시 영역의 광을 검출하기 위해서는, 이 범위의 광을 충분히 투과하는 라이트 가이드(광 도파로)인 것과, 광 전자 증배관에서 광으로부터 광 전자로 변환ㆍ증폭이 가능한 것이 필요하게 된다. 이하의 수학식을 이용하여, 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지의 광을 검출할 때의 효과에 대해서 개시한다.
도 4는, 라이트 가이드의 재질예로서, 아크릴의 광의 투과율(45)과, 석영의 광의 투과율(46)을 나타내고 있다. 석영은 도 4에 도시한 바와 같이, 아크릴에 비해 진공 자외 영역으로부터 가시 영역의 광을 충분히 투과하고 있다.
또한, 도 5는, 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선의 비교이며, 통상 SEM에서 사용하는 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선(47)과, 본 발명에서 사용하는 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선(48)을 나타내고 있다.
라이트 가이드에 입사하는 광의 광자의 수를 N, λ를 파장, h를 프랑크 상수(6.626×10-34Js), c를 진공 중의 광의 속도(2.998×108㎧, 광 전자 증배관에서의 증폭율을 G, 라이트 가이드의 광의 투과율에 있어서의 영향을 L(λ), 광 전자 증배관의 대응 파장 범위에 관한 방사 감도를 P(λ), 라이트 가이드에 입사하는 광의 최대 파장 λmax로부터 최소 파장 λmin으로 하면, 광 전자 증배관으로부터 화상 신호로서 취출되는 검출 신호량 I는,
Figure 112011060414629-pct00001
로 표현된다. 따라서, 수학식 1로부터, 검출 신호량이 커지는 조건은,
a 광 전자 증배관의 증폭율 G가 큰 것
b 라이트 가이드에 입사하는 광의 광자수 N이 큰 것
c 라이트 가이드의 투과율과 광 전자 증배관의 방사 감도에 관한 우변
Figure 112011060414629-pct00002
가 큰 것
이들 중, 라이트 가이드의 재질과 광 전자 증배관의 종류에 의한 것은 a와 c이다. 일반적으로, 광 전자 증배관의 광 전자의 증폭율은 105∼106이므로, 입사 파장에 관련하는 항목은 c라고 생각된다. 여기서, 라이트 가이드에 입사하는 광의 파장이, 가시 광역에서 최대 파장 λmax=600㎚로부터 진공 자외 영역에서 최소 파장 λmin=200㎚라고 가정한다. 또한, 라이트 가이드와 광 전자 증배관을 통상 표준 SEM에서의 사양에 대해, 본 청구항에 기재된 사양의 것을 채용한 경우에서
Figure 112011060414629-pct00003
의 값을 비교해 본다.
ㆍ통상 SEM에서 사용되어 있는 구성(400㎚ 근방으로부터 600㎚)의 경우
Figure 112011060414629-pct00004
ㆍ자외 영역(200㎚로부터 600㎚)까지 충분히 대응한 구성의 경우
Figure 112011060414629-pct00005
로 약 2.18배의 효과를 예상할 수 있다.
이상, 가스 신틸레이션의 발광 현상에 있어서의 광의 스펙트럼의 고찰과, 화상 신호로서 취출되는 검출 신호량을 고찰함으로써, 상기 발명의 중요성을 확인할 수 있었다.
이들의 결과로부터, 최적 구성을 구비한 저진공 주사 전자 현미경에 의해서, 화상 정보를 가진 광을 이용한 검출 방법의 성능을 끌어내는 것이 가능하게 된다.
또한, 라이트 가이드(20)의 형상은, 가능한 한 검출 면적이 넓은 편이 바람직하고, 나아가서는, 표면적을 크게 하기 위해, 라이트 가이드 표면에 요철을 형성해도 된다.
한편, 화상 정보를 가진 이온 전류의 검출은, 구조적으로 비교적 간단히 배치하는 것이 가능하다. 전자 사태(캐스케이드 가스 증폭 현상)는, 플러스로 인가된 제1 전극(9) 근방에서 가장 활발하게 발생하고 있으므로, 도 2에 도시한 바와 같은 위치에, 제1 전극(9)과는 다른 전위에서 별도의 제2 전극(32)을 설치하고, 이것에 의해 이온 전류, 즉 2차 전자에 기인하는 플러스 이온(11)과 반사 전자에 기인하는 플러스 이온(13)을 검출한다.
이와 같이 하여 얻어진 화상 신호 전류는, 도 1 또는 상기한 바와 같이 제어부(22)에서 신호 처리되어 관찰하는 것이 가능하게 된다.
이와 같이, 라이트 가이드 근방에 전극을 배치함으로써 캐스케이드 증폭 현상이 일어나고 있는 부분에서 발생하는 광(특히 진공 자외광)도 효율적으로 검출할 수 있다고 하는 점에서 매우 유효하다. 상기의 실시예에서는, 라이트 가이드의 주위에 전극을 배치하는 구성으로 하였지만, 근방이면 마찬가지의 효과를 기대할 수 있다.
<실시예 2>
제1 전극(9) 및 제2 전극(32)의 형상에 대해서 설명을 한다.
제1 전극(9)의 주된 작용은, 원하는 가스 압력으로 조정된 관찰 시료실(8) 내에 전위 구배를 형성하는 것이지만, 구체적으로는, 가스 신틸레이션에 의한 발광 현상과 전자 사태(캐스케이드 가스 증폭 현상)를 활발하게 일으키게 하는 집중된 전위 구배를 형성하는 것이다.
따라서, 제1 전극(9)의 형상은, 수㎛∼수㎜ 간격의 메쉬 형상, 플레이트 형상, 복수의 막대 형상, 또는 도 6에 도시한 바와 같은 링 형상이 염가로 현상의 효과를 얻을 수 있다. 특히 복수의 막대 형상의 전극을 만드는 경우, 시료(5) 방향을 향한 측의 선단부는, 바늘과 같이 뾰족한 형상으로 성형해도 된다.
이 제1 전극(9)의 형상에서 주의할 것은, 광을 검출하는 라이트 가이드(20)가 근방에 배치되어 있기 때문에, 라이트 가이드(20)에 입사해 오는 광을 저해하지 않도록 할 필요가 있다. 또한, 제1 전극(9)은 상기한 바와 같이 화상에 직접 기여하는 현상을 제어하고 있게 된다.
따라서, 이 제1 전극(9)의 전압과, 관찰 시료실의 가스 압력을 제어하는 것을 가능하게 하였다. 미리, 각 전압, 각 가스 압력, 각 가스의 종류에 따른 최적 조건 테이블을 실험적으로 구하고, GUI 상에서 유저가 구할 필요한 정보를 입력하는 것만으로 자동적으로 최적 조건이 선택되는 시스템을 구축해도 된다.
또한, 제2 전극(32)의 주된 작용은, 전자 사태(캐스케이드 가스 증폭 현상)로 증폭되고, 화상 정보를 가진 이온(11, 13)을 검출하는 것이다. 따라서, 제2 전극(32)은 원하는 이득으로 증폭하는 전기적인 증폭 회로(42)와 접속되고, 검출한 신호 전류는 즉시 전기 증폭되어야만 한다. 또한 상기한 바와 같이, 플러스로 인가된 제1 전극(9)에 가장 가까운 근방이 최적 위치이므로, 제1 전극(9)의 형상으로 주의한 바와 같이, 라이트 가이드(20)에 입사해 오는 광을 저해하지 않도록 할 필요가 있다.
따라서, 이 제2 전극(32)의 형상도 마찬가지로 수㎛∼수㎜ 간격의 메쉬 형상, 플레이트 형상, 복수의 막대 형상, 또는 도 6에 도시한 바와 같은 링 형상 등이 비교적 염가로 효과를 얻을 수 있다. 배치에 관해서는, 제1 전극(9)보다도 내측 또는 외측, 어느 쪽에 배치해도 된다.
<실시예 3>
도 8에 청구항 1의 구성을 구비한 하전 입자선 장치에 있어서, 다른 실시예를 나타낸다. 라이트 가이드의 형상 이외는 실시예 1에서 나타낸 것과 마찬가지이다. 본 라이트 가이드 형상에서는, 입사하는 광과 라이트 가이드의 형상을 고려함으로써 다른 것과 다르다.
본 라이트 가이드는, 입사하는 광의 방향을 향하여 뾰족한 테이퍼 형상을 하고 있고, 다양한 방향으로부터 입사하는 광에 대하여 가능한 한, 면에 의해 수광하도록 하고 있다. 이 각도는, 광을 누설없이 전달시키기 위해서, 이하에 나타내는 바와 같은 라이트 가이드의 굴절률 n1과 광의 입사각 θ로부터 계산되는 전반사 임계각 ψ를 고려한 각도로 성형해도 된다.
Figure 112011060414629-pct00006
입사각 θ가 90도, 즉 라이트 가이드의 면에 대하여 수직으로 입사하는 경우, 일반적인 라이트 가이드의 재료(아크릴 PMMA 수지)에서는 굴절률 n이 1.49∼1.5 부근이며, 전반사 임계각 ψ는 상기 수학식으로부터 약 42도이다.
또한, 라이트 가이드가 원주 형상인 경우, 원주 저면에서 수광한 광은, 그 위치에서 입체각의 반각에 상당하는 약 42도 이내로 방사된 광만이, 라이트 가이드 내부의 외주면에서 전반사하여, 다른 한쪽의 끝의 면까지 전달된다. 이 전반사는, 손실이 적고 효율이 양호한 전달이다. 등방적으로 발생하는 광은, 공기의 굴절률 n0=1로 한 경우,
Figure 112011060414629-pct00007
의 비율로 라이트 가이드 내에 가두어져 진행한다.
이 식과 같이, 광의 전달의 비율을 크게 하는 검토 항목의 하나로서, 가능한 한 굴절률이 큰 재질을 선택한 편이 좋고, 이것은 고진공 2차 전자 검출기에도 적용될 수 있는 것이다.
<실시예 4>
도 9에 청구항 1의 구성을 구비한 하전 입자선 장치에 있어서, 다른 실시예를 나타낸다. 라이트 가이드의 형상 이외는 실시예 1에서 나타낸 것과 마찬가지이다. 본 라이트 가이드 형상에서는, 입사하는 광과 라이트 가이드의 형상을 고려함으로써 다른 것과 다르다.
이 라이트 가이드의 경우, 가는 선 형상의 광 파이버(56)를 수개로 구성하고, 그들을 밴드(51)로 묶는다. 묶여진 광 파이버 라이트 가이드(50)의 검출 수광면측은, 나팔 형상으로 확장되어 있고, 다양한 방향으로부터 검출기를 향해 오는 광을 검출한다. 입사하는 광은 라이트 가이드를 향하여, 화상 신호원 시료(5) 방향으로부터 거의 방사적으로 입사해 오기 때문에, 이것을 고려하여, 나팔 상의 다양한 방향을 향한 광 파이버의 선단부에서 검출하는 방법이다.
광은, 묶여진 광 파이버 라이트 가이드(50) 내의 각각의 파이버 내에서 전반사하여 종단까지 전달된다. 그 후, 전달된 광은 즉시, 결합된 광 전자 증배관으로 유도되어, 전기적인 증폭 회로(42)를 통하여 화상이 형성된다.
<실시예 5>
도 10에 다른 실시예를 나타낸다. 라이트 가이드의 형상 이외는 실시예 1에서 나타낸 것과 마찬가지이다. 본 라이트 가이드 형상에서는, 화상 정보를 가진 광을 검출하는 방법에 특화하고, 제2 라이트 가이드(39)를 대물 렌즈 근방까지 신장시키고, 관찰 대상인 시료(5)의 바로 위에 배치하고, 이것과 함께 제1 전극(9)에 상당하는 제5 전극(40)을 구성하므로, 다른 것과 다르다.
이 실시예의 목적은, 시료(5)와 검출부인 라이트 가이드간의 거리를 짧게 하는 것이며, 관찰 작동 거리(WD:워킹 디스턴스)를 가능한 한 짧게 할 수 있어, 보다 고효율로 광을 검출하여 고분해능 관찰이 가능하다고 하는 특징을 갖는다.
도 10에 도시한 바와 같이, 1차 전자 빔이 본 실시예의 라이트 가이드 근방을 통과하므로, 이 근방에는 도전성을 실시한다. 시료(5)와 제5 전극(40) 사이에서 일어나는 가스 신틸레이션의 발광 현상에 의한 광은, 즉시 제2 라이트 가이드(39)에 의해 검출되게 된다. 배치하는 제2 라이트 가이드(39)는, 도 10과 같이, 대물 렌즈 근방에서 링 형상으로 둘러싸는 형상이어도 된다.
<실시예 6>
도 11에 본 발명의 다른 실시예를 나타낸다. 라이트 가이드(20), 제1 전극(9), 제2 전극(32) 이외의 것은 실시예 1에서 나타낸 것과 마찬가지이다. 본 실시예는, 상기 라이트 가이드(20), 제1 전극(9), 제2 전극(32) 이외의 실시예 1에, 고진공용 2차 전자 검출기를 구성함으로써, 다른 것과 다르며, 이것을 실현하기 위한 실시예가 도 11에 도시되어 있다.
라이트 가이드(20)는, 겸용 라이트 가이드(33)로서 고진공 2차 전자 검출기용과 저진공화에서의 광의 검출용으로 두가지 용도로 분리된 구조로 한다. 1재료, 1부품으로 구성해도 되고, 진공 자외 영역으로부터 가시 영역까지 투과 가능하며 임의의 형상으로 구부리는 것이 가능한 광 파이버로 구성해도 된다.
또한 제1 전극(9)에 상당하는 제3 전극(34)은, 예를 들면 도 11과 같이, 고진공 2차 전자를 궤도를 저해하지 않는 위치에 배치한다. 상기 실시예 1과 마찬가지로, 형상은, 수㎛∼수㎜ 간격의 메쉬 형상, 링 형상, 플레이트 형상, 복수의 막대 형상 등을 비교적 염가로 효과를 얻을 수 있다.
또한 제2 전극(32)에 상당하는 제4 전극(38)은, 상기 실시예 1과 마찬가지로, 제3 전극(34)의 내측 또는, 외측에 배치한다. 형상도 마찬가지로 수㎛∼수㎜ 간격의 메쉬 형상, 링 형상, 플레이트 형상, 복수의 막대 형상 등을 비교적 염가로 효과를 얻을 수 있다.
실시예 3에서 얻어지는 효과는, 진공 모드를 불문하고 화상을 관찰하는 목적에 있어서, 통합화된 검출기를 구비하는 하전 입자선 장치를 유저에게 제공할 수 있는 것이다.
현존하는 주사 전자 현미경에서는 통상, 고진공 하에 있어서는 고진공 2차 전자 관찰 전용 검출기, 저진공 하에 있어서는 이온 전류 검출에 의한 저진공 2차 전자 관찰 전용 검출로 구성되고, 관찰 시료실(8)에는 각각을 배치하기 위한 포트가 장비되어 있다.
그러나, 본 실시예로 구성되는 경우, 관찰 시료실에 준비해야 할 검출기용의 포트는, 진공 모드를 불문하고 통합된 검출기의 포트만으로 구성 가능하다. 이 효과는, 다종 다양한 관찰을 요망하는 유저가 증가되어 있는 최근의 니즈에 대하여, 각종 분석 장치(WDX:파장 분산형 X선 분석 장치, EDX:에너지 분산형 X선 분석 장치 등 X선을 취급하는 그 밖의 장치, EBSP:결정 입자 해석 장치, CL:캐소드 루미네센스 분광 장치, 라만 분광 장치 등) 외에, 특별히 설계된 고객 요망의 특별 부속 장치 등을 장착하는 확장성이 있는 주사 전자 현미경을 제공하는 것이 가능하다. 또한, 얻어지는 상질의 차이로부터, 진공 모드의 개념에 관계없이, 특징 있는 2차 전자상을 관찰함으로써 가능하며, 폭 넓은 유저가 관찰 대상의 시료의 종류를 신경쓰는 일 없이, 계속적으로 표면 관찰을 행할 수 있다고 하는 효과를 예상할 수 있다.
<실시예 7>
도 12에 다른 실시예를 나타낸다. 실시예 1에서 나타낸 구성과 마찬가지이지만, 본 실시예는, 광 전자 증배관을 현존의 것, 즉 대응하는 파장 영역이 가시 영역(특히 420㎚ 근방)인 상태로 사용하는 경우의 실시예이므로, 다른 것과 다르다.
광을 광 전자로 변환ㆍ증폭하는 광 전자 증배관의 대응 파장 영역이 가시 영역이므로, 효율적으로 광 전자로 변환하기 때문에, 진공 자외 영역의 광이 포함되는 검출광의 파장을 어떠한 수단을 사용하여 가시 영역의 광으로 변환할 필요가 있다. 그 수단으로서, 예를 들면 도 12와 같이, 라이트 가이드(20)의 표면에, 진공 자외 영역의 광에 반응하고, 가시 영역의 광을 발광하는 형광체로 도포함으로써 가능하게 된다. 이러한 종류의 형광체는, BaMgAl10O17:Eu 등의 성분으로 이루어지고, 최근의 PDP(플라즈마 디스플레이) 등에 사용되고 있는 것이다. 진공 자외 영역의 광에 의해서 발광하는 형광체를 사용하는 경우, 직접 라이트 가이드에 의해 검출하는 것보다도, 약간의 응답 지연(수백㎲)이 예측되지만, 통상 SEM에서 말하는 고속 주사 속도는 ∼0.033s/frame(∼33㎳/frame)이므로, 문제가 되지 않는 응답이다. 이 실시예에 사용하는 파장 변환용 라이트 가이드(35)의 표면은 요철을 형성하고, 형광체를 도포하기 쉬운 표면으로 해도 된다. 또한 이 요철은, 실시예 2와 같이 라이트 가이드 재질에 의한 임계 반사각을 고려한 형상으로 미리 가공을 실시한 것이어도 된다.
<실시예 8>
다음으로, 실시예 7과 마찬가지의 발상으로, 입사하는 광의 파장을 변환하는 것을 생각한다. 편의로서, 도 2의 본 발명의 검출기(41)를 사용하여 설명한다.
도 2에 사용하고 있는 라이트 가이드(20)를, 파장 변환용 라이트 가이드(35)를 사용하는 것으로 하고, 이때의 광 전자 증배관을 통상 SEM에서 사용하고 있는 것 그 자체로 구성한다.
파장 변환 라이트 가이드는, 자외 영역의 광을 가시 영역의 광으로 변환하는 것이며, 변환 효율에 다소의 문제를 안고 있지만, 광 전자 증배관을 통상 SEM에서 사용하고 있는 것을 쓸 수 있음으로써 이점이 있다. 이 경우, 실시예 7에 매우 유사 방법이지만, 형광체를 도포하는 수고를 줄여, 단순히 라이트 가이드의 재질을 변경하는 것만으로도 충분히 효과를 예상할 수 있다.
<실시예 9>
도 13에, 다른 실시예를 나타낸다. 실시예 1에서 나타낸 구성과 마찬가지이지만, 본 실시예는, 라이트 가이드 근방의 제1 전극(9)에 상당하는 전극에 관한 것으로, 화상 정보를 가진 광을 충분히 투과할 수 있는 투명 전극(36)을 라이트 가이드 표면에 증착하는 것이므로, 다른 것과 다르다.
최근 PDP(플라즈마 디스플레이)용으로서 개발된 기술은 용이하게 이용하는 것이 가능하게 되어 있다. 본 실시예의 투명 전극도 그 중 하나이며, 이것을 본 발명에 응용시킨다. 취급하는 광의 종류, 즉 진공 자외 영역의 광과 형광체의 발광과 투명 전극으로 이루어지는 PDP의 기술은, 본 실시예의 검출기 구조에 충분히 응용할 수 있다. 도 13과 같이 투명도 및 투과성이 높은 복합 라이트 가이드(37)의 표면에 ITO 증착막 등의 도전성을 가진 투명도가 높은 얇은 막을 증착시킨다. 이 도전성을 가진 투명도가 높은 얇은 막은, 즉시 제1 전극(9)에 상당하는 작용을 시킴으로써, 실시예 1이나 실시예 3에서 나타낸 바와 같은 가스 신틸레이션에서의 발광 현상이나 캐스케이드 가스 증폭 현상을 발생시키는 것이 가능하다. 실시예 1이나 실시예 3과 크게 다른 것은, 제1 전극(9)이나 제2 전극(32)과 같은 구조물을 검출부인 라이트 가이드 근방에 배치함으로써 입사하는 광이 저해되는 일이 전혀 없다는 것이다.
복합 라이트 가이드(37)의 표면은, 요철을 형성하는 것이 바람직하고, 그 돌기는, 실시예 1에서 나타낸 제1 전극(9)과 마찬가지의 효과가 얻어지면 된다.
이 실시예에서는, 단순히 라이트 가이드 표면에 투명 전극을 증착하는 것만으로도 되고, 또는, 도 13에 도시한 바와 같이, 이 복합 라이트 가이드(37)를 사용한 이중 구조로 하고, 한쪽에 투명 전극(36)을 증착, 다른 한쪽에는 실시예 5에서 나타낸 형광체를 도포하는 형태로 해도 된다.
<실시예 10>
도 14에, 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예는, 광행로를 라이트 가이드(20)와 분기 라이트 가이드(광 파이버제)(65)를 사용하여 분기하고, 고진공 시에는 라이트 가이드, 저진공 시에는 광 파이버로 이루어지는 광 행로를 사용하고, 하나의 광 전자 증배관을 사용하여 검출, 화상 형성을 하는 점에 있어서, 다른 실시예와 다르다.
아크릴 또는 석영 등, 광범위한 파장광을 투과 가능한 라이트 가이드는, 재질, 제조상 등의 과제로부터 광 행로를 분기하는 것은 어렵다. 또한 시료실 내에서 방사된 광의 방향은 반드시 한 방향이 아니므로, 광 행로는 자유롭게 편향시키는 것이 가능하며, 최적의 위치에 자유롭게 배치할 수 있는 것이 바람직하다.
도 14에 도시한 구성에 있어서는, 상기에 기재된 과제, 문제점을 한 번에 해소할 수 있다. 이때, <실시예 1>에서 설명한 바와 같이, 자외 영역으로부터 가시 영역까지 동작 가능한 특성의 광 전자 증배관을 구비하는 것이 바람직하다. 저진공에서의 광 검출에서 사용하는 광 파이버 선단 검출부 주변(도 14 중, 분기 라이트 가이드(65) 선단부 및 제1 전극(9) 부근)에는 상기 실시예에서 설명한 바와 같은 전극을 구비한다.
<실시예 11>
도 8에 도시한 구성에 관련하여, 광 행로(라이트 가이드)에 있어서, 시료측을 향한 면뿐만 아니라, 라이트 가이드의 측면으로부터도 검출을 가능하게 할 수 있다. 일반적인 라이트 가이드의 사용 방법으로서, 시료측을 향한 평면으로부터 검출하는 것을 들 수 있지만, 발광하는 광을 최대한으로 검출하기 위해, 라이트 가이드 측면으로부터도 검출할 수 있다.
<실시예 12>
도 15에 다른 실시예를 나타낸다. 세미인형 대물 렌즈(62)를 이용하여 고분해능화를 도모함과 함께, 진공 작동 배기용 오리피스(66)를 갖고, 고진공과 저진공 양쪽 진공 모드에서의 관찰을 가능하게 하고, 세미인형 대물 렌즈가 발생하는 누설 자기장의 영향에 의해서 대물 렌즈 내에 감아 올려지는 2차 전자(64)와, 대물 렌즈 내에 잔류하는 가스 분자와 충돌하는 가스 증폭 작용을 이용함으로써, 그때에 발광하는 광을 검출, 화상 형성하므로, 다른 실시예와 다르다.
저진공 하에서 세미인형 대물 렌즈를 이용하는 경우, 일반적으로는 최대 자기장으로 되는 렌즈 주면 위치에 진공 작동 배기용 오리피스를 설치한다. 오리피스 구멍 직경은 약 100㎛로부터 1000㎛ 정도가 선택되고, 시료로부터 발생한 2차 전자는, 세미인형 대물 렌즈의 자기장의 영향을 받아 감아 올려져, 이 구멍을 통과하여 렌즈 내에 인입된다. 이 자기장에 의한 2차 전자의 감아 올림 작용을 이용한 하전 입자선 장치에서는, ExB(빈(wien) 필터)에서 1차 전자 빔에 영향을 주는 일 없이, 시료 표면으로부터 감아 올려진 2차 전자만을 거의 100％에 가까운 검출 효율로 2차 전자를 포획하는 것이 가능하다.
이 작용을 이용하여, 보다 많은 2차 전자와 세미인형 대물 렌즈의 저수차에 의해, 광의 고효율 검출과 고분해능을 실현하는 점에 있어서, 저진공에서의 검출 방법으로서 다른 실시예와는 크게 다르다.
마지막으로 얻어지는 화상의 효과에 대해서, 도 16, 도 17에 도시한다.
화상 정보를 가진 광과 이온 전류 각각을 동시에 검출하고, 동시에 관찰하면 도 16에 도시한 바와 같은 관찰 사진을 촬영할 수 있다. 도 16에서는, 화상 정보를 가진 이온 전류상(57)과, 화상 정보를 가진 광을 검출한 상(58)을 나타냈다. 도 16에 도시한 바와 같이, 쌍방 모두 고진공 2차 전자 화상과 매우 흡사하고 있지만, 일부 다른 콘트라스트를 확인할 수 있다. 시료(5)의 종류에 따라서 다른 콘트라스트를 갖는 화상을 동시 관찰하는 것은, 생물ㆍ화학 재료 분야, 지질학 분야, 반도체 분야 등 요망하는 유저는 많은 것을 충분히 생각할 수 있다.
또한, 도 17에서는, 화상 정보를 가진 이온 전류 검출에 의한 고속 주사 시의 화상(59)과, 화상 정보를 가진 광의 검출에 의한 고속 주사 시의 화상(60)을 나타냈다. 이 비교를 함으로써, 화상 정보를 가진 광을 검출한 경우의 특히 특징적인 성능이 나타나 있다. 원래 광을 이용한 검출이며, 이것에 의해, 상기에 기재한 바와 같이 유동 속도가 비교적 느린 이온과는 화상 신호의 응답 성능과 관계가 단절되고, 또한 이온 전류 검출 방법과 같은 전기적인 증폭 회로에 의한 증폭이 아니라, 광 전자 증배관에 의한 증폭이므로, TV(∼0.033s/frame)와 같은 고속 주사 속도에 따라서, 제어부(22)에서 관찰 화상을 형성하는 신호도 고속 응답이 가능하다.
1 : 전자원
2 : 1차 전자 빔
3 : 복수단 렌즈
4 : 대물 렌즈
5 : 시료
6 : 2차 전자
7 : 반사 전자
8 : 관찰 시료실
9 : 제1 전극
10 : 2차 전자에 기인하는 전자
11 : 2차 전자에 기인하는 플러스 이온
12 : 반사 전자에 기인하는 전자
13 : 반사 전자에 기인하는 플러스 이온
14 : 기저 상태
15 : 여기 상태
16 : 천이 에너지
17 : 화상 정보를 가진 광(자외 영역/가시 영역)
18 : 가스 분자
19 : 가스 압력
20 : 라이트 가이드
21 : 광 전자 증배관(PMT)
22 : (화상 형성) 제어부
23 : 화상 처리 단말기
24 : 관찰 조건 제어부
25 : 편향기
26 : 편향 신호 제어부
27 : 대기 도입구
28 : 니들 밸브
29 : Everhart Thornley형 검출기(고진공 2차 전자 검출기)
30 : 2차 전자 콜렉터 전극
31 : 반사 전자 검출기
32 : 제2 전극
33 : 겸용 라이트 가이드
34 : 제3 전극
35 : 파장 변환용 라이트 가이드
36 : 투명 전극
37 : 복합 라이트 가이드
38 : 제4 전극
39 : 제2 라이트 가이드
40 : 제5 전극
41 : 본 발명의 검출기
42 : 전기적인 증폭 회로
43 : +10㎸
44 : 공기의 발광 스펙트럼 분석 결과
45 : 라이트 가이드(아크릴)의 광의 투과율
46 : 석영의 광의 투과율
47 : 통상적인 SEM에서 사용되는 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선
48 : 본 발명에서 사용하는 광 전자 증배관의 방사 감도 곡선
49 : 테이퍼 형상 라이트 가이드
50 : 묶은 광 파이버 라이트 가이드
51 : 밴드
52 : 자외 영역의 광에 반응하여 발광하는 형광체
53 : 화상 정보를 가진 가시 영역의 광
54 : SEM 전체 제어부
55 : 고진공 2차 전자 검출기용 신틸레이터
56 : 광 파이버 세선
57 : 이온 전류상
58 : 화상 정보를 가진 광의 상
59 : 이온 전류 검출에 의한 고속 주사 시의 화상
60 : 화상 정보를 가진 광의 검출에 의한 고속 주사 시의 화상
61 : 어스 전극
62 : 세미인형 대물 렌즈
63 : ExB(빈(wien) 필터)
64 : 자기장으로 감아 올려지는 2차 전자
65 : 분기 라이트 가이드(광 파이버제)
66 : 진공 작동 배기용 오리피스

Claims (14)

  1. 하전 입자원과,
    렌즈를 포함하고 하전 입자원으로부터 방출되는 1차 하전 입자선을 집속하여 시료 상에서 주사하는 하전 입자 광학계와,
    상기 1차 하전 입자선의 주사에 의해서 시료로부터 발생하는 신호 입자를 검출하는 검출기와,
    상기 렌즈를 제어하는 제어부
    를 구비하고 상기 검출기의 신호를 이용하여 시료상(試料像)을 취득하는 하전 입자선 장치로서,
    저진공(1㎩∼3000㎩)으로 제어된 시료실을 갖고,
    상기 검출기는, 적어도 하나 이상의 전극에 +300∼+500V가 인가된 양전극과, 적어도 진공 자외광 영역으로부터 가시광 영역의 광을 투과할 수 있는 라이트 가이드와, 상기 라이트 가이드에 결합된 광 전자 증배관을 갖고, 상기 라이트 가이드에 의해 검출된 화상 정보를 가진 광을, 상기 광 전자 증배관에서 광 전자로 변환ㆍ증폭하고,
    상기 제어부는, 상기 변환ㆍ증폭된 광 전자에 기초하여 화상을 형성하여 관찰을 가능하게 하고,
    상기 전극과는 전위가 다른 별도의 전극으로부터 화상 정보를 가진 이온 전류를 전류 신호로서 검출하고, 화상을 형성하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    라이트 가이드(광 도파로)와 결합되는 광 전자 증배관은, 진공 자외광 영역으로부터 가시광 영역까지의 광을 적어도 양자 효율 20％∼30％로 광 전자로 변환, 그리고 증폭이 가능한 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    시료실의 가스 압력의 조정과 양전극의 전압을 조정하고, 화상 정보를 가진 광의 발광 현상과, 화상 정보를 가진 이온 전류 증폭 현상을 동시에 제어 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    이온 전류를 검출하기 위한 전극 형상은, 메쉬 형상 또는 링 형상 또는 플레이트 형상 또는 복수의 막대 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 라이트 가이드를 테이퍼 형상으로 하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 라이트 가이드(광 도파로)를 복수의 광 파이버로 구성하고, 상기 광 파이버의 수광면이 검출 방향을 향한 라이트 가이드를 구비한 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하전 입자 광학계에 포함되는 렌즈는 대물 렌즈를 포함하고, 상기 라이트 가이드는 그 일부가 상기 대물 렌즈와 상기 시료 사이에 배치되고, 상기 라이트 가이드와 함께 전극을 구성함으로써 화상을 형성하는 광의 검출 효율을 향상시키는 것을 목적으로 한 하전 입자선 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    고진공(1.0×10-4㎩∼1㎩) 영역에서, 저진공 영역과 고진공 영역에서 각각 화상을 형성하는 광에 대하여 동일한 광 전자 증배관을 사용하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    화상 정보를 가진 광에 반응하고, 발광하는 형광체를 상기 라이트 가이드 표면에 도포하고, 적어도 광의 파장 400㎚ 내지 420㎚로 파장을 변환하는 것을 특징으로 한 하전 입자선 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 양전극은, 상기 라이트 가이드 표면에, 화상을 형성하는 광을 투과하는 투명하고 또한 양전극의 기능을 갖는 것을 특징으로 한 하전 입자선 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    고진공과 저진공을 공용하는 검출기로서, 라이트 가이드와 광 파이버를 조합하고, 광 행로를 고진공측과 저진공측으로 분기하고, 광 전자 증배관은 양쪽 진공 모드에서 공용하는 구성을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    라이트 가이드 측면으로부터의 광을 검출하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    세미인형 대물 렌즈를 이용하여 고분해능화를 도모함과 함께, 진공 작동 배기용 오리피스를 갖고, 고진공과 저진공 양쪽 진공 모드에서의 관찰을 가능하게 하고, 세미인형 대물 렌즈가 발생하는 누설 자기장의 영향에 의해 대물 렌즈 내에 감아 올려지는 2차 전자와, 대물 렌즈 내에 잔류하는 가스 분자와 충돌하는 가스 증폭 작용에 의해 발광하는 광을 검출, 화상 형성하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
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