KR20160020483A - 하전 입자선 장치 및 시료 화상 취득 방법 - Google Patents

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Abstract

하전 입자 광학계와 시료 사이에 하전 입자선이 투과 가능한 격막을 설치한 하전 입자선 장치에 있어서, 시료에 요철이 있는 경우여도 시료와 격막의 접촉을 방지한다. 일차 하전 입자선의 조사에 의해 시료(6)로부터 방출되는 이차적 하전 입자를 검출하는 검출기(3)로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상에 의거해서, 시료(6)와 격막(10)의 거리를 감시한다.

Description

하전 입자선 장치 및 시료 화상 취득 방법{CHARGED PARTICLE BEAM APPARATUS AND SAMPLE IMAGE ACQUIRING METHOD}
본 발명은, 시료를 대기압 또는 비진공의 소정의 압력하에서 관찰 가능한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.
물체의 미소한 영역을 관찰하기 위해 주사형 전자 현미경(SEM)이나 투과형 전자 현미경(TEM) 등이 이용된다. 일반적으로, 이러한 장치에서는 시료를 배치하기 위한 케이싱을 진공 배기해 시료 분위기를 진공 상태로 해서 시료를 촬상(撮像)한다. 그러나, 생물 화학 시료나 액체 시료 등은 진공에 의해서 데미지를 받거나 상태가 변해버린다. 한편, 이러한 시료를 전자 현미경으로 관찰하고자 한다는 니즈는 크기 때문에, 관찰 대상 시료를 대기압하에서 관찰 가능한 SEM 장치가 강하게 요망되고 있다.
그래서, 최근, 전자 광학계와 시료 사이에 전자선이 투과 가능한 격막을 설치해서 진공 상태와 대기 상태를 칸막이함으로써, 대기압하에 시료를 배치 가능한 SEM 장치가 개시되어 있다. 본 장치에서는, 격막 바로 아래에 배비(配備)된 시료 스테이지를 사용해 격막과 시료가 비접촉인 상태에서 시료 위치 변경과 대기압하에서의 SEM 관찰을 실시하는 것이 가능하다.
일본국 특개2012-221766호 공보
격막과 시료가 비접촉인 상태에서 대기압하에 놓여진 시료에 하전 입자선을 조사하는 장치에서는, 격막과 시료를 근접시키면 화질이 좋아진다. 그러나 시료와 격막을 지나치게 근접시켜 시료와 격막이 접촉함으로써 격막을 파손시켜버릴 우려가 있다. 특허문헌 1에서는 격막을 유지하고 있는 부재와 시료 사이에 두께가 기지(旣知)인 접촉 방지 부재를 배치함으로써, 시료와 격막이 접촉하지 않는 방법에 대해 기재되어 있다. 그러나, 접촉 방지 부재는 격막보다 외측에 배치되는 사정상, 시료가 평탄하지 않고 요철이 있는 경우는 본 접촉 방지 부재로는 격막 파손을 방지할 수 없다는 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 문제를 감안해서 이루어진 것이며, 격막을 파손시키지 않고 격막과 시료의 거리를 조정해서, 시료를 대기 분위기 또는 가스 분위기에서 관찰하는 것이 가능한 하전 입자선 장치 및 당해 장치를 이용한 시료 화상 취득 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명은, 일차 하전 입자선을 시료 위에 조사하는 하전 입자 광학 경통(鏡筒)과, 당해 하전 입자선 장치의 일부를 이루며, 내부가 진공 펌프에 의해 진공 배기되는 케이싱과, 상기 진공 배기되는 공간의 기밀 상태를 유지 가능하며, 또한 상기 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 격막과, 상기 일차 하전 입자선의 조사에 의해 상기 시료로부터 방출되는 이차적 하전 입자를 검출하는 검출기를 갖는 하전 입자선 장치를 이용하는 것으로서, 상기 검출기로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상에 의거해서 상기 시료와 상기 격막의 거리를 감시하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 격막 바로 아래에 있는 시료와 격막의 거리를 감시할 수 있으므로, 대기압 또는 이것과 같은 정도의 압력 분위기하에 배치된 시료와 격막을 접촉시키지 않고, 격막과 시료의 거리를 조정하는 것이 가능해진다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는 이하의 실시형태의 설명에 의해 명확해진다.
도 1은 실시예 1의 하전 입자 현미경의 전체 구성도.
도 2는 실시예 1에 있어서의 원리 설명도.
도 3은 실시예 1에 있어서의 원리 설명도.
도 4는 실시예 1에 있어서의 원리 설명도.
도 5는 실시예 1에 있어서의 신호 검출 설명도.
도 6은 실시예 1에 있어서의 신호 검출 설명도.
도 7은 실시예 1에 있어서의 신호 검출 설명도.
도 8은 실시예 1에 있어서의 실시 플로 설명도.
도 9는 실시예 1에 있어서의 신호 검출 설명도.
도 10은 실시예 1에 있어서의 신호 검출 설명도.
도 11은 실시예 1에 있어서의 실시 플로 설명도.
도 12는 실시예 2의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 13은 실시예 2의 하전 입자 현미경의 조작 화면.
도 14는 실시예 3의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 15는 실시예 4의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 16은 실시예 5의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 17은 실시예 6의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 18은 실시예 6에 있어서의 가스 압력에 있어서의 검출 신호의 차이의 설명도.
도 19는 실시예 6의 하전 입자 현미경의 구성도.
도 20은 실시예 6의 하전 입자 현미경의 구성도.
이하, 도면을 이용해서 각 실시형태에 대해 설명한다.
이하에서는, 하전 입자선 장치의 일례로서 하전 입자선 현미경에 대해 설명한다. 단, 이것은 본 발명의 단순한 일례이며 본 발명은 이하 설명하는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명은, 주사 전자 현미경, 주사 이온 현미경, 주사 투과 전자 현미경, 이들과 시료 가공 장치와의 복합 장치, 또는 이들을 응용한 해석·검사 장치에도 적용 가능하다.
또한, 본 명세서에 있어서 「대기압」이란 대기 분위기 또는 소정의 가스 분위기로서, 대기압 또는 약간의 부압 상태의 압력 환경인 것을 의미한다. 구체적으로는 약 105Pa(대기압) 내지 103Pa 정도이다.
[실시예 1]
<장치 구성>
본 실시예에서는 기본적인 실시형태에 대해 설명한다. 도 1에는 본 실시예의 하전 입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다.
도 1에 도시되는 하전 입자 현미경은, 주로 하전 입자 광학 경통(2), 하전 입자 광학 경통(2)과 접속되며 이것을 지지하는 케이싱(진공실)(7), 대기 분위기하에 배치되는 시료 스테이지(5), 및 이들을 제어하는 제어계에 의해서 구성된다. 하전 입자 현미경의 사용 시에는 하전 입자 광학 경통(2)과 케이싱(7)의 내부는 진공 펌프(4)에 의해 진공 배기된다. 진공 펌프(4)의 기동·정지 동작도 제어계에 의해 제어된다. 도면 중, 진공 펌프(4)는 1개만 도시되어 있지만 2개 이상 있어도 된다. 하전 입자 광학 경통(2) 및 케이싱(7)은 도시하지 않는 기둥이나 토대에 의해서 지지되어 있는 것으로 한다.
하전 입자 광학 경통(2)은, 하전 입자선을 발생시키는 하전 입자원(8), 발생한 하전 입자선을 집속해서 경통 하부로 유도해 일차 하전 입자선으로 해서 시료(6)를 주사하는 광학 렌즈(1) 등의 요소에 의해 구성된다. 하전 입자 광학 경통(2)은 케이싱(7) 내부로 돌출하도록 설치되어 있으며, 진공 봉지(封止) 부재(123)를 개재해 케이싱(7)에 고정되어 있다. 하전 입자 광학 경통(2)의 단부(端部)에는, 상기 일차 하전 입자선의 조사에 의해 얻어지는 이차적 하전 입자(이차 전자 또는 반사 전자)를 검출하는 검출기(3)가 배치된다. 검출기(3)는 하전 입자 광학 경통(2)의 외부에 있어도 되며 내부에 있어도 된다. 하전 입자 광학 경통에는 이것 이외에 다른 렌즈나 전극, 검출기를 포함시켜도 되고, 일부가 상기와 달라도 되며, 하전 입자 광학 경통에 포함되는 하전 입자 광학계의 구성은 이에 한하지 않는다.
본 실시예의 하전 입자 현미경은, 제어계로서, 장치 사용자가 사용하는 컴퓨터(35), 컴퓨터(35)와 접속되어 통신을 행하는 상위 제어부(36), 상위 제어부(36)로부터 송신되는 명령에 따라서 진공 배기계나 하전 입자 광학계 등의 제어를 행하는 하위 제어부(37)를 구비한다. 컴퓨터(35)는, 장치의 조작 화면(GUI)이 표시되는 모니터(33)와, 키보드나 마우스 등의 조작 화면에의 입력 수단을 구비한다. 상위 제어부(36), 하위 제어부(37) 및 컴퓨터(35)는 각각 통신선(43, 44)에 의해 접속된다.
하위 제어부(37)는 진공 펌프(4), 하전 입자원(8)이나 광학 렌즈(1) 등을 제어하기 위한 제어 신호를 송수신하는 부위이며, 또한 검출기(3)의 출력 신호를 디지털 화상 신호로 변환해서 상위 제어부(36)에 송신한다. 상위 제어부(36)에서 생성된 화상은 컴퓨터(35)의 모니터(33)에 표시된다. 도면에서는 검출기(3)로부터의 출력 신호를 프리 앰프 등의 증폭기(154)를 경유해서 하위 제어부(37)에 접속하고 있다. 만약, 증폭기가 불필요하면 없어도 된다.
상위 제어부(36)와 하위 제어부(37)에서는 아날로그 회로나 디지털 회로 등이 혼재해 있어도 되며, 또한 상위 제어부(36)와 하위 제어부(37)가 하나로 통일되어 있어도 된다. 하전 입자 현미경에는 이 밖에도 각 부분의 동작을 제어하는 제어부가 포함되어 있어도 된다. 상위 제어부(36)나 하위 제어부(37)는 전용의 회로 기판에 의해 하드웨어로서 구성되어 있어도 되며, 컴퓨터(35)에서 실행되는 소프트웨어에 의해 구성되어도 된다. 하드웨어에 의해 구성할 경우에는, 처리를 실행하는 복수의 연산기를 배선 기판 위, 또는 반도체칩 또는 패키지 내에 집적함으로써 실현할 수 있다. 소프트웨어에 의해 구성할 경우에는 컴퓨터에 고속인 범용 CPU를 탑재해서 원하는 연산 처리를 실행하는 프로그램을 실행시킴으로써 실현할 수 있다. 또, 도 1에 나타내는 제어계의 구성은 일례에 지나지 않으며, 제어 유닛이나 밸브, 진공 펌프 또는 통신용의 배선 등의 변형예는, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 내지 하전 입자선 장치의 범주에 속한다.
케이싱(7)에는 일단이 진공 펌프(4)에 접속된 진공 배관(16)이 접속되어 내부를 진공 상태로 유지할 수 있다. 동시에, 케이싱 내부를 대기 개방하기 위한 리크 밸브(14)를 구비해 메인터넌스 시 등에 케이싱(7)의 내부를 대기 개방할 수 있다. 리크 밸브(14)는 없어도 되며 2개 이상 있어도 된다. 또한, 케이싱(7)에 있어서의 리크 밸브(14)의 배치 개소는 도 1에 도시된 장소에 한하지 않으며, 케이싱(7) 위의 다른 위치에 배치되어 있어도 된다.
케이싱 하면에는 상기 하전 입자 광학 경통(2)의 바로 아래로 되는 위치에 격막(10)을 구비한다. 이 격막(10)은 하전 입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출되는 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능하며, 일차 하전 입자선은 격막(10)을 지나 최종적으로 시료대(52)에 탑재된 시료(6)에 도달한다. 격막(10)에 의해서 구성되는 폐쇄 공간(즉, 하전 입자 광학 경통(2) 및 케이싱(7)의 내부)은 진공 배기 가능하다. 시료는 비진공 공간에 배치되므로 격막(10)은 진공 공간과 비진공 공간의 차압을 유지 가능한 것일 필요가 있다. 본 실시예에서는, 격막(10)에 의해서 진공 배기되는 공간의 기밀 상태가 유지되므로, 하전 입자 광학 경통(2)을 진공 상태로 유지할 수 있으며 또한 시료(6)를 대기압으로 유지해서 관찰할 수 있다. 또한, 하전 입자선이 조사되고 있는 상태에서도 시료가 설치된 공간이 대기 분위기인 또는 대기 분위기의 공간과 연통해 있기 때문에, 관찰 중 시료(6)를 자유롭게 교환할 수 있다.
격막(10)은 토대(9) 위에 성막(成膜) 또는 증착되어 있다. 격막(10)은 카본재, 유기재, 금속재, 실리콘나이트라이드, 실리콘카바이드, 산화실리콘 등이다. 토대(9)는 예를 들면 실리콘이나 금속 부재와 같은 부재이다. 격막(10)부는 복수 배치된 다창(多窓)이어도 된다. 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능한 격막의 두께는 수 ㎚∼수 ㎛ 정도이다. 격막은 대기압과 진공을 분리하기 위한 차압하에서 파손되지 않는 것이 필요하다. 그 때문에, 격막(10)의 면적은 수십 ㎛ 내지 크더라도 수 ㎜ 정도의 크기이다. 격막(10)의 형상은 정방형이 아닌 장방형 등과 같은 형상이어도 된다. 형상에 관해서는 어떠한 형상이어도 상관없다. 격막(10)을 제작하는 토대가 실리콘이고, 실리콘 위에 격막 재료를 성막하고나서 웨트 에칭으로 가공하는 것이면, 도면과 같이 격막 상부와 하부에서 면적이 서로 다르다. 즉, 토대(9)의 도면 중 상측 개구 면적은 격막 면적보다 커진다.
격막(10)을 지지하는 토대(9)는 격막 유지 부재(155) 위에 구비되어 있다. 도시하지 않지만, 토대(9)와 격막 유지 부재(155)는 진공씰이 가능한 O링이나 패킹이나 접착제나 양면 테이프 등에 의해서 접착되어 있는 것으로 한다. 격막 유지 부재(155)는 케이싱(7)의 하면측에 진공 봉지 부재(124)를 개재해서 탈착 가능하게 고정된다. 격막(10)은, 하전 입자선이 투과하는 요청상, 두께 수 ㎚∼수 ㎛ 정도 이하로 매우 얇기 때문에, 경시(經時) 열화 또는 관찰 준비 시에 파손될 가능성이 있다. 또한, 격막(10) 및 그것을 지지하는 토대(9)는 작으므로 직접 핸들링하는 것이 매우 곤란하다. 그 때문에, 본 실시예와 같이, 격막(10) 및 토대(9)를 격막 유지 부재(155)와 일체화해 토대(9)를 직접이 아닌 격막 유지 부재(155)를 통해서 핸들링할 수 있도록 함으로써, 격막(10) 및 토대(9)의 취급(특히 교환)이 매우 용이해진다. 즉, 격막(10)이 파손되었을 경우에는 격막 유지 부재(155)째로 교환하면 된다. 가령 격막(10)을 직접 교환해야만 하는 경우여도, 격막 유지 부재(155)를 장치 외부로 취출해 격막(10)과 일체화된 토대(9)째로 장치 외부에서 교환할 수 있다.
또한, 도시하지 않지만, 시료(6)의 바로 아래 또는 근방에 시료가 관찰 가능한 광학 현미경을 배치해도 된다. 이 경우는, 격막(10)이 시료 상측에 있어 광학 현미경은 시료 하측으로부터 관찰하게 된다. 그 때문에, 이 경우는 시료대(52)는 광학 현미경의 광에 대해서 투명할 필요가 있다. 투명한 부재로서는, 투명 유리, 투명 플라스틱, 투명 결정체 등이다. 보다 일반적인 시료대로서 슬라이드 글래스(또는 프레파라트)나 디시(dish)(또는 샬레) 등의 투명 시료대 등이 있다.
또한, 온도 히터나 시료 중에 전계를 발생 가능한 전압 인가부 등을 구비해도 된다. 이 경우, 시료가 가열 또는 냉각되어 가는 모습이나, 시료에 전계가 인가되고 있는 모습을 관찰하는 것이 가능해진다.
또한, 격막은 2개 이상 배치해도 된다. 예를 들면, 하전 입자 광학 경통(2)의 내부에 격막이 있어도 된다. 혹은, 진공과 대기를 분리하는 제1 격막의 하측에 제2 격막을 구비하고 제2 격막과 시료 스테이지 사이에 시료가 내포되어 있어도 된다. 이 경우는, 제1 격막에 제2 격막을 접근시킬 때에 후술하는 본 발명이 적용 가능하다.
또한, 시료 전체가 내포된 상태에서 진공 장치 내부에 도입하는 것이 가능한 환경 셀을 시료로 해도 된다. 예를 들면, 환경 셀 내부에 시료 높이 조정 기구가 구비되며, 진공과 대기를 분리하기 위한 격막에 시료를 접근시킬 경우에도 후술하는 본 발명이 적용 가능하다. 본 발명에서는 격막의 수나 종류는 불문이며, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 내지 하전 입자선 장치의 범주에 속한다.
또한, 도시하지 않지만, 시료(6)의 바로 아래에 시료(6)를 투과한 하전 입자선을 검출하는 것이 가능한 검출기를 배치해도 된다. 이 검출기는 수 keV 내지 수십 keV의 에너지로 날아오는 하전 입자선을 검지 및 증폭할 수 있는 검출 소자이다. 예를 들면, 실리콘 등의 반도체 재료로 만들어진 반도체 검출기나, 유리면 또는 내부에서 하전 입자 신호를 광으로 변환하는 것이 가능한 신틸레이터나 루미네선스 발광재, YAG(이트륨·알루미늄·가닛) 소자 등이 이용된다. 검출기로부터의 전기 신호 또는 광 신호는, 배선, 광 전달 경로, 또는 광 검출기 등을 경유해서 상위 제어부(36)나 하위 제어부(37)로 구성되는 제어계에 송신된다. 본 투과 하전 입자선을 검출기 위에 시료가 직접 탑재된 검출기로부터는 투과 하전 입자 신호를 검출할 수 있다. 시료(6)가 탑재된 상기 검출기를 진공과 대기를 분리하는 격막(10)에 접근시킴으로써, 대기 중에서의 시료(6)의 투과 하전 입자선 화상을 취득하는 것이 가능하다. 이 경우의 검출기 위의 시료(6)와 격막(10)의 접근법에 있어서 후술하는 방법이 적용 가능하다.
케이싱(7)에 구비된 격막(10)의 하부에는 대기 분위기하에 배치된 시료 스테이지(5)를 구비한다. 시료 스테이지(5)에는 적어도 시료(6)를 격막(10)에 접근시키는 것이 가능한 높이 조정 기능을 지니는 Z축 구동 기구를 구비한다. 당연히 시료면 내 방향으로 움직이는 XY 구동 기구를 구비해도 된다. 또, 도시하지 않지만, 시료(6)와 격막(10) 사이의 거리를 조정하는 기구로서, 시료(6)를 이동시키는 Z축 구동 기구 대신에 또는 이것에 부가해서, 격막(10) 및 격막 유지 부재(155)를 시료 방향(도면 중 상하 방향)으로 구동시키는 구동 기구를 구비해도 된다. 격막 또는 시료를 움직일 수 있게 함으로써 격막과 시료의 거리를 가변으로 하는 이러한 기구를 거리 조정 기구로 총칭한다.
본 실시예에서는, 하전 입자선원(8)으로부터의 하전 입자선이 시료에 도달할 때의 에너지(E)를 설정 및 제어한다. 하위 제어부(37)와 하전 입자 광학 경통(2) 사이에는 조사 에너지 제어부(59)가 설치되어 있다. 조사 에너지 제어부(59)는, 예를 들면 하전 입자선원(8)에 공급하는 전압을 가변으로 함으로써 하전 입자선의 시료에의 조사 에너지(E)를 적어도 2가지 이상의 조건으로 가변으로 하는 것이 가능한 고압 전원 등이다. 조사 에너지 제어부(59)는 하위 제어부(37)의 내부에 있어도 된다. 또한, 다른 예로서, 조사 에너지 제어부(59)는, 하전 입자선원으로부터의 하전 입자선의 가속 전압을 변경하는 전극 또는 하전 입자선이 시료에 조사되기 전에 하전 입자선을 가속 혹은 감속시키는 것이 가능한 광학 렌즈에의 전압을 가변 제어하는 전원이어도 된다. 또한 다른 예로서는, 시료 스테이지에 전압을 인가할 수 있는 전원이어도 된다. 이러한 제어계는 하위 제어부(37) 내에 있어도 되고 하위 제어부(37)와 광학 렌즈(1) 사이에 있어도 된다. 또한, 상기한 하전 입자선의 조사 에너지 제어부의 구체예는 적절히 조합되어 이용되어도 된다.
<원리 설명>
일차 하전 입자선의 조사 에너지를 적어도 2가지의 조사 에너지로 설정 가능하게 함으로써, 시료와 격막간의 위치 관계를 파악하는 원리 및 그 효과에 대해 이하 설명한다. 이하의 설명에서는, 격막과 시료의 거리를 조정할 때의 일차 하전 입자선의 조사 에너지를 E1로 하고, 시료 위를 일차 하전 입자선으로 주사함으로써 관찰용의 화상을 취득할 때의 일차 하전 입자선의 조사 에너지를 E2로 한다. 또, 이하에서 설명하는 바와 같이 격막과 시료의 거리를 조정할 때에도 화상 취득을 행하지만, 조정용 화상일 경우에는 저화질이어도 되며 이하에서 설명하는 바와 같은 파라미터의 취득이 가능한 화질이면 충분하다. 한편, 관찰 시에 취득되는 화상은 유저가 최종적으로 관찰 또는 저장하고자 하는 대상으로 되는 화상이며 일반적으로 고화질인 것이 요망된다.
첫째로, 도 2를 이용해서 하전 입자선이 시료에 도달할 때의 빔 직경(D)에 대해 설명한다. 도 2의 (a)와 같이 격막(10)이 없으며 시료가 재치(載置)된 공간이 진공인 경우는, 일차 하전 입자선(201)은 광학 렌즈(1) 등의 하전 입자 광학계에 의해 포커스된 상태로 시료(6)에 도달한다. 이때의 일차 하전 입자선(201)의 빔 직경을 D0으로 하면, 이 빔 직경(D0)은 광학 렌즈(1) 등의 렌즈 수차(收差) 등으로 결정된다. 한편, 도 2의 (b)∼(e)에서 나타내는 바와 같이, 시료가 재치된 공간이 대기압 등의 가스 분위기인 경우는 시료에 도달할 때의 빔 직경은, 격막(10)과 시료(6)까지의 거리(Z)와 조사 에너지(E)에 의존한다.
도 2의 (b)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z1인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E1)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 2의 (c)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z2인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E1)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 2의 (d)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z1인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E2)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 2의 (e)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z2인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E2)로 하전 입자선을 조사하는 경우를 나타내고 있다. 또한, E1과 E2 및 Z1과 Z2에서는 이하의 식이 성립하는 것으로 한다.
E1<E2…(식 1)
Z1>Z2…(식 2)
도 2의 (b)에서는 조사 에너지(E1)는 비교적 작으며 거리(Z1)는 비교적 길다. 이 때문에, 하전 입자선이 시료(6)에 도달할 동안에, 격막(10)과 시료(6) 사이의 대기 또는 원하는 가스압하의 기체에 의해서 산란되어, 빔 직경은 도면 중 D1로 나타낸 바와 같이 D0보다 커진다. 빔 직경(D1)보다 시료(6)의 관찰 대상의 크기가 작을 경우, 관찰 대상을 화상으로 식별할 수는 없다. 도 2의 (c)에서는 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 Z2로 좁히면, 대기압 또는 원하는 가스압하의 기체에 의해서 산란되는 횟수 또는 확률이 감소하므로, 빔 직경(D2)은 D1보다 작게 할 수 있다. 그 결과, 시료(6)의 관찰 대상을 화상으로 식별하는 것이 가능해진다. 즉, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리가 가까우면 가까울수록 화상의 분해능을 올리는 것이 가능해진다. 한편, 도 2의 (d)에서는 일차 하전 입자선(202)의 조사 에너지(E2)는 비교적 크므로, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 Z1인 경우여도, 일차 하전 입자선(202)의 빔 직경(D3)은 D1과 비교해 작은 상태로 할 수 있다. 이 때문에, 거리(Z1)여도 시료(6)의 관찰 대상을 화상으로 식별할 수 있다. 또한, 도 2의 (e)와 같이 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 Z2로 좁혔을 경우에는, 더 작은 빔 직경(D4)으로 할 수 있어, 도 2의 (d)의 경우보다 고분해능으로 시료(6)를 관찰할 수 있다.
즉, 조사 에너지(E)가 높은 경우는, 거리(Z)가 커도 시료(6)의 관찰 대상을 식별할 수 있는 경우가 있지만, 보다 고분해능으로 관찰하고자 할 경우 등은 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리는 짧은 편이 좋다. 상기에 설명한 바와 같이 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리가 가능한 한 짧은 편이 화질은 향상되기 때문이다.
상기 고찰로부터 생각하면, 조사 에너지(E2)에 의해서만 관찰하고 있는 경우는, 하전 입자선 화상에 의거해서 격막(10)과 시료(6)의 거리가 어느 정도에 있는지 인식하는 것이 어렵다고 환언할 수도 있다. 즉 조사 에너지(E2)로 관찰하고 있으면 거리감을 알 수 없다는 문제가 있다. 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 알 수 없는 상태에서, 시료 스테이지(5)에서 시료(6)를 격막(10)에 접근시켰을 경우에, 격막(10)에 시료(6)를 지나치게 접근시켜 격막(10)에 접촉하게 되고 그 결과 격막(10)이 파손될 가능성이 있다.
다음으로, 도 3을 이용해서 시료로부터의 이차적 하전 입자가 검출기(3)까지 도달하는 경우에 관해 기재한다. 시료(6)에 도달한 일차 하전 입자선은 반사 하전 입자나 이차 하전 입자 등의 이차적 하전 입자를 발생시키고, 검출기(3)에 이 이차적 하전 입자가 도달함으로써 현미경 화상으로서 검출된다. 대기 공간 및 격막(10)을 경유해서 검출기(3)에 도달 가능한 이차적 하전 입자는 고에너지를 유지한 하전 입자선, 즉 탄성 산란 또는 약간의 비탄성 산란되어 온 하전 입자선이다. 입사 하전 입자선의 에너지를 E로 하고, 이차적 하전 입자의 에너지를 E'로 하면 이하와 같아진다.
E'≒E…(식 3)
즉, 입사 에너지(E)를 크게 하면 할수록, 이차적 하전 입자의 에너지(E')도 커진다. 도 3의 (a)와 같이 격막(10)이 없으며 시료가 재치된 공간이 진공인 경우를 생각한다. 이 경우, 이차적 하전 입자(203)는 산란되지 않고 검출기(3)에 도달한다. 이 검출기에 도달하는 이차적 하전 입자의 양을 B0으로 한다. 이 경우는, 시료로부터 방출된 이차적 하전 입자는 시료(6)와 검출기(3) 사이가 진공이기 때문에 산란을 받지 않고 검출기(3)에 도달할 수 있다.
한편, 도 3의 (b)∼(e)에서 나타내는 바와 같이, 시료가 재치된 공간이 대기압 등의 가스 분위기인 경우는 검출기(3)까지 도달하는 이차적 하전 입자(203)는 시료(6)와 격막(10)의 거리에 의존한다. 도 3의 (b)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z1인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E1)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 3의 (c)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z2인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E1)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 3의 (d)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z1인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E2)로 하전 입자선을 조사할 경우, 도 3의 (e)는 격막(10)으로부터의 거리가 Z2인 시료(6)에 대해서 조사 에너지(E2)로 하전 입자선을 조사하는 경우를 나타내고 있다. 여기에서, E1과 E2 및 Z1과 Z2는 (식 1)과 (식 2)에서 나타내는 관계가 성립하는 것으로 한다. 도 3의 (b)에서는 조사 에너지(E1)는 비교적 작으며, 또한 거리(Z1)는 비교적 길다. 이 때문에, 이차적 하전 입자가 검출기(3)에 도달할 동안에, 격막(10)과 시료(6) 사이의 대기 또는 원하는 가스압하의 기체에 의해서 산란되어, 실제로 검출기(3)에 도달하는 이차적 하전 입자의 양(B1)은 B0보다 적다. 예를 들면 시료로부터 방출된 이차적 하전 입자는 격막(10) 및 검출기(3) 방향 이외의 방향으로도 산란된다. 또한, 이차적 하전 입자의 양(B1)에는 격막(10)과 시료(6) 사이의 대기압 또는 원하는 가스압하의 기체에 의해서 비탄성 산란을 받고 있는 빔도 포함된다. 이러한 이유에 의해, 검출기(3)에 도달하는 이차적 하전 입자의 에너지(E')는 작아지며, 또한 탄성 산란된 에너지(E)의 이차적 하전 입자의 양은 B1보다 줄어 버린다. 일반적으로 하전 입자선을 검출하기 위한 반도체 소자나 신틸레이터 등의 검출기(3)의 감도 또는 증폭률은 입사 하전 입자선의 에너지에 의존한다. 이러한 결과, 도 3의 (b)의 상태에서 시료(6)의 현미경 화상을 취득했을 경우, 도 3의 (a)에 비해서, 검출된 화상의 밝기는 매우 어두워진다. 그 이유는, 대기 또는 원하는 가스압하의 기체에 산란되어 검출기(3)에 도달하는 이차적 하전 입자의 수가 줄어드는 것과, 검출기(3)의 증폭률이 작아진다는 이유에 따른다.
한편, 도 3의 (c)와 같이, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 Z2로 좁히면, 대기압 또는 원하는 가스압하의 기체에 의해서 산란되는 횟수 또는 확률이 감소하므로, 검출되는 이차적 하전 입자의 양(B2)을 B1보다 크게 할 수 있다. 그 결과, 시료(6)가 격막에 근접해 있는 것을 화상의 밝기에 의해서 식별하는 것이 가능해진다. 도 3의 (d)에서 일차 하전 입자선(202)의 조사 에너지(E2)는 비교적 크므로, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 Z1인 경우여도, 이차적 하전 입자의 양(B3)은 B1과 비교해서 큰 상태로 된다. 또한, 도 3의 (e)와 같이, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 Z2로 좁혔을 경우에는, 이차적 하전 입자(B4)는 B3보다 더 크게 할 수 있으므로, 시료(6)의 화상을 보다 선명하게 할 수 있다.
상기 고찰로부터 생각하면, 조사 에너지(E)가 높은 경우는, 거리(Z)를 변경해도 이차적 하전 입자가 시료(6)로부터 검출기(3)까지 도달할 수 있으므로, 화상에 의거해서 거리(Z)를 파악하는 것은 어렵다고 환언할 수 있다. 한편, 보다 고분해능으로 관찰하고자 하는 경우 등은 격막(10)과 시료(6)의 거리가 가능한 한 짧은 편이 화질은 향상되기 때문에, 격막(10)과 시료(6)의 거리는 짧은 편이 좋다. 그 때문에, 도 2를 사용해서 기술한 것과 마찬가지로, 이차적 하전 입자에 관해서도, 조사 에너지(E2)에 의해서만 관찰하고 있는 경우는, 하전 입자선 화상에 의거해서 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리가 어느 정도에 있는지 인식하는 것이 어렵다. 즉, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 알 수 없는 상태에서, 시료 스테이지(5)에서 시료(6)를 격막(10)에 접근시켰을 경우에, 격막(10)에 시료(6)를 지나치게 접근시켜 격막(10)에 접촉하게 되고 그 결과 격막(10)이 파손될 가능성이 있다.
그래서, 본 실시예에서는, 조사 에너지(E1)의 상태에서는 격막(10)과 시료(6)의 거리가 충분히 근접해 있을 경우에만 시료(6)의 관찰 대상을 식별할 수 있는 것을 이용한다. 즉, 조사 에너지(E1)의 상태에서 화상 취득을 개시한다(도 2의 (b) 또는 도 3의 (b)). 다음으로, 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 좁혀가서, 시료(6)의 관찰 대상을 식별할 수 있게 되었다면(도 2의 (c) 또는 도 3의 (c)), 보다 큰 조사 에너지인 E2로 변경해 보다 고분해능으로 관찰을 실시한다(도 2의 (e) 또는 도 3의 (e)). 그 결과, 조사 에너지(E2)로 취득한 화상만을 기초로 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리를 좁히는 방법보다 매우 간단하게 시료와 격막을 접근시키는 것이 가능해진다.
이상의 설명을 도 4의 그래프를 이용해서 상세히 설명한다. 도 4의 (a)에서는 격막과 시료 사이의 거리(Z)와 신호 밝기(B)의 관계를 나타낸다. 도 4의 (b)에서는 격막과 시료 사이의 거리(Z)와 화상 분해능(D)의 관계를 나타낸다. 화상 분해능(D)은 빔 직경에 대응하는 양이며, 이하의 설명에서는 화상 분해능과 빔 직경을 동등한 파라미터로서 취급하는 것이 가능하다. 조사 에너지(E2)일 때는 거리를 근접시켜 가면, 신호 밝기(B)와 화상 분해능(또는 빔 직경)(D)은 완만하게 작아져 간다(도면 중 점선으로 나타내는 곡선). 조사 에너지(E1)일 경우에는, 격막과 시료의 거리를 충분히 근접시키지 않으면 신호 밝기(B)와 화상 분해능(또는 빔 직경)(D)이 향상되지 않는다. 본 실시예에서는 이 원리를 이용해서, 조사 에너지(E1)의 상태에서 취득한 화상에 있어서 화질이 급격하게 좋아지는 점을 이용해서 격막과 시료 사이의 거리를 조정한다. 화질이 급격하게 좋아지는 점이란, 일차 하전 입자선이 산란되는 횟수가 매우 적어지기 때문에 시료(6)의 형상이나 표면 형태가 급격하게 보이기 시작하는 상태이며, 즉 시료(6)를 구성하고 있는 형상의 크기와 일차 하전 입자선의 빔 직경이 거의 일치하는 점이다. 격막과 시료의 거리에 대한 신호 밝기나 화상 분해능은 도 4와 같이 연속적으로 변화하기 때문에, 격막과 시료를 연속적으로 근접시켜 갈 경우, 엄밀하게는 시료에 기인하는 신호의 검출률은 연속적으로 변화한다. 그러나 이 경우에도, 도 5 내지 도 7을 이용해서 후술하는 바와 같이, 유저 또는 컴퓨터가 화상 중에 시료의 형상을 인식할 수 있게 되는 신호 밝기나 화상 분해능의 문턱값이 존재한다. 이 문턱값을 화상이 급격하게 좋아지는 점으로 표현하고 있다. 예를 들면, 컴퓨터가 판단할 경우에는 시료에 기인하는 신호가 백그라운드의 신호에 대해서 유의(有意)한 양 검출되게 되는 상태가 화상이 급격하게 좋아지는 점이다. 또한, 시료와 격막 사이의 거리를 단계적으로 접근시켜 갈 경우에는, 임의의 거리(Z1)에서는 시료상(試料像)을 인식할 수 없으며, Z1보다 한 단계 거리가 가까운 Z2로 하면 시료상을 인식할 수 있는 상태가 존재한다. 이 경우 화질이 급격하게 좋아지는 점이란 Z2에 대응하는 상태인 것을 의미한다.
즉, 이 화질이 급격하게 좋아지는 점을 문턱값(신호 밝기 : Bz, 화상 분해능(Dz))으로 함으로써, 이 문턱값에 도달할 때까지 시료와 격막의 접근을 행한다. 즉, 시료와 격막이 떨어진 위치에 있을 때의 초기 상태를 O점으로 해서, 신호 밝기 또는 화상 분해능이 임의의 문턱값(도면 중 신호 밝기 : Bz, 화상 분해능(Dz))으로 될 때까지, 격막과 시료 사이의 거리(Z)를 근접시킨다. 문턱값에 도달할 때까지 근접시킨 상태를 도면 중 P점으로 나타내고 있다. 이 상태에서 거리(Z)를 고정한 채로 조사 에너지를 E1로부터 E2로 변경하면, 신호 밝기(B) 및 화상 분해능(D)이 도면 중 Q점으로 나타내는 상태로 되어 화질이 대폭적으로 개선되게 된다.
보다 구체적으로 E1이 5㎸이고 E2가 15㎸인 경우를 설명한다. 또한, O점에서의 격막과 시료의 거리를 50㎛로 한다. 하전 입자선을 전자선으로 하고, 격막과 시료간에 공기 성분이 1기압 존재하는 것으로 고려해서 평균 자유 공정(대기 성분에 충돌하지 않고 진행할 수 있는 거리)의 이론 계산 결과로는, 조사 에너지가 5㎸일 때의 전자선의 평균 자유 공정은 15㎛ 정도이고, 조사 에너지가 15㎸일 때의 하전 입자선의 평균 자유 공정은 50㎛ 정도로 된다. 즉, 조사 에너지(E1)가 5㎸일 때에, 격막과 시료의 거리를 O점인 50㎛로부터, 5㎸에서의 평균 자유 공정인 15㎛ 이하 정도로 좁히면, 화질이 급격하게 좋아지는 P점에 도달해 시료의 화상이 보이기 시작한다. 그 후에, 조사 에너지를 15㎸로 변경하면, 격막과 시료간이 15㎛인 상태에서, 평균 자유 공정 50㎛의 조사 에너지 15㎸로 시료에 전자선을 조사하는 것이 가능해지므로, 화질이 더 개선된 Q점에 도달하게 되어, 하전 입자선의 산란이 상당히 저감된 화상을 취득할 수 있다.
여기에서, 도 5를 이용해서 문턱값에 도달했는지의 여부의 판정을 화상 변화로부터 취득하는 모습을 설명한다. 또, 도 5로부터 자명한 바와 같이, 검출 신호의 프로파일로부터 전술한 밝기 정보나 분해능 정보를 취득할 수도 있고, 검출 신호로부터 생성된 화상에 의해서 밝기나 분해능을 취득할 수도 있다. 따라서, 밝기나 분해능 등의 격막과 시료의 거리를 감시하기 위한 파라미터는, 검출 신호로부터 직접 취득되어도 되고 화상으로부터 인식되어도 된다. 도 5의 (a1)은 격막(10)과 시료(6)의 거리가 Z0인 경우의 단면 모식도, 도 5의 (a2)는 도 5의 (a1)일 때에 검출기(3)에서 취득한 현미경 화상 설명도, 도 5의 (a3)은 도 5의 (a2)의 라인(A)의 화상 밝기의 라인프로파일이다. 도 5의 (a) 내지 (c)는 조사 에너지(E1)로, 도 5의 (d)는 E1보다 큰 조사 에너지(E2)로 조사한 예이다.
격막(10)과 시료의 거리가 비교적 큰 Z0의 경우이면, 격막(10)의 하면으로부터는 이차적 하전 입자가 되돌아오지 않으므로, 화상은 도 5의 (a2)와 같이 격막(10)부는 어둡게 보이고, 토대(9)로부터의 이차적 하전 입자만이 검출기(3)에서 취득된다. 그 때문에, 도 5의 (a2)에서 나타낸 바와 같이 격막(10)의 상측의 영역에 있는 토대(9')는 현미경 화상으로서 관찰된다. 또한, 이때의 라인프로파일은 도 5의 (a3)과 같아진다.
다음으로, 도 5의 (b1)과 같이 격막(10)과 시료(6)의 거리가 Z0보다 가까운 Z1인 경우이면, 격막(10)의 하면으로부터는 이차적 하전 입자는 어느 정도 되돌아온다. 그 때문에, 시료(6)의 현미경 화상은 도 5의 (b2)와 같아지며, 시료(6)가 격막(10)의 아래에 있는 것을 인식할 수 있다. 그러나, 도 2에서 설명한 바와 같이 빔 직경은 크며, 또한 검출기(3)에 도달하는 이차적 하전 입자는 적기 때문에, 도 5의 (b3)의 라인프로파일로 나타낸 바와 같이, 시료(6)의 현미경상(顯微鏡像)은 어둡고 흐리게 보이는 정도이다. 이것은 신호(6b)로 표시된다. 다음으로, 도 5의 (c1)과 같이 격막(10)과 시료(6)의 거리를 Z1보다 더 근접시켜 Z2로 한 경우이면, 빔 직경은 작은 상태로 시료(6)에 입사되어 이차적 하전 입자의 대부분은 검출기(3)에서 검출된다. 그 때문에, 시료(6)의 현미경 화상은 도 5의 (c2)와 같아지며, 격막(10) 너머로 시료(6)의 현미경 화상을 관찰하는 것이 가능해진다. 라인(A)의 화상 밝기의 라인프로파일인 도 5의 (c3)에서도 시료(6)는 어느 정도 보이는 것을 알 수 있다. 마지막으로, 도 5의 (c1)의 격막과 시료의 위치 관계를 유지한 채로 조사 에너지를 E2로 하면, 전술과 같이, 시료(6)에 도달할 때의 빔 직경은 더 작으며, 또한 검출기(3)에 도달하는 이차적 하전 입자는 더 많아지므로, 도 5의 (d2)(d3)에 나타내는 바와 같이 시료(6)의 신호는 신호(6d)로서 매우 또렷하게 관찰하는 것이 가능해진다. 즉, 화상이 도 5의 (c2)의 상태, 또한 라인프로파일이 도 5의 (c3)의 상태와 같이, 조사 에너지(E1)의 상태에서 화상 중의 관찰 대상이 보이는 상태를 식별하면, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 관찰에 최적인 거리인 Z2까지 근접한 상태로 된 것을 판단하는 것이 가능해진다.
보다 구체적으로는, 조사 에너지가 1㎸ 내지 50㎸ 정도에 있어서는, 조사 에너지(E)와 평균 자유 공정(λ)은 대략적으로 이하의 관계가 성립한다.
λ∝E…(식 4)
즉, 조사 에너지(E)를 3배로 하면 평균 자유 공정도 거의 3배로 된다. 본 실시예에 있어서의 조사 에너지(E)를 변경하는 방법을 실시하기 위해서는, E1과 E2의 비는 가능한 한 큰 편이 좋지만, 예를 들면 E2/E1 비는 2배 이상 정도이면 된다. 즉, 에너지비는 직접 격막-시료간 거리비에 대응하므로, E2의 평균 자유 공정의 반분 정도의 거리로 시료 높이를 조정할 수 있으면 된다.
도 6의 (a) 내지 (c)를 이용해서 라인프로파일과 문턱값(신호 밝기(Bz), 화상 분해능(Dz))에 관해 설명한다. 도 6의 (a) 내지 (c)의 각각의 시료(6)와 격막(10)의 거리는 도 5의 (a) 내지 (c)의 각각과 대응된다. 격막의 끝을 X1과 X2로 하면, 라인프로파일 내에서 감시해야할 영역은 X1과 X2의 사이(X1-X2 사이)의 밝기(B) 및 화상 분해능(D)에 대응하는 신호 변화로 된다. 격막을 유지하는 부재(9)는 진공측으로부터 관찰되므로(도면 중 신호(9')), 대기 성분에 의해서 하전 입자선이 산란되지 않는다. 이 때문에, 시료(6)가 격막(10) 아래에 없을 경우 또는 상당한 거리 떨어져 있는 경우 등은 토대(9)로부터의 신호는 X1-X2간의 신호 강도(B)보다 신호량이 크다. 격막을 유지하는 부재(9)로부터의 신호량을 B0, X1-X2간의 신호량을 B로 하면 도 6의 (a)와 같아진다. 격막(10)과 시료(6)의 거리가 근접해 가면 X1-X2간의 신호 강도가 증가해 간다. 여기에서, 임의의 일정한 신호량으로 문턱값(Bz)을 설정해 두고, 즉 X1-X2간의 신호 강도(B)가 Bz에 도달하는지의 여부를 관찰 또는 감시해서 Bz에 도달하는 상태까지 시료(6)와 격막(10)을 접근시킨다. 또한, B0과 B의 차가 임의의 값 ΔB에 도달할 때를 감시해도 된다. 예를 들면, 화상을 구축하고 있는 밝기를 256계조로 했을 경우(즉 가장 밝은 신호를 256, 가장 어두운 신호를 1로 수치화했을 경우)에, B0이 200계조의 밝기이며, B의 초기값이 100계조의 밝기인 것으로 하면 Bz를 180으로 해도 된다. 또한, B0로부터 B를 뺄셈한 값 ΔB가 20으로 될 때를 감시해도 된다. 또, 화상을 구축하고 있는 밝기가 256계조일 때에, 격막을 유지하는 부재(9)로부터의 신호량 B0을 256 이상으로 설정하거나, X1-X2간의 신호 강도(B)를 1 이하로 설정하면, 정확한 Bz나 ΔB를 취득 또는 감시할 수 없다. 그 때문에, 화상을 구축하고 있는 밝기를 256계조로 하고 있는 경우는, 격막과 시료의 거리가 어떠하든 가장 밝은 신호를 256, 가장 어두운 신호를 1로 해야만 한다.
다음으로, X1-X2간의 화상 분해능(D)의 변화를 관찰 또는 감시하는 방법에 대해 기술한다. 화상 분해능(D)은 시료에 기인하는 신호의 확산 폭과 대응해 있다. 그래서 시료에 기인하는 신호의 폭이 소정의 문턱값(Dz)으로 되는 상태를 인식 또는 감시한다. Dz는 검출 신호의 콘트라스트가 최대로 되었을 때에 식별되는 물체의 크기 또는 물체의 크기의 반분으로 되는 상태이다. 즉, 라인프로파일 신호의 최소로부터 최대로 될 때까지의 거리이다. 또, 문턱값(Dz)의 설정에 있어서 물체의 크기에 대한 비율은 임의로 변경 가능해도 되고, 물체의 크기에 대한 비율 대신에 직접 확산 폭을 지정해도 된다. 도 6의 (b)(c)와 같이 시료와 격막이 근접했을 경우에는 X1-X2간에 시료에 기인하는 신호(B)가 검출된다. 이 X1-X2간에서 검출된 시료에 기인하는 신호의 폭이 Dz로 되는 상태를 인식 또는 감시해도 된다. 또한 다른 방법으로서, 라인프로파일간의 신호를 푸리에 변환해서 주파수 특성으로 한 후에 특정 주파수(fz)로 되는 위치를 인식해도 된다. 시료에 기인하는 신호의 분해능이 임의의 문턱값으로 된 상태를 시료(6)와 격막(10)의 거리가 Z2로 된 상태인 것으로 판단한다.
이렇게 라인프로파일을 관찰 또는 감시해서 문턱값(신호 밝기(Bz), 화상 분해능(Dz))과 비교함으로써, 시료(6)와 격막(10)의 거리를 식별하는 것이 가능해진다. 또한 다른 관점에서 보면, 임의의 문턱값 이하인 한, 시료(6)와 격막(10)의 거리는 비접촉이기 때문에, 격막에 시료를 접촉시키지 않고 관찰이 실시 가능한 것을 나타내고 있다. 환언하면, 실시예 2에서 상세히 기술하는 바와 같이, 이 문턱값은 격막과 시료가 접촉할 위험이 있다는 취지의 경보로 사용할 수도 있다.
또, 상기 Bz와 Dz를 양방(兩方) 관찰 또는 감시하는 것에 대해 기술했지만 어느 한쪽이어도 상관없다. 예를 들면, 시료(6)가 완전히 평탄한 경우, 밝기(B)는 커지지만 화상 분해능(D)의 변화가 관찰되지 않는 경우도 있다. 이 경우는 Bz만 관찰 또는 감시해도 된다.
또한, 시료(6)로부터 격막(10)측으로 되돌아오는 이차적 하전 입자가 탄성 산란 또는 비탄성 산란에 의해서 반사되어 되돌아온 반사 하전 입자인 경우는, 검출기(3)에 의해서 검출되는 신호량은 시료(6)의 원자량에 의존한다. 예를 들면, 격막(10)의 주위의 토대(9)가 실리콘이고 시료(6)가 금이라고 하면, 시료(6) 쪽이 토대(9)보다 원자량이 크므로, 도 7의 (a) 내지 (c)와 같이, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 짧으면, 시료(6)의 신호(6c) 쪽이 격막을 유지하는 부재 또는 토대(9)로부터의 신호량보다 커진다. 이 때문에, 보고자 하는 재료에 따라 인식 또는 감시해야 할 문턱값(Bz이나 ΔB)을 고려할 필요가 있다. 반대로 말하면, 보고자 하는 재료를 알고 있으면, 어느 정도의 거리에 오면 어느 정도의 밝기(B)로 되는지가 기지로 된다. 이것을 알기 위해 후술하는 도 10과 같이 격막(10)이 없는 상태에서 관찰 대상으로 되는 재료의 밝기를 미리 취득해 데이터로서 등록이나 축적 등 해둬도 된다.
또한, 어느 재료가 어느 밝기로 될지는 검출기와의 위치 관계 등의 장치 구성에 따라 약간 다르다. 그 때문에, 장치 구성에 따라서는 도 3의 (a)와 같이 격막(10)이 없는 상태에서 검출기와의 거리를 일정하게 함으로써, 다양한 재료를 장치 내에 넣고 재료에 따른 밝기의 차이를 취득해둬도 된다.
<수순 설명>
이상의 설명으로부터, 조사 에너지(E1)로, 임의의 문턱값(신호 밝기 : Bz, 화상 분해능(Dz))에 도달할 때까지 격막과 시료의 거리를 좁히고나서, 조사 에너지(E2)로 화상 관찰함으로써 격막과 시료의 거리를 조정할 수 있는 원리에 대해 설명했다. 이하에서, 도 8을 이용해서 조사 에너지(E) 및 격막(10)과 시료(6) 사이의 거리(Z)를 제어해 화상 취득을 행하는 수순에 대해 설명한다. 최초에 스텝300에서는 관찰할 시료를 시료대 또는 시료 스테이지(5) 위에 배치한다. 다음으로, 스텝301에서는 격막(10)의 아래에 시료(6)를 배치한다. 다음으로, 일차 하전 입자선의 조사 에너지를 E1로 설정한(스텝302) 후, 빔 조사를 개시함으로써 현미경 화상 추출을 실시한다(스텝303). 격막(10)부 또는 그 주변부에서 원하는 화상 밝기나 초점으로 되도록 설정한다(스텝304). 최종적으로는 격막(10)의 근방에 시료(6)를 근접시키므로, 격막(10)이 구비된 토대(9)의 에지(X1이나 X2)에 초점을 맞추면 된다. 이렇게 시료(6)가 격막(10) 근방에 오며, 또한 초점 심도 이내에 오면 자동적으로 시료(6)에 초점이 맞게 된다. 다음으로, 스텝305에서는 문턱값(신호 밝기(Bz), 화상 분해능(Dz))을 설정한다. 이 원하는 화상 밝기나 화상 분해능의 문턱값은 장치 유저가 기억하고 있어도 되고, 후술하는 바와 같이 컴퓨터상에 설정해도 된다. 컴퓨터상에 설정하면 제어부에 의해 자동적으로 조작하는 것도 가능하다. 이 문턱값이란 화상의 밝기의 소정값(Bz)이거나, 화상 분해능(Dz)에 대응하는 신호 변화이거나 한다. 다음으로, 시료 스테이지(5)를 움직여서 격막(10)과 시료(6)를 접근시킨다(스텝306). 다음으로, 취득한 화상 또는 프로파일에 있어서 격막(10) 너머로 보이는 시료의 밝기 또는 화상 분해능이 문턱값에 도달했는지를 감시한다. 이 동작은 유저가 눈으로 보고 실시해도 되고, 후술하는 바와 같이 컴퓨터가 자동적으로 감시하고 있어도 된다. 만약, 문턱값에 도달해 있지 않은 경우는 격막(10)과 시료(6)의 접근을 계속한다. 만약, 문턱값에 도달한 경우는, 격막과 시료의 거리가 소정의 거리 또는 그 이하의 거리로 된 것을 검지 또는 인식하고, 격막(10)과 시료(6)의 접근을 정지한다(스텝308). 문턱값에 도달했는지의 여부의 판정을 자동으로 행할 경우에는 문턱값에 도달했다는 취지를 나타내는 메시지를 컴퓨터(35)의 화면에 표시시키면 유저가 파악하기 쉽다. 다음으로, 격막(10)과 시료(6)의 거리를 유지한 채로 조사 에너지를 E2로 설정한다(스텝309). 마지막으로 조사 에너지(E2)의 일차 하전 입자선이 조사됨으로써 시료로부터 얻어지는 검출 신호로부터 화상을 취득하고(스텝310) 관찰을 실시한다. 이상에서는, 조사 에너지(E1)가 일정한 채로 격막(10)과 시료(6)를 근접시키며, 관찰은 조사 에너지(E2)로 실시하는 방법에 대해 설명했다. 그러나, 도면 중 프로세스311에서 기재한 바와 같이, 조사 에너지(E2)로 관찰한 후에, 다시 조사 에너지(E1)로의 관찰 프로세스302로 되돌아가도 된다. 또한, 만약, 조사 에너지(E1)만으로 만족스러운 화상을 취득할 수 있으면, 스텝308 후 그대로 관찰용의 화상 취득을 실시해도 된다.
본 실시예에 있어서의 조사 에너지를 변경해서 격막과 시료의 위치 관계를 파악해 격막과 시료의 거리를 근접시키는 방법은, 격막의 형상이나 격막을 지지하는 토대 형상 등에 관계없이 실시 가능하다.
전술에서는 조사 에너지(E)를 변경해서 거리(Z)를 인식하는 것에 관해 설명했다. 이하에서는, 하전 입자선의 조사에 의해 얻어진 화상 또는 그 화상의 휘도 프로파일 정보를 이용해서 거리(Z)를 식별하기 위한 다른 하나의 방법에 대해 기재한다. 장치 구성은 도 1의 구성과 마찬가지로 한다. 단, 본 방법에 이용하는 장치에서는, 이차 하전 입자를 검출하는 검출기보다 시료측에 격막이 있는 것으로 한다. 또한, 격막은 하전 입자선을 차폐, 반사, 또는 산란시키는 재질로 만들어진 토대에 유지되어 있으며, 격막의 주위는 토대에 의해 둘러싸여 있는 것으로 한다. 이하에서 「격막의 에지」란 격막과 토대의 경계 부분 또는 그 근방의 영역을 가리킨다. 본 방법에서는, 격막(10)의 X1-X2간의 크기와, 검출기의 크기나 위치 관계에 따라서, 화상의 밝기가 위치에 따라 다른 현상을 이용해 격막과 시료의 거리를 인식한다. 도 9에서 화상 형성의 상세를 설명한다. 도 9의 (a1)에서 나타내는 바와 같이, 검출기(3)는 하전 입자 광학 경통(2)의 하측에 구비된 애뉼러형의 검출기(600)인 것으로 한다. 애뉼러형 검출기란 광축상의 일차 하전 입자선이 통과하기 위해 도면 중 검출면(501)과 검출면(502) 사이에 구멍(601)이 뚫려 있는 검출기인 것을 말한다.
여기에서는 설명을 간단하게 하기 위해 시료(6)는 평탄하며 동일 재료로 구성되어 있는 것으로 한다. 도 9의 (a1)에서 토대(9)와 격막(10)의 위치 관계 및 형상을 도시한다. 일차 하전 입자선(602)이 격막(10)을 통과 또는 투과해서 시료에 조사된 후, 시료로부터 이차적 하전 입자가 방출된다. 격막의 에지(X1)의 바로 아래 또는 근방으로부터 도면 중 우측의 검출면(501) 방향으로 방출된 이차적 하전 입자(603)는 애뉼러 검출기의 도면 중 우측의 검출면(501)에는 도달하지만, 토대(9)가 있는 사정상, 도면 중 좌측의 검출면(502) 방향으로 방출된 이차적 하전 입자(604)는 토대(9)에 가려 도면 중 좌측의 검출면(502)에는 도달하지 않는다. 마찬가지로, 격막의 에지(X2)의 바로 아래 또는 근방으로부터 방출된 이차적 하전 입자는 애뉼러 검출기(600)의 도면 중 좌측의 검출면(502)에는 도달하지만, 토대(9)가 있는 사정상, 도면 중 우측의 검출면(501)에는 도달하지 않는다. 한편, 시료(6)와 격막(10)의 거리에도 따르지만, X1-X2의 중간 부근에 조사된 일차 하전 입자선(605)에 의해서 방출된 이차적 하전 입자(606)는 도면 중 우측의 검출면(501) 및 좌측의 검출면(502)의 어느 쪽에서도 검출된다. 그 결과, 취득되는 화상은 도 9의 (a2)로 된다. 도 9의 (a2)에서는 격막(10)을 유지하는 토대(9)의 상면부(9')와 격막부(10)가 관찰된다. 또한 도 9의 (a2)의 A선상의 라인프로파일은 도 9의 (a3)과 같아진다. 즉, 격막(10)의 에지(토대(9)와의 접합 부분)에 가까운 측의 검출 신호는 중심으로부터의 신호에 비해 적어져, 화상 중 격막(10)의 에지 근방에 대응하는 화소는 격막 중앙부보다 어두워진다. 라인프로파일로 생각하면, 격막(10)의 에지(X1)로부터 임의의 거리의 범위 내에서는 신호 검출량이 격막 중앙부보다 적어진다. 신호 감쇠 거리(L)에 의해 이 신호 검출량이 적어지는 영역을 규정한다. 신호 감쇠 거리(L)는, 예를 들면 격막 중앙부(환언하면 화상 중앙부)에 대해서 휘도가 소정의 비율 이하로 되는 화소와 격막의 에지에 대응하는 화소의 거리로서 정하면 된다. 또한 다른 정의로서는, 소정의 휘도값 또는 그 이하의 휘도값을 지니는 부분의 격막의 에지로부터의 거리로 해도 된다. 여기에서, 신호 감쇠 거리(L)는 기하학적인 관계만으로 정해진다. 가령, 검출기(600), 격막(10), 토대(9)의 각각의 크기나 위치 관계, 토대(9)의 두께나 상면과 하면의 개구 각도가 일정하다는 조건하에 있어서는, 시료(6)와 격막(10)의 거리(Z)만이 가변이므로, 신호 감쇠 거리(L)는 거리(Z)만의 함수로 된다. 즉, 신호 감쇠 거리(L)를 계측하면 거리(Z)를 알 수 있게 된다. 또, 신호 감쇠 거리(L) 대신에 격막의 에지로부터 소정의 거리에 있는 부분의 휘도값을 파라미터로서 이용해도, 이하에서 설명하는 방법과 마찬가지로 격막과 시료의 거리를 감시할 수 있다. 간단하게 하기 위해 이하에서는 신호 감쇠 거리(L)의 예로 설명한다.
도 9의 (b1)과 같이 격막(10)과 시료(6)의 거리(Z)를 짧게 해서 Z4(>Z3)로 하는 경우는, 도 9의 (a1)의 경우와 비교해서 에지(X1) 근방으로부터 도면 중 좌측의 검출면(502) 방향으로 방출된 이차 하전 입자(604)도 검출되게 되어 가므로 신호 감쇠 거리(L)는 0에 근접해간다.
이상을 정리하면, 격막의 에지(X1이나 X2)의 바로 아래 또는 근방에서 발생한 이차적 하전 입자의 양, 구체적으로는 라인프로파일로부터 얻어지는 신호 감쇠 거리(L)를 검출하면, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 확정된다. 이렇게 신호 감쇠 거리(L)를 파라미터로 해서 관찰 또는 계측 또는 감시함으로써, 시료(6)와 격막(10)의 거리(Z)를 감시하는 것이 가능해진다. 보다 구체적으로는, 하전 입자선이 시료에 조사되어 반사되는 하전 입자선의 분포는 cos 분포에 따르기 때문에, 45° 방향으로 방출되는 반사 하전 입자수가 가장 많아진다. 가령, 검출기(600)가 충분히 크며, 또한 일차 하전 입자선이 통과하는 구멍(601)을 무시했다고 하면, 일차 하전 입자선의 조사선(605)과, 하전 입자선 조사 위치와 격막의 에지(X1이나 X2)를 잇는 선의 각도가 45° 이하일 때는 화상은 상당히 어두워진다. 반대로 전술한 각도가 45° 이상으로 되면 화상이 밝아진다는 기하학적인 관계로 정해진다. 그 때문에, 장치에 의해 격막(10)의 면적, 토대(9)의 크기나 형상, 검출기(600)의 크기나 검출 소자(501나 502)의 크기나 위치 등에 따라서, 장치 고유하게 신호 감쇠 거리(L)와 격막-시료간 거리의 관계는 일정하기 때문에, 화상으로부터 거리(Z)의 추정이 가능해진다.
반대로 말하면, 신호 감쇠 거리(L)가 관찰되는 한, 시료(6)와 격막(10)의 거리가 어느 일정 이상 있다고 할 수 있기 때문에, 신호 감쇠 거리(L)를 감시함으로써 격막(10)에 시료(6)가 접촉해 있지 않은 것을 확인할 수 있다. 이에 따라, 격막에 시료를 접촉시키지 않고 관찰을 실시하는 것이 가능해진다.
또한, 전술과 같이 이차적 하전 입자의 양은 시료(6)의 원자량에 의존한다. 이 때문에, 보고자 하는 재료에 따라 인식 또는 감시해야 할 문턱값(Lz)을 조정할 필요가 있다. 즉, 보고자 하는 재료를 알고 있으면 어느 정도의 거리에 오면 어느 정도의 밝기(B)로 될지가 기지로 되므로, 시료의 재료에 따라 문턱값(Lz)을 조정할 수 있게 하는 것이 좋다. 문턱값(Lz)의 조정은 컴퓨터(35)의 입력부를 통해 유저가 행할 수 있도록 해도 되고 유저 자신이 기억하고 있어도 된다.
또한, 어느 재료가 어느 밝기로 될지는 검출기와의 위치 관계 등의 장치 구성에 따라 약간 다르다. 그 때문에, 장치 구성에 따라서는, 도 10과 같이 격막(10)이 없는 상태에서 토대(9)를 설치하고, 검출기(600)와 시료(6)의 거리 및 토대(9)와 시료(6)의 거리(Z)를 변경해, 거리(Z)에 따라 어떠한 신호 감쇠 거리(L)로 될지를 미리 측정해둬도 된다. 측정 결과는 재료마다 거리(Z)에 대한 신호 감쇠 거리(L)의 함수로 해서 또는 데이터베이스로 해서 컴퓨터(35)의 기억부에 저장되어 있어도 되고 유저 자신이 기억하고 있어도 된다. 혹은, 시료와 격막 사이에 두께가 기지인 부재를 넣은 후, 평탄한 시료를 상기 부재에 충돌시켜 격막과 시료의 거리가 기지인 상태에서 화상을 관찰해 신호 감쇠 거리(L)를 취득한다는 동작을 해도 된다. 이 경우, 전술한 부재의 두께(t)를 몇 가지로 변경해서 두께(t)와 신호 감쇠 거리(L)의 관계를 테이블로 해 컴퓨터(35)에 기록하면 상당히 정확하게 거리(Z)의 절대값도 계측 가능하다.
도 11을 이용해서, 신호 감쇠 거리(L)의 정보를 사용해 격막(10)과 시료(6)간의 거리(Z)를 제어해서 화상 취득을 행하는 수순에 대해 설명한다. 또, 본 프로세스에 있어서 조사 에너지는 가변으로 해도 되고 일정하게 해도 된다. 최초의 스텝에서는 관찰할 시료를 시료대 또는 시료 스테이지(5) 위에 배치한다(스텝800). 다음의 스텝에서는, 격막(10)의 아래에 시료(6)를 배치한다(스텝801). 다음으로, 가속 전압을 설정(스텝802)한 후, 빔 조사를 개시함으로써 현미경 화상을 취득한다(스텝803). 격막(10)부 또는 주변부에서 원하는 화상 밝기나 초점을 설정한다(스텝804). 최종적으로는 격막(10)의 근방에 시료(6)를 근접시키므로, 스텝804에서는 격막(10)이 구비된 토대(9)의 에지(X1이나 X2)에 초점을 맞추면 된다. 이렇게 하면 시료(6)가 격막(10) 근방에 오며, 또한 초점 심도 이내에 오면 자동적으로 시료(6)에 초점이 맞게 된다. 다음의 스텝에서는 신호 감쇠 거리(L)의 문턱값을 설정한다(스텝805). 이 원하는 화상 밝기의 문턱값의 설정은, 장치 유저가 기억하고 있어도 되고, 후술하는 바와 같이 컴퓨터상에 설정해서 자동적으로 조작해도 된다. 이 문턱값은 신호 감쇠 거리(L)이다. 다음으로, 시료 스테이지(5)를 이동시켜 격막(10)과 시료(6)를 접근시킨다(스텝806). 접근 중에 신호 감쇠 거리(L)를 감시함으로써, 격막(10) 너머로 보이는 신호 감쇠 거리(L)를 감시하고, 이들 파라미터가 문턱값에 도달했는지를 판정한다(스텝807). 이 동작은 유저가 실시해도 되고, 후술하는 바와 같이 컴퓨터상에서 자동적으로 감시하고 있어도 된다. 만약, 문턱값에 도달해 있지 않은 경우는 격막(10)과 시료(6)의 접근을 계속한다. 만약, 문턱값에 도달한 또는 문턱값을 하회한 경우는 격막(10)과 시료(6)의 접근을 정지한다. 문턱값에 도달한 감시 메시지를 모니터(33)에 표시시키면 유저가 파악하기 쉽다. 예를 들면 소정의 문턱값을 설정해 두고, 신호 감쇠 거리(L)가 문턱값을 하회했을 경우에는 유저에 대해서 경고를 내보내는 또는 시료 스테이지의 이동에 제한을 거는 등의 처리를 행하면 된다. 문턱값의 설정이나 경고의 표시는 컴퓨터(35)에 의해 행한다. 마지막으로, 관찰을 실시한다(스텝810). 그러나, 도면 중 스텝811에서 기재한 바와 같이, 이 시료와 격막의 거리로 만족되지 않으면 다시 문턱값을 새로 설정하는 스텝805로 되돌아가도 된다.
본 실시예에 있어서의 격막 위치에 따른 밝기의 차이에 의해 격막과 시료의 위치 관계를 파악해서 격막과 시료의 거리를 근접시키는 방법은, 전술한 방법에 비해 조사 에너지를 변경할 필요가 없어, 동일한 조사 에너지만으로 격막에의 시료의 접근 및 관찰이 실시 가능하기 때문에, 매우 높은 스루풋으로의 관찰이 실시 가능하다.
이상, 격막과 시료의 위치 관계를 파악하는 방법에 대해 기술했다. 이것은 즉, 하전 입자선 장치를 사용해서 얻어진 화상에 의해서 격막과 시료의 거리를 파악할 수 있는 것을 나타낸다. 따라서, 본 실시예의 방법에 따르면 격막과 시료가 접촉하는 것에 의해 격막이 파손되는 위험성을 저감할 수 있다. 특히 시료에 요철이 있는 경우여도, 실제로 격막의 바로 아래에 있는 부분과 격막의 간격을 감시할 수 있으므로, 부적절한 장소에서 간격을 측정하는 것에 의해 실수로 시료가 격막에 부딪히게 되는 위험성을 저감할 수 있다. 또한, 본 실시예의 방법에 따르면, 화상의 밝기나 분해능, 신호 감쇠 거리와 같은 정량적인 파라미터에 의해 시료와 격막의 거리를 파악할 수 있다. 따라서, 이들 파라미터가 같은 값으로 되도록 시료와 격막의 거리를 조정함으로써, 시료와 격막의 거리를 매번 같게 할 수 있다. 또한, 격막과 시료의 거리를 감시하기 위해서는, 전용의 카메라 등을 부착하는 것을 생각할 수 있지만, 본 실시예에 따르면 카메라 등의 별도 부품을 부착하지 않고 하전 입자선 현미경의 검출 원리를 이용하는 것만으로 격막과 시료의 위치 관계를 파악할 수 있다. 이에 따라 저가로 격막과 시료의 위치 관계를 파악하는 것이 가능해진다.
또, 소프트 머티리얼이나 생체 시료 등의 시료가 부드러운 물질일 경우, 시료와 격막을 접촉시킨 후에 시료와 격막이 접촉한 장소의 관찰을 실시하는 경우가 있다. 이러한 매우 부드러운 시료여도 시료가 격막에 강하게 부딪힌 경우는 격막이 파손될 우려가 있다. 그러나, 상기 설명한 본 실시예에 있어서의 방법을 이용해서 시료와 격막이 근접해 있는 것을 인식한 후에, 완만하게 시료와 격막을 접촉시킨다는 조작이 가능해진다. 이 때문에, 시료와 격막을 접촉시켜서 관찰하는 바와 같은 경우여도, 본 실시예에 있어서의 시료와 격막의 위치 관계를 파악하는 것은 유용하다.
[실시예 2]
본 실시예에서는, 실시예 1에서 기술한 문턱값을 감시해 격막(10)과 시료(6)의 거리를 근접시키는 동작을 장치 자신이 자동으로 행하는 장치에 관해 설명한다. 특히 도 8에서 나타낸 플로에 있어서의 스텝306, 307, 308을 자동으로 실시한다. 또는, 도 11의 스텝806, 807을 자동으로 실시한다. 이하에서는 실시예 1과 마찬가지의 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
도 12에 장치 구성도를 나타낸다. 제어부(60)에 의해서 검출 신호의 인식 및 식별과 시료 스테이지(5)의 제어를 행한다. 제어부(60)에는, 데이터 송수신부(400), 데이터 메모리부(401), 외부 인터페이스(402), 연산부(403) 등으로 구성된다. 데이터 송수신부(400)는 검출 신호의 수신이나 스테이지(5)에 제어 신호를 송신한다. 데이터 메모리부(401)는 화상 신호나 라인프로파일 신호를 저장하는 것이 가능하다. 외부 인터페이스(402)는 모니터(33)나 키보드나 마우스 등의 유저 인터페이스(34) 등과 접속된다. 연산부(403)는 검출 신호를 연산 처리함으로써 화상 신호나 라인프로파일 신호를 인식 및 식별한다. 제어부(60)에서는, 실시예 1 및 본 실시예에서 설명하는 바와 같이, 검출기(3)로부터의 신호 또는 이 신호로부터 생성되는 화상에 의거해서 시료와 격막의 거리를 감시한다. 보다 구체적으로는, 검출 신호의 밝기 정보 혹은 분해능 정보 또는 검출 신호로부터 생성되는 화상의 밝기 혹은 분해능에 의거해서 시료와 격막의 거리를 감시한다. 구체적인 처리 내용은 실시예 1에서 설명한 바와 같다.
제어부(60)는 하드웨어, 소프트웨어 어떠한 방식이어도 실현 가능하다. 또한 아날로그 회로나 디지털 회로가 혼재해 있어도 된다. 검출기(3)에서 취득된 검출 신호는 증폭기(154)에서 증폭되어 데이터 송수신부(400)에 입력된다. 데이터 송수신부(400)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 AD 컨버터를 갖고 있어도 된다. 또한, 데이터 송수신부(400)로부터의 스테이지 제어 신호는 스테이지 제어부(404)를 경유해 시료 스테이지(5)에 보내진다. 또, 도시하지 않지만, 시료(6)가 재치된 시료 스테이지(5)가 움직이는 것에 의해 시료(6)와 격막(10)을 접근시키는 대신에, 격막(10) 및 격막 유지 부재(155)를 도면 중 상하 방향으로 구동시키는 구동 기구에 의해 시료(6)와 격막(10)을 접근시켜도 된다.
모니터(33) 및 유저 인터페이스(34)에서 설정된 문턱값은 외부 인터페이스(402)를 경유해서 데이터 메모리부(401)에 기억된다. 다음으로, 격막과 시료의 접근 조작이 개시되면 시료 스테이지(5)에 제어 신호가 전달되어 격막(10)에 시료(6)가 접근한다. 검출기(3)로부터 입력된 신호는 증폭기(154), 데이터 송수신부(400)를 경유해서 연산부(403)에 입력되고, 연산부(403)에 의해서 데이터 메모리부(401)에 보관된 문턱값 데이터와 비교된다. 연산 처리에 대해서는 실시예 1에서 기술한 바와 같이, 화상 신호의 밝기나 신호 변화를 파라미터로서 이용해도 되고 신호 감쇠 거리(L)를 이용해도 된다. 문턱값에 도달해 있지 않은 경우는 격막(10)과 시료(6)의 접근이 계속된다. 만약, 문턱값에 도달한 경우는 시료의 접근이 정지된다. 이러한 구성으로 함으로써, 도 8에서 도시된 플로에 있어서의 스텝306, 307, 308을 자동으로 실시할 수 있다. 또는 도 11의 스텝806, 807을 자동으로 실시할 수 있다.
도 13에 조작 화면의 일례를 나타낸다. 여기에서는, 격막과 시료의 거리를 측정하기 위한 파라미터 및 문턱값으로서, 신호 밝기(B) 및 화상 분해능(D)을 감시하는 예에 관해 설명한다.
조작 화면(700)은 조건 설정부(701), 화상 표시부(702), 라인프로파일 표시부(703), 화상 조정부(704), 문턱값 설정부(705) 등을 구비한다. 조건 설정부(701)는 조사 에너지(E) 설정부(706), 조사 개시 버튼(707), 조사 정지 버튼(708), 화상 저장 버튼(709), 화상 판독 버튼(710) 등을 구비한다. 화상 표시부(702)에는 화상 정보와, 라인프로파일 표시부(703)에 표시시킬 라인을 결정하는 라인(A)이 표시된다. 라인프로파일 표시부(703)에는 라인프로파일 정보와, 밝기 문턱값(Bz)과 분해능 문턱값(Dz)이 표시된다. 문턱값 설정부(705)는 밝기 문턱값(Bz) 설정부(711), 분해능 문턱값(Dz) 설정부(712), 자동 접근 개시 버튼(713), 자동 접근 정지 버튼(714) 등을 구비한다. 화상 조정부(704)에는 초점 조정부(715), 밝기 조정부(716), 콘트라스트 조정부(717) 등을 구비한다. 조사 에너지(E) 설정부(706)는 제1 조사 에너지(E1)와 제2 조사 에너지(E2)의 두 가지를 간단하게 전환할 수 있도록 전환 버튼 등을 배치해도 된다. 화상 표시부(702) 상의 라인(A)은 조작 마우스나 커서 등으로 움직일 수 있도록 해도 된다. 라인(A)을 화면상에서 움직이면, 라인프로파일 표시부(703)의 정보도 라인(A)의 위치에 따라 갱신된다. 라인프로파일 표시부(703) 상의 밝기 문턱값(Bz)과 분해능 문턱값(Dz)이 점선으로 나타나 있지만, 이 점선 라인을 조작 마우스나 커서 등으로 움직임으로써 이들 문턱값을 설정할 수 있도록 해도 된다. 이 경우, 문턱값 설정부(705)에는 밝기 문턱값(Bz) 설정부(711), 분해능 문턱값(Dz) 설정부(712)는 없어도 되며, 연동해서 수치가 갱신되어도 된다. 화상 관찰 시에는, 화상 조정부(704)의 초점 조정부(715), 밝기 조정부(716), 콘트라스트 조정부(717)를 움직이면 화상 정보가 갱신됨과 함께 라인프로파일 정보도 연동해서 갱신된다.
또한, 화상 표시부(702)에 라인프로파일이 겹쳐져 표시되어 있어도 된다. 이 경우는, 라인프로파일 표시부(703)를 생략할 수 있으므로, 화면(33) 상에 화상 표시부(702)를 크게 표시시킬 수 있다.
도 8의 스텝302에서는 조사 에너지(E) 설정부(706)를 사용해서 일차 하전 입자선의 조사 에너지를 제1 조사 에너지(E1)로 설정한다. 프로세스303에서는 조사 개시 버튼(707)을 사용해서 관찰을 개시한다. 화상 조정부(704)의 초점 조정부(715), 밝기 조정부(716), 콘트라스트 조정부(717)를 사용해서 원하는 화상으로 한다. 전술과 같이, 격막(10)의 근방에 시료(6)를 근접시키므로, 격막(10)이 구비된 토대(9)의 에지인 X1이나 X2에 초점을 맞추면 된다. 다음으로, 밝기 문턱값(Bz) 설정부(711), 분해능 문턱값(Dz) 설정부(712)를 통해서, 검출 신호 또는 검출 신호로부터 생성되는 화상으로부터 얻어지는 파라미터의 문턱값을 설정한다. 그 후, 자동 접근 개시 버튼(713)을 누름으로써 상기 설정된 문턱값까지 격막(10)에 시료(6)가 접근해 간다. 제어부(60)는 시료(6)의 이동 중에 밝기나 화상 분해능 등의 파라미터의 값이 문턱값에 도달했는지의 여부를 감시한다. 문턱값에 도달해 있지 않은 경우는 거리 조정 기구가 구동되어 격막(10)과 시료(6)의 접근이 계속된다. 자동 접근하고 있는 도중에 문턱값에 도달한 경우는 시료의 접근이 정지된다. 자동 접근 도중에 유저가 강제적으로 격막(10)과 시료(6)의 접근을 정지하고자 하는 경우는 자동 접근 정지 버튼(714)을 누름으로써 정지할 수 있다. 문턱값에 도달한 것을 나타내는 메시지나 작은 윈도우를 모니터(33)에 표시해도 된다. 예를 들면, 자동 접근 정지 버튼(714)을 누르지 않고 시료 스테이지(5)를 수동으로 이동시켜 상기 문턱값에 도달한 경우는, 문턱값에 도달한 것을 모니터(33)에 표시시킴으로써, 유저가 문턱값에 도달한 것을 인식하는 것이 가능해진다. 그 후, 조사 에너지(E) 설정부(706)를 사용해서 조사 에너지(E1)를 원하는 제2 조사 에너지(E2)로 변경해서, 조사 에너지(E2)의 일차 하전 입자선의 조사에 의해 고분해능인 관찰을 실시한다.
또, 전술한 신호 감쇠 거리(L)를 이용할 경우에도 마찬가지의 조작 화면에 의해 설정 가능하다. 상기한 밝기나 화상 분해능 대신에 신호 감쇠 거리를 이용해도 되고, 이들과 함께 신호 감쇠 거리(L)도 동시에 감시해도 된다. 이 경우는, 문턱값 설정부의 분해능 문턱값(Dz)을 대용해도 되고, 별개로 문턱값 설정 개소를 준비해도 된다. 또한, 문턱값 설정부(705)에는 신호 감쇠 거리(L)의 설정란이 표시되어도 된다. 이 경우는, 라인프로파일 표시부(703) 상에 신호 감쇠 거리(L)를 지시하는 점선 라인이 표시된다.
본 실시예 또는 다른 실시예에서 기술한 바와 같이 대기압하에서 시료를 관찰하는 하전 입자선 장치는 하전 입자선 장치의 사용에 익숙하지 않은 초심자가 이용할 가능성도 있어, 최적인 화상을 취득 가능한 위치에 시료를 배치하는 것은 반드시 용이하다고는 할 수 없지만, 본 실시예에 따르면 자동적 또는 반자동적으로 시료와 격막의 거리를 조정할 수 있기 때문에, 격막이나 시료를 파손시키지 않고, 간단하며 정확하게 시료 위치의 조정을 할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
이상, 본 실시예에서는 자동으로 격막과 시료를 근접시키는 장치 및 방법에 대해 기술했지만, 각 제어 구성, 배선 경로 및 조작 화면에 관해서는 상기 이외의 장소에 배치되어도 되며, 본 실시예에서 의도하는 기능을 만족시키는 한, 본 실시예의 SEM 내지 하전 입자선 장치의 범주에 속한다.
[실시예 3]
이하에서는, 일반적인 하전 입자선 장치를 간편하게 대기하에서 시료 관찰할 수 있는 장치 구성에 관해 설명한다. 도 14에는 본 실시예의 하전 입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다. 실시예 1과 마찬가지로, 본 실시예의 하전 입자 현미경도, 하전 입자 광학 경통(2), 당해 하전 입자 광학 경통을 장치 설치면에 대해서 지지하는 케이싱(진공실)(7), 시료 스테이지(5) 등에 의해 구성된다. 이들 각 요소의 동작·기능 혹은 각 요소에 부가되는 부가 요소는 실시예 1과 거의 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 구성에서는 케이싱(7)(이하, 제1 케이싱)에 삽입해서 사용되는 제2 케이싱(어태치먼트)(121)을 구비한다. 제2 케이싱(121)은 직방체 형상의 본체부(131)와 맞춤부(132)에 의해 구성된다. 후술하는 바와 같이 본체부(131)의 직방체 형상의 측면 중 적어도 일측면은 개방면(15)으로 되어 있다. 본체부(131)의 직방체 형상의 측면 중 격막 유지 부재(155)가 설치되는 면 이외의 면은, 제2 케이싱(121)의 벽에 의해 구성되어 있어도 되고, 제2 케이싱(121) 자체에는 벽이 없이 제1 케이싱(7)에 조립된 상태에서 제1 케이싱(7)의 측벽에 의해 구성되어도 된다. 제2 케이싱(121)은 제1 케이싱(7)의 측면 또는 내벽면 또는 하전 입자 광학 경통에 위치가 고정된다. 본체부(131)는 관찰 대상인 시료(6)를 격납하는 기능을 지니며, 상기한 개구부를 통해 제1 케이싱(7) 내부에 삽입된다. 맞춤부(132)는, 제1 케이싱(7)의 개구부가 설치된 측면측의 외벽면과의 맞춤면을 구성하며, 진공 봉지 부재(126)를 개재해서 상기 측면측의 외벽면에 고정된다. 이에 따라, 제2 케이싱(121) 전체가 제1 케이싱(7)에 끼워맞춰진다. 상기한 개구부는, 하전 입자 현미경의 진공 시료실에 애초에 구비되어 있는 시료의 반입·반출용의 개구를 이용해서 제조하는 것이 가장 간편하다. 즉, 애초에 뚫려 있는 구멍의 크기에 맞춰서 제2 케이싱(121)을 제조하고, 구멍의 주위에 진공 봉지 부재(126)를 부착하면 장치의 개조가 필요 최소한으로 된다. 또한, 제2 케이싱(121)은 제1 케이싱(7)으로부터 떼어내기도 가능하다.
제2 케이싱(121)의 측면은 대기 공간과 적어도 시료의 출입이 가능한 크기의 면에 의해 연통한 개방면(15)이며, 제2 케이싱(121)의 내부(도면의 점선보다 우측 ; 이후, 제2 공간이라 함)에 격납되는 시료(6)는 관찰 중 대기압 상태에 놓인다. 또, 도 14는 광축과 평행 방향의 장치 단면도이기 때문에 개방면(15)은 한 면만이 도시되어 있지만 도 14의 지면(紙面) 안길이 방향 및 전방 방향의 제1 케이싱의 측면에 의해 진공 봉지되어 있으면, 제2 케이싱(121)의 개방면(15)은 한 면에 한하지 않는다. 제2 케이싱(121)이 제1 케이싱(7)에 조립된 상태에서 적어도 개방면이 한 면 이상 있으면 된다. 한편, 제1 케이싱(7)에는 진공 펌프(4)가 접속되어 있어, 제1 케이싱(7)의 내벽면과 제2 케이싱의 외벽면 및 격막(10)에 의해서 구성되는 폐쇄 공간(이하, 제1 공간이라 함)을 진공 배기 가능하다. 제2 공간의 압력을 제1 공간의 압력보다 크게 유지하도록 격막이 배치됨으로써, 본 실시예에서는 제2 공간을 압력적으로 격리할 수 있다. 즉, 격막(10)에 의해 제1 공간(11)이 고진공으로 유지되는 한편, 제2 공간(12)은 대기압 또는 대기압과 거의 동등한 압력의 가스 분위기로 유지되므로, 장치의 동작 중 하전 입자 광학 경통(2)이나 검출기(3)를 진공 상태로 유지할 수 있으며, 또한 시료(6)를 대기압으로 유지할 수 있다. 또한, 제2 케이싱(121)이 개방면을 가지므로 관찰 중 시료(6)를 자유롭게 교환할 수 있다. 즉, 제1 공간(11)이 진공 상태인 채로 시료(6)를 대기 중에서 이동시키거나 장치 밖으로 출입하는 것이 가능해진다.
제2 케이싱(121)의 상면측에는, 제2 케이싱(121) 전체가 제1 케이싱(7)에 끼워맞춰졌을 경우에 상기 하전 입자 광학 경통(2)의 바로 아래로 되는 위치에 격막(10)을 구비한다. 이 격막(10)은, 하전 입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출되는 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 것이 가능하며, 일차 하전 입자선은 격막(10)을 지나 최종적으로 시료(6)에 도달한다.
제2 케이싱(121)의 내부에는 시료 스테이지(5)가 배치된다. 시료 스테이지(5) 위에는 시료(6)가 배치된다. 격막(10)과 시료(6)의 접근에는 시료 스테이지(5)가 이용된다. 시료 스테이지는 수동으로 조작해도 되고, 시료 스테이지(5)에 전동 모터 등의 구동 기구를 구비시켜서 장치 외부로부터 전기 통신으로 조작해도 된다.
이상과 같이, 격막을 구비한 어태치먼트부를 도입함으로써, 일반적인 진공하에서의 촬상을 행하는 하전 입자선 장치를 이용해 대기압 또는 가스 분위기에서 시료 관찰하는 것이 가능하다. 또한, 본 실시예의 어태치먼트는 시료실의 측면으로부터 삽입하는 방식이기 때문에 대형화가 용이하다.
본 실시예의 장치 구성에 의해서도, 실시예 1, 2에 기술한 방법에 의해, 격막이나 시료를 파손시키지 않고, 간단하며 정확하게 시료 위치의 조정을 할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
[실시예 4]
도 15에는 본 실시예의 하전 입자 현미경의 전체 구성도를 나타낸다. 실시예 3과 마찬가지로 본 실시예의 하전 입자 현미경도, 하전 입자 광학 경통(2), 당해 하전 입자 광학 경통을 장치 설치면에 대해서 지지하는 제1 케이싱(진공실)(7), 제1 케이싱(7)에 삽입해서 사용되는 제2 케이싱(어태치먼트)(121), 제어계 등에 의해 구성된다. 이들 각 요소의 동작·기능 혹은 각 요소에 부가되는 부가 요소는 실시예 1이나 2와 거의 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
본 실시예의 하전 입자 현미경의 경우, 제2 케이싱(121)의 적어도 일측면을 이루는 개방면을 덮개 부재(122)로 덮을 수 있게 되어 있어 각종 기능을 실현할 수 있다. 이하에서는 그에 대해 설명한다.
본 실시예의 하전 입자 현미경은, 시료 위치를 변경함으로써 관찰 시야를 이동시키는 수단으로서의 시료 스테이지(5)를 덮개 부재(122)에 구비하고 있다. 시료 스테이지(5)에는 면 내 방향에의 XY 구동 기구 및 높이 방향에의 Z축 구동 기구를 구비하고 있다. 덮개 부재(122)에는 시료 스테이지(5)를 지지하는 저판으로 되는 지지판(107)이 부착되어 있으며, 시료 스테이지(5)는 지지판(107)에 고정되어 있다. 지지판(107)은 덮개 부재(122)의 제2 케이싱(121)에의 대향면을 향해서 제2 케이싱(121)의 내부를 향해 연신(延伸)되도록 부착되어 있다. Z축 구동 기구 및 XY 구동 기구로부터는 각각 지지축이 연장되어 있으며, 각각 덮개 부재(122)가 갖는 조작 손잡이(108) 및 조작 손잡이(109)와 이어져 있다. 장치 유저는 이들 조작 손잡이(108, 109)를 조작함으로써 시료(6)의 제2 케이싱(121) 내에서의 위치를 조정한다.
본 실시예의 하전 입자 현미경에 있어서는, 제2 케이싱 내에 치환 가스를 공급하는 기능 또는 제1 공간(11)이나 장치 외부인 외기와는 다른 기압 상태를 형성 가능한 기능을 구비하고 있다. 하전 입자 광학 경통(2)의 하단으로부터 방출된 하전 입자선은, 고진공으로 유지된 제1 공간을 지나 격막(10)을 통과하며, 또한 대기압 또는 (제1 공간보다) 저진공도로 유지된 제2 공간에 침입한다. 그 후, 시료(6)에 하전 입자선이 조사된다. 대기 공간에서는 전자선이 기체 분자에 의해서 산란되기 때문에 평균 자유 행정은 짧아진다. 즉, 격막(10)과 시료(6)의 거리가 크면, 일차 하전 입자선, 또는 하전 입자선 조사에 의해 발생하는 이차 전자, 반사 전자 혹은 투과 전자 등이 시료 및 검출기(3)까지 닿지 않게 된다. 한편, 하전 입자선의 산란 확률은 기체 분자의 질량수나 밀도에 비례한다. 따라서, 대기보다 질량수가 가벼운 가스 분자로 제2 공간을 치환하거나, 약간만 진공 배기하는 것을 행하면, 전자선의 산란 확률이 저하되어 하전 입자선이 시료에 도달할 수 있게 된다. 또한, 제2 공간의 전체는 아니어도, 적어도 제2 공간 중의 하전 입자선의 통과 경로, 즉 격막(10)과 시료(6) 사이의 대기를 가스 치환 또는 진공 배기할 수 있으면 된다.
이상의 이유에서, 본 실시예의 하전 입자 현미경에서는 덮개 부재(122)에 가스 공급관(100)의 부착부(가스 도입부)를 설치하고 있다. 가스 공급관(100)은 연결부(102)에 의해 가스봄베(103)와 연결되어 있으며, 이에 따라 제2 공간(12) 내에 치환 가스가 도입된다. 가스 공급관(100)의 도중에는 가스 제어용 밸브(101)가 배치되어 있어 관 내를 흐르는 치환 가스의 유량을 제어할 수 있다. 이를 위해 가스 제어용 밸브(101)로부터 하위 제어부(37)로 신호선이 연장되어 있으며, 장치 유저는 컴퓨터(35)의 모니터 상에 표시되는 조작 화면에서 치환 가스의 유량을 제어할 수 있다. 또한, 가스 제어용 밸브(101)는 수동으로 조작해서 개폐해도 된다.
치환 가스의 종류로서는, 질소나 수증기 등 대기보다 가벼운 가스이면 화상 S/N의 개선 효과가 보이지만, 질량이 보다 가벼운 헬륨 가스나 수소 가스 쪽이 화상 S/N의 개선 효과가 크다.
치환 가스는 경원소 가스이기 때문에 제2 공간(12)의 상부에 모이기 쉬워 하측은 치환하기 어렵다. 그래서, 덮개 부재(122)에서 가스 공급관(100)의 부착 위치보다 하측에 제2 공간의 내외를 연통하는 개구를 설치한다. 예를 들면 도 15에서는 압력 조정 밸브(104)의 부착 위치에 개구를 설치한다. 이에 따라, 가스 도입부로부터 도입된 경원소 가스에 밀려서 대기 가스가 하측의 개구로부터 배출되기 때문에, 제2 케이싱(121) 내를 효율적으로 가스로 치환할 수 있다. 또, 이 개구를 후술하는 러핑 배기 포트와 겸용해도 된다.
전술한 개구 대신에 압력 조정 밸브(104)를 설치해도 된다. 당해 압력 조정 밸브(104)는 제2 케이싱(121)의 내부 압력이 1기압 이상으로 되면 자동적으로 밸브가 열리는 기능을 갖는다. 이러한 기능을 갖는 압력 조정 밸브를 구비함으로써, 경원소 가스의 도입 시, 내부 압력이 1기압 이상으로 되면 자동적으로 열려 질소나 산소 등의 대기 가스 성분을 장치 외부로 배출해, 경원소 가스를 장치 내부에 충만시키는 것이 가능해진다. 또, 도시한 가스봄베 또는 진공 펌프(103)는 하전 입자 현미경에 비치되는 경우도 있고 장치 유저가 사후적으로 부착하는 경우도 있다.
또한, 헬륨 가스나 수소 가스와 같은 경원소 가스여도 전자선 산란이 큰 경우가 있다. 그 경우는 가스봄베(103)를 진공 펌프로 하면 된다. 그리고, 약간만 진공 배기함으로써 제2 케이싱 내부를 극저진공 상태(즉 대기압에 가까운 압력의 분위기)로 하는 것이 가능해진다. 즉, 제1 격막(10)과 시료(6) 사이의 공간을 진공으로 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제2 케이싱(121) 또는 덮개 부재(122)에 진공 배기 포트를 설치해 제2 케이싱(121) 내를 약간만 진공 배기한다. 그 후 치환 가스를 도입해도 된다. 이 경우의 진공 배기는, 제2 케이싱(121) 내부에 잔류하는 대기 가스 성분을 일정량 이하로 줄일 수 있으면 되므로 고진공 배기를 행할 필요는 없으며 러핑 배기로 충분하다.
또한, 도시하지 않지만, 봄베(103)부는 가스봄베와 진공 펌프를 복합적으로 접속한 복합 가스 제어 유닛 등이어도 된다. 도시하지 않지만 시료(6)를 가열하기 위한 가열 기구를 제2 케이싱(121) 내부에 배치해도 된다.
또한, 이차 전자 검출기나 반사 전자 검출기에 부가해서, X선 검출기나 광 검출기를 설치해 EDS 분석이나 형광선의 검출을 할 수 있도록 해도 된다. X선 검출기나 광 검출기는 제1 공간(11) 또는 제2 공간(12)의 어느 쪽에 배치되어도 된다.
이렇게 본 장치 구성에서는, 시료가 재치된 공간을 대기압(약 105Pa)으로부터 약 103Pa까지의 임의의 진공도로 제어할 수 있다. 종래의 소위 저진공 주사 전자 현미경에서는, 전자선 칼럼과 시료실이 연통해 있으므로, 시료실의 진공도를 낮춰서 대기압에 가까운 압력으로 하면 전자선 칼럼 중의 압력도 연동해서 변화해버려, 대기압(약 105Pa)∼약 103Pa의 압력으로 시료실을 제어하는 것은 곤란했다. 본 실시예에 따르면, 제2 공간과 제1 공간을 박막에 의해 격리하고 있으므로, 제2 케이싱(121) 및 덮개 부재(122)에 둘러싸인 제2 공간(12) 중의 분위기의 압력 및 가스 종류는 자유롭게 제어할 수 있다. 따라서, 지금까지 제어하는 것이 어려웠던 대기압(약 105Pa)∼약 103Pa의 압력으로 시료실을 제어할 수 있다. 또한, 대기압(약 105Pa)에서의 관찰뿐만 아니라, 그 근방의 압력으로 연속적으로 변화시켜 시료의 상태를 관찰하는 것이 가능해진다. 즉, 본 실시예에 따른 구성은 전술까지의 구성에 비해 제2 케이싱 내부의 제2 공간(12)이 닫혀 있다는 특징을 지닌다. 그 때문에, 예를 들면 격막(10)과 시료(6) 사이에 가스 도입하며, 또는 진공 배기하는 것이 가능한 하전 입자선 장치를 제공하는 것이 가능해진다.
본 실시예에서는, 시료 스테이지(5) 및 그 조작 손잡이(108, 109), 가스 공급관(100), 압력 조정 밸브(104), 이음부(310)가 모두 덮개 부재(122)에 집약해서 부착되어 있다. 따라서 장치 유저는, 상기 조작 손잡이(108, 109)의 조작, 시료의 교환 작업, 또는 가스 공급관(100), 압력 조정 밸브(104)의 조작을 제1 케이싱의 같은 면에 대해 행할 수 있다. 따라서, 상기 구성물이 시료실의 다른 면에 뿔뿔이 흩어져서 부착되어 있는 구성의 하전 입자 현미경에 비해 조작성이 매우 향상되어 있다.
이상 설명한 구성에 부가해서, 제2 케이싱(121)과 덮개 부재(122)의 접촉 상태를 검지하는 접촉 모니터를 설치해 제2 공간이 닫혀 있는 또는 열려 있는 것을 감시해도 된다.
이상, 본 실시예의 장치는, 실시예 1이나 2나 3의 효과에 부가해 대기압으로부터 원하는 치환 가스 종류 또는 원하는 압력하에서의 관찰이 가능하다. 또한, 제1 공간과는 다른 압력의 분위기하에서의 시료 관찰이 가능하다. 또한, 격막을 떼어내서 제1 공간과 제2 공간을 연통시킴으로써, 대기 또는 소정의 가스 분위기하에서의 관찰에 부가해 제1 공간과 같은 진공 상태에서의 시료 관찰도 가능한 SEM이 실현된다. 본 실시예의 장치 구성에 의해서도, 실시예 1, 2에 기술한 방법에 의해, 격막이나 시료를 파손시키지 않고, 간단하며 정확하게 시료 위치의 조정을 할 수 있다는 효과를 발휘할 수 있다.
또한, 실시예 1에서는 하전 입자선의 평균 자유 공정을 변경하기 위해 조사 에너지를 변경함으로써 격막과 시료의 거리를 파악했다. 본 실시예에서의 경우, 하전 입자선의 평균 자유 공정을 변경하는 것이 가능한 가스를 도입하는 것이 가능하다. 예를 들면, 경원소 가스 등의 헬륨 가스의 경우, 대기 성분보다 10배 이상 평균 자유 공정이 커진다. 그 때문에, 실시예 1에 있어서 조사 에너지를 변경하는 대신에 격막과 시료간에 있어서의 가스 종류를 변경함으로써, 격막과 시료간의 거리를 추정해도 된다. 이 경우, 그 밖의 처리 및 스텝에 대해서는 실시예 1과 마찬가지로 행하면 된다.
[실시예 5]
본 실시예에서는, 실시예 1의 변형예인 하전 입자 광학 경통(2)이 격막(10)에 대해서 하측에 있는 구성에 관해 설명한다. 도 16에 본 실시예의 하전 입자 현미경의 구성도를 나타낸다. 진공 펌프나 제어계 등은 생략해서 도시한다. 또한, 진공실인 케이싱(7), 하전 입자 광학 경통(2)은 장치 설치면에 대해서 기둥이나 받침 등에 의해 지지되어 있는 것으로 한다. 각 요소의 동작·기능 또는 각 요소에 부가되는 부가 요소는 전술한 실시예와 거의 마찬가지이므로 상세한 설명은 생략한다.
도 16의 (a)에 나타내는 바와 같이, 본 장치에는 시료(6)를 격막(10)에 접근시키는 시료 스테이지(5)가 구비되어 있다. 본 실시예의 장치 구성에서는 도면 중 시료(6) 하측의 시료면이 관찰되게 된다. 환언하면, 본 실시예의 장치 구성에서는 장치 위쪽이 대기압 공간으로서 개방되어 있다. 이 경우도 실시예 1, 2에서 설명한 방법에 의해 격막과 시료의 거리를 조정할 수 있다.
도 16의 (b)와 같이, 시료(6)를 직접 격막(10)측에 탑재해도 된다(도면 중 화살표). 이 경우는 반드시 시료 스테이지(5)는 필요하지는 않다. 본 실시예에 실시예 1, 2에서 설명한 방법을 적용해 격막과 시료(6)를 접근시키기 위해서는, 격막(10)과 시료(6) 사이에 두께가 규정되어 성막된 박막이나 착탈 가능한 박재(箔材) 등의 접촉 방지 부재(56)를 이용한다. 이 경우에는 접촉 방지 부재(56)가 실시예 1, 2에서 기술한 거리 조정 기구에 해당한다. 접촉 방지 부재(56)를 두는 것에 의해 시료(6)를 안심하고 배치하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 다양한 기지의 두께의 접촉 방지 부재(56)를 복수 개 준비한다. 최초에, 두께가 t1인 접촉 방지 부재(56)를 토대(9) 위에 배치한다. 다음으로, 시료(6)를 탑재한다. 조사 에너지(E1)로 관찰을 실시한다. 만약, 시료와 격막의 거리가 커 원하는 화상(또는 문턱값)이 얻어지지 않을 경우에는 두께가 t1보다 얇은 t2인 접촉 방지 부재(56)를 이용해서 실시한다. 이것을 반복해서 원하는 화상(또는 문턱값)으로 될 때까지, 보다 적합한 두께의 접촉 방지 부재(56)로 교환한다. 마지막으로, 조사 에너지(E2(>E1))로 관찰을 실시한다. 이에 따라, 격막(10)과 시료(6)를 접촉시켜 파손시키지 않고 관찰을 실시하는 것이 가능해진다.
[실시예 6]
실시예 1에서는, 하전 입자선이 대기 성분에 의해서 산란되는 원리를 이용해서 격막-시료간의 거리를 파악하는 방법에 대해 설명했다. 한편, 하전 입자선이 대기 성분에 의해서 산란되는 원리를 사용함으로써, 격막 아래의 가스 종류나 압력 상태를 하전 입자선에 의해 분석하는 것도 가능하다. 즉, 격막-시료간의 거리도 격막 아래의 가스 종류나 압력 상태도 격막 아래의 비진공 분위기 공간의 정보의 일종으로 파악하면, 마찬가지로 산란 원리를 사용함으로써 하전 입자 검출기로부터의 신호를 이용해서 분석하는 것이 가능하다고 할 수 있다. 그래서, 본 실시예에서는, 하전 입자선을 이용해 비진공 공간에 있는 기체 상태를 분석하는 방법에 대해 설명한다. 또, 시료가 기체가 아닐 경우에도 증발시키는 등의 전처리를 행함으로써 기체 상태로 하면 본 실시예의 적용이 가능하다. 본 실시예는 기체의 종류나 압력을 분석하는 것이기 때문에, 질량 분석 장치나 특정 기체의 양이나 유무를 검지하는 가스 센서의 일종이라고 할 수도 있다. 본 실시예에서는 분석 대상인 가스에 대해 하전 입자선을 조사함으로써 가스를 분석한다는 점에서 종래의 질량 분석 장치나 가스 센서와는 크게 다른 원리를 이용한 것이다.
임의의 공간에 존재해 있는 기체 가스 종류나 가스 압력 등을 조사하기 위해서는 가스 질량 분석기나 가스 크로마토그래프피 등이 일반적이다. 이러한 기술은 분석하고자 하는 가스를 진공 공간에 있는 분석실에 도입한 후에 분석한다. 예를 들면, 종래기술에서는, 차동(差動) 배기를 행하면서 분석하고자 하는 가스를 진공 내에 도입한 후, 가스를 전리시켜서 분석하는 장치 구성이 알려져 있다.
그러나, 이들 공지 기술에서는 가스를 분석실에 넣을 필요가 있기 때문에, 가스를 도입하기 위한 기구 등이 필요해져 장치의 소형화를 하는 것이 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 진공 공간인 분석실에 시료를 도입하기 때문에, 만일 시료에 의해 분석실이 오염되면 분석실의 클리닝이나 교환이 필요해지게 된다. 그 때문에, 시료에 대해서 충분한 전처리를 행하는 것이 필요했다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 실시예에서는, 하전 입자선을 발생시키는 하전 입자선원과, 상기 하전 입자선을 통과 또는 투과하는 격막을 구비한 장치에 있어서, 상기 격막을 통과 또는 투과한 하전 입자선을 분석 대상으로 하는 시료 가스가 존재하는 비진공 공간에 조사해, 상기 하전 입자선의 산란량에 따라서 얻어지는 신호의 양에 의거해 상기 비진공 공간에 존재하는 가스의 압력 또는 종류 또는 가스의 유무를 분석하는 것을 특징으로 한다.
본 실시예에 있어서의 기술을 이용하면, 격막을 이용함으로써 진공과 대기를 분리 가능하게 해서, 격막 너머로 분석 대상인 가스에 대해 하전 입자선을 조사함으로써, 가스의 유무나 가스 종류나 가스 압력 등을 간단히 분석하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 가스를 진공 공간인 분석실에 넣을 필요가 없다는 특징을 갖고 있다.
최초에, 도 17을 이용해서 하전 입자선에 의해 가스 종류나 가스 압력을 분석, 계측, 또는 관찰할 수 있는 장치 구성에 대해 기재한다. 도 17에서는 하전 입자선을 방출하기 위한 하전 입자원(8)과, 하전 입자원(8)을 구비한 하전 입자 광학 경통(800) 및 격막(10)을 구비한다. 하전 입자 광학 경통(800) 내부는 미리 진공 배기되어 있거나, 도시하지 않는 진공 펌프로 배기되어 있어도 된다. 진공 펌프에 의해 배기 가능하면, 격막(10) 대신에 애퍼처(하전 입자선의 통과 구멍)를 이용하는 것도 가능하다. 하전 입자원(8)으로부터의 하전 입자선의 방출은, 하전 입자선원의 가열에 의해 행해도 되고, 도시하지 않는 고압 전극에 의해서 인출해도 된다. 이 고압 전극이나 하전 입자원(8)에는 가속 전압을 조정하는 수단을 구비하고 있어도 된다. 하전 입자 광학 경통(800) 내부에는 실시예 1 내지 5에서 나타낸 하전 입자선 현미경과 같은 광학 렌즈(808)를 구비해도 된다. 광학 렌즈(808)는 하전 입자원(8)으로부터의 하전 입자선의 방출 상태나 궤도 및 초점을 변경하는 것이 가능한 전자장(電磁場) 렌즈 등이다. 또한 이 부품들은 제어부에 접속되어 있어 각각 작동 조건이 제어되어도 된다. 하전 입자선을 검출 가능한 검출기로서, 검출기(802)와, 격막(10)으로부터 일정 거리 떨어진 장소에 배치된 검출기(803)가 도시되어 있다. 상기 검출기는 어느 한쪽이어도 되고, 양방 있어도 된다. 검출기(803)는 배치되는 위치에 따라 검출되는 하전 입자수가 변해가므로, 검출기의 위치를 조정하는 것이 가능한 도시하지 않는 위치 조정 기구를 구비해도 된다. 격막(10) 아래에는 분석될 가스(804)가 존재한다. 가스(804)는 하전 입자 광학 경통(800)이 배치되는 장소의 가스를 분석해도 되고, 도면 중 가로 방향으로부터 가스를 흘려보내는 가스 도입부(805)를 구비해도 된다. 검출기(802 또는 803)는 하전 입자선을 검지할 수 있는 검출 소자이다. 검출기(802, 803)는 증폭하는 기능을 더 구비해도 되고 증폭기가 접속되어 있어도 된다. 검출기(802, 803)는, 예를 들면 실리콘 등의 반도체 재료로 만들어진 반도체 검출기나, 유리면 또는 내부에서 하전 입자 신호를 광으로 변환하는 것이 가능한 신틸레이터 등이다. 검출기(802)나 검출기(803)에서 검출된 신호는 배선(807) 등을 경유해 계측기(806) 등에서 검출된다.
우선, 분석 대상으로 하는 시료가 기체가 아닐 경우에는, 별도 설치된 가스화 장치에 의해 온도나 압력을 제어하는 등의 전처리를 시료에 실시함으로써 시료를 가스화한다. 다음으로, 분석 대상으로 하는 시료 가스를 격막 아래에 비진공 공간에 도입한다. 또, 가스가 발생할 듯한 장소에 배치해서 가스 발생의 유무를 검지하고자 하는 경우 등은 전술한 가스화 장치나 가스 도입부(805) 등은 반드시 필요하지는 않다.
하전 입자선의 산란에 영향을 주는 부분은 하전 입자선의 광축의 연장선상에 있는 격막 바로 아래의 공간뿐이므로, 이 국소 공간에 도입할 수 있으면 된다. 그 때문에, 시료가 미량이어도 분석 가능하다. 환언하면, 본 실시예의 방법에 의해 국소적인 공간의 가스압 또는 가스 종류를 분석할 수 있다. 또, 여기에서 국소적인 공간이란 하전 입자선이 투과 가능한 거리를 높이로 하며, 격막 면적을 저면으로 하는 직방체상의 영역의 스케일이다. 실시예 1의 식 4에서 기술한 바와 같이 하전 입자선의 평균 자유 공정은 하전 입자선의 에너지에 비례한다. 예를 들면, 가속 전압 5㎸일 경우에 대기 가스 1기압하에서의 평균 자유 공정은 15㎛ 정도로 된다. 이 때문에, 전술한 직방체상의 스케일은 격막의 면적×15㎛ 정도로 된다. 단, 하전 입자 광학 경통(800) 내부의 광학 렌즈(808)에 의해 하전 입자선의 빔 직경이 포커스되어 있는 것이면, 더 작은 영역의 가스의 분석이 가능해진다. 예를 들면, 하전 입자선의 빔을 좁혀서 1㎛2만 조사하면 15㎛×1㎛×1㎛의 매우 작은 영역의 가스 분석을 하게 된다.
하전 입자원(8)으로부터 방출되어 격막(10)을 통과 또는 투과한 하전 입자선은 격막(10) 바로 아래의 가스에 의해 산란을 받는다. 그 때문에, 격막 아래에 존재하는 기체 분자의 종류나 양에 따라 검출기(802) 또는 검출기(803)에서 검출되는 하전 입자수가 변화한다. 예를 들면, 격막 아래에 존재하는 가스(804)의 밀도가 큰 경우는, 많은 하전 입자선이 산란을 받으므로 반사 하전 입자로서 보다 많은 하전 입자가 검출기(802)로 되돌아온다. 이 때문에 검출기(802)의 출력 신호는 커진다. 기체의 밀도가 큰 경우란, 기체의 압력이 클 때나 기체 분자의 질량수가 클 때 등이다. 반대로 격막 아래에 존재하는 기체의 밀도가 작은 경우는 하전 입자선은 그다지 산란을 받지 않는다. 그 결과, 검출기(802)에서 검출되는 산란되어 온 하전 입자수가 상대적으로 적어 검출기(802)의 출력 신호는 상대적으로 작아진다.
검출기(803)에서는 기체 분자가 존재하는 공간을 투과해 온 하전 입자선을 취득하게 된다. 따라서, 격막(10)과 검출기(803)간에 존재하는 가스(804)의 밀도가 큰 경우는, 검출기(803)에 도달할 수 있는 하전 입자수가 적어져 검출기(803)로부터의 출력 신호는 작아진다. 한편, 격막(10)과 검출기(803)간에 존재하는 기체의 밀도가 작은 경우는, 검출기(803)에 도달할 수 있는 하전 입자수가 많아져 검출기(803)로부터의 출력 신호는 커진다. 이러한 신호를 검출해서 그 신호의 크기를 분석하거나 비교하거나 함으로써, 격막(10) 아래의 가스 상태를 분석하는 것이 가능해진다.
검출기(802)나 검출기(803)에서 취득한 신호는 각 검출기에서 검출한 하전 입자의 양에 대응하는 크기로 되기 때문에, 이 신호를 계측기(806) 등에서 분석함으로써 수치나 그래프로서 출력한다. 예를 들면, 하전 입자선을 일정 시간 계속 조사해서 신호량의 변화를 취득하는 것이 가능하므로, 가로 축이 시간이고 세로 축을 신호량으로 하는 그래프가 표시 가능해진다. 세로 축은 산란 신호량이지만, 하전 입자선의 산란은 가스의 원자량(Z)과 압력(P)으로 결정된다. 그 때문에, 압력(P)이 일정하면 세로 축은 원자량(Z)으로 해도 된다. 또는, 가스 종류가 기지이면 세로 축을 압력(P)으로 해도 된다. 또한 돌발적으로 발생한 가스 등을 검지하는 경우는, 그래프나 수치를 표시시키지 않고, 또는 그 대신에, 또는 그에 부가해서, 광이나 부저음 등으로 가스의 유무를 알려도 된다. 이 수치나 그래프는 계측기(806)에 접속된 도시하지 않은 컴퓨터의 모니터 등에 의해 표시된다.
또, 전술한 검출 신호의 수치나 그래프를 취득할 때는 하전 입자선의 조사량에 변동이 있으면 잘못된 정보로 된다. 그 때문에, 하전 입자원(8)으로부터의 전류량을 감시하면 된다. 전류량의 감시는, 도시하지 않는 격막의 토대나 하전 입자 광학 경통(800)의 어딘가 등 격막(10)이 아닌 장소에 일단 하전 입자선을 조사시켜 검출기(802)에서 반사 하전 입자를 검출 또는 흡수 전류 등을 취득해서 행한다. 일차 하전 입자선의 모니터링은 상시 또는 정기적으로 실시된다. 이 작업은 유저가 실시해도 되고 자동적으로 모니터링해도 된다.
또한, 하전 입자 광학 경통(800)의 구성이 도 1이나 도 15와 같이 하전 입자선의 궤도나 초점 등을 변경하는 것이 가능한 광학 렌즈나 화상을 표시하기 위한 제어부를 구비하고 있는 것이면, 화상을 취득해서 그 밝기로부터 가스 분석을 해도 된다. 일례로서, 검출기(3)에서 검출된 신호로부터 화상화한 실험 결과를 도 18에 나타낸다. 도 18은 도 15의 장치 구성에 있어서 시료(6)가 격막(10) 아래에 없는 상태에서 격막(10) 아래의 기체의 압력을 0.1기압, 0.5기압, 1.0기압으로 변경한 경우의 예이다. 이 경우 검출기(3)는 격막보다 하전 입자원측(진공 공간)에 위치한다. 격막(10) 아래의 기체의 압력이 0.1기압일 경우에는 검출기(3)로 되돌아오는 하전 입자수가 적으므로 화상 밝기로서는 어둡게 보인다. 한편, 격막(10) 아래의 기체의 압력이 1.0기압일 경우에는 검출기(3)로 되돌아오는 하전 입자수는 많아지므로 화상 밝기로서는 밝게 보인다. 이에 따라, 검출기(3)에 의해서 검출되는 화상 밝기로부터 가스 압력을 알 수 있는 것이 개시되었다.
전술에서는 가스 압력에 대해 기술했지만 가스 종류에 있어서도 마찬가지이다. 예를 들면, 헬륨 가스와 아르곤 가스를 비교했을 경우, 헬륨 가스는 아르곤 가스와 비교해 원자의 크기가 매우 보다 작기 때문에 하전 입자선의 산란은 그다지 받지 않는다. 반대로 아르곤 가스는 헬륨 가스보다 원자의 크기가 매우 크므로 하전 입자선은 많이 산란된다. 이 산란량을 검출기(802)나 검출기(803) 등에 의해서 검출함으로써 가스 종류의 분석이 가능해진다.
도 19에 본 실시예를 이용한 가스 검출을 하기 위한 다른 구성을 나타낸다. 본 실시예에 있어서의 방법을 이용하면, 매우 미소한 영역의 가스를 분석하는 것이 가능하기 때문에, 도 19의 (a)와 같이 받침대(812) 위의 매우 미세한 영역으로부터 발생한 특정 부위(811)로부터 발생한 가스(804)의 분석이 가능해진다. 예를 들면, 촉매 개발 등에 있어서 효과적인 촉매를 발견하고자 하는 경우 등은, 받침대(812) 위에 다양한 종류의 촉매를 배치하고 이것을 격막(10)의 아래에 배치함으로써, 전술한 다양한 종류의 촉매 반응 효과를 관찰하는 것 등이 가능해진다. 이 경우는, 실시예 1 내지 5에서 기재한 바와 같은 시료 스테이지(5)에 받침대(812)를 재치하고, 시료 스테이지(5)를 이동시킴으로써 격막(10) 아래에 배치할 수 있다. 또한, 스테이지를 이동시켜서 받침대(812)를 하전 입자선으로 스캐닝하고, 스캐닝 위치와 대응시켜서 검출기로부터의 신호량의 변화를 분석함으로써, 가스가 발생해 있는 특정의 영역을 검지하는 것도 가능하다. 또, 시료 스테이지(5)나 받침대(812)에 온도를 변화시키는 것이 가능한 온도 히터 등을 구비해도 된다. 또한, 도 19의 (b)와 같이, 격막(809)을 구비한 가스 밀폐 용기(810) 내부에 분석하고자 하는 가스(804)를 넣고, 이 가스 밀폐 용기(810)를, 개구부(813)를 구비한 하전 입자 광학 경통(800)에 부착하는 구성으로 해도 된다. 이 경우, 격막(809)은 가스 밀폐 용기에 부착되며, 하전 입자선이 조사되는 측에 격막이 배치된다. 분석하고자 하는 가스(814) 이외의 가스에 하전 입자선이 닿지 않도록, 개구부(813)에 격막(809)을 구비한 가스 밀폐 용기(810)를 접근 또는 접촉시켜서 가스를 분석한다. 개구부(813)를 충분히 작게 하고, 도시하지 않는 진공 펌프에 의해 하전 입자 광학 경통(800) 내부가 진공으로 유지되어도 된다. 또한, 도 19의 (c)와 같이, 하전 입자 광학 경통(800)에 격막(10)이 구비되어 있고, 여기에 전술한 격막(809)을 구비한 가스 밀폐 용기(810)를 접근시켜 분석해도 된다. 이 경우는, 하전 입자 광학 경통(800) 내부는 항상 진공으로 유지되므로, 도시하지 않은 하전 입자 광학 경통(800)용의 진공 펌프의 배기 속도는 작아도 된다는 특징이 있다. 또, 전술과 같이, 매우 작은 영역의 가스 분석을 할 수 있으므로 가스 밀폐 용기(810)를 매우 작게 할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 방법에 따르면 분석하고자 하는 가스(814)도 매우 적어도 된다.
본 실시예에 따르면, 진공 공간으로 되어 있는 것은 하전 입자 광학 경통(800)뿐이며, 비진공 공간에 있는 시료를 분석할 수 있다. 이 때문에, 분석실을 진공화하기 위한 장치나 시료를 분석실에 도입하기 위한 기구를 불필요 또는 간략화할 수 있어 장치의 소형화가 가능하다. 특히 진공 공간인 하전 입자 광학 경통 내부는 격막이 파손되지 않는 한 진공으로 유지되어 있기 때문에 소형화에 의해 포터블로 하는 것도 가능하다. 또한, 시료는 비진공 공간 내에 있기 때문에 시료 도입에 의해 진공실이 오염되지 않는다. 또한 가령 격막이 오염 또는 파손되었다고 해도, 격막 자체는 저가이기 때문에 이것을 교환함으로써 간단히 오염이 없는 상태로 복원할 수 있다.
또한, 도 20과 같이, 전자 현미경 등의 일반적인 하전 입자선 장치의 진공 공간(814) 중에 격막(809)이 구비되며 내부에 분석하고자 하는 가스(804)가 내포된 가스 밀폐 용기(810)를 넣어도 된다. 이 경우도 상기한 방법과 마찬가지의 신호 처리에 의해 가스 분석이 가능해진다. 이 경우, 기존의 일반적인 하전 입자선 장치를 사용할 수 있으므로, 가스 밀폐 용기(810)에 분석하고자 하는 가스(804)를 넣기만 하면 되게 되어, 새로운 장치를 도입하지 않고 매우 간단하게 가스를 분석하는 것이 가능해진다.
본 실시예의 분석 방법은, 특히 식품 분야, 의료용 분야, 재료 분석, 화학 공업 분야 등 가스를 분석하는 분야에서 폭넓게 이용 가능하다. 또한, 본 실시예에 있어서의 장치를 매우 소형인 장치로 하면, 건물이나 탈것에 부착함으로써 가스의 유무 등을 검지하는 가스 센서로서도 이용 가능하다.
또, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세히 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하며, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 부가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다. 또한, 상기한 각 구성, 기능, 처리부, 처리 수단 등은 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들면 집적 회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어로 실현해도 된다. 또한, 상기한 각 구성, 기능 등은 프로세서가 각각의 기능을 실현하는 프로그램을 해석하고 실행함으로써 소프트웨어로 실현해도 된다.
각 기능을 실현하는 프로그램, 테이블, 파일 등의 정보는, 메모리나, 하드디스크, SSD(Solid State Drive) 등의 기록 장치, 또는, IC 카드, SD 카드, 광디스크 등의 기록 매체에 둘 수 있다.
또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 상호 접속되어 있는 것으로 생각해도 된다.
1 : 광학 렌즈 2 : 하전 입자 광학 경통
3 : 검출기 4 : 진공 펌프
5 : 시료 스테이지 6 : 시료
7 : 케이싱 8 : 하전 입자원
9 : 토대 10 : 제1 격막
11 : 제1 공간 12 : 제2 공간
14 : 리크 밸브 16 : 진공 배관
17 : 스테이지 지지대 18 : 지주
19 : 덮개 부재용 지지 부재 20 : 저판
33 : 모니터 34 : 키보드나 마우스 등의 유저 인터페이스
35 : 컴퓨터 36 : 상위 제어부
37 : 하위 제어부 43, 44, 45 : 통신선
52 : 시료대 53 : 광축
56 : 접촉 방지 부재 59 : 조사 에너지 제어부
60 : 제어부 100 : 가스 공급관
101 : 가스 제어용 밸브 102 : 연결부
103 : 가스봄베 또는 진공 펌프
104 : 압력 조정 밸브 107 : 지지판
108, 109 : 조작 손잡이 121 : 제2 케이싱
122, 130 : 덮개 부재
123, 124, 125, 126, 128, 129 : 진공 봉지 부재
131 : 본체부 132 : 맞춤부
154 : 신호 증폭기 155 : 격막 유지 부재
200 : 광축 201 : 일차 하전 입자선
202 : 일차 하전 입자선 203 : 이차적 하전 입자
210 : 조사 에너지(E1)일 때의 신호 밝기 변화
211 : 조사 에너지(E2)일 때의 신호 밝기 변화
212 : 조사 에너지(E1)일 때의 화상 분해능 변화
213 : 조사 에너지(E2)일 때의 화상 분해능 변화
400 : 데이터 송수신부 401 : 데이터 메모리부
402 : 외부 인터페이스 403 : 연산부
404 : 스테이지 제어부 501 : 검출면
502 : 검출면 600 : 검출기
601 : 구멍 602 : 일차 하전 입자선
603 : 이차적 하전 입자 604 : 이차적 하전 입자
605 : 일차 하전 입자선 700 : 조작 화면
701 : 조건 설정부 702 : 화상 표시부
703 : 라인프로파일 표시부 704 : 화상 조정부
705 : 문턱값 설정부 706 : 조사 에너지(E) 설정부
707 : 조사 개시 버튼 708 : 조사 정지 버튼
709 : 화상 저장 버튼 710 : 화상 판독 버튼
711 : 밝기 문턱값(Bz) 설정부 712 : 분해능 문턱값(Dz) 설정부
713 : 자동 접근 개시 버튼 714 : 자동 접근 정지 버튼
715 : 초점 조정부 716 : 밝기 조정부
717 : 콘트라스트 조정부 800 : 하전 입자 광학 경통
802 : 검출기 803 : 검출기
804 : 가스 805 : 가스 도입부
806 : 계측기 807 : 배선
808 : 광학 렌즈 809 : 격막
810 : 가스 밀폐 용기 811 : 특정 부위
812 : 받침대 813 : 개구부
814 : 진공 공간

Claims (14)

  1. 일차 하전 입자선을 시료 위에 조사하는 하전 입자 광학 경통(鏡筒)과,
    당해 하전 입자선 장치의 일부를 이루며, 내부가 진공 펌프에 의해 진공 배기되는 케이싱과,
    상기 진공 배기되는 공간과 상기 시료가 배치되는 공간의 차압(差壓)을 유지 가능하며, 또한 상기 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 격막(隔膜)과,
    상기 일차 하전 입자선을 상기 시료에 조사함으로써 얻어지는 이차적 하전 입자를 검출하는 검출기와,
    상기 시료와 상기 격막의 거리를 가변(可變)으로 하는 거리 조정 기구와,
    상기 검출기로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상에 의거해서 상기 시료와 상기 격막의 거리를 감시하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 제1 조사 에너지로 상기 일차 하전 입자선이 조사되었을 때의 검출 신호의 밝기 정보 혹은 분해능 정보 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상의 밝기 혹은 분해능에 의해서, 상기 시료와 상기 격막의 거리가 특정의 거리로 된 것 또는 특정의 거리보다 가까워진 것을 검지하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 일차 하전 입자선의 상기 시료에의 조사 에너지를 적어도 2가지 이상의 조건으로 가변으로 하는 조사 에너지 제어부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 시료와 상기 격막의 거리가 특정의 거리로 된 것 또는 특정의 거리보다 가까워진 것을 검지한 후에 상기 제1 조사 에너지보다 높은 제2 조사 에너지로 상기 일차 하전 입자선이 조사됨으로써 상기 시료로부터 얻어지는 검출 신호로부터 상기 시료의 화상을 취득하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 화상에 있어서의 상기 격막의 끝으로부터 소정의 거리에 있는 부분의 밝기, 또는 상기 화상에 있어서 소정의 밝기보다 어두운 부분의 상기 격막의 끝으로부터의 거리에 의거해서, 상기 시료와 상기 격막의 거리를 감시하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 검출기로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상으로부터 얻어지는 파라미터의 문턱값을 설정하는 문턱값 설정부를 구비하고,
    상기 제어부는, 상기 파라미터의 값이 상기 문턱값 설정부에서 설정된 상기 문턱값에 도달했는지의 여부를 감시하고,
    상기 거리 조정 기구에 의해서, 상기 문턱값에 도달할 때까지 상기 시료와 상기 격막의 거리가 근접되는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 파라미터는, 상기 시료로부터 발생한 검출 신호의 밝기 정보 혹은 분해능 정보 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상의 밝기 혹은 분해능인 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 파라미터는, 상기 화상에 있어서의 상기 격막의 끝으로부터 소정의 거리에 있는 부분의 밝기, 또는 상기 화상에 있어서 소정의 밝기보다 어두운 부분의 상기 격막의 끝으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
  8. 일차 하전 입자선을 시료 위에 조사하는 하전 입자 광학 경통과, 당해 하전 입자선 장치의 일부를 이루며, 내부가 진공 펌프에 의해 진공 배기되는 케이싱과, 상기 진공 배기되는 공간과 상기 시료가 배치되는 공간의 차압을 유지 가능하며, 또한 상기 일차 하전 입자선을 투과 또는 통과시키는 격막과, 상기 일차 하전 입자선을 상기 시료에 조사함으로써 얻어지는 이차적 하전 입자를 검출하는 검출기를 갖는 하전 입자선 장치를 이용한 시료 화상 취득 방법으로서,
    상기 검출기로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상에 의거해서 상기 시료와 상기 격막의 거리를 감시하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    제1 조사 에너지로 상기 일차 하전 입자선이 조사되었을 때의 검출 신호의 밝기 정보 혹은 분해능 정보 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상의 밝기 혹은 분해능을 검지 또는 인식함으로써, 상기 시료와 상기 격막의 거리가 특정의 거리로 된 것 또는 특정의 거리보다 가까워진 것을 검지 또는 인식하는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 시료와 상기 격막의 거리가 특정의 거리로 된 것 또는 특정의 거리보다 가까워진 것을 검지 또는 인식한 후에, 상기 제1 조사 에너지보다 높은 제2 조사 에너지로 상기 일차 하전 입자선이 조사되었을 때의 검출 신호로부터 상기 시료의 화상을 취득하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 화상에 있어서의 상기 격막의 끝으로부터 소정의 거리에 있는 부분의 밝기, 또는 상기 화상에 있어서 소정의 밝기보다 어두운 부분의 상기 격막의 끝으로부터의 거리에 의거해서, 상기 시료와 상기 격막의 거리를 감시하는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 검출기로부터 출력되는 검출 신호 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상으로부터 얻어지는 파라미터의 문턱값을 결정하는 스텝과,
    상기 파라미터가 상기 문턱값에 도달했는지의 여부를 감시하는 스텝과,
    상기 문턱값에 도달할 때까지 상기 시료와 상기 격막의 거리를 근접시키는 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 파라미터는, 상기 시료로부터 발생한 검출 신호의 밝기 정보 혹은 분해능 정보 또는 당해 검출 신호로부터 생성되는 화상의 밝기 혹은 분해능인 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 파라미터는, 상기 화상에 있어서의 상기 격막의 끝으로부터 소정의 거리에 있는 부분의 밝기, 또는 상기 화상에 있어서 소정의 밝기보다 어두운 부분의 상기 격막의 끝으로부터의 거리인 것을 특징으로 하는 시료 화상 취득 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180109730A (ko) * 2017-03-28 2018-10-08 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 휴대형 정보단말, 빔 조사 시스템, 및 프로그램

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107710377B (zh) * 2015-06-29 2019-09-06 株式会社日立高新技术 试样高度调整方法及观察系统
EP3176808B1 (en) * 2015-12-03 2019-10-16 Carl Zeiss Microscopy Ltd. Method for detecting charged particles and particle beam device for carrying out the method
US10832885B2 (en) * 2015-12-23 2020-11-10 Massachusetts Institute Of Technology Electron transparent membrane for cold cathode devices
TWI594288B (zh) * 2016-03-14 2017-08-01 台灣電鏡儀器股份有限公司 電子顯微鏡
CN110770875B (zh) * 2017-04-21 2022-04-12 株式会社日立高新技术 电荷粒子线装置和电荷粒子线装置的条件设定方法
JP6823563B2 (ja) 2017-07-31 2021-02-03 株式会社日立製作所 走査電子顕微鏡および画像処理装置
JP7198092B2 (ja) * 2018-05-18 2022-12-28 株式会社ニューフレアテクノロジー マルチ電子ビーム照射装置、マルチ電子ビーム検査装置及びマルチ電子ビーム照射方法
JP7024616B2 (ja) * 2018-06-08 2022-02-24 株式会社ニューフレアテクノロジー データ処理方法、データ処理装置、及びマルチ荷電粒子ビーム描画装置
CA3110199A1 (en) * 2018-08-21 2020-02-27 The Salk Institute For Biological Studies Systems and methods for enhanced imaging and analysis
WO2020152795A1 (ja) 2019-01-23 2020-07-30 株式会社日立ハイテク 電子ビーム観察装置、電子ビーム観察システム、電子ビーム観察装置における画像補正方法及び画像補正のための補正係数算出方法
KR102198707B1 (ko) * 2019-03-25 2021-01-05 (주)코셈 착탈 가능한 컬럼을 구비하는 주사 전자 현미경 및, 이를 이용한 영상 획득 방법
KR20200119458A (ko) * 2019-04-09 2020-10-20 한국전자통신연구원 시료 분석 장치 및 그의 분석 방법
JP7167323B2 (ja) * 2019-05-08 2022-11-08 株式会社日立ハイテク パターン計測装置および計測方法
WO2021020260A1 (ja) * 2019-07-26 2021-02-04 株式会社日立ハイテク 質量分析装置およびこれを制御する方法
DE102020211699A1 (de) * 2020-09-18 2022-03-24 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Verfahren, Mikroskop und Computerprogramm zum Bestimmen einer Manipulationsposition im probennahen Bereich

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012221766A (ja) 2011-04-11 2012-11-12 Hitachi High-Technologies Corp 荷電粒子線装置

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU2101902A (en) * 2000-12-01 2002-06-11 Yeda Res & Dev Device and method for the examination of samples in a non-vacuum environment using a scanning electron microscope
US7230242B2 (en) * 2002-06-05 2007-06-12 Quantomix Ltd Methods for SEM inspection of fluid containing samples
US8164057B2 (en) * 2006-10-24 2012-04-24 Dov Shachal Interface, a method for observing an object within a non-vacuum environment and a scanning electron microscope
US8981294B2 (en) * 2008-07-03 2015-03-17 B-Nano Ltd. Scanning electron microscope, an interface and a method for observing an object within a non-vacuum environment
WO2010001399A1 (en) 2008-07-03 2010-01-07 B-Nano A scanning electron microscope, an interface and a method for observing an object within a non-vacuum environment
JP5320418B2 (ja) * 2011-01-31 2013-10-23 株式会社日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置
JP2013175376A (ja) * 2012-02-27 2013-09-05 Hitachi High-Technologies Corp 荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法
JP2014053073A (ja) * 2012-09-05 2014-03-20 Hitachi High-Technologies Corp 荷電粒子線装置用部材、荷電粒子線装置および隔膜部材
DE102012215945A1 (de) * 2012-09-07 2014-03-13 Carl Zeiss Microscopy Gmbh Teilchenstrahlgerät und Verfahren zum Betrieb eines Teilchenstrahlgeräts
JP5930922B2 (ja) * 2012-09-14 2016-06-08 株式会社日立ハイテクノロジーズ 荷電粒子線装置及び試料観察方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2012221766A (ja) 2011-04-11 2012-11-12 Hitachi High-Technologies Corp 荷電粒子線装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180109730A (ko) * 2017-03-28 2018-10-08 가부시키가이샤 히다치 하이테크 사이언스 휴대형 정보단말, 빔 조사 시스템, 및 프로그램

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