(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次荷電粒子ビームをターゲットの表面に集束させる荷電粒子カラムであり、前記１次荷電粒子ビームと前記ターゲットとの衝突が前記ターゲットからの２次荷電粒子の放出を引き起こす荷電粒子カラムと、
荷電粒子検出器アセンブリと
を備え、前記荷電粒子検出器アセンブリが、
電気信号を生成する検出器であり、前記電気信号が前記検出器に衝突した荷電粒子の数に対応する検出器と、
前記検出器と前記ターゲットの表面との間に配置された少なくとも１つの抵抗格子であり、前記ターゲットから前記検出器へ２次荷電粒子を移動させ、動作中に、異なる電位が前記少なくとも１つの抵抗格子の異なる部位において維持されて、前記衝突する粒子をより均一に前記検出器全体にわたって分散させることにより、前記２次荷電粒子を偏向させて、前記検出器に衝突する前記２次荷電粒子の最大電流密度を低減させる放射状の場を提供し、それによって前記検出器の耐用寿命を延ばす少なくとも１つの抵抗格子と
を含む
荷電粒子システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの抵抗格子は、前記荷電粒子カラムの軸から遠ざかる方向へ前記２次荷電粒子を偏向させるように構成された、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項３】
前記荷電粒子検出器が、マルチチャンネル・プレートおよび捕集陽極；ＰＩＮダイオード；またはシンチレータによって放出された光を光電子増倍管内へ伝送するように構成された光学的光結合手段が前記シンチレータと前記光電子増倍管の間に配置されたシンチレータ−光電子増倍管を含む、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項４】
前記荷電粒子ビームが電子ビームまたは集束イオン・ビームであり、前記少なくとも１つの抵抗格子の電圧および前記荷電粒子検出器の電圧が、２次電子を捕集するように構成された、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項５】
前記荷電粒子ビームが集束イオン・ビームであり、前記少なくとも１つの抵抗格子の電圧および前記荷電粒子検出器の電圧が、２次イオンを捕集するように構成された、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項６】
前記荷電粒子ビームが集束イオン・ビームであり、前記少なくとも１つの抵抗格子は、２次イオンの捕集を容易にするように構成された、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つの抵抗格子は、前記カラムの光軸からの前記２次荷電粒子の相対位置が維持されるような態様で前記２次荷電粒子を偏向させるように構成された、請求項１に記載の荷電粒子システム。
【請求項８】
荷電粒子システム内の２次粒子検出器の損傷または汚染の速度を低下させる方法であって、
荷電粒子ビームをターゲットの表面に集束させる荷電粒子カラムであり、前記荷電粒子ビームと前記ターゲットとの衝突が前記ターゲットからの２次荷電粒子の放出を引き起こす荷電粒子カラムを提供すること、
前記ターゲットから放出された前記２次荷電粒子の一部を捕集する２次粒子検出器を提供すること、
前記２次粒子検出器と前記ターゲットの表面との間に配置された少なくとも１つの抵抗格子であり、前記ターゲットから前記２次粒子検出器へ２次荷電粒子を移動させ、動作中に、異なる電位が前記少なくとも１つの抵抗格子の異なる部位において維持されて、前記衝突する粒子をより均一に前記検出器全体にわたって分散させることにより、前記２次荷電粒子を偏向させて、前記２次粒子検出器に衝突する前記２次荷電粒子の最大電流密度を低減させる放射状の場を提供し、それによって前記２次粒子検出器の耐用寿命を延ばす、少なくとも１つの抵抗格子を提供すること
を含む方法。
【請求項９】
少なくとも１つの抵抗格子を提供することが抵抗格子を提供することを含み、
放射状の場を提供することが、前記抵抗格子の１つの部分に対する第１の電圧および前記抵抗格子の第２の部分に対する第２の電圧を提供することを含み、前記第１の電圧と前記第２の電圧とが等しくない、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
２次荷電粒子検出器を提供することが、マルチチャンネル・プレートおよび捕集陽極；ＰＩＮダイオード；またはシンチレータによって放出された光を光電子増倍管内へ伝送するように構成された光学的光結合手段が前記シンチレータと前記光電子増倍管の間に配置されたシンチレータ−光電子増倍管を提供することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
荷電粒子カラムを提供することが、電子ビームまたは集束イオン・ビームを提供することを含み、前記２次粒子捕集器が２次電子を捕集する、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
荷電粒子カラムを提供することが集束イオン・ビームを提供することを含み、前記２次粒子捕集器が２次イオンを捕集する、請求項８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に集束荷電粒子システムに関し、具体的には、２次粒子用の検出器の損傷
および汚染を低減させることに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡と集束イオン・ビーム・システムの両方を備える荷電粒子システムでは一般に、カラムを使用して、荷電粒子ビームを、そのビームを使用して画像化し（任意選択で）処理するターゲットの表面に集束させる。ターゲットの画像を形成するためには、ターゲット表面にわたって荷電粒子ビームを、通常はあるラスタ・パターンに従って偏向させる必要がある。荷電粒子ビームがターゲットに衝突することにより２次粒子が放出され、それらの２次粒子を捕集して画像化信号を形成することができる。一例として、電子ビームは、ターゲットからの２次電子の放出を刺激する。集束イオン・ビームは、２次電子および２次イオン（通常は正電荷を有するイオン）の放出を刺激する。これらのシステムでは、必要な画像化信号を生み出すために２次粒子検出器が使用される。それらの検出器は、検出器の捕集効率、すなわち放出された２次粒子のうち検出器によって実際に捕集された２次粒子の割合によって特徴づけることができる。この捕集効率を高めるため、ターゲットと検出器の間にしばしば「捕集」格子が配置される。この格子に印加された電圧が、２次粒子を引き寄せる電場をターゲットと格子の間に生み出し、引き寄せられた２次粒子は次いでこの格子（粗い網目構造物またはほぼ透過性の他の構造物）を通り抜け、検出器に達する。
【０００３】
残念なことに、検出器の損傷および／または検出器表面への汚染物質の蓄積のため、時間が経過するにつれて２次検出器の効率が低下することがあることが分かっている。この損傷は、検出器材料を粉砕しうる入来２次粒子による検出器の高エネルギーの衝撃によって生じる。汚染物質は、荷電粒子ビームと真空システム内の微量のガスとの間の相互作用によって生じた重合炭化水素などの薄い膜で検出器を覆う。このガスはしばしば、荷電粒子ビームとターゲットとの間の相互作用によって生じ、したがってベース圧力が非常に低いシステムであってもその発生を防ぐことは難しい。この損傷は一般に検出器表面にわたって不均一に生じる。この不均一性が生じるのは、ターゲットからの２次粒子の放出パターンがターゲットから上方向に（余弦法則に従って）集中するためである。検出器が、１次荷電粒子ビームを取り巻く環形である場合、捕集された２次粒子の大部分は検出器の中心付近に衝突する。したがって、検出器上における損傷および／または汚染物質の蓄積も中心付近に集中する。検出器の寿命は、（たとえ検出器エリアの大部分がまだ機能する場合であっても）最も損傷したエリアまたは最も汚染されたエリアによって決まり、そのため、損傷および／または汚染物質によって検出器の中心部が使用不能になったときには、検出器全体を交換し、修復し、または清浄化しなければならない。したがって、荷電粒子システムでは、荷電粒子検出器の全エリアにわたって損傷速度および／または汚染速度をより均一にすることにより検出器の寿命を延ばして、検出器全体の寿命を延ばすことが有利となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、荷電粒子システム内の２次粒子検出器の寿命を延ばすことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、検出器全体にわたって２次粒子をより均一に分散させる検出器アセンブリを提供し、それによって不均一に多数の２次粒子が衝突するため通常ならばより速く劣化するであろう検出器の部分の損傷を低減させることにより、２次粒子検出器の耐用寿命を延ばす。いくつかの実施形態では、ターゲットと検出器の間に配置された格子が、検出器全体にわたって２次粒子をより均一に分散させる電場を提供する。この格子は、それぞれが異なる電位にある複数の部分を含むことができ、または抵抗格子（ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  ｇｒｉｄ）が、単一の格子部分にわたって異なる電位を提供することができる。
【０００６】
以上では、以下の本発明の詳細な説明をより十分に理解できるように、本発明の特徴および技術上の利点をかなり広く概説した。以下では、本発明の追加の特徴および利点を説明する。開示される着想および特定の実施形態を、本発明の同じ目的を達成するために他の構造を変更しまたは設計するベースとして容易に利用することができることを当業者は理解すべきである。さらに、このような等価の構造は、添付の特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲を逸脱しないことを当業者は理解すべきである。
【０００７】
次に、本発明および本発明の利点のより完全な理解のため、添付図面に関して書かれた以下の説明を参照する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】荷電粒子システム内の先行技術の荷電粒子検出器を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの先行技術の荷電粒子検出器の一部分を示す図であり、検出器出力電流の時間積分に対する検出器利得のグラフを示す図である。
【図２Ａ】複数の環状捕集格子を備える本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２Ｂ】図１Ａの本発明の第１の実施形態の一部分を示す図であり、検出器出力電流の時間積分に対する検出器利得のグラフを示す図である。
【図３】単一の抵抗環状捕集格子を備える本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図４】荷電粒子を引き寄せる複数の偏向電極を備える本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図５】複数の捕集格子を有する軸外れ荷電粒子検出器を備える本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図６】複数の格子に対する第１のバイアス回路の電気接続図である。
【図７】複数の格子に対する第２のバイアス回路の電気接続図である。
【図８】シンチレータ、光パイプおよび光電子増倍管を備える本発明の第１の実施形態の異型を示す図である。
【図９】透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に対して使用された本発明の他の実施形態を示す図である。
【図１０】透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に対して使用された本発明の他の実施形態を示す図である。
【図１１】磁石を使用して２次粒子を検出器にわたって分配する本発明の他の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、２次荷電粒子が検出器に衝突する前に２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させ、それによって荷電粒子検出器の耐用寿命を延ばす場（ｆｉｅｌｄ）を提供する。「最大電流密度」は、検出器の全エリア上の最も高い電流密度を意味する。２次荷電粒子の分布は、場が提供されない場合よりも均一になる。
【００１０】
一実施形態において、本発明は、ターゲットと２次粒子検出器の間に複数の２次粒子捕集格子を配置する。軸から遠ざかる方向へ２次粒子を偏向させる電場をターゲットと捕集格子のアレイとの間に生み出すため、それぞれの格子の電圧は独立して制御可能である。２次粒子のこの偏向は、検出器に到達する２次粒子の分布を、単一の捕集格子を用いた場合よりも空間的に均一にする。本明細書で使用する用語「２次粒子」は、１次ビームの後方散乱粒子を含む。
【００１１】
第２の実施形態では、格子のアレイの代わりに抵抗格子が使用される。この抵抗格子にわたって電圧を印加して、別個の複数の格子を使用する第１の実施形態で誘導される電場とほぼ同じ電場を生み出す。
【００１２】
第３の実施形態では、捕集格子とターゲットの間に複数の偏向電極が配置される。この場合も目的は、検出器位置における２次粒子の分布をより均一にするのに必要な電場を生み出すことである。
【００１３】
本発明の実施形態は、検出器が画像化モードで使用される場合にも使用することができ、本明細書ではこれを、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ−図９）および透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ−図１０）に関して例示する。これらの用途では、カラムの光学設計における考慮事項のため、検出器のエリア全体を画像化に使用することができないことがしばしばある。したがって、検出器位置における粒子の分布はやはり不均一である（しばしばカラムの対称軸付近により集中する）。本発明の実施形態は、検出器のより多くのエリア（一般にカラムの対称軸からより遠いエリア）を画像化に使用することを可能にし、それによって検出器の寿命を延ばすことができる。検出器に衝突した粒子の空間分布が画像情報を伝達するため、これらの画像化用途では、検出器位置において信号電流を完全に均一にすることができないことがある。位置情報は、２次荷電粒子の空間分布を拡張することによって、すなわちカラムの光軸からの２次粒子の相対位置を維持することによって維持される。画像化検出器に対する更なる利点は、画像化分解能を向上させることができることである。この利点は、検出器のより広いエリアにわたって画像化信号を分散させると、検出器アレイ内のより多くの検出素子を使用して画像を形成することができることによって生じる。
【００１４】
本発明のいくつかの実施形態の他の利点は、普通ならば検出器利得の局所的な飽和が起こると考えられる場合にもより高い信号利得が得られる潜在性である。例えば、マルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）が入力信号電流を１０6〜１０7倍にも増幅することはよく知られている。この増幅はＭＣＰの多数のチャンネル内で起こる。大きな入力信号電流がＭＣＰの小さなエリアにだけ衝突する場合には、ＭＣＰのその領域において利得が局所的に飽和し、その一方で（より低い入力電流を受け取る）ＭＣＰの他のエリアは依然としてその当初の（より高い）利得を維持しているといったことが起こる可能性がある。ＭＣＰのこの飽和は、ＭＣＰの飽和したエリアに十分な供給電流が到達して通常の信号増幅レベルを提供することをＭＣＰの固有抵抗率が妨げる「電流ローディング（ｃｕｒｒｅｎｔ  ｌｏａｄｉｎｇ）」効果によって起こる。本発明は、検出器のより広いより均一なエリアにわたって入力電流を分散させるため、この局所的な飽和の影響は低減されまたは排除されるはずである。このことは、検出器の全体的な応答において線形性（すなわち飽和前のより高い利得）を示す範囲の幅がより広いことに対応する。
【００１５】
当業者は、特に本明細書に提供された例に照らして、多くの代替実施形態を容易に認識するであろうが、この詳細な説明は、本発明の好ましい実施形態を例示するものであり、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【００１６】
本発明は、荷電粒子システム内の２次粒子検出器の寿命は以下の２つの因子によって不利な影響を受けることがあるという認識に基づく：
１）２次粒子による衝撃に起因する検出器の損傷、および
２）２次粒子による衝撃によって起こる検出器上での材料の重合および検出器上への材料の付着に起因する検出器の汚染。
一般的なタイプの２次電子検出器には以下のようなものがある。
【００１７】
１）マルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）  −  このタイプの検出器は、検出器の捕集エリアにわたって並列に動作する非常に小さなチャンネルを多数有する。それらのチャンネルはそれぞれ他のチャンネルから独立して動作し、それぞれのチャンネル内でのカスケード増倍過程において、入来２次粒子電流を１０6〜１０7倍にも増幅する。この増幅された電流は次いで、ＭＣＰの遠い方の側（すなわち入力信号電流を受け取る側の反対側）に配置された１つまたは複数の陽極で捕集される。「イオン・フィードバック」を防ぐためにしばしば２段構造が使用され、この２段構造では、第１段のチャンネルの角度が第２段のチャンネルの角度とは異なり、それによってＭＣＰの出口から入口への陽イオンの「見通し（ｌｉｎｅ−ｏｆ−ｓｉｇｈｔ）」の移動を防ぐ。
【００１８】
２）ＰＩＮダイオード  −  このタイプの検出器は本質的に、その内部で入来２次粒子が電子−正孔対のカスケードを生成するダイオードである。ＰＩＮダイオード検出器の利得は入来２次粒子のエネルギーに比例する。
【００１９】
３）シンチレータ＋光パイプ＋ＰＭＴ  −  この一般的なタイプの検出器は、最初に、２次粒子の衝突によってシンチレータ材料（一般に結晶またはプラスチック）内で光が生み出されることによって動作する。この光は次いで光パイプを介して光電子増倍管（ＰＭＴ）へ伝送される。ＰＭＴは通常、２次粒子検出器を含む荷電粒子システムの真空外囲器の外側に位置する。
【００２０】
これらの３つのタイプの検出器は全て、検出器のいずれかの部分が使用不能になった場合には検出器全体が使用不能になるという特性を共通して有する。検出器のそれぞれの特定のエリアの損傷および／または汚染の速度は一般に、その特定のエリアへの入力信号の積分された全照射量に比例するため、検出器の寿命が最大になる（すなわち検出器全体がほぼ同時に使用不能になる）ことを保証するためには、検出器の全てのエリアが同等に照射を受けることを保証することが有利であることは明らかである。検出器の小さなエリアだけが２次粒子束全体の不釣合いに大きな部分を受けるとき、そのエリアは明らかに、検出器の捕集エリア全体にわたって２次粒子束がより均一に分配される場合よりも速く損傷しかつ／または汚染される。さらに、ＭＣＰに関して、ＭＣＰ検出器の小さなエリアが入力信号電流の不釣合いに大きな部分を受ける場合には、利得の局所的な飽和が起こり、その結果として検出器エリア全体にわたる線形性が得られない可能性がある。
【００２１】
図１Ａは、先行技術の荷電粒子検出器１００を示し、この図では、荷電粒子カラム１０２が、ターゲット１０８の表面の位置１０６に荷電粒子ビーム１０４を集束させる。荷電粒子ビーム１０４がターゲット１０８に衝突することにより、ターゲットから２次粒子１１８、１１９、１２０および１５２が放出されることがある。荷電粒子ビーム１０４が電子ビームである場合、それらの２次粒子は２次電子である。荷電粒子ビーム１０４が集束イオン・ビーム（ＦＩＢ）である場合には、ターゲット１０８から２次電子と２次イオン（主に正イオン）の両方が放出されることがある。（１次ビーム１０４が垂直に入射する場合、）２次粒子の放出パターンは一般に、１次荷電粒子ビーム１０４とターゲット１０８との衝突点１０６を通るターゲット１０８の表面に垂直な軸の周囲に集中する、ランバート（Ｌａｍｂｅｒｔ）の法則または余弦法則の角度分布に従う傾向を有する。先行技術では一般に、図１に示すように、電流利得を提供する環状検出器１１０（この図では２段式マルチチャンネル・プレートとして示されている）および捕集陽極１１１が荷電粒子カラム１０２の底に取り付けられる。２次粒子の捕集を向上させるため、内リング１１４および外リング１１６によって支持された捕集格子１１２が使用されることがある。捕集格子１１２に単一の電圧を印加して、２次粒子を格子１１２に向かって引き寄せる。格子１１２は２次粒子に対して概ね透過性であり、引き寄せられた２次粒子の大部分は格子１１２を通り抜け、その後に検出器１１０および捕集陽極１１１によって捕集される。示されているように、検出器１１０はマルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）を含むことができ、その場合、信号電流は陽極１１１上で捕集される。あるいは、検出器１１０は、ＰＩＮダイオード検出器、光パイプと光電子増倍管とに接続されたシンチレータ（図８参照）、または他のタイプの荷電粒子検出器を含むこともでき、これらの場合には、検出器１１０自体によって信号が取り出されるため陽極１１１が必要ないことがある。検出器１１０および陽極設計１１１の詳細は当技術分野ではよく知られている。
【００２２】
２次粒子の余弦放出パターンにより、一部の粒子１５２は、カラム１０２の軸のあまりに近くに放出されるために格子１１２によって捕集されず、したがってそれらの粒子１５２は、荷電粒子カラム１０２の穴を上方へ通り抜け、検出されない。示されているように、粒子１５２よりもわずかに大きな角度でターゲット１０８から放出された２次粒子１１８は格子１１２を通り抜け、検出器１１０の中心付近で捕集される。はるかに大きな角度で放出された２次粒子のより小さな部分１２０は、軸から大きく離れた位置で捕集格子１１２を通り抜け、検出器１１０の外縁付近で捕集される。マルチチャンネル・プレート、ＰＩＮダイオード、シンチレータなどの多くのタイプの検出器は、検出器のそれぞれのエリア内への積分された全信号電流の関数である損傷のメカニズムを示すことが当技術分野ではよく知られている。したがって、ＭＣＰ検出器１１０では、中心穴（１次ビーム１０４がターゲット１０８に到達することを可能にするために必要である）の近くの領域が、ＭＣＰ１１０の外側領域よりも前に損傷する。同様の状況がＰＩＮダイオードおよびシンチレータにも当てはまる。損傷に加えて、検出器は、ターゲットと検出器の間の不十分な真空による重合炭化水素によって汚染されることもある。この汚染は、ベースとなる真空レベルが汚染を防ぐのに十分であったと考えられる場合であっても、ビームとターゲットの間の相互作用によって起こりうることに留意されたい。いずれにせよ、検出器全体の寿命は、あるレベルの損傷および／または汚染が検出器上のどこかに生じたときに決まり、それは、検出器の残りの部分がまだ使用不能な程度まで損傷しておらずおよび／または汚染されていない場合であっても変わらない。図１に示した先行技術の構成における検出器１１０の寿命は、検出器１１０の表面全体にわたって２次粒子がより均一に分配された場合に比べてかなり短い可能性がある。
【００２３】
図１Ｂは、図１Ａの先行技術の荷電粒子検出器１００の一部分を示している。入力信号捕集面（図１Ａの検出器１１０の下面）を下から見た検出器１１０が示されている。検出器１１０の中心付近に入力信号電流が集中していることが、検出器１１０の縁から中心に向かって次第に濃くなる交差平行線による陰影を使用して示されている。それぞれ中心、中間および縁にある検出器１１０の３つの領域１４０、１４２および１４４が、対応する下段のグラフへ延びる矢印が付いた円によって示されている。
【００２４】
検出器１１０の中心穴の内縁１４０（ここには図１Ａのリング１１４が取り付けられている）から始めると、グラフ１７０は、領域１４０からの出力（すなわち増幅）信号電流の時間積分１７１に対する局所信号利得１７２を、検出器１１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線１７４は初め高いレベル１７６を有し、この高いレベル１７６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって（すなわちある全出力信号電荷に達するまで）維持され、利得曲線１７４は次いで、グラフ１７０の右側で、より低いレベル１７８まで降下する。領域１４０における入力信号電流は比較的に高いため、出力信号電流の時間積分を表す交差平行線による陰影は、利得曲線１７４が降下し始める点にほぼ位置する線１７９まで延びている。したがって検出器１１０の耐用寿命はほぼ尽きている。
【００２５】
検出器１１０の中間領域１４２では、入力信号電流が中間レベルにある。グラフ１６０は、領域１４２からの出力信号電流の時間積分１６１に対する局所信号利得１６２を、検出器１１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線１６４は初め高いレベル１６６を有し、この高いレベル１６６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって維持され、利得曲線１６４は次いで、グラフ１６０の右側で、より低いレベル１６８まで降下する。グラフ１７０との主たる相違点は、交差平行線による陰影が、利得１６４が低下する点からかなり離れた線１６９までしか延びていないことであり、したがって領域１４２では検出器１１０の耐用寿命がまだ相当に残っている。言うまでもなく、検出器の寿命は、全てのエリアが使用可能であるかどうかによって決まる。領域１４０の寿命は実質的に残っていないため、領域１４２のこの局所的な残りの寿命を使用することはできない。
【００２６】
同様の考察が、検出器１１０の外側領域１４４にも当てはまる。グラフ１５０は、領域１４４からの出力信号電流の時間積分１５１に対する局所信号利得１５２を、検出器１１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線１５４は初め高いレベル１５６を有し、この高いレベル１５６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって維持され、利得曲線１５４は次いで、グラフ１５０の右側で、より低いレベル１５８まで降下する。領域１４４における入力信号電流は領域１４２および１４０における入力信号電流に比べて相対的に低いため、交差平行線が引かれたエリアの縁１５９がより左側に寄っており、このことは、エリア１４０が使用不能になる間際でも、検出器１１０の縁の領域１４４における検出器の寿命の大部分は使用されていないことを示している。グラフ１５０、１６０および１７０の比較は、領域１４０、１４２および１４４間で入力信号電流が等しくないときに、どのようにして検出器１１０の寿命が実質的に短くなるのかを例示している。
【００２７】
図２Ａは、内リング２１４および外リング２１６によって支持された複数の環状捕集格子２２２、２２４、２２６および２２８を備える本発明の第１の実施形態２００を示す。格子の正確な数は、所望の電場均一性の程度によって決定されることになる。格子の数は２から約２０の間であることが好ましく、それはより好ましくは２から８の間であり、３から５の間であることが最も好ましい。荷電粒子カラム２０２は、ターゲット２０８の表面の位置２０６に荷電粒子ビーム２０４を集束させる。ビーム２０４がターゲット２０８に衝突することにより、ターゲット２０８から２次粒子が放出されることがある。後に説明する図６および７は、内リング２１４、環状格子２２２、２２４、２２６、２２８および外リング２１６に異なるバイアス電圧を印加する目的に使用することができる２つの電気回路について論じている。それらのバイアス電圧は、カラム２０２、検出器２１０および捕集陽極２１１の対称軸から２次粒子を引き離す電場を生み出すように設定される。したがって、この電場の影響下で、２次粒子２３２は格子２２２を通り抜け、２次粒子２３４は格子２２４を通り抜け、２次粒子２３６は格子２２６を通り抜け、２次粒子２３８は格子２２８を通り抜ける。対称軸の近くに放出された２次粒子２５２は捕集されない。図１Ａと図２Ａを比較すると、格子２２２、２２４、２２６および２２８に入射する２次粒子の半径方向の分布が、検出器２１０および捕集陽極２１１の対称軸の近くに集中していない。正味の結果は、信号利得を提供するのに検出器２１０の捕集エリアのうちより大きな部分が有効に利用され、このことが、上で論じたように、信号利得飽和の影響を潜在的に低減させまたは排除することである。検出器２１０内への電流の分配がより均一であるため、図１Ａで論じた損傷機構および／または汚染のメカニズムも、検出器２１０の捕集エリア全体にわたってより均一に生じる。したがって、損傷および／または汚染に関して検出器２１０の寿命は延びるはずであり、それによりこの検出システム２００を備えるシステムの維持費は低減するはずである。
【００２８】
図２Ｂは、図２Ａの本発明の第１の実施形態の荷電粒子検出器２００の一部分を示している。入力信号捕集面（図２Ａの検出器２１０の下面）を下から見た検出器２１０が示されている。本発明によって可能になる検出器２１０の捕集エリア全体にわたる入信号電流の相対的な均一性が、検出器１１０の捕集エリア全体に描かれた交差平行線による均一な陰影を使用して示されている（図１Ｂと比較されたい）。それぞれ中心、中間および縁にある検出器２１０の３つの領域２４０、２４２および２４４が強調されている。
【００２９】
検出器２１０の中心穴の内縁２４０（ここには図２Ａのリング２１４が取り付けられている）から始めると、グラフ２７０は、領域２４０からの出力（すなわち増幅）信号電流の時間積分２７１に対する局所信号利得２７２を、検出器２１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線２７４は初め高いレベル２７６を有し、この高いレベル２７６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって（すなわちある全出力信号電荷に達するまで）維持され、利得曲線２７４は次いで、グラフ２７０の右側で、より低いレベル２７８まで降下する。領域２４０における入力信号電流は図１Ｂの対応するグラフ１７０のそれよりも低いため、出力信号電流の時間積分を表す交差平行線による陰影は、利得曲線２７４が降下し始める点までの距離の約半分でしかない線２７９まで延びている。したがって、図１Ｂの場合とは対照的に、検出器２１０の耐用寿命は約半分残っている。
【００３０】
検出器２１０の中間領域２４２では、入力信号電流が領域２４０とだいたい同じレベルにある。グラフ２６０は、領域２４２からの出力信号電流の時間積分２６１に対する局所信号利得２６２を、検出器２１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線２６４は初め高いレベル２６６を有し、この高いレベル２６６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって維持され、利得曲線２６４は次いで、グラフ２６０の右側で、より低いレベル２６８まで降下する。交差平行線による陰影が、グラフ２７０の軸２７１に沿った線２７９とだいたい同じ位置にある軸２６１に沿った線２６９まで延びていることに注目されたい。したがって、領域２４２において、検出器２１０の耐用寿命はまだ、領域２４０とほぼ同じだけ残っている。
【００３１】
同様の考察が、検出器２１０の外側領域２４４にも当てはまる。グラフ２５０は、領域２４４からの出力信号電流の時間積分２５１に対する局所信号利得２５２を、検出器２１０の全寿命にわたって示している。示されているように、利得曲線２５４は初め高いレベル２５６を有し、この高いレベル２５６は、出力信号電流のある全時間積分にわたって維持され、利得曲線２５４は次いで、グラフ２５０の右側で、より低いレベル２５８まで降下する。領域２４４における入力信号電流は領域２４０および２４２における入力信号電流と同様であるため、交差平行線が引かれたエリアの軸２５１に沿った縁２５９は、それぞれ軸２６１および２７１に沿った線２６９および２７９の位置とだいたい同じ位置にある。グラフ２５０、２６０および２７０の交差平行線が引かれたエリアの比較は、本発明によって入力信号電流が領域２４０、２４２および２４４間で等しくなったときに、どのようにして検出器２１０の寿命が実質的に延びるのかを例示している。
【００３２】
図３は、内リング３１４および外リング３１６によって支持された単一の抵抗環状捕集格子３１２を備える本発明の第２の実施形態３００を示す。荷電粒子カラム３０２は、ターゲット３０８の表面の位置３０６に荷電粒子ビーム３０４を集束させる。図１および２と同様に、荷電粒子ビーム３０４とターゲット３０８との衝突が２次粒子の放出を引き起こすことがある。図２の第１の実施形態は、一連の同心環状格子を利用して、軸から遠ざかる方向へ２次粒子を引っ張り、通常ならばより低い２次粒子電流を受け取るであろう検出器の外側の領域へ２次粒子を引き寄せる電場を生み出すものであった。図３に示す本発明の第２の実施形態は抵抗格子３１２を利用し、内リング３１４と外リング３１６の間の電圧差によって生じる半径方向の電圧勾配を抵抗格子３１２に与える。検出器３１０によって２次電子を捕集する場合、半径方向の力ベクトル３２４は、より高い正電圧を外リング３１６に印加し、より低い正電圧を内リング３１４に印加することに対応する。検出器３１０によって（正の）２次イオンを捕集する場合には、内リング３１４および外リング３１６に対するこの相対的な電圧を逆にする。一部の２次粒子（電子またはイオン）は抵抗格子３１２に衝突するので、検出器３１０および捕集陽極３１１に到達する２次粒子の半径方向の分布を等しくするのに必要な適切な電場を確立するためには、その結果として格子３１２内に生じる電流が、格子３１２の半径方向の所望の電圧勾配に影響を及ぼさないことを保証する必要がある。これは、光電子増倍管（ＰＭＴ）で見られる状況と同様の状況であり、ＰＭＴの場合には一般に、ダイノード上の電圧を生み出すために使用される一連の抵抗器を流れる電流がＰＭＴ内の最大内部電流の少なくとも１０倍となるように指定される。この条件が満たされないときには、抵抗格子３１２内の電圧分布が、図３に示された抵抗格子３１２を通り抜ける軌道３３２、３３４、３３６および３３８の所望の分布を生み出さない可能性がある。検出器３１０（この図では電流利得を提供する環状２段式マルチチャンネル・プレートとして示されている）および捕集陽極３１１は一般に荷電粒子カラム３０２の底に取り付けられる。図１および２と同様に、カラム３０２、検出器３１０および捕集陽極３１１の対称軸の近くに放出された２次粒子の小さな部分３５２は、荷電粒子カラム３０２の穴を上方へ通り抜け、検出されない。
【００３３】
図４は、カラム４０４の対称軸、検出器４１０および捕集陽極４１１から遠ざかる方向へ２次粒子を引っ張る複数の偏向電極４２４を備える本発明の第３の実施形態４００を示す。荷電粒子カラム４０２は、ターゲット４０８の表面の位置４０６に荷電粒子ビーム４０４を集束させる。図１から３と同様に、荷電粒子ビーム４０４とターゲット４０８との衝突が、２次電子および／または２次イオンである２次粒子の放出を引き起こすことがある。内リング４１４および外リング４１６によって捕集格子４１２が支持されている。この第３の実施形態の一異型では、内リング４１４、格子４１２および外リング４１６が同じ電圧を有し、その場合には、偏向電極４２４が、検出器５１０および捕集陽極５１１における２次粒子の分布をより均一にする。第３の実施形態の他の異型では、導電性格子４１２の代わりに第１の実施形態の複数の格子が使用され、それにより偏向電極４２４と図２の格子２２２、２２４、２２６、２２８などの複数の同心環状捕集格子の両方によって半径方向の電場を生み出すことができる。第３の実施形態の他の異型では、導電性格子４１２の代わりに第２の実施形態の抵抗捕集格子３１２（図３参照）が使用され、それにより、追加された偏向電極４２４と抵抗格子３１２の両方によって半径方向の電場を生み出すことができる。２次電子を捕集する場合、偏向電極４２４には、力ベクトル４６０によって示されているように２次電子を半径方向外側へ引っ張るように、したがって偏向電極４２４がない場合よりも大きな半径で２次電子が格子４１２を通り抜け検出器４１０に達するように、正バイアスが印加されることになる。（正の）２次イオンについては、偏向電極４２４に負バイアスが印加されることになる。この場合も力ベクトル４６０は半径方向外側を指す。対称軸の近くに放出された２次粒子４５２は捕集されない。検出器４１０（この図では電流利得を提供する環状２段式マルチチャンネル・プレートとして示されている）および捕集陽極４１１は一般に荷電粒子カラム４０２の底に取り付けられる。
【００３４】
図５は、内電極５１４および外電極５１６によって支持された複数の捕集格子５２２、５２４、５２６および５２８を含む軸外れ荷電粒子検出器を備える本発明の第４の実施形態５００を示す。格子５２２、５２４、５２６および５２８の機械的支持の詳細は本発明の部分ではなく、これをここで示すことはしない。この第４の実施形態に対しては円対称が想定されず、または円対称である必要がないことに留意されたい。荷電粒子カラム５０２は、ターゲット５０８の表面の位置５０６に荷電粒子ビーム５０４を集束させる。図１から４と同様に、ビーム５０４がターゲット５０８に衝突することにより、ターゲット５０８から２次粒子が放出されることがある。格子５２２、５２４、５２６および５２８上の異なるバイアス電圧は、カラム５０２の対称軸（この実施形態に関しては検出器が対称である必要はないが、それでもカラム５０２は一般にビーム形成光学系に関する円対称性を保持する）から遠ざかる方向へ、この例では図５の右側へ向かって２次粒子を引っ張る電場を生み出すように調整される。したがって、この電場の影響下で、２次粒子５３２は格子５２２を通り抜け、２次粒子５３４は格子５２４を通り抜け、２次粒子５３６は格子５２６を通り抜け、２次粒子５３８は格子５２８を通り抜ける。最初の３つの実施形態の円対称の検出器に対する図２から４で適用された考慮事項と同じ考慮事項が、この非円対称検出システムにも当てはまる。すなわち、検出器５１０および捕集陽極５１１に入射する２次粒子の分布を分散させるように格子５２２、５２４、５２６および５２８の電圧を調整することができ、それによって損傷のメカニズムおよび／または汚染のメカニズムもより均一にすることができる。対称軸の近くに放出された２次粒子５５２は捕集されない。検出器５１０（この図では電流利得を提供する２段式マルチチャンネル・プレートとして示されている）および捕集陽極５１１は一般に荷電粒子カラム５０２の底に取り付けられる。
【００３５】
図６は、内電極６１４（図２の内リング２１４または図５の内電極５１４に対応する）および外電極６１６（図２の外リング２１６または図５の外電極５１６に対応する）によって支持された複数の格子６２２、６２４、６２６および６２８用の第１のバイアス回路の電気接続図６００を示す。回路６００は、図２および５に示した検出システムに対して使用可能であり、図４の検出システムに図２の分割された格子構造体を組み合わせた場合には図４の検出システムにも使用可能であろう。検出器６１０は例えば、図２の検出器２１０などの環状検出器の片側または図５の検出器５１０などの軸外れ検出器を表す。いずれの場合も、対称軸６４０は、検出器６１０および捕集陽極６１１に入射する２次粒子を生み出す荷電粒子カラムの光軸を表す。ｄｃ電源６０２が、第１の導線６０４によって電極６１４に接続されており、第２の導線６０６によって電極６１６に接続されている。検出器６１０および捕集陽極６１１に対する電圧バイアス接続は本発明の部分ではなく、これをここで示すことはしない。この捕集格子アセンブリは、抵抗器６３２、６３４、６３６、６３８および６４０によって電極６１４と電極６１６の間に直列に接続された４つの格子６２２、６２４、６２６および６２８を備える。格子の正確な数は、所望の電場均一性の程度によって決定されることになる。格子の正確な数は本発明の部分ではない。図３で論じた考慮事項と同じ考慮事項がこの例にも当てはまる。すなわち、ターゲット（図示せず）と検出器６１０の間の電場分布の不必要な偏りを引き起こす「電流ローディング」が生じないことを保証するために、ｄｃ電源６０２から電極６１４、６１６、格子６２２、６２４、６２６、６２８および抵抗器６３２、６３４、６３６、６３８、６４０を通って流れる電流が、格子６２２、６２４、６２６および６２８のうちのいずれかに衝突する可能性がある予想される２次粒子電流よりも相当に高い（一般に１０倍）ことを保証することが好ましい。回路６００に関する潜在的な問題は、抵抗器６３４、６３６および６３８（抵抗器６３２および６４０は必ずしもそうではない）を、それらの抵抗器が接続する連続する格子間に取り付ける必要があることである。そうした場合には抵抗器６３４、６３６および６３８がターゲットからの２次粒子束の一部にさらされることになるため、このことは望ましくないことがある。これによって抵抗器の外面が帯電する可能性があり、この帯電が所望の電場分布を乱す可能性がある。２次粒子束が抵抗器を損傷し、それによって抵抗値が不正確になったりまたは近隣の捕集格子間に短絡が生じたりする可能性もある。
【００３６】
図７は、内電極７１４（図２の内リング２１４に対応する）および外電極７１６（図２の外リング２１６に対応する）によって支持された複数の格子７２２、７２４、７２６および７２８用の第２のバイアス回路の電気接続図７００を示す。回路７００は、図２に示した検出システムに対して使用可能であり、図４の検出システムに図２の分割された格子構造体を組み合わせた場合には図４の検出システムにも使用可能であろう。非円対称の検出システムは、この図に示す遮蔽ケーブル構成を必要としない傾斜抵抗器を使用する余地を有するため、図５に示した軸外れ検出システムでは回路７００が必要ない場合がある。検出器７１０は例えば、図２の検出器２１０などの環状検出器の片側を表す。対称軸７４０は、検出器７１０および捕集陽極７１１に入射する２次粒子を生み出す荷電粒子カラムの光軸を表す。ｄｃ電源７０２が、第１の導線７０４によって電極７１４に接続されており、第２の導線７０６によって電極７１６に接続されている。検出器７１０および捕集陽極７１１に対する電圧バイアス接続は本発明の部分ではなく、これをここで示すことはしない。この捕集格子アセンブリは、抵抗器７３２、７３４、７３６、７３８および７４０によって電極７１４と電極７１６の間に直列に接続された４つの格子７２２、７２４、７２６および７２８を備える。格子の正確な数は、所望の電場均一性の程度によって決定されることになる。格子の正確な数は本発明の部分ではない。電気的には図７は図６と同じであることに留意されたい。相違点は、５つの分圧抵抗器７３２、７３４、７３６、７３８および７４０の物理的な位置ならびに同軸遮蔽体７５２、７５４、７５６、７５８、７６０および７６２の追加である。図６で論じたとおり、格子アセンブリ内の連続する格子間に分圧抵抗器を配置すると問題になることがある。図７は、格子アセンブリの外側に抵抗器７３２、７３４、７３６、７３８および７４０を配置することができ、それによって図６で論じた問題を回避することができる代替構成を示す。しかしながら、遮蔽されてない導線をそれぞれの格子に単純に接続すると新たな問題が生じることになる。すなわち、これらの導線は必ずそれぞれの環状格子から外側へ延びなければならないため、内側の環状格子（７２２、７２４、７２６など）からの導線と、接続されている特定の環状格子の外側にある全ての環状格子（格子７２２に対する格子７２４、７２６、７２８など）との間に重なりが生じる。この図には、この問題に対する可能な１つの解決策が示されている。すなわち、内側の環状格子７２２に接続する導線は、一連の同軸遮蔽体７５２、７５４および７５６を通り、次いで、ｄｃ電源７０２の出力導線７０４と７０６の間に接続された抵抗器７３２、７３４、７３６、７３８および７４０を備える分圧器内の抵抗器７３２および７３４に接続する。同様に、環状格子７２４に接続する導線は、同軸遮蔽体７５８および７６０を通り、次いで分圧器内の抵抗器７３４および７３６に接続する。同様に、格子７２６からの導線は、同軸遮蔽体７６２を通り、次いで分圧器内の抵抗器７３６および７３８に接続する。外側の環状格子７２８に接続する導線は、分圧器内の抵抗器７３８および７４０に直接に接続することができる。環状格子７２２と内リング７１４の間の電気接続は、示されているように、抵抗器７３２によって外側で完成される。遮蔽体７５２、７５４、７５６、７５８、７６０および７６２は全て実質的に同軸ケーブルの短い部分を表す。それぞれの導線が環状格子を横切るときに中心導線によって電場が誘起されないように、それぞれの遮蔽体の外側導体は、対応するそれぞれの格子に電気的に（任意選択でさらに機械的にも）接続される（例えば遮蔽体７５２は格子７２４に接続される）。格子電圧はそれぞれ荷電粒子の捕集を最適にする所望の値に設定されているため、言うまでもなく中心導線は異なる電圧を有する。露出した絶縁体上に集積した２次粒子によって起こる可能性がある帯電の影響を回避するため、おそらくは、連続する遮蔽体間（例えば遮蔽体７５２と７５４の間）の短い導線部分から同軸ケーブルの絶縁体をはぎとる（したがって中心導線の短い部分を露出させる、例えば格子７２２からの導線を遮蔽体７５２と７５４の間で露出させる）必要がある。
【００３７】
図８は、シンチレータ８６０、光パイプ８６２および光電子増倍管８６４を備え、内リング８１４および外リング８１６によって支持された複数の環状捕集格子８２２、８２４、８２６および８２８をさらに備える本発明の第１の実施形態の異型８００を示す。格子８２２、８２４、８２６および８２８に対する機械的支持の詳細は本発明の部分ではなく、これをここで示すことはしない。荷電粒子カラム８０２は、ターゲット８０８の表面の位置８０６に荷電粒子ビーム８０４を集束させる。上述の図６および７では、内リング８１４、環状格子８２２、８２４、８２６、８２８および外リング８１６に異なるバイアス電圧を印加する目的に使用することができる２つの電気回路について論じた。２次粒子８３２は格子８２２を通り抜け、２次粒子８３４は格子８２４を通り抜け、２次粒子８３６は格子８２６を通り抜け、２次粒子８３８は格子８２８を通り抜ける。図２に対する図８の主たる相違点は、図２に示したマルチチャンネル・プレート（ＭＣＰ）検出器２１０および捕集陽極２１１の代わりにシンチレータ８６０、光パイプ８６２および光電子増倍管８６４が使用されていることである。マルチチャンネル・プレートと同様に、シンチレータも、荷電粒子による衝撃の結果であるシンチレータの分子構造または結晶構造の変化に起因する長期的な損傷を示す。重合炭化水素などによってシンチレータが汚染される可能性もある。したがって、上で論じたものと同じ損傷および／または汚染の問題がこの構成にも当てはまる。シンチレータ８６０は、高エネルギーの荷電粒子８３２、８３４、８３６および８３８によって衝撃されたときに光８６６を放出する。光８６６は、光パイプ８６２内を通り、光パイプ８６２の壁で内部全反射を受け、次いで光電子増倍管８６４へ入射する。対称軸の近くに放出された２次粒子８５２は捕集されない。
【００３８】
さまざまな検出器タイプと格子の幾何学的構成のいくつかの組合せを図２から５および図８に示した。表Ｉに、いくつかの検出システム構成を示す。本発明の範囲内において他の検出器タイプおよび電気バイアス回路も可能である。
表Ｉ．さまざまな検出システム構成ならびに対応する検出器および電気接続
【００３９】
【表１】
0005997153.tif 000002
図２から５で論じた本発明のさまざまな実施形態は、非画像化検出器、すなわち検出器に到達し、次いで捕集陽極（検出器がマルチチャンネル・プレートである場合）へ伝達される画像化信号が位置情報を含まない検出器に適合する。これらの実施形態の検出器は全体として、（画像化情報を保持している）２次粒子が検出器および捕集陽極の表面のどこに衝突しようとも単一の画像化信号を生成する。したがって、複数の格子、抵抗格子または偏向電極の設計は、検出器および捕集陽極内へ入射する電流をより均一にすることだけを考えて最適化すればよかった。本発明の実施形態は、強度情報と位置情報の両方を画像化粒子が保持している代替状況に対しても使用可能である。この場合、２次粒子が衝突した検出器上の位置を無視することはできず、捕集陽極は一般に、マルチチャンネル・プレートの小領域からの（増幅された）電流をそれぞれが捕集する個別の複数の検出器を備える。このことは、原初の２次粒子が検出器２１０のどこに到達したのかに関わらず検出器２１０が生み出した増幅された信号電流の全てを単一の捕集陽極２１１が受け取る図２の検出システム２００とは対照的である。図９および１０では、本発明を画像化検出器に対して使用する２つの例について論じる。ただし、本発明の範囲にはその他の例も含まれる。
【００４０】
図９は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の検出システム９００に対する本発明の使用を示す。ＴＥＭでは、集光および投射光学系が、画像化する試料９０４の表面に１次電子ビーム９０２を投射する。図９に示すように、試料９０４内のさまざまな位置から電子９０６および９０７が散乱する。簡単にするため、電子９０６および９０７は、電子９０６および９０７が偏向せずにレンズ９０８を通過するような角度で試料９０４内において偏向した特定の電子軌道を表すものとし、それらの電子軌道は次いで、リング電極９３０によって支持された複数の環状格子（最も外側の格子９３２および最も内側の格子９３３を含む）を備える検出システムまで下方へと移動し、次いで２段式マルチチャンネル・プレート９３４に入射し、最後に（素子９１４および９２４を含む）複数の捕集素子を備える捕集陽極アセンブリ９３６に入射する。試料９０４から出現した全ての電子がレンズ９０８の中心を通るわけではない。電子９０４および９４２は、対物レンズ９０８を通過し次いでレンズ９０８によって環状格子９３２上で集束する散乱電子の典型的な包絡線を示す。環状格子に印加された電圧のため、レンズ９０８と複数の環状格子との間に位置する２次粒子に作用する半径方向外側への力９５０が生じる。一例として、試料９０４の下面から出現した軌道９０６はレンズ９０８を通過して軌道９１０となり、軌道９１０は次いで力９５０によって外側へ偏向して、最も外側の環状格子９３２に入射する軌道９１２となる。試料９０４上の同じ位置から出現した軌道９４０および９４２は、レンズ９０８によって集束した後にそれぞれ軌道９４４および９４６となり、軌道９１２とほぼ同じ格子９３２上の位置に到達する。２段式マルチチャンネル・プレート９３４による電流増幅の後、格子９３２を通り抜けた電流に比例したある電流が、捕集陽極アセンブリ９３６の素子９１４上で捕集される。（図２の捕集陽極２１１などの）単一の捕集陽極の代わりに捕集陽極アセンブリ９３６を使用することによって、格子９３２を通り抜けた入力信号が保持している位置情報は維持されることに留意されたい。
【００４１】
軸にとても近い電子軌道９０７はレンズ９０８を通過して軌道９２０となり、軌道９２０は次いで力ベクトル９５０によって外側へ偏向して、最も内側の環状格子９３３に入射する軌道９２２となり、電流増幅の後、この信号電流は、捕集陽極アセンブリ９３６の素子９２４によって捕集される。この場合も、格子に到達した入力信号に含まれる位置情報は維持される（このときその位置情報は、前もって較正しまたは計算しておくことができる１：１マッピングで半径方向外側へ引き伸ばされている）。図９は、本発明の画像化検出器実施形態を示す。分割された捕集格子アセンブリがない場合、マルチチャンネル・プレート９３４および捕集陽極アセンブリ９３６に到達する電子軌道は、ＭＣＰ９３４の中心付近により集中するであろう。これは、半径方向外側への力ベクトル９５０がないものとして、軌道９１０および９２０を格子アセンブリの入射面まで延長することによって知ることができる。この場合、明らかに、捕集陽極アセンブリ９３６から生じる画像化信号は素子９２４の近くのより少数の捕集素子から生じ、捕集陽極アセンブリの外縁の素子９１４は電流を全く受け取らないであろう。したがって、画像化検出器用途の本発明の一部の実施形態には以下のような潜在的な２つの利点があることが分かる。
【００４２】
１）検出器９３４の損傷および／または汚染がより均一である。これにより検出器の寿命がより長くなる。この利点は、非画像化検出器に関して上で説明した利点と同じである。
【００４３】
２）画像化分解能が潜在的に向上する。これは、検出器アセンブリ９３４および捕集陽極アセンブリ９３６の中心付近により集中するビームの場合よりも多くの捕集素子（外側の素子９１４など）が使用されるためである。
【００４４】
図１０は、透過型走査電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の検出システム１０００に対して使用された本発明の一実施形態を示す。ＳＴＥＭでは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）における画像化プロセスと同様に、試料１００４の表面に電子ビーム１００２を集束させ、その電子ビーム１００２を偏向系によってラスタ・パターンに従って走査して、画像を生み出す。電子ビーム１００２が試料１００４を透過するときに、ビーム中の電子が、試料１００４中の核（「弾性散乱」を引き起こす）および試料１００４中の電子（「非弾性散乱」を引き起こす）によって散乱する。一例として、電子１００８は、弾性散乱電子の特性であるより大きな角度で散乱する。電子１０１１は小さな散乱角を有し、非弾性散乱したものである可能性がある。これらのタイプの電子はともに、試料１００４についての重要な構造情報および組成情報を含み、検出システム１０００は、これらの両方の画像化信号を同時に捕集するように構成されることが好ましい。当技術分野では、弾性信号と非弾性信号の比が試料の局所的な原子番号に比例することがよく知られている。ＳＴＥＭの検出光学系は一般に試料１００４の下方にレンズ１０１０を備える（このレンズはしばしば対物レンズの磁場の試料平面よりも下方の部分によって形成されるが、追加のレンズの助けを借りて、図１０の単一のレンズ１０１０によって示されている正味の集束効果を得ることもできる）。軸から離れた軌道１００８はレンズ１０１０によって集束して軌道１００９となる。同様に、軸に近い軌道１０１１はレンズ１０１０によって集束して軌道１０１２となる（ここではレンズ１０１０の収差を無視する）。半径方向外側への力１０５０がなければ、軌道１００９および１０１２は、（中心に位置する）軸の近くの捕集格子に到達する。捕集格子アセンブリ内の（格子１０３２、１０３３などの）環状格子に電圧を印加することによって半径方向外側への力１０５０が生じると、２段式マルチチャンネル・プレート１０３４に到達し次いで捕集陽極アセンブリ１０３６に到達する入力信号電流は、利用可能な対応するそれぞれの検出エリアおよび捕集エリアのより大きな部分に広がる。例えば、軌道１００９は外側へ偏向して軌道１０１４となり、軌道１０１４は最も外側の環状格子１０３２を通り抜け、次いで、対応する（増幅された）電流が最も外側の捕集素子１０１６に到達する。同様に、軌道１０１２は外側へ偏向して軌道１０２４となり、軌道１０２４は最も内側の環状格子１０３３を通り抜け、次いで、対応する（増幅された）電流が最も内側の捕集素子１０２６に到達する。この場合も、信号１００８および１０１１が保持している散乱角情報は、信号１００８および１０１１中の相対的な電流として保持されている像強度情報とともに維持されることに留意されたい。（ＳＥＭ、ＳＴＥＭなどの）全ての走査システムと同様に、位置情報は、信号が捕集された時点で、ラスタ走査中のビームの（既知の）位置と相関されている。この実施形態にも、図９に関して論じた利点と同じ２つの利点、すなわち検出器寿命の延長および画像化分解能の潜在的向上が当てはまる。
【００４５】
さらに、小さな変更を加えることによって、図１０を、ＳＴＥＭでの電子回折のケースに適合させることができる。１次ビーム１００２をほぼ平行にし、その１次ビーム１００２を試料１００４のやや大きなエリアに照射し、その間、試料１００４を横切るラスタ走査をしなければ、電子回折像を得ることが可能である。この場合、さまざまな軌道１００８および１０１０が異なる散乱角に対応することになる。上で論じたこの他の考慮事項も全てこの例に当てはまるであろう。
【００４６】
いくつかの実施形態は、磁場を使用して、検出器全体にわたって２次電子または２次イオンをより均一に分散させる。図１１は、１次ビーム軸１１０４に沿って導かれた１次ビームが試料１１０６に衝突し、マルチチャンネル・プレートなどの検出器１１１０によって２次粒子１１０８が検出され、検出器１１１０が、１次ビームが通過する開口１１１２を有する、荷電粒子ビーム・システム１１０２を示す。開口１１１２の周囲に配置された磁石１１１４が磁場を生み出す。磁場は磁力線１１１６によって表されている。この磁場は、２次粒子１１０８を再分配し、検出器１１１０の表面エリア全体にわたって２次粒子１１０８を分散させて、検出器１１１０の位置における最大電流密度を低減させる。
【００４７】
この磁石は、１次ビームに対する影響が最小限であり、同時に２次粒子を分散させる磁場を生み出すように選択される。好ましい磁場の強さは、全てではないが、２次粒子のエネルギーおよび質量ならびに１次ビーム中の粒子のエネルギーおよび質量から決定される。例えば、１次ビームが３０ｋｅＶのガリウム・イオンのビームであり、検出する２次粒子が２次電子を含むとき、検出器１１１０は一般に約９０Ｖにバイアスされる。軌道の終点における２次電子のエネルギーは１００ｅＶ未満であるため、弱い磁場で十分である。２次粒子のエネルギーが低いほど、粒子を偏向させるのに必要な磁場は小さくて済む。例えば、２次粒子が、２００ｅＶ未満のエネルギーに加速された電子である場合、磁場は一般に１００ガウス未満である。１次ガリウム・イオン・ビーム中のガリウム・イオンのエネルギーは電子のエネルギーの約３００倍、イオンの質量は電子の質量の約１０５倍であるため、１次ガリウム・イオン・ビームに対するこの磁場の影響はおよそ１０4分の１である。
【００４８】
好ましい磁場は、１次ビーム軸を中心とする円対称性を有し、それによって１次ビームに対する磁場の影響は低減する。例えば、反対の極性の磁極を円の上面および下面に有する円形磁石は、円対称のフィールド磁場を生み出す。検出器の開口内に配置された磁石が示されているが、本発明はこの位置にある磁石だけに限定されない。例えば、試料１１０６と検出器１１１０の間に磁場が広がるような形で、試料１１０６の下方または検出器１１１０の上方に磁石を配置することができる。磁石が試料１１０６と検出器１１１０の間に磁場を提供する限りにおいて、試料１１０６と検出器１１１０の間またはどこか別の位置に磁石を配置することもできる。荷電粒子ビーム・システム１１０２は試料を高真空、例えば１０-5ミリバール以下の圧力に維持することが好ましく、ガス増幅によって２次粒子信号を増幅しないことが好ましい。検出器１１１０は金属電極検出器でないことが好ましく、例えばマルチチャンネル・プレートおよび捕集陽極；ＰＩＮダイオード；またはシンチレータによって放出された光を光電子増倍管内へ伝送するように構成された光学的光結合手段がシンチレータと光電子増倍管の間に配置されたシンチレータ−光電子増倍管であることが好ましい。以上に示した全ての実施形態において静電場偏向の代わりに磁場偏向を使用することができる。
【００４９】
本発明のいくつかの実施形態は、
１次荷電粒子ビームをターゲットの表面に集束させる荷電粒子カラムであり、この荷電粒子ビームとターゲットとの衝突がターゲットからの２次粒子の放出を引き起こす荷電粒子カラムと、
荷電粒子検出器アセンブリと
を備え、荷電粒子検出器アセンブリが、
電気信号を生成する検出器であり、この電気信号が検出器に衝突した荷電粒子の数に対応する検出器と、
荷電粒子検出器とターゲットの表面との間に配置された少なくとも１つの格子であり、ターゲットから検出器へ荷電粒子を移動させる少なくとも１つの格子と、
２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させ、それによって荷電粒子検出器の耐用寿命を延ばす場の源と
を含む荷電粒子システムを含む。
【００５０】
いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの格子が少なくとも２つの格子を含み、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、前記少なくとも２つの格子の異なる格子の異なる電位を含む。
【００５１】
いくつかの実施形態では、前記少なくとも１つの格子が少なくとも１つの抵抗格子を含み、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、前記少なくとも１つの抵抗格子の異なる部分の異なる電位を含む。
【００５２】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、前記少なくとも１つの格子とターゲットの間に配置された偏向電極を含む。
【００５３】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、荷電粒子カラムの軸から遠ざかる方向へ２次荷電粒子を偏向させる場の源を含む。
【００５４】
いくつかの実施形態では、荷電粒子検出器が、マルチチャンネル・プレートおよび捕集陽極；ＰＩＮダイオード；またはシンチレータによって放出された光を光電子増倍管内へ伝送するように構成された光学的光結合手段がシンチレータと光電子増倍管の間に配置されたシンチレータ−光電子増倍管を含む。
【００５５】
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームが電子ビームまたは集束イオン・ビームであり、前記少なくとも１つの格子の電圧および荷電粒子検出器の電圧が、２次電子を捕集するように構成される。
【００５６】
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームが集束イオン・ビームであり、前記少なくとも１つの格子の電圧および荷電粒子検出器の電圧が、２次イオンを捕集するように構成される。
【００５７】
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビームが集束イオン・ビームであり、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、２次イオンを捕集するように構成される。
【００５８】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場の源が、カラムの光軸からの２次粒子の相対位置が維持されるような態様で２次粒子を偏向させる。
【００５９】
本発明の他の実施形態は、荷電粒子システム内の２次粒子検出器の損傷または汚染の速度を低下させる方法であって、
荷電粒子ビームをターゲットの表面に集束させる荷電粒子カラムであり、荷電粒子ビームとターゲットとの衝突がターゲットからの２次粒子の放出を引き起こす荷電粒子カラムを提供すること、
ターゲットから放出された２次粒子の一部を捕集する２次粒子検出器を提供すること、
２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させ、それによって荷電粒子検出器の耐用寿命を延ばす場を提供すること
を含む方法を含む。
【００６０】
いくつかの実施形態では、この方法が、表面からの２次粒子を２次粒子検出器に向かって加速する少なくとも１つの格子を提供することをさらに含む。
【００６１】
いくつかの実施形態では、２次粒子検出器を提供することが、カラムとターゲットの間に２次粒子検出器を提供することを含む。
【００６２】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの格子を提供することが抵抗格子を提供することを含み、この方法が、抵抗格子の１つの部分に対する第１の電圧および抵抗格子の第２の部分に対する第２の電圧をさらに含み、この第１の電圧と第２の電圧とが等しくない。
【００６３】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの格子を提供することが２つの格子を提供することを含み、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場を提供することが、前記少なくとも２つの格子の異なる格子に異なる電位を与えることを含む。
【００６４】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの格子を提供することが少なくとも１つの抵抗格子を提供することを含み、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場を提供することが、少なくとも１つの抵抗格子の異なる部分に異なる電位を与えることを含む。
【００６５】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場を提供することが、前記少なくとも１つの格子とターゲットの間に偏向電極を配置することを含む。
【００６６】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させる場を提供することが、荷電粒子カラムの軸から遠ざかる方向へ２次粒子を偏向させる場を提供することを含む。
【００６７】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子検出器を提供することが、マルチチャンネル・プレートおよび捕集陽極；ＰＩＮダイオード；またはシンチレータによって放出された光を光電子増倍管内へ伝送するように構成された光学的光結合手段がシンチレータと光電子増倍管の間に配置されたシンチレータ−光電子増倍管を提供することを含む。
【００６８】
いくつかの実施形態では、荷電粒子カラムを提供することが、電子ビームまたは集束イオン・ビームを提供することを含み、２次粒子捕集器が２次電子を捕集する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、荷電粒子カラムを提供することが集束イオン・ビームを提供することを含み、２次粒子捕集器が２次イオンを捕集する。
【００７０】
いくつかの実施形態では、２次荷電粒子を偏向させる場を提供することが磁場を提供することを含む。
【００７１】
いくつかの実施形態では、磁場を提供することが、２次粒子検出器の開口内に磁石を配置することを含む。
【００７２】
本発明の他の態様は、
１次荷電粒子ビームをターゲットの表面に集束させる荷電粒子カラムと、
荷電粒子検出器アセンブリと
を備え、荷電粒子検出器アセンブリが、
電気信号を生成する検出器であり、この電気信号が検出器に衝突した荷電粒子の数に対応する検出器と、
２次荷電粒子を偏向させて、荷電粒子検出器に衝突する荷電粒子の最大電流密度を低減させ、それによって荷電粒子検出器の耐用寿命を延ばす場の源と
を含む荷電粒子システムを含む。
【００７３】
いくつかの実施形態では、場の源が、電場を提供する１つまたは複数の格子を含む。
【００７４】
いくつかの実施形態では、場の源が、磁場を提供する１つまたは複数の磁石を含む。
【００７５】
いくつかの実施形態では、荷電粒子ビーム・システムが光軸を含み、前記磁場が、この光軸を中心に対称である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、検出器が、１次ビームを通す開口を含み、磁石の少なくとも一部がこの開口内に配置される。
【００７７】
本発明の実施形態およびそれらの利点を詳細に説明したが、添付の特許請求の範囲によって定義された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載された実施形態に、さまざまな変更、置換および改変を加えることができることを理解すべきである。格子用の電圧源は単一の電源から得、分圧器を使用することができ、または格子ごとに別個の電源を使用することができ、または電圧ドライバと電源のある組合せを使用することができる。記載した例は、２次粒子の軌道を変更するために電場を提供するが、磁場を使用することもできる。ただし、その場合には１次ビームに対する磁場の影響を考慮しなければならない。さらに、本出願の範囲が、本明細書に記載されたプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法およびステップの特定の実施形態に限定されることは意図されていない。当業者なら本発明の開示から容易に理解するように、本明細書に記載された対応する実施形態と実質的に同じ機能を実行し、または実質的に同じ結果を達成する既存のまたは今後開発されるプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを、本発明に従って利用することができる。したがって、添付の特許請求の範囲は、その範囲内に、このようなプロセス、機械、製造、組成物、手段、方法またはステップを含むことが意図されている。
【図１Ａ】
0005997153.tif 000003
【図１Ｂ】
0005997153.tif 000004
【図２Ａ】
0005997153.tif 000005
【図２Ｂ】
0005997153.tif 000006
【図３】
0005997153.tif 000007
【図４】
0005997153.tif 000008
【図５】
0005997153.tif 000009
【図６】
0005997153.tif 000010
【図７】
0005997153.tif 000011
【図８】
0005997153.tif 000012
【図９】
0005997153.tif 000013
【図１０】
0005997153.tif 000014
【図１１】
0005997153.tif 000015