(57)【要約】【課題】  電子顕微鏡では、二次電子や反射電子により試料の表面や形態の情報を持つ画像を取得することができ、また透過電子により試料内部の情報を持つ画像を取得することができる。しかしながら、透過電子による観察のためには、メッシュ状の試料台の上に電子線が透過可能な程度に薄くスライスされた試料を配置することが必要で、試料の設置等に非常に手間がかかる。そのため従来の装置は透過荷電粒子による画像と二次的荷電粒子による画像とを両方観察するには非常に不便であった。【解決手段】  本発明の荷電粒子線装置は、試料の内部を透過した透過荷電粒子が照射されることで発光する発光部材からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する透過荷電粒子画像モードと、試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号に基づいて二次的荷電粒子画像を生成する二次的荷電粒子画像モードで動作する。【選択図】  図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過した透過荷電粒子が照射されることで発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記試料からの信号を検出する検出器と、
前記発光部材からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する透過荷電粒子画像モードと、前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号に基づいて二次的荷電粒子画像を生成する二次的荷電粒子画像モードで前記検出器を制御する制御部とを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記発光部材からの光と前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号は同じ検出器で検出されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記透過荷電粒子画像モードと前記二次的荷電粒子画像モードは、前記試料ステージを動かさずに切替可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器と前記試料との間に電界を生じさせる電極を有し、
前記電界の大きさを切り替えることで、前記透過荷電粒子画像モードと前記二次的荷電粒子画像モードの切り替えが行われることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記二次荷電粒子が前記試料近傍に存在する気体と衝突することによって発生する光を検出することで、前記試料からの二次荷電粒子に起因する検出信号を取得することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料が載置される空間の真空度を変更可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器は、前記発光部材からの光を検出する受光面と、前記試料からの反射荷電粒子を検出する受光面を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器の受光面の少なくとも一つは、表面に前記反射荷電粒子が透過できずかつ光が透過する透明膜を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器の受光面の少なくとも一つは、表面に光が透過できずかつ前記反射荷電粒子が透過する不透明膜を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
一次荷電粒子線を試料に照射し、
前記試料の内部を透過し前記試料が載置される試料台の発光部材に照射された透過荷電粒子を前記光に変換し、
前記光を検出し、当該光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成し、
前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する信号を検出し二次的荷電粒子画像を生成することを特徴とする画像生成方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記発光部材からの光と前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号は同じ検出器で検出されることを特徴とする画像生成方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記透過荷電粒子画像と前記二次的荷電粒子画像とは、前記試料を動かさずに切替可能であることを特徴とする画像生成方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の画像生成方法において、
前記検出器と前記試料との間の電界の大きさを切り替えることで、前記発光部材からの光と前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号を切り替えることを特徴とする画像生成方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記二次荷電粒子が前記試料近傍に存在する気体と衝突することによって発生する光を検出することで、前記試料からの二次荷電粒子に起因する検出信号を取得することを特徴とする画像生成方法。
【請求項１５】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記試料が載置される空間の真空度を変更するステップを含むことを特徴とする画像生成方法。
【請求項１６】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記発光部材からの光と前記試料からの反射荷電粒子とを同時に検出することを特徴とする画像生成方法。
【請求項１７】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記試料台に保持された試料に対して、前記試料台側から光を照射し、
前記試料台を透過した光を前記試料に照射することを特徴とする画像生成方法。
【請求項１８】
請求項１０に記載の画像生成方法において、
前記試料台に保持された試料に対して、前記試料側から光を照射し、
前記試料を透過した光を、前記試料が載置された第１の発光部材を透過させ、
前記第１の発光部材を透過した光を、前記第１の発光部材で生じる複屈折の影響を打ち消す向きに配置された第２の発光部材に入射させることを特徴とする画像生成方法。
【請求項１９】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過した透過荷電粒子が照射されることで発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台と、
前記試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記試料からの信号を検出する検出器と、
前記発光部材からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する透過荷電粒子画像モードと、前記試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号に基づいて二次的荷電粒子画像を生成する二次的荷電粒子画像モードとで前記検出器を制御する制御部とを有することを特徴とする観察システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料の内部及び表面を観察することが可能な荷電粒子線装置及び当該装置を用いた画像取得方法、観察システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の微小な領域の内部構造を観察するために、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが用いられる。このような電子顕微鏡を用いて試料内部を観察するための一般的な観察方法として、多数の空孔を備えたメッシュ状の試料台の上に電子線が透過可能な程度に薄くスライスされた試料を配置し、試料面に対して電子源側とは反対側に配置された検出器にて透過電子線を取得することが知られている。しかし、この方法では試料がメッシュの空孔上で浮いた構成となるために、試料台に搭載する作業は非常に困難を極めている。そこで、特許文献１では、観察用の試料を直接載置することが可能な電子検出器が提案されている。
【０００３】
また、物体の微小領域は電子顕微鏡だけでなく光学顕微鏡によっても観察することが可能である。光学顕微鏡を用いることで電子顕微鏡では原理的に取得することが不可能な色情報を取得することが可能である。光学顕微鏡では、白色光または特定の光を照射して試料に吸収または試料から放出された色情報をもつ光を結像することで透過光学像を得ることができる。これにより、例えば、生体細胞試料などに特定の染色材を入れることにより細胞内の特定領域だけを染めることができるので、その色を観察することによってどの領域が染まっているのかまたは染まっていないのかを観察することが可能である。特に、病理診断やライフサイエンスの分野で広く用いられている。
【０００４】
電子顕微鏡では色情報は取得できない一方で、電子顕微鏡では光学顕微鏡では観察できない微小領域を高分解能で観察することが可能である。また、電子顕微鏡画像から得られる情報は試料の密度差を反映した情報であり、光学顕微鏡で得られる情報とは異質なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−２８３９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の検出器兼試料台は半導体や金属膜などと電気配線等で配線された電気系の上に直接試料を配置している。この検出器兼試料台は配線が接続されているので同じ試料を他の装置で観察するには電気配線を外すという非常に手間な作業を要する。また、例えば顕微鏡観察用の試料台上で試料自体を培養させる必要がある培養細胞などを観察するには、電気配線が繋がった回路を培養液等につけることになり、検出器兼試料台への載置が困難となる場合がある。以上のように従来技術では透過荷電粒子による観察において試料の設置や取り出しに非常に手間がかかっていた。
【０００７】
また、一般に電子顕微鏡では二次電子や反射電子など二次的荷電粒子により試料の表面や形態の情報を持つ画像を取得することが可能である。しかしながら上記の通り、透過荷電粒子による観察のための試料の設置等に非常に手間がかかるため、従来の装置では透過荷電粒子による画像と二次的荷電粒子による画像とを両方観察することは非常に不便なものであった。
【０００８】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、試料内部及び表面の観察を簡便に行うことができる荷電粒子線装置及び当該装置を用いた画像取得方法、観察システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の荷電粒子線装置は、試料の内部を透過した透過荷電粒子が照射されることで発光する発光部材からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する透過荷電粒子画像モードと、試料からの二次荷電粒子または反射荷電粒子に起因する検出信号に基づいて二次的荷電粒子画像を生成する二次的荷電粒子画像モードで動作する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、試料が載置された試料台を発光させて、その発光を検出することにより、透過荷電粒子による像観察を簡便に行うことができる。特に、試料内部及び表面の両方を簡便に観察することができる。
【００１１】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】光学顕微鏡観察と荷電粒子線顕微鏡観察の概略説明図。
【図２】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図３】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図４】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図５】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図６】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図７】荷電粒子線顕微鏡および光学顕微鏡における観察手順。
【図８】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図９】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図１０】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図１１】実施例１における装置構成図。
【図１２】検出器の詳細図。
【図１３】検出器の詳細図。
【図１４】光学顕微鏡での観察方法を説明する説明図。
【図１５】実施例２における装置構成図。
【図１６】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を用いて各実施形態について説明する。
【００１４】
以下では、本発明における試料台の詳細及び当該試料台が適応される荷電粒子線装置について説明する。ただし、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は、荷電粒子線を照射することによって試料を観察する装置、例えば走査電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、これらと試料加工装置との複合装置、またはこれらを応用した解析・検査装置にも適用可能である。なお、本発明における試料台と当該試料台が載置される荷電粒子線装置とにより、透過荷電粒子線像の観察が可能な観察システムを構成する。
【００１５】
また、本明細書において「大気圧」とは大気雰囲気または所定のガス雰囲気であって、大気圧または若干の負圧状態の圧力環境のことを意味する。具体的には約１０5Ｐａ（大気圧）から〜１０3Ｐａ程度である。
【００１６】
また、本明細書において「試料台」とは試料を載置した状態で荷電粒子線装置から試料とともに取り外しできるユニットのことを意味する。具体的には、以下で説明するように、当該「試料台」ユニットは発光部材と土台とを有していてもよいし、発光部材のみで形成されていてもよい。
【実施例１】
【００１７】
＜概要＞  
はじめに、本実施例の概要に関して説明する。本実施例では、透過荷電粒子による画像（透過荷電粒子線像）と反射荷電粒子や二次荷電粒子などの二次的荷電粒子による画像（二次的荷電粒子像）とを取得可能な荷電粒子顕微鏡、観察システムについて説明する。特に本実施例では透過荷電粒子線像と二次的荷電粒子線像は同じ検出器からの信号に基づいて生成されることを説明する。また、本実施例における具体的実施形態として、試料内部を透過または散乱した荷電粒子線を光に変換し、その光を検出することで透過荷電粒子による画像が生成される例を説明するが、これに限られるものではない。
【００１８】
本実施例では、より具体的には、試料が載置される試料台の少なくとも一部は荷電粒子線の照射により発光する発光部材で形成され、当該発光部材上にある試料を透過または散乱した荷電粒子線が当該発光部材に照射されることで光が発生し、その光を荷電粒子顕微鏡に備えられた検出器で検知することで、透過荷電粒子線像を生成する。つまり、本実施例では試料を透過した荷電粒子線を直接検出するのではなく、光に変換して検出する。以下に詳述するように、荷電粒子線を光に変換する発光部材には外部から接続される電源ケーブルや信号線等の配線が不要である。そのため、同じ試料台を用いて荷電粒子線顕微鏡とその他の装置で観察することができ、装置間の試料の移動に際して電気配線を外すという非常に手間な作業が不要となる。また、発光部材自体または発光部材を有する試料台を簡単に装置に着脱できるので、どのような試料でも簡単に試料を試料台にセットすることが出来る。特に、顕微鏡観察用の試料台上で試料自体を培養させる必要がある培養細胞などを観察する場合に非常に有効である。
【００１９】
さらに、図１に示すように本実施例の試料台を用いれば荷電粒子線顕微鏡による観察と光学顕微鏡などの他の装置による観察とを同じ試料台で行うことができる。図１には本実施例における荷電粒子線を光に変換または増幅して発光させることが可能な検出素子５００（発光部材ともいう）を具備する試料台６００と、荷電粒子線顕微鏡６０１と、光学顕微鏡６０２を示す。試料台６００上には試料６が搭載可能である。なお、ここで検出素子とは電気的回路や機械的回路を持つものに限られず、荷電粒子線を検知する機能を有する基本要素部材を広く意味する。例えば後述するように発光部材自体を指すこともある。この検出素子は、実際には荷電粒子線顕微鏡に備えられた検出器や増幅器などの検出システムと組み合わせて動作することにより検知した荷電粒子線を電気信号として検出することが可能となる。したがって、これらの検出システムの一部であるということもできる。また、図２に示す通り検出素子５００自体が試料台６００となる場合もある。この場合は検出素子５００と試料台６００は同義となる。
【００２０】
本実施例において、この試料台の具備された検出素子は透明な部材で作られているとよい。以下、本明細書において、「透明」の意味は、特定の波長領域の可視光もしくは紫外光もしくは赤外光が通過可能、またはすべての波長領域の可視光もしくは紫外光がもしくは赤外光通過可能ということである。紫外光は波長がおおよそ１０〜４００ｎｍであり、可視光は波長がおおよそ３８０ｎｍから７５０ｎｍであり、赤外光とは波長がおおよそ７００ｎｍ〜１ｍｍ（＝１０００μｍ）程度の波長の領域のことを言う。例えば、多少の色が混在されていても透けて見えれば特定の波長領域の可視光が通過可能ということであり、無色透明であればすべての波長領域の可視光が通過可能という意味である。ここで「通過可能」とは少なくとも当該波長領域の光によって光学顕微鏡観察が可能な光量の光が通過することを指す（例えば透過率５０％以上であることが望ましい）。また、ここで特定の波長領域とは少なくとも光学顕微鏡の観察に用いる波長領域を含む波長領域である。そのため、本実施例の試料台の一面側からの光が試料を透過することによって得られる「光透過信号」を試料台のもう一面側から検出することが可能な一般的な光学顕微鏡（透過型光学顕微鏡）に用いることが可能である。光学顕微鏡としては、生物顕微鏡、実体顕微鏡、倒立型顕微鏡、金属顕微鏡、蛍光顕微鏡、レーザ顕微鏡等の光を用いた顕微鏡ならばどんなものでもかまわない。また、ここでは説明のため「顕微鏡」としているが、本発明は画像の拡大率に関らず、試料に光を照射することで情報を取得する装置一般に適用可能である。
【００２１】
本実施例では、荷電粒子線顕微鏡内で発生された荷電粒子線が試料６に照射された後に試料の内部を透過または散乱した「荷電粒子透過信号」を、試料台に具備された検出素子にて検出することにより、透過荷電粒子顕微鏡画像を取得することが可能である。後述するように、検出素子５００からの光を電気信号に変換及び増幅するために荷電粒子線顕微鏡６０１内には光検出器５０３を備える。
【００２２】
また、電子顕微鏡と光学顕微鏡では得られる情報が異なるため、電子顕微鏡と光学顕微鏡の両方で同一試料を観察したい要求が近年非常に増えている。しかしながら、例えば特許文献１の検出器兼試料台は光を透過することができず、実質的に、光学顕微鏡による観察ができない電子顕微鏡向けの試料台であった。このため電子顕微鏡向けの試料と光学顕微鏡向けの試料を作り分けなければならず、試料作成に手間がかかる等の問題があった。
【００２３】
本実施例の試料台は電子顕微鏡などの荷電粒子線顕微鏡装置に搭載可能であるため、光学顕微鏡と共用に用いられる共通試料台となりうる。つまり、図中矢印で図示したように同一試料台を各顕微鏡間で移動させて観察することで、それぞれの顕微鏡観察向けに試料を複数作製したり試料を移し変えたりすることなく、一つの試料台に試料を配置したまま荷電粒子線観察と光学観察が可能である。なお、図１のように個別に配置された各顕微鏡にて同一試料台を搭載してもよいし、後述するように、光学顕微鏡と荷電粒子顕微鏡が一体化された複合型顕微鏡装置を用いてもよい。以下で、試料台、試料搭載方法、画像取得原理、装置構成等の詳細に関して説明する。
【００２４】
＜試料台の説明＞  
図２を用いて、本実施例における試料台の詳細について説明する。本実施例の試料台は荷電粒子線を光に変換する検出素子５００で構成される。あるいは、検出素子５００を支持する土台５０１（透明である場合には透明部材ともいう）から構成される。光学顕微鏡での観察と荷電粒子顕微鏡での観察を同じ試料台で行う場合には、検出素子５００と土台５０１は透明であることが望ましい。試料６は検出素子５００上に直接搭載される。または、後述するように膜などの部材を介して間接に搭載されても良い。土台５０１は、理想的には無色透明であるが、多少の色が混在されていてもかまわない。土台５０１としては、透明ガラス、透明プラスチック、透明の結晶体などである。蛍光顕微鏡などで観察したい場合は、蛍光が吸収されない方がよいのでプラスチックがよい。本実施例の試料台では、少なくとも、試料が配置される箇所と試料台において試料が配置される箇所と対向する面との間にある検出素子と土台５０１とが「透明」であれば光学的な顕微鏡観察が可能である。なお、土台５０１は必ずしもなくともよい。
【００２５】
検出素子５００は例えば数ｋｅＶから数十ｋｅＶぐらいまでのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知し、荷電粒子線が照射されると可視光や紫外光や赤外光などの光を発光する素子である。本実施例の試料台に用いられる場合、当該検出素子は試料台に載置された試料の内部を透過または散乱した荷電粒子を光に変換する。発光波長は、可視光、紫外光、赤外光のうち特定のまたは任意のいずれかの波長領域であればよい。検出素子としては例えばシンチレータ、ルミネッセンス発光材などを用いることができる。シンチレータの例としてはＳｉＮ（シリコンナイトライド）、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）素子、ＹＡＰ（イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト）素子、ＢＧＯ素子（ビスマスゲルマニウム酸化物）、ＧＳＯ（ガドリニウムシリコン酸化物）素子、ＬＳＯ（ ルテチウムシリコン酸化物）素子、ＹＳＯ（イットリウムシリコン酸化物）素子、ＬＹＳＯ（ルテチウムイットリウムシリコン酸化物）素子、ＮａＩ(ＴＩ)（タリウム活性化ヨウ化ナトリウム）素子などの無機シンチレータ材料がある。または、ポリエチレンテレフタレートなど発光することが可能な材料が含有するプラスチックシンチレータあるいは有機シンチレータや、アントラセンなどが含有した液体シンチレータが塗布された材料などでもよい。荷電粒子線を光に変換可能な素子であれば検出素子５００はどのような材料であってもかまわない。
【００２６】
なお、検出素子５００が多結晶体の場合、荷電粒子線が結晶部と各結晶同士の界面部とに照射された場合の発光量がそれぞれ異なるために、結果として各結晶の粒界が観察されてしまうことがある。各結晶の粒界の情報と試料内部情報とが混在してしまうと、明瞭な試料透過観察ができない場合がある。そのため、結晶の粒径（大きさ）が観察対象の試料の大きさよりも十分小さいか、結晶の粒径が観察対象の試料の大きさよりも十分大きい必要がある。もし結晶の粒径に関わらず結晶の粒界が透過観察において障害になる場合は、検出素子５００は単結晶体を使うとよい。単結晶体の上に試料を配置して荷電粒子線を照射することによって、結晶の粒界が観察されることなく試料内部情報だけの観察が実施可能となる。しかしながら、検出素子５００に単結晶体を用いた場合に、検出素子５００上に搭載された試料を光学顕微鏡にて観察すると、光が単結晶体を通過する際に、光が二つに分離されることがある。この結果、光学顕微鏡の観察結果において被観察対象物が２重にみえることがある。これは単結晶が引き起こす複屈折現象による。このため、単結晶体を検出素子５００とし、その検出素子に載置された試料を光学顕微鏡にて観察する場合には、試料を透過した光が検出素子５００内部を通過することによって、光が分離しないように制御する必要がある。例えば、後述するように、検出素子５００に対して試料が配置される側と光源が配置される側とが反対側に位置にする必要がある。
【００２７】
また別の例として、検出素子５００は、荷電粒子線が照射されることによって蛍光を発生する蛍光剤が土台５０１上にコーティングされた薄膜や微粒子であってもよい。この場合、前記蛍光剤である薄膜や微粒子が検出素子５００となる。例えば、コーティング材として、緑色蛍光タンパク質（Green Fluorescent Protein，ＧＦＰ）などの蛍光たんぱく質がある。蛍光色は緑に限らず青や赤など何でも構わない。特に、荷電粒子線を照射しても瞬時に劣化することがないようなＧＦＰがよい。例えば、高感度緑色蛍光タンパク質（enhancedGFP，ＥＧＦＰ）などである。観察したい試料が細胞などの生体試料の場合には、タンパク質であるＧＦＰと細胞試料などの密着性がよいといった利点もある。また、ＧＦＰが塗布された基板に対して、試料搭載後に荷電粒子線を照射してＧＦＰの蛍光強度を高めてから観察してもよいし、試料搭載前に荷電粒子線を照射して、ＧＦＰの発光強度を高めてから試料を搭載してもよい。この場合、コーティング材は土台５０１に支持、塗布、または散布される。本実施例では、これらも含め、荷電粒子を受光面に受けることにより光を発生する部材を総称して発光部材と称する。荷電粒子線の固体内平均自由行程は荷電粒子線の加速電圧に依存するが数十ｎｍから数十μｍである。そのため、検出素子５００の上面の発光領域も検出素子表面から同程度の厚みの領域となる。よって、検出素子５００の厚みはこの厚みを上回っていればよい。一方で、前述の通り、光学顕微鏡観察を同じ試料台で行うことを考えた場合には、光学顕微鏡にて観察した際の光透過信号ができるかぎり透過可能な必要があるので、多少の色が混在された検出素子の場合はできるかぎり薄いほうがよい。
【００２８】
もし、検出素子５００としての蛍光剤が荷電粒子線照射によって損傷を引き起こして発光をしなくなる場合は、冷却をすることによって損傷を防ぐことも可能となる。その場合、水や液体窒素やペルチェ素子等で検出素子５００を冷却することが可能な試料ステージを備えればよい。
【００２９】
なお、光学顕微鏡６０２が蛍光顕微鏡である場合には、試料に蛍光材を注入する必要がある。この場合、試料に注入する蛍光材料の蛍光波長帯と、本実施例における上記発光部材としての蛍光材料の発光波長帯とがずれているほうが望ましい。例えば、緑色である蛍光たんぱく質で検出素子５００をコーティングした場合には、赤や青などの蛍光たんぱく質で試料を染めることが望ましい。もし、発光部材のコーディングと試料の染色を同一色で実施する場合は、蛍光顕微鏡下では色ではなく発光強度の違いを識別すればよい。また、試料に蛍光材が含まれる場合はそれがどのような色であっても、荷電粒子線装置内の光検出器５０３では検出素子５００からの光と試料からの光を検出することになる。この場合、光検出器５０３は予め発光波長の増幅率が異なる検出器を用いれば（または分光器を用いれば）、結果として荷電粒子による透過情報が取得できることになる。具体的には、発光部材からの光に対する増幅率が試料からの光に対する増幅率より高い光検出器５０３を用いれば、荷電粒子による透過信号を選択的に増幅することができる。また、光検出器５０３に光の波長を分けることが可能な分光器が具備されていてもよい。また、光検出器５０３と検出素子５００との間にレンズを配置して検出素子５００からの光を拡大して直接その光を観察してもよい。この場合、光検出器５０３の代わりに人間の目で直接光を検知することになる。
【００３０】
光学顕微鏡にて良く用いられる試料台としてスライドグラス（又はプレパラート）やディッシュ（又はシャーレ）などの透明試料台がある。つまり、本実施例における荷電粒子線を光変換することが可能な検出素子を具備した試料台をこれら光学顕微鏡向けの一般的なスライドグラス（例えば約２５ｍｍ×約７５ｍｍ×約１．２ｍｍ）の形状の上に検出素子５００をのせれば、これまでユーザが使用していたような経験や感覚で試料台操作や試料搭載や試料観察が可能である。または、スライドガラスやシャーレなどの試料台自体を上記した発光する部材で形成して試料台としてもよい。これによれば、光学顕微鏡で一次的にスクリーニングし、選別された試料をそのまま荷電粒子顕微鏡で詳細観察するといった使い方をすることができる。または、一般の高性能の透過型荷電粒子線顕微鏡装置用の試料調製は大変な労力を要するので、本実施例における試料台による観察を高性能の透過型荷電粒子線顕微鏡観察前のスクリーニングとして利用することも可能である。また、後述するように、これら顕微鏡間で試料を移動する際に位置情報等をコンピュータ上や紙面上でマップとして共有化すると、各顕微鏡で同一部位を観察することが可能となる。
【００３１】
図３（ａ）に試料台６００の別の実施形態を示す。図３（ａ）では、検出素子５００の表面に薄い膜５０２が配置され、膜５０２の上に試料が載置される。前述のように荷電粒子線の固体内平均自由行程は荷電粒子線の加速電圧に依存するが数十ｎｍから数十μｍであるため、膜５０２の厚さはその平均自由行程よりも十分薄ければよい。この厚みは図中Ａで記載されている。この薄い膜５０２は、荷電粒子線の少なくとも一部が透過可能な厚さおよび材質である必要がある。光学顕微鏡での観察も実施される場合にはこの薄い膜５０２はさらに光に対して透明である必要もある。このような薄い膜５０２を配置すると、検出素子５００の表面の汚れや傷などを防止することが可能である。この薄い膜５０２の一例として、試料が試料台と分離しないように、試料と試料台の密着性を高めるための物質がある。例えば、試料が細胞等の生体試料の場合、細胞表面は脂質二重層のリン酸脂質による負の荷電状態であるため、正の荷電状態の分子（リジンやアミノシランなど）をスライドグラスなどの試料台上に塗布することによって、細胞試料が試料台から剥離することを防止することができる。または、液体を多く含んだ状態の試料を搭載しやすくなるように親水性を有する材料が塗布されていてもよい。または、生きた細胞や細菌が搭載または培養しやすくなるようにコラーゲンのような生体試料と親和性が高い材料を塗布してもよい。なお、ここで塗布とは、散布、浸漬、コーティング等試料台表面にコーティング材を付着させる方法を広く含むものとする。
【００３２】
また、図３（ｂ）のように所定の位置だけに前述したコーティング用の分子や膜を配置してもよい。ここで、所定の位置とは検出素子５００のうち一部の領域という意味である。例えば、所定の位置だけに正の荷電状態の分子を配置した試料台を用いて細胞等の生体試料を観察する場合、所定の位置のみに前記試料を配置することが可能となる。例えば、観察したい領域を狭めることで、観察時間を短くしたい場合などに本手法が有用となる。また、荷電粒子線が照射された際に帯電が発生しないように少なくとも試料が載置される面に導電性部材（帯電防止部材）が前述の膜５０２の代わりにまたは膜５０２に加えて具備されていてもよい。導電性部材とは例えばカーボン材や金属材やＩＴＯ（インジウム・スズ酸化物）や導電性有機物などである。なお、前述の膜の層数は複数あってもかまわない。
【００３３】
また、図４（ａ）のように、含水試料などを載置する場合は試料を囲う様に薄い膜７０２を配置してもよい。薄い膜７０２とは例えば界面活性材や有機物などである。薄い膜７０２で試料表面を覆うよう試料を囲むことによって、試料からの水分蒸発防止や試料の形状変化を防止することが可能となる。
【００３４】
また、図４（ｂ）のように、試料内部または周辺に置換物質７０３を導入してもよい。置換物質７０３は例えばイオン液体などの有機物である。イオン液体は電子照射面に導電性を付与することができる性質を有する。イオン液体が試料の内部や周辺部に配置されていることによって、真空中で荷電粒子線を照射するときに、試料の帯電を防止することが可能となる。さらに、試料に含まれる水分をイオン液体と置換することで、真空の試料室に配置されても試料の形態を保つことが可能となる。イオン液体を含んだ試料に対して荷電粒子線を照射し、試料を透過または試料によって散乱してきた荷電粒子線による発光を検出することで、よりウェットな試料の透過画像を取得することが可能となる。イオン液体を試料に付着または導入する方法としては、試料をイオン液体中に含浸させてもよいし、スプレーなので試料にイオン液体を吹きかけるなどしてもよい。
【００３５】
＜試料搭載方法＞  
試料台に試料を搭載する方法を以下で述べる。荷電粒子線（光学顕微鏡観察を併用する場合にはさらに光）が透過しなければならないために、試料は薄い必要がある。例えば、数ｎｍから数十μｍ程度の厚みである。検出素子５００上に直接搭載可能な試料としては、例えば、細胞が含まれている液体や粘膜、血液や尿など液状生体検体、切片化された細胞、液体中の粒子、菌やカビやウイルスのような微粒子、微粒子や有機物などを含むソフトマテリアル材などがある。試料の搭載方法は、前述の培養の他にも、以下の方法が考えられる。例えば、試料を液体の中に分散させて、この液体を検出素子に付着させる方法がある。また、試料を荷電粒子線が透過可能な厚さに切片化して、切片化された試料を検出素子上に配置してもよい。より具体的には、例えば綿棒の先端に試料を付着させこれを検出器上に塗りつけてもよいし、スポイトで垂らしてもよい。また微粒子の場合は検出器上に振りかけてもよい。スプレーなどで塗布してもよいし、液体を試料台に高速回転させて塗布するスピンコーティング法を用いてもよいし、液体に試料台をつけて引き上げることによって塗布するディップコーティング法を用いてもよい。いずれの方法にしても、試料厚みを数ｎｍから数十μｍ程度の厚みにすることができればどのような方法であってもかまわない。
【００３６】
または、図５のようにすでに数ｎｍから数十μｍ程度の厚みの試料６を予め土台７０１に搭載しておき、試料６が保持された土台７０１を検出素子５００上に搭載してもよい。この場合、土台７０１は試料の一部と考えることもできる。この場合、図５（ａ）のように試料の一部である土台７０１を検出素子５００に接触させてもよいし、図５（ｂ）のように試料６を検出素子５００に接触させてもよい。土台７０１はメッシュ状やストライプ状の土台などで、この厚みは数μｍから数ｍｍ程度である。土台７０１の厚みにかかわらず本実施例における透過像取得が可能である。
【００３７】
＜内部観察原理＞  
以下で、本実施例の試料台を用いた光検出方法及び透過荷電粒子線が取得可能な原理について説明する。図６に、検出素子５００上に試料６が配置されている状態を示している。試料台の周囲には光検出器５０３を示している。光検出器５０３は検出素子５００からの光信号を電気信号に変換または増幅することが可能である。変換または増幅された電気信号は通信線を介して制御部やコンピュータに入力され、これらの制御系により画像化される。取得された画像（透過荷電粒子線画像）はモニタ等に表示されてもよい。
【００３８】
ここでは、試料内で密度が高い部位５０８と密度が低い部位５０９があることを考える。試料内で密度が高い部位５０８に一次荷電粒子線５１０が照射された場合、荷電粒子線は大多数が後方散乱されるため、検出素子５００には荷電粒子線は到達しない。一方、試料内で密度が低い部位５０９に一次荷電粒子線５１１が照射された場合、荷電粒子線は検出素子５００に到達して発光させることが可能となる。その結果、検出素子５００にて試料内部の密度差を検出（すなわち密度差に応じた強度の光信号に変換）することが可能となる。この透過具合は荷電粒子線の加速エネルギーによってかわる。そのため、荷電粒子線の加速エネルギーを変えることで観察したい内部情報とその領域を変えることも可能である。
【００３９】
図６（ａ）では、光検出器５０３が試料台である検出素子５００の下側に配置された例を示す。光検出器５０３と試料台との間（図中ｈ部分）は空間があってもよいが、光を出来る限り効率よく検出するためには、光検出器５０３と試料台との距離（距離ｈ）は出来る限り短い方がよい。また、光検出器５０３と試料台との間に光学レンズやミラーなどの光学系を配置して集光してもよい。また、光検出器５０３と試料台との間に光伝達部材５１３を配置してもよい。光伝達部材５１３は、検出素子５００から生じる光の波長領域に対して透明であり、検出素子５００の光を光検出器５０３の方向に伝達させる部材である。光伝達部材５１３は、例えば、石英、ガラス、光ファイバー、プラスチック等、光に対して透明または半透明な材料である。この構成にすると、光検出器５０３を試料ステージから分離して配置することができるので、光検出器５０３に接続される配線や電気回路を試料台や試料台を保持する試料ステージとは離れた位置に配置することが可能となる。光検出器５０３と試料台との間の空間は、空気雰囲気でも真空でもよい。いずれにしても、光検出器５０３と試料台との間の空間は出来る限り発光の波長領域を通過させることができる必要がある。
【００４０】
図６（ｂ）では、光検出器５０３が試料台５００の上面より上側に配置された例を示す。この場合も発光した光を検出する原理は前述と同等である。光検出器５０３と発光部分との間（図中ｘ部分）は出来る限り近いほうがよい。一方で、荷電粒子光学鏡筒などが試料６上部にあるため光検出器５０３を試料台に近づけて配置することが難しい場合がある。このような場合は、光検出器５０３と検出素子５００との間に前述の光伝達部材５１３を配置してもよい。例えば、これら光伝達部材５１３は光検出器５０３と比べて形状が自由に加工できるので、出来る限り細くするなどして試料６に近づけて配置させることが可能となる。なお、この構成にすると、光検出器５０３を試料６が配置された検出素子５００とは完全分離して配置することができる。なお、図で示した光検出器５００または光伝達部材５１３に駆動機構を設けて動くようにしてもよい。光検出器５００または光伝達部材５１３が動かせるようになると、試料ステージの位置や角度を変更したい場合などに光検出器５０３や光伝達部材５１３に接触することを防止することが可能となる。
【００４１】
＜観察手順＞  
図７を用いて顕微鏡観察する手順例を記載する。はじめに、試料を搭載するための検出素子５００（発光試料台）を準備する。次に、必要に応じて検出素子５００に所定の部材を配置する。ここで、所定の部材とは、前述の通り、試料と試料台の密着性を高めるための物質や導電性物質や光を反射するための物質や、何らかの所定のガス材などである。もし、所定の部材を配置する必要がなければ本ステップは不要である。次に、検出素子５００上に試料を搭載する。
【００４２】
次に、荷電粒子顕微鏡または光学顕微鏡に搭載し観察するステップに移動する。ステップＡは荷電粒子顕微鏡にて観察するステップで、ステップＢは光学顕微鏡にて観察するステップである。Ａのステップでは、はじめに、前述のように試料が搭載された検出素子５００を荷電粒子顕微鏡装置内に配置する。次に、荷電粒子線を試料に照射することにより、荷電粒子線を透過または散乱させる。次に、荷電粒子が検出素子５００に到達すると発光するので、この発光を光検出器により検出する。または、試料から放出された二次荷電粒子線や反射荷電粒子線等の二次的荷電粒子を検出する。後述するように試料近傍に存在する気体を使って、ガスシンチレーション現象によって発生した光を検出してもよい。次に、荷電粒子顕微鏡に含まれる制御部または画像処理部などで、検出器で検出された信号に基づいて試料の表面や透過情報を反映した荷電粒子像を生成する。荷電粒子顕微鏡装置による観察が終了したら、荷電粒子顕微鏡装置外に試料を取り出す。必要に応じてＢの光学顕微鏡による観察ステップに移る。光学顕微鏡による観察ステップＢでは、まず、試料が搭載された検出素子５００を光学顕微鏡装置内に配置する。前述のとおり、光学顕微鏡装置に配置する際に、スライドガラスの形状である必要があれば、検出素子５００をスライドガラス上に載せることも可能である。次に、光学顕微鏡にて観察する。観察が終了したら、荷電粒子顕微鏡装置に戻して再観察してもよい。ステップＡとＢは入れ替えてもよいし、後述するように、荷電粒子顕微鏡装置と光学顕微鏡装置が一体化された装置であれば、同時に観察してもよい。
【００４３】
＜光検出器＞  
次に、図８を用いて、前述の原理を用いて試料内部及び試料表面を観察することが可能な光検出器の構成について詳細を説明する。本実施例の光検出器では後述するように一つの検出器で試料内部及び試料表面を観察することが可能である。ここで、一つの検出器とは一つの部材として構成されている検出器という意味である。例えば、光を検出する検出面が複数個同時に製作される半導体検出素子や、光を増幅する部位が多数あるマルチチャンネルプレートなどは、検出する部位が複数であっても、一つの部材として着脱が可能であるので以下では一つの検出器としてみなす。
【００４４】
また、以下で試料表面とは、一次荷電粒子線が試料に入射したことによって発生する二次荷電粒子や反射荷電粒子が試料表面に出てこれられる脱出深さのことをいう。例えば、一次荷電粒子線の加速電圧が１５ｋＶの場合は、二次荷電粒子線を検出する場合の試料表面とは脱出深さである数十ｎｍ以下程度で、反射荷電粒子線を検出する場合は試料表面とは脱出深さである数百ｎｍ以下程度である。
【００４５】
図８（ａ）では試料表面を観察する場合を、図８（ｂ）では試料内部を観察する場合に関して説明する。光検出器５０３は試料からの光信号を検出するものである。光検出器５０３は、発光の波長領域を通過させることが可能な光伝達部材５１３と、試料６と光伝達部材５１３との間に電界を形成することが可能な電極５１６と、光を増幅することが可能な光増幅器５１９で構成される。また、光増幅器５１９には出力信号を増幅するための増幅器５１４が接続され、電極５１６には電圧を印加することが可能な電源５１５が接続される。電極５１６は光を通すことが可能で、電圧が印加することが可能な構造となっている。例えば、網目形状の金属メッシュなどである。またはスリットのように縦や横だけに光を通す部分をそなえてもよい。また、本実施例では試料室内が低真空雰囲気になっており、試料近傍にガス分子５２０が存在する。
【００４６】
図８（ａ）では、二次電子などの試料表面の情報を持つ二次荷電粒子を検出する例を説明している。図８（ａ）では試料６と検出器の前面にある光伝達部材５１３との間に電界を形成している。具体的には、電源５１５から電極５１６に電圧を印加することで試料と検出器との間に電界を生じさせる。試料６と電極５１６との間に電界があると、試料から放出された二次荷電粒子と試料６と電極５１６との間にあるガス分子５２０が衝突してガスシンチレーションの発光現象が生じる。例えば、装置内部が低真空雰囲気（約１Ｐａ〜約３０００Ｐａ）である場合に、一次荷電粒子ビーム５１１が照射された試料６から二次荷電粒子５１７が発生する。二次荷電粒子５１７は、試料上方に配置された電極５１６に引き寄せられ、試料近傍のガス分子５２０と衝突を繰り返す。これによってガス分子にエネルギーが与えられ、基底状態（安定した原子／分子状態）から励起状態（不安定な原子／分子の状態）に遷移する。不安定な励起状態から基底状態に戻る際に、励起状態に遷移した遷移エネルギーに相当する光エネルギーを持った光が発生する。この発光過程は二次荷電粒子に起因しているため、試料表面情報を持った光（紫外光／可視光）５１８である。この光５１８が光伝達部材５１３を経由して光増幅器５１９に到達する。光増幅器５１４で増幅された信号は増幅器５１４に送られ、この信号を元にしてその後画像表示される。なお、光伝達部材５１３は、真空紫外域から可視域までの光を十分透過できるものを備えるものとする。また、光増幅器５１９も真空紫外域から可視域まで光を光電子に変換、増幅できる性能を備えるものとする。本構成の場合は、検出素子５００からの光も検出されるが、試料６と電極５１６との間に電界によってガスシンチレーションの発光を検出素子５００からの光に対して非常に大きくすることができるので、検出素子５００からの光は無視することができる。この結果、試料表面から放出された二次荷電粒子の情報を主として取り出すことが可能となり、試料表面画像（二次荷電粒子画像ともいう）を生成することが可能となる。
【００４７】
一方、図８（ｂ）では、試料の内部構造の情報を持つ透過荷電粒子を前述のように検出素子で光に変換し、検出素子からの発光を光検出器で検出する例を説明している。図８（ｂ）ではガスシンチレーションの発光現象が起こらないように電極５１６の電圧を図８（ａ）の状態で印加される電圧より小さく設定されている。より具体的には電極５１６の電圧はガスシンチレーションが生じるしきい値より小さくすればよい。この場合は、試料６と電極５１６との間の電界が小さいので試料から発生した二次荷電粒子５１７は加速されず、ガス分子５２０との衝突による光は生じない。そのため、試料６を透過したことによって、検出素子５００から発生した光５１２だけが光増幅器５１４によって検出されることになる。つまり、この場合には透過荷電粒子を間接的に検出していることになる。この結果、光検出器５０３からは試料の内部構造の情報を持つ信号が出力され、これに基づいて試料の透過像（透過荷電粒子像ともいう）が生成される。
【００４８】
図８（ａ）（ｂ）に示すそれぞれの光検出器の制御モードを切り替えることで、試料の表面情報を表す二次荷電粒子に起因する光信号と試料の内部構造情報を表す透過荷電粒子に起因する光信号とを切り替えて検出することが可能である。この場合、制御しているのは電極５１６に印加される電圧の値だけなので、電圧のパラメータを変更する機能を付加するだけで、同一の光検出器５０３で試料内部及び試料表面を観察することが可能となる。言い換えれば、本実施例で説明する検出器５００を用いれば、既存の装置を大幅改編することなく、上述の機能を実現することができる。
【００４９】
また、この方法によれば、ステージを動かして試料の位置及び角度を変えることなく、透過荷電粒子像と二次荷電粒子像を取得することができる。これによって同一試料の同一視野または同一角度で観察することが可能となるため、透過荷電粒子像と二次荷電粒子像の画像比較が簡単に行える。
【００５０】
なお、電極５１６による電界は試料と光検出器の間に形成されていれば良く、電極５１６の位置は上記に限定されない。例えば、図８では電極５１６は光伝達部材５１３の直前に配置されて図示されているが、両者は接触していてもよいし少し離れていてもよい。また、図９（ａ）のように光伝達部材５１３の側面周辺にあってもよいし、荷電粒子光学鏡筒２の下側など光伝達部材５１３の周辺以外にあってもよい。または、図９（ｂ）のように検出素子５００を支持する台に電源５１５を接続して検出素子５００及び試料６周辺に電界を形成してもよい。この場合、光伝達部材５１３の周辺の電極５１６は接地されている必要がある。図９の構成の場合は、ガスシンチレーションによる発光５１８や、検出素子５００からの発光５１２が電極５１６によって遮られないといった特徴がある。
【００５１】
＜真空度切替＞  
前述では電極５１６の電圧を変えることによって、透過像と表面像を切り替える方法に関して説明した。一方で、ガス分子５２０の量を変えることで、透過像と表面像を切り替えることも可能である。この様子を図１０に示す。電極５１８の電圧が印加されて且つ電圧が一定の状態で、後述するガス導入口２７からの導入ガス量を調節する。図１０（ａ）では図８（ａ）と同様にガスシンチレーションによって試料表面情報が取得できる。一方図１０（ｂ）で示すように、ガス導入口２７からのガス導入を停止し、試料近傍のガス分子が少なくなるとガスシンチレーションが発生しなくなるので、試料表面に起因した信号は取得されない。しかし、図１０（ｂ）の状態でも検出素子５００からの光は検出器５１９にて検出されるため、透過像が取得される。本構成の場合は、電極５１６に印加する電圧が一定であるため、電源５１５の構成が非常に簡単となる。なお、当然ながら電極５１６の電圧を可変とする電源と試料近傍に導入するガスの流量を制御する制御部を両方備え、電極５１６の電圧と試料室の真空度を同時に制御してもよい。
【００５２】
＜装置説明＞  
ここで、図１１に、一般的な荷電粒子線装置に本実施例の試料台を搭載した装置を記載する。荷電粒子顕微鏡は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する筐体７（以下、真空室と称することもある）およびこれらを制御する制御系によって構成される。荷電粒子顕微鏡の使用時には荷電粒子光学鏡筒２と筐体７の内部は真空ポンプ４により真空排気される。真空ポンプ４の起動および停止動作も制御系により制御される。図中、真空ポンプ４は一つのみ示されているが、二つ以上あってもよい。
【００５３】
荷電粒子光学鏡筒２は、一次荷電粒子線を発生する荷電粒子源８、発生した荷電粒子線を集束して鏡筒下部へ導き、一次荷電粒子線を試料６上に走査する光学レンズ１などの要素により構成される。荷電粒子光学鏡筒２は筐体７内部に突き出すように設置されており、真空封止部材１２３を介して筐体７に固定されている。荷電粒子光学鏡筒２の端部には、上記一次荷電粒子線の照射により得られる二次的荷電粒子（二次電子または反射電子等）を検出する検出器３が配置される。検出器３は図示した位置ではなくても筺体７内部であればどこでもよい。
【００５４】
試料６に到達した荷電粒子線によって試料内部または表面から反射荷電粒子や透過荷電粒子などの二次的荷電粒子が放出される。この二次的荷電粒子を検出器３にて検出する。検出器３は数ｋｅＶから数十ｋｅＶのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知及び増幅することができる検出素子である。例えば、シリコン等の半導体材料で作られた半導体検出器や、ガラス面またはその内部にて荷電粒子信号を光に変換することが可能なシンチレータ等である。
【００５５】
本実施例の荷電粒子顕微鏡は、制御系として、装置使用者が使用するコンピュータ３５、コンピュータ３５と接続され通信を行う上位制御部３６、上位制御部３６から送信される命令に従って真空排気系や荷電粒子光学系などの制御を行う下位制御部３７を備える。コンピュータ３５は、装置の操作画面（ＧＵＩ）が表示されるモニタと、キーボードやマウスなどの操作画面への入力手段を備える。上位制御部３６、下位制御部３７およびコンピュータ３５は、各々通信線４３、４４により接続される。
【００５６】
下位制御部３７は真空ポンプ４、荷電粒子源８や光学レンズ１などを制御するための制御信号を送受信する部位であり、さらには検出器３の出力信号をディジタル画像信号に変換して上位制御部３６へ送信する。図では検出器３からの出力信号を、プリアンプなどの増幅器５３を経由して下位制御部３７に接続している。もし、増幅器が不要であればなくてもよい。
【００５７】
上位制御部３６と下位制御部３７ではアナログ回路やディジタル回路などが混在していてもよく、また上位制御部３６と下位制御部３７が一つに統一されていてもよい。なお、図１１に示す制御系の構成は一例に過ぎず、制御ユニットやバルブ、真空ポンプまたは通信用の配線などの変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例の荷電粒子線顕微鏡の範疇に属する。
【００５８】
筐体７には、一端が真空ポンプ４に接続された真空配管１６が接続され、内部を真空状態に維持できる。同時に、筐体内部を大気開放するためのリークバルブ１４を備え、試料台を装置内部に導入時に筐体７の内部を大気開放することができる。リークバルブ１４は、なくてもよいし、二つ以上あってもよい。また、筐体７におけるリークバルブ１４の配置箇所は、図１１に示された場所に限られず、筐体７上の別の位置に配置されていてもよい。
【００５９】
筐体７は側面に開口部を備えており、この開口部には蓋部材１２２及び真空封止部材１２４によって装置内部の真空気密を保っている。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、前述のように試料台に搭載された試料を筺体７内部で移動させ試料と荷電粒子光学鏡筒との位置関係を変更するための試料ステージ５を備えている。試料ステージ５には前述の発光部材または発光部材を有する試料台が着脱可能に配置される。蓋部材１２２が支持する底板となる支持板１０７が取り付けられており、試料ステージ５が支持板１０７に固定されている。試料ステージ５は、面内方向へのＸＹ駆動機構および高さ方向へのＺ軸駆動機構などを備えている。支持板１０７は、蓋部材１２２の対向面に向けて筺体７内部に向かって延伸するよう取り付けられている。Ｚ軸駆動機構およびＸＹ駆動機構からはそれぞれ支軸が伸びており、各々蓋部材１２２が有する操作つまみ５１および操作つまみ５２と繋がっている。装置ユーザは、これらの操作つまみを操作することにより、試料の位置を調整することが可能である。また、後述するように、蓋部材１２２上には光学顕微鏡が具備できる構成としてもよい。
【００６０】
試料ステージ５の上には検出素子５００を具備した試料台６００、あるいは試料台としての検出素子５００を着脱可能に配置できる。試料台６００または検出素子５００の機能を持つ試料台は、図示しない突起などの間に配置するか、試料台６００とステージ５上の両面テープなどで接着されることで、試料ステージ５上へ一時的に固定されてもよい。これによって試料の位置や角度を変更した際に試料台の位置ずれ防止をすることができる。前述の通り検出素子５００に到達した荷電粒子線によって光が発生する。この光を検出して電気信号に変換及び信号増幅するための光検出器５０３が筺体７に具備される。前述の通り、光検出器５０３は試料台５００からの発光の波長領域を通過させることが可能な光伝達部材５１３と、試料６と光伝達部材５１３との間に電界を形成することが可能な電極５１６と光を増幅することが可能な光増幅器５１９で構成される。光増幅器５１９は例えば、半導体検出素子やフォトマルチプライヤーなどである。これら光増幅器５１９は筺体７内に配置されていてもよいが、装置の大きさの都合上筺体７内に入らない場合は、形状が比較的自由に加工可能な光伝達部材５１３を介して光増幅器５１９に光を伝達すれば光増幅器５１９は筺体７の外に設置することが可能となる。光増幅器５１９には出力信号を増幅するための増幅器５１４が配線などによって接続され、増幅器５１４からの信号は配線などによって下位制御部３７を経由して最終的にコンピュータ３５上の画面に画像として表示される。なお、図示しないが試料台５００などからの光がより光伝達部材５１３に到達するように、ミラーなどの光学部品を装置内部のどこかに配置してもよい。
【００６１】
また、電極５１６には電圧を印加することが可能な電源５１５が接続され、この電源５１５の電圧の制御は下位制御部３７を経由して実施される。この電圧の制御はコンピュータ３５の画面上などでのユーザの操作により実施される。このような構成により、検出素子５００からの発光だけを検出するか、試料６と電極５１６との間に電界によって生じるガスシンチレーションの発光を主として検出することが選べることになる。この２つの検出モードはそれぞれ試料表面の情報を持つ画像と試料内部の情報を持つ画像に対応する。つまり、後述するように、コンピュータ３５の画面上で電極５１６に印加される電圧の強弱を制御するだけで試料表面と試料内部の情報を切り替えることが可能となる。
【００６２】
なお、本実施例の荷電粒子線装置では検出器３と検出素子５００の両方で同時に信号を検出することができる。こうすることで、例えば半導体検出器などである検出器３では試料から発生する反射荷電粒子による信号の取得を行い、光検出器５０３にて透過荷電粒子に起因して発生する光による内部情報や二次荷電粒子による表面情報の取得を行うことが可能となる。反射荷電粒子の情報か表面情報か内部情報かはコンピュータ３５の画面上にて切り替えが可能である。また、検出器３と光検出器５０３は別検出器であるので、それぞれの検出器で同時に画像を取得することも可能である。
【００６３】
試料室７の内部の真空度は、試料室７への大気導入口２７のニードルバルブ２８の閉開によって制御される。本装置ではニードルバルブ２８を開けることで試料室の空間１１内を低真空状態（数Ｐａ〜数千Ｐａ）にすることができ、ニードルバルブ２８を閉じることで、空間１１内を高真空状態（数Ｐａ以下）にすることができる。図８にて説明した通り、空間１１内部に大気等のガスを導入した低真空状態のときに、電極５１６に電圧を印加すると、試料から放出された二次荷電粒子５１６とガス分子５２０と衝突を繰り返し、光（紫外光／可視光）５１８が発生し、光検出器５０３にて試料表面の情報を取得することが可能である。電極５１６の電圧をガスシンチレーションの発光現象が起こらない程度に小さくすると、検出素子５００からの発光を取得することができるので、試料内部の情報を取得することが可能となる。また別の方法として、空間１１内部を高真空状態にすればガスシンチレーションの発光現象が起こらないので、同様に試料内部の情報を取得することができる。ここで、光検出器５０３の動作モードの切り替え（すなわち電極に印加する電圧の変更や真空度の制御）は、ユーザがコンピュータ３５のインタフェースを通して指示入力することにより、上位制御部３６および下位制御部３７にて行われる。なお、ユーザインタフェースは図１３を用いて後述する。本実施例の荷電粒子線装置は、検出素子５００からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する「透過荷電粒子画像モード」と、試料からの二次荷電粒子に起因する検出信号に基づいて二次荷電粒子画像を生成する「二次荷電粒子画像モード」との、２つのモードで動作することが可能である。また上位制御部３６および下位制御部３７は検出器や電極、真空度をそれぞれのモードに対応して制御し、またこれらの２つのモードを切り替えることが可能である。当然ながら動作モードはこの２つ以外に備えていてもよい。
【００６４】
ここで、図１２を用いて、検出器３について詳細を説明する。検出器３は、例えば図１２のように検出素子の受光面がＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの４素子に分割されている。なお、分割数および分割態様は図示したものに限られない。分割されたそれぞれの素子には配線５２２が接続され、各素子からの信号はコネクタ５２３に出力される。つまり、この場合検出面は４つに分割されているものの、これらの４つの検出面からの信号はコネクタ５２３に集約され外部に出力される。その意味で、検出素子が４つに分割されていたとしても検出器３は「一つの検出器」であるといえる。
【００６５】
一次荷電粒子線通過孔５２４が検出器３の中心に配置されている。この一次荷電粒子線通過孔５２４の中心が荷電粒子線の光軸２００上にほぼ一致するように検出器３が配置される。検出素子が半導体で作られた半導体検出器の場合、試料からの反射荷電粒子線と同時に検出素子５００から発光した光を検出してしまうことがある。そのため、検出器３の検出素子表面に光が透過せずにかつ試料からの反射荷電粒子線が透過することが可能な不透明膜５２５などを具備してもよい。反射荷電粒子線のエネルギーは一次荷電粒子線の照射エネルギーとほぼ同等である。不透明膜５２５は例えば金属膜である。一般的には反射荷電粒子線のエネルギーは数ｋＶから数十ｋＶであるため、反射荷電粒子線を通過させることが可能でかつ光が透過しないためには、不透明膜５２５の厚みは数十ｎｍから数百ｎｍ程度が好ましい。
【００６６】
また別の例として、反射荷電粒子線を検出しないで、検出素子５００からの発光だけを検出したい場合もある。この場合、検出器３の検出素子表面に検出素子５００からの光に対して透明であり、かつ反射荷電粒子を透過しない透明膜５２６を配置してもよい。試料からの反射荷電粒子線が透過しないためには、透明膜５２６の厚みは数百ｎｍから数十μｍ程度であることが好ましい。例えば、検出素子ＡとＣの表面には不透明膜５２５を、検出素子ＢとＤの表面には透明膜５２６を配置する。この例では検出素子Ａ，Ｃが反射荷電粒子を検出する受光面を持ち、検出素子Ｂ，Ｄが検出素子５００からの光を検出する受光面を持つことになる。
【００６７】
これによれば、検出素子ＡとＣからの信号では試料からの反射荷電粒子信号が取得でき、検出素子ＢとＤからの信号では透過荷電粒子の情報を有する信号を取得することが可能となる。反射荷電粒子に起因する信号は試料の形態情報が反映された信号であり、透過荷電粒子に起因する信号は試料の内部情報が反映された信号である。なお、試料の形態情報とは試料に入射された荷電粒子線が表面近傍に存在する物質によって後方散乱を受けて検出器３側に戻ってくる荷電粒子線によって構成される情報のことをいう。したがって、これらを同時に取得することで、試料の形態情報が強調された反射荷電粒子像と試料の内部情報が強調された透過荷電粒子像を同時に生成することが可能となる。コンピュータ３５の画面上に表示させる画像信号は下位制御部３７にて制御することが可能である。ユーザが図１３で示すようなコンピュータ３５のインタフェースを通して指示入力してもよい。図１２で示す検出器を用いることにより、本実施例の荷電粒子線装置は、検出素子５００からの光の検出信号に基づいて透過荷電粒子画像を生成する「透過荷電粒子画像モード」と、試料からの反射荷電粒子に起因する検出信号に基づいて反射荷電粒子画像を生成する「反射荷電粒子画像モード」との、２つのモードで動作することが可能である。上位制御部３６および下位制御部３７は検出器３の各受光面からの信号をそれぞれのモードに対応して制御し、各受光面の検出信号に応じてそれぞれの種類の画像を生成する。またこれらの２つのモードは同時に動作することも可能であるし、これらの２つのモードを切り替えることも可能である。
【００６８】
本方式によれば、同一の検出器３にて反射荷電粒子に起因する信号と透過荷電粒子に起因する信号を取得できるため、本方式は装置内の省スペース化などの際に有用である。また、ステージを動かして試料の位置及び角度を変えることなく、透過荷電粒子像と二次荷電粒子像を取得することができる。これによって同一試料の同一視野または同一角度で観察することが可能となるため、透過荷電粒子像と二次荷電粒子像の画像比較が簡単に行える。また、本方式によれば、反射荷電粒子に起因する信号と透過荷電粒子に起因する信号を同時に取得できるため、時々刻々と状態が変化する試料を観察する場合に特に有効である。
【００６９】
なお、当然ながら、上述した光検出器５０３での透過荷電粒子像と二次荷電粒子像の切替に代えて、検出器３のみを用いることも可能である。
【００７０】
＜操作画面＞  
図１３に操作画面の一例を示す。操作画面６０はコンピュータ３５のモニタに表示される。操作画面６０には、荷電粒子線の照射エネルギーを制御するための照射エネルギーＥ設定部６１、照射を開始するボタン６２、照射を停止するボタン６３を備える。さらに、荷電粒子線の焦点を変更する焦点調整部６９、画像の明るさを調整する明るさ調整部７０、画像コントラストを調整するコントラスト調整部７１などからなる。さらに、操作画面６０は、顕微鏡画像をリアルタイムで表示させることが可能な画像表示領域６３と画像表示領域６６を備える。画像表示領域は一つだけでもよいし二つ以上あってもよい。画像表示領域が二つあると、画像表示領域６３では検出器５０３からの出力を表示させ、これと同時に、画像表示領域６６では検出器３からの出力を表示させることが可能となる。ここで同時に表示することが可能とは、画像が表示されるタイミングに関わらず、リアルタイムに取得した画像を同画面上に表示することが可能という意味である。なお、コンピュータ３５内のメモリ部に保管されている画像を領域６３や領域６６上に表示してもよいし、光検出器５０３からの出力画像と検出器３からの出力画像とを異なるウィンドウなどで表示させてもよい。また、操作画面６０は、画像を保存するための画像保存ボタン７２、画像を読みだすことが可能な画像読み出しボタン７３を備えてもよい。
【００７１】
光検出器５０３で検出される信号を切り替えるための詳細設定部７４には、試料室内部の圧力を設定するための真空圧力設定部７５と、電極５１６に印加する電圧を設定入力するための電極電圧設定部７６からなる。真空圧力や電極電圧をアナログ的に連続的に変化させると、透過情報と表面情報を混在させることも可能である。そのため、図示したようにスライドバーのように調整値をアナログ的に変化させるようにしてもよい。
【００７２】
但し、透過情報と表面情報を混在させる必要がない場合は、図示したようにスライドバーではなく、ボタンのオンやオフで簡単にモード切り替えなどをするような操作でもよい。または、画像表示領域６３に光検出器５０３からの画像信号が表示させる場合、画像表示領域６３にモード切り替え部を表示してもよい。例えば、表面像モードのタブ６４を選択すると自動的に電極電圧設定部７６の値が設定されて画像表示領域６３に表面情報を有する画像を表示させ、内部像モードのタブ６５を押すと自動的に光検出器の電極の電圧が降下して、検出素子５００からの発光信号を取得して透過像を画像表示領域６３に表示させる機能を持たせてもよい。また、画像表示領域６６に検出器３からの画像信号が表示させる場合も、同様のタブにより、反射荷電粒子に基づく画像と透過荷電粒子に基づく画像とを選択切り替えできる。すなわち、反射像モードのタブ６７を押すと、図１２で示した不透明膜５２５が配置された検出素子ＡとＣからの反射信号を画像表示領域６６に表示させ、内部像モードのタブ６８を押すと、図１２で示した透明膜５２６が配置された検出素子ＢとＤからの試料透過情報を画像表示領域６６に表示させるといった機能を持たしてもよい。このように、制御パラメータをユーザが入力するのではなく、画面上でユーザが表示したい画像の種類を選択することで自動的に検出器の制御モードを切り替えることで、ユーザは簡単に画面の切り替えができる。
【００７３】
なお、図１３に示す表示の構成は一例に過ぎず、表示位置や表示形態などの変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例の荷電粒子線顕微鏡の範疇に属する。
【００７４】
＜光学顕微鏡観察時の説明＞  
図１４に、上述した試料台６００に搭載した試料を光学顕微鏡にて観察する場合を示す。はじめに、光学顕微鏡２５０の構造に関して説明する。光学顕微鏡２５０は対物レンズ２５２などの光学レンズを備える。光学レンズを経由した顕微鏡情報は接眼レンズ２０７に投影される。または、ＣＣＤカメラなどによってディジタル信号に変換され図示しないモニタに表示させてもよい。
【００７５】
本実施例における試料台６００は試料ステージ２５８上に配置される。試料ステージ２５８は、光学顕微鏡の光軸２５１に対して図中横方向及び紙面垂直方向に動かすことが可能なＸＹ駆動機構や対物レンズ２５２との距離を変更することが可能なＺ軸駆動機構などの駆動機構２０４を備える。試料ステージ２５８には光学顕微鏡の光軸２５１を通るように開口部２５９があり、その開口部の上に本実施例の試料台６００が配置される。
【００７６】
光学顕微鏡２５０は白色光や紫外光や波長が制御された光やレーザなどの光子線を発することが可能な光源を備える。光源は図中試料台６００の上側から光を照射するための光源２５５、または試料台６００の下側から光を照射するための光源２５６などである。なお、光源は光学顕微鏡２５０が配置された部屋の光源や太陽光などでもかまわない。光源は図示しない通信線や電線などによって光の光量及び消灯点灯用の電源が供給・制御される。図では上記説明した２か所に光源が配置されているが最低１つあればよい。また、光源は図示した以外の場所に配置されてもよい。観察倍率または焦点位置を変更するために光学顕微鏡２５０は光学レンズ駆動機構２５３を有する。光学レンズ駆動機構２５３によって対物レンズ２５２を光学顕微鏡の光軸２５１方向に動かすことによって、試料台６００上の試料６に焦点を合わせることができる。また、図示しないが対物レンズ２５２ではなく、光学顕微鏡２５０内部の光学レンズが光軸２５１方向に動くことによって焦点を変えてもよい。
【００７７】
光源２５６から発せられた光は光学顕微鏡２５０内部のミラー等を経由して対物レンズ２５１あるいはその周辺部から放出され、試料に到達する。試料上で反射した光子線は対物レンズ２５１に到達する。これにより、対物レンズ２５１に照射された光信号は光学顕微鏡２５１内部で結像され、接眼レンズ２０７にて試料の光学顕微鏡観察が実施できる。
【００７８】
前述の通り、検出素子５００が単結晶の場合、光源２５５からの光が試料を通過した後に検出素子５００内を通過すると、複屈折現象によって光が二つに分かれてしまうことがある。その結果接眼レンズ２０７にて観察した場合に、試料が２重に見えることがある。これを防止するために、図１４（ａ）では、試料６が検出素子５００に対して光源２５５とは反対側に位置するように、試料台６００を配置し、試料台側から光源２５５の光を照射する方法について示している。こうすることで、光源から放出された光は単結晶である検出素子５００を通過し（ここで光が二つに分かれてもかまわない）、その後試料に照射される。試料を通過した光はその後すぐに光学系に光が入ることが可能となる。したがって、試料が２重に見えることはない。
【００７９】
また別の例として、図１４（ｂ）で示すように、試料６が搭載された試料台６００ａの下側に別の試料台６００ｂを配置することによって、複屈折した光を再度戻してもよい。ただし、試料台６００ａと試料台６００ｂとの結晶面の方向によって、前述の複屈折が改善される向きと改善されない向きがある。したがって、試料台６００ａで生じた複屈折の影響を打ち消す方向に試料台６００ｂを配置する必要がある。そのため、試料ステージ２５８は、試料台６００ａと試料台５００ｂとの向きをそろえやすくするための突起５０６を有してもよい。また図１３（ｂ）’のように試料台６００ａと試料台６００ｂとの向きを合わせることが可能な凹み部６０５を有する試料台６０４を準備し、これを光学顕微鏡装置２５０の試料ステージ２５８上に搭載してもよい。図１４（ｂ）に示す場合には、試料台に対して試料側に光源を配置し、試料側から光を照射し、試料を透過した光を、さらに試料台６００ａ、試料台６００ｂの順に入射させそれぞれを透過させる。
【００８０】
または、図１４（ｃ）で示したように、倒立型ではなく光源が試料６下側にあり、光学系が試料上側にある正立型光学顕微鏡であれば試料が上向きとして観察することが可能となる。
【実施例２】
【００８１】
＜大気圧の荷電粒子線装置観察時の説明＞  
次に、図１５を用いて、大気圧下で観察可能な荷電粒子線装置に本実施例を適応した構成を説明する。本実施例の荷電粒子線装置は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する第１の筐体（以下、真空室と称することもある）７、第１の筐体７に挿入して使用される第２の筐体（以下、アタッチメントと称することもある）１２１、第２の筐体内に配置される試料ステージ５、およびこれらを制御する制御系によって構成される。制御系などの基本的な構成は図１１と同等なので詳細な説明は省略する。
【００８２】
第２の筐体１２１の直方体形状の側面のうち少なくとも一側面は開放面となっている。本体部１２１の直方体形状の側面のうち隔膜保持部材１５５が設置される面以外の面は、第２の筺体１２１の壁によって構成されている。または第２の筺体１２１自体には壁がなく第１の筺体７に組み込まれた状態で第１の筺体７の側壁によって構成されても良い。第２の筐体１２１は、第１の筺体７の側壁に設けられた開口部を通って第１の筐体７内部に挿入され、第１の筺体７に組み込まれた状態で観察対象である試料６を格納する機能を持つ。第１の筐体７と第２の筺体１２１間は真空封止部材１２６を介して上記側面側の外壁面に固定される。第２の筺体１２１は第１の筺体７の側面または内壁面または荷電粒子光学鏡筒のいずれに固定されても良い。これによって、第２の筐体１２１全体が第１の筐体７に嵌合される。第１の筺体７の開口部は、荷電粒子顕微鏡の真空試料室にもともと備わっている試料の搬入・搬出用の開口を利用して製造することが最も簡便である。つまり、もともと開いている穴の大きさに合わせて第２の筐体１２１を製造し、穴の周囲に真空封止部材１２６を取り付ければ、装置の改造が必要最小限ですむ。また、第２の筐体１２１は第１の筐体７から取り外しも可能である。
【００８３】
第２の筐体１２１の側面は大気空間と少なくとも試料の出し入れが可能な大きさの面で連通した開放面であり、第２の筐体１２１の内部に格納される試料６は、観察中、大気圧状態または若干の負圧状態または所望のガス種状態に置かれる。なお、図１５は光軸と平行方向の装置断面図であるため開放面は一面のみが図示されているが、図１５の紙面奥方向および手前方向の第１の筺体の側面により真空封止されていれば、第２の筺体１２１の開放面は一面に限られない。第２の筺体１２１が第１の筺体７に組み込まれた状態で少なくとも開放面が一面以上あればよい。第２の筺体の開放面により、試料は第２の筺体（アタッチメント）内部と外部の間で搬入および搬出が可能である。
【００８４】
第２の筺体１２１の上面側には荷電粒子線が透過または通過可能な隔膜１０が設けられている。この隔膜１０は第２の筺体１２１から着脱可能である。第１の筐体７には真空ポンプ４が接続されており、第１の筐体７の内壁面と第２の筐体の外壁面および隔膜１０によって構成される閉空間（以下、第１の空間とする）を真空排気可能である。これにより、本実施例では、隔膜１０により第１の空間１１が高真空に維持される一方、試料が保持されている空間（図では隔膜、第２の筺体１２１、蓋部材１２２によって囲まれる空間。以下、第２の空間１２とする）は大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気に維持されるので、装置の動作中、荷電粒子光学鏡筒２側を真空状態に維持でき、かつ試料６および前述の試料台を大気圧または所定の圧力の雰囲気に維持することができる。隔膜１０は隔膜保持部材１５５によって保持され、隔膜１０の交換は隔膜保持部材１５５を交換することで可能となる。
【００８５】
なお、第１の空間１１は、図１６を用いて後述するように、真空度を調整することが可能である。すなわち、第１の空間内部にガス分子を導入し、低真空環境とすることも可能である。ガス分子は例えばニードルバルブ２８によって流量制限され、大気導入口２７を通して導入可能である。
【００８６】
本実施例の荷電粒子顕微鏡の場合、第２の筐体１２１の少なくとも一側面をなす開放面を蓋部材１２２で蓋うことができるようになっている。蓋部材１２２には試料ステージなどが具備されている。
【００８７】
本実施例の荷電粒子顕微鏡においては、第２の筐体１２１内に置換ガスを供給する機能または第一の空間とは異なった気圧状態を形成可能な機能を備えている。荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出された荷電粒子線は、高真空に維持された第１の空間１１を通って、図１５に示す隔膜１０を通過し、更に、大気圧または若干の負圧状態に維持された第２の空間１２に侵入する。すなわち第２の空間は第１の空間より真空度が悪い（低真空度の）状態である。大気空間では荷電粒子線は気体分子によって散乱されるため、平均自由行程は短くなる。つまり、隔膜１０と試料６の距離が大きいと一次荷電粒子線または一次荷電粒子線の照射により発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子もしくは透過荷電粒子が試料及び検出器３や検出素子５００まで届かなくなる。一方、荷電粒子線の散乱確率は、気体分子の質量数や密度に比例する。従って、大気よりも質量数の軽いガス分子で第２の空間を置換するか、少しだけ真空引きすることを行えば、荷電粒子線の散乱確率が低下し、荷電粒子線が試料に到達できるようになる。また、第２の空間の全体ではなくても、少なくとも第２の空間中の荷電粒子線の通過経路、すなわち隔膜と試料との間の空間の大気をガス置換できればよい。置換ガスの種類としては、窒素や水蒸気など、大気よりも軽いガスであれば画像Ｓ／Ｎの改善効果が見られるが、質量のより軽いヘリウムガスや水素ガスの方が、画像Ｓ／Ｎの改善効果が大きい。
【００８８】
以上の理由から、本実施例の荷電粒子顕微鏡では、蓋部材１２２にガス供給管１００の取り付け部（ガス導入部）を設けている。ガス供給管１００は連結部１０２によりガスボンベ１０３と連結されており、これにより第２の空間１２内に置換ガスが導入される。ガス供給管１００の途中には、ガス制御用バルブ１０１が配置されており、管内を流れる置換ガスの流量を制御できる。このため、ガス制御用バルブ１０１から下位制御部３７に信号線が伸びており、装置ユーザは、コンピュータ３５のモニタ上に表示される操作画面で、置換ガスの流量を制御できる。また、ガス制御用バルブ１０１は手動にて操作して開閉してもよい。
【００８９】
置換ガスは軽元素ガスであるため、第２の空間１２の上部に溜まりやすく、下側は置換しにくい。そこで、蓋部材１２２でガス供給管１００の取り付け位置よりも下側に第２の空間の内外を連通する開口を設ける。例えば図１５では圧力調整弁１０４の取り付け位置に開口を設ける。これにより、ガス導入部から導入された軽元素ガスに押されて大気ガスが下側の開口から排出されるため、第２の筐体１２１内を効率的にガスで置換できる。なお、この開口を後述する粗排気ポートと兼用しても良い。
【００９０】
また、ヘリウムガスのような軽元素ガスであっても、電子線散乱が大きい場合がある。また、試料表面に水分が多量に存在する場合は若干水分を蒸発させる必要がある。その場合は、ガスボンベ１０３を真空ポンプにすればよい。そして、少しだけ真空引きすることによって、第２の筐体内部を極低真空状態（すなわち大気圧に近い圧力の雰囲気）にすることが可能となり、また試料表面上の水分だけを蒸発させることが可能となる。例えば、第２の筐体１２１または蓋部材１２２に真空排気ポートを設け、第２の筐体１２１内を一度真空排気する。その後置換ガスを導入してもよい。この場合の真空排気は、第２の筐体１２１内部に残留する大気ガス成分を一定量以下に減らせればよいので高真空排気を行う必要はなく、粗排気で十分である。
【００９１】
ただし、生体試料など水分を含む試料などを観察する場合、一度真空状態に置かれた試料は、水分が蒸発して状態が変化する。従って、完全に蒸発する前に観察するか、上述のように、大気雰囲気から直接置換ガスを導入する方が好ましい。第２の筺体１２１の開放面は、置換ガスの導入後、蓋部材で閉じることにより、置換ガスを効果的に第２の空間内に閉じ込めることができる。
【００９２】
このように本実施例では、試料が載置された空間を大気圧（約１０5Ｐａ）から約１０3Ｐａまでの任意の真空度に制御することができる。従来のいわゆる低真空走査電子顕微鏡では、電子線カラムと試料室が連通しているので、試料室の真空度を下げて大気圧に近い圧力とすると電子線カラムの中の圧力も連動して変化してしまい、大気圧（約１０5Ｐａ）〜１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することは困難であった。本実施例によれば、第２の空間１２と第１の空間１１を薄膜により隔離しているので、第２の筐体１２１および蓋部材１２２に囲まれた第２の空間の中の雰囲気の圧力およびガス種は自由に制御することができる。したがって、これまで制御することが難しかった大気圧（約１０5Ｐａ）〜約１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することができる。さらに、大気圧（約１０5Ｐａ）での観察だけでなく、その近傍の圧力に連続的に変化させて試料の状態を観察することが可能となる。
【００９３】
上記開口の位置に三方弁を取り付ければ、この開口を粗排気ポートおよび大気リーク用排気口と兼用することができる。すなわち、三方弁の一方を蓋部材１２２に取り付け、一方を粗排気用真空ポンプに接続し、残り一つにリークバルブを取り付ければ、上記の兼用排気口が実現できる。
【００９４】
上述の開口の代わりに圧力調整弁１０４を設けても良い。圧力調整弁１０４は、第２の筐体１２１の内部圧力が１気圧以上になると自動的にバルブが開く機能を有する。このような機能を有する圧力調整弁を備えることで、軽元素ガスの導入時、内部圧力が１気圧以上になると自動的に開いて窒素や酸素などの大気ガス成分を装置外部に排出し、軽元素ガスを装置内部に充満させることが可能となる。なお、図示したガスボンベまたは真空ポンプ１０３は、荷電粒子顕微鏡に備え付けられる場合もあれば、装置ユーザが事後的に取り付ける場合もある。
【００９５】
本荷電粒子線装置の試料ステージ５の上には検出素子５００を具備した試料台を搭載できる。試料ステージの上に前述の試料台を載置した状態において、検出素子５００は試料に対して隔膜の反対側に載置された状態となる。試料ステージ近傍の光検出器５０３などの配置構成などは図１１と同様である。本構成の場合は、真空引き等により発生する水分蒸発などの形状変化を最大限に低減させた透過荷電粒子線信号の取得が可能である。また、試料空間を高真空に真空引きすることが不要であるため非常に高スループットで試料台６００上試料の透過荷電粒子線顕微鏡画像の取得が可能となる。
【００９６】
図１６に本構成において大気中に配置される試料の表面情報と内部情報を取得することが可能な原理について説明する。図１６（ａ）では、試料からの二次的荷電粒子線５１７は隔膜１０に照射され、隔膜１０をそのまま通過した二次的荷電粒子線、または隔膜１０に二次的荷電粒子線が照射されたことによって生成される三次的荷電粒子線５２７とガス分子５２０によってガスシンチレーションが発生し発光する。その結果生じた光５１８を検出することによって試料表面形態情報の取得が可能となる。一方で、図１６（ｂ）では電極５１６には電圧が印加されていないとすると、二次的荷電粒子線または隔膜１０で生成された三次的荷電粒子線５２７は光を発生しない。つまり、検出素子５００からの光だけが検出器５１９によって取得されるため、検出器５１９によって透過情報が検出することが可能となる。なお、上述の場合には第１の空間１１にガス分子が導入され低真空状態となっている例を説明したが、図１０で説明した方法と同様に第１の空間１１の真空度を切り替えることによっても試料表面形態情報を取得するモードと試料内部情報を取得するモードの切り替えが可能である。
【００９７】
また、大気圧中で、透過荷電粒子に基づく試料内部画像と反射荷電粒子に基づく試料形態画像を同時に取得するためには、検出器３を用いればよい。つまり、図１１で示したように、隔膜１０を経由して試料６に照射されて試料形態情報をもって反射してきた反射荷電粒子線は再度隔膜１０と通過し、第一空間１１内部の検出器３（検出素子ＡとＣ）にて検出される。また、隔膜１０を経由して試料６を通過して検出素子５００に照射されて試料透過情報をもって発光した光は、隔膜１０を通過して、検出器３（検出素子ＢとＤ）にて取得することが可能となる。つまり、大気圧中におかれた試料の試料形態情報と試料内部情報を同時に同一の検出器にて検出することが可能となる。
【００９８】
また、図１５の装置では隔膜保持部材１５５と隔膜１０を取り外すことが可能である。この場合、真空ポンプ４にて第一の空間１１と共に第２の空間１２も真空排気されるので、試料６周辺を真空状態にすることが可能となる。この状態は図１１の構成と同じとなるので、光検出器５０３にてガスシンチレーションを用いた試料表面情報と、検出素子５００からの発光を取得する試料透過情報を同一の検出器にて観察することが可能となる。一般的には、検出器３のような半導体検出器よりも、光検出器５０３のようなフォトマルチプライヤーの方が増幅率が高いので、検出器５０３にて取得された画像の方がより画質がよい。ただし、前述の通り検出器３を用いれば大気中での透過情報と表面情報を取得することが可能となる。
【００９９】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【０１００】
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。
【０１０１】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【０１０２】
１：光学レンズ、２：荷電粒子光学鏡筒、３：検出器、４：真空ポンプ、５：試料ステージ、６：試料、７：筐体、８：荷電粒子源、１０：隔膜、１１：第１の空間、１２：第２の空間、１４：リークバルブ、１５：開放面、１６：真空配管、１７：ステージ支持台、１８：支柱、１９：蓋部材用支持部材、２０：底板、２７：大気導入口、２８：ニードルバルブ、３５：コンピュータ、３６：上位制御部、３７：下位制御部、４３，４４，４５：通信線、５３：信号増幅回路、
６０：操作画面、６１：照射エネルギー設定部、６２、荷電粒子線照射開始ボタン、６３：画像表示領域、６４：表面像モードのタブ、６５：内部像モードのタブ、６６：反射像モードのタブ、６８：内部像モードのタブ、６９：焦点調整部、７０：明るさ調整部、７１：コントラスト調整部、７２：画像保存ボタン、７３：画像読み出しボタン
１００：ガス供給管、１０１：ガス制御用バルブ、１０２：連結部、１０３：ガスボンベまたは真空ポンプ、１０４：圧力調整弁、１０７：支持板、１０８：操作つまみ、１０９：操作つまみ、１２１：第２筐体、１２２：蓋部材、１２３，１２４，１２５，１２６，１２８，１２９：真空封止部材、１５４：信号増幅器、１５５：保持部材、１５６,１５７,１５８：信号線、１５９：隔膜保持土台、
２００：荷電粒子線の光軸、２０４：駆動機構、２０７：接眼レンズ、２０８:電気接続部、２０９：配線、２５０：光学顕微鏡、２５１：光学顕微鏡の光軸、２５２：対物レンズ、２５３：光学レンズ駆動機構、２５４：ＣＣＤカメラ、２５５、２５６、２５７：光源、２５８：試料ステージ、２５９：開口部、２６３：ベース又はレール又はガイド、５００：検出素子、５０１：土台、５０２：薄い膜、５０３：光検出器、５０６：突起、５０８：密度が高い部分、５０９：密度が低い部分、５１０：一次荷電粒子線、５１１：一次荷電粒子線、５１２：試料台５００から発生した光、５１３：光伝達部材、５１４：信号増幅器、５１５：高圧電源、５１６：電極、５１７：二次的荷電粒子線、５１８：試料表面情報を持つ光、５１９：光増幅器、５２０：ガス分子、５２１：台、５２２：配線、５２３：コネクタ、５２４：一次荷電粒子線通過孔、５２５：不透明膜、５２６：透明膜、５２７：隔膜からの放出電子、
６００：試料台、６０１：荷電粒子線顕微鏡、６０２：光学顕微鏡、６０４：試料台、６０５：凹み部、６０７：光通過穴、
７０１：土台、７０２：薄い膜、７０３：置換物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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