(57)【要約】【課題】  本発明は、たとえばESEM（登録商標）のような、粒子と光子で同時に試料を観察する粒子光学装置に関する。【解決手段】  圧力制限アパーチャ(PLA)が、ESEM（登録商標）の対物レンズと試料位置との間のダイアフラム内に設けられている。試料位置とアパーチャとの間の距離は、このアパーチャを介して、光子の収集角を大きくできるほど十分に小さい。ミラーが、ダイアフラムと対物レンズとの間に設けられている。光子の収集角が大きいため、大きなNAが実現される。試料位置とアパーチャとの距離が短くなることで、当該装置での電子の散乱は、電子が高圧領域ではわずかに限られた長さしか進行できないという理由でアパーチャと試料位置との間にミラーが設けられているESEM（登録商標）での電子の散乱よりも少なくなる。実施例は、たとえばイマージョンレンズが用いられるような組み合わせについても記載している。【選択図】  図1
2008192617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子光学装置であって、
当該粒子光学装置は、
真空チャンバ、
該真空チャンバ上にマウントされている、粒子源を有する粒子光学鏡筒であって、粒子の光軸を取り囲むように設けられた粒子ビームを発生させる粒子光学鏡筒、
前記粒子の光軸上に存在する試料位置で試料を保持するために前記真空チャンバ内に設けられている試料キャリア、
前記試料位置から放出される光を収集し、又は前記試料位置に光を集光するミラーであって、前記粒子の光軸を取り囲むように設けられた貫通孔を示すミラー、及び、
当該粒子光学装置を排気する排気手段、
を有し、
ダイアフラムが前記試料位置と前記ミラーとの間に設けられ、
前記ダイアフラムは、前記試料位置が設けられている第1容積と、第2容積とを隔離し、
前記ダイアフラムは、前記粒子の光軸を取り囲むように設けられているアパーチャを示し、
前記アパーチャは、前記粒子光学鏡筒によって生成された粒子を通過させ、かつ前記ミラーと前記試料位置との間で光を通過させ、
前記アパーチャは前記第1容積から前記第2容積への気体の流れを制限し、
前記制限によって、前記試料位置での圧力が1mbarよりも大きな平衡圧を有する流体の平衡圧であるときに、前記排気手段が前記第2容積を十分低い圧力にまで排気することによって、前記第2容積での前記粒子ビームの散乱は前記第1容積での散乱と比較して無視できる程度となり、
前記アパーチャと前記試料位置との間の距離が、前記アパーチャの直径の4倍未満で、好適には2倍未満に調節でき、又は固定され、かつ
前記ミラーは、前記ダイアフラムと前記粒子源との間に設けられている、
ことを特徴とする粒子光学装置。
【請求項２】
前記アパーチャの直径が1mm未満で、より具体的には300μm未満である、請求項1に記載の粒子光学装置。
【請求項３】
前記排気手段は、前記第1容積の圧力が約6mbarを超えるときに、前記粒子ビームの散乱を無視できる程度に十分低い圧力にまで、前記第2容積を排気する、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項４】
前記第2容積内に荷電粒子検出器をさらに有する、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項５】
前記第1容積内に荷電粒子検出器をさらに有する、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項６】
荷電粒子検出器をさらに有する粒子光学装置であって、前記ダイアフラムが前記荷電粒子検出器の一部分である、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項７】
前記試料位置から放出される光を検出する光子検出器をさらに有する、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項８】
前記光子検出器と前記ミラーとの間でかつ前記光の光路上に設けられた光ブロックをさらに有する粒子光学装置であって、
前記光ブロックは光を通過させる穴を示し、
前記ミラーが前記穴上で前記試料位置を結像することで、前記試料位置以外の場所から放出される光は前記光子検出器によって検出される光の量に大きな寄与をしない、
請求項7に記載の粒子光学装置。
【請求項９】
前記第1容積に気体又は蒸気を入れるガスインジェクタが備えられた、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項１０】
前記ダイアフラムが、前記試料位置の方を向いている切頭錐体の形態を有する突出部を示し、かつ
前記アパーチャが前記試料位置に最近接する前記錐体の端部内に形成される、
上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項１１】
前記光が、赤外光、可視光、紫外光、及びX線の光子群のうちに含まれる光子によって構成される、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項１２】
粒子光学レンズの磁極片が、前記試料位置と前記ミラーとの間に設けられている、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項１３】
前記磁極片が前記ダイアフラムである、請求項12に記載の粒子光学装置。
【請求項１４】
前記ミラーが、前記粒子光学鏡筒と前記アパーチャとの間に設けられている、上記請求項のうちいずれかに記載の粒子光学装置。
【請求項１５】
既存の顕微鏡を上記請求項のうちいずれかに記載の顕微鏡に改良するための部品一式。
【請求項１６】
粒子光学装置の動作方法であって：
上記請求項のうちいずれかに記載の装置を供する手順、
試料位置に試料をマウントする手順、
第1容積を1mbarから50mbarの圧力にまで排気する手順、
第2容積を0.1mbar未満の圧力にまで排気する手順、
前記試料とアパーチャとの間の距離を前記アパーチャ直径の2倍未満の距離に調節する手順、
粒子ビームに前記アパーチャを通過させる手順、及び
光子ビームに前記アパーチャを通過させる手順
を有する方法。
【請求項１７】
前記光子ビームが前記試料から放出される、請求項16に記載の方法。
【請求項１８】
前記光子ビームが前記試料上で集光される、請求項16に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１容積が、約1mbarから約20mbarの圧力にまで排気される、請求項16から18のうちのいずれかに記載の方法。
【請求項２０】
前記第１容積が、約6mbarから約10mbarの圧力にまで排気される、請求項16から19のうちのいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒子光学装置に関する。当該粒子光学装置は、真空チャンバ、その真空チャンバにマウントされている、粒子源を有する粒子光学鏡筒であって、粒子の光軸を取り囲むように設けられた粒子ビームを発生させる粒子光学鏡筒、粒子の光軸上に存在する試料位置で試料を保持するために真空チャンバ内に設けられている試料キャリア、その試料位置から放出される光を収集し、又はその試料位置に光を集光するミラーであって、粒子の光軸を取り囲むように設けられた貫通孔を示すミラー、及び、当該装置を排気する排気手段、を有する。
【０００２】
本発明はまた、既存装置を改良する部品一式、及び当該装置の使用方法にも関する。
【背景技術】
【０００３】
係る装置は特許文献1から既知である。
【０００４】
係る装置は、例として半導体ウエハ又はたとえば生体試料から取り出された試料の分析及び改質のような産業及び研究に用いられる。
【０００５】
係る装置は、たとえば電子ビーム又はイオンビームのような粒子ビームで試料を照射するのに用いることができる。そのようなビームを発生させる粒子光学鏡筒は、走査型電子顕微鏡(SEM)、集束イオンビーム(FIB)装置、走査型透過電子顕微鏡(STEM)、電子マイクロプローブ等に用いられていることで知られている。当業者には既知であるように、像は、精細に集束させた電子のような粒子のビームで、試料を走査するようにして照射することで得ることができる。このような照射は、試料からの2次粒子及び放射線の放出を引き起こす。この2次粒子及び放射線は、適当な検出器によって検出することができる。ビームは精細に集束され、かつ試料上で走査されるので、検出器によって検出される信号は、場所依存性を有する。その信号は、たとえばコンピュータメモリに格納することによって像に変換されて良い。その後このメモリのデータはディスプレイ上に表示されて良い。コンピュータメモリ内のデータについて特定の分析を行い、これらの分析結果を表示することも可能である。
【０００６】
特定の用途については、係る装置内に設けられた試料を、その場で光ビームによって照射することで、たとえば試料の加熱又は化学変化を起こすことが必要である。
【０００７】
他の場合では、たとえば粒子ビームでの照射に応じて放出された光（カソードルミネッセンス）、又は光の照射に応じて試料から放出された光（ラマン分光、FRET（蛍光共鳴エネルギー移動）、又はFLIM（蛍光寿命イメージング））を検出する必要がある。
【０００８】
いずれの場合でも、試料が粒子ビームによって照射される一方で、光路は、試料と、たとえば光検出器又は発生装置との間存在しなければならない。試料が同時に光によっても照射され、かつその試料から放出される光子が分析/検出される、方法も考えられ得る。そのような方法では、たとえばビームスプリッタが、入射光子と射出光子の光路を分離するのに用いられる。
【０００９】
既知の装置は、粒子の光軸を示す粒子光学鏡筒を有する。試料は、粒子の光軸である試料位置上に設けられて良い。ミラーは、粒子光学鏡筒と試料位置との間に設けられる。ミラーは粒子ビームを通過させる貫通孔を有する。ミラーの中では、光の光軸と粒子の光軸とは一致する。たとえば放物面鏡のようなミラーは、光の光軸をたとえば90°よりも大きく偏向させる一方で、粒子の光軸を変化させない。その結果、たとえば光検出器、及び/又は、レーザー、LED、若しくは従来のランプのような光発生装置は、粒子光学鏡筒及び2次粒子検出器若しくはX線検出器のような付随する検出器によって占められる体積と干渉しない。たとえばラマン分光にこの装置を用いると、信号がかなり弱くなるので、ミラーによって画定される光路の開口数は大きくなければならない。
【００１０】
当業者には明らかであるように、荷電粒子は、（希薄）気体を進行すると容易に散乱される。粒子光学装置内で荷電粒子が進行する体積は通常、散乱が起こらないように、たとえば10-4mbarより低圧にまで排気される。
【００１１】
そのような低圧で起こる問題は、試料が乾燥することでアーティファクトが生じることである。水蒸気が存在する程度の真空中に試料が設けられているときには、明らかにこの効果は生じない。少なくともアーティファクトが生じる程度にこの効果が起こることはない。このことは、真空度が、水蒸気の平衡圧以上の圧力を有することを意味する。
【００１２】
試料がたとえば4℃での水の平衡圧である8mbarの真空で観察される装置は既知である。そのような装置は、環境型走査電子顕微鏡（ESEM（登録商標））、又は加圧型走査電子顕微鏡(VP-SEM)として広く知られている。
【００１３】
係る装置の既知の限界は、多くの粒子が散乱されて、粒子の1次ビームから外れて、所謂周辺領域に入り込むことである。このことは、非特許文献1に記載されている。非特許文献1には、25keVの電子ビームのエネルギー、15mmのワーキングディスタンス、及び圧力1mbarでの窒素ガスの条件では、60%の電子がビームの外に散乱されていることが記載されている。このことは、わずか40%の粒子しか意図した位置に到達しないことを意味する。
【００１４】
非特許文献1の図5は、10mbarの圧力及び約4mmのワーキングディスタンスでは、すでに90%を超える粒子が散乱されることを示している。非特許文献1の後の仕事である非特許文献2では、ビームエネルギーが低くなるほど、散乱効果が深刻になることを示している。
【００１５】
非特許文献3は、検出される信号（この場合ではX線検出器によって検出される信号）が、非散乱粒子による信号と散乱粒子による信号とが一緒になったものであることを記載している。散乱粒子は試料の周辺領域に入射するので、意図した位置から離れた場所で、意図した位置に関する情報を有する非散乱粒子と周辺領域に関する情報を有する散乱粒子の両方によって、信号は生成される。よって散乱粒子によって生じた信号は、非散乱粒子によって生じた信号を‘汚す’。この結果アーティファクトが生じる恐れがある。つまり意図した位置に物質の存在が示されるが、実際その位置にはこれらの物質は存在せず、周辺領域の他の場所に存在する。散乱粒子の割合が大きくなるにつれて、その効果は強くなる。
【００１６】
非特許文献3はX線微小分析でのこの効果について記載しているが、この効果が試料からの光子を検出する際、たとえば試料からのカソードルミネッセンスを検出する際にも生じることは明らかである。
【００１７】
非特許文献3（pp.572左側）に記載されているように、関連する問題は、たとえば2次電子検出器によって得られる信号の信号対雑音比S/Nが低下することである。これは以下のように説明することができる。ビームの非散乱部分での電流密度は、散乱部分での電流密度よりも高い。非散乱粒子は高空間分解能の信号を与える一方で、散乱粒子は、周辺領域がかなり大きいので、かなり低い空間分解能の信号を与える。従ってほとんどの粒子が散乱されるのであれば、結合信号の場所依存性は、分解能を得るのに十分である。しかしビームの非散乱部分で利用可能な粒子が少なくなればなるほど、それに従ってビームのこの部分から生じる信号は減少する。よってその効果がS/N比の低下となる。
【００１８】
散乱の効果は特許文献1では論じられていない。
【００１９】
ESEM（登録商標）と共に、たとえばラマン分光、蛍光顕微鏡(FM)、蛍光共鳴エネルギー移動(FRET)、又は蛍光寿命イメージング(FLIM)を行う市販のシステムは、光について大きな収集角を得ながらミラーのサイズを最小の実用的なサイズにするため（開口数NAは、たとえばNA>0.24と高い）、典型的には約10mmのミラー-試料位置間距離を用いる。8mbarの圧力では、よって25keV粒子ビームのうちの90%を超える粒子が散乱されてそのビームから外れ、周辺領域に入り込む（非特許文献1の図5参照）。よって検出された信号のほとんどは、周辺領域に由来するのであって、意図した焦点に由来するのではない。これにより、粒子光学鏡筒によって得られる信号のS/N比が大きく悪化し、かつ意図した領域、つまり非散乱ビームの焦点、に由来する代わりに、試料上の周辺領域に由来する信号が、信号のほとんどを占めるようになる。
【００２０】
よって係るシステムの欠点は、たとえば8mbarのような高い圧力での、粒子ビームからの粒子の散乱に関連する問題である。
【００２１】
よって特許文献1に記載されている型の粒子光学装置であって、高い圧力での粒子ビーム粒子の散乱を小さくする粒子光学装置が必要である。
【特許文献１】米国特許第6885445号明細書
【特許文献２】米国特許第4823006号明細書
【特許文献３】米国特許第7045791号明細書
【非特許文献１】モンクリーフ(D.A.Moncrieff)他、応用物理学誌(Journal  of  Applied  Physics)、第12巻、1979年、米国物理学協会(American  Institute  of  Physics)、pp.481-488
【非特許文献２】マシュー(C.Mathieu)、走査型顕微鏡(Scanning  Microscopy)誌、走査型顕微鏡インターナショナル(Scanning  Microscopy  International)、第13巻、1999年、pp.23-44
【非特許文献３】ニューブリー(D.E.Newbury)、米国標準局研究誌(Journal  of  Research  on  National  Standard  and  Technologies)、第107巻、2002年、米国標準局、pp.567-603
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は、上述のような装置を供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記目的のため、本発明による装置は、
ダイアフラムが試料位置とミラーとの間に設けられ、
前記ダイアフラムは、試料位置が設けられている第1容積と、第2容積とを隔離し、
前記ダイアフラムは、粒子の光軸の周りにアパーチャを示し、
前記アパーチャは、粒子光学鏡筒によって生成された粒子を通過させ、かつ前記ミラーと前記試料位置との間で光を通過させ、
前記アパーチャは前記第1容積から前記第2容積への気体の流れを制限することで、前記試料位置での圧力が1mbarよりも大きな平衡圧を有する流体の平衡圧であるときに、排気手段が、第2容積を十分低い圧力にまで排気することによって、前記第2容積での粒子ビームの散乱が、前記第1容積での散乱と比較して無視できる程度となり、かつ
前記アパーチャと前記試料位置との間の距離が、前記アパーチャの直径の4倍未満で、好適には2倍未満に調節可能、又は固定される、
ことを特徴とする。
【００２４】
試料位置とミラーとの間にダイアフラムを設けることによって、第1容積と第2容積とでそれぞれ異なる圧力にすることが可能となる。アパーチャが気体の流れを制限することで、排気手段は、第2容積での粒子ビームの散乱が無視される程度まで、第2容積を排気できる。前述のESEM（登録商標）では、このことは、たとえば1mm未満のアパーチャ直径によって実現される。アパーチャの直径が長くなることで、気体の流れが大きくなり、係る装置で通常用いられる排気手段、たとえば油拡散ポンプ、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ、メンブレンポンプ、ドラッグポンプ等、では排気できなくなる。
【００２５】
試料位置とアパーチャとの間の領域内でしか、粒子は、かなりの散乱を起こすほど十分に高い圧力には直面しない。しかし粒子がこの高圧を介して進行しなければならない距離は短く、散乱は粒子が気体を介して進行する長さに依存するので、散乱は抑制される。また、平均として散乱が試料表面付近で生じる結果、（所与の散乱角では）散乱された粒子が衝突する位置と非散乱粒子が衝突する位置との間の距離が小さくなるため、周辺領域の直径は限定される。
【００２６】
アパーチャの直径を1mm未満に選ぶ他の理由は、第1容積の試料位置からアパーチャを介して第2容積へ進行するとき、気体の圧力は急激には変化せず、ほぼ1の直径の長さにわたって変化するためであることに留意して欲しい。よってほぼこの長さにわたり、圧力は、粒子ビームをかなり散乱させるほど十分な高さになる。
【００２７】
試料はアパーチャからある程度の距離をおいて設けられるのが最善で、それにより試料位置での圧力が第1容積内の他の場所での圧力と大きく異ならないようにすることによって、たとえば脱水が防止されることにさらに留意して欲しい。試料の設けられる位置がアパーチャに近づきすぎると、アパーチャのすぐ近くでの圧力が他のどこの場所での圧力よりも低くなってしまい、たとえ第1容積の圧力が、たとえば水蒸気が存在するように制御されたとしても、脱水が起こる恐れがある。経験的には、試料は、アパーチャの直径の約半分よりも長い距離をおいて設けられるのが最善である。
【００２８】
試料位置とアパーチャとの距離が十分短い場合には、そのアパーチャがたとえば1mmというかなり短い直径を有するときでさえ、そのアパーチャを介して試料からの光を収集することが可能である。高い開口数NA、たとえばNA>0.24、を実現するには、試料位置とアパーチャとの距離は、そのアパーチャ直径の2倍未満であることが必要である。ここでミラーは、アパーチャと粒子源との間に設けられて良い。このとき、容易にアパーチャと粒子源との間に設けることができる大きさのミラーには十分な空間が供される。
【００２９】
多くの用途では、0.1未満の開口数は認められないことに留意すべきである。従ってアパーチャ直径の4倍未満であって、好適には2倍未満の距離は、本発明による装置の特徴である。アパーチャ直径の約1から2倍の距離が、‘最適条件(sweet  spot)’であると思われる。その最適条件下では、開口数NAと良好であると予測される試料位置での圧力とがうまく一致する。しかし、たとえば試料形状のため（試料とダイアフラムとが接触するのを避けるため）に距離をわずかに長くする必要があるとき、又は粒子光学鏡筒の視野を大きくする、若しくは検出器が試料を観察できるようにする必要があるときには、その距離はアパーチャ直径の2倍から4倍であって良い。
【００３０】
上述のように、SEM内で気体の流れを制限することは既知であることに留意して欲しい。特許文献2に記載されたこの原理は、たとえばFEIカンパニーから市販されている環境型走査電子顕微鏡（ESEM（登録商標））に用いられている。特許文献2は、低真空領域（第1容積に相当）と高真空領域（第2容積に相当）とを隔離する（複数の）アパーチャについて記載している。その（複数の）アパーチャは、2領域間での気体の流れを制限する。それにより、真空ポンプは、高真空領域で電子の散乱が無視できる程度に十分低い圧力を実現することが可能となる一方で、低真空領域はたとえば20mbar（室温での水の平衡圧）である。特許文献2によると、係るアパーチャの直径は、50μmから1mmであることが好ましい。十分な気体の制限を行う上では、典型的な値は0.2mm以下である。
【００３１】
特許文献2の装置と特許文献1の構成を組み合わせることも考えられる。しかし特許文献1のミラーを導入することで、高真空領域と低真空領域とを隔離するアパーチャと試料位置との間の距離が増大する。このように距離が増大する結果、ビームの散乱が増大する。
【００３２】
改善策は、特許文献1のミラー中に特許文献2に記載された（複数の）アパーチャをマウントすることが考えられる。しかし調査される試料又はその試料が設けられるマウントは大抵の場合、粒子の光軸に垂直な面内で延在する。一端での（凹面）ミラーは、試料又はそのマウントに向かう方向に曲がる。ミラーと試料との間である程度の距離を設けることができるようにするため、（複数の）アパーチャと試料位置との間の距離は、アパーチャ直径の2倍よりも長くなる（一般的には約0.2mmの直径の2倍未満）ことで、粒子ビームが散乱される粒子経路が長くなり、ひいては本発明による装置で起こるよりも、より多くの散乱が起こる。
【００３３】
さらに、ある装置が特許文献3から既知であることに留意して欲しい。その記載された装置では、粒子光学鏡筒は、試料位置付近での光を透過するダイアフラムを有する。その透明なダイアフラムは、アパーチャを有する電極を示す。そのアパーチャを介して、粒子ビームは通過できる。その透明なダイアフラムは、試料位置とミラーとの間に設けられている。そのミラーは粒子ビームを通過させる貫通孔を示す。それにより、透明なダイアフラムを貫通する粒子の光軸と同軸な光軸が実現される。光路は、前記ミラー又は光学素子によって粒子の光軸から屈折する。よってこの装置は、粒子光学鏡筒の粒子がアパーチャを貫通する経路を有し、他方で光は透明ダイアフラムを貫通する光路を有し、かつ電極外部にアパーチャが形成される、ことを特徴とする。
【００３４】
特許文献3は、アパーチャと試料位置との間の最小距離について開示していないし、アパーチャ直径についても開示していない。
【００３５】
気体の流れを制限し、かつ試料位置とアパーチャとの間の距離を、散乱が最小となるように十分短い値、たとえばアパーチャ直径の2倍未満、に選択するアパーチャを用いることで、本発明に匹敵する解決策を実現することも考えられ得る。しかしその場合、（アパーチャの周囲に形成された）透明ダイアフラムの立体角はかなり制限される。その結果、光路中での開口数NAが小さくなる。つまり、光の観点ではこの解決策は劣っている。
【００３６】
当該装置の実施例では、アパーチャ直径は1mm未満で、より具体的には300μm未満である。
【００３７】
前述したように、アパーチャ直径は、第1容積から第2容積への気体の流れを制限する程度に十分短くする必要がある。特許文献2は、1mm未満で、好適には200μm未満の直径を有するアパーチャについて記載している。
【００３８】
本発明による装置の他の実施例では、排気手段は、第1容積の圧力が約6mbarを超えるときに、粒子ビームの散乱を無視できる程度に十分低い圧力にまで、第2容積を排気することができる。
【００３９】
電子顕微鏡で用いられる真空ポンプのような排気手段（油拡散ポンプ、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ、メンブレンポンプ、ドラッグポンプ等）によって、第2容積をたとえば0.1mbarにまで十分に排気することが可能となる。その圧力で起こる散乱は、第1容積で生じる散乱よりも、かなり減少するか、又は無視できる程度である。0℃での水が約6mbarの平衡圧を有するので、この圧力以上の圧力で、湿った試料の観察及び/又は分析が可能となる。
【００４０】
本発明による装置のさらに他の実施例では、当該装置は荷電粒子検出をさらに有する。その検出器は、（第2容積内の）試料位置とは反対側であるダイアフラムの側に設けられている。
【００４１】
係る検出器は試料から放出されるイオン又は電子を検出するのに用いられて良い。たとえばEverhart-Thornley検出器のようなこの種類の検出器は周知である。試料位置とダイアフラムとの間にはさらなる間隔は必要ない。試料位置から見てアパーチャの許容角が大きくなるので（これは高開口数NAにとって必要である）、荷電粒子は、たとえば試料位置とは反対側であるアパーチャの側に存在する電場及びそのアパーチャを貫通する突出部によって、試料位置から第2容積へ容易に取り出すことができる。
【００４２】
本発明による装置のさらに他の実施例では、当該装置は荷電粒子検出をさらに有する。その検出器は、第1容積内に設けられている。
【００４３】
たとえば固体の後方散乱電子検出器のような特定の荷電粒子検出器は、ダイアフラムの下に容易に設けることができる。係る検出器はたとえば、薄いP-I-Nダイオードである。またたとえばX線検出器のような他の種類の検出器が第1容積内に設けられても良い。
【００４４】
本発明による装置のさらに他の実施例では、当該装置は荷電粒子検出をさらに有する。前記ダイアフラムは荷電粒子検出器の一部分である。
【００４５】
ダイアフラムはたとえば、アパーチャがP-I-Nダイオード内に形成され、かつこのダイオードがダイアフラム（の一部分）であるときには、荷電粒子検出器の一部分であって良い。
【００４６】
本発明による装置のさらに他の実施例では、当該装置は光子検出器をさらに有する。
【００４７】
試料から放出される光を検出する上述の光子検出器は、カソードルミネッセンスを検出するのに用いられて良い。その検出器はたとえば、ラマン分光装置の一部分であって良い。光子検出器はまた、たとえば生体組織内の特定の構造体に付着する生体マーカーで用いられるような蛍光ラベルからの放射線を検出するのにも用いられて良い。蛍光は光照射によって誘起されて良いし、それだけではなく粒子ビーム照射によって誘起されても良い。
【００４８】
本発明による装置の他の実施例では、当該装置には光ブロックが備えられ、前記光ブロックは光を通過させる穴を示し、ミラーがその穴上で試料位置を結像することで、試料位置以外の場所から放出される光は光子検出器によって検出される光の量に大きな寄与をしない。
【００４９】
穴上で試料位置を結像することによって、その試料位置から放出される光は、遮られていない穴を通過することができる。他の場所で発生する光（迷光）はほとんどの場合、穴上では結像されないので、光ブロックによって遮断される。この結像方法は、共焦点顕微鏡から既知である。そのような‘偽りの光’はたとえば、荷電粒子と気体分子との相互作用（非弾性散乱）によって発生する光であると考えられる。しかしまたその偽りの光は、たとえば真空チャンバ内のどこかに位置する高温地点からの赤外放射線であることも考えられるし、又は真空チャンバ内に設けられた位置測定装置内のLEDからの光であることも考えられる。また試料の他の部分からの光も、光ブロックによって遮断することが可能である。
【００５０】
本発明による装置の他の実施例では、当該装置にはガスインジェクタが備えられ、前記ガスインジェクタは、気体又は蒸気を真空チャンバへ入れる。
【００５１】
たとえば1mbarから10mbarの圧力の気体を入れることで、たとえば試料上への材料の堆積、又は荷電粒子ビームによる試料の材料のエッチングでの用途が見いだされる。
【００５２】
本発明による装置のさらに他の実施例では、ダイアフラムは、試料位置の方を向いた切頭錐体の形態を有する突出部を示し、アパーチャは試料位置に最近接する錐体端部内に形成される。
【００５３】
突出部により、アパーチャを試料位置近くに設けることが可能になる。しかも、試料の一部をダイアフラムに接触させることなく、たとえば試料を傾けること、又は試料の凹部を分析することも可能となる。
【００５４】
本発明による装置のさらに他の実施例では、光は、赤外光、可視光、紫外光、及びX線の光子群のうちに含まれる光子によって構成される。
【００５５】
本発明による装置のさらに他の実施例では、粒子光学レンズの磁極片は、試料位置とミラーとの間に設けられている。
【００５６】
たとえば磁気レンズ又は静電レンズのような粒子光学レンズは、所謂磁極片を有する。磁極片は、これらのレンズに用いられる電磁場を操作する。係る磁極片は大抵の場合、回転対称性を示す金属製の部材である。この実施例では、磁極片は、ミラーと試料位置との間に設けられている。このことは、ミラーが粒子光学鏡筒内部に位置していることを意味する。
【００５７】
この実施例は、ミラーが粒子光学鏡筒内部に位置していることを意味する。
【００５８】
本発明による装置の他の実施例では、磁極片はダイアフラムである。
【００５９】
この実施例は、粒子光学鏡筒にたとえばスノーケルレンズが備えられている場合において特に魅力的である。当業者には既知であるように、スノーケルレンズは、試料位置近くで磁極片を用いる。
【００６０】
本発明による装置のさらに他の実施例では、ミラーは、粒子光学鏡筒とアパーチャとの間に設けられている。
【００６１】
本発明のある態様では、粒子光学装置の動作方法は、「特許請求の範囲」のいずれの請求項にも記載されている粒子光学装置を供する手順、試料位置に試料をマウントする手順、第1容積を1-50mbarの間の圧力にまで排気する手順、第2容積を0.1mbar未満で、より具体的には0.01mbar未満の圧力にまで排気する手順、試料とアパーチャとの間の距離をそのアパーチャ直径の2倍未満の距離に調節する手順、粒子ビームにアパーチャを通過させる手順、及び光子ビームにアパーチャを通過させる手順を有する。
【００６２】
本発明による方法の他の実施例では、光子ビームは試料から放出される。
【００６３】
本発明による方法の他の実施例では、光子ビームは試料上で集光される。
【００６４】
本発明による方法のさらに他の実施例では、第１容積は、20mbar未満で、より具体的には10mbar未満の圧力にまで排気される。
【００６５】
本発明による方法のさらに他の実施例では、第１容積は、6mbarよりも高い圧力にまで排気される。
【００６６】
6mbarは凝固点での水の平衡圧である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６７】
ここで本発明を、図を参照しながら明らかにする。図中、同一参照番号は同一の特徴部位を表す。
【００６８】
図1は、本発明の第1実施例による装置を図示している。図1は、上に粒子光学鏡筒が設けられている真空チャンバ100を図示している。粒子光学鏡筒は、粒子源104、ほぼ粒子の光軸106に沿って放出される粒子、及び粒子光学レンズ108を有する。当業者には既知であるように、その鏡筒は、さらに他の粒子光学レンズ、偏向器、多重極等をさらに有して良い。
【００６９】
図1は2のレンズを有する鏡筒を図示しているが、1又は3以上のレンズを有する鏡筒も既知であることに留意して欲しい。
【００７０】
鏡筒は、排気手段（図示されていない）によって排気されて良い。排気手段とはたとえば、油拡散ポンプ、ロータリーポンプ、ターボ分子ポンプ、メンブレンポンプ、ドラッグポンプ、及び上記ポンプを組み合わせたものである。
【００７１】
真空チャンバ内には、上に試料112を設けることのできる試料キャリア110が設けられている。その試料キャリアは、光軸に対して試料を位置設定するように備えられている。そのような位置設定には、光軸に対して平行な位置設定も含まれる。大抵の場合において、係る試料キャリアは、光軸に対して試料を傾斜及び/又は回転させることができる。
【００７２】
ダイアフラム118は、真空チャンバを2の容積122と124に分割する。第1容積122は、たとえば5mbarの圧力にまで排気する。他方第2容積124の圧力は、たとえば0.1mbar未満の圧力にまで排気される。0.1mbar未満の圧力では、粒子源から試料へ進む粒子ビームの散乱は無視される程度しか起こらない。ダイアフラムはアパーチャ120を示す。このアパーチャ120は、気体の流れを制限することで、第2容積内での圧力をたとえば0.1mbarに維持できる程度に十分小さい。
【００７３】
第1容積124は、真空ポンプ150によって排気されて良い。この真空ポンプ150は、圧力が必要な圧力となるように、真空制御装置151によって制御される。たとえば水蒸気のような流体が真空チャンバに入り込むのを制限することで、真空チャンバ100内の圧力を制御することも可能であることに留意して欲しい（ポンプ150の排気性能が限られている場合）。第2容積122も同様の排気手段を有して良いが、第1容積124よりもより低圧にまで排気される。鏡筒だけではなく第1及び第1容積を排気する複数の設備がESEM（登録商標）で用いられる。これらの設備は当業者には既知である。
【００７４】
ダイアフラム118には突出した錐体132が備えられている。これにより、試料をダイアフラムに接触させることなく、平坦ではない試料を使用すること又は（試料キャリアを傾けることによって）試料を傾けることが可能となる。
【００７５】
第2容積122内では、ミラー114が、粒子の光軸106周囲に設けられている。そのミラーは貫通孔116を示している。その貫通孔116を介して、粒子は粒子源104から試料へ向かって進むことができる。ミラーと試料の間では、粒子の光軸と光の光軸は一致する。試料から見ると、ミラーは、粒子の光軸を光の光軸へ屈折させる。
【００７６】
その第2容積は、たとえば2次電子のような試料から放出される2次粒子を検出する検出器126をさらに有する。
【００７７】
真空チャンバ100には、密閉された光学的に透明な窓200が備えられている。それにより、試料からの光がミラー114を介してモジュール202内に設けられている検出器に入り込むこと、又は逆に、モジュール202内に設けられている光源からの光ビームが試料を照射すること、が可能となる。
【００７８】
真空チャンバ内部にモジュール202を設けること、又は、そのモジュールの筐体が密閉されているのであれば、窓を貫通孔として実装することで、モジュール内部を真空のままにすることも可能であることに留意して欲しい。
【００７９】
動作時、粒子源104は、たとえば0.1-30keVのエネルギーを有する電子又はイオンのような粒子ビームを発生させる。当業者にとっては既知であるように、このビームは、粒子光学レンズ108の補助によって試料上で集束させることができ、かつ電磁場によってビームを操作する偏向器（図示されていない）の補助によって試料表面を走査することができる。粒子ビームによって試料が照射された結果、たとえば2次電子、後方散乱電子、イオン、又はX線の光子のような2次放射線が発生する。2次電子及びイオンは、たとえば検出器126のような適当な検出器によって検出されて良い。この検出器は、Everhart-Thornley型であって良い。またX線検出器も当業者には周知である。試料からの光はミラー114によって収集され、モジュール202内に設けられている光子検出器へ向かうように偏向される。その目的のため、ミラーは放物面鏡又は楕円鏡であることが好ましい。そのようなミラーは、粒子が試料上で入射する結果光子が放出される位置を、光子検出器上で像にする。
【００８０】
アパーチャ120と試料との間での圧力は、たとえば6mbarと非常に高いので、ある程度の粒子ビームの散乱が起こる。しかしアパーチャと試料との距離を短く選択することによって、散乱効果は抑制される。従って検出器によって集められる情報のほとんどから、粒子ビームの焦点での情報の起源が分かる。試料とアパーチャとの間の距離は、粒子の光軸に沿って試料キャリア110を位置設定することによって、必要である小さな値に調節されて良い。
【００８１】
その得られた短い距離はまた、光路の開口角が比較的大きな開口数を示す結果、試料からの光子を効率的に集められることをも意味する。
【００８２】
またたとえばレーザーによって発生したモジュール202からの光子を集光させることで、試料を加熱させるか、又はたとえば化学変化若しくは物理変化を起こすことも可能である。
【実施例１】
【００８３】
図2は、第2容積が管として形成されている本発明の他の実施例を図示している。
【００８４】
図2は図1から派生したものと考えて良い。しかし図2では、第2真空は、粒子の光軸106に対してある角度をなすように設けられている管160として形成される（図2では粒子の光軸106に対して垂直に位置する管160が図示されている）。その管の一端は2の貫通孔を示す。一は粒子光学鏡筒102に対して密閉され、他は試料位置に近いアパーチャ120である。その貫通孔は、粒子ビームが2の貫通孔を通過するように設けられる。ミラー114はこれら2の孔の間に設けられることで、管118にそって光の光軸を屈折させる。その管の他端は、たとえば光子検出器又は光子発生装置（図示されていない）と接続する。
【００８５】
その管は、真空管129を介してその管と接続する排気手段によって排気される。
【００８６】
第2容積124を構成する管内部は、たとえば0.1mbarの圧力にまで排気される。その圧力では、散乱は無視できる。その管が粒子光学鏡筒102に対して密閉されているので、管と粒子源との間の真空は、上記圧力以下に保持できる。試料112とアパーチャ120との間でのみ圧力が非常に高くなるので、その間ではかなりの散乱が起こる。このアパーチャと試料との間の距離を、前述した短い距離に調節することによって、散乱の効果は抑制される。
【００８７】
管118を引っ込めることができるようにすることによって、この実施例は、本発明に従って動作させることのできる装置、又は標準的なESEM（登録商標）として動作させることのできる装置が必要なときに特に便利である。管118を引っ込めることができることで、他の種類の検出器又は他の種類の試料の用により広い空間が利用可能となる。
【００８８】
この実施例はまた、たとえば標準的なSEM又はESEM（登録商標）を本発明による装置に改良するための部品一式を単純なものにすることが可能となる。
【実施例２】
【００８９】
図3は光ブロックが光路中に存在する本発明による装置の実施例を図示している。
【００９０】
図3は図2から派生したものと考えて良い。しかし図3では、ミラーは、試料位置からの光を光ブロック128上に集光する。その光ブロックはピンホール119を示す。そのピンホール119を介して、試料位置112からの光は、検出器ユニット（図示されていない）へ向かって進むことができる。ミラー114は、光ブロック内のピンホールで他の位置からの光を結像しない。それによりこの光は、検出器ユニットへは透過しない。
【００９１】
たとえ光ブロックが光を遮断する必要があるとしても、図示された配置では、比較的大きな排気コンダクタンスを有することもまた必要である。これは、光ブロックを迷路として備えるか、又は、ミラーと光ブロックとの間の管119と真空管129との間を接続することによって実現されて良い。
【００９２】
この実施例は、たとえば迷光の検出を排除するのに特に有効である。迷光とはたとえば、他の検出系からの光、又は粒子と気体分子との非弾性散乱によって発生する光である。
【実施例３】
【００９３】
図4は、磁極片がミラーと試料位置との間に位置する本発明による装置の好適実施例を図示している。
【００９４】
図4は、粒子光学鏡筒102の粒子光学レンズ108と204との間に位置するミラー114を図示している。所謂対物レンズである粒子光学レンズ204は、たとえば従来の磁気若しくは静電粒子光学レンズであって良く、又は試料が対物レンズの電磁場中に設けられる、所謂イマージョンレンズであって良い。両種類のレンズとも当業者には既知である。対物レンズ204の磁極片として形成される、試料位置112に対向する鏡筒の一部分は、（粒子と光子の両方を通過させる）アパーチャ120を有する。またそれにより、第1容積と第2容積とが隔離される。ミラー114は、光の光軸を、粒子の光軸から検出器モジュール202へ向かうように屈折させる。図4では、このモジュールが、粒子光学鏡筒の真空内部に設けられた状態で図示されている。しかし粒子光学鏡筒102が光子を通過させる窓を示す場合には、このモジュールはその鏡筒外部に設けられても良い。
【００９５】
この実施例は特に魅力的である。その理由は、当業者には明らかであるように、磁極片と試料位置との距離が短い対物レンズを用いることで、このレンズは最高の光学特性を示すからである。
【００９６】
この実施例の他の利点は、結果として小型の設計となることである。
【００９７】
たとえ図4ではミラー114が対物レンズ204の外側に設けられているとしても、そのミラーを対物レンズの磁極片間に設けることも可能であることに留意して欲しい。対物レンズ204の磁極片間のギャップが試料位置にかなり近いため、ミラー114の位置は試料に近づき、ひいては対物レンズの外側（粒子源側）に設けられるときよりも小さなサイズのミラーを用いることが可能となる。
【００９８】
さらに、イマージョン型の対物レンズ204を用いることによって、高い粒子光学的性質と高開口数の光路を併せ持つ装置を構築することが可能となることに留意して欲しい。当業者に知られているように、イマージョンレンズでは、そのレンズと試料との間の距離を短くすることが必要となる。よってこのアパーチャはまた、試料とミラーとの間を光子が通過するようにうまく位置設定されている。この実施例が、イマージョンレンズを用いて高い粒子光学的分解能を得るときの好適な解決法となるように、イマージョンレンズの磁極片と試料との間にはミラーを設けることさえ不可能である。
【００９９】
上述の実施例では、アパーチャを用いて光子を通過させる際には、試料位置112とアパーチャ120との間の距離は短い状態で保持されなければならないことに留意して欲しい。しかし光路が高開口数NAであることが（一時的に）重要ではない、つまり粒子ビームでのみ試料を観察するときには、アパーチャと試料位置との間の距離を長くして（所謂ワーキングディスタンスを長くして）動作させることも可能である。たとえば試料位置とアパーチャとの距離が長い状態で、粒子ビームによって試料を画像化することで、視野角を広くなり、かつたとえば大雑把な試料の探索が行われる。その後距離を短くして、たとえばラマン分光法が、試料の微細な部分上で行われて良い。
【０１００】
上述の実施例は、粒子の入射によって発生する放射線を検出する検出器を最大でも1しか与えていないことにも留意して欲しい。これらの検出器の多くが、真空チャンバ内又は粒子光学鏡筒内に存在でき、かつ2次電子、2次イオン、後方散乱電子、X線等の様々な種類の放射線を検出する能力を有するということは周知である。
【０１０１】
上述の実施例は、光子検出器によって検出される、試料からの光子について記載していることにさらに留意して欲しい。これは、粒子が入射する結果として放出される光（カソードルミネッセンス）を検出するときに、特に興味深い。当業者にとって周知であるように、光子で試料を照射する（ことによってたとえば加熱による物理変化又は化学変化を引き起こす）こと、又は光子で試料を照射しながら、たとえばビームスプリッタを用いて試料からの光子の検出（ラマン分光法）さえ同時に行うことは大抵の場合有利である。本発明は、試料を照射するのにも同様に適している。
【０１０２】
また試料が存在する第1容積内での圧力は、たとえば空気又は水蒸気を、制御されたリークによって真空チャンバへ入れることによって調節されて良い。当業者に知られているように、このことは、上記をチャンバへ入れることにより、又は試料位置付近に設けられている所謂ガスインジェクタの助けを借りて局所的に上記を入れることによって実行されても良い。堆積に用いられる先駆体としての流体のような他の流体、又はXeF2のようなエッチングに用いられるエッチング用流体を入れることもまた周知である。湿った試料の脱水を防ぐための水の代わりに、他の流体を第1容積に入れることで、たとえば油やグリースのような、試料中の他の流体の蒸発を防止しても良い。これは、たとえば油状の‘キャリア’内での特定の薬の懸濁を観察するとき、又は油と触媒を含む混合物を観察/分析するときに、興味深いと考えられる。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】本発明の第1実施例による装置を図示している。
【図２】第2容積が管として形成されている本発明の他の実施例を図示している。
【図３】光ブロックが光路中に存在する本発明による装置の実施例を図示している。
【図４】磁極片がミラーと試料位置との間に位置する本発明による装置の好適実施例を図示している。
【符号の説明】
【０１０４】
100  真空チャンバ
102  粒子光学鏡筒
104  粒子源
106  粒子の光軸
108  粒子光学レンズ
110  試料キャリア
112  試料
114  ミラー
116  貫通孔
118  ダイアフラム
119  ピンホール
120  アパーチャ
122  容積
124  容積
126  検出器
128  光ブロック
129  真空管
130  光ビーム
132  突出した錐体
150  真空ポンプ
151  真空制御装置
200  透明窓
202  モジュール
【図１】
2008192617.tif 000003
【図２】
2008192617.tif 000004
【図３】
2008192617.tif 000005
【図４】
2008192617.tif 000006