(57)【要約】  粒子ビーム発生装置は、粒子源に隣接して配置され、粒子ビームを生成するために該粒子源から粒子引出手段の引出開口内へ粒子を引き出す粒子引出手段と、前記ビームのエネルギーを増加させるために、引き出された粒子を加速させる粒子加速手段と、前記粒子ビームを集束させる集束手段とを備え、前記粒子引出手段と、前記粒子加速手段と、前記集束手段との各々は、順に配置されており、粒子が移動する通路を画定するように一直線に並んで配置された開口を有するものであり、前記粒子引出手段は、少なくとも一対の電極を有するレンズ構造を備え、該電極は、該電極の各々に異なる電位を印加することを可能にするように絶縁材料の層によって互いに分離されており、前記電極の１つは引出開口を有する引出板を備え、該引出板は、前記源と該引出板との間の電位差により前記粒子源から前記引出開口内へ粒子を引き出すものである。
2010517233.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子源に隣接して配置され、粒子ビームを生成するために該粒子源から粒子引出手段の引出開口内へ粒子を引き出す粒子引出手段と、
前記ビームのエネルギーを増加させるために、引き出された粒子を加速させる粒子加速手段と、
前記粒子ビームを集束させる集束手段と
を備える粒子ビーム発生装置であって、
前記粒子引出手段と、前記粒子加速手段と、前記集束手段との各々は、順に配置されており、粒子が移動する通路を画定するように一直線に並んで配置された開口を有するものであり、
前記粒子引出手段は、少なくとも一対の電極を有するレンズ構造を備え、該電極は、該電極の各々に異なる電位を印加することを可能にするように絶縁材料の層によって互いに分離されており、前記電極の１つは引出開口を有する引出板を備え、該引出板は、前記粒子源と該引出板との間の電位差により前記粒子源から前記引出開口内へ粒子を引き出すものである、粒子ビーム発生装置。
【請求項２】
前記集束手段は、約１μｍから約１０μｍのオーダの全長を有するアインツェルレンズ構造を備えているものである、請求項１に記載の粒子ビーム発生装置、
【請求項３】
前記引出手段は、５００ｎｍ以下の全長を有するナノスケールのアインツェルレンズ構造（ＮＥＺＬ）を備えているものである、請求項１又は２に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項４】
前記引出手段は２つの電極を備えているものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項５】
前記引出手段は３つの電極を備えているものである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項６】
前記ＮＥＺＬ構造は前記引出板を備えているものである、請求項３〜５のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項７】
前記引出板は、前記粒子源と前記ＮＥＺＬ構造との間に設けられているものである、請求項３〜５のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項８】
前記ＮＥＺＬ構造は、前記引出板によって前記粒子源から引き出された粒子に直接的な影響を及ぼすために、前記引出板に十分に近接して設けられているものである、請求項７に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項９】
前記集束手段は、第１集束手段及び第２集束手段を備え、
前記引出手段、前記加速手段、及び前記第１集束手段は順に配置されており、
前記第２集束手段は、前記第１集束手段及び前記第２集束手段が本質的に互いに分離されるように、前記第１集束手段の端から離れて配置されており、
前記第２集束手段は、前記第１集束手段の開口の寸法より大きな寸法の平均開口を有しているものである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１０】
前記第２集束手段は、該第２集束手段を前記第１集束手段と同軸上に配置する配置手段を備えているものである、請求項９に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１１】
前記配置手段は、前記第１集束手段と前記第２集束手段との間の同軸性を１０ｎｍ以内、好ましくは１ｎｍ以内、最も好ましくは０．１ｎｍ以内とするナノポジショニング部を備えているものである、請求項１０に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１２】
前記第２集束手段の、前記第１集束手段に最も近い電極である第１の電極は、到達した粒子ビームをコリメートするナイフエッジ型開口を備えているものである、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１３】
前記第２集束手段の前記ナイフエッジ型開口の直径は、前記第１集束手段の粒子ビーム開口の直径よりも大きいものである、請求項１２に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１４】
前記第２集束手段の、前記第１集束手段に最も近い電極である第１の電極は、前記第１集束手段から前記第２集束手段へ到達する電子ビームの直径よりも大きな直径を有するものである、請求項９〜１１のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１５】
前記第２集束手段の前記第１の電極は、少なくとも実質的に２μｍの直径を有しているものである、請求項１４に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１６】
前記粒子源はナノ尖端部を備えているものである、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１７】
前記ナノ尖端部は、約１原子直径から約５０ｎｍの直径を有する自由端を備える尖端部を有しているものである、請求項１６に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１８】
前記尖端部は、原子寸法又は実質的に原子寸法のナノピラミッド構造又は同様の安定した電子放出構造である、請求項１６又は１７に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項１９】
前記ナノ尖端部は、少なくともワイヤ状の部分を有するものである、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２０】
前記尖端部は、プラチナと、タングステンと、プラチナイリジウム合金と、コバルトと、金と、銀とからなる群から選ばれた少なくとも一つから形成されているものである、請求項１７〜１９のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２１】
前記尖端部は、耐酸素反応性を有する材料から形成されているものである、請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２２】
前記引出開口は、約１μｍから約１０μｍの範囲内、好ましくは約１ｎｍから約１０００ｎｍの範囲内、さらに好ましくは約２ｎｍから約２０ｎｍの範囲内の直径を有しているものである、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２３】
加速領域は、前記粒子ビームの直径が前記加速領域の長さにわたって実質的に一定となるような大きさの電界を発生させることにより、前記粒子源からの粒子を加速させるものであり、前記ビームの直径は、前記引出開口の直径と実質的に等しいものである、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２４】
加速領域は、約１００Ｖ／μｍから約１０００Ｖ／μｍの値の電界により、前記源からの粒子を加速させるものである、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２５】
前記粒子源は電子源をもたらすものである、請求項１〜２４のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２６】
前記粒子源はイオン源をもたらすものである、請求項１〜２５のいずれか一項に記載の粒子ビーム発生装置。
【請求項２７】
粒子源に隣接して配置され、粒子ビームを生成するために該粒子源から粒子引出手段の引出開口内へ粒子を引き出す粒子引出手段と、
前記ビームのエネルギーを増加させるために、引き出された粒子を加速させる粒子加速手段と、
前記粒子ビームを集束させる第１集束手段と
を備える粒子ビーム発生装置であって、
前記粒子引出手段と、前記粒子加速手段と、前記第１集束手段との各々は、順に配置されており、粒子が移動する通路を画定するように一直線に並んで配置された開口を有するものであり、
前記第１集束手段及び第２集束手段が本質的に互いに分離されるように、前記第１集束手段の端から離れて配置されている第２集束手段であって、前記第１集束手段の開口の寸法より大きな寸法の平均開口を有している第２集束手段をさらに備えている粒子ビーム発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良された粒子ビーム発生装置に関し、具体的には、超小型の走査型電子顕微鏡（scanning electron microscope：ＳＥＭ）に関するものである。
【０００２】
以下の説明は、主として走査型電子顕微鏡に関するものである。しかし、本発明の用途は、広い範囲に及ぶことが想定され、特に、電子ビーム及び／又はイオンビームの生成に関するものであることに留意されたい。
【背景技術】
【０００３】
ＳＥＭに適した超小型電子（又はイオン）ビーム発生装置の構造が特許文献１に記載されている。これによれば、（３００ｅＶほどの）低エネルギーでナノ尖端（nanotip）から生じる電子（又はイオン）を原子の寸法（atomic dimension）にまで縮小して集束させることができる。ＳＥＭの場合、ビームを集束させる対象となる基板は、検査対象の試料である。しかし、特許文献１及び本願のいずれにおいても、ビームの他の使用方法、及びビームを試料と反応させ、試料から反射させ、又は試料内に吸収させる方法が考慮されている。
【０００４】
初期の構造は、２つの基本的な方針に基づいている。第１の方針は、機器の外形寸法及び焦点距離をマイクロメートルの範囲（典型的には２０μｍ未満）まで低減させることである。第２の方針は、電子（又はイオン）が電界放出によって引き出されるナノ尖端に近接して高電界を印加することにより、電子がナノ尖端から約１００ｎｍの直径を超えて拡がらないようにすることである。
【０００５】
したがって、この顕微鏡は、ナノ尖端の放出サイト（イオン又は電子）を直接的に撮像（image）することにより機能する。この点、収差（aberration）により極めて高い電圧を必要とし、その結果、（電子源又はイオン源により照射される）システムの開口を撮像することによってのみ、分解能を達成することができる従来の大型の顕微鏡とは異なる。
【０００６】
従来技術に基づく装置の一実施形態を図１に示している。この実施形態においては、（灰色の陰影によって示されている）絶縁材料２によって互いに分離された（黒色によって示されている）電極３Ａ〜３Ｄが微小規模（microscale）で配列されている。電極３Ａ〜３Ｄ及び絶縁材料２が有するそれぞれの開口は一直線に並んでおり、これによって、アセンブリの全体を通る１つの通路が形成されている。この装置においては、種々の構成層のそれぞれの外径は、線ＡＢに沿って同一径として画定されている外径と異なっていてもよいことに留意されたい。基本的に、この構造は、顕微鏡の軸を画定する貫通孔を有する多層薄膜であり、電子４は、この孔の下方に加速され、顕微鏡の先の点５に集束される。焦点までの距離は、典型的には、端電極（end electrode）から約５μｍである。もし引出電極（extractor electrode）３Ａとナノ尖端１との間の電位が十分であるなら、電子がこのナノ尖端１から放出される。典型的には、約−３２０ボルト（Ｖ１）がナノ尖端に印加され、−３００ボルト（Ｖ２）が引出電極３Ａに印加され、３２０ｅＶの電子ビームが生じる。電子は、孔を通過し（この孔の直径ｄ１は、尖端が電極から軸方向に約３０ｎｍだけ離れている場合、典型的には３０ｎｍであるが、もし第１の電極の厚みｔが大きくなる場合には、ｄ２ほどの寸法まで大きくすることができる）、次いで、第２の電極に向かって加速される。なぜなら、第２の電極の電位が０ボルト（Ｖ３）となっているため、長さａ、典型的には、３μｍ未満の長さを有する第１の絶縁領域の両端に、高電界が生じているからである。また、このとき、電子は入口レンズによって集束され、次いで、領域ＡＣＣにおいて狭ビームとなる。典型的には、この領域ＡＣＣにおいて、ビーム径は１００ｎｍ未満である。次いで、電子は、微小規模のアインツェルレンズ（einzel lens）である領域ＭＥＺＬ内に進入する。典型的には、この領域ＭＥＺＬは、３００ｎｍの開口を有し、約３００ｎｍの電極厚みｕ及び約４００ｎｍの電極厚みｖを有している。絶縁領域の厚みｂ，ｃは、ビームの望ましい全エネルギーに応じて異なるが、典型的には、３００ｅＶの電子の場合、３μｍ未満である。この装置では、外側の２つの電極の電圧Ｖ３，Ｖ５はゼロボルトであり、中心電極の電圧Ｖ４は、３００ｅＶの場合（典型的には）、−３００ボルトから＋３００ボルトの範囲内において変化させることができる。勿論、この電圧の変化により、電子ビームの焦点の位置を変更させることができる。
【０００７】
この装置の主な欠点の１つは、電界の強度が、単純に、Ｖ２−Ｖ３＝Ｖ１＋２０ボルトとなっているため、入口開口の集束効果が、電子の全エネルギーＶ１に依存していることである。これは、全てのエネルギーレベルにおいて微小規模のアインツェルレンズ内に同一のビーム収束又は同一のビーム拡散を生じさせることができるわけではないために、構造をある特定のエネルギーについてしか最適化できないことを意味している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２００３／１０７３７５号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
多くの用途では、異なるエネルギーで観察することが望まれている。本発明の目的は、ビームの焦点距離を大きく変更することなく、又は比較的標準的なアインツェルレンズ構造を修正することなく、放出される電子ビーム又はイオンビームの異なるエネルギーに対応できる超小型ＳＥＭを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様により、粒子源に隣接して配置され、粒子ビームを生成するために該粒子源から粒子引出手段の引出開口内へ粒子を引き出す粒子引出手段と、前記ビームのエネルギーを増加させるために、引き出された粒子を加速させる粒子加速手段と、前記粒子ビームを集束させる集束手段とを備える粒子ビーム発生装置であって、前記粒子引出手段と、前記粒子加速手段と、前記集束手段との各々は、順に配置されており、粒子が移動する通路を画定するように一直線に並んで配置された開口を有するものであり、前記粒子引出手段は、少なくとも一対の電極を有するレンズ構造を備え、該電極は、該電極の各々に異なる電位を印加することを可能にするように絶縁材料の層によって互いに分離されており、前記電極の１つは引出開口を有する引出板を備え、該引出板は、前記粒子源と該引出板との間の電位差により前記粒子源から前記引出開口内へ粒子を引き出すものである、粒子ビーム発生装置が提供される。
【００１１】
粒子源に直接隣接して多重電極引出手段を設けることにより、粒子を引出手段の開口内へ引き出し、次いで、装置内の加速手段へ送ることが可能になるとともに、前記引出手段の異なる電極の各々に異なる電位を印加することができるために、引出手段の比較的短い長さにおいて、異なるビームエネルギーに対し集束効果が得られる。
【００１２】
集束手段は、約１μｍから約１０μｍのオーダの全長を有するアインツェルレンズ構造であることが最も好ましい。
【００１３】
好ましくは、引出手段は、５００ｎｍ以下、さらに好ましくは２００ｎｍ以下の全長を有するナノスケールのアインツェルレンズ構造（ＮＥＺＬ）である。従って、粒子ビーム発生装置は、全体として２つのアインツェルレンズ構造からなる。これらのアインツェルレンズ構造のうち、１つは装置の前方に配置され、もう１つは装置の後方に配置されている。これらのレンズ構造のいずれもが、粒子ビームに対して程度の異なる制御を行うことができる。
【００１４】
好ましくは、引出手段は２つの電極から構成されている。代替的には、引出手段は３つの電極から構成されている。
【００１５】
代替的な実施形態において、粒子ビーム発生装置は、粒子源に十分に隣接して配置された、引出開口を有するより標準的な引出板を備えており、ナノスケールのアインツェルレンズ構造が、粒子源から引き出された粒子に直接的な影響を及ぼすために、前記引出板の直後に配置されている。
【００１６】
本発明の第２の態様により、粒子源に隣接して配置され、粒子ビームを生成するために該粒子源から粒子引出手段の引出開口内へ粒子を引き出す粒子引出手段と、前記ビームのエネルギーを増加させるために、引き出された粒子を加速させる粒子加速手段と、前記粒子ビームを集束させる集束手段とを備える粒子ビーム発生装置であって、前記粒子引出手段と、前記粒子加速手段と、前記集束手段との各々は、順に配置されており、粒子が移動する通路を画定するように一直線に並んで配置された開口を有するものであり、前記第１集束手段及び第２集束手段が本質的に互いに分離されるように、前記第１集束手段の端から離れて配置されている第２集束手段であって、前記第１集束手段の開口の寸法より大きな寸法の平均開口を有している第２集束手段をさらに備えている粒子ビーム発生装置が提供される。
【００１７】
好ましくは、第２集束手段は、ナノポジショニングのような技術により、前記第１集束手段と同軸に配置されている。ナノポジショニングにより、２つの集束手段の間の同軸性を１０ｎｍ以内、最も好ましくは１ｎｍ以内とすることができる。
【００１８】
好ましい構成においては、第２集束手段の第１の電極は、到達した粒子ビームを効果的にコリメートするナイフエッジ型開口を備え、該ナイフエッジ型開口は、前記第１集束手段の開口よりも大きくなっている。
【００１９】
本発明のいずれの態様においても、粒子は、ナノ尖端を用いて冷電界放出源から引き出されることが好ましい。このような構成は、「R. H. Fowler and L. Nordheim, Proc. Roy. Soc., A119 (1928) 173」にすでに記載されているが、最も好ましい構成では、ナノ尖端は、絶縁組成物及び半導体組成物によって被覆され、これらの両方の組成物はナノメートルのオーダの厚みを有している。これは、ナノ尖端から出る電子電流を増大させ、ナノ尖端から放出された粒子ビームのエネルギーの拡がりを低減させる働きがある。半導体を接地させると共に負電圧を金属のナノ尖端に印加することにより、電圧を絶縁層の両端に印加することが好ましい。
【００２０】
好ましくは、最も単純なナノ尖端の多層構造は、（金属の）ナノ尖端上に設けた単一の絶縁層を半導体で覆うことによって得られる。このナノ尖端において、金属内のフェルミ準位が半導体内のエネルギーバンドギャップの上位に並ぶか又は近接するように、電圧が調整される。この電圧は、境界（barrier）にわたり共鳴電子トンネル効果を生じさせ、これにより、電子エネルギーの拡がりを抑えながら電流出力をさらに増加させるように調整される。好ましくは、絶縁体及び半導体の厚みは、各々、０．２ｎｍから２０ｎｍの範囲内にある。
【００２１】
代替的な構成として、好ましくは、前述した単純な２層構造が多層系に置き換えられる。この多層系は、金属ナノ尖端と、ナノ尖端上に設けられた多数の絶縁層及び半導電層とを有している。この構成においては、各絶縁層の両端間に異なる電圧が印加される。この構成の最終的な目的は、量子トンネル効果を利用して、電子をより効率的に外側の半導電層の伝導帯内の電子準位に伝達させ、尖端に高電界が印加されたときにこの半導体の伝導帯から電子を真空に放出させることである。好ましくは、蒸着されたこれらの層の厚みは０．５ｎｍから２０ｎｍの範囲内にある。
【００２２】
好ましい構成において、ナノ尖端（又は粒子源）は、ナノメートル寸法の開口及び高電界加速領域に近接して配置されている。理想的には、電子が尖端から放出され、開口を通過し、高電界によって加速されるように、電圧がナノ尖端（又は粒子源）に印加される。
【００２３】
いくつかの実施形態では、粒子源から開口までの距離は、約５ｎｍから約５００ｎｍの範囲内にあり、好ましくは約５０ｎｍである。いくつかの実施形態では、この距離は、開口直径と同程度である。従って、開口寸法が大きくなれば、粒子源から開口までの距離も、これに対応して延びる。
【００２４】
好ましくは、電子ビームの直径が加速領域の長さにわたってほぼ一定であり、開口の直径よりも小さくなるように、電界の強度が設定されている。
【００２５】
このようにして、収差（aberration）を殆ど有さず、これにより、ナノ尖端の本来の電界放出特性を維持するソース（源）を得ることができる。
【００２６】
好ましい構成において、ソースは、電子を放出する尖端の面積を縮小化するために、集束イオンビーム（focussed ion beam:FIB）ミリング（milling）によって鋭利にされたナノ尖端である。
【００２７】
開口は、テーパを有していてもよい。すなわち、開口は、ビームの拡がりをさらに抑えるレンズ効果を生じさせるように、変更することができる。電子の散乱を低減させるために、円錐状の開口を用いることができる。
【００２８】
最も好ましくは、ナノ尖端は、原子寸法又は実質的に原子寸法のナノピラミッド構造又は同様の安定した電子放出構造を有する。この構造は、従来のナノ尖端の自由端に設けることができる。従来のナノ尖端は、タングステンナノ尖端とすることができる。
【００２９】
ナノピラミッド構造又は同様の構造の製造は、文献に記載されている（例えば、H.？S.Kuo et al，Jap. J. Appl. Phys. 45 (11) (2006) page 8972、C. Schlossler et al., J. Vac. Sci. Technol. B15(4) (1997) page 1535、A.B.H. Tay and J. T. Thong, Rev. Sci. Instr. 75 (10) (2004) page 3248、及びS. Minzuno, J. Vac. Sci. Technol. B (19) (2001) 1874を参照されたい）。
【００３０】
Tay及びThong（前段落参照）は、コバルトワイヤからのナノ尖端の生成について述べている。このようなナノ尖端から表面の磁気的観察に適した偏極電子を生成することができる。
【００３１】
前述したナノピラミッド構造及び同様の構造は、金、プラチナ、イリジウム、及びそれらの組合せから作ることができる。これらの金属は、汚染物質が加熱によって除去されるため、特に有用である。汚染物質を除去し、有用なナノスケールの電子源を形成するのに、比較的低温の加熱でも十分である。他の材料及びそれらの組合せも有用である。
【００３２】
本発明の実施形態では、金のナノ尖端が特に有用である。この理由の少なくとも一つは、プラチナ又はイリジウムからナノピラミッドを形成する温度よりも低い温度で、金からナノピラミッドを形成することができるからである。
【００３３】
好ましくは、電極は金属から形成されている。好ましくは、この金属は、酸素又は他の気体と反応して、金属酸化物などの汚染物質、又は電荷を蓄えるかもしくは保持する他の汚染物質を形成することがない金属である。好ましくは、この金属は、超真空（ＵＨＶ）条件下で、中程度の加熱によって、吸収された気体及び／又は他の汚染物質を離脱することができる金属である。
【００３４】
これらの特徴は、１つ又は複数の電極上への電荷の蓄積を減少させるか、又は実質的に排除させることができるという利点を有している。従って、１つ又は複数の電極の集束効果及び誘導効果が、１つ又は複数の電極上の電荷の存在により実質的に悪影響を受けないという利点が得られる。
【００３５】
上記の金属は、好ましくは、金、プラチナ、イリジウム、又はそれらの混合物である。他の金属も有用である。
【００３６】
（「スーパー尖端（supertip）」とも記載される）ナノ尖端は、尖端の環境内に導入されるガス種をイオン化させる。
【００３７】
代替的又は付加的に、ナノ尖端は、イオンを生成させるものである。いくつかの実施形態では、これは、固体種又は液体種を尖端に与えることによって達成される。例えば、液体ガリウムのような液体金属が尖端に与えられる。液体種は、貯蔵容器から毛細管現象によって与えることもできる。
【００３８】
尖端は、貯蔵容器に含まれている液体の表面から突出したものであってもよい。貯蔵容器は、この貯蔵容器を加熱することにより、貯蔵容器に含まれている液体種を液体状態に保持する手段を有していてもよい。
【００３９】
発生装置は、ナノ尖端によって生成されたイオンを含む粒子ビームを形成する。従って、発生装置は、ナノ尖端に供給される液体ガリウム又は他の適した金属をイオン化することによって生じたイオンを含む粒子ビームを生成する。
【００４０】
本明細書及び特許請求の範囲を通して、「comprise（備える）」及び「contain（含む）」という用語及びこれらの用語の変化形、例えば、「comprising」及び「comprises」は、「含んでいるが、これに限定されるものではない」ことを意味し、他の部分、追加物、コンポーネント、完全体（integer）、又はステップを排除することを意図していない。（また排除するものではない。）
【００４１】
本明細書及び特許請求の範囲を通して、文脈から他の意味が得られない限り、単数形は、複数形を含むものとする。特に、数を示さない物が用いられる場合、本明細書は、文脈から他の意味が得られない限り、単数形のみならず、複数形も考慮していると理解されたい。
【００４２】
本発明の特定の態様、実施形態、又は実施例と関連して述べる特徴、完全体、特性、化合物、化学成分、又は化学基は、相容れないものではない限り、ここに述べるいずれの他の態様、実施形態、又は実施例にも適用可能であることを理解されたい。
【００４３】
本発明をよく理解するために、及び本発明がいかに実施されるかを示すために、単なる例示にすぎないが、以下の図面について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】従来技術の構成による粒子ビーム発生装置の概略図である。
【図２Ａ】本発明の第１の態様による粒子ビーム発生装置の概略図である。
【図２Ｂ】多層構造から形成されたこの顕微鏡の断面図である。
【図３】本発明の第２の態様による粒子ビーム発生装置の概略図である。
【図３Ｂ】本発明による顕微鏡の概略図である。
【図３Ｃ】図３Ｂの顕微鏡内の電子軌跡のエンベロープのより詳細な図である。
【図４】図４Ａ及び図４Ｂは、被覆されていないナノプローブ及び被覆されたナノプローブの理想的な幾何学的形状を拡大して示す図である。
【図５】ナノ尖端からの粒子の引出の概略図である。
【図６Ａ−６Ｃ】ナノ尖端の幾何学的形状の概略図である。
【図６Ｄ】第１の加速板とナノ尖端との間の電位差によるビームスポットの直径の変動を示すグラフである。
【図７】特に有用な方法を実施するために用いられているときの走査電子顕微鏡の概略図である。
【図８】図８ａ−８ｃは、散乱電子の強度及びエネルギーを測定するのに適するようにされた図７の走査電子顕微鏡を、反射電子のエネルギー強度の概略表示と共に示す概略図である。
【図９】図９Ａ及び図９Ｂは、それぞれ、走査電子顕微鏡の分解能を改良する方法の概略図、及び異なる検出器による反射電子を表す信号の概略図である。
【図１０】材料の結晶構造を観察するのに適するようにされた図７の走査電子顕微鏡の概略図である。
【図１１】本発明の実施形態による顕微鏡を示す図である。
【図１２】図１１の実施形態の断面図である。
【図１３】本発明の実施形態による顕微鏡の透視図である。
【図１４】一対の原子的に鋭利なピラミッド状ナノ尖端の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図２には、ナノスケールのアインツェルレンズ構造ＮＥＺＬ、加速手段ＡＣＣ、及びより標準的なアインツェルレンズ構造ＭＥＺＬを備えた粒子ビーム発生装置２０が示されている。ＮＥＺＬ領域は、図２に示されているように、粒子源すなわちナノ尖端１にごく隣接して配置されている。ＮＥＺＬ領域は、ビームが大きく拡がらないような厚み、典型的には２００ｎｍ未満の厚みを有している。電極の各々の開口は、典型的には約５０ｎｍである。互いに同様の厚みｔ３、理想的には１０〜６０ｎｍの厚みｔ３を有するそれぞれの電極に対して、絶縁体の厚みｔ１、ｔ２が５０ｎｍの場合には電圧Ｖ７を−５０Ｖから＋５０ボルトの範囲内で調整することができる。この電圧Ｖ７を変更することによって、この装置の後続の加速器及び微小規模のアインツェルレンズ（ＭＥＺＬ）領域内へのビーム発散又はビーム収束を変化させ、これによって、全粒子エネルギーとは関係なく、放出された粒子ビームが同一の特性を有することが可能となる。なお、本発明の実施形態においては、上記のＮＥＺＬレンズが含まれていないものもある。
【００４６】
図示された装置の変更例としては、単一の追加電極のみ用いる構成が挙げられる。すなわち、Ｖ６のボルトが加えられるダウンストリーム側の第３の電極を取り外した構成である。この場合も、電圧Ｖ７が−５０Ｖから＋５０ボルトの範囲内で調整されることになる。
【００４７】
このナノスケールのアインツェルレンズが定位置に配置された状態において、加速領域ＡＣＣの長さは、最大電圧で作動するときに（厚みｔ４の第１の絶縁体における）電界がその破壊強度（breakdown strength）よりも著しく小さくなるように、設定されている。
【００４８】
本発明のいくつかの好ましい実施形態では、ＡＣＣ部、ＮＥＺＬ部、及びＭＥＺＬ部に含まれる絶縁層は、それらの１つ又は複数の絶縁層内又はその上に蓄えられる可能性のある電荷から電子ビーム                 を電気的に遮蔽するために、アンダーカットを有している。
【００４９】
構造体の導電板に対して深さＬを有する絶縁層のアンダーカットが、図２に示されている。アンダーカットＬの大きさは、絶縁体の厚みに対するアンダーカットの比率Ｌ／ｔが約３：１となるように調整されている。本実施形態及び他の実施形態において、他の比率の例として、２：１及び１：１も有用である。
【００５０】
図２において、ＡＣＣ部に含まれる絶縁層のアンダーカットは、深さＬ1として示されている。ＮＥＺＬ部の対応する層のアンダーカットは、深さＬ2又はＬ3として示されている。ＭＥＺＬ部の対応する層のアンダーカットは、深さＬ4又はＬ5として示されている。
【００５１】
本発明のいくつかの実施形態においては、図２Ａの構造は、多層構造を貫通する孔をエッチングすることによって形成されている。このような多層構造の一部が、図２Ｂに示されている。図２Ｂの符号は、図２Ａの符号に対応している。構造の内部を通過する電子ビームの通路が、孔のエッチングによって形成されている。
【００５２】
いくつかの実施形態においては、この通路は、反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching: RIE）によって形成されている。本発明のいくつかの実施形態においては、通路が形成された後に、構造内の自由端（free edge）（例えば、図２Ｂにおける自由端３Ｈ’）から始めて各絶縁層の一部をエッチングすることにより、絶縁層のアンダーカットが設けられる。図２Ｂは、電極３Ｆと電極３Ｇとの間に位置する絶縁層３Ｈ（図２，図３Ｅ）のエッチング後の図２Ａの構造の一部を示している。
【００５３】
換言すると、絶縁層は、構造体の自由端から、絶縁層の面と平行な横方向に、かつ構造体に形成された電子ビームの通路に向かう方向に沿って、エッチングされている。これにより、通路と構造体の自由端との間の構造体の一部に、構造体の導電層間において絶縁層を有していない領域が形成されることになる。いくつかの実施形態では、凹んだ絶縁層を形成するようにエッチングされた領域の直径は、約５μｍから約１０μｍの範囲内にあるが、他の直径も有用である。
【００５４】
本発明のさらなる実施形態が図３に示されている。この図は、粒子ビーム３４を発生させる粒子源３２を備えた粒子ビーム発生装置３０を示している。この発生装置は、引出板（extraction plate）Ｅと、加速領域ＡＣＣと、第１集束領域とも呼ばれる微小規模のアインツェルレンズ領域ＭＥＺＬとを有している。
【００５５】
粒子ビーム３４は、第１集束領域と反対の端から粒子源３２に向けて現れ、自由空間内を進み、図３において符号３６で示されている第１集束領域の焦点を越え、その後、直径ｒ0まで拡がり始める。ここで、微小規模の静電レンズ２ＭＥＺＬとして第２集束手段が設けられている。２ＭＥＺＬは、全体的に第１ＭＥＺＬと類似しているが、最初のレンズの開口よりもいくらか大きな、典型的には約５００ｎｍだけ大きな直径の開口を有する。
【００５６】
２ＭＥＺＬレンズは、図３に詳細に示されているように、粒子ビーム発生装置からのビーム３４と同軸となるように、市販のナノポジショニング装置を用いて、（１ｎｍよりも良好な）高精度で位置決めされている。もし焦点３６と２ＭＥＺＬレンズの第１の電極Ｅ１との間の距離ｚ１が十分に大きな場合、ｒ0は、２ＭＥＺＬレンズの第１の電極の開口直径よりも大きく、ビームは、引出板Ｅの開口Ａ１によって、ある大きさまでコリメートされることになる（以下のさらに詳細な説明を参照されたい）。この後、残っているビームは、レンズに入り、このレンズによって、スポット３８に集束されることになる。第２のレンズの焦点距離ｚ２は、典型的には１０μｍ未満である。
【００５７】
この焦点距離は、電極Ｅ１（図３）に印加される電位の値を調整することによって変更可能であることを理解されたい。
【００５８】
このレンズへの入口開口Ａ１は、図示されているように、ナイフのように鋭い開口になっている。いくつかの実施形態では、この開口がビームの一部を遮らないのであれば、従って、前記ビームの一部を阻止しないのであれば、平坦な開口とすることができる。第２集束手段２ＭＥＺＬの開口Ａ１は、（図３に示されているように）、粒子ビームを遮り、これによって、粒子ビームの位相空間を減少させ、次いで、この位相空間をより小さいスポットに集束させるように、選択される。
【００５９】
ｚ２／ｚ１で表わされる倍率は、典型的には０．１よりも小さい（すなわち、縮小が生じている）。従って、もしｚ２が１０μｍの場合、ｚ１は、１００μｍよりも大きい。その結果、直径ｓ３を有するビームスポット３８は、直径ｓ２を有するビームスポット３６に対して、ｓ３＝ｓ２×ｚ１／ｚ２という単純な関係によって関係付けられる。ナノ尖端がナノアンペアの電子を放出しているときでも、ナノメートル寸法のスポット３６を比較的容易に生成できるので、ビームスポット３８の寸法を原子寸法（オングストローム）にすることができる。
【００６０】
しかし、前述したように、ビームの放射率によっては、ビームを２ＭＥＺＬの入口開口によってコリメートする必要があり、その結果、集束ビームの電流が低下することに留意されたい。また、この縮小倍率の効果は、ナノ尖端３２のどのような横運動（例えば、振動）の不安定さも同じ量だけ減少させることを意味している。従って、１ｎｍのナノ尖端の横方向の不安定さは、最終的なビームスポットでは、約１オングストロームの横運動しか引き起こさないことになる。
【００６１】
ビームスポットの寸法がビームエネルギーの平方根に比例して変化するため、ビームスポットの寸法をさらに縮小させるために、全ビームエネルギーを増加させるという便利な方法がある。上記のアインツェルレンズ２ＭＥＺＬは、この方法を利用することができる。すなわち、典型的には、第１のアインツェルレンズレンズＭＥＺＬを出るビームに３００ｅＶのエネルギーを与え、次いで、第１の段階における電極の全てに、例えば、−３０００ボルトの追加電圧をバイアスすることによって、最終的なエネルギーを３３００ｅＶにすることができる。従って、エネルギーを３００ｅＶから３３００ｅＶの範囲内において好適に調整することができる。
【００６２】
本発明のさらなる実施形態が、図１１、図１２に示されている。この実施形態は、構造体の２ＭＥＺＬ部の開口が、その開口を通過する電子ビームの直径よりも大きくなるように形成されていることを除けば、図３の実施形態と同様である。
【００６３】
図１１、図１２の実施形態では、２ＭＥＺＬ部の構成部品に形成されたそれぞれの開口は、１μｍから約１０μｍの直径ａ２を有する。２ＭＥＺＬの第１の電極１２１に形成された開口は、２ＭＥＺＬ部の残りの構成部品に形成された開口の直径よりも小さくてもよく、大きくてもよい。
【００６４】
図３の実施形態と同様に、（ソース部、引出部、レンズ部である）ＥＳＥＭＬ部は、電子をソース１０１、この実施形態においては原子エミッタから引き出し、ＥＳＥＭＬ部の端の金属電極１０４から約６ｍｍ離れた原子寸法のビームスポットに集束させるように、配置されている。この電子ビームは、最大１ｎＡの強度を有し、従来の電子源（ソース）よりも最大で百万倍明るい。本発明のいくつかの実施形態においては、このビームの直径は１００ｎｍ未満である。
【００６５】
電極１０１，１０２，１０３，１０４は、約５００ｎｍの厚みを有する金属材料から形成されている。電極間の絶縁層１０９は、約１μｍの厚みを有するように形成されている。
【００６６】
いくつかの実施形態では、使用時において、約−３３０Ｖの電位Ｖ０がナノ尖端１１０に印加され、約−３００Ｖの電位Ｖ１がＥＳＥＭＬ構造の第１の電極１０１に印加されている。第２の電極１０２及び第４の電極１０４は、それぞれ、接地電位（Ｖ２，Ｖ４）に保たれ、約−３００Ｖ〜３００Ｖの範囲内の正電位又は負電位Ｖ３が第３の電極１０３に印加されている。電位Ｖ３は、略平行の電子ビームを形成するように選択される。
【００６７】
第２集束部２ＭＥＺＬが、ＥＳＥＭＬ部から距離ｄ１だけ離れて設けられている。ｄ１は、図１の実施形態では約１００μｍである。
【００６８】
ＥＳＥＭＬ部と同様に、２ＭＥＺＬ部においては、電極１０５，１０６，１０７は、約５００ｎｍの厚みを有するように形成されている。電極間の絶縁層１０６は、約１μｍの厚みを有するように形成されている。
【００６９】
電極１０１〜１０４に形成された開口は、約５０ｎｍの直径を有するように形成されている。いくつかの実施形態では、これらの開口は、約５０ｎｍから約５００ｎｍの範囲内の直径を有するように形成されている。
【００７０】
図１１の装置においては、試料表面と構造内の端電極である第７の電極１０７との間の距離ｄ２が約１ｍｍとなるように配置されている。他の距離も有用である。いくつかの実施形態では、この距離は、約１０ｎｍから約１ｍｍの範囲内にある。他のいくつかの実施形態では、この距離は、約１μｍから約１００μｍの範囲内にある。
【００７１】
いくつかの実施形態では、第５の電極１０５及び第７の電極１０７を接地電位に維持し、第６の電極１０６の電位Ｖ６を調整することにより、この距離の設定がなされる。
【００７２】
本発明のいくつかの実施形態では、粒子源３２（図３）又は粒子源１（図２Ａ）は、装置の最も近い開口から約５０ｎｍ〜約５００ｎｍの距離だけ離れて配置されている。この距離は、開口の寸法に依存している。
【００７３】
本発明の第３の態様においては、（ナノ尖端１及び３２を有する）粒子源が、液体ヘリウムによって極めて低い温度に冷却される。この冷却によって、ケルビンで表わされる温度の平方根に比例して、尖端の放射率が低減する。従って、もし温度が４Ｋ（液体ヘリウムの温度）に低下し、大気温度が３００Ｋの場合、放射率は、（４／３００）1/2＝０．１１５の倍率だけ低下し、これに応じて、最終ビームスポットが同じ倍率だけ縮小することになる。従って、本発明の第３の態様に基づく粒子ビーム発生装置は、実質的には大気温度未満に、好ましくは少なくとも１００Ｋだけ、さらに好ましくは１５０Ｋだけ、さらに一層好ましくは２００Ｋだけ冷却されたナノ尖端又は粒子源を有する。最も好ましくは、粒子源は、液体ヘリウムによって、約４Ｋの温度まで冷却される。
【００７４】
本発明の高輝度ナノ尖端の態様と関連して、輝度の高い電子源を生成する周知の方法は、高電界に配置された極めて鋭利な金属針を用いている。鋭利な点が尖端における電界を高め、これによって、電子を尖端から放出させる。このプロセスは周知であり、この挙動の物理的な説明は、Fowler及びNordheim（前述の文献を参照）に記載されている。室温で放出される電流の量は、印加される電界の強度及び尖端の鋭利さに依存する。ここで、この尖端の鋭利さは、最先端の半径として定められる。
【００７５】
走査型トンネル顕微鏡（Scanning Tunnelling Microscope: STM）のような近接場顕微鏡の出現によって、一般的にナノ尖端として知られている極めて小さい半径の尖端を有する「探針」すなわちナノプローブを製造することができるようになってきている。これは、ナノプローブから放出される電流の量が著しく改良されることを意味している。また、ソースの輝度は、電子を放出するナノ尖端の端領域の大きさに依存している。ここで、輝度は、所定の面積から所定の角度拡散で放出される電流の量として定義される。電流が一定で、かつエネルギーが一定の場合、面積及び角度拡散が減少すると、ソースの輝度が増加する。さらに、ソースにとって重要な品質要因は、ソースから放出される電子のエネルギーの拡がりである。もしソースが、特に低エネルギー（例えば、エネルギーが５ｋｅＶ未満）で作動する走査電子顕微鏡における電子の主供給源として用いられる場合には、電子のエネルギーの拡がりが、この機器の最終的な分解能の決定的な要因になる。
【００７６】
ナノ尖端の輝度を改良するとともに、ナノ尖端からのエネルギーの拡がりを低減させる革新的な方法は、（排他的なものではないが）好ましくは金属から作製されるクリーンなナノ尖端を用いることである。このようなナノ尖端は、８ｎｍほどの小さい直径を有する。しかし、この限界寸法は、これらの機器を進展させる技術の改良と共に、さらに縮小されている。その場で清浄化されるナノ尖端は、次いで（好ましくは、真空中で）、異なる材料からなるナノメートル厚みの多数の薄層によって被覆される。最終的には、多層構造の薄膜が、ナノ尖端の端からナノプローブの本体まで延在している。最も簡単な構造では、この多層構造は、金属尖端上に真空蒸着された（例えば、シリカ又はアルミニウムの）絶縁層と、この絶縁層の上に蒸着された半導体の第２の層とから構成される。各層は、数ナノメートルの厚みを有している。この層形成は、半導体への電気接続を可能とし、これによって、絶縁層の両端に電圧を印加するのに十分な広い範囲に及んでいる。最も簡単には、半導体（ドープ半導体又は真性半導体）を接地電位に接続し、（最大約２０ボルトの）負電位を金属中心に印加することによって、これを達成することができる。ナノチップにおける電界が著しく高くなるように、ナノプローブを高電界内に配置し、次いで、負電圧をナノプローブの金属本体に印加することによって、このソースを作動させることができる。（この電圧によって）絶縁体の全域に生じた電界により、電子が量子トンネル効果を受けてこの絶縁体を通過し、半導体の伝導帯内に進入する。これらの電子は、真空の零エネルギーに極めて近いので、外界に対する障壁を極めて容易に通り抜け、印加された電界によって加速される。（「Modern Semiconductor Device Physics, S. M. Sze (Edt.), Wiley and Sons, 1998, ISBN 0-471-15237-4」には、半導体を越えて真空に至る経路に対する障壁がいかに生成されるか、ならびにトンネル電流が、印加された電界の強度、及び金属内又はこの場合には半導体内の電子のエネルギーと真空の零エネルギーレベルとの間のエネルギー差にいかに依存しているかが記載されている。）
【００７７】
さらに、電界放出サイトが原子寸法であるスーパー尖端（supertip）（C. Sch？ssler, J. Urban and H. W. Kroops, J. Vac. Sci. Technol. B 15(4) (1997) 1535-1538）を一般的に製造することもできる。もしこのような尖端を本発明と共に用いる場合には、第１の段階のみで、電界放出サイトの大きさと同様の原子寸法の集束ビームスポットをもたらすことになるだろう。これらの尖端は、電界イオン化によってイオンを生成するように用いられる場合には、空気中で安定している。従って、顕微鏡に印加される電圧の全ての極性を変化させることによって、低エネルギービーム（１００〜６００ｅＶ）を原子寸法に縮小して集束させることができる。このような装置は、走査集束電界イオン顕微鏡（scanning focusing field-ion microscope: SFFM）として知られている。
【００７８】
上記の尖端の被覆は、電子が半導体の伝導帯の底からしか放出されないように構成されているため、特にソースからの電子のエネルギーの拡がりを低減させることに関して、他と極めて異なる改良であるが、量子トンネル電流が小さいため、結果として全電流が減少する。しかし、電圧及び多層構造の厚みを、トンネリングが共鳴するように調整することができる。このプロセスは、電子機器用の薄膜装置においてすでに用いられている。もし電圧及び厚みが入念に制御されるなら、二重障壁内を通って真空に至る電子の透過をユニティ（１００％）に近づけることができる。この共鳴トンネルは、半導体の伝導帯内における特別の（結合）エネルギーに対応する特別の電圧においてのみ生じる。従って、尖端から放出される電子のエネルギーの拡がりは、被覆されていないナノ尖端の場合よりも著しく小さい。
【００７９】
最終ビームのエネルギーの拡がりが小さいことが重要であることを理解されたい。仮に、いくつかの実施形態においてビームエネルギーの変動が約２００ｍｅＶであるなら、ビーム直径が小さいため、過剰な色収差（chromatic aberration）を生じることはない。
【００８０】
さらに、この共鳴トンネルは、半導電層が所定の厚みを有する尖端の点状の箇所においてしか生じない。ナノ尖端上のこの点状の箇所は、被覆されていないナノ尖端の大きさと比べて極めて小さい領域である。何故なら、蒸着プロセスによって、この極めて小さい領域に最も厚い半導電層が生じているからである。従って、ソースの輝度が著しく増加することになる。
【００８１】
図３Ｂには、２５０ｎｍの厚みを有する３つの金属層２１Ａ〜２１Ｃと、５０ｎｍの厚みを有する１つの層２２からなる顕微鏡２０が示されている。これらの層２１Ａ〜２１Ｃ及び層２２は、マイクロメートルの厚みを有する絶縁体２３によって互いに分離されている。また、この顕微鏡２０は、３００ｎｍの開口２４を有している。ナノ尖端２５が、３０ｎｍ直径の孔２６を有する第１の電極から３０ｎｍ離れて配置されている。電圧は、ナノ尖端に−５１５Ｖ、（符号２２が付された）電極１に−５００Ｖ、（符号２１Ａが付された）電極２に０Ｖ、（符号２１Ｂが付された）電極３に−３６５Ｖ、（符号２１Ｃが付された）電極４に０Ｖが印加されている。これによって、電界放出サイトの大きさ（１．０ｎｍ）と同じ大きさのビームスポットが生じる。従って、この場合、倍率は１である。
【００８２】
図３Ｃは、ＳＩＭＩＯＮTMのような光線追跡プログラムによって明らかとなった電子ビームの輪郭を示している。ここで採用されている計算手法によって、ガウスビームが再生される。この計算手法は、ビームがコリメートされない限り、正確である。もしビームがコリメートされる場合には、回折を考慮しなければならない。本発明では、ビームは、常に顕微鏡の開口よりも大幅に小さく、ビームの占有率は常に２０％未満であり、原子エミッタの場合にはさらに小さくなる。その結果、回折限界は、電子の波長によってのみ決定される。一方、従来のシステムでは、開口における回折が、最終的な分解能を制限する可能性がある。光線の始点は、タングステンナノ尖端における位相空間である。タングステンナノ尖端は、この実施形態では５ｎｍの半径を有し、占有された位相空間の（ガウスビームの全幅によって画定される）周辺の８つの点からなる矩形体によって近似される。放出領域の大きさは１×１ｎｍであり、放出の全角（full angle）は６°である。なお、この図は、（例えば、「Hong-Shi Kuo, Ing-Shouh Hwang, Tsu-Yi Fu, Yu-Chun Lin, Che-Cheng Chang and Tien T. Tsong, Jap. J. of Appl. Phys. 45(11) (2006) 8972; C. Schl？ssler, J. Urban and H. W. P. Kroops, J. Vac. Sc. Technol. B15(4) (1997) 1535; A. B. H. Tay and J. T. Thong, Rev. Sc. Instr. 75(10) (2004) 3248 and Seigi Minzuno, J. Vac. Sc. Technol., B19(5) (2001) 1874」に開示されている）スーパー尖端の従来技術による測定に基づいて外挿されたものである。放出エネルギーは４ｅＶと推定される。
【００８３】
この図は、第１の開口から６０ｎｍ離れて配置され、ビームエネルギーを５１５ｅＶとした場合のポイントソース（point source）及びナノメートル寸法のエミッタに対する、これらの光線によって画定されたビーム輪郭を示している。引出板２２は、Ｖ１＝−５００Ｖの電位で維持されている。電極２１Ａ，２１Ｃは、０Ｖの電位（すなわち、Ｖ２，Ｖ４が０Ｖ）で維持され、電極２１Ｂは、Ｖ３＝−３８０Ｖの電位で維持されている。
【００８４】
これらの条件によって、顕微鏡の端から４．９μｍの距離において、０．０４ｎｍ及び１．２４ｎｍのビームスポットが生じる。アインツェルレンズへの電圧を増加させることによって、ビームスポット径を減少させることができる。具体的には、端から約４μｍ離れた位置におけるビームスポット径を０．０３ｎｍ及び０．９ｎｍに減少させることができる。これは、ほぼ等倍の位置である。ポイント寸法のエミッタに対する光線追跡は、収差がλ／２＝０．５Åの回折限界よりも著しく小さいことを示している。
【００８５】
図４Ａ，図４Ｂは、被覆されていないナノプローブ及び被覆されたナノプローブの理想的な幾何学的形状を示している。いずれのプローブも、拡大して示されている極めて鋭利な尖端（ナノ尖端）を有する（金属）針状の物から構成されている。ナノプローブ軸４１，４２は、カンチレバーアームに取り付けることができるように、かつ外側薄膜への電気的接触が可能となるように、十分大きくなっている。（なお、図では、各ナノプローブは、２つの部分が極めて異なる尺度を有することを示すために、分離して示されている）。被覆されていないナノプローブ４１は、約８ｎｍ以上の直径のナノ尖端４３を有している。新規な電子源であるナノプローブ４２は、絶縁層４５によって被覆され、この絶縁層４５が半導電層４６によって被覆されている。半導電層４６に対する電気的接触は、ナノプローブの本体を介してなされている。ナノプローブの金属本体は、電気的に絶縁され、ナノプローブ４２の軸を介して、負電圧供給部４７に接続されている。半導体外層４６に対する接地接触は、ナノプローブの表面の点４８においてなされている。この被覆されたナノプローブが、その本体を（尖端からナノプローブ軸に向けられた）電界の方向に沿って位置決めして、高電界内に配置され、負電圧が絶縁膜４５の両端に印加されると、電子４９がナノ尖端４４から放出されることになる。具体的には、これらの電子は、金属内に生じ、絶縁膜内を通り抜け、半導体の伝導帯内に入り、次いで真空中に放出される。
【００８６】
前述したように、電子顕微鏡（又は電子リソグラフィー機）に用いられるビームを生成するために、電子は、（ナノ尖端又は他の尖端のいずれであっても）、その電界放出尖端の前方の引出開口の直後に配置されたレンズ（通常は、静電レンズ）によって、集光かつ集束される。その結果、ビームは開口から拡がり、このレンズによってスポットに再集束されることになる。このスポットから離れるビームは、横方向に拡がるが、この拡がりは、ビームを高電圧によって加速することにより著しく低減される。次いで、さらに他の１つ又は複数のレンズ（通常、磁気レンズ）を用いて、ビームを１ｎｍほどの小さい寸法に再集束させることができる。電圧及び開口の寸法は、機器の性能を決定する上で、重要である。従来技術によるシステムでは、ナノ尖端の前方の開口は、μｍのオーダの寸法を有し、開口からμｍのオーダの距離だけ離れて配置されているため、電子をナノ尖端から引き出すために数千ボルトが必要となる。開口は、その開口のすぐ後に続くレンズの軸に沿った尖端と開口との間の距離に等しいか又はそれよりも大きい寸法を有する。いくつかの実施形態では、開口は、尖端と開口との間の距離よりも著しく大きい。
【００８７】
次いで、開口のすぐ後に続くレンズを用いて、電子を小径に再集束させ、この後、これらの電子は、加速され、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）又は他の目的に適したビームスポットに集束される。
【００８８】
この場合、及び電子ビームリソグラフィーの場合、スポットの寸法及び電流の強度は、機器の全性能を決定する要因である。明らかなことは、顕微鏡の全性能が、ソースの輝度によって制限されることである。輝度は、エネルギーの平方根の逆数として変化し、その結果、特定のエネルギーと関連付けられていることが多い。
【００８９】
しかし、従来のソースの輝度を制限する重要な要因は、電子源又は電子銃における収差である。これらは、桁違いに輝度を減少させる。これらの収差を調整するために、及び電界放出ナノ尖端の本来の輝度を有効に生かすソースを製造するために、（以下に明らかになる理由から）、近接引出（proximity extraction）として知られている新規の引出形状が設計されるようになってきている。この方法は、極めて高い電界と併せて、ナノスケールの幾何学的構造を用いることによって、電子をほぼ平行のビームに形成する前に尖端からわずかな距離しか移動させず、これにより、（エネルギーに対する調整がなされたとき）、この平行ビームに本来の電界放出の輝度に等しい輝度をもたらす。従って、ほぼ全ての尖端収差が排除される。これは、ナノチップの電界放出サイトを直接撮像する概念が、スケールの縮小及び高電界の引出によってビームの横方向の拡がりを防ぐことができる技術により、達成可能であることを意味している。
【００９０】
ソースの新規な幾何学的構造が、図５及び図６Ａ，６Ｂ，６Ｃに示されている。図５は、このソースの作用原理を示し、図６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、このソースが実施に際していかに用いられるかを示している。図５において、電子は、導電板５２の開口５３の前方に位置する典型的なナノ尖端５１から放出されている。導電板５２の厚み５５は、開口直径に依存して、１０ｎｍから５００ｎｍの範囲内で変更できる。ナノ尖端は、５ｎｍの標準的な半径又は尖度を有し、典型的には３０ｎｍの直径を有する開口５３から約３０ｎｍ離れて配置されている。なお、開口５３は、電極５２の厚みが増す場合には、最大５００ｎｍまで大きくすることができる。これらの寸法は、既存の引出システムよりも約１００倍小さい。この構造は、最新のＭＮＥＭＳ（micro-nano engineered system：マイクロ・ナノ加工システム）、特に、ＦＩＢ（focussed ion beam：集束イオンビーム）ミリングマシンを用いることによって製造できる。十分な負電圧が尖端と層との間に印加されると、電子５４が図示されているように放出され、ビームを生成する。
【００９１】
このビームの拡がりは、符号Ｅで示されているように、極めて高い電界を開口の直後に印加することによって制御できる。電界Ｅの矢印は、電子が電界によって加速される方向を示している。この方向は、実際の電界の方向と逆になっている。開口のレンズ効果に加えて、電子を加速するこの電界の効果によって、ビームは、約１００ｎｍの最大直径に制限されることになる。このビームは、最終エネルギーの要件に依存して、１μｍから数μｍの長さにわたって加速される。これは、尖端の実像が電子ビームの下流の薄膜５２を超えたどのような点にも形成されることがない従来の引出システムとは大幅に異なる。従来の引出システムでは、むしろ、拡大された虚像が、尖端の背後、すなわち、図５に示されている尖端のさらに左側に形成される。新規なシステムでは、ナノ尖端から数μｍ離れた位置におけるビームの輝度は、電界放出サイトの特性（寸法及び放出角）の特性によってのみ決定され、従来の巨視的なソースにおける場合よりも最大で百万倍大きくなる。
【００９２】
このシステムによれば、ビームの横方向の拡がりが小さくなるために収差が実質的に存在せず、またエネルギーが増加するためにビームの輝度が継続的に増す。既存のソースにおけるような通常の点対点の撮像の場合、ビームは、通常は不均一な電界内において、この新規なソースより千倍も横方向に拡がる可能性があり、これにより、システムは収差を生じることなる。これらの収差は、事実上、ソースの輝度を劣化させ、電界放出サイトを直接撮像することによって高分解能を得るためにビームを集束させることができない。このような場合、ビームは、大幅にコリメートされなければならず、最終的なレンズは、このソースの下流に位置する照射されたコリメート部を撮像することになる。図６Ａ，６Ｂ，６Ｃに示されている実施形態では、ビームは全くコリメートされないので、疑似散乱又は疑似回折を生じることがない。
【００９３】
この概念を実際に具体化する方法が、図６Ａ，６Ｂ，６Ｃに示されている。ナノ尖端６２は、図６Ｂに示されているように、導電基板６１の一体の部分でもあってもよいし、又は図６Ｃに示されているように、別個の大きなナノ尖端であってもよい。後者の場合、ナノ尖端は、基板に電気的に接続する必要がある。ナノ尖端は、絶縁層６３により導電層６５（開口板６５）から分離されている。絶縁層６３は、開口６４の前方にナノ尖端を露出させるように、エッチング除去されている。典型的には、薄い導電層６５は、３０ｎｍ直径の開口の場合には約５０ｎｍの厚みを有し、３００ｎｍの開口の場合には２００ｎｍの厚みを有する。好ましくは、基板６１と導電層６５との間の絶縁層６３の内壁６３Ａは、図６Ｂに示されているように凹んだ円錐の輪郭断面を有する。このような輪郭は、エッジ散乱の量を減少させるのに役立つ。代替的な方法では、別個のナノ尖端を設け、ナノポジショニング機器を用いて、このナノ尖端を孔６４の軸上に正確な距離だけ離して位置決めする。これは、もしナノ尖端がカンチレバーの端に形成されているなら、最も容易に達成することができる。導電層６５は、開口板６５又はナイフエッジ部材６５とも呼ばれる。
【００９４】
この開口は、ＦＩＢ（集束イオンビーム）を用いて、作製することができる。次いで、約１μｍの厚みの低濃度でドープされた半導電層（又は絶縁層）６６を用いて、開口板６５を導電性支持構造体６７上に形成された導電板６８から分離する。３３０ｅＶ（電子ボルトエネルギー）で高輝度ビームをもたらす代表的な各電圧が、図６Ａの片側に示されている。すなわち、ナノ尖端に３３０Ｖ、及びナノ尖端と開口板６５との間に３０Ｖを印加すれば、尖端から約５０ｎＡの電子電流を生じさせるのに十分である。ビームを閉じ込め、かつ加速させる電界は、開口板６５と支持体６７との間に３００Ｖを印加することによって生じる。半導電層（又は絶縁層）６６の孔は、開口より少なくとも３倍大きい（これは、最大１μｍの直径まで大きくすることができる）。導電板６８は、開口板６５と同様の厚みを有する薄層であり、１００ｎｍ〜３００ｎｍの直径の中心開口６９を有する。もし開口板６５が比較的厚い場合、この開口板６５は、数ｎｍの厚みしかない縁を有する円錐形状になっていることが好ましい。
【００９５】
上記のソースは、ビームが開口板６５又は導電板６８によって遮られないように設計されている。しかし、板６８の縁によるどのようなエッジ散乱も最小限に抑えられるようになっていることが好ましい。同様の検討が、開口板６５に対しても行われることが好ましい。この板の円錐孔は、特にこの開口の場合、高電界領域に隣接する側の直径が大きい円錐を有していなければならない。従って、孔の直径は３０ｎｍであるが、５００ｎｍまで大きくすることができる。ビーム計算によって、ビームが開口縁から十分に離れていることが示唆されているが、２つの開口６４，６９の寸法を数百ｎｍまで大きくすることにより、散乱が存在せず、かつイメージ電荷及び回折の影響が無視できるほど小さくなることが保証される。
【００９６】
出口開口６９から放出されるビームの全輝度は、より一般的なソースよりも桁違いに大きくすることができる。スーパー尖端を用いる場合には、このビームの全輝度をさらに一桁大きくすることができる。
【００９７】
本発明は、上述したように修正又は改善された、特許文献１（国際公開第２００３／１０７３７５号パンフレット）に記載の粒子ビーム発生装置及び超小型顕微鏡を備えた装置及び解析方法にさらに及ぶものである。このように修正又は改善された該装置及び方法は、検査対象の原子種を特定するために散乱電子のエネルギー及び強度を測定するのに用いられ、機器の分解能を集束ビームスポットよりも小さくするために用いられ、さらに、材料のマイクロ・ナノ結晶構造を直接測定するために用いられる。
【００９８】
図６Ｄ、図３Ｃ及びその説明を参照すると、機器の性能は、電子放出サイトの寸法によって制限され、また、安定した原子寸法のエミッタ（スーパー尖端）の製造に関するいくつかの説明により、図３Ｃにおいてモデル化されているこの顕微鏡は、２Åのオーダの分解能を有することが分かる。しかし、重要なことは、顕微鏡が電子放出サイトに適しているかどうかである。何故なら、この電子放出サイトの寸法は、印加される電界によって変化するからである。すなわち、原子エミッタ（スーパー尖端）は、典型的なナノ尖端における印加電界よりも著しく低い印加電界によって、数ナノアンペアの電流を生じさせる。この低い電界は、尖端に印加される電圧を低減させることにより、及び／又は尖端を入口開口からさらに遠くに移動させることにより、達成することができる。図６Ｃは、アインツェルレンズの電圧を−３８０Ｖに固定し、尖端とその尖端から３０ｎｍ離れた開口板６５との間の電圧Ｖ１を変化させた場合の半径５ｎｍのナノ尖端における電界を示している。いずれの場合も、焦点の位置を変化させることによって、ビームスポットの寸法を変化させることができる。等倍（ｕ／ｖ？１）の点は、アインツェルレンズの端から約４μｍの点である。
【００９９】
この顕微鏡を用いて測定を行うための実際の配置は、焦点距離が極めて短いので、高エネルギー顕微鏡ほど簡単ではない。最も簡単な手法は、この顕微鏡をマイクロ尖端部の端に組み込むことである。これによって、この顕微鏡を試料から必要な焦点距離だけ離れた位置に配置することができる。
【０１００】
この配置によって、従来の圧電装置を用いて、試料又は顕微鏡のいずれかを移動させることによって走査を行いながら、後方散乱電子を確実に検出することができる。これは、ＳＥＭナノ尖端の走査を集束電子ビームの走査と置き替えれば、従来のＳＥＭと全体的に同じである。しかし、電界の深度が大きいので（≧５０ｎｍ）、走査中、試料に対するマイクロ尖端部の距離を維持することが容易であり、加えて、レンズに印加される電圧を調整して焦点を維持することもできる。これは、走査の速度がＳＴＭよりも著しく早く、かつ従来のＳＥＭと比較して、ビーム電流が１００倍大きいため、最大分解能が大きいことを意味する。
【０１０１】
最後に、低エネルギーの電子を原子寸法に集束する能力から生じる利点に言及したい。まず、この機器は、著しく簡素化されており、高電圧を必要としないので、全体のパッケージ寸法をＳＴＭ（走査型トンネル顕微鏡）程度のものとすることができる。しかし、最も重要な態様によれば、弾性散乱の断面が、従来の機器の高エネルギーにおける場合よりも著しく大きく、この散乱の断面が原子番号の平方に比例して変化するので、弾性散乱のみ（最も強い散乱チャンネル）から原子を撮像し、かつ原子種を特定することができる。さらに、タングステンワイヤからナノ尖端を製造することができので、表面の磁気的な観察のための偏極電子を生成することができる。また、このエネルギーは、低エネルギー電子回折（low energy electron diffraction: LEED）方式に適しているので、ビームを数ｎｍの大きさに集束し、次いで、ストランドに沿って横方向に走査させることによって、前方及び後方回折パターンから直接的にＤＮＡの単一ストランドの配列を決定することができる。（この場合、螺旋状のポリマー鎖による遮蔽を避けるために、２つのビームを用いるか又はストランドを回転させる必要がある。）単一のタンパク分子の構造を解明するのにＬＥＥＤを用いるのは、多重散乱が支配的に生じるために比較的困難である。しかし、もし電子エネルギーが１００ｅＶ未満で、かつ単一のタンパク分子がビーム内で回転される場合には、そのタンパク分子の表面の微細構造を測定することができる。タンパク分子を蛍光染料によって分別し、特にタンパク分子が十分にレーザ冷却される場合には、直線偏光した（linearly-polarised）定常波レーザビームを用いて、そのタンパク分子を保持することによって、タンパク分子の回転を行うことができる。ＤＮＡの配列決定を行うには、電子ビームを２〜３ｎｍの直径に集束させるとよい。このビームは、事実上干渉性を有しているので、ビーム内にＤＮＡの塩基対（base pair）のホログラムを作ることができる。しかし、迅速な配列決定を行うには、ビームをストランドに沿って走査させながら、焦点の周囲に配置されているいくつかの検出器から回折パターンの特徴を得るだけでもよい。二重ストランドの亀裂をもたらす照射損傷断面は、特に電子エネルギーが５０ｅＶ未満の場合、弾性散乱チャンネルにおける照射損傷断面よりも著しく小さい。従って、この５０ｅＶ未満のエネルギーの波長では、十分なホログラムを生成することができない場合でも、二重ストランドの亀裂を生じることなく、十分な「特徴（fingerprint）」を有するデータをもたらす（迅速な）走査速度をほぼ確実に得ることができる。ＤＮＡの位置安定性は、決定的に重要ではないことに留意されたい。何故なら、ナノアンペアのオーダの電子電流における電子密度は極めて小さいため、単一電子の通過中の運動は１Åよりも著しく小さいからである。従って、ビーム幅は、ＤＮＡストランドの直径よりも著しく大きくなくてはならない。
【０１０２】
チップ７０に取り付けた走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を備えた顕微鏡について、図７〜１０を参照して詳細に説明する。
【０１０３】
ＳＥＭは、ナノ尖端電子源７２と、電子引出及び加速部７３と、１つ（又は複数）の静電レンズ７４とを備えており、ビーム７６を１００ｎｍ未満の直径から約０．１ｎｍの寸法のスポット７８に集束させる。この小さいスポット寸法を得るために、最後のレンズが約１０μｍの焦点距離を有していることが最も重要である。ＳＥＭチップは、テーパの付いたマイクロ尖端チップ本体８１の端に形成されるか、又は取り付けられている。従って、散乱電子の経路は、材料表面によって遮られることがない。テーパの付いたチップ本体８１は、好ましくはシリコンウエハ単体から形成されている。しかし、代替的に、チップ本体は、他の適切な材料から形成されてもよいことを理解されたい。チップ本体８１は、顕微鏡を制御するための集積電子機器を備えている。このような集積制御手段は、チップ本体内に設けることができる。チップ本体は、走査型トンネル顕微鏡と共に用いられることが多いタイプのナノマニピュレータ８１Ａに取り付けられている。このナノマニピュレータ８１Ａは、顕微鏡を材料試料７９の上方で横方向及び垂直方向のいずれにも正確に位置決めすることができる。顕微鏡への電気接続は、チップ本体を介してなされている。電子チャンネルプレートのような電子検出器によって、散乱電子７７の強度を測定しながら、ナノマニピュレータ８１Ａを用いて、走査を行ってもよいし、又は代替的に、圧電ラスター走査によって試料７９を移動させてもよい。
【０１０４】
図８ａを参照すると、この顕微鏡は、散乱電子の強度及びエネルギーを同時に測定するのに適する。このシステムでは、静電セパレータ８３、例えば、半球状の二重集束静電セパレータ（図８ａでは、単純な一対の板として示されている）を用いて、異なるエネルギーの電子を分離し、それらの電子を位置敏感型検出器８４に沿って分散させる。検出器８４は、多くの周知のタイプのいずれか、例えば、抵抗コレクターを有するチャンネルプレートであればよい。経路Ａ，Ｂ内を流れる電流の比率が入射電子の位置を決定し、その結果、この静電セパレータの特性からその電子のエネルギーが決定される。典型的な電子エネルギースペクトルが、図８ｂに示されている。このスペクトルは、集束電子ビームのエネルギーにおける弾性ピーク８６と、表面を通過する電子の大半を占める非弾性散乱電子の広い拡散領域８７とからなる。電子ビームの位置の関数としてのこの後者の広い領域の強度は、表面の微細構造をもたらし、その一方、弾性ピーク８６の強度を用いて、像における任意の原子の原子番号（原子種）を得ることができる。表面原子（surface atom）の像は、表面の電子ビームの位置の関数としての散乱電子の強度から得られる。特に重い元素の場合、この識別の感度は、当該原子のＬ端又はＭ端にわたり電子エネルギーを走査することによって改良することができる。弾性ピークは、図８ｃに示されているように、当該原子の原子番号の特性であるＬ結合エネルギー及びＭ結合エネルギーの降下を示している。エネルギーの走査は、符号８８で示されている可変電圧によって、顕微鏡の全体に負のバイアス（エネルギーを減少させる場合には正のバイアス）を加えることによって、最も良好に達成される。その結果、電子のエネルギーを試料に対して増加させることができる。このように、１００ｅＶから１０００ｅＶのエネルギー範囲がもたらされるが、これは、Ｌ原子端及びＭ原子端の殆どを含んでいる。図示されているように、スペクトルの降下に対応する端のエネルギー位置の正確な決定によって、特に価電子殻と呼ばれる元素の化学結合についての情報が得られる。
【０１０５】
図９ａには、「近側から遠側（near-side far-side）」方式の散乱システムを設けることによって、機器の分解能を改良する構成が示されている。２つのエネルギー敏感型検出器８９，９０が、顕微鏡又は材料試料の走査方向の両側に配置されている。ビーム７６が試料の表面にわたり（図では左側から右側に）移動すると、原子９１から弾性散乱した電子７７からの信号が、まず検出器８９によって検出され、次いで検出器９０によって検出される。走査を継続させると、検出器９０によって信号が検出される前に、検出器８９によって検出された信号が消失する。図９ｂに示されているように、正方形の輪郭のビームからの２つの信号の比率を用いて、ビームスポットの寸法よりも大きい分解能で原子の像を得ることができる。
【０１０６】
図１０には、集束電子ビーム７６により低エネルギー電子回折を行う構成が示されている。この構成では、一連の検出器（又は電子蛍光スクリーン）９２を用いて、材料試料７９の表面内のナノ結晶（又はマイクロ結晶）からの電子の回折を測定する。ビームは、ここでは、ビームスポットが表面内のナノ結晶の寸法と同じか又は小さくなるように焦点からずれている。従って、ナノ結晶内の個々の原子から散乱した電子の干渉によって回折パターンが生じる。このようにして、多結晶の表面構造の特性を観察することができる。前述したように、結晶構造に関するさらなる情報が、図８ａに示されているのと同様のバイアス装置８８によってエネルギーを変化させることにより得られる。５０ｅＶから１０００ｅＶの範囲内のエネルギーをもたらすことができる。
【０１０７】
特に好ましい実施形態では、ナノ尖端は、電子ビーム及び有機金属の蒸気を用いたリソグラフィー、すなわち、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて作られたスーパー尖端である。
【０１０８】
例えば、先行文献「1535, J. Vac. Sci. Technol. B 15(4), Jul/Aug 1997」には、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）を用いる材料加工が、顕微鏡自体の原子レベルの分解能と比較して、線幅が劣ることによって妨げられることが指摘されている。放出されたビームの軌跡は、尖端の低仕事関数を有する箇所からの電子電界放出又はイオン電界放出により、拡げられることになる。好ましい解決法は、狭い放出角でビームを放出する単一サイトをもたらすスーパー尖端を用いることである。スーパー尖端部は、丸い基部尖端部と、数ｎｍの直径及び高さを有する取り付けられたスーパー尖端とから構成されている。スーパー尖端は、電界が不安定な一点のみから電流を供給することができる。取り付けられた小形尖端は、電界放出に必要な高電界を生成する。ナノ結晶からなる取り付けられたスーパー尖端は、有機金属の金化合物の電子ビーム誘起蒸着及び基板の加熱により作られている。ビームの放出角度の閉じ込め（confinement）は、電界放出顕微鏡に関する研究によって確認されている。±７．２°の角度閉じ込めが得られている。このようなスーパー尖端は、測定によれば、０．２ｍＡ／ｓｒの放出をもたらすことができ、従来のエッチングによる尖端と比較して、少なくとも１０倍高い角度放出密度を有する。蒸着によるスーパー尖端は、単結晶基材を必要とせず、どのような基材にも設けることができる。さらに、このようなスーパー尖端は、走査型トンネル顕微鏡に組み込まれ、空気中で十分に作動することができる。
【０１０９】
本発明の場合、このようなスーパー尖端が電圧の全てを反転させることによって定期的に清浄化される場合には、スーパー尖端は電子電界放出に用いることができる。スーパー尖端を用いる本発明による顕微鏡と関連して、低圧の不活性ガス（例えば、Ａｒ，Ｘｅ）環境下において作動する顕微鏡への電圧の反転によって、（尖端における電界イオン化によって生じた）イオンを原子寸法に集束させることができる。さらに、このような装置は、アバランシェ崩壊（avalanche breakdown）を生じることがない。何故なら、装置が小さく、電子の平均自由経路が（焦点距離を含む）装置の大きさと同程度の長さにすぎないため、アバランシェ現象が発生しないからである。
【０１１０】
前述の装置は、航空機産業の現場におけるナノクラックの識別のような画期的で潜在的な用途を有している。
【０１１１】
図１３は、本発明の実施形態による顕微鏡の概略図である。この顕微鏡は、尖端部２２２を有するマイクロカンチレバー２２０を有している。尖端部２２２は、その先端に形成されたナノ尖端２２４を有している。
【０１１２】
電子引出加速部２３０が、ナノ尖端２２４と並んで設けられている。電子引出加速部２３０は、シリコン層２０９を挟んだ第１の電極２０１及び第２の電極２０２を有する。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、使用時に、（引出板である）第１の電極２０１は約−３００Ｖの電位に保持され、第２の電極２０２は接地電位に保持される。
【０１１４】
集束部２４０は、それぞれのシリコン層２０９によって互いに分離された３つの電極を有する。これらの３つの電極の第１の電極及び第３の電極、すなわち、顕微鏡の第３の電極２０３及び第５の電極２０５は接地電位に保持され、中間の電極、すなわち顕微鏡の第４の電極は約３００Ｖの電位に保持される。
【０１１５】
シリコン層は、引出加速部２３０と集束部２４０との間に設けられている。
【０１１６】
使用時に、第５の電極２０５は、試料の表面から約１０μｍ離れて配置され、この試料は、試料の下方で、略平面に沿って走査される。いくつかの実施形態では、試料の局部的な高さが第５の電極２０５の下方の略一定の距離に位置するように、走査される。圧電走査要素を用いて、この走査を行うこともできる。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、この顕微鏡は、電子ビームが第５の電極を出るとき、約５０ｎｍの直径を有し、このビームが、試料表面において３００ｅＶのエネルギーで約０．１ｎｍの寸法に集束されるように構成されている。
【０１１８】
電子ビームによる照射によって試料から出た電子を検出するために、電子検出器が設けられている。
【０１１９】
図１４は、基板３３０上に形成された一対のナノピラミッド状の尖端３１０，３２０を示している。尖端３１０，３２０は、各構造体の頂点３１１，３２１に単一の原子を有し、これによって、原子的に鋭利な尖端を電子放出サイトとしてもたらすことができる。図示されている構造では、基板は、金（Ａｕ）であり、ナノピラミッドも、金から形成されている。前述したように、他の金属も有用である。
【０１２０】
本発明のいくつかの実施形態では、原子寸法を有する尖端は、原子レベルの分解能を有する撮像を実現するのに極めて重要である。何故なら、尖端と試料との間で電子の等倍をもたらす顕微鏡においては、原子寸法の電子ビームが試料を照射し、これによって、もし収差が小さいなら、原子レベルの分解能又は殆ど原子レベルの分解能の撮像を得ることができるからである。
【図１】
2010517233.tif 000003
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ−４Ｂ】
2010517233.tif 000009
【図５】
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【図６Ａ】
2010517233.tif 000011
【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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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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【国際調査報告】
2010517233.tif 000023
2010517233.tif 000024
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