(57)【要約】【課題】電子検出感度の向上を図り、Ｓ／Ｎが高い鮮明な観測画像を取得する。【解決手段】反射電子検出器３０、暗視野検出器４０は、セラミック蛍光体３１１，４１１からなる薄板状のシンチレータ３１，４１と、その端部に配設された光電子増倍管３２，４２とにより構成される。シンチレータ３１，４１には、その表面に光反射層３１２，４１２が形成され、さらに、一次電子線１２または透過電子１２４を通過させるための貫通孔３３，４３が形成されている。反射電子１２３、散乱電子１２５は、光反射層３１２，４１２を貫通してセラミック蛍光体３１１，４１１へ入射すると、蛍光が発生する。セラミック蛍光体３１１，４１１は透光性が高く、その表面が光反射層で覆われているので、セラミック蛍光体３１１，４１１内で発生した蛍光のほとんどは、光電子増倍管３２，４２へ導光される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次電子線を出射する電子銃と、
前記電子銃から出射された一次電子線を集束させて観察対象の試料に照射する照射レンズと、
前記照射レンズにより集束された一次電子線を偏向させ、前記試料における前記一次電子線の照射位置を走査させる走査コイルと、
前記照射レンズにより集束され、前記走査コイルにより偏向された一次電子線の焦点を、前記試料上に合わせる対物レンズと、
前記一次電子線が前記試料に照射されたとき、前記試料によって反射された電子または散乱された電子を検出する電子検出器と、
前記電子検出器によって検出された検出信号を、前記走査コイルを制御する走査制御信号に同期して取得する検出信号処理部と、
前記検出信号処理部で取得した検出信号を前記走査制御信号に同期して処理して前記試料の観察画像を生成し、表示装置に表示する画像処理部と、
を備え、
前記電子検出器は、セラミック蛍光体からなる薄板状のシンチレータと、前記薄板状のシンチレータの端部に配設された光電子増倍管と、を含んで構成され、
前記シンチレータの表面には、前記光電子増倍管が配設される部分を除いて、光反射層が形成され、さらに、前記薄板状のシンチレータには、前記一次電子線または前記試料を透過後の電子線を通過させるための貫通孔が形成されていること
を特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
前記電子検出器は、前記対物レンズの上磁極と下磁極の間隙に配置されていること
を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項３】
前記シンチレータには、互いに径が異なる複数の前記貫通孔が形成されており、
前記複数の貫通孔から選択した１つの貫通孔の中心が前記一次電子線の光軸に一致するように、前記シンチレータを含んだ前記電子検出器を移動させる移動制御機構
を、さらに、備えること
を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項４】
前記薄板状のシンチレータを構成する前記セラミック蛍光体の厚さは、３００μｍ以上であること
を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項５】
前記セラミック蛍光体は、その残像時間が２００ｎｓ以下であること
を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
前記シンチレータの表面に形成された前期光反射層は、アルミニウムの蒸着膜であること
を特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
セラミック蛍光体からなる薄板状のシンチレータと、前記薄板状のシンチレータの端部に配設された光電子増倍管と、を含んで構成され、
前記シンチレータの表面には、前記光電子増倍管が配設される部分を除いて、光反射層が形成され、さらに、前記シンチレータには、電子線を通過させるための貫通孔が形成されていること
を特徴とする電子検出器。
【請求項８】
前記シンチレータには、互いに径が異なる複数の前記貫通孔が形成されていること
を特徴とする請求項７に記載の電子検出器。
【請求項９】
前記薄板状のシンチレータを構成する前記セラミック蛍光体の厚さは、３００μｍ以上であること
を特徴とする請求項７に記載の電子検出器。
【請求項１０】
前記セラミック蛍光体は、その残像時間が２００ｎｓ以下であること
を特徴とする請求項７に記載の電子検出器。
【請求項１１】
前記シンチレータの表面に形成された前記光反射層は、アルミニウムの蒸着膜であること
を特徴とする請求項７に記載の電子検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡およびその電子顕微鏡に用いられる電子検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電子顕微鏡による観察画像の分解能や像質（鮮明度）は、一次電子線の照射条件（加速電圧、ビーム電流）、電子レンズの性能などによって定まる。例えば、一次電子線の照射条件が同じ場合には、対物レンズの焦点距離が短いほうが高分解能の観察画像が得られる。
【０００３】
従来、電子顕微鏡の対物レンズは、レンズ磁場と試料との配置関係などにより、アウトレンズ型、インレンズ型、セミインレンズ型の３つのタイプに分類されている。図９は、従来の電子顕微鏡における３つのタイプの対物レンズの構造を模式的に示した図である。
【０００４】
図９（ａ）に示すように、アウトレンズ型の対物レンズ１５ａでは、そのレンズ磁場１５０は、対物レンズ１５ａの中に形成され、試料６０は、対物レンズ１５ａの外に配置される。このとき、レンズ磁場１５０は、一次電子線１２を集束させるレンズとして機能するので、試料６０は、レンズから離れた位置に配置されることになる。つまり、そのレンズ（対物レンズ１５ａ）の焦点距離は、長くならざるを得ない。従って、アウトレンズ型の対物レンズ１５ａでは、観察画像の分解能を向上させるという目標を十分には達成することができない。
【０００５】
それに対し、図９（ｂ）に示すように、インレンズ型の対物レンズ１５ｂでは、レンズ磁場１５０は、対物レンズ１５ａの中に形成され、試料６０も、対物レンズ１５ｂの中に配置される。つまり、試料６０は、レンズ磁場１５０とほとんど同じ場所に配置されるので、対物レンズ１５ｂの焦点距離は、自ずと短くなる。従って、インレンズ型の対物レンズ１５ｂでは、観察画像の分解能の向上を図ることができる。
【０００６】
ただし、別の観点から見れば、インレンズ型の場合、試料６０が対物レンズ１５ｂの中に配置されるので、大きな試料６０の観察ができないというデメリットがある。一方、アウトレンズ型の場合、試料６０が対物レンズ１５ａの外に配置されるので、大きな試料６０の観察もできるというメリットがある。そこで、アウトレンズ型とインレンズ型とを折衷したものとして、セミインレンズ型が実用に供されている。
【０００７】
図９（ｃ）に示すように、セミインレンズ型の対物レンズ１５ｃでは、そのレンズ磁場１５０は、対物レンズ１５ｃの外に形成され、試料６０も、対物レンズ１５ｃの外のレンズ磁場１５０の近傍に配置される。従って、セミインレンズ型の対物レンズ１５ｃでは、大きな試料６０の観察ができ、インレンズ型の場合には及ばないにしても、観察画像の分解能の向上を図ることができる。
【０００８】
また、走査型電子顕微鏡では、一次電子線１２が試料６０に照射されたとき、試料６０から放出される二次電子１２２を検出する二次電子検出器２０の配置位置も、観察画像の分解能や像質（鮮明度）に影響を及ぼす。例えば、図９（ｂ）では、二次電子検出器２０は、インレンズ型の対物レンズ１５ｂの外側上方に配置されている。
【０００９】
それに対し、特許文献１の図１には、試料および二次電子検出器がともにインレンズ型の対物レンズの中に配置されている例が開示されている。このように二次電子検出器を試料のすぐ近傍に配置すると、二次電子検出器が試料から放出される二次電子をより多く捕捉することができるため、その検出信号により生成される観察画像のＳ／Ｎ（Signal to Noise Ratio）が向上する。
【００１０】
また、特許文献２の図４には、試料およびシンチレータをともにインレンズ型の対物レンズの中に配置し、シンチレータから発せられた蛍光を、ライトガイドを介して対物レンズの外に配置された光電子増倍管（ホトマル、ＰＭＴ（Photomultiplier Tube）とも呼ばれる）まで導光する例が開示されている。
【００１１】
ところで、シンチレータは、ガラス基板に蛍光体を塗布したものであり、電子線がその蛍光体に入射すると、その蛍光体から蛍光を発する。また、光電子増倍管は、光電変換素子であり、シンチレータから発せられた蛍光を受光することにより電子を生成するとともに、その生成した電子を増倍させ、受光した蛍光の明るさに応じた電気信号を出力する。
【００１２】
すなわち、特許文献２の例では、二次電子を捕捉するシンチレータが試料のすぐ近傍に配置されているので、シンチレータと光電子増倍管とからなる二次電子検出器による二次電子の捕捉効率が向上し、その検出信号により生成される観察画像のＳ／Ｎが向上する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平０５−４７３３１号公報
【特許文献２】特開２００４−２５９４６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
詳しい説明は、実施形態の説明の中でするが、とくに透過走査型の電子顕微鏡の場合、電子検出器としては、二次電子検出器のほかにも、反射電子検出器、透過電子検出器（明視野検出器ともいう）、散乱電子検出器（暗視野検出器ともいう）が用いられる。なお、本明細書では、二次電子検出器、反射電子検出器、透過電子検出器、散乱電子検出器を総称して、単に、電子検出器という。
【００１５】
特許文献１，２には、確かに試料および二次電子検出器をインレンズ型の対物レンズの中に配置することが記載されている。しかしながら、一般的なインレンズ型の対物レンズの上磁極と下磁極との間隙は、１０ｍｍ程度でしかない。従って、電子検出器（二次電子検出器、反射電子検出器、散乱電子検出器など）の物理的な大きさの問題から、実際に、試料と電子検出器とをともにその間隙に収容できるとは限らない。
【００１６】
とくに、電子検出器がシンチレータと光電子増倍管で構成されている場合、その電子検出器を対物レンズの上磁極と下磁極との間隙に収容することは、従来困難とされていた。ちなみに、特許文献２の例では、電子検出器のうちシンチレータ部分のみが対物レンズの上磁極と下磁極との間隙に配置され、光電子増倍管部分は、対物レンズの外に配置されている。
【００１７】
なお、引用文献１には、電子検出器としてどのようなものを用いるかについては、とくに記載はされていないが、半導体の電子検出器であろうと推測される。半導体の電子検出器ならサイズが小さいので、対物レンズの上磁極と下磁極との間隙に収容可能である。
【００１８】
いずれにせよ、電子検出器を試料のすぐ近傍に配置することによって、電子検出器による電子の捕捉効率が向上したとすれば、次の段階では、観察画像の鮮明度（言い換えれば、Ｓ／Ｎ）は、電子検出器自身の電子検出感度などに律せられることになる。つまり、電子検出器の電子の検出感度を如何にして向上させるかが次に解決すべき技術課題となる。
【００１９】
そこで、本発明は、電子検出感度の向上を図り、Ｓ／Ｎが高い鮮明な観測画像を取得することが可能な電子顕微鏡、および、その電子顕微鏡に用いられる電子検出器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】
【００２０】
本発明に係る電子顕微鏡は、一次電子線を出射する電子銃と、前記電子銃から出射された一次電子線を集束させて観察対象の試料に照射する照射レンズと、前記照射レンズにより集束された一次電子線を偏向させ、前記試料における前記一次電子線の照射位置を走査させる走査コイルと、前記照射レンズにより集束され、前記走査コイルにより偏向された一次電子線の焦点を、前記試料上に合わせる対物レンズと、前記一次電子線が前記試料に照射されたとき、前記試料によって反射された電子または散乱された電子を検出する電子検出器と、前記電子検出器によって検出された検出信号を、前記走査コイルを制御する走査制御信号に同期して取得する検出信号処理部と、前記検出信号処理部で取得した検出信号を前記走査制御信号に同期して処理して前記試料の観察画像を生成し、表示装置に表示する画像処理部と、を備える。
【００２１】
そして、前記電子検出器は、セラミック蛍光体からなる薄板状のシンチレータと、前記薄板状のシンチレータの端部に配設された光電子増倍管と、を含んで構成され、前記シンチレータの表面には、前記光電子増倍管が配設される部分を除いて、光反射層が形成され、さらに、前記薄板状のシンチレータには、前記一次電子線または前記試料透過後の電子線を通過させるための貫通孔が形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、Ｓ／Ｎが高い鮮明な観測画像を取得することが可能な電子顕微鏡、および、その電子顕微鏡に用いられる電子検出器提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る走査透過型の電子顕微鏡の構成の例を示した図。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る走査透過型の電子顕微鏡における二次電子、散乱電子および透過電子の検出機構の配置を模式的に示した図。
【図３】対物レンズ内に反射電子検出器および暗視野検出器を配置した場合の対物レンズ要部の断面構造の例を示した図。
【図４】反射電子検出器および暗視野検出器の上面図の例を示した図。
【図５】（ａ）反射電子検出器の縦断面構造の例、および、（ｂ）暗視野検出器の縦断面構造の例を示した図。
【図６】（ａ）従来のシンチレータの断面の観察画像の例、（ｂ）本実施形態に係るセラミック蛍光体の断面の観察画像の例を示した図。
【図７】セラミック蛍光体への電子線進入深さの加速電圧依存特性を測定した測定結果の例を示した図。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る暗視野検出器の構造の例を示した図であり、（ａ）は縦断面図の例、（ｂ）は上面図の例。
【図９】従来の電子顕微鏡における３つのタイプの対物レンズの構造を模式的に示した図であり、（ａ）はアウトレンズ型、（ｂ）はインレンズ型、（ｃ）はセミインレンズ型。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る走査透過型の電子顕微鏡の構成の例を示した図である。図１に示すように、電子顕微鏡１００は、大きくは電子光学系装置１０と制御系装置７０とを含んで構成される。
【００２６】
ここで、電子光学系装置１０は、電子銃１１、照射レンズ１３、走査コイル１４、対物レンズ１５、試料イメージ移動コイル１６、中間レンズ１７、投射レンズ１８、二次電子検出器２０、反射電子検出器３０、暗視野検出器４０、明視野検出器５０などを含んで構成される。
【００２７】
二次電子検出器２０は、電子銃１１から出射され、照射レンズ１３によって集束された一次電子線１２が試料６０に照射されたとき、試料６０から放出される二次電子（数ｅＶ〜数１０ｅＶ程度のエネルギーを持つ）を検出する。また、反射電子検出器３０は、一次電子線１２が試料６０に照射されたとき、試料６０により反射された反射電子を検出する。また、暗視野検出器４０は、一次電子線１２が試料６０により散乱された散乱電子を検出する。また、明視野検出器５０は、一次電子線１２が試料６０を透過した透過電子を検出する。
【００２８】
ここで、本実施形態の場合、対物レンズ１５は、インレンズ型であり、試料６０、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０は、対物レンズ１５の中、すなわち、対物レンズ１５の上磁極と下磁極との間隙に配置される。そして、その反射電子検出器３０および暗視野検出器４０については、独特の構造を有するものとなっているが、その詳細については、別途図面を参照して説明する。
【００２９】
さらに、図１に示すように、制御系装置７０は、電子光学系制御部７１、検出信号処理部７２、画像処理部７３、制御コンピュータ７４、表示装置７５などを含んで構成される。
【００３０】
電子光学系制御部７１は、制御コンピュータ７４の指示に従って、電子銃１１から出射される一次電子線１２の加速電圧やビーム電流を制御する信号や、照射レンズ１３、走査コイル１４、対物レンズ１５、試料イメージ移動コイル１６、中間レンズ１７、投射レンズ１８などを動作させるための励磁電流を電子光学系装置１０へ供給する。
【００３１】
検出信号処理部７２は、二次電子検出器２０、反射電子検出器３０、暗視野検出器４０、明視野検出器５０などによって検出された検出信号を、電子光学系制御部７１が走査コイル１４を制御するときの走査制御信号に同期して取得、増幅し、さらにＡ／Ｄ（Analog to Digital）変換などの信号処理を行う。
【００３２】
また、画像処理部７３は、検出信号処理部７２でＡ／Ｄ変換された検出信号および電子光学系制御部７１からの走査制御信号を処理して、観察画像の画素データを生成し、生成した画素データに基づく観察画像を表示装置７５に表示させる。
【００３３】
また、制御コンピュータ７４は、ユーザによって入力される観察画像取得のための様々な情報（観察モード、倍率、明るさ、焦点調整など）を取得し、その情報に基づき、電子光学系制御部７１を介して、電子光学系装置１０内の電子銃１１の加速電圧や各レンズの励磁電流などを制御する。
【００３４】
図２は、走査透過型の電子顕微鏡１００において二次電子、散乱電子および透過電子をそれぞれ検出する電子検出器の配置を模式的に示した図である。なお、図２では、説明を簡素化し、分かり易くするため、対物レンズ１５や反射電子検出器３０など電子光学系装置１０の一部の構成要素の記載を省略している。
【００３５】
図２に示すように、電子銃１１から出射された一次電子線１２は、照射レンズ１３によって細く集束させられて、対物レンズ１５（図２では図示省略）内に配置された試料６０に照射される。このとき、一次電子線１２が照射された試料６０の表面部分からは、二次電子１２２が放出される。この放出された二次電子１２２は、エネルギーが低い（数ｅＶ〜数１０ｅＶ程度）ので、対物レンズ１５の磁場に巻き上げられて対物レンズ１５の外に放出される。対物レンズ１５のすぐ外側には、正電圧が印加された二次電子検出器２０が設けられているので、二次電子１２２は、その正電圧によって誘引され、二次電子検出器２０によって検出される。
【００３６】
また、試料６０に進入した一次電子線１２のうち、試料６０を透過したものは、透過電子１２４と呼ばれ、試料６０を構成する原子によって散乱されたものは、散乱電子１２５と呼ばれる。ここで、散乱電子１２５は、図２に示すように、試料６０の下方に設けられた中央に孔部を有する円盤状の暗視野検出器４０によって検出される。また、明視野検出器５０は、暗視野検出器４０のさらに下方に設けられており、試料６０を透過し、さらに、暗視野検出器４０の中央の孔部を通過した透過電子１２４を検出する。
【００３７】
また、走査コイル１４は、電子光学系制御部７１からの走査制御信号を受けて、一次電子線１２を順次偏向させることにより、一次電子線１２の試料６０における照射位置を、いわゆる水平走査および垂直走査させる。検出信号処理部７２は、二次電子検出器２０、暗視野検出器４０および明視野検出器５０からの検出信号をそれぞれ、走査コイル１４の走査制御信号と同期して取得し、Ａ／Ｄ変換し、観察画像の画素データを生成する。二次元画像を生成し、それぞれ二次電子観察画像、散乱電子観察画像および透過電子観察画像として表示装置７５に表示する。
【００３８】
なお、図２では、図示を省略したが、反射電子についても反射電子検出器３０により同様に検出され、画像処理部７３により透過電子観察画像が生成され、生成された透過電子観察画像が表示装置７５に表示される。
【００３９】
図３は、対物レンズ１５内に反射電子検出器３０および暗視野検出器４０を配置した場合の対物レンズ１５要部の断面構造の例を示した図である。また、図４は、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０の上面図の例を示した図である。
【００４０】
図３に示すように、本実施形態では、試料６０、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０は、対物レンズ１５の上磁極１５１と下磁極１５２との間隙に配置される。
また、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０は、それぞれ横に長い薄板状のシンチレータ３１，４１によって構成され、さらに、その一方の端部には、光電子増倍管３２，４４が配設される。また、シンチレータ３１，４１の他方の端部寄りには、一次電子線１２または透過電子１２４を通過させるための貫通孔３３，４３が設けられている。
【００４１】
図３に示したように、反射電子１２３は、試料６０の直上部に配置された反射電子検出器３０によって検出され、散乱電子１２５は、試料６０の直下部に配置された暗視野検出器４０によって検出される。また、前記したように、対物レンズ１５の上磁極１５１と下磁極１５２との間隙は、１０ｍｍ程度であるから、試料６０から反射電子検出器３０または暗視野検出器４０までの距離は、高々数ｍｍ程度である。従って、その距離が小さいがゆえに、反射電子１２３や散乱電子１２５のほとんどを反射電子検出器３０または暗視野検出器４０で捕捉することが可能になる。
【００４２】
さらに、図３に示すように、本実施形態では、二次電子検出器２０は、対物レンズ１５の外側上方に設けられるものとする。この場合、試料６０から放出される二次電子１２２は、対物レンズ１５の磁場によって上方に巻き上げられて、反射電子検出器３に設けられた貫通孔３３を通過し、さらに、対物レンズ１５の外側に放出され、二次電子検出器２０によって検出される。
【００４３】
また、図２の説明とやや重複するが、二次電子検出器２０、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０の検出信号は、検出信号処理部７２に入力される。検出信号処理部７２は、それぞれの検出信号を増幅する増幅回路７２１、増幅された検出信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換回路７２２などを含んで構成される。なお、Ａ／Ｄ変換回路７２２でＡ／Ｄ変換を実行するタイミングは、電子光学系制御部７１から供給される走査コイル１４を制御する走査制御信号によって定められる。
【００４４】
図５は、（ａ）反射電子検出器３０の縦断面構造の例、および、（ｂ）暗視野検出器４０の縦断面構造の例を示した図である。図５に示すように、反射電子検出器３０も暗視野検出器４０もその断面構造は、ほとんど同じである。すなわち、シンチレータ３１，４１は、薄板状のセラミック蛍光体３１１，４１１に光反射層３１２，４１２がコーティングされて構成される。
【００４５】
ここで、セラミック蛍光体３１１，４１１は、粒子状の蛍光体を摂氏数１０００度に加熱してガラス化した焼結体であり、その断面の厚さは、２００〜３００μｍ程度が好ましい。また、セラミック蛍光体３１１，４１１としては、残像時間が２００ｎｓｅｃ以下の蛍光体を用いるのがよく、そのような蛍光体としては、例えば、Ｐ４７（Ｙ２ＳｉＯ２；Ｃｅ）がある。
【００４６】
なお、セラミック蛍光体３１１，４１１の残像時間が２００ｎｓｅｃ以下である場合には、３２０×２４０画素の観察画像を１秒間に３０フレームの動画像として取得することが可能である。また、６４０×４８０画素の観察画像であれば、１秒間に７フレーム程度の動画像として取得することができる。
【００４７】
また、光反射層３１２，４１２は、セラミック蛍光体３１１，４１１にアルミニウムなどの金属を蒸着して形成したものである。なお、蒸着する金属は、アルミニウムに限定されず、金や白金であってもよい。
【００４８】
ここで、蒸着する金属がアルミニウムの場合、その蒸着層の厚さは、反射電子１２３または散乱電子１２５が入射される面側で、１０〜３０ｎｍ程度、好ましくは２０ｎｍ程度とするのがよい。また、反射電子１２３または散乱電子１２５が入射される面の反対面側の蒸着層の厚さは、１０〜３０ｎｍ程度あればよいが、それよりももっと厚くしても構わない。
【００４９】
なお、アルミニウムの蒸着層が１０〜３０ｎｍ程度である場合、数１００ｅＶ以上のエネルギーを有する電子線は、その蒸着層を透過することができる。一方、セラミック蛍光体３１１，４１１内で発光する蛍光は、そのアルミニウムの蒸着層（光反射層３１２，４１２）を透過せず、内側に反射される。
【００５０】
以上のように、本実施形態に係る反射電子検出器３０および暗視野検出器４０におけるシンチレータ３１，４１は、蛍光体がセラミック蛍光体３１１，４１１で構成され、そのセラミック蛍光体３１１，４１１が光反射層３１２，４１２でコーティングされていることに特徴がある。なお、当然であるが、セラミック蛍光体３１１，４１１の表面のうち、光電子増倍管３２，４２が接続される部分については、光反射層３１２，４１２はコーティングされていないものとする。
【００５１】
続いて、図６および図７を参照しながら、シンチレータ３１，４１をセラミック蛍光体３１１，４１１で構成し、その表面を光反射層３１２，４１２でコーティングした理由やその効果などについて説明する。図６は、（ａ）従来のシンチレータの断面の観察画像の例、（ｂ）本実施形態に係るセラミック蛍光体の断面の観察画像の例を示した図である。
【００５２】
図６（ａ）に示すように、従来のシンチレータは、厚さが数１００μｍのガラス基板に厚さが３０μｍ程度の粒状蛍光体塗布膜を形成したものである。この粒状蛍光体塗布膜に電子線が進入すると、電子線は、蛍光体原子に散乱されながら三角錐状に広がるとともに、電子が衝突した蛍光体原子からは蛍光が発せられる。ところが、この粒状蛍光体塗布膜は、透光性に劣るため、三角錐状の領域内の蛍光体原子から発せられた蛍光は、粒状蛍光体内で急速に減衰し、蛍光が粒状蛍光体塗布膜内を横方向に広がることはなかった。
【００５３】
そのため、従来の一般的な反射電子検出器や暗視野検出器では、シンチレータのガラス基板の粒状蛍光体塗布膜が形成された反対側の面に直接光電子増倍管を設けることが必要であった。その結果、反射電子検出器や暗視野検出器の物理的なサイズが大きくなり、反射電子検出器や暗視野検出器を対物レンズ１５の上磁極１５１と下磁極１５２との間隙に配置することはできなかった。
【００５４】
一方、本実施形態に係るセラミック蛍光体は、非晶質のガラスと同様の物理的性質を有しており、透光性に優れている。そして、その断面構造（破断面）は、図５（ｂ）に示すように、ガラスの破断面によく似た構造を有している。また、セラミック蛍光体の厚さは、前記したように２００〜３００μｍ程度であり、従来の粒状蛍光体塗布膜の厚さ（２０μｍ程度）に比べ、はるかに厚い。従って、セラミック蛍光体自体が基板として十分な機械的強度を有しており、従来のような粒状蛍光体塗布膜を支持するガラス基板は不要となる。
【００５５】
ところで、電子線がセラミック蛍光体に進入すると、従来の粒状蛍光体の場合と同じように、電子線は、蛍光体原子に散乱されながら三角錐状に広がり、電子が衝突した蛍光体原子から蛍光が発せられる。一方、従来の粒状蛍光体の場合とは異なり、セラミック蛍光体が透光性に優れている（ほとんど透明）ため、その蛍光体原子から発せられた蛍光は、薄板状のセラミック蛍光体内を３次元方向に広がる。すなわち、蛍光は、セラミック蛍光体内を、セラミック蛍光体の薄板面に平行な方向（横方向）であっても、遠くに広がる。
【００５６】
さらに、本実施形態では、図５に示したように、セラミック蛍光体３１１，４１１には、電子線が入射可能で、蛍光を反射する光反射層３１２，４１２がコーティングされている。そのため、電子線が進入することにより、セラミック蛍光体３１１，４１１の中で発生した蛍光は、その中に閉じ込められるとともに、コーティングされた光反射層３１２，４１２に反射されながら、シンチレータ３１，４１の端部に設けられた光電子増倍管３２，４２へ導光される。
【００５７】
従って、本実施形態では、光電子増倍管３２，４２をシンチレータ３１，４１の端部に設けることが可能になるので、シンチレータ３１，４１と光電子増倍管３２，４２とで構成される反射電子検出器３０および暗視野検出器４０を、対物レンズ１５の上磁極１５１と下磁極１５２との間隙に配置することが可能になる。
【００５８】
また、従来のように、光電子増倍管をシンチレータの電子線入射面の反対側の面に設けなくて済むことから、薄板状のシンチレータ３１，４１に、一次電子線１２または透過電子１２４を通過させるための貫通孔３３，４３を設けることも可能になる。
【００５９】
図７は、セラミック蛍光体への電子線進入深さの加速電圧依存特性を測定した測定結果の例を示した図である。図７において、横軸は、入射電子線の加速電圧（ｋＶ）、縦軸は、電子線進入深さ（μｍ）を表す。
【００６０】
図７によれば、例えば、１００ｋＶで加速された電子線がセラミック蛍光体へ入射された場合には、その電子線は、およそ２０μｍの深さまで進入する。また、３００ｋＶで加速された電子線が入射した場合には、およそ２００μｍの深さまで進入する。さらに、図７によれば、加速電圧が５０ｋＶ以下である場合には、電子線は、セラミック蛍光体の表面からせいぜい数μｍ程度しか進入しないことになる。
【００６１】
以上、図７に示された測定結果に加えて、従来のシンチレータの粒状蛍光体塗布膜の厚さが３０μｍ程度であること、本実施形態に係るシンチレータ３１，４１のセラミック蛍光体３１１，４１１の厚さを２００〜３００μｍ程度としたことを考慮すれば、本実施形態に係るシンチレータ３１，４１では、電子検出感度が大幅に向上する。以下、電子検出感度が向上する理由について説明する。
なお、粒状蛍光体塗布膜の場合でも、セラミック蛍光体の場合でも、電子線の進入深さはおおむね同じであるので、以下の説明では、図７の測定結果を電子線の進入深さとして利用する。
【００６２】
まず、電子線の加速電圧が高い場合を考える。図７によれば、例えば、進入する電子線の加速電圧が３００ｋＶであるとすれば、その進入深さは、２００μｍ程度である。従って、加速電圧が３００ｋＶの電子線は、従来のシンチレータにおける厚さ３０μｍ程度の粒状蛍光体塗布膜を貫通するエネルギーを有している。一方、本実施形態では、シンチレータ３１，４１のセラミック蛍光体３１１，４１１の厚さを、２００〜３００μｍ程度であるとしているため、加速電圧２００ｋＶの電子線がその厚さのセラミック蛍光体３１１，４１１を貫通するには至らない。
【００６３】
すなわち、本実施形態では、電子線は、蛍光体の中を２００μｍ程度進むのに対し、従来の場合、電子線は、蛍光体の中を３０μｍ程度しか進まない。従って、本実施形態では、電子線が蛍光体の中を従来の場合よりも長く進み続ける分だけ、蛍光体の原子に衝突する回数が増加し、その分蛍光体から発せられる蛍光が増加する。
【００６４】
すなわち、電子線が蛍光体中を通過する距離が３０ミクロンと２００ミクロンとでは、７倍程度の相違があるから、単純な計算で判断すれば、両者の蛍光体から発せられる蛍光の量も７倍程度の相違が生じることになる。従って、本実施形態におけるセラミック蛍光体３１１，４１１は、従来の粒状蛍光体塗布膜に比べ、およそ７倍もの蛍光を発することになる。
【００６５】
さらに、本実施形態におけるセラミック蛍光体３１１，４１１は、透光性が高く、その表面が光反射層３１２，４１２で覆われているので、ライトガイド（光導波路）としても機能を有する。すなわち、セラミック蛍光体３１１，４１１内で発せられた蛍光は、３次元方向（すなわち、四方八方）に広がり、光反射層３１２，４１２で反射されつつ、ほとんどすべてが光電子増倍管３２，４２に導光される。従って、本実施形態の光電子増倍管３２，４２には、従来の場合よりもはるかに多くの蛍光が入射されることになる。
【００６６】
以上の説明からは、電子線の加速電圧が、その電子線による進入深さが３０ミクロンを超えるような加速電圧（図７から判断すれば、１３０ｋＶ程度以上）である場合には、本実施形態に係る反射電子検出器３０や暗視野検出器４０の電子検出感度は、従来のシンチレータと光電子増倍管からなる電子検出器に比べ向上することが分かる。
【００６７】
なお、反射電子１２３や散乱電子１２５は、加速された一次電子線１２がやや減速はされているものの、その加速エネルギーは、一次電子線１２と同程度とみなしても差し支えない。
【００６８】
次に、電子線の加速電圧が低い場合、例えば、進入する電子線の加速電圧が５０ｋＶ以下である場合を考える。図７によれば、５０ｋＶ以下の低い加速電圧では、電子線は、従来の場合も、本実施形態の場合も、粒状蛍光体塗布膜あるいはセラミック蛍光体３１１，４１１の表面から数μｍの深さまでしか進入しない。
【００６９】
従って、電子線が進入することにより発せられる蛍光は、粒状蛍光体塗布膜あるいはセラミック蛍光体３１１，４１１の表面から深さ数μｍまでの領域で発せられることになる。そのため、従来のシンチレータの場合、粒状蛍光体塗布膜の深さ数μｍの比較的浅い領域で発生した蛍光は、ガラス基板側まで、２０数μｍ程度、粒状蛍光体塗布膜の中を通過することになる。前記したように粒状蛍光体塗布膜の透光性は低いので、蛍光は、粒状蛍光体塗布膜を通過するとき減衰する。つまり、その減衰した蛍光が光電子増倍管電子に入射されることになるので、従来のシンチレータと光電子増倍管による電子検出器の電子検出感度は低下する。
【００７０】
一方、本実施形態の場合、前記したように、セラミック蛍光体３１１，４１１の透光性が高く、しかも、その表面が光反射層３１２，４１２で覆われている。そのため、電子線が進入することによって、セラミック蛍光体３１１，４１１の表面から深さ数μｍの領域から３次元方向へ発せられた蛍光は、光反射層３１２，４１２で反射されつつ、ほとんどすべてが光電子増倍管３２，４２に導光される。
【００７１】
従って、電子線の加速電圧が５０ｋＶ以下である場合にも、本実施形態に係る反射電子検出器３０や暗視野検出器４０の電子検出感度は、従来のシンチレータと光電子増倍管からなる電子検出器に比べ向上することが分かる。
【００７２】
また、以上の説明では、省略したが、電子線の加速電圧が５０ｋＶ以上、１３０ｋＶ程度以下である場合についても、おおむねこれと同様の理由により、本実施形態に係る反射電子検出器３０および暗視野検出器４０の電子検出感度は、従来のシンチレータと光電子増倍管からなる電子検出器の電子検出感度に比べ高くなる。
【００７３】
以上の通り、本実施形態では、反射電子検出器３０および暗視野検出器４０の電子検出感度が向上するという効果が得られる。よって、観察画像のＳ／Ｎが向上し、より鮮明な観察画像が得られる。
【００７４】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態に係る暗視野検出器の構造の例を示した図であり、（ａ）は縦断面図の例、（ｂ）は上面図の例である。なお、第２の実施形態においても、図１に示した走査透過型の電子顕微鏡１００の構成は、同じであり、暗視野検出器４０の部分だけが相違する。そこで、ここでは、電子顕微鏡１００の構成の説明を省略する。
【００７５】
図８（ａ），（ｂ）に示すように、第２の実施形態に係る暗視野検出器４０ａは、シンチレータ４１ａと光電子増倍管４２とを含んで構成され、シンチレータ４１ａに孔径の異なる２つの貫通孔４３，４３ａが設けられていることを特徴とする。
【００７６】
また、暗視野検出器４０ａは、対物レンズ１５の外側から暗視野検出器４０ａを水平方向に移動させる移動制御機構（図示省略）を有している。そして、制御コンピュータ７４（図１参照）は、電子光学系制御部７１を介して、その移動制御機構を制御することにより、貫通孔４３，４３ａの一方を選択し、選択した貫通孔４３または４３ａの中心が一次電子線１２の光軸に一致する位置になるように、暗視野検出器４０ａを移動させることができるものとする。
【００７７】
従って、ユーザは、暗視野観察画像を取得するとき、貫通孔４３，４３ａの径のうちいずれかを選択することができる。暗視野検出器４０ａは、一次電子線１２が試料６０によって散乱された散乱電子１２５を検出するものである。
【００７８】
一般に、貫通孔の径が小さい（図８では、貫通孔４３ａ）場合には、暗視野検出器４０ａは、散乱角が小さい散乱電子１２５も散乱角が大きい散乱電子１２５も検出する。一方、貫通孔の径が大きい（図８では、貫通孔４３）場合には、暗視野検出器４０ａは、散乱角が大きい散乱電子１２５を検出し、散乱角が小さい散乱電子１２５を検出しない。
【００７９】
また、一般に、試料６０に重い原子が含まれている場合には、散乱電子１２５の散乱角は大きくなり、軽い原子だけの場合には、散乱角は小さくなる。従って、本実施形態では、試料６０に応じて貫通孔４３，４３ａの径の大きさを選択することにより、試料６０の構成元素に応じた適切な暗視野観察画像を得ることができる。
【００８０】
さらに、貫通孔４３，４３ａの径を変えて取得した２つの暗視野観察画像の対応する画素同士を加算演算や差分演算をすれば、例えば、軽い原子や重い原子それぞれに特徴のある暗視野観察画像を生成することも可能になる。また、試料６０に含まれる原子によって定まる散乱角に応じて、貫通孔４３の径の大きさを適切に定めておけば、その観察画像から試料６０に含まれる原子を推定することも可能になる。
【００８１】
なお、以上の説明では、シンチレータ４１ａに、互いに径の異なる貫通孔を２つ設ける（図８では、貫通孔４３，４３ａ）としているが、互いに径の異なる貫通孔を３つ以上設けてもよい。
【００８２】
（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態では、暗視野検出器４０ａのシンチレータ４１ａに互いに径の異なる複数の貫通孔４３，４３ａを設けるとしたが、同様に、反射電子検出器３０に互いに複数の貫通孔３３を設けるようにしてもよい。一般に、反射角の大きい反射電子１２３による反射電子観察画像は、試料６０の表面の形状を表す情報が含まれ、反射角の小さい反射電子１２３による反射電子観察画像は、試料６０の成分を表す情報が含まれているといわれている。
【００８３】
従って、反射電子検出器３０のシンチレータ３１に径の異なる複数の貫通孔３３を設けておき、ユーザが制御コンピュータ７４を介して自在に選択できるようにしておけば、ユーザは、反射角の大きい反射電子１２３による反射電子観察画像も、反射角の小さい反射電子１２３による反射電子観察画像も、容易に取得することが可能になる。
【００８４】
（その他の変形例）
以上の実施形態の説明では、二次電子検出器２０および明視野検出器５０の構造については、とくにその説明をしていないが、二次電子検出器２０および明視野検出器５０についても、そのシンチレータ部分がセラミック蛍光体で構成され、そのセラミック蛍光体がアルミニウムなどの蛍光反射膜で覆われているものであっても構わない。
【００８５】
なお、二次電子検出器２０や明視野検出器５０には、電子線を通過させるための貫通孔を設ける必要はない。
【００８６】
また、以上の実施形態の説明では、電子顕微鏡１００は、走査透過型の電子顕微鏡であるとしているが、走査型電子顕微鏡であってもよい。その場合には、その走査型電子顕微鏡の構成は、おおむね、図１の電子顕微鏡１００の構成から、暗視野検出器４０、明視野検出器５０、試料イメージ移動コイル１６、中間レンズ１７、投射レンズ１８などを除いた構成になる。
【００８７】
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、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、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を加えることも可能である。
【符号の説明】
【００８８】
１０    電子光学系装置
１１    電子銃
１２    一次電子線
１３    照射レンズ
１４    走査コイル
１５    対物レンズ
１６    試料イメージ移動コイル
１７    中間レンズ
１８    投射レンズ
２０    二次電子検出器
３０    反射電子検出器
３１，４１，４１ａ  シンチレータ
３２，４２    光電子増倍管
３３，４３，４３ａ  貫通孔
４０，４０ａ  暗視野検出器
５０    明視野検出器
６０    試料
７０    制御系装置
７１    電子光学系制御部
７２    検出信号処理部
７３    画像処理部
７４    制御コンピュータ
７５    表示装置
１００  電子顕微鏡
１２２  二次電子
１２３  反射電子
１２４  透過電子
１２５  散乱電子
１５０  レンズ磁場
１５１  上磁極
１５２  下磁極
３１１，４１１  セラミック蛍光体
３１２，４１２  光反射層
７２１  増幅回路
７２２  Ａ／Ｄ変換回路
【図１】
2013243055.tif 000003
【図２】
2013243055.tif 000004
【図３】
2013243055.tif 000005
【図４】
2013243055.tif 000006
【図５】
2013243055.tif 000007
【図７】
2013243055.tif 000008
【図８】
2013243055.tif 000009
【図９】
2013243055.tif 000010
【図６】
2013243055.tif 000011