(57)【要約】  簡便かつ高い観察スループットで、染色処理や固定化処理なしに生物化学試料を非侵襲で観察することを可能とする荷電粒子線装置及び検出器を提供する。電子光学系と、ステージ（６４）と、試料（２００）を保持し、試料（２００）に接する第１の絶縁層（１１０）と、第１の絶縁層（１１０）上に形成される導電層（１２０）とを有する試料チャンバ（１００）と、導電層（１２０）に接続され、導電層（１２０）に流れる電流を検出する信号検出回路（２０），（５０）と、電子光学系とステージ（６４）とを制御する主制御部（１４）とを有し、主制御部（１４）は、電子光学系からステージ（６４）に載置された試料チャンバ（１００）の導電層（１２０）に電子線（１２）を照射し、信号検出回路（２０），（５０）からの検出信号が入力される。
2020084729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子光学系と、  ステージと、  試料を保持し、前記試料に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に形成される導電層とを有する試料チャンバと、  前記導電層に接続され、前記導電層に流れる電流を検出する信号検出回路と、  前記電子光学系と前記ステージとを制御する主制御部とを有し、  前記主制御部は、前記電子光学系から前記ステージに載置された前記試料チャンバの前記導電層に電子線を照射し、前記信号検出回路からの検出信号が入力される荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１において、  前記主制御部は、前記試料チャンバへの電子線の偏向位置ごとに、前記信号検出回路からの検出信号をその強度に応じた画素階調データに変換する荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層を支持する第１の外枠部を有し、  前記第１の外枠部は、前記ステージに載置された前記試料チャンバへの電子線の走査範囲において、逆ピラミッド状にくぼんだ第１の窓部を有しており、  前記導電層は、前記第１の窓部の底面である第１の内部領域において前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の内部領域以外では前記第１の外枠部上に形成される荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層に対向して設けられ前記試料を保持する保持スペースを形成する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層を支持する基板と、前記基板と接して設けられ、基準電位を与える基準電位部とを有し、  前記試料チャンバは前記ステージに対して電気的に絶縁された状態で載置される荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項３において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層に対向して設けられ前記試料を保持する保持スペースを形成する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層を支持する第２の外枠部と、基準電位を与える基準電位部とを有し、  前記試料チャンバの上面からみて前記第１の内部領域と同じまたは前記第１の内部領域を覆う領域において前記第２の外枠部に形成された第２の窓部の底面である第２の内部領域において、前記第２の絶縁層が外雰囲気に暴露され、前記基準電位部は前記第２の内部領域に近接して配置され、  前記試料チャンバは前記ステージに対して電気的に絶縁された状態で載置される荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５において、  前記信号検出回路は、前記導電層に所定のバイアス電圧を印加するバイアス電源部と、前記導電層に電子線が照射されることにより生じ、前記バイアス電源部に流入するキャリアの量に応じた電圧信号を出力する信号検出部とを有する荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項６において、  前記バイアス電源部は、定電圧源と、プラス入力端子に前記定電圧源が接続され、マイナス入力端子に前記導電層が接続される電圧フォロワ回路とを有し、  前記信号検出部は、前記電圧フォロワ回路の出力端子と前記導電層との間に接続される抵抗器と、前記抵抗器の両端の電位差を増幅し、前記電圧信号として出力するアンプとを有する荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項６において、  前記バイアス電源部は、定電圧源と、プラス入力端子に前記定電圧源が接続され、マイナス入力端子に出力端子が接続される電圧フォロワ回路とを有し、  前記信号検出部は、前記電圧フォロワ回路の出力端子と前記導電層との間に接続される抵抗器と、前記抵抗器の両端の電位差を増幅し、前記電圧信号として出力するアンプとを有する荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項６において、  前記バイアス電源部は、第１の端子及び第２の端子を有し、前記第１の端子が前記導電層に接続される定電圧源を有し、  前記信号検出部は、マイナス入力端子が前記定電圧源の前記第２の端子に接続されるトランスインピーダンスアンプを有する荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項６において、  前記バイアス電源部は、第１の端子及び第２の端子を有し、前記第１の端子が前記導電層に接続される定電圧源を有し、  前記信号検出部は、前記定電圧源の前記第２の端子と前記基準電位部との間に接続される抵抗器と、前記抵抗器の両端の電位差を増幅し、前記電圧信号として出力するアンプとを有する荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項４において、  前記試料チャンバは、前記試料の周辺の空間を前記ステージが配置される試料室よりも低い真空度に保持する真空隔壁の中に配置され、  前記真空隔壁は、導電体である真空隔壁上部品と、絶縁体である真空隔壁下部品と、前記真空隔壁上部品と前記真空隔壁下部品との間に配置され、前記真空隔壁の内部を気密化するシール材とを有し、  前記真空隔壁上部品は前記試料チャンバの前記導電層と電気的に接続され、前記真空隔壁上部品の開口を通して、前記試料チャンバの前記導電層に電子線が照射される荷電粒子線装置。
【請求項１２】
請求項５において、  前記試料チャンバは、前記試料の周辺の空間を前記ステージが配置される試料室よりも低い真空度に保持する真空隔壁の中に配置され、  前記真空隔壁は、導電体である真空隔壁上部品と、絶縁体である真空隔壁下部品と、前記真空隔壁上部品と前記真空隔壁下部品との間に配置され、前記真空隔壁の内部を気密化するシール材とを有し、  前記基準電位部は前記真空隔壁の前記真空隔壁下部品に固定され、  前記真空隔壁上部品は前記試料チャンバの前記導電層と電気的に接続され、前記真空隔壁上部品の開口を通して、前記試料チャンバの前記導電層に電子線が照射される荷電粒子線装置。
【請求項１３】
電子光学系と、  ステージと、  第１の絶縁層と対向する第２の絶縁層との間に試料を保持し、前記第１の絶縁層上に形成される導電層とを有する試料チャンバと、  前記導電層に接続され、前記導電層に流れる電流を検出する第１の信号検出回路と、  基準電位を与え、前記第２の絶縁層を挟んで前記試料と対向するように配置された検出電極を備え、前記検出電極に発生する電気信号を検出する第２の信号検出回路と、  前記電子光学系と前記ステージとを制御する主制御部とを有し、  前記主制御部は、前記電子光学系から前記ステージに載置された前記試料チャンバの前記導電層に電子線を照射し、前記第１の信号検出回路からの第１の検出信号及び前記第２の信号検出回路からの第２の検出信号が入力される荷電粒子線装置。
【請求項１４】
請求項１３において、  前記主制御部は、前記試料チャンバへの電子線の偏向位置ごとに、前記第１の検出信号をその強度に応じた第１の画素階調データに変換し、前記第２の検出信号をその強度に応じた第２の画素階調データに変換する荷電粒子線装置。
【請求項１５】
請求項１３において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層を支持する第１の外枠部と前記第２の絶縁層を支持する第２の外枠部とを有し、  前記第１の外枠部は、前記ステージに載置された前記試料チャンバへの電子線の走査範囲において、逆ピラミッド状にくぼんだ第１の窓部を有しており、  前記導電層は、前記第１の窓部の底面である第１の内部領域において前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の内部領域以外では前記外枠部上に形成され、  前記試料チャンバの上面からみて前記第１の内部領域と同じまたは前記第１の内部領域を覆う領域において前記第２の外枠部に形成された第２の窓部の底面である第２の内部領域において、前記第２の絶縁層が外雰囲気に曝露されており、  前記検出電極は、前記第２の内部領域に近接して配置される荷電粒子線装置。
【請求項１６】
請求項１５において、  前記試料チャンバは、前記試料の周辺の空間を前記ステージが配置される試料室よりも低い真空度に保持する真空隔壁の中に配置され、  前記真空隔壁は、導電体である真空隔壁上部品と、絶縁体である真空隔壁下部品と、前記真空隔壁上部品と前記真空隔壁下部品との間に配置され、前記真空隔壁の内部を気密化するシール材とを有し、  前記検出電極は前記真空隔壁の前記真空隔壁下部品に固定され、  前記真空隔壁上部品は前記試料チャンバの前記導電層と電気的に接続され、前記真空隔壁上部品の開口を通して、前記試料チャンバの前記導電層に電子線が照射される荷電粒子線装置。
【請求項１７】
カラムに配置される電子光学系と、  前記カラムよりも低い真空度とされる試料室内に配置されるステージと、  絶縁層と導電層とを有する隔膜を有する真空隔膜ホルダと、  前記導電層に接続され、前記導電層に流れる電流を検出する信号検出回路と、  前記電子光学系と前記ステージとを制御する主制御部とを有し、  前記真空隔膜ホルダを介して、前記カラムと前記試料室とが接続され、  前記主制御部は、前記電子光学系から前記ステージに載置された試料に前記隔膜を通過させて電子線を照射し、前記信号検出回路からの検出信号が入力される荷電粒子線装置。
【請求項１８】
請求項１７において、  前記主制御部は、前記試料への電子線の偏向位置ごとに、前記信号検出回路からの検出信号をその強度に応じた画素階調データに変換する荷電粒子線装置。
【請求項１９】
請求項１７において、  前記真空隔膜ホルダは、前記絶縁層を支持する外枠部を有し、  前記外枠部は、電子線の走査範囲において、逆ピラミッド状にくぼんだ窓部を有しており、  前記導電層は、前記窓部の底面である内部領域において前記絶縁層上に形成され、前記内部領域以外では前記外枠部上に形成される荷電粒子線装置。
【請求項２０】
請求項１７において、  前記真空隔膜ホルダの前記導電層には、前記カラムの構造物の電位よりも高い電位が印加される荷電粒子線装置。
【請求項２１】
電子光学系と、ステージと、前記電子光学系と前記ステージとを制御する主制御部と、画像処理を行うコンピュータとを備えた荷電粒子線装置のオートフォーカス処理方法であって、  試料に接する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層を支持し、かつ逆ピラミッド状にくぼんだ窓部を有する外枠部と、導電層とを有し、前記導電層は、前記窓部の底面である内部領域において前記第１の絶縁層上に形成され、前記内部領域以外では前記外枠部上に形成されている試料チャンバが前記ステージに載置され、  前記導電層に接続され、前記導電層に流れる電流を検出する信号検出回路が前記主制御部に接続され、  前記主制御部は、前記電子光学系により前記窓部を含む領域に対して電子線を走査し、前記試料チャンバへの電子線の偏向位置ごとに、前記信号検出回路からの検出信号をその強度に応じた第１の画素階調データに変換し、  前記コンピュータは、前記第１の画素階調データから取得される低倍率像に対して画像処理を行い、前記内部領域の１頂点と前記内部領域の１頂点に接する前記窓部の傾斜面とを含む矩形領域の位置座標を取得し、  前記主制御部は、前記矩形領域が中心となるように視野を移動し、前記電子光学系により所定の観察倍率で電子線を走査し、前記試料チャンバへの電子線の偏向位置ごとに、前記信号検出回路からの検出信号をその強度に応じた第２の画素階調データに変換し、  前記コンピュータは、前記第２の画素階調データから取得される高倍率像に対して画像処理を行い、シャープネス評価値を算出し、前記シャープネス評価値に基づきオートフォーカス処理の成否判定を行うオートフォーカス処理方法。
【請求項２２】
請求項２１において、  前記コンピュータが算出した前記シャープネス評価値が閾値を超えている場合には、前記主制御部は、前記電子光学系のフォーカス条件、非点補正条件を変更して、前記矩形領域が中心となるように視野を移動し、前記電子光学系により所定の観察倍率で電子線を走査し、前記試料チャンバへの電子線の偏向位置ごとに、前記信号検出回路からの検出信号をその強度に応じた第２の画素階調データに変換するオートフォーカス処理方法。
【請求項２３】
試料を保持する保持スペースを有し、前記保持スペースを形成する第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上に形成される導電層とを有する試料チャンバと、  前記導電層に接続され、前記導電層に電子線が照射されたときに前記導電層に流れる電流を検出する第１の信号検出回路とを有する検出器。
【請求項２４】
請求項２３において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層を支持する第１の外枠部を有し、  前記第１の外枠部は、逆ピラミッド状にくぼんだ第１の窓部を有し、前記導電層は、前記第１の窓部の底面である第１の内部領域において前記第１の絶縁層上に形成され、前記第１の内部領域以外では前記第１の外枠部上に形成される検出器。
【請求項２５】
請求項２４において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層に対向して設けられ前記保持スペースを形成する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層を支持する基板と、前記基板と接して設けられ、基準電位を与える基準電位部を有する検出器。
【請求項２６】
請求項２４において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層に対向して設けられ前記保持スペースを形成する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層を支持する第２の外枠部と、基準電位を与える基準電位部を有し、  前記試料チャンバの上面からみて前記第１の内部領域と同じまたは前記第１の内部領域を覆う領域において前記第２の外枠部に形成された第２の窓部の底面である第２の内部領域において、前記第２の絶縁層が外雰囲気に暴露され、前記基準電位部は前記第２の内部領域に近接して配置される検出器。
【請求項２７】
請求項２４において、  前記試料チャンバは、前記第１の絶縁層と対向して設けられ前記保持スペースを形成する第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層を支持する第２の外枠部とを有し、  基準電位を与え、前記第２の絶縁層を挟んで前記試料と対向するように配置された検出電極を備え、前記検出電極に発生する電気信号を検出する第２の信号検出回路を有し、  前記試料チャンバの上面からみて前記第１の内部領域と同じまたは前記第１の内部領域を覆う領域において前記第２の外枠部に形成された第２の窓部の底面である第２の内部領域において、前記第２の絶縁層が外雰囲気に曝露されており、  前記検出電極は、前記第２の内部領域に近接して配置される検出器。
【請求項２８】
絶縁層と導電層とを有する隔膜を有する真空隔膜ホルダと、  前記導電層に接続され、前記導電層に電子線が照射されたときに前記導電層に流れる電流を検出する信号検出回路とを有し、  前記真空隔膜ホルダは前記電子線を照射する電子光学系が格納されるカラムと前記カラムよりも低い真空度とされる試料室との間に配置される検出器。
【請求項２９】
請求項２８において、  前記真空隔膜ホルダは、前記絶縁層を支持する外枠部を有し、  前記外枠部は、前記電子線の走査範囲において、逆ピラミッド状にくぼんだ窓部を有しており、  前記導電層は、前記窓部の底面である内部領域において前記絶縁層上に形成され、前記内部領域以外では前記外枠部上に形成される検出器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、荷電粒子線を照射して発生する検出信号を利用し、試料の形状または材質等を観察する荷電粒子線装置及び検出器に関する。より詳細には、生物化学試料や液体試料を、状態の変化やダメージを抑え、非侵襲の状態で観察することが可能な荷電粒子線装置及び検出器に関する。
【背景技術】
【０００２】  荷電粒子線装置の一つである走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、金属やセラミックスなどの材料試料だけでなく、生物試料を高分解能で観察するツールとしても広く用いられている。【０００３】  一般的に、これらの装置では筐体を真空排気し、試料を真空雰囲気中に配置して試料を撮像する。電子線は、大気などのガス分子や液体分子によって散乱されるため、電子線の通過経路は真空雰囲気に保つことが好ましい。一方、真空雰囲気中に置かれると、生物化学試料や液体試料はダメージを受け、または、状態が変化してしまうため、非侵襲の状態での観察は困難であるとされてきた。しかしながら、このような試料に対する非侵襲観察ニーズは大きく、近年、観察対象試料を、大気圧環境下や液中環境化で観察可能な電子顕微鏡が開発されている。【０００４】  特許文献１には、試料を大気圧雰囲気下に保った状態で観察可能なＳＥＭが記載されている。この装置では、電子光学系と試料の間に電子線が透過可能な隔膜を設けて真空状態と大気状態とを仕切る。隔膜の大気側近傍に試料を配置して、基本的に試料と隔膜とが非接触の状態で電子線を試料に直接当て、試料から発生する信号電子を検出することでＳＥＭ像を得る。この装置では、真空隔壁として働く隔膜によって電子線が隔膜に到達する直前までの経路を高真空状態に維持することで電子線の散乱を防ぎ、かつ電子線の散乱が生じる隔膜透過後の領域を隔膜から試料の間の非常に短い距離に限定することで観察が可能となっている。【０００５】  また、特許文献２、３には染色処理や固定化処理を施すことなく、走査電子顕微鏡を用いて水溶液中の生物試料を生きたままの状態で観察するための試料ホルダ、観察システムが開示されている。走査電子顕微鏡で生物試料を観察する場合、電子線と生物試料との相互作用が極めて低いため、観察画像のコントラストを向上させるために、様々な染色処理や固定化処理を施すことが一般的であった。このような処理を施すと、観察対象である生物試料は死滅してしまい、生きている状態での観察はできなくなる。また、高エネルギーの電子線を直接試料に当てる場合、そのダメージによって生物試料が破壊される場合がある。【０００６】  特許文献２、３開示の観察システムでは、一方主面が観察試料の保持面である第１の絶縁性膜と、第１の絶縁性膜の他方主面に積層された導電性膜を備えた液中試料ホルダを用い、導電性膜をグランド電位もしくは所定のバイアス電圧を印加した状態で導電性膜側から電子線を照射する。照射された電子線に起因して、第１の絶縁性膜の一方主面には局所的な電位変化が生じる。この電位変化に基づく信号を、観察試料を挟んで反対側に配置された第２の絶縁性膜の下方に設けた検出電極により検出する。第１の絶縁性膜に生じた電位変化に基づく信号は、観察試料を伝搬し、検出電極により検出される。このときの信号の伝搬力には観察試料に応じて違いがある。例えば、水は比誘電率が約８０と高いため、信号を良く伝搬させる一方、生物試料は比誘電率が２〜３程度と低く、信号の伝搬力が低下する。このため、観察試料を伝搬した電位変化信号の強度差に基づき、水溶液中の生物試料を染色処理なしに、高いコントラストで観察するこ���が可能となる。この手法は、高エネルギーの電子線を直接観察対象試料に当てる必要がないため、液中生物試料のダメージレス観察に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１２−２２１７６６号公報
【特許文献２】特開２０１４−２０３７３３号公報
【特許文献３】特開２０１６−０７２１８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  特許文献１の装置では、信号電子を検出するための構成物として検出器が必要となる。このため、コストの上昇につながるおそれもある。【０００９】  特許文献２、３の観察システムでは、電位変化信号の検出に、試料ホルダの下方に設けた検出電極を用いる。観察の原理からは、試料ホルダは、電子線照射する側に第１の絶縁性膜と導電性膜の積層膜が、観察試料を挟んで対向する面に第２の絶縁性膜があればよいが、試料ホルダとして用いるためには、試料ホルダの強度を維持するフレームとなる層を設け、このフレームとなる層を部分的に加工して、所望の積層膜を形成したり、第２の絶縁性膜を露出させたりする必要がある。特に、電位変化信号の検出のために試料ホルダの下方に設けた検出電極を用いているために、試料ホルダの上面、下面ともに加工が必要であり、コストの上昇につながるおそれもある。【００１０】  本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、簡便かつ高い観察スループットで、染色処理や固定化処理なしに生物化学試料や液体試料を状態の変化やダメージを抑え、非侵襲の状態で観察することを可能とする荷電粒子線装置及び検出器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明の一実施態様である荷電粒子線装置は、電子光学系と、ステージと、試料を保持し、試料に接する第１の絶縁層と、第１の絶縁層上に形成される導電層とを有する試料チャンバと、導電層に接続され、導電層に流れる電流を検出する信号検出回路と、電子光学系とステージとを制御する主制御部とを有し、主制御部は、電子光学系からステージに載置された試料チャンバの導電層に電子線を照射し、信号検出回路からの検出信号が入力される。
【発明の効果】
【００１２】  荷電粒子線装置により、染色処理や固定化処理なしに生物化学試料や液体試料を、状態の変化やダメージを抑え、非侵襲の状態で観察することが可能となる。【００１３】  その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】走査電子顕微鏡の構成図である。
【図２】検出器の構成図である。
【図３】走査電子顕微鏡の構成図である。
【図４Ａ】検出器の構成図である。
【図４Ｂ】試料チャンバの別の構成例である。
【図５】試料チャンバの形状を示す図である。
【図６Ａ】表示部画面を示す図である。
【図６Ｂ】表示部画面を示す図である。
【図７】オートフォーカス機能のフローチャートである。
【図８】検出器の別の構成例を説明する図である。
【図９】信号検出回路の応答周波数特性の回路シミュレーション結果である。
【図１０】検出器の別の構成例を説明する図である。
【図１１】検出器の別の構成例を説明する図である。
【図１２】検出器の別の構成例を説明する図である。
【図１３】検出器の別の構成例を説明する図である。
【図１４】試料チャンバの別の構成例である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】  以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１６】  図１に実施例１にかかる走査電子顕微鏡の構成図を示す。カラム６１０には、観察対象である試料に対して電子線を照射する電子光学系が内蔵される。電子光学系はカラム６１０に配置され、電子銃１１と、電子銃１１から放出された電子線１２を集束し、微小スポットとして試料２００に照射するコンデンサレンズ６０及び対物レンズ６２、電子線１２の非点収差を補正する非点収差補正器６１、電子線１２を試料２００上で２次元的に走査する偏向器１３、電子線１２の走査中心位置を試料２００上で２次元的にシフトさせるイメージシフト器６３を含む。カラム６１０は高真空環境に保たれる。【００１７】  また、試料２００を格納する試料室６００を備え、試料室６００には、３次元的に移動可能なステージ６４が設けられる。試料室６００は、一例としては大気圧雰囲気のような、カラム６１０の真空度より低い真空度の雰囲気中に保たれる。試料２００は試料室６００内のステージ６４に保持されている。【００１８】  カラム６１０と試料室６００とは、真空隔膜ホルダ６０１を介して接続されており、真空隔膜ホルダ６０１は信号検出回路と接続され、検出器６０２を構成している。【００１９】  電子光学系及びステージ６４は主制御部１４によって制御されるとともに、主制御部１４には検出器６０２からの検出信号（電圧信号）が入力される。【００２０】  検出器６０２の構成については後述するが、試料２００上への電子線１２の照射位置ごとに検出器６０２の信号検出部５０から出力された電圧信号を、その強度に応じた画素階調データに変換し、偏向速度によって１フレーム走査の完了ごと、あるいは１ライン走査の完了ごと、あるいは１画素走査の完了ごとに画像データとしてコンピュータ１５に出力する。画像データはコンピュータ１５によって表示部１６に表示される。【００２１】  図２に示す検出器６０２の構成図を用いて、検出器６０２の構成について説明する。真空隔膜ホルダ６０１（図ではその断面図を示している）は数ｍｍ〜十数ｍｍ角の積層体である。真空隔膜ホルダ６０１は、電子線１２の照射面側にカラム内真空から試料２００が配置される低真空あるいは大気圧雰囲気を隔離する隔膜を備えている。隔膜は試料２００側に絶縁層６０３、電子線１２が入射する側に導電層６０４の少なくとも２層を有している。絶縁層６０３は強度維持の目的で設けられている外枠部６０５によって支持され、導電層６０４は、外枠部６０５及び絶縁層６０３上に均一に形成されている。試料２００は、試料室６００内のステージ６４上に載置される。【００２２】  各層の材料について例示する。絶縁層６０３は窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を、導電層６０４はタングステン、タンタルなどの金属薄膜を、外枠部６０５はシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。真空隔膜ホルダ６０１を構成する積層体は半導体プロセス（ＭＥＭＳプロセス）を用いて形成することができる。絶縁層６０３及び導電層６０４は双方ともに厚みが均一で、表面に凹凸構造を持たない（より具体的には、走査電子顕微鏡で観察した場合に表面の凹凸のコントラストが表れない程度の凹凸は許容され、このときの表面の凹凸の大きさはおよそ10ｎｍ以下）ことが好ましい。これは、積層体の形成��半導体プロセスを用い、例えば、導電層６０４を形成する金属薄膜をスパッタ製膜により形成することで実現できる。【００２３】  次に、図２を用いて検出器６０２の検出原理を説明する。電子線１２は、真空隔膜ホルダ６０１に照射されると導電層６０４及び絶縁層６０３を貫通し試料２００上に到達する。試料２００からは、ＳＥ（二次電子：Secondary Electron）やＢＳＥ（後方散乱電子：Back-Scattered Electron）をはじめとする信号電子が放出される。【００２４】  このうち、最大値では電子線１２と同等のエネルギーをもつＢＳＥ６０６は、絶縁層６０３及び導電層６０４を貫通し、カラム構造物６０７に当たる。一例としては、カラム構造物６０７は対物レンズの一部であっても良い。カラム構造物６０７からは、ＳＥ６０８が発生する。実施例１においては、導電層６０４には、カラム構造物６０７の電位に対して正の電圧が、バイアス電源部２０によって印加されている。この電位差によって、負の電荷を持つＳＥ６０８は、導電層６０４に向かって加速され、導電層６０４で吸収されることによりバイアス電源部２０に流入する。【００２５】  信号検出部５０はバイアス電源部２０に流入した電流を検出し、電流の量に応じた電圧信号を主制御部１４に出力する。ＳＥ６０８の発生量および検出される電流量はＢＳＥ６０６の発生量に対応して変化するため、試料のＢＳＥ像を得ることができる。【００２６】  電子線１２による真空隔膜（絶縁層６０３及び導電層６０４）の透過能はその加速電圧に依存する。以上の検出原理より、実施例１においては、電子線１２の加速電圧は、絶縁層６０３及び導電層６０４を透過する高加速電圧に設定されることが好ましい。【００２７】  信号検出回路を構成するバイアス電源部２０及び信号検出部５０の詳細な構成例は同様に構成可能な実施例２において説明する。また、実施例１の構成においても真空隔膜ホルダ６０１に電子線１２が照射されることにより、後述する導電層起源キャリア、絶縁層起源キャリアは発生する。しかしながら、絶縁層６０３と試料とは距離を隔てて配置されることにより、絶縁層６０３内の電界強度はほぼ一様となる。また、絶縁層６０３及び導電層６０４は双方ともに厚みが均一で表面に凹凸構造を持たないことから、外枠部６０５の設けられていない内部領域６０９においては、これら導電層起源キャリア、絶縁層起源キャリアは走査位置に関わらず均一となることで、画像コントラストに支配的に寄与するのは試料から放出されるＢＳＥとなる。
【実施例２】
【００２８】  図３に実施例２にかかる走査電子顕微鏡の構成図を示す。筐体１０は、観察対象である試料に対して電子線を照射する電子光学系が内蔵されるカラムと試料が載置される試料室とを含む。電子光学系はカラムに配置され、電子銃１１と、電子銃１１から放出された電子線１２を集束し、微小スポットとして試料２００に照射するコンデンサレンズ６０及び対物レンズ６２、電子線１２の非点収差を補正する非点収差補正器６１、電子線１２を試料２００上で２次元的に走査する偏向器１３、電子線１２の走査中心位置を試料２００上で２次元的にシフトさせるイメージシフト器６３を含む。試料室には、３次元的に移動可能なステージ６４が設けられる。試料２００は試料チャンバ１００に保持されており、試料チャンバ１００は信号検出回路と接続され、検出器１０１を構成している。試料チャンバ１００は、絶縁体スペーサ６５を介してステージ６４に載置されている。これにより、試料チャンバ１００は、ステージ６４に対して電気的に絶縁された状態で、ステージ６４に載置される。電子光学系及びステージ６４は主制御部１４によって制御される。【００２９】  また、主制御部１４には検出器１０１からの検出信号（電圧信号）が入力される。検出器１０１の構成については後述するが、試料チャンバ１００上への電子線１２の照射位置ごとに検出器１０１の信号検出部５０から出力された電圧信号を、その強度に応じた画素階調データに変換し、偏向速度によって１フレーム走査の完了ごと、あるいは１ライン走査の完了ごと、あるいは１画素走査の完了ごとに画像データとしてコンピュータ１５に出力する。画像データはコンピュータ１５によって表示部１６に表示される。【００３０】  図４Ａに示す検出器１０１の構成図を用いて、検出器１０１の構成について説明する。試料チャンバ１００（図ではその断面図を示している）は数ｍｍ〜十数ｍｍ角の積層体である。試料チャンバ１００は、電子線１２の照射面側に試料室内真空から試料２００を隔離する隔膜を備えている。隔膜は試料２００側に第１の絶縁層１１０、電子線１２が入射する側に導電層１２０の少なくとも２層を有している。第１の絶縁層１１０は強度維持の目的で設けられている外枠部１３０によって支持され、導電層１２０は、外枠部１３０及び第１の絶縁層１１０上に均一に形成されている。試料２００は、隔膜と隔膜に対向する試料保持層との間で保持される。試料保持層は、試料２００側に第２の絶縁層１１１及び第２の絶縁層１１１を支持する基板１３１の少なくとも２層を有している。第２の絶縁層１１１は、試料２００による基板１３１の腐食を防止するために設けられている。また、隔膜（第１の絶縁層１１０）と試料保持層（第２の絶縁層１１１）との間に所定の間隙を設けて試料２００の保持スペースを形成するため、中間層１１５が設けられている。中間層１１５は、試料２００を試料室内真空から隔離する役割も果たしている。試料保持層（基板１３１）に接して基準電位部１４０が設けられている。後述するように、基準電位部１４０の電位は、導電層１２０に電位を印加するときの基準電位とされる。後述するように、導電層１２０に印加する電位は、バイアス電源部２０によって供給される。【００３１】  各層の材料について例示する。第１の絶縁層１１０は窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を、導電層１２０はタングステン、タンタルなどの金属薄膜を、外枠部１３０はシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。また、第２の絶縁層１１１としては窒化シリコン（ＳｉＮ）膜または酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜を、基板はシリコン基板を用いることができる。また、中間層１１５には酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜のような絶縁膜を、基準電位部１４０は、アルミニウム、銅などの金属層を用いることができる。試料チャンバ１００を構成する積層体は半導体プロセス（ＭＥＭＳプロセス）を用いて形成することができる。後述する検出器の検出原理より、第１の絶縁層１１０及び導電層１２０は双方ともに厚みが均一で、表面に凹凸構造を持たない（より具体的には、走査電子顕微鏡で観察した場合に表面の凹凸のコントラストが表れない程度の凹凸は許容され、このときの表面の凹凸の大きさはおよそ10ｎｍ以下）ことが好ましい。これは、積層体の形成に半導体プロセスを用い、例えば、導電層１２０を形成する金属薄膜をスパッタ製膜により形成することで実現できる。【００３２】  なお、中間層１１５は物理的な構造を持たなくてもよい。この場合には試料２００を試料室内真空から隔離する必要があるため、図４Ｂに示すように、箱状の真空隔壁の中に試料チャンバ１００を配置する。真空隔壁は、真空隔壁下部品５２０、真空隔壁上部品５２１で構成される。真空隔壁下部品５２０は、例えばアクリル等の絶縁体であり、真空隔壁上部品５２１は、例えばアルミなどの導電体である。真空隔壁下部品５２０と真空隔壁上部品５２１は、気密のためのシール材５２３を介して接続され、試料２００の周辺の空間を大気圧あるいは、試料室よりも低い真空度に保持する。この場合、第１の絶縁層１１０と第２の絶縁層１１１との間隙は、挟まれる試料２００によって保持される。【００３３】  試料チャンバ１００の電子線照射面は試料室内真空に開放する必要があるため、真空隔壁上部品５２１の上面には電子線を通すための開口５０１が設けられている。真空隔壁上部品５２１は、導電層１２０と電気的に接続されており、電流信号は真空隔壁上部品５２１から検出する。真空隔壁下部品５２０は、基準電位部１４０を所定の電位に保つための導線５２５を外部に取り出すコネクタ５２４を備える。【００３４】  次に、図４Ａを用いて検出器１０１の検出原理を説明する。電子線１２は、試料チャンバ１００に照射されると導電層１２０及び第１の絶縁層１１０において散乱する。第１の絶縁層１１０の電子線散乱領域１７において、キャリア（絶縁層起源キャリア）３００が発生する。絶縁層起源キャリア３００の発生原理は図８を用いて後述する。絶縁層起源キャリア３００の発生量は、第１の絶縁層１１０及びその直下の試料２００に生じる電界強度に依存する。絶縁層起源キャリア３００は導電層１２０を介してバイアス電源部２０に流入する。【００３５】  一方、導電層１２０の電子線散乱領域１７からは、ＳＥやＢＳＥをはじめとする信号電子３０１が真空中に放出される。これにより、導電層１２０内部では、入射する電子線１２と発生する信号電子３０１の数の収支に対応したキャリア（導電層起源キャリア）３０２が発生する。例えば、電子線１２の電子数１に対して信号電子数Ｎが発生する場合、（Ｎ−１）の導電層起源キャリア３０２が発生する。ここでＮが１より大きい場合、図４Ａに示したように導電層起源キャリア３０２の極性は正となる。導電層起源キャリア３０２もバイアス電源部２０に流入する。【００３６】  このように、バイアス電源部２０には、絶縁層起源キャリア３００と導電層起源キャリア３０２の総和が流入する。信号検出部５０はバイアス電源部２０に流入したキャリアを検出し、キャリアの量に応じた電圧信号を主制御部１４に出力する。【００３７】  電子線１２の走査範囲が外枠部１３０の設けられていない内部領域３１０であるとき、絶縁層起源キャリア３００は試料２００に依存して発生量が変化する。一方、導電層起源キャリア３０２の発生量は一定である。これは、上述のように、導電層１２０が均一で表面に凹凸のない構造をしているため、信号電子３０１の発生量が一定となるためである。画像データのコントラストの大きさは信号検出部５０からの電圧信号の大きさ（＝キャリアの量）に依存するが、キャリアの量の変化に関与するのは絶縁層起源キャリア３００のみである。したがって、試料２００に依存したコントラストが画像データに表れることになる。【００３８】  電子線１２による電子線散乱領域１７の広がりは電子線１２の加速電圧に依存する。以上の検出原理より、本実施例においては、電子線１２の加速電圧は、内部領域３１０において第１の絶縁層１１０をほぼ透過しない低加速電圧に設定されることが好ましい。【００３９】  また、上述のように第１の絶縁層１１０及びその直下の試料２００に電界を発生させるため、バイアス電源部２０により導電層１２０にバイアス電圧を印加し、基準電位部１４０を接地している。ここで、バイアス電源部２０及び基準電位部１４０の電位は、第１の絶縁層１１０及びその直下の試料２００に所望の電界強度が発生するように定めれば足り、それぞれの電位の与え方は任意である。例えば、バイアス電源部２０を接地電位とし、基準電位部１４０に図４Ａの例におけるバイアス電圧とは逆極性の電圧を印加してもよい。あるいは、システムのある電位を接地電位として、導電層１２０と基準電位部１４０との間に所定の電圧が生じるよう、バイアス電圧、基準電位部に印加する電圧を定めてもよい。【００４０】  なお、バイアス電圧（導電層１２０と基準電位部１４０との電位差）が大きいほど、信号検出部５０における検出ゲインを大きくできる利点がある。しかしながら、導電層１２０と基準電位部１４０に与える電位が同電位であっても検出可能である。この場合であっても、導電層１２０を透過した電子線１２によって第１の絶縁層１１０中で発生する帯電によって第１の絶縁層１１０とその直下の試料２００に電界を発生させることができるためである。【００４１】  ところで、電子線１２の走査範囲が外枠部領域３１１にある場合、絶縁層起源キャリア３００は発生しない。これは、電子線１２が外枠部１３０を透過せず、第１の絶縁層１１０まで到達しないためである。これに対して、導電層起源キャリア３０２は外枠部１３０の構造に依存して変化する。これは、良く知られているように信号電子であるＳＥやＢＳＥの発生量は、被照射体の立体構造を反映して変化するためである。すなわち、電子線１２の走査範囲が外枠部領域３１１にある場合、バイアス電源部２０には、導電層起源キャリア３０２のみが流入し、信号検出部５０はバイアス電源部２０に流入したキャリアを検出し、キャリアの量に応じた電圧信号を主制御部１４に出力する。この結果、被照射体の立体構造に依存したコントラストが画像データに表れることになり、ＳＥＭにおける吸収電流像と同等の画像を得ることができる。【００４２】  以上より、検出器１０１は、電子線１２の走査範囲が試料チャンバ１００の内部領域３１０においては試料２００起源の信号を、電子線１２の走査範囲が試料チャンバ１００の外枠部領域３１１においては外枠部１３０の立体構造起源の信号を取得することができる。したがって、外枠部１３０の立体構造を利用して電子線１２のフォーカス調整や非点補正を行って試料チャンバ１００に照射する電子線１２を最適化し、最適化した電子線１２により試料２００を観察するまでを、同じ検出器１０１の出力で行うことが可能となる。電子線１２のフォーカス調整や非点補正は走査電子顕微鏡が備えるＳＥ検出器やＢＳＥ検出器を用いて行うことも可能であるが、この場合は電子線１２の調整と試料の観察とで検出器を切り換えなければならない。本実施例では検出器を切り換えることなく電子線の調整と試料の観察とを行うことができるため、利便性が向上し、観察スループットが向上する。【００４３】  以降では、図５および図６Ａ，Ｂを用いて電子線１２のフォーカス調整や非点補正をユーザーがマニュアルにて行う手順について説明する。【００４４】  図５に、試料チャンバ１００の上面形状（部分）を示す。上段が試料チャンバ１００の上面図であり、下段が断面図である。下段の断面図は、上面図中のＡ−Ａで示した一点鎖線部の断面形状に相当する。外枠部１３０は、逆ピラミッド状にくぼんだ窓部３１３を有しており、窓部３１３の底面にあたる内部領域３１０は矩形をしている。ここで内部領域３１０の各頂点において、内部領域３１０とそれに接する傾斜面とを含む矩形領域を外枠エッジ部３１４〜３１７と称する。また、簡単のため、この例では試料チャンバ１００には試料を封入せず、試料の保持スペースは真空になっているものとする。【００４５】  図６Ａ，Ｂに、表示部１６に表示される表示部画面４００の一例を示す。表示部画面４００は、加速電圧や観察倍率などの光学条件や観察場所の位置情報などを示す条件表示部４０１、ＳＥＭ像表示部４０２、及び後述するオートフォーカスボタン４０４を備える。図６Ａは外枠部１３０の逆ピラミッド形状の窓部３１３全体が視野に入っているときの表示部画面である。逆ピラミッド形状の窓部３１３の像３１３ａ、その中央部に内部領域３１０の像３１０ａが観察されている。図６Ｂは、図６Ａに示す逆ピラミッド形状の窓部３１３の１つの外枠エッジ部３１４の像３１４ａを拡大して観察したときの表示部画面である。【００４６】  図６Ａ，Ｂに示されるように、検出器１０１の電圧信号に基づくＳＥＭ像は、走査電子顕微鏡の検出対象と同じ信号電子起因の情報を吸収電流として検出しているため、外枠部１３��の構造、具体的には逆ピラミッド形状がコントラストとなって現れる。一方、内部領域３１０では、この例では第１の絶縁層１１０下に試料が存在しないため、コントラストは現れていない。実際に試料の観察を行う場合、すなわち内部領域３１０の第１の絶縁層１１０下に図４Ａに示したような試料２００が保持されている場合には、図６Ａ，ＢのＳＥＭ像の内部領域３１０の像３１０ａには試料２００を反映させたコントラストが現れる。【００４７】  ユーザーは、観察開始後、ＧＵＩ上もしくは図示しないユーザー手元の操作具によって条件を設定する。具体的には、まず図６Ａのように逆ピラミッド形状の窓部３１３全体が視野に入るように視野および観察倍率を設定し、その観察倍率で高いシャープネスのＳＥＭ像が得られるようにフォーカス条件と非点補正の調整を行う。主制御部１４は、ユーザーが設定した条件によって装置の各部位を制御する。具体的には、観察倍率を設定する場合、主制御部１４は、偏向器１３を制御し、電子線１２がユーザー所望の観察倍率領域を走査するように制御する。また観察視野を設定する場合、主制御部１４は、ステージ６４もしくは、イメージシフト器６３を制御し、ユーザー所望の視野が得られるように２次元的に観察視野を移動させる。フォーカス条件と非点補正の調整を行う場合、主制御部１４は、それぞれ対物レンズ６２と非点収差補正器６１を制御し、ユーザー所望のシャープネスが得られるように電子線１２の集束状態を調整する。【００４８】  上述のフォーカス条件や非点補正の調整を行った後、ユーザーはＧＵＩ上もしくは図示しないユーザー手元の操作具によって、所望の観察倍率、所望の視野を設定し、内部領域３１０の観察を行い、ターゲットとなる試料のＳＥＭ像を得る。【００４９】  高倍率観察時に、フォーカス条件や非点補正の調整を行う必要が発生した場合は、所望の観察倍率にて、図６Ｂに示したような外枠エッジ部３１４の観察ＳＥＭ像を使って上記の手順を行い、ユーザー所望のシャープネスが得られるように各条件を設定しても良い。【００５０】  以上のように、ユーザーがマニュアルでフォーカス条件や非点補正の調整を行っても良いが、自動で行っても良い。以降では、図６Ａ，Ｂおよび図７を用いて電子線１２のフォーカス条件や非点補正の調整を自動で行う手順について説明する。以降ではこの機能をオートフォーカス機能と呼ぶ。図７にオートフォーカス機能のフローチャートの一例を示す。【００５１】  ユーザーは、観察する所望の視野と観察倍率を決め、ＧＵＩ上のオートフォーカスボタン４０４（図６Ａ，Ｂを参照）の押下もしくは図示しないユーザー手元の操作具の操作によって、オートフォーカス処理をスタートさせる。【００５２】  ステップＳ１において、コンピュータ１５は試行回数Ｎに０を代入する。【００５３】  ステップＳ２において、主制御部１４は、偏向器１３、イメージシフト器６３、ステージ６４を制御し、図６Ａに示したような低倍率像を取得する。【００５４】  ステップＳ３において、コンピュータ１５は低倍率像に対して画像処理を行い、４つある外枠エッジ部３１４〜３１７（図５参照）の場所を判定し、その座標を記憶する。【００５５】  ステップＳ４において、主制御部��４は、イメージシフト器６３、ステージ６４を制御し、視野中心が４つの外枠エッジ部３１４〜３１７のいずれかの中心となるように、視野を移動させる。このとき、移動先として選択する外枠エッジ部は、ターゲットとなる観察対象部位に最も近い外枠エッジ部を選択することが好ましい。【００５６】  ステップＳ５において、主制御部１４は、偏向器１３を制御して、所望の観察倍率で図６Ｂに示したような高倍率像を取得する。【００５７】  ステップＳ６において、コンピュータ１５は高倍率像に画像処理を行い、シャープネス評価値を算出する。【００５８】  ステップＳ７において、コンピュータ１５はシャープネス評価値を予め記憶していた閾値と比較し、成否判定を行う。具体的には、コンピュータ１５はシャープネス評価値が閾値を超過していれば失敗判定をし、試行回数に１を加え（ステップＳ１０）、試行回数Ｎを予め記憶している試行回数上限と比較する（ステップＳ１１）。試行回数Ｎが試行回数上限未満であれば、主制御部１４は対物レンズ６２、非点収差補正器６１を制御し、電子線１２の集束状態を変化させて（ステップＳ１２）、再度、ステップＳ５からの処理を実行する。一方、試行回数Ｎが試行回数上限以上であれば、エラー処理を行い、処理を終了する（ステップＳ１３）。エラー処理として具体的には、主制御部１４は、対物レンズ６２、非点収差補正器６１を制御し、電子線１２の集束状態をオートフォーカス処理開始前の条件に戻し、コンピュータ１５は、表示部画面４００にオートフォーカス処理に失敗したことをユーザーに通知する。【００５９】  ステップＳ７において、コンピュータ１５はシャープネス評価値が閾値以下であれば成功判定をし、ステップＳ８に進む。【００６０】  ステップＳ８において、主制御部１４は、ユーザー所望の観察倍率、観察視野になるように偏向器１３、イメージシフト器６３、ステージ６４を制御する。【００６１】  ステップＳ９において、主制御部１４は所望倍率で所望視野の画像を撮像し、コンピュータ１５は画像情報を表示部画面４００に表示し、内部ストレージに記憶し、処理を終了する。【００６２】  このように、本実施例に係る走査電子顕微鏡では、走査電子顕微鏡の保有するＳＥ検出器などの他検出器画像へ切り替えることなく、検出器１０１からの検出信号に基づき簡便にフォーカス調整、非点収差補正を行うことが可能になる。【００６３】  次に、図８を用いて、ターゲットとなる試料２００のコントラストに寄与する絶縁層起源キャリア３００の発生原理および、信号検出回路の構成例について詳述する。図８の例では、バイアス電源部２０（図４Ａ参照）を定電圧源２１と電圧フォロワ回路２２で構成し、信号検出部５０を抵抗器２３とアンプ５１で構成する。具体的には、電圧フォロワ回路２２のプラス入力端子に定電圧源２１が接続され、電圧フォロワ回路２２のマイナス入力端子に試料チャンバ１００の導電層１２０が接続されている。電圧フォロワ回路２２の出力端子と試料チャンバ１００の導電層１２０は抵抗器２３を介して接続され、抵抗器２３の両端の電位差をアンプ５１が増幅し、電圧信号として出力する。【００６４】  定電圧源２１と電圧フォロワ回路２２によって導電層１２０にバイア��電圧を印加すると、試料チャンバ１００が備える基準電位部１４０と導電層１２０との間に電界が生じる。すなわち、第１の絶縁層１１０とその直下の試料２００に電界が発生する。試料２００が、例えば水２０１にタンパク質複合体とみなせる細胞２０２を分散させたものであるとする。水の誘電率が約８０であるのに対し、タンパク質の誘電率は２〜３であるため、水の部分の電位勾配すなわち電界強度は細胞の部分の電界強度に比べて緩やかになる。【００６５】  ここで、内部領域３１０における第１の絶縁層１１０と試料２００との界面に沿った第１の絶縁層１１０内部の２次元の電界強度分布に着目する。試料２００内において、細胞２０２が第１の絶縁層１１０との界面付近に付着している領域では、細胞内の電界強度が高くなる分、界面直上の第１の絶縁層１１０内の電界強度は相対的に低くなる。対して、試料２００と第１の絶縁層１１０との界面付近に細胞がない領域では、その領域における界面直上の第１の絶縁層１１０内の電界強度は相対的に高くなる。このように、内部領域３１０における、第１の絶縁層１１０と試料２００内との界面に沿った第１の絶縁層１１０内部の２次元の電界強度分布は、界面付近における誘電率の分布を反映したものとなる。【００６６】  電子線１２が第１の絶縁層１１０をほぼ透過しない加速電圧に設定した場合、電子線１２は試料２００に到達することはないものの、電子線散乱領域１７は第１の絶縁層１１０内に広がりをもち、その範囲でエネルギーをもった一次電子の散乱が生じる。第１の絶縁層１１０内で散乱した一次電子が、第１の絶縁層１１０の材質が有する仕事関数の約３倍のエネルギーを付与するにつき、１対の電子正孔対が生成する。例えば、第１の絶縁層１１０を窒化シリコン膜とすると、その仕事関数は約３ｅＶであるので、散乱した一次電子から約９ｅＶのエネルギー付与されることにより、１対の電子正孔対が生成される。【００６７】  第１の絶縁層１１０および導電層１２０の厚さを均一にすると、入射した電子線１２の電子線散乱領域１７の深さは走査領域によらず一様であり、電子線散乱領域１７内の一次電子のエネルギー分布も走査領域によらず一様である。従って、第１の絶縁層１１０内で生成される電子正孔対の数も、走査領域によらず一様となる。【００６８】  しかし、生成した電子正孔対が再結合せずにキャリアとして分離される割合は、第１の絶縁層１１０と試料２００内との界面に沿った第１の絶縁層１１０内部における２次元の電界強度分布に依存する。これにより、試料チャンバ１００上への電子線１２の照射位置毎に検出される絶縁層起源キャリア３００の量は、試料２００内における誘電率の分布を反映したものとなる。これが、本実施例に係る走査電子顕微鏡における観察対象試料のコントラスト発生原理である。【００６９】  基準電位部１４０の電位に対し、定電圧源２１の出力が負極性であるときは、導電層１２０にも負極性の同電圧が印加されるため、図８に示すとおり生成した電子正孔対における正の電荷が導電層１２０側に分離され、電圧フォロワ回路２２に流入する。電圧フォロワ回路２２のマイナス入力端子の入力インピーダンスは出力に比べて非常に高いので、導電層１２０を介して流入���たキャリアは、抵抗器２３を流れることとなる。このとき、抵抗器２３の両端にはキャリアの量に応じた電位差が発生し、その電位差をアンプ５１で検出することが可能である。なお、アンプ５１の具体的な形態としてはインスツルメンテーションアンプが挙げられる。【００７０】  なお、基準電位部１４０の電位と定電圧源２１の出力とが同電位である場合、前述のように電子線１２が第１の絶縁層１１０で発生させる帯電が電界供給源となる。電子の電荷は負であるため帯電電位は基準電位部１４０に対して負となることから、この場合も、基準電位部１４０の電位に対して定電圧源２１の出力が負極性であったときと同じ極性の信号が得られる。【００７１】  また、抵抗器２３の両端にはキャリアの量に応じた電位差が生じることになるが、図８に示す電圧フォロワ回路２２の接続によって、導電層１２０の電位を定電圧源２１の出力と等しくなるように維持することが可能である。つまり、第１の絶縁層１１０内で生成される電子正孔対の量によらず、導電層１２０と基準電位部１４０との間の電位差は一定に維持することが可能である。ただし、実使用においては、キャリアの量に応じて抵抗器２３の両端に生じる電位差は、定電圧源２１の両端電圧に比べて十分に小さく、抵抗器２３が電圧フォロワ回路２２の負帰還の外側、すなわち、抵抗器２３を、導電層１２０と、電圧フォロワ回路２２のマイナス入力端子と出力端子との接続ノードとの間に接続する場合でも、導電層１２０の電位は一定と見なすことができ、図８に示した信号検出回路と同様に信号の検出が可能である。【００７２】  図８に示した信号検出回路は、キャリア発生源の直上の導電層１２０にアンプを接続し、信号経路インピーダンスを低くできることから、高フレームレートでの試料観察に適している。また、電子線散乱領域１７で生成した電子正孔対が、第１の絶縁層１１０に印加された電界によって分離され、キャリアとして電圧フォロワ回路２２に流入するまでの信号経路のインピーダンスは試料２００に依存しない。このため、試料２００の内容を変えた場合であっても、あらためてその試料に適した電子線１２の走査速度を探索する必要はなく、高フレームレートの画像を用いてスループットの高い観察を実現することが可能となる。【００７３】  一般に、１秒あたりのフレーム数（ｆｐｓ：frames per second）が１２以上になると、人はそれら一連の画像を映像として認識できる。走査電子顕微鏡で試料を観察する場合には、観察画像上において試料の形状や材質が視認できる大きさ、すなわち少なくとも数画素以上の大きさを有するような観察倍率に設定される。例えば、画像サイズが６４０画素×４８０画素、フレームレートが１２ｆｐｓの表示条件にて、数画素以上の試料形状を高画質で表示するために必要な信号検出回路の応答周波数帯域は、約７００ｋＨｚとなる。【００７４】  本実施例の信号検出回路について、電流−電圧変換率を１０９［Ｖ／Ａ］としたときの応答周波数特性の回路シミュレーション結果を図９に示す。なお、図９のグラフは電流−電圧変換率１０９［Ｖ／Ａ］が０ｄＢとなるように規格化している。信号検出回路の高域遮断周波数は約１．４ＭＨｚであり、上述した一連画像の映像化、すなわち��画観察に必要な検出回路の応答周波数帯域である約７００ｋＨｚ（図９中の一点鎖線）を上回る。これによって、試料の静止画像の取得のみならず、生きたままの生物試料ならではの運動や形態変化を動画として取得することが可能である。【００７５】  信号検出回路は、図８の例のみならず、別の構成でも実現することができる。図１０の例では、バイアス電源部２０（図４Ａ参照）を定電圧源２４で構成し、信号検出部５０をトランスインピーダンスアンプ５２で構成する。定電圧源２４の容易な形態としては電池が挙げられる。上述のとおり発生し、導電層１２０を介して定電圧源２４に流入したキャリアに対応するリターン電流は、トランスインピーダンスアンプ５２を流れることとなり、これによってキャリアの量に応じた電圧信号を検出することが可能である。【００７６】  図１１の例では、バイアス電源部２０（図４Ａ参照）を定電圧源２４で構成し、信号検出部５０を抵抗器２５と電圧アンプ５３で構成する。定電圧源２４は一方の端子が導電層１２０に接続され、他方の端子が電圧アンプ５３の一方の端子に接続される。また、抵抗器２５は、定電圧源２４の他方の端子と基準電位部との間に接続される。上述のとおり発生し、導電層１２０を介して定電圧源２４に流入したキャリアに対応するリターン電流は、抵抗器２５を流れることとなり、抵抗器２５の両端の電位差を電圧アンプ５３が増幅し、キャリアの量に応じた電圧信号を検出することが可能である。図１１の例における導電層１２０の電位は、抵抗器２５の両端の電位差の分だけ変動するが、実使用においてはその変動量は定電圧源２４の両端電圧に比べて十分に小さく、導電層１２０の電位は一定と見なすことができる。
【実施例３】
【００７７】  図１２を用いて、検出器の別の構成例について説明する。検出器９０１の試料チャンバ９００は、電子線１２の照射面側に設けられた隔壁は図４Ａに示した検出器と同じ構造を有しているが、試料保持層の構造が異なる。試料保持層は、試料２００側に第２の絶縁層１１１及び第２の絶縁層１１１を支持する第２の外枠部９１１を備えている。第２の外枠部９１１には窓部９１２が設けられており、窓部９１２の底部に相当する第２の内部領域９１３では第２の絶縁層１１１が外雰囲気に曝露されている。第２の内部領域９１３は、試料チャンバ９００の上面から見て、第１の内部領域３１０と同じまたは第１の内部領域３１０を覆う領域に形成されていることが望ましい。なお、第２の絶縁層１１１の材料としては窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を、第２の外枠部９１１の材料としてはシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。【００７８】  また、本実施例では基準電位部の構造が異なる。導電層１２０に対する基準電位を与える基準電位部９１０が、棒状となっており、第２の内部領域９１３に近接して配置されている。かかる構成によれば、導電層１２０と基準電位部９１０との間隔を小さくできることから、実施例２の構成と比較して、同電位を導電層１２０に印加した場合でも、電界強度を強めることが可能となる。【００７９】  なお、実施例３の試料チャンバも図４Ｂと同様の箱状の真空隔壁内に試料チャンバ９００を配置し、試料チャンバ９００の周辺の空間を大気圧あるいは試料室よりも低い真空度に保持するようにしてもよい。この場合、実施例４と同様の構成（図１４）となり、実施例４の検出電極８２０を基準電位部９１０に読み替えればよい。
【実施例４】
【００８０】  図１３を用いて、検出器の別の構成例について説明する。本実施例では、実施例３と同様に、試料保持層は、試料２００側に第２の絶縁層１１１及び第２の絶縁層１１１を支持する第２の外枠部８１０を備えている。第２の外枠部８１０には窓部８１１が設けられており、窓部８１１の底部に相当する第２の内部領域８１２では第２の絶縁層１１１が外雰囲気に曝露されている。第２の内部領域８１２は、試料チャンバ８００の上面から見て、第１の内部領域３１０と同じまたは第１の内部領域３１０を覆う領域に形成されていることが望ましい。なお、第２の絶縁層１１１の材料としては窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を、第２の外枠部８１０の材料としてはシリコン（Ｓｉ）基板を用いることができる。【００８１】  さらに、実施例２で説明した信号検出回路（第１の信号検出回路８０２）に加え、第２の内部領域８１２に近接して検出電極８２０を備え、絶縁層起源キャリア３００に起因して検出電極８２０に発生する電気信号を検出する第２の信号検出回路８２１を有する。本実施例では、検出電極８２０が、図４Ａの検出器の構成において導電層１２０に対する基準電位を与える基準電位部の役割を果たしている。試料チャンバ８００は、ステージ６４に対して検出電極８２０および第２の外枠部８１０が電気的に絶縁された状態でステージ６４に載置される。具体的には、図３に示したように、絶縁体スペーサ６５を介してステージ６４に載置される。検出電極８２０は第２の信号検出回路８２１に接続され、第２の信号検出回路８２１は検出電極８２０が検出した電気信号を、その強度に応じた電圧信号にして主制御部１４に出力する。【００８２】  主制御部１４は、試料チャンバ８００上への電子線１２の偏向位置毎に第２の信号検出回路８２１から出力された電圧信号を、その強度に応じた画素階調データに変換し、偏向速度によって１フレーム走査の完了毎、あるいは１ライン走査の完了毎、あるいは１画素走査の完了毎に画像データとしてコンピュータ１５に出力する。画像データはコンピュータ１５によって表示部１６に表示される。係る構成により、第１の信号検出回路８０２から得られた信号と第２の信号検出回路８２１から得られた信号に基づき、２種類の画像データを同時に取得することが可能となる。【００８３】  なお、試料チャンバ８００の外雰囲気は、試料室と同一の真空雰囲気であっても良い。また、例えば、図４Ｂと同様の箱状の真空隔壁内に試料チャンバ８００を配置し、試料チャンバ８００の周辺の空間を大気圧あるいは試料室よりも低い真空度に保持するようにしてもよい。その状態を図１４に示す。真空隔壁は、真空隔壁下部品９２０、真空隔壁上部品９２１で構成される。真空隔壁下部品９２０は、例えばアクリル等の絶縁体であり、真空隔壁上部品９２１は、例えばアルミなどの導体である。真空隔壁下部品９２０と真空隔壁上部品９２１は、気密のためのシール材９２３を介して接続され、試料２００の周辺の空間を大気圧あるいは、試料室よりも低い真空度に保持する。【００８４】  真空隔壁上部品９２１は、導電層１２０と電気的に接続されており、電気信号は、真空隔壁上部品９２１から検出する。検出電極８２０は、試料チャンバ８００の第２の��部領域８１２に近接するように真空隔壁下部品９２０に固定されている。【００８５】  本実施例では、第１の信号検出回路８０２からの信号と第２の信号検出回路８２１からの信号に基づく２種類の画像を同時に取得し、比較することができる。例えば、第１の信号検出回路８０２で得られる画像の特定部位に、第２の信号検出回路８２１で得られる画像とは異なる特異なコントラストが発生した場合、導電層１２０の真空側面に異物が存在する可能性が高い。【００８６】  前述の通り、第１の信号検出回路８０２により得られる信号は、電子線１２の照射により真空中に放出される信号電子起源の情報（導電層起源キャリア）と、試料２００起源の情報の両者（絶縁層起源キャリア）とを含み、これに対して、第２の信号検出回路８２１により得られる信号は、信号電子起源の情報を含まず、試料２００起源の情報のみを含む。このため、例えば、導電層１２０の真空側面に異物として微小な金属粒が存在していた場合、金属粒周囲から他の表面よりも多くの信号電子（主にＳＥ）が発生する。このため、金属粒の存在部位において、第１の信号検出回路８０２で検出される電圧信号は導電層起源キャリア３０２の増大に伴い、大きくなる。一方、金属粒が存在することで、電子線１２はエネルギーを失い、金属粒周囲では第１の絶縁層１１０に到達する確率が低下する。このため、周囲と比較して第１の絶縁層１１０で発生する絶縁層起源キャリア３００が減少することになる。その結果、金属粒の存在部位において、第２の信号検出回路８２１で検出される電圧信号は絶縁層起源キャリア３００の現象に伴い、小さくなる。このように、得られた２種類の画像に差異が生じた場合、差異の生じた部位の導電層１２０の真空側面には異物が存在する可能性が高いことが判定できる。【００８７】  以上のように、係る構成により、２種類の画像データを同時取得し比較することで、得られたコントラストが被観察対象となる試料２００によるものなのか、導電層１２０の真空側面に存在する異物によるものなのかの判定材料となる情報を得ることができ、観察の利便性を向上できる。
【符号の説明】
【００８８】１０：筐体、１１：電子銃、１２：電子線、１３：偏向器、１４：主制御部、１５：コンピュータ、１６：表示部、１７：電子線散乱領域、２０：バイアス電源部、２１：定電圧源、２２：電圧フォロワ回路、２３：抵抗器、２４：定電圧源、２５：抵抗器、５０：信号検出部、５１：アンプ、５２：トランスインピーダンスアンプ、５３：電圧アンプ、６０：コンデンサレンズ、６１：非点収差補正器、６２：対物レンズ、６３：イメージシフト器、６４：ステージ、６５：絶縁体スペーサ、１００，８００，９００：試料チャンバ、１０１，６０２，８０１，９０１：検出器、１１０：第１の絶縁層、１１１：第２の絶縁層、１１５：中間層、１２０，６０４：導電層、１３０，６０５，８１０，９１１：外枠部、１３１：基板、１４０，９１０：基準電位部、２００：試料、３００：絶縁層起源キャリア、３０１：信号電子、３０２：導電層起源キャリア、３１０，８１２，９１３：内部領域、３１１：外枠部領域、３１３，８１１，９１２：窓部、３１４〜３１７：外枠エッジ部、４００：表示部画面、４０１：条件表示部、４０２：ＳＥＭ像表示部、４０４：オートフォーカスボタン、５０１：開口、５２０，９２０：真空隔壁下部品、５２１，９２１：真空隔壁上部品、５２３，９２３：シール材、５２４：コネクタ、５２５：導線、８０２，８２１：信号検出回路、８２０：検出電極、６００：試料室、６０１：真空隔膜ホルダ、６０３：絶縁層、６０６：ＢＳＥ、６０７：カラム構造物、６０８：ＳＥ、６１０：カラム。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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】
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