JP6215202B2

JP6215202B2 - 密接に結合したシンチレータ−光電子増倍管の１又は複数の組合体を含む電子検出器及びそれを使用した電子顕微鏡

Info

Publication number: JP6215202B2
Application number: JP2014524098A
Authority: JP
Inventors: シー．バービ，ニコラス; ビー．モット，リチャード
Original assignee: Pulsetor LLC
Current assignee: Pulsetor LLC
Priority date: 2011-08-05
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2017-10-18
Anticipated expiration: 2032-08-03
Also published as: EP2739958B1; US8581188B2; JP2014527690A; US20130032713A1; EP2739958A4; EP2739958A1; WO2013022735A1

Description

＜関連出願の相互参照＞
本願は、米国特許法第１１９条(ｅ)項に基づいて、２０１１年８月５日出願の米国特許仮出願第６１／５１５，３６０号、発明の名称「Electron Detector Including one or More Intimately-Coupled Scintillator-Photomultiplier Combination, and Electron Microscope Employing Same」よる優先権を主張し、その開示内容は、引用を以て本明細書の一部とする。

＜発明の分野＞
本発明は、電子検出及び電子検出装置に関し、特に、電子顕微鏡に使用することのできる、１又は複数の密接に結合したシンチレータ−シリコン光電子増倍管組合体を含む電子検出器に関する。

＜関連技術の説明＞
電子顕微鏡(ＥＭ)は、試料を照らして、試料の拡大画像を作成するために電子粒子線を用いるタイプの顕微鏡である。ある一般的なタイプのＥＭは、走査型電子顕微鏡(ＳＥＭ)として知られている。ＳＥＭは、ラスターパターンとして知られている試料領域に渡ったパターンで、電子の微細集束ビームを用いて試料を走査することによって、試料の画像を生成している。電子は、試料を形成する原子と相互作用して、試料の表面形状(topography)、組成、及び、結晶方向や導電率などの他の特性に関する情報を含む信号を生じる。

一般的なＳＥＭでは、電子のビームは、電子銃から発生して、一般的には１ｋｅＶから３０ｋｅＶの間の加速電圧に保持されたアノード８へと加速される。しかしながら、より高い電圧値及び低い電圧値が多くの装置で用いられている。電子銃は、電子カラム、又は単に「カラム」と呼ばれている一連の集束レンズ及び偏向コイルの最初に配置される。一連の集束レンズ及び偏向コイルは、それらの軸が通常、鉛直なので、電子カラム、又は単に「カラム」と呼ばれている。その後、サンプルチャンバ又は単なる「チャンバ」が続き、それは、サンプルを収めており、様々な検出器、プローブ及びマニピュレータを収容している。電子は、すぐに空気に吸収されるので、カラムとチャンバの両方は真空にされる。しかしながら、場合によっては、サンプルチャンバは、ある分圧の乾燥窒素又は他のガスで充填されてもよい。電子は、タングステン又はＬａＢ６のようなフィラメントを加熱することで(熱電子放出)、強い電場で(冷陰極電界放出)、又は、それら２つの組合せによって(ショットキー放出)、最初に発生する。次に、電子は、「加速電圧」と呼ばれる高電圧に維持されたアノードに向けて加速される。その後、電子は、一連の(通常、電磁気の)集束レンズ及びスキャンコイルを含む電子カラムを通った経路を進んで、上記のように、(略１〜１０ナノメートルオーダーの)電子の微細集束ビームが作られて、ラスタ方式での走査がなされる。

Ｘ線を用いた元素分析専用である特定の種類のＳＥＭは、電子プローブマイクロアナライザ(ＥＰＭＡ)と呼ばれている。当然のことながら、ＥＰＭＡは、複数の波長分散型Ｘ線分光器を含んでいる。それらは、Ｘ線回折の原理を用いて、サンプルから放射されたＸ線を、それらの波長に基づいてソートする。波長分光器は、サンプルチャンバ内で相当な空間を必要とし、更に、ビーム−サンプル−分光計の正確なジオメトリを必要とするので、多くのＥＰＭＡでは、サンプルは、ＳＥＭの場合よりも、最終レンズから非常に遠い距離(４０ｍｍ)に配置されなければならず、画像解像度を犠牲にすることで、波長分光器によってもたらされるスペクトル分解の向上に対応している。

電子顕微鏡の最初の実現は、透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ)であった。この場合、電子ビームは、ＳＥＭで説明された方法と同様な手法で発生させられて、そのビームは、同様なレンズ配列によって焦束させられる。しかしながら、ＴＥＭにおいては、サンプルは、対物レンズ領域内にあり、送られるビームは、(同様に、一般に電磁気の)１又は複数の投射レンズを通過する。最も普通のＴＥＭ画像は、サンプルを透過する１次電子から形作られ、１次電子は、吸収及び回折によって影響される。ＴＥＭは、ＣＦＥＳＥＭよりも数倍優れており、熱電子放出に基づくＳＥＭよりも１桁以上優れた、０.２ｎｍオーダーの解像度をもたらすことができる。それらの欠点は、コストと、非常に小さくて、非常に薄いサンプルが必要なことにある。

また、走査型透過電子顕微鏡(ＳＴＥＭ)と呼ばれる、ＳＥＭ及びＴＥＭの特徴の一部を組み合わせた機器も存在する。

半導体及びナノテクノロジーの両分野にて、開発及び不良解析の両方において多用される別の装置は、電子ビームとイオンビームの両方を単一のサンプルチャンバに統合しており、電子ビームが、普通のＳＥＭ型イメージングに用いられる一方で、集束イオンビーム(ＦＩＢ)は、サンプルの粗い位置決めを必要とすることなく、サンプルのマイクロ領域の高解像度ミリング(high resolution milling)に使用される。このような装置は、デュアルビーム又はＦＩＢ／ＳＥＭと呼ばれている。大抵の場合、ミリングは、インサイチュで断面を作成し、磨くために用いられ、作成された切断面のＳＥＭ画像を得ることを可能にする。この装置では、ガス注入システムも加えられてよく、半導体又はナノ材料の設計者は、例えば、化学気相反応法と概念的に同様なプロセスを用いて、その場で構造を設計又は修正できることが可能となる。

これらの装置及び類似した全ての装置では、電子ビームが試料に当たると、ビームの電子の幾つか(１次電子)は、１次電子と試料の原子核の間の衝突で生じる弾性散乱によって、試料の外へと後方に反射／放出される。これらの電子は、後方散乱電子(ＢＳＥ)として知られており、試料について、原子番号と表面の情報の両方を提供する。その他の幾つかの１次電子は非弾性散乱を受けて、表面に非常に近い試料の領域から放出される２次電子(ＳＥ)を引き起こす。これにより、最高解像度で詳細な表面情報を伴う画像がもたらされる。サンプルが十分に薄く、入射ビームのエネルギーが十分に高い場合、幾つかの電子(透過電子又はＴＥ)は、サンプルを透過する。後方散乱電子と２次電子は、夫々、後方散乱電子検出器(ＢＳＥＤ)と２次電子検出器(ＳＥＤ)と呼ばれる１又は複数の検出器により収集され、それらは、電子を、試料画像を生成するために用いる電気信号に変換する。透過電子検出器(ＴＥＤ)は、同様のタイプであってよく、単に、長残光性蛍光体(long-persistence phosphor)でコーティングされたスクリーンであってもよい。

ＢＳＥ及びＳＥを画像化するのに用いられる大半の電子検出器は、エバーハートとソーンリー(Everhart, TE and RFM Thornley (1960),"Wide−band detector for micro−microampere low−energy electron currents", Journal of Scientific Instruments 37 (7)：246−248)が提案したように、シンチレータ、光ガイド(「光パイプ」とも呼ばれる)、及び光電子増倍管(ＰＭＴ)を組み合わせて使用する。シンチレータは、シンチレーションを呈する材料から製造される装置である。シンチレーションは、放射に反応した、通常、スペクトルの可視光、ＵＶ領域付近、又はＩＲ領域付近における光子の放射である。走査電子画像で用いられるシンチレータの重要な要件は、１００ナノ秒又はそれ未満のオーダーの速い減衰時間を有し、非常に速いビーム走査速度が用いられる場合でさえも(現代のＳＥＭにおいて、１００ナノ秒又はそれ未満のオーダーのピクセルドウェルタイム(pixel dwell time)が使用される)、それらが、画像が高い忠実性をもって(「不鮮明にならずに」(smearing))記録できることである。このことは、特に自動画像解析において重要であって、特長サイズ、形状及び位置が正確に算出される必要がある。適切なシンチレータ材料は、ＹＡＧ：Ｃｅ、ＹＡＰ：Ｃｅ、ＺｎＯ：Ｇａ等の無機物に加えて、幾つかのプラスチック蛍光材料(scintillators)を含んでいる。それにより、電子検出器のシンチレータは、電子衝突に応じて光(光子)を生成する。そして、光ガイドは、生成された光の幾らかのフラクション(fraction)を集めて、チャンバ又はカラムの外へとＰＭＴへ送る。光を検出するＰＭＴは、真空管装置であって、一般に１０００−１５００ボルトで動作する。従って、このような電子検出器において、シンチレータは、ＢＳＥ又はＳＥの衝突によって生じる光子を放出し、ＰＭＴは、光ガイドによって効率よく収集されて、送られた光のフラクションの存在を検出する。幾つかの文献において、これらの文献内の詳細な記載又は図面にて光ガイドを用いることが明確には示されているが、光ガイドは、具体的には取り上げられてはおらず、ＰＭＴ又はシンチレータの一体部分であると仮定される。しかしながら、光ガイドと、シンチレータへの光ガイドの取付けとは、装置の性能を決定する重要な役割を果たし、必要とされるその存在は無視できない。

現在の電子顕微鏡において、２次電子検出の主流の手法は、今まさに説明したエバーハート・ソーンリー(ＥＴ)検出器である。後方散乱電子検出器もまた、大抵の場合、「ＥＴ型」検出器と同様であって、シンチレータ−光ガイド−ＰＭＴ配列が用いられる。しかしながら、光ガイドがシンチレータに取り付けられる手法は、更に後述するように、２つの用途において大きく異なっている。ＢＳＥＤ、ＳＥＤ及びＴＥＤのＰＭＴは、ＥＭの真空チャンバの外側にある。何故なら、ＰＭＴは、全方向で数センチメートルオーダーのサイズを有する、かなり大きく、堅い装置のためである。その結果、各電子検出器は、真空チャンバ内に配置されたシンチレータと、光パイプ又は同様な光転送デバイスとを備えており、光パイプ又は光転送デバイスは、生成した光子のフラクションを、チャンバへのアクセスポートを通って真空チャンバの外側にあるＰＭＴに運び出す。

典型的なＳＥＭサンプルチャンバは、限られた数のアクセスポートを有しており、それらは、アクセサリ装置又はツールを収容するために利用される。アクセサリ装置又はツールには、例えば、１又は複数のエネルギー分散型Ｘ線検出器、波長分散型Ｘ線分光計、電子後方散乱回折装置、カソードルミネッセンス分光器、及びマイクロマニピュレータがあり、レーザー又はイオンビーム源が利用される場合には、２次イオン質量分析計又はラマン分光計がある。しかしながら、これらのアクセサリは、電子検出器のＰＭＴとポートの利用を取り合う。電子検出器は、総数としては幾つでも良く、ＳＥＤ、ＢＳＥＤ、低真空ＳＥＤ及びＴＥＤを含んでよい。ＳＥＭ内の全てのＰＭＴが取外しできる場合には、等しい数のポートが、さもなくば利用されないであろう更なる重要な分析ツールの取り付けのために利用可能となる。

ＳＥＤとＢＳＥＤは、検出される電子エネルギーの違いの結果として異なっている。ＳＥは、エネルギーが非常に低く、５０ｅＶ又はそれ未満として特徴付けられており、数百ボルトのバイアス電圧によって、検出器に引き寄せられて、次に、数千ボルトにバイアスされたシンチレータへと更に加速される。比較的低いバイアス電圧を介してＳＥの軌道に影響を与える機能は、サンプル側に検出器を配置することを可能にする。ＢＳＥは、ＳＥよりも高いエネルギーを有し、大半のＢＳＥは、１次ビームの加速電圧又はその付近のエネルギーを有し、それらの軌道は、１次ビームに衝撃を与えないような十分に低い電圧では影響を受けない。従って、ＢＳＥイメージングは、ラインオブサイト(line-of-sight)である。さらにまた、電子の入射が試料表面に対して垂直である典型的な場合、サンプル上の空間に分布したＢＳＥは余弦法則に従い、大部分の電子は、電子カラムの軸に沿って、又はその近くで後方散乱する。これらの要因によって、１次ビームが、ＢＳＥＤの中央の小さな開口(例えば、直径５ｍｍ)を通過できるように、ＢＳＥＤが、対物レンズの極片(pole piece)の直下に環状に配置されることが必要とされる。ＳＥＭにおいて、最高画質解像度を成し遂げるためには、サンプルは、対物又は「最終的な」レンズの極片にできるだけ近接して配置されなければならず、即ち、サンプルは、最も短い距離の「作動距離(working distance)」で撮像されなければならない。短い作動距離は、短いレンズ焦点距離を必要とし、さらには、高いレンズ電流を要し、収差を最小にして、解像度を改善する。従って、サンプルと最終レンズの極片の間、即ち、シンチレータと光パイプへの取付部との間の空間を占有するＢＳＥＤの部分は、できるだけ薄くしなければならない。シンチレータ−光ガイドの組合せにおけるこの要求の重要な意味は、シンチレータから放射された光子が、シンチレータディスクの端を通ってのみ集められることである。何故なら、光ガイドへと光子の向きを変えるのに必要とされるであろう光学部品を収容するために、シンチレータ上の空間は犠牲にできないためである。それ故に、これらのアセンブリの光ガイドは、その厚さによって、ディスクをつかむＣ字型のカップリングを介して、シンチレータの周囲とだけ結合するが、その背面(電子がシンチレータ衝突する表面と反対側の表面)とは結合しない。これにより、その他の最適化されたＢＳＥＤジオメトリについては、光収集効率の大幅な減少という結果となる。更に、光ガイドの反対側のシンチレータのディスク側で生成された光は、ＰＭＴに効果的に送られず、表面形状のバイアスが画像に常に生じることになる(カラム中心線の一方からの眺めが、画像を左右する)。それに比べて、ＳＥＤとして使用されるＥＴ検出器では、このような幾何学的及び空間的制限がないので、シンチレータディスクの裏面は、光ガイドの結合面に直接結合される。

第２のタイプのＢＳＥＤはフォトダイオードを用いており、それらは、最終レンズの極片の真下で、カラムの中心線回りに対称に配置される。このような検出器の利点は、個々のフォトダイオードがカラム中心線周りに「セクター(sectors)」に配置されることであり、１又は複数のセクターから集められた信号は、画像を作成するのに用いられる。中心線の一方の側だけのセクターが画像を作成するために用いられる場合には、表面形状のコントラストが際立ってしまうだろう。セクターの全てが用いられる場合には、表面形状は除去されて、画像は、組成のコントラストによって際立たせられるだろう。この重要な可能性があるにも拘わらず、シンチレータベースの装置は、しばしば、分割型フォトダイオード検出器に優先して選択される。何故なら、それらは、非常に高いゲインを有し、非常に速い走査速度で撮像できるからである。この場合、フォトダイオード検出器でもたらされる表面形状又は組成モードの選択の利点は失われる。

第３の(最も一般的でない)タイプの電子検出器は、マイクロチャンネルプレート(ＭＣＰ)であって、ＥＴ検出器とは異なりＳＥＭ内に完全に格納できるので、取付ポートの必要性がない。しかしながら、ＭＣＰは、一般的なＳＥＭの試料室よりも１又は２桁優れた、１０^−６ｔｏｒｒよりも高い真空レベルを必要する。さらに、ＭＣＰは遅く、現代のＳＥＭにおいて用いられる非常に短いドウェルタイム(高い走査速度)に対応できないという不利益をフォトダイオード検出器と共有している。

それ故に、電子検出器技術については、小さくて、低電圧で作動し、カラム又はサンプルチャンバ内で用いられることができ、セグメント化と高いゲインを同時に可能にし、複数の固有の場所にて使用され、外部からの手動又はソフトウェア制御によりインサイチュ(in-situ)に配置され、増加される他の分析ツール(電子検出でない)用に利用できるＳＥＭのアクセスポート数が増加されるという、大きな未解決の要請がある。それらはまた、光ガイドの必要性を取り除き、特に、コストと複雑さを減らして、効率を高めるという大きな利益を生じる。

ある実施形態では、複数のアセンブリを含む電子検出器が提供される。該複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと、第１シンチレータ材料で作られており、第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと第２シンチレータ材料で作られており、第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータとを有する第２アセンブリを含んでおり、第１シンチレータ材料及び第２シンチレータ材料は互いに異なる。

別の実施形態では、電子ビームを発生するように構成された電子源と、電子検出器とを含む荷電粒子ビーム装置が提供される。電子源は電子カラムに結合されており、電子カラムは、電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料に電子ビームを向けるように構成されたシステムを少なくとも部分的に収容する。電子検出器は、電子カラム又はサンプルチャンバ内に配置された複数のアセンブリを含んでおり、複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと第１シンチレータ材料で作られており、第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと、第２シンチレータ材料で作られており、第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータとを有する第２アセンブリを含んでおり、第１シンチレータ材料及び第２シンチレータ材料は互いに異なる。

さらに別の実施形態では、荷電粒子ビーム装置の電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料の像を生成する方法が提供される。当該方法は、電子ビームを発生する工程と、電子ビームを試料に向ける工程とを含み、試料に衝突する電子ビームに応じて複数の電子が試料から放出され、荷電粒子ビーム装置は電子検出器を含み、電子検出器は、電子カラム内又はサンプルチャンバ内に配置された複数のアセンブリを含み、複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと、第１シンチレータ材料で作られて、第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと、第２シンチレータ材料で作られており、第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータとを有する第２アセンブリを含み、第１シンチレータ材料及び第２シンチレータ材料は互いに異なり、該方法はさらに、第１ＳｉＰＭによって出力される第１信号又は第１ＳｉＰＭによって出力される第２信号の何れかに基づいて試料の像を生成するステップを含み、第１信号又は第２信号は、生成工程について、電子ビームの加速電圧に基づいて選択される。

さらに別の実施形態では、ＳｉＰＭと前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを含む電子検出器が提供される。シンチレータ部材は、シンチレータ部材の裏面がＳｉＰＭのアクティブ光検知面に向くように、ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、シンチレータ部材は、前面に衝突する１又は複数の電子に応じて裏面から複数の光子を放射するように構成され、ＳｉＰＭは、シンチレータ部材からの複数の光子を受け取ると、信号を生成するように構成される。

さらなる実施形態では、電子ビームを発生するように構成された電子源と、電子検出器とを含む荷電粒子ビーム装置を提供する。電子源は電子カラムに結合され、電子カラムは、電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料に電子ビームを方向付けるように構成されたシステムを少なくとも部分的に収容する。電子検出器は、ＳｉＰＭと前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを備え、シンチレータ部材は、シンチレータ部材の裏面がＳｉＰＭのアクティブ光検知面に対面するように、ＳｉＰＭのアクティブ光検知面上に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、シンチレータ部材は、前面に衝突する１つ以上の電子に応答して裏面から複数の光子を放射するように構成され、ＳｉＰＭは、シンチレータ部材からの複数の光子の受け取ると、信号を生成するように構成される。

さらに別の実施形態では、荷電粒子ビーム装置の電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料の像を生成する方法を提供する。当該方法は、電子ビームを発生するステップと、電子ビームを試料に向ける工程とを含み、試料に衝突する電子ビームに応答して複数の電子が試料から放出され、荷電粒子ビーム装置は電子検出器を含み、電子検出器は、ＳｉＰＭと、前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを備ており、シンチレータ部材は、シンチレータ部材の裏面がＳｉＰＭのアクティブ光検知面に向くように、ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、シンチレータ部材は、前面に衝突する１又は複数電子に応じて裏面から複数の光子を放射し、ＳｉＰＭは、シンチレータ部材から複数の光子を受け取ると、信号を生成し、該方法はさらに、信号に基づいて試料の像を生成する工程を含む。

本発明のこれら及びその他の目的、特徴及び特性に加えて、関連した構成要素の動作方法及び作用と、製造における部品の組合せと経済性は、添付図面と共に以下の説明及び添付の請求の範囲を参照することによって明らかになるであろう。同じ参照番号は、種々の図面にて対応する部分を示す。しかしながら、図面は、例示と説明を目的としてだけ用いられ、本発明の限定の定義として意図されていないことは、明らかである。

図１は、本発明の１つの例示的な実施形態におけるＳＥＭの概要図である。

図２は、図１のＳＥＭの部分の概要図であり、図１のＳＥＭの電子検出器の一部を形成しているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリの例示的な実施形態を示す。

図３は、図２のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリの一部を形成する典型的なマイクロセルの概要図である。図４は、図２のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリのＳｉＰＭの一部を形成する典型的なマイクロセルの概要図である。

図５は、一実施例に基づいた図２のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリの回路図であって、複数のマイクロセルを示している。

図６Ａ及び図６Ｂは、図１及び図２に示す電子検出器の実施例を用いて、１ピクセルにつき１００及び５００ナノ秒で夫々収集されたコンピュータ描画画像である。

図７は、一実施例に従った、図２のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリのＳｉＰＭの動作を例示している概要図である。

図８は、環状の後方散乱電子検出器として、図１のＳＥＭにおいて用いられ得る電子検出器の１つの特定の実施形態の平面図であって、極片の真下に取り付けられており、環の中心は、電子カラムの中心線上に配置されている。図９は、環状の後方散乱電子検出器として、図１のＳＥＭにおいて用いられ得る電子検出器の１つの特定の実施形態の底面の等角図であって、極片の真下に取り付けられており、環の中心は、電子カラムの中心線上に配置されている。図１０は、環状の後方散乱電子検出器として、図１のＳＥＭにおいて用いられ得る電子検出器の１つの特定の実施形態の底面の拡大図であって、極片の真下に取り付けられており、環の中心は、電子カラムの中心線上に配置されている。

図１１は、図１のＳＥＭにおいて用いられる電子検出器を形成するために使用され得る代替可能なＰＣＢアセンブリの概要図である。図１２は、図１のＳＥＭにおいて用いられる電子検出器を形成するために使用され得る代替可能なＰＣＢアセンブリの概要図である。図１３は、図１のＳＥＭにおいて用いられる電子検出器を形成するために使用され得る代替可能なＰＣＢアセンブリの概要図である。

図１４は、後方散乱電子検出器として図１のＳＥＭにおいて使用され得る別の特定の実施形態の電子検出器の平面図である。

図１５は、別の例示的な実施形態に基づいた小型電子検出器の概要図である。

図１６は、図１５の小型電子検出器(２個のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリだけを用いる)が、ＳＥＭにある機械式位置決めデバイスの端部に取り付けられている模様の概要図である。図１７は、図１５の小型電子検出器(２個のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリだけを用いる)が、ＳＥＭにある機械式位置決めデバイスの端部に取り付けられてている模様の概要図である。

図１８は、ＳｉＰＭを冷却することによって、最適な性能に構成される後方散乱電子検出器として図１のＳＥＭで使用できる別の代替的な実施例による電子検出器の正面図である。図１９は、ＳｉＰＭを冷却することによって、最適な性能に構成される後方散乱電子検出器として図１のＳＥＭで使用できる別の代替的な実施例による電子検出器の等角図である。

図２０は、図１８と図１９の電子検出器のＰＣＢアセンブリの等角図である。

図２１は、図１のＳＥＭのカラム又は対物レンズ内におけるＳｉＰＭベースの検出器が取ることが可能な複数の位置及び構成を示す。

図２２Ａは、一般的な４００メッシュのＥＭニッケルグリッドを示す概要図である。図２２Ｂは、一般的な４００メッシュのＥＭニッケルグリッドを異なる角度で示す概要図である。

図２３Ａは、本発明の他の実施例による複合ＥＤＸ−ＢＳＥＤシステムの１つの実施態様を示す正面図であり、図２３Ｂは図２３Ａの線２３Ｂ−２３Ｂに沿った断面図である。

図２４Ａ及び図２４Ｂは２つのコンピュータ描画画像であって、図２４Ａの画像は、図２３Ａ及び図２３Ｂで示された電子トラップ上に取り付けられたシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対ベースの電子検出器を有するＳＥＭを用いてサンプル表面を撮ったものであり、比較として、図２４の画像は、(全領域を用いて、組成モードで)環状フォトダイオード検出器で撮ったものである。

図２４Ｃ及び図２４Ｄは２つのコンピュータ描画画像であって、視野方向の表面形状の特徴によって生じ、ラインオブサイト検出器によって発生するシールド効果をしている。

図２５は、ＳｉＰＭベースの電子検出器を含む図１のＳＥＭのＸ線検出器の他の実施例の概要図である。図２６は、ＳｉＰＭベースの電子検出器を含む図１のＳＥＭのＸ線検出器の他の実施例の概要図である。図２８は、ＳｉＰＭベースの電子検出器を含む図１のＳＥＭのＸ線検出器の他の実施例の概要図である。ＳｉＰＭベース電子検出器を含む図１のＳＥＭのＸ線検出器のさらなる代替的実施形態の概略図である。

図２９は、本発明の代替的な例示の実施態様によるＳＥＭの概要図である。

図３０は、本発明のさらなる実施形態に係る、異なるシンチレータ材料を使用した電子検出器の概要図である。図３１は、本発明のさらなる実施形態に係る、異なるシンチレータ材料を使用した電子検出器の概要図である。

図３２は、所与の厚さのシンチレータについて、その正方形表面の様々な辺寸法に対する収集効率を示すグラフである。

図３３は、本発明のさらなる代替的な実施形態に係るシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対の概要図である。

本明細書で用いられるように、「ａ」、「ａｎ」や「ｔｈｅ」などの単数形は、文脈が明確に示さない限り、複数形を含む。本明細書で用いられるように、２つ以上の部品又は構成部材が「結合される」という表現は、それら部品が接続されるか、直接に、又は、間接的に、即ち、リンクするように１又は複数の中間部品又は構成部材を介して、一緒に作動することを意味する。本明細書で用いられるように、「直結」は、２つの構成部材が、互いに直接に接続するか、或いは、その間に他の中間構成部材、部品又は構成部材がなく、結合／接続材料又はカップリング剤によって、互いに結合される。本明細書で用いられるように、「固定して結合される」又は「固定される」は、２つの構成部材が、互いに対して一定の方向を維持しながら、一体となって移動するように結合されていることを意味する。本明細書で用いられるように、第１のアイテムが第２のアイテムに「基づく」なる表現は、第２のアイテムが、第１のアイテムに対して直接的又は間接的に(例えば、１又は複数の中間の計算及び／又は変換を介して)基礎として働くことを意味する(単独、又は１又は複数の追加アイテムを組み合わせてもよい。即ち、第１のアイテムは、第２のアイテムに単独で、又は第２のアイテム及び第３のアイテムの基礎となることができる)。

本明細書で用いられるように、「一体」という語は、構成要素が、単片又はユニットとして作られることを意味する。即ち、別々に作成され、次に、ユニットとして共に連結される部品を含む構成要素は、「一体的」な構成要素又はボディではない。本明細書で用いられるように、２つ以上の部品又は構成要素が互いに「係合する」との表現は、それら部品が、直接に、或いは、複数の中間物を介して、互いに力を加えることを意味する。本明細書で用いられるように、「数」という語は、１又は１より大きい整数(即ち、複数)を意味する。

本明細書で用いられる方向の語句、例えば、上、下、左、右、上方、下方、前、後及びそれらの派生語は、例示であって限定するものではなく、図面に示される要素の方向に関しており、明示されない限り、請求の範囲を限定するものではない。

図１は、本発明の１つの例示的な実施形態に従ったＳＥＭ(1)の概要図である。ＳＥＭ(1)は電子カラム(2)を含んでいる。電子カラム(2)は、通常、鉛直に配置されて、サンプルチャンバ(3)に結合される。電子カラム(2)及びサンプルチャンバ(3)は、本明細書において、一纏めにして真空ハウジングと称することがあり、ポンピングマニホルド(4)を介して、真空にされる。場合によっては、サンプルチャンバ(3)は、単に「チャンバ」と、及び電子カラムは、単に「カラム」と称することがある。何れかが単独で言及される場合、それは真空ハウジング全体にも適用されることがある。電子源(6)を備える電子銃アセンブリ(5)は、カラム(2)の頂部に設けられる。電子源(6)は、カラム(2)内で、電子ビーム(7)を発生するように構成されており、ビームはサンプルチャンバ(3)内の経路を沿ってサンプル(13)へと進んで、最終的に、サンプル(又は試料)(13)に向けられて、当てられる。ＳＥＭ(1)は、カラム(2)内に、１又は複数の集光レンズ(9)を更に含んでおり、それらは、「１次ビーム」と呼ばれる１次電子のビーム(7)を所定の径に収束させ、ビーム強度、即ち「プローブ電流」は、ビーム直径によって、強く増加する。ＳＥＭ(1)のカラム(2)はまた、偏向(スキャン)コイル(10)と、極片として表される対物レンズ(12)とを含んでおり、更に電子ビーム(7)を小径に収束する。それにより、電子ビーム(7)は、選択された作動距離(11)(即ち、対物レンズ(12)の極片の底部とサンプル(13)の表面の間の距離)で、サンプル(13)上にて収斂できる。サンプル(13)は、サンプルステージ(14)(又は試料ホルダ)の作用によって、幾つかの軸(通常、Ｘ−Ｙ−Ｚ−傾斜−回転)で位置決め可能である。スキャンコイル(10)は、電子ビーム(7)を偏向させて、サンプル(13)の表面にＸ−Ｙ軸のラスタースキャンを生じる。図示の実施形態では、ＳＥＤ検出器(15)のような少なくとも１つのＥＴ検出器が存在しており、アクセスポートを介して、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)に入る。このような検出器(15)は、制御システム(16)(適切な電子処理回路から構成される)に電気信号を提供し、制御システム(16)は、次に、ディスプレイシステム(17)上に、２次電子画像を作成する。

本発明の１つの例示的な実施形態による電子検出器(18)は、サンプルチャンバ(3)内の対物レンズ(12)の極片の下側に配置される。例示的な実施形態の電子検出器(18)は、サンプルステージ(14)のサンプルチャンバ(3)内に配置されたサンプル(13)から後方散乱した電子(19)を検出するように構成されている。しかしながら、本明細書の他の箇所で説明されているように、電子検出器(18)は、サンプル(13)から発生した２次電子をモニタするように最適化及び/又は配置されてよい。電子検出器(18)は、電子を検出するために、少なくとも１つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)(図２)を用いる。電子検出器(18)と、図１にて破線で示す、それを囲う領域とが、図２にて拡大して図示される。

図２を参照すると、例示的な実施形態では、以下で詳細に説明するように、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、光透過性接着剤(22)によって、少なくとも１つのシリコン光電子増倍管(21)(ＳｉＰＭ)に直接結合されたシンチレータ(20)を含む。光透過性接着剤(22)としては、例えば、光学接着剤(optical glue)、侵入油(immersion oil)、又は他の似たようなカップリング剤が挙げられる。シンチレータ(20)の放出領域のために高い透過率を有し、フレネル反射損失を小さくするために、屈折率ができるだけ基板に近い接着剤(22)が選択される。シンチレータ(20)は、これらに限定されるものではないが、イットリウム・アルミニウム・ガーネット(ＹＡＧ)、イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト(ＹＡＰ)、ＺｎＯ、ＳｎＯ_２、若しくはＺｎＳ系の材料、又は、プラスチックシンチレータなどの任意の適当なシンチレータであってよい。例示の実施形態においては、シンチレータ(20)には、ＹＡＧ：Ｃｅシンチレータであり、ＥＰＩＯｐｔｏｃａｓｔ３５５３−ＨＭが、光透過性接着剤(22)として選択されている。

図２に示すように、シンチレータ(20)は、サンプル(13)の表面を視点として見た前面(26)と、反対側の後面(27)とを含む。典型的な非限定の実施例において、シンチレータ(20)は、側面(端部)(28)を有する矩形直方体であるが、他の形状のシンチレータであってもよい。図２に示されているように、例示的な実施の形態において、電子(例えば、後方散乱電子)がシンチレータ(20)の前面(26)に当たるように、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(18)が構成される。当該技術分野において周知のように、ＳｉＰＭ(21)は、一光子の分解能(single photon resolution)で、幾つかの光子からなる閃光を検出できる固体状態の装置である。ＳｉＰＭ(21)は、数百から数千もの小さく、独立した同一の検出要素(25)からなり、それらは、一般にマイクロセルとして知られている。各々には、図３に示されたデバイスの実施例のように、通常、正方形で、一辺は数十ミクロンであり、例えば４５０ミクロンのウェーハ厚の共通の１枚のシリコン基板上に並列に接続される。検出要素(25)は、ＳｉＰＭ(21)(図２)の光検知面(29)を形成する。各検出要素／マイクロセル(25)は、例示的な実施形態では、シリコン基板上に、リソグラフィクに作製された受動クエンチガイガーモードアバランシェフォトダイオード(passive-quenched Geiger-mode avalanche photodiode)(ＡＰＤ)である。通常、矩形のマイクロセル(25)の各辺は、２５〜１００ミクロンのオーダーにされる。マイクロセルのサイズがより小さくなると、マイクロセルの密度が高くなって、より広いダイナミックレンジがもたらされる(より高いカウント率が、与えられたバイアス電圧で測定できる)。しかしながら、マイクロセルの数の増加は、マイクロセルの間においてそれらを囲む「デッドスペース」を増やして、ひいては、「フィルファクタ」(実際に光に反応する装置の有効領域の割合)を低下させて、その結果として、低効率となる。５０ミクロンのマイクロセルのサイズでは、フィルファクタが０.５で、密度は４００/ｍｍ^２である。２５ミクロンのセルを用いたＳｉＰＭは、１６００/ｍｍ^２の密度で、現在作製されている。各マイクロセル(25)は、リソグラフィの中で集積される大きな直列のポリシリコン抵抗器(33)(図３)を介して、他のマイクロセル(25)に対して並列に接続される。図４は、例示的な実施の形態に従ったマイクロセル(25)のより一般化した概要図であって、反射防止被膜層(32)、金属コンタクト(33)、ＳｉＯ_２層(35)、ガードリング(37)、その金属コンタクト(39)を示す。

各ＳｉＰＭ製造業者は、独自の設計を有しているであろうが、浅い接合技術(ＳｉＰＭデバイスがｐ接合部上の浅いｎ＋を有することを意味する)は、ＹＡＧ：Ｃｅシンチレータの特性のような緑の発光に対する通常の高感受性に加えて、光スペクトルの青色域にて高い量子効率を与える。このＳＪ−ＳｉＰＭ技術は、ＹＡＧ：Ｃｅの減衰時間よりも短い減衰時間を有するシンチレータが、本明細書で説明されているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)で用いられることを可能とする。それは最終的に、電子ビームの最も短いドウェルタイムに合わせることが可能な装置を提供するために必要とされるであろう。このような短いドウェルタイムは、ビームに反応する(beam sensitive)サンプルのために必要とされ、迅速な自動特徴解析が必要である場合、処理量を増加する。ＹＡＧ：Ｃｅシンチレータは、５５０ナノメートル付近の波長(緑色光)を放射し、８０ナノ秒オーダーと報告されている回復時間を有する。ＹＡＰ：Ｃｅ(Ｃｅドープされたイットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト)シンチレータは、３８５ナノメートルの波長領域(スペクトルの紫領域の方であり、ＵＶ領域付近)で放射し、２０ナノ秒オーダーであることが報告されている。ＺｎＯ：Ｇａシンチレータは、ＹＡＰ：Ｃｅと同様の領域で放出し、ＹＡＰより１桁速く、２ナノ秒であることが報告されている。従来のＥＴ検出器内でのＹＡＰ又はＺｎＯシンチレータの使用は、問題があったであろう。何故なら、４００ナノメートル付近の放出波長は、光ガイドが、可撓性アクリルよりも水晶でできている事を必要とするからである。検出器の設計者の大半は、通常、可撓性アクリルを好む。

ＳｉＰＭは、１９９０年代に開発され、光子計数の用途として主としてロシアで用いられていた(B. Dolgoshein, et al, "Nuclear Instruments and Methods in Physics Research" A 563 (2006) 368−376)。ＳｉＰＭは、半導体の小型で低電圧な装置であり(ＰＴＭの数百又は数千ボルトと比較して数十ボルトである)、磁場の影響を受けない。これらの装置の開発における最近の新たな関心は、プロトン放射断層撮影(ＰＥＴ)と核磁気共鳴画像(ＭＲＩ)装置とを組み合わせて使用する場合に、磁場の影響を受けない電子倍増技術を必要とすることによって動機づけられた。

しかしながら、電子顕微鏡法の撮像素子としてＳｉＰＭを用いることは、本発明より以前には、光子計数装置開発及び医学画像の分野、又は電子顕微鏡法の分野の開発者の何れによっても検討されていなかった。医療用画像装置のＰＭＴを超えるＳｉＰＭの利点は、単一光子の計数が当該分野における開発の要請及び焦点の両方であって、電子顕微鏡において、小さく、低電圧で、速く、可動性があって、効率的な電子検出装置として、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対の開発を予測するに至らなかった。

空乏領域の幅が非常に小さく、ガイガー型放電が極めて短いことから、ＳｉＰＭは、本質的に速い装置であって、１００ナノ秒オーダーの回復時間を有する。シングルセルのパルス減衰時間は更に、クエンチ(quench)抵抗の値とセルの容量とにより決定される(図５参照、図５は、複数のマイクロセル(25)を示したＳｉＰＭ(21)の回路図である)。クエンチ抵抗に依存していることは、ＳｉＰＭの速度を更に上げることについて、可能な１つの方向性を与える。ＰＭＴと比較して、それらは非常に小さく、より耐性があり、動作に低電圧だけを必要とし、マイクロマニュピュレータ、又は他の適切な幾つかの機械的位置決め機構を用いて、インサイチュに位置決め可能である。既に述べているように、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の速度を改良する他の可能性な別の拠り所は、より速いシンチレータを使用することである。最初の試験は、しかしながら、ＳｉＰＭ(21)がＹＡＧ：Ｃｅシンチレータ(20)に直接結合しているような、本明細書に説明されているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を有する現在の電子検出器(18)であっても、非常に速い走査速度で画像を提供できることを示している。図６Ａ及び図６Ｂは、夫々、１ピクセル当たり１００及び５００ナノ秒で、電子検出器(18)を用いて、収集されたコンピュータ描画画像である(ＨＶ２０ｋＶ、ビーム電流９.７ｎＡ、ＷＤ５ｍｍ)。

さらに、バルクフォトダイオードと比較すると、ＳｉＰＭは、より速く、１ピクセル当たり１００ナノ秒オーダーのドウェルタイムに合わせることができる。ＭＣＰと比較しても、それらは、上述した速度の優位性を有しており、低真空環境又は大気中でさえも動作できる。

プロポーショナルモード、即ち、デバイスのブレークダウン電圧に近いが、それより下の比較的高い電圧で使われる場合、領域が広い単一のアバランシェフォトダイオード(ＡＰＤ)が、ＢＳＥイメージング用に使用できることが知られている。エネルギー電子が検出器に吸収される場合、それらは電子正孔対を生成し、それらは、その後、ディスプレイの輝度を調整するために使用される出力電流をもたらす。比較的高い逆バイアスは、生成された電子(正孔ではない)を、それら自身が衝撃イオンを生成できるように十分に加速し、アバランシェを起こす。このモードでは、ＡＰＤは、１０から数百の間のゲインを有する一方で、入射事象の数とデバイスの出力電流との間の比例関係、ひいては、ディスプレイ上の画像輝度をなお維持する。しかしながら、大きな装置サイズとその容量に加えて、さらに電子回路を集積する必要から、デバイスは比較的遅くなってしまい、それ故に、最新のＳＥＭ(１００〜５００ナノ秒のドウェルタイムでよく作動され、極限速度は、１ピクセル当たり２０〜５０ナノ秒の範囲である)の短いドウェルタイムでは使用できなくなる。

ＡＰＤが、限定ガイガーモード(limited Geiger mode)で用いられる場合、即ち、ブレークダウン電圧より１０〜２５％上で駆動された場合、それはＳＰＡＤ(シングルフォトンアバランシェフォトダイオード)と呼ばれる。この動作モードでは、生成された電子と正孔の両方は、引き続いてイオン化をもたらすのに十分なエネルギーを有しており、自己伝播連鎖反応(self-propagating chain reaction)が起こる。約１０^６の非常に高いゲインが、実現される。このモードでは、しかしながら、シングルイベントは、完全なアバランシェ、即ち、デバイス内での飽和を引き起こす。デバイス内のシングルイベントから生じる電流は、複数イベントから生じるものと同じである。その結果、デバイスは、バイナリとなって、有用な画像を作成できない。Ａｕｌｌ等の「"Geiger−Mode Avalanche Photodiodes for Three−Dimensional Imaging," Lincoln Laboratory Journal, Volume 13, Number 2, 2002」では、アバランシェを遮断(又は「クエンチ」)して、ＡＰＤが他のイベントを検出できるようにするために、ＡＰＤは、「受動的」又は「能動的」の何れかでクエンチされる。(図５の略図に示されているような)受動クエンチ(passive quenching)では、Ａｕｌlにて述べられているように、デバイスは、ブレークダウンより上のあるバイアスまで荷電されて、開回路にされる。オンになると、ＡＰＤは、ブレークダウン電圧よりも上でなくなって、アバランシェが消失するところまで、自身の容量を放出する。能動クエンチ回路(active quenching circuit)は、ＡＰＤが自己放電を開始する時を検知して、シャントスイッチによって、ブレークダウンより下へと、急速にそれを放出する。アバランシェをクエンチする充分な時間の後、それは、スイッチを用いて、ＡＰＤを急速に再充電する。

本願明細書にて他の箇所で議論されているように、ＳｉＰＭ、例えばＳｉＰＭ(21)は、リトグラフィカルに製作されたデバイスであり、限定ガイガーモードで駆動される複数のＳＰＡＤマイクロセル(25)を単一のシリコン基板上に含み、各マイクロセル(25)は、通常、２５〜１００ミクロン平方であって、受動クエンチ抵抗(図３及び図４)を有している。ある製造業者の５０ミクロンのセルを用いた典型的なデバイスは、４００／ｍｍ^２のセル密度を有する一方で、２５ミクロンのセルを有するデバイスは、１６００／ｍｍ^２の密度を有する。各セルは、受動クエンチされた個別のデバイスについて、上述したように正確に働く。しかしながら、ＳｉＰＭでは、１つのイベントは、１つのセルにてアバランシェをトリガするが、同時に起こったイベントは、別のアバランシェをトリガして、全てのセルの出力が、一緒に合計される。

図２を再度参照すると、複数の後方散乱電子(19)の１つの後方散乱電子が、シンチレータ(20)に当たると、複数の光子(30)が発生する。次に、ＳｉＰＭ(21)に向かう各光子(30)は、ＳｉＰＭ(21)の別々のマイクロセル(25)に当たって、１対の電子−正孔を生成する可能性が高い。各キャリア、即ち電子と正孔は、それ自身が１対の電子正孔を生成するために充分なエネルギーを有しており、アバランシェが起こる。これは、各マイクロセル(25)内で、１，０００，０００オーダーのファクタで、光子(30)によって発生される１つのキャリアを増幅する。マイクロセル(25)のアバランシェによって生じる電流は、光子(30)のエネルギーから独立しており、それはセンサによって発生した電荷の量子(quantum)である。ｎ個の光子(30)が、ＳｉＰＭ(21)に到達するならば、上述の機構は、光子(30)が当たる各マイクロセル(25)で発生する。センサにより伝達される電荷は、故に、量子パケットのｎ倍となる。この機構を利用して、ＳｉＰＭ(21)の出力信号は、単一光子分解能で光強度に比例している。このプロセスは、図７に図示されている。

このようにして、限定ガイガーモード(ＳＰＡＤ)で作動されるＡＰＤのゲインが実現される一方で、同時に、入射事象の数に対するデバイスの出力電流の比例関係が維持される。各マイクロセル(25)は、バイナリデバイスとして動作するが、ＳｉＰＭ(21)自体は、アナログ検出器である。活性化するセルの数は、事象の強度が高くて、全てのセルが活性化して飽和に至るまで、入射事象に比例する。ダイナミックレンジは、マイクロセル(25)が多数であるので基本的に高いが、効率を犠牲にして、マイクロセル(25)をより小さくして密度をより高くすることによって増加できる。実際には、飽和に至ると、１次電子ビーム電流が減少して、画像解像度が増加するという付随した利点がある。

シリコン光電子増倍管は、マルチピクセル光子検出器(ＭＰＰＤ)、マルチピクセル光子計数器(ＭＰＰＣ)、マルチピクセルアバランシェフォトダイオード(ＭＡＰＤ)、及び他の様々な名称で知られている。

図２に示すように、典型的な構成において、シンチレータ(20)の後面(26)は、光透過性接着剤(22)によって、ＳｉＰＭ(21)の光検知面(29)に直接結合される。従って、前面(26)に当たった電子に反応してシンチレータ(20)で発生して、後面(27)の方に向かう光は、ＳｉＰＭ(21)の光検知面(29)に入射する。本明細書の他の箇所で述べたように、ＳｉＰＭは、１ｍｍ平方から１ｃｍ平方であって、厚さ約０.５ｍｍの比較的小さなデバイスである。さらに、シンチレータ(20)は、０.５ｍｍから５０ミクロンの範囲の厚さで、ほぼ一致する面積で作製されてよい。従って、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を、薄いＰＣＢ(23)上に置くことができ、総厚さが数ｍｍであるデバイスがもたらされる。その結果、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は薄いデバイスになって、ＳＥＭ(1)等のＥＭにおいて、サンプル(13)と対物レンズ(12)(「最終レンズ」)との間の領域内に収めることができ、短い作動距離(11)を用いる能力を維持できる。この固有の能力の重要な特徴は、ＳiＰＭ(21)と面同士で(face to face)直接接触することによって、従来のシンチレータ−光ガイドの組合せで必要とされるスルージエッジ(through-the-edge)技術よりも、シンチレータ(20)からの光がより効率的に送られることである。

図１を再度参照すると、電子検出器(18)(例示的な実施の形態では、ＢＳＥＤである)は、サンプルチャンバ(3)に設けられた真空フィードスルー(feed−through)(36)を通過するワイヤ(34)(例えば、バイアス線、信号線及び接地線)を介して制御システム(16)に繋がれる。真空フィードスルー(36)は、非常に小さくでき、本明細書に記載された他のタイプの検出器及び／又はビーム源を取り付けるためには用いられていないサンプルチャンバ(3)(又は、カラム(2))の部分に配置される。ＳＥＭ(1)の電子ビーム(7)が、試料(13)の微小領域に衝突すると、電子が、その場所から放射されると共に(ＳＥ)、電子が、後方散乱される(ＢＳＥ)。与えられた１次ビーム電流と電圧に対して、電子の強度は、とりわけ、表面形状と元素組成に依存する。本明細書の他の箇所で記載されているように、十分なエネルギーの電子が、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)のシンチレータ(20)に衝突すると、光量子(30)が放射されて、幾つかは、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)のＳｉＰＭ(21)に入射する。結果として生じた出力電流は、シンチレータ(20)で放射された光強度に比例しており、さらには、シンチレータ(20)の前面(26)と衝突する瞬間的な電子強度に比例している。例示的な実施の形態では、ＳｉＰＭ(21)の出力電流は、トランスインピーダンスアンプ(ＴＩＡ)に提供される。それは、同じＰＣＢ(23)上に置かれるか、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)付近に近接して配置され、接続されているが別個のＰＣＢ上に取り付けられるか、又は、フィードスルー(36)の真空側に直接取り付けられてよい。ＴＩＡは、ＳｉＰＭ電流を電圧パルスに変換する。上述した全ての実施の態様では、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)内のＴＩＡの配置は、多数のノイズ生成装置や電源に曝され得るサンプルチャンバ(3)又はカラム(2)の外側に配置される場合よりも、ノイズが更に低い環境の利益を得られる。好ましい構成では、ＴＩＡの出力は、マルチピン真空フィードスルーの真空側に接続される。サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)の内側へ配置することが制限される場合、ＴＩＡの配置は、実際には、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)の外側にされてよい。次に、ワイヤ(37)が、制御システム(16)へ入力を提供し、その信号は、デジタル化されるか、直接用いられて、ディスプレイシステム(17)のモニタの輝度が調整される。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)からの信号は、１次電子ビーム(7)のピクセル毎のラスタースキャンと同期して測定される。このようにして、サンプル(13)の走査領域の画像が作成される。結果として生じる画像の倍率は、獲得した画像の長さ寸法(linear dimension)と入射電子ビーム(7)によって走査されたサンプルにおける対応する寸法との比である。従って、本発明の１つの形態によれば、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、ＳＥＭ(1)にて発生した後方散乱電子(ＢＳＥ)の瞬間的な電子強度を測定するために用いられる。

本明細書の他の箇所で記載されているように、ＳｉＰＭ(21)でもたらされる重要な利点は、高いゲイン、小さなフォームファクタ(form factor)、及び低動作電圧(ＰＭＴにおいて典型的な１ｋＶに対して、３５Ｖ)を含んでいる。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)に取り付けられたＰＣＢの小さなフォームファクタは、本発明において特に重要である。それによって、複数のアセンブリが、チャンバのアクセスポートを用いる必要なく、ＳＥＭ(1)のカラム(2)又はサンプルチャンバ(3)内の主要な場所に配置できるからである。このことは、次の２つの効果を呈する：１)ＳＥＭ(1)内にてサンプルの複数のイメージング視点を可能として、ＳＥＭ(1)によって提供される情報内容が改善される。２)それは、従来技術ではＰＭＴによって塞がれていたであろうポートを、他のタイプの検出器又はマニピュレータの使用のために解放する。また、上述したように、これは、電子検出器(18)を、サンプル(13)と対物レンズ(12)の極片の間の領域に配置することを可能とする一方で、短い作動距離(11)を維持する。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、光ガイドと、それに関連した費用の必要性とを取り除く。さらに、本明細書の他の箇所で記載されているように、従来技術のように、シンチレータ・ディスクの端を通った接続に制限されておらず、シンチレータ(20)の後面(27)は、光透過性接着剤(22)の薄膜によって、ＳｉＰＭ(21)の光検知面(29)と面同士で直接結合しており、光収集効率の増加が達成される。従来技術では、１５ｍｍ径で、１ｍｍ厚さのシンチレータの端部を通って、光ガイドによって集められる光の量は平均して、シンプルなデザインのディスク内で発生した光の僅か５〜７％となる一方で、デザインとカップリングの注意深い最適化は、略１５％平均まで効率を改良する。しかしながら、光が、同じディスクの後面全体から取り出されるならば、効率は６０％に改善されるであろう。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の場合、後部全体が、収集のために常に使われる。従って、最終レンズの極片の下側に最適に配置された場合、与えられた面積について、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、さらに４倍効率的になる。

上記の例示的な実施形態では、電子検出器(18)が後方散乱電子をモニタするために最適化されているが、電子検出器(18)は、２次電子をモニタするためにも最適化されてよいことは理解されよう。大抵の場合、ＳＥＭは、２つ以上の電子検出器を含んでおり、各々は特定の方法で最適化される。２次電子と後方散乱電子とのエネルギー差のため、異なる検出器構成が、２つの信号のために必要とされてよく、最終画像は、異なる情報内容を含む。本明細書の他の箇所に述べられているように、ＳＥＤは、検出器に向けてサンプル表面からＳＥを引き出し、それらを十分なエネルギーに加速して、シンチレータを活性化するのにバイアス電圧を必要とする。しかし、この機能を与えることで、バイアス電圧はまた、検出器への視線を有さないサンプルの領域から、表面形状の特徴部の周辺で低エネルギー電子を曲げることができる。後方散乱電子は、１次ビーム(7)のエネルギーまでで、非常に高エネルギーであり、バイアス電圧の必要性を取り除いて、陰影情報を保持して、サンプルの表面形状を表す画像をより確実に作成する。

図１に示すように、ＳＥＭ(1)も、Ｘ線検出器(38)を含む。ＢＳＥ信号の強度は、サンプル(13)の原子番号(Ｚ)に強く関連する。故に、ある実施例では、後方散乱電子を集めるように構成された電子検出器(18)によって集められたＢＳＥ信号は、直接的な元素分析を提供するＸ線検出器(38)を補うために用いられる。

ＢＳＥＤは、通常、ＳＥＭの対物レンズの極片の下側に配置され、可能な限り近接した環状のデバイスである。この構成は、サンプルを短い作動距離で配置することを可能とし、それによって、サンプルから検出器までの９０°近い視線を保持すると共に、高い画像解像度と高いＢＳＥ強度を提供する。図８、図９及び図１０は、それぞれ、平面図、底面図、及び拡大図であり、ＳＥＭ(1)においてＢＳＥＤとして用いられる電子検出器(18)の１つの特定の実施例を示している。

この実施例では、電子検出器(18)は、サンプルチャンバ(3)(又はカラム(2))内に、電子検出器(18)を取り付けるために用いられる取付ブラケット(44)を含む。ＰＣＢアセンブリ(46)は、取付ブラケット(44)の遠位端に取り付けられる。ＰＣＢアセンブリ(46)は、電子ビーム(7)が電子検出器(18)を通過して、サンプル(13)に到達できるように構成された開口部(50)を有する基板(48)を含んでいる。図示の実施例では、開口部(50)は円形であって、ＰＣＢアセンブリ(46)の遠位端は、略環状であるが、矩形又は四角形でもよい。１つの特定の例示的な実施の形態において、ＰＣＢアセンブリ(46)は、入射した後方散乱電子、又は２次電子による帯電を防ぎ、必要なグランド接続及びバイアス電圧を持つように構成されている。

図８及び図９に示されるように、電子検出器(18)の実施例は、本明細書の他の箇所で説明しているような、基板(48)の底部に設けられた４つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)(例示的な非限定の実施形態ではＹＡＧ：Ｃｅシンチレータを備える)を含んでいる。特に、２つの１ｍｍ^２シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、１つの軸上で互いに対向して設けられており、そして、最初の軸に対して９０°の軸にて、２つの１６ｍｍ^２(４ｍｍｘ４ｍｍ)シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、互いに対向して設けられている。しかしながら、ある実施例では、このコンセプトは、様々な数の独立したデバイスと、略１ｃｍ^２までの範囲のサイズに及ぶことが理解されるであろう。加えて、垂直な電子ビームのサンプル(13)上への入射と合わせて用いられる場合、この種の対称形の空間は、片寄りのない表面形状の図を提供する。

導電トレース(52)は、基板(48)の底面に設けられており、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)への電気的な結合を行う。また、図８に示すように、ワイヤ(54)は、基板(48)の上面を進み、制御システム(16)から電子検出器(18)への電気的接続を可能にする。ワイヤ(54)は、基板(48)に形成された孔を通って延びて、導電トレース(52)にはんだ付けされる。例示の実施形態では、各シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)、又は一組のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、独立にオン又はオフできる。加えて、それらの出力は、適当な電子回路又はソフトウェアにより操作できる。例えば、全ての出力は、組成のコントラストが強い画像を作成するために合算でき、また、カラム(2)の中心線の一方の側の装置からの信号は、表面形状のコントラストが強い画像を作成するために用いることができる。従って、この能力は、フォトダイオードを用いた分割型検出器に似ているが、シンチレータ検出器のゲインと速度を提供する。

(サイズが異なるシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の使用を含む)この設計は、デバイスサイズと収集の有効領域との間でのトレードオフを修得するために選択された。

図１１〜図１３は、電子検出器の代替的な実施例において(即ち、ＰＣＢアセンブリ(46)の代わりとして)使用され得るその他のＰＣＢアセンブリの構成を示す。具体的には、図１１は、ＰＣＢアセンブリ(46')を示しており、それは、基板(48')の開口部(pass-through)(50')周りにて均等に離間した４つの４ｍｍ×４ｍｍ(１６ｍｍ^２)のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでいる。図１２は、ＰＣＢアセンブリ(46'')を示しており、それは、基板(48'')の開口部(50'')の一方の側に、２つの近接する４ｍｍ×４ｍｍのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでおり、基板(48'')の開口部(50'')の反対側に、２つの近接する４ｍｍ×４ｍｍ(１６ｍｍ^２)のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を更に含んでいる。加えて、２つの１ｍｍ×１ｍｍ(１ｍｍ^２)のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、４ｍｍｘ４ｍｍのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の間にて、開口部(50'')の両側に配置されている。図１３は、ＰＣＢアセンブリ(46''')を示しており、それは、基板(48''')の開口部(50''')の周りに配置された８つの４ｍｍ×４ｍｍ(１６ｍｍ^２)シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでいる。図１３の実施例では、ＳｉＰＭ(21)のボンディングパッド(49)が示されており、近接する４ｍｍ×４ｍｍのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、互いに接続されることに留意のこと。この理由については、後述する。

図８〜図１３に示された電子検出器(18)の実施例は、制御システム(16)と関連ソフトウェアが、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の各々から独立して画像を取得すること、或いは、それらの任意の数又は全てを足し合わせることを可能としている。従来技術では、カラム中心線周りに対称的に２又は４つのフォトダイオード若しくはバルクＡＰＤが使用されることで、試料の表面形状図を提供するために中心線の一方側だけから画像の収集を可能にするか、或いは、組成のコントラストで特色づけられた画像を提供するために、全てのセグメントからの画像の収集を可能としていた。従来技術では、シンチレータディスクの使用はより明るい画像をより高速で提供したが、複数のシンチレータ、光パイプ、及びＰＭＴを用いることなく、このセグメント化を可能としておらず、複数の検出器で占められる空間に加えて費用が追加されることによって、多くの状況で非実用的である。本明細書にて提案されているデバイスは、セグメント化された画像能力を与える一方で、従来技術のシンチレータディスクのユニット領域毎の速度と輝度をもたらす。

セグメント化に関しては、セグメントの数を増加させることに大きな利点があるとは考えられない一方で、電子回路の複雑さは、チャネルの数に比例して増加する。従って、図１３では、我々は、チャネル毎に２つのデバイスを使用することを選択し、電子回路の複雑さを増加させずに、有効領域を増加させることにした。これは、独特な実施の形態である。従来のシステムでは、半導体検出器(ダイレクト電子検出器(direct electron detector))が用いられている。何故なら、セグメント化と、組成又は表面形状のイメージングを選択する能力とを得るために、図１０に示された構成と同様な構成に、それらを取り付けるのが簡単だからである。電子検出器(18)は、ダイレクト電子検出器を超えたＳｉＰＭ(21)のより高いゲイン(一般的なフォトダイオードの１０^２〜１０^３に対して１０^６)を利用できるが、サイズが小さく、取付げが簡単なままである。加えて、４つの一般的なフォトダイオードと比較して、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を用いることは、そのＳｉＰＭの設計とバルクデバイスと比較したガイガーモードでのその使用とによって、より早い走査速度でのイメージングを可能にする(現在のデバイスでは、１ピクセルにつき最高１００ｎＳ)。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)のサイズを小さくする利点は、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)、即ち信号源に非常に近接しており、取付ブランケット(44)又は基板(48)に取り付けられたＡＳＩＣ電子回路を用いることができることである。これは、図１４に示されており、ＡＳＩＣチップ(56)は、代替的な更なる電子検出器(18')にて取付ブラケット(44)に取り付けられている。例示の実施例では、ＡＳＩＣチップ(56)は、ＴＩＡアンプ機能を実施し、各ＳｉＰＭに連結されており、各ＳｉＰＭの信号を受信して、各ＳｉＰＭで発生する電流パルスを電圧パルスに変えて、その後、各電圧パルスを増幅する。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)及びＡＳＩＣチップ(56)の信号処理電子回路の近接した結合は、サンプルチャンバ(4)の外側にて、離れた電子回路へと導く信号ワイヤが拾うノイズを小さくできる可能性がある。我々は、信号源の近くにＴＩＡの機能を設ける方法を説明しているが、最大の利点は、単に、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)内にＴＩＡを維持することで生じるであろう。これで、ＳｉＰＭ(21)からの信号を運ぶワイヤとＴＩＡ自体とが、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)の外側に存在する多くのノイズ源から保護される。それは、本明細書に記載されている電子検出器の最小サイズと最大の可動性が維持できるように、ＳｉＰＭ(21)への撓みケーブルを用いて、開口部(36)の真空側に直接取り付けられる。

他の例示的な実施例による小型電子検出器(18'')の概要図が、図１５に示されている。このデバイスは、ＰＣＢ基板(48)上に取り付けられた４つの１ｍｍ×１ｍｍのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を示しており、ＰＣＢ基板(48)は、幅３.５ｍｍ、長さ１０ｍｍ、総厚が２ｍｍ未満である。当然のことながら、図１５に示される装置は、考えつく最小の装置でない。何故なら、ＰＣＢ(48)は、２つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)だけを用いることで幅を、ボンディング手法を最適化することで長さを低減できるからである。

本明細書で説明した電子検出器の実施例における小型化及び高可動性を拠り所にして生かしている別の例示的実施形態が、図１６及び図１７に示されており、(２つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)だけを使用する)図１５の小型電子検出器(18'')が、機械式位置決めデバイス(51)の端部に取り付けられている。このようにして、電子検出器(18'')は、サンプルに、実際には、サンプルの特定の領域に提供される。それは、開口部(50)が、電子ビームのための開口として用いられるように配置できるか(図１６)、或いは、２つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、側部からサンプルに向くように配置できる(図１７)。後のモードでは、サンプルは、高角度(ビームの浅い入射)で傾けられることができ、図１７の電子検出器(18)は、前方錯乱電子検出器(Forward Scattered Electron Detector)(ＦＳＥＤ)となる。ＦＳＥ、それ故にそれらの結果として生じる画像は、結晶方位及び回折によって、大いに影響される。このような方位のコントラストは、通常のＢＳＥ又はＳＥ画像では見ることができない。何故ならば、前方散乱形状を得ることができない位置に、検出器がしっかりと固定されているからである。

さらに、ユーザの目的とサンプルタイプに応じて、１次電子ビーム電流が数ピコアンペアから１００ナノアンペア以上まで変化し得るので、ＳＥＭの後方散乱電子検出器は、通常、広いダイナミックレンジにわたって作動しなければならない。与えられた平均原子番号、１次ビーム条件、及び幾何学的配置に対して、ＢＳＥ強度は、１次ビーム電流に応じた大きさになるだろう。本発明では、ＳｉＰＭ(21)は、高画素密度とバイアス電圧の適切な調整とによって、必要とされるダイナミックレンジを取り扱うことが可能とされている。しかしながら、最適な画素解像度を得るのに用いられる非常に低いビーム電流、又は、サンプルのビーム感受性が非常に高いので非常に低いビーム電流では、ＳｉＰＭ(21)の固有の熱ノイズは、その動作温度を低下させることによって、最適なパフォーマンスのために小さくできる。シリコンの熱ノイズは、動作温度が１０℃減少する毎に５０％減少することが知られている。

図１８及び図１９は夫々、別の実施形態に従った電気検出器(18''')の正面図と等角図であって、ＢＥＳＤとして図１のＳＥＭ内で用いられてよく、ＳｉＰＭ(21)を冷却することによってパフォーマンスが最適になるように構成されている。図１８及び図１９では、電子検出器(18''')は、ＳＥＭ(1)の対物レンズ(12)の極片の下側の位置で、ＳＥＭ(1)のサンプルチャンバ(3)内に取り付けられている。この実施例では、電子検出器(18''')は、サンプルチャンバ(3)内に電子検出器(18)を取り付けるのに利用される取付アーム(60)を含んでいる。加えて、冷却アセンブリ(62)は、取付アーム(60)の遠位端に結合されている。図示した実施例では、冷却アセンブリ(62)は、ヒートパイプ(64)(又は、単なる銅棒若しくはコールドフィンガ(cold finger))に連結する熱電クーラ(ＴＥＣ)(66)(周知のように、ペルチェ効果を利用している)を含む。ＰＣＢアセンブリ(68)は、ＴＥＣ(66)に結合される。

図２０は、ＰＣＢアセンブリ(68)の等角図である。ＰＣＢアセンブリ(68)は、ＰＣＢアセンブリ(46)(図８〜図１０)と同様な複数の構成要素を含んでおり、それらには、開口部(50)を有する基板(48)、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)、及び導電トレース(52)(導電トレース(52)への電気的接続は、フレックス回路又はワイヤの束の形にできる)が含まれている。加えて、基板(48)は、熱伝導部材(70)に設けられており、熱伝導部材(70)は、例示の実施例では金属(例えば、銅)スプレッダーである。図１８に示されるように、熱伝導部材(70)は、ＴＥＣ(66)を介してヒートパイプ(64)に結合される。

動作中、ＴＥＣ(66)は熱伝導部材(70)を冷却し、それは次に、基板(48)とシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を冷却する(温度分布は、ＳｉＰＭ(21)に渡って均一に保たれる)。熱は、ヒートパイプ(64)によって外部のヒートシンク(図示せず)へと除去される。ある特定の非限定的な実施例では、ヒートパイプ(64)は、サンプルチャンバ(3)内に設けられている真空フィードスルー(36)を介して、サンプルチャンバ(3)の外に熱を伝える。代替的な実施例では、ＴＥＣ(66)は、サンプルチャンバ(3)の外側に配置されてよく、ヒートパイプ(64)は、熱伝導部材(70)とＴＥＣ(66)の間に熱的結合をもたらす。

例示的な実施例では、冷却アセンブリ(62)の温度減少目標は、少なくとも５０℃(即ち、ΔΤ≒５０℃)であり、−２０℃の範囲で達成可能な動作温度であって、１６分の１にＳｉＰＭ(21)の固有熱ノイズ(暗電流)を減少することを示唆するであろう。大きなΔΤは、特定のＴＥＣ(66)の適切な選択と熱設計とによって達成可能であり、低い動作温度が達成できるが、サンプル交換のためにサンプルチャンバ(3)が真空にされる時に、凝集(condensation)が問題となり得る。動作温度は−２０℃未満が望ましく又は必要とされるが、ＳＥＭ(1)の排気制御のインターロックは、空気がサンプルチャンバ(3)内に導入される前に、(時間遅れ又は発熱体を用いて)デバイスが十分に暖まることを保証できると想定される。

ＳＥＭの電子カラム内に配置され、試料面から発生してカラムの光軸の近くの経路をたどる電子、カラム内に戻る電子を検出する検出器を用いることが、近年、高解像度装置においてますます一般化している。それらの電子は、ＳＥＭカラムの最終集束レンズ(対物レンズ)を通って再び入り、対物レンズ内、又はカラムの上方の何処かで検出される。それ故に、これらのデバイスは、インレンズ検出器、又はスルーザレンズ(through-the-lens)検出器と呼ばれる。

通常、インレンズ検出器を用いる利点は、より良好な電子収集効率とより高い画素解像度とにある。インレンズ検出器の使用によってサンプルを極めて短い作動距離に配置できるので、高画素解像度が得られる。従って、このような検出器は、ＳＥＭでは一般的であり、ハイエンドの高解像度装置に、普通に設けられている。しかしながら、本明細書の他の箇所で説明されているような典型的なシンチレータ−光ガイド−ＰＭＴ配置に基づいて、このようなインレンズ検出器を実施する場合の大きな問題は、(全ての方向で、数センチメートルオーダーである)ＰＭＴの大きさである。結果として、本明細書の他の箇所で説明されているように、従来技術を適用すると、ＰＭＴは、レンズ又はカラムの外側に配置されなければならない。対照的に、シンチレータは、(例えば、環状型検出器の軸周りにて)カラム軸の近くよりむしろカラム内に配置されなければならない。更に、ＰＭＴ及びシンチレータは、光ガイドによって接続されなければならない。

上記した従来技術の構成の要請は、多くの不利益をもたらす。例えば、本明細書の他の箇所で説明されているように、カラムのエンベロープは、外部のＰＭＴへの光ガイドを提供するボア／孔を組み入れる必要がある。検出器が対物レンズ内にある場合、孔は、対物磁気回路を通過しなければならず、磁場の均一性と対称性を乱すことは避けられない。不均一な磁場の影響は、(孔に近い)特定の量の磁性材料のより高い飽和と、最終レンズの光収差であって、最終的に得られる画像解像度を劣化させる。この影響を小さくするために、カラムにボアが開けられる場合はいつでも、対応するボアがその反対側に開けられて、最初の孔によって生じる任意の非対称な場の変化が平衡にされる。加えて、光ガイドを通って転送される際の光の損失がある。光ガイドはまた、カラム内に加えてチャンバ内の空間を占めて、対物レンズからチャンバ壁まで延びる。さらに、光ガイドはカラムから出なければならず、他の部品(例えば、レンズコイル)と干渉し得るので、光ガイドは、カラム軸に沿って自由に配置できない。従って、従来技術の検出器の位置は、特定の空間に限られている。この位置は、最大検出効率にとっては最適でないだろう。

一方、本明細書の他の箇所で述べているように、ＳｉＰＭ(21)のようなＳｉＰＭは、非常に小さなデバイスであって、ＰＣＢに取り付け及び接着されるシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は、１.５ｍｍと同程度の厚さか、より薄くてもよい。故に、本発明の１つの態様では、インレンズ又はスルーザレンズ検出器は、カラム又は対物レンズの内部にシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を完全に配置して実施される。このようなケースでは、デバイス及びその取付けが、ボアや孔を必要とすることでカラムのエンベロープ又は磁気回路を害することはないだろう(ワイヤだけが、外部の電子機器と連結するために必要である)。また、本明細書の他の箇所で述べているように、光ガイドを必要としないので、シンチレータ(20)とＳｉＰＭ(21)の直接結合は、光損失を最小にするだろう。これはまた、(シンチレータ無しで)電子の直接検出を可能とし、デバイスをより小さくするであろう。

図２１は、ＳｉＰＭベースの検出器(72)について、可能性がある複数の配置及び構成を示しており、検出器(72)の各々は、本発明の他の実施形態に応じて、本明細書に記載されているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでいる。全てのケースにおいて、ＳｉＰＭベースの検出器(72)は、電子カラム(2)及び／又は対物レンズ(12)内にあり、配線及びフィードスルー(74)を用いて信号が引き出されるので、レンズ磁気回路に穿孔する必要がない。配線及びフィードスルー(74)は、対物レンズ(12)の外側に配置できる。アクティブな表面がカラム軸に平行に配置される検出器(72)は、１つのセグメント(72−1)又は複数のセグメント(72−2)の構成とすることができ、方位角的に分解された(azimuthally resolved)電子の収集を可能にする。環状検出器(72)は、対物レンズの内側(72−3)又は上方(72−4)に配置してもよい。このような環状検出器(72)は、方位角的に分解された電子の様々な部分を集めるために、異なった内径と外径を有してよく、又は放射状にセグメント化されてもよい。このような検出器(72)のサイズは非常に小さいので、１つの対物レンズ(16)内に幾つかの検出器(72)を配置して多重信号を集めることを可能とし、(例えば、角度的に又は軸方向で分解された検出のため)電子分布に関する複合的な情報が得られる。モンタージュイメージング技術を用いたサンプル(13)のユニークなイメージングの斜視図、低倍率図、及びマクロイメージングのために、カラム(2)又はサンプルチャンバ(3)内の複数の箇所に、複数の検出器(72)を配置することも可能である。

ＢＳＥＤは、通常、既に説明した最終レンズの極片の下に取り付けられる。その一方で、エネルギー分散型Ｘ線(ＥＤＸ)検出器は、サンプル表面に対して典型的には３５〜４５度の角度で、側部からサンプルに向いており、このサンプル表面は、電子ビームの通常の垂直入射がなされる場合には水平にされる。現在使用されているＥＤＸ検出器の最も一般的なタイプは、ＳＤＤ(シリコンドリフト検出器)と呼ばれているが、リチウム拡散型シリコンドリフト検出器も同様に用いられる。ＥＤＸ検出器とＢＳＥＤの両方は、ラインオブサイト検出器であり、従って、各々は、サンプルの異った眺めを有する。Ｘ線は、表面形状によって陰影をつけられる一方で、上方からサンプルを見るＢＳＥ検出器は、遮られていない眺めを有する。２つの画像を合わせる又は関連づけるために従来の装置が用いられた場合には、形状−化学構造(feature-chemistry)の関係の誤解又は混同による不一致が頻繁に生じる。この効果は、図２２Ａと図２２Ｂで図解されており、上側の図面が上部から見た典型的な４００メッシュＥＭニッケルグリッド(75)の平面図を示し、下側には、グリッド(75)が３５度(図にて下側に示される傾斜角)傾けられた場合の同じ位置からの眺めを示す。ＥＤＸ検出器で提供されるニッケルの基本的な画像は、例えば図２２Ｂのグリッド(75)のような圧縮された眺め(compressed view)を有する一方で、後方散乱電子検出器は、図２２Ａに示された正しい眺め(correct view)を有するであろう。

視野方向(line-of-sight)の違いに基づくＢＳＥ画像とＸ線画像の間の乏しい相関は、本発明のさらにもう１つの実施例において対処される。その実施例では、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対ベースの電子検出器は、図１のＥＤＸ検出器(38)と一体化されるか、又は同じ軸の近くにあってよい。図２３Ａ及び図２３Ｂは、参照番号(75)を付した、このような複合ＥＤＸ−ＢＳＥＤシステムの１つの実施態様を示す。電子検出器(18'')は、図１５に示されている１つと類似しているが、２つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)のみを有しており、システム(75)の電子トラップハウジング(77)の外側上面(76)に取り付けられる。システム(75)はまた、図示された非限定的な実施の形態ではシリコンドリフト検出器(ＳＤＤ)であるＸ線センサ(78)と、電子トラップハウジング(77)の入口側端部に配置された電子偏向装置(79)(例えば、大抵の場合、電子トラップと呼ばれる典型的な磁気偏向装置)とを含んでいる。この種の偏向装置は、Ｘ線スペクトルに激しい又は均一で圧倒的なバックグラウンドを生じるであろう電子がＸ線センサ(78)に達するのを防止するために、システム(75)の一体的な部分として必ず含まれる。

図２４Ａ及び図２４Ｂは、２つのコンピュータ描画画像である。図２４Ａの画像は、図２３Ａ及び図２３Ｂに示した電子トラップに取り付けられたシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対ベースの電子検出器を有するＳＥＭを用いて撮られたサンプル表面である。これに対して、図２４Ｂの画像は、環状型フォトダイオード検出器を用いて撮られている(組成モードにおいて、全領域を用いている)。図２４Ａの画像の陰影の作用は明らかであって、その画像は、右上隅から眺めて収集されたことを示している。２つの画像の上側中央の「トラックのセット(set of tracks)」を、画像間の重合せ(registration)のために使うことができる。

図２４Ｃ及び図２４Ｄは、視野方向の表面形状上の特徴によって生じた、ラインオブサイト検出器が受けたシールド効果を示す２つのコンピュータ描画画像である。このケースでは、１片のカーボンテープが、アルミニウムスタブの表面に配置されており、次に、１片の銅テープが、カラム上に配置されている。試料表面(水平である)に対する３５度の仰角で、側部から全サンプルが見られる。極片に取り付けられたＢＳＥＤの画像が、図２４Ｃであり、実際のＡｌ−ＣとＣ−Ｃｕの界面を示している。しかしながら、ＥＤＸ検出器は、テープの高さが生じる陰影の効果を見て、上記の電子トラップ搭載ＢＳＥＤから撮られた図２４Ｄとより的確に相関するだろう。

図２５は、この実施例に従ったＸ線検出器(80)(即ち、複合ＥＤＸ−ＢＳＥＤシステム)の他の例示的な実施態様の概要図である。Ｘ線検出器(80)は、Ｘ線センサ(84)を収納するハウジング、即ち「エンドキャップ」(82)を含んでいる。Ｘ線センサ(84)は、図示された非限定的な実施例では、ＴＥＣによって通常−２０℃に冷却されるシリコンドリフト検出器(ＳＤＤ)である(しかしながら、動作範囲は、略−１０℃から−６５℃まで可能である)。Ｘ線検出器(80)はまた、入口側端部(88)に設けられた開口部(89)に近接して、ハウジング(82)の入口側端部(88)に配置される電子偏向デバイス(86)(例えば、電子トラップと呼ばれる典型的な磁気偏向装置)を含んでいる。電子偏向デバイス(86)は、その一方のセグメントのＮ極(ハウジング(82)の長手方向の軸の一方の側に配置される)が、他方のセグメントのＳ極(ハウジング(82)の長手方向の軸の他方の側に配置される)に向くように構成され、磁界は磁石の厚さを通る。この種の偏向装置は、Ｘ線スペクトルに激しい又は均一で圧倒的なバックグラウンドを生じるであろう電子がＸ線センサ(84)に達するのを防止するために、Ｘ線検出器(80)の一体的な部分として必ず含まれる。

加えて、Ｘ線検出器(80)は、(ＳｉＰＭベースの検出器(72)と似た)１又は複数のＳｉＰＭベースの検出器(90)も含んでいる。各々は、本明細書に記載されているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでおり、ハウジング(82)内に設けられている。図２５は、ハウジング(82)内のＳｉＰＭベースの検出器(90)の可能なある配置及び構成を示している。図２５の実施例では、ＳｉＰＭベースの検出器(90−1)は、電子偏向装置(86)の第１セグメントの端部に近接して、ハウジング(82)の長手方向の軸の一方の側に配置される。動作中、電子は、ハウジング(82)の長手方向の軸から離れる第１方向に偏向し、検出器(90−1)のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)に入る。検出器(90−1)の構成はまた、そのＰＭＴ対照物とは異なり、ＳｉＰＭが磁場に影響を受けない特性を利用する。

Ｘ線検出器(80')として図２６に示される別の実施例では、ＳｉＰＭベースの検出器(90−2)は、環状Ｘ線センサ(84)(例えば環状ＳＤＤ)の中心に、又は中心に近接して取り付けられてよい。ある特定の実施例では、ＳｉＰＭベースの検出器(90−2)は、その収集面がＳＤＤ型Ｘ線センサ(84)の表面と平行になるように配置でき、それは、ＳＤＤチップの周囲に取り付けられることができよう(図２７)。このケースでは、偏向磁場は、選択的に、かつ、遠隔で機械的、電気的又は電気機械的手段を用いて、オン(アクティブ)とオフ(インアクティブ)に切り替えられるように構成され、オフ位置では、電子の伝送がＢＳＥ画像を作成し、オン位置では、(Ｘ線収集の通常動作モードにおけるように)電子が偏向させられる。

さらに別の代替的な実施例では、Ｘ線検出器(80'')として図２７に示されるように、１又は複数の検出器(90)(例えば、検出器(90−3)と(90−4))は、環状又は非環状Ｘ線センサ(84)の周囲に配置されてよい。電子は、適切なメカニズムによって、Ｘ線センサ(84)から離れて、検出器(90−3)と検出器(90−4)に向かうように偏向させられる。これらの実施形態では、Ｘ線センサ(84)に用いられる冷却及び放熱は、検出器(90−2)、検出器(90−3)及び検出器(90−4)を冷却するのにも役立てることができる。その結果、検出器(90−2)、検出器(90−3)及び検出器(90−4)のＳｉＰＭ(28)の暗電流は、Ｘ線センサ(84)を冷却するためにＸ線検出器(80'')に組み込まれている同じ冷却アセンブリを用いて、その動作温度を低下させることで減少できる。更に、Ｘ線検出器(80''')として図２８に示された、さらに別の実施の形態においては、本明細書の他の箇所で説明された検出器(18)は、検出器(18)の開口部(50)が開口(89)に揃うように、電子偏向装置(86)の前方にて、ハウジング(82)の縦方向の軸に沿って配置される。その結果、Ｘ線は、検出器(18)を通過して、Ｘ線センサ(84)に達することができる。さらに、多数の電子が、検出器(18)のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)に入射して、そこで検出される。シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)に入射せず、開口(50)を通過する如何なる電子も、電子偏向装置(86)によって偏向されて、Ｘ線センサ(84)に達しない。説明されている全ての実施例では、検出器(90)へと集束又は偏向された電子は、Ｘ線検出器(38)の的確な視野方向を有する画像を提供できる。図２８の更なる代替的な実施形態においては、バイアス電圧が、検出器(18)(例えば、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)のＳｉＰＭ(21))に印加されて、検出器(18)へと低エネルギー電子が引きつけられ／曲げられるので、検出器(18)は、視野方向の電子を超えて、更に検出することが可能である

図２９は、リアルタイムな立体イメージングを提供する他の例示的な実施例によるＳＥＭ(100)の概要図である。ＳＥＭ(100)は、本明細書の他の箇所で説明されているＳＥＭ(1)(図１)と同様な複数の構成要素を含んでいる。同様の構成要素には、同じ参照番号が付されている。図２９に示すように、ＳＥＭ(100)も、(ＳｉＰＭベースの検出器(72)と同様な)２つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対検出器(102−1)(102−2)を含んでおり、各々は、本明細書に記載されているシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を含んでいる。連結対検出器(102−1)(102−2)は、電子ビーム(8)の両側にてカラム(2)内に設けられている。例示の実施形態では、連結対検出器(102-1)(102−2)は、本明細書で説明されている何れかの取付方式を用いて、サンプルチャンバ(3)又はカラム(2)内のサンプル上に配置される。各ケースでは、信号は、本明細書の他の箇所に説明されているように、配線及びフィードスルーを用いて、連結対検出器(102−1)(102−2)からカラム(2)の外側に引き出される。連結対検出器(102−1)(102−2)が用いられて、後方散乱から２つの角度オフセット画像信号が生成されて、これらの画像信号は、ＴＶレートで流れて、３ＤＴＶの形態でモニタ上に交互に表示される。(液晶シャッタ眼鏡として知られている)アクティブシャッターグラス(104)を使用しているので、試料(22)が横断される際に、３Ｄ特性を有するリアルタイム画像を、オペレータが見ることができる。

ＳｉＰＭは、電子に影響されるが、伝統的には、シンチレータ(例えば、シンチレータ(26))で放射される光子の検出に最適化されてきた。これは、昔から、ＳｉＰＭの表面層は、４５０〜６００ナノメートルの範囲の波長を有する光の伝送に最適化されてきたからである。光伝送のために最適化されたこれらの層は、電子を吸収して、ＳｉＰＭのアクティブ面に衝突させない。本発明の他の実施例では、本明細書で説明されているマルチピクセル構造を有するが、ダイレクトな電子検出に適している改良されたＳｉＰＭデバイスを生産するために、プロセス技術が変更されて、電子の表層吸収が小さくされる。更に具体的には、ＳｉＰＭ処理中に通常含まれる反射防止層(例えば、図４の反射防止被膜層(32))を作製する技術工程が取り除かれて、ＳｉＰＭ上の不活性化層(例えば、図４のＳｉＯ_２層(35))は、１００ナノメートル又はそれ未満のオーダーで、非常に薄く作製される。更に、８００〜１０００ボルトのバイアス電圧が、ＳＥの収集を助けるためにデバイスに与えられてよい。これは、シンプルフォトダイオードとして知られている従来の半導体電子検出器よりも１桁早いレートで撮像することを可能にする(改良されたＳｉＰＭのピクセル当たり２００ｎＳに対して、シンプルフォトダイオードは、ピクセル当たり数μＳ。シンプルフォトダイオードより遅い撮像レートは、それらの大きなサイズと付随する容量に主として起因しており、ＳｉＰＭのＡＰＤは、個々に小さい容量を有しており、したがって非常に高い撮像レートを可能にする)。シンプルフォトダイオードは、要求が少ない用途においてダイレクト電子検出に用いられてきたが、それらの出力信号は、現代のＳＥＭにおいて用いられる高速走査速度と合わせるには、あまりに遅い。故に、上述のように変更されたＳｉＰＭ装置は、シンチレータを用いた電子検出よりはむしろダイレクト電子検出用に、本明細書で説明されている任意の実施例にて、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の代わりに用いられることが可能である。

さらに、本発明のある特定の実施例では、再び図８乃至図１０を参照すると、電子検出器(18)(又は(18')若しくは(18'''))における径方向に対向する一対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の各々は、第１シンチレータ材料から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでいる。その一方で、電子検出器(18)(又は又は(18')若しくは(18''))における径方向に対向する別の一対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の各々は、第２シンチレータ材料から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでいる。これらのシンチレータ材料は、異なる電子エネルギーに対し異なる検出効率を呈し、又は、回復時間のような他の性能特性で相違している。このようにして、サンプル(13)の像は、１対内における、別の対とはエネルギーが異なる電子のグループから生成され得る。例えば、第１シンチレータ材料は、１ＫｅＶ範囲以下のエネルギーを有する電子に対して高い効率を呈するＺｎＯ系シンチレータ(例えばＺｎＯ、ＺｎＯ：Ｚｎ、又はＺｎＯ：Ｇａ)であってよい。第２シンチレータ材料は、より高いエネルギーの電子に対して効率的であるが、３ＫｅＶ未満のエネルギーを有する電子に対しては非常に低い効率を呈する(約１ｋＶ未満では有用な像を生成しない)ＹＡＧ：Ｃｅであってよい。このように、低い加速電圧(＜５ｋＶ)では、サンプルの画像は主に、ＺｎＯ：Ｇａシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)(例えば)の対から形成される一方で、より高い加速電圧で取得される画像は主に、ＹＡＧ：Ｃｅシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の対からの信号を用いて形成される。所望により、ＹＡＧ系シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は独立して「オン」にすることができ、ＺｎＯ系シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)は独立して「オフ」にすることができ、その逆もしかりである。それによって、１又は複数の特定の材料だけからの信号が選択される。従来及び現在の実務では、単一材料の環状シンチレータが選択されており、今日の検出器の場合、それは通常ＹＡＧである。ＥＴ検出器のスキームに基づく先行技術では、１つの検出器に対し１つのシンチレータしか使用できず、そのようなシンチレータは、電子に曝される表面積を最大にするためにできるだけ大型化される。したがって、先行技術では、個々の材料のシンチレータは、それらの信号を分離できるようにするために、それ自体に光ガイド光電子増倍管を必要とする。

今説明した複数のシンチレータ材料の実施例は、本発明の範囲内で使用可能な単なる１つの例示的構成であって、他の構成及び／又は材料の組合せも使用してよいことを理解されたい。例えば、図３０に概略的に示すように(分かり易くするために電気的接続は省かれている)、４つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-1)が、開口部(50)の周りに均等間隔に配置されてよく(従って、径方向に対向する２つの対が形成される)、各々は、第１シンチレータ材料から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでいる。そして、４つのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-2)もまた、開口部(50)の周りに均等間隔に配置されてよく(従って、径方向に対向する別の２対が形成される)、各々は、第２の異なるシンチレータ材料(第１材料とは異なる検出効率を呈する)から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでいる。図３０に示すように、図示した実施例では、各シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-1)は、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-2)の個々の１つに隣接して配置される。別の例示的構成は、図３１に概略的に示される(再び、分かり易くするために電気的接続は省かれている)。これは、開口部(50)の周りに間隔を置いて配置された径方向に対向する３対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-1)、(24-2)、及び(24-3)を含んでいる。径方向に対向する第１対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-1)は、第１シンチレータ材料から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでおり、径方向に対向する第２対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-2)は、第２シンチレータ材料から作作製されたシンチレータ(20)を組み込んでおり、径方向に対向する第３対のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24-3)は、第３シンチレータ材料から作製されたシンチレータ(20)を組み込んでいる。第１、第２、及び第３シンチレータ材料は各々、異なる電子エネルギーに対し異なる検出効率を呈し、又は、それらの回復時間が異なっており、例えばＺｎＯ、ＺｎＯ：Ｚｎ、ＺｎＯ：Ｇａ、ＳｎＯ_２：Ｅｕを含んでよく、又は、ＳｎＯ_２系の他のシンチレータ、ＺｎＳ、ＹＡＧ：Ｃｅ、Ｐ４７(ケイ酸イットリウム)、ＹＡＰ：Ｃｅ系のシンチレータを含んでもよい。単一の電子検出器内にて、さらに他の複数のシンチレータ材料の構成及び組合せが可能である。例えば、(異なる検出効率を呈する)異なるシンチレータ材料を使用したシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)が、開口部(50)の周りに不均等間隔で／非対称に配置されてよい。

さらに、シンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を有しかつ(異なる検出効率又は回復時間を呈する)異なるシンチレータ材料を使用した電子検出器は、本明細書に記載する他の様々な実施例に関連して利用されてよいことが理解されるであろう。さらに詳細には、図１１乃至図１４に示したＰＣＢ構成、図２１のＳｉＰＭベース検出器７２、図２３Ａ及び図２３ＢのＳｉＰＭベースの検出器(18'')、図２５乃至図２７のＳｉＰＭベースの検出器(90)、図２８のＳｉＰＭベースの検出器(18)、並びに、図２９のＳｉＰＭベースの検出器(102)は全て、このような複数のシンチレータ材料のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)を使用してよい。

低エネルギー電子を検出するためのシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の性能最適化において考慮すべき２つの追加要素としては、１) シンチレータ(20)にバイアス電圧(おそらく１０００Ｖ以下)を印加して、低エネルギー電子を加速し、サンプルからの電子収集を向上させて、シンチレータ(20)における光子の励起を増大させること、及び、２) 十分に薄いシンチレータ(20)(それはＳｉＰＭ２１の光検知面(29)に直接結合される)を使用して、後面(27)にて最大収集を可能にすること、が挙げられる。従来のフォトダイオードにバイアス電圧を印加して低エネルギー電子検出を向上させる利点は、シルバーらの(C.S.Silver,_J.P.Spallas, and L.P.Muray,"Silicon photodiodes for low-voltage electron detection in scanning electron microscopy and electron beam lithography", J.Vac. Sci. Technol. B246, Nov/Dec 2006, 2951‐2955)によって実証された。先行技術は、大きな面積のシンチレータを使用して、より多くの電子を捕えて、次にシンチレータ内の光子の励起を増大させる。本明細書に記載するシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)では、例えば１ｍｍ^２程度の小さな面積を持つ小さなデバイスを使用して、それらがチャンバ又はカラムの狭い場所に配置されて、他の検出器に使用され、又は、例えばマイクロマニピュレータと共に使用可能にすることが、しばしば有益である。小さな面積が採用される場合、収集効率はシンチレータ(20)の厚さに大きく依存する。

図３２は、所与の厚さのシンチレータ(20)からの収集効率を、その正方形表面の異なる辺寸法について示している。全ての光子がシンチレータ(21)の前面(26)から発生すると仮定している(電子に対する合理的な想定である)。例えば、厚さ０.５ｍｍで１ｍｍ×１ｍｍのシンチレータ(20)からは、２０％の効率が予想されることが示されている。シンチレータの厚さを５０ミクロンに低減することができれば、効率は、略７０％に増加するであろう。この場合、効率は、シンチレータの前面から発生する光子のうち、ＳｉＰＭの合わせ(mating)集光面に到達する光子の百分率である。従って、１ｍｍ×１ｍｍのＺｎＯ系のシンチレータ−ＳｉＰＭ連結対アセンブリ(24)の性能は、図３３に概略的に示すように、ＺｎＯシンチレータ(20)の薄膜を(例えば、物理気相成長法(ＰＶＤ)、又は別の適切な薄膜堆積法を用いて)ＳｉＰＭ(21)の表面に直接堆積することによって最大化されるであろう。次いで、これは、薄膜シンチレータ(20)の表面に１ｋＶのバイアス電圧を印加することによってさらに向上する。ある実施例では、薄膜シンチレータ(20)は厚さが２００ミクロン以下とされる。別の実施例では、薄膜は１００ミクロン以下の厚さとされる。さらに別の実施形態では、薄膜は５０ミクロン以下の厚さとされる。

便宜のために、本発明は、ＳＥＭ(1)に関連して説明されているが、そのことは、限定を意味するものではなく、発明は、全てのタイプのＥＭ(例えば、透過型電子顕微鏡(ＴＥＭ))や、その他の荷電粒子線デバイス／装置で適用可能であることを理解すべきである。その他の荷電粒子線デバイス／装置には、本明細書の他の箇所で記載されているような、電子ビームと組み合わせて集束イオンビーム使用できる他のデュアルビーム装置があるが、これに限定されない。

特許請求の範囲の記載において、括弧の間に配置されるいかなる引用符号も、請求項を制限すると解釈すべきではない。「備える」又は「含む」という語は、請求項に挙げられた構成要素及びステップ以外の構成要素又はステップを除外するものではない。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段の幾つかは、ハードウェアと全く同一のアイテムにより実施されてよい。構成要素の前の「ａ」又は「ａｎ」という語は、構成要素が複数存在することを除外しない。幾つかの手段を列挙している何れの装置の請求項においても、これらの手段の幾つかは、ハードウェアと全く同一のアイテムにより実施できる。特定の構成要素が、相互に異なる従属項において引用されているという単なる事実は、これらの構成要素を組み合わせて用いることができないということを意味しない。

本発明は、現在、最も現実的で好ましい実施例と考えられるものに基づいて、説明のために詳細に記載されているが、それらの詳細は、単にそれらの説明のためだけであり、発明は開示された実施例に限定されるものではなく、添付請求の範囲の精神と範囲内での変更及び均等な変更を包含することを目的としていることを理解すべきである。例えば、本発明は、可能な限り、任意の実施例の１又は複数の特徴は、他の任意の実施例の１又は複数の特徴とを組み合わせることができることが理解されるべきである。

Claims

複数のアセンブリを備えた電子検出器であって、
前記複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと、第１シンチレータ材料で作られており、前記第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと、第２シンチレータ材料で作られており、前記第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータをと有する第２アセンブリとを含んでおり、前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、互いに異なる、電子検出器。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、１又は複数の特定の電子エネルギーレベル又は範囲について、異なる検出効率を呈する、請求項１に記載の電子検出器。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、異なる回復時間を呈する、請求項１に記載の電子検出器。
前記第１シンチレータ材料は、ＺｎＯ系の材料であり、前記第２シンチレータ材料は、ＹＡＧ系材料である、請求項１に記載の電子検出器。
光透過性接着剤によって、前記第１シンチレータは、前記第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続されており、前記第２シンチレータは、前記第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続される、請求項１に記載の電子検出器。
前記複数のアセンブリの各々が取り付けられる基板をさらに備えており、前記基板は、電子ビームが前記電子検出器を通過できるように構成された開口部を有する、請求項１に記載の電子検出器。
前記複数のアセンブリは、第３ＳｉＰＭと、前記第１シンチレータ材料で作られており、前記第３ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第３シンチレータとを有する第３アセンブリと、第４ＳｉＰＭと、前記第２シンチレータ材料で作られており、前記第４ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第４シンチレータとを有する第４アセンブリとを含んでおり、前記第１アセンブリ及び前記第３アセンブリは、前記開口部の両側にて互いに真向かいに配置され、前記第２アセンブリ及び前記第４アセンブリは、前記開口部の両側にて互いに真向かいに配置される、請求項６に記載の電子検出器。
前記複数のアセンブリは、第５ＳｉＰＭと、第３シンチレータ材料で作られており、前記第５ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第５シンチレータとを有する第５アセンブリと、第６ＳｉＰＭと、前記第３シンチレータ材料で作られており、前記第６ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第６シンチレータとを有する第６アセンブリとを含んでおり、前記第１シンチレータ材料、前記第２シンチレータ材料、及び前記第３シンチレータ材料は全て互いに異なっており、前記第５アセンブリ及び前記第６アセンブリは前記開口部の両側に互いに真向かいに配置される、請求項７に記載の電子検出器。
前記第１シンチレータ材料、前記第２シンチレータ材料、及び前記第３シンチレータ材料は、１又は複数の特定の電子エネルギーレベル又は範囲について、異なる検出効率を呈する、請求項８に記載の電子検出器。
電子カラムに結合されており、電子ビームを発生するように構成された電子源であって、前記電子カラムは、前記電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料に前記電子ビームを向けるように構成されたシステムを、少なくとも部分的に収容する電子源と、
前記電子カラム又は前記サンプルチャンバ内に配置された複数のアセンブリを含む電子検出器であって、前記複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと、第１シンチレータ材料で作られており、前記第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと、第２シンチレータ材料で作られており、前記第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータとを有する第２アセンブリとを含んでおり、前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は互いに異なるよ電子検出器と、
を備えた荷電粒子ビーム装置。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、１又は複数の特定電子エネルギーレベル又は範囲について、異なる検出効率を呈する、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、異なる回復時間を呈する、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記第１シンチレータ材料はＺｎＯ系材料であり、前記第２シンチレータ材料はＹＡＧ系材料である、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
光透過性接着剤によって、前記第１シンチレータは、前記第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続され、前記第２シンチレータは、前記第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続される、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
前期電子検出器は、前記複数のアセンブリの各々が取り付けられる基板をさらに備えており、前記基板は、電子ビームが前記電子検出器を通過できるように構成された開口部を有する、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記複数のアセンブリは、第３ＳｉＰＭと、前記第１シンチレータ材料で作られており、前記第３ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第３シンチレータとを有する第３アセンブリと、第４ＳｉＰＭと、前記第２シンチレータ材料で作られており、前記第４ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第４シンチレータとを有する第４アセンブリとを含んでおり、前記第１アセンブリ及び前記第３アセンブリは、前記開口部の両側にて互いに真向かいに配置され、前記第２アセンブリ及び前記第４アセンブリは、前記開口部の両側にて互いに真向かいに配置される、請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記複数のアセンブリは、第５ＳｉＰＭと、第３シンチレータ材料で作られており、前記第５ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第５シンチレータとを有する第５アセンブリと、第６ＳｉＰＭと、前記第３シンチレータ材料で作られており、前記第６ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第６シンチレータとを有する第６アセンブリとを含んでおり、前記第１シンチレータ材料、前記第２シンチレータ材料、及び前記第３シンチレータ材料は全て互いに異なっており、前記第５アセンブリ及び前記第６アセンブリは前記開口部の両側に互いに真向かいに配置される、
請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記第１シンチレータ材料、前記第２シンチレータ材料、及び前記第３シンチレータ材料は、１又は複数の特定の電子エネルギーレベル又は範囲に対し異なる検出効率を呈する、請求項１７に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記サンプルチャンバ内にある試料ホルダをさらに備えており、前記電子検出器はＢＳＥＤであり、前記システムは対物レンズを備えており、前記基板及び前記複数のアセンブリは、前記対物レンズの下側と前記試料ホルダとの間に配置される、請求項１５に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記荷電粒子ビーム装置は、電子顕微鏡である、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
電子回路をさらに備えており、前記第１ＳｉＰＭ及び前記第２ＳｉＰＭは夫々、前記電子回路に結合されており、前記電子回路は、前記第１ＳｉＰＭからの第１信号又は前記第２ＳｉＰＭからの第２信号の何れかに基づいて、前記試料の像を選択的に生成するように構成されている、請求項１０に記載の荷電粒子ビーム装置。
電子回路をさらに備えており、前記第１ＳｉＰＭ、前記第２ＳｉＰＭ、前記第３ＳｉＰＭ、及び前記第４ＳｉＰＭは夫々、前記電子回路に結合されており、前記電子回路は、前記第１ＳｉＰＭ及び前記第３ＳｉＰＭからの信号又は前記第２ＳｉＰＭ及び前記第４ＳｉＰＭからの信号の何れかに基づいて前記試料の像を選択的に生成するように構成されている、請求項１６に記載の荷電粒子ビーム装置。
荷電粒子ビーム装置の電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料の像を生成する方法であって、
電子ビームを生成する工程と、
前記電子ビームを前記試料に向ける工程であって、複数の電子は前記試料に衝突する電子ビームに応じて前記試料から放出され、前記荷電粒子ビーム装置は電子検出器を含んでおり、前記電子検出器は、前記電子カラム又は前記サンプルチャンバ内に配置された複数のアセンブリを含んでおり、前記複数のアセンブリは、第１ＳｉＰＭと、第１シンチレータ材料で作られており、前記第１ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第１シンチレータとを有する第１アセンブリと、第２ＳｉＰＭと、第２シンチレータ材料から作られており、前記第２ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第２シンチレータとを有する第２アセンブリとを含んでおり、前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は互いに異なる工程と、
前記第１ＳｉＰＭによって出力される第１信号又は前記第１ＳｉＰＭによって出力される第２信号の何れか基づいて前記試料の像を生成する工程であって、前記第１信号又は前記第２信号は、前記生成工程について、前記電子ビームの加速電圧に基づいて選択される工程と、
を含む方法。
前記電子検出器は、前記複数のアセンブリの各々が取り付けられる基板をさらに備えており、前記基板は、前記電子ビームが前記電子検出器を通過できるように構成された開口部を有しており、前記複数のアセンブリは、第３ＳｉＰＭと、前記第１シンチレータ材料で作られており、前記第３ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第３シンチレータとを有する第３アセンブリと、第４ＳｉＰＭと、前記第２シンチレータ材料で作られており、前記第４ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接接続された第４シンチレータとを有する第４アセンブリとを含んでおり、前記第１アセンブリ及び前記第３アセンブリは前記開口部の両側に互いに真向かいに配置されており、前記第２アセンブリ及び前記第４アセンブリは前記開口部の両側に互いに真向かいに配置されており、前記生成工程は、前記電子ビームの加速電圧に基づいて、前記第１ＳｉＰＭ及び前記第３ＳｉＰＭからの信号又は前記第２ＳｉＰＭ及び前記第４ＳｉＰＭからの信号の何れかに基づいて前記試料の像を生成する工程を含む、請求項２３に記載の方法。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、１又は複数の特定の電子エネルギーレベル又は範囲について、異なる検出効率を呈する、請求項２３に記載の方法。
前記第１シンチレータ材料及び前記第２シンチレータ材料は、異なる回復時間を呈する、請求項２３に記載の方法。
前記第１シンチレータ材料はＺｎＯ系材料であり、前記第２シンチレータ材料はＹＡＧ系材料である、請求項２３に記載の方法。
ＳｉＰＭと、前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを備えており、前記シンチレータ部材は、前記シンチレータ部材の前記裏面が前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に向くように、前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、前記シンチレータ部材は、前記前面に当たる１又は複数の電子に応じて前記裏面から複数の光子を放射するように構成されており、前記ＳｉＰＭは、前記シンチレータ部材から前記複数の光子を受け取ると、信号を生成するように構成されている、電子検出器。
前記シンチレータ材料はＺｎＯ系材料である、請求項２８に記載の電子検出器。
前記膜の厚さは２００ミクロン以下である、請求項２８に記載の電子検出器。
前記膜の厚さは１００ミクロン以下である、請求項３０に記載の電子検出器。
前記膜の厚さは５０ミクロン以下である、請求項３１に記載の電子検出器。
前記シンチレータ部材にバイアス電圧が印加される、請求項２８に記載の電子検出器。
前記バイアス電圧は１ｋＶ以下である、請求項３３に記載の電子検出器。
電子ビームを発生するように構成された電子源であって、前記電子源は電子カラムに結合されており、前記電子カラムは、前記電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料に電子ビームを向けるように構成されたシステムを、少なくとも部分的に収容するように構成されている電子源と、
ＳｉＰＭと、前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを備えた電子検出器であって、前記シンチレータ部材は、前記シンチレータ部材の前記裏面が前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に向くように、前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、前記シンチレータ部材は、前記前面に当たる１又は複数の電子に応じて前記裏面から複数の光子を放射するように構成され、前記ＳｉＰＭは前記シンチレータ部材から前記複数の光子を受け取ると、信号を生成する電子検出器と、
を備えた荷電粒子ビーム装置。
前記シンチレータ材料はＺｎＯ系材料である、請求項３５に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記膜の厚さは２００ミクロン以下である、請求項３５に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記膜の厚さは１００ミクロン以下である、請求項３７に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記膜の厚さは５０ミクロン以下である、請求項３８に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記シンチレータ部材にバイアス電圧が印加される、請求項３５に記載の荷電粒子ビーム装置。
前記バイアス電圧は１ｋＶ以下である、請求項４０に記載の荷電粒子ビーム装置。
荷電粒子ビーム装置の電子カラムに結合されたサンプルチャンバ内に配置された試料の像を生成する方法であって、
電子ビームを生成する工程と、
前記電子ビームを前記試料に向ける工程であって、複数の電子は、前記試料に衝突する前記電子ビームに応じて前記試料から複数の電子が放出され、前記荷電粒子ビーム装置は電子検出器を含んでおり、前記電子検出器は、ＳｉＰＭと前面及び裏面を有するシンチレータ部材とを含むアセンブリを備えており、前記シンチレータ部材は、前記シンチレータ部材の前記裏面が前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に向くように、前記ＳｉＰＭのアクティブ光検知面に直接堆積されたシンチレータ材料の膜であり、前記シンチレータ部材は、前記前面に衝突する１又は複数の電子に応じて前記裏面から複数の光子を放射し、前記ＳｉＰＭは前記シンチレータ部材から前記複数の光子を受け取ると、信号を生成する工程と、
前記信号に基づいて前記試料の像を生成する工程と、
を含む方法。
前記シンチレータ材料はＺｎＯ系材料である、請求項４２に記載の方法。
前記膜の厚さは２００ミクロン以下である、請求項４２に記載の方法。
前記膜の厚さは１００ミクロン以下である、請求項４４に記載の方法。
前記膜の厚さは５０ミクロン以下である、請求項４５に記載の方法。
前記シンチレータ部材にバイアス電圧が印加される、請求項４２に記載の方法。
前記バイアス電圧は１ｋＶ以下である、請求項４７に記載の方法。