JP2012531710A - 荷電粒子検出器 - Google Patents

Abstract

本発明は、(ａ)支持構造体(１０８)の第１の面上に配置されている第１の材料層(１１０)であって、この第１の材料層はこれに入射荷電粒子(１０４)が当るのに応答して二次電子を発生するように構成されているとともに、開口(１１２)を有しており、この開口は入射荷電粒子の一部がこの開口を通過するように構成されている当該第１の材料層と、(ｂ)支持構造体の第２の面上に前記第１の材料層から例えば、０．５cm以上の距離だけ離間されて配置されている第２の材料層であって、この第２の材料層は、荷電粒子が前記開口を通過してこの第２の材料層に当るのに応答して二次電子を発生するように構成されている当該第２の材料層とを具える装置、システム及び方法を提供するものであり、装置は荷電粒子検出器とする。

Description

本発明は、帯電粒子を検出することに関するものである。

エバハート・ソーンリー型検出器のような検出器は、荷電粒子ビームにさらされている試料の表面から放出される二次電子及び散乱イオンのような荷電粒子を測定するのに用いることができる。薄肉の試料が荷電粒子ビームにさらされると、入射される荷電粒子のうちの少なくとも一部分がこの試料を透過するおそれがある。

米国特許第７，５０４，６３９号明細書

ここに開示する検出器は、種々に異なる荷電粒子を検出するのに用い得るようにするものである。例えば、ある例では、試料を透過した入射電子を検出するのに検出器を用いうるようにする。又、ある例では、試料を透過したか又は試料から発生したか或いは試料を透過するとともに試料から発生したイオン又は中性粒子を或いはこれらの双方を検出するのに検出器を用いうるようにする。又、ある例では、試料の表面から発生された二次電子を検出するのに検出器を用いうるようにする。この試料の表面には、荷電粒子ビーム（例えば、イオンビーム）が入射される表面と、この入射表面とは反対側の表面との双方又は何れか一方を含めることができる。

ここに開示する検出器は、検出すべき透過粒子（例えば、イオン、中性粒子、電子）の幾つか又は全てを複数の二次電子に変換することにより信号を生ぜしめるものである。１つの粒子当り発生される二次電子の平均個数（例えば、変換係数）は、検出器における変換表面を形成するのに用いられる材料の二次電子収率を含む種々のファクタにより決定するようにする。変換係数は例えば、変換表面を二次電子収率が高い材料から形成することにより高めることができる。更に、透過粒子の伝搬方向に対して変換表面を傾けることにより変換係数を高めることができる。

ここに開示する検出器は、効率的で、信頼性があり、廉価となるようにするとともに、種々のコントラスト機構を呈する試料画像（イメージ）を得るのに用い得るようにするものである。ここに開示する検出器は、ある種の従来のイオン検出器と相違して、一般的に飽和状態とならず、高透過荷電粒子電流により損傷されないようにする。これらの検出器は、エバハート・ソーンリー型検出器のような従来の検出器を用いて容易に検出された二次電子を有効に発生するものである。従って、ここに開示する検出器は、周知の粒子検出器と組み合わせて、透過荷電粒子に対する堅牢で有効な検出システムを形成しうるようにするものである。

又、ここに開示する検出器は、画像中の特定の点（例えば、画素）における画像強度（例えば、グレースケール強度）が試料上の対応点における検出信号に関連している当該画像を発生させるのに用い得るようにする。特定の試料位置における検出信号はこの位置における試料の特性に応じて変えうるようにする。検出信号（例えば、検出信号の大きさ）に影響を及ぼし得る試料特性には、試料の厚さ、結晶構造、結晶配向、結晶欠陥及び元素組成を含めることができるが、これらに限定されるものではない。検出粒子の角度範囲を特定の範囲に選択することにより、ある例では、これらの試料特性の１つ以上に対応する情報を、測定された試料の画像において強調させるようにしうる。

本発明の第１の観点によれば、一般に、
(ａ)支持構造体の第１の面上に配置されている第１の材料層であって、この第１の材料層はこれに入射荷電粒子が当るのに応答して二次電子を発生するように構成されているとともに、開口を有しており、この開口は入射荷電粒子の一部がこの開口を通過するように構成されている当該第１の材料層と、(ｂ)支持構造体の第２の面上に前記第１の材料層から例えば、０．５cm以上の距離だけ離間されて配置されている第２の材料層であって、この第２の材料層は、荷電粒子が前記開口を通過してこの第２の材料層に当るのに応答して二次電子を発生するように構成されている当該第２の材料層とを具える装置を提供する。この装置は荷電粒子検出器である。

他の観点によれば、(ａ)第１、第２及び第３の材料層であって、これら３つの材料層の各々が支持構造体の互いに異なる面上に配置されているとともに、軸線に沿って互いに離間されており、前記第１の材料層は、前記軸線に対し垂直な平面内に配置されており、前記第２及び第３の材料層は前記軸線に対しある角度で傾斜したそれぞれの平面内に配置されており、前記第１の材料層は第１の開口を有し、前記第２の材料層は、前記軸線に対し平行な方向に沿って前記第１の開口と整列された第２の開口を有しているとともに、前記第１の開口の最大寸法よりも小さい最大寸法を有しているこれら第１、第２及び第３の材料層と、(ｂ)前記第１の材料層に対し平行な平面内に延在する第１の複数の導線であって、この第１の複数の導線は、入射荷電粒子が前記第１の材料層に到達する前にこの第１の複数の導線を通過するように配置されており、この第１の複数の導線の各構成部材は第１の電気端子に接続されている当該第１の複数の導線と、(ｃ)前記軸線に対し平行な方向に延在するとともに前記第２の材料層の周縁の一部に沿って配置された第２の複数の導線であって、この第２の複数の導線の各構成部材は第２の電気端子に接続されている当該第２の複数の導線と、(ｄ)前記軸線に対し平行な方向に延在するとともに前記第３の材料層の周縁の一部に沿って配置された第３の複数の導線であって、この第３の複数の導線の各構成部材は第３の電気端子に接続されている当該第３の複数の導線とを具える装置を提供する。この装置は荷電粒子検出器である。

更に他の観点によれば、(ａ)第１の面とこの面から０．５cm以上離間した第２の面とを有する支持構造体と、(ｂ)前記第１の面上に配置された第１の材料層であって、この第１の材料層は、荷電粒子がこの第１の材料層に入射された際に二次電子を発生させるように構成されているとともに、開口を有しており、この開口は入射荷電粒子の一部がこの開口を通過するように配置されている当該第１の材料層と、(ｃ)第２の面上に配置されている第２の材料層であって、この第２の材料層は、前記開口を通過した荷電粒子がこの第２の材料層に入射した際に二次電子を発生するように構成されている当該第２の材料層と、(ｄ)前記第１及び第２の材料層の１つ以上により発生された二次電子を検出するように構成された検出器とを具えるシステムを提供する。

更に他の観点によれば、(ａ)試料からの荷電粒子を、支持構造体の第１の面上に配置されているとともに第１の開口を具える第１の材料層に入射されるように向けるステップと、(ｂ)前記第１の開口を通過した透過荷電粒子を、前記支持構造体の第２の面上に配置されているとともに前記第１の開口よりも小さい最大寸法を有する第２の開口を具える第２の材料層に入射されるように向けるステップと、(ｃ)前記第２の開口を通過した透過荷電粒子を、前記支持構造体の第３の面上に配置されている第３の材料層に入射されるように向けるステップと、(ｄ)前記第１の材料層を囲む第１のスクリーンと、前記第２の材料層を囲む第２のスクリーンと、前記第３の材料層を囲む第３のスクリーンとに電位を印化して、これら第１、第２及び第３の材料層の１つで発生された二次電子を検出器に到達させるようにするとともに、他の材料層で発生された二次電子が前記検出器に到達する可能性を低減させるようにするステップと、(ｅ)前記検出器に到達した二次電子を検出するステップと、(ｆ)検出された二次電子に基づいて試料の画像を形成するステップとを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、試料からの複数の荷電粒子を、これらの荷電粒子の各々の散乱角に基づいて第１の複数の粒子と第２の複数の粒子とに分離させるステップと、これら第１及び第２の複数の粒子の各々を互いに異なる電子発生面に入射させるステップと、前記第１の複数の粒子に対応する第１の信号と、前記第２の複数の粒子に対応する第２の信号とを測定するステップとを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、(ａ)２度よりも大きい散乱角に対応する試料からの第１の複数の粒子を第１の面に入射させるように向けるとともに、前記第１の面で前記第１の複数の粒子により発生された電子を測定するステップと、(ｂ)２度よりも小さい散乱角に対応する試料からの第２の複数の粒子を第２の面に入射させるように向けるとともに、前記第２の面で前記第２の複数の粒子により発生された電子を測定するステップと、(ｃ)前記第１及び第２の複数の粒子のうちの少なくとも一方に対応する測定電子に基づいて試料の画像を形成するステップとを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、試料から出る第１の角度範囲内で散乱されたこの試料からの第１の複数の粒子に対応する第１の電子信号と、試料から出る第２の角度範囲内で散乱されたこの試料からの第２の複数の粒子に対応する第２の電子信号とを測定するのに１つの共通の検出器を用いるステップを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、試料内での異なる散乱角度範囲に対応して試料から出る第１及び第２の複数の荷電粒子に対応する電子信号を測定するのに１つの共通の検出器を用いるステップを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、試料から出る第１の複数の荷電粒子を、第１の面に当るように向けることにより、この試料から出る第１の複数の荷電粒子に対応する第１の複数の電子を発生させるステップと、試料から出る第２の複数の荷電粒子を、第２の面に当るように向けることにより、この試料から出る第２の複数の荷電粒子に対応する第２の複数の電子を発生させるステップと、前記第１の面と検出器との間に配置された第１のスクリーンに第１の電位を印化するとともに、前記第２の面と検出器との間に配置された第２のスクリーンに第２の電位を印化することにより、前記検出器で前記第１の複数の荷電粒子又は前記第２の複数の荷電粒子を選択的に検出するステップとを具える方法を提供する。

更に他の観点によれば、試料からの荷電粒子を１つ以上の開口に入射するように向けることによりこれらの荷電粒子を複数の群に空間的に分離するステップと、荷電粒子の各郡を、互いに異なる面であって荷電粒子がこれらの異なる面の各々に当ると二次電子を発生するように構成された面に入射させるように向けることにより、これらの群の各々に対応する電子信号を発生させるステップと、１つの共通の検出器を用いて各郡に対応する電子信号を選択的に検出するステップとを具える方法を提供する。

本発明の例には以下の特徴事項の１つ以上を含めることができる。

本発明の装置には、支持構造体の第３の面上に配置された第３の材料層であって、荷電粒子がこの第３の材料層に当るのに応答して二次電子を発生するように構成された当該第３の材料層を含め、この第３の材料層には第１の材料層における開口の最大寸法よりも大きな最大寸法を有する開口を設け、この第３の材料層は、荷電粒子の一部がこの第３の材料層の開口を通過して第１の材料層に到達するように配置されているようにしうる。第３の材料層における開口の幾何学的中心は、平均荷電粒子軌道に対し平行な軸線に沿って配置しうる。第１の材料層における開口の幾何学的中心と第３の材料層における開口の幾何学的中心とは平均荷電粒子軌道に対し平行な軸線に沿って整列させることができる。

第２の材料層は、平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対しある角度に向けることができる。第１の材料層は、平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対し垂直に向けることができる。第２の材料層の平面は、第１の材料層の平面に対しある角度に向けることができる。第１及び第２の材料層は、平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対しある角度に向けることができる。第３の材料層は、平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対し垂直に向けることができる。

第１及び第２の材料層は、垂直（法線）入射での２５ｋeVの平均エネルギーを有する入射Heイオンに対し２．０以上の二次電子収率を有する材料から形成しうる。又、第１、第２及び第３の材料層の各々を、垂直入射での２５ｋeVの平均エネルギーを有する入射Heイオンに対し２．０以上の二次電子収率を有する材料から形成しうる。第１及び第２の材料層は、１．０cm又はそれよりも大きい（例えば、２．０cm以上）距離だけ互いに分離させることができる。

本発明の装置は、第２の材料層の少なくとも一部の周縁に沿って配置した複数の導線であって、荷電粒子の平均軌道に対し平行な方向に沿って第２の材料層よりも上方に延在するこれら導線を有するようにしうる。本発明の装置は、第２の材料層よりも上方に延在する複数の導線の各々に接続された共通の電気端子を有するようにしうる。本発明の装置は、荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内に延在する複数の導線を有し、入射荷電粒子が第１の材料層に到達する前にこの平面を通過するようにしうる。本発明の装置は、第１の材料層に対し平行な平面内に延在する複数の導線の各々に接続された共通の電気端子を有するようにしうる。

本発明の装置には、(ａ)第２の材料層の少なくとも一部の周縁に沿って配置した複数の導線であって、荷電粒子の平均軌道に対し平行な方向に沿ってこの第２の材料層よりも上方に延在するこれら導線と、(ｂ)第２の材料層よりも上方に延在する複数の導線の各々に接続された共通の電気端子と、(ｃ)第1の材料層の少なくとも一部の周縁に沿って配置した複数の導線であって、第２の材料層よりも上方に延在する部分の複数の導線の方向に対し平行な方向に沿って第１の材料層よりも上方に延在するこれら複数の導線と、(ｄ)第１の材料層よりも上方に延在する複数の導線の各々に接続された共通の電気端子とを設けることができる。本発明の装置は、荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内に延在する複数の導線であって、入射荷電粒子が第３の材料層に到達する前にこの平面を通過するようにしたこれら導線と、荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内に延在するこれら複数の導線の各々に接続された共通の電気端子とを有するようにしうる。

本発明の装置には、第１及び第２の材料層の何れか又は双方により発生された二次電子を検出するように構成した検出装置を設けることができる。本発明の装置には、第１、第２及び第３の材料層の何れかにより発生された二次電子を検出するように構成した検出装置を設けることができる。

本発明の装置には、荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内で、第２の材料層よりも上方に延在する複数の導線に接続された共通の電気端子に結合された電子プロセッサであって、これらの複数の導線の各々に異なる電位を印化するように構成された電子プロセッサを設けることができる。又、本発明の装置には、荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内で、第１及び第２の材料層よりも上方に延在する複数の導線に接続された共通の電気端子に結合された電子プロセッサであって、これらの複数の導線の各々に異なる電位を印化するように構成された電子プロセッサを設けることができる。

第１及び第２の材料層にはプラチナを含めることができる。又、第１、第２及び第３の材料層の各々にはプラチナを含めることができる。第１、第２及び第３の材料層のうちの少なくとも２つは互いに異なる材料から形成しうる。

本発明の装置には、支持構造体に連結され、この支持構造体を入射荷電粒子の通路内に且つこの通路から移動させるように構成された並進機構を設けることができる。

本発明の装置には、第１の材料層上で開口の周縁を囲んで位置する材料層を設けることができる。開口の周縁を囲んで位置するこの材料層は、２５ｋeVのエネルギーで垂直に入射される入射Heイオンに対する二次電子収率が１．５以下である材料を有するようにしうる。本発明の装置には、第１及び第２の材料層における開口の各々の周縁を囲んでこれらの第１及び第２の材料層上に配置された材料層を含めることができる。開口の周縁を囲んで配置されたこれらの材料層は、２５ｋeVのエネルギーで垂直に入射される入射Heイオンに対する二次電子収率が１．５以下である材料を有するようにしうる。

本発明の装置には、第１及び第２の材料層の何れか一方又は双方により発生された二次電子を平行化させるように構成された磁界源を含めることができる。本発明の装置には、第１、第２及び第３の材料層の何れか１つ又は任意の組み合わせにより発生された二次電子を平行化させるように構成された磁界源を含めることができる。

複数の導線の各々は金属から形成しうる。

本発明の装置には、第１及び第２の材料層間に配置した１つ以上の追加の材料層を設けることができ、各追加の材料層は、入射荷電粒子がこの層に当るのに応答して二次電子を発生させるように構成され、各追加の材料層は、第１の材料層における開口の最大寸法よりも大きな最大寸法を有する開口を有し、各追加の材料層における開口は、入射荷電粒子の一部がこの開口を通過して第１の材料層に到達するように配置させる。

前述した角度は４５度以下としうる。第１及び第２の材料層の各々は、平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対し４５度以下の角度に向けることができる。

本発明の装置には、第１、第２及び第３の材料層の各々に電位を印化するように構成された電子プロセッサを設けることができる。本発明の装置には、荷電粒子が第１、第２及び第３の材料層の１つ以上に当った際に第１、第２及び第３の材料層の１つ以上により発生された二次電子を検出するように構成した検出装置を含めることができる。

第２及び第３の材料層は、前述した軸線に対し互いに異なる角度に向けることができる。

第１及び第２の開口の周縁エッジには、２５ｋeVのエネルギーでの垂直入射Heイオンに対し１．５以下の二次電子収率を有する材料層を設けることができる。第１、第２及び第３の複数の導線の各々は金属から形成しうる。

本発明のシステムには、第１の材料層の平面に対し平行な平面内に延在する第１の複数の導線を設けることができ、この第１の複数の導線は、入射荷電粒子が第１の材料層に当る前に第１の複数の導線の平面を通過するように配置する。このシステムには、第２の材料層の周縁の一部に沿って配置されているとともに第１の複数の導線の平面に対し垂直な方向に延在する第２の複数の導線を設けることができる。第１の複数の導線の各々は第１の共通電気接点に接続し、第２の複数の導線の各々は第２の共通電気接点に接続することができる。このシステムには、第１及び第２の共通電気接点の各々に互いに異なる電位を印化するように構成された電子プロセッサを設けることができる。第１の共通電気接点と外部接地点との間の電位差は、第２の共通電気接点と外部接地点との間の電位差とは逆の正負符号を有するようにする。

本発明のシステムには、第１の面及び第２の面間の支持構造体の第３の面上に配置された第３の材料層を設けることができ、この第３の材料層には第１の材料層における開口の最大寸法よりも小さい最大寸法を有する開口を設け、この第３の材料層は、第１の材料層における開口を通過する荷電粒子が第３の材料層に入射された際に二次電子を発生するように構成する。第１及び第２の材料層における開口の幾何学的中心は共通軸線に沿って整列させ、入射荷電粒子の一部が第１及び第３の材料層の各々を通過して第２の材料層に入射されるようにしうる。第２の材料層の平面は第１の材料層の平面に対しある角度に向けることができる。第２の材料層及び第３の材料層の平面は第１の材料層の平面に対し共通の方向に向けることができる。第２の材料層及び第３の材料層のこれらの平面は第１の材料層の平面に対し共通の方向に向けることができる。

第１及び第２の面は１．０cmの距離又はそれよりも大きい距離（例えば、２．０cm以上）だけ互いに離間させることができる。

本発明の方法は、外部接地電位に比べて正の電位を印化して二次電子を検出器に到達させるステップと、外部接地電位に比べて負の電位を印化して二次電子が検出器に到達するのを阻止するステップとを具えることができる。正の電位の大きさは５００Ｖ以下とし、負の電位の大きさは５００Ｖ以下としうる。

本発明の方法は、試料の種々の領域の各々に対応する荷電粒子を第１の材料層に入射させるように向けるステップを具えることができる。本発明の方法は、荷電粒子を荷電粒子源から試料上に入射させるように向けるステップを具えることができる。荷電粒子源にはガスフィールドイオン源を含めることができる。荷電粒子にはイオンを含めることができる。荷電粒子には希ガスイオンを含めることができる。荷電粒子にはヘリウムイオンを含めることができる。又、荷電粒子には電子を含めることができる。

本発明の方法は、外部接地電位に比べて正の電位を試料に印加するステップを具えることができる。本発明の方法は、第１、第２及び第３の材料層の２つ以上からの二次電子の検出に基づいて画像を形成するステップを具えることができる。

本発明の方法は、試料の一部の平均粒子寸法を画像に基づいて決定するステップを具えることができる。本発明の方法は、試料の一部が結晶構造を有するか否かを画像に基づいて決定するステップを具えることができる。本発明の方法は、試料の一部の結晶配向を画像に基づいて決定するステップを具えることができる。本発明の方法は、試料の厚さ変化を画像に基づいて識別するステップを具えることができる。本発明の方法は、試料の組成を画像に基づいて決定するステップを具えることができる。本発明の方法は、試料中の欠陥を画像に基づいて識別するステップを具えることができる。これらの欠陥には結晶格子欠陥を含めることができる。又、これらの欠陥には転位ループを含めることができる。

その他の特徴及び利点は以下の図面に関する説明及び特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

図１は、試料を透過した入射イオンの散乱状態を示す線図である。 図２は、透過した荷電粒子に対する検出システムの一実施例を示す線図である。 図３は、透過した荷電粒子に対する検出システムの他の実施例を示す線図である。 図４は、試料中の材料が異なることによる画像のコントラストを示す当該試料の明視野透過画像である。 図５は、互いに異なる向きにされた試料の部分を示す当該試料の明視野透過画像である。 図６は、試料の異なる部分における厚さ変化を示す当該試料の明視野透過画像である。 図７は、試料の欠陥を示す当該試料の暗視野透過画像である。 図８は、試料の欠陥を示す当該試料の明視野透過画像である。 図９は、イオン顕微鏡システムを示す線図である。 図１０は、ガスフィールドイオン源を示す線図である。

透過顕微鏡法は、試料特性を測定するとともに特徴を明らかにするのに用いることができるものであり、これにより、荷電粒子ビームが入射される試料の表面から放出される二次電子と散乱荷電粒子との双方又は何れか一方を検出するような他の技術を用いて実行される測定を補足又は向上させる或いはその双方を行う。透過した荷電粒子を検出するのは、以下の種々の理由で困難となるおそれがある。ある種の荷電粒子検出器（例えば、マイクロチャネルプレート）は、試料を透過した粒子を検出するのに用いた場合、透過粒子により飽和されたり、場合によっては損傷されたりするおそれがあり、損傷しにくいある種の検出器（例えば、シンチレータ）は比較的非効率的であり、その結果画像の解像度を低減させるおそれがあり、ある種の検出器（例えば、固体検出器）は、低い透過粒子電流に対して比較的感応しにくく、このような検出器により測定された信号よりも暗雑音が優勢となるおそれがある。他の種類の検出器には、高価であるおそれがあるか、又は不利となりうる動作条件（例えば、能動冷却）があるおそれがあるか、或いはこれらの双方のおそれがある。

電子や種々のイオン（例えば、ヘリウム、ネオン、キセノン、クリプトンのような希ガスイオン）を含みうる荷電粒子は、試料を透過する際のある角度範囲で散乱するおそれがある。図１は、荷電粒子ビーム１２にさらされている試料１４を示している。軸線１０は荷電粒子ビーム１２の平均軌道に一致している。透過した荷電粒子は、これらが試料１４を透過する際の角度範囲で散乱する。例えば、荷電粒子１６は軸線１０に対する角度ｓ（例えば、粒子１６の散乱角）で散乱する。

透過顕微鏡法では、散乱角ｓの関数として散乱粒子の占有密度（ポピュレーション）を測定することにより、試料の特性に関する重要な情報を得ることができる。試料の画像は、画素強度が特定の散乱角範囲内の散乱粒子の相対存在量に関連するように構成しうる。散乱角は、試料原子の原子番号、試料密度、試料の結晶配向及び試料の厚さを含む多数の特性に依存する為、角度分解測定又は角度ビニング（angle-binned）測定によりこれらの特性の幾つかを解明する。

明視野透過画像は代表的に、粒子が試料を透過する際に比較的小さい角度で散乱したこれら透過粒子の検出に基づいて得られるものである。例えば、ある実施例では、明視野画像は０．７５度又はそれよりも小さい角度（例えば、０．７０度以下、０．６５度以下、０．６０度以下、０．５５度以下、０．５０度以下、０．４５度以下、０．４０度以下、０．３０度以下、０．２０度以下）で散乱された散乱荷電粒子に対応する。

暗視野透過画像は代表的に、明視野画像におけるよりも大きな角度で散乱される透過粒子の検出に基づいて得られる。例えば、ある実施例では、暗視野画像は０．８度又はそれよりも大きい角度（例えば、１．０度以上、１．５度以上、２．０度以上、２．５度以上、３．０度以上、３．５度以上）と、６．０度又はそれよりも小さい角度（例えば、５．５度以下、５．０度以下、４．５度以下、４．０度以下）との双方又は何れか一方で散乱された散乱荷電粒子に対応する。

高角度暗視野画像は代表的に、暗視野画像におけるよりも大きな角度で散乱された透過粒子の検出に基づいて得られる。例えば、ある実施例では、高角度暗視野画像は、６．０度又はそれよりも大きい角度（例えば、７．０度以上、８．０度以上、１０．０度以上、１５．０度以上、２０．０度以上、２５．０度以上、３０．０度以上、３５．０度以上、４０．０度以上）で散乱された散乱荷電粒子に対応する。

実際には、異なる種類の画像に対応する角度範囲は、特定の角度範囲内の散乱粒子を検出し、この散乱粒子に基づいて画像を形成し、異なる角度範囲でのこれらの散乱粒子に基づく画像を互いに比較することにより実験的に見つけることができる。明視野、暗視野及び高角度暗視野画像に対し適した角度範囲は、例えば、異なる情報（例えば、異なる強度有するか、又はある画像には現れるが他の画像には現れない画像特性）を有する画像に対応する。

図２は、透過顕微鏡法で種々の散乱角で散乱する粒子を測定するのに用い得る荷電粒子検出システムの一実施例を示す。このシステム１００は、材料層１１０及び１１４を支持する支持ブロック１０８を有する。これらの層１１０及び１１４の各々は、電子と、イオンと、中性粒子との何れか又は任意の組み合わせのような粒子が当たった際に二次電子を発生させる材料から成っている。層１１０には開口１１２が設けられている。又、荷電粒子ビーム１２８の平均軌道に対し垂直に向いた平面内には第１の複数の導線１１６が配置されている。これらの導線１１６は試料１０２と層１１０との間に配置されている。又、第２の複数の導線１１８が荷電粒子ビーム１２８の平均軌道に対し平行な方向に延在しているとともに、層１１４の周縁の少なくとも一部を囲むように配置されている。導線１１６は全て共通電気接点１２０に接続されており、導線１１８は全て他の共通電気接点１２２に接続されている。支持ブロック１０８には並進機構１２４が結合されている。接点１２０及び１２２と、並進機構１２４と、層１１０及び１１４により発生された二次電子を検出するように配置された検出器１２６とには、コントローラ（例えば、電子プロセッサ）１０６が電気接続されている。

動作中は、試料１０２が荷電粒子１２８にさらされる。これらの荷電粒子１２８には、例えば、電子及びイオンの双方又は何れか一方を含めることができる。散乱された荷電粒子１０４の分布が、種々に異なる散乱角の範囲で試料の裏面から出現する。支持ブロック１０８は、開口１１２が散乱粒子の分布の中心部と一致するように配置されている。

開口１１２は、分布された散乱粒子１０４の一部がこの開口を通過するとともにこの散乱粒子の他の一部がこの開口を通過しないような寸法とする。一般的に、開口１１２を通過しない粒子は、荷電粒子ビーム１２８の平均軌道により規定された軸線に対し大きな角度で散乱する。これらの散乱した粒子は、例えば、暗視野と高角度暗視野との双方又は何れか一方の粒子に対応しうる。これらの散乱粒子は層１１０の表面に当る。この層１１０に当った各粒子は１つ以上の二次電子を発生し、この二次電子を検出器１２６により検出しうる。

開口１１２を通過した散乱粒子は、位置１２９において層１１４に当る。これらの粒子は、荷電粒子ビーム１２８の平均軌道により規定された軸線に対し小さい角度で散乱し、例えば、明視野粒子に対応しうる。これらの粒子の各々が層１１４に当ると、１つ以上の二次電子が発生され、この二次電子を検出器１２６により検出しうる。

従って、開口１１２は、小さな角度及び大きな角度の散乱粒子１０４により検出信号を別々に発生させる。これらの異なる種類の粒子の各々に対応する信号を別々に検出するために、導線１１６及び１１８に互いに異なる電位を印化する。例えば、層１１０からの暗視野粒子に対応する信号を検出するために、コントローラ１０６は（外部接地電位に対し）正の電位を導線１１６に印加し、負の電位を導線１１８に印加する。導線１１６に印加された正の電位は、層１１０で発生された二次電子がこの層１１０を離れて導線１１６を通って検出器１２６に到達するのを促進させる。これに対し、導線１１８に印加された負の電位は、層１１４内で発生された二次電子を、この層１１４を囲む領域内に閉じ込め（例えば、二次電子が導線１１８を通って伝達されるのを防止し）、これら二次電子が層１１４上に再吸着され、従って、検出器１２６によるこれらの二次電子の検出を低減又は阻止するように或いはその双方を達成するようにする。これに代え、層１１４からの明視野粒子に対応する信号を検出するためには、コントローラ１０６が正の電位を導線１１８に印加するとともに、負の電位を導線１０６に印加し、これらの電位により、層１１４で発生された二次電子の流出及び検出と、層１１０で発生された二次電子の閉じ込めと、を促進させる。従って、導線１１６及び１１８に別々に印加される電位を調整することにより、コントローラ１０６が検出器１２６をもって明視野又は暗視野粒子を選択的に検出しうるようにする。

検出器１２６により測定された、明視野散乱粒子か、暗視野散乱粒子か、これらの混合粒子の何れかに対応する二次電子信号は、試料１０２の画像を形成するのに用いることができる。例えば、測定された二次電子信号は、試料１０２上の荷電粒子ビーム１２８の位置に対応する画素に対する試料の画像における画素強度に対応する。ビーム１２８を試料１０２上の複数の位置に並進させることにより、複数の試料位置における画素強度を測定し、これらを試料１０２の画像を構成するのに用いることができる。各画素に対し複数の強度（例えば、明視野散乱粒子に対応する第１の強度及び暗視野散乱粒子に対応する第２の強度）を測定すると、複数の試料画像（例えば、明視野試料画像及び暗視野試料画像）を形成しうる。或いは、又はこれに加えて、明視野試料信号及び暗視野試料信号のような、散乱粒子の種々の角度範囲に対応して測定した信号を組み合わせて試料１０２の単一画像を形成することができる。

層１１０及び１１４は、互いに同じ材料から、又は異なる材料から形成でき、代表的には比較的高い二次電子収率を有する材料から形成する。例えば、ある実施例では、垂直入射での２５ｋeVのHeイオンに対する層１１０及び１１４の何れか又は双方を形成するのに用いる材料に対する二次電子収率は、２．０又はそれよりも大きい値（例えば、２．５以上、３．０以上、３．５以上、４．０以上、５．０以上、６．０以上）とすることができる。層１１０及び１１４の双方又は何れか一方を形成するのに用い得る代表的な材料にはプラチナが含まれる。ある実施例では、検出器１２６により測定された、散乱粒子の異なる角度範囲に対応する異なる信号の大きさを調整するために、層１１０及び１１４を互いに異なる材料を用いて形成するのが有利である。

代表的には、散乱粒子１０４が層１１４に当った際に二次電子の収率を（例えば、垂直入射での二次電子収率に比べて）高めるように、この層１１４（及び同様に配置された他の層）を粒子ビームの平均軌道に対しある角度に傾斜させる。例えば、ある実施例では、層１１４に対し垂直な面と粒子ビーム１２８の平均軌道との間の角度を、５度又はそれよりも大きい角度（例えば、１０度以上、１５度以上、２０度以上、２５度以上、３０度以上）と、７５度又はそれよりも小さい角度（例えば、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下、５０度以下、４５度以下）との双方又は何れか一方とする。

一般的には、層１１４を層１１０に対してある角度で傾ける。例えば、ある実施例では、層１１０の平面と層１１４の平面との間の角度を１度又はそれよりも大きい角度（例えば、２度以上、３度以上、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上、２５度以上、３０度以上、４０度以上、５０度以上）と、８９度又はそれよりも小さい角度（例えば、８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６０度以下）との双方又は何れか一方としうる。

代表的には、層１１４を粒子ビーム１２８の平均軌道の方向に沿って層１１０から分離させる。例えば、ある実施例では、粒子ビーム１２８の平均軌道の方向に沿う層１１０及び層１１４間の最小間隔は０．５cm又はそれよりも大きい間隔（例えば、１．０cm以上、１．５cm以上、２．０cm以上、２．５cm以上、３．０cm以上、４．０cm以上、５．０cm以上、６．０cm以上、７．０cm以上）と２０cm又はそれよりも小さい間隔（例えば、１８cm以下、１６cm以下、１４cm以下、１２cm以下、１０cm以下）との双方又は何れか一方とする。

層１１０及び１１４の各々は種々の異なる形状としうる。例えば、図２では、層１１０及び１１４の各々は正方形又は長方形にする。しかし、より一般的には、円形、楕円形、三角形及びその他の規則的な辺の多角形を含む種々の異なる形状も可能である。層１１０及び１１４の何れか又は双方が不規則的な形状を有するようにすることもできる。層１１０及び１１４は、ある実施例では、互いに同じ形状を有するか又は互いに異なる形状を有するようにしうる。

導線１１６及び１１８は代表的に、金属のような導体材料により形成し、これらの導線に印加される電位に応じて遮蔽及び加速の双方の電極として機能するようにする。図２では、導線１１６の各々を共通電気接点１２０に接続し、導線１１８の各々を共通電気接点１２２に接続する。しかし、より一般的には、導線１１６及び導線１１８の双方又は何れか一方を複数の導線群に分割し、各導線群が別々の接点に接続されるようにすることができる。例えば、層１１４の特定の辺に沿う導線の各々を共通電気接点に接続し、コントローラ１０６が層１１４の３つの辺の各々に沿って、独立的に電力を印化しうるようにする。このように電位を印化することにより（例えば、層１１４の１つの辺に沿う導線に正の電位を印化し、層１１４の他の辺に沿う導線に負の電位を印化することにより）、コントローラ１０６が二次電子を層１１４の特定の辺から流出させるのを促進させうるようにする。

導線１１６及び１１８に印加される正及び負の電位は所望に応じて変更して、二次電子の流出及び二次電子の閉じ込めを適切に促進させるようにすることができる。ある実施例では、例えば、導線１１６及び１１８の双方又は何れか一方に印加される電位の大きさを１０Ｖ又はそれよりも大きい値（例えば、２０Ｖ以上、３０Ｖ以上、４０Ｖ以上、５０Ｖ以上、７５Ｖ以上、１００Ｖ以上、１５０Ｖ以上）と、５００Ｖ又はそれよりも小さい値（例えば、４５０Ｖ以下、４００Ｖ以下、３５０Ｖ以下、３００Ｖ以下、２５０Ｖ以下、２００Ｖ以下）との双方又は何れか一方とする。

図２に示す導線１１６及び１１８に加えて、他の種類の電極をも用いて導線の機能を実行させるようにすることができる。例えば、ある実施例では、導線１１６及び１１８の何れか又は双方に代えて、複数の孔を有する導電性グリッド又はメッシュを用い、これらの孔により二次電子がこの導電性グリッド又はメッシュを通過するようにすることができる。これらの孔は、二次電子が導電性グリッド又はメッシュを通過する所望の容易性に応じて種々の異なる形状及び寸法の何れのものにもすることができる。一般に、孔が大きくなればなる程、二次電子が導電性グリッド又はメッシュを通過する容易性が大きくなるとともに、導電性グリッド又はメッシュの二次電子閉じ込め能力が小さくなる。

更に、層１１０及び１１４から生じる二次電子の流出及び検出を促進させるか、又は二次電子を閉じ込めるとともに二次電子の検出を阻止するために、ある実施例では、コントローラ１０６を層１１０及び１１４に接続してこれらの層に電位を印化しうるようにすることができる。例えば、コントローラ１０６により、（例えば、外部接地電位に対し）負の電位を層１１０及び１１４の双方又は何れか一方に印加して二次電子の流出を促進させるようにしうるとともに、正の電位を層１１０及び１１４の双方又は何れか一方に印加して二次電子の閉じ込めを促進させるようにしうる。層１１０及び１１４に印加する電位の大きさは一般に、導線１１６及び１１８に印加される電位の大きさに類似させることができる。

入射荷電粒子１２８に応答して試料１０２で発生された二次電子を検出器１２６により検出されないようにするために、コントローラ１０６をある実施例では、電位を試料１０２に印加するように構成するようにしうる。例えば、コントローラ１０６により、（例えば、外部接地電位に対し）正の電位を試料１０２に印加して試料１０２からの二次電子の流出をより困難にするようにしうる。試料１０２に印加される電位の大きさは一般に、導線１１６及び１１８に印加される電位の大きさに類似させることができる。

開口の形状は種々に変えることができる。例えば、代表的には、開口１１２を円形にする。しかし、より一般的には、開口１１２を正方形、長方形、楕円形又はその他の形状としうる。代表的には、開口１１２の寸法を選択して、散乱粒子の角度範囲を、層１１０及び１１４で信号が発生するように制御するようにする。例えば、開口１１２の最大寸法を減少させることにより、散乱粒子が層１１４に当りこの層１１４から二次電子信号を発生させるこれら散乱粒子の個数に比べて多数の散乱粒子が層１１０に当り、この層１１０から二次電子信号を発生させるようにする。図２では、開口１１２を固定寸法とする。しかし、より一般的には、開口１１２を調整しうるようにするとともに、明視野及び暗視野散乱粒子１０４間を適切に弁別するように調整しうるようにする。例えば、ある実施例では、層１１０を、異なる寸法の開口の範囲のうちの如何なるものをも受け入れるように構成できる。すなわち、種々の寸法の開口を所望通りに層１１０から除去したり層１１０に挿入したりして、層１１０の散乱粒子角フィルタリング特性を変更するようにしうる。

ある実施例では、開口１１２のエッジを二次電子収率が比較的低い材料の層で被覆して、開口のエッジが試料画像においてイメージングアーティファクトとして現れるのを低減させるか又は阻止するか或いはこれらの双方を達成するようにすることができる。例えば、代表的には、開口１１２のエッジを、垂直入射でのエネルギー２５ｋeVのHeイオンに対する二次電子収率が１．５又はそれよりも小さい値（例えば、１．４以下、１．３以下、１．２以下、１．１以下、１．０以下、０．９以下、０．８以下）である材料で被覆することができる。開口１１２のエッジを被覆するのに適した代表的な材料には、炭素のような種々の低原子番号材料が含まれる。

並進機構１２４は、コントローラ１０６に結合されており、支持ブロック１０８を散乱粒子１０４の通路内に入れるとともにこの通路から出すように移動させる。この並進機構１２４には例えば、回転軸に結合された電動式アクチュエータを含めることができる。コントローラ１０６からの電子信号は、層１１０及び１１４を散乱粒子の検出に用いる場合に、並進機構１２４が支持ブロック１０８を粒子１０４の通路内に移動させ、他の検出器を粒子検出に用いる場合に、並進機構１２４が支持ブロック１０８を粒子１０４の通路から引き離す命令を行う。

システム１００の特定の利点は、種々に異なる種類の検出器１２６とのこのシステムの適合性にある。例えば、代表的には、検出器１２６はエバハート・ソーンリー型検出器とする。しかし、マイクロチャネルプレート、固体検出器及びシンチレータを含む他の種類の検出器をも用い得る。種々の種類の適切な検出器は米国特許第７，５０４，６３９号明細書に開示されている。この米国特許明細書の内容は全て参考のために導入されるものである。

ある実施例では、システム１００に磁界源１３０を設けることができる。この磁界源１３０は、層１１０及び１１４の双方又は何れか一方により発生された二次電子を、検出器１２６により検出されるように平行化させるのに用いることができる。二次電子を平行化させることにより、ある実施例において検出効率を高めることができる。代表的には、磁界源１３０により発生される磁界を調節して、この磁界が散乱粒子１０４の軌道を著しく乱さないようにする。

図２では、２つの層（例えば、層１１０及び１１４）を用いて散乱粒子１０４を検出している。しかし、より一般的には、任意の個数の層（例えば、３つの層、４つの層、５つの層、６つの層、７つの層又は７つよりも多い層）を、順次に小さくした開口と一緒に用いて、異なる散乱角度範囲に対応する散乱粒子を検出するようにすることができる。例えば、３つの互いに異なる材料の層２１０、２１４及び２３２を有するシステム２００の実施例を図３に示してあり、各層は入射散乱粒子が当ると二次電子を発生する。層２３２の向き、組成及び構造は、図２に関連して上述した層１１４に類似する。システム２００には、支持ブロック２０８に結合された並進機構２２４と組み合わせたコントローラ２０６をも有している。このコントローラ２０６は、導線２１６、２１８及び２３４にそれぞれ接続された電気接点２２０、２２２及び２３６の各々とも電気的に結合されている。導線２１６、２１８及び２３４により発生された二次電子を検出するように構成された検出器２２６もコントローラ２０６に接続されている。

システム２００の動作及びその種々の構成素子の機能は、前述したシステム１００のものに類似している。試料２０２を荷電粒子ビーム２２８にさらし、散乱粒子２０４の分布を、散乱角度の範囲で試料２０２を通して伝達させる。層２１０には開口２１２を設け、層２１４には開口２３８を設ける。これらの開口２１２及び２３８は荷電粒子ビーム２２８の平均軌道の方向に沿って互いに整列させる。更に、開口２１２の最大寸法は開口２３８の最大寸法よりも大きい。

散乱粒子２０４が層２１０上に入射されると、粒子２０４の一部（例えば、比較的大きな散乱角度で散乱された粒子）は開口２１２の周縁を越えて層２１０に当り、検出器２２６により検出しうる二次電子を発生する。粒子２０４の残りの部分は開口２３８を通過して層２３２に入射され、この部分の粒子が層２３２に当り、検出器２２６により検出しうる二次電子を発生させる。

コントローラ２０６は前述したコントローラ１０６と同様に構成しうる。例えば、代表的には、このコントローラ２０６により導線２１６、２１８及び２３４に互いに異なる電位を印化して、検出器２２６により測定される二次電子信号が散乱粒子２０４の特定の角度範囲に対応するようにしうる。例えば、（外部接地電位に対し）正の電位を導線２１８に印加するとともに、負の電位を導線２１６及び２３４に印加することにより、検出器２２６により測定される二次電子信号を、試料２０２を透過した際に中間の角度範囲で散乱される粒子に対応させるようにする。検出器２２６により測定される二次電子信号を合成して、例えば、散乱粒子２０４の複数の異なる角度範囲に対応する試料２０２の画像を発生させるようにしうる。又、検出器２２６により測定される二次電子信号を用いて、試料２０２の異なる画像を構成し、これらの異なる画像の各々が散乱粒子２０４の異なる角度範囲に対応するようにすることもできる。例えば、ある実施例では、これらの異なる画像を、ここに開示した明視野画像と、暗視野画像と、高角度暗視野画像との何れか又は任意の組み合わせに対応するようにしうる。

ある実施例では、合成した信号を検出器２２６により測定することができる。例えば、コントローラ２０６により正の電位を、導線２１６、２１８及び２３４のうちの任意の２つの（又は３つ全ての）群に印加しうる。従って、検出器２２６により測定される二次電子信号は層２１０、２１４及び２３２のうちの１つ以上から発生される二次電子信号に対応させることができ、試料２０２により形成される画像には、散乱粒子の複数の異なる角度範囲から取り出される情報を含めることができる。

ある実施例では、複数の検出器を用いて複数の信号が同時に得られるようにしうる。例えば、図２を参照するに、システムには１つの検出器１２６ではなく２つ以上の検出器を設けることができる。第１の検出器を層１１４の近辺に配置し、この第１の検出器を用いて、明視野粒子が層１１４上に入射された際にこの層１１４により生ぜしめられた二次電子を測定するようにしうる。又、第２の検出器を層１１０の近辺に配置し、この第２の検出器を用いて、暗視野粒子が層１１０上に入射された際にこの層１１０により生ぜしめられた二次電子を測定するようにしうる。ある実施例では、動作中、２つの検出器のうちの１つのみが二次電子を能動的に検出しており、その際他の検出器は非動作状態にしておくようにしうる。或いはまた、ある実施例では、双方の検出器が同時に粒子を検出しているようにしうる。双方の検出器が粒子を能動的に検出している場合、システムは、明視野（例えば、小さい散乱角度）及び暗視野（例えば、大きい散乱角度）の粒子に対応する情報を同時に測定する。

同様に、図３を参照するに、ある実施例では、図３に示すシステムに、２つの検出器又は３つの検出器或いは３つよりも多い検出器を設けることができる。例えば、第１の検出器は層２３２の近辺に配置し、この層２３２により発生された二次電子を検出するように構成することができる。第２の検出器は層２１４の近辺に配置し、この層２１４により発生された二次電子を検出するように構成することができる。第３の検出器は層２１０の近辺に配置し、この層２１０により発生された二次電子を検出するように構成することができる。これらの検出器のうちの何れか２つ又は３つ全ての検出器が二次電子を能動的に検出するように構成された場合、図３に示すシステムは、散乱粒子の互いに異なる角度範囲に対応する信号を同時に得ることができる。

ある実施例では、複数の検出器を二次電子発生層に対して互いに異なるように配置するか又は互いに異なる向きにするか、或いはこれらの双方を達成させて、各検出器が１つのみの層により発生された二次電子を測定するようにする選択性を改善するようにすることができる。例えば、図３を参照するに、層２３２の近辺に配置した第１の検出器は、この検出器が、層２３２により発生されてｙ方向に沿って伝搬する粒子を検出するように配置しうる。層２１４の近辺に配置した第２の検出器は、この検出器が、層２１４により発生されて−ｙ方向に沿って伝搬する粒子を検出するように配置しうる（例えば、第２の検出器は、第１の検出器が配置されている側とは反対側の支持ブロック２０８の側に配置することができる）。第３の検出器は層２１０の近辺に、例えば、層２１０の上方に配置し（例えば、−ｚ方向で層２１０から分離させて配置し）、層２１０により発生された粒子を検出するようにしうる。これらの複数の検出器を支持ブロック２０８を囲む種々の位置に配置することにより、これらの検出器に関する寸法上の制限を緩和させることができる。

ある実施例では、検出器を支持ブロック２０８の特定の側に配置した場合に、層の周りに配置された導線に印加される電位は、発生された二次電子を対応する検出器の方向に優先的に向けるように調整しうるようにする。例えば、第１の検出器を、層２３２により発生されｙ方向に伝搬される粒子を検出するように配置した場合、異なる電位を複数の導線２３４の幾つかに印加しうる。複数の導線２３２の幾つか又は全てをコントローラ２０６により個々にアドレス可能となるようにしうる。その結果、コントローラ２０６は例えば、ｙ方向で層２３２と第１の検出器との間に配置された導線２３４のサブセットに正の電位を印化するように構成しうる。このコントローラ２０６は、層２３２の他の２つの側における導線のサブセットに負の電位を印化するように構成することもできる。その結果、層２３２により発生された二次電子は、優先的にｙ方向に沿って層２３２から離れて第１の検出器に向かようにすることができる。同様に、層２１４により発生されて−ｙ方向に沿って伝搬する二次電子を検出するように第２の検出器を配置した場合、コントローラ２０６は、−ｙ方向に沿って層２１４と第２の検出器との間に配置された複数の導線２１８のサブセットに正の電位を印化し、層２１４の他の２つの側における導線２１８のサブセットに負の電位を印化することができる。その結果、層２１４により発生された二次電子は、優先的に−ｙ方向に沿って層２１４から離れて第２の検出器に向かうようになる。

一般には、任意の個数の検出器を用いて、種々の層の１つ以上により発生された二次電子を測定することができる。ある実施例では、１つの検出器を、２つ以上の層により発生された二次電子を測定するように構成しうる。ある実施例では、１つの検出器を、１つの層により発生された二次電子を測定するように構成しうる。ある実施例では、複数の検出器を、１つの層により発生された二次電子を測定するように構成しうる。１つ以上の検出器の個数、配置位置及び向きは、特定の方法のイメージングや複数の条件に応じて所望通りに選択しうる。複数の検出器を用いることにより、１つの層又はそれよりも多い層（例えば、２つ以上の層、３つ以上の層、４つ以上の層、５つ以上の層）により発生された二次電子信号を同時に測定しうる。

更に、一般には、上述した複数の導線の任意のものをコントローラ（例えば、コントローラ１０６及び２０６の双方又は何れか一方）に接続し、これら導線の何れか１本又は複数本をコントローラにより個別にアドレスしうるようにすることができる。ある実施例では、例えば、複数の導線の各々を共通電気接点に接続し、コントローラがこれらの導線の各々に共通の電位を印化するようにする。ある実施例では、複数の導線の任意のものを１つ以上のサブセットにグループ化し、各サブセットをコントローラにより個別にアドレスしうるようにすることができる。コントローラは導線のこれらサブセットの幾つか又は全てに異なる電位を印化しうる。例えば、図３では、層２３２を囲む複数の導線２３４を３つの異なるサブセットに分割し、各サブセットがこの層２３２の側部の１つに沿って配置された導線に対応するようにしうる。コントローラ２０６は、導線２３４の異なるサブセットの各々に同じ電位を印化するように構成することができる。或いはまた、上述したように、コントローラ２０６は、導線の幾つかのサブセットに異なる電位を印化し、例えば、層２３２により発生された二次電子を、特定の方向に沿って伝搬するように向けるように構成しうる。複数の導線２１８に対して同様な構造を適用することもできる。

更に、ある実施例では、上述した何れの複数の導線の各部分をコントローラにより個別にアドレスしうるようにできる。コントローラは一般に、導線の何れか１本又はそれよりも多い導線に選択した如何なる電位をも印加しうるように構成できる。

ある実施例では、追加の電極を用いて、任意の層によって発生される二次電子が検出器により検出される効率を高めるようにすることができる。例えば、図２では、支持ブロック１０８の表面１１９を金属のような導電性材料により被覆することができ、且つコントローラ１０６に電気接続することができる。コントローラ１０６は、表面１１９に電位を印化して、二次電子が層１１４から離間して検出器１２６に向かうように伝搬するのを促進させるように構成しうる。例えば、負の電位を表面１１９に印加することにより、層１１４により発生される二次電子がこの表面１１９から反発される。更に導線１１８に正の電位を印加することにより、発生された二次電子が層１１４から離間して検出器１２６に向かうように伝搬するのを促進させる。同様に、図３においては、表面２１９及び２３５の双方又は何れか一方を導電性材料で被覆するとともに、コントローラ２０６に電気接続することができる。コントローラ２０６は、表面２１９及び２３５の双方又は何れか一方に正の電位（これらの表面には同じ又は異なる電位）を印化して、二次電子が層２１４及び２３２からそれぞれ離れて検出器２２６の方向に伝搬するのを促進させるようにしうる。

ここに開示する実施例の何れにも、種々の層の１つ以上により発生された二次電子の検出効率を更に高めるように配置された追加の電極を含めることができる。図３では、層２１０、２１４及び２３２の何れか又は任意の組み合わせにより発生された二次電子を検出器２２６に向けて更に指向されるように３つの電極２２７ａ〜２２７ｃを配置しうる。検出器と、この検出器が検出するように構成された二次電子を発生する１つ又は複数の層との間には１つ以上の電極を配置しうる。代表的には、電極２２７ａ〜２２７ｃは金属のような導電性材料から形成するとともに、二次電子を通過させる導電性グリッド又はメッシュとして構成する。コントローラ（例えば、コントローラ２０６）は代表的に正の電位を電極の各々に（例えば、同じ電位を各電極に又は異なる電位を電極のうちの少なくとも数個に又は全てに）印加する。二次電子は電極に引き寄せられ、これら電極を通過し、検出器に入射される。複数の電極を直列に用いたある実施例では、（例えば、二次時電子を発生する層から検出器に向かう方向で）順次の電極に印加される電位の大きさが増大しうるようにする。代表的には、電極に印加される電位は、１０Ｖ又はそれよりも大きい値（例えば、２０Ｖ以上、３０Ｖ以上、４０Ｖ以上、５０Ｖ以上、７５Ｖ以上、１００Ｖ以上、２００Ｖ以上、３００Ｖ以上、４００Ｖ以上、５００Ｖ以上、７５０Ｖ以上、１ｋＶ以上）と、１０ｋＶ又はそれよりも小さい値（例えば、９ｋＶ以下、８ｋＶ以下、７ｋＶ以下、６ｋＶ以下、５ｋＶ以下、４ｋＶ以下、３ｋＶ以下、２ｋＶ以下）との双方又は何れか一方の値を有する。

散乱イオンの互いに異なる角度範囲に対応する測定信号及び情報を用いて、試料に関する種々の情報を決定することができる。決定しうる情報には、例えば、試料の元素組成に関する情報、試料の結晶特性に関する情報、試料の一部分の結晶配向に関する情報、試料の厚さにおける変化に関する情報及び試料における欠陥（結晶格子の欠陥を含む）に関する情報を含めることができる。

図４は、１００nmの厚さの半導体装置の明視野透過画像を示す。図４における画像は、平均エネルギーが３０ｋeVの入射Heイオンに装置をさらし且つ明視野透過イオンを検出することにより得たものである。この画像の暗領域は、入射Heイオンが止められたか又は大きな散乱角度で散乱された試料の部分に対応する。画像におけるより明るい領域は、入射Heイオンが散乱されなかったか、又は比較的小さい角度でのみ散乱された試料の部分に対応する。画像中の暗領域はタングステンから成る資料の部分に対応する。画像の最も明るい領域は、結晶シリコンより成る資料の部分に対応する。中間強度の画像領域は、銅、種々の誘電体材料及び金属酸化物よりなる資料の領域に対応する。従って、このような散乱角度分解透過測定に基づいて、試料中の互いに異なる材料より成る組成を識別することができる。

図５は資料の明視野透過画像を示しており、この試料は数個の酸化マグネシウム結晶を上に支持している炭素支持フィルム（この画像の左上隅部に見得る）より成っている。この試料はHeイオンにさらされたものであり、０．５度〜２．０度の散乱角度範囲内の散乱イオンが検出され、検出された信号を用いて画像を形成した。この画像が示しているように、酸化マグネシウム結晶はほぼ立方形をしているとともに、種々に異なる方向に配向されている。例えば、この画像中で最も左側の結晶は、殆どの入射Heイオンが結晶内で止められているか又は２．０度よりも大きな角度で散乱されているように配向されている。しかし、左から３番目の結晶は最も左側の結晶よりも著しく明るく、画像ではほぼ透明に見える。この結晶は、殆どの入射ヘリウムイオンが偏向されずに又はほんの僅かな角度で散乱されてこの結晶を通過するように配向されていること明らかである。この画像からは、この結晶の原子がほぼ入射Heイオンの伝搬方向に向いた列に沿って整列されており、チャネリング効果を生ぜしめることが推測される。従って、これらの種類の散乱角度分解透過測定に基づいて、試料の種々の部分の結晶配向を決定することができる。

図６は、図５の試料に類似する試料、すなわち複数の酸化マグネシウムを支持する炭素膜の明視野透過画像を示す。この図６では、試料はHeイオンにさらしたものであり、０．５度〜２．０度の散乱角度範囲内の散乱イオンが検出され、検出された信号を用いて画像を形成した。この画像中の結晶のうちの２つはストライプの強度パターンを呈している。このパターンに基づき、これらの結晶は（図５におけるほぼ透明な結晶のように）、殆どの入射Heイオンが偏向されずに又は比較的僅かな角度で散乱されてこれらの結晶を通過しうるように配向されていることを推論しうる。ストライプの強度パターンは、入射イオン結晶の種々の厚さを通過する際の、これら入射イオンの波の干渉特性により生じるものと考えられている。（例えば、入射イオンを有している）イオン波が、厚さが変化している試料中の領域を通過する際に、イオンの種々の軌道が建設的干渉又は相殺的干渉となるものと考えられている。又、ストライプは試料中の一定の厚さの部分の輪郭に対し平行に向いているものと考えられている。従って、ここで開示した散乱角度分解透過測定に基づいて、試料の異なる部分における厚さ変動を決定することができる。

図７は、図６と同じ試料の他の部分の画像を示す。この図７では、画像の中央における結晶は、その立法形体の対角線がHeイオンの入射方向と整列されるように配向されている。図７では、結晶は六角形状で現れ、ストライプ状の厚さの輪郭は同心六角形特性として現れる。図７における画像は、２．０度よりも大きい角度で散乱されたHeイオンを測定することにより暗視野モードで得られた。厚さの輪郭は、試料の明視野及び暗視野の双方の画像で見ることができる。更に、中央の酸化マグネシウム結晶における格子欠陥に対応する試料中の欠陥は画像中に見ることができる。従って、ここで開示した散乱角度分解透過測定を用いて、格子欠陥のような試料欠陥を識別することができる。図８は、他の試料の明視野画像を示す。この画像では、丸で囲んである結晶は入射Heイオンに対する透過性が大きく、このことは、Heイオンが偏向されずに又は比較的僅かな角度で散乱されてこの結晶を通過するということを示している。しかし、格子欠陥（例えば、転位ループ）に対応する暗い糸状領域が結晶中に見られる。図７と図８とを比較することから明らかなように、試料欠陥は、明視野と暗視野との双方のイメージングモードで検出しうる。

種々の異なる試料特性は図４〜８に示すような画像から定性的及び定量的の双方又は何れか一方で決定しうる。ある実施例では、例えば試料の領域中の平均粒子寸法を決定しうる。試料の１つ以上の画像であって、選択した試料領域における複数の異なる結晶粒子を示す画像を上述したようにして得ることができる。次に例えば、電子プロセッサで動作する画像解析ソフトウェアを用いて１つ以上の画像を解析して、画像中で識別された１つ以上の粒子の寸法を測定することができる。画素単位で測定しうる粒子の寸法は、電子プロセッサにより距離測定（例えば、ナノメートル）に変換しうる。複数の異なる粒子寸法の測定を平均化して、選択された試料領域における平均粒子寸法測定を行うことができる。

ある実施例では、試料の画像を用いて、試料の選択領域が結晶質構造を有するか又は非晶質構造を有するかを決定する。例えば、第１の試料領域を測定することができ、試料の選択領域を画像中で識別しうる。この選択領域の平均強度は、この選択領域内の画素の強度の平均を計算することにより決定しうる。この場合、試料を荷電粒子の入射ビームに対して傾ける（又は他の傾斜角に調整する）ことができ、試料の１つ以上の追加の画像が得られるようにしうる。試料の選択領域は、１つ以上のこの又はこれらの追加の画像内で識別でき、選択領域内の平均画素強度はこの又はこれらの追加の画像から計算しうる。試料を傾けた際に、この平均画素強度が著しく変化しない場合には、試料の選択領域を、実質的に非晶質構造を有するものとして識別しうる。これとは逆に、試料を傾けた際に、この平均画素強度が著しく変化する場合には、試料の選択領域を、実質的に結晶質構造を有するものとして識別しうる。結晶質の試料を傾けることにより、試料構造中の原子の秩序正しい配列の、入射荷電粒子の方向に対する整列が変化し、これにより測定強度を変化させる。構造の秩序が著しく少ない非晶質の試料の場合、試料領域に対応する測定強度は、入射荷電粒子に対する試料の向きに著しく依存することはない。

ある実施例では、試料（又はその一部）の元素組成を、１つ以上の試料画像に基づいて決定しうる。上述したように、ここに開示した検出器を用いて、散乱角度の特定の範囲内で試料から生じる粒子に対応する信号を測定しうる。代表的には、比較的小さい原子番号の試料原子が入射粒子を比較的小さい角度で散乱させ、一方、大きい原子番号の試料原子が入射粒子を大きい角度で散乱させる。例えば、散乱角度が小さい範囲内で生じる粒子に対応する１つ以上の試料画像を得ることにより、試料中の小さい原子番号の元素を識別しうる。大きな散乱角度の範囲内で生じる粒子に対応する試料画像も同様に用いて試料中の大きな原子番号の元素を識別することができる。一例として、小さな角度で散乱される粒子に基づく画像を用いて、試料中のシリコンのような原子番号の小さい元素を識別することができ、一方、大きな角度で散乱される粒子に基づく画像を用いて、試料中のタングステンのような原子番号の大きい元素を識別することができる。試料の画像を測定するのに用いる検出粒子の角度範囲を選択することにより、試料中の複数の異なる元素の存在を識別でき、試料内の元素の分布を測定しうる。

代表的には、多目的の顕微鏡システムでガスイオンビームを発生させる。ガスフィールドイオン源を用いて試料解析（例えば、イメージング）に用い得るイオンを発生させる顕微鏡システムは、ガスフィールドイオン顕微鏡と称されている。ガスフィールドイオン源は、（代表的に１０個の原子又はそれよりも少ない原子を有する先端を具える）チップを含む装置であり、この装置は、中性ガス種をチップの付近に（例えば、約４〜５オングストロームの距離内に）持ってくるとともに、正の高電位（例えば、抽出器（以下の説明を参照）と比べて１ｋＶ以上）をチップの先端に印加することにより、中性ガス種をイオン化してイオンを（例えば、イオンビームの形態で）発生させるのに用いることができる。

図９は、ガスフィールドイオン顕微鏡システム１１００を示すブロック線図であり、このガスフィールドイオン顕微鏡システム１１００は、ガス源１１１０と、ガスフィールドイオン源１１２０と、イオン光学系１１３０と、試料マニピュレータ１１４０と、正面検出器１１５０と、背面検出器１１６０と、通信ライン１１７２ａ〜１１７２ｆを介してシステム１００の種々の構成素子に電気接続された電子制御システム１１７０（例えば、コンピュータのような電子プロセッサ）とを有する。試料１１８０はイオン光学系１１３０と検出器１１５０、１１６０との間で試料マニピュレータ１１４０内／上に配置されている。使用に際しては、イオンビーム１１９２がイオン光学系１１３０を介して試料１１８０の表面１１８１に向けられ、試料１１８０とイオンビーム１１９２との相互作用により得られる粒子１１９４が検出器１１５０及び１１６０の双方又は何れか一方により測定される。

一般には、システム１１００を排気処理することにより、このシステム内にある種の不所望な化学種が存在するのを低減させるのが望ましい。代表的には、システム１１００の種々の構成素子は互いに異なるバックグラウンド圧力に維持される。例えば、ガスフィールドイオン源１１２０は１０^-10 トル（１トル＝１３３．３２２３６８Pa）の圧力に維持しうる。ガスフィールドイオン源１１２０内にガスが導入されると、バックグラウンド圧力は約１０^-5トルに上昇される。イオン光学系１１３０は、ガスフィールドイオン源１１２０内にガスが導入される前は約１０^-8トルのバックグラウンド圧力に維持されている。ガスが導入されると、イオン光学系１１３０内のバックグラウンド圧力は代表的に約１０^-7トルに増大する。試料１１８０は、代表的に１０^-6トルのバックグラウンド圧力に維持されている室内に配置されている。この圧力は、ガスフィールドイオン源１１２０内にガスが存在するか存在しないかによって著しく変化しない。

図１０に示すように、ガス源１１１０は１種類以上のガス１１８２をガスフィールドイオン源１１２０に送給するように構成されている。以下により詳細に説明するように、ガス源１１１０は、ガスを種々の純度、フローレート、圧力及び温度で送給するように構成しうる。一般には、ガス源１１１０により送給される少なくとも１種類のガスは希ガス（ヘリウム（He）、ネオン（Ne）、アルゴン（Ar）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe））とし、この希ガスのイオンがイオンビーム１１９２中の主成分となるようにするのが好ましい。一般には、試料１１８０の表面１１８１で測定されるように、イオンビーム１１９２におけるイオンの流れは、システム１１００内の希ガスの圧力が増大するにつれて、単調増大する。ある実施例では、この関係は、ある範囲の希ガス圧力に対し、イオンの流れが一般にガス圧力に比例して増大するべき法則により説明しうる。動作中は、希ガスの圧力は、チップの先端に隣接して代表的に１０^-2トル又はそれよりも小さい値（例えば、１０^-3トル以下、１０^-4トル以下）と、１０^-7トル又はそれよりも大きい値（例えば、１０^-6トル以上、１０^-5トル以上）とする（後の説明を参照）。一般には、比較的高い純度のガスを用いる（例えば、システム中の不所望な化学種の存在を低減させる）のが望ましい。一例としては、Heを用いた場合、このHeを少なくとも９９．９９％の純度（例えば、９９．９９５％の純度、９９．９９９％の純度、９９．９９９９％の純度）にしうる。同様に、他の希ガス（Neガス、Arガス、Krガス、Xeガス）を用いる場合、ガスの純度は高い純度の商用グレードとするのが望ましい。

随意ではあるが、ガス源１１１０により、前記の希ガスに加えて、１種類以上のガスを送給するようにしうる。以下に詳細に説明するように、このようなガスの一例は窒素である。代表的に、このような追加のガスは前記の希ガス内の不純物のレベルよりも高いレベルで存在させうるが、このような追加のガスは依然としてガス源１１１０により導入される全混合ガスのうちのマイノリティ（僅かな）成分を構成するものである。一例として、Heガス及びNeガスをガス源１１１０によりガスフィールドイオン源１１２０内に導入する実施例では、全混合ガスに、２０％又はそれよりも少ない（例えば、１５％以下、１２％以下の）Neと、１％又はそれよりも多い（例えば、３％以上、８％以上）のNeとの双方又は何れか一方を含めることができる。例えば、Heガス及びNeガスをガス源１１１０により導入する実施例では、全混合ガスに５％〜１５％（例えば、８％〜１５％、９％〜１１％）のNeを含めることができる。他の例として、Heガス及び窒素をガス源１１１０により導入する実施例では、全混合ガスに、１％又はそれよりも少ない（例えば、０．５％以下、０．１％以下の）窒素と、０．０１％又はそれよりも多い（例えば、０．０５％以下の）窒素との双方又は何れか一方を含めることができる。例えば、Heガスと窒素ガスとをガス源１１１０により導入する実施例では、全混合ガスに、０．０１％〜１％（例えば、０．０５％〜０．５％、０．０８％〜０．１２％）の窒素を含めることができる。ある実施例では、追加のガスを（例えば、ガスを混合し、次にこの混合ガスを単一の注入口を介してシステム１１００内に送給するガスマニホールドを使用することにより）システム１１００に入れる前に希ガスと混合する。ある実施例では、追加のガスがシステム１１００に入る前に希ガスと混合されないようにする（例えば、各ガスをシステム１１００内に入れるのに別々の注入口を用いるが、これらの別々の注入口は、ガスがガスフィールドイオン源１１２０内の如何なる元素とも相互作用する前にこれらのガスが混合するのに充分に閉じるようにする）。

ガスフィールドイオン源１１２０は、ガス源１１１０から１種類以上のガス１１８２を受けて、ガス１１８２からガスイオンを生ぜしめる。ガスフィールドイオン源１１２０は、チップ先端１１８７を有するチップ１１８６と、抽出器１１９０とを有し、随意ではあるが抑制器１１８８をも有する。代表的には、チップ先端１１８７から試料１１８０の表面１１８１（図１０には図示せず）までの距離は５cm又はそれよりも長い値（例えば、１０cm以上、２０cm以上、２５cm以上）と、１００cm又はそれよりも短い値（例えば、８０cm以下、６０cm以下、６０cm以下、５０cm以下）との双方又は何れか一方とする。例えば、ある実施例では、チップ先端１１８７から試料１１８０の表面１１８１までの距離は５cm〜１００cm（例えば、２５cm〜７５cm、４０cm〜６０cm、４５cm〜５５cm）とする。

チップ１１８６は種々の材料から形成しうる。ある実施例では、チップ１１８６を金属（例えば、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ta）、イリジウム（Ir）、レニウム（Rh）、ニオブ（Nb）、プラチナ（Pt）、モリブデン（Mo））から形成する。ある実施例では、チップ１１８６を合金から形成しうる。ある実施例では、チップ１１８６を他の材料（例えば、炭素（Ｃ））から形成しうる。

使用中、チップ１１８６は抽出器１１９０に対して正（例えば、約２０ｋＶ）にバイアスし、抽出器１１９０は外部接地電位に対して負又は正（例えば、−２０ｋＶ〜＋５０ｋＶ）にバイアスし、随意の抑制器１１８８はチップ１１８６に対して正又は負（例えば、−５ｋＶ〜＋５ｋＶ）にバイアスする。チップ１１８６は導電性材料から形成されている為、チップ先端１１８７におけるチップ１１８６の電界はこのチップ先端１１８７の表面から外方に向かう。電界は、チップ１１８６の形状の為にチップ先端１１８７の付近で最強となる。チップ１１８６の電界の強度は例えば、チップ１１８６に印加される正の電圧を変えることにより調整しうる。この構造によれば、ガス源１１１０により送給される非イオン化ガス原子１１８２がイオン化され、チップ先端１１８７の付近で正に荷電されたイオンとなる。これと同時に、正に荷電されたこれらのイオンは、正に荷電されたチップ１１８６により反発されるとともに負に荷電された抽出器１１９０により引き付けられ、正に荷電されたこれらのイオンがイオンビーム１１９２としてチップ１１８６からイオン光学系１１３０に向かうようになる。抑制器１１８８はチップ１１８６と抽出器１１９０との間の全電界を、従って、チップ１１８６からイオン光学系１１３０に向かう正に荷電されたイオンの軌道を制御する支援を行う。一般に、チップ１１８６と抽出器１１９０との間の全電界は、正に荷電されたイオンがチップ先端１１８７で生ぜしめられるレートと、正に荷電されたイオンがチップ１１８６からイオン光学系１１３０へ送給される効率とを制御するように調整しうる。

一例として、理論に制約されるのを望まない場合には、Heイオンを以下のように生ぜしめうることが考えられる。ガスフィールドイオン源１１２０は、チップ先端１１８７の付近におけるチップ１１８６の電界が非イオン化Heガス原子１１８２のイオン化電界を超えるとともに、チップ１１８６が比較的低い温度に維持されるように構成する。非イオン化Heガス原子１１８２がチップ先端１１８７に極めて接近すると、He原子がチップの電界により分極され、He原子１１８２とチップ先端１１８７との間に弱い引力を生ぜしめる。従って、He原子１１８２はチップ先端１１８７と接触し、しばらくの間ここに固着する（例えば、物理吸着する）おそれがある。チップ先端１１８７の付近においては、電界を、チップ先端１１８７に吸着されたHe原子１１８２をイオン化するのに充分に高くし、正に荷電されたHeイオンを（例えば、イオンビームの形態で）発生させるようにする。

一般に、イオン光学系１１３０は、イオンビーム１１９２を試料１１８０の表面１１８１上に向けるように構成される。以下に詳細に説明するように、イオン光学系１１３０は例えば、イオンビーム１１９２におけるイオンの集束、平行化、偏向、加速及び減速の何れか又は任意の組み合わせを行うことができる。イオン光学系１１３０は、イオンビーム１１９２におけるイオンの一部のみがイオン光学系１１３０を通過するようにすることもできる。イオン光学系１１３０は一般には、所望通りに構成された種々の静電気素子及びその他のイオン光学素子を有する。イオン光学系１１３０における１つ以上の構成素子（例えば、静電偏向器）の電界強度を操作することにより、Heイオンビーム１１９２を試料１１８０の表面１１８１にまたがるように走査しうる。イオン光学系１１３０には例えば、イオンビーム１１９２を互いに直交する２方向に偏向させる２つの偏向器を設けることができる。これらの偏向器は、イオンビーム１１９２が表面１１８１の領域にまたがってラスタ走査されるように電界強度を変化させることができる。

イオンビーム１１９２が試料１１８０に当ると、種々に異なる種類の粒子１１９４が生じうる。これらの粒子には例えば、二次電子、オージェ電子、二次イオン、二次中性粒子、一次中性粒子、散乱イオン及び光子（例えば、Ｘ線光子、ＩＲ光子、可視光子、ＵＶ光子）が含まれる。検出器１１５０及び１１６０はそれぞれ、Heイオンビーム１１９２と試料１１８０との間の相互作用により生ぜしめられる１つ又は複数の異なる種類の粒子を測定するように配置及び構成されている。図９に示すように、検出器１１５０は、主として試料１１８０の表面１１８１から生じる粒子１１９４を検出するように配置されており、検出器１１６０は主として試料１１８０の面１１８３から出現する粒子（例えば、透過粒子）１１９４を検出するように配置されている。ある実施例では、検出器１１６０は、試料１１８０を透過する荷電粒子を検出するための、ここに開示した如何なる検出システムにも対応させることができる。

ここに開示した顕微鏡システムには一般に、如何なる個数及び構造の検出器をも用いることができる。ある実施例では、複数の検出器を用い、これらの複数の検出器のうちの幾つかを異なる種類の粒子を測定するように構成する。ある実施例では、同じ種類の粒子に関する異なる情報（例えば、粒子のエネルギー、所定の粒子の角度分布、所定の粒子の全存在量）が得られるように検出器を構成する。随意ではあるが、このような検出器の構成配置の組み合わせを用いることができる。

検出器により測定された情報は一般的に、試料１１８０に関する情報を決定するのに用いられる。この情報は代表的に、試料１１８０の１つ以上の画像を得ることにより決定される。イオンビーム１１９２を表面１１８１にまたがってラスタ走査することにより、試料１１８０に関する画素毎の情報を個別のステップで得ることができる。検出器１１５０及び１１６０の双方又は何れか一方は、１つ又は複数の異なる種類の粒子１１９４を各画素で検出するように構成しうる。画素は代表的に正方形であるが、ある実施例では、画素を他の形状（例えば、長方形）にすることができる。画素の辺に相当する画素寸法は、例えば、１００ｐｍ〜２μｍ（例えば、１ｎｍ〜１μｍ）にすることができる。ある実施例では、隣接画素の配置を少なくとも２００ｐｍ内に（例えば、少なくとも１００ｐｍ内に、少なくとも７５ｐｍ内に、少なくとも５０ｐｍ内に）決定することができる。従って、システムのオペレータは、ビームスポットの中心の配置を少なくとも２００ｐｍ内に（例えば、少なくとも１００ｐｍ内に、少なくとも７５ｐｍ内に、少なくとも５０ｐｍ内に）決定することができる。ある実施例では、試料１１８０の視野（ＦＯＶ）は、２００ｎｍ又はそれよりも大きく（例えば、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、５０μｍ以上、１００μｍ以上、５００μｍ以上、１ｍｍ以上、１．５ｍｍ以上に）するか、又は２５ｍｍ又はそれよりも小さく（１５ｍｍ以下、１０ｍｍ以下、５ｍｍ以下に）するか、或いはこれらの双方にする。視野とは、イオン顕微鏡により結像される試料表面の領域を意味するものである。

顕微鏡システム１１００は代表的に電子制御システム１１７０により制御される。この電子制御システム１１７０は例えば、ガス源１１１０により送給されるガスと、チップ１１８６の温度と、チップ１１８６の電位と、抽出器１１９０の電位と、抑制器１１８８の電位と、イオン光学系１１３０の構成素子の設定と、試料マニピュレータ１１４０の位置と、検出器１１５０及び１１６０の配置及び設定との何れか又は任意の組み合わせを制御するように構成しうる。ある実施例では、例えば、電子制御システム１１７０はコントローラ１０６及び２０６の双方又は何れか一方と関連して前述した機能の幾つか又は全てを実行しうるように接続しうる。

随意ではあるが、これらのパラメータの１つ以上を（例えば、電子制御システム１１７０と一体のユーザインタフェースを介して）手動制御しうる。これに加え又はこれに代えて、電子制御システムを（例えば、コンピュータのような電子プロセッサを介して）用いて、検出器１１５０及び１１６０により集められた情報を解析するとともに試料１１８０に関する情報（例えば、トポグラフィー情報、構成材料情報、結晶情報、電圧コントラスト情報、光学特性情報、磁気情報）を取り出すことができ、これらは随意ではあるが、画像、グラフ、表、スプレッドシート等の形態としうる。電子制御システム１１７０には代表的に、ディスプレイ又はその他の出力装置や、入力装置や、記憶媒体を特徴づけるユーザインタフェースが含まれる。

検出器１１５０及び１１６０は図９に線図的に示してあり、検出器１１５０は試料１１８０の表面（イオンビームが当る表面）１１８１から生じる粒子を検出すうように配置されており、検出器１１６０は試料１１８０の面１１８３から生じる粒子を検出するように配置されている。一般に、顕微鏡システム１１００に多種の異なる検出器を用いて種々の粒子を検出することができ、顕微鏡システム１１００には代表的に所望の任意の個数の検出器を設けることができる。これらの種々の検出器の構造は、測定すべき粒子及び測定状態に応じて選択しうる。ある実施例では、スペクトル分解検出器を用いることができる。このような検出器は、異なるエネルギー及び波長の双方又は何れか一方の粒子を検出するとともに、検出された各粒子のエネルギー及び波長の双方又は何れか一方に基づいて粒子を分解しうるものである。ある実施例では、スペクトル分解検出器には、粒子のエネルギー及び波長の双方又は何れか一方に基づいて検出器の種々の領域に粒子を向けうる構成素子を含める。

検出器１１５０及び１１６０の双方又は何れか一方には一般に、次の種類の１つ以上の如何なる検出器をも含めることができる。すなわち、これらの検出器には、二次電子と、イオンと、中性粒子との何れか又は任意の組み合わせを検出するのに用い得るエバハート・ソーンリー（ＥＴ）型検出器や、試料からの二次電子、中性原子又はイオンの流束を増幅するのに用い得るマイクロチャネルプレート検出器や、試料からのイオン（例えば、散乱イオン、二次イオン）又は試料からの中性粒子（例えば、一次中性He原子）を検出するのに用い得るコンバージョンプレートや、試料から放出される電子、イオン及び中性原子のような粒子を検出するのに用い得るチャンネルトロン検出器や、透明基板上に堆積された蛍光体材料の薄肉層と、ＣＣＤカメラ、ＰＭＴ又は１つ以上のダイオードのような光子検出器とを有し、試料からの電子、イオン及び中性粒子の何れか又は任意の組み合わせを検出するのに用い得る蛍光体主体の検出器や、試料からの二次電子、イオン及び中性原子の何れか又は任意の組み合わせを検出するのに用い得る固体検出器や、入射粒子（電子、イオン又は中性原子）が当るのに応答して光子を発生するシンチレータ材料を有し、特に粒子のエネルギー測定に有効なシンチレータ主体の検出器や、イオン及び電子用の静電気及び磁気プリズム検出器や、二次電子、イオン及び中性原子に対する飛行時間型検出器や、イオン、電子及び中性原子に対する角度依存散乱情報を測定しうる角度分解検出器が存在する。

[コンピュータハードウェア及びソフトウェア]
一般には、上述した何れの方法も、コンピュータハードウェア又はコンピュータソフトウェアで、或いはこれらの組み合わせで実行しうる。これらの方法は、ここに開示した図及び方法に続く標準のプログラミング技術を用いるコンピュータプログラムで実行しうる。入力データにはプログラムコードを適用し、ここに開示した機能を実行し、出力情報を発生するようにする。この出力情報はディスプレイモニタのような１つ以上の出力装置に供給される。各プログラムは、高水準手続き型言語又はオブジェクト指向プログラミング言語で実行してコンピュータシステムと通信するようにしうる。しかし、プログラムは所望に応じ、アセンブリ言語又はマシン語で実行しうる。如何なる場合にも、言語はコンパイラ型言語又はインタープリタ型言語としうる。更に、プログラムはこの目的のためにプログラミングされた専用の集積回路で実行しうる。

このようなコンピュータプログラムの各々は、一般的な又は特別な目的のプログラマブルコンピュータにより読み出し得る記憶媒体又は記憶装置（例えば、ＲＯＭ又は磁気ディスケット）に記憶させ、ここに開示した処置を実行するために記憶媒体又は記憶装置をコンピュータにより読み取る際にこのコンピュータを設定及び動作させるようにするのが好ましい。コンピュータプログラムは、プログラムの実行に際しキャッシュメモリ又はメインメモリ内に存在させることもできる。上述した方法を、コンピュータプログラムで構成されたコンピュータ可読記憶媒体として実行し、このように構成された記憶媒体によりコンピュータを特定の予め決定した方法で動作させてここに開示した機能を実行するようにすることもできる。

他の実施例は特許請求の範囲に開示してある。

Claims (42)

1. 支持構造体の第１の面上に配置された第１の材料層であって、この第１の材料層は、これに当る入射荷電粒子に応答して二次電子を発生するように構成されているとともに、この入射荷電粒子の一部を通すように構成された開口を有している当該第１の材料層と、
   前記支持構造体の第２の面上に配置され、前記第１の材料層から０．５cm以上離間している第２の材料層であって、前記開口を通過してこの第２の材料層に当る荷電粒子に応答して二次電子を発生するように構成された当該第２の材料層と、
   前記第１の材料層及び前記第２の材料層により発生された二次電子を検出するように構成された検出器と
   を具える装置において、
   この装置を荷電粒子検出器とした
   装置。
2. 請求項１に記載の装置において、前記第１の材料層の前記開口の幾何学的中心が、この第１の材料層に当る入射荷電粒子の平均荷電粒子軌道に対し平行な軸線に沿って配置されている装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置において、前記第２の材料層が前記第１の材料層に対し傾斜配置されている装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の装置において、前記第１の材料層が平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対し垂直に配置されている装置。
5. 請求項１〜３の何れか一項に記載の装置において、前記第１及び第２の材料層が、前記第１の材料層に当る入射荷電粒子の平均荷電粒子軌道に一致する軸線に対しある角度で配置されている装置。
6. 請求項１〜５の何れか一項に記載の装置において、前記第１及び第２の材料層は、垂直入射で２５ｋeVの平均エネルギーを有する入射Heイオンに対し２．０以上の二次電子収率を有する材料から成っている装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記第２の材料層のうちの少なくとも一部の周縁に沿って配置された第１の複数の導線を有し、この第１の複数の導線は、前記開口を通過して前記第２の材料層に当る荷電粒子の平均軌道に対し平行な方向に沿って第２の材料層の上方に延在している装置。
8. 請求項１〜７の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記開口を通過して前記第２の材料層に当る荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内で延在する第２の複数の導線を有し、入射荷電粒子が前記第１の材料層に到達する前にこの平面を通過するようになっている装置。
9. 請求項７に記載の装置において、この装置が更に、前記開口を通過して前記第２の材料層に当る荷電粒子の平均軌道に対し垂直な平面内で延在する第２の複数の導線を有し、入射荷電粒子が前記第１の材料層に到達する前にこの平面を通過するようになっており、前記装置が更に、前記第１及び第２の複数の導線に結合された電子プロセッサを有し、この電子プロセッサは前記第１及び第２の複数の導線の各々に異なる電位を印化するように構成されている装置。
10. 請求項１〜９の何れか一項に記載の装置において、前記第１及び第２の材料層は互いに異なる材料から成っている装置。
11. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記支持構造体に連結された並進機構を具え、この並進機構は前記支持構造体を入射荷電粒子の通路内に入れるとともにこの通路から出すように移動させる構成となっている装置。
12. 請求項１〜１０の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記開口の周縁を囲んで前記第１の材料層上に配置された材料の層を有し、この材料の層は、２５ｋeV及び垂直入射での入射Heイオンに対し前記第１の材料層よりも小さい二次電子収率を有する材料を含んでいる装置。
13. 請求項１〜１２の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記第１及び第２の材料層の何れか１つ又は双方により発生された二次電子を平行化するように構成された磁界源を有している装置。
14. 請求項１〜１３の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、前記第１及び第２の材料層間に配置された１つ以上の追加の材料層を有し、各追加の材料層はこの追加の層に当る入射荷電粒子に応答して二次電子を発生するように構成されているとともに、前記第１の材料層における前記開口の最大寸法よりも大きい最大寸法を有する開口を具えており、各追加の材料層における前記開口は、入射荷電粒子の一部がこの開口を通過して前記第２の材料層に到達するように配置されている装置。
15. 請求項１〜１４の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、平均荷電粒子軌道を有する荷電粒子ビームを生じるとともに形成する荷電粒子源及び荷電粒子光学系を具える荷電粒子ビームシステムを具えており、前記荷電粒子源と前記第１の材料層との間に試料ステージが配置されている装置。
16. 第１、第２及び第３の材料層であって、これら３つの材料層の各々が支持構造体の互いに異なる面上に配置されているとともに、軸線に沿って互いに離間されており、前記第１の材料層は、前記軸線に対し垂直な平面内に配置されており、前記第２及び第３の材料層は前記軸線に対しある角度で傾斜したそれぞれの平面内に配置されており、前記第１の材料層は第１の開口を有し、前記第２の材料層は、前記軸線に対し平行な方向に沿って前記第１の開口と整列された第２の開口を有しているとともに、前記第１の開口の最大寸法よりも小さい最大寸法を有しているこれら第１、第２及び第３の材料層と、
    前記第１の材料層に対し平行な平面内に延在する第１の複数の導線であって、この第１の複数の導線は、入射荷電粒子が前記第１の材料層に到達する前にこの第１の複数の導線を通過するように配置されており、この第１の複数の導線の各構成部材は第１の電気端子に接続されている当該第１の複数の導線と、
    前記軸線に対し平行な方向に延在するとともに前記第２の材料層の周縁の一部に沿って配置された第２の複数の導線であって、この第２の複数の導線の各構成部材は第２の電気端子に接続されている当該第２の複数の導線と、
    前記軸線に対し平行な方向に延在するとともに前記第３の材料層の周縁の一部に沿って配置された第３の複数の導線であって、この第３の複数の導線の各構成部材は第３の電気端子に接続されている当該第３の複数の導線と、
    前記第１、第２及び第３の電気端子の各々に電位を印化するように構成された電子プロセッサと、
    荷電粒子が前記第１、第２及び第３の材料層の１つ以上に当った際に、第１、第２及び第３の材料層の１つ以上により発生された二次電子を検出するように構成された検出装置と
    を具える装置。
17. 請求項１６に記載の装置において、前記第１、第２及び第３の材料層の各々は、２５ｋeVのエネルギーで垂直入射されるHeイオンに対する二次電子収率が２．０以上である材料から成っている装置。
18. 請求項１６又は１７に記載の装置において、前記第２及び第３の材料層が前記軸線に対し互いに異なる角度で配置されている装置。
19. 請求項１６〜１８の何れか一項に記載の装置において、前記第１及び第２の開口の周縁エッジが、２５ｋeVのエネルギーで垂直に入射されるHeイオンに対し、前記第１、第２及び第３の材料層の二次電子収率よりも小さい二次電子収率を有する材料の層を有している装置。
20. 請求項１６〜１９の何れか一項に記載の装置において、前記第１の電気端子と外部接地電位点との間の電位差が、前記第２の電気端子と前記外部接地電位点との間の電位差とは逆の正負符号を有している装置。
21. 請求項１６〜２０の何れか一項に記載の装置において、前記第１の材料層と前記第２の材料層とを且つ前記第２の材料層と前記第３の材料層とを１．０cm以上離間させた装置。
22. 請求項１６〜２１の何れか一項に記載の装置において、この装置が更に、平均荷電粒子軌道を有する荷電粒子ビームを生じ及び形成する荷電粒子源及び荷電粒子光学系を具える荷電粒子ビームシステムを具えており、前記荷電粒子源と前記第１の材料層との間に試料ステージが配置されている装置。
23. 試料からの荷電粒子を、支持構造体の第１の面上に配置されているとともに第１の開口を具える第１の材料層に入射させるように向けるステップと、
    前記第１の開口を通過した透過荷電粒子を、前記支持構造体の第２の面上に配置されているとともに前記第１の開口よりも小さい最大寸法を有する第２の開口を具える第２の材料層に入射させるように向けるステップと、
    前記第２の開口を通過した透過荷電粒子を、前記支持構造体の第３の面上に配置されている第３の材料層に入射させるように向けるステップと、
    前記第１の材料層を囲む第１のスクリーンと、前記第２の材料層を囲む第２のスクリーンと、前記第３の材料層を囲む第３のスクリーンとに電位を印化して、これら第１、第２及び第３の材料層の１つで発生された二次電子を検出器に到達させるようにするとともに、他の材料層で発生された二次電子が前記検出器に到達する可能性を低減させるようにするステップと、
    前記検出器に到達した二次電子を検出するステップと、
    検出された二次電子に基づいて試料の画像を形成するステップと
    を具える方法。
24. 請求項２３に記載の方法において、この方法が更に、
    外部接地電位に比べて正の電位を印化して二次電子を前記検出器に到達させるステップと、
    外部接地電位に比べて負の電位を印化して二次電子が前記検出器に到達しないようにするステップと
    を具える方法。
25. 請求項２４に記載の方法において、前記正の電位の大きさを５００Ｖ以下とする方法。
26. 請求項２３〜２５の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    荷電粒子を、荷電粒子源から試料上に入射させるように向けるステップ
    を具える方法。
27. 請求項２６に記載の方法において、荷電粒子が、ガスフィールドイオン源により発生されたイオンを有するようにする方法。
28. 請求項２６に記載の方法において、荷電粒子が電子を有するようにする方法。
29. 請求項２３〜２８の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    外部接地電位に対し正の電位を試料に印加するステップ
    を具える方法。
30. 請求項２３〜２９の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    前記第１、第２及び第３の材料層から検出した二次電子に基づいて画像を形成するステップ
    を具える方法。
31. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    試料の一部の平均粒子寸法を前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
32. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    試料の一部が結晶構造を有するか否かを前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
33. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    試料の一部の結晶配向を前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
34. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    試料の厚さの変化を前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
35. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    試料の組成を前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
36. 請求項２３〜３０の何れか一項に記載の方法において、この方法が更に、
    結晶格子欠陥又は転位ループを含む試料中の欠陥を前記画像に基づいて決定するステップ
    を具える方法。
37. 試料からの複数の荷電粒子を、これらの荷電粒子の各々の散乱角に基づいて第１の複数の粒子と第２の複数の粒子とに分離させるステップと、
    これら第１及び第２の複数の粒子の各々を互いに異なる電子発生面に入射させるステップと、
    前記第１の複数の粒子に対応する第１の信号と、前記第２の複数の粒子に対応する第２の信号とを、単一の検出器を用いて測定するステップと
    を具える方法。
38. ２度よりも大きい散乱角に対応する試料からの第１の複数の粒子を第１の面に入射させるように向けるとともに、前記第１の面で前記第１の複数の粒子により発生された電子を測定するステップと、
    ２度よりも小さい散乱角に対応する試料からの第２の複数の粒子を第２の面に入射させるように向けるとともに、前記第２の面で前記第２の複数の粒子により発生された電子を測定するステップと、
    前記第１及び第２の複数の粒子のうちの少なくとも一方に対応する測定電子に基づいて試料の画像を形成するステップと
    を具え、前記第１の複数の粒子により発生された電子と、前記第２の複数の粒子により発生された電子とを単一の検出器を用いて測定する方法。
39. 試料から出る第１の角度範囲内で散乱されたこの試料からの第１の複数の粒子に対応する第１の電子信号と、試料から出る第２の角度範囲内で散乱されたこの試料からの第２の複数の粒子に対応する第２の電子信号とを測定するのに１つの検出器を用いるステップを具える方法。
40. 試料内での異なる散乱角度範囲に対応して試料から出る第１及び第２の複数の荷電粒子に対応する電子信号を測定するのに１つの検出器を用いるステップを具える方法。
41. 試料から出る第１の複数の荷電粒子を、第１の面に当るように向けることにより、この試料から出る第１の複数の荷電粒子に対応する第１の複数の電子を発生させるステップと、
    試料から出る第２の複数の荷電粒子を、第２の面に当るように向けることにより、この試料から出る第２の複数の荷電粒子に対応する第２の複数の電子を発生させるステップと、
    前記第１の面と検出器との間に配置された第１のスクリーンに第１の電位を印化するとともに、前記第２の面と検出器との間に配置された第２のスクリーンに第２の電位を印化することにより、前記検出器で前記第１の複数の荷電粒子又は前記第２の複数の荷電粒子を選択的に検出するステップと
    を具える方法。
42. 試料からの荷電粒子を１つ以上の開口に入射するように向けることによりこれらの荷電粒子を複数の群に空間的に分離するステップと、
    荷電粒子の各郡を、互いに異なる面であって荷電粒子がこれらの異なる面の各々に当ると二次電子を発生するように構成された面に入射させるように向けることにより、これらの群の各々に対応する電子信号を発生させるステップと、
    １つの検出器を用いて各郡に対応する電子信号を選択的に検出するステップと
    を具える方法。

Images