知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
特許6239246荷電粒子線装置、試料観察方法、試料台、観察システム、および発光部材
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6239246
(24)【登録日】2017年11月10日
(45)【発行日】2017年11月29日
(54)【発明の名称】荷電粒子線装置、試料観察方法、試料台、観察システム、および発光部材
(51)【国際特許分類】
H01J 37/244 20060101AFI20171120BHJP
H01J 37/20 20060101ALI20171120BHJP
【ＦＩ】
H01J37/244
H01J37/20 A
H01J37/20 D
【請求項の数】5
【全頁数】34
(21)【出願番号】特願2013-49825(P2013-49825)
(22)【出願日】2013年3月13日
(65)【公開番号】特開2014-175276(P2014-175276A)
(43)【公開日】2014年9月22日
【審査請求日】2015年7月22日
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】100091720
【弁理士】
【氏名又は名称】岩崎 重美
(72)【発明者】
【氏名】大南 祐介
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 貢
(72)【発明者】
【氏名】内田 憲孝
(72)【発明者】
【氏名】麻生 定光
(72)【発明者】
【氏名】坂詰 卓
(72)【発明者】
【氏名】森下 英郎
(72)【発明者】
【氏名】伊東 祐博
(72)【発明者】
【氏名】大嶋 卓
【審査官】
波多江 進
(56)【参考文献】
【文献】
特開平１０−２８３９７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】
実開昭５８−１４８６５４（ＪＰ，Ｕ）
【文献】
特開平１１−０１４９０９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｊ３７／２０
Ｈ０１Ｊ３７／２２
Ｈ０１Ｊ３７／２８
Ｈ０１Ｊ３７／２４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記発光部材の発光は、前記試料台の外部に出射され、
前記検出器は光電子増倍管であり、
前記発光部材の発光を伝達する光伝達路は前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備され、
前記光伝達路は前記一次荷電粒子線を通過させることが可能な穴を有する、荷電粒子線装置。
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記発光部材の発光は、前記試料台の外部に出射され、
前記検出器は光電子増倍管であり、
前記発光部材の発光を伝達する光伝達路は前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備され、
前記光伝達路は前記一次荷電粒子線を通過させることが可能な穴を有する、荷電粒子線装置。
【請求項2】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記発光部材の発光は、前記試料台の外部に出射され、
前記検出器は、前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備された半導体検出器である、荷電粒子線装置。
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記発光部材の発光は、前記試料台の外部に出射され、
前記検出器は、前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備された半導体検出器である、荷電粒子線装置。
【請求項3】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記検出器は光電子増倍管であり、
前記発光部材の発光を伝達する光伝達路は前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備され、
前記光伝達路は前記一次荷電粒子線を通過させることが可能な穴を有する、荷電粒子線装置。
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記検出器は光電子増倍管であり、
前記発光部材の発光を伝達する光伝達路は前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備され、
前記光伝達路は前記一次荷電粒子線を通過させることが可能な穴を有する、荷電粒子線装置。
【請求項4】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記検出器は、前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備された半導体検出器である、荷電粒子線装置。
前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子によって発光する発光部材または当該発光部材を有する試料台を着脱可能に配置する試料ステージと、
前記発光部材の発光を検出する検出器と、を有し、
前記検出器は、前記荷電粒子光学鏡筒と前記試料との間に具備された半導体検出器である、荷電粒子線装置。
【請求項5】
前記検出器からの信号によって前記試料の透過荷電粒子像を生成する制御部と、を備える、請求項１乃至４何れか一に記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、試料の内部を観察することが可能な荷電粒子線装置及びその試料台に関する。
【背景技術】
【0002】
物体の微小な領域の内部構造を観察するために、走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが用いられる。このような電子顕微鏡を用いて試料内部を観察するための一般的な観察方法として、多数の空孔を備えたメッシュ状の試料台の上に電子線が透過可能な程度に薄くスライスされた試料を配置し、試料面に対して電子源側とは反対側に配置された検出器にて透過電子線を取得することが知られている。しかし、この方法では試料がメッシュの空孔上で浮いた構成となるために、試料台に搭載する作業は非常に困難を極めている。そこで、特許文献１では、観察用の試料を直接載置することが可能な電子検出器が提案されている。
【0003】
また、物体の微小領域は電子顕微鏡だけでなく光学顕微鏡によっても観察することが可能である。光学顕微鏡を用いることで電子顕微鏡では原理的に取得することが不可能な色情報を取得することが可能である。光学顕微鏡では、白色光または特定の光を照射して試料に吸収または試料から放出された色情報をもつ光を結像することで透過光学像を得ることができる。これにより、例えば、生体細胞試料などに特定の染色材を入れることにより細胞内の特定領域だけを染めることができるので、その色を観察することによってどの領域が染まっているのかまたは染まっていないのかを観察することが可能である。特に、病理診断やライフサイエンスの分野で広く用いられている。
【0004】
電子顕微鏡では色情報は取得できない一方で、電子顕微鏡では光学顕微鏡では観察できない微小領域を高分解能で観察することが可能である。また、電子顕微鏡画像から得られる情報は試料の密度差を反映した情報であり、光学顕微鏡で得られる情報とは異質なものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開平１０−２８３９７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１の検出器兼試料台は半導体や金属膜などと電気配線等で配線された電気系の上に直接試料を配置している。この検出器兼試料台は配線が接続されているので同じ試料を他の装置で観察するには電気配線を外すという非常に手間な作業を要する。また、例えば顕微鏡観察用の試料台上で試料自体を培養させる必要がある培養細胞などを観察するには、電気配線が繋がった回路を培養液等につけることになり、検出器兼試料台への載置が困難となる場合がある。以上のように従来技術では透過荷電粒子による観察において試料の設置や取り出しに非常に手間がかかっていた。
【0007】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、透過荷電粒子による像観察を簡便に行うことができる荷電粒子線装置、試料観察方法、試料台、観察システム、および発光部材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、本発明は、荷電粒子線が照射される試料が直接または所定の部材を介して配置された発光部材に、前記試料の内部を透過または散乱してきた荷電粒子が入射することによって生じる光を検出することで、前記試料の透過荷電粒子像を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、試料が載置された試料台を発光させて、その発光を検出することにより、透過荷電粒子による像観察を簡便に行うことができる。
【0010】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】光学顕微鏡観察と荷電粒子線顕微鏡観察の概略説明図。
【図2】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図3】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図4】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図5】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図6】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図7】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図8】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図9】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図10】培養細胞を観察するための説明図。
【図11】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図12】検出素子を具備した試料台の詳細図。
【図13】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図14】検出素子からの透過荷電粒子を検出するための説明図。
【図15】実施例１における検出素子の発光領域の説明図。
【図16】実施例１における観察方法の説明図。
【図17】実施例１における荷電粒子顕微鏡観察を実施するための全体構成図。
【図18】実施例１における荷電粒子顕微鏡観察を実施するための全体構成図。
【図19】実施例１における光学顕微鏡観察を実施するための構成図。
【図20】実施例２における検出素子の発光領域の説明図。
【図21】実施例２における荷電粒子顕微鏡観察を実施するための全体構成図。
【図22】実施例２における検出器周辺の構成図。
【図23】実施例２における荷電粒子顕微鏡観察を実施するための全体構成図。
【図24】実施例３における荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡の複合装置の構成図。
【図25】検出素子からの透過荷電粒子線を検出するための説明図。
【図26】実施例３における荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡の複合装置の構成図。
【図27】実施例４における荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡の複合装置の構成図。
【図28】実施例５における荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡の複合装置の構成図。
【図29】実施例６における荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡の複合装置の構成図。
【図30】実施例７における荷電粒子線顕微鏡の構成図。
【図31】実施例８における荷電粒子線顕微鏡の構成図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、図面を用いて各実施形態について説明する。
【0013】
以下では、本発明における試料台の詳細及び当該試料台が適応される荷電粒子線装置について説明する。ただし、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は、荷電粒子線を照射することによって試料を観察する装置、例えば走査電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、これらと試料加工装置との複合装置、またはこれらを応用した解析・検査装置にも適用可能である。なお、本発明における試料台と当該試料台が載置される荷電粒子線装置とにより、透過荷電粒子線像の観察が可能な観察システムを構成する。
【0014】
また、本明細書において「大気圧」とは大気雰囲気または所定のガス雰囲気であって、大気圧または若干の負圧状態の圧力環境のことを意味する。具体的には約１０5Ｐａ（大気圧）から〜１０3Ｐａ程度である。
【0015】
また、本明細書において「試料台」とは試料を載置した状態で荷電粒子線装置から試料とともに取り外しできるユニットのことを意味する。具体的には、以下で説明するように、当該「試料台」ユニットは発光部材と土台とを有していてもよいし、発光部材のみで形成されていてもよい。
【実施例1】
【0016】
＜概要＞ はじめに、本実施例の概要に関して説明する。本実施例では、試料内部を透過または散乱した荷電粒子線を光に変換し、その光を検出することで透過荷電粒子線像を生成する荷電粒子顕微鏡、観察システムについて説明する。より具体的には、試料が載置される試料台の少なくとも一部は荷電粒子線の照射により発光する発光部材で形成され、当該発光部材上にある試料を透過または散乱した荷電粒子線が当該発光部材に照射されることで光が発生し、その光を荷電粒子顕微鏡に備えられた検出器で検知することで、透過荷電粒子線像を生成する。つまり、本実施例では試料を透過した荷電粒子線を直接検出するのではなく、光に変換して検出する。以下に詳述するように、荷電粒子線を光に変換する発光部材には外部から接続される電源ケーブルや信号線等の配線が不要である。そのため、同じ試料台を用いて荷電粒子線顕微鏡とその他の装置で観察することができ、装置間の試料の移動に際して電気配線を外すという非常に手間な作業が不要となる。また、発光部材自体または発光部材を有する試料台を簡単に装置に着脱できるので、どのような試料でも簡単に試料を試料台にセットすることが出来る。特に、顕微鏡観察用の試料台上で試料自体を培養させる必要がある培養細胞などを観察する場合に非常に有効である。
【0017】
さらに、図１に示すように本実施例の試料台を用いれば荷電粒子線顕微鏡による観察と光学顕微鏡などの他の装置による観察とを同じ試料台で行うことができる。図１には本実施例における荷電粒子線を光に変換または増幅して発光させることが可能な検出素子５００（発光部材ともいう）を具備する試料台６００と、荷電粒子線顕微鏡６０１と、光学顕微鏡６０２を示す。試料台６００上には試料６が搭載可能である。
【0018】
本実施例において、この試料台の具備された検出素子は透明な部材で作られているとよい。以下、本明細書において、「透明」の意味は、特定の波長領域の可視光もしくは紫外光もしくは赤外光が通過可能、またはすべての波長領域の可視光もしくは紫外光がもしくは赤外光通過可能ということである。紫外光は波長がおおよそ１０〜４００ｎｍであり、可視光は波長がおおよそ３８０ｎｍから７５０ｎｍであり、赤外光とは波長がおおよそ７００ｎｍ〜１ｍｍ（＝１０００μｍ）程度の波長の領域のことを言う。例えば、多少の色が混在されていても透けて見えれば特定の波長領域の可視光が通過可能ということであり、無色透明であればすべての波長領域の可視光が通過可能という意味である。ここで「通過可能」とは少なくとも当該波長領域の光によって光学顕微鏡観察が可能な光量の光が通過することを指す（例えば透過率５０％以上であることが望ましい）。また、ここで特定の波長領域とは少なくとも光学顕微鏡の観察に用いる波長領域を含む波長領域である。そのため、本実施例の試料台の一面側からの光が試料を透過することによって得られる「光透過信号」を試料台のもう一面側から検出することが可能な一般的な光学顕微鏡（透過型光学顕微鏡）に用いることが可能である。光学顕微鏡としては、生物顕微鏡、実体顕微鏡、倒立型顕微鏡、金属顕微鏡、蛍光顕微鏡、レーザ顕微鏡等の光を用いた顕微鏡ならばどんなものでもかまわない。また、ここでは説明のため「顕微鏡」としているが、本発明は画像の拡大率に関らず、試料に光を照射することで情報を取得する装置一般に適用可能である。
【0019】
本実施例では、荷電粒子線顕微鏡内で発生された荷電粒子線が試料６に照射された後に試料の内部を透過または散乱した「荷電粒子透過信号」を、試料台に具備された検出素子にて検出することにより、透過荷電粒子顕微鏡画像を取得することが可能である。後述するように、検出素子５００からの光を電気信号に変換及び増幅するために荷電粒子線顕微鏡６０１内には光検出器５０３を備える。
【0020】
また、電子顕微鏡と光学顕微鏡では得られる情報が異なるため、電子顕微鏡と光学顕微鏡の両方で同一試料を観察したい要求が近年非常に増えている。しかしながら、例えば特許文献１の検出器兼試料台は光を透過することができず、実質的に、光学顕微鏡による観察ができない電子顕微鏡向けの試料台であった。このため電子顕微鏡向けの試料と光学顕微鏡向けの試料を作り分けなければならず、試料作成に手間がかかる等の問題があった。
【0021】
本実施例の試料台は電子顕微鏡などの荷電粒子線顕微鏡装置に搭載可能であるため、光学顕微鏡と共用に用いられる共通試料台となりうる。つまり、図中矢印で図示したように同一試料台を各顕微鏡間で移動させて観察することで、それぞれの顕微鏡観察向けに試料を複数作製したり試料を移し変えたりすることなく、一つの試料台に試料を配置したまま荷電粒子線観察と光学観察が可能である。なお、図１のように個別に配置された各顕微鏡にて同一試料台を搭載してもよいし、後述するように、光学顕微鏡と荷電粒子顕微鏡が一体化された複合型顕微鏡装置を用いてもよい。以下で、試料台、試料搭載方法、画像取得原理、装置構成等の詳細に関して説明する。
【0022】
＜試料台の説明＞ 図２を用いて、本実施例における試料台の詳細について説明する。本実施例の試料台は荷電粒子線を光に変換する検出素子５００とそれを支持する土台５０１（透明である場合には透明部材ともいう）から構成される。光学顕微鏡での観察と荷電粒子顕微鏡での観察を同じ試料台で行う場合には、検出素子５００と土台５０１は透明であることが望ましい。試料６は検出素子５００上に直接搭載される。または、後述するように膜などの部材を介して間接に搭載されても良い。土台５０１は、理想的には無色透明であるが、多少の色が混在されていてもかまわない。土台５０１としては、透明ガラス、透明プラスチック、透明の結晶体などである。蛍光顕微鏡などで観察したい場合は、蛍光が吸収されない方がよいのでプラスチックがよい。本実施例の試料台では、少なくとも、試料が配置される箇所と試料台において試料が配置される箇所と対向する面との間にある検出素子と土台５０１とが「透明」であれば光学的な顕微鏡観察が可能である。なお、後述するように土台５０１は必ずしもなくともよい。
【0023】
検出素子５００は例えば数ｋｅＶから数十ｋｅＶぐらいまでのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知し、荷電粒子線が照射されると可視光や紫外光や赤外光などの光を発光する素子である。本実施例の試料台に用いられる場合、当該検出素子は試料台に載置された試料の内部を透過または散乱した荷電粒子を光に変換する。検出素子としては例えばシンチレータ、ルミネッセンス発光材、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）素子やＹＡＰ（イットリウム・アルミニウム・ペロブスカイト）素子などである。発光波長は、可視光、紫外光、赤外光のうち特定のまたは任意のいずれかの波長領域であればよい。シンチレータの例としてはＳｉＮなど無機材でできた無機シンチレータや、ポリエチレンテレフタレートなど発光することが可能な材料が含有するプラスチックシンチレータあるいは有機シンチレータや、アントラセンなどが含有した液体シンチレータが塗布された材料などである。荷電粒子線を光に変換可能な素子であれば検出素子５００はどのような材料であってもかまわない。なお、検出素子は着脱可能な固体に限らず、荷電粒子線が照射されることによって蛍光を発生する蛍光剤がコーティングされた薄膜や微粒子であってもよい。本実施例では、これらも含め、荷電粒子を受光面に受けることにより光を発生する部材を総称して発光部材と称する。荷電粒子線の固体内平均自由行程は荷電粒子線の加速電圧に依存するが数十ｎｍから数十μｍである。そのため、検出素子５００の上面の発光領域も検出素子表面から同程度の厚みの領域となる。よって、検出素子５００の厚みはこの厚みを上回っていればよい。一方で、前述の通り、光学顕微鏡観察を同じ試料台で行うことを考えた場合には、光学顕微鏡にて観察した際の光透過信号ができるかぎり透過可能な必要があるので、多少の色が混在された検出素子の場合はできるかぎり薄いほうがよい。
【0024】
また、検出素子５００は荷電粒子線が照射されることによって蛍光を発生する蛍光剤がコーティングされた薄膜や微粒子であってもよい。製作方法としては、例えば、蛍光剤を水やアルコールなどの溶媒に溶かして、プレパラート上にスピンコーティングやディップコーティングする方法を採用することが可能である。またはスプレーなどでコーティングしてもよい。
【0025】
光学顕微鏡にて良く用いられる試料台としてスライドグラス（又はプレパラート）やディッシュ（又はシャーレ）などの透明試料台がある。つまり、本実施例における荷電粒子線を光変換することが可能な検出素子を具備した試料台をこれら光学顕微鏡向けの一般的なスライドグラス（例えば約２５ｍｍ×約７５ｍｍ×約１．２ｍｍ）の形状にすれば、これまでユーザが使用していたような経験や感覚で試料搭載や試料観察が可能である。このため、光学顕微鏡で一次的にスクリーニングし、選別された試料をそのまま荷電粒子顕微鏡で詳細観察するといった使い方をすることができる。または、一般の高性能の透過型荷電粒子線顕微鏡装置での試料調製は大変な労力を要するので、本実施例における試料台による観察を高性能の透過型荷電粒子線顕微鏡観察前のスクリーニングとすることも可能である。また光学顕微鏡ユーザが保有している光学顕微鏡用のスライドグラスのケースや試料搭載装置などもそのまま利用することができる。図２ではスライドグラスの断面図のような形状を図示したが、図３のようにディッシュ（又はシャーレ）の形状としてもよい。図３（ａ）は断面図で、図３（ｂ）は矢視図である。図２と比べて試料が配置される箇所の周縁部に側壁５０４があるので、液体など試料が漏れ出ることがない。
【0026】
図２や図３では検出素子５００の上面と土台５０１の上面位置が一致して図示している。これまで光学顕微鏡ユーザがスライドグラスやシャーレを使っていた時と同じ感覚や経験で試料搭載ができるようにするためには、このように検出素子５００の上面（すなわち試料を配置する箇所）と土台５０１の上面を同じ高さに一致させて、検出素子５００と土台５０１との間に凹凸があまりない状態とするのが望ましい。図４に、検出素子５００の上面と土台５０１の上面とが一致している試料台の例を示す。製作方法としては、検出素子５００と土台５０１を別々に製作し、土台５０１はガラスやプラスチックなどの透明材に凹部をつけて、そこに検出素子５００をはめ込めばよい。もし、どちらかが出っ張っているようなら磨くなどの光学研磨平面出しを行ってもよい。土台５０１と検出素子５００間は接着剤や両面テープや機械的なはめあいなどで固定されている。または化学結合によって結合されていてもよい。または、はじめから埋め込んで製作した後で検出素子が試料台表面に露出するまで光学研磨をしてもよい。
【0027】
もし、非常に大きな検出素子を使うことが可能であれば、図５（ａ）のように試料台全面を検出素子としてもよい。すなわち、検出素子自体を試料台として用いる、または透明部材の試料を載置する面側の全ての領域が発光部材となっていてもよい。この場合、試料台上のどこにおいても荷電粒子線による透過信号を取得することが可能となる。また別の形態として、図５（ｂ）のように透明部材上に検出素子を複数配置してもよい。試料が複数ある場合などはこのようにすることで、どの検出素子位置にどの試料があるかなどが分かりやすくすることができる。
【0028】
前述のように荷電粒子線の固体内平均自由行程は荷電粒子線の加速電圧に依存するが数十ｎｍから数十μｍであるため、その平均自由行程よりも十分薄い膜５０２を検出素子５００と試料との間に配置してもよい。すなわち、検出素子５００を覆う薄い膜５０２の上に試料が載置される。この試料台を図６（ａ）に示す。この厚みは図中Ａで記載されている。この薄い膜５０２は、荷電粒子線に対して透明である必要がある。すなわち、荷電粒子線の少なくとも一部が透過可能な厚さおよび材質である必要がある。光学顕微鏡での観察の場合には薄い膜５０２はさらに光に対して透明である必要もある。このような薄い膜５０２を配置すると、検出素子５００の表面の汚れや傷などを防止することが可能である。但し、薄い膜５０２が絶縁物の場合、真空中にて荷電粒子線が検出素子５００に照射される際に帯電し、試料の観察が難しくなることがある。そのため、図６（ａ）の薄い膜５０２を導電部材とすることにより前記帯電を除去することも可能となる。また、図６（ｂ）のように薄い膜５０２と土台５０１を一体成形して同一部材としてもよい。つまり、土台５０１内部に検出素子５００を埋め込んで製造して、その後光学研磨により検出素子５００の上面と土台５０１との距離をＡまで研磨することにより図６（ｂ）の試料台の製作が可能となる。これは、図６（ａ）の試料台と比べて部材種類が少ないので、低価格で検出素子５００の表面の汚れや傷などを防止することが可能となる。また、図示しないが、図Ａ部で示された部位は凹凸などの形状があってもよい。この場合、搭載した試料と検出素子５００との間に所定の距離の空間つまり所定の種類や圧力のガス材を配置することが可能となる。このように、発光部材と試料との間には、固体や液体や気体など所定の部材が配置され、この所定の部材を介して試料が発光部材の上に配置されていてもよい。
【0029】
光学顕微鏡にて良く用いられるスライドグラス（又はプレパラート）やディッシュ（又はシャーレ）では、試料が試料台と分離しないように、試料と試料台の密着性を高めるための物質が試料台に塗布されている場合がある。例えば、試料が細胞等の生体試料の場合、細胞表面は脂質二重層のリン酸脂質による負の荷電状態であるため、正の荷電状態の分子（リジンやアミノシランなど）をスライドグラスなどの試料台上に塗布することによって、細胞試料が試料台からの剥離することを防止することがある。そのため、試料台６００または検出素子５００にも同様に正の荷電状態の分子が付着されていてもよい。または、液体を多く含んだ状態の試料を搭載しやすくなるように親水性を有する材料が塗布されていてもよい。または、生きた細胞や細菌が搭載または培養しやすくなるようにコラーゲンのような生体試料と親和性が高い材料を塗布してもよい。なお、ここで塗布とは、散布、浸漬、コーティング等試料台表面にコーティング材を付着させる方法を広く含むものとする。また、所定の位置だけに前記分子や膜が配置させてもよい。ここで、所定の位置とは検出素子５００のうち一部の領域という意味である。例えば、所定の位置だけに正の荷電状態の分子を配置した場合、試料が細胞等の生体試料の場合、所定の位置のみに前記試料を配置することが可能となる。例えば、観察したい領域を狭めることで、観察時間を短くしたい場合などに本手法が有用となる。また、荷電粒子線が照射された際に帯電が発生しないように少なくとも試料が載置される面に導電性部材（帯電防止部材）が具備されていてもよい。導電性部材とは例えばカーボン材や金属材あるいは導電性有機物などである。これら分子やコーティング材や帯電防止膜などは図６（ａ）のＡ部で示した位置に配置される。
【0030】
また、ユーザのこれまでの経験や感覚で試料搭載が可能であれば、図７（ａ）のように検出素子５００は試料台６００の表面から多少出っ張っていてもかまわない。例えば、数百μｍ以下の厚みをもつ検出素子５００を土台５０１上に貼りつけるといった方法により製作可能である。この場合では土台５０１が非常に簡単な形状をしており、検出素子５００の面積も小さいので、低コストに試料台の製作が可能である。また、検出素子５００自体が低コストに製作可能または入手可能であれば、図７（ｂ）のように、透明部材と検出素子との厚みが同じであり、試料台上面から下面までが検出素子５００となっている形状としてもよい。この場合、土台５０１は検出素子５００を支持するための土台の役割となる。
【0031】
検出素子５００が非常に低コストで製作可能であるのであれば、図８に示すように試料台６００全体を検出素子５００としてもよい。つまり、土台５０１が無い状態となる。図８（ａ）は例えばスライドガラスのように単なる平坦な試料台である。これに対して、図８（ｂ）、図８（ｃ）は試料台が凹形状となっている例である。試料はこの凹部に載置されることで、液体試料の場合にもこぼれることがない。図８（ｂ）は例えばシャーレのように試料が側面からこぼれることがないような試料容器であり、図８（ｃ)は試料を格納する場所が複数ある培養容器（マイクロプレートあるいはタイタープレート）などである。発光部材は図８（ａ）（ｂ）（ｃ）いずれの形状でもよいし、図示した以外の形状でもよい。この場合、材料が一種類だけなので、製造コストがかからないなどのメリットがある。
【0032】
もし、検出素子５００を今までユーザが使いなれているスライドガラスなどの大きさにする必要があれば、図７(ａ)のように検出素子５００をスライドガラスの上に貼り付けるだけでもよい。スライドガラスと同じサイズにすることで、例えば、スライドガラス用のケースに格納する場合や、スライドガラス用の試料ホルダに搭載する場合や、光学顕微鏡のスライドガラス用サイズの試料ステージの搭載する場合に利便性が向上する。検出素子５００がプラスチックで構成されたプラスチックシンチレータなどの場合は、非常に低コストで製作可能であれば、図８（ａ）自体をスライドガラスの大きさにしてもよい。
【0033】
図９に説明するように、本実施例の試料台は培養容器と一体化することも可能である。この例は、試料が生体試料の場合において、発光部材上で試料を培養または増殖でき、試料台に試料を移動させる作業が省略できる点で好適である。試料台６００の上に容器７００を配置する（図９（ａ））。容器７００は例えば上側及び下側が開放面となっている円管状部材である。次に、容器７００内部に細胞などの試料６及び培養液などの試料に栄養やエネルギーを与えることが可能な栄養材を含む培地７０１を搭載する（図９（ｂ））。培地７０１は固体、液体、気体のいずれであってもよい。なお、培地７０１が試料台６００と容器７００間から漏れ出ないように、ゴムやパッキンなどの漏れ防止部材を具備されていてもよい。その後、培養した後で、培養液などの培地７０１を除去する（図９（ｃ））。その後、容器７００を試料台６００からはがすことで、試料６が検出素子５００に貼りついた状態を作ることが可能となる（図９（ｄ））。図中、検出素子５００および容器７００は一つしか記載されていないが、一つの試料台の上に複数配置してもよい。なお、荷電粒子線（透過光学観察をする場合はさらに光）が透過しなければならないために試料は薄い必要がある。例えば、数十ｎｍから数十μｍ程度の厚みである。そのため、前述の培養された培養細胞は培養された後に前記厚み程度となっている必要がある。培養細胞としては、培養された神経細胞や血球細胞あるいはｉＰＳ細胞などがある。または、細菌やウイルス類でもかまわない。当該手法を用いることにより、試料台６００上で培養した細胞試料を、試料台６００に搭載されたままで透過荷電粒子顕微鏡画像及び光学顕微鏡画像を取得することが可能となる。
【0034】
または、図１０（ａ）のように既存の培養容器に検出素子５００をおくだけでもよい。この方法で試料を配置した例を図１０（ｂ）に示す。ここで、培養細胞を検出素子５００上で培養して荷電粒子顕微鏡装置及び光学顕微鏡装置にて観察する手順例を述べる。初めに、図１０（ａ）のように培養容器８０８の中に所望の大きさの発光部材５００をいれておく。次に、図１０（ｂ）のように培養液８０６及び試料８０７等を注入し、培養等を行う。次に、図１０（ｃ）のように検出素子５００を試料８０７が搭載されたまま取り出す。次に、固定、乾燥処理あるいは金属染色や免疫染色などの所望の前処理を行った後に、図１０（ｄ）のように必要に応じて取り外して光学顕微鏡６０２や荷電粒子顕微鏡６０１で観察することが可能となる。なお、光学顕微鏡にて観察する場合は、このまま観察することも可能であるし、スライドガラスのような透明部材の上に配置して観察してもよい。また、培養容器は図１１のように複数の培養が行える培養容器（マイクロプレートまたはタイタープレート）などを用いてもよい。この場合、複数の検出素子５００を入れておくことで、複数の試料調製を同時に行うことが可能となる。また、前述の通り、発光部材である検出素子５００がプラスチックシンチレータなどのように安価でかつ加工性のよいものであれば、培養容器８０８そのものを検出素子５００としてもよい。
【0035】
試料台６００は荷電粒子線顕微鏡だけでなく光学顕微鏡によって用いられることが可能であるが、後述する通り、試料が搭載されている面とは反対側に対物レンズ２５１が配置された倒立型光学顕微鏡によっても当該試料台上の試料を観察することが可能である。このような場合、光学顕微鏡の対物レンズ２５１を出来る限り試料に接近させたい場合がある。対物レンズ２５１と試料６との距離をＬとすると、Ｌを数百μｍ程度以下にしたい場合がある。
【0036】
検出素子５００を備えた試料台６００全体を距離Ｌ以下に薄くする方法が考えられるが、試料台６００そのものが薄すぎて強度が弱いことがある。そこで、試料台の試料が載置される部分の透明部材を他の部分より薄くしてもよい。すなわち、図１２（ａ）のように試料台６００の厚み（図中Ｂ部）よりも、試料が配置されている部分及び検出素子５００部に厚みが薄い領域を作ることによって、試料６と対物レンズ２５１との距離をＬとすることが可能となる。これによれば試料台の両端が分厚いので試料台６００自体の強度は高くできる。また、ユーザのこれまでの経験や感覚で試料搭載が可能であれば、図１２（ｂ）のように両端が厚い領域は反対側にあってもよいし、試料載置面の上下両側に厚い領域があってもよい。
【0037】
また、試料台６００上に試料６に関する情報である文字、番号、バーコード、絵などが記載可能な紙やシール部を備えてもよい。この場合、試料台に搭載された試料６の管理をすることが容易となる。
【0038】
図示しないが、観察試料の上部または内部または周辺にイオン液体が配置されていてもよい。イオン液体は電子照射面に導電性を付与することができる性質を有する。イオン液体が観察試料の内部や周辺部に配置されていることによって、真空中で荷電粒子線を照射させた時に、試料が帯電することを防止することが可能となる。さらに、試料にイオン液体を含ませることで、試料をウェットな状態を保つことが可能となる。そのため、イオン液体を含んだウェット試料を透過または散乱してきた荷電粒子線による発光を検出することで、ウェットな試料の透過画像を取得することが可能となる。イオン液体を試料に搭載する方法は、試料をイオン液体中に含浸させてもよいし、スプレーなので試料にイオン液体を吹きかけるなどしてもよい。
【0039】
図示しないが、検出素子５００を使用する前に汚れや傷などがあれば、予め有機溶剤等で洗浄するか、機械的あるいは化学的な研磨剤を用いて研磨するか、イオンビームなどで検出素子５００をスパッタリングして平坦な表面をつくってもよい。また、傷や汚れが目立たなくなるように、荷電粒子線が透過可能で且つ光学顕微鏡の光源の光や検出素子５００が発光する光に対して出来る限り透明な部材を配置あるいはコーティングしてもよい。
【0040】
＜方法及び原理の説明＞ 以下で、本実施例の試料台を用いた光検出方法及び透過荷電粒子線が取得可能な原理について説明する。図１３に、検出素子５００上に試料６が配置されている状態を示している。試料台の下には光検出器５０３を示している。光検出器５０３は検出素子５００からの光信号を電気信号に変換または増幅することが可能である。変換または増幅された電気信号は通信線を介して制御部やコンピュータに入力され、これらの制御系により画像化される。取得された画像（透過荷電粒子線画像）はモニタ等に表示されてもよい。
【0041】
ここでは、試料内で密度が高い部位５０８と密度が低い部位５０９があることを考える。試料内で密度が高い部位５０８に一次荷電粒子線５１０が照射された場合、荷電粒子線は大多数が後方散乱されるため、検出素子５００には荷電粒子線は到達しない。一方、試料内で密度が低い部位５０９に一次荷電粒子線５１１が照射された場合、荷電粒子線は検出素子５００まで透過することが可能となる。その結果、検出素子５００にて試料内部の密度差を検出（すなわち光信号に変換）することが可能となる。この透過具合は荷電粒子線の加速エネルギーによってかわる。そのため、荷電粒子線の加速エネルギーを変えることで観察したい内部情報とその領域を変えることも可能である。
【0042】
光検出器５０３と試料台との間（図中ｈ部分）は空間があってもよいが、光を出来る限り効率よく検出するためには、この高さｈは出来る限り短い方がよい。試料台と光検出器５０３は接触していてもよい。また、光検出器５０３の受光面積を大きくすることによって、光を出来る限り効率よく検出してもよい。または、試料台と光検出器５０３の間の空間のｈ部に光を効率よく伝達させる光伝達路を配置してもよい。一例として図１４に検出器と発光部材との間に光伝達路８１１を設ける例について説明する。試料台６００は試料ステージ５上に配置されているとする。試料ステージ下に光が伝達するための光伝達経路８１１は、光を前記光伝達経路８１１の外に漏れ出ないようにして通過させるための光反射材８０９及び光を光検出器５０３に導くための光反射材８１０で形成されている。光伝達経路８１１の構成はこの例に限られない。
【0043】
検出素子５００で発光した光は図１４中試料台６００以下に通過し、光伝達経路８１１を入射する。光伝達経路に入った光は光反射材８０９によって光の軌道が制御される。光反射材８１０に到達した光の進行方向は光反射材８１０によって検出素子５０３方向に向きを変えられ、光伝達経路８１１を経由して検出素子５０３にて光が検出される。光伝達経路８１１は光を伝達することが可能な固体物質でもよいし、空気中や真空中などでもよい。発光の波長領域を通過させることが可能な固体材料とは、例えば、石英、ガラス、光ファイバー、プラスチック等、光に対して透明または半透明な材料である。この構成にすると、光検出器５０３をステージから分離して配置することができるので、光検出器５０３に接続される配線や電気回路を試料台や試料台を保持する試料ステージとは離れた位置に配置することが可能となる。なお、図１３や図１４では、光検出器５０３は試料台６００の下側に配置されているが、後述するように横方向や上側などに配置されていてもかまわない。
【0044】
ここで、図１５を用いて、試料を通過した荷電粒子線が検出素子５００に照射されることにより光が発光する領域に関して説明する。試料６は検出素子５００上の試料接着層８１２に接着または接触している。試料接着層とは前述した通り、細胞などが接着しやすくする層や、荷電粒子線による帯電を除去するための導電膜層などである。この厚み幅をＡとすると、例えば数ｋｅＶから数十ｋｅＶぐらいまでのエネルギーで飛来してきた荷電粒子線が発光部材までに届くくらいに幅Ａは薄い必要がある。これは例えば数ｎｍから数百ｎｍ程度である。試料接着層８１２を通過した荷電粒子線は検出素子５００に侵入し、発光８１４が発生する。この発光する発光領域８１３は荷電粒子線の侵入深さ及びその侵入時及び侵入中のエネルギーに依存する。例えば、数ｋｅＶから数十ｋｅＶぐらいまでのエネルギーの荷電粒子線の場合、発光領域８１３は数十ｎｍから数μｍ程度である。この厚みをＢとすると、もし検出素子５００の厚みが幅Ｂよりも厚いならば、幅Ｂで表される領域以外（図中Ｃ部）は発光に寄与しないことになる。発光を図中下側で検出するために、発光に寄与しない領域Ｃ及び試料台６００は発光が出来る限り損失しない程度に透明であることが望ましい。また、図示しないが発光領域８１３からの光は検出素子５００内部で様々な方向に散乱する。そこで、例えば図中Ａ部あるいは検出素子５００の側面側に光を反射することが可能な金属膜をつけることによって、発生した光が図中上側や側面側に逃げないようにして、全ての光を図中下側に伝導させることも可能である。
【0045】
試料台に試料を搭載する方法を以下で述べる。荷電粒子線（光学顕微鏡観察を併用する場合にはさらに光）が透過しなければならないために、試料は薄い必要がある。例えば、数十ｎｍから数十μｍ程度の厚みである。検出素子５００上に直接搭載可能な試料としては例えば細胞が含まれている液体や粘膜、血液や尿など液状生体検体、切片化された細胞、液体中の粒子、菌やカビやウイルスのような微粒子、微粒子や有機物などを含むソフトマテリアル材などである。試料の搭載方法は、前述の培養の他にも、以下の方法が考えられる。例えば、試料を液体の中に分散させて、この液体を検出素子に付着させる方法がある。また、試料を荷電粒子線が透過可能な厚さに切片化して、切片化された試料を検出素子上に配置してもよい。より具体的には、例えば綿棒の先端に試料を付着させこれを検出器上に塗りつけてもよいし、スポイトで垂らしてもよい。また微粒子の場合は検出器上に振りかけてもよい。スプレーなどで塗布してもよいし、液体を試料台に高速回転させて塗布するスピンコーティング法を用いてもよいし、液体に試料台をつけて引き上げることによって塗布するディップコーティング法を用いてもよい。いずれの方法にしても、試料厚みを数十ｎｍから数十μｍ程度の厚みにすることができればどのような方法であってもかまわない。
【0046】
次に、図１６を用いて顕微鏡観察するまでの手順例を記載する。はじめに、試料を搭載するための検出素子５００（発光試料台）を準備する。次に、必要に応じて検出素子５００に所定の部材を配置する。ここで、所定の部材とは、前述の通り、試料と試料台の密着性を高めるための物質や導電性物質や光を反射するための物質や、何らかの所定のガス材などである。もし、所定の部材を配置する必要がなければ本ステップは不要である。次に、検出素子５００上に試料を搭載する。次に、荷電粒子顕微鏡または光学顕微鏡に搭載し観察するステップに移動する。ステップＡは荷電粒子顕微鏡にて観察するステップで、ステップＢは光学顕微鏡にて観察するステップである。Ａのステップでは、はじめに、前述のように試料が搭載された検出素子５００を荷電粒子顕微鏡装置内に配置する。次に、荷電粒子線を試料に照射することにより、試料から荷電粒子線を透過または散乱させる。次に、荷電粒子が検出素子５００に到達すると発光するので、この発光を発光検出器により検出する。次に、下位制御部３７などで、検出器で検出された信号を試料の透過荷電粒子像を生成する。荷電粒子顕微鏡装置による観察が終了したら、荷電粒子顕微鏡装置外に試料を取り出す。必要に応じてＢの光学顕微鏡による観察ステップに移る。光学顕微鏡による観察ステップＢでは、まず、試料が搭載された検出素子５００を光学顕微鏡装置内に配置する。前述のとおり、光学顕微鏡装置に配置する際に、スライドガラスの形状である必要があれば、検出素子５００をスライドガラス上に載せることも可能である。次に、光学顕微鏡にて観察する。観察が終了したら、荷電粒子顕微鏡装置に戻して再観察してもよい。ステップＡとＢは入れ替えてもよいし、後述するように、荷電粒子顕微鏡装置と光学顕微鏡装置が一体化された装置であれば、同時に観察してもよい。
【0047】
＜真空の荷電粒子線装置観察時の説明＞ ここで、図１７に、一般的な荷電粒子線装置に本実施例の試料台を搭載した装置を記載する。荷電粒子顕微鏡は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する筐体７（以下、真空室と称することもある）およびこれらを制御する制御系によって構成される。荷電粒子顕微鏡の使用時には荷電粒子光学鏡筒２と筐体７の内部は真空ポンプ４により真空排気される。真空ポンプ４の起動および停止動作も制御系により制御される。図中、真空ポンプ４は一つのみ示されているが、二つ以上あってもよい。
【0048】
荷電粒子光学鏡筒２は、一次荷電粒子線を発生する荷電粒子源８、発生した荷電粒子線を集束して鏡筒下部へ導き、一次荷電粒子線を試料６上に走査する光学レンズ１などの要素により構成される。荷電粒子光学鏡筒２は筐体７内部に突き出すように設置されており、真空封止部材１２３を介して筐体７に固定されている。荷電粒子光学鏡筒２の端部には、上記一次荷電粒子線の照射により得られる二次的荷電粒子（二次電子または反射電子等）を検出する検出器３が配置される。検出器３は図示した位置ではなくても筺体７内部であればどこでもよい。
【0049】
試料６に到達した荷電粒子線によって試料内部または表面から反射荷電粒子や透過荷電粒子などの二次的荷電粒子を放出する。この二次的荷電粒子を検出器３にて検出する。検出器３は数ｋｅＶから数十ｋｅＶのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知及び増幅することができる検出素子である。例えば、シリコン等の半導体材料で作られた半導体検出器や、ガラス面またはその内部にて荷電粒子信号を光に変換することが可能なシンチレータ等である。
【0050】
本実施例の荷電粒子顕微鏡は、制御系として、装置使用者が使用するコンピュータ３５、コンピュータ３５と接続され通信を行う上位制御部３６、上位制御部３６から送信される命令に従って真空排気系や荷電粒子光学系などの制御を行う下位制御部３７を備える。コンピュータ３５は、装置の操作画面（ＧＵＩ）が表示されるモニタと、キーボードやマウスなどの操作画面への入力手段を備える。上位制御部３６、下位制御部３７およびコンピュータ３５は、各々通信線４３、４４により接続される。
【0051】
下位制御部３７は真空ポンプ４、荷電粒子源８や光学レンズ１などを制御するための制御信号を送受信する部位であり、さらには検出器３の出力信号をディジタル画像信号に変換して上位制御部３６へ送信する。図では検出器３からの出力信号を、プリアンプなどの増幅器５３を経由して下位制御部３７に接続している。もし、増幅器が不要であればなくてもよい。
【0052】
上位制御部３６と下位制御部３７ではアナログ回路やディジタル回路などが混在していてもよく、また上位制御部３６と下位制御部３７が一つに統一されていてもよい。なお、図１７に示す制御系の構成は一例に過ぎず、制御ユニットやバルブ、真空ポンプまたは通信用の配線などの変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例の荷電粒子線顕微鏡の範疇に属する。
【0053】
筐体７には、一端が真空ポンプ４に接続された真空配管１６が接続され、内部を真空状態に維持できる。同時に、筐体内部を大気開放するためのリークバルブ１４を備え、試料台を装置内部に導入時に筐体７の内部を大気開放することができる。リークバルブ１４は、なくてもよいし、二つ以上あってもよい。また、筐体７におけるリークバルブ１４の配置箇所は、図１７に示された場所に限られず、筐体７上の別の位置に配置されていてもよい。
【0054】
筐体７は側面に開口部を備えており、この開口部には蓋部材１２２及び真空封止部材１２４によって装置内部の真空気密を保っている。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、前述のように試料台に搭載された試料を筺体７内部にいれた後に試料と荷電粒子光学鏡筒との位置関係を変更するための試料ステージ５を備えている。試料ステージ５には前述の発光部材または発光部材を有する試料台が着脱可能に配置される。蓋部材１２２が支持する底板となる支持板１０７が取り付けられており、ステージ５が支持板１０７に固定されている。ステージ５は、面内方向へのＸＹ駆動機構および高さ方向へのＺ軸駆動機構などを備えている。支持板１０７は、蓋部材１２２の対向面に向けて筺体７内部に向かって延伸するよう取り付けられている。Ｚ軸駆動機構およびＸＹ駆動機構からはそれぞれ支軸が伸びており、各々蓋部材１２２が有する操作つまみ５１および操作つまみ５２と繋がっている。装置ユーザは、これらの操作つまみを操作することにより、試料の位置を調整することが可能である。また、後述するように、蓋部材１２２上には光学顕微鏡が具備できる構成としてもよい。
【0055】
試料ステージ５の上には検出素子５００を具備した試料台６００を搭載できる。前述の通り検出素子５００では荷電粒子線を光に変換する。この光を検出して電気信号に変換及び信号増幅するための光検出器５０３を試料ステージ５上またはステージ近傍に備える。前述の通り、光信号を効率よく検出するために、検出素子５００を備えた試料台とこの光検出器は近接していてもよいし、接触していてもよい。またはこれらの間に光伝達路を配置してもよい。図では、光検出器は試料ステージに具備されているが、光検出器５０３は筐体７のどこかに固定されていてもよいし、筐体７の外部にあってもよい。筺体７外部にある場合は、検出素子５００で変換された光信号はガラスや光ファイバなどの光を伝達するための光伝達路が試料台５００近傍にあり、その光伝達路の中を光信号が伝達することにより光検出器にて信号を検出することが可能となる。光検出器は例えば半導体検出素子やフォトマルチプライヤーなどである。いずれにしても、本実施例の光検出器では前述の試料台の検出素子で発光され、透明部材を通過した光を検出するものである。
【0056】
図ではステージ５の上部に光検出器５０３が具備されている様子を図示している。ステージ５に具備された光検出器５０３からは配線５０４経由でプリアンプ基板５０５が接続される。プリアンプ基板５０５は配線５０７などを経由し下位制御部３７に接続される。図では、プリアンプ基板５０５は筐体７内部にあるが筐体７外部にあってもよい。試料ステージ５上に突起５０６がありここに試料台６００を配置する。これにより試料台５の固定ができ位置ずれ防止をすることができる。また、試料台６００とステージ５上の両面テープなどで固定してもよい。但し、前述のとおり本実施例の試料台が光学顕微鏡にて用いられる場合には、試料台６００の下面に両面テープを張り付けることは好ましくなく、試料台６００の側面などに両面テープなどで位置ずれ防止部材を取り付けることが望ましい。試料台６００を光検出器５０３上に搭載すると、土台５０１の真下に光検出器５０３が配置されるために、試料６を透過して検出素子５００にて発光した光を効率よく検出することが可能である。これらの装置及び方法により荷電粒子線装置を用いた透過荷電粒子画像を取得することが可能である。さらに、本実施例の試料台が透明部材で形成されている場合には、試料台を荷電粒子線装置外部に取り出した後に光学顕微鏡にて観察することも可能である。
【0057】
また、本実施例の荷電粒子線装置には検出器３と検出素子５００の両方があるので、検出器３で試料から発生または反射してきた二次的荷電粒子を取得し、同時に検出素子５００にて試料を透過または散乱されてきた透過荷電粒子を取得することができる。したがって、下位制御部３７等を用いて、二次的荷電粒子線画像と透過荷電粒子画像のモニタ３５への表示を切り替えることが可能である。また、前記二種類の画像を同時に表示させることも可能である。
【0058】
＜大気圧の荷電粒子線装置観察時の説明＞ 次に、図１８を用いて、大気圧下で観察可能な荷電粒子線装置に本実施例を適応した構成を説明する。本実施例の荷電粒子線装置は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する第１の筐体（以下、真空室と称することもある）７、第１の筐体７に挿入して使用される第２の筐体（以下、アタッチメントと称することもある）１２１、第２の筐体内に配置される試料ステージ５、およびこれらを制御する制御系によって構成される。制御系などの基本的な構成は図１８と同等なので詳細な説明は省略する。
【0059】
第２の筐体１２１の直方体形状の側面のうち少なくとも一側面は開放面となっている。本体部１２１の直方体形状の側面のうち隔膜保持部材１５５が設置される面以外の面は、第２の筺体１２１の壁によって構成されている。または第２の筺体１２１自体には壁がなく第１の筺体７に組み込まれた状態で第１の筺体７の側壁によって構成されても良い。第２の筐体１２１は、上記の開口部を通って第１の筐体７内部に挿入され、第１の筺体７に組み込まれた状態で観察対象である試料６を格納する機能を持つ。第１の筐体７と第２の筺体１２１間は真空封止部材１２６を介して上記側面側の外壁面に固定される。第２の筺体１２１は第１の筺体７の側面または内壁面または荷電粒子光学鏡筒のいずれに固定されても良い。これによって、第２の筐体１２１全体が第１の筐体７に嵌合される。上記の開口部は、荷電粒子顕微鏡の真空試料室にもともと備わっている試料の搬入・搬出用の開口を利用して製造することが最も簡便である。つまり、もともと開いている穴の大きさに合わせて第２の筐体１２１を製造し、穴の周囲に真空封止部材１２６を取り付ければ、装置の改造が必要最小限ですむ。また、第２の筐体１２１は第１の筐体７から取り外しも可能である。
【0060】
第２の筐体１２１の側面は大気空間と少なくとも試料の出し入れが可能な大きさの面で連通した開放面であり、第２の筐体１２１の内部に格納される試料６は、観察中、大気圧状態または若干の負圧状態または所望のガス種状態に置かれる。なお、図１８は光軸と平行方向の装置断面図であるため開放面は一面のみが図示されているが、図１８の紙面奥方向および手前方向の第１の筺体の側面により真空封止されていれば、第２の筺体１２１の開放面は一面に限られない。第２の筺体１２１が第１の筺体７に組み込まれた状態で少なくとも開放面が一面以上あればよい。第２の筺体の開放面により、試料は第２の筺体（アタッチメント）内部と外部の間で搬入および搬出が可能である。
【0061】
第２の筺体１２１の上面側には荷電粒子線が透過または通過可能な隔膜１０が設けられている。この隔膜１０は第２の筺体１２１から着脱可能である。第１の筐体７には真空ポンプ４が接続されており、第１の筐体７の内壁面と第２の筐体の外壁面および隔膜１０によって構成される閉空間（以下、第１の空間とする）を真空排気可能である。これにより、本実施例では、隔膜１０により第１の空間１１が高真空に維持される一方、第２の空間１２は大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気に維持されるので、装置の動作中、荷電粒子光学鏡筒２側を真空状態に維持でき、かつ試料６および前述の試料台を大気圧または所定の圧力の雰囲気に維持することができる。隔膜１０は隔膜保持部材１５５によって保持され、隔膜１０の交換は隔膜保持部材１５５を交換することで可能となる。
【0062】
本実施例の荷電粒子顕微鏡の場合、第２の筐体１２１の少なくとも一側面をなす開放面を蓋部材１２２で蓋うことができるようになっている。蓋部材１２２には試料ステージなどが具備されている。
【0063】
本実施例の荷電粒子顕微鏡においては、第２の筐体１２１内に置換ガスを供給する機能または第一の空間とは異なった気圧状態を形成可能な機能を備えている。荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出された荷電粒子線は、高真空に維持された第１の空間を通って、図１８に示す隔膜１０を通過し、更に、大気圧または若干の負圧状態に維持された第２の空間に侵入する。すなわち第２の空間は第１の空間より真空度が悪い（低真空度の）状態である。大気空間では荷電粒子線は気体分子によって散乱されるため、平均自由行程は短くなる。つまり、隔膜１０と試料６の距離が大きいと一次荷電粒子線または一次荷電粒子線の照射により発生する二次荷電粒子、反射荷電粒子もしくは透過荷電粒子が試料及び検出器３や検出素子５００まで届かなくなる。一方、荷電粒子線の散乱確率は、気体分子の質量数や密度に比例する。従って、大気よりも質量数の軽いガス分子で第２の空間を置換するか、少しだけ真空引きすることを行えば、荷電粒子線の散乱確率が低下し、荷電粒子線が試料に到達できるようになる。また、第２の空間の全体ではなくても、少なくとも第２の空間中の荷電粒子線の通過経路、すなわち隔膜と試料との間の空間の大気をガス置換できればよい。置換ガスの種類としては、窒素や水蒸気など、大気よりも軽いガスであれば画像Ｓ／Ｎの改善効果が見られるが、質量のより軽いヘリウムガスや水素ガスの方が、画像Ｓ／Ｎの改善効果が大きい。
【0064】
以上の理由から、本実施例の荷電粒子顕微鏡では、蓋部材１２２にガス供給管１００の取り付け部（ガス導入部）を設けている。ガス供給管１００は連結部１０２によりガスボンベ１０３と連結されており、これにより第２の空間１２内に置換ガスが導入される。ガス供給管１００の途中には、ガス制御用バルブ１０１が配置されており、管内を流れる置換ガスの流量を制御できる。このため、ガス制御用バルブ１０１から下位制御部３７に信号線が伸びており、装置ユーザは、コンピュータ３５のモニタ上に表示される操作画面で、置換ガスの流量を制御できる。また、ガス制御用バルブ１０１は手動にて操作して開閉してもよい。
【0065】
置換ガスは軽元素ガスであるため、第２の空間１２の上部に溜まりやすく、下側は置換しにくい。そこで、蓋部材１２２でガス供給管１００の取り付け位置よりも下側に第２の空間の内外を連通する開口を設ける。例えば図１８では圧力調整弁１０４の取り付け位置に開口を設ける。これにより、ガス導入部から導入された軽元素ガスに押されて大気ガスが下側の開口から排出されるため、第２の筐体１２１内を効率的にガスで置換できる。なお、この開口を後述する粗排気ポートと兼用しても良い。
【0066】
また、ヘリウムガスのような軽元素ガスであっても、電子線散乱が大きい場合がある。その場合は、ガスボンベ１０３を真空ポンプにすればよい。そして、少しだけ真空引きすることによって、第２の筐体内部を極低真空状態（すなわち大気圧に近い圧力の雰囲気）にすることが可能となる。例えば、第２の筐体１２１または蓋部材１２２に真空排気ポートを設け、第２の筐体１２１内を一度真空排気する。その後置換ガスを導入してもよい。この場合の真空排気は、第２の筐体１２１内部に残留する大気ガス成分を一定量以下に減らせればよいので高真空排気を行う必要はなく、粗排気で十分である。
【0067】
ただし、生体試料など水分を含む試料などを観察する場合、一度真空状態に置かれた試料は、水分が蒸発して状態が変化する。従って、完全に蒸発する前に観察するか、上述のように、大気雰囲気から直接置換ガスを導入する方が好ましい。上記の開口は、置換ガスの導入後、蓋部材で閉じることにより、置換ガスを効果的に第２の空間内に閉じ込めることができる。
【0068】
このように本実施例では、試料が載置された空間を大気圧（約１０5Ｐａ）から約１０3Ｐａまでの任意の真空度に制御することができる。従来のいわゆる低真空走査電子顕微鏡では、電子線カラムと試料室が連通しているので、試料室の真空度を下げて大気圧に近い圧力とすると電子線カラムの中の圧力も連動して変化してしまい、大気圧（約１０5Ｐａ）〜１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することは困難であった。本実施例によれば、第２の空間と第１の空間を薄膜により隔離しているので、第２の筐体１２１および蓋部材１２２に囲まれた第２の空間の中の雰囲気の圧力およびガス種は自由に制御することができる。したがって、これまで制御することが難しかった大気圧（約１０5Ｐａ）〜１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することができる。さらに、大気圧（約１０5Ｐａ）での観察だけでなく、その近傍の圧力に連続的に変化させて試料の状態を観察することが可能となる。
【0069】
上記開口の位置に三方弁を取り付ければ、この開口を粗排気ポートおよび大気リーク用排気口と兼用することができる。すなわち、三方弁の一方を蓋部材１２２に取り付け、一方を粗排気用真空ポンプに接続し、残り一つにリークバルブを取り付ければ、上記の兼用排気口が実現できる。
【0070】
上述の開口の代わりに圧力調整弁１０４を設けても良い。圧力調整弁１０４は、第２の筐体１２１の内部圧力が１気圧以上になると自動的にバルブが開く機能を有する。このような機能を有する圧力調整弁を備えることで、軽元素ガスの導入時、内部圧力が１気圧以上になると自動的に開いて窒素や酸素などの大気ガス成分を装置外部に排出し、軽元素ガスを装置内部に充満させることが可能となる。なお、図示したガスボンベまたは真空ポンプ１０３は、荷電粒子顕微鏡に備え付けられる場合もあれば、装置ユーザが事後的に取り付ける場合もある。
【0071】
本荷電粒子線装置の試料ステージ５の上には検出素子５００を具備した試料台を搭載できる。試料ステージの上に前述の試料台を載置した状態において、検出素子５００は試料に対して隔膜の反対側に載置された状態となる。試料ステージ近傍の光検出器５０３などの配置構成などは図１７と同様である。本構成の場合は、真空引き等により発生する水分蒸発などの形状変化を最大限に低減させた透過荷電粒子線信号の取得が可能である。また、試料空間を高真空に真空引きすることが不要であるため非常に高スループットで試料台６００上試料の透過荷電粒子線顕微鏡画像の取得が可能となる。
【0072】
＜光学顕微鏡観察時の説明＞ 図１９に、光学顕微鏡にて観察する場合を示す。はじめに、光学顕微鏡２５０に関して説明する。光学顕微鏡２５０は対物レンズ２５２などの光学レンズを備える。光学レンズを経由した顕微鏡情報は接眼レンズ２０７に投影される。または、ＣＣＤカメラなどによってディジタル信号に変換され図示しないモニタに表示させてもよい。本実施例における試料台６００は光学顕微鏡の光軸２５１に対して図中横方向か紙面方向に動かすことが可能なＸＹ駆動機構や対物レンズ２５２との距離を変更することが可能なＺ軸駆動機構などの駆動機構２０４を備えた試料ステージ２５８上に配置される。試料ステージ２５８上の光学顕微鏡の光軸２５１部周辺には開口部２５９があり、その開口部の上に本実施例の試料台６００が配置される。光学顕微鏡２５０には白色光や紫外光や波長が制御された光やレーザなどの光子線を発することが可能な光源を備える。光源は図中試料台６００の上側から光を照射するための光源２５５、または試料台６００の下側から光を照射するための光源２５６などである。なお、光源は光学顕微鏡２５０が配置された部屋の光源や太陽光などでもかまわない。なお、光源は図示しない通信線や電線などによって光の光量及び消灯点灯用の電源が供給・制御される。図では上記説明した２か所に光源が配置されているが最低１つあればよい。以上、２つの光源位置を例にあげたが、上記以外の場所に配置されてもよい。試料台上の試料６の観察倍率または焦点位置を変更するために光学顕微鏡２５０は光学レンズ駆動機構２５３を有する。光学レンズ駆動機構２５３によって対物レンズ２５２を光学顕微鏡の光軸２５１方向に動かすことによって、試料台６００上の試料６に焦点を合わせることができる。また、図示しないが対物レンズ２５２ではなく、光学顕微鏡２５０内部の光学レンズが光軸２５１方向に動くことによって焦点を変えてもよい。
【0073】
光源２５６から発せられた光は光学顕微鏡２５０内部のミラー等を経由して対物レンズ２５１あるいはその周辺部から放出され、試料台６００に到達する。試料台６００に到達した光子線は土台５０１及び検出素子５００を通過し、試料に到達される。試料から反射してきた反射光は再度検出素子５００及び土台５０１を通過して、対物レンズ２５１に到達する。これにより、対物レンズ２５１に照射された光信号は光学顕微鏡２５１内部で結像され、接眼レンズ２０７にて試料の光学顕微鏡観察が実施できる。また、光源位置が光源２５５である場合は、光源２５５から放出された光子線はまず試料に照射される。試料から透過してきた光子線を検出素子５００及び土台５０１を通過し、対物レンズ等を経由して光学顕微鏡像を形成することが可能となる。
【0074】
なお、本図で説明した光学顕微鏡は光学レンズ等が試料下側に配置された倒立型光学顕微鏡であるが、光学系が試料上に配置された正立型光学顕微鏡であってもよい。その場合も光源がどこにあってもよい。
【0075】
以上、光学顕微鏡により本実施例における試料台６００上の試料６を観察する方法及び装置について説明した。前述の通り、検出素子５００及び土台５０１が光源からの光に対して透明であると、このように試料及び試料台に光を透過させた光学顕微鏡観察が可能であるとともに図１７や図１８で示したような荷電粒子線顕微鏡装置にて真空中または大気中の荷電粒子顕微鏡画像を取得することが可能となる。
【実施例2】
【0076】
実施例１では検出素子５００で発光した光が検出素子５００および試料台６００を通過して、検出素子５００または試料台６００の下側でその光を検出する構成について説明した。本実施例では、検出素子５００で生じた光を検出素子５００や試料台６００の上側または横側で検出する試料台及び装置構成等について述べる。なお、検出素子５００の材料や形状、検出素子上に試料が接着しやすくする層や、荷電粒子線による帯電を除去するための導電膜層を設けることなど、本実施例において特段の言及がない部分に関しては実施例１と同様なので、詳細な説明は省略する。
【0077】
はじめに、図２０を用いて光の発生と発光の検出の原理に関して説明する。試料６は検出素子５００上の試料接着層８１２に接着または接触している。この試料接着層に関しては実施例１と同様なので詳細な説明は省略する。試料接着層８１２を通過した荷電粒子線は検出素子５００に侵入し、発光８１４が生じる。試料６を透過または散乱してきた荷電粒子線が検出素子５００に到達されると紫外光や可視光や赤外光などが発光する。発光波長は検出器で検出可能な波長の範囲であればいずれの波長でもかまわない。この発光領域の厚みＢに関しても、実施例１と同様なので詳細な説明は省略する。実施例１と同様に試料内で密度が高い部位５０８と密度が低い部位５０９があることを考えると、試料内で密度が低い部位５０９に一次荷電粒子線５１１が照射された場合、荷電粒子線は検出素子５００まで透過することが可能となる。密度が低い試料下の発光領域８１３より生じた光８１４は図中下側だけでなく、図中上側にも放出される。つまり、荷電粒子線を走査して走査した場所の光信号を試料より上側で取得しても、この取得された光信号は試料６内部の透過情報あるいは透過画像を表す信号であることになる。また、この原理によれば、検出素子５００中の発光領域に寄与しない領域Ｃは必ずしも透明である必要はない。また、同様に試料台６００も必ずしも透明である必要はない。例えば、試料台６００などはアルミなどの金属部材にしてもかまわない。もし、実施例１で述べたように光透過型の光学顕微鏡にて観察したい場合は、検出素子５００と試料台６００を分離してから検出素子５００だけを用いればよい。この場合、検出素子５００は前記用いられる光透過型の光学顕微鏡の光に対して出来る限り透明である必要がある。
【0078】
また、図中下方向にも発光領域８１３より生じた光が放出されるので、光検出率を高めるために、光試料台６００と検出素子５００の間に光反射部８１５を設けて光を反射して反射光８１６を発生させてもよい。光反射部８１５は、検出素子５００の下面に光を反射させるための光反射膜を設ける、または試料台６００を光が反射しやすくするための磨かれた金属にする、または試料台６００と検出素子５００との間に光を反射するための金属フィルムを配置するなどによって構成する。この場合は、領域Ｂは発光を出来る限り損失がないように伝達するくらい透明であることが望ましい。光反射部８１５を設ける代わりに、光検出器８００とは別に、検出素子５００の下側にも検出器を設け、これらの検出器で同時に光を検出してその検出信号を合成してもよい。
【0079】
荷電粒子線を直接検出する方式では透過した荷電粒子線を検出するための検出器の位置が少なくとも試料より下方に限定されてしまうが、このように透過荷電粒子線を光に変換して検出することで、検出器の設置位置の自由度が格段に増し、試料の横方向や試料より上方向の検出器からの信号でも透過荷電粒子線像を形成することができる。上述の通り透過荷電粒子線により生じる光は発光部材内部で全方位に生じるため、試料に対してどの方位に検出器が設置されていてもこの光を検出することができるからである。なお、具体的には、試料の「横方向」とは試料が載置されている水平面と検出器の検出面が交わる位置のことを指し、試料の「上方向」とは試料が載置されている水平面より検出器の検出面が上方（荷電粒子源側）にある位置のこと指す。
【0080】
次に、本実施例での装置構成例を図２１に示す。図２１では図１７と同様に荷電粒子光学鏡筒２、筐体７、真空ポンプ４、試料ステージ５および制御系などによって構成される。これらの各要素の動作、機能または各要素に付加される付加要素は、実施例１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。本実施例の場合も実施例１と同様に、試料を透過または散乱してきた荷電粒子線を光信号に検出するための検出素子５００が試料下に配置される。検出素子５００は荷電粒子線が照射されると紫外光や可視光や赤外光などを発光することが可能な発光部材である。検出素子５００にて発光した光信号は筐体７内に具備される検出器３、または光検出器８００に光を伝達する光伝達路８０１を経由した光を検出することが可能な光検出器８００によって検出される。本図では検出器３と光検出器８００の二つの検出器が図示されているが、どちらか一方のみであってもよいし両方あってもよい。また、これ以外の場所に荷電粒子線や光を検出する検出器が配置されており、これを用いて発光部材からの光を検出してもよい。例えば、上述の検出器の代わりに荷電粒子光学鏡筒内に配置された検出器を用いることもできるし、上述の検出器とともに荷電粒子光学鏡筒内の検出器を用いることもできる。この検出器３または光検出器８００にて試料の内部透過信号を取得することが可能である。なお、図示しないが、試料ステージを動かした時に発光部材５００が試料台またはステージ上から落下することがないように、発光部材５００が試料台あるいはステージとの間を両面テープなどで固定してもよい。もし、発光部材に両面テープを接触させることによる汚れを発生させたくない場合は、前述のように発光部材５００の側面や上面などを抑える部品を備えてもよい。
【0081】
以下で、検出器３に関して詳細を説明する。検出器３は検出素子５００にて生じた光信号を検出することが可能な検出器であり、例えばシリコン等の半導体材料で作られた半導体検出器である。半導体検出器では光信号が入射されると電子正孔対が発生するため、光信号が電気信号に変換される。この電気信号は信号増幅回路５３などによって信号増幅され、下位制御部３７または上位制御部３６を経由して画像情報としてコンピュータ３５の画面に表示されたり、メモリやハードディスク等の記憶部に記憶されたりする。半導体検出器の場合は、シリコン等で構成されており、厚みを非常に薄く製作することが可能である。このため、半導体検出器を使えば荷電粒子光学鏡筒と試料間の非常にせまい位置に配置することが可能となる。例えば、一般的な荷電粒子線装置は荷電粒子光学鏡筒と試料との距離が狭いほうが画像の分解能があがるため、荷電粒子光学鏡筒と試料との距離を狭くしたい場合などは薄い半導体検出器３を用いて光検出することが望ましい。
【0082】
次に、光検出器８００について説明する。光検出器８００は光信号を電気信号に変換および増幅することが可能な光電子増倍管（フォトマルチプライヤー）などである。検出素子５００にて生じた光は当該発光の波長領域を通過させることが可能な光伝達路８０１を経由して筺体７外部にある光増倍管などの光検出器８００に到達する。発光の波長領域を通過させることが可能な光伝達路８０１の材料とは、例えば、石英、ガラス、光ファイバー、プラスチック等、光に対して透明または半透明な材料である。光が光電子増倍管などの光検出器８００に到達しやすくなるように、光伝達路８０１周辺に光反射材等を配置してもよい。光増倍管に到達した光は増幅され、電気信号に変換される。この電気信号は信号増幅回路８０２などによって信号増幅され、下位制御部３７または上位制御部３６を経由して画像情報としてコンピュータ３５の画面に表示されたり、メモリやハードディスク等の記憶部に記憶されたりする。
【0083】
図２２に光伝達路８０１の別の構成を示す。図２２（ａ）では光を伝達させるための光伝達路８０１は、光を効率的に集められるように、荷電粒子光学鏡筒と試料との間に配置されている。より具体的には荷電粒子光学鏡筒の直下、例えば対物レンズ下部に設けられている。図示された光伝達路８０１は一次荷電粒子線が通過可能なように中心に穴８０３を備えてあるアニュラー型の光伝達路である。光伝達路８０１には光が一旦光伝達路８０１に入ったら外に漏れ出ることが無いように、光電子増倍管などの光検出器８００側に光を伝達するための光反射材８０４（図中一点鎖線）が具備されている。本構成の場合、検出素子５００から放出された光を広い角度で集められるので、より効率的に光を検出することが可能となる。図２２（ｂ）では光を伝達させるための光伝達路８０１を検出素子の真横に備えている。光伝達路８０１は光ファイバーなどのように柔軟性がある部材にしてもよい。この例では試料に光伝達路８０１を近接させることが可能であるため光を集めるのが非常に効率的となる。また、前述したように一般的な荷電粒子線装置では荷電粒子光学鏡筒と試料との距離が狭いほうが画像の分解能があがるため、荷電粒子光学鏡筒と試料との距離をより狭くしたい場合などは図２２（ｂ）の構成が望ましくなる。
【0084】
光伝達路８０１は前述の位置以外に配置されていてもよく、例えば、試料ステージ５の下側もしくは横側、または荷電粒子光学鏡筒の内部などに配置されていてもよい。光伝達路８０１を用いれば光電子増幅器などの光検出器８００は筺体７内部にあっても外部にあってもよく、検出器配置の自由度が増す。また、光電子増倍管などの光検出器８００を比較的試料近傍に配置可能であれば、光伝達路８０１は不要としてもよい。光増幅器及び光伝達路の位置や変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例の荷電粒子線顕微鏡の範疇に属する。
【0085】
もし、試料６を、発光部材である検出素子５００上ではなく、従来の発光しない試料台に搭載するならば、試料６から反射されてきた反射荷電粒子線は検出器３で取得することが可能となる。つまり、同一の装置で、試料搭載する台を発光部材にすれば試料透過像が取得可能となるし、試料搭載する台を非発光部材にすれば一般的な荷電粒子線装置になる。したがって、本実施例の試料台を用いれば、大幅な装置改変作業や透過荷電粒子観察専用装置の使用をしなくても、従来の走査電子顕微鏡などの装置で簡便に透過荷電粒子画像を取得することができる。
【0086】
なお、図２１の装置構成で本実施例の試料台を用いた場合、検出器３では前述の通り試料から反射されてきた荷電粒子線と試料台の発光部材からの光が同時に検出されることになる。そのため、検出素子３で反射荷電粒子のみを検出したい場合には、検出素子３で試料台の発光部材からの光を検出させないようにするために検出素子３の表面に光を反射または吸収させるための光吸収体を設けてもよい。または、検出素子３が半導体検出素子の場合には、空乏層位置を制御するなどして、光に対して検出感度を落とすような工夫をしてもよい。
【0087】
また、図２１では筺体７内部の空間が非常に大きい装置構成に関して説明したが、図２３のように筺体７側面の小さい領域から試料及び試料台を導入するサイドエントリー方式の装置構成で実施してもよい。なお、各光学レンズを制御するための制御系や、検出信号を検出するための検出系や、筺体７や荷電粒子光学鏡筒２内部を排気するための真空ポンプ等は自明のため省略する。試料６下の検出素子５００からの発光は筺体7内部等に配置された光検出器にて検出することが可能となる。検出素子５００からの発光を検出するための光検出器は筺体７の内部や外部または試料台７や試料ステージ５、または図中光学鏡筒２のどこかに配置されていればよく、光増幅器及び光伝達路の位置や変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例の荷電粒子線顕微鏡の範疇に属する。
【0088】
また、図１７、図２１または図２３のような装置構成で、試料ステージ５に試料を傾斜させることが可能な機構を具備させることによって、試料を傾斜させて様々な角度から試料内部の観察をしてもよい。試料傾斜を連続的またはある角度ごとに断続的に動かして画像を連続撮影または連続観察して、これらの画像をコンピュータ等の制御部で演算することで得られた内部構造の情報をトモグラフィとして保存または表示してもよい。内部構造の情報をハードディスク等の記憶部に保存してもよい。本機能があれば試料内部の微細構造を様々な角度から観察することによって、試料内部の３次元構造を把握することが可能となる。または、荷電粒子線光学鏡筒からの荷電粒子線が試料に照射される角度を変更することが可能な光学レンズを荷電粒子線光学鏡筒２に備えることでトモグラフィ観察を実現してもよい。この場合、試料ステージ５に試料傾斜機能を設ける必要がないので装置構成が簡便となる。また、上記保存または表示している画像を用いて立体観察するステレオ観察をしてもよい。ステレオ観察時には、角度を変えて撮像した２枚の画像を用いてもよいし、色を変えた画像を重ね合わせた画像を用いてもよいし、３次元観察が可能なモニタなどの表示部に３次元表示させてもよい。
【実施例3】
【0089】
＜基本装置構成の説明＞ 実施例１では、個別に配置された光学顕微鏡と荷電粒子線顕微鏡に同じ試料台６００を用いることに関して説明した。以下では、光学顕微鏡と荷電粒子線顕微鏡が一体化された複合顕微鏡装置構成に関して説明する。また、光検出素子５０３は試料台直下にあるが、前述の通り、光が検出できる場所であればどこにあってもかまわない。
【0090】
はじめに、図２４を用いて、本構成における概要に関して説明する。各要素の動作、機能または各要素に付加される付加要素は、実施例１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【0091】
本構成では、荷電粒子線顕微鏡装置の筺体７内部に光学顕微鏡２５０が配置されている。光学顕微鏡２５０は前述の試料台の透明部材を通過した、特定のまたは全ての波長領域の可視光もしくは紫外光もしくは赤外光によって光学顕微鏡画像を結像する。光学顕微鏡２５０は試料ステージ５を支持する支持板１０７上に配置されており、試料台６００の下側から観察する構成を示している。荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡による観察位置を合わせるために、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と光学顕微鏡２５０の光軸２５１をそれぞれ合わせる必要がある。そのため、光学顕微鏡２５０の位置を変更することが可能な光軸調整機構２６０を備える。ここでは、光軸調整機構２６０が蓋部材１２２に具備される様子を図示する。蓋部材１２２には光軸調整機構２６０の操作部が備えられている。光軸調整機構２６０を回すなどして、光学顕微鏡２５０をガイドやレール等のベース２６３の上または横を滑らせて位置を変更する。図中光軸調整機構２６０は一つしか図示されていないが、図中紙面垂直方向にも動かす必要があるので、複数の光軸調整機構２６０があってもよい。
【0092】
また、別の形態として、図示しないが、光軸調整機構２６０は第２の筐体内部だけにあってもよい。この場合、蓋部材１２２を引き出した状態で、光学顕微鏡２５０の位置を変更することになる。この構成により、各光軸をあわせることができるので、荷電粒子光学鏡筒２より試料６の観察ができるとともに、その同一部位を光学顕微鏡２５０にて光学顕微鏡画像により観察することが可能となる。また、図で示している通り、試料ステージ５と光学顕微鏡２５０は独立して配置されているので、試料ステージ５を動かしても、光学顕微鏡２５０の位置は変更されない。
【0093】
本構成では光学顕微鏡の光学レンズを経由した顕微鏡情報は筐体７内部に配置されたＣＣＤカメラ２５４に伝達される。ＣＣＤカメラ２５４は、光学情報を電気情報などのディジタル信号に変換する信号形成部としての役割を担う。ＣＣＤカメラ２５４によって電気情報に変換された画像情報は通信線２０９や通信線４５を使って制御部などに伝達させ、モニタ上に表示させる。もちろん、ＣＣＤカメラ以外の撮像装置であってもよい。通信線２０９や通信線４５との間に筺体７と装置外部との雰囲気分離をしながら信号伝達が可能な配線接続部２０８が配置される。画像撮像部は図１９のように接眼レンズ２５４を用いた直接観察としてもよい。
【0094】
なお、光学顕微鏡の光源は図１９で示したように光学顕微鏡２５０に具備されていてもよいし、荷電粒子光学鏡筒２側に配置されていてもよい。
【0095】
本構成での荷電粒子線顕微鏡では検出器３による反射荷電粒子顕微鏡画像を取得できるだけでなく、検出素子５００による透過荷電粒子線顕微鏡画像も取得することが可能である。本実施例における試料台６００が試料ステージ上に具備される点は図１７と同様である。
【0096】
図２５（ａ）に試料台６００周辺部の第一の構成を図示する。本構成の場合は、光検出器５０３は中心に開口部６０７が空いた光検出器５０３が配置されている。これにより、光学顕微鏡の対物レンズ２５２を試料台６００に接近した位置に配置することが可能である。開口部を通して試料台６００上の試料６の少なくとも一部を観察することで、図中下側より光学顕微鏡観察ができる。さらに、試料６を透過した荷電粒子線が検出素子５００に照射されて発生した光を、開口部６０７周辺の光検出器５０３にて、電気信号に変換または増幅することが可能となる。
【0097】
図２５（ｂ）に第二の構成を図示する。この場合、試料台６００横側に光検出器５０３が備わっており、試料台６００内部を伝達した光を光検出器５０３横側から検出する。この場合は、図２５（ａ）のように光学顕微鏡と試料台６００との間に光検出器がないので、広い視野の光学顕微鏡画像を取得することが簡単になる。なお、図示しないが、試料横側から効率よく光を集めるために、試料台６００内部で光が反射するような処理をしていてもよい。例えば、試料台６００の上面、下面、側面などに反射材の取付けまたは表面粗さをつけるなどの光反射加工などをしておくなどの処理などである。例えば、図２５（ｂ）中の一点鎖線で示したような部位に光反射加工処理６０８を行う。但し、光学顕微鏡により観察される部位などの光反射加工処理されていない観察部位６０９も必要となる。
【0098】
このような構成にすることによって、荷電粒子線装置による荷電粒子透過信号と光学顕微鏡による光透過信号を同一装置内部で取得することが可能となる。さらに、試料６の同一部位の荷電粒子線顕微鏡像と光学顕微鏡像を取得することが可能となる。本構成にすることによって、図１で示したように光学顕微鏡２５０と荷電粒子顕微鏡装置６０１の中に試料台６００を交互に入れる手間が省け、一回で光学顕微鏡２５０と荷電粒子顕微鏡装置６０１での観察が可能となる。
【0099】
さらに、本実施例の荷電粒子線装置には検出器３も具備されているので、試料から発生または反射してきた二次的荷電粒子を検出器３で取得し、検出素子５００による発光で試料を透過または散乱されてきた透過荷電粒子を取得し、光学顕微鏡により光学顕微鏡画像を取得することができる。これらの画像を同時に取得することができるので、下位制御部３７等を用いて、二次的荷電粒子画像と透過荷電粒子画像と光学顕微鏡画像のモニタ３５への表示を切り替えることが可能である。また、前記三種類の画像を同時に表示させことも可能である。また、図示しないが、光伝達路８０１や光電子増幅器などの光検出器８００などを筺体７に配置してもよい。
【0100】
図２４の場合は、試料ステージ５を動かさずに試料６を光学顕微鏡及び荷電粒子顕微鏡にて観察することが可能であるが、試料ステージ近傍が非常に複雑な構造となる。そこで、図２６のように光学顕微鏡２５０と荷電粒子光学鏡筒２が並んでいる構成にしてもよい。筺体７に荷電粒子光学鏡筒２と光学顕微鏡２５０を備える。試料ステージ５や真空ポンプ、検出器、または画像を表示させるための表示部、光学レンズ等を制御するための制御系などは自明なので省略して図示している。光学顕微鏡画像を取得するための光源２５６は、試料台６００の上側にあっても下側にあってもよい。但し、試料台下側に光源２５６がある場合は、試料台６００は光源２５６から発生する光に対して透明である必要がある。もし、光源２５６が上側にあれば、試料台６００は透明でなくてもかまわない。本構成の場合は、同一の装置で検出素子５００からの発光を検出することで、試料６の透過荷電粒子画像を取得することが可能となるし、光学顕微鏡２５０にて試料６の光の情報を取得することが可能となる。荷電粒子光学鏡筒２と光学顕微鏡２５０との位置関係は常に一定なので、試料ステージ５の制御部または上位制御部にこの位置関係を覚えさせれば、簡単に透過荷電粒子画像と光学顕微鏡画像の切替が可能となる。
【実施例4】
【0101】
大気圧下で観察可能な大気圧荷電粒子線顕微鏡装置と光学顕微鏡装置を複合化させて本実施例における試料台を用いることも可能である。本構成を図２７に示す。これらの装置は基本的に図１８と図２４を組み合わせた装置構成であるので、前述の実施例１から３と重複する説明は省略する。
【0102】
本構成の特徴は大気圧下で観察可能な荷電粒子光学顕微鏡装置と光学顕微鏡２５０間に上述した試料台が大気圧下に配置されることである。液体を多く含むような試料の同じ部位に対する透過荷電粒子顕微鏡画像と光学顕微鏡画像とを取得したい時は本実施例の装置構成が望ましい。
【0103】
本実施例での装置は、試料空間を高真空にする必要がないため非常に高スループットで試料搬入出が可能となる。また、前述のように、第２の筺体７内部は所望のガス種や圧力にすることが可能であるので、所望のガス下での透過荷電粒子顕微鏡と光学顕微鏡による観察が可能となる。
【実施例5】
【0104】
本実施例では、前述の実施例と異なり、第２の筐体１２１がない場合の例について説明する。隔膜１０周辺部、試料ステージ５および光学顕微鏡２５０周辺の構成は前述の実施例１から４とほぼ同様なので、以下では相違点を主に説明する。
【0105】
図２８に、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成を示す。本構成では、荷電粒子光学鏡筒２が筐体２７１にはめ込まれおり、真空封止部材１２３にて真空シールされる。筐体２７１は柱２６９によって支えられている。柱２６９は土台２７０によって支えられている。図中柱２６９は一つだけ図示しているが筐体を支えるために実際は複数本あるのが好ましい。この構成によって、試料６の雰囲気状態が装置外部と同等になるので、試料状態を完全な大気下状態に曝すことが可能となる。
【0106】
ガスボンベ１０３からのガス供給は試料６近傍方向を向いたガスノズル２７２によってなされる。ガスノズル２７２は例えば支え２７３によって筐体２７１に接続されている。ガスボンベ１０３とガスノズル２７２とは連結部１０２によって接続される。上記構成は一例であるが、本構成により試料６近傍に所望のガスを噴射することが可能となる。ガス種としては、電子線散乱を低減できるように、大気よりも軽いガスである窒素や水蒸やヘリウムガスや水素ガスなどである。ガスはユーザが自由に交換可能である。また、隔膜１０と試料６との間を真空引きするためにガスボンベ１０３を真空ポンプに替えてもよい。
【0107】
光学顕微鏡２５０は筐体２７１の直下、すなわち荷電粒子光学鏡筒の光軸と同軸に配置される。これにより試料ステージ５上に配置された試料台６００上の試料６に、隔膜１０を通過した荷電粒子線を照射して荷電粒子線顕微鏡像を取得するとともに、光学顕微鏡２５０による光学顕微鏡像を取得することが可能となる。光軸調整機構２６０、光学顕微鏡の内部レンズを光学顕微鏡２５０の光軸２５１方向に駆動するための光学レンズ駆動機構２５３等の構成は前述までの実施例に示した通りである。
【0108】
本実施例での構成により、隔膜１０及び試料６及び光学顕微鏡２５０が非接触の状態で、荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡による同じ部位の観察が可能となる。
【0109】
本構成の場合、試料配置空間に制限がないので、試料台６００の大きさが非常に大きい場合に有用である。
【実施例6】
【0110】
次に、大気圧下で観察可能な大気圧荷電粒子線顕微鏡装置と光学顕微鏡装置を複合化させた例を示す。本実施例では、前述の実施例の荷電粒子光学鏡筒２が隔膜１０に対して下側にある構成に関して説明する。
【0111】
図２９に、本実施例の荷電粒子顕微鏡の構成図を示す。真空ポンプや制御系などは省略して図示する。また、真空室である筺体７や荷電粒子光学鏡筒２は装置設置面に対して柱や支え等によって支持されているものとする。各要素の動作、機能または各要素に付加される付加要素は、前述の実施例とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【0112】
試料台６００に搭載された試料６と隔膜１０を非接触にするために試料ステージ５が隔膜保持部材または筐体上に具備される。つまり、図中試料６の下側部分に荷電粒子線が照射されることになる。試料ステージ５を操作するための操作部２０４を使うことによって、試料の図中下側面を隔膜１０部に接近または接触させることが可能である。
【0113】
また、光学顕微鏡６０２は荷電粒子光学鏡筒２及び試料台６００の上側に配置され、荷電粒子光学鏡筒の光軸と同軸に配置される。これにより試料ステージ５に配置された試料６に、隔膜１０を通過した荷電粒子線を照射して荷電粒子線顕微鏡像を取得するとともに、光学顕微鏡６０２による光学顕微鏡像を図中上から取得することが可能となる。
【実施例7】
【0114】
図３０に実施例５における装置から光学顕微鏡を取り外した構成に関して図示する。本構成の場合は、光学顕微鏡が無いために光検出器５０３の中心の開口部６０７は必ずしも必要はない。別途配置された光学顕微鏡にて観察したい場合は、試料台５０１を試料ステージ５上から取り外して、光学顕微鏡に配置すればよい。本構成の場合、光を装置外部空間で検出することになるので、室内灯などの外部からの光が光検出器５０３で検出されることもある。そのため、図示しないカバー等で装置外部からの光を遮断してもよい。また、本図では光検出器５０３は図中試料台５０１下にあるが、真空空間１１内に光検出器５０３があってもよい。本構成の場合、光学顕微鏡がないため装置コストとしてはより安価となる。
【実施例8】
【0115】
図３１に実施例６における装置から光学顕微鏡を取り外した構成に関して図示する。本構成では、光学顕微鏡が無いために光検出器５０３の中心の開口部６０７は必ずしも必要はない。図３１（ａ）では図中試料６と検出素子５００が密着している図を示している。本構成の場合は、駆動機構２０４にて試料ステージ５を動かすことにより、試料６と隔膜１０との相対位置を動かすことが可能となる。また、試料６と隔膜１０は接触させてもよいし非接触としてもよい。試料６を隔膜１０に接触させる場合には試料６の上に発光部材５００を被せるだけでもよい。図３１（ｂ）では試料６は隔膜１０に配置して、検出素子５００及び光検出器５０３等は支えに具備されている状態を示す。図示しないが、検出素子５００及び光検出器５０３は図中上下方向や左右方向に動かすことが可能な駆動機構を具備してもよい。隔膜保持部材１５５及び隔膜１０及び隔膜１０上に搭載された試料６と接続された駆動機構２０４によって、試料６と光軸２００との相対位置を変更することが可能である。試料６と発光部材５００との間は所望の距離に調整され大気ガスや外部から導入された所望のガス等の所望の部材を介して試料６と発光部材５００とが配置されている。これにより、隔膜１０に搭載された試料６から透過してきた荷電粒子線が所望の距離を通過し所望の材料のガス部材を介して発光部材５００に照射されるため、隔膜１０に搭載された試料６の透過荷電粒子顕微鏡観察が実行可能となる。また、図示しないが試料６と発光部材５００とが密着していてもかまわない。なお、本構成の場合、光を装置外部空間で検出することになるので、室内光等の光が光検出器５０３で検出されることもある。そのため、図示しないカバー等で装置外部からの光を遮断してもよい。また、本図では光検出器５０３は図中試料台５０１上にあるが、真空空間１１内に光検出器５０３があってもよい。本構成の場合実施例６と比較し光学顕微鏡がないため装置コストとしてはより安価となる。
【0116】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【0117】
各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。
【0118】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。【符号の説明】
【0119】
１：光学レンズ、２：荷電粒子光学鏡筒、３：検出器、４：真空ポンプ、５：試料ステージ、６：試料、７：筐体、８：荷電粒子源、１０：隔膜、１１：第１の空間、１２：第２の空間、１４：リークバルブ、１５：開放面、１６：真空配管、１７：ステージ支持台、１８：支柱、１９：蓋部材用支持部材、２０：底板、３５：コンピュータ、３６：上位制御部、３７：下位制御部、４３，４４，４５：通信線、５３：信号増幅回路、１００：ガス供給管、１０１：ガス制御用バルブ、１０２：連結部、１０３：ガスボンベまたは真空ポンプ、１０４：圧力調整弁、１０７：支持板、１０８：操作つまみ、１０９：操作つまみ、１２１：第２筐体、１２２：蓋部材、１２３，１２４，１２５，１２６，１２８，１２９：真空封止部材、１５４：信号増幅器、１５５：保持部材、１５６,１５７,１５８：信号線、１５９：隔膜保持土台、
２００：荷電粒子線の光軸、２０４：駆動機構、２０７：接眼レンズ、２０８:電気接続部、２０９：配線、２５０：光学顕微鏡、２５１：光学顕微鏡の光軸、２５２：対物レンズ、２５３：光学レンズ駆動機構、２５４：ＣＣＤカメラ、２５５、２５６、２５７：光源、２５８：試料ステージ、２５９：開口部、２６０：光学顕微鏡位置調整機構、２６３：ベース又はレール又はガイド、２６７：微粒子試料、２６８：つなぎ部、２６９：柱、２７０：土台、２７１：筐体、２７２：ノズル、２７３：支え、２７４：支え、
５００：検出素子、５０１：土台、５０２：薄い膜、５０３：光検出器、５０４：側壁、５０５：プリアンプ基板、５０６：突起、５０７：配線、５０８：密度が高い部分、５０９：密度が低い部分、５１０：一次荷電粒子線、５１１：一次荷電粒子線、
６００：試料台、６０１：荷電粒子線顕微鏡、６０２：光学顕微鏡、６０３：光源、６０４：荷電粒子線検出器、６０６：光学顕微鏡の光軸、６０７：開口部、６０８：光反射部、６０９：観察部位、７００：容器、７０１：培地、
８００：光検出器、８０１：光伝達路、８０２：信号増幅回路、８０３：穴、８０４：光反射材、８０５：土台、８０６：培養液、８０７：培養細胞、８０８：培養容器、８０９：光反射材、８１０：光反射材、８１１：光伝達経路、８１２：試料接着層、８１３：発光領域、８１４：発光、８１５：光反射部、８１６：反射光、８１７：支え