JP2007188821A - ハンディ電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、大判の試料を非切断で画像を生成するハンディ電子顕微鏡に関し、シュラウドを大判の試料に接触させて真空排気した状態でシュラウドを任意の位置に容易に移動して画像を生成すことを目的とする。
【構成】 真空排気する真空排気管を接続する接続口を設けて内部を真空排気経路とした、円筒状の一方を密閉し他方を開放したシュラウドと、シュラウドの内部に内蔵あるいは真空排気する部分を内蔵した超小型の小指タイプの走査型電子顕微鏡の鏡筒と、シュラウドの開放した部分に大判試料と接して真空シールする真空シール機構と、シュラウドの開放した部分に大判試料と接したときに真空シール機構で真空シールしたときにシュラウドが大判試料に対して容易に移動可能にする移動機構と、検出器とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、大判の試料を非切断で画像を生成するハンディ電子顕微鏡に関するものである。

従来、被観察物（試料）を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察する場合、試料は試料
ステージに載せることが可能な寸法に切断し、更に、必要に応じて研磨し、これを真空容器（試料室）内の当該試料ステージに載せ、ステージを移動させて所望の部分の画像を生成して観察している。しかし、試料ステージに載せることができない大きい試料は切断なしには観察することができなかった。例えば自動車のブレーキライニングの磨耗面を磨耗試験を行いながら、その過程を定期的に順次観察する場合、特殊な大型の試料室をＳＥＭに設けて、磨耗試験の途上で観察する例はあるが、一般的にはこのような試料にＳＥＭを被せてその表面を観るＳＥＭはなかった。そのため、壊せない試料（切り出せない試料）は不可避的にＳＥＭ観察を出来ない試料となってしまっていた。

また、ＳＥＭ鏡筒と検出器を半円球状の容器上にセットし、当該ＳＥＭ鏡筒を半円球上で角度を変えて大判試料上の電子線照射角度および検出角度を可変して観察する技術がある（特許文献１）
特開２００４−３３１２０７号公報

従来の前者では、試料ステージに載せることができないような大きな試料は非破壊で観察できないという問題があった。

また、従来の後者では、大判試料上に半円球状の容器にＳＥＭ鏡筒と検出器を取り付けて当該大判試料に対する電子線照射角度および検出角度を可変することができるが、大判試料上の異なる場所に移動した異なる場所の画像を容易に取得できないという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するため、人が手で掴むことができる程度の小さなシュラウド内に超小型の小指タイプの鏡筒を内蔵すると共にシュラウドの開口部に大判の試料に接触させたときに真空シールする真空シール部と当該シュラウドを容易に移動を可能にする移動機構を設け、シュラウドを大判の試料に接触させて真空排気した状態でシュラウドを任意の位置に容易に移動（試料移動）して画像を生成するようにしている。

本発明は、人が手で掴むことができる程度の小さなシュラウド内に超小型の小指タイプの鏡筒を内蔵すると共にシュラウドの開口部に大判の試料に接触させたときに真空シールする真空シール部と当該シュラウドを容易に移動を可能にする移動機構を設けたことで、シュラウドを大判の試料に接触させて真空排気した状態でシュラウドを任意の位置に容易に移動（試料移動）して任意場所の画像を生成することが可能となった。

本発明は、人が手で掴むことができる程度の小さなシュラウド内に超小型の小指タイプの鏡筒を内蔵すると共にシュラウドの開口部に大判の試料に接触させたときに真空シールする真空シール部と当該シュラウドを容易に移動を可能にする移動機構を設け、シュラウドを大判の試料に接触させて真空排気した状態でシュラウドを任意の位置に容易に移動（試料移動）して画像を生成することを実現した。

図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１の（ａ）は大判の平坦な試料４に、および図１の（ｂ）は大判の円筒（あるいは球）状の試料４に、本発明の装置を装着したときの構造例を示す。

図１の（ａ）および（ｂ）において、シュラウド１は、円筒状（あるいは円錐状の上部を切った状態）の一方を密閉し、他方を開放した真空容器であって、内部を真空排気管として使用するものであり、図示のように鏡筒２の全体を収納したり、あるいは図示しないが鏡筒２のうちの真空を排気する必要のある部分を当該シュラウド１の内部に配置したものである。これにより、鏡筒２の真空排気するための特別の排気管が不要となり、小型かつ携帯時に邪魔な排気管が外部に突出することがない。

鏡筒２は、シュラウド１の内部に全体を収納あるいは真空排気する部分を収納して排気管を無くした鏡筒であって、電子線ビームを発生し、集束、結像して細く絞った電子線ビーム３を大判の試料４の表面に照射しつつ、偏向系で平面走査するものである（図３参照）。

電子線ビーム３は、鏡筒２で発生されて細く絞った状態で、大判の試料４の表面に照射しつつ平面走査するものである。電子線ビーム３が大判の試料４の表面に照射しつ平面走査されると、当該試料４から放出された２次電子あるいは反射された射電子、更に、光などが検出器５で検出されて増幅され、画像を表示装置１０の上に表示する。

試料４は、大判の試料であって、平坦な試料あるいは大きな円筒状、球状の試料である。大判の試料４の上に、本発明の図示の装置を人が手で摘んで画像を表示しようとする場所に置き、真空排気口８に接続した真空ホースでシュラウド１の内部を真空排気すると、後述する真空シール６で真空シールすると共に当該シュラウド１を大判の試料４に向けて圧力がかかって固定される。

検出器５は、電子線ビーム３を試料４に照射しつつ平面走査したときに放出された２次電子、反射された反射電子、放出された光などを検出するものである。検出された信号を増幅し、表示装置１０に試料４の微小部分の拡大画像などを表示する。検出器５は、電子線ビーム３を試料４に照射する点を中心に、複数に分割（例えば４分割）してそれぞれ設け、これら設けた各検出器５で試料４から放出、反射された信号をそれぞれ検出し、必要に応じて全部の信号を加算、あるいは左右または前後の信号を加算あるいは減算して公知の各種画像を表示する。

真空シール６は、シュラウド１を大判の試料４の上に置いて真空排気口８に接続した真空ホースから当該シュラウド１の内部を真空排気したときに、当該シュラウド１と試料４との間を真空シールしてシュラウド１の内部を真空に保持するためのものであって、Ｏリングなどの真空シール材を用いたものである。Ｏリングは、試料４の凹凸があるときは十分な真空シールができるようにシリコングリスを塗布したり、更に、他の公知の真空シール材を塗布したりする。

排気細管６１は、真空シール６の部分を２箇所設けて２段階の真空シールとし、その中間を当該排気細管６１でシュラウド１に接続して排気し、外部からの空気がシュラウド１の内部に漏れる割合を低減するためのものである。特に、自在キャスタ７でシュラウド１と大判の試料４との間を容易に移動可能な機構にしているので、シュラウド１が大判の試料４に対して移動したときに外部の空気がシュラウド１の内部に急激に漏れて当該シュラウド１の内部の真空が低下し、鏡筒２で電子線ビーム３と発生させるのに悪影響しないようにするためのものである。

自在キャスタ７は、シュラウド１を大判の試料４の上に置いて真空排気口８に図示外の真空ホースを接続し、当該シュラウド１の内部を真空排気してシュラウド１と大判の試料４とが大気圧で押し付けられても容易に当該シュラウドを人が手であるいは図示外の簡易型の移動機構で移動し易いようにいわばコロとして作用するものであって、図示しないが円周方向の少なくとも３箇所に設けたもの（例えば球状の自在キャスタ）である。通常、シュラウド１が真空シール６の部分で真空にすると、当該真空シール６の内部の面積１ｃｍ^２当り約１ｋｇの力で押し付けられるので、この力でシュラウド１が大判の試料４に押し付けられても、人が手であるいは図示外の簡易な移動機構（例えばテコ）で当該試料４の上を容易に移動可能な機構（これが本発明の試料移動機構に相当）である。

真空排気口８は、シュラウド１の内部を真空排気する図示外の真空ホース（肉厚の真空ホースあるいは金属性の蛇腹の真空ホース）を接続し、図示外の真空排気系で当該シュラウド１の内部を真空に排気するためのものである（例えば１０^−４〜１０^−６Ｔｏｒｒ程度に排気するためのものである）。

コネクタ接続口９は、シュラウド１の内部に設けた鏡筒２、検出器５などへの電源供給、検出した信号を取り出すなどのための線を真空内から真空外に取り出すためのものである。

表示装置１０は、検出器５で検出した信号から生成した画像（２次電子画像、反射電子画像、光画像など）を表示したり、更に、各種操作するためのパネル（タッチして各種指令や操作を入力するためのパネル）を表示したりなどするものである。表示装置１０は、シュラウド１の図示の密閉された部分に装着し、図示の左側の支点を中心に回転して任意の角度に立てたりなどし、電子線ビーム３が大判の試料４を照射しつつ平面走査した部分の画像を見易くできるようにしている。

次に、図１の構造のもとで、大判の試料４の任意の場所の画像を表示装置１０に表示するときの手順を詳細に説明する。

（１） 図１の（ａ）の平坦な大判の試料４、あるいは図１の（ｂ）の円筒状あるいは球状の大判の試料４の上の観察したい場所の近傍に、シュラウド１の開口部を向けて置く（あるいは船舶の天井や壁、あるいは大きなパイプ内の上部や側面などの重力に逆らうときは手で軽く押し付ける）。

（２） シュラウド１に設けた真空排気口８に接続した真空ホースから、真空排気する指示を行う（表示装置１０の上の操作パネル上の真空排気ボタンを押下あるいは図示外のパネルで真空排気の指示を行う、以下同じようにして指示を行う）。

（３） （２）で真空排気指示したことで真空排気口８から真空排気され、当該シュラウド１の内部が真空となる（例えば１０^−４〜１０^−６Ｔｏｒｒ程度）。

（４） 鏡筒２から電子線ビーム３を放出させ、大判の試料４の上を照射しつつ平面走査し、そのときに放出された例えば２次電子を検出器５で検出し、その検出した信号をコネクタ接続口９から外部に取り出し、増幅し表示装置１０の上に２次電子画像を表示する。そして、必要に応じて鏡筒２の対物レンズ２４の電流（あるいは電圧）を調整し、表示装置１０の上の２次電子画像が鮮明になるように調整する。また、明るさ、コントラスト、倍率などを最適に調整する（公知のように、例えば検出器５に印加する電圧、更に、増幅器などのゲインなどを調整して明るさ、コントラストを最適に調整、更に、偏向器２３で電子線ビーム３を走査する大きさを調整して倍率を適切に調整する）。

（５） （４）で最適な画像が得られたときに撮影などする。
（６） また、綺麗な画像が表示装置１０に表示された状態（あるいは表示されていなくてもよいが）、他の場所の画像を表示する場合には、手でシュラウド１を押して移動させ、結果として試料４の異なる場所に移動した画像を表示装置１０に表示することを繰り返し、試料４の上の必要な領域の画像を順次表示して観察（例えば欠陥観察）して撮影などする。尚、手でシュラウド１を押して移動させることが困難な場合には、図示外のテコでシュラウドを任意方向に押して（例えば吸盤でテコを試料４に固定した状態で当該テコでシュラウド１を所望の方向に押して）、任意の場所の画像を表示装置１０に表示する。

（７） 画像の表示が終了した場合には、鏡筒２から電子線ビーム３の発生を停止させ、真空排気を停止し、更に、各種機構の動作を停止させた後、図示外のリークバルブからシュラウド１の内部に空気を入れ、当該シュラウド１を手で保持し、試料４から離して保管箱に入れて一連の作業を終了する。以下詳細に説明する。

図２は、本発明の傾斜機構例を示す。
図２の（ａ）は蛇腹をシュラウド１の開放した部分に近い部分に設けた例を示し、図２の（ｂ）は蛇腹をシュラウド１の閉鎖した部分に近い部分に設けた例を示す。

図２の（ａ）および（ｂ）において、傾斜機構１１は、当該傾斜機構１１を除いて他の部分は図１の構造と同じであって、当該傾斜機構１１でシュラウド１を図示の状態で右方向に傾かせ、電子線ビーム３が大判の試料４を照射しつつ平面走査する方向を傾かせた（ここで、右方向に傾かせた）状態を示す。傾斜機構１１は、シュラウド１の開口部あるいは閉鎖部に近い部分の全体を蛇腹にし、当該蛇腹の左側および右側にネジで当該蛇腹の部分の長さを調整できるようにし、左右方向の傾斜を行なっている。同様に図示しないが当該蛇腹の前側および奥側にネジで当該蛇腹の部分の長さを調整できるようにし、前後方向の傾斜を行なっている。

ここで、上述した傾斜が、電子線ビーム３が試料４に照射する点を中心に行われる場合（例えば図２の（ａ）の場合）には、画像上で同じ視野の当該電子線ビーム３の入射方向を変えたときの画像が表示される（例えば試料４の表面に穴があったとき、当該傾斜分だけ傾斜した方向から穴の内部を見た画像が表示される）。しかし、上述した傾斜が、電子線ビーム３が試料４に照射する点を中心に行われず、ずれた場合（例えば図２の（ｂ）の場合）には、試料４の上で電子線ビーム３の傾斜が傾くと共に水平方向に移動した状態の画像が表示装置１０に表示される。いずれにしても、傾斜あるいは傾斜と水平移動とが行われることとなる。

以上のように、シュラウド１に蛇腹を設けて当該蛇腹の左右あるいは前後を任意の距離に調整することにより、シュラウド１を任意の方向に傾かせたり（あるいは任意の方向に傾かせると同時に水平方向に移動させたり）することが可能となり、そのときの画像を表示装置１０に表示することが可能となる。

図３は、本発明の鏡筒例を示す。
図３の（ａ）は静電レンズを用いた場合を示し、図３の（ｂ）、（ｃ）は電磁レンズを用いた例を示す。

図３の（ａ）において、鏡筒２は、電子銃２１、集束レンズ２２、偏向系２３、対物レンズ２４などから構成されるものである。

電子銃２１は、フィラメント、陰極、陽極から構成される公知のものであって、フィラメントに電流を流して加熱すると熱電子が放出され、陰極に負電圧を印加（例えばセルフバイアス）して中心のものを正電圧を印加した陽極で引き出し、電子線ビーム３を放出するものである。尚、公知のフィールドエミッション型の電子銃２１を使ってもよい。

集束レンズ２２は、３つの円板の中心に穴をそれぞれ開けて所定電圧を印加した静電型のレンズであって、電子銃２１から放出された電子線ビーム３を収束する公知のものである。

偏向器２３は、集束レンズ２２で集束された電子線ビーム３を偏向し、試料４の上で当該電子線ビーム３を照射しつつ平面走査（Ｘ方向およびＹ方向）に走査する公知の静電型のもの（平行平板の２組）である。

対物レンズ２４は、集束レンズ２２で収束された電子線ビーム３を細く絞って試料４の表面に照射する公知の静電型のものである。

図３の（ｂ）において、電子銃２１は、図３の（ａ）と同じである。
集束レンズ２２’は、図３の（ａ）の静電型の集束レンズ２２と同じ動作をする電磁型レンズであって、円筒状の磁極が向き合った公知のものである。

偏向器２３’は、図３の（ａ）の静電型の偏向器２３と同じ動作をする電磁型の偏向器であって、例えば上および下の２段の磁性体のトロイダルコアにそれぞれ巻き線して左右、前後方向に２段偏向し、試料４に入射する電子線ビーム２を平面走査する公知のものである。

対物レンズ２４’は、図３の（ａ）の静電型の対物レンズと同じ動作をする電磁型の対物レンズであって、図示の構造を持つ公知のものである。

図３の（ｃ）は、図３の（ｂ）の電磁型の対物レンズ２４’の上極、および下極の構造を変え、その極を図示のように逆にした場合のものである。

以上の構造を持つ鏡筒を、非常に小型（例えば親指、更に小指の程度の大きさ）に製造し、図１および図２のシュラウド（手で握れる程度の大きさで、ほぼ実物の大きさ）１の内部に固定するようにしている。

図４は、本発明の電子銃の軸合機構例を示す。図４は、図３の鏡筒を、図１あるいは図２のシュラウド１の内部に固定した状態で、外部（シュラウド１の外部）から実働時に、随時、調整可能にする電子銃軸合機構２５を設けた例を示す。

図４において、電子銃軸合機構２５は、図３の鏡筒２を構成する電子銃２１の軸合せを行う機構であって、図示のネジを回すことで電子銃２１の軸が図示の状態で左右方向（更に図示しないが前面のネジを回すことで電子銃２１が図示の状態で前後方向）に移動あるいは傾斜し、当該電子銃２１を鏡筒２の軸に対して動作時でも随時、調整し、電子銃２１から放出された電子線ビーム３が確実かつ明るい状態で試料４を照射しつつ平面走査することを可能にするようにしている。尚、電子銃２１を鏡筒２の軸に合わせる機構として、図示および図示外のネジをそれぞれ回した場合に、当該電子銃２１の水平軸および傾斜軸のいずれか一方、あるいは両者が混在した状態で軸合できる機構である（水平軸は電子銃２１の軸を鏡筒２の軸に対して水平方向に移動させる機構であり、傾斜軸は電子銃２１の軸を鏡筒２の軸に対して傾斜させる機構である）。

以上の電子銃軸合機構２５をシュラウド１に設けて当該シュラウド１の外部から随時調整できるようにしたことで、鏡筒２を構成する電子銃２１から放出された電子線ビーム３を確実に試料４に照射しつつ平面走査するようにし、常に明るい鮮明な画像を表示装置１０に表示するように調整することが可能となる。

尚、鏡筒２を構成する電子銃２１の真空を排気する部分をシュラウド１の内部に設け、真空を排気する必要のない部分をシュラウド１の外部に突出させた場合には、当該突出した電子銃２１の部分を直接にネジで軸合わせを行う機構にしてもよい。

本発明は、人が手で掴むことができる程度の小さなシュラウド内に超小型の小指タイプの鏡筒を内蔵すると共にシュラウドの開口部に大判の試料に接触させたときに真空シールする真空シール部と当該シュラウドを容易に移動を可能にする移動機構を設けたことで、シュラウドを大判の試料に接触させて真空排気した状態でシュラウドを任意の場所に容易に移動（試料移動）して任意場所の画像を生成するハンディ電子顕微鏡に関するものである。

本発明の１実施例構造図である。 本発明の傾斜機構例である。 本発明の鏡筒例である。 本発明の電子銃の軸合機構例例ある。

符号の説明

１：シュラウド
２：鏡筒
３：電子線ビーム
４：試料
５：検出器
６：真空シール
６１：排気細管
７：自在キャスタ
８：真空排気口
９：コネクタ接続グチ
１０：表示装置
１１、１２：傾斜機構
２１：電子銃
２２、２２’：集束レンズ
２３、２３’：偏向器
２４、２４’：対物レンズ
２５：電子銃軸合機構

Claims (7)

1. 大判の試料を非切断で画像を生成する走査型電子顕微鏡において、
   真空排気する真空排気管を接続する接続口を設けて当該内部を真空排気経路とした、円筒状の一方を密閉し他方を開放したシュラウドと、
   前記シュラウドの内部に内蔵あるいは真空排気する部分を内蔵した超小型の小指タイプの走査型電子顕微鏡の鏡筒と、
   前記シュラウドの開放した部分に大判試料と接したときに真空シールする真空シール機構と、
   前記シュラウドの開放した部分に大判試料と接して前記真空シール機構で真空シールしたときに当該シュラウドが大判試料に対して容易に移動可能にする移動機構と、
   前記走査型電子顕微鏡の鏡筒から放出された細く絞られた電子線ビームが大判試料に照射しつつ平面走査されたときに放出された信号あるいは反射された信号あるいは吸収された信号を検出する、当該鏡筒内部あるいは当該シュラウド内部あるいは当該シュラウドに設けた検出器と
   を備えたことを特徴とするハンディ走査型電子顕微鏡。
2. 前記鏡筒は、電子線ビームを発生する電子銃、発生された電子線ビームを収束する集束レンズ、および集束された電子線ビームを前記大判試料上に細く絞る対物レンズからなり、これら各レンズは電磁型レンズあるいは静電型レンズのいずれかとしたことを特徴とする請求項１記載のハンディ走査型電子顕微鏡。
3. 前記鏡筒内あるいは前記鏡筒外に、細く絞られた電子線ビームを前記大判試料上に照射した状態で平面走査する偏向系を設けたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載のハンデイ走査型電子顕微鏡。
4. 前記放出された信号あるいは反射された信号を検出する検出器として、前記シュラウドの内部に設けた２次電子検出器、反射電子検出器および光検出器のいずれか１つ以上としたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のハンデイ走査型電子顕微鏡。
5. 前記シュラウドの円筒状のうちの密閉した部分を、開放した部分に対して傾斜する傾斜機構を当該シュラウドに設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のハンデイ走査型電子顕微鏡。
6. 前記鏡筒内の電子銃の軸について、前記シュラウドの外から合わせる機械的あるいは電磁的な軸合機構を設けたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のハンデイ走査型電子顕微鏡。
7. 前記シュラウドの円筒状の密閉した部分に、前記検出器で検出した信号から生成した画像を表示する表示装置を取り付けたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のハンデイ走査型電子顕微鏡。

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