JP2007335237A - 超小型ｓｅｍ - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、試料の画像を生成する超小型ＳＥＭに関し、中学生などの生徒さんが光学顕微鏡を使用して拡大画像を観察する場合と同様の手軽さで、試料の電子線ビームによる高倍率かつ高分解能の画像を観察することを目的とする。
【構成】筒状のカップの中に配置した電子光学系と、電子光学系によって生成して細く絞った電子線ビームを、筒状のカップの一方の部分に配置した試料上に照射しつつ平面走査し、そのときに放出あるいは反射された荷電粒子あるいは光を検出する検出器と、筒状のカップ内を真空排気する排気口とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、試料の画像を生成する超小型ＳＥＭに関するものである。

従来、走査型電子顕微鏡は、試料を真空中に配置した試料移動台上に固定し、当該試料移動台をＸ方向およびＹ方向に操作して所望の場所の画像を表示装置の画面上に表示している。

この際、試料を固定する試料移動台（ステージ）は、真空試料室内に設置する必要があるため、比較的簡単な方法として、試料ステージ引出式がある。試料ステージ引出式は、真空試料室を大気にし、試料ステージを試料室から引き出す。観察用の試料を試料ブロックに設置して、該試料ブロックを試料ステージ上の試料ホルダー納め、これをネジ等で固定し、これらを付随する試料ステージを試料室に挿入し、試料室を真空排気する。そして、電子線ビームを試料上に平面走査してそのときに放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出・増幅し、画面上に拡大した画像（２次電子画像、反射電子画像）を表示する。

従来の上記引出式では、観察用の試料を、試料ブロックに設置、試料ブロックを試料ステージ上の試料ホルダに収めてネジなどで固定、これら付随する試料ステージを試料室に挿入し、真空排気するという多くの作業がオペレータに要求され、専門家でないと使用し難いという欠点があると共に、小型化し難く、中学生などの生徒さんが理科の時間に使う光学顕微鏡のように小型かつ簡易な操作で高倍率かつ高分解能の観察が出来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、観察用の試料を載せたプレパラートをカップに置くだけで試料のセッティングが完了し、真空排気して電子線ビームで平面走査して高倍率かつ高分解能の画像を画面上に表示すると共にプレパラートを簡易な機構で水平方向に移動させて任意の場所を観察し、かつカップ内に鏡筒を収めて従来の真空排気管を無くしてＳＥＭ本体の小型化を図るようにしている。

本発明は、観察用の試料を載せたプレパラートをカップに置くだけで試料のセッティングが完了し、真空排気して電子線ビームで平面走査して高倍率かつ高分解能の画像を画面上に表示すると共にプレパラートを簡易な機構で水平方向に移動させて任意の場所を観察し、かつカップ内に鏡筒を収めて従来の真空排気管を無くしてＳＥＭ本体の小型化を図ることにより、中学生などの生徒さんが光学顕微鏡を使用して拡大画像を観察する場合と同様の手軽さで、試料の電子線ビームによる高倍率かつ高分解能の画像を観察することが可能となる。

本発明は、観察用の試料を載せたプレパラートをカップ上に置くだけで試料のセッティングが完了し、真空排気して電子線ビームで平面走査して高倍率かつ高分解能の画像を画面上に表示すると共にプレパラートを簡易な機構で水平方向に移動させて任意の場所を観察し、かつカップ内に鏡筒を収めて従来の真空排気管を無くしてＳＥＭ本体の小型化を図り、中学生などの生徒さんが光学顕微鏡を使用して拡大画像を観察する場合と同様の手軽さで、試料の電子線ビームによる高倍率かつ高分解能の画像を観察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）は正面断面図を示し、図１の（ｂ）は上面図を示す。

図１の（ａ）において、電子光学系１は、細く絞った電子線ビーム２を試料５の上に平面走査するものであって、電子線ビーム２を発生する電子銃、電子銃で発生させた電子線ビームを集束する集束レンズ（省略可）、集束レンズで集束した電子線ビーム２を細く絞った試料５の上に照射する対物レンズ、対物レンズで試料５の上に細く絞って照射した電子線ビーム２を平面走査（Ｘ方向およびＹ方向）する２段偏向系（あるいは１段偏向系）などを有するものである。ここでは、電子光学系１として、親指あるいは小指位の大きさの図示の外観形状を持つものであって、当該電子光学系１を構成する電子銃、集束レンズ（省略可）、対物レンズ、２段偏向系（あるいは１段偏向系）および軸中心の電子線ビーム２が走行する部分は、当該電子光学系１とカップ１０との間の空間で真空排気している（従来の真空排気管を電子光学系１とカップ１０との間の空間に置き換えている）。

電子線ビーム２は、電子光学系１を構成する電子銃で発生され、試料５に向けて走行する電子線ビームである。

試料５は、プレパラート１３に載せられた観察対象の試料である。
プレパラート１３は、試料５を載せる板（試料台）であって、ここでは、外周部をＯリング１５に当てて真空シールするものである。ユーザは、試料５をプレパラート１３に固定し、当該プレパラート１３を図示の状態に載せるのみで、真空シールされてカップ１０の内部が真空排気され、電子線ビーム２でプレパラート１３の上の試料５を照射しつつ平面走査し、そのときに放出された２次電子あるいは反射された反射電子を検出器１８で検出し、図示外の表示装置の画面（例えばパソコンの画面）上に拡大した画像（２次電子画像、反射電子画像）を表示することが可能となる。

プレパラートホルダ１４は、プレパラート１３を載せるホルダであって、ここでは、プレパラート１３を載せたときにＯリング１５で真空シールするためのものである。

Ｏリング１５は、試料５を載せたプレパラートが置かれたときに接触して真空シールするものである。

Ｏリング１２は、プレパラートホルダ１４を台１９に真空シールするためのものである。

台１９は、カップ１０を構成するものであって、ここでは、Ｏリングでカップ１０を構成する円筒状の部分に真空シールして固定するものであり、ＸＹ移動ネジ１６を装着してプレパラートホルダ１４をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させ（移動時には、Ｏリング１２で真空シールされる）、当該プレパラートホルダ１４の上に置いたプレパラート１３に固定した試料５をＸ方向およびＹ方向にそれぞれ移動させるためのものである。

尚、ＸＹ移動ネジ１６をここでは装着したが、当該ＸＹ移動ネジ１６を無しにし、観察者が直接に指でＸ方向およびＹ方向に移動させるようにしてもよい。

カップ１０は、円筒状の本体部分と、上部に上述した台１９と、下部の底部分とから構成されるものであって、電子光学系１を内部に納めて真空排気すると共に上部の試料５を任意の場所にＸ方向およびＹ方向に移動させて当該試料５の任意場所の画像を図示外の表示装置の画面上に表示させるためのものである。ここでは、中央の円筒部分に図示外の真空排気系をホースで接続する真空排気口１１と、電子光学系１、検出器１８などに接続する接続端子を設けたコネクタ２０を配置する部分である。上部の台１９には、上述したＸＹ移動機構ネジ１６を設けてプレパラート１３に固定した試料５をＸ方向およびＹ方向に移動させる部分である。下部の底板は、図示の状態で机などの上に置くための部分（固定などするための部分）である。

検出器１８は、試料５に細く絞った電子線ビーム２を照射しつつ平面走査したときに放出された２次電子１７、反射された反射電子を検出・増幅するものである。

図１の（ｂ）において、プレパラート１３は、試料５を固定する（載せる）ものであって、ここでは、四角形の光学顕微鏡で使うプレパラートと同じような形状を持つもの（金属平板）であり、電子光学系１がある側に試料５を固定（例えばシルバーペイントで微小試料５を固定）すると共に、周辺部分でＯリング１５で真空シールするものである。尚、プレパラート１３の形状は、四角形に限らず、円板状、長方形でもよい。いずれの形状にしてもその外周部分でＯリング１５で真空シールできればよい。

４つのＸＹ移動ネジ１６は、ユーザが相対向する２つのＸＹ移動ネジ１６を回してプレパラートホルダ１４をＸ方向およびＹ方向に移動させ（移動時には、Ｏリング１２で真空シールされる）、当該プレパラートホルダ１４に搭載したプレパラート１３上の試料５を任意の場所に移動させるためのものである。

カップ１０は、４つのＸＹ移動ネジ１６を設けて試料５を移動させるための台１９を上部に設けたものである。

次に、図１の構造の動作を簡単に説明する。
（１）小型の電子光学系ｌは通常のＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）と同様、電子線ビーム２を発生する電子鏡とこれを試料５の上に集束する電子レンズ（集束レンズ、対物レンズ）と、その集束位置を走査する偏向器よりなる。電子光学系１を包むカップ（真空容器）１０はカップ状の形態で、排気ポンプに至る真空排気口１１を有し、欠印Ａの方向へ排気する。

（２）カップ１０の開口部は凹形となっており、当該凹形部の台１９には０リング１２、プレパラート１３が納まるところのプレパラートホルダー１４、プレパラートホルダ１４に固定する０リング１５、プレパラートホルダ１４を押してＸ，Ｙ移動させるＸＹ移動ネジ１６、およびプレパラート１３によって構成され、これらはＸＹ動ステージを形成する。

（３）グリス付き０リング１２は、カップ１０の上部の台１９とプレパラートホルダ１４の底部との間の真空シールを行い、プレパラートホルダ１４は０リング１２で真空シ
ールされながらＸＹ移動ネジ１６によって移動する。０リング１５はプレパラートホルダー１４の上面に置かれたプレパラート１３を、プレパラートホルダ１４に真空密着するものであり、プレパラートホルダ１４の上面に固定されている。

（４） 以上のように、プレパラート１３をプレパラートホルダ１４に置いて、カップ
１０の内部を真空排気すると、プレパラート１３は、真空シール用の０リング１５の内面積に比例して、図１の（ａ）のＢの方向に１ｃｍ^２当たり約１ｋｇの密着力を得る（１ｋｇ／ｃｍ^２）。

（５）試料５の所望の部分を観察するために、カップ１０の上部の台１９に設けたＸＹ移動ネジ１６はプレパラートホルダ１４の端面を押して、試料５の所望の部位に電子線ビーム２を照射させることができる。０リング１５には真空グリスを用いないので、プレパラート１３を真空グリスで直接的に汚染することは無い。

（６）プレパラートホルダー１４を省略してレバラート１３自体を０リング１２に密着する方法もあるが、プレパラート１３に真空グリスが付着して、やがて試料５の汚染に至るおをがあるため、これはあまり実用的ではない。

（７）プレパラートホルダ１４の下面とカップの上面の台１９との間のすべり面に、ベアリングやコロを用いた．ＸＹ移動機構を用いれば、ＸＹ移動ネジ１６によるＸＹ移動がスムースで動作が確実となる。

（８） 電子線ビーム２が試料５を照射しつつ平面走査したときに発生する荷電粒子は各種検出器によって検出され、各々の物理・化学的意味合いを持つ情報として、画像として表示する。ここでは一例として２次電子をＳＳＤで検出する場合には、２次電子１７は検出器１８に印加させた＋電位による電場に引き寄せられかつ加速されて照射点の周りに配置されたＳＳＤ検出器１８に入射する。照射点より発生する２次電子１７はエネルギーが低い為、図１の（ａ）のように配置された複数個の検出器１８には多く集まるが、反射電子はエネルギーが高いため検出器１８の電場にあまり影響されずにほぼ直進し、検出器１８に入る度合いが少ない。検出器１８では増幅作用による像信号出力を発生し、これはさらに外部増幅器で映像信号となり、画像表示装置に表示する。

（９）試料５を導離塗料や導電性両面テープ等で試料５を貼り付けたプレパラート１３を持ち寄り、図１の（ａ）の上部に置き、カップ１０の内部を真空排気して、高い分解能で試料５の画像を観察することが可能となる。

図２は、本発明の詳細説明図を示す。
図２の（ａ）は、プレパラート１３と、カップ１０（あるいは図１の台１９）との間、Ｘ動ガイド溝３１、Ｙ動ガイド溝３３を直交してそれぞれ設け、これにＸ動摺動子３２、Ｙ動摺動子３４をそれぞれ摺動させ、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ精度良好に移動可能にした例を示す。そして、Ｘ動摺動子３２、Ｙ動摺動子３４を設けた図示の右側と、反対の図示の左側には、Ｘ動遊底１，２を設け、当該Ｘ動摺動子３２、Ｙ動摺動子３４がそれぞれ摺動するＸ動ガイド溝３１、Ｙ動ガイド溝３３に密着するように所定の力で常に押し付けるようにし、正確かつ再現性良好にプレパラート１３がＸＹ移動ネジ（Ｘ動送りネ、Ｙ動送りネジ）１６で任意の場所にＸ移動およびＹ移動できるようにしている。尚、図示のＸ動摺動子，Ｙ動摺動子の代わりに、ベアリング・スライダを用いることで、更に、小さな力かつスムーズに、ＸＹ移動ネジ１６でＸ方向およびＹ方向に、プレパラート１３を移動して試料５を任意の場所に移動させることが可能となる。

図２の（ｂ）は、図２の（ａ）の構造に加え、更に、真空グリスサーバ４１を設け、Ｏリングで真空シールしながら摺動する部分の真空グリースを自動補給する機構を加えた例を示す。図示のように、真空グリースサーバ４１は、Ｏリングで真空シールする部分の大気圧側に当該真空グリースサーバ４１を形成するリング状の溝を設け、当該溝にリング状の真空グリスを浸すしたスポンジ状のものを設置したものである。真空グリースサーバ１を、Ｏリングが摺動する大気圧側に設けることで、プレパラート１３を移動させても常に自動的に真空シールするＯリングに真空グリースが自動補給され、当該Ｏリングの真空グリースがきれて滑りが悪くなったり、真空リークする事態を防止できる。

また、図２の（ｂ）の上部の左側には、２次電子を高効率に検出する２次電子検出装置を設けてもよい。２次電子検出装置は、シンチレータ４１、ライトガイド４２、ＰＭＴ４３，プリアンプ４４などから構成されるものである。

シンチレータ４１は、正の高電圧を印加し、試料５から放出された２次電子を引き寄せて衝突させ、光を発光するものである。

ライトパイプ４２は、シンチレータ４１で発光された光を外部に逃がさすに高効率にＰＭＴ４３に導くものである。

ＰＭＴ４３は、ライトパイプ４２で導かれた光を入射すると、多段増幅する増幅器であれる。

プリアンプ４４は、ＰＭＴ４３で増幅された信号を、更に、増幅するものである。これのプリアンプ４４で増幅した信号を、図示外の表示装置に送り、当該表示装置の画面上に高Ｓ／Ｎの画像（２次電子画像）を表示する。

また、図２の（ｂ）のカップ１０の下部に設けた電子銃調整ネジ２２は、電子光学系１を構成する電子銃の軸を調整し、電子線ビーム２が試料５の上に細く絞って効率良好に照射するように調整するためのものである。

また、固定板２１は、電子光学系１をカップ１０に固定するものである。
図３は、本発明の詳細説明図（その２）を示す。これは、ＸＹ動をラック・ピニオンとした方法の例を示す。

図３の（ａ）は、中心から左側がＹ動を示し、中心から右側がＸ動を示す。左側のＹ動について説明すると、Ｙ動送りネジをユーザが指先で回転させると、当該ネジの先端に設けた歯車が下段のＹ遊底（歯車の歯に有った平坦なもの）を手前と向側（紙面に垂直）の方向に移動させる（プレパラート１３をＹ移動させる）。同様に、右側のＸ動送りネジをユーザが指先で回転させると、当該ネジの先端に設けた歯車が上段のＸ遊底（歯車の歯に有った平坦なもの）を左側と右側（紙面の面内）の方向に移動させる（プレパラート１３をＸ移動させる）。

以上の構造により、Ｙ動送りネジ、Ｘ動送りネジを、ユーザが回転させることで、プレパラート１３（プレパラート１３に固定した試料５）をＹ方向、Ｘ方向の任意の場所に移動させることが可能となる。

図３の（ｂ）は、グリス・サーバ溝を設けた例を示す。図３の（ａ）の摺動部分に、２重のＯリング溝を設けると共に、その間にグリス・サーバ溝を設けて真空グリスを浸したフェルトを入れることで、Ｏリングに自動的に真空グリスを補給することが可能となる。

図４は、本発明の詳細説明図（その３）を示す。これは、ＸＹ動送りネジに真空シールを置く方法の例を示す。図示のＯリングと記載した遊底止めの２箇所のＯリングと、Ｘ動ネジ、Ｙ動ネジの４箇所にＯリングで真空シールした例を示す。このうち、プレパラート１３を移動させたときに摺動（回転移動）するのは、遊底止めのうちの内側の１つと、Ｘ動ネジ、Ｙ動ネジの部分の４つの合計５つの真空シールすればよい。

尚、上述した実施例では、図１の（ａ）に示すように、カップ１０を台上に置いた状態で、その上からプレパラート１３に固定した試料５を下向きして当該カップ１０の上にユーザが静かに置いてＯリング１５に接触させて真空シールする構造としたが、逆に、プレパラート１３に固定した試料５を上向きに図示外の台上に置き（固定枠に入れて固定し）、図１の（ａ）のカップ１０を上下逆の構造にして、当該カップ１０を上から下方向に移動（ノブを回して静かに上から下方向に移動）させてプレパラート１３の上に載せ、Ｏリング１５に接触させて真空シールする構造としてもよい。この場合には、通常の光学顕微鏡と同じように、台の上に置いたプレパラート１３（試料５が当該プレパラート１３の上側に固定）に、カップ１０を上から下に移動させて当該プレパラート１３の上に載せてＯリング１５に接触させて真空シールするようにしてもよい。これにより、光学顕微鏡と同じ感覚（操作）で本発明に係る超小型ＳＥＭをユーザは使用できる。

本発明は、観察用の試料を載せたプレパラートをカップに置くだけで試料のセッティングが完了し、真空排気して電子線ビームで平面走査して高倍率かつ高分解能の画像を画面上に表示すると共にプレパラートを簡易な機構で水平方向に移動させて任意の場所を観察し、かつカップ内に鏡筒を収めて従来の真空排気管を無くしてＳＥＭ本体の小型化を図り、中学生などの生徒さんが光学顕微鏡を使用して拡大画像を観察する場合と同様の手軽さで、試料の電子線ビームによる高倍率かつ高分解能の画像を観察する超小型ＳＥＭに関するものである。

本発明の１実施例構造図である。 本発明の詳細説明図である。 本発明の詳細説明図（その２）である。 本発明の詳細説明図（その３）である。

符号の説明

１：電子光学系
２：電子線ビーム
５：試料
１０：カップ
１１：真空排気口
１３：プレパラート
１４：プレパラートホルダ
１５：Ｏリング
１６：ＸＹ移動ネジ
１７：２次電子
１８：検出器
１９：台
３１：Ｘ動ガイド溝
３２：Ｘ動摺動子
３３：Ｙ動ガイド溝
３４：Ｙ動摺動子
４１：シンチレータ
４２：ライトガイド
４３：ＰＭＴ
４４：プリアンプ

Claims (8)

1. 試料の画像を生成する小型のＳＥＭにおいて、
   筒状のカップの中に配置した電子光学系と、
   前記電子光学系によって生成して細く絞った電子線ビームを、前記筒状のカップの一方の部分に配置した試料上に照射しつつ平面走査し、そのときに放出あるいは反射された荷電粒子あるいは光を検出する検出器と、
   前記筒状のカップ内を真空排気する排気口と
   を備えたことを特徴とする超小型ＳＥＭ。
2. 前記試料をプレパラートに固定して装着したときに、当該プレパラートの外周部分あるいは試料を固定しない部分が真空シール材に接触して真空シールすることを特徴とする請求項１記載の超小型ＳＥＭ。
3. 前記試料を固定したプレパラートを移動する機構を設けたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の超小型ＳＥＭ。
4. 前記試料を固定したプレパラートを真空シール材に接触して真空シールした部材に、移動する機構を設け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超小型ＳＥＭ。
5. 前記移動する機構の摺動部分あるいは回転部分のうち、前記カップ内を真空に保持するために必要な部分を真空シール材で真空シールし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超小型ＳＥＭ。
6. 前記真空シール材の近傍に真空グリースサーバを設けて真空グリースを当該真空シール材に自動補給する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超小型ＳＥＭ。
7. 前記プレパラートに固定した試料を下向にして当該プレパラートを載せたときに前記真空シール材で真空シールする構造としたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに超小型ＳＥＭ。
8. 前記プレパラートに固定した試料を上向にして置き、前記カップを当該置いたプレパラートの上から載せたときに前記真空シール材で真空シールする構造とし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超小型ＳＥＭ。

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