JP2008218342A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】電子顕微鏡において、試料と対物レンズや検出器とのの接触を防止する。
【解決手段】試料３のダミー９と対物レンズ１１のダミー８を設け、試料３が対物レンズ１１に接触する前に、試料のダミーと対物レンズのダミーが先に接触するようにし、試料の移動を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料移動による、試料と対物レンズ、あるいは試料と検出器との接触を防止する機能を備えた電子顕微鏡に関する。

電子顕微鏡には試料微動装置が備えられている。試料微動装置は、電子顕微鏡の試料を搭載し、試料を電子顕微鏡の対物レンズに対し水平方向のＸ及びＹ軸方向移動、傾斜Ｔ軸や回転Ｒ軸、垂直Ｚ軸など自由方向に移動させることにより、試料への電子線照射位置を移動させ、電子顕微鏡の観察視野や元素分析位置を移動する電子顕微鏡に必須の装置である。

近年、電子顕微鏡の多機能化に伴い、観察試料近傍に設置される検出器は多様化しており、これに伴って観察試料のサイズや種類も多様化が進んでいる。また観察方法も試料の種類に伴い増えており、より大きな試料に対応するためＸ軸やＹ軸の移動範囲の拡大や、より高い分解能での観察、垂直方向のＺ軸移動を用いて、試料を電子顕微鏡の対物レンズにできるだけ近づけての観察、あるいは試料断面の観察や立体的な観察、元素分析の効率を上げるという目的のため、Ｔ軸を用いて試料表面を電子顕微鏡検出器に向ける傾斜観察など、試料をさまざまな位置、方向から観察したいという要求も増加している。これに伴い、不意の試料移動によって、試料を試料近傍に設置される対物レンズや検出器に衝突させないような試料微動の取扱いが要求されている。

特開昭５５−２８２３１号公報 特公昭５７−４８８２８号公報

電子顕微鏡は一般に真空保持のために、試料室と呼ばれる金属性の容器に試料を格納する構造となっており、観察中は真空外部から試料や試料近傍に設置される対物レンズ、その他検出器を直接目視することはできない。従い前述した試料と試料近傍に設置される対物レンズやその他検出器との衝突を避けるため、試料微動装置の各軸に移動制限を設ける、あるいは試料や試料近傍に設置される対物レンズ、その他検出器に接触式のセンサや近接スイッチなどを設置して、衝突を回避するなどの対策を要する。又は試料室の壁にカメラを設置し、観察試料と試料近傍に設置される対物レンズ、その他検出器との位置関係を撮影し目視にて衝突を回避する方法、あるいは試料室を大気圧にして試料室内を目視し、ギリギリまで試料と対物レンズを近づけた状態で真空を引いて観察する、などの方法も取られている。これは一般的に試料と対物レンズの距離は短い時の分解能が最も高いことによる。最適距離はレンズの設計によって変わるが、一般的に５〜８ｍｍ程度である。

本発明は、観察視野をどのように移動しても、試料と対物レンズや検出器の接触を防止できる装置を提供することを目的とし、試料の移動範囲や対物レンズや検出器との距離を気にすることなく、安全に試料移動のできる試料微動装置を備えた電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明では、試料微動装置の一部に、試料移動機構上に試料と同期して移動する試料のダミーを設け、対物レンズ又は検出器のダミーを、試料室内の傾斜軸方向、対物レンズの隣に設ける構成とした。本来の試料のレンズ中心とダミーのレンズ中心は最低でもＸ方向（水平移動のうちＴ軸と同じ方向）の可動範囲以上離すようにする。この距離と同じだけ、本来の試料とダミーの試料の間隔を空けて試料ステージを構成する。

本発明によれば、試料が対物レンズや検出器に接触する前に、試料のダミーと対物レンズのダミーが接触することで、試料が対物レンズや検出器に接触する事態を回避し、保護することが可能となる。ダミー形状さえ試料に合わせたものを使用していれば、Ｚ，Ｔ，Ｙいずれを優先するにしても可動範囲を気にすること無く試料移動操作が可能となる。また、ダミー同士の接触をスイッチとして利用することにより、接触時にブザーを鳴らしたり、試料移動機構の駆動モータを止めたりすることで、より安全性を向上することが可能となる。

本発明により、試料の移動範囲や対物レンズや検出器との距離を気にすることなく、安全に試料移動が可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明による電子顕微鏡の電子光学系と試料微動装置の概略構成図である。この電子顕微鏡は、試料が対物レンズや検出器に接触する前に、試料のダミーと対物レンズのダミーが先に接触することで、本来の試料や対物レンズを保護することを可能とする。

先ず、電子顕微鏡の原理について図１をモデルとして説明する。電子顕微鏡では、真空に保持された電子光学系５より発射された電子線６が、電子光学系５内部の電子レンズによって収束されながら、電子光学系５と同様に真空を保持しながら試料３を搭載する試料室４に到達し、試料３に照射される。このとき試料３の照射部位を透過した透過電子、照射面で反射した反射電子、照射面にて二次発生した二次電子、又は照射電子にて励起されたＸ線などの試料信号を検出器７で捕らえて試料の拡大観察あるいは分析を行うものである。検出器７は、対物レンズ１１の上方に配置される場合もあるが、図１に示すように対物レンズ１１と試料３の間に挿入される場合もある。また、検出器７は、必要に応じて対物レンズ１１の下に設置したり引き出したりできるように可動に構成されている場合もある。

試料微動装置２は、真空外から操作を行うことにより試料３をＸ（傾斜軸方向の水平移動）、Ｙ（傾斜軸と垂直方向の水平移動）、Ｚ（上下方向）、Ｒ（回転）、Ｔ（傾斜）等の自由な方向に移動する装置である。試料微動装置２によって試料３を移動して試料に対する電子線６の照射位置を変えることにより、観察位置や分析位置を移動することができる。

ここで、傾斜中心軸１２と試料３の観察面を一致させることができるようにした傾斜方式を、ユーセントリック傾斜といい、一般的に、Ｚ，Ｔ，Ｘ，Ｙ，Ｒという順に機構を積上げて構成する（図１参照）。このように構成した試料微動装置は、図３に示すように試料の傾斜移動をしたときに像の逃げ（移動）が少ないこと、傾斜状態でＸＹ移動を行った時の焦点のズレが少ないことから、試料を様々な方向から観察したいという要望に沿った傾斜方式であり、一般的な走査形電子顕微鏡の試料微動装置に採用されている。

試料微動装置において、試料３と対物レンズ１１が接触する可能性のある試料移動としては、Ｚ移動、Ｔ移動、更にＹ移動がある。図３において、Ｘ方向は図の上方から図を突き抜ける方向となる。

図５のように、ユーセントリック傾斜の場合は、Ｙ機構を傾斜機構の上に構成していることから、傾斜角に応じてＹ移動の方向が変化する（Ｙ₂）。よって傾斜した状態でＹ移動を行った場合、試料が傾斜面に沿って移動するので焦点のずれは少ないが、試料３が対物レンズ１１や検出器などと接触する危険が生じる（図３、図４）。特に図４のように、試料とレンズの間に検出器７が挿入された場合は、この検出器７に接触する危険が大きい。非ユーセントリック傾斜では、試料を傾斜してもＹ方向の移動は水平方向（Ｙ₁）のままであり、図５の試料台１０は試料台１０’の方向に移動するが、傾斜した状態でＹ移動を行った場合は、試料と対物レンズ等との接触の可能性はある。

像観察中には、試料３と、対物レンズ１１や試料近傍に存在する検出器７との距離は直接目視することができないため、試料３を移動する際は、試料３と対物レンズ１１や検出器７が接触しないように、予め試料サイズによって定められた可動範囲を超えないように注意して試料を移動する必要がある。

モータドライブ駆動の試料微動装置２であれば、予め決めた試料サイズに応じた可動範囲を決めておき、搭載する試料３の大きさに応じて可動範囲を選択することで、試料３と対物レンズ１１や検出器７との接触は防げる。ところが、移動可能範囲は試料サイズ、試料高さなどの試料形状によって変化するだけでなく、ＴＺＹ各々の位置によって相互に可動範囲が変化する。これら相互位置による可動範囲の制限を気にしながら操作することはモータドライブであっても実質不可能であり、どうしても安全を考慮して厳しい条件で制限することになり、非効率さが生じる。

この例を図４により説明する。本図は、対物レンズ１１の下に検出器７を配置した図である。Ｙ移動を考慮せず、観察位置で試料を傾斜した場合の最大傾斜角度（試料台位置１４）は、検出器７に接触する直前のγであり、Ｙ移動考慮してＹをどの位置に移動しても検出器７や対物レンズ１１に接触しない最大傾斜角度（試料台位置１５）はθとなり、この角度の差分だけ傾斜範囲が狭くなる。Ｙを全範囲移動しても接触しないようにして、ＴＺの可動範囲を設定とすると、ＴＺ移動範囲に必要以上の制限が生じ、現実に可能なＴ又はＺの可動範囲以下で制限されてしまうような事態が生じる。

傾斜を優先するか、Ｚ移動を優先するか、Ｙ移動を優先するかで、他の可動範囲は大きく変わるので、全ての移動範囲を試料に応じて、又は観察部位に応じて設定するとなると、設定はかなり煩雑になる。試料交換のたびに、試料サイズと、どの軸を優先に制限していくかの設定が必要である。更に、試料３が単純な丸い形状であれば可動範囲と一致するが、丸以外の場合や試料に大きな凹凸がある形状の場合は、試料サイズに関して大きめの設定をせざるを得ず、どうしても無駄が生じる。設定が煩雑になることは、設定ミスや、誤操作、又は意図的に設定を省略してしまう要因となる。

試料移動に制限を設ける別の方法として、対物レンズ１１や試料３に接触式センサを取り付ける方法がある。これは被害を最小限にすることは可能だが、接触を防ぐことはできないことと、導電性のない試料では接触センサは働かないという欠点がある。非接触方式のセンサを用いる方法（特開昭５５−２８２３１号公報）では、センサを作動させる光（赤外線や紫外線を含む）が二次電子検出器のノイズとなって、像傷害の原因となる。

また、試料室４の外壁にカメラを設置する方法では、試料３やその近傍が見渡せる位置にカメラを設置するため、試料室壁に予めカメラ取り付け穴が設置されている必要があり、試料室４に取り付ける検出器７などの取り付け空間を消費してしまう問題がある。またカメラの画像と電子顕微鏡像とを交互に比較し、対物レンズ１１と試料３の距離を見ながら慎重に試料移動操作を行う必要があり、試料３をギリギリまで対物レンズ１１に近づけて高分解能観察をするための微動操作には緊張を強いられるという問題がある。

これらの諸問題を全て解決するため、本発明では図１及び図２に示した構成を採用する。以下では、試料微動装置２のＸ移動機構、Ｙ移動機構、Ｚ移動機構、Ｔ移動機構、Ｒ移動機構によって試料３を移動したとき、試料３が接触する可能性のある顕微鏡構造物が対物レンズ１１であるとして説明する。

図２に示すように、試料３が対物レンズ１１に接触する前に、試料３の代わりのダミー部品と対物レンズ１１の代わりのダミー部品とが先に接触するように、レンズダミー８と試料ダミー９を、対物レンズ１１の軸中心からＸ（傾斜軸方向の水平移動）の可動範囲以上離れた位置に備える。試料ダミー９は、試料３と同期して動くようにＹ移動機構上に固定し、図２のように傾斜軸方向から試料３を投影した大きさよりわずかに大きくすることで、試料３が電子光学系５の対物レンズ１１に接触する前に、レンズダミー８に接触し、本来の試料３や対物レンズ１１を保護する。試料ダミー９は、例えばアルミニウム板からなり、外形を試料外形より例えば１ｍｍ程度大きく製作する。レンズダミー８は、図２に示すように傾斜軸に垂直な面で切った断面形状を対物レンズ１１の先端形状に合わせることで、傾斜に関してもダミー効果を得ることができる。

試料ダミー９の設置位置については、Ｒ移動機構上にダミーを設けると試料と共にダミーも回転してしまうため、Ｙ移動機構上に設けるが、試料が回転したときの試料の投影図を元に回転によってカバーされる試料投影図の最大外形を外形とするようにダミーを製作することで、Ｒ移動による対物レンズへの接触も避けることができる。この方法は、特に左右非対称形状で、比較的大きな試料を傾斜、回転させて観察したい場合に、有効な手段となる。

試料ダミー９の形状さえ試料３の投影形状に合わせたものを使用すれば、Ｚ，Ｔ，Ｙいずれを優先して動作させても可動範囲を気にすることなく、電子顕微鏡の画像だけを見ながらの試料移動操作が可能となる。面倒な可動範囲の設定も不要であり、移動のたびに各軸の目盛やカウンタの数字を気にしながらの移動や、ＣＣＤカメラによる映像を見て検出器７との間隔を気にしたりすることも不要となる。試料ダミー９は試料形状に合わせて準備する必要があるが、アルミ板を曲げて製作する程度で済むため、安価に準備可能である。試料ダミー９は、ネジ等の手段によってＹ移動機構上に着脱自在に固定すればよい。

また図１に示すように、レンズダミー８と試料ダミー９を電気的に絶縁して配置し、配線１６によってセンサ制御ユニット１７に接続する。ダミーの接触を電気的なスイッチとして利用することにより制御ユニット１７から、ブザー１８や、ＸＹＺＲＴ各軸のモータの制御を行う。これにより試料ダミー８がレンズダミー８に接触した時にブザーを鳴らしたり、モータを止めたりすることで、より安全に保護することができる。モータドライブ時も、試料とレンズの接触式センサとは異なりダミー同士の接触のため、接触してからの停止でも装置に対するダメージは生じない。

更に、対物レンズ１１と試料３の距離を最大にして観察したい傾斜位置まで傾斜し、所望の視野を得た後に、自動でＺを上昇し、試料ダミー９がレンズダミー８に接触した時点で静止することで、最高分解能の位置に自動で安全に移動するようなシステムも構成できる。これは、試料を傾斜しつつ、倍率を最大に上げて観察したい時や、分解能の高い画像を得たい時に、簡単で安全に最適条件を見つける手段として有効である。全軸モータドライブの試料微動装置であれば、メニュー上に「高分解能ボタン」を設け、そのボタンを押すだけで最適ＷＤに自動設定してくれるような機能も付加する事ができる。

上記では、主に試料が衝突する可能性のある電子顕微鏡構造物が対物レンズである場合を想定して、試料ダミー９に対向するようにレンズダミー８を試料室４の上壁に設置した。電子顕微鏡の構造によって試料が衝突する可能性のある電子顕微鏡構造物が検出器７である場合には、レンズダミー８に代えて検出器ダミーを試料室の上壁に設置すればよい。

このように本発明により、試料３の移動範囲や対物レンズ１１や検出器７との距離を気にすることなく、安全に試料移動のできる電子顕微鏡が得られる。

本発明による電子顕微鏡の電子光学系と試料微動装置の構成図。 図１において、Ｐ方向（Ｘ移動方向）から見た場合の、電子光学系、試料、レンズダミー、試料ダミーの関係を示した図。 図２と同方向から見た図で、試料の移動方向と、傾斜方向の説明図。 図２と同方向からの図で、Ｙ方向の移動量の考慮の有無で傾斜角が変わる様子を説明した図。 ユーセントリック傾斜と非ユーセントリック傾斜におけるＹ移動の説明図。

符号の説明

２ 試料微動装置
３ 試料
４ 試料室
５ 電子光学系
６ 電子線
７ 検出器
８ レンズダミー
９ 試料ダミー
１０ 試料台
１１ 対物レンズ
１２ 傾斜軸中心
１３ 傾斜後の試料台位置
１６ 配線（点線）
１７ センサ制御ユニット
１８ ブザー

Claims (9)

1. 対物レンズを含む電子光学系と、
   試料室と、
   前記試料室内で試料を保持し、前記保持した試料を少なくとも上下方向、水平方向及び傾斜軸の周りの傾斜方向に移動することのできる試料移動機構と、
   前記電子光学系からの電子線照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   前記試料移動機構に試料と共に移動するように設けられた試料のダミー部品と、
   前記試料室の上壁に固定された、前記試料移動機構による試料の移動によって試料と接触するおそれのある構造物のダミー部品と
   を有することを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の電子顕微鏡において、前記構造物は前記対物レンズ又は検出器であることを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項１記載の電子顕微鏡において、前記試料のダミー部品の形状を、当該試料を前記傾斜軸方向に投影した形状とすることを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の電子顕微鏡において、前記試料のダミー部品は試料形状に合わせて交換可能であることを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の電子顕微鏡において、前記構造物のダミー部品の形状を、前記傾斜軸方向から見た前記構造物の投影形状に合わせたことを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の電子顕微鏡において、前記試料のダミー部品と前記構造物のダミー部品接触を電気的スイッチとして利用し、両者が接触したとき警告を発することを特徴する電子顕微鏡。
7. 請求項１〜５のいずれか１項記載の電子顕微鏡において、前記試料のダミー部品と前記構造物のダミー部品の接触を電気的スイッチとして利用し、両者が接触したとき前記試料移動機構の駆動手段を止めることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 請求項７記載の電子顕微鏡において、前記試料移動機構により上下方向又は傾斜方向の位置を決めて視野を確定後、決めた以外の軸方向に自動で移動し、前記試料のダミー部品と前記構造物のダミー部品が接触する位置で自動停止する動作モードを有することを特徴とする電子顕微鏡。
9. 請求項１記載の電子顕微鏡において、前記試料移動機構は試料を回転移動させる機構を有し、前記試料のダミー部品の形状を、前記回転による試料の最大形状を投影した形状としたことを特徴とする電子顕微鏡。

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