JP2014164992A

JP2014164992A - 荷電粒子装置

Info

Publication number: JP2014164992A
Application number: JP2013034417A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Enomoto; 裕久榎本; Wataru Suzuki; 渡鈴木; Shinya Kitayama; 真也北山; Katsunori Konuki; 勝則小貫; Hideki Kikuchi; 秀樹菊池; Isao Nagaoki; 功長沖
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2013-02-25
Filing date: 2013-02-25
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】
荷電粒子装置において、床振動により励起される全ての剛体モードによる観察点の振動について、最大となる振動量を低減させて、像揺れ量を低減させる。
【解決手段】
内部に荷電粒子光学系を設けた鏡筒と、前記鏡筒に設けた試料ステージと、前記鏡筒を支持する荷重板と、前記荷重板を支持する除振マウントを有する荷電粒子装置において、前記荷重板は長方形構造であり、前記鏡筒は前記荷重板の四隅のいずれかに設置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡やイオンビーム加工装置などの荷電粒子装置の構造に関する。

荷電粒子装置は、例えば特許文献１のように、鏡筒内に荷電粒子線光学系が収納されており、さらに、鏡筒に外部から振動が伝達することを抑制するため、除振マウントの上に鏡筒を含む本体装置を設置して、外部からの振動を低減させる構造が知られている。しかしながら、除振マウントによる支持方法では、床振動が加わると、本体と除振マウント系の固有振動数で応答が増幅してしまうことがある。応答の増幅は、装置全体が振動する６つの剛体モードが励起することにより発生する。応答の増幅によって、試料上の観察点と荷電粒子線との間に相対変位が生じ、観察像が揺らぐ。

励起される６つの剛体モードは、水平方向の２方向や垂直方向に並進運動する３つの剛体モードと、水平軸の２つの軸周りと、垂直軸周りに回転運動する３つの剛体モードである。

特許文献１では、除振マウントで支持する位置の高さを重心位置と一致させ、さらに重心を中央に、左右及び前後に対称に配置させている。これにより、床振動で励起される剛体モードの数を減らしている。また、特許文献２では、装置に質量を付加して、観察点と重心を一致させ、さらに特定の剛体モードの回転中心と観察点が一致するような構造にして、床振動で励起される剛体モードの数を減らしている。

特開２０００−２０８３８７号公報特開２０１１−１２４１４５号公報

近年、荷電粒子装置の高機能化により鏡筒の軸長が増大する傾向にある。鏡筒の軸長が増大すると、重心が上方に移動する。そのため、特許文献１のように支持位置の高さを重心位置と一致させる場合、装置を設置する床を掘り下げる等、大規模な構造となり、設置が難しくなる。また、鏡筒の軸長の増大に合わせて、試料ステージも上方に移動するので、鏡筒が重心を中央に、左右及び前後に対称になるように配置されると、試料へのアクセスが困難になる。

特許文献１のように、支持位置の高さと重心を一致させ、重心を中央に、左右及び前後対称に支持位置を配置した構成では、床振動が加わると、回転運動の剛体モードが励起されたときの観察点の振動は抑制されるが、並進運動の剛体モードが励起されたときの観察点の振動への抑制効果はない。

また、特許文献２のように、複数ある剛体モードのうち、１つの剛体モードの回転軸中心を観察点と一致させる構成では、回転軸と観察点が一致した振動モードが励起されたときの観察点の振動は抑制されるが、回転軸と観察点が一致しない振動モードが励起されたときの観察点の振動への抑制効果はない。

これらのように、特定の剛体モードが励起されたときの観察点の振動は低減できるが、床振動により励起される全ての剛体モードの観察点の振動で、最大となる振動量を低減することができない。

そこで、本発明は、荷電粒子装置において、床振動により励起される全ての剛体モードによる観察点の振動について、最大となる振動量を低減させて、像揺れ量を低減させることを目的とする。

本発明の荷電粒子装置において、内部に荷電粒子線光学系を設けた鏡筒と、前記鏡筒に設けた試料ステージと、前記鏡筒を支持する荷重板と、前記荷重板を支持する除振マウントを有し、前記荷重板は長方形であり、前記鏡筒は前記荷重板の四隅のいずれかに設置されることを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子装置において、床振動により励起される全ての剛体モードについて、観察点の振動で、最大となる振動量を低減させることができる。

本発明の第一実施例の荷電粒子装置を示す斜視図。荷電粒子装置の概略構成を示す説明図。従来構造と本発明の振動モードを比較して示す図。重心もしくは観察点における回転半径と支持位置の関係を示す図。従来構造と本発明の振動応答を比較して示す図。本発明の第二実施例の荷電粒子装置を示す斜視図。本発明の第三実施例の荷電粒子装置を示す斜視図。本発明の第四実施例の荷電粒子装置を示す斜視図。

本発明を実施するための形態を、図面に基づいて説明する。なお、発明を実施するための形態を説明するための全図において、同一の機能を有する要素には同一の名称、符号を付して、その繰り返しの説明を省略する。

先ず、図２を参照して、荷電粒子装置の概略を示す。本発明は荷電粒子装置に関するが、荷電粒子装置の一つである透過型電子顕微鏡の構造を用いて、説明する。荷電粒子装置は、本体１０、本体を支持する荷重板１４、荷重板１４を支持する架台１６、荷重板と架台の間に設けられた除振マウント１５、制御装置１１、モニタ１２、操作卓１３を備えている。本体１０は、鏡筒１０１を有している。鏡筒１０１は円筒状で軸方向に長い構造をしており、観察のための電子銃や各種レンズを備えている。鏡筒１０１には電子銃１１１、エミッタ１１２、コンデンサレンズ１１３、対物レンズ１１４、中間レンズ１１５、投影レンズ１１６、検出器１１７、蛍光板１１８、カメラフィルム１１９が設けられている。

鏡筒１０１側面には試料ステージ１０２が固定されており、試料ステージ先端の観察点に観察試料を設置できる。また、観察点は水平方向や垂直方向への移動、傾斜が可能になっている。一般に、観察点は重心位置とは一致しない。イオンポンプ１０３は、鏡筒側面に固定されており、鏡筒内部の真空排気が可能になっている。

透過型電子顕微鏡の撮像時には、電子銃１１１のエミッタ１１２で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１１３を通して、観察点に向けて照射する。試料を透過した電子ビームを対物レンズ１１４、中間レンズ１１５、投影レンズ１１６で拡大し、検出器１１７で検出し、蛍光板１１８及びカメラフィルム１１９に結像させる。以上の過程を得て観察像が得られる。操作卓１３は、透過型電子顕微鏡を操作する制御装置１１及び観察像を表示するモニタ１２を備えている。制御装置１１は、操作卓１３からの命令を透過型電子顕微鏡の各要素に伝える。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。図１は本発明の第一の実施例を示したものである。鏡筒１０１は、円筒状で軸長の長い構造をしており、観察のため、電子銃や各種レンズ、検出器などを備えている。この鏡筒１０１は試料へのアクセスを考慮し、荷重板１４の四隅のうち、操作卓１３に近い側に設置されている。これにより、装置全体の重心位置が装置中央から荷重板隅に移動する。荷重板１４は幅と奥行きの異なる長方形であり、除振マウント１５は荷重版の四隅において荷重板を下方から４点で支持している。さらに、除振マウント１５は下方から架台１６で支持されている。

図３(a)、(b)は、従来技術と本発明の振動特性を比較するために、従来技術と本発明の装置を簡易化した２次元モデルを示している。重心と観察点は一般に一致しないが、近い位置にあるので、振動特性は概ね一致する。そこで、ここでは重心と観察点が一致していると仮定して、比較を行う。図３(c)は従来技術の装置の振動モード、また、図３(d)は本発明の装置の振動モードである。図３(c)のように従来技術では並進運動する剛体モード（図３（ｃ）右側）と回転運動する剛体モード（図３（ｃ）左側）が現れるが、図３(d)のように本発明では、回転軸を持つ２つの剛体モードが現れる。

床振動で励起される剛体モードによる重心や観察点の振動は、床振動で励起される剛体モードの重心や観察点の回転半径の大きさによって決まる。励起される剛体モードの重心や観察点における回転半径は装置の運動方程式で求まるので、まず、２次元モデルについての運動方程式を次式に示す。

ここで、xは重心もしくは観察点のX方向の変位、θは紙面垂直軸まわりの重心もしくは観察点の回転角を表す。Mは装置質量を表し、Iは装置慣性モーメント、kは除振マウントのばね剛性を表す。l_xiは重心もしくは観察点と支持点の距離を表し、添え字は図の除振マウントの識別番号を示す。次に、次式を用いて運動方程式を簡略化する。

数式（２）〜数式（５）を数式（１）に代入すると、運動方程式は次式のようになる。

数式（６）、数式（７）から２つの振動モードの固有角振動数ω₁、ω₂が次式のように求まる。

数式（６）〜数式（９）を用いて、励起される２つの振動モードの重心もしくは観察点の回転半径β₁、 β₂を表すと次式になる。

床振動で励起される剛体モードの重心もしくは観察点の回転半径は装置質量Mと装置慣性モーメントI、除振マウントのばね剛性k、重心もしくは観察点と支持点の距離l_xiで表される。

重心もしくは観察点と支持点の距離l_xiだけを変えて、重心位置を２つの除振マウントの中央から移動させると、励起される剛体モードの重心もしくは観察点の回転半径β₁、 β₂の変化は図４のようになる。図４に示すように、重心を左右対称支持の状態から、本発明の左右非対称の支持状態へ変化させていくと、並進モードが変化した剛体モードの重心もしくは観察点の回転半径は急速に小さくなり、回転運動する剛体モードの重心もしくは観察点の回転半径は大きくなるが、両者の回転半径の最大値は小さくなる。

重心もしくは観察点の回転半径の大きさが、重心もしくは観察点の振動応答に比例するので、従来技術の振動応答は模式図で示すと図５の点線のようになる。これに対して、本発明の振動応答は、図５の実線に示すように、床振動による振動応答のピークの数は増えるが、重心もしくは観察点の振動応答の最大値は下がる。

本実施例では鏡筒１０１を荷重板隅に設置しているため、荷重板隅に重心がある不均等な支持構造にしている。そのため、重心もしくは観察点の振動応答のピークの数は増えるが、６つの剛体モードの重心もしくは観察点の回転半径が小さくなるため、重心もしくは観察点の振動応答の最大値は下がり、最大となる振動量を低減することができる。また、本発明によると鏡筒側面の試料ステージが操作卓近くになるため、操作性が向上する。

本実施例では、鏡筒１０１を荷重板１４の四隅のいずれかに設置したが、図４から明らかなように、必ずしも鏡筒１０１を隅部に設ける必要はなく、荷重板１４の中央位置、即ち長方形構造の荷重板の長辺方向および短辺方向の左右対称位置、から四隅のいずれかの方向に移動して鏡筒１０１を設置すればよい。

図６は、本発明の荷電粒子装置の第二の実施例を示したものである。第一の実施例において、荷重板１４aの中央に開口部１７、例えば矩形の穴を開けた構造にしたものである。なお、荷重板１４aの開口部１７は図示の限りではなく、円形その他の形でもよい。本実施例によると、荷重板１４ａの重量を軽量化することが可能になる。

図７は、本発明の荷電粒子装置の第三の実施例を示したものである。第一の実施例において、鏡筒を支持する荷重板１４ｂは、鏡筒１０１と鏡筒の近傍に設置した除振マウント１５を設置できるだけの大きさの板構造にして、さらに、荷重板１４ｂから他の３つの除振マウント１５に向かって放射状にのびるフレーム構造１４ｃを設置したものである。なお、荷重板１４ｂやフレーム構造１４ｃの形状は図示の限りではない。本実施例によると、荷重板を軽量・高剛性化することができる。また、本実施例によると、鏡筒１０１へ伝わる荷重板共振時の振動を低減させることができる。

図８は、本発明の荷電粒子装置の第四の実施例を示したものである。第一から第三の実施例において、電子銃の交換用のリフターを鏡筒が設置される装置の隅に設置するため、リフター固定部１２１を鏡筒に近い架台前方もしくは側面に設置する。鏡筒の中央よりも高い位置に鏡筒突起部１０４を設け、リフター可動部１２０と鏡筒突起部１０４の間に除振マウント１５aを設置する構造にしてもよい。なお、リフター可動部１２０とリフター固定部１２１の形状は図示の限りではない。本実施例によると、電子銃の交換が容易になるだけでなく、リフターにより鏡筒を上方から支持することが可能になるので、振動を抑制することが可能になる。

本発明によれば、床振動により励起される全ての剛体モードによる観察点の振動について、最大となる振動量を低減させることができ、本発明は、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ），イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）などの荷電粒子装置に用いることができる。

１０本体
１１制御装置
１２モニタ
１３操作卓
１４、１４a、１４ｂ、１４ｃ荷重板
１５、１５a 除振マウント
１６架台
１７開口部
１０１鏡筒
１０２試料ステージ
１０３イオンポンプ
１０４鏡筒突起部
１１１電子銃
１１２エミッタ
１１３コンデンサレンズ
１１４対物レンズ
１１５中間レンズ
１１６投影レンズ
１１７検出器
１１８蛍光板
１１９カメラフィルム
１２０リフター可動部
１２１リフター固定部

Claims

内部に荷電粒子光学系を設けた鏡筒と、前記鏡筒に設けた試料ステージと、前記鏡筒を支持する荷重板と、前記荷重板を支持する除振マウントを有する荷電粒子装置において、
前記荷重板は長方形構造であり、前記鏡筒は前記荷重板の四隅のいずれかに設置されていることを特徴とする荷電粒子装置。
請求項１に記載の荷電粒子装置において、さらに、
架台を備え、
前記荷重板を支持する除振マウントは、前記架台上に設置されていることを特徴とする荷電粒子装置。
請求項１に記載の荷電粒子装置において、
前記荷重板を支持する除振マウントは、前記荷重板の四隅に設置されていることを特徴とする荷電粒子装置。
請求項１に記載の荷電粒子装置において、さらに、
操作卓を備え、
前記鏡筒は、前記荷重板の四隅のうちの、前記操作卓に近い隅部に設置されていることを特徴とする荷電粒子装置。
請求項１に記載の荷電粒子装置において、
前記荷重板の中央に開口部が設けられたことを特徴とする荷電粒子装置。
請求項１に記載の荷電粒子装置において、
前記荷重板が板構造とフレーム構造で構成され、四隅のいずれかにおいて前記板構造で前記鏡筒を支持し、前記フレーム構造で前記板構造と他の四隅の前記除振マウントとを接続していることを特徴とする荷電粒子装置。
請求項２に記載の荷電粒子装置において、さらに、
前記鏡筒の近傍であって、前記架台に設けられたリフターを備え、
前記鏡筒に軸長中央より上に突起を設け、前記突起と前記リフターの間に除振マウントを設置したことを特徴とする荷電粒子装置。