JP2015082403A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料ホルダを大口径にすることにより、対振動性能が向上するが、それに伴い試料ホルダを固定するエアーロックシリンダの重量が増大し、反対に対振動性能が低下し、電子顕微鏡画像に振動起因のノイズが増加する。【解決手段】X微動機構をエアーロックシリンダとは別の部材に固定し、エアーロックシリンダを軽量化する。エアーロックシリンダを軽量化できるため、低周波での振動を低減し、電子顕微鏡の画質を向上させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、電子顕微鏡に関する。例えば、サイドエントリーステージを備えた透過型電子顕微鏡において、振動に強く移動精度のよい試料微動機構に関連する。

＜ＴＥＭ概要＞
電子ビーム顕微鏡装置とくに透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に関して図６を用いて装置構成概略を説明する。電子銃５１によって生成された電子ビームを電子レンズ５４を用いて集束し、試料ステージ１０に搭載された試料へ照射する。試料を透過した電子を検出器５５によって検出し、主制御装置５７へ取り込み画像化し、試料を観察する。鏡体１は除振された架台５０に締結されている。試料ステージ１０は主制御装置５７からの指令を受け、ステージコントローラ５３にて制御する。鏡体１は図示しない真空排気用ポンプにて、10^-5Pa程度まで真空排気される。

観察試料は、集束イオンビーム装置などによって数１０ｎｍオーダまで薄片化され、試料台に搭載される。その試料台は試料ホルダに取り付けられ、試料移動装置に組み込まれた予備排気室（エアーロック室）を介して、10^-5Ｐａ程度まで排気された鏡体へ導入される。観察試料位置を決定するために、試料移動装置は、鉛直方向をＺ軸としてその軸に直行する平面内のＸ軸、Ｙ軸と定義すると、それぞれ３軸方向に駆動される。また、試料の結晶方位を決定するために、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれを軸とした回転方向（それぞれα方向、β方向）に駆動される。Ｘ軸は、試料ホルダの長手方向、Ｙ方向はＸ軸およびＺ軸に垂直な方向として通常定義されている。

原子レベルで観察領域を決定するためには、各軸に対して数ｎｍのステップ移動が可能である駆動機構が選択されている。

＜ホルダ駆動方式について＞
試料移動装置としては、特許文献１に記載されているような試料ホルダの先端を接触させて、Ｘ方向に駆動する方式が考案されている。また、特許文献２に記載されているように、試料ホルダの一部に段差を設けて、その段差をＸ軸駆動機構と接触させる方式も考案されている。

特開２００４−２１４０８７ 特許第３７３６７７２

透過型電子顕微鏡の試料移動機構において、サイドエントリー型の機構が採用されている。試料の移動は球面座の中心を軸とした首振り運動によって行われる。試料を搭載するためのホルダは、球面座に支持されたエアーロックシリンダと呼ばれる筒と同軸に取り付けられている。

試料をX軸方向のみに移動しようとした場合に、Y軸にも移動してしまう場合がある。これを回避するために、Y駆動機構によって駆動する部材（エアーロックシリンダ）にX微動機構が搭載された構造となっている。この構造では、エアーロックシリンダの質量が増大し、床振動などの外乱によって試料ステージが振動しやすい構造となってしまい、電子顕微鏡を用いて取得した画像に画像ノイズが混入するという問題が生じる。

本発明では、エアーロックシリンダを軽量化し、振動などの外乱に対して強い電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。例えば、サイドエントリーステージにおいて、X駆動機構とY駆動機構を同一部材に搭載し、エアーロックシリンダをY軸方向に駆動する時にX微動機構とエアーロックシリンダの接触点が互いに摺動する機構を備えた透過型電子顕微鏡とする。

本発明によれば、エアーロックシリンダを軽量化して、試料の振動を低減することにより、TEMの分解能を向上することができる。

本発明の実施例によるサイドエントリーステージである。 本発明の実施例によるX微動機構である。 本発明の実施例によるX微動機構のZ方向概観（Y＝０）である。 本発明の実施例によるX微動機構のZ方向概観（Y＞０）である。 本発明の実施例によるX方向に駆動可能なX微動機構である。 透過型電子顕微鏡概略図

＜試料移動装置概略＞
図１を用いて本発明の実施の形態について説明する。鏡体１に固定された球面受け３６は球形支点３７と接触している。球形支点３７を含むエアーロックシリンダは、球形支点３７の中心を軸として首振り運動をし、その結果として、試料３をＺ方向（鉛直方向）およびＹ方向（紙面垂直方向）に移動させることが可能となる。試料Ｚ方向に駆動させるためには、回転筒２０に固定されたＺ駆動用リニア機構２１を動作させる。Ｚ駆動用リニア機構２１は、その対極に位置したＺバネ２２によって常に反発力を受ける。図示しない紙面に垂直方向に駆動可能な別のリニア機構によってＹ方向へ試料ホルダ２を駆動する。

＜Ｘ微動機構の設置＞
Ｘ微動機構について説明する。図１に示すように、Ｘ駆動用リニア機構１０は、ベアリング２３を介してベース２４と締結される回転筒２０に取り付けられている。Ｘ駆動用リニア機構１０の駆動力は回転筒２０に設けられたX微動てこ支点２６を支点にしたてこ機構２５によってスライダ筒３０に伝えられ、試料ホルダ２をＸ方向へ駆動する。スライダ筒は内筒３３とベローズ３２にて接続されている。てこ機構２５とスライダ筒３０の接触部は、試料ホルダのＺ軸およびＹ軸駆動に対して、すべり機構が必要である。

＜Ｘ微動機構のすべり機構＞
図２にX微動機構の詳細図を示した。エアーロックシリンダ内のスライド筒３０上にX微動受け６２を固定する。回転筒２０上に取り付けられたX微動機構のてこ機構２５の先端には球状のX微動先端部６３が取り付けられている。てこ機構２５は、回転筒２０およびエアーロックシリンダ外筒６１にそれぞれ設けられた開口部６６および６５を通して、X微動受け６２とX微先端部６３が接するように設置する。

X駆動用リニア機構１０の動きは、てこ機構２５およびスライダ筒３０を介して、試料ホルダ２に伝達し、試料ホルダ２に取り付けた試料をX方向に駆動する。

図３および図４は図２をZ方向から見た図である。図３は試料がY=0の場合のエアーロックシリンダ、図４は試料がYのプラス方向に移動した場合のエアーロックシリンダの状態を示している。Y方向に試料を移動するときには、エアーロックシリンダは球形支点の軸を中心とした首振り運動をする。

X微動機構は図示しない回転筒に固定されているため、エアーロックシリンダの首振り運度では動かず、X微動受け62上をX微動先端部６２が摺動する。エアーロックシリンダの首振り運動によるX微動先端部６２の軌跡は、エアーロック上では球形支点の中心軸７０を中心とした円となる。紙面に垂直方向でX軸を含む平面内でのエアーロックの首振り運動（試料のZ方向駆動）を含めると、X微動突き当て部先端の軌跡はエアーロック上では、球形支点の中心軸７０を中心とした球面となる。

X微動ウケのX微動突き当て部先端と接する面を、この軌跡と一致するようにすれば、Y方向やZ方向への試料の移動に伴い、試料がX方向へ動くことはない。X微動先端６３には、モリブデングリース等を塗布し、摺動抵抗を低減する。

＜X微動機構をエアーロックシリンダから切り離す効果１＞
X微動機構は、エアーロックシリンダの質量に対して、２０％程度である。

図１に示すようにエアーロックシリンダはZ駆動リニア機構２１に支持された構造となっている。エアーロックシリンダ質量をm、支持部のバネ定数をkとすると、エアーロックシリンダの共振周波数は(k/m)1/2となる。mの減少に伴い、共振周波数が増加するとともに、共振時の振幅は小さくなる。試料ホルダはエアーロックシリンダに内挿されており、エアーロックシリンダの軽量化は、試料ホルダの振動振幅の低減につながる。

＜X微動機構をエアーロックシリンダから切り離す効果２＞
観察スループットを増加させるために、複数の試料を搭載可能な試料ホルダが考案されている。このタイプの試料ホルダは、その長手方向（X方向）に、試料装填部が複数個備えられている。

透過型電子顕微鏡の試料は一般的に直径３ｍｍのメッシュであるが、例えば３つの試料が装填された試料ホルダを同時に観察しようとした場合、最低でもX方向に９ｍｍ試料ホルダを移動させなければならない。X微動機構においては、リニア機構の動きをてこによって減速し、移動分解能を向上させている。この時のてこ比はおおむね１：４であり、試料をX方向に９ｍｍ動かす場合アクチュエータとしては、３６ｍｍ動かす必要がある。

このストロークを確保するためには、アクチュエータが大型化し、ステージへの実装が困難になる。

これを解決する方法としては、図５に示すようにX微動機構を可動式とし、試料ホルダを駆動するアクチュエータ１０とは別のアクチュエータを用いてX微動機構自身を駆動することによって、試料の大きな移動と、小さな移動の両方を実現し、複数の試料が搭載されたホルダでの観察を可能とする。

１…鏡体、２…ホルダ、３…試料、４…ホルダ用Oリング、５…ホルダ位置決めピン、１０…Ｘ駆動用リニア機構、２０…回転筒、２１…Ｚ駆動用リニア機構、２２…Ｚバネ、２３…ベアリング、２４…ベース、２５…てこ機構、２６…X微動てこ支点、３０…スライダ筒、３２…ベローズ、３３…内筒、３４…バルブ、３５…バルブ固定部、３６…球面受け、３７…球形支点、３８…外筒、３９…ホルダガイド、４０…ホルダ突き当て部、４１…ピン、５０…架台、５１…電子銃、５３…標準ステージ用コントローラ、５４…電子レンズ、５５…検出器、５７…主制御ユニット、６０…X微動ベース、６１…外筒、６２…X微動受け、６３…X微動先端部、６４…ステージ中心軸、６５…外筒開口部、６６…回転筒開口部、６７…ガイドレール、６８…X微動駆動用リニア機構、７０…球形支点の中心軸、

Claims (4)

1. サイドエントリーステージを備えた透過型電子顕微鏡において、
   電子ビームに直交する平面内において概直交して観察試料を駆動する２つの直動機構と、
   試料を搭載する試料ホルダと、
   前記試料ホルダを内挿するエアーロックシリンダと、
   を備え、
   一方の前記直動機構にて前記エアーロックシリンダを駆動する際に、他方の直動機構とエアーロックシリンダが互いにすべり動く機構を有すること、
   を特徴とする透過型電子顕微鏡。
   
2. サイドエントリーステージを備えた透過型電子顕微鏡において、
   概直交して観察試料を駆動する２つの直動機構と、
   試料を搭載する試料ホルダと、
   前記試料ホルダを内挿するエアーロックシリンダと、
   前記エアーロックシリンダの先端に備えた球面受けと、
   を備え、
   前記直動機構の一方が球面受けを軸とする首振り運動をすることにより試料を駆動し、他方の直動機構が首振り運動と概直交する方向に試料を駆動し、前記首振り運動と概直交する方向に試料を駆動する直動機構とエアーロックシリンダの接触部において、直動機構側が球形、エアーロックシリンダ側が前記球面受けを中心とする球面で形成されたこと、
   を特徴とする透過型電子顕微鏡。
   
3. 請求項１または２において、
   ガイドレール上に設置された直動機構と、前記直動機構を前記ガイドレール方向に駆動する機構を備えることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
   
4. サイドエントリーステージを備えた透過型電子顕微鏡において、
   試料を搭載する試料ホルダと、
   前記試料ホルダを内挿するエアーロックシリンダと、
   電子ビームに概平行なＺ方向に前記試料を駆動するＺ方向駆動機構と、
   前記エアーロックシリンダの長手方向であるＸ方向に前記試料を駆動するＸ方向駆動機構と、
   前記Ｘ方向およびＺ方向に概直交するＹ方向に前記試料を駆動するＹ方向駆動機構と、
   を備え、
   前記Ｘ方向駆動機構は、前記エアーロックシリンダの外部から、前記試料ホルダに接続された前記エアーロックシリンダの内部にある部材へ、該部材をＸ方向に駆動させる力を伝える接点を有し、該接点はＹ方向駆動機構によりＹ方向に駆動しても接するような点と面であること、
   を特徴とする透過型電子顕微鏡。