JP2022069812A - Sample holder and charged particle beam device including the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は荷電粒子線装置に用いられる試料ホルダに関する。 The present invention relates to a sample holder used in a charged particle beam device.
透過型電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置は、高電圧で加速された電子線を試料に照射して、試料の観察像を得る装置である。近年、異なる環境における試料の形態変化や物性変化を観察する需要が高まっている。例えば、触媒実験等では、大気から遮断された試料を水素ガスにより還元処理した後、大気に試料を曝すことなく荷電粒子線装置によって観察され、さらに様々なガス雰囲気に曝された後の試料が荷電粒子線装置によって再び観察される。また様々なガス雰囲気に曝された後だけでなく、加熱や電圧印加等の種々の環境での観察が必要とされる場合もある。 A charged particle beam device represented by a transmission electron microscope is a device that irradiates a sample with an electron beam accelerated by a high voltage to obtain an observation image of the sample. In recent years, there has been an increasing demand for observing changes in sample morphology and physical properties in different environments. For example, in a catalyst experiment or the like, a sample that has been shielded from the atmosphere is reduced with hydrogen gas, then observed by a charged particle beam device without exposing the sample to the atmosphere, and the sample after being exposed to various gas atmospheres is obtained. Observed again by a charged particle beam device. Further, it may be necessary to observe not only after being exposed to various gas atmospheres but also in various environments such as heating and voltage application.
特許文献1には、試料を荷電粒子線装置から取り出すことなく、種々の環境での観察を可能にするために、試料を保持する試料保持部と対向する側から、試料の状態を変化させる機能を備え着脱可能な逆サイドエントリー部が挿入される荷電粒子線装置が開示される。
しかしながら特許文献1では、試料保持部が挿入される孔とは別に、逆サイドエントリー部が挿入される孔を設ける必要がある。すなわち荷電粒子線装置の筐体を改造する必要がある。
However, in
そこで本発明は、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝される試料を観察可能な試料ホルダ及びそれを備える荷電粒子線装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a sample holder capable of observing a sample exposed to various gas atmospheres and a charged particle beam device including the sample holder without modifying the housing of the charged particle beam device.
上記目的を達成するために本発明は、試料を保持するとともに荷電粒子線装置の既存の孔から挿入される試料ホルダであって、試料が設置される試料設置部と、所望のガスが封入されるガス封入室と、前記ガス封入室の中と外との間で前記試料設置部を移動させる移動機構を備え、前記ガス封入室は前記試料設置部に設置された前記試料が通過する開口を有し、前記開口の周囲に接触して気密を保つ気密部が前記試料設置部の先端に設けられることを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention is a sample holder that holds a sample and is inserted through an existing hole of a charged particle beam device, in which a sample setting portion on which the sample is placed and a desired gas are enclosed. The gas-filled chamber is provided with a moving mechanism for moving the sample mounting portion between the inside and the outside of the gas-filled chamber, and the gas-filled chamber has an opening through which the sample installed in the sample mounting portion passes. It is characterized in that an airtight portion having contact with the periphery of the opening and maintaining airtightness is provided at the tip of the sample mounting portion.
本発明によれば、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝される試料を観察可能な試料ホルダ及びそれを備える荷電粒子線装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a sample holder capable of observing a sample exposed to various gas atmospheres and a charged particle beam device including the sample holder without modifying the housing of the charged particle beam device.
以下、図面を参照して、本発明の試料ホルダとそれを備える荷電粒子線装置について説明する。荷電粒子線装置は、電子線等の荷電粒子線を試料に照射することによって、試料の観察像を生成する透過型電子顕微鏡や走査型電子顕微鏡、集束イオンビーム装置等である。以下では、荷電粒子線装置の一例として透過型電子顕微鏡について説明する。なお、以下の説明及び添付図面において、同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また各図の向きを示すために、各図にはXYZ座標系を付記する。 Hereinafter, the sample holder of the present invention and the charged particle beam apparatus provided with the sample holder will be described with reference to the drawings. The charged particle beam device is a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a focused ion beam device, or the like that generates an observation image of a sample by irradiating the sample with a charged particle beam such as an electron beam. In the following, a transmission electron microscope will be described as an example of a charged particle beam device. In the following description and the accompanying drawings, components having the same functional configuration are designated by the same reference numerals, so that duplicate description will be omitted. Further, in order to show the orientation of each figure, an XYZ coordinate system is added to each figure.
図1を用いて実施例1の透過型電子顕微鏡1について説明する。透過型電子顕微鏡1は、電子源4、集束レンズ5、対物レンズ6、結像レンズ7、蛍光板8、カメラ9、ゴニオメータ10、画像表示部2を有し、ゴニオメータ10に実施例1の試料ホルダ11が挿入される。
The
電子源4は電子線3を放出する陰極と電子線3を加速する加速管を含むものである。集束レンズ5及び対物レンズ6は試料13に照射される電子線3の大きさを調整するレンズである。なお対物レンズ6は試料13より電子源4の側に配置される上部磁極片とカメラ9の側に配置される下部磁極片を有する。結像レンズ7は試料13を透過した電子を蛍光板8またはカメラ9において結像させるレンズである。蛍光板8は結像レンズ7を通過した電子が入射することによって蛍光を発する板である。カメラ9は蛍光板8が発する蛍光や結像レンズ7を通過した電子を撮像する。画像表示部2はカメラ9によって撮像された観察像を表示する液晶ディスプレイ等である。
The
ゴニオメータ10は、挿入される試料ホルダ11等をX軸の方向に移動させたり、X軸と平行な軸の周りで回転させたりする機構である。なお、ゴニオメータ10は必須ではなく、ゴニオメータ10の代わりに試料ホルダ11等が挿入される挿入孔が設けられても良い。ゴニオメータ10または挿入孔に挿入される試料ホルダ11には配管14a、14bを介してガス供給排気部15が接続される。ガス供給排気部15は、例えば水素ガスが封入されたガスボンベと真空排気をする真空ポンプとによって構成される。さらに配管14a、14bのそれぞれを開閉するためのバルブ16a、16bが設けられる。
The
図2A、図2B、図3A、図3Bを用いて実施例1の試料ホルダ11について説明する。なお図2A、図2Bは側方断面図、図3A、図3Bは上方断面図であり、図2A、図3Aは試料13を観察するとき、図2B、図3Bは試料13をガス雰囲気に曝すときを示す。試料ホルダ11は、試料設置部12、中軸17、外筒18、グリップ21、移動つまみ22を有する。以下、各部について説明する。
The
試料設置部12は、試料13が設置される部材であり、気密を保つための第一気密部19、例えばOリングが先端に設けられる。試料設置部12は、中軸17に固定される。
The
中軸17は、円筒形状の部材であり、先端に試料設置部12が設けられるとともに、内部に配管14a、14bが収められる。中軸17の先端の外表面には、気密を保つための第二気密部20、例えばOリングが設けられる。また中軸17の一部の外表面には、らせん状の溝であるネジ23が設けられる。ネジ23は移動つまみ22の内周と組み合う。
The
外筒18は、円筒形状の部材であり、内側に中軸17が配置されるとともに、内表面に第二気密部20が接触する。また外筒18の先端には、試料設置部12に設置された試料13が通過する開口30が設けられる。開口30の大きさは第一気密部19の外径よりも小さい。さらに外筒18の外表面には、グリップ21が設けられる。外筒18とグリップ21は、ゴニオメータ10や挿入孔に固定される。
The
移動つまみ22は、中軸17を外筒18に対してX軸の方向に移動させる機構であり、グリップ21に対して回転可能に設けられる。移動つまみ22がグリップ21に対して回転させられることにより、ネジ23を介して中軸17が外筒18に対してX軸の方向に移動し、中軸17に固定される試料設置部12も一緒に移動する。すなわち、移動つまみ22を操作することにより、試料設置部12に設置される試料13を外筒18の中と外との間で移動させることができる。
The moving
実施例1の試料ホルダ11により様々なガス雰囲気に曝される試料を観察する手順の一例について説明する。まず移動つまみ22を操作することにより、試料設置部12に設置される試料13を外筒18の中に移動させる。外筒18に対して中軸17が移動し続ける間、第二気密部20が外筒18の内表面と接触し続けることにより気密が保たれる。また図2B、図3Bに例示される状態になったとき、第一気密部19が開口30の周囲と接触することにより気密が保たれる。その結果、外筒18と第一気密部19、第二気密部20によって、所望のガスを封入できるガス封入室18aが形成される。なおバルブ16a、16bは共に閉じられている。
An example of a procedure for observing a sample exposed to various gas atmospheres by the
次に、ガス排気用のバルブ16aが開かれ、ガス供給排気部15によってガス封入室18aが真空引きされる。ガス封入室18aが十分な真空度になると、ガス排気用のバルブ16aが閉じられる。そしてガス供給用のバルブ16bが開かれ、ガス供給排気部15からガス封入室18aへ所望のガスが供給されることにより、試料13がガス雰囲気に曝される。
Next, the
次に、ガス供給用のバルブ16bが閉じられるとともにガス排気用のバルブ16aが開かれ、ガス供給排気部15によってガス封入室18aが真空引きされる。ガス封入室18aが十分な真空度になると、ガス排気用のバルブ16aが閉じられる。
Next, the
さらに移動つまみ22を操作することにより、試料設置部12に設置される試料13を外筒18の外、つまりガス封入室18aの外に移動させる。対物レンズ6の上部磁極片と下部磁極片との間を試料設置部12が通過し、図1に例示されるような位置に試料13が配置されると、試料13に電子源4から電子線3が照射され、観察像が生成される。試料設置部12の厚さ、つまりZ軸方向の大きさはより小さいことが好ましい。試料設置部12がより薄くなれば、対物レンズ6の上部磁極片と下部磁極片の間隔をより狭くできるので、対物レンズのレンズ強度をより向上できる。
Further, by operating the moving
観察像が生成された後、移動つまみ22を再度操作することにより、試料13を外筒18の中に移動させ、試料13を新たなガス雰囲気に曝しても良い。すなわち試料13をガス封入室18aの中でガス雰囲気に曝すことと、ガス封入室18aの外で観察することが繰り返されることにより、様々なガス雰囲気に曝される試料を観察することができる。
After the observation image is generated, the
以上説明したように、透過型電子顕微鏡1に予め備えられるゴニオメータ10や挿入孔に、実施例1の試料ホルダ11を挿入することによって、ガス雰囲気に曝された試料13を大気に曝すことなく観察することができる。すなわち、実施例1によれば、透過型電子顕微鏡1に代表される荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝される試料を観察可能な試料ホルダを提供することができる。
As described above, by inserting the
実施例1では、試料設置部12に設置された試料13を、外筒18と第一気密部19、第二気密部20によって形成されるガス封入室18aの中と外との間で移動させることにより、様々なガス雰囲気に曝される試料13を観察することについて説明した。実施例2では、試料13をガス雰囲気に曝すだけでなく、加熱中あるいは加熱後の試料13を観察することについて説明する。なお、実施例1と同じ構成については、同じ符号を付与することによって説明を簡略化する。
In the first embodiment, the
図4を用いて実施例2の試料ホルダ11について説明する。実施例2の試料ホルダ11には、実施例1の構成に対して、ヒータ24a、ヒータ用配線24b、ヒータ用電源24c、温度計25a、温度計用配線25b、温度表示部25cが追加される。
The
ヒータ24aは、試料13を加熱する素子であり、試料設置部12に設けられる。ヒータ24aには、ヒータ用電源24cからヒータ用配線24bを介して電力が供給される。ヒータ用配線24bは、配管14a、14bとともに中軸17の内部に収められ、ヒータ24aとヒータ用電源24cを接続する。
The
温度計25aは、ヒータ24a及び試料13の温度を測る計測器であり、例えば熱電対である。温度計25aによって計測された温度は、温度計用配線25bを介して伝達される温度表示部25cに表示される。温度計用配線25bは、配管14a、14bとともに中軸17の内部に収められ、温度計25aと温度表示部25cを接続する。なお、予め設定された目標温度と温度計25aによって計測された温度との差分に基づいて、ヒータ用電源24cが供給する電力が制御されても良い。
The
実施例2の試料ホルダ11により、様々なガス雰囲気に曝されるとともに加熱される試料13の観察例について説明する。例えば、ガス封入室18a配置された試料13を所定の温度まで加熱してから、ガス封入室18aにガスを導入することにより、加熱後にガス雰囲気に曝された試料13が観察される。あるいは、試料13が配置されたガス封入室18aにガスを導入してから、ヒータ24aで試料13を加熱することにより、ガス雰囲気に曝されてから加熱された試料13が観察される。また、ガス導入と加熱のタイミングを予めパターン化しておいても良い。タイミングをパターン化しておくことにより、様々なガス雰囲気や加熱サイクルが組み合わされた環境下において試料13を観察することができる。
An observation example of the
以上説明したように、実施例2の試料ホルダ11をゴニオメータ10や挿入孔に挿入することによって、様々なガス雰囲気に曝されるだけでなく、加熱中あるいは加熱後の試料13を大気に曝すことなく観察することができる。すなわち、実施例2によれば、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝されるとともに加熱される試料13を観察可能な試料ホルダを提供することができる。
As described above, by inserting the
実施例1では、様々なガス雰囲気に曝される試料13を観察することについて説明した。実施例3では、試料13をガス雰囲気に曝すだけでなく、電圧が印加された試料13を観察することについて説明する。なお、実施例1と同じ構成については、同じ符号を付与することによって説明を簡略化する。
In Example 1, observing a
図5を用いて実施例3の試料ホルダ11について説明する。実施例3の試料ホルダ11には、実施例1の構成に対して、電極26a、電線26b、電源26cが追加される。電極26aの先端には、試料13が接触しており、電源26cから電線26b及び電極26aを介して試料13に電圧が印加される。なお電線26bは、配管14a、14bとともに中軸17の内部に収められる。
The
実施例3の試料ホルダ11により、様々なガス雰囲気に曝されるだけでなく、電圧が印加される試料13を観察できる。例えば、ガス封入室18aに配置された試料13をガス雰囲気に曝しながら電圧を印加することにより、ガス雰囲気に曝されながら電圧が印加された試料13が観察される。あるいは、試料13をガス雰囲気に曝すことなく、電子線3が照射される位置に移動し、電圧を印加された状態の試料13が観察されても良い。
With the
以上説明したように、実施例3の試料ホルダ11をゴニオメータ10や挿入孔に挿入することによって、様々なガス雰囲気に曝されるだけでなく、電圧が印加された試料13を大気に曝すことなく観察することができる。すなわち、実施例3によれば、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝されるとともに電圧が印加された試料13を観察可能な試料ホルダを提供することができる。
As described above, by inserting the
実施例1では、様々なガス雰囲気に曝される試料13を観察することについて説明した。実施例4では、試料13をガス雰囲気に曝すときの圧力をモニタしながら試料13を観察することについて説明する。なお、実施例1と同じ構成については、同じ符号を付与することによって説明を簡略化する。
In Example 1, observing a
図6を用いて実施例4の試料ホルダ11について説明する。実施例4の試料ホルダ11には、実施例1の構成に対して、圧力計27a、圧力計用配線27b、圧力表示部27cが追加される。
The
圧力計27aは、ガス封入室18aの圧力を測る計測器である。圧力計27aによって計測された圧力は、圧力計用配線27bを介して伝達される圧力表示部27cに表示される。圧力計用配線27bは、配管14a、14bとともに中軸17の内部に収められ、圧力計27aと圧力表示部27cを接続する。なお、予め設定された目標圧力と圧力計27aによって計測された圧力との差分に基づいて、ガス供給排気部15の動作及びバルブ16a、16bの開閉が制御されても良い。
The
実施例4の試料ホルダ11により、様々なガス雰囲気に曝されるだけでなく、ガス封入室18aの圧力を一定に保ちながら試料13を観察できる。すなわち、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、一定の圧力に保たれる様々なガス雰囲気に曝された試料13を観察可能な試料ホルダを提供することができる。
The
実施例1では、試料ホルダ11を透過型電子顕微鏡1に挿入して使用することについて説明した。試料ホルダ11は透過型電子顕微鏡1以外の装置に挿入して使用しても良い。実施例5では、イオンビームを照射して試料を加工したり観察したりする集束イオンビーム装置に試料ホルダ11を挿入して使用することについて説明する。なお、実施例1と同じ構成については、同じ符号を付与することによって説明を簡略化する。
In Example 1, it has been described that the
図7を用いて実施例5の試料ホルダ11について説明する。実施例5の試料ホルダ11には、実施例1の構成に対して、アタッチメント28が追加される。アタッチメント28は、試料ホルダ11の外筒18の外表面に装着される器材であり、集束イオンビーム装置の挿入口29に挿入される。またアタッチメント28に装着された試料ホルダ11は、X軸と平行な軸を回転軸としてアタッチメント28に回転可能に支持される。すなわち、集束イオンビーム装置によって試料13を加工したり観察したりするときの方向を任意に切り替えることができる。
The
実施例5の試料ホルダ11により、様々なガス雰囲気に曝される試料13を観察するだけでなく、集束イオンビーム装置によって加工された試料13を観察できる。すなわち、荷電粒子線装置の筐体を改造することなく、様々なガス雰囲気に曝された試料13を観察可能であるとともに、試料の13の方向を切り替え可能な試料ホルダを提供することができる。
With the
以上、本発明の複数の実施例について説明した。本発明は上記実施例に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施例に開示されている複数の構成要素を適宜組み合わせても良い。例えば、実施例2乃至5の全構成要素を一緒に組み合わせても良い。さらに、上記実施例に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。 The plurality of examples of the present invention have been described above. The present invention is not limited to the above embodiment, and the components can be modified and embodied without departing from the gist of the invention. In addition, a plurality of components disclosed in the above examples may be appropriately combined. For example, all the components of Examples 2 to 5 may be combined together. Further, some components may be deleted from all the components shown in the above embodiment.
1:透過型電子顕微鏡、2:画像表示部、3:電子線、4:電子源、5:集束レンズ、6:対物レンズ、7:結像レンズ、8:蛍光板、9:カメラ、10:ゴニオメータ 、11:試料ホルダ、12:試料設置部、13:試料、14a:配管、14b:配管、15:ガス供給排気部、16a:バルブ、16b:バルブ、17:中軸、18:外筒、19:第一気密部、20:第二気密部、21:グリップ、22:移動つまみ、23:ネジ、24a:ヒータ、24b:ヒータ用配線、24c:ヒータ用電源、25a:温度計、25b:温度計用配線、25c:温度表示部、26a:電極、26b:電線、26c:電源、27a:圧力計、27b:圧力計用配線、27c:圧力表示部、28:アタッチメント、29:挿入口、30:開口 1: Transmissive electron microscope, 2: Image display unit, 3: Electron beam, 4: Electron source, 5: Focusing lens, 6: Objective lens, 7: Imaging lens, 8: Fluorescent plate, 9: Camera, 10: Goniometer , 11: Sample holder, 12: Sample mounting part, 13: Sample, 14a: Piping, 14b: Piping, 15: Gas supply / exhaust section, 16a: Valve, 16b: Valve, 17: Central shaft, 18: Outer cylinder, 19: 1st airtight part, 20: 2nd airtight part, 21: grip, 22: moving knob, 23: screw, 24a: heater, 24b: heater wiring, 24c: heater power supply, 25a: thermometer, 25b: thermometer Wiring, 25c: Temperature display, 26a: Electron, 26b: Electric wire, 26c: Power supply, 27a: Pressure gauge, 27b: Pressure gauge wiring, 27c: Pressure display, 28: Attachment, 29: Insertion port, 30: Opening
Claims (9)
試料が設置される試料設置部と、
所望のガスが封入されるガス封入室と、
前記ガス封入室の中と外との間で前記試料設置部を移動させる移動機構を備え、
前記ガス封入室は前記試料設置部に設置された前記試料が通過する開口を有し、
前記開口の周囲に接触して気密を保つ気密部が前記試料設置部の先端に設けられることを特徴とする試料ホルダ。 A sample holder that holds a sample and is inserted through an existing hole in a charged particle beam device.
The sample installation section where the sample is installed and the sample installation section
A gas encapsulation chamber in which the desired gas is encapsulated, and
A moving mechanism for moving the sample mounting portion between the inside and the outside of the gas filling chamber is provided.
The gas encapsulation chamber has an opening through which the sample installed in the sample installation portion passes.
A sample holder characterized in that an airtight portion that contacts the periphery of the opening to maintain airtightness is provided at the tip of the sample mounting portion.
前記移動機構は、円筒形状の外筒と、前記試料設置部が先端に設けられるとともに前記外筒の中に配置される中軸と、前記外筒とともに前記孔に固定されるグリップと、前記中軸の外表面の一部に設けられるネジと組み合うとともに前記グリップに対して回転する移動つまみを有し、
前記試料設置部は、前記移動つまみが前記グリップに対して回転することによって移動させられることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 1.
The moving mechanism includes a cylindrical outer cylinder, a center pole provided with a sample mounting portion at the tip and arranged in the outer cylinder, a grip fixed to the hole together with the outer cylinder, and the center pole. It has a moving knob that rotates with respect to the grip while being combined with a screw provided on a part of the outer surface.
The sample setting portion is a sample holder characterized in that the moving knob is moved by rotating with respect to the grip.
前記ガス封入室は、前記試料設置部が前記外筒の中に移動して前記気密部が前記開口の周囲に接触したときに形成されることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 2.
The gas-filled chamber is a sample holder formed when the sample mounting portion moves into the outer cylinder and the airtight portion comes into contact with the periphery of the opening.
前記試料設置部には、前記試料を加熱するヒータが設けられることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 1.
A sample holder characterized in that a heater for heating the sample is provided in the sample setting portion.
前記試料設置部には、前記試料の温度を計測する温度計が設けられることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 4.
A sample holder characterized in that a thermometer for measuring the temperature of the sample is provided in the sample setting portion.
前記試料設置部には、前記試料に電圧を印加する電極が設けられることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 1.
A sample holder characterized in that an electrode for applying a voltage to the sample is provided in the sample setting portion.
前記試料設置部には、前記ガス封入室の圧力を計測する真空計が設けられることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 1.
A sample holder characterized in that the sample setting portion is provided with a vacuum gauge for measuring the pressure in the gas filling chamber.
前記外筒を回転可能に支持するアタッチメントが前記外筒の外表面に装着されることを特徴とする試料ホルダ。 The sample holder according to claim 2.
A sample holder characterized in that an attachment that rotatably supports the outer cylinder is attached to the outer surface of the outer cylinder.
請求項1に記載の試料ホルダを備えることを特徴とする荷電粒子線装置。 A charged particle beam device that generates an observation image of a sample by irradiating the sample with an electron beam from an electron source.
A charged particle beam device comprising the sample holder according to claim 1.
Priority Applications (1)
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