JP2023058813A - stage - Google Patents

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JP2023058813A
JP2023058813A JP2021168543A JP2021168543A JP2023058813A JP 2023058813 A JP2023058813 A JP 2023058813A JP 2021168543 A JP2021168543 A JP 2021168543A JP 2021168543 A JP2021168543 A JP 2021168543A JP 2023058813 A JP2023058813 A JP 2023058813A
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裕也 宮崎
Yuya Miyazaki
貴志 權堂
Takashi Gondo
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Abstract

To provide a stage capable of cooling or heating from the upper surface of a sample.SOLUTION: A stage according to the present invention includes a sample pedestal on which a sample is mounted, a heat insulating base installed under the sample pedestal, a heat conducting unit that is installed on the upper part of the sample pedestal and made of a member having heat conductivity, and a cooling unit or a heating unit. In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conducting unit made of a member having thermal conductivity is in contact with the cooling unit or the heating unit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ステージに関し、特に、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a stage, and more particularly to a stage capable of cooling or heating from the upper surface of a sample.

近年、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)、走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)等の電子顕微鏡における高分解能解析が進んでおり、例えば、ナノオーダーからピコオーダーへと高分解能解析が要望されてきている。昨今、電子顕微鏡内で試料を観察しながら冷却(や加熱、電場印加、磁場印加、回転)などを行う“その場観察”が注目を浴びている。特に、試料の電子線によるダメージを低減させるためには試料冷却は有効と考えられており、この観点からの試料冷却も試されている。例えば、冷却手段を有する装置として、走査型電子顕微鏡の試料室内に、水分が昇華された試料を設置する冷却ステージと、この冷却ステージ上に延びて、走査型電子顕微鏡の観察下にて、試料の必要成分を切り出すマニュピレータと、が設けられて成る走査型電子顕微鏡を用いた試料処理装置が知られている(特許文献1)。 In recent years, high-resolution analysis in electron microscopes such as transmission electron microscopes (TEMs) and scanning transmission electron microscopes (STEMs) has progressed. There is a demand for resolution analysis. In recent years, "in situ observation", which involves cooling (or heating, applying an electric field, applying a magnetic field, or rotating) while observing a sample in an electron microscope, has been attracting attention. In particular, sample cooling is thought to be effective in reducing electron beam damage to the sample, and sample cooling has been tried from this point of view. For example, as an apparatus having a cooling means, a cooling stage for placing a sample in which water is sublimated in a sample chamber of a scanning electron microscope, and a cooling stage extending above the cooling stage to cool the sample under observation of the scanning electron microscope There is known a sample processing apparatus using a scanning electron microscope provided with a manipulator for cutting out the necessary components of (Patent Document 1).

特開昭62-85840号公報JP-A-62-85840

このような冷却のニーズがある中で、上述の特許文献1を含め従来技術においては、既存の冷却ステージの試料固定方法は試料台座部の上面に試料を張り付ける方法のみで、試料下面から冷却をおこなうにとどまっている。すなわち、従来の冷却ステージでは試料台座部に両面テープや接着剤などで試料を張り付けて観察を行う方法が一般的であった。温度変化を観察するという点について既存の方法は問題なく、また、検出器の位置関係からも合理的な方法であるが、既存の方法において、試料には必ず厚みがあるので温度変化は試料の下面から上面にかけて変化し、その変化の様子を観察していたことになる。 While there is such a need for cooling, in the prior art including the above-mentioned Patent Document 1, the only method for fixing the sample on the existing cooling stage is to attach the sample to the upper surface of the sample pedestal, and the sample is cooled from the lower surface. It remains to do That is, in the conventional cooling stage, it was common to attach the sample to the sample pedestal using a double-sided tape or an adhesive for observation. There is no problem with the existing method in terms of observing the temperature change, and it is also a rational method in terms of the positional relationship of the detector. It changed from the lower surface to the upper surface, and the state of the change was observed.

ここで、相変態など温度変化によって発生する現象を観察する場合、上面で観察される現象は熱接触している下面から変態が開始しその途中や結果が表面に現われて観察されている可能性が高く、温度をパラメータとした材料の変化の‘初期’を観察するには冷却・加熱を開始した面を観察することが重要である。しかしながら、既存の技術では必ず下面から温度変化が生じるのでこれをとらえることは困難であった。この点は、試料を冷却する場合はもちろんのこと、試料を加熱する場合にも起こり得る問題であった。 Here, when observing a phenomenon that occurs due to temperature change such as phase transformation, the phenomenon observed on the upper surface may be that the transformation starts from the lower surface that is in thermal contact, and the process or result appears on the surface. is high, and it is important to observe the surface where cooling/heating starts in order to observe the 'initial stage' of material changes with temperature as a parameter. However, with the existing technology, it was difficult to capture the temperature change, which always occurs from the bottom surface. This point is a problem that can occur not only when the sample is cooled, but also when the sample is heated.

そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a stage capable of cooling or heating a sample from the upper surface thereof in order to solve the above problems.

上記目的を達成するために、本発明者は、ステージの機構について鋭意検討を行った結果、本発明を見出すに至った。 In order to achieve the above object, the present inventor has found the present invention as a result of earnestly studying the mechanism of the stage.

すなわち、本発明のステージは、試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有することを特徴とする。 That is, the stage of the present invention includes a sample pedestal on which a sample is mounted, a thermally insulating base installed below the sample pedestal, and a thermally conductive portion installed above the sample pedestal and made of a member having thermal conductivity. and a cooling unit or a heating unit.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部は、前記冷却部又は前記加熱部と接触することを特徴とする。 Further, in a preferred aspect of the stage of the present invention, the heat conducting portion made of the member having heat conductivity is in contact with the cooling portion or the heating portion.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする。 Moreover, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by further comprising a thermoelectric element installed close to the cooling section or the heating section.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は、伸長可能であることを特徴とする。 Also, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conducting portion is extendable.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有することを特徴とする。 Further, in a preferred aspect of the stage of the present invention, the heat conducting portion has a gap for preventing interference with electron beams.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有することを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by further comprising a sample pedestal retainer for pressing the sample pedestal.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有することを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by having a heat conductive spacer having one or more holes between the sample and the sample pedestal retainer.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有することを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by having a horizontal adjustment member between the sample pedestal and the thermal insulation base.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the thermoelectric element is a thermoelectric element that utilizes at least one of the Peltier effect and the Thomson effect.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling section, the heating section, or the heat conducting section.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the cooling section is made of at least one of solid refrigerant, liquid refrigerant, and gaseous refrigerant.

本発明のステージによれば、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージを提供し得るという有利な効果を奏する。また、本発明のステージによれば、試料について、材料の変化の初期を的確に観察することが可能であるという有利な効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the stage of this invention, there exists an advantageous effect that the stage which can be cooled or heated from the upper surface of a sample can be provided. Further, according to the stage of the present invention, there is an advantageous effect that it is possible to accurately observe the initial stage of the change in the material of the sample.

図1は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図1(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの側面図を、図1(b)は、図1(a)のA-A断面におけるステージの断面図を、図1(c)は図1(b)のB部分の拡大図を、それぞれ示す。FIG. 1 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. FIG. 1(a) is a side view of a stage in one embodiment of the present invention, FIG. 1(b) is a cross-sectional view of the stage taken along line A-A in FIG. 1(a), and FIG. The enlarged view of the B part of (b) is each shown. 図2は、本発明に適用可能な熱電素子の一実施態様を示す。図2(a)は、ペルチェ素子の断面図を示し、図2(b)は、ペルチェ素子の原理の模式図を示す。FIG. 2 shows one embodiment of a thermoelectric element applicable to the present invention. FIG. 2(a) shows a cross-sectional view of a Peltier element, and FIG. 2(b) shows a schematic diagram of the principle of the Peltier element. 図3は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図3(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの斜視図を、図1(b)は、ステージの上面図を、それぞれ示す。FIG. 3 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. FIG. 3(a) shows a perspective view of a stage in one embodiment of the present invention, and FIG. 1(b) shows a top view of the stage.

本発明のステージは、試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有することを特徴とする。本発明において、試料を搭載する試料ステージとしては、電子顕微鏡内で観察する試料を搭載することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されることはない。また、本発明において、冷却部又は加熱部としては、電子顕微鏡内で観察する試料を冷却又は加熱することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されることはない。また、本発明において、複雑な温度のファクターを排除して、実験を正確に行うという観点から、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースを有する。まず、加熱ではなく、冷却の場合を例に説明すると以下の通りである。通常は下面で試料を固定(両面テープか接着)して下面から冷やしているの現状である。また、電子線は上方から照射され、電子顕微鏡は基本的に真空中で観察するので、上面はほぼ完ぺきな熱絶縁(真空)となっている。下面から冷却されて上面にかけて温度勾配ができるが、一定時間が経過すると温度は均一冷却される。試料の材料全体としての変化を知りたい場合はこの処理で十分である。つぎに上面から冷却する場合は、例えば、上面と下面で挟むことでも上面は冷却される。しかしながら、下面からも冷却されてしまう。この場合、上面からの冷却の効果と下面からの冷却の効果が混ざることになる。温度勾配は小さく試料をしっかり固定できるなどメリットはあるが、反対に、上面(観察面)の変化を知りたい場合、冷却と下面の冷却のどちらの効果で変化が生じたのか判明しづらくなる。ここで、下面を冷却しないでも熱絶縁しない場合を考える。この場合、下面からは熱の流入が生じる。すると上面を冷やすと同時に下面は加熱されているのと同じ状態と考えられる。下面からの熱の流入があるので上面の温度に影響があるだけでなく、試料全体を見た時に常に温度勾配が生じて温度が均一でなく、何度でその変化が生じたのか正確に読み取れなくなる。ここでさらに、下面を熱絶縁した場合、ちょうど下面からの冷却と反転した現象と考えることができる。ゆえに、起きた現象を理解する上でその解釈が容易になる。下面を熱絶縁する必要性は以上の通りであるが、本発明においては、試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースにより、下面を熱絶縁することが可能となる。以上は冷却の場合を例に説明したが、加熱の場合も下面を熱絶縁する必要性は同様となる。 The stage of the present invention includes a sample pedestal on which a sample is mounted, a thermally insulating base installed at the bottom of the sample pedestal, a heat conductive part installed at the top of the sample pedestal and made of a member having thermal conductivity, and a cooling part or a heating part. In the present invention, the sample stage on which the sample is mounted is not particularly limited in terms of shape, structure, etc., as long as the sample to be observed in the electron microscope can be mounted. In addition, in the present invention, the cooling section or heating section is not particularly limited, including its shape and structure, as long as it can cool or heat the sample to be observed in the electron microscope. In addition, in the present invention, from the viewpoint of performing experiments accurately by eliminating complicated temperature factors, a heat insulating base is installed under the sample pedestal. First, the case of cooling instead of heating will be described as an example. Normally, the sample is fixed (double-sided tape or adhesive) on the bottom surface and cooled from the bottom surface. In addition, since electron beams are applied from above and electron microscopes are basically used for observation in a vacuum, the upper surface is almost perfectly thermally insulated (vacuum). Although the temperature gradient is generated from the lower surface to the upper surface, the temperature is uniformly cooled after a certain period of time. This process is sufficient if you want to know the change in the material of the sample as a whole. Next, when cooling from the upper surface, the upper surface can also be cooled by, for example, sandwiching it between the upper surface and the lower surface. However, it is also cooled from the lower surface. In this case, the effect of cooling from the upper surface and the effect of cooling from the lower surface are mixed. The temperature gradient is small and the sample can be fixed firmly, but on the other hand, if you want to know the change in the top surface (observation surface), it is difficult to determine whether the change was caused by cooling or the bottom surface. Now, let us consider the case where the lower surface is not thermally insulated even if it is not cooled. In this case, an inflow of heat occurs from the lower surface. Then, it can be considered that the upper surface is cooled and the lower surface is heated at the same time. Since there is an influx of heat from the bottom surface, not only does it affect the temperature of the top surface, but when looking at the entire sample, there is always a temperature gradient and the temperature is not uniform. Gone. Furthermore, when the lower surface is thermally insulated, it can be considered that the phenomenon is reversed from cooling from the lower surface. Therefore, the interpretation becomes easier in understanding the phenomenon that occurred. The need to thermally insulate the lower surface is as described above. In the present invention, the thermally insulating base installed under the sample pedestal enables the thermal insulation of the lower surface. Although the case of cooling has been described above as an example, the necessity of thermally insulating the lower surface is the same in the case of heating as well.

また、本発明において、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部を備える。これによって、試料を上部から冷却又は加熱することができ、観察を開始する面は試料の上部の面であるため、従来では実現できなかった、冷却又は加熱を開始した面からの観察を実現することができ、ひいては材料の初期の変化を的確に観察することが可能となる。 Further, in the present invention, a heat conducting portion is provided on the upper portion of the sample pedestal and made of a member having heat conductivity. As a result, the sample can be cooled or heated from above, and the surface from which observation is started is the upper surface of the sample. Therefore, it is possible to observe from the surface where cooling or heating is started, which could not be realized in the past. Therefore, it is possible to accurately observe initial changes in the material.

本発明において、熱伝導部に用いることが可能な熱伝導性を有する部材としては、特に限定されないが、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銀、金、タングステンなどを挙げることができる。 In the present invention, the member having thermal conductivity that can be used for the thermally conductive portion is not particularly limited, but examples thereof include copper and copper alloys, aluminum and aluminum alloys, silver, gold, and tungsten. .

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部は、前記冷却部又は前記加熱部と接触することを特徴とする。本発明において、前記試料台座の上部に設置された熱伝導部が、前記冷却部又は前記加熱部と接触することにより、試料を上部から、冷却又は加熱させることが可能となる。 Further, in a preferred aspect of the stage of the present invention, the heat conducting portion made of the member having heat conductivity is in contact with the cooling portion or the heating portion. In the present invention, it is possible to cool or heat the sample from above by contacting the heat-conducting portion provided on the upper portion of the sample pedestal with the cooling portion or the heating portion.

また、本発明において、試料の冷却及び加熱が可能であるが、冷却部を用いた場合には、以下の利点を有する。すなわち、試料上面近傍に熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部を介して冷却することで、当該冷却した熱伝導部は、コンタミネーション防止用のコールドトラップ機能を有することができる。 Moreover, in the present invention, the sample can be cooled and heated, and the following advantages are obtained when the cooling section is used. That is, by cooling the sample via a heat conductive portion made of a member having thermal conductivity in the vicinity of the upper surface of the sample, the cooled heat conductive portion can have a cold trap function for preventing contamination.

ここで、コールドトラップ(Cold trap)という表現を使用する場合は、冷却して真空中の微量な浮遊物質(ガス:炭化水素など)をとらえる装置として理解することができる。すなわち、真空中にガスがあるとそれが電子線の照射とともに試料に打ちつけられて、試料の上に堆積していくことが予想される。本発明のように、上面近傍に冷却部材を配する場合、電子線照射等を遮らない範囲で試料近傍を冷却された金属部材(冷却部材)で囲み、局所的に真空度の高い領域を作り出す機構を実現することが可能となる。これによって、出てきたガスを集めるために冷却して凝縮する仕組みを構築することができ、ひいては、電子顕微鏡内で真空中に存在するガスが試料につかないようにすることが可能となる。 Here, when the expression "cold trap" is used, it can be understood as a device that cools and captures a minute amount of suspended matter (gas: hydrocarbons, etc.) in a vacuum. That is, if there is gas in the vacuum, it is expected that the gas will hit the sample together with the irradiation of the electron beam and deposit on the sample. As in the present invention, when a cooling member is arranged near the upper surface, the vicinity of the sample is surrounded by a cooled metal member (cooling member) within a range that does not block electron beam irradiation, etc., creating a locally high vacuum area. mechanism can be realized. This makes it possible to construct a cooling and condensing mechanism in order to collect the emitted gas, which in turn makes it possible to prevent the gas present in the vacuum from adhering to the sample inside the electron microscope.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする。冷却部において、冷媒は用途により、適宜設定することができ、特に限定されない。好ましい媒体としては、汎用性という観点から、液体を挙げることができる。液体(水など)であれば温度の調整を汎用装置(冷却チラー)を用いてできる一方、流体であるため振動源になり得る。液体として、液体窒素や液体ヘリウムを使用することも可能である。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the cooling section is made of at least one of solid refrigerant, liquid refrigerant, and gaseous refrigerant. In the cooling section, the coolant can be appropriately set depending on the application, and is not particularly limited. From the viewpoint of versatility, a liquid can be mentioned as a preferable medium. If it is a liquid (such as water), the temperature can be adjusted using a general-purpose device (cooling chiller), but since it is a fluid, it can be a source of vibration. It is also possible to use liquid nitrogen or liquid helium as the liquid.

また、本発明において、水冷に比べて水流や脈流による振動の影響を限りなくゼロにすることが可能であるという観点から、前記冷却部は、固体冷媒としてもよい。すなわち、本発明において、ペルチェ素子等の放熱面をドライアイスなどの固体の冷媒により冷やすことが可能である。これによって、水冷に比べて水流や脈流による振動の影響を限りなくゼロにすることが可能である。また、固体の場合には、冷却部の温度の調整が困難な点については、後述するような熱電素子を使用してコントロールすることが可能である。 In addition, in the present invention, the cooling unit may be a solid refrigerant from the viewpoint that the influence of vibration due to water flow or pulsating flow can be reduced to zero as compared to water cooling. That is, in the present invention, it is possible to cool the heat radiating surface of the Peltier device or the like with a solid refrigerant such as dry ice. As a result, compared to water cooling, it is possible to eliminate the influence of vibrations caused by water currents and pulsating currents as much as possible. In addition, in the case of a solid, it is possible to control the temperature of the cooling part by using a thermoelectric element as will be described later.

一方で、冷却ガスを微小流量にて流す場合も、振動の影響が少ないため、本発明において、これらも利用可能である。冷却ガスは、例えば、液体窒素をガス化して取り出したものなどを挙げることができる。これにより、試料を良好に冷やすことが可能である。本発明において、冷却ガスは液体窒素に限定されない。弱くガスを放熱面に通すだけであれば振動の影響はほぼなく実用できると考えられる。したがって、本発明においては、上述のように、実際に冷却部として、固体冷媒を使う場合であっても、放熱面に押し当てるのではなく、隙間を空けて冷気を当てれば足り、また、同様に、液体窒素ガスを使う場合には、冷却ガスを放熱面に通して振動の影響を受けることなしに、観察可能となる。冷却部の温度の調整が困難な点については、後述するような熱電素子を使用してコントロールすることが可能である。 On the other hand, even when the cooling gas is flowed at a very small flow rate, it can be used in the present invention because the effect of vibration is small. As the cooling gas, for example, liquid nitrogen can be gasified and taken out. This allows good cooling of the sample. In the present invention, the cooling gas is not limited to liquid nitrogen. If the gas is only weakly passed through the heat dissipation surface, it is considered that there is almost no effect of vibration and it is practical. Therefore, in the present invention, as described above, even when a solid refrigerant is actually used as the cooling part, it is sufficient to apply cold air with a gap instead of pressing it against the heat dissipation surface. Furthermore, when liquid nitrogen gas is used, observation is possible without being affected by vibration by passing the cooling gas through the heat radiation surface. Regarding the difficulty in adjusting the temperature of the cooling section, it is possible to control it using a thermoelectric element as described later.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は伸長可能であることを特徴とする。すなわち、冷却部又は加熱部から横方向に延長して、伸長可能な熱伝導部を設けて、別途準備した熱絶縁部の上に試料を設置し、試料上まで熱伝導部を延長してくることで冷却又は加熱ができる。すなわち、ステージの外に外部と熱絶縁された構造の試料台座部を準備することができ、その後、試料台座部の上空まで熱伝導部を延長することができる。そして、試料を熱伝導部と試料台座で挟むことが可能である。このような構造も本発明の好適な態様とすることができる。後述する図においては、省スペース化のためにステージの上に積み上げるような構造にしているが、ステージと離れた場所に熱伝導路を伸ばすことも可能である。なお、伸長可能な熱伝導部は、例えば、アーム状、クランプ状、等形状は問わない。本発明において、伸長可能な熱伝導部は、上述したような熱伝導性を有する部材からなることができ、熱伝導部としては、冷却部又は加熱部と接触して、冷却部又は加熱部からの冷熱源を試料に伝搬することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されない。 Also, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conducting portion is extendable. That is, an extensible heat-conducting portion is provided by extending laterally from the cooling portion or heating portion, the sample is placed on the separately prepared heat-insulating portion, and the heat-conducting portion is extended to the top of the sample. can be cooled or heated. That is, a sample pedestal having a structure thermally insulated from the outside can be prepared outside the stage, and then the heat conducting portion can be extended to the sky above the sample pedestal. Then, the sample can be sandwiched between the heat conducting portion and the sample pedestal. Such a structure can also be a preferred aspect of the present invention. In the drawings to be described later, the structure is such that they are stacked on the stage for space saving, but it is also possible to extend the heat conduction path to a place away from the stage. Note that the extensible heat-conducting portion may have any shape, such as an arm shape, a clamp shape, or the like. In the present invention, the extensible heat-conducting part can be made of a member having heat conductivity as described above. The shape, structure, etc. are not particularly limited as long as the cold heat source can be propagated to the sample.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする。上述のように、伸長可能な熱伝導部を設ける態様においては、前記熱伝導部の上に熱電素子を設置することが可能である。本発明において、熱電素子の配置位置についても、冷却部又は加熱部に近接して設置されていれば、特に限定されない。熱電素子によって、効率的に、試料に要求される温度を設定する、すなわち、温度制御することが可能となる。なお、熱電素子を用いた態様においては、冷却・加熱のレスポンスが良く熱ドリフトの影響を極力抑えることができ、また、冷却・加熱のレスポンスが良くなるために、精密な温度コントロールを可能である。なお、熱電素子を用いた様態においては、通電方向を反転するだけで冷却・加熱を一つの素子で実現することができ、同時に冷却と昇温のレスポンスが早いので所定の温度に変更することが容易である。また、入力する電力の出力調整により精密な温度コントロールが可能なので、精密な温度コントロールが可能であり、熱ドリフトの影響を極力抑えることができる。 Moreover, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by further comprising a thermoelectric element installed close to the cooling section or the heating section. As noted above, in embodiments that provide an extensible heat-conducting portion, it is possible to place a thermoelectric element on top of the heat-conducting portion. In the present invention, the arrangement position of the thermoelectric element is not particularly limited as long as it is installed close to the cooling section or the heating section. A thermoelectric element makes it possible to set the required temperature of the sample in an efficient manner, ie to control the temperature. In addition, in the embodiment using a thermoelectric element, the cooling/heating response is good and the influence of thermal drift can be suppressed as much as possible, and the cooling/heating response is improved, so precise temperature control is possible. . In addition, in a mode using a thermoelectric element, cooling and heating can be realized with a single element simply by reversing the direction of current flow. Easy. In addition, since precise temperature control is possible by adjusting the output of the input electric power, precise temperature control is possible and the influence of thermal drift can be suppressed as much as possible.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有することを特徴とする。本発明においては、熱伝導部は、試料の上部に設置しているため、電子線が照射されている位置に熱伝導部が存在する場合には、当該部材が電子線と干渉することになる。電子線と干渉しないように、熱伝導部を湾曲に設定等することができるが、空隙を設けることにより、干渉を防止することもできる。例えば、試料上面には電子線と干渉しないように熱伝導路に円形の穴を配することができる。空隙は、必ずしも円形である必要はなく四角にして板で試料を両側ないし多方向から押さえつけるような構造でも良いが、試料に対する等方的な熱伝導を考慮するという観点から、空隙は円形が好ましい。 Further, in a preferred aspect of the stage of the present invention, the heat conducting portion has a gap for preventing interference with electron beams. In the present invention, since the heat-conducting part is installed above the sample, if the heat-conducting part exists at the position where the electron beam is irradiated, the member will interfere with the electron beam. . The heat-conducting portion can be curved so as not to interfere with the electron beam, but the interference can be prevented by providing a gap. For example, a circular hole can be arranged in the heat conducting path on the upper surface of the sample so as not to interfere with the electron beam. The air gap does not necessarily have to be circular, and may be square and press the sample from both sides or multiple directions with a plate. However, from the viewpoint of isotropic heat conduction to the sample, a circular air gap is preferable. .

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。すなわち、本発明においては、熱電素子の配置位置について、冷却部、加熱部又は熱伝導部に近接して設置されていればよく、例えば、固体の冷媒等の冷却部、加熱部又は熱伝導部を放熱側(放熱面側)に押し付けるような構造でも良いし、隙間を空けて冷気を当てるような構造でも良い。冷気を当てる場合は、自然対流でもファンなどを用いた強制対流でもよいが、強制対流が振動を発生する場合は、強制対流の程度にもよるが、自然対流が望ましい。自然対流の場合でも、固体の冷媒が十分に低い温度を有しているので、放熱面側と固体冷媒等の冷却部の冷気の間に大きな温度勾配があるので、十分な熱の移動が発生し放熱面を適切に冷却できるものと考えられる。なお、自然対流よりも強制対流で、空冷よりも水冷による放熱の処理が有効である。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling section, the heating section, or the heat conducting section. That is, in the present invention, the thermoelectric element may be placed in the vicinity of the cooling part, the heating part, or the heat conducting part. may be pressed against the heat radiating side (heat radiating surface side), or may have a structure in which a gap is provided and cold air is applied. When applying cool air, either natural convection or forced convection using a fan or the like may be used. However, if forced convection causes vibration, natural convection is preferable depending on the degree of forced convection. Even in the case of natural convection, since the solid refrigerant has a sufficiently low temperature, there is a large temperature gradient between the heat radiation surface side and the cold air in the cooling part such as the solid refrigerant, so sufficient heat transfer occurs. Therefore, it is considered that the heat radiation surface can be cooled appropriately. Forced convection is more effective than natural convection, and water cooling is more effective than air cooling.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする。ペルティエ効果(ペルチェ効果ともいう)は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する効果であり、2種類の異種金属(または半導体)の両端を接続し電流を流すと、両端に温度差が生じる現象である。特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器やワインセラーなどの冷却に利用されているものである。また、トムソン効果は、温度勾配を持たせた一様金属(または異種金属)に電流を流したときに発生する、ジュール熱以外の熱の発生(電流を反転させると熱の吸収)する効果のことを言う。いずれも、熱を発生させたり、熱を吸収したりすることができる。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the thermoelectric element is a thermoelectric element that utilizes at least one of the Peltier effect and the Thomson effect. The Peltier effect (also known as the Peltier effect) is the effect of converting electrical energy into thermal energy. When two dissimilar metals (or semiconductors) are connected to each other and an electric current is applied, a temperature difference occurs between the two ends. . Especially called a Peltier element, it is used for cooling precision instruments and wine cellars. In addition, the Thomson effect is the effect of generating heat other than Joule heat (heat absorption when reversing the current) that occurs when an electric current is passed through a uniform metal (or dissimilar metal) with a temperature gradient. Say things. Both can generate heat or absorb heat.

なお、熱電素子と、冷却部、加熱部、又は熱伝導部との間には、熱電素子の効率的な排熱という観点から、放熱部材を設置してもよい。 From the viewpoint of efficient heat dissipation from the thermoelectric elements, a heat radiating member may be installed between the thermoelectric elements and the cooling section, the heating section, or the heat conducting section.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、冷却・加熱のレスポンスが良く熱ドリフトの影響を極力抑えるという観点から、ペルティエ素子であることを特徴とする。ペルティエ素子は、ペルチェ素子(サーモ・モジュール)とも呼ばれており、これは、ペルチェ効果を利用した素子の総称である。現在主流で最も性能が良いとされている構造は“π形”と呼ばれるもので、図2のような構造を持っている。P型半導体とN型半導体を用いたPN接合部に電流を流すことで、P-N間で放熱、N-P間で吸熱を起こすことができる。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the thermoelectric element is a Peltier element from the viewpoint of having good cooling/heating response and suppressing the influence of thermal drift as much as possible. A Peltier element is also called a Peltier element (thermo module), which is a general term for elements utilizing the Peltier effect. The currently mainstream structure, which is said to have the best performance, is called the "π-type", and has the structure shown in FIG. By passing a current through a PN junction using a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, it is possible to cause heat dissipation between P-N and heat absorption between N-P.

原理は、以下の通りである。図2は、本発明に適用可能な熱電素子の一実施態様を示す。図2(a)は、ペルチェ素子の断面図を示し、図2(b)は、ペルチェ素子の原理の模式図を示す。図2(a)において、21はホットサイドの金属(主にCu)、22はセラミックス基板(主にアルミナ)、23は放熱面、24はN型半導体、25はP型半導体、26は電線、27は電源、28は吸熱、29はN型半導体の伝導帯、30は放熱、31はプラス側、32は吸熱側、33は価電子帯、34は放熱側、35はマイナス側、36はコールドサイドの金属(主にCu)、37はコールドサイドの金属(主にCu)、38は電子、39は正孔、40はP型半導体の伝導帯をそれぞれ示す。 The principle is as follows. FIG. 2 shows one embodiment of a thermoelectric element applicable to the present invention. FIG. 2(a) shows a cross-sectional view of a Peltier element, and FIG. 2(b) shows a schematic diagram of the principle of the Peltier element. In FIG. 2(a), 21 is a hot side metal (mainly Cu), 22 is a ceramic substrate (mainly alumina), 23 is a heat dissipation surface, 24 is an N-type semiconductor, 25 is a P-type semiconductor, 26 is an electric wire, 27 is the power source, 28 is the heat absorption, 29 is the conduction band of the N-type semiconductor, 30 is the heat dissipation, 31 is the plus side, 32 is the heat absorption side, 33 is the valence band, 34 is the heat dissipation side, 35 is the minus side, and 36 is cold. Side metal (mainly Cu), cold side metal (mainly Cu) 37, electrons 38, holes 39, and conduction band 40 of the P-type semiconductor.

図2(a)において、N型半導体24側の金属36にマイナス極が接続されている。したがって、電圧によって電子はこの金属36の伝導帯からN型半導体24の伝導帯29に押し上げられる。この時、金属36の伝導帯とN型半導体24の伝導帯29にエネルギーギャップがあるため、電子は金属36から熱エネルギーを奪いその結果この金属36を冷却する。引き続いて電子は流れ、N型半導体24の伝導帯29から金属21の伝導帯に落ちる。両バンドのエネルギーギャップによって電子は熱エネルギーを放出する。このようにしてホットサイドの金属21を加熱する。さらに流れてきた電子は金属21の伝導帯から、P型半導体25の中を流れてきた正孔39に落ち込み熱エネルギーを放出し、ホットサイドの金属21を加熱する。P型半導体25の中では電圧によって正孔39が生産されコールドサイド37からホットサイド21に流れる。その時に生じた電子が電圧によってコールドサイドの金属の伝導帯に押し上げられ、それらのエネルギーギャップに応じた熱エネルギーを奪いコールドサイドの金属37を冷却する。このように電流が流れることによってペルチェモジュールのコールドサイドからホットサイドに熱が運ばれることになる。電流によって運ばれる熱エネルギーの他に熱伝導によって運ばれる熱エネルギーがあるが、熱伝導によって運ばれる熱エネルギーは流れの方向が逆のため少なくするほどペルチェモジュールの性能が良くなる。つまりホットサイドの熱エネルギーをヒートシンク等でできるだけ早く取ってやることがペルチェモジュールに良い性能を発揮させることになる。簡単に言えば、電子が熱を運ぶ(奪う)ということになる。 In FIG. 2A, the minus electrode is connected to the metal 36 on the N-type semiconductor 24 side. Therefore, electrons are pushed up from the conduction band of this metal 36 to the conduction band 29 of the N-type semiconductor 24 by the voltage. At this time, since there is an energy gap between the conduction band of the metal 36 and the conduction band 29 of the N-type semiconductor 24 , the electrons take heat energy from the metal 36 and as a result cool the metal 36 . Electrons subsequently flow and fall from the conduction band 29 of the N-type semiconductor 24 into the conduction band of the metal 21 . The electrons release thermal energy due to the energy gap between both bands. The hot side metal 21 is thus heated. Further, the electrons that have flowed fall from the conduction band of the metal 21 into the holes 39 that have flowed through the P-type semiconductor 25 and release thermal energy to heat the metal 21 on the hot side. In the P-type semiconductor 25 , holes 39 are produced by voltage and flow from the cold side 37 to the hot side 21 . The electrons generated at that time are pushed up to the conduction band of the metal on the cold side by the voltage, deprive the heat energy corresponding to the energy gap between them, and cool the metal 37 on the cold side. This flow of current transfers heat from the cold side to the hot side of the Peltier module. In addition to heat energy carried by electric current, there is heat energy carried by heat conduction, but the heat energy carried by heat conduction flows in the opposite direction. In other words, the Peltier module will exhibit good performance if the heat energy on the hot side is removed as quickly as possible with a heat sink or the like. Simply put, electrons carry (take away) heat.

半導体の材料としては、特に限定されず、いずれも適用することが可能であるが、Bi-Te系半導体が最も性能が良いとされ主流となっている。 The material of the semiconductor is not particularly limited, and any of them can be applied.

ペルチェの性能について、一般的に、ペルチェの性能は放熱側の温度を一定にしたときの温度Thに対して、どれだけの温度差ΔTをつけることができるかで考えることができる。例えば、Th=75, 50, 25 (℃)に対して、ΔT= 93, 85, 75のようになっている。単純に放熱面を、例えば液体窒素温度(-196℃)で冷却し続ければ、吸熱面では、マイナス二百数十度を超えると考えられるが、実際には、材料の特性上液体窒素付近ではΔT=10℃と想定される。低温にすればするほど、電子を励起するための熱がなくなっていくので、ペルチェ冷却能力が低下することと、低温であればあるほど、半導体部分の電気抵抗が大きくなってくるので電流で自己発熱する結果、全体としての冷却能力が低下するからであると考えられる。 Regarding the performance of the Peltier, generally speaking, the performance of the Peltier can be considered by how much temperature difference ΔT can be created with respect to the temperature Th when the temperature on the heat radiation side is kept constant. For example, ΔT=93, 85, 75 for Th=75, 50, 25 (°C). If the heat-dissipating surface is simply cooled to the temperature of liquid nitrogen (-196°C), the temperature of the heat-absorbing surface will exceed -200°C. It is assumed that ΔT=10°C. The lower the temperature, the less heat is needed to excite electrons, so the Peltier cooling ability decreases. This is probably because the cooling capacity as a whole decreases as a result of heat generation.

また、本発明の好ましい実施態様において、冷却する場合には、熱電素子の放熱側を冷却することにより、より低い温度まで設定することが可能であるという観点、また、加熱する場合には、熱電素子の放熱側を温めることにより、より負荷を少なくしながら加熱することが可能であるという観点から、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。下記の実施例においては、冷却する場合を主として記載しているが、本発明においては、熱電素子により、加熱することも可能である。加熱中は熱電素子の下面が冷えるので加熱部を温めて使用する(下面より高い温度で処理する)必要がある。この場合には、冷却部ではなく、加熱部として作用することができる。 Further, in a preferred embodiment of the present invention, in the case of cooling, it is possible to set the temperature to a lower temperature by cooling the heat radiation side of the thermoelectric element, and in the case of heating, the thermoelectric From the viewpoint that heating can be performed while reducing the load by warming the heat radiation side of the element, the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling part, the heating part, or the heat conducting part. characterized by In the following examples, the case of cooling is mainly described, but in the present invention, it is also possible to heat with a thermoelectric element. Since the lower surface of the thermoelectric element cools down during heating, it is necessary to warm the heating part before use (treat at a higher temperature than the lower surface). In this case, it can act as a heating section instead of a cooling section.

加熱の場合は、冷却の場合と比較して、現象としては単純に逆転することになるが、ペルチェ素子など熱電素子の形状(多段式かどうか)によっても実用性は変わってくる。基本的に限りなく低い温度を目指す場合、多段式の熱電素子、例えばペルチェ素子を用いることができる。この場合、吸熱面(上段)の面積が小さく放熱面に向かって大きくなるピラミッドのような構造とすることができる。このような構造とするのは、基本的に面積が大きい方が吸熱量は大きいので、面積の小さな上段で吸収した熱をより大きな面積の下段の素子で排熱するためである。電流の極性を反転して加熱を目的で使用する場合は、単純ではなく、面積の小さな上段に面積の大きな下段からの熱が一気に流れ込んでくる傾向にある。上段がその熱を受け止めきれない場合は、中段に熱が溜まり、上段よりも温度が高くなる傾向になる。そのため多くのペルチェ素子では加熱側で使うとしても+100℃前後(接合部の半田が劣化しない温度)となると考えられる。ペルチェ素子は電子の移動によって吸熱面と放熱面を作り、ペルチェ素子に通電する電流量を制御することで、室温付近からマイナス領域の温度を精密に制御することが原理的には可能である。これらの効果によって、安定して高分解能観察が可能となる。 In the case of heating, the phenomenon is simply reversed compared to the case of cooling, but the practicality also changes depending on the shape of the thermoelectric element such as a Peltier element (whether it is a multistage type or not). Basically, when aiming at an infinitely low temperature, a multi-stage thermoelectric element such as a Peltier element can be used. In this case, it is possible to form a pyramid-like structure in which the area of the heat absorption surface (upper stage) is small and the area becomes large toward the heat dissipation surface. The reason for such a structure is that, basically, the larger the area, the larger the amount of heat absorption, so that the heat absorbed by the upper element with a small area is discharged by the lower element with a larger area. When the polarity of the current is reversed for the purpose of heating, it is not simple, and the heat from the lower stage, which has a large area, tends to flow into the upper stage, which has a small area, at once. If the upper stage cannot absorb the heat, the heat accumulates in the middle stage and tends to be higher than the upper stage. For this reason, many Peltier elements are considered to be around +100°C (the temperature at which the solder at the junction does not deteriorate) even if they are used on the heating side. In principle, the temperature of the Peltier element can be precisely controlled from near room temperature to the minus range by creating a heat absorption surface and a heat dissipation surface by the movement of electrons and controlling the amount of current flowing through the Peltier element. These effects enable stable high-resolution observation.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、試料をしっかりと固定して振動や熱ドリフトを抑制するという観点から、また、熱接触を十分にとる観点から、さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有することを特徴とする。試料固定は下面で行う必要がある場合、試料厚みによって毎回高さ調整が必要であるが、試料台座押えにより、種々の試料を固定することが可能となる。例えば、試料台座押さえはさまざまな試料の厚みに対応できるようにリングネジ式を採用することができる。試料台座押えは、必ずしもネジである必要はなく、板バネ、コイルバネ、クランプ機構などでもよい。試料台座押えとしては、締め付け圧を調整できることと熱接触を十分に確保できるのでネジ式であることが好ましい。リングネジなどの試料台座押えの材料は、熱伝導性の高いもの、例えば、例えば、金、銀、銅、アルミ、銅、あるいはこれらの合金類とすることができる。また、試料台座押えの材料は、共金によるガジリを避けるため熱伝導路と異なる材料であることが好ましい。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, from the viewpoint of firmly fixing the sample to suppress vibration and thermal drift, and from the viewpoint of ensuring sufficient thermal contact, a sample pedestal for pressing the sample pedestal is added. It is characterized by having a presser foot. If it is necessary to fix the sample on the lower surface, the height must be adjusted each time depending on the thickness of the sample. For example, the sample pedestal retainer can adopt a ring screw type so as to support various sample thicknesses. The sample pedestal retainer does not necessarily have to be a screw, and may be a plate spring, coil spring, clamp mechanism, or the like. The sample pedestal retainer is preferably of a screw type because it is possible to adjust the clamping pressure and sufficiently ensure thermal contact. The material for holding the sample pedestal, such as a ring screw, can be a material with high thermal conductivity, such as gold, silver, copper, aluminum, copper, or alloys thereof. Moreover, the material of the sample pedestal retainer is preferably a material different from that of the heat conduction path in order to avoid galling due to the alloy.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、熱伝導部から試料中心に向かって温度勾配ができるので、観察領域を均一に冷却・加熱するという観点から、前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有することを特徴とする。例えば、試料台座押えとしてリングネジを使用した場合、当該リングネジの部分近傍から試料中心に向かって温度勾配ができるので、観察領域を均一に冷却・加熱するためには、網のような熱伝導路を試料上に張り巡らすことが好ましい場合がある。例えば、リングネジなどの試料台座押えと試料の間に複数の穴の開いた熱伝導スペーサを配することができる。観察できる視野範囲は小さくなるが、穴の外縁近傍と中心付近での温度勾配を小さくすることできる。また、電解研磨サンプルなどでは外縁から中心にかけて緩やかなくぼみができておりリングネジなどの試料台座押えとの熱接触が困難であることが考えられるので、このような場合には、試料と熱伝導スペーサとの間に比較的柔らかい、インジウムなどの金属箔等(孔を有することができる。)を挿入してもよい。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, since a temperature gradient is generated from the heat conducting portion toward the center of the specimen, from the viewpoint of uniformly cooling and heating the observation area, Second, it has a thermally conductive spacer with one or more holes. For example, when a ring screw is used to hold the sample pedestal, a temperature gradient is created from the vicinity of the ring screw toward the center of the sample. It may be preferred to stretch over the sample. For example, a heat-conducting spacer with a plurality of holes can be arranged between a sample pedestal retainer such as a ring screw and the sample. Although the observable visual field range is reduced, the temperature gradient between the vicinity of the outer edge and the vicinity of the center of the hole can be reduced. In addition, in the case of electropolished samples, etc., there is a gentle depression from the outer edge to the center, and it is thought that thermal contact with the sample pedestal holder, such as a ring screw, is difficult. A relatively soft metal foil such as indium (which can have holes) may be inserted between the electrodes.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、熱接触を改善する観点から、前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有することを特徴とする。理想的にはSEM用の試料が研磨された後は試料の上面と下面は平行であるが実際にはわずかながらも平行ではない。また、ステージ側の試料台座部分とリングネジなどの試料台座押えも同様に平行である保証はない。試料は試料台座部に固定する必要があるため、それぞれの部材と試料の間で平行でないならば、隙間ができ熱接触が十分でなく熱が伝わらなくなる虞がある。そこで、試料台座部直下に水平調整用部材を入れることでリングネジなどの試料台座押えが試料を押さえつける力に応じて試料上面が試料台座押えに平行になるような機構とすることができる。なお、本発明において、水平調整用部材としては、特に限定されないが、例えば、ボール、又はバネなどを、中心に一個またはバランスよく複数個配してもよい。なお、ボールなどの水平調整用部材は試料台座部とブリッジ(熱絶縁ベース)を熱絶縁する効果を奏することができる。 Further, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, from the viewpoint of improving thermal contact, it is characterized by having a horizontal adjustment member between the sample pedestal and the thermal insulation base. Ideally, the top and bottom surfaces of the sample are parallel after the sample for SEM has been polished, but in reality they are slightly not parallel. Similarly, there is no guarantee that the sample pedestal portion on the stage side and the sample pedestal holder such as a ring screw are parallel. Since it is necessary to fix the sample to the sample pedestal, if the respective members and the sample are not parallel, there is a risk that a gap will be formed and the thermal contact will be insufficient and the heat will not be transmitted. Therefore, by inserting a horizontal adjustment member directly under the sample pedestal, it is possible to create a mechanism in which the upper surface of the sample becomes parallel to the sample pedestal holder in accordance with the force with which the sample pedestal holder such as a ring screw presses the sample. In the present invention, the horizontal adjustment member is not particularly limited, but for example, one ball or a spring may be arranged in the center, or a plurality of them may be arranged in a well-balanced manner. The horizontal adjusting member such as a ball can have the effect of thermally insulating the sample pedestal and the bridge (thermal insulating base).

以下、図を参照しながら、本発明の一実施態様のステージについて説明するが、本発明はこれらの限定されることを意図するものではない。 The stages of one embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings, but the present invention is not intended to be limited to these.

図1は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図1(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの側面図を、図1(b)は、図1(a)のA-A断面におけるステージの断面図を、図1(c)は図1(b)のB部分の拡大図を、それぞれ示す。図1中、1は熱絶縁ベース、2は熱伝導部、3は冷却又は加熱の接続部、4は熱電素子(熱電素子を必要とする場合)、5は冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)、6は放熱部材、7は試料、8は試料台座、9は熱伝導スペーサ、10はブリッジ、11は水平調整用部材、12、50は試料押え(この場合、リングネジ)を、それぞれ示す。 FIG. 1 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. FIG. 1(a) is a side view of a stage in one embodiment of the present invention, FIG. 1(b) is a cross-sectional view of the stage taken along line A-A in FIG. 1(a), and FIG. The enlarged view of the B part of (b) is each shown. In FIG. 1, 1 is a heat insulating base, 2 is a heat conducting part, 3 is a cooling or heating connection part, 4 is a thermoelectric element (if a thermoelectric element is required), 5 is a cooling part or a heating part (or a cooling part) 6 is a heat radiating member, 7 is a sample, 8 is a sample base, 9 is a heat conductive spacer, 10 is a bridge, 11 is a horizontal adjustment member, 12 and 50 are sample holders ring screw), respectively.

図を参照しながら、本発明の一実施態様におけるステージについて、各部材の役割、各部材同士のつながり等を説明すると以下の通りである。まず、ステージ本体があり、図1においては、熱電素子4を有する態様であるが、熱電素子4は、あってもなくてもよい。熱電素子4がない場合には、4の部分には、冷却部、加熱部、又は熱伝導部等を有することができる。この例においては、熱電素子4を用いる態様であるので、図に示すように、必要に応じて、放熱部材(放熱処理部材)6を設けても良い。この例においては、冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)5からの熱源(冷却又は加熱)は、放熱部材6、冷却又は加熱の接続部3、熱電素子4、熱伝導部2を経て、試料の上部へ到達する仕組みになっている。熱源(冷却又は加熱)は、熱伝導部2、リングネジ12(試料台座押えを使用する態様の場合)、又は熱伝導スペーサ9(熱伝導スペーサを使用する態様の場合)などを介して、試料7へ伝達されることができる。この態様において、水平調整用部材は、ボールを使用している。上面部材と下面部材がそれぞれ試料表面と平行でないと適切な熱接触がなされない虞がある。そこで、この例では、試料台座部直下にボールを入れることでリングネジが試料を押さえつける力に応じて試料上面がリングネジに平行になるような機構としている。また同時に、ボールは試料台座部とブリッジを熱絶縁する効果を奏することも可能である。この例では、ボールであるが、バネを中心に一個またはバランスよく複数個配してもよい。 With reference to the drawings, the role of each member, the connection between each member, etc. of the stage in one embodiment of the present invention will be described below. First, there is a stage main body, and although FIG. 1 shows an embodiment having a thermoelectric element 4, the thermoelectric element 4 may or may not be present. If there is no thermoelectric element 4, the part 4 can have a cooling part, a heating part, a heat conducting part, or the like. In this example, since the thermoelectric element 4 is used, a heat radiation member (heat radiation processing member) 6 may be provided as shown in the figure, if necessary. In this example, the heat source (cooling or heating) from the cooling part or heating part (or the connection part with the cooling part or heating part) 5 includes the heat dissipation member 6, the cooling or heating connection part 3, the thermoelectric element 4, the heat It is designed to reach the upper part of the sample via the conducting part 2 . The heat source (cooling or heating) is applied to the sample 7 via the heat conducting part 2, the ring screw 12 (in the case of the mode using the sample pedestal holder), or the heat conducting spacer 9 (in the case of the mode using the heat conducting spacer). can be transmitted to In this aspect, the horizontal adjustment member uses a ball. If the upper surface member and the lower surface member are not parallel to the sample surface, there is a risk that proper thermal contact cannot be made. Therefore, in this example, a mechanism is adopted in which the upper surface of the sample becomes parallel to the ring screw according to the force with which the ring screw presses the sample by inserting a ball directly under the sample pedestal. At the same time, the ball can have the effect of thermally insulating the sample pedestal and the bridge. In this example, the ball is used, but one spring or a plurality of springs may be arranged in a well-balanced manner.

図3は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図3(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの斜視図を、図1(b)は、ステージの上面図を、それぞれ示す。図3中、51は熱伝導スペーサ、52は熱伝導部に設けられた空隙、53は熱絶縁ベースを固定する固定具、それぞれ示す。 FIG. 3 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. FIG. 3(a) shows a perspective view of a stage in one embodiment of the present invention, and FIG. 1(b) shows a top view of the stage. In FIG. 3, 51 denotes a heat conductive spacer, 52 denotes a gap provided in the heat conductive portion, and 53 denotes a fixture for fixing the heat insulating base.

このように、本発明のステージは、走査型電子顕微鏡に好適に用いることができ、試料の上面から、冷却・加熱することが可能な機構を提供し得る。すなわち、本発明によって、走査型電子顕微鏡(SEM)内で試料を冷却・加熱する際の試料固定方法および熱伝導方向の制御を良好に行うことが可能である。これにより、温度変化によって発生する現象(相変態など)の初期過程を観察可能になりうる。また、冷却の場合、観察面近傍に冷却部材があるためコールドトラップとなりコンタミネーションの低減にも寄与することが分かった。 Thus, the stage of the present invention can be suitably used in scanning electron microscopes, and can provide a mechanism capable of cooling and heating the specimen from above. That is, according to the present invention, it is possible to satisfactorily control the specimen fixing method and the direction of heat conduction when the specimen is cooled or heated within a scanning electron microscope (SEM). This may allow observation of the early stages of phenomena (such as phase transformations) caused by temperature changes. In addition, in the case of cooling, it was found that the presence of a cooling member near the observation surface acts as a cold trap and contributes to the reduction of contamination.

なお、上記一態様においては、冷却・加熱源から熱伝導路(熱伝導部)をアーム形状に迂回させて試料上面に通し、試料台座部は熱絶縁する機構を考案して上面からの冷却加熱を可能としているが、熱伝導路は図のように必ずしも迂回させる必要はなく冷却面から横方向に延長してもよい。一方で試料の下面は熱絶絶縁する必要があり、この例では冷却面をブリッジ(熱絶縁ベース)してフレームに固定する例であるが、特に限定されない。また、ブリッジ(熱絶縁ベース)について、樹脂やチタンなど熱伝導率の低い材料からなるものを好ましく使用することができる。 In the above aspect, a heat conduction path (heat conduction portion) is detoured from the cooling/heating source to the upper surface of the sample in an arm shape, and a mechanism is devised to thermally insulate the sample pedestal portion so that cooling and heating can be performed from the upper surface. However, the heat transfer paths do not necessarily have to be detoured as shown, and may extend laterally from the cooling surface. On the other hand, the lower surface of the sample must be thermally insulated, and this example is an example in which the cooling surface is bridged (thermally insulating base) and fixed to the frame, but there is no particular limitation. Also, for the bridge (thermal insulation base), a material having low thermal conductivity such as resin or titanium can be preferably used.

試料の上部から、加熱又は冷却することにより、試料のその場観察を行うことが可能であり、広範な技術分野において適用可能である。 By heating or cooling the sample from above, it is possible to observe the sample in situ, which is applicable in a wide range of technical fields.

1 熱絶縁ベース
2 熱伝導部
3 冷却又は加熱の接続部
4 熱電素子(熱電素子を必要とする場合)
5 冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)
6 放熱部材
7 試料
8 試料台座
9 熱伝導スペーサ
10 ブリッジ
11 水平調整用部材
12、50 試料押え(この場合、リングネジ)
21 ホットサイドの金属(主にCu)
22 セラミックス基板(主にアルミナ)
23 放熱面
24 N型半導体
25 P型半導体
26 電線
27 電源
28 吸熱
29 N型半導体の伝導帯
30 放熱
31 プラス側
32 吸熱側
33 価電子帯
34 放熱側
35 マイナス側
36 コールドサイドの金属(主にCu)
37 コールドサイドの金属(主にCu)
38 電子
39 正孔
40 P型半導体の伝導帯
51 熱伝導スペーサ
52 熱伝導部に設けられた空隙
53 熱絶縁ベースを固定する固定具
1 Thermal insulation base
2 heat conduction part 3 cooling or heating connection part 4 thermoelectric element (if thermoelectric element is required)
5 Cooling part or heating part (or connecting part with cooling part or heating part)
6 Heat dissipation member 7 Sample 8 Sample pedestal 9 Thermal conduction spacer 10 Bridge 11 Horizontal adjustment member 12, 50 Sample retainer (in this case, ring screw)
21 Hot side metals (mainly Cu)
22 Ceramic substrate (mainly alumina)
23 Heat dissipation surface 24 N-type semiconductor 25 P-type semiconductor 26 Electric wire 27 Power supply 28 Heat absorption 29 N-type semiconductor conduction band 30 Heat dissipation 31 Plus side 32 Heat absorption side 33 Valence band 34 Heat dissipation side 35 Minus side 36 Cold side metal (mainly Cu)
37 cold side metals (mainly Cu)
38 Electron 39 Hole 40 Conduction band of P-type semiconductor 51 Thermally conductive spacer 52 Air gap 53 provided in the thermally conductive part Fixture for fixing the thermally insulating base

Claims (11)

試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有するステージ。 A sample pedestal on which a sample is mounted, a thermally insulating base installed at the bottom of the sample pedestal, a heat conducting section installed at the top of the sample pedestal and made of a member having thermal conductivity, and a cooling section or heating section. , a stage having . 前記熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部は、前記冷却部又は前記加熱部と接触することを特徴とする請求項1記載のステージ。 2. The stage according to claim 1, wherein the heat conducting portion made of a member having heat conductivity is in contact with the cooling portion or the heating portion. さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする請求項1又は2に記載のステージ。 3. The stage according to claim 1, further comprising a thermoelectric element installed close to said cooling part or said heating part. 前記熱伝導部は、伸長可能であることを特徴とすることを特徴とする請求項1~3のいずれか一項に記載のステージ。 4. The stage according to any one of claims 1 to 3, characterized in that said heat conducting part is extendable. 前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有する請求項1~4のいずれか一項に記載のステージ。 5. The stage according to any one of claims 1 to 4, wherein the heat conducting portion has a gap for preventing interference with electron beams. さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有する請求項1~5のいずれか一項に記載のステージ。 6. The stage according to any one of claims 1 to 5, further comprising a sample pedestal retainer for pressing said sample pedestal. 前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有する請求項6記載のステージ。 7. The stage according to claim 6, further comprising a heat-conducting spacer having one or more holes between said sample and said sample pedestal retainer. 前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有する請求項1~7のいずれか一項に記載のステージ。 The stage according to any one of claims 1 to 7, further comprising a horizontal adjustment member between the sample pedestal and the thermal insulation base. 前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする請求項3~8のいずれか一項に記載のステージ。 9. The stage according to any one of claims 3 to 8, wherein the thermoelectric element is a thermoelectric element that utilizes at least one of Peltier effect and Thomson effect. 前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする請求項3~8のいずれか一項に記載のステージ。 9. The stage according to any one of claims 3 to 8, wherein the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling section, the heating section, or the heat conducting section. 前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載のステージ。 11. The stage according to any one of claims 1 to 10, wherein the cooling part is made of at least one of solid refrigerant, liquid refrigerant, and gaseous refrigerant.
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