JP4803518B2 - 試料冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、試料ないしはウェハーを極低温に冷却し、顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光伝導特性評価又は伝導特性評価を行うための試料冷却装置に関するものである。

試料ないしはウェハーを冷凍機により極低温に冷却する場合、冷凍機を振動源とする振動が、試料ないしはウェハーに伝わり、試料ないしはウェハーが、測定基準面に対し、振動あるいはドリフトするため、顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光伝導特性評価又は伝導特性評価を行う場合、その精度を低下させるという問題があった。

一方、従来から、真空容器と冷凍機を、防振アダプタなどを介して接続する方法（特許文献１〜５）が提案されている。確かに、防振アダプタがある方が試料の振動やドリフトは少ないが、高空間分解の測定にはまだまだ不十分である。

これに付随して、冷凍機に錘を固定し振動を減じさせる方法（特許文献６、７）や、冷凍機を床面に強固に固定させ振動を減少させる方法（特許文献８）が考案されている。確かに、この方がさらに試料の振動やドリフトが少なくなるが、１ミクロン以下の高空間分解能を必要とする測定には不十分である。

また、冷凍機の振動部に測定系を固定することで、試料と測定系の相対運動をゼロにする方法（特許文献９）も提案されている。しかしながら、振動部は加速度的に振動するため測定系や測定系を固定している部材が変形するので、実際は、相対運動はゼロにはならい。

これらに対し、空気やヘリウムガスないしは液体ヘリウムを介して試料を冷却し、冷凍機の振動を直接試料に伝わらせない方法（特許文献１０〜１２）が提案されているが、試料を保持する部材を通して冷凍機の振動が間接的に試料に伝わるため、実質的な効果は低い。

また、測定中に一旦冷凍機を停止させる方法（特許文献１３）も提案されているが、温度が一定せず、試料のドリフトも大きいので、精密測定には不向きである。

特開平０５−２４３０４２号公報 特開平０７−８４０５８号公報 特開平０９−５０９１０号公報 特開平１１−８７１３１号公報 特開平１１−５１２５１２号公報 特開平０９−２２９９９７号公報 特開２００６−４１２５９号公報 特開２００５−２４１８４号公報 特開平０５−２４５３９５号公報 特開平０５−２９７０９２号公報 特開平０６−７４８１９号公報 特開平０６−１０９８２１号公報 特開２００２−２７７０８６号公報

本発明は、前記従来技術の問題点を解決することを目的とするものであり、試料ないしはウェハーを極低温に冷却した時、測定基準面に対し、試料ないしはウェハーが、振動やドリフトをすることのない装置を実現することを目的としている。特に、試料ないしはウェハーの温度が２０Ｋ以下で、試料ないしはウェハーの振動やドリフトを０．２μｍ以下にすることが好ましく、それにより、極低温でかつ空間分解能の高い精密な試料評価が可能となる。

本発明の試料冷却装置は、上記課題を解決するために、（ａ）測定基準面を形成するテーブルを有するハウジングに設けられた、断熱部材を介して支持され真空容器内に配置した試料ホルダと、
（ｂ）前記ハウジング内に配置されたフレームであって、前記ハウジングと前記フレームとの間が第１緩衝機によって支持されたフレームと、
（c）前記フレーム内に配置した冷凍機であって、該冷凍機が、前記フレームと、真空容器の方向に冷凍機ヘッドを向けた冷凍機との間に配設された第２緩衝機によって支持され、かつ、前記冷凍機の冷凍機ヘッドが、試料ホルダと前記冷凍機ヘッドとの間に配設した可撓性熱伝導部材によって、前記試料ホルダに接続してなる、
ことを特徴としている。
本発明において、測定基準面を形成するテーブルにおいて、測定基準面は、該テーブルの上面の位置とすることができる。

以下に、本発明の試料冷却装置の好ましい実施態様を説明する。
測定基準面を形成するテーブルの一側に真空容器を、他側にフレームを配置することが好ましい。

前記ハウジングにおいて測定基準面を形成するテーブルに貫通孔を形成し、該貫通孔の上方に下方が開口した断面コ字状の真空容器を、下方に上方が開口した断面コ字状のフレームを配置し、該真空容器内に冷凍機の冷凍機ヘッドが、該冷凍機ヘッドより下側部分がフレーム内に位置するように該冷凍機を配置し、該冷凍機の側部を密封状に覆う密封部材の上部と該真空容器の下部を可撓性真空ベローズで接続することが好ましい。

本発明の試料冷却装置において、複数個のフレームと複数組みの緩衝機を用い、多段ないしは多重構造で構成することが好ましい。

試料ホルダ、可撓性熱伝導部材及び冷凍機の冷凍機ヘッドを該冷凍機の中間冷却部に接続された熱輻射シールドにより覆うことが好ましい。

試料の振動及びドリフトの値をそれぞれ０．２μｍ以下、かつ、試料の温度を２０Ｋ以下とすることが好ましい。

前記の第１及び／又は第２緩衝機が、能動除振機能を有することが好ましい。複数個のフレームと複数組みの緩衝機においても、緩衝機の全部又は一部に能動除振機能を有することが好ましい。

真空容器が着脱式ないしは開閉式の光学窓を有することが好ましい。光学窓を通し、試料を観測することや光学測定を行うことが可能となるが、光学窓を開けた際、試料交換を行うことも可能となる。

熱輻射シールドが光学測定用の穴を有することが好ましい。

熱輻射シールドが着脱式ないしは開閉式の蓋を有することが好ましい。

熱輻射シールドが熱を通さない光学窓を有することが好ましい。

試料もしくはウェハーに電線、プローブ電極、カンチレバー又は光プローブ部材を接続または近接できる機構を設置することが好ましい。

少なくとも２つ以上の梁で断熱部材と真空容器を固定することが好ましい。

梁が、熱輻射シールドを貫通する構造を有することが好ましい。

梁が、真空容器の外側から穴に挿入され断熱部材に固定されるボルト状の形状を有し、該ボルト状の梁のヘッドを該真空容器の真空カバーで覆い、該真空容器と該真空カバーとの間の真空漏れをＯリングで防ぐ構成とすることが好ましい。

梁が、真空容器の外側から穴に挿入され断熱部材に固定されるボルト状の形状を有し、該ボルト状の梁の円柱状側面が該真空容器穴に密着され、該梁の該円柱状側面と該穴の側面との間の真空漏れをＯリングで防ぐ構成とすることが好ましい。

梁６本ないしは８本により該試料ホルダの位置ないしは傾斜を測定基準面に対し調整できる機構を有する構成とすることが好ましい。

断熱部材が円筒状ないしは棒状の構造を有することが好ましい。

試料もしくはウェハーを試料ホルダに固定する際、リングあるいはメッシュ状の板を該試料上に設置し、該リングあるいは該メッシュ状の板をネジあるいはクランプで該試料ホルダに固定する構成とすることが好ましい。

試料ホルダが、静電吸着機能を有することが好ましい。

可撓性熱伝導部材が、銅線、銀線、銀メッキした銅線、金メッキした銅線、金メッキした銀線、銅製リボン、銀製リボン、銀メッキした銅製リボン、金メッキした銅製リボン又は金メッキした銀製リボンから作製されることが好ましい。

真空容器に試料もしくはウェハーを交換するためのゲートバルブとロードロックを設置ことが好ましい。

ロードロック内あるいは該ロードロック外に試料もしくはウェハーを交換するための単一あるいは複数の試料を保持するカセットを有することが好ましい。

手動アームないしは自動アームにより試料もしくはウェハーを交換する構成とすることが好ましい。

測定基準面を有するテーブルないしは該測定基準面を有するテーブルに固定された部材を光学定盤とする構成とすることが好ましい。ここで、前記光学定盤やテーブルは、ハウジングを形成する部材の１つである。

測定基準面を第二の測定基準面に対し移動ないしは微動させる機構を備えることが好ましい。

冷凍機として、ＧＭ式冷凍機あるいはソルベー式冷凍機あるいはジュールトムソン式冷凍機あるいはピストン管式冷凍機あるいはヘリウム循環式冷凍機を用いることが好ましい。

試料の顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価の試料冷却装置として利用されることが好ましい。

試料の顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価をウェハー状態で行える構成とする試料冷却装置であることが好ましい。

このように、本発明では、試料ないしはウェハーを極低温に冷却しても、測定基準面に対して、試料ないしはウェハーの振動やドリフトがほとんど無い状態にすることが可能となる。例えば、試料ないしはウェハーの温度が２０Ｋ以下で、試料ないしはウェハーの振動やドリフトを０．２μｍ以下にすることができる。

したがって、極低温下における試料ないしはウェハーのより精密な顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価が可能となる。
精密な顕微鏡観察ないしは顕微観察もしくは顕微分光は、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、近接場走査型光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）又は他の種々の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）によって行うこともできる。

本発明に係る試料冷却装置の実施の形態を図面を参照して、以下に説明する。

図１は、本発明に係る試料冷却装置の構成の概要を一部を縦断面図、一部を正面図で示す正面図である。この図１に示すように、本発明に係る試料冷却装置は、測定基準面１を形成するテーブルに固定された真空容器２内に断熱部材４を介して試料ホルダ５を固定するとともに、測定基準面１を形成するテーブルに第１緩衝機６を介してフレーム７を設置し、フレーム７に第２緩衝機８を介して支持されるとともに真空容器２内に冷凍機ヘッドが臨むようにして冷凍機１１を設置し、冷凍機１１の冷凍機ヘッド１２を可撓性熱伝導部材１３を介して試料ホルダ５に接続してなるものである。

測定基準面１を形成するテーブルは、水平に設置された平板状部材からなり、底板６０から立設した縦壁６１により支持されており、中央部に貫通孔６２が形成されている。
図１に示す試料冷却装置においては、測定基準面１を形成するテーブルの上方に下方が開口した断面コ字状の真空容器２が、測定基準面１を形成するテーブルの下方に冷凍機１１を支持するところの上方が開口した断面コ字状のフレーム７が配置されている。図１中、ハウジングは、測定基準面１を形成するテーブル、縦壁６１、及び底板６０からなる。

冷凍機１１は、冷凍機ヘッド１２が真空容器２内に位置し、冷凍機ヘッド１２より下側部分がフレーム７内の空間に位置するように配置されており、冷凍機１１の側部を密封状に覆う密封部材１０の上部と真空容器２の下部を可撓性真空ベローズ９で接続し、真空容器２内の空間と連続した真空空間を形成している。図１の場合、冷凍機１１の中間冷却部１４は、可撓性真空ベローズ９内に位置している。
冷凍機１１は、側部を密封状に覆う密封部材１０とフレーム７の内側壁との間に数カ所設けられた第２緩衝器８、及び、フレーム７の底壁に設けられた第２緩衝器８を介してフレーム７により支持されている。

水平状に配置された平板状の試料ホルダ５の下側に円筒状の断熱部材４が接続され、断熱部材４が真空容器２から延びた梁３により支持されている。平板状の試料ホルダ５及び円筒状の断熱部材４により形成される下側開口のコ字状空間内に冷凍機１１の冷凍機ヘッド１２が位置しており、冷凍機ヘッド１２、可撓性熱伝導部材１３及び試料ホルダ５を覆うように、冷凍機１１の中間冷却部１４から上方に延びた円筒状の熱輻射シールド１５が設けられている。

ここで、冷凍機１１をフレーム７の内側に配置することで、本発明による試料冷却装置を小型化することができる。

また、真空容器２を測定基準面１の上に配置することで、本発明による試料冷却装置の組み立て、メンテナンス又は試料交換が容易になる。

なお、真空容器２を測定基準面１の下側に配置することで、その上部の空間に他の測定装置などを配置することが容易になる。

さて、冷凍機１１及び冷凍機の側部を密封状に覆う密封部材１０は、冷凍機１１の稼動中に振動を発生させるが、冷凍機１１及び密封部材１０とフレーム７との間に設けられた緩衝機８によりその振動が減衰されて、フレーム７に僅かに伝わる。

ここで、フレーム７が、基準面１に対し第１緩衝機６により浮かされ、自由に振動できる構造となっており、さらに、第２緩衝機８により、冷凍機１１及び密封部材１０に接続されているため、フレーム７は、冷凍機１１の動きに遅れて動く。

そのため、冷凍機１１の振動とフレーム７の振動の位相がずれ、フレーム７は、冷凍機１１及び密封部材１０の振動を打ち消すように作用する。

フレーム７に伝わった僅かな振動も、さらに、第１緩衝機６により減衰されるため、結果として、冷凍機１１及び密封部材１０の振動は、測定基準面１ないしは測定基準面１に固定された部材には、ほとんど伝わらないばかりか、元の冷凍機１１及び密封部材１０の振動を押えることが可能となる。

一方、上記で説明した冷凍機１１及び密封部材１０の減じられた振動も、可撓性真空ベローズ９の可撓性により、測定基準面１にはほとんど伝わらない。

また、試料１７ないしは試料ホルダ５は、可撓性熱伝導部材１３を介して冷凍機ヘッド１２により冷やされるが、可撓性熱伝導部材１３の可撓性により、冷凍機１１の振動は、試料ホルダ５ないしは試料１７にはほとんど伝わらない。

このような構成とすることにより、試料１７を極低温に冷却しても、測定基準面１に対して、試料１７の振動やドリフトがほとんど無い状態にすることが可能となる。

第１緩衝機６及び／又は第２緩衝機８が能動除振機能を有するようにすると、測定基準面１に対して、さらに、試料１７をより無振動、無ドリフト状態に近づけることが出来る。
ここで、能動除振機能とは、まず、元の振動を検出し、ついで、その振動とは逆位相で同じ振幅の振動を発生させることで、元の振動をフィードバック的に相殺し、結果的に振動を元の振動より減衰させる機能を意味する。

なお、真空容器２に光学窓１６を設置することにより、試料１７の観察や、光学測定が可能となる。

熱輻射シールド１５に熱を通さない光学窓１８を設置することにより、試料１７を外部から観察しても試料１７の温度上昇を押えることが可能となる。また、試料１７に電線、プローブ電極、カンチレバー又は光プローブ部材を接続または近接できる図示しない機構を設置してもよい。

ここで、熱輻射シールド１５は、図１に示すように、断熱部材４の内側および外側に設置されるよう分岐する構造にすると、熱輻射シールド効果が高くなる。

少なくとも２つ以上の梁３で断熱部材４と真空容器２を固定することにより、試料１７を測定基準面１に対して強固に固定し、相対運動を減じることが可能となる。

この場合、梁３は、熱輻射シールド１５を貫通する構造となる。

また、梁３が、真空容器２の外側から挿入され断熱部材４に固定されるボルト状の形状を有し、ボルト状の梁３のヘッドを真空容器２にＯリング１９を介して密着された真空カバー２０により覆うことにより、試料１７を測定基準面１に対して強固に固定し、かつ、真空容器２内の真空を保つことができる。

この場合、ボルト状の梁３の閉め具合により、断熱部材４、試料ホルダ５および試料１７の位置を微動させることが可能であるが、別途、梁３を測定基準面１に対し移動あるいは微動させる図示しない機構を追加してもよい。

なお、Ｏリングは、ボルト状の梁３のヘッドの下部で、ボルト状の梁３の円柱側面に設置してもよい。

さらに、梁６本ないしは８本にすることで、断熱部材４、試料ホルダ５及び試料１７の位置又は傾斜を測定基準面１に対しより精度よく調整することができる。

断熱部材４は、円筒状又は棒状の構造とすることで強度が増加し、試料ホルダ５ないしは試料１７を測定基準面１に対し強固に固定できる。

なお、試料１７を試料ホルダ５に固定する際、接着剤で固定することもできるが、図示しないリングあるいはメッシュ状の板を試料１７上に設置し、該リングあるいは該メッシュ状の板をネジあるいはクランプで試料ホルダ５に固定することで、試料の固定や試料の交換が容易になる。
また、この際、試料１７を、別途、図示しない板状の部材に固定し、該板状の部材を試料ホルダ５に着脱する機構にしてもよい。

なお、試料ホルダ５が、静電吸着機能を有すと、試料１７の着脱がさらに容易になる。

可撓性熱伝導部材１３として、銅線、銀線、銀メッキした銅線、金メッキした銅線、金メッキした銀線、銅製リボン、銀製リボン、銀メッキした銅製リボン、金メッキした銅製リボン又は金メッキした銀製リボンを用いることができる。

真空容器２に試料１７を交換するための図示しないゲートバルブとロードロックを設置すると、真空容器２内の真空を維持しながら、試料１７の交換をすることができる。

ロードロック内あるいは該ロードロック外に試料もしくはウェハーを交換するための単一あるいは複数の試料もしくはウェハーを保持するカセットを設置すると、複数の試料もしくはウェハーを連続して測定することが可能となる。

その際、手動アーム又は自動アームにより試料１７を交換すると迅速に試料交換が行える。
なお、この際、試料１７を、別途、板状の部材に固定し、該板状の部材ごと交換してもよい。

測定基準面１を形成するテーブルを光学定盤とする構成とすると、光学定盤に設置した光学系を用いて試料１７を測定することが可能となる。なお、測定基準面１ないしは上記光学定盤に対し、冷凍機、フレーム、真空容器などを横に寝かせる配置や上下を反転した配置で固定しても良い。

測定基準面１を図示しない第二の測定基準面に対し移動又は微動させる機構を備えると、第二の測定基準面に設置した測定系を用い、試料１７の面内分布の測定が可能となる。

冷凍機１１として、ＧＭ式冷凍機、ソルベー式冷凍機、ジュールトムソン式冷凍機、ピストン管式冷凍機又はヘリウム循環式冷凍機を用いることができる。

試料１７の顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価の試料冷却装置として利用することが可能である。

試料１７の顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価をウェハー状態で行える試料冷却装置の構成とすることにより、ウェハーの検査が可能となる。

図２は、本発明に係る試料冷却装置の構成の概要を示す正面図である。この図２は、図１に類似しているが、図２では、２個のフレーム（７、７−１）と複数組みの緩衝機を用い、２段ないしは２重構造で構成してなるものであり、２段で振動が伝わらないようにすることで、より振動が伝わり難くしたものである。なお、複数個のフレームと複数組みの緩衝機を用い、３段以上の多段ないしは３重以上の多重構造で構成することで、さらに振動を伝わり難くすることも可能である。緩衝機の全部又は一部が能動除振機能を有することも可能である。また、図２に示すように、フレーム７に設置した梁１０５で可撓性真空ベローズ９を支えることにより、より除振効果を増すことも可能である。なお、図２において図１と同符号は図１と同じものを意味する。

以下に本発明を実施例に基づき図面を参照して説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。なお、以下の説明中、各図の説明中で同符号は図１及び図２を含めて、同じものを示す。

本発明の試料冷却装置の実施例１を、図３に示す。この実施例１の試料冷却装置は、本発明の特徴とする真空容器２、梁３、断熱部材４、試料ホルダ５−２と、第１緩衝機６、６−２、フレーム７、第２緩衝機８、可撓性真空ベローズ９、密封部材１０、冷凍機１１、可撓性熱伝導部材１３、および、熱輻射シールド１５を図１において説明したように、測定基準面１を形成するテーブルに固定された部材２２に配置して成るものである。
なお、図３には、緩衝部材５１と、ばね付き緩衝部材５２と、支持具５３、５４、５５及び５６と、密封部材１０とからなる密封手段２６、梁３のヘッドを真空カバー２０により覆ってなる密封手段２７、並びに試料１７と光学窓１６からなる密封手段２８を、それぞれ拡大して模式的に図中に対応して示した。

なお、実施例１では、測定基準面１が光学定盤２１上に設定されており、測定基準面１を形成する光学定盤２１上に固定された部材２２に真空容器２が固定されている。

また、光学定盤２１は、柱２３により、床２４に固定されており、部材２２や床２３に接続された第１緩衝機６又は第１緩衝機６−２を介して、フレーム７が設置されている。

なお、光学定盤２１や柱２３に別途除振機能を持たせてやってもよい。
図３中、ハウジングは、光学定盤２１、部材２２、柱２３、及び床２４からなる。

冷凍機１１又は密封部材１０は、フレーム７に第２緩衝機８又は第２緩衝機８−２を介して設置され、密封部材１０は、可撓性真空ベローズ９を介して真空容器２に接続されている。

ここで、冷凍機１１又は密封部材１０をフレーム７の内部に設置しており、全体のサイズをコンパクトにするよう配置している。

また、第１緩衝機６は、ゴム、樹脂、ゲル又はばねなどの緩衝部材を用いており、第２緩衝機８や８−２は各空間方向に主な役割を分けて担わせた緩衝部材の組合せを緩衝機と成すよう配置した例であり、第２緩衝機８は、立て方向の振動を緩衝させる緩衝部材５１と水平方向の振動を緩衝させるばね付き緩衝部材５２を支持具５３、５４、５５および５６により支持する構成としている。

また、第２緩衝機８−２は、第２緩衝機８の機能の４つ分を一つにまとめて構成した構造である。

なお、緩衝部材の組合せは、この例に限定される必要はなく、他の組合せでも良い。

一方、試料ホルダ５−２は、真空容器２に梁３により固定された断熱部材４上に固定され、その下部が、可撓性熱伝導部材１３を介して、冷凍機ヘッド１２に接続されている。

また、熱輻射シールド１５は、冷凍機１１の中間冷却部１４に接続されており、冷却ヘッド１２、可撓性熱伝導部材１３及び試料ホルダ５−２を覆い、外界からの熱輻射を防いでいる。

なお、この実施例１では、試料１７は、側面から観測可能なように配置されており、側面の光学窓１６からより近くに観測できるように、熱輻射シールド１５を貫通して配置されている。

この実施例１では、試料１７の温度を１０Ｋ以下に冷却でき、かつ、測定基準面をなす光学定盤２１または部材２２に対して、試料１７の振動およびドリフトを０．１μｍ以下に押えることが出来た。

また、フレーム７にキャスター２５を付けておくと、装置を移動させる際に便利であった。

図４は、本発明の試料冷却装置の実施例２を示す。この実施例２は、上面から試料を観測できるように構成している。

熱を通さない光学窓１８のついた熱輻射シールドの蓋３４および真空容器の蓋３３を開け、固定リング３５を外すことにより、試料１７を交換することができる。

なお、梁３は、真空容器２の外部から挿入され、断熱部材４の内側の止め具３１にねじ止めされているが、その際、熱輻射シールド１５に明けられた穴を貫通している。

また、可撓性熱伝導部材１３は、熱伝導部材３２を通して冷凍機ヘッド１２に接続されているが、可撓性熱伝導部材１３の両端には、試料ホルダ５と熱伝導部材３２に接続するための部材が接続されている。

なお、試料１７は、ウェハー状態で、固定リング３５を用いて、試料ホルダ５に固定することが可能であるが、試料ホルダ５に静電吸着機能を持たせると試料交換がより簡便である。
また、試料１７を、別途、図示しない板状の部材に固定し、該板状の部材ごと交換してもよい。

図５は、本発明の試料冷却装置の実施例３を示す。この実施例３は、顕微分光装置４１に設置された対物レンズ４２により、側面から試料を観測ないしは顕微分光あるいは顕微光応答測定できるようにしている。

測定基準面は光学定盤２１上に設定されており、光学定盤２１に本発明の試料冷却装置および顕微分光装置が固定されているため、試料の温度を１０Ｋ以下にした状態で、試料の振動やドリフトを０．１μｍ以下に押えた高精度の顕微鏡観察、顕微分光又は顕微光応答測定が可能であった。

図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、本発明の試料冷却装置の実施例４を示す。この実施例４は、試料の光伝導特性または伝導特性を測定できるようにしている。図６（Ａ）は試料冷却装置の使用状態の説明図、図６（Ｂ）はＩＣソケット７５に差込む試料固定部材７８を拡大して示す模式図である。

ここで、試料固定部材７８において、試料１７はＩＣパッケージ７１に接着され、ＩＣパッケージ７１の電極パッド７２に電線７３で電気的に接続している。

また、ＩＣパッケージ７１は、試料ホルダ５−２に設置されているＩＣソケット７５に電極端子７４を差込み固定する。

ここで、電線７３−２をＩＣソケット７５の各電極端子に接続すると、試料固定部材７８上の試料１７と電気測定装置７６を電気的に接続することができるので、試料の光伝導特性ないしは伝導特性を測定することが可能となる。

なお、試料カバー７７をＩＣパッケージ７１に被せることで、試料１７の温度を安定化させることができる。

勿論、多少不便ではあるが、ＩＣパッケージやＩＣソケットを用いなくても、試料に電線を接続させることは可能である。

図７は、本発明の試料冷却装置の実施例５を示す。この実施例５は、試料の光伝導特性、伝導特性を測定できるようにした別の例である。

ここで、試料ホルダ５に設置された試料１７は、プローブ電極８１により電気測定装置と電気的に接続されるが、プローブ電極８１を移動ステージ８２で可動すれば、試料１７の複数の電気経路に対する電気測定が可能である。
なお、プローブ電極８１、又はプローブ電極８１をカンチレバー又は光プローブ部材に置き換えたもので、近接場顕微鏡観察又は近接場分光をすることが可能である。

図８は、本発明の試料冷却装置の実施例６を示す。この実施例６は、試料の交換を容易にした例である。

この実施例６では、真空容器２にゲートバルブ９１とロードロック９２が設置されており、真空容器２とロードロック９２内の真空を維持しながら、ゲートバルブ９１を、ゲートバルブ開閉機構９１−２を操作することにより、開け、アーム９３を真空容器２内に出し入れすることにより、試料１７を真空容器２からロードロック９２に、あるいは、ロードロック９２から真空容器２内の試料ホルダ５に移動することができる。

この際、試料ホルダ５を低温に維持しながら試料交換することも可能であるので、測定時間の一層の短縮につながる。

なお、アーム９３は、手動でも良いが、自動で動作させると正確かつ迅速に試料交換が行える。

一方、ロードロック９２内に試料を交換するための単一あるいは複数の試料を保持するカセット９４を設置すると、真空を維持しながら、複数の試料を連続して測定することが可能となる。

なお、カセット９４は、カセット移動機構９４−２により可動できるが、試料又はカセット９４は、ロードロックの扉９２−２を開けることで、ロードロック９２の外に取り出すことができる。

また、カセット９４は、真空容器２内に設置してもよい。その際、カセット移動機構９４−２は真空容器２に設置する。

試料ホルダ５が、試料押え機構又は静電吸着機能を有すと、試料１７の着脱が確実に行え、冷却効率も良くなる。
なお、試料を別途板状の部材に固定し、該板状の部材を試料ホルダ５に着脱する機構にしてもよい。

図９は、本発明の試料冷却装置の実施例７を示す。この実施例７は、測定基準面１または試料１７を第二の測定基準面１０１に対し、移動ないしは微動させる機構を設置した例である。

ここで、試料冷却装置１０３は、移動ステージ１０２に設置され、第二の測定基準面１０１に対し、試料冷却装置１０３または試料１７の相対位置を変えることができる。

この実施例を用いれば、第二の測定基準面１０１に固定した光学測定系などを用い、移動ステージ１０２により、試料冷却装置１０３を移動させることで、貫通孔１０４から、試料１７の面内分布特性などの測定が可能となる。

以上、本発明の試料冷却装置の最良の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明はこのような実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載の技術的事項の範囲内で、いろいろな実施例があることは言うまでもない。

以上の構成から成る本発明によれば、従来問題であった、試料ないしはウェハーを冷凍機により極低温に冷却する場合、冷凍機を振動源とする振動が、試料ないしはウェハーに伝わり、試料ないしはウェハーが、測定基準面に対し、振動あるいはドリフトするため、顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光伝導特性評価又は伝導特性評価を行う場合、その精度を低下させてしまうということがないため、試料ないしはウェハーの極低温下における高精度な測定を必要とする用途に適用できる。

例えば、試料ないしはウェハーの極低温下における顕微鏡観察や顕微分光ないしは顕微光伝導特性の測定や、近接場顕微鏡観察または近接場分光等にきわめて有用である。

特に、本発明の試料冷却装置を、ウェハー検査装置に用いた場合、簡便に極低温下の高分解能測定ができるため、より信頼性の高いウェハーの品質管理が可能となる。

本発明に係る試料冷却装置の構成の概要を示す正面図である。 本発明に係る試料冷却装置の構成の変更態様の概要を示す正面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例１を示す正面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例２を示す正面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例３を示す平面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例４の要部を示す正面図であり、試料冷却装置の使用状態の説明図である。 図６（Ａ）中のＩＣソケット７５に差込む試料固定部材７８を拡大して示す模式図である。 本発明の試料冷却装置の実施例５の要部を示す正面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例６の要部を示す正面図である。 本発明の試料冷却装置の実施例７を示す正面図である。

符号の説明

１ 測定基準面
２ 真空容器
３ 梁
４ 断熱部材
５、５−２ 試料ホルダ
６、６−２ 第１緩衝機
７、７−１ フレーム
８ 第２緩衝機
９ 可撓性真空ベローズ
１０ 密封部材
１１ 冷凍機
１２ 冷凍機ヘッド
１３ 可撓性熱伝導部材
１４ 中間冷却部
１５ 熱輻射シールド
１６ 光学窓
１７ 試料
１８ 熱を通さない光学窓
１９ Ｏリング
２０ 真空カバー
２１ 光学定盤
２２ 部材
２３ 柱
２４ 床
２５ キャスター
３１ 止め具
３２ 熱伝導部材
３３ 真空容器の蓋
３４ 熱輻射シールドの蓋
３５ 固定リング
４１ 顕微分光装置
４２ 対物レンズ
５１ 緩衝部材
５２ ばね付き緩衝部材
５３、５４、５５、５６ 止め具
６０ 底板
６１ 縦壁
６２ 貫通孔
７１ ＩＣパッケージ
７２ 電極パッド
７３、７３−２ 電線
７４ 電極端子
７５ ＩＣソケット
７６ 電気測定装置
７７ 試料カバー
７８ 試料固定部材
８１ ブローブ電極
８２ 移動ステージ
９１ ゲートバルブ
９１−２ ゲートバルブ開閉機構
９２ ロードロック
９２−２ ロードロックの扉
９３ アーム
９４ カセット
９４−２ カセット移動機構
１０１ 第二の測定基準面
１０２ 移動ステージ
１０３ 試料冷却装置
１０４ 貫通孔
１０５ 梁

Claims (27)

1. （ａ）測定基準面を形成するテーブルを有するハウジングに設けられた、断熱部材を介して支持され真空容器内に配置した試料ホルダと、
   （ｂ）前記ハウジング内に配置されたフレームであって、前記ハウジングと前記フレームとの間が第１緩衝機によって支持されたフレームと、
   （c）前記フレーム内に配置した冷凍機であって、該冷凍機が、該フレームと、前記真空容器の方向に冷凍機ヘッドを向けた該冷凍機との間に配設された第２緩衝機によって支持され、かつ、該冷凍機の該冷凍機ヘッドが、前記試料ホルダと該冷凍機ヘッドとの間に配設した可撓性熱伝導部材によって、該試料ホルダに接続してなる、
   ことを特徴とする試料冷却装置。
2. 測定基準面一方の側に真空容器を、他方の側にフレームを配置することを特徴とする請求項１に記載の試料冷却装置。
3. 前記ハウジングにおいて測定基準面を形成するテーブルに貫通孔を形成し、該貫通孔の上方に下方が開口した断面コ字状の真空容器を、下方に上方が開口した断面コ字状のフレームを配置し、該真空容器内に冷凍機の冷凍機ヘッドが、該冷凍機ヘッドより下側部分が該フレーム内に位置するように該冷凍機を配置し、該冷凍機の側部を密封状に覆う密封部材の上部と該真空容器の下部を可撓性真空ベローズで接続してなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の試料冷却装置。
4. 試料ホルダ、可撓性熱伝導部材及び冷凍機の冷凍機ヘッドを該冷凍機の中間冷却部に接続された熱輻射シールドにより覆うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
5. 試料又はウェハーの振動及びドリフトの値をそれぞれ０．２μｍ以下、かつ、該試料もしくは該ウェハーの温度を２０Ｋ以下とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
6. 第１緩衝機及び／又は第２緩衝機が能動除振機能を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
7. 真空容器が着脱式又は開閉式の光学窓を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
8. 熱輻射シールドが光学測定用の穴を有することを特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
9. 熱輻射シールドが着脱式又は開閉式の蓋を有することを特徴とする請求項４乃至請求項８のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
10. 熱輻射シールドに熱を通さない光学窓を設置することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
11. 試料もしくはウェハーに電線、プローブ電極、カンチレバー又は光プローブ部材を接続または近接できる機構を設置することを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
12. 断熱部材を少なくとも２つ以上の梁で真空容器に固定することを特徴とする請求項１乃至請求項１１のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
13. 梁が、熱輻射シールドを貫通する構造を有することを特徴とする請求項１２記載の試料冷却装置。
14. 梁が、真空容器の外側から穴に挿入され断熱部材に固定されるボルト状の形状を有し、該ボルト状の梁のヘッドを該真空容器の真空カバーで覆い、該真空容器と該真空カバーとの間の真空漏れをＯリングで防ぐことを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載の試料冷却装置。
15. 梁が、真空容器の外側から穴に挿入され断熱部材に固定されるボルト状の形状を有し、該ボルト状の梁の円柱状側面が該真空容器穴に密着され、該梁の該円柱状側面と該穴の側面との間の真空漏れをＯリングで防ぐことを特徴とする請求項１２乃至請求項１４のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
16. ６本乃至８本の梁により試料ホルダの位置又は傾斜を測定基準面に対し調整できる機構を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
17. 断熱部材が円筒状又は棒状の形状を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１６のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
18. 試料もしくはウェハーを試料ホルダに固定する際、リング又はメッシュ状の板を該試料上に設置し、該リング又は該メッシュ状の板をネジ又はクランプで該試料ホルダに固定するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項１７のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
19. 試料ホルダが静電吸着機能を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
20. 可撓性熱伝導部材が、銅線、銀線、銀メッキした銅線、金メッキした銅線、金メッキした銀線、銅製リボン、銀製リボン、銀メッキした銅製リボン、金メッキした銅製リボン又は金メッキした銀製リボンから作製されることを特徴とする請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
21. 真空容器に試料もしくはウェハーを交換するためのゲートバルブとロードロックを設置したことを特徴とする請求項１乃至請求項２０のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
22. ロードロック内あるいは該ロードロック外に試料もしくはウェハーを交換するための単一あるいは複数の試料もしくはウェハーを保持するカセットを有することを特徴とする請求項１乃至請求項２１のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
23. 手動アーム又は自動アームにより試料もしくはウェハーを交換することを特徴とする請求項１乃至請求項２２のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
24. 測定基準面を形成するテーブルが光学テーブルであることを特徴とする請求項１乃至請求項２３のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
25. 前記測定基準面を第二の測定基準面に対し移動させる機構を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項２４のいずれか一項に記載の試料冷却装置。
26. 冷凍機として、ＧＭ式冷凍機、ソルベー式冷凍機、ジュールトムソン式冷凍機、ピストン管式冷凍機又はヘリウム循環式冷凍機を用いることを特徴とする請求項１乃至請求項２５のいずれか１項に記載の試料冷却装置。
27. 試料もしくはウェハーの顕微鏡観察、顕微分光、近接場顕微鏡観察、近接場分光、光応答特性評価、光伝導特性評価又は伝導特性評価の試料冷却装置として利用されることを特徴とする請求項１乃至請求項２６のいずれか１項に記載の試料冷却装置。

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