JP5039274B2 - 粒子放射装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子のビームによる粒子放射装置、特に透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡のような粒子放射装置に関するものである。具体的には、本発明は受容される試料の付近に被冷却部品を備えたこの種の粒子放射装置に関する。

電子顕微鏡、特に透過型電子顕微鏡においては、顕微鏡検査の対象である試料の領域で好適な真空が必要である。しかし、試料からガス状に放出される物質が真空を悪化させ、すなわち真空を汚染するという問題が生じる。この種の真空汚染を回避するため、受容される試料の付近に位置するようにいわゆる汚染防止部がバキュームコラム内部に配置されることがある。汚染防止部は冷却される。バキュームコラム内部での周囲温度に比べて汚染防止部の温度が低いため、試料から放出されるガスが汚染防止部に凝縮され、これにより真空のクオリティが維持される。汚染防止部にはある程度低温ポンプの作用がある。試料領域で真空のクオリティを維持することにより、真空の試料凝縮残ガス分子による試料の汚染も同時に防止されるので、試料のクオリティが長時間にわたって維持される。

さらに、冷却可能な試料マニピュレータが設けられることもある。この冷却可能な試料マニピュレータにより、試料を電子顕微鏡で検査する際に冷却することができる。冷却型試料マニピュレータも汚染防止部として作用する。さらに、電子顕微鏡で検査している間に試料を適宜低い温度に維持させることができる。

汚染防止部および／または試料ホルダを冷却するため、真空システムの外側に冷却器が設けられ、汚染防止部および／または試料ホルダの熱はこの冷却器へ逃がされる。汚染防止部および／または試料ホルダから冷却器へ熱を逃がすため、従来より銅または銅線から成る熱伝導体が使用されている。この場合の欠点は、銅の長さ膨張率が大きいために、冷却器の温度（通常は液体窒素の温度）に冷却する際に熱伝導体にかなりの収縮が発生することである。この長さ変化は、冷却棒と冷却剤で充填される容器とを適当に弾性支持することにより補償されねばならない。これには、冷却効率を低下させる冷却ロスが常に伴う。また、銅の熱伝導能は、汚染防止部および／または試料ホルダから冷却器への熱流に対し抵抗を示す。この抵抗は汚染防止部において実現できる最低温度を制限するものであり、よって汚染防止部の性能を制限するものである。

本発明と関連のある従来の技術としては特に特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４を挙げておく。なお、特許文献４は粒子放射装置の分野に関わるものでなく、半導体素子の分野に関わるものである。

米国特許第４１７９６０５号明細書 米国特許第４８３３３３０号明細書 国際公開第８３／０３７０７号パンフレット 国際公開第０２／２６４７９号パンフレット

本発明の目的は、従来の技術に伴っている欠点を解消することである。その際本発明の課題は、特に、汚染防止部および／または試料ホルダと冷却器との間での熱伝導能を著しく向上させることである。さらに、本発明の他の目的は、熱伝導体の冷却時に発生するその熱伝導体の収縮、或いは、熱伝動体の加熱時に発生するその熱伝導体の膨張を低減させることである。

上記の目的は、本発明によれば、請求項１の構成を備えた粒子放射装置により解決される。本発明の有利な構成は従属項の構成から明らかである。

本発明による粒子放射装置は粒子線を合焦または結像させる対物レンズを有している。さらに粒子放射装置は試料ホルダを有しており、対物レンズ内または対物レンズ付近でその試料ホルダに試料を受容させることができる。さらに冷却器と熱伝導体とが設けられる。熱伝導体は、熱を試料ホルダから冷却器へ、または試料ホルダの付近に配置される冷却面から冷却器へ逃がすために用いられる。熱伝導体は炭素繊維を含んでいる。

熱伝導体として炭素繊維を使用することにより、熱伝導体として銅を使用する場合に比べてほぼ３ファクタ高い熱伝導が達成される。これにより、同じ状況であれば、熱伝導体として銅棒を使用する場合に比べて熱伝導抵抗は３ファクタだけ少なくなり、よって冷却部位、冷却面および／または試料ホルダにおいて、より低い温度を達成できる。同時に、炭素繊維の線形的熱膨張係数は銅の線形的熱膨張係数に比べてかなり小さい。したがって、接続形態を適宜調整すれば、全体でほぼゼロの膨張特性が達成される。

炭素繊維材の原形は繊維であるので、冷却器と冷却面および／または試料ホルダとの結合は弾性的な繊維束から形成させることができる。これにより、冷却器と被冷却部品との間でのいかなる機械的連結も阻止され、特に音および機械的振動の伝達はほぼ阻止される。

次に、本発明の実施形態を添付の図面を用いて詳細に説明する。
図１の粒子放射装置はバキュームコラム（１）を有している。バキュームコラム（１）内には個々の電子光学要素が配置されている。本実施形態では、電子光学要素には特にバキュームコラム内部で絶縁体（３）に受容されている電子源（２）が含まれる。他の絶縁体（４）には、電子源（２）に対し正のポテンシャルにある複数個の加速電極（５，６，７）がバキュームコラム内部で受容されている。電子源（２）から最も遠く離れている電極（７）は、電子ビームのエネルギーを決定するアノードを形成している。アノード（７）は電子源（２）よりも典型的には１００〜２００ｋＶ、場合によっては３００ｋＶ高いポテンシャルにあり、同時にバキュームコラムのポテンシャル（通常は大地電位）にある。アノード（７）は導電性のビームガイドパイプ（８）に接続されている。ビームガイドパイプ（８）は粒子放射装置全体を貫通して検出器（９）まで延びているので、アノード（７）から検出器（９）までアノードポテンシャルが存在している。

アノード（７）には、ビームガイドパイプ（８）に沿って電子光学的コンデンサシステムが続いている。図示した実施形態では、電子光学的コンデンサシステムは４個の磁気レンズ（１０，１１，１２，１３）を含んでいる。この多段コンデンサシステムが設けられているため、個々の磁気レンズ（１０，１１，１２，１３）の励起状態を適宜変化させることにより、電子源（２）から出る電子の照射アパーチャーと放射域とを試料面内で広範囲にわたって任意に変化させることができる。さらに、個々のコンデンサレンズ（１０，１１，１２，１３）の間のビーム経路内には、ここには図示していないが、照射アパーチャーおよび／または放射域を決定するための絞りが設けられている。また、照射システム内には、たとえばＥＰ３８４２７３から知られているような補助的なビームデフレクタおよび／または多重絞りを配置してもよい。

磁気レンズ（１０，１１，１２，１３）を備えた多段照射システムには、集束レンズとして且つ対物レンズとして兼用する集束対物単視野レンズ（１４）が続いている。集束対物単視野レンズの磁極片が隙間部の高さに磁極片を通る穴が設けられることにより、試料ホルダ(１７)が試料マニピュレータに受容されている。試料マニピュレータはマニピュレーションバー（１６）を有しており、マニピュレーションバー(１６)は集束対物単視野レンズ（１４）の磁極片を貫通して案内され、さらにバキュームパイプ（１）を貫通して案内され、該バキュームパイプ（１）に外側からフランジ固定されているマニピュレーション構造体を介して、破線で示した光軸に対し平行に且つ垂直に、互いに垂直な３つの方向へ移動可能である。その際、マニピュレータ駆動部（１５）の運動は伝動棒（１６）を介して試料ホルダ（１７）に伝えられる。マニピュレータのより詳細な構成に関しては、たとえば、まだ公開されていない本出願人のドイツ特許出願ＤＥ１０２１２８０７．３を指摘しておく。手動で試料を操作する代わりに、マニピュレータバー（１６）の駆動と運動を電動式に行なってもよい。

ビームガイドパイプ（８）の内部には、集束対物単視野レンズ（１４）の磁極片隙間の高さに汚染防止部（１８）が配置されている。汚染防止部(１８)は実質的にほぼ箱状のケースから成っており、ケースは試料ホルダ（１７）を箱状に取り囲み、電子ビームを貫通させるために、光軸に対し実質的に同軸の２つの穴、たとえば穿設部を有している。汚染防止部は光軸に対し垂直に、そして光軸に対し傾斜して他の複数個の開口部を有しており、これらの開口部は試料ホルダ（１７）を貫通させるために、そして検出器を挿入させるために用いることができる。汚染防止部（１８）の内面は冷却面を形成し、冷却面は真空の残ガスに含まれている分子が汚染防止部のこの内側冷却面に集束するよう配慮している。

集束対物単視野レンズ（１４）には、１段または２段の投影システム（２３）が続いている。試料ホルダ（１７）に受容され、多段の照射システムを介して照射される試料は、この投影システム（２３）により拡大されて検出器（９）（たとえば電子に対し感応性のあるＣＣＤカメラ）に結像される。ＣＣＤカメラ（９）により撮影された像は図示していないディスプレイで表示されるか、或いは、同様に図示していない画像処理装置を介して処理されて記憶される。

汚染防止部（１８）と試料ホルダ（１７）とを冷却するため、バキュームコラム（１）の外側に低温容器が設けられている。低温容器は実質的に筒状の内側容器（２０）を有している。内側容器(２０)は液状冷却剤を収容するように構成され、たとえば液体窒素で充填される。内側容器は、底部領域において、該内側容器と直接に機械的接触している冷却器（２１）によって取り囲まれている。冷却器（２１）は蒸発性冷却剤によって冷却される。この場合冷却器（２１）は金属製であり、たとえば銅から成っている。冷却器（２１）と試料ホルダ（１７）または汚染防止部（１８）との間で熱伝導を行なわせるため、炭素繊維から成る熱伝導体（１９）が設けられている。図（２）の断面図が示すように、熱伝導体(１９)は炭素繊維（２４）の束を有している。冷却器（２１）はたとえばアルミニウム鋳造品であってよく、熱伝導体（１９）の両端部の一方の端部に鋳造されているので、熱伝導体と冷却器（２１）との間での良好な熱伝導が保証されている。

内側容器(２０)は外側容器（２７）によって取り囲まれている。外側容器（２７）は上部が閉じているのに対し、内側容器はガス排出のために上部が開口している。外側容器（２７）の壁（２７ａ）と内側容器（２０）の壁（２５）との間の中間空間は真空ポンプ（２６）により真空にされている。内側容器と外側容器（２７）との間が真空になっていることにより、内側容器と外側容器との間には熱絶縁部が存在し、これにより冷却剤の急速な蒸発、無駄な蒸発が回避されている。

低温容器の全体構成は、冷却器（２１）の冷却以外に他の目的を果たしている。すなわち低温容器全体は低温ポンプの用をも成している。内側容器と外側容器との間にある残ガスが内側容器の壁（２５）に集積するからである。これにより内側容器と外側容器との間の中間空間が良好な真空状態になるので、このように構成された低温ポンプは、バキュームコラム（１）の電子源（２）に近い側の空間を真空にさせて、バキュームコラム（１）の電子源（２）に近い側のこの空間と、内側容器と外側容器との中間空間とを吸引管（２８）によって連通させるために利用される。

熱伝導体（１９）はバキュームパイプ（１）を通ってビームガイドパイプ（８）の内部へ案内され、汚染防止部（１８）と試料ホルダ（１７）の直前で２つの部分束に分割されている。第１の部分束(１９ａ)は汚染防止部（１８）に接続され、熱を逃がすため、または汚染防止部（１８）を冷却するために用いられる。第２の部分束(１９ｂ)は試料ホルダ（１７）に接続され、該試料ホルダ（１７）の冷却のために用いる。熱伝導体（１９）と被冷却部品とを熱伝導良好に結合させるため、熱伝導体の一方の部分束（１９ａ）の汚染防止部側端部に、および／または、熱伝導体の他方の部分束（１９ｂ）の試料ホルダ側端部に、それぞれ１つの金属製の移行部材が接続されている。その結果、この金属製の移行部材を備えた熱伝導体（１９）の炭素繊維の端部の間での全面による接触が保証されている。この場合、金属製の移行部材は被冷却部品とねじ止めまたは蝋付けされていてよい。

熱伝導体の炭素繊維の優れた導電性により、試料および／または汚染防止部の領域での帯電作用が回避される。このため、熱伝導体(１９)は太いアース線（２９）を介してアースされている。

図１に図示した透過型電子顕微鏡は、粒子線を合焦させる対物レンズ（１４）を備えた粒子線装置を形成している。粒子線装置は、試料を対物レンズ（１４）内で受容するための試料ホルダ（１７）を有している。粒子線装置はさらに冷却器（２１）と熱伝導体（１９）とを有し、熱伝導体(１９)は冷却器（２１）と試料ホルダ（１７）と汚染防止部（１８）（その面は冷却面を形成している）とに接続されているので、試料ホルダと汚染防止部（１８）とは熱伝導可能に冷却器（２１）と接続されている。これにより、熱伝導体(１９)は熱を試料ホルダおよび汚染防止部から冷却器へ逃がすことができる。この場合、熱伝動体は炭素繊維を含んでいる。

一方では試料ホルダと汚染防止部との、他方では試料ホルダと冷却器（２１）との良好な熱結合を保証するため、炭素繊維（２４）の端面は試料ホルダ（１７）、汚染防止部（１８）、冷却器（２１）の金属部分と形状拘束的に結合されており、或いは、炭素繊維の端面を形状拘束的に取り囲んで、試料ホルダ（１７）、汚染防止部（１８）、冷却器（２１）の金属部分と面結合される結合部材が設けられている。

図１に図示した実施形態の場合、試料ホルダも汚染防止部も熱伝導体（１９）を介して冷却器（２１）と熱伝導可能に結合されているが、汚染防止部（１８）のみ、または試料ホルダのみを冷却し、これに対応して、炭素繊維を有する熱伝導体を試料ホルダ（１７）と冷却器（２１）との間にだけ設け、またはこれとは択一的に、汚染防止部（１８）と冷却器（２１）との間にだけ設けるようにしてもよい。

２つまたはそれ以上の部品の冷却が必要な場合は、炭素繊維を有している熱伝導体を、被冷却部品の領域で２つまたはそれ以上の部分束（１９ａ，１９ｂ）に分割し、それぞれの部分束（１９ａ，１９ｂ）を１つの被冷却部品に熱伝導可能に結合させることができる。しかしこれとは択一的に、別個の熱伝導体を各被冷却部品と冷却器（２１）との間に設けてもよい。後者の態様は、複数個の被冷却部品が互いに間隔をもって離れている場合に特に考慮に値する。

図１に図示した本発明の実施形態の場合、液状冷却剤を収容するための容器（２０）、すなわちデュワー瓶が設けられ、冷却器（２１）はこの容器内に配置されている。したがって、容器をたとえば液体窒素で充填することにより、少ない技術コストで汚染防止部および／または試料ホルダの強力な冷却が可能である。

図１に図示した本発明の実施形態の場合、液状冷却剤を収容するために用いる容器(２０)はバキュームコラムの外側に配置され、熱伝導体(１９)は冷却器（２１）から出てバキュームコラム内部まで案内されている。これにより冷却剤の充填または追加充填が非常に容易になる。また、蒸発した冷却剤をバキュームコラムから排出させるための特別な手段を必要としない。しかしながら、冷却剤蒸気を排出するために適した導管が設けられている場合には、容器をバキュームコラムの内側に配置してもよい。さらに、容器を試料ホルダのマニピュレータ（１５）内部に一体に設けてもよい。この場合にはマニピュレーションバー(１６)は管として構成され、その内部で、炭素繊維を含む熱伝導体を受容する。

炭素繊維から成る熱伝導体は弾性があり、撓み性があるのが有利である。また、熱伝導体（１９）に機械的負荷がかからないようにすべきである。これにより、特に蒸発性の冷却剤（２２）によって発生する機械的振動の伝達が回避される。

図１に図示した実施形態の場合、汚染防止部と試料ホルダ（１７）とは集束対物単視野レンズの磁極片隙間の領域に配置されている。これとは択一的に、特に走査型電子顕微鏡の場合、図３に図示したように、汚染防止部および／または試料ホルダ（３７）を、対物レンズ（３４）の電子源（３２）とは逆の側に位置するように試料室（３５）内部に配置してよい。図３の走査型電子顕微鏡も電子源（３２）と、該電子源（３２）から放出される電子を加速させるために電子源（３２）の下流側に設けられる複数個の電極（３３ａ，３３ｂ）とを有している。これらの電極には磁気集束レンズ（４１）と対物レンズ（３４）とが続いている。対物レンズ（３４）は磁気レンズまたは静電レンズ、或いは磁気レンズと静電レンズとの組み合わせであってよい。

対物レンズには試料室（３５）が続いている。試料室（３５）には試料ホルダ（３８）が試料マニピュレータ（３６）を介して収容されている。試料ホルダは駆動部（３７）を介して互いに垂直な３つの方向へ変位可能であり、且つ電子光学系（４１，３４）の光軸に対し垂直な軸線のまわりで傾動可能である。

電子源（３２）から放出される電子は、対物レンズ（３４）により、試料ホルダ（３８）上に受容可能な試料に合焦される。電子フォーカスは、対物レンズ（３４）内に配置された偏向システム（４３）により光軸に対し垂直に偏向可能であり、これにより試料を走査することができる。電子光学コラムの内部にはさらに圧力段階絞り（４４，４５）が配置され、これら圧力段階絞り（４４，４５）により、電子源の領域で真空が一定であるときに、試料室内の圧力を変化させることができる。この走査型電子顕微鏡はいわゆる"Variable Pressure SEM"であり、試料室内の真空状態が悪い場合でも試料を検査することができる。

本実施形態でも、プレパラートホルダ（３８）の冷却が行なわれる。このため、試料室の外側に、液状冷却剤を収容するために適したデュワー瓶（４１ａ）が設けられている。デュワー瓶の、冷却剤（４２）を取り巻いている壁は、下部壁領域において、熱伝導体（３９）を介して試料ホルダ（３８）と熱伝導可能に結合されている金属製の冷却器（４０）によって取り囲まれている。本実施形態でも、熱伝導体（３９）は炭素繊維束から成っている。熱伝導体（３９）と冷却器（４０）および試料ホルダ（３８）との熱伝導結合は、図１の実施形態の場合と同様の態様で実現されている。

試料ホルダ（３８）とこれに受容されている試料とを冷却することにより、試料から放出される水蒸気が再び試料上で凝縮して試料の含水量をほぼ維持させ、水蒸気が真空を悪化させないことが達成される。

以上の実施形態を手がかりに本発明を電子光学装置を例にとって説明したが、本発明はイオンまたは陽電子のような正電荷の電荷担体のビームを使用する装置にも同じように使用することができる。

透過型電子顕微鏡の形態の本発明による粒子放射装置の概略を断面で示した図である。 図１の熱伝導体を断面ＩＩ／ＩＩに沿って切断した図である。 走査型電子顕微鏡の形態の本発明による粒子放射装置の概略を断面で示した図である。

符号の説明

１…バキュームコラム、２…電子源、１０，１１，１２，１３…磁気レンズ、１４…対物レンズ、１７…試料ホルダ、１８…汚染防止部、１９…熱伝導体、１９ａ，１９ｂ…炭素繊維の部分束、２０…容器、２１…冷却器、２３…炭素繊維

Claims (5)

1. 粒子線を合焦または結像させる対物レンズと、
   試料を前記対物レンズ内または前記対物レンズ付近で受容する試料ホルダ（１７）と、
   冷却器（２１）と、
   前記試料ホルダ（１７）及び該試料ホルダ（１７）の付近に配置される冷却面（１８）の双方又はいずれか一方と、前記冷却器（２１）とに接続された熱伝導体（１９）と、を備え、
   該熱伝導体（１９）が、熱を前記試料ホルダ（１７）から前記冷却器（２１）へ、または前記試料ホルダ（１７）の付近に配置される前記冷却面（１８）から前記冷却器（２１）へ逃がすために用いられ、且つ前記熱伝導体（１９）が炭素繊維（２４）を含んでおり、
   前記熱伝導体（１９）は、可撓性の炭素繊維束から成り、
   前記熱伝導体（１９）は、前記炭素繊維の端面を形状拘束的に取り囲む金属製の移行部材を前記熱伝導体（１９）の端部に設けて、前記試料ホルダ（１７）及び前記冷却面（１８）の双方又はいずれか一方と面結合することにより、或いは、前記炭素繊維の端面を形状拘束的に前記試料ホルダ（１７）および前記冷却面（１８）の双方または何れか一方の金属部分に結合することにより、前記試料ホルダ（１７）及び前記冷却面（１８）の双方又はいずれか一方と接続され、前記冷却器（２１）と前記試料ホルダ（１７）および前記冷却面（１８）の双方又は何れか一方との熱的結合を確実にすることを特徴とする粒子放射装置。
2. 液状冷却剤（２２）を収容するための容器（２０）が設けられ、前記冷却器（２１）が前記容器（２０）に配置されている請求項１に記載の粒子放射装置。
3. バキュームコラム（１）を有し、前記冷却器（２０，２１）が前記バキュームコラム（１）の外側に配置され、前記熱伝導体（１９）が前記冷却器（２０，２１）から出て前記バキュームコラム（１）を通り該バキュームコラム（１）の内部まで案内されている請求項１または２に記載の粒子放射装置。
4. 粒子源（２）と、磁気レンズ（１０，１１，１２，１３）から成る単段または多段の照射システムとが設けられている請求項１から３までのいずれか一つに記載の粒子放射装置。
5. 前記熱伝導体（１９）が複数の部分束（１９ａ，１９ｂ）に分割され、前記熱伝導体（１９）の１つの部分束（１９ａ）が汚染防止部の前記冷却面（１８）と結合され、前記熱伝導体（１９）の第２の部分束（１９ｂ）が前記試料ホルダ（１７）と結合されている請求項１から４までのいずれか一つに記載の粒子放射装置。

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