JP5476087B2 - 荷電粒子線装置の物体位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子線装置に設けられる物体位置決め装置に関する。

荷電粒子線を用いる電子顕微鏡等の分析・観察装置に生じる機械的振動は、当該装置の空間分解能等の性能を劣化させる主要な擾乱要因の１つである。この発生原因は多様であり、例えば、建物自体の振動、当該装置周囲の騒音、或いは隣接する機器による振動などが挙げられる。

これらの原因によって装置各部は振動する。その固有振動数は装置各部の形状、材質、重量、振動モード等によって異なる。

特許文献１の図１１には試料の保持及び移動を行う試料ホルダを有するゴニオメータが開示されている。このゴニオメータにおいて、試料ホルダの先端部には試料が装着され、同ホルダの後端部には操作ツマミが連結されている。さらに、試料ホルダはホルダ装着部材に摺動可能に挿通されており、またさらに、ホルダ装着部材は回転部材に挿通され、回転部材の側面に設けられた押圧部材やネジによって支持されている。

操作ツマミと試料ホルダの連結部には中空円盤状の振動吸振部材が設けられている。振動吸振部材は試料ホルダの挿通方向の振動を抑制するもので、慣性部材を介した圧縮バネによって操作ツマミ側に付勢されている。試料ホルダがその挿通方向に振動する場合、慣性で静止している慣性部材との間で相対的な振動が発生する。その際、振動吸振部材は伸縮変形して振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。従って、試料ホルダの振動が抑制される。

また、圧縮バネが装着されるホルダ装着部材の後端部の側面には振動抑制装置が設けられている。この振動抑制装置は上記側面に立設されるロッドと、このロッドの先端面に設置される振動吸振部材と、振動吸振部材の外面に設置される慣性部材とを有する。即ち、振動吸振部材はロッドと慣性部材との間に設置されている。ロッドがその立設方向に振動する場合、慣性で静止している慣性部材との間で相対的な振動が発生する。その際、振動吸振部材は伸縮変形して振動エネルギーを熱エネルギーに変換する。従って、ロッドの振動が抑制される。これと同様の振動抑制装置は、回転部材の側面にも設けられている。

このように、特許文献１のゴニオメータでは、試料ホルダやホルダ装着部材等に個別に振動吸収装置を設けている。

また、同文献の図１０には可動絞り装置が示されている。この可動絞り装置は、顕微分析装置の鏡筒側面に設置され、絞りによって電子線のビーム径及び位置を制御する。可動絞り装置は、内面が球面状に形成された外側球面軸受と、外側球面軸受の内面に対応して球面状に形成された内側球面軸受を鏡筒側の端部に有する回動筒と、この回動筒に挿通され、前端部に絞りホルダを装着したホルダ装着部材とを有する。外側球面軸受と内側球面軸受の接触により回動筒は両軸受の球面の中心を回動中心として回動可能に支持されている。

ホルダ装着部材の後端部には送りネジが連結されている。送りネジは回転操作部材に螺合しており、回転操作部材の回転によって、送りネジ及びホルダ装着部材がその長手方向に移動する。

回転操作部材には大径部が形成され、その外周面は振動吸振部材によって被覆されている。そして、振動吸振部材の外側には２つ割りのリング状慣性部材を結合して環状に構成した慣性部材が装着されている。

この可動絞り装置において、上記回転操作部材と振動吸振部材と慣性部材とが振動吸収装置を構成する。振動吸収の原理は、前述のゴニオメータにおける振動吸収装置と同様であり、可動絞り装置が上記回動中心の周りに揺動するような振動が生じた場合には、回転操作部材と慣性部材との間で相対的な振動が発生する。従って、その間に設けられた振動吸振部材には伸縮変形が生じ、その結果、振動吸振部材内で振動エネルギーを熱エネルギーに変換される。即ち、このエネルギーの変換によって振動吸収装置の揺動が抑制される。

特開２００２−１２４２０６号公報

上述の通り、装置各部の固有振動数はその形状、材質、重量、振動モード等によって異なる。

従って、上記従来技術では試料ホルダ及び当該試料ホルダに接触する各機器に、それぞれの固有振動数に応じた振動抑制装置を設けている。このため、振動抑制装置毎に調整が必要であり、また、装置の構成が複雑化する。

上記の方法とは別に、試料ホルダ自体の素材に制振合金を用いることも考えられる。しかしながら、電子顕微鏡の空間分解能は０．０５ｎｍに達するため、許容される試料の振動振幅はこの値よりも小さい。また、一般的に制振合金は低歪み領域に対して減衰能を急激に失う特性がある。従って、原子よりも小さな振動による歪み領域では制振合金の減衰能が得られない場合がある。また、制振合金は高価であり製造コストが上昇する。

本発明は、このような微小な振動を簡便な手段によって抑制し、以って電子顕微鏡等の荷電粒子線装置の空間分解能を向上させる物体位置決め装置の提供を目的とする。

本発明の一態様は荷電粒子線装置の物体位置決め装置であって、荷電粒子線装置内に着脱可能な物体を保持し、且つ大気側から前記物体の移動を行う円筒もしくは円柱且つ棒状の物体ホルダと、前記物体ホルダの側面の少なくとも一箇所を摺動可能に支持し、以って前記物体ホルダの大気側後端部を自由端とする支持手段と、前記物体ホルダの大気側後端部に設けられ、該物体ホルダの振動を吸収する動吸振部とを備え、前記物体ホルダの長手方向と直角な方向の前記動吸振部の並進固有振動数は、前記物体ホルダの曲げモードにおける固有振動数に近接するように調整されていることを特徴とする。

上記構成において、前記動吸振部は、内面が前記物体ホルダの側面に接触するように形成される円筒状あるいは複数の直方体状の第１の振動抑制部材と、前記第１の振動抑制部材の外周面に設けられる円筒状の第１の慣性部材とを有することが望ましい。

さらに、前記第１の振動抑制部材は、動吸振部の作用周波数帯を広くするため、損失係数の大きな粘弾性材によって構成されることが望ましい。

上記物体位置決め装置において、前記動吸振部は、更に、前記棒状の物体ホルダの後端面に接触する第２の振動抑制部材と、前記第２の振動抑制部材の外面に設けられる第２の慣性部材とを有することが望ましい。この場合、前記物体ホルダの長手方向の前記動吸振部の並進固有振動数は、前記物体ホルダの長手方向の並進モードにおける固有振動数に近接するように調整されていることを特徴とする。

前記第２の振動抑制部材は、動吸振部の作用周波数帯を広くするため、損失係数の大きな粘弾性材によって構成されることが望ましい。

本発明によれば、試料における各軸方向の振動が抑制されるため、透過型電子顕微鏡の空間分解能が向上する。また、試料ホルダの大気側端部に設けた動吸振部が同ホルダの振動を直接、抑制するため、構成が簡便化され、製造コストを抑制できる。

本発明の一実施形態に係る試料位置決め装置の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る試料位置決め装置の変形例の一例を示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る試料ホルダの振動解析における等価モデル図であり、（ａ）は図１に示した試料ホルダの等価モデル図、（ｂ）は図２に示した試料ホルダの等価モデル図である。 図１及び図２に示した試料位置決め装置において想定される振動モードの例を図示したものであり、（ａ）は試料ホルダの曲げモード、（ｂ）はシフタのロッキングモードを示す。

本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。以下に述べる本実施形態の物体位置決め装置は、透過型電子顕微鏡等の電子顕微鏡に設置され、試料の移動を行う試料位置決め装置として使用されることを想定している。しかしながら、本発明の物体位置決め装置は、荷電粒子線を用いた分析・観察等を行う装置の微小な移動機構として適用可能であり、移動させる対象は試料に限らず、スリット、アパーチャ等の絞り等も含まれる。

図１は本発明の一実施形態に係る試料位置決め装置の模式図である。この図において、電子線（図示せず）は真空内をＺ軸に略平行に進行し、試料１を通過するものとする。試料位置決め装置５０は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向に対して試料１を直線的に移動させ、且つＸ軸周りに傾斜可能な４軸位置決め装置である。

試料１を保持する試料ホルダ（物体ホルダ）２は円筒の棒状に形成されており、試料１が設置される真空部と大気部の間を貫くように設けられている。試料ホルダ２は、その側面とシフタ１０（後述）との間に設けられたベアリング（支持手段）１１によって摺動可能に支持されており、その両端は自由端と見なすことが出来る。また、試料ホルダ２の側面とシフタ１０との間には、真空部と大気部を遮断するＯリング３が挿通されている。

レバー４は試料ホルダ２が大気圧で引き込まれるのを防止しつつ、試料１の位置をＸ軸方向に支持する。レバー４の後端部には、Ｘ軸モータ６と平歯車対７とＸ軸送りネジ８とからなるＸ軸移動機構４０が設けられている。この駆動機構４０によってレバー４は回転中心５を中心として回転する。具体的にはＸ軸モータ６の回転によってＸ軸送りネジ８がＸ軸方向に移動し、これに合わせて試料１がレバー４を介してＸ軸方向に直線移動する。ベローズ９は真空を保ちつつレバー４の移動を円滑にする。試料ホルダ２とレバー４との接触部にはＹＺ平面内で回転するベアリング１８が設けられており、これによってＹ軸方向の移動が円滑になる。

シフタ１０は円筒状に形成され、Ｘ軸方向に貫通孔を有する。試料ホルダ２はこの貫通孔に収容され、これによって、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の並進移動が規制される。即ち、試料ホルダ２はＸ軸方向にのみ移動可能となる。シフタ１０の貫通孔の両端部近傍には上述したベアリング１１が設けられ、試料ホルダ２のＸ軸方向への移動を円滑にする。なお、ベアリング１１の位置、及び個数は図１に限定されない。即ち、試料ホルダ２を直動可能とし、その大気側端部を自由端とさせる限り、ベアリング１１の位置及び個数は任意である。

シフタ１０の試料側の外周面は、シフタ１０の中心軸（図示せず）上を中心とする球面状に形成され、球面軸受部１３の内側球面軸受部１３ａを構成する。一方、球面軸受部１３の外側球面軸受部１３ｂは、その内面が内側球面軸受部１３ａの球面に摺接するように形成される。そして、内側球面軸受部１３ａと外側球面軸受部１３ｂの間には、真空を保持するＯリング１２が設けられる。これらにより、シフタ１０は球面軸受部１３の中心を回動中心として回動することが出来る。

シフタ１０の大気側外周には、Ｙ軸モータ１４と平歯車対１５とＹ軸送りネジ１６と戻しバネ１７とからなるＹ軸移動機構４１が設けられている。Ｙ軸送りネジ１６の先端はシフタ１０の側面に接しており、その延長上に位置する反対側のシフタ１０の側面は戻しバネ１７によって、Ｙ軸送りネジ１６方向に付勢されている。Ｙ軸モータ１４の回転によってＹ軸送りネジ１６がＹ軸方向に移動すると、シフタ１０が球面軸受部１３の上記中心の周囲を回動する。これにより試料１が微小範囲内でＹ軸方向に直線移動する。

なお、試料１をＺ軸方向に移動させるＺ軸移動機構（図示せず）も設けられているが、これはＹ軸移動機構４１と同様の構成であるため説明を省略する。さらにＸ軸の周りに試料１を傾斜させる機構についても説明を省略する。

試料ホルダ２の大気側後端部には該試料ホルダ２の振動を吸収する動吸振部２０が設けられている。動吸振部２０は振動抑制部材２１と慣性部材（おもり）２２とを備え、振動抑制部材２１のばね定数と慣性部材２２の質量との調整によって所定の振動数以上の振動を減衰させる。特に、動吸振部２０のＹ軸方向の並進固有振動数は、試料ホルダ２の曲げモードにおける固有振動数に近接していることが望ましい。

振動抑制部材２１は円筒状あるいは複数の直方体状に形成されており、その内面は試料ホルダ２の振動が直接伝わるように、後端部側面２ａに接触している。振動抑制部材２１は振動を広帯域に吸収するために、その材質として、高い損失係数を有する粘弾性材が用いられる。例えば、振動抑制部材２１は、複素剛性ｋ^＊（実数成分ｋ）、損失係数がηである場合、

の関係を有する。一方、試料ホルダ２が固有角振動数ω、振幅Ｘで振動したとき、動吸振部２０が試料ホルダ２に作用する力Ｆは、慣性部材２２の質量をｍとすると、

となる。式（２）の虚数成分は、力Ｆの大きさと作用する周波数帯域（即ち試料ホルダ２の振動を抑制可能な周波数領域）を表しており、この周波数帯域は損失係数ηが大きくなるにつれて増加する。本発明で用いる振動抑制部材２１は、この損失係数ηは０．５以上であることが望ましい。

慣性部材２２は円筒状に形成され、その内面は振動抑制部材２１の外周面に接触する。慣性部材２２は試料ホルダ２の曲げモードにおける振動に対して充分な吸振力を作用させる程度の質量を有する。

次に、本実施形態の試料位置決め装置における振動抑制について説明する。

図３（ａ）は振動解析における試料ホルダ２及び動吸振部２０等の等価モデル図である。このように、試料ホルダ２はベアリング１１を支点とし、両端が自由端となる梁（棒状体）としてモデル化できる。また、動吸振部２０は試料ホルダ２の端部側面に接触する弾性支持体としてモデル化できる。

ここで、動吸振部２０が無い場合の試料ホルダ２の振動を仮定する。図４（ａ）はモデル化された試料ホルダ２の曲げモードの一例を示す模式図である。この図に示すように、試料ホルダ２の両端は自由端となっているため、ベアリング１１を支点としてＹ軸方向に振動する。

動吸振部２０はこの振動を減衰させることができる。例えば、試料ホルダ２に図４（ａ）で示すようなＹ軸方向の固有振動が生じた場合、動吸振部２０の固有振動数がこれに近接しているため、試料ホルダ２の端部と慣性部材２２は相対的に振動し、その間に設けられた振動抑制部材２１は伸縮を繰り返す。この伸縮によって試料ホルダ２には振動抑制部材２１を介して慣性部材２２から吸振力が作用するため、試料ホルダ２の振動が抑制されることになる。この原理によってＺ軸方向の振動もＹ軸方向の振動と同様に抑制できることが判る。

また、試料ホルダ２がＸ軸方向に振動した場合にも、その周波数が、慣性部材２２の質量と振動抑制部材２１の剪断方向のバネ定数とからなる動吸振部２０のＸ軸方向の固有振動数よりも高い場合には、試料ホルダ２にＸ軸方向の吸振力が作用するため、振動抑制部材２１にはＸ軸方向に剪断応力が生じる。この振動における剪断応力の変化は振動抑制部材２１内の熱エネルギーに変換されるため、試料ホルダ２のＸ軸方向の振動が抑制される。

このように本発明によれば、動吸振部２０を試料ホルダ２の大気側端部の側面２ａに設けたことにより、試料ホルダ２の曲げモードにおける振動を直接的に最も効率良く抑制できる。この振動抑制によって試料１におけるＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の各振動が抑制されるため、透過型電子顕微鏡の空間分解能が向上する。

また本発明では、動吸振部２０単体で試料ホルダ２の振動を直接抑制する。即ち特許文献１に示す従来技術のように、荷電粒子線装置の構成部材のそれぞれに振動抑制装置を設けるのではなく、試料１の振動の直接的原因となる試料ホルダ２の振動を、ホルダ２の大気側端部に設けた動吸振部２０単体で直接的に抑制する。従って、試料１の振動抑制に必要な構成部材数を低減でき、製造コストを抑制できる。また、特許文献１に示す可動絞り装置では、振動抑制装置とホルダ装着部材との間に送りネジの螺合・ガタによるバネ要素が存在するが、本発明ではこのような要素が無いため、抑制する振動の振動数は試料ホルダ２の固有振動数を考慮するだけでよく、振動抑制部材２１の減衰特性の調整及び慣性部材２２の質量設定は簡便化される。これも製造コスト抑制に貢献する。

さらに、本発明に係る動吸振部２０は試料ホルダ２以外の振動も抑制する。例えば、騒音等により球面軸受部１３の中心を回動中心としてシフタ１０が揺動する場合がある。このシフタ１０の振動モードをロッキングモードと称し、図４（ｂ）にその様子を示す。なお、一般に騒音等によって誘発されるロッキングモードの振動数は、一般に試料ホルダ２の曲げモードにおける振動数よりも高い。

試料ホルダ２が剛体と見なせる場合、図の矢印Ａで示すように試料ホルダ２はシフタ１０と一体になって球面軸受部１３の中心を回動中心として揺動する。しかし実際には、試料ホルダ２が剛体ではないためにシフタ１０と一体に運動することはなく、矢印Ｂで示すように試料ホルダ２は曲がる。従って、試料１のＹ軸方向への振動はシフタ１０のロッキングモードの振動のみに依存するだけでなく、試料ホルダ２の曲げモードにも依存する。

しかしながら、上述の通り、高い損失係数を有する動吸振部２０の作用周波数帯域は広く、シフタ１０のロッキングモードの周波数を含むため、試料ホルダ２の曲げによる振動は動吸振部２０によって抑制される。動吸振部２０は、シフタ１０のロッキングモードを直接的に抑制しないが試料ホルダ２の曲げによる試料１の振動の増加分（即ち、図４（ｂ）のＢとＡの差分）を効果的に抑制できる。従って、シフタ１０のロッキングモードにおける試料１の振動が抑制される。

このように本発明では、試料１の振動の最終的な原因となる試料ホルダ２の振動を動吸振部２０が吸収するため、試料ホルダ２に間接的に接触する（即ちベアリング１１等を介して接触する）外部の機器の振動も併せて抑制できる。

また、制振合金等の振動抑制はそれ自体の歪みによるヒステリシス減衰を利用したものであるが、本発明の動吸振部は吸振力の作用を利用して振動を減衰させている。従って、原子サイズ以下の振動振幅に対しても有効に作用する。

（変形例）
上記の試料位置決め装置５０の一変形例について説明する。図２はこの変形例の模式図である。図１と同じ構成には同符号を付し説明を省略する。

図２に示すように、動吸振部２０は図１に示す構成に加えて、試料ホルダ２の後端面２ｂに接触する振動抑制部材２３と、振動抑制部材２３の後面に接触するように設けられる慣性部材（おもり）２４とを備える。即ち、振動抑制部材２３は試料ホルダ２の後端面２ｂと慣性部材２４によって挟まれている。図３（ｂ）は振動解析における本変形例の試料ホルダ２及び動吸振部２０等の等価モデル図である。この図ではＸ軸移動機構４０を弾性支持体として併記している。

振動抑制部材２３は、振動抑制部材２１と同様に、振動を広帯域に抑制するために、その材質として損失係数の大きい粘弾性材で構成される。慣性部材２４は試料ホルダ２のＸ軸方向の並進振動に対して充分な吸振力を作用させる程度の質量を有する。

本変形例において、振動抑制部材２３と慣性部材２４の合成体は、振動抑制部材２３のばね定数と慣性部材２４の質量との調整によって所定の振動数以上の振動を減衰させる。特に、この調整において、上記合成体におけるＸ軸方向の並進固有振動数が、試料ホルダ２の並進モードにおける固有振動数に近接していることが望ましい。なお、試料ホルダ２の並進モードにおける固有振動数は、試料ホルダ２の質量とＸ軸移動機構全体のバネ定数のＸ軸方向成分に依存している。

試料ホルダ２がＸ軸方向の固有周波数で振動した場合、振動抑制部材２３と慣性部材２４の合成体のＸ軸方向の固有振動数がこれに近接しているため、一体で振動せず、試料ホルダ２と慣性部材２４との相対振動により振動抑制部材２３が伸縮させられる。これによって試料ホルダ２には吸振力が作用するため、その結果、試料ホルダ２のＸ軸方向の振動が抑制される。

振動抑制部材２１と慣性部材２２の組み合わせによっても試料ホルダ２のＸ軸方向の振動抑制効果が期待できるが、本変形例では振動抑制部材２３と慣性部材２４による合成体の作用周波数帯域を、試料ホルダ２のＸ軸方向の並進モードにおける固有振動数を考慮して調整するため、試料ホルダ２のＸ軸方向の振動をより効果的に抑制することが出来る。また、試料ホルダ２の後端面２ｂに振動抑制部材２３を設置することにより、振動抑制部材２３内には剪断応力が生じるので、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向、及びその合成方向に対する試料ホルダ２の振動抑制が更に強化される。

１：試料
２：試料ホルダ
３、１２：Ｏリング
４：レバー
１０：シフタ
１１、１８：ベアリング
１３：球面軸受
２０：動吸振部
２１、２３：振動抑制部材
２２、２４：慣性部材
４０：Ｘ軸移動機構
４１：Ｙ軸移動機構
５０：試料位置決め装置

Claims (5)

1. 荷電粒子線装置内に着脱可能な物体を保持し、且つ大気側から前記物体の移動を行う円筒もしくは円柱且つ棒状の物体ホルダと、
   円筒状に形成され、前記物体ホルダを収容する貫通孔を有するシフタと、
   前記物体ホルダの側面と前記シフタとの間に配置されて前記物体ホルダの側面の少なくとも一箇所を摺動可能に支持し、以って前記物体ホルダの大気側後端部を自由端とする支持手段と、
   前記物体ホルダの大気側後端部に設けられ、該物体ホルダの振動を吸収する動吸振部とを備え、
   前記物体ホルダの長手方向と直角な方向の前記動吸振部の並進固有振動数は、前記シフタのロッキングモードの振動数よりも低く、且つ、前記物体ホルダの曲げモードにおける固有振動数に近接するように調整されていることを特徴とする荷電粒子線装置の物体位置決め装置。
2. 前記動吸振部は、内面が前記物体ホルダの側面に接触するように形成される円筒状あるいは複数の直方体状の第１の振動抑制部材と、前記第１の振動抑制部材の外周面に設けられる円筒状の第１の慣性部材とを有することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置の物体位置決め装置。
3. 前記第１の振動抑制部材は粘弾性材によって構成されることを特徴とする請求項２に記載の荷電粒子線装置の物体位置決め装置。
4. 前記動吸振部は、更に、前記棒状の物体ホルダの後端面に接触する第２の振動抑制部材と、前記第２の振動抑制部材の外面に設けられる第２の慣性部材とを有し、
   前記物体ホルダの長手方向の前記動吸振部の並進固有振動数は、前記物体ホルダの長手方向の並進モードにおける固有振動数に近接するように調整されていることを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置の物体位置決め装置。
5. 前記第２の振動抑制部材は粘弾性材によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の荷電粒子線装置の物体位置決め装置。

Images