JP5923412B2 - 観察装置および光軸調整方法 - Google Patents
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Description
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、前記荷電粒子光学鏡筒の内部を真空引きする真空ポンプと、前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置され、前記一次荷電粒子線を透過または通過させる着脱可能な隔膜と、前記隔膜および前記試料に対して前記荷電粒子光学鏡筒の反対側に配置され、前記荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上に光軸の少なくとも一部を有する光学顕微鏡とを備えることを特徴とする。
隔膜10の詳細図を図2に示す。隔膜10は土台159上に成膜または蒸着されている。隔膜10はカーボン材、有機材、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、酸化シリコンなどである。土台159は例えばシリコンのような部材であり、ウェットエッチングなどの加工により図のようにテーパ穴165が掘られてあり、図2中下面に隔膜10が具備されている。隔膜10部は複数配置された多窓であってもよい。一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能な隔膜の厚みは数nm〜数μm程度である。隔膜に替えて、一次荷電粒子線の通過孔を備えるアパーチャ部材を用いてもよく、その場合の孔径は、現実的な真空ポンプで差動排気可能という要請から、面積1mm2程度以下であることが望ましい。荷電粒子線がイオンの場合は、隔膜を破損させる事なしに貫通させることが困難であるため、面積1mm2程度以下のアパーチャを用いる。
隔膜10を備えた土台159は隔膜保持部材155上に具備されている。隔膜保持部材155は第2の筐体121の上側に具備されている。隔膜保持部材155と第2の筐体121との間はOリングやパッキンなどの真空シールなどの真空封止部材124を備えており、真空封じされている。図示しないが、隔膜10を備えた土台159と隔膜保持部材155との間も真空シールが可能な接着剤や両面テープ等により接着または密着している。
第2の筐体121の内部には試料を搭載し、位置変更が可能な試料ステージ5を備える。試料ステージ5は荷電粒子光学鏡筒2と光学顕微鏡250との間に配置され、これらと独立に移動できる。試料ステージ5には、面内方向へのXY駆動機構および高さ方向へのZ軸駆動機構を備えている。第2の筐体内部に試料ステージ5を支持する底板となるステージ支持台17が配置されており、試料ステージ5はステージ支持台17に具備されている。Z軸駆動機構およびXY駆動機構は第2の筐体内部に配置されている。装置ユーザは、これらを操作する操作つまみ204などを操作することにより、試料6の第2の筐体121内での位置を調整する。図中操作つまみ204は第2の筐体内部にあるが、装置外部にひきだされてもよいし、電動モータなどによって外部から制御してもよい。ステージが大きい場合等、第2の筐体121の内部にステージが完全に収まらない場合であっても、ステージを含めた駆動機構の少なくとも一部が第2の筐体121の内部に配置されればよい。
次に、光学顕微鏡250に関して説明する。本実施例では隔膜10および試料6に対して、荷電粒子光学鏡筒2の反対側の空間に光学顕微鏡250が設けられている。光学顕微鏡250は対物レンズ252などの光学レンズを備える。光学レンズを経由した顕微鏡情報は第2の筐体内部に配置されたCCDカメラ254に伝達される。CCDカメラ254は、光学情報を電気情報などのデジタル信号に変換する信号形成部としての役割を担う。CCDカメラ254によって電気情報に変換された画像情報は通信線45を使って制御部などに伝達させ、モニタ上に表示させる。もちろん、CCDカメラ以外の撮像装置であってもよい。
ここで、図3を用いて光学顕微鏡像を取得するために試料に照射するための光源の配置場所に関して説明する。第1の例としては、光学顕微鏡250の内部に具備された光源255を用いる方法である。この場合、光源255から放出された光は光学顕微鏡250内部の内部ミラー258等を経由して透明な試料搭載板206上の試料6に照射される。第2の例としては、光学顕微鏡250の対物レンズ252の周辺に配置された光源256を用いる方法である。第3の例としては、試料より上側からの光源257を用いる場合である。図では、光源257は隔膜保持部材155上に配置されているが、第2の筐体121に具備されていてもよい。第1と第2の例の場合は、試料6下側から照射し、反射される光を取得する反射型光学顕微鏡像であり、第3の例の場合は試料6上側から光が試料内を透過する透過型光学顕微像となる。必要な情報によって上記どれを使っても構わない。
次に、隔膜10の位置調整機構に関して説明する。隔膜10を備えた部材を第2の筐体121に取り付けた際に、荷電粒子光学鏡筒2の光軸200(つまり画像中心)と隔膜10位置がずれている場合がある。荷電粒子顕微鏡で取得される画像がほぼ中心付近にないと、荷電粒子線像の倍率を切り替えた場合に、隔膜10及び試料6が観察できないという問題点がある。そのため、荷電粒子光学鏡筒2の光軸200と隔膜の中心201とを大まかに合わせる必要がある。以下の説明では、荷電粒子光学鏡筒2の光軸200位置は固定されているものとする。
次に、光学顕微鏡250の位置調整機構に関して説明する。光学顕微鏡250では色や干渉光や蛍光などの光学顕微鏡に特有な情報が取得できる。一方、荷電粒子顕微鏡では表面情報や元素情報や密度情報などの荷電粒子顕微鏡に特有な情報を取得できる。そのため、本実施例で示された装置において、荷電粒子光学鏡筒2の光軸200下で観察される位置と、光学顕微鏡250の光軸251下にて観察される位置を同じにすれば、試料6の同じ部位の上記情報を同時に取得することが可能となる。すなわち荷電粒子光学鏡筒2の光軸と光学顕微鏡250の光軸が一致するように調整すればよい。なお、光学顕微鏡250の光学系がミラーなどを含むことにより光軸が直線でない場合も考えられるが、少なくとも光学顕微鏡の光軸の一部が荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上にあればよい。
次に、図6を用いて、試料搭載板206上の微粒子試料262を観察する方法に関して説明する。以下では、荷電粒子顕微鏡像の光軸200と、隔膜10の中心位置と、光学顕微鏡像の光軸251のそれぞれが合っているものとする。また、試料搭載板206上でかつ隔膜10の下側に微粒子試料262が配置されているものとする。図6(a)に、荷電粒子顕微鏡の焦点位置、光学顕微鏡の焦点位置、および試料や隔膜10などの模式的な配置図を示す。荷電粒子顕微鏡による焦点264および光学顕微鏡による焦点265が隔膜10近傍に合わされているものとする。また、試料搭載板206上の微粒子試料262が隔膜10から離れており、前記焦点位置に微粒子試料262がないとする。例えば、試料交換直後などの場合にはこのような状態になる。この状態における、荷電粒子顕微鏡像は図6(b)のようになり、光学顕微鏡像は図6(c)のようになる。つまり、両像とも試料像がぼけた画像となる。次に、図6(d)のように試料ステージ5によって試料位置を隔膜10近傍まで移動させると、荷電粒子顕微鏡像は図6(e)のようになり、光学顕微鏡像は図6(f)のようになる。つまり、両像とも微粒子試料262に焦点が合う。こうして荷電粒子顕微鏡及び光学顕微鏡により試料搭載板206上の微粒子試料262の同じ部位の画像を観察することが可能となる。
本実施例の荷電粒子顕微鏡においては、第2の筐体内に置換ガスを供給する機能または第一の空間とは異なった気圧状態を形成可能な機能を備えている。荷電粒子光学鏡筒2の下端から放出された電子線は、高真空に維持された第1の空間を通って、図8に示す隔膜10を通過し、更に、大気圧または若干の負圧状態に維持された第2の空間に侵入する。すなわち第2の空間は第1の空間より真空度が悪い(低真空度の)状態である。大気空間では電子線は気体分子によって散乱されるため、平均自由行程は短くなる。つまり、隔膜10と試料6の距離が大きいと電子線または前記電子線照射により発生する二次電子、反射電子もしくは透過電子が試料及び検出器3や検出器151まで届かなくなる。一方、電子線の散乱確率は、気体分子の質量数や密度に比例する。従って、大気よりも質量数の軽いガス分子で第2の空間を置換するか、少しだけ真空引きすることを行えば、電子線の散乱確率が低下し、電子線が試料に到達できるようになる。また、第2の空間の全体ではなくても、少なくとも第2の空間中の電子線の通過経路、すなわち隔膜と試料との間の空間の大気をガス置換できればよい。置換ガスの種類としては、窒素や水蒸気など、大気よりも軽いガスであれば画像S/Nの改善効果が見られるが、質量のより軽いヘリウムガスや水素ガスの方が、画像S/Nの改善効果が大きい。
次に、本実施例の試料6の位置調整方法について説明する。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、観察視野の移動手段として試料ステージ5を備えている。試料ステージ5には、面内方向へのXY駆動機構および高さ方向へのZ軸駆動機構を備えている。蓋部材122には試料ステージ5を支持する底板となる支持板107が取り付けられており、試料ステージ5は支持板107に固定されている。支持板107は、蓋部材122の第2の筐体121への対向面に向けて第2の筐体121の内部に向かって延伸するよう取り付けられている。Z軸駆動機構およびXY駆動機構からはそれぞれ支軸が伸びており、各々蓋部材122が有する操作つまみ108および操作つまみ109と繋がっている。装置ユーザは、これらの操作つまみ108および109を操作することにより、試料6の第2の筐体121内での位置を調整する。
第2の筐体121内部には光学顕微鏡250を備える。光学顕微鏡250に具備された対物レンズ252から取得された顕微鏡画像はCCDカメラ254に送られる。CCDカメラ254にて電気信号に変換された信号は配線209を経由して、さらに配線接続部208を経由して、下位制御部37に顕微鏡画像データが送信される。図中CCDカメラは第2の筐体121内部に配置されているが、光学顕微鏡の構成によっては第2の筐体外部にあってもよい。
次に、試料6の交換機構について説明する。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、第1の筐体7の底面および蓋部材122の下面に、蓋部材用支持部材19、底板20をそれぞれ備える。蓋部材122は第2の筐体121に真空封止部材125を介して取り外し可能に固定される。一方、蓋部材用支持部材19も底板20に対して取り外し可能に固定されており、図9に示すように、蓋部材122および蓋部材用支持部材19を丸ごと第2の筐体121から取り外すことが可能である。なお、本図では電気配線などは省略している。
荷電粒子光学鏡筒2の光軸200と隔膜10と光学顕微鏡250の光軸251はそれぞれ合わせなければならないため、実施例1と同様に隔膜位置調整機構259と光軸調整機構260とを備える。本実施例の場合は、第2の筐体内部を塞ぐための蓋部材122を備える。ここでは、隔膜位置調整機構259または光軸調整機構260は第2の筐体121外部から制御できる構成について説明する。
本実施例の荷電粒子顕微鏡は、通常の高真空SEMとして使用することも可能である。図10には、高真空SEMとして使用した状態での、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。図10において、制御系は図8と同様であるので図示は省略している。図10は、蓋部材122を第2の筐体121に固定した状態で、ガス供給管100と圧力調整弁104を蓋部材122から取り外した後、ガス供給管100と圧力調整弁104の取り付け位置を蓋部材130で塞いだ状態の荷電粒子顕微鏡を示している。この前後の操作で、隔膜10部を隔膜保持部材155ごと取り外しておけば、第1の空間11と第2の空間12をつなげることができ、第2の筐体内部を真空ポンプ4で真空排気することが可能となる。これにより、第2の筐体内部は第1の筐体内部と同等の圧力となり、第2の筐体121を取り付けた状態で、高真空SEM観察が可能となる。
以上説明したように、本実施例では、試料ステージ5およびその操作つまみ108、109、ガス供給管100、圧力調整弁104が全て蓋部材122に集約して取り付けられている。従って装置ユーザは、上記操作つまみ108、109の操作、試料の交換作業、またはガス供給管100、圧力調整弁104の脱着作業を第1の筐体の同じ面に対して行うことができる。よって、上記構成物が試料室の他の面にバラバラに取り付けられている構成の荷電粒子顕微鏡に比べて操作性が非常に向上している。
100:ガス供給管、101:ガス制御用バルブ、102:連結部、103:ガスボンベまたは真空ポンプ、104:圧力調整弁、107:支持板、108、109:操作つまみ、121:第2の筐体、122、130:蓋部材、123、124、125、126、128、129:真空封止部材、131:本体部、132:合わせ部、154:信号増幅器、155:隔膜保持部材、156、157、158:通信線、159:土台、
200:荷電粒子線の光軸、201:隔膜の中心、203:落下防止部材、204:操作つまみ、205:試料台ホルダ、206:試料搭載板、207:接眼レンズ、208:配線接続部、209:配線、250:光学顕微鏡、251:光学顕微鏡の光軸、252:対物レンズ、253:光学レンズ駆動機構、254:CCDカメラ、255、256、257:光源、258:内部ミラー、259:隔膜位置調整機構、260:光軸調整調整機構、261:支え部、262:微粒子試料、263:ベース、264:荷電粒子顕微鏡による焦点、265:光学顕微鏡による焦点、267:微粒子試料、268:つなぎ部、269:柱、270:土台、271:筐体、272:ガスノズル、273:支え
Claims (16)
- 一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記荷電粒子光学鏡筒の内部を真空引きする真空ポンプと、
前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように前記試料とは非接触の状態で配置され、前記一次荷電粒子線を透過または通過させる着脱可能な隔膜と、
前記隔膜および前記試料に対して前記荷電粒子光学鏡筒の反対側に配置され、前記荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上に光軸の少なくとも一部を有する光学顕微鏡と、
前記光学顕微鏡の光軸上に前記隔膜の中心が位置するように前記光学顕微鏡の光軸を調整し、当該調整された位置で前記光学顕微鏡を固定する光軸調整機構と、を備えることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
前記光軸調整機構は、前記光学顕微鏡を、前記荷電粒子光学鏡筒、および前記隔膜のいずれに対しても独立に移動可能とすることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
前記試料が載置される試料ステージを備え、
前記試料ステージは、前記光学顕微鏡、前記荷電粒子光学鏡筒、前記隔膜のいずれに対しても独立に移動可能であることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
前記荷電粒子線装置全体を装置設置面に対して支持し、内部が前記真空ポンプにより真空排気される第1の筐体と、
前記第1の筐体の側面、または内壁面、または前記荷電粒子光学鏡筒に位置が固定される、前記試料を内部に格納する第2の筐体と、を備え、
前記隔膜は前記第2の筐体の上面側に設けられ、
前記第2の筐体内部の圧力が前記第1の筐体内部の圧力と同等か、
前記第2の筐体内部の圧力を前記第1の筐体内部の圧力よりも高い状態に維持することを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記隔膜の位置を移動させる調整機構を有し、
前記駆動機構の少なくとも一部が前記第2の筐体内部に配置されることを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒と前記光学顕微鏡との間に配置され前記試料が載置される試料ステージを備え、
前記試料ステージが前記第2の筐体内部に配置されることを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡にて取得された画像情報をデジタル信号に変換する信号形成部が前記第2の筐体内部に具備したことを特徴とする観察装置。 - 請求項7に記載の観察装置において、
前記第2の筐体の少なくとも一側面を蓋うことが可能な蓋部材を有し、
前記光学顕微鏡からの信号を前記第2の筺体の外部に出力する信号出力口または信号線の導出口が前記蓋部材に具備されたことを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記第2の筐体の少なくとも一側面を蓋うことが可能な蓋部材に、前記試料ステージを操作する機構と、前記光学顕微鏡の移動を操作する機構とを備えることを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡の少なくとも一部が前記第2の筐体内部にあり、前記光学顕微鏡像を観察するための観察部が前記第2の筐体の外側にあることを特徴とする観察装置。 - 請求項4に記載の観察装置において、
前記第2の筐体内部を真空状態にすることが可能な真空ポンプを備えることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
前記試料が載置される空間は103Pa以上大気圧以下の圧力の雰囲気であることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
少なくとも前記隔膜と前記試料との間の空間の雰囲気を空気以外のガスに置換することが可能なガス導入口を備えることを特徴とする観察装置。 - 請求項1に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡が有する光学レンズの位置を前記光学顕微鏡の光軸方向に移動させる駆動機構を有することを特徴とする観察装置。 - 光学顕微鏡と荷電粒子光学鏡筒を備える荷電粒子線顕微鏡とを備え、前記荷電粒子線顕微鏡による画像と前記光学顕微鏡による画像のそれぞれで103Pa以上大気圧以下の圧力の雰囲気に置かれた試料を観察する観察装置の光軸調整方法において、
前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置された隔膜の中心が前記荷電粒子線顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を調整する隔膜位置調整ステップと、
前記隔膜位置調整ステップ後に、前記隔膜の中心が前記光学顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を固定して前記光学顕微鏡の位置を調整するステップと、を有する光軸調整方法。 - 光学顕微鏡と荷電粒子光学鏡筒を備える荷電粒子線顕微鏡とを備え、前記荷電粒子線顕微鏡による画像と前記光学顕微鏡による画像のそれぞれで10 3 Pa以上大気圧以下の圧力の雰囲気に置かれた試料を観察する試料観察方法において、
前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置された隔膜の中心が前記荷電粒子線顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を調整する隔膜位置調整ステップと、
前記隔膜位置調整ステップ後に、前記隔膜の中心が前記光学顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を固定して前記光学顕微鏡の位置を調整する光学顕微鏡位置ステップと、
前記荷電粒子顕微鏡の焦点と前記光学顕微鏡の焦点を前記隔膜の近傍に合わせる焦点調整ステップと、
前記焦点調整ステップ後に、前記試料の位置を前記隔膜の近傍まで移動させるステップと、を有する試料観察方法。
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