JP6220887B2 - 荷電粒子装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子装置に関する。

荷電粒子装置は、例えば、特許文献１（特開２０１１−１２４１４５号公報）のように、鏡筒内に荷電粒子線光学系が収納されており、鏡筒には試料ステージや観察室が設置されている。さらに、鏡筒は架台などの支持構造物で支持されており、支持構造物は外部からの振動を伝達することを抑制する除振装置が設けられている。

特開２０１１−１２４１４５号公報

近年、荷電粒子装置の高機能化により鏡筒の軸長が増大する傾向にある。鏡筒の軸長が増大すると、安定支持のために支持幅を増大させる必要がある。そのため、特許文献１のように、装置の四隅を四つの除振装置で支持し、さらに鏡筒を架台の中央に配置させる荷電粒子装置では、装置外周つまり、荷重板外周から鏡筒までの距離が遠くなる。装置外周から鏡筒までの距離が遠い場合、鏡筒に設置されている試料ステージに試料交換のためのホルダを挿入することや、透過型電子顕微鏡であれば、鏡筒に設置されている蛍光板覗き窓から観察像を観察するなどの装置の操作性が悪化する。

そこで、本発明の目的は、荷電粒子装置において、装置外周から鏡筒までの距離を短くして、試料ステージに試料交換のためのホルダを抜き差しすることや、蛍光板覗き窓から観察像を観察することを容易にする荷電粒子装置を提供することにある。

本発明は、鏡筒と鏡筒の内部に設けられた荷電粒子線光学系と、鏡筒に設けられた試料ステージと、鏡筒を支持する荷重板と、荷重板を支持する除振マウントと、架台を有し、荷重板が３ヶ所の除振マウントで支持され、荷重板上の鏡筒が除振マウント近傍に設置される荷電粒子装置である。

本発明によると、荷電粒子装置において、装置外周から鏡筒までの距離を短くして、試料ステージに試料交換のためのホルダを抜き差しすることや、蛍光板覗き窓から観察像を観察することが容易になる。

従来の荷電粒子装置の説明図である。 本発明の実施例１における荷電粒子装置の斜視図である。 本発明の実施例１における３ヶ所の除振マウントで支持される装置の簡易モデルである。 本発明の実施例１における簡易モデルにおける重心位置と観察点の振動量の関係を示す図である。 本発明の実施例１における３ヶ所の除振マウントで支持した場合の床振動起因の振動応答を示す図である。 本発明の実施例１における４ヶ所の除振マウントで支持した場合の床振動起因の振動応答を示す図である。 本発明の実施例１における３ヶ所及び４ヶ所の除振マウントで支持される装置の応答比較である。 本発明の実施例１における３ヶ所の除振マウントで支持される装置の簡易モデルである。 本発明の実施例２における荷電粒子装置の斜視図である。 本発明の実施例２における試料ステージを設置する位置を示す図である。 本発明の実施例２におけるカラムが振動しにくい方向を示す図である。

図１を参照して荷電粒子装置の概略を示す。本発明は荷電粒子装置に関する発明であるが、荷電粒子装置の一つである透過型電子顕微鏡の構造を用いて説明する。荷電粒子装置は本体１０、本体を支持する荷重板１４、荷重板１４を支持する架台１６、荷重板と架台の間に設けられた除振マウント１５、制御装置１１、モニタ１２、操作卓１３を有する。本体１０は鏡筒１０１を有している。鏡筒１０１は円筒で軸方向に長い構造をしている。鏡筒１０１には電子銃１１１や、エミッタ１１２、コンデンサレンズ１１３や対物レンズ１１４、中間レンズ１１５、投影レンズ１１６、検出器１１７、蛍光板１１８、カメラフィルム１１９が設けられている。また、図示しないが、蛍光板覗き窓が鏡筒下方に設置されている。

鏡筒１０１の側面には試料ステージ１０２が固定されており、試料ステージ先端の観察点に観察試料を設置できる。また、観察点は水平方向や垂直方向への移動、傾斜が可能になっている。試料の出し入れには、観察者が直接、棒状のホルダを抜き差しする。イオンポンプ１０３は鏡筒側面に固定されており、これによって鏡筒内部の真空排気が可能になっている。

透過型電子顕微鏡の撮像時には電子銃１１１のエミッタ１１２で発生した電子ビームをコンデンサレンズ１１３や対物レンズ１１４を通して、観察点に向けて照射する。試料を透過した電子ビームを対物レンズ１１４、中間レンズ１１５、投影レンズ１１６で拡大し、検出器１１７で検出し、蛍光板１１８及びカメラフィルム１１９に結像させる。以上の過程を得て観察像が得られる。操作卓１３は透過型電子顕微鏡を制御する制御装置１１及び観察像を示すモニタ１２を備えている。また、蛍光板上の観察像を蛍光板覗き窓から観察することも行う。制御装置１１は操作卓１３からの信号を透過型電子顕微鏡の各要素に伝える。

（実施例１）
図２は本発明の実施例１を示したものである。鏡筒１０１は円筒で軸長の長い構造をしており、観察のため電子銃や各種レンズ、検出器などを備えている。一般に装置重量に対して鏡筒重量の占める割合が大きいので、水平面内の重心位置と鏡筒位置は概ね一致している。荷重板１４は３ヶ所の除振マウントで支持され、鏡筒１０１は３ヶ所の除振マウントのうち、これらの除振マウントを直線で結んで構成される三角形の角で、最も鋭角となる角の頂点にある除振マウントの近傍に設置するか、そうでなければ鏡筒１０１を設置する箇所はいずれの除振マウントの近傍でもよい。鏡筒を設置する範囲は、鏡筒に最も近い除振マウントを中心に、この除振マウントと他の除振マウントを直線で結んだときに、短い方の直線の1/4の長さを半径とする円弧内とする。さらに、除振マウント１５は下方から架台１６で支持されている。

以上のような構成により、従来よりも鏡筒位置が装置外周部に近くに配置される。図３（ａ）に示すように、重心位置つまり鏡筒位置を除振マウント３から除振マウント１に向かって移動させると、重心位置と観察点の振動量の関係は図３（ｂ）に示すように、除振マウントに近づくにつれて振動量が下がり、除振マウントから最も遠ざかる２つの除振マウントの中央で振動量が最も大きくなる。特に、除振マウントから、2つの除振マウント間の1/4の距離の範囲内に重心があると、除振マウント間の中央にある場合と比べ、振動量が低減しているので、この領域内に鏡筒を設置すると振動の小さい装置になる。

さらに、実施例１の振動特性に関する効果を、装置が４ヶ所の除振マウントで支持される従来技術の荷電粒子装置と比較するため、図４（ａ）、（ｂ）に示すモデルを用いて、３ヶ所の除振マウントで支持した場合と４ヶ所の除振マウントで支持した場合の床振動起因の振動応答を求める。床振動により振動が励起される場合には、本体が一体となって振動するため、本モデルでは本体を剛体として考え、本体の質量を集中質量で模擬して、この質量を重心位置に設置している。さらに、除振マウントが設置される位置にばね要素を設置している。

図５から、振動応答は従来の４ヶ所の除振マウントで支持した場合に比べると、振動量が大きいが励起される振動モードの数が少ないことが分かる。これは、振動しやすい方向が従来の４ヶ所の除振マウントで支持した場合に比べて少なく、設計時に考慮すべき振動モードの数が少なくて済む。

除振マウントの設計は一般に剛性や支持位置から多数の振動モードを予測し、これらの振動モードが励起されたときの振動が大きくならないようにする。図４に示したモデルをさらに簡略化した図６のモデルを用いて、除振マウントの剛性や支持位置の設計方法について示す。説明を簡易にするため、図６のモデルはこの装置が振動しやすい前後左右に傾斜する振動現象を表現することに限定した。さらに、重心は観察点の下方にあるため一般には両者の位置は一致しないが、重心と観察点の位置が一致していると仮定し、重心位置と支持位置が同一高さであると仮定している。このように簡易化したモデルの運動方程式を式１に示す。

ここで、[M]は質量マトリックス、[K]は剛性マトリックスを表し、zは重心（観察点）のZ方向の変位、θはX軸まわりの重心（観察点）の回転角、φはY軸まわりの重心（観察点）の回転角を表す。[M]は式２で、[K]は式３で表される。

ここで、Mは装置質量を表し、I_xxはX軸周りの装置慣性モーメント、I_yyはY軸周りの装置慣性モーメント、k_zは除振マウントのZ方向のばね剛性を表す。さらに、l_xiは重心（観察点）と除振マウントのX方向の距離を表し、l_yiは重心（観察点）と除振マウントのY方向の距離を表し、添え字iは図６に示す除振マウントの識別番号を示す。

式３の非対角項が０であれば、各方向の振動は独立であるが、非対角項がある場合には、各方向の振動が他の方向の振動と連成し、振動方向が複雑になる。本発明のように図６の除振マウント３に重心がある場合には、式３は式４のようになる。

除振マウントの剛性が同じであるとすると、非連成項を決定する変数は重心から鏡筒が設置されていない他の２ヶ所の除振マウントまでのX方向の距離l_x1 、l_x2及びY方向の距離l_y1 、l_y2である。つまり、３ヶ所の除振マウントで装置を支持し、さらに除振マウント近傍に鏡筒を設置する場合、２ヶ所の除振マウントの位置関係によって振動モードが決まる。一方、４ヶ所の除振マウントで装置を支持する場合、４ヶ所の除振マウントの位置関係によって振動モードが決まる。一般に床振動により励起された振動を低減させるために、除振マウントの位置や剛性を考慮した設計を行うが、除振マウントが多数ある場合には、装置の剛体モードを所望の振動モードにすることは容易ではない。

以上のようにして、３ヶ所の除振マウントで装置を支持し、除振マウント近傍に重心が設置された場合には、４ヶ所の除振マウントで装置を支持した場合に比べ、振動モードを決定する変数が少ないことから、所望の振動モードとなる除振マウントの設計が容易になる。

（実施例２）
本発明の実施例２について説明する。図７は荷電粒子装置の実施例２を示したものである。実施例２においては、図８（ａ）に示すように、試料ステージは、鏡筒に最も近い除振マウントと他の除振マウントを結ぶ２つの直線である直線２及び直線３と、鏡筒に最も近い除振マウント以外の２つの除振マウントを結ぶ直線１と平行で鏡筒中心を通る直線１’との間に挟まれた領域に設置される。

本体が傾斜する振動モードは除振マウントの位置と重心位置の関係により求まるが、除振マウント付近に鏡筒が設置された場合、図８（ｂ）に示すように、除振マウント間を結ぶ直線に平行な軸を傾斜軸として本体が傾斜する。図８（ｂ）の扇形の破線で示した部分が、鏡筒中心が最も振動しにくい方向である。この部分は図８（ｂ）で示すように、鏡筒に最も近い除振マウントと他の除振マウントを結ぶ２つの直線である直線２及び直線３と、直線１と平行で鏡筒中心を通る直線１’との間に挟まれた領域にあるので、この方向に試料ステージを設置すると、観察位置の振動量が低減する。

１０ 本体
１１ 制御装置
１２ モニタ
１３ 操作卓
１４ 荷重板
１５ 除振マウント
１６ 架台
１０１ 鏡筒
１０２ 試料ステージ
１０３ イオンポンプ
１１１ 電子銃
１１２ エミッタ
１１３ コンデンサレンズ
１１４ 対物レンズ
１１５ 中間レンズ
１１６ 投影レンズ
１１７ 検出器
１１８ 蛍光板
１１９ カメラフィルム

Claims (10)

1. 鏡筒と、
   前記鏡筒の内部に設けられた荷電粒子線光学系と、
   前記鏡筒に設けられた試料ステージと、
   前記鏡筒を支持する荷重板と、
   前記荷重板を支持する除振マウントと、
   架台と、
   を有する荷電粒子線装置であって、
   前記荷重板は３ヶ所の除振マウントで支持され、
   前記鏡筒は、前記除振マウントのいずれかの近傍に設置され、
   前記鏡筒の設置位置は、該設置範囲が前記鏡筒に最も近い除振マウントを中心に、該除振マウントと他の除振マウントを直線で結んだときに、短い方の直線の１／４の長さを半径とする円弧内である、荷電粒子線装置。
2. 前記試料ステージは、前記鏡筒に最も近い除振マウントと他の除振マウントを結ぶ２つの直線と、前記鏡筒に最も近い除振マウント以外の２つの除振マウントを結ぶ直線と平行で鏡筒中心を通る直線の間に挟まれた領域に設置される、請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 試料ステージを内部に設けた鏡筒と、
   前記鏡筒を支持する荷重板と、
   前記荷重板を３ヶ所で支持する３つの除振マウントと、
   を備え、
   前記鏡筒の設置位置は、前記３つの除振マウントの中の所望の除振マウントから所定距離の範囲内にあり、前記鏡筒に最も近い除振マウントを中心に、該除振マウントと他の除振マウントを直線で結んだときに、短い方の直線の１／４の長さを半径とする円弧内とする、荷電粒子線装置。
4. 前記試料ステージへ抜き差し可能な試料交換用ホルダを有する、請求項１記載の荷電粒子線装置。
5. 前記除振マウントは前記荷重板と前記架台との間にある、請求項１記載の荷電粒子線装置。
6. 前記鏡筒下方に蛍光板覗き窓を有する、請求項１記載の荷電粒子線装置。
7. 前記３つの除振マウントの剛性は実質的に同じである、請求項１記載の荷電粒子線装置。
8. 前記試料ステージへ抜き差し可能な試料交換用ホルダを有する、請求項７記載の荷電粒子線装置。
9. 架台を有し、
   前記除振マウントは前記荷重板と前記架台との間にある、請求項７記載の荷電粒子線装置。
10. 前記鏡筒下方に蛍光板覗き窓を有する、請求項７記載の荷電粒子線装置。