JP6286146B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に、容易に試料ホルダを試料ステージに導入することが可能となる試料ホルダのローダ機構を備えた荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の一つである、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に関して図６を用いて装置構成概略を説明する。電子銃５１によって生成された電子ビームを電子レンズ５４を用いて収束し、試料ステージ１０に搭載された試料へ照射する。試料を透過した電子を検出器５５によって検出し、主制御装置５７へ取り込み画像化し、試料を観察する。鏡体１は除振された架台５０に締結されている。試料ステージ１０は主制御装置５７からの指令を受け、ステージコントローラ５３にて制御する。鏡体１は図示しない真空排気用ポンプにて、10^-5Pa程度まで真空排気される。

透過型電子顕微鏡電子顕微鏡においては、サイドエントリー方式の試料ホルダが採用されている。特許文献１は透過型電子顕微鏡にサイドエントリー方式の試料ホルダを採用したものである。

特開昭６０−２６４０３３号公報

近年、透過型電子顕微鏡では、１Å以下の高分解能化が進んでいる。高分解能観察を阻害する要因の一つが試料ホルダ・試料ステージの振動である。試料ホルダを低振動化する一つの手法が 試料ホルダの大口径化である。

しかし、試料ホルダを大口径化すると、鏡体１から試料ホルダ４０を引く抜く際に必要とされる真空負圧に対抗する力も増大するという問題も発生する。

本発明は、大口径化された試料ホルダを安全に鏡体から引き抜くことが可能な荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明は以下の構成を備える。サイドエントリー方式の試料ホルダが挿入される荷電粒子線装置において、前記試料ホルダが搭載されるホルダ支持部と、前記ホルダ支持部を駆動する駆動部を備えたローダを備え、当該ローダにより前記試料ホルダの荷電粒子線装置の鏡体内への導入及び引き出しを行うことを特徴とする荷電粒子線装置。

試料ホルダのロード機構により、大口径化された試料ホルダを安全に鏡体から引き抜くことが可能となる。また、これにより試料ホルダの大口径化が実現できるので、試料ホルダの振動を抑制することができ、より測定精度の高い荷電粒子線装置を提供することができる。

本発明の試料ホルダローダ機能の外観図 本発明の試料ホルダローダ機能の側面図 本発明の試料ホルダローダ機能の断面図 試料ホルダ支持部の詳細図 試料ホルダストッカーを備えたローダ機能 従来のTEM装置外観 試料ステージ詳細図 試料ステージ詳細図 本発明の試料ホルダローダ機能の外観図 本発明の試料ホルダローダ機能の外観図 本発明の簡易的なローダ機能の外観図

まず、実施例を説明する前に、本発明の概要を述べる。

試料ホルダ軸の大口径化により試料ホルダを鏡体から引き抜く際に必要な力も大きくなる。ＴＥＭでは、試料ホルダの位置は床面から1.5メートル以上程度であり、大口径化された試料ホルダを安全に鏡体から引き抜くことが困難になっている。これに対し、本発明では、下記実施例で説明するローダを荷電粒子線装置に備えた。

次に、試料ホルダの先端は、非常に精密な構造であるため、試料先端が試料ステージ等へ接触すると破損する場合がある。上記課題で記載したように試料ホルダの試料ステージへの投入口は地上から1.5メートル程度であり、試料の先端を試料ステージに触れないようにホルダ投入口へ導入することが困難である。これに対し、本発明では、下記実施例で説明するセンサを荷電粒子線装置に備えた。

さらに、鏡体はカバー内に設置されているため、試料交換するためにはカバーの扉を開ける必要がある。カバーをあけるとカバー内雰囲気の温度および鏡体温度が変化する。このため、温度変化に伴う熱変形によって観察中に視野が移動する試料ドリフト現象が生じる。これに対し、本発明では、下記実施例で説明する試料ホルダストッカーを備えた。

そして、試料ホルダ先端への異物の付着はコンタミネーションの要因となる。試料ホルダの導入時に試料ステージ投入口の内壁に試料ホルダ先端部が接触すると、異物が付着する場合がある。これに対し、本発明では、上記のローダが試料ホルダを導入するためのガイドの役割をし、試料ホルダ先端部が試料ステージ投入口の内壁に接触しないようにした。

以下、図面を用いて説明していく。

＜本発明の試料ホルダローダ機能を備える電子顕微鏡全体の概略図＞図１に本発明の試料ホルダローダ２０を備えた透過型電子顕微鏡の概略図を示す。ローダ２０は試料ステージ１０の概略前面に備えられる。ローダ２０は、第１支持部２２と第２支持部２３から構成されるアーム部とガイドレール部を備えている。

第１支持部２２と第２支持部２３は、半円形状でこれらのホルダ支持部に試料ホルダ４０を置いたときに、試料ホルダ４０の軸中心と試料投入口の中心が一致するように調整されている。

試料ホルダ４０を鏡体１に導入する手順について説明する。試料ホルダ４０をローダに備えられた第１支持部２２および第２支持部２３上に設置する。この作業は、電子顕微鏡の操作者が行う。この時のローダ及び試料ホルダ位置を試料交換位置と定義する。
支持部へ試料ホルダを設置した後、試料ホルダを試料ステージの試料投入口へ導入する。

＜ローダ部の詳細構造＞図２にローダ２０の詳細図（側面図）を示す。ローダの試料ホルダ送り機能は、一端にモータ２４が取り付けられたボールネジ２５によって駆動されるベース３０にて構成されている。

＜支持部の詳細構造＞図４に試料ホルダ支持部の詳細を示す。第１支持部２２および第２支持部２３は試料ホルダ４０の軸を中心に回転運動をする。支持部の移動、回転等の駆動力を伝えるために、試料ホルダの支持棒には突起が備えられている。試料ホルダを第１支持部２２および第２支持部２３に搭載するときには、突起部４５と第１支持部２２の穴に挿入する。試料ホルダの機構部にも同様の突起部が備えられており、第１支持部２２及び第２支持部２３に設けられた穴を一致させるように、試料ホルダを搭載する。これらの突起部４５と穴の結合によって、ローダ部の駆動力を試料ホルダへ伝えることが可能となる。第１支持部２２及び第２支持部２３両方に設ければより安定してローダの駆動力を伝達できる。なお、穴と突起の関係は逆に設けられて（つまり、突起部が支持部に、穴が試料ホルダに設けられて）いてもよい。

＜支持部の回転機構＞図３の断面図に示すように、ベース３０上には曲線型のガイドレール（Ｒガイド）２９が備えられ、ハンドル２８を操作することにより試料ホルダへ正確に回転力を与えることができる。Ｒガイド２９の曲率中心は、試料ホルダ４０の軸中心と一致するように取り付けられている。

＜ローダの設置場所＞図１ではローダを荷重板２上に設置する場合を説明したが、図１０のように鏡体１に設置してもよい。また、荷重板を支持する架台にローダを取り付けてもよい。

試料ホルダの導入手順について説明する。まず、試料ホルダの導入部の詳細機構について説明する。

図７に試料ステージ１０の詳細を示す。観察試料を搭載した試料ホルダ４０は、試料ステージ１０の試料投入口から導入する。鏡体１に固定された球面受け７６は球形支点７７と接触している。球形支点７７と外筒７９で囲まれたユニットはエアーロックシリンダと呼ばれ、球形支点７７の中心を軸として首振り運動をし、その結果として、試料３をＺ方向（鉛直方向）およびＹ方向（紙面垂直方向）に移動させることが可能となる。試料Ｚ方向に駆動させるためには、回転筒６０に固定されたＺ駆動用リニア機構６１を動作させる。Ｚ駆動用リニア機構６１は、その対面に位置したＺバネ６２によって常に反発力を受ける。図示しない紙面に垂直方向に駆動可能な別のリニア機構によってＹ方向へ試料ホルダ４０を駆動する。

試料ホルダ４０を鏡体１内へ導入する動作について説明する。まず試料ホルダ４０を内筒７３内へ挿入する。この状態でエアーロック真空排気ポート６５に接続された図示しない真空ポンプにてエアーロックシリンダ内を真空排気する。

内筒７３内の真空度が鏡体１内の真空度と同程度になった後、試料ホルダ２の長手方向を軸として回転させる。このとき、内筒７３が回転し、内筒７３の左端に備えられた傘歯車によってバルブ７４を開ける。その後、図８に示したように試料ホルダ４０を観察位置まで移動させる。通常この位置が、試料観察位置である。

試料交換をする場合には、試料ホルダ４０は図８の位置から図７に示された位置まで引き抜く。この位置で試料ホルダ４０導入時とは逆向きに試料ホルダ４０を回転させ、エアーロックバルブ７４を閉じる。試料ホルダ４０を引き抜くときは、試料ホルダのＯリングの真空側と大気側の圧力差による真空負圧に対抗して力を及ぼす必要がある。

＜試料ホルダの鏡体への導入＞次に、本発明の試料導入ステップについて説明する。

試料ホルダ４０を試料投入口へ送る場合には、ローダ付近に設置されたスイッチをいれることによりモータ２４を駆動する。

試料投入口には、センサが備えられており、ホルダが規定の位置まで到達したことを検知する。この位置を予備排気位置と定義する。位置検知は、試料ホルダに備えられたガイドピン４２とセンサの接触によって行われる。このセンサとガイドピンが接触したときに、自動で試料ホルダ送り用のモータが停止する。より安全に試料ホルダ４０を規定の位置で停止させるためには、図２および図３に示すようにローダのガイドレール部にもセンサ２６を設けることも可能である。

図９に示すように予備排気位置まで試料ホルダ４０が到達し、センサにて試料ホルダを確認したと同時に試料ステージの内筒７３とエアーロックバルブ７４で囲まれたエアーロック室を真空排気する。エアーロック室内が規定の圧力になった後、エアーロック室先端のエアーロックバルブ７４を開ける。

次に、上記エアーロックバルブを解放する作業を本発明のローダを用いて実施した場合について説明する。エアーロックバルブ７４を開けるためには、ガイドピンを用いてエアーロック室の内筒７４を回転させることによって行われる。内筒７３とエアーロックバルブ７４は図示しない傘歯車によって結合されており、内筒軸中心の回転力をピン８１軸中心の回転力に変換し、エアーロックバルブ７４を開く。

図４に示したように第１支持部２２と第２支持部２３は、試料ホルダ４０に備えられた突起４５で結合されている。ハンドル２８を図５の矢印１００のＡ方向へ移動させることにより図３の角度までハンドル２８を回転させる。

ハンドル２８の回転は、試料ホルダ４０を回転させ、同時に試料ホルダ４０に備えられたガイドピン４２を回転させる。これにより内筒７３を回転させエアーロックバルブ７４を解放する。

＜エアーロックバルブ解放後のホルダ駆動＞エアーロックバルブ７４を解放後、ローダのモータを駆動して試料ホルダ４０を観察位置まで駆動する。

＜ハンドルの試料ホルダからの切り離し＞観察位置まで試料ホルダを移動させた後、試料ホルダ４０と第１支持部２２、第２支持部２３を切り離す。ハンドル２８をハンドル軸方向に移動可能な構造となっている。ハンドル２８を矢印１０１のC方向に移動させて切り離す。

＜試料ホルダの鏡体からの引き抜き＞観察が完了した後、試料ホルダを鏡体から引き抜く動作について説明する。第１支持部２２と第２支持部２３を試料ホルダ４０と接続する。次にローダ２０に備えられたモータ２４を駆動して試料ホルダ４０を予備排気位置まで移動させる。

次に図３中のハンドル２８を図５中の矢印１００のＢ方向に回転させることにより、エアーロックバルブ７４を閉じる。エアーロック室に窒素を導入して、エアーロック室を大気圧にする。ローダの送り機構を再度駆動して、試料ホルダ導入原点位置まで移動する。

このような手法により、ローダを用いて試料ホルダの鏡体への導入、引き抜きが出来るようになる。

＜試料ホルダストッカー＞図５に示すようにローダのガイドレール２１に試料ホルダストッカー３１を搭載すれば、観察試料を搭載した試料ホルダ４０を待機させ、これらの試料ホルダを自動で鏡体に導入することが可能となる。

試料ホルダ４０の試料ホルダストッカーへの搬送は、試料ホルダ搬送アーム３２を用いる。試料ホルダ搬送アームは紙面上下方向（矢印１０５方向）および左右方向（矢印１０４方向）に移動でき、試料ホルダ第１支持部２２および第２支持部２３に搭載されている試料ホルダ４０を試料ホルダストッカー３１に搬送することが可能である。

通常鏡体はカバー内に設置されているため、試料交換するためにはカバーの扉を開ける必要がある。カバー内外は温度差があるため、カバーをあけるとカバー内雰囲気の温度および鏡体温度が変化する。このため、温度変化に伴う熱変形によって観察中に視野が移動する試料ドリフト現象が生じる。試料ホルダストッカーを用いれば、試料交換時にカバーの扉を開ける必要がなくなるため、試料ドリフトを低減することが可能となる。

なお、自動で試料ホルダ４０を鏡体１へ導入するためには、モータを用いてハンドルを回転させる必要がある。

＜ホルダストッカーでのホルダ衝突防止機能＞ホルダストッカーには、試料ホルダ４０の有無を検知するセンサを備えると、試料ホルダ同士の衝突による破損を防止することが可能である。センサは、光を用いたセンサや接点を有するタッチセンサなどが考えられる。

＜エアーシリンダを用いたローダ＞以上では電動アクチュエータを用いたローダ機能について説明したが、以下では空圧アクチュエータを用いた場合の簡易なローダ機能の実施例について説明する。

図１１は、試料ホルダ４０は観察位置にある。本図でのローダ機能は、試料ホルダ４０に力を直接及ぼすアーム１１０、駆動力を発生する空圧アクチュエータ１１１、アクチュエータベース１１２、鏡体に直接取り付けられたベース１１３で構成されている。

試料交換時に試料ホルダ４０を鏡体１から引き抜く必要があるが、引き抜くためには真空負圧に抗する力が必要である。引き抜く際にはアーム１１０を試料ホルダ４０の段差に突き当て、空圧シリンダ１１０のを縮めることにより、試料ホルダ４０を予備排気位置まで引き抜く。その後、ＴＥＭ操作者が試料ホルダを回転させ、エアーロックバルブを閉じた後、試料ホルダ４０を鏡体１から完全に引き抜く。

試料ホルダ４０を鏡体１に導入する場合は、引き抜く場合と逆の手順で行えばよい。観察位置に試料ホルダ４０が到達した後は、アーム１１０と試料ホルダ４０は、接触していない状態が望ましい。空圧アクチュエータベース１１２はベース１１３の軸中心に回転可能となっており、ベース１１３を軸にアーム１１０、空圧アクチュエータ１１１、空圧アクチュエータベース１１２全体を回転させることにより、アーム１１０と試料ホルダ４０を非接触状態とすることができる。

上記の各実施例によれば、試料ホルダを安全に鏡体へ導入することが可能となる。試料ホルダ先端を試料ステージ等に接触させることなく確実に鏡体に導入することができるため、ホルダ先端への異物の付着を低減することができる。そのため、観察時のコンタミネーションを低減することができる。鏡体/試料ホルダの温度変化を小さくし、観察時の試料ドリフトを低減することができる。

１…鏡体、２…荷重板、１０…試料ステージ、２０…ローダ、２１…ガイドレール、２２…第１支持部、２３…第２支持部、２４…モータ、２５…ボールネジ、２６…センサ、２７…位置検知板、２８…ハンドル、２９…Rガイド、３０…ベース、３１…試料ホルダストッカー、３２…試料ホルダ搬送アーム、４０…試料ホルダ、４１…ホルダ用Ｏリング、４２…ガイドピン、４３…試料、４４…支持棒、４５…突起１、５０…架台、５１…電子銃、５３…ステージ用コントローラ、５４…電子レンズ、５５…検出器、５７…主制御装置、６０…回転筒、６１…Ｚ駆動用リニア機構、６２…Ｚバネ、６３…ベアリング、６４…ベース、６５…エアーロック真空排気ポート、７３…内筒、７４…エアーロックバルブ１、７５…バルブ固定部、７６…球面受け、７７…球形支点、７８…外筒、７９…ホルダガイド溝、８１…ピン、８２…エアーロックバルブ用Ｏリング、８３…球形支点用Ｏリング１、８４…球形支点用Ｏリング２、１００…ハンドル回転方向、１０１…ハンドル伸縮方向、１０２…試料ホルダ水平移動用ステージ、１０３…試料ホルダ垂直移動用ステージ、１１０…アーム、１１１…空圧アクチュエータ、１１２…空圧アクチュエータベース、１１３…ベース

Claims (10)

1. サイドエントリー方式の試料ホルダが挿入される荷電粒子線装置において、
   前記試料ホルダが搭載されるホルダ支持部と、前記ホルダ支持部を駆動する駆動部を備えたローダを備え、
   前記ローダは前記試料ホルダの荷電粒子線装置の鏡体内への導入及び引き出しを行い、
   前記ローダはモータで駆動する回転機構を備え、
   前記回転機構のガイドレールの曲率中心は前記試料ホルダの軸中心と一致するように構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記試料ホルダはガイドピンを備え、
   前記ガイドピンにより前記荷電粒子線装置に設けられた予備排気室のバルブの開閉を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２の荷電粒子線装置において、
   前記試料ホルダを当該回転機構により前記ガイドピンを駆動し、前記予備排気室のバルブの開閉を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記ホルダ支持部と前記試料ホルダには、互いに固定する固定部が設けられていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記ホルダ支持部は前記試料ホルダを鉛直方向に駆動が可能であることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記ローダは、前記試料ホルダの位置を認識する位置センサを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記ローダは前記試料ホルダを複数備えるホルダストッカーを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７の荷電粒子線装置において、
   前記ホルダストッカーは、前記試料ホルダの有無を判断するセンサを備えたこと
   を特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項１の荷電粒子線装置において、
   前記ローダは、試料ホルダを駆動する空圧アクチュエータを備えたこと
   を特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項１の荷電粒子線装置において、
    前記ローダは、前記荷電粒子線装置の鏡体に固定されていること
    を特徴とする荷電粒子線装置。