JP7382299B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡や集束イオンビーム装置などの荷電粒子線装置では、試料を様々な条件下において観察することができる。

例えば、特許文献１には、試料を冷却した状態で観察するための走査電子顕微鏡が開示されている。特許文献１に開示された走査電子顕微鏡は、試料室において試料を冷却する冷却ステージを備えている。

特開２０１７－１２２５９４号公報

このような荷電粒子線装置では、内部は、高真空または超高真空に保たれている。しかしながら、荷電粒子線装置の内部には、ガスが残留しており、この残留ガスが試料表面に付着する場合がある。

冷却ステージを搭載した荷電粒子線装置では、残留ガスに含まれる水分子は、試料表面に吸着して氷となる。試料表面に氷が付着してしまうと、試料本来の形状を観察できない。

本発明に係る荷電粒子線装置の一態様は、
荷電粒子線で試料を走査する荷電粒子線装置であって、
前記試料に前記荷電粒子線を照射するための光学系を含む鏡筒と、
前記鏡筒に接続された試料室に配置され、前記試料を冷却する試料ステージと、
前記鏡筒内に配置され、前記鏡筒内のガスを吸着する冷却部材と、
を含む。

このような荷電粒子線装置では、鏡筒内に冷却部材が配置されている。そのため、このような荷電粒子線装置では、鏡筒内から試料室に流れ込む残留ガスを効率よく低減できる。したがって、冷却された試料に付着する氷を低減できる。

第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 比較例に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の対物レンズを模式的に示す図。 絞りの効果を説明するための図。 絞りの効果を説明するための図。 第４実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第４実施形態に係る電子顕微鏡の対物レンズを模式的に示す図。 第５実施形態に係る電子顕微鏡の対物レンズを模式的に示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、本発明に係る荷電粒子線装置として、電子線で試料を走査する走査電子顕微鏡を例に挙げて説明するが、本発明に係る荷電粒子線装置は電子線以外の荷電粒子線（イオンビーム等）で試料を走査する装置であってもよい。

１． 第１実施形態
１．１． 電子顕微鏡
まず、第１実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

電子顕微鏡１００は、電子線で試料を走査する走査電子顕微鏡である。電子顕微鏡１００は、図１に示すように、鏡筒１０と、試料ステージ２０と、二次電子検出器３０と、反射電子検出器４０と、試料汚染防止装置５０と、真空排気系６０と、真空排気系６２と、真空排気系６４と、を含む。

鏡筒１０は、電子線を集束して電子プローブを形成し、電子プローブで試料を走査する。鏡筒１０は、試料に電子線を照射するための光学系を含む。具体的には、鏡筒１０は、電子源１１と、コンデンサーレンズ１２と、コンデンサーレンズ１３と、開き角制御レンズ１５と、対物レンズ１６と、を含む。

電子源１１（荷電粒子源の一例）は、電子を発生させる。電子源１１は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。

コンデンサーレンズ１２およびコンデンサーレンズ１３は、電子源１１から放出された電子を集束する。例えば、コンデンサーレンズ１２およびコンデンサーレンズ１３によって、プローブ電流とプローブ径を制御できる。

鏡筒１０内には、仕切弁１４が配置されている。仕切弁１４は、２つの部屋の真空隔壁として用いられる真空弁である。図１に示す例では、仕切弁１４は、作動排気室１０４と第１中間室１０６との間の真空隔壁として用いられている。仕切弁１４によって、高真空または超高真空に保たれる電子源室１０２を仕切ることができる。図示の例では、仕切弁１４によって、電子源室１０２および作動排気室１０４が、他の部分と仕切られている。

開き角制御レンズ１５は、電子プローブの開き角を制御するためのレンズである。

対物レンズ１６は、試料室１１０の直上に配置されている。対物レンズ１６は、試料の最も近くに配置されるレンズである。例えば、対物レンズ１６によって、電子線を試料表面にフォーカスできる。

対物レンズ１６は、電磁コイルと、ヨークと、磁極片と、を含む。対物レンズ１６では、電磁コイルで発生した磁場を、ヨークの先端に取り付けられた磁極片から漏洩させる。

なお、図示はしないが、鏡筒１０は、電子線を二次元的に偏向して、電子プローブで試料上を走査するための走査コイルを含む。また、鏡筒１０は、電子線をカットするための
絞りや、電子線を偏向させる偏向器などを含んでいてもよい。

鏡筒１０には、電子源室１０２（荷電粒子源室の一例）、作動排気室１０４、第１中間室１０６、および第２中間室１０８が設けられている。電子源室１０２に配置された電子源１１から放出された電子線は、電子源室１０２、作動排気室１０４、第１中間室１０６、第２中間室１０８、および対物レンズ１６内を通って試料室１１０に配置された試料に照射される。

電子源室１０２には、電子源１１が配置されている。電子源室１０２には、真空排気系６０が接続されている。電子源室１０２は、真空排気系６０によって真空排気されている。真空排気系６０は、例えば、スパッターイオンポンプを含む。電子源室１０２は、作動排気室１０４に接続されている。

作動排気室１０４には、コンデンサーレンズ１２およびコンデンサーレンズ１３が配置されている。作動排気室１０４には、真空排気系６２が接続されている。作動排気室１０４は、真空排気系６２によって真空排気されている。真空排気系６２は、例えば、スパッターイオンポンプを含む。

電子源室１０２と作動排気室１０４とは、別の排気系で排気されており、電子源室１０２と作動排気室１０４の間には、オリフィスが配置されている。そのため、電子源室１０２と作動排気室１０４とは圧力差が保たれている。

作動排気室１０４は、第１中間室１０６に接続されている。作動排気室１０４と第１中間室１０６との間には、オリフィスが配置されている。

第１中間室１０６には、仕切弁１４および開き角制御レンズ１５が配置されている。第１中間室１０６には、配管１０７が接続されている。配管１０７は、第１中間室１０６と試料室１１０を接続している。配管１０７は、第１中間室１０６を真空排気するための排気経路として機能する。なお、第１中間室１０６には、真空排気系が接続されていない。第１中間室１０６は、第２中間室１０８に接続されている。

第２中間室１０８には、二次電子検出器３０および反射電子検出器４０が配置されている。第２中間室１０８には、真空排気系が接続されていない。第２中間室１０８は、対物レンズ１６に接続されている。第２中間室１０８は、対物レンズ１６の直上に位置し、対物レンズ１６に隣接している。

試料ステージ２０は、低温下で試料を観察するための冷却ステージである。試料ステージ２０は、例えば、液体窒素を用いて冷却される。図示はしないが、試料ステージ２０は、熱伝導体を介して液体窒素タンクに熱的に接続されている。なお、試料ステージ２０を冷却する手段は、特に限定されず、例えば、液体ヘリウムを用いて冷却してもよいし、ペルチェ素子を用いて冷却してもよい。

試料室１１０には、試料ステージ２０が配置されている。すなわち、試料室１１０には、試料が配置される。試料室１１０には、真空排気系６４が接続されている。真空排気系６４は、例えば、ターボ分子ポンプを含む。試料室１１０は、鏡筒１０に接続されている。試料室１１０は、対物レンズ１６に接続されている。

二次電子検出器３０は、試料から放出された二次電子を検出する。反射電子検出器４０は、試料から放出された反射電子を検出する。電子顕微鏡１００では、試料から放出された二次電子や反射電子が対物レンズ１６の漏洩磁場によって対物レンズ１６内に吸い上げ
られ、さらに、対物レンズ１６の磁場に拘束されたまま光軸に沿って上方に導かれる。そのため、二次電子検出器３０および反射電子検出器４０は、対物レンズ１６の上方に配置されている。

試料汚染防止装置５０は、鏡筒１０内の残留ガスを吸着させる。試料汚染防止装置５０は、冷却部材５２と、液体窒素タンク５４（冷却源の一例）と、熱伝導体５６と、を含む。

冷却部材５２は、鏡筒１０内に配置されている。冷却部材５２は、鏡筒１０内の残留ガスを吸着する。図示の例では、冷却部材５２は、第２中間室１０８に配置されている。すなわち、電子顕微鏡１００では、第２中間室１０８は、冷却部材５２が配置される冷却部材配置室として機能する。冷却部材５２は、第２中間室１０８の残留ガスを吸着させる。

冷却部材５２は、例えば、筒状である。筒状の冷却部材５２の側面には、複数の貫通孔が形成されていてもよい。なお、冷却部材５２の形状は電子線の経路を妨げなければ、特に限定されず、例えば、板状であってもよい。冷却部材５２は、非磁性の材料からなる。これにより、冷却部材５２が電子線に与える影響を低減できる。

なお、冷却部材５２を光学系の光軸の近傍に配置する場合には、冷却部材５２を光軸に関して対称な形状とする。これにより、冷却部材５２が電子線に与える影響を低減できる。

冷却部材５２は、熱伝導体５６を介して液体窒素タンク５４に熱的に接続されている。これにより、冷却部材５２を冷却できる。図１に示す例では、冷却部材５２は、熱伝導体５６で支持されている。

熱伝導体５６は、冷却部材５２と液体窒素タンク５４を熱的に接続している。また、熱伝導体５６は、冷却部材５２と液体窒素タンク５４を機械的に接続している。熱伝導体５６は、冷却部材５２を支持する支持部材としても機能する。熱伝導体５６は、熱伝導率の高い材料からなる。

なお、図示はしないが、冷却部材５２は、熱伝導体５６以外の支持部材で支持されていてもよい。すなわち、熱伝導体５６は、冷却部材５２と液体窒素タンク５４を熱的に接続する機能を有し、冷却部材５２を支持する機能を有していなくてもよい。例えば、熱伝導体５６は、ワイヤーやシートであってもよい。この場合、支持部材は、樹脂などの熱絶縁部材であることが好ましい。

液体窒素タンク５４は、冷却部材５２を冷却するための冷却源である。なお、冷却源は、液体窒素タンク５４に限定されず、冷却部材５２を冷却できれば特に限定されない。

１．２． 作用効果
次に、電子顕微鏡１００の作用効果について説明する。以下では、冷却部材５２が試料室１１０に配置されている電子顕微鏡と比較しながら、説明する。図２は、比較例に係る電子顕微鏡１００Ｄの構成を示す図である。比較例に係る電子顕微鏡１００Ｄは、冷却部材５２が試料室１１０に配置されている点を除いて、電子顕微鏡１００と同じ構成である。

まず、電子顕微鏡１００Ｄについて説明する。図２に示すように、試料室１１０には、ターボ分子ポンプを含む真空排気系６４が接続されている。また、試料室１１０には、冷却部材５２が配置されている。そのため、試料室１１０は、真空排気系６４で、直接、真
空排気されるとともに、冷却部材５２や冷却された試料ステージ２０によって残留ガスが吸着される。したがって、試料室１１０は、例えば、１×１０^－５Ｐａ程度の高真空を実現できる。

一方、対物レンズ１６内や第２中間室１０８には、真空排気系が接続されていない。例えば、対物レンズ１６内や第２中間室１０８は、試料室１１０を介して、真空排気系６４で真空排気される。ここで、対物レンズ１６の先端部には、磁極片が配置されており、磁極片間の距離は磁場を集中させるために小さい。そのため、対物レンズ１６の先端部を排気経路としてみた場合、そのコンダクタンスは小さい。

電子源室１０２は、真空排気系６０で真空排気され、作動排気室１０４は、真空排気系６２で真空排気されている。そのため、電子源室１０２および作動排気室１０４は、高真空を実現できる。しかしながら、作動排気室１０４と第１中間室１０６との間は、オリフィスを用いて作動排気されているため、電子源室１０２および作動排気室１０４が高真空であっても、第１中間室１０６の真空度および第２中間室１０８の真空度への影響は小さい。

また、第１中間室１０６には、排気経路として配管１０７が接続されているが、第１中間室１０６と真空排気系６４との間の距離が大きいため、十分なコンダクタンスが得られない。

したがって、第１中間室１０６、第２中間室１０８、および対物レンズ１６内は、電子源室１０２、作動排気室１０４、および試料室１１０と比べて、真空度が悪い（圧力が高い）。

このように、鏡筒１０内には、試料室１１０と比べて、真空度が悪い空間が存在する。したがって、鏡筒１０内の残留ガスが対物レンズ１６から試料室１１０に流れ込む。

試料は、対物レンズ１６の直下に配置されるため、対物レンズ１６から試料室１１０に流れ込む残留ガスの影響を、直接、受ける。例えば、水分子を含む残留ガスは、対物レンズ１６の先端から、試料に向かって飛んでくる。試料は、試料ステージ２０によって冷却されているため、残留ガスを積極的に吸着する。冷却された試料に付着した水分子は、氷となり、試料本来の形状を観察することができない。

電子顕微鏡１００Ｄでは、冷却部材５２が試料室１１０に配置されている。そのため、試料室１１０内の残留ガスを吸着して試料室１１０の真空度を向上できる。しかしながら、試料室１１０と対物レンズ１６との間のコンダクタンスが大きいため、試料室１１０に配置された冷却部材５２は、鏡筒１０内の真空度にはほとんど影響しない。したがって、試料室１１０に配置された冷却部材５２では、鏡筒１０内から試料室１１０に流れ込む残留ガスを低減する効果が小さい。

これに対して、電子顕微鏡１００では、鏡筒１０内に冷却部材５２が配置されている。そのため、電子顕微鏡１００では、鏡筒１０内から試料室１１０に流れ込む残留ガスを効率よく低減できる。したがって、電子顕微鏡１００では、冷却された試料に付着する氷を低減できる。

電子顕微鏡１００Ｄでは、上述したように、第２中間室１０８は、真空排気系で、直接、真空排気されていないため、真空度が悪い。したがって、第２中間室１０８には多くの残留ガスが存在する。また、第２中間室１０８は、対物レンズ１６に隣接しており、試料室１１０との間の距離が小さい。したがって、第２中間室１０８の残留ガスの多くは、試
料室１１０に流れ込む。

電子顕微鏡１００では、第２中間室１０８に冷却部材５２が配置されている。そのため、冷却部材５２が第２中間室１０８の残留ガスを吸着し、第２中間室１０８の真空度を向上できる。また、対物レンズ１６に隣接し、試料室１１０との間の距離が小さい第２中間室１０８に冷却部材５２が配置されることによって、鏡筒１０内から対物レンズ１６を通って試料室１１０に流れ込む残留ガスを効率よく低減できる。

電子顕微鏡１００Ｄでは、試料室１１０に冷却部材５２が配置されている。また、冷却部材５２は、試料に付着する氷を低減する効果を高めるために、試料近傍、すなわち、対物レンズ１６直下の近傍に配置されることが好ましい。しかしながら、試料近傍に冷却部材５２が配置されると、視野が狭くなる、作動距離を短くできないといった問題が生じる。なお、作動距離は、対物レンズ１６の下面と試料との間の距離であり、作動距離を短くすると分解能を向上できる。

これに対して、電子顕微鏡１００では、鏡筒１０内に冷却部材５２が配置されるため、冷却部材５２が視野や作動距離を妨げない。また、図示はしないが、試料室１１０内には、検出器やマニピュレーターなどが配置される場合があるが、電子顕微鏡１００では、電子顕微鏡１００Ｄに比べて、これらの配置の自由度が高い。

２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図３は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した電子顕微鏡１００では、図１に示すように、第２中間室１０８に冷却部材５２が配置されていた。

これに対して、電子顕微鏡２００では、図３に示すように、第２中間室１０８に第１冷却部材５２ａが配置され、試料室１１０に第２冷却部材５２ｂが配置されている。

試料汚染防止装置５０は、第１冷却部材５２ａと、第２冷却部材５２ｂと、液体窒素タンク５４と、第１熱伝導体５６ａと、第２熱伝導体５６ｂと、を含む。

第１冷却部材５２ａおよび第１熱伝導体５６ａは、上述した図１に示す冷却部材５２および熱伝導体５６と同様の構成および機能を有している。

第２冷却部材５２ｂは、試料室１１０に配置されている。第２冷却部材５２ｂは、試料室１１０内の残留ガスを吸着させる。第２冷却部材５２ｂが試料室１１０に配置されることによって、試料室１１０の真空度を向上でき、試料に付着する氷を低減できる。第２冷却部材５２ｂは、例えば、板状である。なお、第２冷却部材５２ｂの形状は、特に限定されない。

第２冷却部材５２ｂは、第２熱伝導体５６ｂを介して液体窒素タンク５４に熱的に接続されている。これにより、第２冷却部材５２ｂを冷却することができる。第２冷却部材５２ｂの温度は、例えば、試料の温度よりも低い。これにより、試料に付着するガスをより低減できる。

電子顕微鏡２００では、１つの液体窒素タンク５４に、第１冷却部材５２ａおよび第２
冷却部材５２ｂが接続されている。このように、電子顕微鏡２００では、第１冷却部材５２ａと第２冷却部材５２ｂで冷却源を共有している。そのため、電子顕微鏡２００では、部品点数を削減できる。さらに、ユーザーが液体窒素を補充する手間を減らすことができる。

第２冷却部材５２ｂは、第２熱伝導体５６ｂで支持されている。なお、図示はしないが、第２冷却部材５２ｂは、第２熱伝導体５６ｂ以外の支持部材で支持されていてもよい。この場合、支持部材は、樹脂などの絶縁部材であることが好ましい。

第２熱伝導体５６ｂは、第２冷却部材５２ｂと液体窒素タンク５４を熱的に接続している。図３に示す例では、第２熱伝導体５６ｂは、第２冷却部材５２ｂと液体窒素タンク５４を機械的に接続している。第２熱伝導体５６ｂは、第２冷却部材５２ｂを支持する支持部材としても機能する。第２熱伝導体５６ｂは、第１熱伝導体５６ａを介して液体窒素タンク５４に接続されていてもよい。第２熱伝導体５６ｂは、熱伝導率の高い材料からなる。

液体窒素タンク５４と第２中間室１０８は、第１管５８ａで接続されている。液体窒素タンク５４と試料室１１０は、第２管５８ｂで接続されている。第１管５８ａと第２管５８ｂは、接続されている。

第１管５８ａおよび第２管５８ｂは、第２中間室１０８と試料室１１０をつなぐ排気経路として機能する。すなわち、第２中間室１０８は、第１管５８ａ、第２管５８ｂ、および試料室１１０を介して、真空排気系６４で排気される。これにより、第２中間室１０８の排気経路を増やすことができ、第２中間室１０８の真空度を向上できる。

また、第１熱伝導体５６ａは、第１管５８ａを通っている。このように、第１管５８ａは、第１熱伝導体５６ａを通すための管としても機能する。また、第２熱伝導体５６ｂは、第２管５８ｂを通っている。このように、第２管５８ｂは、第２熱伝導体５６ｂを通すための管としても機能する。

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図４は、第３実施形態に係る電子顕微鏡３００の構成を示す図である。図５は、電子顕微鏡３００の対物レンズ１６を模式的に示す図である。以下、第３実施形態に係る電子顕微鏡３００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

上述した電子顕微鏡１００では、図１に示すように、第２中間室１０８に冷却部材５２が配置されていた。

これに対して、電子顕微鏡３００では、図４および図５に示すように、対物レンズ１６内に冷却部材５２が配置されている。

対物レンズ１６内には、図示はしないが、ライナーチューブが配置されている。ライナーチューブは、対物レンズ１６における電子線の経路に設けられた筒である。ライナーチューブは、真空隔壁として機能する。これにより、対物レンズ１６の電磁コイルなど、ガスの放出の多い部品を真空外に配置できる。冷却部材５２は、対物レンズ１６内のライナーチューブ内に配置されている。

冷却部材５２は、例えば、筒状であり、対物レンズ１６の光軸に関して対称である。冷
却部材５２が光軸に関して非対称である場合、非点収差が悪化する。なお、冷却部材５２の形状は特に限定されず、例えば、電子線を通過させる貫通孔が形成された板状であってもよい。

図示の例では、熱伝導体５６は、対物レンズ１６の側面に設けられた孔１７を通って、冷却部材５２に接続されている。対物レンズ１６に設けられた孔１７は、熱伝導体５６を対物レンズ１６内に導入するための孔として機能する。さらに、孔１７は、対物レンズ１６内と試料室１１０をつなぐ排気経路としても機能する。これにより、対物レンズ１６内の真空度を向上できる。

冷却部材５２には、絞り７０が設けられている。絞り７０は、対物レンズ１６内に配置されている。絞り７０は、電子線を通過させる。対物レンズ１６内に絞り７０を設けることによって、試料が鏡筒１０内を見込む立体角を狭めることができる。すなわち、試料が鏡筒１０内の汚染源を見込む立体角を狭めることができ、試料に付着する残留ガス（水分子）を低減できる。

図６および図７は、絞り７０の効果を説明するための図である。図６は、試料室に絞りを配置した場合を模式的に示す図であり、図７は、対物レンズ内に絞りを配置した場合を模式的に示す図である。なお、図６および図７では、絞りの径は同じである。

図６および図７に示すように、対物レンズ内に絞りを配置した場合、試料室に絞りを配置した場合と比べて、絞りと試料との間の距離を大きくできる。したがって、対物レンズ内に絞りを配置した場合、試料室に絞りを配置した場合と比べて、試料が鏡筒内の汚染源を見込む立体角θを小さくできる。これにより、試料室に絞りを配置した場合と比べて、試料の汚染、例えば、試料に付着する氷を低減できる。

ここで、絞りの径を小さくすることで、立体角θを小さくすることができる。しかしながら、絞りの径を小さくすると、電子線を振る幅、すなわち、電子顕微鏡像の視野が狭くなってしまう。この影響は、電子線の走査の偏向中心、すなわち、走査コイルとの距離が大きいほど大きい。したがって、対物レンズに絞りを配置した場合には、試料室に絞りを配置した場合と比べて、同じ視野を確保するために必要な絞りの径を小さくできる。

また、対物レンズ内には、電子線のスキャンの偏向中心や電子線のクロスオーバー位置といった、電子線の広がりの小さい箇所があるため、この電子線の広がりの小さい箇所に絞りを配置することで、視野の狭まりを低減できる。

このように、電子顕微鏡３００では、対物レンズ１６内に絞り７０が配置されているため、視野を広く確保することができ、かつ、立体角θを小さくできる。

冷却部材５２には、絞り７０が設けられているため、光軸に対して絞り７０を高精度に位置合わせしなければならない。例えば、熱伝導体５６は、冷却時に収縮するため、冷却部材５２に位置ずれが生じる。したがって、図示はしないが、熱絶縁部材を用いて冷却部材５２を固定して、対物レンズ１６に対して冷却部材５２を正確に位置決めしてもよい。また、電子顕微鏡３００は、真空外から冷却部材５２の位置を調整するための位置調整機構を有していてもよい。

電子顕微鏡３００では、冷却部材５２は、対物レンズ１６内に配置されている。そのため、電子顕微鏡３００では、電子顕微鏡１００と同様に、鏡筒１０内から試料室１１０に流れ込む残留ガスを効率よく低減できる。さらに、対物レンズ１６は、試料室１１０と連続しているため、対物レンズ１６を通って試料室１１０に流れ込む残留ガスを効率よく低
減できる。

電子顕微鏡３００では、冷却部材５２が対物レンズ１６内に配置されているため、電子顕微鏡１００と同様に、冷却部材５２が視野や作動距離を妨げない。また、電子顕微鏡３００では、電子顕微鏡１００と同様に、試料室１１０内に配置される検出器やマニピュレーターなどの配置の自由度が高い。

４． 第４実施形態
次に、第４実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図８は、第４実施形態に係る電子顕微鏡４００の構成を示す図である。図９は、電子顕微鏡４００の対物レンズ１６を模式的に示す図である。以下、第４実施形態に係る電子顕微鏡４００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００、第３実施形態に係る電子顕微鏡３００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電子顕微鏡４００では、図８および図９に示すように、冷却部材５２は、対物レンズ１６内に配置されており、冷却部材５２の先端には絞り７０が設けられている。

冷却部材５２は、図９に示すように、第１部分５３ａと、第２部分５３ｂと、を有している。第１部分５３ａは、対物レンズ１６の下に配置されている。すなわち、第１部分５３ａは、対物レンズ１６内に配置されていない。

第２部分５３ｂは、対物レンズ１６内に配置されている。第２部分５３ｂの形状は、円筒状であり、内部を電子線が通過する。第２部分５３ｂは、第１部分５３ａから対物レンズ１６の下の開口を通って対物レンズ１６内に向かって延びている。第２部分５３ｂの後端は、第１部分５３ａに接続され、第２部分５３ｂの先端には、絞り７０が設けられている。

絞り７０は、対物レンズ１６内に配置されている。絞り７０の径は、第２部分５３ｂの内径よりも小さい。

絶縁部材８０は、第１部分５３ａと対物レンズ１６との間、および第２部分５３ｂと対物レンズ１６の間に配置されている。絶縁部材８０によって、冷却部材５２と対物レンズ１６との間を電気的に絶縁できる。

電子顕微鏡４００では、上述した電子顕微鏡３００と同様の作用効果を奏することができる。さらに、電子顕微鏡４００では、対物レンズ１６の下の開口から冷却部材５２を対物レンズ１６内に導入しているため、対物レンズ１６の改造が不要である。例えば、図５に示すように、対物レンズ１６に孔１７を設けて冷却部材５２を配置する場合には、対物レンズ１６に孔１７を形成しなければならない。

なお、図８および図９に示す例では、対物レンズ１６の下の開口から冷却部材５２を対物レンズ１６内に導入した場合について説明したが、図示はしないが、対物レンズ１６の上の開口から冷却部材５２を対物レンズ１６内に導入してもよい。

５． 第５実施形態
次に、第５実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１０は、第５実施形態に係る電子顕微鏡５００の構成を示す図である。以下、第５実施形態に係る電子顕微鏡５００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電子顕微鏡５００は、図１０に示すように、温度測定素子９０と、制御部９２と、を含む。

ここで、液体窒素タンク５４内の液体窒素がなくなってしまうと、冷却部材５２の温度が急激に上昇し、鏡筒１０内の真空度が急激に悪化する。これにより、電子源室１０２の真空度が悪化してしまうと、電子源１１（電子銃）が損傷してしまう。そのため、電子顕微鏡５００では、制御部９２が冷却部材５２の温度に基づいて、仕切弁１４を制御することによって、電子源１１の損傷を防ぐ。

温度測定素子９０は、冷却部材５２の温度を測定する。温度測定素子９０は、例えば、金属や、半導体などの電気抵抗を測定することで、温度を測定する抵抗温度計である。温度測定素子９０は、冷却部材５２に取り付けられている。温度測定素子９０は、例えば、他の部材を介して、冷却部材５２の温度を測定してもよい。

なお、温度測定素子９０は、冷却部材５２の温度を測定でき、その測定結果を出力可能な素子であれば特に限定されない。

制御部９２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）など）を含む。制御部９２では、ＣＰＵで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、下記に示す制御処理を行う。

制御部９２は、温度測定素子９０から出力される冷却部材５２の温度の測定結果を受け付ける。制御部９２は、冷却されていた冷却部材５２の温度が上昇し、冷却部材５２の温度が第１閾値に達したと判断した場合に、仕切弁１４を閉じる。第１閾値は、液体窒素タンク５４によって冷却されていたときの冷却部材５２の温度よりも高く、冷却部材５２の温度が水分子の昇華する温度よりも低い温度に設定する。

ここで、水分子が昇華する温度に達すると、冷却部材５２に吸着した水分子が昇華し、鏡筒１０内の真空度が急激に悪化する。したがって、電子顕微鏡５００では、制御部９２が、冷却部材５２の温度が第１閾値に達したと判断した場合に、仕切弁１４を閉じる。これにより、電子源室１０２と、冷却部材５２が配置された第１中間室１０６と、の間のガスの経路が仕切られて、電子源室１０２の真空度の悪化を防ぐことができる。

冷却部材５２の温度がさらに上昇し、冷却部材５２に吸着した水分子の大部分が昇華すると、水分子は排気され、鏡筒１０内の真空度は回復する。

制御部９２は、冷却部材５２の温度が上昇し、第２閾値に達したと判断した場合に、仕切弁１４を開く。第２閾値は、水分子が昇華する温度以上である。

電子顕微鏡５００では、仕切弁１４と、冷却部材５２の温度を測定する温度測定素子９０と、冷却部材５２の温度の測定結果に基づいて仕切弁１４を制御する制御部９２と、を含む。このように、電子顕微鏡５００では、冷却部材５２の温度に基づいて仕切弁１４を制御するため、液体窒素タンク５４の液体窒素がなくなって、冷却部材５２に吸着した水分子が昇華して真空度が急激に悪化しても、電子源室１０２の真空度が悪化することを防ぐことができる。

ここで、冷却部材５２の温度が上昇し、冷却部材５２に吸着した水分子が昇華して真空度が上昇する場合、急激に真空度が悪化する。そのため、例えば、電子源室１０２の真空
度に基づいて仕切弁１４を制御しても、電子源室１０２の真空度の悪化の速度が速いため、電子源１１の損傷を防ぐことができない場合がある。

これに対して、電子顕微鏡５００では、冷却部材５２の温度に基づいて仕切弁１４を制御するため、冷却部材５２に吸着した水分子が昇華して真空度が急激に悪化する前に、仕切弁１４を閉じることができる。そのため、より確実に、電子源１１の損傷を防ぐことができる。

なお、制御部９２は、仕切弁１４とともに鏡筒１０内に配置されている高電圧が印加されている部材の電源を制御してもよい。具体的には、制御部９２は、仕切弁１４を閉じる場合に、高電圧が印加されている部材への高電圧の印加を停止する。また、制御部９２は、仕切弁１４を開く場合に、高電圧の印加を再開する。電子顕微鏡５００において、高電圧が印加されている部材としては、二次電子検出器３０、反射電子検出器４０がある。二次電子検出器３０および反射電子検出器４０などの高電圧が印加される部材は、真空度が悪化すると、放電を起こし、装置がダメージを受ける場合がある。

なお、図示はしないが、高電圧が印加されている部材として、対物レンズ１６がつくる磁場に静電場を重畳するための静電レンズ（電極）、検出器のフィルター、試料室に配置される検出器などがあげられる。

６． その他
上述した実施形態では、本発明に係る荷電粒子線装置が、走査電子顕微鏡である場合について説明したが、本発明に係る荷電粒子線装置は、走査電子顕微鏡に限定されない。例えば、本発明に係る荷電粒子線装置は、イオンビームで試料を走査する集束イオンビーム装置であってもよい。なお、集束イオンビーム装置の構成は、イオン源を用いる点を除いて上述した走査電子顕微鏡と同様である。すなわち、集束イオンビーム装置では、イオン源から放出されたイオンビームを光学系で集束してイオンプローブを形成し、当該イオンプローブで試料を走査する。また、集束イオンビーム装置は、試料を冷却可能な試料ステージを含む。

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成である。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…鏡筒、１１…電子源、１２…コンデンサーレンズ、１３…コンデンサーレンズ、１４…仕切弁、１５…開き角制御レンズ、１６…対物レンズ、１７…孔、２０…試料ステージ、３０…二次電子検出器、４０…反射電子検出器、５０…試料汚染防止装置、５２…冷却部材、５２ａ…第１冷却部材、５２ｂ…第２冷却部材、５３ａ…第１部分、５３ｂ…第２部分、５４…液体窒素タンク、５６…熱伝導体、５６ａ…第１熱伝導体、５６ｂ…第２熱伝導体、５８ａ…第１管、５８ｂ…第２管、６０…真空排気系、６２…真空排気系、６４…真空排気系、７０…絞り、８０…絶縁部材、９０…温度測定素子、９２…制御部、１００…電子顕微鏡、１００Ｄ…電子顕微鏡、１０２…電子源室、１０４…作動排気室、１
０６…第１中間室、１０７…配管、１０８…第２中間室、１１０…試料室、２００…電子顕微鏡、３００…電子顕微鏡、４００…電子顕微鏡、５００…電子顕微鏡

Claims (10)

1. 荷電粒子線で試料を走査する荷電粒子線装置であって、
   前記試料に前記荷電粒子線を照射するための光学系を含む鏡筒と、
   前記鏡筒に接続された試料室に配置され、前記試料を冷却する試料ステージと、
   前記鏡筒内に配置され、前記鏡筒内のガスを吸着する冷却部材と、
   を含む、荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記光学系は、対物レンズを含み、
   前記鏡筒は、前記冷却部材が配置される冷却部材配置室を含み、
   前記冷却部材配置室は、前記対物レンズに隣接している、荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記試料室に配置され、前記試料室内のガスを吸着する他の冷却部材を含む、荷電粒子線装置。
4. 請求項３において、
   冷却源と、
   前記冷却源と前記冷却部材とを熱的に接続する第１熱伝導体と、
   前記冷却源と前記他の冷却部材とを熱的に接続する第２熱伝導体と、
   を含む、荷電粒子線装置。
5. 請求項４において、
   前記冷却源と前記冷却部材配置室とを接続する第１管と、
   前記冷却源と前記試料室とを接続する第２管と、
   を含み、
   前記第１管と前記第２管は、接続されている、荷電粒子線装置。
6. 請求項１において、
   前記光学系は、対物レンズを含み、
   前記冷却部材は、前記対物レンズ内に配置されている、荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記冷却部材には、前記荷電粒子線を通過させる絞りが設けられ、
   前記絞りは、前記対物レンズ内に配置されている、荷電粒子線装置。
8. 請求項６において、
   前記冷却部材は、
   前記対物レンズの下に配置される第１部分と、
   前記第１部分に接続され、前記対物レンズ内に配置される第２部分と、
   を有し、
   前記第２部分は、筒状であり、
   前記第２部分の内部を前記荷電粒子線が通過する、荷電粒子線装置。
9. 請求項８において、
   前記第２部分には、絞りが設けられ、
   前記絞りの径は、前記第２部分の内径よりも小さい、荷電粒子線装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１項において、
    前記鏡筒内に配置され、荷電粒子源が配置された荷電粒子源室を仕切る仕切弁と、
    前記冷却部材の温度を測定する温度測定素子と、
    前記冷却部材の温度の測定結果に基づいて、前記仕切弁を制御する制御部と、
    を含む、荷電粒子線装置。

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