JPH055841A - 真空対応顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］ 真空中における試料を、真空チャンバー内の
試料に近接して観察できるようにする。 ［構成］ 真空顕微鏡１の対物レンズ２を真空チャンバ
ー１２内に挿入させて、試料を観察する。対物レンズ部
２は対物レンズ２ａと対向する部分で保護ガラスを取り
つけている対物レンズカバー２２が被せられている。対
物レンズ部２とこれを取りつけているアダプター８との
真空チャンバー１２内に挿入されている部分はシール処
理がされ、真空チャンバー１２内で真空との遮断状態が
保持される。また、ベローズ１１がＹ軸方向に伸縮自在
であり、真空内における試料に対物レンズ部２を近接さ
せて観察することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は真空対応顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及びその問題点】図６は従来の金属顕微鏡
の基本的な構成を示している。

【０００３】図において、ハロゲンランプ３５から出た
光はハーフミラー３７に反射され、光軸と平行になって
脱着式のリボルバー３２に取りつけられている対物レン
ズ３１に進み、それに屈折された光が試料３６を照射す
る。試料３６によって反射または散乱された光は対物レ
ンズ３１によって集束され、装置用照準ユニット３３内
で結像し、その像を接眼レンズ３４によって観察するの
であるが、一般に顕微鏡で高い倍率（２０００倍以上）
で試料を観察する場合、試料に焦点を合わせたときの対
物レンズの先端から試料までの長さ、すなわち作動距離
ＷＤが顕微鏡の倍率が高くなるにつれて小さくなる（Ｗ
Ｄ＜１ｍｍ）。

【０００４】ところで、真空中の空間Ｂにおいたままの
試料を顕微鏡で観察することが時に必要となる。しか
し、真空中に置かれた試料をガラスの真空壁の外から顕
微鏡で観察することは難しく、例えば図６のように金属
顕微鏡の作動距離ＷＤ₁ がガラスの隔壁３８の表面から
観察すべき試料３６との長さより小さい場合、あるいは
ガラスの隔壁の厚さが顕微鏡の作動距離より大きい場合
があり、試料に焦点を合わすことができなかった。

【０００５】例えば、真空チャンバ内の資料を観察する
場合に、覗き用のフランジを真空チャンバに短管を間に
挟んで接合するだけでも真空チャンバ内の資料と対物レ
ンズまでの距離は、３０〜５０ｍｍと離れてしまい、観
察することはできない。

【０００６】また仮に対物レンズを真空中で使用するこ
とが可能であったとしても市販の対物レンズは、真鍮に
メッキが施してあったり、レンズが複合レンズであった
りレンズ間に化合物で貼り合わせてあることなどを考え
ると、超高真空中では放出ガスが発生し、クリーンな真
空を汚してしまう可能性がある。また、その化合物が蒸
発してなくなると、レンズとして作用しなくなる。

【０００７】また真空中での種々のプラズマプロセス中
に設置するとスパッタなどで対物レンズのガラスが汚
れ、使用することが難しい。

【０００８】一方、高い倍率において大きな作動距離を
得るには対物レンズの口径を大きくする方法もあるが、
製作が難しく価格も高価となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする問題点】本発明は上記問題に
鑑みてなされ、真空中に置かれた試料を従来の顕微鏡を
用いて、真空チャンバ内に載置された試料を観察するこ
とのできる真空対応顕微鏡を提供することを目的とす
る。

【００１０】

【問題点を解決するための手段】以上の目的は、対物レ
ンズのまわりに大気と真空とを隔離するための対物レン
ズカバー筒体を真空チャンバ内に配設し、該対物レンズ
カバー筒体内で、観察すべき試料側に保護ガラスを気密
に取りつけ、該対物レンズカバー筒体の大気側の端部は
該真空チャンバに対し気密に取り付けられていることを
特徴とする真空対応顕微鏡、によって達成される。

【００１１】

【作用】長作動距離用の対物レンズのまわりに大気と真
空とを隔離するための対物レンズカバー筒体を取り付
け、この筒体の対物レンズと試料との間の面に保護ガラ
スを設けたので、真空中に載置されている試料に対物レ
ンズを近接させて観察できる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例による真空対応顕微鏡
について説明する。図１は本実施例における真空対応顕
微鏡１と真空チャンバ１２内に設けられた観察試料位置
決め装置２７を示す。

【００１３】真空対応顕微鏡１は真空チャンバ１２の隔
壁１２ａに、図においてＸ軸及びＺ軸方向に移動可能な
可動テーブル１３に支柱６を介して、水平方向で試料Ｓ
が観察できるように取りつけられている。この真空対応
顕微鏡１は長作動距離用の対物レンズ２ａ（倍率５０倍
程度）が用いられ、従来の顕微鏡と同様に、対物レンズ
２ａの像を更に虚像として拡大するための接眼レンズ４
（倍率１０倍程度）、観察試料Ｓを照射するためのハロ
ゲンランプ５が設けられており、また三眼鏡筒部７を支
えている装置用照準ユニット３には大まかに焦点を合わ
せるための粗動ハンドル４０と精密に焦点を合わせるた
めの微動ハンドル４１とが設けられ、それを調節するこ
とにより装置用照準ユニット３は支柱６上を図において
Ｙ軸方向に移動する。この真空対応顕微鏡１のＸ軸、Ｚ
軸方向の移動はＸ方向調整ねじ２４を回転させることに
より、可動テーブル１３が真空チャンバ１２の隔壁１２
ａに対してＸ軸方向に移動し、Ｚ軸方向調整ねじ２５を
回転させることにより、可動テーブル１３がＺ軸方向に
移動する。従って、真空対応顕微鏡１もこれと一体とな
って移動する。

【００１４】図２は真空チャンバ１２内に挿入された対
物レンズ部２と真空チャンバ１２の隔壁１２ａとのシー
ル部拡大断面を示している。対物レンズ部２は円筒状の
アダプター８の図面において、右端内周壁に形成された
ねじ部と、これに対応する対物レンズ部２の左端外周壁
に形成されたねじ部とで接続される。対物レンズ部２を
真空チャンバ１２から遮断するため、対物レンズカバー
２２が、僅かに空隙を設けて被せられている。対物レン
ズカバー２２は対物レンズ部２の対物レンズ２ａの資料
Ｓ側に対向する側に、保護ガラス９をその端部に固定さ
せている。すなわち保護ガラス９の周縁部は真空用接着
剤１８により、対物レンズカバー２２にシール処理し、
固定されている。また、対物レンズカバー２２とアダプ
ター８との当接部にはＯ−リングシール２３が施され、
対物レンズ固定金具２１の内周壁に形成されているねじ
部を、アダプター８の右端部に形成されているねじ部に
締めつけることにより、Ｏ−リングシール２３は圧着さ
れてシール処理され、且つ対物レンズカバー２２はアダ
プター８に固定される。従って、対物レンズ部２はシー
ル１８とＯ−リングシール２３とにより、真空チャンバ
１２内と気密に隔離される。

【００１５】対物レンズ部２及び対物レンズカバー２２
が取りつけられているアダプター８はリボルバー１０に
取りつけられており、キャップ１５と支持部材１６とで
形成されている開口部に挿通され、支持部材１６と、こ
のアダプター８の周壁部に取りつけられているフランジ
部１４との間には伸縮自在のベローズ１１がそれぞれの
接続部で溶接されて気密に取りつけられている。また支
持部材１６は真空チャンバ１２の隔壁１２ａの突出部１
２ｂに固着されたフランジ部１９の外周壁とキャップ１
５の内周壁とに、それぞれに対応するねじ溝が切られ、
キャップ１５を閉めることにより、ベローズ支持部材１
６とフランジ部１９との当接部に設けられているＯ−リ
ングシール１７が圧着されてシール処理され、且つ支持
部材１６はキャップ１５とフランジ部１９との間に挟着
される。従って、真空チャンバ１２内の空間Ｐ₁ と真空
対応顕微鏡１側の空間Ｐ₂ とは隔離され、真空チャンバ
１２内の空間Ｐ₁ は気密が保持され、図示されていない
真空手段により、真空状態となる。

【００１６】図１に示される試料ホルダー位置決め装置
２７は真空チャンバ１２内で、例えば試料Ｓに薄膜を作
成する場合に、試料Ｓの薄膜の作成する位置を高精度で
位置決めする装置であり、試料Ｓの表面の作成部分を真
空対応顕微鏡１で観察するのに、対物レンズ２ａの臨む
位置まで試料を移送する。

【００１７】図に示されるように試料ホルダー位置決め
装置２７は真空チャンバ１２内のターンテーブル２９上
に配設され、試料ホルダー２８に載置された試料Ｓはタ
ーンテーブル２９の回転とＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の真空対応
用の各モータ３０ａ、３０ｂ、３０ｃの駆動制御によ
り、真空チャンバ１２内を移送される。例えば図におい
て、試料ホルダー２８のＹ軸上の移動を例にすると、図
示していない真空チャンバ１２外にある操作手段によ
り、モータ３０ｂを駆動させると、ボールねじ４３が回
転し、この回転に従って、ボールねじのピッチに対応す
るナットが設けられているＹ軸方向のガイド部材４４が
ボールねじ４３上を移動し、試料ホルダー２８もこれに
従って移動する。また、Ｘ軸、Ｚ軸方向の移動も同様に
してモータ３０ａ、３０ｃの駆動制御により、試料ホル
ダー２８は移送される。このモータ３０ａ、３０ｂ、３
０ｃの駆動制御による方法で、試料ホルダー位置決め装
置２７はμｍオーダの精度で試料ホルダー２８の位置決
めがされる。従って、試料Ｓを観察する場合は、真空対
応顕微鏡１の各調整ねじ２４、２５、４０、４１を使用
せず、この試料位置決め装置２７を制御することでもで
きる。

【００１８】本発明の実施例による真空対応顕微鏡１は
以上のように構成されるのであるが、次にこの作用、効
果などについて説明する。

【００１９】図１において、真空チャンバ１２内で表面
加工された試料ホルダー２８内の試料Ｓはターンテーブ
ル２９の回転と試料ホルダー位置決め装置２７を制御す
ることにより、試料ホルダー２８を対物レンズ部２のレ
ンズの臨む位置まで移送させる。対物レンズ２で試料Ｓ
面を走査させるために、Ｘ軸及びＺ軸方向調整ねじ２
４、２５を調整して、可動テーブル１３は真空チャンバ
１２の隔壁１２ａに対して移動する。これにより、対物
レンズ部２が取りつけられているアダプター８は図２に
おいて、キャップ１５と支持部１６とで形成された開口
部２０内をＸ軸及びＺ軸方向に移動されるので、対物レ
ンズ部２は可動テーブル１３を動かすことにより試料上
を走査する。対物レンズ部２の焦点を試料Ｓに合わせる
ために、粗動ハンドル４０と微動ハンドル４１とが用い
られるが、このＹ軸方向の対物レンズ部２の移動はベロ
ーズ１１が伸縮自在であり、アダプター８が開口部２０
を摺動することにより、対物レンズ部２のレンズの焦点
に試料Ｓが合わせられる。従って、真空チャンバ１２の
隔壁１２ａと試料との距離が大きくても、試料Ｓを観察
することができる。

【００２０】また、真空チャンバ１２内に挿入されてい
る対物レンズ部２とアダプター８が真空チャンバ１２内
の空間Ｐ₂ とシール処理により隔離されているので、真
空チャンバ１２内で気密が保持され、且つ対物レンズ２
が保護ガラス９により、真空中にさらされることもない
ので、従来例に記載したように対物レンズ部２が超高真
空中で放出ガスを発生させることはない。

【００２１】試料Ｓに対物レンズ２ａの焦点が合わせら
れると、ハロゲンランプ５から出た光は真空対応顕微鏡
１の光軸に平行となり、対物レンズ２ａにより屈折さ
れ、保護ガラス９を通過して試料Ｓを照射する。試料Ｓ
によって反射された光は、再び保護ガラス９を通過して
対物レンズ２ａの対物スリットにより平行光線にされた
後、結像レンズによって結像し、接眼レンズ４で虚像を
つくり、試料Ｓを拡大して観察する。

【００２２】なお、図３は対物レンズ２ａと試料Ｓとの
間に保護ガラス９を介在させた光Ｌの光路を示している
が、保護ガラス９の材質や厚さｔにより、レンズの解像
度が変化するので、この光学系の設計に基いて、解像度
の低下の値を最小としなければならない。すなわち、光
Ｌが保護ガラス９に入射する入射角度α、屈折角度βの
相違による屈折率（ｓｉｎα／ｓｉｎβ）と、レンズ２
ａと保護ガラス９との間の気圧及び保護ガラス９と試料
面との真空空間の気圧差を考慮して、解像度の低下の値
を最小とする。

【００２３】以上のようにして、本発明の真空対応顕微
鏡１によれば、５００倍（対物レンズ５０倍×接眼レン
ズ１０倍）程度の高い倍率まで観察することができる。
なお、本実施例では倍率５０倍程度の対物レンズを用い
たが、長作動距離用の対物レンズであれば、他の倍率で
あってもよい。

【００２４】次に、本発明の第２実施例による真空対応
顕微鏡について図面を参照して説明する。なお、真空対
応顕微鏡の図示していない部分については第１実施例と
同様であり、その説明は省略する。

【００２５】図４は真空チャンバ５０内に挿入された対
物レンズ部５１と真空チャンバ５０の隔壁５０ａとのシ
ール部拡大断面を示している。対物レンズ部５１は円筒
状のカバー筒体としてのアダプター５２の内部に設けら
れ、アダプター５２の内部内周壁に形成されたねじ部５
２ａと、これに対応する対物レンズ部５１の左端外周壁
に形成されたねじ部５１ａとで結合される。対物レンズ
部５１を真空チャンバ５０内の真空室Ｐ₄ から遮断する
ため、保護ガラス５３がアダプター５２の右端内周壁に
取り付けられている。保護ガラス５３の周縁部は真空用
接着剤５４により、シール処理され、固定されている。
すなわち、対物レンズ部５１の試料Ｓ₁側に対向する側
に保護ガラス５３がわずかに空隙を設けて取り付けられ
ている。

【００２６】アダプター５２はリボルバー５５に取り付
けられており、真空チャンバ５０に設けられている開口
部５６に挿通され、真空チャンバ５０の開口部５６の隔
壁５０ａとアダプター５２の外周部に一体的に形成され
ているフランジ部５７との間に伸縮自在のベローズ５８
が設けられ、ベローズ５８の両端部は溶接により、気密
に取り付けられている。従って、保護ガラス５３の周縁
部の真空用接着剤５４のシール処理とベローズ５８の両
端部が溶接により、気密に取り付けられていることか
ら、真空チャンバ５０内の空間Ｐ₄ と大気Ｐ₃ は隔離さ
れる。これにより、図示されていない排気手段により、
空間Ｐ₄ を真空状態とした場合、大気Ｐ₃が空間Ｐ₄ に
入り込むことはない。

【００２７】本発明の第２実施例による真空対応顕微鏡
は以上のように構成されるが、本発明の第１実施例と同
様に真空チャンバ５０内に載置されている試料Ｓ₁ を近
接して観察できることは明白であり、また第１実施例よ
りも簡単な構成により実施できる。

【００２８】次に、本発明の第３実施例による真空対応
顕微鏡について図面を参照して説明する。なお、特に真
空対応顕微鏡の、記載しない内容については第１実施例
と同様であり、その説明を省略する。

【００２９】図５は真空チャンバ６０内に挿入された対
物レンズ６１と真空チャンバ６０の隔壁６０ａとのシー
ル部拡大断面を示している。対物レンズ部６１はカバー
円筒体としてのアダプター６２の内部に設けられ、アダ
プター６２の内部内周壁に形成されたねじ部６２ａと、
これに対応する対物レンズ部６１の左端外周壁に形成さ
れたねじ部６１ａとで結合される。対物レンズ部６１を
真空チャンバ６０内の真空室Ｐ₆ から遮断するため、保
護ガラス６３がアダプター６２の右端内周壁に取り付け
られている。保護ガラス６３の周縁部は真空用接着剤６
４によりい、シール処理され、固定されている。すなわ
ち、対物レンズ部６１の試料Ｓ₂ 側に対向する側に保護
ガラス６３がわずかに空隙を設けて取り付けられてい
る。

【００３０】円筒状のアダプター６２はリボルバー６６
に取り付けられており、真空チャンバ６０に設けられて
いる開口部６７に挿通されている。また、開口部６７が
設けられている真空チャンバ６０の隔壁６０ａには円筒
状のＯ−リング取付部材６８が固着され、この凹所に真
空保持用のＯ−リング６９が嵌着されていることから、
開口部６７は大気と気密に保持される。従って、保護ガ
ラス６３の周縁部の真空用接着剤６４のシール処理と開
口部６７に設けられているＯ−リング６９によるシール
処理とで真空チャンバ６０内の空間Ｐ₆ と大気Ｐ₅ は隔
離される。これにより、図示されていない排気手段によ
り、空間Ｐ₆ を真空状態とした場合、大気Ｐ₅ が空間Ｐ
₆に入り込むことはない。なお、本実施例の真空対応顕
微鏡は第１実施例の真空対応顕微鏡１と異なり、カバー
筒体６２、すなわち対物レンズ部６１の移動方向は、真
空チャンバ６０の隔壁に対して垂直方向にのみ許容され
る。

【００３１】本発明の第３実施例による真空対応顕微鏡
は以上のように構成されるが、本実施例によれば、アダ
プター６２か真空チャンバ６０の隔壁６２ａの開口部６
７を摺動自在であり、またこの開口部６７がＯ−リング
６９によりシール処理されているので、ここから大気Ｐ
₅ が入り込むことがなく、試料Ｓ₂ に対物レンズ部６１
を近接させることができる。更に、本実施例によれば、
第１及び第２実施例と異なり、真空チャンバ６０の隔壁
６０ａに対して垂直方向の動きがベローズにより制限さ
れないので、アダプター６２の矢印Ｑ方向の動きが大き
くとれる。

【００３２】また、対物レンズ部６１は真空チャンバ６
０内に挿入されているが、真空チャンバ６０内の真空空
間Ｐ₆ とは保護ガラス６３のシール処理により隔離され
ているので、対物レンズ部６１が超高真空Ｐ₆ 中で放出
ガスを発生させることもない。

【００３３】以上、本発明の実施例について説明した
が、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明
の技術的思想に基いて種々の変形が可能である。

【００３４】例えば、以上の実施例では顕微鏡１を真空
内の試料を観察するために用いたが、これに代えて水
中、油中、ガス中及び腐食性ガス雰囲気中等にある試料
の観察に用いてもよいし、単なる透明容器内に載置され
ている試料にも当然用いることができる。

【００３５】また、以上の実施例では対物レンズカバー
２２に保護ガラス９を設けたが、これは透明部材であれ
ば合成樹脂のようなものであってもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上、述べたように本発明の真空対応顕
微鏡は真空中で試料を観察するのに、対物レンズを観察
すべき試料に近接させて観察することができ、また水
中、油中、ガス中及び腐食性ガス雰囲気中にある試料の
観察においても対物レンズを損なうことなく試料を観察
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による真空対応顕微鏡と、試料
ホルダー位置決め装置とを示す部分破断正面図である。

【図２】図１における同顕微鏡の対物レンズ近傍を示す
部分破断拡大正面図である。

【図３】対物レンズと試料との間に保護ガラスを挿入し
た場合の光の光路を示す断面図である。

【図４】本発明の第２実施例の真空対応顕微鏡の対物レ
ンズ近傍を示す部分破断拡大正面図である。

【図５】本発明の第３実施例の真空対応顕微鏡の対物レ
ンズ近傍を示す部分破断拡大正面図である。

【図６】従来例における金属顕微鏡を示す部分破断正面
図である。

【符号の説明】

１ 真空対応顕微鏡 ２ 対物レンズ部 ９ 保護ガラス ２２ 対物レンズカバー ５１ 対物レンズ部 ５３ 保護ガラス ６１ 対物レンズ部 ６３ 保護ガラス

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 対物レンズのまわりに大気と真空とを隔
   離するための対物レンズカバー筒体を真空チャンバ内に
   配設し、該対物レンズカバー筒体内で、観察すべき試料
   側に保護ガラスを気密に取りつけ、該対物レンズカバー
   筒体の大気側の端部は該真空チャンバに対し気密に取り
   付けられていることを特徴とする真空対応顕微鏡。 【請求項２】 前記対物レンズカバー筒体を前記真空チ
   ャンバ内に挿通して配設させるために形成した該真空チ
   ャンバの開口の周縁部と前記対物レンズカバー筒体との
   間に真空と大気とを隔離するためのベローズを設けてい
   る請求項１に記載の真空対応顕微鏡。