JPS643168Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は電子線装置、特に試料保持装置に改良
を加えた電子線装置に関するものである。

電子線装置の一例として特に透過型電子顕微鏡
を挙げると、その構造例としては、一般的に第１
図に示すようなものがある。これは、電子銃３
と、集束レンズ５とを内蔵し、集束レンズ５の下
方に励磁コイル８，１０を備えた対物レンズ９を
配置し、更にその下方に中間レンズ１１と投影レ
ンズ１２とを備えた鏡筒１、及び鏡筒１の下方に
配置され且つ当該鏡筒１に固定されると共に内部
に投影スククリーン１４を配置した中空の室１３
を形成する観察室２からなつている。鏡筒１の中
央部分には電子銃３から発射された電子線の軸
（以下、便宜上光軸と言う）６に沿つて長手方向
に延びる中空孔７が形成されている。対物レンズ
９は、下方へ向けて突出し励磁コイル８によつて
励磁される上側磁極１６と、上方へ向けて突出
し、また上側磁極１６から下方へ所定の間隔を開
けて対称的に配置され、励磁コイル１０によつて
励磁される下側磁極１７とを有する。上側磁極１
６と下側磁極１７との間には、励磁コイル１０の
上空上に設けられた支持突起１８と、この支持突
起１８上に設置され、水平方向に移動可能な試料
移動ステージ１９と、試料移動ステージ１９上に
装填され且つ試料を支持する試料ホルダ１５とか
らなる試料保持装置２０が設けられている。

このような構成を有する透過型電子顕微鏡は、
その性能が年々向上し、分解能は固体試料の原子
的構造を結像するレベルまで向上してきており、
一般には高性能電子顕微鏡と言われている。この
高性能電子顕微鏡では、対物レンズ９の収差係数
は極限にまで小さくされ、その値は電子線の加速
電圧が、100kVの電子顕微鏡では球面収差係Cs、
色収差係数Cc共に１ミリメートル（mm）程度で
ある。

ところで、電子顕微鏡の性能決定に重要な役割
を果たす上記分解能は、理論的には次の式で表わ
される。

ここで、 δ：分解能（mm） Cs：対物レンズの球面収差係数（mm） λ：加速電子線の波長（mm） である。

この式からも明らかなように、固体のより忠実
な原子構造像を得るには、加速電圧を高くして電
子線の波長λを短くするか、または球面収差係数
Csをより小さくする必要がある。現状において
は、電子顕微鏡の最高の分解能は加速電圧が
1000kVで得られており、この時の電子線の波長
は、 λ＝8.7×10^-3Å 球面収差係数は、 Cs＝２乃至３mm である。

ところが、電子線の波長λを小さくするには、
電子線の加速電圧を大幅に上昇させなければなら
ず、これを達成するためには製造コストが急激に
上昇する虞れがある。このため、1000kVの加速
電圧を生じさせることのできる高性能電子顕微鏡
は全世界で年間１乃至２台程度生産されるに過ぎ
ない。そこで、電子顕微鏡の分解能を経済的な問
題に左右されることなくより一層向上させるため
には、上記(1)式に基づき球面収差Csを小さくす
る必要がある。そして球面収差を小さくするため
に最良の措置は、対物レンズ９の上下側磁極１
６，１７間距離を小さくし、試料保持装置２０上
の試料と磁極１６，１７との距離、つまりワーキ
ング・デイスタンスを短くすることである。しか
しながら、このような措置を行なうとなると以下
の如き問題が新たに生じてくる。

即ち、試料保持装置２０の一構成要素である試
料ホルダ１５は最小でもこの軸方向の厚みが２mm
以上に設定されていることである。この厚さは試
料ホルダ１５上に試料メツシユ及び試料を載置固
定し、試料傾斜作動部材を組込み、更にその上原
子構造像レベルの分解能を出し得るに充分な防振
性を持たせるために不可欠なものである。そし
て、この試料ホルダ１５は試料交換棒により光軸
６に対して横方向から磁極間隙内に入し入れされ
る（いわゆるサイドエントリー方式）から、対物
レンズ９の磁極間隙は２mm以下にはできないこと
になる。このような事情により、従来においては
磁極間隙の最小値はほぼ２mmとし、これよりも小
さくするような対策は殆んど考慮されていなかつ
た。従つて対物レンズ９の球面収差についても、
磁極間隙を２mm以下にすればCs＜１（mm）となる
ことが分つていながら実現化されていなかつた。

尚、一つの解決策として、対物レンズ９磁極間
隙を２mm以下とし、この磁極間に上側磁極１６ま
たは下側磁極１７の中空孔７を通して試料を光軸
６の方向に出し入れする（いわゆるトツプエント
リー方式）方法があるが、この場合は磁極におけ
る孔径は少なくとも５mm以上が実用上必要であ
る。このため、孔径の増大によつて逆に球面収差
が大きくなるという不具合が生じてしまう。

そして、このような問題は透過型の電子線装置
のみならず、走査型の電子線装置において分解能
を向上させたいという場合にも起こる。

本考案はこのような従来の問題点を一掃するた
めに為されたもので、その目的は、試料メツシユ
或いは試料の保持は充分に行なえ且つ充分なる防
振性を保有している上、２mm以下の対物レンズ磁
極間隙内に挿入、引出し可能な試料保持装置を備
えた電子線装置を提供することである。

本考案は、上記目的を達成するため、対物レン
ズの磁極近傍に試料移動ステージを設け、この試
料移動ステージ上に試料ホルダを設置するタイプ
の電子線装置において、対物レンズの上側磁極ま
たは下側磁極のうち少なくとも何れか一方を光軸
及び試料移動ステージに対して変位移動可能とす
る一方、試料移動ステージには試料ホルダを保持
する収容孔を上下方向に形成し、この収容孔内に
試料ホルダを嵌入させて保持すると共に、試料ホ
ルダに対しては、当該試料ホルダを観察位置に装
填した時、対物レンズ磁極の対向頂部間を横切る
ホルダ中央部の厚みをその周辺部の厚みよりも薄
く成形し、狭い対物レンズ磁極間隙内に試料を楽
に装脱できるようにしたことを特徴としている。
このような構成は、対物レンズ磁極に対応する試
料ホルダの中央部分に、磁極頂面径より充分に大
きな径を有する凹部を穿設して薄肉部を形成し、
試料ホルダ装填時にこの凹部に対物レンズ磁極の
頂部が収容されるようにすることによつて実現さ
れる。この薄肉部は例えば0.4乃至0.5mm程度の厚
さに設定されており、それ以外の部分は数ミリメ
ートルの厚さに設定される。試料メツシユを薄肉
部上に載置したとしてもその厚さは0.2mm程度で
あるから、対物レンズ磁極間隙の寸法を２mmより
小さく設定してあつても狭い磁極間隙内への試料
の設置は楽に行なえる。また、上記薄肉部を設け
たことによる強度或いは防振性の低下等は、当該
薄肉部以外の部分の厚みを大きくとつておくこと
により、充分補なうことができる。一方、対物レ
ンズ磁極の変位移動は、上側磁極または下側磁極
のうち少なくとも何れか一つを可動磁極とし、こ
の可動磁極を試料観察時における、試料移動ステ
ージと合致した第１の位置と、試料交換時におけ
る試料移動ステージから変位した第２の位置との
間で移動させることによつて行なう。この可動磁
極は観察時における合致位置から変位位置まで、
横方向即ち光軸に対して交差する方向へ移動でき
るよう構成してもよいし、或いは光軸方向へ前
進、後退移動できるようにしてもよい。試料の傾
斜は、試料移動ステージに何等かの傾斜機構を取
付けることによつて行ない得る。尚試料ホルダが
透過型の電子線装置内で使用される場合は凹部底
面には電子線透過用の孔が貫通して形成され、こ
の孔の部分に試料メツシユ及び試料が配設され
る。

以下本考案の実施例を添付の図面を参照して詳
細に説明する。

第２図乃至第４図は本考案の第１の実施例を示
す図である。これは透過型の電子線装置への適用
例を示すもので、この実施例にかかる電子線装置
は可動構造の上側磁極２１を有する対物レンズ２
５を備えてなる。即ちヨーク４０の対物レンズ２
５収容空間に面する側（下面）には光軸６に対し
てほぼ直交する方向に延びるガイド部２２が設け
られ、下方から上方に向けて拡開する截頭円錐体
構造を有する対物レンズ２５の上側磁極２１はこ
のガイド部２２に摺動可能に係合している。そし
てガイド部２２の先端部分にあたるヨーク４０に
はストツパ２３が固定取付けされ、上側磁極２１
がガイド部２２に沿つて摺動し光軸６に対して位
置決めされた時ストツパ２３に当接するようにな
つている。上側磁極２１の側部には雌ねじ部２７
が形成されこの雌ねじ部２７には先端に雄ねじ部
２８を有する駆動棒２４が螺合する。駆動棒２４
はシール部材２６の介在のもとに鏡筒１に貫通保
持され対物レンズ２５収容空間内に向けてストロ
ーク運動可能になつている。このため、駆動棒２
４を対物レンズ２５の上側磁極２１にねじ込みこ
の駆動棒を光軸６に対してほぼ直交する方向にス
トローク運動させることにより上側磁極２１は、
第２図中実線で示すように、試料移動ステージに
対向し且つ光軸６に合致した第１の位置（試料観
察時における位置）と、同図中２点鎖線で示す試
料移動ステージ及び光軸から変位した第２の位置
（試料交換時における位置）との間で摺動運動す
ることができる。

一方、試料保持装置３０は、励磁コイル１０の
上板上に取付けられた支持突起１８と、支持突起
１８の上に水平方向即ち光軸６に対してほぼ直交
する方向に移動可能に設置された試料移動ステー
ジ３１と、試料移動ステージ３１上に装填され且
つ試料を支持する試料ホルダ３２とからなる。

支持突起１８は、テフロンその他の耐摩耗性に
富んだ材料からなり、試料移動ステージ３１を滑
動可能に支持している。試料移動ステージ３１
は、平面構造が円形または矩形状に形成され、上
方から下方へと拡開する截頭円錐体構造を有する
対物レンズ９の下側磁極１７を充分に収容し得る
寸法の内径を有し且つ上下方向に延びる収容孔３
３が形成された板体からなる。そして収容孔３３
の下半分部分３４は截頭円錐体構造の下側磁極１
７を収容するよう上方から下方に向けて次第に拡
開する断面台形形状に形成されている。また、こ
の試料移動ステージ３１の一側面とこれに対向す
る鏡筒１の内側面との間にはスプリング３７が介
装される一方、試料移動ステージ３１の反対側の
側面には、鏡筒１に装着されたねじ部材３８に係
合して進退運動し、試料移動ステージ３１及び試
料を一方向（例えばＸ軸方向）へ移動させるＸ駆
動棒３９が当接している。そして、これらスプリ
ング３７、ねじ部材３８、Ｘ駆動棒３９によつて
Ｘ移動機構を形成している。図には示してない
が、このＸ移動機構と同様の構造を有し、Ｘ移動
機構とは平面内でほぼ90゜の角度変位を以て同様
の作動を行うＹ移動機構が組込まれている。更に
また、図には示したないが、試料移動ステージ３
１を試料ホルダ３２と共に傾斜させる試料傾斜機
構も取付けられている。

試料ホルダ３２はほぼ円形状の平面形状を有す
る筒体からなり第４図に示すように、上方から下
方にかけて次第に拡開する台形状の断面形状を有
する凹部４３が形成され中央部分には薄肉部５
２、外周部分には厚肉のフレーム部５３を形成し
ている。凹部４３は円錐台形状その他所定の形状
に穿設され、その径は下側磁極１７の頂面径より
も充分に大きな径を有する。このため試料ホルダ
３２を所定の位置に設定した時、下側磁極１７の
頂部が凹部４３内に入つても当該凹部４３の内側
面に突当たることはない。また、この凹部４３の
ほぼ中央部分においては受け部４１を有する段付
構造の孔４２が形成され、受け部４１の上に試料
メツユ４４が載置されると共に、試料メツシユ４
４の上には当該試料メツシユ４４押え用の押え板
５７がねじ４５止めされる。更にまた試料ホルダ
３２の外側面には、当該外側面から半径方向外方
に突出し且つ外周方向に沿つてリング状に延びる
突条部４６，４７が形成され、これら突条部４
６，４７の間には溝部４８が形成されている。一
方試料ホルダのセツト及び取外しは第３図に示す
ような試料交換棒４９によつて行なわれる。この
試料交換棒４９は棒体の先端に取付けられた板材
５０を介して一対の支持片５１が取付けられて成
り、この支持片５１を試料ホルダ３２の溝部４８
に係合させることにより試料ホルダ３２を抱える
ようにして保持する。

更に試料ホルダ３２は数ミリメートルの厚さ寸
法を有している。そして一例として薄肉部５２は
0.4乃至0.5mmに設定され、当該薄肉部５２の上面
から受け部４１までは約0.2mmの段が付けられて
いる。試料メツシユ４４は、0.05乃至0.2mmの厚
さ寸法を有している。そして試料メツシユ４４を
ねじ４５で直接試料ホルダに押え固定する。尚第
２図中、符号５５は鏡筒１の側面に取付けられ試
料交換棒４９を摺動可能に保持すると共に、観察
される試料の試料交換室、符号５６は試料交換室
５５内を真空排気する真空ポンプである。

このような構成を有する試料保持装置３０にお
いて、試料ホルダ（観察用の試料が支持されてい
るものとする）３２を観察位置にセツトするに
は、まず駆動棒２４を用いて上側磁極２１を第２
図中２点鎖線で示す第２の位置へ移動させてお
く。次に、試料ホルダ３２に試料交換棒４９を係
合させ、試料ホルダ３２を鏡筒１の側頭部即ち試
料交換室５５から磁極間隙へ向け光軸６に略直交
する方向へ挿入する。この時対物レンズ２５の上
側磁極２１は光軸６から変位した位置にあるの
で、試料移動ステージ３１の上方は広いスペース
が確保されている。従つて、試料ホルダ３２を試
料交換棒４９によつて試料ステージ３１の光軸６
位置まで運ぶと共に試料移動ステージ３１の孔３
３内へ試料ホルダを嵌入させ、次いで試料交換棒
４９を離脱させる。すると試料ホルダ３２の外側
面においてリング状に延びる突条部４７が試料移
動ステージ３１の収容孔３３外周上面に係合し、
試料ホルダは所定の位置に設定される。この試料
ホルダ３２の中央部分には薄肉部５２が設けられ
ているから、当該試料ホルダ３２が試料移動ステ
ージの収容孔３３内に嵌入せしめられることによ
り下側磁極１７に突当たることはない。次に、駆
動棒２４を前方へ移動させ対物レンズ２５の上側
磁極２１を第２図中実線で示す第１の位置即ち試
料観察位置へと移動させる。試料観察位置まで移
動せしめられた上側磁極２１はストツパ２３に突
当たつて位置決めされる。試料ホルダ３２は薄肉
部５２及び試料メツシユ４８を合せても１mm足ら
ずの厚さしかないから試料ホルダ３２は上記極小
寸法に設定された磁極間隙に充分に挿入させるこ
とが可能でありこれによつてワーキングデイスタ
ンスを極めて小さな値にすることができる。そし
て、この状態でＸ或はＹ移動機構を操作すれば試
料の平面移動が行なえ、試料傾斜機構を操作すれ
ば試料傾斜が可能である。

いま、上下側磁極２１，１７における中空孔７
の孔径を0.7mm、最小磁極間隙寸法Ｄを1.3mm、磁
極頂面径を２mm、磁極頂角60゜の対物レンズにお
いて加速電圧を100kVで試料の観察を行なつたと
ころ、球面収差係数Csは約0.3mmとなつた。また、
この状態において対物絞りを駆使した明視野像、
暗視野像、電子回折像は、従来の対物レンズにお
けると同様の容易さで得られた。このことから電
子線の加速電圧を上昇させることなく、解像度の
よい原子構造像が得られることが分る。尚、試料
の観察視野を変えたい時はねじ部材３８或いはこ
れに対応するＹ移動用の他のねじ部材を回転させ
ることにより試料移動ステージ３１を水平移動さ
せて行なう。この時、試料ホルダ３２の凹部４３
は対物レンズ２５の下側磁極１７の磁極面の径よ
り充分に大きな径に開設してあるから当該試料ホ
ルダ３２のフレーム部５３が下側磁極１７に干渉
することなく、試料の移動を行なわせることがで
きる。

尚この実施例において、対物レンズ２５の上側
磁極２１を光軸６に対してほぼ直交する方向へ移
動させるようにしたのは、対物レンズの磁極間隙
が１mmそこそこであるのに対して、通常は全体と
して数ミリメートルの厚さ寸法を有する試料ホル
ダ３２を装填する時には、この試料ホルダを楽に
装填できるよう下側磁極１７の上方に大きなスペ
ースを開けておき、試料ホルダを試料移動ステー
ジ３１の収容孔３３内に嵌入させた後は、実質的
には試料ホルダの厚さ寸法は薄肉部の0.4乃至0.5
mmの厚さ寸法を確保し、上側磁極２１を観察位置
へ移動させた時には極めて小さなワーキング・デ
イスタンスを観保しようとするためである。従つ
て対物レンズ２５の上側磁極２１は、試料ホルダ
３２装填時に邪魔にならない位置へ移動できれば
よく、このため上側磁極は光軸に沿つて上方に後
退するように構成してあつてもよい。しかも光軸
に沿つて磁極を移動させる方式を採つた場合は下
側磁極を光軸に沿つて移動させ、試料ホルダ３２
装填時に所定のスペースを確保するようにしても
よい。

また、上記実施例においては透過型の電子線装
置の対物レンズ磁極ギヤツプ間に試料を挿入保持
するための試料保持装置３０について説明してき
たが、走査型電子顕微鏡においても分解能を向上
させるために対物レンズ磁極間隙内に試料を挿入
することがある。かかる場合においても本考案を
有効に適用することができるが、試料ホルダとし
ては第４図に示すものの他、受け部４１や孔４２
等を形成してない構造のものを使用することがで
きる。

以上説明したように、本考案によれば、試料ホ
ルダに対物レンズ磁極の頂面径よりも充分に大き
な径を有する凹部を穿設し、この凹部内に対物レ
ンズの磁極頂部が収容されるように試料ホルダの
設定を行なうようにしたため、対物レンズ磁極間
隙を大幅に小さく設定してもスムーズに試料の挿
脱及び移動、傾斜ができるようになり、当該電子
線装置の分解能を向上させることが可能になる。
また、試料移動、試料傾斜に際しても試料ホルダ
のフレーム部が対物レンズ磁極に干渉することは
なく、最大限の試料の移動、傾斜を行なうことが
できる等種々の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来からの電子顕微鏡の一般的な構
造例を示す断面図、第２図は本考案の一実施例に
係わる試料ホルダを対物レンズ磁極間隙に設置し
た状態を示す断面図、第３図は上記実施例におけ
る試料ホルダを示す斜視図、第４図は試料ホルダ
の断面図である。 １……鏡筒、２……観察室、３……電子銃、５
……集束レンズ、６……電子線軸（光軸）、８，
１０……励磁コイル、９，２５……対物レンズ、
１１……中間レンズ、１２……投影レンズ、１５
……試料、１６，２１……上側磁極、１７……下
側磁極、１９，３１……試料移動ステージ、２
０，３０……試料保持装置、３２……試料ホル
ダ、３３……収容孔、４３……凹部、４９……試
料交換棒。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 上側磁極と、この上側磁極から所定の間隔を開
   けて配置された下側磁極とを有する対物レンズ
   と、対物レンズの磁極近傍に設けられた試料移動
   ステージと、対物レンズに向け電子線軸に対して
   交差する方向から試料交換棒によつて挿入され試
   料移動ステージ上に設置される試料保持用の試料
   ホルダとを備えた電子線装置において、上記対物
   レンズの上側磁極または下側磁極のうち少なくと
   も一方は試料観察時における、電子線軸と合致し
   た第１の位置と、試料交換時における、電子線軸
   から変位した第２の位置との間で移動可能とし、
   試料移動ステージにはその中心部に試料ホルダを
   保持する収容孔を上下方向に貫通して形成し、試
   料ホルダは上記試料移動ステージの収容孔内に嵌
   入配置されると共に当該試料ホルダのほぼ中央部
   には、対物レンズ磁極の頂面径よりも充分に大き
   な径を有する凹部を穿設したことを特徴とする電
   子線装置。