JP4357291B2 - サイドエントリ型試料移動機構を備えた荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線装置に関し、特にサイドエントリ型試料移動機構を備える荷電粒子線装置に関する。

試料の微小領域を精度よく観察、測定、あるいは加工するためには、試料ステージの機械的振動を排し、試料を機械的に安定に保持することが重要である。特に高い安定度が求められる装置の例として、走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope: SEM）や透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope: TEM)、走査型透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope: STEM)、集束イオンビーム装置(Focused Ion Beam: FIB)等が挙げられる。いずれの場合も試料ステージが振動すると、荷電粒子ビームに対する試料位置が振動し、電子顕微鏡においては分解能の悪化、集束イオンビーム装置においては加工精度の悪化につながる。

このような問題を解決するために、図１に示すように、試料位置の近傍に球状の支点を設けたサイドエントリ型試料移動機構が考案製作され、実用に供されている。即ち、鏡体１の側面には、第１受金具３が気密的に固定されている。第１受金具３内には試料ステージ１０が収容されている。試料ステージ１０の軸方向に沿った中心部に設けられた穴には、試料ホルダ１１が摺動自在かつ気密を保ちながら挿入されている。試料ホルダ１１の試料８が載置される側の端部（以下、試料載置端）１１ａは三角錐状の凸形状となっている。試料ステージ１０の先端部には球体９が一体化され、球体９は、鏡体１内に設けられた凹球面２で支持される。試料ステージ１０は球体９の中心を支点として首振り運動する。

一方、鏡体１側面の前記第１受金具３と対向した側には、第２受金具１４が気密的に固定されている。第２受金具１４内部の軸方向に設けられた通路には気密的に支持されたシャフト１３が摺動自在に挿通されており、シャフト１３は、第２受金具１４の後端部に設けられた微動ネジ１６およびバネ１５によって軸方向の運動を規定される。

シャフト１３の一端１３ａはすり鉢状の凹形状となっており、シャフト１３の一端１３ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａとによってロッド７が挟持されている。ロッド７は一端７ａがすり鉢状の凹形状を呈し、他端７ｂが三角錐状の凸形状を呈しており、ロッド７の一端７ａと試料ホルダ１１の試料載置端１１ａ、およびロッド７の他端７ｂとシャフト１３の一端１３ａとは、それぞれピボット構造となっている。

押棒６は第１受金具３の一部に埋め込まれたホルダ５内に収容されており、押しバネ４による押圧力で試料ステージ１０を常に微動ネジ１２の先端に押圧せしめている。微動ネジ１２は、押棒６と対向する位置の第１受金具３に設けられた雌ネジに螺合していて、その先端は試料ステージ１０と接触している。

このような構成において、微動ネジ１２をある方向に回動すると、試料ステージ１０は光軸に垂直な平面内で移動する。また、図には示さないが、微動ネジ１２と同等の微動ネジが紙面に垂直な方向にも取り付けられており、これを回動することによって、試料ステージ１０は光軸に平行な平面内で移動する。ロッド７の両端はピボット運動可能に支持されているので、試料ステージ１０は球体９の中心を支点として首振り運動し、試料ホルダ１１の試料８が任意方向に移動できるようになる。

特開平5-82065号公報

上記したサイドエントリ型試料移動機構では、試料ステージ１０は球体９および微動ネジ１２の２点で支えられているため、この２点を節とする固有振動が起こる。また、試料ホルダ１１の試料載置端１１ａはロッド７を介して自由に運動できるように支持されるため、球体９から試料側の部分は片持ち梁となり、片持ち梁の長さと剛性で決まる固有振動が起こる。試料ステージ１０や試料ホルダ１１が長く、これらの固有振動数が１ｋＨｚ程度以下まで下がる場合には、これらの固有振動が電子顕微鏡の分解能や集束イオンビーム装置の加工精度を阻害する要因となっていた。

試料移動機構を励振する振動源としては、床からの数Ｈｚオーダの振動、ターボ・ポンプによる８００〜１２００Ｈｚ近辺の振動、音声や空調器などの音波による振動などがあり、特に０〜１２００Ｈｚ近辺の外部振動が発生しやすい。もっとも、このような外部振動の振幅はさほど大きくなく、それ自身が直接分解能におよぼす影響は少ない。ところが、上記の固有振動数が、これら外乱の振動数と一致する場合には、共振作用によってステージ１０の振動振幅が大きくなり、分解能に大きな悪影響を及ぼすのである。

例えば、大型の電子顕微鏡では、ステージ１０の長さは約６００ｍｍであり、球体９から外側の部分は黄銅で構成され、その固有振動数は約２００Ｈｚであった。また球体９から試料側の部分の長さは約１００ｍｍあり、リン青銅で構成され、その固有振動数は約６００Ｈｚであったため、それらの振動数の付近で外部振動により、ステージが共振する場合があった。

本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決して、外部振動の影響を受けにくい試料移動機構を提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明では、試料載置端が首振運動する試料微動手段と、一端が該試料微動手段の試料載置端に対してピボット運動可能に支持されたロッドとを具備した試料移動機構において、以下のような手段を講じた。
(1) 試料ステージの固有振動の腹又は腹の近傍に接触体を設け、試料ステージと摩擦させることによって減衰比を高め、共振時の振幅を低減させる。
(2) 試料ステージの球体９より試料側の部分の材料を、密度が小さく剛性の高い材料とし、固有振動数を予想される外乱の振動数よりも高くして、固有振動数が外乱の振動数とオーバラップしないようにする。

本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(１) 試料ステージの固有振動の腹の近傍に接触体を設け、試料ステージと摩擦させることによって試料戴置端の振幅を抑制し、高い解像度あるいは高い加工精度が得られるようになる。
(２) 球体９から試料側の部分の密度を小さく剛性を高くすることにより、外部振動による共振が起こりにくくなり、試料載置端の振動が抑制されて高い解像度あるいは高い加工精度が得られるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。ここでは、本発明を透過電子顕微鏡に適用した実施例について説明する。図２に本実施例で用いた接触体周辺の様子を示す。図２は部品２１〜２４を除いて図１と同様であり、同じ番号で示される部位は図１と同じ、あるいは同等な部位を示す。

接触体２３はＯリング２２を介して鏡体１に固定される。接触体の受け２１，２４はステージ１０にネジで固定されている。接触体２３および受け２１，２４は例えば真ちゅう製とする。図２において部品２１〜２４は、その断面を示しているが、これらはステージ１０の軸を中心とするリング形状をなしている。接触体２３と受け２１，２４の接触面にはアピエゾン・グリースを塗布しており、試料微動手段の首振運動に対しては接触面が滑らかに摺動可能であり、ステージ１０が鏡体１に対して振動すると、グリースの粘性により摩擦力を発生して振動のエネルギーを吸収する。接触体２３は、ステージ全体がしなる振動モードの腹の近傍に配置することによりステージの共振を効果的に抑制する。

部品２１〜２４は、予め図２のようにステージ１０に組み付けられ、ステージ１０と共に互いの位置関係を保持しつつ図２の右側から鏡体１に同時に挿入される。接触体２３の固定にＯリング２２を用いているのはこのためである。

図３には接触体周辺を拡大し、詳細を示す。接触体２３と受け２１，２４の接触面は、球体９と同心の球面の一部に一致する凸面または凹面となっている。これにより、微動ネジ１２を回動してステージ１０を変位させるときには、受け２１，２４はステージ１０と共に滑らかに摺動し、ステージ１０の変位を妨げない。したがって試料ホルダ１１の試料載置端１１ａを任意の方向に滑らかに移動させることができる。

更に本実施例では、球体９を含めて、ステージ１０および試料ホルダ１１の球体９より試料側の部分をＳｉＣ（炭化珪素）で製作した。振動理論によれば、片持ち梁（丸棒）の最低次モード固有振動数ｆは次式(1) で表される。
ｆ＝（１．８７５／Ｌ）²（ＥＩ／ρＡ）^1/2 ／（２π） …(1)
但し、
Ｌ：長さ
ｄ：直径
Ｅ：ヤング率
ρ：密度
Ｉ：断面２次モーメント（＝πｄ⁴ ／６４）
Ａ：断面積（＝π・ｄ²／４）

(1) 式から明らかなように、片持ち梁の固有振動数を高くするためには、梁の寸法を短く（Ｌ→小）、太く（ｄ→大）、ヤング率を大きく（Ｅ→大）、密度を小さく（ρ→小）すれば良い。ただし、上記した４つのパラメータのうち、長さＬおよび太さｄに関しては、鏡体１の幾何学的制約があり、自由に設定することができない。

そこで本発明では、特に密度ρが小さくヤング率Ｅが大きい材料であるＳｉＣを採用した。表１にはＳｉＣおよび従来使用していた材料であるリン青銅を含めていくつかの材料の物性値を示す。従来の球体９より試料側の部分の固有振動数は約６００Ｈｚであるが、表１からわかるように、ＳｉＣを採用することによって固有振動数が約３倍以上に上昇し、外部振動の振動数０〜１２００Ｈzより十分高くなるため外乱による共振が起こりにくくなる。またＳｉＣは導電性を示すので、試料近傍の電位を一様に保つという観点からも、電子顕微鏡の試料近傍の構造材として好適である。

図４には、図１に示した従来の試料移動機構について測定した試料載置端１１ａの振幅の周波数特性を示す。図５には、図２、図３に示した本実施例の試料移動機構で測定した試料載置端１１ａの振幅の周波数特性を示す。図４および図５の縦軸は任意単位であるが、共通のスケールで示している。この実験においては、圧電素子を用いた加振器で鏡体を加振した。このとき、各周波数で鏡体の振幅が一定になるように加振した。図４と図５の比較から、本実施例により振動特性が改善していることがわかる。図４にみられる２００Ｈｚのピークはステージ１０の全体がしなるモードであり、このモードの低減には主として接触体２３の摩擦が効いている。図４に見られる６００Ｈｚ付近のピークは球体９から試料側の部分の片持ち梁のモードであり、このピークはＳｉＣの採用により測定範囲よりも高い周波数、即ち外部振動の非常に小さい領域へシフトしている。

また、上記した実施例では、接触体と受けの接触面にアピエゾン・グリースを塗布しているが、この用途に用いるグリースは使用温度範囲で粘性のあるものなら何でも良い。グリースの摩擦による振動減衰効果は、原子レベルの微小な振幅の振動においても有効である。

接触面にグリースを塗布しない場合でもある程度の振動減衰効果は得られるが、この場合には有効な接触面積を大きくするために、少なくとも接触面をアクリルやルーロン等の樹脂で製作するのが有利である。この場合には、試料移動機構の振動特性の経年変化が、グリースを塗布した場合に比較して小さいという長所がある。

また、接触体と受けの接触面は常に接触している必要があるが、これを確実にするためには図６に示すように、バネを用いて接触体と受けを押圧する方法がある。図６の場合には、バネ台座２５がステージ１０に固定され、バネ台座２５に固定されたバネ２６が受け２１を押圧する。受け２１はステージ１０には固定されておらず、接触体２３を押圧するのである。また接触体と受けが常に接触しているという保証があれば、必ずしも受けは図２および図３のように接触体の両側に存在する必要はなく、図６のように片側だけあればよい。また受け２１をバネ２６で押圧したように、接触体２３の方を可動にしてバネで押圧しても同様の効果が得られる。

従来の電子顕微鏡の試料移動機構の構成を示した図。 本発明の実施例である電子顕微鏡の試料移動機構の接触体周辺構成図。 図２の接触体周辺詳細図。 従来の電子顕微鏡の試料移動機構について測定した試料載置端１１ａの振幅の周波数特性。 本発明の実施例である電子顕微鏡の試料移動機構について測定した試料載置端１１ａの振幅の周波数特性。 接触体の受けをバネで押圧する場合の配置を示す図。

符号の説明

１…鏡体、２…凹球面、３…第１受金具、４…バネ、５…押棒のホルダ、６…押棒、７…ロッド、８…試料、９…球体、１０…試料ステージ、１１…試料ホルダ、１１ａ…試料載置端、１２…微動ネジ、１３…シャフト、１４…第２受金具、１５…バネ、１６…微動ネジ、２１，２４…接触体の受け、２２…Ｏリング、２３…接触体、２５…バネ台座、２６…バネ

Claims (7)

1. 一部が回転自在に支持されて試料載置端が首振運動する試料微動手段と、
   一端が前記試料微動手段の試料載置端に対してピボット運動可能に支持され他端が固定端に対してピボット運動可能に支持されたロッドと
   を含む試料移動機構を備える荷電粒子線装置において、
   前記試料微動手段の一部に接触して摩擦減衰を生じさせ、前記試料微動手段の減衰比を高める接触体を具備し、
   前記接触体は、前記試料微動手段の軸を中心とするリング形状であり、前記試料微動手段の固有振動の腹あるいはその近くに位置し、
   前記接触体の接触面の形状は、前記試料微動手段の首振運動の支点を中心とする球面の一部に一致する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、前記接触体の接触面は樹脂であることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１又は２記載の荷電粒子線装置において、前記接触体の接触面に粘性を持つグリースが塗布されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記接触体は前記試料微動手段を支持する支持系に対して摺動可能であり、前記接触体は前記試料微動手段に固定された２つの受けに挟まれていることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記接触体あるいは前記接触体の受けの少なくとも一つがバネによって前記接触面に向かって押圧されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記試料微動手段の首振運動の支点から試料側の構造材は、導電性セラミックスまたはその表面に導電膜を有するセラミックスであり、前記首振運動の支点から試料側の部分の固有振動数が少なくとも１２００Ｈｚより大きいことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、前記導電性セラミックスはＳｉＣであることを特徴とする荷電粒子線装置。

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