特許第5836838号(P5836838)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 株式会社日立ハイテクノロジーズの特許一覧
<>
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000002
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000003
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000004
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000005
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000006
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000007
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000008
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000009
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000010
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000011
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000012
  • 特許5836838-荷電粒子線装置 図000013
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】5836838
(24)【登録日】2015年11月13日
(45)【発行日】2015年12月24日
(54)【発明の名称】荷電粒子線装置
(51)【国際特許分類】
   H01J 37/18 20060101AFI20151203BHJP
   H01J 37/16 20060101ALI20151203BHJP
【FI】
   H01J37/18
   H01J37/16
【請求項の数】10
【全頁数】16
(21)【出願番号】特願2012-39500(P2012-39500)
(22)【出願日】2012年2月27日
(65)【公開番号】特開2013-175377(P2013-175377A)
(43)【公開日】2013年9月5日
【審査請求日】2014年9月16日
(73)【特許権者】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】100064414
【弁理士】
【氏名又は名称】磯野 道造
(74)【代理人】
【識別番号】100111545
【弁理士】
【氏名又は名称】多田 悦夫
(72)【発明者】
【氏名】大南 祐介
(72)【発明者】
【氏名】大嶋 卓
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 博之
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 貢
(72)【発明者】
【氏名】伊東 祐博
【審査官】 遠藤 直恵
(56)【参考文献】
【文献】 特開2006−318903(JP,A)
【文献】 特表2010−509709(JP,A)
【文献】 特開平02−139842(JP,A)
【文献】 特開2007−305499(JP,A)
【文献】 特開2008−262886(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H01J 37/18
H01J 37/16
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を集束させ光軸を制御する荷電粒子光学系と、
前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学系を保持する鏡筒と、
前記鏡筒に連結し、内部に前記荷電粒子線を出射する第1筐体と、
前記第1筐体の開口から前記第1筐体の内側に窪む第2筐体と、
前記光軸上に配置され、前記鏡筒内の空間と前記第1筐体内の空間を隔離し、前記荷電粒子線が透過する第1隔膜と、
前記光軸上に配置され、前記第2筐体の窪みの内と外の空間を隔離し、前記荷電粒子線が透過する第2隔膜とを有し、
前記第1筐体と前記第2筐体とで囲まれた空間は真空状態に減圧され、
前記第2筐体の窪みの中に配置された試料に、前記第1隔膜及び前記第2隔膜を透過した前記荷電粒子線が照射されることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項2】
前記第1隔膜は、前記荷電粒子光学系によって形成される電磁界中に配置されることを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子線装置。
【請求項3】
前記第1隔膜は、複数の前記荷電粒子線が交差する位置に配置されることを特徴とする請求項1に記載の荷電粒子線装置。
【請求項4】
前記荷電粒子源を収める第3筐体に連結し、前記荷電粒子光学系を貫通し、前記光軸が内側を通るように配置された管を有し、
前記第1隔膜は、前記管に取り付けられ、
前記管と前記第3筐体は、前記鏡筒に対して前記光軸の方向に着脱可能であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
【請求項5】
前記管の外径は、前記荷電粒子光学系が有する電磁界形成用コイルの内径より小さいことを特徴とする請求項4に記載の荷電粒子線装置。
【請求項6】
前記管に設けられ、前記鏡筒内の空間と前記第1筐体内の空間を隔離し、前記第1隔膜より厚く前記荷電粒子線が透過しない隔壁板を有し、
前記第1隔膜は、前記隔壁板に設けられた貫通孔を塞ぐように設けられ、
前記隔壁板に設けられた貫通孔の孔径は、前記管の内径より小さいことを特徴とする請求項4又は請求項5に記載の荷電粒子線装置。
【請求項7】
前記第1隔膜は、前記第3筐体内の空間に連通する前記管内の空間と、前記第1筐体内の空間を隔離し、
前記第1筐体と前記第2筐体とで囲まれた空間を大気圧にすることで、
前記管内と前記第3筐体内を真空の状態のまま、
前記管と前記第3筐体は、前記鏡筒に対して着脱可能であることを特徴とする請求項4乃至請求項6のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
【請求項8】
前記荷電粒子源から前記第1隔膜までの空間を気密状態にする真空バルブ又は真空封じ部と、
前記荷電粒子源から前記第1隔膜までの空間を減圧状態にする非蒸発型ゲッター材とが前記荷電粒子源から前記第1隔膜までの空間を仕切る壁面に設けられていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
【請求項9】
前記第1隔膜及び前記第2隔膜の厚みが、100nm以下であることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
【請求項10】
前記試料に前記荷電粒子線を照射する際に、前記第2隔膜と前記試料との間隔を、1000μm以下にすることを特徴とする請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、微小領域を観察するために、走査電子顕微鏡(SEM)、透過電子顕微鏡(TEM)、走査透過電子顕微鏡(STEM)、集束イオンビーム加工観察装置(FIB)等の荷電粒子線装置が使用されている。これらの装置では、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子線が、試料に照射される。一般的に、これらの荷電粒子線装置では、試料が配置される空間を真空排気して撮像が行われている。低真空下や大気圧下でも電子顕微鏡を用いて試料を観察したいというニーズは多い。近年、観察対象である試料を大気圧下において観察可能なSEMが開発されている(特許文献1及び特許文献2等参照)。これらのSEMは、原理的には電子光学系と試料の間に電子線が透過可能な隔膜を設けて真空状態の空間と大気圧状態の空間を仕切るものであり、いずれも試料と電子光学系との間に隔膜を設ける点で共通している。
【0003】
特許文献1では、電子光学鏡筒の電子源を下側に対物レンズを上側に配置し、電子光学鏡筒末端の電子線の出射孔上にOリングを介して電子線が透過できる隔膜を設けた大気圧SEMが開示されている。試料はその隔膜上に直接置かれ、試料の下面側から一次電子線を照射して、SEM観察を行う。特許文献2では、電子光学鏡筒の電子源を上側に対物レンズを下側に配置し、試料と少し離れた位置に隔膜を設置している。隔膜上面側から電子線を照射しSEM観察を行う。なお、隔膜は、試料と少し離れた位置に配置するだけでなく、電子源近傍にも配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2008−153086号公報
【特許文献1】特開2008−262886号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献1では、試料を隔膜に接触させる必要があるために、試料交換のたびに隔膜を交換しなければならない。そのため、試料交換に時間を要すると考えられる。また、隔膜が破れると、電子源が配置される空間の真空度が悪化し、電子を放出するフィラメントが切れる恐れがある。
【0006】
特許文献2では、試料と少し離れた位置に隔膜が設置されているので、隔膜を試料交換のたびに交換する必要はなく、隔膜も破損しにくい。また、電子源近傍にも隔膜が設置されているので、試料と少し離れた位置に設置された隔膜が破損した場合でも、フィラメントを切ることがない。
【0007】
ただ、特許文献2でも、隔膜を交換することが困難であると考えられる。隔膜には、荷電粒子線が照射され透過することから、隔膜を構成する分子レベルの構造は、荷電粒子の衝突により、徐々に劣化すると考えられる。このため、隔膜は定期的に交換することが望ましい。このため、隔膜の交換は容易であることが望まれる。そして、隔膜を簡単に外すことで、試料を真空状態に配置する従来のSEM観察ができれば、有用である。逆に、試料を真空状態に配置する従来の荷電粒子線装置に、簡単に隔膜を付けることで、試料を大気圧等の真空より圧力の高い高圧下でSEM観察ができれば、有用である。
【0008】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、隔膜を簡単に着脱でき、試料を真空下と高圧下に配置できる荷電粒子線装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
すなわち、本発明は、
荷電粒子線を放出する荷電粒子源と、
前記荷電粒子線を集束させ光軸を制御する荷電粒子光学系と、
前記荷電粒子源と前記荷電粒子光学系を保持する鏡筒と、
前記鏡筒に連結し、内部に前記荷電粒子線を出射する第1筐体と、
前記第1筐体の開口から前記第1筐体の内側に窪む第2筐体と、
前記光軸上に配置され、前記鏡筒内の空間と前記第1筐体内の空間を隔離し、前記荷電粒子線が透過する第1隔膜と、
前記光軸上に配置され、前記第2筐体の窪みの内と外の空間を隔離し、前記荷電粒子線が透過する第2隔膜とを有し、
前記第1筐体と前記第2筐体とで囲まれた空間は真空状態に減圧され、
前記第2筐体の窪みの中に配置された試料に、前記第1隔膜及び前記第2隔膜を透過した前記荷電粒子線が照射される荷電粒子線装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【0011】
本発明によれば、隔膜を簡単に着脱でき、試料を真空下と高圧下に配置できる荷電粒子線装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
図1】本発明の第1の実施形態に係る荷電粒子線装置(顕微鏡)の構成図である。
図2】第1の実施形態の電子対物レンズ近傍の拡大図である。
図3】第1の実施形態の変形例(その1)の第1隔膜近傍の拡大図である。
図4A】(a)は第1の実施形態の第1隔膜近傍の平面図であり、(b)は(a)の径方向の断面図である。
図4B】(a)は第1の実施形態の変形例(その2)の第1隔膜近傍の平面図であり、(b)は(a)の径方向の断面図である。
図5】第1の実施形態の変形例(その3)の電子対物レンズ近傍の拡大図である。
図6】第1の実施形態の変形例(その4)の電子対物レンズ近傍の拡大図である。
図7A】第1の実施形態の荷電粒子線装置(顕微鏡)の本体から抜き出した管(円菅形状部)の構成図である。
図7B】第1の実施形態の管(円菅形状部)が抜き取られた荷電粒子線装置(顕微鏡)の本体の構成図である。
図8】第1の実施形態の変形例(その5)の荷電粒子線装置(顕微鏡)の本体から抜き出した管(円菅形状部)の構成図である。
図9】第1の実施形態の変形例(その6)の荷電粒子線装置(顕微鏡)の構成図である。
図10】本発明の第2の実施形態に係る荷電粒子線装置(顕微鏡)の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し重複した説明を省略している。
【0014】
(第1の実施形態)
−装置構成に関して−
図1に、本発明の第1の実施形態に係る荷電粒子線装置(荷電粒子線顕微鏡)111の構成図を示す。なお、第1、2の実施形態では、荷電粒子線装置(荷電粒子線顕微鏡)111として、電子線装置であるSEMを例に説明するが、本発明は、他の荷電粒子線装置(荷電粒子線顕微鏡)111にも適用できる。この荷電粒子線装置(荷電粒子線顕微鏡)111によれば、大気圧下に配置された試料6に荷電粒子線を照射し観察することができる。この荷電粒子線装置111は、電子線(荷電粒子線)を放出するための電子源110と、電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系(荷電粒子光学系)と電子源110を保持する電子光学鏡筒3と、電子光学鏡筒3に連結して保持し試料6を内包する第1筐体(試料筐体)4とを有している。電子源110は、第3筐体22内に収められている。電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系は、電子線を集束させその光軸を制御する。電子光学レンズ1や電子対物レンズ7は、電子線を集束させる。偏向コイル2は、集束した電子線の光軸30を走査させる。
【0015】
第1筐体4には、電子光学鏡筒3が差し込まれ、電子光学鏡筒3から第1筐体4の内部に電子線が出射する。第1筐体4と電子光学鏡筒3とは、Oリング等の真空封じ部15を介して密着し、第1筐体4の内部の空間105の気密が確保されている。第1筐体4には筐体内部を大気リークするためのバルブまたはガス入出口5が設けられている。電子対物レンズ7の下には試料6に電子線が照射されたときに試料6から放出される二次電子や反射電子などの二次的信号を検出する検出器8が設けられている。電子対物レンズ7の近傍に、電子線が透過する第1隔膜10が配置されている。電子対物レンズ7の近傍に第1隔膜10を配置する効果に関しては後述する。この第1隔膜10により、その第1隔膜10の上側の電子光学鏡筒3(管23)内の空間20と、下側の第1筐体4内の空間105を隔離している。第1隔膜10は電子線の光軸30上に配置されている。
【0016】
真空ポンプ18は、真空バルブ又は真空封じ部24を介して第3筐体22に接続し、主に電子源110から第1隔膜10の上面までの空間20を真空引きする。真空ポンプ19は、バルブ25を介して第1筐体4に接続し、主に第1隔膜10の下面から後述する第2隔膜101の上面までの空間105を真空引きする。図示してはいないが、真空ポンプ18と真空ポンプ19は連結されていてもよいし、それぞれが単数に限らず複数であってもよい。
【0017】
第1筐体4に、アタッチメント筐体100が取り付けられている。アタッチメント筐体100は、箱形状の窪み100aと、その窪み100aの縁に設けられ両面にシール面を有するフランジ100cを有している。第1筐体4には開口4aが設けられており、この開口4aから第1筐体4の内側にアタッチメント筐体100の窪み100aが挿入されている。窪み100aは、第1筐体4の開口4aから第1筐体4の内側に窪んでいる。開口4aはアタッチメント筐体100によって塞がれている。開口4aの周囲に設けられる第1筐体4のシール面と、それに対向するアタッチメント筐体100のフランジ100cのシール面とは、Oリング等の真空封じ部106を介して密着し、第1筐体4とアタッチメント筐体100とで囲まれた空間105を減圧可能にしている。
【0018】
アタッチメント筐体100の電子光学鏡筒3側には、貫通孔100bが設けられている。その貫通孔100bは、電子線が透過可能な第2隔膜101を備えたフランジ102で気密に塞がれている。第2隔膜101は、前記光軸30上に配置されている。第2隔膜101は、アタッチメント筐体100の窪み100aの内側の空間104と、外側の第1筐体4とアタッチメント筐体100とで囲まれた空間105とを隔離している。アタッチメント筐体100とフランジ102のシール面には、真空封じ部102が設けられている。第2隔膜101(フランジ102)が配置される側の窪み100aの縁にガード100dが設けられている。このガード100dより低い位置に試料6を設定しないと、試料6がガード100dに当たり、窪み100a内に挿入できないようになっている。ガード100dは、第2隔膜101より低い位置に設定されているので、挿入時に、試料6が第2隔膜101に当るのを防止することができる。
【0019】
試料6を保持するための試料ホルダ9等を具備したステージ11は、板部材(フランジ)12に支持されている。フランジ12は、Oリング等の真空封じ部107を挟んで、アタッチメント筐体100のフランジ100cのシール面に密着するように支持されている。フランジ12は、第1筐体4の開口4a側に支持されている。フランジ12の外側には、ステージ11のスライドやチルト等の変位機構を制御するためのつまみ13が設けられている。電動で変位させる場合は、モータやアクチュエータなどが具備されていてもよい。また、フランジ12には、ガス導入などを行うためのバルブまたはガス入出口14を備えていてもよい。バルブまたはガス入出口14は複数あってもよい。バルブまたはガス入出口14から特定ガスを空間104に充填させることも可能であるし、バルブまたはガス入出口14を真空ポンプにつなげれば、空間104を減圧(真空や低真空)にすることも可能である。
【0020】
電子線は大気中では散乱されるため、試料6と第2隔膜101とはできる限り近いほうが望ましい。具体的に、第2隔膜101と試料6の間の距離は1000μm以下にすることが好ましい。これは、一般的なSEMの加速電圧(例えば、数十kV程度)で放出された電子線が通過できる大気空間の距離は、1000μm以下であるからである。このため、ステージ11には、試料6を高さ方向に変更できる機構が具備されていることがより望ましい。あるいは、第2隔膜101が試料6の方向に動く機構でもよい。
【0021】
試料6の交換は、フランジ12をアタッチメント筐体100(第1筐体4)から引き離す方向に移動させ、試料ステージ11をアタッチメント筐体100の窪み100aから引き出して行われる。フランジ12がスムーズに移動できるようにガイド16やレール17などが具備されていてもよい。
【0022】
第2隔膜101の交換は、フランジ12を移動させ試料ステージ11をアタッチメント筐体100の窪み100aから引き出した後に、窪み100aの中に手を入れて行うことができる。あるいは、フランジ12を移動させ試料ステージ11をアタッチメント筐体100の窪み100aから引き出した後に、窪み100aを第1筐体4の開口4aから引き抜き、アタッチメント筐体100を第1筐体4から外し、その後に交換してもよい。このように、交換のために分解する部品点数は少なく、手が届き易く、容易に交換することができる。なお、前記のように、アタッチメント筐体100を第1筐体4から外してしまえば、試料6を真空中で観察できるようになる。すなわち、アタッチメント筐体100が省かれるので、フランジ12が、第1筐体4の開口4aを塞ぐことになる。フランジ12のシール面が、第1筐体4の開口4aの周辺のシール面に、真空封じ部106を介して密着する。フランジ12と第1筐体4とで囲まれた空間104と105が、真空ポンプ19で真空引きできるので、試料6を真空下で観察できる。逆に、通常、試料6を真空下で観察する従来の荷電粒子線装置に、第2隔膜101付きのアタッチメント筐体100を装着するだけで、試料6を大気圧(高圧)下で観察できるようになる。
【0023】
次に、第1隔膜10について説明する。電子源110が設けられている空間20は、第1隔膜10の上面まで達している。電子源110は、太い円菅形状の第3筐体22内に設けられている。第1隔膜10は、細い円菅形状の管23の先端に配置され、その先端を塞いでいる。管23のもう一方の先端は、第3筐体22に連結されている。管23内の空間と第3筐体22内の空間とは、互いに連通し、1つの空間20になっている。この空間20は、真空引き可能な気密な空間になっている。管23は、電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系を貫通している。管23を細くすることで、管23の外側にある電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系も小さくできる。これらの電子光学系を小さくしても、管23が細く、電子光学系と管23の中心軸までの距離を短くできるので、管23の中心軸付近に強力な磁場を発生させることができる。電子光学系に永久磁石などを用いた場合でも同様である。管23の内側を、電子線の光軸30が通っている。電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系は、基本的に大気側に配置されている。管23の内部の空間20は真空となっている。管23の外側から内側の空間20において電磁場を発生させるので、管23は非磁性体であることが望ましい。
【0024】
第1隔膜10の交換は、バルブ25を閉めて、バルブまたはガス入出口5を開け、第1筐体4とアタッチメント筐体100とで囲まれた空間105を大気圧にした後に、第3筐体22を、光軸30の延長方向に移動させ、管23を電子光学鏡筒3から引き抜いて行う。引き抜かれた管23に対する第1隔膜10の交換は、第1隔膜10が露出するため、容易に行うことができる。このように、交換のために分解する部品点数は少なく、手が届き易く、容易に交換することができる。なお、引き抜かれた管23から、第1隔膜10を外し、新しい第1隔膜10を付けずに、管23を電子光学鏡筒3に差し込めば、第1隔膜10の省かれた状態で、試料6を観察できる。逆に、従来の荷電粒子線装置において、第3筐体22に、第1隔膜10付きの管23を連結させるだけで、光軸30上に第1隔膜10を設けることができる。
【0025】
−SEM像取得手順−
次に、荷電粒子線装置111を用いてのSEM像取得手順について説明する。まず、引き出されてある試料ホルダ9上に試料6を配置する。次に、試料ホルダ9に載せた試料6を、アタッチメント筐体100の窪み100aの中に入れ、フランジ12をアタッチメント筐体100のフランジ100cに密着するように固定する。次に、電子線を電子源110から放出させる。電子線は、電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系が形成した電磁場を通過し、第1隔膜10と第2隔膜101を透過する。次に、試料6を第2隔膜101に接近させる。接近させることで、第2隔膜101を透過した電子線が大気中を進んでも、試料6に到達できるようになる。到達した電子線は試料6に照射され、試料6から反射電子あるいは二次電子が出射する。最後に、これらを検出器8で検出することで、SEM像が取得される。
【0026】
−隔膜10、101に関して−
第1隔膜10と第2隔膜101は、電子線が透過しなければならないので、薄いほうが望ましい。厚すぎると電子線が散乱されて分解能が低下する。具体的に、第1隔膜10と第2隔膜101の厚みは、100nm以下であることが望ましい。これは、一般的なSEMの加速電圧(例えば、数十kV程度)で、透過可能の厚みである。第1隔膜10と第2隔膜101の材料としては、シリコン、酸化シリコン、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、カーボン、有機物質などを用いることができる。
【0027】
図2に、電子対物レンズ7とその近傍の拡大図を示す。電子対物レンズ7の周囲には、電子光学鏡筒3の一部をなす磁心3aが設けられている。この磁心3aのギャップの近傍に発生する電磁場36によって、電子線を集束させるレンズ効果は生じる。第1隔膜10は、この電磁場36の真ん中の最も磁場が強くなるレンズ中心に配置されている。磁心3aのギャップは、上下方向(光軸30方向)に開いており、第1隔膜10は、磁心3aのギャップの略中間の高さに配置されている。この第1隔膜10は、3つの機能を有している。
【0028】
第1の機能は、前記の通り、この第1隔膜10によって上側の空間20と下側の空間105(104)を隔離し、上側の空間20の気圧と下側の空間105(104)の気圧とで、気圧の差が生じうるようにしている。空間20は電子源110(図1参照)が配置されるため高真空状態に維持されている。管23に第1隔膜10が取り付けられているので、高真空状態である空間20を試料6側に近づけることができる。仮に、空間105の真空度が悪くても電子線は試料6(第2隔膜101(図1参照))に到達することが可能となる。これにより、真空ポンプ19(図1参照)には、高性能の高真空度用真空ポンプではなく、安価で簡便な真空ポンプを用いることができる。
【0029】
第2の機能は、第2隔膜101(図1参照)が破れても、大気の流入を空間105までとし、空間20に流入するのを防ぐ機能である。これにより、電子源110のフィラメントが焼き切れるのを防止できる。なお、管23の外周面と、磁心3a(電子光学鏡筒3)の内周面とが、Oリング等の真空封じ部27を介して密着することで、前記空間105の気密性が確保されている。管23の外径d1は、電子光学レンズ1(図1参照)や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系の内径d3より小さくなっている(d1<d3)。このため、電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系を保持する電子光学鏡筒3から、管23を第1隔膜10ごと抜き差しできる。
【0030】
第3の機能は、光軸30から離れた電子線をカットする絞りの機能である。一般的に、光軸30から離れた電子線の軌道32は、電子対物レンズ7による強い電磁場によって大きく曲げられる。このため、光軸30の近い所を通過した電子線の軌道33と、試料6上においてずれてしまう。このため、試料6の表面上にフォーカスされない。これは球面収差とよばれている。これを解決するために、管23の内径d2より小さい径d4の貫通孔34aが形成された隔壁板(隔膜保持部)34が、管23に設けられている(d4<d2)。隔壁板34は、管23(電子光学鏡筒3)内の空間20と第1筐体4内の空間105を隔離している。隔壁板34は、第1隔膜10より厚く、電子線が透過しないようになっている。第1隔膜10は、隔壁板34に設けられた貫通孔34aを塞ぐように設けられている。貫通孔34aは、隔壁板34の中心(光軸30)付近に配置してある。これにより、軌道32のように光軸30からはずれて通過する電子線を隔壁板34によってカットでき、前記球面収差を低減することができる。なお、隔壁板34と管23は接着剤35にて固定及び真空封じされている。隔壁板34は、軌道32の電子線によって帯電するので、導電性を有することが望ましい。第1隔膜10は、軌道33の電子線によって帯電するので、導電性を有することが望ましい。また、第1隔膜10と隔壁板34を、接地するために、接着剤35と管23も導電性を有することが望ましい。また、第1隔膜10と隔壁板34と接着剤35は、電磁場36中に置かれるので、非磁性体であることが望ましい。
【0031】
図3に、第1の実施形態の変形例(その1)の第1隔膜10とその近傍の拡大図を示す。管23の端面をシール面として、真空封じ部38を介して、隔壁板34に密着させている。管23の先端の外周面には、ネジが切られており、固定部材37に切られたネジ山39と螺合することで、固定部材37が隔壁板34に対して管23の方向に圧接し、隔壁板34を管23の端面に密着させている。なお、管23の外径より、固定部材37の外径が大きい場合は、この固定部材37の外径d11が、前記電子光学レンズ1や偏向コイル2や電子対物レンズ7等の電子光学系の内径d3より小さくなるようにする(d11<d3)。こうすることで、管23は、固定部材37等が付いたまま、電子光学鏡筒3(図1参照)から引き抜くことができる。
【0032】
図4A(a)に、第1の実施形態の第1隔膜10とその近傍の平面図を示し、(b)に、(a)の径方向の断面図を示す。第1隔膜10の上に、隔壁板34が形成され、隔壁板34の上に、導電性あるいは半導電性の膜40が形成されている。隔壁板34と膜40には、貫通孔34aが設けられている。貫通孔34aは、第1隔膜10によって塞がれている。このような構造は、隔壁板34のそれぞれの表面に、第1隔膜10と膜40を形成し、膜40に貫通孔34aを形成し、隔壁板34にも貫通孔34aを形成することで、作製することができる。貫通孔34aは、図4A(a)に示すように、平面視で、略円形になっている。これによれば、周方向に均等に球面収差を低減させることができる。膜40は、隔壁板34の表面には電子線が照射されるので、その表面に電荷がたまならないように設けられている。膜40は、蒸着によって形成することができる。なお、第2隔膜101も、第1隔膜10と同じ構造のものを用いることができる。
【0033】
図4B(a)に、第1の実施形態の変形例(その2)の第1隔膜10とその近傍の平面図を示し、(b)に、(a)の径方向の断面図を示す。第1の実施形態の変形例(その2)が、第1の実施形態と異なっている点は、図4B(a)に示すように、平面視で、貫通孔34aが、略四角形になっている点である。また、図4B(a)と(b)に示すように、貫通孔34aの側壁にテーパが付いている点である。このような形状は、隔壁板34に、シリコン等の単結晶基板を用いた場合に得られる。単結晶基板に貫通孔34aを、ウェットエッチング等により形成すると、結晶方位によりエッチング速度が異なる為に、前記四角形や前記テーパが出現する。シリコン等の単結晶基板の微細加工技術は確立されているので、貫通孔34aの径を小さくしたい場合に用いることができる。貫通孔34aの径(幅)は、例えば、数十μmから1mmぐらいの大きさである。前記の通り、電子線が透過しなければならないので第1隔膜10の厚みは薄いほうがよいが、薄くても第1隔膜10の強度を確保するために、貫通孔34aの径(面積)は小さくしなければならない。どのような厚みや面積がよいかは、観察で必要とされる分解能や絞りサイズによる。
【0034】
−レンズ方式に関して−
図5に、第1の実施形態の変形例(その3)の電子対物レンズ7とその近傍の拡大図を示す。電子対物レンズ7の周囲には、電子光学鏡筒3の一部をなす磁心3aが設けられている。この磁心3aのギャップの近傍に発生する電磁場36によって、電子線を集束させるレンズ効果は生じる。電磁場36は、磁心3aの下側(試料6(図1参照)側)に染み出しており、いわゆる、セミインレンズ方式になっている。第1隔膜10は、この電磁場36の下側で最も磁場が強くなるレンズ中心に配置されている。磁心3aのギャップは、略径方向(光軸30に略直角の方向)に開いており、第1隔膜10は、磁心3aのギャップの高さより低い位置に配置されている。一方、第1の実施形態の電子対物レンズ7では、図2に示すように、磁心3aのギャップは、上下方向(光軸30方向)に開いており、第1隔膜10は、磁心3aのギャップの略中間の高さに配置されている。電磁場36は、磁心3aの下側(試料6(図1参照)側)に染み出しておらず、いわゆる、アウトレンズ方式になっている。第1の実施形態の変形例(その3)によれば、第1隔膜10の高さを、磁心3aより低くでき、第1隔膜10を試料6(図1参照)や第2隔膜101に近づけることができる。そして、電子源110(図1参照)を含んだ高真空の空間20を試料6や第2隔膜101に接近させることできる。
【0035】
−第1隔膜10の配置場所に関して−
図6に、第1の実施形態の変形例(その4)の電子対物レンズ7とその近傍の拡大図を示す。第1の実施形態では、第1隔膜10を、電子対物レンズ7が形成する電磁場36で最も磁場が強くなるレンズ中心に配置されている。第1の実施形態の変形例(その4)では、電子源110と電子対物レンズ7の間に配置している。具体的には、電子光学レンズ(コンデンサレンズ)1(1a、1b、図1参照)が形成する電磁場36で最も磁場が強くなるレンズ中心に配置してもよい。あるいは、電子光学レンズ1aと1bの間や、電子光学レンズ1bと電子対物レンズ7の間で、電子線が集束されるクロスオーバー位置に配置してもよい。クロスオーバー位置では、複数の電子線が交差している。第1の実施形態の変形例(その4)では、一例として、図6に示すように、第1隔膜10を、電子光学レンズ1bと電子対物レンズ7の間で、電子線が集束されるクロスオーバー位置41に配置した場合を説明する。電子光学レンズ1bの周囲には、電子光学鏡筒3の一部をなす磁心3cが設けられている。この磁心3cのギャップの近傍に発生する電磁場によって、電子線を集束させるレンズ効果が生じる。磁心3cは、支持筒3bを介して、磁心3aに支持されている。第1隔膜10を、クロスオーバー位置41に配置すると、第1隔膜10に電子線が一点に絞られて入射されてくるため、隔壁板34の貫通孔34aの径(面積)を小さくすることが可能となる。このため、耐久性を保ったまま、第1隔膜10を薄くすることができる。なお、電子対物レンズ7が形成する電磁場36で最も磁場が強くなるレンズ中心には、対物絞りとして、貫通穴44aが形成された遮蔽板44を配置すればよい。
【0036】
−着脱可能な管23に関して−
図7Aに、第1の実施形態の荷電粒子線装置111の本体から抜き出した管23とその近傍の構成図を示し、図7Bに、その管23が抜き取られた荷電粒子線装置111の本体の構成図を示す。図7Aに示すように、真空バルブ又は真空封じ部24を閉じた状態で、真空バルブ又は真空封じ部24を、真空ポンプ18から切り離せば、第3筐体22と管23の内部の空間20を、真空のままで、荷電粒子線装置111の本体から取り外すことができる。そして、真空バルブ又は真空封じ部24を、ガスボンベに接続し、乾燥した不活性のガスを流しながら、第1隔膜10を交換することができる。第1隔膜10の交換後に、真空バルブ又は真空封じ部24に真空ポンプ18を繋ぎ替え、空間20を真空排気する。この真空排気に前後して、電子光学鏡筒3の上方から、第1隔膜10の付いた管23が差し込まれる。このように、第1隔膜10付きの管23は、電子光学鏡筒3に対して着脱可能になっている。
【0037】
図8に、第1の実施形態の変形例(その5)の荷電粒子線装置(顕微鏡)の本体から抜き出した管23の構成図を示す。電子源110には通常、数kVから数十kVの高電圧を印加するので、第3筐体22との耐電圧を確保するために、電子源110は第3筐体22の側壁から所定の距離だけ離さなければならない。そのため、図7Aに示すように、第1の実施形態では、第3筐体22は、管23より太くなっている。しかし、加速電圧が低くてよい場合は、図8に示すように、全て同じ太さの管23とすることができる。第1の実施形態では、第3筐体22が、電子光学鏡筒3に当接することで、第1隔膜10を配置すべき高さを一意に決定することができる。また、第3筐体22と電子光学鏡筒3の間にスペーサを挟むことで、第1隔膜10を配置すべき高さを調節することができる。第1の実施形態の変形例(その5)では、管23を電子光学鏡筒3に差し込む深さを任意に調整することができる。このため、第1隔膜10を配置すべき高さを任意に調節することができる。
【0038】
図9に、第1の実施形態の変形例(その6)の荷電粒子線装置111の構成図を示す。第1の実施形態の変形例(その6)が、第1の実施形態と異なる点は、第3筐体22内に非蒸発型のゲッター材45が設けられている点である。ゲッター材45は、前記空間20内のガスを吸着して、真空状態を維持することができる。このため、高真空に到達可能な真空ポンプ18を省くことができる。前記空間20を、大気圧から真空引きするには、まず、粗引き用のポンプを真空バルブ又は真空封じ部24に接続し、空間20を低真空ではあるが真空引きする。その後、真空バルブ又は真空封じ部24を閉じて、ポンプを外し、ゲッター材45によって、高真空に高める。第1の実施形態の変形例(その6)によれば、通常の観察時において、真空ポンプ18を省くことができるので、通常の観察時における荷電粒子線装置111の小型化ができる。
【0039】
(第2の実施形態)
図10に、本発明の第2の実施形態に係る荷電粒子線装置(顕微鏡)111の構成図を示す。第2の実施形態が、第1の実施形態と異なっている点は、第2隔膜101付きのアタッチメント筐体100が、外されている点である。これにより、第1筐体4とフランジ12で囲まれた空間21(第1の実施形態の空間104と空間105に相当)は、真空状態になる。空間21内に配置される試料6は、真空下で観察することができる。また、真空ポンプ19にて空間21を真空排気した後に、ガス入出口5や14からガスを空間21に導入して、空間21を低真空の状態にて、試料6をSEM観察することもできる。これは、第1隔膜10によって、前記空間20が高真空に保持できるからである。そして、第1隔膜10は、第1の実施形態と同様に、容易に交換することができる。
【0040】
なお、第2の実施形態においては、試料6を交換するたびに、第1筐体4内が大気圧になる。このため、第1隔膜10には、試料6の観察と交換を繰り返すと、大気圧が作用したりしなかったりし、第1隔膜10の耐久性が、圧力変動のない第1の実施形態に比べて低下すると考えられる。そこで、荷電粒子線装置111を、第2の実施形態で使用したり、第1の実施形態と第2の実施形態との併用で使用したりする場合は、第1の実施形態で使用する場合に比べて、耐久性を高めた第1隔膜10を用いることが望ましい。耐久性を高めるためには、第1隔膜10を厚くしたり、隔壁板34の貫通孔34aの径を小さくすればよい。
【符号の説明】
【0041】
1、1a、1b 電子光学レンズ(電子(荷電粒子)光学系、コンデンサレンズ)
2 偏向コイル(電子(荷電粒子)光学系)
3 電子光学(荷電粒子光学)鏡筒
3a 磁心
3b 支持筒
3c 磁心
4 第1筐体(試料筐体)
4a 第1筐体の開口
5 バルブまたはガス入出口
6 試料
7 電子対物レンズ(電子(荷電粒子)光学系)
8 検出器
9 試料ホルダ
10 第1隔膜
11 試料ステージ
12 ステージ付き板部材(フランジ)
13 ステージ位置調整用つまみ
14 バルブまたはガス入出口
15 真空封じ部
16 ガイド
17 レール
18、19 真空ポンプ
20 電子源110と第1隔膜10の間の空間(鏡筒内の空間)
21 試料雰囲気空間(第1筐体内の空間)
22 第3筐体(円菅形状部)
23 管(円菅形状部)
24 真空バルブ又は真空封じ部
25 バルブ
27 真空封じ部
30 光軸
32 荷電粒子線(光軸からより離れたところを通る軌道)
33 荷電粒子線(光軸により近いところを通る軌道)
34 隔膜保持部(隔壁板)
34a 貫通孔
35 接着材
36 電磁場(電磁界)
37 固定部材
38 真空封じ部
39 ネジ山
40 導電性あるいは半導電性の膜
41 クロスオーバー位置(荷電粒子線が交差する位置)
44 遮蔽板(貫通穴が具備された部材)
44a 貫通孔
45 ゲッター材(非蒸発型ゲッター材)
100 アタッチメント筐体(第2筐体)
100a 第2筐体の窪み
100b 貫通孔
100c フランジ
100d ガード
101 第2隔膜(対物隔膜)
102 フランジ
103 真空封じ部
104 第2隔膜と試料の間の空間
105 第1隔膜と第2隔膜の間の空間(第1筐体と第2筐体とで囲まれた空間)
106、107 真空封じ部
110 電子源(荷電粒子源)
111 荷電粒子線装置(荷電粒子線顕微鏡)
d1 管の外径
d2 管の内径
d3 電子光学系の電磁界形成用コイルの内径
d4 隔壁板の貫通孔の孔径
d5 第2隔膜と試料との間隔
図1
図2
図3
図4A
図4B
図5
図6
図7A
図7B
図8
図9
図10