JP2010257995A - 小型の走査型電子顕微鏡 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 小型の電子顕微鏡が、サンプルが存在する真空領域の一部を形成する壁を有する取外し可能なサンプルホルダを使用する。取外し可能なサンプルホルダを用いて真空を含むことによって、撮像の前に真空排気を必要とする空気の容積が著しく低減され、顕微鏡を迅速に真空排気することができる。好適な実施形態では、摺動真空シールが電子カラムの下にサンプルホルダを位置決めすることを可能にし、サンプルホルダは最初に真空バッファの下を通過されて、サンプルホルダ内の空気が除去される。
【選択図】図6C
Description
・インタフェースを備え、サンプル挿入後、迅速に電子ビーム画像を提供し、特別な設備が無くても使用することができる。
図2は電子ソースアセンブリ202を示し、ウェーネルト・キャップ216で一部が囲繞された六ホウ化ランタン結晶または六ホウ化セリウム結晶などの熱イオン放出ソース214を具備する電子銃212を備えている。熱イオン放出ソース214およびウェーネルト・キャップ216は典型的には約−5,000Vの比較的高い負電圧に維持され、ウェーネルト・キャップ216は熱イオン放出ソースに対してマイナス数百ボルトがバイアス印加される。このウェーネルト・キャップ216は電子ビームを集光し、それをウェーネルト・キャップの開口部218を通して、典型的には接地電位に維持されたアノード220に向けて送る。
静電的整列ロッド222は電子ソースアセンブリ202からのビームをレンズ・システムの光学軸と整列させて、熱イオン放出ソース214とウェーネルト開口部218とアノード220との間の機械的不整列を補償する。整列ロッド222はビーム軸を傾けて正確な整列をもたらすことができ、これによりシステム・コンポーネントの機械的整列の所要の公差が低減されるとともに、製造コストが抑えられる。磁気整列ロッドまたはプレートを用いてもよい。いくつかの実施形態では、2セットのロッドを用いてビームをシフトおよび傾斜させ得る。単一セットのロッドを用いれば、いくつかの実施形態のコストおよび複雑さを低減することができる。
SEMアセンブリ102は、永久磁石232からの磁界を用いて電子ビームを集光させる集光レンズ230を含む。第2の永久磁石234は対物レンズに磁界を提供する。磁気回路が永久磁石からの磁束を拘束し、対物レンズおよび集光レンズ両方で使用できるようにする。集光レンズ磁極片は電子ビーム経路に磁束を提供して電子ビームを集光させる。
SEMアセンブリ102は、大半のSEMに用いられる電磁レンズの代わりに、永久磁石対物レンズ240を使用する。上記のように、永久磁石232および234は対物レンズ磁極片242に磁束を提供する。集束コイル244は追加の磁束を磁極片242を介して提供して、電子ビームが受ける磁界を変化させる。集束コイル244を用いて、例えば異なるタイプのサンプルホルダ112に変えるときに、本システムの焦点面を変え、微細な調節をもたらしてサンプルの焦点を合わせる。好適な実施形態では、永久磁石232および234は十分な磁束を提供してビームをシステムの最短の焦点距離で集束させる。集束コイルからの磁界は永久磁石からの磁界とは反対に向けられ、これにより磁極片からの磁束が低減され、より大きな距離でビームを集束させる。
どのような電子顕微鏡においても、真空システム内に電圧を印加することが必要であり、先行技術では、真空チャンバ外部から真空チャンバ内部に電力および信号を伝達するためにいくつかの手段が用いられてきた。SEMアセンブリ102は集光レンズ区間204と対物レンズ区間206との間に挟まれた回路基板250を用いて、真空チャンバ外部から真空チャンバ内の各要素に電力および電気信号を供給する。回路基板250は剛性または可撓性基板であってもよい。この電気的貫通接続は「Hermetically Sealed Housing with Electrical Feed−In」に対するPCT国際出願第PCT/US2006/041976号明細書に記載されており、これを本願に援用する。
電子顕微鏡システム100は対物レンズ240の前に位置決めされたシングル・ステージ偏向器260を用いる。偏向器260を対物レンズ240の前に位置決めすることによって、作動距離、すなわち最終レンズとサンプルとの間の距離が短縮され、これにより分解能が改善される。ビームは貫通接続回路基板250に取り付けられた偏向器ロッド262を用いて偏向される。8個の偏向器ロッド262は静電八重極偏向器を備える。偏向器ロッド262は直径が3mm乃至4mm、長さが約2cm乃至3cmであることが好ましい。これらのロッドはプリント回路基板上のエッジ・コネクタにはんだ付けされている。電子顕微鏡システム100は、貫通接続回路基板250に差し込まれる第2の回路基板上に設けられるデジタル式偏向電子機器ではなくアナログ式偏向電子機器(図示せず)を用いることが好ましい。貫通接続回路基板250は電気的絶縁を提供するために金めっきを接地面として用いる。この偏向電子機器はコネクタを介して偏向信号を回路基板に伝達する。8個のロッド、すなわち八重極デザインを用いることによって、偏向器260はビームの非点収差を補正するための非点収差補正装置としても機能する。焦点および非点収差補正装置の調節は手動で行ってもよいし、自動で行ってもよい。
好適なシステムは後方散乱電子検出器280を使用し、この検出器は一次電子ビームと同軸な環状ダイオード検出器であり、一次電子ビームが通過する穴を含んでいる。好適な検出器280は四分円に分割され、ユーザは個々の四分円をオンまたはオフしたり、異なる四分円からの信号の組合せ(例えば、追加または減らす)を指定することができる。このような操作により、画像コントラストを変えて、撮像がトポグラフィまたは組成などのサンプルの異なるアスペクトに対してより敏感になる。ダイオード後方散乱検出器は、典型的なシンチレータ光電子増倍管型二次電子検出器よりも、SEMアセンブリ102のより高圧で動作するのに適している。サンプルは比較的圧力が高いため、いくつかの実施形態は環境走査型電子顕微鏡に用いられるようなガス増幅検出器を用いることも考えられる。
本発明の好適な実施形態は先行技術で用いられるような従来のサンプル真空チャンバを含まない。大半の先行技術のシステムでは、サンプル真空チャンバ内で対物レンズの下にサンプルステージが位置決めされている。サンプルはエアロックを用いるか、真空チャンバを通気することによって真空チャンバに挿入される。次いで、撮像のためにサンプルチャンバが許容可能なレベルの真空まで真空排気される。撮像が完了すると、サンプルはサンプルステージから除去され、真空チャンバから取り出される。サンプルステージはシステムの真空チャンバ内に残っている。
図6A〜6Cは光学カメラ602などの光学撮像デバイスを含む電子顕微鏡システム100の構成ならびに電子顕微鏡100の下部を示す。光学撮像カメラ602は電荷結合素子(CCD)を採用することが好ましく、サンプルがその環境が真空排気される前に観察されるように位置決めされることが好ましい。サンプル容器112は光学カメラの下に移動し、この光学カメラがサンプルの拡大されたデジタル画像を形成および格納する。光学カメラ602内の画像の倍率は典型的には、10倍〜最大100倍である。光学カメラ602は上下に動いてサンプルに焦点を合わせることができる。動作は電動モータによるものであることが好ましく、または手動であってもよい。このカメラは約8mm×8mmの視野を有する。このカメラからの多数の画像を共に並べたり貼り合わせたりして、サンプルのより大きな部分の画像を形成することができる。このタイリング(tiling)またはステッチング処理(stetching)は自動的に行うことができ、サンプルは、カメラの下で、電動モータによって、蛇行パターンで様々な位置に自動的に移動され、各位置がサンプルの一部をカバーする。各位置では、画像が取り込まれ、画像の全部が組み合わされてサンプル全体の光学オーバービューが生成される。あるいは、ユーザがサンプルの移動を制御して有用な画像のみを生成することができる。手動モードでは、ユーザはタッチ・スクリーン上のナビゲーション矢印に触れることによってカメラの下のサンプルを動かすことができ、または画像上のある点を押すことによって、触れた点が視野の中心になるように画像を再度中心に置くことができる。任意選択で、モニタに表示された隣接する画像を調節して、歪みまたは位置決めの不正確さから生じた画像と画像の連続性を確保することができる。
電子顕微鏡システム100は、摺動真空シールを用いてサンプル容器を移動させて、対物レンズ242の下の位置までの途中でサンプル容器から空気を除去する真空バッファと接触させる。
好適な真空システムは、2つの真空ポンプ、つまり外部予備真空ポンプ110とターボ分子ポンプ282(図2)などの一体型高真空ポンプとを含む。予備真空ポンプ110は、大気からの初期ポンプを行い、許容可能な排気圧を高真空ターボ分子ポンプ282に提供する、例えばダイヤフラム・ポンプとすることができる。このターボ分子ポンプは別個のポンプ・ハウジングに含まれていないことが好ましい。その代わりに、ターボ・ロータが電子ソースアセンブリ202に組み込まれる。同じポンプを用いて、電子顕微鏡システム100の異なる3つのゾーンにおいて異なる圧力が維持され、最低圧力が電子銃で維持され、幾分高い圧力が電子ソース202と対物レンズ242との間に維持され、より高い圧力が依然としてサンプルに維持される。
Psam=(C2/C1)/PDP
によって決定することができる。ここで、Psamはサンプル空間の圧力、C2はサンプル空間からターボ分子ポンプ入口までの真空コンダクタンス(L/秒)、C1はサンプル空間からダイヤフラム・ポンプの入口までのコンダクタンス(L/秒)、PDPはダイヤフラム・ポンプ入口の圧力である。
主画像スクリーン
サンプルをSEMの高倍率で撮像するとき、経験の少ないオペレータにとって、画像が取得されているサンプル上の場所を判断し、その画像とサンプルの他の部分との関係を理解することは困難な場合がある。図9〜13に示すように、ユーザ・インタフェースのグラフィック部分の好適な主画像スクリーン13は、ユーザが拡大された画像を関連付けるのを支援するためにディスプレイ上に残っている3つの「画像ウィンドウ」を含む。アクティブ画像ウィンドウ14と呼ぶ1つのウィンドウは現在のイメージを示す。以下で説明するように、現在の画像は実行中の現在の操作に応じて、サンプルが光学ナビゲーション・カメラ602の下にあるときに撮られた画像、サンプルがSEMの下にあるときにSEMによって形成された画像、または記憶媒体から呼び出された画像であり得る。
図9に示すように、アーカイブ・スクリーン17はリムーバブルな記憶媒体に格納された画像をユーザに閲覧および操作させる。アーカイブ・スクリーン17は主スクリーン13に類似するものであり、アクティブ画像ウィンドウ136と比較および操作のための保存された画像のサムネイル・ギャラリ131とを含む。主スクリーン13で用いられるのと同様に、データバー33がアーカイブ・スクリーン17上に含まれ得る。コントロールすなわち選択可能アイコン19はデジタル・カメラ・メモリのものと同様であり、ヘルプ・ファイル35にアクセスし、サンプル26を排出し、画像36を削除し、選択された画像を他の画像37と比較するために画像を保持し、ズーミング134、画像ギャラリの閲覧133のためのアイコンを含む。サムネイル・ギャラリ131をスクロールするためのスクロール・バー132も含まれる。ユーザはデジタル・カメラまたは写真編集ソフトウェアで使用可能な他の画像操作を実行することができる。
図10に示すように、設定スクリーンはユーザが設定可能なある種の機能を提供する。例えば、ユーザはどの検出器構成を使用するかを選択して、電子ビーム画像を形成することができる。「高速(fast)」走査設定は画像更新時間を高速にするが、画像の分解能は低くなる。「品質(quality)」走査設定は画像の更新時間は遅くなるが、分解能は高品質になる。設定スクリーンを使用すれば、ユーザは生の画像を「高速」モードで観察する一方で「品質」モードでその画像を保存することを選択し、USBメモリ・スティックまたは他のリムーバブルな記憶媒体を削除およびフォーマットすることができる。データおよび時間を設定することができ、画像のためにラベルを生成することができる。ユーザはどの形式で画像ファイルを保存するか、つまりTIFFか、JPEGか、またはBMP形式かを選択することができる。ユーザは輝度およびコントラストを自動的に調節するかどうか、およびどれぐらいの頻度で調節するかも設定することができる。例えば、輝度およびコントラストは画像が移動されるときはいつでも調節されてもよいし、定期的に調節されてもよい。非点収差補正はユーザ設定において一旦調節されるとその後、典型的には安定し、追加の調節を必要としない。少なくとも1つのユーザ・プロファイルを選択して、処理時間および操作時間を速くするために特定のユーザの設定を格納することができる。
102 SEMアセンブリ
104 表示モニタ
108 回転式ユーザ入力デバイス
110 外部予備真空ポンプ
112 サンプルホルダ
202 電子ソースアセンブリ
204 集光レンズ区間
206 対物レンズ区間
212 電子銃
214 熱イオン放出ソース
216 ウェールネト・キャップ
218 開口部
220 アノード
222 整列ロッド
280 検出器
Claims (16)
- 電子ビームのための一次電子ソース(202)と、
前記電子ビームを集束させるレンズ(204)と、
サンプルから放出される電子を検出する検出器(280)と、
電子顕微鏡を用いて観察するために前記サンプルを保持する取外し可能なサンプルホルダ(402、502)であって、このサンプルホルダの壁が前記サンプルを収容する真空領域の壁の一部を構成する前記サンプルホルダと、を備える走査型電子顕微鏡(102)であって、
前記サンプルホルダが、前記サンプルを含む真空領域から除去されるか、あるいはそこに提供されるかする一方で、前記レンズの下の領域の真空圧が実質的に維持されて、これにより、前記サンプルの電子顕微鏡画像を形成するのに適した真空を提供するために前記ビームの経路を真空排気するのに必要な時間を実質的に低減するような、前記サンプルホルダと走査型電子顕微鏡アセンブリの底部との間の摺動真空シールを備える走査型電子顕微鏡。 - 前記摺動真空シールが、剛性摺動プレート(605)および前記サンプルホルダと一緒に移動し、走査型電子顕微鏡の底部に対してシールする、可撓性プレート(603)を含む請求項1に記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記サンプルホルダを前記レンズの下に位置決めする前に真空排気する真空バッファ(604、606)の空間をさらに備える請求項1または2に記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記取外し可能なサンプルホルダが、電力または電気信号を前記サンプルホルダに提供する電気接点(414)を備える請求項1〜3のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記取外し可能なサンプルホルダが、サンプルホルダの機能を制御するためのマイクロプロセッサを備える請求項1〜4のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記取外し可能なサンプルホルダが加熱コイルまたは冷却器を含む請求項1〜5のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記サンプルが約0.1mbar乃至50mbarの圧力に維持される請求項1〜6のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記取外し可能なサンプルホルダが、前記サンプルホルダ内のサンプルの上下位置を調節する調節可能高さマウント(404、504)を含む請求項1〜7のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 電子ビームのための一次電子ソース(202)と、
前記電子ビームを集束させる永久磁石レンズ(240)と、
サンプルからの電子を検出する検出器(280)と、
電子顕微鏡を用いて観察するために前記サンプルを保持する取外し可能なサンプルホルダ(402、502)と、を備える走査型電子顕微鏡(102)であって、
前記サンプルホルダの壁が、真空チャンバの壁の一部を形成し、これにより、前記サンプルの電子顕微鏡画像を形成するのに適した真空を提供するために前記ビームの経路を真空排気するのに必要な時間を実質的に低減する走査型電子顕微鏡。 - 前記サンプルからの電子を検出する前記検出器が、後方散乱電子を検出する検出器(280)を備える請求項9に記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記検出器がダイオード検出器を備える請求項9または10に記載の電子顕微鏡。
- 前記サンプルホルダの空間が電子カラムと接続される前にサンプルホルダ内部から空気を除去するためにサンプルホルダ内部と接続される少なくとも1つの真空排気された空間をさらに含む請求項9〜11のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記サンプルホルダが位置決めされてから1分未満で電子ビーム画像を形成するのに十分な量だけ電子顕微鏡を真空排気する真空ポンプをさらに備える請求項1〜12のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 前記サンプルホルダが挿入されてから30秒未満で電子ビーム画像を形成するのに十分な量だけサンプル領域を真空排気する真空ポンプをさらに備える請求項1〜13のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 電子顕微鏡の焦点を調節するコイル(244)をさらに備える請求項1〜14のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
- 走査型電子顕微鏡の底部に氷河層610を含む請求項1〜15のいずれかに記載の走査型電子顕微鏡。
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