JP5836838B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

特開２００８−１５３０８６号公報 特開２００８−２６２８８６号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 第１の実施形態の電子対物レンズ近傍の拡大図である。 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。 （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。 （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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

−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。

−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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

−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。

−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。

−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。

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。

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。

（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。

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。

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

Claims (10)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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９のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置。

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