WO2016114033A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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清志 矢畑
秀樹 菊池
丸山　直伴
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J2237/204—Means for introducing and/or outputting objects

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to a charged particle beam apparatus equipped with a sample stage for introducing a side entry type sample holder.
  • a side entry type sample stage in which a sample holder is introduced from a lateral direction with respect to a mirror body is employed.
  • Patent Document 1 relates to a side entry type sample stage.
  • the sample holder In order to reduce sample drift due to distortion of an O-ring that seals the vacuum sample chamber and the atmosphere in the sample holder, the sample holder is slid in the longitudinal direction of the sample holder.
  • the structure is provided with a slider cylinder that can move integrally with the slider cylinder, a contact member that contacts the slider cylinder to determine the installation position of the sample holder, and an elastic body disposed between the slider cylinder and the abutting member Has been.
  • An object of the present invention relates to the realization of high-resolution sample observation by reducing the displacement amplitude caused by the vibration in the radial direction of the sample holder in the side entry type sample stage.
  • a charged particle beam apparatus comprising a sample holder for holding a sample and a sample stage into which the sample holder is introduced, the sample holder placing a sample A sample stage that holds the sample stage at one end, a step formed in the radial direction of the shaft, and an elastic body disposed in the vicinity of the step, and the sample stage is A cylindrical part that can accommodate a part of the shaft part, an outer cylinder part that accommodates the cylindrical part, and is disposed between the cylindrical part and the outer cylinder part, and is rotatable in the axial direction of the shaft part.
  • a guide portion that includes a spherical member and supports the cylindrical portion in a radial direction of the shaft portion, and the cylindrical portion is in contact with the stepped portion when the sample holder is inserted. Formed by the contact between the stepped portion and the support portion with respect to the sample holder. Characterized in that to generate a frictional force in the radial direction of the parts.
  • the displacement amplitude due to the vibration of the sample holder in the side entry type sample stage is reduced, contributing to high-resolution observation.
  • FIG. 1 shows a basic configuration diagram of a TEM that is an example of a charged particle beam apparatus according to the present embodiment.
  • the TEM main body 100 mainly includes an electron gun 101, an irradiation lens 103, an objective lens 107, a projection lens 108, a sample chamber 111, and a detector 109, and is accommodated in a column 112.
  • the sample 106 is attached to the sample holder 105, and the sample holder 105 is introduced into the sample chamber 111 from the sample stage 104 provided on the side surface of the TEM main body 100.
  • the sample chamber 111 is a space indicated by a dotted line in the figure, and is evacuated by a vacuum pump (not shown) during sample observation, and kept in a vacuum state (for example, about 10 ⁇ 5 Pa).
  • the sample chamber 111 shows a space below the irradiation lens 103 and above the projection lens 108, but is not limited thereto.
  • a detector 109 is provided below the projection lens 108.
  • the control unit 110 is connected to each component unit and controls the entire apparatus. However, the control unit 110 may be configured to include an independent control unit for each component unit.
  • the electron beam 102 emitted from the electron gun 101 is converged by the irradiation lens 103 and irradiated to the sample 106 mounted on the sample holder 105 in the sample chamber 111.
  • the electrons that have passed through the sample 106 are imaged by the objective lens 107, the image is magnified by the projection lens 108, and an image is projected on the detector 109.
  • the projected image is displayed by an output device (not shown) via the control unit 110.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the introduction of the sample holder according to the present embodiment to the sample stage.
  • the sample holder 105 is inserted into the sample stage 104 provided on the side surface of the TEM main body 100 from the holder front end 105a side.
  • FIG. 8 is a diagram showing a basic configuration of a cross section during sample observation of the sample holder according to the present embodiment.
  • the sample 106 placed on the sample table 211 is disposed below the electron gun 101 at the holder tip 105a of the sample holder 105.
  • a sample 106 is observed by an electron beam emitted from the electron gun 101.
  • the sample holder 105 can tilt the sample stage 211 by a sample tilt mechanism (not shown) so that the sample 106 can be observed at an arbitrary angle.
  • FIG. 2 is a diagram showing a cross section of the x and z planes when the sample holder according to the present embodiment is inserted into the sample stage.
  • the sample stage 104 mainly includes an outer cylinder 201, a cylindrical member 202, a bellows 203, a guide part 204, and an actuator 205.
  • the cylindrical member 202 includes a holder axial direction support portion 213 and an actuator axial direction support portion 207 which will be described later.
  • a guide portion (linear motion bearing portion) 204 fixed to the outer cylinder 201 supports the cylindrical member 202 in the radial direction of the sample holder 105 together with a ball member 206 that can move while rotating in the axial direction of the sample holder 105.
  • the bellows 203 connects the outer cylinder 201 and the cylindrical member 202 so as to be airtight in the axial direction of the sample holder 105.
  • the actuator 205 is arranged on the outer cylinder 201 and arranged so as to be in close contact with the actuator axial direction support portion 207 of the cylindrical member 202.
  • the sample holder 105 mainly includes a large-diameter portion 208, a small-diameter portion 209, a first step portion 210, a second step portion 216, a holder tip portion 105a, and a sample stage 211, and in the vicinity of the first step portion 210.
  • an elastic body 212 is provided between the inner wall of the cylindrical member 202.
  • the elastic body 212 include, for example, an O-ring formed of a material such as rubber and the like, and is formed so as to be airtight and have rigidity in the radial direction of the sample holder 105.
  • the holder front end portion 105a refers to a region closer to the sample stage 211 than the second stepped portion 216
  • the small diameter portion 209 refers to a region between the first stepped portion 210 and the second stepped portion 216.
  • the large-diameter portion 208 refers to a region on the root side with respect to the first step portion 210, that is, on the opposite side of the sample stage 211 side.
  • the sample holder 105 is inserted while contacting the elastic body 212 and the inner wall of the cylindrical member 202 of the sample stage 104, and the first stepped portion 210 of the sample holder 105 contacts the holder axial direction support portion 213 of the cylindrical member 202. It is moved to the position to do.
  • the inserted sample holder 105 is supported at both ends by a holder tip support part 214 and a holder base support part 215 of the outer cylinder 201.
  • the sample holder 105 In the state of being inserted into the sample stage 104, the sample holder 105 is in a vacuum on the boundary indicated by a dotted line in the drawing, that is, on the holder tip 105a side of the elastic body 212, and on the opposite side in the atmosphere.
  • the sample holder 105 receives a force proportional to the area of the large diameter portion 208, and moves the holder axial direction support portion 213 in the + x direction shown in the upper right graph in the drawing.
  • the actuator 205 moves and supports the cylindrical member 202 in the axial direction via the axial receiving portion 207.
  • the first step portion 210 is supported in close contact with the force acting in the axial direction of the sample holder 105 generated between the first step portion 210 and the holder axial direction support portion 213. Further, the holder axial direction support portion 213 and the first stepped portion 210 generate a frictional force in the radial direction by a force acting in the axial direction of the sample holder 105 (vertical drag). Therefore, in a state where the sample 106 is observed stationary in the charged particle beam apparatus, the holder axial direction support portion 213 and the first step portion 210 are fixed by this frictional force, and no slip occurs in the radial direction. As shown in FIG. 3, when the sample 106 is installed at the irradiation position of the electron beam 102, the holder axial direction support portion 213 supports the first step portion 210 in the radial direction.
  • the actuator 205 is moved in the ⁇ x direction shown in the upper right graph by the operation of the actuator 205, and the cylindrical member 202 moves in the same direction as the axial support portion of the cylindrical member 202.
  • the sample holder 105 supported by 213 also moves in the same direction.
  • the actuator 205 moves in the + x direction shown in the upper right graph in the figure, the sample holder 105 and the cylindrical member 202 receiving the force in the + x direction move integrally in the + x direction.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross section of the x and z planes in a state where the sample holder according to the present embodiment is inserted into the sample stage.
  • FIG. 4 is a view showing a cross section of the x and y planes in a state where the sample holder according to the present embodiment is inserted into the sample stage.
  • the actuator 205 is moved in the ⁇ x direction at the upper right in the drawing to move the position of the sample 106, the cylindrical member 202 is pushed in the same direction and receives a couple of forces around the y direction.
  • the guide unit 204 supports the outer periphery of the cylindrical member 202 using a spherical member 206 (five laps in this figure) formed in the x direction two or more times, and the cylindrical member 202 rotates around the y direction. To prevent that. With this configuration, the sample holder 105 that moves integrally with the cylindrical member 202 can also be prevented from rotating around the y direction. ⁇ Reduction of displacement amplitude> Next, the reduction of the displacement amplitude in the radial direction of the sample holder by the configuration of the sample stage and the sample holder described above will be described with reference to FIG.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the displacement amplitude in the radial direction of the side entry type sample holder.
  • the sample In the side entry type sample stage in which the sample holder 905 is inserted into the vacuum from the atmosphere side, the sample is placed at the tip of the sample holder 905 and placed on the holder tip 905a of the sample holder 905 up to the irradiation position of the electron beam. It is necessary to move the sample stage and install it.
  • the sample holder 905 since the inside of the charged particle beam apparatus is in a vacuum state, in order to reach the center position of the TEM column that is the irradiation position of the electron beam from the outside of the charged particle beam apparatus, the area to be hermetically sealed is reduced. There is a need to. Therefore, the sample holder 905 is desirably formed in a shape close to a long rod shape.
  • the sample holder 905 formed in a shape close to a rod shape is likely to be displaced in the radial direction as shown in FIG. 9, and its amplitude is increased. Therefore, in order to reduce the displacement amplitude at both ends so that the position of the sample is stabilized, it is preferable to support the vicinity of both ends.
  • the displacement amplitude means a width when the sample holder 905 is displaced in the radial direction.
  • the guide portion 204 is fixedly disposed between the outer cylinder 201 and the cylindrical member 202.
  • the guide unit 204 supports the cylindrical member 202 in the radial direction of the sample holder 105 via the ball member 206.
  • the holder axial direction support part 213 vicinity of the cylindrical member 202 is desirable.
  • the radial position of the sample holder 105 is positioned by the holder tip support part 214 and the holder base support part 215.
  • the holder axial direction support part 213 and the first step part 210 The displacement can also be reduced by the frictional force generated by the contact.
  • an annular structure is used so that the axial support portion 213 is in uniform contact with the first step portion 210.
  • a plurality of protrusion structures on a substantially hemisphere are provided. It can also be arranged.
  • the sample stage 211 moves in the x and y directions while the electron beam 102 of the charged particle beam apparatus is irradiated on the sample 106 on the sample stage 211 from the z direction shown in the upper right graphs of FIGS.
  • the acquired image is likely to be shaken. Therefore, when providing the protrusion structure, it is desirable to arrange the holder axial support portions 213 so as to have a symmetrical interval in the axial direction of the sample holder 105.
  • the convex portion is provided on the holder axial direction support portion 213, but the convex portion may be provided on the first step portion 210 side.
  • the first step portion 210 of the sample holder 105 is provided at a substantially central position in the axial direction.
  • the displacement amplitude tends to increase at a substantially central position in the axial direction.
  • the portion 213 can support the first step portion 210 stably.
  • step-difference part 210 may deform
  • the axial support portion 213 and the first step are formed by planarizing the axial support portion 213 or by providing a concave structure in the first step portion 210 as will be described later in the second embodiment.
  • Sample drift is a phenomenon in which the position of the sample stage 211 and the irradiation position of the electron beam 102 on the sample 106 change due to various factors such as deformation of parts of the charged particle beam device and temperature change.
  • a part such as the elastic body 212 is deformed by the movement of the sample holder 105
  • a restoring force is generated to recover the deformation, and sample drift occurs.
  • the sample holder 105 and the cylindrical member 202 can move together, the elastic body 212 is not deformed, and the sample drift is reduced in addition to the reduction of the displacement amplitude described above. be able to.
  • FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the first step portion 210 of the sample stage according to the present embodiment on the x and y planes. It is an enlarged view of the area
  • This configuration is different in that a recess is further formed in the first step portion 210 of the sample holder 105 shown in the first embodiment. Description of other configurations may be omitted for those having the same functions as the configurations described in the first embodiment.
  • the sample holder 105 receives a force in the + x direction, and the first step portion 210 that forms the recess and the cylindrical member 202 are in close contact with each other in the axial direction of the sample holder 105.
  • the first step portion 210 having the concave portion and the axial support portion 213 having the convex portion are configured to fit with each other, and in the radial direction other than the axial direction of the sample holder 105. It has locations that touch each other. Therefore, the sample holder 105 is stably supported by the holder axial direction support portion 213.
  • the fitting between the concave portion formed by the first step portion 210 and the convex portion formed by the holder axial direction support portion 213 increases the contact area in the radial direction of the sample holder 105, thereby improving the contact rigidity. Can be increased.
  • the sample stage 104 further includes the second holder axial direction support portion 218 and the sample holder 105 includes the third stepped portion 217 will be described with reference to FIG. explain.
  • the sample holder 105 shown in the first embodiment is further provided with the third step portion 217, and the sample stage 104 is provided with the second holder axial direction support portion 218. Is different.
  • the sample holder 105 mainly includes a large diameter portion 208, a medium diameter portion 219, a small diameter portion 209, a holder tip portion 105a, a sample stage 211, a first step portion 210, a second step portion 216, and a third step portion 217.
  • the elastic member 220 is provided in the vicinity of the third stepped portion 217.
  • the elastic member 220 has a disk shape.
  • the charged particle beam apparatus when the sample holder 105 is inserted into the sample stage 104, the charged particle beam apparatus is in a vacuum state, so the sample holder 105 receives a force in the + x direction, and the first step portion 210 and the cylindrical member 202 The sample holder 105 is stably supported in the axial direction and the radial direction because the axial support portion 213 is in close contact and is difficult to slide in the radial direction due to frictional force.
  • the outer cylinder 201 of the sample stage 104 includes a second holder axial direction support portion 218 and an elastic member 220.
  • the second holder axial direction support portion 218 is disposed at the end of the elastic member 220.
  • the elastic member 220 is formed of a structure having low rigidity in the axial direction of the sample holder 105 and high rigidity in the radial direction, such as rubber. Since the sample holder 105 is less likely to slide in the radial direction due to the frictional force, the sample holder 105 can be supported more stably.
  • the operation of the sample holder 105 in the axial direction will be described.
  • the cylindrical member 202 moves in the ⁇ x direction by the operation of the actuator 205
  • the sample holder 105 supported by the cylindrical member 202 also moves in the same ⁇ x direction.
  • the elastic member 220 is arranged to generate a force in the ⁇ x direction at the time of insertion, and the second holder axial support portion 218 arranged at the end of the elastic member 220 follows the sample holder 105, and the third holder It moves while in close contact with the stepped portion 217.
  • the charged particle beam apparatus When the actuator 205 operates in the + x direction, the charged particle beam apparatus is in a vacuum state, so that the sample holder 105 receiving a force in the + x direction moves in the + x direction together with the cylindrical member 202. At this time, even if the sample holder 105 moves in the + x direction, since the reaction force generated by the deformation of the elastic member 220 is small, the second holder axial direction support portion 218 follows the movement of the sample holder 105, and the third holder It moves in close contact with the stepped portion 217.
  • the sample holder 105 can be supported in the radial direction with higher rigidity than in the case where there is one axial support portion, and the displacement amplitude of the sample holder 105 can be reduced more effectively. can do.
  • the configuration including two axial support portions has been described, but three or more may be provided.
  • this Embodiment is not limited to the structure mentioned above, Various modifications are included.
  • the above-described embodiment has been described in detail for easy understanding of the invention, and is not necessarily limited to one having all the configurations described.
  • a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. .

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Abstract

サイドエントリー式の試料ホルダにおいて、試料ホルダの径方向に振動することにより、測定結果の分解能の低下を引き起こしていた。本発明はサイドエントリー式の試料ホルダ（１０５）において、軸部の径方向に段差部（２１０）を有し、試料ステージ（１０４）は、試料ホルダ（１０５）の軸方向に一体的に移動可能な円筒部（２０２）において、前記段差部（２１０）と接触される支持部（２１３）を有し、前記段差部（２１０）と前記支持部（２１３）との接触により、前記試料ホルダの軸部の径方向に対して摩擦力を生させる。これにより、試料ホルダの径方向への振動を抑制し、測定結果の分解能の低下を抑制する。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は、荷電粒子線装置に関し、特に、サイドエントリー型の試料ホルダを導入する試料ステージが搭載される荷電粒子線装置に関する。
　透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＴＥＭ）に代表される電子顕微鏡等の荷電粒子線装置では、鏡体に対して横方向から試料ホルダを導入するサイドエントリー型の試料ステージが採用されている。
　特許文献１では、サイドエントリー型の試料ステージに関し、試料ホルダにおいて真空の試料室と大気とをシールするＯリングの歪みによる試料ドリフトを低減するために、試料ホルダの長手方向にスライドし、試料ホルダと一体的に移動可能なスライダ筒と、スライダ筒と接触して試料ホルダの設置位置を決めるつき当て部材と、スライダ筒と突き当て部材との間に配置された弾性体を備えた構造について説明されている。
特開２０１４―３８７８６号公報
　ＴＥＭ等の電子顕微鏡では、原子を直接観察するために高倍率な条件で観察が行われており、高分解能化がますます求められている。その一方で、このような観察条件においては、試料の微小な変位によっても、得られる像に大きく影響してしまうことがある。特に、サイドエントリー型の試料ステージでは、試料ホルダの導入、移動時に、試料ホルダの径方向、すなわち長手方向（軸方向）に垂直な方向に振動が生じ、その振幅（変位振幅）が大きくなるほど、取得される像が乱れてしまうため、試料の高精度な観察が困難となる。
　特許文献１に開示された技術においては、突き当て部材において試料ホルダの仮の位置を決めた後に、当該弾性体のバネ力で押し戻された位置を、最終的な試料ホルダの位置とすることにより、試料ドリフトを低減することができる。しかしながら、上述した試料ホルダの径方向への振動に関しては何ら考慮がなされていない。
　本発明の目的は、サイドエントリー型の試料ステージにおいて、特に試料ホルダの径方向への振動による変位振幅を低減し、高分解な試料観察を実現することに関する。
　上記目的を達成するための一態様として、試料を保持する試料ホルダと、前記試料ホルダが導入される試料ステージと、を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料ホルダは、試料を載置する試料台を一方端部に保持する軸部と、前記軸部の径方向に形成された段差部と、前記段差部の近傍に配置された弾性体と、を有し、前記試料ステージは、前記軸部の一部を収容可能な円筒部と、前記円筒部を収容する外筒部と、前記円筒部と前記外筒部との間に配置され、前記軸部の軸方向に回転可能な球部材を備え前記円筒部を前記軸部の径方向に支持するガイド部と、を有し、前記円筒部は、前記試料ホルダが挿入されているときに、前記段差部と接触される支持部を形成し、当該段差部と支持部との接触により、前記試料ホルダに対して前記軸部の径方向に摩擦力を発生させることを特徴とする。
　上記構成によれば、サイドエントリー型の試料ステージにおける試料ホルダの振動による変位振幅を低減し、高分解能観察に寄与する。
本実施の形態に係る荷電粒子線装置の基本構成を示す図である。 本実施の形態（第１の実施の形態）に係る試料ホルダを試料ステージへ挿入する際のｘ、ｚ平面の断面を示す図である。 本実施の形態（第１の実施の形態）に係る試料ホルダが試料ステージに挿入されている状態におけるｘ、ｚ平面の断面を示す図である。 本実施の形態（第１の実施の形態）に係る試料ホルダが試料ステージに挿入されている状態におけるｘ、ｙ平面の断面を示す図である。 本実施の形態（第２の実施の形態）に係る試料ホルダの軸方向支持部と試料ステージの第１の段差部のｘ、ｙ平面の拡大断面を示す図である。 本実施の形態（第３の実施の形態）に係る試料ホルダが試料ステージに挿入されている状態におけるｘ、ｙ平面の断面を示す図である。 本実施の形態に係る試料ホルダの試料ステージへの導入を説明する示す図である。 本実施の形態に係る試料ホルダの試料観察時の断面の基本構成を示す図である。 サイドエントリー型の試料ホルダにおける径方向への変位振幅を説明する図である。
　以下、本実施の形態について図面を用いて説明する。なお、全体を通して、各図における同一の各構成部分には同一の符号を付して説明を省略することがある。
<装置構成>
　図１は、本実施の形態に係る荷電粒子線装置の一例であるＴＥＭの基本構成図を示す。
　ＴＥＭ本体１００は、主として、電子銃１０１と照射レンズ１０３と対物レンズ１０７、投射レンズ１０８、試料室１１１、検出器１０９で構成され、カラム１１２内に収容されている。試料１０６は、試料ホルダ１０５に取り付けられており、試料ホルダ１０５はＴＥＭ本体１００の側面に設けられた試料ステージ１０４から試料室１１１の内部へ導入される。ここで、試料室１１１は、図中点線にて示される空間であって、試料観察時には図示しない真空ポンプによって真空排気され、真空状態（例えば、１０-5Ｐａ程度）に保たれる。本図において、試料室１１１は、照射レンズ１０３よりも下方であって、かつ、投射レンズ１０８よりも上方の空間を示すが、これに限られるものではない。投射レンズ１０８の下方には検出器１０９が設けられる。なお、本図において制御部１１０は各々の構成部に接続され、装置全体を制御するものとしたが、構成部ごとに独立した制御部を備えるように構成することもできる。
　電子銃１０１より放出された電子線１０２は、照射レンズ１０３により収束され、試料室１１１中の試料ホルダ１０５に搭載された試料１０６に照射される。試料１０６を透過した電子は対物レンズ１０７により結像され、その像は投射レンズ１０８により拡大され、検出器１０９上に画像が投影される。投影された画像は、制御部１１０を介し、図示しない出力装置により表示される。
　図７は、本実施の形態に係る試料ホルダの試料ステージへの導入を説明する図である。
　試料ホルダ１０５は、ＴＥＭ本体１００の側面に設けられた試料ステージ１０４内に、ホルダ先端部１０５ａ側から挿入される。
　図８は、本実施の形態に係る試料ホルダの試料観察時の断面の基本構成を示す図である。
　観察時に、試料ホルダ１０５のホルダ先端部１０５ａにおいて、試料台２１１上に載置された試料１０６が、電子銃１０１の下方となるように配置される。電子銃１０１から放出された電子線により試料１０６が観察される。ここで、試料ホルダ１０５は試料１０６を任意の角度で観察できるように、図示しない試料傾斜機構により試料台２１１を傾斜させることができる。
第１の実施の形態
<試料ステージ、試料ホルダの構成及び動作>
　次に、図２～４を用いて本実施の形態に係る試料ステージ、試料ホルダの構成及び動作について説明する。
　図２は、本実施の形態に係る試料ホルダを試料ステージへ挿入する際のｘ、ｚ平面の断面を示す図である。
　試料ステージ１０４は、主として、外筒２０１、円筒部材２０２、ベローズ２０３、ガイド部２０４、アクチュエータ２０５から構成される。円筒部材２０２は、後述するホルダ軸方向支持部２１３と、アクチュエータ軸方向支持部２０７を有する。外筒２０１に固定されたガイド部(直動軸受け部)２０４は、試料ホルダ１０５の軸方向に回転しながら移動可能な球部材２０６とともに、円筒部材２０２を試料ホルダ１０５の径方向に支持する。ベローズ２０３は外筒２０１と円筒部材２０２とを試料ホルダ１０５の軸方向に気密可能に接続する。アクチュエータ２０５は外筒２０１上に配置され、円筒部材２０２のアクチュエータ軸方向支持部２０７と密着するように配置される。
　試料ホルダ１０５は、主として、大径部２０８、小径部２０９、第１の段差部２１０、第２の段差部２１６、ホルダ先端部１０５ａ、試料台２１１から構成され、第１の段差部２１０の近傍であって、円筒部材２０２の内壁との間には弾性体２１２を備えている。弾性体２１２の例としては、例えば、ゴム等の材料で形成されたО－リング等があり、試料ホルダ１０５の径方向に気密を取りつつ、かつ、剛性を持たせるように形成されている。ここで、ホルダ先端部１０５ａは、第２の段差部２１６よりも試料台２１１側の領域をいい、小径部２０９は、第１の段差部２１０と第２の段差部２１６との間の領域をいう。大径部２０８は、第１の段差部２１０よりも根元側、すなわち試料台２１１側の反対側の領域をいう。試料ホルダ１０５は、弾性体２１２と、試料ステージ１０４の円筒部材２０２の内壁とを接触させながら挿入され、試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０が円筒部材２０２のホルダ軸方向支持部２１３に接触する位置まで移動される。挿入された試料ホルダ１０５は、外筒２０１のホルダ先端支持部２１４とホルダ根元支持部２１５によって両端部をそれぞれ支持される。
　試料ステージ１０４に挿入されている状態では、試料ホルダ１０５は、図中点線にて示す境界、すなわち弾性体２１２よりもホルダ先端部１０５ａ側は真空、反対側は大気となる。試料ホルダ１０５は、大径部２０８の面積に比例する力を受け、ホルダ軸方向支持部２１３を図中右上のグラフに示す＋ｘ方向に移動する。アクチュエータ２０５は軸方向受け部２０７を介して円筒部材２０２を軸方向に移動し、支持する。これにより、第１の段差部２１０はホルダ軸方向支持部２１３との間に生じる試料ホルダ１０５の軸方向に働く力により、密着して支持される。さらに、ホルダ軸方向支持部２１３と第１の段差部２１０は、試料ホルダ１０５の軸方向に働く力(垂直抗力)によって、径方向に摩擦力を発生させる。そのため、荷電粒子線装置において試料１０６を静止して観察している状態では、ホルダ軸方向支持部２１３と第１の段差部２１０はこの摩擦力によって固定され、径方向にすべりが発生しない。そして、図３に示すように試料１０６が電子線１０２の照射位置に設置されているときには、ホルダ軸方向支持部２１３は第１の段差部２１０を径方向にも支持することとなる。
　次に、試料ホルダ１０５の軸方向の動作について説明する。アクチュエータ２０５の動作によりアクチュエータ軸方向支持部２０７が図中右上のグラフに示す-ｘ方向に押されて移動するとともに、円筒部材２０２はこれと同じ方向に移動し、円筒部材２０２の軸方向支持部２１３に支持された試料ホルダ１０５も同方向に移動する。一方、アクチュエータ２０５が図中右上のグラフに示す+ｘ方向に動作すると、+ｘ方向に力を受けている試料ホルダ１０５や円筒部材２０２は一体的に+ｘ方向に移動する。
　図３は、本実施の形態に係る試料ホルダが試料ステージに挿入されている状態におけるｘ、ｚ平面の断面を示す図である。また、図４は、本実施の形態に係る試料ホルダが試料ステージに挿入されている状態におけるｘ、ｙ平面の断面を示す図である。ここで、試料１０６の位置を移動するために、アクチュエータ２０５がにより図中右上の-ｘ方向に動作すると、円筒部材２０２は同じ方向に押され、ｙ方向周りに偶力を受ける。このとき、ガイド部２０４は円筒部材２０２の外周をｘ方向に２周以上形成された球部材２０６(本図では５周)を用いて支持しており、円筒部材２０２がｙ方向周りに回転することを防止する。このように構成することにより、円筒部材２０２と一体で運動する試料ホルダ１０５についても、y方向周りの回転を防ぐことが出来る。
<変位振幅の低減>
　次に、上述した試料ステージ、試料ホルダの構成による試料ホルダの径方向への変位振幅の低減について、図９を用いて説明する。
　図９は、サイドエントリー型の試料ホルダの径方向への変位振幅を説明する図である。
　大気側から真空中に試料ホルダ９０５を挿入するサイドエントリー型の試料ステージにおいては、試料ホルダ９０５の先端に試料を配置し、電子線の照射位置まで試料ホルダ９０５のホルダ先端部９０５ａ上に載置された試料台を移動し、設置する必要がある。一方で、荷電粒子線装置の内部は真空状態であることから、荷電粒子線装置の外部から、電子線の照射位置であるＴＥＭカラムの中心位置まで到達させるためには、気密を取る面積を小さくする必要がある。よって、試料ホルダ９０５は長手の棒状に近い形状に形成されることが望ましい。このような理由により、棒状に近い形状に形成された試料ホルダ９０５においては、図９に示すように径方向への変位が生じやすくなり、その振幅が大きくなってしまう。よって、試料の位置が安定するように両端部の変位振幅を低減するためには、両端部の近傍を支持することが好ましい。ここで、変位振幅とは、試料ホルダ９０５が径方向に変位したときの幅のことをいう。
　しかしながら、試料ホルダ９０５の軸の長さが長くなると、両端部を支持した構造によってもなお、変位振幅が大きくなってしまうことが発明者らの研究結果により明らかとなった。
　そこで、本実施の形態では、図２～４にて上述したように、ガイド部２０４を外筒２０１と円筒部材２０２の間に固配置している。ガイド部２０４は、球部材２０６を介して円筒部材２０２を試料ホルダ１０５の径方向に支持する。ガイド部２０４の位置は、円筒部材２０２のホルダ軸方向支持部２１３付近が望ましい。試料ホルダ１０５が試料ステージ１０４内に挿入され、試料１０６を電子線１０２の照射位置まで移動させると、円筒部材２０２におけるホルダ軸方向支持部２１３と、試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０とが軸方向において接触した状態で配置される。このとき、ホルダ軸方向支持部２１３と第１の段差部２１０との間に摩擦力が発生するため、試料ホルダ１０５の径方向にすべりを発生させることがなく、安定的に支持できる。
　さらに、このとき、試料ホルダ１０５の径方向の位置はホルダ先端支持部２１４とホルダ根元支持部２１５により位置決めされているが、上述の通りホルダ軸方向支持部２１３と第１の段差部２１０との接触により生じた摩擦力によって、位置ずれも低減することができる。
　本実施の形態では、軸方向支持部２１３が第１の段差部２１０と一様に接触するように、環状の構造をしているが、これ以外にも、例えば略半球上の突起構造を複数配置することもできる。荷電粒子線装置の電子線１０２が、図２、３の右上のグラフに示すｚ方向から試料台２１１上の試料１０６に照射されている状態で、試料台２１１がｘ及びｙ方向に移動すると、取得される像に揺れが発生しやすくなる。よって、突起構造を設ける場合には、試料ホルダ１０５の軸方向において対称的な間隔となるようにホルダ軸方向支持部２１３にて配置することが望ましい。さらに、本実施の形態では、ホルダ軸方向支持部２１３に凸部を設けているが、第１の段差部２１０側に凸部を設けるようにすることもできる。
　また、上述の形態では、試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０を、軸方向の略中央の位置に設けている。棒状の形状に形成された試料ホルダ１０５の構造において、その両端部が支持されている場合には、軸方向の略中央の位置における変位振幅が大きくなる傾向が見られるため、軸方向の略中央の位置で支持することが望ましいが、両端部の間における軸方向上の他の位置で支持することもでき、このような構成であっても、試料ホルダ１０５の径方向への振動を低減することができる。
　また、本実施の形態では、ホルダ軸方向支持部２１３の材質は円筒部材２０２と同一の材質である場合について説明したが、サファイアなどの硬質材料を使用することもできる。その場合には、試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０の材質を、チタン等にすることで摩擦係数を大きくすることができるので、試料ホルダ１０５に対する加振力が大きくなっても軸方向支持部２１３が第１の段差部２１０を安定的に支持することができる。
　また、軸方向支持部２１３は第１の段差部２１０に対して凸構造を有している場合、この凸構造との接触によって第１の段差部２１０が変形する可能性がある。その場合には軸方向支持部２１３を平面する、もしくは第２の実施の形態にて後述するように第１の段差部２１０に凹構造を設けることで、軸方向支持部２１３と第１の段差部２１０とを軸方向において密着するように接触させると、第１の段差部２１０は変形を生じず、かつ、第１の段差部２１０と円筒部材２０２の間には摩擦力が生じ、試料ホルダ１０５は径方向にすべりにくい状態を保つことができる。よって、軸方向支持部２１３は第１の段差部２１０を変形することなく、試料ホルダ１０５を軸方向と径方向に安定的に支持することが出来る。
<試料ドリフトの低減>
　試料ドリフトとは、荷電粒子線装置の部品の変形や温度変化等の種々の要因により、試料台２１１の位置や、試料１０６上の電子線１０２の照射位置が変化してしまう現象である。サイドエントリー型の試料ステージ１０４においては、試料ホルダ１０５の移動により弾性体２１２等の部品が変形すると、その変形を回復するため復元力が発生し、試料ドリフトが起こる。本実施の形態では、試料ホルダ１０５と円筒部材２０２とが一体となって移動可能であるため、弾性体２１２を変形させることがなく、上述した変位振幅の低減に加えて、試料ドリフトを低減することができる。
第２の実施の形態
　本実施の形態では、試料ステージ１０４の円筒部材２０２が備えるホルダ軸方向支持部２１３と、試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０とが、凹凸によって嵌合する構造について、図５を用いて説明する。
　　図５は、本実施の形態に係る試料ステージの第１の段差部２１０のｘ、ｙ平面の拡大断面を示す図である。本図の左上に示す試料ホルダ１０５の点線で示した領域Ａの拡大図である。本構成では、第１の実施の形態にて示した試料ホルダ１０５の第１の段差部２１０において、さらに凹部を形成している点で異なっている。その他の構成については、第１の実施の形態において上述した構成と同一の機能を有するものに関しては説明を省略することがある。試料ホルダ１０５は+ｘ方向に力を受け、凹部を形成する第１の段差部２１０と円筒部材２０２とは試料ホルダ１０５の軸方向に密着する。このとき、凹部を形成した第１の段差部２１０とと、凸部を形成した軸方向支持部２１３とは嵌合するように構成されており、試料ホルダ１０５の軸方向以外にも径方向で互いに接触する箇所を有する。そのため、試料ホルダ１０５はホルダ軸方向支持部２１３にて安定的に支持される。このように、第１の段差部２１０が形成する凹部と、ホルダ軸方向支持部２１３が形成する凸部との嵌合は、試料ホルダ１０５の径方向の接触面積を増加し、これにより接触剛性を大きくすることができる。よって、第１の段差部２１０が形成する凹部と軸方向支持部２１３が形成する凸部との間に発生する摩擦力よりも大きい力が作用しても、これらは互いに試料ホルダ１０５の径方向にすべらない状態を保つことができる。
第３の実施の形態
　本実施の形態では、上述した構成に加えて、さらに試料ステージ１０４が第２のホルダ軸方向支持部２１８を、試料ホルダ１０５が第３の段差部２１７をそれぞれ有する構造について、図６を用いて説明する。上述の通り、本構成では、第１の実施の形態にて示した試料ホルダ１０５においてさらに第３の段差部２１７を備え、かつ、試料ステージ１０４が第２のホルダ軸方向支持部２１８を備えている点で異なっている。
　その他の構成については、第１の実施の形態において上述した構成と同一の機能を有するものに関しては説明を省略することがある。
　試料ホルダ１０５は、主として、大径部２０８、中径部２１９、小径部２０９、ホルダ先端部１０５ａ、試料台２１１、第１の段差部２１０、第２の段差部２１６、第３の段差部２１７から構成され、第３の段差部２１７の近傍には弾性部材２２０を備えている。ここで、弾性部材２２０は円盤状の形状をなしている。
　上述したように、試料ホルダ１０５を試料ステージ１０４内へ挿入するとき、荷電粒子線装置内は真空状態のため、試料ホルダ１０５は＋ｘ方向に力を受け、第１の段差部２１０と円筒部材２０２の軸方向支持部２１３は密着し、摩擦力により径方向にすべりにくいため、試料ホルダ１０５は軸方向、径方向に安定的に支持される。
　ここで、試料ステージ１０４の外筒２０１は第２のホルダ軸方向支持部２１８と、弾性部材２２０を備えている。第２のホルダ軸方向支持部２１８は、弾性部材２２０の端部に配置されている。試料ステージ１０４への挿入の際、試料ホルダ１０５が＋ｘ方向に力を受けると、第３の段差部２１７と第２のホルダ軸方向支持部２１８とが密着して接触される。
　弾性部材２２０は、試料ホルダ１０５の軸方向への剛性が低く、径方向に剛性の高い構造物、例えば、ゴム等により形成される。摩擦力により試料ホルダ１０５が径方向にすべりにくくなるため、より安定して支持することが可能となる。
　次に、試料ホルダ１０５の軸方向への動作について説明する。アクチュエータ２０５の動作により、円筒部材２０２が－ｘ方向に移動すると、円筒部材２０２に支持された試料ホルダ１０５も共に同じ－ｘ方向に移動する。弾性部材２２０は挿入時に－ｘ方向に力を発生させて配置されており、弾性部材２２０の端部に配置された第２のホルダ軸方向支持部２１８は試料ホルダ１０５に追従し、第３の段差部２１７と密着した状態で移動する。
　アクチュエータ２０５が＋ｘ方向に動作すると、荷電粒子線装置内が真空状態であるために、＋ｘ方向に力を受けている試料ホルダ１０５は円筒部材２０２と一体となって＋ｘ方向に移動する。このとき、試料ホルダ１０５が＋ｘ方向に移動しても、弾性部材２２０の変形によって発生する反力が小さいため、第２のホルダ軸方向支持部２１８は試料ホルダ１０５の動きに追従し、第３の段差部２１７に密着して移動する。
　以上のように構成することで、軸方向支持部が１つである場合よりもより高剛性に試料ホルダ１０５を径方向に支持することができ、試料ホルダ１０５の変位振幅をより効果的に低減することができる。ここで、本実施の形態では軸方向支持部を２つ備える構成について説明したが、３つ以上設けることもできる。　なお、本実施の形態は上述した構成に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施の形態は発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施の形態の構成の一部を他の実施の形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施の形態の構成に他の実施の形態の構成を加えることも可能である。また、各実施の形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１００・・・ＴＥＭ本体
１０１・・・電子銃
１０２・・・電子線
１０３・・・照射レンズ
１０４・・・試料ステージ
１０５、９０５・・・試料ホルダ
１０５ａ、９０５ａ・・・ホルダ先端部
１０６・・・試料
１０７・・・対物レンズ
１０８・・・投射レンズ
１０９・・・検出器
１１０・・・制御部
１１１・・・試料室
１１２・・・カラム
２０１・・・外筒
２０２・・・円筒部材
２０３・・・ベローズ
２０４・・・ガイド部
２０５・・・アクチュエータ
２０６・・・球部材
２０７・・・アクチュエータ軸方向支持部
２０８・・・大径部
２０９・・・小径部
２１０・・・第１の段差部
２１１・・・試料台
２１２・・・弾性体
２１３・・・ホルダ軸方向支持部
２１４・・・ホルダ先端支持部
２１５・・・ホルダ根元支持部
２１６・・・第２の段差部
２１７・・・第３の段差部
２１８・・・第２の軸方向支持部
２１９・・・中径部
２２０・・・弾性部材

Claims (8)

  1. 　試料を保持する試料ホルダと、
    　前記試料ホルダが導入される試料ステージと、を備える荷電粒子線装置あって、
    　前記試料ホルダは、
    　試料を載置する試料台を一方端部に保持する軸部と、
    　前記軸部の径方向に形成された段差部と、
    　前記段差部の近傍に配置された弾性体と、を有し、
    　前記試料ステージは、
    　前記軸部の一部を収容可能な円筒部と、
    　前記円筒部を収容する外筒部と、
    　前記円筒部と前記外筒部との間に配置され、前記軸部の軸方向に回転可能な球部材を備え前記円筒部を前記軸部の径方向に支持するガイド部と、を有し、
    　前記円筒部は、前記試料ホルダが挿入されているときに、前記段差部と接触される支持部を形成し、
    　当該段差部と支持部との接触により、前記試料ホルダに対して前記軸部の径方向に摩擦力を発生させることを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記段差部は、凹構造を有し、前記支持部は、凸構造を有することにより、互いに嵌合するように形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記段差部は、凸構造を有し、前記支持部は、凹構造を有することにより、互いに嵌合するように形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記試料ホルダは、
    　前記軸部の径方向に形成された段差部とは別に、前記段差部よりも前記試料台側であって、前記軸部の径方向に形成された第２の段差部を有し、
    　前記試料ステージは、
    　前記試料ホルダが挿入されているときに、前記第２の段差部と接触される第２の支持部を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記支持部は、サファイアにより形成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　当該ガイド部が有する球部材は、前記試料ホルダの軸部の軸方向に対して並列に、２列以上配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    　前記支持部と前記段差部との接触部よりも前記試料台側は真空状態に保持されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　試料を保持する試料ホルダが導入される荷電粒子線装置用の試料ステージにおいて、
    　前記試料ホルダは、
    　試料を載置する試料台を一方端部に保持する軸部と、
    　前記軸部の径方向に形成された段差部と、
    　前記段差部の近傍に配置された弾性体と、を有し、
    　前記試料ステージは、
    　前記軸部の一部を収容可能な円筒部と、
    　前記円筒部を収容する外筒部と、
    　前記円筒部と前記外筒部との間に配置され、前記軸部の軸方向に回転可能な球部材を備え前記円筒部を前記軸部の径方向に支持するガイド部と、を有し、
    　前記円筒部は、前記試料ホルダが挿入されているときに、前記段差部と接触される支持部を形成し、
    　当該段差部と支持部との接触により、前記試料ホルダに対して前記軸部の径方向に摩擦力を発生させることを特徴とする荷電粒子線装置用の試料ステージ。
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