(57)【要約】【課題】従来の荷電粒子線装置は、いずれも大気圧下または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気下での観察専用に製造された装置であり、通常の高真空型荷電粒子顕微鏡を使用して大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気下での観察を簡便に行える装置は存在しなかった。さらに、従来の方法では、このような雰囲気下に置かれた試料の同じ箇所に対して荷電粒子線と光による観察を同時に行うことはできなかった。【解決手段】一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、荷電粒子光学鏡筒の内部を真空引きする真空ポンプと、試料が載置された空間と荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置され、一次荷電粒子線を透過または通過させる着脱可能な隔膜と、隔膜および試料に対して荷電粒子光学鏡筒の反対側に配置され、荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上に光軸の少なくとも一部を有する光学顕微鏡とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、
前記荷電粒子光学鏡筒の内部を真空引きする真空ポンプと、
前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように前記試料とは非接触の状態で配置され、前記一次荷電粒子線を透過または通過させる着脱可能な隔膜と、
前記隔膜および前記試料に対して前記荷電粒子光学鏡筒の反対側に配置され、前記荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上に光軸の少なくとも一部を有する光学顕微鏡とを備えることを特徴とする観察装置。
【請求項２】
請求項１に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡の光軸上に前記隔膜の中心が位置することを特徴とする観察装置。
【請求項３】
請求項１に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡を、前記荷電粒子光学鏡筒、および前記隔膜のいずれに対しても独立に移動可能とする駆動機構を有することを特徴とする観察装置。
【請求項４】
請求項１に記載の観察装置において、
前記試料が載置される試料ステージを備え、
前記試料ステージは、前記光学顕微鏡、前記荷電粒子光学鏡筒、前記隔膜のいずれに対しても独立に移動可能であることを特徴とする観察装置。
【請求項５】
請求項１に記載の観察装置において、
前記荷電粒子線装置全体を装置設置面に対して支持し、内部が前記真空ポンプにより真空排気される第１の筐体と、
前記第１の筐体の側面、または内壁面、または前記荷電粒子光学鏡筒に位置が固定される、前記試料を内部に格納する第２の筐体と、を備え、
前記隔膜は前記第２の筐体の上面側に設けられ、
前記第２の筐体内部の圧力が前記第１の筐体内部の圧力と同等か、
前記第２の筐体内部の圧力を前記第１の筐体内部の圧力よりも高い状態に維持することを特徴とする観察装置。
【請求項６】
請求項５に記載の観察装置において、
前記隔膜の位置を移動させる調整機構を有し、
前記駆動機構の少なくとも一部が前記第２の筐体内部に配置されることを特徴とする観察装置。
【請求項７】
請求項５に記載の観察装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒と前記光学顕微鏡との間に配置され前記試料が載置される試料ステージを備え、
前記試料ステージが前記第２の筐体内部に配置されることを特徴とする観察装置。
【請求項８】
請求項５に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡にて取得された画像情報をデジタル信号に変換する信号形成部が前記第２の筐体内部に具備したことを特徴とする観察装置。
【請求項９】
請求項８に記載の観察装置において、
前記第２の筐体の少なくとも一側面を蓋うことが可能な蓋部材を有し、
前記光学顕微鏡からの信号を前記第２の筺体の外部に出力する信号出力口または信号線の導出口が前記蓋部材に具備されたことを特徴とする観察装置。
【請求項１０】
請求項５に記載の観察装置において、
前記第２の筐体の少なくとも一側面を蓋うことが可能な蓋部材に、前記試料ステージを操作する機構と、前記光学顕微鏡の移動を操作する機構とを備えることを特徴とする観察装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡の少なくとも一部が前記第２の筐体内部にあり、前記光学顕微鏡像を観察するための観察部が前記第２の筐体の外側にあることを特徴とする観察装置。
【請求項１２】
請求項５に記載の観察装置において、
前記第２の筐体内部を真空状態にすることが可能な真空ポンプを備えることを特徴とする観察装置。
【請求項１３】
請求項１に記載の観察装置において、
前記試料が載置される空間は１０3Ｐａ以上大気圧以下の圧力の雰囲気であることを特徴とする観察装置。
【請求項１４】
請求項１に記載の観察装置において、
少なくとも前記隔膜と前記試料との間の空間の雰囲気を空気以外のガスに置換することが可能なガス導入口を備えることを特徴とする観察装置。
【請求項１５】
請求項１に記載の観察装置において、
前記光学顕微鏡が有する光学レンズの位置を前記光学顕微鏡の光軸方向に移動させる駆動機構を有することを特徴とする観察装置。
【請求項１６】
光学顕微鏡と荷電粒子光学鏡筒を備える荷電粒子線顕微鏡とを備え、前記荷電粒子線顕微鏡による画像と前記光学顕微鏡による画像のそれぞれで１０3Ｐａ以上大気圧以下の圧力の雰囲気に置かれた試料を観察する観察装置の光軸調整方法において、
前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置された隔膜の中心が前記荷電粒子線顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を調整する隔膜位置調整ステップと、
前記隔膜位置調整ステップ後に、前記隔膜の中心が前記光学顕微鏡の光軸の延長上に位置するように前記隔膜の位置を固定して前記光学顕微鏡の位置を調整するステップと、を有する光軸調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を大気圧または大気圧より若干の負圧状態の所定のガス雰囲気中で観察可能な顕微鏡技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の微小な領域を観察するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが用いられる。一般的に、これらの装置では試料を配置するための筐体を真空排気し、試料雰囲気を真空状態にして試料を撮像する。しかしながら、生物化学試料や液体試料などは真空によってダメージを受け、または状態が変わってしまう。一方で、このような試料を電子顕微鏡で観察したいというニーズは大きく、近年、観察対象試料を大気圧下で観察可能なＳＥＭ装置や試料保持装置などが開発されている。
【０００３】
これらの装置は、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または微小な貫通孔を設けて真空状態と大気状態を仕切るもので、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する。
【０００４】
例えば、特許文献１には、電子光学鏡筒の電子源側を下向きに、また対物レンズ側を上向きに配置し、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ＳＥＭが開示されている。当該文献に記載された発明では、観察対象試料を隔膜上に直接載置し、試料の下面から一次電子線を照射して、反射電子または二次電子を検出してＳＥＭ観察を行う。試料は、隔膜の周囲に設置された環状部材と隔膜により構成される空間内に保持され、さらにこの空間内には水などの液体が満たされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５８２２２号公報（米国特許出願公開第２００９／０１６６５３６号明細書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の荷電粒子線装置は、いずれも大気圧下または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気下での観察専用に製造された装置であり、通常の高真空型荷電粒子顕微鏡を使用して大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気下での観察を簡便に行える装置は存在しなかった。
【０００７】
例えば、特許文献１に記載のＳＥＭは構造的に非常に特殊な装置であり、通常の高真空雰囲気でのＳＥＭ観察は実行不可能である。
【０００８】
さらに、特許文献１の方法では、試料の同じ箇所に対して荷電粒子線と光による観察を同時に行う技術は開示されていない。
【０００９】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、従来の高真空型荷電粒子顕微鏡の構成を大きく変更することなく、試料を大気雰囲気、または真空下、または所望のガス雰囲気で観察することが可能であり、さらに試料の観察が荷電粒子線顕微鏡及び光学顕微鏡にて行える複合型の顕微鏡装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。 
本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、一次荷電粒子線を試料に照射する荷電粒子光学鏡筒と、前記荷電粒子光学鏡筒の内部を真空引きする真空ポンプと、前記試料が載置された空間と前記荷電粒子光学鏡筒とを隔離するように配置され、前記一次荷電粒子線を透過または通過させる着脱可能な隔膜と、前記隔膜および前記試料に対して前記荷電粒子光学鏡筒の反対側に配置され、前記荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上に光軸の少なくとも一部を有する光学顕微鏡とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、従来の高真空型荷電粒子顕微鏡の構成を大きく変更することなく、試料を大気雰囲気、または真空下、または所望のガス雰囲気で観察することが可能であり、さらに試料の観察が荷電粒子線顕微鏡及び光学顕微鏡にて行える複合型の顕微鏡装置を提供することができる。
【００１２】
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図２】隔膜の詳細図。
【図３】実施例１の荷電粒子顕微鏡の光源の説明図。
【図４】隔膜の位置調整を説明する図。
【図５】光学顕微鏡の位置調整を説明する図。
【図６】光軸方向に試料を動かしたときの各画像を説明する図。
【図７】実施例２の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図８】実施例３の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図９】実施例３の荷電粒子顕微鏡の試料ステージを引き出した図。
【図１０】実施例３の隔膜等を外した状態を説明する図。
【図１１】実施例４の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図１２】実施例５の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図１３】実施例６の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【図１４】実施例７の荷電粒子顕微鏡の全体構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を用いて各実施形態について説明する。
【００１５】
以下では、観察装置の一例として、荷電粒子線顕微鏡について説明する。ただし、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は、走査電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、これらと試料加工装置との複合装置、またはこれらを応用した解析・検査装置にも適用可能である。
【００１６】
また、本明細書において「大気圧」とは大気雰囲気または所定のガス雰囲気であって、大気圧または若干の負圧状態の圧力環境のことを意味する。具体的には約１０5Ｐａ（大気圧）から〜１０3Ｐａ程度である。
【００１７】
また、本明細書において「光学顕微鏡」とは、光を用いて対象物の状態を観察するのに用いられる装置を広く含むものとする。
【実施例１】
【００１８】
本実施例では、基本的な実施形態について説明する。図１には、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。図１に示される荷電粒子顕微鏡は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する第１の筐体（以下、真空室と称することもある）７、第１の筐体７に挿入して使用される第２の筐体（以下、アタッチメントと称することもある）１２１、第２の筐体内に配置される試料ステージ５、試料６を図中下側から観察するための光学顕微鏡２５０、およびこれらを制御する制御系によって構成される。荷電粒子顕微鏡の使用時には荷電粒子光学鏡筒２と第１の筐体の内部は真空ポンプ４により真空排気される。真空ポンプ４の起動および停止動作も制御系により制御される。図中、真空ポンプ４は一つのみ示されているが、二つ以上あってもよい。本実施例では、荷電粒子顕微鏡に備えられた真空室に対して、内部の圧力をこの真空室の圧力よりも高い状態に維持しつつ試料を格納できるアタッチメントを、上記真空室の開口部から挿入し真空室に固定して使用する。真空室の開口部は、例えば上記真空室の側面あるいは底面に設けられる。また、上記のアタッチメントは、一次荷電粒子線をアタッチメント内部に透過あるいは通過させる隔膜を保持する機能を備えており、これにより真空室とアタッチメント内部の圧力差を確保する。
【００１９】
荷電粒子光学鏡筒２は、荷電粒子線を発生する荷電粒子源０、発生した荷電粒子線を集束して鏡筒下部へ導き、一次荷電粒子線として試料６を走査する光学レンズ１などの要素により構成される。荷電粒子光学鏡筒２は第１の筐体７内部に突き出すように設置されており、真空封止部材１２３を介して第１の筐体７に固定されている。荷電粒子光学鏡筒２の端部には、上記一次荷電粒子線の照射により得られる二次荷電粒子（二次電子または反射電子等）を検出する検出器３が配置される。
【００２０】
本実施例の荷電粒子顕微鏡は、制御系として、装置使用者が使用するコンピュータ３５、コンピュータ３５と接続され通信を行う上位制御部３６、上位制御部３６から送信される命令に従って真空排気系や荷電粒子光学系などの制御を行う下位制御部３７を備える。コンピュータ３５は、装置の操作画面（ＧＵＩ）が表示されるモニタと、キーボードやマウスなどの操作画面への入力手段を備える。上位制御部３６、下位制御部３７およびコンピュータ３５は、各々通信線４３、４４により接続される。
【００２１】
下位制御部３７は真空ポンプ４，荷電粒子源０や光学レンズ１などを制御するための制御信号を送受信する部位であり、さらには検出器３の出力信号をデジタル画像信号に変換して上位制御部３６へ送信する。図では検出器３からの出力信号をプリアンプなどの信号増幅器１５４を経由して下位制御部３７に接続している。もし、増幅器が不要であればなくてもよい。
【００２２】
上位制御部３６と下位制御部３７ではアナログ回路やデジタル回路などが混在していてもよく、また上位制御部３６と下位制御部３７が一つに統一されていてもよい。なお、図１に示す制御系の構成は一例に過ぎず、制御ユニットやバルブ、真空ポンプまたは通信用の配線などの変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例のＳＥＭないし荷電粒子線装置の範疇に属する。
【００２３】
第１の筐体７には、一端が真空ポンプ４に接続された真空配管１６が接続され、内部を真空状態に維持できる。同時に、筐体内部を大気開放するためのリークバルブ１４を備え、メンテナンス時などに、第１の筐体７の内部を大気開放することができる。リークバルブ１４は、なくてもよいし、二つ以上あってもよい。また、第１の筐体７におけるリークバルブ１４の配置箇所は、図１に示された場所に限られず、第１の筐体７上の別の位置に配置されていてもよい。更に、第１の筐体７は、側面に開口部を備えており、この開口部を通って上記第２の筐体１２１が挿入される。
【００２４】
第２の筐体１２１は、直方体形状の本体部１３１と合わせ部１３２とにより構成される。後述するように本体部１３１の直方体形状の側面のうち少なくとも一側面は開放面９となっている。本体部１３１の直方体形状の側面のうち隔膜保持部材１５５が設置される面以外の面は、第２の筺体１２１の壁によって構成されていてもよいし、第２の筺体１２１自体には壁がなく第１の筺体７に組み込まれた状態で第１の筺体７の側壁によって構成されても良い。本体部１３１は、上記の開口部を通って第１の筐体７内部に挿入され、第１の筺体７に組み込まれた状態で観察対象である試料６を格納する機能を持つ。合わせ部１３２は、第１の筐体７の開口部が設けられた側面側の外壁面との合わせ面を構成し、真空封止部材１２６を介して上記側面側の外壁面に固定される。第２の筺体１２１は第１の筺体７の側面または内壁面または荷電粒子光学鏡筒のいずれに固定されても良い。これによって、第２の筐体１２１全体が第１の筐体７に嵌合される。上記の開口部は、荷電粒子顕微鏡の真空試料室にもともと備わっている試料の搬入・搬出用の開口を利用して製造することが最も簡便である。つまり、もともと開いている穴の大きさに合わせて第２の筐体１２１を製造し、穴の周囲に真空封止部材１２６を取り付ければ、装置の改造が必要最小限ですむ。また、第２の筐体１２１は第１の筐体７から取り外しも可能である。
【００２５】
第２の筐体１２１の側面は大気空間と少なくとも試料の出し入れが可能な大きさの面で連通した開放面であり、第２の筐体１２１の内部（図の点線より右側；以降、第２の空間とする）に格納される試料６は、観察中、大気圧状態に置かれる。なお、図１は光軸と平行方向の装置断面図であるため開放面９は一面のみが図示されているが、図１の紙面奥方向および手前方向の第１の筺体の側面により真空封止されていれば、第２の筺体１２１の開放面９は一面に限られない。第２の筺体１２１が第１の筺体７に組み込まれた状態で少なくとも開放面が一面以上あればよい。第２の筺体の開放面により、試料は第２の筺体（アタッチメント）内部と外部の間で搬入および搬出が可能である。
【００２６】
第２の筺体１２１の上面側には隔膜１０が設けられている。第１の筐体７には真空ポンプ４が接続されており、第１の筐体７の内壁面と第２の筐体の外壁面および隔膜１０によって構成される閉空間（以下、第１の空間とする）を真空排気可能である。これにより、本実施例では、隔膜１０により第１の空間１１が高真空に維持される一方、第２の空間１２は大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気に維持されるので、装置の動作中、荷電粒子光学鏡筒２や検出器３を真空状態に維持でき、かつ試料６を大気圧に維持することができる。
【００２７】
局所的に大気雰囲気に維持できる環境セルのような従来技術では、大気圧／ガス雰囲気での観察を行うことは可能であるが、セルに挿入可能なサイズの試料しか観察できず、大型試料の大気圧／ガス雰囲気での観察ができないという問題があった。また環境セルの場合、異なる試料を観察するには、ＳＥＭの真空試料室から環境セルを取り出し、試料を取り替えて再度真空試料室内に搬入しなければならず、試料交換が煩雑であるという問題もあった。一方、本実施例の方式によれば、第２の筐体１２１の一側面が開放されており、広い大気圧空間である第２の空間１２の中に試料６が載置されるので、半導体ウェハ等の大型試料であっても大気圧下で観察することができる。特に本実施例の第２の筐体は、試料室の側面から挿入する方式のため大型化が容易であり、従って環境セルには封入できないような大型の試料であっても観察が可能となる。さらに、第２の筐体１２１に開放面があるので、観察中に第２の空間１２の内部と外部の間を試料移動させることができ、試料交換を容易に行うことができる。
【００２８】
第２の筐体１２１の上面側には、第２の筐体１２１全体が第１の筐体７に嵌合された場合に上記荷電粒子光学鏡筒２の直下になる位置に隔膜１０を備える。この隔膜１０は、試料が載置される空間と荷電粒子光学鏡筒の内部とを隔離するように配置されており、これによりこれらの空間の差圧を維持する。隔膜１０は、荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出される一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能であり、一次荷電粒子線は、隔膜１０を通って最終的に試料６に到達する。
【００２９】
従来技術では、試料は液体を満たした隔膜内部に保持されており、一度大気圧観察を行うと試料が濡れてしまうため、同じ状態の試料を大気雰囲気および高真空雰囲気の両方で観察することは非常に困難であった。また、液体が隔膜に常に接触しているために、隔膜が破損する可能性が非常に高いという問題もあった。一方、本実施例の方式によれば、試料６は隔膜１０と非接触の状態で配置されることになるため、試料の状態を変えずに高真空下でも大気圧でも観察することができる。また、試料が隔膜上に載置されないので試料によって隔膜が破損してしまう可能性を低減できる。
【００３０】
＜隔膜に関して＞
隔膜１０の詳細図を図２に示す。隔膜１０は土台１５９上に成膜または蒸着されている。隔膜１０はカーボン材、有機材、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、酸化シリコンなどである。土台１５９は例えばシリコンのような部材であり、ウェットエッチングなどの加工により図のようにテーパ穴１６５が掘られてあり、図２中下面に隔膜１０が具備されている。隔膜１０部は複数配置された多窓であってもよい。一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能な隔膜の厚みは数ｎｍ〜数μｍ程度である。隔膜に替えて、一次荷電粒子線の通過孔を備えるアパーチャ部材を用いてもよく、その場合の孔径は、現実的な真空ポンプで差動排気可能という要請から、面積１ｍｍ2程度以下であることが望ましい。荷電粒子線がイオンの場合は、隔膜を破損させる事なしに貫通させることが困難であるため、面積１ｍｍ2程度以下のアパーチャを用いる。
【００３１】
また、隔膜は大気圧と真空を分離するための差圧下で破損しないことが必要である。そのため、隔膜１０の面積は数十μｍから大きくとも数ｍｍ程度の大きさである。隔膜１０の形状は正方形でなく、長方形などのような形状でもよい。形状に関してはどのような形状でもかまわない。図２に示された側、つまり、テーパ部１６５がある側が真空側（図中上側）に配置される。これは試料から放出された二次的荷電粒子線を検出器３にて効率よく検出するためである。
【００３２】
隔膜１０を透過または通過して試料６に到達した荷電粒子線によって試料内部または表面から反射荷電粒子や透過荷電粒子などの二次荷電粒子線を放出する。この二次荷電粒子を検出器３にて検出する。検出器３は数keVから数十keVのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知及び増幅することができる検出素子である。例えば、シリコン等の半導体材料で作られた半導体検出器や、ガラス面または内部にて荷電粒子信号を光に変換することが可能なシンチレータ等である。
【００３３】
＜隔膜の固定部位に関して＞
隔膜１０を備えた土台１５９は隔膜保持部材１５５上に具備されている。隔膜保持部材１５５は第２の筐体１２１の上側に具備されている。隔膜保持部材１５５と第２の筐体１２１との間はＯリングやパッキンなどの真空シールなどの真空封止部材１２４を備えており、真空封じされている。図示しないが、隔膜１０を備えた土台１５９と隔膜保持部材１５５との間も真空シールが可能な接着剤や両面テープ等により接着または密着している。
【００３４】
隔膜保持部材１５５は、第２の筐体１２１の天井板の下面側に真空封止部材を介して着脱可能に固定される。隔膜１０は、電子線が透過する要請上、厚さ数ｎｍ〜数十μｍ程度以下と非常に薄いため、経時劣化または観察準備の際に破損する可能性がある。また、隔膜１０は薄いため直接ハンドリングすることが非常に困難である。本実施例のように、隔膜１０を備えた土台１５９を直接ではなく隔膜保持部材１５５を介してハンドリングできることで、隔膜１０の取扱い（特に交換）が非常に容易となる。つまり、隔膜１０が破損した場合には、隔膜保持部材１５５ごと交換すればよく、万が一隔膜１０を直接交換しなければならない場合でも、隔膜保持部材１５５を装置外部に取り出し、隔膜１０の交換を装置外部で行うことができる。
【００３５】
第１の筐体内部は真空状態の場合は、隔膜保持部材１５５は真空に引っ張られるために、第２の筐体１２１に吸着されるため落下することはない。また、第１の筐体内部が大気圧下の状態の時は落下防止部材２０３を用いて隔膜保持部材１５５の落下を防止することが可能である。
【００３６】
＜試料ステージに関して＞
第２の筐体１２１の内部には試料を搭載し、位置変更が可能な試料ステージ５を備える。試料ステージ５は荷電粒子光学鏡筒２と光学顕微鏡２５０との間に配置され、これらと独立に移動できる。試料ステージ５には、面内方向へのＸＹ駆動機構および高さ方向へのＺ軸駆動機構を備えている。第２の筐体内部に試料ステージ５を支持する底板となるステージ支持台１７が配置されており、試料ステージ５はステージ支持台１７に具備されている。Ｚ軸駆動機構およびＸＹ駆動機構は第２の筐体内部に配置されている。装置ユーザは、これらを操作する操作つまみ２０４などを操作することにより、試料６の第２の筐体１２１内での位置を調整する。図中操作つまみ２０４は第２の筐体内部にあるが、装置外部にひきだされてもよいし、電動モータなどによって外部から制御してもよい。ステージが大きい場合等、第２の筐体１２１の内部にステージが完全に収まらない場合であっても、ステージを含めた駆動機構の少なくとも一部が第２の筐体１２１の内部に配置されればよい。
【００３７】
試料ステージ５上には、試料台ホルダ２０５が配置される。試料交換の際は、試料台ホルダ２０５ごと試料６及び試料搭載板２０６を取り外し、試料台ホルダ２０５に別の試料６が搭載された試料搭載板２０６を試料ステージ５上に配置する。
【００３８】
試料６は試料搭載板２０６の上に試料が配置されている。後述するように、本実施例では、第２の筐体内部に試料６を図中下側から観察可能な光学顕微鏡２５０を備える。そのため、光学顕微鏡２５０の対物レンズ２５２を試料６または試料搭載板２０６に近づけることが可能なように、試料ステージ５の中心付近及び試料ステージ５上に配置された試料台ホルダ２０５の中心付近には光学顕微鏡２５０の対物レンズ２５２の先端部の大きさ程度の穴や切りかきを具備している。また、光学顕微鏡５により図中下側から観察するために、試料搭載板２０６はスライドグラスやプラスチックなどの透明材である。
【００３９】
なお、前述では、試料台ホルダ２０５上に試料搭載板２０６を配置したが、直接試料ステージ５に試料６が搭載された試料搭載板２０６が配置できれば、試料台ホルダ２０５はなくてもよい。
【００４０】
＜光学顕微鏡に関して＞
次に、光学顕微鏡２５０に関して説明する。本実施例では隔膜１０および試料６に対して、荷電粒子光学鏡筒２の反対側の空間に光学顕微鏡２５０が設けられている。光学顕微鏡２５０は対物レンズ２５２などの光学レンズを備える。光学レンズを経由した顕微鏡情報は第２の筐体内部に配置されたＣＣＤカメラ２５４に伝達される。ＣＣＤカメラ２５４は、光学情報を電気情報などのデジタル信号に変換する信号形成部としての役割を担う。ＣＣＤカメラ２５４によって電気情報に変換された画像情報は通信線４５を使って制御部などに伝達させ、モニタ上に表示させる。もちろん、ＣＣＤカメラ以外の撮像装置であってもよい。
【００４１】
試料６の観察倍率を変更するために光学顕微鏡２５０には光学レンズ駆動機構２５３を有する。光学レンズ駆動機構２５３によって対物レンズ２５２を光学顕微鏡の光軸２５１方向に動かすことによって、試料搭載板２０６上の試料６に焦点を合わせることができる。また、図示しないが対物レンズ２５２ではなく、光学顕微鏡２５０内部の光学レンズが光軸２５１方向に動くことによって焦点を変えてもよい。
【００４２】
光学顕微鏡２５０はステージ支持台１７の上にあり、試料ステージ５の下側にある。つまり、試料ステージ５上の試料６を動かしても、荷電粒子線顕微鏡の光軸に対する光学顕微鏡２５０の位置は動かない。このため、荷電粒子顕微鏡と光学顕微鏡の光軸を同一にしたまま、試料だけを位置調整して、試料の観察位置を調整することが可能となる。
【００４３】
＜光源に関して＞
ここで、図３を用いて光学顕微鏡像を取得するために試料に照射するための光源の配置場所に関して説明する。第１の例としては、光学顕微鏡２５０の内部に具備された光源２５５を用いる方法である。この場合、光源２５５から放出された光は光学顕微鏡２５０内部の内部ミラー２５８等を経由して透明な試料搭載板２０６上の試料６に照射される。第２の例としては、光学顕微鏡２５０の対物レンズ２５２の周辺に配置された光源２５６を用いる方法である。第３の例としては、試料より上側からの光源２５７を用いる場合である。図では、光源２５７は隔膜保持部材１５５上に配置されているが、第２の筐体１２１に具備されていてもよい。第１と第２の例の場合は、試料６下側から照射し、反射される光を取得する反射型光学顕微鏡像であり、第３の例の場合は試料６上側から光が試料内を透過する透過型光学顕微像となる。必要な情報によって上記どれを使っても構わない。
【００４４】
光源は下位制御部３７などに通信線１５６を経由してつながる。通信線１５６経由で光の光量及び消灯点灯を制御する。光を伝達するための光ファイバなどでもよい。
【００４５】
図では上記説明した３か所全てに光源が配置されているが最低１つあればよい。以上、三つの光源位置を例にあげたが、上記以外の場所に配置されてもよく、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例のＳＥＭないし荷電粒子線装置の範疇に属する。
【００４６】
＜隔膜の位置調整に関して＞
次に、隔膜１０の位置調整機構に関して説明する。隔膜１０を備えた部材を第２の筐体１２１に取り付けた際に、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００（つまり画像中心）と隔膜１０位置がずれている場合がある。荷電粒子顕微鏡で取得される画像がほぼ中心付近にないと、荷電粒子線像の倍率を切り替えた場合に、隔膜１０及び試料６が観察できないという問題点がある。そのため、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と隔膜の中心２０１とを大まかに合わせる必要がある。以下の説明では、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００位置は固定されているものとする。
【００４７】
荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と隔膜位置を合わせるために、隔膜１０の位置を調整することが可能な隔膜位置調整機構２５９が用いられる。図１では、第２の筐体１２１の開放面側に隔膜位置調整機構２５９が具備した機構を図示している。隔膜位置調整機構２５９は例えばつまみを回して隔膜１０位置を押したり引いたりなどして位置調整する。隔膜位置調整機構２５９は支え部２６１で第２の筐体１２１に保持されている。図中、隔膜位置調整機構２５９は一つしか図示されていないが、図中紙面方向にも動かす必要があるので、最低計２種類の隔膜位置調整機構２５９が必要となる。
【００４８】
隔膜位置調整機構２５９を動かすことによって隔膜１０及び土台１５９を具備する隔膜保持部材１５５自体が位置調整される。位置変更の際は真空シールなどの真空封止部材１２４上を隔膜保持部材１５５が滑るように動く。図示しないがレールやガイドのようなものを経由して隔膜保持部材１５５を駆動できるようにしてもよい。
【００４９】
ここで、図４を用いて、隔膜１０の位置の変更前後の荷電粒子線画像がどのようになるかを説明する。隔膜１０の中心２０１位置が荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００とずれている場合は図４（a）のようになる。次に、隔膜位置調整機構２５９によって、Ｘ方向及びＹ方向に隔膜１０位置を動かすことによって、図４（b）のように隔膜１０の中心２０１の位置を荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と合わせることが可能となる。
【００５０】
＜光学顕微鏡の位置調整に関して＞
次に、光学顕微鏡２５０の位置調整機構に関して説明する。光学顕微鏡２５０では色や干渉光や蛍光などの光学顕微鏡に特有な情報が取得できる。一方、荷電粒子顕微鏡では表面情報や元素情報や密度情報などの荷電粒子顕微鏡に特有な情報を取得できる。そのため、本実施例で示された装置において、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００下で観察される位置と、光学顕微鏡２５０の光軸２５１下にて観察される位置を同じにすれば、試料６の同じ部位の上記情報を同時に取得することが可能となる。すなわち荷電粒子光学鏡筒２の光軸と光学顕微鏡２５０の光軸が一致するように調整すればよい。なお、光学顕微鏡２５０の光学系がミラーなどを含むことにより光軸が直線でない場合も考えられるが、少なくとも光学顕微鏡の光軸の一部が荷電粒子光学鏡筒の光軸の延長上にあればよい。
【００５１】
光学顕微鏡２５０を第２の筐体内部に初めて配置した際に、荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と光学顕微鏡の光軸２５１とがずれている場合がある。このずれを調整するための機構として光軸調整機構２６０が必要となる。光軸調整機構２６０は第２の筐体１２１の開放面側に配置されると操作性が良い。図中光軸調整機構２６０は一つしか図示されていないが、図中紙面方向にも動かす必要があるので、最低２種類の光軸調整機構２６０が必要となる。
【００５２】
光軸調整機構２６０によって光学顕微鏡２５０の全体位置が調整される。光学顕微鏡２５０が載置されるベース２６３がガイドやレールなどの機構を持つと、光学顕微鏡２５０の位置調整の際にスムーズに駆動することができる。
【００５３】
また、光軸調整機構２６０によって光学顕微鏡２５０は一度位置調整されると、試料６交換及び隔膜１０交換を行ってもずれることがない。そのため、光軸調整機構２６０は常になくてもよく、装置設置または装置組立時に位置調整を行ったあとは、光学顕微鏡２５０位置が固定できていればよい。つまり、図中光軸調整機構２６０は固定機構の役割も兼ねるといえる。本実施例で意図する機能を満たす限り、当該光軸調整機構兼固定機構の形状及び配置場所は図で示した通りでなくてもよい。
【００５４】
ここで、図５を用いて光学顕微鏡２５０の位置の調整前後で光学顕微鏡がどうなるかを説明する。光学顕微鏡による画像では隔膜１０を図１中の下側から観察しているために、テーパ部１６５は観察されることはない。はじめに、隔膜１０の中心位置が光学顕微鏡２５０の光軸２５１とずれている場合を考える。この場合の光学顕微鏡像は図５（a）のようになる。光学顕微鏡の位置を調整するステプは、荷電粒子光学鏡筒の光軸に隔膜の中心を合わせるステップを行った後に行う。この状態では、上述した、荷電粒子光学鏡筒の光軸と隔膜の中心を合わせるための調整は完了しており、これらはほぼ一致した状態になっているとする。したがって、図５（a）の状態から隔膜１０を動かすのではなく、光学顕微鏡の位置を隔膜の中心に合わせることで、光学顕微鏡の光軸の延長上に隔膜の中心が位置するように調整する。
【００５５】
光軸調整機構２６０によってＸ方向及びＹ方向に光学顕微鏡２５０の位置を調整すると、図５（b）のように画像中心に隔膜１０を位置させることができる。このように光学顕微鏡２５０は荷電粒子光学鏡筒２および隔膜１０と独立して移動させることができる。図５（b）の状態では光学顕微鏡の光軸上に隔膜１０の中心が位置する状態になっており、光学顕微鏡の光軸と荷電粒子光学鏡筒の光軸が一致しかつ隔膜１０の中心位置がこれらの光軸上に位置する状態となっている。
【００５６】
＜試料の位置調整に関して＞
次に、図６を用いて、試料搭載板２０６上の微粒子試料２６２を観察する方法に関して説明する。以下では、荷電粒子顕微鏡像の光軸２００と、隔膜１０の中心位置と、光学顕微鏡像の光軸２５１のそれぞれが合っているものとする。また、試料搭載板２０６上でかつ隔膜１０の下側に微粒子試料２６２が配置されているものとする。図６（a）に、荷電粒子顕微鏡の焦点位置、光学顕微鏡の焦点位置、および試料や隔膜１０などの模式的な配置図を示す。荷電粒子顕微鏡による焦点２６４および光学顕微鏡による焦点２６５が隔膜１０近傍に合わされているものとする。また、試料搭載板２０６上の微粒子試料２６２が隔膜１０から離れており、前記焦点位置に微粒子試料２６２がないとする。例えば、試料交換直後などの場合にはこのような状態になる。この状態における、荷電粒子顕微鏡像は図６（b）のようになり、光学顕微鏡像は図６（c）のようになる。つまり、両像とも試料像がぼけた画像となる。次に、図６（d）のように試料ステージ５によって試料位置を隔膜１０近傍まで移動させると、荷電粒子顕微鏡像は図６（e）のようになり、光学顕微鏡像は図６（f）のようになる。つまり、両像とも微粒子試料２６２に焦点が合う。こうして荷電粒子顕微鏡及び光学顕微鏡により試料搭載板２０６上の微粒子試料２６２の同じ部位の画像を観察することが可能となる。
【００５７】
また、微粒子試料２６７を荷電粒子顕微鏡にて観察したい場合は、試料ステージ５を動かせば、簡単に微粒子試料２６７を画像中心にもってきたあとに、荷電粒子顕微鏡にて観察することが可能である。つまり、光学顕微鏡２５０があることによって、光学顕微鏡によって微粒子試料２６７の位置を確認し、光学顕微鏡の画像によってその位置が確認された微粒子試料２６７を隔膜１０下に来るように試料ステージを駆動し、その後荷電粒子線顕微鏡によって観察することが可能である。つまり、荷電粒子顕微鏡では隔膜１０の範囲に試料観察の視野が限られるのに対して光学顕微鏡では隔膜の周辺の試料の状態を観察することができるため、光学顕微鏡２５０は低倍観察の視野探し及び位置確認に使えるといった特徴をもっている。
【００５８】
このとき、試料ステージ５は光学顕微鏡２５０、荷電粒子光学鏡筒２、隔膜１０のいずれに対しても独立して移動できるため、前述のように調整済みの光軸をずらさずに、試料の観察位置を変えることができる。
【００５９】
本実施例での構成により、隔膜１０及び試料６及び光学顕微鏡２５０が非接触の状態で、荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡による同じ部位を同時に観察することが可能となり、従来よりも簡便に大気圧下やガス圧下にて観察できる荷電粒子顕微鏡を実現できる。
【実施例２】
【００６０】
本実施例では、図７を用いて、光学顕微鏡２５０からの画像情報がＣＣＤカメラ２５４ではなく、直接目視にて観察可能な接眼レンズ２０７（観察部）付きの光学顕微鏡を備えた場合の装置構成を示す。各要素の動作・機能あるいは各要素に付加される付加要素は、実施例１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６１】
この場合、対物レンズ２５２から取得された画像は光学顕微鏡内部の光学レンズを経由し、接眼レンズ２０７に画像が投影される。
【００６２】
接眼レンズの位置は第２の筐体１２１と装置外部との境界線（図中点線部）の装置外側に配置される。このような構成にすると、装置外側から第２の筐体１２１内部の試料６や隔膜１０の様子を確認することが可能となる。光学顕微鏡の位置調整機構や観察手順に関しては前述のとおりである。本実施例の構成の場合、高額なＣＣＤカメラ２５４が不要であり、電気配線も少なくなるので、装置コストが下がるというメリットがある。
【実施例３】
【００６３】
本実施例では、ガス導入機構を備えた荷電粒子顕微鏡の例を説明する。図８は、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図である。実施例１と同様、本実施例の荷電粒子顕微鏡も、荷電粒子光学鏡筒２、該荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する第１の筐体（真空室）７、第１の筐体７に挿入して使用される第２の筐体（アタッチメント）１２１制御系などによって構成される。これらの各要素の動作・機能あるいは各要素に付加される付加要素は、実施例１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００６４】
本実施例の荷電粒子顕微鏡の場合、第２の筐体１２１の少なくとも一側面をなす開放面を蓋部材１２２で蓋うことができるようになっており、種々の機能が実現できる。以下ではそれについて説明する。
【００６５】
＜試料近傍雰囲気に関して＞
本実施例の荷電粒子顕微鏡においては、第２の筐体内に置換ガスを供給する機能または第一の空間とは異なった気圧状態を形成可能な機能を備えている。荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出された電子線は、高真空に維持された第１の空間を通って、図８に示す隔膜１０を通過し、更に、大気圧または若干の負圧状態に維持された第２の空間に侵入する。すなわち第２の空間は第１の空間より真空度が悪い（低真空度の）状態である。大気空間では電子線は気体分子によって散乱されるため、平均自由行程は短くなる。つまり、隔膜１０と試料６の距離が大きいと電子線または前記電子線照射により発生する二次電子、反射電子もしくは透過電子が試料及び検出器３や検出器１５１まで届かなくなる。一方、電子線の散乱確率は、気体分子の質量数や密度に比例する。従って、大気よりも質量数の軽いガス分子で第２の空間を置換するか、少しだけ真空引きすることを行えば、電子線の散乱確率が低下し、電子線が試料に到達できるようになる。また、第２の空間の全体ではなくても、少なくとも第２の空間中の電子線の通過経路、すなわち隔膜と試料との間の空間の大気をガス置換できればよい。置換ガスの種類としては、窒素や水蒸気など、大気よりも軽いガスであれば画像Ｓ／Ｎの改善効果が見られるが、質量のより軽いヘリウムガスや水素ガスの方が、画像Ｓ／Ｎの改善効果が大きい。
【００６６】
以上の理由から、本実施例の荷電粒子顕微鏡では、蓋部材１２２にガス供給管１００の取り付け部（ガス導入部）を設けている。ガス供給管１００は連結部１０２によりガスボンベ１０３と連結されており、これにより第２の空間１２内に置換ガスが導入される。ガス供給管１００の途中には、ガス制御用バルブ１０１が配置されており、管内を流れる置換ガスの流量を制御できる。このため、ガス制御用バルブ１０１から下位制御部３７に信号線が伸びており、装置ユーザは、コンピュータ３５のモニタ上に表示される操作画面で、置換ガスの流量を制御できる。また、ガス制御用バルブ１０１は手動にて操作して開閉してもよい。
【００６７】
置換ガスは軽元素ガスであるため、第２の空間１２の上部に溜まりやすく、下側は置換しにくい。そこで、蓋部材１２２でガス供給管１００の取り付け位置よりも下側に第２の空間の内外を連通する開口を設ける。例えば図８では圧力調整弁１０４の取り付け位置に開口を設ける。これにより、ガス導入部から導入された軽元素ガスに押されて大気ガスが下側の開口から排出されるため、第２の筐体１２１内を効率的にガスで置換できる。なお、この開口を後述する粗排気ポートと兼用しても良い。
【００６８】
また、ヘリウムガスのような軽元素ガスであっても、電子線散乱が大きい場合がある。その場合は、ガスボンベ１０３を真空ポンプにすればよい。そして、少しだけ真空引きすることによって、第２の筐体内部を極低真空状態（すなわち大気圧に近い圧力の雰囲気）にすることが可能となる。例えば、第２の筐体１２１または蓋部材１２２に真空排気ポートを設け、第２の筐体１２１内を一度真空排気する。その後置換ガスを導入してもよい。この場合の真空排気は、第２の筐体１２１内部に残留する大気ガス成分を一定量以下に減らせればよいので高真空排気を行う必要はなく、粗排気で十分である。
【００６９】
ただし、生体試料など水分を含む試料などを観察する場合、一度真空状態に置かれた試料は、水分が蒸発して状態が変化する。従って、上述のように、大気雰囲気から直接置換ガスを導入する方が好ましい。上記の開口は、置換ガスの導入後、蓋部材で閉じることにより、置換ガスを効果的に第２の空間内に閉じ込めることができる。
【００７０】
このように本実施例では、試料が載置された空間を大気圧（約１０5Ｐａ）から約１０3Ｐａまでの任意の真空度に制御することができる。従来のいわゆる低真空走査電子顕微鏡では、電子線カラムと試料室が連通しているので、試料室の真空度を下げて大気圧に近い圧力とすると電子線カラムの中の圧力も連動して変化してしまい、大気圧（約１０5Ｐａ）〜１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することは困難であった。本実施例によれば、第２の空間と第１の空間を薄膜により隔離しているので、第２の筐体１２１および蓋部材１２２に囲まれた第２の空間の中の雰囲気の圧力およびガス種は自由に制御することができる。したがって、これまで制御することが難しかった大気圧（約１０5Ｐａ）〜１０3Ｐａの圧力に試料室を制御することができる。さらに、大気圧（約１０5Ｐａ）での観察だけでなく、その近傍の圧力に連続的に変化させて試料の状態を観察することが可能となる。
【００７１】
上記開口の位置に三方弁を取り付ければ、この開口を粗排気ポートおよび大気リーク用排気口と兼用することができる。すなわち、三方弁の一方を蓋部材１２２に取り付け、一方を粗排気用真空ポンプに接続し、残り一つにリークバルブを取り付ければ、上記の兼用排気口が実現できる。
【００７２】
上述の開口の代わりに圧力調整弁１０４を設けても良い。当該圧力調整弁１０４は、第２の筐体１２１の内部圧力が１気圧以上になると自動的にバルブが開く機能を有する。このような機能を有する圧力調整弁を備えることで、軽元素ガスの導入時、内部圧力が１気圧以上になると自動的に開いて窒素や酸素などの大気ガス成分を装置外部に排出し、軽元素ガスを装置内部に充満させることが可能となる。なお、図示したガスボンベまたは真空ポンプ１０３は、荷電粒子顕微鏡に備え付けられる場合もあれば、装置ユーザが事後的に取り付ける場合もある。
【００７３】
＜試料ステージに関して＞
次に、本実施例の試料６の位置調整方法について説明する。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、観察視野の移動手段として試料ステージ５を備えている。試料ステージ５には、面内方向へのＸＹ駆動機構および高さ方向へのＺ軸駆動機構を備えている。蓋部材１２２には試料ステージ５を支持する底板となる支持板１０７が取り付けられており、試料ステージ５は支持板１０７に固定されている。支持板１０７は、蓋部材１２２の第２の筐体１２１への対向面に向けて第２の筐体１２１の内部に向かって延伸するよう取り付けられている。Ｚ軸駆動機構およびＸＹ駆動機構からはそれぞれ支軸が伸びており、各々蓋部材１２２が有する操作つまみ１０８および操作つまみ１０９と繋がっている。装置ユーザは、これらの操作つまみ１０８および１０９を操作することにより、試料６の第２の筐体１２１内での位置を調整する。
【００７４】
＜光学顕微鏡に関して＞
第２の筐体１２１内部には光学顕微鏡２５０を備える。光学顕微鏡２５０に具備された対物レンズ２５２から取得された顕微鏡画像はＣＣＤカメラ２５４に送られる。ＣＣＤカメラ２５４にて電気信号に変換された信号は配線２０９を経由して、さらに配線接続部２０８を経由して、下位制御部３７に顕微鏡画像データが送信される。図中ＣＣＤカメラは第２の筐体１２１内部に配置されているが、光学顕微鏡の構成によっては第２の筐体外部にあってもよい。
【００７５】
光学顕微鏡２５０は支持板１０７上の上にあり、かつ試料ステージ５の下側にある。つまり、試料ステージ５上の試料６を動かしても、光学顕微鏡２５０位置は動かない。このため、荷電粒子顕微鏡と光学顕微鏡の観察を同一にしたまま、試料だけを位置調整することが可能となる。
【００７６】
図示しないが、光学顕微鏡像を形成するための光源に関しては、図３で示したように、第２の筐体１２１内部に配置される光源に接続される通信線１５６は蓋部材１２２上の配線接続部２０８あるいはそれと同等部位を経由して下位制御部３７などに接続されている。配線接続部２０８は光学顕微鏡からの信号を第２の筐体外部に出力する信号出力口または信号線の導出口としての役割を担う。
【００７７】
光学顕微鏡の焦点位置を変更するために光軸方向への光学レンズ駆動機構２５３を装置外部から制御するための機構は図示されていないが、いくつかの機構部品が接続された操作つまみを蓋部材１２１に具備することによって、装置外側から光軸方向への光学レンズ駆動機構２５３を操作可能としてもよい。または、電動モータなどを第２の筐体１２１内部に具備して電気配線経由で光学レンズ駆動機構２５３を制御してもよい。但し、常に隔膜１０近傍に光学顕微鏡２５０の焦点位置を合わせておけば、必ずしも光学レンズ駆動機構２５３の制御は毎回行う必要はない。そのため、後述するように蓋部材１２２を引出した状態で光学顕微鏡の光学レンズ駆動機構２５３を調整しておき、その後使わなくてもよい。
【００７８】
＜試料交換に関して＞
次に、試料６の交換機構について説明する。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、第１の筐体７の底面および蓋部材１２２の下面に、蓋部材用支持部材１９、底板２０をそれぞれ備える。蓋部材１２２は第２の筐体１２１に真空封止部材１２５を介して取り外し可能に固定される。一方、蓋部材用支持部材１９も底板２０に対して取り外し可能に固定されており、図９に示すように、蓋部材１２２および蓋部材用支持部材１９を丸ごと第２の筐体１２１から取り外すことが可能である。なお、本図では電気配線などは省略している。
【００７９】
底板２０には、取り外しの際にガイドとして使用される支柱１８を備える。通常の観察時の状態では、支柱１８は底板２０に設けられた格納部に格納されており、取り外しの際に蓋部材１２２の引出し方向に延伸するように構成される。同時に、支柱１８は蓋部材用支持部材１９に固定されており、蓋部材１２２を第２の筐体１２１から取り外した際に、蓋部材１２２と荷電粒子顕微鏡本体とが完全には分離しないようになっている。これにより、試料ステージ５または試料６の落下を防止することができる。
【００８０】
蓋部材１２２を引出すと光学顕微鏡２５０も同時に引き出せるので、光学顕微鏡２５０と蓋部材１２２の相対位置が変わらない。また、蓋部材１２２から第２の筐体１２１つまり隔膜１０との相対位置も変わらない。つまり、蓋部材１２２が閉められた状態の光学顕微鏡２５０と隔膜１０位置との相対位置を保つことができる。そのため、ステージを一度引き出して、再度戻しても光学顕微鏡の位置調整は行わなくてもよい。
【００８１】
第２の筐体１２１内に試料を搬出あるいは搬入する場合には、まず試料ステージ５のＺ軸操作つまみを回して試料６を隔膜１０から遠ざける。次に、圧力調整弁１０４を開放し、第２の筐体内部を大気開放する。その後、第２の筐体内部が減圧状態または極端な与圧状態になっていないことを確認後、蓋部材１２２を装置本体とは反対側に引き出す。試料交換後は、蓋部材１２２を第２の筐体１２１内に押し込み、図示しない締結部材にて蓋部材１２２を合わせ部１３２に固定後、必要に応じて第２の筐体１２１内部を置換ガスに置換したり、真空排気したりする。以上の操作は、荷電粒子光学鏡筒２内部の光学レンズ２に高電圧を印加している状態や荷電粒子源０から電子線が放出している状態の時にも実行することができる。すなわち、荷電粒子光学鏡筒２の動作を継続したまま及び第一空間が真空状態のまま実行することができる。従って本実施例の荷電粒子顕微鏡は、試料交換後、迅速に観察を開始することができる。
【００８２】
＜位置調整機構に関して＞
荷電粒子光学鏡筒２の光軸２００と隔膜１０と光学顕微鏡２５０の光軸２５１はそれぞれ合わせなければならないため、実施例１と同様に隔膜位置調整機構２５９と光軸調整機構２６０とを備える。本実施例の場合は、第２の筐体内部を塞ぐための蓋部材１２２を備える。ここでは、隔膜位置調整機構２５９または光軸調整機構２６０は第２の筐体１２１外部から制御できる構成について説明する。
【００８３】
図８に示すように、蓋部材１２２には光軸調整機構２６０と、隔膜位置調整機構２５９の操作部を備えられている。光軸調整機構２６０を回すなどして、光学顕微鏡２５０をガイドやレール等のベース２６３の上または横を滑らせて位置を変更する。隔膜位置調整機構２５９も同様に回すなどして真空封止部材１２４上を、隔膜１０を保持している土台１５９または隔膜保持部材１５５を滑らせて位置を変更する。図中隔膜位置調整機構２５９と光軸調整機構２６０それぞれ一つしか図示されていないが、図中紙面方向にも動かす必要があるので、最低各２種類の隔膜位置調整機構２５９、光軸調整機構２６０が必要となる。
【００８４】
ただし、別の形態として、図示しないが、隔膜位置調整機構２５９または光軸調整機構２６０は第２の筐体内部だけにあってもよい。この場合、蓋部材１２２を引き出した状態で、光学顕微鏡２５０や土台１５９または隔膜保持部材１５５の位置を変更することになる。
【００８５】
実施例１と同様に、光軸調整機構２６０によって光学顕微鏡２５０は一度位置調整されると、試料６及び隔膜１０の交換を行ってもずれることがない。そのため、光軸調整機構２６０はなくてもよく、装置設置あるいは装置組立時に位置調整を行ったあとは、光学顕微鏡２５０位置が固定できていればよい。つまり、図中の光軸調整機構２６０は固定機構の役割も兼ねるといえる。本実施例で意図する機能を満たす限り、当該光軸調整機構兼固定機構の形状及び配置場所は図で示した通りでなくてもよい。
【００８６】
＜真空引きに関して＞
本実施例の荷電粒子顕微鏡は、通常の高真空ＳＥＭとして使用することも可能である。図１０には、高真空ＳＥＭとして使用した状態での、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。図１０において、制御系は図８と同様であるので図示は省略している。図１０は、蓋部材１２２を第２の筐体１２１に固定した状態で、ガス供給管１００と圧力調整弁１０４を蓋部材１２２から取り外した後、ガス供給管１００と圧力調整弁１０４の取り付け位置を蓋部材１３０で塞いだ状態の荷電粒子顕微鏡を示している。この前後の操作で、隔膜１０部を隔膜保持部材１５５ごと取り外しておけば、第１の空間１１と第２の空間１２をつなげることができ、第２の筐体内部を真空ポンプ４で真空排気することが可能となる。これにより、第２の筐体内部は第１の筐体内部と同等の圧力となり、第２の筐体１２１を取り付けた状態で、高真空ＳＥＭ観察が可能となる。
【００８７】
光学顕微鏡２５０からの信号はＣＣＤカメラ２５４、配線２０９及び配線接続部２０８経由で装置外部に出力可能であるが、配線接続部２０８部にて真空漏れがないように真空封じが必要である。
【００８８】
＜その他＞
以上説明したように、本実施例では、試料ステージ５およびその操作つまみ１０８、１０９、ガス供給管１００、圧力調整弁１０４が全て蓋部材１２２に集約して取り付けられている。従って装置ユーザは、上記操作つまみ１０８、１０９の操作、試料の交換作業、またはガス供給管１００、圧力調整弁１０４の脱着作業を第１の筐体の同じ面に対して行うことができる。よって、上記構成物が試料室の他の面にバラバラに取り付けられている構成の荷電粒子顕微鏡に比べて操作性が非常に向上している。
【００８９】
以上説明した構成に加え、第２の筐体１２１と蓋部材１２２との接触状態を検知する接触モニタを設けて、第２の空間が閉じているまたは開いていることを監視してもよい。
【００９０】
また、二次電子検出器や反射電子検出器に加えて、Ｘ線検出器や光検出器を設けて、ＥＤＳ分析や蛍光線の検出ができるようにしてもよい。Ｘ線検出器や光検出器は、第１の空間１１または第２の空間１２のいずれに配置されてもよい。
【００９１】
また、試料ステージ５や検出器１５１に電圧を印加してもよい。試料６や検出器１５０に電圧を印加すると試料６からの放出電子や透過電子に高エネルギーを持たせることができ、信号量を増加させることが可能となり、画像Ｓ／Ｎが改善される。
【００９２】
以上、本実施例により、実施例１の効果に加え、大気圧から置換ガスが導入可能である。また、第一の空間とは異なった圧力の雰囲気下での試料観察が可能である。また、大気または所定のガス雰囲気下での観察に加えて第一の空間と同じ真空状態での試料観察も可能なＳＥＭが実現される。本実施例の荷電粒子顕微鏡は、実施例１の荷電粒子顕微鏡よりもＳ／Ｎの良い画像取得が可能である。
【００９３】
なお、本実施例では卓上型電子顕微鏡を意図した構成例について説明したが、本実施例を大型の荷電粒子顕微鏡に適用することも可能である。卓上型電子顕微鏡の場合は、装置全体または荷電粒子光学鏡筒が筐体によって装置設置面に支持されるが、大型の荷電粒子顕微鏡の場合は、装置全体を架台に載置すればよく、従って、第１の筐体７を架台に載置すれば、本実施例で説明した構成をそのまま大型の荷電粒子顕微鏡に転用できる。
【実施例４】
【００９４】
本実施例では、図１１を用いて、光学顕微鏡２５０が試料ステージと分離され第２の筐体１２１に直接具備されている構成を説明する。以下では、実施例１から３と同様の部分については説明を省略する。
【００９５】
光学顕微鏡はベース２６３上に配置されている一方、ステージ５は支持板１０７上に搭載されている。蓋部材１２２を装置外部側に引き出すと支持板１０７ごとステージ５を取り外す構成となり、光学顕微鏡２５０は第２の筐体内部に残ったままとなる。光学顕微鏡２５０の位置調整は蓋部材１２２が外されている状態で、図５で示したように、光学顕微鏡の観察位置の中心を隔膜１０の中心位置および荷電粒子光学鏡筒２の光軸に合わせ、ベース２６３などを用いて位置固定すればよい。また、同様に光学顕微鏡の焦点位置および光学レンズ駆動機構２５３も蓋部材１２２が引き出されている状態で調整する。本構成にすれば、試料交換の際に蓋部材１２２を引き出しても、光学顕微鏡２５０が一切動かない。つまり、仮に蓋部材１２２や真空封止部材部１２５や支柱１８などに摩耗や劣化が起こっても、光学顕微鏡２５０と隔膜１０との縦横高さの位置関係が一切変わらないので、図８の構成よりも光学顕微鏡２５０の調整回数が少なくなるというメリットがある。
【００９６】
但し、蓋部材１２２が引き出された状態では光学顕微鏡を制御するための配線は外すか伸縮可能としなければならない。つまり、ＣＣＤカメラ２５４からの画像データを取得するための配線２０９、及び図３で示したような図示されていない光源を制御するための配線は外せるようにしておくか、伸縮可能な構成にする必要がある。
【実施例５】
【００９７】
本実施例では、光学顕微鏡２５０が第２の筺体と分離して固定され、かつ光学顕微鏡２５０からの画像観察がＣＣＤカメラ２５４からの電気信号の代わりに装置ユーザが直接接眼レンズ２０７にて観察する装置構成を説明する。以下では、実施例１から４と同様の部分については説明を省略する。
【００９８】
図１２に全体構成図を示す。制御系や第２の筐体１２１内部にガスを供給するガスボンベや第２の筐体１２１内部を真空排気するポンプなどは省略して図示している。本装置では光学顕微鏡２５０からの顕微鏡信号は光学顕微鏡２５０の内部レンズを経由して、接眼レンズ２０７に到達する。接眼レンズ２０７を覗くと大気圧状態やガス雰囲気状態または真空状態にある試料６の光学顕微鏡像を確認することが可能である。実施例３と同様に、蓋部材１２２を引き出すと、光学顕微鏡２５０ごと引き出される。光学顕微鏡２５０の一部を構成する部分が第２の筐体１２１内部から装置外部に飛び出す蓋部材１２２の部分につなぎ部２６８が具備される。このつなぎ部２６８では光学顕微鏡からの光信号は伝達できると共に、第２の筐体１２１内部のガス圧状態及び真空圧状態を維持する構成となっている。本構成の場合、高額なＣＣＤカメラ２５４が不要であり、電気配線も少なくなるので、装置コストが下がるというメリットがある。
【実施例６】
【００９９】
本実施例では、前述の実施例と異なり、第２の筐体１２１がない変形例について説明する。隔膜１０周辺部、試料ステージ５および光学顕微鏡２５０周辺の構成は前述の実施例１から５とほとんど同じなので、以下では相違点を主に説明する。
【０１００】
図１３に、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成を示す。本構成では、荷電粒子光学鏡筒２が筐体２７１にはめ込まれおり、真空封止部材１２３にて真空シールされる。筐体２７１は柱２６９によって支えられている。柱２６９は土台２７０によって支えられている。図中柱２６９は一つだけ図示しているが筐体を支えるために実際は複数本あるのが好ましい。この構成によって、試料６の雰囲気状態が装置外部と同等になるので、試料状態を完全な大気下状態に曝すことが可能となる。
【０１０１】
ガスボンベ１０３からのガス供給は試料６近傍方向を向いたガスノズル２７２によってなされる。ガスノズル２７２は例えば支え２７３によって筐体２７１に接続されている。ガスボンベ１０３とガスノズル２７２とは連結部１０２によって接続される。上記構成は一例であるが、本構成により試料６近傍に所望のガスを噴射することが可能となる。ガス種としては、電子線散乱を低減できるように、大気よりも軽いガスである窒素や水蒸やヘリウムガスや水素ガスなどである。ガスはユーザが自由に交換可能である。
【０１０２】
光学顕微鏡２５０は筐体２７１の直下、すなわち荷電粒子光学鏡筒の光軸と同軸に配置される。これにより試料ステージ５上に配置された試料６に、隔膜１０を通過した荷電粒子線を照射して荷電粒子線顕微鏡像を取得するとともに、光学顕微鏡２５０による光学顕微鏡像を取得することが可能となる。隔膜１０の隔膜位置調整機構２５９、光軸調整機構２６０、光学顕微鏡の内部レンズを光学顕微鏡２５０の光軸２５１方向に駆動するための光学レンズ駆動機構２５３等の構成は前述までの実施例に示した通りである。
【０１０３】
本実施例での構成により、隔膜１０及び試料６及び光学顕微鏡２５０が非接触の状態で、荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡による同じ部位の観察が可能となる。
【実施例７】
【０１０４】
本実施例では、光学顕微鏡が荷電粒子光学鏡筒および隔膜の上に配置されている実施例について説明する。基本的な装置構成については前述の実施例１から６とほぼ同じなので、以上の実施例と同様の部分については説明を省略する。
【０１０５】
本実施例では図１４に示すとおり、試料６は隔膜１０の上に直接載置される。この場合、上述の実施例のように試料の位置を隔膜と独立して動かせないため、試料の観察位置を変えるには隔膜位置調整機構２５９を用いて隔膜自体の位置を荷電粒子光学鏡筒に対して移動させる。
【０１０６】
また、本実施例では接眼レンズ２０７を用いた光学顕微鏡の例を示したが、上述の実施例の通り、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を用いて観察することも可能である。
【０１０７】
本実施例によっても、大気圧下に置かれた試料同じ部位を荷電粒子線顕微鏡と光学顕微鏡によって同時に観察することが可能となる。
【０１０８】
なお、本発明は上記した実施例１から７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、上記した実施例は本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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。
【０１０９】
上記した制御部やコンピュータにおける各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【０１１０】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【０１１１】
０：荷電粒子源、１：光学レンズ、２：荷電粒子光学鏡筒、３：検出器、４：真空ポンプ、５：試料ステージ、６：試料、７：第１の筐体、１０：隔膜、１１：第１の空間、１２：第２の空間、１４：リークバルブ、１６：真空配管、１７：ステージ支持台、１８：支柱、１９：蓋部材用支持部材、２０：底板、３５：コンピュータ、３６：上位制御部、３７：下位制御部、４３、４４、４５：通信線、
１００：ガス供給管、１０１：ガス制御用バルブ、１０２：連結部、１０３：ガスボンベまたは真空ポンプ、１０４：圧力調整弁、１０７：支持板、１０８、１０９：操作つまみ、１２１：第２の筐体、１２２、１３０：蓋部材、１２３、１２４、１２５、１２６、１２８、１２９：真空封止部材、１３１：本体部、１３２：合わせ部、１５４：信号増幅器、１５５：隔膜保持部材、１５６、１５７、１５８：通信線、１５９：土台、
２００：荷電粒子線の光軸、２０１：隔膜の中心、２０３：落下防止部材、２０４：操作つまみ、２０５：試料台ホルダ、２０６：試料搭載板、２０７：接眼レンズ、２０８：配線接続部、２０９：配線、２５０：光学顕微鏡、２５１：光学顕微鏡の光軸、２５２：対物レンズ、２５３：光学レンズ駆動機構、２５４：ＣＣＤカメラ、２５５、２５６、２５７：光源、２５８：内部ミラー、２５９：隔膜位置調整機構、２６０：光軸調整調整機構、２６１：支え部、２６２：微粒子試料、２６３：ベース、２６４：荷電粒子顕微鏡による焦点、２６５：光学顕微鏡による焦点、２６７：微粒子試料、２６８：つなぎ部、２６９：柱、２７０：土台、２７１：筐体、２７２：ガスノズル、２７３：支え
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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