(57)【要約】【課題】  省スペースで可搬性を有し、起動時間が短く、ユーザへの心理的負担の少ない電子顕微鏡を提供すること。【解決手段】  真空容器に取り付けられた、電子源，真空ポンプ，試料ホールダおよび電子線検出器と、電子線の軌道を制御する電子レンズと、電子線検出器で得られた信号を基に画像を表示するディスプレイと制御電源とを少なくとも構成要素として含み、これらを一体化し、真空容器，電子源，真空ポンプ，電子線検出器，電子レンズおよび制御電源をディスプレイの背面側に設置し、試料の出し入れをディスプレイの下に位置する部分から行うことを特徴とした電子顕微鏡。【効果】  本発明によれば、上記課題を解決するユビキタスでユーザに対する心理的負担の少ない電子顕微鏡を実現できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子顕微鏡筐体と、該電子顕微鏡筐体に設置されたディスプレイと、を有し、
真空容器、該真空容器を真空排気する真空ポンプ、該真空容器上方に取り付けられた電子源、前記真空容器下方に取り付けられ前記電子顕微鏡筐体から突き出し可能な試料室、該試料室に設置される試料からの電子線を検出する検出器、を前記電子顕微鏡筐体内部に有して一体化されていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
前記真空ポンプはターボ分子ポンプであることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項３】
前記真空ポンプと前記真空容器との間に緩衝材を有することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項４】
前記真空ポンプはターボ分子ポンプであり、かつ前記真空ポンプと前記真空容器との間に緩衝材を有することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項５】
前記真空ポンプを複数有し、該複数の真空ポンプは前記真空容器を中心として対称に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
前記電子源はカーボンナノチューブを有する電子源であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項７】
前記電子顕微鏡筐体における縦，横，高さの３辺の計が１５０cm以下であり、重量が
２５kg以下であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項８】
前記真空ポンプは排気能力の異なる複数の真空排気口を有するターボ分子ポンプであり、低排気能力の真空排気口を試料室側，高排気能力の真空排気口を電子源側に設けたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項９】
消費電力が１５００Ｗ以下であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項１０】
前記真空ポンプの周囲に防音材を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項１１】
真空引きの最中に音楽演奏あるいは画像表示をする、もしくは真空状態を表示する機能を設けたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項１２】
一体化した電子顕微鏡の外枠の一部が透明着色化されたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項１３】
真空容器と、該真空容器に取り付けられた電子源，真空ポンプ，試料室および検出器と、
電子線の軌道を制御する電子レンズと、
電子線検出器で得られた信号に基づいて画像を表示するディスプレイと、制御電源と、を電子顕微鏡筐体に内蔵して一体化したことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１４】
前記真空ポンプはターボ分子ポンプであり、かつ前記真空ポンプと前記真空容器との間に緩衝材を有することを特徴とする請求項１３記載の電子顕微鏡。
【請求項１５】
前記真空ポンプを複数有し、該複数の真空ポンプは前記真空容器を中心として対称に配置されていることを特徴とする請求項１３記載の電子顕微鏡。
【請求項１６】
前記電子源はカーボンナノチューブを有する電子源であることを特徴とする請求項１３記載の電子顕微鏡。
【請求項１７】
前記真空ポンプは排気能力の異なる複数の真空排気口を有するターボ分子ポンプであり、低排気能力の真空排気口を試料室側，高排気能力の真空排気口を電子源側に設けたことを特徴とする請求項１３記載の電子顕微鏡。
【請求項１８】
前記電子顕微鏡筐体の一部を透明着色の部材で構成したことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項１９】
電子顕微鏡筐体と、該電子顕微鏡筐体に設置されたディスプレイと、を有し、
真空容器、該真空容器を中心として対象に配置される複数のターボ分子ポンプ、該ターボ分子ポンプと前記真空容器との間に設けられる緩衝材、該真空容器上方に取り付けられた電子源としてのカーボンナノチューブ、前記真空容器下方にオリフィス，ゲートバルブを介して取り付けられ前記電子顕微鏡筐体から突き出し可能な試料室、該試料室に設置される試料からの電子線を検出する検出器、を前記電子顕微鏡筐体内部に有して一体化されていることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２０】
電子顕微鏡筐体と、該電子顕微鏡筐体に設置されたディスプレイと、を有し、
真空容器、該真空容器を真空排気する真空ポンプ、該真空容器上方に取り付けられた電子源、前記真空容器下方に取り付けられ前記電子顕微鏡筐体から突き出し可能な試料室、該試料室に設置される試料からの電子線を検出する検出器、を前記電子顕微鏡筐体内部に有し、
前記真空ポンプが台座上に設置され、
前記台座は電子顕微鏡使用時又は床面設置時に筐体と接触していないこと
を特徴とする電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は卓上型の電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体分野において、大量のウエハ，デバイスを検査する装置としての電子顕微鏡に加え、多品種少量生産のデバイスにも対応できる検査装置が求められている。この様な分野においては従来の大型電子顕微鏡を用いるよりも、省スペースの電子顕微鏡を多数配置し、受注状況によって、その配置や分担を変更し、臨機応変に対応する方がトータルコスト的に有利な場合が増えている。そのため、近年は電子顕微鏡の省スペース化と、煩雑な作業を行うことなく可搬性に優れた電子顕微鏡が強く求められている。また、電子顕微鏡の使用が今後拡大すると考えられる医療・食品分野においては、電子顕微鏡による迅速な検査・診断が求められている。その究極は現地に電子顕微鏡を運び、その場で検査することである。
【０００３】
小型の電子顕微鏡はカスタム半導体製造分野，医療・食品分野で今後ニーズが高まると予想される。そして小型の電子顕微鏡としては例えば１９７０年代に製品化された約８４kgの重さの電子顕微鏡（商品名顕微テレビジョン）が存在する。また、例えば下記特許文献１には電子源から試料ホールダまでの高さが２００mm程度の電子顕微鏡の概略構成が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５４４２１８３号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の電子顕微鏡は小型化されているものの、装置寸法と重量の関係から運搬が大掛かりになり、現地検査はかなり難しい。
【０００６】
また、上記特許文献１に記載の電子顕微鏡では、電子源，真空容器，試料ホールダに関しては小型であるが、運搬あるいは可搬性に関する検討はなされていない。
【０００７】
更に臨機応変な検査装置を実現するには、短い起動時間も必要となる。なぜなら現地への移動中に電源が存在するとは限らず、大気開放状態から計測に至るまでの起動時間を短くすることが実用化する上で重要なポイントとなるからである。
【０００８】
加えて、電子顕微鏡は産業界のさまざまな分野で用いられているが、電子顕微鏡のユーザ、とりわけ初心者にとっては装置に不慣れなことからくる心理的な負担は少なくない。これがユーザの拡大を阻害する一因となっている。そこで人的資源の有効活用の点から、誰でも使える様にするための機能、即ちユーザフレンドリ性の向上も強く求められている。
【０００９】
そこで、本発明の第１の目的は、従来に比べて軽量，省スペースで可搬性に優れた電子顕微鏡を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、起動時間が短い電子顕微鏡を提供することである。
【００１１】
第３の目的は、ユーザの心理的負担を軽減するユーザフレンドリな機能を有する電子顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の目的を達成する第１の手段は、真空容器に取り付けられた電子源，真空ポンプ，試料室および電子線検出器と、電子線の軌道を制御する電子レンズと、電子線検出器で得られた信号に基づいて画像を表示するディスプレイと、制御電源とを一体化し、真空容器，電子源，真空ポンプ，電子線検出器，電子レンズおよび制御電源をディスプレイの背面側に設置し、試料の出し入れをディスプレイの下方設置してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、可搬性に優れた電子顕微鏡を得ることができる。具体的には小型・軽量であり、起動時間が短く、低消費電力の電子顕微鏡を提供することが可能である。
【００１４】
更にはユーザの心理的負担を軽減するユーザフレンドリな機能を有する電子顕微鏡を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１に本実施例に係る電子顕微鏡の概略を示す。
【００１７】
本実施例に係る電子顕微鏡は、電子顕微鏡筐体１１と、電子顕微鏡筐体１１に設置されたディスプレイ１０と、を有し、真空容器１４，真空容器１４を真空排気する真空ポンプ１２，真空容器上方に取り付けられた電子源１３，真空容器１４下方に取り付けられ電子顕微鏡筐体１１から突き出し可能な試料室１６，試料室１６に設置される試料からの電子線を検出する検出器１５、を前記電子顕微鏡筐体内部に有して（内蔵して）一体化されていることを特徴とする。
【００１８】
真空ポンプ１２は真空容器（鏡筒）１４を真空排気するものであり、真空容器１４と一箇所若しくは複数箇所で真空配管を介して接続されている。電子源１３は、試料の測定に必要な電子線を放出するものであり、電子源１３の具体的な例として例えば先端を鋭利に加工したタングステン，ホウ化ランタン（ＬａＢ6 ），カーボンナノチューブ等を装着したものが該当する。また真空容器１４には電子源１３からの電子線の軌道を制御する電子レンズが設けられており、このレンズによってフォーカスされた電子線が試料室１６内に置かれた試料に照射される。検出器１５は試料からの電子線(２次電子あるいは反射電子)を検出するものであり、ディスプレイ１０は検出器からの信号を電子顕微鏡筐体１１内部に配置した信号処理回路によって信号処理し表示する。なお試料室１６はその内部に試料を配置するための部屋であり、試料交換は試料室１６を図の前方向に突き出して行う。尚、図１ではディスプレイ１０は電子顕微鏡筐体の一部として開閉可能となるよう設置されているが、開閉可能とせず電子顕微鏡筐体１１に固定して設置しても良い（固定式）。但し、何れも電子顕微鏡筐体内部に空きスペースを作ることができるよう液晶表示装置等の薄型のディスプレイを配置する必要があり、特に液晶表示装置や有機ＥＬディスプレイ等は省電力の上でも有用である。なお上記以外に真空ポンプの電源，レンズ系の制御電源，信号処理回路，システム全体の制御回路などについても、図１の電子顕微鏡筐体１１内のディスプレイ１０の背面に位置する空スペースへ実装する。この構成によって、従来のように多数のケーブルで結線されたパーツからなる電子顕微鏡ではなく、全てのパーツを一体化させることができる。また、本実施例では空冷のターボ分子ポンプを用いることにより冷却配管が不要で、可搬性に優れた電子顕微鏡が可能となる。なお鏡筒部分に取り付ける真空ポンプは排気容量５０リットル／秒程度である。これにより冷却配管をなくし、起動時間を短くすることができる。
【００１９】
図２に本実施例に係る電子顕微鏡における真空排気系の構成の詳細を示す。
【００２０】
図２は図１における真空排気系の具体的構成を示すものであり、図２の真空排気系は、真空容器１４と、真空容器１４の上方に設けられた電子源１３と、真空容器１４の下方に設けられた試料室１６と、を有する。
【００２１】
ここで、電子源１３，真空容器１４，試料室１６はそれぞれ真空配管２３で真空ポンプと接続されている。
【００２２】
電子源１３はＬａＢ6 であり、真空容器（鏡筒）１４は内径８０mm，長さ１６０mmの
ＳＵＳ容器である。電子源１３の下方、真空容器１４中にはコンデンサレンズ２０と対物レンズ２１とが設けられており、例えばφ０.５mm のオリフィスによって試料室１６と電子源との間を作動排気する構成となっている。試料室１６は測定試料の位置の微調整を行うためのステージを設置し、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に±５mm程度の移動、その中央部分は６０度近くの傾斜を可能としてある。
【００２３】
また、本実施例における電子顕微鏡では、真空ポンプによる振動についても検討を加え、この問題を解決している。本実施例では冷却配管をなくし、起動時間を短くするためにターボ分子ポンプ、そしてその排圧側に接続されたロータリポンプもしくはダイアフラムポンプを使用しているが、一方でこれらのポンプから発生する振動が計測に少なからず悪影響を及ぼし、分解能の大幅な低下をもたらす虞も生じる。特に真空容器（鏡筒）１４に接続されたターボ分子ポンプでは真空容器（鏡筒）１４に直接的に振動を与えることから、その振動対策が必要となる。そこで、真空ポンプ１２と真空容器（鏡筒）１４の真空継ぎ手の部分に、図３に示す様に、ベローズ２６と緩衝材３０とを配置し、真空ポンプ１２の振動を緩衝材３０が吸収する構造を採用した。これにより数１０ｎｍの分解能が実現され、一体化による省スペース化，可搬性の実現と性能確保が両立できた。
【００２４】
図３では、緩衝材３０は支柱３１により支えられており、真空配管２５と、真空ポンプ１２は図３に示される振動除去手段により接続されている。
【００２５】
図９に、振動を防止する別の手段を示す。真空ポンプ５３は台座５４上に設置され、机等の床面５５に置く使用時には、電子顕微鏡筐体１１と真空ポンプ５３・台座５４は接触しない、いわゆる浮き島構造とすることができる。その結果、真空ポンプで発生した振動は筐体１１に伝わらず、電子顕微鏡の可搬性の実現と性能確保が両立できる。
【実施例２】
【００２６】
本実施例に係る電子顕微鏡について説明する。図４は本実施例に係る電子顕微鏡の真空排気系を示す図である。なおこれ以外の構成はほぼ実施例１と同じである。
【００２７】
図４の真空排気系は、真空容器（鏡筒）１４と、電子源１３と、試料室１６と、真空容器１４を中心として対称に配置された真空ポンプ４０，４１と、を有する。また真空容器１４には対物レンズが設けられている。
【００２８】
真空ポンプ４４は、バルブ４３を有する配管４２により、真空ポンプ４０，４１と接続している。
【００２９】
なお真空容器１４に排気容量３０〜４０リットル／秒のターボ分子ポンプである。
【００３０】
本実施例に係る電子顕微鏡は、ターボ分子ポンプの振動特性が回転構造から来る回転的な振動であることに着目し、図４に示す様に真空容器（鏡筒）１４を中心として、同等の真空ポンプ４０と４１とを対称位置に取り付けた。これにより振動を互いにキャンセルさせることができる。この構造によって振動が抑制され、この場合も一体化による省スペース化，可搬性の実現と性能確保が両立できた。
【実施例３】
【００３１】
本実施例に係る卓上式電子顕微鏡では、電子源としてカーボンナノチューブを用いている。これ以外の構成は実施例２と同様である。この電子源はタングステン電極の先端に直径２０ｎｍ程度、長さ１μｍのカーボンナノチューブを図５の写真の様に装着したもので、ナノチューブの径が細いことから、高輝度の電子線が得られる。そのため、コンデンサレンズが不要となり、対物レンズのみで必要とする電子線が得られる。この１段レンズ構成の場合、鏡筒長は１３０mm程度ですみ、真空容器（鏡筒）のコンパクト化を一層進めることができる。
【００３２】
図６は本実施例の電子源の特性を測定した結果を示す。本実施例では電子源としてカーボンナノチューブを用いているため、電圧３００Ｖ近傍から電子線が出始めることが確認された。通常のタングステン電極ではｋＶオーダーの電圧を印加する必要があり、電源を高電圧化せざるを得ないが、カーボンナノチューブを用いた電子源の場合、低電圧で所定の強度の電子線が得られることから、電源の低電圧化に伴う絶縁構造の簡略化をはじめとして、電源の大幅な小型化が可能になった。
【００３３】
以上、本実施例の卓上式顕微鏡では電源および制御系を電子顕微鏡筐体１１に内蔵し
(一体化し)、電子顕微鏡全体で概ね５０cm×５０cm×５０cm（縦＋横＋高さの和が１５０cm）以下の空間に十分収めることができ、また重量自体も２５kg以下とすることができた。また電子顕微鏡筐体１１の外部には複雑なケーブル配線もなく、省スペースで、可搬性に優れた電子顕微鏡を実現できた。
【００３４】
なお、本実施例においては電子源としてカーボンナノチューブを使用しているが、他の材料で代用し、同様の効果を得ることができる。例えば、銀，金，ニッケル等の金属を電子源とすることができる。その際には、電子源先端部の半径を１００ｎｍ以下、好ましくは１０〜５０ｎｍとすることにより、電圧１ｋＶ程度で電子線の放出をすることができる。これらにより、電源を小型化することができる。
【実施例４】
【００３５】
図７は本実施例における電子顕微鏡の真空排気計について詳細に説明する図である。本実施例では真空排気ポートを２ヶ所（複数箇所）保有する真空ポンプ４０，４１を用いた実施例である。これ以外については実施例１とほぼ同様である。
【００３６】
本実施例は、真空バルブ４３を有する真空配管４２と、真空バルブ４６を有する真空配管４５とを有する点に特徴がある。一方の配管は真空ポンプ４０，４１と真空ポンプ４４とを接続し、他方は真空ポンプ４０，４１と試料室１６を接続する。
【００３７】
試料室１６は、真空配管４５を介して真空排気され、電子線の通過するオリフィス４７とゲートバルブ４８によって実質的に試料室１６と電子源１３とを真空的に分離する。これによって電子源１３は高真空に保たれ、ゲートバルブ４８を開閉することにより、電子源１３の真空を保った状態で試料の交換が可能である。特に、電子源側では電子源を放出するためにある程度の真空が必要である一方で、試料室側では試料の測定条件により低真空が望ましい場合もある（試料中の水分が存在する場合等）。即ちこのような構成とすることでより良い測定環境を提供することができる。なお具体的には排気能力の異なる複数の真空排気口を有するターボ分子ポンプとし、低排気能力の真空排気口を試料室側，高排気能力の真空排気口を電子源側に設けることが有用である。
【００３８】
また、カーボンナノチューブ電子源を用いれば１０-5Ｐａ程度の真空でも十分な電子線が得られることから、真空容器１４の内径を８０mmとし、３５リットル／秒程度のターボ分子ポンプを図７のように２台設置すると、電子顕微鏡を大気開放状態からでも１０分以内に起動でき、試料の交換のみの場合は５分以内に計測を開始できる。なお、カーボンナノチューブを電子源として用いることで細いオリフィス４７であっても十分に試料へ電子を照射することができるという効果もある。
【００３９】
以上、本実施例によれば、従来の電子顕微鏡が大気開放後の起動に多大の時間を要したのに対し、短時間で電子顕微鏡の起動ができ、通常の試料交換においても問題は発生しない。
【００４０】
さらに、上述した構成の場合、真空排気系で数１００Ｗ，レンズ系，全体制御系を加えても１５００Ｗ以下の構成にすることが可能であり、１００Ｖ系統の商用電力で動作可能である。即ち通常の建屋コンセントからの電力で電子顕微鏡を動作させることができ、従来の電子顕微鏡の配置替えに伴って起こる煩雑な配線組替え作業は不要である。
【実施例５】
【００４１】
電子顕微鏡のユーザは、さまざまな分野に広がっており、それに伴い初心者でも使用可能なものが強く求められている。操作者に手順あるいは装置の状態を伝える手段としては、画像あるいは音などの手段が用いられるが、電子顕微鏡においてこれら工夫を行う場合、ハード的な課題が存在した。即ち真空ポンプとりわけ低圧側のポンプの騒音が、音による操作者への情報伝達を阻害する場合があり、その対策が必要であった。そこで、図８に示す様に、低圧側の真空ポンプ５０の周囲に防音材５１を配置し、これによって音による情報伝達を可能にした。
【００４２】
尚、本実施例では低圧側の真空ポンプ５０にのみ防音材を配置しているが、真空ポンプ４０，４１，４４等に設置することも可能である。
【００４３】
また一般に電子顕微鏡では、試料室の大気開放時間あるいは測定試料によって、真空引きの時間が異なってくるため、ユーザ（特に十分に熟練していないユーザ）は、真空引きの待ち時間が長く感じられ、場合によっては不安を感じ、常にアドバイザーを必要とする状態から抜け出せないことがある。１人あたりの作業効率を上げる意味からも、この様な心理的な負担を低減する機能を有するものが求められている。そこで、試料室１６に真空計５６（図示せず）を設置し、その情報からどこまで真空が引けたか、ディスプレイに表示することによって、操作者の心理的な負担を軽減する機能を設けた。
【００４４】
また、真空計５６からの情報に基づき、真空引き状態（起動状態）であることを判断し、あらかじめ制御回路に組み込んだ音楽を流す、あるいは画像をディスプレイに表示することにより、操作者の感じる負担を軽減できた。
【００４５】
さらに、電子顕微鏡筐体の一部を透明着色にすることにより、従来のブラックボックス的な電子顕微鏡のイメージを払拭することで、ユーザフレンドリを感じさせるシステムになった。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例１に係る電子顕微鏡を説明する図。
【図２】実施例１に係る電子顕微鏡の真空排気系を説明する図。
【図３】真空容器に繋がる真空配管と真空ポンプの接合部を説明する図。
【図４】実施例２に係る電子顕微鏡の真空排気形を説明する図。
【図５】カーボンナノチューブを用いた電子源の先端部分の電子顕微鏡観察写真。
【図６】図５の電子源の電子放出特性の一例を示す図。
【図７】実施例４に係る電子顕微鏡を説明する図。
【図８】実施例５に係る電子顕微鏡の防音材，真空容器（鏡筒），真空計などの構成を示す上面図。
【図９】本発明の別の実施例の構成を示す側面図。
【符号の説明】
【００４７】
１０…ディスプレイ、１１…電子顕微鏡筐体、１２，４０，４１，５０，５３…真空ポンプ、１３…電子源、１４…真空容器（鏡筒）、１５…検出器、１６…試料室、２０…コンデンサレンズ、２１…対物レンズ、２２，２５，４２，４５…真空配管、２４，４８…ゲートバルブ、２６…ベローズ、３０…緩衝材、３１…支柱、４３，４６…真空バルブ、４７…オリフィス、５１…防音材、５２…真空計、５４…真空ポンプ台座、５５…床面，卓面等。
【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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