(57)【要約】【課題】本発明は電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構に関し、像観察中に引っ張り方向が変わらず、引っ張り力を精度よく検出することができる電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構を提供することを目的としている。【解決手段】粗動機構５と微動機構５ｃを備えた引っ張り・圧縮試料ホルダにおいて、引っ張り軸と引っ張り作用点、又は圧縮軸と圧縮作用点を同軸上に存在させ、複数のアクチュエータ５の作用点が一点になるように構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粗動機構と微動機構を備えた引っ張り・圧縮試料ホルダにおいて、
引っ張り軸と引っ張り作用点、又は圧縮軸と圧縮作用点を同軸上に存在させ、
複数のアクチュエータの作用点が一点になるように構成したことを特徴とする電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構。
【請求項２】
前記粗動機構としてモータを用いた回転／直線変換機構を用い、前記微動機構として圧電素子を用いた直線移動機構を用いたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構。
【請求項３】
前記アクチュエータ群と作用点との間に少なくとも１個のテコを用いてアクチュエータ群の設置方向を変え、変位の比率を変えるように構成したことを特徴とする請求項１又は２記載の電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構に関し、更に詳しくは試料に引っ張り荷重又は圧縮荷重をかけて試料の歪の状態を観察することができるようにした電子顕微鏡の引っ張り・圧縮機構に関する。更には引っ張り荷重又は圧縮荷重を検出することもできるようにした電子顕微鏡の引っ張り・圧縮機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５は引っ張り試験機構の従来構成例を示す図で、平面図を示している。この引っ張り機構４０は、試験片１を保持するチャック部３０，３０’を備えており、この上面には試験片１の孔部に係合する突状部３１，３１’を具備している。このチャック部３０，３０’は電子顕微鏡の試料ステージ部の機能を含むものである。
【０００３】
３２，３２’は、この試験片１Ａにチャック部３０を介して引っ張り荷重を負荷するための圧電素子アクチュエータで、チャック部３０に超微動を与える微動用アクチュエータ３２と、大きく移動させる粗動用アクチュエータ３２’であり、試験片１Ａの力学特性によって又は測定目的に応じて微動用アクチュエータ３２と粗動用アクチュエータ３２’を使い分ける。即ち、強度が高い試験片１Ａを測定する際には粗動用アクチュエータ３２’を、強度が低い試験片１Ａを測定する際には微動用アクチュエータ３２を用いる。
【０００４】
３３は試験片１のブリッジ部への引っ張り荷重Ｐを検出するロードセルであって、３４は作動変位計である。この引っ張り試験機構４０を使用する際には、突状部３１，３１’に試験片１の孔部を係合し、アクチュエータ３２，３２’を操作することにより、チャック部３０が移動してブリッジ部を軸方向に引っ張る。
【０００５】
従来のこの種の装置としては、走査型プローブ顕微鏡の試料ステージ部に、微小試験片に対して引っ張り又は圧縮荷重を負荷するためのアクチュエータと、これによる微小試験片への負荷を検出する手段とを備えた微小引っ張り・圧縮試験機を装備し、引張り又は圧縮負荷による試験片の微小歪みを走査型プローブ顕微鏡の試料表面観測系を利用して測定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
また、電子顕微鏡において、ゴニオメータで試料を３次元方向に移動させ、且つ試料ステージに載置された試料を所定方向に押圧できる構成とした電子顕微鏡が知られている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２０７４３２号公報（段落００１０〜００１９、図１）
【特許文献２】特開２０００−３１５４７１号公報（段落００１９〜００２０、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
複数のアクチュエータの作用点が異なると、作用点の剛性やモーメントのかかり方により意図しない方向（引っ張り方向以外の方向）に力が発生しやすい機構となる。また、それぞれのアクチュエータの設置の仕方も引っ張り方向に寄与する。これらは高倍率で観察する透過型電子顕微鏡においては、アクチュエータの違いにより移動方向に角度を持って観察される（理想は０°）ことにつながる。極端な場合では、視野が逃げてしまうこともある。また、伝達シャフトを介して荷重検出をする場合には検出誤差の原因となる。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、像観察中に引っ張り方向が変わらず、引っ張り力又は圧縮力を精度よく検出することができる電子顕微鏡の引っ張り・圧縮ホルダ機構を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の問題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。
【００１１】
（１）請求項１記載の発明は、粗動機構と微動機構を備えた引っ張り・圧縮試料ホルダにおいて、引っ張り軸と引っ張り作用点、又は圧縮軸と圧縮作用点を同軸上に存在させ、複数のアクチュエータの作用点が一点になるように構成したことを特徴とする。
【００１２】
（２）請求項２記載の発明は、前記粗動機構としてモータを用いた回転／直線変換機構を用い、前記微動機構として圧電素子を用いた直線移動機構を用いたことを特徴とする。
【００１３】
（３）請求項３記載の発明は、前記アクチュエータ群と作用点との間に少なくとも１個のテコを用いてアクチュエータ群の設置方向を変え、変位の比率を変えるように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は以下に示すような効果を奏する。
【００１５】
（１）請求項１記載の発明によれば、複数のアクチュエータの作用点が一点になるように構成しているので、引っ張り又は圧縮の時に試料を一軸方向にのみ引っ張り又は圧縮することができ、引っ張り力を精度よく検出することができ、また引っ張り又は圧縮による試料の応力を正確に測定することができる。
【００１６】
（２）請求項２記載の発明によれば、粗動機構としてモータの回転／直線変換機構と、微動機構として圧電素子を用いた直線移動機構を用いているので、最初は試料を粗動機構により引っ張り又は圧縮し、微調整領域になったら微動機構を用いて引っ張り又は圧縮するので、試料の応力を効率よく測定することができる。
【００１７】
（３）請求項３記載の発明によれば、アクチュエータ群と作用点との間に少なくとも１個のテコを介することで、アクチュエータ群の設置方向を変え、変異の比率を変えることができ、より応用範囲の広い応力測定を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明が適用される透過型電子顕微鏡の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明による引っ張り変位の説明図である。
【図４】本発明の第２の実施例を示す構成図である。
【図５】引っ張り試験機構の従来構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明が適用される透過型電子顕微鏡の断面図である。図において、透過型電子顕微鏡０１は、内部を真空に保持された鏡筒０２を有し、鏡筒０２上端に電子銃０３が設けられている。前記電子銃０３から出射される荷電粒子ビームの中心線に沿ってＺ軸が設けられている。鏡筒０２の下端部には観察窓０４及び実線で示す観察位置と二点鎖線で示す退避位置との間で移動可能な蛍光板０５が設けられている。
【００２０】
また、前記蛍光板０５の下方には電子顕微鏡画像を撮影するためのフィルムＦを撮影位置に配置するための装置が配置されている。前記電子銃０３の下方には電子線集束用の集束レンズ０７が配置され、前記蛍光板０５の上方には拡大結像用の結像レンズ０８が配置されている。そして、前記集束レンズ０７及び結像レンズ０８の間にはゴニオメータステージＧＳ、ゴニオメータＧＭ及び試料ホルダＨが設けられている。本発明はこの試料ホルダＨに係るものである。
（実施例１）
図２は本発明の第１の実施例を示す構成図である。（ａ）は斜視図、（ｂ）は側面図である。（ａ）において、仮想線は、試料ホルダを挿入する時に手で保持するグリップ部分であり、各種アクチュエータのカバーを兼ねている。パイプ１ａの外面は試料ホルダがゴニオメータと接触する部材であり、図示しないＯリングにより真空が保たれている。パイプ１ａの内面は、真空を保ちつつ引っ張り機構を達成するためにＯリング２を介して引っ張りシャフト３ａを保持している。
【００２１】
該引っ張りシャフト３ａの先端部には、試料クランプ部３ｂが設けられており、パイプ１ａの先端には試料固定部１ｂが設けられている。４は試料であり、例えば半導体チップ等が用いられる。試料４の試料クランプ部３ｂが引っかかる部分は、長穴形状などになっており、試料クランプ３ｂとの間に隙間を設け、試料４に力がかからないようになっている。
【００２２】
パイプ１ａとベース１ｃは接合されている。ベース１ｃの上には、アクチュエータ群５が図に示されるように設けられている。なおベース１ｃは固定されており、動かないようになされている。この時、引っ張りシャフト３ａの軸延長線上にはアクチュエータ群５の作用点５ａがある。作用点とは、力が加わる部分をいう。作用点５ａにはバネ７により常にフレーム６が当接している状態である。
【００２３】
フレーム６は引っ張りシャフト３ａと接続されており、試料４へ引っ張り力を伝達するようになっている。更にフレーム６には図示しないスライドレールなどにより摩擦抵抗が少ない状態でベース１ｃに保持されている。アクチュエータ群５は制御電源９に接続され、それら電源９は更にＣＰＵ８によりシステム制御が可能なようになっている。１０は圧電素子５ｃに電圧を印加するための制御電源であり、ＣＰＵ８から出力制御を受けるようになっている。引っ張りシャフト３ａとフレーム６との間には必要に応じて荷重計が組み込まれることがある。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００２４】
パイプ１ａと試料固定部１ｂとベース１ｃは図示しないゴニオメータにより保持され、試料ホルダ単体では固定部をなしている。それに対して、引っ張りシャフト３ａと試料クランプ部３ｂは引っ張り駆動部となる。作用点５ａが後述のように変位することにより、フレーム６が−Ｘ方向に移動する。
【００２５】
フレーム６はバネ７により部材１から常に力を受けているので、作用点５ａとフレーム６は当接し、結果的にフレーム６が−Ｘ方向に移動すると、引っ張りシャフト３ａと試料クランプ部３ｂを引っ張ることになる。
【００２６】
また、図に示す装置は２つのアクチュエータ（モータ５と圧電素子５ｃ）からなる系である。粗動の時にはモータ５を用い、微動の場合には圧電素子５ｃを用いる。モータ駆動の場合、ＣＰＵ８より制御電源９の電圧又は電流を制御し、モータ５ｂの回転をギア５ｄと送りネジ５ｅにより直線方向の移動に変換する。そして、圧電素子５ｃを部材の一部として作用点５ａを−Ｘ方向に押す。この時圧電素子には電源１０からの電圧は印加されていない。
【００２７】
次に圧電素子駆動の場合について説明する。ＣＰＵ８は電源１０に印加している電圧を増加していき、電源１０から所定の電圧を圧電素子５ｃに印加し、圧電素子そのものを伸ばして作用点５ａを−Ｘ方向に押し、引っ張りシャフト３ａとフレーム６を介して試料４を−Ｘ方向に引っ張る。
【００２８】
これらは最終的に作用点５ａを押しているので、同じ方向に力が加わりアクチュエータの切り替えによる差異は発生しない。部材３（３ａと３ｂ）の軸上を引っ張っているので、部材３にモーメントがかからず試料４が回転することはない。従って、加重計を構成した場合には従来よりも荷重検出の精度がよくなる。
【００２９】
図３は本発明による引っ張り変位の説明図である。横軸はアクチュエータ信号、縦軸は試料引っ張り変位である。Ｋ１点は試料４のモータによる引っ張り動作が開始した点である。その後、アクチュエータ信号が増加するにつれて試料変位が増大していく。Ｋ２点でモータによる駆動から圧電素子の駆動に駆動力が切り替えられる。更に圧電素子を駆動すると、試料４の変位は更に増大していき、Ｋ３点にくると破断する。このような試料の変位を透過型電子顕微鏡で観測すると、試料４の応力による物理的性質を観測することができる。
【００３０】
上述の説明では、試料４を引っ張った場合について説明したが、試料４を圧縮する場合も同様に適用することができる。
【００３１】
このように、本発明によれば複数のアクチュエータの作用点が一点になるように構成しているので、引っ張り又は圧縮の時に試料を一軸方向にのみ引っ張り又は圧縮することができ、引っ張り力を精度よく検出することができ、また引っ張り又は圧縮による試料の応力を正確に測定することができる。
（実施例２）
図４は本発明の第２の実施例を示す構成図である。図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施例はアクチュエータ群５と作用点５ａとの間にテコ１１を介しているのが異なるのみで、他の構成は同じである。なお、図ではテコ１１が１個の場合を示しているが、テコは必要に応じて２個以上設けるようにしてもよい。また、図ではモータによるアクチュエータ部が図２に示す実施例と比較して最外端部に設けられている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。
【００３２】
テコを用いることにより、アクチュエータ群５の設置方向を変えたり、変位の比率を変えることができる。即ちモータ駆動の場合には、ＣＰＵ８より制御電源９の電圧又は電流を制御し、モータ５ｂの回転をギア５ｄと送りネジ５ｅを介して直線運動に変換する。そして、圧電素子５ｃを部材の一部として作用点５ａを＋Ｘ方向に押す。この実施例の場合、テコ１１を介しているので、アクチュエータ５の変位方向は試料引っ張りと反対の向きとなる。
【００３３】
圧電素子５ｃ駆動の場合には、ＣＰＵ８より制御電源９の電圧を減圧していき、更に制御電源１０に電圧を印加していき圧電素子５ｃそのものを伸ばして作用点５ａを＋Ｘ方向に押し、部材３とフレーム６とテコ１１を介してバネ７が試料４を引っ張る。これらは最終的に作用点５ａを押しているので、同じ方向に力が加わり、アクチュエータ５の切り替えによる差異が発生しない。更には部材３の軸上を引っ張っているので、部材３にモーメントがかからず、荷重計を接続した場合にも荷重検出の精度を向上させることができる。
【００３４】
実施例２によれば、アクチュエータ群と作用点との間に少なくとも１個のテコを介することで、アクチュエータ群の設置方向を変え、変異の比率を変えることができ、より応用範囲の広い応力測定を行なうことができる。
（実施例３）
実施例３の構成は、図面は図２を用いる。アクチュエータ群５が複数のモータ５ｂを構成している場合もでも実施可能としたものである。引っ張り速度などの理由により、規格や５ｄに示すギアの比率が異なるものが設置される場合が考えられる。なお、本実施例のは場合、５ｃは圧電素子であっても単なるシャフトであってもかまわない。ここでは、シャフトを用いた場合について述べる。
【００３５】
モータ５ｂのギア５ｄはそれぞれ引っ張りシャフト３ａのギア５ｄの周囲に配置される。ＣＰＵ８により制御電源９の電圧又は電流を制御し、モータ５ｂの回転をギア５ｄと送りネジ５ｅを介して直線運動に変換する。その変位はシャフト５ｃを介して作用点５ａを−Ｘ方向に押す。
【００３６】
各モータは最終的に作用点５ａを押しているので、同じ方向に力が加わり、アクチュエータの切り替えによる差異が発生しない。更には、部材３の軸を引っ張っているので回転方向の力が発生せず、荷重計を接続した場合には荷重検出の精度がよくなる。
【００３７】
なお、上述の実施例では引っ張り応力の場合のみについて説明したが、本発明はこれに限るものではなく、圧縮の場合にも同様に適用可能である。力の加わり方が逆方向になるだけである。
【００３８】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば以下のような効果が得られる。
【００３９】
複数のアクチュエータの作用点を一点にし、引っ張り部材を共通にすることにより、以下のような効果がある。
１）伝達部材の剛性の違いなどを考慮する必要がないので、引っ張り荷重検出においても誤差が生じない。
２）引っ張り方向も粗動、微動で同一なので、透過型電子顕微鏡のその場観察においても像が一方向に観察される。
【符号の説明】
【００４０】
１    部材
１ａ  パイプ内面
１ｂ  試料固定部
１ｃ  ベース
２    Ｏリング
３    部材
３ａ  引っ張りシャフト
３ｂ  試料クランプ部
４    試料
５    アクチュエータ
５ａ  作用点
５ｂ  モータ
５ｃ  圧電素子
５ｄ  ギア
５ｅ  送りネジ
６    フレーム
７    バネ
８    ＣＰＵ
９    制御電源
１０  制御電源
【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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