JP4190832B2

JP4190832B2 - Transmission electron microscope

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Publication number: JP4190832B2
Application number: JP2002242431A
Authority: JP
Inventors: 行人近藤
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2008-12-03
Anticipated expiration: 2022-08-22
Also published as: JP2004087141A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope、透過型電子顕微鏡）等の荷電粒子線装置において試料を保持した状態で移動する試料ステージ及び前記試料ステージを備えた荷電粒子線装置に関し、特に、電子ビーム等の通過する方向に対して試料を傾斜させる場合に傾斜中心が移動しないユーセントリック機構を備えた試料ステージ及び荷電粒子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＴＥＭ等の電子顕微鏡では、試料を保持する試料ホルダは、試料移動装置によって電子ビームの光軸に対して移動調節可能に保持されている。前記試料移動装置は、ユーザーの希望する視野（試料の観察目標部分）を撮影または観察できる位置に早くしかも正確に移動することが重要な課題となっている。現在では電子顕微鏡の倍率は１００万倍を超えている。このことは、試料移動の精度がサブナノメートルに達していることを意味している。さらに試料移動の速度は、電子顕微鏡のサンプルの大きさが数ミリメートル程度の範囲であるが、その距離をできるだけ短い時間で移動できることが要求されている。さらに結晶性の試料を観察する場合は、試料の結晶軸と電子顕微鏡の電子ビームの光軸（Ｚ軸）とを一致させて観察する必要がある。この為には試料をＸ軸とＹ軸の２軸回りにそれぞれ傾斜させる必要がある。このような点を鑑み、現状では試料を移動・傾斜させる装置（ゴニオメータ）は大きく分けて次の２つのタイプが使われている。（１）トップエントリータイプ
（２）サイドエントリータイプ
【０００３】
（１）トップエントリータイプ
トップエントリータイプのゴニオメータ（傾斜機構付き試料移動装置）は、ＸＹ方向に移動可能な試料ステージを有している。試料は円筒状の試料筒に取り付けられ、この円筒状の筒が前記試料ステージに装着される。前記試料ステージに装着された試料筒の中の試料は、２重ジンバル機構により傾斜される。前記２重ジンバル機構は従来公知の試料を傾斜させる機構であり、例えば実公昭４９−３９００６号公報等に記載されているので詳細な説明は省略する。
前記トップエントリータイプでは、試料が鏡筒に固定された対物レンズ上に保持されるため、試料と鏡筒間の剛性が高く、外部振動等によって試料の像が揺れにくい特性を持っている。また、試料を加熱した場合、この熱が前記試料筒の周りにほぼ均一に伝導するので、熱的な試料ドリフト（部材等の熱膨張によって試料の位置が変化する現象）に強い特性を持っている。
【０００４】
（２）サイドエントリータイプ
サイドエントリータイプのゴニオメータは電子顕微鏡の鏡筒の側方に配置され、ゴニオメータを貫通する棒状の試料ホルダの先端部に試料が取り付けられる。前記サイドエントリータイプのゴニオメータでは、試料ホルダは鏡筒の側方から装着されるので、棒状の試料ホルダの内側を中空にして、ここから試料を加熱するヒータ用のヒータ電流を供給したり、冷媒によって冷却した金属棒を挿入したりすることによって、試料ホルダ先端部の試料の加熱や冷却を比較的容易に行うことができる。また、試料を試料ホルダの軸方向回りに傾斜させる時（１軸回りの傾斜時）は、ゴニオメータの球面軸受の傾斜中心と試料の観察位置とを結ぶ軸をゴニオメータの軸に一致させて１軸回りに傾斜させることによって、試料の観察位置が移動しない機構（１軸ユーセントリック機構）が実現している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
（前記トップエントリータイプの問題点）
前記トップエントリータイプのゴニオメータでは、前記２重ジンバル機構によって試料を傾斜させる為に、観察位置が試料の傾斜中心からずれていると、試料を傾斜した時に試料高さや視野が移動してしまう欠点がある。また、トップエントリータイプでは、試料を冷却する場合は試料ステージ全体を冷却する必要があり、実用的には大掛かりな装置が必要となる。さらに、この試料ホルダでは、前記試料筒の大きさを試料の大きさ以下にすることができず、且つ試料筒は対物レンズのポールピースに形成されたギャップ（挿入孔）の中に挿入しなければならないので、ポールピースの上側の磁極の孔径は試料筒の大きさに制限されてしまう。高分解能の像を得るには、小さな収差係数のポールピースを得るためにポールピースの孔径を小さくする必要があるので、トップエントリータイプでは高分解能の像を得ることが困難である。
【０００６】
（前記サイドエントリータイプの問題点）
前記サイドエントリータイプのゴニオメータは、１軸回りに傾斜させる場合のユーセントリック機構を備えているが、通常、試料の結晶軸を合わせるには２軸回りに試料を傾斜する必要があるので、実用的には試料をもう１つの軸回りに傾斜する必要がある。前記サイドエントリータイプのゴニオメータでは、２軸回りに傾斜可能なユーセントリック機構をもたせることができないので、実際には試料の傾斜時に試料の観察部分が光軸からずれたり、試料高さが変わったりしてしまう。また、試料は棒状の試料ホルダの先端に取り付けられるので、試料と鏡筒との間の剛性を高くできず、振動には弱い構造となっている。さらに、加熱をしたときの熱の伝導は１方向(試料ホルダの軸方向)しかないので、熱膨張が不均一となり、熱的な試料ドリフトが大きくなっている。その他、試料ホルダが鏡筒外に繋がっているので、音や気圧の変動によって試料の位置が移動しやすい構造となっている。
【０００７】
本発明は、前述の事情に鑑み、下記の記載内容（Ｏ01）〜（Ｏ05）を課題とする。
（Ｏ01）２軸回りに傾斜しても試料の観察位置が光軸から移動しないようにすること。
（Ｏ02）試料と鏡筒間の剛性を高くすること。
（Ｏ03）熱ドリフトを小さくすること。
（Ｏ04）シンプルな構成で試料の加熱、冷却を可能にすること。
（Ｏ05）超高真空のような清浄な雰囲気で試料の汚染の原因となる駆動機構を使わない試料移動と傾斜を可能にすること。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
次に、前記課題を解決するために案出した本発明を説明するが、本発明の要素には、後述の実施例の要素との対応を容易にするため、実施例の要素の符号をカッコで囲んだものを付記する。
また、本発明を後述の実施例の符号と対応させて説明する理由は、本発明の理解を容易にするためであり、本発明の範囲を実施例に限定するためではない。
【０００９】
（本発明）
前記課題を解決するために、本発明の透過型電子顕微鏡は、下記の構成要件（Ａ01）〜（Ａ04）を有する試料ステージを備えたことを特徴とする。
（Ａ01）互いに直交する3軸Ｘ，Ｙ，Ｚの中のＺ軸に沿う電子ビームの通路に配置され、球状外周面（１７b，１７b″）と、前記電子ビームが通過する孔と、を有するステージ本体（１７，１７″）、
（Ａ02）前記ステージ本体（１７，１７″）をその球状外周面（１７b，１７b″）の中心が前記3軸の交点に配置された状態で、前記Ｘ軸及びＹ軸回りに回転調節可能に支持するステージ本体支持部材（１８，１８′，１８″）、
（Ａ03）前記電子ビームが通過するビーム通過孔（４２ｂ）を有すると共に、ＸＹ平面に平行なホルダ着脱方向から試料ホルダ（Ｈ）が接近したときに試料ホルダ（Ｈ）の被装着部（Ｈ１）と嵌合するホルダ装着溝（４２ａ）を有し、前記試料ホルダ（Ｈ）を着脱可能に保持するホルダ保持部材（４２）、
（Ａ04）前記ステージ本体（１７，１７″）に支持されるとともに、前記ホルダ保持部材（４２）をＸＹ平面内で移動調節可能に支持する保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）。
【００１０】
前記構成要件を備えた本発明の透過型電子顕微鏡では、ステージ本体（１７，１７″）は、その球状外周面（１７b，１７b″）の中心が前記3軸の交点に配置された状態で、ステージ本体支持部材（１８，１８′，１８″）によって前記Ｘ軸及びＹ軸回りに回転調節可能に支持されている。したがって、本発明の透過型電子顕微鏡では、前記試料ステージ（Ｓ，Ｓ′，Ｓ″）を備えているので、ステージ本体（１７，１７″）をＸ軸及びＹ軸の 2 軸回りに傾斜・回転しても、ステージ本体（１７，１７″）の球状外周面（１７ b ，１７ b ″）の中心である試料の観察位置は、前記観察位置を通過するＺ軸に沿う電子ビームの軸から移動しない。
また、前記ステージ本体（１７，１７″）は保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）を支持し、前記保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）は前記ホルダ保持部材（４２）をＸＹ平面内で移動調節可能に支持している。したがって、試料（Ｗ）の位置をＸＹ平面内で変更することができる。この結果、保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）によって試料（Ｗ）の観察したい位置をＸＹ平面内で観察位置（球状外周面（１７b，１７b″）の中心（Ｏ））に移動させることができる。
【００１１】
したがって、試料ホルダ（Ｈ）をホルダ保持部材（４２）に装着した時に、試料（Ｗ）のＺ軸方向の位置が前記中心（Ｏ）に一致するように設計した場合、またはＺ軸方向の試料位置を調節可能に構成した場合には試料（Ｗ）の観察したい位置をＸ，Ｙ，Ｚ軸上で前記中心（Ｏ）に一致させることができる。この場合、前記ステージ本体（１７，１７″）がＸ軸及びＹ軸の２軸回りに傾斜・回転しても、ステージ本体（１７，１７″）の球状外周面（１７b，１７b″）の中心（Ｏ）である試料（Ｗ）の観察位置は移動しない。この結果、試料（Ｗ）が結晶性である場合、試料（Ｗ）の結晶軸と荷電粒子線の軸とを一致させるために、ステージ本体（１７，１７″）を２軸回りに回転させても前記観察位置（球状外周面（１７b，１７b″）の中心（Ｏ））を通過するＺ軸に沿う荷電粒子線の軸から観察位置は移動せず、試料高さや視野が移動せずに観察することができる。
【００１２】
また、前記試料ホルダ（Ｈ）は、ホルダ保持部材（４２）に対しＸＹ平面に平行なホルダ着脱方向（Ｐ軸方向）から接近し、ホルダ保持部材（４２）のホルダ装着溝（４２ａ）に着脱される。したがって、鏡筒（２）によって支持された試料ステージ（Ｓ，Ｓ′，Ｓ″）のホルダ保持部材（４２）に試料ホルダ（Ｈ）が装着されるので、試料（Ｗ）と鏡筒（２）間の剛性が高くなり、振動に対して構造的に強い。したがって、試料ホルダ（Ｈ）にヒータを備えることにより試料の加熱を行うことができる。また、ホルダ保持部材（４２）等を断熱部材で形成し、冷却した試料ホルダ（Ｈ）を装着することにより試料を冷却することもできる。即ち、本発明の試料ステージ全体を加熱または冷却するための装置を必要とせず、シンプルな構成で試料（Ｗ）を加熱または冷却することができる。
そして、前記試料（Ｗ）を加熱した場合、試料ホルダ（Ｈ）がホルダ保持部材（４２）に装着されているので、熱は、サイドエントリータイプのように１方向ではなく、ホルダ保持部材（４２）全体（全方向）にほぼ均一に伝導する。したがって、本発明の試料ステージは、均一に熱膨張するので、熱的な試料ドリフトを小さくすることができる。
【００１３】
さらに、前記保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）及びステージ本体支持部材（１８，１８′，１８″）としてピエゾ素子を使用することにより、超高真空のような清浄な雰囲気でも、試料の汚染の原因となる駆動機構を使わず、試料移動と傾斜・回転を行うことができる。
【００１４】
また、前記本発明の透過型電子顕微鏡は、下記の構成要件（Ａ05）を更に備えることもできる。
（Ａ05）前記ホルダ保持部材（４２）をＺ軸方向に移動調節可能に支持する前記保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）。
前記構成要件を備えた本発明の試料ステージでは、前記保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）は、前記ホルダ保持部材（４２）をＺ方向に移動調節可能に支持する。したがって、試料ホルダ（Ｈ）がホルダ保持部材（４２）に装着された時、試料のＺ軸方向が前記球状外周面（１７b，１７b″）の中心（観察位置）と一致していない場合でも、保持部材移動装置（ＨＭ，ＨＭ′）によってＸ，Ｙ，Ｚ軸の３軸方向に調節することができるので、試料の観察したい位置を観察位置（球状外周面（１７b，１７b″）の中心（Ｏ））と一致させることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に図面を参照しながら、本発明の試料ステージ及び荷電粒子線装置の実施の形態の具体例（実施例）を説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
なお、以後の説明の理解を容易にするために、図面において、前後方向をＸ軸方向、左右方向をＹ軸方向、上下方向をＺ軸方向とし、矢印Ｘ，−Ｘ，Ｙ，−Ｙ，Ｚ，−Ｚで示す方向または示す側をそれぞれ、前方、後方、左方、右方、上方、下方、または、前側、後側、左側、右側、上側、下側とする。
また、図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印を意味し、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から裏に向かう矢印を意味するものとする。
【００２０】
（実施例１）
図１は本発明の実施例１の試料ステージを備えた透過型電子顕微鏡（荷電粒子線装置）の説明図である。
図２は前記図１の矢印IIで示す部分の拡大図である。
図３は実施例1の試料ステージの説明図であり、図３Ａは図２のIII−III線断面図、図３Ｂはホルダ搬送装置の保持部の斜視図である。
図４は試料ステージの要部拡大説明図であり、図３ＡのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【００２１】
図１において、透過型電子顕微鏡（荷電粒子線装置）１は、内部を真空に保持された鏡筒２を有し、鏡筒２上端に電子銃３が設けられている。鏡筒２下端部には、観察窓４および、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５が設けられている。また、前記蛍光板５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３の下方には荷電粒子線照射調整用レンズ７が配置され、前記蛍光板５の上方には拡大用電子レンズ８が配置されている。
【００２２】
図２、図３において、前記鏡筒２の側壁にはホルダ挿入口２ａが形成されており、仕切弁１０aを介して前記鏡筒２内部に連通する試料交換室１０が側壁に支持されている。前記試料交換室１０の外端壁には、試料ホルダＨを保持する棒状のホルダ搬送装置Ｃが進退移動可能且つ回転可能に装着されている。前記ホルダ搬送装置Ｃの内端部には、中空円筒状の保持部Ｃ１（図３Ｂ参照）が支持されている。前記保持部Ｃ１には、軸方向に沿って形成されたガイド溝Ｃ１ａ（図３Ｂ参照）と、前記ガイド溝Ｃ１ａの外端に連続して円周方向に沿って形成された保持溝Ｃ１ｂとが、軸対称に２箇所形成されている。なお、本明細書において、前記ホルダ搬送装置Ｃの進退移動する方向をＰ軸方向（着脱方向）とし、ホルダ搬送装置Ｃが進入する方向を＋Ｐ方向、後退する方向を−Ｐ方向とする。そして、ＸＹ平面内において前記着脱方向（Ｐ軸方向）に垂直な方向をＱ軸方向とする。実施例１では、前記Ｐ軸方向及びＱ軸方向は、それぞれＸ軸方向及びＹ軸方向に対して４５°を成す。
図２、図３において、前記荷電粒子線照射調節用レンズ７と拡大用電子レンズ８との間の鏡筒２内部には、試料ステージＳが配置されている。前記試料ステージＳの上下には一対のポールピース１１，１２が配置されている。前記ポールピース１１，１２と試料ステージＳの円筒状の内筒壁１６（図３参照）とは、鏡筒２に固定された部材により固定支持されている。
【００２３】
図３、図４において、前記試料ステージＳの内筒壁１６内部には、ステージ本体１７が配置されている。前記ステージ本体１７は、球体の上下が切除された形状に形成されており、前記ポールピース１１，１２の先端部は、前記切除された部分からステージ本体１７の内部に突出している（図２参照）。前記ステージ本体１７の内部には試料室１７ａが形成されている。また、前記ステージ本体１７は、球体中心Ｏ（図３参照）を中心とした球状外周面１７ｂを有している。前記内筒壁１６及びステージ本体１７には、前記鏡筒２のホルダ挿入口２ａに対応する位置に、前記ホルダ搬送部材Ｃが進退移動する時に通過するためのホルダ挿入口１６ａ及び１７ｃ（図３参照）が形成されている。
前記ステージ本体１７は、ＸＹ平面に沿って配置され且つ前記内筒壁１６に固定支持されたステージ本体支持部材１８によって支持されている。
【００２４】
前記ステージ本体支持部材１８は、前記ステージ本体１７の球状外周面１７ｂをＸ軸方向に押圧しながら当接し（圧接し）、且つ回転可能に支持する前後一対のＸ軸押圧部材２１，２２（図３、図４参照）と、前記球状外周面１７ｂをＹ軸方向に圧接し且つ回転可能に支持する左右一対のＹ軸押圧部材２３，２４（図３参照）とを有する。前記各押圧部材２１〜２４は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に沿って伸縮するピエゾ素子によって構成されており、その外端部が前記内筒壁１６に固定支持されている。そして、前記押圧部材２１〜２４の内端部は、前記ステージ本体１７の球状外周面１７ｂに対し接触・離隔可能（離接可能）に構成されている。したがって、通常時は全ての押圧部材２１〜２４が前記球状外周面１７ｂを押圧してステージ本体１７を支持し、ピエゾ素子が縮んだ時は、押圧部材２１〜２４の内端部が球状外周面１７ｂから離隔する。そして、前記Ｘ軸押圧部材２１，２２どうしを結ぶ直線上に常にステージ本体１７の球体中心Ｏが位置するように、前記Ｘ軸押圧部材２１、２２が配置されている。同様に、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４どうしを結ぶ直線上に球体中心Ｏが常に位置するように、Ｙ軸押圧部材２３，２４が配置されている。
【００２５】
図４において、前側（＋Ｘ側）の前記Ｘ軸押圧部材２１の上方には、第１Ｙ軸回転部材３１が配置され、下方には第２Ｙ軸回転部材３２が配置されている。また、後側（−Ｘ側）の前記Ｘ軸押圧部材２２の上方には第２Ｙ軸回転部材３３が配置され、下方には第１Ｙ軸回転部材３４が配置されている。前記各Ｙ軸回転部材３１〜３４の外端部は前記内筒壁１６に固定支持され、内端部はステージ本体１７に対して離接可能に構成されている。そして、前記各Ｙ軸回転部材３１〜３４はピエゾ素子によって構成されており、球状外周面１７ｂの径方向に伸縮可能且つ、内端部が球状外周面１７ｂの周方向に沿って移動可能に構成されている。したがって、通常時は前記Ｙ軸回転部材３１〜３４が前記ステージ本体１７の球状外周面１７ｂを押圧して前記ステージ本体１７を支持し、Ｙ軸回転部材３１〜３４が径方向に縮んだ時は内端部が球状外周面１７ｂから離隔する。
同様に、前記各Ｙ軸押圧部材２３，２４の上下にも、前記Ｙ軸回転部材３１〜３４と同様に構成されたＸ軸回転部材（図示せず）が配置されている。
前記Ｘ軸押圧部材２１，２２、Ｙ軸押圧部材２３，２４、Ｘ軸回転部材（図示せず）及びＹ軸回転部材３１〜３４によって前記ステージ本体支持部材１８が構成されている。
【００２６】
図５は実施例１の試料ステージの要部拡大図である。
図６は実施例１の試料ステージの試料ホルダ及びホルダ支持部材の斜視図である。
図７は実施例１の試料ステージの試料ホルダ及びホルダ支持部材の説明図であり、図７Ａはホルダ支持部材の平面図、図７Ｂは試料ホルダの平面図、図７Ｃはホルダ保持部材の側面図である。
【００２７】
図３〜図７において、前記ステージ本体１７内部の試料室１７ａには、ホルダ支持部材４１が配置されている。前記ホルダ支持部材４１は、平板状のホルダ保持部材４２（図６参照）を有している。前記ホルダ保持部材４２の前記Ｑ軸方向（ホルダ搬送装置Ｃが進退移動する方向に垂直な方向）両側面にはスライダ４３が固定支持されている。前記スライダ４３は、前記Ｐ軸方向（ホルダ搬送装置Ｃが進退移動する方向）に延びる円柱状のスライド部４３ａを有している。前記スライダ４３の下方にはスライダ支持部材４４が配置されている。前記スライダ支持部材４４は上方に向かって二又状に突出して形成されたクランプ部４４ａを有している。前記クランプ部材４４ａは、前記スライド部４３ａをＰ軸方向に相対的にスライド移動可能且つＰ軸方向回りに回転可能に支持している。また、前記スライダ支持部材４４はＰ軸方向に延びる円柱状の回転軸４４ｂを有している。そして前記回転軸４４ｂは、ステージ本体１７に固定支持された回転支持部材４６（図５参照）のクランプ部４６ａによって回動可能に支持されている。
前記符号４２〜４６に示す部材等によってホルダ支持部材４１が構成されている。
【００２８】
図７において、前記ホルダ保持部材４２は、Ｐ軸方向に沿って形成された断面台形状のホルダ装着溝４２ａ（図７Ｃ参照）を有している。そして、前記ホルダ保持部材４２のホルダ装着溝４２ａの底部には電子ビーム（荷電粒子線）が通過するためのビーム通過孔４２ｂ（図７Ａ参照）が形成されている。また、前記ホルダ装着溝４２ａの−Ｐ側の側壁部には、バネ装着溝４２ｃが形成され、前記バネ装着溝４２ｃには板バネ４８が支持されている。
【００２９】
図７Ｂにおいて、試料Ｗを保持する断面台形状の試料ホルダＨのＱ軸方向両側には、下方に広がるように傾斜する傾斜面（被装着部）Ｈ１が形成されている。したがって、前記傾斜面Ｈ１がホルダ装着溝４２ａに嵌合して、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に装着される。前記傾斜面Ｈ１には、前記板バネ４８と係合する板バネ係合溝Ｈ１ａが、前記板バネ４８の配置された位置に対応して形成されている。また、前記試料ホルダＨは、ヒータ（図示せず）と被給電端子（図示せず）とを有しており、前記ホルダ保持部材４２に設けられた給電端子（図示せず）から給電されることにより試料Ｗを加熱することができる。前記ヒータや給電端子等の試料Ｗを加熱する構成は、例えば特開平１０−１９９４６１号公報等に記載されているので詳細な説明は省略する。
【００３０】
また、前記試料ホルダＨの−Ｐ側端には被保持部Ｈ２が支持されている。前記被保持部Ｈ２には、前記ホルダ搬送装置Ｃのガイド溝Ｃ１ａ及び保持溝Ｃ１ｂに係合する被保持ピンＨ３がＱ軸方向に突出して固定支持されている。前記ホルダ搬送装置Ｃに試料ホルダＨを装着する時は、まず、前記被保持ピンＨ３とガイド溝Ｃ１ａとが係合した状態で被保持部Ｈ２を中空円筒状の保持部Ｃ１内部に挿入する。そして、前記被保持ピンＨ３がガイド溝Ｃ１ａの外端まで挿入された状態で、前記ホルダ搬送装置Ｃを回転（正回転）させると、前記被保持ピンＨ３が保持溝Ｃ１ｂと係合し、試料ホルダＨがホルダ搬送装置Ｃに保持（装着）される。また、前記試料ホルダＨを離脱させる場合は、ホルダ搬送装置Ｃを回転（逆回転）させてからホルダ搬送装置Ｃを後退させることにより、試料ホルダＨを離脱させることができる。これらの手順により、前記試料ホルダＨをホルダ搬送装置Ｃによって搬送してホルダ保持部材４２に装着することができる。そして、前記試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に装着された時、前記板バネ４８が板バネ係合溝Ｈ１ａと係合するので、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に対し堅固に保持される。
【００３１】
図３、図５において、前記ホルダ保持部材４２の＋Ｐ側端部（図３参照）には、ホルダ保持部材４２上面及び下面に当接する上下一対の保持部材移動部材５１，５２が配置されている。同様に、ホルダ保持部材４２の−Ｐ側端部のＱ軸方向両隅（図３参照）には、上下２対の保持部材移動部材５３，５４及び５６，５７が配置されている。図５において、上側（＋Ｚ側）に配置された前記保持部材移動部材５１，５３，５６は、上端部（＋Ｚ端部、外端部）がステージ本体１７の試料室１７ａの上壁に固定支持され、下端部（−Ｚ端部、内端部）がホルダ保持部材４２の上面に離接可能に支持されている。同様に、下側（−Ｚ側）に配置された前記保持部材移動部材５２，５４，５７は、下端部（−Ｚ端部、外端部）がステージ本体１７の試料室１７ａの底壁に固定支持され、上端部（＋Ｚ端部、内端部）がホルダ保持部材４２の下面に離接可能に支持されている。また、前記各保持部材移動部材５１〜５７はピエゾ素子によって構成されており、上下方向（Ｚ軸方向）に伸縮可能且つ、内端部がＰ軸方向及びＱ軸方向に移動可能に構成されている。したがって、通常時は全ての保持部材移動部材５１〜５７がホルダ保持部材４２を上方または下方から圧接して（押圧しながら当接して）支持している。したがって、前記各保持部材移動部材５１〜５７の内端部がホルダ保持部材４２に圧接した状態でＰ軸方向またはＱ軸方向に移動すると、前記ホルダ保持部材４２がＰ軸方向またはＱ軸方向に移動調節される。即ち、前記ホルダ保持部材４２は、Ｐ軸及びＱ軸の配置されたＸＹ平面内で移動調節される。
前記スライダ部材４３、スライダ支持部材４４、回転支持部材４６及び保持部材移動部材５１〜５７等によって、保持部材移動装置ＨＭが構成されている。
【００３２】
（実施例１の作用）
前記構成を備えた実施例１の試料ステージＳを備えた透過型電子顕微鏡１では、試料Ｗが保持された試料ホルダＨが前記試料交換室１０内で前記ホルダ搬送装置Ｃの先端部に装着・保持される。そして、前記試料交換室１０の仕切弁１０ａを開放して、ホルダ搬送装置Ｃを鏡筒２内に進入させる。前記試料ホルダＨがホルダ保持部材４２の装着溝４２ａに装着された状態で、前記ホルダ搬送装置Ｃから試料ホルダＨを離脱させ、ホルダ搬送装置Ｃを後退させる。このとき、前記板バネ４８と板バネ係合溝Ｈ１ａとが係合しているので、試料ホルダＨはホルダ保持部材４２にしっかり（堅固に）固定される。
前記試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に保持された状態で、前記各保持部材移動部材５１〜５７によってホルダ保持部材４２をＸＹ平面内（Ｐ軸方向及びＱ軸方向）で移動調節して、試料Ｗの観察したい位置を電子ビーム（荷電粒子線）が通過する球体中心Ｏ（観察位置）に移動させる。そして、前記上側の保持部材移動部材５１，５３，５６と下側の保持部材移動部材５２，５４，５７とを連動して伸縮させることにより、ホルダ保持部材４２のZ軸方向の位置を移動調節する。この結果、前記各保持部材移動部材５１〜５７のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動調節によって、試料Ｗの観察したい位置と観察位置（球体中心Ｏ）とを一致させることができる。
【００３３】
前記各保持部材移動部材５１〜５７は、ピエゾ素子によって構成されているので、移動調節可能な範囲が限定される。限定された範囲（マイクロメータ程度）を超えて移動調節する場合、前記各保持部材移動部材５１〜５７の内端部がある程度（移動限界近く）まで移動した状態で、前記保持部材移動部材５１〜５７のうち、例えば、上下1対の保持部材移動部材５１，５２のみＺ軸方向に短縮させて内端部をホルダ保持部材４２から離隔させる。このとき、前記ホルダ保持部材４２は残りの２対の保持部材移動部材５３〜５７によって保持されている。そして、短縮させた保持部材移動部材５１，５２のＰ軸方向及びＱ軸方向の移動（変形）を初期状態に戻した後で、Ｚ軸方向に伸張させてホルダ保持部材４２に圧接させると、前記保持部材移動部材５１，５２は再びＸＹ平面内で移動調節可能となる。同様にして、他の２対の保持部材移動部材５３〜５７それぞれを初期状態に戻すと、前記ホルダ保持部材４２を前記限定された範囲を超えて移動調節することができる。
【００３４】
前述の移動調節によって試料Ｗの観察したい位置を観察した時に試料Ｗの結晶軸と電子ビームの光軸（Ｚ軸）とが一致していない場合、前記ステージ本体支持部材１８によって球体中心Ｏを中心としてＸ軸回り及びＹ軸回りに前記ステージ本体１７を回転調節することにより、試料Ｗの結晶軸と電子ビームの光軸とを一致させることができる。
【００３５】
Ｙ軸回りに回転させる場合、前記ステージ本体支持部材１８の内、ピエゾ素子によって構成された前記Ｘ軸押圧部材２１，２２（図4参照）及びＸ軸回転部材（図示せず）の内端部をステージ本体１７から離隔させる。このとき、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４（図3参照）の押圧によって形成される回転軸がＹ軸と一致する。そして、図４において、例えば、前記Ｙ軸回転部材３１〜３４を、Ｙ軸（紙面に対して垂直な方向）回りに反時計方向に移動させることにより、前記ステージ本体１７がＹ軸回りに反時計方向に回転する。このとき、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４によって回転軸（Ｙ軸）が固定され且つ、観察位置（球体中心Ｏ）がＹ軸上に位置しているので、Ｙ軸回りに回転調節しても、観察位置（球体中心Ｏ）がずれない。
なお、このときのステージ本体１７の傾斜角度の最小値である最小傾斜角は、Ｙ軸回転部材３１〜３４の移動量によって決まり、ピエゾ素子によって構成された前記Ｙ軸回転部材３１〜３４の移動量はマイクロメータ程度であるので、最小回転角は１０^-4［rad］程度となる。
【００３６】
前記Ｙ軸回転部材３１〜３４はピエゾ素子によって構成されているので、回転可能な範囲は限定される。限定された範囲を超えて回転させる場合、前記Ｙ軸回転部材３１〜３４の内端部がある程度移動した状態で、前記Ｙ軸回転部材３１〜３４のうち、第１Ｙ軸回転部材３１，３４を径方向に縮めて、内端部をステージ本体１７の球状外周面１７ｂから離隔させる。このとき、前記ステージ本体１７は第２Ｙ軸回転部材３２，３３及びＹ軸押圧部材２３，２４によって保持されている。そして、前記第１Ｙ軸回転部材３１，３４の反時計方向の移動（変形）を初期状態に戻した後、径方向に伸ばして第１Ｙ軸回転部材３１，３４の内端部を球状外周面１７ｂに圧接させると、前記第１Ｙ軸回転部材３１，３４によってさらに回転調節することができる。同様にして、第１Ｙ軸回転部材３１，３４及びＹ軸押圧部材２３，２４によってステージ本体１７を保持した状態で、第２Ｙ軸回転部材３２，３３を初期状態に戻すことにより、限定された範囲を超えて第１Ｙ軸回転部材３１，３４及び第２Ｙ軸回転部材３２，３３で回転調節することができる。
【００３７】
なお、第１Ｙ軸回転部材３１，３４と第２Ｙ軸回転部材３２，３３とを同時にステージ本体１７の球状外周面１７ｂに圧接させず、例えば、第１Ｙ軸回転部材３１，３４で回転調節している間は、第２Ｙ軸回転部材３２，３３をステージ本体１７から離隔させておくことも可能である。この場合、第１Ｙ軸回転部材３１，３４で回転調節可能な範囲まで回転調節した状態で、第２Ｙ軸回転部材３２，３３を圧接させた後、第１Ｙ軸回転部材３１，３４を離隔させることにより、第１Ｙ軸回転部材３１，３４を初期状態に戻す間、第２Ｙ軸回転部材３２，３３によってステージ本体１７を回転調節することができ、短時間で効率的にステージ本体１７を回転調節することができる。
【００３８】
前記ステージ本体１７をＸ軸回りに回転させる場合は、Ｙ軸回りに回転させる場合と同様に、Ｙ軸押圧部材２３，２４及びＹ軸回転部材３１〜３４をステージ本体１７から離隔させた状態で、Ｘ軸回転部材（図示せず）の内端部を移動させることによって、ステージ本体１７を、Ｘ軸押圧部材２１，２２により形成される回転軸（Ｘ軸）回りに回転させることができる。このとき、前記Ｘ軸押圧部材２１，２２によって常に回転軸（Ｘ軸）が固定され且つ、Ｘ軸が球体中心Ｏ（観察位置）がＸ軸上に位置しているので、Ｘ軸回りに回転調節しても、観察位置がずれない。
【００３９】
したがって、実施例１の試料ステージＳを備えた透過型電子顕微鏡１では、ステージ本体１７をＸ軸及びＹ軸回りに回転調節しても、ステージ本体１７の観察位置（球体中心Ｏ）が回転軸（Ｘ軸又はＹ軸）上に常に位置しているので、観察位置が移動しない（ずれない）。即ち、２軸ユーセントリック機構が実現し、２軸回りに回転させて結晶性の試料Ｗの結晶軸と電子ビームの光軸とを一致させる場合でも、試料を観察している位置、視野及び試料高さが変わらないので、ユーザーは非常に容易に試料の傾斜・回転を行うことができる。
また、前記試料ステージＳのホルダ保持部材４２は、保持部材移動装置ＨＭによってＸＹ平面内で移動調節可能に支持され、且つＺ軸方向にも移動調節可能に支持されているので、試料Ｗの任意の場所を観察することができる。
【００４０】
また、実施例１の試料ステージＳでは、前記保持部材移動装置ＨＭ及びステージ本体支持部材１８としてピエゾ素子を使用しているので、一般の駆動機構を使用した場合に部材どうしが擦れて発生するパーティクル（微粒子）等による試料の汚染を防止できる。また、一般の駆動機構では、部材のスライド移動を滑らかにするために潤滑剤が使用されるが、潤滑剤には油成分が含まれているので、前記油成分によって試料が汚染される場合がある。実施例１の試料ステージＳでは、前述のようにピエゾ素子を使用しているので、前記油成分による試料汚染も防止できる。
したがって、超高真空のような清浄な雰囲気でも、試料を汚染せずに試料ＷのＸＹ平面内及びＺ軸方向の移動や、Ｘ軸、Ｙ軸回りの傾斜・回転を行うことができる。
【００４１】
さらに、試料ホルダＨはヒータを備えており、試料Ｗを加熱して観察することができる。そして、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２の装着溝４２ａに装着されるので、サイドエントリータイプのように１方向（ゴニオメータの軸方向）ではなく、全体（全方向）にほぼ均一に熱が伝導する。したがって、ヒータによる熱や電子ビームが照射された時に発生する熱で試料ホルダＨ等が不均一に熱膨張することによって発生する、試料Ｗの熱的な試料ドリフトが防止される。
【００４２】
また、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に装着され、且つ試料ステージＳの内筒壁１６を固定支持している部材がポールピース１１，１２を支持しているので、試料ホルダＨはポールピース１１，１２の近傍に固定支持され、且つ鏡筒２に対して固定支持されている。即ち、試料ホルダＨと内筒壁１６を支持する鏡筒２との間の剛性が、サイドエントリータイプのゴニオメータに比べ高くなり、外部振動等に対して構造的に強くなる。
【００４３】
さらに、実施例１のホルダ支持部材４１では、前記ホルダ保持部材４２は、スライド部４３ａがクランプ部４４ａに対してＰ軸方向にスライド移動可能に支持され、且つスライド部４３ａ及び回転軸４４ｂがそれぞれクランプ部４４ａ、４６ａに対して回動可能に支持されている。保持部材移動部材５１〜５７によるホルダ保持部材４２の移動調節時に、保持部材移動部材５１〜５７がホルダ保持部材４２を押圧する力や、各保持部材移動部材５１〜５７とホルダ保持部材４２とが当接する面の平滑度が不均一であったとき、各保持部材移動部材５１〜５７とホルダ保持部材４２とが当接する位置で、移動調節される量に差（ばらつき）が生じる可能性がある。
仮に、前記ホルダ支持部材４１がスライダ４３、スライダ支持部材４４及び回転支持部材４６を有さず、３組の保持部材移動部材５１〜５７のみによってホルダ保持部材４２が支持されている場合、移動調節される量にばらつきが生じると、ホルダ保持部材４２の移動方向が定まらずにＸＹ平面内で回転しながら移動してしまうことがある。
しかしながら、実施例１のホルダ支持部材４１では、前記各保持部材移動部材５１〜５７の内端部がＰ軸方向またはＱ軸方向に移動した時に移動調節される量にばらつきが生じても、クランプ部４４ａ、４６ａ等によって、ホルダ保持部材４２の移動がＰ軸方向またはＱ軸方向に沿う方向に規制される。即ち、ホルダ保持部材４２が、ＸＹ平面内で回転することを防止することができる。
【００４４】
（実施例２）
図８は実施例２の試料ステージの要部拡大説明図であり、前記実施例１の図４に対応する図である。
図９は実施例２の試料ステージの要部拡大図であり、前記実施例１の図５に対応する図である。
なお、この実施例２の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００４５】
図８において、実施例２の試料ステージＳ′は、球状外周面１７ｂの径方向及び円周方向に移動可能な実施例１のＹ軸回転部材３１〜３４に替えて、円周方向にのみ移動可能なＹ軸回転部材３１′〜３４′を有している。そして、前記第１Ｙ軸回転部材３１′及び第２Ｙ軸回転部材３３′それぞれの外端部は、径方向にのみ伸縮可能な第１Ｙ軸圧接部材３６（図８参照）及び第２Ｙ軸圧接部材３７によって固定支持されている。前記第１Ｙ軸圧接部材３６及び第２Ｙ軸圧接部材３７は、それぞれ、内筒壁１６′に形成されたＹ軸圧接部材収容孔１６ａ′，１６ｂ′に収容されている。
Ｘ軸回転部材（図示せず）も、前記Ｙ軸回転部材３１′〜３４′及びＹ軸圧接部材３６，３７と同様に構成されている。
前記Ｘ軸押圧部材２１，２２、Ｙ軸押圧部材２３，２４、Ｘ軸回転部材（図示せず）、Ｙ軸回転部材３１′〜３４′及びＹ軸圧接部材３６，３７によってステージ本体支持部材１８′が構成されている。
【００４６】
図９において、ホルダ保持部材４２の上部にはホルダ保持部材４２の上面に対向して上板６１が配置されている。前記上板６１の下面には保持部材移動部材５１′，５３′，５６′の上端部（＋Ｚ端部、外端部）が固定支持されている。実施例２の保持部材移動部材５１′〜５７′は、実施例１の保持部材移動部材５１〜５７と異なり、ホルダ保持部材４２の上面または下面に沿う方向（ＸＹ平面に沿う方向）のみに移動可能に構成されている。
【００４７】
そして、前記上板６１の下面と前記試料室１７ａの底部との間には上下方向（Ｚ軸方向）に伸縮可能なピエゾ素子によって構成された３つの移動部材圧接部材６６が支持されている。前記３つの移動部材圧接部材６６（１つ図示せず）は、それぞれ、３組の保持部材移動部材（５１′，５２′）、（５３′，５４′）、（５６′，５７′）に対応して配置されている。即ち、保持部材移動部材５６′，５７′に対応する移動部材圧接部材６６は、球体中心Ｏと保持部材移動部材５６′，５７′とを結ぶ直線の延長線上に配置されている。したがって、保持部材移動部材５６′，５７′に対応する前記移動部材圧接部材６６を伸ばした場合、その部分の上板６１が持ち上がり、保持部材移動部材５６′，５７′がホルダ保持部材４２を押圧する力が弱まる（ほとんどゼロになる）。したがって、保持部材移動部材５６′，５７′は、その内端部がホルダ保持部材４２の表面を滑って初期状態に戻すことができる。このとき、その他の保持部材移動部材５１′〜５４′がホルダ保持部材４２を押圧する力はほとんど低下せず、ホルダ保持部材４２はその他の保持部材移動部材５１′〜５４′によって保持されている。したがって、保持部材移動部材５６′，５７′が初期状態に戻る時、ホルダ保持部材４２はＸＹ平面内で移動しない。
前記スライダ４３、スライダ支持部材４４、回転支持部材４６及び保持部材移動部材５１′〜５７′等によって、保持部材移動装置ＨＭ′が構成されている。
【００４８】
（実施例２の作用）
前記構成を備えた実施例２の試料ステージＳ′を備えた透過型電子顕微鏡（荷電粒子線装置）では、保持部材移動部材５１′〜５７′によってホルダ保持部材４２がＸＹ平面内で移動調節される。ピエゾ素子によって構成された前記保持部材移動部材５１′〜５７′によって限定された範囲を超えて移動調節する場合、前記各保持部材移動部材５１′〜５７′がある程度（移動限界近く）まで移動した状態で、前記３つの移動部材圧接部材６６のうちいずれかを伸ばす。そして、伸ばした移動部材圧接部材６６に対応する保持部材移動部材を初期状態に戻した後、移動部材圧接部材６６を縮める。これを繰り返し、３組の保持部材移動部材５１′〜５７′の全てを初期状態に戻すと、限定された範囲を超えて前記ホルダ保持部材４２を移動調節することができる。
【００４９】
結晶性の試料Ｗの結晶軸と電子ビーム（荷電粒子線）の光軸（Ｚ軸）とが一致していない場合、Ｘ軸回り及びＹ軸回りに前記ステージ本体１７を傾斜・回転調節して試料Ｗの結晶軸と電子ビームの光軸とを一致させても観察位置が移動しない（ずれない）。
Ｙ軸回りに回転させる場合、実施例１と同様に、ピエゾ素子によって構成された前記Ｘ軸押圧部材２１，２２を離隔させ、Ｘ軸回転部材がステージ本体１７を押圧する力を弱める。そして、図８において、前記Y軸回転部材３１′〜３４′の内端部をY軸（紙面に対して垂直な方向）を中心として反時計方向に移動させると、前記ステージ本体１７がY軸回りに反時計方向に回転する。このとき、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４によって常に回転軸（Ｙ軸）が固定され、且つＹ軸が観察位置（球体中心Ｏ）を通過するので、Ｙ軸回りに回転調節しても、観察位置がずれない。
【００５０】
ピエゾ素子によって構成された前記Y軸回転部材３１′〜３４′によって限定された範囲を超えて回転調節する場合、前記Y軸回転部材３１′〜３４′の内端部がある程度移動した状態で、前記第１Ｙ軸圧接部材３６を縮める。このとき、前記第１Ｙ軸回転部材３１′，３４′が球状外周面１７ｂを圧接する力が弱まる（ほとんどゼロになる）ので、第１Ｙ軸回転部材３１′，３４′を初期状態に戻す時に、第１Ｙ軸回転部材３１′，３４′の内端部が球状外周面１７ｂ上を滑って戻すことができる。そして、前記第１Ｙ軸回転部材３１′，３４′を初期状態に戻した後、前記第１Ｙ軸圧接部材３６を伸ばして、第１Ｙ軸回転部材３１′，３４′を球状外周面１７ｂに圧接する。同様にして、第２Ｙ軸回転部材３２′，３３′を初期状態に戻すと、限定された範囲を超えてＹ軸回転部材３１′〜３４′によって回転調節することができる。同様にして、Ｘ軸回りにも限定された範囲を超えて回転調節することができる。
【００５１】
したがって、実施例２の試料ステージＳ′を備えた透過型電子顕微鏡では、実施例１の試料ステージＳと同様に、２軸ユーセントリック機構が実現し、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸回りに回転させて結晶性の試料Ｗの結晶軸と前記光軸とを一致させる場合でも、試料を観察している位置や視野や試料高さが変わらないので、ユーザーは非常に容易に試料の傾斜・回転調節を行うことができる。また、前記試料ステージＳ′のホルダ保持部材４２は、保持部材移動装置ＨＭ′によって、ＸＹ平面内で移動調節可能に支持されているので、試料Ｗの任意の場所を観察することができる。
【００５２】
さらに、実施例２の試料ステージＳ′では、ピエゾ素子によって構成された前記保持部材移動装置ＨＭ′及びステージ本体支持部材１８′を使用しているので、一般の駆動機構を使用した時に発生するパーティクル（微粒子）等の発生を防止できる。したがって、超高真空のような清浄な雰囲気でも、試料を汚染せずに試料のＸＹ平面内の移動や、Ｘ軸、Ｙ軸回りの傾斜・回転を行うことができる。また、実施例１と同様に、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２に装着されるので、全体にほぼ均一に熱が伝導する。したがって、試料Ｗの熱的な試料ドリフトを防止することができる。さらに、実施例１と同様に、試料ホルダＨがホルダ保持部材４２にしっかり装着されるので、試料Ｗと鏡筒２との間の剛性が、サイドエントリータイプのゴニオメータに比べ高くなる。即ち、実施例２の試料ステージＳ′も、外部振動等に対して構造的に強い。
【００５３】
（実施例３）
図１０は実施例３の試料ステージの説明図であり、前記実施例１の図３に対応する図である。
図１１は実施例３の試料ステージの側方から見た説明図である。
図１２は実施例３の試料ステージの回転部材を駆動する駆動装置の説明図である。
なお、この実施例３の説明において、前記実施例１の構成要素に対応する構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００５４】
図１０、図１１において、実施例３の試料ステージＳ″では、ステージ本体１７″の球状外周面１７ｂ″にガイド溝１７ｄ″（図１１参照）が形成されている。前記ガイド溝１７ｄ″はステージ本体１７″の外周に沿って形成されており、図１１に示すように、溝の幅は上下方向中央部で最も狭く、上方及び下方に行くに従って広くなるように形成されている。前記ガイド溝１７ｄ″は各押圧部材２１〜２４それぞれに対応して形成されており、回転調節する前の初期状態では前記各押圧部材２１〜２４はガイド溝１７ｄ″中央部の溝幅の最も狭い部分（最狭部）１７ｄ１″に当接する。そして、前記ステージ本体１７″をＹ軸回り（又はＸ軸回り）に最大限回転調節させた後、Ｘ軸押圧部材２１，２２（又はＹ軸押圧部材２３，２４）をステージ本体１７″に当接させた時に、Ｘ軸押圧部材２１，２２（又はＹ軸押圧部材２３，２４）の内端部（当接部）が球状外周面１７ｂ″でなくガイド溝１７ｄ″に当接するように前記ガイド溝１７ｄ″の溝の幅が設定されている。
【００５５】
また、実施例３の試料ステージＳ″では、実施例１のＸ軸回転部材及びＹ軸回転部材３１〜３４の替わりに、ステージ本体回転部材７０によってステージ本体１７″を回転可能に支持している。前記ステージ本体回転部材７０は、ステージ本体１７″の球状外周面１７ｂ″の上下方向（Ｚ軸方向）中央部から＋Ｐ方向に突出した状態で固定支持されたＰ側レバー７１と、＋Ｑ方向に突出した状態で固定支持されたＱ側レバー７２とを有している。
【００５６】
図１２において、前記Ｐ側レバー７１の上方にはレバー押圧プレート７６が当接している。前記レバー押圧プレート７６と鏡筒２との間には圧縮バネ７７が支持されており、前記レバー押圧プレート７６は常に下方に付勢されている。前記Ｐ側レバー７１の下方にはレバー位置調節部材７８が配置されている。前記レバー位置調節部材７８は、前記Ｐ側レバー７１に当接する頂壁７８ａと、前記頂壁７８ａの両端部が折り曲げて形成された被ガイド部７８ｂとを有している。前記レバー位置調節部材７８の下方（−Ｚ方向）にはガイド部材７９が図示しない支持部材によって鏡筒２に固定支持されている。前記ガイド部材７９は、ネジ孔７９ａが形成された底壁７９ｂと、前記底壁７９ｂの両端部から上方に突出して形成されたガイド部７９ｃとを有する。前記ガイド部７９ｃは、その内側面が前記被ガイド部７８ｂの外側面に当接して、前記レバー位置調節部材７８の上下方向（Ｚ軸方向）のスライド移動をガイドする。
【００５７】
前記レバー位置調節部材７８及びガイド部材７９の内部には、前記ネジ孔７９ａに螺合する調節ネジ８１が配置されている。前記調節ネジ８１の上端には当接球８１ａが支持されており、前記当接球８１ａは前記レバー位置調節部材７８頂壁７８ａの下面に当接している。前記調節ネジ８１の下端には被駆動ギア８２が固定支持されている。そして、前記被駆動ギア８２と噛合う駆動ギア８３を回転駆動する駆動モータ８４が鏡筒２に固定支持されている。
【００５８】
前記駆動モータ８４を正転・逆転させて駆動ギア８３を回転駆動すると、前記調節ネジ８１が上下方向（Ｚ軸方向）に移動する。前記調節ネジ８１の上下方向の移動によりレバー位置調節部材７８が上下方向に移動し、前記Ｐ側レバー７１の上下方向の位置が調節される。
また、前記Ｑ側レバー７２も、前記Ｐ側レバー７１と同様に、レバー押圧プレート７６及びレバー位置調節部材７８によって挟持されており、駆動モータ８４を回転駆動することによって、上下方向に位置調節される。
前記各レバー７１，７２、レバー押圧プレート７６、圧縮バネ７７、レバー位置調節部材７８、ガイド部材７９、調節ネジ８１、被駆動ギア８２、駆動ギア８３及び駆動モータ８４等によって前記ステージ本体回転部材７０が構成されている。そして、前記ステージ本体回転部材７０、前記Ｘ軸押圧部材２１，２２及び、Ｙ軸押圧部材２３，２４等によってステージ本体支持部材１８″が構成されている。
【００５９】
（実施例３の作用）
前記構成を備えた実施例３の試料ステージＳ″を有する透過型電子顕微鏡（荷電粒子線装置）では、ステージ本体１７″をＹ軸回りに回転調節する場合、Ｘ軸押圧部材２１，２２を縮め、球状外周面１７ｂ″から離隔させ、Ｙ軸押圧部材２３，２４のみでステージ本体１７″を支持する。そして、前記各レバー７１，７２の駆動モータ８４、８４を駆動させて、Ｐ側レバー７１及びＱ側レバー７２を共に上方又は下方に移動させる。このとき、図１０において、前記球状外周面１７ｂ″の円周方向に沿ってＰ側レバー７１とＱ側レバー７２との間にＹ軸押圧部材２３，２４が配置されてないので、各レバー７１，７２を同じ方向（上方又は下方）に移動させることによって、ステージ本体１７″をＹ軸回りに回転させることができる。このとき、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４によって常に回転軸（Ｙ軸）が固定され、且つＹ軸が観察位置（球体中心Ｏ）を通過するので、Ｙ軸回りに回転調節しても、観察位置がずれない。
【００６０】
さらに、実施例３の試料ステージＳ″では、ステージ本体１７″をＹ軸回りに回転させる時、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４がガイド溝１７ｄ″の最狭部１７ｄ１″に配置されている。したがって、Ｙ軸押圧部材２３，２４は、Ｙ軸回りの回転調節中、最狭部１７ｄ１″の両溝壁によって挟まれ、水平面内（ＸＹ平面内）で移動不能に支持されている。前記ガイド溝１７ｄ″を設けない場合、ステージ本体１７″をＹ軸回りに回転調節中に、球状外周面１７ｂ″の凹凸等によって球状外周面１７b″とＹ軸押圧部材２３，２４との当接位置がずれたり、ステージ本体１７″がＺ軸回りに回転したりすることがある。しかしながら、実施例３の試料ステージＳ″では、前記Ｙ軸押圧部材２３，２４が水平面内で移動不能に支持されているので、前記Ｚ軸回りの回転等が防止され、Ｙ軸回りの回転調節を安定化することができる。
【００６１】
前記ステージ本体１７″をＸ軸回りに回転調節する場合、Ｙ軸押圧部材２３，２４を縮めて球状外周面１７ｂ″から離隔させ、Ｘ軸押圧部材２１，２２のみでステージ本体１７″を支持する。そして、前記Ｐ側レバー７１の駆動モータ８４を正回転駆動させてＰ側レバー７１を上方に移動させ且つ、Ｑ側レバー７２の駆動モータ８４を逆回転駆動させてＱ側レバー７２を下方に移動させることによって、Ｘ軸を回転軸として＋Ｙ側が上方（＋Ｚ方向）に移動するように前記ステージ本体１７″を回転調節することができる。前記ステージ本体１７″をＸ軸回りに逆方向に回転調節する場合、Ｐ側レバー７１の駆動モータ８４を逆回転駆動させ、Ｑ側レバー７２の駆動モータ８４を正回転駆動させればよい。前記回転調節の際、Ｘ軸押圧部材２１，２２によって常に回転軸（Ｘ軸）が固定され且つ、Ｘ軸が観察位置（球体中心Ｏ）を通過するので、観察位置がずれない。
なお、Y軸回りの回転調節を行う前にＸ軸回りの回転調節をする場合、前記Ｘ軸押圧部材２１，２２がガイド溝１７ｄ″の最狭部１７ｄ１″によって水平面内で移動不能に挟持されているので、ステージ本体１７″のＺ軸回りの回転等を防止でき、Ｘ軸回りの回転調節を安定化することができる。
【００６２】
したがって、実施例３の試料ステージＳ″を備えた透過型電子顕微鏡では、実施例１の試料ステージＳと同様に、２軸ユーセントリック機構が実現し、Ｘ軸、Ｙ軸の２軸回りに回転させて結晶性の試料Ｗの結晶軸と前記光軸とを一致させる場合でも、試料を観察している位置や視野や試料高さが変わらないので、ユーザーは非常に容易に試料の傾斜・回転調節を行うことができる。また、その他の構成は実施例１と同様であるため、実施例１と同様の作用を有する。
【００６３】
なお、前記各レバー７１，７２は、実施例３のようにＸ軸及びＹ軸と４５°の角を成すように配置するのが望ましいが、４５°より大きい角度や小さい角度で配置することも可能である。また、各レバー７１，７２どうしのなす角が９０°より大きい角や小さい角とすることも可能である。
【００６４】
（変更例）
以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内で、種々の変更を行うことが可能である。本発明の変更実施例（Ｈ01）〜（Ｈ09）を下記に例示する。
（Ｈ01）前記各実施例において、試料ホルダＨにヒータを備えず、ホルダ保持部材４２等を断熱部材で形成して、冷却した試料ホルダＨを装着することにより試料Ｗを冷却した状態で観察することもできる。
（Ｈ02）前記各実施例において、ホルダ保持部材４２を上下方向（Ｚ軸方向）に移動調節可能に支持する保持部材移動部材を別に備えることもできる。例えば、試料室１７ａの底部に、上下方向に伸縮可能なピエゾ素子を複数配置し、そのピエゾ素子の上部に下板を支持する。そして、前記下板の上面に回転支持部材４６、及び下側の保持部材移動部材５２，５４，５７の下部を固定支持する。前記構成により、ピエゾ素子を上下方向に伸縮させることによって、ホルダ保持部材４２の上下方向（Ｚ軸方向）を調節することができ、試料ＷのＺ軸方向の位置を観察位置（球体中心Ｏ）に一致させることができる。
【００６５】
（Ｈ03）前記各実施例において、試料ステージＳ，Ｓ′全体を鏡筒２に対し、上下方向（Ｚ軸方向）に移動調節する保持部材移動部材を備えることも可能である。この場合も、前記試料Ｗの上下方向（Ｚ軸方向）の位置を観察位置（球体中心Ｏ）に一致させることができる。
（Ｈ04）前記各実施例において、ステージ本体１７を従来公知の慣性駆動機構を使用して回転調節するよう構成することも可能である。この場合、Ｘ軸回転部材及びＹ軸回転部材を省略し、Ｘ軸押圧部材２１，２２及びＹ軸押圧部材２３，２４のみでステージ本体支持部材１８を構成することができる。
（Ｈ05）前記各実施例において、Ｘ軸回転部材（図示せず）及びＹ軸回転部材３１〜３４、３１′〜３４′によってステージ本体１７の回転調節を行ったが、例えば、回転部材と球体中心Ｏとを結ぶ直線の成す中心角が互いに１２０°の位置に配置された3つの回転部材と、押圧部材２１〜２４とによってステージ本体１７を支持し、前記３つの回転部材の周方向の移動を組み合わせてＸ軸回り及びＹ軸回りにステージ本体１７を回転調節することも可能である。なお、前記３つの回転部材は同一平面内に配置することも可能であるし、同一平面内に配置しないことも可能である。また、回転部材の数も３つでなくそれ以上の任意の数使用することもできる。
【００６６】
（Ｈ06）前記各実施例において、試料ホルダＨの着脱方向を変更することにより、Ｐ軸方向及びＱ軸方向と、Ｘ軸方向及びＹ軸方向とを一致させることも可能である。
（Ｈ07）前記各実施例において、直交するＸ軸、Ｙ軸を回転軸としてステージ本体１７を傾斜・回転調節したが、Ｘ軸、Ｙ軸が直交せず、交差する角度が９０°以外のＸ軸及びＹ軸を回転軸として傾斜・回転調節することもできる。
（Ｈ08）前記各実施例において、押圧部材２１〜２４のピエゾ素子が縮んだ時に押圧部材２１〜２４と球状外周面１７ｂとが離隔するよう構成したが、押圧部材２１〜２４内端部と球状外周面１７ｂとが離隔せず、押圧力がほとんどゼロの状態で当接し、相互に滑るように構成することも可能である。
（Ｈ09）前記実施例1及び２において、ステージ本体１７，１７ｃ′の外周面に実施例３のガイド溝１７ｄ″を形成することも可能である。
【００６７】
【発明の効果】
前述の本発明の試料ステージ及び荷電粒子線装置は、下記の効果（Ｅ01）〜（Ｅ05）を奏することができる。
（Ｅ01）２軸（Ｘ軸、Ｙ軸）回りに傾斜しても試料の観察位置が光軸から移動しないようにすることができる。
（Ｅ02）サイドエントリータイプに比べ、試料ステージがポールピース近傍で固定支持されているので、試料と鏡筒間の剛性を高くすることができる
（Ｅ03）試料ステージを光軸に対して軸対称に配置することによって、均一に熱膨張し、熱ドリフトを小さくすることができる。
（Ｅ04）シンプルな構成で試料の加熱、冷却を可能にすることができる。
（Ｅ05）超高真空のような清浄な雰囲気で試料の汚染の原因となる駆動機構を使わない試料移動と傾斜を可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の実施例の試料ステージを備えた透過型電子顕微鏡（荷電粒子線装置）の説明図である。
【図２】図２は前記図１の矢印IIで示す部分の拡大図である。
【図３】図３は実施例1の試料ステージの説明図であり、図３Ａは図２のIII−III線断面図、図３Ｂはホルダ搬送装置の保持部の斜視図である。
【図４】図４は試料ステージの要部拡大説明図であり、図３ＡのＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図５は実施例１の試料ステージの要部拡大図である。
【図６】図６は実施例１の試料ステージの試料ホルダ及びホルダ支持部材の斜視図である。
【図７】図７は実施例１の試料ステージの試料ホルダ及びホルダ支持部材の説明図であり、図７Ａはホルダ支持部材の平面図、図７Ｂは試料ホルダの平面図、図７Ｃはホルダ支持部材の側面図である。
【図８】図８は実施例２の試料ステージの要部拡大説明図であり、前記実施例１の図４に対応する図である。
【図９】図９は実施例２の試料ステージの要部拡大図であり、前記実施例１の図５に対応する図である。
【図１０】図１０は実施例３の試料ステージの説明図であり、前記実施例１の図３に対応する図である。
【図１１】図１１は実施例３の試料ステージの側方から見た説明図である。
【図１２】図１２は実施例３の試料ステージの回転部材を駆動する駆動装置の説明図である。
【符号の説明】
Ｈ…試料ホルダ、ＨＭ，ＨＭ′…保持部材移動装置、Ｈ１…被装着部、Ｓ，Ｓ′…試料ステージ、試料…Ｗ、鏡筒…２、１７，１７″…ステージ本体、１７ｂ，１７ｂ″…球状外周面、１８，１８′，１８″…ステージ本体支持部材、４２…ホルダ保持部材、４２ａ…ホルダ装着溝。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sample stage that moves while holding a sample in a charged particle beam apparatus such as a TEM (Transmission Electron Microscope), and a charged particle beam apparatus including the sample stage. The present invention relates to a sample stage and a charged particle beam apparatus having a eucentric mechanism in which the tilt center does not move when the sample is tilted with respect to the direction in which the beam passes.
[0002]
[Prior art]
In general, in an electron microscope such as a TEM, a sample holder for holding a sample is held by a sample moving device so as to be movable and adjustable with respect to the optical axis of the electron beam. It is an important issue for the sample moving device to move quickly and accurately to a position where a field of view (an observation target portion of the sample) desired by the user can be photographed or observed. At present, the magnification of the electron microscope exceeds 1 million times. This means that the accuracy of sample movement has reached sub-nanometers. Furthermore, although the sample moving speed is in the range of several millimeters of the sample size of the electron microscope, it is required that the distance can be moved in the shortest possible time. Further, when observing a crystalline sample, it is necessary to observe the crystal axis of the sample and the optical axis (Z axis) of the electron beam of the electron microscope. For this purpose, it is necessary to incline the sample around two axes of the X axis and the Y axis. In view of these points, at present, the following two types of devices (goniometers) for moving and tilting the sample are broadly used. (1) Top entry type
(2) Side entry type
[0003]
(1) Top entry type
A top entry type goniometer (a sample moving device with an inclination mechanism) has a sample stage movable in the XY directions. The sample is attached to a cylindrical sample tube, and this cylindrical tube is mounted on the sample stage. The sample in the sample cylinder mounted on the sample stage is tilted by a double gimbal mechanism. The double gimbal mechanism is a conventionally known mechanism for inclining a sample, and is described in, for example, Japanese Utility Model Publication No. 49-39006, and detailed description thereof is omitted.
In the top entry type, since the sample is held on the objective lens fixed to the lens barrel, the rigidity between the sample and the lens barrel is high, and the image of the sample does not easily shake due to external vibration or the like. In addition, when the sample is heated, this heat is conducted almost uniformly around the sample tube, so that it has a strong characteristic against thermal sample drift (a phenomenon in which the position of the sample changes due to thermal expansion of a member, etc.). Yes.
[0004]
(2) Side entry type
A side entry type goniometer is arranged on the side of a lens barrel of an electron microscope, and a sample is attached to the tip of a rod-shaped sample holder that penetrates the goniometer. In the side entry type goniometer, since the sample holder is mounted from the side of the lens barrel, the inside of the rod-shaped sample holder is made hollow to supply a heater current for a heater for heating the sample, By inserting a metal rod cooled by the above, it is possible to relatively easily heat and cool the sample at the tip of the sample holder. Further, when the sample is tilted about the axis direction of the sample holder (when tilted about one axis), the axis connecting the tilt center of the spherical bearing of the goniometer and the observation position of the sample is aligned with the axis of the goniometer. By tilting around, a mechanism (one-axis eucentric mechanism) in which the observation position of the sample does not move is realized.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
(Problems of the top entry type)
In the top entry type goniometer, since the sample is tilted by the double gimbal mechanism, if the observation position is deviated from the tilt center of the sample, the sample height and field of view move when the sample is tilted. is there. In the top entry type, when the sample is cooled, it is necessary to cool the entire sample stage, which requires a large-scale apparatus for practical use. Furthermore, in this sample holder, the size of the sample tube cannot be made smaller than the size of the sample, and the sample tube must be inserted into a gap (insertion hole) formed in the pole piece of the objective lens. Therefore, the hole diameter of the magnetic pole on the upper side of the pole piece is limited to the size of the sample cylinder. In order to obtain a high-resolution image, it is necessary to reduce the hole diameter of the pole piece in order to obtain a pole piece having a small aberration coefficient. Therefore, it is difficult to obtain a high-resolution image with the top entry type.
[0006]
(Problems of the side entry type)
The side entry type goniometer has a eucentric mechanism for tilting around one axis, but it is usually practical to tilt the sample around two axes in order to align the crystal axis of the sample. Requires that the sample be tilted about another axis. The side entry type goniometer cannot have a eucentric mechanism that can be tilted about two axes, so in actuality, when the sample is tilted, the observation part of the sample is displaced from the optical axis or the sample height is changed. End up. Further, since the sample is attached to the tip of the rod-shaped sample holder, the rigidity between the sample and the lens barrel cannot be increased, and the structure is weak against vibration. Furthermore, since the conduction of heat when heated is only in one direction (the axial direction of the sample holder), the thermal expansion is non-uniform and the thermal sample drift is large. In addition, since the sample holder is connected to the outside of the lens barrel, the structure of the sample is easily moved by fluctuations in sound and atmospheric pressure.
[0007]
In view of the above-described circumstances, the present invention has the following descriptions (O01) to (O05).
(O01) To prevent the observation position of the sample from moving from the optical axis even when tilted about two axes.
(O02) Increase the rigidity between the sample and the lens barrel.
(O03) To reduce thermal drift.
(O04) To enable heating and cooling of a sample with a simple configuration.
(O05) To enable sample movement and tilting without using a driving mechanism that causes contamination of the sample in a clean atmosphere such as ultra-high vacuum.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
Next, the present invention devised to solve the above problems will be described. Elements of the present invention are parenthesized with reference numerals of elements of the embodiments in order to facilitate correspondence with elements of the embodiments described later. Append what is enclosed in brackets.
The reason why the present invention is described in correspondence with the reference numerals of the embodiments described later is to facilitate understanding of the present invention, and not to limit the scope of the present invention to the embodiments.
[0009]
(Invention)
  In order to solve the above-mentioned problems, the transmission electron microscope of the present invention is characterized by including a sample stage having the following structural requirements (A01) to (A04).
(A01) Arranged in the electron beam path along the Z axis among the three axes X, Y, and Z orthogonal to each other, and has a spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″) and a hole through which the electron beam passes. Stage body (17, 17 ″),
(A02) The stage main body (17, 17 ″) can be rotated around the X axis and the Y axis in a state where the center of the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″) is arranged at the intersection of the three axes. Stage body support member (18, 18 ', 18 ") to support,
(A03) It has a beam passage hole (42b) through which the electron beam passes, and in the XY plane.ParallelIt has a holder mounting groove (42a) that fits with the mounted portion (H1) of the sample holder (H) when the sample holder (H) approaches from the holder mounting / removing direction, so that the sample holder (H) can be mounted / detached. A holder holding member (42) for holding;
(A04) A holding member moving device (HM, HM ′) which is supported by the stage main body (17, 17 ″) and supports the holder holding member (42) so as to be movable and adjustable in the XY plane.
[0010]
  The present invention having the above-described configuration requirementsTransmission electron microscopeThen, the stage body (17, 17 ″) has the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″) centered at the intersection of the three axes, and the stage body support member (18, 18 ′, 18 ″). Is supported so as to be rotatable around the X and Y axes.Therefore, since the transmission electron microscope of the present invention includes the sample stage (S, S ′, S ″), the stage main body (17, 17 ″) is mounted on the X axis and the Y axis. 2 Even when tilted and rotated about the axis, the spherical outer peripheral surface (17 of the stage body (17, 17 ″)) b , 17 b The observation position of the sample which is the center of ″) does not move from the axis of the electron beam along the Z axis passing through the observation position.
  The stage body (17, 17 ″) supports the holding member moving device (HM, HM ′), and the holding member moving device (HM, HM ′) holds the holder holding member (42) in the XY plane. Therefore, the position of the sample (W) can be changed in the XY plane, and as a result, the position where the sample (W) is to be observed by the holding member moving device (HM, HM ′). Can be moved to the observation position (the center (O) of the spherical outer peripheral surfaces (17b, 17b ″)) in the XY plane.
[0011]
Therefore, when the sample holder (H) is mounted on the holder holding member (42), the sample (W) is designed so that the position in the Z-axis direction coincides with the center (O), or the sample in the Z-axis direction. When the position is configured to be adjustable, the position of the sample (W) to be observed can be made coincident with the center (O) on the X, Y, and Z axes. In this case, the center of the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ") of the stage body (17, 17") even if the stage body (17, 17 ") is tilted and rotated about the two axes of the X axis and the Y axis. The observation position of the sample (W) which is (O) does not move.As a result, when the sample (W) is crystalline, in order to make the crystal axis of the sample (W) coincide with the axis of the charged particle beam, Observation from the axis of the charged particle beam along the Z-axis passing through the observation position (center (O) of the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″)) even if the stage body (17, 17 ″) is rotated about two axes. The position does not move, and the sample height and field of view can be observed without moving.
[0012]
  The sample holder (H) is in the XY plane with respect to the holder holding member (42).ParallelIt approaches from the holder attaching / detaching direction (P-axis direction) and is attached to and detached from the holder mounting groove (42a) of the holder holding member (42). Accordingly, since the sample holder (H) is mounted on the holder holding member (42) of the sample stage (S, S ′, S ″) supported by the lens barrel (2), the sample (W) and the lens barrel (2 Therefore, the sample holder can be heated by providing a heater in the sample holder (H), and the holder holding member (42) and the like can be insulated. It is also possible to cool the sample by mounting the sample holder (H) that is formed of a member and cooled, that is, it does not require a device for heating or cooling the entire sample stage of the present invention, and has a simple configuration. The sample (W) can be heated or cooled.
  And when the said sample (W) is heated, since the sample holder (H) is mounted | worn with the holder holding member (42), heat is not one direction like a side entry type, but a holder holding member (42 ) Conducts almost uniformly throughout (in all directions). Therefore, since the sample stage of the present invention thermally expands uniformly, thermal sample drift can be reduced.
[0013]
Further, by using a piezo element as the holding member moving device (HM, HM ′) and the stage body support member (18, 18 ′, 18 ″), the sample can be contaminated even in a clean atmosphere such as ultra-high vacuum. The sample can be moved, tilted and rotated without using the drive mechanism that causes
[0014]
  In addition, the present inventionTransmission electron microscopeThe following configuration requirements (A05)MoreIt can also be provided.
(A05) The holding member moving device (HM, HM ′) that supports the holder holding member (42) so as to be movable in the Z-axis direction.
  In the sample stage of the present invention having the above-described constituent elements, the holding member moving device (HM, HM ′) supports the holder holding member (42) so as to be movable and adjustable in the Z direction. Therefore, even when the sample holder (H) is mounted on the holder holding member (42), the Z-axis direction of the sample does not coincide with the center (observation position) of the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″). Since the holding member moving device (HM, HM ′) can be adjusted in the three axial directions of X, Y, and Z axes, the position to be observed of the sample is set to the observation position (the center of the spherical outer peripheral surface (17b, 17b ″) ( O)).
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, specific examples (examples) of the embodiments of the sample stage and the charged particle beam apparatus of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples.
In order to facilitate understanding of the following description, in the drawings, the front-rear direction is the X-axis direction, the left-right direction is the Y-axis direction, the up-down direction is the Z-axis direction, and arrows X, -X, Y, -Y, The directions indicated by Z and -Z or the indicated sides are defined as front, rear, left, right, upper, lower, or front, rear, left, right, upper, and lower, respectively.
In the figure, “•” in “○” means an arrow heading from the back of the page to the front, and “×” in “○” is the front of the page. It means an arrow pointing from the back to the back.
[0020]
Example 1
FIG. 1 is an explanatory diagram of a transmission electron microscope (charged particle beam apparatus) including a sample stage according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a portion indicated by an arrow II in FIG.
3 is an explanatory diagram of the sample stage of Example 1, FIG. 3A is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 2, and FIG. 3B is a perspective view of a holding portion of the holder transport device.
FIG. 4 is an enlarged explanatory view of a main part of the sample stage, and is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3A.
[0021]
In FIG. 1, a transmission electron microscope (charged particle beam apparatus) 1 has a lens barrel 2 whose inside is held in a vacuum, and an electron gun 3 is provided at the upper end of the lens barrel 2. An observation window 4 and a fluorescent plate 5 that can move between an observation position indicated by a solid line and a retraction position indicated by a two-dot chain line are provided at the lower end of the lens barrel 2. A device for placing a film F for photographing an electron microscope image at the photographing position is disposed below the fluorescent plate 5.
A charged particle beam irradiation adjusting lens 7 is disposed below the electron gun 3, and an enlarging electron lens 8 is disposed above the fluorescent plate 5.
[0022]
2 and 3, a holder insertion port 2a is formed on the side wall of the lens barrel 2, and a sample exchange chamber 10 communicating with the inside of the lens barrel 2 via a gate valve 10a is supported on the side wall. . On the outer end wall of the sample exchange chamber 10, a rod-shaped holder transport device C that holds the sample holder H is mounted so as to be movable forward and backward and rotatable. A hollow cylindrical holding portion C1 (see FIG. 3B) is supported on the inner end portion of the holder conveying device C. The holding portion C1 includes a guide groove C1a (see FIG. 3B) formed along the axial direction and a holding groove C1b formed along the circumferential direction continuously to the outer end of the guide groove C1a. Are formed in two axially symmetrical positions. In this specification, the direction in which the holder conveyance device C moves forward and backward is defined as the P-axis direction (attachment / detachment direction), the direction in which the holder conveyance device C enters is defined as + P direction, and the direction in which the holder conveyance device C enters is defined as −P direction. A direction perpendicular to the attaching / detaching direction (P-axis direction) in the XY plane is defined as a Q-axis direction. In Example 1, the P-axis direction and the Q-axis direction form 45 ° with respect to the X-axis direction and the Y-axis direction, respectively.
2 and 3, a sample stage S is arranged inside the lens barrel 2 between the charged particle beam irradiation adjusting lens 7 and the magnifying electron lens 8. A pair of pole pieces 11 and 12 are arranged above and below the sample stage S. The pole pieces 11 and 12 and the cylindrical inner cylinder wall 16 (see FIG. 3) of the sample stage S are fixedly supported by a member fixed to the lens barrel 2.
[0023]
3 and 4, a stage main body 17 is disposed inside the inner cylindrical wall 16 of the sample stage S. The stage main body 17 is formed in a shape in which the top and bottom of a sphere are cut off, and the tip portions of the pole pieces 11 and 12 protrude from the cut out portion into the stage main body 17 (see FIG. 2). ). A sample chamber 17 a is formed in the stage body 17. The stage body 17 has a spherical outer peripheral surface 17b centered on a sphere center O (see FIG. 3). The inner cylindrical wall 16 and the stage main body 17 have holder insertion ports 16a and 17c (FIG. 3) through which the holder conveying member C passes at a position corresponding to the holder insertion port 2a of the lens barrel 2 when moving forward and backward. Reference) is formed.
The stage body 17 is supported by a stage body support member 18 disposed along the XY plane and fixedly supported by the inner cylinder wall 16.
[0024]
The stage main body support member 18 abuts (presses) the spherical outer peripheral surface 17b of the stage main body 17 in the X-axis direction and supports a pair of front and rear X-axis pressing members 21 and 22 (see FIG. 5). 3 and FIG. 4) and a pair of left and right Y-axis pressing members 23 and 24 (see FIG. 3) that press the spherical outer peripheral surface 17b in the Y-axis direction and rotatably support it. Each of the pressing members 21 to 24 is configured by a piezo element that expands and contracts along the X-axis direction or the Y-axis direction, and an outer end portion thereof is fixedly supported by the inner cylindrical wall 16. The inner end portions of the pressing members 21 to 24 are configured to be able to contact / separate (separate from) the spherical outer peripheral surface 17 b of the stage body 17. Therefore, normally, all the pressing members 21 to 24 press the spherical outer peripheral surface 17b to support the stage body 17, and when the piezo element is contracted, the inner ends of the pressing members 21 to 24 are spherical outer peripheral surfaces. Separated from 17b. The X-axis pressing members 21 and 22 are arranged so that the spherical center O of the stage main body 17 is always located on a straight line connecting the X-axis pressing members 21 and 22. Similarly, the Y-axis pressing members 23 and 24 are arranged so that the spherical center O is always located on a straight line connecting the Y-axis pressing members 23 and 24.
[0025]
In FIG. 4, a first Y-axis rotating member 31 is disposed above the X-axis pressing member 21 on the front side (+ X side), and a second Y-axis rotating member 32 is disposed below. A second Y-axis rotating member 33 is disposed above the rear (−X side) X-axis pressing member 22, and a first Y-axis rotating member 34 is disposed below. The outer end portions of the Y-axis rotating members 31 to 34 are fixedly supported by the inner cylindrical wall 16, and the inner end portions are configured to be detachable from the stage main body 17. Each of the Y-axis rotating members 31 to 34 is constituted by a piezo element, and can be expanded and contracted in the radial direction of the spherical outer peripheral surface 17b, and the inner end portion can be moved along the circumferential direction of the spherical outer peripheral surface 17b. Has been. Therefore, normally, when the Y-axis rotating members 31 to 34 press the spherical outer peripheral surface 17b of the stage body 17 to support the stage body 17, and when the Y-axis rotating members 31 to 34 are contracted in the radial direction, The inner end portion is separated from the spherical outer peripheral surface 17b.
Similarly, X-axis rotating members (not shown) configured similarly to the Y-axis rotating members 31 to 34 are disposed above and below the Y-axis pressing members 23 and 24.
The X-axis pressing members 21 and 22, the Y-axis pressing members 23 and 24, the X-axis rotating member (not shown), and the Y-axis rotating members 31 to 34 constitute the stage body support member 18.
[0026]
FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the sample stage of the first embodiment.
FIG. 6 is a perspective view of the sample holder and the holder support member of the sample stage of the first embodiment.
7A and 7B are explanatory views of the sample holder and the holder support member of the sample stage of Example 1, FIG. 7A is a plan view of the holder support member, FIG. 7B is a plan view of the sample holder, and FIG. 7C is a side view of the holder holding member. It is.
[0027]
3 to 7, a holder support member 41 is disposed in the sample chamber 17 a inside the stage main body 17. The holder support member 41 has a flat holder holding member 42 (see FIG. 6). Sliders 43 are fixedly supported on both side surfaces of the holder holding member 42 in the Q-axis direction (direction perpendicular to the direction in which the holder transport device C moves forward and backward). The slider 43 has a cylindrical slide portion 43a extending in the P-axis direction (the direction in which the holder transport device C moves forward and backward). A slider support member 44 is disposed below the slider 43. The slider support member 44 has a clamp portion 44a formed so as to project in a forked manner upward. The clamp member 44a supports the slide portion 43a so as to be relatively slidable in the P-axis direction and rotatable about the P-axis direction. The slider support member 44 has a columnar rotation shaft 44b extending in the P-axis direction. The rotation shaft 44b is rotatably supported by a clamp portion 46a of a rotation support member 46 (see FIG. 5) fixedly supported on the stage body 17.
A holder support member 41 is constituted by the members indicated by the reference numerals 42 to 46.
[0028]
In FIG. 7, the holder holding member 42 has a trapezoidal cross-section holder mounting groove 42a (see FIG. 7C) formed along the P-axis direction. A beam passage hole 42b (see FIG. 7A) through which an electron beam (charged particle beam) passes is formed at the bottom of the holder mounting groove 42a of the holder holding member 42. Further, a spring mounting groove 42c is formed in the side wall portion on the −P side of the holder mounting groove 42a, and a plate spring 48 is supported in the spring mounting groove 42c.
[0029]
In FIG. 7B, on both sides in the Q-axis direction of the trapezoidal sample holder H that holds the sample W, inclined surfaces (attached portions) H1 that are inclined so as to spread downward are formed. Therefore, the inclined surface H1 is fitted in the holder mounting groove 42a, and the sample holder H is mounted on the holder holding member 42. A plate spring engagement groove H1a that engages with the plate spring 48 is formed on the inclined surface H1 corresponding to the position where the plate spring 48 is disposed. The sample holder H has a heater (not shown) and a power-supplied terminal (not shown), and power is supplied from a power supply terminal (not shown) provided on the holder holding member 42. Thus, the sample W can be heated. Since the configuration for heating the sample W such as the heater and the power supply terminal is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-199461, detailed description thereof is omitted.
[0030]
A held portion H2 is supported at the −P side end of the sample holder H. A held pin H3 that engages with the guide groove C1a and the holding groove C1b of the holder conveying device C protrudes in the Q axis direction and is fixedly supported by the held portion H2. When the sample holder H is mounted on the holder transport device C, first, the held portion H2 is inserted into the hollow cylindrical holding portion C1 with the held pin H3 and the guide groove C1a engaged. Then, when the holder conveying device C is rotated (forward rotation) with the held pin H3 inserted to the outer end of the guide groove C1a, the held pin H3 engages with the holding groove C1b, and the sample The holder H is held (mounted) on the holder conveying device C. When the sample holder H is detached, the sample holder H can be detached by rotating the holder conveyance device C (reverse rotation) and then retracting the holder conveyance device C. Through these procedures, the sample holder H can be transported by the holder transport device C and mounted on the holder holding member 42. When the sample holder H is mounted on the holder holding member 42, the plate spring 48 is engaged with the plate spring engaging groove H1a, so that the sample holder H is firmly held with respect to the holder holding member 42.
[0031]
3 and 5, a pair of upper and lower holding member moving members 51 and 52 that contact the upper and lower surfaces of the holder holding member 42 are disposed at the + P side end (see FIG. 3) of the holder holding member 42. . Similarly, two pairs of upper and lower holding member moving members 53, 54 and 56, 57 are arranged at both corners in the Q-axis direction (see FIG. 3) of the −P side end of the holder holding member 42. In FIG. 5, the holding member moving members 51, 53, 56 arranged on the upper side (+ Z side) are fixedly supported on the upper wall of the sample chamber 17 a of the stage body 17 at the upper end (+ Z end, outer end). The lower end portion (the −Z end portion and the inner end portion) is supported on the upper surface of the holder holding member 42 so as to be detachable. Similarly, the holding member moving members 52, 54, 57 arranged on the lower side (−Z side) have lower end portions (−Z end portion, outer end portion) on the bottom wall of the sample chamber 17 a of the stage body 17. The upper end portion (+ Z end portion, inner end portion) is supported by the lower surface of the holder holding member 42 so as to be detachable. Each of the holding member moving members 51 to 57 is composed of a piezo element, and can be expanded and contracted in the vertical direction (Z-axis direction), and the inner end portion can be moved in the P-axis direction and the Q-axis direction. Yes. Therefore, at normal times, all the holding member moving members 51 to 57 support the holder holding member 42 in pressure contact from above or below (contact with pressing). Therefore, when the inner end portion of each holding member moving member 51 to 57 is moved in the P-axis direction or the Q-axis direction with the holder holding member 42 being in pressure contact, the holder holding member 42 is moved in the P-axis direction or the Q-axis direction. Move adjusted. That is, the holder holding member 42 is moved and adjusted in the XY plane where the P axis and the Q axis are arranged.
The slider member 43, slider support member 44, rotation support member 46, holding member moving members 51 to 57, and the like constitute a holding member moving device HM.
[0032]
(Operation of Example 1)
In the transmission electron microscope 1 having the sample stage S of Example 1 having the above-described configuration, the sample holder H holding the sample W is attached to the tip of the holder transfer device C in the sample exchange chamber 10. Retained. Then, the gate valve 10 a of the sample exchange chamber 10 is opened, and the holder transfer device C is moved into the lens barrel 2. In a state where the sample holder H is mounted in the mounting groove 42 a of the holder holding member 42, the sample holder H is detached from the holder transport device C and the holder transport device C is moved backward. At this time, since the leaf spring 48 and the leaf spring engaging groove H1a are engaged, the sample holder H is firmly (tightly) fixed to the holder holding member 42.
In a state where the sample holder H is held by the holder holding member 42, the holder holding member 42 is moved and adjusted in the XY plane (P-axis direction and Q-axis direction) by the holding member moving members 51 to 57. The position of W to be observed is moved to the spherical center O (observation position) through which the electron beam (charged particle beam) passes. The upper holding member moving members 51, 53, and 56 and the lower holding member moving members 52, 54, and 57 are extended and contracted to adjust the position of the holder holding member 42 in the Z-axis direction. To do. As a result, by adjusting the movement of the holding member moving members 51 to 57 in the X, Y, and Z axis directions, the position where the sample W is desired to be observed and the observation position (sphere center O) can be matched.
[0033]
Since each of the holding member moving members 51 to 57 is configured by a piezo element, a range in which the movement can be adjusted is limited. When the movement adjustment is performed beyond a limited range (about a micrometer), the holding member moving members 51 to 51 are moved in a state where the inner end portions of the holding member moving members 51 to 57 have moved to some extent (near the movement limit). Of 57, for example, only the pair of upper and lower holding member moving members 51 and 52 are shortened in the Z-axis direction to separate the inner end portion from the holder holding member 42. At this time, the holder holding member 42 is held by the remaining two pairs of holding member moving members 53 to 57. And after returning the movement (deformation) of the shortened holding member moving members 51 and 52 in the P-axis direction and the Q-axis direction to the initial state, the holding member moving members 51 and 52 are expanded in the Z-axis direction and brought into pressure contact with the holder holding member 42. The holding member moving members 51 and 52 can be adjusted again in the XY plane. Similarly, when each of the other two pairs of holding member moving members 53 to 57 is returned to the initial state, the holder holding member 42 can be moved and adjusted beyond the limited range.
[0034]
If the crystal W axis of the sample W and the optical axis (Z axis) of the electron beam do not coincide with each other when the position of the sample W to be observed is observed by the movement adjustment described above, the stage body support member 18 centers the sphere center O. By adjusting the rotation of the stage body 17 about the X axis and the Y axis, the crystal axis of the sample W and the optical axis of the electron beam can be matched.
[0035]
When rotating around the Y-axis, the X-axis pressing members 21 and 22 (see FIG. 4) and X-axis rotating members (not shown) constituted by piezoelectric elements in the stage body support member 18 Is separated from the stage body 17. At this time, the rotation axis formed by the pressing of the Y-axis pressing members 23 and 24 (see FIG. 3) coincides with the Y-axis. In FIG. 4, for example, by moving the Y-axis rotating members 31 to 34 counterclockwise around the Y-axis (direction perpendicular to the paper surface), the stage main body 17 moves counterclockwise around the Y-axis. Rotate clockwise. At this time, the rotation axis (Y axis) is fixed by the Y axis pressing members 23 and 24 and the observation position (sphere center O) is located on the Y axis. The observation position (sphere center O) does not shift.
Note that the minimum inclination angle, which is the minimum value of the inclination angle of the stage body 17 at this time, is determined by the amount of movement of the Y-axis rotating members 31 to 34, and the movement of the Y-axis rotating members 31 to 34 configured by piezoelectric elements. Since the amount is on the order of micrometers, the minimum rotation angle is 10^-Four[Rad] or so.
[0036]
Since the Y-axis rotating members 31 to 34 are composed of piezo elements, the rotatable range is limited. When rotating beyond the limited range, the first Y-axis rotating members 31 and 34 among the Y-axis rotating members 31 to 34 are moved with the inner end portions of the Y-axis rotating members 31 to 34 moved to some extent. The inner end portion is contracted in the radial direction to be separated from the spherical outer peripheral surface 17 b of the stage main body 17. At this time, the stage body 17 is held by the second Y-axis rotating members 32 and 33 and the Y-axis pressing members 23 and 24. Then, after the counterclockwise movement (deformation) of the first Y-axis rotating members 31 and 34 is returned to the initial state, the inner ends of the first Y-axis rotating members 31 and 34 are extended to the spherical outer peripheral surface 17b. , The rotation can be further adjusted by the first Y-axis rotating members 31, 34. Similarly, the range is limited by returning the second Y-axis rotating members 32 and 33 to the initial state while the stage body 17 is held by the first Y-axis rotating members 31 and 34 and the Y-axis pressing members 23 and 24. The rotation can be adjusted by the first Y-axis rotating members 31 and 34 and the second Y-axis rotating members 32 and 33 beyond the above.
[0037]
The first Y-axis rotating members 31 and 34 and the second Y-axis rotating members 32 and 33 are not simultaneously brought into pressure contact with the spherical outer peripheral surface 17b of the stage main body 17, but are adjusted by the first Y-axis rotating members 31 and 34, for example. It is also possible to keep the second Y-axis rotating members 32 and 33 away from the stage main body 17 while they are in contact. In this case, the first Y-axis rotating members 31 and 34 are separated after the second Y-axis rotating members 32 and 33 are brought into pressure contact with the first Y-axis rotating members 31 and 34 in a state in which the rotation is adjusted to the range where the rotation can be adjusted. Thus, while the first Y-axis rotating members 31 and 34 are returned to the initial state, the stage main body 17 can be rotated and adjusted by the second Y-axis rotating members 32 and 33, and the stage main body 17 can be rotated and adjusted efficiently in a short time. be able to.
[0038]
When the stage body 17 is rotated about the X axis, the Y axis pressing members 23 and 24 and the Y axis rotating members 31 to 34 are separated from the stage body 17 in the same manner as when the stage body 17 is rotated about the Y axis. The stage main body 17 can be rotated around the rotation axis (X axis) formed by the X axis pressing members 21 and 22 by moving the inner end portion of the X axis rotation member (not shown). At this time, the rotation axis (X axis) is always fixed by the X axis pressing members 21 and 22, and the X axis rotates around the X axis because the sphere center O (observation position) is located on the X axis. Even after adjustment, the observation position does not shift.
[0039]
Therefore, in the transmission electron microscope 1 provided with the sample stage S of Example 1, the observation position (sphere center O) of the stage body 17 is the rotation axis even if the stage body 17 is rotated and adjusted around the X axis and the Y axis. Since it is always located on (X axis or Y axis), the observation position does not move (is not displaced). That is, even when the biaxial eucentric mechanism is realized and rotated around the two axes so that the crystal axis of the crystalline sample W coincides with the optical axis of the electron beam, the position, field of view, and sample of the sample are observed. Since the height does not change, the user can tilt and rotate the sample very easily.
Further, the holder holding member 42 of the sample stage S is supported by the holding member moving device HM so that the movement can be adjusted in the XY plane, and is also supported so that the movement can be adjusted in the Z-axis direction. Can be observed.
[0040]
Further, in the sample stage S of Example 1, since the piezo element is used as the holding member moving device HM and the stage main body supporting member 18, particles generated by rubbing the members when a general driving mechanism is used. Contamination of the sample due to (fine particles) can be prevented. Further, in a general drive mechanism, a lubricant is used to smooth the sliding movement of members. However, since the lubricant contains an oil component, the sample may be contaminated by the oil component. is there. In the sample stage S of Example 1, since the piezo element is used as described above, sample contamination due to the oil component can also be prevented.
Therefore, even in a clean atmosphere such as an ultra-high vacuum, the sample W can be moved in the XY plane and in the Z-axis direction, and can be tilted and rotated around the X-axis and Y-axis without contaminating the sample.
[0041]
Further, the sample holder H includes a heater, and the sample W can be heated and observed. And since the sample holder H is mounted in the mounting groove 42a of the holder holding member 42, heat is conducted almost uniformly in all directions (in all directions), not in one direction (the goniometer axial direction) as in the side entry type. . Therefore, thermal sample drift of the sample W, which is generated by non-uniform thermal expansion of the sample holder H or the like due to heat generated by the heater or heat generated when the electron beam is irradiated, is prevented.
[0042]
Further, since the sample holder H is mounted on the holder holding member 42 and the member that fixedly supports the inner cylindrical wall 16 of the sample stage S supports the pole pieces 11 and 12, the sample holder H is attached to the pole piece 11. , 12 and fixedly supported to the lens barrel 2. That is, the rigidity between the sample holder H and the lens barrel 2 that supports the inner cylinder wall 16 is higher than that of the side entry type goniometer, and structurally strong against external vibration and the like.
[0043]
Furthermore, in the holder support member 41 of the first embodiment, the holder holding member 42 is supported so that the slide portion 43a is slidable in the P-axis direction with respect to the clamp portion 44a, and the slide portion 43a and the rotation shaft 44b are respectively provided. The clamp parts 44a and 46a are supported so as to be rotatable. When the movement of the holder holding member 42 is adjusted by the holding member moving members 51 to 57, the force by which the holding member moving members 51 to 57 press the holder holding member 42, and the holding member moving members 51 to 57 and the holder holding member 42 are When the smoothness of the abutting surface is non-uniform, there may be a difference (variation) in the amount of movement adjustment at the position where each holding member moving member 51 to 57 abuts on the holder holding member 42. .
If the holder support member 41 does not have the slider 43, the slider support member 44, and the rotation support member 46, and the holder holding member 42 is supported only by the three sets of holding member moving members 51 to 57, the movement adjustment is performed. If the amount to be varied varies, the movement direction of the holder holding member 42 may not be determined and may move while rotating in the XY plane.
However, in the holder support member 41 of the first embodiment, even if the amount of movement adjustment when the inner end portions of the holding member moving members 51 to 57 move in the P-axis direction or the Q-axis direction varies, The movement of the holder holding member 42 is restricted in the direction along the P-axis direction or the Q-axis direction by the portions 44a, 46a and the like. That is, it is possible to prevent the holder holding member 42 from rotating in the XY plane.
[0044]
(Example 2)
FIG. 8 is an enlarged explanatory view of a main part of the sample stage of the second embodiment, and corresponds to FIG. 4 of the first embodiment.
FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the sample stage of the second embodiment and corresponds to FIG. 5 of the first embodiment.
In the description of the second embodiment, components corresponding to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0045]
In FIG. 8, the sample stage S ′ of the second embodiment moves only in the circumferential direction instead of the Y-axis rotating members 31 to 34 of the first embodiment that can move in the radial direction and the circumferential direction of the spherical outer peripheral surface 17b. It has possible Y-axis rotating members 31'-34 '. The outer ends of the first Y-axis rotating member 31 ′ and the second Y-axis rotating member 33 ′ have first Y-axis pressing members 36 (see FIG. 8) and second Y-axis pressing members 37 that can expand and contract only in the radial direction. It is fixedly supported by. The first Y-axis pressure contact member 36 and the second Y-axis pressure contact member 37 are accommodated in Y-axis pressure contact member accommodation holes 16a 'and 16b' formed in the inner cylinder wall 16 ', respectively.
An X-axis rotating member (not shown) is also configured in the same manner as the Y-axis rotating members 31 ′ to 34 ′ and the Y-axis pressure contact members 36 and 37.
The stage body support member 18 is constituted by the X axis pressing members 21 and 22, the Y axis pressing members 23 and 24, the X axis rotating member (not shown), the Y axis rotating members 31 'to 34' and the Y axis pressing members 36 and 37. 'Is configured.
[0046]
In FIG. 9, an upper plate 61 is disposed on the holder holding member 42 so as to face the upper surface of the holder holding member 42. On the lower surface of the upper plate 61, upper end portions (+ Z end portion, outer end portion) of holding member moving members 51 ', 53', 56 'are fixedly supported. Unlike the holding member moving members 51 to 57 of the first embodiment, the holding member moving members 51 ′ to 57 ′ of the second embodiment move only in the direction along the upper surface or the lower surface of the holder holding member 42 (direction along the XY plane). It is configured to be possible.
[0047]
Between the lower surface of the upper plate 61 and the bottom of the sample chamber 17a, three moving member pressure contact members 66 constituted by piezoelectric elements that can be expanded and contracted in the vertical direction (Z-axis direction) are supported. The three moving member pressure contact members 66 (one not shown) are respectively connected to three sets of holding member moving members (51 ', 52'), (53 ', 54'), (56 ', 57'). Correspondingly arranged. That is, the moving member pressure contact members 66 corresponding to the holding member moving members 56 ′ and 57 ′ are arranged on a linear extension line connecting the spherical center O and the holding member moving members 56 ′ and 57 ′. Therefore, when the moving member pressure contact member 66 corresponding to the holding member moving members 56 ′ and 57 ′ is extended, the upper plate 61 of that portion is lifted and the holding member moving members 56 ′ and 57 ′ press the holder holding member 42. The power to do is weakened (almost zero). Therefore, the holding member moving members 56 ′ and 57 ′ can return to their initial states by sliding their inner ends on the surface of the holder holding member 42. At this time, the force with which the other holding member moving members 51 ′ to 54 ′ press the holder holding member 42 hardly decreases, and the holder holding member 42 is held by the other holding member moving members 51 ′ to 54 ′. . Therefore, when the holding member moving members 56 ′ and 57 ′ return to the initial state, the holder holding member 42 does not move in the XY plane.
The slider 43, slider support member 44, rotation support member 46, holding member moving members 51 ′ to 57 ′, etc. constitute a holding member moving device HM ′.
[0048]
(Operation of Example 2)
In the transmission electron microscope (charged particle beam apparatus) including the sample stage S ′ of Example 2 having the above-described configuration, the holder holding member 42 is moved and adjusted in the XY plane by the holding member moving members 51 ′ to 57 ′. The In the case of adjusting the movement beyond the range limited by the holding member moving members 51 'to 57' constituted by piezoelectric elements, the holding member moving members 51 'to 57' have moved to some extent (near the movement limit). In the state, any one of the three moving member pressure contact members 66 is extended. Then, after the holding member moving member corresponding to the extended moving member pressing member 66 is returned to the initial state, the moving member pressing member 66 is contracted. By repeating this and returning all of the three sets of holding member moving members 51 ′ to 57 ′ to the initial state, the holder holding member 42 can be moved and adjusted beyond the limited range.
[0049]
If the crystal axis of the crystalline sample W does not coincide with the optical axis (Z axis) of the electron beam (charged particle beam), the stage body 17 is tilted and rotated around the X axis and the Y axis. Even if the crystal axis of the sample W matches the optical axis of the electron beam, the observation position does not move (is not displaced).
When rotating around the Y axis, as in the first embodiment, the X axis pressing members 21 and 22 constituted by piezoelectric elements are separated from each other, and the force with which the X axis rotating member presses the stage main body 17 is weakened. In FIG. 8, when the inner ends of the Y-axis rotating members 31 ′ to 34 ′ are moved counterclockwise about the Y-axis (direction perpendicular to the paper surface), the stage body 17 is moved to the Y-axis. Rotate counterclockwise around. At this time, the rotation axis (Y-axis) is always fixed by the Y-axis pressing members 23 and 24, and the Y-axis passes through the observation position (sphere center O). The position does not shift.
[0050]
When adjusting the rotation beyond the range limited by the Y-axis rotating members 31 ′ to 34 ′ constituted by piezoelectric elements, the inner end portions of the Y-axis rotating members 31 ′ to 34 ′ are moved to some extent, The first Y-axis pressure contact member 36 is contracted. At this time, since the force with which the first Y-axis rotating members 31 ′ and 34 ′ press the spherical outer peripheral surface 17b is weakened (almost becomes zero), when the first Y-axis rotating members 31 ′ and 34 ′ are returned to the initial state, The inner ends of the first Y-axis rotating members 31 ′ and 34 ′ can slide back on the spherical outer peripheral surface 17b. Then, after the first Y-axis rotating members 31 ′ and 34 ′ are returned to the initial state, the first Y-axis pressing member 36 is extended to press the first Y-axis rotating members 31 ′ and 34 ′ to the spherical outer peripheral surface 17 b. . Similarly, when the second Y-axis rotating members 32 ′ and 33 ′ are returned to the initial state, the rotation can be adjusted by the Y-axis rotating members 31 ′ to 34 ′ beyond the limited range. Similarly, the rotation can be adjusted beyond the limited range around the X axis.
[0051]
Therefore, in the transmission electron microscope equipped with the sample stage S ′ of the second embodiment, the biaxial eucentric mechanism is realized and rotated about the two axes of the X axis and the Y axis, similarly to the sample stage S of the first embodiment. Even if the crystal axis of the crystalline sample W is aligned with the optical axis, the position, field of view, and sample height of the sample are not changed, so the user can tilt and rotate the sample very easily. Adjustments can be made. Further, since the holder holding member 42 of the sample stage S ′ is supported by the holding member moving device HM ′ so as to be movable and adjustable in the XY plane, an arbitrary place of the sample W can be observed.
[0052]
Further, in the sample stage S ′ of the second embodiment, since the holding member moving device HM ′ and the stage main body support member 18 ′ configured by piezoelectric elements are used, particles generated when a general driving mechanism is used. Generation of (fine particles) can be prevented. Therefore, even in a clean atmosphere such as an ultra-high vacuum, the sample can be moved in the XY plane, and can be tilted and rotated about the X and Y axes without contaminating the sample. Moreover, since the sample holder H is attached to the holder holding member 42 as in the first embodiment, heat is conducted substantially uniformly throughout. Therefore, thermal sample drift of the sample W can be prevented. Furthermore, since the sample holder H is firmly attached to the holder holding member 42 as in the first embodiment, the rigidity between the sample W and the lens barrel 2 is higher than that of the side entry type goniometer. That is, the sample stage S ′ of Example 2 is also structurally strong against external vibrations.
[0053]
(Example 3)
FIG. 10 is an explanatory diagram of the sample stage of the third embodiment and corresponds to FIG. 3 of the first embodiment.
FIG. 11 is an explanatory diagram viewed from the side of the sample stage of the third embodiment.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a driving device that drives the rotating member of the sample stage of the third embodiment.
In the description of the third embodiment, components corresponding to those of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
[0054]
10 and 11, in the sample stage S ″ of the third embodiment, a guide groove 17d ″ (see FIG. 11) is formed on the spherical outer peripheral surface 17b ″ of the stage main body 17 ″. The guide groove 17d ″ is formed along the outer periphery of the stage main body 17 ″, and as shown in FIG. 11, the width of the groove is narrowest at the center in the vertical direction, and becomes wider as it goes upward and downward. Has been. The guide grooves 17d ″ are formed corresponding to the pressing members 21 to 24, respectively. In the initial state before the rotation adjustment, the pressing members 21 to 24 have the narrowest groove width at the center of the guide groove 17d ″. The stage (narrowest part) 17d1 ″ is brought into contact with the stage body 17 ″ and the stage main body 17 ″ is adjusted to rotate around the Y axis (or around the X axis) to the maximum, and then the X axis pressing members 21, 22 (or the Y axis pressing). When the members 23, 24) are brought into contact with the stage body 17 ″, the inner end portions (contact portions) of the X-axis pressing members 21, 22 (or Y-axis pressing members 23, 24) are spherical outer peripheral surfaces 17b ″. The groove width of the guide groove 17d "is set so as to abut against the guide groove 17d".
[0055]
In the sample stage S ″ of the third embodiment, the stage main body 17 ″ is rotatably supported by the stage main body rotating member 70 instead of the X-axis rotating member and the Y-axis rotating members 31 to 34 of the first embodiment. . The stage main body rotation member 70 is fixedly supported in a state of protruding in the + P direction from the central part of the spherical outer peripheral surface 17b ″ of the stage main body 17 ″ in the + P direction, and protrudes in the + Q direction. And a Q-side lever 72 fixedly supported in this state.
[0056]
In FIG. 12, a lever pressing plate 76 is in contact with the P-side lever 71. A compression spring 77 is supported between the lever pressing plate 76 and the lens barrel 2, and the lever pressing plate 76 is always urged downward. A lever position adjusting member 78 is disposed below the P-side lever 71. The lever position adjusting member 78 includes a top wall 78a that contacts the P-side lever 71, and a guided portion 78b formed by bending both ends of the top wall 78a. A guide member 79 is fixedly supported on the lens barrel 2 by a support member (not shown) below the lever position adjusting member 78 (−Z direction). The guide member 79 includes a bottom wall 79b in which a screw hole 79a is formed, and a guide portion 79c formed to protrude upward from both ends of the bottom wall 79b. The guide portion 79c has an inner surface abutting against an outer surface of the guided portion 78b, and guides the sliding movement of the lever position adjusting member 78 in the vertical direction (Z-axis direction).
[0057]
Inside the lever position adjusting member 78 and the guide member 79, an adjusting screw 81 that is screwed into the screw hole 79a is disposed. A contact ball 81 a is supported on the upper end of the adjustment screw 81, and the contact ball 81 a is in contact with the lower surface of the top wall 78 a of the lever position adjustment member 78. A driven gear 82 is fixedly supported at the lower end of the adjusting screw 81. A drive motor 84 that rotationally drives a drive gear 83 that meshes with the driven gear 82 is fixedly supported on the lens barrel 2.
[0058]
When the drive motor 84 is rotated forward and backward to rotate the drive gear 83, the adjustment screw 81 moves in the vertical direction (Z-axis direction). As the adjustment screw 81 moves in the vertical direction, the lever position adjusting member 78 moves in the vertical direction, and the vertical position of the P-side lever 71 is adjusted.
Similarly to the P-side lever 71, the Q-side lever 72 is also sandwiched between a lever pressing plate 76 and a lever position adjusting member 78, and the position of the Q-side lever 72 is adjusted in the vertical direction by rotating the drive motor 84. The
The stage main body rotating member 70 includes the levers 71 and 72, the lever pressing plate 76, the compression spring 77, the lever position adjusting member 78, the guide member 79, the adjusting screw 81, the driven gear 82, the driving gear 83, the driving motor 84, and the like. Is configured. The stage body rotating member 70, the X axis pressing members 21, 22 and the Y axis pressing members 23, 24 constitute a stage body supporting member 18 ″.
[0059]
(Operation of Example 3)
In the transmission electron microscope (charged particle beam apparatus) having the sample stage S ″ of Example 3 having the above-described configuration, when the stage main body 17 ″ is rotated and adjusted around the Y axis, the X axis pressing members 21 and 22 are contracted. The stage main body 17 ″ is supported only by the Y-axis pressing members 23 and 24 while being separated from the spherical outer peripheral surface 17 b ″. Then, the drive motors 84, 84 of the levers 71, 72 are driven to move both the P-side lever 71 and the Q-side lever 72 upward or downward. At this time, in FIG. 10, the Y-axis pressing members 23 and 24 are not arranged between the P-side lever 71 and the Q-side lever 72 along the circumferential direction of the spherical outer peripheral surface 17 b ″. , 72 are moved in the same direction (upward or downward), the stage body 17 ″ can be rotated around the Y axis. At this time, the rotation axis (Y-axis) is always fixed by the Y-axis pressing members 23 and 24, and the Y-axis passes through the observation position (sphere center O). The position does not shift.
[0060]
Further, in the sample stage S ″ of the third embodiment, when the stage main body 17 ″ is rotated around the Y axis, the Y axis pressing members 23 and 24 are arranged in the narrowest portion 17d1 ″ of the guide groove 17d ″. Therefore, the Y-axis pressing members 23 and 24 are sandwiched between both groove walls of the narrowest portion 17d1 ″ during rotation adjustment around the Y-axis, and are supported so as not to move in the horizontal plane (in the XY plane). When the groove 17d "is not provided, the contact position between the spherical outer peripheral surface 17b" and the Y-axis pressing members 23, 24 is adjusted by the irregularities of the spherical outer peripheral surface 17b "while the stage main body 17" is being rotated around the Y axis. The stage main body 17 ″ may rotate around the Z axis. However, in the sample stage S ″ of the third embodiment, the Y-axis pressing members 23 and 24 are supported so as not to move in a horizontal plane, so that rotation around the Z-axis is prevented and rotation adjustment around the Y-axis is performed. Can be stabilized.
[0061]
When rotating the stage main body 17 ″ around the X axis, the Y axis pressing members 23, 24 are contracted and separated from the spherical outer peripheral surface 17b ″, and the stage main body 17 ″ is supported only by the X axis pressing members 21, 22. Then, the drive motor 84 of the P-side lever 71 is driven to rotate forward to move the P-side lever 71 upward, and the drive motor 84 of the Q-side lever 72 is driven to rotate backward to move the Q-side lever 72 downward. By moving, the stage main body 17 ″ can be rotated and adjusted so that the + Y side moves upward (+ Z direction) with the X axis as the rotation axis. In the case of adjusting the rotation of the stage main body 17 ″ in the reverse direction around the X axis, the drive motor 84 of the P-side lever 71 may be driven to rotate in the reverse direction and the drive motor 84 of the Q-side lever 72 may be driven to rotate in the forward direction. When adjusting the rotation, the rotation axis (X axis) is always fixed by the X axis pressing members 21 and 22 and the X axis passes through the observation position (sphere center O), so that the observation position does not shift.
When the rotation adjustment about the X axis is performed before the rotation adjustment about the Y axis, the X axis pressing members 21 and 22 are held in the horizontal plane so as not to move by the narrowest portion 17d1 ″ of the guide groove 17d ″. Therefore, the rotation of the stage body 17 ″ around the Z axis can be prevented, and the rotation adjustment around the X axis can be stabilized.
[0062]
Therefore, in the transmission electron microscope provided with the sample stage S ″ of the third embodiment, the biaxial eucentric mechanism is realized and rotated about the two axes of the X axis and the Y axis, similarly to the sample stage S of the first embodiment. Even if the crystal axis of the crystalline sample W is aligned with the optical axis, the position, field of view, and sample height of the sample are not changed, so the user can tilt and rotate the sample very easily. In addition, since the other configuration is the same as that of the first embodiment, it has the same operation as that of the first embodiment.
[0063]
The levers 71 and 72 are preferably arranged so as to form an angle of 45 ° with the X axis and the Y axis as in the third embodiment. However, the levers 71 and 72 may be arranged at an angle larger or smaller than 45 °. Is possible. In addition, the angle between the levers 71 and 72 can be larger or smaller than 90 °.
[0064]
(Example of change)
As mentioned above, although the Example of this invention was explained in full detail, this invention is not limited to the said Example, A various change is performed within the range of the summary of this invention described in the claim. It is possible. Modified examples (H01) to (H09) of the present invention are exemplified below.
(H01) In each of the above-described embodiments, the sample holder H is not provided with a heater, the holder holding member 42 and the like are formed of a heat insulating member, and the sample W is cooled to observe the sample W in a cooled state. You can also
(H02) In each of the above embodiments, a holding member moving member that supports the holder holding member 42 so as to be movable in the vertical direction (Z-axis direction) can be separately provided. For example, a plurality of piezoelectric elements that can be expanded and contracted in the vertical direction are arranged at the bottom of the sample chamber 17a, and a lower plate is supported on the upper part of the piezoelectric elements. Then, the rotation support member 46 and the lower portions of the lower holding member moving members 52, 54 and 57 are fixedly supported on the upper surface of the lower plate. With the above-described configuration, the vertical direction (Z-axis direction) of the holder holding member 42 can be adjusted by expanding and contracting the piezo element in the vertical direction, and the position of the sample W in the Z-axis direction is the observation position (sphere center O). Can match.
[0065]
(H03) In each of the above embodiments, it is possible to provide a holding member moving member that moves and adjusts the entire sample stage S, S ′ with respect to the lens barrel 2 in the vertical direction (Z-axis direction). Also in this case, the position of the sample W in the vertical direction (Z-axis direction) can be matched with the observation position (sphere center O).
(H04) In each of the above embodiments, the stage body 17 may be configured to be rotationally adjusted using a conventionally known inertial drive mechanism. In this case, the stage main body support member 18 can be configured with only the X-axis pressing members 21 and 22 and the Y-axis pressing members 23 and 24 while omitting the X-axis rotating member and the Y-axis rotating member.
(H05) In each of the above embodiments, the rotation of the stage main body 17 is adjusted by the X-axis rotating member (not shown) and the Y-axis rotating members 31 to 34, 31 'to 34'. The stage body 17 is supported by three rotating members arranged at positions where the central angles formed by straight lines connecting the center O are 120 ° with each other, and the pressing members 21 to 24, and the three rotating members move in the circumferential direction. It is also possible to adjust the rotation of the stage body 17 about the X axis and the Y axis by combining the above. The three rotating members can be arranged in the same plane, or can be arranged not in the same plane. Also, the number of rotating members is not limited to three, and any number larger than that can be used.
[0066]
(H06) In each of the above embodiments, by changing the attaching / detaching direction of the sample holder H, it is possible to make the P-axis direction and Q-axis direction coincide with the X-axis direction and Y-axis direction.
(H07) In each of the above embodiments, the stage body 17 is tilted and rotated with the X and Y axes orthogonal to each other as the rotation axes, but the X and Y axes are not orthogonal and the crossing angle is other than 90 °. Tilt and rotation can be adjusted using the axis and the Y axis as rotation axes.
(H08) In each of the above embodiments, the pressing members 21 to 24 and the spherical outer peripheral surface 17b are separated from each other when the piezoelectric elements of the pressing members 21 to 24 are contracted. It is also possible to configure such that the outer peripheral surface 17b is not separated from each other, is in contact with the pressing force almost zero, and slides on each other.
(H09) In the first and second embodiments, the guide groove 17d ″ of the third embodiment can be formed on the outer peripheral surface of the stage main body 17, 17c ′.
[0067]
【The invention's effect】
The sample stage and charged particle beam apparatus of the present invention described above can achieve the following effects (E01) to (E05).
(E01) It is possible to prevent the observation position of the sample from moving from the optical axis even if it tilts around two axes (X axis, Y axis).
(E02) Compared to the side entry type, the sample stage is fixedly supported near the pole piece, so the rigidity between the sample and the lens barrel can be increased.
(E03) By disposing the sample stage symmetrically with respect to the optical axis, it is possible to perform thermal expansion uniformly and reduce thermal drift.
(E04) The sample can be heated and cooled with a simple configuration.
(E05) The sample can be moved and tilted without using a drive mechanism that causes contamination of the sample in a clean atmosphere such as an ultra-high vacuum.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a transmission electron microscope (charged particle beam apparatus) including a sample stage according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a portion indicated by an arrow II in FIG.
3 is an explanatory diagram of a sample stage of Example 1, FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 2, and FIG. 3B is a perspective view of a holding portion of the holder transport device.
FIG. 4 is an enlarged explanatory view of a main part of the sample stage, and is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3A.
FIG. 5 is an enlarged view of a main part of the sample stage of Example 1.
FIG. 6 is a perspective view of a sample holder and a holder support member of the sample stage of the first embodiment.
7 is an explanatory diagram of a sample holder and a holder support member of the sample stage of Example 1. FIG. 7A is a plan view of the holder support member, FIG. 7B is a plan view of the sample holder, and FIG. 7C is a holder support. It is a side view of a member.
FIG. 8 is an enlarged explanatory view of a main part of the sample stage of the second embodiment and corresponds to FIG. 4 of the first embodiment.
FIG. 9 is an enlarged view of a main part of the sample stage of the second embodiment, and corresponds to FIG. 5 of the first embodiment.
FIG. 10 is an explanatory diagram of a sample stage of Example 3, and corresponds to FIG. 3 of Example 1;
FIG. 11 is an explanatory diagram viewed from the side of the sample stage of Example 3.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a driving device that drives the rotating member of the sample stage according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
H ... sample holder, HM, HM '... holding member moving device, H1 ... mounted portion, S, S' ... sample stage, sample ... W, lens barrel ... 2, 17, 17 "... stage body, 17b, 17b" ... spherical outer peripheral surface, 18, 18 ', 18 "... stage body support member, 42 ... holder holding member, 42a ... holder mounting groove.

Claims

A transmission electron microscope provided with a sample stage having the following structural requirements (A01) to (A04),
(A01) A stage body disposed in a path of an electron beam along the Z axis among the three axes X, Y, and Z orthogonal to each other, and having a spherical outer peripheral surface and a hole through which the electron beam passes,
(A02) A stage body support member that supports the stage body so that the rotation of the stage body about the X axis and the Y axis can be adjusted in a state where the center of the spherical outer peripheral surface is disposed at the intersection of the three axes.
(A03) having a beam passage hole through which the electron beam passes, and having a holder mounting groove that fits with a mounted portion of the sample holder when the sample holder approaches from a holder mounting / removal direction parallel to the XY plane, A holder holding member for detachably holding the sample holder;
(A04) A holding member moving device that is supported by the stage main body and supports the holder holding member so as to be movable and adjustable in an XY plane.

2. The transmission electron microscope according to claim 1, further comprising the following constituent element (A05):
(A05) The holding member moving device that supports the holder holding member so as to be movable in the Z-axis direction.