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JP7723968B2 - stage - Google Patents
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JP7723968B2 - stage - Google Patents

stage

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JP7723968B2 JP2021168543A JP2021168543A JP7723968B2 JP 7723968 B2 JP7723968 B2 JP 7723968B2 JP 2021168543 A JP2021168543 A JP 2021168543A JP 2021168543 A JP2021168543 A JP 2021168543A JP 7723968 B2 JP7723968 B2 JP 7723968B2
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本発明は、ステージに関し、特に、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージに関する。 The present invention relates to a stage, and in particular to a stage that can be cooled or heated from above the sample.

近年、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Microscope)、走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Transmission Electron Microscope)等の電子顕微鏡における高分解能解析が進んでおり、例えば、ナノオーダーからピコオーダーへと高分解能解析が要望されてきている。昨今、電子顕微鏡内で試料を観察しながら冷却(や加熱、電場印加、磁場印加、回転)などを行う“その場観察”が注目を浴びている。特に、試料の電子線によるダメージを低減させるためには試料冷却は有効と考えられており、この観点からの試料冷却も試されている。例えば、冷却手段を有する装置として、走査型電子顕微鏡の試料室内に、水分が昇華された試料を設置する冷却ステージと、この冷却ステージ上に延びて、走査型電子顕微鏡の観察下にて、試料の必要成分を切り出すマニュピレータと、が設けられて成る走査型電子顕微鏡を用いた試料処理装置が知られている(特許文献1)。 In recent years, advances have been made in high-resolution analysis using electron microscopes such as transmission electron microscopes (TEM) and scanning transmission electron microscopes (STEM). For example, there is a demand for high-resolution analysis, from nanometer-order to picometer-order resolution. Recently, "in-situ observation," in which a sample is cooled (or heated, electric or magnetic field applied, or rotated) while being observed inside the electron microscope, has been attracting attention. Sample cooling is particularly considered effective in reducing damage to the sample caused by the electron beam, and sample cooling from this perspective is also being attempted. For example, a known example of a device with a cooling means is a sample processing device using a scanning electron microscope. This device is equipped with a cooling stage in the sample chamber of the scanning electron microscope on which a sample with sublimated water is placed, and a manipulator that extends above the cooling stage and extracts required components of the sample under observation by the scanning electron microscope (Patent Document 1).

特開昭62-85840号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 62-85840

このような冷却のニーズがある中で、上述の特許文献1を含め従来技術においては、既存の冷却ステージの試料固定方法は試料台座部の上面に試料を張り付ける方法のみで、試料下面から冷却をおこなうにとどまっている。すなわち、従来の冷却ステージでは試料台座部に両面テープや接着剤などで試料を張り付けて観察を行う方法が一般的であった。温度変化を観察するという点について既存の方法は問題なく、また、検出器の位置関係からも合理的な方法であるが、既存の方法において、試料には必ず厚みがあるので温度変化は試料の下面から上面にかけて変化し、その変化の様子を観察していたことになる。 Despite this need for cooling, conventional techniques, including the aforementioned Patent Document 1, only allow the sample to be attached to the top surface of the sample pedestal, and cooling is limited to the sample from below. In other words, with conventional cooling stages, it is common to affix the sample to the sample pedestal using double-sided tape or adhesive for observation. Existing methods are problem-free when it comes to observing temperature changes, and are rational in terms of the detector positioning. However, because samples always have thickness, with existing methods, the temperature changes from the bottom to the top of the sample, and the state of this change is observed.

ここで、相変態など温度変化によって発生する現象を観察する場合、上面で観察される現象は熱接触している下面から変態が開始しその途中や結果が表面に現われて観察されている可能性が高く、温度をパラメータとした材料の変化の‘初期’を観察するには冷却・加熱を開始した面を観察することが重要である。しかしながら、既存の技術では必ず下面から温度変化が生じるのでこれをとらえることは困難であった。この点は、試料を冷却する場合はもちろんのこと、試料を加熱する場合にも起こり得る問題であった。 When observing phenomena that occur due to temperature changes, such as phase transformations, it is highly likely that the phenomenon observed on the top surface is due to the transformation initiating from the thermally contacting bottom surface, with the process or results appearing on the surface. Therefore, in order to observe the 'initial stage' of material changes using temperature as a parameter, it is important to observe the surface where cooling or heating begins. However, with existing technology, temperature changes always occur from the bottom surface, making it difficult to capture this. This is a problem that can occur not only when cooling a sample, but also when heating a sample.

そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージを提供することにある。 The present invention aims to solve the above problems by providing a stage that allows cooling or heating from above the sample.

上記目的を達成するために、本発明者は、ステージの機構について鋭意検討を行った結果、本発明を見出すに至った。 To achieve the above objective, the inventor conducted extensive research into the stage mechanism, and as a result, came up with the present invention.

すなわち、本発明のステージは、試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有するステージであって、前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有し、かつ、前記冷却部又は前記加熱部と接触することにより前記試料を上部から冷却又は加熱することを特徴とする。
That is, the stage of the present invention is a stage having a sample pedestal on which a sample is mounted, a thermal insulating base installed under the sample pedestal, a heat conducting part installed on the top of the sample pedestal and made of a thermally conductive material, and a cooling part or a heating part, wherein the heat conducting part has a gap to prevent interference with an electron beam, and cools or heats the sample from above by coming into contact with the cooling part or the heating part .

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, it is characterized by further comprising a thermoelectric element installed in proximity to the cooling section or the heating section.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は、伸長可能であることを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conductive portion is extensible.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有することを特徴とする。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the stage further comprises a sample pedestal holder that holds down the sample pedestal.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有することを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, a heat-conducting spacer having one or more holes is provided between the sample and the sample base holder.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有することを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, a leveling member is provided between the sample pedestal and the thermal insulating base.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the thermoelectric element is a thermoelectric element that utilizes at least one of the Peltier effect and the Thomson effect.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat dissipation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling section, the heating section, or the heat conduction section.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the cooling section is characterized by comprising at least one of a solid refrigerant, a liquid refrigerant, and a gas refrigerant.

本発明のステージによれば、試料の上面から冷却又は加熱が可能なステージを提供し得るという有利な効果を奏する。また、本発明のステージによれば、試料について、材料の変化の初期を的確に観察することが可能であるという有利な効果を奏する。 The stage of the present invention has the advantageous effect of providing a stage that allows for cooling or heating from the top surface of the sample. Furthermore, the stage of the present invention has the advantageous effect of enabling accurate observation of the initial stages of material changes in the sample.

図1は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図1(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの側面図を、図1(b)は、図1(a)のA-A断面におけるステージの断面図を、図1(c)は図1(b)のB部分の拡大図を、それぞれ示す。Figure 1 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention, where Figure 1(a) is a side view of the stage in one embodiment of the present invention, Figure 1(b) is a cross-sectional view of the stage taken along line A-A in Figure 1(a), and Figure 1(c) is an enlarged view of part B in Figure 1(b). 図2は、本発明に適用可能な熱電素子の一実施態様を示す。図2(a)は、ペルチェ素子の断面図を示し、図2(b)は、ペルチェ素子の原理の模式図を示す。Figure 2 shows an embodiment of a thermoelectric element applicable to the present invention, where Figure 2(a) shows a cross-sectional view of a Peltier element, and Figure 2(b) shows a schematic diagram of the principle of the Peltier element. 図3は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図3(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの斜視図を、図1(b)は、ステージの上面図を、それぞれ示す。3A and 3B are conceptual diagrams of an example of a stage according to an embodiment of the present invention, in which Fig. 3A is a perspective view of the stage according to an embodiment of the present invention, and Fig. 3B is a top view of the stage.

本発明のステージは、試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有することを特徴とする。本発明において、試料を搭載する試料ステージとしては、電子顕微鏡内で観察する試料を搭載することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されることはない。また、本発明において、冷却部又は加熱部としては、電子顕微鏡内で観察する試料を冷却又は加熱することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されることはない。また、本発明において、複雑な温度のファクターを排除して、実験を正確に行うという観点から、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースを有する。まず、加熱ではなく、冷却の場合を例に説明すると以下の通りである。通常は下面で試料を固定(両面テープか接着)して下面から冷やしているの現状である。また、電子線は上方から照射され、電子顕微鏡は基本的に真空中で観察するので、上面はほぼ完ぺきな熱絶縁(真空)となっている。下面から冷却されて上面にかけて温度勾配ができるが、一定時間が経過すると温度は均一冷却される。試料の材料全体としての変化を知りたい場合はこの処理で十分である。つぎに上面から冷却する場合は、例えば、上面と下面で挟むことでも上面は冷却される。しかしながら、下面からも冷却されてしまう。この場合、上面からの冷却の効果と下面からの冷却の効果が混ざることになる。温度勾配は小さく試料をしっかり固定できるなどメリットはあるが、反対に、上面(観察面)の変化を知りたい場合、冷却と下面の冷却のどちらの効果で変化が生じたのか判明しづらくなる。ここで、下面を冷却しないでも熱絶縁しない場合を考える。この場合、下面からは熱の流入が生じる。すると上面を冷やすと同時に下面は加熱されているのと同じ状態と考えられる。下面からの熱の流入があるので上面の温度に影響があるだけでなく、試料全体を見た時に常に温度勾配が生じて温度が均一でなく、何度でその変化が生じたのか正確に読み取れなくなる。ここでさらに、下面を熱絶縁した場合、ちょうど下面からの冷却と反転した現象と考えることができる。ゆえに、起きた現象を理解する上でその解釈が容易になる。下面を熱絶縁する必要性は以上の通りであるが、本発明においては、試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースにより、下面を熱絶縁することが可能となる。以上は冷却の場合を例に説明したが、加熱の場合も下面を熱絶縁する必要性は同様となる。 The stage of the present invention is characterized by comprising a sample pedestal for mounting a sample, a thermally insulating base installed below the sample pedestal, a thermally conductive part installed above the sample pedestal and made of a thermally conductive material, and a cooling or heating part. In this invention, the sample stage for mounting a sample is not particularly limited, including its shape and structure, as long as it is capable of mounting a sample to be observed in an electron microscope. In addition, in this invention, the cooling or heating part is not particularly limited, including its shape and structure, as long as it is capable of cooling or heating a sample to be observed in an electron microscope. Furthermore, in this invention, a thermally insulating base is installed below the sample pedestal to eliminate complex temperature factors and ensure accurate experimentation. First, let us explain the case of cooling, rather than heating, as follows. Typically, the sample is fixed (using double-sided tape or adhesive) on the bottom surface and cooled from below. Furthermore, since the electron beam is irradiated from above and electron microscopes are essentially observed in a vacuum, the top surface is almost completely thermally insulated (vacuum). Cooling from the bottom creates a temperature gradient across the top, but after a certain amount of time, the temperature cools evenly. This process is sufficient if you want to understand the changes in the sample material as a whole. Next, if you cool from the top, for example, by sandwiching the sample between the top and bottom, the top surface will also cool. However, cooling from the bottom will also occur. In this case, the effects of cooling from the top and bottom will be mixed. While this has the advantage of a small temperature gradient and firmly fixing the sample, it can be difficult to determine whether the change is due to cooling or cooling from the bottom when you want to understand changes on the top surface (observation surface). Now, consider the case where the bottom surface is not cooled but is not thermally insulated. In this case, heat flows in from the bottom. As a result, cooling the top surface is considered to be in the same state as heating the bottom surface at the same time. Heat flow from the bottom not only affects the temperature of the top surface, but also creates a temperature gradient across the entire sample, resulting in uneven temperature and making it difficult to accurately determine the temperature at which the change occurred. Furthermore, if the bottom surface is thermally insulated, this can be considered to be the exact opposite of cooling from the bottom surface. This makes it easier to interpret the phenomenon that has occurred. The need to thermally insulate the bottom surface has been explained above, but in this invention, the bottom surface can be thermally insulated by using a thermal insulating base installed below the sample pedestal. The above explanation was given using the case of cooling as an example, but the need to thermally insulate the bottom surface is similar when heating.

また、本発明において、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部を備える。これによって、試料を上部から冷却又は加熱することができ、観察を開始する面は試料の上部の面であるため、従来では実現できなかった、冷却又は加熱を開始した面からの観察を実現することができ、ひいては材料の初期の変化を的確に観察することが可能となる。 The present invention also includes a heat-conducting section that is installed on top of the sample pedestal and is made of a thermally conductive material. This allows the sample to be cooled or heated from above, and since the surface from which observation begins is the top surface of the sample, it is possible to observe from the surface from which cooling or heating begins, which was not possible with conventional methods, and ultimately makes it possible to accurately observe initial changes in the material.

本発明において、熱伝導部に用いることが可能な熱伝導性を有する部材としては、特に限定されないが、例えば、銅および銅合金、アルミニウムおよびアルミニウム合金、銀、金、タングステンなどを挙げることができる。 In the present invention, thermally conductive materials that can be used in the heat conduction portion are not particularly limited, but examples include copper and copper alloys, aluminum and aluminum alloys, silver, gold, and tungsten.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部は、前記冷却部又は前記加熱部と接触することを特徴とする。本発明において、前記試料台座の上部に設置された熱伝導部が、前記冷却部又は前記加熱部と接触することにより、試料を上部から、冷却又は加熱させることが可能となる。 Furthermore, in a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat-conducting part made of the thermally conductive material is in contact with the cooling part or the heating part. In the present invention, the heat-conducting part installed on the top of the sample pedestal comes into contact with the cooling part or the heating part, making it possible to cool or heat the sample from above.

また、本発明において、試料の冷却及び加熱が可能であるが、冷却部を用いた場合には、以下の利点を有する。すなわち、試料上面近傍に熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部を介して冷却することで、当該冷却した熱伝導部は、コンタミネーション防止用のコールドトラップ機能を有することができる。 In addition, while the present invention allows for both cooling and heating of samples, using a cooling unit offers the following advantages. By cooling the sample via a heat-conducting unit made of a thermally conductive material near the top surface of the sample, the cooled heat-conducting unit can function as a cold trap to prevent contamination.

ここで、コールドトラップ(Cold trap)という表現を使用する場合は、冷却して真空中の微量な浮遊物質(ガス:炭化水素など)をとらえる装置として理解することができる。すなわち、真空中にガスがあるとそれが電子線の照射とともに試料に打ちつけられて、試料の上に堆積していくことが予想される。本発明のように、上面近傍に冷却部材を配する場合、電子線照射等を遮らない範囲で試料近傍を冷却された金属部材(冷却部材)で囲み、局所的に真空度の高い領域を作り出す機構を実現することが可能となる。これによって、出てきたガスを集めるために冷却して凝縮する仕組みを構築することができ、ひいては、電子顕微鏡内で真空中に存在するガスが試料につかないようにすることが可能となる。 When the term "cold trap" is used here, it can be understood as a device that cools and captures trace amounts of suspended matter (gases, such as hydrocarbons) in a vacuum. In other words, if there is gas in the vacuum, it is expected that it will be bombarded by the sample along with the electron beam and accumulate on the sample. When a cooling element is placed near the top surface, as in the present invention, a mechanism can be realized that surrounds the vicinity of the sample with a cooled metal element (cooling element) within a range that does not block the electron beam irradiation, creating a localized region with a high degree of vacuum. This allows for the creation of a mechanism that cools and condenses the gas that escapes in order to collect it, and ultimately prevents the gas present in the vacuum inside the electron microscope from coming into contact with the sample.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする。冷却部において、冷媒は用途により、適宜設定することができ、特に限定されない。好ましい媒体としては、汎用性という観点から、液体を挙げることができる。液体(水など)であれば温度の調整を汎用装置(冷却チラー)を用いてできる一方、流体であるため振動源になり得る。液体として、液体窒素や液体ヘリウムを使用することも可能である。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the cooling section is characterized by comprising at least one of a solid refrigerant, a liquid refrigerant, and a gas refrigerant. The refrigerant used in the cooling section can be selected appropriately depending on the application and is not particularly limited. From the perspective of versatility, a preferred medium is a liquid. While a liquid (such as water) can be used to adjust the temperature using a general-purpose device (a cooling chiller), being a fluid can be a source of vibration. Liquid nitrogen or liquid helium can also be used as the liquid.

また、本発明において、水冷に比べて水流や脈流による振動の影響を限りなくゼロにすることが可能であるという観点から、前記冷却部は、固体冷媒としてもよい。すなわち、本発明において、ペルチェ素子等の放熱面をドライアイスなどの固体の冷媒により冷やすことが可能である。これによって、水冷に比べて水流や脈流による振動の影響を限りなくゼロにすることが可能である。また、固体の場合には、冷却部の温度の調整が困難な点については、後述するような熱電素子を使用してコントロールすることが可能である。 Furthermore, in the present invention, the cooling unit may be a solid refrigerant, as this can reduce the impact of vibrations caused by water flow or pulsating flow to nearly zero compared to water cooling. That is, in the present invention, the heat dissipation surface of a Peltier element or the like can be cooled with a solid refrigerant such as dry ice. This makes it possible to reduce the impact of vibrations caused by water flow or pulsating flow to nearly zero compared to water cooling. Furthermore, in the case of a solid, it is difficult to adjust the temperature of the cooling unit, but this can be controlled using a thermoelectric element, as described below.

一方で、冷却ガスを微小流量にて流す場合も、振動の影響が少ないため、本発明において、これらも利用可能である。冷却ガスは、例えば、液体窒素をガス化して取り出したものなどを挙げることができる。これにより、試料を良好に冷やすことが可能である。本発明において、冷却ガスは液体窒素に限定されない。弱くガスを放熱面に通すだけであれば振動の影響はほぼなく実用できると考えられる。したがって、本発明においては、上述のように、実際に冷却部として、固体冷媒を使う場合であっても、放熱面に押し当てるのではなく、隙間を空けて冷気を当てれば足り、また、同様に、液体窒素ガスを使う場合には、冷却ガスを放熱面に通して振動の影響を受けることなしに、観察可能となる。冷却部の温度の調整が困難な点については、後述するような熱電素子を使用してコントロールすることが可能である。 On the other hand, flowing cooling gas at a minute flow rate is also less affected by vibration, and can therefore be used in the present invention. Examples of cooling gases include gasified liquid nitrogen. This allows for effective cooling of the sample. In the present invention, the cooling gas is not limited to liquid nitrogen. It is believed that simply passing weak gas through a heat dissipation surface is practically unaffected by vibration. Therefore, as described above, even when a solid refrigerant is actually used as the cooling unit, it is sufficient to pass cold air through a gap rather than pressing it against the heat dissipation surface. Similarly, when liquid nitrogen gas is used, passing the cooling gas through the heat dissipation surface allows for observation without being affected by vibration. The difficulty of adjusting the temperature of the cooling unit can be addressed by using a thermoelectric element, as described below.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は伸長可能であることを特徴とする。すなわち、冷却部又は加熱部から横方向に延長して、伸長可能な熱伝導部を設けて、別途準備した熱絶縁部の上に試料を設置し、試料上まで熱伝導部を延長してくることで冷却又は加熱ができる。すなわち、ステージの外に外部と熱絶縁された構造の試料台座部を準備することができ、その後、試料台座部の上空まで熱伝導部を延長することができる。そして、試料を熱伝導部と試料台座で挟むことが可能である。このような構造も本発明の好適な態様とすることができる。後述する図においては、省スペース化のためにステージの上に積み上げるような構造にしているが、ステージと離れた場所に熱伝導路を伸ばすことも可能である。なお、伸長可能な熱伝導部は、例えば、アーム状、クランプ状、等形状は問わない。本発明において、伸長可能な熱伝導部は、上述したような熱伝導性を有する部材からなることができ、熱伝導部としては、冷却部又は加熱部と接触して、冷却部又は加熱部からの冷熱源を試料に伝搬することが可能であれば、形状、構造等を含めて、特に限定されない。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conductive portion is extendable. That is, an extendable heat conductive portion is provided extending laterally from the cooling or heating portion. A sample can be placed on a separately prepared thermally insulating portion, and the heat conductive portion can be extended above the sample to cool or heat it. That is, a sample pedestal portion with a thermally insulated structure can be prepared outside the stage, and then the heat conductive portion can be extended above the sample pedestal. The sample can then be sandwiched between the heat conductive portion and the sample pedestal. This structure can also be a preferred embodiment of the present invention. In the figures described below, the structure is stacked on the stage to save space, but it is also possible to extend the heat conductive path to a location away from the stage. The extendable heat conductive portion can have any shape, such as an arm or clamp. In the present invention, the extendable heat conductive portion can be made of a thermally conductive material as described above. The heat conductive portion is not particularly limited in shape or structure, as long as it is capable of contacting the cooling or heating portion and transmitting the cold or heat source from the cooling or heating portion to the sample.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする。上述のように、伸長可能な熱伝導部を設ける態様においては、前記熱伝導部の上に熱電素子を設置することが可能である。本発明において、熱電素子の配置位置についても、冷却部又は加熱部に近接して設置されていれば、特に限定されない。熱電素子によって、効率的に、試料に要求される温度を設定する、すなわち、温度制御することが可能となる。なお、熱電素子を用いた態様においては、冷却・加熱のレスポンスが良く熱ドリフトの影響を極力抑えることができ、また、冷却・加熱のレスポンスが良くなるために、精密な温度コントロールを可能である。なお、熱電素子を用いた様態においては、通電方向を反転するだけで冷却・加熱を一つの素子で実現することができ、同時に冷却と昇温のレスポンスが早いので所定の温度に変更することが容易である。また、入力する電力の出力調整により精密な温度コントロールが可能なので、精密な温度コントロールが可能であり、熱ドリフトの影響を極力抑えることができる。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the stage further comprises a thermoelectric element installed adjacent to the cooling unit or the heating unit. As described above, in an embodiment in which an extensible heat conduction unit is provided, the thermoelectric element can be installed on the heat conduction unit. In the present invention, the placement position of the thermoelectric element is not particularly limited as long as it is installed adjacent to the cooling unit or the heating unit. The thermoelectric element makes it possible to efficiently set the required temperature for the sample, i.e., to control the temperature. In an embodiment using a thermoelectric element, the cooling/heating response is good, minimizing the effects of thermal drift. Furthermore, the good cooling/heating response allows for precise temperature control. In an embodiment using a thermoelectric element, cooling and heating can be achieved with a single element simply by reversing the direction of current flow. At the same time, the fast cooling and heating response makes it easy to set the desired temperature. Furthermore, precise temperature control is possible by adjusting the input power output, allowing for precise temperature control and minimizing the effects of thermal drift.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有することを特徴とする。本発明においては、熱伝導部は、試料の上部に設置しているため、電子線が照射されている位置に熱伝導部が存在する場合には、当該部材が電子線と干渉することになる。電子線と干渉しないように、熱伝導部を湾曲に設定等することができるが、空隙を設けることにより、干渉を防止することもできる。例えば、試料上面には電子線と干渉しないように熱伝導路に円形の穴を配することができる。空隙は、必ずしも円形である必要はなく四角にして板で試料を両側ないし多方向から押さえつけるような構造でも良いが、試料に対する等方的な熱伝導を考慮するという観点から、空隙は円形が好ましい。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat conduction part has a gap that prevents interference with the electron beam. In this invention, the heat conduction part is installed above the sample. Therefore, if the heat conduction part is located at a position where the electron beam is irradiated, that part will interfere with the electron beam. The heat conduction part can be configured to be curved to prevent interference with the electron beam, but interference can also be prevented by providing a gap. For example, a circular hole can be provided in the heat conduction path on the top surface of the sample to prevent interference with the electron beam. The gap does not necessarily have to be circular; it can be square and can be configured so that plates press down on the sample from both sides or multiple directions. However, a circular gap is preferable from the perspective of considering isotropic heat conduction to the sample.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。すなわち、本発明においては、熱電素子の配置位置について、冷却部、加熱部又は熱伝導部に近接して設置されていればよく、例えば、固体の冷媒等の冷却部、加熱部又は熱伝導部を放熱側(放熱面側)に押し付けるような構造でも良いし、隙間を空けて冷気を当てるような構造でも良い。冷気を当てる場合は、自然対流でもファンなどを用いた強制対流でもよいが、強制対流が振動を発生する場合は、強制対流の程度にもよるが、自然対流が望ましい。自然対流の場合でも、固体の冷媒が十分に低い温度を有しているので、放熱面側と固体冷媒等の冷却部の冷気の間に大きな温度勾配があるので、十分な熱の移動が発生し放熱面を適切に冷却できるものと考えられる。なお、自然対流よりも強制対流で、空冷よりも水冷による放熱の処理が有効である。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the heat dissipation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling unit, heating unit, or heat conduction unit. In other words, in this invention, the thermoelectric element may be positioned adjacent to the cooling unit, heating unit, or heat conduction unit. For example, the cooling unit, heating unit, or heat conduction unit, such as a solid refrigerant, may be pressed against the heat dissipation side (heat dissipation surface), or a gap may be provided to allow cold air to be applied. When applying cold air, either natural convection or forced convection using a fan or the like may be used. However, if forced convection generates vibrations, natural convection is preferable, depending on the level of forced convection. Even in the case of natural convection, the solid refrigerant has a sufficiently low temperature, creating a large temperature gradient between the heat dissipation surface and the cold air from the cooling unit, such as a solid refrigerant. This creates sufficient heat transfer and is believed to adequately cool the heat dissipation surface. Note that forced convection is more effective than natural convection, and water cooling is more effective than air cooling for heat dissipation.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする。ペルティエ効果(ペルチェ効果ともいう)は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する効果であり、2種類の異種金属(または半導体)の両端を接続し電流を流すと、両端に温度差が生じる現象である。特にペルティエ素子と呼ばれ、精密機器やワインセラーなどの冷却に利用されているものである。また、トムソン効果は、温度勾配を持たせた一様金属(または異種金属)に電流を流したときに発生する、ジュール熱以外の熱の発生(電流を反転させると熱の吸収)する効果のことを言う。いずれも、熱を発生させたり、熱を吸収したりすることができる。 In a preferred embodiment of the present invention, the thermoelectric element is a thermoelectric element that utilizes at least one of the Peltier effect and the Thomson effect. The Peltier effect (also called the Peltier effect) is the effect of converting electrical energy into thermal energy, and is a phenomenon in which a temperature difference occurs between the two ends of two dissimilar metals (or semiconductors) when the two ends are connected and an electric current is passed through them. This is particularly called a Peltier element and is used to cool precision instruments, wine cellars, and the like. The Thomson effect is the effect of generating heat other than Joule heat (heat is absorbed when the current is reversed) that occurs when an electric current is passed through a uniform metal (or dissimilar metals) with a temperature gradient. Both are capable of generating and absorbing heat.

なお、熱電素子と、冷却部、加熱部、又は熱伝導部との間には、熱電素子の効率的な排熱という観点から、放熱部材を設置してもよい。 In addition, a heat dissipation member may be installed between the thermoelectric element and the cooling unit, heating unit, or heat conduction unit to efficiently dissipate heat from the thermoelectric element.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、前記熱電素子は、冷却・加熱のレスポンスが良く熱ドリフトの影響を極力抑えるという観点から、ペルティエ素子であることを特徴とする。ペルティエ素子は、ペルチェ素子(サーモ・モジュール)とも呼ばれており、これは、ペルチェ効果を利用した素子の総称である。現在主流で最も性能が良いとされている構造は“π形”と呼ばれるもので、図2のような構造を持っている。P型半導体とN型半導体を用いたPN接合部に電流を流すことで、P-N間で放熱、N-P間で吸熱を起こすことができる。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the thermoelectric element is a Peltier element, which provides good cooling and heating response and minimizes the effects of thermal drift. Peltier elements are also called Peltier elements (thermo-modules), which is a general term for elements that utilize the Peltier effect. The currently mainstream structure that is considered to have the best performance is called the "π-type," which has a structure like that shown in Figure 2. By passing a current through a PN junction using a P-type semiconductor and an N-type semiconductor, heat can be dissipated between the P-N and absorbed between the N-P.

原理は、以下の通りである。図2は、本発明に適用可能な熱電素子の一実施態様を示す。図2(a)は、ペルチェ素子の断面図を示し、図2(b)は、ペルチェ素子の原理の模式図を示す。図2(a)において、21はホットサイドの金属(主にCu)、22はセラミックス基板(主にアルミナ)、23は放熱面、24はN型半導体、25はP型半導体、26は電線、27は電源、28は吸熱、29はN型半導体の伝導帯、30は放熱、31はプラス側、32は吸熱側、33は価電子帯、34は放熱側、35はマイナス側、36はコールドサイドの金属(主にCu)、37はコールドサイドの金属(主にCu)、38は電子、39は正孔、40はP型半導体の伝導帯をそれぞれ示す。 The principle is as follows. Figure 2 shows one embodiment of a thermoelectric element applicable to the present invention. Figure 2(a) shows a cross-sectional view of a Peltier element, and Figure 2(b) shows a schematic diagram of the Peltier element's principle. In Figure 2(a), 21 indicates the hot-side metal (mainly Cu), 22 indicates the ceramic substrate (mainly alumina), 23 indicates the heat dissipation surface, 24 indicates the N-type semiconductor, 25 indicates the P-type semiconductor, 26 indicates the electric wire, 27 indicates the power source, 28 indicates the heat absorption, 29 indicates the conduction band of the N-type semiconductor, 30 indicates the heat dissipation, 31 indicates the positive side, 32 indicates the heat absorption side, 33 indicates the valence band, 34 indicates the heat dissipation side, 35 indicates the negative side, 36 indicates the cold-side metal (mainly Cu), 37 indicates the cold-side metal (mainly Cu), 38 indicates electrons, 39 indicates holes, and 40 indicates the conduction band of the P-type semiconductor.

図2(a)において、N型半導体24側の金属36にマイナス極が接続されている。したがって、電圧によって電子はこの金属36の伝導帯からN型半導体24の伝導帯29に押し上げられる。この時、金属36の伝導帯とN型半導体24の伝導帯29にエネルギーギャップがあるため、電子は金属36から熱エネルギーを奪いその結果この金属36を冷却する。引き続いて電子は流れ、N型半導体24の伝導帯29から金属21の伝導帯に落ちる。両バンドのエネルギーギャップによって電子は熱エネルギーを放出する。このようにしてホットサイドの金属21を加熱する。さらに流れてきた電子は金属21の伝導帯から、P型半導体25の中を流れてきた正孔39に落ち込み熱エネルギーを放出し、ホットサイドの金属21を加熱する。P型半導体25の中では電圧によって正孔39が生産されコールドサイド37からホットサイド21に流れる。その時に生じた電子が電圧によってコールドサイドの金属の伝導帯に押し上げられ、それらのエネルギーギャップに応じた熱エネルギーを奪いコールドサイドの金属37を冷却する。このように電流が流れることによってペルチェモジュールのコールドサイドからホットサイドに熱が運ばれることになる。電流によって運ばれる熱エネルギーの他に熱伝導によって運ばれる熱エネルギーがあるが、熱伝導によって運ばれる熱エネルギーは流れの方向が逆のため少なくするほどペルチェモジュールの性能が良くなる。つまりホットサイドの熱エネルギーをヒートシンク等でできるだけ早く取ってやることがペルチェモジュールに良い性能を発揮させることになる。簡単に言えば、電子が熱を運ぶ(奪う)ということになる。 In Figure 2(a), the negative pole is connected to metal 36 on the N-type semiconductor 24 side. Therefore, voltage pushes electrons from the conduction band of metal 36 up into the conduction band 29 of N-type semiconductor 24. At this time, because there is an energy gap between the conduction band of metal 36 and the conduction band 29 of N-type semiconductor 24, the electrons absorb thermal energy from metal 36, thereby cooling it. The electrons then flow and fall from the conduction band 29 of N-type semiconductor 24 into the conduction band of metal 21. The energy gap between the two bands causes the electrons to release thermal energy. In this way, metal 21 on the hot side is heated. Furthermore, the flowing electrons fall from the conduction band of metal 21 into holes 39 flowing through the P-type semiconductor 25, releasing thermal energy and heating metal 21 on the hot side. In the P-type semiconductor 25, voltage generates holes 39, which flow from the cold side 37 to the hot side 21. The electrons generated at that time are pushed up into the conduction band of the cold-side metal by the voltage, absorbing thermal energy according to the energy gap and cooling the cold-side metal 37. In this way, heat is carried from the cold side to the hot side of the Peltier module as a result of the current flow. In addition to the thermal energy carried by the current, there is also thermal energy carried by thermal conduction, but because the thermal energy carried by thermal conduction flows in the opposite direction, the less of it there is, the better the performance of the Peltier module. In other words, removing the thermal energy from the hot side as quickly as possible using a heat sink or similar will allow the Peltier module to perform well. Simply put, electrons carry (remove) heat.

半導体の材料としては、特に限定されず、いずれも適用することが可能であるが、Bi-Te系半導体が最も性能が良いとされ主流となっている。 There are no particular restrictions on the semiconductor material, and any can be used, but Bi-Te semiconductors are considered to have the best performance and are the mainstream.

ペルチェの性能について、一般的に、ペルチェの性能は放熱側の温度を一定にしたときの温度Thに対して、どれだけの温度差ΔTをつけることができるかで考えることができる。例えば、Th=75, 50, 25 (℃)に対して、ΔT= 93, 85, 75のようになっている。単純に放熱面を、例えば液体窒素温度(-196℃)で冷却し続ければ、吸熱面では、マイナス二百数十度を超えると考えられるが、実際には、材料の特性上液体窒素付近ではΔT=10℃と想定される。低温にすればするほど、電子を励起するための熱がなくなっていくので、ペルチェ冷却能力が低下することと、低温であればあるほど、半導体部分の電気抵抗が大きくなってくるので電流で自己発熱する結果、全体としての冷却能力が低下するからであると考えられる。 Generally, Peltier device performance can be measured by the temperature difference ΔT that can be achieved relative to the temperature Th when the temperature on the heat-dissipating side is constant. For example, for Th = 75, 50, or 25°C, ΔT = 93, 85, or 75. If the heat-dissipating surface were simply cooled to, say, liquid nitrogen temperature (-196°C), the heat-absorbing surface would likely exceed minus 200°C. However, due to the characteristics of the material, in reality, ΔT is estimated to be 10°C at temperatures near liquid nitrogen. The lower the temperature, the less heat there is to excite electrons, reducing the Peltier cooling capacity. Additionally, the lower the temperature, the greater the electrical resistance of the semiconductor, causing it to self-heat due to current, resulting in a reduction in overall cooling capacity.

また、本発明の好ましい実施態様において、冷却する場合には、熱電素子の放熱側を冷却することにより、より低い温度まで設定することが可能であるという観点、また、加熱する場合には、熱電素子の放熱側を温めることにより、より負荷を少なくしながら加熱することが可能であるという観点から、前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする。下記の実施例においては、冷却する場合を主として記載しているが、本発明においては、熱電素子により、加熱することも可能である。加熱中は熱電素子の下面が冷えるので加熱部を温めて使用する(下面より高い温度で処理する)必要がある。この場合には、冷却部ではなく、加熱部として作用することができる。 In addition, in a preferred embodiment of the present invention, the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling unit, heating unit, or heat conduction unit, from the viewpoint that, when cooling, it is possible to set a lower temperature by cooling the heat radiation side of the thermoelectric element, and, when heating, it is possible to heat with less load by warming the heat radiation side of the thermoelectric element. The following examples mainly describe the case of cooling, but in the present invention, heating is also possible using a thermoelectric element. Since the bottom surface of the thermoelectric element cools during heating, it is necessary to heat the heating unit (process at a higher temperature than the bottom surface). In this case, it can function as a heating unit rather than a cooling unit.

加熱の場合は、冷却の場合と比較して、現象としては単純に逆転することになるが、ペルチェ素子など熱電素子の形状(多段式かどうか)によっても実用性は変わってくる。基本的に限りなく低い温度を目指す場合、多段式の熱電素子、例えばペルチェ素子を用いることができる。この場合、吸熱面(上段)の面積が小さく放熱面に向かって大きくなるピラミッドのような構造とすることができる。このような構造とするのは、基本的に面積が大きい方が吸熱量は大きいので、面積の小さな上段で吸収した熱をより大きな面積の下段の素子で排熱するためである。電流の極性を反転して加熱を目的で使用する場合は、単純ではなく、面積の小さな上段に面積の大きな下段からの熱が一気に流れ込んでくる傾向にある。上段がその熱を受け止めきれない場合は、中段に熱が溜まり、上段よりも温度が高くなる傾向になる。そのため多くのペルチェ素子では加熱側で使うとしても+100℃前後(接合部の半田が劣化しない温度)となると考えられる。ペルチェ素子は電子の移動によって吸熱面と放熱面を作り、ペルチェ素子に通電する電流量を制御することで、室温付近からマイナス領域の温度を精密に制御することが原理的には可能である。これらの効果によって、安定して高分解能観察が可能となる。 While the phenomenon is simply reversed when it comes to heating compared to cooling, the practicality of Peltier elements and other thermoelectric devices (whether multi-stage or not) also influences their practicality. Basically, when aiming for the lowest possible temperatures, multi-stage thermoelectric devices, such as Peltier elements, can be used. In this case, a pyramid-like structure can be used, with the heat-absorbing surface (top layer) being smaller and the heat-dissipating surface becoming larger. This structure is used because, since the larger the surface area, the greater the heat absorption capacity, the heat absorbed by the smaller upper layer can be dissipated by the larger lower layer. When using a device for heating by reversing the polarity of the current, it is not as simple as this. Heat from the larger lower layer tends to flow into the smaller upper layer all at once. If the upper layer cannot absorb the heat, heat accumulates in the middle layer, which tends to be higher than the upper layer. For this reason, it is thought that most Peltier elements, even when used for heating, will reach around +100°C (a temperature at which the solder at the joint does not deteriorate). Peltier elements create heat absorption and heat dissipation surfaces through the movement of electrons, and by controlling the amount of current passed through the Peltier element, it is, in principle, possible to precisely control the temperature from near room temperature to the negative range. These effects enable stable, high-resolution observations.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、試料をしっかりと固定して振動や熱ドリフトを抑制するという観点から、また、熱接触を十分にとる観点から、さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有することを特徴とする。試料固定は下面で行う必要がある場合、試料厚みによって毎回高さ調整が必要であるが、試料台座押えにより、種々の試料を固定することが可能となる。例えば、試料台座押さえはさまざまな試料の厚みに対応できるようにリングネジ式を採用することができる。試料台座押えは、必ずしもネジである必要はなく、板バネ、コイルバネ、クランプ機構などでもよい。試料台座押えとしては、締め付け圧を調整できることと熱接触を十分に確保できるのでネジ式であることが好ましい。リングネジなどの試料台座押えの材料は、熱伝導性の高いもの、例えば、例えば、金、銀、銅、アルミ、銅、あるいはこれらの合金類とすることができる。また、試料台座押えの材料は、共金によるガジリを避けるため熱伝導路と異なる材料であることが好ましい。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, the stage further comprises a sample pedestal holder for holding the sample pedestal, from the viewpoint of firmly fixing the sample to suppress vibration and thermal drift and ensuring sufficient thermal contact. When the sample must be fixed from the underside, the height must be adjusted each time depending on the sample thickness. However, the sample pedestal holder makes it possible to fix various samples. For example, a ring screw type sample pedestal holder can be used to accommodate various sample thicknesses. The sample pedestal holder does not necessarily have to be a screw, and can also be a leaf spring, coil spring, clamp mechanism, etc. A screw type sample pedestal holder is preferable because it allows for adjustable clamping pressure and ensures sufficient thermal contact. The material of the sample pedestal holder, such as the ring screw, can be one with high thermal conductivity, such as gold, silver, copper, aluminum, copper, or alloys of these. Furthermore, the material of the sample pedestal holder is preferably a material different from that of the heat conduction path to avoid galling due to the same metal.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、熱伝導部から試料中心に向かって温度勾配ができるので、観察領域を均一に冷却・加熱するという観点から、前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有することを特徴とする。例えば、試料台座押えとしてリングネジを使用した場合、当該リングネジの部分近傍から試料中心に向かって温度勾配ができるので、観察領域を均一に冷却・加熱するためには、網のような熱伝導路を試料上に張り巡らすことが好ましい場合がある。例えば、リングネジなどの試料台座押えと試料の間に複数の穴の開いた熱伝導スペーサを配することができる。観察できる視野範囲は小さくなるが、穴の外縁近傍と中心付近での温度勾配を小さくすることできる。また、電解研磨サンプルなどでは外縁から中心にかけて緩やかなくぼみができておりリングネジなどの試料台座押えとの熱接触が困難であることが考えられるので、このような場合には、試料と熱伝導スペーサとの間に比較的柔らかい、インジウムなどの金属箔等(孔を有することができる。)を挿入してもよい。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, a thermally conductive spacer with one or more holes is provided between the sample and the sample pedestal holder to uniformly cool and heat the observation area, since a temperature gradient occurs from the heat-conducting portion toward the center of the sample. For example, when a ring screw is used as the sample pedestal holder, a temperature gradient occurs from the vicinity of the ring screw toward the center of the sample. Therefore, in order to uniformly cool and heat the observation area, it may be preferable to lay a mesh-like thermal conduction path over the sample. For example, a thermally conductive spacer with multiple holes can be placed between the sample pedestal holder, such as a ring screw, and the sample. While this reduces the observable field of view, it can reduce the temperature gradient between the outer edge and the center of the holes. Furthermore, electrolytically polished samples, for example, have a gentle depression from the outer edge to the center, which may make thermal contact with the sample pedestal holder, such as a ring screw, difficult. In such cases, a relatively soft metal foil, such as indium foil (which may have holes), can be inserted between the sample and the thermally conductive spacer.

また、本発明のステージの好ましい実施態様において、熱接触を改善する観点から、前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有することを特徴とする。理想的にはSEM用の試料が研磨された後は試料の上面と下面は平行であるが実際にはわずかながらも平行ではない。また、ステージ側の試料台座部分とリングネジなどの試料台座押えも同様に平行である保証はない。試料は試料台座部に固定する必要があるため、それぞれの部材と試料の間で平行でないならば、隙間ができ熱接触が十分でなく熱が伝わらなくなる虞がある。そこで、試料台座部直下に水平調整用部材を入れることでリングネジなどの試料台座押えが試料を押さえつける力に応じて試料上面が試料台座押えに平行になるような機構とすることができる。なお、本発明において、水平調整用部材としては、特に限定されないが、例えば、ボール、又はバネなどを、中心に一個またはバランスよく複数個配してもよい。なお、ボールなどの水平調整用部材は試料台座部とブリッジ(熱絶縁ベース)を熱絶縁する効果を奏することができる。 In a preferred embodiment of the stage of the present invention, a leveling member is provided between the sample pedestal and the thermally insulating base to improve thermal contact. Ideally, the top and bottom surfaces of an SEM sample are parallel after polishing, but in reality, they are slightly misaligned. Furthermore, there is no guarantee that the sample pedestal portion on the stage and the sample pedestal holder, such as a ring screw, will be parallel as well. Because the sample must be fixed to the sample pedestal, if the respective components and the sample are not parallel, gaps may form, resulting in insufficient thermal contact and poor heat transfer. Therefore, by placing a leveling member directly below the sample pedestal, a mechanism can be created in which the top surface of the sample becomes parallel to the sample pedestal holder, depending on the force with which the sample pedestal holder, such as a ring screw, presses the sample. The leveling member used in the present invention is not particularly limited, but may be, for example, a ball or spring, centrally located or multiple balls or springs, arranged in a balanced arrangement. A leveling member such as a ball can also provide thermal insulation between the sample pedestal and the bridge (thermally insulating base).

以下、図を参照しながら、本発明の一実施態様のステージについて説明するが、本発明はこれらの限定されることを意図するものではない。 The following describes the stages of one embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the present invention is not intended to be limited to these.

図1は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図1(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの側面図を、図1(b)は、図1(a)のA-A断面におけるステージの断面図を、図1(c)は図1(b)のB部分の拡大図を、それぞれ示す。図1中、1は熱絶縁ベース、2は熱伝導部、3は冷却又は加熱の接続部、4は熱電素子(熱電素子を必要とする場合)、5は冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)、6は放熱部材、7は試料、8は試料台座、9は熱伝導スペーサ、10はブリッジ、11は水平調整用部材、12、50は試料押え(この場合、リングネジ)を、それぞれ示す。 Figure 1 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. Figure 1(a) shows a side view of the stage in one embodiment of the present invention, Figure 1(b) shows a cross-sectional view of the stage along the A-A cross section of Figure 1(a), and Figure 1(c) shows an enlarged view of part B of Figure 1(b). In Figure 1, 1 is a thermally insulating base, 2 is a heat-conducting part, 3 is a cooling or heating connection part, 4 is a thermoelectric element (if a thermoelectric element is required), 5 is a cooling or heating part (or a connection part with a cooling or heating part), 6 is a heat dissipation member, 7 is a sample, 8 is a sample base, 9 is a heat-conducting spacer, 10 is a bridge, 11 is a leveling member, and 12 and 50 are sample holders (ring screws in this case).

図を参照しながら、本発明の一実施態様におけるステージについて、各部材の役割、各部材同士のつながり等を説明すると以下の通りである。まず、ステージ本体があり、図1においては、熱電素子4を有する態様であるが、熱電素子4は、あってもなくてもよい。熱電素子4がない場合には、4の部分には、冷却部、加熱部、又は熱伝導部等を有することができる。この例においては、熱電素子4を用いる態様であるので、図に示すように、必要に応じて、放熱部材(放熱処理部材)6を設けても良い。この例においては、冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)5からの熱源(冷却又は加熱)は、放熱部材6、冷却又は加熱の接続部3、熱電素子4、熱伝導部2を経て、試料の上部へ到達する仕組みになっている。熱源(冷却又は加熱)は、熱伝導部2、リングネジ12(試料台座押えを使用する態様の場合)、又は熱伝導スペーサ9(熱伝導スペーサを使用する態様の場合)などを介して、試料7へ伝達されることができる。この態様において、水平調整用部材は、ボールを使用している。上面部材と下面部材がそれぞれ試料表面と平行でないと適切な熱接触がなされない虞がある。そこで、この例では、試料台座部直下にボールを入れることでリングネジが試料を押さえつける力に応じて試料上面がリングネジに平行になるような機構としている。また同時に、ボールは試料台座部とブリッジを熱絶縁する効果を奏することも可能である。この例では、ボールであるが、バネを中心に一個またはバランスよく複数個配してもよい。 The role of each component and the connections between them in one embodiment of the stage of the present invention are described below with reference to the figures. First, there is the stage body. While Figure 1 shows an embodiment with a thermoelectric element 4, the thermoelectric element 4 is optional. If the thermoelectric element 4 is not present, the portion containing the thermoelectric element 4 can be replaced with a cooling unit, a heating unit, or a heat conduction unit. Since this embodiment uses a thermoelectric element 4, a heat dissipation member (heat dissipation treatment member) 6 may be provided as needed, as shown in the figure. In this embodiment, the heat source (cooling or heating) from the cooling or heating unit (or connection to the cooling or heating unit) 5 passes through the heat dissipation member 6, the cooling or heating connection 3, the thermoelectric element 4, and the heat conduction unit 2 to reach the top of the sample. The heat source (cooling or heating) can be transferred to the sample 7 via the heat conduction unit 2, the ring screw 12 (in the embodiment using a sample pedestal holder), or the heat conduction spacer 9 (in the embodiment using a heat conduction spacer). In this embodiment, a ball is used as the leveling member. If the upper and lower members are not parallel to the sample surface, there is a risk that proper thermal contact will not be achieved. Therefore, in this example, a ball is placed directly below the sample pedestal, so that the upper surface of the sample becomes parallel to the ring screw in response to the force with which the ring screw presses the sample. At the same time, the ball can also have the effect of thermally insulating the sample pedestal and bridge. In this example, a ball is used, but it is also possible to place one or multiple balls in a balanced arrangement around the spring.

図3は、本発明の一実施態様における、一例のステージの概念図を示す。図3(a)は、本発明の一実施態様におけるステージの斜視図を、図1(b)は、ステージの上面図を、それぞれ示す。図3中、51は熱伝導スペーサ、52は熱伝導部に設けられた空隙、53は熱絶縁ベースを固定する固定具、それぞれ示す。 Figure 3 shows a conceptual diagram of an example stage in one embodiment of the present invention. Figure 3(a) shows a perspective view of the stage in one embodiment of the present invention, and Figure 3(b) shows a top view of the stage. In Figure 3, 51 indicates a thermally conductive spacer, 52 indicates a gap provided in the thermally conductive portion, and 53 indicates a fixture for fixing the thermally insulating base.

このように、本発明のステージは、走査型電子顕微鏡に好適に用いることができ、試料の上面から、冷却・加熱することが可能な機構を提供し得る。すなわち、本発明によって、走査型電子顕微鏡(SEM)内で試料を冷却・加熱する際の試料固定方法および熱伝導方向の制御を良好に行うことが可能である。これにより、温度変化によって発生する現象(相変態など)の初期過程を観察可能になりうる。また、冷却の場合、観察面近傍に冷却部材があるためコールドトラップとなりコンタミネーションの低減にも寄与することが分かった。 As such, the stage of the present invention can be suitably used in scanning electron microscopes, providing a mechanism that allows for cooling and heating from above the sample. In other words, the present invention makes it possible to effectively control the sample fixation method and heat conduction direction when cooling and heating a sample inside a scanning electron microscope (SEM). This may make it possible to observe the initial stages of phenomena (such as phase transformations) that occur due to temperature changes. Furthermore, in the case of cooling, the presence of a cooling element near the observation surface acts as a cold trap, which has been found to contribute to reducing contamination.

なお、上記一態様においては、冷却・加熱源から熱伝導路(熱伝導部)をアーム形状に迂回させて試料上面に通し、試料台座部は熱絶縁する機構を考案して上面からの冷却加熱を可能としているが、熱伝導路は図のように必ずしも迂回させる必要はなく冷却面から横方向に延長してもよい。一方で試料の下面は熱絶絶縁する必要があり、この例では冷却面をブリッジ(熱絶縁ベース)してフレームに固定する例であるが、特に限定されない。また、ブリッジ(熱絶縁ベース)について、樹脂やチタンなど熱伝導率の低い材料からなるものを好ましく使用することができる。 In the above embodiment, the heat conduction path (heat conduction section) from the cooling/heating source is routed in an arm-like manner to the top surface of the sample, and a thermally insulated mechanism is devised for the sample pedestal, allowing for cooling and heating from the top surface. However, the heat conduction path does not necessarily have to be routed as shown in the figure, and may extend laterally from the cooling surface. On the other hand, the bottom surface of the sample must be thermally insulated, and in this example, the cooling surface is fixed to the frame as a bridge (thermal insulating base), but this is not particularly limited. Furthermore, the bridge (thermal insulating base) can preferably be made of a material with low thermal conductivity, such as resin or titanium.

試料の上部から、加熱又は冷却することにより、試料のその場観察を行うことが可能であり、広範な技術分野において適用可能である。 By heating or cooling the sample from above, it is possible to observe the sample in situ, making it applicable in a wide range of technical fields.

1 熱絶縁ベース
2 熱伝導部
3 冷却又は加熱の接続部
4 熱電素子(熱電素子を必要とする場合)
5 冷却部若しくは加熱部(又は冷却部若しくは加熱部との接続部)
6 放熱部材
7 試料
8 試料台座
9 熱伝導スペーサ
10 ブリッジ
11 水平調整用部材
12、50 試料押え(この場合、リングネジ)
21 ホットサイドの金属(主にCu)
22 セラミックス基板(主にアルミナ)
23 放熱面
24 N型半導体
25 P型半導体
26 電線
27 電源
28 吸熱
29 N型半導体の伝導帯
30 放熱
31 プラス側
32 吸熱側
33 価電子帯
34 放熱側
35 マイナス側
36 コールドサイドの金属(主にCu)
37 コールドサイドの金属(主にCu)
38 電子
39 正孔
40 P型半導体の伝導帯
51 熱伝導スペーサ
52 熱伝導部に設けられた空隙
53 熱絶縁ベースを固定する固定具
1. Thermal insulating base
2 heat conduction part 3 cooling or heating connection part 4 thermoelectric element (if thermoelectric element is required)
5. Cooling or heating unit (or connection to the cooling or heating unit)
6 Heat dissipation member 7 Sample 8 Sample base 9 Heat conductive spacer 10 Bridge 11 Level adjustment member 12, 50 Sample holder (in this case, ring screw)
21 Hot side metal (mainly Cu)
22 Ceramic substrate (mainly alumina)
23 Heat dissipation surface 24 N-type semiconductor 25 P-type semiconductor 26 Electric wire 27 Power source 28 Heat absorption 29 Conduction band of N-type semiconductor 30 Heat dissipation 31 Positive side 32 Heat absorption side 33 Valence band 34 Heat dissipation side 35 Negative side 36 Cold side metal (mainly Cu)
37 Cold side metals (mainly Cu)
38 Electrons 39 Holes 40 Conduction band of P-type semiconductor 51 Thermally conductive spacer 52 Air gap provided in thermally conductive portion 53 Fixture for fixing thermal insulating base

Claims (9)

試料を搭載する試料台座と、前記試料台座の下部に設置された熱絶縁ベースと、前記試料台座の上部に設置され、熱伝導性を有する部材からなる熱伝導部と、冷却部又は加熱部と、を有するステージであって、前記熱伝導部は、電子線との干渉を防止する空隙を有し、かつ、前記冷却部又は前記加熱部と接触することにより前記試料を上部から冷却又は加熱することを特徴とするステージ。 A stage having a sample pedestal for mounting a sample, a thermal insulating base installed under the sample pedestal, a heat conducting part installed on the top of the sample pedestal and made of a thermally conductive material, and a cooling part or a heating part, wherein the heat conducting part has a gap to prevent interference with an electron beam, and cools or heats the sample from above by coming into contact with the cooling part or the heating part . さらに、前記冷却部又は前記加熱部に近接して設置された熱電素子を有することを特徴とする請求項1記載のステージ。 2. The stage according to claim 1 , further comprising a thermoelectric element disposed adjacent to the cooling unit or the heating unit. 前記熱伝導部は、伸長可能であることを特徴とすることを特徴とする請求項1又は2に記載のステージ。 3. The stage according to claim 1 , wherein the heat conducting portion is extensible. さらに、前記試料台座を押える試料台座押えを有する請求項1~3のいずれか一項に記載のステージ。 4. The stage according to claim 1 , further comprising a sample pedestal holder for holding the sample pedestal. 前記試料と前記試料台座押えとの間に、1又はそれ以上の孔を有する熱伝導スペーサを有する請求項4記載のステージ。 5. The stage according to claim 4 , further comprising a thermally conductive spacer having one or more holes between the sample and the sample pedestal holder. 前記試料台座と、前記熱絶縁ベースとの間に、水平調整用部材を有する請求項1~5のいずれか一項に記載のステージ。 6. The stage according to claim 1 , further comprising a leveling member between the sample pedestal and the thermal insulating base. 前記熱電素子は、ペルチェ効果、又はトムソン効果の少なくとも1種から選択される効果を利用した熱電素子であることを特徴とする請求項2記載のステージ。 3. The stage according to claim 2 , wherein the thermoelectric element is a thermoelectric element utilizing at least one of the Peltier effect and the Thomson effect. 前記熱電素子の放熱側と、前記冷却部、前記加熱部又は前記熱伝導部とが接触することを特徴とする請求項2記載のステージ。 3. The stage according to claim 2 , wherein the heat radiation side of the thermoelectric element is in contact with the cooling part, the heating part, or the heat conduction part. 前記冷却部は、固体冷媒、液体冷媒、又は気体冷媒の少なくとも1種からなることを特徴とする請求項1記載のステージ。
2. The stage according to claim 1 , wherein the cooling portion is made of at least one of a solid refrigerant, a liquid refrigerant, and a gas refrigerant.
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