JP2007273477A

JP2007273477A - Ｘ線分光器を備えた電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2007273477A
Application number: JP2007118838A
Authority: JP
Inventors: Masami Terauchi; 正己寺内
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2007-04-27
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】コンパクトな光学系で高分解能なＸ線分光器を備えた電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】真空ポンプで排気され、不等間隔回折格子（１２）が配置されるとともに、端部にＸ線検出器（１４）が取り付けられた分光室を有するＸ線分光器（１０）をゲートバルブ（４）を介して電子顕微鏡の側壁に取り付けたものであって、電子線が照射された試料から放出される特性Ｘ線を不等間隔回折格子面に斜めに入射させ、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出するようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明はＸ線分光器を備えた電子顕微鏡に関する。

従来、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）に波長分散型の分光器（ＷＤＳ）を取り付け、電子顕微鏡内で電子線を試料に照射したときに発生する特性Ｘ線をＷＤＳで検出し、Ｘ線分析を行うＥＰＭＡが知られている。

このような分光器ではＸ線発生点（試料）、分光結晶中心点、検出器のスリット中心点の３点をローランド円上の所定の位置に合わせる機構が必要であるとともに、ローランド円の半径が数ｍもあるため、大がかりな構造の光学系となってしまう。また、分光結晶への入射角（結晶面の法線に対する角度）が小さいため、検出器が電子顕微鏡の鏡筒側に近づき、全体の配置構成が難しくなってしまう。この対策として、エネルギー分散型の分光器（ＥＤＳ）を電子顕微鏡と組み合わせることが考えられるが、ＥＰＭＡ用のＷＤＳに比べ分解能の点が十分ではない。

そのために本発明は、コンパクトな光学系とし、かつ高分解能なＸ線分光器を備えた電子顕微鏡を提供しようとするものである。
本発明は真空ポンプで排気され、不等間隔回折格子が配置されるとともに、端部にＸ線検出器が取り付けられた分光室を有するＸ線分光器をゲートバルブを介して電子顕微鏡の側壁に取り付けた電子顕微鏡であって、電子線が照射された試料から放出される特性Ｘ線を不等間隔回折格子面に斜めに入射させ、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出することを特徴とする。
また、本発明は、前記Ｘ線検出器が、ＣＣＤ検出器であることを特徴とする。
また、本発明は、不等間隔回折格子で回折されるＸ線の出射角は、回折格子面の法線に対して７７〜８３度であることを特徴とする。
また、本発明は、試料から放出される特性Ｘ線をＸ線集光ミラーで集光して不等間隔回折格子に入射させるようにしたことを特徴とする。
また、本発明は、測定エネルギー領域の異なる複数の不等間隔回折格子を装着し、不等間隔回折格子の１つを特性Ｘ線入射位置に選択的に配置しうる回折格子交換機構を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、特性Ｘ線入射位置に選択的にセットされた不等間隔回折格子の傾きを調整するグレーティング傾斜調整機構を備えたことを特徴とする。
また、本発明は、前記ＣＣＤ検出器が、前記分光室に対してベローズを介して接続されることにより、前記回折格子に対して移動可能に設けられていることを特徴とする。
また、本発明は、前記ベローズが、伸縮方向の異なる複数のベローズを縦続に連結した構造を有し、複数のベローズの伸縮を組み合わせることによりＣＣＤ検出器位置を回折格子に対して二次元的に移動可能に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、従来のようにローランドマウントを必要としないコンパクトな光学系で、かつ高分解能化を達成でき、特定の小試料面から価電子帯の部分状態密度を得るための、透過電子顕微鏡用軟Ｘ線分光器を作製する１段階に到達し、価電子帯の状態密度を得ることに成功した。

また、試料からのＸ線を集光ミラーで集光して回折格子に入射させることにより、回折格子に入射するＸ線強度を増加させ、測定時間の短縮、スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
また、複数のスリットを介して回折格子にＸ線を入射させることにより、迷光によるバックグラウンドを低減させて、スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。
また、角度の異なるベローズを組み合わせてＣＣＤを取り付けることにより、ＣＣＤ位置の上下、左右方向への微調整が可能になり、これにより組み立て誤差等によるＣＣＤ位置のずれを補正し、最適な位置への設定が可能となる。
また、グレーティング交換機構設けて、測定エネルギー領域の異なる複数の回折格子を装着することにより、真空を破らずに回折格子を交換してより広いエネルギー領域が測定可能となる。
また、グレーティング傾斜調整機構を設けることにより、組み立て誤差等による回折格子の傾きを補正し、最適なＸ線光学系を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
本発明者は、高分解能エネルギー分析電子顕微鏡の開発を行ってきたが、この装置を用いると３０ｎｍφの領域の誘電関数、伝導帯状態密度分布を知ることができる。詳細な電子状態の研究のためには、伝導帯だけではなく価電子帯の状態密度分布も知る必要がある。電子顕微鏡では、電子ビームを照射している領域から発生する特性Ｘ線を用いて元素分析（エネルギー分解能は１００〜２００ｅＶ程度）を行っているが、この特性Ｘ線のスペクトルを１ｅＶ程度以下のエネルギー分解能で測定できれば、価電子帯状態密度分布を得ることができる。

価電子帯の状態密度分布は蛍光Ｘ線分光法（ＸＥＳ）によって得られる。ところで、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）に取り付けられたＥＤＳは、小試料面積からの特性Ｘ線のスペクトルを得るツールであるが、半導体検出器を用いた従来のＥＤＳのエネルギー分解能は、約１５０ｅＶであるので電子状態の研究には十分ではない。また、ＳＥＭ用の従来の波長分散型Ｘ線分光計は、従来のＥＤＳよりも高い分解能約１０ｅＶを有するが、価電子帯の状態密度を得るには十分なエネルギー分解能ではない。

以下では、特性軟Ｘ線分光計を備えたＴＥＭの開発と、βボロンのＢＫエミッションへの応用例について説明する。

図１は本発明のＸ線分光器を備えた透過電子顕微鏡の例を示す図である。
ＴＥＭ１の鏡筒２にはゲートバルブ４を介してＸ線分光器１０が取り付けられている。ゲートバルブ４は分光器１０とＴＥＭ１の鏡筒間に配置されて両者の真空をセパレートしている。分光室（分光器チャンバー）１１内に配置された収差補正のために不等間隔の溝が形成された回折格子１２と、分光室端部にベローズ１３を介して配置された背面照射型のＣＣＤ検出器１４により分光器１０が構成されている。回折格子１２は収差補正のために不等間隔で溝が形成され、このような不等間隔回折格子は、大きな入射角で入射させたとき、その回折光に対して垂直な結像面を実現できることが知られている。そこで、ＴＥＭ１内で電子ビームが照射されて試料３から放出される特性Ｘ線は、回折格子面の法線に対して大きな入射角α（回折格子面にほぼ平行）で入射し、この斜め入射が回折光の焦点をローランド円上ではなく、光線にほぼ垂直な平面（ＣＣＤの面）上に作るように設計される。この回折格子の分散は通常の溝付回折格子よりも小さく、そのため固定されたＣＣＤ検出器を用いて広いエネルギー範囲を検出することができる。また、分光器チャンバー１１はバルブ１５、１６、１７を通してロータリーポンプ２０と組み合わされたターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）１９及びスパッタイオンポンプ（ＳＩＰ）１８で真空に排気されている。ＣＣＤ検出器１４はベローズ１３を介して取り付けられて回折格子からの距離の微調整が可能になっており、ＣＣＤコントローラ２１で制御されて検出された信号はデータ処理装置２２に転送されてデータ処理され、モニタ２３にそのスペクトルが表示される。

本実施例の回折格子は、１２００本／ｍｍの溝を有し、光線方向に沿って一方から他方へ徐々に間隔が変えられ、半径６５４９ｍｍの凹面を有し、幅（光線方向に直角）３０ｍｍ、長さ（光線方向）５０ｍｍで金の表面処理を施している。そして、回折格子面の法線に対して入射角αが８７度、出射角βが７７〜８３度、腕の長さ（試料から回折格子照射点と回折格子からＣＣＤまでの距離）は２３７ｍｍ、２３５ｍｍである。また、背面照射型ＣＣＤは１１００×３３０ピクセル、サイズ２６．４×７．９ｍｍ²、１画素サイズ２４μｍ×２４μｍ（出射角７７〜８３°に対応する分解能）である。

ＣＣＤ検出器にフォーカスされたスポットサイズは、試料上の電子ビームのサイズと、回折格子の収差による広がりの重畳である。試料上にフォーカスされた電子ビームのサイズは、実験ではほぼ５００ｎｍであり、回折格子の収差によるスポットの広がりは、２４８ｅＶで４０μｍ、１２４ｅＶで２０μｍとの評価がすでに報告されており、約１８５ｅＶのＢＫエミッションエネルギーに対する広がりはほぼ３０μｍと考えられる。したがって、ＣＣＤ検出器のスポットサイズは主として収差によって決定されることになる。回折格子のエネルギー分散は、式
λ＝σ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）
（λは波長、σは溝間隔、αとβは入射角と回折角）
により、画素サイズ当たり約０．３ｅＶと評価される。したがって、ＢＫエミッションスペクトルのエネルギー分解能は、約０．６ｅＶ（０．３ｅＶ×２画素）と評価される。

図２は６００ｎｍ径の単結晶試料面からプローブ電流約７０ｎＡで得られたβボロンのＢＫエミッションスペクトルで、検出時間は約１時間である。水平軸はＣＣＤ検出器のチャンネル数を表している。スペクトルは、それぞれ矢印と垂直線で示された１つのピークと、２つの肩部を示している。ピークのエネルギーは、すでに報告されている回折分光器によるスペクトルを参照すると、１８５ｅＶ、ピークの幅は約１０ｅＶである。図２から本発明の装置は高エネルギー分解能で、Ｓ／Ｎ比が優れていることが分かる。

次に、機能を拡充したＸ線分光器を備えた透過型電子顕微鏡用の例について図３〜図６により説明する。
図３は本発明の透過型電子顕微鏡の他の例を説明する概念図である。
ＴＥＭの鏡筒２にはゲートバルブ４を介してＸ線分光器が取り付けられているが、この例では試料３から放出されるＸ線を、後述するＸ線集光ミラー３０で集光する。Ｘ線集光ミラー３０で集光させることにより、回折格子に入射するＸ線強度を増加させて測定時間の短縮、スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。集光したＸ線はゲートバルブの前後に配置されたスリット３１、３２を通して分光器チャンバー１１に配置された不等間隔回折格子１２に入射させる。不等間隔回折格子１２に対してもＸ線入射スリット３３が配置され、これら複数のスリット３１、３２、３３により、迷光によるバックグラウンドを低減させて、スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させる。

不等間隔回折格子１２は、後述するグレーティング交換機構４０に取り付けられる。グレーティング交換機構４０は測定エネルギー領域の異なる複数の不等間隔回折格子を装着するためのもので、不等間隔回折格子の１つがＸ線入射位置にセットされてＸ線を回折する。Ｘ線入射位置にセットされた回折格子は、グレーティング傾斜調整機構５０によりその傾きが調整される。

回折Ｘ線を検出するＣＣＤ検出器１４は、分光器チャンバー端部にベローズ１３を介して配置されるが、この例においてはベローズ１３に対して傾斜した角度の異なるベローズ３４を前段として縦続に連結し、両方のベローズの伸縮を組み合わせてＣＣＤ検出器位置の上下、左右方向の微調整を行うようにする。上記したように、不等間隔回折格子は大きな入射角で入射させたとき、その回折光に対して垂直な結像面を実現できるので、その結像面にＣＣＤ検出器の受光面を合わせるようにする必要があり、そのため両方のベローズを用いて受光面の位置、方向を調整する。これにより、例えば組み立て誤差によるＣＣＤ位置のずれを補正することができ、最適な位置への設定が可能となる。このとき、グレーティング傾斜調整機構５０の調整も組み合わせることにより、ＣＣＤ検出器への回折光の入射を最適化することができる。

図４はＸ線集光ミラーを説明する図である。
Ｘ線集光ミラーは２枚を向き合わせて１組とし、それぞれのミラーの向き合う面は紙面垂直方向に平坦で、紙面平行方向ではミラーへのＸ線の入射角を小さくするように曲面を描き、且つミラーの間隔は、試料側が狭く回折格子側が広くなるようにされている。
試料から発生するＸ線は全立体角方向へ放射され、図のＸ１、Ｘ２（試料と回折格子端部を結ぶ直線）内の範囲はミラーを用いない場合に回折格子に入射するＸ線を表している。そして、集光ミラーを設定することで、図のＸ１とＸ３、Ｘ２とＸ４（Ｘ３、Ｘ４は試料とミラー手前側端部を結ぶ直線）の間の範囲のＸ線も集光させて回折格子に入射するようになり、回折格子に入射するＸ線強度を増加（Ｘ線検出立体角を増加）させ、これにより測定時間の短縮、スペクトルのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

図５はグレーティング交換機構を説明する図である。
図５（ａ）は垂直面内で回転できる回転台４１に測定エネルギー領域の異なる不等間隔回折格子Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩを固定するようにしたもので、回転台の回転角を外部から調整できるようにして、真空を破らずに回折格子を交換して入射スリット３３の位置にセットできるようにする。勿論、水平面内で回転する回転台を用いるようにしてもよい。

図５（ｂ）は水平移動台４２に測定エネルギー領域の異なる不等間隔回折格子Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩを固定するようにしたもので、水平移動台４２の位置を外部から調整できるようにして、真空を破らずに回折格子を交換して入射スリット３３の位置にセットできるようにする。
このように測定エネルギー領域の異なる３個の不等間隔回折格子Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩを交換することにより、より広いエネルギー領域６０−１２００ｅＶが測定できるようになった。なお、さらに測定するエネルギー領域の異なる不等間隔回折格子を数多く取り付けることにより、真空を破らずに回折格子を交換してより広いエネルギー領域が測定可能となる。

図６はグレーティング傾斜調整機構を説明する図である。
この例では図５（ａ）に示した回転台を用いるグレーティング交換機構において、入射スリット位置にセットされた回折格子の傾斜を補正している。すなわち、直線導入器５１は回転することによりロッドが上下に動くように構成され、ロッド先端で回折格子の片側の高さを調整できるようにする。このようにして、組み立て誤差等による回折格子の傾きを補正し、最適なＸ線光学系を実現することができる。

Ｘ線分光器を備えた透過電子顕微鏡の例を示す図である。 βボロンのＢＫエミッションスペクトルを示す図である。本発明の透過型電子顕微鏡の他の例を説明する概念図である。Ｘ線集光ミラーを説明する図である。グレーティング交換機構を説明する図である。グレーティング傾斜調整機構を説明する図である。

符号の説明

１…透過型電子顕微鏡、２…鏡筒、３…試料、４…ゲートバルブ、１０…分光器、１１…分光器チャンバー、１２…回折格子、１３…ベローズ、１４…ＣＣＤ検出器、１５、１６、１７…バルブ、１８…スパッタイオンポンプ（ＳＩＰ）、１９…ターボ分子ポンプ（ＴＭＰ）、２０…ロータリーポンプ、２１…ＣＣＤコントローラ、２２…データ処理装置、２３…モニタ、３０…Ｘ線集光ミラー、３１、３２、３３…スリット、３４…ベローズ、４０…グレーティング交換機構、５０…グレーティング傾斜調整機構。

Claims

真空ポンプで排気され、不等間隔回折格子が配置されるとともに、端部にＸ線検出器が取り付けられた分光室を有するＸ線分光器をゲートバルブを介して電子顕微鏡の側壁に取り付けた電子顕微鏡であって、電子線が照射された試料から放出される特性Ｘ線を不等間隔回折格子面に斜めに入射させ、その回折Ｘ線をＸ線検出器で検出することを特徴とするＸ線分光器を備えた電子顕微鏡。
前記Ｘ線検出器は、ＣＣＤ検出器であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
不等間隔回折格子で回折されるＸ線の出射角は、回折格子面の法線に対して７７〜８３度であることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
試料から放出される特性Ｘ線をＸ線集光ミラーで集光して不等間隔回折格子に入射させるようにしたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
測定エネルギー領域の異なる複数の不等間隔回折格子を装着し、不等間隔回折格子の１つを特性Ｘ線入射位置に選択的に配置しうる回折格子交換機構を備えたことを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
特性Ｘ線入射位置に選択的にセットされた不等間隔回折格子の傾きを調整するグレーティング傾斜調整機構を備えたことを特徴とする請求項５記載の電子顕微鏡。
前記ＣＣＤ検出器は、前記分光室に対してベローズを介して接続されることにより、前記回折格子に対して移動可能に設けられていることを特徴とする請求項２記載の電子顕微鏡。
前記ベローズは、伸縮方向の異なる複数のベローズを縦続に連結した構造を有し、複数のベローズの伸縮を組み合わせることによりＣＣＤ検出器位置を回折格子に対して二次元的に移動可能に設けられていることを特徴とする請求項７記載の電子顕微鏡。