JP2009008657A - 固体試料、固体試料作製方法及び固体試料作製装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液滴における前記物質の分散状態を保持したまま、液体中の分散物の分散状態を正確に観察可能な固体試料を提供する。
【解決手段】常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体を用意する工程と、前記検体を液滴として、冷却されたステージ表面に付着させる工程と、を含み、観察すべき領域全体をアモルファス化することを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、常温常圧で液相を呈する液体中に分散された前記物質の分散状態を、より正確に観察可能な固体試料、該固体試料の作製方法及び観察方法に関する。さらには、それら方法に用いられる装置に関する。

近年における機能性デバイスの需要増加とともに、薬剤、エマルジョンなど、固体又は液体の分散物を液体媒質中に分散した試料について、より正確な分散状態の評価や微細な構造解析が望まれている。

光学顕微鏡で観察可能な構造よりさらに微細な構造を観察するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が一般的に用いられる。しかし、試料は真空中に置かれるので、通常の試料は液体状態で観察することはできない。したがって、液体試料を観察する場合には、試料を真空中でも変化しないように固定する必要がある。ＳＥＭ観察に限らず、観察対象を静止状態で観察する場合は、液状の試料を何らかの方法で固定しなければならない。

液体試料中の分散物を、液体時の分布密度や凝集・分散の状態を保持した状態で観察する方法の一つとして、液体試料を凍結固化させる方法がある。

液体試料を凍結固化すると、試料中で結晶化面が移動しながら固化が進行する場合がある。この場合には、結晶面の移動に伴い分散物も液体媒質中を移動するため、固化した試料中の分散物の分散状態は凍結前の液体時の分散状態とは異なり、液体試料中の分散物の正確な観察を行うことができない。

特許文献１には、試料ホルダに液体試料を入れ、該試料ホルダを冷却したメタルブロック上に押し付けて急速に冷却する方法が提案されている。しかし、試料観察の際、試料をホルダから取り外して加工・観察装置のステージに移す必要がある。また、試料が微小な場合、ホルダの熱容量を試料の熱容量より小さくするのは困難であるため、ホルダの熱容量によって試料の冷却条件がばらつき、観察すべき試料全体が均一な凍結試料を得ることができない。

また、特許文献２には、試料にマイクロ波を照射した直後に該試料を急速に冷却し凍結固化させる方法が開示されている。従来の急速凍結装置においては、水が非晶質となって凍結される領域が銅ブロックと接触した表面からせいぜい２０μｍ程のごく一部に限られるため、特許文献２では、マイクロ波を利用している。

このように特許文献２には、マイクロ波の照射により、氷の結晶の成長が妨げられ、非晶質的に凍結される領域が大幅に拡大することが開示されている。

しかし、前記手法ではマイクロ波によりエネルギーが試料外から与えられ、人工的な分散状態が形成されてしまうため、得られる固体試料は本来の液体試料における分散状態とは異なる。また、試料全体をアモルファス状態の固体とするには至っていない。

いずれにしても、前述したとおり、試料観察の際、試料をホルダから取り外して加工・観察装置のステージに移す必要がある。また、試料が微小な場合、ホルダの熱容量を試料の熱容量より小さくするのは困難であるため、ホルダの熱容量によって試料の冷却条件がばらつき、観察すべき試料全体が均一な固体試料を得ることができない。

実開昭５７−７５５５４号公報 特公平０８−１２１３６号公報

本発明は、液体中の固体又は液体の分散物の分散状態を正確に観察可能な固体試料、該固体試料の作製方法及び観察方法を提供することを目的とする。さらには、それら方法に用いられる固体試料の作製装置及び固体試料の観察装置を提供することが本発明の別の目的である。

本発明の骨子は、
常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体液滴を、該液滴における前記物質の分散状態を保持したまま、観察すべき領域全体をアモルファス化したことを特徴とする固体試料である。

本発明の別の骨子は、
常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体を用意する工程と、前記検体を液滴として、冷却されたステージ表面に付着させる工程と、を含み、観察すべき領域全体をアモルファス化することを特徴とする固体試料の作製方法である。

本発明の更に別の骨子は、
試料の観察方法において、上述した固体試料の作製方法を用いて固体試料を作製する工程と、前記固体試料のアモルファス状態を維持して該固体試料の断面観察を行う観察工程と、を含むことを特徴とする試料の観察方法である。

本発明の他の骨子は、
固体試料の作製装置において、検体が付着される表面を提供するステージと、常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体を、前記表面に液滴として供給する検体供給器と、前記ステージ表面を冷却する冷却器と、を含み、前記検体を液滴として、前記冷却器により冷却された前記ステージ表面に付着させることにより、観察すべき領域全体をアモルファス化することを特徴とする固体試料の作製装置である。

本発明の更に他の骨子は、観察装置において、
上述した固体試料の作製装置と、前記作製装置により作製された前記固体試料を加工して断面を形成する断面形成装置と、前記固体試料のアモルファス状態を維持して、前記断面形成装置により形成された断面を観察する断面観察装置と、を有することを特徴とする観察装置である。

本発明の固体試料は、液体試料を液体時の分散物の分散状態を保持して全体としてアモルファスの状態で固化した試料であるため、液体中の分散物の分散状態を正確に観察できる。また、本発明によれば、試料を微小量の液滴にして速い速度で吐出させ、非常に薄い膜状態で冷却した試料台に着弾させるため、試料全体が急速に冷却、液体時の分散状態を保持した試料全体がアモルファスの状態の固体である固体試料を得ることができる。

（固体試料）
本発明の固体試料は、観察すべき領域全体がアモルファス（非晶質）状態で固化している。アモルファスの固体は、液体のランダムな分子配置をそのまま凍結した固体であり、液体試料からなる検体液滴を急速冷却して結晶成長を阻害することにより得ることができる。

液体試料中に分散物が分散している場合、アモルファスの状態で固化させることにより結晶面成長が生じないため、結晶面成長に伴う分散物の移動が起きない。しかも、固化させる前にマイクロ波エネルギーを試料に照射したりしないため、得られる固体試料は液体時の分散物の分散状態を正しく反映しており、ＳＥＭ等で該固体試料を観察する際に、液体状態における分散物の正確な分布観察を行うことができる。

固体試料がアモルファスであることは、光学顕微鏡、ＳＥＭ、及びレーザー顕微鏡等による直接観察、並びに透過型電子顕微鏡、Ｘ線解析による回折パターンの測定などから判断することができる。結晶質部分が一部に存在する場合、走査型電子顕微鏡では一定の塊状の結晶を直接観測でき、透過型電子顕微鏡、Ｘ線解析では該結晶質部分由来の回折パターンが得られる。これ以外にもラマン分光法によりアモルファスか結晶かを同定することができる。

本発明の固体試料のアモルファス状態とは、例えばＳＥＭにより１０ｎｍ以上の粒径の結晶が観察されない状態をいう。

本発明に用いられる、常温常圧で液相を呈する液体（Ａ）としては、例えば、１気圧かつ２０℃程度の室温状態で液相を呈する液体であり、代表的には水や水溶性溶剤や有機溶剤である。

本発明に用いられる有機溶剤としては、エタノール、メタノール、イソプロパノールなどのアルコール；アセトン；エチルエーテル；キシレン；シクロヘキサン；トルエンなどである。

本発明に用いられる、常温常圧で固相又は液相を呈する物質（Ｂ）としては、例えば、１気圧かつ２０℃程度の室温状態で固相又は液相を呈する物質が用いられる。

常温常圧で固相を呈する物質（Ｂ１）としては、金、銀、銅のような純金属又は合金、シリコン、ゲルマニウムのような半導体、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウムのような酸化物、カーボンブラックなどの無機微粒子が挙げられる。或いはアントラキノン誘導体、ポリスチレン樹脂などの有機化合物；銅フタロシアニンなどの金属錯体、などの有機微粒子であってもよい。

上記物質（Ｂ１）の粒子径は、液体中の分散性が保たれていれば特に規定されないが、１０ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。

これらの粒子径は光散乱法、レーザー回折法などの手法で測定可能である。

常温常圧で液相を呈する物質（Ｂ２）としては、常温で液体を呈し、急冷により液体（Ａ）とともに固体となる物質であれば特に規定されない。しかし、物質（Ｂ２）は、液体（Ａ）中で分散状態が保たれることが可能な物質である必要がある。

具体的には、物質（Ｂ２）としては、エマルジョン状態の液体であり、例えば、たんぱく質分散液、未反応乳化重合液等が挙げられる。前記液体の物質（Ｂ２）の粒子径は、１０ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内から適宜選択できる。

これらの粒子径は光散乱法などの手法で測定可能である。

常温常圧で固相又は液相を呈する物質（Ｂ）の機能としては、顔料、色材、導電性物質、絶縁性物質、半導体、誘電体、磁性体、エマルジョン、界面活性剤などであり得る。

また、物質（Ｂ）としては、例えば−４０℃以上の凝固点を有する物質、例えば−４０℃以上＋２０℃以下の範囲内から選択される凝固点を有する物質が好ましく用いられる。これらの具体例としては、植物性油脂、シクロヘキサン、などが挙げられる。

本発明に用いられる、検体としての液体試料（ＡＢ）は、例えば、顔料が分散された顔料インク組成物、銀粒子が熱硬化性樹脂を溶かした有機溶剤中に分散された導電性ペースト組成物、帯電可能な粒子を分散させた溶液などが挙げられる。

（固体試料の作製方法）
本発明の固体試料作製方法は、予めステージを冷却し、アモルファス化できる範囲内の所定の体積の検体液滴を吐出装置から吐出させて、当該液滴を前記ステージの上に着弾させ当該液滴を急冷してアモルファスの状態で固化する。

この固化するための固化工程は、乾燥ガス雰囲気下で行うことが望ましい。これにより、液滴を急却して凝結固化する際、試料表面での結露発生を抑制することができる。好ましくは、露点が−２７３〜−１９６℃の範囲内の乾燥ガス雰囲気が好ましい。

前記乾燥ガスとしては、水分含量の低い気体であれば特に規定されず、ヘリウム、アルゴンなどの希ガス、或いは窒素から選択される不活性ガスの少なくとも１種を含むガスが好ましいが、水素等の反応性ガスであってもよい。

以下、各工程について説明する。

まず、予め物質（Ｂ）を含む液体（Ａ）、即ち検体としての、液体試料（ＡＢ）の液滴の着弾点となるステージを冷却する。

ステージは、液体試料（ＡＢ）を凝結固化する試料台であり、ステージを冷却可能な冷却器にて予め冷却される。

本発明に用いられるステージとしては、液滴が短時間で凍結しアモルファスの固体試料になるのに十分な熱伝導率をもつものであればよく、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金のような金属材料からなる表面を有する部材が挙げられる。あるいは、それらの金属材料の表面に金属酸化物のような薄い絶縁性被膜が形成されたものであってもよい。

ステージを冷却するための冷却器は、例えば、液体窒素等の冷媒を入れたデュワー瓶や低温に保たれた冷却室であってもよい。また、低温に冷やされた金属塊、ペルチェ素子やヘリウム冷凍機のような冷却機構であってもよい。

ステージの冷却温度は、液体窒素温度（−１９６℃）であれば液体試料（ＡＢ）の液滴がステージ上に着弾した際、液滴が急速冷却され、観察すべき試料全体が結晶部分を形成することなくアモルファスとなる。

冷却に液体窒素を用いない場合でも、例えば液体が水の場合、１気圧の水のガラス転移点がおよそ−１３０℃であるため、ステージ温度はおよそ−１４０℃以下であれば、アモルファスの固体試料が得られる。

なお、本発明の固体試料作製方法では従来のような試料ホルダを用いないため、試料ホルダを冷却する必要がなく、液滴のみを凍結させればよいので、必要以上にステージを低温にする必要はない。

次に、液体試料（ＡＢ）を観察すべき領域全体がアモルファス化できる範囲内の大きさの液滴として検体供給器から吐出し、冷却器で予め冷却したステージに着弾させる。

本発明に用いられるステージは、ステージの表面に複数の液滴が互いに離間して付着されるように、液滴の吐出方向と交差する方向に前記表面を移動させる移動機構が付設されたものが好ましいものである。こうして、アモルファス化した固体試料が複数得られる。

具体的には、ステージは液滴の吐出方向に交差する方向、より具体的には垂直な方向に移動可能であることが好ましい。液滴吐出時にステージを吐出方向に対して垂直な方向に移動することにより、ほぼ同じ形状で同じ大きさの固体試料が複数得られる。

また、ステージを冷却器から分離可能に構成することで、予めステージを冷却器により冷却した後、ステージを自由に移動して複数の液滴を任意の位置に着弾させることができる。

前記液滴の粘度、飛翔速度、体積、飛翔距離を調整することにより、ステージ上に着弾した液滴全体をアモルファス化することもより好ましいものである。なお、液滴から形成された薄膜の厚さは均一である必要はない。

液滴を高速でステージに向けて衝突させることにより、ステージ上で液滴が拡がって薄い被膜になり、その後冷却される。

本発明においては、１００ｐｌ（ピコリットル）以下の体積で、かつ５ｍ／秒以上の飛翔速度で液滴をステージ上に着弾させることが好ましい。例えば、液滴の体積は、１０ｐｌ（ピコリットル）、液滴の飛翔速度は７ｍ／秒である。

この被膜の厚さを十分に小さくすることにより、ステージへの熱の移動が短時間で起きる。このため液滴状の試料（ＡＢ）中の液体分子はほとんど瞬時に固化されるが、分子よりはるかに大きい分散物である物質（Ｂ）は液体（Ａ）が固化する時間内では空間的に移動し難い。

その結果、物質（Ｂ）の分散状態がそのまま維持されて固定される。水系液体の場合、液体試料（ＡＢ）の粘度としては、表面張力が７０ｍＮ／ｍ以下、粘度が１×１０^-2Ｐａ・ｓ以下であることがステージ上で薄膜を形成する上で好ましい。

なお、ステージ上に着弾した液滴の薄膜の膜厚は、１μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは１μｍ乃至１０μｍの範囲内から選択しうる。この範囲内であれば、全体がアモルファス固体からなる固体試料を容易に形成できる。また、従来技術とは異なり、着弾面から２０μｍを超える、例えば、２５μｍ以上５０μｍ以下の範囲内の大きさの観察領域であっても全体をアモルファス化できる。

液滴の体積が大きい場合、ステージ上で薄い膜にならず、接触角の大きい盛り上がった液滴として付着する。このとき、ステージとの接触面積に比べて液体の体積が大きく、熱の移動に時間がかかるため、冷却過程で粒子が液中を移動して分散状態が変化してしまう。

また、体積の小さな液滴であっても、飛翔速度が小さい場合には、ステージ上で十分に薄い薄膜とならないことがある。このときは、たとえ液量が少なくても分散状態が変化しやすい。通常、液滴の体積は０．１ｐｌ以上１ｎｌ以下、飛翔速度は３ｍ・ｓ^-1以上２０ｍ・ｓ^-1以下の範囲で適宜調整することが、均一な薄膜形成の観点から好ましい。

本発明に用いられる検体供給器としては、液体を液滴として吐出する液体噴射ヘッドが好ましく用いられる。この液体噴射ヘッドは、液滴をノズル（吐出口）から吐出させるものであり、所謂、インクジェットヘッドとよばれる。

本発明においては、インクジェットと云えども吐出する液体はインクに限定されない。

インクジェットヘッドは微小な液滴を形成するのに適しており、液滴の体積や飛翔速度を調整できるので、本発明の固体試料の作製に適している。インクジェットヘッドとしては、サーマル方式、ピエゾ方式、静電方式等、任意の方式のものが使用できる。

本発明に用いられる検体供給器としては、液体噴射ヘッド以外にも、マイクロピペットや、毛細管のような中空筒などを用いることができる。

さらに、ステージが冷却器に対して移動し、冷却器からステージが離れた後にステージに液滴が着弾してもよい。着弾した液滴が固化する時に発生する凝固熱は、ステージの熱容量に対して十分に小さいので、冷却器から金属製のステージが離れた後に、ステージに着弾しても液滴全体をアモルファス化できる。

（試料の観察方法）
本発明の試料の観察方法は、上記試料の作製方法を用いて固体試料を作製する工程と、前記固体試料の断面観察を行う観察工程と、を含む。

更には、固体試料の断面を露出させる工程と、固体試料から液体（Ａ）の一部を選択的に気化させて該固体試料から除去した後に該断面を観察する工程と、を含む。

このため、電子線を低エネルギーで固体試料に照射し、液体（Ａ）としての水の少なくとも一部を取り除く。これにより、液体（Ａ）中に分散された物質（Ｂ）が固体試料の断面に凸部となって現れるので、例えば、その断面をより高コントラストで観察することができる。

加工・観察の際は、必要に応じて、固体試料を載せたステージをそのまま、固体試料作製装置から加工装置、或いは加工・観察装置内に移動し、加工及び／又は観察を行うことも好ましいものである。

移動の際に固体試料の温度が変化しないように、必要に応じてステージに温度維持機構が設けられていてもよい。

本発明に用いられる観察装置は、上記固体試料の作製装置と、前記作製装置により作製された前記固体試料を加工して断面を形成する断面形成装置と、前記固体試料のアモルファス状態を維持して、前記断面形成装置により形成された断面を観察する断面観察装置と、を有することを特徴とする。

具体的には、固体試料作製装置に、固体試料を加工し断面を形成する収束イオンビーム（ＦＩＢ）加工装置と、前記断面を観察する走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）装置とを付設するものであってもよい。

ＦＩＢ加工装置、ＳＥＭ装置は市販の装置ユニットを用いることができる。また、ＳＥＭ装置にＦＩＢ加工機能を付加したＦＩＢ−ＳＥＭ装置に、本発明の試料作製装置を結合した試料観察装置であってもよい。

また、前記試料観察装置にＸ線マイクロアナライザーやオージェ電子分光装置などをさらに付加してもよい。これらの装置を用いれば固体試料を構成する元素の種類を知ることができる。これらの装置を付加することにより、形状だけでは区別がつかないが、含有元素が異なる複数の粒子を、判別することも可能となる。

（実施形態１）
以下、本発明の一実施形態例について図面を参照して説明する。

（試料作製装置１）
本発明の試料作製装置であって、検体供給器を液体噴射ヘッドとした試料作製装置の一例を図１に示す。

試料を置くステージ１は導入棒２ａに取付けられ、導入棒２ａの末端には操作部２ｂが接続されている。ステージ１の材質は比熱と熱伝導度の高い物質、詳しくはアルミニウム、銅などの金属製であることが望ましい。また、その表面には薄い酸化アルミニウム膜が形成されていてもよい。

ステージ１には不図示の温度センサが組み込まれ導入棒２内部を通じて外部に設置する不図示の温度表示部又は温度制御装置に接続することができる。

ステージ１は、導入棒２ａを介して第１のチャンバー３ａ（以下チャンバーＢという）から伸びており、操作部２ｂによって上下に移動する。導入棒２ａを短くしたときにステージ全体がチャンバーＢ内に格納されるようになっている。導入棒２ａと操作部２ｂは、ステージを移動させる移動機構を構成し、ステージを一定速度で上下に動かし、任意の位置で固定することができる。

導入棒２ａはチャンバーＢの上部に設けられた不図示の貫通穴とＯ−リングを介して貫通し、気密性を保った状態でスライドできる。チャンバーＢにはチャンバーハッチ３ｂが設けられ、チャンバーＢ内の空間を気密性を保って隔離することができる。

チャンバーＢには、チャンバーハッチ３ｂよりも内側の空間に面して、パージ用ガス導入口３ｄがパージ用ガス開閉バルブ３ｃを介して取り付けられている。また、チャンバーＢは底面が開放されており、その周りに後述の第２のチャンバー４ａと接触する部分を密閉するためのＯ−リング３ｅが設けられている。

チャンバーＢの下方に、ステージ１を冷却する手段と、試料を液滴にしてステージ１に向けて吐出するための手段が、第２のチャンバー４ａ（以下チャンバーＡという）の内部に設けられている。

チャンバーＡにはチャンバーハッチ４ｄが設けられ、チャンバーＡ内の一部の空間を気密性を保って隔離することができる。チャンバーＡにはパージ用ガス導入口４ｃが、パージ用ガス開閉バルブ４ｂを介して取り付けられている。またチャンバーＡは切り替え弁４ｅを介してリーク口４ｆと真空ポンプ５に接続している。切り替え弁４ｅを操作することで、チャンバーＡ内部を外気に暴露する、あるいは真空ポンプ５停止時に真空ポンプ５内のみをリークすることができる。

チャンバーＡ内には試料ステージ１の冷却器として、デュワー瓶６内部に冷媒を必要量注入されて保持されている。冷媒としては液体窒素が使用可能である。冷却手段は冷媒を入れたデュワー瓶に限るものではなく、低温に保たれた冷却室であってもよい。また、低温に冷やされた金属塊など、ステージを接触させて冷やすものでもよい。また、ペルチェ素子やヘリウム冷凍機のような冷却機構であってもよい。

チャンバーＡ内には液体試料（ＡＢ）を液滴にして吐出する検体供給器７が設けられている。検体供給器７は、液体状態の試料を液滴にし、所定の速度でステージに向けて吐出する液体噴射ヘッドである。

液体噴射ヘッド７の吐出口サイズと吐出エネルギーは、液滴の体積と飛翔速度に応じて適宜選択される。ヘッド７は吐出制御装置８に接続され、吐出タイミングと吐出時間間隔が設定される。液滴の体積と、ステージ表面への着弾時の飛翔速度については、前述したとおりである。

液滴の吐出は液体噴射ヘッドに限らず、中空筒のような吐出口から一定量の試料液体を正圧をかけて押し出し、形成された液滴を重力で落下させてステージ１に滴下する方式であってもよい。この場合、落下距離により液滴の速度が決められる。

また、吐出制御装置８は、ステージ１の位置を検出する機構を備えて、これと連動してステージ１の決められた位置に液体試料（ＡＢ）を着弾させるように吐出タイミングを制御する。

（試料作製方法１）
図２を参照して、本発明の一実施形態による試料作製方法について説明する。図２は、図１に示す試料作製装置を用いた試料作製方法の手順を示すフローチャート図である。

以下、図２を参照して固体試料作製の手順を説明する。なお、ここでは試料の固化前の温度は室温、固化時のステージ温度は液体窒素温度であることを例として説明するが、本発明はこれらの温度範囲に限定されるものではない。また、ここでは固化した試料を真空装置内に移送することを例として説明するが、本発明は移送先が真空装置であることに限定されるものではない。

まず、チャンバーＡ内のデュワー瓶６に液体窒素を充填する（ステップＳ１０）。次に、ステージ１を導入棒２ａに取付ける（ステップＳ１１）。操作部２ｂを操作してステージ１をチャンバーＢの内側に移動する（ステップＳ１２）。

次いで、チャンバーＢを移動し、チャンバーＢの底面開放部がチャンバーＡの上面開口部に対向する位置に移動し、Ｏ−リング３ｅを介してチャンバーＡと結合させる（以下チャンバーＡＢとする）（ステップＳ１３）。

以上の手順を完了した状態を図３（ａ）に示す。

続いてチャンバーＡＢの内部を窒素置換する（ステップＳ１４）。

最も簡単な窒素置換手順は、パージ用ガス開閉バルブ３ｃと４ｂを開き、パージ用ガス導入口３ｄと４ｃのいずれかから乾燥窒素ガスを流入させる方法である。

あるいは、パージ用ガス開閉バルブ３ｃと４ｂを閉鎖して、切り替え弁４ｅをリーク口４ｆ側には接続しないで開き（図３（ｂ））、真空ポンプ５を作動させ系内のガスを一旦排出する。その後、切り替え弁４ｅをチャンバーＡに接続しないように閉じて（図３（ｃ））、パージ用ガス導入口３ｄと４ｃのいずれかから乾燥窒素ガスを流入させる方法であってもよい。上記の真空引きとガス導入を繰り返せばさらに好ましい。

試料吐出手段として液体噴射ヘッドを用いる場合は、ヘッドが置かれる外部環境など試料作製装置内の乾燥や、当該装置内の雰囲気圧力によって、液体噴射ヘッドの吐出口の目詰まりが生じたり、メニスカスが破壊されたりして試料が吐出しないことがある。この場合は、後述する試料の吐出直前までチャンバーＡＢ外から操作できる不図示のヘッドカバーで液体噴射ヘッドの吐出口を覆い、外部雰囲気（作製装置内の雰囲気）から吐出口を遮断することが好ましいものである。この遮断のための手段としては、いわゆるキャップやシャッター、ヘッドカバーなどを用いることができる。

これら遮断手段により、吐出口を乾燥ガス雰囲気中に置かれたヘッドの吐出口を、外部雰囲気（乾燥ガス雰囲気）から遮断することができる。具体的には、液滴をステージ表面に付着させる工程の前又は後の少なくともいずれかの期間に、検体の吐出口を外部雰囲気から遮蔽する工程を有することが好ましいものである。

チャンバーＡＢ内が窒素で置換された後、操作部２ｂを操作してステージ１をデュワー瓶６内に充填してある不図示の液体窒素内に浸漬し（ステップＳ１５）、ステージ１の温度を液体窒素温度に安定させる（ステップＳ１６）。この状態を図４（ａ）に示す。

次いで、へッドカバー（不図示）でヘッド７の吐出口を覆っている場合は、ヘッドカバーを取り外し、吐出制御装置８を操作して、ヘッド７から試料液滴を一定の時間間隔で連続して吐出する（ステップＳ１７）。この状態を図４（ｂ）に示す。

続いて、操作部２ｂがステージ１をデュワー瓶６から引き上げ、一定速度でステージ１を上昇させる。ステージ１は、試料吐出位置（液滴が出ている位置）に来ても一定速度で上昇を続け（ステップＳ１８）、試料液滴は次々とステージ１に付着する。この状態を図４（ｃ）に示す。

付着した試料はステージ１に熱を奪われ固化する。

ステージ１を固定して試料を付着させることもできるが、通常はステージ１を移動させながら試料を何箇所かに付着させる。ヘッド７は１つの吐出口から吐出させるだけでなく、ステージ１の移動方向と直交する方向に複数並べて同時に試料液滴を吐出させてもよい。インクジェットヘッド７をステージ１の移動方向に複数個配置し、ステージ１の同じ位置に液滴を重ねて打つこともできる。

ステージ１はデュワー瓶６を出ると次第に温度が上昇する。ステージ１の上端は先にデュワー瓶６を出るため温度が高く、下端は低い状態で全体として温度が上がっていく。一方、試料液滴は、始めはステージ１の上端近くに着弾し、ステージの上昇につれて着弾位置がステージの下のほうに移動して行く。そこで、ステージ１の上昇速度を、自身の温度上昇の速さに合わせることにより、試料が着弾する位置での温度を一定にすることができる。

なお、上記の凍結試料作成中に冷媒が蒸散して少なくなっていくときは、冷媒の液面に合わせて吐出装置のインクジェットヘッドの位置を下げていき、冷媒表面からインクジェットヘッドまでの高さを一定にしておく。これによって、ステージ１が冷媒表面を出てから、液滴試料が着弾するまでの時間を一定にすることができる。

このようにして液滴の付着が終了した後、操作部２ｂを操作してステージをチャンバーＢ内部に移動する（ステップＳ１９）。この状態を図４ｄに示す。

次にチャンバーＡのチャンバーハッチ４ｄを閉鎖し（ステップＳ２０）、切り替え弁４ｅをチャンバーＢと真空ポンプ５とを接続する位置（図５（ａ）に示す位置）に操作してチャンバーＡ上部を真空ポンプ５で排気する（ステップＳ２１）。この状態を図５ａに示す。

この間、ステージ１上に付着した試料は十分低温に冷却されているので気化消失することはない。

チャンバーＢ内部が十分に排気された後、チャンバーハッチ３ｂを閉鎖する（ステップＳ２２）。この状態を図５ｂに示す。

次いで、切り替え弁４ｅをチャンバーＢと外口を接続する位置（図５ｃに示す位置）に操作してチャンバーＡ上部を大気圧に開放し（ステップＳ２３）、チャンバーＡとチャンバーＢを切り離す（ステップＳ２４）。この状態を図５ｃに示す。

その後は、切り離されたチャンバーＢの開口部をＯ−リング３ｅを介して試料観察のための真空装置（不図示）に接続し、チャンバーハッチ３ｂを開く。操作部２ｂを操作してステージ１を真空装置内に移送し（ステップＳ２５）、操作部２ｂを操作してステージ１と導入棒２ａを切り離す。

さらに、ステージが切離された導入棒２ａを引き出して、チャンバーハッチ３ｅｂを閉じた後、パージ用ガス開閉バルブ３ｃを操作してチャンバーＢ内部を大気圧に開放してチャンバーＢを真空装置から取り外す。

以上のステップを経て、試料が固化された状態で加工／観察部（加工機構及び観察機構のある部分）に準備される。

加工機構は、上述のＦＩＢ加工装置であり、真空中で加工して断面を作成することができる。観察機構はＳＥＭ装置である。あるいは、ＦＩＢ加工を行わず、試料表面をそのままＳＥＭ装置によって観察することもできる。

（実施形態２）
（試料観察装置１）
以下、本発明の一実施形態による試料観察装置について説明する。この試料観察装置は、試料作製装置と断面加工及び観察装置が一体化された試料観察装置である。

図６に本実施形態による試料作製装置を備えた断面観察用ＦＩＢ−ＳＥＭ装置の構成を示す。図６のＦＩＢ−ＳＥＭ装置は、試料作製部１０、加工観察部２０及び制御部３０から構成される。実施形態１と異なるのは、試料作製部がＦＩＢ−ＳＥＭの前処理室として付属している点である。

試料作製部１０は、図１に示した試料作製装置と同様に、試料を載置するための移動可能なステージ１、移動機構であるステッピングモーター２ｂ、それを試料につなぐ連結棒２ａ、冷却器６及び液滴吐出装置７を含む。さらに、パージ用の窒素ガスを導入するためのガス導入口及び開閉バルブを含むガス導入部４を備えている。

図１の装置は２つの分離可能なチャンバーを有していたが、図６の装置では、一体化された１つの前処理室１１に、上記のステージ１と液滴吐出装置７がともに格納されている。

ステージ１はペルチェ素子からなる冷却器６に接触し、冷却器６に対してスライドして動くようになっている。

検体供給器７は、図１の装置と同様に液体噴射ヘッドが用いられる。

加工観察部２０は、ＦＩＢ装置２１とＳＥＭ装置２２、試料から反射又は放出される電子を検出する反射電子検出器２３からなっている。さらに、試料ステージ１が前処理室から移動して配置され、ＦＩＢ加工とＳＥＭ観察を受ける。ステージの置かれる部分はチャンバー２４に入っており、真空中でＦＩＢ加工とＳＥＭ観察が行われる。

（試料観察方法１）
例えば、分散媒としての溶液（Ａ）に、分散物（Ｂ）としての薬剤含有マイクロカプセルを分散させた液体試料（ＡＢ）を検体として用意し、検体供給器としての液体噴射ヘッド７の液体収容部に収容する。

まず、前処理室１１を不図示のポンプで減圧した後、ガス導入部４より乾燥窒素ガスを導入し、前処理室１１の雰囲気を乾燥状態にする。この操作は、必要に応じて何回か繰り返し、前処理室内雰囲気を十分に置換する。

冷却器６の設定温度を例えば−１４０℃乃至−１７０℃の範囲内の温度とし、ステージがその温度に到達したことを確認する。この状態で、ステップモーター２ｂによりステージ１を一定速度でスライドさせ、同時に、ヘッド７から、例えば、１ｐｌ乃至１００ｐｌの液滴を吐出する。ステージとＩＪヘッドとの距離を例えば０．１ｍｍ乃至１０ｍｍの範囲内、飛翔速度を例えば１ｍ／秒乃至１００ｍ／秒とする。こうして、ステージ１上に液滴が凍結した固体試料のドットが一定間隔で形成される。ステージ１の移動距離は冷却器６の大きさよりも小さく、ステージ１上の温度は場所によらず一定とする。

次に、固体試料が形成されたステージ１に、ＳＥＭ観察やＦＩＢ加工の際の試料のチャージアップを防止するため、金属膜を固体試料の表面にコートする。これには、まずヘッド７に蓋をし、ステージ１を金属膜コート部１２の直下に移動する。また、不図示のポンプで前処理室１１内を十分に排気後、ガス導入部４のバルブを調節し、前処理室１１内の圧力を下げて、例えば１０Ｐａ乃至１Ｐａの範囲内とする。この状態で、金属膜コート部１２で金粒子のスパッタを行い、ステージ上の試料に金被膜を形成する。このとき、放電電流を約１ｍＡ乃至１００ｍＡの範囲内とし、スパッタ時間を調節し、金被膜の膜厚を約２ｎｍ乃至１０ｎｍの範囲内にするとよい。

金被膜形成の後、ステージ１の温度を−１４０℃乃至−１７０℃の範囲内に保ちながら前処理室１１を十分に排気する。そして、前処理室１１とＦＩＢ−ＳＥＭ装置の格納されたチャンバー２４との間の扉（不図示）を開いて、ステージ１を冷却器６とともにチャンバー２４内に導入する。

ステージ１は、チャンバー２４内に移動した後も、冷却器６によって上記温度に保たれている。この状態を維持しながら、以下の手順により低温に固定したマイクロカプセルの断面評価を行う。

まず、ＳＥＭ装置２２により試料の表面のＳＥＭ観察を行い、得られたＳＥＭ像から試料のほぼ中央部を断面観察領域として決定する。決定した断面観察領域に、ＦＩＢ加工装置２１から観察用のごく弱いイオンビームを照射、走査して、放出される２次イオンの像（ＳＩＭ像）を得た。このときのイオンビーム源に、ガリウムイオン源を用い、加速電圧５ｋＶ乃至１００ｋＶ、ビーム電流１ｐＡ乃至１００ｐＡ、ビーム径約１ｎｍ乃至５０ｎｍの範囲内とするとよい。得られた２次イオン像から正確な断面加工位置を決定する。

次に、指定した断面加工位置でＦＩＢ加工装置２１により粗加工を行う。このとき、例えば、イオン加速電圧は５ｋＶ乃至１００ｋＶ、ビーム電流は１０ｎＡ乃至１０００ｎＡ、ビーム径約１０ｎｍ乃至５００ｎｍとし、試料表面に１０μｍ乃至１００μｍ角、深さ１０μｍ乃至５０μｍの矩形状の凹部を形成する。この粗加工では、少しずつ段階的に弱い条件で加工を進め、適宜加工中の断面をＳＥＭ装置２２により観察して、所望の位置で加工されていることを確認した。

図７（ａ）は、このＦＩＢ加工により作製された断面の模式図である。固体試料７１のほぼ中央にイオンビームの照射により矩形状の凹部７２が加工され、ステージ１に対して垂直断面７３が形成できる。

加工がほぼ終了したところで、ＦＩＢ加工装置２１からのイオンビーム照射を止め、ＳＥＭ装置２２からの電子ビームに切り替えて断面のＳＥＭ観察を行う。観察は、加工断面に対して約４０°乃至７０°の角度で電子ビームを照射し、電子ビームを走査する。こうすれば、加工断面内に約１０μｍ乃至４０μｍ程度のマイクロカプセルが存在することが確認できる。

再びＦＩＢ加工装置２１からのイオンビームに切り替え、仕上げ加工を行う。加工精度を上げるために、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）観察の場合と同等の弱い条件で、粗加工のときよりも細いビームを照射し、マイクロカプセルを含む断面を加工する。

最後に、ＳＥＭ装置２２を用いて作製した試料断面のＳＥＭ観察を行う。

図７（ｂ）は、そのＳＥＭ観察の際の電子ビームの照射を示す模式図である。固体試料７１の垂直断面７３に対して電子ビーム７５を約４０°乃至７０°の範囲内の角度で照射し、断面内で走査してＳＥＭ観察を行う。

得られたＳＥＭ像から、マイクロカプセルの中に薬剤が包まれている様子を確認することができる。また、マイクロカプセルの分散性を明瞭に観察することもできる。

以上のように、本実施形態の観察方法では、固体試料の温度を低温に維持しながらＦＩＢ加工を行うため、加工中に物質（Ｂ）に相当する薬剤の領域がだれるなどの変化がなく、液滴の分散状態を維持した断面を形成することができる。また、試料作成と同一装置内でＳＥＭ観察ができるため、温度の維持が容易となる。

（実施形態３）
（試料観察装置２）
図９に本実施形態による試料観察装置の構成を示す。図９の装置は、前処理室１１に検体供給器として、液体噴射ヘッドではなく、先端に中空筒を備えた検体供給器１３を備えている。その他の構成は、図６に示した観察装置と同じである。

中空筒内に保持された検体としての液体試料は、不図示の加圧装置によって加圧されて、中空筒の先端にある吐出口から吐出され、液滴となって飛翔し、ステージ表面に付着する。

（実施形態４）
（試料観察装置３）
本実施形態による試料観察装置は、試料作製とＦＩＢ加工とＳＥＭ観察とを行う装置に、画像処理部を設けた装置である。

図１０は本実施形態による試料観察装置の構成を示す図である。この試料観察装置は、ステージ１と、加工観察部２０、クライオシステム制御部４０、ＦＩＢ―ＳＥＭ装置の制御部５０、それに接続された画像処理部５１を有する。

ステージ１は、試料を冷却し、かつその温度を低温に制御可能なステージである。加工観察部２０は、ＦＩＢ加工装置２１とＳＥＭ装置２２が一体化されたものである。ステージ１には、それを低温に保つためのクライオシステム制御部４０が設けられている。

画像処理部５１においては、画像から、分散物の輪郭を検出し、輪郭が強調されるエッヂ強調処理を行う。こうして、エッジ強調されたＳＥＭ像を形成する。

（試料観察方法２）
液体試料（ＡＢ）として、平均粒径が５０ｎｍ乃至５００ｎｍの範囲内の粒子が分散物（Ｂ）として分散している、含有分散粒子濃度が１ｖｏｌ％乃至３０ｖｏｌ％の範囲内の水性分散溶液を用意する。液体噴射ヘッドから当該液体試料を吐出して液滴を飛翔させ、冷却されたステージ上に付着させて、液滴となった試料を凍結させアモルファス固体を作製する。さらに、導電処理のためイオンビームスパッタ法で膜厚１０ｎｍ乃至５０ｎｍ程度の白金を蒸着する。その後、チャンバーＢを切離して移動し固体試料６０を載置したステージ１を図１０の装置に設置する。

クライオシステム制御部８によりステージ温度を、低温に保持したまま、ＦＩＢ加工装置２１を用いて断面を作成する。ＦＩＢは、ビーム電流を２００ｐＡ乃至４００ｐＡに設定して粗加工を行った後、ビーム電流を３０ｐＡ乃至１５０ｐＡにして仕上げ加工を行う。

ＳＥＭ像は、反射電子検出器２３の出力から得る。

画像処理部５１により、断面のＳＥＭ像にエッジ強調処理のような画像処理を施し、粒子の輪郭が強調された画像を形成する。

（試料観察方法３）
本実施形態によれば、互いに異なる種類の複数の粒子を含む水性分散液をもＳＥＭ観察することができる。こうして、形状からは区別がつかない２種類以上の粒子が分散する水性液体において、それぞれの粒子の分散状態を知ることができる。

試料観察方法１と同様にして作製した試料の断面を加工し、反射電子検出器２３に代えて加工観察部２０にエネルギー分散型蛍光Ｘ線分光装置（ＥＤＸ装置）を取り付け、その出力から断面像を得る。

このように本発明の試料作製・加工・観察装置にＥＤＸ装置を付加することにより、得られた画像からそれぞれの種類に対する分散度の計測や凝集・分散の観察が可能となる。また種類ごとの粒度分布を明らかにできる。

（試料観察方法４）
液体試料や分散物の種類によってはＳＥＭ像で認識される液体中の微粒子のような分散物の輪郭がやや不明瞭な場合があり、より鮮明な画像取得が望まれることがある。前述したエッヂ強調処理は、画像処理であるため観察の正確性の点で十分とはいえない。

この試料観察方法は、このような課題を解決する方法である。

図１２は、この試料観察方法の一手順を示すフローチャート図である。装置としては図６に示したものと同様の装置を用いればよい。

なお、本発明における断面とは、試料の内部のある一面から見た面のみを示すのではなく、試料が加工（堆積、エッチングを含む）された場合においても、その加工後にある視点から見た時に観察できる面も含む。

まず、ステージ１を密閉容器１１内に導入する（ステップＳ３０）。次に、密閉容器１１内にガス導入部４から乾燥ガスを導入し密閉容器１１内のガス置換を行う（ステップＳ３１）。その際、不図示のポンプで減圧後、ガス導入を行い、残留ガスの影響を少なくする。前記乾燥ガスには乾燥窒素ガス等を用いることができる。

次に、制御部３０、冷却器６によって温度制御を行い、ステージ１を冷却する（ステップＳ３２）。

ステージ１の温度は、前述したとおりである。

次に、冷却器により十分に冷却したステージ１に液体噴射ヘッド７から液体を吐出し、液滴を形成する（ステップＳ３３）。液滴の粘度、飛翔速度、体積、飛翔距離を所定の値に調整することにより、載置台１上に着弾した液滴を均一な薄膜とし、液滴の観察すべき領域全体をアモルファス化することができる。

図１３（ａ）にステージ１上に複数が互いに離間して固定された液滴８１を示す。ステージ１の温度並びに位置は、制御部３０によって制御可能である。また、液滴８１の量、飛翔速度は、ヘッド７によって制御可能である。従って、ステージ１の任意の位置に必要量の液滴８１を精度良く固定することができる。

また、液滴５を冷却する際、冷却速度を４０℃／ｍｉｎ以上の速さで冷却することが好ましい。

密閉容器１１内の雰囲気は、十分冷却されたステージ１が結露しないようドライガス雰囲気とする（ステップＳ３４）。

ステージ１上で急速固化した液滴８１とステージ１の温度が安定化したのを確認し（ステップＳ３５）、密閉容器１１を不図示のポンプで減圧する（ステップＳ３６）。

十分冷却され、固化された液滴が固定されたステージ１を、予め減圧した加工・観察装置の試料室２４に導入する（ステップＳ３７）。

図１３（ｂ）に試料室２４に導入後のステージ１上に固定された液滴８１の一例を示す。これらは、試料室２４中に配置されたＳＥＭ装置２１からの電子ビームＥＢとＦＩＢ加工装置２２からの収束イオンビームＩＢによって、観察或いは加工を行うことができる。

ステージ１の温度が安定化したのを確認し（ステップＳ３８）、ステージ１上の試料８１の表面をＳＥＭ装置２１で確認後（ステップＳ３９）、ＦＩＢ加工装置２２で収束イオンビームを走査し加工位置を決定する（ステップＳ４０）。

次に、ＦＩＢ加工装置で加工を行う。ＦＩＢ加工装置のイオンビームはステージ１に対しほぼ垂直に入射し、ＳＥＭ装置の電子ビームは、イオンビームに対し数十度の角度をもって試料に入射するように、配置されている。このような構成では、試料８１の任意の位置において、ステージ１に対して垂直な断面（一次加工面）を露出させ形成することができる（ステップＳ４１）。

加工中の試料の内部構造は、ＦＩＢ加工装置２２に対し数十度の角度をもって配置されたＳＥＭ装置２１からの電子ビームで断面画像を得ることにより、観察することができる。低倍率で、露出した断面をＳＥＭ観察し、試料の断面が順調に加工されているかどうか確認する。場合によっては、加工用のイオンビームが加工位置からずれてしまうこともある。そのような場合は、ＳＥＭ装置２１で確認することで、加工位置を補正可能である。

加工に用いるイオンビームは、露出断面の広さや深さ、或いは奥行きに応じて加工エネルギーを調整することも可能である。加工の初期は比較的大きなエネルギーをもつビームで加工し、評価位置近傍に近づくにつれて加工ビームのエネルギーを段階的に小さくすることもできる。その際、加工面の確認はＳＥＭ装置２１で行うことが可能である。

この様に、加工断面をＳＥＭ装置２１により確認しながら内部構造を露出させ評価位置を決定する（ステップＳ４２）。

図１４の（ａ）は、この様な手法で露出させた試料８１の加工断面のＳＥＭ像を示す模式図の一例である。加工直後は、試料８１中の分散された微粒子が確認しにくい場合が多い。そこで、断面ＳＥＭ像で確認しながら、気泡や加工の際にできた加工ビームの線等の所謂、欠陥の無い位置をさがし、評価位置を絞り込んで決定した後は、その評価位置に電子ビームをわずかに照射して、二次加工面を得る（ステップＳ４３）。

これにより、電子ビーム照射面において、試料の成分である液体（Ａ）の固化物をわずかに昇華させることができる。したがって、試料中に物質（Ｂ）の分散状態を保持した状態で、物質（Ｂ）の周辺の液体（Ａ）の固化物の一部が除去されてなくなるため、微粒子などの物質（Ｂ）の輪郭が観察表面において、より一層明瞭となり、観察が容易になる。

液体の昇華用の電子ビーム照射の場合には、断面における評価位置よりやや広い面積に対し、高速で電子ビームを走査することが好ましい。この様にすることで、電子ビームにわずかなビーム変動がある場合でも評価位置全体を均一に照射することが可能になる。また、過度の電子ビームの照射を抑制し、物質（Ｂ）の分散状態を保持した状態で、液体（Ａ）の固化物を昇華できる。

さらに、昇華用の電子ビームの加速電圧は、１００Ｖ以上、３０ｋＶ以下であることが好ましい。加速電圧を１００Ｖ以上、３０ｋＶ以下とすることにより、電子ビーム照射面の液体の固化物を適度に昇華させることができ、また、操作上制御が容易となる。

電子ビームの照射時間は、電子ビームの照射面積、走査速度、加速電圧及び液体試料の媒質の種類により適宜定められ、液体の固化物中の微粒子分散状態を保持した状態で、微粒子周辺の固化した試料を適度にさせ除去可能な範囲から選択できる。

このように、評価位置に電子ビームを一定時間走査した後、評価位置のＳＥＭ像を取得する（ステップＳ４４）。

図１４の（ｂ）は、昇華用の電子ビーム照射後の露出断面のＳＥＭ像を示す模式図の一例である。図１４（ａ）に比べ元々液体であった分散媒中に存在する微粒子の輪郭が明瞭となり、分散状態の評価が容易となる。電子ビームを照射することによって、露出した断面の液体の固化物がわずかに昇華し除去され、固化した分散媒の断面が少しだけ加工断面より奥に移動する。これにより、残された分散媒の固化物中の微粒子がその位置を保持したまま露出することによって輪郭が明瞭となり、鮮明なＳＥＭ像が取得できると考えられる。

このようにＳＥＭ像を取得することによって、液体（Ａ）としての分散媒中における物質（Ｂ）としての微粒子の位置を正確に評価することが可能である（ステップＳ４５）。

特に、液体（Ａ）中にナノオーダーの粒径の微粒子（Ｂ）が分散している場合には、液滴を低温で固定したステージ１の温度を上昇させると、試料８１全体の温度が上昇する。したがって、試料８１の温度が、液体（Ａ）の昇華温度に達したときに、分散媒の固化物が一斉に昇華し、微粒子の分散状態を観察することができなくなる場合がある。

しかし、この観察方法によれば、電子ビームを評価位置に始めわずかに照射することにより、照射部の分散媒のみを選択的に昇華できる。また、微粒子の分散状態を保持して観察を行うことができるため、正確な分散状態の微細構造評価が可能である。

更に、本実施形態においては、試料に導電性材料をコートする処理を施してもよい。絶縁材料のように、試料の導電性が低い場合に特に有効である。図１５に、この導電性処理の手順の一部を表す。

導電性材料を試料８１にコートする手法としては、前述したように、金属膜のスパッタリングが挙げられる。この場合、導電性材料コート部１２としては金属膜のターゲットと、スパッタリング用の電極や電源などが用いられる。

密閉容器１１内を不図示のポンプで減圧（ステップＳ３６）する。その後、アルゴン等の乾燥した不活性ガスを導入し（ステップＳ５０）、ＲＦ電力をターゲット（カソード）に供給し、ＲＦプラズマ雰囲気を生起する。すると、ターゲットがアルゴンプラズマによりスパッタリングされて、金属膜が、試料８１を含むステージ１上に堆積する（ステップＳ５１）。その後、再度密閉容器１１内を不図示のポンプで減圧し（ステップＳ３６）、金属膜をコートしたステージ１を試料室２４に導入する（ステップＳ３７）。金属膜のコートは、ＣＶＤや真空蒸着法であってもよい。

以下に、本発明における実施例を示すが、本発明はこれらに限定されるものではない。

［実施例１］
本実施例では、液体試料として、薬剤含有のマイクロカプセル（商品名：「リュープリン注射用キット１．８８」、武田薬品工業株式会社製の粉末と懸濁用液のセット）を用意した。

図６の装置を用いて以下の手順で固体試料作製と断面加工及び観察を行った。

まず、前処理室１１を減圧した後、乾燥窒素ガスを導入し、前処理室１１の雰囲気をドライな状態にした。この操作を数回繰り返し、前処理室内雰囲気を十分に置換した。

冷却器６の設定温度を−１４０℃とし、温度センサを用いてステージがその温度に到達したことを確認した。この状態で、ステージ１を一定速度でスライドさせ、同時に、ヘッド７から、１０ｐｌの液滴を吐出した。ステージとＩＪヘッドとの距離を２ｍｍ、飛翔速度を７０ｍ／秒とした。こうして、ステージ１上に液滴が凍結した固体試料のドットが一定間隔で形成された。

次に、ヘッド７にキャップをし、吐出口を前処理室１１内の雰囲気から遮蔽した。ステージ１を金属膜コート部１２の直下に移動した。また、不図示のポンプで前処理室１１内を十分に排気後、ガス導入部４のバルブを調節し、前処理室１１内の圧力を下げて、６Ｐａとした。この状態で、金属膜コート部１２で金のスパッタを行い、ステージ上の固体試料に金被膜を形成した。このとき、放電電流を１５ｍＡとし、スパッタ時間を調節し、金被膜の膜厚を約５ｎｍとした。

金被膜形成の後、ステージ１の温度を−１４０℃に保ちながら前処理室１１を十分に排気した。その後、前処理室１１とＦＩＢ−ＳＥＭ装置の格納されたチャンバー２４との間の扉（不図示）を開いて、ステージ１を冷却器６とともにチャンバー２４内に導入した。

ステージ１は、チャンバー２４内に移動した後も、冷却器６によって−１４０℃程度に保たれている。この状態を維持しながら、以下の手順により低温に固定したマイクロカプセルの断面評価を行った。

まず、ＳＥＭ装置２２により試料の表面のＳＥＭ観察を行い、得られたＳＥＭ像から試料のほぼ中央部を断面観察領域として決定した。決定した断面観察領域に、ＦＩＢ加工装置２１から観察用のごく弱いイオンビームを照射、走査して、放出される２次イオンの像（ＳＩＭ像）を得た。このときのイオンビームは、ガリウムイオン源を用い、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流２０ｐＡ、ビーム径約３０ｎｍであった。得られた２次イオン像から正確な断面加工位置を決定した。

次に、指定した断面加工位置でＦＩＢ加工装置２１により粗加工を行った。このときのイオン加速電圧は３０ｋＶ、ビーム電流は１００ｎＡ、ビーム径を約３００ｎｍとし、試料表面に５０μｍ角、深さ３０μｍの矩形状の凹部を形成した。この粗加工では、少しずつ段階的に弱い条件で加工を進め、適宜加工中の断面をＳＥＭ装置２２により観察して、所望の位置で加工されていることを確認した。

図７（ａ）は、このＦＩＢ加工により作製された断面の模式図である。固化した試料７１のほぼ中央にイオンビームの照射により矩形状の凹部７２が加工され、ステージ１に対して垂直な断面７３が形成されていることが判った。

ほぼ加工し終わったところで、ＦＩＢ加工装置２１からのイオンビーム照射を止め、ＳＥＭ装置２２からの電子ビームに切り替えて断面のＳＥＭ観察を行った。観察は、加工断面に対して約６０°の角度で電子ビームを照射し、走査した。その結果、加工断面内に約２０μｍ程度のマイクロカプセルが存在することが確認できた。

再びＦＩＢ加工装置２１からのイオンビームに切り替え、仕上げ加工を行った。加工精度を上げるために、ＳＩＭ観察の場合と同等の弱い条件で、粗加工のときよりも細いビームを照射し、マイクロカプセルを含む断面を加工した。

最後に、ＳＥＭ装置２２を用いて作製した試料断面のＳＥＭ観察を行った。

図７（ｂ）は、そのＳＥＭ観察の際の電子ビームの照射を示す模式図である。固体試料７１の垂直断面７３に対して電子ビーム７５を６０°の角度で照射し、断面内で走査してＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察条件は、加速電圧８００Ｖ、撮影倍率は５万倍であった。

得られたＳＥＭ像から、マイクロカプセルの中に支持体と薬剤が包まれている様子を確認することができた。また、マイクロカプセルの分散性を明瞭に観察することができた。

以上のように、本実施例では、試料の温度を低温（−１４０℃）に維持しながらＦＩＢ加工を行ったため、加工中に薬剤層がだれるなどの変化がなく、液滴の分散状態を維持した断面を形成することができた。また、試料作成と同一装置内でＳＥＭ観察ができたため、温度の維持が容易にできた。

［実施例２］
本実施例は、ガラス基板上にディスペンサーを用いて液体試料としての銀ペーストを塗布した試料を固化し断面評価を行った例である。図６の吐出装置６の液体噴射ヘッドの代わりに、ディスペンサーを取り付けた以外は、図６と同じ装置を用いた。ステージ設定温度は−１００℃とした。

ディスペンサーから微小量の銀ペースト（銀の粒子と樹脂と溶剤の組成物）を静かに押し出し、一定の高さからステージ１の上に滴下したところ、短時間で固化した。これを繰り返してステージ１の上に銀ペーストパターンを形成した。

ＦＩＢ加工前に、チャージアップを防ぐため、イオンビームスパッタ法で膜厚３０ｎｍの白金膜を試料表面に形成した。その他は上記の実施例１と同様の条件で仕上げ加工まで行った。

図８（ａ）は、ＦＩＢ加工により断面が形成された試料の模式図である。銀ペーストパターン３１の一部に、イオンビーム７６の照射により矩形状の凹部７４が形成され、銀ペーストの垂直断面７３が露出している。

ステージ１を傾斜させ、図８（ｂ）に示すように銀ペーストの垂直断面７３に斜めから電子ビーム７５を照射してＳＥＭ像を観察した。銀ペーストパターン３１はステージ１と密着しており、媒質中に分散した印刷直後の銀ペーストと溶媒の分散状態を評価することができた。このときの条件は、加速電圧１５ｋＶ、倍率は３万倍である。

［実施例３］
本実施例は、図９の装置を用いて、中空筒からエマルジョンクリーム（商品名：「ＳＫ−ＩＩ フェイシャルトリートメント コンセントレート」、マックスファクター製）を、冷却したステージに付着させて冷却、固化した試料を作成した例である。

前処理室１１を窒素ガスで置換し、ステージ１を冷却した後、中空筒の先端の吐出口からエマルジョンクリーム（不図示）をステージ１に滴下し、試料を固化した。さらに、チャージアップ防止の金をスパッタコートした。

断面を観察したところ、エマルジョンクリームの断面が観察でき、エマルジョンクリーム中の液体であった成分（Ａ）中の分散物（Ｂ）の分散性を明瞭に観察することができた。

［実施例４］
本実施例は、図１０の装置を用いて試料を観察した実施例である。

本実施例において観測する液体試料（グラファイトカーボン顔料水分散体）は光学的計測により平均粒径が１５０ｎｍの粒子を分散していることがわかっている。含有分散粒子濃度１０ｖｏｌ％の水性分散溶液を実施例１と同じ方法で凍結させ固定した。さらに、イオンビームスパッタ法で膜厚３０ｎｍ程程度の白金を蒸着した。

クライオシステム制御部８により温調ステージ温度を−１４０℃以下に保持したまま、ＦＩＢ装置２１を用いて断面を表出させた。ＦＩＢは、ガリウムイオンビームを加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流３００ｐＡに設定して粗加工を行った後、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流１００ｐＡにして仕上げ加工を行った。

ＳＥＭ像は、加速電圧１．５ｋＶ、ビーム電流１０ｐＡの条件での反射電子検出器２３の出力から得た。

画像処理部５１により、断面のＳＥＭ像から粒子の輪郭を抽出した結果を図１１に示す。媒質６１のなかに分散物６２が分散していることが判った。

図１１から、この測定に用いた試料には、粒径１００ｎｍと２００ｎｍの粒子の他に粒径３００ｎｍ程の大きな粒子が含まれることや、分散性が良好で一次粒子の状態で存在する粒子が多いことが確認された。

なお、得られたＳＥＭ像には、断面に試料表面が受けるビームダメージに起因するわずかな加工スジが残っているのが見えた。これに観察のための電子線を照射させると徐々に媒体だけが昇華し、固体試料から除去され、加工スジが消滅することが確認された。

［実施例５］
本実施例では、図６に示した装置を用いた。また、検体として、銅フタロシアニンからなる色材を分散させた水溶性顔料インクを準備した。

まず、温度コントロール可能なステージ１として、銅製の基盤上に、表面を親水化処理したシリコン基板をカーボンペーストで固定後、密閉容器１１内に導入し、密閉容器１１内にドライ窒素を導入した。

次に、設定温度を−１５０℃に設定し、ステージ１がその評価温度に保たれたことを確認した。ヘッド７から試料としてのインクをステージ１上に１０箇所噴き付けた。液滴の吐出の際には、ステージ位置を調整し、液滴の大きさを直径約２０μｍ程度、飛翔速度は、１０ｍ／秒程度とした。

次に、密閉容器１１内をポンプで減圧した後、ステージ１を試料室２４に導入し、液滴の無い基板上でＳＥＭ像とＦＩＢ像の両方が観察できるようにステージ１の高さ調整を行った。ステージ１の温度を確認したところ、約−１５０℃に保たれていた。

試料温度を常に確認しながら試料の断面観察位置を含んだ領域について表面ＳＥＭ観察を行った。表面ＳＥＭ観察によって得られた像から試料のほぼ中央部を断面観察位置として決定した。

次に、決定した断面観察位置にイオンビームを照射しＳＩＭ像を取り込んだ。このときのイオンビームは、観察モードのごく弱い条件で行った。具体的には、ガリウムイオン源を用い、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流２０ｐＡ、ビーム径約３０ｎｍとした。そして、取り込んだＳＩＭ像に対して断面加工位置を指定した。

次に、指定した断面加工位置をＦＩＢにより粗加工した。具体的には、加速電圧３０ｋＶ、ビーム電流１ｎＡ、ビーム径約６０ｎｍとして断面加工位置に１５μｍ角で、深さ１０μｍの矩形状の凹部を形成した。この粗加工では、少しずつ段階的に弱い条件で加工するようにし、加工中は、時々、加工中の試料断面をＳＥＭ観察し、所望の位置近くまで加工されているかを確認した。ほぼ加工し終わったところで、ビームを電子ビームに切り替え、加工断面が電子ビームに対して約６０°の角度で走査できるよう調整し、断面ＳＥＭ観察を行った。

所望の位置まで加工できていることを確認した後、ビームをイオンビームに切り替え、さらに、断面加工精度を上げるための仕上げ加工として、ＳＩＭ観察の場合と同等の弱い条件で、粗加工のときよりも細いビームで粗加工した断面加工位置をさらに加工した。このＦＩＢ加工により作製された断面の模式図は図１４の（ａ）のようになった。試料の一部に、イオンビームの照射によって内部構造が露出している部分が見られた。やや倍率を上げたが、試料の断面は確認できるものの、インク溶媒中の顔料（色材）は、識別できなかった。

さらに、加工断面のほぼ中央を評価位置として絞り込んだ。

評価位置以外の同等加工面で電子ビームを調整した後、評価位置を含む面を中心に、２万倍程度の倍率でテレビスキャンモードにより、１分程度電子ビ−ム照射を行った。

その後、４万倍程度の倍率で評価位置のＳＥＭ観察を行い、画像を取り込んだ。

前記ＳＥＭ観察により、１００ｎｍ以下の顔料粒子を含むＳＥＭ像を取得することができた。

このとき、ステージ１の温度を確認したところ、−１５０℃程度を保っていた。

電子ビームを照射した断面の模式図は図１４の（ｂ）のようであった。評価位置を含む断面に予め高速で電子ビームを一定時間照射することによって、インク溶媒中のナノオーダーの顔料が分散状態を保ったまま、輪郭を鮮明にしてＳＥＭ像を取得できた。

最後に、得られたＳＥＭ像を微細な部分がエッジ強調されるような画像処理を施したところ、顔料微粒子の識別が容易で分散状態を評価することができた。

以上のように、本実施例では、試料の温度を−１５０℃で維持しながらＦＩＢ加工を行った後、評価位置周辺に電子ビームを一定時間照射することで、液体中の微粒子が識別しやすくなり、微粒子が鮮明なＳＥＭ像を取得することができた。また、得られたＳＥＭ像から溶媒中の微粒子分散状態を評価することができた。

［実施例６］
本実施例では、図６に示した装置を用いた。また、試料としてカーボングラファイトを色材とする水溶性顔料インクを用いた。試料の断面評価を以下の手順で行った。

まず、設定温度を−１４５℃にして、実施例５と同様にステージ１が評価温度に保たれたことを確認後、顔料インクを入れたヘッド７からステージ１に貼り付けた紙上に３箇所噴き付けた。

ステージ１の１の温度を確認後、密閉容器２内を減圧し、ガス導入部４らＡｒガスを導入してステージ１上にスパッタ法で金属膜をコートした。ターゲットはＰｔ−Ｐｄ合金を用い、ＲＦ電源を用いた。換算膜厚は、１０ｎｍ以下程度である。

次に、再度、密閉容器１１減圧し、金属膜をコートしたステージを試料室２４内に導入した。その後は、実施例５と同様に断面加工、観察を行った。金属微粒子によって試料をコートしたので、断面加工中も、ＳＥＭ観察中も試料のチャージアップが低減され、顔料が分散状態を保ったまま、明瞭なＳＥＭ観察ができた。

本発明の一実施形態による試料作製部の構成を示す模式図である。 本発明の一実施形態による試料作製の手順を示すフローチャート図である。 本発明の一実施形態による試料作製の手順のうち、装置内の窒素ガス置換の工程を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による試料作製の手順のうち、試料をステージに接触させ固化する工程を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による試料作製の手順のうち、固化した試料を他の装置に移送する工程を説明するための模式図である。 本発明の一実施形態による試料作製及び試料観察のための装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は加工された試料の一例を示す模式図、（ｂ）は試料の断面のＳＥＭ観察を説明するための模式図である。 （ａ）は加工された試料の別の一例を示す模式図、（ｂ）は試料の断面のＳＥＭ観察を説明するための模式図である。 本発明の別の一実施形態による試料作製及び試料観察のための装置の構成を示す模式図である。 本発明の他の一実施形態による観察装置の構成を示す模式図である。 試料の加工断面におけるＳＥＭ像を示す図である。 本発明の別の一実施形態による試料作製及び試料観察の手順を示すフローチャート図である。 試料の一例を示す模式図である。 加工された試料の他の一例を示す模式図である。 試料作製の手順の一部を示すフローチャート図である。

符号の説明

１ ステージ
２ａ 導入棒
２ｂ 操作部（ステップモーター）
３ａ 第１のチャンバー（チャンバーＢ）
３ｂ、４ｄ チャンバーハッチ
３ｃ、４ｂ パージ用ガス開閉バルブ
３ｄ、４ｃ パージ用ガス導入口
３ｅ Ｏ−リング
４ ガス導入部
４ａ 第２のチャンバー（チャンバーＡ）
４ｅ 切り替え弁
４ｆ リーク口
５ 真空ポンプ
６ 冷却器
７ 吐出装置
８ 吐出制御装置
１０ 試料作製部
１１ 前処理室
１２ 金属膜コート部
１３ プローブ
２０ 加工観察部
２１ ＦＩＢ装置
２２ ＳＥＭ装置
２３ 反射電子検出器
２４ チャンバー
３０ 制御部
３１ 銀ペーストパターン
４０ クライオシステム制御部
５０ ＦＩＢ−ＳＥＭ装置の制御部
５１ 画像処理部
６０ 固体試料
６１ 媒質
６２ 分散物
７１ 固体試料
７２、７４ 凹部
７３ 垂直断面
７５ 電子ビーム
７６ イオンビーム

Claims (15)

1. 常温常圧で液相を呈する液体と、
   前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、
   前記物質が前記液体中に分散された検体液滴を、該液滴における前記物質の分散状態を保持したまま、観察すべき領域全体をアモルファス化したことを特徴とする固体試料。
2. 前記液体の凝固点が−４０℃以上＋２０℃以下の範囲内から選択される凝固点を有すること特徴とする請求項１記載の固体試料。
3. 前記物質が顔料であり、前記液体が水及び水溶性溶剤からなることを特徴とする請求項１又は２記載の固体試料。
4. 前記固体試料の高さが１μｍ乃至１０μｍの範囲内である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の固体試料。
5. 常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体を用意する工程と、
   前記検体を液滴として、冷却されたステージ表面に付着させる工程と、を含み、
   観察すべき領域全体をアモルファス化することを特徴とする固体試料の作製方法。
6. 乾燥ガス雰囲気中で前記液滴を前記ステージ表面に付着させる請求項５に記載の固体試料の作製方法。
7. 前記液滴を前記ステージ表面に付着させる工程の前又は後の少なくともいずれかの期間に、前記検体の吐出口を外部雰囲気から遮蔽する工程を有する請求項５又は６に記載の固体試料の作製方法。
8. 試料の観察方法において、
   請求項５乃至７のいずれか一項に記載の固体試料の作製方法を用いて固体試料を作製する工程と、
   前記固体試料のアモルファス状態を維持して該固体試料の断面観察を行う観察工程と、を含むことを特徴とする試料の観察方法。
9. 前記固体試料の断面を露出させる工程と、
   前記固体試料から前記液体の一部を選択的に気化させて該固体試料から除去した後に該断面を観察する工程と、を含む請求項８に記載の試料の観察方法。
10. 固体試料の作製装置において、
    検体が付着される表面を提供するステージと、
    常温常圧で液相を呈する液体と、前記液体とは異なる物質であって常温常圧で固相又は液相を呈する物質と、を含み、前記物質が前記液体中に分散された検体を、前記表面に液滴として供給する検体供給器と、
    前記ステージ表面を冷却する冷却器と、を含み、
    前記検体を液滴として、前記冷却器により冷却された前記ステージ表面に付着させることにより、観察すべき領域全体をアモルファス化することを特徴とする固体試料の作製装置。
11. 前記検体供給器が、液滴を吐出する液体噴射ヘッドである請求項１０に記載の固体試料の作製装置。
12. 前記検体供給器の吐出口を外部雰囲気から遮蔽する遮蔽手段を有する請求項１０に記載の固体試料の作製装置。
13. 前記ステージは、前記表面に複数の液滴が互いに離間して付着されるように、前記液滴の吐出方向と交差する方向に前記表面を移動させる移動機構を有する請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載の固体試料の作製装置。
14. 前記ステージは、前記冷却器から分離可能である請求項１０乃至１３のいずれか１項に記載の固体試料の作製装置。
15. 観察装置において、
    請求項１０乃至１４のいずれか一項に記載の固体試料の作製装置と、
    前記作製装置により作製された前記固体試料を加工して断面を形成する断面形成装置と、
    前記固体試料のアモルファス状態を維持して、前記断面形成装置により形成された断面を観察する断面観察装置と、を有することを特徴とする観察装置。

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