JP2011216426A

JP2011216426A - 試料ホルダーおよび試料観察方法

Info

Publication number: JP2011216426A
Application number: JP2010085657A
Authority: JP
Inventors: Yasutaka Nakano; 靖孝仲野; Takashi Sato; 岳志佐藤; Hiroaki Matsumoto; 弘昭松本; Kohei Nagakubo; 康平長久保
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-10-27

Abstract

【課題】透過型電子顕微鏡において、加熱しても試料を連続観察することができ、かつ試料とヒーターの温度差を減らすことができる試料ホルダーおよび試料観察方法を提供する。
【解決手段】試料を載置するための試料膜が固定された加熱部を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料ホルダーおよび試料観察方法に関し、例えば、透過型電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope、以下ＴＥＭとする）で用いる試料ホルダーおよび試料観察方法に関する。

従来、ＴＥＭ内で試料を加熱する場合は、試料をヒーターに直接載置していたため、試料は熱膨張により形状変化や状態変化を起こしてヒーターの導線間に隠れ、観察視野から外れることが多かった。そのため、ＴＥＭでは、加熱を行いながら、同一箇所を連続観察するのは困難であった。通常は、加熱しながら同一箇所を観察できる箇所が見つかるまで、何度も試料の載置をやり直さなければならず、観察作業の煩雑化、観察効率の低下の原因となっていた。

ＴＥＭで加熱を行いながら試料観察を行う場合、例えば特許文献１及び特許文献２では、高耐熱性かつ充分な機械的強度を有するメッシュ状の試料ホルダーに試料を載置することで、試料を充分に支持する方法を開示している。

特開２００４−４５３５９号公報特開２００１−３４５３２号公報

しかしながら、上記特許文献では、試料ホルダーに機械的強度の大きい材質及び板状構造を採用しているため、別に設けたヒーターからの熱が試料へ均等に伝わり難い。なぜなら、放射状に広がるヒーターの熱は、試料ホルダーの端部に行くほど届き難いからである。よって、試料表面の熱が、ヒーター表面の熱と異なり、試料位置によって観察結果が異なるので、観察箇所が試料ホルダー中心部に制限されるという問題が生じる。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、ＴＥＭにおいて、加熱しても試料を連続観察することができ、かつ試料とヒーターの温度差を減らすことができる試料ホルダーを提供する。

上記課題を解決するために、本発明は、ヒーターに試料膜を直接固定し、該試料膜に試料を載置し、ヒーターの加熱を行う。

すなわち、本発明による試料ホルダーは、前記試料を載置するための試料膜が固定された加熱部を備える。

また、本発明による試料観察方法は、前記試料を加熱する加熱部に前記試料を載置するための試料膜を固定するステップと、前記試料膜の固定された加熱部を前記試料ホルダーに設置するステップと、前記試料膜に前記試料を載置するステップと、前記加熱部を加熱するステップと、を有する。

また、本発明による試料観察方法は、前記試料を加熱する加熱部に前記試料を載置するための試料膜を固定するステップと、前記試料膜の固定された加熱部を前記試料ホルダーに設置するステップと、前記試料膜で前記試料を挟持するステップと、前記加熱部を加熱するステップと、を有する。

本発明の試料ホルダーによれば、ＴＥＭにおいて、加熱しても試料を連続観察することができ、かつ試料とヒーターの温度差を減らすことができる。

本発明の実施形態における試料ホルダーの先端部を拡大した概略構成図である。本発明の実施形態における試料駆動装置に挿入された試料ホルダーを示す概略構成図である。本発明の実施形態におけるＴＥＭ装置の全体構造を示す概略構成図である。本発明の実施形態におけるヒーターに試料膜を直接固定する図である。本発明の実施形態における複数のヒーターに試料膜を固定する図である。本発明の実施形態におけるヒーターに形成した穴部に試料膜を固定する図である。本発明の実施形態におけるヒーターに形成した複数の穴部に試料膜を固定する図である。本発明の実施形態におけるヒーターで形成した輪郭部に試料膜を固定する図である。本発明の実施形態におけるふりかけ法により試料膜へ試料を載置する方法を示す図である。本発明の実施形態における棒により試料膜へ試料を載置する方法を示す図である。本発明の実施形態における二重の試料膜によって試料を挟持する方法を示す図である。本発明の実施形態における試料観察方法を表す工程である。

本発明は、ＴＥＭに試料を挿入するための試料ホルダーに関するものである。以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例にすぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。

＜ＴＥＭ装置構成＞
図１は、本発明の実施形態における試料ホルダーの先端部を拡大した概略構成図である。試料ホルダー６は、ねじ穴４、穴５、を先端部に備える。ヒーター２は、穴５に合わせて設置され、ねじ１によってねじ穴４に固定される。図では、ヒーターの形状を螺旋構造にしているが、加熱ができればどのような形でもよい。従来は、試料はヒーター２に直接載置していた。

図２は、本発明の実施形態における試料駆動装置に挿入された試料ホルダーを示す概略構成図である。図１の試料ホルダー６の先端部に試料を載置した後、試料ホルダー６は電子顕微鏡の鏡筒７に備えられた試料駆動装置１３の右部に挿入され、試料駆動装置１３の左部から抑えられることで固定される。試料ホルダーの先端部に載置された試料は、電子線８が照射される。また、ヒーター２は、リード線１２を通して気密端子１１により真空外へ導かれ、コード９によって電源ユニット１０と接続される。

図３は、本発明の実施形態におけるＴＥＭ装置の全体構造を示す概略構成図である。図１の電子銃１４から照射される電子線８は、高電圧制御部１５によりＯＮ／ＯＦＦや強度などの制御が行われる。電子銃１４から照射された電子ビーム８は、レンズ１６によって集束され、偏向コイル１７によって電子線８の試料面上での位置を調整することにより、試料１８表面の任意の位置に照射される。レンズ１６および偏向コイル１７はそれぞれレンズ制御部１９および偏向コイル制御部２０によって制御される。ＴＥＭ像は蛍光板２１上に結像されるので、この蛍光板２１を電子線８が完全に照射されない位置に移動することにより、その下のカメラ２２内のフィルム２３上にＴＥＭ像を結像し、撮影する。このカメラ２２はカメラ制御部２４によって制御される。

＜試料膜の形態＞
図４は、本発明の実施形態におけるヒーターに試料膜を直接固定する図である。ヒーター２に試料膜３を固定し、試料膜３に試料１８を載置する。ヒーター２に試料１８が載った試料膜３を固定してから、ヒーター２を試料ホルダー６に設置し、試料ホルダー６を試料駆動装置１３に挿入する。なお、試料膜３に試料１８を載置してから、ヒーター２に試料膜３を固定してもよい。その後、電源ユニット１０によりヒーター２に電流を流し、ヒーターの加熱を行う。

このようにすることで、試料１８が載る面積が増加するため、試料１８をヒーター２に直接載置するよりも、試料１８を試料膜３に均一かつ大量に載置することができる。また、加熱により試料に形状変化や状態変化が起きても、試料１８がヒーター２の導線間に隠れることはなく、同一箇所を連続観察することができる。また、ヒーター２と試料１８の距離が近く、均等であるので、試料とヒーターの温度差を減らすことができ、試料位置によって観察結果が異なることもない。

図５は、本発明の実施形態における複数のヒーターに試料膜を固定する図である。図５では、図４と比較して、ヒーター２を複数備える点が異なる。それ以外の構成は同一であるため、その説明を省略する。図示のように、複数のヒーター２に亘って試料膜３を固定し、試料膜３に試料１８を載置する。

このようにすることで、試料１８が載る面積がさらに増加するため、図４の試料膜よりも、試料１８を試料膜３に大量に載置することができる。よって、ＴＥＭの観察視野で試料１８を探す手間が減り、観察が容易になる。また、複数のヒーター２はほぼ同じ高さにあるため、ヒーター間の試料膜３の高さは同じになり、観察時に視野を変えても焦点の位置を大きく動かさずに観察できる。その他の効果は図４の試料膜と同様である。

図６は、本発明の実施形態におけるヒーターに形成した穴部に試料膜を固定する図である。図６では、図４と比較して、ヒーター２に穴部を形成し、該穴部に試料膜３を固定する点が異なる。それ以外の構成は同一であるため、その説明を省略する。図示のように、ヒーター２に形成した穴部には、試料膜３が固定されている。穴部は、機械加工による切削や集束イオンビーム（Focused Ion Beam）加工観察装置などによって形成することが可能である。また、穴部は、貫通していても、していなくてもよい。また、穴部の形状は図のような丸型でもよいし、任意な形状にしてもよい。図６の試料膜３は、ヒーター２と試料１８の距離を限りなく近づけ、ヒーター２からの距離によって温度分布ができないようにしたものである。

このようにすることで、図４と比較して、試料１８が載る面積は減少するものの、ヒーター２と試料１８との距離がさらに縮まるため、試料１８が受ける温度分布の影響を考える必要がなくなる。また、ヒーター２に形成した穴部は、観察視野内の目印となるため、観察箇所を見失わずに観察を行うことができる。その他の効果は図４の試料膜３と同様である。

図７は、本発明の実施形態におけるヒーターに形成した複数の穴部に試料膜を固定する図である。図６と比較して、穴部の数が多いので、より良い視野を確保できる可能性を高めることができる。また、穴部の形状は図７のような丸型でもよいし、任意な形状にしてもよい。

図８は、本発明の実施形態におけるヒーターで形成した輪郭部に試料膜を固定する図である。図８では、図６と比較して、ヒーター２で輪郭部を形成し、該輪郭部に試料膜３を固定する点が異なる。それ以外の構成は同一であるため、その説明を省略する。図示のように、ヒーター２で形成した輪郭部には、試料膜３が固定されている。輪郭部の形状は図のような略丸型でもよいし、任意な形状にしてもよい。

このようにすることで、図６、７と比較してヒーター２に穴部を形成する際の複雑な装置を使用する必要がないので、試料膜３を容易に固定することができる。その他の効果は図６の試料膜３と同様である。

＜試料膜への試料載置方法＞
図９は、本発明の実施形態におけるふりかけ法により試料膜へ試料を載置する方法を示す図である。試料１８を試料膜３にふりかけることで（図１０（ａ））、試料１８は試料膜３に載置される（図１０（ｂ））。

図１０は、本発明の実施形態における棒により試料膜へ試料を載置する方法を示す図である。十分先の細い棒３３の先端に静電気等で試料を吸着し（図１１（ａ））、試料膜３の任意の場所へ試料１８を載置する（図１１（ｂ）（ｃ））。この方法では、ふりかけ法と比べると試料膜３に試料１８が載置される確率が高いため、試料の載置に多くの時間を費やす必要がなくなる。

図１１は、本発明の実施形態における二重の試料膜によって試料を挟持する方法を示す図である。ふりかけ法または棒により試料１８を試料膜３に載置した後（図１２（ａ））、別の試料膜３によって試料１８を覆う（図１２（ｂ））。この方法では、加熱によりＴＥＭの観察視野が外れるおそれを減少できる。また、試料膜３に熱収縮素材を用いれば、ヒーター２の加熱によって試料１８をさらに挟持できる。なお、試料膜３は、電子線８を透過する材料を用いれば、試料観察に支障はない。

＜試料観察方法＞
図１２は、本発明の実施形態における試料観察方法を表す工程である。ステップ９００では、ヒーター２に試料膜３を固定する。ステップ９０１では、試料ホルダー６に、試料膜３が固定されたヒーター２を設置する。ステップ９０２では、試料膜３に試料１８を載置する。ステップ９０３では、試料１８を強固に支持したい場合、ステップ９０４に進み、試料１８を試料膜３で挟持することでさらに固定し、ステップ９０５に進む。ステップ９０３で、試料１８を強固に支持する必要がなければ、そのままステップ９０５に進む。ステップ９０５では、ＴＥＭ装置に試料ホルダー６を挿入し、試料を観察し、良好な視野が確保できるか判断する。この判断は、人が行ってもよいし、コンピュータが行ってもよい。良好な視野は、観察視野に試料が１粒子だけ孤立してあるかが基準となる。もし、観察視野に試料が無い又は複数粒子が固まっていれば良好な視野ではない。ステップ９０６では、良好な視野があれば、ヒーター２を加熱して、試料１８を観察する。良好な視野がなければ、ステップ９０２に戻り、試料膜３に試料１８を載置しなおす。以上を良好な観察箇所が見つかるまで繰返す。

なお、図１２では、ヒーター２に試料膜３を固定した後、試料膜３に試料１８を載置したが、試料膜３に試料１８を載置した後、ヒーター２に当該試料膜３を固定してもよい。

＜試料膜およびヒーターの材料および形状＞
試料１８単独の形状変化や状態変化を観察する場合、試料膜３は、電子線８を透過して熱を加えても壊れない材料が好ましい。例えば、Ｃ（カーボン）、ＳｉＮ（窒化珪素）、ＳｉＯ_２（二酸化珪素）、ＢＮ（窒化ホウ素）などがある。また、ヒーター２に形成した穴部またはヒーター２が形成する輪郭部には、イオン液体による表面張力を利用して試料膜３を固定してもよい。一方、試料膜３と試料１８との反応過程を観察する場合、試料膜３は、電子線８を透過して熱を加えても壊れず、かつ反応性の高い材料が好ましい。例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｕ（銅）、などがある。試料膜３の形状は、シート状構造、網目構造、多孔構造などがある。

また、ヒーター２は、高温でも安定で反応性の低い材料が望ましい。例えば、Ｃ（カーボン）、Ｗ（タングステン）、Ｔｉ（チタン）、ＴｉＮ（窒化チタン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＢＮ（窒化ホウ素）、Ｔａ（タンタル）、ＴａＮ（窒化タンタル）などがある。ヒーター２の形状は、螺旋型、平面型、などがある。

＜まとめ＞
本発明によれば、ヒーター２に試料膜３を固定し、試料膜３に試料１８を載置し、ヒーターの加熱を行う。このようにすることで、試料１８を試料膜３に均一かつ大量に載置することができる。また、加熱により試料に形状変化や状態変化が起きても、試料１８がヒーター２の導線間に隠れることはなく、同一箇所を連続観察することができる。さらに、試料とヒーターの温度差を減らすことができ、試料位置によって観察結果が異なることもない。

また、複数のヒーター２に亘って試料膜３を固定し、試料膜３に試料１８を載置してもよい。このようにすることで、さらに、試料１８を試料膜３に大量に載置することができる。よって、ＴＥＭの観察視野で試料１８を探す手間が減り、観察が容易になる。また、ヒーター間の試料膜３の高さは同じになり、観察時に視野を変えても焦点の位置を大きく動かさずに観察できる。

また、ヒーター２に穴部を形成し、該穴部に試料膜３を固定してもよい。このようにすることで、ヒーター２からの温度分布によって、試料１８が受ける影響を考える必要がなくなる。また、ヒーター２に形成した穴部が目印となるため、観察箇所を見失わずに観察を行うことができる。この場合において、穴部の数を増やせば、良い視野を確保できる可能性を高めることができる。

また、ヒーター２で輪郭部を形成し、該輪郭部に試料膜３を固定してもよい。このようにすることで、穴部を形成する際の複雑な装置を使用する必要がない。

また、二重の試料膜によって試料を両側から挟持してもよい。このようにすることで、加熱によりＴＥＭの観察視野が外れるおそれを減少できる。また、この場合において、試料膜３に熱収縮素材を用いれば、加熱によって試料１８をさらに支持できる。

１・・・ねじ、２・・・ヒーター、３・・・試料膜、４・・・ねじ穴、５・・・穴、６・・・試料ホルダー、７・・・鏡筒、８・・・電子線、９・・・コード、１０・・・電源ユニット、１１・・・気密端子、１２・・・リード線、１３・・・試料駆動装置、１４・・・電子銃、１５・・・高電圧制御部、１６・・・レンズ、１７・・・偏向コイル、１８・・・試料、１９・・・レンズ制御部、２０・・・偏向コイル制御部、２１・・・蛍光板、２２・・・カメラ、２３・・・フィルム、２４・・・カメラ制御部、２５・・・パーソナルコンピュータ、２６・・・制御盤、２７・・・インターフェース部、２８・・・鏡体冷却用水流、２９・・・鏡体冷却装置制御部、３０・・・記憶装置、３１・・・電子線量測定器、３２・・・ON/OFFスイッチ、３３・・・棒、３４・・・薬包紙。

Claims

透過型電子顕微鏡に試料を挿入するための試料ホルダーであって、
前記試料を載置するための試料膜が固定された加熱部を備えることを特徴とする試料ホルダー。
前記加熱部は、複数個のヒーターを備え、該複数個のヒーターに亘って固定された試料膜を有することを特徴とする請求項１記載の試料ホルダー。
前記加熱部は、前記試料膜を固定するための１つ以上の穴部が形成されることを特徴とする請求項１記載の試料ホルダー。
前記加熱部は、前記試料膜を固定するための１つ以上の輪郭部を形成することを特徴とする請求項１記載の試料ホルダー。
前記加熱部は、Ｃ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、イオン液体、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕのうち、少なくとも１つの材料で構成された試料膜を有することを特徴とする請求項１記載の試料ホルダー。
前記加熱部は、シート状構造、網目構造、多孔構造のうち、少なくとも１つの形状で構成された試料膜を有することを特徴とする請求項１記載の試料ホルダー。
透過型電子顕微鏡に試料を挿入するための試料ホルダーであって、
前記試料を挟持するための試料膜が固定された加熱部を備えることを特徴とする試料ホルダー。
透過型電子顕微鏡の試料観察方法であって、
前記試料を加熱する加熱部に前記試料を載置するための試料膜を固定するステップと、
前記試料膜の固定された加熱部を前記試料ホルダーに設置するステップと、
前記試料膜に前記試料を載置するステップと、
前記加熱部を加熱するステップと、
を有することを特徴とする試料観察方法。
前記試料膜を固定するステップでは、前記試料膜を、複数の前記加熱部に亘って固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
前記試料膜を固定するステップでは、前記試料膜を、前記加熱部に形成された１つ以上の穴部に固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
前記試料膜を固定するステップでは、前記試料膜を、前記加熱部が形成する１つ以上の輪郭部に固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
前記試料を載置するステップでは、前記試料を、前記試料膜にふりかけることによって、又は静電気力を有する棒で吸着して前記試料膜へ移動することによって、前記試料膜に固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
前記試料膜を固定するステップでは、Ｃ、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、ＢＮ、イオン液体、Ａｌ、Ｆｅ、Ｃｕのうち、少なくとも１つの材料で構成された試料膜を固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
前記試料膜を固定するステップでは、シート状構造、網目構造、多孔構造のうち、少なくとも１つの形状で構成された試料膜を固定することを特徴とする請求項８記載の試料観察方法。
透過型電子顕微鏡の試料観察方法であって、
前記試料を加熱する加熱部に前記試料を載置するための試料膜を固定するステップと、
前記試料膜の固定された加熱部を前記試料ホルダーに設置するステップと、
前記試料膜で前記試料を挟持するステップと、
前記加熱部を加熱するステップと、
を有することを特徴とする試料観察方法。