JP2012185015A - 電子顕微鏡による物体観察方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 非導電性の物体の微細形状を、物体の形態を変化させることなく観察可能とすること
【解決手段】 観察する物体の表面に液晶を被覆した観察試料を電子顕微鏡内に配置し、前記観察試料を加熱することにより前記液晶の膜厚を変更するとともに、前記走査型電子顕微鏡により前記観察試料を観察する。これにより最適な液晶の膜厚における観察が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は走査型電子顕微鏡により、非導電体又は非導電体で囲まれた物体等の微小構造等の形態を観察する観察方法に関する。

今日、微小構造を電子顕微鏡で高分解能で観察する手段として、走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（以下ＳＥＭと称す））が知られている。ＳＥＭは、たとえば電子線を走査しながら観察試料に照射し、電子線が観察試料に衝突することにより発生する二次電子を検出器により検出する。検出した二次電子の電荷量に対応する輝度と、電子線が照射された位置情報とを処理することにより、観察試料を三次元的に画像表示することができる。

一般に、観察試料に照射される一次電子の入射量と、一次電子の照射により観察試料から放出される二次電子の放出量との比率を表した二次電子放出利得は、一次電子の加速電圧、即ち入射エネルギーに依存する。二次電子放出利得と一次電子の加速電圧との関係を図９に示す。ここで、二次電子放出利得が１以上となる一次電子の加速電圧の領域を中間領域Ｂとする。また、二次電子放出利得が１以下となる一次電子加速電圧の領域のうち、一次電子の加速電圧が中間領域より小さい領域を低領域Ａ、中間領域より大きい領域を高領域Ｃとする。

低領域Ａ及び高領域Ｃにおいては、二次電子放出利得が１以下であり、観察試料表面において、負の電荷を有する電子が相対的に増加し、一次電子を入射するに従って観察試料の表面は負に帯電する。また、一次電子の加速電圧の中間領域Ｂにおいては、二次電子放出利得は１以上となるため、観察試料表面において電子量が相対的に減少し、一次電子を入射するに従って観察試料の表面は正に帯電する。

観察試料が導電性からなり、この観察試料が接地されていれば、観察試料の表面に帯電した電荷は観察試料の外に放出される。しかしながら、観察試料が、非導電体又は非導電体で囲まれた物体である場合には、その表面に帯電した電荷を放出することができない。そのため、ＳＥＭにより観察する場合、負電荷もしくは正電荷によりチャージアップされ、観察試料の像を正確に観察することができない。

すなわち、一次電子の加速電圧が中間領域Ｂにある場合、観察試料表面は負に帯電するため、ＳＥＭ観察像の濃淡がつきにくく、全体的に白く表示されてしまう。また、ハレーションが発生したり、ノイズがはいったり、サンプルドリフトが発生することもある。この時、一次電子の入射量を減少させてチャージアップを抑制すると、解像度が低下し像がぼやけてしまう。また、一次電子の加速電圧が低領域Ａもしくは高領域Ｃにある場合、観察試料表面は正に帯電するため、電子銃から入射される一次電子の軌道が歪められ、正確な測定を行うことができない。

そこで、観察する物体にイオン液体を滴下し観察試料とし、観察試料を透過型の顕微鏡により観察する方法が、特許文献１に記載されている。特許文献１には、開口部を有する試料保持部材（例えば、マイクログリッドやメッシュ等）にイオン液体を保持し、そこに観察試料を投入することによってイオン液体中に観察する物体を浮かして観察する。さらに、試料保持部材の近傍に電極を設けている。電極に電圧を印加することにより、観察する物体がイオン液体中で移動したり変形したりする様子を観察することができる。

特開２００９−２６６７４１

しかしながら特許文献に１に示したイオン液体を用いた観察方法では、塗布または浸漬させた後のイオン液体の膜厚制御が非常に難しいという問題点があった。すなわち、イオン液体の膜厚が薄すぎると導電性が保つことが困難であり、また濡れた観察する物体が真空暴露してしまい、干からびてしまうという。また、イオン液体の膜厚が厚すぎると、観察する物体自体ではなく、観察する物体を被覆したイオン液体の表面を観察してしまうことになる。

本発明は、簡易にチャージアップの問題を解決するとともに、観察試料の作製が容易であって、観察する物体のありのままの形状等をＳＥＭにより観察することを可能とする観察方法を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するために、本発明は、観察する物体の表面に液晶を被覆した観察試料を電子顕微鏡内に配置し、前記観察試料を加熱することにより前記液晶の膜厚を減少させるとともに、前記走査型電子顕微鏡により前記観察試料を観察するものである。

本発明の走査型電子顕微鏡を用いれば、非導電性の物体もチャージアップなく観察可能で、さらにウエットな観察する物体も形態を変化させることなく非破壊で観察可能となる。

本発明の概念を示す概略図 本発明の走査型電子顕微鏡の概略図 本発明の走査型電子顕微の試料加熱部の概略図 本発明の観察方法を示す断面図 実施例１で観察した結果を示す観察画像 実施例２で観察した結果を示す観察画像 実施例３で観察した結果を示す観察画像 比較例で観察した結果を示す観察画像 一次電子加速電圧と二次電子放出利得との関係を示した図

図１に本発明の概念図を示す。本発明では、まず図１（ａ）に示すように、観察する物体を所望の大きさ、形状に切断させた後、試料台１３の上に観察する物体１２を配置し、常温において観察する物体１２の表面に液晶１１を塗布する。液晶１１により観察する物体１２を被覆することにより観察試料１０とし、観察する物体１２に見かけ上導電性を与えるとともに、次工程における真空加熱によって観察試料の表面の形態が変わるのを防ぐ。次に、走査型電子顕微鏡のチャンバー内に、液晶１１により覆われた観察試料１０をセットし加熱する。液晶および観察試料１０を加熱するに従って、図１（ｂ）に示すように、観察する物体の表面の余分な液晶は徐々に除去され、膜厚は減少する。この時の様子を、走査型電子顕微鏡で観察試料１０を観察することにより、液晶の膜厚を変化させながら、各膜厚における観察試料の観察画像を得る。

＜観察する物体＞
本発明において観察する物体は、非導電性の物体、非導電体で覆われた物体、あるいは、観察する物体自体がウエットで、電子顕微鏡内に入れられないもの、また真空中で形態の変化してしまう物体に有効である。

＜液晶＞
本発明で用いる液晶は、ネマティック液晶、スメクティック液晶、コレステリック液晶など、導電性を有するものであれば使用することができる。特にネマティック液晶は、粘度が比較的低く、また価格、手に入り易さを考慮すると最も好適である。

＜電子顕微鏡の構成＞
図２は本実施例の電子顕微鏡の構成を示す断面図である。図中２１は電子線を放出する電子銃である。２２は電子銃から放出されたコンデンサレンズである。２３はコンデンサレンズ２２を通過した電子線を所定の方向に走査する走査レンズである。２４は走査レンズ２３で走査された電子線を観察試料１０に集光させる対物レンズである。２６は観察試料１０から放出される二次電子を検出する二次電子検出器であり、２５は二次電子検出器で検出された観察試料１０の各位置における二次電子の放出量を表示する表示装置である。２７は観察試料１０を保持する試料支持棒であり、２９は、試料加熱部３０の温度を制御する温度コントローラである。

図３は試料加熱部３０の詳細を示した断面図である。加熱ホルダ３１の上に、観察試料１０を載置した試料台１３が置かれている。加熱ホルダ３１の内部にはヒート３６と熱電対３５が配置されており、コントローラ４０の加熱電源３７、温度検出器３８ｍ加熱温度制御機３９により、ヒータ３６の温度は制御されている。コントローラ４０は、上限の温度及び温度上昇のステップを細かく設定できるようになっており、１℃刻みでセット可能である。

＜観察方法＞
次に、図２に示した走査型電子顕微鏡用による、観察試料１２を観察する方法を図４を用いて説明する。

まず図４（ａ）に示すように、観察する物体１２をカーブンペースト５３が塗られた試料台１３に接着する。次に図４（ｂ）に示すように、観察する物体１２の上部から液晶１１をスポイト等で少量垂らし観察試料１０とする。この時、液晶１１の量は、図４（ｃ）に示すように、観察する物体１２の表面を覆いかぶせる程度の量でよい。液晶１１の塗布量が少なすぎると、観察する物体１２の導電性が失われてしまうので、注意が必要である。

次に、観察試料１０を試料台１３ごと加熱ホルダ３１に載せ、図２に示した走査電子顕微鏡の試料加熱部に投入する。

次に、走査電子顕微鏡の試料加熱部を真空にした後加熱する。加熱しながら電子銃２１から電子線を観察試料１０に照射し、二次電子検出器２６を使って観察試料１０の形状を観察する。観察試料１０を加熱することにより、図４（ｄ）に示すように液晶１１は徐々に除去され、液晶１１の膜厚は徐々に減っていく。

ため、加熱しながら観察することにより、観測に最も適した液晶膜厚での観察が可能となる。なお、予め使用する液晶が液晶相から液体相へ変わる温度である相転移温度（等方性液体になる温度）を調べておくことにより、より効率的な観察が可能となる。

主剤、重合性高分子前駆体の２−ヒドロキシメチルメタクリレートからなる高分子ポリマーボール（非導電性）の形態を、フィールドエミッション型走査型電子顕微鏡（Ｓ５０００Ｈ日立製）を使って、前述の観察方法により観察した。

まず、２−ヒドロキシメチルメタクリレートからなる高分子ポリマーボールの集合体を、接着性を有し導電性に優れているカーボンテープ５３を介して、試料台１３に載せた。次に、ネマティック型液晶（Ｅ７メルク社製）をピペットで観察する物体１２の表面に約０．０１ｍｌ滴下し、高分子ポリマーボール集合体に染み込ませ、観察試料とした。

次にネマティック型液晶を染み込ませた観察試料を、走査電子顕微鏡のチャンバーに投入し、真空引きをした。試料加熱部の真空度は６．０−Ｅ６ｔｏｒｒとした。電子銃２１の加速電圧は２０ｋＶとした。

ネマティック型液晶（Ｅ７メルク社製）の相転移温度は９５℃近辺である。

そこで、観察試料を加熱し、温度が、２０℃、５０℃、８０℃、９０℃、９５℃、１００℃の時の二次電子像を観察した。各温度での観察結果を、図５（ａ）〜（ｆ）に示す。

２０℃における観察画像を図５（ａ）に示す。この時の観察画像は、液晶の表面と観察したいポリマーの頭だけが見えている状態である。従ってポリマーの全容を観察することはできなかった。これは、液晶の膜厚が厚すぎたためだと思われる。ただし、全体的に白くなったり、ハレーションが発生したり、ノイズがはいったり、サンプルドリフトがあったりなどが無いためチャージアップはないことが分かる。

次に、５０℃における観察画像を図５（ｂ）に示す。この時の観察画像は、図５（ａ）の温度２０℃の時に比べると若干液晶の表面が落ち込んでおり、液晶膜厚が薄くなっていることが分かる。これにより、ポリマーの表面の一部の形状は確認できるが、ポリマーの全容を観察することはできなかった。

次に、８０℃における観察画像を図５（ｃ）に示す。この時の観察画像は、図５（ｂ）の温度５０℃の時に比べてさらに液晶の膜厚が薄くなっていることが分かる。これにより、ポリマーの表面の形状は確認できるが、ポリマーの全容を観察するには至っていない。

次に、９０℃における観察画像を図５（ｄ）に示す。この時の観察画像は、図５（ｃ）の温度８０℃の時と比べてさらに液晶の膜厚が減っており、ポリマー全容がほぼ観察可能となっている。

次に、９５℃における観察画像を図５（ｅ）に示す。この時の観察画像は、ポリマーの全容が完全に観察可能であった。なおここで観察可能とは、粒径約０．５μｍの粒子が確認できることを言う。

次に、１００℃における観察画像を図５（ｆ）に示す。この時の観察画像は、全体的に白く表示されており、ポリマーの全容を観察することができなかった。これは、液晶の膜厚が薄すぎるため、観察試料の表面がチャージアップされていると思われる。

図５（ａ）〜（ｆ）からかわるように、実施例１においては、相転移温度である９５℃において、最も良好にポリマーの形状を計測することが可能であった。すなわち、本実施例で用いた走査型電子顕微鏡を用いることにより、液晶の転移温度付近であれば、非導電性の観察試料の形状が高分解能で観察可能であった。

なお、通常ネマティック型液晶は、相転移温度が低温であり相転移温度域が広いため、観察する温度を徐々に上げることで、相転移温度域の中での最適な温度を見つけることが可能となる。また、本実施例では、相転移温度である９５℃が最適な温度としている。しかしながら観察する目的が、ポリマーの全容を完全に観察することではなく、ポリマーの表面の形態を確認する等であれば、相転移温度域まで加熱せず、たとえば５０℃における観察で十分な場合もある。

非導電性のすりガラス（旭硝子社）を３ｍｍ角にサンプリングした。サンプリングしたすりガラスの表面にネマティック液晶（ＭＬＣ−６６０８）を染み込ませ観察試料とした。ネマティック液晶（ＭＬＣ−６６０８）の相転移温度は９０℃である。ネマティック液晶をピペットで観察試料の表面に約０．０１ｍｌ滴下し、すりガラスの表面に染み込ませた。

観察試料をフィールドエミッション型走査電子顕微鏡（Ｓ９００日立製）を使って、実施例１と同様の観察方法により観察した。観察試料を加熱し、温度が２０℃、３０℃、４０℃、５０℃、６０℃、８０℃、９０℃、１００℃の時の二次電子像を観察した。各温度での観察結果を、図６（ａ）〜（ｈ）に示す。図６における倍率は２０００倍である。

２０℃における観察画像を図６（ａ）に示す。この時の観察画像は、液晶の表面と、観察したいポリマーの頭だけが見えている状態である。従ってポリマーの全容を観察することはできなかった。これは、液晶の膜厚が厚すぎたためだと思われる。

次に、３０℃における観察画像を図６（ｂ）に示す。この時の観察画像は、図６（ａ）の温度２０℃の時に比べると若干液晶の表面が落ち込んでおり、液晶膜厚が薄くなって見える。これにより、すりガラスの表面の凹凸形状は確認できるが、表面の凹凸の全容を観察することはできなかった。

次に、４０℃における観察画像を図６（ｃ）に示す。この時の観察画像は、図６（ｂ）の温度３０℃の時に比べると、液晶膜厚がさらに薄くなっている。これにより、すりガラスの表面の凹凸形状はより明確に確認できるが、表面の凹凸の全容を観察することはできなかった。

次に、５０℃における観察画像を図６（ｄ）に示す。この時の観察画像は、図６（ｃ）の温度４０℃の時に比べると、液晶膜厚がさらに薄くなっている。これにより、すりガラスの表面の凹凸形状は観察できるが、表面の凹凸の全容を観察することはできなかった。

次に、６０℃における観察画像を図６（ｅ）に示す。この時の観察画像は、図６（ｄ）の温度５０℃の時と比べてさらに液晶の膜厚が減っており、すりガラスの表面の凹凸形態をさらに明確に観察可能となっている。

次に、８０℃における観察画像を図６（ｆ）に示す。この時の観察画像は、図６（ｅ）の温度６０℃の時と比べてさらに液晶の膜厚が減っており、すりガラスの表面の凹凸形態を観察可能となっている。

次に、９０℃における観察画像を図６（ｇ）に示す。この時の観察画像は、すりガラスの表面の凹凸の形態が完全に観察可能となった。

次に、１００℃における観察画像を図６（ｈ）に示す。この時の観察画像は、全体的に白く表示されており、ポリマーの全容を観察することができなかった。これは、液晶の膜厚が薄すぎるため、観察試料の表面がチャージアップされていると思われる。

図６（ａ）〜（ｈ）からかわるように、実施例２においては、相転移温度である９０℃において、最も良好にポリマーの形状を計測することが可能であった。すなわち、本実施例で用いた走査型電子顕微鏡を用いることにより、液晶の転移温度付近であれば、非導電性の観察試料の形状が高分解能で観察可能であった。

なお、通常ネマティック型液晶は、相転移温度が低温であり相転移温度域が広いため、観察する温度を徐々に上げることで、相転移温度域の中での最適な温度を見つけることが可能となる。また、本実施例では、相転移温度である９０℃が最適な温度としている。しかしながら観察する目的が、すりガラスの全容を完全に観察することではなく、すりガラスの表面の形態を確認する等であれば、相転移温度域まで加熱せず、たとえば３０℃における観察で十分な場合もある。

プラスチック樹脂（ＰＥＴ）を３ｍｍ角にサンプリングした。サンプリングしたすりプラスチック樹脂の表面にネマティック液晶（５ＣＢ （４−シアノ−４’−ベンチルビフェニル））を染み込ませ観察試料とした。ＰＥＴは、熱に弱い試料であるので、本実施例では相転移温度は３４℃であるネマティック液晶（５ＣＢ （４−シアノ−４’−ベンチルビフェニル））を使用した。ネマティック液晶をピペットでプラスチック樹脂の表面に約０．０１ｍｌ滴下し、その表面に染み込ませた。

観察試料をフィールドエミッション型走査電子顕微鏡（Ｓ９００日立製）を使って、実施例１と同様の観察方法により観察した。観察試料を加熱し、温度が２０℃、３０℃、３５℃の時の二次電子像を観察した。各温度での観察結果を、図７（ａ）〜（ｃ）に示す。図１０における倍率は２０００倍である。

２０℃における観察画像を図７（ａ）に示す。この時の観察画像は、液晶の表面と、観察したいポリマーの頭だけが見えている状態である。従ってポリマーの全容を観察することはできなかった。これは、液晶の膜厚が厚すぎたためだと思われる。

次に、３０℃における観察画像を図７（ｂ）に示す。この時の観察画像は、図７（ａ）の温度２０℃の時と比べて液晶の膜厚が減っており、観察したいプラスチック樹脂の表面の凹凸が観察できるようになっている。

次に、３５℃における観察画像を図７（ｃ）に示す。この時の観察画像は、３０℃の時の像からさらに液晶の膜厚が減っている。しかしながら全体的に白く表示されており、ポリマーの全容を観察することができなかった。これは、液晶の膜厚が薄すぎるため、観察試料の表面がチャージアップされていると思われる。

［比較例］
すりガラス（旭硝子社カバーガラス）を３ｍｍ角にサンプリングした。サンプリングしたすりガラスにイオン液体を塗布し観察試料とした。イオン液体は、親水性のであるテトラフルオロホウ酸 １−ブチル−３−メチルイミダゾリウム（ＢＭＩ−ＢＦ４）にエタノールを混合したものである。イオン液体をピペットで観察試料の表面に約０．０１ｍｌ滴下し、すりガラスの表面に染み込ませた。

観察試料をフィールドエミッション型走査電子顕微鏡（Ｓ５０００Ｈ日立製）を使って、実施例１と同様の観察方法により観察した。観察試料を加熱し、温度が２０℃、４０℃、６０℃、８０℃、１００℃、１２０℃、の時の二次電子像を観察した。各温度での観察結果を、図８（ａ）〜（ｆ）に示す。図８における倍率は２０００倍である。

図８（ａ）〜（ｆ）から分かるように、２０℃〜１２０℃の範囲では、いずれもすりガラスの表面の凹凸形状を観察することができない。これは、加熱してもイオン液体の膜厚に変化がなく、イオン液体に観察する物体であるすりガラスが埋もれていると思われる。

なお、前述イオン液体蒸発する温度は３００℃以上である。しかしながら、３００℃以上に加熱すると、観察する物体であるすりガラスのダメージが大きく観察することができない。

１０ 観察試料
１１ 液晶
１２ 観察する物体
１３ 試料台
２１ 電子銃
２２ コンデンサレンズ
２３ 走査レンズ
２４ 対物レンズ
２５ 表示装置
２６ 二次電子検出器
２７ 試料支持棒
２９ 温度コントローラ
３１ 加熱ホルダ
３５ 熱電対
３６ ヒータ
３７ 加熱電源
３８ 温度検出器
３９ 加熱温度制御器

Claims (3)

1. 観察する物体の表面に液晶を被覆した観察試料を電子顕微鏡内に配置し、前記観察試料を加熱することにより前記液晶の膜厚を減少させるとともに、前記走査型電子顕微鏡により前記観察試料を観察することを特徴とする電子顕微鏡による物体観察方法。
2. 前記観察する物体は、非導電体又は非導電体で囲まれた物体であり、前記液晶はネマティック液晶であることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡による物体観察方法。
3. 前記観察試料は、常温から前記液晶の相転移温度まで加熱されることを特徴とする請求項１または２に記載の電子顕微鏡による物体観察方法。

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