JP2015037079A - 環境制御型透過電子顕微鏡の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境制御型透過電子顕微鏡において、気体が誘起する分解能の劣化を低減する手段を提供する。
【解決手段】分解能の劣化は試料１１４の電流密度の関数ではなく電子ビームの合計電流の関数であることから、環境制御型透過電子顕微鏡１００の試料チャンバ１３８内での気体のイオン化が分解能劣化の原因と結論した。そこで、試料チャンバ１３８内に電場を印加し、イオン化された気体を除去して分解能の劣化を抑制した。電場は、強い場である必要はなく、たとえば試料チャンバ１３８において電源１４４を介して試料１１４にバイアス電圧を１００Ｖほど印加することで十分である。或いは、試料チャンバ１３８内において、光軸１０４に対して垂直な電場を、電気的にバイアス印加されたワイヤ又は金網を光軸１０４を外した状態で設けることによって実現しても良い。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境制御型透過電子顕微鏡(ETEM)の使用方法に関する。当該環境制御型透過電子顕微鏡は：
− 電子ビームを発生させる電子源；
− 試料チャンバ内に設けられる試料へ電子ビームを導く収束系；
− 前記試料を透過する電子を検出系上で結像する結像系；
− 前記試料チャンバ内で気体の圧力と気体の組成を制御する気体制御系；
を有する。

前記気体制御系は、前記試料チャンバの少なくとも一部において0.5乃至50mbarの圧力に維持する。当該ETEMは気体が誘起する分解能の劣化に悩まされている。

係るETEMはとりわけ特許文献1から既知である。係るETEMは、透過電子顕微鏡と似ているが、高真空（たとえば10⁻⁴mbar以下）の試料チャンバではなく、たとえば0.1〜50mbarの圧力を有する真空チャンバが用いられている。これによりたとえば、触媒における化学過程を直接観測することが可能となる。

係るETEMはたとえば、FEIカンパニーからTitan ETEM G2の名称で市販されている。

ETEMは走査手段を備えて良い。それにより環境制御型走査型透過電子顕微鏡として動作することができることに留意して欲しい。

ETEMは、所謂環境制御型セルを備えたTEM−つまり試料が設けられる閉じた容積を備えるTEMであって、前記閉じた容積は試料チャンバの圧力よりも高い圧力で、かつ、TEMの試料チャンバ内に設けられる−ではないことにさらに留意して欲しい。

特に高ビーム電流を用いるときにETEMにおいて起こる問題は、特に高ビーム電流と高気体圧力を用いるときに分解能が劣化することである。

この所謂気体が誘起する分解能の劣化は、非特許文献1に記載されている。

気体が誘起する分解能の劣化が緩和されるETEMが必要とされている。

欧州特許第2555221号明細書

ジンスチェック(J.R. Jinschek)、Microscopy and Microanalysis誌、第18巻、pp.1148−1149 クリーマー(J.F. Creemer)他、"A MEMS reactor for atomic−scale microscopy of nanomaterials under industrial relevant conditions"Journal of Microelectromechanical Systems誌、第19巻、2010年

本発明の目的は、気体が誘起する分解能の劣化を緩和する解決法を供することである。

上記目的のため、本発明は、当該環境制御型透過電子顕微鏡が、イオン化された気体を除去するために前記試料チャンバ内に電場を発生させる手段を有することを特徴とする。前記電場が発生する結果、気体が誘起する分解能の劣化は解消される。

本発明は、前記イオン化された気体での前記電子の散乱の結果生じるという知見に基づいている。前記イオン化された気体は、電子と中性気体との衝突によって生成される。しかし一旦イオン化されると、前記イオン化された気体が原子を生成し、かつ、分子が前記ビームから十分に除去されるまで、前記気体は前記電子ビームの散乱サイトを生成する。本願発明者等は、前記試料チャンバ内での電場が前記イオン化された粒子を除去することを理解した。

前記電場の機能はイオン化された気体を除去するだけなので、前記電場は強い場である必要はなく、かつ、典型的には80keV〜300keVの選択可能なエネルギーを有する電子で構成される前記ビームの効果は小さいことに留意して欲しい。

本発明の実施例では、前記電場は前記電子ビームに対して平行である。

この実施例では、前記イオン化された気体は、前記ビームに平行な場によって除去される。この解決法の利点は、前記場が前記ビームを偏向させず、わずかな焦点ずれしか生じないことである。

当業者には知られているように、試料ホルダが、前記試料チャンバ内に前記試料を保持してかつ位置設定するのに用いられる。前記場は、前記試料チャンバの壁に対して前記試料ホルダをバイアス印加することによって生じうる。前記バイアスは正であっても良いし負であっても良い。前記バイアスが正であるとき、負に帯電した気体が前記試料へ向かってドリフトする。前記バイアスが負であるとき、正に帯電した気体が前記試料チャンバの壁へ向かってドリフトする。

本発明の他の実施例では、前記電場は前記電子ビームに対して垂直である。

この実施例では、前記試料ホルダはバイアス印加されている必要はない。その代わりに、1つ以上の電極が、前記ビームに対して垂直な場を生じさせる。これは横方向の場（双極子場）であって良い。しかしこれは、高次の多極子場、前記試料チャンバ内において軸から外れた状態で設けられたワイヤ若しくは金網によって生じる場、又は、前記ビームを取り囲むたとえば1つ以上の環状電極によって生じる場であって良い。

さらに他の実施例では、前記電場は前記ビームに対して垂直な場で、かつ、前記ビームと前記電場に対して垂直な磁場が、前記ビームへの前記電場の影響に対抗する。

前記ビームと前記電場の両方に対して垂直な磁場を加えることによって、前記ビーム用のウィーンフィルタが生成され、かつ、前記ビームの軌跡は直線路となる。ウィーンフィルタはエネルギー分散を示して偏向を起こさないが、他の励起では、偏向を起こしてエネルギー分散を示さないように動作させることも可能であることに留意して欲しい。

他の実施例では、前記試料チャンバは、当該ETEMの排気されたチャンバ内に埋め込まれて良い。

この実施例は、当該ETEMは、標準的なTEM（透過電子顕微鏡）又は前記TEMの試料チャンバ内に設けられて高圧領域を封止する環境セルと協働するSTEM（走査型透過電子顕微鏡）によって構成されることに留意して欲しい。係る環境セルはたとえば非特許文献2から既知である。

検出器によって前記試料チャンバ内に電場が発生する透過電子顕微鏡は既知であることに留意して欲しい。前記ビームの位置が位置情報を決定するので、係る検出器は、必然的に信号処理のための電子機器を有し、かつ、走査モードでしか用いられないことに留意して欲しい。

従って本発明の態様では、環境制御型透過電子顕微鏡が供される。当該環境制御型透過電子顕微鏡は：
− 電子ビームを発生させる電子源；
− 試料チャンバ内に設けられる試料へ電子ビームを導く収束系；
− 前記試料を透過する電子を検出系上で結像する結像系；
− 前記試料チャンバの少なくとも一部において0.5乃至50mbarの圧力に維持する、前記試料チャンバ内で気体の圧力と気体の組成を制御する気体制御系；
を有する。動作時において当該ETEMは気体は、誘起する分解能の劣化に悩まされている。

当該環境制御型透過電子顕微鏡には、イオン化された気体を除去する電場を前記試料チャンバ内に発生させる手段が供されることを特徴とする。前記手段は、検出器の一部ではなく、又検出器を含まない。

よって前記電場は、前記イオン化された気体を除去するのに用いられ、信号を検出する（のを助ける）のには用いられない。

バイアス印加された試料ホルダを備えるETEMを概略的に示している。 環状電極を備えるETEMの試料チャンバを概略的に示している。 偏向器を備えるETEMの試料チャンバを概略的に示している。

ここで本発明は、図を用いることによって明らかにされる。図中、同一参照番号は、対応する部位を表す。

図1は、バイアス印加された試料ホルダを備えるETEMを概略的に示している。

ETEM100は、光軸104に沿ってたとえば60〜300keVの選択可能なエネルギーを有する電子ビームを生成する電子源102を有する。とはいえ60〜300keVの範囲外のエネルギーが用いられていることも知られている。

電子ビームは、レンズ108、偏向器112、及び対物レンズの照射部110を含む収束系106によって操作（集束、位置設定）される。

収束系106は、その収束系106−具体的には対物レンズの照射部−の収差を抑制する補正器を有して良い。

収束系106によって集束されて位置合わせされる電子ビームは、試料チャンバ138へ入射し、かつ、試料ホルダ116によって保持及び位置設定される試料114に衝突する。試料ホルダ116は一般的に、3方向でビームに対して試料を位置設定し、かつ、通常は1つ以上の軸に沿って試料を回転させることができる。試料ホルダはここでは、絶縁部142を介して試料チャンバ138へ挿入される。それによりETEMの他の部分−より具体的には試料チャンバの壁140−に対する試料ホルダのバイアス印加が可能となる。電源144は、試料ホルダをバイアス印加するため、電気リード146を介して試料ホルダと接続する。

試料を通り抜ける電子は、結像系118に入り込み、かつ、検出器126上で大きく拡大された像を生成する。結像系は、対物レンズの照射部120、拡大レンズ122、及び各レンズの光軸に電子を位置合わせさせる偏向器124を有する。

結像系は、その結像系−より具体的には対物レンズの照射部120−の収差を抑制する補正器を有して良い。

結像系を飛び出した後、電子は検出器126に衝突する。この検出系はたとえば、画素化された検出器（CMOSカメラ、スクリーンをCCDカメラに接続するファイバ光学系を備える傾向スクリーン）、窓を介して人間の目若しくはカメラによって観測される傾向スクリーン、又は、電子エネルギー損失スペクトロメータであって良い。

試料チャンバ138は、真空壁140、及び、収束系106から試料チャンバ及び試料チャンバから結像系118までビームを通過させる光軸104付近の開口部134,136によって構成される。気体制御系128は、流入チャネル130と戻りチャネル132を介して試料チャンバに接続する。試料チャンバ134内部の圧力（典型的には0.1〜50mbar）が、収束系及び結像系内の圧力（典型的には10⁻⁶mbar未満）よりもはるかに高いので、開口部は圧力制御開口部として機能する。

電子ビームは、試料チャンバを通り抜けるときに、気体をイオン化する。イオン化された気体は、電気伝導性部材−たとえば試料チャンバの壁140−に到達するまで、ゆっくりとドリフトする。たとえばイオン化された原子又は分子がビーム内に存在する又はそのビームに接近している期間中、そのイオン化された原子又は分子は、電子を偏向させる。これにより、気体が誘起する分解能の劣化が起こる。本願発明者等は、分解能の劣化が、気体の圧力と組成及びビーム電流に依存することを発見した。10nAのビーム電流と8mbarのAr圧力では、0.12nmから0.2nmへの分解能の損失が測定された。この分解能損失の予期せぬ態様は、分解能の損失は、試料での面積あたりのビーム電流ではなく、合計ビーム電流にのみ依存していた。

この効果の解釈は、電子ビームが気体をイオン化し、かつ、イオン化された気体は無作為に電子（収束系と試料との間の電子及び試料と結像系との間の電子）の散乱を引き起こすことで、像をちらつかせるということである。

本願発明者等は、たとえば100Vのバイアスを試料ホルダに印加することによって、（再集束後に）顕著な改善が実現されることを発見した。試料ホルダが負の電圧に対してバイアス印加されているのか、又は、正の電圧に対してバイアス印加されているのかは問題ではないことに留意して欲しい。

例として、8mbarのAr圧力と10nAのビーム電流では、チャンバ内に電場が存在しない状態での分解能は0.2nmである一方、試料チャンバに対して試料と試料ホルダを100V（極性に関わらず）にバイアス印加することによって生じる場は、分解能を0.12nmにまで改善させた。同様に10mbarのN₂圧力と5.5nAのビーム電流では、チャンバ内に電場の存在しない状態での分解能は0.23nmである一方で、試料と試料ホルダを100V（極性に関わらず）にバイアス印加することによって生じる場は、分解能を0.2nmにまで改善させた。

図2は、環状電極を備えるETEMの試料チャンバを概略的に示している。

図2は図1の中央部分から得られる。差異は、絶縁体/フィードスルー142が削除され、その代わりに電源144からの電圧が、電気リード146と電気フィードスルー148を介して2つの環状電極150,152へ導かれることである。これらの環状電極は、軸上に場を生じさせる。環状電極は完全な円を構成する必要はなく、軸104の周りで完全に対称性を有する場はその軸で勾配を有しないため、非対称であることが好ましい。

図3は、偏向器を備えるETEMの試料チャンバを概略的に示している。

図3は環状電極150,152が偏向板154によって交換されることを除けば図2と同一である。この偏向器は、イオン化された気体を軸へ引きつけ、又は、イオン化された気体を軸から反発させる。電極は、板、金網、又は1つのワイヤ（ビームに対して平行であるか又は垂直である）として構成されて良いことに留意して欲しい。

100 環境制御型透過電子顕微鏡
102 電子源
104 光軸
106 収束系
108 レンズ
110 照射部
112 偏向器
114 試料
116 試料ホルダ
118 結像系
120 照射部
122 拡大レンズ
124 偏向器
126 検出器
128 気体制御系
130 流入チャネル
132 戻りチャネル
134 開口部
136 開口部
138 試料チャンバ
140 試料チャンバの壁
142 絶縁部
144 電源
146 電気リード
148 電気フィードスルー
150 環状電極
152 環状電極
154 偏向板

Claims (6)

1. 環境制御型透過電子顕微鏡の使用方法であって、当該環境制御型透過電子顕微鏡は：
   電子ビームを発生させる電子源；
   試料チャンバ内に設けられる試料へ電子ビームを導く収束系；
   前記試料を透過する電子を検出系上で結像する結像系；
   前記試料チャンバ内で気体の圧力と気体の組成を制御する気体制御系；
   を有し、
   前記気体制御系は、前記試料チャンバの少なくとも一部において0.5乃至50mbarの圧力に維持し、
   当該ETEMは気体が誘起する分解能の劣化に悩まされ、
   当該環境制御型透過電子顕微鏡は、イオン化された気体を除去するために前記試料チャンバ内に電場を発生させる手段を有し、その結果として、気体が誘起する分解能の劣化は解消される、することを特徴とする方法。
2. 前記電場が前記電子ビームに対して平行である、請求項1に記載の方法。
3. 前記電場が前記電子ビームに対して垂直である、請求項1に記載の方法。
4. 前記電場が前記ビームに対して垂直な場で、かつ、
   前記ビームと前記電場に対して垂直な磁場が、前記ビームへの前記電場の影響に対抗する、
   請求項3に記載の方法。
5. 前記試料チャンバが当該環境制御型透過電子顕微鏡の排気されたチャンバ内に埋め込まれる、請求項1乃至4のうちのいずれか一項に記載の方法。
6. 電子ビームを発生させる電子源；
   試料チャンバ内に設けられる試料へ電子ビームを導く収束系；
   前記試料を透過する電子を検出系上で結像する結像系；
   前記試料チャンバの少なくとも一部において0.5乃至50mbarの圧力に維持する、前記試料チャンバ内で気体の圧力と気体の組成を制御する気体制御系；
   を有する、動作時において気体が誘起する分解能の劣化に悩まされる、環境制御型透過電子顕微鏡であって、
   当該環境制御型透過電子顕微鏡には、イオン化された気体を除去する電場を前記試料チャンバ内に発生させる手段が供され、
   前記手段は、検出器の一部ではなく、又検出器を含まない、
   ことを特徴とする環境制御型透過電子顕微鏡。
   

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