JP2015076303A - 電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス導入と試料加熱を同時に行った際のＸ線分析において、導入ガスを伝搬する熱により、Ｘ線検出器が壊れることを防ぐことができる電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電子顕微鏡に導入されたＸ線検出器と試料との間に遮熱機構を設ける。Ｘ線検出器のＸ線透過窓２ｂの前方に遮熱窓４３を備える。Ｘ線検出器と試料６との間に遮熱シャッタを備える。Ｘ線検出器のコリメーター２ａを筒状にし、Ｘ線入射孔の試料側の穴の直径が小さくなる形状にする。
【選択図】図４

Description

本発明は、電子顕微鏡に関する。例えば、ガス導入と試料加熱を同時に行った場合のＸ線分析が可能な電子顕微鏡に関するものである。

近年、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、あるいは走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などを用いて、ガス雰囲気中での試料加熱による物質の構造や特性の変化の解析、物質の合成プロセスをその場観察するニーズが高まっている。

また、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）は、微小領域の元素分析を行う装置で、電子顕微鏡による像観察と同時に、ＥＤＸによって観察している部分の定性、定量、Ｘ線像による元素分布の分析などを行うことができる。

従来の電子顕微鏡における試料加熱中のＸ線分析は、特許文献１に見られるように、試料加熱時に試料付近から発生する光をＸ線検出器がノイズとして感知するのを防ぐため、保護シャッタを設け遮光し、分析する方法が考えられる。

特開平8-138610号公報

ガス導入と試料加熱を同時に行う場合、ヒーターと試料を高温加熱することにより生じる熱が、導入したガスを伝搬し、ＥＤＸ検出器に到達する。ＥＤＸ検出器に搭載されたＸ線窓は有機膜でできているものもあり、熱に弱く、約70℃で破損することがわかっている。

ガス導入と試料加熱を同時に行う場合のＸ線分析において、試料加熱により発生する熱が導入されたガス雰囲気によってＥＤＸ検出器に到達し、ＥＤＸ検出器に搭載されたＸ線窓を破損させることで、ＥＤＸ検出器内部にガスと熱が侵入する。Ｘ線検出器内部のＸ線検出素子は、例えば、液体窒素やペルチェ冷却により極低温に冷やされている。これは、Ｘ線検出素子が温まることで熱雑音（ノイズ）が増加し、Ｘ線検出が不能となるためである。ＥＤＸ検出器内部にガスと熱が侵入すると、冷却されているＸ線検出素子が温められ、分析不能、または故障の原因となる問題点がある。また、例えば導入ガスが空気であり、水分が含まれていた場合は、極低温に冷やされているＸ線検出素子に霜がつき、分析不能、または故障の原因となる。そのため、ガス導入と試料加熱を同時に行った場合のＸ線分析において、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）を用いた分析は現在まで行われてこなかった。

例えば、図１はガス導入加熱ホルダーとＥＤＸ検出器を挿入した電子顕微鏡の例の断面図である。この例の構成であると、ガス導入管３aから導入されたガス５は鏡筒背面の真空排気管４から排気される。この場合、ガス導入管３aから導入されたガス５は試料加熱時に発生した熱をエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）検出器２に伝搬する可能性が高まり、ＥＤＸ検出器が故障する恐れがある。

特許文献１は、試料を加熱した際の可視光と赤外線の遮断については記載されていたが、ガス導入と試料加熱を同時に行った際のＸ線検出器が受ける熱の影響については記載されていなかった。特許文献１の形態であると、ガス導入と試料加熱を同時に行う場合、熱を伝搬するガスがＥＤＸ検出器に到達してしまう。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ガス導入と試料加熱を同時に行った際のＸ線分析において、ガスを伝搬する熱により、Ｘ線検出器が壊れることを防ぐことである。

上記課題は、特許請求の範囲に記載された本発明により、解決される。

例えば、被検試料への電子線照射により前記被検試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と、試料加熱装置とガス導入装置を備えた電子顕微鏡において、前記被検試料と前記Ｘ線検出器との間に前記被検試料より発生する熱が前記Ｘ線検出器内に到達するのを防止するための遮熱機構を備えたことを特徴とする。

また、例えば、Ｘ線検出器のＸ線透過窓の前方にポリイミドフィルムなどの耐熱性がありＸ線を通す部材で構成される遮熱窓を備え、ガスを伝搬する熱がＸ線検出器内部に侵入しないようにする。

また、例えば、Ｘ線検出器と試料との間に遮熱シャッタを備える。遮熱シャッタを冷却することでガスを伝搬する熱がＸ線検出器に到達する前に吸熱する。遮熱シャッタは試料とＸ線検出器との間の挿入位置と退避位置の間を可動である。

また、例えば、Ｘ線検出器のコリメーターを筒状の形状とし、Ｘ線入射孔の試料側の穴径を0.6mmから1mm程度にする。コリメーターは冷却してもよい。コリメーターのＸ線入射孔にガスを伝搬した熱が侵入し、コリメーターによって吸熱される。Ｘ線入射孔の試料側の穴径を小さくすることで、熱を伝搬するガスと反射電子が侵入しづらくなる。

本発明により、試料加熱による熱の影響で、Ｘ線検出器が壊れるのを防ぐことができる。よって、本発明の電子顕微鏡は試料加熱とガス導入を行った際の加熱中のＸ線分析が可能となる。

本発明による電子顕微鏡装置の例を示す断面図である。 本発明による電子顕微鏡装置の例を示す図である。 ガス導入と試料加熱時のＸ線分析の例の説明図である。 本発明の実施例１を示した説明図である。 本発明の実施例１における製造工程の例を示した説明図である。 本発明の実施例１における遮光窓の取り付け方法の例を示した説明図である。 本発明の実施例２を示した説明図である。 本発明の実施例３を示した説明図である。 本発明の実施例３におけるＸ線入射孔の直径の例を示した説明図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

図２を参照して、本発明の実施例に用いる電子顕微鏡の例を説明する。上述の遮熱機構を設けた装置は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）又は走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）又は走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）に適用可能である。ここでは、透過型電子顕微鏡を例として説明する。

透過型電子顕微鏡の鏡筒１には、電子銃２１、コンデンサーレンズ２２、対物レンズ２３、中間レンズ２４、及び、投射レンズ２５が設けられており、電子線光学系を構成している。コンデンサーレンズ２２の下方には中間室２８が設けられ、その下に試料室２９が設けられている。

試料室２９には、ガス導入加熱ホルダー３及びエネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ：Energy Dispersive X-ray Spectroscopy）検出器２が挿入されている。ＥＤＸ検出器２には表示装置を備えたＥＤＸ制御部３４が接続されている。ガス導入加熱ホルダー３には、ガス調節機３２と加熱電源３３が接続されている。

投射レンズ２５の下方には、観察室３０が設けられている。観察室３０には蛍光板２６が設けられている。

電子銃２１の下方、中間室２８、試料室２９、及び、観察室３０には、それぞれ、真空ポンプ３１が接続されている。

電子銃２１から発生した電子線はコンデンサーレンズ２２により収束され、試料６に照射される。試料６を透過した電子線は対物レンズ２３により結像され、中間レンズ２４、投射レンズ２５によって拡大される。拡大された試料６の透過像は、蛍光板２６上に投影される。

図３にガス導入と試料加熱を同時に行った際の、Ｘ線分析の例の説明図を示す。図３Ａは断面図、図３Ｂは斜視図である。

ＥＤＸ検出器２は、例えば有機膜よりなるＸ線窓２ｂが設けられ、内部には、例えば高純度のＳｉウェハからなるＸ線検出素子２ｃおよびその出力を取り出す初段ＦＥＴ回路２ｄが設けられている。そして、Ｘ線窓２ｂの外方には、反射電子防止用のコリメーター２aが設けられている。コリメーター２aにはＸ線が入射するＸ線入射孔２eがある。Ｘ線窓１１は真空隔離膜として、Ｘ線検出器２内部を真空に保つ。Ｘ線検出素子２ｃは、例えば、ペルチェ冷却、または、液体窒素により極低温に冷却されている（図示していない）。

ガス導入加熱ホルダー３は、鏡体外部のガス調節機３２により導入されるガスを噴出するガス導入管３aと、加熱電源により加熱される、例えば、スプリング状のタングステンのヒーター３ｂが設けられている。観察時は、ヒーター３ｂに例えば、直接試料を塗布するなどして、ヒーター３aと試料６を接触させ試料６を加熱する。

ガス導入加熱ホルダー３のヒーター３ｂは加熱電源３３により、任意の温度、例えば２００℃〜１５００℃に加熱され、ヒーター３ｂに接触している試料６も同温度に加熱される。加熱中、ガス導入管３aから任意のガス、例えば空気、窒素、酸素、アルゴンなどがヒーター３ｂ上の試料６付近に導入される。分析中、ガスは常に導入され、同時に、常に真空ポンプ３１により排気されているため、ガス導入加熱ホルダー３とＥＤＸ検出器２の間には、常にガスが充満した状態である。ヒーター３aの加熱によりヒーター３aと試料から熱が発生し、ガス導入加熱ホルダー３とＥＤＸ検出器２の間に充満するガスを伝搬して熱がＥＤＸ検出器２に侵入する。

例えば、有機膜でできたＸ線窓２ｂは熱に弱く、ＥＤＸ検出器２の内部に侵入する熱により破損する恐れがある。Ｘ線窓２ｂが破損するとＥＤＸ検出器２内部にガスと熱が侵入し、分析不能となる。

図４に実施例１の説明図を示す。図４Ａは断面図、図４Ｂは斜視図である。

ＥＤＸ検出器２の先端に位置するコリメーター２aのＸ線入射孔２eに遮熱窓４３を設ける。遮熱窓４３はＸ線をよく通し、耐熱性を有する基材、例えば、ポリイミドフィルムやフッ素樹脂などで構成される。

遮光窓４３は耐熱性を有するため、熱により破損することはない。よって、熱とガスがＥＤＸ検出器２内部に侵入するのを防ぐことで、Ｘ線窓２ｂを守ることができる。

また、電子線が試料６に照射されることにより発生する反射電子と、ヒーター３aと試料６が高温加熱されることにより発生する光がＥＤＸ検出器２に入射すると、ノイズとなり検出能が低下する。そこで、遮熱窓４３の耐熱性を有する基材に、Ｘ線をよく通す部材を数千Åの厚さに蒸着する、または、Ｘ線をよく通し遮光できる部材を遮熱窓に取り付けることが好ましい。Ｘ線をよく通し遮光できる部材は、例えば、ベリリウムやアルミニウムなどの金属が好ましい。ＥＤＸ検出器２への光と反射電子の入射を防ぐとともに、金属が熱を放出し耐熱窓４３に熱が溜まるのを防ぐ効果がある。

図５に実施例１に用いる遮光窓４３の製造工程の例の説明図を示す。まず、耐熱性を有する膜上の耐熱基材４１を用意し、ＥＤＸ検出器２のコリメーター２aのＸ線入射口の大きさに合わせて切り抜く。次に、切り抜いた耐熱基材４１に、Ｘ線をよく通す金属を遮光できる程度の厚さに蒸着する、または、Ｘ線をよく通し遮光できる部材を遮熱窓に密着するように取り付け、遮熱窓４３を構成する。遮熱窓４３は遮熱窓支持部材４４に取り付けた後、コリメーター２aのＸ線入射孔２eに取り付ける。図６に本実施例における、コリメーター２aの断面図の例を示す。遮熱窓４３の取り付け方法の一例として、コリメーター２a内方から遮熱窓４３はめ込むように取り付ける。遮熱窓支持部材４４はコリメーターの部材と同材料で構成することが望ましい。ＥＤＸ検出器２内部にガスと熱が侵入しない構造であれば、これ以外の取り付け方法であっても構わない。

実施例２は実施例１と異なる部分を説明する。

図７に実施例２の説明図を示す。図４Ａはシャッタの断面図、図４Ｂは実施例を斜視図で説明した図である。

ＥＤＸ検出器２と試料６の間に、冷却機能を備えた出し入れ可能なシャッタ５４を設ける。シャッタ５４はシャッタ支持部材５３により支持され、シャッタ５４の片側先端は液体窒素タンク５１内に設置し、液体窒素５２により冷却される。シャッタ５４は熱伝導率の高く、Ｘ線をよく通す金属、例えば、アルミニウムなどが好ましい。ガス導入と試料加熱中のＸ線分析において、Ｘ線分析中にシャッタ５４はＥＤＸ検出器２と試料６の間に挿入される。

シャッタ５４は例えば液体窒素５２などの冷却媒体により極低温に冷やされ、熱を伝搬するガスがシャッタ５４付近で冷やされ、ＥＤＸ検出器に到達する熱の影響を軽減する。また、コールドトラップとしての機能を果たし、試料へのコンタミネーションを軽減することができる。

また、加熱しないとき、すなわち、試料から熱が発生しないときは、シャッタ５４はＥＤＸ検出器２と試料６の間の挿入位置から退避することができる。よって、熱が発生しない状態でのＸ線分析においては、シャッタ５４によるＸ線の吸収はなく、より多くの信号を得ることができる。

本実施例２における形態に加え、実施例１の遮熱窓４３をコリメーター２aのＸ線入射孔２eに設けることも可能である。

実施例３は実施例１、実施例２と異なる部分を説明する。

図８に実施例３の説明図を示す。ＥＤＸ検出器２のコリメーター２aの形状を細長い円錐型にする。例えば、試料の範囲が1.8ｍｍである場合、Ｘ線入射孔２eの直径を0.6ｍｍ〜１ｍｍ程度とし、コリメーターの長さを18ｍｍ以上とする。試料６の範囲が1.8ｍｍである場合、試料６の全範囲から信号を検出するには、ＥＤＸ検出器２が、試料面に対して20°の角度で設置されたとき、最小で直径約0.6ｍｍの孔が必要となる。コリメーター２aの形状を長くし、Ｘ線入射孔２eの直径を小さくすることで、反射電子の入射を防ぎ、熱の吸収効率を上げる。

ガス導入と試料加熱中のＸ線分析において、ガス導入と試料加熱開始後、コリメーター２a内部にガス５と試料から発生した反射電子が侵入する。本実施例の形態であると、ガス５を伝搬する熱は、コリメーター２aを通過する間にコリメーター２aに吸熱される。コリメーター２aは例えば、冷却装置などを設け冷却することも可能である。

また、反射電子は、コリメーター内のガスの層を通過できず、コリメーターにトラップされる。よって、本実施例３の形態は、ＥＤＸ検出器２への熱の影響を軽減するとともに、反射電子によるノイズ量を削減することができる。本実施例３における形態に加え、実施例１の遮熱窓４３をＸ線窓２ｂ前方に設けることも可能である。

上記実施例は、ガス導入加熱ホルダーのガス導入管から、ガスを導入する場合を例として記述したが、低真空電子顕微鏡や大気圧電子顕微鏡のように他のガス導入機構を用いる例に関しても適用することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１ 鏡筒
２ エネルギー分散型Ｘ線分光（ＥＤＸ）検出器
２a コリメーター
２b Ｘ線窓
２c Ｘ線検出素子
２d 初段ＦＥＴ回路
２e Ｘ線入射孔
３ ガス導入加熱ホルダー
３a ガス導入管
３b ヒーター
４ 真空排気管
５ ガス
６ 試料
２１ 電子銃
２２ 収束レンズ
２３ 対物レンズ
２４ 中間レンズ
２５ 投射レンズ
２６ 蛍光板
２７ ガンバルブ
２８ 中間室
２９ 試料室
３０ 観察室
３１ 真空ポンプ
３２ ガス調節機
３３ 加熱電源
３４ ＥＤＸ制御部
４１ 耐熱基材
４２ 遮光基材
４３ 遮熱窓
４４ 遮熱窓支持部材
５１ 液体窒素タンク
５２ 液体窒素
５３ シャッタ支持部材
５４ シャッタ

Claims (10)

1. 被検試料への電子線照射により前記被検試料から発生するＸ線を検出するＸ線検出器と、試料加熱装置とガス導入装置を備えた電子顕微鏡において、前記被検試料と前記Ｘ線検出器との間に前記被検試料より発生する熱が前記Ｘ線検出器内に到達するのを防止するための遮熱機構を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１において、前記Ｘ線検出器のＸ線透過窓の前方に遮熱窓を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項２において、遮熱窓はポリイミドフィルムにより構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項２において、遮熱窓に遮光部材を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１において、前記Ｘ線検出器と前記被検試料との間に遮熱シャッタを備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項５において、前記遮熱シャッタが冷却されていることを特徴とする電子顕微鏡。
7. 請求項５において、前記遮熱シャッタは前記被検試料と前記Ｘ線検出器との間の挿入位置と退避位置の間を可動であることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 請求項５において、前記Ｘ線検出器のＸ線透過窓の前方に遮熱窓を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
9. 請求項３において、前記Ｘ線検出器のコリメーターを筒状の形状とし、該筒状の形状はＸ線入射孔の試料側の穴径が反対側の穴径より小さいことを特徴とした電子顕微鏡。
10. 請求項９において、前記Ｘ線検出器のＸ線透過窓の前方に遮熱窓を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。