JP5530917B2

JP5530917B2 - 試料ホルダの排気方法及び装置

Info

Publication number: JP5530917B2
Application number: JP2010289250A
Authority: JP
Inventors: 和也山崎
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012138233A

Description

本発明は試料ホルダの排気方法及び装置に関し、更に詳しくはゴニオメータ内部及び試料ホルダ内部を予め不活性ガスで置換せず、真空排気状態で気密室とゴニオメータ内部を接続することを可能とし、大気暴露を確実に防止したままで顕微鏡の鏡筒に試料を挿入することを可能とする試料ホルダの排気方法及び装置に関する。

試料ホルダに保持された試料は、電子顕微鏡内のしかるべき位置に挿入され、電子ビームにより照射され、照射された後に試料から発生する荷電粒子やＸ線等を検出して試料の形状や組成を推定することができるようになっている。この場合において、主に大気中に暴露されることを嫌う電池材料のような物質を分析する場合には、試料ホルダを確実に顕微鏡鏡筒内に挿入することが必要となる。特に、大気暴露を嫌う電池材料の場合は、試料が大気中に暴露されないようにして電子顕微鏡鏡筒に挿入する必要がある。

図６は従来の試料ホルダのゴニオメータへの取り付けシーケンスを示す図である。（ａ）〜（ｈ）のシーケンスから構成されている。

（ａ）
（ａ）において、１はグローブボックス、２はグローブボックス１内に配置された試料気密室、３はロッド９の先端部に設けられた試料、６は先端部で試料を挟む板バネである。４はシールキャップ、５はシールキャップの一端に設けられたリークバルブである。８はつまみである。９はその先端部に試料３を擁するロッド、７はシールである。試料３と板バネ６で試料保持部を形成し、該試料保持部とロッド９とで試料ホルダを形成している。グローブボックス１は、その内部が真空又は不活性ガスで満たされている。

ロッド９は試料保持部全体を移送するためのロッドであり、付属のつまみ８で動かすことにより、試料保持部を気密室まで移送する。試料気密室２は仕切り弁１１で封じることで試料を外気から隔絶した状態に保持する。仕切り弁１１は、試料気密室２と外気とを遮断する。シールキャップ４は試料ホルダ先端をシールことで、試料保持部がホルダ先端に位置している状態でも大気から隔絶した状態にする。シールキャップ４はリークバルブ５を装着していて、必要に応じてシールキャップ４内部と外気とを通じることが可能である。試料保持部は、顕微鏡試料３を搭載して付属の板バネ６で挟むことで試料３を固定する。

グローブボックス１内で試料保持部に顕微鏡試料３を板バネ６で固定することで装着する。

（ｂ）
シールキャップ４をホルダ先端部に付けて、シールキャップ４のリークバルブ５を閉じる。この状態では、試料気密室２の仕切り弁１１は開いたままである。

（ｃ）
シールキャップ４ごと試料ホルダをグローブボックス１から取り出す。取り出すとは大気中に取り出すということである。そして、試料先端部を動かすつまみ８でホルダ試料気密室２へ先端部を移動させてから、仕切り弁１１を閉じて試料気密室２を封じる。具体的には試料を保持するロッド１５を気密性が保たれたロッド９内を図の右方向に移動させることにより、試料３を試料気密室２まで持ってくることができる。この結果、試料気密室２の内部は試料３を保持し、かつその内部を真空中或いは不活性ガス中とすることができる。

（ｄ）
シールキャップ４のリークバルブ５を緩めて、試料気密室２以外をベント（大気中に晒すこと）してから、シールキャップ４を外す。この結果、試料気密室２のみが真空中又は不活性ガス中に保持されることになる。

（ｅ）
電子顕微鏡のゴニオメータ１５へ手動で試料ホルダをセットして予備排気を行なう。ゴニオメータ１５は、図に示すように鏡筒２０に取り付けられている。

（ｆ）
その後で、一旦ゴニオメータ１５内を窒素ガスでベントする。つまりゴニオメータ１５内を窒素ガスで充填する。

（ｇ）
仕切り弁１１を開けて、試料３を先端部まで移送して、改めて予備排気して鏡筒２０に試料ホルダを挿入する。この場合において、試料３はゴニオメータ１５内を通過できる構成になっている。

（ｈ）
使用者は電子顕微鏡を用いて検鏡操作を行なう。即ち、試料３に電子ビームを照射して、試料３から放出される２次電子、反射電子を検出し、或いは試料３を透過した透過電子を検出する。

図７は従来装置のゴニオメータ排気シーケンスを示す図である。図番としては図６に示すものを用いる。先ず全ての仕切り弁を閉じて、ゴニオメータ１５の排気を開始する（Ｓ１）。次に油回転ポンプと油拡散ポンプの排気を開始する（Ｓ２）。そして、先ず油回転ポンプの仕切り弁を開いて油回転ポンプによる排気を開始する（Ｓ３）。次に、ゴニオメータ真空度が油拡散ポンプによる排気が必要な程度まで到達したかどうか判断する（Ｓ４）。到達していない場合には、油回転ポンプによる排気を続行する。

油回転ポンプによる排気で油回転ポンプによる排気が、油拡散ポンプによる排気が必要な程度まで到達した場合、油回転ポンプの仕切り弁を閉じる（Ｓ５）。そして、次に油拡散ポンプの仕切り弁を開く（Ｓ６）。そして、ゴニオメータ１５の真空度が排気完了段階まで到達したかどうか判断する（Ｓ７）。到達していない場合は油拡散ポンプによる排気を続行する。ゴニオメータ１５の真空度が排気完了段階まで到達した場合には、ゴニオメータ１５の排気を完了する（Ｓ８）。この段階では、全ての仕切り弁が閉じている。

従来のこの種の装置としては、電子線を照射する試料を配置する試料室２０と、該試料室２０にガスを導入するための導入管１２と、試料室２０からガスを排出するための排出管１４とのいずれか一方が、導入管と排出管ととの他方の周囲を囲むように設けられたガス導排管とを具備し、導入管及び排出管の断面大きくしてガス導入排出のためのコンダクタンスを大きくする技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、隔膜型ガス雰囲気試料室１２０を有するシーリングブロック１０９は、Ｙ軸上に同軸に構成された一対のＹ回転軸３６と軸受け４４により支えられ、ガスの流路となるガス供給側管１８と、ガス排出側管１９と、軸受け収納孔３９及び隔膜型ガス雰囲気試料室１２０を保持するように構成された試料ホルダによりなり、シーリングブロック１０９はＹ軸を中心にして真空との気密を保ったまま傾斜動作ができる技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１０−６１９９０号公報（段落００２５、図４、図５）特開２００９−１１７１９６号公報（段落００２９、図１）

従来技術は、以下に示すような問題がある。
１）解析を行なう主な対象である電池材料は結晶質であることが多く、電子顕微鏡観察を行なう際には精密な結晶方位調整を必要とする。従来技術では、Ｘ軸の傾斜しか行なうことができないため、完全に所望の結晶方位に試料を傾斜させることが不可能である。
２）従来技術においては、試料保持部の先端の材質を、エネルギー分散Ｘ線分析を行なう際のバックグラウンド源になりうる、りん青銅にしているため、余計なＸ線が出てしまい、エネルギー分散Ｘ線分析を行なう際には不適である。
３）従来技術においては、ゴニオメータ内部及びホルダ先端部を排気した後、一旦不活性ガスで置換する際に、スイッチを複数回操作する必要がある。その際にミスを発生させて、試料を一時的に大気ガスに暴露させてしまうおそれがある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、ゴニオメータ内部及び試料ホルダ内部を予め不活性ガスで置換せず、真空排気状態で試料気密室とゴニオメータ内部を接続して大気暴露を確実に防止したままで顕微鏡鏡筒に試料を挿入することができるようにした試料ホルダの排気方法及び装置を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。

（１）請求項１記載の方法の発明は、試料を顕微鏡の鏡筒に挿入する試料ホルダシステムにおいて、試料をその内部に保持する気密室と、該気密室とロッドを介して接続されたシールキャップをグローブボックス内に設け、前記気密室とシールキャップがグローブボックスに入った状態でシールキャップごと試料ホルダをグローブボックスから取り出し、前記気密室に試料を格納して、気密室以外は大気状態にし、前記試料ホルダからシールキャップを外して電子顕微鏡ゴニオメータにホルダをセットし、真空排気シーケンスを制御するための排気制御手段を設け、該排気制御手段により前記気密室の気圧が一定の状態で、ゴニオメータ内を真空引きしてその内部が所定の低真空状態になるまで排気し、その内部が所定の低真空状態になったら、前記排気制御手段により前記気密室の仕切り弁を開いて気密室を前記低真空状態にし、その後、前記排気制御手段により前記ゴニオメータ及び気密室を高真空状態にし、その後、試料をゴニオメータの先端部まで移送して鏡筒に試料ホルダを挿入する、ようにしたことを特徴とする。

（２）請求項２記載の方法の発明は、前記排気制御手段としてスイッチを用い、該スイッチはオン状態では試料及び試料ホルダが低真空状態になるように前記試料及び試料ホルダの排気を制御し、前記試料及び試料ホルダが低真空状態になったら、前記気密室の仕切り弁が開き、前記スイッチがオフになったら、前記試料及び試料ホルダを高真空状態になるように排気することを特徴とする。

（３）請求項３記載の方法の発明は、前記試料及び試料ホルダを低真空状態になるまで排気するのに、油回転ポンプを用い、前記スイッチがオフになったら、前記試料及び試料ホルダを高真空になるまで排気するのに、油拡散ポンプを用いることを特徴とする。

（４）請求項４記載の装置の発明は、試料を顕微鏡の鏡筒に挿入する試料ホルダシステムにおいて、試料をその内部に保持する気密室と、該気密室とロッドを介して接続されたシールキャップが配置されたグローブボックスと、前記気密室とシールキャップが前記グローブボックスに入った状態で前記シールキャップごと試料ホルダをグローブボックスから取り出す取り出し手段と、前記気密室に試料を格納して、気密室以外は大気状態にし、前記ホルダからシールキャップを外して電子顕微鏡ゴニオメータにホルダをセットし、真空排気シーケンスを制御するための排気制御手段と、を設け、該排気制御手段により前記気密室の気圧が一定の状態で、ゴニオメータを真空引きしてその内部が所定の低真空状態になるまで排気する第１の排気手段と、その内部が所定の低真空状態になったら、前記排気制御手段により前記気密室の仕切り弁を開いて気密室を前記低真空状態にし、その後、前記排気制御手段によりゴニオメータ及び気密室を高真空状態にする第２の排気手段と、その後、試料をゴニオメータ先端部まで移送して鏡筒にホルダを挿入する挿入手段と、を有することを特徴とする。

（５）請求項５記載の装置の発明は、前記試料ホルダにＸ軸傾斜機構に加えてＹ軸傾斜機構を設けたことを特徴とする。

（６）請求項６記載の装置の発明は、前記試料ホルダの材質としてベリリウムを用いることを特徴とする。

本発明は以下に示すような効果を有する。

（１）請求項１記載の発明によれば、ゴニオメータ内部及び試料ホルダ内部を予め不活性ガスで置換せず、真空排気状態で試料気密室とゴニオメータ内部を接続して大気暴露を確実に防止したままで顕微鏡鏡筒に試料を挿入することができるようにした試料ホルダの排気方法を提供することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、排気制御手段としてスイッチを用い、スイッチがオンの時には試料及び試料ホルダが低真空状態になるまで排気し、試料及び試料ホルダが低真空状態になったら、今度は前記スイッチをオフにし、試料及び試料ホルダが高真空になるように排気する行程をとることで、気密室内のガス等が排気ポンプに入り込み、排気ポンプが破壊されるのを防止することができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、低真空状態になるまで排気するのに油回転ポンプを用い、低真空状態から高真空状態になるまで排気するのに油拡散ポンプを用いることで、試料雰囲気中を徐々に高真空状態にもっていくことができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、試料が入った気密室を大気に晒すことなく、試料ホルダを鏡筒に挿入することができる。

（５）請求項５記載の発明によれば、Ｘ軸傾斜機構に加えて、Ｙ軸傾斜機構を備えたことにより、結晶性試料の方位合わせを行なうことが可能になる。

（６）請求項６記載の発明によれば、試料ホルダの材質としてベリリウムを用いることで、電子線が照射された場合でも、試料ホルダからＸ線が発生することはなくなり、正確なエネルギー分散Ｘ線分析を行なうことができる。

本発明の試料ホルダのゴニオメータへの取り付けシーケンスを示す図である。従来装置の構成例を示す図である。本発明装置の構成例を示す図である。本発明の全体構成例を示す図である。本発明のゴニオメータ排気シーケンスを示す図である。従来の試料ホルダのゴニオメータへの取り付けシーケンスを示す図である。従来装置のゴニオメータ排気シーケンスを示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の試料ホルダのゴニオメータへの取付けシーケンスを示す図である。図６と同一のものは同一の符号を付して示す。本発明シーケンスは（ａ）〜（ｈ）のシーケンスから構成されている。なお、（ａ）〜（ｈ）までの動作の連続が本発明方法に該当し、この発明方法を実施するためのハードウェアの構成が装置の発明に該当している。

（ａ）
（ａ）において、１はグローブボックス、２はグローブボックス１内に配置された試料気密室、３はロッド９の先端部に設けられた試料、６は先端部で試料を挟む板バネである。４はシールキャップ、５はシールキャップの一端に設けられたリークバルブである。８はつまみである。９はその先端部に試料３を擁するロッド、７はシールキャップ４内を所定の真空圧に保持するシールである。試料３と板バネ６で試料保持部を形成し、該試料保持部とロッド９とで試料ホルダを形成している。グローブボックス１は、その内部が真空又は不活性ガスで満たされている。

ロッド９は試料保持部全体を移送するためのロッドであり、付属のつまみ８で動かすことにより、試料保持部を水平方向に移動させる。試料気密室２は仕切り弁１１で封じることで試料３を外気から隔絶した状態に保持する。仕切り弁１１は、試料気密室２と外気とを遮断する。シールキャップ４は試料ホルダ先端をシールすることで、試料保持部がホルダ先端に位置している状態でも大気から隔絶した状態にする。シールキャップ４はリークバルブ５を装着していて、必要に応じてシールキャップ４内部と外気とを通じることが可能である。試料保持部は、顕微鏡試料３を搭載して付属の板バネ６で挟むことで試料３を固定する。

グローブボックス１内で試料保持部に顕微鏡試料３を板バネ６で固定することで装着する。本発明によれば、ゴニオメータとしてＸ軸方向のみならず、Ｙ軸方向にも傾斜できるものを用いている。

（ｆ）
鏡筒２０にはスイッチ２５が取り付けられている。このスイッチ２５はオンの時にゴニオメータ１５内を所定の低真空になるまで排気し、オフの時には高真空になるまで排気するようにするものである。スイッチ２５がオンの場合、排気ポンプ（図示せず）によりゴニオメータ１５内を所定の低真空になるまで排気する。この時、試料気密室２の仕切り弁１１は開いている。この結果、ゴニオメータ１５と試料気密室２内は同じ低真空になるように排気されることになる。

（ｇ）
仕切り弁１１を開けて、試料３を先端部まで移送する。次に、スイッチ２５をオフにする。この結果、ゴニオメータ１５と試料気密室２内を高真空になるまで排気する。このように、本発明によれば、試料気密室２内が所定の低真空になってから試料気密室２とゴニオメータ１５を高真空になるまで排気するので、試料気密室２からガスが真空中に排出されて、排気ポンプ（図示せず）を破損することはなくなる。なお、この場合において、試料３はゴニオメータ１５内を通過できる構成になっている。

（ｈ）
使用者は鏡筒２０内に試料ホルダを挿入する。そして、電子顕微鏡を用いて検鏡操作を行なう。即ち、試料３に電子ビームを照射して、試料３から放出される２次電子、反射電子を検出し、或いは試料３を透過した透過電子を検出する。この場合において、必要に応じて、試料３をゴニオメータ１５でＸ，Ｙ２次元方向に傾斜できるようにすれば、試料３を必要な方向に傾斜して使用できるので、試料結晶の方位を任意の方向に合わせることができ都合がよい。

図２は従来装置の構成例を示す図であり、スライドカバーホルダの構成を示している。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２は試料気密室、３は試料、４はシールキャップ、８はつまみ、９はロッド、１１は試料気密室２内に設けられた仕切り弁である。３０は試料保持部（試料ホルダ）である。

図３は本発明装置の構成例を示す図であり、試料２軸傾斜トランスファーベリリウムホルダの構成を示している。図１、図２と同一のものは、同一の符号を付して示す。本発明では、試料ホルダ３０の材質としてベリリウムを用いている。材質としてベリリウムを用いると、電子線が照射された場合でも、試料ホルダ３０からＸ線が発生することはなくなる。

図において、２は試料気密室、３は試料、４はシールキャップ、８はつまみ、９はロッド、１１は試料気密室２内に設けられた仕切り弁である。３０は試料保持部（試料ホルダ）、３５は２軸傾斜機構であり、Ｙ軸方向への傾斜機構を示している。２軸傾斜機構を具備している点が図２の従来構成と異なるものである。

図４は本発明の全体構成例を示す図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、２０は鏡筒、１５は該鏡筒２０に取り付けられたゴニオメータ、２は試料気密室、３は試料、８はつまみ、９はロッドである。４１は低真空用の油回転ポンプ、４２は高真空用の油拡散ポンプ、４３は油回転ポンプ４１に取り付けられた調節弁（仕切り弁）、４４は油拡散ポンプ４２に取り付けられた調節弁（仕切り弁）である。このように構成されたシステムを用いて本発明の排気シーケンスを説明する。

図５は本発明のゴニオメータ排気シーケンスを示す図である。構成は図４に示すものを用いる。先ず、ゴニオメータ排気を開始する（Ｓ１）。この時、全ての仕切り弁は閉じている。そして油回転ポンプ４１と油拡散ポンプ４２の排気を開始する（Ｓ２）。次に、油回転ポンプの仕切り弁４３を開いて油回転ポンプ４１による排気を開始する（Ｓ３）。

次に、ゴニオメータ真空度が油拡散ポンプ４２による排気が必要な程度まで到達したかどうか判断する（Ｓ４）。到達していない場合には、油回転ポンプによる排気を続行する。

油回転ポンプによる排気で油回転ポンプによる排気が、油拡散ポンプによる排気が必要な程度まで到達した場合、シーケンス中断スイッチ２５（図１参照）がオンしているかどうかチェックする（Ｓ５）。このステップＳ５が本発明で追加した部分である。スイッチ２５がオンしている場合には、油回転ポンプ４１による低真空排気を続行する。

ここでスイッチ２５がオフになると、油回転ポンプ２１の仕切り弁４３を閉じて（Ｓ６）、油拡散ポンプ４２の仕切り弁４４を開く（Ｓ７）。そして、ゴニオメータ１５の真空度が排気完了段階まで到達したかどうか判断する（Ｓ８）。到達していない場合は油拡散ポンプ４２による排気を続行する。ゴニオメータ１５の真空度が排気完了段階まで到達した場合には、ゴニオメータ１５の排気を完了する（Ｓ９）。この段階では、全ての仕切り弁が閉じている。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば以下の効果が発生する。
１）Ｙ軸傾斜機構を備えたことによって、結晶性試料の方位合わせを行なうことが可能になった。
２）試料保持部をベリリウム製にしたので、エネルギー分散Ｘ線分析を行なっても、試料以外からのＸ線によるバックグラウンドが低減した。
３）ゴニオメータ内部及びホルダ内部を予め不活性ガスで置換せず、真空排気状態で試料気密室とゴニオメータ内部を接続することが可能になったので、大気暴露を確実に防止したままで顕微鏡鏡筒に試料を挿入することが可能になった。

１グローブボックス
２試料気密室試料
３試料
４シールキャップ
５リークバルブ
６板バネ
７シール
８つまみ
９ロッド
１１仕切り弁

Claims

試料を顕微鏡の鏡筒に挿入する試料ホルダシステムにおいて、
試料をその内部に保持する気密室と、該気密室とロッドを介して接続されたシールキャップをグローブボックス内に設け、
前記気密室とシールキャップがグローブボックスに入った状態でシールキャップごと試料ホルダをグローブボックスから取り出し、
前記気密室に試料を格納して、気密室以外は大気状態にし、
前記試料ホルダからシールキャップを外して電子顕微鏡ゴニオメータにホルダをセットし、
真空排気シーケンスを制御するための排気制御手段を設け、
該排気制御手段により前記気密室の気圧が一定の状態で、ゴニオメータ内を真空引きしてその内部が所定の低真空状態になるまで排気し、
その内部が所定の低真空状態になったら、前記排気制御手段により前記気密室の仕切り弁を開いて気密室を前記低真空状態にし、
その後、前記排気制御手段により前記ゴニオメータ及び気密室を高真空状態にし、
その後、試料をゴニオメータの先端部まで移送して鏡筒に試料ホルダを挿入する、
ようにしたことを特徴とする試料ホルダの排気方法。
前記排気制御手段としてスイッチを用い、該スイッチはオン状態では試料及び試料ホルダが低真空状態になるように前記試料及び試料ホルダの排気を制御し、前記試料及び試料ホルダが低真空状態になったら、前記気密室の仕切り弁が開き、前記スイッチがオフになったら、前記試料及び試料ホルダを高真空状態になるように排気することを特徴とする請求項１記載の試料ホルダの排気方法。
前記試料及び試料ホルダを低真空状態になるまで排気するのに、油回転ポンプを用い、前記スイッチがオフになったら、前記試料及び試料ホルダを高真空になるまで排気するのに、油拡散ポンプを用いることを特徴とする請求項２記載の試料ホルダの排気方法。
試料を顕微鏡の鏡筒に挿入する試料ホルダシステムにおいて、
試料をその内部に保持する気密室と、該気密室とロッドを介して接続されたシールキャップが配置されたグローブボックスと、
前記気密室とシールキャップが前記グローブボックスに入った状態で前記シールキャップごと試料ホルダをグローブボックスから取り出す取り出し手段と、
前記気密室に試料を格納して、気密室以外は大気状態にし、前記ホルダからシールキャップを外して電子顕微鏡ゴニオメータにホルダをセットし、真空排気シーケンスを制御するための排気制御手段と、
を設け、
該排気制御手段により前記気密室の気圧が一定の状態で、ゴニオメータを真空引きしてその内部が所定の低真空状態になるまで排気する第１の排気手段と、
その内部が所定の低真空状態になったら、前記排気制御手段により前記気密室の仕切り弁を開いて気密室を前記低真空状態にし、
その後、前記排気制御手段によりゴニオメータ及び気密室を高真空状態にする第２の排気手段と、
その後、試料をゴニオメータ先端部まで移送して鏡筒にホルダを挿入する挿入手段と、
を有することを特徴とする試料ホルダの排気装置。
前記試料ホルダにＸ軸傾斜機構に加えてＹ軸傾斜機構を設けたことを特徴とする請求項４記載の試料ホルダの排気装置。
前記試料ホルダの材質としてベリリウムを用いることを特徴とする請求項４又は５記載の試料ホルダの排気装置。