JP5564292B2 - Phase plate and phase contrast electron microscope using the same - Google Patents

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本発明は、電子顕微鏡、特に透過電子顕微鏡に用いられる位相板、またその位相板を具備した位相差電子顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to a phase plate used in an electron microscope, particularly a transmission electron microscope, and a phase contrast electron microscope including the phase plate.

透過電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope;TEM)は数10kV以上の高電圧で加速した電子を観察対象物質に照射し、透過させ、電磁レンズを用いて拡大・結像させることによって高い倍率の観察像を得る装置である。この透過電子顕微鏡像によって像コントラストが生成するメカニズムには、位相コントラストと呼ばれるものがある。これは、観察試料を透過し散乱された電子の波と、散乱を受けなかった電子の波の相互の干渉により生成されるものである。したがって、像コントラストを高めるためには、電子波の位相差を適切に制御する必要がある。通常の電子顕微鏡では、対物レンズの収差や焦点ずれ量を調整することによって位相差を制御している。ところが、生物試料など比較的大きな内部構造(約10nm以上)をもつ観察試料の場合、対物レンズの焦点ずれ量の調整だけでは、必要な位相差を得ることができず、十分な像コントラストで観察像を得ることができなかった。   A transmission electron microscope (TEM) irradiates an observation target material with electrons accelerated at a high voltage of several tens of kV or more, transmits it, and magnifies and forms an image using an electromagnetic lens to form an observation image with a high magnification. It is a device to obtain. As a mechanism for generating an image contrast by the transmission electron microscope image, there is one called a phase contrast. This is generated by mutual interference between the wave of electrons transmitted through the observation sample and scattered, and the wave of electrons not scattered. Therefore, in order to increase the image contrast, it is necessary to appropriately control the phase difference of the electron wave. In a normal electron microscope, the phase difference is controlled by adjusting the aberration and defocus amount of the objective lens. However, in the case of an observation sample having a relatively large internal structure (about 10 nm or more) such as a biological sample, a necessary phase difference cannot be obtained only by adjusting the defocus amount of the objective lens, and observation is performed with sufficient image contrast. The image could not be obtained.

この問題を解決するために、光学顕微鏡の分野で用いられてきた位相板技術を、電子顕微鏡のために実現する技術開発がなされてきた。電子顕微鏡用の位相板は、対物レンズとは独立に電子波の位相を変化させる光学素子であり、対物レンズの後焦点面、もしくはその近傍に設置される。観察試料によって散乱されなかった電子波は、電子顕微鏡の光軸に沿って走行し、後焦点面近傍では、1μm程度の大きさに収束される。一方、散乱された電子波は後焦点面近傍では光軸から離れた位置を通過する。そのため、後焦点面近傍に配置された位相板によって、散乱波と非散乱波の位相をそれぞれ異なる量だけ変化させることができれば、両電子波間に位相差を生成することが可能となる。たとえば、正の像コントラストを最大化するために必要な位相差は位相角で180度である。一般に弱位相物体近似されるような非常に薄く、軽元素から構成される物体を観察する場合、電子波の散乱は約90度の位相のずれを付加するので、位相板によって生成されなければならない位相差量は約90度となる。この約90度の位相差を生成するための位相板の構造の例は、非特許文献1、非特許文献2などに開示されている。これらは、静電ポテンシャル中を走行する電子波が位相変化を起こすことを利用したものである。   In order to solve this problem, technical developments have been made to realize the phase plate technology used in the field of optical microscopes for electron microscopes. The phase plate for an electron microscope is an optical element that changes the phase of an electron wave independently of the objective lens, and is installed on the back focal plane of the objective lens or in the vicinity thereof. The electron wave that has not been scattered by the observation sample travels along the optical axis of the electron microscope and converges to a size of about 1 μm in the vicinity of the back focal plane. On the other hand, the scattered electron wave passes through a position away from the optical axis in the vicinity of the back focal plane. Therefore, if the phase of the scattered wave and the non-scattered wave can be changed by different amounts by the phase plate disposed in the vicinity of the back focal plane, a phase difference can be generated between the two electron waves. For example, the phase difference required to maximize positive image contrast is 180 degrees in phase angle. In general, when observing very thin, light-element objects that approximate a weak phase object, electron wave scattering adds about 90 degrees of phase shift and must be generated by a phase plate. The phase difference amount is about 90 degrees. Examples of the structure of the phase plate for generating the phase difference of about 90 degrees are disclosed in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and the like. These utilize the fact that an electron wave traveling in an electrostatic potential causes a phase change.

上記位相板の基本構造を実現し、制御性などを付加した技術として、特許文献1では、電位を与えた電極を絶縁膜を介して導電体で挟み、非散乱波の通過する近傍のみ電極を露出させた構造の微小なリング状静電レンズ、もしくは細線を位相板として機能させる技術が示されている。開示された技術では露出した電極近傍に形成される静電ポテンシャルが電子波の位相を変化させ、電子波間の位相差を生み出している。特許文献2では微細な孔のあいた非晶質の炭素薄膜を位相板として用いるための技術開示がなされている。この技術では、非晶質薄膜内部の内部ポテンシャルを電子波の位相変化を起こす起源として利用している。さらに、静電ポテンシャルを利用しない技術として、特許文献3、および特許文献4では、磁性体を用いることによって、電磁場のベクトルポテンシャルを起源とした位相変化を利用した位相板の技術が開示されている。   As a technique for realizing the basic structure of the phase plate and adding controllability and the like, in Patent Document 1, an electrode to which a potential is applied is sandwiched between conductors through an insulating film, and an electrode is provided only in the vicinity where a non-scattered wave passes. A technique is disclosed in which a minute ring-shaped electrostatic lens having an exposed structure or a fine wire functions as a phase plate. In the disclosed technique, an electrostatic potential formed in the vicinity of an exposed electrode changes the phase of an electron wave, and generates a phase difference between electron waves. Patent Document 2 discloses a technique for using an amorphous carbon thin film with fine holes as a phase plate. In this technique, the internal potential inside the amorphous thin film is used as the origin of the phase change of the electron wave. Furthermore, as a technique that does not use an electrostatic potential, Patent Document 3 and Patent Document 4 disclose a phase plate technique that uses a phase change originating from a vector potential of an electromagnetic field by using a magnetic material. .

特開平9−237603号公報JP-A-9-237603 特開2001−273866号公報JP 2001-273866 A 特開昭60−7048号公報JP-A-60-7048 特開2008−91312号公報JP 2008-91312 A 特開2009−506485号公報JP 2009-506485 A 特開2008−198612号公報JP 2008-198612 A 特開2003−217498号公報JP 2003-217498 A 特開2007−250541号公報JP 2007-250541 A US Patent Application No.20080035854US Patent Application No. 20080035854

Zeitschrift fur Naturforschung 2a, 615−633 (1947).Zeitshift fur Natureforschung 2a, 615-633 (1947). Philosophical Transactions of the Royal Sociaty of London B.261, 95−104 (1971).Philosophical Transactions of the Royal Society of London 261, 95-104 (1971).

しかしながら、上記の公知技術には、さまざまな問題点がある。   However, the above known technique has various problems.

たとえば、図8の(a)に示すようなリング状電極を用いた位相板の場合、その1μmから数μm径の孔を非散乱電子波が通過することになるが、その周囲を取り囲む数μm径のリング電極が電子波を遮蔽するため、特定の情報が欠落してしまうという問題がある。この問題を低減するため、リング電極の大きさを極力小さくする努力がなされているが、リング電極が絶縁膜を含む少なくとも5層以上の多層構造で構成され、さらに電圧を供給するための配線構造を作りこむことが必要なため構造が複雑であり微細化はそれほど進んでいない。また、たとえば特許文献5に示されているように微細リング製作は極めて複雑な工程となる。このため、電子波を遮断する電極を用いないように、または実効的に小さくするように、電磁レンズの構成等光学要素を大幅に変更・追加した技術が提案されており、たとえば特許文献6、特許文献7、特許文献8の技術開示がある。   For example, in the case of a phase plate using a ring electrode as shown in FIG. 8A, a non-scattered electron wave passes through a hole having a diameter of 1 μm to several μm. Since the diameter ring electrode shields the electron wave, there is a problem that specific information is lost. In order to reduce this problem, efforts have been made to reduce the size of the ring electrode as much as possible. However, the ring electrode has a multilayer structure including at least five layers including an insulating film, and further a wiring structure for supplying a voltage. Therefore, the structure is complicated and miniaturization has not progressed so much. For example, as shown in Patent Document 5, the production of a fine ring is an extremely complicated process. For this reason, there has been proposed a technique in which optical elements such as the configuration of an electromagnetic lens are significantly changed and added so as not to use an electrode for blocking an electron wave or to make it effectively small. There are technical disclosures of Patent Document 7 and Patent Document 8.

また、図8の(b)に示すような、電位を与えた電極を絶縁膜を介して導電体で覆った構成の位相板の場合、その形状が細線状であっても、リング状であっても、非散乱電子波が通過する光軸の極近傍に絶縁膜が露出して近接するため、絶縁膜が帯電を起こし、像のドリフトを引き起こすという問題がある。絶縁膜が電子波の経路から見える位置にあると帯電の影響は顕著である。この問題を回避するため、絶縁膜を用いない位相板の構造として特許文献9の技術開示がある。この開示された技術では、MEMS技術を用いた高度なプロセス技術により、電位を与えた電極を絶縁膜を介することなく、分離した同一の導電体で覆った微細な電極構造を実現している。   Further, in the case of a phase plate having a configuration in which an electrode to which a potential is applied is covered with a conductor via an insulating film as shown in FIG. 8B, even if the shape is a thin line shape, it is a ring shape. However, since the insulating film is exposed and close to the very vicinity of the optical axis through which the non-scattered electron wave passes, there is a problem that the insulating film is charged and causes image drift. When the insulating film is in a position where it can be seen from the electron wave path, the influence of charging is significant. In order to avoid this problem, there is a technical disclosure of Patent Document 9 as a structure of a phase plate that does not use an insulating film. In this disclosed technique, a fine electrode structure in which a potential-applied electrode is covered with the same separated conductor without using an insulating film is realized by an advanced process technique using the MEMS technique.

さらに、図8の(c)に示すような、1μm程度の微細な孔のあいた炭素薄膜を用いる位相板の場合、散乱電子波が炭素薄膜中を通過するため、この薄膜による電子線の吸収によって結像に寄与する電子数が減少し、像のS/Nが低下してしまうという問題がある。電子を加速する電圧を300kV以上にし、電子のエネルギーを高めることによって、吸収量を少なくすることはできるが、位相板の利用できる加速電圧を狭めてしまうことになる。   Further, in the case of a phase plate using a carbon thin film having a fine hole of about 1 μm as shown in FIG. 8C, since the scattered electron wave passes through the carbon thin film, the thin film absorbs the electron beam. There is a problem that the number of electrons contributing to image formation is reduced and the S / N of the image is lowered. By increasing the electron acceleration voltage to 300 kV or more and increasing the energy of the electrons, the amount of absorption can be reduced, but the acceleration voltage that can be used by the phase plate is narrowed.

以上のように、位相差電子顕微鏡に用いられる位相版では、観察試料により散乱された電子波と散乱されない電子波間に約90度の位相差を付加する機能が必要である。この位相差を作り出す物理的な起源に静電ポテンシャルを利用した位相板の構造には、電子波の遮蔽を極力小さくするように電極構造を極小化すること、絶縁膜の帯電による影響を避けること、薄膜通過が引き起こす電子線量の減少による像S/Nの低下を避けること、が必要である。また、これらの問題点を改善するためにこれまで提案されているような、電磁レンズの構成など光学要素を大幅に変更・追加すること、高度な製造技術によって絶縁膜を必要としない構造とすることは、商用利用を考慮すると、望ましい方法とは必ずしも言えない。   As described above, the phase plate used in the phase-contrast electron microscope needs a function of adding a phase difference of about 90 degrees between the electron wave scattered by the observation sample and the electron wave not scattered. For the structure of the phase plate that uses the electrostatic potential for the physical origin that creates this phase difference, minimize the electrode structure to minimize the shielding of the electron wave, and avoid the influence of the charging of the insulating film. It is necessary to avoid a decrease in image S / N due to a decrease in electron dose caused by passing through the thin film. In addition, as proposed to improve these problems, the optical elements such as the configuration of electromagnetic lenses are changed and added significantly, and the structure that does not require an insulating film by advanced manufacturing technology. This is not necessarily a desirable method in consideration of commercial use.

本発明の第1の目的は、位相板を構成する電極構造を微小化でき、絶縁体材料を用いず、電子線量の減少を引き起こす薄膜を用いず、容易に製作できる位相差電子顕微鏡に用いる位相板を提供することにある。   The first object of the present invention is to make a phase structure used in a phase-contrast electron microscope that can be easily manufactured without using an insulating material and without using a thin film that causes a decrease in electron dose, because the electrode structure constituting the phase plate can be miniaturized. To provide a board.

また、本発明の第2の目的は、上記の位相板を具備し、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わない位相差電子顕微鏡を提供することである。   A second object of the present invention is to provide a phase-contrast electron microscope that includes the above-described phase plate and does not involve a significant change in electro-optical elements such as addition of an electromagnetic lens.

上記の目的を達成するため、本発明においては、電子顕微鏡に用いる位相板であって、積層された複数の導電体膜で構成されたことを特徴とする位相板を提供する。   In order to achieve the above object, the present invention provides a phase plate used in an electron microscope, which is composed of a plurality of stacked conductive films.

また、上記の目的を達成するため、本発明においては、複数の導電体膜として、仕事関数の異なる少なくとも2種類以上の導電体膜を用い、複数の導電体膜は互いに接して積層されている位相板を提供する。   In order to achieve the above object, in the present invention, at least two kinds of conductor films having different work functions are used as the plurality of conductor films, and the plurality of conductor films are laminated in contact with each other. A phase plate is provided.

さらに、上記の目的を達成するため、本発明においては、積層された複数の導電体膜として、金属、もしくは半導体を用いる位相板を提供する。   Furthermore, in order to achieve the above object, the present invention provides a phase plate using a metal or a semiconductor as a plurality of stacked conductor films.

すなわち、本発明の位相板においては、少なくとも2種類以上の導電体を接触して積層させた膜を用い、その積層界面で発生する接触電位差が形成する静電ポテンシャルを利用する。好適には、この積層膜をリング状もしくは細線状に加工することによって所望の位相板を実現する。また、好適な位相差電子顕微鏡として、上述の位相板を透過電子顕微鏡の対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に位置調整装置とともに設置する構成を提供する。   That is, in the phase plate of the present invention, a film in which at least two kinds of conductors are contacted and laminated is used, and an electrostatic potential formed by a contact potential difference generated at the laminated interface is used. Preferably, a desired phase plate is realized by processing the laminated film into a ring shape or a thin line shape. Moreover, as a suitable phase-contrast electron microscope, the structure which installs the above-mentioned phase plate with the position adjustment apparatus in the back focal plane of the objective lens of a transmission electron microscope or its vicinity is provided.

本発明によれば、容易に製作できる位相差電子顕微鏡に用いる位相板を提供することができる。また、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わない位相差電子顕微鏡を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the phase plate used for the phase-contrast electron microscope which can be manufactured easily can be provided. In addition, it is possible to provide a phase-contrast electron microscope that does not involve a significant change in electro-optical elements such as addition of an electromagnetic lens.

第1の実施例に係わる位相板の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the phase plate concerning a 1st Example. 第1の実施例に係る、位相差電子顕微鏡の光学系、電子光線、および位相板の配置の概略を示した図である。It is the figure which showed the outline of arrangement | positioning of the optical system of a phase-contrast electron microscope, an electron beam, and a phase plate based on a 1st Example. 第1の実施例に係る、位相板の保持構造を説明する図である。It is a figure explaining the holding structure of the phase plate based on a 1st Example. 第1の実施例に係る、位相板の製作プロセスの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the manufacturing process of the phase plate based on a 1st Example. 第2の実施例に係る、位相板の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the phase plate based on a 2nd Example. 非晶質膜を観察した像のパワースペクトルのラインプロファイルを示す図である。It is a figure which shows the line profile of the power spectrum of the image which observed the amorphous film. 金属−金属界面、金属−半導体界面の接触電位差を説明する図である。It is a figure explaining the contact potential difference of a metal-metal interface and a metal-semiconductor interface. 従来技術による位相板の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the phase plate by a prior art.

以下、発明の実施形態を例示した図を用いて詳細に説明する。最初に本発明の位相板の原理を説明する。なお、本明細書において導電体とは、金属などの良導体と半導体を含み、絶縁体とは異なるものと定義する。半導体と絶縁体の境界は、電気伝導率10−6S/m程度、半導体と良導体の境界は、電気伝導率10S/m程度とする。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the principle of the phase plate of the present invention will be described. Note that in this specification, a conductor includes a good conductor such as a metal and a semiconductor, and is defined to be different from an insulator. The boundary between the semiconductor and the insulator is about 10 −6 S / m, and the boundary between the semiconductor and the good conductor is about 10 6 S / m.

まず、接触電位差について説明する。導電体であるすべての金属(合金を含む)は、結晶面方位に対する依存性は有するものの、その物質に固有な仕事関数φをもち、2eVから6eV程度の範囲に分布している。そこで、図7の(a)に示すように、金属Aと金属B(もしくは半導体B)を接触させると、その仕事関数差φA−φB(ここでφA、φBは金属Aと金属Bの仕事関数)に等しい接触電位差が発生することが知られている。たとえば、Journal of Applied Physics Vol.48, 4729 (1977)によると、Auの仕事関数は5.1eVであり、Cuの仕事関数は4.65eVである。したがって、両者を接触させて積層することによって0.45Vの接触電位差が得られることになる。ここで、Auを接地すると、Cuが接地電位に比べて0.45V低い状態が実現する。この電位によってAu/Cu積層膜の周りには静電ポテンシャルの分布が形成されることになる。   First, the contact potential difference will be described. All metals (including alloys) that are conductors have dependency on crystal plane orientation, but have a work function φ unique to the material and are distributed in a range of about 2 eV to 6 eV. Therefore, as shown in FIG. 7A, when metal A and metal B (or semiconductor B) are brought into contact with each other, the work function difference φA−φB (where φA and φB are the work functions of metal A and metal B). It is known that a contact potential difference equal to) occurs. For example, Journal of Applied Physics Vol. 48, 4729 (1977), the work function of Au is 5.1 eV, and the work function of Cu is 4.65 eV. Therefore, a contact potential difference of 0.45 V can be obtained by bringing both layers into contact with each other. Here, when Au is grounded, a state in which Cu is 0.45 V lower than the ground potential is realized. Due to this potential, an electrostatic potential distribution is formed around the Au / Cu laminated film.

つぎに、リング構造を有する位相板について説明する。まず、Au/Cu積層膜をAu/Cu/Auの3層構造として図1に示すようなリング状の構造とする。同図の(a)、(b)はそれぞれリング状構造の斜視図と断面図を示している。リング内部の孔2の部分は、Au/Cu/Auの積層構造が露出しており、リング状構造の外側部分はAuで覆い、接地される。接地されたAuの電位を0Vとすると、Cu部分の電位は−0.45Vとなり、リングの孔2の部分に局在化した電界が形成される。この孔を電子線の光軸に平行になるようにリング状積層膜を配置すれば、これは、非常に微弱な静電レンズ(アインツエルレンズ、もしくはユニポテンシャルレンズ)が実現されたことになる。   Next, a phase plate having a ring structure will be described. First, the Au / Cu laminated film is formed into a ring structure as shown in FIG. 1 as a three-layer structure of Au / Cu / Au. (A), (b) of the figure has each shown the perspective view and sectional drawing of a ring-shaped structure. The Au / Cu / Au laminated structure is exposed at the hole 2 inside the ring, and the outer part of the ring-like structure is covered with Au and grounded. If the potential of the grounded Au is 0 V, the potential of the Cu portion becomes −0.45 V, and a localized electric field is formed in the hole 2 portion of the ring. If a ring-shaped laminated film is arranged so that this hole is parallel to the optical axis of the electron beam, an extremely weak electrostatic lens (Einzel lens or unipotential lens) is realized. .

この静電レンズの孔2の部分、および周辺部分を電子波が進行した場合の位相変化量について考える。電子波が電位Vの領域を距離Sだけ移動するとV×Sに比例した位相変化を受けることが知られている。たとえば、Cuの厚さを0.38μmとし、Auの厚さが十分厚い場合、丸い孔のあいたリング状静電レンズの孔の部分を光軸に平行に通過する100kVの電子線は、その通過する孔内の位置にかかわらず、位相角90度の位相変化を受けることになる。一方、リング状静電レンズの外側を通過する電子線は、レンズ電界の影響をほとんど受けないので位相変化量は無視できる程度に小さい。したがって、レンズ内部と外部を通った電子波間の位相差は90度となる。   Consider the amount of phase change when an electron wave travels in the hole 2 portion and the peripheral portion of the electrostatic lens. It is known that when an electron wave moves in the region of potential V by a distance S, it undergoes a phase change proportional to V × S. For example, when the thickness of Cu is 0.38 μm and the thickness of Au is sufficiently thick, a 100 kV electron beam passing through a hole portion of a ring-shaped electrostatic lens having a round hole parallel to the optical axis passes therethrough. Regardless of the position in the hole, the phase change of 90 degrees is received. On the other hand, since the electron beam passing outside the ring-shaped electrostatic lens is hardly affected by the lens electric field, the amount of phase change is small enough to be ignored. Therefore, the phase difference between the electron waves passing through the inside and outside of the lens is 90 degrees.

位相差を90度とは異なる値とする場合は、Cuの膜厚を変えるか、積層する金属の組み合わせを変えて、接触電位差の値を変えればよい。異なる加速電圧の電子を使う場合も、Cu層の厚さを変えれば位相差90度とすることができる。厚さbの決定には、   In order to set the phase difference to a value different from 90 degrees, the value of the contact potential difference may be changed by changing the Cu film thickness or changing the combination of the laminated metals. Even when electrons having different acceleration voltages are used, the phase difference can be set to 90 degrees by changing the thickness of the Cu layer. To determine the thickness b,

Figure 0005564292
から求めれば良い。
Figure 0005564292
Find it from

なお、設計試作した位相板により作られた位相差が評価の結果90度とは少し異なる値を得た場合には、その減少分(あるいは増加分)に比例して、Cuの厚さを増加(あるいは削減)すればよいことは言うまでもない。   If the phase difference produced by the designed and manufactured phase plate is slightly different from 90 degrees as a result of the evaluation, the thickness of Cu is increased in proportion to the decrease (or increase). Needless to say (or reduce).

上記例では、AuとCuの組み合わせによる接触電位差を利用したが、仕事関数の異なる金属(合金を含む)の組み合わせであればいずれでも利用することができる。たとえば、Au−Ti、Au−Cr、Au−Mo、Au−Ru、Au−Ta、Au−W、Pt−Au、Pt−Moなどの組み合わせでもよい。ここで例示した金属の組み合わせでリング状位相板を構成する場合は、各組み合わせの1番目に記した金属(AuもしくはPt)が、Cu、Ti,Cr,Mo、Ru、Ta、Auを覆うように積層して使うことが望ましい。なぜなら、各組み合わせの1番目に記した金属はいずれも2番目に記した金属より仕事関数が大きく、レンズ孔内部に負の電位を得ることができるためである。負の電位の場合、非散乱電子波は約−90度の位相変化を受けることになるが、散乱電子波がもともと90度の位相変化を受けていたことを考えると、その差は約180度となり少ない位相変化量で、位相差180度が得られるためである。また、AuおよびPtは表面酸化対する耐性が高く帯電の懸念が少ないため、レンズを覆う側の金属として用いることが望ましいためである。強磁性金属を使用する場合は、その磁化分布によるベクトルポテンシャルが位相差に影響を及ぼすことを考慮しなければならない。   In the above example, the contact potential difference due to the combination of Au and Cu is used, but any combination of metals (including alloys) having different work functions can be used. For example, a combination of Au—Ti, Au—Cr, Au—Mo, Au—Ru, Au—Ta, Au—W, Pt—Au, Pt—Mo, or the like may be used. In the case where the ring-shaped phase plate is configured by the combination of metals exemplified here, the first metal (Au or Pt) of each combination covers Cu, Ti, Cr, Mo, Ru, Ta, and Au. It is desirable to use by laminating. This is because the first metal of each combination has a work function larger than that of the second metal, and a negative potential can be obtained inside the lens hole. In the case of a negative potential, the non-scattered electron wave undergoes a phase change of about −90 degrees, but considering that the scattered electron wave originally undergoes a phase change of 90 degrees, the difference is about 180 degrees. This is because a phase difference of 180 degrees can be obtained with a small amount of phase change. Further, Au and Pt have high resistance to surface oxidation and are less likely to be charged. Therefore, it is desirable to use Au and Pt as the metal that covers the lens. When using a ferromagnetic metal, it must be considered that the vector potential due to the magnetization distribution affects the phase difference.

なお、上記説明では、導電体を用いた位相板について説明しているが、Siなど半導体を利用することもできる。たとえばAu−Siの組み合わせである。この場合、図7(b)に示すように、半導体Si中には金属Auとの界面に空乏層が形成されるため、空乏層の厚さをSiの厚さよりも十分狭く形成しなければ接触電位差を発生することができない。狭い空乏層を実現するには高いキャリア濃度が必要となる。Siの膜厚Dとキャリア濃度N、接触電位差Vとの関係は、   In the above description, a phase plate using a conductor has been described, but a semiconductor such as Si can also be used. For example, a combination of Au-Si. In this case, as shown in FIG. 7B, since a depletion layer is formed at the interface with the metal Au in the semiconductor Si, contact is required unless the thickness of the depletion layer is sufficiently narrower than the thickness of Si. A potential difference cannot be generated. A high carrier concentration is required to realize a narrow depletion layer. The relationship between the Si film thickness D, the carrier concentration N, and the contact potential difference V is

Figure 0005564292
とあわすことができる。
Figure 0005564292
Can be said.

ここで、eは電子の電荷、εはSiの誘電率である。たとえば、Siの場合は、膜厚300nmの場合、1018cm-3以上のキャリア濃度である必要がある。 Here, e is the charge of electrons, and ε is the dielectric constant of Si. For example, in the case of Si, when the film thickness is 300 nm, the carrier concentration needs to be 10 18 cm −3 or more.

位相板へ電子線が照射されることによって、炭素系の物質が付着するコンタミネーションという現象が起こる場合がある。このコンタミネーションの進行を遅くするため、位相板を加熱することが有効であることが知られている。加熱を行う場合には、位相板を構成する材料に低融点の金属、または拡散係数の大きな金属の組み合わせを用いると位相板の耐久性に問題が起こる。Au、Cuなど融点が1000度以上の金属であれば望ましく、Snのような低融点金属は望ましくない。付着した炭素系のコンタミネーションと金属との間の接触電位差を問題とし、これを小さくしようとするときには、コンタミネーションと同じ仕事関数を持つ合金を使用すればよい。たとえば、Au−Ag合金は全率固溶系の合金であり、その仕事関数は、混合比率によって、Auの仕事関数(5.1eV)とAgの仕事関数(3.75eV)の間の値に制御して利用することができる。このためコンタミネーションとの仕事関数の差を小さくするように選ぶことができる。   When a phase plate is irradiated with an electron beam, a phenomenon called contamination in which a carbon-based substance adheres may occur. It is known that heating the phase plate is effective in order to slow down the progress of this contamination. When heating is performed, if a low melting point metal or a combination of metals having a large diffusion coefficient is used as a material constituting the phase plate, a problem occurs in the durability of the phase plate. A metal having a melting point of 1000 ° C. or higher such as Au or Cu is desirable, and a low melting point metal such as Sn is not desirable. When the contact potential difference between adhering carbon-based contamination and the metal is a problem and an attempt is made to reduce this, an alloy having the same work function as that of the contamination may be used. For example, an Au-Ag alloy is a solid solution alloy, and its work function is controlled to a value between the work function of Au (5.1 eV) and the work function of Ag (3.75 eV) depending on the mixing ratio. Can be used. For this reason, it can choose so that the difference of the work function with contamination may be made small.

結晶性物質の仕事関数の値は、結晶面の方位によってわずかに異なる。したがって、多結晶粒子で構成された膜を位相板に用いる場合、接触している粒子の結晶方位によって接触電位差の大きさが異なることになる。その影響を小さくするためには、結晶粒子の大きさをリング状位相板の孔の大きさに比べ十分小さくしておけばよい。結晶粒子の結晶方位が孔の内部の電位分布に与える影響は、孔の淵の部分にある結晶粒について考慮すれば十分である。このような観点で孔内部の電位分布について計算機シミュレーションを行ったところ、1μmの孔においては、100nm以下の粒子サイズであれば位相差にあたえる影響は2%以下であることが判明した。すなわち、孔の大きさの1/10以下の大きさの結晶粒で金属膜もしくは半導体膜を構成しておけば、結晶方位のばらつきの影響は実質的に無視できる。   The value of the work function of a crystalline substance varies slightly depending on the orientation of the crystal plane. Therefore, when a film composed of polycrystalline particles is used for the phase plate, the magnitude of the contact potential difference varies depending on the crystal orientation of the contacting particles. In order to reduce the influence, the size of the crystal grains should be sufficiently smaller than the size of the hole of the ring-shaped phase plate. The influence of the crystal orientation of the crystal grains on the potential distribution inside the hole is sufficient if the crystal grains in the hole portion of the hole are considered. From this point of view, when a computer simulation was performed on the potential distribution inside the hole, it was found that for a 1 μm hole, if the particle size was 100 nm or less, the influence on the phase difference was 2% or less. In other words, if the metal film or the semiconductor film is composed of crystal grains having a size of 1/10 or less of the size of the hole, the influence of the variation in crystal orientation can be substantially ignored.

つぎに、図3、図4を用いて位相板の製造方法について述べる。位相板は、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に置かれるが、通常その位置には後で説明する位相差電子顕微鏡の対物絞りと呼ばれる可動式アパーチャプレートが配置されている。位相板はそのアパーチャプレート5上に形成される。まず、図4の(a)の示すように、アパーチャプレート5に形成した穴を覆うように金属膜3(たとえばAu膜)を張り付け、その後、真空蒸着装置を用いて金属膜4(たとえばCu膜)を所望の膜厚堆積させた後、再び金属膜3を蒸着する。次に、図3の(a)に示すA−A方向の断面である図4の(b)のように、リング形電極のベースとなる円盤形状、およびその保持構造32の加工を行う。その加工は膜面垂直方向から行い、たとえば集束イオンビーム装置を用いれば容易に任意形状の加工を行うことができる。次に図4の(c)に示すように、形状加工した膜の表裏面・側面に金属膜3を蒸着し、前面を覆う。最後に、図4の(d)に示すように、円盤形状の中心に孔2を開ける加工を行うと位相板が完成する。イオンビームによる孔あけ加工を行うと、イオンビームの入射側の面の孔径がイオンビームの出射側の面の孔径より大きくなることが多い。このため、位相版として用いるときには、電子線が穴径の小さい側から入射するように設置することが望ましい。これは、孔の内部に直接電子線が照射されるのを防ぎ、コンタミネーションの付着を抑制するためであり、さらに結晶方位のばらつきによる発生電位のばらつきの影響を低減するためである。なお、ここで使った製造装置である真空蒸着装置、集束イオンビーム装置は、金属膜が形成出来る成膜装置、金属膜が加工できる装置であれば、特段の限定はない。真空蒸着装置としては、抵抗加熱式装置、電子ビーム加熱式装置、スパッタ装置、CVD装置などを利用してもよい。また、集束イオンビーム装置の代わりにイオンミリング装置を利用してもよい。ただしイオンミリング装置を使う場合は、所望の形状を加工するため、レジスト塗布、露光など複数の工程が追加される。
以上説明したように、導電体(金属および合金など)の接触電位差を利用することによって、絶縁体をまったく用いずに構成したリング状静電レンズが、高度なプロセス技術を利用することなく容易に形成される。また、電子線を吸収する薄膜も用いていない。さらに、構造が単純で外部からの電圧供給など配線構造を有さないので微細化が容易である。すなわち、本発明の第1の目的を達成した位相板を提供することができる。この位相板をアパーチャプレートに作りこみ、位置調整機能を有する対物可動絞りに取り付けると、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面近傍で機能し、所望の位相差を得ることができる。すなわち、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わないので、本発明の第2の目的を達成した位相差電子顕微鏡を提供することができる。
Next, a method for manufacturing a phase plate will be described with reference to FIGS. The phase plate is placed on the back focal plane of the electron microscope objective lens or in the vicinity thereof. Usually, a movable aperture plate called an objective diaphragm of a phase contrast electron microscope, which will be described later, is arranged at that position. The phase plate is formed on the aperture plate 5. First, as shown in FIG. 4A, a metal film 3 (for example, an Au film) is pasted so as to cover the hole formed in the aperture plate 5, and then the metal film 4 (for example, a Cu film) is used by using a vacuum deposition apparatus. ) Is deposited to a desired thickness, and then the metal film 3 is deposited again. Next, as shown in FIG. 4B, which is a cross-section in the AA direction shown in FIG. 3A, the disk shape that becomes the base of the ring-shaped electrode and the holding structure 32 are processed. The processing is performed from the direction perpendicular to the film surface. For example, if a focused ion beam apparatus is used, processing of an arbitrary shape can be easily performed. Next, as shown in FIG. 4C, a metal film 3 is deposited on the front and back surfaces and side surfaces of the shaped film to cover the front surface. Finally, as shown in FIG. 4D, the phase plate is completed when the hole 2 is formed in the center of the disk shape. When drilling with an ion beam is performed, the hole diameter on the ion beam incident side is often larger than the hole diameter on the ion beam emission side surface. For this reason, when used as a phase plate, it is desirable that the electron beam be installed so as to be incident from the side having a small hole diameter. This is to prevent the electron beam from being directly irradiated to the inside of the hole, to suppress the adhesion of contamination, and to reduce the influence of the variation in the generated potential due to the variation in crystal orientation. Note that the vacuum deposition apparatus and the focused ion beam apparatus, which are manufacturing apparatuses used here, are not particularly limited as long as they are film forming apparatuses capable of forming metal films and apparatuses capable of processing metal films. As the vacuum deposition apparatus, a resistance heating apparatus, an electron beam heating apparatus, a sputtering apparatus, a CVD apparatus, or the like may be used. An ion milling device may be used instead of the focused ion beam device. However, when an ion milling apparatus is used, a plurality of processes such as resist coating and exposure are added to process a desired shape.
As described above, by utilizing the contact potential difference of conductors (metals and alloys, etc.), a ring-shaped electrostatic lens constructed without using any insulator can be easily obtained without using advanced process technology. It is formed. Moreover, the thin film which absorbs an electron beam is not used. Further, since the structure is simple and does not have a wiring structure such as voltage supply from the outside, miniaturization is easy. That is, a phase plate that achieves the first object of the present invention can be provided. When this phase plate is formed on the aperture plate and attached to an objective movable diaphragm having a position adjusting function, it functions in the vicinity of the back focal plane of the electron microscope objective lens, and a desired phase difference can be obtained. That is, since there is no significant change in the electro-optic element such as addition of an electromagnetic lens, a phase contrast electron microscope that achieves the second object of the present invention can be provided.

第1の実施例の位相板としてリング位相板について説明する。本実施例のリング位相板の構造は図1に示すとおりであり、孔2を有するリング形状の位相板1である。   A ring phase plate will be described as the phase plate of the first embodiment. The structure of the ring phase plate of the present embodiment is as shown in FIG. 1 and is a ring-shaped phase plate 1 having holes 2.

本実施例のリング位相板の具体的構成例とその製造方法を図3、図4を用いて説明する。図3の(a)に平面図を、図3の(b)にそのA−A方向の断面図を示す。図3において、5はアパーチャプレート、31は孔、32は保持構造体である支持棒を示す。   A specific configuration example and manufacturing method of the ring phase plate according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3A shows a plan view, and FIG. 3B shows a cross-sectional view in the AA direction. In FIG. 3, 5 is an aperture plate, 31 is a hole, and 32 is a support bar which is a holding structure.

この位相板は、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に置かれるが、通常その位置には後で説明する位相差電子顕微鏡の対物絞りと呼ばれる可動式アパーチャプレートが配置されている。本実施例の位相板はそのアパーチャプレート5上に形成する。   This phase plate is placed on the back focal plane of the electron microscope objective lens or in the vicinity thereof, and usually a movable aperture plate called an objective diaphragm of a phase contrast electron microscope, which will be described later, is arranged at that position. The phase plate of this embodiment is formed on the aperture plate 5.

まず、図4の(a)の示すように、アパーチャプレート5に形成した穴を覆うように金属膜3(たとえばAu膜)を張り付け、その後、真空蒸着装置を用いて金属膜4(たとえばCu膜)を所望の膜厚堆積させた後、再び金属膜3を蒸着する。次に、平面図に示すA−A方向の断面である図4の(b)のように、リング形電極のベースとなる円盤形状、およびその保持構造32の加工を行う。その加工は膜面垂直方向から行い、たとえば集束イオンビーム装置を用いれば容易に任意形状の加工を行うことができる。   First, as shown in FIG. 4A, a metal film 3 (for example, an Au film) is pasted so as to cover the hole formed in the aperture plate 5, and then the metal film 4 (for example, a Cu film) is used by using a vacuum deposition apparatus. ) Is deposited to a desired thickness, and then the metal film 3 is deposited again. Next, as shown in FIG. 4B, which is a cross-section in the AA direction shown in the plan view, the disk shape serving as the base of the ring-shaped electrode and its holding structure 32 are processed. The processing is performed from the direction perpendicular to the film surface. For example, if a focused ion beam apparatus is used, processing of an arbitrary shape can be easily performed.

次に図4の(c)に示すように、形状加工した膜の表裏面・側面に金属膜3を蒸着し、前面を覆う。最後に、図4の(d)に示すように、円盤形状の中心に孔2を開ける加工を行うと位相板が完成する。   Next, as shown in FIG. 4C, a metal film 3 is deposited on the front and back surfaces and side surfaces of the shaped film to cover the front surface. Finally, as shown in FIG. 4D, the phase plate is completed when the hole 2 is formed in the center of the disk shape.

イオンビームによる孔あけ加工を行うと、イオンビームの入射側の面の孔径がイオンビームの出射側の面の孔径より大きくなることが多い。このため、位相版として用いるときには、電子線が穴径の小さい側から入射するように設置することが望ましい。これは、孔2の内部に直接電子線が照射されるのを防ぎ、コンタミネーションの付着を抑制するためであり、さらに結晶方位のばらつきによる発生電位のばらつきの影響を低減するためである。   When drilling with an ion beam is performed, the hole diameter on the ion beam incident side is often larger than the hole diameter on the ion beam emission side surface. For this reason, when used as a phase plate, it is desirable that the electron beam be installed so as to be incident from the side having a small hole diameter. This is to prevent the electron beam from being directly irradiated into the hole 2 to suppress the adhesion of contamination, and to reduce the influence of the variation in the generated potential due to the variation in crystal orientation.

なお、ここで使った製造装置である真空蒸着装置、集束イオンビーム装置は、金属膜が形成出来る成膜装置、金属膜が加工できる装置であれば、特段の限定はない。真空蒸着装置としては、抵抗加熱式装置、電子ビーム加熱式装置、スパッタ装置、CVD装置などを利用してもよい。また、集束イオンビーム装置の代わりにイオンミリング装置を利用してもよい。ただしイオンミリング装置を使う場合は、所望の形状を加工するため、レジスト塗布、露光など複数の工程が追加される。   Note that the vacuum deposition apparatus and the focused ion beam apparatus, which are manufacturing apparatuses used here, are not particularly limited as long as they are film forming apparatuses capable of forming metal films and apparatuses capable of processing metal films. As the vacuum deposition apparatus, a resistance heating apparatus, an electron beam heating apparatus, a sputtering apparatus, a CVD apparatus, or the like may be used. An ion milling device may be used instead of the focused ion beam device. However, when an ion milling apparatus is used, a plurality of processes such as resist coating and exposure are added to process a desired shape.

本実施例のリング状位相板は、上記の製造プロセスに従い、まず、厚さ300μmのMo製のアパーチャプレート(5mm×31mm)に約φ0.1mmの孔を4つあけ、この1つにエポキシ系接着剤を用いて、Au薄膜(0.4μm)を張り付ける。その後、Au膜を張り付けた面側に抵抗加熱式の真空蒸着装置を用いて、Cu薄膜を約0.4μm堆積した後、さらにAu膜をアパーチャプレートの表裏両面に約0.5μm堆積した。アパーチャプレートの孔の部分には、Au/Cu/Auの構成で自立した多層薄膜が形成されていることになる。   In the ring-shaped phase plate of this example, in accordance with the above manufacturing process, first, four holes of about φ0.1 mm are formed in an aperture plate (5 mm × 31 mm) made of Mo having a thickness of 300 μm. An Au thin film (0.4 μm) is pasted using an adhesive. Thereafter, a Cu thin film was deposited on the surface side to which the Au film was attached using a resistance heating type vacuum vapor deposition apparatus, and then about 0.4 μm was deposited, and then an Au film was further deposited on both the front and back surfaces of the aperture plate by about 0.5 μm. A self-supporting multilayer thin film having an Au / Cu / Au configuration is formed in the hole portion of the aperture plate.

次にこの多層薄膜部分に集束イオンビーム装置を用いて位相板形状の加工を行う。40kVに加速されたGa+を用いて、図3の(a)に示すような、約0.05mmの穴の中央付近に約φ1.5μmの円盤状の板が保持された構造を形成する。(このとき、円盤状の板はまだリング状に加工されていない)中心付近の円盤状の板は、約0.5μm幅の支持棒を用いて保持される。図3(a)では、円盤中心に対して中心対称な2本の支持棒によって円盤が保持されているが、図3(b)のように非中心対称な支持棒によって支えられていることがより望ましい。   Next, the multilayer thin film portion is processed into a phase plate shape using a focused ion beam apparatus. Using Ga + accelerated to 40 kV, as shown in FIG. 3A, a structure is formed in which a disk-like plate of about φ1.5 μm is held near the center of a hole of about 0.05 mm. (At this time, the disk-shaped plate has not been processed into a ring shape yet) The disk-shaped plate near the center is held using a support rod having a width of about 0.5 μm. In FIG. 3 (a), the disk is held by two support bars that are symmetric with respect to the center of the disk. However, as shown in FIG. 3 (b), the disk is supported by non-centrosymmetric support bars. More desirable.

これは、電子顕微鏡における対物レンズの後焦点面の回折・散乱電子分布が一般には中心対称であるため、中心対称な構造を持つ支持棒では、特定の散乱方向の情報が完全に遮断されてしまい、これを避けるためである。また、図3では2本の支持棒によって支えられているが、1本、3本など、円盤を支える強度に問題がなく、かつ電子線を過度に多く遮断してしまわなければ、何本の支持棒でもよい。また、支持棒32は均一な幅でなくてもよく、たとえばリング部分に接続する部分は細く、0.05mmの穴の縁と接続する部分は太く形成しても良い。これによって、支持構造の強度を増すことができる。   This is because the diffraction / scattered electron distribution on the back focal plane of the objective lens in an electron microscope is generally centrally symmetric, so that information on a specific scattering direction is completely blocked by a support bar having a centrally symmetric structure. This is to avoid this. In addition, in FIG. 3, it is supported by two support rods, but there is no problem with the strength of supporting the disk, such as one, three, etc. A support rod may be used. Further, the support bar 32 may not have a uniform width. For example, the portion connected to the ring portion may be thin, and the portion connected to the edge of the 0.05 mm hole may be formed thick. Thereby, the strength of the support structure can be increased.

次に、Au膜(約0.2μm)を、集束イオンビーム加工された多層薄膜の側面部分およびアパーチャプレートの表裏面に堆積する。このとき、アパーチャプレート全体はAu膜で覆われていることになり、Cuの露出部分はない。円盤状の板の直径は覆ったAuの厚さの分だけ大きくなりφ2μm弱(半径1μm弱)となる。最後に、保持された円盤状の板の中心に、集束イオンビーム装置を用いて、約1μmの孔をあけるとリング位相板が完成する。   Next, an Au film (about 0.2 μm) is deposited on the side surface portions of the multilayer thin film processed by the focused ion beam and on the front and back surfaces of the aperture plate. At this time, the entire aperture plate is covered with the Au film, and there is no exposed portion of Cu. The diameter of the disk-shaped plate increases by the thickness of the covered Au, and becomes less than φ2 μm (radius is less than 1 μm). Finally, a ring phase plate is completed by making a hole of about 1 μm in the center of the held disc-shaped plate using a focused ion beam device.

なお、ここで説明したリング位相板に使われる材質、形状、製造法は、本発明の目的にかなったものであれば、代替することができる。たとえば、アパーチャプレートの材質はTaなどでもよく、その厚さは容易に変形せず、電子線が容易に透過しない厚さであればよい。あらかじめ開けておく穴の数や大きさも4個、φ0.1mmに限るものではなく、たとえば、2.5mm×10.5mmの方形の穴1つでもよい。この場合、位相板を形成する位置が任意に設定できるという利点がある。張り付けるAu膜はその強度を保つため、2.5μm程度の厚いものを用いるとよい。金属多層膜は、課題を解決する手段で述べたように、Au/Cu/Au以外の組み合わせを用いることができる。   The material, shape, and manufacturing method used for the ring phase plate described here can be substituted as long as they meet the purpose of the present invention. For example, the material of the aperture plate may be Ta or the like, and the thickness may be any thickness that does not easily deform and does not easily transmit the electron beam. The number and size of the holes to be opened in advance is not limited to four and φ0.1 mm, and may be, for example, one square hole of 2.5 mm × 10.5 mm. In this case, there is an advantage that the position where the phase plate is formed can be arbitrarily set. In order to maintain the strength of the Au film to be attached, a thick film of about 2.5 μm is preferably used. As described in the means for solving the problem, a combination other than Au / Cu / Au can be used for the metal multilayer film.

上記加工した位相板を備えたアパーチャプレートを図2に示すように、市販の透過電子顕微鏡(加速電圧100kV、LaB6電子銃搭載)の可動対物絞り機構に装着することによって、位相差電子顕微鏡が構成される。なお、対物絞り機構は、対物絞りの後焦点面6近傍で位置調整、および退避ができるものである。電子顕微鏡では、電子源11から取り出し加速された電子線19が照射系レンズ12によって、試料面15に置いた試料を照射する。試料を透過した電子の波は、対物レンズ13によって後焦点面6、中間像面17などを形成しながら、最終的には拡大レンズ14によって像面18に拡大像を形成する。位相差電子顕微鏡では、対物レンズの後焦点面6に位相板1が装着されている。位相板1の孔2は電子顕微鏡の光軸20上に来るように、可動絞りの位置調整機能、および偏向器など電磁的なアライメント機構によって調整する。リング位相板の孔径は約1μmであるため、位置調整機能は1μm以下の精度を有することが望ましい。   As shown in FIG. 2, the aperture plate having the processed phase plate is mounted on a movable objective aperture mechanism of a commercially available transmission electron microscope (acceleration voltage 100 kV, equipped with LaB6 electron gun) to constitute a phase difference electron microscope. Is done. The objective aperture mechanism can adjust the position and retract in the vicinity of the rear focal plane 6 of the objective aperture. In the electron microscope, an electron beam 19 taken out and accelerated from the electron source 11 irradiates the sample placed on the sample surface 15 by the irradiation system lens 12. The electron wave transmitted through the sample forms an enlarged image on the image plane 18 by the magnifying lens 14 while forming the rear focal plane 6 and the intermediate image plane 17 by the objective lens 13. In the phase contrast electron microscope, the phase plate 1 is mounted on the back focal plane 6 of the objective lens. The hole 2 of the phase plate 1 is adjusted by an electromagnetic alignment mechanism such as a position adjusting function of a movable diaphragm and a deflector so as to be on the optical axis 20 of the electron microscope. Since the hole diameter of the ring phase plate is about 1 μm, it is desirable that the position adjustment function has an accuracy of 1 μm or less.

試料に照射された電子は、散乱波(または回折波)と非散乱波に分けられる。非散乱波は、光軸20に沿って進み、位相板1の孔2を通過する。一方、散乱波は、リング位相板の外側を通過する。リング位相板1の孔2の中と外では電位分布が異なるため、それぞれが受ける位相変化量は異なり、位相差が生じることとなる。位相板により生じる位相差は、散乱波の位相変化量が無視できる場合、孔2を通った電子波の位相変化量と等しくなり、   Electrons irradiated on the sample are divided into scattered waves (or diffracted waves) and non-scattered waves. The non-scattered wave travels along the optical axis 20 and passes through the hole 2 of the phase plate 1. On the other hand, the scattered wave passes outside the ring phase plate. Since the potential distribution is different between inside and outside of the hole 2 of the ring phase plate 1, the amount of phase change received by each differs, and a phase difference occurs. The phase difference caused by the phase plate is equal to the phase change amount of the electron wave passing through the hole 2 when the phase change amount of the scattered wave is negligible.

Figure 0005564292
となる。
Figure 0005564292
It becomes.

ここで、ΔΦは位相差(単位ラジアン)、λは電子波の波長、Uは加速電圧、eは素電荷、mは電子の質量、cは光速、zは光軸に沿った座標、V(z)は座標zでの電位の値である。透過電子顕微鏡で用いる電子のエネルギーは一般に大きいので、電子は光軸に沿って平行に進むと近似でき、積分範囲はz軸に沿った電子の走行範囲である。孔2の通過する位置によって、V(z)の値は異なるが、その積分値は位置に依存しないことが知られている。したがって、位相変化量は、孔2の淵の電位分布、すなわち、接触電位差とサンドイッチされた金属膜(Cu)の厚さの積(数3の積分部分に相当)に比例することになる。   Where ΔΦ is the phase difference (unit radians), λ is the wavelength of the electron wave, U is the acceleration voltage, e is the elementary charge, m is the mass of the electron, c is the speed of light, z is the coordinate along the optical axis, V ( z) is the value of the potential at the coordinate z. Since the energy of electrons used in the transmission electron microscope is generally large, it can be approximated that the electrons travel in parallel along the optical axis, and the integration range is the traveling range of the electrons along the z axis. Although the value of V (z) differs depending on the position through which the hole 2 passes, it is known that the integrated value does not depend on the position. Therefore, the phase change amount is proportional to the potential distribution of the ridges of the holes 2, that is, the product of the contact potential difference and the sandwiched metal film (Cu) thickness (corresponding to the integral part of Equation 3).

さて、位相板1のリングの部分は、電子波を遮断する。これによって試料構造に関する情報の一部が像面18まで伝達できなくなってしまう。試料内の構造の大きさをd、対物レンズ13の焦点距離をf、対物レンズの後焦点面16上の光軸20からの距離をrとすると、   Now, the ring portion of the phase plate 1 blocks the electron wave. As a result, a part of the information regarding the sample structure cannot be transmitted to the image plane 18. When the size of the structure in the sample is d, the focal length of the objective lens 13 is f, and the distance from the optical axis 20 on the back focal plane 16 of the objective lens is r,

Figure 0005564292
の関係があることが知られている。
Figure 0005564292
It is known that there is a relationship.

つまり、試料内にある10nmの構造情報は、加速電圧100kV(波長0.0037nm)、焦点距離2.7mmの場合、後焦点面16上で光軸20からの距離1μmの位置にあることが分かる。また、試料内にある10nmより大きな構造情報は、1μmより光軸20に近い側に位置する。したがって、試料のより大きな構造情報まで伝達しようとすれば、リング位相板の半径は極力小さく作成する必要がある。上記で説明したリング位相板の半径は1μm弱であり、試料の構造情報を10nm強まで伝達することができる。   That is, it can be seen that the structural information of 10 nm in the sample is located at a distance of 1 μm from the optical axis 20 on the back focal plane 16 when the acceleration voltage is 100 kV (wavelength 0.0037 nm) and the focal length is 2.7 mm. . Further, structural information larger than 10 nm in the sample is located closer to the optical axis 20 than 1 μm. Therefore, in order to transmit even larger structural information of the sample, it is necessary to make the radius of the ring phase plate as small as possible. The radius of the ring phase plate described above is a little less than 1 μm, and the structural information of the sample can be transmitted to a little over 10 nm.

リング位相板1の孔2の大きさは、集束イオンビームの加工によって、約φ1μmとしているが、リングの外径が大きくならない範囲であれば、たとえばφ1.5μmのように、より大きくしておくことが望ましい。この孔2には対物レンズによって収束した非回折電子波が通過するが、その大きさは1μm程度であり、非回折電子波の部分的遮断の懸念を回避するためである。   The size of the hole 2 of the ring phase plate 1 is set to about φ1 μm by processing of the focused ion beam. However, if the outer diameter of the ring is not increased, it is made larger, for example, φ1.5 μm. It is desirable. The non-diffracted electron wave converged by the objective lens passes through the hole 2, but its size is about 1 μm, so as to avoid the concern of partial blocking of the non-diffracted electron wave.

本実施例の位相板によって、位相差が生じたことの検証は、炭素薄膜など非晶質物質を試料として観察を行い、得られた像のパワースペクトルを解析することによって行うことができる。像のパワースペクトルは、市販の画像処理ソフトによって容易に得ることができるし、CCDカメラシステムなど撮像素子を搭載した透過電子顕微鏡では、実質的に実時間で表示することもできる。このパワースペクトルは、試料構造を反映した成分と位相コントラスト伝達関数を2乗した成分との積によってあらわされる。位相コントラスト伝達関数とは、散乱電子波と非散乱電子波が干渉する強度を符号を含めて表現したもので、試料内構造の大きさの逆数(空間周波数)によって大きく変化(振動)する。そしてこの振動の様子は対物レンズの収差や焦点ずれ量により生じた位相差と位相板により生じた位相差の両者によって敏感に変化する。一方、パワースペクトルを構成する試料構造を反映した成分は、非晶質試料を観察した場合、単調にしか変化しない。したがって、パワースペクトルの振動成分は、位相コントラスト伝達関数の振動成分を反映したものとなる。異なった位相差の条件で取得した像を比較すると、対物レンズの収差や焦点はずれ量が変化していなければ、位相コントラスト伝達関数の振動の変化(ピーク位置のズレ)は位相板によるものと考えられるので、位相変化が起こっているかどうかを検証できる。   The verification that the phase difference is generated by the phase plate of this embodiment can be performed by observing an amorphous substance such as a carbon thin film as a sample and analyzing the power spectrum of the obtained image. The power spectrum of an image can be easily obtained by commercially available image processing software, and can be displayed substantially in real time in a transmission electron microscope equipped with an imaging device such as a CCD camera system. This power spectrum is represented by the product of a component reflecting the sample structure and a component obtained by squaring the phase contrast transfer function. The phase contrast transfer function expresses the intensity of interference between a scattered electron wave and a non-scattered electron wave including a sign, and changes greatly (oscillates) depending on the reciprocal (spatial frequency) of the size of the structure in the sample. The state of this vibration changes sensitively depending on both the phase difference caused by the aberration and defocus amount of the objective lens and the phase difference caused by the phase plate. On the other hand, the component reflecting the sample structure constituting the power spectrum changes only monotonously when an amorphous sample is observed. Therefore, the vibration component of the power spectrum reflects the vibration component of the phase contrast transfer function. Comparing images acquired under different phase difference conditions, if the aberration and defocus amount of the objective lens have not changed, the change in vibration of the phase contrast transfer function (peak position deviation) is considered to be due to the phase plate. Therefore, it is possible to verify whether a phase change has occurred.

図6には、同一のアパーチャプレート上に形成した2つの位相板:(a)Au/Cu(0.4μm)/Au、(b)Au/Cu(0.8μm)/Auを用いて取得した非晶質炭素薄膜像のパワースペクトルのラインプロファイルについて、一定の収差係数とほぼ等しい焦点はずれ量に基づいて計算した理論曲線との比較から振動成分だけを抽出したラインプロファイル図を示す。図6の(a)、図6の(b)ともに大きく振動しているが、その振動のピーク位置が異なっていることが分かる。収差や焦点ずれ量に依存する位相コントラスト伝達関数の成分にはほとんど差がないので、(a)、(b)の差異は、主に位相板起因であると推定でき、位相板によって位相差が生じていることが確認できる。   FIG. 6 shows two phase plates formed on the same aperture plate: (a) Au / Cu (0.4 μm) / Au, (b) Au / Cu (0.8 μm) / Au. A line profile diagram in which only a vibration component is extracted from a comparison with a theoretical curve calculated based on an out-of-focus amount, which is substantially equal to a certain aberration coefficient, for the line profile of the power spectrum of an amorphous carbon thin film image. Although both FIG. 6A and FIG. 6B vibrate greatly, it can be seen that the peak positions of the vibrations are different. Since there is almost no difference in the component of the phase contrast transfer function that depends on the aberration and the amount of defocus, the difference between (a) and (b) can be estimated mainly due to the phase plate, and the phase difference is caused by the phase plate. It can be confirmed that it has occurred.

第2の実施例に係る細線位相板の構成を図5の(a)に示す。図8の(b)の従来技術による位相板を絶縁膜をまったく用いず金属多層薄膜によって構成するものである。   The configuration of the thin wire phase plate according to the second embodiment is shown in FIG. The phase plate according to the prior art of FIG. 8B is constituted by a metal multilayer thin film without using any insulating film.

細線位相板は以下のように作成した。まず、300μm厚のMo板(5mm×31mm)に2.5mm×10.5mmの方形の穴をあけ、ここにPt膜(厚さ2.5μm)をエポキシ系接着剤により張り付ける。その後、抵抗加熱式真空蒸着装置により、表裏両面にAu膜(0.1μm)を蒸着する。次に集束イオンビーム装置によって、φ50μmの丸い穴に約1μm幅の細線を張った形状を加工する。すなわち、半円の穴がその辺の部分を突き合わせた形状に加工する。次に、加工した穴の淵の部分を包み込むように、Au膜をアパーチャプレートの裏表、および側面に約0.1μm厚蒸着する。これは、試料傾斜と回転が同時に行える試料台にアパーチャプレートを置き、傾斜と回転させながら蒸着することによって容易に実現できる。最後に、細線の中央付近(φ50μm穴の中央付近)で、図5(a)に示すようなPtを露出させる側面加工を行う。露出させる部分の細線に沿った方向の長さは約1μmである。PtはAuに対して正の接触電位差となるので、露出部分を中心に正の電位分布が、露出部分の極近傍を除き、略同心球状に形成される。   The thin wire phase plate was prepared as follows. First, a 2.5 mm × 10.5 mm square hole is made in a 300 μm thick Mo plate (5 mm × 31 mm), and a Pt film (thickness: 2.5 μm) is attached thereto with an epoxy adhesive. Thereafter, an Au film (0.1 μm) is deposited on both the front and back surfaces by a resistance heating vacuum deposition apparatus. Next, a shape in which a thin wire having a width of about 1 μm is formed in a round hole of φ50 μm is processed by a focused ion beam apparatus. That is, a semicircular hole is processed into a shape in which the side portion is abutted. Next, an Au film is vapor-deposited to a thickness of about 0.1 μm on the back and front and side surfaces of the aperture plate so as to wrap the processed ridges. This can be easily realized by placing an aperture plate on a sample stage where the sample can be tilted and rotated at the same time, and vapor deposition while tilting and rotating. Finally, side surface processing for exposing Pt as shown in FIG. 5A is performed near the center of the fine wire (near the center of the φ50 μm hole). The length of the exposed portion along the fine line is about 1 μm. Since Pt has a positive contact potential difference with respect to Au, a positive potential distribution centering on the exposed portion is formed in a substantially concentric spherical shape except in the vicinity of the exposed portion.

このアパーチャプレート上に形成した位相板を図2に示す電子顕微鏡の対物可動絞りに装着し、対物レンズの後焦点面16付近に設置すると、位相差電子顕微鏡が構成されることになる。より詳細には、細線位相板の略同心球状に広がる電位の中心が、光軸20から若干(0.5μmから1μm程度)離した位置になるよう、対物可動絞りの位置調整機構によって調整する。これは、電位分布の中心が細線内にあり、光軸20を走行する非散乱電子線が細線によって遮蔽されることを避けるためである。   When the phase plate formed on the aperture plate is mounted on the objective movable diaphragm of the electron microscope shown in FIG. 2 and installed near the rear focal plane 16 of the objective lens, a phase contrast electron microscope is configured. More specifically, the position of the objective movable diaphragm is adjusted so that the center of the electric potential spreading in a substantially concentric sphere on the thin wire phase plate is slightly away from the optical axis 20 (about 0.5 μm to 1 μm). This is for avoiding that the center of the potential distribution is within the fine line and the non-scattered electron beam traveling on the optical axis 20 is shielded by the fine line.

細線位相板によって位相差が生じるメカニズムはリング位相板の場合と若干異なるので、これを説明する。細線位相板の電位発生部分の大きさはそこから広がる電位の広がりに比較して小さいので、細線位相板によって作られる電位分布を、電位Vを与えられた微小な球(半径R)が作る電位分布にほぼ等しいと仮定する。リング位相板の場合と違って、電位は広く広がっていることになり、散乱波、非散乱波ともに位相変化を受けることになる。この場合、後焦点面上において、非散乱電子波が微小球の中心からrの距離を走行する場合、散乱電子波との位相差ΔΦ(単位ラジアン)は、   The mechanism by which the phase difference is caused by the thin wire phase plate is slightly different from that of the ring phase plate, which will be described. Since the size of the potential generation portion of the fine wire phase plate is smaller than the spread of the potential spreading from there, the potential distribution created by the fine wire phase plate is created by a fine sphere (radius R) given the potential V. Assume that the distribution is approximately equal. Unlike the case of the ring phase plate, the electric potential spreads widely, and both the scattered wave and the non-scattered wave undergo a phase change. In this case, when the non-scattered electron wave travels a distance r from the center of the microsphere on the back focal plane, the phase difference ΔΦ (unit radians) from the scattered electron wave is

Figure 0005564292
のようにあらわされる。
Figure 0005564292
It appears like

ここで、Uは加速電圧、λは電子波の波長、eは素電荷、mは電子の質量、cは光速、fは対物レンズの焦点距離、dは試料内の構造の大きさである。数5による位相差ΔΦが位相角90度となれば位相板として機能することになるが、調整可能なパラメータは1つ増えてV、R、そしてrである。VおよびRは、それぞれAu−Ptの接触電位差、およびPt膜の厚さであり、rは細線と光軸との距離である。上記作成手順で示したPt膜の厚さは2.5μmであったが、この時、数5により見積もられる位相差は90度より5倍大きくなる。しかしながら、実際の電位分布は、Pt膜の上下に残ったAu膜の影響や支持棒となる細線の影響で微小球を仮定した場合に比べて小さくなる。このため、位相差を90度に調整するためには、残りのパラメータであるrを使い、位相板の位置を微調整することによって行う。位置の調整には、可動対物絞りの微動機構を利用してもよいし、偏向器などの電磁的アライメント機構を利用してもよい。位置調整の精度は、電位の発生する部分の大きさが1μm程度であるため、1μm以下であることが望ましい。位相差を90度に調整することは、非晶質像のパワースペクトル解析から得ることができる。しかし、必ずしも位相差を90度に合わせることを目指す必要はなく、位相差電子顕微鏡の目的は位相コントラストの改善にあるのだから、観察像のコントラストが最大となるように細線位相板の位置調整を行えばよい。   Here, U is the acceleration voltage, λ is the wavelength of the electron wave, e is the elementary charge, m is the mass of the electron, c is the speed of light, f is the focal length of the objective lens, and d is the size of the structure in the sample. If the phase difference ΔΦ according to Equation 5 is 90 degrees, it functions as a phase plate, but the adjustable parameters are increased by one to V, R, and r. V and R are the contact potential difference of Au—Pt and the thickness of the Pt film, respectively, and r is the distance between the thin line and the optical axis. The thickness of the Pt film shown in the above preparation procedure was 2.5 μm. At this time, the phase difference estimated by Equation 5 is five times larger than 90 degrees. However, the actual potential distribution is smaller than the case where microspheres are assumed due to the influence of the Au film remaining above and below the Pt film and the influence of the fine wire serving as the support rod. Therefore, in order to adjust the phase difference to 90 degrees, the remaining parameter r is used to finely adjust the position of the phase plate. For the position adjustment, a fine movement mechanism of a movable objective aperture may be used, or an electromagnetic alignment mechanism such as a deflector may be used. The accuracy of the position adjustment is desirably 1 μm or less because the size of the portion where the potential is generated is about 1 μm. Adjustment of the phase difference to 90 degrees can be obtained from power spectrum analysis of an amorphous image. However, it is not always necessary to aim to adjust the phase difference to 90 degrees, and the purpose of the phase contrast electron microscope is to improve the phase contrast. Therefore, the position of the thin wire phase plate should be adjusted so that the contrast of the observation image is maximized. Just do it.

以上、細線位相板の実施の形態を説明したが、その形態は図5の(a)に示した形態に限るわけではない。たとえば、図5の(b)に示すように、金属7細線の中央付近に仕事関数の異なる金属6を部分的に乗せた形態でもよい。アパーチャプレート(Mo)と同じ材質で形成された細線(0.5μm幅程度)にPtを積層することによって、略球対称な電位分布が形成され、図5の(a)に基づいて説明した原理と同じ機構で位相差を生じさせることができる。構成された位相板の形態は極めてシンプルである。   The embodiment of the thin wire phase plate has been described above, but the form is not limited to the form shown in FIG. For example, as shown in FIG. 5 (b), the metal 6 having a different work function may be partially placed near the center of the thin metal 7 wire. By laminating Pt on a thin wire (about 0.5 μm wide) made of the same material as the aperture plate (Mo), a substantially spherically symmetrical potential distribution is formed, and the principle explained based on FIG. The phase difference can be generated by the same mechanism. The form of the constructed phase plate is very simple.

本発明は、電子顕微鏡、特に透過電子顕微鏡に用いられる位相板、さらにはその位相板を具備した位相差電子顕微鏡に有用である。   The present invention is useful for an electron microscope, particularly a phase plate used in a transmission electron microscope, and further a phase contrast electron microscope equipped with the phase plate.

1…位相板
2…孔
3…導電体膜(金属膜)
4…導電体膜(金属膜)
5…アパーチャプレート
6…導電体(金属)
7…導電体(金属)
11…電子源
12…照射系レンズ
13…対物レンズ
14…拡大レンズ
15…試料面
16…対物レンズの後焦点面
17…中間像面
18…像面
19…電子線
20…光軸
31…孔
32…支持棒
51…リング位相板
52…細線位相板
53…絶縁膜
54…電極
55…薄膜位相板。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Phase plate 2 ... Hole 3 ... Conductor film (metal film)
4 ... Conductor film (metal film)
5 ... Aperture plate 6 ... Conductor (metal)
7 ... Conductor (metal)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Electron source 12 ... Irradiation system lens 13 ... Objective lens 14 ... Magnifying lens 15 ... Sample surface 16 ... Rear focal plane 17 of objective lens ... Intermediate image surface 18 ... Image surface 19 ... Electron beam 20 ... Optical axis 31 ... Hole 32 ... support bar 51 ... ring phase plate 52 ... fine wire phase plate 53 ... insulating film 54 ... electrode 55 ... thin film phase plate.

Claims (7)

電子顕微鏡に用いる位相板であって、
積層された複数の導電体膜で構成され、
複数の前記導電体膜は、仕事関数の異なる少なくとも2種類以上の導電体膜であり、複数の前記導電体膜は互いに接して積層されており、
前記位相板は開口部を有した形状または細線形状を有し、
積層された複数の前記導電体膜は、少なくとも1種類の導電体膜が該導電体膜とは異なる導電体膜により包み込まれて構成され、
前記開口部を有した形状の一部の内面または前記細線形状の一部は複数の前記導電体膜が露出している
ことを特徴とする位相板。
A phase plate used in an electron microscope,
Consists of a plurality of laminated conductor films,
The plurality of conductor films are at least two kinds of conductor films having different work functions, and the plurality of conductor films are laminated in contact with each other,
The phase plate has a shape with an opening or a fine line shape,
The plurality of stacked conductor films are configured such that at least one kind of conductor film is wrapped with a conductor film different from the conductor film,
A phase plate, wherein a plurality of the conductor films are exposed on a part of an inner surface of the shape having the opening or a part of the thin line shape.
電子顕微鏡に用いる位相板であって、
積層された複数の導電体膜で構成され、
複数の前記導電体膜は、仕事関数の異なる少なくとも2種類以上の導電体膜であり、複数の前記導電体膜は互いに接して積層されており、
積層された複数の前記導電体膜は、少なくとも1種類の導電体膜で構成された細線の略中央に、該導電体膜とは異なる導電体膜が積層され、
当該積層部分は露出している
ことを特徴とする位相板。
A phase plate used in an electron microscope,
Consists of a plurality of laminated conductor films,
The plurality of conductor films are at least two kinds of conductor films having different work functions, and the plurality of conductor films are laminated in contact with each other,
The plurality of stacked conductor films are stacked at a substantially center of a thin line composed of at least one kind of conductor film, and a conductor film different from the conductor film is stacked,
The phase plate, wherein the laminated portion is exposed.
請求項1または2記載の位相板であって、
積層された複数の前記導電体膜は、金属、もしくは半導体である
ことを特徴とする位相板。
The phase plate according to claim 1 or 2,
The phase plate , wherein the plurality of stacked conductor films are metal or semiconductor .
請求項記載の位相板あって、
積層された複数の前記導電体膜は、Au、Pt、Cu、Ti、Cr、Mo、Ru、Ta、Wいずれかの金属、もしくは前記金属を主成分とする合金である
ことを特徴とする位相板。
A phase plate according to claim 3 ,
The plurality of stacked conductor films are made of any metal of Au, Pt, Cu, Ti, Cr, Mo, Ru, Ta, and W, or an alloy containing the metal as a main component. Feature phase plate.
請求項記載の位相板であって、
前記導電体膜は結晶粒からなる多結晶粒膜であって、前記開口部を有した形状の場合、前記結晶粒の平均結晶粒径は、前記開口部を有した形状の開口部の内径の1/10以下である
ことを特徴とする位相板。
The phase plate according to claim 1 ,
The conductor film is a polycrystalline grain film made of crystal grains, and in the case of the shape having the opening, the average crystal grain size of the crystal grain is the inner diameter of the opening having the shape having the opening. A phase plate characterized by being 1/10 or less .
位相板を備える位相差電子顕微鏡であって、
前記位相板は、前記位相差電子顕微鏡の対物レンズ後焦点面と光軸との交差する点近傍に、請求項1乃至5の何れか1項記載の位相板を備えた
ことを特徴とする位相差電子顕微鏡
A phase contrast electron microscope comprising a phase plate,
The phase plate according to any one of claims 1 to 5, wherein the phase plate is provided in the vicinity of a point where an objective lens rear focal plane of the phase-contrast electron microscope and an optical axis intersect.
A phase-contrast electron microscope .
請求項6に記載の位相差電子顕微鏡であって、
前記位相板の位置を微動できる機構を備えた
ことを特徴とする位相差電子顕微鏡。
The phase-contrast electron microscope according to claim 6 ,
A phase-contrast electron microscope comprising a mechanism capable of finely moving the position of the phase plate .
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