JP5891030B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡および電子顕微鏡に用いられる試料保持装置に関し、特に高湿度ガスを導入可能な電子顕微鏡および電子顕微鏡に用いられる試料保持装置に関する。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）などを用いて、真空中ではなく、ガス雰囲気中での物質の構造や特性の解析や、ガス雰囲気中での物質の合成プロセスをその場観察する環境制御型電子顕微鏡として、特許文献１がある。特許文献１では、試料ホルダに、試料を気密に保持するための薄膜で真空と仕切られた試料室と、前記試料室にガスを導入、排気するための通路設け、試料を特定雰囲気下に保った状態において試料を観察する方法が開示されている。また、特許文献２では、被膜層にチャンバが取り囲まれた電子顕微鏡で用いられるマイクロリアクタであって、入口及び出口が、流体をチャンバに通して供給するために設けられ、さらに、チャンバ及びチャンバの中に存在する試料を加熱するための加熱手段が設けられたマイクロリアクタが開示されている。さらに特許文献３では、低真空雰囲気型走査電子顕微鏡であって、蒸気を導入する蒸気導入ノズルを備えた走査電子顕微鏡が開示されている。

特開２０００−１３３１８６号公報 特表２００８−５１２８４１号公報 特開２００７−２９４３２８号公報

特許文献１、２において、ガス環境調節機能はガス雰囲気と真空を仕切ったセル内に導入する前のガス環境を調整するもので、セル内の実際のガス環境制御については配慮されておらず、また、水蒸気導入については考慮されておらず、ガス供給装置から試料までを接続する配管やセル内部の温度がガス温度よりも低い場合、隔膜や試料、ガスを導入するための配管中に結露してしまうという問題があった。

一方、引用文献３では、バルク試料の表面に、液滴付着時の状態を観察したいというニーズから、試料を冷却し、水蒸気導入ノズルを可変にして蒸気導入時にはノズルを試料に近づけ、試料上に水滴を付着させ、観察時にはノズルを退避させることが開示されている。しかし、水蒸気と試料との反応を観察したいときには、この手法は適さない。

本発明の目的は、環境制御型電子顕微鏡の試料雰囲気の温湿度を正確に制御可能で、発生させたガスの環境を維持した状態のまま試料雰囲気とすることが可能で、高湿度のガスと試料との反応を観察することが可能な電子顕微鏡および電子顕微鏡用試料保持装置を提供することにある。

本発明では、上記課題に鑑み以下の構成を有する。

一次電子線を放出する電子源と、前記電子源から放出される一次電子線を収束し、試料に照射する対物レンズと、試料から発生した信号を検出する検出器と、前記検出器からの信号に基づいて試料像を形成する制御手段と、前記試料像を表示する表示手段と、前記試料を保持する試料保持手段と、を備えた電子顕微鏡において、前記試料室に導入するガスを供給するガス供給装置と、前記ガス供給装置からのガスを前記試料室に導入するガス導入管を備え、前記ガス導入管上に当該ガス導入管の温度を制御するヒータを備えることを特徴とする電子顕微鏡。

本発明によれば、電子顕微鏡の試料室に形成された試料を包含する雰囲気ガスの微小ガス空間の温湿度が制御可能となり、高湿度空気を導入しても試料室で結露することがない。

本発明の一実施例である電子線装置１の基本構成図。 本発明の一実施例である電子線装置１および電子線装置用試料保持装置６の基本構成図。 一実施例である電子線装置１および電子線装置用試料保持装置６の動作説明図。 一実施例である電子線装置１試料室の断面図。 本発明の一実施例である電子線装置１および電子線装置用試料保持装置６の基本構成図。 本発明の一実施例である電子線装置用試料保持装置６の基本構成図。

以下、実施例を用いて説明する。

図１に本発明の一実施例である電子顕微鏡１の基本構成図を示す。

電子顕微鏡１の鏡体は、電子銃２、コンデンサーレンズ３、対物レンズ４、投射レンズ５により構成されている。対物レンズ４の間には、電子顕微鏡用試料保持装置６が挿入される。投射レンズ５の下方には、蛍光板７が、蛍光板７の下には、カメラ８が装着されている。カメラ８は、画像表示部９ａを介し画像記録部９ｂに接続されている。画像記録部９ｂはコンピュータ１０に接続されている。

コンデンサーレンズ３、対物レンズ４の間には差動排気のための絞り１１が配されている。電子銃２およびコンデンサーレンズ３の間、コンデンサーレンズ３および対物レンズ４の間、電子顕微鏡試料室１２、観察室１３はそれぞれ、バルブ１４を介して、異なる真空ポンプ１５に接続されている。電子顕微鏡試料室１２と真空ポンプ１５の間には、水蒸気など真空ポンプ１５に悪影響を与えるガスをトラップするためのフィルター１６が設置されている。

電子顕微鏡試料室１２には試料予備排気室２６が接続されており、試料予備排気室２６はバルブ１４を介して真空ポンプ１５に接続されている。試料予備排気室２６とバルブ１４の間には、水蒸気などをトラップするためのフィルター１６が設置されている。

電子顕微鏡用試料保持装置６を電子顕微鏡試料室１２に挿入する際は、電子顕微鏡用試料保持装置６先端部は、予め試料予備排気室２６で真空ポンプ１５により排気されてから、電子顕微鏡試料室１２に挿入される。

電子銃２から発生した電子線３３はコンデンサーレンズ３により収束され試料１８に照射される。試料１８を透過した電子線３３は対物レンズ４により結像され、投射レンズ５により拡大、蛍光板７上に投影される。または、蛍光板７を持ち上げ、カメラ８に投影し、画像表示部９ａに透過像が表示され、画像記録部９ｂに記録される。

ここで本発明のガス導入について説明する。

電子顕微鏡試料室１２にはガス導入管１７ａ先端部が試料１８近傍に設置されている。ガス導入管１７ａは、配管上のガス圧コントロールバルブ１９、開閉バルブ２０を介してガス供給装置２１に接続されている。ガス供給装置２１はガス貯蔵部２２と加熱部２３で構成される。

ガス導入管１７ａにはヒータ２４が取り付けられ、加熱電源２５を介してコンピュータ１０に接続されている。

試料予備排気室２６にも、試料室１２同様ヒータ２４つきガス導入管１７ｂを有し、ガス圧コントロールバルブ１９、開閉バルブ２０を介してガス供給装置２１に接続されている。ガス導入管１７ｂに取り付けられたヒータ２４は、加熱電源２５を介してコンピュータ１０に接続されている。これにより、電子顕微鏡試料予備排気室でも試料を高湿度ガス雰囲気で反応させることが可能となる。

試料室１２には試料１８近傍の温度、湿度を検出するための温湿度検出器２７を設け、温湿度検出器２７はコンピュータ１０に接続されている。また、電子顕微鏡用試料保持装置６の先端部には試料加熱用ヒータ（図示せず）を有し、試料加熱用ヒータはリード線２９を介して試料加熱電源３０に接続されている。試料１８は試料加熱用ヒータに直接接触するように取り付けられ加熱される。試料加熱電源３０はコンピュータ１０に接続されている。

対物レンズ４および対物レンズ冷却水路３１は対物レンズ温度制御部３２を介してコンピュータ１０に接続されている。また、試料１８と対物レンズ４の近傍には温湿度検出器２７が備えられており、コンピュータ１０に接続されている。

図３に本実施例の電子顕微鏡１試料室１２の詳細な構成図を示す。対物レンズ４は電磁コイル３４を磁性材料３５で覆う形状となっており、ギャップ部分に磁界を集中して発生させる。対物レンズ４に用いられている磁性材料３５の表面はすべて耐酸化処理されており、高湿度のガスが導入されても性能に影響を与えないようにする。対物レンズ４中央には電子線３３通路があり、試料保持装置６に取り付けられた試料１８が配される。試料１８に向けてガス導入管１７ａが設けられ先端ノズルにはガス温湿度調整のためのヒータ２４が設けられ、加熱電源２５に接続されている。

対物レンズ４上下には冷却水通路３１が設けられている。冷却水の流量や温度は対物レンズ温度制御部３２で制御する。対物レンズ温度制御部３２は、導入ガスが対物レンズ近傍で液滴とならないように、対物レンズ冷却水の温度や流量を制御している。試料１８の直下には回折あるいは散乱した電子線３３をカットし、コントラストを向上させるための対物絞り３６が挿入される。対物絞り３６の支持棒には温湿度検出器２７が取り付けられており、試料１８近傍の温湿度をモニターする。温湿度検出器２７は、コンピュータ１０に接続されており測定結果は随時記録される。

次にガスフローの設定について説明する。コンピュータ１０において試料加熱温度を設定する。設定した温度は試料加熱電源３０に指令し電子顕微鏡用試料保持装置６の試料加熱用ヒータの温度を昇温する。さらにコンピュータ１０において、試料１８近傍雰囲気の所望のガス温湿度およびガス流量を入力し、ガス供給装置２１で導入するガスを所望の条件に設定する。ガスの温湿度を維持した状態でガスを試料１８近傍に噴出するよう、ガス導入管１７ａのヒータ２４を設定温度と同じ温度に維持し、対物レンズ４の温度も同じ温度に維持するよう、コンピュータ１０は対物レンズ温度制御部３２に冷却水量あるいは冷却水温度を調整するよう指令する。同じ温度に設定できた後、ガス供給装置２１ではその信号を受けてガスを流す。

また、試料近傍に温度、湿度検出器を設け、ある一定値以上になると、電子顕微鏡の対物レンズ冷却水温度及び水量をコントロールし、また、ガスの導入を停止するよう作動する安全装置を設けることも可能である。

カメラ８でガス雰囲気での試料１８の透過像を撮像し、画像表示部９ａに透過像が表示され、画像記録部９ｂに記録される。コンピュータ１０では画像記録部９ｂのカウンターと同期させて、試料加熱温度、試料１８近傍の温湿度を随時モニターし記録する。

試料室１２に導入されたガスは試料室１２に接続された真空ポンプ１５で排気される。その際、ガス中の水分は配管１７ｂの途中に設けられたフィルター１６に吸収され、真空ポンプ１５には乾燥したガスのみ送られ排気される。

本実施例によれば、ガス導入管１７ｂの途中で水蒸気などのガスが液滴の状態にならず、ガス環境を維持したままガスと試料との反応を観察することが可能な透過電子顕微鏡を提供できる。

図２に本発明の別の実施例である電子顕微鏡１および電子顕微鏡用試料保持装置６の基本構成図を示す。本実施例では、電子顕微鏡１の試料室１２にガス導入管１７ａを設けるかわりに、電子顕微鏡用試料保持装置６に加熱機構とガス導入管１７ｃを設けている。

電子顕微鏡用試料保持装置６に設けられたガス導入管１７ｃは、ガス圧コントロールバルブ１９、開閉バルブ２０を介してガス供給装置２１に接続されている。ガス供給装置２１は、ガス貯蔵部２２とガス加熱部２３で構成されている。ガス導入管１７ｃにはヒータ２４が取り付けられており、加熱電源２５を介して、コンピュータ１０に接続されている。前記ガス導入管１７ｃの先端は試料１８に向けて設置されている。

図４に本発明の一実施例である電子顕微鏡１の使用手順を示す。
（１）試料１８を取り付けた試料保持装置６を電子顕微鏡試料室１２に挿入する。
（２）次にコンピュータ１０において試料１８環境条件（加熱温度、ガス流量、ガス圧力、ガス温湿度）を設定する。
（３）次に設定した温度まで試料１８加熱する。
（４）ガス供給装置２１にてコンピュータ１０で設定した流量のガスをガス貯蔵部２２から加熱部２３に送り、加熱部２３で設定した温湿度にガスを設定する。
（５）次にガス導入口１７ａまでの配管１７ｂの温度も試料環境条件と同じ温度になるよう加熱電源２５を制御しヒータ２４を加熱する。同時に対物レンズ４の温度も同じ温度になるよう冷却水温度を設定する。
（６）配管１７ｂおよび対物レンズ４が目的の温度に到達したら、ガス供給装置２１０よりガスを導入する。
（７）試料１８の透過像はカメラ８で撮影され、画像記録部９ｂで記録される。
（８）異なる条件でさらに観察を続ける際は、コンピュータ１０から次の条件を設定し、試料環境を制御するようにする。

装置稼働中の試料加熱温度、ガス流量、ガス圧力、ガス温湿度、試料１８近傍の温湿度と圧力、ビデオカウンター等の条件はコンピュータ１０で記録される。

図５に本発明の別の実施例である電子顕微鏡１および電子顕微鏡用試料保持装置６の基本構成図を示す。本実施例では、実施例１、２の開放型の電子線装置用試料保持装置６の代わりに試料加熱用ヒータ２８の上下に隔膜３７を配し、隔膜３７で試料１８雰囲気を密閉した隔膜密閉型の電子線装置用試料保持装置６を用いている。

隔膜密閉型の電子線装置用試料保持装置６では、電子線３３通路には像観察に影響のない軽元素隔膜３７を配し、電子線顕微鏡試料室１２と試料１８雰囲気を隔離する。導入するガスの温湿度を維持するために電子顕微鏡用試料保持装置６内の試料１８近傍に温湿度検出器２７、圧力検出器３８を備え、試料１８近傍の温湿度、および圧力をコンピュータ１０でモニターし制御する。電子顕微鏡用試料保持装置６にはガス導入管１７ｃが備えられており、ガス圧コントロールバルブ１９、開閉バルブ２０を介してガス供給装置２１に接続されている。ガス供給装置２１は、ガス貯蔵部２２と加熱部２３で構成されている。ガス導入管１７ｃにはヒータ２４が取り付けられており、配管用加熱電源２５を介して、コンピュータ１０に接続されている。ガス導入管１７ｃに取り付けられたヒータ２４と対物レンズ４温度は、設定したガス温度になるようにコンピュータ１０で制御される。対物レンズ４の温度が設定したガス温度になるように設定されたことで、隔膜３７への結露を防止することができる。

同様に電子顕微鏡用試料保持装置６には排気用の配管も取り付けられ、水蒸気などをトラップするためのフィルター１６、バルブ１４を介して真空ポンプ１５に接続されている。

図６に本実施例の隔膜密閉型の電子顕微鏡用試料保持装置６の詳細構造を示す。隔膜３７部の結露防止のために対物レンズ４温度を制御する代わりに隔膜３７支持部に隔膜用ヒータ３９を取り付けている。隔膜用ヒータ３９は隔膜用加熱電源４０を介しコンピュータ１０に接続されている。これにより、環境制御部１０で設定したガス温度と同じに隔膜３７温度を設定することが可能となる。

また、ここでは、試料保持装置６に配されたヒータ３０に試料１８を直接塗布することにより、試料１８を加熱できるようにしているが、ヒータ３０の代わりに３ｍｍメッシュなどの一般的な電子顕微鏡試料台をセットできるようにしてもよい。

上記の構成により、電子顕微鏡試料室１２で結露することなく、高湿度ガス雰囲気中での反応プロセスの観察を高分解能で行うことが可能となる。

本発明によれば、電子顕微鏡の試料室に形成された試料を包含する雰囲気ガスの微小ガス空間の温湿度が制御可能となり、高湿度空気を導入しても試料室で結露することがなくなる。

上記実施例は、透過電子顕微鏡を用いて説明を行ったが、本発明は走査電子顕微鏡、走査透過電子顕微鏡等の電子顕微鏡全般に適用することが可能である。

１ 電子顕微鏡
２ 電子銃
３ コンデンサーレンズ
４ 対物レンズ
５ 投射レンズ
６ 電子顕微鏡用試料保持装置
７ 蛍光板
８ カメラ
９ａ 画像表示部
９ｂ 画像記録部
１０ コンピュータ
１１ 差動排気絞り
１２ 電子顕微鏡試料室
１３ 観察室
１４ バルブ
１５ 真空ポンプ
１６ フィルター
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ ガス導入管
１８ 試料
１９ ガス圧コントロールバルブ
２０ 開閉バルブ
２１ ガス供給装置
２２ ガス貯蔵部
２３ ガス加熱部
２４ ヒータ
２５ 加熱電源
２６ 試料予備排気室
２７ 温湿度検出器
２８ 試料加熱用ヒータ
２９ リード線
３０ 試料加熱電源
３１ 対物レンズ冷却水路
３２ 対物レンズ温度制御部
３３ 電子線
３４ 電磁コイル
３５ 磁性材料
３６ 対物絞り
３７ 隔膜
３８ 圧力検出器
３９ 隔膜用ヒータ
４０ 隔膜用加熱電源

Claims (15)

1. 一次電子線を放出する電子源と、
   前記電子源から放出される一次電子線を収束し、試料に照射する対物レンズと、
   試料から発生した信号を検出する検出器と、
   前記検出器からの信号に基づいて試料像を形成する制御手段と、
   前記試料像を表示する表示手段と、
   前記試料を保持する試料保持手段と、
   を備えた電子顕微鏡において、
   試料室に導入するガスを供給するガス供給装置と、
   前記ガス供給装置からのガスを前記試料室に導入するガス導入管と、
   前記ガス導入管上に当該ガス導入管の温度を制御するヒータと、
   前記ガス導入管の出口近傍の温度及び湿度を計測する温湿度計と、を備え、
   前記ガス供給装置で生成されたガスの温度及び前記ガス導入管の出口近傍のガスの温度及び湿度の情報に基づいて、前記ガス導入管がガスで結露しないよう前記ヒータの温度を制御することを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１の電子顕微鏡において、
   前記ガス供給装置は、試料室に導入するガスの貯蔵部と、当該ガスの加熱部から構成されていることを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項１の電子顕微鏡において、
   前記対物レンズを冷却する対物レンズ冷却水の温度及び／又は流量を制御する制御部を有することを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記対物レンズに用いている磁性材料の表面を対酸化処理することを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記試料室を排気する排気機構を有し、前記試料室から前記排気機構の間に前記導入ガスを捕捉するトラップ機構を設けることを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記試料室に試料を導入する前に予め排気を行う予備排気室を有し、
   当該予備排気室に、ガスを導入するガス導入管が接続することを特徴とする電子顕微鏡。
7. 請求項１記載の電子顕微鏡において、
   前記温湿度計の情報に基づき、前記ガス供給装置によるガス供給を中止する安全装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
8. 一次電子線を放出する電子源と、
   前記電子源から放出される一次電子線を収束し、試料に照射する対物レンズと、
   試料から発生した信号を検出する検出器と、
   前記検出器からの信号に基づいて試料像を形成する制御手段と、
   前記試料像を表示する表示手段と、
   前記試料を保持する試料保持手段と、
   を備えた電子顕微鏡において、
   前記試料保持手段は、前記試料近傍にガスを導入するガス導入管を備え、
   前記試料近傍に導入するガスを供給するガス供給装置と、
   前記ガス導入管上に当該ガス導入管の温度を制御するヒータと、
   前記ガス導入管の出口近傍の温度及び湿度を計測する温湿度計と、を備え、
   前記ガス供給装置で生成されたガスの温度及び前記ガス導入管の出口近傍のガスの温度及び湿度の情報に基づいて、前記ガス導入管がガスで結露しないよう前記ヒータの温度を制御することを特徴とする電子顕微鏡。
9. 請求項８記載の電子顕微鏡において、
   前記試料保持手段は、前記試料を加熱する加熱手段を有することを特徴とする電子顕微鏡。
10. 一次電子線を放出する電子源と、
    前記電子源から放出される一次電子線を収束し、試料に照射する対物レンズと、
    試料から発生した信号を検出する検出器と、
    前記検出器からの信号に基づいて試料像を形成する制御手段と、
    前記試料像を表示する表示手段と、
    前記試料を保持する試料保持手段と、
    を備えた電子顕微鏡において、
    前記試料保持手段は、前記試料が当該試料保持手段の内部に配置され、当該試料保持手段の外壁の電子線通過部に隔膜を備え、
    前記試料保持手段の内部にガスを導入するガス導入管を備え、
    前記ガス導入管はガス供給装置と接続され、
    前記ガス導入管上に当該ガス導入管の温度を制御するヒータを備え、
    前記ガス導入管の出口近傍の温度及び温度を計測する温湿度計を有し、
    前記ガス供給装置で生成されたガスの温度及び前記ガス導入管の出口近傍のガスの温度及び湿度の情報に基づいて、前記隔膜がガスで結露しないよう前記ヒータの温度を制御することを特徴とする電子顕微鏡。
11. 請求項１０の電子顕微鏡において、
    前記ガス供給装置は、試料室に導入するガスの貯蔵部と、当該ガスの加熱部から構成されていることを特徴とする電子顕微鏡。
12. 請求項１０の電子顕微鏡において、
    前記対物レンズを冷却する対物レンズ冷却水の温度及び／又は流量を制御する制御部を有することを特徴とする電子顕微鏡。
13. 請求項１０記載の電子顕微鏡において、
    前記対物レンズに用いている磁性材料の表面を対酸化処理することを特徴とする電子顕微鏡。
14. 請求項１０記載の電子顕微鏡において、
    前記試料室を排気する排気機構を有し、前記試料室から前記排気機構の間に前記導入ガスを捕捉するトラップ機構を設けることを特徴とする電子顕微鏡。
15. 請求項１０記載の電子顕微鏡において、
    前記試料室に試料を導入する前に予め排気を行う予備排気室を有し、
    当該予備排気室に、ガスを導入するガス導入管が接続することを特徴とする電子顕微鏡。