JP6010707B2 - 低速電子線回折検出モジュール及び走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、ＬＥＥＤ (Low Energy Electron Diffraction:低速電子線回折)装置に関し、特にＬＥＥＤ(Low Energy Electron Diffraction:低速電子線回折)検出モジュールに関する。

ＬＥＥＤは、電子回折、つまり低速電子のド・ブロイ波のブラッグの回折による固体材料の表面構造（結晶構造）の解析に広く用いられてきた。ＬＥＥＤは、表面近傍の原子配列に非常に敏感であり、固体材料のずれ、不純物、及び汚濁の情報を提供する。ＬＥＥＤは表面科学において不可欠な装置である。非特許文献１を参照されたい。

しかしながら、非特許文献１に示されるように、従来のＬＥＥＤ装置は、その検出器に通常、直径５〜１０ｃｍを有し、球体形状の金属グリッドにより作られた電子エネルギーフィルタを用いる。したがって、ＬＥＥＤ装置のサイズは大きく、市販のＳＥＭ (Scanning Electron Microscopes（走査型電子顕微鏡）)の典型的な実装ポートにフィットしない。

さらに詳しくは、従来のＬＥＥＤにおいて、熱電子銃が、法線方向から試料表面に作用するプローブ電子線（一般的には直径０．１ｍｍ、１μＡ以下、数百ボルト）を生成するのに用いられる。非弾性後方散乱電子は、球体形状の金属スクリーン（通常、直径５〜１０ｃｍ）により作られたエネルギーフィルタリンググリッドによりはじかれる。弾性後方散乱電子（回折）は、燐光体スクリーンとＣＣＤカメラにより検出される。これは非常に大きなグリッドを用いるため、従来のＬＥＥＤはＳＥＭのチャンバーにフィットしない。また、グリッドは球体形状であるため、より細かい網目を作ることが容易ではない。ＬＥＥＤユニットが大きいと、ＳＴＥＭ検出器またはＸＲＤ検出器などの他の検出器の邪魔となる。

さらにブラッグの回折は試料表面上の原子配列により引き起こされるが、従来のＬＥＥＤは原子構造の画像生成には向かない。従来のＬＥＥＤは結晶構造からの平均化されたブラッグの回折を示すだけである。理由は、典型的なＬＥＥＤ装置のプローブ電子線のスポット径は約１００μｍとあまりに大きく、スポット両端の２つのポイント間の最も細かい干渉縞は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器の最も細かいピッチを超えており、回折像に隠れるからである。結果的に、回折像にホログラフィーまたは反復位相回復処理を用いて実際の画像を復元することは可能ではない。

原子構造の画像を得るため、試料上の電子線のスポット径を１０〜１００ｎｍ（例えば、１５０ｅＶの電子の１オングストロームのド・ブロイ波で２０００画素のＣＣＤを使うと、スポット径は１００ｎｍ以下となる）もの小ささにする必要がある。これを達成する１つの方法は、ＬＥＥＤ解析にＳＥＭの電子線を用いることである。ＳＥＭは、一般的に、この目的に適した高質の電子線を用いる。しかしながら、ＳＥＭの電子銃とその鏡筒は、非常に大きく、従来構成のＬＥＥＤのグリッド及び検出器の孔にフィットしない。

Zangwill, A., "Physics at Surfaces", Cambridge University Press (1988), p.33

従来構造、特にＬＥＥＤ装置の検出部分はあまりに大きく、市販のＳＥＭの典型的な実装ポートに挿入できない。ＳＥＭと同じチャンバー内でＬＥＥＤ解析を行うようにできれば、真空を壊すことなく試料の繊細な表面状態を解析する価値のあるツールを、科学者に提供できる。

したがって、本発明は、小型かつ効果的であって、適切に設計されたＳＥＭの実装ポートまたはフランジに挿入可能なＬＥＥＤ検出モジュールと、ＬＥＥＤ解析能力があるＳＥＭとを対象とする。

本発明の目的は、小型かつ効果的であって、適切に設計された、または標準のＳＥＭの実装ポートまたは軸方向のフランジに挿入可能なＬＥＥＤ検出モジュールを提供することである。

これらと他の利点を達成するため、本発明の目的に合わせ、実施例と広い記載のように、１つの側面において、本発明は、プローブ電子線を照射された試料からの回折電子を受けるための開口を一端に有する第１真空チャンバーと、前記第１真空チャンバーを通った前記回折電子を受けるように前記第１真空チャンバーと一端で接続され、前記回折電子の移動方向に対する垂直方向における寸法が前記第１真空チャンバーの対応する寸法より大きい第２真空チャンバーと、前記回折電子を検出するために、前記第１チャンバーが接続された前記第２真空チャンバーの前記一端とは反対の端部において前記第２真空チャンバー内に配置された２次元電子検出器と、前記第１真空チャンバーの内側の表面と前記第２真空チャンバーの内側の表面におおよそ沿って配置された導電性材料により作られ、前記試料からの前記回折電子を加速して集束させるために第１加速電圧が印加されるように構成された電位シールドと、前記２次元電子検出器に向かって前記第１真空チャンバーを通った前記回折電子の電子線を広げるように、前記第１真空チャンバーが前記第２真空チャンバーと接続された箇所に隣接して配置された磁気レンズと、前記試料に作用する前記プローブ電子線より低いエネルギーの電子をはじき、前記電位シールドに対してギャップを有するように配置され、前記磁気レンズにより広げられた前記回折電子の電子線を平行にするように第２加速電圧が印加されるように構成された略平坦面形状のエネルギーフィルタとを備える低速電子線回折（ＬＥＥＤ）検出モジュールを提供する。

他の側面において、本発明は、低速電子線回折（ＬＥＥＤ）検出機能を備える走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）であって、上記のＬＥＥＤ検出モジュールと、前記試料を保持するための試料台を収容し、前記ＬＥＥＤ検出モジュールが挿入される開放フランジを有するＳＥＭチャンバーと、ＳＥＭ解析に適した前記プローブ電子線を前記試料に向かって照射するＳＥＭ電子銃とを備え、前記試料の表面に対する前記プローブ電子線の入射角、及び前記ＬＥＥＤ検出モジュールの前記第１真空チャンバーの前記試料の前記表面に対する角度が等しくなるように、前記試料台は固定位置となるように回転自在である走査型電子顕微鏡を提供する。

本発明の１以上の側面によると、ＬＥＥＤ検出モジュールをＳＥＭの軸方向のフランジに取り付けできるようになる。このため、ＬＥＥＤモジュールは、収容可能であり、取り外し可能である。したがって、ＸＲＦ（X-ray fluorescence analysis：蛍光Ｘ線元素分析法）のように、含有物の検出のため、ＳＥＭ及び／または他の装置による試験中の試料にＬＥＥＤ解析を行うことができるようになる。ＳＥＭにおいて、プローブ電子線は典型的には直径数ｎｍのサイズであるため、ナノサイズの領域のＬＥＥＤ解析が可能となる。この装置は、ＳＥＭに挿入すると、表面科学、ナノテクノロジー、及び触媒の研究に非常に強力な計装技術を提供する。

本発明の追加または別の特徴及び利点は以下の記載に明記され、部分的には、その記載から明らかであり、または本発明の実施により教示される。本発明の目的及び他の利点は、添付の図面と同様にその記述及び特許請求の範囲において特に指摘された構成により実現かつ達成される。

上記の一般的記載及び以下の詳細な記載の両方は、典型的かつ説明上のものであり、特許請求の範囲の発明のさらなる説明を行うことを意図していることを理解されたい。

図１は本発明の実施例にかかるＬＥＥＤ検出モジュールの概略断面図である。 図２は図１のＬＥＥＤ検出モジュールを実装したＳＥＭの概略断面図であり、ここでは、ＬＥＥＤ検出モジュール１００は、反射された電子と回折された電子を検出するために３０度でＳＥＭのサービス開放フランジに挿入されている。 図３は図１のＬＥＥＤ検出モジュールを実装したＳＥＭの概略断面図であり、ここでは、ＬＥＥＤ検出モジュールは、ＬＥＥＤ検出モジュール及びＳＥＭの鏡筒が、透過された電子と回析された電子を検出するために直線上に配置されるように、試料背面のサービス開放フランジに挿入されている。

図１は本発明の実施例に係るＬＥＥＤ検出モジュール１００の概略断面図である。図１に示されるように、ＬＥＥＤモジュール１００は、ドリフト管１０２（第１の小型真空チャンバー）と、ドリフト管に接続された真空エンベロープ１０１（第２の大型真空チャンバー）とを有する。ドリフト管１０２と真空エンベロープ１０１は、それぞれ、略円筒形状を有し、その中の適切な真空レベルを維持するために適した高質スチールなどの材料で作られる。ＳＥＭ装置の電子銃から照射されたプローブ電子線１０８は、ＳＥＭチャンバーの試料台に載置された試料１０９により反射して散乱する。反射された電子と散乱された電子（回折された電子）はドリフト管１０２の開口へ向かう。ここで、対称配置とするため、試料１０９は、試料表面に対するプローブ電子線の入射角と、試料表面に対するドリフト管１０２の角度とが等しくなるように傾斜して描かれている。

電位シールド１０６は、図示されるように設けられ、加速電圧Ｖ１が印加される。電位シールド１０６は、金属のような適切な導電性材料により作られる。エネルギーフィルタ（スクリーングリッド）は、非弾性電子をはじくエネルギーフィルタとして動作するために真空エンベロープの端部に設けられる。本実施例において、エネルギーフィルタ１０３は、金属のような導電性材料でそれぞれ作られた３つのグリッドで構成されている。２つの外側のグリッドには加速電圧Ｖ２（１１１）が印加されている。中央のグリッドにはバイアス電圧Ｖｇ（１１２）が印加されている。磁気レンズ（集束レンズ）１０５は電子を集束し、電位シールド１０６及びエネルギーフィルタ１０３により生ずる電圧差の補助で真空エンベロープ１０１へと導く。磁気レンズ１０５は電源１２１により給電される。

図２は図１のＬＥＥＤ検出モジュールを実装したＳＥＭの概略断面図であり、ここでは、ＬＥＥＤ検出モジュール１００は、一例として、反射電子と回折電子を検出するために３０度に傾いたＳＥＭのサービス開放フランジに挿入されている。図２に示されるように、ＳＥＭ２００は、真空チャンバー２０４を有し、内部に電子銃２０１を有するＳＥＭ鏡筒２０２を備える。プローブ電子線（図２の２０３で描かれている）は試料１０９に向かい、散乱電子１２２を生成する。本例において、試料は、電子の入射角及び反射角が同じになるように傾斜している。現在の市販のＳＥＭのほとんどは、この３０度のサービスフランジを有する。

ＬＥＥＤパタンを観測するとき、電子線の走査の動作は停止し（ＳＥＭモードが停止され）、電子線のスポット位置は要求位置に固定される。このＬＥＥＤモードに先立って、試料表面はＳＥＭモードで調査できる。ＬＥＥＤ解析では、例えば、５０〜５００ｅＶでスポット径が１〜１００ｎｍの電子線が用いられる。

試料表面からの散乱電子は、ドリフト管１０２の開口に入り、正電位Ｖ１（１１０）が印加された（図１）電位シールド１０６により形成されたギャップ１０７において生成された静電加速場により加速される。例えば、開き角が全体で６０〜８０度の範囲内の散乱電子が加速される。静電加速に伴う集束効果があり、これは電子線をドリフト管の軸に向けて集束させる。必要であれば、追加の磁気集束レンズ（ヨーク付ソレノイドコイル）が、例えば、直径１０ｍｍのビームパイプに電子線を通すのを補助するために設けられる。

最後の磁気レンズ１０５は、２次元電子検出器の検出領域にビームサイズを合わせる電子線拡張器として動作する。２次元電子検出器としては、例えばＣＣＤ直接電子検出器、ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラの燐光体が用いられる。必要であれば、検出器の前面の電子数を増加して感度を向上するためにＭＣＰ（micro-channel plate：マイクロチャンネルプレート）が追加で設けられてもよい。そのような追加装置を用いることにより、プローブ電子線の電流が例えば１ｐＡまで減少することが見込まれる。一般的には、生体試料へのサンプルダメージを低減するために、低い電子線電流が重要である。

非弾性要素（試料に向かう入射電子線より低いエネルギーの電子）を除くため、本実施例では、初期の電子線エネルギーよりやや低い負バイアスを印加するために３つのスクリーングリッドから構成されるエネルギーフィルタ１０３を採用しており、それにより、低エネルギーの電子１１８がはじかれる。より詳しくは、図１に示されるように、電位シールド１０６の電圧Ｖ１より高い正電圧Ｖ２（１１１）が、第１及び第３グリッドと２次元電子検出器（本実施例では、TiO₂導電層を伴う、ガラス窓１１６上の燐光体コーティング１０４）とに印加される。この構成により、第２ギャップ１１７における静電加速のため、グリッドに到達する前の電子の軌跡が上記の軸に対して平行となる。これにより、残存する横断方向の電子速度に起因するエネルギーフィルタリング誤差が低減される。

例えば、電位シールド１０６にはＶ１＝＋２ｋＶが印加され、第１及び第３スクリーングリッド１０３と検出器（TiO₂導電層１０４を伴う燐光体コーティング）とにはＶ２＝＋４ｋＶが印加され、第２グリッドにはＶｇ＝−２９０Ｖが印加される（３００ｅＶの電子線の場合）。

本実施例では、図１及び図２に示されるように、ガラス窓１１６から光１１４を受けることにより２次元画像（電子の強度分布）をキャプチャしてＬＥＥＤ解析を行うため、燐光体によりコーティングされたガラス窓１１６の背面に、光学レンズ１１５を備えたＣＣＤカメラ１１３が用いられる。代わりに、大きな検出領域を有する他のＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器が用いられてもよい。

上述した構成によると、プローブ電子線１０８が十分に小さなスポットを有するので、数ｎｍ程度の小さな領域内の試料表面の研究が行われる。この特徴を従来のＳＥＭモード動作に組み合わせると、このＬＥＥＤ検出モジュールは、表面科学及び関連産業（半導体、太陽電池、リチウムイオン電池、生物学）に強力な手段を供給する。

さらに、上記で説明したＬＥＥＤ検出モジュール１００の少なくともいくつかの特徴により、ＬＥＥＤ検出モジュール１００は、コンパクトになり、多くのＳＥＭまたは類似の装置に見られる典型的または標準の開放フランジにフィットするように構成できる。これは、試料の入射電子線の衝突ポイントに近い静電加速ギャップ１０７を導入することにより可能となる。この構成により、回折された電子は加速され、同時に、ギャップ１０７における電気的な加速に伴う静電集束動作により集束される。このため、ドリフト管１０２は、小さいサイズ／小さい径となるように構成できる。

そして、小さい直径のドリフト管１０２に沿って移動した回折電子は、外部のチャンバーに移動する。集束磁気レンズ１０５を用いて、回折電子線１２０は強く集束され、エネルギーフィルタ１０３と検出器（燐光体１１６がついたガラス窓）にサイズが合うように拡げられる。電位シールド１０６の端部とスクリーングリッド１０３の間の第２加速ギャップ１１７によって、電子は加速し、同時に平行にされる。加速電圧Ｖ１及びＶ２とプローブ電子線１０８の初期電圧Ｖｂを正しく決定することにより、回折電子の軌跡を平行とすることができ、ゆえに実質的に平坦面形状のスクリーングリッド１０３を用いることができる。

平坦なスクリーングリッドの製造は、従来のＬＥＥＤ装置に用いられる凹面グリッドよりはるかに容易である。細かいピッチの金属スクリーングリッド１０３の製造には、ＬＩＧＡ（Lithographie（フォトリソグラフィ）, Galvanoformung（電解めっき）, Abformung（形成）:リソグラフィ、電気めっき、モールディング）プロセスを用いることができる。例えば、１０μｍより薄い細かいリブを有する５０μｍピッチのハニカムグリッドは、５０μｍの厚さの金属シートを用いて製造できる。そのような細かいグリッドを用いることにより、高解像度の画像化が可能となる。

図３は図１のＬＥＥＤ検出モジュールを実装したＳＥＭの概略断面図であり、ここでは、ＬＥＥＤ検出モジュールは、ＬＥＥＤ検出モジュール及びＳＥＭの鏡筒が、透過電子と回析電子（散乱電子１２３）を検出するために直線上に配置されるように、試料背面のサービス開放フランジに挿入されている。この配置により、ＴＥＭ（transmission electron microscope：透過型電子顕微鏡）と同じ方法で回折が検出できる。本発明のこの典型的構成の独自性は、ＴＥＭ解析を従来のＴＥＭが動かない非常に低いエネルギー、例えば１００ｅＶで行えることである。今日、グラフェンやＧＯ（graphene oxide：酸化グラフェン）やＢＮ（boron nitride：窒化ボロン）などの極めて薄い膜の試料が利用できる。透過型の低速電子線回折の研究は重要になってきている。

当業者であれば、本発明の要旨または範囲を逸脱しない程度において本発明の種々の変形及びバリエーションを実施可能であることは明らかである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその同等の内容の範囲の変形とバリエーションをカバーする。特に、２以上の実施例の何れの部分または全体と上述した変形が、結合されて本発明の範囲内とみなされるのは明らかである。

１００ ＬＥＥＤ検出モジュール
１０１ 真空エンベロープ
１０２ ドリフト管
１０３ エネルギーフィルタ（スクリーングリッド）
１０４ TiO₂ 導電層付きの燐光体コーティング
１０５ 磁気レンズ（集束レンズ）
１０６ 電位シールド
１０７ 第１静電加速ギャップ
１０８ プローブ電子線
１０９ 試料
１１０ 加速電圧Ｖ１
１１１ 加速電圧Ｖ２
１１２ エネルギーフィルタバイアス
１１３ ＣＣＤカメラ
１１４ 光
１１５ 光学レンズ
１１６ 燐光体付きガラス窓
１１７ 第２加速ギャップ
１１８ 低速電子
１２０ 電子
１２１ 磁気レンズの電源
１２２ 散乱電子
１２３ 散乱電子
２００ 走査型電子顕微鏡
２０１ 電子銃
２０２ ＳＥＭ鏡筒
２０３ 電子線
２０４ 真空チャンバー

Claims (12)

1. プローブ電子線を照射された試料からの回折電子を受けるための開口を一端に有する第１真空チャンバーと、
   前記第１真空チャンバーを通った前記回折電子を受けるように前記第１真空チャンバーと一端で接続され、前記回折電子の移動方向に対する垂直方向における寸法が前記第１真空チャンバーの対応する寸法より大きい第２真空チャンバーと、
   前記回折電子を検出するために、前記第１真空チャンバーが接続された前記第２真空チャンバーの前記一端とは反対の端部において前記第２真空チャンバー内に配置された２次元電子検出器と、
   前記第１真空チャンバーの内側の表面と前記第２真空チャンバーの内側の表面におおよそ沿って配置された導電性材料により作られ、前記試料からの前記回折電子を加速して集束させるために第１加速電圧が印加されるように構成された電位シールドと、
   前記２次元電子検出器に向かって前記第１真空チャンバーを通った前記回折電子の電子線を広げるように、前記第１真空チャンバーが前記第２真空チャンバーと接続された箇所に隣接して配置された磁気レンズと、
   前記試料に作用する前記プローブ電子線より低いエネルギーの電子をはじき、前記電位シールドに対してギャップを有するように配置され、前記磁気レンズにより広げられた前記回折電子の電子線を平行にするように第２加速電圧が印加されるように構成された略平坦面形状のエネルギーフィルタと、を備える低速電子線回折（ＬＥＥＤ）検出モジュール。
2. 前記エネルギーフィルタは、互いに平行で前記回折電子の移動方向に対して垂直に配置された複数のスクリーングリッドを備える請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
3. 前記２次元電子検出器は、燐光体でコーティングされたガラス窓と、導電層とを備える請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
4. 前記エネルギーフィルタは、互いに平行で前記回折電子の移動方向に対して垂直に配置された３つのスクリーングリッドを備え、
   前記３つのスクリーングリッドのうち、前記第１真空チャンバーに最も近い第１グリッド及び前記第１真空チャンバーから最も遠い第３グリッドは、前記第２加速電圧が印加されるように構成され、中央グリッドは、バイアス電圧が印加されるように構成されている請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
5. 前記２次元電子検出器は、前記回折電子と反応する燐光体でコーティングされたガラス窓と、導電層とを備え、
   前記導電層は、前記第２加速電圧が印加されるように構成されている請求項４に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
6. 前記回折電子を受ける前記ガラス窓にコーティングされた前記燐光体により生成された画像をキャプチャするカメラをさらに備える請求項５に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
7. 前記カメラはＣＣＤカメラである請求項６に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
8. 前記２次元電子検出器は、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ、及びＣＣＤ電子直接検出器の１つを含む請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
9. 前記第１真空チャンバー内を移動する前記回折電子の電子線を集束し、または平行にするように、前記第１真空チャンバー内に追加の磁気レンズをさらに備える請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
10. 前記第１及び第２真空チャンバーはともに略円筒形状を有し、前記第２真空チャンバーの直径は前記第１真空チャンバーの直径より大きい請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
11. 感度を向上させるように、前記２次元電子検出器の前方にマイクロチャンネルプレートをさらに備える請求項１に記載されたＬＥＥＤ検出モジュール。
12. 低速電子線回折（ＬＥＥＤ）検出機能を備える走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）であって、
    請求項１の前記ＬＥＥＤ検出モジュールと、
    前記試料を保持するための試料台を収容し、請求項１の前記ＬＥＥＤ検出モジュールが挿入される開放フランジを有するＳＥＭチャンバーと、
    ＳＥＭ解析に適した前記プローブ電子線を前記試料に向かって照射するＳＥＭ電子銃とを備え、
    前記試料の表面に対する前記プローブ電子線の入射角、及び前記ＬＥＥＤ検出モジュールの前記第１真空チャンバーの前記試料の前記表面に対する角度が等しくなるように、前記試料台は固定位置となるように回転自在である走査型電子顕微鏡。

Images