JP7430908B2 - 水素透過検出のための試料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
なお、上記試料によって検出される水素原子は、該導電性薄膜に至るまでの透過経路の履歴を情報として記憶していることから、導電性薄膜がこれらの材料から構成されることにより、水素原子が導電性薄膜を透過する際に、これらの履歴情報が消されることはなく、チャージアップの影響のみを排除することが可能である。
好ましくは、導電性薄膜は、真空蒸着法又は電子ビーム蒸着法により形成される。あるいは、導電性薄膜は、前記試料の表面を損傷しない程度にスパッタリング法により形成されてもよい。
図1は、本発明による水素透過検出のための試料40(以下、試料という)の一実施形態の構成を示している。図1に示すように、試料40は、試料本体41と、試料本体41の表面領域に局所的に配設された酸化物等による絶縁領域、例えば絶縁領域42及び43と、試料40の絶縁領域42及び43を含む表面全体に亘って配設された水素透過性を備えた導電性薄膜44と、を備えている。
試料本体41は、表面領域に局所的に配設された絶縁領域42(43)を備えているが、絶縁領域の数は一つでもよく、数量に制限はない。また、異なる絶縁領域42及び43の厚さは同じでも異なっていてもよい。導電性薄膜44は、試料本体41の表面領域に局所的に配設された酸化物によるチャージアップを防止するために設けた層である。
試料本体41は、例えば鉄鋼,ステンレス鋼、Si基板等の材料から構成されており、板状の偏平な形状を有している。試料本体41の厚さは、例えば100μm~1000μm程度であり、多結晶又は単結晶でもよい。試料本体41の寸法は任意であるが、直径が例えば5mm~20mm程度としてもよい。試料本体41が多結晶の場合には、結晶粒が点欠陥よりも大きい粒径、例えば300μm~1000μm程度でもよい。逆に、試料本体41は、極端に小さく均一な寸法の微結晶で水素透過のない緻密な多結晶でもよい。
試料40は、図9に示した試料117とほぼ同様の構成であるが、後述するように導電性薄膜44の構成が異なっている。
図2は本発明の実施形態における水素ガス透過拡散経路観測装置10の構成を模式的に示す図であり、図3は分析室11内の水素イオン検出部20の構造と試料ホルダー12の装着構造等を示す部分拡大図である。図2に示すように、水素ガス透過拡散経路観測装置10は、走査型電子顕微鏡15を備え、この走査型電子顕微鏡15の分析室11内では、試料ホルダー12に上部に配設された試料40に電子線を照射する電子源16を備えている。さらに、分析室11には、分析室11で試料40に照射された電子線16aにより生じる二次電子を検出する二次電子検出器51と、電子源16から照射された電子線16aにより生じる水素イオンを検出する水素イオン検出部20と、試料40の裏面側に接続される水素配管14に水素を供給するガス供給部19と、制御部50と、を備えている。
ここで、ESDは、材料から湧出して表面に滞在している水素原子に照射された電子が当たったとき、水素原子の中の電子が励起状態となり、あるいは剥ぎ取られて、水素原子がイオン化することにより表面に結合した状態から反結合状態になって脱離する現象で、ESD像はこの脱離した水素イオンを撮像して得られる。そして、制御部50により試料40のSEM像とESD像とを同期させることによって、検出した水素イオンの位置情報を得て、試料40の点欠陥の位置を検出することができる。
図4は制御部50のブロック図であり、図5は電子衝撃脱離全体制御部52の構成を示すブロック図であり、図6は電子源16の走査と、ESD像の二次元計測との関係を示す模式図である。図4に示すように、制御部50は、走査型電子顕微鏡15を制御する電子顕微鏡全体制御部51と、ESD像の取得をする電子衝撃脱離全体制御部52と、を含んで構成されている。制御部50は、電子顕微鏡全体制御部51の他には、試料40の走査型電子顕微鏡像(SEM像)取得するための二次電子検出部53と、電子光学系制御部54と、SEM用の画像演算部55と、高電圧安定化電源56と、入力装置57と、ディスプレイ58と、記憶装置59等から構成されている。電子顕微鏡全体制御部51は、二次電子検出部53と電子光学系制御部54とSEM用の画像演算部55と高電圧安定化電源56と記憶装置59とを制御するように構成されている。走査型電子顕微鏡15の分析室11内に配設される二次電子検出器18の出力は、二次電子検出部53に入力される。
図5に示すように、ESD像の取得を制御する電子衝撃脱離全体制御部52は、二次元のマルチチャンネルスケーラー60と、パルス係数部61と、同期制御部62と、測定信号の二次元平面への並べ替え部63と、マイクロプロセッサ72等から構成されている。分析室11内に配設される水素イオン検出部20の出力は、電子衝撃脱離イオン検出部67を介してその出力67aがパルス計数部61に入力される。電子衝撃脱離全体制御部52には電子光学系制御部54から走査信号が入力され、SEM像と同期して制御される。さらに、電子衝撃脱離全体制御部52には、ディスプレイ65と記憶装置66が接続されている。
図6に示すように、電子源16から発生した電子線16aは、第一の偏向コイル16bと第二の偏向コイル16cを通過することにより、水平方向と垂直方向に走査されて試料40に二次元に照射される。
図7は走査による二次元のESD像を計測するフロー図である。図7に示すように、二次元のESD像の取得は、以下のステップで行なうことができる。
ステップ1:試料40の表面から脱離した水素イオンが、イオン検出器23で検出される。
ステップ2:イオン検出器23で検出した水素イオンの定量計測を、パルス計数部61で行なう。
ステップ3:図6に示した垂直走査用のクロック信号及び水平走査用のクロック信号を生成する同期制御部62により、試料40の二次元の各測定点の水素イオンのカウントを行なう。
ステップ4:ステップ3で測定した試料40の二次元の各測定点の水素イオンのカウント数を記憶装置66のメモリーに保存する。
ステップ5:垂直走査用のクロック信号及び水平走査用のクロック信号を元に記憶装置66のメモリーに保存されたイオン信号を二次元画像(ESD像)として並べ替える。
ステップ6:ステップ5で取得したESD像をディスプレイ65に表示し、画像及び数値データとして記憶装置66に保存する。
これにより、SEM像と同じ領域のESD像が取得される。
なお、試料40の表面に配設される導電性薄膜44の膜厚が走査型電子顕微鏡15の空間分解能と同程度の膜厚であることから、導電性薄膜44の存在によって、水素放出位置の空間分解能が低下するようなことはない。これにより、記憶装置59に保存された試料40のSEM像と記憶装置66に保存された試料40のESD像を同じ位置分解能で比較することにより、SEM像から試料表面側の点欠陥とESD像から水素イオンの放出位置に関する構造情報を取得することができる。さらに、ESD像から取得した水素イオンの放出位置に関する構造情報とSEM像で取得した点欠陥により、試料40の点欠陥の位置を特定することができる。
11 分析室
12 試料ホルダー
12a 中空部
14 水素配管
15 走査型電子顕微鏡
16 電子源
18 二次電子検出部
19 ガス供給部
20 水素イオン検出部
21 収集機構
22 イオンエネルギー分解部
23 イオン検出器
40 水素透過検出のための試料
41 試料本体
42,43 絶縁領域
44 水素透過性を備えた導電性薄膜
46 水素
50 制御部
51 電子顕微鏡全体制御部
52 電子衝撃脱離全体制御部
53 二次電子検出部
54 電子光学系制御部
55 SEM用の画像演算部
56 高電圧安定化電源
57 入力装置
58 ディスプレイ
59 記憶装置
60 二次元のマルチチャンネルスケーラー
61 パルス計数部
61a 水素イオンのカウント数信号
62 同期制御部
62a 垂直走査信号
62b 水平走査信号
62c 走査位置に関する情報
62d,62e デジタルアナログ変換器
63 測定信号の二次元平面への並べ替え部
64 ESD用の画像演算部
65 ディスプレイ
66 記憶装置
67 電子衝撃脱離イオン検出部
72 マイクロプロセッサ
72a,72b 入出力インターフェース
Claims (8)
- 板状の試料の背面から透過した水素原子あるいは当該試料の材料内部から湧出した水素原子を、走査型電子顕微鏡の走査電子により電子遷移誘起で励起させて水素イオンを脱離させ、該脱離した水素イオンのESD像を、前記走査型電子顕微鏡の電子線の走査に同期して取得する、水素透過検出のための試料であって、 表面領域に局所的に形成された絶縁領域が存在する試料本体と、 前記試料本体の絶縁領域を含む表面全体に亘って配設された水素透過性を備える導電性薄膜と、を備え、 前記導電性薄膜が、前記試料の表面との間で相互拡散を生じない材料から構成されている、水素透過検出のための試料。
- 前記導電性薄膜が、パラジウム,バナジウム,ニオブ,タンタル,チタン,銀又はこれらの合金の何れかから構成されている、請求項1に記載の水素透過検出のための試料。
- 前記試料本体は、鉄鋼、ステンレス鋼及びSi基板の何れかの材料からなる、請求項1又は2に記載の水素透過検出のための試料。
- 前記導電性薄膜が、均一の膜厚を有している、請求項1から3の何れかに記載の水素透過検出のための試料。
- 前記導電性薄膜が、走査型電子顕微鏡の空間分解能と同程度以下の膜厚を有している、請求項1から4の何れかに記載の水素透過検出のための試料。
- 前記試料表面上に、蒸着により前記導電性薄膜を形成する、請求項1から5の何れかに記載の水素透過検出のための試料の製造方法。
- 前記導電性薄膜が、真空蒸着法又は電子ビーム蒸着法により形成される、請求項6に記載の水素透過検出のための試料の製造方法。
- 前記導電性薄膜が、前記試料の表面を損傷しない程度にスパッタリング法により形成される、請求項6に記載の水素透過検出のための試料の製造方法。
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