JPH11167891A - 走査電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 試料を外部に取り出すことなく試料表面を連
続的に変化させることができると共に，その表面状態を
連続的に観察することができ，かつ試料の位置ズレを生
ずることなく，表面状態を三次元観察することができる
走査電子顕微鏡装置を提供すること。 【解決手段】 観察しようとする試料を載置する試料台
１を設けた試料室１０と，上記試料に向けて入射電子を
あてる電子銃３と，上記試料７の表面状態を検出する二
次及び反射電子検出器４１，４２と，電子検出器からの
信号により試料７の表面状態を画像表示する画像表示装
置４３とを有する。また，プラズマ化したガスを上記試
料７に照射する照射ノズル２１と，試料室１０内の排ガ
スを排出する排気管５１とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は，試料の表面状態を連続的に変化
させると共にその表面を観察でき，表面状態を三次元観
察することができる走査電子顕微鏡装置に関する。

【０００２】

【従来技術】走査電子顕微鏡装置は，電子銃を用いて，
試料に入射電子をあてて，試料から放出される二次電子
を検出することにより，試料の表面状態を観察する装置
である。そして，従来走査電子顕微鏡装置で試料を三次
元的に観察するためには，まず試料をスライスして，観
察しようとする新しい表面状態を作り出し，この試料を
走査電子顕微鏡装置の試料室に入れる。

【０００３】次いで，試料の表面に，電子銃から出た入
射電子をあてて，試料から放出される二次電子を二次電
子検出器により検出する。そして，二次電子検出器から
の信号により試料の表面状態を画像表示装置（以下，Ｃ
ＲＴとも言う）に表示する。

【０００４】上記のように試料における新しい表面状態
を作り出す方法としては，例えばＴＥＭ（ｔｒａｎｓｍ
ｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐ
ｅ；透過電子顕微鏡）観察試料の作製に使用するウルト
ラミクロトームを利用して，試料をスライスして，走査
型電子顕微鏡で観察する方法がある。

【０００５】

【解決しようとする課題】しかしながら，かかるスライ
ス法では，試料の表面に存在するバインダーのごとく，
非常に薄い層（数μｍ〜数十μｍ）を観察することは困
難である。何故ならば，このようなスライス法では，上
記走査型電子顕微鏡で観察の後，更にその内部の表面状
態を見ようとして，走査電子顕微鏡装置から試料を一旦
取り出して試料の表面をスライスする場合に，少なくと
も数μｍの厚みがスライスにより除去されてしまう。そ
のため，表面から内部に向かって変化している表面状態
を連続的に観察することができない。

【０００６】そこで，上記スライス法ではなく，試料に
プラズマ化した酸素ガスを照射して，試料の表面を僅か
づつ除去して，その都度，走査電子顕微鏡装置で観察す
るプラズマエッチング法がある。しかしながら，この場
合には，試料の同じ場所を常に走査型電子顕微鏡で観察
することが困難である。

【０００７】何故ならば，プラズマエッチングにより，
上記のごとく表面が除去されるとその表面形状が変化す
る。そのため，次回に，試料を走査電子顕微鏡装置の試
料台に載置する場合，前回に試料を載置した場所と同じ
位置が何処であるかが不明確となる。つまり，プラズマ
エッチング毎に，試料を走査電子顕微鏡装置に出し入れ
する度に，試料の位置が変化する場合がある。

【０００８】そのため，試料の観察部分に位置ズレが発
生し，仮に同じ位置に試料を載置したとしても，観察倍
率が１０，０００倍の場合で数百μｍの位置ズレが発生
してしまう。そのため，表面状態を遂次変化させて，三
次元的に試料表面を観察すること，またその後三次元顕
微鏡像を構築することは困難である。

【０００９】本発明は，かかる従来の問題点に鑑み，試
料を外部に取り出すことなく試料表面を連続的に変化さ
せることができると共に，その表面状態を連続的に観察
することができ，かつ試料の位置ズレを生ずることな
く，表面状態を三次元観察することができる走査電子顕
微鏡装置を提供しようとするものである。

【００１０】

【課題の解決手段】本発明は，観察しようとする試料を
載置する試料台を設けた試料室と，上記試料に向けて入
射電子をあてる電子銃と，上記試料の表面状態を検出す
る二次及び反射電子検出器と，該電子検出器からの信号
により試料の表面状態を画像表示する画像表示装置とを
有する走査電子顕微鏡装置において，プラズマ化したガ
スを上記試料に照射する照射ノズルと，試料室内の排ガ
スを排出する排気管とを設けたことを特徴とする走査電
子顕微鏡装置にある。

【００１１】本発明において最も注目すべき点は，上記
試料室内の試料にプラズマ化したガスを効果的に照射す
る照射ノズル，及び上記排気管を配設したことにある。
上記照射ノズルは，試料の表面をプラズマエッチングす
るためにプラズマ化したガスを照射するためのものであ
る。また，上記排気管は，試料室内の排ガス，即ち上記
プラズマエッチングの際にプラズマ化したガスと試料の
表面の物質とが反応して生成した反応ガス及び未反応の
上記ガスを排出するためのものである。上記排気管は，
例えば排気ポンプに接続し，試料室内の圧力を調整可能
とすることもできる。ここで，プラズマ化したガスと
は，試料と反応することができるプラズマ化したガスを
いい，例えば酸素ガス，フッ素ガス等のプラズマを示
す。これらのうち，プラズマ化した酸素ガスは，酸化活
性が高いため好ましい。

【００１２】次に，本発明の作用効果につき説明する。
即ち，試料を観察するに当たっては，まず走査電子顕微
鏡装置内の試料台上に試料を載置する。次いで，試料に
向けて電子銃より入射電子をあてて，試料から出て来る
二次電子を二次電子検出器によりキャッチする。次い
で，該二次電子検出器からの信号により，試料の表面状
態を画像表示装置に表示し，観察する。このとき，必要
に応じて，画像処理装置に顕微鏡像を記録する。

【００１３】次に，上記観察を終えた試料は，そのまま
にしておき，該試料に対してプラズマ化した酸素ガスを
照射ノズルより照射して試料の表面をプラズマエッチン
グする。また，上記プラズマ化したガスを照射している
間，上記反応ガス及び反応しなかったガスからなるガス
を排気管より排出する。これにより，新しい表面状態が
露出される。

【００１４】そこで，この新しい表面状態の表面に対し
て，再び上記のごとく，入射電子をあてて，二次電子検
出器により表面状態を観察する。このように，本発明に
よれば，試料を走査電子顕微鏡装置の試料室内に配置し
たまま，上記プラズマエッチングを行ない，再び新しい
表面状態を観察することができる。そのため，このプラ
ズマエッチングと表面状態観察とを交互に連続的に行な
うことができる。また，そのため，上記従来例のごと
く，試料の位置ズレもない。それ故，表面状態の変化状
態を連続的に三次元で把えることができ，入力した顕微
鏡像を構築することにより，三次元観察をすることがで
きる。

【００１５】また，本発明において，上記画像表示装置
（ＣＲＴ）には，顕微鏡像を三次元構築できる画像処理
装置を接続することが好ましい。また，本装置における
試料室，顕微鏡筒及びプラズマ発生器はそれぞれ圧力調
整可能に設ける。

【００１６】また，試料を載置する試料台の周囲に箱状
のシールドを設け，該シールド内の試料にプラズマ化し
たガスを照射するよう構成すると共に，該シールドに排
気管を接続する構成とすることが好ましい（図２，図
３）。この場合には，上記シールドは，照射したプラズ
マガスが試料を包み込む状態を形成する。また，反応ガ
ス及び残余のガスからなるガスは，上記シールド内から
排気管を通じて直ちに排出できる。

【００１７】そのため，効率的に試料のプラズマエッチ
ングを行なうことができる。また，上記シールドの一部
に電気的に磁場をかけると，電子とイオンとが区別され
中性ラジカルを試料周辺に存在させることができ，電子
等の衝突による物理的な除去がさけられ，ラジカル活性
種のみのエッチングができるという効果が得られる。

【００１８】また，上記試料台は，回転可能とすると共
に複数の試料載置部を有することが好ましい（図４）。
この場合には，試料載置部にある一方の試料に対してプ
ラズマエッチングを施しつつ他方の既にプラズマエッチ
ングを施した試料に対して入射電子をあててその表面観
察を行なうことができる。

【００１９】そのため，上記プラズマエッチング及び観
察がそれぞれ終了した後，試料台を回転させて，プラズ
マエッチングにより露出された別の試料の新しい表面状
態を，直ちに連続的に観察することができる。また，他
の試料のプラズマエッチングを併行して行なうことがで
きる。それ故，異なる試料について，連続的にプラズマ
エッチングと観察を効率的に行なうことができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施形態例１ 本発明の実施形態例にかかる走査電子顕微鏡装置につ
き，図１を用いて説明する。本例の走査電子顕微鏡装置
は，図１に示すごとく，観察しようとする試料７を載置
する試料台１を設けた試料室１０と，上記試料７に向け
て入射電子をあてる電子銃３と，上記試料７の表面状態
を検出する二次及び照射電子検出器４１，４２と，該電
子検出器４１，４２からの信号により試料７の表面状態
を画像表示する画像表示装置（ＣＲＴ）４３と入力した
顕微鏡像を三次元像に構築する画像処理装置４５とを有
する。また，プラズマ化したガスを上記試料７に照射す
る照射ノズル２１と，試料室１０内の排ガスを排出する
排気管５１とを有する。

【００２１】上記照射ノズル２１は，試料７の表面をプ
ラズマエッチングするためにプラズマ化したガスを照射
するためのものである。また，上記排気管５１は，試料
室１０内の排ガス，即ち上記プラズマエッチングの際に
プラズマ化したガスと試料の表面の物質とが反応して生
成した反応ガス，及び未反応の上記ガスを排出するため
のものである。上記排気管５１は排気ポンプ５に接続す
る。

【００２２】上記照射ノズル２１は，試料７に向けてプ
ラズマ化したガスを照射する照射口２２を有する。照射
口にはオリフィス等を設け，プラズマ発生器自体で圧力
調整が可能とする。また，照射ノズル２１はプラズマ発
生器２に接続されている。該プラズマ発生器２には，ガ
ス供給パイプ２５，真空ポンプ２６，リーク弁２７が接
続されている。また，排気ポンプには，リーク弁５３が
接続されている。なお，符号２８，５２はバルブであ
る。

【００２３】また，電子検出器は，反射電子（後方散乱
電子）を捕らえ，電気信号に変えるための反射電子検出
器４１と，二次電子を捕らえ，電気信号に変えるための
二次電子検出器４２とよりなる。これらは，ＣＲＴ（ｃ
ａｔｈｏｄｅ ｒａｙｔｕｂｅｌ）４３を介して画像処
理装置４５に接続されている。また，プラズマ発生器２
は高周波発信部４７を介して，制御部４６に接続されて
いる。また，ＣＲＴ４３は上記制御部４６に接続されて
いる。また，電子銃３は，フィラメント３１と鏡筒３５
と試料室１０の間にオリフィス３２とを有する。

【００２４】次に，本発明の作用効果につき説明する。
即ち，試料７を観察するに当たっては，走査電子顕微鏡
装置内の試料台１上に試料７を載置する。次いで，試料
７に向けて電子銃３より入射電子をあてて，試料７から
出て来る反射電子を反射電子検出器４１に，二次電子を
二次電子検出器４１により検出する。次いで，二次又は
反射電子検出器４１，４２からの信号により，試料７の
表面状態をＣＲＴ４３を介して観察する。このとき，必
要に応じて，画像処理装置に顕微鏡を記録する。

【００２５】次に，上記観察を終えた試料７は，そのま
まにしておき，該試料７に対してプラズマ化したガスを
照射ノズル２１の照射口２２より照射して試料７の表面
をプラズマエッチングする。また，上記プラズマ化した
ガスを照射している間，上記反応ガス及びガスからなる
排ガスを排気管５１，ポンプ５により排出する。これに
より，新しい表面状態が露出される。

【００２６】そこで，この新しい表面状態の表面に対し
て，再び上記のごとく，入射電子をあてて，二次電子検
出器により表面状態を観察する。

【００２７】このように，本例によれば，試料７を走査
電子顕微鏡装置の試料室１０内に配置したまま，上記プ
ラズマエッチングを行ない，再び新しい表面状態を観察
することができる。そのため，このプラズマエッチング
と表面状態観察とを交互に連続的に行なうことができ
る。また，そのため，上記従来例のごとく，試料７の位
置ズレもない。それ故，表面状態の変化状態を三次元で
把えることができ，画像処理装置により三次元像の構築
をすることができる。

【００２８】実施形態例２ 本例は，図２及び図３に示すごとく，試料台１の周囲に
シールド６を設け，該シールド６内の試料台１に対して
プラズマ化したガスの照射ノズル２１を進退可能に配設
した例を示す。即ち，上記シールド６は，上部を開放し
た函体であり，その中に試料台１を有している。また，
シールド６の下部には，排気管５１を接続してある。

【００２９】また，上記試料台１の上部には，照射ノズ
ル２１が，図の左右方向に移動可能に配設してある。照
射ノズル２１は，渦巻き形状を呈し（図３），その下面
に照射口２２を有している（図２）。このため，プラズ
マ化したガスが効果的に試料の方向のみに照射される。
一方，反射電子検出器４１は，試料台１の上方に，二次
電子検出器４２は試料台１の上方に配設してある。

【００３０】本例の走査電子顕微鏡装置を用いて，観察
するに当たっては，まず上記照射ノズル２１を試料台１
上の上部に位置させ，プラズマ供給装置２よりプラズマ
化したガスを試料７に照射する。これと併行してシール
ド６に連結した排気管５１を介して，ガスを排出する。

【００３１】そして，上記プラズマ化したガスによって
試料の表面をプラズマエッチングした後は，観察上必要
なら上記照射ノズル２１を図２の左方に後退させる。次
いで，電子銃３より試料７に対して入射電子をあてて，
試料の表面状態を検出する。その他は，実施形態例１と
同様である。

【００３２】また，本例においては，上記シールド６
は，照射したプラズマガスが試料７を包み込む状態を形
成する。また，反応ガス及び残余のガスからなるガス
は，上記シールド内から排気管５１を通じて直ちに排出
できる。そのため，効率的に試料のプラズマエッチング
を行なうことができる。また，上記シールドの一部に電
気的に磁場をかけると，電子とイオンが除去され中性ラ
ジカルを試料周辺に存在させることができ，電子等の衝
突による物理的な除去がさけられ，ラジカル活性種のみ
のエッチングができるという効果が得られる。その他，
実施形態例１と同様の作用効果を得ることができる。

【００３３】実施形態例３ 本例は，図４に示すごとく，試料台１を回転可能とする
と共に，試料台１上に４個の試料載置部１１〜１４を設
けた例である。試料台１は回転軸１５を介して，回転駆
動機（図示略）に接続する。その他は，実施形態例１と
同様である。本例によれば，試料載置部１１〜１４にあ
る一方の試料に対してプラズマエッチングを施しつつ他
方の既にプラズマエッチングを施した試料に対して入射
電子をあててその表面観察を行なうことができる。

【００３４】そのため，上記プラズマエッチング及び観
察がそれぞれ終了した後，試料台１を回転させて，プラ
ズマエッチングにより露出された別の試料の新しい表面
状態を，直ちに連続的に観察することができる。また，
他の試料のプラズマエッチングを併行して行なうことが
できる。それ故，異なる試料について，連続的にプラズ
マエッチングと観察を効率的に行なうことができる。そ
の他，実施形態例１と同様の作用効果を得ることができ
る。

【００３５】実施形態例４ 次に，プラズマ化された酸素ガスを用いてプラズマエッ
チングを行ない，その後直ちに表面状態を観察するとい
う連続的観察を行なった具体例につき示す。本例におい
ては，上記実施形態例２に示した走査電子顕微鏡装置を
用いた。

【００３６】試料は，リチウムイオン二次電池用の負極
材料であり，このものは無機物であるカーボン基材を，
有機物であるフッ素樹脂のバインダーで接着されたもの
である。そして，上記試料に対して高周波出力１２０
Ｗ，酸素流量４０ｍｌ／ｍｉｎの条件でプラズマ化され
た酸素ガスを，圧力１０^-2Ｔｏｒｒの条件下で照射し，
プラズマエッチングし，その都度その表面状態を観察し
た。

【００３７】その観察時の二次電子像写真を，図５の
（Ａ）〜（Ｃ）に示した。同図において，図５（Ａ）は
プラズマエッチング前の，同図（Ｂ）はプラズマエッチ
ング２．５分後の，同図（Ｃ）はプラズマエッチング５
分後の表面状態を示している。同図（Ｂ）より，プラズ
マエッチングによりバインダーの厚みの５０〜７０％が
除去された状態を，また同図（Ｃ）よりバインダが完全
に除去されたカーボンのみの表面状態を，連続的に観察
することができる。

【００３８】実施形態例５ 本例は，試料としてのポリマーアロイの表面を，プラズ
マ化した酸素ガスによりプラズマエッチングしたときの
表面状態を連続的に観察した例を示す。上記ポリマーア
ロイは，フッ素系樹脂とポリアミド樹脂（ナイロン）と
よりなる。

【００３９】そして，上記試料に対して高周波出力１２
０Ｗ，酸素流量４０ｍｌ／ｍｉｎの条件でプラズマ化さ
れた酸素ガスを，圧力１０^-2Ｔｏｒｒの条件下で照射
し，プラズマエッチングし，その都度その表面状態を観
察した。その観察時の二次電子像写真を，図６の（Ａ）
〜（Ｃ）に示した。同図において，図６（Ａ）は，プラ
ズマエッチング前の，同図（Ｂ）はプラズマエッチング
１分後の，同図（Ｃ）は，プラズマエッチング１０分後
の表面状態を示している。その他は，実施形態例４と同
様である。

【００４０】上記ポリマーアロイにおけるプラズマエッ
チングの速度は，ポリアミド樹脂の方がフッ素系樹脂よ
りも大きい。そのため，同図（Ｂ），（Ｃ）を見ると，
ポリアミド樹脂が優先的に除去されていく様子を知るこ
とができる。

【００４１】

【発明の効果】本発明によれば，試料を外部に取り出す
ことなく試料表面を連続的に変化させることができると
共に，その表面状態を連続的に観察することができ，か
つ試料の位置ズレを生ずることなく，表面状態を三次元
観察することができる走査電子顕微鏡装置を提供するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施形態例１における，走査電子顕微鏡装置の
説明図。

【図２】実施形態例２における，照射ノズルの配置を示
す説明図。

【図３】実施形態例２における，照射ノズルと二次及び
反射電子検出器との配置を示す説明図。

【図４】実施形態例３における，試料台の説明図。

【図５】実施形態例４における，プラズマエッチングの
各段階を示す，図面代用二次電子像写真（倍率１０，０
００倍）。

【図６】実施形態例５における，プラズマエッチングの
各段階を示す，図面代用二次電子像写真（倍率１０，０
００倍）。

【符号の説明】

１．．．試料台， ２．．．プラズマ発生器， ２１．．．照射ノズル， ２２．．．照射口， ３．．．電子銃， ４１．．．反射電子検出器， ４２．．．二次電子検出器， ５１．．．排気管， ６．．．シールド， ７．．．試料，

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 観察しようとする試料を載置する試料台
   を設けた試料室と，上記試料に向けて入射電子をあてる
   電子銃と，上記試料の表面状態を検出する二次及び反射
   電子検出器と，該電子検出器からの信号により試料の表
   面状態を画像表示する画像表示装置とを有する走査電子
   顕微鏡装置において，プラズマ化したガスを上記試料に
   照射する照射ノズルと，試料室内の排ガスを排出する排
   気管とを設けたことを特徴とする走査電子顕微鏡装置。