WO2006059803A1 - 位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造方法並びに位相差電子顕微鏡 - Google Patents

位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造方法並びに位相差電子顕微鏡 Download PDF

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Kuniaki Nagayama
Radostin Danev
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Inter-University Research Institute Corporation National Institutes Of Natural Sciences
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    • H01J2237/26Electron or ion microscopes
    • H01J2237/2614Holography or phase contrast, phase related imaging in general, e.g. phase plates

Definitions

  • Phase plate for phase contrast electron microscope manufacturing method thereof, and phase contrast electron microscope
  • the invention of this application relates to a phase plate for a phase contrast electron microscope, a manufacturing method thereof, and a phase contrast electron microscope. More specifically, the invention of this application relates to a phase plate for a phase contrast electron microscope that completely prevents the lens effect associated with charging and can be applied to the field of materials science, a manufacturing method thereof, and a phase contrast electron microscope. is there. Background art
  • phase contrast electron microscope that converts a phase difference generated in an electron beam transmitted through a sample into an intensity change and images it.
  • This phase contrast electron microscope has a problem of charging the phase plate. Therefore, conventionally, a carbon thin film that is relatively difficult to be charged has been used as a phase plate. However, even if a carbon thin film is used, contamination of the phase plate by an electron beam cannot be avoided.
  • the phase plate is irradiated with an electron beam for a long time just before use (Japanese Patent Laid-Open No. 20 0 1 -2 7 3 8 6 6), heating the phase plate (J. Faget, MM Fagot, J. Ferre and C.
  • phase contrast electron microscope In a phase contrast electron microscope, when a conductive material is used for the phase plate, charging of the phase plate is not caused by the phase plate itself, but is caused by exogenous insulating dirt that gets mixed in the phase plate manufacturing process. Has been known for a long time. Of the dirt, those derived from organic substances evaporate to some extent in vacuum, but those derived from inorganic substances and metal oxides are not necessarily in vacuum and always remain a cause of charging. Many efforts have been made in the past to eliminate non-volatile insulating contamination and create a completely clean phase plate, but it has not been successful. This is because fine dirt is unavoidably attached to all of the steps of peeling from the substrate and transferring the phase plate, which is a free thin film, to the electron microscope grid (phase plate support).
  • the invention of this application was made in view of the circumstances as described above, and is based on the recognition that it is impossible to prevent the phase plate from being charged. It is an object of the present invention to provide a phase plate for a phase contrast electron microscope that can be applied to the present invention, a method for manufacturing the phase plate, and a phase contrast electron microscope.
  • the invention of this application is to solve the above problems. First, it has a phase plate main body and a phase plate support that carries the phase plate, and is arranged in an electron path that passes through an objective lens of an electron microscope.
  • phase plate for a phase contrast electron microscope wherein the phase plate body is supported on a phase plate support having an opening so as to cover at least a part of the opening, and the core phase plate
  • phase plate for a phase-contrast electron microscope comprising a conductive shield thin film that covers the periphery including both the upper and lower surfaces.
  • the phase difference electron microscope phase characterized in that carbon, beryllium, aluminum, silicon, or an alloy thereof is used as the core phase plate material.
  • the core phase plate material Provide a board.
  • a phase for a phase contrast electron microscope characterized in that a carbon, gold, silver, or platinum group is used as the conductive shield thin film material.
  • the phase plate main body has a circular planar shape, and a perfect circular electron transmission hole is formed in a central portion serving as an electron path.
  • a phase plate for a phase-contrast electron microscope characterized in that is controlled so as to shift the phase of electrons by ⁇ -2.
  • the phase plate main body has a substantially semicircular planar shape, and the film thickness is controlled so as to shift the phase of electrons by ⁇ .
  • a phase plate for a phase-contrast electron microscope is provided.
  • the present invention provides a phase contrast electron microscope comprising the phase plate for a phase contrast electron microscope according to any one of the first to sixth aspects.
  • the phase plate support having an opening covers at least a part of the opening.
  • a phase shield body is fabricated by covering the core phase plate and the grid, including the upper and lower surfaces, with a conductive shield thin film.
  • the conductive shield thin film is formed using a Joule thermal vacuum deposition method, an electron beam vacuum deposition method, an ion sputtering method, or a plasma CVD method.
  • a method for producing a phase plate for a phase contrast electron microscope is provided.
  • the lens effect accompanying charging of the phase plate for a phase contrast electron microscope can be completely prevented, and various types of phase contrast electrons such as the Zernike phase difference method and the differential interference method can be used.
  • phase contrast electrons such as the Zernike phase difference method and the differential interference method.
  • Figs. 1 (a) and (b) are cross-sectional views schematically showing an embodiment of the phase difference electron microscope phase plate according to the invention of this application.
  • (A) is a Zernike phase plate and
  • (b) is a Hilve. This is a differential phase plate.
  • 2 (a) and 2 (b) are cross-sectional views showing examples of shapes and dimensions of typical conventional Zernike phase plates and Hilbert differential phase plates used in a 10 O k V phase-contrast electron microscope, respectively. .
  • FIGS. 3 (a) and 3 (b) are cross-sectional views showing examples of the shapes and dimensions of the Zernike phase plate and the Hilbert differential phase plate according to the invention of this application used in a 30 O k V phase-contrast electron microscope, respectively. .
  • Figure 4 shows the contrast transfer function (absolute value display) of the normal method (solid line) and the phase difference method (dashed line).
  • the dotted line shows the contrast transfer function (absolute value display) for the charged phase plate. Yes.
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) are diagrams showing the charging characteristics of a conventional single-layer carbon film Zernike phase plate that is not antistatic and the relationship between CTF phase shift and spatial frequency.
  • FIGS. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing the charging characteristics of the Zernike phase plate according to the invention of this application and the relationship between the CTF phase shift and one spatial frequency, respectively.
  • FIGS. 1 (a) and 1 (b) are cross-sectional views schematically showing an embodiment of a phase difference electron microscope phase plate according to the invention of this application.
  • phase plate (10) shown in Fig. 1 (a) is described.
  • This phase plate (10) is called a Zernike phase plate, and the phase plate body (11) and the grid (which is the phase plate support) 12) and is disposed in the electron path that has passed through the objective lens of the phase contrast electron microscope.
  • This phase plate (10) is configured to shift the phase of electrons by two.
  • the phase plate body (11) is composed of a conductive core phase plate (14) carried on a grid (12) having a circular opening (13) and conductive shield thin films ( 15)
  • a perfect circular through hole is formed in the center of the core phase plate (14), and a conductive shield thin film (15) is also provided on the side wall (16). As a result, a perfect circular electron beam transmission hole (17) is formed.
  • the conductive shield thin film is also applied to the grid portion (18), which corresponds to an extension of the core phase plate (14) provided on the grid (12) on which the core phase plate (14) is carried. (15) is provided.
  • the grid (12) does not transmit electrons. Therefore, the phase plate body (11) has an electron beam transmission hole (17) in the center, and is basically composed of three layers, and the planar shape is circular.
  • the thickness of the phase plate body (1 1) is controlled so as to shift the phase of electrons by 7C / 2.
  • the grid (12) is grounded by the grounding member (19).
  • phase plate (20) shown in Fig. 1 (b) is described.
  • This phase plate (20) is called a Hilpelt differential phase plate, and is similar to the phase plate (10) of Fig. 1 (a).
  • the phase plate body (21) includes a substantially semicircular and conductive core phase plate (24) carried by a grid (22) having a circular opening (23), and conductive shields provided on both sides thereof.
  • Thin film (2 5) A conductive shield thin film (25) is also provided on the side wall (26) of the core phase plate (14).
  • a grid portion (28) corresponding to an extension of the core phase plate (24) provided on the grid (22) on which the core phase plate (24) is carried, and a grid on the left side in the figure. (22) also has a conductive shield film (25) on both sides and side walls. Dalid (22) does not transmit electrons. Therefore, the phase plate body (21) is basically composed of three layers, and the plane shape is substantially semicircular. The thickness of the phase plate body (21) is controlled so as to shift the phase of electrons by ⁇ .
  • the grid (22) is grounded by the ground member (29).
  • the material of the core phase plates (14) and (24) for example, conductive light element materials such as carbon, beryllium, aluminum, silicon, or alloys thereof can be used. These materials are preferably amorphous which is not easily charged.
  • the thickness of the core phase plate (14) is appropriately set depending on the material, the acceleration voltage, and the like. For example, it can be about 10 to 15 nm at a 100 kV acceleration voltage.
  • the diameter of the electron beam transmitting hole (17) can be about 0.5 to 1 m.
  • the thickness of the core phase plate (24) is appropriately set depending on the material, the acceleration voltage, and the like, but can be set to about 20 to 30 nm at a 100 kV acceleration voltage, for example.
  • the conductive shield thin film (15), (25) for example, a material which is not easily oxidized such as carbon, gold, silver or platinum group (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, white gold) can be used. . These materials are also preferably amorphous so that they are not easily charged.
  • the thickness of the conductive shield thin film (15) is also appropriately set depending on the material, acceleration voltage, etc., but can be about 2 to 1 Onm.
  • the thickness of the conductive shield thin film (25) is also appropriately set depending on the material, the acceleration voltage, etc., but can be about 2 to 1 Onm. It is important that these conductive shield thin films (15) and (25) are formed in the final step of the manufacturing process of the phase plate bodies (11) and (21).
  • Phase plate body (11) The total thickness of the phase plate is controlled so that the phase of electrons shifts by 7 tZ 2 as described above. It can be ⁇ 25 nm.
  • the diameter of the phase plate body (11) can be about 50 to 100 m.
  • the total thickness of the phase plate body (21) is controlled so as to shift the phase of electrons by ⁇ as described above.
  • the thickness is set to 30 to 45 nm. be able to.
  • the radius of the phase plate body (21) can be about 25 to 50 m.
  • conductive materials such as copper and molybdenum can be used.
  • the thickness of the grids (13) and (23) can be about 10-50 m.
  • the shape of the grids (13) and (23) is typically a ring shape, but is not limited to this.
  • Figures 2 (a) and 3 (a) show examples of the shape and dimensions of a typical phase plate (10) used in a 100 kV phase contrast electron microscope and a 300 kV phase contrast electron microscope according to the invention of this application.
  • Figures 2 (b) and 3 (b) show the shape and shape of a typical phase plate (20) used in the 100 kV and 300 kV phase contrast electron microscopes according to the invention of this application. An example of dimensions is shown.
  • phase plate (10) having the above configuration
  • a core phase plate material is deposited on an insulating substrate such as My Force and silicon to the required thickness by methods such as Joule thermal vacuum deposition, electron beam vacuum deposition, ion sputtering, and plasma CVD. Then, an amorphous core phase plate film is formed (deposition step). This is exfoliated in water, for example, and floats on the water surface (exfoliation process). Then, scoop it with a grid (12) made of a conductive material such as copper or molybdenum with a circular opening (13). The entire surface of the opening (13) is covered with a core phase plate film (transfer process).
  • a micro through-hole is formed in the core phase plate film and cut out to form the core phase plate (14) supported on the grid (12).
  • Drilling process, cutting process the conductive shield material is applied to both sides of the core phase plate (14) supported on the grid (12) and the side wall portion (16) of the through hole by Joule thermal vacuum deposition, electron beam vacuum deposition, The film is formed to the required thickness by a method such as the ion sputtering method or plasma CVD method.
  • a phase plate body (11) having an electron beam transmission hole (17) is obtained.
  • the grid (12) is grounded by a grounding member (19) such as a conductor.
  • phase plate (20) as in the case of manufacturing the phase plate (10), first, the core phase plate material is placed on an insulating substrate such as My force by Joule thermal vacuum deposition, electronic An amorphous core phase plate film is formed by depositing the film to the required thickness using a method such as beam vacuum deposition, ion sputtering, or plasma CVD (deposition process). This is exfoliated in water, for example, and floats on the water surface (exfoliation process). Then, a grid (22) made of a conductive material such as copper or molybdenum having a circular opening (23) is scooped. The entire surface of the opening (23) is covered with a core phase plate film (transfer process).
  • a method such as beam vacuum deposition, ion sputtering, or plasma CVD (deposition process).
  • phase plate main body (planar shape is almost semicircular) by forming an amorphous conductive shield thin film (25) using the ion sputtering method, plasma CVD method, etc. 21) is obtained.
  • the grid (2 2) is grounded by a grounding member (29) such as a conductor.
  • the conductive shield thin film (15), (25) covers the rising dirt adhering to the surface, so that the electric charge induced in the dirty part by the electron beam is electrically contained.
  • electromagnetic field shielding In other words, the conductor generally prevents the electric field from entering and escaping, and the electric charge trapped in the conductor is neutralized by the ground of the conductor. So This electromagnetic field shielding effect can prevent unnecessary lens effects. In the case of electromagnetic field shielding, high electrical conductivity of the shield object is required.
  • phase plate (10), (2 0) the charge of the dirty part does not change rapidly, so the conductive shielding film ( The electrical conductivity of 15) and (25) is not expected to require high performance like metal.
  • a phase-contrast electron microscope using the phase plate having excellent characteristics as described above is provided.
  • CTF contrast transfer function
  • CTF si ⁇ ( ⁇ k 2 ) (1)
  • is the wavelength of the electron wave
  • is the focal shift
  • k is the spatial frequency.
  • Spatial frequency k is included as a variable because CTF is a function defined by the diffraction plane, that is, the focal plane behind the objective lens.
  • phase plate for a phase contrast electron microscope of the invention of this application is effective in solving the charging problem.
  • the volume resistivity of the used e.g. amorphous carbon film on the phase plate is usually a 4 X 10- 5 ⁇ cm, large enough thousand times than metals such as copper.
  • the electrical conductivity is 1 / 100th that of metal.
  • the phase change measurement using the phase plate was performed by comparing and measuring the CTF with and without the Zernike phase plate (Figs. 5 (a) and 6 (a)). As described above, this utilizes the fact that the CTF function type is a sine type (sin type) without a phase plate and a cosine type (cos type) with a phase plate (reported in Non-Patent Document 3). ).
  • Figures 5 (a) and 5 (b) show the experimental results on the charging characteristics of a conventional single-layer carbon film phase plate. The conditions of the phase plate are as follows.
  • Phase plate body material amorphous carbon
  • Phase plate thickness 24 nm
  • Diameter of electron beam transmission hole 1 / Am
  • the phase shift effect of the phase plate can be estimated from the difference in vibration between the two CTFs plotted in Fig. 5 (a). Plotting the phase difference in the radial direction from the vibration without the phase plate (solid line in Fig. 5 (a)) and the vibration with the phase plate (dotted line in Fig. 5 (a)). 5
  • the square points shown in (b) are data with a phase plate, and the round points are data without a phase plate.
  • the phase difference between the two is indicated by a triangular point. It can be seen that the phase difference should shift to the positive side as it goes to the high frequency side (to the right).
  • the CTF with a phase plate behaves in the same way as the CTF (dotted line) of the charged phase plate model in Fig. 4 and causes an additional phase shift.
  • FIGs 6 (a) and (b) show the experimental results of the charging characteristics of the Zernike phase plate according to the invention of this application.
  • the conditions of the phase plate are as follows.
  • Core phase plate material Amorphous carbon
  • Conductive shield film material Amorphous carbon
  • Diameter of phase plate body 50 / xm
  • Phase plate body thickness 24 nm
  • Diameter of electron beam transmission hole 1 m
  • the phase shift effect of the phase plate can be estimated from the difference in vibration between the two CTFs plotted in Fig. 6 (a). Plotting the phase difference in the radial direction from the vibration without the phase plate (solid line in Fig. 6 (a)) and the vibration with the phase plate (dotted line in Fig. 6 (a)). 6
  • the square points shown in (b) are data with a phase plate, and the round points are data without a phase plate.
  • the phase difference between the two is indicated by a triangular point.
  • the phase difference with and without the phase plate was approximately ⁇ / 2 as indicated by the triangular point in FIG. 6 (b). . Therefore, it was confirmed that the phase plate of the present invention retains the good characteristics of the Zernike phase plate in a wide frequency range.
  • the conventional phase plate made of a single-layer carbon film could not eliminate the contamination even if it was carefully made.
  • the lens effect associated with the dirt charging is caused by the conductive shield. The fruit was completely suppressed.

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Abstract

この出願の発明の位相差電子顕微鏡用位相板(10)は、位相板本体(11)とそれを担持する位相板支持体(12)を有し、電子顕微鏡の対物レンズを通過した電子の通路に配置されるものであって、位相板本体(11)が、開口(13)を有する位相板支持体(12)に前記開口(13)の少なくとも一部を覆うように担持された導電性の芯位相板(14)と、この芯位相板(14)の上下両面を含む周囲を被覆する導電性シールド薄膜(15)により構成されることを特徴とする。これにより、完全に帯電に伴うレンズ効果を防止し、材料科学分野への応用が可能な位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造方法並びに位相差電子顕微鏡が提供される。

Description

明 細 書
位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造方法並びに位相差電子顕微鏡 技術分野
この出願の発明は、位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造方法並びに位相差 電子顕微鏡に関するものである。 さらに詳しくは、 この出願の発明は、 完全に帯 電に伴うレンズ効果を防止し、材料科学分野への応用が可能な位相差電子顕微鏡 用位相板及びその製造方法並びに位相差電子顕微鏡に関するものである。 背景技術
従来より、試料を透過した電子線に生じる位相の差を強度の変化に変換して画 像化する位相差電子顕微鏡が知られている。 この位相差電子顕微鏡には位相板の 帯電という問題が存在していた。 そのため、 従来は、 位相板として比較的帯電し にくい炭素薄膜が使用されてきた。 だが、 炭素薄膜を用いても電子線による位相 板の汚れは避けることができず、 帯電防止のため、 使用直前に位相板に対して長 時間電子線照射を行ったり (特開 2 0 0 1 - 2 7 3 8 6 6号公報)、 位相板を加 熱したり (J. Faget, M. M. Fagot, J. Ferre and C. Fertf, "Microscopie ElectroniQue A contraste de Phase", Proceedings of 5th Internat ional Congress of Electron Microscopy, Academic Press (1962) )、 汚れ防止用ブレ ードを設けたり (H Johnson and D. F. Parson, "Enhanced contrast in electron microscopy of unstained biological material", J. Microsc. 98 (1973) p. 1-17) する種々の提案がなされてきた。
これらの方法はある程度帯電防止効果があつたため、高分解能を要求しない生 物試料への応用に利用されてきた Danev and K. Nagayama, "Transmission Electron Microscopy with Zernike Phase Plate", Ul tramicroscopy 88 (2001) p. 243-252)。 発明の開示
位相差電子顕微鏡において、 位相板に導電性材料を用いた場合、 位相板の帯電 は位相板そのものが原因であるわけではなく、位相板の製作過程に紛れ込む外来 性の絶縁汚れが原因であることは古くから知られている。汚れのうち有機物由来 のものは真空中である程度蒸発するが、 無機物、 金属酸化物由来のものは真空中 でもなくならず、 常に帯電原因として残ってしまう。 不揮発性の絶縁汚れをなく し完全にクリーンな位相板を作る努力が過去多くの研究でなされたが、成功して いない。 これは、 基板から剥離し、 自由薄膜である位相板を電子顕微鏡用グリツ ド (位相板支持体) に転写するという工程の全てで多少なりとも微小汚れの付着 が避けられないためである。
帯電防止効果にすぐれた導電性薄膜材料とされているアルミニウムであって も、 位相差電子顕微鏡で問題としている帯電からは逃れられない。 これは、 アル ミニゥム表面にできる超薄の酸化膜が帯電するからである。通常の実験では問題 とされないこのような酸化膜帯電ですら、 電子線の軌道を曲げ、 不要なレンズ効 果を生み、 像を歪ませる。 それはシールドされない空間電荷が、 距離の逆数に比 例する長距離電位を生じさせるためである。電荷原因の大きさが 1 nm以下でも 電位半径は簡単にその百万倍の l mm近辺に及び、電子線の軌道を偏向させてし まう。 問題の本質は、 電荷の作り出す空間電位が一種のレンズとなり、 位相板本 来の性能を乱すことにある。
このように、従来提案されたいずれの手法も位相差電子顕微鏡の位相板におけ る帯電を完全に防止することはできなかった。 特に、 高分解能 (空間周波数が高 い) 成分に対しては帯電による像歪みの影響が必ず現れていた。 そのため、 高分 解能を要求する材料科学分野において位相差電子顕微鏡を応用することは、その 実現が遅れていたというのが実情である。
そこで、 この出願の発明は、 以上のとおりの事情に鑑みてなされたもので、 位 相板の帯電防止は不可能という認識の上に立ち、むしろ帯電に伴うレンズ効果を 防止し、材料科学分野への応用が可能な位相差電子顕微鏡用位相板及びその製造 方法並びに位相差電子顕微鏡を提供することを課題とする。 この出願の発明は、 上記課題を解決するものとして、 第 1には、 位相板本体と それを担持する位相板支持体を有し、電子顕微鏡の対物レンズを通過した電子の 通路に配置される位相差電子顕微鏡用位相板であって、 位相板本体が、 開口を有 する位相板支持体に前記開口の少なくとも一部を覆うように担持された導電性 の芯位相板と、 この芯位相板の上下両面を含む周囲を被覆する導電性シールド薄 膜により構成されることを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板を提供する。 また、 第 2には、 上記第 1の発明において、 位相板支持体が接地されているこ とを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板を提供する。
また、 第 3には、 上記第 1又は第 2の発明において、 芯位相板材料として、 炭 素、 ベリリウム、 アルミニウム若しくはシリコン、 又はそれらの合金を用いるこ とを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板を提供する。
また、 第 4には、 上記第 1から第 3のいずれかの発明において、 導電性シール ド薄膜材料として、 炭素、 金、 銀又は白金族を用いることを特徴とする位相差電 子顕微鏡用位相板を提供する。
また、第 5には、上記第 1から第 4のいずれかの発明において、位相板本体は、 平面形状が円形であり、電子の通路となる中心部分に真円の電子透過孔が形成さ れ、 かつ、 電子の位相を πノ 2シフトさせるように が制御されていることを 特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板を提供する。
また、第 6には、上記第 1から第 4のいずれかの発明において、位相板本体は、 平面形状がほぼ半円形であり、 かつ、 電子の位相を πシフトさせるように膜厚が 制御されていることを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板を提供する。
また、 第 7には、 上記第 1から第 6のいずれかの位相差電子顕微鏡用位相板を 備えていることを特徴とする位相差電子顕微鏡を提供する。
また、 第 8には、 上記第 1から第 6のいずれかの位相差電子顕微鏡用位相板を 製造する方法であって、 開口を有する位相板支持体に前記開口の少なくとも一部 を覆うように担持されるように、 導電性の芯位相板を形成した後、 最終工程とし て、 この芯位相板及びグリッドの上下両面を含む周囲に導電性シールド薄膜を被 覆させることにより位相板本体を作製することを特徴とする位相差電子顕微鏡 用位相板の製造方法を提供する。
さらに、 第 9には、 上記第 8の発明において、 導電性シールド薄膜の被覆形成 を、 ジュール熱真空蒸着法、 電子ビーム真空蒸着法、 イオンスパッター法又はプ ラズマ C V D法を用いて行うことを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板の製 造方法を提供する。
この出願の発明によれば、位相差電子顕微鏡用位相板の帯電に伴うレンズ効果 を完全に防止することができ、 ゼルニケ (Zernike) 位相差法をはじめ微分干渉 法など種々のタイプの位相差電子顕微鏡を、 金属学、 半導体産業、 セラミック産 業などの広範な材料科学分野へ応用可能にする。 図面の簡単な説明
図 1 ( a) 及び (b) は、 それぞれこの出願の発明の位相差電子顕微鏡用位相 板の実施形態を模式的に示す断面図で、 (a) がゼルニケ位相板、 (b ) がヒルべ ル卜微分位相板である。
図 2 ( a) 及び (b) は、 それぞれ 1 0 O k V位相差電子顕微鏡に使用される 典型的な従来のゼルニケ位相板とヒルベルト微分位相板の形状及び寸法の例を 示す断面図である。
図 3 ( a ) 及び (b) は、 それぞれ 3 0 O k V位相差電子顕微鏡に使用される この出願の発明によるゼルニケ位相板とヒルベルト微分位相板の形状及び寸法 の例を示す断面図である。
図 4は、 通常法 (実線) と位相差法 (破線) のコントラスト伝達関数 (絶対値 表示) を示す図で、 点線は帯電位相板のときのコントラスト伝達関数(絶対値表 示) を示している。
図 5 ( a )、 (b) は、 それぞれ帯電防止していない従来の一層型炭素膜ゼルニ ケ位相板の帯電特性と、 C T F位相シフト—空間周波数の関係とを示す図である。 図 6 ( a )、 (b ) は、 それぞれこの出願の発明によるゼルニケ位相板の帯電特 性と、 C T F位相シフト一空間周波数の関係とを示す図である。 発明を実施するための最良の形態
この出願の発明は上記のとおりの特徵をもつものであるが、以下にその実施の 形態について説明する。
図 1 (a) 及び(b) は、 それぞれこの出願の発明の位相差電子顕微鏡用位相 板の実施形態を模式的に示す断面図である。
まず、 図 1 (a) に示す位相板(10) について述べると、 この位相板(10) はゼルニケ位相板と称されるもので、 位相板本体 (11) と位相板支持体である グリッド (12) を有し、 位相差電子顕微鏡の対物レンズを通過した電子の通路 に配置されるものである。 この位相板 (10) は電子の位相を 2シフトする ように構成されている。 位相板本体 (11) は、 円形状の開口 (13) を有する グリッド (12) に担持された導電性の芯位相板 (14) と、 その両面に設けら れた導電性シ一ルド薄膜 (15) により構成される。 芯位相板 (14) の中央に は真円の貫通孔が形成され、その側壁部 (16) にも導電性シールド薄膜(15) が設けられ、 結果として真円の電子線透過孔 (17) が形成されている。 また、 芯位相板 (14) が担持されるグリッド (12) の上に設けられた芯位相板 (1 4) の延長部分に相当する部分であるグリッド部 (18) にも導電性シールド薄 膜 (15) が設けられている。 グリッド (12) は電子を透過しない。 したがつ て、 この位相板本体 (11) は、 中央に電子線透過孔 (17) を有し、 基本的に 三層から構成されており、 平面形状が円形状となっている。 この位相板本体 (1 1) は、 電子の位相を 7C/2シフトするように膜厚が制御される。 また、 グリツ ド (12) は接地部材 (19) により接地されている。
次に、 図 1 (b) に示す位相板(20) について述べると、 この位相板(20) はヒルペルト微分位相板と称されるもので、図 1 (a)の位相板(10)と同様、 位相板本体 (21) と位相板支持体であるグリッド (22) を有し、 位相差電子 顕微鏡の対物レンズを通過した電子の通路に配置されるものである。 この位相板
(20)は電子の位相を πシフトするように構成されている。位相板本体 (21) は、 円形状の開口 (23) を有するグリッド (22) に担持されたほぼ半円形状 で導電性の芯位相板 (24) と、 その両面に設けられた導電性シールド薄膜 (2 5) により構成される。 芯位相板 (14) の側壁部 (26) にも導電性シールド 薄膜 (25) が設けられている。 また、 芯位相板 (24) が担持されるグリッド (22) の上に設けられた芯位相板 (24) の延長部分に相当する部分であるグ リツド部 (28) と、 図中左側のグリッド (22) にも両面及び側壁面に導電性 シールド薄膜(25)が設けられている。ダリッド(22)は電子を透過しない。 したがって、 この位相板本体 (21) は、 基本的に三層から構成されており、 平 面形状がほぼ半円形状となっている。 この位相板本体 (21) は、 電子の位相を πシフトするように膜厚が制御される。 また、 グリッド (22) は接地部材 (2 9) により接地されている。
芯位相板 (14)、 (24) の材料としては、 たとえば炭素、 ベリリウム、 アル ミニゥム若しくはシリコン、 又はそれらの合金等の導電性の軽元素材料を用いる ことができる。 これらの材料は帯電しにくい非晶質であることが好ましい。 芯位 相板 (14) の厚さは、 材料、 加速電圧等により適宜設定されるが、 たとえば 1 00 k V加速電圧では 10〜15 nm程度とすることができる。 また、 電子線透 過孔 (17) の直径は、 0. 5~1 m程度とすることができる。 一方、 芯位相 板 (24) の厚さは、 材料、 加速電圧等により適宜設定されるが、 たとえば 10 0 kV加速電圧では 20~30 nm程度とすることができる。
導電性シールド薄膜 (15)、 (25) の材料としては、 たとえば炭素、 金、 銀 又は白金族 (ルテニウム、 ロジウム、 パラジウム、 オスミウム、 イリジウム、 白 金) 等の酸化されにくい材料を用いることができる。 これらの材料も帯電しにく い非晶質であることが好ましい。 導電性シールド薄膜 (15) の厚さも、 材料、 加速電圧等により適宜設定されるが、 2〜1 Onm程度とすることができる。一 方、 導電性シールド薄膜 (25) の厚さも、 材料、 加速電圧等により適宜設定さ れるが、 2〜1 Onm程度とすることができる。 これら導電性シールド薄膜 ( 1 5)、 (25) は、 位相板本体 (11)、 (21) の作製過程の最終工程で形成され ることが重要である。
位相板本体 (11)全体の厚さとしては、 上記のように電子の位相を 7tZ 2シ フ卜するようにその厚さが制御されるが、 たとえば 100 k V加速電圧では 15 ~25 nmとすることができる。 また、 位相板本体 (11) の直径は、 50~1 00 m程度とすることができる。
一方、 位相板本体 (21) 全体の厚さとしては、 上記のように電子の位相を π シフトするようにその厚さが制御されるが、たとえば 100 kV加速電圧では 3 0〜45 nmとすることができる。 また、 位相板本体 (21) の半径は、 25〜 50 m程度とすることができる。
グリッド (13)、 (23) の材料としては、 銅、 モリブデン等の導電性材料を 使用することができる。 グリッド (13)、 (23) の厚みは、 10〜50 m程 度とすることができる。 グリッド (13)、 (23) の形状は、 典型的にはリング 状であるが、 これに限定されない。
図 2 (a) 及び図 3 (a) に、 この出願の発明による、 100kV位相差電子 顕微鏡と 300 kV位相差電子顕微鏡に使用される典型的な位相板(10) の形 状及び寸法の例を示し、 図 2 (b) 及び図 3 (b) に、 この出願の発明による、 100 kV位相差電子顕微鏡と 300 kV位相差電子顕微鏡に使用される典型 的な位相板 (20) の形状及び寸法の例を示す。
次に、 上記構成の位相板 (10) の製造方法について述べる。
まず、 マイ力、 シリコン等の絶縁性基板上に、 芯位相板材料をジュール熱真空 蒸着法、 電子ビーム真空蒸着法、 イオンスパッタ一法、 プラズマ CVD法などの 方法により、所要厚みに成膜して、非晶質の芯位相板膜を形成する(堆積工程)。 これを、 たとえば水中剥離させて、 水面上に浮かせる (剥離工程)。 そして、 円 形の開口(13)を形成した銅、モリブデン等の導電性材料からなるグリツド(1 2) ですくい取る。 開口 (13) は全面が芯位相板膜で覆われる (転写工程)。 次に、 収束イオンビーム法により、 芯位相板膜に微小な貫通孔を形成するととも に、 切り出し加工を行い、 グリッド (12) の上に担持された芯位相板 (14) を形成する。 (穴開け工程、 切り出し工程)。 次に、 グリッド (12) の上に担持 された芯位相板 (14) の両面及び貫通孔の側壁部 (16) に、 導電性シールド 材料を、 ジュール熱真空蒸着法、 電子ビーム真空蒸着法、 イオンスパッ夕一法、 プラズマ CVD法などの方法により、 所要厚みに成膜して、 非晶質の導電性シー ルド薄膜 (15) を形成し、 電子線透過孔 (17) を有する位相板本体 (11) が得られる。
上記において、 導電性シールド薄膜 (15) の工程は最終工程とし、 芯位相板 膜の穴開け加工や切り出し加工を最後にもってこないことが重要である。 また、 グリッド (12) は導線等の接地部材 (19) で接地する。
一方、 位相板 (20) を製造する場合は、 位相板 (10) を製造する場合と同 様、 まず、 マイ力等の絶縁性基板上に、 芯位相板材料をジュール熱真空蒸着法、 電子ビーム真空蒸着法、 イオンスパッ夕一法、 プラズマ CVD法などの方法によ り、所要厚みに成膜して、非晶質の芯位相板膜を形成する (堆積工程)。 これを、 たとえば水中剥離させて、 水面上に浮かせる (剥離工程)。 そして、 円形の開口 (23) を形成した銅、 モリブデン等の導電性材料からなるグリッド (22) で すくい取る。 開口 (23) は全面が芯位相板膜で覆われる (転写工程)。 次に、 収束イオンビーム法により、 切り出し加工を行い、 グリッド (22) の上に担持 されたほぼ半円形状の芯位相板 (24) を形成する。 (切り出し工程)。 次に、 グ リツド(22)の上に担持された芯位相板(24)の両面及び貫通孔の側壁部(2 6) に、 導電性シールド材料をジュール熱真空蒸着法、 電子ビーム真空蒸着法、 イオンスパッ夕一法、プラズマ CVD法などの方法により、所要厚みに成膜して、 非晶質の導電性シールド薄膜 (25) を形成し、 平面形状がほぼ半円形状の位相 板本体 (21) が得られる。
上記において、 導電性シールド薄膜 (25) の工程は最終工程とし、 芯位相板 膜の切り出し加工を最後にもってこないことが重要である。 また、 グリッド (2 2) は導線等の接地部材 (29) で接地する。
以上のようにして位相板 (10)、 (20) を製造すると、 芯位相板膜の製作過 程 (堆積、 剥離、 転写の各工程) で付着した絶縁汚れや、 穴開け加工、 切り出し 加工の際に付着した騰汚れを、 導電性シールド薄膜 (15)、 (25) が被覆す るため、 電子線により汚れ部に誘起された電荷は電気的に封じ込められる。 これ は電磁場シールドと同様の手法である。すなわち導体は一般に電場の侵入や侵出 を防ぎ、 さらに導体中に封じ込められた電荷は導体の接地により中和される。 そ して、 この電磁場シールド効果により、 不用なレンズ効果が防止できる。 電磁場 シールドの場合、シールド物体の高い導電性が要求されるが、位相板(10)、 (2 0) の場合、 汚れ部の電荷は、 急激な時間変動をしないので、 導電性シールド薄 膜(15)、 (25)の導電性は金属のような高性能が要求されないと予測される。 この出願の発明によれば、上記のようなすぐれた特性を有する位相板を用いた 位相差電子顕微鏡が提供される。
次に、 この出願の発明の位相差電子顕微鏡用位相板によりどのようにして帯電 に伴うレンズ効果の防止がなされるかについてモデルを用いて説明する。
電子顕微鏡では全ての像がコントラスト伝達関数(CTF;以下単に CTFと も称する) で変調を受ける。 カメラとの対応で言えば、 像がピンボケ (デフォー カス) することを定量的に記述するのが CTFである。 ピントがズレる、 すなわ ちレンズの位置が正しくないと像がピンボケする。 このレンズの位置ズレ、 正確 には焦点ズレ (Δζ)が大きいほどピンボケが大きい。 CTFで表現すれば次の ようになるとなる。
通常法 CTF=s i η (πλΔζ k2) (1) ここで λは電子波の波長、 Δζは焦点ズレ、 kは空間周波数である。 空間周波 数 kが変数として入っているのは、 CTFが回折面すなわち対物レンズ後方の焦 点面で定義される関数だからである。
一方、 無帯電のゼルニケ位相板(λΖ4波長板で中心に小孔を持つ) により実 現される理想的な位相差法の CTFは次式で与えられる。
位相差法 CTF = cos (πλΔζ k2) (2) 両者を図示すると図 4のようになる。 図 4において、 実線が (1)式の CTF の場合、 破線が (2)式の場合である。
しかし、 位相板が帯電すると空間電位が誘起され、 レンズ効果が生まれ、 CT Fの中に余分な位相成分 Q (k)が付け加わる。 この場合の CTFは (3) 式で 表される。
帯電位相差法 CTF = c o s (πλΔζ k2+q (k)) (3) q (k) は位相板上の帯電分布に依存した複雑な形をしているが、 最も単純な 場合の q (k) の Q (k) =qkでもその影響は大きく、 CTFは図 4の点線の ように変わる。帯電に伴うレンズ効果による CTFの変化は低周波成分より高周 波成分の影響が大きい。 このことは、 図 4中に示した無帯電 (破線) と帯電 (点 線) の c o s型 CTFを比較することで理解される。
以上の思考モデルを前提に、 この出願の発明の位相差電子顕微鏡用位相板がい かに帯電問題解決に有効であるか実験例を用いて示す。
位相板に用いるたとえば非晶質炭素膜の体積抵抗率は通常 4 X 10—5Ω cmで あり、 銅などの金属に比べ千倍ほど大きい。すなわち電気伝導率は金属の 100 0分の 1である。 この程度の低電気伝導率でもシールド効果が充分あることが以 下の実験により確かめられた (図 5、 図 6)。
位相板による位相変ィ匕の測定に関しては、ゼルニケ位相板のあるとき及びない ときの CTF (図 5 (a)、 図 6 (a)) を比較計量して行った。 これは先に述べ たように CTFの関数型が位相板なしでは正弦型 (s i n型)、 位相板ありでは 余弦型 (c o s型) になることを利用している (非特許文献 3で報告済み)。 図 5 (a)、 (b) に、 従来タイプの一層型炭素膜位相板の帯電特性についての 実験結果を示した。 位相板の条件は次の通りである。
100 kV電子顕微鏡用ゼルニケ位相板
位相板本体の材料:非晶質炭素
位相板本体の直径: 50 tm
位相板本体の厚さ: 24 nm
電子線透過孔の直径: 1 /Am
グリッドの材料:モリブデン
グリッドの厚さ: 10 / m
図 5 (a) にプロットした 2つの CTFの振動の差から位相板の位相シフト効 果が見積もられる。 位相板なしのときの振動 (図 5 (a) の実線) と、 位相板あ りのときの振動 (図 5 (a) の点線) から両者の位相差を動径方向にプロットす ると図 5 (b) のようになる四角点が位相板ありのデータで、 丸点が位相板なし の場合のデータである。 両者の位相差は三角点で示されているが、 本来一 πΖ2 の位相差であるべきところが、 高周波側 (右方向) に行くに従い、 正の側にズレ 込んでいるのが見てとれる。 すなわち位相板ありの C T F (点線) は図 4の帯電 位相板モデルの C T F (点線) と同じように挙動し、 付加的位相シフトを生じて いる。
図 6 ( a)、 (b) に、 この出願の発明によるゼルニケ位相板の帯電特性の実験 結果を示す。 位相板の条件は次の通りである。
1 0 0 k V電子顕微鏡用ゼルニケ位相板
芯位相板の材料:非晶質炭素
芯位相板の厚さ: 1 0 nm
導電性シールド薄膜の材料:非晶質炭素
導電性シールド薄膜の厚さ: 7 nm
位相板本体の直径: 5 0 /xm
位相板本体の厚さ: 2 4 nm
電子線透過孔の直径: 1 m
グリッドの材料:モリブデン
グリッドの厚さ: 1 0
図 6 ( a) にプロットした 2つの C T Fの振動の差から位相板の位相シフト効 果が見積もられる。 位相板なしのときの振動 (図 6 ( a) の実線) と、 位相板あ りのときの振動 (図 6 ( a ) の点線) から両者の位相差を動径方向にプロットす ると図 6 (b) のようになる四角点が位相板ありのデータで、 丸点が位相板なし の場合のデータである。 両者の位相差は三角点で示されている。 この出願の発明 の位相板の場合、 図 5と異なり、 位相板ありのときと、 なしのときの位相差は、 図 6 (b ) の三角点が示すようにほぼ— π/ 2であった。 従って、 この出願の発 明の位相板が広い周波数範囲でゼルニケ位相板の良好な特性を保持しているこ とが確認された。
これらの実験結果が示すように、 従来方式の一層型炭素膜による位相板では、 注意深く作成しても汚れをゼロにできなかった。 一方、 この出願の発明による位 相板ではたとえ汚れがあっても導電性シールドにより汚れ帯電に伴うレンズ効 果を完全に抑えることができた。
以上、 この出願の発明を実施形態に基づいて詳細に説明したが、 この出願の発 明は上記実施形態に限定されるものではなく、細部については様々な態様が可能 であることは言うまでもない。

Claims

請求の範囲
1 . 位相板本体とそれを担持する位相板支持体を有し、 電子顕微鏡の対物レン ズを通過した電子の通路に配置される位相差電子顕微鏡用位相板であって、位相 板本体が、 開口を有する位相板支持体に前記開口の少なくとも一部を覆うように 担持された導電性の芯位相板と、 この芯位相板の上下両面を含む周囲を被覆する 導電性シールド薄膜により構成されることを特徴とする位相差電子顕微鏡用位 相板。
2 . 位相板支持体が接地されていることを特徴とする請求の範囲 1記載の位相差 電子顕微鏡用位相板。
3 . 芯位相板材料として、炭素、ベリリウム、アルミニウム若しくはシリコン、 又はそれらの合金を用いることを特徴とする請求の範囲 1又は 2記載の位相差 電子顕微鏡用位相板。
4. 導電性シールド薄膜材料として、 炭素、 金、 銀又は白金族を用いることを 特徵とする請求の範囲 1力 ^ら 3のいずれかに記載の位相差電子顕微鏡用位相板。
5. 位相板本体は、 平面形状が円形であり、 電子の通路となる中心部分に真円 の電子透過孔が形成され、 かつ、 電子の位相を πΖ 2シフトさせるように膜厚が 制御されていることを特徴とする請求の範囲 1から 4のいずれかに記載の位相 差電子顕微鏡用位相板。
6 . 位相板本体は、 平面形状がほぼ半円形であり、 かつ、 電子の位相を πシフ 卜させるように膜厚が制御されていることを特徴とする請求の範囲 1から 4の いずれかに記載の位相差電子顕微鏡用位相板。
7 . 請求の範囲 1カゝら 6のいずれかの位相差電子顕微鏡用位相板を備えている ことを特徵とする位相差電子顕微鏡。
8 . 請求の範囲 1力、ら 6のいずれかの位相差電子顕微鏡用位相板を製造する方 法であって、
開口を有する位相板支持体に前記開口の少なくとも一部を覆うように担持さ れるように、 導電性の芯位相板を形成した後、 最終工程として、 この芯位相板及 びダリッドの上下両面を含む周囲に導電性シールド薄膜を被覆させることによ り位相板本体を作製することを特徴とする位相差電子顕微鏡用位相板の製造方 法。
9 . 導電性シールド薄膜の被覆形成を、 ジュール熱真空蒸着法、 電子ビーム真 空蒸着法、イオンスパッター法又はプラズマ C VD法を用いて行うことを特徴と する請求の範囲 8記載の位相差電子顕微鏡用位相板の製造方法。
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