JP2001305028A - 固相反応試料の透過電子顕微鏡観察用試料作製方法および荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 固相反応試料の透過電子顕微鏡観察用試料作
製方法および荷電粒子ビーム装置を提供する。 【解決手段】 本発明の透過電子顕微鏡観察用試料作成
方法は、固相反応に関わる試料の透過電子顕微鏡観察用
試料を集束荷電粒子ビーム加工するにあたり、荷電粒子
ビーム照射を伴う反応ガスの放出により試料の観察部位
に小型熱電対を固定し、試料を加熱しつつ該観察部位の
温度と荷電粒子像を観察し、所望の温度もしくは反応状
況になったときに冷却ガスを吹き付けて高温状態を凍結
した後に、観察部位を集束荷電粒子ビーム加工により摘
出することを特徴とする。また、本発明の荷電粒子ビー
ム装置は、加熱手段と小型熱電対とを有する試料ステー
ジ、該小型熱電対を移動させるためのマニピュレータ、
該小型熱電対を試料に固定するための反応ガス源および
急冷のための冷却ガス源を備えたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固相反応試料の透
過電子顕微鏡観察用試料作製方法および荷電粒子ビーム
装置に関し、さらに詳しくは、高温における固相反応を
観察しつつ所望の状態を室温に凍結した上で、透過電子
顕微鏡観察に供することのできる固相反応試料の透過電
子顕微鏡観察用試料作製方法および荷電粒子ビーム装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡内にお
いて加熱ステージを用いて、固体反応の加熱素過程を観
察する手法はよく知られている。この時の加熱手段は通
電加熱やヒーター加熱が主流であり、電流を切断するこ
とにより冷却するが、真空中であるため熱の放散能力は
弱く、十分な冷却能力が得られない。

【０００３】また、走査電子顕微鏡観察の場合は、加熱
した部分の内部組織をさらに透過電子顕微鏡などで詳細
に観察することは難しく、ミクロな組織観察との一貫性
において問題がある。一方で、透過電子顕微鏡の場合
は、ミクロな組織に対する加熱実験ができるが、試料が
薄膜であるために必然的に薄膜効果を伴い、起きている
現象が同じようにバルク試料でも起きるかどうかの保証
が得られず、実用製品開発にはあまり適用されていなか
った。

【０００４】鉄鋼材料に代表されるように過去の技術蓄
積が多い材料系に対して、新しい機能を発現させるよう
な組織設計を行なうためには、合金化反応や異種組成部
の反応などをミクロに詳細に解析する必要がある。しか
し薄膜効果を伴う薄膜試料をバルク試料に対応させて単
純にそのミクロ解析を行なうことはできず、そのような
反応は上記の薄膜効果を伴ないバルク試料で行う必要が
ある。

【０００５】バルク試料で目的とする加熱反応を起こさ
せ、かつ、その部分を透過電子顕微鏡のような方法でミ
クロに解析することができれば、従来の技術蓄積を越え
た新しい事実を見出す可能性が高いことが予測され、集
束イオンビーム加工法と透過電子顕微鏡用加熱ステージ
を組み合わせた技術報告が学会で行なわれている。これ
は、集束イオンビーム加工用の１〜２ｍｍサイズのバル
ク試験片を透過電子顕微鏡用の加熱ステージに充填でき
るようにしたものである。

【０００６】具体的には、予め薄片化された部分を透過
電子顕微鏡内の加熱ステージを用いてその場観察し、そ
こには当然薄膜効果が相乗されている可能性があるた
め、その場観察後に、その近傍を集束イオンビーム加工
法で薄片化して、再び、透過電子顕微鏡で観察するとい
う方法である。これにより、加熱その場観察を行なった
際に起きた変化と、その周辺のバルク部で同時に起きて
いた変化との対比ができるというわけであるが、このバ
ルク試料を装着できる透過電子顕微鏡用の加熱ステージ
でも、薄膜効果を確認することはできるが、これを本質
的に避けることはできない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題に
鑑み、薄膜効果の影響がなくバルク反応そのものを観察
できる固相反応試料の透過電子顕微鏡観察用試料作製方
法および荷電粒子ビーム装置の提供をその課題としてい
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】薄膜効果を本質的に回避
するためには、集束イオンビーム加工装置内で、加熱反
応を起こさせて、かつ、その反応部分を正確に抽出して
透過電子顕微鏡で観察する方法は、加熱時の薄膜効果を
考える必要がなく、現象を正確に解明することができ
る。

【０００９】このような集束イオンビーム加工方法や集
束イオンビーム加工装置内での加熱反応や温度計測に関
わる装置構成につき鋭意検討した結果、具体的な手順や
そのために必要な装置構成を特定するに至り、本発明を
完成させたもので、その要旨とするところは以下の通り
である。 （１） 固相反応に関わる試料の透過電子顕微鏡観察用
試料を集束荷電粒子ビーム加工する透過型電子顕微鏡観
察用試料の作成方法であって、荷電粒子ビーム照射を伴
う反応ガスの放出により試料の観察部位に小型熱電対を
固定し、試料を加熱しつつ該観察部位の温度と荷電粒子
像を観察し、所望の温度もしくは反応状況になったとき
に冷却ガスを吹き付けて該観察部位の高温状態を凍結し
た後に、該観察部位を集束荷電粒子ビーム加工により摘
出することを特徴とする透過電子顕微鏡観察用試料作製
方法。

【００１０】（２） 集束した荷電粒子ビームを照射す
るための荷電粒子ビーム光学系と、上記荷電粒子ビーム
を照射した照射対象から発生する二次荷電粒子を検出す
るための検出器と、該検出器で得られた二次荷電粒子に
基づいて荷電粒子像を形成する画像表示装置とを備えた
荷電粒子ビーム装置において、加熱手段と小型熱電対と
を有する試料ステージと、該小型熱電対を移動させるた
めのマニピュレータと、該小型熱電対を試料に固定する
ための反応ガス源および急冷のための冷却ガス源とを備
えたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１に本発明における装置構成の
一例を模式的に示す。以下に本発明について、この図を
参照しながら詳細に説明する。荷電粒子ビーム光学系１
から集束されたイオンビーム２が試料３に照射される。
試料を装着した試料ステージ４は、ｘ、ｙ、ｚの三軸移
動と、試料ステージ自身の回転とが可能であり、実質的
にあらゆる部位を任意の角度から観察し、かつイオンビ
ームで加工することが可能である。

【００１２】さらに、この試料ステージ４は、加熱セル
５と一体化されている。この加熱部は、ヒーター加熱や
通電加熱方式が考えられるが、ヒーター加熱では８００
℃程度まで、且つ通電加熱方式では１２００℃程度が可
能であるが、８００℃以下の範囲での観察が安定して行
なえるように設計するのが実用的である。観察には、試
料から発生する二次荷電粒子を検出器６で検出し、画像
表示装置７により画像化する。画像表示装置７を見なが
ら、試料の観察領域、加工領域を決定していき、連動さ
せたビーム偏向制御装置８を介して、荷電粒子ビーム光
学系１の制御を行う。

【００１３】観察領域、或いは加工領域の温度計測をす
るために、試料ステージ４から小型熱電対９を引き出し
ておく。これは試料ステージを介して外部へと接続さ
れ、荷電粒子ビーム装置外に温度計測装置１０が設置さ
れる。次に、小型熱電対９の先端近傍は、荷電粒子ビー
ム装置内に別途取り付けられた移動式マニピュレータ１
３の先端部に、荷電粒子ビーム装置内で接着させる。

【００１４】この小型熱電対９とマニピュレータ１３の
先端部との接着方法としては、マニピュレータ１３の先
端部に溝加工を施し、そこに小型熱電対９を引掛けて押
さえる簡便な方法がよいが、タングステンガスや炭素ガ
スを用いた気相化学蒸着方法を用いる方法を用いてもよ
い。これは、ガス源１１からノズル１２を介してガスを
放出し、そこに荷電粒子ビームを照射することで化学気
相反応を引き起こし、タングステンや炭素膜の接着機能
を利用する方法である。なお、移動式マニピュレータ１
３はすでに集束イオンビーム対応として様々なものが開
発されているので、どのようなものでも特に問題はな
い。

【００１５】このようにして移動式マニピュレータの先
端部に接着された熱電対は、次に、試料の観察部分近傍
に取り付ける。この時、観察部分近傍の温度計測位置
は、予め荷電粒子ビーム照射による溝を掘っておき、そ
の穴に熱電対先端を埋め込む形で装着し、ノズル１２か
らのガス噴出と荷電粒子ビーム照射により熱電対を試料
観察部位に埋め込み接着するとよい。このようにして、
表層部は観察中に荷電粒子ビーム照射により温度が上昇
するが、その影響をさけた内部での実際の温度計測が可
能となる。

【００１６】次に、本装置を用いれば、固体間の反応を
観察しながら加熱実験が可能であるが、急速冷却を実現
するために、新たなガス源１４を用意し、ガスノズル１
５より、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを瞬時に吹き
付けることができるようにする。この時は、荷電粒子ビ
ーム照射は行なわずに、小型熱電対９から温度計測装置
１０にて計測した温度変化により、冷却時間を算出す
る。

【００１７】このような急冷により高温での反応が凍結
できるから、その後集束荷電粒子ビームにより反応部位
を摘出し、透過電子顕微鏡観察用試料に供する。このよ
うにして作製した試料は、バルクにおける反応を再現し
ており、本発明によりバルク反応の透過電子顕微鏡観察
が可能となった。

【００１８】

【実施例】以下、本発明を実施例により、さらに詳細に
説明する。 （実施例１）本発明の実施例として、鉄の上に溶融亜鉛
をめっきして、その界面部を含む４ｍｍ角程度の試験片
を切り出した。自動車用鋼板の代表的な表面処理技術と
して、鉄鋼の上に溶融亜鉛めっきを施して、その後に鉄
と亜鉛を加熱して合金化反応をおこさせる技術がある
が、この鉄と亜鉛の合金化反応の素過程については、未
だに未知数の部分が多く、実用鋼板のさらなる機能向上
のために、徹底的な反応機構解明が望まれている研究領
域である。

【００１９】まず、試料ステージから引き出された線径
１．３μｍφのＰｔ−Ｐｔ１０％Ｒｈ熱電対を、集束イ
オンビーム装置内でマニピュレータ先端部のタングステ
ン針と接触させ、そこにＷ（ＣＯ）６ガスを吹き付け
て、Ｇａイオンビームの照射によりＷ層を接着層として
両者を接着した。その後、鉄と亜鉛界面部に予めＧａイ
オンビーム加工により３μｍ角の穴を作っておき、そこ
に熱電対の先端部をマニピュレータ機能を有するタング
ステン針と共に押し込み、再びＷ（ＣＯ）６ガスとＧａ
イオンビーム照射を利用して、Ｗ接着した。そして、こ
のタングステン針をＧａイオン加工用ビームにより切断
した。

【００２０】次に、ステージの加熱部に電流を流し、４
５０℃まで温度を上げた。集束イオンビーム装置にとり
つけられた二次電子像を観察しながら、界面部での鉄と
亜鉛との最初の反応が始まったことを確認し、即座にＡ
ｒガスを吹きつけ、室温までその部分を急速冷却した。
このような方法で１０℃間隔で加熱温度を変化させ、ま
た冷却条件も変化させることにより、鉄と亜鉛の合金化
初期反応をその場観察することができた。この後、適
宜、反応を起こした部分を透過電子顕微鏡用観察試料と
してミクロンサイズで掘り出して、詳細を透過電子顕微
鏡で解析した。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、固相反応に対して、集
束荷電粒子ビーム装置内でその場観察し、かつ急速冷却
することができる。そして集束荷電粒子ビーム加工によ
り、その局所的領域の反応部分を透過電子顕微鏡観察用
試料に供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の荷電粒子ビーム装置の構成図
を模式的に示したものである。

【符号の説明】

１…荷電粒子ビーム光学系 ２…集束荷電粒子ビーム ３…試料 ４…試料ステージ ５…加熱セル ６…検出器 ７…画像表示装置 ８…ビーム偏向制御装置 ９…小型熱電対 １０…温度計測装置 １１…反応ガス源 １２…反応ガスノズル １３…マニピュレータ １４…冷却ガス源 １５…冷却ガスノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） // Ｇ０１Ｎ 23/04 Ｇ０１Ｎ 33/20 Ｑ 33/20 1/28 Ｋ Ｇ Ｆターム(参考） 2G001 AA03 AA05 AA10 BA07 BA11 CA03 GA06 GA17 HA13 KA09 MA05 PA11 PA12 PA14 RA02 RA03 RA04 RA20 2G055 AA07 BA04 CA18 FA10 5C001 BB01 BB02 CC07 5C034 DD09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固相反応に関わる試料の透過電子顕微鏡
   観察用試料を集束荷電粒子ビーム加工する透過型電子顕
   微鏡観察用試料の作成方法であって、 荷電粒子ビーム照射を伴う反応ガスの放出により試料の
   観察部位に小型熱電対を固定し、試料を加熱しつつ該観
   察部位の温度と荷電粒子像を観察し、所望の温度もしく
   は反応状況になったときに冷却ガスを吹き付けて該観察
   部位の高温状態を凍結した後に、該観察部位を集束荷電
   粒子ビーム加工により摘出することを特徴とする透過電
   子顕微鏡観察用試料作製方法。
2. 【請求項２】 集束した荷電粒子ビームを照射するため
   の荷電粒子ビーム光学系と、上記荷電粒子ビームを照射
   した照射対象から発生する二次荷電粒子を検出するため
   の検出器と、該検出器で得られた二次荷電粒子に基づい
   て荷電粒子像を形成する画像表示装置とを備えた荷電粒
   子ビーム装置において、 加熱手段と小型熱電対とを有する試料ステージと、該小
   型熱電対を移動させるためのマニピュレータと、該小型
   熱電対を試料に固定するための反応ガス源および急冷の
   ための冷却ガス源とを備えたことを特徴とする荷電粒子
   ビーム装置。