JP5824262B2 - 試料観察方法および圧力測定用ホルダ - Google Patents

Description

本発明はガス雰囲気中にて試料を観察する事が出来る様にした電子顕微鏡による試料観察方法、試料観察方法に用いる圧力測定用ホルダ及び電子顕微鏡に関する。

電子顕微鏡において、試料を雰囲気ガス中に置き、その状態で試料と雰囲気ガスとの反応過程をその場で動的に観察をする事（この様な観察を「その場観察」と称す）が要求されることがある。

図１はその場観察が可能な電子顕微鏡の一概略例を示している。

図中1は電子銃、２は電子銃から放出された電子ビームＥＢを集束する集束レンズである。

３は上磁極３Ａと下磁極３Ｂを備え、両磁極間にガス雰囲気試料収納ブロック４が配置される様に成した対物レンズで、ガス雰囲気試料収納ブロック内にセットされた試料に電子ビームＥＢを細く絞って照射するものである。なお、ガス雰囲気試料収納ブロック４が配置される対物レンズ３の上磁極３Ａと下磁極３Ｂとの間の空間を試料室５と称している。

６、７は、ガス雰囲気試料収納ブロック４内にセットされた試料を透過し、対物レンズ３により集束された電子ビームを蛍光板８上に試料の透過像として拡大投影するための中間レンズ６、投射レンズ７である。

９は蛍光板８の下方に設置されたカメラ（例えばＣＣＤカメラ）で、蛍光板を蛍光板退避手段（図示せず）により電子ビーム光軸上から退避させることにより、拡大像を検出する事が出来る様になっている。

１０はＡＤ変換器１１を介したカメラ９からの出力信号が送られる制御装置で、電子顕微鏡を構成する各手段の制御及び各種演算処理等を行うものである。

なお、図中１２は表示装置で、制御装置１０からの指令に基づいて画面上に試料像等を表示するもの、１３はマウスやキーボード等の入力装置である。

図２はガス雰囲気試料収納ブロック４の詳細とガス雰囲気試料収納ブロックに繋がる周辺部分を示している。

図２において、１４はゴニオメータ１５を支持する様に鏡筒Ｃの一部に取り付けられた円筒形状のゴニオメータ支持体で、ゴニオメータ支持体には、ゴニオメータ支持体の先端部側空間Ｓａに繋がる排気管１６が接続されている。

この排気管の端部には真空ポンプ１７が繋がっており、排気管の中間部には圧力計Ｇ１と開閉バルブＶ１が取付けられている。

１８はその先端部に試料保持体１９が取付られた試料ホルダで、ゴニオメータ１５に装着されており、詳細には示されていないが、試料保持体１９にセットされた試料Ｓはゴニオメータによって、紙面に平行なＸ-Ｚ方向、紙面に垂直なＹ方向及びＸ軸の周りに回動（傾斜）可能になっている。なお、試料ホルダの中間部外周にはリング状の溝が切られており、溝にはＯリング２０がはめ込まれている。

２１は先端面に当たる部分が吹き抜けた有底円筒状のガス雰囲気容器で、外周の径がゴニオメータ支持体１４の先端部の内径より僅かに小さく成っており、ガス雰囲気容器の先端部がゴニオメータ支持体１４の先端部にはめ込まれた状態に成っている。なお、ガス雰囲気容器先端部の外周部にはリング状の溝が形成されており、溝にはＯリング２２がはめ込まれている。

ガス雰囲気容器の上壁ＯＷ中央部と底壁ＢＷ中央部には、各々の中心が電子光学軸Ｏと一致する様に電子ビーム通過孔Ｈａ，Ｈｂが開けられている。

また、ガス雰囲気容器の上壁ＯＷ内部には一端が電子ビーム通過孔Ｈａに繋がり、他端が側壁ＳＷに設けられた排気管２３ｃに繋がる排気管２３ａが、下壁ＢＷ内部には一端が電子ビーム通過孔Ｈｂに繋がり、他端が側壁ＳＷに設けられた排気管２３ｃに繋がる排気管２３ｂがそれぞれ設けられている。なお、排気管２３ｃには排気管２４を介して開閉バルブＶ３と真空ポンプ２５が繋がれている。

さらに、ガス雰囲気容器上壁ＯＷの電子ビーム通過孔Ｈａ内の上部と下部にはそれぞれオリフィス板Ｏａ、Ｏｂが互いに平行に取り付けられ、ガス雰囲気容器下壁ＢＷの電子ビーム通過孔Ｈｂ内の上部と下部にはそれぞれオリフィス板Ｏｃ，Ｏｄが互いに平行に取り付けられている。このような構成にすることにより、電子ビーム通過口Ｈａ，Ｈｂ内に、試料室５内の空間とガス雰囲気容器２１内の空間を圧力的に隔離する空間部Ｄａ，Ｄｂ（以後、これらの空間を差圧空間と称す）がそれぞれ形成される。

さらにまた、ガス雰囲気容器側壁ＳＷには、鏡筒Ｃとガス雰囲気容器側壁を突き抜けるようにガス供給管２６が取付けられている。

ガス供給管の一方側（ガス雰囲気容器２１側）には、その先端が試料Ｓに対向する様にノズルＮが取り付けられ、ガス供給管２６の他方側には、開閉バルブＶ２、ガス流量調整装置２８、ガスボンベ２９がこの順に繋がっており、ガスボンベ２９からの反応ガスがガス調整装置２８で流量調整され、開閉バルブＶ２を介してノズルＮ先端から放出されるようになっている。なお、ガス供給管２６の、開閉バルブＶ２とノズルＮの中間部辺りに圧力計Ｇ２が取付けられている。

図２において、Ｇ３は試料室５内の圧力を検出するための圧力計である。

このような構成を有する電子顕微鏡装置において、試料Ｓを試料保持体１９にセットし、試料保持体を支持している試料ホルダ１８をゴニオメータ１４に装着する。

そして、ゴニオメータを操作して、試料ＳをＸ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動且つＸ軸周りに回動させ、試料が所定の観察が行えるように配置させる。

次に、試料室５内を真空ポンプ（図示せず）により、所定の高真空度に達するまで排気する。

同時に、バルブＶ１を開き、真空ポンプ１７でガス雰囲気容器２１内を、バルブＶ３を開き、真空ポンプ２５で差圧空間Ｄａ，Ｄｂを所定の圧力に達するまで排気する。

この状態において、電子銃１から電子ビームＥＢを発生させる。電子銃より放出された電子ビームＥＢは、集束レンズ２により集束され、対物レンズ３により細く絞られ、ガス雰囲気容器２１上壁部の電子ビーム通過孔Ｈａ内の差圧空間Ｄａを通過して試料Ｓ上のＳｐの位置に照射される。

そして、試料を透過した電子は、ガス雰囲気容器２１下壁部の電子ビーム通過孔Ｈｂ内の差圧空間Ｄｂを通過し、中間レンズ６及び投射レンズ７によって蛍光板８上、あるいは、カメラ９上に試料に拡大された試料の投影像が投影される。

さて、試料と反応ガスの反応過程を観察する場合には、開閉バルブＶ２を開き、ガスボンベ２９からの反応ガス流量をガス量調整装置２８で調整し、ガス供給管２６を通じてノズルＮにガスを送る。

すると、ノズル先端よりガス雰囲気容器２１内に配置されている試料Ｓに反応ガスが吹き付けられると、試料と反応ガスとの反応が始まる。

この時、ガス雰囲気容器２１内は反応ガスの供給により圧力が上昇し低真空状態となるが、ガス雰囲気容器２１内の空間と高真空状態の試料室５内の空間とは差圧空間Ｄａ，Ｄｂの形成により、ガス雰囲気容器２１内の反応ガスが試料室５内に漏れることはない。

この状態で、電子銃１からの電子ビームＥＢをガス雰囲気容器２１上壁部の電子ビーム通過孔Ｈａ内の差圧空間Ｄａを通過させて反応ガスとの反応を起こしている試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過した電子をガス雰囲気容器２１下壁部の電子ビーム通過孔Ｈｂ内の差圧空間Ｄｂを通過させ、中間レンズ６及び投射レンズ７によって蛍光板８上、あるいは、カメラ９上に試料の透過像を投影する。

尚、特に説明しなかったが、通常、試料Ｓと反応ガスとの反応を促進するために、別途、試料加熱手段を設けて試料を加熱するようにしている。

特開２００９−２５９７６０号公報

さて、試料と反応ガスとの反応過程を観察する場合、反応が起こった際の試料観察装置でのガス圧力は、重要なパラメータである。
従来においては、ガス雰囲気容器２１内の圧力が試料観察位置でのガス圧力と等しいものと仮定し、そのガス雰囲気容器２１の圧力として圧力計Ｇ１による測定値を採用していた。

しかし、反応ガスを大量にガス雰囲気容器２１内に流し続ける場合には、容器内の圧力は均一になるため上記の過程が成り立つが、試料に近接して配置したノズルから少量のガスを試料の観察位置に吹き付けるような場合には、成立しないと考えられる。

すなわち、ノズルから噴出したガスは、試料観察位置に向かって進むが、すぐに圧力差による体積膨張が起き、拡散してしまう。

このことから、試料観察位置から５ｍｍ、１０ｍｍ離れただけでもその場所の圧力は、試料観察位置の圧力よりも大幅に低い値となってしまい、ましてや、ガス雰囲気容器２１内の圧力測定値は、試料観察位置での圧力とはかけ離れたものとならざるを得ない。

加えて、圧力計Ｇ１は、ガス雰囲気容器２１内とゴニオメータ支持体１４の先端部空間Ｓａに通じている排気管１６の途中に設けられており、ガス雰囲気容器２１に直接取り付けられているわけではないので、圧力計Ｇ１の圧力値、ガス雰囲気容器２１内の圧力値も正確に表していない。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、新規な試料観察方法および圧力測定用ホルダを提供することを目的とする。

電子光学軸上に電子ビーム通過孔が開けられており、その内部にガス供給系からガスが供給されるガス雰囲気容器と、先端部に試料を保持し，該試料を真空外から前記ガス雰囲気容器内に導入する試料ホルダとを備えた電子顕微鏡における試料観察方法であって、前記試料ホルダを前記ガス雰囲気容器内に導入する前に、圧力測定用素子が取付けられた圧力測定用ホルダを該ガス雰囲気容器内に導入し、該圧力測定用素子が検出する該ガス雰囲気容器内の圧力が所定の圧力に成る様に該ガス雰囲気容器内を前記ガス供給系により調整した際のガスの流量設定値を記録し、次に、前記圧力測定用ホルダに代えて前記試料ホルダを前記ガス雰囲気容器内に導入し、前記記録したガスの流量設定値に基づいて前記ガス雰囲気容器内の圧力を調整し、電子ビーム発生手段からの電子ビームを前記試料に照射し、該試料を透過した電子ビームに基づく試料像を得る様にした。

本発明によれば、試料観察位置のガス圧力を目標とするガス圧にすることが出来るので、試料観察位置のガス圧力を所望の圧力にした状態での試料観察を行うことが可能に成る。

その場観察が可能な電子顕微鏡の一概略例を示している。 図１の一部詳細を示したものである。 本発明の試料観察方法を実施するための装置例を示したものである。 圧力センサとして熱電対型圧力計を用いた例を示す図である。

図３は、本発明の試料観察方法を実施するための装置例を示したものであり、図２に示すものと基本構成は同一で、試料ホルダ１８のかわりに圧力測定用ホルダ３０をゴニオメータ１５に装着した状態を表している。

図３に示す圧力測定用ホルダ３０は、通常の試料ホルダの先端にリード線３３を介して圧力センサチップ３１を取り付けた構造を有している。

リード線３３は、密封封止して真空と大気間の圧力を保持するためのハーメチックシール３４を経由し、圧力測定用ホルダ３０外部に取り出されたリード線３５に繋がれており、リード線３５には圧力計３６が接続されている。

なお、圧力測定用ホルダ３０本体の中間部外周にはリング状の溝が切られており、この溝には真空シール用のＯリング２０がはめ込まれている。

本発明の実施の形態を説明するに当たり、以下に、実施形態の試料観察方法をステップに分けて説明する。
（ステップ１）
まず、ガス雰囲気容器２１及び試料室５内がリークされ、大気圧の状態から、図３に示す様に圧力測定用ホルダ３０をゴニオメータ１５に装着する。
圧力測定用ホルダ３０を装着することにより、圧力測定用ホルダ３０の先端に取付けられている圧力測定用素子３１は、ガス雰囲気容器２１内の図２における試料と電子線光軸が交わる位置Ｓｐ、すなわち観察の際、試料が電子線に照射される位置に配置される。
（ステップ２）
次に、圧力測定用ホルダ３０を装着した状態で、ガス雰囲気容器２１内を排気して圧力が安定した後、圧力測定素子３１を使ってガス雰囲気容器内の試料が配置されるべき位置の圧力（試料観察位置圧力）を検出しながら、ガス供給系のガス流量を調整することにより試料位置圧力が目標の圧力となるようにする操作を行う。
すなわち、試料室５内を大気圧の状態から、真空ポンプ（図示せず）により排気を開始すると同時に、開閉バルブＶ１、Ｖ３を開き、真空ポンプ１７によるガス雰囲気容器２１内の、真空ポンプ２５による差圧空間Ｄａ，Ｄｂの排気をそれぞれ開始する。
そして、各真空ポンプにより試料室５、ガス雰囲気容器２１、差圧空間Ｄａ，Ｄｂの圧力が安定状態になるまで排気する。例えば、ガス導入前の安定状態において、試料室５に配置された圧力計Ｇ３の圧力値がＰ３ａ、ガス雰囲気容器２１とＶ１間に設置した圧力計Ｇ１の圧力値がＰ１ａ、試料と電子線光軸が交わる位置Ｓｐに設置した圧力測定用素子３１の圧力値がＰｓａをそれぞれ示すものとする。
次に、開閉バルブＶ２を開き、ガスボンベ２９からのガス流量をガス量調整装置２８で調整してガス供給管２６を通じてノズルＮにガスを送る。
この時、試料観察位置圧力の目標値がＰｓｂとすると、オペレータは、圧力測定用素子３１が検出する圧力値がＰｓｂになるように、圧力測定用素子３１で圧力をチェックしながら、ガス流量調整装置２８のガス量を調整する。
（ステップ３）
ガス流量調整装置２８で流量調整し、圧力測定素子３１で測定する圧力値がＰｓｂの値に安定して維持されるようになった時、試料室５に接続する圧力計Ｇ３の圧力値Ｐ３ｂ、ガス雰囲気容器２１を排気するための真空ポンプに繋がる排気管に設けられた圧力計Ｇ１の圧力値Ｐ１ｂ、およびガス雰囲気容器内にガスを供給するためのガス供給系に繋がるガス供給管に設けられた流量計の流量設定値Ｆ１を記録（記憶）する。

通常、Ｐ３ｂ，Ｐ１ｂは、ガス導入前の値Ｐ３ａ、Ｐ１ａよりもガス導入の分高くなる。

以上のステップ１〜３により、試料観察位置圧力を目標の圧力値にする条件設定が終了する。
（ステップ４）
次に以下のような手順で圧力測定用ホルダを取り外し観察すべき試料をセットした試料ホルダをゴニオメータに装着する。
開閉バルブＶ１，Ｖ２，Ｖ３を閉じ、その後、試料室５からガス雰囲気容器２１内をリークし、ガス雰囲気容器２１内の圧力が大気圧に到達した後、ゴニオメータ１５から圧力測定用ホルダ３０を取外し、代わりに、ゴニオメータ１５に観察すべき試料Ｓをセットした試料ホルダ１８を装着する（図２に示す状態）。
（ステップ５）
次に以下のような手順でガス雰囲気容器内を排気し、ガス供給バルブを開けて試料観察を行うガス雰囲気状態にする。
試料ホルダ１８を装着後、試料室５内を大気圧の状態から、真空ポンプ（図示せず）により排気を開始すると同時に、開閉バルブＶ１とＶ３を開き、真空ポンプ１７でガス雰囲気容器２１内を、真空ポンプ２５で差圧空間Ｄａ，Ｄｂの排気を開始する。
そして、ステップ２と同様に、各真空ポンプにより試料室５、ガス雰囲気容器２１、差圧空間Ｄａ，Ｄｂの真空圧力の圧力が安定するまで排気する。すなわち、各排気ポンプは、試料室５に配置された圧力計Ｇ３の圧力値がＰ３ａ、ガス雰囲気容器２１とＶ１間に設置した圧力計Ｇ１の圧力値がＰ１ａに達するまで排気する。

次に、開閉バルブＶ２を開き、ガスボンベ２９からのガス流量を調整するガス量調整装置２８を前回調整した流量設定値Ｆ１のまま、ガス供給管２６を通じてノズルＮに反応ガスを送る。

ノズルＮ先端と試料の観察位置との位置関係は、ステップ３におけるノズルＮと圧力測定素子３１との位置関係と同一であり、そこに先に調整したままの設定値Ｆ１で反応ガスが試料に向けて噴出するので、試料の観察位置の圧力は、ステップ３で設定したのと同じＰｓｂとなる。
（ステップ６）
以上で試料観察位置圧力がＰｓｂに設定されたので、試料観察を行う。すなわち、電子銃１からの電子ビームＥＢをガス雰囲気容器２１上壁部の電子ビーム通過孔Ｈａ内の差圧空間Ｄａを通過させてガスとの反応を起こしている試料Ｓに照射し、試料Ｓを透過した電子をガス雰囲気容器２１下壁部の電子ビーム通過孔Ｈｂ内の差圧空間Ｄｂを通過させ、中間レンズ６及び投射レンズ７によって蛍光板８上、或いは、カメラ９上に試料の透過像を投影する。

以上の手順により、試料観察位置圧力を目標値Ｐｓｂに設定し、試料Ｓと反応ガスが反応する過程を観察することができる。

ステップ５において流量Ｆ１で反応ガスの導入を開始してからステップ６における観察に移るタイミングは、適当な待ち時間を設定するだけでも良いが、圧力計Ｇ１の測定値が先にステップ３において記憶した圧力値Ｐ１ｂに一致あるいは、略等しくなった時点としても良い。

更に、圧力計Ｇ３の測定値も参照し、圧力計Ｇ１，Ｇ３の測定値が前記記憶したＰ１ｂ、Ｐ３ｂの各圧力値に到達した状態とみなしても良い。

ところで、前記例において、圧力測定に使用する圧力測定用素子としては、例えば気体分子の熱伝導現象を利用した熱電対型圧力計を採用してもよい。

この熱電対型圧力計とは、一定電流で加熱したヒータ線の温度が、気体分子の熱伝導により変化することに基づき、ヒータ線の温度を、ヒータ線に接続した熱電対で測定し、ヒータ線の温度を圧力値に換算することにより、圧力値を測るものである。
図４にこのような熱電対型圧力計を組み込んだ圧力測定ホルダ３８を示す。圧力測定ホルダ３８は、図２に示す試料ホルダ挿入時の試料と電子線光軸の交わる位置（試料観察位置）Ｓｐに、圧力測定ホルダ本体３９ｂの先端のサポート３９ａ上の端子４１ａと４１ｂの間に張架されたヒータ線４０が配置され、ヒータ線４０上に熱電対４３ａ，４３ｂが接続される。そして、端子４１ａ，４２ｂに接続されたリード線および熱電対４２ａ，４２ｂが、ハーメチックシール４４を介して、圧力測定ホルダ本体３９ｂ内部に接続されたリード線４５ａ，４５ｂ，４６ａ，４６ｂにつながれている。リード線４５ａ，４５ｂは、定電流供給電源４７に、リード線４６ａ，４６ｂは、電圧計４８に接続される。
このような構成で、ヒータ線４０の温度は、ヒータ線４０の発熱量を一定に保つようにヒータ線４０に定電流を供給し、周囲の圧力に依存して周囲の気体が奪う熱量の変化に伴い変化する。
そして、ヒータ線４０の温度を熱電対で検出し、熱電対の起電力を電圧計４８で検出し、圧力表示計４９で電圧値を圧力値に換算してヒータ線４０近傍の圧力値を表示する。
このように、圧力測定ホルダに装着する圧力センサは、試料観察位置の圧力が測定でき、かつ圧力ホルダ先端に配置できるサイズのものであれば、圧力センサの方式は限定されない。

１：電子銃、 ＥＢ：電子ビーム、 ２：集束レンズ、 ３：対物レンズ、 ３Ａ：上磁極、 ３Ｂ：下磁極、 ４：ガス雰囲気試料収納ブロック、 ５：試料室、 ６：中間レンズ、 ７：投射レンズ、 ８：蛍光板、 ９：カメラ、 １０：制御装置、 １１：ＡＤ変換器、 １２：表示装置、 １３：入力装置、 １４：ゴニオメータ、
１５：ゴニオメータ支持体、 Ｓａ：空間、 １６：排気管、
１７：真空ポンプ、 １８：試料ホルダ、 Ｃ：鏡筒、 Ｓ：試料、 １９：試料保持体、 ２０：Ｏリング、 ２１：ガス雰囲気容器、
２２：Ｏリング、 ２３ａ，２３ｂ，２３ｃ：排気管、
２４：排気管、 ２５：真空ポンプ、 ＯＷ：上壁、 ＢＷ：下壁、 ＳＷ：側壁、 Ｏ：電子光学軸、 Ｈａ，Ｈｂ：電子ビーム通過孔、 Ｏａ，Ｏｂ，Ｏｃ，Ｏｄ：オリフィス板、 Ｄａ，Ｄｂ：差圧空間、 ２６：ガス導入管、 ２８：ガス流量調整装置、 ２９：ガスボンベ、
Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３：開閉バルブ、 Ｎ：ノズル、
Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３：圧力計、 ３０：圧力測定ホルダ、
３１、圧力測定素子、 ３３，３５：リード線、
３４:ハーメチックシール、 ３６：圧力計、 ３８：圧力測定ホルダ、 ４０：ヒータ、 ４３ａ，４３ｂ：熱電対、 ４７：定電流供給源、 ４８：電圧計、 ４９：圧力表示計

Claims (3)

1. 電子光学軸上に電子ビーム通過孔が開けられており、その内部にガス供給系からガスが供給されるガス雰囲気容器と、先端部に試料を保持し，該試料を真空外から前記ガス雰囲気容器内に導入する試料ホルダとを備えた電子顕微鏡における試料観察方法であって、前記試料ホルダを前記ガス雰囲気容器内に導入する前に、圧力測定用素子が取付けられた圧力測定用ホルダを該ガス雰囲気容器内に導入し、該圧力測定用素子が検出する該ガス雰囲気容器内の圧力が所定の圧力に成る様に該ガス雰囲気容器内を前記ガス供給系により調整した際のガスの流量設定値を記録し、次に、前記圧力測定用ホルダに代えて前記試料ホルダを前記ガス雰囲気容器内に導入し、前記記録したガスの流量設定値に基づいて前記ガス雰囲気容器内の圧力を調整し、電子ビーム発生手段からの電子ビームを前記試料に照射し、該試料を透過した電子ビームに基づく試料像を観察する様にした試料観察方法。
2. 前記ガス雰囲気容器内を排気するための真空ポンプに繋がる排気管に設けられた圧力計が測定した圧力値を記憶し、次に、前記圧力測定用ホルダに代えて前記試料ホルダを前記ガス雰囲気容器内に導入し、前記圧力計が前記記憶した圧力値に到達していることを確認してから観察することを特徴とする請求項１記載の試料観察方法。
3. 試料を保持した試料ホルダと差し替えて試料室に挿入可能な圧力測定ホルダであって、挿入した時に圧力センサが試料の配置される位置と略同一位置に配置されるように圧力センサを先端に保持した圧力測定用ホルダ。

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