紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定用試料ホルダー
【課題】既存の電子顕微鏡を用いて、試料の高分解能観察と同時に、紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定をも容易かつ確実に行うことのできる試料ホルダーを提供する。
【解決手段】ＴＥＭ１内において電子線Ｅを照射することにより試料Ｓの構造観察を行う試料ホルダー１０であって、試料ホルダー１０の軸方向Ｘに沿って配され、電子顕微鏡外の光源６０から紫外・可視・近赤外領域の光を伝送する入射側光ファイバー３８と、入射側光ファイバー３８により伝送された入射光Ｌ1を集光する入射側集光レンズ４２と、試料Ｓを介して入射側集光レンズ４２の対向側に配され、試料Ｓを透過した光Ｌ2を集光する透過側集光レンズ４３と、試料ホルダー１０の軸方向に沿って配され、透過側集光レンズ４３により集光した透過光Ｌ2を電子顕微鏡外へ伝送する透過側光ファイバー３９とを備える。
【解決手段】ＴＥＭ１内において電子線Ｅを照射することにより試料Ｓの構造観察を行う試料ホルダー１０であって、試料ホルダー１０の軸方向Ｘに沿って配され、電子顕微鏡外の光源６０から紫外・可視・近赤外領域の光を伝送する入射側光ファイバー３８と、入射側光ファイバー３８により伝送された入射光Ｌ1を集光する入射側集光レンズ４２と、試料Ｓを介して入射側集光レンズ４２の対向側に配され、試料Ｓを透過した光Ｌ2を集光する透過側集光レンズ４３と、試料ホルダー１０の軸方向に沿って配され、透過側集光レンズ４３により集光した透過光Ｌ2を電子顕微鏡外へ伝送する透過側光ファイバー３９とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光による励起及び吸収測定と電子顕微鏡の高分解能観察とを同時に行うことができる試料ホルダー、特に、既存の透過型電子顕微鏡に取り付け可能な紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定用試料ホルダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外・可視・近赤外分光法（UV-Vis-NIR）は、紫外(UV,UltraViolet)、可視(Vis, Visible)、および近赤外(NIR,Near InfraRed)領域の光吸収を測定することにより物質に特有である電子遷移エネルギーを分析する分光法である。通常、２００〜１５００ｎｍ程度の波長範囲について測定する。紫外・可視・近赤外分光法は、測定が容易であること、結果が肉眼での観察と一致しわかりやすいこと、分子によっては極めて特徴的なスペクトルを示すこと、及びスペクトルが物質の状態によって敏感に変化することなどから、誘電体、イオン結晶、半導体などの分野の研究に幅広く用いられる測定法である。
【０００３】
紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定では一般的に石英ガラスなどの透明な支持基板を利用するが、電子線はそのガラス基板を透過しないので、従来では電子顕微鏡による構造解析と紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定とを別個独立して行っていた。紫外・可視・近赤外スペクトル測定を行った薄膜を電子顕微鏡観察するにはフッ酸（ＨＦ）などの薬品で基板を溶解したり、機械研磨やイオン研磨によって物理的に基板を除去したりすることで、試料を作製し直すことが多い。フッ酸などの薬品による溶解、機械研磨やイオン研磨といった試料の作製プロセスは、試料の表面構造・結晶構造の破壊を引き起こす。このため、紫外・可視・近赤外吸収スペクトルを測定した試料構造と、その後、電子顕微鏡によって観察された試料の構造にズレが生じることがあった。そこで、電子顕微鏡において構造観察と紫外・可視・近赤外吸収スペクトルの測定とを同時に行うことが望まれていた。
【０００４】
一方、既存の透過型電子顕微鏡により試料を高分解能観察すると同時に、試料に照射された電子線より生じた励起光を検出して分析するカソードルミネッセンス分析も可能な試料ホルダーとして特許文献１が提案されている。特許文献１の試料ホルダーは、既存の透過型電子顕微鏡に取り付け可能であり、後端部から試料固定部近傍にまで延設された光ファイバーと、電子線の照射方向に対して試料の裏側に配され、電子線照射により生じた励起光を光ファイバー側へ反射させる反射板と、反射板からの光を集光する集光レンズとを有する。試料に電子線が照射されると、電子線が試料を透過することで生じた励起光が反射板により向きが変更され、集光レンズを介して集光された励起光を光ファイバを通して電子顕微鏡外に設けられた分光測定器で測定できるようになっている。
【０００５】
また、光学特性の測定用ではないが、高温下での高分解能電子顕微鏡観察を容易に行うことができる試料ホルダーとして、本出願人による特許文献２がある。特許文献２では、試料を高温にするための従来の電子ビーム法やレーザービーム法などにおける問題点を解決するものであって、試料ホルダーの試料固定部近傍にまで延設された光ファイバーと、光ファイバーから照射されるＮｄ−ＹＡＧレーザー光を反射させる反射板と、反射板からのレーザー光を集光する集光レンズとを有する。これにより、ポールピース内においても容易に試料へレーザー光を照射できるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３９７０３号公報
【特許文献２】特開平８−３１３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、既存の電子顕微鏡によって構造観察と共にカソードルミネッセンス分析も可能である。しかし特許文献１では、電子線照射系と電子線照射による励起光を検出するファイバー光学系しか有せず、紫外・可視・近赤外光の入射系を有しないので、高分解能観察と同時に紫外・可視・近赤外分光法も行うことは不可能である。一方、特許文献２では、既存の電子顕微鏡においてＮｄ−ＹＡＧレーザー光を容易に照射できるものの、試料を高温条件とするためのレーザー光を照射するのみであって、やはり紫外・可視・近赤外吸収スペクトルを測定することは不可能である。つまり、これらの試料ホルダーや加熱装置では、熱輻射（赤外線）量を用いた温度測定やカソードルミネッセンスを測定できても、試料の励起光や吸収スペクトルを測定することはできない。また、特許文献２の光ファイバーは、その先端部の所定量が試料ホルダーの外部に露出している。
【０００８】
また、特許文献１及び特許文献２は根本的に紫外・可視・近赤外分光法用とは異なるので、これらを単純に紫外・可視・近赤外分光法へ適用することはできない。すなわち、一般的に既存の電子顕微鏡に使用される試料ホルダーでの分光計測を実現するためには複雑な改造を必要とするので、既存の電子顕微鏡によって簡便に紫外・可視・近赤外分光法による測定する具体的な実現手段を構築するのは困難であった。そのため、特許文献１及び特許文献２では、高分解能電子顕微鏡観察において必要とされる試料の傾斜機構を犠牲にしている。そのうえ、特許文献１及び特許文献２では、共に反射板のみによって試料に電子線やレーザー光を指向しているので、精密な光と試料との相対角度調整が困難であると共に、反射板を設けるスペースも必要となり、試料設置空間の狭いポールピースには適用し難い。
【０００９】
そこで本発明の目的は、既存の電子顕微鏡を用いて、試料の高分解能電子顕微鏡観察と同時に、試料に確実に紫外・可視・近赤外光を照射し、光吸収による電子励起を実現することで紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定をも容易かつ確実に行うことのできる試料ホルダーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電子顕微鏡内において電子線を照射することにより試料の構造観察を行う試料ホルダーであって、前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、電子顕微鏡外の光源から紫外・可視・近赤外領域の光を前記電子顕微鏡の鏡筒内に伝送する入射側光ファイバーと、前記入射側光ファイバーにより伝送された入射光を、前記試料ホルダーに設置された試料に集光する入射側集光レンズと、前記試料を介して前記入射側集光レンズの対向側に配され、前記試料を透過した光を集光する透過側集光レンズと、前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、前記透過側集光レンズにより集光した透過光を、前記試料を介して前記入射側光ファイバーの対向側から前記電子顕微鏡の鏡筒外へ伝送する透過側光ファイバーとを備え、電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明においては、前記入射側光ファイバーと前記透過側光ファイバーとが、その全体に亘って前記試料ホルダーの内部に挿通されていることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１２】
また、本発明においては、前記入射側集光レンズと前記試料との間、及び前記透過側集光レンズと前記試料との間には、それぞれ集光レンズからの光を試料へ向けて反射させる入射側反射板及び透過側反射板が設けられていることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１３】
また、本発明においては、前記試料ホルダーは、該試料ホルダー全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構と、試料ホルダーの先端部に設けられた試料固定部に固定される試料設置台の傾斜角度を、前記試料ホルダーの軸方向と直交する軸方向で調整する試料設置台傾斜機構とによって、高分解能用ポールピース内での２軸傾斜が可能であること特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１４】
また、本発明においては、前記入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが、それぞれ前記入射側光ファイバー及び透過側集光レンズとの距離を調節可能であることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１５】
また、本発明においては、前記入射側反射板及び前記透過側反射板が、前記試料に対する角度を調整自在であることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１６】
また、本発明においては、上記いずれかの構成を有する試料ホルダーを備える電子顕微鏡を提供することもできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来から電子顕微鏡に使用されていた試料ホルダーに、主として入射側光ファイバーと透過側光ファイバーとを設けただけの簡単な構成となっており、かつ両光ファイバーは試料ホルダーに設けられているので、試料ホルダーと別個に光ファイバーを電子顕微鏡に装着する必要もない。したがって、本発明の試料ホルダーはそのまま既存の電子顕微鏡に装着可能であり、従来からの電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることができ、汎用性が高い。しかも、電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光吸収スペクトル測定が可能となれば、従来の透過型電子顕微鏡での観察では不可能であった、光吸収による電子励起過程の電子顕微鏡その場観察や、原子レベルの構造と光吸収の相関を細かなレベルまで観測可能となる。これにより、試料の光学特性の測定を構造観察と別個独立して行う手間を省け、かつ既存の電子顕微鏡を光学特性の測定のために複雑な機構に改造する必要もない。また、両光ファイバーが試料ホルダーの軸方向に沿って配されているので、試料ホルダーが大型化することも避けられている。両光ファイバーと試料との間に入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが配してあれば、効率よく光を試料や透過側光ファイバーへ集光できる。
【００１８】
入射側光ファイバー及び透過側光ファイバーがその全体に亘って試料ホルダーの内部に挿通されていれば、より試料ホルダーの大型化避けられ、従来電子顕微鏡に使用されていた試料ホルダーと同程度の大きさとできる。また、試料ホルダーを電子顕微鏡に装着する際に光ファイバーが電子顕微鏡の鏡筒に引っ掛かるなどして、邪魔になったり破損したりすることも回避できる。
【００１９】
両集光レンズと試料との間に、それぞれ入射側反射板及び透過側反射板を設けていれば、試料の固定位置や固定角度などに合わせて入射側光ファイバーから入射された光の角度を、試料や透過側光ファイバーへ的確に調整することができ、精密な試料の励起、吸収スペクトル測定が可能となる。
【００２０】
試料ホルダーが２軸傾斜可能であれば、電子線に対する試料位置や角度を調整可能であると共に、光ファイバーから入射される紫外・可視・近赤外領域の光に対する角度も調整可能なので、確実な構造観察と試料の励起及び吸収スペクトルの測定を行うことができる。
【００２１】
また、両集光レンズや両反射板が角度調整自在であれば、より精密に紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、これに限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。本発明の試料ホルダーは、既存の電子顕微鏡に装着されるものなので、まずは従来から使用されている周知の電子顕微鏡による試料の構造観察について概説する。
【００２３】
図１に、既存の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の概略構成図を示す。図２にポールピース内部の概略断面図を示す。図３に、既存のホルダー傾斜機構の横断平面図を示す。なお、図２においてはホルダー傾斜機構の図示は省略している。図１において、ＴＥＭ１は、上方から電子銃（フィラメント）２と、第１収束レンズ３と、第２収束レンズ４と、対物レンズ５と、中間レンズ６と、投射レンズ７と、蛍光板８と、カメラ９とを有し、第２収束レンズ４と対物レンズ５との間のポールピース１６内に観察対象たる試料Ｓを保持する試料ホルダー１０が配されている。なお、試料ホルダー１０はサイドエントリータイプであり、図２に示されるように、実際には試料ホルダー１０が装着されるポールピース１６の内部空間は狭い。第１収束レンズ３及び第２収束レンズ４が照射系であり、対物レンズ５、中間レンズ６、および投射レンズ７が結像系である。電子銃２から照射された電子線Ｅは、第１・第２の収束レンズ３・４によりスポット状に収束されて試料Ｓを透過する。電子線Ｅが試料Ｓを透過することで、試料Ｓから二次電子が放出される。試料Ｓを透過した電子は対物レンズ５により結像され、その像は投射レンズ７により拡大され、蛍光板８に投影される。蛍光板８に投影された透過電子像は、蛍光板８を立ち上げた際にはカメラ９を介して図外のモニターに表示される。符号１１は、ＴＥＭ１の鏡筒である。試料Ｓは、試料ホルダー１０全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構１５により電子線軸上でその位置や角度を変更調整可能で、試料Ｓを電子顕微鏡の視野中心に保持しながら、種々の角度から透過電子像を観察することが可能となっている。
【００２４】
ホルダー傾斜機構１５も周知の機構を使用できるが、図３にその一例の横断平面図を示す。なお、以下では試料ホルダー１０の軸方向（図３の左右方向）をｘ方向とし、水平面にてｘ方向に対して直角な方向（図３の上下方向）をｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向と直交しＴＥＭ１の高さ方向に相当する方向（図３の正背面方向）をｚ方向とする。図３において試料ホルダー１０は所定長さを有する円柱形部材であって、その先端部に試料が設置固定される扁平な試料固定部１０ａが一体形成されている。試料ホルダー１０は左右両面が開口する円筒形の鞘管１７に挿入・固定されている。鞘管１７の先端は球面になっており、球面座１８内に納められる構造である。そして、試料Ｓをｙｚ方向で高精度に制御するため、鞘管１７の外層に設けられたシリンダ１９上に、ｙｚ２方向から固定された微動アクチュエータ２０を設け、当該微動アクチュエータ２０とこれの対向面側に設けられたリターンスプリング２１とで鞘管１７が挟持されている。微動アクチュエータ２０は電気的パルス入力を受けてシリンダ１９に対して出没可能であり、球面座１８の中心Ｃを不動点として試料ホルダー１０を数ｎｍレベルでｙｚ方向へ任意に傾斜可能である。位置復元力はリターンスプリング２１の付勢力により生成する。このように、試料ホルダー１０が球面座１８の中心Ｃを不動点として任意な角度でｙｚ方向へ傾斜可能であることで、試料ホルダー１０先端部の試料固定部１０ａに設置された試料Ｓをｙｚ方向へ任意に移動できる。ｘ方向への試料の位置調整は、試料ホルダー１０の先端部に固定された梃子２７により実現される。すなわち、把手２８を梃子２７で押し上げることで試料Ｓをｘ方向へ微動調整できる。また、シリンダ調整機構２３によってシリンダ１９のｙｚ方向の位置が微調整され、シリンダガイド調整機構２６によって鏡筒１１とシリンダガイド２４との相対位置関係が調整される。なお、鏡筒１１内の真空は、ＴＥＭ１外部から鏡筒１１内に至る間のいずれかの箇所で、試料ホルダー１０の外周にＯ−リング等を嵌合することにより保持されている。
【００２５】
次に、試料ホルダー１０先端部の試料固定部１０ａについて、図４〜図５を参照しながら詳しく説明する。図４は、試料固定部１０ａの要部拡大平面図である。図５は、試料固定部１０ａの縦断側面図である。図４に示すごとく、試料固定部１０ａは扁平矩形を呈しており、その先端寄り部位に穿設された開口３１内に試料を設置する平板状の設置台３２が配されている。試料Ｓは、設置台３２の中央部にメッシュ（図示せず）などを介して設置される。設置台３２は、捻りコイルバネ３３を介して試料ホルダー１０に設けらており、設置台傾斜機構によって傾斜角度を調整可能となっている。すなわち、設置台３２は試料ホルダー１０の軸方向Ｘと直交するｙ方向の回転軸Ｙを中心に回動自在となっている。この設置台３２の傾斜機構も周知の機構を採用できるが、例えば、設置台３２の両側面に一体形成されている支軸３４のうち、一方（図４では下方）の支軸３４の先端には線状若しくはベルト状の牽引部材３５が巻き付け固定されており、その他端は試料ホルダー１０の内部を通って後端側まで延設されている。そして、この牽引部材３５を試料ホルダー１０の後端側から牽引操作することで、図５に示されるように設置台３２が捻りコイルバネ３３の付勢力に抗して試料ホルダー１０の軸方向Ｘと直交するｙ方向の回転軸Ｙを中心に回転自在（角度調整自在）となっている。なお、上記２軸傾斜機構はほんの一例であって、他にも例えば特開平６−６８８２８号公報に開示されているような機構を採用することもできる。
【００２６】
（実施例１）
次に、本発明の特徴構成である紫外・可視・近赤外分光法用の部材構成について説明する。図４及び図５において試料ホルダー１０には、光源６０から紫外・可視・近赤外領域の光Ｌ1を試料Ｓに向けて伝送する入射側光ファイバー３８と、試料Ｓを透過した光Ｌ2を分光計測器６１へ伝送する透過側光ファイバー３９とを備える。両光ファイバー３８・３９は、その先端に至るほぼ全体に亘って試料ホルダー１０の内部にこれの軸方向Ｘに沿って挿通配設されている。具体的には、入射側光ファイバー３８の他端はＴＥＭ１外の光源６０と連接されており（図１参照）、設置台３２の側部を周りこんで試料ホルダー１０の開口３１の先端側内周面に至り、設置台３２の先端縁近傍にまで挿通されている。透過側光ファイバー３９も、ＴＥＭ１外の分光計測器６１と連接されて（図１参照）、試料ホルダー１０の開口の後端側内周面に至り、設置台３２の後端縁近傍にまで挿通されている。すなわち、両光ファイバー３８・３９は、試料Ｓを介して対向状態で配されている。なお、両光ファイバー３８・３９の先端部は試料ホルダー１０内へ螺合されたビス４０によって押圧保持されており、ビス４０の捻じ込み量によってｘｙ方向位置の微調整が可能となっている。光ファイバー３８・３９は、紫外・可視・近赤外領域の光を伝送することができる誘電体線路と反射手段との組み合わせから構成されている。
【００２７】
このように、両光ファイバー３８・３９は、試料ホルダー１０に挿通固定されていることで、当該試料ホルダー１０と共にＴＥＭ１のポールピース１６内に導入され一体的に取り扱うことができる。また、両光ファイバー３８・３９を試料ホルダー１０内へ貫通させていることにより、試料ホルダー１０用のポート（ポールピース１６内の設置空間）を利用して容易にポールピース１６内へ導入できるので、光ファイバー３８・３９用のポートを別個に必要としない。したがって、本試料ホルダー１０は、容易に既存のＴＥＭ１に適用することができる。紫外・可視・近赤外光源６０と紫外・可視・近赤外分光計測器６１は、光ファイバー３８・３９を介してＴＥＭ１の外部に試料ホルダー１０と独立して設置されているので、半導体検出器やモノクロメーターなどの改良にあわせて、最適な光源６０や計測器６１を選択することが可能である。
【００２８】
入射側光ファイバー３８及び透過側光ファイバー３９の先端には、それぞれ耐熱性の入射側集光レンズ４２及び透過側集光レンズ４３が溶接固定されている。入射側集光レンズ４２は、入射側光ファイバー３８の先端から拡散する入射光Ｌ1を集光し、試料ホルダー１０上の試料Ｓに指向して照射するものであり、光ファイバー３８との溶接面が平面に、試料Ｓ側の面が凸状に湾曲した球面となっている。透過側集光レンズ４３は、入射側光学系３８・４２との相反定理により試料Ｓを透過した光Ｌ2を透過側光ファイバー３９へ導入するものであり、光ファイバー３９との溶接面が平面に、試料Ｓ側の面が凸状に湾曲した球面となっている。
【００２９】
図４に良く示されるように、両光ファイバー３８・３９と設置台３２との高さ位置を異ならせた上で、両光ファイバー３８・３９の先端（及び両集光レンズ４２・４３）がそれぞれ試料ホルダー１０の軸方向Ｘで、設置台３２の先端縁、後端縁と重なる位置にまで近づけられている。入射側光ファイバー３８は、設置台３２より上方に位置しており、その先端面は下向きに傾斜している。これにより、入射側光ファイバー３８の先端面に溶接されている入射側集光レンズ４２も、所定角度で下向きに傾斜している。一方、透過側光ファイバー３９は、設置台３２より下方に位置しており、その先端面は上向きに傾斜している。これにより、透過側光ファイバー３９の先端面に溶接されている透過側集光レンズ４３も所定角度で上向きに傾斜している。なお、入射側光ファイバー３８と透過側光ファイバー３９の対向関係、及び上下位置関係は、本実施例１の構成の逆となっていてもよい。
【００３０】
次に、紫外・可視・近赤外分光法による測定方法について説明する。まず、試料ホルダー１０の設置台３２に観察用の試料Ｓを設置し、両光ファイバー３８・３９と共に、本実施例１の試料ホルダー１０を既存のＴＥＭ１のポールピース１６内にサイドエントリーする。試料ホルダー１０をポールピース１６に装着できたら、試料ＳがＴＥＭ１の視野中心にくるようホルダー傾斜機構１５によって試料ホルダー１０の角度を調整し、電子線Ｅ透過による高空間分解能を利用した周知の方法によって試料Ｓの構造観察をする。これと同時に、光源６０及び分光計測器６１を使用した紫外・可視・近赤外分光法による測定を行うことができる。
【００３１】
ＴＥＭ１外に設けられた光源６０からは、光ファイバーで伝送することができ、かつ試料Ｓの高分解能観察に悪影響を及ぼさない紫外・可視・近赤外領域の光Ｌ1が発せられる。また、紫外・可視・近赤外光源６０としては、小径に集光することができるものが好ましい。これにより、高いパワー密度を得ることができ、微小な試料Ｓを効果的に励起することができるからである。また極微量の光吸収の検出を容易に行うために、高出力を安定して出力することができるものが望ましい。さらに、連続発振が可能であるものが好ましい。このような光源６０としては、例えば重水素・タングステン（ランプＤ２／Ｗ）などを使用できる。このような紫外・可視・近赤外光は、空気中で発振可能である。そのうえ、入射側光学系３８・４２と透過側光学系３９・４３が鏡筒１１から真空を破ることなく出し入れされる試料ホルダー１０に一体に設けられている。これにより、ＴＥＭ１のポールピース１６内に試料ホルダー１０をセットする前に、予め鏡筒１１外で試料Ｓの軸調整を行うことができる。紫外・可視・近赤外分光計測器６１としては、紫外域から近赤外域（１８５〜３３００ｎｍ程度）までの幅広い範囲の波長の光を測定可能であり、かつ高感度・低迷光を実現できるものが望ましい。
【００３２】
まず、試料ホルダー１０をポールピース１６内に装着する前に、試料ホルダー１０の後端から牽引部材３５を牽引操作することで、図５に示すように設置台３２と共に試料Ｓの傾斜角度を、入射側光ファイバー３８から透過側光ファイバー３９への光路に対して直角となるように調整する。そのうえで、試料ホルダー１０をＴＥＭ１へ装着し、電子線透過による高分解能観察と共に紫外・可視・近赤外分光法による測定を行う。光源６０から入射側光ファイバー３８を介して伝送された紫外・可視・近赤外領域の入射光Ｌ1は、入射側集光レンズ４２によって集光されながら試料Ｓへ照射される。すると、入射光Ｌ1が透過することで試料Ｓが励起される共に、光吸収された透過光Ｌ2が透過側集光レンズ４３によって集光されたうえで、透過側光ファイバー３９を介して分光計測器６１へ伝送され、光の吸収スペクトルを測定することができる。これにより、これまでの透過型電子顕微鏡による構造観察と同時に紫外・可視・近赤外領域の光を集光しながら紫外・可視・近赤外分光法による測定が可能となったことにより、数ｎｍ以下の極小領域の構造観察と光物性を同時に観測することまで可能となる。したがって、従来よりも精度良い組成揺らぎ、格子ひずみ、結晶粒界の観測が可能となる。また、このように試料ホルダーに光ファイバー及び集光レンズを設けただけの簡単な構成であれば、ギャップの狭いポールピースにも装着することができ、高い空間分解能を有する電子顕微鏡にも好適に適用できる。
【００３３】
（実施例２）
次に、図６〜図７を参照しながら、本発明に係る試料ホルダー１０の実施例２について説明する。図６に、実施例２に係る試料ホルダー１０の試料固定部１０ａの要部拡大平面図を示す。図７に、実施例２に係る試料ホルダー１０の試料固定部１０ａの縦断側面図を示す。本実施例２では、集光レンズの位置調整を可能となっている点、集光レンズと試料Ｓとの間に反射板を設けている点に特徴を有する。したがって、以下には、実施例１と異なる実施例２の特徴点を中心に説明する。
【００３４】
図６、図７に示されるように、実施例２の試料ホルダー１０では、両光ファイバー３８・３９の先端前方に、光路を挟んで対向状に設けられた支持枠５０が、それぞれ試料固定部１０ａの開口３１の内周面から一体的に突出形成されている。入射側集光レンズ４２及び透過側集光レンズ４３は、これらの左右両側面から保持部材５１によって挟持されていることで、それぞれ入射側光ファイバー３８及び透過側光ファイバー３９とは独立して設けられている。両保持部材５１の内側端部は平面視で略コ字状となっており、その間に集光レンズ４２や４３がクリップ状に挿入保持さることで、両集光レンズ４２・４３は保持部材５１から着脱自在となっている。そして、図７に良く示されるように、支持枠５０には、試料ホルダー１０の軸方向Ｘに所定長さを有するスライド溝５２が形成されており、当該スライド溝５２に保持部材５１の外側端部が摺動可能に嵌合されている。これにより、両光ファイバー３８・３９と両集光レンズ４２・４３との距離が調整可能となっている。また、支持枠５０の先端部であって両集光レンズ４２・４３と試料Ｓとの間には、入射側反射板５３及び透過側反射板５４が設けられている。両反射板５３・５４は、ピン５５を介して支持枠５０に回動自在に固定されている。反射板５３・５４としては、光を透過せずに反射させられるものであれば特に限定されないが、代表的には反射鏡を使用できる。その形状も、一般的には平板状であるが、光を効率よく指向するために凹曲面状に形成することもできる。
【００３５】
試料Ｓを観察するときは、ＴＥＭ１外の光源６０から、紫外・可視・近赤外領域の光が入射側光ファイバー３８を介して伝送され、入射側光ファイバー３８からの入射光Ｌ1は、入射側集光レンズ４２で集光されながら入射側反射板５３によって試料Ｓ側へ反射指向され試料Ｓに照射される。試料Ｓを紫外・可視・近赤外領域の入射光Ｌ1が透過することで試料Ｓが励起すると共に、試料Ｓを透過した透過光Ｌ2は透過側反射板５４側へ向けて反射指向され、透過側集光レンズ４３で集光されながら透過側光ファイバー３９を介して分光計測器６１へ伝送され、光の吸収スペクトルが測定される。
【００３６】
このとき、両集光レンズ４２・４３の位置、両反射板５３・５４の傾斜角度、及び試料Ｓの傾斜角度をそれぞれ適宜調整することで、試料Ｓにおける入射光Ｌ1の集光度合い、入射光Ｌ1と試料Ｓとの相対角度などを精度良く調整できる。具体的には、保持部材５１をスライド溝５２内で試料ホルダー１０の軸方向Ｘにスライド操作して、入射側集光レンズ４２の位置、すなわち入射側集光レンズ４２と試料Ｓとの距離を調整することで、入射側光ファイバー３８を介して伝送された入射光Ｌ1を試料Ｓ部分において最も集光させることができる。そして、軸Ｙを中心としてある程度傾斜させた試料Ｓに対して、両反射板５３・５４の傾斜角度をピン５５を中心として回動させることで適宜調整し、試料Ｓと入射光Ｌ1との相対角度を精密に調整できる。また、透過側集光レンズ４３の位置も保持部材５１のスライド操作により調整することで、試料Ｓを透過した透過光Ｌ2を効率よく集光しながら透過側光ファイバー３９へ伝送できるので、吸収スペクトル測定精度も向上する。このように、光Ｌと試料Ｓとの相対角度は、両反射板５３・５４と試料Ｓの傾斜角度を調整することで決定できるので、本実施例２での両光ファイバー３８・３９及びこれの前方に配される両集光レンズ４２・４３は傾斜しておらず、水平方向を向いている。
【００３７】
なお、本実施例２での集光レンズ４２・４３は着脱自在なので、必要に応じて材質、形状、特性などを適宜選択することができる。例えば、通常は２００〜１５００ｎｍ程度の波長範囲ではレンズの屈折率の違いは問題とならないが、必要に応じて色収差の無い集光レンズや各波長領域に特化した集光レンズへの変更が可能である。また、微細な照射軸調整を正確かつ容易に行うことができ、確実に試料Ｓの励起及び吸収スペクトル測定をすることができる。その他は先の実施例１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】透過型電子顕微鏡の概略構成図である。
【図２】ポールピース部の概略断面図である。
【図３】試料ホルダー傾斜機構の横断平面図である。
【図４】実施例１の試料ホルダーの要部拡大平面図である。
【図５】実施例１の試料ホルダーの要部拡大側断面図である。
【図６】実施例２の試料ホルダーの要部拡大平面図である。
【図７】実施例２の試料ホルダーの要部拡大側断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
２ 電子銃（フィラメント）
３・４ 収束レンズ
５ 対物レンズ
６ 中間レンズ
７ 投射レンズ
１０ 試料ホルダー
１０ａ 試料固定部
１１ 鏡筒
１５ ホルダー傾斜機構
１６ ポールピース
１８ 球面座
１９ シリンダ
２０ 当該微動アクチュエータ
２１ リターンスプリング
２３ シリンダ調整機構
２４ シリンダガイド
２６ シリンダガイド調整機構
２７ 梃子
２８ 把手
３１ 開口
３２ 試料設置台
３５ 牽引部材
３８ 入射側光ファイバー
３９ 透過側光ファイバー
４２ 入射側集光レンズ
４３ 透過側集光レンズ
５０ 支持枠
５１ 保持部材
５２ スライド溝
５３ 入射側反射板
５４ 透過側反射板
６０ 光源
６１ 分光計測器
Ｅ 電子線
Ｌ1 入射光
Ｌ2 透過光
Ｓ 試料
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光による励起及び吸収測定と電子顕微鏡の高分解能観察とを同時に行うことができる試料ホルダー、特に、既存の透過型電子顕微鏡に取り付け可能な紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定用試料ホルダーに関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外・可視・近赤外分光法（UV-Vis-NIR）は、紫外(UV,UltraViolet)、可視(Vis, Visible)、および近赤外(NIR,Near InfraRed)領域の光吸収を測定することにより物質に特有である電子遷移エネルギーを分析する分光法である。通常、２００〜１５００ｎｍ程度の波長範囲について測定する。紫外・可視・近赤外分光法は、測定が容易であること、結果が肉眼での観察と一致しわかりやすいこと、分子によっては極めて特徴的なスペクトルを示すこと、及びスペクトルが物質の状態によって敏感に変化することなどから、誘電体、イオン結晶、半導体などの分野の研究に幅広く用いられる測定法である。
【０００３】
紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定では一般的に石英ガラスなどの透明な支持基板を利用するが、電子線はそのガラス基板を透過しないので、従来では電子顕微鏡による構造解析と紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定とを別個独立して行っていた。紫外・可視・近赤外スペクトル測定を行った薄膜を電子顕微鏡観察するにはフッ酸（ＨＦ）などの薬品で基板を溶解したり、機械研磨やイオン研磨によって物理的に基板を除去したりすることで、試料を作製し直すことが多い。フッ酸などの薬品による溶解、機械研磨やイオン研磨といった試料の作製プロセスは、試料の表面構造・結晶構造の破壊を引き起こす。このため、紫外・可視・近赤外吸収スペクトルを測定した試料構造と、その後、電子顕微鏡によって観察された試料の構造にズレが生じることがあった。そこで、電子顕微鏡において構造観察と紫外・可視・近赤外吸収スペクトルの測定とを同時に行うことが望まれていた。
【０００４】
一方、既存の透過型電子顕微鏡により試料を高分解能観察すると同時に、試料に照射された電子線より生じた励起光を検出して分析するカソードルミネッセンス分析も可能な試料ホルダーとして特許文献１が提案されている。特許文献１の試料ホルダーは、既存の透過型電子顕微鏡に取り付け可能であり、後端部から試料固定部近傍にまで延設された光ファイバーと、電子線の照射方向に対して試料の裏側に配され、電子線照射により生じた励起光を光ファイバー側へ反射させる反射板と、反射板からの光を集光する集光レンズとを有する。試料に電子線が照射されると、電子線が試料を透過することで生じた励起光が反射板により向きが変更され、集光レンズを介して集光された励起光を光ファイバを通して電子顕微鏡外に設けられた分光測定器で測定できるようになっている。
【０００５】
また、光学特性の測定用ではないが、高温下での高分解能電子顕微鏡観察を容易に行うことができる試料ホルダーとして、本出願人による特許文献２がある。特許文献２では、試料を高温にするための従来の電子ビーム法やレーザービーム法などにおける問題点を解決するものであって、試料ホルダーの試料固定部近傍にまで延設された光ファイバーと、光ファイバーから照射されるＮｄ−ＹＡＧレーザー光を反射させる反射板と、反射板からのレーザー光を集光する集光レンズとを有する。これにより、ポールピース内においても容易に試料へレーザー光を照射できるようになっている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１３９７０３号公報
【特許文献２】特開平８−３１３６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１では、既存の電子顕微鏡によって構造観察と共にカソードルミネッセンス分析も可能である。しかし特許文献１では、電子線照射系と電子線照射による励起光を検出するファイバー光学系しか有せず、紫外・可視・近赤外光の入射系を有しないので、高分解能観察と同時に紫外・可視・近赤外分光法も行うことは不可能である。一方、特許文献２では、既存の電子顕微鏡においてＮｄ−ＹＡＧレーザー光を容易に照射できるものの、試料を高温条件とするためのレーザー光を照射するのみであって、やはり紫外・可視・近赤外吸収スペクトルを測定することは不可能である。つまり、これらの試料ホルダーや加熱装置では、熱輻射（赤外線）量を用いた温度測定やカソードルミネッセンスを測定できても、試料の励起光や吸収スペクトルを測定することはできない。また、特許文献２の光ファイバーは、その先端部の所定量が試料ホルダーの外部に露出している。
【０００８】
また、特許文献１及び特許文献２は根本的に紫外・可視・近赤外分光法用とは異なるので、これらを単純に紫外・可視・近赤外分光法へ適用することはできない。すなわち、一般的に既存の電子顕微鏡に使用される試料ホルダーでの分光計測を実現するためには複雑な改造を必要とするので、既存の電子顕微鏡によって簡便に紫外・可視・近赤外分光法による測定する具体的な実現手段を構築するのは困難であった。そのため、特許文献１及び特許文献２では、高分解能電子顕微鏡観察において必要とされる試料の傾斜機構を犠牲にしている。そのうえ、特許文献１及び特許文献２では、共に反射板のみによって試料に電子線やレーザー光を指向しているので、精密な光と試料との相対角度調整が困難であると共に、反射板を設けるスペースも必要となり、試料設置空間の狭いポールピースには適用し難い。
【０００９】
そこで本発明の目的は、既存の電子顕微鏡を用いて、試料の高分解能電子顕微鏡観察と同時に、試料に確実に紫外・可視・近赤外光を照射し、光吸収による電子励起を実現することで紫外・可視・近赤外吸収スペクトル測定をも容易かつ確実に行うことのできる試料ホルダーを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、電子顕微鏡内において電子線を照射することにより試料の構造観察を行う試料ホルダーであって、前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、電子顕微鏡外の光源から紫外・可視・近赤外領域の光を前記電子顕微鏡の鏡筒内に伝送する入射側光ファイバーと、前記入射側光ファイバーにより伝送された入射光を、前記試料ホルダーに設置された試料に集光する入射側集光レンズと、前記試料を介して前記入射側集光レンズの対向側に配され、前記試料を透過した光を集光する透過側集光レンズと、前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、前記透過側集光レンズにより集光した透過光を、前記試料を介して前記入射側光ファイバーの対向側から前記電子顕微鏡の鏡筒外へ伝送する透過側光ファイバーとを備え、電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明においては、前記入射側光ファイバーと前記透過側光ファイバーとが、その全体に亘って前記試料ホルダーの内部に挿通されていることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１２】
また、本発明においては、前記入射側集光レンズと前記試料との間、及び前記透過側集光レンズと前記試料との間には、それぞれ集光レンズからの光を試料へ向けて反射させる入射側反射板及び透過側反射板が設けられていることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１３】
また、本発明においては、前記試料ホルダーは、該試料ホルダー全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構と、試料ホルダーの先端部に設けられた試料固定部に固定される試料設置台の傾斜角度を、前記試料ホルダーの軸方向と直交する軸方向で調整する試料設置台傾斜機構とによって、高分解能用ポールピース内での２軸傾斜が可能であること特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１４】
また、本発明においては、前記入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが、それぞれ前記入射側光ファイバー及び透過側集光レンズとの距離を調節可能であることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１５】
また、本発明においては、前記入射側反射板及び前記透過側反射板が、前記試料に対する角度を調整自在であることを特徴とする試料ホルダーを提供することができる。
【００１６】
また、本発明においては、上記いずれかの構成を有する試料ホルダーを備える電子顕微鏡を提供することもできる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明は、従来から電子顕微鏡に使用されていた試料ホルダーに、主として入射側光ファイバーと透過側光ファイバーとを設けただけの簡単な構成となっており、かつ両光ファイバーは試料ホルダーに設けられているので、試料ホルダーと別個に光ファイバーを電子顕微鏡に装着する必要もない。したがって、本発明の試料ホルダーはそのまま既存の電子顕微鏡に装着可能であり、従来からの電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることができ、汎用性が高い。しかも、電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光吸収スペクトル測定が可能となれば、従来の透過型電子顕微鏡での観察では不可能であった、光吸収による電子励起過程の電子顕微鏡その場観察や、原子レベルの構造と光吸収の相関を細かなレベルまで観測可能となる。これにより、試料の光学特性の測定を構造観察と別個独立して行う手間を省け、かつ既存の電子顕微鏡を光学特性の測定のために複雑な機構に改造する必要もない。また、両光ファイバーが試料ホルダーの軸方向に沿って配されているので、試料ホルダーが大型化することも避けられている。両光ファイバーと試料との間に入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが配してあれば、効率よく光を試料や透過側光ファイバーへ集光できる。
【００１８】
入射側光ファイバー及び透過側光ファイバーがその全体に亘って試料ホルダーの内部に挿通されていれば、より試料ホルダーの大型化避けられ、従来電子顕微鏡に使用されていた試料ホルダーと同程度の大きさとできる。また、試料ホルダーを電子顕微鏡に装着する際に光ファイバーが電子顕微鏡の鏡筒に引っ掛かるなどして、邪魔になったり破損したりすることも回避できる。
【００１９】
両集光レンズと試料との間に、それぞれ入射側反射板及び透過側反射板を設けていれば、試料の固定位置や固定角度などに合わせて入射側光ファイバーから入射された光の角度を、試料や透過側光ファイバーへ的確に調整することができ、精密な試料の励起、吸収スペクトル測定が可能となる。
【００２０】
試料ホルダーが２軸傾斜可能であれば、電子線に対する試料位置や角度を調整可能であると共に、光ファイバーから入射される紫外・可視・近赤外領域の光に対する角度も調整可能なので、確実な構造観察と試料の励起及び吸収スペクトルの測定を行うことができる。
【００２１】
また、両集光レンズや両反射板が角度調整自在であれば、より精密に紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明するが、これに限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。本発明の試料ホルダーは、既存の電子顕微鏡に装着されるものなので、まずは従来から使用されている周知の電子顕微鏡による試料の構造観察について概説する。
【００２３】
図１に、既存の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の概略構成図を示す。図２にポールピース内部の概略断面図を示す。図３に、既存のホルダー傾斜機構の横断平面図を示す。なお、図２においてはホルダー傾斜機構の図示は省略している。図１において、ＴＥＭ１は、上方から電子銃（フィラメント）２と、第１収束レンズ３と、第２収束レンズ４と、対物レンズ５と、中間レンズ６と、投射レンズ７と、蛍光板８と、カメラ９とを有し、第２収束レンズ４と対物レンズ５との間のポールピース１６内に観察対象たる試料Ｓを保持する試料ホルダー１０が配されている。なお、試料ホルダー１０はサイドエントリータイプであり、図２に示されるように、実際には試料ホルダー１０が装着されるポールピース１６の内部空間は狭い。第１収束レンズ３及び第２収束レンズ４が照射系であり、対物レンズ５、中間レンズ６、および投射レンズ７が結像系である。電子銃２から照射された電子線Ｅは、第１・第２の収束レンズ３・４によりスポット状に収束されて試料Ｓを透過する。電子線Ｅが試料Ｓを透過することで、試料Ｓから二次電子が放出される。試料Ｓを透過した電子は対物レンズ５により結像され、その像は投射レンズ７により拡大され、蛍光板８に投影される。蛍光板８に投影された透過電子像は、蛍光板８を立ち上げた際にはカメラ９を介して図外のモニターに表示される。符号１１は、ＴＥＭ１の鏡筒である。試料Ｓは、試料ホルダー１０全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構１５により電子線軸上でその位置や角度を変更調整可能で、試料Ｓを電子顕微鏡の視野中心に保持しながら、種々の角度から透過電子像を観察することが可能となっている。
【００２４】
ホルダー傾斜機構１５も周知の機構を使用できるが、図３にその一例の横断平面図を示す。なお、以下では試料ホルダー１０の軸方向（図３の左右方向）をｘ方向とし、水平面にてｘ方向に対して直角な方向（図３の上下方向）をｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向と直交しＴＥＭ１の高さ方向に相当する方向（図３の正背面方向）をｚ方向とする。図３において試料ホルダー１０は所定長さを有する円柱形部材であって、その先端部に試料が設置固定される扁平な試料固定部１０ａが一体形成されている。試料ホルダー１０は左右両面が開口する円筒形の鞘管１７に挿入・固定されている。鞘管１７の先端は球面になっており、球面座１８内に納められる構造である。そして、試料Ｓをｙｚ方向で高精度に制御するため、鞘管１７の外層に設けられたシリンダ１９上に、ｙｚ２方向から固定された微動アクチュエータ２０を設け、当該微動アクチュエータ２０とこれの対向面側に設けられたリターンスプリング２１とで鞘管１７が挟持されている。微動アクチュエータ２０は電気的パルス入力を受けてシリンダ１９に対して出没可能であり、球面座１８の中心Ｃを不動点として試料ホルダー１０を数ｎｍレベルでｙｚ方向へ任意に傾斜可能である。位置復元力はリターンスプリング２１の付勢力により生成する。このように、試料ホルダー１０が球面座１８の中心Ｃを不動点として任意な角度でｙｚ方向へ傾斜可能であることで、試料ホルダー１０先端部の試料固定部１０ａに設置された試料Ｓをｙｚ方向へ任意に移動できる。ｘ方向への試料の位置調整は、試料ホルダー１０の先端部に固定された梃子２７により実現される。すなわち、把手２８を梃子２７で押し上げることで試料Ｓをｘ方向へ微動調整できる。また、シリンダ調整機構２３によってシリンダ１９のｙｚ方向の位置が微調整され、シリンダガイド調整機構２６によって鏡筒１１とシリンダガイド２４との相対位置関係が調整される。なお、鏡筒１１内の真空は、ＴＥＭ１外部から鏡筒１１内に至る間のいずれかの箇所で、試料ホルダー１０の外周にＯ−リング等を嵌合することにより保持されている。
【００２５】
次に、試料ホルダー１０先端部の試料固定部１０ａについて、図４〜図５を参照しながら詳しく説明する。図４は、試料固定部１０ａの要部拡大平面図である。図５は、試料固定部１０ａの縦断側面図である。図４に示すごとく、試料固定部１０ａは扁平矩形を呈しており、その先端寄り部位に穿設された開口３１内に試料を設置する平板状の設置台３２が配されている。試料Ｓは、設置台３２の中央部にメッシュ（図示せず）などを介して設置される。設置台３２は、捻りコイルバネ３３を介して試料ホルダー１０に設けらており、設置台傾斜機構によって傾斜角度を調整可能となっている。すなわち、設置台３２は試料ホルダー１０の軸方向Ｘと直交するｙ方向の回転軸Ｙを中心に回動自在となっている。この設置台３２の傾斜機構も周知の機構を採用できるが、例えば、設置台３２の両側面に一体形成されている支軸３４のうち、一方（図４では下方）の支軸３４の先端には線状若しくはベルト状の牽引部材３５が巻き付け固定されており、その他端は試料ホルダー１０の内部を通って後端側まで延設されている。そして、この牽引部材３５を試料ホルダー１０の後端側から牽引操作することで、図５に示されるように設置台３２が捻りコイルバネ３３の付勢力に抗して試料ホルダー１０の軸方向Ｘと直交するｙ方向の回転軸Ｙを中心に回転自在（角度調整自在）となっている。なお、上記２軸傾斜機構はほんの一例であって、他にも例えば特開平６−６８８２８号公報に開示されているような機構を採用することもできる。
【００２６】
（実施例１）
次に、本発明の特徴構成である紫外・可視・近赤外分光法用の部材構成について説明する。図４及び図５において試料ホルダー１０には、光源６０から紫外・可視・近赤外領域の光Ｌ1を試料Ｓに向けて伝送する入射側光ファイバー３８と、試料Ｓを透過した光Ｌ2を分光計測器６１へ伝送する透過側光ファイバー３９とを備える。両光ファイバー３８・３９は、その先端に至るほぼ全体に亘って試料ホルダー１０の内部にこれの軸方向Ｘに沿って挿通配設されている。具体的には、入射側光ファイバー３８の他端はＴＥＭ１外の光源６０と連接されており（図１参照）、設置台３２の側部を周りこんで試料ホルダー１０の開口３１の先端側内周面に至り、設置台３２の先端縁近傍にまで挿通されている。透過側光ファイバー３９も、ＴＥＭ１外の分光計測器６１と連接されて（図１参照）、試料ホルダー１０の開口の後端側内周面に至り、設置台３２の後端縁近傍にまで挿通されている。すなわち、両光ファイバー３８・３９は、試料Ｓを介して対向状態で配されている。なお、両光ファイバー３８・３９の先端部は試料ホルダー１０内へ螺合されたビス４０によって押圧保持されており、ビス４０の捻じ込み量によってｘｙ方向位置の微調整が可能となっている。光ファイバー３８・３９は、紫外・可視・近赤外領域の光を伝送することができる誘電体線路と反射手段との組み合わせから構成されている。
【００２７】
このように、両光ファイバー３８・３９は、試料ホルダー１０に挿通固定されていることで、当該試料ホルダー１０と共にＴＥＭ１のポールピース１６内に導入され一体的に取り扱うことができる。また、両光ファイバー３８・３９を試料ホルダー１０内へ貫通させていることにより、試料ホルダー１０用のポート（ポールピース１６内の設置空間）を利用して容易にポールピース１６内へ導入できるので、光ファイバー３８・３９用のポートを別個に必要としない。したがって、本試料ホルダー１０は、容易に既存のＴＥＭ１に適用することができる。紫外・可視・近赤外光源６０と紫外・可視・近赤外分光計測器６１は、光ファイバー３８・３９を介してＴＥＭ１の外部に試料ホルダー１０と独立して設置されているので、半導体検出器やモノクロメーターなどの改良にあわせて、最適な光源６０や計測器６１を選択することが可能である。
【００２８】
入射側光ファイバー３８及び透過側光ファイバー３９の先端には、それぞれ耐熱性の入射側集光レンズ４２及び透過側集光レンズ４３が溶接固定されている。入射側集光レンズ４２は、入射側光ファイバー３８の先端から拡散する入射光Ｌ1を集光し、試料ホルダー１０上の試料Ｓに指向して照射するものであり、光ファイバー３８との溶接面が平面に、試料Ｓ側の面が凸状に湾曲した球面となっている。透過側集光レンズ４３は、入射側光学系３８・４２との相反定理により試料Ｓを透過した光Ｌ2を透過側光ファイバー３９へ導入するものであり、光ファイバー３９との溶接面が平面に、試料Ｓ側の面が凸状に湾曲した球面となっている。
【００２９】
図４に良く示されるように、両光ファイバー３８・３９と設置台３２との高さ位置を異ならせた上で、両光ファイバー３８・３９の先端（及び両集光レンズ４２・４３）がそれぞれ試料ホルダー１０の軸方向Ｘで、設置台３２の先端縁、後端縁と重なる位置にまで近づけられている。入射側光ファイバー３８は、設置台３２より上方に位置しており、その先端面は下向きに傾斜している。これにより、入射側光ファイバー３８の先端面に溶接されている入射側集光レンズ４２も、所定角度で下向きに傾斜している。一方、透過側光ファイバー３９は、設置台３２より下方に位置しており、その先端面は上向きに傾斜している。これにより、透過側光ファイバー３９の先端面に溶接されている透過側集光レンズ４３も所定角度で上向きに傾斜している。なお、入射側光ファイバー３８と透過側光ファイバー３９の対向関係、及び上下位置関係は、本実施例１の構成の逆となっていてもよい。
【００３０】
次に、紫外・可視・近赤外分光法による測定方法について説明する。まず、試料ホルダー１０の設置台３２に観察用の試料Ｓを設置し、両光ファイバー３８・３９と共に、本実施例１の試料ホルダー１０を既存のＴＥＭ１のポールピース１６内にサイドエントリーする。試料ホルダー１０をポールピース１６に装着できたら、試料ＳがＴＥＭ１の視野中心にくるようホルダー傾斜機構１５によって試料ホルダー１０の角度を調整し、電子線Ｅ透過による高空間分解能を利用した周知の方法によって試料Ｓの構造観察をする。これと同時に、光源６０及び分光計測器６１を使用した紫外・可視・近赤外分光法による測定を行うことができる。
【００３１】
ＴＥＭ１外に設けられた光源６０からは、光ファイバーで伝送することができ、かつ試料Ｓの高分解能観察に悪影響を及ぼさない紫外・可視・近赤外領域の光Ｌ1が発せられる。また、紫外・可視・近赤外光源６０としては、小径に集光することができるものが好ましい。これにより、高いパワー密度を得ることができ、微小な試料Ｓを効果的に励起することができるからである。また極微量の光吸収の検出を容易に行うために、高出力を安定して出力することができるものが望ましい。さらに、連続発振が可能であるものが好ましい。このような光源６０としては、例えば重水素・タングステン（ランプＤ２／Ｗ）などを使用できる。このような紫外・可視・近赤外光は、空気中で発振可能である。そのうえ、入射側光学系３８・４２と透過側光学系３９・４３が鏡筒１１から真空を破ることなく出し入れされる試料ホルダー１０に一体に設けられている。これにより、ＴＥＭ１のポールピース１６内に試料ホルダー１０をセットする前に、予め鏡筒１１外で試料Ｓの軸調整を行うことができる。紫外・可視・近赤外分光計測器６１としては、紫外域から近赤外域（１８５〜３３００ｎｍ程度）までの幅広い範囲の波長の光を測定可能であり、かつ高感度・低迷光を実現できるものが望ましい。
【００３２】
まず、試料ホルダー１０をポールピース１６内に装着する前に、試料ホルダー１０の後端から牽引部材３５を牽引操作することで、図５に示すように設置台３２と共に試料Ｓの傾斜角度を、入射側光ファイバー３８から透過側光ファイバー３９への光路に対して直角となるように調整する。そのうえで、試料ホルダー１０をＴＥＭ１へ装着し、電子線透過による高分解能観察と共に紫外・可視・近赤外分光法による測定を行う。光源６０から入射側光ファイバー３８を介して伝送された紫外・可視・近赤外領域の入射光Ｌ1は、入射側集光レンズ４２によって集光されながら試料Ｓへ照射される。すると、入射光Ｌ1が透過することで試料Ｓが励起される共に、光吸収された透過光Ｌ2が透過側集光レンズ４３によって集光されたうえで、透過側光ファイバー３９を介して分光計測器６１へ伝送され、光の吸収スペクトルを測定することができる。これにより、これまでの透過型電子顕微鏡による構造観察と同時に紫外・可視・近赤外領域の光を集光しながら紫外・可視・近赤外分光法による測定が可能となったことにより、数ｎｍ以下の極小領域の構造観察と光物性を同時に観測することまで可能となる。したがって、従来よりも精度良い組成揺らぎ、格子ひずみ、結晶粒界の観測が可能となる。また、このように試料ホルダーに光ファイバー及び集光レンズを設けただけの簡単な構成であれば、ギャップの狭いポールピースにも装着することができ、高い空間分解能を有する電子顕微鏡にも好適に適用できる。
【００３３】
（実施例２）
次に、図６〜図７を参照しながら、本発明に係る試料ホルダー１０の実施例２について説明する。図６に、実施例２に係る試料ホルダー１０の試料固定部１０ａの要部拡大平面図を示す。図７に、実施例２に係る試料ホルダー１０の試料固定部１０ａの縦断側面図を示す。本実施例２では、集光レンズの位置調整を可能となっている点、集光レンズと試料Ｓとの間に反射板を設けている点に特徴を有する。したがって、以下には、実施例１と異なる実施例２の特徴点を中心に説明する。
【００３４】
図６、図７に示されるように、実施例２の試料ホルダー１０では、両光ファイバー３８・３９の先端前方に、光路を挟んで対向状に設けられた支持枠５０が、それぞれ試料固定部１０ａの開口３１の内周面から一体的に突出形成されている。入射側集光レンズ４２及び透過側集光レンズ４３は、これらの左右両側面から保持部材５１によって挟持されていることで、それぞれ入射側光ファイバー３８及び透過側光ファイバー３９とは独立して設けられている。両保持部材５１の内側端部は平面視で略コ字状となっており、その間に集光レンズ４２や４３がクリップ状に挿入保持さることで、両集光レンズ４２・４３は保持部材５１から着脱自在となっている。そして、図７に良く示されるように、支持枠５０には、試料ホルダー１０の軸方向Ｘに所定長さを有するスライド溝５２が形成されており、当該スライド溝５２に保持部材５１の外側端部が摺動可能に嵌合されている。これにより、両光ファイバー３８・３９と両集光レンズ４２・４３との距離が調整可能となっている。また、支持枠５０の先端部であって両集光レンズ４２・４３と試料Ｓとの間には、入射側反射板５３及び透過側反射板５４が設けられている。両反射板５３・５４は、ピン５５を介して支持枠５０に回動自在に固定されている。反射板５３・５４としては、光を透過せずに反射させられるものであれば特に限定されないが、代表的には反射鏡を使用できる。その形状も、一般的には平板状であるが、光を効率よく指向するために凹曲面状に形成することもできる。
【００３５】
試料Ｓを観察するときは、ＴＥＭ１外の光源６０から、紫外・可視・近赤外領域の光が入射側光ファイバー３８を介して伝送され、入射側光ファイバー３８からの入射光Ｌ1は、入射側集光レンズ４２で集光されながら入射側反射板５３によって試料Ｓ側へ反射指向され試料Ｓに照射される。試料Ｓを紫外・可視・近赤外領域の入射光Ｌ1が透過することで試料Ｓが励起すると共に、試料Ｓを透過した透過光Ｌ2は透過側反射板５４側へ向けて反射指向され、透過側集光レンズ４３で集光されながら透過側光ファイバー３９を介して分光計測器６１へ伝送され、光の吸収スペクトルが測定される。
【００３６】
このとき、両集光レンズ４２・４３の位置、両反射板５３・５４の傾斜角度、及び試料Ｓの傾斜角度をそれぞれ適宜調整することで、試料Ｓにおける入射光Ｌ1の集光度合い、入射光Ｌ1と試料Ｓとの相対角度などを精度良く調整できる。具体的には、保持部材５１をスライド溝５２内で試料ホルダー１０の軸方向Ｘにスライド操作して、入射側集光レンズ４２の位置、すなわち入射側集光レンズ４２と試料Ｓとの距離を調整することで、入射側光ファイバー３８を介して伝送された入射光Ｌ1を試料Ｓ部分において最も集光させることができる。そして、軸Ｙを中心としてある程度傾斜させた試料Ｓに対して、両反射板５３・５４の傾斜角度をピン５５を中心として回動させることで適宜調整し、試料Ｓと入射光Ｌ1との相対角度を精密に調整できる。また、透過側集光レンズ４３の位置も保持部材５１のスライド操作により調整することで、試料Ｓを透過した透過光Ｌ2を効率よく集光しながら透過側光ファイバー３９へ伝送できるので、吸収スペクトル測定精度も向上する。このように、光Ｌと試料Ｓとの相対角度は、両反射板５３・５４と試料Ｓの傾斜角度を調整することで決定できるので、本実施例２での両光ファイバー３８・３９及びこれの前方に配される両集光レンズ４２・４３は傾斜しておらず、水平方向を向いている。
【００３７】
なお、本実施例２での集光レンズ４２・４３は着脱自在なので、必要に応じて材質、形状、特性などを適宜選択することができる。例えば、通常は２００〜１５００ｎｍ程度の波長範囲ではレンズの屈折率の違いは問題とならないが、必要に応じて色収差の無い集光レンズや各波長領域に特化した集光レンズへの変更が可能である。また、微細な照射軸調整を正確かつ容易に行うことができ、確実に試料Ｓの励起及び吸収スペクトル測定をすることができる。その他は先の実施例１と同様なので、同じ部材に同じ符号を付してその説明を省略する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】透過型電子顕微鏡の概略構成図である。
【図２】ポールピース部の概略断面図である。
【図３】試料ホルダー傾斜機構の横断平面図である。
【図４】実施例１の試料ホルダーの要部拡大平面図である。
【図５】実施例１の試料ホルダーの要部拡大側断面図である。
【図６】実施例２の試料ホルダーの要部拡大平面図である。
【図７】実施例２の試料ホルダーの要部拡大側断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
２ 電子銃（フィラメント）
３・４ 収束レンズ
５ 対物レンズ
６ 中間レンズ
７ 投射レンズ
１０ 試料ホルダー
１０ａ 試料固定部
１１ 鏡筒
１５ ホルダー傾斜機構
１６ ポールピース
１８ 球面座
１９ シリンダ
２０ 当該微動アクチュエータ
２１ リターンスプリング
２３ シリンダ調整機構
２４ シリンダガイド
２６ シリンダガイド調整機構
２７ 梃子
２８ 把手
３１ 開口
３２ 試料設置台
３５ 牽引部材
３８ 入射側光ファイバー
３９ 透過側光ファイバー
４２ 入射側集光レンズ
４３ 透過側集光レンズ
５０ 支持枠
５１ 保持部材
５２ スライド溝
５３ 入射側反射板
５４ 透過側反射板
６０ 光源
６１ 分光計測器
Ｅ 電子線
Ｌ1 入射光
Ｌ2 透過光
Ｓ 試料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子顕微鏡内において電子線を照射することにより試料の構造観察を行う試料ホルダーであって、
前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、電子顕微鏡外の光源から紫外・可視・近赤外領域の光を前記電子顕微鏡の鏡筒内に伝送する入射側光ファイバーと、
前記入射側光ファイバーにより伝送された入射光を、前記試料ホルダーに設置された試料に集光する入射側集光レンズと、
前記試料を介して前記入射側集光レンズの対向側に配され、前記試料を透過した光を集光する透過側集光レンズと、
前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、前記透過側集光レンズにより集光した透過光を、前記試料を介して前記入射側光ファイバーの対向側から前記電子顕微鏡の鏡筒外へ伝送する透過側光ファイバーとを備え、
電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項２】
請求項１に記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側光ファイバーと前記透過側光ファイバーとが、その全体に亘って前記試料ホルダーの内部に挿通されていることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側集光レンズと前記試料との間、及び前記透過側集光レンズと前記試料との間には、それぞれ集光レンズからの光を試料へ向けて反射させる入射側反射板及び透過側反射板が設けられていることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記試料ホルダーは、該試料ホルダー全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構と、試料ホルダーの先端部に設けられた試料固定部に固定される試料設置台の傾斜角度を、前記試料ホルダーの軸方向と直交する軸方向で調整する試料設置台傾斜機構とによって、高分解能用ポールピース内での２軸傾斜が可能であること特徴とする試料ホルダー。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが、それぞれ前記入射側光ファイバー及び透過側集光レンズとの距離を調節可能であることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側反射板及び前記透過側反射板が、前記試料に対する角度を調整自在であることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の試料ホルダーを備える電子顕微鏡。
【請求項１】
電子顕微鏡内において電子線を照射することにより試料の構造観察を行う試料ホルダーであって、
前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、電子顕微鏡外の光源から紫外・可視・近赤外領域の光を前記電子顕微鏡の鏡筒内に伝送する入射側光ファイバーと、
前記入射側光ファイバーにより伝送された入射光を、前記試料ホルダーに設置された試料に集光する入射側集光レンズと、
前記試料を介して前記入射側集光レンズの対向側に配され、前記試料を透過した光を集光する透過側集光レンズと、
前記試料ホルダーの軸方向に沿って配され、前記透過側集光レンズにより集光した透過光を、前記試料を介して前記入射側光ファイバーの対向側から前記電子顕微鏡の鏡筒外へ伝送する透過側光ファイバーとを備え、
電子線による構造観察と同時に、紫外・可視・近赤外領域の光による試料の励起と吸収スペクトルの測定をすることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項２】
請求項１に記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側光ファイバーと前記透過側光ファイバーとが、その全体に亘って前記試料ホルダーの内部に挿通されていることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側集光レンズと前記試料との間、及び前記透過側集光レンズと前記試料との間には、それぞれ集光レンズからの光を試料へ向けて反射させる入射側反射板及び透過側反射板が設けられていることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記試料ホルダーは、該試料ホルダー全体の傾斜角度を調整するホルダー傾斜機構と、試料ホルダーの先端部に設けられた試料固定部に固定される試料設置台の傾斜角度を、前記試料ホルダーの軸方向と直交する軸方向で調整する試料設置台傾斜機構とによって、高分解能用ポールピース内での２軸傾斜が可能であること特徴とする試料ホルダー。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側集光レンズ及び透過側集光レンズが、それぞれ前記入射側光ファイバー及び透過側集光レンズとの距離を調節可能であることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の試料ホルダーにおいて、
前記入射側反射板及び前記透過側反射板が、前記試料に対する角度を調整自在であることを特徴とする試料ホルダー。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の試料ホルダーを備える電子顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−１２３４７７（Ｐ２００９−１２３４７７Ａ）
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２９５３５５（Ｐ２００７−２９５３５５）
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００１７３５２２）財団法人ファインセラミックスセンター (147)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年６月４日（２００９．６．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月１４日（２００７．１１．１４）
【出願人】（０００１７３５２２）財団法人ファインセラミックスセンター (147)
【Ｆターム（参考）】
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