電子顕微鏡用位相板及びその製造方法
【課題】電子線損失をより効果的に防止し、低圧から高圧まで広範囲の加速電圧に適用可能で、製造上の困難性を伴わず、実用化が可能で高コントラストの像を得ることを可能とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【解決手段】この出願の発明による電子顕微鏡用位相板は、開口部を有する支持体（１４）の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒（１５）を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒（１５）がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒（１５）の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる。
【解決手段】この出願の発明による電子顕微鏡用位相板は、開口部を有する支持体（１４）の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒（１５）を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒（１５）がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒（１５）の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、電子顕微鏡用位相板及びその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、電子線損失を防止した、新しい電子顕微鏡用位相板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡における位相板において、従来、位相変化を与える源として物質の内部電位ポテンシャルが用いられてきた。ところが、電子が物質を透過すると電子の散乱が起こり、そのことが結像における電子線損失となり、像強度の劣化を引き起こしていた。この効果を軽減するために、この出願の発明者らは、位相板として軽元素（たとえば炭素）を用いる提案を行った（特許文献１、２）。しかしながら、このような提案によっても電子線損失の発生をなくすことはできず、１００ｋＶ以下の加速電圧では実用性に乏しかった。この電子線損失を防ぐため、静電ポテンシャル（特許文献３、４）またはベクトルポテンシャル（特許文献５）を空間的に作り出し、物質散乱による損失を防ぐ手法も提案されたが、製造上の困難性のため現在まで実用化に到っていないのが実情である。
【特許文献１】特開２００１−２７３８６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１００２４９号公報
【特許文献３】特開平９−２３７６０３号
【特許文献４】ドイツ公開０１０５２９６５号公報
【特許文献５】特開昭６０−７０４８号公報
【非特許文献１】S.Kasai et al.,“Aharanov-Bohm Oscillation of resistance observed in a ferromagnetic Fe-Ni nanoring”, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 316-318
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この出願の発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、電子線損失をより効果的に防止し、低圧から高圧までの広範囲の加速電圧に適用可能で、製造上の困難性を伴わず、実用化が可能で高コントラストの像を得ることを可能とする電子顕微鏡用位相板及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００５】
また、第２には、上記第１の発明において、架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００６】
また、第３には、上記第１の発明において、架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００７】
また、第４には、上記第３の発明において、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒の飽和磁化の調整が、温度制御により行われていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００８】
また、第５には、上記第２から第４のいずれかの発明において、前記電子線間の位相差の値がπであることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００９】
また、第６には、上記第１から第５のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングがパーマロイにより形成されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１０】
また、第７には、上記第１から第６のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングの平面形状が矩形形状であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１１】
また、第８には、上記第１から第６のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングの平面形状が半円形状であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１２】
また、第９には、上記第１から第５のいずれかの発明において、前記磁性体細線棒が高抗磁率を持つ永久磁石より形成されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１３】
また、第１０には、上記第１から第９のいずれかの発明において、前記支持体が、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１４】
また、第１１には、上記第１から第９のいずれかの発明において、前記支持体が、シリコン薄膜と、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜との貼り合わせ薄膜であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１５】
また、第１２には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ１）マイカなどの基材上に炭素薄膜を形成するステップ、
（ｂ１）炭素薄膜の上にシリコン薄膜を形成するステップ、
（ｃ１）シリコン薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ１）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ１）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ１）複数の磁性体リングを残し、不要なレジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ１）炭素シリコン複合薄膜及びその上の複数の磁性体リングよりなる構造体を、水面剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｈ１）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｉ１）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【００１６】
また、第１３には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ２）シリコンなどの基材上にシリカ（ＳｉＯ２）薄膜を形成するステップ、
（ｂ２）シリカ薄膜の上に貴金属膜または炭素薄膜を形成するステップ、
（ｃ２）貴金属膜または炭素薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ２）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ２）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ２）複数の磁性体リングを残し、レジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ２）複数の磁性体リングの保護膜としてリングを包埋する炭素薄膜を形成するステップ
（ｈ２）複合炭素シリコン複合薄膜とその中に包埋された複数の磁性体リングよりなる構造体を、フッ化水素溶液に浸漬し、シリカ層溶出剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｉ２）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｊ２）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【００１７】
また、第１４には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ３）５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備するステップ、
（ｂ３）金属細線を実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させるステップ、
（ｃ３）架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させるステップ、及び
（ｄ３）両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成するステップ。
【００１８】
また、第１５には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ４）１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離するステップ、
（ｂ４）単離した線条重合蛋白質を再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備するステップ、
（ｃ４）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ４）流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ４）確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥するステップ、
（ｆ４）架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ４）線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【００１９】
また、第１６には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ５）１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備するステップ、
（ｂ５）単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備するステップ、
（ｃ５）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ５）流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ５）確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥するステップ、
（ｆ５）架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ５）分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【００２０】
さらに、第１７には、上記第１２から第１６のいずれかの発明において、全工程修了後、電子線が誘起する帯電を防止するのため位相板両面を炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜でコーティングすることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
この出願の発明によれば、ベクトルポテンシャルを利用して電子線の位相制御を行うようにしたので、電子線を遮る物質がほとんどなく、電子線損失をより効果的に防止し、低圧から高圧までの広範囲の加速電圧に適用可能で、高コントラストの像を得ることが可能な電子顕微鏡用位相板及びその製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
この出願の発明は上記のとおりの特徴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。
【００２３】
この出願の発明の電子顕微鏡用位相板は、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とするものである。
【００２４】
例えば特許文献２に示す従来の位相板では、物質の作り出す内部静電ポテンシャルによる位相シフトを利用していたが、この出願の発明の位相板では、ベクトルポテンシャルによる電子波の位相シフトを利用する。そのために、この出願の発明の位相板では、ベクトルポテンシャルを作り出す磁束を作る。この磁束は高透磁率を持つ磁性体細線内に細線長軸方向に封じ込められたものとして実現される。
【００２５】
磁束を生成する磁性体としては、高透磁率を有するものであれば各種のものの使用が可能であるが、磁性体細線リングの閉回路には軟磁性を持つパーマロイが、磁性体細線棒には高抗磁率を持つ永久磁石が使用される。磁束は磁性体細線の長軸方向に生成されるがパーマロイリング閉回路の場合は外部磁場による強制磁化が困難なので自発磁化が利用され、磁性体細線棒では強力な外部磁場による磁化法が適用される。磁束の大きさがベクトルポテンシャルの大きさ、従って位相差を決める。磁束の大きさの制御は磁性体細線の断面積及び磁性体飽和磁化の制御で行う。
【００２６】
支持体としては、非磁性安定薄膜、たとえば炭素薄膜、シリコン薄膜、貴金属薄膜またはそれらの貼り合わせ膜を用いることができる。支持体の膜厚は１００ｎｍ〜１００μｍ程度である。
【００２７】
この出願の発明の位相板では、磁性体細線の左右両側を通過する電子線の位相差は、磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御させることができる。たとえばパーマロイ、コバルトなどの強磁性体では、室温付近で断面積２，０００ｎｍ２で位相差はπとなる。そして、位相差をπとした場合には、ヒルベルト微分法による位相板となる。
【００２８】
この位相板による位相差は、断面積の他、磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整によっても特定の値に制御することができる。この場合、磁性体細線の飽和磁化の調整は、キュリー法則を利用して温度制御により行うことができる。
【００２９】
ここで、この出願の発明による位相板を用いた無損失位相差法の概念を特許文献２に記載した炭素膜を利用した有損失位相差法と比較して、図１に示す。図１の（ａ）が有損失位相差法、（ｂ）が無損失位相差法の概念図である。
【００３０】
図１の（ａ）の従来の有損失位相板法は、πの位相変化（半波長分の位相おくれ）を与える炭素膜位相板を用いた位相差法であり、光学鎖微鏡の微分干渉法に相当する方法である。円形開口（絞り穴）を有する支持体の上に、この円形開口の約半分を覆うように炭素膜を設けて位相板が形成され、πの位相シフトを与えるために加速電圧に依存して炭素膜の厚さを変えて作られている。たとえば加速電圧が３００ｋＶの電子顕微鏡に適用する場合、約６０ｎｍ厚の炭素薄膜が絞り穴の半分を覆うように設けられる。しかし、このような構成においては、炭素膜を通過するとき散乱による損失が起こり、像強度は半分近くに減衰し、改善の余地があった。
【００３１】
図１の（ｂ）は、このような問題点を解決するもので、磁性体細線を位相差生成に利用したこの出願の発明による無損失位相差法である。開口（絞り穴）を有する支持体の上に、磁性体細線が架橋形成されている。この無損失位相差法で利用する位相板の構造については以下にさらに詳述する。
【００３２】
まず、この出願の発明において利用するベクトルポテンシャルについて述べる。ベクトルポテンシャルによる電子波の位相シフトはアハラノフ・ボーム効果（以下、ＡＢ効果と称する）として知られており、１９５９年にY. AharanovとD. Bhoｍにより理論的に予言された。その完全実証は日立製作所の外村彰氏により電子線ホログラフイーを用いて１９８０年代に報告された。この現象を利用した電子顕微鏡用位相板のアイデアは１９８５年にゼルニケ位相板として出願されたが特許化に到らなかった（特許文献４）。ゼルニケ位相板のデザインが製作を困難にしていたためである。この出願の発明では、この製作上の問題をヒルベルト微分位相板のデザインを用いることにより解決する。
【００３３】
図２は磁性体細線棒によるＡＢ効果の説明図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図中Ａがベクトルポテンシャル、Ｂが磁束である。
【００３４】
図２に示すように磁束が作り出すベクトルポテンシャルＡにより、磁性体細線の左右両側で電子波への影響に差が生じる。その差は電子波の位相のずれΔθとして現れる。左右の位相のずれ位相差Δθは磁性体細線近くでは一定である。図２（ｂ）には、閉ループリング状と棒状の磁性体細線が示されているが、磁束が封じ込められた閉ループでは、内外の位相差が場所によらず一定という特性がある。この点、棒状磁性体では磁束もれがあるため棒の中心近傍のみが位相差一定となる。特に磁性体細線からの磁束もれが無視できる領域では、その差が下記数（１）で与えられる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
外村氏は外径数μｍの大きさの磁性体細線リングを用いて、リングの内側位相θｉｎと外側位相θｏｕｔが一様かつその差Δθは磁束密度Ｂの積分である磁束Φｔｏｔａｌに比例することを確かめた。
【００３７】
図２に示すＡＢ効果は電子顕微鏡における位相板として理想的である。まず位相の変化が自由空間に広がるベクトルポテンシャルによりなされるので、モノを通過するときに付随する電子線損失がない。磁性体細線左右の位相差は電子線の加速電圧に依存せず、磁性体に閉じ込められた磁束の大きさのみに依存する。またπの位相を作り出すのに必要な磁束Φｔｏｔａｌが極めて小さいので、磁性体細線は極めて細くでき、その大きさを事実上無視でき、電子線を邪魔しない。さらに磁性体細線を含め支持体全体を導電物質で被覆することは容易で、そのことにより位相板の帯電問題が回避される。
【００３８】
外村氏が行った磁性体細線リングを用いたＡＢ効果実証実験は、小さな中心穴を持つゼルニケ位相差法にすぐに適用可能だが（特許文献４）、この方法は、特許文献３に示す作製法の技術と同じように開口部中心に超微小リングを作製することが困難であった。こうした作製上の困難のため比較的大きなリングしか出来ず、位相差法の実効性が疑問であった。
【００３９】
そこで、この出願の発明者らは、図１（ｂ）に示すような単純な構造の位相板とすることにした。この位相板は、ゼルニケ位相差法と同等の効果を持ったヒルベルト微分法によるもので、磁性体細線で実現するものである。その詳細について図３に示す。
【００４０】
図３に示すように、この位相板（１１）は、絞り穴（１２）を有し、支持橋（１３）が形成された支持体（１４）の上に、リング状または棒状の磁性体細線（１５）を設けた構造を有する。（１６）は温度制御機構である。磁性体細線（１５）の幅は５０ｎｍ〜１μｍ程度、厚さは１０〜５０ｎｍ程度、断面積は２，０００ｎｍ２以上でその上限は５，０００ｎｍ２程度である。
【００４１】
たとえば、パーマロイを磁性体（１５）として用いた場合、パーマロイの飽和磁化は常温で約１Ｗｂ／ｍ２なので、式（１）よりπシフトの場合、断面積は以下のように約２，０００ｎｍ２と見積もることができる。なおＳは磁性体細線の断面積、Ｂｓは飽和磁化による磁束密度である。
【００４２】
【数２】
【００４３】
【数３】
【００４４】
実際の磁性体細線リング作製では断面積を正確に２，０００ｎｍ２に設定せず、多少大きめに作製することができる。その理由は、位相板（１１）を高温（３００〜１２００℃程度）に固定保持する機構（１６）を設ければ、キュリー法則を用いて飽和磁化を１Ｗｂ／ｍ２より小さい任意の値に設定できるからである。逆に適当な温度設定により、正確なπシフトに調節することが可能である。温度制御機構（１６）としては、例えば既に市販されている電子顕微鏡用温度制御ステージ等を用いることができる。
【００４５】
次に、磁性体細線リングの加工および支持体への移送方法を詳述する。
パーマロイを用いた磁性体リングの作製方法について、既に報告されている方法（非特許文献１：S.Kasai et al.,“Aharanov-Bohm Oscillation of resistance observed in a ferromagnetic Fe-Ni nanoring”, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 316-318）を利用することができる。ただし、この出願の発明による位相板における磁性体細線リングの作製には構造上の特殊性のため、その製作過程には新しい工夫が必要である。それは、磁性体細線リングがナノメートルの太さのため壊れやすく、例えばシリコンウェハ上からはがし、絞り穴の上に移送するといった工程が簡単に出来ないためである。この出願の発明では、このことを解決するため、次の２つの方法を提案する。
【００４６】
まず第１の方法について、図４を参照して述べる。マイカ板を用意し、マイカ板上に炭素薄膜、シリコン薄膜を順次積層する（ステップ１、ステップ２）。次に、シリコン薄膜上にレジスト膜を作り（ステップ３）、レジスト膜にフォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）または電子線リソグラフィー（ＥＢ）でリング状の溝を深削りし、シリコン薄膜に達するようにする（ステップ４）、そこに磁性体薄膜を蒸着またはスパッターする（ステップ５）。レジスト上にのった磁性体を洗いとると（ステップ６）シリコン薄膜上に磁性体リングだけが残る。それをマイカと炭素膜の間でマイカ板から水面剥離によりはがし（ステップ７）、磁性体リング基材膜より２〜３倍大きな穴径を持つ電子顕微鏡用グリッド上にすくいとる（ステップ８）。両者の相対関係は定まらないので電子顕微鏡用グリッドの穴の上に磁性体リングがくるのは５０％程度である。運良くグリッド穴上に来た磁性体リングはシリコン薄膜／炭素薄膜よりなる支持体で支持されているので、これをフォーカスイオンビームを用いて加工する（ステップ９）。こうしてシリコン薄膜／炭素薄膜に電子線が通過する穴が開けられる。このようにして位相板を作製することができる。
【００４７】
次に、第２の方法について、図５を参照して述べる。第１の方法とは、シリコン基板上にシリカ薄膜を作り、その上に貴金属膜または炭素膜をパーマロイ支持体として作るところが異なる。この場合、支持体とシリコン基板との剥離はフッ化水素溶液を用いて行う。シリカ層はフッ化水素溶液による溶出層である。図５においてはその点が図４と異なるが他の工程はほとんど同じである。
【００４８】
次に磁性体細線棒の加工作製法について述べる。
第１の方法では、先ず、５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備する。金属細線は、例えば白金、金、ステンレス鋼等の剛直で酸化しない材料を用いることができる。次に、金属細線をマイクロマニュピレータを用いた実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させる。支持体としては、前述の磁性体細線リングによる位相板で用いたものと同様の材料を用いることができる。次に、架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させる。この固定は、たとえば電気溶接等の方法を用いて行うことができる。そして、最後に、両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００４９】
第２の方法では、基材として生物由来の線条蛋白質（微小管、バクテリアのセン毛やベン毛等）を利用したものを用いる。たとえば、先ず、１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離する。この単離は通常用いられている方法で行うことができる。次に、単離した線条重合蛋白質をｐＨ（酸性度）イオン強度、温度を制御することにより再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備する。次に、開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取る。次に、流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認する。次に、確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥する。次に、架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去する。そして、最後に、線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００５０】
第３の方法では、基材としてカーボンナノチューブを利用する。たとえば、先ず、１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備する。次に、単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備する。次に、開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取る。次に、流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認する。次に、確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥する。次に、架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去する。そして、最後に、分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００５１】
次に、磁性体細線棒の加工例及びそれを用いた位相板の実験例を詳述する。
まず磁性体細線棒の加工結果を図６に示す。この磁性体細線棒は、次の手順で作製した。
ｉ）電子像ホログラフィーに用いられるバイプリズムを準備
ｉｉ）バイプリズムの穴を架橋する直径０．８μｍの白金細線上にスパッター法で純コバルト膜を作製（厚さは約１０ｎｍ）
ｉｉｉ）帯電防止のためコバルト蒸着されたバイプリズムを炭素膜（約１０ｎｍ厚）で両面被覆
ｉｖ）コバルトを飽和磁化の永久磁石とするため、磁気共鳴イメージングに用いられる４テスラソレノイド型磁石の中心に長手方向に磁石が向くように設置
ｖ）３０分程放置後取り出し、すぐに実験用位相差電子顕微鏡（１２０ｋＶ）の対物レンズ後方焦点面に設置
【００５２】
永久磁石は強い外部磁場があると磁化の方向が乱れる。また、通常の電子顕微鏡では対物レンズ後方焦点面の磁場はコバルト永久磁石を乱すほど強い。従ってこのＡＢ位相板の実験は、磁場が後焦点面において遮へいされている位相差専用電子顕微鏡（Hosokawa,Danev, Arai & Nagayama, J. Electr. Microsc. 54(2005)317）を用いて行った。
【００５３】
次に、この実験による棒型ＡＢ位相板の性能テストの結果を示す。ここでは、ゲルマニウム薄膜を試料とした、無損失のヒルベルト微分位相差法の検証実験を行った例を示す。
図７は、ゲルマニウム薄膜の縁部分を撮像した結果である。図７の（ａ）は永久磁石よりなる磁性体細線棒位相板を挿入した位相差像を示す。ただし、この場合、中心ビームが磁性体細線棒直近の右側を通過している。（ｂ）は位相板挿入なしの通常像（正焦点）を示す。（ｃ）は位相板なしの通常像（深い焦点はずし）を示す。（ｄ）は細線磁性体棒位相板を挿入した位相差像を示す。ただし、この場合、中心ビームは磁性体細線棒直近の左側を通過している。
【００５４】
通常像はよく知られているように正焦点（図７（ｂ））ではコントラストが小さく、深い焦点はずし（深いデフォーカス、図７（ｃ））ではコントラストが高い。一方、位相差像（図７（ａ）、（ｄ）：本実験では磁性体細線棒両側の位相差が必ずしも正確πに調整されていないのでヒルベルト微分像と通常像の和となっていると思われる）ではともにヒルベルト微分像に特徴的ないわゆる微分型の像（一方向から光を当てた地形図のような像）が見えている。ただし、中心ビームが磁性体細線棒の左右両側のどちらを通るかで微分の向きが逆転し、光の当たる方向が左右逆転（図７（ａ）、（ｄ））して見えている。
これはまさしく本発明に期待される位相差像（R. Danev, H. Okaawara, N. Usuda, K. Kametani & K. Nagayama, J. Biol. Phys. 28(2002) 627-635参照）を示す結果そのものであり、磁性体細線棒のベクトルポテンシャルがヒルベルト微分位相板として正しく働いていることを示している。
【００５５】
ヒルベルト微分位相差では上述したように中心ビームが磁性体細線棒の右と左を通るとき異なる２つの位相差像（図７（ａ）、（ｄ））を与える。この２つの像を使うと、その差と和で異なる性質の像が再生される。特に差像（図８（ａ））は試料ゲルマニウム膜の電子密度を反映する位相量の線型微分項のみが反映されている。
従って図８（ａ）では薄膜の縁部の膜厚変化のあるところが強調されている。一方、和像（図８（ｂ））では線型項がキャンセルされ、微分値の２乗及び位相差のπからのずれに伴う通常像の和が反映される。特に差像（図８（ａ））はヒルベルト位相差法でのみ検出可能な純粋な微分像という価値を持っている。
【００５６】
次に、本位相差法が期待通りの無損失の位相板かどうかの定量的検証を行った。定量的検証法は文献（K. Nagayama, Adv. Imaging. Electr. Phys. 138(2005)69-145)にあるＴａｂｌｅ６の方法（図９参照）を用いた。
図９の例は電子線損失のある位相板を用いたときのヒルベルト微分法の性能検証の例である。この位相板では、対物レンズ後焦点面に挿入された絞りを厚さ約６０ｎｍの炭素膜（３００ｋＶ加速電圧用π位相板）が半分覆っている（図１（ａ）参照）。この場合、炭素膜が電子線をある程度遮るため損失が起こるが、それでも位相差法の利点である低周波数成分の回復は達成されている。そのため図９（ｂ）に比較する２つの像のようにヒルベルト微分位相差像は通常像に比べ高コントラストとなる。しかし高周波成分には電子線損失によりコントラスト劣化が起こる。この事を見るため図９のように実像をフーリエ変換（ＦＴ）し（図９（ａ））、周波数空間で強度比較（図９（ａ）のＧ（ｋ）[Ｇａｉｎ曲線]）をした。Ｇａｉｎ曲線において０〜０．１ｎｍ−１の低空間周波数では期待通り位相差像の強度が通常像より強い。一方、０．１ｎｍ−１以上の高周波数では位相差像強度が通常像より弱い。
【００５７】
図１０はグラファイト粒子の位相差像と通常像の比較である。図１０の（ａ）はヒルベルト微分位相差像（正焦点）、（ｂ）は通常像（深い焦点はずし）、（ｃ）は古くから知られている簡単な位相差法であるナイフエッジ位相差法（絞りの半分にナイフエッジを入れて電子線を完全ストップ。図１（ａ）の炭素膜がナイフエッジに替った位相差法）による位相差像、（ｄ）は通常像（正焦点）をそれぞれ示す。４つの像（図１０（ａ）〜（ｄ））の内、予想通り最もコントラストの低いのが正焦点通常像（図１０（ｄ））であった。そして最もコントラストが高くかつ像歪の小さいのが磁性体細線棒位相板を用いたヒルベルト微分位相差像（図１０（ａ））であった。深い焦点はずしを用いれば通常像のコントラストも回復するが（図１０（ｂ））、深い焦点はずし特有の低周波フィルター像になっている。
【００５８】
参考に示したナイフエッジ位相差像（図１０（ｃ））は図１０（ｄ）の通常像より像コントラストは高いが全体に暗いことがわかる。このような像の持つ特徴は、図１０の右側（ｅ）〜（ｇ）のＧａｉｎ曲線で定量的に裏付けられる。図１０（ｅ）は、ヒルベルト法と通常法の比較であり、図９（ｂ）のＧａｉｎ曲線と比較されるべきもので、０．１ｎｍ−１以上の高周波で強度損失がほとんどないという特徴を持つ。一方、ナイフエッジ位相差像と通常像の比較では（図１０（ｇ））炭素膜によるヒルベルト微分位相板よりさらに電子線損失が大きい（半円部分の電子線の完全カットのため）ので０．０７ｎｍ−１より高周波で−２のＧａｉｎとなっている。図９（ｂ）の炭素膜位相板のＧａｉｎが−１であるのに比べ、よりマイナス側に大、すなわち弱いコントラストとなっている。
【００５９】
深い焦点はずし通常像と正焦点通常像の比較では（図１０（ｆ））、位相板を挿入していないので高周波側（０．１３ｎｍ−１より大）のＧａｉｎは０、すなわち等しくなっている。一方、低周波側のＧａｉｎは正で、コントラスト回復に寄与している（図１０（ｆ））。これが通常法で従来から使われてきたデフォーカス（焦点はずし）法によるコントラスト増強の意味である。一見深いデフォーカス法は図１０（ｅ）に示すヒルベルト微分位相差法をしのぐように見えるが、これは今回の磁性体細線棒位相板の位相差が正確にπに調節されていないことによると思われる。さらによく見ると、より低周波側（０．０１５〜０．０３ｎｍ−１）でヒルベルト微分法のＧａｉｎが優っており、これが図１０（ａ）、（ｂ）の比較にあるコントラストの差となって現れている。
【００６０】
以上のように、バイプリズム上にイオンスパッター製膜したコバルトによる磁性体細線棒を用いた位相板は期待されるＡＢ位相板の無損失性を実証したことになる。
【００６１】
この出願の発明によれば、以上のようにして、位相差電子顕微鏡に用いられる位相板として、永久磁石である磁性体細線が絞り穴を架橋する構造を持つ無損失位相板を作製することができる。磁性体細線内に封じ込められた磁束が作るベクトルポテンシャルが、加速電圧に依存しないで一定の位相差を細線の左右両側に与えるため、その位相差をπに設定すれば、ヒルベルト微分法（光学顕微鏡の微分干渉法と同等、特許文献２参照）としての位相差電子顕微鏡が実現する。この手法の利点は、極めて細い磁性体細線自体以外は電子線を遮るモノがないので完全無損失であることである。そして、一度磁性体細線左右の位相差がπに設定されると、加速電圧を問わずあらゆる電子顕微鏡に適用可能となることである。また、位相板を高温保持する機構を付加すれば正確にπシフト調節が可能となる。さらに、磁性体細線の大きさは実験的要求に合わせ任意に調節が可能となる。そして、この出願の発明によれば、これらの利点を利用することで、ヒルベルト微分ＡＢ位相板は、無帯電無損失の完全なヒルベルト微分位相差電子顕微鏡を実現させる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この出願の発明による位相板を用いた無損失位相差法（ｂ）の概念を特許文献２に記載した有損失位相差法（ａ）と比較して示す図である。
【図２】磁性体細線磁束によるベクトルポテンシャルが作り出すＡＢ効果の説明図である。
【図３】この出願の発明による位相板（ＡＢ位相板）の構造例を詳細に示す図である。
【図４】この出願の発明による位相板の製造方法の一例を示す図である。
【図５】この出願の発明による位相板の製造方法の別の例を示す図である。
【図６】バイプリズムを利用した磁性体細線棒位相板の具体例を示す図である。
【図７】ゲルマニウムを試料としたヒルベルト微分位相差法検証実験例を示す図である。
【図８】中心光を磁性体細線棒の左と右に通して得た２つの像の和（ｂ）の像と差（ａ）の像を示す図である。
【図９】有損失位相板（炭素膜半円π位相板）を用いた場合のシアノバクテリア像のコントラストの周波数依存性およびそれを元にしたい操作法と通常法のコントラスト比較（Ｇａｉｎ曲線）の説明図である。
【図１０】グラファイトの電顕像をもとに計算したＡＢ位相板の性能を示すＧａｉｎ曲線の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１１ 位相板
１２ 絞り穴
１３ 支持橋
１４ 支持体
１５ 磁性体細線
１６ 温度制御機構
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、電子顕微鏡用位相板及びその製造方法に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、電子線損失を防止した、新しい電子顕微鏡用位相板及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡における位相板において、従来、位相変化を与える源として物質の内部電位ポテンシャルが用いられてきた。ところが、電子が物質を透過すると電子の散乱が起こり、そのことが結像における電子線損失となり、像強度の劣化を引き起こしていた。この効果を軽減するために、この出願の発明者らは、位相板として軽元素（たとえば炭素）を用いる提案を行った（特許文献１、２）。しかしながら、このような提案によっても電子線損失の発生をなくすことはできず、１００ｋＶ以下の加速電圧では実用性に乏しかった。この電子線損失を防ぐため、静電ポテンシャル（特許文献３、４）またはベクトルポテンシャル（特許文献５）を空間的に作り出し、物質散乱による損失を防ぐ手法も提案されたが、製造上の困難性のため現在まで実用化に到っていないのが実情である。
【特許文献１】特開２００１−２７３８６６号公報
【特許文献２】特開２００３−１００２４９号公報
【特許文献３】特開平９−２３７６０３号
【特許文献４】ドイツ公開０１０５２９６５号公報
【特許文献５】特開昭６０−７０４８号公報
【非特許文献１】S.Kasai et al.,“Aharanov-Bohm Oscillation of resistance observed in a ferromagnetic Fe-Ni nanoring”, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 316-318
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この出願の発明は、このような従来技術の実情に鑑みてなされたもので、電子線損失をより効果的に防止し、低圧から高圧までの広範囲の加速電圧に適用可能で、製造上の困難性を伴わず、実用化が可能で高コントラストの像を得ることを可能とする電子顕微鏡用位相板及びその製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
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、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００５】
また、第２には、上記第１の発明において、架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００６】
また、第３には、上記第１の発明において、架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００７】
また、第４には、上記第３の発明において、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒の飽和磁化の調整が、温度制御により行われていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００８】
また、第５には、上記第２から第４のいずれかの発明において、前記電子線間の位相差の値がπであることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【０００９】
また、第６には、上記第１から第５のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングがパーマロイにより形成されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１０】
また、第７には、上記第１から第６のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングの平面形状が矩形形状であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１１】
また、第８には、上記第１から第６のいずれかの発明において、前記磁性体細線リングの平面形状が半円形状であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１２】
また、第９には、上記第１から第５のいずれかの発明において、前記磁性体細線棒が高抗磁率を持つ永久磁石より形成されていることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１３】
また、第１０には、上記第１から第９のいずれかの発明において、前記支持体が、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１４】
また、第１１には、上記第１から第９のいずれかの発明において、前記支持体が、シリコン薄膜と、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜との貼り合わせ薄膜であることを特徴とする電子顕微鏡用位相板を提供する。
【００１５】
また、第１２には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ１）マイカなどの基材上に炭素薄膜を形成するステップ、
（ｂ１）炭素薄膜の上にシリコン薄膜を形成するステップ、
（ｃ１）シリコン薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ１）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ１）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ１）複数の磁性体リングを残し、不要なレジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ１）炭素シリコン複合薄膜及びその上の複数の磁性体リングよりなる構造体を、水面剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｈ１）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｉ１）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【００１６】
また、第１３には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ２）シリコンなどの基材上にシリカ（ＳｉＯ２）薄膜を形成するステップ、
（ｂ２）シリカ薄膜の上に貴金属膜または炭素薄膜を形成するステップ、
（ｃ２）貴金属膜または炭素薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ２）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ２）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ２）複数の磁性体リングを残し、レジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ２）複数の磁性体リングの保護膜としてリングを包埋する炭素薄膜を形成するステップ
（ｈ２）複合炭素シリコン複合薄膜とその中に包埋された複数の磁性体リングよりなる構造体を、フッ化水素溶液に浸漬し、シリカ層溶出剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｉ２）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｊ２）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【００１７】
また、第１４には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ３）５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備するステップ、
（ｂ３）金属細線を実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させるステップ、
（ｃ３）架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させるステップ、及び
（ｄ３）両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成するステップ。
【００１８】
また、第１５には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ４）１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離するステップ、
（ｂ４）単離した線条重合蛋白質を再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備するステップ、
（ｃ４）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ４）流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ４）確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥するステップ、
（ｆ４）架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ４）線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【００１９】
また、第１６には、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
（ａ５）１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備するステップ、
（ｂ５）単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備するステップ、
（ｃ５）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ５）流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ５）確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥するステップ、
（ｆ５）架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ５）分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【００２０】
さらに、第１７には、上記第１２から第１６のいずれかの発明において、全工程修了後、電子線が誘起する帯電を防止するのため位相板両面を炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜でコーティングすることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
この出願の発明によれば、ベクトルポテンシャルを利用して電子線の位相制御を行うようにしたので、電子線を遮る物質がほとんどなく、電子線損失をより効果的に防止し、低圧から高圧までの広範囲の加速電圧に適用可能で、高コントラストの像を得ることが可能な電子顕微鏡用位相板及びその製造方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
この出願の発明は上記のとおりの特徴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。
【００２３】
この出願の発明の電子顕微鏡用位相板は、開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とするものである。
【００２４】
例えば特許文献２に示す従来の位相板では、物質の作り出す内部静電ポテンシャルによる位相シフトを利用していたが、この出願の発明の位相板では、ベクトルポテンシャルによる電子波の位相シフトを利用する。そのために、この出願の発明の位相板では、ベクトルポテンシャルを作り出す磁束を作る。この磁束は高透磁率を持つ磁性体細線内に細線長軸方向に封じ込められたものとして実現される。
【００２５】
磁束を生成する磁性体としては、高透磁率を有するものであれば各種のものの使用が可能であるが、磁性体細線リングの閉回路には軟磁性を持つパーマロイが、磁性体細線棒には高抗磁率を持つ永久磁石が使用される。磁束は磁性体細線の長軸方向に生成されるがパーマロイリング閉回路の場合は外部磁場による強制磁化が困難なので自発磁化が利用され、磁性体細線棒では強力な外部磁場による磁化法が適用される。磁束の大きさがベクトルポテンシャルの大きさ、従って位相差を決める。磁束の大きさの制御は磁性体細線の断面積及び磁性体飽和磁化の制御で行う。
【００２６】
支持体としては、非磁性安定薄膜、たとえば炭素薄膜、シリコン薄膜、貴金属薄膜またはそれらの貼り合わせ膜を用いることができる。支持体の膜厚は１００ｎｍ〜１００μｍ程度である。
【００２７】
この出願の発明の位相板では、磁性体細線の左右両側を通過する電子線の位相差は、磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御させることができる。たとえばパーマロイ、コバルトなどの強磁性体では、室温付近で断面積２，０００ｎｍ２で位相差はπとなる。そして、位相差をπとした場合には、ヒルベルト微分法による位相板となる。
【００２８】
この位相板による位相差は、断面積の他、磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整によっても特定の値に制御することができる。この場合、磁性体細線の飽和磁化の調整は、キュリー法則を利用して温度制御により行うことができる。
【００２９】
ここで、この出願の発明による位相板を用いた無損失位相差法の概念を特許文献２に記載した炭素膜を利用した有損失位相差法と比較して、図１に示す。図１の（ａ）が有損失位相差法、（ｂ）が無損失位相差法の概念図である。
【００３０】
図１の（ａ）の従来の有損失位相板法は、πの位相変化（半波長分の位相おくれ）を与える炭素膜位相板を用いた位相差法であり、光学鎖微鏡の微分干渉法に相当する方法である。円形開口（絞り穴）を有する支持体の上に、この円形開口の約半分を覆うように炭素膜を設けて位相板が形成され、πの位相シフトを与えるために加速電圧に依存して炭素膜の厚さを変えて作られている。たとえば加速電圧が３００ｋＶの電子顕微鏡に適用する場合、約６０ｎｍ厚の炭素薄膜が絞り穴の半分を覆うように設けられる。しかし、このような構成においては、炭素膜を通過するとき散乱による損失が起こり、像強度は半分近くに減衰し、改善の余地があった。
【００３１】
図１の（ｂ）は、このような問題点を解決するもので、磁性体細線を位相差生成に利用したこの出願の発明による無損失位相差法である。開口（絞り穴）を有する支持体の上に、磁性体細線が架橋形成されている。この無損失位相差法で利用する位相板の構造については以下にさらに詳述する。
【００３２】
まず、この出願の発明において利用するベクトルポテンシャルについて述べる。ベクトルポテンシャルによる電子波の位相シフトはアハラノフ・ボーム効果（以下、ＡＢ効果と称する）として知られており、１９５９年にY. AharanovとD. Bhoｍにより理論的に予言された。その完全実証は日立製作所の外村彰氏により電子線ホログラフイーを用いて１９８０年代に報告された。この現象を利用した電子顕微鏡用位相板のアイデアは１９８５年にゼルニケ位相板として出願されたが特許化に到らなかった（特許文献４）。ゼルニケ位相板のデザインが製作を困難にしていたためである。この出願の発明では、この製作上の問題をヒルベルト微分位相板のデザインを用いることにより解決する。
【００３３】
図２は磁性体細線棒によるＡＢ効果の説明図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が側面図である。図中Ａがベクトルポテンシャル、Ｂが磁束である。
【００３４】
図２に示すように磁束が作り出すベクトルポテンシャルＡにより、磁性体細線の左右両側で電子波への影響に差が生じる。その差は電子波の位相のずれΔθとして現れる。左右の位相のずれ位相差Δθは磁性体細線近くでは一定である。図２（ｂ）には、閉ループリング状と棒状の磁性体細線が示されているが、磁束が封じ込められた閉ループでは、内外の位相差が場所によらず一定という特性がある。この点、棒状磁性体では磁束もれがあるため棒の中心近傍のみが位相差一定となる。特に磁性体細線からの磁束もれが無視できる領域では、その差が下記数（１）で与えられる。
【００３５】
【数１】
【００３６】
外村氏は外径数μｍの大きさの磁性体細線リングを用いて、リングの内側位相θｉｎと外側位相θｏｕｔが一様かつその差Δθは磁束密度Ｂの積分である磁束Φｔｏｔａｌに比例することを確かめた。
【００３７】
図２に示すＡＢ効果は電子顕微鏡における位相板として理想的である。まず位相の変化が自由空間に広がるベクトルポテンシャルによりなされるので、モノを通過するときに付随する電子線損失がない。磁性体細線左右の位相差は電子線の加速電圧に依存せず、磁性体に閉じ込められた磁束の大きさのみに依存する。またπの位相を作り出すのに必要な磁束Φｔｏｔａｌが極めて小さいので、磁性体細線は極めて細くでき、その大きさを事実上無視でき、電子線を邪魔しない。さらに磁性体細線を含め支持体全体を導電物質で被覆することは容易で、そのことにより位相板の帯電問題が回避される。
【００３８】
外村氏が行った磁性体細線リングを用いたＡＢ効果実証実験は、小さな中心穴を持つゼルニケ位相差法にすぐに適用可能だが（特許文献４）、この方法は、特許文献３に示す作製法の技術と同じように開口部中心に超微小リングを作製することが困難であった。こうした作製上の困難のため比較的大きなリングしか出来ず、位相差法の実効性が疑問であった。
【００３９】
そこで、この出願の発明者らは、図１（ｂ）に示すような単純な構造の位相板とすることにした。この位相板は、ゼルニケ位相差法と同等の効果を持ったヒルベルト微分法によるもので、磁性体細線で実現するものである。その詳細について図３に示す。
【００４０】
図３に示すように、この位相板（１１）は、絞り穴（１２）を有し、支持橋（１３）が形成された支持体（１４）の上に、リング状または棒状の磁性体細線（１５）を設けた構造を有する。（１６）は温度制御機構である。磁性体細線（１５）の幅は５０ｎｍ〜１μｍ程度、厚さは１０〜５０ｎｍ程度、断面積は２，０００ｎｍ２以上でその上限は５，０００ｎｍ２程度である。
【００４１】
たとえば、パーマロイを磁性体（１５）として用いた場合、パーマロイの飽和磁化は常温で約１Ｗｂ／ｍ２なので、式（１）よりπシフトの場合、断面積は以下のように約２，０００ｎｍ２と見積もることができる。なおＳは磁性体細線の断面積、Ｂｓは飽和磁化による磁束密度である。
【００４２】
【数２】
【００４３】
【数３】
【００４４】
実際の磁性体細線リング作製では断面積を正確に２，０００ｎｍ２に設定せず、多少大きめに作製することができる。その理由は、位相板（１１）を高温（３００〜１２００℃程度）に固定保持する機構（１６）を設ければ、キュリー法則を用いて飽和磁化を１Ｗｂ／ｍ２より小さい任意の値に設定できるからである。逆に適当な温度設定により、正確なπシフトに調節することが可能である。温度制御機構（１６）としては、例えば既に市販されている電子顕微鏡用温度制御ステージ等を用いることができる。
【００４５】
次に、磁性体細線リングの加工および支持体への移送方法を詳述する。
パーマロイを用いた磁性体リングの作製方法について、既に報告されている方法（非特許文献１：S.Kasai et al.,“Aharanov-Bohm Oscillation of resistance observed in a ferromagnetic Fe-Ni nanoring”, Appl. Phys. Lett. 81 (2002) 316-318）を利用することができる。ただし、この出願の発明による位相板における磁性体細線リングの作製には構造上の特殊性のため、その製作過程には新しい工夫が必要である。それは、磁性体細線リングがナノメートルの太さのため壊れやすく、例えばシリコンウェハ上からはがし、絞り穴の上に移送するといった工程が簡単に出来ないためである。この出願の発明では、このことを解決するため、次の２つの方法を提案する。
【００４６】
まず第１の方法について、図４を参照して述べる。マイカ板を用意し、マイカ板上に炭素薄膜、シリコン薄膜を順次積層する（ステップ１、ステップ２）。次に、シリコン薄膜上にレジスト膜を作り（ステップ３）、レジスト膜にフォーカスイオンビーム（ＦＩＢ）または電子線リソグラフィー（ＥＢ）でリング状の溝を深削りし、シリコン薄膜に達するようにする（ステップ４）、そこに磁性体薄膜を蒸着またはスパッターする（ステップ５）。レジスト上にのった磁性体を洗いとると（ステップ６）シリコン薄膜上に磁性体リングだけが残る。それをマイカと炭素膜の間でマイカ板から水面剥離によりはがし（ステップ７）、磁性体リング基材膜より２〜３倍大きな穴径を持つ電子顕微鏡用グリッド上にすくいとる（ステップ８）。両者の相対関係は定まらないので電子顕微鏡用グリッドの穴の上に磁性体リングがくるのは５０％程度である。運良くグリッド穴上に来た磁性体リングはシリコン薄膜／炭素薄膜よりなる支持体で支持されているので、これをフォーカスイオンビームを用いて加工する（ステップ９）。こうしてシリコン薄膜／炭素薄膜に電子線が通過する穴が開けられる。このようにして位相板を作製することができる。
【００４７】
次に、第２の方法について、図５を参照して述べる。第１の方法とは、シリコン基板上にシリカ薄膜を作り、その上に貴金属膜または炭素膜をパーマロイ支持体として作るところが異なる。この場合、支持体とシリコン基板との剥離はフッ化水素溶液を用いて行う。シリカ層はフッ化水素溶液による溶出層である。図５においてはその点が図４と異なるが他の工程はほとんど同じである。
【００４８】
次に磁性体細線棒の加工作製法について述べる。
第１の方法では、先ず、５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備する。金属細線は、例えば白金、金、ステンレス鋼等の剛直で酸化しない材料を用いることができる。次に、金属細線をマイクロマニュピレータを用いた実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させる。支持体としては、前述の磁性体細線リングによる位相板で用いたものと同様の材料を用いることができる。次に、架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させる。この固定は、たとえば電気溶接等の方法を用いて行うことができる。そして、最後に、両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００４９】
第２の方法では、基材として生物由来の線条蛋白質（微小管、バクテリアのセン毛やベン毛等）を利用したものを用いる。たとえば、先ず、１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離する。この単離は通常用いられている方法で行うことができる。次に、単離した線条重合蛋白質をｐＨ（酸性度）イオン強度、温度を制御することにより再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備する。次に、開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取る。次に、流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認する。次に、確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥する。次に、架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去する。そして、最後に、線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００５０】
第３の方法では、基材としてカーボンナノチューブを利用する。たとえば、先ず、１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備する。次に、単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備する。次に、開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取る。次に、流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認する。次に、確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥する。次に、架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去する。そして、最後に、分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成し、磁性体細線棒を得る。高抗磁率磁性体としては、コバルト、鉄、ニッケル等の強磁性体を用いることができる。
【００５１】
次に、磁性体細線棒の加工例及びそれを用いた位相板の実験例を詳述する。
まず磁性体細線棒の加工結果を図６に示す。この磁性体細線棒は、次の手順で作製した。
ｉ）電子像ホログラフィーに用いられるバイプリズムを準備
ｉｉ）バイプリズムの穴を架橋する直径０．８μｍの白金細線上にスパッター法で純コバルト膜を作製（厚さは約１０ｎｍ）
ｉｉｉ）帯電防止のためコバルト蒸着されたバイプリズムを炭素膜（約１０ｎｍ厚）で両面被覆
ｉｖ）コバルトを飽和磁化の永久磁石とするため、磁気共鳴イメージングに用いられる４テスラソレノイド型磁石の中心に長手方向に磁石が向くように設置
ｖ）３０分程放置後取り出し、すぐに実験用位相差電子顕微鏡（１２０ｋＶ）の対物レンズ後方焦点面に設置
【００５２】
永久磁石は強い外部磁場があると磁化の方向が乱れる。また、通常の電子顕微鏡では対物レンズ後方焦点面の磁場はコバルト永久磁石を乱すほど強い。従ってこのＡＢ位相板の実験は、磁場が後焦点面において遮へいされている位相差専用電子顕微鏡（Hosokawa,Danev, Arai & Nagayama, J. Electr. Microsc. 54(2005)317）を用いて行った。
【００５３】
次に、この実験による棒型ＡＢ位相板の性能テストの結果を示す。ここでは、ゲルマニウム薄膜を試料とした、無損失のヒルベルト微分位相差法の検証実験を行った例を示す。
図７は、ゲルマニウム薄膜の縁部分を撮像した結果である。図７の（ａ）は永久磁石よりなる磁性体細線棒位相板を挿入した位相差像を示す。ただし、この場合、中心ビームが磁性体細線棒直近の右側を通過している。（ｂ）は位相板挿入なしの通常像（正焦点）を示す。（ｃ）は位相板なしの通常像（深い焦点はずし）を示す。（ｄ）は細線磁性体棒位相板を挿入した位相差像を示す。ただし、この場合、中心ビームは磁性体細線棒直近の左側を通過している。
【００５４】
通常像はよく知られているように正焦点（図７（ｂ））ではコントラストが小さく、深い焦点はずし（深いデフォーカス、図７（ｃ））ではコントラストが高い。一方、位相差像（図７（ａ）、（ｄ）：本実験では磁性体細線棒両側の位相差が必ずしも正確πに調整されていないのでヒルベルト微分像と通常像の和となっていると思われる）ではともにヒルベルト微分像に特徴的ないわゆる微分型の像（一方向から光を当てた地形図のような像）が見えている。ただし、中心ビームが磁性体細線棒の左右両側のどちらを通るかで微分の向きが逆転し、光の当たる方向が左右逆転（図７（ａ）、（ｄ））して見えている。
これはまさしく本発明に期待される位相差像（R. Danev, H. Okaawara, N. Usuda, K. Kametani & K. Nagayama, J. Biol. Phys. 28(2002) 627-635参照）を示す結果そのものであり、磁性体細線棒のベクトルポテンシャルがヒルベルト微分位相板として正しく働いていることを示している。
【００５５】
ヒルベルト微分位相差では上述したように中心ビームが磁性体細線棒の右と左を通るとき異なる２つの位相差像（図７（ａ）、（ｄ））を与える。この２つの像を使うと、その差と和で異なる性質の像が再生される。特に差像（図８（ａ））は試料ゲルマニウム膜の電子密度を反映する位相量の線型微分項のみが反映されている。
従って図８（ａ）では薄膜の縁部の膜厚変化のあるところが強調されている。一方、和像（図８（ｂ））では線型項がキャンセルされ、微分値の２乗及び位相差のπからのずれに伴う通常像の和が反映される。特に差像（図８（ａ））はヒルベルト位相差法でのみ検出可能な純粋な微分像という価値を持っている。
【００５６】
次に、本位相差法が期待通りの無損失の位相板かどうかの定量的検証を行った。定量的検証法は文献（K. Nagayama, Adv. Imaging. Electr. Phys. 138(2005)69-145)にあるＴａｂｌｅ６の方法（図９参照）を用いた。
図９の例は電子線損失のある位相板を用いたときのヒルベルト微分法の性能検証の例である。この位相板では、対物レンズ後焦点面に挿入された絞りを厚さ約６０ｎｍの炭素膜（３００ｋＶ加速電圧用π位相板）が半分覆っている（図１（ａ）参照）。この場合、炭素膜が電子線をある程度遮るため損失が起こるが、それでも位相差法の利点である低周波数成分の回復は達成されている。そのため図９（ｂ）に比較する２つの像のようにヒルベルト微分位相差像は通常像に比べ高コントラストとなる。しかし高周波成分には電子線損失によりコントラスト劣化が起こる。この事を見るため図９のように実像をフーリエ変換（ＦＴ）し（図９（ａ））、周波数空間で強度比較（図９（ａ）のＧ（ｋ）[Ｇａｉｎ曲線]）をした。Ｇａｉｎ曲線において０〜０．１ｎｍ−１の低空間周波数では期待通り位相差像の強度が通常像より強い。一方、０．１ｎｍ−１以上の高周波数では位相差像強度が通常像より弱い。
【００５７】
図１０はグラファイト粒子の位相差像と通常像の比較である。図１０の（ａ）はヒルベルト微分位相差像（正焦点）、（ｂ）は通常像（深い焦点はずし）、（ｃ）は古くから知られている簡単な位相差法であるナイフエッジ位相差法（絞りの半分にナイフエッジを入れて電子線を完全ストップ。図１（ａ）の炭素膜がナイフエッジに替った位相差法）による位相差像、（ｄ）は通常像（正焦点）をそれぞれ示す。４つの像（図１０（ａ）〜（ｄ））の内、予想通り最もコントラストの低いのが正焦点通常像（図１０（ｄ））であった。そして最もコントラストが高くかつ像歪の小さいのが磁性体細線棒位相板を用いたヒルベルト微分位相差像（図１０（ａ））であった。深い焦点はずしを用いれば通常像のコントラストも回復するが（図１０（ｂ））、深い焦点はずし特有の低周波フィルター像になっている。
【００５８】
参考に示したナイフエッジ位相差像（図１０（ｃ））は図１０（ｄ）の通常像より像コントラストは高いが全体に暗いことがわかる。このような像の持つ特徴は、図１０の右側（ｅ）〜（ｇ）のＧａｉｎ曲線で定量的に裏付けられる。図１０（ｅ）は、ヒルベルト法と通常法の比較であり、図９（ｂ）のＧａｉｎ曲線と比較されるべきもので、０．１ｎｍ−１以上の高周波で強度損失がほとんどないという特徴を持つ。一方、ナイフエッジ位相差像と通常像の比較では（図１０（ｇ））炭素膜によるヒルベルト微分位相板よりさらに電子線損失が大きい（半円部分の電子線の完全カットのため）ので０．０７ｎｍ−１より高周波で−２のＧａｉｎとなっている。図９（ｂ）の炭素膜位相板のＧａｉｎが−１であるのに比べ、よりマイナス側に大、すなわち弱いコントラストとなっている。
【００５９】
深い焦点はずし通常像と正焦点通常像の比較では（図１０（ｆ））、位相板を挿入していないので高周波側（０．１３ｎｍ−１より大）のＧａｉｎは０、すなわち等しくなっている。一方、低周波側のＧａｉｎは正で、コントラスト回復に寄与している（図１０（ｆ））。これが通常法で従来から使われてきたデフォーカス（焦点はずし）法によるコントラスト増強の意味である。一見深いデフォーカス法は図１０（ｅ）に示すヒルベルト微分位相差法をしのぐように見えるが、これは今回の磁性体細線棒位相板の位相差が正確にπに調節されていないことによると思われる。さらによく見ると、より低周波側（０．０１５〜０．０３ｎｍ−１）でヒルベルト微分法のＧａｉｎが優っており、これが図１０（ａ）、（ｂ）の比較にあるコントラストの差となって現れている。
【００６０】
以上のように、バイプリズム上にイオンスパッター製膜したコバルトによる磁性体細線棒を用いた位相板は期待されるＡＢ位相板の無損失性を実証したことになる。
【００６１】
この出願の発明によれば、以上のようにして、位相差電子顕微鏡に用いられる位相板として、永久磁石である磁性体細線が絞り穴を架橋する構造を持つ無損失位相板を作製することができる。磁性体細線内に封じ込められた磁束が作るベクトルポテンシャルが、加速電圧に依存しないで一定の位相差を細線の左右両側に与えるため、その位相差をπに設定すれば、ヒルベルト微分法（光学顕微鏡の微分干渉法と同等、特許文献２参照）としての位相差電子顕微鏡が実現する。この手法の利点は、極めて細い磁性体細線自体以外は電子線を遮るモノがないので完全無損失であることである。そして、一度磁性体細線左右の位相差がπに設定されると、加速電圧を問わずあらゆる電子顕微鏡に適用可能となることである。また、位相板を高温保持する機構を付加すれば正確にπシフト調節が可能となる。さらに、磁性体細線の大きさは実験的要求に合わせ任意に調節が可能となる。そして、この出願の発明によれば、これらの利点を利用することで、ヒルベルト微分ＡＢ位相板は、無帯電無損失の完全なヒルベルト微分位相差電子顕微鏡を実現させる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】この出願の発明による位相板を用いた無損失位相差法（ｂ）の概念を特許文献２に記載した有損失位相差法（ａ）と比較して示す図である。
【図２】磁性体細線磁束によるベクトルポテンシャルが作り出すＡＢ効果の説明図である。
【図３】この出願の発明による位相板（ＡＢ位相板）の構造例を詳細に示す図である。
【図４】この出願の発明による位相板の製造方法の一例を示す図である。
【図５】この出願の発明による位相板の製造方法の別の例を示す図である。
【図６】バイプリズムを利用した磁性体細線棒位相板の具体例を示す図である。
【図７】ゲルマニウムを試料としたヒルベルト微分位相差法検証実験例を示す図である。
【図８】中心光を磁性体細線棒の左と右に通して得た２つの像の和（ｂ）の像と差（ａ）の像を示す図である。
【図９】有損失位相板（炭素膜半円π位相板）を用いた場合のシアノバクテリア像のコントラストの周波数依存性およびそれを元にしたい操作法と通常法のコントラスト比較（Ｇａｉｎ曲線）の説明図である。
【図１０】グラファイトの電顕像をもとに計算したＡＢ位相板の性能を示すＧａｉｎ曲線の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００６３】
１１ 位相板
１２ 絞り穴
１３ 支持橋
１４ 支持体
１５ 磁性体細線
１６ 温度制御機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とする電子顕微鏡用位相板。
【請求項２】
架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項３】
架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項４】
前記磁性体細線の飽和磁化の調整が、温度制御により行われていることを特徴とする請求項３に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項５】
前記位相差の値がπであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項６】
前記磁性体細線リングがパーマロイにより形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項７】
前記磁性体細線リングの平面形状が矩形形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項８】
前記磁性体細線リングの平面形状が半円形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項９】
前記磁性体細線棒が高抗磁率を持つ永久磁石より形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１０】
前記支持体が、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１１】
前記支持体が、シリコン薄膜と、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜との貼り合わせ薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１２】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ１）マイカなどの基材上に炭素薄膜を形成するステップ、
（ｂ１）炭素薄膜の上にシリコン薄膜を形成するステップ、
（ｃ１）シリコン薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ１）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ１）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ１）複数の磁性体リングを残し、不要なレジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ１）炭素シリコン複合薄膜及びその上の複数の磁性体リングよりなる構造体を、水面剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｈ１）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｉ１）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【請求項１３】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ２）シリコンなどの基材上にシリカ（ＳｉＯ２）薄膜を形成するステップ、
（ｂ２）シリカ薄膜の上に貴金属膜または炭素薄膜を形成するステップ、
（ｃ２）貴金属膜または炭素薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ２）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ２）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ２）複数の磁性体リングを残し、レジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ２）複数の磁性体リングの保護膜としてリングを包埋する炭素薄膜を形成するステップ
（ｈ２）複合炭素シリコン複合薄膜とその中に包埋された複数の磁性体リングよりなる構造体を、フッ化水素溶液に浸漬し、シリカ層溶出剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｉ２）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｊ２）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【請求項１４】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ３）５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備するステップ、
（ｂ３）金属細線を実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させるステップ、
（ｃ３）架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させるステップ、及び
（ｄ３）両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１５】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ４）１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離するステップ、
（ｂ４）単離した線条重合蛋白質を再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備するステップ、
（ｃ４）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ４）流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ４）確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥するステップ、
（ｆ４）架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ４）線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１６】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ５）１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備するステップ、
（ｂ５）単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備するステップ、
（ｃ５）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ５）流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ５）確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥するステップ、
（ｆ５）架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ５）分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１７】
全工程修了後、電子線が誘起する帯電を防止するのため位相板両面を炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜でコーティングすることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板の製造方法。
【請求項１】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部または磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線リングまたは磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分または磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させることを特徴とする電子顕微鏡用位相板。
【請求項２】
架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の断面積の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項３】
架橋された磁性体細線の左右両側を通過する電子線間の位相差が、前記磁性体細線の飽和磁化の大きさの調整により特定の値に制御されていることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項４】
前記磁性体細線の飽和磁化の調整が、温度制御により行われていることを特徴とする請求項３に記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項５】
前記位相差の値がπであることを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項６】
前記磁性体細線リングがパーマロイにより形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項７】
前記磁性体細線リングの平面形状が矩形形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項８】
前記磁性体細線リングの平面形状が半円形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項９】
前記磁性体細線棒が高抗磁率を持つ永久磁石より形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかの記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１０】
前記支持体が、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１１】
前記支持体が、シリコン薄膜と、炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜との貼り合わせ薄膜であることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板。
【請求項１２】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ１）マイカなどの基材上に炭素薄膜を形成するステップ、
（ｂ１）炭素薄膜の上にシリコン薄膜を形成するステップ、
（ｃ１）シリコン薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ１）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ１）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ１）複数の磁性体リングを残し、不要なレジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ１）炭素シリコン複合薄膜及びその上の複数の磁性体リングよりなる構造体を、水面剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｈ１）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｉ１）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【請求項１３】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線リングの一部を架橋させてなり、前記磁性体細線リングがベクトルポテンシャルを生成し、磁性体細線リングの架橋している部分の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線リング作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ２）シリコンなどの基材上にシリカ（ＳｉＯ２）薄膜を形成するステップ、
（ｂ２）シリカ薄膜の上に貴金属膜または炭素薄膜を形成するステップ、
（ｃ２）貴金属膜または炭素薄膜の上にレジスト膜を形成するステップ、
（ｄ２）レジスト膜の上に電子線リソグラフィー法またはフォーカスイオンビーム法で複数のリング状溝を形成し、リング状にレジストを除くステップ、
（ｅ２）複数のリング状溝を持ったレジスト膜全体に磁性体膜を堆積するステップ、
（ｆ２）複数の磁性体リングを残し、レジスト膜を磁性体膜とともに取り除くステップ、
（ｇ２）複数の磁性体リングの保護膜としてリングを包埋する炭素薄膜を形成するステップ
（ｈ２）複合炭素シリコン複合薄膜とその中に包埋された複数の磁性体リングよりなる構造体を、フッ化水素溶液に浸漬し、シリカ層溶出剥離により基材から剥離させるステップ、
（ｉ２）電子顕微鏡用グリッドで、前記構造体をすくい取るステップ、及び
（ｊ２）電子顕微鏡用グリッド上の前記構造体の特定の磁性体片に対し、フォーカスイオンビーム法を用いて加工することにより、電子線が通過する穴を有する磁性体細線リングを形成するステップ。
【請求項１４】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ３）５０ｎｍ〜１μｍの径を有し１０〜１０００μｍの長さを持つ金属細線を準備するステップ、
（ｂ３）金属細線を実体顕微鏡下の操作で支持体の開口部に架橋させるステップ、
（ｃ３）架橋された金属細線の支持体側の両端を支持体に固定させるステップ、及び
（ｄ３）両端が固定された金属細線に高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着し磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１５】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ４）１０ｎｍ〜１μｍの径を有する生物由来の線条重合蛋白質を単離するステップ、
（ｂ４）単離した線条重合蛋白質を再構成調整し、１０〜１０００μｍの長さの線条蛋白質を含む水溶液サンプルを準備するステップ、
（ｃ４）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の線条重合蛋白質の顕濁液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ４）流れにより一方向に並んだ線条重合蛋白質が支持体の開口を架橋していることを低温電子顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ４）確認された線条重合蛋白質が架橋している支持体を凍結乾燥するステップ、
（ｆ４）架橋した多数の線条重合蛋白質のうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ４）線条重合蛋白質が架橋している支持体に線条重合蛋白質とともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１６】
開口部を有する支持体の該開口部に、磁性体細線棒を架橋させてなり、前記磁性体細線棒がベクトルポテンシャルを生成し、前記磁性体細線棒の左右両側をそれぞれ通過する電子線間に位相差を形成させる電子顕微鏡用位相板の製造方法であって、前記磁性体細線棒作製に関する以下の各ステップを備えることを特徴とする電子顕微鏡用位相板の製造方法
（ａ５）１０ｎｍ〜１μｍの径を有し水中での分散性を保持した分散性カーボンナノチューブを準備するステップ、
（ｂ５）単離した分散性カーボンナノチューブを調整し、１０〜１０００μｍの長さの分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を準備するステップ、
（ｃ５）開口部を多数持つメッシュ様支持体に上記の分散性カーボンナノチューブを含む水溶液を一滴のせ、水流を作るようにろ紙で吸い取るステップ、
（ｄ５）流れにより一方向に並んだ分散性カーボンナノチューブが支持体の開口を架橋していることを顕微鏡で確認するステップ、
（ｅ５）確認された多数の分散性カーボンナノチューブよりなる支持体を乾燥するステップ、
（ｆ５）架橋した多数の分散性カーボンナノチューブのうち磁性体細線の土台として用いるもの以外をフォーカスイオンビーム法を用いて除去するステップ、及び
（ｇ５）分散性カーボンナノチューブが架橋している支持体に分散性カーボンナノチューブとともに高抗磁率磁性体を厚みを制御しながら蒸着して磁性体薄膜を形成するステップ。
【請求項１７】
全工程修了後、電子線が誘起する帯電を防止するのため位相板両面を炭素薄膜、貴金属薄膜などの非磁性耐酸化性導電性薄膜でコーティングすることを特徴とする請求項１２から１６のいずれかに記載の電子顕微鏡用位相板の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−９１３１２（Ｐ２００８−９１３１２Ａ）
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９８２９２（Ｐ２００６−２９８２９２）
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【出願人】（５０５４１１７８９）ナガヤマ アイピー ホールディングス エルエルシー (3)
【氏名又は名称原語表記】Ｎａｇａｙａｍａ ＩＰ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ， ＬＬＣ
【公開日】平成２０年４月１７日（２００８．４．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【出願人】（５０５４１１７８９）ナガヤマ アイピー ホールディングス エルエルシー (3)
【氏名又は名称原語表記】Ｎａｇａｙａｍａ ＩＰ Ｈｏｌｄｉｎｇｓ， ＬＬＣ
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