３次元構造観察用の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法
【課題】試料を常に電子顕微鏡の視野中心で保持可能な構成を採用しながら、簡素な構成で汎用性の高い３次元構造観察用の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法を提供する。
【解決手段】基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材１６の先端部に、ベース３１と該ベース３１に対して回転自在に配された試料支持部材３２とを有する試料支持台３０を、ホルダー１０を介して設置する。また、試料支持台３０に一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器４０を組み付ける。試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の目盛り４２に合わせながらベース３１に対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察することができる。
【解決手段】基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材１６の先端部に、ベース３１と該ベース３１に対して回転自在に配された試料支持部材３２とを有する試料支持台３０を、ホルダー１０を介して設置する。また、試料支持台３０に一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器４０を組み付ける。試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の目盛り４２に合わせながらベース３１に対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を３６０°全角傾斜させて３次元的に構造を観察可能な３次元構造観察用の試料支持台とこれに適した分度器、及びその３次元構造観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば観察対象たる試料の組織やその構造を観察する場合、高い空間分解能を有する透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopeと称すことがある）によって行うことが必要である。ＴＥＭは、電子線を試料に照射し、試料と相互作用して透過した電子線を結像・拡大表示する。ＴＥＭにより得られる像は、試料を透過した電子線の投影像であるため、ある一定角度から電子線を透過させた場合、試料の厚さ方向の情報は加算されて２次元像となり、この２次元的な像のみでは的確に試料構造等を把握することが困難である。そこで近年では、試料を３６０°全角傾斜して撮影した複数枚の像を組み合わせることで３次元的な像として再生し、厚さ方向の情報をも抽出できる３次元情報再生法（電子線トモグラフィー）が採用されている。これを採用した電子顕微鏡として、例えば特許文献１や特許文献２がある。
【０００３】
ところで、一般的にＴＥＭ観察では、薄片状に形成された試料を、回転可能なロッドの先端部に設置されるホルダーのリング状試料支持台に固定している。そのうえで、例えば特許文献３のように、ホルダー及び試料支持台がそれぞれ互いに異なる方向へ一定の角度で傾斜可能な２軸傾斜機構を採用して、試料をｘｙｚ方向に任意に傾斜できるようになっているものがある。しかし、薄片状の試料を大きく傾斜させると、電子線の透過距離が大きくなってしまう。また、試料支持台を大きく傾斜させると、当該試料支持台が電子線の経路を塞いでしまう。さらに、高空間分解能のＴＥＭほど電子レンズのギャップ（距離）は狭く設計されているため、ホルダーを挿入する試料室の幅は狭くなりホルダーの傾斜角度に限界がある。などの理由により、従来からの汎用ＴＥＭにおける試料の傾斜角度範囲は±７０度程度であった。これでは、図９に示されるように、観察可能領域（角度）が限られて情報欠落領域（角度）が生じてしまい、試料を全角方向から観察できず３次元観察は根本的に不可能となる。
【０００４】
そこで特許文献１では、試料の先端部を突起状に形成し、当該突起の軸心をロッド（及びホルダー）の回転軸と平行な状態で設置したうえで、ホルダーを３６０°全方向に回転させることで、上記問題を生じることなく全角傾斜観察すなわち３次元構造観察を可能としている。特許文献２では、ロッド先端のホルダーや試料支持台の詳細な構成が記載されていないが、試料の３次元構造観察に際して試料を３６０°全方向に回転させたとき、常に試料を電子顕微鏡の視野中心（ユーセントリック位置）に保持できる技術を提案している。その他、特許文献４には、針状の試料支持体の先端に試料を固定し、電子線の入射方向に対して直角な水平面にて３６０°周回可能な電子顕微鏡用ホルダーが開示されている。また、特許文献５には、ロッドの先端部に球体を設けることで試料をｘｙｚ方向へ任意に位置設定可能とすることで、３次元構造観察において試料を電子顕微鏡の視野中心で保持可能としている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３６７７８９５号公報
【特許文献２】特開２００１−３１２９８９号公報
【特許文献３】特開平６−６８８２８号公報
【特許文献４】特開２００７−１８８９０５号公報
【特許文献５】特開２００１−２５６９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、１軸全角傾斜機構なので、試料の突起部をロッドの回転軸上に正確に位置合わせする必要がある。そのために、わざわざ目印として光軸上に十字のパターンが挿入された光学顕微鏡により確認したりしているが、μｍ単位で正確に突起をロッドの回転軸上に位置合わせするには限界があると共に、その確認作業も煩雑である。突起部がロッドの回転軸からズレていると、試料傾斜時の視野ずれが数百μｍになり操作性を損なうのみならず、焦点合わせが可能な視野が数μｍ角に限定されるという問題があり、観察可能な傾斜角度が極めて限定されることになる。つまり、設置当初〜低角傾斜において試料が電子顕微鏡の視野内に存在していても、高角傾斜させるにつれて試料が視野外へ外れてしまい、結果として図９に示すような情報欠落領域が生じてしまう。この問題は、ＴＥＭが高空間分解能仕様であり高い倍率で観察可能であればあるほど顕著となる。また、試料支持台へ設置した当初は試料がロッドの回転軸上にあったとしても、全角傾斜させながらＴＥＭ観察していくうちに、試料が観察電子線による熱振動や機械振動によりドリフトして、ロッドの回転軸から外れてしまう場合もある。１軸全角傾斜機構であれば、このような経時的な位置ズレに対応できない。
【０００７】
これに対し特許文献２では、ロッドを回転、すなわち試料を全角傾斜させても試料が常に電子顕微鏡の視野中心で保持可能な構成となっているので、特許文献１のような問題は生じ難い。しかし、特許文献２ではロッド及びホルダーをｘｙ方向で位置調整させたうえでこれを３６０度回転させているので、ホルダーを挿入する試料室を大きくする必要がある。これでは、電子レンズのギャップを狭く設計することができず、ＴＥＭの性能が低下してしまう。したがって、特許文献２のような視野中心で保持可能な構成を採用しながらも、従来のように試料の傾斜角度範囲は±７０度程度が好ましい。
【０００８】
特許文献３は薄片状の試料を試料支持台へ固定しているのみなので、３次元構造観察には適さない。特許文献４では、針状の試料支持棒の先端に試料を固定しているが、電子線の入射方向に対して直角な平面において周回する機構なので、やはり３次元構造観察には適さない。また、特許文献５は特殊な機構を採用しているので、汎用性に欠ける。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、試料を常に電子顕微鏡の視野中心で保持可能な構成を採用しながら、簡素な構成で汎用性の高い３次元構造観察用の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明で提案される試料支持台は、一定の角度範囲で回転可能な回転部材の先端に設けられたホルダーに設置され、電子顕微鏡における３次元構造観察用の試料支持台であって、薄板リング状のベースと、前記ベースの片面に回転自在に配され、その先端に試料を固定する長細状の試料支持部材とを有し、前記試料支持部材の先端は前記ベースの中心に向けて配され、その回転軸が前記回転部材の回転軸と略平行となっている。回転部材の回転軸と試料支持部材の回転軸とが略平行とは、試料支持部材は基本的には回転部材の回転軸と平行に配されるが、試料観察上の都合からその回転軸の方向が若干変更される場合もあり、その場合は両回転軸が若干ズレて完全には平行となっていない場合もあることを意味する。ここでの試料支持部材の形状は、その回転軸まわりに回転可能な細長形状であれば特に限定されない。例えば、円柱形であっても構わない。本発明におけるリング状ベースは、従来の電子顕微鏡における試料支持台に相当する。
【００１１】
そのうえで、前記試料支持部材をその先端部が先窄まり状となった針形状に形成し、その先端頂部に棒状の試料を固定することが好ましい。また、前記試料支持部材の側面には、該試料支持部材の回転角度を示す指標を設けておくことが好ましい。当該指標は、試料支持部材の左右両側面に設けられていてもよいし、左右どちらか一方の側面に設けられていてもよい。
【００１２】
また、本発明では、前記試料支持台を使用した３次元構造観察に際して好適に使用される分度器を提供することができる。具体的には、試料支持部材をベースに対して一定角度で回転させた状態を維持するために、前記３次元構造観察用の試料支持台に、前記試料支持部材と対向状に組み付けられ、前記試料支持部材との対向面には、正面視において前記試料支持部材を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印されている。
【００１３】
この分度器は薄板部材であって、前記試料支持台のベースを挿入可能な開口が形成されており、当該開口に、前記試料支持部材の対向面側から前記ベースを挿入することで、前記分度器が前記ベースに対して直角に組み付けられる。
【００１４】
前記ベースの片面には、前記分度器の挿入限界を規制するストッパーを設けておくことが好ましい。当該ストッパーは、試料支持部材と同じ面であると反対面であると問わない。また、前記ストッパーは、前記分度器を前記ベースの中心よりも前記試料支持部材の対向面側寄りにて位置規制可能な位置に設けておく。
【００１５】
前記回転部材は、電子顕微鏡へ装着する際の奥行きを微調整する微動機構と、前記回転部材の回転軸に垂直な面内において前記回転部材位置を調整する第１の調整機構と、前記回転部材の電子顕微鏡鏡への装着角度を調整するための第２の調整機構と、によって回転軸が制御されており、当該回転部材の先端部にホルダーを介して前記試料支持部材が設置される。これにより、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御される。
【００１６】
また、前記試料支持台は、前記試料支持部材の回転軸に対して直交する方向の回転軸を中心として回転自在であり、前記回転部材の傾斜軸と前記ベースの傾斜軸とによって２軸傾斜可能となっている。
【００１７】
このような試料支持台によって、本発明ではさらに次のような電子顕微鏡における３次元構造観察方法を提供することができる。すなわち、基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材の先端部に、ベースと該ベースに対して回転自在に配された試料支持部材とを有する試料支持台を、ホルダーを介して設置する。そして、前記試料支持部材を前記ベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察することができる。
【００１８】
さらに、前記試料支持台に一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を組み付ければ、前記試料支持部材の段階的な回転角度状態の変更を、前記試料支持部材の側面に設けられた指標を前記分度器の目盛りに合わせることで行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の試料支持台によれば、回転部材自体は一定の角度範囲で回転可能となっているだけであるが、試料支持部材をベースの片面に回転自在に配していることで、試料支持部材の回転角度と回転部材の回転角度とを組み合わせることで、容易に試料を３６０°全方向から観察、すなわち電子顕微鏡において３次元構造観察用をすることができる。従来の試料支持台に相当するベースに、細長状の試料支持部材を回転自在に配しただけの簡単な構成となっているので、従来からの電子顕微鏡にそのまま適用することができ、汎用性も高い。このとき、試料支持部材の先端をベースの中心に向けて配してあれば、試料支持部材の先端に固定される観察用試料をベースの中心に位置させることができる。また、試料支持部材の回転軸が回転部材の回転軸と略平行となっていれば、回転部材の回転に伴い試料を回転させることができ、かつ回転部材の回転軸を微調整することで、試料を電子顕微鏡の視野中心にて回転させることができる。
【００２０】
試料支持部材を針形状に形成しておけば、その先端頂部に試料を固定するだけで、的確に試料を試料支持部材の断面中心、すなわち試料支持部材の回転軸上に位置させることができる。また、試料を棒状に形成しておけば、例えば薄板形状の試料のように、試料自体の形状によって情報欠落領域が生じることなく確実に３６０°全方向からの観察が可能となり、３次元構造観察用に適している。
【００２１】
試料支持部材の側面に指標を設けていれば、当該試料支持部材をベースに対して回転させた角度を的確かつ容易に把握することができる。
【００２２】
その際、試料支持部材を中心にして囲むように一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を使用し、試料支持部材の指標を分度器の目盛りに合わせて回転させれば、試料支持部材のベースに対する回転角度をより的確かつ容易に把握することができる。また、試料支持部材をベースに対して段階的に回転させる場合には、各回転角度状態の角度間隔を均等化し易い。
【００２３】
ベースに分度器の挿入限界を規制するストッパーを設けて、分度器をベースの中心よりも試料支持部材の対向面側（反対側）に位置規制可能としていれば、試料を観察するに当たり分度器が試料と接触することを避けられ、かつ分度器が電子線を遮蔽することもないので、確実に試料の３次元構造観察が可能となる。
【００２４】
試料支持台を回転軸の角度調整可能な回転部材の先端部に設けることで、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御されていれば、試料を３６０°回転させても試料が電子顕微鏡の視野外へ外れるおそれはないので、情報欠落領域が生じることを回避できる。また、試料支持台が２軸傾斜可能となっていれば、試料が試料支持部材の先端に傾斜して固定されていても、試料を試料支持部材の回転軸と平行になるよう調整できる。
【００２５】
回転部材を基準姿勢から±一定角度範囲のみで回転可能な構成としていれば、試料を観測する試料室を大きくする必要がないので、電子レンズのギャップを小さくでき、電子顕微鏡の空間分解能を高水準にできる。また、この構成は従来からの汎用電子顕微鏡にも採用されている構成と同様なので、電子顕微鏡を特殊な構成を採用する必要がなく汎用性が高い。そのうえで、試料支持部材をベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させれば、簡素な構成の試料支持台を使用しながら確実に試料を３６０°全方向から観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。図１に、本発明の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法が主に適用される透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の概略構成図を示す。図１において、ＴＥＭ１は従来からの一般的なものと同様であり、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との間の試料室内に観察対象たる試料Ｓ（図１には図示せず）を保持するホルダー１０が配されている。なお、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を透過した二次電子は対物レンズ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、カメラ９を介して図外のモニターに表示される。符号１４は、ＴＥＭ１の筐体である。試料Ｓは、ロッド１６の角度等を調整する試料傾斜機構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。
【００２７】
図２に、試料傾斜機構１５の一例の横断平面図を示す。なお、以下ではロッド１６の回転軸と略平行な方向（図２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２の上下方向）をｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向と直交しＴＥＭの高さ方向に相当する方向（図２の正背面方向）をｚ方向とする。図２において試料支持台３０を有するホルダー１０は、円柱形のロッド１６の先端に固定されており、当該ロッド１６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。ロッド１６はＴＥＭ１の視野中心を通るｘ方向の回転軸Ｘ1を中心として一定の角度範囲で回転可能となっていることで、これの先端に固定されたホルダー１０や試料Ｓも、ｘ方向の回転軸Ｘ1を中心として一定の角度範囲で回転するようになっている。このロッド１６が本発明の回転部材に相当する。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回転シリンダ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回転シリンダ１９に対して出没可能であり、球面座１８の中心Ｃを不動点としてロッド１６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。ロッド１６は、回転モータ２２により軸Ｘ1まわりに回転する回転シリンダ１９と一体的に回転し、軸Ｘ1に対して歳差運動する。このように、ロッド１６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、ロッド１６先端のホルダー１０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、ロッド１６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。
【００２８】
ロッド１６は回転シリンダ１９をガイドとして回転するほか、球面座１８をもガイドにして回転する。このとき、ロッド１６の回転軸が球面座１８の中心Ｃからズレていると、ロッド１６は、これの回転軸と球面座１８中心Ｃとの離心距離を半径とした首振り回転現象を起し、試料Ｓ自体もロッド１６の回転軸Ｘ1周りに歳差運動を起こしてしまう。そこで、ロッド１６の回転軸Ｘ1が球面座１８の中心Ｃと一致するように、回転シリンダ１９の位置を微調整するためのシリンダ調整機構２３がｙｚ２方向に設けられている。この調整プロセスをユーセントリック調整と呼ぶ。このユーセントリック調整により、試料Ｓに対しては不動の回転軸を形成でき、この軸上に試料Ｓの目的部位を微動アクチュエータ２０で移動できることから、試料Ｓを回転観察したときの視野ずれや焦点ずれを抑えることが可能になる。しかし、ロッド１６の回転軸方向は回転シリンダ１９と筐体１４との位置関係で決まるため、常にＴＥＭ１の視野中心を通るとは限らない。そこで、回転シリンダ１９を保持し、球面座１８を含むシリンダガイド２４を第２球面座２５で筐体１４に固定し、筐体１４とシリンダガイド２４との相対位置関係を調整するシリンダガイドの位置を微調整するためのシリンダガイド調整機構２６を設けている。これにより、ロッド１６や回転シリンダ１９のユーセントリック条件を崩すことなく、また試料Ｓの形状、ロッド１６における試料Ｓのｙｚ方向取りつけ位置、及び観察倍率によらず、ロッド１６及びこれの先端に設けられたホルダー１０を第２球面座２５で回転させ、ロッド１６等の回転軸Ｘ1を電子顕微鏡の視野中心に通るように設定できる。なお、シリンダ調整機構２３が本発明の第１の調整機構に、シリンダガイド調整機構２６が本発明の第２の調整機構に、梃子２７が本発明の微動機構に、それぞれ相当する。
【００２９】
次に、ロッド１６の先端に固定されるホルダー１０と、当該ホルダー１０に設置される本発明の試料支持台３０及び分度器４０について、図３〜図８を参照しながら詳しく説明する。図３に、ロッド１６の先端部分の拡大平面図を示す。図３に示すごとく、ホルダー１０は平板矩形を呈しており、先端寄り部位に穿設された開口１１内に試料支持台３０等を設置する設置台１２が配されている。設置台１２は、捻りコイルバネ１３を介してホルダー１０に設置されていることで、ｙ方向の回転軸Ｙを中心に回転自在となっており、この設置台１２の中央部に、本発明の試料支持台３０及び分度器４０が配されている。このように試料支持台３０は、回転軸Ｘ1と回転軸Ｙとの２軸傾斜可能となっていることで、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させながら全角傾斜観察が可能となる。すなわち、先ず試料Ｓが回転軸Ｘ1からズレた位置に固定されていれば、上述のように試料傾斜機構１５によってユーセントリック調整することで、試料Ｓを回転軸Ｘ1上に移動させる。さらに、試料Ｓが回転軸Ｘ1に対して斜めに固定されていれば、試料支持台３０を回転軸Ｙまわりに回転傾斜させることで、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させることができる。これにより、試料Ｓが回転軸Ｘ1に対して歳差運動することを防ぐことができる。ここまでは、従来のＴＥＭでも採用されていた機構である。
【００３０】
図４は、試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の平面図である。図５は、同じく試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の側面図である。図６は、同じく試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の正面図である。また、図７は分度器４０の正面図である。図４〜図６において試料支持台３０は、薄板リング状のベース３１と、試料Ｓを固定支持する試料支持部材３２とを有する。試料支持部材３２は先端が先窄まり状となった細針形状に形成されており、ｘ方向に沿ってベース３１の中心に向けた状態で配されている。試料支持部材３２はタングステン製とした。試料Ｓは集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）によって略円柱形の棒状に形成され、試料支持部材３２の先端頂部に接着等により固定される。なお、試料支持部材３２の先端頂部は、試料支持部材３２の縦断面において略中央に位置している。試料支持部材３２は、これの先端頂部に試料Ｓを固定したとき、当該試料Ｓがベース３１の中心（ＴＥＭ１の視野中心）にあるような長さに設計されている。また、試料支持部材３２は、ベース３１の上面に固定されたアタッチメント３３に回転自在に挿入されていることで、ｘ方向に延びる軸Ｘ2まわりに回転自在となっている。試料支持台３０をホルダー１０へ設置したとき、試料支持部材３２の回転軸Ｘ2とロッド１６の回転軸Ｘ1とが一致する位置状態にある。試料支持部材３２の左右両側面には、当該試料支持部材３２の回転角度を容易に確認できるようにするための２つの指標３４が、互いに水平となる状態で溶接等によって固定されている。
【００３１】
図７において分度器４０は、平板薄肉の矩形部材であって、その上下方向の中央やや下方位置に横長溝状のスリット４１が開口している。そして、このスリット４１にベース３１を試料支持部材３２の反対側から挿入することで、図６等に示されるように、試料支持部材３２と対向する状態でベース３１に対して分度器４０が直角に組み付けられる。このとき、試料支持部材３２が分度器４０の中央部に位置している。また、ベース３１の上面の左右２箇所には、分度器４０の挿入限界を既定するストッパー３５が設けられており、当該ストッパー３５の位置まで分度器４０を挿入したとき、分度器４０はベース３１の中心よりも試料支持部材３２の対向面側（反対側）に位置している。また、分度器４０のスリット４１は、ベース３１の厚みよりも僅かに大きい程度の厚み寸法となっていることで、ベース３１は分度器４０に圧入された状態となり、分度器４０がベース３１に対してガタ付くことはない。そのうえで、分度器４０の試料支持部材３２との対向面には、試料支持部材３２を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛り４２が印されている。本実施例では、４５°間隔で計８個の線状の目盛り４２が印されている。なお、図６及び図７において目盛り４２に沿った円形の線は、各目盛り４２を容易に印すための単なる基準線である。
【００３２】
次に、図８を参照しながら３次元構造観察方法について説明する。先ず、棒状の試料Ｓを試料支持部材３２の配設方向（ｘ方向）に沿ってその先端頂部へ固定する。このとき、図８（Ａ）に示すように、試料支持部材３２の回転角度を示す指標３４を分度器４０の０°角目盛り４２ａに合わせ、ベース３１に対する試料支持部材３２自身の回転角度を０°にしておく。なお、試料Ｓは正確に試料支持部材３２の断面中心位置に固定する必要はない。試料Ｓが試料支持部材３２の先端頂部から若干スレた位置にあれば、試料傾斜機構１５によってｘｙｚ方向に任意にユーセントリック調整して試料Ｓを中心位置に移動させる。また、試料Ｓがロッド１６の回転軸Ｘ1及び試料支持部材３２の回転軸Ｘ2に対して斜めに固定されていれば、試料支持台３０を回転軸Ｙまわりに傾斜させて、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させておく。このとき、ロッド１６の回転軸Ｘ1と試料支持部材３２の回転軸Ｘ2とは若干ズレた略水平状態となっている。そして、図８（Ａ）に示すように、この０°角基準状態から、ロッド１６を回転軸Ｘ1まわりに±一定角度で回転させることで、±一定角度範囲内において種々の傾斜角度における複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。本実施例では、ロッド１６を±７０°の傾斜範囲で回転させた。なお、分度器４０も試料支持台３０と一体的に回転する。
【００３３】
次に、一旦ホルダー１０をＴＥＭ１から取り出し、ベース３１を水平にした状態において試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の４５°角目盛り４２ｂに合わせ、水平状態のベース３１に対して試料支持部材３２自身の回転角度を４５°にしておく。試料支持部材３２を回転させるには、指標３４をピン部材などで押しても良いし、試料支持部材３２の後端に形成された溝３６（図６参照）にドライバーを合わせて回転させてもよい。そして、再度ホルダー１０をＴＥＭ１へセットした後、図８（Ｂ）に示す４５°角基準状態から、先と同様にロッド１６を±７０°回転させることで複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。この場合、先の０°角基準状態を基準とすれば、試料Ｓの−２５°〜＋１１５°の傾斜範囲におけるＴＥＭ像が得られることになる。さらに続いて、再度ホルダー１０をＴＥＭ１から取り出し、今度はベース３１を水平にした状態において試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の９０°角目盛り４２ｂに合わせ、水平状態のベース３１に対して試料支持部材３２自身の回転角度を９０°にしておく。そして、再度ホルダー１０をＴＥＭ１へセットした後、図８（Ｃ）に示す９０°角基準状態から、先と同様にロッド１６を±７０°回転させることで複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。この場合、先の０°角基準状態を基準とすれば、試料Ｓの＋２０°〜＋１６０°の傾斜範囲におけるＴＥＭ像が得られることになる。この作業を、試料支持部材３２がベース３１に対して３６０°回転した状態となるまで、目盛り４２ａ〜４２ｄに合わせながら段階的に繰り返す。このように、各傾斜角度基準状態を段階的に維持させたうえで、それぞれの回転角度状態において順次ロッド１６を±同じ角度範囲で回転させることで、最終的に試料Ｓを３６０°全角傾斜させた状態のＴＥＭ像を得ることができ、これら各傾斜角度における２次元的なＴＥＭ像を制御装置にて組み合わせることで、試料Ｓの３次元像を再構成することができる。
【００３４】
なお、ＴＥＭ観察では、電子線の入射角αとα＋１８０°の投影像は等価なので、３次元像を再構成する場合は、１８０°（±９０°）の投影像が観察されるので必ずしも試料Ｓを３６０°全角傾斜させる必要はない。しかし、本発明では敢えて試料Ｓを全角傾斜させて３６０°全方向からの投影像を得ることで、各回転角での情報量を２倍に増やしている。これによれば、カメラの検出精度の分散や傾斜角度の読み取り誤差などの測定誤差を平均化して少なくすることができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、これに限られず種々の変形が可能である。特に、上記試料傾斜機構１５の構成はほんの一例であって、常に試料Ｓが電子顕微鏡１の視野中心に保持されるよう、電子線Ｅに対する試料Ｓの位置や角度が制御し得る構成のものであれば、特に限定されない。例えば、試料傾斜機構１５のｘ方向微動操作用の梃子２７は、ロッド１６の先端部に限らず、ＴＥＭ１の筐体１４においてロッド１６と対向面（反対側）に構築した梃子機構によって行うこともできる。
【００３６】
試料支持台３０のストッパー３５は、試料支持部材３２と反対側となるベース３１の下面に設けてもよい。また、ストッパー３５の設置個数は、１つでもよいし、３つ以上であっても構わない。分度器４０は、その中心部に大きな円形開口を穿設して、試料支持部材３２と重なる位置で位置決めされるようにすることもできる。分度器４０の外形は、矩形に限らず円形、楕円形、多角形としても構わない。また、本発明の試料支持台３０は、従来からの汎用的な試料支持台に若干の部材を加えただけの簡素な構成となっていることから、従来からある種々のＴＥＭに適用できることはもちろん、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）に適用することも可能である。指標３４は、試料支持部材３２の回転角度を確認できるものであれば、その形状、配設位置、固定方法などは特に限定されない。例えば、指標３４は試料支持部材３２と一体成形されていてもよいし、接着や溶接により接合されていてもよいし、試料支持部材３２に穿設した開口へ圧入固定することもできる。
【００３７】
そして、最も重要なのが、試料支持部材３２自身を段階的に傾斜させる角度間隔と、ロッド１６の回転角度である。すなわち、試料支持部材３２をベース３１に対して一定角度間隔で段階的に回転させた各回転角度状態において、順次ロッド１６を±一定角度で回転させることで、最終的に試料Ｓを３６０°全方向から観察できれば、試料支持部材３２自身を段階的に傾斜させる角度間隔及びロッド１６の回転角度範囲は特に限定されない。例えば、試料支持部材３２を３０°間隔や６０°間隔で回転させた基準状態を作成してもよいし、ロッド１６の回転角度範囲は±３０〜±６５°の範囲で適宜調整すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＴＥＭの概略断面図である。
【図２】試料傾斜機構の断面平面図である。
【図３】ロッド先端部分の要部拡大平面図である。
【図４】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の平面図である。
【図５】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の側面図である。
【図６】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の正面図である。
【図７】分度器の正面図である。
【図８】３次元構造観察方法の各工程における回転機構説明図である。
【図９】従来のＴＥＭ観察における観察可能領域を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
２ 電子銃
３ 第１収束レンズ
４ 第２収束レンズ
５ 対物レンズ
６ 中間レンズ
７ 投射レンズ
８ 蛍光板
９ カメラ
１０ ホルダー
１２ 設置台
１３ コイルバネ
１４ 筐体
１５ 試料傾斜機構
１６ ロッド（回転部材）
１７ 鞘管
１８ 球面座
１９ 回転シリンダ
２０ 微動アクチュエータ
２１ リターンスプリング
２２ 回転モータ
２３ シリンダ調整機構
２４ シリンダガイド
２５ 球面座
２６ シリンダガイド調整機構
２７ 梃子
２８ 把手
３０ 試料支持台
３１ ベース
３２ 試料支持部材
３３ アタッチメント
３４ 指標
３５ ストッパー
４０ 分度器
４１ スリット
４２ 目盛り
Ｃ 球面座の中心
Ｅ 電子線
Ｓ 試料
Ｘ1 ロッドの回転軸
Ｘ2 試料支持部材の回転軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料を３６０°全角傾斜させて３次元的に構造を観察可能な３次元構造観察用の試料支持台とこれに適した分度器、及びその３次元構造観察方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば観察対象たる試料の組織やその構造を観察する場合、高い空間分解能を有する透過電子顕微鏡（以下、ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopeと称すことがある）によって行うことが必要である。ＴＥＭは、電子線を試料に照射し、試料と相互作用して透過した電子線を結像・拡大表示する。ＴＥＭにより得られる像は、試料を透過した電子線の投影像であるため、ある一定角度から電子線を透過させた場合、試料の厚さ方向の情報は加算されて２次元像となり、この２次元的な像のみでは的確に試料構造等を把握することが困難である。そこで近年では、試料を３６０°全角傾斜して撮影した複数枚の像を組み合わせることで３次元的な像として再生し、厚さ方向の情報をも抽出できる３次元情報再生法（電子線トモグラフィー）が採用されている。これを採用した電子顕微鏡として、例えば特許文献１や特許文献２がある。
【０００３】
ところで、一般的にＴＥＭ観察では、薄片状に形成された試料を、回転可能なロッドの先端部に設置されるホルダーのリング状試料支持台に固定している。そのうえで、例えば特許文献３のように、ホルダー及び試料支持台がそれぞれ互いに異なる方向へ一定の角度で傾斜可能な２軸傾斜機構を採用して、試料をｘｙｚ方向に任意に傾斜できるようになっているものがある。しかし、薄片状の試料を大きく傾斜させると、電子線の透過距離が大きくなってしまう。また、試料支持台を大きく傾斜させると、当該試料支持台が電子線の経路を塞いでしまう。さらに、高空間分解能のＴＥＭほど電子レンズのギャップ（距離）は狭く設計されているため、ホルダーを挿入する試料室の幅は狭くなりホルダーの傾斜角度に限界がある。などの理由により、従来からの汎用ＴＥＭにおける試料の傾斜角度範囲は±７０度程度であった。これでは、図９に示されるように、観察可能領域（角度）が限られて情報欠落領域（角度）が生じてしまい、試料を全角方向から観察できず３次元観察は根本的に不可能となる。
【０００４】
そこで特許文献１では、試料の先端部を突起状に形成し、当該突起の軸心をロッド（及びホルダー）の回転軸と平行な状態で設置したうえで、ホルダーを３６０°全方向に回転させることで、上記問題を生じることなく全角傾斜観察すなわち３次元構造観察を可能としている。特許文献２では、ロッド先端のホルダーや試料支持台の詳細な構成が記載されていないが、試料の３次元構造観察に際して試料を３６０°全方向に回転させたとき、常に試料を電子顕微鏡の視野中心（ユーセントリック位置）に保持できる技術を提案している。その他、特許文献４には、針状の試料支持体の先端に試料を固定し、電子線の入射方向に対して直角な水平面にて３６０°周回可能な電子顕微鏡用ホルダーが開示されている。また、特許文献５には、ロッドの先端部に球体を設けることで試料をｘｙｚ方向へ任意に位置設定可能とすることで、３次元構造観察において試料を電子顕微鏡の視野中心で保持可能としている。
【０００５】
【特許文献１】特許第３６７７８９５号公報
【特許文献２】特開２００１−３１２９８９号公報
【特許文献３】特開平６−６８８２８号公報
【特許文献４】特開２００７−１８８９０５号公報
【特許文献５】特開２００１−２５６９１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１では、１軸全角傾斜機構なので、試料の突起部をロッドの回転軸上に正確に位置合わせする必要がある。そのために、わざわざ目印として光軸上に十字のパターンが挿入された光学顕微鏡により確認したりしているが、μｍ単位で正確に突起をロッドの回転軸上に位置合わせするには限界があると共に、その確認作業も煩雑である。突起部がロッドの回転軸からズレていると、試料傾斜時の視野ずれが数百μｍになり操作性を損なうのみならず、焦点合わせが可能な視野が数μｍ角に限定されるという問題があり、観察可能な傾斜角度が極めて限定されることになる。つまり、設置当初〜低角傾斜において試料が電子顕微鏡の視野内に存在していても、高角傾斜させるにつれて試料が視野外へ外れてしまい、結果として図９に示すような情報欠落領域が生じてしまう。この問題は、ＴＥＭが高空間分解能仕様であり高い倍率で観察可能であればあるほど顕著となる。また、試料支持台へ設置した当初は試料がロッドの回転軸上にあったとしても、全角傾斜させながらＴＥＭ観察していくうちに、試料が観察電子線による熱振動や機械振動によりドリフトして、ロッドの回転軸から外れてしまう場合もある。１軸全角傾斜機構であれば、このような経時的な位置ズレに対応できない。
【０００７】
これに対し特許文献２では、ロッドを回転、すなわち試料を全角傾斜させても試料が常に電子顕微鏡の視野中心で保持可能な構成となっているので、特許文献１のような問題は生じ難い。しかし、特許文献２ではロッド及びホルダーをｘｙ方向で位置調整させたうえでこれを３６０度回転させているので、ホルダーを挿入する試料室を大きくする必要がある。これでは、電子レンズのギャップを狭く設計することができず、ＴＥＭの性能が低下してしまう。したがって、特許文献２のような視野中心で保持可能な構成を採用しながらも、従来のように試料の傾斜角度範囲は±７０度程度が好ましい。
【０００８】
特許文献３は薄片状の試料を試料支持台へ固定しているのみなので、３次元構造観察には適さない。特許文献４では、針状の試料支持棒の先端に試料を固定しているが、電子線の入射方向に対して直角な平面において周回する機構なので、やはり３次元構造観察には適さない。また、特許文献５は特殊な機構を採用しているので、汎用性に欠ける。
【０００９】
そこで、本発明は上記課題を解決するものであって、試料を常に電子顕微鏡の視野中心で保持可能な構成を採用しながら、簡素な構成で汎用性の高い３次元構造観察用の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明で提案される試料支持台は、一定の角度範囲で回転可能な回転部材の先端に設けられたホルダーに設置され、電子顕微鏡における３次元構造観察用の試料支持台であって、薄板リング状のベースと、前記ベースの片面に回転自在に配され、その先端に試料を固定する長細状の試料支持部材とを有し、前記試料支持部材の先端は前記ベースの中心に向けて配され、その回転軸が前記回転部材の回転軸と略平行となっている。回転部材の回転軸と試料支持部材の回転軸とが略平行とは、試料支持部材は基本的には回転部材の回転軸と平行に配されるが、試料観察上の都合からその回転軸の方向が若干変更される場合もあり、その場合は両回転軸が若干ズレて完全には平行となっていない場合もあることを意味する。ここでの試料支持部材の形状は、その回転軸まわりに回転可能な細長形状であれば特に限定されない。例えば、円柱形であっても構わない。本発明におけるリング状ベースは、従来の電子顕微鏡における試料支持台に相当する。
【００１１】
そのうえで、前記試料支持部材をその先端部が先窄まり状となった針形状に形成し、その先端頂部に棒状の試料を固定することが好ましい。また、前記試料支持部材の側面には、該試料支持部材の回転角度を示す指標を設けておくことが好ましい。当該指標は、試料支持部材の左右両側面に設けられていてもよいし、左右どちらか一方の側面に設けられていてもよい。
【００１２】
また、本発明では、前記試料支持台を使用した３次元構造観察に際して好適に使用される分度器を提供することができる。具体的には、試料支持部材をベースに対して一定角度で回転させた状態を維持するために、前記３次元構造観察用の試料支持台に、前記試料支持部材と対向状に組み付けられ、前記試料支持部材との対向面には、正面視において前記試料支持部材を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印されている。
【００１３】
この分度器は薄板部材であって、前記試料支持台のベースを挿入可能な開口が形成されており、当該開口に、前記試料支持部材の対向面側から前記ベースを挿入することで、前記分度器が前記ベースに対して直角に組み付けられる。
【００１４】
前記ベースの片面には、前記分度器の挿入限界を規制するストッパーを設けておくことが好ましい。当該ストッパーは、試料支持部材と同じ面であると反対面であると問わない。また、前記ストッパーは、前記分度器を前記ベースの中心よりも前記試料支持部材の対向面側寄りにて位置規制可能な位置に設けておく。
【００１５】
前記回転部材は、電子顕微鏡へ装着する際の奥行きを微調整する微動機構と、前記回転部材の回転軸に垂直な面内において前記回転部材位置を調整する第１の調整機構と、前記回転部材の電子顕微鏡鏡への装着角度を調整するための第２の調整機構と、によって回転軸が制御されており、当該回転部材の先端部にホルダーを介して前記試料支持部材が設置される。これにより、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御される。
【００１６】
また、前記試料支持台は、前記試料支持部材の回転軸に対して直交する方向の回転軸を中心として回転自在であり、前記回転部材の傾斜軸と前記ベースの傾斜軸とによって２軸傾斜可能となっている。
【００１７】
このような試料支持台によって、本発明ではさらに次のような電子顕微鏡における３次元構造観察方法を提供することができる。すなわち、基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材の先端部に、ベースと該ベースに対して回転自在に配された試料支持部材とを有する試料支持台を、ホルダーを介して設置する。そして、前記試料支持部材を前記ベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察することができる。
【００１８】
さらに、前記試料支持台に一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を組み付ければ、前記試料支持部材の段階的な回転角度状態の変更を、前記試料支持部材の側面に設けられた指標を前記分度器の目盛りに合わせることで行うことができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の試料支持台によれば、回転部材自体は一定の角度範囲で回転可能となっているだけであるが、試料支持部材をベースの片面に回転自在に配していることで、試料支持部材の回転角度と回転部材の回転角度とを組み合わせることで、容易に試料を３６０°全方向から観察、すなわち電子顕微鏡において３次元構造観察用をすることができる。従来の試料支持台に相当するベースに、細長状の試料支持部材を回転自在に配しただけの簡単な構成となっているので、従来からの電子顕微鏡にそのまま適用することができ、汎用性も高い。このとき、試料支持部材の先端をベースの中心に向けて配してあれば、試料支持部材の先端に固定される観察用試料をベースの中心に位置させることができる。また、試料支持部材の回転軸が回転部材の回転軸と略平行となっていれば、回転部材の回転に伴い試料を回転させることができ、かつ回転部材の回転軸を微調整することで、試料を電子顕微鏡の視野中心にて回転させることができる。
【００２０】
試料支持部材を針形状に形成しておけば、その先端頂部に試料を固定するだけで、的確に試料を試料支持部材の断面中心、すなわち試料支持部材の回転軸上に位置させることができる。また、試料を棒状に形成しておけば、例えば薄板形状の試料のように、試料自体の形状によって情報欠落領域が生じることなく確実に３６０°全方向からの観察が可能となり、３次元構造観察用に適している。
【００２１】
試料支持部材の側面に指標を設けていれば、当該試料支持部材をベースに対して回転させた角度を的確かつ容易に把握することができる。
【００２２】
その際、試料支持部材を中心にして囲むように一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を使用し、試料支持部材の指標を分度器の目盛りに合わせて回転させれば、試料支持部材のベースに対する回転角度をより的確かつ容易に把握することができる。また、試料支持部材をベースに対して段階的に回転させる場合には、各回転角度状態の角度間隔を均等化し易い。
【００２３】
ベースに分度器の挿入限界を規制するストッパーを設けて、分度器をベースの中心よりも試料支持部材の対向面側（反対側）に位置規制可能としていれば、試料を観察するに当たり分度器が試料と接触することを避けられ、かつ分度器が電子線を遮蔽することもないので、確実に試料の３次元構造観察が可能となる。
【００２４】
試料支持台を回転軸の角度調整可能な回転部材の先端部に設けることで、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御されていれば、試料を３６０°回転させても試料が電子顕微鏡の視野外へ外れるおそれはないので、情報欠落領域が生じることを回避できる。また、試料支持台が２軸傾斜可能となっていれば、試料が試料支持部材の先端に傾斜して固定されていても、試料を試料支持部材の回転軸と平行になるよう調整できる。
【００２５】
回転部材を基準姿勢から±一定角度範囲のみで回転可能な構成としていれば、試料を観測する試料室を大きくする必要がないので、電子レンズのギャップを小さくでき、電子顕微鏡の空間分解能を高水準にできる。また、この構成は従来からの汎用電子顕微鏡にも採用されている構成と同様なので、電子顕微鏡を特殊な構成を採用する必要がなく汎用性が高い。そのうえで、試料支持部材をベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させれば、簡素な構成の試料支持台を使用しながら確実に試料を３６０°全方向から観察することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
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。図１に、本発明の試料支持台及び分度器、並びに３次元構造観察方法が主に適用される透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の概略構成図を示す。図１において、ＴＥＭ１は従来からの一般的なものと同様であり、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との間の試料室内に観察対象たる試料Ｓ（図１には図示せず）を保持するホルダー１０が配されている。なお、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を透過した二次電子は対物レンズ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、カメラ９を介して図外のモニターに表示される。符号１４は、ＴＥＭ１の筐体である。試料Ｓは、ロッド１６の角度等を調整する試料傾斜機構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。
【００２７】
図２に、試料傾斜機構１５の一例の横断平面図を示す。なお、以下ではロッド１６の回転軸と略平行な方向（図２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２の上下方向）をｙ方向とし、ｘ方向及びｙ方向と直交しＴＥＭの高さ方向に相当する方向（図２の正背面方向）をｚ方向とする。図２において試料支持台３０を有するホルダー１０は、円柱形のロッド１６の先端に固定されており、当該ロッド１６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。ロッド１６はＴＥＭ１の視野中心を通るｘ方向の回転軸Ｘ1を中心として一定の角度範囲で回転可能となっていることで、これの先端に固定されたホルダー１０や試料Ｓも、ｘ方向の回転軸Ｘ1を中心として一定の角度範囲で回転するようになっている。このロッド１６が本発明の回転部材に相当する。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回転シリンダ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回転シリンダ１９に対して出没可能であり、球面座１８の中心Ｃを不動点としてロッド１６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。ロッド１６は、回転モータ２２により軸Ｘ1まわりに回転する回転シリンダ１９と一体的に回転し、軸Ｘ1に対して歳差運動する。このように、ロッド１６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、ロッド１６先端のホルダー１０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、ロッド１６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。
【００２８】
ロッド１６は回転シリンダ１９をガイドとして回転するほか、球面座１８をもガイドにして回転する。このとき、ロッド１６の回転軸が球面座１８の中心Ｃからズレていると、ロッド１６は、これの回転軸と球面座１８中心Ｃとの離心距離を半径とした首振り回転現象を起し、試料Ｓ自体もロッド１６の回転軸Ｘ1周りに歳差運動を起こしてしまう。そこで、ロッド１６の回転軸Ｘ1が球面座１８の中心Ｃと一致するように、回転シリンダ１９の位置を微調整するためのシリンダ調整機構２３がｙｚ２方向に設けられている。この調整プロセスをユーセントリック調整と呼ぶ。このユーセントリック調整により、試料Ｓに対しては不動の回転軸を形成でき、この軸上に試料Ｓの目的部位を微動アクチュエータ２０で移動できることから、試料Ｓを回転観察したときの視野ずれや焦点ずれを抑えることが可能になる。しかし、ロッド１６の回転軸方向は回転シリンダ１９と筐体１４との位置関係で決まるため、常にＴＥＭ１の視野中心を通るとは限らない。そこで、回転シリンダ１９を保持し、球面座１８を含むシリンダガイド２４を第２球面座２５で筐体１４に固定し、筐体１４とシリンダガイド２４との相対位置関係を調整するシリンダガイドの位置を微調整するためのシリンダガイド調整機構２６を設けている。これにより、ロッド１６や回転シリンダ１９のユーセントリック条件を崩すことなく、また試料Ｓの形状、ロッド１６における試料Ｓのｙｚ方向取りつけ位置、及び観察倍率によらず、ロッド１６及びこれの先端に設けられたホルダー１０を第２球面座２５で回転させ、ロッド１６等の回転軸Ｘ1を電子顕微鏡の視野中心に通るように設定できる。なお、シリンダ調整機構２３が本発明の第１の調整機構に、シリンダガイド調整機構２６が本発明の第２の調整機構に、梃子２７が本発明の微動機構に、それぞれ相当する。
【００２９】
次に、ロッド１６の先端に固定されるホルダー１０と、当該ホルダー１０に設置される本発明の試料支持台３０及び分度器４０について、図３〜図８を参照しながら詳しく説明する。図３に、ロッド１６の先端部分の拡大平面図を示す。図３に示すごとく、ホルダー１０は平板矩形を呈しており、先端寄り部位に穿設された開口１１内に試料支持台３０等を設置する設置台１２が配されている。設置台１２は、捻りコイルバネ１３を介してホルダー１０に設置されていることで、ｙ方向の回転軸Ｙを中心に回転自在となっており、この設置台１２の中央部に、本発明の試料支持台３０及び分度器４０が配されている。このように試料支持台３０は、回転軸Ｘ1と回転軸Ｙとの２軸傾斜可能となっていることで、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させながら全角傾斜観察が可能となる。すなわち、先ず試料Ｓが回転軸Ｘ1からズレた位置に固定されていれば、上述のように試料傾斜機構１５によってユーセントリック調整することで、試料Ｓを回転軸Ｘ1上に移動させる。さらに、試料Ｓが回転軸Ｘ1に対して斜めに固定されていれば、試料支持台３０を回転軸Ｙまわりに回転傾斜させることで、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させることができる。これにより、試料Ｓが回転軸Ｘ1に対して歳差運動することを防ぐことができる。ここまでは、従来のＴＥＭでも採用されていた機構である。
【００３０】
図４は、試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の平面図である。図５は、同じく試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の側面図である。図６は、同じく試料支持台３０に分度器４０を組み付けた状態の正面図である。また、図７は分度器４０の正面図である。図４〜図６において試料支持台３０は、薄板リング状のベース３１と、試料Ｓを固定支持する試料支持部材３２とを有する。試料支持部材３２は先端が先窄まり状となった細針形状に形成されており、ｘ方向に沿ってベース３１の中心に向けた状態で配されている。試料支持部材３２はタングステン製とした。試料Ｓは集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）によって略円柱形の棒状に形成され、試料支持部材３２の先端頂部に接着等により固定される。なお、試料支持部材３２の先端頂部は、試料支持部材３２の縦断面において略中央に位置している。試料支持部材３２は、これの先端頂部に試料Ｓを固定したとき、当該試料Ｓがベース３１の中心（ＴＥＭ１の視野中心）にあるような長さに設計されている。また、試料支持部材３２は、ベース３１の上面に固定されたアタッチメント３３に回転自在に挿入されていることで、ｘ方向に延びる軸Ｘ2まわりに回転自在となっている。試料支持台３０をホルダー１０へ設置したとき、試料支持部材３２の回転軸Ｘ2とロッド１６の回転軸Ｘ1とが一致する位置状態にある。試料支持部材３２の左右両側面には、当該試料支持部材３２の回転角度を容易に確認できるようにするための２つの指標３４が、互いに水平となる状態で溶接等によって固定されている。
【００３１】
図７において分度器４０は、平板薄肉の矩形部材であって、その上下方向の中央やや下方位置に横長溝状のスリット４１が開口している。そして、このスリット４１にベース３１を試料支持部材３２の反対側から挿入することで、図６等に示されるように、試料支持部材３２と対向する状態でベース３１に対して分度器４０が直角に組み付けられる。このとき、試料支持部材３２が分度器４０の中央部に位置している。また、ベース３１の上面の左右２箇所には、分度器４０の挿入限界を既定するストッパー３５が設けられており、当該ストッパー３５の位置まで分度器４０を挿入したとき、分度器４０はベース３１の中心よりも試料支持部材３２の対向面側（反対側）に位置している。また、分度器４０のスリット４１は、ベース３１の厚みよりも僅かに大きい程度の厚み寸法となっていることで、ベース３１は分度器４０に圧入された状態となり、分度器４０がベース３１に対してガタ付くことはない。そのうえで、分度器４０の試料支持部材３２との対向面には、試料支持部材３２を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛り４２が印されている。本実施例では、４５°間隔で計８個の線状の目盛り４２が印されている。なお、図６及び図７において目盛り４２に沿った円形の線は、各目盛り４２を容易に印すための単なる基準線である。
【００３２】
次に、図８を参照しながら３次元構造観察方法について説明する。先ず、棒状の試料Ｓを試料支持部材３２の配設方向（ｘ方向）に沿ってその先端頂部へ固定する。このとき、図８（Ａ）に示すように、試料支持部材３２の回転角度を示す指標３４を分度器４０の０°角目盛り４２ａに合わせ、ベース３１に対する試料支持部材３２自身の回転角度を０°にしておく。なお、試料Ｓは正確に試料支持部材３２の断面中心位置に固定する必要はない。試料Ｓが試料支持部材３２の先端頂部から若干スレた位置にあれば、試料傾斜機構１５によってｘｙｚ方向に任意にユーセントリック調整して試料Ｓを中心位置に移動させる。また、試料Ｓがロッド１６の回転軸Ｘ1及び試料支持部材３２の回転軸Ｘ2に対して斜めに固定されていれば、試料支持台３０を回転軸Ｙまわりに傾斜させて、試料Ｓを回転軸Ｘ1と一致させておく。このとき、ロッド１６の回転軸Ｘ1と試料支持部材３２の回転軸Ｘ2とは若干ズレた略水平状態となっている。そして、図８（Ａ）に示すように、この０°角基準状態から、ロッド１６を回転軸Ｘ1まわりに±一定角度で回転させることで、±一定角度範囲内において種々の傾斜角度における複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。本実施例では、ロッド１６を±７０°の傾斜範囲で回転させた。なお、分度器４０も試料支持台３０と一体的に回転する。
【００３３】
次に、一旦ホルダー１０をＴＥＭ１から取り出し、ベース３１を水平にした状態において試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の４５°角目盛り４２ｂに合わせ、水平状態のベース３１に対して試料支持部材３２自身の回転角度を４５°にしておく。試料支持部材３２を回転させるには、指標３４をピン部材などで押しても良いし、試料支持部材３２の後端に形成された溝３６（図６参照）にドライバーを合わせて回転させてもよい。そして、再度ホルダー１０をＴＥＭ１へセットした後、図８（Ｂ）に示す４５°角基準状態から、先と同様にロッド１６を±７０°回転させることで複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。この場合、先の０°角基準状態を基準とすれば、試料Ｓの−２５°〜＋１１５°の傾斜範囲におけるＴＥＭ像が得られることになる。さらに続いて、再度ホルダー１０をＴＥＭ１から取り出し、今度はベース３１を水平にした状態において試料支持部材３２の指標３４を分度器４０の９０°角目盛り４２ｂに合わせ、水平状態のベース３１に対して試料支持部材３２自身の回転角度を９０°にしておく。そして、再度ホルダー１０をＴＥＭ１へセットした後、図８（Ｃ）に示す９０°角基準状態から、先と同様にロッド１６を±７０°回転させることで複数枚の試料ＳのＴＥＭ像を得る。この場合、先の０°角基準状態を基準とすれば、試料Ｓの＋２０°〜＋１６０°の傾斜範囲におけるＴＥＭ像が得られることになる。この作業を、試料支持部材３２がベース３１に対して３６０°回転した状態となるまで、目盛り４２ａ〜４２ｄに合わせながら段階的に繰り返す。このように、各傾斜角度基準状態を段階的に維持させたうえで、それぞれの回転角度状態において順次ロッド１６を±同じ角度範囲で回転させることで、最終的に試料Ｓを３６０°全角傾斜させた状態のＴＥＭ像を得ることができ、これら各傾斜角度における２次元的なＴＥＭ像を制御装置にて組み合わせることで、試料Ｓの３次元像を再構成することができる。
【００３４】
なお、ＴＥＭ観察では、電子線の入射角αとα＋１８０°の投影像は等価なので、３次元像を再構成する場合は、１８０°（±９０°）の投影像が観察されるので必ずしも試料Ｓを３６０°全角傾斜させる必要はない。しかし、本発明では敢えて試料Ｓを全角傾斜させて３６０°全方向からの投影像を得ることで、各回転角での情報量を２倍に増やしている。これによれば、カメラの検出精度の分散や傾斜角度の読み取り誤差などの測定誤差を平均化して少なくすることができる。
【００３５】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、これに限られず種々の変形が可能である。特に、上記試料傾斜機構１５の構成はほんの一例であって、常に試料Ｓが電子顕微鏡１の視野中心に保持されるよう、電子線Ｅに対する試料Ｓの位置や角度が制御し得る構成のものであれば、特に限定されない。例えば、試料傾斜機構１５のｘ方向微動操作用の梃子２７は、ロッド１６の先端部に限らず、ＴＥＭ１の筐体１４においてロッド１６と対向面（反対側）に構築した梃子機構によって行うこともできる。
【００３６】
試料支持台３０のストッパー３５は、試料支持部材３２と反対側となるベース３１の下面に設けてもよい。また、ストッパー３５の設置個数は、１つでもよいし、３つ以上であっても構わない。分度器４０は、その中心部に大きな円形開口を穿設して、試料支持部材３２と重なる位置で位置決めされるようにすることもできる。分度器４０の外形は、矩形に限らず円形、楕円形、多角形としても構わない。また、本発明の試料支持台３０は、従来からの汎用的な試料支持台に若干の部材を加えただけの簡素な構成となっていることから、従来からある種々のＴＥＭに適用できることはもちろん、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や集束イオンビーム加工装置（ＦＩＢ）に適用することも可能である。指標３４は、試料支持部材３２の回転角度を確認できるものであれば、その形状、配設位置、固定方法などは特に限定されない。例えば、指標３４は試料支持部材３２と一体成形されていてもよいし、接着や溶接により接合されていてもよいし、試料支持部材３２に穿設した開口へ圧入固定することもできる。
【００３７】
そして、最も重要なのが、試料支持部材３２自身を段階的に傾斜させる角度間隔と、ロッド１６の回転角度である。すなわち、試料支持部材３２をベース３１に対して一定角度間隔で段階的に回転させた各回転角度状態において、順次ロッド１６を±一定角度で回転させることで、最終的に試料Ｓを３６０°全方向から観察できれば、試料支持部材３２自身を段階的に傾斜させる角度間隔及びロッド１６の回転角度範囲は特に限定されない。例えば、試料支持部材３２を３０°間隔や６０°間隔で回転させた基準状態を作成してもよいし、ロッド１６の回転角度範囲は±３０〜±６５°の範囲で適宜調整すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ＴＥＭの概略断面図である。
【図２】試料傾斜機構の断面平面図である。
【図３】ロッド先端部分の要部拡大平面図である。
【図４】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の平面図である。
【図５】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の側面図である。
【図６】試料支持台へ分度器を組み付けた状態の正面図である。
【図７】分度器の正面図である。
【図８】３次元構造観察方法の各工程における回転機構説明図である。
【図９】従来のＴＥＭ観察における観察可能領域を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）
２ 電子銃
３ 第１収束レンズ
４ 第２収束レンズ
５ 対物レンズ
６ 中間レンズ
７ 投射レンズ
８ 蛍光板
９ カメラ
１０ ホルダー
１２ 設置台
１３ コイルバネ
１４ 筐体
１５ 試料傾斜機構
１６ ロッド（回転部材）
１７ 鞘管
１８ 球面座
１９ 回転シリンダ
２０ 微動アクチュエータ
２１ リターンスプリング
２２ 回転モータ
２３ シリンダ調整機構
２４ シリンダガイド
２５ 球面座
２６ シリンダガイド調整機構
２７ 梃子
２８ 把手
３０ 試料支持台
３１ ベース
３２ 試料支持部材
３３ アタッチメント
３４ 指標
３５ ストッパー
４０ 分度器
４１ スリット
４２ 目盛り
Ｃ 球面座の中心
Ｅ 電子線
Ｓ 試料
Ｘ1 ロッドの回転軸
Ｘ2 試料支持部材の回転軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の角度範囲で回転可能な回転部材の先端に設けられたホルダーに設置され、電子顕微鏡における３次元構造観察用の試料支持台であって、
薄板リング状のベースと、前記ベースの片面に回転自在に配され、その先端に試料を固定する長細状の試料支持部材とを有し、
前記試料支持部材の先端は前記ベースの中心に向けて配され、その回転軸が前記回転部材の回転軸と略平行である３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項２】
前記試料支持部材は、その先端部が先窄まり状となった針形状に形成されており、その先端頂部に棒状の試料を固定する請求項１に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項３】
前記試料支持部材の側面には、該試料支持部材の回転角度を示す指標が設けられている請求項１または請求項２に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台に、前記試料支持部材と対向状に組み付けられ、
前記試料支持部材との対向面には、正面視において前記試料支持部材を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印されている電子顕微鏡における３次元構造観察用の分度器。
【請求項５】
前記分度器は薄板部材であって、前記試料支持台のベースを挿入可能な開口が形成されており、
当該開口に、前記試料支持部材の対向面側から前記ベースを挿入することで、前記分度器が前記ベースに対して直角に組み付けられる請求項４に記載の３次元構造観察用の分度器。
【請求項６】
前記ベースの片面には、前記分度器の挿入限界を規制するストッパーが設けられている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項７】
前記ストッパーは、前記分度器を前記ベースの中心よりも前記試料支持部材の対向面側にて位置規制可能な位置に設けられている請求項６に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項８】
前記回転部材は、電子顕微鏡へ装着する際の奥行きを微調整する微動機構と、前記回転部材の回転軸に垂直な面内において前記回転部材位置を調整する第１の調整機構と、前記回転部材の電子顕微鏡鏡への装着角度を調整するための第２の調整機構と、によって回転軸が制御されており、
当該回転部材の先端部にホルダーを介して前記試料支持部材が設置されることで、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御される請求項１ないし請求項３または請求項６ないし請求項７のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項９】
前記試料支持台は、前記試料支持部材の回転軸に対して直交する方向の回転軸を中心として回転自在であり、前記回転部材の傾斜軸と前記ベースの傾斜軸とによって２軸傾斜可能となっている請求１ないし請求項８のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項１０】
基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材の先端部に、ベースと該ベースに対して回転自在に配された試料支持部材とを有する試料支持台を、ホルダーを介して設置し、
前記試料支持部材を前記ベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察する電子顕微鏡における３次元構造観察方法。
【請求項１１】
前記試料支持台に、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を組み付け、
前記試料支持部材の段階的な回転角度状態の変更を、前記試料支持部材の側面に設けられた指標を前記分度器の目盛りに合わせることで行う請求項１０に記載の３次元構造観察方法。
【請求項１】
一定の角度範囲で回転可能な回転部材の先端に設けられたホルダーに設置され、電子顕微鏡における３次元構造観察用の試料支持台であって、
薄板リング状のベースと、前記ベースの片面に回転自在に配され、その先端に試料を固定する長細状の試料支持部材とを有し、
前記試料支持部材の先端は前記ベースの中心に向けて配され、その回転軸が前記回転部材の回転軸と略平行である３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項２】
前記試料支持部材は、その先端部が先窄まり状となった針形状に形成されており、その先端頂部に棒状の試料を固定する請求項１に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項３】
前記試料支持部材の側面には、該試料支持部材の回転角度を示す指標が設けられている請求項１または請求項２に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台に、前記試料支持部材と対向状に組み付けられ、
前記試料支持部材との対向面には、正面視において前記試料支持部材を中心にして囲むように、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印されている電子顕微鏡における３次元構造観察用の分度器。
【請求項５】
前記分度器は薄板部材であって、前記試料支持台のベースを挿入可能な開口が形成されており、
当該開口に、前記試料支持部材の対向面側から前記ベースを挿入することで、前記分度器が前記ベースに対して直角に組み付けられる請求項４に記載の３次元構造観察用の分度器。
【請求項６】
前記ベースの片面には、前記分度器の挿入限界を規制するストッパーが設けられている請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項７】
前記ストッパーは、前記分度器を前記ベースの中心よりも前記試料支持部材の対向面側にて位置規制可能な位置に設けられている請求項６に記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項８】
前記回転部材は、電子顕微鏡へ装着する際の奥行きを微調整する微動機構と、前記回転部材の回転軸に垂直な面内において前記回転部材位置を調整する第１の調整機構と、前記回転部材の電子顕微鏡鏡への装着角度を調整するための第２の調整機構と、によって回転軸が制御されており、
当該回転部材の先端部にホルダーを介して前記試料支持部材が設置されることで、常に試料が電子顕微鏡の視野中心に保持されるよう、電子線に対する試料の位置や角度が制御される請求項１ないし請求項３または請求項６ないし請求項７のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項９】
前記試料支持台は、前記試料支持部材の回転軸に対して直交する方向の回転軸を中心として回転自在であり、前記回転部材の傾斜軸と前記ベースの傾斜軸とによって２軸傾斜可能となっている請求１ないし請求項８のいずれかに記載の３次元構造観察用の試料支持台。
【請求項１０】
基準姿勢から±一定角度範囲で回転可能な回転部材の先端部に、ベースと該ベースに対して回転自在に配された試料支持部材とを有する試料支持台を、ホルダーを介して設置し、
前記試料支持部材を前記ベースに対して一定角度間隔で段階的に回転させた複数の回転角度状態を維持させ、それぞれの回転角度状態において順次前記回転部材を±一定角度で回転させることで、試料を３６０°全方向から観察する電子顕微鏡における３次元構造観察方法。
【請求項１１】
前記試料支持台に、一定角度間隔で複数の角度目盛りが印された分度器を組み付け、
前記試料支持部材の段階的な回転角度状態の変更を、前記試料支持部材の側面に設けられた指標を前記分度器の目盛りに合わせることで行う請求項１０に記載の３次元構造観察方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００９−７０６０４（Ｐ２００９−７０６０４Ａ）
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３５３１５（Ｐ２００７−２３５３１５）
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（０００１７３５２２）財団法人ファインセラミックスセンター (147)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月１１日（２００７．９．１１）
【出願人】（０００１７３５２２）財団法人ファインセラミックスセンター (147)
【出願人】（５０４１３９６６２）国立大学法人名古屋大学 (996)
【Ｆターム（参考）】
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