(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡の電子光軸上のターゲット本体位置と、
顕微鏡の軸外の導電性本体と、
使用中に前記ターゲット本体位置に位置するターゲット本体上に衝突する軸方向電子ビームを生成するための電子源と、
使用中に前記導電性本体上に衝突してそこから２次電子を放出させる別の軸外電子ビームを軸方向電子ビームと同時に生成するためのシステムと、
を有し、
前記導電性本体は、前記放出された２次電子が前記ターゲット本体上に衝突して該ターゲット本体上に蓄積する可能性がある正電荷を中和するように配置され、
軸外電子ビームを生成するための前記システムは、前記電子源と前記ターゲット本体位置の間に位置決めされた開口本体を含み、該開口本体は、前記軸方向電子ビームの透過のための軸方向開口を有し、更に、該軸外電子ビームを生成するための軸外開口を有する、
ことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記軸外電子ビームは、近軸電子ビームであることを特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記軸外導電性本体は、前記ターゲット本体位置に隣接して配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記開口本体は、それぞれの軸外電子ビームを生成するための複数の軸外開口を有し、各軸外電子ビームは、使用中に前記軸外導電性本体か又はそれぞれの軸外導電性本体上に衝突することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記電子源と前記ターゲット本体位置の間に少なくとも１つの集光レンズを更に有し、前記開口本体は、該集光レンズと該ターゲット本体位置の間に位置決めされ、該開口本体は、該集光レンズの照明視野を制限することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
軸外電子ビームを生成するための前記システムは、更に別の電子源を含むことを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
前記ターゲット本体位置は、試料位置であり、
前記軸方向電子ビームは、使用中に試料に衝突し、かつ
前記放出２次電子は、前記試料に衝突して該試料上に蓄積する可能性がある正電荷を中和する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項８】
前記軸外導電性本体は、前記試料を前記試料位置に保持する試料支持体によって設けられることを特徴とする請求項７に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項９】
前記ターゲット本体位置は、位相板位置であり、
前記軸方向電子ビームは、使用中に位相板に衝突し、かつ
前記放出２次電子は、前記位相板に衝突して該位相板上に蓄積する可能性がある正電荷を中和する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項１０】
前記ターゲット本体位置は、電子バイプリズム位置であり、
前記軸方向電子ビームは、使用中に電子バイプリズムに衝突し、かつ
前記放出２次電子は、前記電子バイプリズムに衝突して該電子バイプリズム上に蓄積する可能性がある正電荷を中和する、
ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項１１】
顕微鏡の電子光軸上の離間した複数のターゲット本体位置と、顕微鏡の軸外の複数のそれぞれの導電性本体と、使用中に該導電性本体上にそれぞれ衝突する複数の別の軸外電子ビームを同時に生成するためのシステムとを有することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の透過型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透過型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過電子顕微鏡法（ＴＥＭ）によって非導電性試料を撮像する時に、２次電子の放出のために試料上にビーム誘発正電荷が蓄積する。そのような荷電試料の透過画像は、（１）撮像光学系の静電気摂動と（２）試料の電荷誘発移動及び修正とのために劣化する。これらの問題は、低温顕微鏡による凍結水和した試料の撮像を含む生物学及び材料科学における各種の撮像実験に対する主要な制限である。
撮像電子ビームによる放射線損傷に耐性がある試料の場合、画像は、２次電子が正電荷を逃れることができないので、試料上に蓄積する正電荷が定常状態に達するように十分な事前露出の後に記録されることが多い。放射線損傷に耐性がない試料の場合、試料の関連する構造の細部は、試料を照射する最初の少数の電子を使用して記録すべきであるために、事前露出は選択肢にならない。すなわち、試料に対する電荷は、露出の持続期間にわたって変わる可能性がある。荷電による画像の劣化は、試料が氷の上の孔に吊り下げられた時又は試料の導電性が低下する液体ヘリウム温度におけるようなそれ以外では撮像構造細部に対して最も有利な正確に撮像条件下での生物学試料の低温顕微鏡法に対して最も問題になるであろう。
【０００３】
Ｂｒｉｎｋ他著「電子低温顕微鏡法における高分子に対する荷電の評価」、超顕微法、７２（１９９８年）、４１〜５２ページは、２次電子放出による非導電性試料に対する電荷蓄積を説明している。特に、試料に電荷を蓄積するために小径ビームが使用され、次に広径ビームが使用して、荷電区域を観察してそれを最終的に放出する実験を開示している。試料が広径ビームを用いて試験された時に領域全体にわたって放射された２次電子の一部は、復帰して蓄積した正電荷を補償することが示唆されている。
【０００４】
Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ著「電子顕微鏡のための単純な電荷中和剤」、「Ｊ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．」、４３（１９６６年）、７７〜７８ページは、対物レンズの試料平面の上方に支持された真空蒸着カーボン及びアルミニウムの接地フィルムから成る電荷中和剤を提案している。電子ビームは、試験される試料に衝突する前にフィルムを通過する。フィルムから放出された低エネルギの電子は、次に、非導電性試料を放電する。
ビーム誘発正電荷は、電子ビームの経路上に位置する電子光学要素のような他の非導電性本体上に蓄積してそれらの性能を劣化させる可能性がある。そのような非導電性本体の例として、位相板及び電子バイプリズムがある。
【０００５】
ＵＳ２００２／００１１５６６は、位相差電子顕微鏡法に使用するための導電性アモルファス材料の薄膜で作られた帯電防止位相板を開示している。
Ｆｒｏｓｔ著「像平面軸外電子ホログラフィ：低倍率配列」、「Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．」、１０（１９９９年）、３３３−３３９ページは、バイプリズム繊維が撮像電子ビームによって正に荷電されることを示す電子バイプリズムにおける偏角の測定を説明している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ２００２／００１１５６６
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｂｒｉｎｋ他著「電子低温顕微鏡法における高分子に対する荷電の評価」、超顕微法、７２（１９９８年）、４１〜５２ページ
【非特許文献２】Ｗａｒｒｉｎｇｔｏｎ著「電子顕微鏡のための単純な電荷中和剤」、「Ｊ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．」、４３（１９６６年）、７７〜７８ページ
【非特許文献３】Ｆｒｏｓｔ著「像平面軸外電子ホログラフィ：低倍率配列」、「Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏ１．」、１０（１９９９年）、３３３−３３９ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、ビーム誘発正電荷蓄積の問題を克服又は軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の態様では、本発明は、顕微鏡の電子光軸上のターゲット本体位置と、顕微鏡の軸外の導電性本体と、使用中にターゲット本体位置に位置するターゲット本体上に衝突する軸方向電子ビームを生成するための電子源と、使用中に導電性本体上に衝突してそこから２次電子を放出させる別の軸外電子ビームを同時に生成するためのシステムとを有し、導電性本体が、放出２次電子がターゲット本体上に衝突してターゲット本体上に蓄積する可能性がある正電荷を中和するように位置する透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を提供する。
【００１０】
本明細書で使用される場合、用語「別の軸外電子ビーム」は、軸方向電子ビームの散乱又は回折によって製造されることがあるあらゆる軸外電子ビームを除外する。
電荷中和２次電子を放出させる別の軸外電子ビームを軸方向電子ビームと同時に生成することにより、ＴＥＭを使用して、例えば、非導電性試料を撮像し、同時に試料上に蓄積する電荷を低減するように作動させることができる。換言すれば、別の軸外電子ビーム及び軸外導電性本体は、電荷蓄積を低減又は除去するための専用システムと考えることができる。有利な態様においてかつ前出のＢｒｉｎｋ他の観察とは対照的に、ＴＥＭオペレータは、狭径ビームで試料を撮像し、依然としてビーム誘発正電荷蓄積の問題を回避することができる。更に、前出のＷａｒｒｉｎｇｔｏｎの提案による軸方向電子ビームの経路に位置決めされた電荷中和剤の不便さ及び妨げを回避することができる。
【００１１】
好ましくは、軸外導電性本体は、ターゲット本体位置に隣接して位置する。本体から放出された２次電子は、次に、ターゲット本体上に衝突する前に比較的短い移動距離を有することになり、これは、衝突電子の電子束を増加させることができる。
好ましくは、軸外電子ビームは、近軸電子ビームである。近軸電子ビームは、ＴＥＭレンズによって電子光軸上に集束可能なビームとして定義することができるが、軸方向電子ビームの最大発散角よりも大きな最小発散角を有する。
【００１２】
便利な態様においては、軸外電子ビームは、軸方向電子ビームを生成するのと同じ電子源によって生成することができ、すなわち、別の軸外電子ビームを同時に生成するためのシステムは、その電子源を含むことができる。有利な態様においては、この手法を使用して、従来型のＴＥＭは、本発明によるＴＥＭに容易に変換することができる。
例えば、軸外電子ビームを生成するためのシステムは、電子源とターゲット本体位置の間に位置決めされた開口本体を含むことができ、開口本体は、軸方向電子ビームの透過のための軸方向開口を有し、更に、軸外電子ビームの生成のための軸方向開口を有する。そのような開口本体は、容易に既存のＴＥＭの既存の集光開口本体と取って代わることができる。
【００１３】
軸外電子ビームを生成するためのシステムは、使用中に導電性本体（又はより好ましくは、それぞれの導電性本体）上に衝突するような複数のビームを生成することができる。これは、例えば、電子光軸位置上の離間した位置でそれぞれのターゲット本体での正電荷の蓄積を中和することを可能にする。すなわち、開口本体は、それぞれの軸外電子ビームを生成するための複数の軸外開口を有することができ、各軸外電子ビームは、使用中に軸外導電性本体又はそれぞれの軸外導電性本体上に衝突する。
【００１４】
典型的には、ＴＥＭは、電子源とターゲット本体位置の間に少なくとも１つの集光レンズを有し、開口本体は、集光レンズとターゲット本体位置の間に位置決めすることができる。すなわち、開口は、集光レンズの照明視野を制限することができる。
実際に、更に別の態様では、本発明は、上述のような多重開口の開口本体を提供する。
【００１５】
第１の態様の他の実施形態では、軸外電子ビームを生成するためのシステムは、更に別の電子源（又は複数の軸外電子ビームが配備される場合は、複数の更に別の電子源）を含むことができる。これは、ＴＥＭの複雑性及びコストを増大させる可能性があり、従来のＴＥＭを本発明によるＴＥＭに変換するのをより困難にする場合がある。しかし、軸外電子ビームを生成するための更に別の電子源は、軸外ビーム強度を軸方向ビームと独立に変化させるか、又は軸方向ビームがパルス駆動される場合に軸外電子ビームを一定に保つように考慮することによって利点を提供することができる。
【００１６】
典型的には、ターゲット本体位置は、試料位置であり、軸方向電子ビームは、使用中に試料に衝突し、放出２次電子は、試料に衝突して試料上に蓄積する可能性がある正電荷を中和する。便利な態様においては、軸外導電性本体は、次に、試料を試料位置に保持する試料支持体によって設けることができる。
しかし、ターゲット本体又はターゲット本体の１つは、位相板又は電子バイプリズムのような電子光学要素とすることができる。そのような場合、軸方向ビームは、典型的には試料に衝突することになり、その試料を別のターゲット本体とすることができる。複数のターゲット本体がある場合、各々は、それぞれの導電性本体を有することができる。
ここで、添付図面を参照して本発明の実施形態を一例として以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】非導電性試料と試料を撮像するのに使用するＴＥＭ軸方向電子ビームとを概略的に示す図である。
【図２】本発明の実施形態によるＴＥＭを通る縦方向断面を概略的に示す図である。
【図３】多孔開口を概略的に示す図である。
【図４】軸方向及び近軸電子ビームのフィルム上への記録を示す図である。
【図５ａ】７孔集光開口の画像を示す図である。
【図５ｂ】７孔開口設計によって生成された電子ビームのＣＣＤカメラ上の電子顕微鏡記録を示す図である。
【図６】ビーム位置が７孔開口を使用する試料の撮像に対して示されている典型的なビーム感応性（凍結水和）試料のＣＣＤカメラ上の記録を示す図である。
【図７】（ａ）電荷補償器として使用される７孔開口付きと（ｂ）補償器なしの場合のカーボン支持体の孔の上のガラス状氷の典型的な単一粒子試料の同じ区域の２つの画像を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、非導電性試料と、試料を撮像するのに使用されるＴＥＭ軸方向電子ビーム（ブロック体の矢印ｅ）とを概略的に示している。電子ビームは、２次電子（実線の矢印ＳＥ）を試料から放出させ、試料を正に荷電されたままに残す。この正電荷は、撮像光学系の静電気摂動を引き起こす可能性があり、試料の移動及びクーロン爆発を引き起こす可能性もある。
図２は、本発明の実施形態によるＴＥＭを通る縦断面図を概略的に示している。電子源２によって生成された軸方向電子ビーム１は、試料ホルダ４によって保持された非導電性試料３に衝突する。ＴＥＭ集光レンズ６と試料の間に配置された多孔開口５は、軸方向電子ビームのための中心孔７と近軸電子ビームを生成する偏心孔８とを有する。
【００１９】
近軸電子ビームは、試料に隣接するがＴＥＭの軸外である接地導体１０を照射し、接地導体は、試料ホルダと一体である。近軸電子ビームの照射は、接地導体によって２次電子ＳＥを放出させ、これらの電子の一部は、次に、非導電性試料に衝突して試料上に蓄積していた正電荷を中和する。従って、近軸ビーム及び接地導体は、試料のために電荷補償器として作用する。
同様の配列（図示せず）を使用して、２次電子放出による電荷蓄積に対して影響されやすい位相板又は電子バイプリズムのような他の本体上の正電荷を中和することができる。
【００２０】
図３は、ＴＥＭの光軸に沿って見た多孔開口を概略的に示している。開口は、１つの中心孔７と中心孔の周りに周方向に離間した６つの偏心孔８とを有する。各偏心孔は、それぞれの近軸ビームを生成することができる。孔の典型的な直径は、約５０μｍであり、孔の典型的な中心間間隔は、約２００μｍとすることができると考えられる。そのような開口は、既存の顕微鏡にそれがいくつかの軸外近軸ビームを生成するように換装することができるであろう。
図４は、１つの５０μｍ直径の中心孔と１つの１００μｍ直径の偏心孔とを有する集光開口を使用して生成された軸方向及び近軸電子ビームのフィルム上の記録である。
【００２１】
図５（ａ）は、本発明の実施形態による７孔集光開口のＣＣＤカメラ上に記録された画像である。この画像は、電子顕微鏡の試料ホルダに７孔開口を置くことによって生成されたものである。各孔径は、５０μｍであり、オフセットは、中心間で２００μｍである。
図５（ｂ）は、７孔開口によって生成された電子ビームのＣＣＤカメラ上の電子顕微鏡記録である。この開口は、試料上に軸方向及び近軸ビームを生成するように配列される。集光レンズは、試料平面上への開口の画像を縮小する。近軸ビームは、集光レンズシステムの球面収差のために軸方向ビームと比較して僅かに楕円形である。
【００２２】
図６は、ビームの位置が７孔開口を使用する試料の撮像に対して示されている典型的なビーム感応性（凍結水和した）試料のＣＣＤカメラ上の記録である。７孔開口の代わりに単一孔開口を必要とする場合、両方の開口を一方又は他方が必要に応じて所定位置にシフトされるように顕微鏡開口ホルダに装着することができる。代替的に、近軸ビームを遮断するために、追加の閉塞開口を挿入することができると考えられる。
【００２３】
撮像プロトコルは、単一ビーム照明を用いる低倍率（例えば、１０Ｋ倍）での試料内の関連のターゲットの領域の識別と、単一ビーム照明を用いる高倍率（例えば、２００Ｋ倍）での試料に隣接する支持体の撮像による集束判断と、次に、単一又は７孔開口のいずれかを使用する中間倍率（例えば、６０Ｋ倍、集束パラメータが集束モード中に確立される）での関連の領域の画像記録とで構成される。このようにして、関連の領域の事前露出が最小にされる。試料は、液体窒素温度（−１９５℃）の関連の材料を含有するガラス状氷の薄膜で覆われた孔のあるカーボンフィルムである。関連の領域は、あらゆる孔の上の氷フィルムに位置する材料である。図６が示すように、この場合は、軸方向ビーム位置は、孔内である。
【００２４】
図６は、集束及び露出に続いて記録された低倍率の画像を示している。集束位置は、軸方向ビーム位置から２μｍ離れており、集中線量がカーボンから氷層を除去した明るいスポットとして識別することができる。取り囲んでいるカーボン上の６つの軸外ビームの位置も示されている。それらは、上に重なる氷に固有の荷電「フットプリント」を生成する（Ｂｒｉｎｋ他、前出）。近軸ビーム位置におけるカーボン支持体の照射は、カーボン支持体における孔の上の氷の薄膜に位置する軸方向ビーム位置にＳＥ電子を衝突させる。
【００２５】
図７は、（ａ）電荷補償器として使用される７孔開口付きと（ｂ）補償器なしの場合のカーボン支持体の孔の上のガラス状氷における典型的な単一粒子試料の同じ区域の２つの画像を示している。各場合に、軸方向ビームは、孔内にあり、隣接するカーボン支持体を照射しなかった。画像（ａ）では、補償器からの近軸ビームが、隣接するカーボン支持体を照射した。これらのビームは、画像（ｂ）にはなかった。補償器なし（画像（ｂ））の画像品質の低下は、フィルムの荷電のためであり、上述の機構により画像のぼけと歪みをもたらす。
本発明は、以上の例示的実施形態に関連して説明したが、当業者には、この開示が提供されて多くの均等な修正及び変形が明らかであろう。従って、上述の本発明の例示的実施形態は、例示的であり制限的ではないと見なされる。本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対する様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００２６】
１  軸方向電子ビーム
２  電子源
３  非導電性試料
５  多孔開口
６  ＴＥＭ集光レンズ
【図１】
0005485149.tif 000002
【図２】
0005485149.tif 000003
【図３】
0005485149.tif 000004
【図４】
0005485149.tif 000005
【図５（ａ）】
0005485149.tif 000006
【図５（ｂ）】
0005485149.tif 000007
【図６】
0005485149.tif 000008
【図７Ａ】
0005485149.tif 000009
【図７Ｂ】
0005485149.tif 000010