(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子顕微鏡に用いる位相板であって、
積層された複数の導電体膜で構成され、
複数の前記導電体膜は、仕事関数の異なる少なくとも２種類以上の導電体膜であり、複数の前記導電体膜は互いに接して積層されており、
前記位相板は開口部を有した形状または細線形状を有し、
積層された複数の前記導電体膜は、少なくとも１種類の導電体膜が該導電体膜とは異なる導電体膜により包み込まれて構成され、
前記開口部を有した形状の一部の内面または前記細線形状の一部は複数の前記導電体膜が露出している
ことを特徴とする位相板。
【請求項２】
電子顕微鏡に用いる位相板であって、
積層された複数の導電体膜で構成され、
複数の前記導電体膜は、仕事関数の異なる少なくとも２種類以上の導電体膜であり、複数の前記導電体膜は互いに接して積層されており、
積層された複数の前記導電体膜は、少なくとも１種類の導電体膜で構成された細線の略中央に、該導電体膜とは異なる導電体膜が積層され、
当該積層部分は露出している
ことを特徴とする位相板。
【請求項３】
請求項１または２記載の位相板であって、
積層された複数の前記導電体膜は、金属、もしくは半導体である
ことを特徴とする位相板。
【請求項４】
請求項３記載の位相板あって、
積層された複数の前記導電体膜は、Ａｕ、Ｐt、Ｃｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ｗいずれかの金属、もしくは前記金属を主成分とする合金である
ことを特徴とする位相板。
【請求項５】
請求項１記載の位相板であって、
前記導電体膜は結晶粒からなる多結晶粒膜であって、前記開口部を有した形状の場合、前記結晶粒の平均結晶粒径は、前記開口部を有した形状の開口部の内径の１／１０以下である
ことを特徴とする位相板。
【請求項６】
位相板を備える位相差電子顕微鏡であって、
前記位相板は、前記位相差電子顕微鏡の対物レンズ後焦点面と光軸との交差する点近傍に、請求項１乃至５の何れか１項記載の位相板を備えた
ことを特徴とする位相差電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項６に記載の位相差電子顕微鏡であって、
前記位相板の位置を微動できる機構を備えた
ことを特徴とする位相差電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡、特に透過電子顕微鏡に用いられる位相板、またその位相板を具備した位相差電子顕微鏡に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope；ＴＥＭ）は数１０ｋＶ以上の高電圧で加速した電子を観察対象物質に照射し、透過させ、電磁レンズを用いて拡大・結像させることによって高い倍率の観察像を得る装置である。この透過電子顕微鏡像によって像コントラストが生成するメカニズムには、位相コントラストと呼ばれるものがある。これは、観察試料を透過し散乱された電子の波と、散乱を受けなかった電子の波の相互の干渉により生成されるものである。したがって、像コントラストを高めるためには、電子波の位相差を適切に制御する必要がある。通常の電子顕微鏡では、対物レンズの収差や焦点ずれ量を調整することによって位相差を制御している。ところが、生物試料など比較的大きな内部構造（約１０ｎｍ以上）をもつ観察試料の場合、対物レンズの焦点ずれ量の調整だけでは、必要な位相差を得ることができず、十分な像コントラストで観察像を得ることができなかった。
【０００３】
この問題を解決するために、光学顕微鏡の分野で用いられてきた位相板技術を、電子顕微鏡のために実現する技術開発がなされてきた。電子顕微鏡用の位相板は、対物レンズとは独立に電子波の位相を変化させる光学素子であり、対物レンズの後焦点面、もしくはその近傍に設置される。観察試料によって散乱されなかった電子波は、電子顕微鏡の光軸に沿って走行し、後焦点面近傍では、１μｍ程度の大きさに収束される。一方、散乱された電子波は後焦点面近傍では光軸から離れた位置を通過する。そのため、後焦点面近傍に配置された位相板によって、散乱波と非散乱波の位相をそれぞれ異なる量だけ変化させることができれば、両電子波間に位相差を生成することが可能となる。たとえば、正の像コントラストを最大化するために必要な位相差は位相角で１８０度である。一般に弱位相物体近似されるような非常に薄く、軽元素から構成される物体を観察する場合、電子波の散乱は約９０度の位相のずれを付加するので、位相板によって生成されなければならない位相差量は約９０度となる。この約９０度の位相差を生成するための位相板の構造の例は、非特許文献１、非特許文献２などに開示されている。これらは、静電ポテンシャル中を走行する電子波が位相変化を起こすことを利用したものである。
【０００４】
上記位相板の基本構造を実現し、制御性などを付加した技術として、特許文献１では、電位を与えた電極を絶縁膜を介して導電体で挟み、非散乱波の通過する近傍のみ電極を露出させた構造の微小なリング状静電レンズ、もしくは細線を位相板として機能させる技術が示されている。開示された技術では露出した電極近傍に形成される静電ポテンシャルが電子波の位相を変化させ、電子波間の位相差を生み出している。特許文献２では微細な孔のあいた非晶質の炭素薄膜を位相板として用いるための技術開示がなされている。この技術では、非晶質薄膜内部の内部ポテンシャルを電子波の位相変化を起こす起源として利用している。さらに、静電ポテンシャルを利用しない技術として、特許文献３、および特許文献４では、磁性体を用いることによって、電磁場のベクトルポテンシャルを起源とした位相変化を利用した位相板の技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−２３７６０３号公報
【特許文献２】特開２００１−２７３８６６号公報
【特許文献３】特開昭６０−７０４８号公報
【特許文献４】特開２００８−９１３１２号公報
【特許文献５】特開２００９−５０６４８５号公報
【特許文献６】特開２００８−１９８６１２号公報
【特許文献７】特開２００３−２１７４９８号公報
【特許文献８】特開２００７−２５０５４１号公報
【特許文献９】ＵＳ  Ｐａｔｅｎｔ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．２００８００３５８５４
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｆｕｒ  Ｎａｔｕｒｆｏｒｓｃｈｕｎｇ  ２ａ，  ６１５−６３３  （１９４７）．
【非特許文献２】Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｒｏｙａｌ  Ｓｏｃｉａｔｙ  ｏｆ  Ｌｏｎｄｏｎ  Ｂ．２６１，  ９５−１０４  （１９７１）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記の公知技術には、さまざまな問題点がある。
【０００８】
たとえば、図８の（ａ）に示すようなリング状電極を用いた位相板の場合、その１μｍから数μｍ径の孔を非散乱電子波が通過することになるが、その周囲を取り囲む数μｍ径のリング電極が電子波を遮蔽するため、特定の情報が欠落してしまうという問題がある。この問題を低減するため、リング電極の大きさを極力小さくする努力がなされているが、リング電極が絶縁膜を含む少なくとも５層以上の多層構造で構成され、さらに電圧を供給するための配線構造を作りこむことが必要なため構造が複雑であり微細化はそれほど進んでいない。また、たとえば特許文献５に示されているように微細リング製作は極めて複雑な工程となる。このため、電子波を遮断する電極を用いないように、または実効的に小さくするように、電磁レンズの構成等光学要素を大幅に変更・追加した技術が提案されており、たとえば特許文献６、特許文献７、特許文献８の技術開示がある。
【０００９】
また、図８の（ｂ）に示すような、電位を与えた電極を絶縁膜を介して導電体で覆った構成の位相板の場合、その形状が細線状であっても、リング状であっても、非散乱電子波が通過する光軸の極近傍に絶縁膜が露出して近接するため、絶縁膜が帯電を起こし、像のドリフトを引き起こすという問題がある。絶縁膜が電子波の経路から見える位置にあると帯電の影響は顕著である。この問題を回避するため、絶縁膜を用いない位相板の構造として特許文献９の技術開示がある。この開示された技術では、ＭＥＭＳ技術を用いた高度なプロセス技術により、電位を与えた電極を絶縁膜を介することなく、分離した同一の導電体で覆った微細な電極構造を実現している。
【００１０】
さらに、図８の（ｃ）に示すような、１μｍ程度の微細な孔のあいた炭素薄膜を用いる位相板の場合、散乱電子波が炭素薄膜中を通過するため、この薄膜による電子線の吸収によって結像に寄与する電子数が減少し、像のＳ／Ｎが低下してしまうという問題がある。電子を加速する電圧を３００ｋＶ以上にし、電子のエネルギーを高めることによって、吸収量を少なくすることはできるが、位相板の利用できる加速電圧を狭めてしまうことになる。
【００１１】
以上のように、位相差電子顕微鏡に用いられる位相版では、観察試料により散乱された電子波と散乱されない電子波間に約９０度の位相差を付加する機能が必要である。この位相差を作り出す物理的な起源に静電ポテンシャルを利用した位相板の構造には、電子波の遮蔽を極力小さくするように電極構造を極小化すること、絶縁膜の帯電による影響を避けること、薄膜通過が引き起こす電子線量の減少による像Ｓ／Ｎの低下を避けること、が必要である。また、これらの問題点を改善するためにこれまで提案されているような、電磁レンズの構成など光学要素を大幅に変更・追加すること、高度な製造技術によって絶縁膜を必要としない構造とすることは、商用利用を考慮すると、望ましい方法とは必ずしも言えない。
【００１２】
本発明の第１の目的は、位相板を構成する電極構造を微小化でき、絶縁体材料を用いず、電子線量の減少を引き起こす薄膜を用いず、容易に製作できる位相差電子顕微鏡に用いる位相板を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の第２の目的は、上記の位相板を具備し、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わない位相差電子顕微鏡を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電子顕微鏡に用いる位相板であって、積層された複数の導電体膜で構成されたことを特徴とする位相板を提供する。
【００１５】
また、上記の目的を達成するため、本発明においては、複数の導電体膜として、仕事関数の異なる少なくとも２種類以上の導電体膜を用い、複数の導電体膜は互いに接して積層されている位相板を提供する。
【００１６】
さらに、上記の目的を達成するため、本発明においては、積層された複数の導電体膜として、金属、もしくは半導体を用いる位相板を提供する。
【００１７】
すなわち、本発明の位相板においては、少なくとも２種類以上の導電体を接触して積層させた膜を用い、その積層界面で発生する接触電位差が形成する静電ポテンシャルを利用する。好適には、この積層膜をリング状もしくは細線状に加工することによって所望の位相板を実現する。また、好適な位相差電子顕微鏡として、上述の位相板を透過電子顕微鏡の対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に位置調整装置とともに設置する構成を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、容易に製作できる位相差電子顕微鏡に用いる位相板を提供することができる。また、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わない位相差電子顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施例に係わる位相板の構造を示す図である。
【図２】第１の実施例に係る、位相差電子顕微鏡の光学系、電子光線、および位相板の配置の概略を示した図である。
【図３】第１の実施例に係る、位相板の保持構造を説明する図である。
【図４】第１の実施例に係る、位相板の製作プロセスの一例を示す図である。
【図５】第２の実施例に係る、位相板の構造を示す図である。
【図６】非晶質膜を観察した像のパワースペクトルのラインプロファイルを示す図である。
【図７】金属−金属界面、金属−半導体界面の接触電位差を説明する図である。
【図８】従来技術による位相板の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、発明の実施形態を例示した図を用いて詳細に説明する。最初に本発明の位相板の原理を説明する。なお、本明細書において導電体とは、金属などの良導体と半導体を含み、絶縁体とは異なるものと定義する。半導体と絶縁体の境界は、電気伝導率１０−６S/ｍ程度、半導体と良導体の境界は、電気伝導率１０６S/ｍ程度とする。
【００２１】
まず、接触電位差について説明する。導電体であるすべての金属（合金を含む）は、結晶面方位に対する依存性は有するものの、その物質に固有な仕事関数φをもち、２ｅＶから６ｅＶ程度の範囲に分布している。そこで、図７の（ａ）に示すように、金属Ａと金属Ｂ（もしくは半導体Ｂ）を接触させると、その仕事関数差φＡ−φＢ（ここでφＡ、φＢは金属Ａと金属Ｂの仕事関数）に等しい接触電位差が発生することが知られている。たとえば、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｖｏｌ．４８，  ４７２９  （１９７７）によると、Ａｕの仕事関数は５．１ｅＶであり、Ｃｕの仕事関数は４．６５ｅＶである。したがって、両者を接触させて積層することによって０．４５Ｖの接触電位差が得られることになる。ここで、Ａｕを接地すると、Ｃｕが接地電位に比べて０．４５Ｖ低い状態が実現する。この電位によってＡｕ／Ｃｕ積層膜の周りには静電ポテンシャルの分布が形成されることになる。
【００２２】
つぎに、リング構造を有する位相板について説明する。まず、Ａｕ／Ｃｕ積層膜をＡｕ／Ｃｕ／Ａｕの３層構造として図１に示すようなリング状の構造とする。同図の（ａ）、（ｂ）はそれぞれリング状構造の斜視図と断面図を示している。リング内部の孔２の部分は、Ａｕ／Ｃｕ／Ａｕの積層構造が露出しており、リング状構造の外側部分はＡｕで覆い、接地される。接地されたＡｕの電位を０Ｖとすると、Ｃｕ部分の電位は−０．４５Ｖとなり、リングの孔２の部分に局在化した電界が形成される。この孔を電子線の光軸に平行になるようにリング状積層膜を配置すれば、これは、非常に微弱な静電レンズ（アインツエルレンズ、もしくはユニポテンシャルレンズ）が実現されたことになる。
【００２３】
この静電レンズの孔２の部分、および周辺部分を電子波が進行した場合の位相変化量について考える。電子波が電位Ｖの領域を距離Ｓだけ移動するとＶ×Ｓに比例した位相変化を受けることが知られている。たとえば、Ｃｕの厚さを０．３８μｍとし、Ａｕの厚さが十分厚い場合、丸い孔のあいたリング状静電レンズの孔の部分を光軸に平行に通過する１００ｋＶの電子線は、その通過する孔内の位置にかかわらず、位相角９０度の位相変化を受けることになる。一方、リング状静電レンズの外側を通過する電子線は、レンズ電界の影響をほとんど受けないので位相変化量は無視できる程度に小さい。したがって、レンズ内部と外部を通った電子波間の位相差は９０度となる。
【００２４】
位相差を９０度とは異なる値とする場合は、Ｃｕの膜厚を変えるか、積層する金属の組み合わせを変えて、接触電位差の値を変えればよい。異なる加速電圧の電子を使う場合も、Ｃｕ層の厚さを変えれば位相差９０度とすることができる。厚さｂの決定には、
【００２５】
【数１】
0005564292.tif 000002
から求めれば良い。
【００２６】
なお、設計試作した位相板により作られた位相差が評価の結果９０度とは少し異なる値を得た場合には、その減少分（あるいは増加分）に比例して、Ｃｕの厚さを増加（あるいは削減）すればよいことは言うまでもない。
【００２７】
上記例では、ＡｕとＣｕの組み合わせによる接触電位差を利用したが、仕事関数の異なる金属（合金を含む）の組み合わせであればいずれでも利用することができる。たとえば、Ａｕ−Ｔｉ、Ａｕ−Ｃｒ、Ａｕ−Ｍｏ、Ａｕ−Ｒｕ、Ａｕ−Ｔａ、Ａｕ−Ｗ、Ｐｔ−Ａｕ、Ｐｔ−Ｍｏなどの組み合わせでもよい。ここで例示した金属の組み合わせでリング状位相板を構成する場合は、各組み合わせの１番目に記した金属（ＡｕもしくはＰｔ）が、Ｃｕ、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｏ、Ｒｕ、Ｔａ、Ａｕを覆うように積層して使うことが望ましい。なぜなら、各組み合わせの１番目に記した金属はいずれも２番目に記した金属より仕事関数が大きく、レンズ孔内部に負の電位を得ることができるためである。負の電位の場合、非散乱電子波は約−９０度の位相変化を受けることになるが、散乱電子波がもともと９０度の位相変化を受けていたことを考えると、その差は約１８０度となり少ない位相変化量で、位相差１８０度が得られるためである。また、ＡｕおよびＰｔは表面酸化対する耐性が高く帯電の懸念が少ないため、レンズを覆う側の金属として用いることが望ましいためである。強磁性金属を使用する場合は、その磁化分布によるベクトルポテンシャルが位相差に影響を及ぼすことを考慮しなければならない。
【００２８】
なお、上記説明では、導電体を用いた位相板について説明しているが、Ｓｉなど半導体を利用することもできる。たとえばＡｕ−Ｓｉの組み合わせである。この場合、図７（ｂ）に示すように、半導体Sｉ中には金属Aｕとの界面に空乏層が形成されるため、空乏層の厚さをSｉの厚さよりも十分狭く形成しなければ接触電位差を発生することができない。狭い空乏層を実現するには高いキャリア濃度が必要となる。Sｉの膜厚Dとキャリア濃度N、接触電位差Vとの関係は、
【００２９】
【数２】
0005564292.tif 000003
とあわすことができる。
【００３０】
ここで、ｅは電子の電荷、εはSｉの誘電率である。たとえば、Ｓｉの場合は、膜厚３００ｎｍの場合、１０１８ｃｍ-３以上のキャリア濃度である必要がある。
【００３１】
位相板へ電子線が照射されることによって、炭素系の物質が付着するコンタミネーションという現象が起こる場合がある。このコンタミネーションの進行を遅くするため、位相板を加熱することが有効であることが知られている。加熱を行う場合には、位相板を構成する材料に低融点の金属、または拡散係数の大きな金属の組み合わせを用いると位相板の耐久性に問題が起こる。Ａｕ、Ｃｕなど融点が１０００度以上の金属であれば望ましく、Ｓｎのような低融点金属は望ましくない。付着した炭素系のコンタミネーションと金属との間の接触電位差を問題とし、これを小さくしようとするときには、コンタミネーションと同じ仕事関数を持つ合金を使用すればよい。たとえば、Ａｕ−Ａｇ合金は全率固溶系の合金であり、その仕事関数は、混合比率によって、Ａｕの仕事関数（５．１ｅＶ）とＡｇの仕事関数（３．７５ｅＶ）の間の値に制御して利用することができる。このためコンタミネーションとの仕事関数の差を小さくするように選ぶことができる。
【００３２】
結晶性物質の仕事関数の値は、結晶面の方位によってわずかに異なる。したがって、多結晶粒子で構成された膜を位相板に用いる場合、接触している粒子の結晶方位によって接触電位差の大きさが異なることになる。その影響を小さくするためには、結晶粒子の大きさをリング状位相板の孔の大きさに比べ十分小さくしておけばよい。結晶粒子の結晶方位が孔の内部の電位分布に与える影響は、孔の淵の部分にある結晶粒について考慮すれば十分である。このような観点で孔内部の電位分布について計算機シミュレーションを行ったところ、１μｍの孔においては、１００ｎｍ以下の粒子サイズであれば位相差にあたえる影響は２％以下であることが判明した。すなわち、孔の大きさの１／１０以下の大きさの結晶粒で金属膜もしくは半導体膜を構成しておけば、結晶方位のばらつきの影響は実質的に無視できる。
【００３３】
つぎに、図３、図４を用いて位相板の製造方法について述べる。位相板は、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に置かれるが、通常その位置には後で説明する位相差電子顕微鏡の対物絞りと呼ばれる可動式アパーチャプレートが配置されている。位相板はそのアパーチャプレート５上に形成される。まず、図４の（ａ）の示すように、アパーチャプレート５に形成した穴を覆うように金属膜３（たとえばＡｕ膜）を張り付け、その後、真空蒸着装置を用いて金属膜４（たとえばＣｕ膜）を所望の膜厚堆積させた後、再び金属膜３を蒸着する。次に、図３の（ａ）に示すＡ−Ａ方向の断面である図４の（ｂ）のように、リング形電極のベースとなる円盤形状、およびその保持構造３２の加工を行う。その加工は膜面垂直方向から行い、たとえば集束イオンビーム装置を用いれば容易に任意形状の加工を行うことができる。次に図４の（ｃ）に示すように、形状加工した膜の表裏面・側面に金属膜３を蒸着し、前面を覆う。最後に、図４の（ｄ）に示すように、円盤形状の中心に孔２を開ける加工を行うと位相板が完成する。イオンビームによる孔あけ加工を行うと、イオンビームの入射側の面の孔径がイオンビームの出射側の面の孔径より大きくなることが多い。このため、位相版として用いるときには、電子線が穴径の小さい側から入射するように設置することが望ましい。これは、孔の内部に直接電子線が照射されるのを防ぎ、コンタミネーションの付着を抑制するためであり、さらに結晶方位のばらつきによる発生電位のばらつきの影響を低減するためである。なお、ここで使った製造装置である真空蒸着装置、集束イオンビーム装置は、金属膜が形成出来る成膜装置、金属膜が加工できる装置であれば、特段の限定はない。真空蒸着装置としては、抵抗加熱式装置、電子ビーム加熱式装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置などを利用してもよい。また、集束イオンビーム装置の代わりにイオンミリング装置を利用してもよい。ただしイオンミリング装置を使う場合は、所望の形状を加工するため、レジスト塗布、露光など複数の工程が追加される。
以上説明したように、導電体（金属および合金など）の接触電位差を利用することによって、絶縁体をまったく用いずに構成したリング状静電レンズが、高度なプロセス技術を利用することなく容易に形成される。また、電子線を吸収する薄膜も用いていない。さらに、構造が単純で外部からの電圧供給など配線構造を有さないので微細化が容易である。すなわち、本発明の第１の目的を達成した位相板を提供することができる。この位相板をアパーチャプレートに作りこみ、位置調整機能を有する対物可動絞りに取り付けると、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面近傍で機能し、所望の位相差を得ることができる。すなわち、電磁レンズの追加など大幅な電子光学要素の変更を伴わないので、本発明の第２の目的を達成した位相差電子顕微鏡を提供することができる。
【実施例１】
【００３４】
第１の実施例の位相板としてリング位相板について説明する。本実施例のリング位相板の構造は図１に示すとおりであり、孔２を有するリング形状の位相板１である。
【００３５】
本実施例のリング位相板の具体的構成例とその製造方法を図３、図４を用いて説明する。図３の（ａ）に平面図を、図３の（ｂ）にそのＡ−Ａ方向の断面図を示す。図３において、５はアパーチャプレート、３１は孔、３２は保持構造体である支持棒を示す。
【００３６】
この位相板は、電子顕微鏡対物レンズの後焦点面もしくはその近傍に置かれるが、通常その位置には後で説明する位相差電子顕微鏡の対物絞りと呼ばれる可動式アパーチャプレートが配置されている。本実施例の位相板はそのアパーチャプレート５上に形成する。
【００３７】
まず、図４の（ａ）の示すように、アパーチャプレート５に形成した穴を覆うように金属膜３（たとえばＡｕ膜）を張り付け、その後、真空蒸着装置を用いて金属膜４（たとえばＣｕ膜）を所望の膜厚堆積させた後、再び金属膜３を蒸着する。次に、平面図に示すＡ−Ａ方向の断面である図４の（ｂ）のように、リング形電極のベースとなる円盤形状、およびその保持構造３２の加工を行う。その加工は膜面垂直方向から行い、たとえば集束イオンビーム装置を用いれば容易に任意形状の加工を行うことができる。
【００３８】
次に図４の（ｃ）に示すように、形状加工した膜の表裏面・側面に金属膜３を蒸着し、前面を覆う。最後に、図４の（ｄ）に示すように、円盤形状の中心に孔２を開ける加工を行うと位相板が完成する。
【００３９】
イオンビームによる孔あけ加工を行うと、イオンビームの入射側の面の孔径がイオンビームの出射側の面の孔径より大きくなることが多い。このため、位相版として用いるときには、電子線が穴径の小さい側から入射するように設置することが望ましい。これは、孔２の内部に直接電子線が照射されるのを防ぎ、コンタミネーションの付着を抑制するためであり、さらに結晶方位のばらつきによる発生電位のばらつきの影響を低減するためである。
【００４０】
なお、ここで使った製造装置である真空蒸着装置、集束イオンビーム装置は、金属膜が形成出来る成膜装置、金属膜が加工できる装置であれば、特段の限定はない。真空蒸着装置としては、抵抗加熱式装置、電子ビーム加熱式装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置などを利用してもよい。また、集束イオンビーム装置の代わりにイオンミリング装置を利用してもよい。ただしイオンミリング装置を使う場合は、所望の形状を加工するため、レジスト塗布、露光など複数の工程が追加される。
【００４１】
本実施例のリング状位相板は、上記の製造プロセスに従い、まず、厚さ３００μｍのＭｏ製のアパーチャプレート（５ｍｍ×３１ｍｍ）に約φ０．１ｍｍの孔を４つあけ、この１つにエポキシ系接着剤を用いて、Ａｕ薄膜（０．４μｍ）を張り付ける。その後、Ａｕ膜を張り付けた面側に抵抗加熱式の真空蒸着装置を用いて、Ｃｕ薄膜を約０．４μｍ堆積した後、さらにＡｕ膜をアパーチャプレートの表裏両面に約０．５μｍ堆積した。アパーチャプレートの孔の部分には、Ａｕ／Ｃｕ／Ａｕの構成で自立した多層薄膜が形成されていることになる。
【００４２】
次にこの多層薄膜部分に集束イオンビーム装置を用いて位相板形状の加工を行う。４０ｋＶに加速されたＧａ＋を用いて、図３の（ａ）に示すような、約０．０５ｍｍの穴の中央付近に約φ１．５μｍの円盤状の板が保持された構造を形成する。（このとき、円盤状の板はまだリング状に加工されていない）中心付近の円盤状の板は、約０．５μｍ幅の支持棒を用いて保持される。図３（ａ）では、円盤中心に対して中心対称な２本の支持棒によって円盤が保持されているが、図３（ｂ）のように非中心対称な支持棒によって支えられていることがより望ましい。
【００４３】
これは、電子顕微鏡における対物レンズの後焦点面の回折・散乱電子分布が一般には中心対称であるため、中心対称な構造を持つ支持棒では、特定の散乱方向の情報が完全に遮断されてしまい、これを避けるためである。また、図３では２本の支持棒によって支えられているが、１本、３本など、円盤を支える強度に問題がなく、かつ電子線を過度に多く遮断してしまわなければ、何本の支持棒でもよい。また、支持棒３２は均一な幅でなくてもよく、たとえばリング部分に接続する部分は細く、０．０５ｍｍの穴の縁と接続する部分は太く形成しても良い。これによって、支持構造の強度を増すことができる。
【００４４】
次に、Ａｕ膜（約０．２μｍ）を、集束イオンビーム加工された多層薄膜の側面部分およびアパーチャプレートの表裏面に堆積する。このとき、アパーチャプレート全体はＡｕ膜で覆われていることになり、Ｃｕの露出部分はない。円盤状の板の直径は覆ったＡｕの厚さの分だけ大きくなりφ２μｍ弱（半径１μｍ弱）となる。最後に、保持された円盤状の板の中心に、集束イオンビーム装置を用いて、約１μｍの孔をあけるとリング位相板が完成する。
【００４５】
なお、ここで説明したリング位相板に使われる材質、形状、製造法は、本発明の目的にかなったものであれば、代替することができる。たとえば、アパーチャプレートの材質はＴａなどでもよく、その厚さは容易に変形せず、電子線が容易に透過しない厚さであればよい。あらかじめ開けておく穴の数や大きさも４個、φ０．１ｍｍに限るものではなく、たとえば、２．５ｍｍ×１０．５ｍｍの方形の穴１つでもよい。この場合、位相板を形成する位置が任意に設定できるという利点がある。張り付けるＡｕ膜はその強度を保つため、２．５μｍ程度の厚いものを用いるとよい。金属多層膜は、課題を解決する手段で述べたように、Ａｕ／Ｃｕ／Ａｕ以外の組み合わせを用いることができる。
【００４６】
上記加工した位相板を備えたアパーチャプレートを図２に示すように、市販の透過電子顕微鏡（加速電圧１００ｋＶ、ＬａＢ６電子銃搭載）の可動対物絞り機構に装着することによって、位相差電子顕微鏡が構成される。なお、対物絞り機構は、対物絞りの後焦点面６近傍で位置調整、および退避ができるものである。電子顕微鏡では、電子源１１から取り出し加速された電子線１９が照射系レンズ１２によって、試料面１５に置いた試料を照射する。試料を透過した電子の波は、対物レンズ１３によって後焦点面６、中間像面１７などを形成しながら、最終的には拡大レンズ１４によって像面１８に拡大像を形成する。位相差電子顕微鏡では、対物レンズの後焦点面６に位相板１が装着されている。位相板１の孔２は電子顕微鏡の光軸２０上に来るように、可動絞りの位置調整機能、および偏向器など電磁的なアライメント機構によって調整する。リング位相板の孔径は約１μｍであるため、位置調整機能は１μｍ以下の精度を有することが望ましい。
【００４７】
試料に照射された電子は、散乱波（または回折波）と非散乱波に分けられる。非散乱波は、光軸２０に沿って進み、位相板１の孔２を通過する。一方、散乱波は、リング位相板の外側を通過する。リング位相板１の孔２の中と外では電位分布が異なるため、それぞれが受ける位相変化量は異なり、位相差が生じることとなる。位相板により生じる位相差は、散乱波の位相変化量が無視できる場合、孔２を通った電子波の位相変化量と等しくなり、
【００４８】
【数３】
0005564292.tif 000004
となる。
【００４９】
ここで、ΔΦは位相差（単位ラジアン）、λは電子波の波長、Ｕは加速電圧、ｅは素電荷、ｍは電子の質量、ｃは光速、ｚは光軸に沿った座標、Ｖ（ｚ）は座標ｚでの電位の値である。透過電子顕微鏡で用いる電子のエネルギーは一般に大きいので、電子は光軸に沿って平行に進むと近似でき、積分範囲はｚ軸に沿った電子の走行範囲である。孔２の通過する位置によって、Ｖ（ｚ）の値は異なるが、その積分値は位置に依存しないことが知られている。したがって、位相変化量は、孔２の淵の電位分布、すなわち、接触電位差とサンドイッチされた金属膜（Ｃｕ）の厚さの積（数３の積分部分に相当）に比例することになる。
【００５０】
さて、位相板１のリングの部分は、電子波を遮断する。これによって試料構造に関する情報の一部が像面１８まで伝達できなくなってしまう。試料内の構造の大きさをｄ、対物レンズ１３の焦点距離をｆ、対物レンズの後焦点面１６上の光軸２０からの距離をｒとすると、
【００５１】
【数４】
0005564292.tif 000005
の関係があることが知られている。
【００５２】
つまり、試料内にある１０ｎｍの構造情報は、加速電圧１００ｋＶ（波長０．００３７ｎｍ）、焦点距離２．７ｍｍの場合、後焦点面１６上で光軸２０からの距離１μｍの位置にあることが分かる。また、試料内にある１０ｎｍより大きな構造情報は、１μｍより光軸２０に近い側に位置する。したがって、試料のより大きな構造情報まで伝達しようとすれば、リング位相板の半径は極力小さく作成する必要がある。上記で説明したリング位相板の半径は１μｍ弱であり、試料の構造情報を１０ｎｍ強まで伝達することができる。
【００５３】
リング位相板１の孔２の大きさは、集束イオンビームの加工によって、約φ１μｍとしているが、リングの外径が大きくならない範囲であれば、たとえばφ１．５μｍのように、より大きくしておくことが望ましい。この孔２には対物レンズによって収束した非回折電子波が通過するが、その大きさは１μｍ程度であり、非回折電子波の部分的遮断の懸念を回避するためである。
【００５４】
本実施例の位相板によって、位相差が生じたことの検証は、炭素薄膜など非晶質物質を試料として観察を行い、得られた像のパワースペクトルを解析することによって行うことができる。像のパワースペクトルは、市販の画像処理ソフトによって容易に得ることができるし、ＣＣＤカメラシステムなど撮像素子を搭載した透過電子顕微鏡では、実質的に実時間で表示することもできる。このパワースペクトルは、試料構造を反映した成分と位相コントラスト伝達関数を２乗した成分との積によってあらわされる。位相コントラスト伝達関数とは、散乱電子波と非散乱電子波が干渉する強度を符号を含めて表現したもので、試料内構造の大きさの逆数（空間周波数）によって大きく変化（振動）する。そしてこの振動の様子は対物レンズの収差や焦点ずれ量により生じた位相差と位相板により生じた位相差の両者によって敏感に変化する。一方、パワースペクトルを構成する試料構造を反映した成分は、非晶質試料を観察した場合、単調にしか変化しない。したがって、パワースペクトルの振動成分は、位相コントラスト伝達関数の振動成分を反映したものとなる。異なった位相差の条件で取得した像を比較すると、対物レンズの収差や焦点はずれ量が変化していなければ、位相コントラスト伝達関数の振動の変化（ピーク位置のズレ）は位相板によるものと考えられるので、位相変化が起こっているかどうかを検証できる。
【００５５】
図６には、同一のアパーチャプレート上に形成した２つの位相板：（ａ）Ａｕ／Ｃｕ（０．４μｍ）／Ａｕ、（ｂ）Ａｕ／Ｃｕ（０．８μｍ）／Ａｕを用いて取得した非晶質炭素薄膜像のパワースペクトルのラインプロファイルについて、一定の収差係数とほぼ等しい焦点はずれ量に基づいて計算した理論曲線との比較から振動成分だけを抽出したラインプロファイル図を示す。図６の（ａ）、図６の（ｂ）ともに大きく振動しているが、その振動のピーク位置が異なっていることが分かる。収差や焦点ずれ量に依存する位相コントラスト伝達関数の成分にはほとんど差がないので、（ａ）、（ｂ）の差異は、主に位相板起因であると推定でき、位相板によって位相差が生じていることが確認できる。
【実施例２】
【００５６】
第２の実施例に係る細線位相板の構成を図５の（ａ）に示す。図８の（ｂ）の従来技術による位相板を絶縁膜をまったく用いず金属多層薄膜によって構成するものである。
【００５７】
細線位相板は以下のように作成した。まず、３００μｍ厚のＭｏ板（５ｍｍ×３１ｍｍ）に２．５ｍｍ×１０．５ｍｍの方形の穴をあけ、ここにＰｔ膜（厚さ２．５μｍ）をエポキシ系接着剤により張り付ける。その後、抵抗加熱式真空蒸着装置により、表裏両面にＡｕ膜（０．１μｍ）を蒸着する。次に集束イオンビーム装置によって、φ５０μｍの丸い穴に約１μｍ幅の細線を張った形状を加工する。すなわち、半円の穴がその辺の部分を突き合わせた形状に加工する。次に、加工した穴の淵の部分を包み込むように、Ａｕ膜をアパーチャプレートの裏表、および側面に約０．１μｍ厚蒸着する。これは、試料傾斜と回転が同時に行える試料台にアパーチャプレートを置き、傾斜と回転させながら蒸着することによって容易に実現できる。最後に、細線の中央付近（φ５０μｍ穴の中央付近）で、図５（ａ）に示すようなＰｔを露出させる側面加工を行う。露出させる部分の細線に沿った方向の長さは約１μｍである。ＰｔはＡｕに対して正の接触電位差となるので、露出部分を中心に正の電位分布が、露出部分の極近傍を除き、略同心球状に形成される。
【００５８】
このアパーチャプレート上に形成した位相板を図２に示す電子顕微鏡の対物可動絞りに装着し、対物レンズの後焦点面１６付近に設置すると、位相差電子顕微鏡が構成されることになる。より詳細には、細線位相板の略同心球状に広がる電位の中心が、光軸２０から若干（０．５μｍから１μｍ程度）離した位置になるよう、対物可動絞りの位置調整機構によって調整する。これは、電位分布の中心が細線内にあり、光軸２０を走行する非散乱電子線が細線によって遮蔽されることを避けるためである。
【００５９】
細線位相板によって位相差が生じるメカニズムはリング位相板の場合と若干異なるので、これを説明する。細線位相板の電位発生部分の大きさはそこから広がる電位の広がりに比較して小さいので、細線位相板によって作られる電位分布を、電位Ｖを与えられた微小な球（半径Ｒ）が作る電位分布にほぼ等しいと仮定する。リング位相板の場合と違って、電位は広く広がっていることになり、散乱波、非散乱波ともに位相変化を受けることになる。この場合、後焦点面上において、非散乱電子波が微小球の中心からｒの距離を走行する場合、散乱電子波との位相差ΔΦ（単位ラジアン）は、
【００６０】
【数５】
0005564292.tif 000006
のようにあらわされる。
【００６１】
ここで、Ｕは加速電圧、λは電子波の波長、ｅは素電荷、ｍは電子の質量、ｃは光速、ｆは対物レンズの焦点距離、ｄは試料内の構造の大きさである。数５による位相差ΔΦが位相角９０度となれば位相板として機能することになるが、調整可能なパラメータは１つ増えてＶ、Ｒ、そしてｒである。ＶおよびＲは、それぞれＡｕ−Ｐｔの接触電位差、およびＰｔ膜の厚さであり、ｒは細線と光軸との距離である。上記作成手順で示したＰｔ膜の厚さは２．５μｍであったが、この時、数５により見積もられる位相差は９０度より５倍大きくなる。しかしながら、実際の電位分布は、Ｐｔ膜の上下に残ったＡｕ膜の影響や支持棒となる細線の影響で微小球を仮定した場合に比べて小さくなる。このため、位相差を９０度に調整するためには、残りのパラメータであるｒを使い、位相板の位置を微調整することによって行う。位置の調整には、可動対物絞りの微動機構を利用してもよいし、偏向器などの電磁的アライメント機構を利用してもよい。位置調整の精度は、電位の発生する部分の大きさが１μｍ程度であるため、１μｍ以下であることが望ましい。位相差を９０度に調整することは、非晶質像のパワースペクトル解析から得ることができる。しかし、必ずしも位相差を９０度に合わせることを目指す必要はなく、位相差電子顕微鏡の目的は位相コントラストの改善にあるのだから、観察像のコントラストが最大となるように細線位相板の位置調整を行えばよい。
【００６２】
以上、細線位相板の実施の形態を説明したが、その形態は図５の（ａ）に示した形態に限るわけではない。たとえば、図５の（ｂ）に示すように、金属７細線の中央付近に仕事関数の異なる金属６を部分的に乗せた形態でもよい。アパーチャプレート（Ｍｏ）と同じ材質で形成された細線（０．５μｍ幅程度）にＰｔを積層することによって、略球対称な電位分布が形成され、図５の（ａ）に基づいて説明した原理と同じ機構で位相差を生じさせることができる。構成された位相板の形態は極めてシンプルである。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、電子顕微鏡、特に透過電子顕微鏡に用いられる位相板、さらにはその位相板を具備した位相差電子顕微鏡に有用である。
【符号の説明】
【００６４】
１…位相板
２…孔
３…導電体膜（金属膜）
４…導電体膜（金属膜）
５…アパーチャプレート
６…導電体（金属）
７…導電体（金属）
１１…電子源
１２…照射系レンズ
１３…対物レンズ
１４…拡大レンズ
１５…試料面
１６…対物レンズの後焦点面
１７…中間像面
１８…像面
１９…電子線
２０…光軸
３１…孔
３２…支持棒
５１…リング位相板
５２…細線位相板
５３…絶縁膜
５４…電極
５５…薄膜位相板。
【図１】
0005564292.tif 000007
【図２】
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【図３】
0005564292.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005564292.tif 000012
【図７】
0005564292.tif 000013
【図８】
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