(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過型電子顕微鏡に取付可能なカソードルミネッセンス用試料ホルダであって、
透過型電子顕微鏡の真空チャンバに挿入可能な中空状のホルダ本体と、
ホルダ本体の先端近傍に設けられ、真空チャンバ内において電子線が照射される試料を固定するための試料固定部と、
試料固定部近傍に光取込口が位置するようにして、ホルダ本体内の試料固定部近傍から基端側へ延設された光ファイバと、
試料固定部と対向位置に配置され、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に向かって反射するとともに、所定位置に穿たれた孔により電子線を通過させる反射板と、を具備するものであることを特徴とするカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項２】
前記ホルダ本体は、略円筒状のものであって、ホルダ本体を所定の姿勢に規制するために、透過型電子顕微鏡の真空チャンバに設けられた挿入孔と係合する係止部が外周面に設けられたものであることを特徴とする請求項１に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項３】
前記係止部は、ホルダ本体の外周面から突出して、前記挿入溝の形成されたガイド溝と係合するガイドピンであり、ホルダ本体の外周面には該ピンが挿入されるピン孔が、少なくとも、ホルダ本体を試料固定部が上側となる姿勢と下側となる姿勢とに規制する位置に穿設されたものであることを特徴とする請求項２に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項４】
前記反射板は、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に集光するように湾曲されたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項５】
前記反射板は、試料の発光位置と光ファイバの光取込口とを焦点とする回転楕円面を構成するものであることを特徴とする請求項４に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項６】
前記光ファイバと反射板との間に、反射板が反射した光を光ファイバの光取込口に集光する集光レンズが介設されたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダと、
カソードルミネッセンス用試料ホルダの光ファイバにより導かれたカソードルミネッセンスを分光して検出する分光測定手段と、
分光測定手段の測定値に基づいて測定結果を表示する演算表示手段と、を具備してなるものであることを特徴とするカソードルミネッセンス分光分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料に電子線を照射してカソードルミネッセンスを検出するための試料ホルダ、特に透過型電子顕微鏡に取り付けるに好適なカソードルミネッセンス用試料ホルダに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
カソードルミネッセンス分析とは、分析すべき試料に電子線を照射することにより試料に生じた励起子の再結合による発光（カソードルミネッセンス）を検出して分析する方法であり、例えば試料の一定領域に電子線を走査して得られた検出値に基づいてカソードルミネッセンス像を作成して観察することにより、試料の結晶状態や不純物の有無等、試料の局所領域からの情報を得ることができ、誘電体、イオン結晶、半導体等の研究に幅広く利用可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、既設の透過型電子顕微鏡を利用してカソードルミネッセンス分析を行う場合には、検出器を試料の上方又は下方に配置するが、透過電子線や反射電子線等を検出する場合には、透過電子線や反射電子線を遮蔽して検出効率を下げないように、該検出器を試料近傍から移動させる必要がある。しかし、既設の電子顕微鏡に任意に移動可能な前記分光器や検出器等を設けるような複雑な改造を行うことは一般の実験者等には困難であり、カソードルミネッセンス分析の幅広い利用を妨げる一要因となっている。
【０００４】
一方、真空チャンバが比較的大きく、光学測定を行うための窓を設けることが容易な走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）においては、レンズ等を用いて真空チャンバ外に光を導いて発光測定するような測定システムが存在する。しかし、透過型電子顕微鏡の試料ホルダは、真空チャンバ内に収納されて非常に狭い空間にあるので、試料ホルダの出入口に光学測定を行うための窓を設けることは困難であった。
【０００５】
本発明は、かかる問題に鑑みてなされたものであり、既設の透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）を用いてカソードルミネッセンス分析を容易に行うことを可能とするカソードルミネッセンス用試料ホルダ、及び該カソードルミネッセンス用試料ホルダを用いた分光分析装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するためになされた本発明に係るカソードルミネッセンス用試料ホルダは、透過型電子顕微鏡に取付可能なカソードルミネッセンス用試料ホルダであって、透過型電子顕微鏡の真空チャンバに挿入可能な中空状のホルダ本体と、ホルダ本体の先端近傍に設けられ、真空チャンバ内において電子線が照射される試料を固定するための試料固定部と、試料固定部近傍に光取込口が位置するようにして、ホルダ本体内の試料固定部近傍から基端側へ延設された光ファイバと、試料固定部と対向位置に配置され、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に向かって反射するとともに、所定位置に穿たれた孔により電子線を通過させる反射板と、を具備するものである。
【０００７】
また、本発明（請求項２）は、請求項１に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダにおいて、前記ホルダ本体は、略円筒状のものであって、ホルダ本体を所定の姿勢に規制するために、透過型電子顕微鏡の真空チャンバに設けられた挿入孔と係合する係止部が外周面に設けられたものである。
【０００８】
また、本発明（請求項３）は、請求項２に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダにおいて、前記係止部は、ホルダ本体の外周面から突出して、前記挿入溝の形成されたガイド溝と係合するガイドピンであり、ホルダ本体の外周面には該ピンが挿入されるピン孔が、少なくとも、ホルダ本体を試料固定部が上側となる姿勢と下側となる姿勢とに規制する位置に穿設されたものである。
【０００９】
また、本発明（請求項４）は、請求項１から３のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダにおいて、前記反射板は、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に集光するように湾曲されたものである。
【００１０】
また、本発明（請求項５）は、請求項４に記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダにおいて、前記反射板は、試料の発光位置と光ファイバの光取込口とを焦点とする回転楕円面を構成するものである。
【００１１】
また、本発明（請求項６）は、請求項１から５のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダにおいて、前記光ファイバと反射板との間に、反射板が反射した光を光ファイバの光取込口に集光する集光レンズが介設されたものである。
【００１２】
また、本発明の請求項７に係るカソードルミネッセンス分光分析装置は、請求項１から６のいずれかに記載のカソードルミネッセンス用試料ホルダと、カソードルミネッセンス用試料ホルダの光ファイバにより導かれたカソードルミネッセンスを分光して検出する分光測定手段と、分光測定手段の測定値に基づいて測定結果を表示する演算表示手段と、を具備してなるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態に係るカソードルミネッセンス分光分析装置１００を、図面に基づいて具体的に説明する。
本実施の形態に係るカソードルミネッセンス分光分析装置１００は、図１に示すように、真空チャンバ１０内において試料Ｓに電子線ＥＢを照射して透過電子線ＴＢを観察する透過型電子顕微鏡１０１と、透過型電子顕微鏡１０１に取付可能なカソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２と、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２により導かれた光ＣＬを分光して測定する分光測定器１０３と、分光測定器１０３の測定値に基づいて測定結果を表示するコンピュータ（演算表示手段）１０４と、を具備してなるものである。
【００１４】
透過型電子顕微鏡１０１は、図１に示すように、真空チャンバ１０内に、電子線照射部１１及び透過電子線検出器１２が設けられてなるものであり、図には示していないが、透過型電子顕微鏡で通常使用される試料ホルダ、位置調整機構、冷却手段等をも具備する周知の構造のものである。
【００１５】
真空チャンバ１０は、室内圧力を約１０−５Ｐａ〜１０−７Ｐａ程度の真空とするものであり、真空チャンバ１０の側壁には、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２を挿入するための挿入孔１３が形成されている。該挿入孔１３は、真空チャンバ１０の室内に貫通された断面形状が円形のもので、真空チャンバ１０の外壁側から一定深さまでは、図２に示すように、上方に向かって凹欠したガイド溝１３ａが形成されている。このように構成された挿入孔１３は、透過型電子顕微鏡で通常使用される試料ホルダの挿入孔と共用させることが可能である。
【００１６】
電子線照射部１１は、電子線源から発生する電子線ＥＢを集束レンズにより集束し、対物レンズにより焦点を合わせて試料Ｓ上に照射するものであり、これにより、試料Ｓから光ＣＬ、即ちカソードルミネッセンスが発生する。一方、試料Ｓを透過した透過電子線ＴＢは、図１に示すように、試料Ｓの下方に配置された透過電子線検出器１２により検出される。
【００１７】
カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２は、図３に示すように、透過型電子顕微鏡１０１の真空チャンバ１０の側壁に設けられた挿入孔１３に挿抜可能な中空状のホルダ本体２０と、ホルダ本体２０の先端近傍に設けられた試料固定部２１と、ホルダ本体２０内に延設された光ファイバ２２と、試料固定部２１の対向位置に配置された反射板２３と、を備えてなるものである。
【００１８】
前記ホルダ本体２０は、真空チャンバ１０の挿入孔１３に挿入可能な円筒状のものであって、外径が前記挿入孔１３の内径と略等しいステンレス製の円筒２０ａの基端側に径大の円筒２０ｂが連接され、先端側に径小の円筒２０ｃが連設されてなるものであり、さらに該円筒２０ｃの先端側が一定厚みの平板状となって試料固定部２１をなしている。円筒２０ｂは挿入孔１３の内径より径大のものであり、円筒２０ｂの端面が真空チャンバ１０の挿入孔１３周辺の外側壁と当接することにより、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の挿入深さを所定位置に規制する。また、円筒２０ａの先端近傍には径方向に溝が周設され該溝にＯ−リング２４が嵌設されている。該Ｏ−リング２４により、挿入孔１３とホルダ本体２０の円筒２０ａとの隙間を密閉して真空チャンバ１０内の真空が維持されるようになっている。
【００１９】
さらに、ホルダ本体２０の外周面には、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２を所定の姿勢に規制するために、透過型電子顕微鏡１０１の真空チャンバ１０に設けられた挿入孔１３のガイド溝１３ａと係合するガイドピン２５が突設されている。該ガイドピン２５は略円柱状のものであり、ホルダ本体２０の外周面に穿設されたピン孔２６に嵌挿されており挿抜可能なものである。ピン孔２６は、ホルダ本体２０を試料固定部２１が電子線照射部１１側、即ち上側となる姿勢と、透過電子線検出器１２側、即ち下側となる姿勢とに規制できるように、ホルダ本体２０の外周面の２箇所、具体的には試料固定部２１と同じ側と反対側とに穿設されている。従って、ガイドピン２５を嵌挿する位置により、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２を挿入孔１３に挿入可能な姿勢が１８０°異なり、試料固定部２１が上側又は下側となる姿勢を任意に選択することができる。
【００２０】
図４は、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の先端付近を示す拡大斜視図である。前記試料固定部２１は、真空チャンバ１０内において電子線ＥＢが照射される試料Ｓを固定するためのものであり、図に示すように、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２先端の中空平板状部分の外平面に、試料Ｓを嵌め込むための試料溝２１０が凹設され、該試料溝２１０の底部には電子線ＥＢ又は透過電子線ＴＢの光路となる孔２１１が中空部を介して反対側の外平面にまで貫設され、さらに、試料溝２１０の近傍に、試料溝２１０に嵌め込まれた試料Ｓを固定するための試料押えバネ２１２が設けられてなる。これにより、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の姿勢、即ち、試料固定部２１が上側又は下側であるに拘わらず、試料Ｓがカソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の一定位置に固定され、該試料Ｓに、孔２１１を光路として電子線ＥＢを照射することができる。
【００２１】
光ファイバー２２は、試料Ｓから発せられた光ＣＬを分光測定器１０３に導くためのものであり、図５に示すように、その一端側の光取込口２２ａが、ホルダ本体２０内の試料固定部２１の孔２１１近傍であって、電子線ＥＢ又は透過電子線ＴＢの光路を遮蔽しない位置に固定され、他端側（図示せず）がホルダ本体２０内の基端側ヘ延設されている。さらに、図３に示すように、光ファイバ２２はホルダ本体２０の基端において光ファイバ２７とジョイントされ、該光ファイバ２７が分光測定器１０３に連結されている。勿論、光ファイバ２２と光ファイバ２７を１本の光ファイバとすることも可能である。これにより、光取込口２２ａに入射した光ＣＬが、真空チャンバ１０外の分光測定器１０３にまで導かれるものとなっている。
【００２２】
反射板２３は、例えばミラーや基板にアルミを蒸着したもの等、試料Ｓから発せられるカソードルミネッセンス、即ち、光ＣＬを反射可能なものである。該反射板２３は、図５に示すように、ホルダ本体２０内の先端近傍であって、前記試料溝２１０の下方に所定の傾き角で固定されており、試料Ｓから発せられた光ＣＬを光ファイバ２２の光取込口２２ａに向かって反射する。反射板２３の傾き角は、試料固定部２１の孔２１１と光ファイバ２２の光取込口２２ａとの位置関係によって設定され、図に示すように、孔２１１を通過する透過電子線ＴＢの光路と光ファイバ２２の軸方向とが直交する場合には、水平方向に対して約４５°とすることが好ましい。なお、図５においては、説明の便宜上、試料押えバネ２１２は省略している。
【００２３】
さらに、反射板２３の中央近傍には、電子線ＥＢ又は透過電子線ＴＢを通過させるための孔２３０が穿設されている。該孔２３０の径は、収束された電子線ＥＢ又は透過電子線ＴＢが通過可能な大きさで十分であり、該孔２３０は試料Ｓから発せられる光ＣＬをも通過させるので、収束された電子線ＥＢのスポット径に依るものではあるが、例えば０．１〜０．５ｍｍ程度と可能な限り小さくすることが好ましい。
【００２４】
なお、図５は、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２が試料固定部２１を上側とする姿勢を示しているが、図６に示すように、該試料固定部２１を下側とする姿勢にすれば、電子線ＥＢは試料固定部２１の孔２１１及び反射板２３の孔２３０を通過して試料Ｓに照射され、該試料Ｓの上方に発せられた光ＣＬが反射板２３により光ファイバ２２の光取込口２２ａに反射されることにより、試料Ｓ上方の光ＣＬを観察することができるものとなる。なお、図６においても、説明の便宜上、試料押えバネ２１２は省略しているが、実際には試料Ｓは該試料押えバネ２１２で固定されるので、試料溝２１０から脱落することはない。
【００２５】
また、前記反射板２３は平板であるが、図７に示すように光ファイバ２２の光取込口２２ａを焦点として湾曲された反射板２８を用いることにより、光ＣＬの集光率を向上させることが可能となる。該反射板２８は、光取込口２２ａを焦点とした球面状のものとしてもよいが、収差等の影響を抑制するために、試料Ｓの発光位置と光取込口２２ａとを焦点とする回転楕円面を構成するように湾曲させたものとすることが好ましい。
【００２６】
また、図８に示すように、前記反射板２３と光ファイバ２２の光取込口２２ａとの間に集光レンズ２９を介設することとしても、光ＣＬの集光率を向上させることが可能となる。該集光レンズ２９は、測光波長領域に合わせて、例えば石英製の光学レンズ等を用いることができ、光取込口２２ａ付近を焦点とし、電子線ＥＢ又は透過電子線ＴＢの光路を遮蔽しない位置に設ける。
【００２７】
分光測定器１０３は、光ファイバ２２、２７により導かれた光ＣＬを分光して検出し、該検出値を電気信号として出力するものであり、周知の分光器と、光倍増管や半導体検出器等の測定機器とから構成され、例えば紫外域から赤外域の波長域で光ＣＬの測定を行うことができる。分光測定器１０３からの電気信号はコンピュータ１０４に送信され、コンピュータ１０４内のデータ格納領域（図示せず）に測定値が記憶され、各測定値をプロットしたグラフ又はマッピングした画像等、所望の形式に演算されてモニタに表示される。なお、図１には示していないが、該コンピュータ１０４を汎用コンピュータとして、透過電子線検出器１２の測定値を演算するものと共用可能なことは勿論である。
【００２８】
このように、本実施の形態に係るカソードルミネッセンス分光分析装置１００によれば、透過型電子顕微鏡１０１の真空チャンバ１０の側壁に設けられた挿入孔１３にカソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２を挿入可能とし、試料Ｓから発せられる光ＣＬを光ファイバ２２、２７により真空チャンバ１０外に導いて分光測定器１０３で測定するので、周知の構造の透過型電子顕微鏡１０１を用いて、簡便且つ容易にカソードルミネッセンス分析を行うことが可能である。また、透過電子ＴＢの観察も同時に行い、両者により得られた測定結果を同時に、又は交互に観察することができる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。
透過型電子顕微鏡として日本電子株式会社製のものを用い、本発明に係るカソードルミネッセンス用試料ホルダによりアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のカソードルミネッセンス分析を行った。図９は、波長範囲２００ｎｍ〜１０００ｎｍの測定結果をグラフに表したものであり、縦軸が発光強度（任意スケール）、横軸が波長（単位：ｎｍ）であり、グラフ中、Ｆ−ｃｅｎｔｅｒは酸素空孔からの発光を、Ｆ＋−ｃｅｎｔｅｒはさらに１ケの電子を失った酸素空孔からの発光を示している。測定結果より、発光強度の弱いスペクトルも取得でき、また、良い波長分解能で測定が行えることがわかる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るカソードルミネッセンス用試料ホルダによれば、透過型電子顕微鏡の真空チャンバに挿入可能な中空状のホルダ本体と、ホルダ本体の先端近傍に設けられ、真空チャンバ内において電子線が照射される試料を固定するための試料固定部と、試料固定部近傍に光取込口が位置するようにして、ホルダ本体内の試料固定部近傍から基端側へ延設された光ファイバと、試料固定部と対向位置に配置され、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に向かって反射するとともに、所定位置に穿たれた孔により電子線を通過させる反射板と、を具備するものとしたので、透過型電子顕微鏡に容易に取付可能であって、試料固定部及び集光部をすべて一体に集約したコンパクトな試料ホルダを実現することができる。これにより、既設の透過型電子顕微鏡を用いて簡便にカソードルミネッセンス分析を行うことが可能であり、また、本カソードルミネッセンス用試料ホルダは、透過電子顕微鏡による透過電子の観察を妨げず、透過電子観察及びカソードルミネッセンス分析の併用も可能とする。
【００３１】
また、本発明によれば、前記ホルダ本体は、略円筒状のものであって、ホルダ本体を所定の姿勢に規制するために、透過型電子顕微鏡の真空チャンバに設けられた挿入孔と係合する係止部が外周面に設けられたものとしたので、カソードルミネッセンス用試料ホルダの挿入姿勢が係止部により規制され、電子線に対する試料の傾きを一定に維持することが容易となる。
【００３２】
また、本発明によれば、前記係止部は、ホルダ本体の外周面から突出して、前記挿入溝の形成されたガイド溝と係合するガイドピンであり、ホルダ本体の外周面には該ピンが挿入されるピン孔が、少なくとも、ホルダ本体を試料固定部が上側となる姿勢と下側となる姿勢とに規制する位置に穿設されたものとしたので、ガイドピンの付け替えにより、カソードルミネッセンス用試料ホルダの挿入姿勢が選択可能となり、試料の上方又は下方に発せられる光の分析を任意に選択して観察できる。
【００３３】
また、本発明によれば、前記反射板は、試料から発生した光を光ファイバの光取込口に集光するように湾曲されたもの、好ましくは、試料の発光位置と光ファイバの光取込口とを焦点とする回転楕円面を構成するものとしたので、反射板が試料から発せられる光を光取込口に向かって集光して反射することにより、カソードルミネッセンスの集光率を向上させることができる。
【００３４】
また、本発明によれば、前記光ファイバと反射板との間に、反射板が反射した光を光ファイバの光取込口に集光する集光レンズを介設したので、反射板が反射した光を光取込口に集光することにより、カソードルミネッセンスの集光率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るカソードルミネッセンス分光分析装置１００の概略構成を示す模式図である。
【図２】挿入孔１３の断面形状を示す断面図である。
【図３】  (a)は、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の平面図であり、(b)は、カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の断面図である。
【図４】試料固定部２１付近の拡大斜視図である。
【図５】カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の先端付近の構造を示す模式図である。
【図６】カソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の先端付近の構造を示す模式図である。
【図７】別形態のカソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の先端付近の構造を示す模式図である。
【図８】別形態のカソードルミネッセンス用試料ホルダ１０２の先端付近の構造を示す模式図である。
【図９】実施例によるアルミナのカソードルミネッセンス測定結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１００  カソードルミネッセンス分光分析装置
１０１  透過型電子顕微鏡
１０２  カソードルミネッセンス用試料ホルダ
１０３  分光測定器（分光測定手段）
１０４  コンピュータ（演算表示手段）
１０  真空チャンバ
１３  挿入孔
１３ａ  ガイド溝
２０  ホルダ本体
２１  試料固定部
２２、２７  光ファイバ
２２ａ  光取込口
２３、２８  反射板
２３０  孔
２５ガイドピン（係止部）
２６  ピン孔
２９  集光レンズ
【図１】
0003718818.tif 000002
【図２】
0003718818.tif 000003
【図３】
0003718818.tif 000004
【図４】
0003718818.tif 000005
【図５】
0003718818.tif 000006
【図６】
0003718818.tif 000007
【図７】
0003718818.tif 000008
【図８】
0003718818.tif 000009
【図９】
0003718818.tif 000010