SEM 観察、EDS 分析と検出器更新の紹介○沢田 義治 ・ 高寺 絹代
東海国立大学機構岐阜大学高等研究院全学技術センター科学研究基盤技術支援室

東海国立大学機構岐阜大学機器分析分野にて管理・運用する電界放出型走査電子顕微鏡 （FESEM； s-4800）は文部科学省 令和２年度第二次補正予算「先端研究設備整備補助事業 (研究活動再開等のための研究設備の遠隔化・自動化による環境整備)」により遠隔観察画面共有システム(ExTOPE EM)を導入した. また, 内閣府「令和２年度国立大学イノベーション創出環境強化事業」が岐阜大学に採択され, 本装置に付随するエネルギー分散型 X 線分析装置 (EDS) を更新し, 新機能が付加された. 更に, 本年度文部科学省 「先端研究設備整備補助事業(コアファシリティ構築支援プ
ログラム)」に採択され, 本装置で使用できる使用できるイオン液体等を得た. 上記３事業により機能強化された中で, EDS の迅速な分析, 新機能を紹介するとともに現在, 有効活用している遠隔機能等について紹介する。

Key Words : Scanning Electron Microscope (SEM), Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), 遠隔観察画面共有システム (ExTOPE EM), イオン液体 (IL-1000, IL-2000)

１．はじめにb)a)

東海国立大学機構岐阜大学高等研究院科学研究基盤センター機器分析分野では走査型電子顕微鏡, 計 3
機種を管理・運用している. 1 台は熱電子銃を搭載したc)

日立ハイテク製の S-3000N, 残る 2 台が電界放出型電子銃を搭載した日立ハイテク製の S-4300 と S-4800 であるが (図 1), それぞれ対物レンズにアウトレンズ型, セミインレンズ型を搭載している. セミインレンズ型 SEM はス
テージ駆動にトラックボールを用いたモーター制御により直感的に観察ができかつ高い分解能での観察が簡便

図１； 機器分析分野運用の走査型電子顕微鏡にできる. このため, この３機種の中での使用頻度は S-a) S-3000N, b) S-4300, c) S-4800

4800 が最も高い. 本装置は文部科学省 令和２年度第岐阜大学に採択された中で, 本装置に付随する老朽化二次補正予算「先端研究設備整備補助事業(研究活動していたエネルギー分散型 X 線分析装置 (EDS)を更新再開等のための研究設備の遠隔化・自動化による環境することができ, 新機能が付加された. 更に, 本年度文整備)」により ExTOPE EM を導入した. また, 内閣府「令部科学省にて採択された, 「先端研究設備整備補助事

和２年度国立大学イノベーション創出環境強化事業」が業(コアファシリティ構築支援プログラム)」により走査型電子顕微鏡で試料作成に使用するイオン液体等を得た.

できるためである. しかし, 電子線を用いるので, 測定今回, 上記インセンティブにより機能強化した SEM につ対象物を入れる試料室などは真空に保つ必要がある.

いてその内容を紹介する.

現在, 電子顕微鏡は目的に応じて何種類も開発されているが, 透過型電子顕微鏡 (Transmission Electron

２．走査電子顕微鏡の特徴

microscopy, TEM) と 走 査 型 電 子 顕 微 鏡 (Scanning

電子顕微鏡は電子線により測定対象の拡大像を得る

Electron Microscopy, SEM) に大別される. この中で走ための分析装置である. 電子線の波長は非常に短く,

査型電子顕微鏡 (SEM) は, 真空中で細く絞った電子光学顕微鏡より高い倍率での観察が可能である. また,線を試料表面上で走査し, この表面上から出る信号を走査電子顕微鏡 (SEM) では①焦点深度が非常に深く情報として検出し, 画面上に表示する顕微鏡である. 真

立体的な形態観察が可能, ②数十倍～数万倍以上の空中で試料に電子線を当てると反射電子の他, 2 次電子倍率で観察可能などの, 特徴があり,幅広い研究分野でや特性 X 線やカソードルミネッセンスなどが放出される使用されている.

が, 通常の観察では主に 2 次電子と反射電子を用いて測定対象を拡大して見る場合, 分解能が重要である.

検出し画像を観察する事が多い.

分解能とはどこまで細かく分離して識別できるかという2 次電子は, 試料の極表面から発生する電子のことで能力のことであるが, 我々人間の目はだいたい 100 mあり, この電子により得られた像を 2 次電子像といい, 試の分解能を持っていると言われている. これよりも小さ料の微細な凹凸情報を有している. 一方反射電子は,な測定対象を観察する場合に光学顕微鏡や電子顕微試料を構成する原子に当たりはね返された電子のことで,鏡を用いる. 光学顕微鏡においては測定対象に対し反射電子数は原子番号により異なるため, 組成分布情光を当てて物理レンズを使用して像を拡大して観察す報を反映した像が得られるという特徴がある. また, エネる. 一方, 電子顕微鏡は測定対象に電子線を当ててルギー分散型 X 線検出器 (Energy dispersive X-ray

磁界レンズにより像を拡大し観察する (図 2).

spectroscopy, EDS) や 波 長 分 散 型 X 線 検 出 器(Wavelength dispersive X-ray spectroscopy, WDS) などの検出器を用いることにより元素分析を行うができる.

３．試料前処理の重要性
走査電子顕微鏡観察ではアルミニウム試料台等の上にカーボンテープや導電性ペーストを用いて試料を固定する. 導電性の高い試料の場合, そのまま観察することができるが, 非導電性試料の場合は試料表面に導電性のコートを施す必要がある.
これは, 非導電性試料をそのまま観察した場合, チャージアップ現象が起こり, 測定ができないためである.
図 2； 光学顕微鏡と電子顕微鏡の構造の違い

チャージアップ現象とは入射電子線の負電荷が非導電性試料表面上に堆積し, この部分の電位が変化するた

電子顕微鏡観察の光学顕微鏡観察に対する優位性
は倍率以上に分解能である. これは光学顕微鏡が目に見える可視光線により観察するのに対し, 電子顕微鏡では波長が非常に短い電子線を使用しており光の波長よりも短い凹凸情報等を分離して認識することがめに起こす像障害のことである.
導電性を付与する方法として, これまで機器分析分野
で は オ スミ ウ ム (Os) コ ー タ ー （ メイ ワ フォ ー シ ス製
Neoc-ST ） , カ ー ボ ン コ ー タ ー ( メ イ ワ フ ォ ー シ ス 製

CADE-EHS) やスパッタコーター (白金、日立ハイテクa)b)c)d)

製 E-102) が使われてきた。本年度は新たな導電性付与の方法として, 日立ハイテク製の IL-1000 と IL-2000を購入し, 利用している.

a)

b)

c)

d)

図４； 電子顕微鏡観察の例 a) SEM 導入前の観察準備状況 b) チャージアップした像 c) Os コートして得られた像 d ) IL-1000 により導電性を付与しえられた像

４．アルミニウム箔加工面の観察
当分野では, 無機酸化物の粉体や形成物, 金属の表
図３； 前処理装置の例 a) Os コーター b) カーボンコーター c) 白金コーター d) イオン液体

面や加工面の観察が多い. そこで, 今回, SEM 観察のための試料準備スキルを身につけるため普段の生活でよく使用されているアルミニウム箔とラミネートを試料とし,実際の SEM 観察では, 図４a) 右のようなアルミニウム試料台にカーボンテープ等で固定することが多いが,図４a) 左に示す冶具を用いて高さ調整を行い SEM の試料室の中に導入する。非導電性試料を前処理することなく電子顕微鏡観察すると図４b) のようにチャージアップ現象がしばしば生じる. また, 酸化金属の微結晶もチャージアップ現象を起こすがオスミウムコートすることでこの現象を抑制し, 図４c) のような観察像を得ることができる. 一方, 生物試料はチャージアップ現象を起こしやすく, 処理が雑であると真空にする過程で収縮してしまい, 本来の形状のまま観察することがしばしば困難である. このような場合, イオン液体に試料を漬け込むことで試料に導電性をもたせ, 植物の花粉を短時間の観察することができ, 収縮現象なくチャージアップ現象も抑制し画像を得ることが可能である (図 4d) ) .

観察用の各種断面試料を作製し SEM 観察を行ったので報告する.
日常生活で, 断面を作製する際は, 薄いものであればハサミやカッターにより切断し, 分厚いものであればのこぎり等を使用することがある.
今回は, アルミ箔を短冊状に切り出し, ラミネートで挟み, ①ハサミによる切断面, ②カッターによる切断面, ③
当分野管理運用装置のダイヤモンドワイヤソー（メイワフォーシス製 DWS3242）による切断面を比較した. そのう
えで, 断面観察に使用される ④樹脂包埋法による断面観察像を得たので比較する (図 5 ).

a)b)a)

b)

c)d)

c)

d)

図５； 2 次電子像 a) ハサミによる切断面観察像 b)

図６； EDS 分析での Al 分布イメージング像 a) ハサミ

カッターによる切断面観察像 c) ダイヤモンドワイヤソーによる切断面 b) カッターによる切断面 c) ダイヤモンドによる切断面観察像 d) 樹脂包埋法による断面観察像

ワイヤソーによる切断面 d) 樹脂包埋法による断面2 次電子観察においてはアルミ箔が中心に配置される①ハサミによる切断では, 全くアルミ箔由来の Al を検ように視野を移動し観察を行った. しかし, ①ハサミによ出することができなかった. ②カッターによる切断面では,る切断では中心部の凹凸が激しく, ③ダイヤモンドワイ

アルミ箔層は約 12 m 程度の厚みとして観察された.

ヤソーによる切断では微細なダイヤモンドによるサンプ

また, アルミ箔自体が剥離していることも確認できた. ③ルの砥粒が発生し, アルミニウム箔層は認識できなかっ

ダイヤモンドワイヤソーによる切断では, ダイヤモンドワた. 一方, ②カッターによる切断では凹凸の発生が抑制

イヤーの切削方向が一定方向ではなく両方向であるた

され, ラミネート層とアルミニウム箔らしい層を確認をする

め, Al がかすかに検出されることが確認できた. これらにことができた. 更に, ④樹脂包埋法による断面作成にお対し, ④樹脂包埋法ではアルミ箔層は約 23 m の厚み

いてはアルミ箔層とラミネート層の違いは明白だが, ラミで観察されたが, そのアルミニウム箔自身の表面は意外ネート層の硬外面と内側の粘着面の層の違いのみならに凹凸があることがわかった.

ず包埋樹脂層の境界面を確認することができた. また,しかし, ③のダイヤモンドワイヤーによる切断の条件はアルミ箔層の厚みは, ②カッターによる切断面は, ④樹

ダイヤモンドワイヤーを水につけながらカットする方法で脂包埋による断面と比べ極端に薄いように見える事がわ

はなくドライな条件でカットを行い, 熱によりラミネートをかった.

構成する樹脂が変形を受けたため, きれいな切断面を2 次電子象観察の考察は以上のとおりであるが, アル作製することができなかった可能性があり, 今後切断速ミ箔層が確認できなかった ①ハサミ切断, ③ダイヤモン度等を含めて条件を検討をする必要があると考えている.

ドワイヤソー切断を含め, すべての断面について,特性このようにして, ２次電子による観察のみならず, 特性 X

X 線検出器 (EDS) による元素分析を行い, 確認するこ線検出器(EDS)を用いて元素情報をイメージング像としととした. 図６に検出された Al K線によるイメージングて確認することにより, 試料の組成情報を視覚的に得る像を示す.

ことができる.
今回使用した走査電子顕微鏡 S-4800 には, 内閣府「令和２年度国立大学イノベーション創出環境強化事業」
により, 最新型の EDS 検出器 Ultim MAX 100 (OxfordInstruments 製) を整備することができた. この検出器は

シリコンドリフト型により液体窒素冷却を必要としない上,

図８； 観察状況共有機能（ExTOPE EM）の概要

検出素子感度の飛躍的な向上や, 素子面積の大面積化により, 以前設置していた旧型検出器よりも格段に感これらの機能を用いて SEM による学外受託試験を令度が向上している. この事によりこれまでの全面検出

和 2 年度, 3 年度の 2 年間で計 12 件 実施し活用して(Analyser) 、 指 定 １ 部 検 出 (point & ID), マ ッ ピ ン グいる. (令和 2 月 1 日時点)

(map) だけでなく, EDS 像によるその場観察が可能となり, SEM 観察と同時に視野移動をしてリアルタイムで,以上, 新たに S-4800 に付加した機能を用い分析を行EDS 観察像を得ることが可能となった (ライブケミカルイ

うことで, 本装置学内外の研究・開発に貢献していきた

メージング; AZtec Live). 本機能は書面では詳細を紹介

い.

できないので発表では動画再生により紹介する.
謝辞
本発表をするにあたり熱硬化性樹脂包埋法のご教授, ならびに研磨装置の使用を許可くださった工学部の櫻田修教授,研究マインドを活かした研究支援遂行をご支持いただいた
田中香お里 科学研究基盤センター長, 当分野の木内一壽
分野長, 本稿の作成を支えてくださった岐阜大学高等研究院科学研究基盤センター機器分析分野のスタッフに, この場をお借りして深謝いたします.

図７； ライブケミカルイメージング実行中の１コマ
参考文献
また、ソフトウェア機能を充実させたことにより、異物等の粒子を解析できる自動粒子解析システムを備えている.
さらに, with コロナ, post コロナにおける研究現場で必要とされる自動機能や遠隔機能として, 自動かつ大面積での 2 次電子, 反射電子観察し像取得すること （ZigZag 観察） が可能だけでなく, EDS 像も自動大面積イメージング (Large Area Mapping) が可能であり, 遠隔地との観察画面共有機能 （ExTOPE EM） も付属している.

1） 堀内茂雄, 弘津貞彦, 朝倉健太郎 共著 電子顕
微鏡 Q & A

2） 株式会社日立ハイテク SEM と友だちになろう