JFE 技報 No. 13（2006 年 8 月）p. 5–8

極低加速走査電子顕微鏡（SEM）による鋼板表層の微細構造観察技術
An Obser vation Technique of Fine Structures on Steel Surfaces
by Ultra-Low-Voltage Scanning Electron Microscopy
河野崇史 KAWANO Takashi

名越正泰

JFE スチール

スチール研究所

分析･物性研究部

主任研究員（副課長）・博士（工学）

NAGOSHI Masayasu

JFE スチール

スチール研究所

分析･物性研究部

佐藤馨

主任研究員（副部長）・博士（理学）

SATO Kaoru

JFE スチール

スチール研究所

分析･物性研究部長・Ph.D.

要旨
著者らは，極低加速走査電子顕微鏡（SEM）による鋼板表面の微細構造評価技術を確立してきた。本報では，極低加速電圧による実材料表面の観察例を示し，極低加速電圧領域での SEM 観察の特長について述べる。極低加速 SEM 観察では，入射電子の試料への侵入深さが浅くなることによる表面感度の向上，入射電子の試料内での広がりの低減による実効的分解能の向上といった利点がある。さらには，異なる二次電子検出器を使い分けることで，表面の物質情報と形状情報を分離して取得することができる。以上の特長を駆使することで，鋼板表面の数 10 nm 以下の物質や構造を評価することができた。

Abstract:
The authors have developed an observation technique of fine structures on steel surfaces by ultra-low-voltage
scanning electron microscope (SEM). The ultra-low-voltage improves the surface sensitivity by the reduction of thepenetration depth of incident electrons, and the effective spatial resolution by the reduction of spread volume.
Chemical and topographic information on material surface are obtained separately by using two kinds of secondary
electron detectors. The information on the surface structures of the order of a few tens of nanometers or less iseffectively obtained by the ultra-low-voltage SEM observation.

入射電子の試料内での広がりを小さくすることが重要であ

1. はじめにる。試料内での電子線の広がりを抑えるためには，加速電圧を低くすることが有効である。低い加速電圧での SEM

自動車，家電，缶などに用いられる薄鋼板に求められる観察は，表面感度が向上するという利点が着目され，その1,2)。低加速電圧を実現する方特性には，塗装性やめっき性さらには加工時の摺動性など，試みは古くからなされている表面の物質や形状に左右されるものが非常に多い。優れた法は Müllerová によるレビューがある 。しかしながら，表面特性を有する鋼板を開発するには，その表面形態を正低い加速電圧で電子線を細く絞ることは技術的なハードル確に把握することが重要である。近年，より優れた鋼板表が高く，SEM の高空間分解能化という点ではむしろ，高い3)面特性が求められるに応じて，表面制御のために把握すべ加速電圧において電子線を細く絞る方向に指向されてきた。

き形状や厚さのスケールは数 10 nm かそれ以下のレベルにこのため，通常，SEM 観察は加速電圧 10 kV 以上で行われなってきた。

ることが圧倒的に多い 。また，エネルギー分散型 X 線分4)走査電子顕微鏡（SEM）は，広い観察倍率レンジ，深い光法（EDS）などの分析のために 10 kV 以上の加速電圧が焦点深度，試料調整の容易さに加え，X 線分析や電子後方好ましいことも，10 kV 以上の加速電圧が多く利用される散乱図形などの充実した付加機能を有するなどの利点かもうひとつの大きな理由である。
近年，1 kV 以下でも高い分解能を実現する装置が市販さら，鋼板表面の評価手法として最も基本的な手法のひとつとなっている。SEM 観察において，高い空間分解能を得るれるようになり，極低加速電圧領域を利用した SEM 観察ためには入射電子のプローブ径を小さくすること，加えてに期待が持たれるようになった。
（本報では，1 kV 以下の− 5 −極低加速走査電子顕微鏡（SEM）による鋼板表層の微細構造観察技術

加速電圧を「極低加速電圧」と記述する。
）著者らは，こ約 40 nm）を加速電圧 10 kV から 0.5 kV まで変えてインレのような SEM にいち早く着目し，極低加速電圧領域におンズ検出器で観察した結果である。10 kV ではカーボン薄ける鋼板表面の SEM 観察技術を構築してきた

4,5)

。本報で

膜はほとんど見えず，基材である Cu メッシュが観察されは，極低加速 SEM の特徴を端的に示す鋼板表面の観察例，る。これに対し，加速電圧を下げるにつれてカーボン薄膜さらに検出器の選択により異なる表面情報を取得した例をが見えるようになり，0.5 kV ではカーボン薄膜の存在する示し，実用材料極表層の微視的な均一性，不均一性を評価

部分では Cu メッシュはもはや見えなくなる。
Photo 1 の下段の図は，厚さ 40 nm のカーボン薄膜に覆する際の極低加速電圧 SEM 技術の有用性について述べる。

われた Cu に対して入射電子の軌跡をモンテカルロシミュ

2. 装置

レーションにより計算した結果である。加速電圧 10 kV の入射電子は表面のカーボン薄膜よりもはるかに深い領域ま本 報 の 実 験 に は，ド イ ツ LEO Elektronenmikroskopieで達しており，放出される二次電子は Cu の情報を多く含GmbH（現 Carl Zeiss NTS GmbH）製のショットキー型むものになる。これに対し，加速電圧 0.5 kV では，入射電SEM である LEO1530 を用いた。本装置は，電子線が陰極子の広がりは表面のカーボン薄膜内に抑えられており，から試料に達するまでにクロスオーバーを作らない磁場 電場複合型レンズ6)を有することが特徴で，加速電圧はカーボン薄膜のみ，即ち極表層に限定した情報が得られることが分かる。

0.1 kV から 30 kV の間で容易に変化させることができる。

Photo 2 は， 焼 鈍 後 の 冷 延 鋼 板 の 表 面 を， 加 速 電 圧

通常の光学系と異なり極低加速電圧領域でも電子線を細く0.5 kV と 5 kV で観察した結果である。二次電子の検出に絞ることができ，加速電圧 1 kV で空間分解能は 2 nm 以下はインレンズ検出器を用いた。加速電圧 0.5 kV での二次電に達する。また，いわゆるインレンズ SEM のように試料子像では，5 kV の像では見られないコントラストが生じてが対物レンズの磁場中に置かれるタイプではないので，鉄いる。このコントラストは，鋼中添加元素が焼鈍時に表面鋼材料のような磁性材料の観察にも適している。本装置は，濃化して形成された厚さ数 10 nm の酸化物に起因するもの

鏡体内に配置された環状の二次電子検出器（以下，インレであることが，オージェ電子分光法（AES）などの他の分ンズ検出器）と，一般的に SEM で用いられる Everhart-析手法と組み合わせることで確認できている。

Thornley 二次電子検出器（以下，ET 検出器）を有しておPhoto 2 で示したような薄い酸化物の存在やその分布状り，同一観察領域から異なる情報をもった信号を検出でき

況は，これまでは時間のかかる AES の元素マッピングなどる。

を行って初めて認知され得るものであった。本観察例は，従来は表面分析手法に頼らざるを得なかったレベルの極表

3. 極低加速電圧の意義
3.1

面の組成不均一性の評価を，極低加速電圧による表面敏感な SEM 観察で一部代替できる可能性を示している。

情報深さ

極低加速電圧観察の最大の特長は，表面敏感になること(a)である。Photo 1 は，Cu メッシュ上のカーボン薄膜（厚さ10 kV

3 kV

0.5 kV(b)
100 µmPhoto 1 Secondary electron images of carbon thin film on Cumesh observed with an accelerating voltage of 10 kV,
3 kV, and 0.5 kV (Lower fi gure: The penetration
range of primary electrons (10 kV, 3 kV, and 0.5 kV)
calculated for carbon film (thickness 40 nm) on Cu byMonte Carlo simulation)
JFE 技報 No. 13（2006 年 8 月）

− 6 −500 nmPhoto 2Thin oxide layer on steel surface observed the same
area with an accelerating voltage of (a) 0.5 kV and (b)5 kV

極低加速走査電子顕微鏡（SEM）による鋼板表層の微細構造観察技術

3.2

知るためには重要なことである。

実効的分解能3.1, 3.2 項で示した結果は，一般的に用いられる 10 kV 以

Photo 1 のシミュレーションからも分かるように，極低加上の高い加速電圧では，表面の数 10 nm 以下の物質や構造速電圧では入射電子の表面平行方向の広がりも小さくなは見落とされる可能性の高いことを意味しており，ナノレる。これは，材料表面を観察する上で，実効的な空間分解ベルの極表層の形態に着目する場合には，低い加速電圧で能の向上に繋がる。の観察が不可欠であることが分かる。

Photo 3 は，微細な結晶粒を有する鋼板表面の二次電子像である。同一視野を加速電圧 0.5 kV，5 kV，15 kV で ET4. 二次電子検出器の選択検出器を用いて観察したものを示している。0.5 kV という
Photo 4 に，加速電圧 0.5 kV でインレンズ検出器と ET

低い加速電圧では，粒界に存在する微粒子などの微細構造が明瞭に観察されていることが分かる。これに対し，加速検出器の二つの異なる二次電子検出器を用いて，鋼板表面電圧を高くするに従い，入射電子の試料内での広がりが大の腐食生成物を観察した例を示す。二つの像は，同一視野きくなることにより，微細な形態の認識が困難となる。の同じ加速電圧の SEM 像であるにもかかわらず，まった

通常，SEM の分解能は入射電子のプローブ径が指標とく異なるコントラストを示している。インレンズ検出器でして用いられ，実験的には，孤立した蒸着 Au 粒子の観察は，表面の物質の違いを反映しており，紐状の腐食生成物により評価されることが多い。しかし，実際の材料では，が暗いコントラストで観察されている。一方，ET 検出器はたとえプローブ径が小さくとも，高い加速電圧では入射電表面の形状を反映した像をもたらしており，帯状の腐食生子の試料内部での広がりが大きくなるため，材料表面の観成物が鋼板上に盛りあがって存在している様子を明瞭に知察では実効的な空間分解能は Au 粒子の場合と比べて大幅ることができる。に低下する。したがって，本観察例のように，加速電圧を鏡筒内に配置されたインレンズ検出器は，主として，試下げ入射電子の広がりを小さくすることは，実効的な分解料から放出される二次電子の中でも特に低い数エレクトロ能を向上させる点で有効であり，材料表面の実態を正確にンボルト程度のエネルギー領域の二次電子が，相対的に高い確率で取り込まれるように設計されている。インレンズ検出器により得られる SEM 像が表面の物質の違いに敏感(a)であるのは，検出される低エネルギーの二次電子の放出特性が，放出面の仕事関数や局所的な電荷蓄積による表面ポテンシャルの変化の影響を受けやすいためであると考えられる。ここで重要なのは，表層の物質が二次電子像におけるコントラストの違いとして明瞭に区別できるのは，極低加速電圧により表面敏感な観察が実現されているからであ
(b)

(a)

(c)

(b)

1 µm

1 µm

Photo 4 Corrosion products on steel surface observed withan accelerating voltage of 0.5 kV using (a) in-lensdetector and (b) ET detector

Photo 3 Surface fine structure of the same area of a steel
sheet obser ved with an accelerating voltage of(a) 0.5 kV, (b) 5 kV, and (c) 15 kV− 7 −JFE 技報 No. 13（2006 年 8 月）

極低加速走査電子顕微鏡（SEM）による鋼板表層の微細構造観察技術るという点である（Photo 2）。

察例を示し，極低加速電圧領域での SEM 観察には，以下これに対し，従来多用されてきた ET 検出器では，検出される二次電子のうち物質の状態に敏感な低エネルギーののような利点があることについて述べた。
(1) 入射電子の試料への侵入深さが浅くなることで，表面二次電子の割合が低いので，表面形状によるコントラストが支配的になる。加えて，ET 検出器では，試料の斜め上感度が向上する。
(2) 入射電子の試料内での広がりが低減することで，実効方に位置することから生じる投影効果も表面形状を強調す的な空間分解能が向上する。
(3) 異なる二次電子検出器を使い分けることで，表面の物る上で有効に働いていると考えられる。
以上のように，検出器の特性により得られる情報は大き質情報と形状情報を分離して取得することができる。

く異なる。上記以外にもさまざまなタイプの検出器がある

以上の特長を駆使することで，従来の SEM 観察条件でが，その一例として，阻止電場方式のエネルギー選別によは不可能であった鋼板表面の数 10 nm 以下の物質や構造をり反射電子成分を選択的に検出できる検出器があげられ
7)評価することができた。ただし，低加速電圧の利点が大きる 。このような検出器を有する極低加速 SEM では，加速いといえども，従来用いられてきた 5 kV 以上の加速電圧領

電圧 1 kV 以下での反射電子像観察を行うことができる。

域が不要になったというわけではない。極低加速電圧領域

反射電子像は，材料表層の原子番号や密度を反映し像解釈から数 10 kV までの幅広い加速電圧で，目的に応じた加速が比較的容易であるため，材料極表面観察において本論文電圧を選択することが重要である。さらには，検出器の選で述べたものとは異なる新たな極表面情報を取得できる。

択性も組み合わせた，高い自由度での観察が今後の SEMの新しい利用方法であると考えている。

5. 極低加速 SEM の課題と展開
極低加速 SEM 技術に関して議論いただいた Carl Zeiss
3 章で述べたように，極低加速電圧領域の利用により，表面感度および実効的分解能が向上する。一方で，得られNTS GmbH Dr. H. Jaksh，エスアイアイ・ナノテクノロジー（株）海老澤正晴氏，立花繁明氏に感謝いたします。

る情報が多くなった裏返しとして，得られた像を正しく解釈することの重要性が増している。4 章では，異なる検出器を使い分けることで，表面の物質情報と形状情報を分離して取得できることについて紹介したが，像を正しく解釈するには，このように，検出器の特性を考慮し，それによりどのような情報がもたらされているかを把握することが重要である。
極低加速電圧による観察では表面感度が向上するため，試料表面汚染の影響が大きい。試料汚染は，試料そのものに起因するものが多いが，SEM チャンバー内壁や試料ステージの汚染による影響も大きい。それらの汚染除去，防止方法を確立することが課題として上げられる。
極低加速電圧領域の利用により入射電子の試料内での広がりが抑えられることは，EDS の分析において特性 X 線の発生領域を小さく抑えられることを意味し，分析の点から

参考文献
1） Soezima, H. Surface Sci. vol.86, 1979, p. 610.
2） Reimer, L. Image Formation in Low-Voltage Scanning ElectronMicroscopy. Bellingham, Washington USA, SPIE Optical Engineering
Press, 1993.
3） Müllerová, I.; Lenc, M. Ultramicrosc. vol. 41, 1992, p. 399.
4） 佐藤馨，名越正泰，河野崇史，本間芳和．応用物理．vol. 73, 2004,
p. 1328.
5） 名越正泰，河野崇史，佐藤馨．表面技術．vol. 54, 2003, p. 31.
6） Frosien, J.; Plies, E.; Anger, K. J. Vac. Sci. Technol. B7, 1989, p. 1874
7） たとえば，入手先〈http://www.smt.zeiss.com/〉，（参照 2006-05-18）．
8） Sakurada, T.; Hashimoto, S.; Tsuchiya, Y.; Tachibana, S.; Suzuki, M.;
Shimizu, K. J. Surf. Anal. vol. 12, 2005, p. 118.
9） Wollman, D.A.; Irwin, K.D.; Hilton, G.C.; Dulcie, L.L.; Bergren, N.F.;
Newbury, D.E.; Martinis, J.M. Electron Microscopy 1998. ICEM14.
Cancun, Mexico, vol.III, 1998, p. 573.
10） 大久保雅隆．応用物理．vol. 72，2003，p. 1057．
11） 田中啓一，永田篤志，篠山則生，中山哲，池田正則，師岡利光，茅根一夫，満田和久，森田うめ代，石崎欣尚．TXRF 2003，2003，p. 189．

8)も表面感度の向上，空間分解能の向上が期待される 。ただし，加速電圧を数 kV まで下げた場合，励起できる特性X 線が限られてしまうため，現行の X 線検出器では感度やピーク分離性の点で課題があり，用途が限定されているのが現状である。今後，低エネルギー領域で十分な感度とエネルギー分解能を有する X 線検出器の開発が進めば9〜11)，極低加速電圧領域での分析がより強力なツールとなることが期待される。

6. おわりに本報では，極低加速電圧 SEM による実用材料表面の観JFE 技報 No. 13（2006 年 8 月）

− 8 −

河野 崇史

名越 正泰佐藤馨