133
Center of Advanced Instrumental Analysis, Kyushu University

センターニュース
vol.36 No.1, 2017

ENTERNEWS134

vol.35 No.3, 2016

九州大学中央分析センター

センターニュース

Center News 133

vol.35
No.3, 2016

九州大学中央分析センター

分析機器解説シリーズ（134）

拡がる Ar イオンミリングの可能性 ～イオン液体を利用した冷却加工から、三次元再構築まで～. ............
株式会社日立ハイテクノロジーズ アプリケーション開発部

坂上万里、金子朝子、塩野正道
電子顕微鏡第二設計部

Center of Advanced Instrumental Analysis, Kyushu University
分析機器解説シリーズ（134）

1

高須久幸

九州大学中央分析センター

センターニュース

UV クリーナーによる電子顕微鏡サンプルの清浄化 ～試料本来の構造を高分解能観察・分析するために～.........
株式会社日立ハイテクノロジーズ アプリケーション開発部

5

竹内秀一、砂押毅志

電子顕微鏡第二設計部

高須久幸

Center of Advanced Instrumental Analysis, Kyushu University
分析機器解説シリーズ（134）vol.36 No.1, 2017

134
E拡がる
N Arイオンミリングの可能性
TERセンターニュース
NEWS～イオン液体を利用した冷却加工から、三次元再構築まで～

株式会社日立ハイテクノロジーズ アプリケーション開発部 坂上万里、金子朝子、塩野正道
電子顕微鏡第二設計部 高須久幸

1

はじめに

九州大学中央分析センター

イオンミリング装置は、走査電子顕微鏡（SEM）などの試料前処理法として幅広い分野の試料断面および平面を作製する装置として活用されている。金属や電子デバイスなどのハード材料のみならず、最近では高分子材料への活用が広がっている。イオンミリング装置は、真空中に設置した試料に数 kV に印加した Ar イオンを照射し、照射したイオンが試料から原子や分子を弾き飛ばすスパッタリング現象を利用して、試料を削る加工方法であり、応力の影響を回避した加工が可能である。[1] 遮蔽版を介したイオンビーム照射や、試料の回転・反転・連続傾斜によりビーム照射角度を変えることで、結晶方位や組成によるミリングレート差に起因する凹凸の発生を抑え、1～5 mm 程度の広い加工領域が得られる。[2] 日立ハイテク
ノロジーズ製イオンミリング装置 IM4000PLUS（図1）は断面および平面ミリングを1台の装置で可能とするハイブリット装置である。今回、断面および平面の各イオンミリングの応用加工事例として、冷却断面加工および、広領域平面連続加工による三次元再構築について紹介する。
【主な仕様】
使 用 ガ ス ： Ar（ アルゴン）ガス
加 速 電 圧 ： 0〜6kV
加工レ ート ： 500μm ／ hr @ 6kV（断面ミリング、材料 Si ）図1 IM4000 PLUS の装置外観1

分析機器解説シリーズ（134）2

冷却断面加工事例のご紹介

高分子材料などの低融点試料をイオンミリング装置で加工する際、イオンビーム照射による試料の温度上昇による構造変形の可能性が生じる（熱ダメージ）。熱ダメージによる変形の・回避策として試料冷却は有効な手段である。液体窒素を用いた試料冷却機能 [3] は、任意の冷却温度に設定し、断面加工することが可能である。

および冷却断面加工を行ったおよび冷却断面加工を行った結果を図結果を図イオン電池用セパレータへの適用例を示す。冷却無し、および冷却断面加工を2 に示す。冷却無しの断面加工
冷却無しの断面加工では、微細なフィラメント構造高分子材料への冷却断面加工例として、Li行った結果を図2に示す。冷却無しの断面加工では、微細なフィラメント構造が熱の影響によって切れているのが確認できるが熱の影響によって切れているのが確認できるが熱の影響によって切れているのが確認できる（図 2a））。これに対し、冷却
対し、冷却断面加工
断面加工では、最表面のでは、最表面の（図2a）。これに対し、冷却断面加工では、最表面の微細なフィラメントが切れずに残存しており、微細高分子繊維で構成さ微細なフィラメントが切れずに残存しており、微細高分子繊維で構成されるセパレータの構造が明瞭れるセパレータの構造が明瞭に観察され、試料冷却の効果が確認できる（図2b）。に観察され、に観察され、試料冷却の効果が確認でき冷却の効果が確認できる(図
冷却の効果が確認でき 図 2b)。
フィラメント構造のダメージ
フィラメントのダメージ

冷却無しイオンミリング
冷却無しイオンミリング

図2

冷却イオンミリング
冷却イオンミリング

L i イオン電池セパレータ断面の観察結果

・加工装置：IM4000PLUS、加速電圧：3.5kV、加工時間：3 hr、冷却温度：-70℃
図2.Liイオン電池セパレータ断面の観察結果
イオン電池セパレータ断面の観察結果
・観察装置 ：SU3500、加速電圧：5 kV、観察倍率： x3000、 二次電子像・加工装置
加工装置：IM4000PLUS
IM4000PLUS、加速電圧、加速電圧：：3.5 kV、加工時間、加工時間：33 hr
hr、冷却温度、冷却温度：-70℃・観察・観察装置：SUSU3500、加速電圧、加速電圧：5 kV
kV、観察倍率：： x3000、二次電子像
二次電子像

一方、高分子材料等の低融点材料の加工では試料自身の熱伝導率の低さに起因して、試料冷却のみでは十分に熱ダメージを低減できない場合がある。試料冷却効果を高くするために、導電付与材として使用されるイオン液体（日立電子顕微鏡用イオン液体 IL1000）[2] を冷却加工時の熱伝導補助材として使用し、中空糸および植物（ローズマリー）に応用した例を紹介する。試料はカミソリでトリミングし、イオン液体（10 ％ IL1000）を滴下した後、断面加工を実施した。中空糸のイオン液体処理有無の断面加工の比較結果を図3に示す。イオン液体を用いて断面加工を行った SEM 画像（図3（a））では、試料内部にイオン液体が残存し、断面構造が不明瞭である。この加工面を水で洗浄しイオン液体を取り除いた断面（図3（b））
では、熱ダメージによる変形は見られず中空構造が明瞭に確認できる。これに対し、イオン液体を用いず断面加工を行った
場合（図3（c））は、熱ダメージにより繊維が繋がり（繊維が溶着し）、微細な中空構造が確認できず、イオン液体が冷却断面加工に有効であることが確認できた。

(a)

( b)

イオン液体処理（洗浄前）(c)

イオン液体処理（洗浄後）

イオン液体未処理

図3 中空糸断面の観察結果
・加工装置：IM4000PLUS、加速電圧2 kV、加工時間3 hr、冷却温度 -70℃
・観察装置：SU8200、加速電圧0.5 - 1.0 kV、観察倍率×10,000、二次電子像維管束 2

分析機器解説シリーズ（134）

維管束(a)( b)

断面全体像(c)

毛

葉の裏側
腺毛

含有結晶構造1 mm

図4

ローズマリー断面の観察結果

・加工装置：IM4000PLUS、加速電圧：3.5 kV、加工時間：3 hr、冷却温度：-70℃
・観察装置：SU3500、加速電圧：5 kV、観察倍率：（a）x42,（b）x300,（c）x3000、二次電子像

同様に、ローズマリーの葉にイオン液体を使用して冷却断面加工した結果を図4に示す。断面全体像 図4（a）では、葉の両側にカールした構造が保持され、香りの元となる丸い構造の腺毛断面が確認でき、図4（a）の赤枠部を拡大像した図4（b）では 、維管束や厚角組織の構造が維持され、腺毛の断面も明瞭に確認できる。また図4（a）の青枠部を拡大した図4（c）では 、中空形状の毛内部に含有結晶構造が確認され、植物のような中空構造を持つ含水試料においても、イオン液体を用いることで試料の中空構造を保持したままの断面加工および SEM 観察が可能であることがわかる。

3広領域平面連続加工による珪藻化石内空の三次元画像再構築事例

電子顕微鏡を用いた三次元構造解析は、試料の立体構造や内部構造等を把握でき、様々な情報を得られる解析手法の一つである。本手法としては、電子線トモグラフィー、FIB を用いた手法、FIB-SEM を用いた手法、ミクロトームと SEM を用いた手法などがある。今回、イオンミリング装置（IM4000Plus）の広領域加工が可能な平面加工と SEM を用いて三次元の構造解析を試みた。
試料には茨城県ひたちなか市から採取した珪藻土壌を用いた。
「SEM・IM リンケージ試料台」を使用することで、試料を試料台から取り外すことなく、同位置、同視野でのイオンミリング加工（加速電圧 4 kV）および、SEM 観察（加速電圧 5kV, 低真空反射電子像）を繰り返し、得られた連続断面データから三次元再構築を行い、解析した例を紹介する。
土壌中の珪藻化石の断面を観察すると、珪藻細胞壁の内部にリング状の鉱物が観察される場合がある（図5）。この鉱物は黄鉄鉱（FeS2）であることが知られているが、黄鉄鉱がリング状になる理由は明らかでない。そこでリング状の黄鉄鉱を三次元再構築して得られた三次元形状から、リング状となる要因推定を試みる。
三次元再構築は、図6に示すフローに従い、平面加工（加速電圧4kV、加工時間3分間）と SEM 観察を107回繰り返すことにより、約10μm の深さにおいて3次元の画像を構築した結果（図7）、黄鉄鉱の微結晶が球殻状に集合していることを確認できた。

図5 土壌中の珪藻化石の断面
加速電圧：5 kV、観察倍率：x3100、真空度：50Pa、反射電子像
図63

三次元画像構築のための試料作製フロー

分析機器解説シリーズ（134）

この黄鉄鉱の集合体は、珪藻の殻内部などの閉鎖空間において、硫化水素（H2S）が鉄イオンと反応し、硫化鉄（FeS）を経て最終的に球形の黄鉄鉱になったフランボイダル黄鉄鉱3）によく似ている。形状的にも今回の黄鉄鉱の集合体はフランボイダル黄鉄鉱に類似するが、通常フランボイダル黄鉄鉱は内部まで粒子が密に詰まった構造であり、今回観察できたような中空構造ではない。そこで珪藻内で確認された中空構造の黄鉄鉱を EDX 分析した結果を、図7に示す。この結果から、中空構造内には黄鉄鉱成分（FeS2）だけでなく、酸化鉄成分が存在することがわかった。フランボイダル黄鉄鉱は酸化するとされた中空構造
中空構造の黄鉄鉱
黄鉄鉱を EDX 分析した結果を、図 7 に示す。この結果から、中空構造内にはに示す。この結果から、中空構造内には黄鉄鉱酸化鉄と硫酸を生じることが知られている。今回観察した球殻状の黄鉄鉱はフランボイダル黄鉄鉱であると考えられ、中空2構造であることからこの球殻状の黄鉄鉱と酸化鉄の集合体を残して内部は水に溶解したと思われる。フランボイダル黄鉄鉱成分（FeSFeS ）だけでなく、酸化鉄成分が存在することがわか）だけでなく、酸化鉄成分が存在することがわかった。フランボイダル黄鉄鉱が存在することがわかフランボイダル黄鉄鉱はフランボイダル黄鉄鉱は酸化すると酸化鉄と硫酸を生じと酸化鉄と硫酸を生じることが知られている。
ことが知られている。今回観察した球殻状の今回観察した球殻状の黄鉄鉱はフランボイダル黄鉄鉱
フランボイダル黄鉄鉱

は通常の黄鉄鉱よりも表面積が大きいために酸化しやすく、酸性水と重金属を溶出し、土壌の酸性化や重金属汚染の原因にであると考えられであると考えられ、中空構造であることから中空構造であることからこの球殻状の黄鉄鉱と酸化鉄の集合体を残して内部は球殻状の黄鉄鉱と酸化鉄の集合体を残して内部は球殻状の黄鉄鉱と酸化鉄の集合体を残して内部は水なっている [4] が、今回、このイオンミリング法を用いた三次元構造解析により、フランボイダル黄鉄鉱の酸化・溶解が球体に溶解した溶解したと思われる。と思われる。フランボイダル黄鉄鉱は通常の黄鉄鉱よりも表面積が大きいために酸化フランボイダル黄鉄鉱は通常の黄鉄鉱よりも表面積が大きいために酸化しやすく、酸性水と重金属を溶出し、酸性水と重金属を溶出し、土壌の酸性化や重金属汚染の原因になっている酸性水と重金属を溶出し、土壌の酸性化や重金属汚染の原因になっている が、今回、が、今回、このイの表面ではなく、内部から進行することが分かったことは新たな知見である。
[4]

オンミリング法を用いた三次元構造解析により、フランボイダル黄鉄鉱のフランボイダル黄鉄鉱の酸化・酸化・溶解が球体の表面でが球体の表面ではなく、内部から進行することが分かったことは新たな知見である。

図8.珪藻断面内の黄鉄鉱の珪藻断面内の黄鉄鉱の珪藻断面内の黄鉄鉱のEDXマッピング結果
マッピング結果

図7

図8

三次元画像再構築結果（SEM 画像：100nmピッチ、107枚使用）

珪藻断面内の黄鉄鉱の EDX マッピング結果

4.まとめ
イオンミリング法のイオンミリング法の応用例として、応用例として、ダメージに弱い試料の断面冷却加工、および連続平面加工によおよび連続平面る三次元画像再構築に三次元画像再構築に三次元画像再構築について紹介した。
ついて紹介した。広領域の
広領域の平面加工加工と断面加工加工の両方の加工の両方の加工を可能とするイオとするイオ

4

まとめ

ンミリング法はンミリング法は、観察対象や観察目的に応じて手法、観察対象や観察目的に応じて手法、観察対象や観察目的に応じて手法を選択選択し、多様な試料に適用できる。
、多様な試料に適用できる。また高分子、多様な試料に適用できる。また高分子材料や複合材料や複合材料など、など、試料の温度上昇による変形が問題になる試料に関しても試料の温度上昇による変形が問題になる試料に関しても、、冷却断面加工
冷却加工をはじめとする様々な試みにより、様々な試みにより、断面作製が可能となってきている断面作製が可能となってきている。
可能となってきている 今後
今後ますますイオンミリング
イオンミリング装置がイオンミリング

イオンミリング法の応用例として、ダメージに弱い試料の断面冷却加工、および連続平面加工による三次元画像再構築に研究開発や評価など、研究開発や評価など、幅広い分野で利用されることを期待している。
幅広い分野で利用されることを期待している。
ついて紹介した。広領域の平面加工と断面加工の両方の加工を可能とするイオンミリング法は、観察対象や観察目的に応じ参考文献て手法を選択し、多様な試料に適用できる。また高分子材料や複合材料など、試料の温度上昇による変形が問題になる試料[1] 日本電子顕微鏡学会関東支部編；新・走査電子顕微鏡。
日本電子顕微鏡学会関東支部編；新・走査電子顕微鏡。P.195 共立出版（2011）
共立出版（

に関しても、冷却断面加工をはじめとする様々な試みにより、断面作製が可能となってきている。今後ますますイオンミリ[2] 高須ら；HITACHI SCIENTIFIC INSTRUMENT NEWS, 56. (1), 30 (2013)
ング装置が研究開発や評価など、幅広い分野で利用されることを期待している。
[3] Tsuda, T. et al: ChemBioChem, 12, 2547
2547-2550, (20112011)[4] 橋本ら
橋本ら;全地連
全地連「技術フォーラム 2013」」長野 海成泥岩からの重金属類の溶出特性について（2013）

参考論文[1] 日本電子顕微鏡学会関東支部編；新・走査電子顕微鏡。P.195 共立出版（2011）[2] 高須ら；HITACHI SCIENTIFIC INSTRUMENT NEWS, 56.（1）, 30（2013）
T. et al: ChemBioChem, 12, 2547-2550 ,（2011）[3] Tsuda,[4] 橋本ら；全地連「技術フォーラム2013」長野 海成泥岩からの重金属類の溶出特性について（2013）4分析機器解説シリーズ（134）

UVクリーナーによる電子顕微鏡サンプルの清浄化～試料本来の構造を高分解能観察・分析するために～

株式会社日立ハイテクノロジーズ アプリケーション開発部 竹内秀一、砂押毅志
電子顕微鏡第二設計部 高須久幸

1

はじめに電子顕微鏡を用いた解析において、ハイドロカーボンを主体とするガス分子が試料表面に再堆積するために生じる像障害( 以下、コンタミネーションと表記 ) は、試料本来の構造の観察、分析を困難にする。コンタミネーションを低減するには、プラズマクリーニング法や加熱法 ( 大気圧、真空 )、洗浄溶剤を用いたウェット処理などの方法があるが、試料によっては損傷を与えてしまう場合がある。一方、従来から使用されている UV クリーニング法は試料にダメージを与えることなくマイルドに試料クリーニングができる特長を有し、有機物やポリマーなどのソフトマテリアルのクリーニングにも有効と考えられている。本報では、日立ハイテクノロジーズカナダ製 UV クリーナーの特長と応用例を用いた本装置の効果について報告する。

2

試料クリーニングの必要性

ナノメートルオーダーの高分解能観察、低加速電圧による試料の表面観察、長時間の分析 (EDS,EBSD,WDS など ) においては、コンタミネーションの影響が顕著となり、コンタミネーションが発生すると像質が著しく低下するため、試料クリーニングが重要となる。
試料には様々な要因でハイドロカーボンが付着するが、二つの大きな要因が考えられる。
① 試料や試料台の表面、内部に吸着している試料由来のハイドロカーボンガス分子② 電子顕微鏡の試料室内に存在する残留ガス分子②は冷却したトラップ板にガス分子を吸着させるアンチコンタミネーショントラップやオイルフリーのドライ真空排気系のように、装置本体にコンタミネーション対策が施され、極力残留ガス分子が試料に付着しないように設計されているが、①については電子顕微鏡の試料室に入れる前に処理を施すのが望ましい。

3UV クリーニングの原理

本装置の UV ランプは、ハイドロカーボン除去に効果的な185 nm と254 nm の2波長の UV 光が照射される。185 nmの UV 光は酸素分子 (O2) を酸素原子 (O) に分解し、酸素分子 (O2) と酸素原子 (O) の結合によりオゾン (O3) を生成する。
O2 → O + O
O + O2 → O3
254nm の UV 光は、オゾン (O3) を分解し酸素分子 (O2) と活性酸素 (O*) を生成する。
O3 → O* ＋ O2
このように、オゾン (O3) の連続的な生成と分解の過程において活性酸素を発生させる。試料表面のハイドロカーボンは、この活性酸素との反応により分子量の小さい揮発性分子 (CO2や H2O など ) に分解されて試料表面から脱離し試料室から真空排気される。

5

分析機器解説シリーズ（134）

図1

4UV クリーニングの原理

UV クリーナーの特長【主な仕様】
U V ラ ン プ： 波長185 nm、254 nm 他
処理モード： UV クリーンモード (UV Clean)、真空保持モード (Vacuum Storage)
真 空 設 定： 100段階で設定可能(1：約13k Pa、100：約67k Pa)
試料室内の酸素濃度に依存してオゾン量を可変(a) ZONE SEM

時 間 設 定： 1〜30分 (1分単位で設定 )(b) ZONE TEM

ポ

図2 UV クリーナーの外観

ン

プ： ダイアフラムポンプ ( オイルフリー )図2にUVクリーナーの外観を示す。UVクリーナーは図2(a)のZONE SEMと(b)のZONE TEMの2機種がある。ZONESEM は最大60mm 角の試料に対応し、試料台をホルダから外すことなくクリーニングが可能である。ZONE TEM は日立
TEM、STEM、FIB ならびにインレンズ SEM 用のサイドエントリーホルダ用に設計されており、同時に3本のサイドエントリーホルダのクリーニングが可能である。本クリーナーは、試料室内の真空度を変えることで、酸素濃度に依存するオゾン量を可変でき、目的に応じたクリーニングが可能である。また、洗浄液を使用しないため、環境負荷が少ないドライクリー
ニング法とも考えられる。

5

UV クリーニングの応用例

5.1

メソポーラス酸化チタンの表面構造観察

図3はメソポーラス酸化チタンの照射電圧500 V の観察結果である。長期間大気中で保管していたために (a) のクリー
ニング前はコンタミネーションが堆積しており酸化チタン表面の微細な構造を確認することはできなかった。(b)UV ク
リーニングを8分実施することにより、微細な構造を確認することができ、試料本来のポーラス構造を観察することができた。

6

分析機器解説シリーズ（134）(a) UV クリーニング前(b) UV クリーニング後

図3 メソポーラス酸化チタンの観察結果 ( 照射電圧 500 V、倍率 x130k)

5.2

カーボンナノチューブの高分解能格子像観察

図4はカーボンナノチューブを加速電圧30kV、BF-STEM 信号で観察した結果である。(a)UV クリーニング前は、高倍率で観察すると赤枠のようにコンタミネーションがナノチューブの周囲に堆積し格子像の観察は不可能だった。一方、(b)UVクリーニングした後は、コンタミネーションが付着することなく高分解能観察することができ、カーボンナノチューブの0.34 nm の格子を確認することができた。

400nm(b) UV クリーニング後 ( 高倍率像 )(a) UV クリーニング前 ( 低倍率像 )図4 カーボンナノチューブの観察結果 ( 加速電圧30 kV、倍率 x120k/x3000k)

6まとめ

UV クリーナーの原理、特長、応用例について報告した。UV クリーナーは2波長の UV 光を照射することで生成するオゾンと活性酸素によりハイドロカーボンを除去し、試料にダメージを与えることなく各種材料のコンタミネーションを効果的に低減することができる。低加速電圧による試料の表面観察やナノメートルオーダーの高分解能観察が可能となり、SEM に限らず STEM、TEM の試料に対しても効果が期待できる。今後は材料、半導体、バイオロジー分野など幅広い分野での応用が期待される。

参考文献[1] D.A. Cullen et al, "Utility of the Hitachi 'ZONE' UV Cleaning System for Mitigating Contamination Effects during STEM
Imaging" Microsc. Microanal. 18 (Suppl 2), 2012 p.1240-1241

ENTER NEWS九州大学中央分析センター（筑紫地区）

九州大学中央分析センター伊都分室（伊都地区）〒 816-8580 福岡県春日市春日公園 6 丁目 1 番地
TEL 092-583-7870 ／ FAX 092-593-8421

ホームページアドレス

第134号 平成29年3月9日発行〒 819-0395 福岡市西区元岡 744 番地
TEL 092-802-2857 ／ FAX 092-802-2858

http://bunseki.kyushu-u.ac.jp/bunseki/7