能が現状で限界に近づいているため，異なる検出原理に基づく検出器の開発以外には高エネルギー分解能 X 線分析は実現できない．近年，高いエネルギー分解能を持ち，かつ広いマイクロカロリメータ EDS を搭載した分析電顕の開発―現状と今後の展開―エネルギー範囲（例えば 10 keV 以上）をカバーできる電子

Development of Analytical Electron Microscope
Attached with a Microcalorimeter-type EDS—Current State and Future Development—

よび解説 3,4） に詳述されている．我々は TEM で高精度な組

徹ａ，田中原ｄ

山崎典子 ，大崎于ａ

啓一ｂ，前畑ｅ

光明 ，大田秀珍 ，山中京介ｃ，満田ｅ

繁正 ，渡邉ｆ

良浩 ，伊藤顕微鏡用 EDS として，超伝導遷移端センサ（TES）型マイクロカロリメータを用いた検出器が開発されている 1）．そのX 線検出原理や SEM での実施例についてはすでに論文 1,2）お和久ｄ，リメータ-EDS を TEM に搭載する研究開発を実施している 5,6）．ここではその研究開発の概要，これまでに得られている結果および今後の課題について述べる．

ａ

克晃 ，ｆ

琢司

Toru Hara, Keiichi Tanaka, Keisuke Maehata, Kazuhisa Mitsuda,

2.

我々が実施している TES 型マイクロカロリメータ EDSTEM の開発において当初設定した性能の目標値は，エネル

Katsuaki Watanabe, Xiuzhen Yu, Yoshihiro Yamanaka

ギー分解能 10 eV 以下，計数率 5 kcps 以上，計測エネルギーａ

独立行政法人 物質・材料研究機構ナノ計測センターｂ
エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社ｃ
九州大学大学院工学研究院エネルギー量子工学部門
ｄ
独立行政法人宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究本部
ｅ日本電子株式会社，ｆ大陽日酸株式会社
旨

透過型電子顕微鏡（TEM）における EDS 分析のエネル
ギー分解能を大幅に向上させることを目的として，超伝導遷移端センサ型マイクロカロリメータを TEM に搭載した分析電顕を開発した．実験機として単素子検出器を無冷媒式冷凍機で駆動する検出器を製作し，現在，TEM の性能を損なわずにシリコン Kα 線の半値幅として7.6 eV を達成しており，多くの近接したピークを分離した測定が可能になっている．

キーワード：マイクロカロリメータ，超伝導遷移端センサ，透過型電子顕微鏡，高エネルギー分解能，EDS

範囲 0.15–10 keV 以上，であり，その他の重要な目標事項として，無冷媒式冷凍機を用いて長時間の連続測定を可能にすることを掲げた．
TES 検出素子は，文献 2）に詳述してあるものと同様のものとした．つまり，X 線光子を吸収して熱に変換する吸収体のサイズは 150 μm 角，温度計である超伝導体は金とチタンの積層構造のもので転移点を 100 mK 前後に調整したものである．計数率の確保のために検出素子を並列に並べた多素子検出器の開発を念頭に置いてシステムを設計したが，本稿で記述する動作実証のための実験機に搭載した検出器は単素子である．なお，単素子の計数率は当初 300 cps 程度を想定した．
この検出器を TEM に搭載する場合は，SEM への場合とは異なる特有の課題が存在する．主なものは，（1）TEM に搭載可能な冷凍機の選択，（2）冷凍機が発生する音や振動などの TEM への影響の抑制，（3）TEM レンズ系と TES デバイスとの相互作用の低減，などである．
2.1

1.

マイクロカロリメータの TEM への搭載

Noriko Yamasaki, Mitsuaki Ohsaki, Shigemasa Ohta,
and Takuji Ito

要成分析を実現することを目的として，TES 型マイクロカロ冷凍機について製作した実験機の模式図を図 1 に，TEM 鏡筒周辺の外観はじめに写真を図 2 に示す．今回の開発では，長時間安定した TES

エネルギー分散型 X 線分光（EDS）による X 線分析は，の動作を可能にするために，冷凍機は無冷媒式とした．これ

組成分析のツールとして SEM/(S)TEM で広く使われている．

は，冷凍機のみで安定した極低温を長時間維持するためで，EDS には，現在は，リチウムドープシリコン結晶による半液体ヘリウムを用いないものである．この目的で 4 K まで冷導体検出器（SSD）が主に用いられているが，これはエネル

却する機械式冷凍機（GM）（図 1（a））とそれ以下の温度にギ ー 分 解 能（MnKα の ピ ー ク 半 値 幅 と し て 定 義 す る ） が冷却する希釈冷凍機（図 1（b），図 2（b））の二段構成とし130–140 eV 程度と低いことが大きな欠点となっている．こている．通常，このタイプの二段式の冷凍機では，一つの真のエネルギー分解能では多くの隣接するピークが重なって分空チャンバに両方の冷凍機を直結して用いるが 7），全体で離できないため，微量元素は定量分析を行う以前に検出すら300 kg を超す重量になってしまうことと GM 冷凍機が発生す不可能な場合もある．SSD の検出原理ではエネルギー分解る騒音や振動が直接 TEM に伝わってしまうことから，そのａ〒 305–0044 茨城県つくば市並木 1–1
TEL: 029–860–4599; FAX: 029–860–4700
E-mail: HARA.Toru@nims.go.jp
2009 年 9 月 3 日受付

最近の研究と技術

まま TEM に搭載することはできない．そこで，双方の冷凍機を分離して（図 1（c）），検出器を直接冷却する希釈冷凍機のみが TEM（図 1（d））と接するものとした 8）．GM 冷凍機と希釈冷凍機は長さ約 1.5 m のフレキシブル配管で接続さマイクロカロリメータ EDS を搭載した分析電顕の開発―現状と今後の展開―

289【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

2.3 検出器の配置について検出器の位置も TEM に搭載する場合の問題点の一つである．TEM の場合，試料は強く励磁された対物レンズ中にあるので，超伝導体である検出器は超伝導転移とレンズ磁場の双方に悪影響を与えるため試料に近づけることができない．
レンズ周りの磁場の計算などを行って検討した結果，TES検出器は図 2（a）の位置，つまり鏡筒の外側に置くこととした．希釈冷凍機（図 2（b））から検出器（図 2（a））までは長さ 280 mm の無酸素銅製のスノートが伸びており，その先端に検出素子が取り付けてある．測定時に試料傾斜の必要
図 1 製作した TES-EDS TEM 実験機の構成模式図．
（a）GM 冷凍機，（b）希釈冷凍機，（c）GM ―希釈配管，（d）TEM，（e）冷凍機架台，（f）検出器位置，（g）GM 冷凍機防音ボックス，（h）防音室へ接続が無いように，TEM 鏡筒の X 線の取り出し角が 36 deg. となるポートを利用し，そこから試料を臨む筒状のガイドチューブを挿入した．検出器と試料との距離は 170 mm であり，検出器の吸収体の大きさが 150 μm 角であるので検出立体角は 0.8 μstr となる．また，現在検討中の X 線ポリキャピラリレンズの試用時には，設計値ではその 100 倍になる．鏡
筒外に検出器を置くということは，冷凍機と TEM 鏡筒を真空ベローズ以外は物理的に分離して振動伝播を抑制するという前項に記した構造が可能になっている要因でもある．
3.

TES-TEM 開発の現状と今後の展開

前項で述べた TEM 特有の問題点のほか，種々の技術開発
図 2 TES 検出器―鏡筒付近の外観写真．TEM 鏡筒と検出素子（a），希釈冷凍機（b）との配置を示す．（c）は検出器位置調整ステージ，（d）は希釈冷凍機架台．

を経て，単素子の TES 検出器を搭載した動作実証のためのれており，その中にヘリウムガス循環ラインが 2 系統配置さバイス中のシリコンの測定結果である．+ が TES マイクロれている．完成した冷凍機の希釈冷凍機部分は，検出器位置カロリメータによる測定結果，× が SSD によるものである．

調整のためのステージ（図 2（c））を含めて 30 kg 程度である．

図から明らかなように TES マイクロカロリメータでは SSD実験機を製作した．その結果 TEM でスペクトルを得ることに成功した．その測定例と性能について以下に述べる．
図 3 は，エネルギー分解能測定のために行った半導体デ2.2

冷凍機からの振動伝播抑制と比較して圧倒的に高いエネルギー分解能を示しており製作当初は TEM に希釈冷凍機をリジッドに取付けていた

SSD では Kα と Kβ の分離もできないのに対して，TES ではが，GM 冷凍機からの振動により格子像に揺れが認められた

Kα のピークの他に，Kα3,4 のサテライトも測定できている．

ため，最終的に希釈冷凍機を独立した架台上に設置し（図 1

Kα は Kα1 と Kα2 とが重なったものとなっており，その強度（e），図 2（d）），真空ベローズ以外の部分は希釈冷凍機と比とエネルギー差を仮定し両者の半値幅が同一のものとしてTEM 鏡筒が接しない構造として振動の伝播を最小限に抑え最小自乗法によるプロファイルフィッティングを施してエネている．GM 冷凍機が発生する音については，冷凍機そのもルギー分解能（半値幅）を求めると，7.6 eV であった．SSDのを防音ボックス（図 1（g））中に設置することによって低のシリコンのピーク半値幅が 117 eV なので，一桁以上高い減している．また，冷凍機に付随するコンプレッサやポンプ値となっている．図 4 は，同じ半導体デバイス中のシリコ等は，TEM 用真空ポンプやチラーとともに防音室（図 1（h））

ンとタングステンの両方を含む領域から測定したピーク分離に設置している．

能力を示す例である．図中実線が TES マイクロカロリメー

冷凍機が発生する振動・騒音の像への影響の抑制について

タ で 測 定 し た も の， 破 線 が SSD で 測 定 し た も の で あ る．

は，上記のような構成で，現在では，格子像にほぼ影響が見SDD では分離不可能なシリコンとタングステンのピークがられないレベルになっている．この冷凍機によって，最も低ほぼ完全に分離できていることがわかる．

温になる希釈冷凍機のミキサー部で 74 mK，検出器の位置でここで示した高いエネルギー分解能では，これまで SSD

85 mK の極低温を，温度変動 ±50 μK/h の範囲内で連続的にで問題となっていた多くのピークオーバーラップが解消でき保持することに成功しており，現状では 1.5 ヶ月連続してそる．ピークオーバーラップが無くなれば，隣接するピークのの最低到達温度を保持していることを確認している．まだ本元素同士の微小な組成変動を測定することが可能になるだけ結果は計測途中であるため，継続日数はこれ以上達成可能とでなく，エネルギー分解能が向上すると，それに伴うピーク―考えている．

バックグラウンド比の向上や，検出下限値の向上，分析に必

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顕微鏡 Vol. 44, No. 4（2009）【著作権者：社団法人 日本顕微鏡学会】

多素子化とポリキャピラリレンズの応用により，実用に足る計数率が確保できると考えている．
4. おわりに高いエネルギー分解能を持つ TES 型マイクロカロリメー
タを X 線検出器として TEM に搭載した分析装置を製作し，シリコンの K 線の半値幅が 7.6 eV（Si Kα の半値幅として）のスペクトルを取得した．これによって，シリコンとタングステンなどのこれまで SSD で問題となっていたピークオー
図 3 シリコンからの X 線スペクトル．+ が TES マイクロカロリメー
タ，× が SSD による測定値．縦軸比は任意．実線はガウスカーブによるフィッティングの結果で，破線は個々のカーブを示す．

バーラップの多くが容易に解消できる．TEM に検出器を搭載するにあたって直面したいくつかの TEM 固有の課題とその対処について紹介した．今後はますます局所領域の高精度な組成分析が材料開発や組織解析にとって重要になると思われる．現段階ではまだ開発途上であり課題も残されているが，十分に実用可能なレベルまで到達できると考えている．
謝辞

本研究の実施にあたり，木本浩司博士，三留正則博士，板東義雄博士，松井良夫博士（以上物質・材料研究機構）には全体を通して有益な議論をしていただきました．また，小田原成計氏，永田篤士氏，中山哲氏，八坂行人氏（以上エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社）および，布目浩三氏，
図 4 半導体デバイス中の，シリコンとタングステンの両方を含む領域からの X 線スペクトル．

高橋秀之博士，石川豊治氏，福田知久氏（以上日本電子株式会社）の諸氏には装置設計，製作だけでなくプロジェクト全体に渡ってご協力いただきました．ここに記して謝意を表し要なカウント数の低減または定量分析時の精度向上などが期待できる．

ます．
本研究は，文部科学省リーディングプロジェクト

これまで述べてきたように，現在，TEM で単素子の TES

電子顕微鏡の要素技術開発

次世代スペクトロスコピー領域「TEM

マイクロカロリメータ EDS でのスペクトルの取得が可能と用マイクロカロリメータ型 X 線検出システムの開発（平成なったが，実際に使用するうえでの問題点や検証課題がいく

18 年度― 20 年度）」において実施されたものです．

つか残っている．課題の一つは計数率が低いことである．
TES 型マイクロカロリメータは上昇した素子温度を素早く元に戻すために素子サイズおよびその熱容量が小さい必要があり，素子の大面積化は実質的に困難である．これまで紹介してきた TES 型カロリメータはすべて単素子のもので，現在一つの素子での計数率は 300 から 500 cps 程度である．長時間の測定は試料ドリフトやコンタミネーションの原因となるので，実用的には 5 kcps 以上の計数率が望ましい．そのために我々は検出器の多素子化による実質的な検出面積の増大に取り組んでいる．多素子化には，配線数の増加に伴う熱侵入に対応する冷凍機性能の確保，超伝導配線の設計，冷凍機への実装，信号同時取り込み・処理等のすべてが新規開発要素であり，多素子 TES-EDS が実現できれば世界初の技術となる．これまでに，3 × 3 にエネルギー校正用の 1 素子を加えた 10 素子の検出器を試作し，TEM に搭載した状態で複数素子からの X 線パルス同時取り込みまで成功している 6）．
計数率を上げる他の方法として，X 線ポリキャピラリレン
ズを利用して検出立体角を大きくし，検出効率を上げることも並行して試行しており，現在基礎データ収集を行っている．
最近の研究と技術

文献1）Wollman, D.A., Irwin, K.D., Hilton, G.C., Dulcie, L.L., Newbury,
D.E. and Martinis, J.M.: Journal of Microscopy, 188-3, 196–223(1997)
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Morooka, T., Homma, Y., Nakai, I. and Chinose, K.: IEICE Trans.
Electron., E92-C-3, 334–340 (2009)3）堀田善治：顕微鏡，39，53–56（2004）
4）副島啓義：電子顕微鏡，38，131–133（2003）
5）Hara, T., Tanaka, K., Maehata, K., Mitsuda, K., Yamasaki, Y.N.,
Ohsaki, M., Watanabe, K., Yu, X., Ito, T. and Yamanaka, Y.: J. Electron Microsc., doi:10.1093/jmicro/dfp043 (2009)6）Tanaka, K., Mitsuda, K., Hara, T., Maehata, K., Yamasaki, Y.N.,
Odawara, A., Nagata, A., Watanabe, K. and Takei, Y.: Proceedings ofthe 13th. Int. Workshop on Low Temp. Detectors, submitted
7）Umeno, T., Kamioka, Y., Yoshida, S., Maehata, K., Ishibashi, I.,
Takasaki, K. and Tanaka, K.: J. Phys. Conference Series, 150, 012051(2009)
8）Yamanaka, Y., Ito, T., Umeno, T., Suzuki, Y., Yoshida, S., Kamioka, Y.
and Maehata, K.: J. Phys. Conference Series, 150, 012055 (2009)

マイクロカロリメータ EDS を搭載した分析電顕の開発―現状と今後の展開―

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