- 電解研磨法材料の電気伝導性を利用したもので電解液中にて材料を陽極としてに通電し試料を溶解薄片化する手法材料に適した電解液の調製が必要な他電流電圧温度などの調整が必要である -イオンミリング法 Ar イオンビーム ( 加速電圧 ~5 kv) を試料に照射し試料中の原子をはじき出し薄片化

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きよたつながだき
5 years ago
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ミクロトームを用いた透過電子顕微鏡観察用超薄切片の作製齋藤徳之荒井重勇工学研究科工学部技術部物質分析技術系はじめに透過電子顕微鏡 TEM を用いて得られる情報は試料を透過した電子及び試料中で回折した電子から構成される図 1 に TEM の結像原理の概要図を示す

結果として情報がボケることになるよって一般的な加速電圧 200 kv の TEM を用いた観察において実用可能な試料の厚みは構成元素にも依存するが約 0.

銀微粒子の観察や Si デバイス厚み 3 μm 以上中の転位観察といった実績がある試料対物レンズ後焦平面電子回折図形像面図1 拡大像 TEM の結像原理図中実線は透過電子破線が回折電子を表す TEM 観察用の薄片試料を作製する手法の代表的なものとして破砕法

1 ミクロトームを用いた透過電子顕微鏡観察用超薄切片の作製齋藤徳之荒井重勇工学研究科工学部技術部物質分析技術系はじめに透過電子顕微鏡 TEM を用いて得られる情報は試料を透過した電子及び試料中で回折した電子から構成される図 1 に TEM の結像原理の概要図を示す試料中を透過及び回折した電子は対物レンズ磁界型電子レンズの磁場で曲げられ対物レンズの後焦平面上には試料の結晶構造を反映した電子回折図形また対物レンズの像面上には試料の拡大像が構成されるつまり試料が厚い場合にはこれらの情報に寄与する透過電子回折電子が少なくなるため結果として情報がボケることになるよって一般的な加速電圧 200 kv の TEM を用いた観察において実用可能な試料の厚みは構成元素にも依存するが約 0.2 μm 以下特に高分解能の観察を必要とする場合には数 10 nm 以下とされる尚加速電圧が高いほど電子の透過能も上がることから厚い試料の観察には超高圧電子顕微鏡常用加速電圧 1000 kv が用いられ観察例としてフィルム厚み 3 μm 以上中の現像核銀微粒子の観察や Si デバイス厚み 3 μm 以上中の転位観察といった実績がある試料対物レンズ後焦平面電子回折図形像面図1 拡大像 TEM の結像原理図中実線は透過電子破線が回折電子を表す TEM 観察用の薄片試料を作製する手法の代表的なものとして破砕法電解研磨法イオンミリング法 FIB 法そしてミクロトーム法がある破砕法乳鉢等を用いて試料を粉砕し薄片化する手法であり特に劈開性のある材料に適している粉砕した粉末を溶媒通常はエタノールや蒸留水に希釈超音波洗浄機を用いて十分分散させ TEM 用グリッドに採取して観察する簡便な手法である一方試料の組織を破壊してしまうので結晶粒界や格子欠陥など試料本来の情報の一部が得られないというデメリットがある

- 電解研磨法材料の電気伝導性を利用したもので電解液中にて材料を陽極としてに通電し試料を溶解薄片化する手法材料に適した電解液の調製が必要な他電流電圧温度などの調整が必要である -イオンミリング法 Ar イオンビーム ( 加速電圧 ~5 kv) を試料に照射し試料中の原子をはじき出し薄片化する手法でありほとんどの無機材料に適用可能である加工する面が平滑である必要があり

2 - 電解研磨法材料の電気伝導性を利用したもので電解液中にて材料を陽極としてに通電し試料を溶解薄片化する手法材料に適した電解液の調製が必要な他電流電圧温度などの調整が必要である -イオンミリング法 Ar イオンビーム ( 加速電圧 ~5 kv) を試料に照射し試料中の原子をはじき出し薄片化する手法でありほとんどの無機材料に適用可能である加工する面が平滑である必要があり前処理として試料表面の鏡面研磨を要するまたイオンビームにより試料表面にダメージ層が形成されるため TEM 観察においては像質低下の要因となるこのダメージの低減には加速電圧やビーム電流を下げるビームの照射角を下げる等の調整が必要である -FIB 法 Ga イオンビーム ( 加速電圧 ~30 kv) を試料に照射し試料中の原子をはじき出し薄片化する手法でありほとんどの無機材料に適用可能である試料の切り出しや切削研磨等の前処理を要するイオンミリング法と異なりバルク材から直接薄片試料を加工することが可能な他 SIM 像 ( イオンビーム照射により加工表面から放出される二次イオンを用いて結像した像 ) を利用しながら加工できるので μm オーダーの微小部からの選択的試料採取が可能であるイオンミリング法と同様イオンビームにより試料表面にダメージ層が形成されるためその低減には低加速電圧での加工が必要になる文献によると Si が試料の場合で表面に形成されるダメージ層の厚みは加速電圧 30 kv で約 20 nm( 試料を厚み 200 nm に加工した場合両面に合計 40 nm のダメージ層が形成されている ) である一方加速電圧 10 kv とすると約 10 nm まで半減できるという報告がある -ミクロトーム法ダイヤモンドナイフやガラスナイフ等鋭利な刃物を用いて材料から薄片を直接切り出す手法であり前述の手法では加工できない高分子材料や生物材料等に利用できる一般的にこれら材料は軟質であり加工の際に形が崩れ薄い切片を得ることが困難であるため樹脂に包埋する或いは凍結させる等の前処理が必要になる特にミクロトーム法による試料作製においては作業者の技能に依存する部分が多いことまた超高圧電子顕微鏡施設内にミクロトーム法に関するノウハウがほとんどないことから今回の研修ではミクロトームを用いた超薄切片の作製をテーマとしたまた試料には超高圧電子顕微鏡にて撮影したフィルムを用いた ( 図 2 参照 ) この背景として写真撮影時の電子照射部 ( 図 2 中の破線枠内 ) 以外にかぶりの現象が確認されたためでありこの原因を究明することも合わせて今回の研修の目的とした電子顕微鏡用フィルム図 2 超高圧電子顕微鏡にて撮影したフィルムはフィルム下部が黒くかぶっているは正常図中破線枠内が撮影時の電子照射部

3 及びフィルムの感光について図 3 に示すフィルムの乳剤層にはハロゲン化銀が含まれており電子や光 X 線等の照射により銀イオンが還元され潜像核と呼ばれる銀微粒子が生成される更に現像処理によりこれら潜像核を中心に銀イオンの還元が促進され銀微粒子が成長しこれらを現像核と呼んでいる電子顕微鏡のように高エネルギーの電子がフィルムに照射された場合電子はそのエネルギーを周囲に付与しながら進むため現像核の分布は図 3 に示すように電子の飛跡に沿って分布する一方日常環境下の光がフィルムに照射された場合には光が吸収されるとすぐエネルギーを失うので生成される現像核の分布は飛跡状にはならず図 3 (c) に示すようにランダムになるつまり図 2 に示したフィルムの電子照射部及びかぶり部の現像核の分布状態を直接観察比較することによりこのかぶりの原因を考察できる保護層電子光 X 線切り出し TEM 観察乳剤層ハレーション防止層 (c) 図 3 電子顕微鏡用フィルムの断面構成と現像核の分布電子顕微鏡用フィルムの断面構成乳剤層中にハロゲン化銀が含まれている電子線照射により現像核 ( 銀微粒子 ) は電子の飛跡に沿って分布する (c) 光照射の場合現像核はランダムに分布する 1. ミクロトーム法ミクロトームを用いた超薄切片作製の具体的作業内容は 1ガラスナイフの作製 2 材料 ( 超高圧電子顕微鏡にて撮影したフィルム ) の前処理即ち樹脂包埋及びトリミングそして3ミクロトームによる超薄切片の切り出しある以下それぞれの作業の詳細を示す 1-1. ガラスナイフの作製ガラスナイフの作製には市販のガラスナイフ用ガラス板 ( 幅 25 mm 長さ 400 mm 厚み 6 mm) 及び図 4 に示す装置 ( ナイフメーカー ) を用いたこれはガラスを固定し表面に傷を入れ曲げのテンションを加えてガラスを割る装置であり図 5 に示すようにまず 25 mm 四方 ( 図中 1) に割った後に更に対角線に割り ( 図中 2) これら先端の鋭利な部分をナイフとする図 5 に示すように対角線に割る際に頂点から約 0.5 mm 程度外れた位置で割れるように傷を入れておくことが重要であり頂点から外れすぎると鋭利な部分が得られにくい上に歪な形状となりナイフに適さない尚極力ガラスがゆっくり割れるようにテンションを加えると比較的良質なナイフが得られる適切なナイフの破面の状態を図 5 (c) に示す表側 ( 割れ始め ) の端部はナイフが鋭利でなくまた裏側 ( 割れ終わり ) の端部は破面の形状が悪くなり易く共に切片の切り出しには適さない図中印の領域が最も鋭利に仕上がるので最終的な薄い切片の切り出しに使用し試料のトリミング ( 粗加工 ) には印の領域を使用した

ガラス板 1 2 3 図 4 ナイフメーカーの概要 a) ガラス板をセットしハンドル 1 を手前に回しガラス板を固定する b) レバー 2 を手前に引きガラス板表面に傷を入れる c) ハンドル 3

図中円内 ) をナイフとする (c) 印部 ( 超薄切片切り出し用 ) と印部 ( トリミング用 ) を使用する 1-2.

そこで適当なサイズに切り出したフィルムをエポキシ樹脂で包埋した ( 図 6 ) エポキシ樹脂の特性として電子顕微鏡内での観察に備え電子線に対し安定であるもの更には試料の確実な固定のため浸透性が良い ( 粘度が低い

4 ガラス板図 4 ナイフメーカーの概要 a) ガラス板をセットしハンドル 1 を手前に回しガラス板を固定する b) レバー 2 を手前に引きガラス板表面に傷を入れる c) ハンドル 3 を時計方向に回しガラス板に曲げのテンションを加えて割る 1 25 mm 2 (c) 裏表 25 mm t = 6 mm 図 5 ガラスナイフの概要作成したガラスナイフの一例対角線に割ったガラスの頂点 ( 図中円内 ) をナイフとする (c) 印部 ( 超薄切片切り出し用 ) と印部 ( トリミング用 ) を使用する 1-2. 樹脂包埋トリミング今回の研修で試料としている電子顕微鏡用フィルム ( 図 2 参照) は薄くかつ柔らかくミクロトームを用いて加工する際に変形してしまうためそのままの状態では超薄切片を切り出すことは難しいそこで適当なサイズに切り出したフィルムをエポキシ樹脂で包埋した ( 図 6 ) エポキシ樹脂の特性として電子顕微鏡内での観察に備え電子線に対し安定であるもの更には試料の確実な固定のため浸透性が良い ( 粘度が低い ) ものを採用した更にこれら (c) 15 mm 120 斜面は滑らかにする 6 mm 図 6 樹脂包埋及びトリミングした試料 ( 電子顕微鏡用フィルム ) 切り出したフィルムをエポキシ樹脂で包埋した状態先端をトリミングした状態 (c) トリミングの詳細台形と平面の成す角は約 120 また台形の斜面は滑らかにする

エポキシ樹脂に包埋した試料はミクロトームでの加工に備えその先端を 1 mm 四方程度に小さく加工 ( トリミング ) した ( 図 6 ) 実際のトリミング作業はまずヤスリで大まかに先端の形状を整えトリミング用カミソリを用いて図 6 (c) のように台形に加工する特にミクロトームを用いて切片を切り出す際にナイフと接する斜面の部分は滑らかにする必要がある 1-3.

試料がセットされているアーム部分が上下にストロークしガラスナイフの部分で切片が切り出され 1 ストローク毎に設定された切り出し厚み分だけアーム部分が軸方向に送られるので連続的に設定厚みの切片の切り出しが可能という仕組みとなっている切削中はルーペで確認しながら作業を進めた切り出された切片はガラスナイフにセットしたボートに貯めた蒸留水上に浮いているのでこれを親水化処理した TEM

5 エポキシ樹脂に包埋した試料はミクロトームでの加工に備えその先端を 1 mm 四方程度に小さく加工 ( トリミング ) した ( 図 6 ) 実際のトリミング作業はまずヤスリで大まかに先端の形状を整えトリミング用カミソリを用いて図 6 (c) のように台形に加工する特にミクロトームを用いて切片を切り出す際にナイフと接する斜面の部分は滑らかにする必要がある 1-3. ミクロトームによる超薄切片の切り出し樹脂包埋トリミングした試料はミクロトームにセットしここで超薄切片の切り出しを行ったミクロトームの概要を図 7 に示す図 7 においてダイヤル1で切り出す切片の厚みをダイヤル2で自動加工の際の加工速度を調整する手動で切削する際にはダイヤル3を回す図 7 は試料及びガラスナイフがセットされている部分の拡大図である試料がセットされているアーム部分が上下にストロークしガラスナイフの部分で切片が切り出され 1 ストローク毎に設定された切り出し厚み分だけアーム部分が軸方向に送られるので連続的に設定厚みの切片の切り出しが可能という仕組みとなっている切削中はルーペで確認しながら作業を進めた切り出された切片はガラスナイフにセットしたボートに貯めた蒸留水上に浮いているのでこれを親水化処理した TEM 観察用メッシュに採取した試料 1 ボート 2 3 ガラスナイフ図 7 ミクロトームの概要ダイヤル 1 は切り出す切片の厚み調整ダイヤル 2 は自動加工の際の速度調整手動加工はダイヤル 3 を回して行う試料がセットされたアームが上下にストロークしガラスナイフで切片が切り出されるストローク毎に設定厚み分だけアームが送られるので連続した切片の切り出しが可能である 2. 超薄切片の観察結果 2-1. ステレオ観察法による現像核の分布の調査超薄切片の観察には超高圧電子顕微鏡施設の汎用電子顕微鏡 ( 加速電圧 200 kv) を用いた超高圧電子顕微鏡で撮影したフィルムの電子照射部及びかぶり部から得られた切片厚み 1 μm の観察結果を図 8 に示すそれぞれとに挟まれた領域即ち乳剤層中に銀微粒子からなる現像核が分布している様子が確認できるここで現像核が電子の飛跡に沿って分布していることを正確に把握するためステレオ観察法を用いたこれは二次元の情報である TEM 像から奥行きの情報も含む三次元の情報を得るための観察手法でありこれにより飛跡に沿った現像核の分布を認識しやすくなる具体的には TEM の試料傾斜装置を用いて

電子照射部 t = 1 μm かぶり部乳剤層 t = 1 μm 10 µm 乳剤層 10 µm 図 8 超薄切片の観察結果かぶり部及び電子照射部から切り出した厚み 1 μm の切片の観察結果ステレオ観察法とステレオルーペ試料を傾斜させ

て観察したその結果図 9 に示すように電子照射部では乳剤層に対しほぼ垂直な飛跡に沿った現像核の分布が確認され一方かぶり部では乳剤層とほぼ平行な飛跡に沿った分布であることが分かったつまりかぶり部についてもその原因は TEM

影の際の電子はフィルム面の垂直方向から入射するがこのかぶりの原因となる電子はフィルム面とほぼ水平方向から入射していることになる以上の観察結果及びこれらかぶりの現象が全てのフィルムに起こるわけではないことまた超高圧電子顕微鏡の加速電圧が

6 電子照射部 t = 1 μm かぶり部乳剤層 t = 1 μm 10 µm 乳剤層 10 µm 図 8 超薄切片の観察結果かぶり部及び電子照射部から切り出した厚み 1 μm の切片の観察結果ステレオ観察法とステレオルーペ試料を傾斜させ二つの異なる角度から撮影しこれら二枚の TEM 像ステレオペアというを図 8 に示す専用のルーペを用いて観察する尚ステレオ観察法では試料の厚み方向の情報が多いほど立体的に認識しやすいことから切片厚みを 2 μm としてそれぞれの試料について観察したその結果図 9 に示すように電子照射部では乳剤層に対しほぼ垂直な飛跡に沿った現像核の分布が確認され一方かぶり部では乳剤層とほぼ平行な飛跡に沿った分布であることが分かったつまりかぶり部についてもその原因は TEM 内の高エネルギーの電子であることまたそれら電子の入射方向がフィルム面とほぼ水平であるといえる図 10 に電子顕微鏡用フィルムを TEM 内に装填する際に用いるフィルムケースを示す TEM 観察撮影の際の電子はフィルム面の垂直方向から入射するがこのかぶりの原因となる電子はフィルム面とほぼ水平方向から入射していることになる以上の観察結果及びこれらかぶりの現象が全てのフィルムに起こるわけではないことまた超高圧電子顕微鏡の加速電圧が 1000 kv と高エネルギーであることを含めて考察するとこのかぶりの原因としてある TEM 観察モードにおいて顕微鏡内の電子が異常に散乱されそれら散乱された電子がフィルムケースに達したと考えられる尚二次的な X 線による影響も考えられることからこれらについても更なる検証考察が必要と考える

t = 2 μm 電子照射部飛跡が乳剤層とほぼ垂直 t = 2 μm かぶり部飛跡が乳剤層とほぼ平行 10 µm 10 µm 図 9 超薄切片の観察結果電子照射部及びかぶり部から切り出した厚み 2 μm の切片の観察結果

TEMの光路上に送られ電子が照射される図 10 フィルムケースと電子照射の経路 TEM 観察撮影の際の電子はフィルム面の垂直方向から入射するがかぶりの原因となる電子はフィルム面とほぼ水平方向から入射している 2-2.

5μm ではかなり切片の加工性が悪いものの良質な切片においては図 11 に示すように現像核銀微粒子の詳細が確認できるほど薄い領域を得ることができた一方厚み 0.

7 t = 2 μm 電子照射部飛跡が乳剤層とほぼ垂直 t = 2 μm かぶり部飛跡が乳剤層とほぼ平行 10 µm 10 µm 図 9 超薄切片の観察結果電子照射部及びかぶり部から切り出した厚み 2 μm の切片の観察結果電子照射部では現像核が飛跡に沿って乳剤層とほぼ垂直に分布しているがかぶり部では飛跡にそって乳剤層とほぼ平行に分布している電子照射部の電子の入射方向フィルム面かぶり部の電子の入射方向フィルムケース撮影時にフィルムケースから一枚だけ TEMの光路上に送られ電子が照射される図 10 フィルムケースと電子照射の経路 TEM 観察撮影の際の電子はフィルム面の垂直方向から入射するがかぶりの原因となる電子はフィルム面とほぼ水平方向から入射している 2-2. より薄い切片の状態観察かぶり部から採取した切片厚み 0.5μm 及び 0.2μm の観察結果を図 11 に示す厚み 0.5μm ではかなり切片の加工性が悪いものの良質な切片においては図 11 に示すように現像核銀微粒子の詳細が確認できるほど薄い領域を得ることができた一方厚み 0.2μm の場合にはほとんど良質な切片が得られずこれは図 11 に示すように乳剤層がに固定されておらず剥がれてしまうためと考えられるこの剥がれの原因として乳剤層が軟質ゼラチン質であり加工の際試料が逃げてしまいとの接着界面で剥がれるためと考えられる一般にミクロトームを用いた超薄切片の作製においては試料が軟質なほど良質な切片を得ることが困難とされ図 11 に示すように比較的硬質な部分は比較的均一な薄片が得られているが軟質な乳剤層は全体的に凸凹であり試料の硬さが加工性に影響していることが確認できた

t = 0.5 μm t = 0.2 μm 乳剤層 5 µm 0.1 µm 図 11 より薄い切片の観察例厚み 0.5 µm の切片の観察例比較的薄い切片が得られ現像核銀微粒子の詳細が確認できる厚み 0.5 µm の切片の観察例軟質な乳剤層と硬質なの界面での剥がれが多く見られ良質な切片を得ることができなかった 3.

今回の研修ではより切削性の良いダイヤモンドナイフは高価なため使用しなかったがナイフの種類も含め様々な条件での切片作製の経験が技能向上に必要と感じたまた研修の試料として超高圧電子顕微鏡で撮影したフィルムを用いそのかぶりの原因究明を行ったその結果フィルムのかぶりは超高圧電子顕微鏡内の散乱電子若しくは二次 X

8 t = 0.5 μm t = 0.2 μm 乳剤層 5 µm 0.1 µm 図 11 より薄い切片の観察例厚み 0.5 µm の切片の観察例比較的薄い切片が得られ現像核銀微粒子の詳細が確認できる厚み 0.5 µm の切片の観察例軟質な乳剤層と硬質なの界面での剥がれが多く見られ良質な切片を得ることができなかった 3. まとめ今回の研修ではミクロトームを用いた電子顕微鏡観察用超薄切片の作製を行ったその結果試料の前処理ガラスナイフの作製及びミクロトームの操作等のミクロトーム法に関する基本技能を修得することができた特にミクロトームを用いた切片の切り出しに関してはガラスナイフの良否試料の前処理の状態や硬度加工速度等様々の要因が切り出される切片の良否を左右することを確認した今回の研修ではより切削性の良いダイヤモンドナイフは高価なため使用しなかったがナイフの種類も含め様々な条件での切片作製の経験が技能向上に必要と感じたまた研修の試料として超高圧電子顕微鏡で撮影したフィルムを用いそのかぶりの原因究明を行ったその結果フィルムのかぶりは超高圧電子顕微鏡内の散乱電子若しくは二次 X 線がフィルム面とほぼ平行な方向から入射することに起因していることが判明したこのかぶりの現象が全てのフィルムにおいて発生しないことから顕微鏡の撮影条件や構造的な側面を含めた更なる調査及び対策の検討が必要と考えられる 4. 謝辞今回の研修ではミクロトーム法及びフィルム解析法に関して以下の方々に技術的なご指導をいただきました篤くお礼申し上げますエコトピア科学研究所融合プロジェクト研究部門医学部工学研究科化学生物工学専攻理学研究科素粒子宇宙物理学専攻臼倉教授藤田技術職員松下研究室山田君 F研久保田君若尾君

電子部品の試料加工と観察分析解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー A 電子部品の試料加工と観察分析解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー第 9 回品質技術兼原龍二前回の第 8 回目では FIB(Focused Ion Beam:FIB) のデメリットの一つであるGaイ

電子部品の試料加工と観察分析解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー A 電子部品の試料加工と観察分析解析 ~ 真の姿を求めて ~ セミナー第 9 回品質技術兼原龍二前回の第 8 回目では FIB(Focused Ion Beam:FIB) のデメリットの一つであるGaイ第 9 回品質技術兼原龍二前回の第 8 回目では FIB(Focused Ion Beam:FIB) のデメリットの一つであるGaイオンの打ち込み ( 図 19. 第 6 回参照 ) により試料の側壁に形成されるダメージ層への対処について事例などを交えながら説明させていただきました今回は試料の表面に形成されるダメージ層についてその対処法を事例を示してお話しをさせていただきます Gaイオンの試料への打ち込みですが