研究成果の内容

　本開発研究では、従来の半導体検出器とは異なる原理によるX線検出方法である「超伝導遷移端センサ(TES)」を利用した 「マイクロカロリメータ」と呼ばれる検出器をTEMに搭載しました。TEMに搭載する場合は、試料室近傍の空間的自由度が非常 に小さいこと、磁場環境が過酷なこと、音や振動の影響を受けやすいことなど、SEMとは異なる多くの技術開発要素があります。
今回は、文部科学省のリーディングプロジェクト「次世代の電子顕微鏡要素技術開発」として、NIMSが代表機関となり、研究分 野が異なる研究者の共同体としてチームを形成して技術開発を行いました。現在、開発した装置により、TEMのEDS分析として は世界最高である7.8eVという従来比一桁以上高いエネルギー分解能を達成しました。
TES型検出器は、動作温度が低いほどエネルギー分解能が向上するので、100ミリケルビン(mK)以下の極低温で動作させる必 要があります。そのため、センサ素子などの検出器系システム開発の他に、TEMに搭載できる冷凍機の開発、検出器や冷凍機 とEMとの整合性の確保なども技術開発の重要な要素でした。冷凍機については、大陽日酸株式会社の協力のもとで、液体ヘ リウムを用いない無冷媒式で、かつTEMに搭載可能なものを新たに製作しました。
写真１に開発したTESマイクロカロリメータEDS-TEMの外観写真を示します。TEM、冷凍機(希釈冷凍機と機械式冷凍機)とその 防音ボックス、補記類を収容する防音室（写真外）から成っています。冷凍機からの音や振動がTEMに伝わりにくい構造に成っ ており、また、試料と検出器との位置関係や相互作用などについても十分に考慮した構造となっています。

　図1は、新規に開発した装置によって取得したシリコンの特性X線のピークプロファイル(実線)を、従来の半導体検出器(SSD) で取得したもの(破線)と比較したものです。エネルギー分解能を示すピークの半値幅(FWHM)は、TESでは7.8eVを達成しており、SDの117eVと比較すると一桁向上しています。マイクロカロリメータのデータでは、検出器のエネルギー分解能が高いため、SSDでは分離できないKβ線のみならずKα3,4サテライトピークも測定できていることがわかります。
このように、検出器のエネルギー分解能が劇的に向上したことによって、従来型検出器(SSD)では分離不可能だった多重ピーク を分離した測定が可能になります。そのことを示す例として、図2にチタン酸バリウム(BaTiO3)から取得したスペクトルを示します。従来型検出器(図中SSD：破線)での測定では、チタン(Ti)とバリウム(Ba)の特性X線ピークが重なるので、それらの微小な濃度揺 らぎの検出が不可能ですが、新規開発装置(図中TESマイクロカロリメータ：実線)ではそれぞれを独立したピークとして観察でき、より高精度な組成分析を行うことができます。また、別の例として半導体デバイスから取得したスペクトルを図3に示します。これ まで不可能であったSiとWの分離が完全に実現できています。さらに、これらのマイクロカロリメータで取得したスペクトルでは、 バックグラウンドに対するピーク高さの比(P/B)がSSDと較べて向上するため、ピーク高さに対する相対的なバックグラウンドの値が減少し、実質的に微量元素の検出能力の大幅な向上が期待できます。