SEM（電子顕微鏡）｜微細構造を高解像度で解析する電子顕微鏡

SEM

SEM（Scanning Electron Microscope）は、電子ビームを試料表面に走査して観察する電子顕微鏡の一種である。試料に照射された電子ビームが反射電子や二次電子を生じ、その信号を検出器で捉えることで、きわめて高い空間分解能の画像が得られる。光学顕微鏡よりも格段に高解像度な観察が可能であり、微細な構造の評価や表面形状の把握に重宝される。試料表面の状態を数nmレベルで解析できることから、半導体製造や材料科学、医用生体工学などの幅広い分野で利用されている。

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基本原理

SEMは、加速した電子ビームを狭い領域に集中させ、ライン状またはラスタースキャン方式で試料表面を走査する。試料に衝突した電子は二次電子や後方散乱電子、透過電子など多彩な反応を起こすが、SEMはでは主に二次電子と後方散乱電子を検出することで表面形状や組成のコントラストを得る。ビームの収束や検出機構の精度が高いほど詳細な情報が得られ、観察倍率は数十倍から数十万倍にまで及ぶ。電子ビーム生成には電子銃を用いるが、その種類によって分解能やビーム強度が異なるため、用途に合わせた選定が重要となる。

構成要素

SEMはの主な構成要素として、電子銃、加速管、対物レンズ、走査コイル、ステージ、そして検出器が挙げられる。電子銃ではタングステンフィラメントやLaB6フィラメント、さらにはフィールドエミッション型など、異なる原理で電子を放出する方式が存在する。加速管では高電圧をかけて電子のエネルギーを調整し、対物レンズと走査コイルによってビームを試料表面の微小領域へ集束・走査する。検出器には二次電子検出器（SE検出器）や後方散乱電子検出器（BSE検出器）があり、それぞれ異なるコントラスト情報を提供する。

SEMの観察

SEMは観察時には試料の導電性が大きく影響する。非導電性の試料は帯電を起こして像が乱れるため、金や炭素などの導電性コーティングを施すことが一般的だ。加えて、試料のサイズや形状によってはステージの調整や試料作製工程が煩雑になることもある。このようにSEMはの運用には試料準備が重要であり、観察目的に合った前処理を実施することで、高品位な画像と精確な分析が可能になる。

用途

SEMはは、材料開発や品質管理などで微細構造を直接評価するために用いられる。例えば半導体産業では、デバイスの配線幅や欠陥位置をミクロレベルで検出し、生産プロセスを最適化する手段として欠かせない。自動車や航空宇宙分野でも、摩耗した表面の観察や異物解析などでSEMはが活躍する。さらに、生物試料を固定・脱水・コーティングしたうえで観察すれば、細胞膜や微細な構造物を立体的に把握することができる。こうした幅広い応用の背景には、SEMはの高解像度かつ多様な検出能力が大きく寄与している。

分析機能を統合したシステム

近年ではSEMはに各種分析機能を統合したシステムも登場している。代表的なのがエネルギー分散型X線分析装置（EDS）であり、SEMは観察と同時にX線スペクトルを取得して元素分析が可能になる。さらに波長分散型X線分析装置（WDS）や電子後方散乱回折（EBSD）などを組み合わせることで、結晶方位や微量元素分布なども測定できる。これらの付加機能を活用することで、表面構造だけでなく、試料の組成や結晶構造を包括的に把握することが実現している。

課題と展望

SEMはには、試料が真空環境に置かれることやコーティングを要することなど、観察上の制限がある。また、観察領域が狭いため、大面積の検査には時間と手間がかかりやすい。近年は低真空モードや環境SEMは（ESEM）の開発によって、帯電を緩和しながら湿式試料の観察が可能になるなど、技術的な課題克服に向けた取り組みが進んでいる。加えて、AIの画像解析技術を組み合わせることで、自動検査や欠陥分類の効率化が期待される。今後は高速度・高解像度化だけでなく、操作性や分析機能の拡張を通じて、多様な分野への応用がいっそう広がっていくだろう。