電界放出形走査電子顕微鏡(FE-SEM)の活用

芝浦セムテック株式会社

環境測定部 材料分析課

古味 秀人

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金属材料、高分子材料の研究開発、

品質保証（改善）に関する調査事例紹介

内容

FE-SEMの原理・特徴

観察事例

イオンミリング法の原理・特徴

イオンミリング法を適用した断面試料の観察事例

SEM-EDXの原理・特徴

SEM-EDXの適用事例

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材料分析課の業務内容

形状・色・内部組織 ビデオマイクロスコープ

金属顕微鏡 走査電子顕微鏡(FE-SEM) 他

材料強度 引張・曲げ試験

疲労試験

硬度・粗さ・寸法 ブリネル硬度計

ロックウェル硬度計 マイクロビッカース硬度計

荒さ計 他

元素組成・化合状態 固体発光分光分析

エネルギー分散形X線分析(SEM-EDX) 波長分散形X線分析(EPMA)

フーリエ変換赤外分光分析(FT-IR) 他 材質：ポリエチレンテレフタレート(ＰＥＴ)

測定結果

検索結果 試験片の作成

受託分析・立会分析

東芝機械グループ

一般企業・官公庁様

3

ショットキー走査電子顕微鏡の特徴

高分解能 ～300,000倍

(最高分解能 1.2nm)

低加速電圧観察：極表面凹凸

熱に弱い材料

絶縁物

低真空観察(10～300Pa)：軟質材、絶縁物

反射電子像による組成差の観察

エネルギー分散形X線分析(元素組成分析)

最大試料サイズ：200mmφ×80mmH 重量500g以下

汎用型 電界放出型

フィラメント形状

電子源の大きさ 20~30μm 数～数10nm

輝度(A/cm3・sr) ~106 ~108

特徴 装置が低価格

低ランニングコスト

光源が小さく、明るい

→高分解能

S/Nがよい 大電流時、高分解能

低加速電圧時、高分解能

汎用SEMとFE-SEMのちがい

特徴・用途

4

FE-SEM： Field Emission Scanning Electron Microscope

電界放出形走査電子顕微鏡

・冷陰極型

・ショットキー型 日立 SU5000

高分解能観察（二次電子像）

5

×200,000

金の微粒子

×500

ステンレスの硝酸腐食

×10,000

×50,000

10nm

ステンレスの王水腐食

×500

×10,000

×50,000 ×100,000

100ｎm

100ｎm 300ｎm

2μm

50μm

300ｎm

粒子径を計測

表面の微細凹凸を観察

低加速電圧観察（二次電子像）

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アルミナ系 セラミックス

×10,000 ×2,000

グラニュー糖

×10,000 ×50

×70

×70

×10,000

×10,000 加速電圧 0.5kV 加速電圧 1kV

加速電圧 1kV 加速電圧 0.8kV

塩化カリウム

硫酸銅

1μm 1μm

1μm 1μm

10μm

500μm 500μm

500μm

結晶の極表面形状を観察

結晶のステップ形状を観察

熱に弱い材料を観察（有機物、高分子など）

絶縁物を観察

低真空観察

7

アルミナ系セラミックス 樹脂材上に付着したグリス グリス中の分散粒子分布

軟質材のそのまま観察

×500

×500

×2,000

×10,000 ×40

×40

二次電子像

反射電子組成像 反射電子組成像

亜硝酸ナトリウム

二次電子像： 表面凹凸 反射電子組成像： 組成分布

反射電子組成像

グリスA

150Ｐａ 70Ｐａ

反射電子組成像

反射電子組成像

絶縁物のそのまま観察

加速電圧 15kV 加速電圧 5kV

ケイ酸塩系ガラス

アルミナ

1μm

10μm 50μm

500μm

グリスB

分散粒子を観察

分散粒子が見られない

グリスA

組成差で識別

樹脂材

半固体、流動物を観察

複合材を観察

イオンミリング法による試料加工

試料構成元素

Ａｒイオン

断面ミリングの原理

表面ミリング＝試料面エッチング → 材料の組織観察

試料

マスク

※あらかじめ試料切断、樹脂包埋、機械研磨が必要です

1mm

1mm

8

日立 IM4000

機械研磨法とのちがい

脱落・変形等がない

空孔の閉塞・欠けがない

エッジダレがない

硬度差による段差ができない

破砕層を生じない

ナノオーダーの薄膜断面の観察

空孔形状・分布の観察

樹脂とセラミックスなど複合材境界部の観察

結晶方位の観察

加工後の試料断面

加工範囲： 1×1mm前後

加工時間： 1～4時間

断面イオンミリング法による観察

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銅表面の自然酸化膜

×100,000 反射電子組成像

銅母材 金保護膜

10nm

55nm

高速度鋼の内部組織 クロメート処理膜

×10,000 ×50,000 反射電子組成像 反射電子組成像

75nm

銅線の内部組織、介在物と空隙

×5,000 ×2,000 反射電子組成像 反射電子組成像 ×30,000

二次電子像

引き伸ばし方向 窒化ケイ素の内部組織

Znめっき

クロメート層

イットリア

窒化ケイ素 介在物（銅酸化物）

空隙

W-Cr相

V相

100nm

300ｎm

300nm 1μm

3μm 10μm

膜厚を計測 微細組織を観察

膜厚を計測

介在物量、空隙率を計測 結晶の大きさ、形状を計測 微細組織を観察

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表面イオンミリング法による組織観察

反射電子組成像

反射電子組成像

反射電子組成像 ×400

×10,000

×30,000

球状黒鉛鋳鉄の内部組織

パーライト部

セメンタイト

500ｎm

1μm

30μm

フェライト

黒鉛

ミクロ組織を観察

微細組織を観察

機械研磨後、Arイオンで表面をエッチング

SEM-EDXの原理

入射電子

散乱電子（反射電子）

K殻 L殻 特性X線

半導体検出器

パルス高ごとに分別

材料組成と加速電圧に依存します

蛍光収率＝特性X線/(特性X線+オージェ電子)

3μm

3.3μm

15kV C Kα

二次電子 （光電子）

ＥＤＸスペクトル 0.5μm

0.9μm

15kV Au Mα

測定原理

特性X線の発生領域(空間分解能)

Au C

e-

0.005μm

0.007μm

1kV Fe Lα

Fe

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特性X線の検出強度

共存元素による影響を補正

重量濃度（wt%）

SEM-EDX： Scanning Electron Microscope

-Energy Dispersive X-ray spectrometer

走査電子顕微鏡-エネルギー分散形X線分析装置

分析深さ～電子線の拡散深さ

分析領域の横の広がり：電子線径＋電子線の拡散

SEM-EDX～ 微小部の重量濃度を測定

SEM-EDXの特徴

・平面、均一固溶試料： 化学分析に近い定量値

・凹凸試料、複合材（超硬合金など）： 概略濃度が得られます

・検出元素： B～U

・検出限界： ～0.1[wt%]

特徴

・微量検出(0.1wt%～数10ppm)

・微量元素の濃度マッピング(最大80×80mm)

・近接ピークの分離検出(Na-Zn, S-Mo, Zr-Ptなど)

→ 電子線ﾏｲｸﾛｱﾅﾗｲｻﾞ(波長分散形X線分析装置：EPMA)

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・定性分析・定量分析

・電子顕微鏡像と同一視野で元素マッピングが可能 定性・定量分析

元素マッピング

SEM-EDX 分析事例（表面処理膜）

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元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

Sn Lｼﾘｰｽﾞ 100.0 100.00

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

Cu Kｼﾘｰｽﾞ 40.99 56.48

Sn Lｼﾘｰｽﾞ 59.01 43.52

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

Cu Kｼﾘｰｽﾞ 60.71 74.27

Sn Lｼﾘｰｽﾞ 39.29 25.73

イオンミリング法による断面試料作成

Cu 反射電子組成像

Sn Pb

反射電子組成像

（端子断面全体）

コネクタ端子めっき部断面の分析

3.3μm

SEM-EDXによる定性分析結果

外観

×5,000

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

Cu Kｼﾘｰｽﾞ 2.77 8.07

Sn Lｼﾘｰｽﾞ 7.53 11.75

Pb Mｼﾘｰｽﾞ 89.70 80.18

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

Cu Kｼﾘｰｽﾞ 97.91 98.87

Sn Lｼﾘｰｽﾞ 2.09 1.13

B A C

D

E

A

B

C

D

E

母材

5μm

純Sn

Cu：Sn～４：３

Cu：Sn～３：１

Pb rich

リン青銅 表面処理膜の構造を観察、計測

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SEM-EDX 分析事例（やわらかい材料）

普通紙断面の分析

反射電子組成像

反射電子組成像

二次電子像

Ca

イオンミリング法による断面試料作成

低真空観察

×500

×1,000

二次電子像

ハサミによる切断

×500

30μm

10μm

試料が潰れているため 正確な断面観察が困難

やわらかい材料を断面から観察

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高速度鋼の内部組織の分析

反射電子組成像 Fe W

×30,000

250nm

反射電子組成像 Al O

ジルコニアセラミックスの内部組織の分析 ×30,000

170nm

SEM-EDX 分析事例（高倍率マッピング）

500ｎm

W相

アルミナ

Fe相

ジルコニア

微細構造を元素で観察

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元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

C Kｼﾘｰｽﾞ 23.51 42.25

O Kｼﾘｰｽﾞ 30.06 40.55

Fe Kｼﾘｰｽﾞ 16.96 6.55

Zn Kｼﾘｰｽﾞ 26.29 8.68

他の検出元素 Si，S，Cl，V，Cr

外観

反射電子組成像 二次電子像

Fe Zn O

変色部

正常部

1mm

×30

SEM-EDXによるマッピング分析

SEM-EDX 分析事例（表面変色）

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

C Kｼﾘｰｽﾞ 18.41 45.19

O Kｼﾘｰｽﾞ 12.04 22.18

Fe Kｼﾘｰｽﾞ 0.00 0.00

Zn Kｼﾘｰｽﾞ 66.08 29.80

他の検出元素 Si，S，Cl，V，Cr

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

C Kｼﾘｰｽﾞ 12.89 28.42

O Kｼﾘｰｽﾞ 26.15 43.28

Fe Lｼﾘｰｽﾞ 52.28 24.79

Zn Lｼﾘｰｽﾞ 8.68 3.51

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量% 原子数濃度%

C Kｼﾘｰｽﾞ 10.12 23.44

O Kｼﾘｰｽﾞ 29.12 50.64

Fe Lｼﾘｰｽﾞ 0.85 0.42

Zn Lｼﾘｰｽﾞ 59.91 25.50

金属材料表面の変色

複数画像つなぎ合わせによる低倍率マッピング分析

加速電圧 15kV

加速電圧 2kV

二次電子像

×20,000

加速電圧 1kV

1μm

X線発生深さ ～0.05μm

オキシ水酸化鉄 水酸化亜鉛

結晶物が見られる

変色部 正常部

極表面を元素分析

SEM-EDXによる定性分析結果

下地元素も検出

SEM-EDXによる異物解析

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元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量%

Si Kｼﾘｰｽﾞ 0.10

Mn Kｼﾘｰｽﾞ 0.28

Fe Kｼﾘｰｽﾞ 99.62

元素 ﾗｲﾝﾀｲﾌﾟ 質量%

Si Kｼﾘｰｽﾞ 0.35

Cr Kｼﾘｰｽﾞ 0.33

Fe Kｼﾘｰｽﾞ 2.98

Zn Kｼﾘｰｽﾞ 96.34

外観 反射電子組成像 二次電子像

Fe Zn Cr

分析個所 A

分析個所 B A B

0.7mm

低合金鋼

亜鉛めっき

＋クロメート層

クロメート処理された亜鉛めっき鋼板片

×70

マッピング分析の結果、

Feが多く検出される個所とZnが多く検出される個所が見られた

それぞれの個所でスポット分析を実施

SEM-EDXによる定性分析結果

SEM-EDXによるマッピング分析

試料の裏側を分析・確認 （分析個所Aと類似結果）

金属異物

異物を多方向から元素分析

電子線マイクロアナライザ（EPMA）の活用

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元素 wt% JIS規格：C5071

Cu 97.9 －

Sn 1.9 1.7～2.3

Ni 0.21 0.10～0.40

P 0.06 0.15以下

球状黒鉛鋳鉄の濃度マッピング分析 銅合金の定量分析 異物分析

定性分析 定性分析

検量線定量分析 ZAF定量分析

反射電子組成像

C Si

Mn

外観 反射電子組成像

低合金鋼 銅合金

3mm

EDX・EPMAで可能 EPMAで可能

EPMAで可能

元素 wt% JIS規格：S12C

C 0.12 0.10～0.15

Si 0.28 0.15～0.35

Mn 0.45 0.30～0.60

P 0.03 0.030以下

S 0.02 0.035以下

S10C・S12C・S15Cなど相当材 （ミクロ偏析を考慮）

りん青銅 C5071相当材

微量元素の定量分析

微量元素の濃度マッピング分析

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・破損解析、不具合解析（破面解析、組織、硬さ、引張強度などから破損原因を調査）

・異物解析（金属、セラミックス、高分子系物質など）

・材質調査（JIS規格との照合、内部組織観察など）

・表面処理膜の評価（めっき、クロマイト、リン酸亜鉛、黒染、CVD、窒化など）

・機械試験（引張・曲げ試験、疲労試験など テストピースの作成）

弊社設置の装置だけでなく、さまざまな解析方法・装置を使い、 弊社提携先と協力し、可能な限り対応させていただきます。

お気軽にお問い合わせ・ご相談ください。迅速に対応いたします。

芝浦セムテック株式会社 環境営業部 担当：池谷（いけたに）

東芝機械㈱ 沼津工場内 TEL：055-926-5170

E-Mail：iketani.takeshi@s-semtek.co.jp

材料にかかわるさまざまな調査をおこないます