カソードルミネッセンス（CL）測定では、SEM像と同時に発光情報を取得できるため、材料の欠陥や組成分布を調べる手法として広く利用されています。しかし、SEM像とCL像が同じ範囲を示しているのか、また低倍率で取得した際に像の一部だけが明るくなる理由については、装置構成や光学系を理解する必要があります。この記事では、CL像がどのように形成されるのか、SEM像との違い、低倍率測定で発生しやすい現象について解説します。
CL像はSEM像と同じ範囲を走査して得られるのか
CL測定では、SEMの電子ビームを試料表面上で走査し、その際に発生する発光（カソードルミネッセンス）を検出して像を作ります。そのため、基本的にはSEM像と同じ電子ビーム走査範囲から得られる情報になります。
つまり、倍率設定が同じであれば、電子ビームが走査している領域自体はSEM像とCL像で共通しています。SEM像が電子線による二次電子や反射電子の情報を画像化しているのに対し、CL像は同じ電子線照射によって発生した光の強度分布を画像化しています。
ただし、実際のCL像の見え方は、単純にSEM像と同じ範囲の発光を均一に取得できるわけではありません。光を集める光学系の性能や配置によって、像の明るさや均一性が変化します。
CL測定では集光ミラーが発光を取り込む
CL測定では、試料から発生した微弱な光を効率よく集めるために、放物面ミラーや楕円ミラーなどの集光光学系が使用されます。
電子ビームで試料上の一点を励起すると、その場所から発光が起こります。集光ミラーはその光を集め、分光器や検出器へ導きます。しかし、ミラーの位置や焦点条件によっては、試料全体から発生した光を均一に取り込めない場合があります。
特に低倍率で広い範囲を測定すると、電子ビームが走査している領域に対して、集光できる光の範囲や角度が不足することがあります。その結果、画像中央付近だけ明るく、周辺が暗く見えるような現象が発生することがあります。
低倍率CL像で中央部分だけ明るくなる主な原因
低倍率測定時にCL像の中央付近だけが明るくなる場合、いくつかの原因が考えられます。代表的なものは、集光ミラーの視野や光学的な収差によるものです。
CLの集光系には、最も効率よく光を集められる中心領域があります。電子ビームの走査範囲がその領域より広くなると、中心部では多くの光を検出できても、端の部分では発光を十分に取り込めなくなることがあります。
例えば、懐中電灯で広い範囲を照らす場合、中心が明るく周辺が暗くなることがあります。CL測定でも、光を集める範囲と電子線走査範囲の関係によって似たような明るさの偏りが生じる場合があります。
SEM像とCL像で見える情報が異なる理由
SEM像は電子線によって発生する二次電子などを検出するため、表面形状や凹凸、組成差を反映した画像になります。一方、CL像は電子線によって励起された材料内部の発光特性を反映します。
そのため、SEM像では均一に見える部分でも、CL像では発光効率の違いによって明暗差が現れることがあります。逆に、SEM像で特徴的な形状が見えていても、CLでは発光しない場合もあります。
例えば半導体材料では、不純物や結晶欠陥の存在によって発光強度が変化します。そのため、CL像は単なる表面観察ではなく、材料の光学的性質を調べるための情報として利用されます。
低倍率CL測定を正しく行うための確認ポイント
低倍率で広範囲のCL像を取得する場合は、集光ミラーの位置調整や試料位置、焦点条件を確認することが重要です。
まず、同じ場所を高倍率で観察し、CL強度が均一に取得できているか確認すると、光学系による影響か試料自身の発光分布なのかを判断しやすくなります。
また、CL検出器の感度補正やフラットフィールド補正が可能な装置では、それらを利用することで明るさのムラを低減できる場合があります。
まとめ｜CL像はSEM像と同じ走査範囲でも光学系の影響を受ける
CL像は基本的にはSEM像と同じ電子ビーム走査によって取得されるため、同じ倍率であれば観察範囲は対応しています。しかし、CLでは発生した光を集光ミラーで取り込む必要があるため、SEM像とは異なる制約があります。
低倍率で中央付近だけ明るく見える場合は、試料の発光特性だけでなく、集光ミラーの視野、焦点条件、光学系の取り込み効率などが原因になっている可能性があります。
CL測定では、SEM像との対応だけでなく、電子線走査範囲と光学的な検出範囲の関係を理解することで、より正確な発光分布の解析が可能になります。
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