JP2001093459A

JP2001093459A - 走査透過型電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2001093459A
Application number: JP26735599A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Ueda; 和浩上田; Kazutoshi Kaji; 和利鍛示; Takashi Aoyama; 青山　　隆; Toshimichi Taya; 俊陸田谷; Shigeto Isagozawa; 成人砂子沢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2001-04-06

Abstract

(57)【要約】【課題】実時間で元素マッピング像を取得できる走査
透過型電子顕微鏡において、低倍率でも視野周辺でエネ
ルギーずれや視野カットの無い元素マッピング像が得ら
れる走査透過型電子顕微鏡を提供すること。【解決手段】電子線源１と走査コイル３、対物レンズ
４、結像レンズ８、電子分光装置１１、それにエネルギ
ースリット１４とマッピング検出器１５を備えた走査透
過型電子顕微鏡において、振り戻しコイル７を設け、走
査コイル３により電子線を走査したことにより、エネル
ギースリット１４の位置で電子線に現れる電子線の移動
量１９を、振り戻しコイル７による電子線の偏向により
相殺して低減し、マッピング検出器１５の出力の演算処
理を走査コイル３による電子線の走査に同期して逐次実
行させ、画像表示するようにしたもの。【効果】低倍率の元素マッピング像を実時間で取得す
る際に、電子線走査に伴うスペクトルのエネルギードリ
フトを低減が小さくなり、元素マッピング像のエネルギ
ーずれや視野制限が生じないようにできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子顕微鏡に係
り、特に電子線分光手段を備えた走査透過型電子顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】微小領域の観察方法として、従来から電
子顕微鏡が良く知られているが、これには、大別して、
走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscop
e)、透過型電子顕微鏡(TEM:Transmission Electron Mic
roscope)、走査透過型電子顕微鏡(STEM:Scanning Trasm
ission Electron Microscope)があり、ナノメーターレ
ベルの空間分解能を有しているのはＴＥＭとＳＴＥＭで
ある。

【０００３】ここで、ＴＥＭは、試料にほぼ平行に電子
線を照射し、透過した電子線をレンズなどで拡大する装
置であり、次にＳＴＥＭは、試料上の微小領域に電子線
を収束し、電子線を試料上で２次元に走査しながら透過
した電子線の強度を測定し、２次元画像を取得する装置
である。

【０００４】ところで、これらＴＥＭ及びＳＴＥＭで検
出される透過電子の強度は、電子が透過した部分の平均
原子番号と相関があり、このため原子番号が近い元素で
構成された薄膜や、平均原子番号が近いシリコン酸化膜
とシリコン窒化膜などの試料は識別することができな
い。

【０００５】一方、試料が金属膜の場合、蛍光Ｘ線分析
を用いて２次元像を取得する方法により識別が可能にな
るが、しかし、検出される蛍光Ｘ線強度が弱いので、２
次元像を得るには長い測定時間が必要となる。また、こ
の蛍光Ｘ線分析は軽元素の分析には適していないため、
シリコン酸化膜とシリコン窒化膜などの識別は困難であ
る。

【０００６】そこで、これらの問題を解決する分析方法
として、電子分光器を用い、試料を透過した電子のエネ
ルギーにより試料をスペクトル分析するようにした電子
エネルギー損失分光法(EELS：Electron Energy Loss Sp
ectroscopy)がある。

【０００７】この方法は、電子が試料を透過する際、試
料を構成する元素(電子構造)固有のエネルギーによる損
失を受けることを利用したものであり、従って、このよ
うに元素固有のエネルギー損失を受けた電子により２次
元像を得るようにした分析方法は、特にＥＦ−ＴＥＭ(E
nergy Filtering-TEM)法と呼ばれている。

【０００８】ところで、このＥＦ−ＴＥＭ法の１種に、
パラレル検出型の電子エネルギー損失分光器(Parallel
detection Electron Energy Loss Spectrometer:PEELS)
をＳＴＥＭに組み合わせた方法があり、ＥＦ−ＳＴＥＭ
と呼ばれている。

【０００９】ここで、ＰＥＥＬＳとは、扇型の磁場セク
ターを電子分光器とし、その前後に４重極レンズを配置
し、最下流にマルチチャンネルプレートアレイによるパ
ラレル電子線検出器を持つ構造のもので、このとき、そ
の４重極レンズは、ＥＥＬＳスペクトルのフォーカスの
調整と、ＥＥＬＳスペクトルの拡大に用いられる。

【００１０】そして、電子エネルギー損失スペクトル
は、電子分光器で分光された電子線スペクトルを４重極
拡大レンズで拡大してパラレル電子線検出器に投影して
測定するのである。なお、更に６重極レンズを配置する
場合もあるが、この場合、その６重極レンズは、検出器
に投影されるＥＥＬＳスペクトルの収差を低減するため
に用いられる。

【００１１】ここで、従来技術によるＥＦ−ＳＴＥＭに
ついて、図３の概念構成図により説明する。この図３に
おいて、電子線源１により発生された電子線は、照射レ
ンズ２と走査コイル３を介して対物レンズ(レンズ系)４
に入射され、細い平行電子線として試料５に照射され
る。そして、この試料５を透過した後、対物レンズ４の
下流に電子線像を結ぶ。

【００１２】この電子線像は結像レンズ８で拡大され、
絞り９で取り込み角が制限されてから扇形の磁極を有す
る電子分光装置１１に入射される。この扇形の磁極は、
図の紙面に垂直な磁場空間を形成しているので、ここに
入射した電子線は、９０度の角度まで偏向され、これに
よりエネルギー分析されてからマッピング検出器１５と
スペクトル検出器１６上に投影される。

【００１３】ここで、この従来技術におけるＰＥＥＬＳ
は、１段或いは数段の４重極拡大電磁レンズ１３を用
い、この４重極拡大電磁レンズ１３と４重極電磁レンズ
１０の組み合わせにより、エネルギー分散方向に１０〜
１０００倍に拡大したＥＥＬＳスペクトルを、エネルギ
ースロット１４を介してマッピング検出器１５上にフォ
ーカスさせて投影するようになっている。

【００１４】一方、スペクトル検出器１６には、チャン
ネル幅２５μｍ、１０２４チャンネル構成の一般的なマ
ルチチャンネルプレートアレイによる平面検出器が用い
られている。このとき、スペクトルの倍率は、４重極拡
大電磁レンズ１３の磁場の大きさによっても異なるが、
０．０２ｅＶ／チャンネル〜２ｅＶ／チャンネル程度の
範囲で可変になっている。

【００１５】ここで、この電子分光装置１１は、ゼロロ
ス電子線がスペクトル検出器１６の中央に来るように設
計されているため、エネルギー損失した電子線のスペク
トルを測定するためには、このエネルギー損失した電子
線を、電子分光装置１１内部に設置してある加速管１２
により、損失エネルギー分だけ加速して、測定するよう
になっており、これにより、測定したいロス電子線を、
エネルギースロット１４を備えた電子線検出器、つまり
マッピング検出器１５の中央に持ってくることができ
る。

【００１６】なお、このＰＥＥＬＳの詳細な構造につい
ては、例えば第４，７４３，７５６号米国特許明細書
や、特開平７−２１９６６号、特開平７−２１９６７
号、特開平７−２９５４４号の各公報に記載がある。

【００１７】ところで、このような電子顕微鏡では、画
像表示のため、試料面を電子線で走査するようになって
いるのが通例であり、図３のＥＦ−ＳＴＥＭでも、走査
コイル３により電子線を偏向させ、試料５の面を電子線
で走査し、これによりマッピング検出器１５から２次元
の画像データが取得できるようにしている。

【００１８】ここで、この走査コイル３は、電子線源１
から電子分光装置１１の入口までの間にある照射レンズ
２と対物レンズ４、それに結像レンズ８の各光軸を結ん
でいる直線、つまり、このＥＦ−ＳＴＥＭの電子光学系
の光軸を法線とする面内で、直交するＸ軸とＹ軸の２軸
方向に電子線を偏向することができるものである。

【００１９】この走査コイル３による電子線の試料５の
面上での走査のため、結像レンズ８の下流の位置でも光
軸から電子線が移動し、この移動量を１７とすると、こ
れがかなり大きくなっている。この電子線の移動量１７
は、対物レンズ２と結像レンズ８の組み合わせにもよる
が、例えば試料５の面上での電子線の移動量６の５倍か
ら１０倍にも拡大される。

【００２０】また、このようなＰＥＥＬＳの電子光学系
では、仮想光源をＸ軸方向に１００〜１０００倍に拡大
してマッピング検出器１５とスペクトル検出器１６に投
影しているため、仮想光源の移動量１８も、１００倍か
ら１０００倍に拡大されて各検出器に投影され、従っ
て、検出器位置での移動量１９は、試料５の面上での電
子線の移動量６の５００倍から１００００倍にも拡大さ
れる。

【００２１】そこで、従来技術では、ＥＥＬＳスペクト
ル取得時に各測定点での電子線の移動量を測定し、測定
終了後、計算機処理で補正し、例えば珪素、酸化珪素、
窒化珪素のプラスモンロスなどの方法でコントラストを
付加し、階調化された元素マッピング像を取得してい
た。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、実時
間レベルでＥＥＬＳスペクトルから元素マッピング像を
得る点について配慮がされているとはいえず、画像表示
までにかなりの時間を要してしまうという問題があっ
た。

【００２３】すなわち、従来技術では、上記したよう
に、各測定点での電子線の移動量を測定し、測定終了
後、計算機で処理する必要があるが、この補正は、これ
までのような計算機では困難であり、測定に数時間を必
要としているので、実時間レベルでの処理ができないと
いう問題を生じてしまうのである。

【００２４】また、実時間で元素マッピングをする場
合、測定すべきエネルギーの電子線を選択するため、エ
ネルギースリットをマッピング検出器の前に配置する。
このとき、従来技術では、実時間で低倍率の元素マッピ
ングの場合、検出器上での電子線の移動量が大きいた
め、測定すべきエネルギーの電子線がスリットに入らな
くなり、視野が狭くなるという問題もあり、このこと
は、同時に視野の周辺で観察している電子線のエネルギ
ーがずれていることを意味している。

【００２５】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたもので、実時間で広い領域の元素分布像
が取得できるようにした走査透過型電子顕微鏡の提供を
目的としている。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電子線源か
ら試料に照射される電子線を電子線走査手段により走査
し、試料から透過された電子線を電子分光手段とエネル
ギースリットによりエネルギー分析して電子線検出手段
に入力することにより、電子線エネルギーを階調化して
画像表示する方式の透過型電子顕微鏡において、前記試
料と前記電子分光手段の間に配置した振り戻し走査手段
と、前記電子線検出手段の出力に対して画像表示に必要
な演算処理を施す演算手段とを設け、該振り戻し走査手
段を前記電子線走査手段と同期して動作させることによ
り、前記エネルギースリット位置に前記試料の電子線に
よる走査に伴って現れる電子線の光軸からの移動を相殺
低減させ、前記演算手段による演算処理を、前記試料の
電子線による走査に同期して逐次実行させるようにして
達成される。

【００２７】また、ここで、前記電子線検出手段は、少
なくとも２チャンネルのエネルギースリット位置を有
し、２種類以上の異なったエネルギーの電子線強度に応
じた出力を発生するようにしても上記目的を達成するこ
とができる。

【００２８】同じく、ここで、前記振り戻し走査手段
は、１段又は複数段の偏向コイルで構成され、電子線の
経路内の対物レンズと投影レンズ又は中間レンズの間に
配置されているようにしても上記目的を達成することが
できる。

【００２９】更に、ここで、前記振り戻し走査手段は、
１段又は複数段の偏向コイルで構成され、電子線の経路
内の投影レンズ又は中間レンズと前記電子分光手段の間
に配置されているようにしても上記目的を達成すること
ができる。

【００３０】また、ここで、前記振り戻し走査手段は、
電子線の光軸を法線とする面内で直交するＸ軸とＹ軸の
２軸方向に電子線の偏向が可能で、前記２軸が、前記電
子線走査手段による走査方向のＸ軸、Ｙ軸と一致するよ
うに、前記面内で回転可能にしても上記目的を達成する
ことができる。

【００３１】更に、ここで、前記電子線検出手段の出力
が、高ロスエネルギー電子線強度と低ロスエネルギー電
子線強度の２種類の電子線強度出力であり、前記演算手
段による演算処理が、前記２種の電子線強度出力につい
て暗電流補正と感度補正を施す演算処理と、前記高ロス
エネルギー電子線強度出力を分子、前記低ロスエネルギ
ー電子線強度出力を分母として除算する演算処理の少な
くとも２種の演算処理となるようにしても上記目的を達
成することができる。

【００３２】更にまた、ここで、前記電子線検出手段の
出力が、１種類の高ロスエネルギー電子線強度と２種類
の低ロスエネルギー電子線強度の計３種類の電子線強度
出力であり前記演算手段による演算処理が、前記２種の
電子線強度出力について暗電流補正と感度補正を施す第
１の演算処理と、前記２種類の低ロスエネルギー電子線
強度出力に基いて高ロスエネルギー電子線強度のバック
グラウンドを演算する第２の演算処理、それに、前記高
エネルギー電子線強度から前記バックグラウンドを減算
する第３の演算処理の少なくとも３種類の演算処理とな
るようにしても上記目的を達成することができる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明による走査透過型電
子顕微鏡について、図示の実施の形態により詳細に説明
する。図１は、本発明による走査透過型電子顕微鏡の一
実施形態で、図において、７は振り戻しコイルであり、
その他の構成は、図３で説明した従来技術によるＥＦ−
ＳＴＥＭと同じである。

【００３４】振り戻しコイル７は、電子線源１から電子
分光装置１１の入口までの間にある照射レンズ２と対物
レンズ４、それに結像レンズ８の各光軸を結ぶ直線、つ
まりこの走査透過型電子顕微鏡の電子光学系の光軸を法
線とする面内で、直交するＸ軸とＹ軸の２軸方向に電子
線を偏向する振り戻し走査手段として働くもので、且
つ、この振り戻しコイル７による偏向軸のＸ軸とＹ軸
が、走査コイル３による電子線の偏向軸におけるＸ軸、
Ｙ軸と夫々一致するようにして設けてある。

【００３５】次に、この実施形態の動作について説明す
る。電子線源１で発生した電子線は、照射レンズ２によ
り細い平行電子線にされ、対物レンズ４により試料５の
面上にフォーカスされるが、このとき、走査コイル３に
より電子線が偏向され、試料５の面上を走査する。そし
て、試料５を透過した電子線は対物レンズ４により収束
され、下流に電子線による実像と回折像を形成する。

【００３６】このとき、走査コイル３による電子線の走
査のため、上記したように、電子線の角度が変化してし
まう。そこで、この実施形態では、図示のように、対物
レンズ４の下流に形成される回折像の近くに、振り戻し
コイル７を設置し、走査コイル３による電子線の走査と
同期して、この振り戻しコイル７により電子線を偏向
し、走査コイル３により電子線が走査されたことによる
電子線の角度の変化を打ち消し、対物レンズ４の下流で
電子線の角度が変化しないようにしたものである。

【００３７】これにより、対物レンズ４のフォーカス位
置にも依存するが、対物レンズ４の下流での電子線の移
動量を、従来技術における電子線の移動量の１０％以下
に低減させることができる。具体的には、試料５の位置
での走査範囲が０．７５μｍ、対物レンズ４による拡大
倍率が２０倍程度の場合、従来技術では、対物レンズの
下流で１５μｍ移動していたが、この実施形態では、振
り戻しコイル７により、１μｍ程度に低減できる。

【００３８】対物レンズ４の下流での像は、結像レンズ
８により０．５倍にされるため、この結像レンズ８の下
流での電子線の移動量(図３における１７)は０．５μｍ
程度となる。ここで、この実施形態では、ＥＥＬＳを、
エネルギー分散が０．１ｅＶ／２５μｍにして用いてい
るので、スペクトルの拡大率は、分散方向では１５０
倍、分散方向と垂直な方向では０．４倍になっている。
従って、従来技術では、検出器位置で１．１２５ｍｍも
あったスペクトルの移動が、この実施形態では、７５μ
ｍ程度の移動に抑えることができた。

【００３９】次に、この実施形態による元素マッピング
像の取得動作について説明する。これには、エネルギー
スリット１４を有するマッピング検出器１５と、スペク
トル検出器１６の双方を用いる。

【００４０】具体的には、最初はマッピング検出器１５
とエネルギースリット１４を除き、スペクトル検出器１
６によりエネルギースペクトルを取る。次いで、測定す
べきエネルギースペクトルのピークがスペクトル検出器
１６の中央に来るように、加速管１２に所定の電圧を印
加し、その後、スペクトル検出器１６の前にマッピング
検出器１５とエネルギースリット１４を入れ、元素マッ
ピング像を取得する処理に入るのである。

【００４１】まず、プラズモンロスを用いてコントラス
トを得るようにした場合の元素マッピング像の取得につ
いて説明する。いま、ここで、対象となる元素が珪素
(シリコン)と窒化珪素(窒化シリコン)、それに酸化珪素
(酸化シリコン)であるとすると、この場合、図４に示す
ように、珪素のプラズモンロス２０のピークは１７ｅＶ
に出るが、窒化珪素のプラズモン２１と酸化珪素のプラ
ズモン２２は、夫々２３ｅＶ付近にピークを持つ。そし
て、同じ膜厚であれば、図示のように、窒化物のプラズ
モンロス２１の方が、酸化物のプラズモン２２よりもピ
ーク強度が大である。

【００４２】そこで、この場合、酸化物／窒化物プラズ
モンロスによるコントラスト補正を用い、このためエネ
ルギースリット幅が３ｅＶとなるように、スリット幅が
０．７５ｍｍのエネルギースリット１４を用いる。この
ときのエネルギースペクトルに対するエネルギースリッ
トの位置を、図４に２３として示した。

【００４３】上記したように、最初は、マッピング検出
器１５とエネルギースリット１４を除いてスペクトル検
出器１６によりエネルギースペクトルを取り、次に測定
すべきプラズモンロスピークがスペクトル検出器１６の
中央に来るように、加速管１２に所定の電圧２３Ｖを印
加し、ここでマッピング検出器１５とエネルギースリッ
ト１４を入れる。

【００４４】そして、マッピング検出器１５の出力につ
いて、暗電流補正と感度補正など所定の処理を行った
後、図示してない画像表示装置に入力し、この画像表示
装置の画像表示面での２次元表示位置を、走査コイル３
による電子線の走査に同期させて制御し、画像表示させ
ると、酸化物の部分による像を中間調としてグレイ階調
化された画像が得られ、このとき、図６及び図７に示す
ように、窒化物の部分による像は白っぽく、珪素の部分
による像は黒く表示される。

【００４５】ここで、図６は、従来技術の場合で、この
とき、１００万倍位の高倍率では、試料位置での電子線
の移動量が０．１μｍ以下なので、検出器位置での移動
量も１５０μｍとなり、これは、エネルギースリット幅
０．７５ｍｍの２０％程度の移動なので、測定終了後、
計算機処理で補正しなくても、実時間で図６(a)に示す
ように、視野全体にプラズモンによりコントラストが付
けられた元素マッピング像を得ることができた。

【００４６】しかし、従来技術の場合、１０万倍にする
と、試料位置での電子線の移動が多くて０．７５μｍに
もなるので、検出器位置での移動量は１．１ｍｍ程度に
なって、エネルギースリットの幅より大きく移動してし
まう。このため、従来技術では、測定終了後での計算機
処理による補正なしでは、図６(b)に示すように、周辺
で電子線が来ない視野カットが生じてしまうので、実時
間での元素マッピング像の取得は困難になってしまう。

【００４７】一方、本発明の実施形態では、上記したよ
うに、試料位置での電子線の移動が小さく抑えられ、検
出器位置での移動量は、１０万倍でも７５μｍと、エネ
ルギースリット１４の幅の１０％程度に抑えられ、従っ
て、図７(a)に示すように、１００万倍位の高倍率では
勿論、図７(b)に示すように、１０万倍でも周辺までコ
ントラストが付けられた綺麗な元素マッピング像を実時
間で容易に得ることができる。

【００４８】次に、珪素プラズモンロスを用いてコント
ラストを付け、階調化された画像を得るようにした場合
の、この実施形態による元素マッピング像の取得動作に
ついて説明する。最初、スペクトル検出器１６によりエ
ネルギースペクトルを取り、測定すべきプラズモンロス
ピークがスペクトル検出器１６の中央に来るように、加
速管１２に所定の電圧１６Ｖを印加する。そして、次に
マッピング検出器１５とエネルギースリット１４を入れ
る。

【００４９】このときのエネルギースペクトルに対する
エネルギースリット１４の位置を、図４に２４として示
した。そして、マッピング検出器１５の出力を画像表示
装置に入力し、同じくグレイ階調表示させると、今度
は、酸化物と窒化物の部分を中間調として階調化され、
珪素の部分が白っぽく表示される。

【００５０】従って、この場合でも、上記実施形態によ
れば、図６(a)に示すように、１００万倍位の高倍率で
は勿論、同図(b)に示すように、１０万倍でも周辺まで
コントラストが付けられた綺麗な元素マッピング像を実
時間で容易に得ることができる。

【００５１】次に、周知のコアロスを用いてコントラス
トを付けるようにした場合の、この実施形態によるマッ
ピング方法について説明する。ここでは、試料５が窒化
鉄とコバルトの積層体の場合について説明する。このと
き、鉄のＬエッジは、図５(a)に示す位置にある。最
初、スペクトル検出器１６により、図５(a)に示すコア
ロススペクトル２５を測定し、ここで加速管１２に所定
の電圧を印加し、これにより、コアロスのエッジがスペ
クトル検出器１６の中央に来るようにする。

【００５２】そして、エネルギースリット１４とマッピ
ング検出器１５を挿入するのであるが、ここで、このコ
アロスによるマッピングの場合は電子線強度が弱いの
で、エネルギースリット１４の幅を２０ｅＶ程度にす
る。このとき、図５(a)に示すように、試料５のコアロ
ススペクトル２５がプレエネルギーエッジとポストエネ
ルギーエッジを持つので、これら２種の強度を測定する
方法、いわゆる２ウインドウ方法を採用する。

【００５３】このため、エネルギースリット１４として
２種のウィンドウが必要なので、夫々のウィンドウが２
０ｅＶとなるように、１０ｍｍ幅のエネルギースリット
を２個準備する。このときのプレエネルギースリット位
置が図５(a)の２６で、ポストエネルギースリット位置
が同じく２７である。

【００５４】また、これに応じて、マッピング検出器１
５も２個、要するので、ここでは、２個のシンチレータ
ーを厚さ０．１ｍｍのアルミニウム板で分離し、各シン
チレーターの光を光ファイバーで夫々のフォトマル(光
電子増倍管)に導くタイプの検出器を用いているが、マ
ルチチャンネルプレートアレイの出力を逐次加算して複
数ウィンドウ化する方式の検出器を用いても良い。

【００５５】これらのエネルギースリット１４とマッピ
ング検出器１５をスペクトル検出器１６の前に入れ、ポ
ストエッジ(高ロスエネルギー側)による検出出力と、プ
レエッジ(低ロスエネルギー側)の検出出力とを演算装置
に入力し、高エネルギー側の検出出力を、低エネルギー
側の検出出力により逐次除算することにより、コアロス
によるコントラストを付けることができ、演算結果を逐
次画像表示装置に入力することにより、充分なコントラ
ストを持った元素マッピング像を得ることができる。

【００５６】ところで、この場合、検出器位置で電子線
が２５μｍ移動したとすると、この移動は、エネルギー
で見ると、それが０．１ｅＶずれたことに対応し、エネ
ルギードリフトが生じてしまい、このため、従来技術で
は、１０万倍のとき、エネルギーが４．５ｅＶ程度も移
動することになる。

【００５７】従って、従来技術では、コアロスエッジを
ポストエッジ側に５ｅＶ程度入り込んだ状態で測定しな
ければ、画像の周辺でプレエッジ側にコアロスエッジが
入ってしまうことになり、視野の周辺でマッピングが正
しく保たれなくなってしまうことになり、マッピング時
でのエネルギー分解能も、エネルギードリフトの影響
で、５ｅＶ程度しか得られなくなってしまう。

【００５８】一方、本発明の実施形態では、上記したよ
うに、検出器位置での電子線の移動が７５μｍに抑えれ
るため、エネルギー分解能も０．３ｅＶにすることがで
き、コアロスマッピングによる解像度の高い元素マッピ
ング像を容易に得ることができる。

【００５９】ところで、上記したように、マッピング検
出器１５として、マルチチャンネルプレートアレイの出
力を逐次加算して複数ウィンドウ化する方式の検出器を
用いた場合、低ロスエネルギー側の検出出力について
は、エネルギーの異なる２種の検出出力を取り出し、こ
れらの検出出力として得られる２種の低ロスエネルギー
電子線の強度から、高ロスエネルギー側の検出出力とし
て得られる高ロスエネルギー電子線の強度が持つバック
グラウンドを逐次演算する演算装置を設け、これによる
演算結果を逐次、画像表示装置に供給する、いわゆる３
ウインドウ方法としてもよい。

【００６０】以下、この３ウインドウ方法による実施形
態について説明すると、この実施形態の場合でも、デー
タベースとしてのコアレスエネルキー(ｅＶ)、ウインド
ウ幅(チャンネル数)、ウインドウの間隔(チャンネル数)
は、上記した２ウインドウ方法と同じ条件を維持し、ユ
ーザが測定元素を指定することにより、加速管１２にコ
アロスエネルギーに相当する電圧を印加する。

【００６１】データベースの与えるウインドウ幅とウイ
ンドウ間隔を図５(b)に示すように、エネルギースロッ
ト１４とマッピング検出器１５に当て嵌め、ＥＥＬＳス
ペクトルを測定し、検出器固有のバックグラウンドとゲ
インを補正する。

【００６２】図５(b)に示すように、コアロスより低エ
ネルギー側の２個のウインドウ、すなわち、第１プレウ
インドウ３０と第２、プレウインドウ３１の電子線強度
をパワーローモでる(Ａ＊Ｅxp［−ｒ］)に従って演算
し、コアロスよりも高エネルギー側のポストエネルギー
側スリット位置２７でのバックグラウンド３２を演算す
る。

【００６３】そして、このバックグラウンド３２を、ポ
ストエネルギー側スリット位置２７における電子線強度
から差し引いた結果を画像表示装置に表示するのであ
る。この作業を走査コイル３による電子線の走査と同期
して自動的に行い、実時間で元素分布像を取得する。こ
のようにした実施形態によれば、定量的な元素分布像が
得られるとう利点がある。

【００６４】なお、この定量化には、得られたコアロス
強度を、ゼロロス強度と試料の膜厚により補正してやる
必要があるが、この実施形態によれば、ゼロロス強度の
測定と試料の膜厚分布の測定が、コアレス強度の測定と
同時にできるため、１点の測定に必要な計測時間を２倍
程度かけることにより、ゼロロス強度の測定と膜厚分布
の測定を行い、補正することができる。

【００６５】次に、本発明の他の実施形態について、図
２により説明する。ここで、この図２の実施形態が、図
１の実施形態と異なる点は、電子線源１から電子分光装
置１１までの電子線の経路における振り戻しコイル７の
位置と、この振り戻しコイル７自体の構成にある。

【００６６】すなわち、図１の実施形態では、振り戻し
コイル７が対物レンズ４により形成された回折像の近傍
に設けられていたが、この図２の実施形態では、２段の
偏向コイルからなる振り戻しコイル７が用いられてお
り、しかも、この振り戻しコイル７は、結像レンズ８に
よる回折像の形成位置の近傍に設けられているものであ
る。

【００６７】電子線源１で発生した電子線を照射レンズ
２で細い平行電子線にし、走査コイル３により偏向さ
せ、試料５面上を走査できるようにする。対物レンズ４
で試料５にフォーカスした電子線は、この対物レンズ４
の下流で実像と回折像を形成する。ここで、実像の位置
は電子線の走査により移動するが、電子線の角度は変化
しない。一方、回折像の位置は電子線の走査によっても
移動しないが、電子線の角度が変化する。

【００６８】この対物レンズ４により形成された実像
は、結像レンズ８で０．５倍にされるため、この結像レ
ンズ８の下流での像は、試料５の位置の１０倍に拡大さ
れている。そして、この結像レンズ８の下流にも回折像
を形成する面がある。そこで、この付近に２段の偏向コ
イルからなる振り戻しコイル７を配置したのが、この図
２の実施形態であり、このように２段の振り戻しコイル
７を用いることにより、角度と位置の両方を戻すことが
でき、１段の振り戻しコイルを用いた場合よりも高い振
り戻し精度を得ることができる。

【００６９】従って、図１の実施形態と同じく、この図
２の実施形態でも、振り戻しコイル７を走査コイル３と
同期させ、電子線の角度が変化しないように偏向動作を
行わせてやることにより、電子線の移動量を抑えること
ができ、この結果、電子線の移動量を充分に抑えた状態
で元素マッピング像の取得を行うことができる。なお、
この元素マッピング像の取得については、図１の実施形
態と同じでよいので、詳しい説明は割愛する。

【００７０】ここで、この図２の実施形態によれは、電
子線の移動量を、例えば従来技術における移動量の１０
％以下に低減することができた。具体的に説明すると、
試料５の位置での走査範囲が０．７５μｍ、対物レンズ
４の拡大率が２０倍程度の場合、対物レンズ４の下流で
の移動量は１５μｍになるる。

【００７１】そして、対物レンズ４の下流での像は、結
像レンズ８で０．５倍されるため、結像レンズ８の下流
での電子線の移動量１７は、従来技術の場合、７．５μ
ｍ程度となっていた。しかして、この図２の実施形態で
は、結像レンズ８の下流での電子線移動量を０．８μｍ
程度に低減できた。

【００７２】ここで、比較のため、１段の振り戻しコイ
ルを適用した場合について示すと、この場合は、電子線
移動量は１μｍ程度の低減にとどまっていた。但し、こ
の場合でも、従来技術よりは格段に少ない移動量である
ことは、既に説明した通りである。

【００７３】ここで、透過電子顕微鏡には、結像レンズ
の他にも中間レンズなどを対物レンズの下流に有する形
式のものがあるが、このような電子顕微鏡の場合、上記
図２の実施形態による２段の振り戻しコイルなら、対物
レンズと電子分光器の間であればどこに配置しても同様
の作用効果を得ることができる。一方、図１の実施形態
による１段の振り戻しコイルの場合は、レンズにより再
結像される回折像面付近に配置することにより同様の作
用効果を得ることができる。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば、例えば１０万倍以下の
倍率でも、視野の周辺でエネルギードリフトと視野制限
を受けることがないので、エネルギー分解能の高いコン
トラスト補正像を測定とほぼ同時に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査透過型電子顕微鏡の一実施の
形態を示す概略構成図である。

【図２】本発明による走査透過型電子顕微鏡の他の一実
施の形態を示す概略構成図である。

【図３】従来技術による走査透過型電子顕微鏡の一例を
示す概略構成図である。

【図４】エネルギーロス特性の一例を示すスペクトル図
である。

【図５】エネルギーロス特性の他の一例を示すスペクト
ル図である。

【図６】従来技術によるコントラスト補正像の一例を示
す説明図である。

【図７】本発明によるコントラスト補正像の一例を示す
説明図である。

【符号の説明】

１電子線源２照射レンズ３走査コイル４対物レンズ５試料６電子線の移動量７振り戻しコイル８結像レンズ９絞り１０４重極電磁レンズ１１電子分光装置１２加速管１３４重極拡大電磁レンズ１４エネルギースリット１５マッピング検出器１６スペクトル検出器１７電子線の移動量１８仮想光源の移動量１９検出器上の移動量２０珪素のプラズモンロススペクトル２１窒化珪素のプラズモンロススペクトル２２酸化珪素のプラズモンロススペクトル２３エネルギースリット位置(窒化物／酸化物プラズ
モンロス測定時) ２４エネルギースリット位置(珪素プラズモンロス測
定時) ２５コアロススぺクトル２６プレエネルギースリット位置２７ポストエネルギースリット位置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者青山隆茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者田谷俊陸茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者砂子沢成人茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内Ｆターム(参考） 5C033 AA05 EE02 EE03 FF02 FF03 NN03 NP01 NP06 SS01 SS03 SS04 SS07 SS08 UU05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子線源から試料に照射される電子線を
電子線走査手段により走査し、試料から透過された電子
線を電子分光手段とエネルギースリットによりエネルギ
ー分析して電子線検出手段に入力することにより、電子
線エネルギーを階調化して画像表示する方式の透過型電
子顕微鏡において、前記試料と前記電子分光手段の間に配置した振り戻し走
査手段と、前記電子線検出手段の出力に対して画像表示に必要な演
算処理を施す演算手段とを設け、該振り戻し走査手段を前記電子線走査手段と同期して動
作させることにより、前記エネルギースリット位置に前
記試料の電子線による走査に伴って現れる電子線の光軸
からの移動を相殺して低減させ、前記演算手段による演算処理を、前記試料の電子線によ
る走査に同期して逐次実行させるように構成したことを
特徴とする透過型電子顕微鏡。
【請求項２】請求項１に記載の発明において、前記電子線検出手段は、少なくとも２チャンネルのエネ
ルギースリット位置を有し、２種類以上の異なったエネ
ルギーの電子線強度に応じた出力を発生するように構成
されていることを特徴する走査透過型電子顕微鏡。
【請求項３】請求項１に記載の発明において、前記振り戻し走査手段は、１段又は複数段の偏向コイル
で構成され、電子線の経路内の対物レンズと投影レンズ又は中間レン
ズの間に配置されていることを特徴とする走査透過型電
子顕微鏡。
【請求項４】請求項１に記載の発明において、前記振り戻し走査手段は、１段又は複数段の偏向コイル
で構成され、電子線の経路内の投影レンズ又は中間レンズと前記電子
分光手段の間に配置されていることを特徴とする走査透
過型電子顕微鏡。
【請求項５】請求項１に記載の発明において、前記振り戻し走査手段は、電子線の光軸を法線とする面
内で直交するＸ軸とＹ軸の２軸方向に電子線の偏向が可
能で、前記２軸が、前記電子線走査手段による走査方向
のＸ軸、Ｙ軸と一致するように、前記面内で回転可能に
構成されていることを特徴とする走査透過型電子顕微
鏡。
【請求項６】請求項２に記載の発明において、前記電子線検出手段の出力が、高ロスエネルギー電子線
強度と低ロスエネルギー電子線強度の２種類の電子線強
度出力であり、前記演算手段による演算処理が、前記２種の電子線強度
出力について暗電流補正と感度補正を施す演算処理と、
前記高ロスエネルギー電子線強度出力を分子、前記低ロ
スエネルギー電子線強度出力を分母として除算する演算
処理の少なくとも２種の演算処理であることを特徴とす
る走査透過型電子顕微鏡。
【請求項７】請求項２に記載の発明において、前記電子線検出手段の出力が、１種類の高ロスエネルギ
ー電子線強度と２種類の低ロスエネルギー電子線強度の
計３種類の電子線強度出力であり、前記演算手段による演算処理が、前記２種の電子線強度
出力について暗電流補正と感度補正を施す第１の演算処
理と、前記２種類の低ロスエネルギー電子線強度出力に
基いて高ロスエネルギー電子線強度のバックグラウンド
を演算する第２の演算処理、それに、前記高エネルギー
電子線強度から前記バックグラウンドを減算する第３の
演算処理の少なくとも３種類の演算処理であることを特
徴とする走査透過型電子顕微鏡。