JP2003162972A

JP2003162972A - 曲面試料分析装置

Info

Publication number: JP2003162972A
Application number: JP2001360880A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Otsuki; 正行大槻; Hidemi Ohashi; 秀実大橋
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 2001-11-27
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2003-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】任意局面を有する試料表面にプローブの焦点
を追従させることができるようにする。【解決手段】プローブの焦点に曲面を追従させて試料
表面の分析を行う曲面試料分析装置であって、試料表面
の複数の点の高さを計測する高さ計測手段８〜１２と、
計測手段により計測された各点の集合から領域分割を行
って試料表面の各分割領域でそれぞれ傾斜を求める傾斜
演算手段１６と、傾斜演算手段により求められた各領域
の傾斜に追従させて試料２のステージ１４を駆動する試
料ステージ駆動手段１３とを備え、面分析の領域内で複
数点のＺ軸の値を入力し、ドロネー図から区間分割し
て、試料２の凹凸に忠実な多角形に分割し、直線の集合
として測定を行い、試料２の凹凸にしたがって面分析を
実行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プローブの焦点に
曲面を追従させて試料表面の分析を行う曲面試料分析装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＰＭＡ（電子プローブマイクロアナラ
イザ）では、２次元的なＸ線画像を得る手段として、ビ
ームスキャンによる手法と、ステージスキャンによる手
法がある。前者は、２次電子像や反射電子像の観察と同
時にＷＤＳ（波長分散型Ｘ線分光器）やＥＤＳ（エネル
ギー分散型Ｘ線分光器）を用いてＸ線を収集している。
ＷＤＳを用いたステージマップの特徴は、高波長分解能
と定量精度のよさゆえに、２次元的な化学組成像を精度
良く求められることである。これは、他の装置に見られ
ない特徴で、ＥＰＭＡが広く使用されている理由の１つ
である。ただし、ＷＤＳでは、分析に当たって試料高さ
を分光器の集光位置に厳密に合わせることが重要であ
り、試料のＺ軸の高さを光学顕微鏡等で数ミクロンの精
度で合わせ込む必要がある。このＺ軸フォーカスがずれ
るとＸ線強度が下がってしまい、精度の良い分析ができ
なくなるという弱点がある。このため単純にＸ，Ｙ軸の
スキャンのみでは、凹凸の情報が元素情報に混ざり、正
しくない情報を与えてしまうことがある。

【０００３】これを補正するための手法として様々な手
法が提案されている。例えばスキャン領域の４隅から曲
線を近似するときは、分析領域設定の時に分析領域の４
隅にステージを移動させ、光学顕微鏡を観察しながら、
ジョイスティックを操作して、試料の焦点合わせを行っ
ている。この４隅のＺ軸座標から曲面を仮定し、スキャ
ン中に連続的にＺ軸を補正することにより、Ｚ軸の焦点
ずれを補正する。

【０００４】また、ビームスキャンによる手法では、顕
微鏡の最低倍率（４０倍程度）より広い範囲を測定する
ことはできない。さらに、低倍でＸ線像を収集すると、
画面の端の方ではＸ線分光の範囲を外れてＸ線強度が下
がってしまう等の問題が発生する。

【０００５】一方ステージスキャンでは、数ｃｍ程度に
及ぶ広領域のＸ線画像を得ることができる。この時、ス
テージは一定スピードで移動しており、電子ビームはス
キャンすることなく真下に照射し続けている。そのた
め、ビーム直下の微小部分のＸ線強度が広領域にわたっ
て測定できるというメリットがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＥＰＭＡで分析を行う
には、平滑な表面を持つ試料を用いることが原則であっ
たが、最近では例えば金属疲労の破断面のような凹凸試
料をそのまま分析したいという要求が増えてきている。
凹凸試料での面分析は、スキャン中に如何に測定面に追
従させてＸ線を測定するかが重要な技術となってきてい
る。そのために、上記のようにスキャン領域の４隅の値
から曲面を近似したり、ガイドネットマップの手法で分
析領域を幾つかの区間に分割して測定したり、自動追従
型のオートフォーカス装置（ＴＡＦ：Ｔracing Ａuto
Ｆocus Ｄevice)等を用いたりしている。

【０００７】しかし、上記の手法においては、それぞれ
に以下のような欠点を有しいずれにも問題がある。例え
ば前者の４隅による近似では、凹凸を持つような試料を
うまく補正できず、一定の傾きの試料以外には適用でき
ない。また、ガイドネットマップの手法では、複雑な形
状のマップには適用できない。ＴＡＦでは、段差や急な
傾斜があるとフォーカス点を見失いかえってフォーカス
のずれたマップが収集されてしまう。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するものであって、任意曲面を有する試料表面にプロ
ーブの焦点を追従させることができるようにするもので
ある。

【０００９】そのために本発明は、プローブの焦点に曲
面を追従させて試料表面の分析を行う曲面試料分析装置
であって、試料表面の複数の点の高さを計測する高さ計
測手段と、前記計測手段により計測された各点の集合か
ら領域分割を行って試料表面の各分割領域でそれぞれ傾
斜を求める傾斜演算手段と、前記傾斜演算手段により求
められた各領域の傾斜に追従させて試料のステージを駆
動する試料ステージ駆動手段とを備えたことを特徴とす
るものである。

【００１０】前記傾斜演算手段は、三角形の領域に分割
してそれぞれの傾斜を求め、前記試料ステージ駆動手段
は、傾斜が急な分析面の走査を線分析モードから点分析
モードに切り換え、前記高さ計測手段として光学顕微鏡
を備えた電子プローブマイクロアナライザであることを
特徴とするものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図１は本発明に係る任意曲面追
従型電子プローブマイクロアナライザの実施の形態を示
す図であり、１は電子線、２は試料、３は特性Ｘ線、４
はＷＤＳ、５は分光結晶、６は検出器、７はＷＤＳ測定
系、８は光学顕微鏡照明、９ａは入射光、９ｂは反射
光、１０は光学顕微鏡、１１はセンサ、１２は自動焦点
装置、１３はステージ駆動機構、１４はステージ、１５
はコントローラ、１６は測定制御装置を示す。

【００１２】図１において、電子線１を試料２に照射す
ると、試料２から特性Ｘ線３が発生してＷＤＳ４に入射
する。ＷＤＳ４においては、特性Ｘ線３が分光結晶５で
分光され、検出器６で検出され、ＷＤＳ測定系７（増幅
器、タイマ、カウンタ等で構成）で計測される。

【００１３】一方、自動焦点装置１２は、光学顕微鏡照
明８により入射光９ａを試料２に照射し、その反射光９
ｂを光学顕微鏡１０を通してセンサ１１に導き、試料２
の任意の複数の点での高さを計測することにより、後述
の面分割演算により各点の集合から領域分割を行って試
料表面の各分割領域でそれぞれ傾斜を求める。ステージ
駆動機構１３は、自動焦点装置１２により計測し求めら
れた各領域毎の傾斜、つまり曲面に沿ってステージ１４
を駆動するものであり、分析点の入力時などにはコント
ローラ１３からの手動操作によっても駆動させる。

【００１４】測定制御装置１６は、ステージ駆動機構１
３及び自動焦点装置１２を制御して試料２の任意の複数
の点での高さを計測を行い、複数の分割された領域で試
料２の傾斜を求め、その曲面に沿ってステージ駆動機構
１３を制御してステージ１４をＺ方向に追従させながら
ＸＹ方向に移動させるとともに、ＷＤＳ測定系７を駆動
してマップ収集を行う。

【００１５】ステージマップでは、試料２がステージ１
４により２次元的に連続的に駆動される。ＷＤＳ測定系
７でサンプリング時間毎に計数のオン／オフを繰り返
し、連続的にＸ線を計測する。各計測値は、マップ画像
のピクセルと呼ばれる１つのデータを構成し、これらの
Ｘ線データを２次元的に表示することによりマップ画像
が作成される。

【００１６】このマップ画像を作成するために、凹凸の
ある試料２の面分析を行うに当たって、本発明は、測定
前に試料２の分析領域内外の複数点でＺ軸座標を計測す
ることにより、細かく凹凸情報を取得する。これは光学
顕微鏡１０を用いて自動焦点装置１２で行う。そして、
計測した各点の集合から領域分割を行って試料表面の複
数の分割領域でそれぞれ傾斜を求め、各傾斜から走査線
に沿った高さに応じ最適な走査条件を求めて任意曲面の
分析を行う。このような平面上に与えられた任意の点を
使って区間分割する手法として、後述するようにドロネ
ー図（Delaunay図）が知られており、また、ドロネー図
を書くための補助線を与える手法としてボロノイ図(Vor
onoi図）が知られている。

【００１７】図２は分析領域決定処理の流れを説明する
ための図、図３は入力ウインドウの例を示す図、図４は
３次元表示の例を示す図、図５は通常のステージマップ
のスキャン動作の例を示す図、図６は分割領域内でのス
キャン動作を説明するための図、図７は段差がある時の
分析動作を説明するための図である。

【００１８】分析領域決定処理では、まず、図２に示す
ように通常通りに面分析の測定領域など面分析条件を設
定する（ステップＳ１１）。例えば測定のピクセル数、
ピクセル長さ、サンプリング時間を設定し、測定領域の
大きさを決める。その後、実際の試料上で測定領域がど
こに当たるかをコントローラのジョイスティック等を用
いて設定する。勿論先に試料上のどの範囲を測定したい
かをまず決定し、その後ピクセル数、ピクセル長さ等を
決めてもよい。

【００１９】試料に凹凸があるときは、試料上の任意の
点を指定し、その点のＺ軸フォーカスを光学顕微鏡等で
決定し入力する（ステップＳ１２）。この操作を試料曲
面のほぼ代表できる点が入力されるまで繰り返す（ステ
ップＳ１３）。したがって、もし、試料形状が単純な傾
きを持つ平面であるなら、入力座標は少なくてすむが、
複雑な形状の時には、それなりの点を設定する必要があ
る。

【００２０】十分な数の座標点が指定できたと判断する
と、入力終了となり、これにより平面状の複数の座標点
に従ってボロノイ図を作成し、それに従ってドロネー図
を作成して試料を複数領域に分割する（ステップＳ１
４）。それぞれの点では、Ｚ軸フォーカスが設定されて
いるから、例えば図６に示すようにそれらの座標点を使
って各面の傾きが計算できる（ステップＳ１５）。一般
にドロネー多角形は３角形で構成されるので、面の傾き
は、３頂点から矛盾なく決定できる。

【００２１】座標入力中の操作ウインドウの１例を示し
たのが図３であり、入力座標と後述手法により分割され
た三角形の面による３次元表示の例を示したのが図４で
ある。このように分割された多角形を３次元表示により
立体的に見せることにより，ユーザに試料に関する情報
を具体的に与えることが可能である。この際、Ｚ軸方向
の拡大率を大きくして強調することにより、試料の特徴
を捕まえやすくすることができる。

【００２２】次に傾き計算された各面に沿って面分析の
各ラインのスキャン領域を決定する（ステップＳ１
６）。すなわち、面分析の測定は区間分割された多数の
線分析の集合となる。ただし、面の傾きが急であった
り、段差になっている領域では線分析として実行できな
い。なぜなら、水平方向のスキャンスピードは、水平方
向のスキャンスピード＝ピクセル長さ／サンプリング時
間で決定されるが、任意曲面マップでは、Ｚ軸方向にも
スキャンする必要がある。すなわち、Ｚ軸方向のスキャンスピード＝Ｚ軸方向の傾き×ピクセ
ル長さ／サンプリング時間で決定されるので、傾きが大きいとスキャンスピードが
大きくなり、実際にはスキャンできないスピードにな
る。このような場合には、線分析ではなく点分析の各点
にスキャン条件をブレークダウンする必要がある。すな
わち、実際の測定では、Ｚ軸方向の傾きから線分析か点
分析かを判断し、線分析のときにはその区間をスキャン
し（ステップＳ１８、Ｓ１９）、点分析のときにはスキ
ャンを諦め分析点に移動、Ｘ線計測を繰り返す（ステッ
プＳ１７）。

【００２３】次に、通常マップと、任意曲面マップの測
定動作の違いについて述べる。面分析中は、図５に示す
ようにステージが軸方向に一定スピードでスキャンす
る。各ラインに着目すると、面分析は、一定間隔で実行
される線分析の集合体であるともいえる。

【００２４】区間分割された１つの領域でのスキャン状
態を示したのが図６であり、点線はマップ分析の１ライ
ン、実線は領域内のラインをそれぞれ示す。領域との交
点の座標は、領域の各頂点の座標から計算され、この２
点間を結ぶ線分としてスキャンが設定される。即ち、面
分析の１本のラインは、区間分割された多数の直線の集
合として表現される。但し領域の端の方では区間が非常
に狭くなるので、ある一定以下の領域は、隣の領域に融
合させ、線分割から無視する。これを面分析の全領域に
わたって実行する。実際の分析では、この分割された線
分毎に測定を行う。

【００２５】このように任意の数の入力座標から多角形
分割を行うために、場合によっては分割領域が非常に狭
くなる場合、予め最小の分割区間を決めておき、それ以
下のときは分割領域を統合することにより、測定の効果
を落とすことなく、かつ近似曲線を大きく崩すことなく
分析を行うことが可能となる。また、入力点から多数の
多角形分割が行われたとしても、実際上の各面のＺ軸の
差がほとんど生じないケースも考えられる。このような
時は、予め最小の傾きを定義しておき、Ｚ軸の差がそれ
以下のときは分割を無視することにより、全体の分析精
度を失うことなく、測定のスピードアップを図ることが
できる。

【００２６】試料によっては段差のある試料もある。こ
の時は面の傾斜が急になり、Ｚ軸方向のスピードリミッ
トを越えるためにステージがスキャンできないことがあ
る。このような場合に備え、ある傾斜以上の時は点分析
に切り換えて測定を行う。傾きが大きいため、ステージ
がスキャンできない場合を示したのが図７である。これ
は例えば段差のある試料の境目等を想定している。この
領域では、連続スキャンはできないため、点分析の座標
で測定を代表させる。即ち、ステージの絶対位置移動を
行い、各点でＸ線をサンプリングする。これによりどの
ように急な傾斜であっても測定が可能となる。

【００２７】図８は多角形分割の例を説明するための図
である。平面上に与えられた任意の点を用いて多角形分
割するには、計算幾何学の知識が重要である（例えば杉
原厚吉著、計算幾何プログラミング、岩波書店、１９９
８参照）。即ち、平面上の任意の互いに異なる点を勢力
図に分割するにはボロノイ図が知られている。ボロノイ
図は次のように定義されている。平面上に指定されたｎ
個の互いに異なる点Ｐ ₁、Ｐ₂、……、Ｐ_nの集合をＳ
とおく、２点Ｐ，Ｑの距離をｄ（Ｐ，Ｑ）で表す。平面
状の点Ｐで、Ｓに属する点のうち最も近いものがＰ_iで
あるという性質をもつもの全て集めてできる領域をＲ
（Ｓ；Ｐ_i）とおく。即ちＲ（Ｓ；Ｐ_i）＝｛Ｐ｜ｄ（Ｐ，Ｐ_i）＜ｄ（Ｐ，
Ｐ_j），ｊ≠ｉ｝となり、平面全体は、これらｎ個の領域Ｒ（Ｓ；
Ｐ₁）、Ｒ（Ｓ；Ｐ₂）、……、Ｒ（Ｓ；Ｐ_n）とそれ
らの境界に分割される。この分割図形をＳに対するボロ
ノイ図という。

【００２８】例えば図８に示す点ａ、ｂ、ｃ、ｄの集合
の例でみる。ここで破線は、それぞれの点から等距離の
線であり、例えば破線ａｂは、点ａ、ｂから等距離の線
である。点ａに近いものでできる領域は、図８（Ａ）に
示す破線ａｂ、ａｃを境界として分割される。破線ａｄ
は、破線ａｂ、ａｃの外側となり、領域を分割する境界
から除かれる。つまり、点ａでは、点ｂ、ｃが近いもの
となる。同様に、点ｂに近いものでできる領域は、図８
（Ｂ）に示す破線ａｂ、ｂｃ、ｂｄを境界として分割さ
れ、点ｃに近いものでできる領域は、図８（Ｃ）に示す
破線ａｃ、ｂｃ、ｃｄを境界として分割され、点ｄに近
いものでできる領域は、図８（Ｄ）に示す破線ｂｄ、ｃ
ｄを境界として分割される。

【００２９】ここにさらに図８（Ｅ）に示すように点ｅ
が加わると、点ｅに近いものでできる領域は、破線ａ
ｅ、ｂｅ、ｃｅ、ｄｅを境界として分割される。点ｂに
近いものでできる領域は、図８（Ｂ）に示す破線ａｂ、
ｂｅを境界として分割され、点ｅが加わったことにより
分割線が変わる。点ｅが図８（Ｆ）に示すように点ｅ′
にずれると、点ｅ′に近いものでできる領域は、破線ｂ
ｅ′、ｄｅ′を境界として分割されて破線ａｅ′、ｃ
ｅ′は分割線とはならない。また、点ｂに近いものでで
きる領域は、破線ａｂ、ｂｃ、ｂｄを境界として分割線
は変わらず、さらにｂｅ′の境界が加わる（図示省
略）。これらの破線を境界として分割される図形がボロ
ノイ図である。

【００３０】ボロノイ図の各辺の両側の点を線分で結ぶ
ことによりもう１つの図形が得られる。これをＳに対す
るドロネー図と呼び、ドロネー図に現れる多角形をドロ
ネー多角形と呼ぶ。図８においては、実線と点線で構成
されている図形がドロネー図であり、３角形の領域で分
割されている。一般にドロネー多角形は、退化がないと
すると３角形で構成されることが知られている。これに
より面分析領域が複数の領域に区間分割されるので、分
割された各面の傾きを各点のＸ，Ｙ及びＺ軸の値から求
め、その面の傾斜に従って面分析を線分析に分割する。
即ち、面分析を多数の線分析の集合として実行する。こ
れにより、試料の凹凸の影響を受けない面分析が実行で
きる。

【００３１】なお、本発明は、上記実施の形態に限定さ
れるものではなく、種々の変形が可能である。例えば上
記実施の形態では、電子プローブマイクロアナライザで
説明したが、試料又はプローブを移動しながら試料表面
を任意局面に沿って走査し表面分析を行う他の分析装置
にも曲面試料分析装置として同様に適用可能であること
は言うまでもない。

【００３２】また、ドロネー図を作成した後、各領域内
を直線線分に分割したが、これを各領域の交点を結ぶス
プライン曲線で代表させてもよい。これにより、測定は
曲面に沿って実行される。さらに、任意曲面マップを任
意形状マップと組み合わせて実行してもよい。この場合
には、まず任意形状マップで測定領域を設定する。任意
形状の操作ウインドウの例を図９に示す。その後、測定
領域内を上記方法で区間分割することにより、無駄な部
分の測定をすることなく、効率よく凹凸試料の面分析が
実行できる。

【００３３】上記実施の形態では、１回のスキャンで全
面をスキャンする手法を考えているが、任意形状のマッ
プの手法と組み合わせ測定領域のオン／オフを切り換え
て複数回測定し、後で合成して１つのマップにすること
も考えられる。任意形状マップでは、指定領域を測定し
ていたが、指定領域のオン／オフを切り換えることによ
り、複数回で測定を行うようにしてもよい。これは電気
基板のように基板面と部品実装面が複数層になってい
て、基板面と部品面の高さがほぼ決まっているような試
料の測定には有効である。即ち、測定前に、基板面と部
品実装面を領域指定する。実際の測定では、例えばまず
基板面のみの領域の測定をオンにして測定を行う。その
後、今度は部品面の領域をオンにして測定を行う。測定
後２つのマップを合成し１つのマップにする。これによ
り急激な斜面を持つ試料で、Ｚ軸の急激な変動による付
加をかけることなく測定が可能になる。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、プローブの焦点に曲面を追従させて試料表面
の分析を行う曲面試料分析装置であって、試料表面の複
数の点の高さを計測する高さ計測手段と、計測手段によ
り計測された各点の集合から領域分割を行って試料表面
の各分割領域でそれぞれ傾斜を求める傾斜演算手段と、
傾斜演算手段により求められた各領域の傾斜に追従させ
て試料のステージを駆動する試料ステージ駆動手段とを
備えるので、面分析の領域内で複数点のＺ軸の値を入力
し、ドロネー図から区間分割して、試料の凹凸に忠実な
多角形に分割し、直線の集合として測定を行うことがで
き、試料の凹凸にしたがって面分析を実行することがで
きる。また、入力座標を３次元的に表示することによ
り、試料の特徴をよりよく把握することができる。ま
た、直線の代わりにスプライン曲線のような曲線に沿っ
て分析を行うこともできる。

【００３５】さらに、傾斜が急な分析面の走査を線分析
モードから点分析モードに切り換えることにより、どの
ような急激な斜面でも分析でき、また、分割された複数
領域の傾きの差が小さいときは、１つの領域に融合する
ことにより、領域の端のように区間が非常に狭いとき
も、隣の領域と融合することにより、測定の精度を落と
すことなく効率をあげることができる。任意形状マップ
と組み合わせることにより、目的部分のみ凹凸試料が測
定できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る任意曲面追従型電子プローブマ
イクロアナライザの実施の形態を示す図である。

【図２】分析領域決定処理の流れを説明するための図
である。

【図３】入力ウインドウの例を示す図である。

【図４】３次元表示の例を示す図である。

【図５】通常のステージマップのスキャン動作の例を
示す図である。

【図６】分割領域内でのスキャン動作を説明するため
の図である。

【図７】段差がある時の分析動作を説明するための図
である。

【図８】多角形分割の例を説明するための図である。

【図９】任意形状の操作ウインドウの例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…電子線、２…試料、３…特性Ｘ線、４…ＷＤＳ、５
…分光結晶、６…検出器、７…ＷＤＳ測定系、８…光学
顕微鏡照明、９ａ…入射光、９ｂ…反射光、１０…光学
顕微鏡、１１…センサ、１２…自動焦点装置、１３…ス
テージ駆動機構、１４…ステージ、１５…コントロー
ラ、１６…測定制御装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G001 AA03 BA05 CA01 EA01 GA08 HA09 JA07 MA10 PA14 5C001 AA03 AA04 CC05 5C033 PP02 PP03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】プローブの焦点に曲面を追従させて試料
表面の分析を行う曲面試料分析装置であって、試料表面
の複数の点の高さを計測する高さ計測手段と、前記計測
手段により計測された各点の集合から領域分割を行って
試料表面の各分割領域でそれぞれ傾斜を求める傾斜演算
手段と、前記傾斜演算手段により求められた各領域の傾
斜に追従させて試料のステージを駆動する試料ステージ
駆動手段とを備えたことを特徴とする曲面試料分析装
置。
【請求項２】前記傾斜演算手段は、三角形の領域に分
割してそれぞれの傾斜を求めることを特徴とする請求項
１記載の曲面試料分析装置。
【請求項３】前記試料ステージ駆動手段は、傾斜が急
な分析面の走査を線分析モードから点分析モードに切り
換えることを特徴とする請求項１記載の曲面試料分析装
置。
【請求項４】前記高さ計測手段として光学顕微鏡を備
えた電子プローブマイクロアナライザであることを特徴
とする曲面試料分析装置。