JP2005294085A - 走査電子線干渉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】感度の高い電子線干渉計測法を提供する。
【解決手段】楕円状または線状のビームで試料を照射し、試料を該楕円の短軸方向または線と直行する方向に走査しながら検出器により干渉縞を逐次記録する。
【選択図】図１

Description

本発明は電子線の干渉を利用して物質あるいは真空中の電磁場を計測する電子顕微鏡などの電子ビーム装置に関する。

電子線干渉計測法あるいは電子線ホログラフィー法はミクロな領域における電磁場計測法として利用されている。電子線は真空中または物質内部の電磁場により位相変化を生じるが、電子線の検出装置は電子線の強度分布（振幅変化）しか記録できないため、そのままでは電磁場を計測することはできない。電磁場を通過した電子線の位相変化を記録するためには位相変化を強度分布に変換することが必要であり、電子線干渉計測法では電子線バイプリズム装置により、試料近傍の真空を通過した電子線（参照波）との重ねあわせにより生じる干渉縞の強度分布を記録することでこの変換を実現する。図１に透過型電子顕微鏡（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＴＥＭ）における電子線干渉計測法あるいは電子線ホログラフィー法の概略を示した。干渉性の高い電子線試料と真空の境界を含む領域に照射し、試料を通過した電子線と真空を通過した電子線を対物レンズの下に配置した電子線バイプリズム装置により重ね合わせることにより生じる電子線の干渉縞の強度分布を電子線検出装置で記録する。記録した干渉縞の強度分布から試料を通過した電子線の振幅変化と位相変化を同時に再生することができる。このような手法についてはたとえば特開昭６４−６５７６２号公報に記載されている。

以下、電子線ホログラフィー法により試料の位相分布が再生できることを説明する。電子線ホログラフィーでは試料を透過した電子線と真空を通過した電子線を電子線バイプリズムにより干渉させ、その干渉縞を撮影する。試料が電子線に位相の変化を及ぼさない場合は干渉縞像は一定のピッチで並んだ直線の集合となるが、試料に電位分布、磁場分布などの電子線の位相を変化させる要因があると、干渉縞はその分布に応じて変調を受け、直線が局所的に曲線となる。この変調を干渉縞の画像処理により試料の位相分布として再生することができる。

試料に電位分布がある場合、試料を透過した電子線と真空を通過した電子線の間に生じる位相変化は
ΔΦ＝πＶ_０・ｔ／（Ｅ・λ）
で与えられる。ここでＶ_０は試料の内部電位、ｔは試料の厚さ、Ｅは加速電圧、λは電子線の波長を示す。したがって、試料の厚さと加速電圧の実験条件から位相変化を試料の内部電位に変換することができる。半導体トランジスタ試料の場合には、試料のドーピング濃度に応じた内部電位の分布を計測することになり、得られた内部電位分布からシミュレーションなどとの比較により、ドーパントプロファイルの評価をおこなうことが可能である。一方、試料に磁場分布がある場合には電子線の位相変化量は
ΔΦ＝（２πｅ／ｈ）∫Ｂ・ｄＳ
で与えられる。ここでｅは素電荷、ｈはプランク定数、∫Ｂ・ｄＳは試料を透過する電子線と参照波となる電子線の両電子線に囲まれる閉曲面における磁場の面積分で磁束量を示す。したがって電位分布を導いたのと同様にして位相変化量から試料内部の磁束量を定量的に導き出すことができる。

また、電子線ホログラフィー法には走査透過型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ；ＳＴＥＭ）を用いた実現例もある。この場合は、干渉性の高い電子線を電子線バイプリズム装置により２つに分けた後に収束レンズにより収束することで形成される２つのスポットをそれぞれ試料とその近傍の真空に照射し、対物レンズの下に生じるところの試料を通過した電子線と真空を通過した電子線の重ね合わせによって生じる電子線の干渉縞の強度分布を電子線検出装置で記録する。収束レンズの上または下に設けた電子線の走査コイルによりスポット状の電子線は試料上の観察したい領域を走査され、逐次記録された干渉縞の強度分布の変化から試料を通過した電子線の位相変化を再生することができる。

このような手法に関してはたとえば特開平４−２０６１３２号公報に記載されている。ＳＴＥＭにおける電子線ホログラフィー法では試料をスポット状の電子線で照射し、照射した部分から発生する励起Ｘ線を検出することによって局所的な成分を評価することができるため、ホログラフィーで得られる電磁場の情報に加えて成分に関する情報も得られるという利点がある。言うまでもないことであるが、上述したように電子線ホログラフィー法で電子線の位相変化を高い精度で観察しようとするためには電子線の干渉縞を高いコントラストで記録しなければならない。ところが電子線の干渉性を上げるためには電子線の開き角を小さくする必要があり、電子線の強度が小さくなるために干渉縞のコントラストが小さくなるというジレンマがある。

特開昭６４−６５７６２号公報 特開平４−２０６１３２号公報

Ｇ．Ａｄｅ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．８９（１９９２）

このように従来の方法では干渉縞のコントラストが低いため、計測の精度が低いという問題があった。

本発明の目的は上記した問題点を解決し、高感度でかつ使用が簡便な電子線干渉計測装置を提供することである。
従来電子線バイプリズムは１次元の性質を持ち、試料を透過した電子線とその近傍の真空を通過した電子線とを電子線バイプリズムを構成する導電性のワイヤーに直交する１次元の方向に重ね合わせる働きをもつ。したがって問題になるのはワイヤーに直交する方向における電子線の干渉性であり、ワイヤーに平行な方向に関しては電子線を重ね合わせるわけではないので干渉性は問題にならない。したがって、同時に広い２次元の領域の干渉縞を低いコントラストで記録するのではなく、ワイヤーに直交する１次元の領域の干渉縞を１次元の検出素子により高いコントラストで記録し、試料をワイヤーに平行な方向に移動させることにより２次元の領域の情報を得る方法が考えられる。２次元の領域の情報を同時に取得しなければならない応用例もあるが、そうでない応用例も多い。

たとえば本発明の中で説明される半導体のドーパントプロファイル評価や磁性薄膜の磁気構造評価などでは、２次元領域の情報を同時に取得する必要はなく、むしろ精度が要求される。試料走査に必要となる時間も許容範囲であると考えられる。さらに１次元の検出素子であれば２次元の検出素子よりも構造が単純なため、製作が容易でコストもはるかに低くできる。また、読み出しの速度も速い。もちろん、本発明は１次元の検出素子を使用することに限定されるのではなく、コストが低く、高性能な２次元の検出素子があればそれを利用してもよいことはいうまでもない。２次元の検出素子を用いた場合も試料の走査ごとに逐次取得した一連の干渉縞を蓄積して観察したい領域全体の干渉縞画像とすることになる。従来、ポイントカソードや電界放射型陰極が開発される前は、電子線の干渉性の不足を補うために円筒型の電子レンズを用いて楕円状の電子ビームにより試料を照射することがおこなわれていたが、現在では回転対称型のレンズしか使われていない。また、楕円状の照射条件も実験者が工夫して実現している例はあるが、市販の装置に付属している非点補正装置では大きな比率をもつ楕円状の照射は通常不可能である。

上記の問題に対しては、該電子線を従来よりも口径の大きな非点補正装置により２よりも大きな比率を有する楕円状あるいは１次元状の形状として試料を照射し、同時に試料を１次元に移動することにより局所的な干渉縞を順次取り込み、高速な計算処理により、試料の電磁場分布を画像として記録することができる。また、専用の制御装置を設けることにより収束レンズの励磁条件に連動して非点補正装置の電流を制御することにより、観察者はある比率をもった楕円形状を保ちながら試料の照射強度を変えることができるため、実験条件の設定が極めて容易になる。以下図を用いて本発明を説明する。図６（ａ）は従来法における同心円状の照射領域を示す。また図６（ｂ）は用いられる２次元の検出器である。従来は図６（ａ）のように２次元方向に電子線を広げて干渉性を高めていた。このため、電子線の強度が減少し、得られる干渉縞のコントラストが低かった。本発明では図６（ｃ）に示すような楕円状あるいは線状の照射条件を用いると同時に干渉縞を図６（ｄ）に示すような１次元の検出装置で検出する。楕円状または線状の照射にすることにより電子線バイプリズムのワイヤーと直交する方向における干渉性を保ったまま、電子線の強度を上げることができる。

楕円状の照射を用いた公知例はたとえばＧ．Ａｄｅ（Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｖｏｌ．８９（１９９２））により報告されているが、試料の移動あるいは電子ビームの走査はおこなっていない。本発明では比率の大きな、線状に近い照射条件を用いると共に、試料を該線状の照射と直交する方向に1次元的に移動あるいは電子ビームを走査することをおこなう。また、試料の照射条件を容易に設定するために、集束レンズの励起電流に応じて非点補正装置の電流を制御する制御装置を設け、操作性を向上させる。すなわち、図７（ａ）−（ｃ）に示すように、試料の照射領域の大きさが変化しても、該楕円もしくは線の方向及び比率が変化しないように制御装置により制御することにより操作を簡便におこなうことができる。
このように本発明では大きな比率を有する楕円状または線状の電子ビームで試料を照射すると同時に試料あるいは該電子ビームを１次元方向に移動させながら検出器により干渉縞を逐次記録することを特徴とする。

本発明により、高い感度でミクロな領域における電磁場観察を可能とする。

本発明の利用形態の一実施例を図１と図２により説明する。本実施例は本発明をＴＥＭにおける半導体トランジスタのドーパントプロファイル評価に応用したものである。電子源１から放出された干渉性の高い電子線を収束レンズ２及び非点補正装置４により楕円状の電子ビーム１６にして観察したい領域１５を含む半導体の薄膜試料１４に照射する。ここで試料をホルダに固定する際に図２で描かれた半導体トランジスタの構造に対して微動方向１２に移動可能となるようにしておくか、またはそのように設定可能な試料ホルダを用いるものとする。ここで試料を照射する楕円状のビームの長軸方向が該移動方向に直交するように非点補正装置４を調節する。まず、試料のない状態で電子線バイプリズム８に電圧を印加し、結像レンズ９で拡大した干渉縞１０を１次元検出器１１に入射させる。然る後に試料微動装置５により試料を移動させるか、あるいは偏向コイル３により電子ビームを偏向させることによって、図２（ａ）で示すような配置とする。

ここで試料１４を移動方向１３に微動させるかまたは電子ビームを走査方向１４に走査しながら所定の移動距離または走査距離毎に干渉縞を取得する。図２（ｂ）では半導体トランジスタの中央部まで試料を移動または電子ビームを走査させた時点での試料と電子ビームとの相対関係を示す。さらに移動または走査をおこない、所望の範囲まで試料の移動または電子ビームの走査をおこなった後（図２（ｃ））、逐次取得した一連の干渉縞から試料の位相分布を再生することにより領域１６におけるドーパントプロファイル１８を得ることができる。

本発明の利用形態の他の一実施例を図１と図３により説明する。本実施例は本発明をＴＥＭにおける磁性薄膜の磁区構造評価に応用するものである。磁性薄膜試料１９の片側または両側は参照波が通過する真空の領域を作成しておく。実施例１と同様にして試料を照射する楕円状のビームの長軸方向が試料の微動方向２０に直交するように非点補正装置を調節しておく。電子線バイプリズム８及び結像レンズ９により形成される干渉縞１０を検出器１１に入射させる。然る後に試料微動装置５により試料を移動あるいは偏向コイル３により電子ビームを偏向させ、図３（ａ）で示すような配置とする。ここで試料１９を移動方向２０に移動あるいは走査方向電子ビームを走査方向２１に走査させながら所定の移動あるいは走査距離毎に干渉縞を取得する。図３（ｂ）では磁性薄膜試料の中央部まで試料を移動あるいは電子ビームを走査させた時点での試料と電子ビームとの相対関係を示す。さらに移動あるいは走査をおこない、所望の範囲まで試料の移動あるいは電子ビームの走査をおこなった後（図３（ｃ））、逐次取得した一連の干渉縞から試料の位相分布を再生することにより磁性薄膜試料１９内部の磁区構造２３及び２４を得ることができる。

本発明の利用形態の他の一実施例を図４と図５により説明する。本実施例はＳＴＥＭにおける磁性薄膜及び組成分析を示す。電子源２５から放出された干渉性の高い電子線電子線バイプリズム２６により２つに分け収束レンズ２６により２つのスポット状の電子ビームにして試料２９および試料近傍の真空に照射する。ここで試料をホルダに固定する際に図５で描かれた試料３９に対して微動方向４０及びそれに直交する方向４２に移動可能となるようにしておくか、またはそのように設定可能な試料ホルダを用いるものとする。あるいはこの設定は２つのスポット状の電子ビームの走査方向４１を調節することによってもよい。ここで２つのスポット状のビームのうち片方は試料を照射し、他方は試料近傍の真空部分を通過するように電子線バイプリズム２６及び収束レンズ２７を調節しておく。

さらに非点補正コイル３３および制御装置３６により干渉縞３４が電子線バイプリズムのワイヤーと直交する方向に長軸をもつ大きな比率を有する楕円状の形状となるように調節する。干渉縞３４が検出器３５に入射するように調節し、然る後に試料微動装置３０により試料を移動させるか、あるいは偏向コイル２７により電子ビームを偏向させることにより、図５（ａ）で示すような配置とする。ここで試料３９を移動方向４０に微動あるいは電子ビームを走査方向４１に走査させながら所定の試料移動距離あるいは電子ビーム走査距離毎に干渉縞と励起されたＸ線４４を取得する。試料移動方向４０あるいは電子ビーム走査方向４１の全範囲で移動が終了したら今度は試料移動方向４２に所定の移動距離だけ試料を移動あるいは走査方向４３に電子ビームを所定の距離だけ走査させ、再び試料移動方向４０の試料移動あるいは走査方向４１の電子ビーム走査を繰り返す。

このようにして試料の観察したい領域全体の干渉縞を取得する。図５（ｂ）では半導体トランジスタの中央部まで試料を移動させた時点での試料と電子ビームとの相対関係を示す。さらに試料の移動あるいは電子ビームの走査をおこない、所望の全領域にわたって試料の移動あるいは電子ビームの走査をおこなった後（図５（ｃ））、逐次取得した一連の干渉縞から試料の位相分布及び励起Ｘ線波長から試料の組成分布を再生することにより試料３９の磁区構造４５及び４６と成分分布４７及び４８を同時に得ることができる。

本発明は電子顕微鏡、特に電磁場分布の高精度計測に適した干渉電子顕微鏡に関するものであり、産業上の利用可能性を有する。

ＴＥＭにおける本発明の実施方法を説明する図。 本発明のＴＥＭにおける半導体ドーパントプロファイル観察における実施例を説明する図。 本発明のＴＥＭにおける磁性薄膜評価における実施例を説明する図。 ＳＴＥＭにおける本発明の実施方法を説明する図。 本発明のＳＴＥＭにおける磁性薄膜評価における実施例を説明する図。 ＴＥＭにおける従来法と本発明による試料照射方法を説明する図。 本発明における楕円の比率と方向を保ったまま試料の照射条件を変える方法を説明する図。

符号の説明

１：電子源、２：収束レンズ、３：偏向コイル 、４：非点補正装置 、５：試料微動装置、６：試料、７：対物レンズ、８：電子線バイプリズム、９：結像レンズ、１０：干渉縞、１１：検出器、１２：制御装置、１３：試料移動方向、１４：電子ビーム走査方向、１５：半導体薄膜試料、１６：ドーパントプロファイル観察領域、１７：楕円状照射領域、１８：解析により得られるドーパントプロファイル、１９：磁性薄膜試料、２０：試料移動方向、２１：電子ビーム走査方向、２２：楕円状電子ビーム、２３：解析により得られる磁区構造、２４：解析により得られる別の磁区構造、２５：電子源、２６：電子線バイプリズム、２７：偏向コイル、２８：収束レンズ、２９： 試料、３０：試料微動装置、３１：対物レンズ、３２：結像レンズ、３３：非点補正装置、３４：干渉縞、３５：検出器、３６：制御装置、３７：参照波となる収束電子線ビーム、３８：試料波となる収束電子線ビーム、３９：磁性薄膜試料、４０：試料移動方向、４１：電子ビームの走査方向、４２：別の試料移動方向、４３：電子ビームの別の走査方向、４４：試料から生じるＸ線、４５：解析により得られる試料薄膜中の磁力線、４６：解析により得られる試料薄膜中の別の部分における磁力線、４７：Ｘ線検出器により得られる試料薄膜中の成分分布、４８：Ｘ線検出器により得られる試料薄膜中の別の部分における成分分布、４９：同心円状の照射領域、５０：２次元検出器、５１：楕円状の照射領域、５２：１次元検出器、５３：試料、５４：楕円状の照射ビーム（小）、５５：楕円状の照射ビーム（中）、５６：楕円状の照射ビーム（大）。

Claims (3)

1. 電子線バイプリズムをその構成要素とすることを特徴とする電子線干渉計測装置において、制御装置と連動した非点補正装置と収束レンズによって２よりも大きい比率を有する楕円状あるいは線状のビームとして試料及びその近傍の真空を照射し、該試料あるいは該ビームを該楕円の短軸方向或いは該線と直交する方向に移動あるいは走査しながら、試料を透過した電子線と真空を透過した電子線を電子線バイプリズムによって重ね合わせることにより形成される干渉縞を検出器により逐次計測することを特徴とする電子線干渉計測装置。
2. 電子線バイプリズムをその構成要素とすることを特徴とする電子線干渉計測装置において、電子線バイプリズムによって互いに可干渉な２つのスポット状のビームを形成し、片方のビームで試料を照射し、他方で試料近傍の真空を照射した後に試料を透過した電子線と真空を透過した電子線の重ね合わせにより形成される干渉縞を制御装置と連動した非点補正装置によって２よりも比率の大きい楕円状あるいは線状にして検出器により逐次計測することを特徴とする電子線干渉計測装置。
3. 楕円の長軸と短軸の比及び楕円の長軸の方向を同時に保ったまま、歪を生じることなく照射強度を変えることを特徴とする電子線干渉計測装置。
   

Images