JP2023072265A - 結晶格子歪解析方法 - Google Patents

Abstract

【課題】走査透過電子顕微鏡によって、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析できる技術を提供する。
【解決手段】走査透過電子顕微鏡によって結晶格子歪を解析する方法であって、一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓが等しい領域を参照領域とし、参照領域における距離Ｌｎｓと、参照領域とは異なる領域である評価領域において、一原子を起点として、所定の方向と平行な方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎと、を測長する、測長工程と、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎから、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析する、結晶格子歪解析工程と、を有する、結晶格子歪解析方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査透過電子顕微鏡による結晶格子歪解析方法に関する。

材料開発において、材料の物性を詳細に解析することは、特性発現メカニズムを理解する上で重要である。例えば、結晶試料では、結晶格子歪の評価が材料特性を考慮する上で特に重要である。結晶試料の特性は、結晶中の歪量だけではなく歪が発生している場所とも密接に関係する場合が多い。

結晶格子歪を測定する手法としては、一般的にはＸ線回折装置を用いたリートベルト解析法やラマン分光法、走査透過電子顕微鏡（以下、ＳＴＥＭともいう）を用いた電子回折法等がある。

また、例えば、特許文献１には、球面収差補正ＳＴＥＭによってデフォーカス量を変化させながら取得された原子分解能像を読み込み、原子分機能像の複数の領域のコントラスト値から歪量を算出する技術が開示されている。

特開２０１８－１７９７２６号公報

本発明の目的は、ＳＴＥＭによって、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析できる技術を提供することである。

本発明の第１の態様は、
走査透過電子顕微鏡によって結晶格子歪を解析する方法であって、
一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓが等しい領域を参照領域とし、前記参照領域における前記距離Ｌｎｓを測長する、参照領域測長工程と、
前記参照領域とは異なる領域である評価領域において、一原子を起点として、前記所定の方向と平行な方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎを測長する、評価領域測長工程と、
前記距離Ｌｎｓおよび前記距離Ｌｎから、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析する、結晶格子歪解析工程と、を有する、結晶格子歪解析方法である。

本発明の第２の態様は、
前記測長工程では、前記参照領域と前記評価領域とが同一視野内に存在するように、前記参照領域および前記評価領域を設定する、上記第１の態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第３の態様は、
前記測長工程では、前記距離Ｌｎｓおよび前記距離Ｌｎを測長する際の原子数ｎを、１０以上５０以下とする、上記第１または第２の態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第４の態様は、
前記走査透過電子顕微鏡は、原子分解能電子顕微鏡である、上記第１から第３のいずれか１つの態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第５の態様は、
前記原子分解能電子顕微鏡により、前記参照領域および前記評価領域を含む原子分解能像を取得する、撮像工程をさらに有する、上記第４の態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第６の態様は、
前記撮像工程では、前記原子分解能像として、高角度環状暗視野－走査透過電子顕微鏡像を取得する、上記第５の態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第７の態様は、
前記撮像工程では、前記原子分解能像として、角度制御環状明視野－走査透過電子顕微鏡像を取得する、上記第５の態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第８の態様は、
前記撮像工程では、観察試料を支持膜付グリッドメッシュで担持して、前記原子分解能像を取得する、上記第５から第７のいずれか１つの態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明の第９の態様は、
前記撮像工程では、観察試料をイオンミリング法により薄片加工して、前記原子分解能像を取得する、上記第５から第８のいずれか１つの態様に記載の結晶格子歪解析方法である。

本発明によれば、ＳＴＥＭによって、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析できる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る、結晶格子歪解析方法の一例を示すフローチャートである。 図２は、本発明の第１実施形態に係る、原子分解能像の一例を示す模式図である。 図３は、本発明の実施例に係る、原子分解能像の一例を示す図である。 図４は、本発明の実施例に係る、Ｌｉｎｅ１の輝度強度プロファイルである。 図５は、本発明の実施例に係る、Ｌｉｎｅ２の輝度強度プロファイルである。 図６は、本発明の実施例に係る、Ｌｉｎｅ３の輝度強度プロファイルである。 図７は、本発明の実施例に係る、Ｌｉｎｅ１、Ｌｉｎｅ２、およびＬｉｎｅ３の輝度強度プロファイルである。 図８は、ＳＴＥＭを用いた電子回折法による、電子回折図形の参考図である。

［本発明の実施形態の説明］
＜発明者の得た知見＞
まず、発明者が得た知見について説明する。

例えば、電子材料において、異元素をドープしてわずかな歪を導入した結晶を用いることがある。このような作為的に作った結晶において、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪の存在と、電気的な材料特性とは、密接な関係がある。したがって、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析することは重要である。なお、本明細書において、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪とは、１０^―３ｎｍ未満の結晶格子歪を意味する。

Ｘ線回折装置を用いたリートベルト解析法は、試料にＸ線を照射し、物質の原子・分子の配列状態によってＸ線が散乱され、得られた物質特有の回折パターンを解析することで結晶性物質の同定、結晶性・配向性の評価、歪量・応力の評価等が可能である。結晶格子歪については、１０^－４ｎｍから１０^－５ｎｍオーダーまでの解析ができる。ただし、Ｘ線の特性上、表面から数μｍ程度の深さの平均的な情報が得られるため、例えば、表面から数ｎｍの深さのみに局所的に発生している結晶格子歪については、他の正常な結晶の情報に隠れてしまい正確な結晶格子歪を評価することはできない可能性がある。

ラマン分光法では、ラマン散乱光が歪のない結晶に対し、引張応力に起因する歪は低波数側に、圧縮応力に起因する歪は高波数側にシフトすることを利用して結晶格子歪を評価することができる。しかしながら、ラマン分光法では、１０^３ｎｍ（１μｍ）オーダー程度の領域を対象としているため、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪の解析は困難である。

ＳＴＥＭを用いた電子回折法は、歪が生成している部分にｎｍオーダーの電子線を照射し、試料内で散乱した電子線が結像した電子回折図形（図８参照）を解析することで１０^－２ｎｍオーダーの原子間の距離を測定することができる。しかしながら、材料特性に影響する結晶格子歪は１０^－４ｎｍオーダー以下であることが多く、この方法を用いても１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪の解析は困難である。

上述のように、既存の方法では、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析することは困難である。しかしながら、発明者の鋭意検討の結果、ＳＴＥＭによって撮像した高角度環状暗視野―ＳＴＥＭ像または角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像から、１０^－４ｎｍオーダーの局所的な結晶格子歪を精度良く解析できることがわかった。

次に、本発明の一実施形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

＜本発明の第１実施形態＞
（１）結晶格子歪解析方法
本実施形態の結晶格子歪解析方法について説明する。

図１は、本実施形態の結晶格子歪解析方法の一例を示すフローチャートである。図１に示すように、本実施形態の結晶格子歪解析方法は、例えば、撮像工程Ｓ１０１と、測長工程Ｓ１０２と、結晶格子歪解析工程Ｓ１０３と、を有している。

（撮像工程Ｓ１０１）
撮像工程Ｓ１０１は、例えば、ＳＴＥＭにより、結晶格子歪のない領域である参照領域Ｚ１、および、参照領域Ｚ１とは異なる領域（結晶格子歪が発生している領域）である評価領域Ｚ２を含む原子分解能像を取得する工程である。本明細書において、原子分解能像とは、評価対象の原子が判別できる画像を意味する。参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２については、詳細を後述する。

撮像工程Ｓ１０１では、例えば、倍率１００万倍以上の原子分解能像を取得することが好ましい。これにより、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２内の原子ひとつひとつを正確に認識することができる。また、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、倍率１０００万倍以上の原子分解能像を取得することがより好ましい。これにより、後述の測長工程Ｓ１０２において、起点となる原子から所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離を正確に測長することが可能となる。

撮像工程Ｓ１０１では、例えば、ＳＴＥＭの一種である原子分解能電子顕微鏡を用いて、原子分解能像を取得することが好ましい。原子分解能電子顕微鏡は球面収差補正ＳＴＥＭと呼ばれることもあり、球面収差補正をすることにより、高輝度、かつ高集束度の電子プローブを観察試料に照射して高分解能像を得ることができる。原子分解能電子顕微鏡では容易に倍率が１０００万倍以上の像が得られ、ＳＴＥＭより原子の中心が正確に把握できるため、起点となる原子から所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離を正確に測長することが可能となる。

遷移元素のような重元素で形成されている結晶格子歪を解析する場合、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、原子分解能像として、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像を取得することが好ましい。高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像を得るための高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ法は、高角度に散乱された電子を捉える方法で、重元素を優先的に観察することができる。一方、軽元素で形成されている結晶格子歪を解析する場合、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、原子分解能像として、角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像を取得することが好ましい。角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像を得るための角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ法は、低角度に散乱された電子を環状の検出器で捉える方法で、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ法では認識できない水素やリチウム等の軽元素を観察することができる。したがって、撮像工程Ｓ１０１では、観察試料の形態や観察する元素により、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ法、または角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ法を選択する（高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像、または角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像を取得する）ことが好ましい。

観察試料が１０ｎｍ程度の微粉末の場合、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、観察試料をＳＴＥＭ用の支持膜付グリッドメッシュで担持して、原子分解能像を取得することが好ましい。支持膜としては、例えば、カーボン膜を用いることができる。また、観察試料が１００ｎｍ程度以上の粉末、塊状物、または積層基板等の場合、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、観察試料をエポキシ樹脂等で包埋したものを薄片加工して、原子分解能像を取得することが好ましい。観察試料を薄片加工する手法としては、ミクロトーム法、ＦＩＢ法、イオンミリング法等を用いることができる。薄片加工の際に結晶格子歪を形成させないようにする観点からは、観察試料に対してダメージが少ない手法がよく、低エネルギーのアルゴンイオンを用いるイオンミリング法が好適である。イオンミリング法の中でも液体窒素で冷却しながら薄片加工をするクライオイオンミリング法は、熱による変形も抑えることができるためより好適である。また、観察試料が１０００ｎｍ（１μｍ）程度以上の粉末、塊状物、または積層基板等の場合、撮像工程Ｓ１０１では、例えば、観察試料をミクロトーム法またはＦＩＢ法等で荒加工した後、イオンミリング法またはクライオイオンミリング法で仕上げ加工を行って、原子分解能像を取得することが好ましい。

撮像工程Ｓ１０１では、例えば、支持膜付グリッドメッシュで担持した観察試料、イオンミリング法またはクライオイオンミリング法により薄片加工した観察試料を原子分解能電子顕微鏡にセットし、観察試料の形態や観察したい元素により、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ法または角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ法を選択し、原子ひとつひとつを認識することができる倍率（例えば、１００万倍以上、好ましくは１０００万倍以上）で、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を含む原子分解能像を取得する。なお、撮像工程Ｓ１０１では、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を含むひとつの原子分解能像を取得してもよいし、参照領域Ｚ１を含む原子分解能像と、評価領域Ｚ２を含む原子分解能像とを別々に取得してもよい。

（測長工程Ｓ１０２）
測長工程Ｓ１０２は、例えば、参照領域Ｚ１内の一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓと、評価領域Ｚ２内の一原子を起点として、所定の方向（距離Ｌｎｓを測長する際と平行な方向）に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎと、を測長する工程である。

測長工程Ｓ１０２では、まず、撮像工程Ｓ１０１で得られた原子分解能像（高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像、または角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像）から、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定する。

参照領域Ｚ１とは、結晶格子歪のない領域であり、具体的には、例えば、一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓが等しい領域である。本明細書において、距離Ｌｎｓが等しいとは、参照領域Ｚ１内において、どの原子を起点としたとしても、距離Ｌｎｓが±０．１％以内に収まる（特に好ましくは完全一致する）ことを意味する。例えば、原子数ｎを１０として、ある領域の距離Ｌｎｓを測長した場合に、距離Ｌｎｓが４．９９５ｎｍ以上５．００５ｎｍ以下（５．０００ｎｍの±０．１％以内）に収まっていれば、距離Ｌｎｓが等しいと判断し、該領域を参照領域Ｚ１として設定してもよい。

一方、評価領域Ｚ２とは、結晶格子歪が発生している領域であり、具体的には、例えば、一原子を起点として、所定の方向（距離Ｌｎｓを測長する際と平行な方向）に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎが、距離Ｌｎｓの±０．１％以内に収まらない領域である。評価領域Ｚ２は、観察試料の特徴を把握すれば比較的容易に捜索することができる。例えば、積層基板では歪が生じやすい異種の材料が接している界面付近や、結晶構造が崩れやすい表面付近を捜索すればよい。特徴の少ない観察試料の場合は、ＸＲＤ法、ラマン法またはＳＴＥＭを用いた電子回折法等で、結晶格子歪が発生している領域を絞り込んで捜索してもよい。

測長工程Ｓ１０２では、例えば、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在するように、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定することが好ましい。これにより、距離Ｌｎｓを測長する際と、距離Ｌｎを測長する際とで、観察視野を切り替えたり、別の原子分解能像に切り替えたりする必要がなくなり、結晶格子歪の解析をより精度よく行うことが可能となる。また、超高倍率（例えば、１０００万倍程度）の原子分解能像においては、ドリフト現象（温度変化等によって観察中の試料がゆっくり動いて見える現象）が顕著に観察されてしまう可能性があるが、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在するように、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定した場合、このようなドリフト現象を抑えることができる。これにより、後述の結晶格子歪率を精度よく算出することが可能となる。

測長工程Ｓ１０２では、例えば、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定したら、参照領域Ｚ１内の一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓと、評価領域Ｚ２内の一原子を起点として、所定の方向（距離Ｌｎｓを測長する際と平行な方向）に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎを測長する。この際、参照領域Ｚ１内の任意の一原子を起点として、測長した結果を距離Ｌｎｓとして採用して構わない。

測長工程Ｓ１０２では、例えば、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長する際の原子数ｎを、１０以上５０以下とすることが好ましい。原子数ｎが１０未満では、結晶格子歪を解析する際の誤差が大きくなってしまう可能性がある。これに対し、原子数ｎを１０以上とすることで、結晶格子歪を解析する際の誤差を低減することができる。一方、原子数ｎが５０を超えると、原子分解能像を高倍率（例えば、１０００万倍以上）とした場合、観察視野内に測定する原子が収まりきらない可能性がある。これに対し、原子数ｎを５０以下とすることで、原子分解能像を高倍率とした場合でも、観察視野内に測定する原子を収めることができる。

図２は、本実施形態の原子分解能像の一例を示す模式図である。図２に示すように、測長工程Ｓ１０２では、例えば、起点なる原子を選び、結晶格子歪を測定したい方向にｎ原子分（図２に示す例では１０原子分）の距離を測長する。この際、起点となる原子の中心から終点となる原子の中心までの距離を測長することが好ましい。後述する図４、図５、または図６に示すような輝度強度プロファイルの各ピークの頂点を原子の頂点とすることで、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長しやすくなる。

（結晶格子歪解析工程Ｓ１０３）
結晶格子歪解析工程Ｓ１０３は、例えば、測長工程Ｓ１０２にて測長した距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを比較することにより、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析する工程である。

結晶格子歪解析工程Ｓ１０３では、例えば、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析しやすくするために、参照領域Ｚ１における平均原子間距離（以下、参照領域平均原子間距離ｌｎｓともいう）と、評価領域Ｚ２における平均原子間距離（以下、評価領域平均原子間距離ｌｎともいう）とを算出することが好ましい。具体的には、参照領域平均原子間距離ｌｎｓは、距離Ｌｎｓを原子数ｎで除すことで、評価領域平均原子間距離ｌｎは、距離Ｌｎを原子数ｎで除すことで算出できる。距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎの測長制度が１０^―３ｎｍオーダーであったとしても、測長工程Ｓ１０２において、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長する際の原子数ｎを１０以上とし、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを原子数ｎで除すことで、結晶格子歪の解析において、１０^―４ｎｍオーダーの精度を確保することができる。

結晶格子歪解析工程Ｓ１０３では、例えば、参照領域平均原子間距離ｌｎｓおよび評価領域平均原子間距離ｌｎとから結晶格子歪量Ｄを算出して、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析することが好ましい。結晶格子歪量Ｄは、以下の式（１）により算出することができる。なお、結晶格子歪量Ｄは、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎからも算出することができる。

参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在する場合、結晶格子歪解析工程Ｓ１０３では、例えば、結晶格子歪率Ｄ`（％）を算出してもよい。結晶格子歪率Ｄ`は、結晶格子歪量Ｄに１００を乗じて算出することができる。

（２）本実施形態に係る効果
本実施形態によれば、以下に示す１つまたは複数の効果を奏する。

（ａ）本実施形態の結晶格子歪解析方法は、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎ（または、参照領域平均原子間距離ｌｎｓおよび評価領域平均原子間距離ｌｎ）から、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析する、結晶格子歪解析工程Ｓ１０３を有している。これにより、１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析することが可能となる。

ここで、ＳＴＥＭによって結晶格子歪を解析する場合、原子間距離の文献値と比較して、結晶格子歪を解析する方法も考えられる。しかしながら、同じ元素からできている結晶でも、異元素のドープ等によって原子間距離は微妙に変わり、文献値も多く存在している。本実施形態の結晶格子歪解析方法では、結晶格子歪の発生していない参照領域Ｚ１を設定し、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とを比較することにより、精度の高い解析が可能となる。

（ｂ）本実施形態の測長工程Ｓ１０２では、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在するように、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定することが好ましい。これにより、距離Ｌｎｓを測長する際と、距離Ｌｎを測長する際とで、観察視野を切り替えたり、別の原子分解能像に切り替えたりする必要がなくなり、結晶格子歪の解析をより精度よく行うことが可能となる。また、超高倍率（例えば、１０００万倍程度）の原子分解能像においては、ドリフト現象（温度変化等によって観察中の試料がゆっくり動いて見える現象）が顕著に観察されてしまう可能性があるが、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在するように、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を設定した場合、このようなドリフト現象を抑えることができる。これにより、結晶格子歪率を精度よく算出することが可能となる。

（ｃ）本実施形態の測長工程Ｓ１０２では、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長する際の原子数ｎを、１０以上５０以下とすることが好ましい。原子数ｎが１０未満では、結晶格子歪を解析する際の誤差が大きくなってしまう可能性がある。これに対し、原子数ｎを１０以上とすることで、結晶格子歪を解析する際の誤差を低減することができる。一方、原子数ｎが５０を超えると、原子分解能像を高倍率（例えば、１０００万倍以上）とした場合、観察視野内に測定する原子が収まりきらない可能性がある。これに対し、原子数ｎを５０以下とすることで、原子分解能像を高倍率とした場合でも、観察視野内に測定する原子を収めることができる。

（ｄ）本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、原子分解能電子顕微鏡を用いることが好ましい。原子分解能電子顕微鏡では容易に倍率が１０００万倍以上の像が得られ、ＳＴＥＭより原子の中心が正確に把握できるため、起点となる原子から所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離を正確に測長することが可能となる。また、原子分解能電子顕微鏡は分解能が高く、原子ひとつひとつがきれいに判別できるため、本実施形態の結晶格子歪解析工程Ｓ１０３では、所定の方向に配列した原子一ラインごとの局所的な結晶格子歪を精度よく解析することができる。

（ｅ）本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、原子分解能電子顕微鏡により、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２を含む原子分解能像を取得することが好ましい。これにより、結晶格子歪の開始場所の特定ができる。具体的には、例えば、参照領域Ｚ１および評価領域Ｚ２が隣り合っているところが結晶格子歪の開始場所と判定できる。

（ｆ）遷移元素のような重元素で形成されている結晶格子歪を解析する場合、本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、原子分解能像として、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像を取得することが好ましい。これにより、重元素を優先的に観察することができる。

（ｇ）軽元素で形成されている結晶格子歪を解析する場合、本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、原子分解能像として、角度制御環状明視野－ＳＴＥＭ像を取得することが好ましい。これにより、高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ法では認識できない水素やリチウム等の軽元素を観察することができる。

（ｈ）観察試料が１０ｎｍ程度の微粉末の場合、本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、観察試料をＳＴＥＭ用の支持膜付グリッドメッシュで担持して、原子分解能像を取得することが好ましい。これにより、原子分解能像を取得しやすくなる。

（ｉ）観察試料が１００ｎｍ程度以上の粉末、塊状物、または積層基板等の場合、本実施形態の撮像工程Ｓ１０１では、観察試料をエポキシ樹脂等で包埋したものをイオンミリング法により薄片加工して、原子分解能像を取得することが好ましい。これにより、観察試料へのダメージを低減しつつ、原子分解能像を取得することができる。

＜本発明の他の実施形態＞
以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

例えば、上述の実施形態では、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長する際に、起点となる原子の中心から終点となる原子の中心までの距離を測長する場合について説明したが、距離Ｌｎｓおよび距離Ｌｎを測長する際は、起点となる原子の外周から終点となる原子の外周までの距離を測長してもよい。

また、例えば、上述の実施形態では、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在する場合について説明したが、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２との設定の仕方は、上述の実施形態に限定されない。例えば、評価領域Ｚ２の周辺に、結晶格子歪が発生していない領域が見つけられない場合、観察視野を切り替えて、参照領域Ｚ１を設定してもよい。

次に、本発明に係る実施例を説明する。これらの実施例は本発明の一例であって、本発明はこれらの実施例により限定されない。

図３は、本実施例に係る原子分解能像の一例を示す図である。本実施例では、連続的に結晶格子歪を有する結晶性材料（以下、観察試料Ａともいう）について、原子分解能電子顕微鏡（日本電子（株）製 ＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆ）を用いて、１０００万倍で高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像を取得した。なお、観察試料Ａの高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像は、観察試料Ａをカーボン支持膜付グリッドメッシュ（応研商事（株）製 ＃１０－１０１５ スーパーハイレゾカーボン ＳＨＲ－Ｃ０７５ ＳＴＥＭ Ｃｕ７５Ｐグリッド仕様）に担持し、原子分解能電子顕微鏡により撮像した。

図３に示すＬｉｎｅ１において、原子１０個分の距離（起点となる原子の中心から終点となる原子の中心までの距離）は、５．０６０ｎｍであった。図３において、Ｌｉｎｅ１より左上の領域の原子１０個分の距離は、５．０５５ｎｍ以上５．０６５ｎｍ以下の範囲内（５．０６０ｎｍの±０．１％以内）に収まっていた。また、図３において、Ｌｉｎｅ１の右下隣の原子１０個分の距離は、５．０５３ｎｍであったことから、Ｌｉｎｅ１の左上の領域（Ｌｉｎｅ１を含む）を参照領域Ｚ１とした。また、図３に示すＬｉｎｅ２およびＬｉｎｅ３を評価領域Ｚ２とした。

Ｌｉｎｅ１、Ｌｉｎｅ２、Ｌｉｎｅ３の３箇所について、１０原子分の輝度強度プロファイルを抽出した。Ｌｉｎｅ１の結果を図４に、Ｌｉｎｅ２の結果を図５に、Ｌｉｎｅ３の結果を図６に示す。また、各プロファイルを重ねて表示したものを図７に示す。Ｌｉｎｅ１の距離Ｌｎｓは５．０６０ｎｍ、Ｌｉｎｅ２の距離Ｌｎは５．０４０ｎｍ、Ｌｉｎｅ３の距離Ｌｎは４．９６２ｎｍであった。したがって、Ｌｉｎｅ１の参照領域平均原子間距離ｌｎｓは０．５０６０ｎｍ、Ｌｉｎｅ２の評価領域平均原子間距離ｌｎは０．５０４０ｎｍ、Ｌｉｎｅ３の評価領域平均原子間距離ｌｎは０．４９６２ｎｍであった。

上述の式（１）を用いて、結晶格子歪量Ｄを算出すると、Ｌｉｎｅ２の結晶格子歪量Ｄは－０．０３９、Ｌｉｎｅ３の結晶格子歪量Ｄは－０．０１９４であった。つまり、Ｌｉｎｅ２およびＬｉｎｅ３においては、参照領域Ｚ１に対して負の歪が生じていることを確認した。

本実施例においては、図３に示すように、参照領域Ｚ１と評価領域Ｚ２とが同一視野内に存在するため、結晶格子歪率Ｄ`を算出した。Ｌｉｎｅ２の結晶格子歪率Ｄ`は－０．３９％、Ｌｉｎｅ３の結晶格子歪率Ｄ`は－１．９３％であった。

以上より、図３に示す高角度環状暗視野－ＳＴＥＭ像においては、右下に向かって結晶格子歪が大きくなっていることを確認した。また、参照領域Ｚ１に対して、評価領域Ｚ２に発生している１０^―４ｎｍオーダー以下の局所的な結晶格子歪を解析できることを確認した。

Ｓ１０１ 撮像工程
Ｓ１０２ 測長工程
Ｓ１０３ 結晶格子歪解析工程

Claims (9)

1. 走査透過電子顕微鏡によって結晶格子歪を解析する方法であって、
   一原子を起点として、所定の方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎｓが等しい領域を参照領域とし、前記参照領域における前記距離Ｌｎｓと、前記参照領域とは異なる領域である評価領域において、一原子を起点として、前記所定の方向と平行な方向に配列したｎ番目の原子までの距離Ｌｎと、を測長する、測長工程と、
   前記距離Ｌｎｓおよび前記距離Ｌｎから、１０^―４ｎｍオーダー以下の結晶格子歪を解析する、結晶格子歪解析工程と、を有する、結晶格子歪解析方法。
2. 前記測長工程では、前記参照領域と前記評価領域とが同一視野内に存在するように、前記参照領域および前記評価領域を設定する、請求項１に記載の結晶格子歪解析方法。
3. 前記測長工程では、前記距離Ｌｎｓおよび前記距離Ｌｎを測長する際の原子数ｎを、１０以上５０以下とする、請求項１または請求項２に記載の結晶格子歪解析方法。
4. 前記走査透過電子顕微鏡は、原子分解能電子顕微鏡である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の結晶格子歪解析方法。
5. 前記原子分解能電子顕微鏡により、前記参照領域および前記評価領域を含む原子分解能像を取得する、撮像工程をさらに有する、請求項４に記載の結晶格子歪解析方法。
6. 前記撮像工程では、前記原子分解能像として、高角度環状暗視野－走査透過電子顕微鏡像を取得する、請求項５に記載の結晶格子歪解析方法。
7. 前記撮像工程では、前記原子分解能像として、角度制御環状明視野－走査透過電子顕微鏡像を取得する、請求項５に記載の結晶格子歪解析方法。
8. 前記撮像工程では、観察試料を支持膜付グリッドメッシュで担持して、前記原子分解能像を取得する、請求項５から請求項７のいずれか１項に記載の結晶格子歪解析方法。
9. 前記撮像工程では、観察試料をイオンミリング法により薄片加工して、前記原子分解能像を取得する、請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の結晶格子歪解析方法。
   

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