JP2764599B2 - Reflection electron beam diffractometer - Google Patents

Reflection electron beam diffractometer

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JP2764599B2
JP2764599B2 JP1037143A JP3714389A JP2764599B2 JP 2764599 B2 JP2764599 B2 JP 2764599B2 JP 1037143 A JP1037143 A JP 1037143A JP 3714389 A JP3714389 A JP 3714389A JP 2764599 B2 JP2764599 B2 JP 2764599B2
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  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は反射電子線回折を利用して試料面の微小領域
の構造変化を経時的に追跡解析する装置に関する。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to an apparatus for tracking and analyzing a structural change in a minute area on a sample surface with the lapse of time using reflected electron beam diffraction.

(従来の技術) 半導体集積回路の高性能化にともない必然的に半導体
素子を製作する際にシリコン基板や、絶縁物上に堆積す
る多結晶シリコン、AlやW,Mo等の金属薄膜の高品質化が
望まれている。この場合不純物を含まない高純度の薄膜
を堆積させなければならないが薄膜の結晶性が十分制御
されていなければ、信頼性の高い集積回路を実現するこ
とはできない。
(Prior art) With the high performance of semiconductor integrated circuits, inevitably high quality of metal substrates such as polycrystalline silicon, Al, W, Mo, etc. deposited on silicon substrates and insulators when manufacturing semiconductor devices. Is desired. In this case, a high-purity thin film containing no impurities must be deposited, but if the crystallinity of the thin film is not sufficiently controlled, a highly reliable integrated circuit cannot be realized.

例えば、集積回路において、各素子を接続するAl又
は、Al合金の配線は、時に断線と云うトラブルを生じ、
集積回路の信頼性を低下させている。その原因は大電流
が流れた時に生ずるエレクトロマイグレーションや下地
が変化する個所に集中するストレスによるストレスマイ
グレーションによるものと考えられている。事実、配線
金属AlまたはAl合金は平坦なウエハ上に形成されるので
はなく、ほゞ1μmの凹凸のある表面に形成されるもの
で、局所的には電流密度として106A/cm2もの電流がなが
れる。この様な断線が生じないためには、結晶方位のそ
ろったAl又はAl合金膜を堆積させる必要と共に、断線の
起る状態の実態的な観察による断線発生条件の明確化,
断線発生原因の究明等の必要がある。
For example, in an integrated circuit, Al or Al alloy wiring connecting each element sometimes causes a trouble called disconnection,
It reduces the reliability of integrated circuits. It is considered that the cause is electromigration generated when a large current flows or stress migration due to stress concentrated on a portion where the base changes. In fact, the wiring metal Al or Al alloy is not formed on a flat wafer, but is formed on a surface with irregularities of about 1 μm, and locally has a current density of 10 6 A / cm 2. The current flows. In order to prevent such disconnection, it is necessary to deposit an Al or Al alloy film with a uniform crystal orientation, and to clarify the disconnection occurrence conditions by actually observing the state where the disconnection occurs.
It is necessary to determine the cause of the disconnection.

このため従来配線に用いられる金属薄膜の最適な薄膜
形成条件を決定する方法として、実際に電流を流して断
線に至るまでの時間の測定をおこなう方法があるが、実
際に配線を形成し、評価するとなると膨大な時間を要す
ることになる。半導体集積回路上の配線金属が電流を流
した際の断線の状態の分析する別の手段として断線後の
断線部位の電子顕微鏡や光学顕微鏡による形状評価を行
うと云う分析方法もあるが、配線金属の結晶性と断線と
いう物理現象を結びつける評価法がなく、例えば配線金
属の形成条件と断線に至るまでの時間との統計的相関に
より決定する以外最適な配線金属形成条件を決定する手
段がない。しかし薄膜の結晶性を評価する別の装置を利
用して結晶性評価と、実際の信頼性評価結果を突き合わ
せることにより、最適薄膜形成条件を決定することがで
きる。この場合、半導体集積回路において必要とされる
薄膜の結晶性の評価を行うためには、以下の点が必要と
される。多結晶薄膜では、結晶粒界の大きさがミクロン
程度である場合が多く、ミクロン程度の微小領域の結晶
構造解析が必要である。半導体集積回路に用いられる薄
膜の加工寸法は、1ミクロン以下であり、薄膜の結晶構
造もやはりミクロン程度の分解能で決定しなければなら
ない。例えば、現在研究の進められている配線用のAl又
はAl合金薄膜は、結晶の特定の格子面が薄膜表面に平行
に配向しているが、薄膜表面内で結晶粒は色々な方向に
回転している。そのため、結晶粒が面内でどの様に回転
しており、更に結晶粒の方位分布をなしているかを評価
しなければならない。しかし、これらの静的な評価手段
だけでは、配線の断線と云うような経時的変化の終着点
である現象の解明には不充分である。例えば堆積された
薄膜は、通常熱処理工程を付加することで、薄膜の緻密
化、下地との密着性の向上を計る。その際、結晶構造は
変化する。また、配線金属に大電流を流した際に配線の
一部が断線するエレクトロマイグレーションでは、断線
に至るミクロン程度の微小部位において結晶構造が変化
する。従って熱処理工程や、電流を流した際の微小領域
の結晶構造変化を評価する必要がある。
For this reason, as a method of determining the optimum thin film forming conditions of the metal thin film used in the conventional wiring, there is a method of actually flowing a current and measuring the time until the disconnection, but actually forming the wiring and evaluating it. That would take a lot of time. As another means for analyzing the state of disconnection when a current flows through a wiring metal on a semiconductor integrated circuit, there is an analysis method in which the shape of a disconnected portion after disconnection is evaluated by an electron microscope or an optical microscope. There is no evaluation method for linking the physical phenomena of crystallinity and disconnection, and there is no means for determining the optimum wiring metal formation conditions other than, for example, a statistical correlation between the wiring metal formation conditions and the time until the disconnection. However, the optimum thin film formation condition can be determined by comparing the crystallinity evaluation with the actual reliability evaluation result using another apparatus for evaluating the crystallinity of the thin film. In this case, the following points are required to evaluate the crystallinity of a thin film required in a semiconductor integrated circuit. In a polycrystalline thin film, the size of a crystal grain boundary is often on the order of microns, and it is necessary to analyze the crystal structure of a minute region on the order of microns. The processing size of a thin film used for a semiconductor integrated circuit is 1 micron or less, and the crystal structure of the thin film must also be determined with a resolution of about a micron. For example, in the Al or Al alloy thin films for wiring currently under study, the specific lattice plane of the crystal is oriented parallel to the thin film surface, but the crystal grains rotate in various directions within the thin film surface. ing. For this reason, it is necessary to evaluate how the crystal grains rotate in the plane, and how the crystal grains have an orientation distribution. However, these static evaluation means alone are not sufficient for elucidating a phenomenon that is an end point of a temporal change such as a disconnection of a wiring. For example, the deposited thin film is usually subjected to a heat treatment step to increase the density of the thin film and improve the adhesion to the base. At that time, the crystal structure changes. Further, in electromigration in which a part of a wiring is broken when a large current is applied to a wiring metal, a crystal structure changes in a minute part of about a micron leading to the breaking. Therefore, it is necessary to evaluate the heat treatment step and the change in the crystal structure of the minute region when a current is applied.

更に上記各種の評価を行う際、例えば、ウエハを数mm
角サイズに切断したり、薄く研摩する等の特殊な加工を
施すことなく観測できることが望ましい。
Further, when performing the above various evaluations, for example, the wafer is several mm
It is desirable that observation can be performed without applying special processing such as cutting into a square size or polishing thinly.

従来の結晶構造解析手段には、主にX線や電子線の回
折を用いる方法がある。波長1.5Å程度のX線を用いる
従来のX線回折法では、試料表面に平行な面の結晶方位
を決定することができる。しかし、X線ビームは細く絞
ることがきわめて困難で、従来のX線回折装置における
入射X線のビーム径は、約10〜20mm程度あり、試料表面
の平均的な情報しか得られない。
As a conventional crystal structure analysis means, there is a method mainly using diffraction of X-rays and electron beams. In a conventional X-ray diffraction method using X-rays having a wavelength of about 1.5 °, the crystal orientation of a plane parallel to the sample surface can be determined. However, it is extremely difficult to narrow down the X-ray beam, and the beam diameter of the incident X-ray in the conventional X-ray diffractometer is about 10 to 20 mm, so that only average information on the sample surface can be obtained.

多結晶粒界の観察法として透過電子顕微鏡法があり、
透過電子像の観察により、結晶粒界の存在を確認でき
る。しかし透過電子顕微鏡法では、結晶粒界で囲まれた
各単一結晶部分の結晶方位を測定できないし、100keVに
加速された電子線を用いたとしても試料厚さを1000乃至
2000Å程度まで薄く加工しなければならない。また試料
大きさも数mm角以下にしなければならない。この様な特
殊加工を必要とするため、本質的に簡便な測定装置にな
り得ない。
Transmission electron microscopy is a method for observing polycrystalline boundaries.
By observing the transmission electron image, the existence of the crystal grain boundaries can be confirmed. However, transmission electron microscopy cannot measure the crystal orientation of each single crystal portion surrounded by the grain boundaries, and the sample thickness is 1000 to 1000 even when an electron beam accelerated to 100 keV is used.
It has to be thinned to about 2000mm. Also, the sample size must be less than a few mm square. Since such special processing is required, it cannot be essentially a simple measuring device.

表面の結晶性評価法として10〜30KeVに加速された電
子線の回折パターンで評価する高速反射電子線回折法
(RHEED法)がある。RHEED法では、試料に特殊な加工を
施すことなく、ウエハのままで表面の面方位や結晶性を
評価することができるが、従来のRHEED装置では電子線
の照射領域が100ミクロン乃至数mmもあり、結果として
表面の平均的な結晶性しか評価できない。RHEED法を発
展させた方法として、電子線のビーム径を0.1ミクロン
程度に絞り、ミクロンオーダの微小域の結晶性評価を行
うマイクロプローブRHEED法がある。電子線で試料面を
走査し、電子線回折斑点のうち特定回折斑点の強度変化
により、結晶粒界の分布を測定することができる。しか
し、従来のマイクロプローブRHEED法では、試料表面に
平行な面の結晶方位が同一のものに関する情報が得られ
るが、試料表面に垂直な面の結晶方位が試料表面内でど
の様に回転しているかの分布を知ることはできない。
As a method for evaluating the crystallinity of the surface, there is a high-speed reflection electron beam diffraction method (RHEED method) in which the evaluation is performed using a diffraction pattern of an electron beam accelerated to 10 to 30 KeV. With the RHEED method, the surface orientation and crystallinity of the surface can be evaluated without performing special processing on the sample, but with a conventional RHEED device, the electron beam irradiation area can be 100 microns to several mm. Yes, only the average crystallinity of the surface can be evaluated as a result. As a method developed from the RHEED method, there is a microprobe RHEED method in which the beam diameter of an electron beam is reduced to about 0.1 μm and the crystallinity is evaluated in a micro area on the order of microns. The sample surface is scanned with an electron beam, and the distribution of crystal grain boundaries can be measured by the intensity change of a specific diffraction spot among the electron beam diffraction spots. However, in the conventional microprobe RHEED method, information about the crystal orientation of the plane parallel to the sample surface can be obtained, but how the crystal orientation of the plane perpendicular to the sample surface rotates within the sample surface We cannot know the distribution.

以上、従来の結晶構造解析法では、ミクロン程度の微
小域の分析が不可能であったり、また結晶粒の面内回転
分布を観測することができなかった。また何れの方法に
おいても、通電中或は加熱中等における表面構造の変化
を経時的に追跡できる装置がなかった。
As described above, according to the conventional crystal structure analysis method, it is impossible to analyze a micro area of about a micron, or to observe the in-plane rotation distribution of crystal grains. Further, in any of the methods, there is no apparatus capable of tracking a change in the surface structure with time during energization or heating.

(発明が解決しようとする課題) 本発明は従来の問題を解決し、試料表面に入射した電
子線の回折を用いる反射電子線回折装置において例えば
薄膜に電流を流したり、加熱し、或はまた、薄膜表面を
意識的に変成させた時の薄膜の任意微小領域の結晶性変
化を即時経時的に観測できる装置を提供するものであ
る。
(Problems to be Solved by the Invention) The present invention solves the conventional problems, and in a reflection electron beam diffractometer using diffraction of an electron beam incident on a sample surface, for example, a current is applied to a thin film, heating is performed, or Another object of the present invention is to provide an apparatus capable of immediately observing a change in crystallinity in an arbitrary minute region of a thin film when the surface of the thin film is intentionally denatured.

(課題を解決するため手段) 上記課題解決のため本発明においては反射電子線回折
法において、平行に近く、かつ試料面上で微小径に収束
する電子線ビームを用い、同電子線によって試料表面の
指定領域を走査せしめ、試料表面に平行に近い入射角で
入射した上記電子線の回折パターンに対して演算処理を
施す手段と、試料に通電する手段,試料加熱手段,試料
表面にガスを供給する手段等の試料処理手段を設けた。
こゝで回折パターンとは個々の回折斑点のみでなく、個
々の回折斑点の二次元的配置およびバックグラウンドの
全体を含むものである。
(Means for Solving the Problems) In order to solve the above problems, in the present invention, in the reflection electron beam diffraction method, an electron beam that is nearly parallel and converges to a small diameter on the sample surface is used. Means for scanning the diffraction pattern of the electron beam incident on the sample surface at an incident angle close to parallel with the sample surface, means for applying electricity to the sample, means for heating the sample, and gas supply to the sample surface A sample processing means such as a means for performing the measurement is provided.
Here, the diffraction pattern includes not only individual diffraction spots but also the two-dimensional arrangement of individual diffraction spots and the entire background.

(作用) 試料面におけるミクロン程度の微小領域の構造解析に
対してX線を用いる方法は適当な収束手段が得難いこと
から、利用できないことは明らかである。微小領域の観
察に電子線が適していることは周知であり、電子線回折
法を用いれば結晶面の方位決定は容易である。本発明は
試料面を微小径に絞った電子線で照射して回折パターン
を観測するものである。このとき、回折パターン上の複
数の点における電子線強度間の関係は、試料に入射して
いる電子線が試料面における単一結晶領域を走査してい
る間は変わらないが、照射電子線が隣の結晶に移ったと
きはその結晶における結晶面の方向の違い等により、上
記複数の点における電子線強度間の関係は変化する。こ
の関係の変化が複数点の検出出力に対する電子線の一走
査の間の演算処理によって抽出され、試料面の微小領域
の構造およびその経時的変化が明確に認識できるので、
試料に対して通電,加熱その他の処理を行う機能と相ま
って、試料の微小領域の色々な条件下における構造の経
時的変化を追跡的に観測することができることになる。
(Effect) It is clear that a method using X-rays for structural analysis of a microscopic region on the order of microns on the sample surface cannot be used because it is difficult to obtain appropriate convergence means. It is well known that an electron beam is suitable for observing a minute region, and the orientation of a crystal plane can be easily determined by using an electron beam diffraction method. The present invention is to observe a diffraction pattern by irradiating a sample surface with an electron beam narrowed to a small diameter. At this time, the relationship between the electron beam intensities at a plurality of points on the diffraction pattern does not change while the electron beam incident on the sample scans a single crystal region on the sample surface, but the irradiation electron beam does not change. When the crystal moves to the next crystal, the relationship between the electron beam intensities at the plurality of points changes due to a difference in the direction of the crystal plane in the crystal. Changes in this relationship are extracted by an arithmetic operation during one scan of the electron beam with respect to the detection outputs at a plurality of points, and the structure of the minute area on the sample surface and its change with time can be clearly recognized.
Coupled with the function of conducting, heating, and other processing on the sample, it is possible to follow-up the change over time of the structure under various conditions in the minute region of the sample.

(実施例) 本発明による走査型反射高速電子線回折装置と微小域
構造解析の実施例を示す。
(Example) An example of a scanning reflection high-speed electron beam diffractometer and a micro area structure analysis according to the present invention is described.

第1図は、本発明による走査型反射高速電子線回折装
置を示す。以下主要な装置部分について以下に説明す
る。
FIG. 1 shows a scanning reflection high-speed electron beam diffraction apparatus according to the present invention. The main device parts will be described below.

1は、反射電子線回折用電子銃(RHEED銃)である。
ミクロンオーダの微小域観察のため電子線4の径は、0.
1μm以下が望ましく、また電子線の開き角も1×10-3
ラジアン以下であることが望ましい。加速電圧は、10〜
50kVで望ましくは略30kVである。6は、反射電子線回折
パターン観測用蛍光板である。RHEED銃1ら出射した電
子線4による回折電子線5により、一般に回折パターン
が上に形成される。回折斑点からの信号は、光ファイバ
ー7,8,9を介して光電子増倍器10,11,12に導かれて増幅
され、演算回路13において演算される。演算回路におい
ては、各回折斑点の強度に任意定数による乗算処理と乗
算処理の施された各回折斑点強度間の加減処理等をおこ
なう。演算処理の施された信号14はCRT15に輝度信号と
して入力される。RHEED銃からの電子線の走査信号16に
同期した走査信号によりCRT上には試料表面からの回折
強度像(以下走査RHEED像と呼ぶ)が表示される。
1 is an electron gun for reflection electron beam diffraction (RHEED gun).
The diameter of the electron beam 4 is set at 0.
1 μm or less is desirable, and the opening angle of the electron beam is also 1 × 10 −3.
Desirably less than radians. Acceleration voltage is 10 ~
50 kV, preferably about 30 kV. Reference numeral 6 denotes a fluorescent plate for observing a reflected electron beam diffraction pattern. In general, a diffraction pattern is formed on the upper side by the diffraction electron beam 5 by the electron beam 4 emitted from the RHEED gun 1. The signals from the diffraction spots are guided to photomultipliers 10, 11, and 12 via optical fibers 7, 8, and 9, and are amplified. The arithmetic circuit performs a multiplication process on the intensity of each diffraction spot by an arbitrary constant and an addition / subtraction process between the intensity of each diffraction spot subjected to the multiplication process. The signal 14 subjected to the arithmetic processing is input to the CRT 15 as a luminance signal. By a scanning signal synchronized with the scanning signal 16 of the electron beam from the RHEED gun, a diffraction intensity image from the sample surface (hereinafter, referred to as a scanning RHEED image) is displayed on the CRT.

本実施例では、光ファイバーは、真空外に設置され、
機械的に任意の回折斑点を選択することが出来る。光フ
ァイバーの数は、本実施例では、3本であるが、4本以
上であっても良い。複数本の光ファイバーを設け、同時
に信号を検出することにより以下に述べる結晶粒界の方
位決定のほかに、光ファイバーの一つを回折斑点の無い
部分にセットすることによりバックグラウンドの除去を
おこなうことができる。3は試料である。本実施例で
は、直径2インチまでの試料を観察できる。45は試料ホ
ルダで、窒化ボロン上にTa製ヒータを配置した試料加熱
手段が設けられている。30は試料移動機構で、Z軸に対
して試料を傾けることができ、傾けた面内で試料をx,y
両方向に動かすと共に、Z軸方向の移動および回転が可
能である。試料移動機構30により、電子線の入射位置29
を2インチウエハの全面の任意の点に移動することがで
きる。更に二次電子の他に反射電子,試料吸収電流を検
出する手段を設けてもよい。25は、真空排気設備であ
る。後述のように、装置内に何等かのガスが導入される
場合には、ターボ分子ポンプ25′を用いて排気する。も
っとも25′はガスを導入しても超高真空を維持し得るも
のであればターボ分子ポンプでなくてもよい。本実施例
では、主排気系25としてイオンポンプとチタンサブリメ
ーションポンプから構成されるが、略1×10-8Pa以下に
排気できかつ、真空チャンバー28全体の振動を略0.1μ
m以下に抑えることができるならば上記構成に限定しな
い。27は試料交換予備室で、真空チャンバー28を大気に
開放することなく試料を交換するものである。
In this embodiment, the optical fiber is installed outside the vacuum,
Any diffraction spot can be mechanically selected. The number of optical fibers is three in this embodiment, but may be four or more. In addition to determining the orientation of the crystal grain boundaries described below by providing multiple optical fibers and detecting signals at the same time, it is possible to remove the background by setting one of the optical fibers to a part without diffraction spots it can. 3 is a sample. In this embodiment, a sample up to 2 inches in diameter can be observed. Reference numeral 45 denotes a sample holder, which is provided with sample heating means in which a Ta heater is disposed on boron nitride. Reference numeral 30 denotes a sample moving mechanism which can tilt the sample with respect to the Z axis, and moves the sample in x and y directions within the tilted plane.
In addition to moving in both directions, movement and rotation in the Z-axis direction are possible. The electron beam incident position 29 is
Can be moved to any point on the entire surface of the 2-inch wafer. Further, means for detecting reflected electrons and sample absorption current in addition to secondary electrons may be provided. 25 is a vacuum exhaust system. As described later, when any gas is introduced into the apparatus, the gas is exhausted using the turbo molecular pump 25 '. However, 25 'need not be a turbo molecular pump as long as it can maintain an ultra-high vacuum even when gas is introduced. In the present embodiment, the main exhaust system 25 is composed of an ion pump and a titanium sublimation pump. However, the main exhaust system 25 can be evacuated to about 1 × 10 −8 Pa or less, and the entire vibration of the vacuum chamber 28 is reduced to about 0.1 μm.
The configuration is not limited as long as it can be suppressed to m or less. Reference numeral 27 denotes a sample exchange spare chamber for exchanging samples without opening the vacuum chamber 28 to the atmosphere.

41は、試料表面の必要個所に電流を流すための金属針
である。金属針は、Wを用いているが、材質はW以外で
あっても良い。42は、金属針を試料上の任意の位置に配
置するためのマニピュレータである。
Reference numeral 41 denotes a metal needle for flowing an electric current to a required portion of the sample surface. The metal needle uses W, but the material may be other than W. Reference numeral 42 denotes a manipulator for arranging the metal needle at an arbitrary position on the sample.

試料への電流供給は、真空外に配置された電源46から
44の電流端子を経て電線43を通しておこなわれる。電源
は、直流電流,交流電流,パルス電流等を流すことがで
きる。50は、試料表面に、不活性な膜を形成するための
イオン銃である。ガスとしては、N2,H2,O2の他NO2,N
H3を用いる。52は試料表面に不活性な膜を形成させるた
めに、N2,O2等のガスを導入するガス導入口である。
The current is supplied to the sample from a power supply 46 located outside the vacuum.
This is performed through the electric wire 43 via the current terminal 44. The power supply can flow a DC current, an AC current, a pulse current, or the like. 50 is an ion gun for forming an inert film on the surface of the sample. The gases include N 2 , H 2 , O 2 , NO 2 , N 2
The H 3 used. Reference numeral 52 denotes a gas inlet for introducing a gas such as N 2 or O 2 to form an inert film on the sample surface.

本実施例による観測例を以下に示す。まず基本的な観
測手法を述べる。試料3を装填した後、RHEED銃1から
の電子線4による反射電子線5による回折パターンを測
定し、回折パターン上の特定の回折斑点からの強度によ
り走査PHED像を観測する。第2図に回折パターンと回折
斑点の例を示す。番号は、第1図と同一のものを同一番
号で示す。RHEED銃1からの入射電子線4は、試料3表
面に入射角θで入射する。入射角θは1°乃至3°であ
る。入射電子線4は、試料表面の結晶性に依存した回折
電子線5を生ずる。回折電子線は、第2図の回折パター
ン32に示される黒い点の位置(A,B,C,M点等)及び0次,
1次ラウエリング上に強い強度を有する。第1図の蛍光
板6には、第2図の回折パターン32が可視的に表示され
る。回折パターン32のうちM点は、鏡面反射点と呼ば
れ、試料表面で鏡面反射した電子線により生ずる。その
他の回折斑点(A,B,C点等)は、試料表面の結晶面の向
きに依存して生ずる。電子線の入射するサジタル面31と
検出面6との直交する線上に生ずる回折斑点(例えば、
AもしくはB)は、試料表面に平行な結晶格子面から回
折点である。試料表面に平行な結晶格子面が異なれば、
回折斑点AとMの距離が変化する。従って、サジタル面
31と検出面6の直交する線上に生ずる回折斑点の位置か
ら試料表面に平行な結晶面が何であるかを決定すること
ができる。サジタル面31と検出面6と直交する線に平行
な線上に生ずる回折斑点(例えばC)は、サジタル面に
平行な格子面からの回折斑点である。従って、試料表面
に平行な面の格子面が同一であっても、サジタル面31に
平行な格子面が回転していると、回折斑点Cの強度は変
化する。すなわち回折斑点AもしくはBの走査RHEED像
では、強度の強い部分でも試料面内で格子面が回転して
いると、回折斑点Cによる走査RHEED像では、強度が変
化する。第3図を用いて具体的に説明する。第3図で
は、試料3が二つの結晶粒(34と35)からなっている。
表面に平行な格子面が(001)面と仮定して説明する。
結晶粒34,35共に、試料表面に平行な面は(001)面であ
る。(001)面に直交する(110)面は結晶粒34では、サ
ジタル面に平行であるが、結晶粒35では、φだけ回転し
ている。入射電子線4が、結晶粒34の領域に入射する場
合に、第2図の回折パターン32が生ずる。一方、入射電
子線が、結晶粒35の領域に入射する場合結晶粒35の試料
表面に平行な格子面は(001)面であるので第2図の回
折パターン32のAおよびBの位置および強度は変化しな
いが試料表面に垂直な格子面(110)面は、φだけ回転
しているので、回折パターン32におけるC点の回転斑点
は、結晶粒34と異る位置に生ずる。すなわち、結晶粒34
と結晶粒35では、回折パターン32上の回折斑点AやBの
強度は変化せず、回折斑点Cの強度が変化する。
An observation example according to the present embodiment is shown below. First, the basic observation method is described. After loading the sample 3, the diffraction pattern by the reflected electron beam 5 by the electron beam 4 from the RHEED gun 1 is measured, and a scanning PHED image is observed based on the intensity from a specific diffraction spot on the diffraction pattern. FIG. 2 shows an example of a diffraction pattern and diffraction spots. The numbers are the same as those in FIG. The incident electron beam 4 from the RHEED gun 1 is incident on the surface of the sample 3 at an incident angle θ. The incident angle θ is 1 ° to 3 °. The incident electron beam 4 produces a diffracted electron beam 5 depending on the crystallinity of the sample surface. The diffracted electron beam is located at the positions of black points (points A, B, C, M, etc.) shown in the diffraction pattern 32 in FIG.
Has a strong strength on the primary rawling. The diffraction pattern 32 shown in FIG. 2 is visually displayed on the fluorescent screen 6 shown in FIG. The point M in the diffraction pattern 32 is called a specular reflection point, and is generated by an electron beam specularly reflected on the sample surface. Other diffraction spots (A, B, C, etc.) occur depending on the orientation of the crystal plane on the sample surface. Diffraction spots generated on a line perpendicular to the sagittal surface 31 on which the electron beam is incident and the detection surface 6 (for example,
A or B) is a diffraction point from a crystal lattice plane parallel to the sample surface. If the crystal lattice planes parallel to the sample surface are different,
The distance between the diffraction spots A and M changes. Therefore, the sagittal surface
From the position of the diffraction spot generated on a line perpendicular to the detection surface 6 and 31, it is possible to determine what crystal plane is parallel to the sample surface. A diffraction spot (for example, C) generated on a line parallel to a line orthogonal to the sagittal plane 31 and the detection plane 6 is a diffraction spot from a grating plane parallel to the sagittal plane. Therefore, even if the lattice plane parallel to the sample surface is the same, if the lattice plane parallel to the sagittal plane 31 is rotated, the intensity of the diffraction spot C changes. That is, in the scanning RHEED image of the diffraction spot A or B, even if the grating surface is rotated within the sample surface even in a portion where the intensity is strong, the intensity changes in the scanning RHEED image by the diffraction spot C. This will be specifically described with reference to FIG. In FIG. 3, sample 3 is composed of two crystal grains (34 and 35).
Description will be made assuming that the lattice plane parallel to the surface is the (001) plane.
The plane parallel to the sample surface in both the crystal grains 34 and 35 is the (001) plane. The (110) plane orthogonal to the (001) plane is parallel to the sagittal plane in the crystal grain 34, but is rotated by φ in the crystal grain 35. When the incident electron beam 4 enters the region of the crystal grain 34, the diffraction pattern 32 shown in FIG. 2 is generated. On the other hand, when the incident electron beam enters the region of the crystal grains 35, the lattice plane parallel to the sample surface of the crystal grains 35 is the (001) plane, so that the positions and the intensities of A and B of the diffraction pattern 32 in FIG. Is not changed, but the lattice plane (110) plane perpendicular to the sample surface is rotated by φ, so that the rotation spot of the point C in the diffraction pattern 32 is generated at a position different from the crystal grain. That is, the crystal grains 34
In crystal grains 35, the intensity of diffraction spots A and B on diffraction pattern 32 does not change, and the intensity of diffraction spot C changes.

試料3全体をφだけ回転させると、結晶粒35の(11
0)面がサジタル面と平行となるので、結晶粒35からの
回折斑点強度は、A,B,C共に強くなり、一方結晶34から
の回折斑点強度は、AとBは変らず、Cの強度は弱くな
る。従ってφを決定することで、結晶粒34及び35におい
て、結晶格子が試料面内で何度回転しているか決定でき
る。
When the entire sample 3 is rotated by φ, the crystal grains 35 (11
0) Since the plane is parallel to the sagittal plane, the intensity of the diffraction spot from the crystal grain 35 becomes stronger for both A, B, and C, while the intensity of the diffraction spot from the crystal 34 is the same for A and B, and for C Strength decreases. Therefore, by determining φ, it is possible to determine how many times the crystal lattice rotates in the sample plane in the crystal grains 34 and 35.

以上説明した様に、回折パターン上の複数の回折斑点
を用いた走査RHEED像を同時に測定することで試料表面
に平行な面の結晶方位と試料表面に垂直な結晶方位の決
定ができる。
As described above, the crystal orientation of the plane parallel to the sample surface and the crystal orientation perpendicular to the sample surface can be determined by simultaneously measuring the scanning RHEED images using a plurality of diffraction spots on the diffraction pattern.

本発明による走査型反射高速電子線回折装置を用いた
具体的な試料観測例を説明する。
A specific sample observation example using the scanning type reflection high-speed electron beam diffractometer according to the present invention will be described.

観測例は、多結晶シリコンの熱処理による結晶粒の成
長過程及び酸素ガス処理による表面改質過程の観察と、
Al配線の断線に至る過程の観察である。
Observation examples are observation of the growth process of crystal grains by heat treatment of polycrystalline silicon and the surface modification process by oxygen gas treatment,
This is an observation of the process leading to disconnection of the Al wiring.

(多結晶シリコンの観測例) 試料は、酸化シリコンの形成されたシリコンウエハ上
に化学気相成長法により堆積した多結晶シリコンであ
る。まず上述した所により、初期の試料表面構造の観測
を行う。
(Observation Example of Polycrystalline Silicon) The sample is polycrystalline silicon deposited by a chemical vapor deposition method on a silicon wafer on which silicon oxide is formed. First, an initial observation of the surface structure of the sample is performed in the above-described place.

次に、試料3を加熱し走査RHEED像が変化する様子を
観測する。走査RHEED像の観測は本実施例においては、
数秒で完了するため通常分ないし時間オーダで変化する
結晶性の変化を十分観測することができる。
Next, the sample 3 is heated to observe how the scanning RHEED image changes. In this embodiment, the observation of the scanning RHEED image is as follows.
Since it is completed in a few seconds, it is possible to sufficiently observe a change in crystallinity which usually changes in the order of minutes or time.

走査RHEED像の測定速度は、走査RHEED像をCRT15に表
示させるのではなく、高速のメモリに記憶させる手段を
用いれば、更に早くすることができる。第4図を用いて
観測例を説明する。
The scanning RHEED image measurement speed can be further increased by using a means for storing the scanning RHEED image in a high-speed memory instead of displaying the scanning RHEED image on the CRT 15. An example of observation will be described with reference to FIG.

第4図は、第2図に示される異なる回折斑点を用いた
走査RHEED像を加速乗除演算をおこなうことで、異なる
結晶粒を濃淡表示で観測したものを模式的に示したもの
である。第4図a,b共に5種類の結晶方位の異なる結晶
粒が観測された。各結晶粒の結晶方位は、各々の結晶粒
部分にRHEED銃1からの電子線を固定して、回折パター
ンを観察し、各々(100),(110),(311)及びアモ
ルファスであることを確認した。第4図aは熱処理前の
結晶粒分布であり、1μm以下の小さな結晶粒とアモル
ファス部分を観測することができる。次に試料を加熱
し、走査RHEED像を時々刻々と測定することにより、小
さな結晶粒が拡大してゆく様子を観測することができ
た。本測定例では、第4図に示される様に950℃2時間
の熱処理を行うことで結晶粒は、数μmまで大きくなっ
た。また、アモルファス部分が消失し全て結晶化してい
ることがわかった。
FIG. 4 is a diagram schematically showing a scanning RHEED image using different diffraction spots shown in FIG. 2 in which different crystal grains are observed in a gray scale by performing an acceleration multiplication / division operation. In each of FIGS. 4a and 4b, five types of crystal grains having different crystal orientations were observed. The crystal orientation of each crystal grain is determined by fixing the electron beam from the RHEED gun 1 to each crystal grain part and observing the diffraction pattern, and confirming that the crystal grains are (100), (110), (311) and amorphous, respectively. confirmed. FIG. 4a shows the crystal grain distribution before the heat treatment, in which small crystal grains of 1 μm or less and amorphous portions can be observed. Next, by heating the sample and measuring the scanning RHEED image every moment, it was possible to observe how small crystal grains were expanding. In this measurement example, as shown in FIG. 4, the heat treatment at 950 ° C. for 2 hours increased the crystal grains to several μm. It was also found that the amorphous portion had disappeared and all had been crystallized.

以上の測定例では多結晶シリコン薄膜の結晶粒変化を
測定した。
In the above measurement examples, the crystal grain change of the polycrystalline silicon thin film was measured.

本発明の特徴とする異なる複数の回折斑点を用いた走
査RHEED像観察機能と加熱機能41により結晶粒変化は、
多結晶シリコンに限らず、金属や磁性体試料においても
測定可能であった。(Al配線に電流を流した際の結晶粒
変化と断線の観察) 試料は、酸化シリコンの形成されたシリコンウエハ上
のAl−Si配線である。
Grain change by scanning RHEED image observation function and heating function 41 using different diffraction spots characterized by the present invention,
It was possible to measure not only polycrystalline silicon but also metal and magnetic material samples. (Observation of crystal grain change and disconnection when current is passed through Al wiring) The sample is an Al-Si wiring on a silicon wafer on which silicon oxide is formed.

第5図はAl配線の施された試料の例である。熱酸化膜
の形成されたSiウエハ上に例えばスパッタ法などでAl薄
膜を形成し、フォトリソグラフィー技術を用いて、線幅
ほゞ1μmのAl配線を形成する。電流を流すために、先
端の鋭利な金属針(第1図41)を接触させるパッド部分
を形成している。試料表面には第5図の様なパターンが
多数形成されるのでAl配線を形成する際に位置決めが容
易な様にマーカーを設けて、試料を区別することができ
る。本実施例による観測例を以下に示す。
FIG. 5 is an example of a sample provided with Al wiring. An Al thin film is formed on a Si wafer on which a thermal oxide film is formed by, for example, a sputtering method, and an Al wiring having a line width of about 1 μm is formed by using a photolithography technique. A pad portion for contacting a sharp metal needle (FIG. 41) with a sharp tip is formed to allow current to flow. Since a large number of patterns as shown in FIG. 5 are formed on the surface of the sample, markers can be provided so that positioning can be easily performed when forming the Al wiring, and the sample can be distinguished. An observation example according to the present embodiment is shown below.

試料3を装填した後、RHEED銃1からの電子線4によ
る反射電子線5による回折パターンを測定し、回折パタ
ーン上の特定の回折斑点からの強度により走査RHEED像
を観測する。
After loading the sample 3, the diffraction pattern of the reflected electron beam 5 by the electron beam 4 from the RHEED gun 1 is measured, and a scanning RHEED image is observed based on the intensity from a specific diffraction spot on the diffraction pattern.

次に電流導入用プローブ41を観測したいAl配線のパッ
ド部に接触させ電流を流し結晶粒の変化を観測した。
Next, the current introduction probe 41 was brought into contact with the pad portion of the Al wiring to be observed, and a current was applied to observe a change in crystal grains.

第6図を用いてAl配線の電流を流した際の結晶粒変化
の測定例を説明する。
With reference to FIG. 6, a description will be given of a measurement example of a crystal grain change when a current of an Al wiring flows.

第6図は、Al配線部分のみを取出した観測例である。
配線の長さ方向に垂直に結晶粒界面が存在している。各
々の結晶粒は、およそ4種類に分類された。回折斑点パ
ターンからどの結晶粒も(111)面を表面としている
が、試料表面で回転した結晶粒であることがわかった。
試料を略々150℃に加熱し、略々5×106A/cm2の電流密
度の電流を流したところ、第6図bの結晶粒1が拡大す
ることが観測できた。また、略々10時間後に結晶粒2と
結晶粒3の界面で断線が生じた。
FIG. 6 is an observation example in which only the Al wiring portion is taken out.
A crystal grain interface exists perpendicular to the length direction of the wiring. Each crystal grain was classified into about four types. From the diffraction spot pattern, it was found that all the crystal grains had the (111) plane as the surface, but were crystal grains rotated on the sample surface.
When the sample was heated to approximately 150 ° C. and a current having a current density of approximately 5 × 10 6 A / cm 2 was passed, it was observed that the crystal grains 1 in FIG. 6b expanded. Also, approximately 10 hours later, a break occurred at the interface between the crystal grains 2 and 3.

従来の測定法では、断線個所を断線後に電子顕微鏡で
形状を観測する以外には断線の状態を観測することがで
きない。走査形反射高速電子線回折装置(マイクロRHEE
D)を用い回折パターンについて上述したような解析を
行えば、断線後に第6図bの様な結晶粒の分布を測定で
きるが、単にそれだけでは電流を流した際の断線過程を
測定することができない。電流を流している途中での結
晶粒の拡大や、断線個所での結晶粒変化をその場観測で
きる所に本発明装置の特徴がある。
In the conventional measuring method, the state of the disconnection cannot be observed except for observing the shape with an electron microscope after the disconnection is made. Scanning reflection high-speed electron beam diffractometer (Micro RHEE
By performing the above-described analysis on the diffraction pattern using D), the distribution of crystal grains as shown in FIG. 6b can be measured after the disconnection, but it is possible to simply measure the disconnection process when a current is applied. Can not. The device of the present invention is characterized in that the crystal grains can be enlarged while the current is flowing, and the crystal grains can be observed in-situ at the disconnection point.

(他の測定例) 本発明による走査形反射高速電子線回折装置には、実
施例で詳述した様に表面に不活性膜を形成するためのイ
オン銃50及びガス導入機能52が設けられている。
(Other Measurement Examples) The scanning reflection high-speed electron diffraction apparatus according to the present invention is provided with an ion gun 50 and a gas introduction function 52 for forming an inert film on the surface as described in detail in the embodiments. I have.

例えば、金属は空気中に放置すると空気中の水分に反
応して酸化膜が形成される。
For example, when a metal is left in the air, it reacts with moisture in the air to form an oxide film.

空気中で形成される酸化膜は、組成が均一でなくま
た、保護膜として安定ではない場合が多い。
Oxide films formed in air are often not uniform in composition and not stable as a protective film.

本装置において不活性膜形成機能を用いると、安定な
不活性膜の形成条件を見い出すことができる。
When the inert film forming function is used in the present apparatus, the conditions for forming a stable inert film can be found.

第7図に観察例を示し説明する。 FIG. 7 shows an example of observation and will be described.

試料を成膜後、大気に触れさせることなく、本装置に
装填する。試料は、Siウエハ上のAlである。試料装填
後、前述の実施例と同様の手順で金属表面の結晶粒の配
向性を測定する。その結果は第7図aに示すようになっ
ていた。本試料は、4種類の結晶粒から構成されてい
た。結晶粒は、試料表面に平行な結晶面が(111)(10
0)(110)(311)の4種類である。本測定例ではイオ
ン銃から酸素イオンを照射したところ結晶粒界の界面か
らの回折強度が弱くなってゆく様子が観測され、第7図
b,cの様に結晶界面が不明瞭になっていった。これは、
表面に電子線の侵入長より厚い酸化膜が形成されたため
である。本測定例では、酸化が結晶粒界面から進行する
こと、及び酸化が容易に生ずる結晶面が存在することが
測定できた。イオンを用いなくとも、酸素ガスを導入す
ると同様の酸化が進行することがわかった。
After the sample is formed, the sample is loaded into the apparatus without being exposed to the atmosphere. The sample is Al on a Si wafer. After loading the sample, the orientation of the crystal grains on the metal surface is measured in the same procedure as in the above-described embodiment. The result was as shown in FIG. 7a. This sample was composed of four types of crystal grains. As for the crystal grains, the crystal plane parallel to the sample surface is (111) (10
0), (110), and (311). In this measurement example, when oxygen ions were irradiated from the ion gun, it was observed that the diffraction intensity from the interface of the crystal grain boundaries weakened.
The crystal interface became unclear like b and c. this is,
This is because an oxide film thicker than the penetration depth of the electron beam was formed on the surface. In this measurement example, it was measured that the oxidation proceeded from the crystal grain interface and that there was a crystal plane where the oxidation easily occurred. It was found that the similar oxidation proceeds when oxygen gas is introduced without using ions.

(発明の効果) 本発明による走査形反射電子線回折装置を用いれば、
結晶性を有する試料の加熱或は電流に流した際の結晶粒
界の変化の途中経過を観測することができる。従来の観
察法では、加熱等の処理の前後の情報しか得られなかっ
た。本装置では、例えばどの結晶粒界が加熱処理するこ
とによりサイズが大きくなるのか、粒界界面の移動があ
るかを観測することができる。
(Effect of the Invention) By using the scanning reflection electron beam diffractometer according to the present invention,
It is possible to observe the progress of the change of the crystal grain boundaries when heating the sample having the crystallinity or applying the current. In the conventional observation method, only information before and after processing such as heating can be obtained. In this apparatus, it is possible to observe, for example, which crystal grain boundary increases in size due to the heat treatment and whether there is movement of the grain boundary interface.

また試料表面上の金属等に電流を流せる機能により例
えば半導体集積回路において形成されるAl配線金属がど
の様な個所で、更に、どの様な結晶性を有する個所で断
線しやすいかを測定することができる。また、試料を加
熱した上で、電流を流すと室温では、1000乃至10000時
間要する断線までの時間を略々1乃至10時間に短縮でき
る。
In addition, the ability to allow current to flow through the metal on the surface of a sample, for example, to determine where Al wiring metal formed in a semiconductor integrated circuit is broken and at what crystallinity it is likely to break Can be. In addition, when a current is applied after heating the sample, the time required for disconnection, which requires 1000 to 10,000 hours at room temperature, can be reduced to approximately 1 to 10 hours.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の一実施例装置の縦断側面図、第2図は
単結晶の電子線回折パターンの図、第3図は本発明装置
による結晶の方位の変化検出法の説明図、第4図a,bは
本発明の上記実施例により得られるSi試料の試料面結晶
の加熱による変化を示す表示画像、第5図は他の試料の
斜視図、第6図は同試料の通電による変化の模型図、第
7図は更に他の試料の表面膜形成過程の変化を示す表示
画像である。 1…反射電子線回折電子銃(RHEED銃)、3…試料、4
…RHEED銃からの電子線、5…反射電子線回折線、6…
反射電子線回折斑点観測用蛍光板(検出面)、7…光フ
ァイバー1、8…光ファイバー2、9…光ファイバー
3、10…光電子増倍管1、11…光電子増倍管2、12…光
電子増倍管3、13…演算回路、14…反射電子線回折斑点
強度から得られた電気信号、15…CRT1、16…RHEED銃か
らの電子線を走査するための走査信号、17…SEM銃から
の電子線、18…入射電子線により試料表面から発生した
二次電子、19…二次電子検出器、20…二次電子信号、21
…CRT2、22…RHEED銃からの電子線を走査するための走
査信号、24…試料観察用窓、25…真空排気設備、26…ゲ
ートバルブ、27…試料装填予備室、28…真空チャンバ
ー、29…電子線入射点、30…試料移動機構、41…電流導
入用プローブ、42…プローブ用マニピレータ、45…試料
ホルダ(ヒータつき)、46…電源、50…表面不活性膜形
成用イオン銃、52…ガス導入口。
FIG. 1 is a longitudinal side view of an apparatus according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view of an electron beam diffraction pattern of a single crystal, FIG. 4a and b are display images showing the change of the sample surface crystal of the Si sample obtained by the above embodiment of the present invention due to heating, FIG. 5 is a perspective view of another sample, and FIG. FIG. 7 is a model image of the change, and FIG. 7 is a display image showing a change in the process of forming the surface film of another sample. 1 ... reflection electron beam diffraction electron gun (RHEED gun) 3 ... sample 4
... electron beam from RHEED gun, 5 ... reflected electron beam diffraction line, 6 ...
Fluorescent plate (detection surface) for reflected electron beam diffraction spot observation, 7 ... optical fiber 1, 8 ... optical fiber 2, 9 ... optical fiber 3, 10 ... photomultiplier tube 1, 11 ... photomultiplier tube 2, 12 ... photomultiplier tube 3, 13 arithmetic circuit, 14 electric signal obtained from reflected electron beam diffraction spot intensity, 15 CRT1, 16 scanning signal for scanning electron beam from RHEED gun, 17 electron beam from SEM gun , 18 ... secondary electrons generated from the sample surface by the incident electron beam, 19 ... secondary electron detector, 20 ... secondary electron signal, 21
... CRT2, 22 ... Scanning signal for scanning electron beam from RHEED gun, 24 ... Sample observation window, 25 ... Vacuum exhaust equipment, 26 ... Gate valve, 27 ... Sample loading spare room, 28 ... Vacuum chamber, 29 ... Electron beam incidence point, 30 ... Sample moving mechanism, 41 ... Current introduction probe, 42 ... Probe manipulator, 45 ... Sample holder (with heater), 46 ... Power supply, 50 ... Ion gun for surface inert film formation, 52 ... gas inlet.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大見 忠弘 宮城県仙台市米ケ袋2丁目1―17―301 (72)発明者 坪内 和夫 宮城県仙台市人来田2丁目30―38 (72)発明者 益 一哉 宮城県仙台市三神峯1丁目3―1―106 (56)参考文献 特開 昭53−59486(JP,A) 特開 昭61−151449(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 23/00 - 23/227────────────────────────────────────────────────── ─── Continuing from the front page (72) Inventor Tadahiro Omi 2-1-1-17-301 Yonegabukuro, Sendai City, Miyagi Prefecture (72) Inventor Kazuo Tsubouchi 2-30-38, Hitokita, Sendai City, Miyagi Prefecture (72) Inventor Profit Kazuya 1-3-1-106 Mikamine, Sendai City, Miyagi Prefecture (56) References JP-A-53-59486 (JP, A) JP-A-61-151449 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl) . 6, DB name) G01N 23/00 - 23/227

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】微小立体角で試料面上に微小径に収束せし
められる電子線束で、試料面に平行に近い入射角で試料
面を照射する手段と、上記電子線束を試料面上で走査さ
せる手段と、試料に入射した上記電子線の回折パターン
について、複数の回折斑点間で解析演算を行う手段と、
試料に通電する手段と、試料加熱手段と、試料表面にガ
スを供給し或はイオン照射を行う手段を有する反射電子
線回折装置。
1. A means for irradiating a sample surface at an incident angle near parallel to a sample surface with an electron beam flux converged on a sample surface to a very small diameter at a small solid angle, and scanning the sample beam on the sample surface. Means, and means for performing an analysis operation between a plurality of diffraction spots on the diffraction pattern of the electron beam incident on the sample,
A reflection electron beam diffractometer having means for supplying electricity to a sample, means for heating the sample, and means for supplying gas to the surface of the sample or performing ion irradiation.
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