JP4862444B2

JP4862444B2 - 試料ホルダ、元素分析装置、及び、元素分析方法

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Publication number: JP4862444B2
Application number: JP2006077482A
Authority: JP
Inventors: 康之後藤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-20
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2026-03-20
Also published as: JP2007255933A

Description

本発明は、被測定体を搭載する電子顕微鏡用の試料ホルダ、当該試料ホルダを設置した元素分析装置、電子顕微鏡、及び、元素分析方法に関する。

電子顕微鏡を用いて試料の元素分析を行なう方法としては、Ｘ線を使用するエネルギー分散型Ｘ線分析法（Energy Dispersive X-ray Spectrometry）が知られている。このエネルギー分散型Ｘ線分析法は、試料に電子線を入射し、試料より励起、放出された特性Ｘ線を、試料近傍に設置した半導体検出器で測定する。この特性Ｘ線のエネルギーは元素に固有であり、エネルギー測定からＸ線を放出した元素の同定を行なうことができる。

この技術分野においては、近年の半導体デバイスの微細化にともない、数ｎｍの微小領域における、より高分解能の分析が要求されており、これに応えた分析方法が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１によれば、超伝導体を含んで構成される超伝導検出器を使用し、着目する元素の電子状態まで検出可能となる。
特開平８−２２６９０４号公報

しかしながら、半導体デバイスの開発では、このような元素の電子状態を微細に観察する（微小領域における高分解能化の）要求の他に、試料を構成する元素の３次元的な広がりを分析することも望まれている。

元素の分布状態を３次元的に分析する手法としては、電界印加により試料から離脱した離脱イオンの位置及び飛行時間を測定することによって、このような分析を可能とする３次元アトムプローブ（Three Dimensional Atom Probe：以下、３ＤＡＰと略称する。）が知られている。

この３ＤＡＰは、上記離脱イオンの位置及び飛行時間を位置敏感型検出器（position sensitive detector）で検出することにより、試料表面の全構成元素を、原子レベルの空間分解能で２次元マップ化することが可能である。そして、これを深さ方向に拡張し、元素分布を３次元的に観察することができる。

一般的な３ＤＡＰの例を図５に示す。３ＤＡＰでは、図に示すように、先端を針状に加工した構造体（針状構造体）からなる試料１に高電界を印加し、その表面から元素を電界蒸発させる。そして、この電界蒸発により離脱した元素（離脱イオン５）の位置及び飛行時間を、上述した位置敏感型検出器２およびタイマー７で測定する。なお、元素の種類はこの飛行時間により同定される。

このような３ＤＡＰにおける分析では、分析前や分析途中の試料の状態を観察する必要がある。この観察は、通常、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Transmission Electron Microscopy）等の電子顕微鏡で行なう。そのため、その観察を行なう際に、３ＤＡＰ装置と電子顕微鏡の間での試料の移動が生じ、それとともに、分析装置に対する試料の取り付け作業や取り外し作業も発生する。

この移動の際に、試料が移動中に大気中で汚染される、或いは、移設作業の際に生じた振動により試料が変形する等の問題が生じていた。また、３ＤＡＰでの分析途中に試料先端の形状変化を確認しようとした場合には、試料の取り付け・取り外しを複数回、繰り返し行なわなければならず、高精度の測定に大きな障害となっていた。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、試料の３次元的な元素構成を原子レベルで高精度に分析する際に、分析中の試料の移動を不要とし、試料の取り付け・取り外し等の作業が不要な元素分析装置等を提供することを目的とする。

上記の課題について、本発明者は、電子顕微鏡に、（望ましくは微細な表面状態の観察が可能な透過型電子顕微鏡に、）３次元的な元素構成を高精度に分析可能な３ＤＡＰの主たる機能を付加することにより、解決可能であることを見出し、本発明をなすに至った。

すなわち、本発明は、このような解決策について示したものであり、その一観点によれば、本発明の試料ホルダは、被測定体を搭載する透過型電子顕微鏡様の試料ホルダであって、前記被測定体に照射される電子線および前記被測定体を透過した前記電子線がそれぞれ通過可能な第１および第２の開口を有する筐体と、前記筐体の内部に設けられ、前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する検出手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の他の観点によれば、本発明の元素分析装置は、被測定体の元素を分析する元素分析装置であって、前記被測定体を搭載する試料ホルダを設置する試料室を有する透過型電子顕微鏡と、前記試料室に設置される試料ホルダとを備え、前記試料ホルダは、前記被測定体に照射される電子線が通過する開口を有する筐体と、前記筐体の内部にあって前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する検出手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の他の観点によれば、本発明の元素分析方法は、被測定体を搭載する試料ホルダを設置する透過型電子顕微鏡を使用して、前記被測定体の元素を分析する元素分析方法であって、前記試料ホルダの筐体に設けた第１の開口から前記電子線を前記被測定体に照射し、前記被測定体を透過した前記電子線を結像する前記透過型電子顕微鏡により前記被測定体の表面を観察する工程と、前記筐体の内部にあって前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定可能な検出手段により、前記被測定体から電界離脱した元素の位置及び飛行時間を測定する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、分析中の試料の移動が不要となり、試料の取り付け・取り外し等の作業が不要となる。その結果、移動中に試料（被測定体）が大気中で汚染される、或いは、移設作業の際に生じた振動により試料が変形する等の問題が解消され、試料の３次元的な元素構成を原子レベルで高精度に分析することを可能とする。

以下に、本発明の実施形態に係る詳細を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電子顕微鏡用の試料ホルダを示す概略構成図である。図１（ａ）は試料ホルダ１０を上面から見た図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の分割線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図である。

図１（ｂ）に示されるように、試料ホルダ１０には、３次元的な元素構成を高精度に分析可能な３ＤＡＰの主な機能が付加されている。例えば、試料ホルダ１０の外筒である筐体１６は、所定の強度を有する真鍮等の材料から形成され、その先端には位置決め用玉２９が設けられている。なお、位置決め用玉２９には高硬度なサファイア等からなる玉が使用される。

筐体１６の内部には、試料から切り出された針状構造体である探針１１と探針１１を支える支持部材２１とが搭載されており、支持部材２１は、支点１７を支点として、（探針１１と反対側の端が、）ＸＹ方向ピエゾ１８とＺ方向ピエゾ１９からなる駆動部２０により固定されている。

ここで、座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、図１中に示すように互いに直行する方向である。図中、「○」の中に「・」が記載されたものは紙面の裏から表に向かう矢印であり、「○」の中に「×」が記載されたものは紙面の表から表に向かう矢印を意味するものとする。

ＸＹ方向ピエゾ１８は、支持部材２１および探針１１を上記Ｘ，Ｙ座標軸に沿って移動させる機能を備えた駆動部であり、Ｚ方向ピエゾ１９は、支持部材２１および探針１１を上記Ｚ座標軸に沿って移動させる機能を備えた駆動部である。なお、この駆動部２０は、図示しない制御回路によって、例えば、本試料ホルダ１０が搭載される電子顕微鏡の外部から制御される。

これらの駆動部２０は微小な変位量を制御することが必要となるため、これら（ＸＹ方向ピエゾ１８およびＺ方向ピエゾ１９）の駆動源としては、インクジェットプリンタ等に使用されているピエゾアクチュエータ素子が好適である。更に、変位量を検出する機構として、公知のピエゾ抵抗素子を組み合わせて使用しても良い。

また、筐体（外筒）１６の内部には、探針１１から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する検出手段が設置されている。検出手段に含まれる主な機構としては、探針１１から離脱した元素（離脱イオン）を検出する位置敏感型検出器１５や離脱イオンの飛行時間を測定するタイマー２７がある。

具体的には、図１（ｂ）に示すように、位置敏感型検出器１５が探針１１の先端方向、すなわち位置決め用玉２９が設置されている側に搭載される。この位置敏感型検出器１５は、２次元位置検出器１３とマルチチャネルプレート１４とを組み合わせたものであり、タイマ２７とともに、探針１１から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する。なお、タイマ２７は電源２３と位置敏感型検出器１５と電気的な接続を有している。

探針１１と位置敏感型検出器１５との間は、図１（ｂ）に示すように、所定の距離、例えば、１０ｍｍ程度の距離が必要である。

電源２３は、探針１１に直流バイアス電圧を印加して、探針１１の表面からイオンが離脱しやすくするとともに、探針１１にパルス電圧を印加する。このパルス電圧の印加により、探針１１の先端から元素がイオン化して離脱し、この離脱イオンが位置敏感型検出器１５に到達する。

なお、この電源２３は必ずしも筐体の内部にある必要は無く、電源２３の本体２３−１を筐体１６の外側に配置し、筐体１６の内部まで配線２３−２を引き込む構成としても良い。

このような構成の試料ホルダ１０に対して、図中、矢印の方向から電子線が試料１１に向けて照射される。図中の矢印は電子線２５を示したものである。試料ホルダ１０の上部および下部には、この電子線２５を通過させる開口２８、２８’が設けられている。

なお、この試料ホルダ１０が設置される電子顕微鏡内は、通常、真空に近い状態が保たれている。

また、図中の探針１１を囲む点線２６は、従来の電子顕微鏡における試料が設置されていた場所である。試料ホルダ１０の位置決め用玉２９を電子顕微鏡内の壁（不図示）に当接させたときに、探針１１が、この従来の試料設置場所２６に正しく設置されるようにする。このとき、更に必要となる探針１１の位置の微調整は、前述の駆動部２０により行なう。

図２は、本発明の実施例１に係る試料ホルダ１０を搭載する電子顕微鏡３０を示す概略断面図である。なお、ここでは、一般的な透過型電子顕微鏡の例を用いて説明する。図に示すように、装置の最上部には、電子ビーム（電子線）を発する電子銃３１が配置され、電子ビームの進行方向に、電子ビームを段階的に加速する加速管３２、電子ビームを集光するコンデンサレンズ３３、試料をセットする試料室３４等が設けられている。

本発明の試料ホルダ１０は、この試料室３４内に設置される。電子顕微鏡３０の試料室３４を拡大した概略図が図３である。このように、試料室３４は、対物レンズ３５、３６に挟まれた空間であり、サイド（図中の矢印方向）から試料ホルダ５１が挿入される。

なお、図３に示した試料ホルダ５１は、メッシュ５２上に試料を搭載する従来のメッシュ型試料ホルダである。電子顕微鏡３０により測定を行なう際には、このメッシュ５２の中央付近に試料（不図示）が載せられ、図のように、電子線５５が照射される。

このような試料ホルダは、試料を搭載した状態のままで、試料室３４内への挿入や試料室３４からの引き出しが可能なため、試料の交換が容易であるというメリットがある。

図２に戻り、試料室３４を透過した電子ビームの進行方向には、中間レンズ３７、投影レンズ３８、試料像の結像面としての蛍光板３９が設けられている。

ここで述べた電子顕微鏡３０は次のように動作する。先ず、電子ビームは、電子銃３１を出射した後に加速管３２により段階的に加速される。そして、コンデンスレンズ３３、一方の対物レンズ３５により集光され、試料室３４の試料に照射される。この電子ビームは試料を通過後、他方の対物レンズ３６、中間レンズ３７、投影レンズ３８によって集光を繰り返し、蛍光板３９に結像し、試料表面の拡大像が表示される。

次に、前述の試料ホルダ１０の機構のうち、位置敏感型検出器１５が分離して、電子顕微鏡３０側に設置された例を示す。

図４は、本発明の実施例２に係る試料ホルダの概略図である。図４に示すように、位置敏感型検出器１５は、電子顕微鏡３０の内壁（不図示）に固定された設置用部材５８に取り付けられている。そして、位置敏感型検出器１５以外の機構は、試料ホルダ４０側に設置されている。試料ホルダ４０は、図３に示した従来の試料ホルダ５１と同様に、図中の矢印方向から挿入される。

−元素分析方法の例−
実施例１および実施例２の試料ホルダ１０（或いは試料ホルダ４０）を使用する元素分析は次のような方法で行なう。なお、試料ホルダ４０と試料ホルダ１０とは同じ方法となるため、以下の説明は試料ホルダ１０で代表して記載し、試料ホルダ４０の記載は省略する。

最初に、探針１１を所定の場所に正しく設置した後、試料ホルダ１０の筐体１６に設けた開口２８、２８’から、（当該試料ホルダ１０が設置されている電子顕微鏡からの）電子線２５を探針１１に照射して、電子顕微鏡により探針１１の表面を観察する。

次に、試料ホルダ１０に設けた３ＤＡＰの機能を使用して、探針１１の元素構成について測定を行なう。なお、必要があれば、本測定の途中で、再度、電子顕微鏡による探針１１表面の観察を行なう。

このように、本実施例では、微細な表面状態の観察が可能な電子顕微鏡に、３次元的な元素構成を高精度に分析可能な３ＤＡＰの機能を付加したため、試料の移動中に試料（被測定体）が大気中で汚染される、或いは、移設作業の際に生じた振動により試料が変形する等の問題を生じることなく、試料の３次元的な元素構成を原子レベルで高精度に分析することが可能となる。

本発明の活用例としては、例えば、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等についての不純物濃度の組成分析が典型的であるが、その他、ハード・ディスク装置（ＨＤＤ）等に使用されるＧＭＲ素子についての多層薄膜積層構造等の３次元構造解析にも利用可能である。

は、本発明の実施例１に係る電子顕微鏡用の試料ホルダを示す概略構成図である。は、本発明の実施例１に係る試料ホルダを搭載する電子顕微鏡を示す概略断面図である。は、電子顕微鏡の試料室３４を拡大した概略図である。は、本発明の実施例２に係る試料ホルダの概略図である。は、一般的な３ＤＡＰを模式的に示した図である。

符号の説明

１…試料
２、１５…位置敏感型検出器
３…電源
５…離脱イオン
７、２７…タイマー
１０、４０、５１…試料ホルダ
１１…探針
１３…２次元位置検出器
１４…マルチチャネルプレート
１６…筐体
１７…支点
１８…ＸＹ方向ピエゾ
１９…Ｚ方向ピエゾ
２０…駆動部
２１…支持部材
２３…電源
２３−１…本体
２３−２…配線
２５、５５…電子線
２６…従来の試料設置場所
２８、２８’…開口
２９…位置決め用玉
３０…電子顕微鏡
３１…電子銃
３２…加速管
３３…コンデンサレンズ
３４…試料室
３５、３６…対物レンズ
３７…中間レンズ
３８…投影レンズ
３９…蛍光板
５２…メッシュ
５８…設置用部材

Claims

被測定体を搭載する透過型電子顕微鏡用の試料ホルダにおいて、
前記被測定体に照射される電子線および前記被測定体を透過した前記電子線がそれぞれ通過する第１および第２の開口を有する筐体と、
前記筐体の内部に設けられ、前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する検出手段とを有する
ことを特徴とする試料ホルダ。
被測定体を移動する駆動部を更に有する
ことを特徴とする請求項１に記載の試料ホルダ。
被測定体の元素を分析する元素分析装置において、
前記被測定体を搭載する試料ホルダを設置する試料室を有する透過型電子顕微鏡と、前記試料室に設置される試料ホルダとを備え、
前記試料ホルダは、
前記被測定体に照射される電子線が通過する開口を有する筐体と、前記筐体の内部にあって前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定する検出手段とを有することを特徴とする元素分析装置。
被測定体を搭載する試料ホルダを設置する透過型電子顕微鏡を使用して、前記被測定体の元素を分析する元素分析方法において、
前記試料ホルダの筐体に設けた第１の開口から前記電子線を前記被測定体に照射し、前記被測定体を透過した前記電子線を結像する前記透過型電子顕微鏡により前記被測定体の表面を観察する工程と、
前記筐体の内部にあって前記被測定体から離脱した元素の位置および飛行時間を測定可能な検出手段により、前記被測定体から電界離脱した元素の位置及び飛行時間を測定する工程と
を備えることを特徴とする元素分析方法。