JP4920539B2 - カソードルミネッセンス測定装置及び電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料に電子線を照射したときに生じるカソードルミネッセンスを測定するカソードルミネッセンス測定装置及びそのカソードルミネッセンス測定装置を備えた電子顕微鏡に関し、特に、電子線を収束するための電磁型対物レンズとカソードルミネッセンスを集光する集光ミラーとの構造に関するものである。

カソードルミネッセンス測定装置は、電子線によって試料表面を励起し、試料表面から発生するカソードルミネッセンスを検出器によって検出し、この検出器の出力信号に基づいて、試料中に含まれる元素の量（濃度）や分布状況または結晶性などを分析するもので、一般的には、特許文献１又は特許文献２に示すように、電子線を用いるところから電子顕微鏡と組み合わせて構成される。

そして、この種のカソードルミネッセンス測定装置は、対物レンズと試料との間にカソードルミネッセンスを集光するための集光ミラー部を配置している。

しかしながら、集光ミラー部は当然厚みを有しており、また対物レンズ及び試料に接触しないように設けられるため、対物レンズと試料との距離（作動距離）を集光ミラー部が配置できる程度に取る必要がある。そのため、電子顕微鏡による観察像（二次電子像）の空間分解能を犠牲にしなくてはならないという問題がある。

一方で、カソードルミネッセンスの空間分解能は電子線励起により発生した電子−正孔対（キャリア）が拡散及び再結合する領域の大きさに最も大きく影響するところ、例えばバルク試料ではキャリアの拡散領域が数百μｍであることが知られている。つまり、このキャリア拡散が、カソードルミネッセンスの空間分解能向上を妨げる要因となっている。

これに対して従来、カソードルミネッセンスの空間分解能を向上させるために、低加速電圧で電子線を照射する、又は新たに試料に垂直に磁場を印加するといった試みがなされている。

しかしながら、低加速電圧で電子線を照射する場合には、励起電圧が低く、試料が直接遷移型のものに限られてしまう。

また、新たに垂直磁場印加の装置を組み込む場合には、作動距離が長くなってしまい十分な空間分解能が得られないという問題がある。

その他にも、試料を薄膜にして空間分解能を向上させる試みがなされているが、試料の作製などに手間が掛かるという問題がある。
特開平１１−９６９５６号公報 特開２００３−１５７７８９号公報

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、簡単な構成でありながら電子顕微鏡による高分解能観察とカソードルミネッセンスの高分解能観察との両立を実現することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係るカソードルミネッセンス測定装置は、試料に電子線を照射して生じるカソードルミネッセンスを測定するカソードルミネッセンス測定装置であって、前記電子線を収束して前記試料に照射する電磁型対物レンズと、前記電子線が照射された試料から生じるカソードルミネッセンスを集光する放物面鏡又は回転楕円面鏡のミラー面を有する集光ミラー部と、を備え、前記集光ミラー部が、前記電磁型対物レンズの内部に配置されており、前記電磁型対物レンズの漏洩磁場が前記試料に印加されることにより前記試料のキャリア拡散を防止することを特徴とするものである。ここで、「漏洩磁場」とは、電磁型対物レンズの試料側端部から外部に広がる磁場のことである。

また、本発明に係る電子顕微鏡は、上記カソードルミネッセンス測定装置を備えた電子顕微鏡であることを特徴とするものである。

このようなものであれば、作動距離を可及的にゼロにすることができ、電磁型対物レンズを短焦点で使用することができるので、電子顕微鏡による高分解能観察を実現することができる。また、作動距離を可及的にゼロにすることができるので、電磁型対物レンズの漏洩磁場が試料に印加されて、試料中のキャリアの拡散を抑制することができ、カソードルミネッセンスの高分解能観察を実現することができる。さらに、試料への磁場印加のための装置を必要としないので、装置構成を簡単にすることができるとともに装置の小型化を可能とすることができる。その上、低加速電圧で電子線を照射する必要がなく、試料を薄膜に加工する手間も必要としない。

キャリアの拡散を可及的に抑制するためは、前記電磁型対物レンズの漏洩磁場が前記試料に対して略垂直に印加されることが望ましい。

具体的な構成としては、前記電磁型対物レンズが、励磁コイルと当該励磁コイルを収容するヨークと、当該ヨークの試料側端部に設けられた磁極とを備え、前記ヨークに設けられた磁極の上方に前記集光ミラー部を配置していることが望ましい。

キャリアの拡散を好適に抑制するためには、前記漏洩磁場が、１０００ガウス以上であることが望ましい。

また、前記電磁型対物レンズが、前記試料を内部に収容可能な開口部を備えていることが望ましい。つまり、電磁型対物レンズの試料側端部と試料との距離をゼロ（試料の上面と試料側端部とが同一平面上となる。）又はマイナス（つまり、試料が試料側端部よりも上方に位置し、試料は電磁型対物レンズ内に位置する。）にすることができ、１０００ガウス以上の漏洩磁場を構造的に実現することができる。

このように構成した本発明によれば、簡単な構成でありながら電子顕微鏡による高分解能観察及びカソードルミネッセンスの高分解能観察を可能としたカソードルミネッセンス測定装置を提供することができる。

以下に本発明のカソードルミネッセンス測定装置の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は、本実施形態に係るカソードルミネッセンス測定装置１を示す模式的構成図であり、図２は、電磁型対物レンズ７５及び集光ミラー部４１１を主として示す部分拡大断面図である。

本実施形態に係るカソードルミネッセンス測定装置１は、電子顕微鏡に組み込まれたものであり、電子線ＥＢを試料Ｗに照射することにより試料Ｗから生じるカソードルミネッセンスＣＬを用いて、試料Ｗの微小領域における物性評価や半導体素子の解析を行うものである。その構成は、図１に示すように、電子銃６及び電子線制御手段７を有する鏡筒部２と、前記電子銃６からの電子線ＥＢが照射される試料Ｗを収容する試料室３と、電子線ＥＢの照射によって試料Ｗから発生するカソードルミネッセンスＣＬを分光して検出する検出装置４と、検出装置４からの検出信号に基づき試料Ｗ上の電子線ＥＢの２次元走査に同期して試料像を表示等する情報処理装置５と、を備えている。また、電子顕微鏡の機能を確保するために、図示しないが電子線ＥＢを試料Ｗに照射したときに生じる二次電子を検出する二次電子検出器も備えている。

鏡筒部２は、図１に示すように、試料室３の上部に連続して設けられており、試料室３の所定領域に設置された試料Ｗに電子線ＥＢを照射する電子銃６と、当該電子銃６から射出された電子線ＥＢを試料Ｗの測定部位に収束させるとともに走査させるための電子線制御手段７と、鏡筒部２内を真空にするための真空排気機構８を備えている。

電子線制御手段７は、図１に示すように、電子銃６からの電子を収束させるためのコンデンサレンズ７１、電子線量のモニタと電子線ＥＢの開き角を制御するアパーチャ７２、電子線ＥＢの非点収差を補正するための非点補正器（スティグメータ）７３、電子線ＥＢを走査するための走査偏向器（スキャニングデフレクタ）７４、電子線ＥＢを試料Ｗ面上に収束させるための電磁型対物レンズ７５からなり、これらは上部からこの順で配置されている。なお、電磁型対物レンズ７５については後述する。

試料室３は、図１に示すように、試料移動機構を有する試料ステージ３１と、試料室３内を真空にするための真空排気機構３２を備えている。

検出装置４は、図１に示すように、集光部４１と、当該集光部４１により集光されたカソードルミネッセンスＣＬを単色光に分離する例えばモノクロメータ等の分光部４２と、当該分光部４２により波長毎に複数に分光された各単色光の強度をそれぞれ測定し、各単色光の強度に応じた値の電流値（又は電圧値）を有する出力信号を出力する例えばフォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）等のセンシング部４３とを備えている。

集光部４１は、図２に示すように、試料Ｗから発生するルミネッセンスＬを最小限の損失で集め分光部４２に導くものであり、電子銃６からの電子線ＥＢを通過させ、その電子線ＥＢを試料Ｗに照射するための電子線通路４１１ａ、及びその通路４１１ａの軸線上に焦点Ｆが設定されたミラー面４１１ｂを有する集光ミラー部４１１と、前記ミラー面４１１ｂにより集光されたカソードルミネッセンスＣＬを分光部４２に伝送するための光ファイバ４１２とを備えている。なお、光ファイバ４１２の光導入端面４１２Ａは、ミラー面４１１ｂの焦点と合致するように配置される。そして、集光ミラー部４１１と光ファイバ４１２とは、図示しない保持部材によって一体的に保持されている。

ミラー面４１１ｂは、放物面鏡又は回転楕円面鏡などが考えられるが、本実施形態では回転楕円面鏡である。なお、ミラー面４１１ｂの具体的形状とその焦点は、試料Ｗの位置及び対物レンズ７５の厚さによって決定される。

情報処理装置５は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、入出力インターフェイス、ＡＤ変換器、入力手段等からなる汎用又は専用のコンピュータである。そして、前記メモリの所定領域に格納してあるプログラムに基づいてＣＰＵやその周辺機器が作動することにより、この情報処理装置５が、前記検出装置４からの出力信号を受信し、走査した各測定ポイントでの試料Ｗの微小領域における物性評価や半導体素子の解析を行う。また、この情報処理装置５は、二次電子検出器からの検出信号を受信して、二次電子像の表示等を行う。

しかして、本実施形態のカソードルミネッセンス測定装置１は、図２に示すように、集光ミラー部４１１が、電磁型対物レンズ７５内に配置される構成としている。

つまり、電磁型対物レンズ７５は、励磁コイル７５１と、この励磁コイル７５１を収容するヨーク７５２と、このヨーク７５２の試料Ｗ側の端部に設けられた磁極７５３とを備え、前記ヨーク７５２における励磁コイル７５１と磁極７５３との間の側周壁に、集光部４１を（挿入して）固定するための固定孔７５２ａを備えている。

そして、ヨーク７５２は、パーマロイ，鉄等の強磁性体でかつ導電性のある材料から形成されており、中心に電子線ＥＢを通過させるための開口部７５２ｃを有する回転体形状をなし、内側周壁の試料Ｗ側端部に内側磁極７５３ａ、外側周壁の試料Ｗ側端部に外側磁極７５３ｂを備え、それら磁極７５３ａ、７５３ｂの間隙は電子線ＥＢ（中心軸）に向かって形成されている。

前記ヨーク７５２の固定孔７５２ａに集光ミラー部４１１及び光ファイバ４１２を保持する保持部材が略水平に挿入されて固定されることより、集光ミラー部４１１は、開口部７５２ｃにおける励磁コイル７５１と磁極７５３との間に配置される。このとき、集光ミラー部４１１の電子線通路４１１ａの中心軸が、電子線ＥＢと一致するように位置調節される。

そして、励磁コイル７５１に電流を流すことによってヨーク７５２が磁化されて、内側磁極７５３ａと外側磁極７５３ｂとの間に磁場が生成される。このとき、内側磁極７５３ａと外側磁極７５３ｂとの間に生じる磁場のうち、対物レンズ７５の試料側開口部（ヨーク７５２の試料側の開口部７５２ｃ）から外部に広がる磁場（漏洩磁場）は、試料Ｗに対して略垂直に印加され、磁力線は試料Ｗの上面に略垂直に入射する（図２参照）。つまり、試料Ｗが漏洩磁場内に配置されることになる。漏洩磁場としては、キャリア拡散を好適に抑制する観点から、例えば１０００ガウス以上である。なお、図２において磁力線を点線で示している。また、図２中に示す従来の試料位置においては、磁力線は、試料Ｗの上面に外側に広がるように入射する（磁気回路（磁路）が形成される）ので、キャリアの拡散を抑制することができない。

さらに、ヨーク７５２は、前記固定孔７５２ａの他に３つの孔７５２ｂを有しており、これら４つの孔７５２ａ、７５２ｂが軸対称となるようにしている。これにより、電磁型対物レンズ７５により生じる磁場が軸対称となる。

このように構成した本実施形態に係るカソードルミネッセンス測定装置１によれば、電磁型対物レンズ７５と試料Ｗとの間に集光ミラー部４１１を設けないので、作動距離を可及的にゼロにすることができ、電磁型対物レンズ７５の漏洩磁場内に試料Ｗが配置されることになり、試料Ｗのキャリア拡散を抑制して、カソードルミネッセンスの空間分解能を格段に向上させることができる。また、作動距離を可及的にゼロにすることができ、電子顕微鏡による観察時に対物レンズ７５を短焦点で使用できるため電子顕微鏡による高分解能観察も同時に可能とすることができる。したがって、カソードルミネッセンスＣＬの高空間分解能観察及び電子顕微鏡による高空間分解能観察を同時に可能とすることができる。

さらに、対物レンズ７５の漏洩磁場を利用しているので、装置１の小型化を実現することができる。また、集光ミラー部４１１が電磁型対物レンズ７５の内部にあるので、メンテナンス等の際に集光ミラー部４１１が試料Ｗに当たることがない。

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

例えば、前記実施形態では、集光ミラー部４１１を電磁型対物レンズ７５の内部に設けるようにしているが、電磁型対物レンズ７５の外部上方に設けるようにしても良い。

また、前記実施形態では、試料Ｗは、電磁型対物レンズ７５の下側に設けられているが、その他、図２中に点線で示す試料Ｗの位置Ｗ（Ｐ）に設けても良い。つまり、集光ミラー部４１１と同様に、試料Ｗを電磁型対物レンズ７５の試料側端部よりも上方、つまり電磁型対物レンズ７５内に配置される。電磁型対物レンズ７５の試料側開口部（ヨーク７５２の試料側の開口部７５２ｃ）は、試料Ｗを収容可能な程度の開口面積を有し、その開口部７５２ｃ内に試料Ｗを配置する。これにより、電磁型対物レンズ７５の試料側端部と試料Ｗとの距離をマイナスにすることができ、キャリア拡散抑制のために必要な１０００ガウス以上の磁場を構造的に簡単に実現することができる。また、電磁型対物レンズ７５の試料側端部と試料Ｗとの距離をゼロ、つまり、試料Ｗの上面と電磁型対物レンズ７５の試料側端部とが同一平面上となるようにするにしても良い。

さらに、前記実施形態ではセンシング部４３をフォトマルチプライヤ（ＰＭＴ）を用いて構成しているが、測定する波長領域によって使用する機器を変えても構わない。例えば赤外（１μｍ〜）においては、Ｇｅ検出器、Ｐｂｓ検出器、赤外ＰＭＴ等を用いることが好ましい。また、光−電子変換効率、ダイナミックレンジ、Ｓ／Ｎに優れているといったことからＣＣＤを利用してもよい。ＣＣＤによればスペクトルの一括検出も可能である。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の一実施形態に係るカソードルミネッセンス測定装置を示す模式的構成図。 同実施形態における電磁型対物レンズ及び集光ミラー部を主として示す部分拡大断面図。

符号の説明

１ ・・・カソードルミネッセンス測定装置
Ｗ ・・・試料
ＥＢ ・・・電子線
７５ ・・・電磁型対物レンズ
４１１・・・集光ミラー部
７５１・・・励磁コイル
７５２・・・ヨーク
７５３・・・磁極

Claims (6)

1. 試料に電子線を照射して生じるカソードルミネッセンスを測定するカソードルミネッセンス測定装置であって、
   前記電子線を収束して前記試料に照射する電磁型対物レンズと、前記電子線が照射された試料から生じるカソードルミネッセンスを集光する放物面鏡又は回転楕円面鏡のミラー面を有する集光ミラー部と、を備え、
   前記集光ミラー部が、前記電磁型対物レンズの内部に配置されており、前記電磁型対物レンズの漏洩磁場が前記試料に印加されることを特徴とするカソードルミネッセンス測定装置。
2. 前記電磁型対物レンズの漏洩磁場が前記試料に対して略垂直に印加されることを特徴とする請求項１記載のカソードルミネッセンス測定装置。
3. 前記電磁型対物レンズが、励磁コイルと当該励磁コイルを収容するヨークと、当該ヨークの試料側端部に設けられた磁極とを備え、
   前記ヨークに設けられた磁極の上方に前記集光ミラー部を配置していることを特徴とする請求項２記載のカソードルミネッセンス測定装置。
4. 前記漏洩磁場が、１０００ガウス以上である請求項１、２又は３記載のカソードルミネッセンス測定装置。
5. 前記電磁型対物レンズが、前記試料を内部に収容可能な開口部を備えている請求項１、２、３又は４記載のカソードルミネッセンス測定装置。
6. 請求項１乃至５記載のカソードルミネッセンス測定装置を備えた電子顕微鏡。