JP5329380B2 - モノクロメータのスリット位置制御方法及び装置並びに分析電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明はモノクロメータのスリット位置制御方法及び装置並びに分析電子顕微鏡に関し、更に詳しくは高エネルギー分解能での電子エネルギー損失分光を可能にするモノクロメータのスリット位置制御方法及び装置並びに分析電子顕微鏡に関する。

半導体デバイスや磁気ヘッド素子等の微細化、小型化により、微小領域の分析が必要であり、電子顕微鏡による観察が重要となってきている。エネルギーフィルタ装置（モノクロメータとも呼ばれる）で入射電子線のエネルギー幅を小さくすることにより、試料面上の電子線プローブを小さくし、電子顕微鏡の空間分解能を向上させることができる。

エネルギーフィルタ装置とは、入射した荷電粒子、例えば電子線を磁場や電場を作用させてエネルギー分散を起こさせ、エネルギー分散面上に設置したスリットを用いて、所望のエネルギー幅の電子線を取り出す装置である。主にエネルギー分散を起こさせるエネルギー分光部と、エネルギー分散方向に数μｍから数十ｍｍの幅で電子線を透過させるための開口部を有するスリット部、及びエネルギー分光部の磁場や電場の強さを制御する分光制御部で構成される。

ＳＥＭ、ＳＴＥＭでは、空間分解能を向上させるために、電子プローブの大きさを縮小する必要がある。そこで、エネルギーフィルタにより出射された電子線をエネルギー分散させ、スリットで電子線を選択することにより、電子線のエネルギー幅を小さくし、電子プローブを小さくすることができる。

また、ＴＥＭ、ＳＴＥＭは試料を透過した電子線をエネルギー分散させ、スリットで電子線を選択し、選択した電子線で像を結像し観察する装置である。電子線は試料を透過する際に、試料を構成する元素との相互作用により、元素固有のエネルギー損失を生じる。試料を透過した電子を電子分光器によりエネルギー解析する電子エネルギー損失分光法（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｅｎｅｒｇｙ Ｌｏｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ：ＥＥＬＳ）は、試料内の元素分析を行なうことができる分析方法である。更に、同一元素においてもその元素の化学結合状態（特に元素の電子構造の違い）を反映して、数ｅＶ程度のエネルギーシフトとして現れる。精度よく電子線を選択することにより、高精度の測定が可能となる。

モノクロメータ（エネルギーフィルタ装置）は、エネルギーフィルタによりエネルギー分散され、スペクトルとなった電子線をスリット上に結像し、ある一定の幅をもったスリットにより選択的に電子線を通過させることにより電子線を単色化させる。ここで、単色化とは、あるエネルギー幅の電子線を選択することをいう。モノクロメータは、スリットによりあるエネルギーを持った電子線のみを選択的に通過させることから、ビーム電流量の低下を招く。ビーム電流量の低下は電子線の輝度の低下となり、分析電子顕微鏡の性能に大きく影響を及ぼす。

そのため、モノクロメータによるビーム電流量の低下は極力抑える必要がある。モノクロメータの基本性能である高エネルギー分解能を確保し、且つ電子線の低下を抑えるためには、ある幅を持ったスリットを通過するビーム電流量を最大になるように、エネルギー選択スリットの設置位置を最適化する必要がある。

従来のこの種の装置としては、スリットの開口部中央から電子線がずれた場合、試料等から発生する２次電子の強度を基に、そのずれを高精度に補正し、スリットの開口部中央を透過した電子線を用いて試料を観察する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−２６６０１６号公報（段落００２９〜００３５、図１）

従来のモノクロメータにおけるエネルギー選択スリットの設置位置の調整は、オペレータに大きく依存している。オペレータは電流量の増減をビームの直接観察によるビームの明るさの違いから判断し、スリットの設置位置を決定していた。この場合、エネルギー選択スリットの設置位置を定量的に評価することが困難で、エネルギー選択スリットが最適な位置にあるかの保証がない。

また、ファラデーカップ等でエネルギー選択スリットを通過したビームを電流計で計測し、エネルギー選択スリットの設置位置を調整する方法も考えられる。この場合、スリットを通過したビームは全てファラデーカップに吸収されており、ビームの形状を直接観察することができない。モノクロメータの調整は、ビーム形状の直接観察しながらのエネルギーフィルタの調整、エネルギー選択スリットの位置調整が必要であり、エネルギーフィルタの条件を変えた場合、その都度ファラデーカップを挿入してのビーム電流量の計測を行なうのは煩雑であり、オペレータに更なる操作の負担を強いることになる。また、モノクロメータの調整の長時間化を招き、使いやすい装置とは言い難くなる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、モノクロメータの調整を短時間で行なうことができるようにしたモノクロメータのスリット位置制御方法及び装置並びに分析電子顕微鏡を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。
（１）請求項１記載の発明は、入射した荷電粒子線を受けて、エネルギー分散を起こさせるエネルギーフィルタを有し、エネルギー分散面上に設置したエネルギー選択スリットを介して所望のエネルギー幅の電子線を取り出すようにしたモノクロメータにおいて、前記エネルギー選択スリットに流れる電流を検出し、検出した電流値が最小となるように前記エネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させる、ようにしたことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、入射した荷電粒子線を受けて、エネルギー分散を起こさせるエネルギーフィルタを有し、エネルギー分散面上に設置したエネルギー選択スリットを介して所望のエネルギー幅の電子線を取り出すようにしたモノクロメータにおいて、前記エネルギー選択スリットに流れる電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段により検出した電流値が最小となるように前記エネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させるスリット位置制御手段、とを有することを特徴とする。

（３）請求項３記載の発明は、前記請求項２記載のエネルギーフィルタとエネルギー選択スリットをその内部に含み、モノクロメータとして働かせることで、高エネルギー分解能での電子エネルギー損失分光を可能とすることを特徴とする。

本発明は以下に示すような効果を有する。
（１）請求項１記載の発明によれば、エネルギー選択スリットに流れる電流が最小となるように、つまりエネルギー選択スリットを通過する電流が最大となるようにエネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させるので、モノクロメータの調整を短時間で行なうことができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、エネルギー選択スリットに流れる電流が最小となるように、つまり選択スリットを通過する電流が最大となるようにエネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させるので、モノクロメータの調整を短時間で行なうことができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、エネルギーフィルタとエネルギー選択スリットをその内部に含み、モノクロメータとして働かせることで、高エネルギー分解能での電子エネルギー損失分光を可能とすることができる。

本発明の一実施例を示す構成図である。 電子線のエネルギー分布を示す図である。 エネルギーフィルタ最適化の説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図に示す装置は、入射した荷電粒子線を受けて、エネルギー分散を起こさせるエネルギーフィルタを有し、エネルギー分散面上に設置したエネルギー選択スリットを介して所望のエネルギー幅の電子線を取り出すようにしたモノクロメータを構成している。

図において、１は鏡筒、２は鏡筒１内に設けられたモノクロメータである。該モノクロメータ２は、エネルギーフィルタ２１とエネルギー選択スリット２２から構成されている。エネルギーフィルタ２１は電子線の分散を行なうことができるものであれば、どのような形式のものであってもよく、例えばΩフィルタやウィーンフィルタが用いられる。前記エネルギー選択スリット２２は、図中に矢印で示す方向に移動可能に形成されている。３はエネルギーフィルタ２１に動作用のパワーを与えるフィルタ電源、４はエネルギー選択スリット２２に流れる電流を検出する電流検出器である。該電流検出器４としては、例えば電流計が用いられる。

５は該電流検出器４に流れる電流が最小になるようにエネルギー選択スリットを移動制御するスリット位置制御手段である。６はエネルギー選択スリット２２のスリットを通過してきた電子線を受けて光信号に変換する蛍光板、７は該蛍光板６で発光された信号を電気信号に変換する光電変換部である。８は該光電変換部７の出力を受けて、電子線画像を表示するモニタである。該モニタ８としては、例えばＣＲＴや液晶表示器が用いられる。

９は光電変換部７の出力を受けて、モニタ８上に表示されている画像が楕円から真円になるようにエネルギーフィルタ２１を制御するフィルタ制御部、１０はモニタ８に表示された画像が真円になるようにフィルタ制御部９を操作するための操作部である。該操作部１０としては、キーボードやつまみ等が用いられる。フィルタ制御部９は、エネルギーフィルタ２１の電流及び／又は電圧を制御するようになっている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

モノクロメータが正常に動作するためには、エネルギーフィルタ２１が最適化されていることと、エネルギー選択スリット２２の位置が最適化されていることが必要である。エネルギー選択スリット２２は光軸１１に設置された状態にある。電流計４はエネルギー選択スリット２２と接地間に接続されており、エネルギー選択スリット２２に流れる電流を検出する。

モノクロメータ２が最適状態で電子線の分散を測定するためには、電子線がエネルギー選択スリット２２のスリットを最大の電流値で通過する必要がある。図２は電子線のエネルギー分布を示す図である。横軸はエネルギー、縦軸は電子線強度である。図のΔＥは半値幅で、例えば０．７〜１．０ｅＶ程度である。モノクロメータ２が最適なエネルギー分散を測定するためには、電子線のエネルギーの頂点部分領域ΔＥ'がスリットを通過する必要がある。

電子線の中心領域ΔＥ'がエネルギー選択スリット２２を通過する時に、最大の電流が通過することになり、図２の裾の方がエネルギー選択スリット２２を通過する時には、その電流は小さくなり、エネルギー選択スリット２２に流れる電流が増大する。モノクロメータ２が最適状態で動作するためには、電子線がエネルギー選択スリット２２のスリット部分を最大値で通過する必要がある。

そこで、スリット位置制御手段５は電流計４の電流値が最小となるように、図示しないエネルギー選択スリット２２のスリット位置移動装置を駆動する。スリット位置制御手段５はスリット位置移動装置を駆動して、電流計４の電流値が最小となったら、動作を停止する。このように構成すれば、エネルギー選択スリット２２に流れる電流が最小となるように、つまり選択スリットを通過する電流が最大となるようにエネルギー選択スリット２２の位置を制御するので、モノクロメータ２の調整を短時間で行なうことができる。なお、電流計４に流れる電流は、モニタ８上に表示されるようにしてもによい。

次に、エネルギーフィルタ２１の最適化について説明する。通常の状態では、モニタ８で観測される波形は図３の（ａ）に示すよに楕円形である。エネルギーフィルタ２１が最適化された時は、モニタ８で観測される波形は図３の（ｂ）に示すように真円となる。そこで、オペレータはモニタ８に示す波形を見ながら、楕円波形が真円波形になるように、操作部１０のつまみを調整する。

操作部１０のつまみを調整すると、その調整信号はフィルタ制御部９に与えられる。該フィルタ制御部９は、操作部１０からの調整信号に応じてエネルギーフィルタ２１中の電圧及び／又は電流を制御する。この結果、モニタ８に表示される波形は真円になる。このように、この発明によれば、蛍光板で受けた画像が真円になるようにエネルギーフィルタの電流及び／又は電圧を制御するので、エネルギーフィルタを最適化することができる。

このように構成されたエネルギーフィルタ及びエネルギー選択スリットその内部に含み、モノクロメータとして働かせることで、高エネルギー分解能での電子エネルギー損失分光を可能とする分析電子顕微鏡を実現することができる。

このように、本発明によれば、モノクロメータの調整を短時間で行なうことができるようにしたモノクロメータのスリット位置制御方法及び装置並びに分析電子顕微鏡を提供することができる。

１ 鏡筒
２ モノクロメータ
３ フィルタ電源
４ 電流計
５ スリット位置制御手段
６ 蛍光板
７ 光電返還部
８ モニタ
９ フィルタ制御部
１０ 操作部
１１ 光軸
２１ エネルギーフィルタ
２２ エネルギー選択スリット

Claims (3)

1. 入射した荷電粒子線を受けて、エネルギー分散を起こさせるエネルギーフィルタを有し、エネルギー分散面上に設置したエネルギー選択スリットを介して所望のエネルギー幅の電子線を取り出すようにしたモノクロメータにおいて、
   前記エネルギー選択スリットに流れる電流を検出し、
   検出した電流値が最小となるように前記エネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させる、
   ようにしたことを特徴とするモノクロメータのスリット位置制御方法。
2. 入射した荷電粒子線を受けて、エネルギー分散を起こさせるエネルギーフィルタを有し、エネルギー分散面上に設置したエネルギー選択スリットを介して所望のエネルギー幅の電子線を取り出すようにしたモノクロメータにおいて、
   前記エネルギー選択スリットに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   該電流検出手段により検出した電流値が最小となるように前記エネルギー選択スリットを光軸に垂直な方向に移動させるスリット位置制御手段、
   とを有することを特徴とするモノクロメータのスリット位置制御装置。
3. 前記請求項２記載のエネルギーフィルタとエネルギー選択スリットをその内部に含み、モノクロメータとして働かせることで、高エネルギー分解能での電子エネルギー損失分光を可能とする分析電子顕微鏡。

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