JP5413095B2 - Sample analysis apparatus and sample analysis method - Google Patents

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Description

本発明は、試料解析装置及び試料解析方法に関する。   The present invention relates to a sample analysis apparatus and a sample analysis method.

球面収差補正装置の開発により大電流の入射電子線プローブを形成することができるようになり、電子顕微鏡の解析手法は大きな発展を遂げている。なかでも、STEM(Scanning Transmission Electron Microscope)による高分解能観察技術においては、従来までの顕微鏡像ではバックグラウンドやノイズとして取り扱われていた非弾性散乱を積極的に用いて、原子分解能を有した像が取得されている。その代表的な例が高角度環状検出器を用いたHAADF(High-Angle Annular Dark-Field)STEM像と呼ばれる方法である。この手法では、熱散乱散漫による非弾性散乱電子を用いて像を形成し、原子番号に依存した高分解能像が得られている。さらに最近では、STEM像を取得中にEELS(Electron Energy Loss Spectroscopy)を同時測定するSTEM−EELS法が、原子分解能で状態分析を行う手法として脚光を浴び始めている。この方法は、各入射位置で取得されるEELSスペクトルを記憶し、適当なエネルギー範囲の信号を入射点毎に積算することによって、原子分解能でのEELSマッピングを得る。なかでも内殻励起によるエネルギー損失に対応したエネルギー領域をエネルギースリットで特定することで得られた像は、元素分布像に対応するため、原子分解能での組成分布像を得ることが可能である。   With the development of the spherical aberration correction device, it has become possible to form a high-current incident electron beam probe, and the analysis method of the electron microscope has been greatly developed. In particular, in high-resolution observation technology using STEM (Scanning Transmission Electron Microscope), an image with atomic resolution is obtained by actively using inelastic scattering, which has been treated as background and noise in conventional microscope images. Has been acquired. A typical example is a method called HAADF (High-Angle Angular Dark-Field) STEM image using a high-angle annular detector. In this method, an image is formed using inelastically scattered electrons due to thermal scattering, and a high resolution image depending on the atomic number is obtained. More recently, the STEM-EELS method, which simultaneously measures EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy) while acquiring a STEM image, has begun to attract attention as a method for performing state analysis at atomic resolution. This method obtains an EELS mapping at atomic resolution by storing the EELS spectrum acquired at each incident position and integrating signals in an appropriate energy range for each incident point. In particular, the image obtained by specifying the energy region corresponding to the energy loss due to the inner shell excitation with the energy slit corresponds to the element distribution image, so that it is possible to obtain a composition distribution image at atomic resolution.

しかしながら、内殻励起による損失信号は非常に微弱であるため、高品質な原子分解能でのSTEM−EELS像を取得することは困難である。   However, since the loss signal due to inner shell excitation is very weak, it is difficult to obtain a STEM-EELS image with high quality atomic resolution.

特開2003−249186号公報JP 2003-249186 A

K. Kimoto, T. Asaka, T. Nagai, M. Saito, Y. Matsui, and K. Ishizuka, Nature, 29 November 2007, vol.450, pp.702-704K. Kimoto, T. Asaka, T. Nagai, M. Saito, Y. Matsui, and K. Ishizuka, Nature, 29 November 2007, vol.450, pp.702-704 D. A. Muller, L. Fitting Kourkoutis, M. Murfitt, J. H. Song, H. Y. Hwang, J. Silcox, N. Dellby, and O. L. Krivanek, Science, 22 February 2008, vol.319, pp.1073-1076D. A. Muller, L. Fitting Kourkoutis, M. Murfitt, J. H. Song, H. Y. Hwang, J. Silcox, N. Dellby, and O. L. Krivanek, Science, 22 February 2008, vol.319, pp.1073-1076 L. J. Allen, S. D. Findlay, M. P. Oxley and C. J. Rossouw, Ultramicroscopy, 2003, vol.96, pp.47-63L. J. Allen, S. D. Findlay, M. P. Oxley and C. J. Rossouw, Ultramicroscopy, 2003, vol.96, pp.47-63 M. P. Oxley, M. Varela, T. J. Pennycook, K. van Benthem, S. D. Findlay, A. J.D'Alfonso, L. J. Allen, and S. J. Pennycook, Phys. Rev. B, 2007, vol.76, pp.064303-1 - 064303-8MP Oxley, M. Varela, TJ Pennycook, K. van Benthem, SD Findlay, AJD'Alfonso, LJ Allen, and SJ Pennycook, Phys. Rev. B, 2007, vol.76, pp.064303-1-064303- 8 Z. L. Wang, Elastic and Inelastic Scattering in Electron Diffraction and Imaging, United States of America, Plenum Press, 1995, pp.167-171Z. L. Wang, Elastic and Inelastic Scattering in Electron Diffraction and Imaging, United States of America, Plenum Press, 1995, pp.167-171 K. Watanabe, T. Yamazaki, I. Hashimoto, and M. Shiojiri, Phys. Rev. B, 2001, vol.64, pp. 115432-1 - 115432-5K. Watanabe, T. Yamazaki, I. Hashimoto, and M. Shiojiri, Phys. Rev. B, 2001, vol.64, pp. 115432-1-115432-5

EELSで取得されるスペクトルからは、内殻励起による損失エネルギーより低エネルギーのエネルギーを損失したプラズモン吸収による信号を検出することもできる。このプラズモン吸収の信号強度は内殻励起による信号強度より非常に強いため、コントラストの高い像を得ることができる。しかしながら、プラズモン吸収はバンド間遷移に起因した集団励起として知られているため、原子分解能でプラズモン吸収による像を取得したとしても、その像が表わす意味を明確に議論することができていなかった。その原因として、プラズモンロス像を理論的に計算するための方法が存在しないことがあげられる。そのため、得られた像の強度から構造を決定することが困難であった。   From a spectrum acquired by EELS, a signal due to plasmon absorption in which energy lower than energy lost due to inner shell excitation is lost can also be detected. Since the signal intensity of this plasmon absorption is much stronger than the signal intensity due to inner shell excitation, an image with high contrast can be obtained. However, since plasmon absorption is known as collective excitation due to interband transition, even if an image by plasmon absorption was acquired at atomic resolution, the meaning represented by the image could not be clearly discussed. This is because there is no method for theoretically calculating the plasmon loss image. Therefore, it is difficult to determine the structure from the intensity of the obtained image.

上記の点を鑑みて、本発明は、プラズモンロス像を、計算で簡単に算出することが可能な試料解析装置及び試料解析方法を提供することを目的とする。   In view of the above points, an object of the present invention is to provide a sample analysis apparatus and a sample analysis method capable of easily calculating a plasmon loss image by calculation.

上記目的を達成するために、以下のような試料解析装置が提供される。
この試料解析装置は、プラズモン吸収領域に設定されるエネルギースリットを含む実験条件と、試料情報を取得する入力部と、前記試料情報をもとに損失関数を算出する損失関数演算部と、前記損失関数と、前記プラズモン吸収領域に設定される前記エネルギースリットをもとに、前記エネルギースリットを考慮するか否かで2種類の吸収ポテンシャルを算出する吸収ポテンシャル演算部と、前記2種類の吸収ポテンシャルをもとに、第1及び第2の全散乱電子強度を算出する全散乱電子強度演算部と、前記第1の全散乱電子強度と前記第2の全散乱電子強度との差分からプラズモンロス像を生成するプラズモンロス像生成部と、を有する。
In order to achieve the above object, the following sample analyzer is provided.
The sample analyzer includes an experimental condition including an energy slit set in a plasmon absorption region, an input unit that acquires sample information, a loss function calculation unit that calculates a loss function based on the sample information, and the loss Based on the function and the energy slit set in the plasmon absorption region, an absorption potential calculation unit that calculates two types of absorption potential depending on whether the energy slit is considered, and the two types of absorption potential Based on the total scattered electron intensity calculation unit for calculating the first and second total scattered electron intensities, and a plasmon loss image from the difference between the first total scattered electron intensity and the second total scattered electron intensity. A plasmon loss image generation unit to be generated.

開示の試料解析装置及び試料解析方法によれば、プラズモンロス像を、計算で簡単に算出することが可能となる。   According to the disclosed sample analysis apparatus and sample analysis method, a plasmon loss image can be easily calculated by calculation.

試料解析装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a sample analyzer. 試料解析装置の具体的なハードウェア構成例である。It is a specific hardware configuration example of the sample analyzer. 試料解析方法の処理の一例の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of an example of a process of a sample analysis method. STEM−EELS法の実験条件と試料情報の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the experimental conditions and sample information of a STEM-EELS method. EELS検出器で検出されるEELSスペクトルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the EELS spectrum detected with an EELS detector. 損失関数の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a loss function. エネルギースリットを考慮せずに算出される吸収ポテンシャルの概念図である。It is a conceptual diagram of the absorption potential calculated without considering the energy slit. エネルギースリットを考慮した損失関数の積分範囲を示す図である。It is a figure which shows the integration range of the loss function in consideration of the energy slit. エネルギースリットを考慮して算出される吸収ポテンシャルの概念図である。It is a conceptual diagram of the absorption potential calculated in consideration of the energy slit. 2種類の全散乱電子強度の概念図である。It is a conceptual diagram of two types of total scattered electron intensity. プラズモンロス像の実験像と計算像を示す図であり、(A)はSi(011)面のプラズモンロス像、(B)はSrTiO3(チタン酸ストロンチウム)(001)面のプラズモンロス像を示す図である。A diagram showing a calculation image and experimental images of the plasmon loss image shows (A) the Si (011) surface plasmon loss image, (B) is SrTiO 3 (strontium titanate) (001) plane plasmon loss image FIG.

以下、本発明の試料解析装置及び試料解析方法の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。
図1は、試料解析装置の構成を示す図である。
Embodiments of a sample analysis apparatus and a sample analysis method of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a sample analyzer.

本実施の形態の試料解析装置10は、顕微鏡像の理論計算方法である動力学計算によって高分解能プラズモンロス像を近似的に計算する。
試料解析装置10は、入力部11、損失関数演算部12、吸収ポテンシャル演算部13、全散乱電子強度演算部14、プラズモンロス像生成部15、構造解析部16を有している。入力部11は、試料情報入力部11aと実験条件入力部11bとを有する。
The sample analysis apparatus 10 according to the present embodiment approximately calculates a high-resolution plasmon loss image by dynamic calculation, which is a theoretical calculation method for a microscopic image.
The sample analysis apparatus 10 includes an input unit 11, a loss function calculation unit 12, an absorption potential calculation unit 13, a total scattered electron intensity calculation unit 14, a plasmon loss image generation unit 15, and a structure analysis unit 16. The input unit 11 includes a sample information input unit 11a and an experimental condition input unit 11b.

試料情報入力部11aは、たとえば、走査透過電子顕微鏡(以下STEMと表記する)17本体より試料情報を取得する。試料情報としては、試料の結晶構造に関する情報や、試料の厚さ(膜厚)などがある。   The sample information input unit 11a acquires sample information from, for example, a scanning transmission electron microscope (hereinafter referred to as STEM) 17 main body. The sample information includes information on the crystal structure of the sample and the thickness (film thickness) of the sample.

なお、STEM17は、EELS検出器を備え、STEM像を取得中にEELSを同時に測定できる構成となっている。
実験条件入力部11bは、たとえば、STEM17本体より実験条件を取得する。実験条件としては、STEM17における入射電子線の加速電圧、レンズ定数、入射電子線の収束角度、EELS検出器の取込角度、エネルギースリットの範囲などがある。本実施の形態において、エネルギースリットは、EELSスペクトルにおいて、内殻励起による損失エネルギーより低エネルギー領域に現われるプラズモン吸収領域に設定されるものである。プラズモン吸収は、物質のバンド構造に起因したエネルギー吸収を起こす。そのエネルギー吸収を支配する物理関数は、誘電関数から求められる損失関数と呼ばれる関数である。
The STEM 17 includes an EELS detector and can measure EELS simultaneously while acquiring a STEM image.
The experimental condition input unit 11b acquires experimental conditions from the STEM 17 body, for example. The experimental conditions include the acceleration voltage of the incident electron beam, the lens constant, the convergence angle of the incident electron beam, the EELS detector capture angle, the range of the energy slit, and the like in the STEM 17. In the present embodiment, the energy slit is set in a plasmon absorption region that appears in a lower energy region than the loss energy due to inner shell excitation in the EELS spectrum. Plasmon absorption causes energy absorption due to the band structure of the substance. The physical function governing the energy absorption is a function called a loss function obtained from the dielectric function.

損失関数演算部12は、試料情報の1つとして取得された試料の結晶構造に関する情報(たとえば、格子定数など)をもとに、第一原理バンド計算によって誘電関数を求め、誘電関数から損失関数を算出する。   The loss function calculation unit 12 obtains a dielectric function by first-principles band calculation based on information (for example, lattice constant) about the crystal structure of the sample acquired as one of the sample information, and the loss function is calculated from the dielectric function. Is calculated.

吸収ポテンシャル演算部13は、損失関数演算部12で求められた損失関数と、実験条件の1つとして取得されたエネルギースリットをもとに、2種類の吸収ポテンシャルを算出する。2種類の吸収ポテンシャルとは、エネルギースリットを考慮して算出する吸収ポテンシャルと、エネルギースリットを考慮しないで算出する吸収ポテンシャルである。具体的には、エネルギースリットを考慮した吸収ポテンシャルは、エネルギースリットの範囲を損失関数の積分範囲から外して算出されたものである。一方、エネルギースリットを考慮しない吸収ポテンシャルは、損失関数の全エネルギー範囲を積分範囲として算出されたものである(詳細は後述する)。   The absorption potential calculation unit 13 calculates two types of absorption potentials based on the loss function obtained by the loss function calculation unit 12 and the energy slit acquired as one of the experimental conditions. The two types of absorption potentials are an absorption potential calculated considering the energy slit and an absorption potential calculated without considering the energy slit. Specifically, the absorption potential considering the energy slit is calculated by removing the range of the energy slit from the integration range of the loss function. On the other hand, the absorption potential that does not consider the energy slit is calculated using the entire energy range of the loss function as an integration range (details will be described later).

全散乱電子強度演算部14は、2種類の吸収ポテンシャルから、それぞれの全散乱電子強度を算出する。
プラズモンロス像生成部15は、電子線の各入射位置で、2種類の吸収ポテンシャルに対応した2種類の全散乱電子強度の差分を算出することでプラズモンロス像を生成し、たとえば、図示しない表示装置に表示する。
The total scattered electron intensity calculation unit 14 calculates each total scattered electron intensity from two types of absorption potentials.
The plasmon loss image generation unit 15 generates a plasmon loss image by calculating a difference between two types of total scattered electron intensities corresponding to two types of absorption potentials at each incident position of an electron beam. Display on the device.

構造解析部16は、試料解析装置10によって計算されたプラズモンロス像(計算像)と、STEM17本体から得られたプラズモンロス像(実験像)を取得し、両者を比較することで原子位置などを決定する。   The structural analysis unit 16 obtains a plasmon loss image (calculated image) calculated by the sample analyzer 10 and a plasmon loss image (experimental image) obtained from the STEM 17 body, and compares the plasmon loss image (experimental image). decide.

なお、構造解析部16は、試料解析装置10やSTEM17と接続された別のコンピュータであってもよい。
以上のような、試料解析装置10によれば、試料の原子構造を示すプラズモンロス像を簡単に計算できる。また、実験で得られたプラズモンロス像と、計算で得られたプラズモンロス像との比較が可能になり、実験で得られたプラズモンロス像の解釈が容易になる。したがって、容易に精度よく試料の原子構造を解析可能になる。
Note that the structure analysis unit 16 may be another computer connected to the sample analysis apparatus 10 or the STEM 17.
According to the sample analyzer 10 as described above, a plasmon loss image indicating the atomic structure of the sample can be easily calculated. Moreover, it becomes possible to compare the plasmon loss image obtained by the experiment with the plasmon loss image obtained by the calculation, and the plasmon loss image obtained by the experiment can be easily interpreted. Therefore, the atomic structure of the sample can be easily and accurately analyzed.

以下、本実施の形態の試料解析装置及び試料解析方法を、より詳細かつ具体的に説明する。
図2は、試料解析装置の具体的なハードウェア構成例である。
Hereinafter, the sample analysis apparatus and the sample analysis method of the present embodiment will be described in more detail and specifically.
FIG. 2 is a specific hardware configuration example of the sample analyzer.

図1で示した試料解析装置10は、たとえば、図2で示されるようなコンピュータ20である。コンピュータ20は、CPU(Central Processing Unit)21、ROM(Read Only Memory)22、RAM(Random Access Memory)23、HDD(Hard Disk Drive)24、グラフィック処理部25を有する。また、コンピュータ20は、インターフェースとして、入力I/F(Interface)26、通信I/F27などを有している。これらはバス28を介して相互に接続されている。   The sample analysis apparatus 10 shown in FIG. 1 is a computer 20 as shown in FIG. 2, for example. The computer 20 includes a central processing unit (CPU) 21, a read only memory (ROM) 22, a random access memory (RAM) 23, a hard disk drive (HDD) 24, and a graphic processing unit 25. The computer 20 also has an input I / F (Interface) 26, a communication I / F 27, and the like as interfaces. These are connected to each other via a bus 28.

ここで、CPU21は、ROM22や、HDD24に格納されているプログラムや、各種データに応じてコンピュータ20の各部を制御し、図1に示した各部の機能を行う。
ROM22は、CPU21が実行する基本的なプログラムやデータを格納する。
Here, the CPU 21 controls each part of the computer 20 according to programs stored in the ROM 22 and the HDD 24 and various data, and performs the functions of each part shown in FIG.
The ROM 22 stores basic programs and data executed by the CPU 21.

RAM23は、CPU21が実行途中のプログラムや、演算途中のデータなどを格納する。
HDD24は、CPU21が実行するOS(Operation System)、プラズモンロス像を算出するためのプログラム、各種アプリケーションプログラム、各種データなどを格納する。
The RAM 23 stores programs being executed by the CPU 21 and data being calculated.
The HDD 24 stores an OS (Operation System) executed by the CPU 21, a program for calculating a plasmon loss image, various application programs, various data, and the like.

グラフィック処理部25には、たとえば、ディスプレイ25aが接続されている。CPU21からの描画命令にしたがって、ディスプレイ25a上に、計算によって生成されたプラズモンロス像や、STEM17を用いた実験により得られたプラズモンロス像などを表示する。   For example, a display 25 a is connected to the graphic processing unit 25. In accordance with a drawing command from the CPU 21, a plasmon loss image generated by calculation or a plasmon loss image obtained by an experiment using the STEM 17 is displayed on the display 25a.

入力I/F26には、マウス26aやキーボード26bなどの入力装置が接続されており、ユーザにより入力された情報を受信し、バス28を介してCPU21に伝送する。
通信I/F27は、たとえば、STEM17や、企業内のLAN(Local Area Network)やWAN(Wide Area Network)などのネットワーク27aと接続して、実験条件、試料情報及びプラズモンロス像の実験像の受信や、解析結果の送信などを行う。
Input devices such as a mouse 26 a and a keyboard 26 b are connected to the input I / F 26, and information input by the user is received and transmitted to the CPU 21 via the bus 28.
The communication I / F 27 is connected to, for example, the STEM 17 or a network 27a such as an in-house LAN (Local Area Network) or WAN (Wide Area Network) to receive experimental conditions, sample information, and an experimental image of a plasmon loss image. And send analysis results.

図3は、試料解析方法の処理の一例の流れを示すフローチャートである。
まず、試料解析装置である図2のようなコンピュータ20において、CPU21は、通信I/F27に、STEM17から、試料情報や実験条件を取得させ、それらの情報を、たとえば、RAM23に格納する(ステップS1,S2)。
FIG. 3 is a flowchart showing an exemplary flow of processing of the sample analysis method.
First, in the computer 20 as shown in FIG. 2 which is a sample analyzer, the CPU 21 causes the communication I / F 27 to acquire sample information and experimental conditions from the STEM 17, and stores such information in, for example, the RAM 23 (step S1, S2).

図4は、STEM−EELS法の実験条件と試料情報の一例を示す図である。
STEM−EELS法では、電子線がレンズ30によって収束されて試料31に照射され、試料31によって散乱された透過電子が、ドーナツ形状のADF(Annular Dark-Field)検出器32で検出される。さらに散乱電子によるEELSが、EELS検出器33で検出される。
FIG. 4 is a diagram showing an example of experimental conditions and sample information of the STEM-EELS method.
In the STEM-EELS method, an electron beam is converged by a lens 30 and irradiated on a sample 31, and transmitted electrons scattered by the sample 31 are detected by a donut-shaped ADF (Annular Dark-Field) detector 32. Further, EELS due to scattered electrons is detected by the EELS detector 33.

試料情報としては、試料31の厚さtや、試料31の結晶構造に関する情報(たとえば、格子定数)などがある。
実験条件としては、入射電子線の収束角度α、入射電子線の加速電圧、レンズ定数、EELS検出器33の取込角度β、エネルギースリットの範囲などがある。
The sample information includes the thickness t of the sample 31, information relating to the crystal structure of the sample 31 (for example, lattice constant), and the like.
Experimental conditions include the incident electron beam convergence angle α, the incident electron beam acceleration voltage, the lens constant, the EELS detector 33 capture angle β, and the energy slit range.

図5は、EELS検出器で検出されるEELSスペクトルの一例を示す図である。横軸はエネルギーロス(損失エネルギー)(eV)、縦軸は強度(a.u.)である。なお、図5では、検出されるEELSスペクトルを、Zero−lossスペクトルと、Low−lossスペクトルと、Core−lossスペクトルとに分類している。Low−lossスペクトルとCore−lossスペクトルについては強度を10倍している。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an EELS spectrum detected by an EELS detector. The horizontal axis represents energy loss (loss energy) (eV), and the vertical axis represents intensity (au). In FIG. 5, the detected EELS spectrum is classified into a zero-loss spectrum, a low-loss spectrum, and a core-loss spectrum. For the low-loss spectrum and the core-loss spectrum, the intensity is increased 10 times.

Zero−lossスペクトルは、もとの電子線のエネルギーの広がりを示し、Core−lossスペクトルは、内殻励起によるエネルギー損失に対応したエネルギー領域のスペクトルである。Low−lossスペクトルは、プラズモン吸収に対応したエネルギー領域のスペクトルである。プラズモン吸収は、結晶のバンド構造(誘電特性)に起因したエネルギー吸収である。STEM17を実際に用いてプラズモンロス像を得る場合には、図5のように、このLow−lossスペクトルにエネルギースリットを入れて、その領域のスペクトルをもとに2次元像を算出する。エネルギースリットは、たとえば、スペクトルのピークを中心として、5eV程度の範囲で設定する。ピークが分かりやすいものについては5eVより狭い範囲で、ピークが分かりづらいものについては、5eVより広い範囲でエネルギースリットを設定するようにしてもよい。   The zero-loss spectrum shows the energy spread of the original electron beam, and the core-loss spectrum is a spectrum in the energy region corresponding to the energy loss due to the inner shell excitation. A low-loss spectrum is a spectrum in an energy region corresponding to plasmon absorption. Plasmon absorption is energy absorption due to the band structure (dielectric characteristics) of the crystal. When a plasmon loss image is obtained by actually using the STEM 17, as shown in FIG. 5, an energy slit is inserted into this low-loss spectrum, and a two-dimensional image is calculated based on the spectrum in that region. For example, the energy slit is set in a range of about 5 eV with the peak of the spectrum as the center. An energy slit may be set in a range narrower than 5 eV for a peak that is easily understood, and a range wider than 5 eV for a peak that is difficult to understand.

本実施の形態の試料解析方法においても、このエネルギースリットを挿入した効果を加えるため、CPU21は、実験条件であるエネルギースリットの範囲を取得する。
なお、図3において、試料情報を取得するステップS1と、実験条件を取得するステップS2は順番を入れ替えてもよい。また、コンピュータ20は、試料情報や実験条件を、STEM17に実験条件などを設定する他のコンピュータから取得してもよいし、ユーザから入力I/F26を介して取得するようにしてもよい。
Also in the sample analysis method of the present embodiment, in order to add the effect of inserting this energy slit, the CPU 21 acquires the range of the energy slit which is an experimental condition.
In FIG. 3, step S1 for obtaining sample information and step S2 for obtaining experimental conditions may be switched in order. The computer 20 may acquire sample information and experimental conditions from another computer that sets experimental conditions and the like in the STEM 17 or may be acquired from the user via the input I / F 26.

試料情報及び実験条件を取得すると、CPU21は、試料の結晶構造の情報をもとに、第一原理バンド計算を用いて損失関数を計算する(ステップS3)。第一原理バンド計算では、たとえば、LDA(Local Density Approximation)や、GGA(Generalized Gradient Approximation)などの近似を用い、格子定数などの試料の結晶構造の情報をもとに誘電関数が算出される。そして、誘電関数から損失関数が求められる。   When the sample information and the experimental conditions are acquired, the CPU 21 calculates the loss function using the first principle band calculation based on the information on the crystal structure of the sample (step S3). In the first-principles band calculation, for example, an approximation such as LDA (Local Density Approximation) or GGA (Generalized Gradient Approximation) is used, and the dielectric function is calculated based on the crystal structure information such as the lattice constant. And a loss function is calculated | required from a dielectric function.

図6は、損失関数の一例を示す図である。横軸はエネルギー(eV)、縦軸は損失関数の大きさを示している。
ここでは、第一原理バンド計算によって計算されたSi(シリコン)の損失関数を図示している。Siの損失関数は、17eV付近で最大の値を示している。
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of the loss function. The horizontal axis represents energy (eV), and the vertical axis represents the magnitude of the loss function.
Here, the loss function of Si (silicon) calculated by the first principle band calculation is illustrated. The loss function of Si shows the maximum value near 17 eV.

次にCPU21は、算出した損失関数と、実験条件をもとに、2種類の吸収ポテンシャルを計算する(ステップS4)。
2種類の吸収ポテンシャルの1つは、エネルギースリットを考慮せず、損失関数の全エネルギー領域で積分することで算出される吸収ポテンシャルである。
Next, the CPU 21 calculates two types of absorption potentials based on the calculated loss function and experimental conditions (step S4).
One of the two types of absorption potentials is an absorption potential calculated by integrating in the entire energy region of the loss function without considering the energy slit.

図7は、エネルギースリットを考慮せずに算出される吸収ポテンシャルの概念図である。横軸がエネルギー(eV)であり、縦軸が強度(a.u.)である。この吸収ポテンシャルは、プラズモンロスによって吸収される全エネルギー帯を含んだものとなり、以下の式により算出される(詳細は非特許文献5のp.167−171参照)。   FIG. 7 is a conceptual diagram of the absorption potential calculated without considering the energy slit. The horizontal axis is energy (eV), and the vertical axis is intensity (au). This absorption potential includes the total energy band absorbed by the plasmon loss, and is calculated by the following equation (for details, see pages 167 to 171 of Non-Patent Document 5).

Figure 0005413095
Figure 0005413095

ここで、Im[−1/ε(E)]が、ステップS3の処理で算出された損失関数である。なお、Im[−1/ε(E)]は、−1/ε(E)の虚数部を示している。
2種類の吸収ポテンシャルのもう1つは、エネルギースリットを考慮して算出された吸収ポテンシャルである。具体的には、CPU21は、エネルギースリットの範囲内を積分範囲から外して吸収ポテンシャルを算出する。
Here, Im [−1 / ε (E)] is the loss function calculated in the process of step S3. Im [−1 / ε (E)] represents an imaginary part of −1 / ε (E).
Another one of the two types of absorption potential is an absorption potential calculated in consideration of the energy slit. Specifically, the CPU 21 calculates the absorption potential by removing the energy slit range from the integration range.

図8は、エネルギースリットを考慮した損失関数の積分範囲を示す図である。横軸はエネルギー(eV)であり、縦軸は損失関数の大きさを示している。ここでは、図6に示したSiの損失関数における積分範囲を示している。斜線部分が積分範囲であり、エネルギースリットの範囲E1〜E2の範囲は積分されない。 FIG. 8 is a diagram illustrating an integration range of the loss function in consideration of the energy slit. The horizontal axis represents energy (eV), and the vertical axis represents the magnitude of the loss function. Here, the integration range in the loss function of Si shown in FIG. 6 is shown. The shaded area is the integration range, and the energy slit ranges E 1 to E 2 are not integrated.

エネルギースリットを考慮した吸収ポテンシャルは、以下の式により算出される。   The absorption potential considering the energy slit is calculated by the following equation.

Figure 0005413095
Figure 0005413095

式(2)では、式(1)と異なり、E1からE2の範囲が積分範囲から除外されている。
図9は、エネルギースリットを考慮して算出される吸収ポテンシャルの概念図である。横軸がエネルギー(eV)であり、縦軸が強度(a.u.)である。この吸収ポテンシャルは、プラズモン吸収の効果が削減されたものとなっている。
In the expression (2), unlike the expression (1), the range from E 1 to E 2 is excluded from the integration range.
FIG. 9 is a conceptual diagram of the absorption potential calculated in consideration of the energy slit. The horizontal axis is energy (eV), and the vertical axis is intensity (au). This absorption potential is obtained by reducing the effect of plasmon absorption.

以上のような2種類の吸収ポテンシャルの計算を終えると、CPU21は、2種類の吸収ポテンシャルと実験条件及び試料情報をもとに、2種類の全散乱電子強度を計算する(ステップS5)。全散乱電子強度は、以下の式により求められる(詳細は非特許文献6参照)。   When the calculation of the two types of absorption potentials as described above is completed, the CPU 21 calculates two types of total scattered electron intensities based on the two types of absorption potentials, experimental conditions, and sample information (step S5). The total scattered electron intensity is obtained by the following equation (refer to Non-Patent Document 6 for details).

Figure 0005413095
Figure 0005413095

ここで、透過電子線の透過係数Tgを求める際に、ステップS4の処理で求めた吸収ポテンシャルVa,Vbが用いられ、各吸収ポテンシャルVa,Vbに応じて異なる透過係数Tgが得られる。これにより、2種類の全散乱電子強度が得られる。 Here, when obtaining the transmission coefficient T g of the transmitted electron beam, the absorption potential Va obtained in the processing in step S4, Vb is used, the absorption potential Va, different transmission coefficient T g according to Vb obtained. As a result, two types of total scattered electron intensities are obtained.

図10は、2種類の全散乱電子強度の概念図である。横軸は試料の厚さ(nm)を示し、縦軸は強度(a.u.)を示している。吸収ポテンシャルVaをもとに求められた全散乱電子強度をIa、吸収ポテンシャルVbをもとに求められた全散乱電子強度をIbで示している。   FIG. 10 is a conceptual diagram of two types of total scattered electron intensities. The horizontal axis indicates the thickness (nm) of the sample, and the vertical axis indicates the intensity (au). The total scattered electron intensity obtained based on the absorption potential Va is indicated by Ia, and the total scattered electron intensity obtained based on the absorption potential Vb is indicated by Ib.

全散乱電子強度は試料の厚さにより減衰しているが、2種類の全散乱電子強度Ia,Ibに強度差が生じている。この強度差はプラズモン吸収を考慮に入れたか否かによるものである。言い換えると、この差分がプラズモン吸収された電子の強度と見なすことができる。   Although the total scattered electron intensity is attenuated by the thickness of the sample, there is a difference in intensity between the two types of total scattered electron intensity Ia and Ib. This difference in intensity is due to whether plasmon absorption is taken into account. In other words, this difference can be regarded as the intensity of the plasmon-absorbed electron.

CPU21は、式(3)のR0(入射電子線の位置の中心)を可変して、電子線の各入射点における、2種類の全散乱電子強度の差分をプロットすることで、プラズモンロス像を生成する(ステップS6)。 The CPU 21 varies R 0 (the center of the position of the incident electron beam) in Equation (3) and plots the difference between the two types of total scattered electron intensities at each incident point of the electron beam, thereby obtaining a plasmon loss image. Is generated (step S6).

以上のような試料解析方法により、試料の原子構造を示すプラズモンロス像を簡単に計算で得ることができる。
次に、CPU21は、計算で得られたプラズモンロス像と、STEM17を用いた実験で得られたプラズモンロス像をもとに、構造解析処理を行う(ステップS7)。
By the sample analysis method as described above, a plasmon loss image showing the atomic structure of the sample can be easily obtained by calculation.
Next, the CPU 21 performs structural analysis processing based on the plasmon loss image obtained by calculation and the plasmon loss image obtained by the experiment using the STEM 17 (step S7).

具体的には、CPU21は、通信I/F27を介してSTEM17による実際の測定で得られたプラズモンロス像をコンピュータ20に取り込み、ディスプレイ25aに、計算で得られたプラズモンロス像とともに表示させる。   Specifically, the CPU 21 captures the plasmon loss image obtained by actual measurement by the STEM 17 via the communication I / F 27 into the computer 20 and displays it on the display 25a together with the plasmon loss image obtained by calculation.

図11は、プラズモンロス像の実験像と計算像を示す図であり、(A)はSi(011)面のプラズモンロス像、(B)はSrTiO3(チタン酸ストロンチウム)(001)面のプラズモンロス像を示している。図11(A),(B)において、左が実験像、右が計算像を示している。 FIG. 11 is a diagram showing an experimental image and a calculated image of a plasmon loss image. (A) is a plasmon loss image of the Si (011) plane, and (B) is a plasmon of SrTiO 3 (strontium titanate) (001) plane. Shows Ross image. 11A and 11B, the left shows an experimental image, and the right shows a calculated image.

なお、実験条件として、図11(A)の例では、エネルギースリットの範囲を15〜18eV、図11(B)の例では、エネルギースリットの範囲を28〜32eVとした。また、両者とも、EELS検出器33の取込角度は、20mradとした。この角度は入射電子線の収束角度と同程度である。   As an experimental condition, in the example of FIG. 11A, the energy slit range was 15 to 18 eV, and in the example of FIG. 11B, the energy slit range was 28 to 32 eV. In both cases, the take-in angle of the EELS detector 33 was 20 mrad. This angle is about the same as the convergence angle of the incident electron beam.

図11(A),(B)で示すように、両者とも、計算像は実験像の特徴をよく再現している。また、EELS検出器33の取込角度を、入射電子線の収束角度と同程度とすることで、プラズモンロス像においては原子位置が、弱い強度の点(黒い点)として検出されることが確認された。原子番号が大きい元素ほど、強度が弱くなり黒い点としてはっきり表れる。たとえば、CPU21は、計算像と実験像を比較して、黒い点の位置が計算像、実験像とも一致している場合には、その位置を原子位置として特定する。   As shown in FIGS. 11A and 11B, in both cases, the calculated image well reproduces the characteristics of the experimental image. In addition, it is confirmed that the atomic position is detected as a weak intensity point (black point) in the plasmon loss image by setting the capture angle of the EELS detector 33 to be approximately the same as the convergence angle of the incident electron beam. It was done. The higher the atomic number, the weaker the intensity and the clearer it appears as a black dot. For example, the CPU 21 compares the calculated image and the experimental image, and if the position of the black dot matches the calculated image and the experimental image, the CPU 21 specifies the position as the atomic position.

以上のように、本実施の形態の試料解析方法によれば、測定で得られたプラズモンロス像と、計算で得られたプラズモンロス像との比較が可能になり、測定で得られたプラズモンロス像の解釈が容易になる。   As described above, according to the sample analysis method of the present embodiment, the plasmon loss image obtained by measurement and the plasmon loss image obtained by calculation can be compared, and the plasmon loss obtained by measurement can be compared. Interpretation of the image becomes easy.

したがって、容易に精度よく試料の原子構造を解析可能になる。
以上、実施の形態に基づき、本発明の試料解析装置及び試料解析方法の一観点について説明してきたが、これらは一例にすぎず、上記の記載に限定されるものではない。
Therefore, the atomic structure of the sample can be easily and accurately analyzed.
As mentioned above, although one viewpoint of the sample analyzer and sample analysis method of this invention was demonstrated based on embodiment, these are only examples and are not limited to said description.

10 試料解析装置
11 入力部
11a 試料情報入力部
11b 実験条件入力部
12 損失関数演算部
13 吸収ポテンシャル演算部
14 全散乱電子強度演算部
15 プラズモンロス像生成部
16 構造解析部
17 STEM
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sample analyzer 11 Input part 11a Sample information input part 11b Experimental condition input part 12 Loss function calculation part 13 Absorption potential calculation part 14 Total scattered electron intensity calculation part 15 Plasmon loss image generation part 16 Structure analysis part 17 STEM

Claims (5)

プラズモン吸収領域に設定されるエネルギースリットを含む実験条件と、試料情報を取得する入力部と、
前記試料情報をもとに損失関数を算出する損失関数演算部と、
前記損失関数と、前記プラズモン吸収領域に設定される前記エネルギースリットをもとに、前記エネルギースリットを考慮するか否かで2種類の吸収ポテンシャルを算出する吸収ポテンシャル演算部と、
前記2種類の吸収ポテンシャルをもとに、第1及び第2の全散乱電子強度を算出する全散乱電子強度演算部と、
前記第1の全散乱電子強度と前記第2の全散乱電子強度との差分からプラズモンロス像を生成するプラズモンロス像生成部と、
を有することを特徴とする試料解析装置。
Experimental conditions including an energy slit set in the plasmon absorption region, an input unit for acquiring sample information,
A loss function calculator that calculates a loss function based on the sample information;
Based on the loss function and the energy slit set in the plasmon absorption region, an absorption potential calculation unit that calculates two types of absorption potentials depending on whether the energy slit is considered,
Based on the two types of absorption potentials, a total scattered electron intensity calculation unit for calculating first and second total scattered electron intensity,
A plasmon loss image generation unit that generates a plasmon loss image from a difference between the first total scattered electron intensity and the second total scattered electron intensity;
A sample analyzing apparatus comprising:
前記吸収ポテンシャル演算部は、前記エネルギースリットの範囲外を積分範囲として第1の吸収ポテンシャルを算出し、前記エネルギースリットの範囲を含めたエネルギー領域を積分範囲として第2の吸収ポテンシャルを算出することを特徴とする請求項1記載の試料解析装置。   The absorption potential calculation unit calculates a first absorption potential with an integration range outside the energy slit range, and calculates a second absorption potential with an energy range including the energy slit range as an integration range. The sample analyzer according to claim 1, wherein the sample analyzer is characterized in that: 前記プラズモンロス像の実験像を取得し、前記プラズモンロス像生成部で生成した前記プラズモンロス像の計算像と、取得した前記実験像とを比較し、原子位置を決定する構造解析部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の試料解析装置。   A structural analysis unit that acquires an experimental image of the plasmon loss image, compares the calculated image of the plasmon loss image generated by the plasmon loss image generation unit with the acquired experimental image, and determines an atomic position. The sample analysis apparatus according to claim 1, wherein: 前記実験条件のうち、電子エネルギー損失分光の検出器の取込角度は、入射電子線の収束角度と略同一であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の試料解析装置。   The sample analysis according to any one of claims 1 to 3, wherein, among the experimental conditions, the capture angle of the detector for electron energy loss spectroscopy is substantially the same as the convergence angle of the incident electron beam. apparatus. プラズモン吸収領域に設定されるエネルギースリットを含む実験条件と、試料情報を取得し、
前記試料情報をもとに損失関数を算出し、
前記損失関数と、前記プラズモン吸収領域に設定される前記エネルギースリットをもとに、前記エネルギースリットを考慮するか否かで2種類の吸収ポテンシャルを算出し、
前記2種類の吸収ポテンシャルをもとに、第1及び第2の全散乱電子強度を算出し、
前記第1の全散乱電子強度と前記第2の全散乱電子強度との差分からプラズモンロス像を生成することを特徴とする試料解析方法。
Obtain the experimental conditions including the energy slit set in the plasmon absorption region and the sample information,
Calculate a loss function based on the sample information,
Based on the loss function and the energy slit set in the plasmon absorption region, two types of absorption potentials are calculated depending on whether or not the energy slit is considered,
Based on the two kinds of absorption potentials, the first and second total scattered electron intensities are calculated,
A sample analysis method, wherein a plasmon loss image is generated from a difference between the first total scattered electron intensity and the second total scattered electron intensity.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP4449573B2 (en) * 1999-01-04 2010-04-14 株式会社日立製作所 Element mapping apparatus, scanning transmission electron microscope, and element mapping method
JP2002118159A (en) * 2000-10-05 2002-04-19 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method for measuring impurity concentration profile and method for measuring thickness of thin film material
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