JP5958914B2

JP5958914B2 - 透過型ｅｂｓｄ法

Info

Publication number: JP5958914B2
Application number: JP2013051013A
Authority: JP
Inventors: 鈴木　清一; 清一鈴木
Original assignee: TSL SOLUTIONS K.K.
Current assignee: TSL SOLUTIONS K.K.
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2016-08-02
Anticipated expiration: 2033-03-13
Also published as: JP2014178154A

Description

本発明は、透過型ＥＢＳＤ法に関し、特に、より安定で、コントラストの優れた菊池線回折パターンを得ることができる透過型ＥＢＳＤ法に関する。

金属やセラミックスをはじめとする結晶性材料の方位情報は、材料の性質を明らかにし、制御するための重要な情報である。この結晶性材料の方位情報は、電子線後方散乱回折（electron back scattering diffraction）（以下、本明細書において“ＥＢＳＤ”という。）法により測定することができる。ＥＢＳＤ法は、走査電子顕微鏡を使用し、電子線後方散乱により得られる菊池線回折パターンに基づき結晶方位を解析する方法である。

図３は、従来の反射型ＥＢＳＤ法の測定原理を示す模式図である。図３に示すように、走査電子顕微鏡内にバルク試料３１を配置し、試料３１の表面に電子線（e-）を照射し、反射する電子線の回折パターン（菊池線回折パターン）を取得する。試料３１に入射する電子線（e-）の光軸に垂直な面３２と試料３１とのなす角度は６０°〜７０°程度に調整する。菊池線回折パターンは、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーン３３で取得し、試料表面上で電子線を走査することにより、方位情報をマッピングする。このようにして、材料の微細組織の結晶構造を再現し、所定の局所領域の結晶方位を知ることができる。

一方、透過型ＥＢＳＤ法が知られている（非特許文献１参照）。図４は、従来の透過型ＥＢＳＤ法の測定原理を示す模式図である。図４に示すように、走査電子顕微鏡内に薄膜試料４１を配置し、対物レンズ４４から薄膜試料４１に電子線（e-）を照射し、透過する電子線の回折パターン（菊池線回折パターン）をＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーン４３により検出し、試料上で電子線を走査する。透過型ＥＢＳＤ法により、試料の深さ方向の解析やより微細な構造の分析が可能となる。

非特許文献１によれば、薄膜試料の傾斜角は、図４に示すように、薄膜試料４１の法線方向４５と電子線の光軸とのなす角度α、すなわち薄膜試料４１に入射する電子線の光軸に垂直な面４２と試料４１とのなす角度αを、約１０°〜３０°に調整すると、シグナル強度が強くなると記載されている（非特許文献１のp.247参照）。また、対物レンズ４４から、薄膜試料４１の測定部位までの距離WD（working distance）は１０ｍｍ以上とすると有効であると記載されている（非特許文献１のp.247参照）。

R.R.ケラー & R.H.ゲイス, 「走査電子顕微鏡による１０ｎｍ領域からの透過ＥＢＳＤ( Transmission EBSD from 10nm domains in a scanning electronmicroscope )」, "ジャーナルオブマイクロスコピー", vol.245, 2012年, pp.245-251

本発明の課題は、より安定で、コントラストの優れた菊池線回折パターンを得ることができる透過型ＥＢＳＤ法を提供することにある。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法は、走査電子顕微鏡を使用し、試料に入射する電子線により試料を透過して生じるＥＢＳＤパターンに基づき結晶方位を解析する方法である。走査電子顕微鏡は、電子線源と、電子線源から放出する電子線を集束する集束レンズと、電子線をさらに集束することにより試料上に電子プローブを形成する対物レンズと、試料上で電子プローブを走査する走査コイルと、ＥＢＳＤパターン検出器と、試料ホルダーとを備える。また、ＥＢＳＤパターン検出器は、試料に入射する電子線により試料から生じるＥＢＳＤパターンを蛍光スクリーンにより取得する。電子線の加速電圧は１５ｋＶ以上であり、試料は結晶性薄膜を使用する。

ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きいときは、試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達するように、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板を備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する。

一方、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さいときは、試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達しないように、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板を備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する。あるいは、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さいときは、試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤ検出器の蛍光スクリーンに到達しないように、回折電子線以外の透過電子線を捕捉するトラップを備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する。

試料に入射する電子線の光軸に垂直な面と、試料とのなす角度αは、３０°〜８０°が好ましく、３０°〜６０°がより好ましい。また、対物レンズの下端から試料の測定部位までの距離ＷＤは、３ｍｍ〜９ｍｍである態様が好ましい。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法によれば、より安定で、コントラストの優れた菊池線回折パターンを得ることができ、解像度の高い透過ＥＢＳＤ方位マップ像を取得できる。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法で使用する試料ホルダーの模式図である。本発明の透過型ＥＢＳＤ法で使用する走査電子顕微鏡の構成を示す模式図である。従来の反射型ＥＢＳＤ法の測定原理を示す模式図である。従来の透過型ＥＢＳＤ法の測定原理を示す模式図である。本発明の透過型ＥＢＳＤ法で使用する試料ホルダーの模式図である。本発明の方法による透過ＥＢＳＤ方位マップ図である。従来の方法による透過ＥＢＳＤ方位マップ図である。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝１５ｍｍ，α＝２０°）。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝１５ｍｍ，α＝４０°）。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝１５ｍｍ，α＝６０°）。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝５ｍｍ，α＝２０°）。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝５ｍｍ，α＝４０°）。本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図である（ＷＤ＝５ｍｍ，α＝６０°）。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法は、走査電子顕微鏡を使用し、試料に入射する電子線により試料を透過して生じるＥＢＳＤパターンに基づき、試料の結晶方位を解析する。図２は、本発明の透過型ＥＢＳＤ法に使用する走査電子顕微鏡の構成を示す模式図である。図２に示すように、電子線源６ａから放出する電子線（e-）を集束レンズ６ｂにより収束し、集束後の電子線は、対物絞り６ｃの開口部を通過する。対物絞り６ｃを通過した電子線を、対物レンズ４によりさらに集束し、電子線は、試料１上で焦点を結び、試料１上に電子プローブを形成する。

試料ホルダーに保持した試料１に電子線が入射し、透過することにより、試料から回折電子線１ａが生じ、回折電子線１ａのＥＢＳＤパターンを、ＥＢＳＤパターン検出器３の蛍光スクリーン３ａにより取得する。取得したＥＢＳＤパターンから、試料１の測定部位における結晶方位と結晶構造を解析することができる。走査電子顕微鏡は、走査コイル（図示していない。）により試料１上で電子プローブを容易に走査することができるため、試料上の複数点における結晶方位情報を取得し、各測定点における結晶方位情報と位置情報を蓄積することにより結晶の方位マップ像が得られ、試料の結晶構造を再現し、所定の局所領域の結晶方位を把握することができる。

試料は、結晶性薄膜を使用し、透過電子顕微鏡用の試料を好ましく使用することができる。試料のサイズは、たとえば直径３ｍｍ、厚さ１μｍ以下の円盤状のものを使用するが、試料を透過した電子線強度を確保する点で、観察領域の厚さは、好ましくは３００ｎｍ以下、より好ましくは２００ｎｍ以下、特に好ましくは１００ｎｍ以下に加工する。試料全体を３００ｎｍ以下に加工すると、観察領域は広くなるが、ホルダーへの装着、真空排気等の取り扱いが難しくなる。このため、観察領域は電解研磨法、フォーカスイオンビーム法等により局所的に薄くし、その他の領域は厚くして強度を保持する態様が好ましい。電子線の加速電圧は、１５ｋＶ以上、３０ｋＶ以下とし、好ましくは２０ｋＶ以上、３０ｋＶ以下とする。加速電圧が高いほど、電子線を絞ることができ、比較的厚い試料でも透過電子線強度を確保し、高分解能の解析が可能となる。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法では、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きいと予想されるときは、試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達するように、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板を備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する。図１は、本発明の透過型ＥＢＳＤ法において使用する試料ホルダーの模式図である。図１に示すように、試料ホルダーは、反射板７を備える。対物レンズ４により収束した電子線（e-）が試料１に入射し、試料１を透過した回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂが、ＥＢＳＤパターン検出器３の蛍光スクリーン３ａに到達するように、回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂを反射板７により反射する。

観察用の試料を、たとえば電解研磨法により調製すると、試料の断面がクサビ状に陥没し、クサビの中央部に穴が形成され、穴の周辺領域が最も薄く、穴から離れるにつれて、試料の厚さが厚くなる。電解研磨法で調製した場合でも、調製の仕方により、試料の厚さの変化は異なる。試料の厚さの変化が大きいと、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化も大きくなる。また、たとえば試料中に析出物が存在することによっても、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きくなる。

このように、様々な要因により、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化は大きくなるが、回折電子線の強度の変化が大きくなると、蛍光スクリーン上のＥＢＳＤパターンの輝度の変化が大きくなり、ＥＢＳＤパターンを安定的に取得することが難しくなる。このため、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きいと予想されるときは、図１に示す試料ホルダーを使用することが好ましい。

図１に示す試料ホルダーによれば、電子線（e-）が試料１に入射し、試料１を透過した回折電子線１ａが蛍光スクリーン３ａに到達する。また、回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂが反射板７により蛍光スクリーン３ａに到達する。試料１を透過した回折電子線１ａの強度に、透過電子線１ｂの強度をバックグラウンドとして加算することにより、加算後の電子線強度の相対的な変化量を軽減することができ、コントラストの優れたＥＢＳＤパターンを安定的に得ることが可能になり、解像度の高い透過ＥＢＳＤ方位マップ像が得られる。

図６は、本発明の方法による透過ＥＢＳＤ方位マップ図であり、図１に示す反射板７付き試料ホルダーを使用したときの方位マップ像である。図１に示すように、試料１を透過する回折電子線１ａが蛍光スクリーン３ａに到達し、また透過電子線１ｂも反射板７により蛍光スクリーン３ａに到達するように調整している。一方、図７は、従来の方法による透過ＥＢＳＤ方位マップ図であり、本発明の反射板７を使用していない以外は、図６の例と同様にして取得した方位マップ像である。図６と図７の例では、鉄を試料とし、電解研磨法により調製した薄膜試料を加速電圧２５ｋＶで観察している。また、図６と図７に示す例はいずれも、電解研磨法により試料を調製しているため、図の左側領域で試料の膜厚が厚く、図の右側へ進むにつれて膜厚が徐々に薄くなっている。

図７に示す方位マップ像では、反射板を使用していないため、図７における右端の領域の画像が、図の左側の領域に比べて相対的に暗くなっている。これに対して、図６に示す方位マップ像では、右側と左側とで画像の解像度に有意な差はない。これは、図７に示す例では、図の左側の領域と比較して、図の右端の領域では結晶性薄膜の膜厚が薄い。この結果、図の左側の領域と比較して、図の右端の領域では回折電子線の強度が小さくなり、蛍光スクリーン上のＥＢＳＤパターンが暗くなり、明確に検出できないためである。これに対し、図６に示す例では、本発明の反射板を備える試料ホルダーを使用しているため、透過電子線を蛍光スクリーンに反射させ、回折電子線の強度に透過電子線の強度をバックグラウンドとして加算し、加算後の電子線強度の相対的な変化量を軽減することにより、蛍光スクリーン上のＥＢＳＤパターンの輝度変化を少なくして、カメラ撮影を可能にしている。このため、図６に示すように、解像度の良好な方位マップ像が得られる。

これらの例から明らかなとおり、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きいときには、蛍光スクリーン上のＥＢＳＤパターンの輝度変化が大きくなる。このため、図１に示すように、試料１を透過した回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂが蛍光スクリーン３ａに到達するように、透過電子線１ｂを反射する反射板７を備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する方法が好ましい。

本発明の透過型ＥＢＳＤ法では、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さいと予想されるときは、試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達しない構造の試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する。かかる試料ホルダーは、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板、または回折電子線以外の透過電子線を捕捉するトラップを備える態様が好ましい。

観察用の試料を、たとえばフォーカスイオンビーム法等により調製すると、調整の仕方によっても異なるが、比較的平坦で、厚さの変化の小さい試料が得られる。試料の厚さの変化が小さいと、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化も小さい。また、たとえば試料中の析出物が少ないときは、ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さい。このようにＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さいときは、蛍光スクリーン上のＥＢＳＤパターンの輝度の変化が小さいため、回折電子線以外の透過電子線が蛍光スクリーンに到達しないようにする方が、コントラストの優れたＥＢＳＤパターンを安定して取得することができ、解像度の高い透過ＥＢＳＤ方位マップ像を取得できる。

回折電子線以外の透過電子線が蛍光スクリーンに到達しないようにする態様としては、試料下に障害物を配置せず、フリーにする態様も考えられる。しかし、試料下をフリーにすると、走査電子顕微鏡内の構造物に衝突した透過電子線が蛍光スクリーンに飛び込み、ノイズとなり、コントラストが低下する要因となり易い。したがって、回折電子線以外の透過電子線が蛍光スクリーンに到達しないように、回折電子線以外の透過電子線を積極的に排除する態様が好ましい。

図５は、本発明の透過型ＥＢＳＤ法で使用する試料ホルダーの模式図である。図５に示すように、対物レンズ４により収束した電子線（e-）が試料１を透過した後、回折電子線１ａは、ＥＢＳＤパターン検出器３の蛍光スクリーン３ａに到達し、ＥＢＳＤパターンを形成する。しかし、図５に示す試料ホルダーは、回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂが蛍光スクリーン３ａに到達しない態様を有する。たとえば、図５（ａ）に示す態様の試料ホルダーは、回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂが、蛍光スクリーンに到達しないように、入射する電子線（e-）の光軸を基準にして、蛍光スクリーンが存在する方向と逆の方向に傾斜面を有する反射板７ａにより透過電子線１ｂを反射する。

たとえば、図５（ｂ）に示す態様の試料ホルダーは、試料１に入射する電子線（e-）の光軸に垂直な面７ｂを備え、面７ｂが回折電子線１ａ以外の透過電子線１ｂを捕捉するトラップの機能を発揮するため、透過電子線１ｂが蛍光スクリーンに到達しない。たとえば、図５（ｃ）に示す態様の試料ホルダーは凹部８を備え、凹部８が透過電子線１ｂを捕捉するトラップの機能を発揮するため、透過電子線１ｂが蛍光スクリーン３ａに到達しない。透過電子線１ｂを十分に除外する点で、図５（ｃ）における距離Ｔ（：対物レンズ４の下端と、凹部８の底部までの距離）は６０ｍｍ以上とする態様が好ましい。

図１と図５において、試料１に入射する電子線（e-）の光軸に垂直な面２と、試料１とのなす角度αの好ましい範囲を検討する。また、対物レンズ４の下端から試料１の測定部位までの距離ＷＤの好ましい範囲を検討する。図８〜図１０は、ＷＤ＝１５ｍｍであるときの本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図であり、図８ではα＝２０°であり、図９ではα＝４０°であり、図１０ではα＝６０°である。一方、図１１〜図１３は、ＷＤ＝５ｍｍであるときの本発明の方法により得られる透過ＥＢＳＤパターンを示す図であり、図１１ではα＝２０°であり、図１２ではα＝４０°であり、図１３ではα＝６０°である。図８〜図１３の透過ＥＢＳＤパターンは、図５（ａ）に示す試料ホルダーを使用し、アルミニウムの結晶性薄膜を試料とし、電子線の加速電圧２５ｋＶで測定したデータであるが、図１および図５に示す他の試料ホルダーを使用しても、同様の傾向が認められる。

図８〜図１０に示す透過ＥＢＳＤパターンを比較すると、ＷＤ＝１５ｍｍ（一定）であるときは、α＝２０°（図８）よりα＝４０°（図９）の方が解像度は良好である。一方、α＝４０°（図９）の場合とα＝６０°（図１０）の場合とでは、解像度は同様に良好である。また、図１１〜図１３に示す透過ＥＢＳＤパターンを比較すると、ＷＤ＝５ｍｍ（一定）であるときは、α＝２０°（図１１）より、α＝４０°（図１２）の方が解像度は良好である。一方、α＝４０°（図１２）の方がα＝６０°（図１３）より解像度が良好である。さらに、ＥＢＳＤパターンをマッピングして得られる方位マップ像の解像度を併せて考慮すると、角度αは３０°〜８０°が好ましく、３０°〜６０°がより好ましく、３５°〜５５°が特に好ましい。

一方、図８と図１１に示す透過ＥＢＳＤパターンを比較すると、α＝２０°（一定）であるときは、ＷＤ＝１５ｍｍ（図８）よりＷＤ＝５ｍｍ（図１１）の方が解像度は良好である。また、図９と図１２に示す透過ＥＢＳＤパターンを比較すると、α＝４０°（一定）であるときは、ＷＤ＝１５ｍｍ（図９）よりＷＤ＝５ｍｍ（図１２）の方が解像度は良好である。さらに、ＥＢＳＤパターンをマッピングして得られる方位マップ像の解像度を併せて考慮すると、ＷＤは３ｍｍ〜９ｍｍが好ましく、４ｍｍ〜８ｍｍがより好ましく、５ｍｍ〜７ｍｍが特に好ましい。

本発明の透過ＥＢＳＤ法により、金属やセラミックスをはじめとする結晶性材料の方位情報が明らかになるため、材料の性質を正確に把握し、制御することが容易となる。

１試料
１ａ回折電子線
１ｂ透過電子線
２試料に入射する電子線の光軸に垂直な面
３ＥＢＳＤパターン検出器
３ａ蛍光スクリーン
４対物レンズ
６ａ電子線源
６ｂ集束レンズ
６ｃ対物絞り
７，７ａ反射板
７ｂ試料に入射する電子線の光軸に垂直な面（：トラップ）
８凹部（：トラップ）
α 試料に入射する電子線の光軸に垂直な面と、試料とのなす角度
ＷＤ対物レンズの下端から試料の測定部位までの距離

Claims

電子線源と、
該電子線源から放出する電子線を集束する集束レンズと、
電子線をさらに集束することにより試料上に電子プローブを形成する対物レンズと、
試料上で電子プローブを走査する走査コイルと、
入射する電子線により試料から生じる電子線後方散乱回折（electron back scattering diffraction：ＥＢＳＤ）パターンを蛍光スクリーンで取得するＥＢＳＤパターン検出器と、
試料ホルダーと
を備える走査電子顕微鏡を使用して、試料に入射する電子線により試料を透過して生じるＥＢＳＤパターンに基づき結晶方位を解析する透過型ＥＢＳＤ法であって、
電子線の加速電圧は、１５ｋＶ以上であり、
試料は、結晶性薄膜であり、
ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が大きいときは、前記試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達するように、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板を備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析し、
ＥＢＳＤパターンを形成する回折電子線の強度の変化が小さいときは、前記試料を透過した回折電子線以外の透過電子線が、ＥＢＳＤパターン検出器の蛍光スクリーンに到達しないように、回折電子線以外の透過電子線を反射する反射板、または回折電子線以外の透過電子線を捕捉するトラップを備える試料ホルダーを使用して結晶方位を解析する
透過型ＥＢＳＤ法。
前記試料に入射する電子線の光軸に垂直な面と試料とのなす角度αが３０°〜８０°である請求項１に記載の透過型ＥＢＳＤ法。
前記試料に入射する電子線の光軸に垂直な面と試料とのなす角度αが３０°〜６０°である請求項１又は２に記載の透過型ＥＢＳＤ法。
前記対物レンズの下端から試料の測定部位までの距離ＷＤが３ｍｍ〜９ｍｍである請求項１〜３のいずれかに記載の透過型ＥＢＳＤ法。