JPH0620635A

JPH0620635A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH0620635A
Application number: JP20059692A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Honma; 芳和本間; Mineharu Suzuki; 峰晴鈴木; Tetsuya Maruo; 哲也丸尾; Masahito Tomita; 雅人富田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-01-28
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JP2790575B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、表面原子配列の実空間分布
観察が可能な走査電子顕微鏡を提供することにある。【構成】電子ビームを細く収束して試料表面を走査
し、その際に発生する二次電子を二次電子検出手段によ
って検出し、二次電子検出手段からの信号を電子ビーム
の走査と同期させて表示することにより試料表面の走査
像を得る走査電子顕微鏡において、前記二次電子検出手
段と試料との間に二次電子の取り込み角度を制限する角
度制限手段を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶材料の表面を観察
する走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体、金属等の単結晶基板表面
の原子配列の分布を実空間の像として観察する方法とし
ては、反射電子顕微鏡または走査型反射電子顕微鏡が用
いられていた。反射電子顕微鏡では電子ビームを試料表
面すれすれに入射させ、試料表面の原子列によって回折
された電子を用いて表面の像を結像させる（八木、谷
城、高柳：「表面電子顕微鏡法」応用物理５５（１９８
６）１０３６）。また、走査型反射電子顕微鏡では、同
様に電子ビームを試料表面すれすれに入射させたときに
発生する回折電子を用いるが、電子ビームを走査電子顕
微鏡と同じように試料表面を走査させ、これに同期させ
て回折電子の強度をブラウン管に表示させることによ
り、表面の走査像を得る（市川、土井、早川：「マイク
ロプローブ反射電子回折法による結晶表面の観察」応用
物理５４（１９８５）ｌｌ８７）。いずれも、結晶表面
の原子配列に敏感な手段で、表面に吸着した異種原子層
や、結晶構成原子が表面１〜３原子層で結晶内部（バル
ク）と異なった原子配列をとる表面再配列構造（例え
ば、Ｓｉ（１１１）面における７×７構造やＳｉ（１０
０）面におけるｌ×２構造）についての空間分布を鮮明
な像として観察できる。しかし、いずれの場合にも表面
からの反射回折電子を利用するため電子ビームを試料表
面すれすれ（数度以下）に入射させる必要があり、得ら
れる像は電子ビームの入射方向に極端な寸詰まりを起こ
す（縦横比が数十対１）。

【０００３】反射回折電子を用いずに二次電子で結晶表
面の走査像を得ようとする試みもある（市ノ川：「低エ
ネルギー走査型電子顕微鏡」日本結晶学会誌２９（１９
８７）１３０、および、井野：「超高真空走査電子顕微
鏡による表面吸着層の観察」日本物理学会ｌ９９０年秋
の分科会講演予講集第二分冊Ｐ．４６０）。この場合に
は垂直入射の電子ビームを使用でき、走査像の寸詰まり
はない。しかし、この方法では表面に存在する基板原子
とは異なる原子の層を識別することができるが、表面再
配列層のような基板原子自体の原子配列の違いを識別す
ることはできなかった。これは、以下に述べるように、
従来法では発生する二次電子を放出方向に無関係に検出
していたため、原子配列の違いを区別できなかったこと
による。

【０００４】図９に従来の走査電子顕微鏡の構造を示
す。電界放射型の電子銃２１から発生した電子ビーム２
２はコンデンサレンズ２３で収束され、偏向コイル２４
で偏向された後、対物レンズ２５でさらに収束されて、
その中に置かれた試料台２６に登載された試料２７の表
面に照射される。これにより、試料２７の表面から二次
電子２８が発生する。二次電子２８は対物レンズの磁場
の中をサイクロトロン運動をしながら二次電子検出器２
９の電界に引かれて上方に遡り、二次電子検出器２９で
検出され、電子ビーム２２の偏向コイル２４による走査
と同期させてＣＲＴ等の表示手段３０上に検出強度を表
示することにより走査像が得られる。図１０は別の型の
従来の走査電子顕微鏡の構造を示す図である。電子銃、
コンデンサレンズ、偏向コイルは図９と同じである。電
子ビーム３２は対物レンズ３５で収束されて、その外に
置かれた試料台３６に登載された試料３７の表面に照射
される。これにより、試料３７の表面から二次電子３８
が発生する。二次電子３８は二次電子検出器３９の電界
（典型的には１０ｋＶ）によって引き込まれ、二次電子
検出器３９で検出され、電子ビーム３２の偏向コイル３
４による走査と同期させてＣＲＴ等の表示手段４０上に
検出強度を表示することにより走査像が得られる。

【０００５】従来装置で原子配列を反映した像が得られ
なかった理由は、発生した二次電子を試料面内の放出方
向に無関係に検出していたためである。即ち、図９のよ
うな二次電子の検出方式では、二次電子のサイクロトロ
ン運動により二次電子の放出方向に対する情報が失わ
れ、試料面内のどの方向に放出された二次電子も平等に
検出していた。また、図１０のような二次電子検出方式
では、二次電子検出器３９の方向に放出された二次電子
と二次電子検出器３９と逆方向に放出された二次電子と
の間には引込効率の違いはあるものの、強い引込電界の
効果により、放出方向選択性は非常に弱かった。これ
は、従来の装置では、二次電子の引込効率を高めること
に主眼がおかれ、むしろ、放出方向の選択性を持たせな
い検出方式を採用していたためである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の走査電
子顕微鏡における上記の欠点を改善するために提案され
たもので、その目的は、表面原子配列の実空間分布観察
が可能な走査電子顕微鏡を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、二次電子検出手段と試料との間に二次電
子の取り込み角度を制限する角度制限手段を有すること
を特徴とする走査電子顕微鏡の提供を要旨とするもので
ある。

【０００８】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の第１の実施例における走査
電子顕微鏡を示す。電界放射型の電子銃ｌから発生した
電子ビーム２はコンデンサレンズ３で収束され、偏向コ
イル４で偏向された後、対物レンズ５でさらに収束され
て、試料台６に登載された試料７の表面に照射される。
これにより、試料７の表面から二次電子８が発生する。
二次電子８は試料台６の横に置かれた二次電子検出器９
で検出され、電子ビーム２の偏向コイル４による走査と
同期させてＣＲＴ等の表示手段１１上に検出強度を表示
することにより走査像が得られる。この際、二次電子検
出器９の前面に設置されたコリメータ１０により、試料
７上で電子ビーム２の照射点と二次電子検出器９を結ぶ
直線と垂直に近い方向に放出された二次電子８１は、二
次電子検出器９に到達しない。

【０００９】この時、走査像が表面原子配列分布を反映
したものになる理由を以下に説明する。二次電子の放出
方向は完全には等方的ではなく、原子配列の異方性を反
映した空間分布を持つ。この様子を２回対称性を持つＳ
ｉ（１００）面の１×２構造を例に図２を用いて説明す
る。１×２構造の原子配列を横から眺めると、図中でＡ
方向と示した方向と、これに垂直なＢ方向では原子配列
が異なる。このため、二次電子の放出強度にもＡ方向と
Ｂ方向との間で僅かな差が生じる。従って、放出される
二次電子のうち、±９０゜未満の方位角内にのみ放出さ
れるものを検出すると、二次電子強度は原子配列と同じ
２回対称性を持つ。この二次電子の放出強度の２回対称
性における山と谷の強度差は、表面に垂直な方向の二次
電子まで検出するよりも、表面に対して低角に放出され
る二次電子だけを検出した方が大きくなる。図２の原子
配列のＡ方向の向きが９０゜異なる二つの領域（ドメイ
ン）が共存している場合（Ｓｉ（１００）面ではｌ×２
領域と２×１領域に対応する）、本発明装置を用いてＡ
方向あるいはＢ方向に放出される二次電子を選択的に検
出すると、それぞれのドメインが明あるいは暗に分か
れ、ドメイン分布を反映した像を得ることができる。

【００１０】以下にコリメータの詳細を説明する。本実
施例では、コリメータ１０は二次電子検出器９の側に固
定されているので、試料台６を自由に回転させたり移動
させることにより、観察に最適な試料方位を選択でき
る。図３は中空円筒形のコリメータを説明する図であ
る。中空円筒形のコリメータとしては、図３（ａ）に示
すように、二次電子検出器９の検出面とコリメータ１０
の端面との距離Ｌが開口径Ｄよりも長いことが望ましい
（Ｌ／Ｄ＞１）が、Ｌ／Ｄ≦１の場合にもある程度の効
果を期待できる。また、（ｂ）二次電子検出器９を包み
込む構造のものや、（ｃ）同心中空円筒を複数個組み合
わせたものを用いることもできる。複数個の同心中空円
筒の組合せとすることにより、角度制限機能を向上でき
る。また、中空円筒に電圧を印加することにより、レン
ズ作用やエネルギフイルタ作用を持たせることもでき
る。

【００１１】図４にはアパーチャ形のコリメータを示
す。この場合は（ａ）の有孔円盤や（ｂ）のスリット孔
を有する板を用いる。これらを２枚ないしはそれ以上の
枚数を（ｃ）、（ｄ）のように組み合わせることによ
り、角度制限機能を向上できる。２枚以上を組み合わせ
た場合のアパーチャ開口径Ｄと二次電子検出器９の検出
面とコリメータ１０の端面との距離Ｌとの関係は図３の
場合と同様である。また、これらに電圧を印加すること
により、レンズ作用やエネルギフイルタ作用を持たせる
こともできる。また、アパーチャ形のコリメータと中空
円筒形のコリメータを組み合わせて使うこともできる。

【００１２】図５には平行板形のコリメータを示す。こ
の場合は（ａ）のｌ組の平行板から成るスリットや、
（ｂ）のように互いに直行する２組の平行板を組み合わ
せたスリット板を用いる。（ａ）の場合には、角度制限
機能がスリット板に垂直な方向のみであるので、スリッ
ト板を試料表面に垂直に設定して使用する。（ｂ）で
は、図４（ｂ）と同様な角度制限機能を持つ。スリット
の開口径Ｄと二次電子検出器９の検出面とコリメータ１
０の端面との距離Ｌとの関係は図３の場合と同様であ
る。さらに、（ｃ）、（ｄ）のように３枚以上の平行板
を組み合わせることにより、角度制限機能を向上でき
る。また、これらに電圧を印加することにより、レンズ
作用やエネルギフイルタ作用を持たせることもできる。

【００１３】本発明をＳｉ（１００）面の観察に適用し
た結果を以下に示す。電子銃により２５ｋｅＶの電子ビ
ームを発生し、試料の表面で２０ｎｍの径に収束し、試
料表面に対し３０゜の角度で入射させた。二次電子検出
器には１０ｋＶの引込電圧を印加した。試料を１×２の
Ａ方向が二次電子検出器９に向かうように設置し、二次
電子の走査像を観察した。コリメータ１０としては中空
円筒型のものを使用した。この結果、図６に示すよう
に、２×１ドメインが暗く、１×２ドメインが明るくな
り、両者の間に鮮明な二次電子強度に差が得られ、両者
の分布を反映した走査像を得ることができた。

【００１４】（実施例２）図７に本発明の第２の実施例
における走査電子顕微鏡の試料台付近を示す。他の部分
は実施例１と同様であるので省略した。本実施例では、
コリメータ１０は試料台６に固定されている。コリメー
タとしては実施例ｌと同様なものを用いることができ、
実施例ｌと同じ効果を持つ。ただし、試料７を面内で回
転するとき試料台６が一緒に回転する場合には、試料７
の方位をコリメータ１０に対して適切な方向に予め設定
しておく必要がある。

【００１５】（実施例３）図８に本発明の第３の実施例
における走査電子顕微鏡を示す。本実施例では二次電子
検出器９をコリメータ１０とともに試料台６の周囲で回
転することができる。これにより、電子ビーム２の試料
７に対する入射角度と、二次電子８の検出角度を独立に
設定することができる。この場合、二次電子像の観察に
おいて以下に述べる利点が生じる。二次電子像では表面
原子層の段差（原子ステツプ）も観察することができ
る。この二次電子像における原子ステツプのコントラス
トは電子ビームの原子ステップに対する入射方向および
入射角度に強く依存する（Ｙ．Ｈｏｍｍａ、Ｍ．Ｔｏｍ
ｉｔａａｎｄＴ．Ｈａｙａｓｈｉ： ”Ｓｅｃｏｎ
ｄａｒｙｅｌｅｃｔｒｏｎｉｍａｇｉｎｇｏｆ
ｍｏｎｏｌａｙｅｒｓｔｅｐｓｏｎａｃｌｅａ
ｎＳｉ（１１１）ｓｕｒｆａｃｅｓ” Ｓｕｒｆａｃ
ｅＳｃｉｅｎｃｅ、２５８（１９９１）１４７）。図
６に示したＳｉ（１００）表面の例では、ｌ×２、２×
１各ドメインの間には約０．１３ｎｍの段差の原子ステ
ップが存在する。ところが、各ドメイン内部の原子配列
の向きとドメインの境界である原子ステツプの方向は、
ＳＥＭ観察のレベルでは必ずしも一致しない。このた
め、二次電子検出器の位置が固定されている実施例１の
走査電子顕微鏡では、原子ステップの観察に最適な試料
の向きでは、ドメインコントラストが得られないとうい
事態も生じる。一方、本実施例では、二次電子検出器９
をコリメータ１０とともに試料７の周囲で回転すること
ができるので、電子ビーム２の試料７に対する入射角度
と、二次電子８の検出角度を独立に設定することがで
き、原子ステツプ観察条件と原子配列観察条件を同時に
満たすようにすることができる。また、試料７の面内回
転ができないような試料台を使用する場合にも、二次電
子検出器９をコリメータ１０とともに試料７の周囲で回
転することにより、原子配列観察を行うことができる。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、二次電子検出手段
と試料との間に二次電子の取り込み角度を制限する角度
制限手段を有することにより、従来は困難であった走査
電子顕微鏡による表面原子配列の実空間分布観察が可能
となり、半導体や金属の表面構造の研究に多大な進歩を
もたらし、材料開発および素子開発に大きく貢献するこ
とは疑う余地のないところである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における走査電子顕微鏡
を説明する図

【図２】Ｓｉ（１００）面の１×２構造の原子配列の異
方性を説明する図

【図３】円筒形のコリメータの構造を説明する図

【図４】アパーチャ形のコリメータを説明する図

【図５】平行板形のコリメータを説明する図

【図６】本発明の第ｌの実施例によるＳｉ（１００）面
の１×２領域と２×１領域の観察結果

【図７】本発明の第２の実施例における走査電子顕微鏡
を説明する図

【図８】本発明の第３の実施例における走査電子顕微鏡
を説明する図

【図９】従来の走査電子顕微鏡を説明する図である。

【図１０】従来の走査電子顕微鏡を説明する図である。

【符号の説明】

ｌ・・・・電子銃、２・・・・電子ビーム、３・・・・コンデンサレンズ、４・・・・偏向コイル、５・・・・対物レンズ、６・・・・試料台、７・・・・試料、８・・・・検出器の方向に放出された二次電子、８１・・・・検出器に対し垂直に近い方向に放出された
二次電子、９・・・・二次電子検出器、１０・・・・コリメータ、１１・・・・表示手段２１・・・・電子銃、２２・・・・電子ビーム、２３・・・・コンデンサレンズ、２４・・・・偏向コイル、２５・・・・対物レンズ、２６・・・・試料台、２７・・・・試料、２８・・・・二次電子、２９・・・・二次電子検出器、３０・・・・表示手段、３ｌ・・・・電子銃、３２・・・・電子ビーム、３３・・・・コンデンサレンズ、３４・・・・偏向コイル、３５・・・・対物レンズ、３６・・・・試料台、３７・・・・試料、３８・・・・二次電子、３９・・・・二次電子検出器、４０・・・・表示手段。

フロントページの続き (72)発明者富田雅人東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを細く収束して試料表面を走
査し、その際に発生する二次電子を二次電子検出手段に
よって検出し、二次電子検出手段からの信号を電子ビー
ムの走査と同期させて表示することにより試料表面の走
査像を得る走査電子顕微鏡において、前記二次電子検出
手段と試料との間に二次電子の取り込み角度を制限する
角度制限手段を有することを特徴とする走査電子顕微
鏡。
【請求項２】角度制限手段が二次電子検出手段に取り
付けられていることを特徴とする請求項１に記載の走査
電子顕微鏡。
【請求項３】角度制限手段が試料を登載する試料台に
取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の
走査電子顕微鏡。
【請求項４】角度制限手段と二次電子検出手段を試料
周囲で移動できることを特徴とする請求項１に記載の走
査電子顕微鏡。