JPH0766253A - 走査型電子顕微鏡およびそれを用いた結晶構造の評価方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 試料表面の任意の点の反射電子の信号強度
を、試料傾斜角度・回転角度に対する関数として迅速に
求める。 【構成】 電子銃１、電子銃制御装置２、レンズ３、レ
ンズ系制御装置４、走査コイル５、走査コイル制御装置
６、二次電子検出装置７、反射電子検出装置８、アンプ
９、試料１０、試料ステージ１１、試料傾斜機構１２、
試料水平回転機構１３、試料ステージ駆動制御装置１
４、インターフェース１５、メモリ１６、出力装置１
７、第１の演算装置１８、第２の演算装置１９より構成
される。第１の演算装置１８は、反射電子検出装置８に
より検出された反射電子の信号強度を数値化して出力す
る。第２の演算装置１９は、第１の演算装置１８の出力
と試料傾斜機構１２および試料水平回転機構１３の傾斜
角度および回転角度との関係を関数として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は結晶構造解析に反射電
子の信号強度を利用する走査型電子顕微鏡およびそれを
用いた結晶構造の評価方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、ＬＳＩの微細化に伴い、ＬＳＩを
構成している微小部分の結晶構造がデバイスの信頼性に
直接影響するようになってきた。従来、結晶構造の評価
方法としてＸ線回折法が一般的に用いられてきた。しか
し、Ｘ線回折装置では微小部分の分析ができないので、
微小結晶粒の結晶構造の評価は不可能である。

【０００３】微小結晶の観察には近年、ＦＩＢ（収束イ
オンビーム）法が用いられている。この方法では、面内
回転した結晶粒の存在を観察することができるが、イオ
ンビームの微小化が困難で分解能が悪いという欠点があ
る。また、結晶粒の面内回転の定量化は実現されていな
い。透過型電子顕微鏡では、微小結晶粒の方位決定が可
能であるが、試料作製が困難で時間がかかる。

【０００４】走査型電子顕微鏡では、近年、電子銃とレ
ンズの改良により微細な部分の観察が可能となった。そ
して、走査型電子顕微鏡による反射電子像の観察では、
Ａｌ膜等の微小結晶粒の結晶構造の違いによるコントラ
ストが、ＦＩＢ法よりも鮮明に観察できる。しかし、反
射電子を用いた微小結晶粒の結晶構造の定量評価は行わ
れていない。

【０００５】以下図面を参照しながら、上記した従来の
走査型電子顕微鏡およびそれを用いた微小結晶粒観察の
一例について説明する。図４は従来の走査型電子顕微鏡
の構成を示すものである。図４において、１は電子銃、
２は電子銃制御装置、３はレンズ、４はレンズ系制御装
置、５は走査コイル、６は走査コイル制御装置、７は二
次電子検出装置、８は半導体反射電子検出装置、９はア
ンプ、１０は試料、１１は試料ステージ、１２は試料傾
斜機構、１３は試料水平回転機構、１４は試料ステージ
駆動制御装置、１５はインターフェース、１６はメモ
リ、１７は出力装置である。

【０００６】以上のように構成された走査型電子顕微鏡
について、以下図４を用いてその動作を説明する。図４
において、電子銃１は電子銃制御装置２により制御さ
れ、電子ビームを発生する。電子ビームは、レンズ３に
より収束され試料１０の表面に一次電子として入射す
る。レンズ３はレンズ系制御装置４により制御される。

【０００７】収束された電子ビームは走査コイル５によ
り試料１０の表面を走査する。試料１０の表面を走査す
る範囲および走査速度は、走査コイル制御装置６により
制御される。電子ビームを走査することにより試料１０
の表面から二次電子が発生し、発生した二次電子は二次
電子検出装置７により検出され、インターフェース１５
により二次電子像に変調され、メモリ１６に記憶される
と同時に出力装置１７に出力される。

【０００８】また、電子ビームが試料１０の表面で、９
０度以上の高い角度に散乱された反射電子は、２つの半
導体反射電子検出装置８により検出され、アンプ９によ
り加算される。反射電子はインターフェース１５により
反射電子像に変換され、メモリ１６に記憶され、出力装
置１７に出力される。試料ステージ１１は試料１０を固
定している。試料ステージ制御装置１４は試料傾斜機構
１２と試料水平回転機構１３を駆動し、試料ステージ１
１の位置を試料傾斜角度θ、水平回転角度φに設定す
る。

【０００９】走査型電子顕微鏡の反射電子像は、結晶内
部の構造を反映し、分解能も優れているため、微小結晶
粒の結晶構造の違いがコントラストとして鮮明に観察さ
れる。このコントラストを数値化するためには、走査画
像から画像処理することで実現できる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、任意の点の反射電子の信号強度を求める
には、一つ一つの画像から画像処理して、信号強度を求
めなければならない。このような方法においては、試料
の傾斜・回転角度等をいくつか変えた場合の反射電子の
信号強度を相対比較する際には、非常に時間と手間がか
かるという問題点がある。また、これまでの他の評価方
法では、微小結晶粒の結晶軸のずれや、面内回転等の定
量評価が短時間にできないという問題点を有していた。

【００１１】この発明は上記問題点に鑑み、試料表面の
任意の点の反射電子の信号強度を試料傾斜角度・回転角
度に対する関数として迅速に求めることができる走査型
電子顕微鏡を提供するとともに、微小結晶粒の結晶軸の
ずれや面内回転等を迅速に評価できる結晶構造の評価方
法を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明の走査型電子顕
微鏡は、電子ビームを照射することにより試料表面で散
乱された反射電子を検出する反射電子検出装置と、この
反射電子検出装置により検出された反射電子の信号強度
を数値化して出力する第１の演算装置と、試料を傾斜・
回転させて傾斜角度・回転角度信号を出力する傾斜・回
転機構と、第１の演算装置の出力と傾斜・回転機構の出
力との相関を求める第２の演算装置とを備えている。

【００１３】この発明の結晶構造の評価方法は、結晶構
造を有する試料に電子ビームを照射した時、電子ビーム
の入射方向と試料の結晶構造と位置関係を反映して試料
から発生する反射電子の信号強度が試料傾斜角度・回転
角度に依存して変化し、試料の結晶軸が電子ビームの入
射方向と一致したときに信号強度が極小値をもつことを
利用して微小結晶粒の結晶軸を定量評価することを特徴
としている。

【００１４】

【作用】この発明によれば、試料の任意の点の反射電子
の信号強度を数値化して、その点における反射電子の信
号強度を試料傾斜角度・回転角度に対する関数として求
め、その極小値を求めることが短時間に実現できる。ま
た、この構成を用いて、電子ビームの入射角度と結晶構
造の位置関係に反射電子の信号強度が依存して変化する
ことを利用して微小結晶粒の結晶軸のずれや、面内回転
等の定量評価ができる。

【００１５】

【実施例】以下この発明の一実施例の走査型電子顕微鏡
について、図面を参照しながら説明する。図１はこの発
明の実施例における走査型電子顕微鏡の構成を示すもの
である。図１において、１は電子銃、２は電子銃制御装
置、３はレンズ、４はレンズ系制御装置、５は走査コイ
ル、６は走査コイル制御装置、７は二次電子検出装置、
８は半導体反射電子検出装置、９はアンプ、１０は試
料、１１は試料ステージ、１２は試料傾斜機構、１３は
試料水平回転機構、１４は試料ステージ駆動制御装置、
１５はインターフェース、１６はメモリ、１７は出力装
置、１８は第１の演算装置、１９は第２の演算装置であ
る。

【００１６】以上のように構成された走査型電子顕微鏡
について、以下図１を用いてその動作を説明する。図１
において、電子銃１は電子銃制御装置２により制御さ
れ、電子ビームを発生する。電子ビームは、レンズ３に
より収束され試料１０の表面に一次電子として入射す
る。レンズ３はレンズ系制御装置４により制御される。
収束された電子ビームは走査コイル５により試料１０の
表面を走査する。試料１０の表面を走査する範囲および
走査速度は、走査コイル制御装置６により制御される。

【００１７】電子ビームを走査することにより試料１０
の表面から二次電子が発生し、発生した二次電子は二次
電子検出装置７により検出され、インターフェース１５
により二次電子像に変換され、メモリ１６に記憶される
と同時に出力装置１７に出力される。また、電子ビーム
が試料１０の表面で、９０度以上の高い角度に散乱され
た反射電子は、２つの半導体反射電子検出装置８により
検出され、アンプ９により加算される。反射電子はイン
ターフェース１５により反射電子像に変換され、メモリ
１６に記憶され、出力装置１７に出力される。試料ステ
ージ１１は試料１０を固定している。試料ステージ制御
装置１４は試料傾斜機構１２と試料水平回転機構１３を
駆動し、試料ステージ１１の位置を試料傾斜角度θ、水
平回転角度φに設定する。

【００１８】試料の任意の点における反射電子の信号強
度は、第１の演算装置１８により数値化され、その点の
反射電子の信号強度が第２の演算装置１９により、試料
傾斜角度θおよび水平回転角度φに対する関数とされ、
その極小値が求められる。この結果はインターフェース
１５を介してメモリ１６に記憶され、横軸が試料傾斜角
度θで縦軸が反射電子の信号強度のグラフ、あるいは、
横軸が水平回転角度φで縦軸が反射電子の信号強度のグ
ラフとして出力装置１７に出力される。

【００１９】以上のように、この実施例によれば、第１
の演算装置１８および第２の演算装置１９を設けること
により、試料の任意の点における反射電子の信号強度は
第１の演算装置１８により数値化され、その点の反射電
子の信号強度を第２の演算装置１９により試料傾斜角度
θおよび水平回転角度φに対する関数としてその極小値
を求めることが短時間に実現できる。

【００２０】図２および図３は、図１に示した走査型電
子顕微鏡を用いた結晶構造の評価方法を説明するための
図である。図２および図３に示した試料は、強い配向性
を持つ結晶構造から成り、○は結晶格子、破線は結晶軸
を示す。矢印は電子ビームの入射方向を示す。試料に電
子ビームを入射させたときに、電子が結晶格子に衝突す
るとある確率で反射電子が発生する。

【００２１】まず、図２を用いて、試料の法線方向から
の結晶軸のずれの評価方法について説明する。図２
（ａ），（ｂ）は試料の断面模式図を示す。この試料で
は破線で示す結晶軸が試料表面の法線方向から角度θ′
だけずれている。図２（ａ）は試料傾斜角度θ＝０の場
合で、試料は電子ビームの入射方向に垂直にセットされ
ている。図２（ｂ）は同図（ａ）の試料を矢印の方向に
角度θ′だけ傾斜させたもので、試料傾斜角度θ＝θ′
の場合である。

【００２２】図２（ａ）では、結晶軸が電子ビームの入
射角度から角度θ′だけずれているので、○で示す格子
に電子が衝突する確率が大きい。したがって、反射電子
が発生する確率が大きくなる。図２（ｂ）では、結晶軸
が電子ビームの入射方向と一致しているので、電子は表
面層の格子と衝突するが、格子−格子間の空間の部分で
は一次電子が格子と衝突せずに直進する確率が大きい。
したがって、反射電子の発生確率が小さくなる。

【００２３】図２（ａ）と図２（ｂ）とを比較すると、
反射電子の信号強度は、試料傾斜角度θ＝０の場合より
も、試料傾斜角度θ＝θ′の場合が小さくなる。以上の
図２の説明をまとめると、試料傾斜角度θに対応して電
子ビームの入射角度が変化し、電子ビームが結晶格子と
衝突する確率が異なってくる。そして、結晶軸が一次電
子の入射方向と一致したときに、反射電子の発生量が極
小値をもつ。その時の試料傾斜角度θが結晶軸の試料表
面の法線方向からのずれの角度θ′に相当する。よっ
て、試料傾斜角度θと反射電子の発生量の関係から結晶
軸の試料表面の法線方向からのずれが定量的に求められ
る。

【００２４】つぎに、図３を用いて試料表面に水平な結
晶軸の水平回転角度の評価方法を説明する。図３
（ａ），（ｂ）は試料の平面模式図を示す。試料を試料
傾斜角度θ＝θ″傾斜し、一次電子を入射する。破線で
示す試料表面に水平な結晶軸が電子ビームの入射方向か
ら角度φ′だけ回転している。

【００２５】図３（ａ）は水平回転角度φ＝０の場合
で、図３（ｂ）は同図（ａ）を水平回転角度φ＝φ′だ
け矢印方向に回転させた場合を示す。図３（ａ）では、
破線で示す結晶軸が一次電子入射方向から角度φ′だけ
回転しているので、電子が結晶格子と衝突する確率が大
きい。したがって、反射電子の発生確率が大きくなる。
図３（ｂ）では、結晶軸が電子ビームの入射方向と平行
になるので、電子と結晶格子が衝突する確率が小さい。
したがって、反射電子の発生確率が小さくなる。

【００２６】図３（ａ）と図３（ｂ）とを比較すると、
反射電子の信号強度は、水平回転角度φ＝０の場合より
も、水平回転角度φ＝φ′の場合が小さくなる。以上の
図３の説明をまとめると、水平回転角度φに対応して電
子ビームの入射角度が変化し、電子ビームが結晶格子と
衝突する確率が異なってくる。そして、結晶軸が一次電
子の入射方向と一致したときに、反射電子の発生量が極
小値をもつ。その時の水平回転角度φが、試料表面に水
平な結晶軸の電子ビームの入射方向からの面内回転角度
φ′に相当する。よって、水平回転角度φと反射電子の
発生量の関係より試料表面に水平な結晶軸の面内回転角
が求められる。

【００２７】以上のように、試料傾斜角度θ、水平回転
角度φを変化させると、試料への電子ビームの入射角度
がそれぞれθ，φだけ変化し、電子ビームが結晶格子と
衝突する確率が変化する。したがって、反射電子の発生
量も試料傾斜角度θおよび水平回転角度φに依存して変
化する。この反射電子の発生量は、図１の走査型電子顕
微鏡により信号強度として数値化され、試料傾斜角度θ
および水平回転角度φに対する関数として表示される。
その信号強度が極小値をとる時のθ，φが結晶軸の試料
表面の法線方向からのずれθ′、電子ビームの入射方向
から面内回転角度φ′に相当することを利用することに
より、結晶軸のずれや、面内回転等の定量評価ができ
る。

【００２８】また、走査型電子顕微鏡では、電子ビーム
を細く絞れるため、微小結晶粒の結晶構造の評価が可能
となり、試料において結晶粒の方位地図を作成すること
も可能となる。また、試料作製が不要であるため、短時
間で結晶構造の評価が可能となる。前述した発明は理解
を明瞭にするために図解および例示の方法によって詳細
に説明されたけれども、ある変化およびある変形は添付
した特許請求の範囲で行なわれ得ることは明らかであ
る。

【００２９】

【発明の効果】この発明は、反射電子の信号強度を数値
化して出力する第１の演算装置と、試料を傾斜・回転さ
せて傾斜角度・回転角度信号を出力する傾斜・回転機構
と、第１の演算装置の出力と傾斜・回転機構の出力との
相関を求める第２の演算装置とを備えたことにより、反
射電子の信号強度が電子ビームの入射方向と試料の結晶
構造と位置関係を反映して変化し、試料の結晶軸が電子
ビームの入射方向と一致したときに信号強度が極小値を
もつことを利用して微小結晶粒の結晶軸のずれや、面内
回転等の定量評価を短時間で実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例における走査型電子顕微鏡
の概念図である。

【図２】図１の走査型電子顕微鏡を用いた結晶構造の評
価方法を説明するための試料の断面模式図である。

【図３】図１の走査型電子顕微鏡を用いた結晶構造の評
価方法を説明するための試料の平面模式図である。

【図４】従来の走査型電子顕微鏡の概念図である。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 電子銃制御装置 ３ レンズ ４ レンズ系制御装置 ５ 走査コイル ６ 走査コイル制御装置 ７ 二次電子検出装置 ８ 半導体反射電子検出装置 ９ アンプ １０ 試料 １１ 試料ステージ １２ 試料傾斜機構 １３ 試料水平回転機構 １４ 試料ステージ駆動制御装置 １５ インターフェース １６ メモリ １７ 出力装置 １８ 第１の演算装置 １９ 第２の演算装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを照射することにより試料表
   面で散乱された反射電子を検出する反射電子検出装置
   と、この反射電子検出装置により検出された反射電子の
   信号強度を数値化して出力する第１の演算装置と、試料
   を傾斜・回転させて傾斜角度・回転角度信号を出力する
   傾斜・回転機構と、前記第１の演算装置の出力と前記傾
   斜・回転機構の出力との相関を求める第２の演算装置と
   を備えた走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 結晶構造を有する試料に電子ビームを照
   射した時、電子ビームの入射方向と試料の結晶構造と位
   置関係を反映して試料から発生する反射電子の信号強度
   が試料傾斜角度・回転角度に依存して変化し、試料の結
   晶軸が電子ビームの入射方向と一致したときに信号強度
   が極小値をもつことを利用して微小結晶粒の結晶軸を定
   量評価することを特徴とする請求項１記載の走査型電子
   顕微鏡を用いた結晶構造の評価方法。