JPH08261959A - 電子顕微鏡及びこれを用いた原子種同定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】像コントラストから原子の種類を同定すること
を可能とする電子顕微鏡を提供する。 【構成】電子銃１、上偏向コイル３ａ、下偏向コイル３
ｂ、試料ステージ５、察像装置９等から構成される電子
顕微鏡において、上偏向コイル３ａ、下偏向コイル３ｂ
により散乱電子線の結像角度範囲を選択することによ
り、任意の散乱角に対応する電子顕微鏡像を撮影し、そ
の条件で試料ステージ５を用いて複数の試料傾斜角度に
対応する電子顕微鏡像を撮影し、それらをＣＴ観察をす
ることによって決定された構造パラメータを用いて計算
した像コントラストと実測コントラストとを比較するこ
とによって試料構成原子の種類の同定を行う。 【効果】電子顕微鏡像コントラストの定量測定と、それ
と同時に測定した試料構造パラメータを用いた像計算手
法とを組み合わせることにより、試料構成原子の種類を
同定することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、実験的に像コントラス
トと試料構造を同時測定し、それによって得られた試料
モデルのパラメータを用いて理論的に計算した計算像コ
ントラストと実測コントラストとを比較することによっ
て、試料構成原子の１つ１つの種類を区別することを可
能とする電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の透過電子顕微鏡を用いた高分解能
像による原子種同定、結晶構造決定法は、例えば第３回
電子顕微鏡大学講義テキストの第８２頁から第９６頁
（日本電子顕微鏡学会主催）に開示されている。この方
法は、撮影した電子顕微鏡像に対して、被撮影試料の厚
さ、結晶構造、構成原子の種類を仮定して動力学的回折
理論等に基づく電子顕微鏡像計算手法により撮影条件等
のパラメータを変化させながら計算像を構築し、撮影像
と計算像を一致させることにより試料構成原子の種類や
構造を決定するものである。

【０００３】また走査型透過電子顕微鏡を用いた原子種
同定法は、例えばＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓ Ａ、
第５７巻（１９９３年）、第３８５頁から第３９１頁に
開示されている。この方法では、高角度に散乱された電
子線のほうが原子種に依存する電子線散乱能が電子線の
強度として効率良く抽出できることを利用して、原子の
種類の違いに対応するコントラストを持った電子顕微鏡
像を直接撮影することにより原子種同定を行なうもので
ある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の透過電子顕
微鏡を用いた原子種同定法は、試料の構造や試料を構成
する原子の種類を観察された電子顕微鏡像の情報とは別
に、人為的に設定した上で計算を行っていた。従って、
上記従来の原子種同定法は、試料構造、構成原子の種類
がある程度推定可能な場合には適用しやすく、正しい情
報を知り得る。しかし、試料の構造や構成原子の種類が
未知の場合又は構造既知な物質中に未知の不純物が混入
している場合に、その不純物原子の種類を知ろうとする
と、計算すべき試料モデルの種類が無数存在することに
なり、解析に多大な時間と労力が費やされ、また得られ
た解析に対してもその信頼性を裏付けるための他方面か
らの解析が必要となるために必ずしも有用な方法とは言
えない。また、従来の高分解能像撮影法は結晶構造を反
映した干渉像である格子縞を観察する手法であり、結晶
構造解析には有力な手段であるが、試料構成原子の種類
の違いによる電子線散乱能の違いが、直接的に像コント
ラストに対応していないという欠点がある。従って、像
コントラストから直接的に原子の種類の判別を行なうこ
とは難しい。また、試料中に不純物原子１個や点欠陥が
存在する場合では、不純物原子１個や点欠陥に起因する
散乱能の変化は試料全体に対しては極めて小さく、干渉
縞のコントラスト変化にはほとんど反映されないため
に、従来の手法では不純物１個、点欠陥の検出は極めて
困難である。

【０００５】上記従来の走査型透過電子顕微鏡による原
子種同定法は、種類の異なる原子に対して散乱能の違い
を高コントラストで観察できる方法であり、観察像から
直接的に原子種の違いを判別することが可能である。し
かし、異原子間でのコントラスト差の定量測定は行なわ
れてはおらず、原子種が異なっているという情報以上の
ことまでは知りえない。また、試料中に不純物原子が存
在する場合ではその検出がされたとしても、その不純物
が存在する位置によりそのコントラストは異なってくる
ために、そのコントラストのみでその原子の種類を判断
すると誤った解析結果を導く可能性がある。そのコント
ラスト解釈のためにコントラスト計算を行なう場合に
は、上記透過電子顕微鏡像の計算方法と同様に試料構造
のパラメータが必要となるが、試料厚さや不純物原子位
置は通常の走査型透過電子顕微鏡観察では知ることは難
しいため、計算によって得られた解析結果の信頼性も高
いとは言えない。

【０００６】本発明の目的は、構造未知な試料に対して
コントラストの定量測定と試料構造の測定を同時に行な
い、得られた構造パラメータを用いて理論計算した像コ
ントラストと実測コントラストとを比較することによっ
て試料構成原子の種類を同定できる装置及び方法を提供
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電子顕微鏡
による試料観察において、試料に照射された電子線のう
ち、特定の散乱角度範囲に散乱された電子線を用いて電
子顕微鏡像を結像し、結像された電子顕微鏡像における
原子種の同定を、この電子顕微鏡像と、この電子顕微鏡
像から得られた被観察試料を構成する原子の情報に基づ
き電子線の散乱理論での計算法で求めた仮想像とを比較
して行なうことにより達成される。

【０００８】具体的には、入射電子線を中空円錐型にす
るための偏向系を備えた透過電子顕微鏡あるいは多チャ
ンネル型検出器を備えた走査型透過電子顕微鏡を用い
て、散乱電子線による像強度あるいは散乱電子線強度を
定量的に検出する。さらに試料傾斜によるＣＴ観察をす
ることにより得られる試料の３次元的な情報を測定す
る。このようにして得られた構造パラメータを用いて理
論計算を行ない、計算コントラストと実測コントラスト
と比較することによってその原子の種類を同定する。

【０００９】

【作用】本発明では、試料から散乱された電子線のうち
原子種の情報を含む部分を入射電子線の入射角を変化さ
せる、あるいは多チャンネル型検出器での検出角度範囲
を変化させることにより効率良く抽出し、２次元像のコ
ントラストを定量的に測定する。これに加え試料を傾斜
し、ＣＴ観察することにより試料の３次元的な構造を測
定する。これにより試料厚さなどの構造パラメータが正
確に決定でき、試料の形状を仮定することなく、パラメ
ータとして原子種の設定を行ない、任意の電子線入射方
向から観察した計算２次元像とそれに対応する実測２次
元像とを比較することによって原子種の同定ができる。

【００１０】

【実施例】以下、電子顕微鏡を用いて、散乱電子線から
試料構成原子の情報を抽出する方法を説明する。約１０
０ｎｍ以下に薄くした試料に電子線を照射した場合、電
子線は試料中で散乱され、その一部は試料を透過し試料
下面から出射する。この散乱電子を電磁レンズを用いて
拡大すれば電子顕微鏡像が得られる。散乱電子線は試料
構成原子の種類と試料構造の情報を含んでおり、これが
電子顕微鏡像のコントラストに反映される。電子が一個
の原子により散乱される場合、散乱電子線は原子散乱因
子ｆの２乗に比例し、図１に示すように原子の種類によ
って異なる角度分布を持つ。これを利用してある特定の
散乱角で電子線強度を測定する、あるいはその散乱角成
分のみで電子顕微鏡像を結像することにより原子の種類
を同定することが可能である。実際の試料においては、
多数の原子により散乱された電子線の強度を積算したも
のが電子顕微鏡像の強度となる。試料がある特定の周期
を持つ場合には、試料中で電子線が特定の方向に散乱さ
れる現象、すなわち回折が起こり、散乱電子線強度の角
度分布は原子一個からの散乱の場合と異なってくる。こ
の場合の散乱電子線強度分布Ｉ（θ）は、試料を構成す
る原子の種類がｊ個あり、それらの原子散乱因子がｆ_j
（θ）、原子の位置がｒ_j、試料構造の逆格子ベクトル
をｇとすると、運動学的回折理論から

【００１１】

【数１】

【００１２】なる関係式で表わされる。この場合、ｆ_j
（θ）が原子の種類の情報をを、ｅｘｐ（−２πｉｇ・
ｒ_j）が構造の情報をそれぞれ持っている。電子顕微鏡
像から原子種と構造の情報とを分離して抽出できれば原
子種情報を効率よく電子顕微鏡像コントラストに反映で
きることになる。回折現象により生じる構造情報のコン
トラストを低減させるには照射あるいは結像方法のいず
れかを非干渉にする方法がある。照射系を非干渉にする
には試料に入射する電子線の開き角を大きくして結像す
る、あるいは電子線を光軸から傾斜させ、光軸の周りに
回転させることにより中空円錐形の入射ビームを形成
し、これで結像するという方法がある。結像系を非干渉
にするには、細く絞った電子線をプローブとし、これを
試料面上で走査しながら試料下面の散乱電子線強度をこ
れに同期して検出し、輝度変調して像を得る方法があ
る。原子種情報を効率よく抽出するには、散乱電子のう
ち、大きな角度で散乱した電子を用いて結像する方法が
ある。図２に示したものはＳｉとＣｕについて原子散乱
因子の比を散乱角度に対して計算したものであり、散乱
角度が大きくなるほど、原子散乱因子の比が大きくな
り、像コントラストはこの２乗に比例するので異原子間
のコントラストが強調できるのである。

【００１３】以上のような理論的背景を踏まえた上で、
次に本発明の実施例を図を用いて説明する。図３は本発
明の第１の実施例で用いた入射電子線を中空円錐型にす
るための偏向系、および電子顕微鏡像を定量的に測定す
るための撮像装置を備えた透過電子顕微鏡の基本構成図
である。装置は、電子銃１、照射レンズ２、上偏向コイ
ル３ａ、下偏向コイル３ｂ、対物レンズ４、試料ステー
ジ５、試料６、対物絞り７、投影レンズ８、撮像装置
９、偏向電流発生回路１０、計算機１１から構成されて
いる。上偏向コイル３ａ及び下偏向コイルは各々Ｘおよ
びＹ偏向コイルから構成されている。偏向電流発生回路
１０はｓｉｎ関数及びｃｏｓ関数信号発生回路、ノイズ
フィルタ回路、Ｄ／Ａ変換回路、ドライバアンプ回路、
上下偏向コイル電流バランス補正回路から構成されてい
る。これら回路によって、試料６に入射する電子線を傾
斜及び回転させるための制御信号の発生と信号ノイズ成
分の除去、制御信号のＤ／Ａ変換、アナログ制御信号の
偏向コイル電流への変換を行う。上下偏向コイル電流バ
ランス補正回路は上偏向コイル３ａによって偏向された
電子線が下偏向コイル３ｂによって振り戻された時に、
試料６の同一点に入射するように両偏向コイルに印加さ
れる電流比を補正する回路である。計算機１１は試料６
に入射する電子線の偏向条件、例えば傾斜角の範囲、方
位角及び方位角を回転する際の回転速度などを設定する
制御信号を偏向電流発生回路１０に与える。撮像装置９
はＣＣＤカメラ、ハーピコンカメラなどの高感度、高Ｓ
／Ｎ、高線形性、高ダイナミックレンジ特性を有する撮
像装置を用いる。

【００１４】電子顕微鏡像コントラストの定量測定は、
計算機１１により偏向条件を設定し偏向電流発生回路１
０に送る。偏向電流発生回路１０からの信号を受け上偏
向コイル３ａ及び下偏向コイル３ｂは電子銃１からの電
子線を中空円錐状にし、回転させながら試料６に入射さ
せる。対物絞り７を用いて特定の散乱角の範囲に散乱し
た電子を結像し、それを撮像装置９により記録する。電
子線の入射角を計算機１１によって変化させる、あるい
は対物絞り７の穴径を変化させることにより任意の散乱
角に対応する電子顕微鏡像を得ることができる。

【００１５】次に電子顕微鏡像コントラストから原子種
の同定を行なう方法を説明する。例として単一原子種の
みから成る母相中に、母相とは異なる原子から構成され
る不純物が存在する場合を考える。この試料に対して傾
斜角を変化させながら撮影した複数枚の２次元像を用意
する。これは試料３次元構造再構築のための基礎データ
として用いる。ここで、通常の物体に光を当ててできる
投影像の濃淡の場合と電子顕微鏡像のコントラストの場
合とは大きな違いがあり、厚み方向の変化に対して像強
度は必ずしも直線的に変化しない。そこでまず母相、不
純物の原子種を仮定する。母相の原子種は通常の場合既
知であることが多いが、仮に未知である場合はエネルギ
ー分散型Ｘ線検出器や電子線エネルギーロススペクトル
分析器を利用して同定を行なう。不純物の場合には母相
とは異なる原子種を仮定する。この仮定の基で母相と母
相中の不純物の厚みとそれが電子顕微鏡によって結像さ
れた場合の強度との関係を運動学的あるいは動力学的計
算手法により求める。この関係式はそれぞれの原子につ
いて固有な値を取るのであらかじめ検量線として用意し
ておくこともできる。具体的には数式（１）を用いて、
試料の厚みを考慮した計算を母相と母相中の不純物の各
々について実行する。図６に、母相原子および不純物原
子Ａ，Ｂについて散乱電子強度の厚み依存性を計算した
例を示す。試料を構成する母相原子および不純物原子
Ａ，Ｂの電子顕微鏡像における像強度Ｉ_Xは撮像装置９
を用いて実測できるので、図６の検量線から各原子の厚
みｔ_A，ｔ_B，ｔ₀を求めることができる。この操作を全
ての２次元像に施した後、それらをＣＴ処理により３次
元構築する。このようにして得られた試料の３次元構造
から不純物の３次元存在位置と母相の厚みが決定される
ので、これを構造パラメータとして決定し、任意の電子
線入射方向に対する２次元像のコントラストを数式
（１）を用いて計算する。各電子線入射方向に対応する
計算２次元像コントラストと実測コントラストとを比較
して一致が得られれば最初の仮定、すなわち不純物とし
て仮定した原子種が正しいということになる。この操作
を、試料傾斜角を変化させながら撮影した複数枚の２次
元像について繰り返せば、より正確な原子種同定ができ
る。仮に一致が得られない場合には最初に戻り不純物原
子の種類の仮定をやり直し、最終的に一致が得られるま
でこれを繰り返せばよい。この操作の流れを図４のフロ
ーチャートに示す。

【００１６】次に、上記原子種同定方法で用いた散乱コ
ントラストの計算手法について説明する。散乱電子線強
度を計算する方法において基本となることは、試料を透
過する前後での電子線波動関数の変化を計算することで
ある。この電子波動関数に変化を与える要因は、試料に
よる電子線の散乱、レンズによる電子線の屈折である。
試料による電子線の散乱は試料構成原子の静電ポテンシ
ャルによる電子線波動関数の位相変化である。試料中で
の位相変化を計算することと、レンズによる変調を加
え、電子線強度に変換して像強度、あるいは散乱電子線
強度は求められる。次にこの波動関数計算方法を具体的
に説明する。この方法は通常マルチスライス法と呼ばれ
るもので、試料を電子線の入射方向に複数のスライスに
分割し、それぞれのスライス中での波動関数の変化を逐
次計算する方法である。通常はスライスの厚さを０．５
ｎｍ程度に薄くし、それを２次元に投影して１つの透過
関数として扱う。透過関数としては任意の原子配列およ
び構成原子による構造を２次元に投影したポテンシャル
を光学的な表現で表わしたものを用いる。そしてスライ
ス間は真空と仮定して、その真空部分での電子線波動関
数の伝播を考え、散乱後の電子線波動関数が球面波とし
て拡がる様子を光学的に表現したものを用いる。結像
は、逐次計算して求めた試料透過後の電子線波動関数に
光学のレンズ関数を透過関数として作用させ、像を得る
方法を用いる。散乱電子線強度を求めるにはレンズ関数
は用いずに試料から出射した波動関数の絶対値を求める
ことによって行なう。入射電子線を光軸から傾斜して斜
め入射する場合には、電子線波動関数がその入射方向に
伝播する条件で散乱による波動関数変化の計算を行な
い、レンズ関数も電子線入射方向に対して作用するよう
に計算する。収束した電子線をプローブとして用いた場
合は、入射電子線を光軸から収束角までの間で細かく分
割し、上記の斜め入射での計算をそれぞれの傾斜角で行
ない、散乱後の電子線波動関数をすべて積算したものを
試料透過後の波動関数として用いる。

【００１７】図５に本発明の第２の実施例で用いた多チ
ャンネル型電子線検出器を備えた走査型透過電子顕微鏡
を示す。装置の構成は電子銃１、照射レンズ２、電子線
走査用偏向コイル３ｃ、対物レンズ４、試料ステージ
５、試料６、多チャンネル検出器１２、ＣＲＴ１３であ
る。

【００１８】電子銃１からの電子線を照射レンズ２によ
り細く絞り、偏向コイル３により試料６上で走査する。
この走査と同期して散乱電子線強度を多チャンネル検出
器１０で測定し、輝度変調してＣＲＴ１１に表示するこ
とにより像を得る。多チャンネル検出器１０で散乱電子
線検出角度の範囲を選択することにより、任意の散乱角
に対応する電子顕微鏡像を得ることができる。試料の構
造パラメータを決定する方法、原子種の同定法、及びコ
ントラスト計算法は上記実施例１と同様に行なう。

【００１９】

【発明の効果】本発明によれば、電子顕微鏡像のコント
ラストを実測し、計算コントラストと比較することによ
って試料構成原子の種類を同定することが可能となる。
コントラスト計算に用いる構造パラメータはコントラス
ト測定と同時に行なうので、従来のように撮影条件や試
料構造を仮定することなく、正しいパラメータを用いて
計算を行なうことができるので高精度の原子種同定がで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子線が原子１個から散乱される場合の原子散
乱因子を示す計算結果の図である。

【図２】ＳｉとＣｕ原子とで電子線散乱能の違いのから
生ずるコントラストの角度依存性を示す計算結果の図で
ある。

【図３】入射電子線を中空円錐型にする偏向系、および
電子顕微鏡像を定量的に測定する検出器を備えた透過電
子顕微鏡による第１の実施例を示す構成図である。

【図４】原子種同定法の流れを示すフローチャート（流
れ図）である。

【図５】多チャンネル型電子線検出器を備えた走査型透
過電子顕微鏡による第２の実施例を示す構成図である。

【図６】運動学的あるいは動力学的電子強度計算によっ
て求めた不純物原子Ａ，Ｂおよび母相原子に対する散乱
電子強度と試料厚みの検量線を示す図である。

【符号の説明】

１…電子銃、２…照射レンズ、３ａ…上偏向コイル、３
ｂ…下偏向コイル、３ｃ…電子線走査用偏向コイル、４
…対物レンズ、５…試料ステージ、６…試料、７…対物
絞り、８…投影レンズ、９…撮像装置、１０…偏向電流
発生回路、１１…計算機、１２…多チャンネル検出器、
１３…ＣＲＴ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料に電子線を照射し、試料中で散乱され
   た電子線のうち、特定の散乱角度範囲を用いて結像した
   電子顕微鏡像のコントラストが試料構成原子の情報を有
   することを利用して、該コントラストを定量測定するこ
   とにより原子種の同定を行なうことを特徴とする電子顕
   微鏡。
2. 【請求項２】請求項１記載の電子顕微鏡コントラストの
   定量測定に、入射電子線を中空円錐型にするための偏向
   系を備えた透過電子顕微鏡を用いることを特徴とする電
   子顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項１記載の電子顕微鏡コントラストの
   定量測定に、多チャンネル型電子線検出器を備えた走査
   型透過電子顕微鏡を用いることを特徴とする電子顕微
   鏡。
4. 【請求項４】請求項１記載の電子顕微鏡コントラストの
   定量測定に、高感度、広ダイナミックレンジ、高直線性
   などの性能を有する電子線検出器を用いることを特徴と
   する電子顕微鏡。
5. 【請求項５】試料に電子線を照射し、該試料中で散乱さ
   れた電子線のうち、特定の散乱角度範囲を用いて結像し
   た電子顕微鏡像における原子種の同定を、該電子顕微鏡
   像と該電子顕微鏡像から得られた該試料を構成する原子
   の情報に基づき電子線の散乱理論による計算法で求めた
   仮想像とを比較して行なうことを特徴とする原子種同定
   方法。
6. 【請求項６】上記試料構成原子の情報として試料の構造
   パラメータを上記電子顕微鏡像のコントラストから抽出
   することを特徴とする請求項５に記載の原子種同定方
   法。
7. 【請求項７】上記構造パラメータの電子顕微鏡像からの
   抽出を上記試料の連続傾斜によるＣＴ観察によって行う
   ことを特徴とする請求項６に記載の原子種同定方法。