JPH0828204B2 - 局所表面分析装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、試料に分析のための電子線を照射し、試料
から散乱される非弾性散乱電子のエネルギー損失スペク
トルを測定することにより、該試料の局所表面構造情報
を得る局所表面分析装置に関する。

［従来技術］ 近年、表面解析の必要性が高まってきた。その理由と
して、電子デバイスのマイクロ化に伴い、その特性に及
ぼす表面の影響が増大したこと、機能性表面（例えば、
触媒、表面反応によるガス検知センサ）の動作特性の解
析には表面解析が欠かせないこと、表面保護膜の改善に
は表面特性の理解が必要であること等が挙げられる。

局所表面を解析する方法として、光学顕微鏡、電子顕
微鏡が従来から用いられているが、近年、試料に電子線
を照射し、散乱電子を検知する電子エネルギー損失スペ
クトル法が提案されている。

この電子エネルギー損失スペクトル法の原理は、第11
図に示すように電子銃１からの放射電子線２を試料３表
面に入射させ、試料３表面近傍の原子によって非弾性散
乱された非弾性散乱電子５の電子エネルギー損失スペク
トルをエネルギー分析器６等を用いて測定し、試料３の
表面の解析情報を得るものである。特に電子線２を試料
表面に対し10゜前後の小さい角度で斜めに入射すると、
得られる電子エネルギー損失スペクトルは試料３表面の
構造、状態を敏感に反映するようになる。

ところでかかる分析装置では、非弾性散乱電子５の方
向をエネルギー分析器６の入射軸に一致させるか又はき
わめて近傍に入射するように電子線２の試料に対する照
射点を調整する必要がある。さらに電子線２の照射点
を、試料３上の希望する分析位置に正確に位置合わせし
なければならないという分析操作上の要求がある。

そこで従来の電子エネルギー損失スペクトル法を用い
た局所分析装置においては、電子線の試料に対する入射
位置を、光学顕微鏡，電子顕微鏡等で得た拡大画像をモ
ニターしながらマニピュレータを操作して、試料及び試
料台を移動させて、位置合わせを行っていた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、最近の半導体微細加工のスケールがサブミク
ロンのオーダーに達していることから、半導体を試料と
して電子エネルギー損失スペクトル分析を行う場合、上
記の位置合わせは極めて正確に調整しなければならな
い。

このような場合、従来の局所分析装置では、（１）マ
ニピュレータ及び試料台の移動あそび等に起因して、電
子線の照射点の位置合わせの精度が悪いという問題、及
び（２）電子線の照射点の位置合わせ操作が困難であ
り、長時間を要するという問題が特に顕著となってい
る。

一方、上記問題を解決するため、電子銃あるいはこれ
と電子線偏向器の組み合わせ（以下これらを総称して電
子銃系という）を操作させて、電子線の照射点の位置合
わせを行うことも考えられるが、電子線の照射位置がわ
ずかに異なると散乱電子がエネルギー分析器を通過する
効率が著しく悪化し、電子エネルギー損失スペクトルに
雑音が多くなるという問題がある。

以上のようなことから、本発明者は、電子線照射点の
位置合わせをより精密に、かつ容易に行うことが可能
で、しかも電子エネルギー損失スペクトルの検出感度を
悪化させることのない局所分析装置を提供することを目
的として本発明を創成するに至ったのである。

［問題点を解決するための手段］ 上記目的は、本発明に係る局所分析装置、すなわち、
電子エネルギー損失スペクトル法を用いた局所表面分析
装置において （イ） 試料を載せ移動可能な試料台と、 （ロ） 電子線の試料に対する入射位置が調整可能な電
子銃系と、 （ハ） モニターのために設定された広範囲内で電子線
を走査する状態Ｉと、分析可能な狭範囲で電子線を固定
する状態IIと、の間で電子銃系の電子線放射制御を切り
替え可能に設けられた電子銃系の制御手段と、 （ニ） 電子銃系の電子線放射に伴って発生する試料か
らの画像情報を検知する試料画像情報の検知器と、 （ホ） 試料画像情報の検知器によって得た画像情報に
基づく試料画像を表示する画像表示器、前記分析の可能
狭範囲限界を枠として該画像表示器の試料画像上に重ね
合せて表示する枠表示手段、希望分析位置を表示するマ
ーカーを該枠内において試料画像上に重ね合せて表示す
るマーカー表示手段、を含むモニター装置と、 （ヘ） 表示されたマーカー位置に対応した試料上の位
置に、電子銃系による電子線の入射位置を固定する電子
銃系の位置合わせ装置と、 （ト） 電子銃系の電子線放射の結果として得られる二
次電子線を受けて分析を行う分析手段と、 を有し、さらに、 （チ） 該試料画像上に表示されたマーカーに対応する
位置に電子線が入射するように電子銃系が固定した後、
分析のために電子線の入射を行わせる分析制御手段 を備えていることを特徴とする局所表面解析装置によっ
て解決できる。

なお本明細書において電子銃系とは、上述した如く電
子銃、あるいはこれに電子線偏向器を組み合わせて構成
したものを意味するものである。

本発明において、電子銃系の電子線放射に伴って発生
する試料からの画像情報を検知する試料画像情報の検知
器とは、例えば、試料への電子線放射に伴って発生する
二次電子線を検知して画像情報とする方式のもの、同様
に試料電流を検知して画像情報とするもの、更には同様
に試料の発する蛍光を検知して画像情報とする方式のも
のなどを例示することができる。

また本発明における枠表示手段、マーカー表示手段、
更には電子銃系の位置合わせ手段、分析制御手段は、公
知の電子回路技術を用い例えばコンピュータ等を使用し
て構成することができ、具体的には以下の実施例で詳細
に説明される。分析手段には公知のものを使用すること
ができる。

［作 用］ 本発明に係る局所分析装置によれば、電子線を試料の
希望する表面位置に一致させる代表的な一例について説
明すると、 まず、位置合わせを高精度に行わせる予備操作のため
に、電子線を上記広範囲内で走査できるように電子銃系
の走査モードを上記状態Ｉとしておいて、 （い） まず試料台の位置を所定の高さ位置にセットし
ておいて、低倍率の試料画像をモニターしながら、試料
台（例えばｘ−ｙ−θステージ）を、マニュピュレータ
操作（例えばマイクロ・メータヘッドを手動操作）する
ことで移動させ、モニターする試料画像の倍率をさらに
上げるに適するよう、該モニターしている試料画像（以
下モニター表示画像という）の中央部分に、試料の分析
位置を移動させる、 （ろ） 次に必要に応じてモニターするモニター表示画
像の倍率を高くするために、上記手順（い）の一連の操
作を繰り返しながら所望倍率のモニター表示画像中に所
望の試料表面をもってくる 操作を順次行った後、 本発明装置を用いた場合の代表的な操作を例えば次の
ようにして行うことができる。

（は） モニター表示画像に分析可能な狭範囲を示す枠
を重ね合わせて表示する、 （に） 該枠表示の内側に、試料の分析を希望する表面
をもってくるように試料台の移動を行う、 （ほ） 該モニター表示画像の上記枠内にさらに分析位
置を示すマーカーを重ね合わせて表示する、 （へ） モニター表示画像上の枠内側でマーカーを移動
させ、試料の分析を希望する表面にマーカーを一致させ
て該マーカーを固定させる、 （と） そしてこの状態で電子銃系の放射制御を上記状
態IIに切り替える。これによって固定したマーカーの表
示位置に対応して、電子銃系による電子線の試料に対す
る入射位置が位置合わせされる、 を順次行うことより、正確に位置合わせができる。

［実施例］ 以下本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

実施例１ 実施例１の局所表面分析装置の電子光学系の概略構成
を第１図に示す。

本例における電子銃系は、電子銃１及び電子線偏向器
９により構成される。電子銃１から出た電子線２は、電
子線偏向器９を通して試料台４の上に載置されている試
料３の表面に斜めに照射される。電子線２のエネルギー
は通常1KeVから数十KeVの間で、特に好ましくは1KeVか
ら10KeVの間で選択される。

電子線偏向器９は、電子線２を走査したり、照射する
位置を変えるために用いられる。この電子線偏向器９と
しては通常、静電型偏向器、電磁型偏向器を用いること
ができる。

試料３表面で散乱された散乱電子線５は、エネルギー
分析器６を通った後、チャンネルトロン７′によって検
出され、増幅器８′によって増幅される。この増幅され
た信号は、公知の方法に従って解析手段（例えばコンピ
ュータ）で処理される。なおチャンネルトロン７′に代
えてマルチチャンネルプレート、電子増倍管などを電子
検出器として利用することもできる。またこれらの検出
器をアナログモードで用い、ロックイン増幅器で増幅す
ることも、或はパルスモードで用い、信号をパルス高さ
弁別器に通した後にパルスカウントすることも可能であ
る。上記アナログモードを用いるときには、電子銃系の
エネルギー、試料電位、加減速電圧、エネルギー分析器
の印加電圧のいずれか一つを、あるいは同時に複数を変
調することが必要である。

本例における電子銃系の電子銃１には、熱電子放射型
電子銃、電界放射型電子銃のいずれを用いることも可能
であるが、エネルギー分布幅が数eV以内であり、エネル
ギー、電子電流強度の安定した電子銃が好ましく採用さ
れる。なお電子銃には電子を収束するための静電レンズ
あるいは電磁レンズが内蔵される。

電子銃系から放射されて試料３に入射される入射電子
線２は、通常、電流が数十ナノアンペアから数マイクロ
アンペアの間にあるようにされる。

入射電子線２のビームサイズは、静電レンズでは通常
数ミクロンから数百ミクロンであるが、電磁レンズを用
いることによって数十ナノメートルまで絞ることができ
る。

試料３表面で散乱された散乱電子線５を受ける上記エ
ネルギー分析器６は、同軸二重円筒型、同心二重半球型
などの静電型エネルギー分析器、均一磁場型、電磁場型
エネルギー分析器などいろいろなタイプのものを用いる
ことができるが、角度依存性を測定しやすく、収束性の
よい同心二重半球型エネルギー分析器が特に好ましく採
用される。なおエネルギー分析器の入射側には、図示し
ない電子の収束、加速、減速などのための静電レンズが
テ適宜必要に応じて設けられる。

散乱電子のエネルギースペクトルはプラズモン損失ス
ペストルや内殻電子励起スペクトルなどを含み、これら
のスペクトルを公知の方法により解析することによって
試料表面の構造、状態などについての情報を得ることが
できる。

以上により局所表面分析装置の電子線放射、散乱電子
線の発生、エネルギー分析器等の構成概要が説明され
る。

次にモニター装置で画像を表示するための画像情報検
知器につき説明する。

本例におけるこのための検知器は、次のように構成さ
れている。即ち第１図における符号７は、試料３の上方
に配置されたチャンネルトロンであり、試料表面から放
出される散乱電子あるいは二次電子を検出して、該試料
表面から放出される電子の強度を測定するために用いら
れる。そしてこのチャンネルトロン７で検出された電子
の強度に依存した情報と、電子銃系による入射電子線２
が試料に対してｘ軸,y軸方向に走査されることとの情報
に基づき、所定の画像処理がなされて試料表面から放出
電子の強度パターンが試料表面の画像として第９図に示
すごとくモニター装置に表示される。

このようなモニター装置には、例えばブラウン管が一
般的に使用されるが、これに限定されることなく、その
他のもの、例えば、液晶表示装置、放電表示管、EL表示
器などを例示することができ、また輝度変調あるいは色
表示ができるタイプの表示装置を画像処理との組み合わ
せで採用することもできる。このモニター装置で表示さ
れた画像は試料の表面の性状、状態のパターンを反映し
ている。

以上により表示されたモニター装置の画像を観察しな
がら、例えばｘ−ｙ−θステージ等の試料台を公知の移
動手段で操作して、電子線エネルギー損失スペクトルを
測定するのに適する位置（つまり電子銃系による分析の
ための電子線放射に適する位置：本例ではモニター表示
画像の近傍）に、分析測定を希望する試料表面の特定の
位置を移動させることができる。

そして本例の特徴は、分析測定を希望する試料表面の
特定の位置を移動させる操作を、次のように、モニター
表示画像に重ね合わせて表示した第９図に示す枠16と、
マーカー17とを利用して行うようにしたところにある。

すなわち、本例ではモニター表示画像の中央部分に、
レンズの倍率、加速度、減速度、エネルギー分析器６の
入射絞り口径などに準じて決められる所定の分析可能領
域（試料表面から散乱された散乱電子が、エネルギー分
析器を通過する効率が略一定である領域）を、第９図の
丸い枠16として表示し、この範囲内に、分析測定を希望
する試料表面の特定の箇所17′を存在させるように操作
することができる。なお上記分析可能領域を示す枠16の
大きさは、モニター表示画像の倍率に応じて異なる大き
さとして表示されるようにしておくのが通常的である。

この分析可能領域を示す枠16の内側でマーカーを移動
させ、分析を希望する試料表面上の特定箇所（例えば第
９図の例では、集積回路の回路パターン15の一部である
箇所17′）にマーカーを一致させる。なおマーカー17は
図示しない外部の操作手段により移動される。なおマー
カー17の移動は、モニター表示画像の全体の内で移動で
きるようにしてもよいし、あるいは上記した枠16の内側
でのみ移動できるようにしてもよい。

以上の操作により分析開始の適正状態が与えられる。

この状態で、公知の局所表面分析の手法にしたがった
分析操作を開始すれば良い。

実施例２ 第２図にその構成概要が示される本例は、モニター表
示画像を得るための画像情報を、試料３と試料台４の間
に流れる試料電流を検知することで行うようにしている
点で上記実施例１とは異なるが、他の構成及び操作手法
については実施例１と同様である。

本例における画像情報を検知するための試料３と試料
台４の間に流れる試料電流を検知する手段は、試料電流
検出用導線10と、増幅器11からなり、検知した信号を画
像処理回路に送るようになっている。

実施例３ 第３図にその構成概要が示される本例は、モニター表
示画像を得るための画像情報を、試料３が発する蛍光を
光電子増倍管12で検知することで行うようにしている点
で上記実施例１とは異なるが、他の構成及び操作手法に
ついては実施例１と同様である。

本例における画像情報を検知するための試料３が発す
る蛍光を検知する手段である光電子増倍管12は、増幅器
13に接続されて検知信号を画像処理回路に送るようにな
っている。

次に以上の各実施例で説明された、分析測定を希望す
る試料表面の特定の位置を移動させるために、モニター
表示画像に枠16及びマーカー17を重ね合わせて表示する
ための具体的な制御回路の構成、および電子銃系の電子
線放射の状態につき説明する。

第４図は本発明の局所表面分析装置を構成している信
号処理及び制御系の構成概要を示したものであり、この
図において21は電子銃系の放射電子線をｘ軸,y軸方向に
走査させるための走査信号発生器であり、第９図で示し
たモニター表示画像に対応する領域の試料表面をｘ軸方
向及びｙ軸方向に走査するように、電子銃系の放射電子
線を所定の角度範囲で偏向させる。

該走査信号発生器21からのｘ軸走査信号及びｙ軸走査
信号はそれぞれ第１図ないし第３図で示した電子線偏向
器９に入力されて上記制御を行う。

第５図はこのような走査信号発生器の構成一例をブロ
ック図で示したものであり、クロック回路211からの信
号を第１のカウンタ212を通しディジタル／アナログ変
換器213でディジタル／アナログ変換してｘ軸成分の走
査信号を出力し、次に第１のカウンタ212からの信号を
第２のクンタ215を通しディジタル／アナログ変換器216
でディジタル／アナログ変換してｙ軸成分の走査信号を
出力する。これによりｘ軸方向の１ラインの走査ごとに
ｙ軸方向の走査が行われる一連のx,y走査制御が与えら
れる。なおクロック回路211を停止させることで走査を
停止し、電子銃系を上記状態IIに切り換えることができ
る。そして本例におけるこのクロック回路211の停止に
よる電子銃系の状態IIへの切り換え歯、マニュアル走査
による外部の切換器23と、後述する一致信号発生器28と
のアンド信号により与えられる。

上記走査信号発生器21の出力は、モニター装置24、枠
パターン発生器25、マーカーパターン発生器26にもそれ
ぞれ入力され、これらの枠パターン発生器25及びマーカ
ーパターン発生器26からの信号は重ね合わせ回路27を経
てモニター装置24に入力され、第１図ないし第３図で説
明した画像情報検知器からの信号を図示しない画像処理
回路で処理して得た画像パターンと重ね合わせのための
画像処理を行ってモニター表示画像上に表示することに
なる。

第８図は上記枠パターン発生器25の構成一例をブロッ
ク図で示したものであり、走査信号X_S,Y_Sが、モニター
表示画像（画面）の中央座標（X_center,Y_center）を中
心とし、半径をｄとする円周上にあるとき、枠パターン
用輝度変調回路がオンとなり、モニター装置24の対応す
る点が明るく光る。なお図中のｄは表示する枠の半径を
示し、εは線の太さを決めるパラメータを示している。

第７図は上記マーカーパターン発生器26の構成一例を
示したものであり、第８図と同じ回路構成を盛ってい
る。すなわちｄ′は表示するマーカー枠の半径（ｄ＞
ｄ′）を表わし、ε′は線の太さを決めるパラメータを
示している。マーカーの中心は座標（X_M,Y_M）である。
ここでマーカーの中心座標（X_M,Y_M）は、外部から操作
されるマーカー位置指定回路27により任意に与えられ
る。

なおこのマーカーパターン発生器26は、上述の如く外
部のマーカー位置指定回路27への入力により、モニター
表示画面上（本例では枠16の内側）で、任意にその位置
が移動できるようになっている。

次にモニター表示画面上でのマーカーパターン17によ
り指定された箇所と対応した試料表面の特定箇所に、電
子銃系による電子線の入射位置を位置合わせするための
構成について説明する。

本例におけるこのための構成は、マーカー位置指定回
路27からの信号（マーカー中心座標（X_M,Y_M）を示す信
号）が入力される一致信号発生器28に、走査信号発生器
21からの走査信号（X_S,Y_S）を入力させ、これらの座標
信号（マーカー位置指定回路27からの信号（X_M,Y_M）
と、走査信号発生器21からの走査信号（X_S,Y_S））が一
致したとき二該一致信号発生器28が一致信号をアンド回
路29に出力し、切換器23が状態IIの切り換えモードとな
っているときに、上記走査信号発生器21のクロック回路
を停止させて電子銃系の走査を停止（固定）させる。

第10図は以上の操作手順をフローチャートで示したも
のであり、これによって本例の局所表面分析装置による
表面分析が効率よく行うことができる。

［発明の効果］ 本発明に係る局所表面分析装置によれば、試料画像情
報の検知器によって得た試料画像、枠、マーカーを重ね
合わせてモニター装置に表示し、適宜必要に応じて試料
を移動させる操作を行い、上記マーカーを外部から手動
操作することによって、分析を希望する試料表面の箇所
を選択し、この選択した位置に電子銃系からの電子線の
入射を固定することができるため、 （１） 電子線照射点をエネルギー分析器の入射軸に容
易に一致させることが可能となる。

（２） さらに、サブミクロンの位置決め精度で電子線
照射点を希望する分析箇所に一致させることが可能にな
る。

（３） さらにまた、試料の任意の部分に対して、常に
良好な一定の状態で電子エネルギー損失スペクトル分析
を行うことが可能となる。

という効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る局所表面分析装置の電子光学系の
一実施例を示す概略図、 第２図は本発明に係る局所表面分析装置の電子光学系の
他の一実施例を示す概略図、 第３図は本発明に係る局所表面分析装置の電子光学系の
他の一実施例を示す概略図、 第４図は本発明に係る局所表面分析装置の信号処理、制
御系を示す概略図、 第５図は本発明に係る局所表面分析装置の電子線走査信
号発生器の一例を示す図、 第６図は本発明に係る局所表面分析装置の一致信号発生
器の一例を示す図、 第７図は本発明に係る局所表面分析装置のマーカーパタ
ーン発生器の一例を示す図、 第８図は本発明に係る局所表面分析装置の枠パターン発
生器の一例を示す図、 第９図は本発明に係る局所表面分析装置のモニター装置
に表示される画像の一例を示す図、 第10図は本発明に係る局所表面分析装置を用いた局所解
析法の手順を示すフローチャート図、 第11図は従来の局所表面分析装置の電子光学系の一実施
例を示す概略図である。 １……電子銃、２……入射電子線 ３……試料、４……試料台 ５……散乱電子線、６……エネルギー分析器 ７、７′……チャンネルトロン ８、８′、11、13……増幅器 ９……電子線偏向器 10……試料電流検出用導線 12……光電子増幅管、14……二次電子線像 15……半導体回路の微細配線 16……枠、17……マーカー

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０１Ｊ 37/244

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子エネルギー損失スペクトル法を用いた
   局所表面分析装置において （イ） 試料を載せ移動可能な試料台と、 （ロ） 試料に対する電子線の入射位置が調整可能な電
   子銃系と、 （ハ） モニターのために設定された広範囲内で電子線
   を走査する状態Ｉと、分析可能な狭範囲内で電子線を固
   定する状態IIと、の間で電子銃系の電子線放射制御を切
   り替え可能に設けられた電子銃系制御手段と、 （ニ） 電子銃系の電子線放射にともなって発生する試
   料の画像情報信号を検知する試料画像情報の検知器と、 （ホ） この試料画像情報の検知器によって得た画像情
   報に基づく試料画像を表示する画像表示器、前記分析可
   能な狭範囲限界を枠として該画像表示器の試料画像上に
   重ね合せて表示する枠表示手段、希望分析位置を表示す
   るマーカーを該枠内において試料画像上に重ね合せて表
   示するマーカー表示手段を、含むモニター装置と、 （ヘ） 表示されたマーカーに対応した試料上の位置
   に、電子銃系による電子線の入射位置を固定する電子銃
   系の位置合わせ装置と、 （ト） 電子銃系の電子線放射の結果として得られる二
   次電子線を受けて分析を行う分析手段と、 を有し、さらに （チ） 該試料画像上に表示されたマーカーに対応する
   位置に電子線が入射するように電子銃系を固定した後、
   分析のために電子線の入射を行なわせる分析制御手段と を備えていることを特徴とする局所表面分析装置。