JPH08292164A - 電子顕微鏡及び３次元原子配列観察方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】２次元の電子顕微鏡像から試料の３次元原子配
列像を高精度に構築するために必要な２次元像観察法及
び３次元画像再構成法を提供する。 【構成】ＴＥＭ像コントラストが試料の厚さ及び原子番
号が像コントラストと対応するように数十ｍｒａｄ以上
の高角散乱電子線で結像する。また試料を傾斜させた時
の試料内の特徴点の位置変化を解析することによって傾
斜軸を特定する。解析領域の周りの結晶が解析結果に悪
影響を及ぼさないように、解析に不必要な領域を削除す
る。 【効果】ＵＬＳＩ素子等の実試料中の不純物原子及びそ
れらのクラスタの３次元的な構造を原子１個のレベルで
解析し、リーク電流や耐圧不良などＵＬＳＩ素子の不良
解析に有効な情報を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、メモリ素子、高速演算
素子などの集積化素子における不良原因である点欠陥、
不純物原子およびそれらのクラスタを原子１個のレベル
で３次元的に観察することに好適な３次元原子配列観察
方法とこの方法による画像処理手段を有する電子顕微鏡
に関する。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡を用いて結晶中の点欠陥、不
純物原子およびそれらのクラスタを原子１個のレベルで
３次元的に観察する方法としては、特開平４−３３７２
３６号公報記載の３次元原子配列観察装置及び方法があ
る。該公報には、試料により或る角度範囲内に散乱され
た電子線で結像された当該試料の原子種に依存したコン
トラストを有する２次元像（電子顕微鏡像）での当該試
料の観察を、試料を傾斜させて当該試料中の同一構造を
種々の方向から行ない、これにより得られた観察方向の
異なる複数の２次元像間での同一原子の位置ずれ量を観
察方向に基づいて画像処理することにより３次元座標を
特定し、３次元的な原子配列像を構築する技術が開示さ
れている。また、この公報には結像に用いた電子線の散
乱角度範囲と像コントラストの関係の解析から原子種も
識別することも開示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術の発明に
は、３次元原子配列観察に適した電子顕微鏡装置の構
成、２次元像の観察方法、及び種々の方向から観察した
複数の２次元像に基づいて３次元座標を特定して３次元
像を再構成することは記載されているが、３次元像の再
構成を実現させるための具体的な手段は記載されていな
かった。そこで発明者は、これまで主にＸ線−ＣＴ（コ
ンピュータ断層撮影）技術等に用いられてきた画像再構
成法（例えば、フィルタ補正逆投影法）を電子顕微鏡像
に基づく３次元像の再構成法に適用することを検討し
た。Ｘ線−ＣＴ技術において従来の画像再構成法は、全
方向から試料にＸ線を照射して得られた複数の２次元的
な投影像に基づき、当該試料の３次元的な内部構造を完
全に再構成できる手法であることが数学的にも実験的に
も証明されている。

【０００４】しかし、この方法を電子顕微鏡像に適応す
るためには幾つかの条件を満たさなければならない。

【０００５】まず第１に、電子線が通過した試料厚さと
２次元投影像上の像コントラストの関係が線形でなけれ
ばならない。具体的には試料の厚さが２倍になれば投影
データの値も２倍に、また同じ厚さならば観察方向を変
えても投影データの値は同じになるという線形関係の成
立が必要である。しかし、結晶内を通過する電子線はＸ
線に比べて複雑な散乱過程をたどるため、この線形関係
は一般には保証されない。そのため電子顕微鏡を用いる
３次元原子配列観察において、この線形関係から外れた
投影データ（即ち、２次元像）の存在は、再構成される
３次元像上にアーティファクトを発生させる。

【０００６】第２に、電子顕微鏡の筐体内にて、試料の
電子線の光軸に対する傾斜角度を所定の値に正確に設定
する必要がある。試料の傾斜角度が所望の角度（又は設
定すべき角度）より僅かでもずれると、再構成像にアー
ティファクトが発生するからである。しかし電子顕微鏡
においては、試料ホルダの加工精度及び動作精度などの
理由により、試料の傾斜軸を設計仕様通りに、即ち試料
ホルダのハードウェアのみで設定することは非常に困難
であり、試料の傾斜角度と試料ホルダの機械的な動きと
を正確に対応させることは事実上不可能である。そこで
試料の傾斜角度を正確に設定するには、投影像から傾斜
軸を解析し、補正しなければならない。

【０００７】第３に、各方向からの観察で得られる投影
像が、同一の物体に基づく情報である必要がある。即
ち、通常のＸ線−ＣＴ技術では試料におけるＸ線ビーム
の照射領域全体が観察対象領域であるため、各方向から
Ｘ線ビームの照射で得られた投影像は全て同一の物体の
情報に基づくものとなる。これに対し電子顕微鏡による
３次元原子配列観察では、例えば半導体ウエハやデバイ
ス等の試料中に局在する結晶欠陥や不純物が観察対象領
域となる。しかし電子ビームの照射は、試料において当
該観察対象領域を取り囲む非観察対象領域（以下、周辺
領域）をも含めて行なわれる。周辺領域においても、観
察対象領域と同様に照射される電子ビームは散乱される
ため、試料中に局在する観察対象領域に各方向から電子
ビームを照射して得られた投影像には、電子ビームの照
射方向（又は電子ビームに対する試料の傾斜角度）に応
じて異なる周辺領域の情報が含まれる。従って、複数の
投影像に基づいて構築される３次元像には、投影像毎の
周辺領域の情報量のバラツキに起因したアーティファク
トが発生する。

【０００８】従来の画像再構成法のソフトウェアは通常
のＸ線−ＣＴ技術での利用を前提としているため、上述
の電子顕微鏡による３次元原子配列観察にて生じるアー
ティファクトを解消するための配慮はされていなかっ
た。

【０００９】本発明の目的は、上記３次元画像再構成の
際の障害となるアーティファクトを解消または低減する
ことによって、３次元原子配列構造の再構成を高精度で
行う方法とこの方法に基づき３次元画像再構成の処理を
する手段を備えた電子顕微鏡を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では電子顕微鏡による試料の観察において、
電子顕微鏡像（二次元投影像）を結像するための電子線
の検出と、二次元投影像の画像処理とを以下の要領で行
う。

【００１１】まず第１として像コントラストの線形性を
維持するために、試料への電子線照射時に試料で散乱さ
れる電子のうち、像コントラストと試料厚さがほぼ線形
な関係になり且つ像コントラストが原子番号に依存する
ような角度範囲に散乱される電子で二次元投影像を結像
する。具体的には、散乱電子の強度において熱散漫散乱
による電子の強度が弾性散乱による電子の強度より支配
的になる散乱角度範囲において電子（所謂、高角散乱さ
れた電子）を検出して二次元投影像を結像する。このた
めに、電子顕微鏡の筐体内部において電子線検出器を、
電子光学系の光軸を基準に試料（試料ホルダ）からの高
角散乱電子の検出に適した位置に設けるとよい。また、
電子検出面における検出領域を任意に設定できる電子線
検出器（例えば、ニュービコンやハーピコン）を用いる
場合は、検出領域を高角散乱電子の検出に適した検出角
度範囲に合わせて設定する。

【００１２】第２として試料の照射電子線に対する傾斜
角度を正確に設定するために、傾斜軸の解析について
は、試料を試料ホルダにより回転させ、試料ホルダ自体
の傾斜軸（機械的な傾斜軸）周りに数種類の角度で傾斜
させて、試料中に存在する少なくとも２個の異物（例え
ば、試料の主成分となる元素と異なる元素の原子もしく
は原子クラスタ）又は結晶欠陥等の特徴点の位置変化に
注目し、これらの特徴点の２次元投影像における位置を
マークする。次にマークした特徴点の一つを特定してそ
の位置を原点とし、機械的な傾斜軸に基づき試料の傾斜
角度を順次変化させ、傾斜角度に対して予想される特定
の特徴点と他の特徴点との位置関係と実際に観察された
位置関係とのずれに基づき、試料の実効的な傾斜軸（即
ち、照射電子線に対する実際の試料傾斜の中心となる傾
斜軸）を解析する。例えば、特定された特徴点と他の特
徴点とで形状が既知の図形を３次元空間に仮想し、特徴
点の抽出に用いた複数の（異なる傾斜角度における）投
影像における該図形の変形の程度から傾斜軸を解析す
る。

【００１３】理解を容易にするために具体例によって説
明すると、まず上述の特徴点間の位置関係を表現するた
めの２つの直交座標系、一つは電子顕微鏡の機械的な構
成に基づくもの（以下、観測系）、もう一つは上述の実
効的な傾斜軸に基づくもの（以下、試料系）を設定す
る。観測系の座標軸の一つを電子顕微鏡の電子光学系の
光軸又はこれに平行に設定し、試料系の座標軸の一つを
上述の実効的な傾斜軸又はこれに平行に設定する。２つ
の座標系の原点は、上述の特定の特徴点に設定するとよ
い。ここで試料ホルダを±αの角度で夫々回転すると、
これに対応して特定の特徴点以外の特徴点が試料系の実
効的な傾斜軸に平行な座標軸を中心に±αの角度で移動
する。この時、当該特徴点の位置変化の軌跡は試料系の
実効的な傾斜軸に垂直な平面において角度α／２なる２
つの角を有する二等辺三角形を描くが、電子顕微鏡像
（即ち観測系の電子光学系の光軸に垂直な平面）におい
ては、電子光学系の光軸と実効的な傾斜軸が平行でない
限り当該特徴点による同様な位置変化の軌跡は現われな
い。従って、試料系の平面に仮想される軌跡の形状と、
観測系の平面で実測される軌跡の形状とを対応させるこ
とにより、機械的な傾斜軸（電子光学系の光軸と一定の
位置関係にある）と実効的な傾斜軸とのずれを求める。

【００１４】第３として周辺領域の混入に関しては、試
料傾斜角度によって投影像に含まれたり含まれなかった
りする領域は投影データの両端であり、この領域は投影
データを逆投影をした段階の再構成像において周辺部の
みに存在する事を利用する。投影データ及び再構成像か
らこの領域を削除し、同一構造の再構成像となる領域の
みに欠落角度情報回復処理を行い、断面構造を復元す
る。

【００１５】

【作用】まず第１に投影像を結像する電子として被観察
試料により高角散乱された電子、即ち散乱電子の強度に
おいて電子光学系や試料厚さの条件による干渉を受ける
弾性散乱電子よりもこれらの条件に対し非干渉な熱散漫
散乱電子が支配的となる角度に散乱される電子を用いる
ことにより、像コントラストに対するこれらの条件の影
響を排除できる。即ち、像コントラストと試料厚さが線
形関係に近似できるこのような角度範囲の散乱電子を用
れば、結晶を通過した電子線で結像した２次元像にも一
般の画像再構成の理論が適応可能となり、再構成した３
次元構造における異原子の位置及びコントラストを定量
的に解析できる。

【００１６】第２に試料に存在する複数の特異な部分を
マークして試料の傾斜角度に対するこれらの部分の電子
顕微鏡像における位置変化から試料の実際の傾斜を解析
する傾斜軸解析法を用いれば、電子顕微鏡において設定
された試料ホルダの傾斜角度と試料の照射電子線に対す
る実際の傾斜角度とを対応させることができる。即ち、
電子顕微鏡のハードウエアだけでは試料ホルダやその傾
斜装置の機械的な精度の限界から正確に把握できなかっ
た３次元的に任意の方向に向いている試料の照射電子線
に対する実効的な傾斜軸を電子顕微鏡像（画像）ベース
に解析できる。従って、特に原子レベルでの３次元像観
察に必須の微細な試料の傾斜角度設定を略確実に行なう
ことが可能となる。

【００１７】第３に不要領域、即ち所望の観察領域を取
り囲む周辺領域の情報を投影像から除去すれば、解析し
たい所望の領域の周りに３次元画像再構成処理の障害と
なる構造が含まれていても、注目する構造を３次元再構
成することができる。

【００１８】以上の３つの方法は、電子顕微鏡のハード
ウエアの制御装置や画像処理装置において制御又は処理
シーケンスに組み込むこともできる。例えば、電子線を
放射する電子線源と、電子線を試料に照射する第１の電
子光学系と、試料を保持する試料ホルダと、試料ホルダ
を照射電子線に対して傾斜する試料傾斜装置と、試料か
ら出射される電子線で投影像を結像する第２の電子光学
系と、投影像を検出する電子線検出装置と、電子線検出
装置の投影像のデータを処理するデータ処理装置からな
る電子顕微鏡において、上述の第１の散乱電子線検出条
件の設定を、第１の光学系による試料への中空状電子線
（ホローコーンビーム）照射や２次元的な電子線検出面
を有する電子線検出装置での当該検出面における電子線
検出領域設定の制御により行なえる。上述の第２の傾斜
軸解析法は、試料傾斜装置により設定された試料傾斜角
ごとの投影像をデータ処理装置で処理し、試料傾斜装置
の機械的な傾斜軸と投影像から得られた実効的な傾斜軸
とのずれを算出したデータに基づきデータ処理装置から
試料傾斜装置に制御信号を送る（フィードバックをかけ
る）。試料傾斜装置が試料ホルダの傾斜の中心軸位置を
調整する傾斜軸調整装置を有する場合は、データ処理装
置により傾斜軸調製装置を制御するとよい。また上述の
第３の画像処理方法は、データ処理装置に画像処理ソフ
トとして搭載するとよい。

【００１９】

【実施例】画像再構成は、直観的には図１に示す様にあ
る物体の２次元断面像１の様々な方向について投影デー
タ２を記録し、該投影データを逆投影して２次元再構成
像３を再構成する処理である。２次元再構成像３と２次
元断面像１が一致すれば、元の像を完全に復元できたこ
とになる。本発明では、前記画像再構成法を実際に観察
された電子顕微鏡像に適応するために必要な観察条件及
び処理を明確化し、更に該条件を満たす方法を提供す
る。

【００２０】図２は本発明の実施例で用いた電子顕微鏡
の基本構成である。電界放出型電子銃４、コンデンサー
レンズ５、ビ−ム偏向走査コイル６、対物レンズ７、試
料微動・傾斜機構８、電子線検出器９、制御用及び画像
処理用プロセッサ１０から構成されている。図３は３次
元原子配列像を構築する工程を示すフローチャートであ
る。２次元投影像１３の観察条件を設定する工程、薄膜
化した試料１２をある傾斜軸１４周りに傾斜させて種々
の方向から観察した複数の２次元投影像１３を得る工
程、該複数の２次元像１３から前記傾斜軸１４を画像解
析によって特定する工程、該傾斜軸１４を設計仕様通り
に設定する工程、前記複数の２次元投影像１３から投影
像と直交する各２次元断面像１を構築する工程、該２次
元断面像１を積み重ねて構築した３次元像から３次元原
子配列像を解析する工程から成る。以下に、各工程の詳
細を説明する。

【００２１】まず、前記２次元投影像１３を得る工程を
示す。原子１〜２個以下の太さの電子線１１で薄膜化し
た試料１２を走査し、試料内の原子によって散乱された
電子のうち、ある散乱角度範囲α〜βの散乱電子線１５
の強度を検出し、該強度を前記電子線の走査と同期させ
てＣＲＴ上に輝度変調表示し、２次元投影像１３を観察
する。前記検出角度範囲は下記の幾つかの条件を満たす
様に設定する。まず、該検出角度範囲を設定するため
に、試料内の電子線の散乱過程を考察する。試料１２を
通過する電子線は、試料１２内の原子によって散乱され
る。散乱電子線量と散乱角度は一般に図４に示す様な関
係にある。ある散乱角にピ−クを持ち、高散乱角側へ裾
広がりを持つ分布を持っており、この分布は電子を散乱
する原子の原子番号Ｚが大きいほど高散乱角側へシフト
していく。従って、図４に示す散乱角度範囲α〜βの電
子線量は原子番号Ｚの大きい試料の方が大きくなる。こ
こで、図５に示す様にＳｉ（シリコン）結晶中にＡｇ
（銀）粒子が存在する試料１２に電子線１１を各位置に
入射し、散乱角度範囲α〜βの電子線１５の量を測定し
た場合を考える。位置（１）に電子線１１が入射した場
合、電子線はＳｉ結晶しか通過しないので散乱角度範囲
α〜βの電子線１５の量は少ない。位置（２）に電子線
１１が入射した場合、電子線はＳｉ結晶の他に原子番号
の大きいＡｇ原子を通過するので散乱角度範囲α〜βの
電子線１５の量は多くなる。位置（３）に電子線１１が
入射した場合、電子線は２個のＡｇ原子を通過するので
その分散乱角度範囲α〜βの電子線１５の量は多くな
る。また位置（４）に電子線１１が入射した場合、Ｓｉ
原子が１個欠落しているので位置（１）よりも散乱角度
範囲α〜βの電子線１５の量は少なくなる。以上の様
に、散乱角度範囲α〜βの電子線１５の量は、電子線を
散乱させた原子数とその原子番号Ｚに対応している。

【００２２】次に、電子線１５の量と該電子線で結像し
た２次元像の像コントラストの対応について考察する。
試料によって散乱された電子は、可干渉な弾性散乱電子
と非干渉な熱散漫散乱散乱電子に分けられる。弾性散乱
電子線は僅かな位相の変化、すなわち対物レンズ７のデ
フォーカスや試料１２の厚さの変化に伴い電子線強度の
振動が起こるため像コントラストが散乱電子線量と対応
するとは限らない。一方、熱散漫散乱電子線は非干渉で
あるために前記振動は起こらず、像コントラストと散乱
電子線量は対応する。散乱電子線における弾性散乱と熱
散漫散乱の占める割合と散乱角度の関係は一般に図６に
示す関係になる。弾性散乱電子量は低散乱角位置にピー
クを持ち散乱角度が増加すると急激に減少する。一方、
熱散漫散乱電子量は散乱角度依存性が少ない。そのため
高角側では熱散漫拡散電子がその大部分を占めるように
なる。従って、散乱電子線の検出角度範囲α〜βを熱散
漫散乱電子線がその大部分を占めるくらい高角側すなわ
ち数十ｍｒａｄ以上に設定すれば、散乱電子線量に対応
した像コントラストを得ることができる。例えばＳｉ単
結晶に［１１０］方向から電子線を入射した場合、散乱
角度範囲を約５０ｍｒａｄ以上に設定すれば、散乱電子
線１５の量と像コントラストはほぼ線形の関係になるこ
とが確認されている。

【００２３】上記条件を満たす様に検出角度範囲を設定
し、試料傾斜機構８を用いて試料１２をある傾斜軸１４
回りに回転させ、種々の方向から観察した複数の２次元
投影像１３を得る。

【００２４】次に、該複数の２次元投影像１３から前記
傾斜軸１４を画像解析によって特定する工程を示す。ま
ず、図７に示す座標系を仮定する。観測系に固定した直
交座標系を座標系ｘｙｚとし、試料１２に固定した直交
座標系を座標系ξηζとする。座標系ｘｙｚと座標系ξ
ηζとの座標変換はオイラー角θψφを用いて、以下の
式で表される。

【００２５】

【数１】

【００２６】ここで形状が既知の標準試料があれば、試
料系で設定される（ξηζ）の値と試料を傾斜軸周りに
傾斜させたときに観察系で測定される（ｘｙｚ）の値の
対応からオイラー角θψφを求めることができる。しか
しＴＥＭ試料中には形状が既知である様な構造は、一般
には含まれていない。そこで試料１２内の任意の特徴
点、例えばＳｉ結晶中のＡｇ原子を用いる。試料内から
２つの特徴点を選択し、その２点を結ぶベクトルを用い
て解析する。図８に示す様に、傾斜軸１４をζ軸とし、
試料１２をζ軸周りに回転させる。試料１２を回転させ
ないときのベクトルｕ、ζ軸周りに＋α回転させたとき
のベクトルｖ、−α回転させたときのベクトルｗを仮定
する。座標系ξηζで考えると、ベクトルｕ、ｖ、ｗは
ξη平面上に二等辺三角形を形作っている。ベクトルｓ
＝ｖ−ｗはξ軸と平行であり、ベクトルｔ＝ｕ−（ｖ＋
ｗ）／２はη軸と平行である。両者の長さの比は回転角
αから求めることが出来るので、座標系ξηζの単位ベ
クトル、ベクトルｓ’＝（ｋ，０，０）、ベクトルｔ’
＝（０，ｋ，０）を設定できる。観測系ｘｙｚでベクト
ルｕ、ｖ、ｗの座標を測定して求めたベクトルｓ’、
ｔ’の値と、ξηζ座標系におけるベクトルｓ’、ｔ’
の値の対応からオイラー角θψφ及び単位ベクトルの長
さｋを求める事ができ、傾斜軸１４であるζ軸の方向を
解析できる。尚、観測系ではｚ方向から投影像を観察す
るためｚ座標は測定出来ないが、ベクトルｓ’における
ｘ，ｙ座標、ベクトルｔ’におけるｘ，ｙ座標で連立方
程式が４つ定義できるので、４つの変数を特定すること
は可能である。

【００２７】上記工程により、形状が既知の試料を用い
なくても、試料内の特徴点を用いて傾斜軸１４を画像解
析によって解析することができる。尚、読み取り誤差等
を避けるため、試料内の２点はベクトルｓ、ｔの長さが
出来るだけ大きくなる様に選択する。また、ベクトル
ｓ、ｔの長さにあまり差がでないようにするために、回
転角δは出来るだけ大きく取る方が望ましい。また特徴
点としては、どの方向から観察してもその位置を特定で
きる形状、例えば微粒子、直方体の頂点などが望まし
い。適当な特徴点が試料内に存在しない場合は、収束し
た電子線を注目領域の四角に照射して特徴点例えば欠陥
又はコンタミネーション跡を作製する。

【００２８】次に、前記傾斜軸１４を設計仕様通りに設
定する工程を示す。まず、傾斜軸の設計仕様を図９に示
す。ｚ方向から２次元投影像１３を観察した場合、傾斜
軸１４が投影像面であるｘｙ平面と平行であれば、２次
元投影像１３上に写る傾斜軸１４と直交するラインプロ
ファイルは、２次元断面像１の１次元の投影データ２と
なる。試料傾斜機構８を用いて傾斜軸１４がｘｙ平面と
平行になるように設定し、前記傾斜軸解析法を用いて傾
斜軸の方向が前記設計仕様を満たしているかを確認す
る。仕様を満たしていない場合は試料傾斜機構を用いて
傾斜軸の方向を補正する。

【００２９】次に、各２次元断面像を構築する工程を示
す。該工程は、前記設計仕様方向に設定された傾斜軸１
４回りに傾斜させて観察された複数の２次元投影像１３
から該投影像と直交する２次元断面像の１次元投影デー
タを収集する工程、該１次元投影データを逆投影して２
次元再構成像を構築する工程、該２次元再構成像から２
次元断面像の復元が不可能な領域を削除する工程、該２
次元像に欠落角度情報回復処理を施して２次元断面像を
得る工程からなる。

【００３０】１次元投影データを収集する工程を示す。
まず、１次元投影データ２と２次元断面像１の幾何学的
な関係を図１０に示す。試料１２は厚さ２ｄの平板試料
とする。試料１２内に注目領域３０１を設定し、その幅
を２ａとする。試料１２の最大傾斜角を±γ度とする。
まず、図１０（ａ）に示す様にｄがａよりも充分小さい
場合について考察する。試料傾斜角γにおける１次元投
影データ２の両端データ２０１には、注目領域３０１以
外の領域の投影データが混在している。そこで両端デー
タ２０１を削除した１次元投影データ２のみを画像再構
成に用いる。両端データ２０１の範囲を決定する方法を
以下に幾つか示す。幾何学的な関係から削除する範囲は
データ両端からａ（１−ｃｏｓγ）−２ｄ・ｓｉｎγで
ある。試料１２の厚さ２ｄが既知でなくとも、注目領域
３０１の周囲に特徴点が存在すれば、該特徴点の投影デ
ータ上での位置から決定できる。注目領域３０１の周囲
に特徴点が存在しなければ、収束した電子線を注目領域
の四角に照射して特徴点例えば欠陥又はコンタミネーシ
ョン跡を作製し、該特徴点の投影データ上での位置から
決定する。尚、図１０（ｂ）に示す様にｄとａがほぼ同
じ長さの場合、試料傾斜角γにおける１次元投影データ
２の全範囲に、注目領域３０１以外の領域の投影データ
が混在しており、該１次元投影データ２は再構成処理に
は使えない事が分かる。従って、注目領域３０１の幅２
ａは出来るだけ広めに設定する必要がある。

【００３１】次に、前記１次元投影データを逆投影して
２次元再構成像を構築する工程は通常のＸ線−ＣＴで用
いられている２次元フーリエ変換法、フィルタ補正逆投
影法、重畳積分法などの方法で行う。

【００３２】次に、前記２次元再構成像から２次元断面
像の復元が不可能な領域を削除する工程を示す。１次元
投影データ２を逆投影した段階の２次元再構成像では、
図１０（ａ）に示す注目領域３０１のうち、全試料傾斜
角度の投影データから逆投影された領域は領域３０２だ
けである。該領域３０２以外の領域は像に含まれる投影
データの情報量が極端に少なくなっている。電子顕微鏡
では投影角度範囲が制限されているため、既知情報を用
いて適当な欠落角度情報回復の処理を施す必要がある
が、この処理を注目領域３０１にそのまま適応すると、
領域３０２以外の領域の断面像を回復できないだけでな
く、領域３０２以外の領域が復元可能な領域３０２にア
ーティファクトを発生させる原因となる場合もある。そ
こで、領域３０２以外の領域を削除し、適当な試料構造
例えば基板結晶に置き換え、アーティファクトが発生し
ない様にする必要がある。領域３０２以外の領域は、幾
何学的には注目構造の端から各投影方向に直線を引いた
場合、その外側にある領域として特定できる。

【００３３】前記該処理を施した２次元像３に欠落角度
情報回復処理を施して２次元断面像を得る工程を示す。
欠落角度情報回復処理には２次元断面像に関する既知情
報、例えば確率情報、対称性などの情報をもとにして行
う。

【００３４】次に、前記２次元断面像１を積み重ねて構
築した３次元像から３次元原子配列と原子種を解析する
工程を示す。試料傾斜軸にそって各２次元断面像を順次
再構成し、それらを積み重ねて３次元構造を構築する。
２次元投影像３における像コントラストは電子線が通過
した経路上に存在した原子数とその原子番号Ｚに依存し
たコントラストであるため、２次元投影像３のみから原
子番号Ｚを特定することは困難であった。３次元再構成
によって試料形状を解析することによって、試料を構成
する原子の原子番号Ｚを特定できるようになる。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、様々な観察方向から観
察した電子顕微鏡像から一般の画像再構成の理論を用い
て３次元的な原子配列像を高精度で構成できる。これに
よって、結晶中の不純物原子及びそれらのクラスタの３
次元的な構造を原子１個のレベルで解析できる。従っ
て、リーク電流や耐圧不良等のＵＬＳＩ素子の不良原因
解析に有効な情報を提供する。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は投影を、（ｂ）は逆投影による画像再
構成の原理を示す説明図。

【図２】本発明の実施例に用いた装置の全体構成図。

【図３】３次元原子配列像を構築する工程を示すフロー
チャート。

【図４】原子番号が異なる原子における、散乱電子線量
の角度分布を示す説明図。

【図５】電子線を各試料位置に入射したときに散乱角度
範囲α〜βに散乱される電子線量を示す説明図。

【図６】弾性散乱と熱散漫散乱の割合の散乱角度依存性
を示す説明図。

【図７】座標系ｘｙｚと座標系ξηζ及びオイラー角θ
ψφの関係を示す説明図。

【図８】座標軸解析に用いる各ベクトルを示す説明図。

【図９】傾斜軸が２次元投影像と平行な時、２次元投影
像から１次元投影データを収集できる事を示す説明図。

【図１０】（ａ）は試料が薄い場合、（ｂ）は試料が厚
い場合の１次元投影データと２次元断面像の関係を示す
説明図。

【符号の説明】

１…２次元断面像、２…１次元投影データ、２０１…２
次元断面像再構成には不要な１次元投影データ、３…２
次元再構成像、３０１…２次元断面像内の注目領域、３
０２…２次元断面像が回復可能な領域、４…電界放出型
電子銃、５…コンデンサーレンズ、６…ビーム偏向走査
コイル、７…対物レンズ、８…試料微動・傾斜機構、９
…電子線検出器、１０…制御用及び画像処理用プロセッ
サ、１１…入射電子線、１２…試料、１３…２次元投影
像、１４…試料傾斜軸、１５…角度範囲α〜βに散乱さ
れた電子線。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 関原 謙介 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者 本池 順 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】薄膜化した試料の２次元投影像を透過電子
   顕微鏡で観察する工程、前記観察を試料を傾斜しながら
   複数回繰り返す工程、前記工程で観察した複数の２次元
   投影像を画像処理して試料の３次元構造を再構成する工
   程から成る試料構造の３次元観察法において、前記３次
   元構造を再構成する工程は複数の２次元投影像から試料
   の傾斜軸の方向を特定する工程を含むことを特徴とする
   ３次元原子配列観察方法。
2. 【請求項２】請求項１記載の傾斜軸の方向を特定する工
   程は、試料を傾斜軸周りに数種類の角度で傾斜させた時
   の２次元投影像上に映る試料内の複数の特徴点の位置変
   化に注目し、ある特徴点の位置を原点として像上の傾斜
   軸の位置を固定し、他の特徴点が３次元空間に描く多角
   形と該多角形が２次元投影像上に映る形状の関係から試
   料傾斜軸の方向を解析する工程を含むことを特徴とする
   ３次元原子配列観察方法。
3. 【請求項３】請求項２記載の試料内の特徴点は、該特徴
   点に好適な構造が試料内に存在しない場合には、荷電粒
   子線例えば原子１、２個以下の太さに収束させた電子線
   を注目構造以外の領域に照射することにより試料内に作
   製された特徴点、例えば欠陥、コンタミネーション跡で
   あることを特徴とする３次元原子配列観察方法。
4. 【請求項４】薄膜化した試料の２次元投影像を透過電子
   顕微鏡で観察する工程、前記観察を試料を傾斜しながら
   複数回繰り返す工程、前記工程で観察した複数の２次元
   投影像を画像処理して試料の３次元構造を再構成する工
   程から成る試料構造の３次元観察法において、前記３次
   元構造を再構成する工程は試料内に注目構造を設定し、
   該注目構造以外の構造が混入している領域を各２次元投
   影像から削除する工程を含むことを特徴とする３次元原
   子配列観察方法。
5. 【請求項５】請求項４記載の注目構造は、電子線入射方
   向の試料厚さに対する、試料傾斜軸と直交する面内にお
   ける注目構造の幅が充分大きいことを特徴とする３次元
   原子配列観察方法。
6. 【請求項６】請求項４記載の注目構造以外の構造が混入
   している領域は、試料傾斜角度、試料厚さ、注目構造の
   幅、試料傾斜軸の位置及び方向から幾何学的に決定する
   ことを特徴とする３次元原子配列観察方法。
7. 【請求項７】薄膜化した試料の２次元投影像を透過電子
   顕微鏡で観察する工程、前記観察を試料を傾斜しながら
   複数回繰り返す工程、前記工程で観察した複数の２次元
   投影像を画像処理して試料の３次元構造を再構成する工
   程から成る試料構造の３次元観察法において、前記３次
   元構造を再構成する工程は、２次元投影像を逆投影した
   段階の３次元再構成像から全傾斜角度における２次元投
   影像に含まれていた構造のみを残し、他の構造は削除す
   る工程を含むことを特徴とする３次元原子配列観察方
   法。
8. 【請求項８】請求項７記載の全傾斜角度における２次元
   投影像に含まれていた構造は、試料傾斜角度、試料厚さ
   及び注目構造の幅から幾何学的に決定することを特徴と
   する３次元原子配列観察方法。
9. 【請求項９】薄膜化した試料の２次元投影像を透過電子
   顕微鏡で観察する工程、前記観察を試料を傾斜しながら
   複数回繰り返す工程、前記工程で観察した複数の２次元
   投影像を画像処理して試料の３次元構造を再構成する工
   程から成る試料構造の３次元観察法において、２次元投
   影像の結像に試料で数度以上の角度で散乱された散乱電
   子を用いることを特徴とする３次元原子配列観察方法。
10. 【請求項１０】請求項９記載の数度以上の角度で散乱さ
    れた散乱電子は干渉成分に対する非干渉成分の比率が大
    きくなる高角散乱電子線であり、該電子線で結像した２
    次元投影像上の像コントラストは電子線が通過した経路
    上に存在した原子数及びその原子番号に依存することを
    特徴とする３次元原子配列観察方法。
11. 【請求項１１】電子線を放射する電子線源と、該電子線
    を試料に照射する第１の電子光学系と、該試料を保持す
    る試料ホルダと、該試料ホルダを該照射電子線に対して
    傾斜する試料傾斜装置と、該試料から出射される電子線
    で投影像を結像する第２の電子光学系と、該投影像を検
    出する電子線検出装置と、該電子線検出装置の投影像の
    データを処理するデータ処理装置からなり、上記試料傾
    斜装置は試料ホルダの傾斜の中心軸位置を調整する傾斜
    軸調整装置を有し、上記データ処理装置は上記投影像の
    データに基づいて該傾斜軸調製装置を制御することを特
    徴とする電子顕微鏡。