JPH01175156A - 局所表面分析装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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＠徴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■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、 （へ）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−〇ステージ）を、マニュピユレータ操
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、 （は）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１にｅＶから数十ＫｅＶの間で、特に好ましくはＩ
　ＫｅＶ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
ク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図における符合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１Ｂ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１
６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１ｏ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　／Ｊ（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−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。なおりロック回路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Ｈ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ＴＩ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−例をブロッ
ク図で示したものであり、走査信号Ｘｉ。

ｙｓが、モニター表示画像（画面）の中央座標（Ｘｅｅ
ｎｔａｒ＋　ＹＣ＠ｎｔ＠ｒ）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−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（ｄａｄ’
）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への人力により、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（ＸＭ。

ＹＭ）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（ＸＭ、、ＹＭ）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Ｉ！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、これによフ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 ｌＯ・・・試料電流検出用導線 １２・・・光電子増幅管　　１４・・・二次電子線像１
５・・・半導体回路の微細配線 １６・・・枠　　　　　　　１７・・・マーカー第１図 第２図 第６図 【ヒ８′ 第９図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 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。