JPH0620634A

JPH0620634A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH0620634A
Application number: JP4200595A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Honma; 芳和本間; Mineharu Suzuki; 峰晴鈴木; Tetsuya Maruo; 哲也丸尾; Masahito Tomita; 雅人富田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】表面原子配列の実空間分布観察が可能な走査
電子顕微鏡を提供すること。【構成】電子ビームを細く収束して試料表面を走査
し、その際に発生する二次電子を二次電子検出手段に引
き込み、二次電子検出手段からの信号を電子ビームの走
査と同期させて表示することにより試料表面の走査像を
得る走査電子顕微鏡において、試料を挟んで前記二次電
子検出手段と反対側に正電圧を印加できる電極を有する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、結晶材料の表面を観察
する走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体、金属等の単結晶基板表面
の原子配列の分布を実空間の像として観察する方法とし
ては、反射電子顕微鏡または走査型反射電子顕微鏡が用
いられていた。反射電子顕微鏡では電子ビームを試料表
面すれすれに入射させ、試料表面の原子列によって回折
された電子を用いて表面の像を結像させる（八木、谷
城、高柳：「表面電子顕微鏡法』応用物理５５（１９８
６）１０３６）。また、走査型反射電子顕微鏡では、同
様に電子ビームを試料表面すれすれに入射させたときに
発生する回折電子を用いるが、電子ビームを走査電子頭
微鏡と同じように試料表面を走査させ、これに同期させ
て回折電子の強度をブラウン管に表示させることによ
り、表面の走査像を得る（市川、土井、早川：「マイク
ロプローブ反射電子回折法による結晶表面の観察」応用
物理５４（１９８５）１１８７）。いずれも、結晶表面
の原子配列に敏感な手段で、表面に吸着した異種原子層
や、結晶構成原子が表面１〜３原子層で結晶内部（バル
ク）と異なった原子配列をとる表面再配列構造（例え
ば、Ｓｉ（１１１）面における７×７構造やＳｉ（１０
０）面におけるｌ×２構造）についての空間分布を鮮明
な像として観察できる。しかし、いずれの場合にも表面
からの反射回折電子を利用するため電子ビームを試料表
面すれすれ（数度以下）に入射させる必要があり、得ら
れる像は電子ビ一ムの入射方向に極端な寸詰まりを起こ
す（縦横比が数十対１）。

【０００３】反射回折電子を用いずに二次電子で結晶表
面の走査像を得ようとする試みもある（市ノ川：「低エ
ネルギー走査型電子顕微鏡」日本結晶学会誌２９（１９
８７）ｌ３０、および、井野：「超高真空走査電子顕微
鏡による表面吸着層の観察」日本物理学会１９９０年秋
の分科会講演予講集第二分冊Ｐ．４６０）。この場合に
は垂直入射の電子ビームを使用でき、走査像の寸詰まり
はない。しかし、この方法では表面に存在する基板原子
とは異なる原子の層を識別することができるが、表面再
配列層のような基板原子自体の原子配列の違いを識別す
ることはできなかった。これは、以下に述べるように、
従来法では発生する二次電子を放出方向に無関係に検出
していたため、原子配列の違いを区別できなかったこと
による。

【０００４】図６に従来の走査電子顕微鏡の構造を示
す。電界放射型の電子銃２１から発生した電子ビーム２
２は、コンデンサレンズ２３で収束され、偏向コイル２
４で偏向された後、対物レンズ２５でさらに収束され
て、その中に置かれた試料台２６に登載された試料２７
の表面に照射される。これにより、試料２７の表面から
二次電子２８が発生する。二次電子２８は対物レンズの
磁場の中をサイクロトロン運動をしながら二次電子検出
器２９の電界に引かれて上方に遡り、二次電子検出器２
９で検出され、電子ビーム２２の偏向コイル２４による
走査と同期させてＣＲＴ等の表示手段３０上に検出強度
を表示することにより走査像が得られる。図７は別の型
の従来の走査電子顕微鏡の構造を示す図である。電子
銃、コンデンサレンズ、偏向コイルは図６と同じであ
る。電子ビーム３２は対物レンズ３５で収束されて、そ
の外に置かれた試料台３６に登載された試料３７の表面
に照射される。これにより、試料３７の表面から二次電
子３８が発生する。二次電子３８は二次電子検出器３９
の電界（典型的には１０ｋＶ）によって引き込まれ、二
次電子検出器３９で検出される。そして、電子ビーム３
２の偏向コイル３４による走査と同期させてＣＲＴ等の
表示手段４０上に検出強度を表示することにより走査像
が得られる。

【０００５】従来装置で原子配列を反映した像が得られ
なかった理由は、発生した二次電子を試料面内の放出方
向に無関係に検出していたためである。即ち、図６のよ
うな二次電子の検出方式では、二次電子のサイクロトロ
ン運動により二次電子の放出方向に対する情報が失わ
れ、試料面内のどの方向に放出された二次電子も平等に
検出していた。また、図７のような二次電子検出方式で
は、二次電子検出器３９の方向に放出された二次電子と
二次電子検出器３９と逆方向に放出された二次電子との
間に引込効率の違いはあるものの、強い引込電界の効果
により、放出方向選択性は非常に弱かった。これは、従
来の装置では、二次電子の引込効率を高めることに主眼
がおかれ、むしろ、放出方向の選択性を持たせない検出
方式を採用していたためである。

【０００６】放出方向の選択性を持った検出方法として
は、Ｂａｎｂｕｒｙ−Ｎｉｘｏｎケージを用いる方法が
ある（Ｌ．Ｒｅｉｍｅｒ：ＳｃａｎｎｉｎｇＥｌｅｃ
ｔｒｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、Ｓｐｒｉｎｇｅｒ
−Ｖｅｒｌａｇ（Ｂｅｒｌｉｎ、１９８５）ｐｐ．２
３７−３８）。これは、図８に示すように、図７のタイ
プの走査電子顕微鏡において、対物レンズ３５の下、試
料３７の周囲に、グリッドを張った窓を持った円筒電極
４１と上部電極４２を設置するもので、円筒電極４１に
は正電圧を印加し、上部電極４２には負電圧を印加す
る。これにより、試料から発生した二次電子を二次電子
検出器３９に引き込む前に、初期の放出方向を維持した
まま引き出すことができる。しかし、試料をこのような
ケージで囲むと試料から後方散乱された電子ビームがケ
ージ表面で二次電子を発生し、バックグランドノイズを
発生する。これは、原子配列の差による微妙なコントラ
ストを観察する場合には大きな障害となる。また、走査
電子顕微鏡では二次電子像観察と併用することの多い反
射電子像観察や特性Ｘ線分析、あるいはオージエ電子分
析を行う場合には、ケージが妨げになる。特に、電子ビ
ームをｌ０ｎｍ以下に細く集束して高分解能な観察を行
うには、対物レンズ３５と試料３７の距離をできるだけ
近付けたほうが有利であるので、図８のようなケージは
妨げとなる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の走査電
子顕微鏡における上記の欠点を改善するために提案され
たもので、その目的は、表面原子配列の実空間分布観察
が可能な走査電子顕微鏡を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、試料を挟んで前記二次電子検出手段と反
対側に正電圧を印加できる電極を有する走査電子顕微
鏡、および、試料の周囲の二次電子検出器を含む同一平
面上に複数個の正電圧を印加できる電極を配置したこと
を特徴とする走査電子顕微鏡を要旨とするものである。

【０００９】

【実施例】

（実施例１）図１に本発明の第１の実施例における走査
電子顕微鏡を示す。電界放射型の電子銃１から発生した
電子ビーム２はコンデンサレンズ３で収束され、偏向コ
イル４で偏向された後、対物レンズ５でさらに収束され
て、試料台６に登載された試料７の表面に照射される。
これにより、試料７の表面から二次電子８が発生する。
二次電子８は試料台６の横に置かれ、かつ正の高電圧
（典型的には１０ｋＶ）を印加した二次電子検出器９に
引き込まれて検出される。そして、電子ビーム２の偏向
コイル４による走査と同期させてＣＲＴ等の表示手段１
１上に検出強度を表示することにより走査像が得られ
る。この際、試料７を挟んで二次電子検出器９と対称な
位置に設置した電極１０に二次電子検出器９の引き込み
電圧と同じ電圧を印加する。電極１０の形状は二次電子
検出器９の高電圧印加部分と同じにしてある。この結
果、図２に模式的に示すように、試料７の周囲の電場が
試料を挟んで面対称に近くなる。このため、試料７上で
電子ビーム２の照射点と二次電子検出器９を結ぶ直線と
垂直な方向に近い角度に放出された二次電子８１や、反
対方向に放出された二次電子８２は、二次電子検出器９
に到達しない。

【００１０】この時、走査像が表面原子配列分布を反映
したものになる理由を以下に説明する。二次電子の放出
方向は完全には等方的ではなく、原子配列の異方性を反
映した空間分布を持つ。この様子を２回対称性を持つＳ
ｉ（１００）のｌ×２構造を例に図３を用いて説明す
る。１×２構造の原子配列を横から眺めると、図中でＡ
方向と示した方向と、これに垂直なＢ方向では原子配列
が異なる。このため、二次電子の放出強度にもＡ方向と
Ｂ方向との間で僅かな差が生じる。従って、放出される
二次電子のうち、±９０゜未満の方位角内にのみ放出さ
れるものを検出すると、二次電子強度は原子配列と同じ
２回対称性を持つ。この二次電子の放出強度の２回対称
性における山と谷の強度差は、表面に垂直な方向の二次
電子まで検出するよりも、表面に対して低角に放出され
る二次電子だけを検出した方が大きくなる。図３の原子
配列のＡ方向の向きが９０゜異なる二つの領域（ドメイ
ン）が共存している場合（Ｓｉ（１００）面では１×２
領域と２×ｌ領域に対応する）、本発明装置を用いてＡ
方向あるいはＢ方向に放出される二次電子を選択的に検
出すると、それぞれのドメインが明あるいは暗に分か
れ、ドメイン分布を反映した像を得ることができる。

【００１１】なお、電極１０には、上記のように二次電
子検出器９の高電圧印加部分と同じ形状のものを用い、
二次電子検出器９とは試料７を挟んで対称な位置に設置
し、二次電子検出器９の引き込み電圧と同じ電圧を印加
するのが望ましいが、形状、位置、印加電圧ともにこれ
に限定されるわけではない。例えば、電極１０の位置を
二次電子検出器９と対称な位置より試料７側に近付け、
かつ、印加電圧を低くすることにより、試料７の表面上
での電界を面対称にすることも可能である。

【００１２】（実施例２）図４に本発明の第２の実施例
における走査電子顕微鏡の電極配置を示す。他の部分は
実施例１と同様であるので省略した。本実施例では、試
料７の周囲の二次電子検出器９を含む同一平面上に複数
個の正電圧を印加できる電極を配置している。図４には
二次電子検出器９の高電圧印加部分と同じ形状をもつ３
個の電極１０１〜１０３を、試料７を中心に二次電子検
出器９を一つの頂点とする正方形の他の３つ頂点に配置
した例を示した。各電極ヘの印加電圧は二次電子検出器
９の引き込み電圧に等しくしている。試料７上で電子ビ
ーム２の照射点と二次電子検出器９を結ぶ直線と垂直な
方向に近い角度に放出された二次電子８１は電極１０１
及び１０３に引き込まれ、反対方向に放出された二次電
子８２は電極ｌ０２に引き込まれるため、二次電子検出
器９に到達しない。このため、実施例ｌ以上に検出でき
る二次電子の角度制限性が高まり、ドメインコントラス
トが向上できる。なお、電極の数、形状、試料からの距
離、印加電圧は図４の例に限定されるわけでななく、試
料７の表面上で二次電子８１を二次電子検出器９以外の
方向に引き出す電界を発生できればよい。例えば、電極
１０２を使用せずに用いることも可能である。また、電
極１０１と１０２を図４の例よりも試料７に近付け、印
加電圧を低くすることもできる。

【００１３】なお、ここではＳｉ（１００）表面の１×
２のような２回対称性を持つ構造を対象に説明を行った
が、３回対称性、４回対称性、あるいはさらに高次の対
称性を持つ構造に対してドメインコントラストを観察す
る場合には、観察対象の対称性に応じた電極配置をとれ
ばよい。

【００１４】（実施例３）図５に本発明の第３の実施例
における走査電子顕微鏡の電極配置および検出器の配置
を示す。他の部分は実施例１と同様であるので省略し
た。本実施例では、試料７の周囲の二次電子検出器９を
含む同一平面上に配置した複数個の正電圧を印加できる
電極の一部を、別の二次電子検出器９１、９２に置き換
えている。図５には、３回対称性をもつ原子配列構造の
観察を対象に、二次電子検出器９の高電圧印加部分と同
じ形状をもつ３個の電極１０４〜ｌ０６と新たに付加し
た二次電子検出器９１、９２を、試料７を中心に二次電
子検出器９を一つの頂点とする正六角形の頂点に配置し
た例を示した。各電極および付加した二次電子検出器９
１、９２ヘの印加電圧は二次電子検出器９の引き込み電
圧に等しくしている。試料７上で電子ビーム２の照射点
と二次電子検出器９を結ぶ直線と６０゜に近い角度より
大きな角度に放出された二次電子８２〜８６は、電極１
０４〜１０６、および付加した二次電子検出器９１、９
２に引き込まれるので、二次電子検出器９には±６０゜
未満の角度内に放出された二次電子のみが検出される。
一方、二次電子検出器９１には、同様な理由で、二次電
子検出器９とは１２０゜の角度をなす方向を中心に、６
０゜より大きく１８０゜を超えない角度に放出された二
次電子８４が検出される。同様に、二次電子検出器９２
には二次電子検出器９とは２４０゜の角度をなす方向を
中心に１８０゜より大きく３００゜を超えない放出され
た二次電子８５が検出される。これにより各二次電子検
出器は３回対称性を持つ原子配列の異なる３種のドメイ
ンを別々に検出できる。従って、それぞれの検出器から
の信号を別々の表示手段に表示することにより、３種の
ドメインの分布を同時に観察することができる。なお、
二次電子検出器および電極の数、形状、試料からの距
離、印加電圧は図５の例に限定されるわけでななく、試
料７の表面上で所望の方向に発生した二次電子のみを選
択的に検出できる電界を発生できればよい。例えば、図
４に示した実施例２において、電極１０１を別の二次電
子検出器に置き換えることにより、２回対称性を持つ表
面原子配列の２つのドメインを同時に観察することがで
きる。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、試料を挟んで前記
二次電子検出手段と反対側に正電圧を印加できる電極を
有する走査電子顕微鏡、および、試料の周囲の二次電子
検出器を含む同一平面上に複数個の正電圧を印加できる
電極を配置したことを特徴とする走査電子顕微鏡を用い
ることにより、従来は困難であった走査電子顕微鏡によ
る表面原子配列の実空間分布観察が可能となり、半導体
や金属の表面構造の研究に多大な進歩をもたらし、材料
開発および素子開発に大きく貢献することは疑う余地の
ないところである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第ｌの実施例における走査電子顕微鏡
を説明する図

【図２】第１の実施例における試料付近の電界分布を説
明する図

【図３】Ｓｉ（１００）面のｌ×２構造の原子配列の異
方性を説明する図

【図４】本発明の第２の実施例における電極配置を説明
する図

【図５】本発明の第３の実施例における電極配置と二次
電子検出器の配置を説明する図

【図６】従来の走査電子顕微鏡を説明する図

【図７】従来の走査電子顕微鏡を説明する図

【図８】従来の走査電子顕微鏡における二次電子の放出
方向の選択性を持つ検出手段を説明する図である。

【符号の説明】

１電子銃、２電子ビーム、３コンデンサレンズ、４偏向コイル、５対物レンズ、６試料台、７試料、８二次電子検出器９の方向に放出された二次電
子、９二次電子検出器８１二次電子検出器９に対し垂直に近い方向に放出
された二次電子、８２二次電子検出器９と反対方向に放出された二次
電子、８３二次電子検出器９に対し６０゜に近い方向に放
出された二次電子、８４二次電子検出器９に対し１２０゜に近い方向に
放出された二次電子、８５二次電子検出器９に対し２４０゜に近い方向に
放出された二次電子、８６二次電子検出器９に対し３００゜に近い方向に
放出された二次電子、９１二次電子検出器、９１二次電子検出器、１０電極、１０１電極、１０２電極、１０３電極、ｌＯ４電極、１０５電極、１０６電極、１１表示手段、２１電子銃、２２電子ビーム、２３コンデンサレンズ、２４偏向コイル、２５対物レンズ、２６試料台、２７試料、２８二次電子、２９二次電子検出器、３０表示手段、３１電子銃、３２電子ビーム、３３コンデンサレンズ、３４偏向コイル、３５対物レンズ、３６試料台、３７試料、３８二次電子、３９二次電子検出器、４０表示手段、４１円筒電極、４２上部電極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富田雅人東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビームを細く収束して試料表面を走
査し、その際に発生する二次電子を二次電子検出手段に
引き込み、二次電子検出手段からの信号を電子ビームの
走査と同期させて表示することにより試料表面の走査像
を得る走査電子顕微鏡において、試料を挟んで前記二次
電子検出手段と反対側に正電圧を印加できる電極を有す
ることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】電子ビームを細く収束して試料表面を走
査し、その際に発生する二次電子を二次電子検出手段に
引き込み、二次電子検出手段からの信号を電子ビームの
走査と同期させて表示することにより試料表面の走査像
を得る走査電子顕微鏡において、試料の周囲の前記二次
電子検出器を含む同一平面上に複数個の正電圧を印加で
きる電極を配置したことを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】複数の正電圧を印加できる電極のうちの
任意のものを二次電子検出器に置き換えたことを特徴と
する請求項２に記載の走査電子顕微鏡。