(57)【要約】  試料２の近傍に形成される局所電界の分布を可視化するものであり、試料２の近傍に形成された局所電界を通過する１次電子線１を局所電界により偏向させ、偏向した１次電子線１の軌道の下流側に設けた検出素子から生成放出した２次電子を２次電子検出器６で検出し、その検出した信号による画像を、試料２を走査して得られる走査電子線画像と合成することにより、前記局所電界の分布を多階調で可視化する。これにより、通常の電子線走査光学系を用いて、局所電界分布を１度の画像走査で多階調的に、かつリアルタイムで求めることができる局所電界分布可視化方法が提供可能となる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線走査光学系において、試料の近傍に形成される局所電界の分布を可視化する方法であって、
前記試料の近傍に形成された局所電界を通過する１次電子線を前記局所電界により偏向させ、偏向した１次電子線の軌道の下流側に設けた検出素子から生成放出した２次電子を２次電子検出器で検出し、その検出した信号による画像を、試料を走査して得られる走査電子線画像と合成することにより、前記局所電界の分布を多階調で可視化することを特徴とする局所電界分布可視化方法。
【請求項２】
前記試料が突出部を有し、該突出部の近傍に前記局所電界が形成されることを特徴とする請求項１に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項３】
前記試料に電位を付与することを特徴とする請求項１または２に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項４】
前記検出素子として、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つ検出素子を用いることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項５】
前記検出素子として、２組の複数の線状部よりなるグリッド構造が互いに直交して設けられた検出素子を用いることを特徴とする請求項４に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項６】
前記検出素子として、基板上にグリッドが形成され、前記グリッドは金属元素で構成され、前記グリッドの構成元素と前記基板の構成元素とは１次電子線の衝撃に対する２次電子発生効率が異なるものである検出素子を用いることを特徴とする請求項４または５に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項７】
前記グリッドがＡｌ、ＣｕまたはＡｕから構成された検出素子を用いることを特徴とする請求項６に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項８】
前記グリッドにバイアス電圧を印加することを特徴とする請求項６または７に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項９】
前記グリッドに印加するバイアス電圧の強度を調整することにより、前記局所電界の分布を表す画像のコントラストを調整することを特徴とする請求項８に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項１０】
前記検出素子を構成するグリッド線をそれぞれ個別にＡ／Ｄ変換手段と接続し、前記Ａ／Ｄ変換手段からの信号に基づいて、前記局所電界による１次電子線の散乱角を検出することを特徴とする請求項２ないし９のいずれか一項に記載の局所電界分布可視化方法。
【請求項１１】
請求項１から１０のうちのいずれか一項に記載の可視化方法によって、前記試料の局所電界の分布特性を評価することを特徴とする局所電界分布特性の評価方法。
【請求項１２】
試料の機械的歪み又は動作の局所電界への依存性を評価することを特徴とする請求項１１に記載の局所電界分布特性の評価方法。
【請求項１３】
電子線走査光学系において試料の近傍に形成される局所電界の分布の多階調での可視化可能とする装置であって、少くとも、（ａ）試料への１次電子線の走査照射部、（ｂ）１次電子線の検出部、（ｃ）試料に形成された局所電界により偏向された一次電子線の検出素子部、（ｄ）一次電子線の検出部から生成放出された２次電子線を検出する２次電子検出部、（ｅ）２次電子検出部からの信号の画像変換部、（ｆ）１次電子線検出部からの信号の画像変換部、（ｇ）前記画像変換部（ｅ）（ｆ）からの画像を合成表示する画像合成表示部とを有していることを特徴とする局所電界分布可視化装置。
【請求項１４】
前記試料が突出部を有し、該突出部の近傍に前記局所電界が形成されることを特徴とする請求項１３に記載の局所電界分布可視化装置。
【請求項１５】
前記試料に電位を付与する電位付与部を設けたことを特徴とする請求項１３または１４に記載の局所電界分布可視化装置。
【請求項１６】
前記検出素子部（ｃ）は、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つ検出素子を有していることを特徴とする請求項１３ないし１５のいずれか一項に記載の局所電界分布可視化装置。
【請求項１７】
前記検出素子部（ｃ）は、２組の複数の線状部よりなるグリッド構造が互いに直交して設けられた検出素子を有していることを特徴とする請求項１６に記載の局所電界分布可視化装置。
【請求項１８】
前記グリッドにバイアス電圧を印加するグリッドバイアス電圧印加部を有していることを特徴とする請求項１６または１７に記載の局所電界分布可視化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、局所電界分布可視化方法とその装置に関し、より詳しくは、電子線走査光学系を用い、試料の近傍に形成される局所電界の分布を多階調でリアルタイムに可視化する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
局所電界を可視化することは、ナノ構造体としての固体デバイス、ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）トランジスタ、発光素子、電子放出素子、あるいはより実際的にはＬＳＩの故障診断解析やゲート部位の欠陥等などの性能、機能の評価、故障解析にとって重要な手がかりを与えるものとして期待されている。
このようなナノ構造体の開発や解析にとって重要性が高まりつつある局所電界を可視化する方法としては、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いた局所電界可視化方法が報告されている（非特許文献１）。図１１にその方法の概念図を示す。先端のとがった導電性プローブに、陽極を対向配置し、電圧を印加すると、プローブ先端には非常に強い局所電界が誘起される。プローブが導電性である場合、プローブ全体は同一電位である。プローブが電界中に置かれたとき、すなわち空間に電位勾配が存在するときでも、プローブの電位は全体が同一電位とならなくてはならない。このために、プローブ先端にみかけの電荷が誘導され、プローブ全体が同一電位になるように調整される。つまり、電位が印加されたプローブ先端にはこの見かけの電荷によって、先端近傍で非常に強い電界である局所電界が形成されることになる。この強い局所電界中を走査透過電子顕微鏡の１次電子線が通過すると、その軌道は大きく偏向される。つまり、１次電子線の軌道の偏向は、プローブ先端に誘起された点電荷とのクーロン力によって電子軌道が偏向された散乱、すなわちRutherford散乱と考えることができる。【０００３】
このために走査透過電子顕微鏡の透過像には、電子線が散乱されて、筐体下部に設置された電子線検出器（ＳＴＥＭ検出器）からそれて、散乱を受けた領域では検出信号が出てこないために、プローブ先端を囲むように黒い領域が出現する。【０００４】
Rutherford散乱では、電子は双曲線軌道を描く。無限遠からの軌道は点電荷に対し一定の距離ｂ（衝突径数）をもって近づく。その後、点電荷とのクーロン相互力で軌道が曲げられ、偏向する。ここで衝突径数ｂは次式で表される。【０００５】
【数１】
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【０００６】
上記式中、ｅは素電荷、ｚ１ｅはプローブ先端に見かけ上誘起された点電荷、ｍは電子質量、ε０は真空の誘電率、ｖは１次電子線の速度、θは散乱角である。【０００７】
この散乱の結果、１次電子線は電子線検出器の外に軌道がそれて、黒い影が形成される。画像の完全に黒い部分、つまりプローブや電極の黒さを与える輝度と同じレベルの黒さの部分を抽出すれば、走査電子が完全に電子線検出器の外側にずれるほどに偏向を受けた領域が特定される。もちろん走査透過電子顕微鏡はコントラストと輝度の調整が任意に可能であり、明視野像中の最暗部が飽和していないことが前提となる。【０００８】
プローブ先端と陽極とを、図１２（ａ）に示すように１０μｍのギャップを置いて配置し、２５８Ｖの電位を与えたときに観測されるプローブ先端の黒い領域から、プローブと同じレベルの輝度を抽出した結果が図１２（ｂ）に示す白い円領域である。この円領域内に入射した１次電子線はすべて電子線検出器の外にそれているわけで、このときの円領域の半径１．５μｍが衝突径数ｂとなる。散乱角θは電子線検出器の半径とプローブ先端との距離で決まり、円領域の境界上での電界Ｅは次式で表される。【０００９】
【数２】
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【００１０】
相対論適用外の低加速の１次電子線を用いた場合には電界Ｅは次式で表される。【００１１】
【数３】
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【００１２】
ここで、Ｖは一次電子線の加速電圧である。【００１３】
この関係式を用いることにより、電子散乱によって出現した黒い影の大きさから、散乱角を求めることが可能となり、影の縁での局所電界強度を求めることができる。
【非特許文献１】J. Fujita et al. “In-situ Visualization of Local Field Enhancement in an Ultra Sharp Tungsten Emitter under a Low Voltage Scanning Transmission Electron Microscope” Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 498-501
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
非特許文献１に記載される技術により、電子散乱によって出現した黒い影の大きさから、影の外周での局所電界強度を求めることが可能になった。【００１５】
しかしながら、非特許文献１の方法で得られる、投影された電界領域は単一の黒い影であり、影の外周での局所電界強度を求めることはできるものの、領域全体の電界強度分布を一度に求めることはできなかった。また、１次電子線の加速度を変えながら複数枚のデータを収集することで領域全体の電界強度分布を得ることも考えられるが、その場合、高速に、かつリアルタイム変化を可視化することは困難であり、さらに改善を行う余地があった。【００１６】
本発明は、このような背景のもとでなされたもので、その目的は、ナノ構造体の開発や評価、さらにはナノ構造体やＭＥＭＳ等の局所電界に依存する機械的歪み解析や動作解析のための手段としての重要性が一層高まりつつある局所電界分布を、１度の画像走査で多階調的に、かつリアルタイムで求めることができる、新しい局所電界分布可視化方法とその装置を提供することにある。
また、本発明は、局所電界分布の２次元マッピングを行うことができる、新しい局所電界分布可視化方法とその装置を提供することも目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明によれば、上記目的を達成するため、第１に、電子線走査光学系において、試料の近傍に形成される局所電界の分布を可視化する方法であって、前記試料の近傍に形成された局所電界を通過する１次電子線を前記局所電界により偏向させ、偏向した１次電子線の軌道の下流側に設けた検出素子から生成放出した２次電子を２次電子検出器で検出し、その検出した信号による画像を、試料を走査して得られる走査電子線画像と合成することにより、前記局所電界の分布を多階調で可視化することを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００１８】
第２に、上記第１の発明において、前記試料が突出部を有し、該突出部の近傍に前記局所電界が形成されることを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００１９】
第３に、上記第１または第２の発明において、前記試料に電位を付与することを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２０】
第４に、上記第１ないし第３のいずれかの発明において、前記検出素子として、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つ検出素子を用いることを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２１】
第５に、上記第４の発明において、前記検出素子として、２組の複数の線状部よりなるグリッド構造が互いに直交して設けられた検出素子を用いることを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２２】
第６に、上記第４または第５の発明において、前記検出素子として、基板上にグリッドが形成され、前記グリッドは金属元素で構成され、前記グリッドの構成元素と前記基板の構成元素は、１次電子線の衝撃に対する２次電子発生効率が異なる検出素子を用いることを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２３】
第７に、上記第６の発明において、前記グリッドがＡｌ、ＣｕまたはＡｕから構成された検出素子を用いることを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２４】
第８に、上記第６または第７の発明において、前記グリッドにバイアス電圧を印加することを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２５】
第９に、上記第８の発明において、前記グリッドに印加するバイアス電圧の強度を調整することにより、前記局所電界の分布を表す画像のコントラストを調整することを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２６】
第１０に、上記第２ないし第９のいずれかの発明において、前記検出素子を構成するグリッド線をそれぞれ個別にレジスタと接続し、前記レジスタからの信号に基づいて、前記局所電界による１次電子線の散乱角を検出することを特徴とする局所電界分布可視化方法が提供される。【００２７】
第１１には、前記第１から第１０の発明のうちのいずれかの可視化方法によって、前記試料の局所電界の分布特性を評価することを特徴とする局所電界分布特性の評価方法が、また、第１２には、試料の機械的歪み又は動作の局所電界への依存性を評価することを特徴とする局所電界分布特性の評価方法が提供される。【００２８】
そして、第１３には、電子線走査光学系において試料の近傍に形成される局所電界の分布の多階調での可視化可能とする装置であって、少なくとも、（ａ）試料への１次電子線の走査照射部、（ｂ）１次電子線の検出部、（ｃ）試料に形成された局所電界により偏向された１次電子線の検出素子部、（ｄ）１次電子線の検出部から生成放出された２次電子線を検出する２次電子検出部、（ｅ）２次電子検出部からの信号の画像変換部、（ｆ）１次電子線検出部からの信号の画像変換部、（ｇ）前記画像変換部（ｅ）（ｆ）からの画像を合成表示する画像合成表示部とを有していることを特徴とする局所電界分布可視化装置が提供される。【００２９】
第１４には、前記試料が突出部を有し、該突出部の近傍に前記局所電界が形成されることを特徴とする局所電界分布可視化装置が、第１５には、前記試料に電位を付与する電位付与部を設けたことを特徴とする局所電界分布可視化装置が、第１６には、前記検出素子部（ｃ）は、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つ検出素子を有していることを特徴とする局所電界分布可視化装置が、第１７には、前記検出素子部（ｃ）は、２組の複数の線状部よりなるグリッド構造が互いに直交して設けられた検出素子を有していることを特徴とする局所電界分布可視化装置が、第１８には、前記グリッドにバイアス電圧を印加するグリッドバイアス電圧印加部を有していることを特徴とする局所電界分布可視化装置が提供される。
なお、本明細書において、評価、解析の対象となるナノ構造体や電子デバイス構造体を総称して試料と称する。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１の発明によれば、ナノ構造体や、Ｒ−ＲＡＭ（レジスティブＲＡＭ）などのナノギャップデバイスを含む電子デバイス構造体等の試料に電位を付与したときに試料の近傍に形成される局所電界分布の画像を、ＳＥＭ画像中に合成し多階調で可視化でき、さらにリアルタイムの変化を追跡することが可能となる。これによって、ナノ構造体や電子デバイス構造体等の試料のナノスケールでの微細または微小な構造や形状、そして元素構成等に由来する特有な局所電界分布の特徴、特性、機能とその変化をリアルタイムで把握できることから、本発明により得られた可視化情報はナノ構造体の開発、そして解析にとって極めて重要な貢献を果たすことになる。【００３１】
請求項２ないし８の発明によれば、偏向した１次電子線がグリッドに衝突することにより、多量の２次電子が生成放出され、ＳＮ比の良好な局所電界分布の画像を得ることができるようになり、その効果は、試料が突出部を有し、該突出部の近傍に局所電界が形成されること（請求項２）、試料に電位を付与すること（請求項３）、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つ検出素子を用いること（請求項４）、２組の複数の線状部よりなるグリッド構造を互いに直交して設けられた検出素子を用いること（請求項５）、基板上にグリッドが形成され、グリッドは金属元素で構成され、グリッドの構成元素と基板の構成元素は、１次電子線の衝撃に対する２次電子発生効率が異なる検出素子を用いること（請求項６）、グリッドがＡｌ、ＣｕまたはＡｕから構成された検出素子を用いること（請求項７）、グリッドにバイアス電圧を印加すること（請求項８）により、さらにすぐれたものとすることができる。また、局所電界分布の２次元マッピングが可能となる（請求項５）。【００３２】
請求項９の発明によれば、グリッドに印加するバイアス電圧の強度を調整することにより、２次電子発生量を制御することができるため、局所電界の分布を表す画像のコントラストを調整することができ、等高線画像の強度を自在に変化させるだけでなく、ネガ・ポジ反転も可能となる。【００３３】
請求項１０の発明によれば、グリッド線をそれぞれ個別にＡ／Ｄ変換手段と接続し、１次電子線の衝突をデジタルデータとして検出することで、リアルタイムに１次電子線の偏向角度を位置情報として検出することができ、高速データ解析が可能となる。【００３４】
請求項１１および１２の発明によれば、以上の方法によって、試料特有の局所電界分布特性の評価が可能となる。
そして、請求項１３から１８の発明によれば、前記の可視化方法が可能とされる装置が提供されることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】図１は、本発明の第一の実施形態における局所電界分布可視化の方法を示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の第一の実施形態における実際の局所電界分布を可視化した状態を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の第一の実施形態における局所電界分布解析方法を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の第一の実施形態における有限要素法による局所電界分布を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の第二の実施形態における局所電界分布可視化の方法を示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の第三の実施形態における局所電界分布可視化の方法を示す概略図である。
【図７】図７は、本発明の第四の実施形態において複数のグリッドを陰極と陽極とがなす方向と平行に配置した場合の局所電界分布可視化方法を示すための概略説明図およびその方法により実際の局所電界分布を可視化した状態を示す概略図である。
【図８】図８は、本発明の第四の実施形態において複数のグリッド列を縦横に格子状に配置した概略図およびその配置を利用して得た実際の局所電界分布を可視化して２次元マッピングした状態を示す概略図である。
【図９】図９は、本発明の第四の実施形態における２．５Ｖ／μｍ、５Ｖ／μｍ、１０Ｖ／μｍの評価等高線を示す図および対応する条件下での有限要素法によるシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】図１０は、本発明の第四の実施形態において２次元強度プロファイルを構築したときのプローブ軸に沿ったプロファイルおよびプローブ軸から６０゜のラインに沿ったプロファイルを示すグラフである。
【図１１】図１１は、局所電界による電子軌道の偏向の様子を示す概略図である。
【図１２】図１２は、透過走査子顕微鏡像中での電界可視化を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の局所電界分布可視化方法を詳細に説明する。【００３７】
本発明の局所電界分布可視化方法は、たとえば、その代表的な形態例として、走査電子顕微鏡光学系を用い、試料の近傍に形成される局所電界の分布を可視化する方法として示される。前記試料の近傍に形成された局所電界を通過する１次電子線を前記局所電界により偏向させ、偏向した１次電子線の軌道の下流側に設けた検出素子から生成放出した２次電子を２次電子検出器で検出し、その検出した信号による画像を、試料を走査して得られるＳＥＭ画像と合成することにより、前記局所電界の分布を多階調で可視化することである。【００３８】
このような可視化を可能とするための装置、システムとしては、前記のとおり、電子線走査光学系において試料近傍に形成される局所電界の分布の多階調での可視化可能とする装置であって、少なくとも、（ａ）試料への１次電子線の走査照射部、（ｂ）１次電子線の検出部、（ｃ）試料に形成された局所電界により偏向された一次電子線の検出素子部、（ｄ）一次電子線の検出部から生成放出された２次電子線を検出する２次電子検出部、（ｅ）次電子検出部からの信号の画像変換部、（ｆ）１次電子線検出部からの信号の画像変換部、（ｇ）前記画像変換部（ｅ）（ｆ）からの画像を合成表示する画像合成表示部とを有しているものとする。【００３９】
本発明において、試料とは、導体であってもよいし、導体でなくても電位をもったときに局所電界を誘起しうるものであればよい。また、評価、解析の対象となる試料は、近傍に局所電界を誘起する形状を有する部分を少なくともその一部に有するものであれば、突出部を有しているものや、フィラメント等の各種の形態であってよい。さらに、本発明における評価、解析は、試料を陰極とするとともに対向する陽極を配置した状態で行ってもよいし、試料が作動状態であってその近傍に局所電界を誘起する部分に電位が加わっているものを対象として行ってもよい。【００４０】
たとえば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、通常のＴＶ画像と同様に垂直および水平方向の偏向信号を用いて１次電子線を走査する。試料上の走査位置で、発生した２次電子線の強弱を垂直・水平信号に同期させて画像化することで試料表面の形態を画像として出力しているのがＳＥＭ画像（走査電子顕微鏡画像）である。【００４１】
走査電子顕微鏡光学系において、導体試料に電位を付与すると、導体試料が先端がとがった突出部を有している場合、その突出部先端の近傍に局所電界が形成される。１次電子線が局所電界中を通過するとクーロン力が作用し、Rutherford散乱により電子軌道が偏向する。この偏向した電子軌道の下流側に検出素子を設け、この検出素子に１次電子線が照射されることにより、２次電子線を生成放出させる。【００４２】
検出素子としては、グリッド構造を有するものが好ましく使用される。この場合、検出素子としては、一定間隔離間して設けられた複数の線状部よりなるグリッド構造を持つものが好ましく使用される。各グリッド線は、例えば、幅が０．５〜３ミクロン程度、厚みが０．０５〜０．２ミクロン程度、線間隔が５〜２０ミクロン程度、本数は１〜１０本程度とすることができる。また検出素子と突出部先端の水平方向の距離は５０ｍｍ程度、垂直方向の距離は３０ｍｍ程度とすることができる。もちろん、これらの値は例示であって、電子線の加速電圧、検出しようとする局所電界強度、分解能の程度によって変わってくる。検出素子は、基板上にこれらのグリッド線を設けた構造とすることができるが、グリッドの構成材料としては、多量の２次電子を放出させるためには、金属材料が好ましく、特に好ましいものとしてＡｌ、Ｃｕ、Ａｕが例示される。また、グリッドの構成元素と基板の構成元素とは１次電子線の衝撃に対する２次電子発生効率が異なるものであることが、明瞭な分布画像を得るために好ましい。グリッドの構成元素と基板の構成元素の原子量の差が大きいと２次電子発生効率の差が大きくなる。基板の典型的な例としては、シリコンを挙げることができるが、これに限定されない。
また、例えば複数の線状部よりなるグリッド構造を２組縦横に配置すると局所電界分布の２次元マッピングが可能となる。【００４３】
偏向した１次電子線が検出素子に衝突すると、大量の２次電子が生成放出されるので、その２次電子を２次電子検出器、例えば通常のＳＥＭ画像用のシンチレータで検出する。そして、その検出した信号に基づく画像を、試料を走査して得られるＳＥＭ画像中に合成することで、局所電界強度分布を多階調で可視化することができる。すなわち、局所電界強度を反映した等高線状画像を得ることができる。【００４４】
ここで、検出素子のグリッドにバイアス電圧を印加すると、２次電子発生量を制御することができ、等高線画像の強度の調整のみならず、ネガ・ポジ反転も可能となる。【００４５】
さらに、グリッド線を個別にそれぞれレジスタ等のＡ／Ｄ変換手段に接続し、１次電子線の衝突をデジタルデータとして検出することで、リアルタイムに１次電子線の偏向角度を位置情報として検出することが可能となり、ＳＥＭの偏向制御信号と組み合わせて、リアルタイムに局所電界強度分布をデジタルデータとて取得することも可能となる。【００４６】
典型的な例を挙げると、５ｋｅＶの１次電子線に対して、先端電界強度が１ＭｅＶ／ｍである場合の散乱角度は約２０ｍＲａｄであり、試料から３０ｍｍの距離を置いてグリッドを配置する場合には１０ミクロンピッチ程度のグリッドでＳＮの良い局所電界強度分布を取得することが可能である。【００４７】
たとえば以上のような方法、装置によって、本発明においては、前記試料の局所電界の分布特性を評価することを特徴とする局所電界分布特性の評価方法が、また、試料の機械的歪み又は動作の局所電界への依存性を評価することを特徴とする局所電界分布特性の評価方法が提供される。
そこで、以下に本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。【００４８】
（第一の実施形態）
次に、本発明の第一の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。【００４９】
図１に示すように、走査電子顕微鏡の試料室では１次電子線１が対物レンズ（図示せず）より絞られて導体試料２上を走査するようになっている。本実施形態で用いている１次電子線１の加速電圧は５ｋｅＶである。接地された導体試料２に対向配置された陽極８に正のバイアス電圧を印加すると、導体試料２と陽極８との間には電位勾配、すなわち電界が形成される。この電位勾配中に置かれた導体試料２の先端がとがった突出部（プローブ先端の局所突起物等）２ａでは導体全体の電位が等しくなるように、突出部２ａ先端に見かけの電荷が形成され、その近傍では非常に強い局所電界が形成される。１次電子線１がこの局所電界を通過するとき、クーロン斥力によりRutherford散乱され、偏向する。このときの突出部分２ａの先端から１次電子線１までの距離が衝突径数ｂである。散乱された１次電子線４（１）の偏向角度がθとなる。【００５０】
偏向した１次電子線４（１）の軌道の下流側にはグリッド５を備えた検出素子が配置され、偏向した１次電子線４（１）はこのグリッド５に衝突する。本実施形態ではグリッド５は酸化シリコン基板７上に厚さ１００ｎｍ、幅３ミクロンの金で一定間隔１０ミクロンピッチに離間形成されている。ここでグリッド５を構成する元素である金と基板７を構成する元素であるシリコンとは原子量が大きく異なるために、１次電子線照射に対する２次電子の発生効率は大きく異なるものとなる。つまり１次電子線４（１）が衝突したとき、金グリッド５上からは多量の２次電子が放出され、シリコン基板７上から放出される２次電子は少ない。【００５１】
ここで、グリッド５を備えた検出素子の作製方法について述べる。酸化シリコン基板７の上に、接着層としてチタンを厚さ５ｎｍ蒸着し、次にその上に金を厚さ１００ｎｍ蒸着した。この上に、ＮＥＢレジスト（ネガ型電子ビームレジスト）を約２００ｎｍ厚に塗布し、電子ビーム露光でレジストにグリッドパターンを転写した。次に、この基板をイオンエッチング装置に入れ、７００ｅＶ、１ｍＡ／ｃｍ２程度のＡｒイオンでミリングした。
これにより、グリッドパターンがＴｉ／Ａｕ膜に転写され、グリッド５を備えた検出素子が作製された。【００５２】
走査された１次電子線１の位置が突出部２ａ先端の極近傍である場合は、その散乱角度は大きくなり、最も遠いグリッド５部分に到達する。一方で、突出部２ａから離れた位置を通過した１次電子線４（１）の偏向角度は小さく、最も近いグリッド５部分に到達する。この間、１次電子線１の通過位置ｂは電子線走査とともに変化し、例えば図中右側から左側へ走査された場合、最初は、１次電子線４（１）はグリッド５に到達せず、従って、突出部２ａ先端近傍では周辺空間がダーク暗視野として映像化される。ところが、１次電子線１が突出部２ａに一定距離近づくと、クーロン斥力を受け、左端のグリッド５に到達するようになる。この段階のＳＥＭ画像中の突出部２ａ最外部はグリッド５からの２次電子により輝度情報が与えられ、白いピクセルとして画像化される。さらに１次電子線１が突出部２ａに近づくと、１次電子線４（１）はシリコン基板７に到達するが、シリコン基板７からの２次電子放出量が少ないために、黒いピクセルで画像化される。以降、突出部２ａ先端の電界強度に応じて、１次電子線４（１）の散乱角度が増えるに従い、グリッド５位置とシリコン基板７位置への到達を交互に繰り返し、白と黒の等高線状の局所電界分布がＳＥＭ画像の突出部先端に対応する位置に現れる。【００５３】
図２には実際の局所電界の画像化の様子を写真で示した。（ａ）は陽極８の電位が０Ｖの時の状態であり、突出部２ａ先端に相当する画像位置には影は現れない。先端部２ａの最外部と陽極８の水平距離は５００μｍである。図２（ａ）の右端に見えているのが検出グリッドである。バイアス電圧を図２（ｂ）２１０Ｖ、（ｃ）２２０Ｖ、（ｄ）２３０Ｖ、（ｅ）２４０Ｖと上げていくと、バイアス電圧の上昇に対応して、突出部２ａ先端に現れるリングの大きさが大きくなるとともに、内部のリングの数も増えていく。【００５４】
ここで、図２（ｅ）を詳しく解析してみると、リングの最外周のグレー領域は検出素子エッジ部に相当することが判る。図３（ａ）に導体試料２の突出部２ａとグリッド５の位置関係がよくわかるように全体を縮小して示し、（ｂ）に図２（ｅ）に相当する図を示し
、（ｃ）にリングを拡大した図を示す。シリコン基板７の平坦部での２次電子放出強度は低いが、グリッド５のエッジ部では、垂直な端面があるために、特異的に２次電子放出強度が高くなる。これがＳＥＭ画像で試料の凹凸が良く観測できる理由でもある。検出素子エッジ部での２次電子放出効率が高いために、リングの最外周は幅の広いグレー領域となっている。突出部２ａ先端近傍の最大のリングは図３（ｃ）の拡大図に示す白のリングであり、その半径はおおよそ２５０ｎｍであり、この最も内側の白リング半径が衝突径数ｂに相当する。また、この最内部のリングは、図３（ａ）に示す６本目のグリッド線に対応し、突出部２ａ先端近傍のリング円周上に相当する位置で散乱された１次電子線は６本目のグリッド線に到達していることが判る。つまり、導体試料２の軸方向においてグリッド５を有する検出素子に向けて水平方向に１３０μｍの散乱を受けたことになる。突出部２ａとグリッド５までの垂直距離が３０ｍｍであることを考慮すれば、散乱角θは０．００４３ラジアンとなる。１次電子線１の加速電圧が５ｋＶであるから、この突出部２ａ先端近傍の最内側のリング上での局所電界強度は、Ｅ＝Ｖθ≒８７Ｖ／μｍと算出される。【００５５】
なお、図３（ａ）のグリッド５の像が湾曲した状態となっているのは、陽極８と陰極（突出部２ａ）の間に形成される電界が２種類のものからなることによる。その一つは陽極と陰極の間の平均電界とも称される電界であり、もう一つは陰極の先端（突出部２ａ）に形成される局所電界である。陽極８に電圧を印加していくと、この平均電界により１次電子線１が陽極８の側に曲がるため、結果的にＳＥＭ像の中ではグリッド５が陰極の先端に近づいてきて、陰極の先端とグリッド５の間の距離が狭まるように見える。さらに強い電圧が印加されると、グリッド電位は陰極の先端と同じアース電位であるため、グリッド５周囲にも別の電界が形成されてくる。このグリッド５周囲の平均電界によってＳＥＭ像中のグリッドの像は湾曲して見えるようになる。しかし、湾曲しても陰極の先端（突出部２ａ）で散乱された１次電子線４（１）が湾曲した最外周部分に相当するところに衝突すれば可視化されたリングと湾曲したグリッド像の間隔に基づき散乱角度をRutherford散乱式から求めれば、陰極の先端（突出部２ａ）近傍の正しい局所電界を求めることができる。【００５６】
ただし、これらの等高線状のリングは、各座標上での電界強度の絶対値を結んだものではない。Rutherford散乱された１次電子線４（１）の検出は陽極８方向に設置されたグリッド５で検出されているから、グリッド５への水平方向の散乱力を検出しているわけで、つまり、電界の絶対値のグリッド方向への方向余弦を見ていることになる。【００５７】
図４（ａ）には突出部２ａ先端近傍の電界強度を有限要素法（ＦＥＭ）でシミュレートした結果を示す。導体試料２が金属であるから、電位分布は表面の法線方向に傾斜を持つことがガウスの定理は示しており、従って突出部２ａの形状を反映して、表面に平行に電界が形成されていることが判る。一方で、図４（ａ）からグリッド方向、この図の場合は右手方向への電界のコサイン成分を抽出して等高線図を描くと図４（ｂ）のようになり、本発明の方法で得られているリング形状の電界強度分布と良く一致することが判る。【００５８】
つまり、グリッド５を有する検出素子の出力で得られた電界分布は、真の電界分布の検出素子方向への方向余弦成分を観測していることになる。つまり、真の電界分布は、得られた方向余弦データを示す図４（ｂ）から図４（ａ）に変換することで得ることができる。【００５９】
（第二の実施形態）
次に、本発明の第二の実施の形態について詳細に説明する。【００６０】
上記第一の実施の形態では、グリッド５からの２次電子放出を用いて、ＳＥＭ画像中に局所電界分布を可視化できることを述べたが、この可視化のコントラスト調整が、グリッド５に電圧を印加することで可能となる。図５に示すように、グリッド５とバイアス電源１１とをバイアス線１０により繋げ、グリッド５にマイナスあるいはプラスの電圧を印加することで２次電子放出強度を抑制、もしくは増強することができ、従って、ＳＥＭ画像中の局所電界分布のコントラストを制御できる。【００６１】
（第三の実施形態）
次に、本発明の第三の実施の形態について、図６を参照して詳細に説明する。【００６２】
グリッド５の各グリッド線には、１次電子線４（１）が衝突すると、入射した１次電子線１の量と、放出された２次電子線９の量に応じてプローブ電流が流れ、従って、グリッド線における電圧が変動する。この時のプローブ電流は、グリッド線へのバイアス電圧に依存して、極性が異なってくる。この電圧変動を電圧検出器１２で検出し、グリッド位置情報をシフトレジスタ１３等のＡ／Ｄ変換手段で、ビットデータ列として取り込むことにより、直接に１次電子線１の到達位置情報が得られる。つまり、局所電界による１次電子線４（１）の偏向角度θを、１次電子線１の走査位置情報に対応してリアルタイムに取り込むことが可能となる。従って、画像解析を必要とせずに、リアルタイムに走査電子顕微鏡画像１フレームを取得すると同時に１フレーム分の散乱角度情報を取得することが可能となる。【００６３】
（第四の実施形態）
さらに、本発明の第四の実施の形態について、図７ないし図１０を参照して詳細に説明する。
図１では、複数のグリッド５が、陽極８と導体試料２の突出部分２ａとがなす方向に対して直角な方向に一定間隔で配置されていたが、図７の例は、複数のグリッド５が、陽極８と導体試料２の突出部分２ａとがなす方項に対して平行に一定間隔で配置されている。
図１の場合、複数のグリッド５に対応してリング状の影が同心円状に形成された（図２）が、図７のようはグリッド５の配列の場合には、図７の右下の図に示すように、複数のグリッド５に対応する影は、導体試料２の突出部分２ａに対応する部分から放射状スポークのような形状に形成される。同じ放射状スポーク部分は、同じｙ方向の電界成分を有するとみなすことができる。
本実施形態では、図８（ａ）に示すように、図１のような複数のグリッド５と図７のような複数のグリッド５が互いに直交配置され、格子状の検出素子を構成する。ここで陽極８に印加するバイアス電圧を＋２０５Ｖ、電子線の加速電圧を５ＫｅＶとした場合（他の条件は第一の実施の形態と同様）の可視化像を図８（ｂ）に示す。図８（ｂ）の走査位置Ａ、Ｂ、Ｃと図８のグリッド位置Ａ’、Ｂ’、Ｃ’がそれぞれ対応している。両者の関係は、Rutherford散乱のスキームを満足する。このような構成にすると局所電極の可視化像の２次元マッピングが可能となる。
図９（ａ）は２．５Ｖ／μｍ、５Ｖ／μｍ、１０Ｖ／μｍの評価等高線を示し、図９（ｂ）は同じ実験条件として有限要素法によりシミュレーションした結果を示す。実験結果は有限要素法によるシミュレーションと良く一致していることがわかる。
図１０は、上記スキームに基づいて２次元強度プロファイルを構築したときのプロットを示す図で、プロファイル（Ｉ）はプローブ軸に沿ったプロット、（II）はプローブ軸から６０゜のラインに沿ったプロットである。薄いプロットは点電荷（point charge model）モデルによる予測、中ぐらいの濃さのプロットは実験結果、一番濃いプロットは有限要素法によりシミュレーションである。
以上により、局所電界の２次元マッピングが可能となった。【００６４】
なお、図面中の符号は以下のものを示す。
１    １次電子線
２    導体試料
２ａ    突出部分（プローブ先端など）
３    電子線検出器（ＳＴＥＭ検出器）
４    散乱偏向された１次電子線
５    グリッド
６    ２次電子検出器
７    シリコン基板（検出素子の基板）
８    陽極
９    放出された２次電子
１０    バイアス線
１１    バイアス電源
１２    電圧検出器
１３    シフトレジスタ
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明の活用例は、ナノ構造体に誘起される局所電界をその場で可視化する技術であり、固体デバイス、ＣＮＴトランジスタ、発光、吸光素子、電子放出素子などの開発・解析に利用される。さらにナノ構造体、ＭＥＭＳ等の局所電界に依存する機械的歪み解析や動作解析などへの利用が挙げられる。
【図４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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