(57)【要約】 【課題】試料の先端形状が変形しても、電界蒸発を用いて試料の構造を正確に解析することができ、あるいは、試料の先端形状の変形を抑制することができる試料解析装置および試料解析方法を提供する。【解決手段】本実施形態による試料解析装置は、試料へ電圧を印加する電圧源を備える。レーザ照射部は、試料にレーザ光を照射する。検出部は、試料から放出された粒子を検出する。演算部は、検出部で検出された粒子の質量分析によって粒子の材質を特定し、試料の構造を解析する。演算部は、予め準備された試料の構造を示すモデル情報と質量分析によって得られた試料の構造を示す解析情報との構造上の比率を算出し、比率を解析情報に適用して解析情報を補正する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料へ電圧を印加する電圧源と、
前記試料にレーザ光を照射するレーザ照射部と、
前記試料から放出された粒子を検出する検出部と、
前記検出部で検出された粒子の質量分析によって前記粒子の材質を特定し、前記試料の構造を解析する演算部とを備え、
前記演算部は、予め準備された前記試料の構造を示すモデル情報と前記質量分析によって得られた前記試料の構造を示す解析情報との構造上の比率を算出し、前記比率を前記解析情報に適用して前記解析情報を補正する、試料解析装置。
【請求項２】
前記モデル情報は、前記試料の設計データ、あるいは、走査電子顕微鏡  （ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope））、透過型電子顕微鏡  （ＴＥＭ (Transmission Electron Microscope））、走査型透過電子顕微鏡  （ＳＴＥＭ(Scanning Transmission Electron Microscope））、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope））、および、走査型プローブ顕微鏡  （ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope））のいずれかを用いた前記試料の観察データである、請求項１の試料解析装置。
【請求項３】
前記モデル情報は、走査電子顕微鏡  （ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡  （ＴＥＭ）、走査型透過電子顕微鏡  （ＳＴＥＭ）、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、および、走査型プローブ顕微鏡  （ＳＰＭ）のいずれかを用いた前記試料の前記観察データに対して電界蒸発シミュレーションを用いて推測された情報である、請求項１に記載の試料解析装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記比率を前記解析情報に乗算して前記解析情報を補正する、請求項１または請求項２に記載の試料解析装置。
【請求項５】
前記演算部は、前記モデル情報について或る元素またはイオン種の第１等濃度面と第２等濃度面との間の第１距離を算出し、前記解析情報について前記元素または前記イオン種の第３等濃度面と第４等濃度面との間の第２距離を算出し、前記第１距離と第２距離との比率を前記モデル情報と前記解析情報との比率とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の試料解析装置。
【請求項６】
前記演算部は、前記モデル情報について或る元素またはイオン種が変化する第１変化面と第２変化面と間の第１距離を算出し、前記解析情報について前記元素または前記イオン種が変化する第３変化面と第４変化面と間の第２距離を算出し、前記第１距離と第２距離との比率を前記モデル情報と前記解析情報との比率とする、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の試料解析装置。
【請求項７】
前記演算部は、前記試料を前記モデル情報および前記解析情報において仮想的に複数のブロックに分割し、前記複数のブロックごとに前記比率を算出する、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の試料解析装置。
【請求項８】
試料へ電圧を印加する電圧源と、
前記試料にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記試料から放出された粒子を検出する検出部と、
前記検出部で検出された粒子の質量分析によって前記粒子の材質を特定し、前記試料の構造を解析する演算部と、
前記演算部は、前記検出部で検出された前記粒子の計数または密度に基づいて、前記レーザ照射部の出力を変更する、試料解析装置。
【請求項９】
試料へ電圧を印加する電圧源と、
前記試料にレーザを照射するレーザ照射部と、
前記試料から放出された粒子を検出する検出部と、
前記検出部で検出された粒子の質量分析によって前記粒子の材質を特定し、前記試料の構造を解析する演算部と、
前記演算部は、予め準備された前記試料の構造を示すモデル情報に基づいて、前記試料に対するレーザ照射位置または前記試料に対するレーザ照射角度を変更する、試料解析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本実施形態は、試料解析装置および試料解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノメートルレベルあるいは原子レベルでの分析技術としてアトムプローブ装置が開発されている。アトムプローブ装置は、針状に尖鋭化された試料に高電圧印加し、試料の先端部から電界蒸発するイオンを質量分析することによって試料の材質を特定する。このとき、レーザ光を試料の先端部に照射して、電界蒸発を誘発させるレーザアトムプローブ装置が開発されている。このようなアトムプローブ装置には、試料の先端の構造を三次元的に解析可能な装置もある。
【０００３】
しかし、電界蒸発するときの電界（蒸発電界（evaporation field））の異なる複数の材料が試料の先端部に含まれている場合、試料は蒸発電界の違いによって均一に蒸発せず、その先端部の形状が半球形から歪んだ形状になることがある。このような場合、測定データを用いた三次元再構成処理において、試料の先端形状が半球形であることを前提として三次元再構成すると、試料の構造を正確に再構成することができない。
【０００４】
また、レーザ光は試料の片側から照射するので、レーザ照射面から電界蒸発が起こりやすく、レーザ照射面とは反対側の面からは電界蒸発は生じ難い。これは、試料のレーザ照射面を扁平化し、試料の先端形状を半球形からやはり変形させてしまう。このような試料の先端形状の変形は、試料の先端の構造を正確に解析することの妨げになる（local magnification effect）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−７３２４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
試料の先端形状が変形しても、電界蒸発を用いて試料の構造を正確に解析することができ、あるいは、試料の先端形状の変形を抑制することができる試料解析装置および試料解析方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本実施形態による試料解析装置は、試料へ電圧を印加する電圧源を備える。レーザ照射部は、試料にレーザ光を照射する。検出部は、試料から放出された粒子を検出する。演算部は、検出部で検出された粒子の質量分析によって粒子の材質を特定し、試料の構造を解析する。演算部は、予め準備された試料の構造を示すモデル情報と質量分析によって得られた試料の構造を示す解析情報との構造上の比率を算出し、比率を解析情報に適用して解析情報を補正する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１実施形態によるレーザアトムプローブ装置の構成例を示す概念図。
【図２】図１の破線円Ｃ内の試料の先端部の状態を示す概略図。
【図３】モデル情報および解析情報のそれぞれの或るブロック内の構成を示す斜視図。
【図４】第１実施形態による試料分析方法の一例を示すフロー図。
【図５】第２実施形態によるプローブ装置の試料分析方法の一例を示すフロー図。
【図６】レーザ光が一方向から試料へ照射されている場合を示す概念図。
【図７】複数の材料が試料の先端部に含まれている場合を示す概念図。
【図８】第３実施形態によるプローブ装置の構成例を示す概念図。
【図９】検出器の検出面および該検出面において検出されたイオンを示す概念図。
【図１０】４つに分割された検出器の検出面および該検出面で検出されたイオンを示す概念図。
【図１１】第３実施形態による試料検査方法の一例を示すフロー図。
【図１２】第３実施形態の変形例１によるプローブ装置の構成例を示す概念図。
【図１３】第４実施形態による試料分析装置の構成例を示す概念図。
【図１４】試料の先端部の構成例を示す図。
【図１５】方向Ｄ２からレーザ光を照射したときの試料２の先端部を示す図。
【図１６】第４実施形態による試料分析方法を示すフロー図。
【図１７】第４実施形態の変形例２によるプローブ装置の構成例を示す概念図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。本実施形態は、本発明を限定するものではない。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。明細書と図面において、既出の図面に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１０】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態によるレーザアトムプローブ装置１の構成例を示す概念図である。レーザアトムプローブ装置（以下単に、プローブ装置ともいう）１は、電圧源１０と、レーザ照射部２０と、検出器３０と、演算部４０とを備えている。尚、プローブ装置１のこれらの構成は、真空チャンバ内またはその外に配置されている。
【００１１】
電圧源１０は、試料２へ高電圧を印加する。電圧源１０は、例えば、１ｋＶ〜１０ｋＶの高電圧を印加することによって試料２と検出器３０との間に高電界を印加する。試料２は、例えば、半導体基板や半導体チップ等から切り出され、針状に尖鋭化された半導体材料である。試料２の先端部は、半球状に成形されている。
【００１２】
プローブ装置１は、高電界中において試料２の先端部から電界蒸発により検出器３０へ飛翔してきたイオンを質量分析する。これにより、プローブ装置１は、試料２の先端部の元素またはイオン種を特定し、試料２の先端部の材質や構造を分析することができる。
【００１３】
レーザ照射部２０は、試料２の先端部にレーザ光２１を照射し、試料２の先端部の表面から原子が電界蒸発することを誘発する。レーザ光２１は、例えば、紫外レーザ光であり、周期的に発生されるパルスレーザである。
【００１４】
検出器３０は、試料２から電界蒸発したイオンを検出する。検出器３０は、例えば、二次元の検出面を有する位置敏感型検出器でよい。検出器３０は、検出面でイオンを検出することによって、試料２の先端部のどの位置から飛翔したイオンであるかを知ることができる。即ち、検出器３０は、試料２の先端部の表面における原子の二次元的な位置情報を検出することができる。
【００１５】
演算部４０は、検出器３０で検出された粒子の質量分析によって粒子の材質を特定し、試料の構造を解析する。演算部４０は、レーザ光２１のパルスごとに検出された原子の二次元的な位置情報を検出器３０から得て、試料２の先端部の構造を三次元的に再構成する。これにより、演算部４０は、試料２の先端部の三次元的な構造とその構造を構成する元素との両方をデータ上において原子レベルの分解能で再構成することができる。
【００１６】
図２は、図１の破線円Ｃ内の試料２の先端部の状態を示す概略図である。試料２には、電圧源１０によって高電圧が印加されている。さらに、試料２の先端部にレーザ光２１を照射することによって、その先端部の原子ＡがイオンＩとなって電界蒸発する。このとき、先端部の表面の原子Ａがレーザ光２１のパルスごとにほぼ１原子ずつ電界蒸発する。イオンＩは図１の検出器３０へ飛翔し、検出器３０の検出面において検出される。このとき、イオンＩは、試料２の表面における原子Ａの位置に応じた検出器３０の位置で検出される。これにより、試料２の表面を構成する原子Ａと試料２の表面における原子Ａの二次元的な位置とが判明する。原子Ａの二次元的な位置をレーザ光２１の複数のパルスについて集積すると、試料２の先端部の三次元的な構成がデータとして得られる。
【００１７】
このとき、演算部４０は、基本的に、図２に示すように試料２の先端部が半球形状であることを前提として試料２の三次元的な構成をデータ上で生成する。しかし、上述の通り、複数の材料が試料の先端部に含まれている場合、あるいは、試料２に対するレーザ光２１の照射方向が偏っている場合、試料２の先端部の形状は、半球形状から凹んだ形状あるいは歪んだ形状になることがある。このような場合、測定データを用いた三次元再構成処理において、試料の先端形状が半球形であることを前提として三次元再構成すると、レーザアトムプローブ装置は、試料２の構造を正確に再構成することができない。
【００１８】
そこで、本実施形態によるプローブ装置１は、予め準備された試料２の設計データあるいは観察データをモデル情報として用いて、上記質量分析で得られた解析情報を補正する。設計データは、試料２のもととなる半導体基板や半導体チップの設計データから試料２の部分の二次元構造または三次元構成を示すデータである。観察データは、走査電子顕微鏡  （ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope））、透過型電子顕微鏡  （ＴＥＭ (Transmission Electron Microscope））、走査型透過電子顕微鏡  （ＳＴＥＭ(Scanning Transmission Electron Microscope））、走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ（Scanning Ion Microscope））、および、走査型プローブ顕微鏡  （ＳＰＭ（Scanning Probe Microscope））のいずれかを用いて撮像された試料２の二次元的または三次元的な外観画像または透視画像である。このようなモデル情報を参照すれば、ユーザは、試料２の実際の濃度変化面や材質変化面を判断することができる。即ち、試料２の表面または内部に存在する概略的な構造が分かる。例えば、ゲート電極、不純物拡散層、コンタクトプラグ等の構造が或る程度分かる。しかし、試料２の構造（例えば、材質あるいは濃度）を原子レベルで判断することはできない。
【００１９】
一方、質量分析によって得られた解析情報は、検出器３０で検出されたイオンＩの情報に基づいて生成された試料２の先端部の二次元構造または三次元構造のデータである。従って、解析情報は、試料２の材質や濃度を原子レベルで検出できる。しかし、試料２の先端部の形状が歪んでいた場合には、解析情報は、試料２の構造を正確に表現していない。
【００２０】
演算部４０は、このような解析情報を補正するために、モデル情報と解析情報とを比較して試料２の構造上の比率を算出する。比率の算出は、例えば、以下のように実行される。
演算部４０は、まず、試料２をモデル情報および解析情報において、仮想的に複数のブロックに分割する。図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、モデル情報および解析情報のそれぞれの或るブロック内の構成を示す斜視図である。図３（Ａ）に示すモデル情報のブロックＢｍと図３（Ｂ）に示す解析情報のブロックＢｅとは、試料２内において同一位置にある同一形状のブロックである。例えば、ブロックＢｍ、Ｂｅは、立方体、直方体等の立体形状でよい。ブロックＢｍ、Ｂｅの一辺の長さは、例えば、約５ｎｍである。尚、図３（Ａ）および図３（Ｂ）は、試料２の三次元構造を示しているが、二次元構造であってもよい。
【００２１】
ブロックＢｍ、Ｂｅ内のＦ１〜Ｆ４は、或る元素の等濃度面を示す。元素としては、例えば、シリコン、酸素、窒素、ボロン、燐、砒素等のいずれかでよい。また、元素は、例えば、銅、タングステン等の金属であってもよい。
【００２２】
ブロックＢｍ内の第１等濃度面Ｆ１および第２等濃度面Ｆ２は、同一元素の異なる等濃度面を示している。あるいは、第１等濃度面Ｆ１および第２等濃度面Ｆ２は、異なる元素の等濃度面（界面）を示している。ブロックＢｅ内の第３等濃度面Ｆ３および第４等濃度面Ｆ４は、同一元素の異なる等濃度面を示している。あるいは、第３等濃度面Ｆ３および第４等濃度面Ｆ４は、異なる元素の等濃度面（界面）を示している。
【００２３】
ブロックＢｍ内の第１等濃度面Ｆ１とブロックＢｅ内の第３等濃度面Ｆ３は、同一元素の同一等濃度面を示している。ブロックＢｍ内の第２等濃度面Ｆ２とブロックＢｅ内の第４等濃度面Ｆ４は、同一元素の同一等濃度面を示している。従って、解析情報とモデル情報とが一致する場合、第１等濃度面Ｆ１と第３等濃度面Ｆ３は、ブロックＢｍ、Ｂｅ内においてほぼ同じ位置に同一面として表示される。また、第２等濃度面Ｆ２と第４等濃度面Ｆ４も、ブロックＢｍ、Ｂｅ内においてほぼ同じ位置にほぼ同一面として示される。
【００２４】
しかし、試料２の先端部が半球形状から凹んだ形状あるいは歪んだ形状になっていると、解析情報の第３および第４等濃度面Ｆ３、Ｆ４は、モデル情報の第１および第２等濃度面Ｆ１、Ｆ２に対して、ブロックＢｍ、Ｂｅ内において異なる位置および異なる面として示される。
【００２５】
そこで、演算部４０は、第１等濃度面Ｆ１と第２等濃度面Ｆ２との第１距離Ｄｍを算出し、第３等濃度面Ｆ３と第４等濃度面Ｆ４との第２距離Ｄｅを算出する。そして、演算部４０は、第１距離Ｄｍと第２距離Ｄｅとの比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、この比率（Ｄｍ／Ｄｅ）をモデル情報と解析情報との比率とする。
【００２６】
第１距離Ｄｍは、ブロックＢｍ内の或る方向の線分Ｌｍと第１および第２等濃度面Ｆ１、Ｆ２との交点Ｐ１、Ｐ２間の距離である。例えば、線分Ｌｍは、ブロックＢｍの中心を通過する対角線でよい。同様に、第２距離Ｄｅは、線分Ｌｍに対応するブロックＢｅ内の線分Ｌｅと第３および第４等濃度面Ｆ３、Ｆ４との交点Ｐ３、Ｐ４間の距離である。例えば、線分Ｌｅは、線分Ｌｍと同一方向の線分であり、ブロックＢｅの中心を通過する対角線でよい。線分Ｌｍ、Ｌｅは、ブロックＢｍ、Ｂｅのそれぞれにおいて対応する線分である。
【００２７】
線分Ｌｍ、Ｌｅは、ブロックＢｍ、Ｂｅにおいて、他の対角線であってもよく、あるいは、任意の対向面の中心を通る中心線であってもよい。演算部４０は、予め得られているモデル情報のブロックＢｍから第１等濃度面Ｆ１または第２等濃度面Ｆ２に対して垂直に近い線分Ｌｍを選択し、線分Ｌｍに対応するブロックＢｅ内の線分をＬｅとする。
【００２８】
そして、演算部４０は、解析情報を補正するために比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を用いる。例えば、演算部４０は、解析情報のブロックＢｅ内のデータ全体に比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を乗算してブロックＢｅ内のデータの位置を補正する。補正の基準点は、ブロックＢｍのいずれかの頂点であってもよく、ブロックＢｍの中心点であってもよい。また、等濃度面内の点（例えば、Ｐ１〜Ｐ４のいずれか）であってもよい。例えば、比率（Ｄｍ／Ｄｅ）が０．９５であり、ブロックＢｅの中心点を基準とした場合、演算部４０は、ブロックＢｅの中心点からブロックＢｅ内の各データの位置までの距離を０．９５倍にする。これにより、解析情報のブロックＢｅの構成がモデル情報のブロックＢｍの構成に近付く。
【００２９】
演算部４０は、試料２の他のブロック（図示せず）についても同様に比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、その比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を用いて解析情報のブロックごとにデータの位置を補正する。即ち、演算部４０は、試料２のブロックごとに比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、ブロックごとデータを補正する。その結果、解析情報は、試料２の実際の形状に近い構造を表現することができる。即ち、試料２の先端部の形状が歪んでいても、演算部４０は、モデル情報を用いて、解析情報を試料２の実際の形状に近い構成に補正することができる。これにより、プローブ装置１は、試料２の先端部が変形しても、質量分析によって試料２の構造を正確に解析することができる。
【００３０】
上記実施形態おいて、図３（Ａ）および図３（Ｂ）のＦ１〜Ｆ４は、等濃度面である。しかし、図３（Ａ）および図３（Ｂ）のＦ１〜Ｆ４は、元素またはイオン種の変化面、即ち、異なる材質間の界面であってもよい。この場合、演算部４０は、モデル情報のブロックＢｍにおいて、元素またはイオン種の変化する第１変化面Ｆ１と第２変化面Ｆ２と間の第１距離Ｄｍを算出する。また、演算部４０は、解析情報のブロックＢｅにおいて、元素またはイオン種の変化する第３変化面Ｆ３と第４変化面Ｆ３と間の第２距離Ｄｅを算出する。つまり、第１および第２距離Ｄｍ、Ｄｅは、界面間の距離となる。さらに、演算部４０は、第１距離Ｄｍと第２距離Ｄｅとの比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、その比率をブロックＢｅ内のデータの座標に乗算してブロックＢｅ内のデータの位置を補正する。このように、演算部４０は、材質の変化面を用いて、解析情報を補正してもよい。
【００３１】
次に、本実施形態によるプローブ装置１を用いた試料分析方法について説明する。
【００３２】
図４は、第１実施形態による試料分析方法の一例を示すフロー図である。
【００３３】
まず、ＦＩＢ（Focused ion Beam）法あるいは電解研磨法等を用いて、半導体基板から試料２を作成する（Ｓ１０）。試料２の先端部は、針状に尖鋭化されている。
【００３４】
次に、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ、ＳＰＭ等の顕微鏡で得られる観察データを試料２のモデル情報として用いることができるか否かを判断する（Ｓ２０）。例えば、試料２において濃度または材質の変化が小さい場合、あるいは、試料２の構造が複雑過ぎる場合には、上記顕微鏡で得られる観察データをそのままモデル情報として用いることが困難である（Ｓ２０のＮＯ）。このような場合には、観察データ以外のシミュレーションデータをモデル情報として用いる。シミュレーションデータを用いた試料分析方法は、図５を参照して後で説明する。
【００３５】
上記顕微鏡を試料２のモデル情報として用いることができる場合（Ｓ２０のＹＥＳ）、顕微鏡での観察データをモデル情報として作成する（Ｓ３０）。このとき、モデル情報は、試料２の三次元構造のモデルとして作成する。
【００３６】
次に、モデル情報を仮想的に（データ上で）複数のボックスに分割する（Ｓ４０）。ボックスは、例えば、約１ｎｍの辺を有する立方体である。演算部４０は、各ボックス内の組成を計算し、その組成から或る元素について三次元の等濃度面を算出する（Ｓ５０）。
【００３７】
次に、複数のボックスを１つのブロックＢｍとして複数の等濃度面Ｆ１、Ｆ２間の距離Ｄｍを算出する（Ｓ６０）。例えば、演算部４０は、５×５×５個のボックス(計１２５個のボックス)を１つのブロックＢｍとして、図３（Ａ）および図３（Ｂ）を参照して説明したように等濃度面Ｆ１、Ｆ２間の距離Ｄｍを算出する。
【００３８】
次に、プローブ装置１を用いて試料２の質量分析を行う（Ｓ７０）。演算部４０は、検出器３０で検出された元素の質量分析によって元素を特定し、検出器３０で検出された位置情報に基づいて試料２の構造を解析する（Ｓ８０）。これにより、演算部４０は、試料２の先端部の構造と試料２を構成する元素との両方をデータ上において三次元的に再構成することができる。このように質量分析によって再構成された試料２のデータを解析情報（アトムマップ）と呼ぶ。
【００３９】
次に、ステップＳ４０〜Ｓ６０と同様の処理を解析情報についても実行する。即ち、解析情報を仮想的に（データ上で）複数のボックスに分割する（Ｓ８２）。演算部４０は、各ボックス内の組成を計算し、その組成から或る元素について三次元の等濃度面を算出する（Ｓ８４）。複数のボックスを１つのブロックＢｍとして複数の等濃度面Ｆ３、Ｆ４間の距離Ｄｅを算出する（Ｓ８６）。
【００４０】
次に、演算部４０は、距離Ｄｍと距離Ｄｅとから比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出する（Ｓ１００）。
【００４１】
次に、演算部４０は、比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を解析情報（アトムマップ）に適用することによって解析情報を補正する（Ｓ１１０）。例えば、演算部４０は、解析情報に比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を乗算して補正された解析情報を得る。
【００４２】
ステップＳ１００およびＳ１１０は、試料２の先端部の他のブロックについても実行される（Ｓ１２０のＮＯ）。全ブロックの解析情報の補正が終了した場合（Ｓ１２０のＹＥＳ）、解析情報の補正が終了する。このように、演算部４０は、試料２の先端部の全体について比率変動分布を得ることができ、その比率変動分布を用いて解析情報を補正することができる。ユーザは、補正後の解析情報、即ち、アトムマップを参照して試料２の構造を解析することができる。
【００４３】
このように、本実施形態によれば、演算部４０は、試料２の構造上の比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、その比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を用いて解析情報のデータを補正する。これにより、解析情報は、試料２の実際の形状に近い構造を表現することができる。即ち、試料２の先端部の形状が歪んでいても、演算部４０は、モデル情報を用いて、解析情報を試料２の実際の形状に近い構成に補正することができる。その結果、ユーザは、試料２の構造を正確に解析することができる。
【００４４】
また、本実施形態によれば、演算部４０は、試料２の比率（Ｄｍ／Ｄｅ）をブロックごとに算出し、その比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を用いて解析情報のデータをブロックごとに局所的に補正することができる。これにより、試料２が局所的に歪んでいても、演算部４０は、解析情報を試料２の実際の形状に近づけるように補正することができる。解析情報を正確に補正するためには、ブロックを小さくして、解像度を上げればよい。
【００４５】
尚、本実施形態では、観察データをモデル情報として用いているが、設計データが入手可能な場合には、設計データをモデル情報として用いてもよい。この場合、設計データを複数のボックスに分割し、該ボックスごとに等濃度面を算出する。その等濃度面から距離Ｄｍを算出すればよい。このように設計データを用いても、解析情報を補正することができる。また、解析情報の作成および補正は、プローブ装置１とは別のパーソナルコンピュータ等において行ってもよい。
【００４６】
（第２実施形態）
図５は、第２実施形態によるプローブ装置１の試料分析方法の一例を示すフロー図である。第２実施形態は、ステップＳ２０において観察データをモデル情報として用いることができない場合の試料分析方法を示す。第２実施形態によるプローブ装置１の構成は、第１実施形態のそれと同様でよい。
【００４７】
例えば、試料２において濃度または材質の変化が小さい場合、あるいは、試料２の構造が複雑である場合等には、上記顕微鏡で得られる観察データはそのままモデル情報に用いることが困難な場合がある（Ｓ２０のＮＯ）。さらに、設計データが入手できない場合には、設計データからモデル情報を作成することも困難である。このような場合、第２実施形態では、上記顕微鏡のいずれかを用いて観察データを取得し、その観察データに基づいて電界蒸発シミュレーションを実行する（Ｓ２１）。そのシミュレーションによって推測されたデータをモデル情報として用いる（Ｓ３１）。
【００４８】
電界蒸発シミュレーションは、電界蒸発過程のシミュレーションおよび電界蒸発後のイオンの飛翔軌道を算出するシミュレーションを含む。これにより、検出器３０で検出されるイオン種（元素）、イオンの検出位置およびイオンの検出順番がデータ上でシミュレートされる。電界蒸発シミュレーションとしては、例えば、”C. Oberdorfer et  al., Ultramicroscopy 128 (2013) 55-67”に掲載されている手法を用いることができる。
【００４９】
その後、第１実施形態のステップＳ４０〜Ｓ１００を実行する。
【００５０】
次に、演算部４０は、ステップＳ１００において算出された各ブロックの比率（Ｄｍ／Ｄｅ）が所定範囲内であるか否かを判定する（Ｓ１０１）。所定範囲は、例えば、式１で表される。
０．９＜Ｄｍ／Ｄｅ＜１．１      （式１）
【００５１】
あるブロックの比率（Ｄｍ／Ｄｅ）が式１の範囲内にない場合（Ｓ１０１のＮＯ）、演算部４０は、電界蒸発シミュレーションが適切でないと判断し（Ｓ１０３）、ステップＳ２１の電界蒸発シミュレーションを再度実行する。このとき、電界蒸発シミュレーションに入力するパラメータの数値等を変更する（Ｓ１０５）。例えば、パラメータは、試料２内のデバイス構造の膜厚、幅、高さ、材料の蒸発電界等である。
【００５２】
一方、全ブロックの比率（Ｄｍ／Ｄｅ）が式１の範囲内にある場合（Ｓ１０１のＹＥＳ）、第１実施形態と同様に、演算部４０は、ステップＳ１１０を実行し、解析情報（アトムマップ）を補正する。
【００５３】
その後の動作は、第１実施形態の動作と同様である。
【００５４】
第２実施形態によれば、観察データがそのままモデル情報として用いることができなくても、観察データに対して電界蒸発シミュレーションを実行して三次元構造データを作成することができる。演算部４０は、このような三次元構造データをモデル情報として用いて、比率（Ｄｍ／Ｄｅ）を算出し、解析情報を補正することができる。これにより、第２実施形態は、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００５５】
尚、試料２は、試料分析可能であればよく、その全体が針形状であってもよく、基板のような平面上に形成された突起状であってもよい。また、プローブ装置１は、パルスレーザ光に代えて、あるいは、パルスレーザ光とともに、電圧パルスを用いてもよい。さらに、プローブ装置１は、ＳＥＭ、ＴＥＭ、ＳＴＥＭ、ＳＰＭのいずれかを内蔵していてもよい。  
【００５６】
（第３実施形態）
上述の通り、複数の材料が試料２の先端部に含まれている場合、あるいは、試料２に対するレーザ光２１の照射方向が偏っている場合、試料２の先端部の形状は、電界蒸発によって半球形状から凹んだ形状あるいは歪んだ形状になることがある。
【００５７】
例えば、図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、レーザ光２１が一方向から試料２へ照射されている場合を示す概念図である。図６（Ａ）に示すように、レーザ光２１が一方向から照射されると、照射部分から原子の電界蒸発が生じる。これにより、図６（Ｂ）に示すように、試料２の先端部には、凹みまたは歪みＤＳＴが生じる。
【００５８】
そこで、図８に示すように、第３実施形態によるレーザ照射部２０は、複数のレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２を含む。図８は、第３実施形態によるプローブ装置１の構成例を示す概念図である。複数のレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２は、試料２に対して略対称な方向からレーザ光２１を照射する。レーザ光源の数は、３つ以上であってもよい。ただし、レーザ光源の配置は、試料２の先端の周囲に略対称かつ略均等に配置されることが好ましい。これにより、レーザ光２１は、試料２の先端部に略均等に照射され、試料２の先端部の表面から略均等に原子を電界蒸発させることができる。
【００５９】
また、蒸発電界の異なる複数の材料が試料２の先端部に含まれている場合、レーザ光２１が試料２の先端部に略均等に照射されたとしても、蒸発電界の相違によって試料２の先端部には、凹みまたは歪みＤＳＴが生じる場合がある。例えば、図７（Ａ）および図７（Ｂ）は、複数の材料が試料２の先端部に含まれている場合を示す概念図である。図７（Ａ）に示すように、蒸発電界の異なる複数の材料２ａ、２ｂが試料２の先端部に含まれている場合、蒸発電界の比較的小さな材料２ａにおいて電界蒸発する原子数が多くなる。蒸発電界の比較的大きな材料２ｂにおいては、電界蒸発する電子数が比較的少ない。これにより、図７（Ｂ）に示すように、試料２の先端部には、凹みまたは歪みＤＳＴが生じる。
【００６０】
そこで、第３実施形態による演算部４０は、検出器３０で検出されるイオンの計数または密度に基づいて、複数のレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２のそれぞれの出力を変更する。
【００６１】
例えば、図９（Ａ）および図９（Ｂ）は、検出器３０の検出面および該検出面において検出されたイオンＩ１、Ｉ２を示す概念図である。イオンＩ１は、図７の材料２ａからのイオンであり、イオンＩ２は、図７の材料２ｂからのイオンである。図９（Ａ）では、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力はほぼ等しく、レーザ光２１は試料２の先端部に略均等に照射されている。しかし、試料２の先端部の材質の違いによって、イオンＩ１は、イオンＩ２よりも多く電界蒸発している。この場合、検出器３０で検出されるイオンＩ２の数がイオンＩ１の数よりも少ない。これは、図７（Ｂ）の凹みまたは歪みＤＳＴの原因となる。
【００６２】
これに対し、第３実施形態において演算部４０は、検出器３０から検出されるイオン種（Ｉ１、Ｉ２）およびそれらの検出数の面内分布に基づいて、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力をフィードバック制御する。例えば、図９（Ａ）に示すように、検出器３０の検出面は、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２に対応するように第１および第２検出領域Ｒ１、Ｒ２に仮想的に分割される。第１検出領域Ｒ１は、レーザ光源ＬＳ１側の半分の検出面であり、第２領域Ｒ２は、レーザ光源ＬＳ２側の半分の検出面である。また、試料２は、イオンＩ１が第１検出領域Ｒ１で検出され、イオンＩ２が第２検出領域Ｒ２で検出されるように配置されている。
【００６３】
検出器３０の第２検出領域Ｒ２におけるイオンＩ２の検出数または検出密度が第１検出領域Ｒ１におけるイオンＩ１の検出数または検出密度よりも少ない場合、演算部４０は、レーザ光源ＬＳ２の出力を増大させるように制御し、レーザ光源ＬＳ２からのレーザ光２１の光量を増大させる。演算部４０は、検出器３０でイオンＩ１、Ｉ２を検出している最中にリアルタイムでレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力を制御する。これにより、検出器３０においてイオンＩ２の検出数または検出密度が増大する。演算部４０は、図９（Ｂ）に示すように、イオンＩ１およびＩ２の検出数または検出密度がほぼ等しくなるようにレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力を制御する。
【００６４】
このように、第３実施形態によれば、演算部４０は、検出器３０で検出されるイオンＩ１、Ｉ２の計数または密度に基づいて、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力をフィードバック制御する。このとき、演算部４０は、検出器３０を仮想的に複数の検出領域Ｒ１、Ｒ２に分割し、該検出領域Ｒ１、Ｒ２で検出されるイオンの計数または密度を該検出領域Ｒ１、Ｒ２間で略等しくするように、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力を制御する。これにより、図７（Ｂ）に示すような複数の材質を含む試料２の凹みまたは歪みＤＳＴを抑制することができる。
【００６５】
尚、検出器３０の検出面の分割数は、独立して制御可能なレーザ光源の数と等しくすればよい。例えば、図１０は、４つに分割された検出器３０の検出面および該検出面で検出されたイオンＩ１、Ｉ２を示す概念図である。この例では、４つのレーザ光源ＬＳ１１〜ＬＳ１４が試料２の先端部にレーザ光２１を照射している。検出器３０の検出面は、４つのレーザ光源ＬＳ１１〜ＬＳ１４に対応するように第１〜第４領域Ｒ１１〜Ｒ１４に仮想的に４分割されている。演算部４０は、第１〜第４領域Ｒ１１〜Ｒ１４で検出されるイオンの計数または密度に基づいて、レーザ光源ＬＳ１１〜ＬＳ１４の各出力をフィードバック制御する。このように、レーザ光源の数および検出器３０の分割領域数は、任意であり、特に限定しない。これにより、試料２の凹みまたは歪みＤＳＴをさらに抑制することができる。
一方、検出器３０の検出面の分割数は、独立して制御可能なレーザ光源の数と異なっていてもよい。試料２の構造または材料に応じて、検出面の分割数は、レーザ光源の数より少なくてもよい場合もある。また、逆に、試料２の構造または材料に応じて、検出面の分割数は、レーザ光源の数より多くする場合もある。検出面の分割数は、多いほど試料２をきめ細かく分析可能となる。
【００６６】
次に、第３実施形態による試料検査方法を説明する。
【００６７】
図１１は、第３実施形態による試料検査方法の一例を示すフロー図である。この例では、図８〜図９（Ｂ）に示すように、２つのレーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２が試料２の両側からレーザ光２１を照射するものとする。
【００６８】
まず、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２が同時にあるいは交互にレーザ光２１を試料２に略対称に照射する（Ｓ１２）。次に、検出器３０は、試料２から電界蒸発するイオンを検出する（Ｓ２２）。次に、演算部４０は、検出領域Ｒ１、Ｒ２におけるイオンの計数、検出原子数、密度、等をそれぞれ算出する（Ｓ３２）。次に、演算部４０は、第２検出領域Ｒ２で検出されたイオンの計数、検出原子数、密度、等と第１検出領域Ｒ１で検出されたイオンの計数、検出原子数、密度とを比較する（Ｓ４２）。検出領域Ｒ１、Ｒ２におけるイオンの計数、検出原子数、密度等を比較するタイミングは任意でよい。これらの比較タイミングは、例えば、所定時間が経過する度、検出原子数が所定数に達する度、あるいは、レーザ照射回数が所定回数に達する度に行えばよい。
【００６９】
第２検出領域Ｒ２で検出されたイオンの計数または密度と第１検出領域Ｒ１で検出されたイオンの計数または密度とがほぼ等しい場合（Ｓ４２のＹＥＳ）、演算部４０は、レーザ光源ＬＳ１とＬＳ２との出力比を変更せずに、両方の出力を全体的に調節すればよい（Ｓ５２）。
【００７０】
一方、第２検出領域Ｒ２で検出されたイオンの計数または密度と第１検出領域Ｒ１で検出されたイオンの計数または密度とが等しくない場合（Ｓ４２のＮＯ）、演算部４０は、計数または密度の小さい側のレーザ光源ＬＳ１（またはＬＳ２）の出力を上昇させ、あるいは、計数または密度の大きい側のレーザ光源ＬＳ２（またはＬＳ１）の出力を低下させる（Ｓ６２）。
【００７１】
ステップＳ１２〜Ｓ６２は、試料２の分析対象（先端部）が全て電界蒸発するまで繰り返される（Ｓ７２のＮＯ）。試料２の分析対象（先端部）が全て電界蒸発すると（Ｓ７２のＹＥＳ）、分析が終了する。
【００７２】
このように、プローブ装置１は、検出器３０で検出されたイオンの計数または密度に基づいて、レーザ光源ＬＳ１、ＬＳ２の出力をフィードバック制御する。これにより、演算部４０は、第１および第２検出領域Ｒ１、Ｒ２で検出されるイオンの計数または密度を略均等にするように調節することができる。その結果、試料２の先端部が略半球形状から変形することを抑制できる。
【００７３】
（変形例１）
図１２は、第３実施形態の変形例１によるプローブ装置１の構成例を示す概念図である。第３実施形態では、複数のレーザ光源が設けられているが、本変形例１では、同一のレーザ光源ＬＳ３からのレーザ光２１を複数のレーザ光２１ａ、２１ｂに分割して試料２へ照射する。
【００７４】
本変形例１によるレーザ照射部２０は、少なくとも１つのレーザ光源ＬＳ３と、分光器２５と、ミラーＭ１〜Ｍ３とを備えている。レーザ光源ＬＳ３は、レーザ光２１を生成する。分光器２５は、レーザ光２１を複数のレーザ光２１ａ、２１ｂに分割する。光学系としてのミラーＭ１〜Ｍ３は、分割されたレーザ光２１ｂを案内して、レーザ光２１ａと２１ｂとを試料２に対して互いに略対称な方向から照射する。即ち、レーザ光２１ａ、２１ｂは、試料２の両側から照射される。
【００７５】
演算部４０は、検出器３０で検出されるイオンの計数または密度に基づいて、分光器２５を制御し、分割される複数のレーザ光２１ａ、２１ｂの光量の比率を変更する。即ち、演算部４０は、検出器３０で検出されるイオンＩ１、Ｉ２の計数または密度に基づいて、分光器２５における分光比率をフィードバック制御する。これにより、本変形例１は、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７６】
（第４実施形態）
図１３は、第４実施形態による試料分析装置１の構成例を示す概念図である。第４実施形態では、予め準備された試料２の構造を示すモデル情報に基づいて、試料２に対するレーザ照射位置、あるいは、試料２に対するレーザ照射角度を制御する。モデル情報は、第１実施形態のそれと同様でよい。
【００７７】
第４実施形態による試料分析装置１は、試料ホルダ４と、試料ステージ５と、制御部８とをさらに備えている。試料ホルダ４は、試料２を固定し、試料ステージ５に取り付けられている。
【００７８】
駆動部としての試料ステージ５は、第１駆動部６と、第２駆動部７とを備えている。第１駆動部６は、例えば、ピエゾ素子によって駆動する三次元ステップモータを有し、試料ホルダ４の位置、即ち、試料２の位置をＸ、Ｙ、Ｚ方向のいずれにも移動させることができる。尚、Ｚ方向が試料２の先端部が指す方向（中心軸の方向）である。ＸおよびＹ方向は、Ｚ方向に対して垂直な直交座標を示す。
【００７９】
第２駆動部７は、第１駆動部６をＺ軸のまわりに回転させるモータでよい。また、第２駆動部７は、試料２の軸方向をＺ軸から傾斜させるようなピエゾ素子をさらに備えていてもよい。図示しないが、レーザ照射部２０に、レーザ光２１の光路を微調整する機構を設けてもよい。
【００８０】
制御部８は、第１および第２駆動部６、７を制御し、試料２の位置や向きを調整する。
【００８１】
第４実施形態では、制御部８は、試料２を移動させたり、回転させたり、あるいは、試料２の向き（中心軸の方向、あおり角）を変更することによって、試料２に対するレーザ光２１の照射位置を決定することができる。例えば、試料ステージ５は、図１４を参照して説明するように、試料２内の異なる材質間の界面Ｂの位置や向きをレーザ光２１に対して略平行になるように、試料２を移動させることができる。
【００８２】
図１４は、試料２の先端部の構成例を示す図である。試料２の先端部は、第１材料２０１と、第２材料２０２とを備えている。第２材料２０２は、第１材料２０１によって挟まれている。第１材料２０１と第２材料２０２との間には界面Ｂがある。
【００８３】
この場合、制御部８は、レーザ光２１が界面Ｂに対して略平行に入射するように試料ステージ５を制御する。これにより、レーザ光２１は、界面Ｂに沿った方向Ｄ１から試料２に照射される。方向Ｄ１は、界面Ｂに対して略平行な面内において試料２へ向かう方向である。方向Ｄ１は、Ｚ軸方向に対して略垂直方向（図１４の紙面垂直方向）であってもよいが、界面Ｂに対して略平行な面内であれば該垂直方向から或る程度傾斜していても構わない。
【００８４】
例えば、図１５は、方向Ｄ２からレーザ光２１を照射したときの試料２の先端部を示す。図１５に示すように、もし、界面Ｂに対して垂直方向Ｄ２からレーザ光２１を照射すると、レーザ光２１は第１材料２０１の側面に照射され、主に第１材料２０１が電界蒸発する。この場合、片側の第１材料２０１から電界蒸発するため、図１５に示すように、片側の第１材料２０１の側面が凹んでしまう。また、試料２が変形することによって、演算部４０で得られる界面の位置および形状が、もともとの試料２における界面Ｂからずれたり、歪んだりしてしまう。さらに、演算部４０で求めた界面Ｂ付近の組成の変化の仕方も、試料２のそれとは異なってしまう。
【００８５】
そこで、第４実施形態では、上記顕微鏡による観察データ等のモデル情報を用いて、界面Ｂの向きを予め特定する。そして、プローブ装置１において、試料ステージ５が試料２の位置や向きを調節することによって、レーザ光２１を試料２の界面Ｂに対して略平行な方向Ｄ１から照射する。これにより、第１および第２材料２０１、２０２の両方から原子が電界蒸発し、界面Ｂが検出器３０において明確に検出され得る。レーザ光２１が界面Ｂに対して略平行に照射されているので、試料２がレーザ光の照射部分において局所的に変形しても、演算部４０は、界面Ｂの位置や形状を正確に求めることができる。即ち、第４実施形態によれば、試料２の局所的な変形による悪影響（local magnification effect）を緩和しつつ、試料２の材質や構造を正確に分析することができる。
【００８６】
尚、モデル情報がない場合、プローブ装置１は、レーザ照射位置またはレーザ照射角度を変更しながら、レーザ光２１を試料２に照射して質量分析を開始してもよい。界面Ｂが正確に検出可能なレーザ照射位置またはレーザ照射角度が判明したときに、試料ステージ５は、試料２の位置を固定する。その後、プローブ装置１は、レーザ照射位置またはレーザ照射角度を固定した状態で、質量分析を継続してもよい。このようにしても、試料２の局所的な変形による悪影響を緩和しつつ、試料２の材質や構造を正確に分析することができる。
【００８７】
第４実施形態によるプローブ装置１は、試料２の構造に適した方向からレーザ光２１を照射し、試料２の材質や構造を正確に分析することができる。また、第４実施形態は、第１〜第３実施形態およびその変形例のいずれかを組み合わせてもよい。これにより、第４実施形態は、第１〜第３実施形態およびその変形例のいずれかの効果も得ることができる。
【００８８】
図１６は、第４実施形態による試料分析方法を示すフロー図である。まず、モデル情報を用いて、界面Ｂの向きを予め特定する（Ｓ１３）。次に、レーザ光２１が試料２の界面Ｂに対して略平行な方向Ｄ１から照射されるように、試料ステージ５が試料２の位置や向きを調節する（Ｓ２３）。その後、レーザ照射部２０がレーザ光２１を試料２に照射して質量分析を実行する（Ｓ３３）。
【００８９】
（変形例２）
図１７は、第４実施形態の変形例２によるプローブ装置１の構成例を示す概念図である。第４実施形態では、試料ステージ５が試料２の位置や向きを変更することによって、試料２に対するレーザ光２１の照射位置を調整している。
【００９０】
これに対し、変形例２によるプローブ装置１は、レーザ光２１のレーザ照射の位置や角度を調整する調整部２６をさらに備えている。変形例２のその他の構成は、第４実施形態の対応する構成と同様であってもよい。従って、変形例２によれば、第４実施形態と同様の効果を得ることができる。ただし、変形例２は、第１駆動部６と第２駆動部７のいずれかもしくは両方を省略してもよい。
【００９１】
試料２に対するレーザ光２１の照射方向は、第４実施形態と同様に調整すればよい。さらに、調整部２６がレーザ光２１の照射角度を微調整することができる。従って、変形例２は、第４実施形態よりさらに様々な方向からレーザ光２１を試料２へ照射させることができる。これにより、変形例２は、試料２の局所的な変形による悪影響を緩和しつつ、試料２の材質や構造を正確に分析することができる。
【００９２】
以上の実施形態による試料分析方法の少なくとも一部は、ハードウェアで構成してもよいし、ソフトウェアで構成してもよい。ソフトウェアで構成する場合には、試料分析方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムをフレキシブルディスクやＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体に収納し、コンピュータに読み込ませて実行させてもよい。記録媒体は、磁気ディスクや光ディスク等の着脱可能なものに限定されず、ハードディスク装置やメモリなどの固定型の記録媒体でもよい。また、試料分析方法の少なくとも一部の機能を実現するプログラムを、インターネット等の通信回線（無線通信も含む）を介して頒布してもよい。さらに、同プログラムを暗号化したり、変調をかけたり、圧縮した状態で、インターネット等の有線回線や無線回線を介して、あるいは記録媒体に収納して頒布してもよい。
【００９３】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００９４】
１  プローブ装置、２  試料、１０  電圧源、２０  レーザ照射部、２１  レーザ光、３０  検出器、４０  演算部、Ｂｍ，Ｂｅ  ブロック、Ｆ１〜Ｆ４  第１〜第４  等濃度面
【図１】
2019158521.tif 000003
【図２】
2019158521.tif 000004
【図３】
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【図４】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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