(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を透過した電子線をエネルギー分光し、異なる３つのエネルギー領域に含まれる電子線の強度から元素分布を得る元素分布観察方法において、
第一のエネルギー領域がＥ1 からＥ1＋ΔＥ 、第二のエネルギー領域がＥ2 からＥ2＋ΔＥ、第三のエネルギー領域がＥ3 からＥ3＋ΔＥ であり、第三のエネルギー領域に目的の元素のコアロス電子が含まれており、Ｅ2−Ｅ1＝δＥ1，Ｅ3−Ｅ2＝δＥ2であり、第一のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ1 、第二のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ2 、第三のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ3 であり、Ｒ1＝Ｉ2÷Ｉ1 ，Ｒ2＝Ｉ3÷Ｉ2 としたときに、Ｒ2÷Ｒ1^(δＥ2÷δＥ1) を計算して元素分布を得ることを特徴とする元素分布観測方法。
【請求項２】
試料を透過した電子線をエネルギー分光し、異なる３つのエネルギー領域に含まれる電子線の強度から元素分布を得る元素分布観察方法において、
第一のエネルギー領域がＥ1 からＥ1＋ΔＥ 、第二のエネルギー領域がＥ2 からＥ2＋ΔＥ、第三のエネルギー領域がＥ3 からＥ3＋ΔＥ であり、第三のエネルギー領域に目的の元素のコアロス電子が含まれており、Ｅ2−Ｅ1＝Ｅ3−Ｅ2＝δＥであり、第一のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ1 、第二のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ2 、第三のエネルギー領域に含まれる電子線の強度がＩ3 であり、Ｒ1＝Ｉ2÷Ｉ1 ，Ｒ2＝Ｉ3÷Ｉ2 としたときに、Ｒ2÷Ｒ1 を計算して元素分布を得ることを特徴とする元素分布観察方法。
【請求項３】
電子銃と、前記電子銃から射出された入射電子線を試料に照射する照射電子光学系と、前記試料を透過した透過電子線を結像する第一の結像電子光学系と、前記透過電子線をエネルギー分光するエネルギーフィルターと、エネルギー分光された電子線のうち特定のエネルギーを有する電子線のみを選択する機構と、前記エネルギー選択された電子線を結像してエネルギーフィルター像を形成する第二の結像電子光学系と、前記エネルギーフィルター像を観察及び記録するための像観察記録手段と、前記像観察記録手段によって記録された前記エネルギーフィルター像を演算して元素分布を求める演算手段を備えた元素分布観察装置において、前記演算手段が請求項１または２に記載された元素分布観察方法によって元素分布像を得ることを特徴とする元素分布観察装置。
【請求項４】
電子銃と、前記電子銃から射出された入射電子線を試料に照射する照射電子光学系と、前記入射電子線を前記試料面上で走査する電子線走査手段と、前記試料を透過した透過電子線をエネルギー分光するエネルギースペクトロメータと、前記電子線走査手段と同期して前記エネルギースペクトロメータによって形成されたエネルギーロススペクトルを記録するスペクトル記録手段と、前記スペクトル記録手段によって記録された前記エネルギーロススペクトルを演算して元素分布を求める演算手段を備えた元素分布観察装置において、前記演算手段が請求項１または２に記載された元素分布観察方法によって元素分布像を得ることを特徴とする元素分布観察装置。
【請求項５】
電子銃と、前記電子銃から射出された入射電子線を試料に照射する照射電子光学系と、前記入射電子線を前記試料面上で走査する電子線走査手段と、前記試料を透過した透過電子線をエネルギー分光するエネルギースペクトロメータと、前記エネルギースペクトロメータによって形成されたエネルギーロススペクトルのうち、３つの異なるエネルギー領域の電子線強度を略比例した光子数に変換して検出する３つの電子線強度検出手段と、前記電子線強度検出手段によって検出された前記エネルギーロススペクトルの前記３つの異なるエネルギー領域の電子線強度を演算して元素分布を求める演算手段を備えた元素分布観察装置において、前記電子線走査手段と同期して前記演算手段が請求項１または２に記載された元素分布観察方法によって元素分布像を得ることを特徴とする元素分布観察装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、元素分布観察方法及び装置に係り、特に、コアロス電子を利用して演算によって元素分布を求める元素分布観察方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子線と試料の相互作用によって入射電子線がエネルギーを失うことがある。この現象には、プラズモンロス，コアロス，制動放射などの様々なプロセスがあり、試料の構造や構成元素の種類などによって、失うエネルギーが違ってくる。このうち、特にコアロス電子は元素の種類や結合状態によってエネルギーロス値が決まっており、元素分布の観察や結合状態の分析に用いられてきた。
【０００３】
エネルギーロスを用いて元素分析を行う装置として、電子エネルギー損失分光（Electron Energy Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）装置（R. F. Egerton：Electron Energy-Loss Spectroscopy in the Electron Microscope，Plenum Press（1986)）やエネルギーフィルター電子顕微鏡（L. Reimer ed.：Energy-Filtering Transmission Electron Microscopy，Springer（1995)）がある。
【０００４】
ＥＥＬＳ装置は、透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope：TEM)または走査透過電子顕微鏡（Scanning Transmission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）のような透過電子を利用する観察装置の後ろにエネルギー分光するスペクトロメータを搭載している。スペクトロメータの構造は、公知例として米国特許第4,743,756号公報，特開平７−２１９６６号公報などがある。
【０００５】
エネルギーフィルター電子顕微鏡は、ＴＥＭの結像系の途中に結像型エネルギーフィルターを挿入したインカラム型，ＴＥＭの結像系の後ろに結像型エネルギーフィルターを配置したポストカラム型がある。インカラム型には、Ω型（特許出願公開昭６２−６６５５３号），ｋα型（特開昭６２−６９４５６号），ｋγ型(特許出願公開ＷＯ９６／０２９３５），マンドリン型(特開平７−３７５３６号）等がある。一方、ポストカラム型には、ＧＡＴＡＮ社から製品化されているイメージングフィルターという装置（Gatan Imaging Filter：ＧＩＦ(O. L. Krivanek，A. J. Gubbens and N. Dellby：Microsc. Microanal. Microstruct.vol.2(1991)315.)）が最も有名であるが、Ω型の軌道を描く方式（特開平１１−０７３８９９号，特開２００１−２４３９１０））も提案されている。
【０００６】
エネルギーロス電子を用いて試料の元素分布を得る原理を説明する。まず、図４にコアロスエネルギー近辺の典型的なエネルギーロススペクトルを示す。制動放射など、元素に無関係なプロセスでエネルギーを失う場合は、特定のエネルギーロス値をもたず、連続なスペクトルのバックグラウンドを形成する。この強度Ｊは、近似的に（１）式で与えられる。
【０００７】
【数１】
0003789104.tif 000002
【０００８】
ここで、Ｅはエネルギーロス値、Ａとｒは試料の厚さと組成によって決まる定数である。コアロス電子の強度はこのバックグラウンドに重畳するが、試料の内殻電子を励起して失うエネルギーは励起に最小限必要なエネルギー以上であるので、通常エネルギーロススペクトルにはコアロスエッジと呼ばれる肩ができる。エネルギーロス領域Ｅ1 からＥ1＋△Ｅ までの電子線で得られた像をpre−pre−edge像、エネルギーロス領域Ｅ2 からＥ2＋△Ｅ までの電子線で得られた像をpre−edge 像、エネルギーロス領域Ｅ3 からＥ3＋△Ｅ までの電子線で得られた像をpost−edge像という。pre−pre−edge像にはコアロス電子が含まれないのでバックグラウンドのみとなり、pre−pre−edge像の強度をＩ1 とすると、
【０００９】
【数２】
0003789104.tif 000003
【００１０】
となる。同様に、pre−edge 像の強度をＩ2 は
【００１１】
【数３】
0003789104.tif 000004
【００１２】
となる。post−edge像の強度Ｉ3 は、post−edge像に含まれるコアロス電子強度をＩe 、バックグラウンド強度をＩbkとすると、
【００１３】
【数４】
0003789104.tif 000005
【００１４】
となる。（４）式のＩe に依存するコントラストを求めることができれば、元素分布像を得ることができる。
【００１５】
（ａ）３ Window法
まず、（３）式と（２）式の比をＲ1＝Ｉ2／Ｉ1＝exp(−ｒδ Ｅ1) とすると、ｒは
【００１６】
【数５】
0003789104.tif 000006
【００１７】
となるから、
【００１８】
【数６】
0003789104.tif 000007
【００１９】
で与えられる。特にδＥ1＝δＥ2のとき、（６）式は
【００２０】
【数７】
0003789104.tif 000008
【００２１】
と簡単になる。これが３ Window 法といわれる方法であり、最も汎用的に行われている。
【００２２】
（ｂ）Ratio map法
（４）式と（３）式の比Ｒ2＝Ｉ3／Ｉ2：
【００２３】
【数８】
0003789104.tif 000009
【００２４】
も元素に関する知見を与えてくれる。すなわち、元素のないところではＩe ＝０なのでexp(−ｒδＥ2)のみとなり、元素のあるところでは、Ｉe の情報が重畳してくる。ｒが観察領域で一定の場合は、Ｉe の情報のみがコントラストとなって観察される。この方法をRation map法または、２ window法という。
【００２５】
（ｃ）スペクトルマッピング法
上記２種類の方法は、あるエネルギー領域の総電子数を元にしたが、スペクトルそのものを記録できれば、バックグラウンド領域を（１）式でフィッティングし、Ｉbkをより精度よく求めることができる。ＳＴＥＭの走査機能を用いて、試料上の一点ごとにスペクトルを全て記録し、各点ごとのＩe を求める方法をスペクトルマッピング法という。
【００２６】
（ｄ）イメージングＥＥＬＳ法
エネルギーフィルターＴＥＭでは、エネルギー選択スリットを使ってエネルギーロス領域を決定する。Ratio map法なら２枚の画像を、３ Window法なら３枚の画像を撮影すればよいが、より狭いスリットで数多くの画像を撮影し、スペクトルマッピング法の要領で元素分布像を求めることもできる。この方法をイメージングＥＥＬＳ法という。
【００２７】
複数のエネルギーロス領域の電子強度を同時に検出する構造が特開２００１−１４８２３１に提案されている。検出後に、ソフトウェアではなく電気回路にて演算することにより、ＳＴＥＭ像と同時に元素分布像を求めることができる。
【００２８】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術で述べた４種類の元素分布像計算方法において、特徴を表１に示す。表中の独立検出とは、異なるエネルギーロス領域の電子線強度を別々に検出する方式で、同時検出とは、特開２００１−１４８２３１に記載されているような複数の検出素子を用いて検出する方式をさす。◎は特に優れている、○は優れている、×は劣っていることを表す。artifactとは、（８）式においてｒが一定でない場合に起こる偽のコントラストのことをさし、試料が同じ厚さであっても密度が異なるだけで現われ、定量性に大きく影響を与える。回折コントラストとは、試料によって回折された電子線が対物絞りに除去されることによって電子数が変化し、定量性に影響を与えることをさす。Ratio map 法では電子数の比を計算するので、絶対量に変化があっても結果に影響を与えない。しかし、その他の方法は、減算処理が入るので、計算する前の画像取得段階で回折コントラストがないように注意する必要がある。
【００２９】
【表１】
0003789104.tif 000010
【００３０】
この表からも分かるとおり、全てにおいて優れている方法はない。少なくとも、Ratio map 法において回折コントラストの影響を受けないというメリット、その他の方式においてartifactがないというメリットを、同時に両立するだけでも強力なツールとなる。
【００３１】
本発明の目的は、上記した従来技術の問題点を解決し、artifactがなく、かつ回折コントラストの影響もない元素分布観察方法とそれに基づく元素分布観察装置を提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明では、以下のような手段を講じた点に特徴がある。
【００３３】
（１）（６）式の両辺をＩ3 で割って変形すると、
【００３４】
【数９】
0003789104.tif 000011
【００３５】
となる。ただし、Ｒ2＝Ｉ3／Ｉ2 である。すなわち、（８）式において問題となっていたｒが除去され、artifactを発生しない。しかも、回折コントラストにより強度の変化があった場合でも、Ｉe とＩbkは比例して変化するので、回折コントラストの影響はキャンセルされ、像には現われない。さらに、δＥ1＝δＥ2の場合は、
【００３６】
【数１０】
0003789104.tif 000012
【００３７】
とさらに簡単になる。
【００３８】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を計算できるようになる。
【００３９】
（２）特開２００１−１４８２３１に記載されているような複数の検出素子を用いて、３つの異なるエネルギーロス領域の電子の強度を同時に検出できるようなＥＬＬＳ装置を搭載したＴＥＭまたはＳＴＥＭにおいて、入射電子線を試料面上で走査しながらエネルギーロススペクトルを収集し、これらの検出器からの強度信号を用いて（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００４０】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【００４１】
（３）ＥＥＬＳ装置を搭載したＴＥＭまたはSＴＥＭにおいて、入射電子線を試料面上で走査しながらエネルギーロススペクトルを収集し、post−edge 像とpre−edge像とpre−pre−edge像に相当する領域の電子線強度を求め、（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００４２】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【００４３】
（４）エネルギーフィルターＴＥＭにおいて、３ Window法と同じくpost−edge像とpre−edge像とpre−pre−edge像を撮影し、（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００４４】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００４６】
図１は、本願発明による第一の実施例の説明図である。ＳＴＥＭ装置１に本願発明を適用した実施例である。電子銃４から射出された照射電子線４１は、照射レンズ系１１によって試料５上に照射される。試料５上の照射位置は偏向コイル１５によって走査される。試料５を透過した透過電子線４２は、対物レンズ１２，投影レンズ系１４によって必要な散乱角のみがスペクトロメータ２１に入射される。スペクトロメータ２１は試料５で失ったエネルギーに応じてエネルギーロススペクトル４６を形成する。電子線同時検出器３１は、エネルギーロススペクトル４６のうち、第一のエネルギーロス領域４３，第二のエネルギーロス領域４４，第三のエネルギーロス領域４５に含まれる電子線の強度を光に変換して、第一のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ1 ）５１，第二のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ2 ）５２，第三のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ3 ）５３を発生する。信号強度除算器６１は、二つの電子強度信号を入力し、その比を出力する電気回路で構成されており、強度信号５１と５２が一つの信号強度除算器６１に、５２と５３がもう一つの信号強度除算器６１に入力され、第二と第一の信号強度比Ｒ1＝Ｉ2／Ｉ1 ５４と第三と第二の信号強度比Ｒ2＝Ｉ3／Ｉ2 ５５を発生する。５４と５５はさらにもう一つの信号強度除算器６１に入力され、Ｒ2／Ｒ1を発生する。これは、（１０）式で定義された元素分布信号５６であり、偏向コイル１５による走査と同期することにより、元素分布表示装置６２に元素分布像を表示することが可能となる。元素分布を電気回路で構成しているので演算は極めて高速に行うことができ、偏向コイル１５で高精彩に走査すれば、高精細な元素分布像をすばやく得ることができる。
【００４７】
図２は、本願発明による第二の実施例の説明図である。スペクトロメータ２１で透過電子線４２が分光されてエネルギーロススペクトル４６が形成されるまでは第一の実施例と同じである。スペクトル検出器３２はスペクトル４６をエネルギーロススペクトル信号５７に変換して出力する。スペクトル記録装置６３はエネルギーロススペクトル信号５７を記録し、その中から３つの異なるエネルギー領域の電子線強度５８を求め、演算装置６４に渡す。演算装置６４は、（９）式もしくは（１０）式による定義に基づいて元素分布を計算し、元素分布信号５６を出力する。元素分布表示装置６２は元素分布信号５６を表示する。偏向コイル１５による試料５の位置情報と対応させて画像表示することで、元素分布像を元素分布表示装置６２に表示することも可能となる。
【００４８】
図３は、本願発明による第三の実施例の説明図である。インカラム型エネルギーフィルターＴＥＭ装置２に本願発明を適用した実施例である。透過電子線４２は試料５を透過後、対物レンズ１２，中間レンズ系１３で結像され、エネルギーフィルター２２でエネルギー分光される。エネルギー選択スリット２３は必要なエネルギー領域の電子線４８だけを通過させ、それ以外の電子線４７は除去する。投影レンズ系１４は、エネルギー選択スリットによって選択された電子４８をエネルギーフィルター像として結像する。エネルギーフィルター像は蛍光板３３上で観察することもでき、写真フィルム３４やＳＳＣＣＤ３５で撮影することもできる。３つの異なるエネルギーロス領域のエネルギーフィルター像を撮影したＳＳＣＣＤ３５はエネルギーフィルター像信号５９を出力し、エネルギーフィルター像記録装置６５が３枚のエネルギーフィルター像を記録する。エネルギーフィルター像記録装置６５は記録した各エネルギーロス領域の電子線強度信号５８を演算装置６４に渡し、演算装置６４は、（９）式もしくは（１０）式による定義に基づいて元素分布を計算し、元素分布信号５６を出力する。元素分布表示装置６２は元素分布信号５６を表示する。ここではインカラム型エネルギーフィルターＴＥＭについて説明したが、ポストカラム型エネルギーフィルターＴＥＭにも適用することも可能である。また、イメージングＥＥＬＳ法にも適用することも可能である。
【００４９】
【発明の効果】
上記したように、本発明によれば以下のような効果が達成される。
【００５０】
（１）（９）式または（１０）式で定義された演算によって元素分布を計算する。このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を計算できるようになる。
【００５１】
（２）特開２００１−１４８２３１に記載されているような複数の検出素子を用いて、３つの異なるエネルギーロス領域の電子の強度を同時に検出できるようなＥＥＬＳ装置を搭載したＴＥＭまたはＳＴＥＭにおいて、入射電子線を試料面上で走査しながらエネルギーロススペクトルを収集し、これらの検出器からの強度信号を用いて（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００５２】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【００５３】
（３）ＥＥＬＳ装置を搭載したＴＥＭまたはＳＴＥＭにおいて、入射電子線を試料面上で走査しながらエネルギーロススペクトルを収集し、post−edge像とpre−edge像とpre−pre−edge像に相当する領域の電子線強度を求め、（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００５４】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【００５５】
（４）エネルギーフィルターＴＥＭにおいて、３ Window法と同じくpost−edge像とpre−edge像とpre−pre−edge像を撮影し、（９）式もしくは（１０）式の計算式を用いて元素分布像を求める。
【００５６】
このような構成によれば、artifactを発生せず、しかも回折コントラストの影響のない元素分布像を観察できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明による第一の実施例の説明図である。
【図２】本願発明による第二の実施例の説明図である。
【図３】本願発明による第三の実施例の説明図である。
【図４】典型的なエネルギーロススペクトルの説明図である。
【符号の説明】
１…ＳＴＥＭ装置、２…エネルギーフィルターＴＥＭ装置、４…電子銃、５…試料、１１…照射レンズ系、１２…対物レンズ、１３…中間レンズ系、１４…投影レンズ系、１５…偏向レンズ、２１…スペクトロメータ、２２…エネルギーフィルター、２３…エネルギー選択スリット、３１…電子線同時検出器、３２…スペクトル検出器、３３…蛍光板、３４…写真フィルム、３５…ＳＳＣＣＤカメラ、４１…照射電子線、４２…透過電子線、４３…第一のエネルギーロス領域、４４…第二のエネルギーロス領域、４５…第三のエネルギーロス領域、４６…エネルギーロススペクトル、４７…エネルギー選択スリットによって除去された電子、４８…エネルギー選択スリットによって選択された電子、５１…第一のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ1 ）、５２…第二のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ2 ）、５３…第三のエネルギーロス領域の電子強度信号（Ｉ3 ）、５４…第二と第一の信号強度比Ｒ1＝Ｉ2／Ｉ1 、５５…第三と第二の信号強度比Ｒ2＝Ｉ3／Ｉ2 、５６…元素分布信号、５７…エネルギーロススペクトル信号、５８…各エネルギーロス領域の電子線強度信号、５９…エネルギーフィルター像信号、６１…信号強度除算器、６２…元素分布表示装置、６３…スペクトル記録装置、６４…演算装置、６５…エネルギーフィルター像記録装置。
【図１】
0003789104.tif 000013
【図２】
0003789104.tif 000014
【図３】
0003789104.tif 000015
【図４】
0003789104.tif 000016