本発明の一実施形態による電子顕微鏡及� ��観察方法について図1乃至図7を用いて説明� �る。

 図1及び図2は本実施形態による電子顕微� �の構造を示す概略図、図3は電子強度と電子� ��ネルギーとの関係を示すグラフ、図4は試料 による電子線のエネルギー損失を示すエネル ギー損失スペクトル、図5は加速電圧に損失� �ネルギー分の電圧を上乗せしない場合とし� �場合のエネルギー損失スペクトルを示すグ� �フ、図6は測定対象の試料のモデルを示す概� ��図、図7は図6の試料の測定例を示す概略図� �ある。

 はじめに、本実施形態による電子顕微鏡� ��構造について図1及び図2を用いて説明する� �

 図1に示すように、電子ビーム光学系を構 成する鏡筒10には、電子線を発生する電子銃1 2と、電子銃から発せられた電子線の加速電� �を制御する加速電圧制御装置14と、電子線を 収束して試料に照射する収束レンズ系を制御 する収束レンズ系制御装置16と、試料に照射� ��る電子線を走査する走査レンズ制御装置18� �、試料を透過した電子線を結像する結像レ� �ズ系を制御する結像レンズ系制御装置20と、 電子線に対する試料の位置を制御する試料台 制御装置22と、試料を透過した電子線をその� ��ネルギーに応じて分散させる電子プリズム2 4とが設けられている。

 収束レンズ系制御装置16及び結像レンズ� �制御装置20には、各レンズ系を制御する情報 を入力するためのレンズ系制御用入力装置26� ��接続されている。試料台制御装置22には、� �料台を制御する情報を入力するための試料� �制御用入力装置28が接続されている。

 電子プリズム24の出力側には、エネルギ� �選択絞り30を介して、CCDカメラあるいはSTEM� �出器等の検出器32が設けられている。エネル ギー選択絞り30は、電子プリズム24を通過し� �所定範囲のエネルギーを有する電子線を選� �的に透過して検出器32に導入するためのもの である。なお、本明細書では、電子プリズム 24及びエネルギー選択絞り30を一括して分光� �と呼ぶこともある。

 加速電圧制御装置14、エネルギー選択絞� �30及び検出器32には、処理装置34が接続され� �いる。処理装置34は、加速電圧制御装置14、� ��束レンズ系制御装置16、結像レンズ系制御� �置20、試料台制御装置22、エネルギー選択絞� ��30等を制御する制御装置として、また、検� �器32から入力される測定データの分析を行う 分析装置として機能する。

 処理装置34には、外部から測定等に必要� �情報を入力するための入力装置36、測定デー タの分析に用いられるデータベース等を記憶 する外部記憶装置38、分析結果等を表示する� ��示装置40等が接続されている。

 このように、本実施形態による電子顕微� ��は、基本的にはSTEM機能を有する電子顕微鏡 である。本実施形態による電子顕微鏡の主た る特徴は、検出器32の前段に、試料を透過し� ��電子線を分光する電子プリズム24と、電子� �リズム24により分光された電子線のうち特定 エネルギー範囲の電子線を選択的に透過する エネルギー選択絞り30とが設けられているこ� ��にある。

 なお、電子顕微鏡の基本構成は、STEMでは なくTEMであってもよい。この場合、走査レン ズ系(走査レンズ制御装置18等)は不要である� �

 次に、本実施形態による電子顕微鏡を用� ��た観察方法について図1及び図2を用いて説� �する。

 まず、評価対象の試料42を用意し、鏡筒10 内の試料台44上に設置する。なお、本実施形� ��による観察方法では、通常のTEMやSTEMの測定 では厚すぎると考えられている1μm以上の膜� �、例えば1.5μm程度の膜厚を有する試料42を用 いることができる。

 次いで、電子銃12から放出された電子を� �加速電圧制御装置14により、汎用のTEMやSTEM� �用いられている加速電圧、例えば100~200kVで� �速し、電子ビームを得る。なお、試料42に与 えるダメージを抑制する観点からは、汎用の TEM等で用いられている200kV程度以下の加速電� ��を用いることが望ましいが、それ以上の加� ��電圧、例えば1MV程度の加速電圧を用いても� ��い。

 次いで、試料台制御用入力装置28及び試� �台制御装置22を介して試料台44の位置を制御� ��、試料42の電子ビームに対する傾斜角やユ� �セントリックを調整する。これにより、試� �42の関心領域の明(暗)視野STEM像或いは明(暗)� ��野TEM像を撮影できる状態にする。

 次いで、試料42を透過した電子ビームを� �子プリズム24に通し、エネルギー損失スペク トルを得る。

 試料42を透過した電子ビームは、試料42内 において様々な散乱過程を経ており、様々な エネルギーを有している。ここでは、このよ うな電子を総称して、エネルギー損失電子と 呼ぶこととする。電子線に磁場を印加すると 、電子は磁場によるローレンツ力の影響を受 け、各電子が有するエネルギーに応じて偏向 される。すなわち、エネルギー損失の大きい エネルギー損失電子ほど偏向角は大きく、エ ネルギー損失の小さいエネルギー損失電子ほ ど偏向角は小さくなる(図2参照)。この原理が 光の波長を分散するプリズムによく似ている ことから、磁場の印加により電子線のエネル ギー分光を行うこのような装置を電子プリズ ムと呼んでいる。

 図3は、電子プリズム24により分光された� ��子線の電子強度と電子エネルギーとの関係� ��一例を示すグラフ(エネルギー損失スペクト ル)である。横軸は、入射エネルギー(加速エ� ��ルギー)から損失エネルギーを差し引いたエ ネルギー、すなわち試料42通過後の電子エネ� ��ギーである。

 次いで、電子プリズム24を通過した電子� �を、エネルギー選択絞り30に導入する(図2参� ��)。電子プリズム24で分光された電子線は、� ��ネルギー損失の大きい電子ほど偏向角は大� ��く、エネルギー損失の小さい電子ほど偏向� ��は小さくなる。したがって、電子プリズム2 4の出力側に、所定の偏向角に対応する位置� �スリットを有する絞り(エネルギー選択絞り3 0)を設けることで、任意のエネルギーを有す� ��電子線を選択的に取り出すことができる。

 次いで、エネルギー選択絞り30を通過し� �任意のエネルギーを有する電子線を、検出� �32により検出する。

 TEMやSTEMにおける焦点ボケは、エネルギー のズレ、すなわち色収差に起因する。したが って、結像に寄与する電子エネルギーを単エ ネルギー化することで、焦点ボケを低減する ことができる。この効果は、STEMよりもTEMに� �いて大きく現れる。TEMでは、電子が試料を� �過した後も多段レンズにより拡大操作が行� �れるため、色収差の影響を受けやすいから� �ある。

 また、試料の強度を向上するために利用� ��れる支持膜や包埋材料、或いはデバイス構� ��に多用されるカバー膜などに電子線を入射� ��ると、例えば図4に示すように、電子エネル ギーは膜の厚さと相関を持つようになる。す なわち、図4に示すスペクトルの横軸は、試� �の厚さの関数となる。

 ここでいう試料の厚さとは、試料表面か� ��の電子の侵入距離と同義である。したがっ� ��、エネルギー選択絞り30によって任意のエ� �ルギー帯の電子線を選択することで、焦点� �置を試料の任意の深さに設定することがで� �る。すなわち、試料42の像観察したい深さに 対応したエネルギー帯をエネルギー選択絞り 30により選択して像観察を行うことにより、� ��料42の任意の深さにおける焦点ボケの少な� �明瞭な画像を得ることができる。

 さらに、試料が厚くなると電子は相互作� ��を起こしやすくなるため、エネルギー損失� ��子の強度は増大する。それに伴い、TEMやSTEM の検出器に導入される電子信号が増加し、ひ いては厚い試料の観察や分析に有利になる。

 汎用の電子顕微鏡では、例えば120keVや200k eVなどの特定の加速エネルギーを持つ電子に� ��してその光学的性能を最大限に引き出すこ� ��ができるように、レンズ条件が設計されて� ��る。この加速エネルギーは、電子顕微鏡毎� ��固有のものであり、定格加速エネルギーと� ��ばれている。定格加速エネルギーは、換言� ��れば、電子顕微鏡の光学的性能を最大限に� ��き出すことができる加速エネルギーである� ��

 そのため、損失エネルギー量がゼロでは� ��い総ての電子は、レンズ条件に対してエネ� ��ギー的に最適とはいえない。試料を透過し� ��エネルギー損失電子も多段レンズで集光す� ��ことはできるが、最適レンズ条件ではない� ��め定格加速エネルギーの電子線によって得� ��れる分解能には及ばない。また、加速エネ� ��ギーを変更する度毎にレンズ条件を調整す� ��のは時間を要するため実用的ではない。

 そこで、本実施形態による観察方法では� ��加速エネルギーを損失エネルギー量と同期� ��て昇圧することで、最適なレンズ条件を維� ��する。具体的には、観察対象の深さに対応� ��るエネルギーを損失した透過電子線の電子� ��ネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギ� ��になるように、透過電子線の損失エネルギ� ��分の電圧を上乗せして電子線の加速エネル� ��ーとする。

 例えば、定格加速電圧が200kVの電子顕微� �において、焦点を合わせたい位置(試料42へ� �侵入深さ)に対応する透過電子線の電子エネ� ��ギーが、例えば図5(a)に示すように199.97keV(� �料42内で電子が0.03keVのエネルギーを失った� �態)の場合、試料42による損失分のエネルギ� �0.03keVを上乗せして、加速電圧を200.03kVに昇� �する。ここで、加速エネルギーの上乗せは� �図3のエネルギー損失スペクトルを高エネル� ��ー側にシフトすることを意味する。これに� ��り、焦点を合わせたい位置に対応する透過� ��子線の電子エネルギーは、例えば図5(b)に示 すように200.0keVとなり、レンズ系の調整を行� ��ことなく、当該電子顕微鏡に最適なレンズ� ��件で像観察を行うことができる。

 なお、このときのエネルギー選択絞り30� �、損失エネルギーがゼロ付近の電子線(加速� ��ネルギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギ� ��に一致する電子線)を選択的に通過するよう に、エネルギー選択幅を設定すればよい。す なわち、試料42の深さ方向の構造を観察する� ��合、エネルギー選択絞り30が選択的に透過� �る電子線のエネルギー帯を電子顕微鏡の定� �加速エネルギー近傍に固定しておき、試料42 の観察したい深さに応じて、加速電圧制御装 置14により加速する電子線の加速エネルギー� ��増加する。

 このようにして試料42の観察を行うこと� �より、試料42の任意の深さにおいて焦点ボケ の少ない明瞭な画像を得ることができる。

 なお、試料42内における焦点位置は、対� �レンズによって制御してもよい。但し、こ� �場合には、レンズ条件がエネルギー的に最� �ではなくなるため、加速電圧を制御する場� �と比較して分解能は劣化する。

 図6は、試料42の一例を示す概略図である� ��図6に示す試料42は、深さAの位置に形成され た直方体状の構造物52と、深さBの位置に形成 された円筒状の構造物54とを有している。

 図6に示す試料において、電子線50を入射� ��、深さAに対応する透過電子線の電子エネル ギーが電子顕微鏡の定格加速エネルギーとな るように電子線の加速エネルギーを制御した 場合、例えば図7(a)に示すような画像が得ら� �る。すなわち、構造物52の鮮明な画像と、構 造物54のぼけた画像とが重なった画像を得る� ��とができる。一方、深さBに対応する透過電 子線の電子エネルギーが電子顕微鏡の定格加 速エネルギーとなるように電子線の加速エネ ルギーを制御した場合、例えば図7(b)に示す� �うな画像が得られる。すなわち、構造物54の 鮮明な画像と、構造物52のぼけた画像とが重� ��った画像を得ることができる。これら画像� ��ら鮮明な画像を抜き出す画像処理を行うこ� ��により、試料42の深さ方向の情報を分離す� �ことができる。

 このように、本実施形態によれば、任意� ��エネルギー帯の電子線を選択して結像する� ��で、試料の像観察したい任意の深さにおい� ��、焦点暈けの少ない明瞭な画像を得ること� ��できる。また、試料に入射する電子線の加� ��エネルギーを、試料を透過した電子線の損� ��エネルギー分だけ増加することにより、試� ��を透過した電子線の電子エネルギーを電子� ��微鏡の定格加速エネルギーに近づけるので� ��最適なレンズ条件で像観察を行うことがで� ��る。これにより、より焦点暈けの少ない明� ��な画像を得ることができる。

 [変形実施形態]
 本発明は上記実施形態に限らず種々の変形� ��可能である。

 例えば、上記実施形態では、試料42を透� �した電子線を、電子プリズム24及びエネルギ ー選択絞り30を介して検出器32に導入したが� �電子プリズム24及びエネルギー選択絞り30は� ��ずしも必要はない。

 STEMの場合、電子線が試料42を透過した後� ��はTEMのような拡大レンズが存在しないため� ��TEMの場合と比較して色収差の影響が小さい� ��このため、試料42を透過した電子線を検出� �32によって直接検出した場合にも、TEMと比較 して良好な画像を得ることができる。ただし 、STEMの場合にも、上記実施形態に記載した� �うに電子プリズム24及びエネルギー選択絞り 30を用いて電子線のエネルギー帯を絞った方� ��、像の暈け除去効果は高い。

 電子プリズム24及びエネルギー選択絞り30 を用いない電子顕微鏡としては、例えば図8� �示す装置構成を適用することができる。

 また、電子線の加速エネルギーの昇圧幅� ��小さくすることで、焦点位置の移動量が減� ��する。この条件で焦点位置を連続的に変化� ��せ、各条件で厚さの異なるスライス像を取� ��し、公知の方法で相互演算することで3次元 画像を取得することができる。

 また、上記実施形態では、厚さが1μmを超 えるような厚い試料の場合を例に説明したが 、本発明による観察方法は、通常のTEMやSTEM� �測定に用いられる0.3μm程度以下の試料の測� �に適用することもできる。このように試料� �薄い場合、エネルギー損失する確率が減少� �、厚い場合に比べてエネルギー分散幅がエ� �ルギー選択幅に対して小さくなる。このと� �本発明による観察方法を適用すると、すべ� �の厚さで焦点を合わせることができる。電� �は試料が厚くなるほどエネルギーを失いや� �くなるが、例えば0.3μm以下の厚さではエネ� �ギーをまったく失わない電子も微量ながら� �在する。いま選択するエネルギー値を定格� �200kVとすると、試料表面から裏面まですべて の領域で焦点を合わせることができる。シグ ナル・ノイズ(S/N)比は表面ほど良く、厚くな� ��ほど悪くなる。同様に、200kV以外のエネル� �ーを選択しても、すべての領域で焦点を合� �せることができる。選択エネルギーを変化� �せることで、S/N比の最高値を深さ方向に制� �することができる。試料が1μm以上になると� ��エネルギー分散幅がエネルギー選択幅に対� ��て十分に大きくなるので、試料全体で焦点� ��合わせることはできなくなる。