JP2008066057A - Scanning transmission electron microscope - Google Patents
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Abstract
【課題】電子線回折像の解像度を向上させる走査透過電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】 試料ステージ9上に装着される試料ホルダー30内の電子線通過孔は、電子線光軸Oに沿った方向の孔31と該孔に連なり且つ該孔の方向に対し垂直な方向の孔33から成り、孔31と孔33との境界部に散乱角制限絞り11が挿入され、孔33内に電子線光軸Oに対し傾けてシンチレーター13が設けられており、該孔33の出口部には光電子像倍管14が設けられている。
【選択図】図3A scanning transmission electron microscope for improving the resolution of an electron diffraction image is provided.
An electron beam passage hole in a sample holder 30 mounted on a sample stage 9 is connected to a hole 31 in a direction along the electron beam optical axis O and a direction perpendicular to the direction of the hole. The scattering angle limiting stop 11 is inserted at the boundary between the hole 31 and the hole 33, and the scintillator 13 is provided in the hole 33 so as to be inclined with respect to the electron beam optical axis O. A photoelectron image multiplier 14 is provided at the outlet.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、試料ホルダーを備えた走査透過電子顕微鏡に関する。 The present invention relates to a scanning transmission electron microscope provided with a sample holder.
走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope:通称STEM)は、透過型電子顕微鏡と走査型電子顕微鏡のそれぞれの特徴を併せ持った電子顕微鏡である。特に、電子銃として電界放出形電子銃を使用した走査透過電子顕微鏡は、加速電圧が5kVから数10kVという比較的低い加速電圧でも、極めて高いコントラストで、高分解能の透過電子像が得られることで注目されており、最近、微細化や多層構造化が著しい勢いで進んでいる半導体の断面微細構造の評価、計測手段としても使用されている。 A scanning transmission electron microscope (commonly known as STEM) is an electron microscope having the characteristics of both a transmission electron microscope and a scanning electron microscope. In particular, a scanning transmission electron microscope using a field emission electron gun as an electron gun can obtain a high-resolution transmission electron image with extremely high contrast even at a relatively low acceleration voltage of 5 kV to several tens of kV. It has been attracting attention and is also used as a means for evaluating and measuring the cross-sectional microstructure of semiconductors, which have recently been remarkably miniaturized and multilayered.
図1は、走査透過電子顕微鏡装置の一概略図を示したものである。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a scanning transmission electron microscope apparatus.
図中1は電子銃、2は該電子銃1から放出された一次電子線である。3は前記電子銃1からの電子線2を、例えば、薄膜状の試料5上に集束させるための集束レンズ、4X,4Yは前記電子線2で前記試料5上をX方向、Y方向に走査するためのX方向走査コイル、Y方向走査コイルである。
In the figure, 1 is an electron gun, and 2 is a primary electron beam emitted from the electron gun 1. 3 is a focusing lens for focusing the electron beam 2 from the electron gun 1 on, for example, a
6は前記試料5を固定する試料ホルダーで、中央部に電子線光軸Oに沿って、前記試料5を透過した電子7(透過電子と称す)が通過する孔8が開けられている。
9は前記試料ホルダー6が装着される試料ステージで、中央部に電子線光軸Oに沿って、前記孔8に連続する孔10が開けられている。
11は前記透過電子7の通過を制限する散乱角制限絞り、12は該散乱角制限絞り11を通過した透過電子である。
13は前記透過電子12を光に変換するシンチレーター、14は該変換された光を電子信号に変換する光電子増倍管で、前記シンチレーター13とで透過電子検出手段を構成している。
尚、前記試料ステージ9、散乱角制限絞り11、シンチレーター13、光電子増倍管14は走査透過電子顕微鏡装置本体100の試料室(図示せず)内に配置され、前記試料ホルダー6は前記試料ステージ9に対し着脱可能に成っている。
The
上記構成の走査透過電子顕微鏡装置は以下のように動作する。 The scanning transmission electron microscope apparatus having the above configuration operates as follows.
先ず、オペレーターは、薄膜状の試料5が固定されている試料ホルダー6を試料ステージ9上に装着する。
First, the operator mounts the
電子銃1から放出された電子線2は、図示しない加速手段で加速され、集束レンズ3によって集束され、X方向、Y方向走査コイル4X,4Yによって前記試料5上を走査する。
The electron beam 2 emitted from the electron gun 1 is accelerated by an accelerating means (not shown), focused by a focusing lens 3, and scanned on the
この様な電子線2による試料5上の走査により、前記試料5中で散乱して、或いは散乱することなく該試料を透過した電子7が試料5下面から出射する。
By scanning on the
前記透過電子7は、前記試料5内部の状態、該試料の厚さ、該試料を成す原子の種類によって、その強度、散乱角度が異なっている。又、この透過電子の散乱角度は、電子線2の加速電圧によっても変化し、例えば、加速電圧が低くなると試料によって散乱される割合が多くなり、前記試料下面から出射する透過電子の電子線光軸Oからの出射角度(散乱角度)が大きくなる。
The transmitted
前記試料5下面から出射した透過電子7は、前記試料ホルダー6と試料ステージ9の孔8,10を通過した後、散乱角制限絞り11に達する。該絞りは、特定の散乱角を有する透過電子のみが通過できるように中心部に開けられた孔の口径が制限されている。
The transmitted
この様な透過電子の通過を制限させる散乱角制限絞りとしては、上記に示した構造のもののように中央部に孔を有し、該孔の口径で透過電子の通過を制限するものの外に、図2に示す様に、中心部に遮蔽板17を配置して透過電子7の通過を制限するもの(16)がある。
As a scattering angle limiting stop for limiting the passage of such transmitted electrons, in addition to those having a hole in the center as in the structure shown above, and restricting the passage of transmitted electrons by the diameter of the hole, As shown in FIG. 2, there is one (16) in which a
一般的に、前者の絞り11を使用すると電子線回折像は明視野像を形成し、後者の絞り16を使用すると暗視野像を形成する。
In general, when the
前記散乱角制限絞り11を通過した透過電子12は、シンチレーター13に衝突して光に変換され、更に、光電子増倍管14によって電気信号に変換される。そして、図示しない増幅手段で増幅され、A/D変換器(図示せず)を介して表示手段(図示せず)に送られる。
The transmitted
該表示手段(図示せず)は、送られてきた信号を輝度変調し、前記試料5の内部構造を反映した電子線回折像を表示する。
The display means (not shown) modulates the intensity of the transmitted signal and displays an electron diffraction pattern reflecting the internal structure of the
さて、前記の如き構造の走査透過電子顕微鏡には次の様な問題がある。 The scanning transmission electron microscope having the above structure has the following problems.
前記散乱角制限絞り11の特に孔部を含む孔近傍が電子線の衝突により汚れてきた場合、前記散乱角制限絞り11交換する必要がある。
When the vicinity of the hole including the hole portion of the scattering
該散乱角制限絞り11を交換する場合、使用中の散乱角制限絞りは試料室内に固定されているため、装置全体を完全に止め、試料室を開けてから交換作業を行っている。そのため、著しく長い作業時間が発生している。
When the scattering
又、前記試料5を透過した電子は、前記シンチレーター13に達するまでに、前記試料ホルダー6の孔8と試料ステージ9の孔10とを通過しなければならない。即ち、前記試料5から透過電子検出手段迄の距離が長いので、散乱角が大きい透過電子(図1において18で示した透過電子)は前記試料ホルダー6や試料ステージ9の内壁に衝突してしまう。すると、該衝突した箇所から二次電子が発生し、該二次電子が透過電子検出手段に入ると、結果的に、表示手段(図示せず)に表示される電子線回折像のノイズとなってしまい、解像度の低下を招いている。
Further, the electrons transmitted through the
本発明は、この様な問題を解決する事を目的としてなされたもので、新規な
走査透過電子顕微鏡を提供するものである。
The present invention has been made for the purpose of solving such problems, and provides a novel scanning transmission electron microscope.
本発明の走査透過電子顕微鏡は、ステージ上に装着された試料ホルダーにセットされた試料上に、電子銃からの電子線を集束させると共に、前記試料上を該電子線で走査し、該試料を透過し、前記試料ホルダー内の電子線通過孔内を通り、更に、絞りを通過した透過電子をシンチレーターで光に変換し、該光を光電検出手段で電気信号に変換し、該電気信号に基づいた前記試料の電子線回折像を得るように成した走査透過電子顕微鏡において、前記試料ホルダー内の電子線通過孔内に、前記絞りと前記シンチレーターを設けたことを特徴とする。 The scanning transmission electron microscope of the present invention focuses an electron beam from an electron gun on a sample set in a sample holder mounted on a stage, and scans the sample with the electron beam. The transmitted electrons that pass through the electron beam passage hole in the sample holder and further pass through the aperture are converted into light by a scintillator, and the light is converted into an electric signal by a photoelectric detection means. Based on the electric signal A scanning transmission electron microscope configured to obtain an electron beam diffraction image of the sample is characterized in that the diaphragm and the scintillator are provided in an electron beam passage hole in the sample holder.
本発明によれば、散乱角制限絞りの交換が容易となり、短い時間で交換が可能となる。 According to the present invention, the scattering angle limiting diaphragm can be easily replaced and can be replaced in a short time.
また、本発明によれば、明視野像用と暗視野用の散乱角制限絞りの交換だけで、明視野像と暗視野像の観察が容易に出来るようになり観察効率も向上する。 Further, according to the present invention, it is possible to easily observe a bright field image and a dark field image only by exchanging the scattering angle limiting diaphragms for the bright field image and the dark field, and the observation efficiency is improved.
また、本発明によれば、試料と透過電子検出手段間の距離が短くすることが可能となったので、試料を透過した透過電子が透過電子検出手段に到達する前に途中の通路内壁との衝突が少なくなり、電子線回折像へのノイズが軽減され、コントラストの良い解像度の高い電子線回折像を得ることが出来る。 In addition, according to the present invention, since the distance between the sample and the transmitted electron detecting means can be shortened, the transmitted electrons that have passed through the sample can reach the inner wall of the passage before reaching the transmitted electron detecting means. Collisions are reduced, noise on the electron beam diffraction image is reduced, and an electron beam diffraction image with high contrast and high resolution can be obtained.
以下に添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
図3は、本発明の一例として示した走査透過電子顕微鏡装置の概略図である。図中、前記図1にて使用した記号と同一記号を付したものは同一構成要素を示す。 FIG. 3 is a schematic diagram of a scanning transmission electron microscope apparatus shown as an example of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 1 denote the same components.
図3に一例を示した本発明の走査透過電子顕微鏡と図1に示す従来の走査透過電子顕微鏡との構成上の差異は、主に、試料ホルダーの構造にある。 The structural difference between the scanning transmission electron microscope of the present invention shown in FIG. 3 and the conventional scanning transmission electron microscope shown in FIG. 1 is mainly in the structure of the sample holder.
即ち、従来の試料ホルダーは中央部に電子線が通過する孔を有し、試料を載せるだけの構造であったが、図3に示す走査透過電子顕微鏡の試料ホルダー30は、以下の様な構造を有する。 That is, the conventional sample holder has a hole through which an electron beam passes at the center and has a structure in which only the sample is placed. The sample holder 30 of the scanning transmission electron microscope shown in FIG. 3 has the following structure. Have
即ち、図3に示す試料ホルダーは、試料5を載置し、中央部に電子線光軸方向(垂直方向)に沿った電子線通過孔31を有する第一筒体32と、該電子線通過孔31に連なる水平方向(電子線光軸Oに垂直な方向)の電子線通過孔33を有する第二筒体34とから成る。
That is, the sample holder shown in FIG. 3 mounts the
そして、前記第一筒体32の第二筒体34との境界部には隙間が開けられており、ここに、散乱角制限絞り11が挿入可能に成っている。又、該散乱角制限絞り11が挿入された時に、該散乱角制限絞り11の水平度を調整して前記隙間において固定するためのネジ35A,35Bが前記第一筒体32の周囲に設けられている。
And the clearance gap is opened in the boundary part with the
前記第二筒体34の電子線通過孔33内には、前記第一電子線通過孔31を通過してくる透過電子を光に変換して、水平方向の電子線通過孔33に沿って該孔の出口に向かわせるシンチレーター13が電子線光軸方向(垂直方向)に対して傾けて(例えば45度)配置されている。
In the electron
尚、前記前記第二筒体34の電子線通過孔33の出口には、光電子像倍管14の入射面が接するように、試料ステージ9上に取り付けられている。
Note that the exit of the electron
この様な構成の走査透過電子顕微鏡装置において、オペレーターは、観察したい薄膜状の試料を作成し、試料ホルダー30の第1筒体32上に装着する。そして、該第一筒体32の第二筒体34との境界部に設けられた隙間に、散乱角制限絞り11を挿入し、ネジ35A,35Bの押圧を調節して該絞りの水平度を調整して、該絞りを前記隙間内に固定する。
In the scanning transmission electron microscope apparatus having such a configuration, the operator creates a thin film sample to be observed and mounts it on the
この様に試料5を装着し且つ散乱角制限絞り11を取り付けた試料ホルダー30を、試料室50に取り付けられた試料交換室51に一旦搬入した後、試料室50に搬入する。
The sample holder 30 to which the
図4は走査透過電子顕微鏡装置の一概要図を示したものである。図中50は試料室、55は該試料室50に搭載されている電子顕微鏡鏡筒、51は試料交換室、54は試料ホルダー30を載置させるホルダー載置台、52は前記試料交換室51と大気との間にある第1ゲートバルブ、53は前記試料交換室51と前記試料室50との間にある第2ゲートバルブ、更に、大気中に、大気から試料交換室51に試料ホルダー30を搬入するための第1搬入機構(図示せず)が、前記試料交換室51内に、該試料交換室51から試料室50に試料ホルダー30を搬入するための第2搬入機構(図示せず)がそれぞれ設けられている。
FIG. 4 shows a schematic diagram of a scanning transmission electron microscope apparatus. In the figure,
大気から試料交換室51に前記試料ホルダー30を入れる時には第2ゲートバルブ53を閉めた状態で第1ゲートバルブ52を開け、第1搬入機構(図示せず)により該試料ホルダー30を試料交換室51内に備えられているホルダー載置台54に載せる。そして、前記第1ゲートバルブ52を閉め、前記試料交換室51内が所定の圧力になるまで排気した後、第2ゲートバルブ53を開け、第2搬入機構(図示せず)により前記試料ホルダー30を試料ステージ9上に装着し、前記第2ゲートバルブ53を閉める。
When the sample holder 30 is put into the
そして、試料室50内が所定の圧力に達した後、電子顕微鏡鏡筒55内の電子銃1からの電子線で前記試料5を走査する。この走査により、該試料5下面から出射した透過電子7は、前記試料ホルダー30を成す第一筒体32の電子線通過孔31と散乱角制限絞り11の孔を通過し、第二筒体34内に設けられたシンチレーター13に衝突する。該シンチレーター13に衝突した透過電子はここで光に変換され、水平方向に開けられた電子線通過孔33を通って、該孔の出口に対向配置されている光電子増倍管14に入射する。該入射した光は、ここで電気信号に変換された後、増幅器(図示せず)で増幅され、更に、A/D変換器(図示せず)でA/D変換されてから表示手段(図示せず)に送られる。該表示手段は、送られてきた信号を輝度変調し、前記試料5の内部構造に反映した明視野の電子線回折像を表示する。
Then, after the inside of the
次に、暗視野の電子線回折像を観察する場合には、前記第2ゲートバルブ53を開けて、第2搬入機構(図示せず)により前記試料ホルダー30を試料交換室51のホルダー載置台54に載せ、前記第2ゲートバルブ53を閉める。そして、第1ゲートバルブ52を開け、第1搬入機構(図示せず)により前記試料ホルダー30を大気中に搬送する。そして、前記試料ホルダー30から散乱角制限絞り11を取り外して、代わりに、図2に示す如き、中央部に遮蔽板17を有する暗視野用の散乱角度制限絞り16を装着する。そして、前記と同様の一連の動作を行って、前記試料ホルダー30を前記試料ホルダー9に装着する。この様に、同じ試料ホルダーを使用して、電子線回折像の明視野像と暗視野像の観察が容易になり、又、短い時間で明視野用と暗視野用の散乱角度制限絞りの交換作業が可能となり大幅な作業改善が可能となる。
Next, when observing a dark-field electron diffraction image, the
尚、前記例の様に、シンチレーター13を傾けて(例えば45度)第2筒体34内に配置する代わりに、図5に示すように、水平にシンチレーター13を配置し、その後方に傾けた(例えば45度)反射ミラー36を配置し、前記シンチレーター13で発光した光を電子線通過孔33に向かわせ、光電子像倍管14に入射させるように成しても良い。
Instead of placing the
又、前記試料5とシンチレーター13との間の距離(即ち、カメラ長)を可変出来るように成すことにより、電子線回折像の倍率を可変出来るように成しても良い。
Further, the magnification of the electron diffraction image may be made variable by making the distance between the
又、前記例では、シンチレーター13からの光を電子線通過孔33を通じて光電子像倍管14に導くように成したが、前記シンチレーター13の後面に光伝達媒体(例えば、ライトガイドや光ファイバー)を配置させて、前記シンチレーター13からの光を光電子像倍管14に導くようにしても良い。
In the above example, the light from the
1…電子銃
2…一次電子線
3…集束レンズ
4X…X方向走査コイル
4Y…Y方向走査コイル
5…試料
6…試料ホルダー
7、12、15…透過電子
8、10…電子線通過孔
9…試料ステージ
11、16…散乱角制限絞り
13…シンチレーター
14…光電子増倍管
17…遮蔽板
30…試料ホルダー
31…電子線通過孔
32…第一筒体
33…電子線通過孔
34…第二筒体
35A,35B…ネジ
36…反射ミラー
50…試料室
51…試料交換室
52…第1ゲートバルブ
53…第2ゲートバルブ
54…ホルダー載置台
55…電子顕微鏡鏡筒
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron gun 2 ... Primary electron beam 3 ... Condensing
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