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加工の評価方法

走査型電子顕微鏡による加工の評価

走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)とは電子顕微鏡の一種で、タングステンフィラメント等から照射される電子線を試料表面に走査させ、資料から放出される2次 電子、反射電子、透過電子、X線、カソードルミネッセンス(蛍光)等の信号を画像化する顕微鏡である。一般的には信号強度の大きい2 次電子を検出することで像を得る。図1はSEMの概念図である。

走査型電子顕微鏡の概念図

図1:走査型電子顕微鏡の概念図

電子は低NAでも小さく絞ることができるので、大きな焦点深度と高い分解能を実現しており、微細構造観察では最も一般的に使用される。分解能は電子銃の種類にもよるが5nm以下である。

観察対象物が絶縁体の場合は電子線の照射とともに試料に電荷がたまりコントラストが低下するので、必要に応じ試料表面を薄い金属膜で覆うか試料と試料台を電気的に導通があるようにして試料台を通してアースし観察を行う。

電子プローブ微小分析

電子プローブ微小分析( Electron Probe Micro Analyzer:EPMA)は電子線照射によって発生する特定X線を検出することで、試料表面の構成元素の同定と各構成元素の比率を分析する装置であ る。走査型電子顕微鏡のオプション機能として用いられる。特定X 線の検出には波長分散型分光器(Wavelength Dispersive Spectrometer: WDS)、またはエネルギー分散型分光器(Energy Dispersive Spectrometer: EDS)が用いられる。

WDS はブラッグの回折条件を満たす波長のX 線だけを結晶格子でよりわけ、X 線比例計測管などで検出するものである。WDS はX 線の波長分解能は高いが測定に必要になる電子ビーム電流をEDS に比べて2 桁程度高くする必要がある。

一方、EDS は入射したX 線のエネルギーに比例した数の電子正孔対を発生させる液体窒素冷却されたLi ドープのSi 半導体を用いた検出方法である。EDS は電子線による試料の破損が抑えられ、比較的短時間で計測することができる。しかしその波長分解能はWDS に比べて1 桁以上悪い。

測定ではこれらの点を考慮して計測の目的に応じて適当な検出方法が用いられる.

電子後方散乱回折像法

電子後方散乱回折像法(Electron Backscatter Diffraction:EBSD)は後方散乱電子回折を利用して試料表面から数10 nm の深さの結晶方位解析を行う方法であり、SEMに組み込まれる形で利用される。図2は電子後方散乱回折像の概念図である。

電子後方散乱回折法の概念図

図2:電子後方散乱回折法の概念図

試料を鏡筒内で70 度程度傾けて設置し、そこに電子線を照射する。すると電子後方散乱回折パターンが電子線とほぼ90 度の位置に設置されたスクリーン上に投影される。このパターンを高感度カメラで取り込み、コンピュータで基地の結晶系を用いたシミュレーションによるパ ターンとの比較することにより方位が決定される。試料上のグレインサイズを容易に測定することができるため、TFT デバイス用の薄膜Si プロセス(a-Si 薄膜の結晶化)の評価に盛んに用いられるようになった。

レーザー顕微鏡などによる加工の評価

ここではレーザーを用いた各種評価方法の概要を示す。

走査型レーザー顕微鏡

照明にランプではなくレーザーを用いた顕微鏡。3 次元計測が可能であり、光軸方向分解能は10 nm以下。水平方向分解能は用いるレーザーの波長によって異なるが、UVレーザーを用いた場合は150 nm 以下である。大気中で用いることができ試料サイズに制約がないことから、SEM程の分解能が必要でなく、サイズの大きな試料に対して用いられる。ピントの 合っていない箇所からの反射光はピンホールによって除去されるので、試料をZ 方向にスキャンすることによりピントの合った箇所のみを合成した画像を得ることができる。ピントが最も合った点のz 座標(光軸方向の座標)は同時にコンピュータで処理され3 次元計測が可能になる。

顕微レーザーラマン分光法

レーザーを物質に照射すると物質内のフォノンによって変調された光(ラマン散乱光)が発生する。このとき振動数が小さくなるものをストークス散乱、 逆に振動数の大きくなるものをアンチストークス散乱という。分子・結晶の振動モードごとにこの変調は固有なので、波長変調を調べることにより試料の組成分 析や結晶構造解析が可能になる。このレーザー照射によるラマン散乱光を顕微鏡で観察する装置がラマン顕微鏡である。

レーザー顕微鏡と同様に、ラマン散乱光の発生ポイントを走査することで2 次元イメージを得る。通常、強度の強いストークス散乱光を検出することで測定が行われる。またラマン散乱は物質の結晶構造と分子振動に起因するので、結晶 構造にゆがみが生じるとわずかに周波数がシフトする。このシフト量から試料に加えられた応力分布を求めることも可能である。

ポンププローブ時間分解計

ポンププローブ時間分解計は、電気的な測定では追いつかない超高速現象を超短パルスレーザーによるコマ割りで測定する方法である。反応を誘起するた めのポンプ光と、測定用のプローブ光を用いることからこう呼ばれる。ポンププローブ時間分解計の時間分解能はプローブ光のパルス幅である。

ポンプ光で励起された試料の状態の変化(緩和過程)は、プローブ光の反射率(透過率)に影響を与えるので、プローブ光の反射率を遅延時間の関数として計測すると、プローブ光の反射率の変化を通してポンプ光により励起された試料の状態変化を観察できる。

参考文献



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