特許 7228869 電子顕微鏡及び測定試料の観察方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-16

(45)【発行日】2023-02-27

(54)【発明の名称】電子顕微鏡及び測定試料の観察方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 23/227 20180101AFI20230217BHJP

   G02B 21/00 20060101ALI20230217BHJP

   H01J 37/20 20060101ALI20230217BHJP

【ＦＩ】

G01N23/227

G02B21/00

H01J37/20 Z

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2018031379

(22)【出願日】2018-02-23

(65)【公開番号】P2019144212

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2021-01-29

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用 ２０１７年応用物理学会秋季学術講演会（福岡）予稿集 ＤＶＤ、発行日 平成２９年８月２５日 第７８回 応用物理学会秋季学術講演会 福岡国際会議場（福岡県福岡市博多区石城町２－１）平成２９年９月５日（平成２９年９月５日～平成２９年９月８日）

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２０年度、独立行政法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進事業（ＣＲＥＳＴ）、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願 平成２９年度、文部科学省、「光・量子科学研究拠点形成に向けた基盤技術開発」～極限レーザーと先端放射光技術の融合による軟Ｘ線物性科学の創成～事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】110002675

【氏名又は名称】弁理士法人ドライト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辛 埴

(72)【発明者】

【氏名】谷内 敏之

【審査官】清水 靖記

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１１－２４７８７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００５－５１２３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０２－１４４８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５３４５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２０７９２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平１１－２１４４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－３２５０５２（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１８６２７６１（ＣＮ，Ａ）

【文献】国際公開第２００８／０９９５０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－２３８９８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】Taniuchi, T. et al.，Ultrahigh-spatial-resolution chemical and magnetic imaging by laser-based photoemission electron microscopy，Review of Scientific Instruments，2015年02月02日，Vol. 86, Article No. 023701，pp. 1-5，doi:10.1063/1.4906755

【文献】Fleming, A. J. et al.，Atomic force microscopy and photoemission electron microscopy study of the low-pressure oxidation of transition metal nitrides，J. Appl. Phys.，2007年10月17日，Vol. 102, Article No. 084902，pp. 1-10，doi:10.1063/1.2794474

【文献】GOEL, P. et al.，A Proposed new scheme for vibronically resolved time-dependent photoelectron spectroscopy: pump-rep，Physical Chemistry Chemical Physics，2016年，Vol. 18，pp. 11263-11277，doi:10.1039/c5cp07889j

【文献】木須孝幸、ほか，レーザー励起高分解能光電子分光，表面科学，2005年，Vol. 26, No. 12，pp. 716-720

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２３／００ － Ｇ０１Ｎ ２３／２２７６

Ｇ０２Ｂ ２１／００ － Ｇ０２Ｂ ２１／３６

Ｈ０１Ｊ ３７／００ － Ｈ０１Ｊ ３７／３６

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＣＷレーザーを生成するレーザー光源と、
前記ＣＷレーザーを測定試料に照射する照射レンズ系と、
前記ＣＷレーザーにより前記測定試料から放出された光電子をエネルギーごとに分離するエネルギー分析器と、
所定の前記エネルギーの前記光電子を通過させるエネルギースリットと、
前記エネルギースリットを通過した前記光電子を検出し、検出した前記光電子の強度に基づいて前記測定試料の画像を生成する電子ビーム検出器と、
前記測定試料から放出された前記光電子を前記エネルギー分析器に集束させる第１電子レンズ系と、
前記エネルギースリットを通過した前記光電子を前記電子ビーム検出器に投影する第２電子レンズ系と、
を備え、
前記エネルギースリットには、前記エネルギースリットの位置を移動させて、前記エネルギースリットを通過する前記光電子の前記エネルギーの帯域を変えるためのスリット移動機構が設けられている、電子顕微鏡。

【請求項2】

前記ＣＷレーザーのエネルギーと前記測定試料の仕事関数の差が０～０．５ｅＶである
請求項１に記載の電子顕微鏡。

【請求項3】

前記測定試料に所定電圧を印加し、前記光電子の前記エネルギーを調整するエネルギー調整機構を備える
請求項１又は２に記載の電子顕微鏡。

【請求項4】

前記エネルギー調整機構は、前記測定試料の状態密度に基づいて前記測定試料に印加する所定電圧を決定する
請求項３に記載の電子顕微鏡。

【請求項5】

前記測定試料から前記光電子を放出し易くする電圧を印加する電源を備える
請求項１～４のいずれか１項に記載の電子顕微鏡。

【請求項6】

前記電源は、前記第１電子レンズ系を正の電圧に帯電させ、前記測定試料で生じた前記光電子を前記第１電子レンズ系に引き込む
請求項５に記載の電子顕微鏡。

【請求項7】

レーザー光源で生成されたＣＷレーザーを測定試料に照射する照射工程と、
第１電子レンズ系を用いて、前記ＣＷレーザーにより前記測定試料から放出された光電子をエネルギー分析器に集束する集束工程と、
前記エネルギー分析器を用いて前記光電子をエネルギーごとに分離する分離工程と、
分離した前記光電子をエネルギースリットに照射し、所定の前記エネルギーの前記光電子を選択する選択工程と、
第２電子レンズ系を用いて、前記エネルギースリットを通過した前記光電子を電子ビーム検出器に投影する投影工程と、
前記電子ビーム検出器を用いて、投影された前記光電子を検出し、検出した前記光電子の強度に基づいて前記測定試料の画像を生成する検出工程と、
生成された前記画像を、前記電子ビーム検出器に接続されたコンピュータのモニタに表示する工程と、
を有し、
前記選択工程では、前記エネルギースリットに設けられたスリット移動機構により、前記エネルギースリットの位置を移動させて、前記エネルギースリットを通過する前記光電子の前記エネルギーの帯域を変える、測定試料の観察方法。

【請求項8】

前記ＣＷレーザーのエネルギーと前記測定試料の仕事関数の差が０～０．５ｅＶである
請求項７に記載の測定試料の観察方法。

【請求項9】

前記測定試料に電圧を印加する電圧印加工程を備え、前記測定試料の状態密度に基づいて前記電圧を決定する
請求項７又は８に記載の測定試料の観察方法。

【請求項10】

電源を用いて、前記第１電子レンズ系に正の電圧を印加し、前記測定試料で生じた前記光電子を前記第１電子レンズ系に引き込む工程を有する、
請求項７～９のいずれか１項に記載の測定試料の観察方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電子顕微鏡及び測定試料の観察方法に関する。

【背景技術】

【0002】

次世代メモリとして抵抗変化メモリが注目されている（特許文献１参照）。抵抗変化メモリに用いる抵抗変化素子は、遷移金属酸化物などの酸化物層を下部電極と上部電極とで挟んだ構造をしており、セットプロセスで電圧印加により酸化物層内に導電パス（フィラメント）が形成され低抵抗状態となる。さらにリセットプロセスでは、調整された電圧を印加することにより、抵抗変化層内の導電パスが断裂し高抵抗状態となる。

【0003】

セットプロセスでは、酸化物層に印加された電圧によって還元作用が起こり、金属酸化物から金属に変化すると考えられる。これがフィラメントとなって電流経路が形成され、抵抗値が減少する。リセットプロセスにおいては、さらに電流を向上させると、そのジュール熱によって還元された金属の酸化が始まり、フィラメントが消失して再度抵抗が増加すると考えられる。抵抗変化素子は、例えば、低抵抗状態を０、高抵抗状態を１に対応させ、このサイクルの繰り返しによって、０と１を繰り返し記憶でき、メモリとして用いることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－０９６７１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

抵抗変化素子のような多層構造の素子では、上部電極の下部に形成された酸化物層を観察しようとすると、上部電極を取り除いたり、素子を切断し、切断面に露出した酸化物層を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）によって観察したりするなど、素子を破壊しないと観察することができないという問題があった。

【0006】

そこで、本発明は、非破壊で観察できる電子顕微鏡及び測定試料の観察方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の電子顕微鏡は、ＣＷレーザーを生成するレーザー光源と、前記ＣＷレーザーを測定試料に照射する照射レンズ系と、前記ＣＷレーザーにより前記測定試料から放出された光電子をエネルギーごとに分離するエネルギー分析器と、所定の前記エネルギーの前記光電子を通過させるエネルギースリットと、前記エネルギースリットを通過した前記光電子を検出する電子ビーム検出器と、前記測定試料から放出された前記光電子を前記エネルギー分析器に集束させる第１電子レンズ系と、前記エネルギースリットを通過した前記光電子を前記電子ビーム検出器に投影する第２電子レンズ系とを備える。

【0008】

本発明の測定試料の観察方法は、レーザー光源で生成されたＣＷレーザーを測定試料に照射する照射工程と、前記ＣＷレーザーにより前記測定試料から放出された光電子をエネルギー分析器に集束する集束工程と、前記エネルギー分析器を用いて前記光電子をエネルギーごとに分離する分離工程と、分離した前記光電子をエネルギースリットに照射し、所定の前記エネルギーの前記光電子を選択する選択工程と、前記エネルギースリットを通過した前記光電子を電子ビーム検出器に投影する投影工程と、前記電子ビーム検出器に投影された前記光電子を検出する検出工程とを有する。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、所定のエネルギーの光電子を通過させるエネルギースリットを備え、エネルギースリットを通過した光電子を電子ビーム検出器で検出するので、電子ビーム検出器で検出する電子のエネルギーを選択でき、特定の物質を選択的に観察できるので、測定試料の最表層より下部に存在する特定の物質も測定試料を破壊することなく観察でき、非破壊で観察することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態の電子顕微鏡の全体構成を示す概略図である。

【図2】図２Ａは、本発明の実施形態の測定試料の全体構成を示す概略図であり、図２Ｂは、領域（ｉ）の断面を示す概略図であり、図２Ｃは、領域（ｉｉ）の断面を示す概略図であり、図２Ｄは、領域（ｉｉｉ）の断面を示す概略図であり、図２Ｅは、領域（ｉｖ）の断面を示す概略図である。

【図3A-C】図３Ａは、ＳＴＶを０．３Ｖとしたときの接合部の画像であり、図３Ｂは、ＳＴＶを０Ｖとしたときの接合部の画像であり、図３Ｃは、ＳＴＶを－０．３Ｖとしたときの接合部の画像である。

【図3D-E】図３Ｄは、ＳＴＶを－０．５Ｖとしたときの接合部の画像であり、図３Ｅは、ＳＴＶを－１．０Ｖとしたときの接合部の画像である。

【図4】本発明の他の実施形態の電子顕微鏡の全体構成を示す概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（１）本発明の実施形態の電子顕微鏡の全体構成
本実施形態の電子顕微鏡は、測定試料から放出された光電子を検出して測定試料を観察するレーザー光電子顕微鏡である。図１に示すように、本実施形態の電子顕微鏡１は、レーザー光源２と、波長板３と、集光レンズ４及び対物レンズ６で構成される照射レンズ系と、ビームセパレータ５と、チャンバー１０と、エネルギー調整機構１３と、電源１４と、第１電子レンズ系２１と、エネルギー分析器２２と、エネルギースリット２３と、第２電子レンズ系２４と、電子ビーム検出器２５とを備えている。

【0012】

レーザー光源２は、ＣＷ（Continuous Wave）レーザー７を生成するレーザー発振器である。ＣＷレーザー７の波長は、ＣＷレーザー７の照射により測定試料３０から光電子が放出されるように、ＣＷレーザー７のエネルギーｈνが測定試料３０の仕事関数φよりも高くなるように選定している。より具体的には、測定試料３０の観察領域の最表層を構成する物質の仕事関数φよりも高くなるようにする。本実施形態の場合、レーザー光源２は、波長が２６６ｎｍ（エネルギーｈν＝４．６６ｅＶ）のＣＷレーザー７を生成する。波長板３は、ＣＷレーザー７の偏光を、直線偏光と左右円偏光とに切替えるための素子である。通常は、波長板３によりＣＷレーザー７を直線偏光とするが、磁気円二色性を利用して測定試料３０の磁気特性を測定する場合、波長板３によりＣＷレーザー７を左右円偏光とする。

【0013】

照射レンズ系は、集光レンズ４でＣＷレーザー７を対物レンズ６に集光し、対物レンズ６でＣＷレーザー７を測定試料３０の表面に集光して、ＣＷレーザー７を測定試料３０に照射させる。対物レンズ６は、測定試料３０の表面近傍に焦点位置が来るように配置されている。集光レンズ４、対物レンズ６は、公知のレンズであり、ＣＷレーザー７の照射領域、すなわち、測定試料３０の観察領域のサイズなどに応じて適宜選定することができる。

【0014】

チャンバー１０は、気密性が高い構造をしており、図示しないターボ分子ポンプなどの真空ポンプが接続されている。チャンバー１０は、真空ポンプにより、内部空間を所定真空度（１．０×１０^－５～１０^－８Ｔｏｒｒ）にされる。チャンバー１０内には、測定試料３０を載置するステージ１１と対物レンズ６とが配置されている。なお、本実施形態の場合、チャンバー１０とビームセパレータ５とが接続されており、ビームセパレータ５に対物レンズ６が固定されているが、図１では便宜的上、ビームセパレータ５と対物レンズ６とを別体の構成として示している。ステージ１１には図示しない駆動機構が接続されており、駆動機構によりステージ１１を互いに直交する３軸方向に移動させることができる。本実施形態の場合、ステージ１１は、測定試料３０を載置する載置面１１ａがＣＷレーザー７の光軸と直交するように配置されている。

【0015】

測定試料３０は、チャンバー１０内のステージ１１の載置面１１ａに載置され、ＣＷレーザー７が測定試料３０の表面に垂直に照射される。ここで、図２を用いて本実施形態の測定試料３０について説明する。図２Ａに示すように、測定試料３０は、Ｓｉ基板３１上に形成された下部電極３２と、下部電極上に形成された酸化物層３４と、酸化物層３４上に形成された上部電極３３とでなる抵抗変化素子である。測定試料３０は、長方形状に形成された上部電極３３と下部電極３２とが長軸方向が直交するように配置され、四辺形状の接合部３５が形成されている。

【0016】

接合部３５（図２Ａ中に示す領域（ｉ））は、図２Ｂに示すように、Ｓｉ基板３１上で、下部電極３２、酸化物層３４、上部電極３３の３層構造をしている。下部電極３２はＴｉＮ（チタンナイトライド）でなり、酸化物層３４はＴａ_２Ｏ_５（五酸化タンタル）でなり、上部電極３３はＰｔ（プラチナ）でなる。測定試料３０は、上部電極３３と下部電極３２との間に電圧が印加されると、接合部３５の酸化物層３４のＴａ_２Ｏ_５が還元され、Ｔａ_２Ｏ_ｘでなるフィラメントが形成される。このフィラメントが上部電極３３と下部電極３２との間の導電パスとなり、測定試料３０は、低抵抗状態となる。本実施形態の場合、下部電極３２、酸化物層３４、上部電極３３の厚さは、それぞれ、２０ｎｍ、５ｎｍ、１０ｎｍであり、接合部３５の面積は、おおよそ、２５μｍ^２である。

【0017】

このような抵抗変化素子は、例えば、以下のようにして作製できる。まず、Ｓｉ基板３１を用意し、Ｓｉ基板３１上に、フォトリソグラフィ技術により形成したマスクを利用して、長方形状の下部電極３２を、スパッタにより成膜する。次に、マスクを除去し、下部電極３２が形成されたＳｉ基板３１全面に酸化物層３４をスパッタにより成膜する。最後に、酸化物層３４上に、フォトリソグラフィ技術によりマスクを形成し、長方形状の上部電極３３を、長軸が下部電極３２の長軸と直交するようにスパッタにより成膜する。

【0018】

そのため、接合部３５以外の上部電極３３の領域（図２Ａ中に示す領域（ｉｉ））では、図２Ｃに示すように、Ｓｉ基板３１上で、酸化物層３４と上部電極３３の２層構造となっている。接合部３５以外の下部電極３２の領域（図２Ａ中に示す領域（ｉｉｉ））では、Ｓｉ基板３１上で、図２Ｄに示すように、下部電極３２と酸化物層３４の２層構造となっている。なお、図２Ａに示す領域（ｉｉｉ）では、便宜上、下部電極３２上に形成された酸化物層３４を示していない。Ｓｉ基板３１上の抵抗変化素子が形成されていない領域（図２Ａ中に示す領域（ｉｖ））は、図２Ｅに示すように、Ｓｉ基板３１上に酸化物層３４が成膜された構成となっている。

【0019】

このような測定試料３０の表面に、ＣＷレーザー７が照射される。本実施形態の場合、接合部３５全体にＣＷレーザー７が照射されるように照射光学系が調整されており、接合部３５全体を一度に観察することができる。上述の通り、ＣＷレーザー７のエネルギーｈνが測定試料３０の最表層（本実施形態ではＰｔ）の仕事関数φよりも高くなるようにＣＷレーザー７の波長を選定しているので、測定試料３０にＣＷレーザー７が照射されると、光電効果が生じ、測定試料３０、すなわち、上部電極３３や、酸化物層３４、下部電極３２の電子が励起され、測定試料３０から光電子が放出される。ＣＷレーザー７が照射された領域から多数の光電子が放出され、光電子はビームセパレータ５へ入射する。本明細書では、放出された多数の光電子をまとめて電子ビーム２７と称する。

【0020】

ここで、ＣＷレーザー７の波長は、上記のように、測定試料３０の最表層の仕事関数φに応じて選定すればよいが、好ましくは、２６６ｎｍ以下であり、さらに好ましくは、２１３ｎｍ以下であることが望ましい。このように波長を選定することで、仕事関数φがより大きな試料も測定することができるようになり汎用性が向上する。また、ＣＷレーザー７のエネルギーｈνと測定試料３０の最表層の仕事関数φの差分をΔＥ（＝ｈν－φ）とすると、ΔＥが０ｅＶ～０．５ｅＶとなるように、ＣＷレーザー７の波長を選定するのが好ましい。このようにＣＷレーザー７の波長を選定することで、深い位置の物質（例えば、上部電極３３の下に存在する酸化物層３４）についても解像度よく観察することができる。これは、光電子が試料表面から脱出する際に感じるエネルギー障壁の影響が、光電子のエネルギーが小さいほど大きいためであり、この影響で斜出射する光電子は表面で全反射されやすくなり垂直出射に近い光電子だけで結像することができるのが理由である。例えば、多層構造の測定試料３０の最表層である上部電極３３よりも下層の酸化物層３４に形成されたフィラメントを観察する場合は、このようにするのが有利である。なお、ΔＥは、レーザー光電子顕微鏡を用いて測定試料３０内の所望の計測位置を計測し、エネルギー分析器を用いて得られた当該計測位置の電子エネルギー分布から計測する。電子エネルギー分布内のバンド構造の幅（後述するカットオフからフェルミ準位Ｅ_Ｆ）ΔＥに相当する。

【0021】

さらに電子顕微鏡１は、電源１４を備えており、電源１４の負極側がステージ１１に接続され、正極側がグランドＧに設置されて、測定試料３０に負の電圧を印加することができる。電源１４は、高電圧を出力できる一般的な電源である。本実施形態の場合、電源１４によって、測定試料３０に－２０ｋＶの電圧が印加されている。このため、測定試料３０と、電圧を印加されていないビームセパレータ５との間に電界が生じ、この電界により、測定試料３０から光電子を放出し易くすると共に、放出された光電子をビームセパレータ５へ加速し、電子ビーム２７をビームセパレータ５へ引き込むようにしている。

【0022】

電子顕微鏡１は、電源１４とステージ１１の間にエネルギー調整機構１３を備えている。エネルギー調整機構１３は、所定電圧ＳＴＶを出力する電源である。エネルギー調整機構１３と電源１４とは、直列に接続されており、ＳＴＶと電源１４の出力電圧との合計電圧を測定試料３０に印加できる。エネルギー調整機構１３は、ＳＴＶの値を調整することで、測定試料３０から放出された光電子のエネルギーＥｐを調整できる。なお、光電子のエネルギーＥｐは、本実施形態の場合、光電子の運動エネルギーをＥｋとすると、Ｅｐ＝２０ｋＶ＋Ｅｋ－ＳＴＶとなる。光電子の運動エネルギーＥｋは、測定試料３０内の電子がＣＷレーザー７により励起されたことにより生じた運動エネルギーの値であり、物質中での電子のエネルギーＥにより変わる。そのため、光電子のエネルギーＥｐも、物質中での電子のエネルギーＥに依存する。

【0023】

ビームセパレータ５は、電子ビーム２７が入射すると、電子ビーム２７を偏向させ、ＣＷレーザー７のパスと電子ビーム２７のパスとを分離させる。ビームセパレータ５は、偏向した電子ビーム２７の出射口に接続された第１電子レンズ系２１に電子ビーム２７を入射させる。第１電子レンズ系２１は、複数の電子レンズで構成されており、入射した電子ビーム２７を集束さる。第１電子レンズ系２１は、一端がビームセパレータ５に接続され、他端がエネルギー分析器２２に接続されており、電子ビーム２７を集束させてエネルギー分析器２２に入射させる。

【0024】

エネルギー分析器２２は、公知のエネルギー分析器であり、入射した電子ビーム２７を光電子のエネルギーＥｐごとに分離し、エネルギーＥｐごとに分離された電子ビーム２７を出射する。エネルギー分析器２２は、半球形状をしており、半球の平面部にビームの入射口と出射口とが設けられている。エネルギー分析器２２は、入射口に第１電子レンズ系２１が接続され、出射口に第２電子レンズ系２４が接続されており、第１電子レンズ系２１から入射した電子ビーム２７を、光電子のエネルギーＥｐごとに分離し、第２電子レンズ系２４に出射する。

【0025】

エネルギー分析器２２の出射口には、エネルギースリット２３が設けられている。エネルギースリット２３は、板状部材の表面に、貫通した溝部が直線状に形成された通常のスリットである。エネルギースリット２３は、溝部に照射された電子ビーム２７を通過させ、板状部材に照射された電子ビーム２７を遮断する。なお、実際上、板状部材に照射された電子ビーム２７が完全に遮断されるわけではなく、これらの電子ビーム２７の一部もエネルギースリット２３を通過する。そのため、エネルギースリット２３により溝部に照射された電子ビーム２７以外の電子ビーム２７の強度が低下する。本実施形態では、エネルギースリット２３の溝部の幅を４０μｍとしている。

【0026】

このようなエネルギースリット２３が、エネルギー分析器２２の出射口に配置されているので、エネルギー分析器２２で分離された電子ビーム２７の内、エネルギースリット２３を通過した電子ビーム２７が第２電子レンズ系２４に入射する。このとき、エネルギー分析器２２で光電子のエネルギーＥｐごとに電子ビーム２７が分離されているので、電子ビーム２７の出射口内の通過位置も、光電子のエネルギーＥｐごとに決まっている。そのため、エネルギースリット２３の位置を調整することで、電子ビーム検出器２５で検出する光電子のエネルギーＥｐを選択できる。光電子のエネルギーＥｐは、物質中（測定試料３０中）での電子のエネルギーＥに依存するので、エネルギースリット２３の位置を変えることで、測定試料３０中でのエネルギーＥを選択し、検出する測定試料３０中の電子を選択できる。

【0027】

一方で、光電子のエネルギーＥｐ＝２０ｋＶ＋Ｅｋ－ＳＴＶであるので、ＳＴＶの値を変えることで、光電子のエネルギーＥｐを変えることができる。したがって、ＳＴＶの値をかえることで、電子ビーム検出器２５で検出する光電子のエネルギーＥｐを選択でき、検出する測定試料３０中の電子を選択できる。

【0028】

第２電子レンズ系２４は、複数の電子レンズで構成されており、入射した電子ビーム２７を電子ビーム検出器２５に投影する。電子ビーム検出器２５は、２次元の光電子検出器であり、投影された電子ビーム２７の光電子を検出し、検出した光電子の強度に基づいて測定試料３０の画像を生成する。電子ビーム検出器２５では、投影された電子ビーム２７から画像を生成するので、連続して画像を生成でき、静止画に限らず動画も生成可能である。電子ビーム検出器２５は、図示しないＰＣが接続されており、生成された画像をＰＣに送出し、ＰＣの記憶装置に画像を保存させたり、画像をＰＣのモニタに表示して電子顕微鏡１の操作者に確認させたりできる。

【0029】

このような電子顕微鏡１を用いて測定試料３０を観察した例を図３に示す。なお、抵抗変化素子は、事前に上部電極３３と下部電極３２との間に、所定の電圧を印加し、フィラメントが形成された低抵抗状態としている。図３中の上側の画像は電子顕微鏡１で接合部３５を撮像した画像であり、当該画像の下部の図は、測定試料３０を構成する物質の状態密度を表す概略図であり、横軸が測定試料３０の電子のエネルギーＥで、縦軸が電子の強度（すなわち、状態の数）を表している。図３の状態密度を表す図中のＥ_Ｆはフェルミ準位であり、２本の実線は、光電子としてエネルギースリット２３を通過できる電子のエネルギーＥの帯域ＥＢを示している。実際上、図３に示すこの帯域ＥＢは、帯域ＥＢ内のエネルギーＥの電子がより多くエネルギースリット２３を通過することを意味しており、帯域ＥＢ外のエネルギーＥの電子の一部もエネルギースリット２３を通過できる。また、帯域ＥＢ外では、帯域ＥＢの下限又は上限に近いエネルギーＥの電子の方が通過しやすい。また、状態密度のグラフのＣｕｔ ｏｆｆ（カットオフ）は放出する光電子の運動エネルギーがゼロとなるエネルギーである。

【0030】

図３Ａは、ＳＴＶを０．３Ｖとしたときの接合部３５の画像である。図３Ａの画像では、画像中の左上にあるＰｔでなる上部電極３３と接合部３５の境界が観察でき、画像中の右下に何らかの構造が存在しているのが確認できる。そして、全体的に輝度値の低い画像となっている。この場合、図３Ａ下部の状態密度のグラフに示すように、光電子としてエネルギースリット２３を通過できる電子のエネルギーＥの帯域ＥＢは、フェルミ準位Ｅ_Ｆよりも高いエネルギーにある。この帯域ＥＢ内のエネルギーＥには、測定試料３０を構成するどの物質も状態が存在せず、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子は、測定試料３０内には存在しない。そのため、エネルギースリット２３を通過しやすい光電子がなく、電子ビーム検出器２５で検出される光電子が少なく、全体的に輝度値の低い画像となっている。

【0031】

図３Ｂは、ＳＴＶを０Ｖとしたときの接合部３５の画像である。図３Ｂの画像を見ると、画面右下（図３Ｂ中で矢印で指す位置）に輝度値の高い部分が確認できる。これは、ＳＴＶが０．３Ｖのときに観察された構造の輝度値が高くなったものと考えられる。この場合、帯域ＥＢはフェルミ準位Ｅ_Ｆ近傍にあり、帯域ＥＢ内にＰｔとＴａ_２Ｏ_ｘ（フィラメント）の状態が存在し、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子がＰｔとＴａ_２Ｏ_ｘに存在している。一方で帯域ＥＢ内にはＴａ_２Ｏ_５の状態がなく、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子がＴａ_２Ｏ_５にはない。そのため、Ｐｔ及びＴａ_２Ｏ_ｘから放出された光電子がエネルギースリット２３を通過し易いので、電子ビーム検出器２５では、Ｐｔ及びＴａ_２Ｏ_ｘから放出された光電子の検出量が多く、Ｔａ_２Ｏ_５からから放出された光電子の検出量は少ない。その結果、画像では、Ｐｔ及びＴａ_２Ｏ_ｘの輝度値が高くなり、Ｔａ_２Ｏ_５の輝度値が低くなる。さらに、フェルミ準位Ｅ_Ｆ近傍では、ＰｔよりもＴａ_２Ｏ_ｘの方が、状態密度が大きいので、放出される光電子の数も多い。そのため、電子ビーム検出器２５で、Ｔａ_２Ｏ_ｘから放出された光電子の方が多く検出され、画像では、Ｔａ_２Ｏ_ｘの部分が最も輝度値が高くなる。そして、図３Ｂで観察された構造は、最も輝度値が高いことから、Ｔａ_２Ｏ_ｘで形成されていると考えられ、フィラメントであると考えられる。

【0032】

このように、電子顕微鏡１は、エネルギースリット２３を有しているために、検出する電子のエネルギーＥを選択できるので、Ｔａ_２Ｏ_５でなる酸化物層３４中からＴａ_２Ｏ_ｘでなるフィラメントを選択的に観察でき、さらには、上部電極３３の下部の酸化物層３４に形成されたフィラメントを観察でき、特定の物質を選択的に非破壊で観察することができる。

【0033】

また、ＳＴＶが０．３Ｖのときの画像と比較すると、図３Ｂの画像では、画像全体の輝度値が高くなっている。これは、Ｐｔから放出された光電子がエネルギースリット２３を通りやすくなったために、画像内の上部電極３３の部分の輝度値が高くなったからであると考えられる。そして、画像中の左上と右下に、上部電極３３と接合部３５の境界が確認できる。また、下部電極３２は、画像中の左下と右上に存在するはずであるが、エネルギースリット２３を通る電子が少ないため、画像では暗部となっており確認できない。接合部３５及び上部電極３３が明るく映っているので、下部電極３２と接合部３５の境界は確認できる。

【0034】

図３Ｃは、ＳＴＶを－０．３Ｖとしたときの接合部３５の画像である。図３Ｃの画像を見ると、上部電極３３の部分の輝度値が高くなっている。上部電極３３と接合部３５との境界部がよりはっきりと確認できるようになっている。また、フィラメントの輝度値が小さくなっていることが確認できる。また、接合部３５に複数の粒状部を観察できる。この場合、帯域ＥＢはＳＴＶが０Ｖのときよりも低エネルギー側にあり、帯域ＥＢ内にＰｔとＴａ_２Ｏ_ｘの状態が存在し、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子がＰｔとＴａ_２Ｏ_ｘに存在している。ＳＴＶが０Ｖのときと比較すると、帯域ＥＢ内の状態は、Ｐｔが支配的であり、Ｐｔと比較するとＴａ_２Ｏ_ｘの状態は少ない。そのため、帯域ＥＢ内のエネルギーＥの電子は、Ｐｔの方に多く存在し、その結果、電子ビーム検出器２５でＰｔから放出された光電子の方が多く検出され、画像では、Ｐｔでなる上部電極３３の部分の輝度値が高くなり、フィラメントの輝度値が低くなっている。また、粒状部は、Ｐｔから放出された光電子が多くなることで観察されたので、Ｐｔの可能性が考えられる。

【0035】

図３Ｄは、ＳＴＶを－０．５Ｖとしたときの接合部３５の画像である。図３Ｄの画像を見ると、画像内では、上部電極３３（画像中の右側）と下部電極３２（画像中の上部）の輝度値が高くなっていることが確認できる。また、フィラメントが観察されなくなっている。この場合、帯域ＥＢはＳＴＶが－０．３Ｖのときよりも低エネルギー側にあり、帯域ＥＢ内にＰｔとＴｉＮの状態が存在し、Ｔａ_２Ｏ_ｘの状態が存在しなくなっている。すなわち、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子がＰｔとＴｉＮに存在し、ＰｔとＴｉＮから放出された光電子がエネルギースリット２３を通りやすくなっている。帯域ＥＢ内のエネルギーＥを有する電子は、ＰｔとＴｉＮとで同程度である。そのため、画像では上部電極３３と下部電極３２の輝度値が高くなっていると考えられる。また、帯域ＥＢ内にＴａ_２Ｏ_ｘの状態が存在しなくなったため、Ｔａ_２Ｏ_ｘから放出された光電子の検出量が少なくなり、フィラメントが観察されなくなったと考えられる。

【0036】

図３Ｅは、ＳＴＶを－１．０Ｖとしたときの接合部３５の画像である。図３Ｅの画像を見ると、画像内では、下部電極３２（画像中の上部）の輝度値が高くなっていることが確認できる。この場合、帯域ＥＢはＳＴＶが－０．５Ｖのときよりも低エネルギー側にあり、帯域ＥＢ内にＴｉＮとＳｉの状態が存在している。すなわち、帯域ＥＢ内のエネルギーＥを持った電子がＴｉＮとＳｉに存在し、ＴｉＮとＳｉから放出された光電子がエネルギースリット２３を通りやすくなっている。帯域ＥＢ内のエネルギーＥを有する電子は、状態密度からＴｉＮが支配的である。そのため、画像では下部電極３２の輝度値が高くなっていると考えられる。

【0037】

このように、状態密度に基づいて、光電子としてエネルギースリット２３を通過できる電子のエネルギーＥの帯域ＥＢが、検出したい特定の物質の状態密度が高いエネルギー帯域になるようにＳＴＶを決定することで、特定の物質から放出される光電子の量を増やして、当該光電子を検出し易くでき、特定の物質を選択的に観察することができる。

【0038】

以上の構成において、電子顕微鏡１は、ＣＷレーザー７を生成するレーザー光源２と、ＣＷレーザー７を測定試料３０に照射する照射レンズ系（集光レンズ４と対物レンズ６）と、ＣＷレーザー７により測定試料３０から放出された光電子をエネルギーＥｐごとに分離するエネルギー分析器２２と、所定のエネルギーＥｐの光電子を通過させるエネルギースリット２３と、エネルギースリット２３を通過した光電子を検出する電子ビーム検出器２５と、測定試料３０から放出された光電子をエネルギー分析器２２に集束させる第１電子レンズ系２１と、エネルギースリット２３を通過した光電子を電子ビーム検出器２５に投影する第２電子レンズ系２４とを備えるように構成した。

【0039】

よって、電子顕微鏡１は、所定のエネルギーＥｐの光電子を通過させるエネルギースリット２３を備え、エネルギースリット２３を通過した光電子を電子ビーム検出器２５で検出するので、電子ビーム検出器２５で検出する電子のエネルギーＥを選択でき、特定の物質を選択的に観察できる。そのため、電子顕微鏡１は、測定試料３０の最表層の上部電極３３より下部に存在する酸化物層３４のフィラメントも上部電極３３を破壊することなく観察でき、非破壊で観察することができる。

【0040】

さらに、電子顕微鏡１は、エネルギースリット２３を通過した光電子を、第２電子レンズ系２４によって電子ビーム検出器２５に投影して検出するようにしているので、走査することなく一度で測定領域全体を観察でき、連続して測定試料３０を観察することができる。よって、測定試料３０が上述のような抵抗変化素子である場合、フィラメントが形成されていない抵抗変化素子に対して、上部電極３３と下部電極３２との間に電圧を印加しつつ電子顕微鏡１で酸化物層３４を観察することで、フィラメントが形成される様子を観察することができる。

【0041】

（２）他の実施形態
上記の実施形態では、測定試料３０に対して垂直にＣＷレーザー７を照射し、測定試料３０から放出された光電子による電子ビーム２７のパスをビームセパレータ５でＣＷレーザー７のパスと分離した場合について説明したが、本発明はこれに限られず、電子顕微鏡１は、ビームセパレータ５を備えていなくてもよい。例えば、例えば、光電子を測定試料３０に対して垂直方向に放出させて、光電子を検出する場合は、測定試料３０の垂直方向に対して、ＣＷレーザー７のパスが所定角度（例えば４５度）傾くようにレーザー光源２を配置して、ＣＷレーザー７を測定試料３０に照射するようにする。

【0042】

また、上記の実施形態では、ステージ１１に電源１４を接続し、測定試料３０に対して負の電圧を印加し、測定試料３０とビームセパレータ５の間に電界を生じさせて光電子が放出されやすくした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図１と同じ構成には同じ符号を付した図４に示す電子顕微鏡４０のように、第１電子レンズ系２１に電源１４の正極側を接続し、負極側をグランドＧに接地して、第１電子レンズ系２１に正の電圧を印加し、第１電子レンズ系２１を正の電圧に帯電させ、測定試料３０とビームセパレータ５の間に電界を生じさせて、測定試料３０から光電子が放出されやすくしてもよい。この場合、エネルギー調整機構１３もグランドＧに接地する。測定試料３０ではなく第１電子レンズ系２１側に電圧を印加させるようにすることで、測定試料３０に電圧を印加しないで済むので、工業利用上有利である。なお、ビームセパレータ５に電源１４を接続してビームセパレータ５に電圧を印加するようにしてもよい。

【0043】

さらに上記の実施形態では、エネルギースリット２３が固定されている場合について説明したが、本発明はこれに限られない。図４に示す電子顕微鏡４０のようにエネルギースリット２３にスリット移動機構２９を設けて、エネルギースリット２３の位置を移動させて、エネルギースリット２３を通過する電子のエネルギーの帯域ＥＢを変えるようにしてもよい。

【0044】

（３）電子顕微鏡の用途
上記では、電子顕微鏡１によって、測定試料３０としての抵抗変化素子を観察し、上部電極３３と下部電極３２との間の酸化物層３４に形成されたフィラメントを観察でき、抵抗変化素子の抵抗状態を可視化できることを説明した。これは、電子のエネルギーがフェルミ準位近傍で、上部電極を構成するＰｔ、酸化物層３４を構成するＴａ_２Ｏ_５よりも、酸化物層３４に形成されたフィラメントを構成するＴａ_２Ｏ_ｘのほうが、状態密度が大きく、電子ビーム検出器２５で検出される光電子の強度が高いからである。そのため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるエネルギースリット２３を設けることで、Ｔａ_２Ｏ_ｘから放出された光電子を選択的に検出できる。このように、電子顕微鏡１は、所定の電子のエネルギーで、状態密度が他の物質よりも大きい物質を選択的に観察できるので、この性質を利用して、他の用途にも用いることができる。

【0045】

例えば、相変化メモリ（Phase Change Memory：ＰＣＭ）を構成する相変化素子の抵抗状態を可視化できる。相変化素子は、例えば、カルコゲナイド合金などの相変化材料が結晶状態（低抵抗状態）と非結晶状態（高抵抗状態）とで抵抗値が異なることを利用して情報を記憶する素子である。相変化素子は、相変化材料でなる層を上部電極と下部電極で挟み、上部電極と下部電極の間に電流を流すことで生じるジュール熱によって抵抗状態を変化させる。相変化材料では、結晶状態と非結晶状態とで、仕事関数及びフェルミ準位近傍での状態密度が異なり、光電子の放出量が異なる。そのため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるようにエネルギースリット２３やＳＴＶを設定し、電子顕微鏡１を用いて抵抗変化素子を観察すると、結晶状態を選択的に観察でき、結晶状態と非結晶状態の変化を可視化することができる。また、上部電極と下部電極との間に電圧を印可し、結晶状態と非結晶状態との間の変化を連続的に観察することも可能である。

【0046】

また、磁気ランダムアクセスメモリを構成する磁気抵抗素子の評価に電子顕微鏡１を用いることができる。磁気抵抗素子は、強磁性層、絶縁層、強磁性層の３層構造をしている。磁気抵抗素子は、一方の強磁性層が固定層として磁化方向が固定されており、他方の強磁性層がフリー層として磁化方向が外部磁場やスピントルクなどにより変化するようになされている。磁気抵抗素子は、固定層とフリー層の磁化方向が平行の時、抵抗が低く、固定層とフリー層の磁化方向が反平行の時、抵抗が高いという性質を利用して、情報を記憶する素子である。

【0047】

電子顕微鏡１は、このような磁気抵抗素子のフリー層（例えば、Feエピタキシャル膜）の磁区構造を可視化することができる。この場合、電子顕微鏡１では、磁化の向きによって、左円偏光のレーザーを照射したときに放出される光電子の量と、右円偏光のレーザーを照射したときに放出される光電子の量とが異なることを利用して、磁区構造を可視化する。具体的には、測定試料３０としての磁気抵抗素子に照射するＣＷレーザー７を、波長板３によって、左円偏光と右円偏光とに切り替えてそれぞれ観察し、得られた２つの画像の強度の差分を得ることで磁性情報だけを抽出し、磁区構造を可視化する。この場合、電子顕微鏡１は、エネルギースリット２３を有しているので電子レンズの色収差を低減し高い分解能で測定することができる。この場合、固定層、絶縁層の下部にフリー層がある場合も観察可能である。

【0048】

また、電子顕微鏡１では、磁気抵抗素子の絶縁層の欠陥を検出することが可能である。絶縁層の欠陥部分は、絶縁層の他の部分と比較してフェルミ準位近傍の状態密度が大きいため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるように、エネルギースリット２３やＳＴＶを設定することで、絶縁層から放出された光電子より欠陥部分から放出された光電子の検出強度を高め、絶縁体中の金属部分を選択的に観察できる。よって、電子顕微鏡１は、磁気抵抗変化素子の絶縁層の欠陥を検出することができる。また、磁気抵抗素子の固定層とフリー層に電圧を印可しながら、磁気抵抗素子を観察することで、絶縁破壊による欠陥の形成を観察することもできる。

【0049】

さらに、電子顕微鏡１は、NAND-Flashのキャパシタ層の欠陥検査に用いることができる。NAND-Flashでは、結晶欠陥のある部分がその他の部分に比してフェルミ準位の状態密度が大きい。そのため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるように、エネルギースリット２３やＳＴＶを設定することで、結晶欠陥以外の部分から放出された光電子より結晶欠陥から放出された光電子の検出強度を高め、キャパシタ層中の結晶欠陥を選択的に観察できる。よって、電子顕微鏡１は、NAND-Flashのキャパシタ層の結晶欠陥を検出することができる。また、NAND-Flashを通電しながら、NAND-Flashのキャパシタ層を観察し、キャパシタ層の結晶欠陥を観察することも可能である。

【0050】

また、ガラス中に形成された金属マスクの構造の検査にも電子顕微鏡１を用いることができる。ガラス中の金属マスク部分はガラス部分に比してフェルミ準位の状態密度が大きい。そのため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるように、エネルギースリット２３やＳＴＶを設定することで、ガラスから放出された光電子より金属マスクから放出された光電子の検出強度を高め、ガラス中の金属マスクを選択的に観察できる。よって、電子顕微鏡１は、ガラス中に形成された金属マスクの構造を検査することができる。

【0051】

さらに、電子顕微鏡１は、絶縁性材料（例えば、ｌｏｗ－ｋ）内の金属配線（例えば、Ｃｕ）を検査することができる。絶縁性材料中の金属配線は絶縁性材料に比してフェルミ準位の状態密度が大きい。そのため、フェルミ準位近傍のエネルギーの電子を中心に通過させるように、エネルギースリット２３やＳＴＶを設定することで、絶縁性材料から放出された光電子より金属配線から放出された光電子の検出強度を高め、絶縁性材料内の金属配線を選択的に観察できる。よって、電子顕微鏡１は、絶縁性材料内の金属配線を検査することができる。

【符号の説明】

【0052】

１ 電子顕微鏡
２ レーザー光源
７ ＣＷレーザー
１３ エネルギー調整機構
１４ 電源
２１ 第１電子レンズ系
２２ エネルギー分析器
２３ エネルギースリット
２４ 第２電子レンズ系
２５ 電子ビーム検出器
２７ 電子ビーム

【図1】

【図2】

【図3A-C】

【図3D-E】

【図4】