走査電子顕微鏡 基本用語集

理論

  1. 理論
  2. 装置
  3. 試料作製
  4. 観察手法
  5. 分析
  6. その他
用語説明
用語
(別表現)
英語表記
(英語略称)
説明
関連用語
EBIC像

EBIC image,electron-beam induced current image

電子プローブで試料上を走査したときの、電子線誘起電流の変化を可視化したSEM像。半導体デバイスの動作状態の確認、材料の結晶欠陥の観察などに使われる。

ECC像

ECC image,electron-channeling contrast image
(ECCI)

電子チャンネリングコントラスト(ECC)像。結晶性試料のSEM像を観察すると、場所ごとの結晶方位の違いがコントラストを生じる。これを利用して、結晶方位の分布や転位の観察を行うことができる。回折条件を変える(試料を傾斜したり、加速電圧を変える)とコントラストが変わるのが特徴である。
下図は試料を傾斜して得られた2枚のECC像を交互に表示したものである。観察には一般に反射電子像が使われるが、試料によって、あるいはプローブ電流が多いときは、二次電子像で観察されることもある。

ECC像

HAADF

high-angle annular dark field

STEM暗視野法の一つ。大きな角度に散乱された透過電子を、円環状の検出器で検出し画像化すると、原子番号の2乗に比例したコントラスト(Zコントラスト)を得ることができる。この方法をHAADF(ハーディフ)と呼び、200kVクラスの加速電圧を持つSTEMでは、原子オーダーの解像力で組成情報を得ることができる。

LVSEM

low-voltage scanning electron microscopy

低加速電圧観察法の略語。試料の表面層だけを観察するために、数kV以下の加速電圧を使う観察法。

P-Nコントラスト

P-N contrast

p-n接合では、空乏層を挟んでp領域は負に帯電し、n領域は正に帯電している。したがって、二次電子像で観察すると電位コントラストによって、p領域は明るく、n領域は暗く見える。これを、P-Nコントラストと言う。

SE1


一次電子により直接励起されて、真空中に放出される二次電子。真の二次電子とも言われ、試料表面付近の情報を持ち、入射電子プローブの直径に近い領域からのみ放出される。

SE1

SE2


反射電子が試料から放出されるとき、表面付近で励起した二次電子。加速電圧が高い場合、反射電子は拡がりを持つので、発生領域は電子プローブ径に比べるとかなり大きくなると同時に試料内部の情報を持つ。SE2の放出率は、反射電子の放出率に比例するので、試料の原子番号に依存する。

SE2

SE3


試料から放出された反射電子が、対物レンズなどSEM本体の構造物を衝撃したときに発生する二次電子。

SE3

SIM像
(走査イオン顕微鏡像)
SIM image,scanning ion microscope image

走査イオン顕微鏡像の略語。集束イオンビームで試料を走査したとき放出される二次電子を信号として、可視化した像。組成コントラスト、結晶方位コントラストがSEM像に比べて強く現れる。またイオンと試料の相互作用は電子に比べて大きいため表面の情報が強く現れるが、イオンビーム径が大きいため、解像力はSEM像に比べて低い。SIM像(シム像)の組成コントラストはSEMの反射電子像とは違って、原子番号が小さいほど明るくなる。SIM像の結晶方位コントラストは電子チャンネリングコントラストと違って、加速電圧を変えてもほとんど変わらない。ただし、試料を傾斜するとコントラストが変わる。イオン照射による試料表面のエッチングが起こるので、長時間の観察はむずかしい。

STEM像
(透過電子像)
STEM image,transmitted electron image

STEM(ステム)で得られた像。薄膜試料を透過した電子を検出して、得られたものであるが、散乱吸収コントラスト、回折コントラスト、位相コントラストなどTEMで得られるコントラストは全て得られる。

X線

X-ray

100eV~数百keVのエネルギー(10nm~数pmの波長)を持つ電磁波の一種。連続的なエネルギー分布を持つ連続X線と、元素に特有なエネルギーを持つ特性X線があり、特性X線は元素分析に利用される。

Zコントラスト

Z contrast

原子番号(Z)コントラスト。STEMの暗視野観察の際、十分大きな散乱角の透過電子のみを取り込んで像を作ると、組成の違いによるコントラストを得ることができる。これをZコントラストと言い、原子番号の2乗に比例する量である。

暗視野像

dark field image

STEM像あるいはTEM像の一つで、試料を透過した電子の内、散乱・回折した電子線を検出して作った像。明視野像のコントラストとは逆で、非晶質試料の場合は(厚さ×密度)積が大きい部分が明るくなり、結晶性試料の場合は回折条件を満足した部分が明るくなる。下図に示すSTEMの暗視野法では、通常、環状の検出器を用いるため、TEMでの暗視野法と違って、特定の回折波のみを選択することはできない。

暗視野像

アンダーフォーカス
(不足焦点)
under focus

焦点が外れている状態の一つで、試料面より下方に焦点が合っていることをいう。対物レンズを強励磁にするか、試料を下方に移動することで試料面に焦点が合うようになる。

イオン化

ionization

中性の原子や分子に電子が衝突したときに、電子を失ってプラスイオンとなったり、電子をもらってマイナスイオンとなる現象。

異常コントラスト

anomalous contrast

非導電性試料を観察したときに二次電子像にしばしば生じる、試料の表面形態に依存しないコントラスト。試料が観察時に帯電したために起きる現象で、試料から放出された二次電子が帯電による局部的な電界によって偏向され、検出器にうまく入らないために起きる、一種の軌道コントラストである。走査速度を速くすると帯電量が減少するので、これを利用して異常コントラストの発生を抑制することができる。
下図は無コーティングの濾紙表面を観察したもので、特に画面中央に表面形態と無関係な明るさのムラが見られる。

異常コントラスト像

位相コントラスト

phase contrast

STEM像あるいはTEM像のコントラストの一つ。非常に薄い試料の場合、透過して散乱された電子線は位相のズレを生じるので、散乱されずに透過した電子線、あるいは空間を通ってきた電子線との干渉によってコントラストを生じる。これを、位相コントラストと言う。位相コントラストを得るには、検出器の角度を十分小さくする必要があるが、低加速STEMでは、一般に検出器の角度が大きくなり、位相コントラストを得るのは難しい。

一次電子

primary electron

電子光学系で作られて真空中から試料に入射する電子。二次電子、反射電子など二次的に試料から放出される電子に対比する意味で使われる。

色収差

chromatic aberration

レンズに入射する電子のエネルギーのばらつきのために起きる収差。すなわち、光軸上の一点から放出された電子のエネルギー(速度)がばらついていると、レンズに入射したときの屈折率が違うため、光軸上の異なった場所に集束し、半径 r の拡がりを持つ。この拡がりは、r=CcαΔE/Eとなり、電子のエネルギー(加速電圧 E )に反比例し、エネルギーのばらつき(ΔE)に比例する。比例係数は色収差係数(chromatic aberration coefficient)と呼ばれ、Ccで表される。ここでαは開き角である。SEMは加速電圧が低いので、電子銃から放出された電子のエネルギーのばらつきが問題であり、とくに低加速電圧での影響が大きい。なお、色収差という言葉は、エネルギーの違いが波長の違いを意味することから、光学レンズにならって名付けられたものである。

色収差

エイリアシング

aliasing

SEM像の中にある構造の周期が、画素の大きさや走査線の間隔に近くなると、偽の周期として観察される現象。SEM像の中の構造が、画素の大きさや走査線の間隔の2倍以上の周期を持っていない限り、偽の周期を生じてしまうので、構造に応じて高い倍率を選ぶ必要がある。また、低倍率像に記録された細かい構造をあとから拡大して観察する場合は注意が必要である。下図は、周期Tの波形を、ほぼ1T/3と2T/3の周期で観測したときの結果を示しているが、2T/3では元の波形とは異なる周期が観測されている。

エイリアシング

エッジ効果

edge effect

試料表面に微細な突起やステップ状の構造があると、突起の先端やエッジ部分が、ある幅を持って明るくなる現象。明るい部分の幅は加速電圧が高いほど広くなる。原因は、試料中での入射電子の拡散によって側面から二次電子が放出されるためで、加速電圧が高いほど入射電子の拡散が大きくなるためである。
下図のSEM像は、アルミニウムの破断面を加速電圧15kV(左)と3kV(右)で撮影したものである。加速電圧が高いとエッジ状の部分が幅広く明るく見える。

エッジ効果

下図左の高加速電圧の場合は、電子プローブの照射位置が試料エッジから離れていても、大きな拡散領域が側面からの二次電子脱出可能深さに達するので二次電子が側面から放出される。一方、右の低加速電圧では、電子プローブが試料エッジに近づかなければ側面からの二次電子放出は無い。この結果電子プローブを走査すると、二次電子放出量は高加速電圧ではなだらかな立ち上がりとなり、低加速電圧では急峻な立ち上がりとなる。
エッジ効果

エネルギー幅

energy spread,energy width

電子が持つエネルギーのばらつき。SEMの場合は、電子銃から放出される電子、あるいは電子プローブ内の電子に対して言うのが普通である。これは、電子プローブ径が、特に低加速電圧でエネルギー幅の影響を受けるからである。陰極からの電子放出のメカニズムによってエネルギー幅は異なり、陰極温度が高いほどエネルギー幅は広くなる。

凹凸コントラスト

topographic contrast

試料表面の凹凸に依存する像コントラスト。一般的な試料のSEM像はこのコントラストによる。

凹凸像

topographic image

光軸に関して対称に置いた二つの検出器で反射電子を検出する場合、検出器の出力の差を信号としてSEM像を作ると、組成情報を打ち消して凹凸情報のみを得ることができる。これを凹凸像と言う。比較的低角度の一方向から照明を当てたような像になるため、二次電子像では見にくいなだらかな凹凸でも高いコントラストで観察することができるのが特長である。ただし、反射電子を使うことから解像力はある程度低くなる。
下図は、凹凸像を得るための検出器で出力A-出力Bの信号を用いることで検出器Aの方向から光を当てたようなコントラストの像を得ることができる。なお、出力A+出力Bを信号として像を作ると組成像を得ることができる。

反射電子検出器

オージェ電子

Auger electron

入射電子によって高いエネルギー準位に励起された原子が、低いエネルギー準位に遷移するときに、差のエネルギー(マイナス結合エネルギー)を持った電子が放出される。これをオージェ電子と言い、元素に特有なエネルギーを持つ。特性X線の励起とよく似た過程であるが、軽元素では、特性X線の放出よりオージェ電子の放出の確率が高い。

オーバーフォーカス
(過焦点)
over focus

焦点が外れている状態の一つで、試料面より上方に焦点が合っていることをいう。対物レンズを弱励磁にするか、試料を上方に移動することで試料面に焦点が合うようになる。

回折コントラスト

diffraction contrast

結晶性の薄膜試料をSTEMあるいはTEMで観察したときに得られるコントラスト。結晶方位の違いにより回折条件が違う部分があると、コントラストを生じるので、結晶粒、結晶粒界のほか、局部的な結晶の歪み、格子欠陥などを観察することができる。試料傾斜をするとコントラストが変わるのが特徴である。
下図にSTEMおよびTEMでの回折コントラストの形成原理を示す。STEMではコントラスト絞りで、TEMでは対物絞りで回折波が遮られることで形像に寄与せずコントラストを生じる。

回折コントラスト

回折収差

diffraction aberration

電子の回折現象に起因する収差。レンズに入射する電子線の角度を制限したときに大きくなる。電子線の波長を λ、レンズの開き角を αとすると、回折収差によるボケの半径 rはr=0.6λ/sinαとなる。SEMは加速電圧が低いため波長が長いので、影響が大きい。

回折収差

回折波

diffracted wave

電子線が結晶性試料を透過するとき、あるいは反射するときにブラッグ条件を満足して回折を起こしたもの。

解像力

resolution

SEM像のシャープさを表す量。どの位小さなものが見分けられるかを意味する。本来、画像の上で識別できる二点間の最小距離を言うが、SEMでは、慣用的に二つの物体の隙間を測定している。分解能がその装置を理想的な条件で使ったときに得られる値であるのに対して、解像力は実際に得られた画像上での値であり、試料、装置の状態、倍率などの撮影条件などによって数値は異なる。ただし、分解能と解像力は混同して使われることが多い。

階調

gradation

SEM像の一番明るいところから一番暗いところまで、明るさを段階的に分けたもの。SEM像の場合、モノクロ画像であるから、8ビット(256階調)まであれば十分といわれる。

拡散領域

diffusion area,scattering area

試料に入射した電子が、エネルギーを失って吸収されるまでに拡がる領域。その大きさは、入射電子エネルギー、試料の原子番号、原子量、密度によって異なるが、概略入射電子エネルギーの1.7乗に比例し、密度に反比例すると考えればよい。

加速電圧依存性

accelerating-voltage dependence

種々の現象が加速電圧と密接な関係を持つこと。例えば、解像力、試料中への電子の侵入深さ、外部磁場変動の像への影響の度合い、などは加速電圧依存性を持つ量である。ちなみに、解像力は高加速電圧では加速電圧の平方根に反比例し、低加速電圧では加速電圧に反比例する。試料中での電子の拡がりは加速電圧の1.7乗に比例し、外部磁場の影響は加速電圧の平方根に反比例する。

カソードルミネッセンス

cathodoluminescence
(CL)

入射電子により、試料を構成する原子の価電子帯の電子が励起され、生成された正孔と電子が再結合するときに放出される光。分光することにより状態分析を行ったり、強度の違いを可視化することでSEM像を作ることができる。発光現象の研究のほか、格子欠陥を観察したり、不純物のエネルギー準位、試料の歪み量などを調べることができる。エネルギー分解能は数meV、検出感度は高く、試料によってはppmオーダーの濃度変化を反映する場合もある。空間分解能は半導体では電子・正孔対の拡がりで決まり、バルク試料では1µm程度である。有機物では電子プローブ径で決まる。

ガウス像

Gaussian image

光軸に近い軌道でレンズに入射した電子線は、レンズの収差の影響を受けることなく像を作る。すなわち、一点から放出された電子線は一点に像を結ぶ。これをガウス像と言う。

画素

picture element,pixel

デジタルSEMの画像を構成する最小単位で、画像そのものの解像力を意味する。100万画素程度の精細度で記録されるのが普通であるが、部分的に拡大するような場合は400万画素程度での記録が可能である。

菊池パターン

Kikuchi pattern

厚い試料をSTEMやTEMで観察したとき、あるいはEBSDでバルク試料に電子線が入射したときに得られる電子回折パターン。入射電子が試料中で非弾性散乱を受けた後、結晶面で回折を起こすことで形成されるもので、結晶面に対応したバンドから構成される。パターンと元の結晶は次のように対応する。バンドの幅は結晶面間隔に、パターン上の距離は結晶での角度に対応し、どちらも加速電圧に依存する。バンド同士のなす角度は結晶面のなす角度に対応するが、加速電圧には無関係である。

菊地パターン

輝度

brightness

電子線の明るさと平行性を同時に表す量。単位面積(S)・単位立体角(Ω)当たりの電子電流量(I)で表し、単位はA/cm2srである。電子銃の性能を表すのに用いられる。

輝度

軌道コントラスト

trajectory contrast

試料から放出された二次電子、反射電子などが、試料近傍の電界あるいは磁界の影響で軌道が変わると検出器への入射量が変わる。これによって出来た像コントラストを軌道コントラストと言う。帯電の影響による不安定な異常コントラスト、磁性試料を観察したときの磁区コントラストは軌道コントラストによるものである。

吸収電子

absorbed electron

試料に入射した電子が、散乱過程でそのエネルギーを失って試料に吸収されたもの。

吸収電流
(試料電流)
absorbed electron current,specimen current

導電性の試料に入射した電子が、吸収電子としてアースに流れたもの。これを信号として可視化したSEM像を吸収電流像(absorbed electron current image)と言い、反射電子組成像とは相補的なコントラストを持つ。なお、照射電流の一部は二次電子や反射電子として試料から放出されるため、照射電流と吸収電流は異なる値となる。

球面収差

spherical aberration

レンズへの電子線の入射角の違いから生じる収差。光軸上の一点から出た電子線がレンズに入射するとき、理想的には光軸上の一点に集まるが、実際には大きな角度で入射したものは光軸付近のものに比べてより大きく屈折されるため、一点に集まらず拡がりを持つ。この拡がりの半径 rは、r=Csα3で表され、入射角の3乗に比例する量である。比例係数は球面収差係数(spherical aberration coefficient)と呼ばれる。球面収差を小さくするために小さな絞りを入れてレンズの中心部だけ使うと、回折収差のために点電子源の像はある大きさを持つことになり、これがSEMの分解能を決めることになる。

球面収差

キルヒホッフの法則

Kirchhoff's law,Kirchhoff's current law

試料に流れ込む電流と流れ出す電流の総和は0であるとする法則。導電性試料では必ず成り立ち、非導電性試料では一般に成り立たないため帯電が起きる。

キルヒホッフの法則

近軸電子線

paraxial ray

レンズに入射した電子線の内、光軸とのなす角度が極めて小さいもの。種々の収差の影響を受けにくい理想的な電子線である。

擬菊池パターン

pseudo-Kikuchi pattern

電子チャンネリングパターンの別表現。TEMなどで得られる菊池パターンに類似していることから付けられた名前である。

空間分解能

spatial resolution

位置的に接近した2点を独立した2点として見分ける能力。SEMの分解能といった場合、空間分解能を意味する。

後方散乱電子
(背面散乱電子)
backscattered electron
(BE,BSE)

試料に入射した電子の内、試料内で散乱されて再び試料表面から真空に放出されたもの。反射電子とも呼ばれるが、そのエネルギーは比較的高く、入射電子エネルギーをピークにして、連続的に分布する。

後方散乱電子回折

electron backscatter diffraction

バルク状の結晶試料に電子線が入射したとき、後方散乱電子により菊池パターンが形成される現象。SEMにおけるEBSDの場合は、この後方散乱電子回折を利用した結晶方位解析の手法を意味する。

コントラスト

contrast

SEM像の明暗の差。対象物が観察できるためには、単に解像力だけではなく、ある程度のコントラストが必要である。SEMで観察されるコントラストには、試料表面の凹凸に起因するもののほか、組成、結晶性、磁性、電位などによるものがある。

最小錯乱円

minimum confusion circle,circle of least confusion

収差の無いレンズの場合、光軸上の点電子源から出た電子線は光軸上の一点に集束するが、収差がある場合、光軸との角度が異なる電子線は光軸上の異なる場所に像を作り、電子線は有限な太さを持つことになる。場所によりその太さは異なるが、最小の径を持つ断面を最小錯乱円と言う。下図は球面収差の場合であるが、最小錯乱円の半径はr=1/4Csα3となる。Csは球面収差係数、αは開き角である。

最小錯乱円

散乱吸収コントラスト

scattering-absorption contrast

STEM像あるいはTEM像のコントラストの一つ。非晶質試料を観察したときに見られるもので、薄膜状試料の中に(厚さ×密度)積の違いがあると、透過した電子線に散乱強度の違いを生じる。検出器の取り込み角を適当に選ぶことで、この違いをコントラストとして得ることができる。
下図にSTEMおよびTEMでの散乱吸収コントラストの形成原理を示す。(厚さ×密度)積が大きな領域で散乱された波はSTEMではコントラスト絞りで、TEMでは対物レンズ絞りで遮られることで形像に寄与せずコントラストを生じる。

散乱吸収コントラスト

収差

aberration

理想的なレンズでは、一点から放出されてレンズに入射する電子線は像面の一点に集束する。しかし実際のレンズでは一点には集束せず、拡がりを持つ。これを収差と言う。

照射量

illumination dose,dose

試料上に照射される電子の量。プローブ電流と照射時間の積であるが、全電荷量を言う場合と、単位面積当たりの電荷量を言う場合がある。また、電荷量の代わりに電子の数で表現する場合もある。

焦点深度

depth of focus

試料上のある点に焦点を合わせたとき、奥行きのある試料だと焦点が外れる点ができるが、焦点がずれていてもボケを感じない範囲を焦点深度と言う。電子プローブの開き角が小さいほど焦点深度は深くなり、観察倍率が高くなるほど焦点深度は浅くなる。SEMは光学顕微鏡に比べると一般に数十倍焦点深度は深い。
下図は、対物レンズ絞りの径を変えたときの焦点深度の違いを示すものである。絞りの径が小さいとレンズの開き角αが小さく、一定のボケδを生じるための焦点はずれ量が大きく(焦点深度が深く)なる。対物レンズ絞りの径だけでなく、作動距離も焦点深度に大きな影響を与える。なお、焦点深度DOFは、倍率をMとすると、中低倍率ではDOF=δ/αMで表される。

焦点深度

照明効果

illumination effect

SEM像は、検出器方向から光を当てたようなコントラストを持っており、これを照明効果と言う。これは、試料から放出されて検出器に入る二次電子、反射電子の軌道を逆進するような光で照明されるように見えることから起きることである。アウトレンズ検出器、下方検出器では照明効果は強く現れるが、TTL検出器の場合は一様な照明となり、照明効果は弱い。

照明効果

ショットキー放出

Schottky emission

金属表面に107V/cm程度の強電界が掛かると、ポテンシャル障壁が真空との境界で傾斜を持つ。この結果、障壁上端部は低くなり、通常の熱電子放出より低い温度で電子放出が起きる。これをショットキー放出と言う。

SE放出

試料汚染
(コンタミネーション)
specimen contamination,contamination

観察中に電子線照射によって試料表面に汚れが付着する現象。高倍率で観察した後倍率を下げると、高倍率での観察領域に対応した黒い(場合によっては白い)長方形の跡が付くが、スポットモードにすると照射点には白い円形の跡が付く。試料室中の炭化水素系の残留ガス分子が電子線照射によって解離し、試料表面にカーボンの堆積物ができると考えられている。試料が“焼ける”と言われるのは試料汚染の場合が多い。なお、試料そのものが汚れていて汚染源となる場合もある。
下図左はスポットモードでの試料汚染堆積物の生成のメカニズム、下図右は試料汚染によって中央部が黒くなった様子を示す。

試料汚染試料汚染(像)

試料損傷
(電子線損傷)
specimen damage,electron-beam damage,irradiation damage

観察中に電子線照射によって試料が変形したり、観察している場所が凹んでしまう現象。一般に熱に弱い試料を高倍率で観察するときに起きやすい。SEMでの試料損傷は熱損傷が主な原因と考えられるので、観察時の加速電圧を下げたり、プローブ電流を減らす等によって、損傷の度合いを小さくすることができる。試料を冷やしたり、金属コーティングをする、といった工夫が行われる場合もあるが、同一視野を長時間観察しない、倍率を上げすぎないといった注意も必要である。下図は2種類の試料損傷の例である。上の半透膜の場合、中心部を高倍率で長時間観察していたため熱損傷により観察部位がくぼんでいる(b)。下のハロゲン銀粒子では、電子線の感光作用のため結晶成長が起きている(d)。

試料ステージ

侵入深さ

penetration depth

試料中に入射した電子が、エネルギーを失って吸収されるまでに侵入する深さ。その深さは、入射電子エネルギー、試料の原子番号、原子量、密度によって異なるが、重金属の場合、侵入深さは横方向の拡がりよりもやや小さな値となる。

磁気コントラスト

magnetic contrast

磁性体試料を観察したときに観察されるコントラスト。試料に入射した電子あるいは試料から放出される二次電子が磁界により偏向されて軌道が変わり、形成されるコントラストである。

磁区コントラストI
(タイプI 磁区コントラスト)
type-I magnetic domain contrast

二次電子モードで得られる磁気コントラスト。試料外部に大きな漏洩磁界を生じるような垂直磁区を持つ磁性試料を観察したときに生じる。試料から放出された二次電子が、この漏洩磁界により偏向され、検出器に入射したりしなかったりするために明るさの違いを生じる。これを磁区コントラスト I またはタイプ I 磁区コントラストと言う。磁壁の部分で明るさが逆転するが、漏洩磁界がブロードな分布をするため、解像力は高々数~数十µmである。試料を回転するとコントラストは変化し、180゜回転するとコントラストは逆転する。
下図は、画面上向きの磁束を持つ試料に対して、画面手前から電子線を入射させた場合である。Aの磁壁付近で放出された二次電子は漏洩磁場によって検出器に向くローレンツ力を受けるため、より多く検出されて明るくなり、Bの磁壁付近では反対向きのローレンツ力を受けるため暗くなる。

磁区コントラスト1

磁区コントラストII
(タイプII 磁区コントラスト)
type-II magnetic domain contrast

反射電子モードで得られる磁気コントラストの一つ。面内磁界があると、試料に入射した電子は、ローレンツ力により偏向されるが、磁束の方向によって、より表面に近づく向きと、より内部に向かう向きの電子ができる。この結果、試料表面から真空中に放出される反射電子の量に違いができ、コントラストを生じる。これを磁区コントラスト II あるいはタイプ II 磁区コントラストと言う。解像力は数百nm~数µmとなる。観察時には試料を45゜程度に傾斜し、反射電子検出器で検出する。磁束の方向が傾斜軸に垂直な場合はコントラストが生ぜず、傾斜軸と平行な場合はコントラストが最大となる。傾斜面内で試料を回転するとコントラストは変化し、180゜回転するとコントラストは逆転する。

磁区コントラスト2

磁壁コントラスト

magnetic domain-wall contrast

反射電子モードで得られる磁気コントラストの一つ。面内磁界があるような試料を水平に置いて観察すると、磁壁に入射した電子は、磁壁の両側でローレンツ力により偏向され、表面に向かう量が多くなるところと、試料内部に向かう量が多くなるところができる。この結果、反射電子が多くなる磁壁と、反射電子が少なくなる磁壁が交互に現れる。試料の直上に置いた反射電子検出器で信号を検出すると、磁壁は白または黒のコントラストを生じる。これを磁壁コントラストと言う。下図に示すように、左の磁壁では入射電子が表面に向かう方に偏向されるため反射電子放出量が多くなって明るくなり、右の磁壁では内部に向かうため暗くなる。通常の磁区コントラスト II を観察している場合でも磁束の方向が傾斜軸と垂直な場合は現れ、平行な場合でもよく見ると白黒の磁壁コントラストが現れることがある。

磁壁コントラスト2

ジャストフォーカス
(正焦点)
just focus

試料面に焦点が合っている状態。

制限視野電子チャンネリングパターン

selected-area electron channeling pattern
(SAECP)

電子チャンネリングパターンを得るためにビームロッキングを行った時起きる電子線の動きを補正するため、補助レンズと駆動回路を設けてロッキング領域を数~10µm程度に小さくする方法。

走査

scanning

試料上の各点からの情報を時系列信号にするため、電子プローブで試料表面をなでるように動かすこと。1次元の走査線を垂直方向に並べることで、ラスターを作り、2次元の画像を形成する。

相反定理

reciprocity theorem

可逆定理とも呼ばれ、光線逆進の原理を説明する定理。これによれば、TEMでの照射系と結像系の関係は、STEMでの検出系と照射系の関係と同じである。すなわち、TEMでの照射電子線の開き角はSTEMでの検出器の開き角に相当し、TEMでの対物レンズの開き角はSTEMでの対物レンズの開き角(電子プローブの開き角)に相当する。

相反定理

組成コントラスト

compositional contrast

原子番号および密度の違いが明るさの違いとなって現れるコントラスト。STEM像やTEM像の散乱吸収コントラストとは逆で、(原子番号×密度)積が大きいほど明るくなる。高分子試料の超ミクロトーム断面のように平坦な非晶質試料の場合、組成コントラストが主となる。

組成像

compositional image

組成コントラストで形成された像。一般には反射電子検出器を使うことが多いが、低加速電圧と二次電子に対するエネルギーフィルタを組み合わせても得られる。

帯電現象
(チャージアップ)
charging phenomenon,charging

非導電性試料を観察したときに起きる現象。帯電の影響によって試料に入射する電子プローブが偏向されて像が歪んだり、試料から放出されて検出器に入射する二次電子の軌道が変わることで、不安定な異常コントラストが起きることがある。

脱出深さ

escape depth

入射電子によって試料内部で励起された、二次電子、オージェ電子などが吸収されることなく試料表面に到達し、真空中に放出される深さ。電子の運動エネルギーに依存し、70eV程度のエネルギーのものが最も吸収されやすい。

弾性散乱

elastic scattering

試料に入射した電子が、試料との間でエネルギーの授受を行うことなく、散乱される現象。

チャンネリング

channeling

エネルギーを持った荷電粒子が結晶性試料中に入射したとき、特定の方位に沿ってより深く侵入する現象。

チャンネリングコントラスト

channeling contrast

結晶性試料を観察したとき、結晶方位の違いによってSEM像やSIM像に生じるコントラスト。電子やイオンのチャンネリングにより、結晶方位の違いで試料への侵入深さが変わり、結果として反射電子や二次電子の放出量が変わるために生じるコントラストである。電子線の場合、エネルギーを変えても、入射方位を変えてもコントラストが変わるが、イオンビームの場合、入射方位依存性は持つもののエネルギー依存性は、ほとんど持たない。

チャージバランス

charge balance

無コーティングの非導電性試料を観察するときに、加速電圧、試料傾斜角などの観察条件を選ぶことで帯電を防ぐ操作。下図に示すように、流れ込む電子と流れ出す電子の総和が0であれば帯電が起きないので、二次電子放出率のエネルギー依存性や入射角依存性を利用して条件を設定する。実際には、試料表面の凹凸(部分的な入射角の違い)、部分的な組成の違いによる二次電子放出率の違いがあるため、平坦で一様な組成の試料以外では完全にチャージバランスを取ることは出来ない。

チャージバランス

電位コントラスト
(電圧コントラスト)
voltage contrast

試料上の電位差(電圧)によって、二次電子の検出効率が変わり生じるコントラスト。電位が高いと二次電子検出器との間の電界が弱くなるため二次電子の検出効率が落ちて暗くなり、電位が低いと二次電子検出器との間の電界が強くなるため明るくなる。これを利用して、LSIなどの回路の動作状態を確認することができる。一方、この電位コントラストは、非導電性試料を観察したときの帯電による異常コントラストの一因ともなる。

電位分布像

voltage contrast image

電位コントラストを可視化したSEM像。電位が高い部分が暗く、電位が低い部分が明るくなるので、LSIの回路の動作状態の確認などに使われる。下図はアルミ配線の電位分布像で、灰色のアース電位の部分に対して、マイナス電位の配線が明るくなっている。

電位分布像

電界放出

field emission

金属表面に強電界が掛かると、真空との境界でポテンシャル障壁が傾斜を持つが、電界が108V/cm近くになると障壁が極めて薄くなり、トンネル効果で電子が真空中に放出される。これを電界放出と言う。放出電子のエネルギーのばらつきは小さく、0.3eV程度である。

電界放出

電子回折

electron diffraction

結晶性試料に電子線を照射すると、散乱した電子は一様な分布にならず、ブラッグ条件を満たす特定の方向に強度を持つような分布をする。これを電子回折と呼び、電子の波動性によるものである。散乱方向にスクリーンを置くと、回折パターンが観察できるが、SEMの場合はバルク試料での非弾性散乱の結果、バンドで構成された菊池パターンが観察される。

電子線誘起電流

electron-beam induced current
(EBIC)

p-n接合に電子プローブを照射すると電子-正孔対が出来るが、空乏層の電界によって電子はn領域へ、正孔はp領域に移動し、p-n接合の両端に電圧が発生する。これを電子線誘起電圧(electron-beam induced voltage)と言い、外部に回路を接続したとき流れる電流を電子線誘起電流と言う。結晶欠陥があると、電子や正孔はトラップされるため電流を生じない。これらの電流を画像にすると、p-n接合や結晶欠陥を像として観察できる。解像力は試料に入射した電子の拡散領域で決まる。EBICはイービックと読む。

電位分布

電子チャンネリング

electron channeling

結晶性試料に電子が入射すると、結晶格子面と入射電子の角度によって侵入深さが変わり、ブラッグ角の前後では大きく変化する。この現象を電子チャンネリングと言う。
下図は、結晶性試料に入射する電子プローブの角度を変えたときの電子の試料への進入深さを示したもので、ブラッグ角(θB)の前後で深さが大きく変わることがわかる。

電子チャンネリング

電子チャンネリングコントラスト

electron channeling contrast
(ECC)

電子チャンネリングが起きたことによって、反射電子放出量が変わって得られるコントラスト。電子チャンネリングにより入射電子が深く侵入すると、反射電子放出量は減り、侵入深さが浅いと反射電子放出量が多くなる。この結果、得られる反射電子像にコントラストを生じる。これを利用して結晶粒の方位分布を観察したり、転位を見ることができる。電子チャンネリングコントラストは、凹凸あるいは組成の違いによるコントラストに比べて微弱なため、観察するためには凹凸がほとんど無いこと、組成が一様であることなどが必要である。また、表面から数十nm以下で生じるコントラストであるため、表面に加工層などがあると観察できない。
下図左は、電子チャンネリングコントラストを生じるメカニズムを示し、右図はその例を示す。

電子チャンネリングコントラストECC像

電子チャンネリングパターン

electron channeling pattern
(ECP)

結晶性試料に対してビームロッキングを行ったとき観察される擬菊池パターンまたはその観察法。入射電子線の平行性が十分でなければならないため、電子線の太さは数µmとなる。さらに、入射角を変えるときに対物レンズの球面収差の影響で入射電子線が移動するので、パターンが得られる領域(ロッキング領域と言う)は、数十µmとなる。

透過電子

transmitted electron

薄膜試料に電子が入射すると、ほとんどの電子は試料中で吸収されることなく試料を透過して、試料下面から真空中に放出される。これを透過電子と言い、STEMまたはTEMの像信号として利用される。

透過波

transmitted wave

試料を透過した電子線の内、散乱あるいは回折を起こさずに透過したもの。特に波としての性質を議論するときに使う用語。

特性X線

characteristic X-ray

入射電子によって高いエネルギー準位に励起された原子が、低いエネルギー準位に遷移するときに、この準位差にあたる過剰なエネルギーが電磁波として放出されたもの。元素および結合状態に特有のエネルギー分布と強度を持ち、スペクトル上でピークを形成する。

内部起電力

electromotive force
(EMF)

p-n接合に電子が入射すると、電子-正孔対が出来るが、空乏層の電界によって電子はn領域へ、正孔はp領域に移動し、p-n接合の両端に電圧が発生する。これを内部起電力と言う。電子線誘起電圧と呼ばれることもある。電子プローブで試料表面を走査したときの内部起電力の変化を可視化したものを内部起電力像(electromotive force image)と言うが、外部に回路を繋いだときの電流を検出しているので、EBIC像と同じ意味である。

二次電子

secondary electron
(SE)

入射電子の非弾性散乱によって、固体内の電子が励起され、真空中に放出されたもの。そのエネルギーは一般に50eV以下として定義される。エネルギーが小さいため、試料内部で発生したものは試料中で吸収され、表面近くで発生したものだけが試料表面から放出される。実際に二次電子検出器で検出されるものには、入射電子が直接励起したもの(SE1)のほか、反射電子が試料表面や試料近傍の構造物で励起したもの(SE2、SE3)などが、混在している。なお、広義の二次電子として一次電子以外のもの全てを二次電子と言うことがあり、この場合は反射電子も含まれる。

二次電子像

secondary electron image,SE image

電子プローブで試料上を走査したときの、二次電子放出率の変化を可視化したSEM像。SEMで最も多く使われる像であり、試料表面形状の観察に使われるが、電位分布の観察にも使われる。

二次電子放出率

secondary yield,secondary electron emission coefficient

試料に入射した電子の数に対する、試料から放出された二次電子の割合。入射電子の電流をI0、二次電子電流をIsとすると、二次電子放出率δはδ=Is/I0で与えられる。二次電子放出率は、物質、入射電子エネルギー、試料への入射角度によって異なる。広義の二次電子に対する二次電子放出率は、入射電子エネルギーが数百eV~2000eVで最大となり、多くの物質で1を越えるので、この付近の加速電圧を使うことで、非導電性試料を帯電することなく観察することができる。
下図左に二次電子放出率の原子番号依存性、中央に入射エネルギー依存性、右に入射角依存性を示す。

二次電子(原子番号)二次電子(エネルギー)二次電子(傾斜)

入射電子

incident electron

電子光学系で作られて真空中から試料に入射する電子。一次電子とも呼ばれる。

熱電子放出

thermionic emission

金属を高温度で加熱したときに、電子がエネルギー障壁を越えて真空中に放出される現象。放出された電子を熱電子(thermoelectron)といい、そのエネルギーは二次電子より低く、数eVである。

熱電子放出

反射電子

reflected electron,backscattered electron
(RE,BSE,BE)

入射電子が試料中において散乱する過程で、試料表面から再放出されたもの。エネルギー範囲は、入射電子エネルギーを最高値として極めて広く分布するが、一般的には50eV以上のエネルギーを持つもので、オージェ電子以外は反射電子と考えられている。後方散乱電子あるいは背面散乱電子と呼ばれることがある。

反射電子組成像

compositional image in BE mode,compositional image in BSE mode

光軸に関して対称に置いた二つの検出器で反射電子を検出する場合、検出器の出力の和を信号としてSEM像を作ると、凹凸情報を打ち消して組成情報のみを得ることができる。これを組成像または反射電子組成像と言う。
下図は反射電子組成像を得るための検出器で、出力A+出力Bの信号を用いることで組成コントラストを持った像を得ることができる。なお、出力A-出力Bを信号として像を作ると凹凸像となる。

反射電子検出器

反射電子放出率

backscattered electron yield,backscattered electron coefficient,backscatter yield,backscatter coefficient

入射電子の個数に対する反射電子の個数の比。入射電子の電流をI0、反射電子電流をIbとすると、反射電子放出率ηはη=Ib/I0で与えられる。原子番号が大きくなると反射電子放出率が大きくなるので、これを画像にすることで組成差をコントラストとしたSEM像を得ることができる。

反射電子放出率

被写界深度

depth of field

奥行きがある視野において、焦点がずれても像のボケを感じない範囲。SEMの場合は焦点深度と同義語であり、電子プローブの開き角に依存する。

非弾性散乱

inelastic scattering

エネルギー損失を伴った電子の散乱現象。この結果として、種々の電子や電磁波を励起したり、熱を発生する。

飛程
(電子飛程)
electron range,range

試料中に入射した電子が、エネルギーを失って吸収されるまでに侵入する深さ。拡散領域と同義語。

非点隔差

astigmatic difference

非点収差があると、光軸上の一点から出た電子線は、ある距離をおいて互いに直交する2本の線状の像を作るが、その線状の像の間の距離を非点隔差と言う。

非点隔差

非点収差

astigmatism

レンズの直交する軸の焦点距離が違う現象。人間の眼で言うと乱視の状態で、レンズの材質の非均一、加工精度、汚れの付着などによって起きる。非点収差があると、光軸上の一点から出た電子線は、ある距離をおいて互いに直交する2本の線状の像を作り、その中間では電子線の断面は楕円や大きさを持った円(最小錯乱円)となる。このため十分細い電子プローブが得られない。

非点隔差

下図は実際のSEM像で、非点収差がある状態で焦点を変えるとアンダーフォーカスとオーバーフォーカスで互いに直角方向に流れたような像のボケを生じ、ジャストフォーカスでも充分シャープな像が得られない。
非点収差

表面形状コントラスト

topographic contrast

表面の形状に起因するコントラスト。二次電子像の場合、二次電子放出率が試料表面に対する電子線の入射角に依存することから、コントラストが生じる。反射電子像の場合は、入射電子線が鏡面反射方向に強い強度を持つことからコントラストを生じる。

開き角

aperture angle

クロスオーバーからレンズを見込んだ角度。対物レンズの場合を例にすると、試料から対物レンズを見込んだ角度を言う。通常は対物レンズ絞りが置かれているので、それを見込んだ角度を意味する。
下図左の場合、対物レンズ絞りは対物レンズの直下に置かれているが、その半径を r、対物レンズ絞りと試料との距離を zとすると、開き角は α = r/zとなる。右図では、対物レンズ絞りは集束レンズと対物レンズの間に置かれているが、その半径を r、集束レンズによる電子源の像から対物レンズ絞りまでの距離を a、対物レンズまでの距離を b、対物レンズと試料との距離を zとすると、開き角は α = rb/zaとなる。

開き角

ブラッグ反射

Bragg reflection

結晶に電子線、X線などが入射したとき、結晶面間隔、波長によって決まる特定の方向に反射を起こす現象。結晶面間隔(d)、波長(λ)、入射角(反射角θ)の間には2dsinθ=nλの関係があり、ブラッグ条件式と呼ばれる。

分解能

resolving power

SEMを理想的な条件で使ったときに得られる解像力。一般的には空間分解能と同義語で、識別できる2点間の最小距離で定義するが、SEMでは、慣用的に二つの物体の隙間を測定して分解能としている。

平均原子番号

mean atomic number

2種類以上の元素からなる化合物の場合の平均的な原子番号。それぞれの元素の質量濃度に応じて原子番号を按分した値となる。平均原子番号Zavはそれぞれの元素の原子番号をZi、質量濃度をCiとすると、Zav=ΣCiZiで表される。

ベルシェ効果

Boersh's effect

電子線の電流密度が高くなると、電子同士のクーロン力により速度(エネルギー)のばらつきが大きくなる現象。色収差が大きくなるので、大きなプローブ電流で低加速電圧観察をするような場合に影響が出る。

明視野像

bright field image

STEM像あるいはTEM像の一つ。試料を透過した電子の内、散乱されずに透過した電子、および小さい角度で散乱した電子を検出して作られた像。非晶質試料の場合は(厚さ×密度)積が大きい部分が暗くなり、結晶性試料の場合は回折条件を満足した部分が暗くなる。

明視野像

モアレパターン

moiré pattern

周期性の構造が重なったときに観察される偽の周期性パターン。SEMでは走査線の間隔に近い周期を持つ構造があると、このパターンが観察される。倍率を上げて周期が十分大きくなると見えなくなる。結晶性薄膜のSTEM像やTEM像では、2枚の結晶が重なることで作られたモアレパターンが観察されることがある。
下図に基本的なモアレパターンの原理を示す。平行モアレは周期の異なる構造が平行に重なったときに起きるものであり、回転モアレは同じ周期を持つ構造がわずかに回転して重なったときに起きるものである。

モアレパターン

モンテカルロシミュレーション

Monte Carlo simulation

乱数を利用して事象を確率的にシミュレーションする方法。SEMでは、試料中での入射電子・後方散乱電子の散乱、特性X線の発生・吸収などのシミュレーションに用いられている。

誘電体分域コントラスト

ferroelectric domain contrast

強誘電体試料を二次電子モードで観察したときに得られるもので、結晶内の自発分極によって生じた表面電位がもたらす一種の電位コントラスト。試料が絶縁物であるため、帯電の影響により分域コントラストは不安定で消失しやすく、コントラストの反転などが起きるので、観察条件の選択に注意を要する。

連続X線
(白色X線)
continuous X-ray,white X-ray

試料に入射した電子が、試料を構成する原子の原子核の電界によって軌道を曲げられたときに、余剰なエネルギーがX線として放出されたもの。エネルギーは、入射電子のエネルギーを最大値として連続的に分布する。白色X線とも呼ばれる。

ページの先頭へ