JP5489488B2 - Ferroelectric sample observation method - Google Patents
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Description
本発明は、強誘電体のドメイン観察を行なう強誘電体試料観察方法に関するものであり、特に走査型電子顕微鏡の反射電子像を用いた強誘電体試料観察方法に関するものである。以下、強誘電体試料を単に試料とすることがある。
The present invention relates to a ferroelectric sample observation method for performing domain observation of the ferroelectric, and in particular a ferroelectric sample observation method using a reflection electron image of a scanning electron microscope. Hereinafter, a ferroelectric sample may be simply used as a sample.
強誘電体材料の結晶粒子中にはある大きさで分極の方向が揃った領域があり、ドメインと呼ばれている。従来、このようなドメインの観察は、偏光顕微鏡、透過型電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、走査プローブ顕微鏡などを用いて行われている。
There is a region in which directions are aligned polarization in size in the crystal particles of the ferroelectric materials are called domain. Conventionally, such a domain is observed using a polarizing microscope, a transmission electron microscope, a scanning electron microscope, a scanning probe microscope, or the like.
この中で、走査型電子顕微鏡は、幅広い倍率に対応できるとともに、種々の試料に適応可能であり、観察のための試料の前処理も比較的容易であることから注目されている。しかしながら、ドメインは、分極の方向が異なるのみで、表面状態や組成に殆ど変化がないため、通常の観察方法ではドメイン観察を行なうことはできない。そこで、走査型電子顕微鏡を用いて観察する場合には、70度程度傾斜した試料に電子線を照射して結晶配向を測定する電子後方散乱回折(EBSD:Electron Back Scatter Diffraction Patterns)法や、試料の観察面を鏡面研磨した後に化学的にエッチングし、さらにカーボンを蒸着して二次電子像で観察する方法、観察面を鏡面研磨し蒸着をしないで二次電子像で観察する方法を用いる必要がある。 Among these, the scanning electron microscope is attracting attention because it can cope with a wide range of magnifications, can be applied to various samples, and the pretreatment of the sample for observation is relatively easy. However, domains differ only in the direction of polarization, and there is almost no change in the surface state or composition. Therefore, domain observation cannot be performed by a normal observation method. Therefore, when observing with a scanning electron microscope, an electron back scatter diffraction (EBSD) method in which the crystal orientation is measured by irradiating an electron beam to a sample tilted about 70 degrees, It is necessary to use a method in which the observation surface is mirror-polished and then chemically etched, carbon is further deposited and observed with a secondary electron image, and the observation surface is mirror-polished and observed with a secondary electron image without vapor deposition There is.
しかしながら、EBSD法では分解能が低く、ドメインの大きさによっては観察できないという問題があった。さらに、観察倍率によっては、極狭い領域のみの測定しかできず、広い領域にわたり観察を行なうには莫大な時間がかかり現実的ではないという問題点があった。また、観察面を鏡面研磨した後に化学的にエッチングし、さらにカーボンを蒸着して二次電子像で観察する方法では、酸などの薬品を用いる必要があり、材料ごとにエッチング条件を探す必要があり、その作業には熟練を要するとともに、廃液処理も必要となり、試料の前処理が煩雑になるという問題点があった。観察面を鏡面研磨し蒸着をしないで二次電子像で観察する方法では、絶縁材料を無蒸着で観察する方法であることから、チャージアップの影響で安定した観察が行えず、観察に熟練を要するという問題があった。 However, the EBSD method has a problem that the resolution is low and it cannot be observed depending on the size of the domain. Furthermore, depending on the observation magnification, only a very narrow region can be measured, and it takes a long time to perform observation over a wide region, which is not practical. Also, in the method of chemically etching the observation surface after mirror polishing, and further observing with a secondary electron image by vapor deposition of carbon, it is necessary to use chemicals such as acid, and it is necessary to search for etching conditions for each material In addition, the work requires skill and waste liquid treatment, and the sample pretreatment is complicated. The method of observing the observation surface with a secondary electron image without mirror polishing and without vapor deposition is a method of observing the insulating material without vapor deposition. There was a problem that it took.
本発明は上述の問題点を鑑みて案出されたものであり、その目的は、適用試料、適用倍率の自由度が高いため、汎用性が高く、安定したドメイン観察を行なうことのできるの試料観察方法を提供することである。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned problems, and the purpose thereof is a sample that is highly versatile and capable of performing stable domain observation because it has a high degree of freedom in application sample and application magnification. It is to provide an observation method.
本発明の試料観察方法は、走査型電子顕微鏡を用いて、強誘電体からなる観察試料に電子線を照射して得られる反射電子像によりドメイン観察を行なう強誘電体試料観察方法であって、試料を鏡面研磨し、研磨面に導電性を有する蒸着膜を形成して前記観察試料を作製する試料準備工程と、前記観察試料を、走査型電子顕微鏡で、前記電子線の加速電圧を3kV以上10kV以下となるように設定するとともに、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に比べてコントラストを強調する条件で観察する観察工程と、前記観察工程に続いて行われる、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に調整する、画像調整工程と、を有するものである。
The sample observation method of the present invention is a ferroelectric sample observation method in which domain observation is performed with a reflected electron image obtained by irradiating an electron beam to an observation sample made of a ferroelectric material using a scanning electron microscope, A sample preparation step in which the sample is mirror-polished and a conductive deposition film is formed on the polished surface to produce the observation sample, and the observation sample is scanned with a scanning electron microscope and the acceleration voltage of the electron beam is 3 kV or more Observation is performed under conditions that enhance contrast as compared to contrast conditions that are set so that the luminance and distribution amount of the reflected electron scanning image are averagely distributed within a displayable luminance range. an observation step is performed following the observation step, the conditions of the contrast set to averagely distributed in the displayable intensity range the brightness and distribution of the reflected electron scanning image To integer, and has an image adjusting step.
本発明の試料観察方法によれば、化学的なエッチング処理を必要としないことから、材料毎にエッチング条件を探す必要がなく、観察試料の前処理が容易となる。また、化学的なエッチング処理を行なうときに生じていた酸などの廃液処理も不要となる。さらに、観察面に導電性を有する蒸着膜を形成することから、電子線を照射してもチャージアップが生じないため、安定して観察試料を観察することができる。以上より、安定した観察を行なうための前処理が容易な、汎用性の高い試料観察方法を提供できる。 According to the sample observation method of the present invention, since chemical etching processing is not required, it is not necessary to search for etching conditions for each material, and pretreatment of the observation sample is facilitated. In addition, the waste liquid treatment such as acid generated when the chemical etching treatment is performed becomes unnecessary. Furthermore, since a vapor deposition film having conductivity is formed on the observation surface, charge-up does not occur even when irradiated with an electron beam, so that the observation sample can be observed stably. As described above, it is possible to provide a highly versatile sample observation method that facilitates pretreatment for performing stable observation.
また、試料観察時の電子線による加速電圧を3kV以上10kV以下とすることから、観察試料の最表面のドメインの情報をもつ反射電子を検出することができる。そして、このような反射電子をコントラストを強調する条件で測定することから、通常はノイズに隠れたり輝度の違いを認識できなかったりすることから反射電子像では観察できなかったドメインを、走査型電子顕微鏡で観察することができる試料観察方法を提供することができる。 Moreover, since the acceleration voltage by the electron beam at the time of sample observation is set to 3 kV or more and 10 kV or less, reflected electrons having information on the domain of the outermost surface of the observation sample can be detected. And since these reflected electrons are measured under conditions that enhance the contrast, the domains that could not be observed in the reflected electron image because they are usually hidden behind noise and the difference in brightness cannot be recognized are scanned electrons. A sample observation method that can be observed with a microscope can be provided.
以上より、本発明によれば、走査型電子顕微鏡を用いた、汎用性が高いドメイン観察可能な試料観察方法を提供できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to provide a sample observation method using a scanning electron microscope and capable of domain observation with high versatility.
本発明の試料観察方法の実施の形態について、工程毎に説明する。
〔試料準備工程〕
まず、観察試料を準備する。試料としては結晶内にドメインを有するものであれば特に限定はされないが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)やチタン酸バリウムなどの強誘電体材料を用いることができる。
Embodiment of the sample observation method of this invention is demonstrated for every process.
[Sample preparation process]
First, an observation sample is prepared. The sample is not particularly limited as long as it has a domain in the crystal. For example, a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) or barium titanate can be used.
このような試料を、鏡面研磨して研磨面を作製する。具体的には、試料を通常の走査電子顕微鏡用試料研磨と同様に研磨機を用いて研磨する。まず、ダイヤモンド研磨板を用いて荒削りを行い、試料表面を平坦化する。その後、研磨液と研磨板との組合せの粒度を徐々に小さくして研磨していく。なお、研磨液としてはダイヤモンド懸濁液等を用いることができる。最終的には、仕上げ研磨として、研磨液に、アルミナ懸濁液またはコロイダルシリカ懸濁液を用い、研磨板としてバフを用いて、バフ研磨を行い鏡面加工する。 Such a sample is mirror-polished to produce a polished surface. Specifically, the sample is polished using a polishing machine in the same manner as normal sample polishing for a scanning electron microscope. First, roughing is performed using a diamond polishing plate to flatten the sample surface. Thereafter, polishing is performed by gradually reducing the particle size of the combination of the polishing liquid and the polishing plate. A diamond suspension or the like can be used as the polishing liquid. Finally, as final polishing, an alumina suspension or a colloidal silica suspension is used as a polishing liquid, and a buff is used as a polishing plate to perform buffing and mirror finishing.
なお、一連の研磨作業を行なう際に研磨機に試料を保持する方法は、試料のサイズ等を考慮して適宜選択することができる。例えば、試料を直接研磨機に接着して行なっても良いし、樹脂に埋め込んだものや、走査型電子顕微鏡用の試料台に接着剤等で固定したものを治具を用いて保持しても良い。 Note that the method of holding the sample in the polishing machine when performing a series of polishing operations can be appropriately selected in consideration of the sample size and the like. For example, the sample may be directly bonded to a polishing machine, or the sample embedded in a resin or fixed to a sample stage for a scanning electron microscope with an adhesive or the like may be held using a jig. good.
なお、走査型電子顕微鏡の観察用試料の表面加工方法としてはイオンビームを用いるイオン研磨もあるが、上述のように、機械研磨で鏡面研磨を行うので、イオン研磨などで問題となるイオン照射によるダメージ相の形成や、熱ダメージによるドメインの変質が起こらない。このことから、試料を機械研磨することで、試料の前処理段階におけるドメインの変質を抑制することができる。 In addition, as a surface processing method for the observation sample of the scanning electron microscope, there is ion polishing using an ion beam. However, as described above, mirror polishing is performed by mechanical polishing. No damage phase formation or domain alteration due to thermal damage. For this reason, domain polishing in the sample pretreatment stage can be suppressed by mechanically polishing the sample.
このように鏡面加工した研磨面を作製することで、後の観察工程において反射電子像を観察するときに、観察試料表面の凹凸に起因するコントラストの変化を抑制し、ドメインによる信号量の変化(コントラストの変化)を抽出することができる。 By producing a mirror-polished polished surface in this way, when observing a backscattered electron image in a later observation step, the contrast change caused by the unevenness of the observation sample surface is suppressed, and the signal amount change due to the domain ( Change in contrast) can be extracted.
次に、鏡面研磨した試料の研磨面に導電性を有する蒸着膜を形成する。蒸着膜としては、走査型電子顕微鏡で電子銃を照射したときのチャージアップを抑制するために導電性を有していれば、特にその材料は限定されないが、例えば、カーボン、Pt、Au等を用いることができる。中でも、ドメインの極表面の情報を得るために、電子線の吸収及び観察面で反射される反射電子の吸収を抑えるためにカーボンを用いることが好ましい。カーボンからなる蒸着膜は、真空にしたチャンバー内で、蒸着源となるカーボンを抵抗加熱により蒸発させる蒸着機も用いて形成すれば良い。蒸着膜の膜厚は蒸着源と試料間の距離や、蒸着機中の蒸着源と試料との間に設けたシャッターの開閉等で制御することができる。なお、このような手法で作製したカーボン膜はアモルファスであり、試料からの情報(反射電子)を弱めるので、その膜厚は薄いほうが望ましく、チャージアップを抑えることができる必要最小限の厚みで形成する。具体的には、膜厚は10nm以下であればチャージアップを防ぎつつ、ドメイン観察をすることができるが、より好ましくは、5nm以下とする。 Next, a vapor-deposited film having conductivity is formed on the polished surface of the mirror-polished sample. The material of the vapor deposition film is not particularly limited as long as it has conductivity in order to suppress charge-up when the electron gun is irradiated with a scanning electron microscope. For example, carbon, Pt, Au, etc. may be used. Can be used. Among these, in order to obtain information on the extreme surface of the domain, it is preferable to use carbon in order to suppress the absorption of the electron beam and the reflection electron reflected from the observation surface. The vapor deposition film made of carbon may be formed using a vapor deposition machine that evaporates carbon as a vapor deposition source by resistance heating in a vacuum chamber. The film thickness of the vapor deposition film can be controlled by the distance between the vapor deposition source and the sample, the opening / closing of a shutter provided between the vapor deposition source and the sample in the vapor deposition machine, or the like. Note that the carbon film produced by such a method is amorphous and weakens the information (reflected electrons) from the sample. Therefore, it is desirable that the film thickness is thin, and it is formed with the minimum necessary thickness that can suppress charge-up. To do. Specifically, if the film thickness is 10 nm or less, domain observation can be performed while preventing charge-up, but it is more preferably 5 nm or less.
このように、蒸着膜として、カーボンを用い、その厚みを10nm以下とすることで、観察試料のドメインからの信号が弱められることなく反射電子の検出器に到達し、鮮明なドメイン像を観察することができる。 In this way, by using carbon as the deposited film and setting the thickness to 10 nm or less, the signal from the domain of the observation sample reaches the detector of reflected electrons without being weakened, and a clear domain image is observed. be able to.
以上のように、試料を鏡面研磨し、その研磨面に蒸着膜を形成することで、観察面のドメインを損傷させることなく、簡易に観察試料を作製することができる。
〔観察工程〕
次に、試料準備工程において作製した観察試料を走査型電子顕微鏡にて観察する。観察試料の走査型電子顕微鏡内への設置方法、走査型電子顕微鏡の試料室の真空度等は、通常の走査型電子顕微鏡による試料観察方法と同様にして行なう。観察試料の観察面と走査型電子顕微鏡の電子銃との距離は、観察倍率、観察試料に応じて適宜設定することができる。
As described above, an observation sample can be easily produced without damaging the domain of the observation surface by mirror-polishing the sample and forming a deposited film on the polished surface.
[Observation process]
Next, the observation sample produced in the sample preparation step is observed with a scanning electron microscope. The method of placing the observation sample in the scanning electron microscope, the degree of vacuum in the sample chamber of the scanning electron microscope, and the like are performed in the same manner as the sample observation method using a normal scanning electron microscope. The distance between the observation surface of the observation sample and the electron gun of the scanning electron microscope can be appropriately set according to the observation magnification and the observation sample.
走査型電子顕微鏡内に設置された観察試料に、電子線を照射する。ここで、電子線の加速電圧は3kV以上10kV以下に設定する。3kV未満とすると、観察に充分な信号量を有する反射電子像を得ることができないため好ましくない。10kVを超えると、反射電子の観察試料表面からの脱出深さが深くなり、反射電子像が複雑になるとともに、表面のドメインからの信号が少なくなるため好ましくない。3kV以上10kV以下とすることで、観察試料の最表面のドメインの情報をもつ反射電子を効率よく検出することができる。 An observation sample placed in a scanning electron microscope is irradiated with an electron beam. Here, the acceleration voltage of the electron beam is set to 3 kV or more and 10 kV or less. If it is less than 3 kV, a reflected electron image having a signal amount sufficient for observation cannot be obtained, which is not preferable. Exceeding 10 kV is not preferable because the depth of escape of reflected electrons from the observation sample surface becomes deep, the reflected electron image becomes complicated, and the signal from the surface domain decreases. By setting it to 3 kV or more and 10 kV or less, it is possible to efficiently detect the reflected electrons having information on the domain of the outermost surface of the observation sample.
そして、このような条件で測定した反射電子像のコントラストを、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に比べてコントラストを強調する条件で観察する。通常の測定においては、コントラストの調整を自動調整する場合でも、手動で調整する場合でも、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定する。具体的には、表示可能な輝度範囲が0から255の場合には、反射電子走査画像の輝度の最大値と最小値を求めて256分割したり、輝度及び分布量をヒストグラム法により表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するようにしたり、反射電子走査画像の輝度情報を代表する複数の数値(通常2つ、50と150など)を抽出し、その代表値から外れる信号が少なくなるようにしたりするために、反射電子検出器の光電子増倍管の電圧等のパラメータを調整していた。 The contrast of the reflected electron image measured under these conditions is compared with the contrast condition in which the brightness and the distribution amount of the reflected electron scanning image are set to be averagely distributed within the displayable luminance range. Observe under emphasized conditions. In normal measurement, the brightness and distribution amount of the reflected electronic scanning image are set so as to be averagely distributed within the displayable brightness range regardless of whether the contrast is adjusted automatically or manually. Specifically, when the displayable luminance range is from 0 to 255, the maximum and minimum luminance values of the reflected electronic scanning image can be obtained and divided into 256, or the luminance and distribution amount can be displayed by the histogram method. A plurality of numerical values (usually two, 50, 150, etc.) representative of luminance information of the reflected electron scanning image are extracted so that the signals are not averaged within the luminance range, and signals deviating from the representative value are reduced. Therefore, parameters such as the voltage of the photomultiplier tube of the backscattered electron detector are adjusted.
これに対して、本発明では、このようなコントラストの条件から外し、よりコントラストを強調する条件で測定する。具体的には、観察画面上で反射電子信号が飽和しない範囲でコントラストを最大に設定する。なお、このような条件は、観察画面がざらつき、像を確認できないため、通常は用いられない。このように、コントラストを強調する条件で測定することで、従来はノイズに隠れたり輝度の違いを認識できなかったりすることから反射電子像では観察できなかったドメインを走査型電子顕微鏡で観察することができる試料観察方法を提供することができる。 On the other hand, in the present invention, measurement is performed under such a condition that the contrast is exaggerated and the contrast is further enhanced. Specifically, the contrast is set to the maximum within a range where the reflected electron signal is not saturated on the observation screen. Such conditions are not usually used because the observation screen is rough and the image cannot be confirmed. In this way, by observing the contrast-enhanced conditions, it is possible to observe a domain that could not be observed in a reflected electron image with a scanning electron microscope because it was hidden behind noise or could not recognize the difference in brightness. It is possible to provide a sample observation method capable of
ここで、従来は不可能であると考えられていた反射電子像によるドメイン観察が、本発明により可能となったメカニズムについて考察する。 Here, a mechanism in which domain observation by a reflected electron image, which has been considered impossible in the past, has been made possible by the present invention will be considered.
強誘電体のドメインの観察が可能な透過電子顕微鏡における、ドメイン観察のメカニズムは、90°ドメインは回折コントラストで、180°ドメインはフリーデル則の破れが原因とそれぞれ考えられている。フリーデル則の破れとは、ある結晶面で電子線の反射が起こるとき、結晶面の表側で反射が起こる場合と裏側で反射が起こる場合とで反射強度が異なる現象である。観察する試料に中心対称性がなく、かつ、試料が厚く多重反射が起こるときにフリーデル則の破れが生じる。透過電子顕微鏡では180°ドメインが観察できる場所は試料が厚く、多重反射が起こる場所に限られており、試料の薄い場所では180°ドメインは観察できない。 The mechanism of domain observation in a transmission electron microscope capable of observing a ferroelectric domain is considered to be caused by diffraction contrast in the 90 ° domain and by Friedel's law violation in the 180 ° domain. The violation of Friedel's rule is a phenomenon in which when an electron beam is reflected on a certain crystal surface, the reflection intensity differs depending on whether the reflection occurs on the front side or the back side of the crystal surface. When the sample to be observed has no central symmetry and the sample is thick and multiple reflection occurs, the Friedel rule is broken. In the transmission electron microscope, the location where the 180 ° domain can be observed is limited to the location where the sample is thick and multiple reflection occurs, and the 180 ° domain cannot be observed where the sample is thin.
以上のような透過電子顕微鏡におけるドメイン観察方法を考慮すると、90°ドメインはドメイン間の結晶方位がわずかに傾いているので、走査型電子顕微鏡においても、透過電子顕微鏡の回折コントラストに相当するチャンネリングコントラストを得ることができる。一方、180°ドメインについては、走査型電子顕微鏡の反射電子像に見られるチャネリングコントラストもバルク試料内での電子線の回折現象を利用しているため、フリーデル則の破れが原因となる180°ドメインの観察が行えると考えられる。 Considering the domain observation method in the transmission electron microscope as described above, the 90 ° domain has a slightly tilted crystal orientation between domains. Therefore, in the scanning electron microscope, the channeling corresponding to the diffraction contrast of the transmission electron microscope is used. Contrast can be obtained. On the other hand, for the 180 ° domain, the channeling contrast seen in the backscattered electron image of the scanning electron microscope also uses the diffraction phenomenon of the electron beam in the bulk sample. It seems that the domain can be observed.
ただし、走査型電子顕微鏡における反射電子像は、本来観察試料の組成の違いに起因するコントラストの違いを観察するものである。ドメインは極性は異なるが、組成の変化はないためコントラストの違いが生じる主たる原因は存在しない。 However, the reflected electron image in the scanning electron microscope is for observing the difference in contrast caused by the difference in the composition of the observation sample. Although domains have different polarities, there is no major cause of contrast differences because there is no change in composition.
このため、ドメインによるコントラストの違いが生じる信号量変化は非常に小さく、ノイズに隠れる可能性がある。そこで、加速度電圧をフリーデル則の破れを観察できる程度に大きく、表面にあるドメインの情報を多く含むように大きすぎないように設定して、ドメインによる信号量変化を確保するとともに、コントラストの条件を通常の条件に比べ大きくコントラストを強調するものとし、通常であればノイズに隠れる信号量の違いを拾って強調することで、反射電子像によるドメイン観察が可能となったものと考えられる。 For this reason, the signal amount change that causes the difference in contrast depending on the domain is very small and may be hidden by noise. Therefore, the acceleration voltage is set large enough to observe the Friedel law violation and not too large so that it contains a lot of domain information on the surface, ensuring the change in the signal amount due to the domain, and contrast conditions. As compared with normal conditions, it is considered that the contrast is greatly emphasized, and it is considered that the domain observation by the reflected electron image is made possible by picking up and enhancing the difference in the signal amount hidden in the noise in the normal case.
上述のようなメカニズムにより観察しているため、透過型電子顕微鏡では限られた場所以外は観察できなかった180°ドメインを、本発明によれば、場所を限定することなく観察できることになる。走査電子顕微鏡ではバルクの試料を観察するので、試料全面が透過電子顕微鏡における試料が厚く多重反射が起こる場所に相当することになるからである。 Since the observation is performed by the mechanism as described above, the 180 ° domain that could not be observed except for a limited place in the transmission electron microscope can be observed according to the present invention without limiting the place. This is because a bulk sample is observed with the scanning electron microscope, and therefore the entire sample surface corresponds to a place where the sample in the transmission electron microscope is thick and multiple reflection occurs.
このような工程により観察試料を観察することで、汎用性の高いドメイン観察方法を提供することができる。なお、本手法を用いることで、従来のEBSD法では観察できなかった5000倍以上の高倍率で広範囲にわたる観察が短時間で可能となり、サブミクロンオーダー、ナノメートルオーダーのドメインも観察できる。本発明は特にこのような高倍率でのドメイン観察を、どのような試料に対しても適用できる点で有効である。 By observing the observation sample through such a process, a highly versatile domain observation method can be provided. By using this method, it becomes possible to observe over a wide range at a high magnification of 5000 times or more, which could not be observed by the conventional EBSD method, in a short time, and submicron order and nanometer order domains can also be observed. The present invention is particularly effective in that domain observation at such a high magnification can be applied to any sample.
次に、本発明による試料観察方法のさらに好ましい例について説明する。 Next, a more preferable example of the sample observation method according to the present invention will be described.
観察工程において、上述の例では、走査型電子顕微鏡の電子線を照射する電子銃と観察試料との距離および電子銃の照射電流については特に限定していないが、電子線を照射する電子銃と観察試料との距離(ワーキングディスタンス、以下WDとする)を10mm以上とし、電子線の照射電流を7nA以上とすることが好ましい。 In the observation step, in the above-described example, the distance between the electron gun that irradiates the electron beam of the scanning electron microscope and the observation sample and the irradiation current of the electron gun are not particularly limited, but the electron gun that irradiates the electron beam The distance from the observation sample (working distance, hereinafter referred to as WD) is preferably 10 mm or more, and the irradiation current of the electron beam is preferably 7 nA or more.
WDは、高分解能で測定するために、通常はできるだけ小さく設定する。しかしながら、発明者が鋭意遂行を重ねた結果、理由は明らかではないが、ドメイン観察を行なう場合には、WDを小さくすると、結晶粒子のコントラストは強調されるがドメインのコントラストは低くなり、WDを大きくすると結晶粒子のコントラストが弱まりドメインのコントラストが強調されることを確認した。このため、WDを10mm以上とすることが好ましい。 WD is usually set as small as possible in order to measure with high resolution. However, as a result of the inventor's intensive efforts, the reason is not clear. However, when performing domain observation, if the WD is reduced, the contrast of the crystal particles is enhanced, but the contrast of the domain is lowered. It was confirmed that when the crystal size was increased, the contrast of the crystal grains was weakened and the contrast of the domain was enhanced. For this reason, it is preferable that WD shall be 10 mm or more.
一方、照射電流についても、高分解能で測定するために、通常はできるだけ小さく設定する。しかしながら、発明者が鋭意遂行を重ねた結果、ドメイン観察を行なう場合には、照射電流を大きくするに従い、ドメインのコントラストが強調されることを確認した。 On the other hand, the irradiation current is usually set as small as possible in order to measure with high resolution. However, as a result of the inventor's intensive efforts, it was confirmed that the domain contrast is enhanced as the irradiation current is increased when performing domain observation.
このようなWD、照射電流の測定条件は、通常の高分解能観察の設定と逆の設定であり、ドメイン観察時に特有の条件である。特に、高倍率で観察する場合には、通常、より厳密にWDを小さく、照射電流を小さくしていたが、ドメイン観察の場合には、高倍率観察の場合であっても、この特有の条件で観察することが好ましい。 Such measurement conditions for WD and irradiation current are opposite to those for normal high-resolution observation, and are conditions specific to domain observation. In particular, when observing at a high magnification, the WD is usually made stricter and the irradiation current is made smaller. However, in the case of domain observation, even in the case of high magnification observation, this unique condition It is preferable to observe with.
また、観察工程において、積算撮影を行なったり、一視野の撮影時間を5分以上の低速スキャンとしたりすることが好ましい。 Further, in the observation step, it is preferable to perform integral shooting or to perform a low-speed scan with a single field of view for 5 minutes or more.
本発明の手法では、反射電子像撮影時に、ノイズに隠れる恐れのあるコントラストの違いを強調して観察するために、細かなドメインが観察できるようになる。しかし、一方で、コントラストを強調する条件で観察すると、像のノイズが増える。このため、積算撮影を行なったり、一視野の撮影時間を5分以上の低速スキャンとしたりすることでノイズを抑制することが好ましい。このような観察方法とすることで、撮影時(観察時)のノイズを抑えることができ、コントラストが強調できしかもノイズの少ない像を観察することが可能になる。 According to the method of the present invention, a fine domain can be observed in order to emphasize and observe the difference in contrast that may be hidden by noise during the reflection electron image shooting. On the other hand, however, image noise increases when observed under conditions that enhance contrast. For this reason, it is preferable to suppress noise by performing integral shooting or by performing a low-speed scan with a single field of view for 5 minutes or more. By adopting such an observation method, it is possible to suppress noise at the time of shooting (observation), and it is possible to observe an image with high contrast and low noise.
なお、走査型電子顕微鏡の付属設備の一つであるエネルギー分散型X線分光器の制御ソフトには試料のドリフト補正を行いながら走査電子顕微鏡像の積算撮影が可能なものもある。積算撮影を行なう場合には、撮影に長時間を要し、電子線の照射位置がずれる(ドリフトする)ことにより像が不鮮明となる恐れがあるが、このような機能を用いれば、長時間に亘る積算撮影を行っても積算の都度ドリフトを補正するので積算によって像が不鮮明になることを抑制することができる。 Note that some control software for an energy dispersive X-ray spectrometer, which is one of the accessory equipment of a scanning electron microscope, can perform integrated photographing of scanning electron microscope images while correcting the drift of the sample. When performing integral shooting, it takes a long time to shoot, and the image may become unclear due to a shift in the electron beam irradiation position (drifting). Since the drift is corrected every time integration is performed even if the total imaging is performed, it is possible to suppress the image from becoming unclear due to the integration.
また、観察工程に続いて、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に調整する、画像調整工程をさらに設けてもよい。 Further, following the observation step, there may be further provided an image adjustment step of adjusting the brightness and distribution amount of the reflected electron scanning image to a contrast condition set so as to be averagely distributed within a displayable luminance range. .
画像観察工程においては、ノイズに隠れる恐れのある、僅かな信号量の変化を抽出するためにコントラストを強調する条件で観察を行っている。これに対して、さらにノイズを抑えつつコントラストを強調するために積算撮影や、低速スキャンによる撮影を行ない、ドメインのコントラストを抽出した後、再度、得られた画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に調整することで、より鮮明にドメインを観察することができるものとなる。なお、このコントラストの調整方法は特に限定されず、通常の画像処理の自動調節機能等で実現してもよい。 In the image observation process, observation is performed under the condition of enhancing the contrast in order to extract a slight change in signal amount that may be hidden by noise. On the other hand, in order to enhance the contrast while further suppressing noise, it is possible to display the luminance and distribution amount of the obtained image again after extracting the contrast of the domain by performing the shooting by the integrated shooting or the low speed scan. By adjusting to the contrast condition set so as to be averagely distributed within the luminance range, the domain can be observed more clearly. Note that the contrast adjustment method is not particularly limited, and may be realized by a normal image processing automatic adjustment function or the like.
以上のように、本発明の試料観察方法によれば、走査電子顕微鏡によるドメイン観察方法において、酸などの薬品を用いたエッチング処理を必要とせず、チャージアップの影響も無く安定した観察ができ、かつ、倍率、材料等についての汎用性の高いものを提供することができる。 As described above, according to the sample observation method of the present invention, in the domain observation method using a scanning electron microscope, an etching process using a chemical such as an acid is not required, and stable observation can be performed without the influence of charge-up. And the thing with high versatility about magnification, a material, etc. can be provided.
なお、本発明は以上の実施の形態の例および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を施すことは何等差し支えない。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention.
試料としてチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用い、鏡面加工を行なった。具体的な鏡面加工条件は、ダイヤモンド研磨板を用いて荒削りを行い、試料表面を平坦化した後、研磨液と研磨板との組合せの粒度を徐々に小さくして研磨していき、仕上げ研磨として、研磨液に、コロイダルシリカ懸濁液を用い、研磨板としてバフを用いて、バフ研磨を行い鏡面加工する。なお、研磨によるドメインの変化および研磨による表面状態の僅かな変化による反射電子信号の変動を抑えるために、仕上げ研磨時には研磨板への試料の押圧を低く設定した。 Mirror finish was performed using lead zirconate titanate (PZT) as a sample. Specific mirror finishing conditions are rough polishing using a diamond polishing plate, and after flattening the sample surface, polishing is performed by gradually reducing the particle size of the combination of polishing liquid and polishing plate. Then, a colloidal silica suspension is used as the polishing liquid, and a buff is used as a polishing plate to perform buffing and mirror finishing. In order to suppress the fluctuation of the reflected electron signal due to the change of the domain due to polishing and the slight change of the surface state due to polishing, the pressure of the sample against the polishing plate was set low at the time of final polishing.
このようにして作製した観察試料を走査型電子顕微鏡で、WDを15mmに、加速電圧を5kVに、照射電流を8nAに、スキャン速度を8秒/画像とし、50回積算して測定した。 The observation sample thus produced was measured by integrating 50 times with a scanning electron microscope at a WD of 15 mm, an acceleration voltage of 5 kV, an irradiation current of 8 nA, a scanning speed of 8 seconds / image.
その結果、図1に示すように、ナノメートルオーダーのドメインを明瞭に観察することができた。 As a result, as shown in FIG. 1, a nanometer-order domain could be clearly observed.
なお、コントラストを反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定する条件とした場合には、ドメインを観察することはできなかった。 Note that the domain could not be observed when the contrast was set such that the luminance and distribution amount of the reflected electron scanning image were averagely distributed within the displayable luminance range.
また、加速度電圧を2.5kVにた場合にも、ドメインを観察することはできなかった。 Further, even when the acceleration voltage was 2.5 kV, the domain could not be observed.
照射電流を7nA未満としたり、WDを10mm未満としたりした場合には、ドメインのコントラストが弱くなることを確認した。 It was confirmed that when the irradiation current was less than 7 nA or the WD was less than 10 mm, the domain contrast was weakened.
なお、上述のようなドメインの観察は、例えば、サーマル電界放出型(FE)やコールドFE型等、形式の異なる走査型電子顕微鏡としても同等の像を得ることができ、試料の材料が異なっても観察することができることを確認した。これにより、走査型電子顕微鏡の機種や試料の材料を選ばない、汎用性の高い観察方法であることを確認できた。 In addition, the observation of the domain as described above can obtain an equivalent image even with a scanning electron microscope having a different format such as a thermal field emission type (FE) or a cold FE type. It was confirmed that also can be observed. As a result, it was confirmed that the observation method was highly versatile, regardless of the type of scanning electron microscope and the material of the sample.
Claims (8)
試料を鏡面研磨し、研磨面に導電性を有する蒸着膜を形成して前記観察試料を作製する試料準備工程と、
前記観察試料を、走査型電子顕微鏡で、前記電子線の加速電圧を3kV以上10kV以下となるように設定するとともに、反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に比べてコントラストを強調する条件で観察する観察工程と、
前記観察工程に続いて行われる、
反射電子走査画像の輝度及び分布量を表示可能な輝度範囲内に平均的に分布するように設定するコントラストの条件に調整する、画像調整工程と、を有する強誘電体試料観察方法。 A ferroelectric sample observation method for observing a domain by a reflected electron image obtained by irradiating an electron beam to an observation sample made of a ferroelectric material using a scanning electron microscope,
A sample preparation step of mirror-polishing the sample and forming the observation sample by forming a vapor-deposited film having conductivity on the polished surface;
The observation sample is set with a scanning electron microscope so that the acceleration voltage of the electron beam is 3 kV or more and 10 kV or less, and the luminance and distribution amount of the reflected electron scanning image are averaged within a luminance range in which display is possible. An observation step of observing under a condition that enhances contrast compared to a contrast condition set to be distributed;
Performed following the observation step,
Adjusting the conditions of the contrast set to averagely distributed reflection electron intensity of the scanned image and the distribution amount can display brightness range, the ferroelectric sample observation method comprising the image adjustment step.
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