(57)【要約】【課題】  電子ビームを試料上で傾斜させて走査した場合でも、主ビームが常に円環状の暗視野走査像検出器の中心を通るようにすることができる走査像観察機能を有した透過型電子顕微鏡を実現する。【解決手段】  第１の偏向手段２５により、電子ビームを試料７に対して斜めに入射させ、斜め照射の状態を保ったまま２次元走査を行うようにした。したがって、試料７を透過した主ビームは、点線で軌道を示すように、暗視野走査像検出器１０の環状の検出面の中心から外れた位置を通過する。本実施の形態では、試料７と暗視野走査像検出器１０との間に、試料に照射される電子ビームの傾斜角に応じた電子ビームの振り戻しのための走査信号を制御部１２が作成し、第２の偏向手段２８による２段偏向により、主ビームの軌道は振り戻され、暗視野走査像検出器１０の環状の検出面の中心を必ず通過することになる。【選択図】      図４
2006302523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射レンズ系によって、電子銃からの電子ビームを試料の所定領域に平行ビームとして照射し、試料を透過した電子を結像レンズ系により結像させて、透過電子顕微鏡像を形成する透過電子顕微鏡モードと、照射レンズ系によって電子ビームを試料に細く集束させ、試料上の２次元領域で電子ビームを走査し、電子ビームの照射により試料から発生した信号を検出する走査電子顕微鏡モードを有し、電子ビーム照射側の試料上で電子ビームを所定角度傾斜させて走査するための第１の偏向手段と、結像側で、試料を透過した電子を検出するための環状の検出面を有した暗視野走査像検出器と、試料と暗視野走査像検出器との間に配置され、結像側で主ビームを照射側の電子ビームの傾斜角に応じて光軸に振り戻すための第２の偏向手段とを備えた走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【請求項２】
円環状の検出面を有した暗視野走査像検出器は、結像側の回折像面に円環状の検出面の中心を光軸に一致させるようにして配置した請求項１記載の走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【請求項３】
第１の偏向手段と第２の偏向手段は、それぞれが２段偏向とされており、２段偏向のそれぞれがＸ、Ｙ方向にそれぞれ２組の偏向コイルを有しており、それぞれ２組の偏向コイルの一方は、高倍率用にコイルの巻数が少なくされており、他方は、低倍率用にコイルの巻数が多くされている請求項１又は２記載の走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを照射レンズ系によって試料上に集束させると共に試料上の電子ビームの照射位置を２次元的に走査し、試料から発生した２次電子や反射電子、あるいは透過電子を検出し、検出信号を試料上の走査に同期した陰極線管や液晶パネルなどモニターに供給し、画面に試料の走査像を表示するようにした走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡や走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の透過電子顕微鏡には走査像観察機能が備えられている。透過電子顕微鏡像の観察時には、電子銃から発生し加速された電子ビームを複数のコンデンサレンズによって平行なビームとし、試料の観察領域に照射する。試料を透過した電子は、試料下部に配置された複数の結像レンズより成る結像レンズ系により、蛍光板上に試料の拡大像を投影したり、最近では、ＣＣＤカメラの検出面上に試料像を投影するようにしている。
【０００３】
ＣＣＤカメラからの画素信号は、フレームメモリーに供給され、ノイズ低減のための画像積算処理などが施される。フレームメモリーに記憶された各画素信号は、読みとられて陰極線管や液晶ディスプレイに供給されて透過電子顕微鏡像が表示される。
【０００４】
このような透過電子顕微鏡において、走査像の観察が行われるタイプのものが多く使用されている。この走査像を観察する場合、通常試料は対物レンズが形成する磁場の中に配置される。試料表面には、コンデンサレンズや対物レンズの試料の前方磁場を含む電子ビームの照射レンズ系により、試料上に細く電子ビームを集束する。試料上に照射される電子ビームは２次元的に走査され、電子ビームが照射される各ポイントごとに試料から発生する２次電子や反射電子、あるいは透過電子を検出し、検出信号は電子ビームの走査に同期したディスプレイ装置に供給される。
【０００５】
上記のような走査像の観察においては、試料に照射される電子ビームを正確に試料面上にフォーカスさせること、また、電子ビームそのものに非点などの収差があれば、走査像の分解能に悪影響を与えてしまう。そのため、実際に像の観察を行う前段階の手続として、試料面上に照射される電子ビームのフォーカスの状態、電子ビームの収差の向きや大きさを事前に検出し、これらの検出結果に応じて試料の前方の各光学系の調整を行って、実際の観察を開始するようにしている。
【０００６】
ここで、上記した走査像観察機能を有した透過型電子顕微鏡の一例を図１に基づいて説明する。図１において、電子銃の一部であるエミッター１からは電子が発生し、この電子は、図示していない制御電極や加速電極によって、電流量が制御され、また、加速電極に印加される（エミッター１と加速電極との間に印加される）加速電圧に応じて加速され、加速管２に入射する。加速管２によって更に加速された電子ビームは、照射系レンズ群３によって試料７に向け集束される。なお、試料７は対物レンズが形成する磁場中に配置され、その結果、試料７の前方には、対物前方磁界６が形成され、試料７の後方には、対物後方磁界８が形成される。したがって、電子ビームは照射系レンズ群（コンデンサレンズ群)３と対物前方磁界６によって、試料７の表面上に細く集束される。
【０００７】
照射系レンズ群３を通過した電子ビームは、第１偏向コイル４と第２偏向コイル５に流される走査信号に応じて偏向を受ける。この第１の偏向コイル４の偏向の向きと第２の偏向コイル５の偏向の向きは互いに逆となっている。その結果、試料７に対して電子ビームは照射位置が走査されるに従って変化するものの、電子ビームは試料１に対して常に垂直入射の条件を満足して試料上の任意の大きさの範囲を２次元走査する。
【０００８】
試料７を透過した電子は、試料の後方に形成された対物後方磁界８と結像レンズ群９とによって集められ、ドーナッツ状の暗視野走査像検出器１０によって検出される。なお、試料７の直ぐ上の側部には、２次電子検出器１３が配置され、試料７への電子ビームの照射によって発生した２次電子は、検出器１３方向に引っ張られ、検出される。暗視野走査像検出器１０と２次電子検出器１３の検出信号は、制御部１２に供給される。制御部１２は広い範囲の機能を有しており、例えば、スキャンジェネレータや偏向コイル駆動増幅器が含まれ、第１偏向コイル４と第２偏向コイル５には、制御部１２から走査信号が供給される。
【０００９】
また、制御部１２は、検出信号を内蔵のフレームメモリーに供給し、暗視野走査像検出器１０と２次電子検出器１３の検出信号は、それぞれ別個のフレームメモリーの走査位置に対応したアドレスに格納される。このフレームメモリーでは、暗視野走査像検出器１０と２次電子検出器１３によって検出された信号の積算処理が、それぞれ各画素ごとに施され、信号のＳＮ比の向上が図られている。
【００１０】
なお、図１の構成では、試料を透過した電子を検出し、走査透過像を観察する例、および、試料の側部に配置した２次電子検出器１０によって、試料７からの２次電子を検出し、走査２次電子像を取得する例について説明したが、透過電子顕微鏡における走査像の観察は、対物レンズ上部に２次電子検出器や反射電子検出器を配置し、試料から発生する２次電子を対物前方磁界６によって拘束して対物レンズ上部に取り出し、対物レンズ上部の検出器によって検出するように構成しても良い。
【００１１】
ここで、図１に示したごとき走査像観察機能を有した透過型電子顕微鏡において透過型電子顕微鏡像を観察する動作および走査像を得る際の動作について説明する。まず、透過型電子顕微鏡像を観察する場合、加速管２によって加速された電子ビームは、照射系レンズ群３によって試料７上の観察領域をカバーする範囲に平行ビームとして照射される。試料を透過した電子は、結像系レンズ群９によって図示していない蛍光板上に結像される。一般的にはこの蛍光板上に投影された像の観察を行い、目的の視野の像が確認できたら、蛍光板を光軸から取り除き、蛍光板の下部のカメラ装置によって所望の透過型電子顕微鏡像の写真を撮る。なお、最近では、蛍光板の位置にＣＣＤカメラを配置し、このカメラの表面に投影された像を画素ごとに取り込み、各画素信号をディジタル処理を行った後、フレームメモリーに格納し、フレームメモリーに記憶された画像信号を取り出してディスプレイに供給し、ディスプレイ上で透過型電子顕微鏡像を観察することも行われている。
【００１２】
次に、走査電子顕微鏡像を取得する場合について説明する。この場合、電子ビームは照射系レンズ群３と試料の前段の対物前方磁界３によって試料上に細く集束される。更に、電子ビームは第１偏向コイル４と第２偏向コイル５によって偏向を受ける。第１偏向コイル４，第２偏向コイル５には、制御部１２から倍率に応じた２次元走査信号が供給され、その結果、試料上の所望の２次元領域が電子ビームによって走査される。試料への電子ビームの照射による透過電子と、試料７から発生した２次電子の両検出器１０，１３からの出力信号は、それぞれ制御部１２に供給され、電子ビームの走査に同期して走査像モニター１１に供給され、モニター上に走査２次電子像か暗視野走査像が表示される。
【００１３】
上記したように、透過型電子顕微鏡像や走査電子顕微鏡像が観察できるが、高い分解能で像を観察するためには、試料に照射される電子ビームのフォーカスが合っていること、収差が補正されていることが重要である。このため、特許文献１では、試料の前後に配置された２段偏向系により、光軸から離れた視野を平行照射して、フォーカス合わせ、非点補正などを行い、像を撮影するときに視野を光軸に戻すようにしている。この方式の目的は、撮影視野に連続して電子ビームを照射することによる試料表面の汚染、損傷を撮影領域で生じないようにすることである。
【００１４】
また、特許文献２には、透過型電子顕微鏡の照射系に球面収差補正装置を用い、集束した電子ビームの収差を補正してより微小な電子プローブを試料に照射する方法が示されている。球面収差補正装置を用いて収差補正を行う方法のひとつに、電子ビームの光軸に対して傾斜した電子プローブを試料に照射し、得られた暗視野走査像を用いて求めた電子プローブの断面形状などのデータに基づいて補正を行う方法がある。
【特許文献１】特公昭５９−１９４０８号
【特許文献２】特開２００３−９２０７８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
図１に示した従来の透過電子顕微鏡における走査像観察機能では、傾斜角を大きく取って電子ビームを走査することはなかったため、暗視野像検出器位置においては、主ビームが暗視野像検出器の中心から大きく外れた状態で検出されることはなかった。しかしながら、上記したように図１の構成において、照射系レンズ群の下部に収差補正器１４を設けて、電子ビームの収差補正を行うためには、現状の収差の値を求める必要がある。このため、大きく傾斜したプローブで走査を行うと、上記のように暗視野像検出器１０の中心から大きく外れた状態で透過電子を検出することになる。この状態では、正しく信号検出がされていないため、収差補正を行うための正しい情報が得られない。
【００１６】
図２は、大きく傾斜したプローブで走査を行った場合の電子ビームの光線図であり、図３は、暗視野走査像検出器１０を光源方向から見た平面図であり、検出器１０に重ねて主ビームの位置を示している。図中２１は暗視野走査像検出器１０の検出面である。２２で示すように、試料に対して垂直な主ビームが検出面２１の中心を通過すれば、演算によりプローブ形状を正確に求めることができる。しかしながら、主ビームが傾斜することにより環状の検出面の中心を通らない２３で示す状態では、偏った散乱強度を各検出面が検出することになり、この信号をもとに演算により求めたプローブ形状を計測するため、収差補正の情報が不正確となる。
【００１７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、電子ビームを試料上で傾斜させて走査した場合でも、主ビームが常に円環状の暗視野走査像検出器の中心を通るようにすることができる走査像観察機能を有した透過型電子顕微鏡を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
請求項１の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡は、照射レンズ系によって、電子銃からの電子ビームを試料の所定領域に平行ビームとして照射し、試料を透過した電子を結像レンズ系により結像させて、透過電子顕微鏡像を形成する透過電子顕微鏡モードと、照射レンズ系によって電子ビームを試料に細く集束させ、試料上の２次元領域で電子ビームを走査し、電子ビームの照射により試料から発生した信号を検出する走査電子顕微鏡モードを有し、電子ビーム照射側の試料上で電子ビームを所定角度傾斜させて走査するための第１の偏向手段と、結像側で、試料を透過した電子を検出するための環状の検出面を有した暗視野走査像検出器と、試料と暗視野走査像検出器との間に配置され、結像側で主ビームを照射側の電子ビームの傾斜角に応じて光軸に振り戻すための第２の偏向手段とを備えたことを特徴としている。
【００１９】
請求項２の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡は、請求項１の発明において、円環状の検出面を有した暗視野走査像検出器は、結像側の回折像面に円環状の検出面の中心を光軸に一致させるようにして配置したことを特徴としている。
【００２０】
請求項３の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡は、請求項１〜２の発明において、第１の偏向手段と第２の偏向手段は、それぞれが２段偏向とされており、２段偏向のそれぞれがＸ、Ｙ方向にそれぞれ２組の偏向コイルを有しており、それぞれ２組の偏向コイルの一方は、高倍率用にコイルの巻数が少なくされており、他方は、低倍率用にコイルの巻数が多くされていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡では、照射レンズ系によって、電子銃からの電子ビームを試料の所定領域に平行ビームとして照射し、試料を透過した電子を結像レンズ系により結像させて、透過電子顕微鏡像を形成する透過電子顕微鏡モードと、照射レンズ系によって電子ビームを試料に細く集束させ、試料上の２次元領域で電子ビームを走査し、電子ビームの照射により試料から発生した信号を検出する走査電子顕微鏡モードを有し、電子ビーム照射側の試料上で電子ビームを所定角度傾斜させて走査するための第１の偏向手段と、結像側で、試料を透過した電子を検出するための環状の検出面を有した暗視野走査像検出器と、試料と暗視野走査像検出器との間に配置され、結像側で主ビームを照射側の電子ビームの傾斜角に応じて光軸に振り戻すための第２の偏向手段とを備えたことを特徴としている。この結果、主ビームを環状の暗視野走査像検出器の中心を通すことができ、暗視野走査像検出信号から正確な電子ビームの収差による信号が得られ、この正確な収差信号に基づき、電子ビームの収差を精度高く補正することができる。
【００２２】
請求項２の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡は、請求項１の発明において、請求項１の発明において、円環状の検出面を有した暗視野走査像検出器は、結像側の回折像面に円環状の検出面の中心を光軸に一致させるようにして配置したことを特徴としている。請求項１の発明と同様に、電子ビームの収差に応じた正確な情報を得ることができ、正確な電子ビームの収差補正を行うことができる。
【００２３】
請求項３の発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡は、請求項１〜２の発明において、第１の偏向手段と第２の偏向手段は、それぞれが２段偏向とされており、２段偏向のそれぞれがＸ、Ｙ方向にそれぞれ２組の偏向コイルを有しており、それぞれ２組の偏向コイルの一方は、高倍率用にコイルの巻数が少なくされており、他方は、低倍率用にコイルの巻数が多くされていることを特徴としている。その結果、低倍の際に振幅の大きな走査信号に対して、巻数が多いコイルが使用されるため、振幅の大きな信号に対する応答性がよく走査信号に基づく偏向電場に歪みが生じることはない。一方、高倍観察の際には、振幅の小さな走査信号に対して巻数の少ないコイルを用いたので、高速の繰り返しの走査信号にも偏向コイルが追随し、偏向電場が走査信号の変化に遅れるようなことは生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図４は本発明に基づく走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡を示しており、図１の従来装置と同一ないしは類似の構成要素には同一番号を付してその詳細な説明は省略する。図４において、試料への電子ビームの照射側には、第１の偏向手段２５が設けられている。第１の偏向手段２５は、第１と第２の偏向コイル２６，２７より構成されている。第１と第２の偏向コイル２６，２７は、それぞれＸ方向とＹ方向の偏向コイルを有しており、２段偏向の構成とされている。
【００２５】
上記第１と第２の偏向コイル２６，２７は、それぞれＸ方向とＹ方向の偏向コイルを有している。更にそれぞれがＸ方向に２組の偏向コイルを、Ｙ方向にも２組の偏向コイルを有している場合もある。その場合、第１の偏向コイル２６のＸ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＸ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。第１の偏向コイル２６のＹ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＹ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。Ｘ、Ｙ方向共に、低倍観察の時には、巻数が多いコイルが使用され、高倍観察の時には、巻数が少ないコイルが用いられる。
【００２６】
同様に、第２の偏向コイル２７のＸ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＸ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。第２の偏向コイル２７のＹ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＹ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。Ｘ、Ｙ方向共に、低倍観察の時には、巻数が多いコイルが使用され、高倍観察の時には、巻数が少ないコイルが用いられる。
【００２７】
その結果、低倍の際に振幅の大きな走査信号に対して、巻数が多いコイルが使用されるため、振幅の大きな信号に対する応答性がよく走査信号に基づく偏向電場に歪みが生じることはない。一方、高倍観察の際には、振幅の小さな走査信号に対して巻数の少ないコイルを用いたので、高速の繰り返しの走査信号にも偏向コイルが追随し、偏向電場が走査信号の変化に遅れるようなことは生じない。
【００２８】
図４に示すように、第１の偏向手段２５により、電子ビームは試料に対して斜めに入射し、斜め照射の状態を保ったまま２次元走査が行われる。この図に示すように、通常、電子ビームを試料７に斜めに入射させた場合、試料を透過した主ビームは、暗視野走査像検出器１０の環状の検出面の中心から外れた位置を通過する。
【００２９】
本実施の形態では、結像系レンズ群９の後段の暗視野走査像検出器との間に第２の偏向手段２８が設けられている。第２の偏向手段２８は、第１と第２の偏向コイル２９，３０より構成されている。第１と第２の偏向コイル２９，３０は、それぞれＸ方向とＹ方向の偏向コイルを有しており、２段偏向の構成とされている。
【００３０】
上記第１と第２の偏向コイル２９，３０は、それぞれＸ方向とＹ方向の偏向コイルを有している。更にそれぞれがＸ方向に２組の偏向コイルを、Ｙ方向にも２組の偏向コイルを有している場合もある。その場合、第１の偏向コイル２９のＸ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＸ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。第１の偏向コイル２９のＹ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＹ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。Ｘ、Ｙ方向共に、低倍観察の時には、巻数が多いコイルが使用され、高倍観察の時には、巻数が少ないコイルが用いられる。
【００３１】
同様に、第２の偏向コイル３０のＸ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＸ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。第２の偏向コイル３０のＹ方向の２組のコイルの内一方は巻数の多いコイルであり、他方のＹ方向のコイルは、巻数の少ないコイルである。Ｘ、Ｙ方向共に、低倍観察の時には、巻数が多いコイルが使用され、高倍観察の時には、巻数が少ないコイルが用いられる。
【００３２】
その結果、低倍の際に振幅の大きな走査信号に対して、巻数が多いコイルが使用されるため、振幅の大きな信号に対する応答性がよく走査信号に基づく偏向電場に歪みが生じることはない。一方、高倍観察の際には、振幅の小さな走査信号に対して巻数の少ないコイルを用いたので、高速の繰り返しの走査信号にも偏向コイルが追随し、偏向電場が走査信号の変化に遅れるようなことは生じない。
【００３３】
前記したように、図４に示した実施の形態では、第１の偏向手段２５により、電子ビームを試料７に対して斜めに入射させ、斜め照射の状態を保ったまま２次元走査を行うようにした。したがって、試料７を透過した主ビームは、点線で軌道を示すように、暗視野走査像検出器１０の環状の検出面の中心から外れた位置を通過する。本実施の形態では、試料７と暗視野走査像検出器１０との間に、試料に照射される電子ビームの傾斜角に応じた電子ビームの振り戻しのための走査信号を制御部１２が作成し、第２の偏向手段２８による２段偏向により、主ビームの軌道は振り戻され、暗視野走査像検出器１０の環状の検出面の中心を必ず通過することになる。
【００３４】
このようにして、主ビームが環状の検出面の中心を常に通過させるようにしたので、暗視野走査像検出器１０の検出信号に基づいて、現状の収差の値を求めることができ、この求められた値に基づいて図１に示した収差補正器１４を制御すれば、電子ビームの収差補正を正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】従来の走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡の一例を示す図であり、試料に電子ビームを垂直入射させた場合の電子ビームの主ビームの軌跡を示す図である。
【図２】試料に照射される電子ビームを傾斜させて走査したときの電子ビームの主ビームの軌跡を示す図である。
【図３】暗視野走査像検出器の環状の検出面と、主ビームの通過位置との関係を示す図である。
【図４】本発明の一実施の形態である走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡を示す図である。
【符号の説明】
【００３６】
１  エミッター
２  加速管
３  照射系レンズ群
４，５，２６，２７，２９，３０  偏向コイル
６  対物前方磁界
７  試料
８  対物後方磁界
９  結像系レンズ群
１０  暗視野走査像検出器
１１  モニター
１２  制御部
１３  ２次電子検出器
２５  第１の偏向手段
２８  第２の偏向手段
【図１】
2006302523.tif 000003
【図２】
2006302523.tif 000004
【図４】
2006302523.tif 000005
【図３】
2006302523.tif 000006