(57)【要約】【課題】走査コイル5による試料上での１次電子線位置の変化に伴って現れる、電子線検出器上での透過電子線位置変化を相殺する振り戻しコイル11の補正精度を向上させる。【解決手段】走査コイル5の制御をデジタル化し、このデジタル信号と同期しながらFM（2）に登録された振り戻しテーブルの値を振り戻しコイル11を出力する。振り戻しテーブルは、走査コイル5や振り戻しコイル11を動作させる前後の回折像をカメラで撮影し、回折像の移動量を画像処理で解析した結果に基づいて作成する。【効果】装置の設定状態が変化しても、振り戻しテーブル更新で簡便に対応できるので、いつでも高精度な振り戻しが実行できる。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次電子線を発生する電子銃及びその制御部と、１次電子線を収束して試料に照射する照射系レンズ及びその制御部と、収束された１次電子線を試料上で走査する走査コイル及びその制御部と、試料を保持する試料ステージ及びその制御部と、試料を透過した電子線を検出する電子線検出器及びその制御部と、電子線検出器の出力値を走査コイルの制御値と同期させて画像を形成する画像形成部及びその制御部とからなる電子顕微鏡において、
試料に対する１次電子線の移動によって発生する電子線検出器に対する透過電子線の移動を補正する補正部と、
透過電子線の移動を測定する測定部と、
透過電子線の移動の補正に必要な補正部制御値を求める解析部と、
補正部制御値を記録するメモリと、
走査コイルの制御に同期してメモリ内の制御値を補正部に出力する制御部を持つことを特長とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、
前記測定部は、透過電子の回折像を撮影するカメラと、カメラで撮影された回折像間の移動量を画像処理で解析する画像処理部とを有することを特長とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記補正部は、試料と電子線検出器の間に設置された偏向コイルであることを特長とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記測定部は、電子分光器でエネルギー分光された透過電子線のスペクトルを検出する検出器と、検出器で検出されたスペクトル間の移動量を解析する解析部とを備えることを特長とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記補正部は、検出器に対するスペクトルの位置を変化させる電子分光器の加速部であることを特長とする電子顕微鏡。
【請求項６】
電子銃より１次電子線を発生させる工程と、１次電子線を収束して試料に照射する工程と、１次電子線を試料面内で走査する工程と、試料を透過した透過電子線を電子線検出器で検出する工程と、電子線検出器の出力値を走査コイルの制御値と同期させて画像を形成する工程を含む電子顕微観察方法において
試料に対する１次電子線の移動によって発生する電子線検出器に対する透過電子線の移動を補正する補正部の制御値を解析する工程と、
該補正部制御値をメモリに記録する工程と、
走査コイルの制御に同期してメモリ内の制御値を補正部に出力する工程を含むことを特長とする電子顕微方法。
【請求項７】
請求項６記載の電子顕微方法において、
前記補正部の制御値を解析する工程は、
補正部の制御値変化による電子線検出器に対する透過電子線の移動を測定する工程と、
走査コイルの制御値変化による電子線検出器に対する透過電子線の移動を測定する工程と、
前記測定結果から走査コイル制御値変化による透過電子線の移動を相殺するのに必要な補正部制御値量を求める工程とを含むことを特長とする電子顕微方法。
【請求項８】
請求項６記載の電子顕微方法において、
請求項６記載の電子線検出器に対する透過電子線の移動は、電子線検出器で検出する透過電子の回折角度範囲を制限する絞りに対する透過電子線の移動であることを特長とする電子顕微方法。
【請求項９】
請求項１記載の電子線顕微鏡において、
前記検出器に対する透過電子線の移動は、電子分光器でエネルギー分光された電子線から所定のエネルギー幅の電子線を選択するエネルギースリットに対する透過電子線の移動であることを特長とする電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項１記載の電子線顕微鏡において、
前記補正部に対して、前記補正部制御値の解析指示、前記補正部制御値の記録指示または前記補正部制御値の出力指示のいずれかを行なうためのユーザーインターフェースを備えることを特長とする電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は走査透過電子顕微鏡(STEM : Scanning Transmission Electron Microscope)に係り、特に試料を透過した電子線の制御装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
STEMはサブナノメートルという高空間分解能で試料構造を可視化する装置である。ナノメートルオーダまで収束した電子ビームを数100 nmまで薄膜化した試料上でラスター走査し、電子線照射領域から発生する信号を検出し、ラスター走査と同期させることによって２次元画像を形成する。電子線照射領域から発生する信号としては、透過電子線、２次電子線、特性X線などがある。
【０００３】
図２は一般的なSTEMの基本構成図である。鏡体の光軸20と平行な方向をZ方向、光軸と直交する面をXY平面とする。電子銃１から放射された１次電子線は数100ｋVに加速され、第1コンデンサレンズ2と第2コンデンサレンズ3で成形され、1次電子線の開き角を制限するコンデンサ絞り4を通り、対物前磁場レンズ7-1で試料21上に焦点される。対物レンズ7は物理的に１つのレンズであるが、試料21を対物レンズ7のギャップに設置することから、レイダイヤグラムとしては１次電子線の焦点を試料上にあわせる対物前磁場レンズ7-1と、試料21を透過した透過電子線を投影する役割を持つ対物後磁場レンズ7-2を仮定してある。これらのレンズを含む照射レンズシステムによって1次電子線は試料21上でサブnm径に収束される。
【０００４】
試料21を透過した透過電子線は対物後磁場レンズ7-2と投影レンズ9によって電子線検出系に投影される。1次電子線は走査コイル5によってXY面内をラスター走査される。走査コイル5の制御信号と電子線検出器の出力信号を同期させることによって、コンピュータ内でSTEM像を形成し、モニターに表示する。STEMの特長は、検出信号を変更することによって様々な試料情報を簡便に画像化できることである。円環型電子線検出器12を用いて高角散乱電子を検出すると高角散乱円環暗視野(HAADF : High Angle Annular Dark Field)像が得られる。検出角度制限絞り13、で光軸20近辺の低角散乱電子を選択し、電子線検出器14で低角散乱電子を検出すると明視野(BF : Bright Field)像が得られる。
【０００５】
特開2001-93459号公報には、電子エネルギー損失分光(EELS : Electron Energy Loss Spectrum)像を取得するための装置構成において、振り戻しコイルを用いて、試料に対する1次電子線の入射位置の変化に伴って発生する電子線検出器に対する透過電子線の入射位置の変化を相殺する技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開2001-93459号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
試料21に対する１次電子線の入射位置を変化させると、電子線検出器に対する透過電子線の入射位置が変化する。透過電子からある条件の電子を絞りやスリットで選択して検出する際、電子線検出器に対する透過電子線が移動すると、１次電子線の入射位置によって電子線検出器で検出される透過電子の条件が変化してしまい、STEM像にアーティファクトが発生する。振り戻しコイルを用いれば、アーティファクトの抑制が可能であるが、特開2001-93459号公報には、振り戻しコイルの具体的な制御方法が全く開示されていない。
【０００８】
よって、本発明は、透過電子線の振り戻しを、特開2001-93459号公報に開示された技術よりも高精度に行なうことにより、より高度な画像補整が実現された電子顕微鏡またはその応用装置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】
【０００９】
本発明は、高精度な画像補整を実現するために、透過電子線の移動量を実測し、実測結果に基づいて透過電子線の振り戻しを制御する。このため、本発明に関わる電子顕微鏡ないし画像補整システムにおいては、透過電子線の移動量の実測手段、透過電子線の振り戻し手段、実測された移動量に基づき振り戻し量を決定する手段とを備え、及び当該決定された振り戻し量を振り戻し手段にフィードバックして画像補整を実行する。
【００１０】
移動量の実測手段としては、例えば、シンチレータ付きＣＣＤカメラなどの電子線像検出器を用いることができる。透過電子線の振り戻し手段としては、例えば振り戻しコイルを用いるのが良いが、他に適当な手段があればそちらを用いても良い。振り戻し量の決定手段としては、例えば、実測値に基づき振り戻し量を決定するための演算手段に所定のアルゴリズムを実行させる等の手段により実現する。
【発明の効果】
【００１１】
１次電子線走査による透過電子の移動を振り戻しコイルで相殺するシステムにおいて、最も重要な装置性能は補正精度である。しかし従来制御システムでは、補正精度を向上させるには煩雑な装置調整が必要であった。そこで我々は、走査コイル5の制御をデジタル化し、デジタル信号と同期しながらFM（2）に登録された振り戻しテーブルの値を振り戻しコイル11を出力させるシステムを考案した。振り戻しテーブルは、走査コイル5や振り戻しコイル11を動作させる前後の透過電子の位置をカメラで撮影し、透過電子の移動量を解析した結果に基づいて作成される。装置の設定状態が変化しても、振り戻しテーブル更新で対応できるので、いつでも高精度な振り戻しを実行することが出来る。振り戻しテーブルの更新は計算機16に登録された解析フローに従って自動的に実行されるので、煩雑な調整作業は必要ない。エンドユーザは入射電子線走査によって透過電子が振動していると認識した時、振り戻しテーブル更新の命令を送るだけでよい。
【００１２】
補正精度向上により、STEM像の視野を拡大することが出来る。これによって装置の使い勝手が非常に向上する。また、検出角度制限絞りの孔径を小さくすることも可能になり、透過電子線の選別精度を向上させることも出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明に関わる電子顕微鏡ないし画像補整システムにおいては、透過電子線の移動量の実測手段、透過電子線の振り戻し手段、実測された移動量に基づき振り戻し量を決定する手段とを備え、及び当該決定された振り戻し量を振り戻し手段にフィードバックして画像補整を実行する。
【００１４】
移動量の実測手段としては、例えば、シンチレータ付きＣＣＤカメラなどの電子線像検出器を用いることができる。透過電子がシンチレータに入射すると、その位置から光子が発生し、その光子をＣＣＤカメラで検出する。ＣＣＤカメラで撮影された電子線像は画像処理部に送られる。画像処理部は１次電子線の移動による透過電子線の移動量を解析し、解析結果をメモリに記録する。透過電子線の振り戻し手段としては、振り戻しコイルを用いるのが良いが、他に適当な手段があればそちらを用いても良い。例えば、図３に記載されたような構造のSTEMにおいては、検出角度制限絞り13の位置を透過電子線の移動量に追従させて、電子線検出器14で検出する透過電子を補整しても良い。
【００１５】
また、電子線検出器14を電子線像検出器に変更し、指定された画素領域の検出信号でSTEM像を形成するシステムとし、概画素領域を透過電子の移動量に追従させて、STEM像を形成する透過電子を補整しても良い。振り戻し量の決定手段としては、例えば、１次電子線の走査コイルの制御量と透過電子線の移動量の対応と、振り戻し手段の制御量と透過電子線の移動量の対応を測定する。これらの実測値から、演算手段は１次電子線の移動によって生じる透過電子線の移動を相殺するために必要な振り戻し手段の制御量を計算する。振り戻し手段の制御量は、測定時の電子光学条件と共にメモリなどの記録手段に格納される。振り戻し実行時には、実行時の電子光学条件に応じて必要な振り戻し制御量が読み出され、振り戻し手段に送られる。なお、実行時の電子光学条件における振り戻し制御量がメモリに記録されていない場合、メモリに記録されている振り戻し制御量に必要な演算を施した後、振り戻し手段に送信する。例えば、測定時と実行時で倍率が異なる場合、メモリに記録された振り戻し制御値に倍率補正した値が振り戻し手段に送られる。
【実施例１】
【００１６】
以下、第１の実施例について説明する。本実施例で用いたSTEMの基本構成図を図3に示す。鏡体の光軸20と平行な方向をZ方向、光軸と直交する面をXY平面とする。1次電子線を放出する電子銃1、電子銃１から放射された1次電子線を成形する第1コンデンサレンズ2と第2コンデンサレンズ3、1次電子線の開き角を制限するコンデンサ絞り4、1次電子線を試料上で走査させる走査コイル5、1次電子線の焦点を試料上にあわせる対物レンズ7、試料21を保持する試料ステージ8、試料21の表面から放出される2次電子を検出する2次電子検出器6、試料21を透過した透過電子線を電子線検出系に投影する投影レンズ9、電子線検出系に対する透過電子の設定する検出電子設定コイル10、試料上での入射電子線走査に起因する検出角度制限絞り上での電子線の移動を相殺する振り戻しコイル11、透過電子のうちの高角散乱電子を検出する円環型電子線検出器12、透過電子からから所望の検出角度の電子線を抽出する検出角度制限絞り13、検出角度制限絞りを通過した透過電子を検出する電子線検出器14、透過電子によって形成される回折像を撮影する電子線検出カメラ15、及び電子銃、各電子レンズ、各コイル、各絞り、試料ステージ、各検出器を制御する制御回路、各制御回路を制御する計算機16から構成される。検出角度制限絞り13及び電子線検出器14は可動式になっており、電子線検出カメラ15で回折像を観察するときには光軸から外れる機構になっている。
【００１７】
次に、図３の装置を用いてSTEM像を得る工程を説明する。電子銃1から一次電子線を引出し電圧V1で引出し、加速電圧V0を印加する。試料2１を試料ステージ8に載せ、試料室に挿入する。第1コンデンサレンズ2、第2コンデンサレンズ3、対物レンズ7、投影レンズ9の電流値を所定の値に設定する。対物レンズ7は物理的に１つのレンズであるが、試料を対物レンズのギャップに設置することから、レイダイヤグラムとしては１次電子線の焦点を試料上にあわせる対物前磁場レンズと試料21を透過した透過電子線を投影する役割を持つ対物後磁場レンズを仮定してある。１次電子線は第1コンデンサレンズ2及び第2コンデンサレンズ3で成形し、対物前磁場レンズ7-1で試料面上に焦点を結ばせる。試料21を透過した電子線は対物後磁場レンズ7-2と投影レンズ9で順次結像された後、電子線検出系に投影される。走査コイル5を制御し、微小に収束された電子線を試料面上でX-Y面でラスター走査する。走査コイル5による走査位置情報と電子線検出器の出力信号を同期させてコンピュータ内でSTEM像を形成し、モニターに表示する。
【００１８】
STEMの特長は検出電子を変更することによって、様々な試料情報を簡便に画像化できることである。円環型電子線検出器12を用いて高角散乱電子を検出すると高角散乱円環暗視野(HAADF : High Angle Annular Dark Field)像が得られる。検出角度制限絞り13、で光軸20近辺の低角散乱電子を選択し、電子線検出器14で低角散乱電子を検出すると明視野(BF : Bright Field)像が得られる。透過電子線から特定の回折指数の回折電子線を検出電子設定コイル10で検出角度制限絞り13の穴に導き、電子線検出器14で検出すると、指定した回折指数の暗視野像が得られる。また、試料表面から放出される2次電子を2次電子線検出器6で検出すると、高加速2次電子像も得られる。
【００１９】
2次電子線検出器6は様々な方向に放出された2次電子を取り込む構成になっているので、試料21上での1次電子線の入射位置を変化させても電子線の検出効率はほとんど変化しない。一方、透過電子線検出器は透過電子線の回折方向によって透過電子を選別して検出している。その選別のために、投影レンズ9、検出電子設定コイル10、検出角度制限絞り13などから構成される投影レンズシステムが設けられている。試料21上での1次電子線の入射位置が変化すると、投射レンズシステムにおける透過電子の軌道が変化し、検出角度制限絞り13上での透過電子線の入射位置が変化する。
【００２０】
図4に、試料21上での1次電子線の入射位置が変化した場合の、検出角度制限絞り13に入射する透過電子の位置変化を示す。試料21上で1次電子線の入射位置が光軸上からRsだけ移動すると、検出角度制限絞り13に入射する透過電子線の位置はRdだけ移動する。Rdの大凡の移動量は対物後磁場レンズと投影レンズの光学倍率から計算することができる。具体的には、対物後磁場レンズ7-2の光学倍率Moと投影レンズ9の光学倍率Mp、検出角度制限絞り13上でのビーム広がりｒを計算することにより、Rdは数１で概算することが出来る。
【００２１】
【数１】
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【００２２】
ただし、対物レンズ7や投影レンズ9の設定は様々な要因でも変化する。例えば、対物レンズ内での試料21のZ位置が変化したときのRdの変化を図５に示す。簡単のために、投影レンズを省略した場合について考察した。図５(a)は、試料21が対物レンズの中央にある場合を示す。試料21が対物レンズの中央よりも下流にあると、試料21に１次電子線の焦点をあわせるために、対物レンズ７の励磁を下げて焦点距離を長くする(図５(b))。試料21が対物レンズの中央よりも上流にあると、対物レンズ４の焦点距離を短くする(図５(ｃ))。
【００２３】
以上の様に、試料21の高さが変ると対物レンズの像面の位置つまりLoが変化する。更に投影レンズの像面の位置つまりLpも変化することは明らかである。LoやLpが変化するとRdが変化することは数１から示される。Rdを変化させる要因としては、試料のZ位置変化の他にも、仮想光源のZ位置変化もあげられる。更に、電子光学系の調整状態によってRdが光軸に対して非対称に変化する場合もある。例えば、投影レンズに非点がある場合、Rdの変化量も非点を持つことになる。またRdが大きくなると、投影レンズの軸外収差の影響も無視できなくなる。高精度な振り戻しの実現のためには、これらの要因を簡便に相殺するシステムが必要である。
【００２４】
そこで我々は、高精度な振り戻しを実現するために、Rdを実測し、実測結果に基づいて振り戻しテーブルを作成し、この振り戻しテーブルに基づいて振り戻しコイルを制御するシステムを考案した。そのシステム構成図を図１に示す。本システムでは、走査コイルの制御値はDBC(Digital Beam Control)回路から出力される。このデジタル信号と同期しながらFM(Frame Memory)（2）に登録された振り戻しテーブルの値を振り戻しコイル11を出力させる。本実施例の補正システムは、電子線検出器の出力を走査コイルと同期してフレームメモリFM（1）に書き込むシステムに加えて、FM（2）に記録された値を走査コイルに同期させて出力するシステムを備えている。振り戻しテーブルにはSTEM像と同じ画素数を持たせた。振り戻しテーブルとSTEM像の画素数を同じにした方が、振り戻しテーブルからの制御値を読み出す際に演算が必要ないので効率的である。ただし、制御値の読み飛ばしや重複を行うアルゴリズムを追加すれば、振り戻しテーブルとSTEM像の画素数は異なっていても良い。
【００２５】
工場出荷時、フレームメモリに電子光学シミュレーション値や同種の装置で測定された振り戻しテーブルを格納しておいた方が良い。振り戻しテーブルの校正方法を習得していない初心者は、この振り戻しテーブルを用いて振り戻しを実行する。校正方法を習得した後、最新の測定値を用いて振り戻しテーブルを作成し、振り戻し精度を向上させれば良い。なお、装置据付者が据付時に振り戻しテーブルの校正を行う場合、工場出荷時のフレームメモリを空白のままとしても良い。
【００２６】
振り戻しテーブルは、走査コイルや振り戻しコイルの動作前後の回折像をカメラで撮影し、回折像の移動量を画像処理で解析した結果に基づいて作成される。画像間の移動量解析方法には、位相限定相関法、規格化相関法、最少二乗法、その他様々なパターンマッチング方法が利用できる。なお、今回の移動量解析には位相限定相関法を用いた。この位相限定相関法を、図18を用いて説明する。位置ずれD=(Dx, Dy)のある2枚の離散画像S1(n, m)、S2(n, m)を仮定し、S1(n, m)=S2(n+Dx, m+Dy)と記述する。S1(n, m), S2(n, m)の2次元離散的フーリエ変換をS1'(k, l), S2'(k, l)とする。フーリエ変換にはF{S(n+Dx, m+Dy)}=F{S(n, m)}exp(iDx・k+iDy・l)の公式があるので、S1'(k, l)=S2'(k, l)exp(iDx・k+iDy・l)と変形できる。
【００２７】
つまりS1'(k, l)とS2'(k, l)の位置ずれは位相差exp(iDx・k+iDy・l)=Ｐ'(k, l)で表現される。Ｐ'(k, l)は周期が(Dx, Dy)の波でもあるので、位相差画像P'(k, l)を逆フーリエ変換した解析画像P(n, m)には(Dx, Dy)の位置にδ的なピークが発生する。なお振幅の情報を全て除去するのではなく、S1'(k, l)・S2'(k, l)*=|S1'||S2'| exp(iDx・k+iDy・l)の振幅成分にlogもしくは√の処理を施して振幅成分を抑制した画像を計算し、該画像に逆フーリエ変換を施しても、位置ずれベクトルの位置(Dx, Dy)にδ的なピークが発生するので、該画像で位置ずれ解析を行っても良い。位相差画像P'(k, l)をフーリエ変換しても(-Dx, -Dy)にδ的なピークが発生するので、位相差画像P'(k, l)のフーリエ変換像で位置ずれ解析を実行しても良い。
【００２８】
解析画像P(n, m)にはδ的なピークのみが存在すると仮定できるので、重心位置計算や関数フィッティングによって、δ的なピークの位置を小数点以下の精度で求められる。またδ的なピーク以外は雑音と見なすことが出来るので、解析画像P(n, m)全体の強度に対するδ的なピークの強度の割合を画像間の一致度と見なすことが出来る。従来の位置ずれ解析法では位置ずれ解析結果の信頼性を評価することは困難であり、解析に必要な周波数成分が不足していたために間違った位置ずれ量を出力しても、その位置ずれ量に基づいて解析フローを進めてしまう。これに対し本位置ずれ解析法では一致度が出力されるので、一致度の下限値を設定し、一致度が下限値以下であれば解析できなかった値としてそれを除去し、近傍の解析結果で自動的に補間するというフローが実行できる。
【００２９】
図6に、所定量回折像を移動させるために必要な振り戻しコイルの制御値変化量を求めるフローを示す。振り戻しコイルはｘ偏向とｙ偏向から構成されるので、振り戻りコイルの制御値はf=(fx,fy)と指定する。まずｆ0=(0,0)で参照用回折像を撮影した後、幾つかの制御値fi=(fxi,fyi)における回折像を撮影し、参照用回折像に対する移動量Fi=(FXi,FYi)を画像処理で解析する。その測定条件を設定する。例えば、振り戻しコイルの可動範囲がfx偏向では±1024digit、fｙ偏向で±1024digitと設定されている場合、fxに-1000digitから＋1000digitまで100digi 間隔で11ポイント、fyに-1000digitから＋1000digitまで100digi 間隔で11ポイント、格子状に121ポイントの測定条件を設定する。次に、得られた測定値からから回折像を所要量移動させるために必要な振り戻しコイル11の制御値変化量を求める変換式を得る。振り戻しコイルとカメラの間には電磁界レンズが設けられていないので、振り戻しコイルの制御値変化量と回折像移動量の変換式は2×2の行列Aで記述可能と仮定した。具体的には、振り戻しコイルのfｘ偏向の方向txとピッチa,  y偏向の方向tyとピッチｂを仮定し(図７参照)、数２を仮定した。
【００３０】
【数２】
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【００３１】
測定結果を元に、||Fi−A・ｆi||が最少となる様に行列Aのパラメータを最適化する。最適化された行列Aの逆行列A-1を計算する。回折像をFiだけ移動させるために必要な振り戻りコイルの制御値変化量ｆiは回折像移動量FiにA-1を乗じて計算する。なお、振り戻しコイルの制御値変化量から数2で計算された移動量と、実測された移動量とのずれが大きい場合、例えば軸外れが大きく、電子の起動は渦巻状に変化している場合も考えられる。その場合、変換式に軸外収差の項を加える必要がある。
【００３２】
次に、走査コイル5の制御値変化量による回折像の移動量から振り戻しテーブルを作成する。走査コイル5とカメラ15の間には対物レンズ7や投影レンズ9が存在するので、それらの設定条件によって回折像の移動量が複雑に変化する可能性がある。そこで、走査コイル5の制御値変化量による回折像の移動量を数式にフィッティングさせることはせず、測定値をそのまま用いることにした。なお、STEM像と同じ画素数だけ測定するのは効率が悪いのと、電磁界が急峻に変化することは無いと仮定できるので、適当な間隔に測定ポイントを設定し、スプライン補間で補間することにした。そのフローを図８に示す。走査コイルもｘ偏向とｙ偏向から構成されるので、走査コイルコイルの制御値はｓ=(sx,sy)と指定する。ここで、走査コイル15の可動範囲がsx方向に1digitから640digit、sｙ方向に1digitから480digitと設定されていると仮定する。視野の中心、つまりｓ= (320,240)digitにおける参照用回折像を撮影した後、幾つかの走査コイル5制御値si=(sxi,syi)における回折像を撮影し、参照用回折像に対する移動量Si=(SXi,SYi)を画像処理で解析する。
【００３３】
測定ポイントとしては、例えば、sx方向に20digitから620digitまで40digi 間隔で16ポイント、ｓy方向に20digitから460digitまで40digi 間隔で12ポイント、格子状に192ポイント指定する。各ポイントにおいて、走査コイル５の制御値変化による  回折像の移動量が測定できたので、それを相殺するために必要な振り戻しコイルの制御値変化量を数２より求める。得られた制御値変化量を、STEM像と同じ画素数（640×480）のテーブルに、各ポイントの走査コイルの制御値に従って割り付ける。実測結果が割り付けられていない位置の値をスプライン補間などで補間し、振り戻しテーブルを完成させる。
【００３４】
振り戻しテーブルは、振り戻しテーブルを作成したSTEM倍率を共に保存する。１次電子線の走査範囲つまりSTEM倍率は試料観察中に何度も設定を変更する。その度に付し戻しテーブルを作成するのは効率が悪いので、振り戻しテーブルの値に倍率に反比例した値を乗じて振り戻しコイルに出力する。振り戻しテーブルを作成したときの倍率を記録し、振り戻しを実行する際には現在の倍率を読み取り、記録倍率に対する読み取り倍率の比の逆数を振り戻しテーブルの値に乗じて振り戻しコイルに出力する。記録倍率と読み取り倍率の差が大きいために、１次電子線走査による回折像の振動が顕著になった場合、振り戻しテーブルの再作成を実施する。
【００３５】
上記の振り戻しテーブル作成は、図8のフローに従って自動的に実行されるのでユーザーが煩雑な作業をする必要はない。ユーサーは振り戻しテーブル更新アイコンを用いて指示を出すだけで良い。図9には、メインの制御画面の構成例を示す。図3のシステム構成においては、図9の制御画面は、ＰＣ16のモニターに表示される。図9に示したメイン制御画面には、STEM像、回折像、振り戻しテーブル作成の指示を出すアイコンなどが表示される。振り戻しテーブル更新の判断は、主に回折像で判断する。図12(a)に示す様に、１次電子線の走査によって回折像が大きく振動し、検出したい透過電子線が検出角度制限絞り13から外れるような場合、振り戻しテーブルの更新は必須といえる。図12(b)に示す様に、回折像が僅かに振動している場合は観察目的に応じた判断する。
【００３６】
例えば、大凡の試料形状を測定する場合は振り戻しテーブル更新の必要は無いが、結晶構造解析は回折像に僅かでも振動が観察されれば振り戻しテーブル更新した方が良い。振り戻しテーブル更新アイコンをクリックもしくはダブルクリックすれば、図8のフローに従って最新の振り戻しテーブルが作成される。以後、この振り戻しテーブルに従って振り戻しコイルが制御される。現在の装置でも数分で作成可能であり、測定ポイントの点数を減らせば数十秒での作成も可能である。
【００３７】
なお、エンドユーザは振り戻しテーブル更新を指示するアイコンを用いて指示を出すだけで良いが、ユーザーによっては振り戻しテーブルが正しく作成されているかを確認する必要があり、そのためのサブ画面が幾つか用意されている。図10には、サブ制御画面の一例を示す。図8のフローに従って振り戻しテーブルを作成する指示を出す振り戻しテーブル更新アイコンに加え、図6のフローに従って変換式更新の指示を出す変換式更新調整アイコン、振り戻しテーブルに基づく振り戻し動作のon/offを支持する振り戻し実行アイコンが加えられる。
【００３８】
また、各コイルの制御値および画像処理で解析された移動量をデジタル表示する表示部が設けられる。表示機能として、走査コイル5の制御値を直前に撮影したSTEM像上に円マークで示すのも良い。既に解析が終わった位置を白抜きで表示し、現在解析中の位置を別の表示色で表示する。回折像の移動量の解析結果は回折像上の十字マークで示す。振り戻しコイルの制御値も２次元マップに円マークで表示すると、解析の進行状態やコイル制御値と移動量解析結果の対応を直感的に理解し易い。測定ポイントの指定を行う設定部も設ける。
【００３９】
また、作成された振り戻しテーブルの表示部も設ける(図11)。回折像の移動量の解析結果を２次元画像として表示することにより、解析結果の確認を容易に行える。コイル制御値(fx,fy)における回折像の移動量解析結果（FX,FY）を各々２次元像として表示する。移動量の変化は滑らであると仮定できるので、移動量が正しく解析されている場合は図11(a)のように滑らかな解析結果が表示される。コイル制御値変化量が大きすぎたために回折像の移動量が大きくなりすぎて移動量が解析できなかった場合は、図11(b)の様に、解析不能箇所での近傍で解析結果が急激に変化する。
【００４０】
移動量から振り戻しテーブルを作成するために補間処理を行う際に、解析できなかったポイントの結果を外し、解析できたポイントの結果を利用して補間する必要がある。移動量が解析できたか否かの判断は画像間の相関値から判断できる。この処理によって周辺部の振り戻し制御値が正しく見積もられているかの確認も、振り戻しテーブルの２次元画像表示にて行う。図11(c)の様に周辺部の値が正しく見積もられていない場合、測定条件を変更して再度度解析する必要がある。
【００４１】
以上、１次電子線走査による回折像の移動を振り戻しコイルで相殺するシステムにおいて、最も重要な装置性能は補正精度である。しかし従来制御システムでは、補正精度を向上させるには煩雑な装置調整が必要であった。そこで我々は、回折像の移動量の実測結果から振り戻しテーブルを作成し、１次電子線の走査に同期させて振り戻しコイルを制御するシステムを提案し、補正精度の向上と装置調整の簡便さを同時に実現させた。補正精度向上により、STEM像の視野を拡大することが出来る。また、検出角度制限絞りの孔径を小さくすることも可能になり、透過電子線の選別精度を向上させることも出来る。
【実施例２】
【００４２】
実施例1では振り戻しコイルとして、投影レンズ9と電子線検出器14の間に設置された1段の偏向コイルを用いているが、これ以外のコイルで振り戻しを実施することも可能である。例えば、図13に示す様に、2段の偏向コイルで実施しても良い。2段偏向は1段偏向よりも偏向量が小さくなるという欠点があるが、電子線の角度と位置の両方を調整することが可能になるという利点がある。
【００４３】
また、各コイルの機能を明確化するために、検出角度設定コイル10と振り戻しコイル11を別個に記載してあるが、1つのコイルでこれらの機能を実現させることは可能である。コイルの制御機構を簡素化したい場合には1つのコイルにまとめた方が良い。
また、振り戻りコイル制御値変化量と回折像の移動量の対応が複雑になるが、振り戻しコイルの位置を対物レンズと投影レンズの間に設置することの可能である(図14及び図15)。
【実施例３】
【００４４】
本実施例で用いるSTEM-EELSの基本構成図を図16に示す。
図3に示したSTEMの下にEELSが取り付けられている。EELSで透過電子線を検出するために、検出角度制限絞り13、電子線検出器14と共に、電子線検出カメラ15も可動式となっている。EELSは、４重極レンズ31、加速管32、電子分光装置33、４重極拡大レンズ34、エネルギースリット35、マッピング用電子線検出器36、スペクトル用電子線検出器37及びそれらの制御部から構成される。
【００４５】
次に、図16の装置を用いてEELS像を得る手順を示す。まず、実施例1記載の手順に従ってSTEM像を得る。検出角度制限絞り13でエネルギー分光する透過電子線を選択し、電子線検出器14及び電子線検出カメラ15を光軸から外し、EELSに透過電子線を入射する。入射した電子は電子線分光器33でエネルギー分散され、4重極拡大レンズ34で拡大されて検出器に投影される。まず、マッピング検出器36とエネルギースリットを外してスペクトル検出器37でエネルギースペクトルを得る。加速管32でエネルギースペクトルを平行移動させ、検出すべきエネルギー幅の透過電子線がエネルギースリット35を通過するように調整する。調整後、エネルギースリット35とマッピング用電子線検出器36を光軸上に挿入し、マッピング用電子線検出器36の出力信号と1次電子線走査信号を同期させてEELS像を得る。
【００４６】
1次電子線走査によってEELS入射面上での回折像の位置が変化すると、EELS内を通過する透過電子線の軌道が変化し、電子線検出器に投影される透過電子の位置が変化する。そのため、所定のエネルギー幅とは異なるエネルギー幅の透過電子線がエネルギースリット35を通過してマッピング用電子線検出器36に入射してしまう。これを防止するために、1次電子線の試料上での位置変化によって発生する、EELS入射面上での回折像の移動を相殺する振り戻しコイル11が設ける。この振り戻しコイル11の制御を、図1に示す振り戻しコイル制御システムにて行う。走査コイル5の制御値はDBC回路から出力される。このデジタル信号と同期しながらFM（2）に登録された振り戻しテーブルの値を振り戻しコイル11を出力させる。振り戻しテーブルは、走査コイル5や振り戻しコイル11を動作させる前後の回折像をカメラで撮影し、回折像の移動量を解析した結果に基づいて作成される。まず、振り戻しコイル11による回折像の移動量を解析する。この結果から回折像を所要量移動させるために必要な振り戻しコイル11の制御値変化量を求める変換式を得る。次に走査コイル5による回折像の移動量を解析する。前記変換式より、回折像の移動量を相殺するために必要な振り戻しコイルの制御値変化量を求め振り戻しテーブルとしてFM（2）に記録する。試料上での電子線入射位置Rsに応じて、振り戻しテーブルから読み出された制御量を振り戻りコイルに送ることにより、高精度な振り戻しが実行される。
【実施例４】
【００４７】
実施例3では、1次電子線走査によるEELS入射面上での回折像の位置変化をFM（2）と振り戻しコイルを用いて補正する技術を示した。本実施例では、エネルギースリット35に対する透過電子線の位置を加速管32で補正する技術を示す。図17に、振り戻しコイル11及び加速管32の制御システムの構成図を示す。実施例1に記載した手順にて振り戻しコイル11用の振り戻しテーブルを作成しFM（2）に記録する。走査コイル5に同期しながらFM（2）に記録された振り戻しテーブルの値を振り戻しコイルに送る。EELSでは、入射面での像が拡大されて出射面に到達するので、入射面上での透過電子線での入射位置や角度の変化がEELS内で拡大されてよってエネルギースリットに投影される。これを補正し、所定のエネルギー幅の透過電子線がエネルギースリットを通過するようにするために、加速管32でエネルギースリットに対する透過電子線の位置を補正する。
【００４８】
そのためにFM（2）'を設け、ゼロロススペクトルを利用して、１次電子線の走査によるエネルギースペクトルの移動を測定し、それを相殺するために必要な加速管32の制御値を求め、FM（2）'に保存する。FM（2）'のデータはFM（2）と振り戻しコイルでEELS入射面上での回折像の位置を補正しながら測定したデータである。FM（2）のデータを変更したときには、FM（2）'のデータも必ず更新する必要がある。走査コイル５の制御に同期して、振り戻しコイル11にFM（2）のデータを送ると共に、加速管32 にFM（2）'のデータを送る。これによって、振り戻しの精度は更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による振り戻しシステムの基本構成図。
【図２】一般のSTEMの基本構成図。
【図３】実施例1で用いたSTEMの基本構成図。
【図４】試料上での軸ずれ量Rsと検出角度制限絞り上での軸ずれ量Rdの対応を示すレイダイヤグラム。
【図５】対物レンズ内での試料高さの違いによる、検出角度制限絞り上での軸ずれ量の違いを説明する説明図。
【図６】振り戻りコイル13の制御値変化量を回折像の移動量の関係を解析するためのフローチャート。
【図７】振り戻しコイル13の制御値変化量fと回折像の移動量Fの関係を示す説明図。
【図８】走査コイル5の制御値を変化させた時の回折像の移動量から振り戻しテーブルを作成するためのフローチャート。
【図９】エンドユーザ用の制御画面。
【図１０】振り戻しテーブルの作成過程を確認するための制御画面。
【図１１】作成された振り戻しテーブルを確認するための振り戻しテーブル表示画面。
【図１２】(a)振り戻しが機能していない時、(b)振り戻しが不十分な時、(c)振り戻しが精度良く実行されている時の回折像とSTEM像を示す説明図。
【図１３】実施例2で用いたSTEMの基本構成図。
【図１４】実施例2で用いたSTEMの基本構成図。
【図１５】実施例2で用いたSTEMの基本構成図。
【図１６】実施例3で用いたSTEM-EELSの基本構成図。
【図１７】実施例3で用いたSTEM-EELS用降り戻しシステムの基本構成図。
【図１８】画像間の位置ずれ量を解析する工程を示す説明図。
【符号の説明】
【００５０】
1…電子銃、1'…電子銃制御部、2…第１コンデンサレンズ、2'… 第１コンデンサレンズ制御部、2…第2コンデンサレンズ、3'… 第3コンデンサレンズ制御部、4…コンデンサ絞り、4'…コンデンサ絞り制御部、5…走査コイル、5'…走査コイル制御部、6…２次電子線検出器、6'…２次電子線検出器制御部、7-1…対物前磁場レンズ、7-2…対物後磁場レンズ、7'…対物レンズ制御部、8…試料ステージ、8'…試料ステージ制御部、9…投影レンズ、9'…投影レンズ制御部、10…検出電子線設定コイル、10'…検出電子線設定コイル制御部、11…振り戻しコイル、11'…振り戻しコイル制御部、12…円環型電子線検出器、12'… 円環型電子線検出器制御部、13…検出角度制限絞り、13'…検出角度制限絞り制御部、14…電子線検出器、14'… 電子線検出器制御部、15…電子線検出カメラ、15'…電子線検出カメラ制御部16…STEM制御ソフト、画像処理ソフト及び解析ソフトを搭載した計算機、20…光軸、21…薄膜化した試料、31…４重極レンズ、31'…４重極レンズ制御部、32…加速管、32'…加速管制御部、33…電子分光装置、33'…電子分光装置制御部、34…４重極拡大レンズ、34'…４重極拡大レンズ制御部、35…エネルギースリット、35'…エネルギースリット制御部、36…マッピング用電子線検出器、36'…マッピング用電子線検出器制御部、37…スペクトル用電子線検出器、37'…スペクトル用電子線検出器制御部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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