(57)【要約】【課題】ロンチグラムから収差係数を決定し各収差を補正する信号を装置にフィードバックすることにより、指定した分解能を有する走査透過像を得ることができることを特徴とした走査透過電子顕微鏡を提供する。【解決手段】電子線源１、収束レンズ３、スキャンコイル７、暗視野像検出器１３、Ａ／Ｄコンバータ１８、ＣＰＵ２１などから構成される走査透過電子顕微鏡装置において、対物前磁場レンズ８前段に収差補正器５を搭載し、カメラ１５により取得したロンチグラムと任意の構造に対する計算像とのフィッティングにより決定される収差係数から各レンズ、収差補正器の駆動電流をＣＰＵ２１により算出、フィードバックする。【選択図】図１
2006173027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線源より発生した電子線を一段以上の静電レンズによって所定の電圧まで加速し、一段以上の収束レンズと対物レンズによって電子線を収束させ試料に照射し、一段以上の偏向コイルによって電子線を試料面上で二次元的に走査し、一段以上の投影レンズを備え、試料を透過した電子線、試料表面から発生した二次電子線、あるいは試料表面で反射した反射電子線の強度を電子線の強度と同期して検出し、画像表示装置によって二次元走査電子顕微鏡画像として表示、取得する機能を有し、収束レンズや対物レンズによって発生する球面収差などの幾何収差と、電子源のエネルギーのばらつきで発生する色収差を補正するために静電、あるいは磁界型多重多極子レンズ、回転対称レンズ、偏向コイルから構成される収差補正器を対物レンズ前段に配置しており、ロンチグラムを取得することのできる検出器を備えた電子顕微鏡において、極座標変換したロンチグラムを用いて収差係数を計測し、求めた収差係数からこれらの収差を補正するように収差補正器の各レンズや偏向器の設定を算出し装置にフィードバックする機能を有することを特徴とした走査透過電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の走査透過電子顕微鏡において、収差係数の計測後、該走査透過電子顕微鏡において達成可能な分解能あるいはプローブ径が算出され、操作者が任意の分解能を選択することができることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項1記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が分解能を指定すると、装置が自動で収差量の計測を行い、該分解能を達成するために必要な残留収差を算出して、各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックし、該分解能を達成する機能を有することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項1記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が実際に観測する試料の原子種、結晶構造、結晶方位などを入力すると、自動で種種の分解能に対応した走査透過像が表示され、操作者が取得したい走査透過像を選択することにより、自動的に収差計測および各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックを行い、選択した走査透過像の分解能と同等の分解能で観察を行うことができる機能を有する走査透過電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項1記載の走査透過電子顕微鏡において、走査電子顕微鏡の収差を低次収差から高次収差へと段階的に補正をしていく手法で収差補正を実現する機能を有する走査透過電子顕微鏡。
【請求項６】
電子線源より発生した電子線を1段以上の静電レンズによって所定の電圧まで加速し，1段以上の収束レンズによって電子線を収束させ試料に照射し，1段以上の偏向コイルによって電子線を試料面上で二次元的に走査し，1段以上の投影レンズを備え，試料を透過した電子線，試料表面から発生した二次電子線，あるいは試料表面で反射した反射電子線の強度を該電子線の試料面上での二次元走査と同期して検出し，二次元走査電子顕微鏡画像として画像データ取得と画像表示を行う機能を有し，収束レンズや対物レンズで発生する球面収差などの幾何収差と電子源のエネルギーばらつきで発生する色収差を補正するために，静電型あるいは電界型の多段多極子レンズや回転対称レンズ，偏向コイルなどから構成される収差補正器を対物レンズ前段に配置し，試料を透過，あるいは回折した電子線が形成するロンチグラムを検出するための二次元画像検出装置を具備し，該ロンチグラムの該ロンチグラム検出用二次元画像検出装置に対する位置合わせ機能を持った１段以上の静電あるいは磁界型偏向器を対物レンズ後段に具備した電子顕微鏡において，収差補正器と対物レンズとの間に２段以上の静電あるいは磁界型偏向器を具備し，該偏向器により対物レンズを通過した電子線が試料面上で傾斜する機能を有し，電子線の試料面上での傾斜によって発生するロンチグラムの、ロンチグラム検出用二次元画像検出装置に対する位置ずれを自動で補正するように対物レンズ後段に配置した１段以上の静電あるいは磁界型偏向器の駆動励磁が電子線傾斜用偏向コイルの駆動励磁とリンクして動作することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡装置において、電子線が試料面上の同じ位置で完全傾斜するように2段以上の静電、磁界型偏向器が振り戻し制御されている、あるいは上下段の励磁比が設定できる機能を有する走査型電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡装置において，ユーザーが指定した電子線の傾斜角度を入力すると、自動的にレンズ励磁が設定され、該傾斜角度が実現される機能を有する走査透過顕微鏡。
【請求項９】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡において、収差係数の計測後、該走査透過電子顕微鏡において達成可能な分解能あるいはプローブ径が算出され、操作者が任意の分解能を選択することができることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が分解能を指定すると、装置が自動で収差量の計測を行い、該分解能を達成するために必要な残留収差を算出して、各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックし、該分解能を達成する機能を有することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項１１】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が実際に観測する試料の原子種、結晶構造、結晶方位などを入力すると、自動で種種の分解能に対応した走査透過像が表示され、操作者が取得したい走査透過像を選択することにより、自動的に収差計測および各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックを行い、選択した走査透過像の分解能と同等の分解能で観察を行うことができる機能を有する走査透過電子顕微鏡。
【請求項１２】
請求項6記載の走査透過電子顕微鏡において、収差を低次収差から高次収差へと段階的に補正をしていく手法で走査電子顕微鏡の収差補正を実現する機能を有する走査透過電子顕微鏡。
【請求項１３】
電子線源より発生した電子線を一段以上の静電レンズによって所定の電圧まで加速し、一段以上の収束レンズと対物レンズによって電子線を収束させ試料に照射し、一段以上の偏向コイルによって電子線を試料面上で二次元的に走査し、一段以上の投影レンズを備え、試料を透過した電子線、試料表面から発生した二次電子線、あるいは試料表面で反射した反射電子線の強度を電子線の強度と同期して検出し、画像表示装置によって二次元走査電子顕微鏡画像として表示、取得する機能を有し、収束レンズや対物レンズによって発生する球面収差などの幾何収差と、電子源のエネルギーのばらつきで発生する色収差を補正するために静電、あるいは磁界型多重多極子レンズ、回転対称レンズ、偏向コイルから構成される収差補正器を対物レンズ前段に配置しており、ロンチグラムを取得することのできる検出器を備えた電子顕微鏡において、ロンチグラムの計算像と実測の像とを比較、フィッティングする方法で収差係数を計測し、求めた収差係数からこれらの収差を補正するような各レンズや偏向器の設定を算出し装置にフィードバックする機能を有することを特徴とした走査透過電子顕微鏡。
【請求項１４】
請求項13記載の走査透過顕微鏡において、比較に用いるロンチグラム計算像をマルチスライス法を使用して算出することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項１５】
請求項13記載の走査透過電子顕微鏡において、収差係数の計測後、該走査透過電子顕微鏡において達成可能な分解能あるいはプローブ径が算出され、操作者が任意の分解能を選択することができることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項１６】
請求項13記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が分解能を指定すると、装置が自動で収差量の計測を行い、該分解能を達成するために必要な残留収差を算出して、各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックし、該分解能を達成する機能を有することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【請求項１７】
請求項13記載の走査透過電子顕微鏡において、操作者が実際に観測する試料の原子種、結晶構造、結晶方位などを入力すると、自動で種種の分解能に対応した透過走査像の計算像が形成され、操作者が取得したい計算像を選択することにより、自動的に収差計測および各レンズ、収差補正器に必要な励磁電流あるいは印加電圧を算出、フィードバックを行い、選択した計算像の分解能と同等の分解能で観察を行うことができる機能を有する走査透過電子顕微鏡。
【請求項１８】
請求項13において、操作者が選択する計算像がデータベース化されていることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項１９】
請求項13において、操作者が選択する画像は種種の分解能で観察された実際の画像を用いることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は収差補正器を具備した走査透過電子顕微鏡において、走査透過電子顕微鏡を用いて走査透過像あるいは電子線回折像から各種収差係数を決定し、各収差を補正するための信号を装置にフィードバックすることにより、高分解能走査透過像を得ることを可能にする走査透過電子顕微鏡装置、収差計測法、および収差補正アルゴリズムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査透過顕微鏡の収差を測るための方法は古くから考えられてきており、主に電子線回折を利用した手法が多く見られる。大別すると、ひとつは主にアモルファス試料の走査透過像から得られるディフラクトグラムを用いる方法であり、もうひとつはロンチグラムを用いる方法である。
【０００３】
従来の収差係数測定法および収差補正法において、ディフラクトグラムを用いた手法では、たとえばK.Wongらによる手法がUltramicroscopy 第40巻 (1992)、第139項から第150項に開示されている。試料にアモルファスを用いたディフラクトグラムに観測される複数のリングと該リングの中心からの距離と、各リングの回折条件から求められる指数との関係をプロットし、該プロットを結ぶことで得られる直線の傾き、切片から球面収差係数(C3)およびデフォーカス(C1)を求める手法である。ロンチグラムを用いた手法では、たとえばJ.M.Cowelyらの方法がUltramicroscopy 第19巻 (1986)、第31項から第42項に開示されている。この手法では収束プローブを試料に照射して形成したロンチグラムを記録し、該ロンチグラムに現れるゼロコントラストの楕円の半径からC3を求める手法である。またO.L.Krivanekらによる United States Patent 6,552,340 Autoadjusting charged-particle probe-forming apparatus に記載されている方法では、取得したロンチグラムをそれぞれ細かい領域に分割し、各ロンチグラムの局所領域における倍率を測定し、局所倍率と収差関数との関係を示した行列式に代入することで求めている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許第6552340号
【０００５】
【非特許文献１】K.Wong, Ultramicroscopy 第40巻 (1992)、第139項〜第150項
【非特許文献２】J.M.Cowely et al, Ultramicroscopy 第19巻 (1986)、第31項〜第42項
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
K.Wongらによるディフラクトグラムを用いる手法では、収差係数計測に用いる試料はアモルファスに限り、測定できる収差係数はC1およびC3のみである。また、ディフラクトグラムを取得する際に起こるドリフトや試料に付着するコンタミネーションの影響があるため、プロットの誤差が大きく、計測された収差係数の精度が低いという問題もある。J.M.Cowleyらの手法では試料に比較的大きな格子間隔（約8Å）をもった一次元結晶試料を必要としており、さらにロンチグラム中に現れるゼロコントラスト位置の識別が難しく、算出される収差係数の精度が低い。また、限られた収差係数しか測定できないといった問題もある。O.L.Krivanekらの手法では、より高次の収差係数を測定するには取得したロンチグラムの分割数を増やす必要があり、処理時間が増加する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明では結晶の種類や結晶質であるか非晶質であるかに関わらず、実際の試料から得られたロンチグラムから、球面収差だけでなく非点収差、コマやその他の高次の収差係数を計測することができる機能を有し、さらに検出された各収差係数から各収差を補正するための走査透過電子顕微鏡本体のレンズ、偏向器の励磁条件と補正器の多極子レンズ、回転対称レンズ、偏向コイルの励磁あるいは静電印加条件を算出し、前記走査透過電子顕微鏡のハードウェアにフィードバックすることにより高分解能像が取得できるような機能を有する走査透過電子顕微鏡を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば簡単な計算により各収差係数を求めることができ、さらにその値をもとに装置にフィードバックすることにより装置を収差の少ない最適な状態に設定することができる。簡単な計算手法を用いているためCPUにかかる負担も少なく、短い時間で処理を行うことを可能とする。さらに収差補正された装置により、試料の高分解能観察が可能となる。また、操作者が分解能やプローブ電流を設定すると自動で収差補正が実行されるので、操作性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明にかかる実施例を図面に基づいて説明する。図１は走査透過電子顕微鏡の構成図を示すものである。電子線源1から出射された電子は2a、2b、2cに示す静電レンズにより所定の加速電圧まで加速される。一段あたりの静電レンズに印加する電圧を制御することで、最終的な加速電圧を制御することができる。所定の加速電圧まで加速された電子線は3a、3bの収束レンズにより縮小される。3a、3bの電流励磁の組み合わせにより、任意の縮小率を実現できる。3ｂの下部にある収束絞り4によりプローブの開き角を変化させ、プローブに及ぼす球面収差、回折収差のバランスを調整することができる。収束絞りを通った電子線は、収差補正器5を通ることで、球面収差、非点収差などの収差が補正される。この収差補正器5は多段の多極子レンズや回転対称レンズ、偏向コイルで構成されており、多極子レンズの各極子および回転対称レンズの印加電圧、あるいは励磁電流を制御することで収差の補正量を調整できる。収差補正器5の下部にある偏向コイル6a、6bにより、試料に入射する電子線の入射角を制御することができる。
【００１０】
試料9に入射した電子線は試料内部で散乱され、試料9下部に電子線回折像が形成される。投影レンズ11の下部に設置した検出系アライメントコイル12は暗視野像検出器13、明視野像検出器14、カメラ15に対する軸合わせのために用いる。偏向コイル6a、6bにより電子線を試料に対して斜入射させた場合、電子線回折像は暗視野像検出器13、明視野像検出器14、カメラ15に対して大きく離軸してしまうため、この場合も検出系アライメントコイルを用いて軸合わせを行う。走査透過像はスキャンコイル7a、7bにより電子線を偏向し、試料9上で二次元的に走査させ、それに同期して暗視野像検出器13もしくは明視野像検出器14での信号を像強度に輝度変調して取得する。このとき像強度はプリアンプ17で増幅され、A /Dコンバータ18の出力を元にデジタルの画像ファイルとして保存される。明視野像検出器14は光軸上に設置してあるため、カメラ15を使用する際には光軸上から取り除くことができるよう可動な機構を備えている。カメラ15には、CCD、ハーピコンカメラなどの高感度、高S/N、高直線性の特徴を持った検出器を用い、電子線回折像強度の定量的な記録を行う。
【００１１】
このカメラ15面上でのカメラ長は投影レンズ11により任意に変化させることが可能で、任意の結像面での電子線回折像を観察することが可能である。一連の操作におけるすべてのレンズ、コイル、検出器の制御はCPU21がD/Aコンバータ20を介して行い、インターフェース19を通じて操作者が条件を設定することができる。対物前磁場レンズ8の上段には二次電子検出器16が設置してあり、上記の走査像取得と二次電子像の取得が可能である。ロンチグラムを撮影する際には走査を止め、電子線が光軸に沿った状態に保って行う。
【００１２】
次に、電子線回折像を結像するための光学系について説明する。図2は仮想光源22から発生した電子線23が結像されるまでの光学経路を幾何学的に示したものである。仮想光源22とは電子源1の物理的な位置ではなく、電子源となるチップの曲率半径と引き出し電圧とで決まる実効的な光源位置のことである。仮想光源22から発生した電子線23は1段目収束レンズ3aおよび2段目収束レンズ3bで拡大、もしくは縮小されて対物レンズに入射する。ここで、対物レンズとは1つの磁路から形成される1つのレンズであるが、光学的には電子線23を縮小する役割と試料で回折された電子線を結像する2つの役割があり、対物前磁場レンズ8が縮小を、対物後磁場レンズ10が結像を行っている。対物前磁場レンズ8で縮小された電子線23は試料9に入射し、試料内部に侵入する。
【００１３】
このとき電子線23の一部は試料9を透過し、一部は反射され、試料9上部から出射される。この反射電子が出射される際に試料表面から二次電子が放出される。これらの二次電子を検出、結像したものが二次電子像である。試料9を透過した電子線は対物後磁場レンズ10によってプローブ像面24に結像される。一方、対物後磁場レンズ10の後焦点面25には試料9によって回折された電子線の位相情報を反映した電子線回折図形が結像される。投影レンズ11はこの電子線回折図形に焦点が合うように設定されており、励磁電流を変化させることによって像面の拡大、縮小が可能であり、カメラ15における検出角度範囲を任意に設定できる。ロンチグラムの撮影にはこのカメラ15を用い、走査像取得時と同様の過程を経てCPUにデジタルの画像ファイルとしてロンチグラム像が保存される。
【００１４】
図3は試料9によって回折された電子線が対物後磁場レンズ10によってプローブ像面24、後焦点面25を形成する過程を示すレイダイアグラムである。プローブの入射方向と平行に進行する透過電子線26と、試料に回折され、それと異なる方向に進行する回折電子線27は対物後磁場レンズ10によって進行方向が変えられる。後焦点面25を通過した電子線は試料9を物面としてそれに1対1に対応するプローブ像面24を形成する。一方、後焦点面25では試料透過後に進行する方向が同じ電子線が1点に収束する。すなわち、この後焦点面25においては試料で回折された角度に依存して電子線が分散し、回折図形であるロンチグラムが結像される。プローブの平行走査に伴いプローブ像面24に結像される像はプローブの走査に同期して平行移動するが、後焦点面に結像される像は移動しない。よって走査透過像を観察する場合に、プローブ位置に依存する情報を抽出するためには、投影レンズ11の焦点を後焦点面に合わせ、後焦点面25に結像される電子線回折図形を暗視野像検出器13、明視野像検出器14、カメラ15の面上に結像すればよい。
【００１５】
ここでロンチグラムの観測条件について説明する。図4は投影レンズを用いない条件でロンチグラムが観測されるときのレイダイアグラムを示す。回折電子線27同士が干渉する条件は、収束角28をθC、ブラッグ角の２倍にあたる散乱角29を2θBとすると、θC >2θBである。このときロンチグラムは観測面30において、光軸上で回折スポット同士が重なった領域31に観測される。照射角28は収束絞り4で制御できるため、回折スポット同士が重ならないときは収束絞り4を径の大きいものにするか、絞りを入れない条件にすればよい。逆に絞りを入れ回折スポット同士が重ならないようにした際は電子線回折像が観測される。図5は投影レンズを用いた条件でロンチグラムが観測されるときのレイダイアグラムを示す。図からわかるよう、回折スポットの重なり領域ならばどの観測面でもロンチグラムを観測することができる。そのため観測面30はカメラ長、投影レンズ11によって任意の位置に設定することができる。したがって投影レンズの条件でカメラ面上での倍率を任意に設定することができる。
【００１６】
図6に電子線を試料に対して斜入射させた条件でロンチグラムが観測されるときのレイダイアグラムを示す。入射電子線23を斜入射させると、透過電子線26および回折電子線27は光軸からの離軸による位置ずれのため、回折スポットの重なり領域31がカメラ上から外れてしまいロンチグラムを観察することができない。そこで検出系アライメントコイル12に適切な励磁電流を与えることで、透過電子線26および回折電子線27を偏向させ、カメラ上に回折スポットの重なり領域を形成するような条件を設定することができる。電子線23を試料に対して斜入射させるための偏向コイル6a、6bの駆動励磁と検出系アライメントコイルの駆動励磁をリンクして動作させることにより、自動的に位置ずれを補正することができる。なお、この斜入射における電子線の入射角度は、ユーザーが任意に指定することで自動的に指定された入射角度を実現するようなレンズ励磁条件に設定される。
【００１７】
ロンチグラムと収差係数の関係について説明する。ロンチグラムと収差係数の関係はJ.M.CowleyらによりUltramicroscopy第4巻（1979）の第413項から第418項、およびJournal of electron microscopy technique第3巻（1986）の第25項から第44項に開示されている。これらによると、レンズの収差のためロンチグラム中の像の倍率は光軸中心から放射状に増していき、ある半径で倍率は無限大になる。ロンチグラムの観測面は電子線回折像面と同じ面上にあるので、ロンチグラム中心からの距離は電子線の収束角度成分θで表せる事を考慮し、収差による光路差を表す関数をχ(θ)とすると、無限大倍率となる角度は次のような条件を満たす。
【００１８】
【数１】
2006173027.tif 000003
【００１９】
【数２】
2006173027.tif 000004
【００２０】
C1はデフォーカス、C3は3次の球面収差係数である。数1、数2を用いると、ロンチグラム中の像が無限大倍率となる角度θinfは、
【００２１】
【数３】
2006173027.tif 000005
【００２２】
と書くことができる。したがって、デフォーカスC1と無限大倍率となる角度θinfがわかれば3次球面収差係数C3が求まる。
数3を利用してロンチグラムから3次球面収差係数を求める手法について説明する。ある二つのデフォーカス条件におけるC1およびθinfの値を、それぞれC1a、θaとC1b、θbとし、数3に代入すると、
【００２３】
【数４】
2006173027.tif 000006
【００２４】
【数５】
2006173027.tif 000007
【００２５】
と表すことができる。したがって数4と数5の差をとることで、
【００２６】
【数６】
2006173027.tif 000008
【００２７】
となる。C1a−C1bはデフォーカス量の差を表すので、例えば対物レンズの励磁電流値の変化分から校正して算出することができる。またθa、θbはデフォーカスがC1a、C1bのときのロンチグラムから求めることができるため、数6にそれぞれの値を代入することで球面収差係数C3が得られる。さらに数4、数5に得られたC3を代入することでC1も求まる。
【００２８】
数2では回転対称な収差のみを考慮したが、実際のロンチグラムには回転対称な収差だけでなく回転非対称な収差も含まれる。回転対称な収差のみが含まれるときロンチグラムは円形状を示すが、回転非対称な成分が含まれるとθinfの位置はロンチグラムの中心を基準とした方位角に依存して変化する。このような回転非対称な収差成分は多数存在しており、それらはロンチグラムのθinfに重なって現れる。しかし一般に低次の収差が補正されていないとき、高次の収差は低次の収差に隠れてしまうため、高次の収差係数を正確に測定することは難しい。したがってこの場合は、低次収差係数の測定、その収差の補正、次の次数の収差係数の測定…という作業を繰り返すことが必要となる。
【００２９】
次にロンチグラムを用いて2回対称非点収差係数A1を測定する方法を示す。2回対称非点収差が支配的なときはロンチグラムの形状は楕円になるため、θinfの値は楕円の長軸と短軸でそれぞれ最大値θmax、最小値θminをとる。数2に2回対称非点収差の項を加え、数1に代入すると、無限大倍率の位置の最大値θmaxと最小値θminは、
【００３０】
【数７】
2006173027.tif 000009
【００３１】
【数８】
2006173027.tif 000010
【００３２】
ここでA1は2回対称非点収差係数である。数7と数8の差から、
【００３３】
【数９】
2006173027.tif 000011
【００３４】
が得られる。したがって数6から求まるC3及びθmax、θminがわかればA1を導くことができる。この方法から回転非対称な収差係数を測定することが可能である。ここではC1、C3、A1のみを考慮したが、数2のχ(θ)に高次項の収差を含ませることでより多くの収差係数を求めることができる。また、ここではデフォーカスの異なるロンチグラムは２枚用いたが、多数枚用いることでより高い精度で収差係数を算出できる。
【００３５】
ロンチグラムから無限大倍率の角度θinfおよびθmax、θminの求め方を示す。光軸を中心とする同心円上において、像強度の分散の最も小さい角度が像中の倍率が無限大になるところであることを利用してθinfを求めることができる。試料が球状で光軸中心に試料があれば、像中において強度がもっとも弱い半径はθinfと一致する。本手法ではロンチグラムからθinfを求める際に、ロンチグラムを極座標変換する。図7にロンチグラムの一例を示す。中心から放射状に倍率が増して行き、無限大倍率になるところでリング（破線）状のラインが現れることが確認できる。図8に極座標変換したロンチグラムを示す。縦軸がロンチグラムの中心からの角度θ、横軸が方位角φに対応している。極座標変換することでロンチグラムの無限大倍率の角度θinf（破線）が方位角φに対してほぼ一定になっていることが確認できる。
【００３６】
なお、極座標変換に用いるロンチグラムは規格化やマスク、フィルタなどの画像処理を行い、θinfの位置がわかりやすくなるように処理したものを使ってもよい。ロンチグラムが回転対称な成分のみを含むときは、極座標変換ロンチグラムの各φ値におけるθ方向のラインプロファイルを取得し、それらの平均のプロファイルを算出する。その平均化されたラインプロファイルにおいて最も強度の弱いθの値がθinfにあたる。このθinfから回転対称な収差係数、C1、C3等を求めることができる。ロンチグラムに回転非対称収差が含まれている場合であっても、φ方向の平均をとったラインプロファイルを用いることで回転非対称成分を打ち消すことができる。
【００３７】
回転非対称収差の収差係数を求めるときは、各φのラインプロファイルからθinfを求め、φに対してプロットする。2回対称非点収差が含まれているときのθinfプロットの模式図を図9に示す。2回対称非点収差が含まれているときはθinfの位置が楕円になるため、プロットが周期πの波形になる。この波形の振幅の最大値、最小値がそれぞれθmax、θminに対応し、波形の初期位相がA1の初期位相に対応する。このθmax、θminから収差係数A1および収差の初期位相を求めることができる。3回対称非点収差が支配的に含まれているときのθinfプロットを図10に示す。3回対称非点収差が含まれているときは、プロットは周期2/3πの波形になる。2回対称非点収差のときと同様の手段をとることで3回非点収差係数A2、その収差の初期位相を求めることができる。同様の手段を用いてA3、A4…等の回転非対称の高次収差係数を求めることができる。次に像ずれが支配的に含まれているときのθinfプロットを図11に示す。像ずれが含まれているとき、ロンチグラムの中心はカメラ15の中心からずれる。そのためθinfプロットは周期2πの波形になる。この波形のθmax、θminから像ずれの係数が、初期位相から像ずれ方向がわかる。
【００３８】
低次収差が補正され、回転非対称な収差が重なって現れるときの収差係数の測定法を示す。このようなときのθinfプロットから収差係数を求めるには、数２に考慮すべき種類の収差を含ませ、数１に代入することにより求まる式をθinfプロットにフィッティングする方法が考えられる。例えば数２にデフォーカス、2回対称非点収差、3回対称非点収差、3次球面収差、像ずれを含ませ数１に代入すると、
【００３９】
【数１０】
2006173027.tif 000012
【００４０】
となる。Dは像ずれ係数、A1は2回対称非点収差係数、A3は3回対称非点収差係数である。したがって数10をθinfプロットに対してフィッティングを行うことで各収差係数を求めることができる。より高次の収差係数について求めたいときは対応する収差係数を数10に含ませてフィッティングを行えばよい。
【００４１】
ロンチグラムの形状は電子線の傾斜角度に対応して変化するので、傾斜電子線を利用することで収差係数を求めることもできる。入射電子線を傾斜させると数2のχ(θ)は、複素角度ω、複素傾斜角τを用いて以下のように書くことができる。
【００４２】
【数１１】
2006173027.tif 000013
【００４３】
ここでReは実数部を表す。C1(τ)、A1(τ)、B2(τ)、A2(τ)、C3(τ)、D(τ)は電子線傾斜したときの収差係数（実効的収差係数）であり、電子線の傾斜角度および傾斜をしないとき（τ= 0）の各収差係数の和によって表される。例えばC1(τ)は、数10に記載されている収差係数のみを考慮した場合、
【００４４】
【数１２】
2006173027.tif 000014
【００４５】
となる。他の実効的収差係数も同様に電子線の傾斜角度とτ=0における収差係数を用いて表すことができる。より正確に、もしくはより高次の収差係数を測定したいときには数11に高次の実効的収差係数項を代入すれば良い。実際に収差係数を求める際には、まず入射電子線の傾斜角度を変化させた複数枚のロンチグラムを取得し、τ=0の場合と同様の手法を用いて実効的収差係数を求める。次に数12を含む実効的収差係数を表す式に各傾斜角度および実効的収差係数を代入し連立方程式を作り、これを解くことで収差係数を求めることができる。予めτ=0の場合の手法からいくつかの収差係数を求めておけば、取得しなければならない傾斜角を変化させたロンチグラムの枚数を減らすことができる。
【００４６】
図12に上記の一連の操作を実施する際に用いるフローチャートの一例を示す。まず、電子線が透過する程度に薄膜化された試料を電子顕微鏡にセットする。ここで操作者は求める収差係数及び精度を指定する。次に指定された精度を達成するのに必要なデフォーカスもしくは入射電子線傾斜角度の異なるロンチグラムを、カメラ15を用いて複数枚取得しCPU21にデータを保存する。続いて取得したロンチグラムから収差係数を求める。収差係数の計測は上記の方法を用いて、CPUに組み込まれたプログラムによって行われる。次に計測された収差係数から分解能あるいはプローブ径が算出される。操作者にこの分解能で観察するかどうかを判断させ、この条件で観察する場合はレンズ、収差補正器の励磁電流を変更しないルーチンに進む。レンズ、収差補正器の励磁電流を変更するルーチンに進んだ場合には、操作者に目標とする分解能を入力させる。この分解能に応じて最適な励磁電流値をCPUが算出した後、D/Aコンバータを通して各レンズ、収差補正器等にその算出された励磁電流値をフィードバックする。
【００４７】
次にデフォーカスもしくは入射電子線傾斜角の異なる複数のロンチグラムを取得し、再度収差係数を測定する。先にも述べたように、一般に低次の収差が大きいとき、高次の収差は低次の収差に隠れてしまうため正確に収差係数を測ることは難しい。したがってはじめに低次の収差補正を行う。収差補正後に得られた収差係数から最適な励磁電流に設定されていないと判断される場合は、もう一度適切な励磁電流値を算出する段階に戻り、励磁電流値のフィードバック、ロンチグラムの取得、収差係数の算出を行う。指定した分解能を達成するために必要な収差係数が得られたら、高次の収差補正を行う。このように段階的に収差係数の測定、収差補正を行い、適切な条件に達した場合に走査透過像を取得できる状態になったことを操作者に知らせる。このルーチンを実行することにより操作者が目的とする分解能で走査透過像が取得できる。各段階での選択はPCに組み込まれたプログラムにより、オペレーターが対話式に行う。
【００４８】
取得したロンチグラムから収差係数を求める方法において、ロンチグラムの計算像を用いる方法を示す。入射電子線を表現するための数２と試料を表現するための物体関数とを用いて、例えばマルチスライス法によりロンチグラムを表す波動関数を算出しロンチグラムの計算像を得ることができる。ロンチグラムの計算像の一例を図に示す。図13はデフォーカスC1=-1171.2nm、3次球面収差係数C3=1.7mmのみを仮定した場合のロンチグラム計算像である。試料の構造を表す物体関数にはアモルファスのようにランダムな構造を持つ関数を用いている。回転対称な収差のみを含んでいるため、ロンチグラムは円状を示している。
【００４９】
図14にデフォーカスC1=-600nm、3次球面収差係数C3=3mm、2回対称非点収差A1=100[nm]を仮定した場合のロンチグラムの計算像を示す。2回対称非点収差が含まれているため、ロンチグラムが楕円になっていることが確認できる。このように操作者が取得したい分解能を達成するのに必要な収差係数を数2のχ(θ)に含ませ、適切な構造を持つ物体関数を用いることで、あらゆる試料に対するロンチグラムの計算像を得ることが可能である。このような計算像と取得したロンチグラムをフィッティングすることで収差係数を求める。フィッティングをする方法は、取得したロンチグラムと計算像との相互相関関数等を用いて直接比較し、フィッティングする方法が考えられる。また数2の代わりに数11を用いることで傾斜電子線を用いた際のロンチグラムの計算像も得ることができる。
【００５０】
図15に上記の一連の操作を実施する際に用いるフローチャートの一例を示す。まず、電子線が透過する程度に薄膜化された試料を電子顕微鏡にセットしロンチグラムを取得する。任意の収差係数を設定した計算像を形成後、ロンチグラムと計算像の形状を比較する。計算像の形成及び比較はCPUに組み込まれたプログラムを用いて行う。ここでロンチグラムと計算像の形状の間によい一致が見られなかった場合、収差係数の再設定、計算像の形成、ロンチグラムと計算像の比較、の手順をよい一致が得られるまで繰り返し行う。ロンチグラムと計算像との間によい一致が得られた時点で計測された収差係数が表示される。
【００５１】
次に計測された収差係数から分解能あるいはプローブ径が算出される。操作者にこの分解能で観察するかどうかを判断させ、この条件で観察する場合はレンズ、収差補正器の励磁電流を変更しないルーチンに進む。レンズ、収差補正器の励磁電流を変更するルーチンに進んだ場合には、操作者に目標とする分解能を入力させる。この分解能に応じて最適な励磁電流値をCPUが算出した後、D/Aコンバータを通して各レンズ、収差補正器等に算出された励磁電流値をフィードバックし、ロンチグラムを取得する。次に、想定される収差係数に基づいたロンチグラムを計算し、実測したロンチグラムと比較を行う。パターンの一致が見られず、最適な励磁電流に設定されていないと判断される場合は、もう一度適切な励磁電流値を算出する段階に戻り、励磁電流値のフィードバック、ロンチグラムの比較を行う。適切な励磁電流条件に達したと判断されるまでこの作業を繰り返し行う。適切な条件に達した場合に走査透過像を取得できる状態になったことを操作者に知らせる。このルーチンを実行することにより操作者が目的とする分解能で走査透過像が取得できる。各段階での選択はPCに組み込まれたプログラムにより、オペレーターが対話式に行う。
【００５２】
図16に操作者が取得したい走査透過像の分解能を指定し、装置が自動で収差の計測および補正を実行する実施例のフローチャートを示す。操作者が鏡体に試料をセットした後、取得したい分解能を指定する。分解能はプローブ径で決定されるが、プローブ電流はプローブ径の2乗に反比例するので、このフローにおけるダイアログとして目的とする観察や分析に応じてプローブ径あるいはプローブ電流が選択できるようなメニューがあらかじめ表示されているものや、分解能が直接入力できるものなどが考えられる。次に装置が入力された分解能が性能上達成可能かどうか判断し、不可能な場合はエラーメッセージの表示と再入力を促すダイアログが表示される。あらかじめセットした分解能を選択するタイプのフローの場合この工程はスキップされる。達成可能な分解能が選択されている場合、CPUにより許容しえる残留収差量の算出、補正用励磁の算出が行われ、D/Aコンバータを通して補正用励磁の設定が実行される。
【００５３】
次にロンチグラムから収差係数の算出が行われる。図12の場合と同様の過程を経て、選択された分解能が得られた場合には走査透過像が取得できる状態になったことを操作者に知らせるダイアログが表示される。一致しない場合には現在得られている収差係数から残留収差量を算出し、補正励磁量の算出と設定を実行するルーチンに戻り、目的とする分解能が達成される条件になるまで繰り返される。最終的に分解能達成条件に収束したら操作者に走査透過像取得可能であることを知らせるダイアログを表示する。
【００５４】
操作者が分解能を指定する第2の実施例を示す。操作者は観察したい試料の原子種、構造、結晶方位、形状を指定して入力すると、CPUに組み込まれたプログラムにより種種のプローブサイズに対応した複数の走査透過像の計算像が算出される。この走査透過像にはプローブ電流の目安も同時に表示されている。操作者がその画像を選択することにより、目標とする分解能が決定され、図13に示したフローチャートに従って収差補正が実行される。また対応する走査透過像は観察の毎に入力して形成するのではなく、データベースに記録された計算像や実測像を示して操作者が該計算像や実測像を選択できるような方式も考えられる。
【００５５】
なお、以上説明してきた方式は、いわゆる純粋観察用の走査透過電子顕微鏡のみならず、走査しない透過電子顕微鏡および走査電子顕微鏡を利用する電子応用装置、例えば、測長ＳＥＭ、レビューＳＥＭ、電子線方式による半導体外観検査装置などへ応用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の走査透過電子顕微鏡装置の構成を表わす図。
【図２】電子線回折像を観察するための光学系を表す図。
【図３】対物後磁場レンズがプローブ像面および後焦点面を形成する過程の光学系を表す図。
【図４】投影レンズを用いない条件でロンチグラムを観察する場合の光学系を表す図。
【図５】投影レンズを用いる条件でロンチグラムを観察する場合の光学系を表す図。
【図６】試料に対して電子線を斜入射した条件でロンチグラムを観察する場合の光学系を表す図。
【図７】ロンチグラムの一例を表す図。
【図８】極座標変換したロンチグラムを表す図。
【図９】2回対称非点収差を含むロンチグラムを極座標変換した場合を表す図。
【図１０】3回対称非点収差を含むロンチグラムを極座標変換した場合を表す図。
【図１１】像ずれを含むロンチグラムを極座標変換した場合を表す図。
【図１２】取得したロンチグラムによる収差係数の測定から高分解能像観察までの流れを示すフローチャート。
【図１３】デフォーカス、3次球面収差を考慮した場合のロンチグラム計算像を表す図。
【図１４】デフォーカス、3次球面収差、2回対称非点収差を考慮した場合のロンチグラム計算像を表す図。
【図１５】ロンチグラムの計算像を用いた際の収差係数の測定から高分解能像観察までの流れを示すフローチャート。
【図１６】操作者が指定した分解能に対応した走査透過像を観察するための流れを示すフローチャート。
【符号の説明】
【００５７】
1…電子線源、2a…1段目静電レンズ、2b…2段目静電レンズ、2c…3段目静電レンズ、
3a…1段目収束レンズ、3b…2段目収束レンズ、4…収束絞り、5…収差補正器、6a…上段偏向コイル、6b…下段偏向コイル、7a…上段スキャンコイル、7b…下段スキャンコイル、8…対物前磁場レンズ、9…試料、10…対物後磁場レンズ、11…投影レンズ、12…検出系アライメントコイル、13…暗視野像検出器、14…明視野像検出器、15…カメラ
16…二次電子検出器、17…プリアンプ、18…A/Dコンバータ、19…インターフェイス
20…D/Aコンバータ、21…CPU、22…仮想光源、23…電子線、24…プローブ像面、25…後焦点面、26…透過電子線、27…回折電子線、28…収束角、29…散乱角、30…観測面、31…回折スポットの重なり領域。
【図１】
2006173027.tif 000015
【図２】
2006173027.tif 000016
【図３】
2006173027.tif 000017
【図４】
2006173027.tif 000018
【図５】
2006173027.tif 000019
【図６】
2006173027.tif 000020
【図９】
2006173027.tif 000021
【図１０】
2006173027.tif 000022
【図１１】
2006173027.tif 000023
【図１２】
2006173027.tif 000024
【図１５】
2006173027.tif 000025
【図１６】
2006173027.tif 000026
【図７】
2006173027.tif 000027
【図８】
2006173027.tif 000028
【図１３】
2006173027.tif 000029
【図１４】
2006173027.tif 000030