(57)【要約】【課題】  電子ビームの走査のための偏向電流に重畳したノイズによる走査像の画質や分解能の劣化を、著しく軽減することができる走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡を実現する。【解決手段】  電子銃アライメント偏向コイル１０，１１には走査電源の大きなダイナミックレンジの走査信号（大きな振幅の走査信号）が供給され、電子ビームの走査が行われる。この際、コンデンサレンズＣＬ１，ＣＬ２は縮小レンズとして働き、電子ビームの試料４上の走査幅は、縮小されて小さくされる。すなわち、電子ビームの２次元走査領域は縮小レンズの縮小の割合に応じて狭くされ、その結果、倍率の高い像が得られることになる。この際、同時に走査偏向コイルのノイズも縮小され、走査画質も改善される。【選択図】      図３
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【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、電子ビーム走査のための走査手段と試料との間に縮小レンズを配置し、比較的高い倍率の走査像を観察する際には、縮小レンズを用いて試料上で２次元走査する電子ビームの走査範囲を縮小するように構成した走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【請求項２】
高倍率の走査像を取得する際には、電子銃から発生した電子ビームのアライメントを行う偏向コイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給し、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間に縮小レンズを設けるように構成した請求項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】
高倍率の走査像を取得する際には、電子銃から発生した電子ビームのアライメントを行う偏向コイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給し、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間のコンデンサレンズを縮小レンズとして用いた請求項１〜２の何れかに記載の走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【請求項４】
低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズの後段に設けられた電子ビーム走査用偏向コイルに、電子ビームの走査用偏向電流を供給するように構成した請求項１〜３の何れかに記載の走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡。
【請求項５】
低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズとして動作するコンデンサレンズの後段に設けられたコンデンサレンズアライメントコイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給するように構成した請求項１〜３の何れかに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、コンデンサレンズを含む電子ビームの照射レンズ系により、試料に平行ビームを照射し、試料を透過した電子ビームを結像レンズ系によって蛍光板や、ＣＣＤカメラのような撮像管上に像を投影し、蛍光板上の試料像を観察するように構成した透過電子顕微鏡において、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次電子や反射電子を検出し、検出信号を試料上の走査に同期した陰極線管など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。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。
【０００３】
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。透過電子顕微鏡を走査電子顕微鏡モードとしたときの光線図を図１に示す。この図は走査像を取得するための簡略化した構成と電子ビームの光線図を示している。
【０００４】
図中ＥＢは図示していない電子銃から発生し加速された電子ビームであり、図示していない複数のコンデンサレンズによって集束されて試料１に照射される。試料１は対物レンズの磁場中に配置され、試料１の前方に形成される磁場は、コンデンサレンズと共に電子ビームＥＢの集束に寄与する。
【０００５】
試料１の前部には、２段の偏向コイル２，３が設けられており、図示していない走査信号発生回路からの走査信号が、それぞれの偏向コイル２，３に供給される。偏向コイル２，３にはそれぞれＸ方向の偏向コイルとＹ方向の偏向コイルとが設けられている。そして、偏向コイル２による電子ビームの偏向角と偏向コイル３による電子ビームの偏向角とは等しくされているが、偏向の向きは互いに逆となっている。その結果、試料１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。
【０００６】
試料１を透過した電子は、試料の後方に配置された中間レンズ４によって集められ、電子線検出器５によって検出される。電子線検出器５の出力信号は、電子ビームの走査に同期してフレームメモリー（図示せず）に供給され、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、電子線検出器５によって検出された信号の積算処理が各画素ごとに施され、信号のＳＮ比の向上が図られている。
【０００７】
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、試料１の上部（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次電子や反射電子をこれらの検出器によって検出し、２次電子像や反射電子像を取得する例も多い。
【０００８】
本発明は、後述するように、電子ビームを走査するための偏向コイルに供給される偏向電流のノイズによる影響を軽減することを課題としているが、同様の課題、すなわち、電子ビームを走査するための偏向コイルに供給される偏向電流のノイズによる影響を軽減することを課題としている例として、特許文献１を挙げることができる。
【特許文献１】特開平８−１６２０５６号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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、電子ビームの走査用偏向は、低倍率時も高倍率時も同じ偏向感度の偏向コイル２，３を用いていた。その場合、低倍率では、広い観察視野を得るため、実線で示すように、電子ビームの偏向量を大きくとらなければならず、走査電源は大きなダイナミックレンジ（走査電圧範囲が大きい）を必要とする。また、高倍率では、狭い観察範囲となるため、点線で示すように、電子ビームの偏向量は少なくてよく、走査電源は小さなダイナミックレンジでよい。図中Ｓ１は低倍率時の走査信号を示しており、Ｓ２は高倍率時の走査信号を示している。また、図中Ｄ１は低倍率時の走査振り幅を示しており、Ｄ２は高倍率時の走査振り幅を示している。
【００１０】
この場合、電源の安定度、ノイズが一定であれば、高倍率時には電源安定度、ノイズは走査像上で拡大されて表示されるため、走査像の画質、分解能を劣化させている。図２は、本来周辺部が滑らかな楕円の像が、ノイズにより周辺部がギザギザになる様子を示している。図２（ａ）が低倍像であり、（ｂ）が高倍像である。いずれの楕円像も周辺部の滑らかさが消失し、偏向電流に重畳したノイズにより周辺部がギザギザとなっているが、高倍像の方がその傾向がより顕著に観察される。
【００１１】
本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、偏向電流に重畳したノイズによる走査像の画質や分解能の劣化を著しく軽減することができる走査像観察機能を有した透過電子顕微鏡を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
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、電子ビーム走査のための走査手段と試料との間に縮小レンズを配置し、比較的高い倍率の走査像を観察する際には、縮小レンズを用いて試料上で２次元走査する電子ビームの走査範囲を縮小するように構成したことを特徴としている。
【００１３】
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、高倍率の走査像を取得する際には、電子銃から発生した電子ビームのアライメントを行う偏向コイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給し、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間に縮小レンズを設けるように構成したことを特徴としている。
【００１４】
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２の発明において、高倍率の走査像を取得する際には、電子銃から発生した電子ビームのアライメントを行う偏向コイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給し、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間のコンデンサレンズを縮小レンズとして用いたことを特徴としている。
【００１５】
請求項４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１〜３の発明において、低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズの後段に設けられた電子ビーム走査用偏向コイルに、電子ビームの走査用偏向電流を供給するように構成したことを特徴としている。
【００１６】
請求項５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４の発明において、低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズとして動作するコンデンサレンズの後段に設けられたコンデンサレンズアライメントコイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給するように構成したことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に記載の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では、照射レンズ系によって電子ビームを試料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、電子ビーム走査のための走査手段と試料との間に縮小レンズを配置し、比較的高い倍率の走査像を観察する際には、縮小レンズを用いて試料上で２次元走査する電子ビームの走査範囲を縮小するように構成した。その結果、高倍率像を取得する場合でも、走査電源の大きなダイナミックレンジで電子ビームの走査を行うことができるので、走査電源の安定度が増すと同時に、走査信号電流に含まれるノイズの影響を極めて小さくすることができ、高画質、高分解能の像を得ることができる。
【００１８】
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、高倍率の走査像を取得する際には、電子銃から発生した電子ビームのアライメントを行う偏向コイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給し、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間に縮小レンズを設けるように構成したことを特徴としており、高倍率像取得のための電子ビーム走査用に既存の電子銃アライメント偏向コイルを用いたので、請求項１の効果に加え、コストも少なくすることができる。
【００１９】
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２の発明において、電子ビームアライメント用偏向コイルと試料との間の既存のコンデンサレンズを縮小レンズとして用いたので請求項２の発明と同様な効果を有する。
【００２０】
請求項４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、低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズの後段に設けられた偏向手段にダイナミックレンジの大きな走査信号を供給するようにしたので、低倍率の走査像がノイズの影響を受けることは極めて小さい。
【００２１】
請求項５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、低倍率の走査像を取得する際には、縮小レンズの後段に設けられたコンデンサレンズアライメントコイルに電子ビームの走査用偏向電流を供給するように構成したので、請求項４と同様な効果に加えて既存の偏向手段を用いるようにしたので、コストを高くすることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
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３は本発明に基づく透過電子顕微鏡における走査像取得モード時の光線図の一例を示す図であり、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、その詳細な説明は省略する。図３において、図示していない電子銃から発生し加速された電子ビームＥＢは、２段の電子銃アライメント偏向コイル１０，１１によって光軸からのずれが補正される。
【００２３】
図３に示した顕微鏡が透過電子顕微鏡モードの時、電子ビームＥＢはコンデンサレンズＣＬ１，ＣＬ２によって試料１の観察領域に平行ビームとして照射される。試料１を透過した電子は、中間レンズと投影レンズより成る結像レンズ系４によって、蛍光板や撮像管（いずれも図示されていない）上に結像される。この結果、蛍光板上には試料１の所定領域の透過電子顕微鏡像が表示され、また、撮像管を用いた場合には、撮像管の表面に投影された像は検出される。検出信号は、図示していないフレームメモリーに供給されて記憶される。フレームメモリーに格納された画素信号は、読み出されて液晶ディスプレイなどの表示装置に供給される。
【００２４】
次に、走査像観察モードの時の動作説明を行う。走査電子顕微鏡像観察モードの際には、走査信号発生回路（図示せず）から発生した走査信号Ｓ３が、低倍像／高倍像切換スイッチ１２によって切り換えられ、低倍像の倍率範囲と高倍像の倍率範囲とで異なった偏向コイルに供給される。すなわち、高倍像の観察の際には、走査信号は、電子銃とコンデンサレンズＣＬ１，ＣＬ２との間に配置される電子銃アライメント偏向コイル１０，１１に供給され、電子銃アライメント偏向コイル１０，１１が電子ビームＥＢの走査用偏向コイルとして使用される。
【００２５】
その結果、電子銃アライメント偏向コイル１０，１１には走査電源の大きなダイナミックレンジ（大きな振幅の走査信号）で電子ビームの走査が行われる。この際、コンデンサレンズＣＬ１，ＣＬ２は縮小レンズとして働き、電子ビームの試料１上の走査幅は、縮小されて小さくされる。すなわち、電子ビームの２次元走査領域は縮小レンズの縮小の割合に応じて狭くされ、その結果、倍率の高い像が得られることになる。
【００２６】
ここで、電子ビーム走査用偏向コイル（図３の実施の形態では電子銃アライメント偏向コイル１０，１１）の偏向量をＤ、偏向コイルの形状や方式によって決定される偏向係数をＡ、偏向コイルの巻き数をＴ、コイルに流れる電流をＩとすると、偏向量Ｄは次のように表される。
【００２７】
Ｄ＝Ａ×Ｔ×Ｉ      …（１）
次に、電子ビーム走査用偏向コイルの偏向感度をＳとすると、この偏向感度Ｓは、次の通りとなる。
【００２８】
Ｓ＝Ａ×Ｔ      …（２）
この結果、画像ノイズＮは、倍率をＭ、偏向コイルに流される電流ノイズをＮｉとすると、次のように表される。
【００２９】
Ｎ＝Ｍ×Ａ×Ｔ×Ｎｉ      …（３）
式（１）、（２）を式（３）に代入して変形すれば、
Ｎ＝Ｍ×Ｄ×Ｎｉ／Ｉ      …（４）
が得られる。
【００３０】
ここで、偏向コイルに流される電流に含まれるノイズ成分Ｎｉは、電流量に関わらずほぼ一定である。また、式（４）中のＭ×Ｄは、表示装置に表示される走査像の実長であり、表示装置が同じであれば一定である。図１の従来装置において、倍率を高くすることは、式（４）中のＩを小さくすることに相当するので、倍率を高くするに従って画像ノイズＮも大きくなり、図２（ｂ）に示すような走査像となってしまう。しかし、本発明において縮小レンズを入れることは、式（４）のＤを小さくして倍率Ｍを大きくすることに相当する。この時、（Ｎｉ／Ｉ）は一定であるから画像ノイズＮが増加することはない。すなわち、縮小レンズを入れて２次元走査領域を狭めることにより、高倍率における走査像の画像ノイズを減少せしめる効果を奏することができる。
【００３１】
なお、図３の構成では、電子ビーム走査用に電子銃アライメント用の偏向コイルを用い、縮小レンズとしてコンデンサレンズを用いたが、電子ビーム走査用に別個に偏向コイルを設けることは可能であり、また、縮小コイルとしてコンデンサレンズを用いることが絶対の条件ではなく、別個に縮小レンズを設け、高倍率の走査像を取得する際に、この縮小レンズを動作させるように構成しても良い。
【００３２】
次に、走査像取得モードで低倍像を観察する場合について説明する。低倍像観察（所定の低倍率範囲）の指示があった場合、走査信号が低倍像／高倍像切換スイッチ１２によって切り換えられ、走査信号Ｓ３は、電子銃アライメント偏向コイル１０，１１からコンデンサレンズアライメント偏向コイル１３，１４に供給され、コンデンサレンズアライメント偏向コイル１３，１４が電子ビームＥＢの走査用偏向コイルとして使用される。
【００３３】
その結果、コンデンサレンズアライメント偏向コイル１３，１４には走査電源からの大きなダイナミックレンジの走査信号（大きな振幅の走査信号）で電子ビームの走査が行われる。したがって、低倍像の観察においても、ノイズの低減した像を観察することができる。この際、同時に走査偏向コイルのノイズも縮小され、走査画質も改善される。なお、低倍像観察の際にコンデンサレンズアライメント偏向コイルを電子ビーム走査用偏向コイルとして用いたが、独立して走査用偏向コイルを設けるように構成しても良い。図４は、本発明によって得られた周辺部が滑らかな楕円の像を示しており、図２に示したような、ノイズにより周辺部がギザギザになることは防止されている。すなわち、図２（ａ）が低倍像であり、（ｂ）が高倍像であるが、いずれの楕円像も周辺部にはノイズによるギザギザが発生せず、滑らかさが消失することはない。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の透過電子顕微鏡における走査像取得モード時の光線図の一例を示す図である。
【図２】偏向電流ノイズによる低倍像と高倍像のノイズ像を示す図である。
【図３】本発明に基づく透過電子顕微鏡における走査像取得モード時の光線図の一例を示す図である。
【図４】本発明によって取得される低倍像と高倍像を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  試料
２，３，１０，１１，１３，１４  偏向コイル
４  結像レンズ系
５  電子線検出器
１２  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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