(57)【要約】【課題】本発明の目的は、既存の収差測定法に比べて収差情報の抽出が容易であり、測定精度の高い収差測定を行うことが可能な荷電粒子線装置及び収差測定法を提供することにある。【解決手段】本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収束して、前記収束された荷電粒子線を試料上で走査させる電子光学系と、前記試料から透過あるいは散乱した荷電粒子線を検出する検出系と、前記電子光学系の収差を補正する収差補正器と、前記検出系からの信号から前記試料の画像を形成する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記試料に対して複数の検出角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像を作成し、前記複数の像を用いて前記複数の検出角度の各々に対する収差情報を求める。【選択図】図７
2015032384.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収束して、前記収束された荷電粒子線を試料上で走査させる電子光学系と、
前記試料から透過あるいは散乱した荷電粒子線を検出する検出系と、
前記電子光学系の収差を補正する収差補正器と、
前記検出系からの信号から前記試料の画像を形成する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記試料に対して複数の検出角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像を作成し、前記複数の像を用いて前記複数の検出角度の各々に対する収差情報を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子線装置が、走査透過電子顕微鏡であり、
前記像は、前記試料に対して複数の異なる検出角度で取得した複数の明視野像を各々フーリエ変換して得られるリング状のパターンであり、
前記制御装置は、前記複数の検出角度の各々に対するデフォーカス及び軸上二次非点収差に基づいて収差係数を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出系は、
前記試料及び前記電子光学系の下方に配置された複数の明視野検出器と、
前記複数の明視野検出器の上側で前記荷電粒子線を複数の異なる検出角度の各々に制限するための複数の孔を有する絞りと、
を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記複数の明視野検出器及び前記複数の孔は、正方格子状に配列されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記複数の明視野検出器及び前記複数の孔は、複数の同心円に沿って配列されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記絞りは、前記複数の孔を有する一枚の絞り板によって構成されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項７】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出系は、
前記試料及び前記電子光学系の下方に配置されたイメージング検出器と、
前記イメージング検出器の上側に配置され、前記荷電粒子を光に変換するための変換素子と、
前記変換素子の上側で前記荷電粒子線を複数の異なる検出角度の各々に制限するための複数の孔を有する絞りと、
を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記電子光学系は、前記試料と前記検出系との間に配置される偏向器を更に備え、
前記検出系は、前記試料及び前記電子光学系の下方に配置された１つの明視野検出器と、前記明視野検出器の上側で前記荷電粒子線の角度を制限するための孔を有する絞りと、を備え、
前記偏向器が、複数の異なる検出角度の各々に対応する前記荷電粒子線を前記明視野検出器に順次導くように、前記荷電粒子線を偏向させることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項９】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記収差係数が所定の許容値以下であるかを判定することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１０】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記リング状のパターンと前記複数の検出角度とを関連付けた情報を表示するための表示部を更に備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料は、アモルファス薄膜を含むことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１２】
荷電粒子線装置における収差測定法であって、
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収束して、前記収束された荷電粒子線を試料上で走査させる照射ステップと、
前記試料から透過あるいは散乱した荷電粒子線を検出する検出ステップと、
前記検出ステップで得られた信号から前記試料の画像を形成する画像形成ステップと、
前記試料に対して複数の検出角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像を作成する像作成ステップと、
前記複数の像を用いて前記複数の検出角度の各々に対する収差情報を求める収差情報算出ステップと、
を含むことを特徴とする収差測定法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の収差測定法において、
前記荷電粒子線装置が、走査透過電子顕微鏡であり、
前記像は、前記試料に対して複数の異なる検出角度で取得した複数の明視野像を各々フーリエ変換して得られるリング状のパターンであり、
前記収差情報算出ステップは、前記複数の検出角度の各々に対するデフォーカス及び軸上二次非点収差に基づいて収差係数を求めることを含むことを特徴とする収差測定法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の収差測定法において、
前記検出ステップは、複数の明視野検出器と、前記複数の明視野検出器の上側で前記荷電粒子線を複数の異なる検出角度の各々に制限するための複数の孔を有する絞りとを用いて、前記複数の異なる検出角度の前記荷電粒子線を同時に検出することを含むことを特徴とする収差測定法。
【請求項１５】
請求項１３に記載の収差測定法において、
前記検出ステップは、
１つの明視野検出器と、前記明視野検出器の上側で前記荷電粒子線の角度を制限するための孔を有する絞りとを用いて、前記荷電粒子線を検出することと、
複数の異なる検出角度の各々に対応する前記荷電粒子線を前記明視野検出器に順次導くように、前記荷電粒子線を偏向させることと、
を含むことを特徴とする収差測定法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置、及び、当該荷電粒子線装置において光学状態（収差）を求めるための方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）における球面収差補正技術が実用化され、それ以前には電子レンズの大きな球面収差に隠れてあまり重視されなかった微小な種々の収差の影響を適切に取り扱う方法が重要となってきている。
【０００３】
例えば、ＳＴＥＭにおいて問題となる三次以下の収差については、従来、デフォーカス、二回対称非点とせいぜい三回対称非点の３収差について評価及び補償の対策を講じれば良かった。しかしながら、球面収差補正器が実用化されて以降、球面収差を補正した後に残る前記以外の軸上コマ収差、スター収差、四回対称非点収差、球面収差自体を含め計７収差を適切に取り扱うことが必要となった。さらに、最高分解能を得るためには、より高次（２０１２年現在で一般的には５次以下）の１４個の軸上開口収差を評価し、調整または抑制する工夫が必要であることが分かっている。
【０００４】
【表１】
2015032384.tif 000003
【０００５】
これより明らかなように、各レンズ収差の評価、即ち収差係数の精密測定法は、電子顕微鏡の収差補正技術の確立以前とは桁違いに重要さを増している。収差補正ＳＴＥＭにおいては、従来より、プローブタブロー法（非特許文献１）や収差図形法、あるいはロンチグラムを用いる収差測定法（特許文献１及び特許文献２）が実用化されている。前述したもののうち前二者は、試料面上に入射する電子線の入射角度を変えながら走査顕微鏡像を撮影し、それぞれの角度で得られる収差情報を纏め、表１に示す１４種の軸上収差を計算する手法である。
【０００６】
具体的には、プローブタブロー法では、入射角度毎のプローブ形状を推定し、当該入射電子線傾斜での二回対称非点収差とでデフォーカスを算出する。これを当該傾斜角度における収差情報として軸上収差係数を計算する。また、収差図形法では、各入射電子線傾斜の走査顕微鏡像のシフト量を調べ、これらを当該傾斜角度における収差情報として軸上収差係数を算出する。
【０００７】
表１の回転対称収差以外は、収差の大きさと共に回転角というあわせて二つの自由度を有するので、次数が３次以下で７つの収差係数を決定するには１２個、次数が５次以下で１４個の収差係数を決定するには２５個の不定値を求めなければならない。この数は即ち必要とする最低測定条件の数（上記の２つの方法であれば、電子線の入射角度の選択数）に相当する。
【０００８】
さらに、測定の統計的誤差あるいは系統的誤差を補償するために、通常は、必要数より余分な数の測定を繰り返す必要がある。即ち、これらの手法は、上記の通り必要とする収差係数を求めるためにその数に応じた多数の測定を、電子線入射角度等の条件を変えながら繰り返し行わなければならない。したがって、測定の手順が煩雑となる上、測定中の装置、あるいは被測定試料の不安定性が収差測定精度に影響し、その誤差が大きくなるという課題がある。
【０００９】
一方、ロンチグラムを用いる方法（例えば、特許文献１）では、同様に複数の収差に起因する像のシフト、あるいはデフォーカスと非点収差等を複数の電子線入射角度に対して抽出して、必要となる軸上収差係数の組を算出する。ただし、特許文献１で説明される通り、これら複数の電子線入射角度に対する情報は、一枚のロンチグラムに集約されて表される。そのため、前述のプローブタブロー法のように繁雑に多数の測定を繰り返すことなく、比較的少数の測定（ロンチグラムの撮影）で必要な情報を得て、軸上収差係数の組を算出することができる。
【００１０】
実際には、測定手順の要請からロンチグラム一枚のみでは不十分であり、例えば、特許文献１においては、デフォーカスを変えた最低二枚のロンチグラムが収差係数の算出に必要としている。また、統計的に測定精度を上げる目的で、複数枚のロンチグラムを撮影する場合もある。しかしながら、プローブタブロー法と比較して格段に少ない測定数で、必要な軸上収差係数の組を求めることができるのがロンチグラム法の利点である。
【００１１】
一方、上記の通り、一枚のロンチグラム中には多数の電子線入射角度に相当する収差情報が含まれることから、ロンチグラムからそれぞれの情報を抽出する画像解析に工夫と注意を要する。例えば、特許文献１では、測定試料としてアモルファス薄膜を用いる。この測定試料から得られたロンチグラム内で被測定領域をさらに格子状に区分けして、各々の領域で軸上収差算出に必要な収差情報を取得する。ここで、区分けされた各格子は、前述のプローブタブロー法等による異なる入射角度での観察に相当する。また、ロンチグラムから抽出する収差情報とは、その区画内の平均的な像歪みに関する特徴量である。この像歪みに関する特徴量は、その区画に対応する入射角度での電子プローブの変形、或いは局所倍率の変化と関係付けられる。
【００１２】
この一連の画像解析において正しい収差測定を得るためには、格子の大きさを適正に設定することが必要である。格子が小さすぎればその領域を代表する収差情報を十分な精度で取得できない。一方、格子が広すぎれば領域内で平均化されてしまって、やはり正しい収差情報が取得できず、その結果、収差測定結果に応分の誤差を生じることになる。
【００１３】
また、測定試料固有の形状や試料ドリフト、電気的あるいは機械的ノイズ等、収差以外の要因もロンチグラムに影響を及ぼすので、これらによっても取得される収差情報、引いてはそれらより算出される軸上収差係数に誤差が生じる可能性がある。まとめれば、ロンチグラムによる収差測定では、元々の収差状態に応じて適切な測定条件を正しく選択し、且つ、ロンチグラムからの収差情報抽出も収差以外の影響を考慮した画像処理方法に工夫する必要があると言える。
【００１４】
他方、収差補正透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）においても幾つかの精密収差測定法が考案されている。今のところ、実用的にはディフラクトグラムタブローを用いる測定法（非特許文献２）が主流である。この測定法の詳細については、本発明との比較において後述するが、ディフラクトグラムタブロー法もＳＴＥＭプローブタブロー法と同様に、試料に対して複数の電子線入射角度で測定し、各々の入射角度で得られるＴＥＭ像におけるデフォーカスと非点収差を求め、これらから軸上収差係数を算出する。その意味では、ディフラクトグラムタブロー法は、ＳＴＥＭプローブタブロー法と同様に、多数回の測定を繰り返す必要があり、測定手順の煩雑さと測定時間に課題があると言える。
【００１５】
一方、各々のディフラクトグラムからの収差情報の抽出は、前述のＳＴＥＭにおける各測定法のそれらに比べても単純である。そのため、ある程度像質の良いディフラクトグラムが得られれば、その抽出は比較的容易かつ精度も維持できる。従って、収差情報抽出に起因する収差測定誤差は小さく抑えられると期待できるが、一方、勿論ながらディフラクトグラムタブローはＴＥＭにおける収差測定法であり、そのままではＳＴＥＭにおいて適用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第５１８８８４６号明細書
【特許文献２】米国特許第６５５２３４０号明細書
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Rolf Erni, “Aberration corrected imaging in transmission electron microscopy”, (Imperial College Press,2010, ISBN-10 1-84186-836-6), p.273-276
【非特許文献２】Rolf Erni, “Aberration corrected imaging in transmission electron microscopy”, (Imperial College Press,2010, ISBN-10 1-84186-836-6), p.267-272
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
上記既存技術で説明した通り、ＳＴＥＭにおける既存の収差測定法は、多数回の測定を要する煩雑な方法であるか、あるいは、測定回数は少ないが収差情報抽出の工程で誤差を含み易い。したがって、既存の収差測定法ではまだ課題を残していると言える。実際、現状の収差補正ＳＴＥＭにおいては、複数回の収差測定と収差調整を繰り返すことによって漸近的に所望の収差補正状態に近づけていく作業を行う。これは、収差調整の不完全性もあるが、同時に上記で課題とした収差測定の精度及び確度の不足も原因となっている。
【００１９】
本発明の目的は、既存の収差測定法に比べて収差情報の抽出が容易であり、測定精度の高い収差測定を行うことが可能な荷電粒子線装置及び収差測定法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例として、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収束して、前記収束された荷電粒子線を試料上で走査させる電子光学系と、前記試料から透過あるいは散乱した荷電粒子線を検出する検出系と、前記電子光学系の収差を補正する収差補正器と、前記検出系からの信号から前記試料の画像を形成する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記試料に対して複数の検出角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像を作成し、前記複数の像を用いて前記複数の検出角度の各々に対する収差情報を求める、荷電粒子線装置が提供される。
【００２１】
他の例によれば、荷電粒子線装置における収差測定法であって、荷電粒子源から放出された荷電粒子線を収束して、前記収束された荷電粒子線を試料上で走査させる照射ステップと、前記試料から透過あるいは散乱した荷電粒子線を検出する検出ステップと、前記検出ステップで得られた信号から前記試料の画像を形成する画像形成ステップと、前記試料に対して複数の検出角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像を作成する像作成ステップと、前記複数の像を用いて前記複数の検出角度の各々に対する収差情報を求める収差情報算出ステップと、を含む収差測定法が提供される。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、既存の収差測定法に比べて収差情報抽出が容易であり、測定精度の高い荷電粒子線装置及び収差測定方法を提供することができる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】球面収差補正器を備えたＴＥＭ全体構成の概略を示す図である。
【図２】球面収差補正器を備えたＳＴＥＭ全体構成の概略を示す図である。
【図３】ＴＥＭディフラクトグラムの形成と取得原理を説明する図である。
【図４】ＴＥＭで用いられる試料の一例である。
【図５Ａ】ＴＥＭにおいて垂直照射時のＴＥＭ像の一例である。
【図５Ｂ】図５ＡのＴＥＭ像のディフラクトグラムである。
【図６Ａ】ＴＥＭにおいて傾斜照射時のＴＥＭ像の一例である。
【図６Ｂ】図６ＡのＴＥＭ像のディフラクトグラムである。
【図７】ＴＥＭにおけるディフラクトグラムタブローと同等の収差測定法を、ＳＴＥＭで適用できる原理を説明する図である。
【図８】ＳＴＥＭで用いられる試料の一例である。
【図９Ａ】ＳＴＥＭにおいて垂直照射時のＳＴＥＭ像の一例である。
【図９Ｂ】図９ＡのＳＴＥＭ像のディフラクトグラムである。
【図１０Ａ】ＳＴＥＭにおいて傾斜照射時のＳＴＥＭ像の一例である。
【図１０Ｂ】図１０ＡのＳＴＥＭ像のディフラクトグラムである。
【図１１】本発明の一実施例における試料と検出器の関係を描画した図である。
【図１２】ＳＴＥＭディフラクトグラムを用いた収差測定を行うためのＳＴＥＭの一例である。
【図１３】ＳＴＥＭディフラクトグラムを用いた収差測定を行うためのＳＴＥＭの別の例である。
【図１４Ａ】図１２の例で用いる明視野検出器アレイの第１の例である。
【図１４Ｂ】図１２の例で用いる明視野検出器アレイの第２の例である。
【図１４Ｃ】図１２の例で用いる明視野検出器アレイの第３の例である。
【図１５Ａ】明視野検出器アレイにおいて電子検出器と絞り孔の配列の一例である。
【図１５Ｂ】明視野検出器アレイにおいて電子検出器と絞り孔の配列の別の例である。
【図１６Ａ】ＳＴＥＭディフラクトグラムを用いた収差測定及び収差調整のフローである。
【図１６Ｂ】図１６Ａのステップ１６０２の具体的なフローである。
【図１６Ｃ】図１６Ａのステップ１６０３の具体的なフローである。
【図１６Ｄ】図１６Ａのステップ１６０４の具体的なフローである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
【００２５】
荷電粒子線装置は、電子や陽イオンなどの電荷をもつ粒子（荷電粒子）を電界で加速し、試料に照射する装置である。荷電粒子線装置は、試料と荷電粒子との相互作用を利用して、試料の観察、分析、加工などを行う。以下の説明ではＳＴＥＭに適用した例を説明するが、本発明は、観察試料表面に荷電粒子プローブを収束して走査するもの、例えば、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）、またはこれらを応用した装置にも、測定試料の工夫等で適用可能である。
【００２６】
以下で説明する実施例は、収差補正ＴＥＭで用いられているディフラクトグラムタブロー法と同等の収差測定法を、ＴＥＭとＳＴＥＭの相反性を用いて、ＳＴＥＭでも利用可能とするものである。そのため、まずＴＥＭにおけるディフラクトグラム法の概略について説明する。
【００２７】
図１は、ＴＥＭ１００の全体構成の概略図を示す。ＴＥＭ１００の各構成要素は、電子顕微鏡制御システム１１７Ｔによって以下のように制御される。ＴＥＭ鏡体１０１Ｔの頭頂部にある電子源１０３Ｔから放射された電子線は、電子銃および加速管１０２Ｔで決められたエネルギーまで加速される。加速された電子線は、収束レンズ１０４Ｔ、１０７Ｔと対物レンズ１１０Ｔの前磁場で収束が調整される。また、電子線は、偏向器１０６Ｔで偏向される。ここで、試料ホルダ１０８Ｔで保持された試料１０９Ｔは、磁界電子レンズである対物レンズ１１０Ｔの磁場中に置かれ、試料１０９Ｔの試料面までの磁場を「前磁場」と呼び、試料面以降の磁場を「後磁場」と呼ぶ。以上により、電子線は、照射電子線１２０Ｔとして試料１０９Ｔの観察領域を明るさなどユーザ所望の条件で照射するように導かれる。
【００２８】
照射電子線１２０Ｔの角度制限は、収束レンズ絞り装置１０５Ｔによって決められる。試料１０９Ｔで透過もしくは散乱された電子線１２１Ｔは、対物レンズ１１０Ｔの後磁場と、さらに下流の投影レンズ群１１２Ｔとによって拡大され、蛍光板（投影面）１１５Ｔ上に、試料１０９Ｔの拡大像を結ぶ。この像は、観察窓１１４Ｔを通して観察用双眼鏡１１３Ｔなどを用いて直接観察できる他、さらに投影面下方からイメージング検出器（ＣＣＤカメラ等）１１６Ｔ、フィルム等の二次元イメージング手段によって記録することができる。
【００２９】
また、近年普及しつつある球面収差補正器１１１Ｔは、ＴＥＭ１００においては対物レンズ１１０Ｔと投影レンズ群１１２Ｔとの間に置かれ、対物レンズ１１０Ｔによる球面の他、３次までの軸上収差を補正する。なお、球面収差補正器１１１Ｔは、収差補正制御システム１１８Ｔによって制御される。これにより、ＴＥＭ１００において０．１ｎｍを切る高い分解能を実現している。
【００３０】
一方、これと対照させて、図２は、ＳＴＥＭ２００の全体構成の概略図を示す。なお、図２において、図１と同じ構成要素については、「Ｔ」を除いた同じ数字の符号を付し、特に必要のない場合は説明を省略する。
【００３１】
ＳＴＥＭ２００は、電子源１０３から放出された電子線を収束して、収束された電子線を試料１０９上で走査させる電子光学系を備える。ＳＴＥＭ鏡体１０１の頭頂部にある電子源１０３で放出された電子線は、ＴＥＭと同様に、電子銃および加速管１０２、収束レンズ１０４、１０７までは照射電子線１２０として導かれるが、当該照射電子線１２０は、対物レンズ１１０の前磁場によって、試料１０９上に微小電子プローブを形成するように結像される。
【００３２】
ＳＴＥＭの場合は、この微小電子プローブを、試料１０９と収差補正器１１１との間に配置されたスキャンコイル１２７（図１２、図１３に図示）を用いて、試料面上で２次元ラスタースキャンさせる。そして、試料１０９における各点で透過あるいは散乱される電子線を、下流の明視野検出器１２６及び環状暗視野検出器１２５などの電子線検出器で検出し、その強度信号を上記ラスタースキャンに従って取得する。
【００３３】
電子顕微鏡制御システム１１７あるいは制御ＰＣ（Personal Computer）１１９などの制御装置は、電子線検出器からの電子線強度信号から試料１０９の画像を形成する。即ち、電子線強度信号を、電子顕微鏡制御システム１１７あるいは制御ＰＣ１１９で２次元像に再構成する。これにより、例えば制御ＰＣ１１９の画面上に当該電子線強度の二次元イメージ、即ちＳＴＥＭ像を得ることができる。収差補正器１１１は、収束レンズ１０７と対物レンズ１１０との間に置かれ、対物レンズ１１０における収差を事前に取り除き（即ち、前もって対物レンズ収差と相殺する、反符号等量の収差を収差補正器１１１で照射電子線１２０に与える）、収差によるボケのない、より微小な電子プローブを試料１０９上に結像させる。
【００３４】
照射電子線の試料面における収束角度は、やはり収束レンズ絞り装置１０５によって制限される。試料１０９より下流の投影レンズ群１１２は、散乱もしくは透過した電子線１２１、１２２を適切な検出条件で各検出器１２５、１２６に伝達するために用いられる。また、イメージング検出器１１６は、収差測定あるいはロンチグラム観察のために備えられるが、不要な場合は省かれることもある。
【００３５】
以上、図１のＴＥＭ１００と図２のＳＴＥＭ２００での電子顕微鏡像結像を、特に試料１０９、１０９Ｔと対物レンズ１１０、１１０Ｔの近傍での電子線照射及び散乱に着目して見直すと、ちょうど両者が逆転した状態にあることがわかる。これが、ＴＥＭとＳＴＥＭ明視野法における結像の相反定理の起源であり、以下、これを利用した本発明の原理を説明する。また、以下では、本発明の原理を、従来のＴＥＭディフラクトグラム形成原理と比較して説明する。
【００３６】
図３は、従来のＴＥＭでのディフラクトグラムの取得方法を説明する図である。また、図７は、本実施例のＳＴＥＭにおいてＴＥＭディフラクトグラムと等価な像（以下、「ＳＴＥＭディフラクトグラム」と呼称する）を取得する方法を説明する図である。まず、これら両図を対照しながら、先のＴＥＭとＳＴＥＭ明視野法における相反定理を確認する。
【００３７】
図３に示すように、ＴＥＭの場合、入射電子線１２０Ｔａは、対物レンズ１１０Ｔの前磁場１１０Ｔａで平行に試料１０９Ｔを照射する。図４に示すように、一般的に、ディフラクトグラムを取得する為には、試料１０９Ｔは、カーボン等の均等なアモルファス薄膜、あるいは、主にそれからなる薄膜である。
【００３８】
通常の高加速ＴＥＭ（加速電圧  ＞  １００ｋＶ）において、カーボンアモルファス薄膜は、吸収が少なく良い近似で位相物体と看做せる上、原子レベルでランダムな構造を持つので、入射した電子をおよそ等方的に散乱する。従って、試料１０９Ｔの下流では、広い散乱角範囲で一様な散乱電子線１２１Ｔａと、透過電子線１２２Ｔａが生成される。これらは、対物レンズ１１０Ｔの後磁場１１０Ｔｂにより中間像面１５０Ｔに中間結像される。この中間像が、下流の投影レンズ群１１２Ｔ（図３では図示せず）でさらに拡大され、最終的には投影面１１５Ｔ（図３では図示せず）にＴＥＭ像を結ぶことになる。ＴＥＭ像は、イメージング検出器１１６Ｔなどを用いて観察される。
【００３９】
ここで、試料１０９Ｔを透過した直後の電子線波動関数は、
【数１】
2015032384.tif 000004
である。
【数２】
2015032384.tif 000005
は、試料による電子線の位相変化であり、γ＝（ｘ，ｙ）は、試料１０９Ｔを透過した直後の出射面内の座標である。また、三項目の変形には、
【数３】
2015032384.tif 000006
が小さいとする弱位相物体近似を用いた。
【数４】
2015032384.tif 000007
は、試料１０９Ｔの持つ電磁場と以下のように関連付けられる。
【００４０】
【数５】
2015032384.tif 000008
ここで、
【数６】
2015032384.tif 000009
及びＡ（γ，ｚ）は、それぞれ、試料の静電ポテンシャルとベクトルポテンシャルである。ｍ、ｅ、ｈは、それぞれ、電子の質量、電荷、及びプランク定数である。
【００４１】
数５の積分は、試料中で透過する電子軌道に沿って取り出射面に投射することを意味している。すなわち、数１の式の位相変化
【数７】
2015032384.tif 000010
は、試料内の電磁場情報、従って構造をほぼ直接表していると言える。対物レンズ１１０Ｔの出射面での電子波動関数は、数１の式のフーリエ変換によって与えられる。即ち、
【数８】
2015032384.tif 000011
となる。
【００４２】
ここで、ｆ０は、対物レンズの焦点距離であり、Ｆ［ ］は、フーリエ変換を意味する。また、η＝（α，β）は、電子線の散乱角度である。対物レンズ１１０Ｔと投影レンズ群１１２Ｔがレンズ収差を持たず完全な結像を行うのであれば、像は数８の式の逆フーリエ変換で得られるから、そのまま
【数９】
2015032384.tif 000012
を得ることができる。
【００４３】
しかしながら、実際の結像は、対物レンズ１１０Ｔが収差を持ち、また、散乱角度が有限の値に制限されるので、数８の式はこれらを加えて、
【数１０】
2015032384.tif 000013
となる。
【００４４】
ここで、Ａ（η）は、対物絞り（図１においては図示されていない）等で決められる透過関数であり、χ（η）は、収差関数であり、λは、電子線波長である。数１０の式の意味するところは、即ち収差によって散乱角に応じた余剰の位相変化が電子線に与えられることになり、図３に示すとおり、理想電子波面１３０Ｔａが収差を含んだ電子波面１３０Ｔｂに変化することになる。数１０の式は試料の弱位相物体近似の元で、以下のように書き直せる。
【００４５】
【数１１】
2015032384.tif 000014
【００４６】
特に、アモルファス薄膜を試料１０９Ｔとして用いる場合、試料の散乱は散乱角度に因らずほぼ等方的で
【数１２】
2015032384.tif 000015
であるから、数１１の式を変形した後、（  ）内の二項の関係を考えると、
【数１３】
2015032384.tif 000016
である。
【００４７】
数１３の式で、ｎが偶数のとき両項は強めあい、逆に奇数のとき弱めあう事がわかる。最終的な投影面１１５Ｔにおける結像は、前述した通り、数１０の式もしくは数１１の式の逆フーリエ変換によって得られるので、数１３の式の関係に相当する空間周波数で像の強調と抑制がそれぞれ行われることになる。
【００４８】
具体的には、図４に示すアモルファス試料１０９Ｔを用いて、投影面１１５Ｔにおいて図５Ａに示す５００ＴａのようなアモルファスＴＥＭ像を得たとする。これをフーリエ変換すると、上記の強調と抑制が散乱角の増大に従って交互に起きることから、強度が抑制される散乱周波数で暗線となるリング状（同心円状）のパターン（図５Ｂに示す５０１Ｔａ）を得ることになる。また、このようなアモルファス試料のＴＥＭ像をフーリエ変換して得られる像を「ディフラクトグラム」と呼ぶ。
【００４９】
ここで、試料に対する電子線入射角度を（例えば、図３において、１２０Ｔａから角度τで傾斜した１２０Ｔｂに）変えてＴＥＭ像を撮影することを考えると、透過電子線、散乱電子線もそれに応じて対物レンズ１１０Ｔの別箇所を通過することになる。例えば、入射電子線１２０Ｔａから１２０Ｔｂに移す場合には、透過電子線と散乱電子線は、各々、１２２Ｔａと１２１Ｔａから１２２Ｔｂと１２１Ｔｂに角度τで傾斜して移る。
【００５０】
従って、電子線が対物レンズ１１０Ｔで受ける収差も変わり、図６Ａに示すＴＥＭ像６００Ｔｂを得る。上記の理由により、試料１０９Ｔの同一箇所を観察しながら、異なる収差で含む周波数成分が変わる。これに従い、ＴＥＭ像６００Ｔｂを得て、これをフーリエ変換することで、図６Ｂに示すディフラクトグラム６０１Ｔｂが得られる。このように、ディフラクトグラムを観察することにより、電子線の透過する対物レンズ１１０Ｔの箇所の局所的な収差（による位相変分）を知ることができるので、複数の電子線入射角度でディフラクトグラムを観察すれば、これらを総合して対物レンズ収差による位相変分χ（η）を知ることができる。
【００５１】
より具体的には、χ（η）の最抵次成分は、デフォーカスＣ１と二回対称非点収差Ａ１の係数を用いて以下のように書ける。
【数１４】
2015032384.tif 000017
ここで、ηは角度空間の複素表示であり、
【数１５】
2015032384.tif 000018
である。また、
【数１６】
2015032384.tif 000019
は、その共役複素値を表す。数１４の式を数１３の式の条件に当てはめてディフラクトグラム５０１Ｔａ（図５Ｂ）、６０１Ｔｂ（図６Ｂ）等を解析すれば、電子線入射角度τに対してデフォーカスＣ１（τ）と二回対称非点収差Ａ１（τ）を決めることができる。（τ）は、入射角度τのとき決まる収差を示している。
【００５２】
最終的に求めたいのは、軸上収差係数、即ち、
【数１７】
2015032384.tif 000020
等である。ここで、入射角度τでのＣ１（τ）、Ａ１（τ）と高次まで含めた軸上収差とが以下のように関連付けられる。
【００５３】
【数１８】
2015032384.tif 000021
【００５４】
先に言及したように、回転対称収差Ｃ１、Ｃ３、Ｃ５、・・・以外は、大きさと回転角の二成分を持つ。従って、三次までの７つの軸上収差を求めるには、１２の未定係数を決めなければならない。数１８の式を見れば、一つの電子線入射角度で得られるディフラクトグラムからＣ１（τ）とＡ１（τ）（後者はやはり大きさと回転の二つの要素を持つ）を求めることにより、三つの等式を得ることができる。よって、四つの異なる電子線入射角度でディフラクトグラムを取得すれば、１２の未定係数を求めることを充足する一次連立方程式の組みを得ることができる。実際的には測定誤差を抑えるため、より多く電子線入射角度を変えてディフラクトグラムを取得する。そして、各々の入射角度について、Ｃ１（τ）とＡ１（τ）を得て、最少二乗法等により三次までの軸上収差係数を求める。
【００５５】
この手法を、同じやり方で、より高次の収差測定に拡張できる。数１８の式を所望の次数の収差まで含むよう補充し、所望の次数までの収差係数を決めるのに必要なだけ電子線入射角度を変えて、数１８の式の連立方程式を作れば、多元一次連立方程式の解として軸上収差係数を求めることができる。ＴＥＭの場合、以上のような手順で収差を測定する手法をディフラクトグラムタブロー（を用いた）収差測定法と呼び、現在、収差補正ＴＥＭで収差を高精度に計測する標準的な方法として利用されている。
【００５６】
図７は、本発明の実施例を説明する図であり、図３で説明したＴＥＭにおけるディフラクトグラムタブローと同等の収差測定法を、ＳＴＥＭで適用できる原理を説明する図である。
【００５７】
ＳＴＥＭの場合は、上方からの入射電子線（束）７００を、主に対物レンズ１１０の前磁場１１０ａの収束作用によって収束させ、試料１０９上に微小電子プローブを結像する。この微小電子プローブを、スキャンコイル（図１２及び図１３参照）を用いて試料１０９上を走査し、ＳＴＥＭ像を得るのは既に説明の通りである。
【００５８】
ＳＴＥＭで明視野像観察をするには、試料１０９を透過する電子線と試料１０９によって散乱された電子線の両方を検出器に取り込んで計測する。例えば、試料１０９の直下、光軸上に置かれた明視野検出器１２６ａには、（i）試料１０９に垂直に入射しかつ透過する電子線（照射電子線１２２ａ）と、（ii）試料面から
【数１９】
2015032384.tif 000022
の角度で傾斜して入射し、各々試料１０９による散乱で
【数２０】
2015032384.tif 000023
の角度で振り戻され、結局、試料１０９から垂直に下りる散乱電子線（照射電子線１２１ａ）とが、電子線経路７０１ａを通って到達する。これらが明視野ＳＴＥＭ像を作る信号となる。
【００５９】
ＳＴＥＭ像の結像において強く寄与するのは、前述の通り対物レンズ１１０の前磁場１１０ａである。これがレンズとして収差を持つと、電子線が通過する際に収差による余剰な位相変分が電子線に与えられ、試料１０９に収束する電子波面を理想波面１３０ａから収差による変分を含む波面１３０ｂに変形させる。これを先の照射電子線１２２ａと照射電子線１２１ａでの明視野像観察条件に当てはめると、それぞれの電子線が対物レンズ１１０の前磁場１１０ａの異なる個所を通過することから、試料１０９に収束する前に事前に照射電子線１２２ａと照射電子線１２１ａは対物レンズ収差による異なる位相変分を担って明視野検出器１２６ａに入射することになる。この関係は、図３におけるＴＥＭで説明した電子線照射と結像の関係とちょうど逆転の関係である。
【００６０】
図３のＴＥＭの場合には、平行入射した電子線が試料１０９Ｔで散乱され、電子線の入射角度τと散乱角度透過電子線とともに、それぞれ対物レンズ１１０Ｔの後磁場１１０Ｔｂの異なる個所を通過することに従った収差による位相変分を得て、投影面１１５Ｔで結像される。
【００６１】
一方、図７のＳＴＥＭの場合は、平行に入射した電子線が、先に対物レンズ１１０の前磁場１１０ａで収束される際にレンズ収差による位相変分を受ける。これが試料１０９で散乱され、特定の方向に出射した電子線が、明視野検出器によって、その検出器の位置に応じて選択的に検出されることになる。先での説明の通り、１つの明視野検出器に達する電子線でも、試料１０９における複数の散乱角ηの散乱電子線及び透過電子線が含まれ、電子線のそれぞれは、事前に透過した対物レンズ１１０の前磁場１１０ａの場所に応じた異なるレンズ収差による位相変分を受けている。従って、ＴＥＭで見られたのと同様に、対物レンズ１１０の収差によって特定の電子線散乱角で電子線強度の強調と抑制が現れる。
【００６２】
これらの条件は、ＴＥＭで用いたときと同じ数１１の式と数１３の式とで決められる。以上より、試料１０９として図８のアモルファス薄膜を用いると、明視野検出器１２６ａにて得られる明視野像は、特定の空間周波数が抑制された図９ＡのＳＴＥＭ明視野像９００ａを得ることになる。抑制された空間周波数は、ＴＥＭで行ったときと同様にＳＴＥＭ明視野像９００ａをフーリエ変換して得られる図９Ｂの像９０１ａにおいて、暗い同心状のリングパターンとして確認することができる。この像９０１ａは、上記の説明の通り、ＴＥＭで得たディフラクトグラムと等価な像であり、本明細書においてはＳＴＥＭディフラクトグラムと以後呼称する。
【００６３】
ＳＴＥＭの場合、ＴＥＭで電子線入射角度を変えてディフラクトグラムを取るプロセスを、検出器の位置を変えて検出する電子線の出射角度τの選択を変えることで、同様に実施できる。実際、図７において試料１０９からτの出射角度で出た電子線を取り込む位置においた明視野検出器１２６ｂで見てみると、（i）試料１０９に角度τで入射して透過した透過電子線（照射電子線１２２ｂ）と、（ii）試料１０９にτ＋ηの角度で入射し、散乱によってη分振り戻された散乱電子線（照射電子線１２１ｂ）とが、電子線経路７０１ｂを通って明視野検出器１２６ｂに届くことになる。
【００６４】
即ち、明視野検出器で検出する電子線出射角度の選択を変えることで、ＴＥＭの場合と同様に対物レンズ１１０の前磁場１１０ａの異なる箇所を通過し、その箇所の収差に応じた位相変分を含むＳＴＥＭ明視野像１０００ｂ（図１０Ａ）とＳＴＥＭディフラクトグラム１００１ｂ（図１０Ｂ）を得ることになる。従って、試料１０９から下方に出射する電子線の角度選択を、例えば明視野検出器の位置を変えるなどの手段で行う。これにより、それぞれの電子線出射角度τに対応するディフラクトグラムを得て、各々でデフォーカスＣ１（τ）と二回対称非点収差Ａ１（τ）を得ることができる。以上のように、ＳＴＥＭに対して、ＴＥＭの場合に数１４の式以降で説明した手段を用いることにより、ＳＴＥＭの場合でも所望の次数までの軸上収差係数を求めることができる。
【００６５】
図１１は、本発明で用いる明視野像を取得するための試料と検出器の関係を、電子線を加えて描画した図である。対物レンズ１１０の前磁場により収束された電子線１１０１、１１０２は、半角αのコーン状でその先端に試料１０９を走査する微小電子プローブを形成する。試料１０９を透過した電子線１１１１は、試料１０９下に入射電子線のコーンを延長する形で、同じ半角αで広がる。
【００６６】
一方、試料１０９に散乱された電子線１１１２は、やはり半角αではあるが、散乱角γで傾斜したコーンの中に放射される。図１１では、単純化のため、一つの散乱電子線のみが描かれているが、実際には試料１０９に応じて複数の散乱が同時におこり、それに従い散乱電子のコーンもそれぞれの散乱角度で傾斜し重畳して現れることになる。特に、本発明の一実施例のディフラクトグラムを取得するために用いるアモルファス試料では、広い角度範囲にほぼ一様な散乱が起こる。従って、図１１に示したコーン状の電子線１１１２がその角度範囲でほぼ連続的に重なって分布する形となる。
【００６７】
このような試料１０９下の透過および散乱電子線の中から測定に適切な電子線を選ぶために、選択用の小孔１１２１を有する明視野絞り板１１２２が、明視野検出器１２６の上に配置される。図１１の例では、透過電子線と散乱電子線が明視野絞り板１１２２上で重なった領域内に小孔１１２１があり、これを通過した透過電子線１１１１ｂと散乱電子線１１１２ｂのみが明視野検出器１２６に到達する。
【００６８】
小孔１１２１の孔径は、観察する構造の大きさに従って決められ、観察する試料構造の代表長をｄとすれば、試料１０９から小孔１１２１を見込む半角βは、
【数２１】
2015032384.tif 000024
となる。ここで、λは、電子線波長であり、Ｃｓは、収差測定を行う光学系での対物レンズ（図７の１１０ａ）の球面収差係数である。一般例として、２００ｋＶ  ＳＴＥＭにおいて波長は、λ＝２．５ｐｍであるから、Ｃｓ＝１ｍｍ、ｄ＝０．３ｎｍを仮定すれば、
【数２２】
2015032384.tif 000025
となるように、孔径を制限しなければならない。試料１０９から明視野絞り板１１２２までの距離、いわゆるカメラ長Ｌを２００ｍｍとすれば、従って小孔直径は、１．７ｍｍとなる。
【００６９】
明視野絞り板１１２２の小孔１１２１を通過した電子線を検出する明視野検出器１２６本体は、電子を検出するためのシンチレータ、半導体検出器等である。明視野検出器１２６において検出された電子強度信号は、プリアンプ１２８で増幅されるなどの前処理を施されて、制御ＰＣ１１９に送られる。制御ＰＣ１１９では、ＳＴＥＭ像の形成及びディフラクトグラム計算の処理が行われる。制御ＰＣ１１９は、試料１０９に対して複数の透過角度で取得した複数の画像を各々フーリエ変換することにより複数の像（図９Ｂ、図１０Ｂ）を作成し、これら複数の像を用いて複数の透過角度の各々に対する収差情報を求める。詳細には、上述したように、制御ＰＣ１１９は、複数の透過角度の各々に対するデフォーカスＣ１（τ）と二回対称非点収差Ａ１（τ）に基づいて収差係数を求める。
【００７０】
制御ＰＣ１１９は、汎用のコンピュータである。制御ＰＣ１１９の処理は、コンピュータ上で実行されるプログラムの機能として実現されてもよい。すなわち、制御ＰＣ１１９の処理は、プログラムコードとしてメモリなどの記憶部に格納し、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサが各プログラムコードを実行することによって実現されてもよい。
【００７１】
図１２は、本発明の一実施例の構成を示す図である。図１２の例では、複数の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃを配列状に並べた明視野検出器アレイ１２６０を用いた構成例が示されている。図１２は、ＳＴＥＭの一般構成を説明する図２の収差補正器１１１から下の部分を示す。
【００７２】
入射電子線束１２００は、収差補正器１１１で事前に対物レンズ１１０の球面収差を相殺する負の球面収差を与えられ、対物レンズ１１０の前磁場によって試料１０９上に微小電子プローブを収束する。試料１０９を透過または散乱された電子は、投影レンズ１１２によって、適宜倍率／カメラ長を調節され、最下部の明視野検出器アレイ１２６０に入射する。
【００７３】
図１２においては、３つの明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃを備えた明視野検出器アレイ１２６０を図示している。図７で説明した測定原理の通り、高次軸上収差を測定するためには被測定収差の数に応じた複数の出射角度で明視野像を取得しなければならない。図１２のように、明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃが適宜配列されたアレイ１２６０を用い、試料１０９から各々の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃへの出射角度が適切となるように投影レンズ１１２を調整する。この状態で一回の走査を行えば、各々の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃで、異なる出射角度における電子強度信号を得ることができる。なお、図１２の１２０１ａ、１２０１ｂ、１２０１ｃは、試料１０９から出射する３つの透過及び散乱電子線の経路を示している。
【００７４】
各々の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃで得られた信号は、プリアンプ１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃで増幅され、制御ＰＣ１１９に送られる。制御ＰＣ１１９では、各々の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃで得られた信号から明視野像、従ってディフラクトグラムを同時に得ることができる。
【００７５】
図１２においては、簡略化のため３つの検出器のみを示しているが、２次元的に９つ以上の検出器が配列されていれば、五次以下の軸上収差を算出することができる。即ち、図１２の実施例によれば、オリジナルのＴＥＭにおけるディフラクトグラムタブロー法や、従来ＳＴＥＭで利用されてきたプローブタブロー法等の収差測定法のように、電子線入射条件を変えながら複数の測定を繰り返す必要がない。また、得られたＳＴＥＭ像からの収差情報の抽出および軸上収差算出は、これまでにも十分に確かめられたＴＥＭにおけるディフラクトグラムタブロー法と同じ方法で高精度に行うことができる。
【００７６】
図１２の例では、複数の明視野検出器１２６ａ、１２６ｂ、１２６ｃを用いる。より簡単な構成で測定を行うために、図１３の実施例を用いてもよい。図１３は、本発明の別の実施例の構成を示す図である。
【００７７】
図１３に示すように、この実施例は、一つの明視野検出器１２６と、透過もしくは散乱電子線を明視野検出器１２６に導いて選択するための電子線偏向器１２９とを備える。電子線偏向器１２９によって逐次的に異なる出射角度の電子線を選択し、それら異なる出射角度に対するＳＴＥＭ像を取得する。これらのＳＴＥＭ像からＳＴＥＭディフラクトグラムを得て、ＳＴＥＭディフラクトグラムを用いて、図７で説明した測定原理に従って軸上収差係数を算出する方法もある。
【００７８】
図１３では、簡略化のために試料１０９から出射する３つの透過及び散乱電子線（電子線のパス）１２０１ａ、１２０１ｂ、１２０１ｃを示しているが、この場合は、電子線偏向器１２９でまず第１の透過及び散乱電子線１２０１ａを明視野検出器１２６に導いて、その出射角度に対するＳＴＥＭ像を取得する。その後、電子線を振りなおして、第２の透過及び散乱電子線１２０１ｂがまた明視野検出器１２６に導かれるようにし、ＳＴＥＭ像を取得する。次に、第３の透過及び散乱電子線１２０１ｃに対して同様にＳＴＥＭ像を取得する。以上のように、電子線偏向器１２９で検出する透過及び散乱電子線１２０１ａ、１２０１ｂ、１２０１ｃを順次選択して、必要枚数のＳＴＥＭ像を取得する。ＳＴＥＭ像を取得した後は、前述した方法で軸上収差係数を算出する。
【００７９】
図１３の実施例では、図１２の実施例で得られた同時測定の簡便さは損なわれるが、それでもなおＴＥＭでのディフラクトグラムタブロー法やＳＴＥＭでのプローブタブロー法での収差測定に比較すれば簡潔であると言える。
【００８０】
また、図１３の実施例によれば、既にある光学条件に固定された収差補正器１１１や対物レンズ１１０等に、固定された電子線束１２００を照射した状態で、投影レンズ１１２までのレンズ、偏向器等の電子光学要素を調整することなく、明視野検出器１２６直上の電子線偏向器１２９のみを調整して、検出する電子線を選択することができる。即ち、明視野検出器１２６直上の電子線偏向器１２９のみを調整して、測定に必要なＳＴＥＭ像を取得することが可能である。
【００８１】
これに対して、ディフラクトグラムタブロー法やプローブタブロー法であれば、測定に必要な枚数のＴＥＭ像もしくはＳＴＥＭ像を、補正器より上に置く少なくとも二段の偏向器を用いて入射電子線を正確に平行変位させ、試料に対する電子線入射角度を調整しなければならない。したがって、図１２及び図１３の実施例によれば、既存の収差測定法に比べて収差情報抽出が容易であり、測定精度の高い収差測定方法を提供することができる。
【００８２】
図１４Ａ〜図１４Ｃは、図１２の例で用いる明視野検出器アレイ１２６０の例を示す。図７において説明した通り、本実施例の収差測定法で用いる明視野検出器アレイ１２６０は、電子検出器本体と、検出する電子線角度の制限を数２０の式の条件に従って電子検出器本体の上方で行うための絞りとを備える。
【００８３】
図１４Ａの明視野検出器アレイ１２６０Ａは、複数の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・と、複数の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・の上方に配置された複数の単孔絞り１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃ、・・・とを備える。複数の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・の各々には、信号線１４０３ａ、１４０３ｂ、１４０３ｃ、・・・が接続されている。単孔絞り１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃ、・・・は、それぞれ、電子線を、検出対象とする出射角度に制限するための孔を有する。なお、絞りは、各々の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・で適切に検出する電子線の出射角度を制限できればよいので、必ずしも個々の検出器に直に備えられている必要はない。
【００８４】
例えば、図１４Ｂの明視野検出器アレイ１２６０Ｂは、複数の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・と、一枚の絞り板１４０２とを備える。絞り板１４０２は、検出器配列に対応する多孔配列を有する。従って、複数の電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・の上に絞り板１４０２を挿入することで、明視野検出器アレイ１２６０Ｂを構成することができる。この場合の絞り板１４０２は電子検出器１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ、・・・とは独立に後から検出器配列上に挿入される機構のものであっても構わない。
【００８５】
また、図１４Ｃの明視野検出器アレイ１２６０Ｃは、絞り板１４０２と、変換素子１４０４と、二次元イメージングセンサ１４０５とを備える。感度が十分得られれば検出器の側をＣＣＤ等の二次元イメージングセンサ１４０５で代用することも考えられる。この場合、適切な配列の多孔配列を有する絞り板１４０２を通った電子線を、変換素子１４０４を介して二次元イメージングセンサ１４０５に導く（ＣＣＤであれば、蛍光板、シンチレータ等の電子から光への変換素子１４０４を用いる）。そして、絞り板１４０２の各孔に対応する二次元イメージングセンサ１４０５の当該ピクセルの信号を取り出し、各々の電子線に対して走査像（ＳＴＥＭ像）を再生させればよい。
【００８６】
図１５Ａ〜図１５Ｂは、明視野検出器アレイにおいて電子検出器と絞り孔の配列の例を示す。明視野検出器の数は、所望の軸上収差係数を算出するのに十分な連立方程式（数１８）を成立させるのに足る数であれば良く、配列も所望の軸上収差係数を算出するのに適当な出射角度を選択できる位置にあれば良い。なお、出射角度の選択は、図１２及び図１３に示した投影レンズ１１２でも適宜調整可能である。
【００８７】
あとは、数１８の式を縮退させ固有方程式の数を減じさせるような配列を選択しない限り、原理的には軸上収差係数を得ることができる。ただし、配列に無用な不均一性や特に異方位性があると、特定の方位性を持った収差の測定精度の低下が危惧される。従って、好ましい配列の一例としては、図１５Ａに示すように、複数の電子検出器１５０１ａ、１５０１ｂ、１５０１ｃ、・・・と、絞りの複数の孔１５０２ａ、１５０２ｂ、１５０２ｃ、・・・とを正方格子状の配列したものである。
【００８８】
また、一般的に収差測定においては方位性を持たない回転対称な収差、デフォーカス（Ｃ１）、三次球面収差（Ｃ３）、五次球面収差（Ｃ５）等を分別することが難しい。そこで、図１５Ｂに示すように、特に回転対称収差係数の測定精度向上を考慮して、３つの同心円周上に、複数の電子検出器１５０１ａ、１５０１ｂ、１５０１ｃ、・・・と複数の孔１５０２ａ、１５０２ｂ、１５０２ｃ、・・・とを配列したものを用いても良い。
【００８９】
図１６Ａは、本発明の一実施例による収差測定法を用いた収差補正器調整作業のフローチャートである。
【００９０】
補正器やＳＴＥＭの電子光学条件がまったく未定の状態で始めることは困難である。したがって、まず、事前の実験やシミュレーションで決めることのできる大凡のレンズの励磁や偏向器光学条件を、プリセット条件としてセットする（１６０１）。
【００９１】
次に、明視野像取得のための調整を行う（１６０２）。ステップ１６０２の内容を図１６Ｂを用いて説明する。まず、計測試料の選択と、その試料内における計測箇所の選択を行う（１６１１）。次に、収差測定に適したＳＴＥＭ倍率及び照射条件の設定を行う（１６１２、１６１３）。倍率は、残留する収差の大きさによって適宜調整する。次に、投影レンズ１１２を調節することにより、試料１０９から明視野検出器までの実効的カメラ長を調整する（１６１４）。この作業では、特に明視野検出器アレイ１２６０を用いる場合には、アレイの各々検出器に適切な出射角度の電子線が到達するように、カメラ長を設定する。これらの設定条件について、それぞれの設定値やＳＴＥＭ像を制御ＰＣ１１９のモニタ上に表示する（１６１５）。このように、ユーザーインターフェースを介して各種設定条件を操作者が調整することが可能である。
【００９２】
次に、明視野ＳＴＥＭ像の取得条件を決定した後に、ＳＴＥＭディフラクトグラムの取得を行う（１６０３）。ステップ１６０３の内容を図１６Ｃを用いて説明する。一例として、図１２の明視野検出器アレイ１２６０を用いる場合で、この工程を説明する。まず、明視野検出器アレイ１２６０を作動させる（１６２１）。次に、各々検出器で検出する電子線取り込み角度を制限する絞り（図１４Ｂの絞り板１４０２等）を、各検出器に対応するように設定する（１６２２）。このような設定の後、通常の明視野ＳＴＥＭ像を撮影すると同じ要領で、撮像操作（電子プローブで試料面上を二次元走査）を行う（１６２３）。これにより、明視野検出器アレイ１２６０の各々の検出器で得られる信号から、それぞれの検出器に対応する試料１０９からの電子線出射方位でのＳＴＥＭ像を得ることができる。これは、図７で説明した測定原理に基づく要請を満たすものである。ここで得られた各々のＳＴＥＭ像をフーリエ変換し（１６２４）、試料１０９からの電子線出射角度と対応づけて並列させれば、ＳＴＥＭディフラクトグラムテーブルを得ることができる（１６２５）。ここで、ＳＴＥＭディフラクトグラムテーブルとは、試料１０９からの電子線出射角度とＳＴＥＭディフラクトグラムとが関連付けられたテーブルを意味する。
【００９３】
次に、制御ＰＣ１１９において、ステップ１６０３で得られたＳＴＥＭディフラクトグラムテーブルを用いて軸上収差係数の算出を行う（１６０４）。このステップは、前述の通りＴＥＭにおけるディフラクトグラムタブローからの軸上収差係数算出手順とほぼ同じである。詳細については図１６Ｄを用いて説明する。まず、得られた複数のディフラクトグラムのうちｉ番目に対応する出射角度τｉに対するデフォーカスＣ１（τｉ）と二回対称非点収差Ａ１（τｉ）を抽出する（１６３１）。次に、数１８の式に示したＣ１（τｉ）とＡ１（τｉ）と軸上収差係数の関係式から、多元連立方程式を作り、最少二乗法等の手段も用いるなどして、軸上収差係数を導出する（１６３２）。次に、補正対象となる軸上収差計数を出力し（１６３３）、制御ＰＣ１１９のモニタ上等に、収差係数、収差図形、あるいは波面収差等のグラフィカルな手段で表示する（１６３４）。操作者は、モニタ上に表示された情報を確認することができる。また、ＳＴＥＭディフラクトグラムテーブルも同時にモニタ上に表示する（１６３５）。ＳＴＥＭディフラクトグラムテーブルを表示することは、収差状態を把握するのに役立つ上、どのようなディフラクトグラムが取得されて収差測定が行われたか等に関する収差測定の適切性を操作者が確認できるので望ましい。
【００９４】
次に、制御ＰＣ１１９において、一連の収差測定を経て得られた収差係数から補正状態を判定する（１６０５）。もし、補正対象とする収差係数の測定値が別に定める許容値以下であれば、この収差調整は完了となる。一方、収差係数が許容値を逸脱する場合であれば、その収差を低減する残余収差補償調整を行う（１６０６）。そして、補償調整に従って行った補正によって収差が十分低減されているか、また同調性の際に寄生的に別の収差が増大して許容値を超えていないかを確認するために、ステップ１６０２に戻り、収差測定を繰り返す。収差補正が進み残収差が低減するにつれて適切な像倍率やカメラ長も変わるので、これらは適宜に調整するほうがよい。さらに、ディフラクトグラムを取得するステップ（１６０３）、収差係数の算出ステップ（１６０４）を経て、ステップ１６０５において全ての補償対象の収差係数が許容値以下となり、収差補正調整が完了したと判定されるまで、上記のような収差測定と補償調整のステップを繰り返す。以上により、ＳＴＥＭの収差補正器１１１と対物レンズ１１０の収差状態を評価することが可能となる。
【００９５】
電子顕微鏡をはじめとする荷電粒子線装置においては、その荷電粒子光学系の状態評価のために収差測定は重要である。特に収差補正技術が確立された現在、収差補正器の調整及び収差補正状態の評価の為、高精度な収差（係数）の測定技術が以前に増して必要とされるようになった。これらの収差測定法には、収差起因の変位や像歪を荷電粒子ビームの被測定レンズへの入射条件を複数変えて取得し、収差係数を導出する収差図形法やプローブタブロー法が知られていたが、多数回の測定を要する為測定手順が煩雑であり測定時間が長くなる課題があった。これは測定を繰り返す必要のある収差補正器の調整自体を困難なものとしていた。
【００９６】
一方、別の収差測定手段としてロンチグラムを用いる測定法があった。これは収差を反映した歪み投影像であるロンチグラムから歪み情報を抽出することで収差測定を実施する方法である。この方法は、上記の手法と比較してより小さい回数の測定で高速に収差を測定できる。しかしながら、試料固有の形状に影響を受け、また収差測定条件とＳＴＥＭ観察条件の差から、両者の切り替えとそれに伴う収差の微調整が必要であった。
【００９７】
上述した実施例によれば、収差補正ＳＴＥＭに適した、高精度かつ高速な収差測定法を提供することができる。詳細には、ＳＴＥＭ収差測定において、ＳＴＥＭとＴＥＭの相反性を用いたディフラクトグラムと等価な像（ＳＴＥＭディフラクトグラム）を取得し、これを用いて軸上収差係数を算出する。これにより、ロンチグラム法に見られる収差情報抽出の為の複雑な画像解析を回避する。
【００９８】
さらに、複数の入射角度に対してＳＴＥＭディフラクトグラムを同時に取得する為に複数のＳＴＥＭ明視野検出器を並べた明視野検出器アレイ１２６０、またはこれに準じる検出器を用いる。これにより、同時に並列して複数の入射角に対するＳＴＥＭ像を得て、各入射角度に対するＳＴＥＭディフラクトグラムを算出することができる。従って、ディフラクトグラムと等価な情報を複数の測定を繰り返すことなく、一括して取得することができる。すなわち、実質的には一回の測定で短時間に収差測定を完了することができる。したがって、測定の煩雑性を大幅に軽減することができる。
【００９９】
また、別の例としては、電子線偏向器１２９で複数の異なる角度の透過及び散乱電子線を順次選択して、一つのＳＴＥＭ明視野検出器１２６によって透過及び散乱電子線を検出する。この構成によれば、明視野検出器１２６直上の電子線偏向器１２９のみを調整して、測定に必要なＳＴＥＭ像を取得することが可能である。この構成は、従来のＴＥＭでのディフラクトグラムタブロー法やＳＴＥＭでのプローブタブロー法での収差測定に比較すれば簡潔であり、測定の煩雑性を軽減することができる。
【０１００】
以上から、上述の実施例によれば、軸上収差係数の組を算出する為に、煩雑な多数回の測定を繰り返すことなく、なるべく少ない測定回数で高速に測定を実行することが可能である。
【０１０１】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０１０２】
実施例の収差補正制御システム（１１８Ｔ，１１８）、電子顕微鏡制御システム（１１７Ｔ，１１７）、制御ＰＣ（１１９Ｔ，１１９）などの制御装置は、それらの一部や全部を、例えば、集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上述の制御装置の機能をソフトウェアのプログラムコードで実現してもよい。この場合、プログラムコードを記録した非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を情報処理装置（コンピュータ）に提供し、その情報処理装置（又はＣＰＵ）が非一時的なコンピュータ可読媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。非一時的なコンピュータ可読媒体としては、例えば、フレキシブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−Ｒ、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ＲＯＭなどが用いられる。
【０１０３】
また、プログラムコードは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によって情報処理装置に供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムを情報処理装置に供給できる。
【０１０４】
また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
【符号の説明】
【０１０５】
１００：ＴＥＭ
２００：ＳＴＥＭ
１０１、１０１Ｔ：鏡体
１０２、１０２Ｔ：電子銃及び加速管
１０３、１０３Ｔ：電子源
１０４、１０４Ｔ：収束レンズ
１０５、１０５Ｔ：収束レンズ絞り装置
１０６、１０６Ｔ：偏向器
１０７、１０７Ｔ：収束レンズ
１０８、１０８Ｔ：試料ホルダ
１０９、１０９Ｔ：試料
１１０、１１０Ｔ：対物レンズ
１１０ａ、１１０Ｔａ：対物レンズ前磁場
１１０ｂ、１１０Ｔｂ：対物レンズ後磁場
１１１、１１１Ｔ：収差補正器
１１２、１１２Ｔ：投影レンズ
１１３Ｔ：観察用双眼鏡
１１４Ｔ：観察窓
１１５Ｔ：投影面（蛍光板）
１１６、１１６Ｔ：イメージング検出器（ＣＣＤカメラ等）
１１７、１１７Ｔ：電子顕微鏡制御システム
１１８、１１８Ｔ：収差補正制御システム
１１９、１１９Ｔ：制御ＰＣ
１２０、１２０Ｔ：照射電子線
１２０Ｔａ：入射電子線（垂直入射）
１２０Ｔｂ：入射電子線（傾斜入射）
１２１、１２１Ｔ：電子線
１２１Ｔａ、１２１Ｔｂ：散乱電子線
１２１ａ：照射電子線（散乱電子線が垂直位置にある明視野検出器１２６ａに達する）
１２１ｂ：照射電子線（散乱電子線が傾斜位置にある明視野検出器１２６ｂに達する）
１２２ａ：照射電子線（透過電子線が垂直位置にある明視野検出器１２６ａに達する）
１２２ｂ：照射電子線（透過電子線が傾斜位置にある明視野検出器１２６ｂに達する）
１２５    ：環状暗視野検出器
１２６、１２６ａ、１２６ｂ：明視野検出器
１２７：スキャンコイル
１２８、１２８ａ、１２８ｂ、１２８ｃ：プリアンプ
１２９    ：電子線偏向器
１３０Ｔａ：理想電子波面
１３０Ｔｂ：電子波面
１３０ａ  ：ＳＴＥＭにおいて試料面に収束する電子線の理想波面
１３０ｂ  ：ＳＴＥＭにおいて試料面に収束する電子線の収差を含んだ歪波面
１３０Ｔａ：ＴＥＭにおいて試料面で散乱された電子線の理想波面
１３０Ｔｂ：ＴＥＭにおいて試料面で散乱された電子線の収差を含んだ歪波面
１５０Ｔ  ：中間像面
５００Ｔａ：アモルファスＴＥＭ像（垂直入射）
５０１Ｔａ：ディフラクトグラム（垂直入射）
６００Ｔｂ：アモルファスＴＥＭ像（傾斜入射）
６０１Ｔｂ：ディフラクトグラム（傾斜入射）
７００：入射電子線束
７０１ａ、７０１ｂ  ：電子線経路
９００ａ：アモルファスＳＴＥＭ像（垂直入射）
９０１ａ：ＳＴＥＭディフラクトグラム（垂直入射）
１０００ｂ：アモルファスＳＴＥＭ像（傾斜入射）
１００１ｂ：ＳＴＥＭディフラクトグラム（傾斜入射）
１１０１、１１０２  ：電子線
１１１１、１１１２  ：電子線
１１１１ｂ：透過電子線
１１１２ｂ：散乱電子線
１１２１  ：小孔
１１２２  ：明視野絞り板
１２００：照射電子線束
１２０１ａ：透過及び散乱電子線（垂直位置にある明視野検出器１２６ａに対する）
１２０１ｂ：透過及び散乱電子線（傾斜位置にある明視野検出器１２６ｂに対する）
１２０１ｃ：透過及び散乱電子線（傾斜位置にある明視野検出器１２６ｃに対する）
１２６０、１２６０Ａ、１２６０Ｂ、１２６０Ｃ：明視野検出器アレイ
１４０１ａ、１４０１ｂ、１４０１ｃ：電子検出器
１４０２  ：絞り板
１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃ：絞り
１４０３ａ、１４０３ｂ、１４０３ｃ：信号線
１４０４  ：変換素子
１４０５  ：二次元イメージングセンサ
１５０１ａ、１５０１ｂ、１５０１ｃ：電子検出器
１５０２ａ、１５０２ｂ、１５０２ｃ：孔
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
2015032384.tif 000032
【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
2015032384.tif 000035
【図９Ａ】
2015032384.tif 000036
【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
2015032384.tif 000038
【図１０Ｂ】
2015032384.tif 000039
【図１１】
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【図１２】
2015032384.tif 000041
【図１３】
2015032384.tif 000042
【図１４Ａ】
2015032384.tif 000043
【図１４Ｂ】
2015032384.tif 000044
【図１４Ｃ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
2015032384.tif 000047
【図１６Ａ】
2015032384.tif 000048
【図１６Ｂ】
2015032384.tif 000049
【図１６Ｃ】
2015032384.tif 000050
【図１６Ｄ】
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