(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査透過電子顕微鏡により、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像を取得し、
前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を取得し、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を求め、
前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、
前記計算反転像を用いて前記反転像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、
規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する方法。
【請求項２】
走査透過電子顕微鏡により、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像を取得し、
前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を取得し、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記暗視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算暗視野像を求め、
前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、
前記計算暗視野像を用いて前記暗視野像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、
規格化された前記暗視野像の明暗を反転して、規格化された反転像を生成し、
規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する方法。
【請求項３】
前記反転像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算反転像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記反転像を規格化し、且つ、前記明視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記明視野像を規格化する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記暗視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算暗視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記暗視野像を規格化し、且つ、前記明視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記明視野像を規格化する請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記暗視野像は、コントラストが最大となる焦点外れ量において撮像されたものである請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記第３角度が７〜１２ｍｒａｄの範囲にある請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
走査透過電子顕微鏡により、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像、及び、前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を求め、且つ、前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、且つ、前記計算反転像を用いて前記反転像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、
を備えた画像処理装置。
【請求項８】
電子線を出力する電子源と、
前記電子源から出力された電子線の焦点を試料の位置に合焦させる対物レンズと、
前記電子源と前記対物レンズとの間に配置され、電子線に試料の表面を走査させる走査コイルと、
異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を通過した電子線を結像させる結像レンズと、
走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出する第１検出器と、
前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出する第２検出器と、
前記第１検出器の検出信号に基づいて暗視野像を生成し、且つ前記第２検出器の検出信号に基づいて明視野像を生成する画像生成部と、
を有する走査透過電子顕微鏡と、
前記暗視野像及び前記明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を求め、且つ、前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、且つ、前記計算反転像を用いて前記反転像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、
を有する画像処理装置と、
を備えたシステム。
【請求項９】
走査透過電子顕微鏡により、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像、及び、前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記暗視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算暗視野像を求め、且つ、前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、且つ、前記計算暗視野像を用いて前記暗視野像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、且つ、規格化された前記暗視野像の明暗を反転して、規格化された反転像を生成し、且つ、規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、
を備えた画像処理装置。
【請求項１０】
電子線を出力する電子源と、
前記電子源から出力された電子線の焦点を試料の位置に合焦させる対物レンズと、
前記電子源と前記対物レンズとの間に配置され、電子線に試料の表面を走査させる走査コイルと、
異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料を通過した電子線を結像させる結像レンズと、
走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出する第１検出器と、
前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出する第２検出器と、
前記第１検出器の検出信号に基づいて暗視野像を生成し、且つ前記第２検出器の検出信号に基づいて明視野像を生成する画像生成部と、
を有する走査透過電子顕微鏡と、
前記暗視野像及び前記明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記暗視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算暗視野像を求め、且つ、前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、且つ、前記計算暗視野像を用いて前記暗視野像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、且つ、規格化された前記暗視野像の明暗を反転して、規格化された反転像を生成し、且つ、規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理装置と、
を備えたシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像処理装置、像を生成する方法並びにシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、物質の構造を解析するために走査透過電子顕微鏡が用いられている。走査透過電子顕微鏡では、収束させた電子線で試料の表面を走査し、試料を透過した電子を検出して、原子の配列を高分解能で観察することができる。
【０００３】
図１は、従来の例による走査透過電子顕微鏡を模式的に説明する図である。
【０００４】
電子顕微鏡の光軸に沿って試料Ｓに入射した電子線Ｂは、試料Ｓを透過する際に、試料Ｓを形成する原子によって散乱される。そして、光軸から高角度に散乱した電子は、環状の第１検出器１２６によって検出される。収束した電子線Ｂ用いて試料Ｓの表面を走査しながら、走査ごとに高角度に散乱した電子を第１検出器１２６によって検出し、検出された信号を電子線の走査位置の関数として画像化することにより、試料Ｓの暗視野像が得られる。
【０００５】
第１検出器１２６によって検出される試料Ｓにより高角度に散乱される電子は、試料Ｓを形成する原子によって主に熱散漫散乱されたものである。この熱散漫散乱の散乱中心は、原子の中心であり、その散乱強度は原子番号の増加と共に高くなる。このように、走査透過電子顕微鏡を用いて暗視野像を撮像する方法は、高角度環状暗視野走査透過電子顕微鏡法（Ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ  Ａｎｎｕｌａｒ  Ｄａｒｋ−Ｆｉｅｌｄ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ：ＨＡＡＤＦ  ＳＴＥＭ）と呼ばれる。
【０００６】
また、円板状の第２検出器１２７を用いると、第１検出器１２６で検出されるものよりも小さい角度で散乱した電子が検出される。第２検出器１２７による検出信号を画像化することにより、明視野像が得られる。走査透過電子顕微鏡では、暗視野像と共に、明視野像を撮像することできる。
【０００７】
上述したＨＡＡＤＦ  ＳＴＥＭ法では、撮像される原子像が焦点外れ量又は試料の厚さの影響を受け難いので、高い分解能の原子像が得られる。そして、原子位置に現れる原子像の輝度が、原子番号に依存するので、原子番号が大きい重い原子ほど、その検出が容易である。
【０００８】
一方、原子番号が小さい軽い原子は、熱散漫散乱される電子の数が少ないため、ＨＡＡＤＦ  ＳＴＥＭ法では、軽い原子の検出は困難な場合がある。特に、試料が、原子番号の異なる重い原子及び軽い原子を含んでいる場合には、重い原子と共に軽い原子の像をコントラスト良く撮像することは困難である。
【０００９】
そこで、走査透過電子顕微鏡を用いて、重い原子と共に、軽い原子の像をコントラスト良く撮像する方法が提案された。
【００１０】
図２は、従来の他の例による走査透過電子顕微鏡を模式的に説明する図である。
【００１１】
図２に示す走査透過電子顕微鏡は、電子を検出するための環状の検出器１２９を有している。この環状の検出器１２９は、図１に示す第１検出器１２７の中心部が円形に取り除かれた構造を有している。
【００１２】
そして、図２に示す環状の検出器１２９を用いて、明視野像を撮像することにより、重い原子及び軽い原子の像が同時にコントラスト良く撮像される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１０−２５７８８３号公報
【特許文献２】特表２００９−５１４１４１号公報
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ｓ．Ｊ．Ｐｅｎｎｙｃｏｏｋ、ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．  ６４（１９９０）９３８
【非特許文献２】Ｓ．Ｄ．Ｆｉｎｄｌａｙ、ｅｔ  ａｌ．，  Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．  ９５（２００９）１９１９１３
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
通常、ＨＡＡＤＦ  ＳＴＥＭ法による走査透過電子顕微鏡は、図１に示すように、暗視野像を撮像するために環状の第１検出器１２６、及び明視野像を撮像するための円板状の第２検出器１２７を有している。しかし、通常の走査透過電子顕微鏡は、図２に示すような明視野像を撮像するための環状の検出器１２９は有していない。
【００１６】
そこで、従来の走査透過電子顕微鏡において、図１に示す円板状の第２検出器１２７の中心部分を、円板状の遮蔽板を用いて覆うことにより、環状の検出器として使用することが提案されている。
【００１７】
しかし、このような遮蔽板を走査透過電子顕微鏡に追加することは、装置に対して新たな改造が必要となる。また、遮蔽板を用いて図１に示す円板状の第２検出器１２７の中心部分を覆った状態で試料を撮像することは新たな撮像技術となるので、遮蔽板を用いた撮像は、従来の走査透過電子顕微鏡の撮像技術では困難であることが予想される。
【００１８】
そこで、本明細書では、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する像を生成する方法を提供することを目的とする。
【００１９】
また、本明細書では、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する画像処理装置を提供することを目的とする。
【００２０】
更に、本明細書では、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する走査透過電子顕微鏡及び画像処理装置を備えたシステム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】
【００２１】
上述した本明細書に開示する像を生成する方法の一形態によれば、走査透過電子顕微鏡により試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、上記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像を取得し、上記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、上記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を取得し、上記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、上記反転像の各画素の輝度と、上記反転像の各画素に対応する上記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する。
【００２２】
また、上述した本明細書に開示する画像処理装置の一形態によれば、走査透過電子顕微鏡により試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、上記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像、及び、上記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、上記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を入力する入力部と、上記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、上記反転像の各画素の輝度と上記反転像の各画素に対応する上記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、を備える。
【００２３】
更に、上述した本明細書に開示するシステムの一形態によれば、電子線を出力する電子源と、上記電子源から出力された電子線の焦点を試料の位置に合焦させる対物レンズと、上記電子源と上記対物レンズとの間に配置され、電子線に試料の表面を走査させる走査コイルと、試料を通過した電子線を結像させる結像レンズと、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、上記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出する第１検出器と、上記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出する第２検出器と、上記第１検出器の検出信号に基づいて暗視野像を生成し、且つ上記第２検出器の検出信号に基づいて明視野像を生成する画像生成部と、を有する走査透過電子顕微鏡と、上記暗視野像及び上記明視野像を入力する入力部と、上記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、上記反転像の各画素の輝度と上記反転像の各画素に対応する上記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、を有する画像処理装置と、を備える。
【発明の効果】
【００２４】
上述した本明細書に開示する像を生成する方法の一形態によれば、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成できる。
【００２５】
また、上述した本明細書に開示する画像処理装置の一形態によれば、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成できる。
【００２６】
更に、上述した本明細書に開示するシステムの一形態によれば、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成できる。
【００２７】
本発明の目的及び効果は、特に請求項において指摘される構成要素及び組み合わせを用いることによって認識され且つ得られるだろう。
【００２８】
前述の一般的な説明及び後述の詳細な説明の両方は、例示的及び説明的なものであり、特許請求の範囲に記載されている本発明を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の例による走査透過電子顕微鏡を模式的に説明する図である。
【図２】従来の他の例による走査透過電子顕微鏡を模式的に説明する図である。
【図３】本明細書に開示するシステムの一実施例を説明する図である。
【図４】図３の要部を説明する図である。
【図５】画像処理装置のブロック図である。
【図６】画像処理装置のハードウェアを説明する図である。
【図７】重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する処理の考え方を説明する図（その１）である。
【図８】重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する処理の考え方を説明する図（その２）である。
【図９】重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する処理の考え方を説明する図（その３）である。
【図１０】重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する処理の考え方を説明する図（その４）である。
【図１１】計算により差分像を求めることを説明する図（その１）である。
【図１２】計算により差分像を求めることを説明する図（その２）である。
【図１３】暗視野像及び明視野像の規格化を説明する図（その１）である。
【図１４】暗視野像及び明視野像の規格化を説明する図（その２）である。
【図１５】暗視野像及び明視野像の規格化を説明する図（その３）である。
【図１６】複数の試料に対して、計算により差分像を求めた結果を示す図である。
【図１７】本明細書に開示するシステムの動作例を説明するフローチャートである。
【図１８】本明細書に開示するシステムの他の動作例を説明するフローチャートである。
【図１９】差分像を求める実施例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本明細書で開示するシステムの好ましい一実施例を、図を参照して説明する。但し、本発明の技術範囲はそれらの実施例に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶものである。
【００３１】
図３は、本明細書に開示するシステムの一実施例を説明する図である。図４は、図３の要部を説明する図である。
【００３２】
本実施例のシステム１０は、走査透過電子顕微鏡２０と、走査透過電子顕微鏡２０が撮像した暗視野像及び明視野像を入力して画像処理を行う画像処理装置３０とを備える。
【００３３】
走査透過電子顕微鏡２０により撮像される試料Ｓは、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有し得る。原子番号の大きい方の原子は、相対的に質量が大きい重い原子であり、以下、単に重い原子ともいう。また、原子番号の小さい方の原子は、相対的に質量が小さい軽い原子であり、以下、単に軽い原子ともいう。
【００３４】
走査透過電子顕微鏡２０は、電子線Ｂを出力する電子源２１と、電子源２１が出力した電子線Ｂを収束させる収束レンズ２２と、電子源２１から出力された電子線Ｂの焦点を試料Ｓの位置に合焦させる対物レンズ２４と、を備える。
【００３５】
また、走査透過電子顕微鏡２０は、電子源２２と対物レンズ２４との間に配置され、電子線Ｂに試料Ｓの表面を走査させる走査コイル２３と、試料Ｓを通過した電子線を結像面に結像させる結像レンズ２５と、を備える。
【００３６】
また、走査透過電子顕微鏡２０は、走査透過電子顕微鏡の光軸ＯＡからの第１角度α１と、第１角度α１よりも大きい第２角度α２との間に散乱した電子を検出する第１検出器２６を備える。第１検出器２６は、環状の検出器であり、暗視野像が結像する結像面に配置される。以下、この第１検出器２６を、高角度環状暗視野像検出器ともいう。走査透過電子顕微鏡２０の光軸ＯＡは、対物レンズ２４及び結像レンズ２５の光軸と一致する。
【００３７】
また、走査透過電子顕微鏡２０は、第１角度α１よりも小さい第３角度α３以内に散乱した電子を検出する第２検出器２７を備える。第２検出器２７は、円板状の検出器であり、明視野像が結像する結像面に配置される。以下、この第２検出器２７を、小角度明視野像検出器ともいう。
【００３８】
更に、走査透過電子顕微鏡２０は、上述した電子線源２１又はレンズ又はコイル等を制御する制御部２８を備える。この制御部２８は、第１検出器２６の検出信号に基づいて暗視野像を生成し、且つ第２検出器２７の検出信号に基づいて明視野像を生成する画像生成部２８ａを有する。画像生成部２８ａは、生成した明視野像及び暗視野像を、上述した画像処理装置３０に出力する。
【００３９】
また、走査透過電子顕微鏡２０は、不要な電子線の拡がりをカットする収束レンズ絞り、又は球面収差・非点収差等の収差を補正する補正部を備えていても良い。
【００４０】
走査透過電子顕微鏡２０は、収束させた電子線Ｂを用いて試料Ｓの表面を走査し、走査する一点毎に暗視野像及び明視野像それぞれの一画素の輝度を取得することにより、暗視野像及び明視野像を同時に取得する。暗視野像及び明視野像は、同じ走査により取得されるので、画素数は同じである。
【００４１】
第１角度α１は、高角度環状暗視野像検出器２６によって検出され得る電子の最小の散乱角である。第１角度α１は、光軸ＯＡからの電子の進行方向側の角度である。第１角度α１は、大きい程好ましく、少なくとも４０ｍｒａｄ以上であることが好ましい。通常、第１角度α１は、７０ｍｒａｄ程度に設定される。
【００４２】
第２角度α２は、高角度環状暗視野像検出器２６によって検出され得る電子の最大の散乱角である。第２角度α２は、光軸ＯＡからの電子の進行方向側の角度である。第２角度α２は、大きい程好ましく、少なくとも７０ｍｒａｄ以上であることが好ましい。通常、第２角度α２は、１８０ｍｒａｄ程度に設定される。
【００４３】
第３角度α３は、試料Ｓが含む重い原子及び軽い原子の内の軽い原子の原子番号に基づいて設定されることが好ましい。また、第３角度α３の上限値は、詳しくは後述するが、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像が、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像される暗視野像の相補像と類似しない範囲に設定されることが好ましい。
【００４４】
例えば、軽い原子の原子番号が８以下である場合には、第３角度α３は、７〜１２ｍｒａｄの範囲に設定することが好ましい。
【００４５】
第３角度α３が７ｍｒａｄよりも小さいと、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像において、原子像の輝度が不安定になるおそれがある。一方、第３角度α３が１２ｍｒａｄよりも大きいと、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像が、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像される暗視野像の相補像と類似してくるので好ましくない。
【００４６】
次に、画像処理装置３０について、図を参照しながら、以下に説明する。
【００４７】
図５は、画像処理装置のブロック図である。図６は、画像処理装置のハードウェアを説明する図である。
【００４８】
図５に示すように、画像処理装置３０は、画像生成部２８ａから暗視野像及び明視野像を入力する画像入力部３１と、暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、この反転像の各画素の輝度と反転像の各画素に対応する明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部３３と、生成した差分像を出力する画像出力部３３と、を有する。
【００４９】
図６に示すように、画像処理装置３０は、上述した各機能を実現するためのハードウェアとして、演算部３０ａと、記憶部３０ｂと、表示部３０ｃと、入力部３０ｄと、出力部３０ｅと、通信部３０ｆとを有する。演算部３０ａは、記憶部３０ｂに記憶された所定のプログラムを実行することにより、上述した画像処理装置３０の各機能を実現する。
【００５０】
所定のプログラムは、例えば通信部３０ｆを用いて、ネットワーク（図示しない）を介して記憶部３０ｂに記憶することができる。また、画像処理装置３０の通信部３０ｆと、走査透過電子顕微鏡２０の制御部２８とをネットワークを介して接続することにより、暗視野像及び明視野像を、ネットワークを介して入力しても良い。
【００５１】
画像処理装置３０は、例えば、サーバ又はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ、若しくはステートマシン等を用いて形成され得る。走査透過電子顕微鏡２０の制御部２８も、図６に示すのと同様のハードウェアを用いて実現され得る。
【００５２】
走査透過電子顕微鏡２０が撮像した暗視野像には、試料Ｓが含む重い原子及び軽い原子の内の重い原子の原子像が高い輝度（例えば、明るいスポット）で示される。しかし、軽い原子は、通常、輝度が低く視認することが難しい場合が多い。
【００５３】
また、走査透過電子顕微鏡２０が撮像した明視野像には、試料Ｓが含む重い原子及び軽い原子の内の重い原子の原子像が低い輝度（例えば、暗いスポット）で示されており、軽い原子は重い原子よりは高い輝度（例えば、明るいスポット）で示される。従って、走査透過電子顕微鏡２０が撮像した明視野像では、重い原子の原子像は黒く示されており、軽い原子の原子像は白く示されることになる。このように、走査透過電子顕微鏡２０が撮像した明視野像では、重い原子と軽い原子とが表されてはいるものの、一方が明るいスポットとして示されており、他方が暗いスポットとして示されている。そのため、背景の輝度等の影響により、それぞれの原子の配列を正確に観察することが困難な場合がある。試料が原子番号の異なる３種類以上の原子を含む場合には、原子の配列を正確に観察することが特に困難となる。
【００５４】
画像処理装置３０は、明視野像及び暗視野像を用いて画像処理を行うことにより、試料Ｓが含む重い原子及び軽い原子を、どちらも明暗に差はあるものの暗いスポットとして原子像を表すことにより、原子の配列を正確に観察することが可能な像を生成する。このような電子顕微鏡像を用いることにより、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能となる。
【００５５】
次に、画像処理装置３０が用いる画像処理の方法を、以下の順番で説明する。
（１）まず、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する画像処理の考え方を説明する。
（２）次に、上述した考え方を確認するために、計算により求めた電子顕微鏡像を用いて、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する。
（３）次に、走査透過電子顕微鏡により撮像された暗視野像及び明視野像を画像処理する際に行う規格化の説明を行う。
【００５６】
（１）重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する画像処理の考え方の説明
【００５７】
図７〜図１０は、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成する処理の考え方を説明する図である。
【００５８】
画像処理装置３０は、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像された暗視野像と、小角度明視野像検出器２７を用いて上記暗視野像と同時に撮像された明視野像とに基づいて、図２に示す環状の検出器を用いて撮像された明視野像に対応する電子顕微鏡像を生成する。
【００５９】
図７には、図４に示す走査透過電子顕微鏡に対して、図２に示す環状の検出器２９を仮想的に追加した状態が示されている。環状の検出器２９は、試料Ｓを透過した後、光軸ＯＡからの第３角度α３と第１角度α１との間に散乱した電子を検出する。以下、この環状の検出器２９を、環状高角度明視野像検出器ともいう。
【００６０】
また、図７には、環状高角度明視野像検出器２９及び小角度明視野像検出器２７を一体に形成した円板状の検出器２７ａが示されている。以下、この円板状の検出器２７ａを、高角度明視野像検出器ともいう。高角度明視野像検出器２７ａは、光軸ＯＡから第１角度α１よりも小さい角度で散乱した電子を検出する。
【００６１】
図８に示すように、環状高角度明視野像検出器２９は、高角度明視野像検出器２７ａから小角度明視野像検出器２７の部分を取り除いたものに対応する。
【００６２】
そして、本出願人は、図９に示すように、環状高角度明視野像検出器２９を用いて撮像され明視野像が、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像の各画素の輝度と、この明視野像の各画素に対応する、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像の画素の輝度との差を各画素の輝度とする差分像であることを見出した。
【００６３】
次に、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像と、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像との差分像が、試料Ｓが含む重い原子及び軽い原子を共に暗いスポットとする原子像になることを、図１０を参照して、以下に説明する。
【００６４】
図１０（Ａ）には、試料Ｓに含まれる重い原子Ｈと軽い原子Ｌとが交互に配置された原子列の構造が示されている。
【００６５】
図１０（Ｂ）には、試料Ｓが高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像における図１０（Ａ）の矢印のラインに沿った電子線の強度分布が示されている。図１０（Ａ）の横軸は、走査された原子列の位置を示しており、縦軸は、検出器に検出された電子線の強度を示している。
【００６６】
図１０（Ｂ）には、重い原子Ｈの位置に対応して、ベースラインよりも強度の低いピークＰ１が示されている。重い原子Ｈは、熱散漫散乱が強いので、多くの電子が第１角度α１以上の散乱角で散乱されるため、第１角度α１よりも小さい散乱角で散乱された電子に基づいて生成された明視野像では、重い原子Ｈの原子像は暗いスポットとなる。一方、軽い原子Ｌの位置には、原子の存在を示すピークは示されていない。
【００６７】
図１０（Ｃ）には、試料Ｓが小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像における図１０（Ａ）の矢印のラインに沿った電子線の強度分布が示されている。図１０（Ｃ）の横軸は、走査された原子列の位置を示しており、縦軸は、検出器に検出された電子線の強度を示している。
【００６８】
図１０（Ｃ）には、軽い原子Ｌの位置に対応して、ベースラインよりも強度の高いピークＰ２が示されている。また、図１０（Ｃ）には、重い原子Ｈの位置に対応して、ベースラインよりも強度の低いピークＰ３が示されている。小角度明視野像検出器２７の寸法は高角度明視野像検出器２７ａの寸法よりも小さいので、ピークＰ３の大きさは、ピークＰ１よりも小さくなっている。
【００６９】
図１０（Ｄ）には、図１０（Ｂ）に示す電子線の強度と図１０（Ｃ）に示す電子線の強度の差が、図１０（Ａ）の矢印のラインに沿って示されている。
【００７０】
図１０（Ｄ）では、重い原子Ｈの位置に対応して、ベースラインよりも強度の低いピークＰ４が示されるのと共に、軽い原子Ｌの位置に対応して、ベースラインよりも強度の低いピークＰ５が示されている。ベースラインに対して強度の低いピークＰ４及びピークＰ５は、画像内で共に暗いスポットとして示される。
【００７１】
このように差分像では、試料Ｓが含む重い原子Ｈ及び軽い原子Ｌの像が共に暗いスポットとして表される。
【００７２】
ここで、本出願人は、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像された暗視野像が、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像の相補像に対応することをすでに報告している（Ｋ．Ｗａｔａｎａｂｅ  ｅｔ  ａｌ．，Ａｃｔａ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｉｃａ  Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ａ：Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｃｒｙｓｔａｌｌｏｇｒａｐｈｙ  ６０（２００４）５９１を参照）。
【００７３】
即ち、図９に示すように、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像された暗視野像の明暗を反対にした反対像は、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像に対応する。
【００７４】
そこで、図８に示すように、上述した相補性を利用して、環状高角度暗視野像検出器２６を、高角度明視野像検出器２７ａの代わりとして用いることとした。
【００７５】
即ち、システム１０では、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像の明暗を反転した反転像の各画素の輝度と、この反転像の各画素と対応する、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する。この差分像は、図９に示すように、環状高角度明視野像検出器２９を用いて撮像され明視野像に対応する。
【００７６】
環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像及び小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像は、同じ走査により取得されているので、画素数は同じであるため、対応する画素同士の輝度の減算を行うことにより差分像が得られる。
【００７７】
環状高角度暗視野像検出器２６及び小角度明視野像検出器２７は、一般の走査透過電子顕微鏡が有している検出器である。このように、システム１０では、環状高角度暗視野像検出器２６のような追加の検出器を用いることなく、環状高角度暗視野像検出器２６及び小角度明視野像検出器２７を利用して、環状高角度明視野像検出器２９を用いて撮像され明視野像を生成する。
【００７８】
ここで、差分像において、重い原子及び軽い原子の原子像がコントラスト良く表わされるためには、環状高角度暗視野像検出器２６を用いてコントラストの良い暗視野像が撮像されることが好ましい。従って、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像される暗視野像は、コントラストが最大となる焦点外れ量において撮像されたものであることが好ましい。通常、コントラストが最大となる焦点位置は、正焦点近傍であるが、正焦点の位置において、コントラストが最大になるとは限らないので、暗視野像は、コントラストが最大となる焦点外れ位置で撮影されることが好ましい。なお、この焦点外れ位置は、正焦点を含む意味である。
【００７９】
また、第３角度α３が第１角度α１に近づくにつれて、小角度明視野像検出器２７の寸法が、高角度明視野像検出器２７ａに近づいてくる（図７参照）。従って、第３角度α３が第１角度α１に近づくにつれて、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像は、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像される明視野像と類似してくる。従って、第３角度α３は、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像が、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像される明視野像と類似しない範囲に設定されることが好ましい。即ち、上述したように、第３角度α３は、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像される明視野像が、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像される暗視野像の相補像と類似しない範囲に設定されることが好ましい。
【００８０】
（２）計算により求めた電子顕微鏡像を用いて、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像を生成することの説明
【００８１】
次に、上述した差分像を生成する考え方を具体的に確認するために、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像及び小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像それぞれを計算により求め、それらの差分像を生成した。
【００８２】
図１１及び図１２は、計算により差分像を求めることを説明する図である。
【００８３】
図１１の画像４０ａは、試料であるＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図７に示す高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。また、画像４０ｂは、画像４０ａと対応するＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図７に示す小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。更に、画像４０ｃは、画像４０ａと対応するＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図７に示す環状高角度明視野像検出器２９を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。
【００８４】
ＳｒＴｉＯ3が試料である場合、Ｓｒ原子及びＴｉ原子が重い原子であり、Ｏ原子が軽い原子となる。
【００８５】
上述した明視野像の計算方法としては、ベーテ法（ブロッホ波法）又はマルチスライス法を用いることができる。また、計算条件としては、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。
【００８６】
図１１の画像４０ａには、Ｓｒ原子の原子像が暗いスポットとして示されている。また、画像４０ａには、Ｔｉ原子の原子像が、Ｓｒ原子の原子像よりも明るいものの暗いスポットとして示されている。一方、画像４０ａには、Ｏ原子は、識別可能には示されていない。
【００８７】
また、図１１の画像４０ｂには、Ｓｒ原子の原子像が暗いスポットとして示されている。また、画像４０ｂには、Ｔｉ原子の原子像が明るいスポットとして示されている。更に、画像４０ｂには、Ｏ原子の原子像が明るいスポットとして示されている。
【００８８】
図１１の画像４０ｃには、Ｓｒ原子の原子像が暗いスポットとして示されている。また、画像４０ｃには、Ｔｉ原子の原子像が、Ｓｒ原子の原子像よりも明るいものの暗いスポットとして示されている。更に、画像４０ｃには、Ｏ原子の原子像が、Ｔｉ原子の原子像よりも明るいものの暗いスポットとして示されている。
【００８９】
図１２には、図１１の画像４０ａにおけるラインＸ１及びＸ２に沿った検出電子の強度が示されている。カーブＣ１は、ラインＸ１に沿った検出電子の強度であり、カーブＣ２は、ラインＸ２に沿った検出電子の強度である。図１２の縦軸の検出電子の強度は、試料に入射した電子の量を１００％として、検出器によって検出された電子の割合を示している。この図１２の縦軸の検出電子の強度は、各画像４０ａ、４０ｂ、４０ｃにおける画素の輝度に対応する。
【００９０】
また、図１２には、図１１の画像４０ｂにおいて、画像４０ａのラインＸ１及びＸ２に対応した位置の検出電子の強度が示されている。カーブＣ３は、ラインＸ１に沿った検出電子の強度であり、カーブＣ４は、ラインＸ２に沿った検出電子の強度である。
【００９１】
更に、図１２には、図１１の画像４０ｃにおいて、画像４０ａのラインＸ１及びＸ２に対応した位置の検出電子の強度が示されている。カーブＣ５は、ラインＸ１に沿った検出電子の強度であり、カーブＣ６は、ラインＸ２に沿った検出電子の強度である。
【００９２】
また、図１２には、カーブＣ１の値と、カーブＣ３の値との差をプロットしたプロットＢ１が示されている。このプロットＢ１は、カーブＣ５と一致している。
【００９３】
同様に、図１２には、カーブＣ２の値と、カーブＣ４の値との差をプロットしたプロットＢ２が示されている。このプロットＢ２は、カーブＣ６と一致している。
【００９４】
このようにして、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像と小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像との差分像が、環状高角度明視野像検出器２９を用いて撮像された明視野像と一致することが確認された。
【００９５】
（３）走査透過電子顕微鏡により撮像された暗視野像及び明視野像を画像処理する際に行う規格化の説明
【００９６】
上述した差分像を求める際には、高角度明視野像検出器２７ａを用いて撮像された明視野像の輝度としての電子強度と、小角度明視野像検出器２７を用いて撮像された明視野像の対応する画素の輝度としての電子強度との差を直接計算した。
【００９７】
しかし、実際に撮像される電子顕微鏡像では、環状高角度暗視野像検出器２６の検出感度と、小角度明視野像検出器２７の検出感度とが異なるので、差分を求める前に、暗視野像の明暗を反転した反転像と明視野像それぞれに対して、輝度の規格化を行う必要がある。そこで、システム１０では、以下に説明する方法で、輝度の規格化を行うこととした。
【００９８】
まず、撮像された暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた試料Ｓの結晶構造を用いて、反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像及び明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求める。
【００９９】
撮像される試料Ｓが重い原子及び軽い原子を含む場合、重い原子の原子像は、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像される暗視野像に表れるが、軽い原子の原子像は表れない場合がある。試料Ｓは、通常、未知の物質である。そして、撮像された暗視野像から、未知の物質である試料Ｓに関する情報として、試料Ｓには少なくとも重い原子が含まれることが、その重い原子の原子像の配置と共に得られる。
【０１００】
そして、撮像された暗視野像に検出された原子像に基づいて、試料Ｓの結晶構造が求められる。この際、同じ試料ＳをＸ線回折分析等により測定した他の分析結果を併用して、試料Ｓの結晶構造が求められることが好ましい。また、撮像された暗視野像から、試料Ｓの結晶構造が欠陥を含んでいることが分かる場合には、そのような欠陥を含む結晶構造を求めても良い。
【０１０１】
計算反転像及び計算明視野像は、上述したベーテ法（ブロッホ波法）又はマルチスライス法を用いて計算され得る。また、計算反転像及び計算明視野像の計算条件としては、暗視野像及び明視野像を撮像するのに用いた走査透過電子顕微鏡の撮像条件と同じ条件を用いることが好ましい。
【０１０２】
なお、試料Ｓが既知の物質である場合には、既知である試料Ｓの結晶構造を用いても良い。
【０１０３】
次に、反転像における輝度の最大値及び最小値を、計算反転像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、反転像を規格化する。同時に、明視野像における輝度の最大値及び最小値を、計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、明視野像を規格化する。
【０１０４】
暗視野像の明暗を反転させた反転像の生成は、例えば、暗視野像の各画素の輝度が、８ビットで０〜２５５の値で表されている場合には、各画素の輝度の値に−１をかけて、各画素の輝度が−２５５〜０の値で表される反転像を生成しても良い。また、２５５から暗視野像の各画素の輝度の値を減算して、各画素の輝度が０〜２５５の値で表される反転像を生成しても良い。
【０１０５】
反転像の規格化は、例えば、次の手順で行うことができる。まず、反転像から輝度の最大値ＢＭａ及び最小値ＢＭｉを得る。次に、計算反転像から輝度の最大値ＣＭａ及び最小値ＣＭｉを得る。次に、ＣＭａ＝Ａ・ＢＭａ＋Ｂ、ＣＭｉ＝Ａ・ＢＭｉ＋Ｂという連立方程式を解いて、未知数Ａ及びＢを求める。そして、求めたＡ及びＢを用いて、反転像の各画素の輝度を規格化する。
【０１０６】
明視野像の規格化も同様に行うことができる。
【０１０７】
次に、上述した規格化の考え方を具体的に確認するために、計算により求めた暗視野像及び明視野像を用いて、規格化の処理を行った。
【０１０８】
図１３〜図１５は、暗視野像及び明視野像の規格化を説明する図である。
【０１０９】
図１３の画像４１ａは、ＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像を計算により求めたものである。また、また、画像４１ｂは、画像４１ａと対応するＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図３及び図４に示す小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。
【０１１０】
図１３の画像４１ａには、Ｓｒ原子の原子像が、明るいスポットとして示されている。また、画像４１ａには、Ｔｉ原子の原子像が、Ｓｒ原子よりは暗いものの明るいスポットとして示されている。一方、画像４１ａには、Ｏ原子は、識別可能には示されていない。なお、図１３の画像４１ａは、図１１の画像４０ａの明暗を反対にした反対像である。
【０１１１】
図１３の画像４１ｂは、図１１の画像４０ｂと同じものである。
【０１１２】
図１３の画像４１ｃは、暗視野像である画像４１ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造を用いて、画像４１ａの反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を示す。また、画像４１ｄは、暗視野像である画像４１ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造を用いて、明視野像である画像４１ｂに対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像である。ここで、試料の結晶構造は既知であるので、暗視野像である画像４１ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造としては、ＳｒＴｉＯ3からＯ原子を除いた結晶構造を用いた。
【０１１３】
計算条件としては、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。この条件は、図１１及び１２の計算に用いた条件と同じである。環状高角度暗視野像検出器２６の検出感度は、小角度明視野像検出器２７との検出感度とは異なった値を用いて計算を行った。
【０１１４】
図１４には、図１３の画像４１ａにおけるラインＸ３及びＸ４に沿った検出電子の強度が示されている。プロットＤ１は、ラインＸ１に沿った検出電子の強度であり、プロットＤ２は、ラインＸ２に沿った検出電子の強度である。
【０１１５】
また、図１４には、図１３の画像４１ｂにおいて、画像４１ａのラインＸ３及びＸ４に対応した位置の検出電子の強度が示されている。プロットＤ３は、ラインＸ３に沿った検出電子の強度であり、プロットＤ４は、ラインＸ４に沿った検出電子の強度である。
【０１１６】
ここで、図１４におけるプロットＤ１〜Ｄ４の検出電子の強度は、図１３における画像の輝度を表す０〜２５５の値（図１４の左側の縦軸参照）で示されている。
【０１１７】
また、図１４には、図１３の画像４１ｃにおいて、画像４１ａのラインＸ３及びＸ４に対応した位置の検出電子の強度が示されている。ラインＥ１は、ラインＸ３に沿った検出電子の強度であり、ラインＥ２は、ラインＸ４に沿った検出電子の強度である。
【０１１８】
同様に、図１４には、図１３の画像４１ｄにおいて、画像４１ａのラインＸ３及びＸ４に対応した位置の検出電子の強度が示されている。ラインＥ３は、ラインＸ３に沿った検出電子の強度であり、ラインＥ４は、ラインＸ４に沿った検出電子の強度である。
【０１１９】
ここで、ラインＥ１〜Ｅ４の検出電子の強度は、試料に入射した電子の量を１００％として、検出器によって検出された電子の割合を示している。
【０１２０】
図１５には、画像４１ａの明暗を反転した反転像を規格化した反転像におけるラインＸ３に沿った検出電子の強度であるプロットＦ１が示されている。また、図１５には、画像４１ａの明暗を反転した反転像を規格化した反転像におけるラインＸ４に沿った検出電子の強度であるプロットＦ２が示されている。プロットＦ１及びＦ２の値は、試料に入射した電子の量を１００％として、検出器によって検出された電子の割合で示されている。
【０１２１】
プロットＦ１は、ラインＥ１と良く一致している。また、プロットＦ２は、Ｏ原子の有無に起因する差があるものの、ラインＥ２と良く一致している。
【０１２２】
また、図１５には、画像４１ｃを規格化した像におけるラインＸ３に沿った検出電子の強度であるプロットＦ３が示されている。また、図１５には、画像４１ａを規格化した像におけるラインＸ４に沿った検出電子の強度であるプロットＦ４が示されている。
【０１２３】
プロットＦ３は、Ｏ原子の有無に起因する差があるものの、ラインＥ３と良く一致している。また、プロットＦ４は、ラインＥ４と良く一致している。プロットＦ３及びＦ４の値は、試料に入射した電子の量を１００％として、検出器によって検出された電子の割合で示されている。
【０１２４】
なお、図１５におけるラインＥ１〜Ｅ４は、図１４のラインＥ１〜Ｅ４と同じものである。
【０１２５】
以上の結果から、規格化された反転像及び明視野像は、Ｏ原子の有無に起因する差があるものの、計算反転像及び計算明視野像と良く一致することが分かった。従って、上述した規格化の考え方が妥当性を有することが判明した。
【０１２６】
次に、上述した規格化の考え方を確認するために、複数の試料に対して、暗視野像の規格化された反転像と規格化された明視野像との差分像を計算により求めて検証した。
【０１２７】
図１６は、４つの試料に対して、計算により差分像を求めた結果を示す図である。
【０１２８】
まず、画像４２ａ、４２ｂ、４２ｃ、４２ｄについて以下に説明する。
【０１２９】
画像４２ａは、ＳｒＴｉＯ3の（００１）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像を計算により求めたものである。試料の厚さは、３０ｎｍとした。画像４２ｂは、画像４２ａと対応するＳｒＴｉＯ3の（００１）面を、図３及び図４に示す小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。
【０１３０】
計算条件としては、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。環状高角度暗視野像検出器２６の検出感度は、小角度明視野像検出器２７の検出感度とは異なった値を用いて計算を行った。
【０１３１】
画像４２ｃは、画像４２ａの明暗を反転した反転像を規格化したものである。画像４２ａの反転像の規格化は、画像４２ａの反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を用いて行われた。ここで、試料の結晶構造は既知であるので、暗視野像である画像４２ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造としては、ＳｒＴｉＯ3からＯ原子を除いた結晶構造を用いた。
【０１３２】
画像４２ｄは、画像４２ａの規格化された反転像である画像４２ｃの各画素の輝度と、規格化された画像４２ｂの対応する画素の輝度との差を、各画素の輝度として生成された差分像である。なお、画像４２ｄには、ノイズを除去する処理が行われている。
【０１３３】
画像４２ｄには、重い原子であるＳｒ原子の原子像及びＴｉ原子の原子像が共に暗いスポットとして示されている。また、画像４２ｄには、画像中の矢印で示すように、軽い原子であるＯ原子の原子像も暗いスポットとして示されている。
【０１３４】
次に、画像４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄについて以下に説明する。
【０１３５】
画像４３ａは、ＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像を計算により求めたものである。試料の厚さは、３０ｎｍとした。画像４３ｂは、画像４３ａと対応するＳｒＴｉＯ3の（０１１）面を、図３及び図４に示す小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。
【０１３６】
計算条件としては、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。環状高角度暗視野像検出器２６の検出感度は、小角度明視野像検出器２７との検出感度とは異なった値を用いて計算を行った。
【０１３７】
画像４３ｃは、画像４３ａの明暗を反転した反転像を規格化したものである。画像４３ａの反転像の規格化は、画像４３ａの反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を用いて行われた。ここで、試料の結晶構造は既知であるので、暗視野像である画像４３ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造としては、ＳｒＴｉＯ3からＯ原子を除いた結晶構造を用いた。
【０１３８】
画像４３ｄは、画像４３ａの規格化された反転像である画像４３ｃの各画素の輝度と、規格化された画像４３ｂの対応する画素の輝度との差を、各画素の輝度として生成された差分像である。なお、画像４３ｄには、ノイズを除去する処理が行われている。
【０１３９】
画像４３ｄには、重い原子であるＳｒ原子の原子像及びＴｉ原子の原子像が共に暗いスポットとして示されている。また、画像４３ｄには、画像中の矢印で示すように、軽い原子であるＯ原子の原子像も暗いスポットとして示されている。
【０１４０】
次に、画像４４ａ、４４ｂ、４４ｃ、４４ｄについて以下に説明する。
【０１４１】
画像４４ａは、試料の厚さ６０ｎｍであることを除いては、画像４３ａと同様に計算して求められた。同様に、画像４４ｂは、画像４３ｂに対応し、画像４４ｃは、画像４３ｃに対応し、画像４４ｄは、画像４３ｄに対応する。
【０１４２】
画像４４ｄには、重い原子であるＳｒ原子の原子像及びＴｉ原子の原子像が共に暗いスポットとして示されている。また、画像４４ｄには、画像中の矢印で示すように、軽い原子であるＯ原子の原子像も暗いスポットとして示されている。
【０１４３】
このように、試料の厚さが異なっても、軽い原子であるＯ原子の原子像が、重い原子の原子像と共にを確認することができた。
【０１４４】
最後に、画像４５ａ、４５ｂ、４５ｃ、４５ｄについて以下に説明する。
【０１４５】
画像４５ａは、ＧａＮの（１１−２０）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像を計算により求めたものである。試料の厚さは、３０ｎｍとした。画像４５ｂは、画像４５ａと対応するＧａＮの（１１−２０）面を、図３及び図４に示す小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した明視野像を計算により求めたものである。
【０１４６】
計算条件としては、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。環状高角度暗視野像検出器２６の検出感度は、小角度明視野像検出器２７との検出感度とは異なった値を用いて計算を行った。
【０１４７】
画像４５ｃは、画像４５ａの明暗を反転した反転像を規格化したものである。画像４５ａの反転像の規格化は、画像４５ａの反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を用いて行われた。ここで、試料の結晶構造は既知であるので、暗視野像である画像４５ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造としては、ＧａＮからＮ原子を除いた結晶構造を用いた。
【０１４８】
画像４５ｄは、画像４５ａの規格化された反転像である画像４５ｃの各画素の輝度と、規格化された画像４５ｂの対応する画素の輝度との差を、各画素の輝度として生成された差分像である。なお、画像４５ｄには、ノイズを除去する処理が行われている。
【０１４９】
画像４５ｄには、重い原子であるＧａ原子の原子像が暗いスポットとして示されている。また、画像４５ｄには、画像中の矢印で示すように、軽い原子であるＮ原子の原子像も暗いスポットとして示されている。
【０１５０】
次に、上述した本実施例のシステム１０の動作例を、図１７を参照して、以下に説明する。
【０１５１】
図１７は、本明細書に開示するシステムの動作例を説明するフローチャートである。
【０１５２】
まず、ステップＳ１０において、走査透過電子顕微鏡２０を用いて、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料Ｓの暗視野像及び明視野像が取得される。暗視野像は、走査透過電子顕微鏡２０の光軸からの第１角度α１と、第１角度α１よりも大きい第２角度α３との間に散乱した電子が、環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像された像である。また、明視野像は、前記第１角度α１よりも小さい第３角度α３以内に散乱した電子が、小角度明視野像検出器２７を用いて、暗視野像と共に撮像された像である。暗視野像及び明視野像の取得は、どちらかを先に取得しても良いし、両方を同時に取得しても良い。
【０１５３】
次に、ステップＳ１２において、撮像した暗視野像の明暗を反転して、反転像が生成される。
【０１５４】
次に、ステップＳ１４において、撮像した暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造を用いて、暗視野像の明暗を反転した反転像に対応する計算された計算反転像及び明視野像に対応する計算された計算明視野像が求められる。計算反転像及び計算明視野像の計算は、どちらかを先に求めても良いし、両方を同時に求めても良い。
【０１５５】
次に、ステップＳ１６において、計算反転像の輝度の最大値及び最小値を用いて、反転像が規格化され、且つ、計算明視野像の輝度の最大値及び最小値を用いて、明視野像が規格化される。
【０１５６】
具体的には、反転像における輝度の最大値及び最小値を、計算反転像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、反転像が規格化される。また、明視野像における輝度の最大値及び最小値を、計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、明視野像が規格化される。
【０１５７】
そして、ステップＳ１８に示すように、規格化された反転像の各画素の輝度と、この反転像の各画素に対応する規格化された明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像が生成される。
【０１５８】
また、上述したシステム１０の動作例においては、次に説明するように、暗視野像を規格化した後に、規格化された暗視野像の明暗を反転した規格化された反転像を生成しても良い。
【０１５９】
図１８は、本明細書に開示するシステムの他の動作例を説明するフローチャートである。
【０１６０】
まず、ステップＳ２０に示すように、走査透過電子顕微鏡２０を用いて、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する試料Ｓの暗視野像及び明視野像が取得される。
【０１６１】
次に、ステップＳ２２に示すように、暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造を用いて、暗視野像に対応する計算された計算暗視野像及び明視野像に対応する計算された計算明視野像が求められる。
【０１６２】
次に、ステップＳ２４に示すように、計算暗視野像の輝度の最大値及び最小値を用いて、暗視野像が規格化され、且つ、計算明視野像の輝度の最大値及び最小値を用いて、明視野像が規格化される。
【０１６３】
具体的には、暗視野像における輝度の最大値及び最小値を、計算暗視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、暗視野像が規格化される。また、明視野像における輝度の最大値及び最小値を、計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、明視野像が規格化される。
【０１６４】
次に、ステップＳ２６に示すように、規格化された暗視野像の明暗を反転して、規格化された反転像が生成される。
【０１６５】
そして、ステップＳ２８に示すように、規格化された反転像の各画素の輝度と、この反転像の各画素に対応する規格化された明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像が生成される。
【０１６６】
上述した本実施例のシステム１０によれば、重い原子及び軽い原子を同時に観察可能な電子顕微鏡像が生成される。
【０１６７】
以下、本明細書に開示するシステムについて、実験例を用いて更に説明する。ただし、本発明の範囲はかかる実験例に制限されるものではない。
【０１６８】
試料として、（００１）面を有するＳｒＴｉＯ3を用いた。撮像条件は、加速電圧を２００ｋＶとし、電子線の収束角度を２０ｍｒａｄとし、球面収差係数を−０．５μｍとし、色収差係数を１．７ｍｍとした。また、試料の厚さは３０ｎｍとした。
【０１６９】
第１角度α１を、４０ｍｒａｄとし、第２角度α２を、１６０ｍｒａｄとし、第３角度α３を、９．４ｍｒａｄとした。
【０１７０】
そして、ＳｒＴｉＯ3の（００１）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６及び小角度明視野像検出器２７を用いて撮像した。撮像した結果を図１９に示す。
【０１７１】
画像４６ａは、ＳｒＴｉＯ3の（００１）面を、図３及び図４に示す環状高角度暗視野像検出器２６を用いて撮像した暗視野像である。画像４６ｂは、ＳｒＴｉＯ3の（００１）面を、図３及び図４に示す小角度明視野像検出器２７を用いて、画像４６ａと同時に撮像した明視野像である。
【０１７２】
画像４６ｃは、画像４６ａの明暗を反転した反転像である。
【０１７３】
画像４６ｄは、画像４６ｃが規格化された画像の各画素の輝度と、画像４６ｂが規格化された画像の対応する画素の輝度との差を、各画素の輝度として生成された差分像である。画像４６ｃは、画像４６ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造を用いて、画像４６ａの反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を用いて規格化された。ここで、試料の結晶構造は既知であるので、暗視野像である画像４６ａに検出された原子像に基づいて求められた試料の結晶構造としては、ＳｒＴｉＯ3からＯ原子を除いた結晶構造を用いた。画像４６ｂの規格化も、同様に行われた。
【０１７４】
画像４６ｆは、画像４６ｄのノイズが除去された画像である。
【０１７５】
画像４６ｆには、重い原子であるＳｒ原子の原子像及びＴ原子の原子像が共に暗いスポットとして示されている。また、画像４６ｆには、画像中の矢印で示すように、軽い原子であるＯ原子の原子像も暗いスポットとして示されている。
【０１７６】
画像４６ｅは、画像４６ｃのノイズが除去された画像である。暗視野像である画像４６ａの明暗を反転した反転画像である画像４６ｃは、ノイズが除去されても、重い原子であるＳｒ原子の原子像及びＴ原子の原子像しか暗いスポットとして示されておらず、軽い原子であるＯ原子は視認可能には示されていない。
【０１７７】
本発明では、上述した実施例の画像処理装置、像を生成する方法並びにシステムは、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更が可能である。
【０１７８】
ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、読者が、発明者によって寄与された発明及び概念を技術を深めて理解することを助けるための教育的な目的を意図する。ここで述べられた全ての例及び条件付きの言葉は、そのような具体的に述べられた例及び条件に限定されることなく解釈されるべきである。また、明細書のそのような例示の機構は、本発明の優越性及び劣等性を示すこととは関係しない。本発明の実施例は詳細に説明されているが、その様々な変更、置き換え又は修正が本発明の精神及び範囲を逸脱しない限り行われ得ることが理解されるべきである。
【０１７９】
以上の上述した実施例に関し、更に以下の付記を開示する。
【０１８０】
（付記１）
走査透過電子顕微鏡により試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像を取得し、
前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を取得し、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、
前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する方法。
【０１８１】
（付記２）
前記暗視野像及び前記明視野像は、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する前記試料を撮像した像であり、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記反転像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算反転像を求め、
前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、
前記計算反転像を用いて前記反転像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、
規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする前記差分像を生成する実施例１に記載の方法。
【０１８２】
（付記３）
前記反転像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算反転像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記反転像を規格化し、且つ、前記明視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記明視野像を規格化する付記２に記載の方法。
【０１８３】
（付記４）
前記暗視野像及び前記明視野像は、異なる原子番号の複数の原子を含む周期的な構造を有する前記試料を撮像した像であり、
前記暗視野像に検出された原子像に基づいて求められた前記試料の結晶構造を用いて、前記暗視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算暗視野像を求め、
前記結晶構造を用いて、前記明視野像に対応する計算された走査透過電子顕微鏡像である計算明視野像を求め、
前記計算暗視野像を用いて前記暗視野像を規格化し、且つ前記計算明視野像を用いて前記明視野像を規格化し、
規格化された前記暗視野像の明暗を反転して、規格化された前記反転像を生成し、
規格化された前記反転像の各画素の輝度と、前記反転像の各画素に対応する規格化された前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする前記差分像を生成する実施例１に記載の方法。
【０１８４】
（付記５）
前記暗視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算暗視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記暗視野像を規格化し、且つ、前記明視野像における輝度の最大値及び最小値を、前記計算明視野像における輝度の最大値及び最小値と一致するように、前記明視野像を規格化する付記４に記載の方法。
【０１８５】
（付記６）
前記暗視野像は、コントラストが最大となる焦点外れ量において撮像されたものである付記１〜５の何れか一項に記載の方法。
【０１８６】
（付記７）
前記第３角度が７〜１２ｍｒａｄの範囲にある付記１〜６の何れか一項に記載の方法。
【０１８７】
（付記８）
走査透過電子顕微鏡により試料を撮像した暗視野像であって、走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出して得られた暗視野像、及び、前記暗視野像と共に撮像された明視野像であって、前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出して得られた明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、前記反転像の各画素の輝度と前記反転像の各画素に対応する前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、
を備えた画像処理装置。
【０１８８】
（付記９）
電子線を出力する電子源と、
前記電子源から出力された電子線の焦点を試料の位置に合焦させる対物レンズと、
前記電子源と前記対物レンズとの間に配置され、電子線に試料の表面を走査させる走査コイルと、
試料を通過した電子線を結像させる結像レンズと、
走査透過電子顕微鏡の光軸からの第１角度と、前記第１角度よりも大きい第２角度との間に散乱した電子を検出する第１検出器と、
前記第１角度よりも小さい第３角度以内に散乱した電子を検出する第２検出器と、
前記第１検出器の検出信号に基づいて暗視野像を生成し、且つ前記第２検出器の検出信号に基づいて明視野像を生成する画像生成部と、
を有する走査透過電子顕微鏡と、
前記暗視野像及び前記明視野像を入力する入力部と、
前記暗視野像の明暗を反転して反転像を生成し、且つ、前記反転像の各画素の輝度と前記反転像の各画素に対応する前記明視野像の画素の輝度との差を、各画素の輝度とする差分像を生成する画像処理部と、
を有する画像処理装置と、
を備えたシステム。
【符号の説明】
【０１８９】
１０    システム
２０    走査透過電子顕微鏡
２１    電子銃
２２    収束レンズ
２３    走査コイル
２４    対物レンズ
２５    結像レンズ
２６    高角度環状暗視野像検出器（第１検出器）
２７    小角度明視野像検出器（第２検出器）
２８    制御部
２８ａ    画像生成部
２９    環状高角度明視野像検出器
３０    画像処理装置
３０ａ    演算部
３０ｂ    記憶部
３０ｃ    表示部
３０ｄ    入力部
３０ｅ    出力部
３０ｆ    通信部
３１    画像入力部
３２    画像処理部
３３    画像出力部
Ｓ    試料
ＯＡ    光軸
Ｂ    電子線
α１    第１角度
α２    第２角度
α３    第３角度
Ｈ    重い原子
Ｌ    軽い原子
【図１】
0005799653.tif 000002
【図２】
0005799653.tif 000003
【図３】
0005799653.tif 000004
【図４】
0005799653.tif 000005
【図５】
0005799653.tif 000006
【図６】
0005799653.tif 000007
【図７】
0005799653.tif 000008
【図８】
0005799653.tif 000009
【図９】
0005799653.tif 000010
【図１０】
0005799653.tif 000011
【図１２】
0005799653.tif 000012
【図１４】
0005799653.tif 000013
【図１５】
0005799653.tif 000014
【図１７】
0005799653.tif 000015
【図１８】
0005799653.tif 000016
【図１１】
0005799653.tif 000017
【図１３】
0005799653.tif 000018
【図１６】
0005799653.tif 000019
【図１９】
0005799653.tif 000020