(57)【要約】【課題】低倍率では精度の良くないスペクトルや元素分布像が観測される。【解決手段】走査透過型の電子顕微鏡に電子線エネルギー分析装置（エネルギーフィルタ）１１を備え、電子線エネルギー損失スペクトルや元素分布像を観察する。試料面上の電子線位置に対応して電子軌道を補正する手段として、磁場プリズム９より上流側に光軸を法線とする面内で電子軌道を補正しエネルギーフィルタに電子線を入射させる偏向コイル８と、磁場プリズム９によって形成されるエネルギー分散面１２のエネルギー軸方向に電子線の軌道を補正する偏向コイル１４を備え、制御装置２１から偏向コイル８、１４の励磁条件を制御する。低倍率でも、エネルギー精度の高い電子線エネルギー損失スペクトルや元素分布像を観察できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線のエネルギーを分析することにより電子線エネルギー損失スペクトルを測定し、あるいは元素の分布状態を観察する電子線エネルギー損失分光装置を備えた電子顕微鏡において、
試料面上において前記電子顕微鏡の光軸から最大１３マイクロメータ離れた場所に照射された電子線の電子線エネルギー損失スペクトルが、前記電子顕微鏡の光軸上に照射された電子線の電子線エネルギー損失スペクトルと比較して、エネルギーのずれ量が最大で１ｅＶとなることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
電子線のエネルギーを分析する電子線分光部と、前記電子線分光部の上流側に、前記電子線分光部に前記電子線を入射させる電子線入射手段を有し、前記電子線分光部が形成するエネルギー分散面のエネルギー軸方向に、前記電子線分光部を出射する電子線の軌道を補正するための軌道補正手段を有する電子線エネルギー損失分光装置を備えたことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
前記電子線入射手段が少なくとも１段以上の偏向コイルで構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
電子線のエネルギーを分析する電子線分光部を有すると共に、前記電子線分光部の上流側と下流側にそれぞれ偏向コイルを配置した電子線エネルギー損失分光装置を備え、
前記電子線分光部の上流側に配置された偏向コイルは、電子線の光軸を法線とする面内で直交する２軸方向に２次元で電子線の軌道を補正し、前記電子線分光部の下流側に設置された偏向コイルは、前記電子線分光部の光軸を法線とする面内で電子線の軌道を補正し、補正する方向の内少なくとも１つの方向が、前記電子線分光部が形成するエネルギー分散面のエネルギー軸の方向となるように構成したことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項２において、
前記電子線分光部でエネルギー分析された電子線をエネルギーで選択するスリットと、前記電子線入射手段及び前記軌道補正手段をそれぞれ構成する少なくとも１段以上の偏向コイルとを有し、
前記電子線分光部の下流側に配置される偏向コイルが前記スリットより上流側に設置されるように構成したことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項２において、
前記電子線分光部に電子線を入射させる電子線入射手段が少なくとも１段以上の偏向コイルで構成され、前記軌道補正手段が電子線の速度を加速もしくは減速することができる速度調整器で構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項６において、
前記速度調整器を制御する電子線軌道補正制御部を有する電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項２において、
前記電子線入射手段が少なくとも１段以上の偏向コイルで構成され、前記軌道補正手段が電子線のエネルギーを分析する電子線分光部強度に、電子線の軌道を補正するために必要な電子線分光部強度を重畳させる電子線分光部強度調整器で構成されることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項８において、
前記電子線分光部強度調整器を制御する電子線軌道補正制御部を有する電子顕微鏡。
【請求項１０】
請求項２において、
前記電子顕微鏡は、走査透過型電子顕微鏡であることを特徴とする電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子線エネルギー損失分光測定装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ：ＥＥＬＳ、エネルギーフィルタとも言う）を備えた電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子や磁気ヘッド素子の微細化，小型化により、素子はサブミクロン程度の領域に数ｎｍ（ナノメートル）の薄膜を積層した構造となっている。素子開発において、微小領域の構造，元素分布，結晶構造，化学結合状態を分析することは重要であり、一方で、素子構造全体を一度に観察できる程度に低倍率で観察することも必要である。
【０００３】
従来技術によるエネルギーフィルタを備えた走査透過型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）については特許文献１がある。図６の概念構成図を参照して従来技術の説明をする。試料５に照射される電子線の位置は、電子線走査コイル３で偏向される。高倍率で観察する場合は、試料上の電子線が電子顕微鏡の光軸付近を通る電子線軌道を通る。低倍率で観察する場合は、試料上の電子線が電子顕微鏡の光軸付近のみならず、光軸から離れた電子線軌道も通る。投影レンズ７を透過した電子線に対して、磁場プリズム９より上流側に配置された２段の偏向コイル８を使って、電子線が通る電子線軌道を補正する。
【０００４】
従来技術では、試料５の位置での走査範囲が０．７５μｍ、対物レンズ４の拡大率が２０倍、投影レンズ７の拡大率が０．５倍の場合に、投影レンズ７の下流での電子線移動量は、軌道の補正無しで７．５μｍ、補正すると０．５μｍ程度まで小さくできる。
【０００５】
偏向コイル８によって軌道を補正された電子線は、磁場プリズム９に入射され、電子線のエネルギーが分析される。磁場プリズム９を出射した電子線は、磁場プリズム９のエネルギー分散面に電子線エネルギー損失スペクトルが形成され、電子線検出器１３で電子線エネルギー損失スペクトルを計測する。拡大レンズ１５を使って、電子線エネルギー損失スペクトルを拡大することで、スペクトルの形状等を詳細に検討することが出来る。
【０００６】
従来技術で電子線の軌道を補正した場合、電子線検出器１３の位置での電子線移動量は７５μｍである。エネルギー分散が０．１ｅＶ／２５μｍの場合、７５μｍの移動量は０．３ｅＶに相当する。しかし、試料５の位置での電子線の走査範囲が電子線の光軸から１３μｍ離れた位置まで走査する場合、電子線検出器１３の位置での電子線移動量は１３００μｍ、エネルギー分散が０．１ｅＶ／２５μｍの場合５．２ｅＶになる。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−９３４５９号公報（段落００３４−００３７、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエネルギーフィルタを備えたＳＴＥＭでは、試料を透過した後からエネルギーフィルタに入射するまでの電子線の軌道に対して、低倍率でも観察できるように電子線の軌道を補正することが考慮されている。しかしながら、エネルギーフィルタを出射した電子線の軌道については考慮されていないため、上記のようにずれ量が拡大するといった問題がある。特に、特許文献１では、エネルギーフィルタの下流側にはスペクトルを拡大する電磁レンズが設置されているため、エネルギーのずれ量が顕在化する。
【０００９】
本発明の目的は、従来技術の問題点を克服し、エネルギーフィルタを出射した電子線位置を補正し、低倍率においても高精度で電子線エネルギー損失スペクトルや元素分布観察を観察できる電子線エネルギー損失分光装置を備えた電子顕微鏡を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明は、電子線分光部（エネルギーフィルタ）の下流側において、電子線分光部のエネルギー分散面に形成される電子線エネルギー損失スペクトルのエネルギー軸方向に、電子線の軌道を高精度に補正することを特徴とする。
【００１１】
本発明の電子顕微鏡は、電子線のエネルギーを分析する電子線分光部と、電子線分光部の上流側に電子線を電子線分光部に入射させる電子線入射手段と、電子線分光部が形成するエネルギー分散面のエネルギー軸方向に、電子線分光部から出射した電子線の軌道を補正するための軌道補正手段を有する電子線エネルギー損失分光装置を備える。
【００１２】
電子線分光部に電子線を入射させる電子線入射手段は、少なくとも１段以上の偏向コイルで構成され、電子線分光部を出射した電子線の軌道を補正する手段は電子線分光部の下流側に設置した少なくとも１段以上の偏向コイルで構成される。
【００１３】
あるいは、電子線分光部を出射した電子線の軌道を補正する手段が、電子線の速度を加速もしくは減速することができる速度調整器、または、電子線のエネルギーを分析する電子線分光部強度に、電子線の軌道を補正するために必要な電子線分光部強度を重畳させる電子線分光部強度調整器で構成される。
【００１４】
電子線分光部の上流側に配置された少なくとも１段以上の偏向コイルは、電子線の光軸を法線とする面内で直交する２軸方向に２次元で電子線の軌道を補正する。また、電子線分光部の下流側に設置された少なくとも１段以上の偏向コイルが補正する方向の内少なくとも１つの方向は、電子線分光部の光軸を法線とする面内でかつ、電子線分光部が形成するエネルギー分散面のエネルギー軸の方向である。
【００１５】
本発明は、電子線エネルギー分光装置により電子線のエネルギーを分析することで、電子線エネルギー損失スペクトルを計測したり、元素分布像を観察することができる電子顕微鏡である。特に、エネルギー分散した電子線の内、特定のエネルギー範囲の電子線を選択してスペクトル計測や元素分布観察をするために、電子線分光部を出射した電子線の軌道を補正する偏向コイル、または電子線の速度を加速もしくは減速することができる速度調整器を設置する。あるいは、電子線のエネルギーを分析する電子線分光部強度に、電子線の軌道を補正するために必要な電子線分光部強度を重畳させる電子線分光部強度調整器をエネルギー選択スリットより上流側に設置する。
【００１６】
さらに、本発明は、電子線を試料上で走査する電子線走査部と、電子線分光部の上流側の電子線軌道補正手段と、電子線分光部の下流側の電子線軌道補正手段のそれぞれを、試料上の電子線位置に対応させて制御し、試料上の電子線位置毎に電子線エネルギー損失スペクトルを計測したり、元素分布像を観察し、それらを表示装置に表示する制御装置を有する走査透過電子顕微鏡である。
【００１７】
本発明によれば、試料面上において、電子顕微鏡の光軸から最大１３マイクロメータ離れた場所に照射された電子線の電子線エネルギー損失スペクトルが、電子顕微鏡の光軸上に照射された電子線の電子線エネルギー損失スペクトルと比較して、エネルギーのずれ量が最大でも１ｅＶとなる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、一実施例による電子線エネルギー損失分光装置（エネルギーフィルタ１１）を備えた走査透過型電子顕微鏡の主要部分の概略構成図である。
【００１９】
電子線発生源１で発生した電子線２は、対物レンズ４でプローブを形成され、試料５に照射される。試料５に照射される電子線の位置は、電子線走査コイル３で偏向される。高倍率で観察する場合には、試料上の電子線は電子顕微鏡の光軸１７付近を通る電子線軌道を通る。投影レンズ７のクロスオーバー点が、電子線エネルギー損失分光装置１１内の磁場プリズム９の前方焦点となる。試料５を透過した電子線は、磁場プリズム９に入射され、電子線のエネルギーが分析される。
【００２０】
磁場プリズム９を出射した電子線は、磁場プリズム９のエネルギー分散面に電子線エネルギー損失スペクトルが形成され、電子線検出器１３で電子線エネルギー損失スペクトルを計測する。拡大レンズ１５を使って、電子線エネルギー損失スペクトルを拡大することで、スペクトルの形状等を詳細に検討することが出来る。
【００２１】
電子線検出器１３に入射する電子線のエネルギーを選択するために、電子線検出器１３より上流側に、エネルギー選択スリット１９を設置する場合もある。
【００２２】
電子線検出器１３は、例えば１０２４チャンネルで構成されている。各チャンネルに入射する電子線強度を検出することで、電子線エネルギー損失スペクトルを得ることが出来る。
【００２３】
電子線検出器１３は、電子線エネルギー損失スペクトルの測定に限定するものではない。例えば、２チャンネル以上で構成された電子線検出器であれば、それぞれのチャンネルに入射したエネルギーの異なる電子線を同時に計測し、検出器の補正（例えば、検出器の感度補正や暗電流補正等）を実施後、各チャンネルで検出した電子線強度を使って演算し、元素分布像を観察することが出来る。演算法については、文献（Ｅｇｅｒｔｏｎ著、「Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｌｏｓｓ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｔｈｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ」に記載のように、２ウインドウ法や３ウインドウ法を用いれば元素の分布像を観察できる。
【００２４】
エネルギー選択スリット１９を用いる場合には、電子線検出器１３は、例えば１チャンネルで構成されても構わない。その場合、エネルギー選択スリット１９の開口部を通過する電子線のエネルギー範囲を有する電子線を検出することで、電子線エネルギー損失スペクトルやエネルギーフィルタ像を観察する。
【００２５】
制御装置２１は、ＳＴＥＭ制御部３０とエネルギーフィルタ制御部２８と、中央制御部２９で構成される。ＳＴＥＭ制御部３０は、試料上の電子線位置を制御したり、電子線を走査させる。エネルギーフィルタ制御部２８は、エネルギーフィルタ１１の電子線エネルギー分析条件を制御する。例えば、エネルギーフィルタ１１に用いている磁場プリズム９の励磁条件や、電子線エネルギー損失スペクトルのフォーカス条件や拡大条件、ドリフトチューブ１６の印加電圧条件を制御する。ドリフトチューブ１６は、磁場プリズム９に内蔵された管であり、その中を電子線が通過する。ドリフトチューブ１６に印加する電圧で、電子線の速度を調整し、電子線検出器１３上に観察対象元素の内殻電子励起に起因する内殻電子励起スペクトルをシフトさせる。
【００２６】
中央制御部２９は、磁場プリズム９やフォーカスレンズ１０等の制御パラメータ及び、測定する元素の固有の測定条件を保有するデータベース部２４と、計測したスペクトルや観察した像を保存するメモリー部２７を有する。また、電子線検出器１３で検出した電子線エネルギー損失スペクトルを演算する演算部２３を有し、ＳＴＥＭ制御部３０やエネルギーフィルタ制御部２８を制御する。また、操作者が測定する元素等を入力する入力装置３１や電子線エネルギー損失スペクトルや元素分布像を表示する表示装置２５は、中央制御装部２９に接続されている。
【００２７】
なお、本発明における電子線入射手段は前段偏向コイル８、軌道補正手段は後段偏向コイル１４を一例としている。また、本発明の電子線軌道補正制御部は、電顕本体に前段偏向コイル８を制御する為の信号を送信する中央制御部２９と、後段偏向コイル１４を制御する為の信号を送信するエネルギーフィルタ制御装置２８から構成される。
【００２８】
本実施例の装置を用いて低倍率で観察する場合には、試料上の電子線は電子顕微鏡の光軸１７付近のみならず、光軸１７から離れた電子線軌道も通ることになり、電子線の軌道を次のようにして補正する。
【００２９】
図２に電子軌道補正の概要を示す。図２で、電子線の軌道を補正しない場合の軌道を途中から破線で示し（Ａで指示する軌道）、電子線の軌道を補正する場合の軌道を実線で示す（Ｂで指示する軌道）。軌道を補正しない場合、破線で示すように、エネルギーフィルタから出射した電子線は、電子線検出器１３上において、光軸１７上の電子線が入射する電子線検出器１３の位置とは異なるチャンネルに入射する。このような状態では、正確な電子線エネルギー損失スペクトル計測ができない。
【００３０】
しかし、投影レンズ７を透過した電子線に対して、磁場プリズム９より上流側に配置された前段偏向コイル８と、下流側に設置された後段偏向コイル１４を使って、電子線が通る電子線軌道を補正すると、実線で示すような軌道となる。特に、後段偏向コイル１４が補正する軌道の方向の内、１つの方向は、磁場プリズム９が形成する電子線エネルギー損失スペクトルのエネルギー軸方向である。軌道を補正した電子線は、電子線検出器１３上において、光軸１７上の電子線が入射する電子線検出器１３の位置と同じチャンネルに入射する。
【００３１】
このようにして、正確な電子線エネルギー損失スペクトルを計測できるが、後段偏向コイル１４の代りに、ドリフトチューブ１６や磁場プリズム９を用いて制御することでも可能である。これらを用いた制御において、中央制御部２９は、ＳＴＥＭ制御部３０を用いて試料上の電子線位置を制御すると共に、試料上の電子線位置に対応して前段偏向コイル８と後段偏向コイル１４それぞれの励磁条件、あるいは前段偏向コイル８の励磁条件とドリフトチューブ１６の電圧印加条件、あるいは前段偏向コイル８の励磁条件と磁場プリズム９の励磁条件をそれぞれ制御する。
【００３２】
次に、電子線軌道の補正方法について詳細を述べる。最初に、試料上の電子線位置に対応して磁場プリズム９の前方焦点１８や磁場プリズム９のエネルギー分散面での電子線の位置を説明する。
【００３３】
図３は電子線位置の相対関係を示す説明図である。図３（ａ）のように、試料面上において、光軸を原点、光軸に垂直な面内で直交する２軸を（ｘ、ｙ）として、電子線の位置を（ｘ＿ｉ、ｙ＿ｊ）とする。対物レンズ４や投影レンズ７を透過した後、磁場プリズム９の前方焦点１８における電子線の位置（Ｘ＿ｉ，ｊ、Ｙ＿ｉ，ｊ）は、式（１）のように、試料面上の電子線位置と関係付けられる。
Ｘ＿ｉ，ｊ  ＝ａ×ｘ＿ｉ＋ｂ×ｙ＿ｊ、
Ｙ＿ｉ，ｊ  ＝ｃ×ｘ＿ｉ＋ｄ×ｙ＿ｊ                        …（１）
但し、図３（ｂ）のように、磁場プリズム９の前方焦点１８において、光軸に垂直な面内で直交する２軸を（Ｘ，Ｙ）とする。係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは対物レンズ４や投影レンズ７の励磁条件により決定される装置固有の定数である。
【００３４】
エネルギーフィルタ１１に入射した電子線は、磁場プリズム９により分散作用を受け、エネルギー分散面上にスペクトルを形成する。このとき、磁場プリズム９の前方焦点１８でのＸ方向が、エネルギー分散面のエネルギー分散方向（Ｅとする）に投影され、前方焦点１８のＹ方向がエネルギー分散面に垂直な電子線強度方向（Ｉとする）に投影されるよう、試料面上の２軸（ｘ，ｙ）の方向を定める。
【００３５】
更に図３を説明すると、電子線の試料面上での位置及び、磁場プリズム９の前方焦点１８とエネルギー分散面との位置関係を示している。（ａ）は試料面上で光軸上の原点Ａとその周辺の点Ｂ、Ｃ、Ｄ，Ｅを示す。（ｂ）は磁場プリズム９の前方焦点１８における投影図で、点Ａ〜Ｅは光軸上の原点Ａ−ｏｂとその周辺の点Ｂ−ｏｂ〜点Ｅ−ｏｂに各々投影される。さらに、光軸上の原点Ａ−ｏｂとその周辺の点Ｂ−ｏｂ〜点Ｅ−ｏｂの各点は、エネルギー分散面上にそれぞれ投影される。
【００３６】
図３（ｃ）に示すように、磁場プリズム９の前方焦点１８上において、Ｙ軸に平行な軸上の点は、エネルギー分散面上で同じエネルギーだけずれた所に投影される。点Ｂ−ｏｂと点Ｅ−ｏｂ、点Ｃ−ｏｂと点Ｄ−ｏｂがそれぞれ同じエネルギーの所に現れる。この関係は、式（２）で現すことができる。
Ｅ＿ｉ，ｊ  ＝ｐ×Ｘ＿ｉ，ｊ                              …（２）
但し、ｐはエネルギーフィルタ１１のエネルギー分散（ｅＶ／μｍ）や拡大率で決まる定数である。
【００３７】
次に、試料上の電子線位置に対応した電子線軌道を補正するために、前段偏向コイル８と後段偏向コイル１４を用いた制御法について説明する。
【００３８】
前段偏向コイル８の動作原理は、基本的には式（１）で表わした、磁場プリズム９の前方焦点１８上での電子線位置（Ｘ＿ｉ，ｊ、Ｙ＿ｉ，ｊ）を（０、０）に近づけることである。しかし、低倍率で観察する場合、電子線がエネルギーフィルタ１１の磁場プリズム９に入射する条件を最優先する必要があり、その場合、電子線強度が減少せず、光軸上と同程度であるように、前段偏向コイル８を設定すれば良い。その場合、制御後の磁場プリズム９の前方焦点１８上での電子線位置（Ｘｃ＿ｉ，ｊ、Ｙｃ＿ｉ，ｊ）は、式（３）の関係となる。
Ｘｃ＿ｉ，ｊ＝ｍｐ×Ｘ＿ｉ，ｊ、
Ｙｃ＿ｉ，ｊ＝ｎｐ×Ｙ＿ｉ，ｊ                            …（３）
但し、０≦ｍｐ、ｎｐ＜１である。
【００３９】
前段偏向コイル８は、光軸に垂直な面内で直交する２軸方向に、電子線の軌道を偏向する。したがって、試料面上の各位置において、（Ｘ＿ｉ，ｊ−Ｘｃ＿ｉ，ｊ、Ｙ＿ｉ，ｊ−Ｙｃ＿ｉ，ｊ）だけ電子線の軌道を補正する条件が、前段偏向コイル８の励磁条件である。そして、前段偏向コイル８の制御は、試料面上の電子線位置に同期させて制御する必要がある。
【００４０】
このようにして前段偏向コイル８を用いて磁場プリズム９の前方焦点１８での電子線位置を（Ｘｃ＿ｉ，ｊ、Ｙｃ＿ｉ，ｊ）に制御すると、磁場プリズム９のエネルギー分散面でのエネルギーのずれＥｃは式（４）となる。
Ｅｃ＿ｉ，ｊ  ＝ｐ×Ｘｃ＿ｉ，ｊ                          …（４）
このような条件において、後段偏向コイル１４は、式（４）で表わされるエネルギーずれ（Ｅｃ＿ｉ，ｊ）をゼロにするように制御すれば良い。式（１）、（３）、（４）より、Ｅｃ＿ｉ，ｊも試料（ｘ＿ｉ、ｙ＿ｊ）の関数であることから、後段偏向コイル１４の制御は、試料面上の電子線位置に同期させて制御する必要がある。
【００４１】
したがって、試料上の電子線位置に対応して前段偏向コイル８の励磁条件と後段偏向コイル１４を用いて、電子線の軌道を制御する場合、中央制御部２９から試料上の電子線位置を制御するための信号をＳＴＥＭ制御部３０に送信すると同時に、電顕本体に前段偏向コイル８を制御する為の信号と、エネルギーフィルタ制御部２８に後段偏向コイル１４を制御する為の信号を送信する。
【００４２】
次に、電子線の軌道を補正する手段として、前段偏向コイル８とドリフトチューブ１６を制御する場合について説明する。
【００４３】
本来、ドリフトチューブ１６の機能は、計測する元素固有のスペクトルを、電子線検出器１３の所定の位置にシフトさせることである。ドリフトチューブ１６の初期設定条件は、光軸上の電子線が電子線検出器１３の所定の位置で検出されるように調整した状態である。低倍率で観察する場合、前段偏向コイル８の動作は、後段偏向コイル１４を用いる場合と同じである。
【００４４】
エネルギー分散面上でのエネルギーのずれ（Ｅｃ＿ｉ，ｊ）は、式（４）で表わすことができる。このずれを補正するためには、式（４）で表わされるエネルギーをそのまま電圧（ΔＥ＝Ｅｃ＿ｉ，ｊとする）に変換し、Ｅｃ＿ｉ，ｊとは逆符号の電圧（ΔＥ）をドリフトチューブ１６に印可すれば良い。当然、Ｅｃ＿ｉ，ｊは試料（ｘ＿ｉ、ｙ＿ｊ）の関数であることから、ドリフトチューブ１６に印加するΔＥの制御も、試料面上の電子線位置と同期させなければならない。つまり、中央制御部２９から試料上の電子線位置を制御するための信号をＳＴＥＭ制御部３０に送信すると同時に、ドリフトチューブ１６の印加電圧を制御するためにエネルギーフィルタ制御部２８と、前段偏向コイル８を制御する為に電顕本体に信号を送信する。
【００４５】
また、試料上の電子線位置に対応して前段偏向コイル８の励磁条件とエネルギーフィルタ１１に用いている磁場プリズム９の励磁条件を制御することでも、低倍率の観察が可能となる。
【００４６】
本来、磁場プリズム９は電子線のエネルギーを分析するものである。低倍率観察においては、式（４）で現されるエネルギーのずれ（Ｅｃ＿ｉ，ｊ）を、磁場プリズム９の励磁条件に換算して制御する。当然、Ｅｃ＿ｉ，ｊは試料面上の電子線位置（ｘ＿ｉ、ｙ＿ｊ）の関数であることから、磁場プリズムに印加する励磁条件の制御は、試料面上の電子線位置と同期させる。つまり、中央制御部２９から試料上の電子線位置を制御するための信号をＳＴＥＭ制御部３０に送信すると同時に、磁場プリズムの励磁条件を制御するためにエネルギーフィルタ制御部２８と、前段偏向コイル８を制御する為に電顕本体に信号を送信することで制御する。
【００４７】
本実施例では、磁場プリズム９によって形成される電子線エネルギー損失スペクトルは、磁場プリズム９の電子線の回転半径が１００ｍｍの場合、１ｅＶ／μｍ程度になる。これを拡大磁場レンズ１５で１００倍に拡大すると、電子線エネルギー損失スペクトルのエネルギー分散は０．０１ｅＶ／μｍとなる。２５μｍ／チャンネルのマルチチャンネルプレートアレイを電子線検出器１３として用いれば０．２５ｅＶ／チャンネルとなる。
【００４８】
次に、スペクトル測定時の制御装置２１内の動作について説明する。操作者が入力装置３１を使って、観測したい元素を入力すると、中央制御部２９はデータベース部２４から該当する元素情報を引き出し、元素情報に含まれる各元素固有の測定条件をエネルギーフィルタ制御部２８に出力する。エネルギーフィルタ制御部２８では、測定条件に基づきフォーカス調整用磁場レンズ１０、拡大磁場レンズ１５、ドリフトチューブ１６、磁場プリズム９を制御し、元素固有のエネルギーを含むエネルギー範囲の電子線を電子線検出器１３に入射させる。
【００４９】
電子線検出器１３の各チャンネルの電子線強度信号は、電子線エネルギー損失スペクトルとなる。電子線検出器１３からの電子線強度信号は、演算部２３でスペクトルのバックグランド補正や電子線検出器のゲイン補正等を行う。演算後のスペクトルはメモリー部２７に記憶され、かつ表示装置２５で表示される。このような一連の処理によって操作者はスペクトルや元素分布像を取得することができる。
【００５０】
図４は、エネルギーフィルタで分析された電子線を測定した結果を示す説明図である。本実施例の走査透過電子顕微鏡を用いて、試料位置での電子線を光軸１７から１３μｍ離れる位置にまで走査する倍率で測定した電子線エネルギー損失スペクトルを示す一例である。但し、実際には試料位置に試料を設置せず、電子線は対物レンズを通過するだけである。前段偏向コイルは１段で構成されている。
【００５１】
図４（ａ）は軌道を補正しないで従来の電子顕微鏡で測定した結果、図４（ｂ）は前段偏向コイル８だけを使って電子線の軌道を補正して測定した結果である。図４（ｃ）は前段偏向コイル８と後段偏向コイル１４を使って電子線の軌道を補正して測定した結果である。図４（ａ）と（ｂ）に示す各グラフは、５個のスペクトルをわかりやすくする為に、各スペクトルを縦軸方向にずらして表示してある。電子線の軌道補正効果を示す為に、試料位置での電子線は、図４（ｄ）に示すように、基準となる光軸１７上のＡと、補正効果を検証するための観察範囲周辺の４箇所Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ、の合計５箇所に移動させた。
【００５２】
従来の電子顕微鏡では、試料位置での電子線が光軸１７から大きく離れるために、投影レンズ７を透過した電子線も光軸１７から大きく離れる。その結果、電子線はエネルギーフィルタ１１に入射することが出来ず、図４（ａ）に示すように、電子線検出器１３では観察範囲周辺の４箇所の電子線を検出することが出来ない。
【００５３】
本実施例の電子顕微鏡を用いて、前段偏向コイル８だけを使って電子線の軌道を補正すると、図４（ｂ）に示すように、投影レンズ７を透過した電子線をエネルギーフィルタ１１に入射させることが出来る。合計４個のスペクトルの強度がほぼ等しいことからも、投影レンズ７を透過した電子線が途中で遮られることなく、エネルギーフィルタ１１に入射したことがわかる。しかし、同一のエネルギーを有するピークが、試料位置での電子線位置によって、異なるエネルギー値の所に現れている。
【００５４】
本実施例の電子顕微鏡を用いて、前段偏向コイル８で磁場プリズム９に入射させた後、後段偏向コイル１４を使って、磁場プリズム９を出射した電子線の軌道を、特にエネルギー軸方向に精度よく補正して測定した結果が図４（ｃ）である。試料位置での観察視野周辺部に電子線が位置する場合と、光軸１７上に電子線が位置する場合を比較すると、そのエネルギーのずれは最大で０．５ｅＶまで小さくできることがわかる。
【００５５】
このように、磁場プリズム９より上流側の前段偏向コイル８だけではなく、磁場プリズム９より下流側に後段偏向コイル１４を配置し、それぞれの偏向コイルを制御することによって、高精度の電子線エネルギー損失スペクトルを測定できることがわかる。光軸から１３マイクロメータ離れた場所に電子線をシフトさせることは、５０００倍の観察倍率でスペクトルや像を観察することに相当する。
【００５６】
図５は、本実施例の走査透過電子顕微鏡を用いて、酸素の元素分布像を観察した一例である。観察した試料は、シリコン基板上に、膜厚が１５ｎｍのシリコン酸化膜を２層積層したものである。電子線の軌道補正は、磁場プリズム９の上流側は前段偏向コイル８で行い、磁場プリズム９を出射した電子線に対しては、ドリフトチューブ１６を用いて、電子線エネルギー損失スペクトルのエネルギー軸方向に補正を行っている。ドリフトチューブ１６に印加する電圧は、試料位置での電子線の位置により定められた値を逐次用いる。電子線の位置毎に定められた電圧の値は、メモリー部２７に記憶されている。
【００５７】
図５（ａ）は観察倍率５０万倍の高倍率で酸素の分布を観察した結果、図５（ｂ）は観察倍率５０００倍で、電子線の軌道を補正せずに観察した結果、図５（ｃ）は前述の手段で電子線の軌道を補正して観察した結果である。図５（ｂ）と（ｃ）の画像中央部では、２本のシリコン酸化膜を明瞭に識別して観察できる。しかし、図５（ｂ）の画像周辺部では、シリコン酸化膜は観察することができない。一方、図５（ｃ）の画像周辺部では、シリコン酸化膜を明瞭に観察することができる。
【００５８】
このように、本実施例の走査透過電子顕微鏡を用いれば、観察倍率が低倍率でも、明瞭な元素分布像を観察することができる。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、電子線エネルギー分光装置を備えた電子顕微鏡において、試料面上の電子線の位置が、電子顕微鏡の光軸より大きく離れた場合でも、高精度な電子線エネルギー損失スペクトルや元素分布像を観察できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による電子線エネルギー分光装置を備えた電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】電子線の軌道を補正する様子を示す概略図。
【図３】電子線位置の相対関係を示す説明図。
【図４】従来例と本実施例による電子線エネルギー損失スペクトルを示す説明図。
【図５】従来例と本実施例による酸素分布を観察した結果を示す観察図。
【図６】従来のエネルギーフィルタを備えた走査透過型電子顕微鏡の概略図。
【符号の説明】
１…電子線源、２…電子線、３…電子線走査コイル、４…対物レンズ、５…試料、７…投影レンズ、８…前段偏向コイル、９…磁場プリズム、１０…フォーカスレンズ、１１…エネルギーフィルタ、１２…エネルギー分散面、１３…電子線検出器、１４…後段偏向コイル、１５…拡大磁場レンズ、１６…ドリフトチューブ、１７…光軸、１８…磁場プリズムの前方焦点、１９…エネルギー選択スリット、２０…電顕本体、２１…制御装置、２３…演算部、２４…データベース部、２５…表示装置、２７…メモリー部、２８…エネルギーフィルタ制御部、２９…中央制御部、３０…ＳＴＥＭ制御部、３１…入力装置。
【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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