(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、
前記電子ビームが照射される基準試料と、
前記基準試料への前記電子ビームの入射角度が、前記照射を行う照射方向を中心として扇形に拡がる電子ビーム束を形成する電子ビーム束形成手段と、
前記基準試料を透過した電子ビーム束を検出し、透過画像情報を取得する画像検出手段と、
前記検出の際に前記電子ビームに焦点を結ばせるレンズ手段と、
前記透過画像情報の透過画像に、前記入射角度が異なる複数の検査領域を設定し、前記検査領域ごとのフーリエ変換画像情報に基づいて、前記レンズ手段の収差を補正する収差補正手段と、
を備える透過型電子顕微鏡。
【請求項２】
前記基準試料は、非晶質材料からなることを特徴とする請求項１に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項３】
前記収差補正手段は、前記フーリエ変換画像情報に基づいて前記検査領域ごとの焦点はずれ量および非点収差量を求め、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量を用いて、前記補正に用いられる収差係数を算定することを特徴とする請求項１または２に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項４】
前記収差補正手段は、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量から、前記収差係数を求める際に、非線形最小二乗フィッティングを用いることを特徴とする請求項３に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項５】
前記収差補正手段は、前記透過画像の中心位置から等距離にあり、かつ前記中心位置からの方位角度が等間隔に並ぶ検査領域を備えることを特徴とする請求項３に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項６】
前記収差補正手段は、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量から、前記収差係数を求める際に、前記方位角度をパラメータとする一次元フーリエ変換を用いることを特徴とする請求項５に記載の透過型電子顕微鏡。
【請求項７】
前記画像検出手段は、前記照射方向と直交する平面に２次元配列される固体撮像素子を備えることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の透過型電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料を透過した電子ビームの収差補正を行う透過型電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、透過型電子顕微鏡の高分解能化が進んでいる。透過型電子顕微鏡の分解能は、主に電子ビームを蛍光面等に結像させる、電気的なレンズ系の収差により制限される。そこで、レンズ系の収差を測定し、この測定データに基づいてレンズ系の収差を補正し、分解能を向上させることが行われる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この収差の測定では、電子ビームを、照射角度を変化させて非晶質の基準試料に照射し、照射角度ごとに蛍光面上に形成される透過画像を、デジタルな透過画像情報として取得する。これら透過画像情報は、レンズ系の収差情報を含むものであるので、画像解析により定量的な収差情報を取得し、これら収差情報からレンズ系を電気的に補正する収差係数が求められる。
【特許文献１】特開平７―２２０６６９号公報、（第１頁、図１）
【非特許文献１】細川史生、「ディフラクトグラムによるＴＥＭオートチューニング」日本顕微鏡学会会誌、２００１年、３６巻、第２号、ｐ．１１５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記背景技術によれば、透過画像情報の取得に、手間と時間を要するものとなる。すなわち、画像解析により定量的な収差情報を取得するには、基準試料に繰り返し照射する電子ビームの照射角度を変化させ、多くの透過画像情報を取得する必要がある。
【０００５】
特に、高い精度の収差情報あるいは高次の収差情報を取得する際には、電子ビームの照射角度を細かく変化させ、より多くの透過画像情報の画像解析を行う必要が生じる。この場合には、透過画像情報の取得に一層の手間と時間を要する。
【０００６】
これらのことから、収差情報の基になる透過画像情報の取得を短時間に済ませ、収差の補正を速く行う透過型電子顕微鏡をいかに実現するかが重要となる。
この発明は、上述した背景技術による課題を解決するためになされたものであり、収差情報の基になる透過画像情報の取得を短時間に済ませ、収差の補正を速く行う透過型電子顕微鏡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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、電子ビームを発生する電子ビーム発生手段と、前記電子ビームが照射される基準試料と、前記基準試料への前記電子ビームの入射角度が、前記照射を行う照射方向を中心として扇形に拡がる電子ビーム束を形成する電子ビーム束形成手段と、前記基準試料を透過した電子ビーム束を検出し、透過画像情報を取得する画像検出手段と、前記検出の際に前記電子ビームに焦点を結ばせるレンズ手段と、前記透過画像情報の透過画像に、前記入射角度が異なる複数の検査領域を設定し、前記検査領域ごとのフーリエ変換画像情報に基づいて、前記レンズ手段の収差を補正する収差補正手段とを備える。
【０００８】
この請求項１に記載の発明では、電子ビーム束形成手段により、基準試料への電子ビームの入射角度が、照射方向を中心として扇形に拡がる電子ビーム束を形成し、収差補正手段により、透過画像情報の透過画像に、入射角度が異なる複数の検査領域を設定し、検査領域ごとのフーリエ変換画像情報に基づいて、レンズ手段の収差を補正する。
【０００９】
また、請求項２に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項１に記載の透過型電子顕微鏡において、前記基準試料が、非晶質材料からなることを特徴とする。
この請求項２に記載の発明では、基準試料は、楕円系のフーリエ変換像を形成する。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項１または２に記載の透過型電子顕微鏡において、前記収差補正手段が、前記フーリエ変換画像情報に基づいて前記検査領域ごとの焦点はずれ量および非点収差量を求め、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量を用いて、前記補正に用いられる収差係数を算定することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項４に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項３に記載の透過型電子顕微鏡において、前記収差補正手段が、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量から、前記収差係数を求める際に、非線形最小二乗フィッティングを用いることを特徴とする。
【００１２】
この請求項４に記載の発明では、焦点はずれ量および非点収差量を、最適なものとする。
また、請求項５に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項３に記載の透過型電子顕微鏡において、前記収差補正手段が、前記透過画像の中心位置から等距離にあり、かつ前記中心位置からの方位角度が等間隔に並ぶ検査領域を備えることを特徴とする。
【００１３】
この請求項５に記載の発明では、検査領域を、方位角度のパラメータのみで指定する。
また、請求項６に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項５に記載の透過型電子顕微鏡において、前記収差補正手段が、複数の前記焦点はずれ量および前記非点収差量から、前記収差係数を求める際に、前記方位角度をパラメータとする一次元フーリエ変換を用いることを特徴とする。
【００１４】
この請求項６に記載の発明では、高次の収差も含めて、短時間に収差係数を算定する。
また、請求項７に記載の発明にかかる透過型電子顕微鏡は、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の透過型電子顕微鏡において、前記画像検出手段が、前記照射方向と直交する平面に２次元配列される固体撮像素子を備えることを特徴とする。
【００１５】
この請求項７に記載の発明では、画像検出手段は、容易に高精度のデジタル画像を取得する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、電子ビーム束形成手段により、照射方向を中心として扇形に拡がる電子ビーム束を形成し、収差補正手段により、基準試料の透過画像に、入射角度が異なる複数の検査領域を設定し、これら検査領域ごとのフーリエ変換画像情報に基づいて、レンズ手段の収差を補正することとしているので、一枚の透過画像情報のみから収差を補正することができ、ひいては高精度あるいは高次の補正を行う場合を含む補正のための透過画像の枚数あるいは取得時間を減少させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかる透過型電子顕微鏡を実施するための最良の形態について説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。
まず、本実施の形態にかかる透過型電子顕微鏡１の全体構成について説明する。図１は、本発明に基づく透過型電子顕微鏡１の一例を示す図である。透過型電子顕微鏡１は、内部が真空に排気された筐体１７を有する。筐体１７の内部には、電子銃１０、集束レンズ１１、基準試料１２、結像レンズ１４、蛍光板１５および撮像手段１６を有する。また、透過型電子顕微鏡１の制御系として、制御部２５、電子銃制御部２０、集束レンズ制御部２１および結像レンズ制御部２２、また、制御部２５に接続される画像取得部２３、表示部２４および入力部２６を含む。
【００１８】
筐体１７の上部には、電子銃１０が配置されており、鉛直下方に当たる照射方向２に概ね向かう電子ビーム束１３を発生する。この電子銃１０は、電子ビーム発生手段をなし、電子銃制御部２０によってその加速電圧やビーム電流量の調整がなされる。電子銃１０の下部には、集束レンズ１１が配置される。集束レンズ１１は、電子ビーム束形成手段をなし、集束レンズ制御部２１によって、磁場を形成する電流値が制御され電子ビーム束１３の集束の大きさを調整する。
【００１９】
基準試料１２は、図示しない設定手段により、集束レンズ１１の下部にあたる電子ビーム束１３のビーム上に配設される。基準試料１２は、弱位相物体と見なせる方向性のない非晶質材料からなる平板状の試料である。
【００２０】
結像レンズ１４は、レンズ手段をなし、基準試料１２を透過した電子ビーム束１３を、蛍光板１５上に結像させる。結像レンズ１４は、電子ビーム束１３の進行方向である照射方向２と直交する方向に対向するコイルを有し、これらコイルにより形成される磁場のレンズ効果により、電子ビーム束１３を結像させる。なお、コイルに流される電流値は、結像レンズ制御部２２からの電流値により制御される。
【００２１】
また、レンズ手段である結像レンズ１４は、４極子あるいは８極子コイル等を内蔵しており、非点収差の補正を行う。これらコイルでは、２組あるいは４組の対向するコイルの電流比を収差係数に基づいて調整し、非点収差を補正する。
【００２２】
蛍光板１５は、電子ビーム束１３の照射により蛍光を発し、基準試料１２の透過画像を生成する。これにより、オペレータは、図示しない窓等から、基準試料１２の透過画像を観察することができる。
【００２３】
撮像手段１６は、蛍光板１５に生成された透過画像を、デジタル化された基準試料１２の透過画像情報とする。撮像手段１６は、ＣＣＤ型あるいはＣＭＯＳ型等の固体撮像素子を内蔵し、透過画像をデジタル化する。この透過画像情報は、画像取得部２３に転送された後に、表示部２４に表示される。なお、蛍光板１５、撮像手段１６および画像取得部２３は、画像検出手段をなす。また、撮像手段１６は、筐体１７の図示しない取り外し口から、筐体１７内に出し入れ可能とされ、収差補正を行わない場合には、透過型顕微鏡として用いられる。
【００２４】
制御部２５は、ＣＰＵおよびメモリ等からなり、電子銃制御部２０、集束レンズ制御部２１、結像レンズ制御部２２および画像取得部２３を制御し、電子ビーム束１３の発生、集束、蛍光板１５での結像および透過画像情報の取得を行う。また、制御部２５は、収差補正手段を有し、画像取得部２３を介して取得された透過画像情報に基づいて、結像レンズ制御部２２を制御する。
【００２５】
なお、制御部２５は、ＬＣＤ等からなる表示部２４およびキーボード等からなる入力部２６を有し、各種パラメータの入力、表示、および画像取得部２３で取得された透過画像情報の表示等を行う。
【００２６】
つぎに、図２のフローチャートを用いて、透過型電子顕微鏡１の動作について説明する。まず、オペレータは、基準試料１２を、集束レンズ１１の下部に位置する電子ビーム束１３の通過経路上に配置し、ＣＣＤカメラ等の撮像手段１６を、蛍光板１５の下部に配置する（ステップＳ２０１）。
【００２７】
その後、オペレータは、集束レンズ１１を集束レンズ制御部２１により調整し、電子ビーム束１３を、基準試料１２への入射角度が照射方向２に対して扇形に拡がる、コーン状の電子ビームを含む様に、基準試料１２に向かって電子ビーム束１３が絞られた状態とする（ステップＳ２０２）。図３は、基準試料１２に照射されるコーン状に絞られた電子ビーム束１３の一例を、模式的に示す図である。電子ビーム束１３は、概ね電子ビーム束１３の中心に位置する鉛直の照射方向２を有する電子ビームを、入射角度０度の中心として、基準試料１２に入射する電子ビームの入射角度が、正負に９０度を越えない範囲の角度で対称に分布する。
【００２８】
そして、電子ビーム束１３は、結像レンズ１４で必要な集束が加えられ、蛍光板１５上に結像する。ここで、結像レンズ１４の焦点位置の調整により、蛍光板１５上での中心位置から結像位置までの距離τは、電子ビーム束１３を構成する各電子ビームの入射角度θにより決まる様にされる。従って、距離τは、入射角度θとτ＝ｆ（θ）の関数関係にあり、蛍光板１５上では、結像位置の近傍では概ね入射角度は等しいものとなる。
【００２９】
図２に戻り、制御部２５は、電子ビーム束１３を用いて、基準試料１２の透過画像情報を取得する（ステップＳ２０３）。そして、制御部２５は、この透過画像情報を表示部２４に表示する。
【００３０】
その後、オペレータは、表示部２４に表示された透過画像４０に、フーリエ変換を行う複数の検査領域４１〜４７を設定し（ステップＳ２０４）、これら検査領域ごとにフーリエ変換を行い、フーリエ変換像５１〜５７を求める（ステップＳ２０５）。なお、検査領域４１〜４７の設定は、予め制御部２５に登録してあるものを、自動で設定する様にすることもできる。
【００３１】
図４は、表示部２４に表示された透過画像４０および透過画像４０上に設定される複数の検査領域４１〜４７、並びに、検査領域４１〜４７をフーリエ変換して取得されるフーリエ変換像５１〜５７を示したものである。
【００３２】
図４では、透過画像４０を構成する電子ビームの結像位置が、スポット状の点として例示されている。透過画像４０の中心には、検査領域４１が設定され、検査領域４１を取り囲む様に６つの検査領域４２〜４７が設定されている。検査領域４１〜４７は、同一の大きさを有する正方形領域で、概ね透過画像４０の全領域を覆うように配置される。
【００３３】
検査領域４１〜４７の各検査領域では、上述したように、基準試料１２に入射する電子ビームの入射角度および方向が異なる。検査領域４１〜４７は、透過画像４０の中心を極とし、一方に伸びる基準座標軸に基づいた極座標位置（τm，φm）でパラメータ表示される。τmは、極から各検査領域の中心位置までの距離、φmは、極から各検査領域の中心位置を結ぶ線分と基準座標軸のなす方位角度である偏角，添え字のｍは、１〜７の数字で、各々検査領域４１〜４７を示す指標である。
【００３４】
なお、検査領域４１〜４７の極座標位置（τm，φm）は、上述した様に、これら検査領域に結像した電子ビームの基準試料１２に入射する際の入射角度および方向を反映しており、基準試料１２に入射する電子ビームの入射角度および方向を示すパラメータとして用いられる。
【００３５】
フーリエ変換像５１〜５７は、透過画像４０の検査領域４１〜４７を、フーリエ変換して取得される画像である。フーリエ変換像５１〜５７は、検査領域４１〜４７の指標ｍを用いて現され、基準試料１２が非晶質からなる場合には、図４に示す様に複数の同心円を含むリング状のパターンからなる。これらリング状のパターンは、結像レンズ１４に焦点はずれおよび非点収差が存在する場合には、楕円となる。
【００３６】
図２に戻り、制御部２５の収差補正手段は、ｍ＝１〜７のフーリエ変換像５１〜５７を用いて、収差を求める（ステップＳ２０６）。ここで、制御部２５は、ｍ＝１〜７のフーリエ変換像５１〜５７ごとに、リング状の楕円パターンの長軸あるいは短軸の方向、並びに、長軸および短軸の長さの差等から、焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θmを求める（例えば、特許文献１参照）。
【００３７】
その後、制御部２５の収差補正手段は、求められた焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θmに基づいて収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定する（ステップＳ２０７）。ここで、焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θmは、各々
Ａm＝Ａ（Ｃ1、Ｃ2…Ｃi、τm，φm）
θm＝θ（Ｃ1、Ｃ2…Ｃi、τm，φm）
となり、収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃi、τmおよびφmの関数で表される。制御部２５は、求められた７個の極座標位置（τm，φm）での焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θm、並びに、上記関数Ｄf、Ａおよびθを用いて、収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定する。なお、この算定の際に、条件式の数が未知数の数を越える様にされ、制御部２５の収差補正手段は、非線形最小二乗フィッティングを用いて、最適な収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定する（例えば、非特許文献１参照）。
【００３８】
その後、制御部２５は、収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを用いて、結像レンズ１４の収差を補正し（ステップＳ２０８）、本処理を終了する。例えば、非点収差を補正する場合には、結像レンズ１４に存在する８極コイルを用いる。これらコイルは、対向する４組のコイルからなり、対向するコイルに流す電流の大きさを、収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiから、所定の関数を用いて決定する。
【００３９】
上述してきたように、本実施の形態では、基準試料１２上でコーン状に絞られた形状の電子ビーム束１３を、基準試料１２に入射し、入射角度が照射方向２に対して扇形に拡がる電子ビームを含む構成とし、蛍光板１５上に、入射角度に応じて中心からの距離が異なる位置に電子ビームを結像させて、電子ビーム束１３の透過画像４０を取得し、透過画像４０に複数の検査領域４１〜４７を設定し、透過画像４０上の検査領域４１〜４７ごとにフーリエ変換を行い、得られたフーリエ変換像５１〜５７から焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θmを求め、さらにこれら諸量に基づいて収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定し、結像レンズ１４の収差を補正することとしているので、一枚の透過画像４０のみから収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを求めて収差の補正を行うことができ、ひいては、高精度あるいは高次の補正を行う場合の透過画像の枚数あるいは取得時間を減少させ、速く収差の補正を完了することができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、透過画像４０に設定される検査領域４１〜４７の数を７つとしたが、これら設定される検査領域の数を増加させることにより、電子ビームの基準試料１２に対する入射角度を細かく分類して、指標ｍで指定される数の範囲を大きなものにし、関数Ｄｆ、Ａおよびθを用いて算定される収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを高精度なものとすることもできる。
【００４１】
また、本実施の形態では、一次収差の補正を行う場合を述べたが、２次以上の高次収差を補正する場合にも、同様に透過画像４０に設定される検査領域４１〜４７の数を増やすことにより、一枚の透過画像４０から高次の収差補正を行うことができる。
【００４２】
また、本実施の形態では、非線形最小二乗フィッティングを用いて、極座標位置（τm，φm）での焦点はずれ量Ｄｆm，非点収差量Ａmおよび非点収差のある方向θm、並びに、関数Ｄｆ、Ａおよびθから、収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定することとしたが、検査領域の位置を示す極座標位置（τm，φm）を、中心からの距離τm＝一定とし、方位角度である偏角φmを等角度間隔で並ぶ一連の角度位置とする際に、関数Ｄｆ、Ａおよびθに、偏角φmをパラメータとする一次元フーリエ変換を行い、求められるフーリエ係数から収差係数Ｃ1、Ｃ2…Ｃiを算定することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】透過型電子顕微鏡の全体構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態にかかる透過型電子顕微鏡の動作を示すフローチャートである。
【図３】実施の形態の電子ビーム束の形状および結像点示す説明図である。
【図４】透過画像上に設定された検査領域およびフーリエ変換像を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  透過型電子顕微鏡
２  照射方向
１０  電子銃
１１  集束レンズ
１２  基準試料
１３  電子ビーム束
１４  結像レンズ
１５  蛍光板
１６  撮像手段
１７  筐体
２０  電子銃制御部
２１  集束レンズ制御部
２２  結像レンズ制御部
２３  画像取得部
２４  表示部
２５  制御部
２６  入力部
４０  透過画像
４１〜４７  検査領域
５１〜５７  フーリエ変換像
【図２】
0004822925.tif 000002
【図３】
0004822925.tif 000003
【図１】
0004822925.tif 000004
【図４】
0004822925.tif 000005