(57)【要約】 【課題】  周期構造を有する物質の解析を行う電子顕微鏡装置を提供する。【解決手段】  本発明の電子顕微鏡装置によると、先ず、周期が既知の物質のフーリエ変換像を求め、画像上の距離と画素数の関係を求め、標準スケールとする。次に、解析対象の物質のフーリエ変換像を求め、解析対象の周期の画素数を求める。標準スケールを使用して、解析対象の周期の寸法を求める。更に、標準スケールを使用して、所定の寸法を指示するミクロンマーカの実際の寸法を求める。得られた寸法のミクロンマーカを電子顕微鏡像に重畳して表示する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃からの電子線を試料に照射する光学系と、上記試料の電子顕微鏡像を撮像するＣＣＤ部と、該ＣＣＤ部によって得られた電子顕微鏡像の画像データを処理する画像処理装置とを有し、該画像処理装置は、上記ＣＣＤ部によって得られた上記試料の電子顕微鏡像よりフーリエ変換像を求め、該フーリエ変換像より上記試料の物質の周期構造を検出することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１の電子顕微鏡装置において、上記画像処理装置は、周期構造の周期が既知である試料のフーリエ変換像に基づいて、上記試料の物質の周期構造を検出することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１の電子顕微鏡装置において、上記画像処理装置は、周期構造の周期が既知である試料のフーリエ変換像上にて上記周期構造の１周期の長さを求め、解析対象の試料のフーリエ変換像上にて周期構造の１周期の長さを求め、上記２つの１周期の長さを比較することにより、解析対象の試料の周期の長さを求めることを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１の電子顕微鏡装置において、上記画像処理装置は、周期構造の周期が既知である試料のフーリエ変換像に基づいて、所定の寸法を表示するミクロンマーカの上記ＣＣＤ部上の画素寸法を演算し、該演算した寸法のミクロンマーカを電子顕微鏡像の画像データに重畳して出力することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項５】
請求項１の電子顕微鏡装置において、更に、ミクロンマーカを表示するミクロンマーカ表示装置と上記試料の電子顕微鏡像を撮像するフィルムを設け、該フィルムは上記ミクロンマーカ表示装置によって表示されたミクロンマーカが重畳された電子顕微鏡像を撮像することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【請求項６】
請求項５の電子顕微鏡装置において、上記画像処理装置は、周期構造の周期が既知である試料のフーリエ変換像に基づいて、所定の寸法を表示するミクロンマーカのフィルム上の寸法を演算し、該演算した寸法を上記ミクロンマーカ表示装置に出力することを特徴とする電子顕微鏡装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は透過型電子顕微鏡装置に関し、特に、透過型電子顕微鏡像より試料の周期構造を解析する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１（特許第２５８２００１号）には、電子顕微鏡によって得られた電子回折パターンより物質を同定する方法が記載されている。この方法では、電子回折パターンにおける２つの斑点と原点の距離を求め、それを既知のスケールと比較することにより、物質を同定する。特許文献２（特開２００２−１５６９１号公報）には、走査型電子顕微鏡において、ミクロンマーカを使用することにより、電子顕微鏡像の倍率及び画面上の長さを正確に得る方法が記載されている。
【０００３】
近年、電子顕微鏡には、電子顕微鏡像を撮像するためにCCD（Charged  Coupled  Device：電子撮像素子）が設けられる。このような電子顕微鏡では、電子顕微鏡像はデジタル画像データとして得られる。
【０００４】
従来、デジタル画像データによりフーリエ変換像を生成し、非点収差やコマ収差などの収差を除去する技術が知られている。
【０００５】
【特許文献１】特許第２５８２００１号
【特許文献２】特開２００２−１５６９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、CCDによって撮影された電子顕微鏡像より試料の周期構造を解析することができる電子顕微鏡装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、先ず、周期が既知の物質のフーリエ変換像を求め、画像上の距離と画素数の関係を求め、標準スケールとする。次に、解析対象の物質のフーリエ変換像を求め、解析対象の周期の画素数を求める。標準スケールを使用して、解析対象の周期の寸法を求める。
【０００８】
本発明によると、標準スケールを使用して、所定の寸法を指示するミクロンマーカの実際の寸法を求める。得られた寸法のミクロンマーカを電子顕微鏡像に重畳して表示する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、結晶構造、半導体の微細構造等の周期構造を容易に解析することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１を参照して、本発明の電子顕微鏡装置の第１の例を説明する。本例の電子顕微鏡装置は、電子銃1、陽極3、照射系レンズ5、電子線偏向コイル7、対物レンズ9、結像系レンズ11、蛍光板13、フィルム15、CCD用蛍光板17、光学レンズ１９及びCCD21、を有する。電子顕微鏡は、更に、電子銃1及び陽極3に高圧電圧を供給する高圧電源２、照射系レンズ5を駆動するために駆動電源を供給する照射系レンズ駆動電源4、電子線偏向コイル7を駆動するために駆動電源を供給する電子線偏向コイル駆動電源6、対物レンズ9を駆動するために駆動電源を供給する対物レンズ駆動電源8、結像系レンズ11を駆動するために駆動電源を供給する結像系レンズ駆動電源10、を有する。電子顕微鏡装置は更に、コンピュータ41、モニタ42、及び、電子顕微鏡制御装置43を有する。照射系レンズ駆動電源4、電子線偏向コイル駆動電源6、対物レンズ駆動電源8、及び、結像系レンズ駆動電源10は、電子顕微鏡制御装置43によって制御される。電子顕微鏡制御装置43は、コンピュータ41によって制御される。対物レンズ9の上には薄膜状の試料32が配置されている。
【００１１】
電子銃1によって生成された電子線３１は、陽極3によって所望の加速電圧に加速され、照射系レンズ５により収束され、電子線偏向コイル７によって所定の方向に偏向され、薄膜状の試料３２上の所定の位置、即ち、撮影位置に照射される。
【００１２】
試料３２を透過した電子線３３は対物レンズ９によって拡大され、拡大像３４が生成される。拡大像３４は、結像系レンズ１１を介して、蛍光板１３上に投影される。蛍光板１３上に投影された拡大像は肉眼により観察することができる。ユーザは、蛍光板１３からの拡大像を観察することにより視野を選択することができる。
【００１３】
以下に説明するように、試料３２の電子顕微鏡像を撮像する場合には、蛍光板１３は、破線にて示すように、持ち上げられる。試料３２の電子顕微鏡像をフィルム上に撮影する場合には、フィルム送り機構によってフィルム１５を光軸上に配置する。結像系レンズ１１を介した電子線は、フィルム１５を直接露光する。それにより、試料の電子顕微鏡像がフィルムに撮影される。
【００１４】
試料３２の電子顕微鏡像をＣＣＤ２１によって撮影する場合には、フィルム送り機構によってフィルム１５を光軸上より退避させる。結像系レンズ１１を介した電子線は、ＣＣＤ用蛍光板１７上に照射される。ＣＣＤ用蛍光板１７は、透明ガラス上に塗布された蛍光体を有する。従って、蛍光体は、試料の電子顕微鏡像を発光する。発光した試料の電子顕微鏡像は、透明ガラスを透過し、光学レンズ１９を介して、ＣＣＤ２１によって受光される。ＣＣＤ２１は受光した電子顕微鏡像を電気信号に変換し、それをコンピュータ４１に送信する。コンピュータ４１は、電子顕微鏡像を記憶し、且つ、モニタ４２に送信する。モニタ４２は、試料の電子顕微鏡像を表示する。
【００１５】
図２は、電子顕微鏡のＣＣＤ２１によって撮影された試料の電子顕微鏡像の例を示す。本例では、試料として、Si基板２００を用いた。Si基板２００の表面には、非晶質の酸化膜２０１、更にその上に多結晶Si２０２が堆積されている。図２の像は、Si基板２００、酸化膜２０１、及び、多結晶Si２０２の断面を観察するために、基板２００であるSiの（111）面に垂直に電子線を入射して得られたものである。電子顕微鏡像は、デジタル画像データとして得られる。
【００１６】
図３は図２の画像データのフーリエ変換像である。コンピュータ４１に設けられた画像処理ソフトウエアは、図２の画像データをフーリエ変換し、更に、それを白黒反転する。こうして得られた像をここでは、フーリエ変換像と称することとする。図４は図２の像のうち、Si基板２００の部分のフーリエ変換像である。図５は図２の像のうち、四角にて示した、多結晶Si２０２の部分のフーリエ変換像である。
【００１７】
図４及び図５に示すように、結晶構造の場合、フーリエ変換像には、多数の斑点（スポット）が対称的に現れる。酸化膜２０１はアマルファス構造であり、結晶構造でないため、斑点として現れない。図３は、図４の像と図５の像を合成したものであると考えてよい。
【００１８】
図６は、図３又は図４のフーリエ変換像のスポット（斑点）を模式的に示したものである。これらの像において、最も色が黒い斑点１００は、センタースポット（原点）である。センタースポット以外のスポット（斑点）は、センタースポットに対して点対称に現れる。センタースポットに対して点対称にある２点のうち、最短の距離にある２点１０１、１０２、及び、１０３、１０４、及び、１０５、１０６が格子像である。最短の距離にある２点の色は比較的濃い。
【００１９】
フーリエ変換像空間上の寸法と実空間上の寸法は逆比例の関係にある。従って、センタースポットに対して点対称にあり且つ最短の２点間のフーリエ変換像上の距離の“逆数”は、格子面の周期、即ち、格子面間隔に比例する。例えば、図６の２点１０１、１０２によって表される格子面間隔は、フーリエ変換像上の２点の間の距離の逆数に比例する。また、このようなフーリエ変換像上の２点を結ぶ直線と直交する方向に、図２の画像にて格子面の像が現れる。この２つの原理に基づいて、以下に説明するように、結晶構造を解析する。
【００２０】
図７を参照して本発明による物質又は周期構造の解析方法を説明する。ステップＳ１にて、既知の物質の画像のフーリエ変換像を求める。ここでは、既知の物質として、基板２００であるSiの結晶構造を使用する。上述のように、コンピュータ４１に設けられた画像処理ソフトウエアは、図２の像のうち、Si基板２００の部分のフーリエ変換像を求める。それにより、図４のフーリエ変換像が得られる。
【００２１】
ステップＳ２にて、図４のフーリエ変換像よりセンタースポットを求める。図４のフーリエ変換像はデジタルデータである画素信号として得られるから、画素信号の最大値を求めることにより、センタースポットが得られる。
【００２２】
ステップＳ３にて、格子面を表す２つの格子像を求める。センタースポットに対して点対称にある２点のうち、最短の距離にある２点を求める。最短の距離にある２点は画素信号の値が比較的大きい。こうして得られた２点が、格子面を表す格子像である。
【００２３】
ステップＳ４にて、２つの格子像の間の距離を画素単位で求める。ステップＳ３にて求めた２点の位置座標データから２点間の距離を演算すると、108.2ピクセルであった。
【００２４】
ステップＳ５にて、距離と画素単位の対応関係（標準スケール）を求める。ステップＳ３にて求めた２点の間の距離は、Siの（111）面の格子面間隔を表す。Siの（111）面の格子面間隔は既知であり、0.313550nmである。従って、フーリエ変換像上の108.2ピクセルは、0.313550nmを表す。これが標準スケールである。
【００２５】
ステップＳ６にて、解析対象の物質の画像のフーリエ変換像を求める。ここでは、解析対象の物質は、基板２００上の多結晶Si２０２である。上述のように、コンピュータ４１に設けられた画像処理ソフトウエアは、図２の像のうち、多結晶Si２０２の部分のフーリエ変換像を求める。それにより、図５のフーリエ変換像が得られる。
【００２６】
ステップＳ７にて、図５のフーリエ変換像よりセンタースポットを求める。センタースポットを求める方法は、ステップＳ２と同様である。ステップＳ８にて、図５のフーリエ変換像より格子面を表す２つの格子像を求める。これは、ステップＳ３と同様である。ステップＳ９にて、格子面間隔を画素単位で求める。図５のフーリエ変換像において、センタースポットに対して点対称にあり且つ最短の２点間の距離を演算すると、３対とも、108.5ピクセルであった。
【００２７】
ステップＳ１０にて、ステップＳ５にて求めた標準スケールを使用して解析対象の物質の格子面間隔を求める。ここで、上述のように、フーリエ変換像上の２点間の距離の“逆数”が格子面間隔に比例する、との原理に基づいて演算する。従って、解析対象の物質の格子面間隔は次の式によって求められる。
0.313550×108.2/108.5＝0.313nm                        （１）
【００２８】
ステップＳ１１にて、解析対象の物質の結晶構造を同定する。演算によって得られた格子面間隔は、0.313nmである。従って、解析対象の物質の格子像は、多結晶Siの（111）面の格子像であることが判る。
【００２９】
図８及び図９を参照して、ＣＣＤ２１によって得られた電子顕微鏡像上に、ミクロンマーカを表示する方法を説明する。図８は、図３の矢印Ａにて示したで示したSiの（111）面を示すスポットだけを使って逆フーリエ変換を行った像である。図３の矢印Aによって示される格子像を白線で示した。この白線による格子像の間隔は、上述のように0.313550nmである。格子像の間隔の５０個分の長さを演算すると、231.2ピクセルであった。従って、0.31355×50 nmは、231.2ピクセルに相当する。
【００３０】
本例では、5nmを指示するミクロンマーカを表示する。5nmを指示するミクロンマーカの画素数は以下の式で得られる。
（231.2×5）/（0.31355×50）=70pxl                      （２）
【００３１】
この計算は、コンピュータ４１によって実行される。コンピュータ４１は、70ピクセルの長さのミクロンメータを表示する命令を、モニタ４２に送信する。モニタ４２は、図９に示すように、ＣＣＤ２１によって得られた電子顕微鏡像上に、5nmを指示する70ピクセルのミクロンマーカを表示する。
【００３２】
図１０を参照して本発明による電子顕微鏡の第２の例を説明する。本例の電子顕微鏡は、図１の電子顕微鏡と比較して、ミクロンマーカ表示装置44が設けられている点が異なる。ミクロンマーカ表示装置44以外は、図１の電子顕微鏡と同様であってよい。ミクロンマーカ表示装置44は、フィルム15に近接して且つフィルム15とCCD用蛍光板17の間に配置されている。ミクロンマーカ表示装置44は電子顕微鏡制御装置43によって制御される。ミクロンマーカ表示装置44は、ミクロンマーカ、日付、撮影倍率、等を表示する。ミクロンマーカ表示装置44によって表示された情報は、フィルム15上に直接露光され焼き付けられる。
【００３３】
次に、フィルム１５面上にミクロンマーカを印字する方法を説明する。本例では、２００nmを指示するミクロンマーカを印字する。ＣＣＤ２１の有効視野を、1024*1024pxl、実寸法を、2.26mm*2.26mmと仮定する。5nmを指示する70ピクセルのミクロンマーカのＣＣＤ２１上の実寸法は0.154mmである。従って、２００nmを指示するミクロンマーカは、２８００ピクセルであり、ＣＣＤ２１上の実寸法は、0.154*40＝6.16mmとなる。
【００３４】
フィルム１５面上の像は、ＣＣＤ２１上の像の1/1.37であると仮定する。即ち、実測値として比率1/1.37が得られた仮定する。２００nmを指示するミクロンマーカのフィルム１５面上の像の寸法は、次式で与えられる。
6.16/1.37＝4.50mm                                        （３）
【００３５】
これらの計算は、コンピュータ４１によって実行される。コンピュータ４１は、4.50mmの長さのミクロンメータを表示する命令を、電子顕微鏡制御装置４３を介して、ミクロンマーカ表示装置４４に送信する。ミクロンマーカ表示装置４４が、4.50mmの長さのミクロンメータを表示すると、それは、図１１に示すように、フィルム面上に印字される。フィルム１５面には、ミクロンメータの他に、日付、撮像倍率等の撮影条件が印字されてよい。
【００３６】
尚、２００nmを指示するミクロンマーカのフィルム面上の像の寸法4.50mmが実測値として得られた場合には、式（３）の逆演算により、フィルム面上の像とＣＣＤ２１上の像の比率1/1.37が計算値として得られる。
【００３７】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。
【００３８】
上述の例では、周期構造を有する物質として結晶構造の例を説明したが、本発明は周期構造を有するものであればどのようなものにも適用可能であり、例えば、周期構造を有する半導体の微細構造にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による透過型電子顕微鏡装置の例を示す図である。
【図２】本発明による透過型電子顕微鏡像装置による画像の例を示す図である。
【図３】図２の画像のフーリエ変換像を示す図である。
【図４】図２の画像のSi基板部分のフーリエ変換像を示す図である。
【図５】図２の画像の多結晶Si部分のフーリエ変換像を示す図である。
【図６】図３又は図４のフーリエ変換像のスポットを模式的に示す図である。
【図７】本発明による透過型電子顕微鏡装置によって得られた画像データより周期構造を解析する方法を示す図である。
【図８】フーリエ変換像の逆フーリエ変換像を示す図である。
【図９】ミクロンマーカ表示した電子顕微鏡像の例を示す図である。
【図１０】本発明による透過型電子顕微鏡装置の他の例を示す図である。
【図１１】ミクロンマーカを印字したフィルムの例を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
1…電子銃、2…高圧電源、3…陽極、4…照射系レンズ駆動電源、5…照射系レンズ、6…電子線偏向コイル駆動電源、7…電子線偏向コイル、8…対物レンズ駆動電源、9…対物レンズ、10…結像系レンズ駆動電源、11… 結像系レンズ、13…蛍光板、15…フィルム、17…CCD用蛍光板、19…光学レンズ、21…CCD、31…電子線、32…試料、33…透過電子、34…拡大像、41…コンピュータ、42…モニタ、43…電子顕微鏡制御装置、44…ミクロンマーカ表示装置
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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