JP2005108545A - Electron/secondary ion microscope device - Google Patents

Electron/secondary ion microscope device Download PDF

Info

Publication number
JP2005108545A
JP2005108545A JP2003338330A JP2003338330A JP2005108545A JP 2005108545 A JP2005108545 A JP 2005108545A JP 2003338330 A JP2003338330 A JP 2003338330A JP 2003338330 A JP2003338330 A JP 2003338330A JP 2005108545 A JP2005108545 A JP 2005108545A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electron
focal position
secondary ion
changing
microscope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003338330A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takanori Koshikawa
孝範 越川
Takashi Ikuta
孝 生田
Tsuneo Yasue
常夫 安江
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Osaka Electro-Communication University
Original Assignee
Osaka Electro-Communication University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Osaka Electro-Communication University filed Critical Osaka Electro-Communication University
Priority to JP2003338330A priority Critical patent/JP2005108545A/en
Publication of JP2005108545A publication Critical patent/JP2005108545A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electron/secondary ion microscope device (for instance, a photoelectron microscope) capable of removing a spherical aberration and a chromatic aberration of an imaging optics in order to obtain a high-resolution observation image. <P>SOLUTION: This electron/secondary ion microscope device is provided with: an imaging optics for photoelectrons, secondary electrons or secondary ions emitted into vacuum from a surface of a substance used as an observation object by using short-wavelength electromagnetic waves including light waves as an excitation light source; a control mechanism for rapidly changing the focal position of the imaging optics; an image detection means for integrating and storing an image on an imaging surface while changing the focal position; and an upper spatial frequency emphasizing filtering mechanism for image information obtained from an image detector; and used for removing influence of the spherical aberration and the chromatic aberration of the imaging optics. By virtue of the electron/secondary ion microscope device, the spherical aberration and the like in the electron/secondary ion microscope device can be removed, and a high-resolution aberration-free observation image can be provided. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光波を含む短波長の電磁波や電子線または荷電粒子線を励起光源とし観察試料に照射して試料から放出される光電子、2次電子(オージェ電子を含む)、または2次イオンと結像光学系とを通して観察試料を観察する電子・2次イオン顕微鏡装置(例えば、光電子顕微鏡など)に関するものであり、より詳細には、結像光学系の球面収差や色収差を除去した高分解能な観察像を取得することができる電子・2次イオン顕微鏡に関するものである。   The present invention relates to photoelectrons, secondary electrons (including Auger electrons), or secondary ions emitted from a sample by irradiating the observation sample with a short wavelength electromagnetic wave including light waves, an electron beam or a charged particle beam as an excitation light source. The present invention relates to an electron / secondary ion microscope apparatus (for example, a photoelectron microscope) that observes an observation sample through an imaging optical system, and more specifically, a high-resolution that eliminates spherical aberration and chromatic aberration of the imaging optical system. The present invention relates to an electron / secondary ion microscope capable of acquiring an observation image.

近年、試料の極微細な形態などを観察する表面ナノキャラクタリゼーションのために、種々の顕微鏡や解析方法が開発されている。その代表的なものとしては、例えば、図7に示すように、主に試料の形態を観察・評価し解析するために用いられる走査型電子顕微鏡(SEM)および走査プローブ顕微鏡(SPM)、また、主に元素分析に用いられる走査型オージェ電子顕微鏡(AEM)、二次イオン質量分析法(SIMS)および分析電子顕微鏡、また、主に結晶構造解析に用いられる透過型電子顕微鏡(TEM)、そして、物質の電子状態の解析に用いられるX線光電子分光法(XPS)、走査型光電子顕微鏡、放射光光電子顕微鏡などが挙げられる。なお、走査型光電子顕微鏡、放射光光電子顕微鏡などは、電子・2次イオン顕微鏡の一形式である。   In recent years, various microscopes and analysis methods have been developed for surface nano-characterization for observing a very fine form of a sample. As typical examples thereof, for example, as shown in FIG. 7, a scanning electron microscope (SEM) and a scanning probe microscope (SPM) mainly used for observing, evaluating and analyzing the form of a sample, Scanning Auger electron microscope (AEM), secondary ion mass spectrometry (SIMS) and analytical electron microscope, mainly used for elemental analysis, transmission electron microscope (TEM), mainly used for crystal structure analysis, and Examples thereof include X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), a scanning photoelectron microscope, and a synchrotron radiation photoelectron microscope that are used for analyzing the electronic state of a substance. Scanning photoelectron microscopes, synchrotron radiation photoelectron microscopes, and the like are one type of electron / secondary ion microscope.

これら顕微鏡等の解析スケール(分解能)は、図7の横軸に示すように、SEMでは数nm程度、SPMでは1nm〜0.1nm程度である。また、AEMおよびSIMSでは、数十nm〜10nm程度、分析電子顕微鏡では数nmである。また、TEMは、SEMや分析電顕と同様に、数nm程度である。   The analysis scale (resolution) of these microscopes and the like is about several nm for SEM and about 1 nm to 0.1 nm for SPM, as shown on the horizontal axis of FIG. Further, it is about several tens to 10 nm for AEM and SIMS, and several nm for an analytical electron microscope. Moreover, TEM is about several nm like SEM and an analytical electron microscope.

しかし、XPSの解析スケールは10μm前後、走査型光電子顕微鏡では数百nm程度、放射光光電子顕微鏡でも数十nm程度というように、物質の電子状態を解析するための光電子顕微鏡では、その分解能は通常の電子顕微鏡に比べて明らかに落ちる。その一方、光電子顕微鏡は、表面敏感性が高いので、ナノマテリアルの電子状態を観測するのに極めて有用である。   However, the resolution of an XPS analysis scale is usually around 10 μm, a scanning photoelectron microscope is several hundred nm, and a synchrotron photoelectron microscope is several tens of nm. Compared to the electron microscope, it clearly falls. On the other hand, since the photoelectron microscope has high surface sensitivity, it is extremely useful for observing the electronic state of the nanomaterial.

ここで、従来から結像光学系の球面収差や色収差を除去することにより、結像光学装置の解像力を高める、すなわち高分解能化できることが知られている。例えば、特許文献1や非特許文献1、2には、実時間焦点位置変調球面収差除去法(実時間球面収差補正手法)を利用して球面収差や色収差の無い高分解能な観察像を取得する結像光学装置が開示されている。これによれば、結像光学系に含まれる球面収差(回転不変型波面収差)と色収差の影響が除去され、解像力の高い像が再生できる電子顕微鏡などを開発することができる。その結果、無収差電子顕微鏡像を観察して、球面収差によるアーティファクトを除去した原子像を得ることに成功している。
特開2003−131138(公開日:2003年 5月 8日) T.Ikuta:J.E1ectron Microsc.38,415(1989). Y.Takai et.a1.:J.E1ectron Microsc.48,879(1999).
Here, it is conventionally known that the resolution of the imaging optical device can be increased, that is, the resolution can be increased by removing the spherical aberration and chromatic aberration of the imaging optical system. For example, in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 and 2, a high-resolution observation image having no spherical aberration or chromatic aberration is acquired using a real-time focal position modulation spherical aberration removal method (real-time spherical aberration correction method). An imaging optical device is disclosed. According to this, it is possible to develop an electron microscope or the like that can remove the influence of spherical aberration (rotation invariant wavefront aberration) and chromatic aberration included in the imaging optical system and reproduce an image with high resolving power. As a result, it has succeeded in observing an aberration-free electron microscope image and obtaining an atomic image from which artifacts due to spherical aberration are removed.
JP 2003-131138 (Publication date: May 8, 2003) T.A. Ikuta: J. E1 Electron Microsc. 38, 415 (1989). Y. Takai et. a1. : J. E1 Electron Microsc. 48, 879 (1999).

しかしながら、通常の電子顕微鏡は回折電子線を結像させる、コヒーレント結像系であるのに対し、電子・2次イオン顕微鏡は、高強度の光波を含む短波長の電磁波や電子線・荷電粒子線を励起光として、観察対象物に対して照射し、その結果観察対象物から放出された光電子・2次電子・2次イオンを結像させる、インコヒーレント結像系である。このため、通常の電子顕微鏡と電子・2次イオン顕微鏡(例えば、光電子顕微鏡)との結像メカニズムは明らかに異なるものであるといえる。光電子でなく、励起光の照射によって放出された2次イオンを結像させる場合も同様である。すなわち、2次電子・2次イオン顕微鏡についても同様なことがいえる。   However, a normal electron microscope is a coherent imaging system that forms an image of a diffracted electron beam, whereas an electron / secondary ion microscope is a short wavelength electromagnetic wave including a high-intensity light wave, an electron beam / charged particle beam, or the like. Is an incoherent imaging system that forms an image of photoelectrons, secondary electrons, and secondary ions emitted from the observation object as a result. For this reason, it can be said that the imaging mechanism of a normal electron microscope and an electron secondary ion microscope (for example, a photoelectron microscope) is clearly different. The same applies when imaging secondary ions emitted by irradiation of excitation light instead of photoelectrons. That is, the same can be said for the secondary electron / secondary ion microscope.

したがって、上記特許文献1等に記載されている、従来の電子顕微鏡に適用した実時間焦点位置変調球面収差除去法をそのまま電子・2次イオン顕微鏡(例えば、光電子顕微鏡)に適用しても、充分に球面収差等を除去することができず、高分解能な観察像を取得する光電子顕微鏡を開発することができないという問題点がある。   Therefore, even if the real-time focal position modulation spherical aberration removing method described in Patent Document 1 and the like applied to a conventional electron microscope is applied to an electron / secondary ion microscope (for example, a photoelectron microscope) as it is, it is sufficient. However, spherical aberration and the like cannot be removed, and a photoelectron microscope that acquires a high-resolution observation image cannot be developed.

このように、電子・2次イオン顕微鏡(例えば、光電子顕微鏡)は電子状態の空間的な分布を測定することができるため、ナノスケールの固体試料局所表面の実時間観測や元素分布、化学状態、磁性状態などの状態を直接観察することができる非常に優れた装置である一方、分解能に限界があるという問題点がある。さらに、電子・2次イオン顕微鏡について、高分解能化を達成するための具体的な方法は、一切開発されていない。このため、高分解能の観察像を得るために、電子・2次イオン顕微鏡において、結像光学系の球面収差等を除去する具体的な方法の開発が強く求められていた。   As described above, since an electron / secondary ion microscope (for example, a photoelectron microscope) can measure a spatial distribution of an electronic state, real-time observation of a nanoscale solid sample local surface, element distribution, chemical state, While it is a very excellent device that can directly observe the magnetic state and the like, there is a problem that the resolution is limited. Furthermore, no specific method has been developed for achieving high resolution for the electron / secondary ion microscope. Therefore, in order to obtain a high-resolution observation image, there has been a strong demand for development of a specific method for removing spherical aberration and the like of the imaging optical system in the electron / secondary ion microscope.

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高解像力の観察像を取得するために、結像光学系の球面収差や色収差を除去することができる電子・2次イオン顕微鏡装置(例えば、光電子顕微鏡)を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to obtain an electron 2 that can remove spherical aberration and chromatic aberration of an imaging optical system in order to obtain an observation image with high resolution. A secondary ion microscope apparatus (for example, a photoelectron microscope) is provided.

本発明者らは、上記の課題に鑑み鋭意検討した結果、特定のエネルギーの光電子を得て結合状態の情報を得るX線光電子分光法(XPS)と電子顕微鏡とを融合させた光電子顕微鏡あるいは励起2次イオンを画像符号源とする2次イオン・並びに2次電子顕微鏡において、放射光の波長変調により結像光学系の色収差を利用して焦点位置を高速変化(変調)させる方法、レンズ系を高速変化(変調)させる方法、および試料位置の高速変化(変調)させる方法により、球面収差を除去することができることを独自に見出し、この系を利用して、分解能を制限している球面収差を除去した、従来より格段に高い分解能が得られる光電子顕微鏡を開発し、本発明を完成させるに至った。すなわち、図7に示すように、2nm〜10nm程度の高分解能で電子状態を解析できる電子・2次イオン顕微鏡(例えば、光電子顕微鏡)を開発するに至った。   As a result of intensive studies in view of the above-mentioned problems, the present inventors have obtained a photoelectron microscope or an excitation obtained by fusing X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), which obtains photoelectrons of a specific energy and obtains information on the bonding state, and an electron microscope. In a secondary ion / secondary electron microscope using a secondary ion as an image code source, a method for rapidly changing (modulating) a focal position by using chromatic aberration of an imaging optical system by wavelength modulation of emitted light, and a lens system We have uniquely found that spherical aberration can be removed by the method of changing (modulating) the sample at a high speed and the method of changing (modulating) the sample position at high speed. The removed photoelectron microscope capable of obtaining remarkably higher resolution than before has been developed, and the present invention has been completed. That is, as shown in FIG. 7, an electron / secondary ion microscope (for example, a photoelectron microscope) capable of analyzing an electronic state with a high resolution of about 2 nm to 10 nm has been developed.

すなわち、本発明は産業上有用な物または方法として、下記1)〜6)の発明を含むものである。   That is, the present invention includes the following 1) to 6) as industrially useful products or methods.

1)(a)光波を含む短波長の電磁波を励起光源として、観察対象とする物質表面から真空中に放出された光電子、2次電子もしくは2次イオンに対する結像光学系と、(b)当該結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構と、(c)焦点位置を変化させる間の結像面の画像を積算・蓄積する画像検知手段と、(d)前記画像検知器から得られた画像情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリング機構とを備え、(e)前記結像光学系の球面収差と色収差の影響除去を行う電子・2次イオン顕微鏡装置。   1) (a) An imaging optical system for photoelectrons, secondary electrons, or secondary ions emitted from a surface of a substance to be observed in a vacuum using a short wavelength electromagnetic wave including a light wave as an excitation light source; A control mechanism for changing the focal position of the imaging optical system at high speed; (c) an image detecting means for accumulating and accumulating images on the imaging plane while changing the focal position; and (d) obtained from the image detector. (E) an electron / secondary ion microscope apparatus that removes the influence of spherical aberration and chromatic aberration of the imaging optical system.

2)上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、対物レンズの磁場または電場を高速に変化させる対物レンズ変更手段を備えている1)に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   2) The control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed (b) includes objective lens changing means that changes the magnetic field or electric field of the objective lens at high speed. Ion microscope device.

3)上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、観察対象物自体の位置を機械的に変化させる対象物変更手段を備えている1)に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   3) The control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed (b) includes an object changing unit that mechanically changes the position of the observation object itself. Next ion microscope device.

4)上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、励起光源の波長を変化させる光源変更手段を備えている1)に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   4) The electron / secondary ion microscope apparatus according to 1), wherein the control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed includes light source changing means that changes the wavelength of the excitation light source.

5)上記励起光源は、放射光もしくは同等の高輝度光源であり、上記光源変更手段は、励起光源から照射される短波長入射光(特に放射光)が観察対象物に対して照射される際に当該入射光と接する分光器の角度を変化させる分光器角度変更手段を備えている4)に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   5) The excitation light source is radiated light or an equivalent high-intensity light source, and the light source changing means is configured to irradiate the observation object with short-wavelength incident light (particularly radiated light) emitted from the excitation light source 4. The electron / secondary ion microscope apparatus according to 4), further comprising a spectroscope angle changing unit that changes the angle of the spectroscope in contact with the incident light.

6)上記励起光源を電子線または荷電粒子線に置き換える1)〜5)のいずれかに記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   6) The electron / secondary ion microscope apparatus according to any one of 1) to 5), wherein the excitation light source is replaced with an electron beam or a charged particle beam.

本発明に係る電子・2次イオン顕微鏡装置のうち1)〜4)の構成によれば、例えば、光電子顕微鏡のような電子・2次イオン顕微鏡装置において結像光学系の焦点位置を変化させることができ、蓄積性の画像検知手段とそれより得られた画像情報に対する中・高域空間周波数強調フィルターによって、電子・2次イオン顕微鏡装置における結像光学系の球面収差を除去することができる。さらに、色収差も同時に除去することができる。したがって、本方法によれば、両収差を除去して分解能を向上させた光電子顕微鏡を提供することができるという効果を奏する。なお、「対象物変更手段」とは、観察対象物と対物レンズとの距離を機械的に変更させる移動機構のことである。   According to the configuration of 1) to 4) of the electron / secondary ion microscope apparatus according to the present invention, for example, the focal position of the imaging optical system is changed in the electron / secondary ion microscope apparatus such as a photoelectron microscope. The spherical aberration of the imaging optical system in the electron / secondary ion microscope apparatus can be removed by the accumulative image detecting means and the middle / high frequency spatial frequency enhancement filter for the image information obtained from the accumulating image detecting means. Further, chromatic aberration can be removed at the same time. Therefore, according to this method, it is possible to provide a photoelectron microscope in which both aberrations are removed and resolution is improved. The “object changing means” is a moving mechanism that mechanically changes the distance between the observation object and the objective lens.

また、本発明に係る電子・2次イオン顕微鏡装置のうち5)の構成によれば、分光器の角度を実時間で変化(変調)させることにより、確実に放射光の波長を変化(変調)させることができる。したがって、電子・2次イオン顕微鏡装置の焦点位置を確実に変化(変調)させることができ、強力な放射光を組み合わせた電子・2次イオン顕微鏡装置の結像光学系の収差を確実に除去することができるという効果を奏する。   In addition, according to the configuration of the electron / secondary ion microscope apparatus 5) according to the present invention, the wavelength of the emitted light is reliably changed (modulated) by changing (modulating) the angle of the spectroscope in real time. Can be made. Therefore, the focal position of the electron / secondary ion microscope apparatus can be reliably changed (modulated), and the aberration of the imaging optical system of the electron / secondary ion microscope apparatus combined with powerful radiation light can be reliably removed. There is an effect that can be.

また、分解能を高めた電子・2次イオン顕微鏡装置と強力な放射光とを組み合わせることができ、ナノテクノロジーをはじめとする様々な分野に利用可能な電子・2次イオン顕微鏡装置を提供することができるという効果を奏する。   Also, it is possible to provide an electron / secondary ion microscope apparatus that can be used in various fields including nanotechnology, by combining an electron / secondary ion microscope apparatus with high resolution and powerful synchrotron radiation. There is an effect that can be done.

本発明は、電磁波(例えば、光、特に放射光など)を励起光とする電子・2次イオン顕微鏡装置(例えば、光電子顕微鏡など)において、無収差高分解能観察を可能とする具体的な手法、およびこの手法を利用して無収差高分解能観察を実現した電子・2次イオン顕微鏡装置を提供するものである。本発明を用いることにより、工学、医学、生物学、天文学などの極めて広い分野における研究、開発、評価を著しく効率化できると共に、これにより多数の新しい知見を得ることができると考えられる。したがって、本発明は非常に有用かつ社会的インパクトの強い発明であるといえる。   The present invention provides a specific technique that enables aberration-free high-resolution observation in an electron / secondary ion microscope apparatus (for example, a photoelectron microscope) that uses electromagnetic waves (for example, light, particularly radiated light) as excitation light, The present invention also provides an electron / secondary ion microscope apparatus that realizes aberration-free high-resolution observation using this technique. By using the present invention, it is considered that research, development, and evaluation in extremely wide fields such as engineering, medicine, biology, and astronomy can be remarkably made efficient, and a lot of new knowledge can be obtained thereby. Therefore, it can be said that the present invention is very useful and has a strong social impact.

そこで、以下にまず本発明の基礎となる「焦点位置変調球面収差除去法」の基本的な考え方について簡単に説明した後、本発明に係る光電子顕微鏡の焦点位置変化方法、および光電子顕微鏡について説明する。なお、本発明は、これに限定されるものではないことはいうまでもない。   Accordingly, the basic concept of the “focal position modulation spherical aberration elimination method” that is the basis of the present invention will be briefly described below, and then the focal position changing method of the photoelectron microscope and the photoelectron microscope according to the present invention will be described. . Needless to say, the present invention is not limited to this.

<「焦点位置変調球面収差除去法」の基本的な考え方について>
まず、本発明の基礎となる原理である「焦点位置変調球面収差除去法」について図8〜図15に基づいて説明する。「焦点位置変調球面収差除去法」は、まず、回転不変型の波面収差関数をもつ主・高次球面収差の影響除去を図る。このためにホイスラー式の焦点深度拡大法を利用する。以下焦点はずれ量移動平均法による焦点深度拡大処理と無収差情報抽出の原理を光学の立場で説明する。
<Basic concept of “focal position modulation spherical aberration removal method”>
First, the “focal position modulation spherical aberration removal method”, which is the principle underlying the present invention, will be described with reference to FIGS. In the “focal position modulation spherical aberration removal method”, first, the influence of main and higher order spherical aberration having a rotation invariant wavefront aberration function is removed. For this purpose, the Heusler-type focal depth expansion method is used. In the following, the principle of depth-of-focus expansion by the moving average method of defocus amount and the extraction of aberration-free information will be described from an optical standpoint.

まず、自己発光体(光電子含む)の結像と球面収差の影響を示す。図8には試料1上の1点から発せられた光波もしくは電子波、イオンに対する物質波が、凸レンズ2で描かれる結像光学系を通り、後側焦点面(結像面)3に達する様子を、幾何光学と波面光学の両面から示した。   First, imaging of a self-luminous body (including photoelectrons) and the influence of spherical aberration will be shown. FIG. 8 shows a state in which a light wave or electron wave emitted from one point on the sample 1 and a substance wave for ions reach the rear focal plane (imaging plane) 3 through the imaging optical system drawn by the convex lens 2. Is shown from both geometrical and wavefront optics.

前述したように、試料1上の異なった点から発せられた光波は干渉しない。同一点から発せられた光波のみが干渉に寄与する。波面光学では点状試料から発せられる球面波を、各方向に進行する平面波の集まりと捉える。結像光学系は瞳(入射瞳)に入射したこれらの平面波の向きを変え、後側焦点位置に集める役目を果たす。   As described above, light waves emitted from different points on the sample 1 do not interfere. Only light waves emitted from the same point contribute to interference. In wavefront optics, spherical waves emitted from a point sample are regarded as a collection of plane waves traveling in each direction. The imaging optical system changes the direction of these plane waves incident on the pupil (entrance pupil) and collects them at the rear focal position.

図9に示す無収差光学系では後側焦点位置4でこれらの平面波の位相が一致して、小さいスポットが形成される。一方、図10に示す球面収差のある光学系では、光軸と平面波進行方向のなす角度の4乗に比例して平面波の位相が変化する(波面が移動する)。この結果、後側焦点位置4でこれらの平面波の位相が一致せず、大きいスポットになる。   In the aberration-free optical system shown in FIG. 9, the phases of these plane waves coincide with each other at the rear focal position 4, and a small spot is formed. On the other hand, in the optical system with spherical aberration shown in FIG. 10, the phase of the plane wave changes (the wavefront moves) in proportion to the fourth power of the angle formed by the optical axis and the plane wave traveling direction. As a result, the phase of these plane waves does not match at the rear focal position 4, resulting in a large spot.

以上の状況を進行方向の異なった2平面波の組に限定して考察する。現実の結像はこれら異なった多数の平面波の組によって生じた干渉縞の寄せ集めで記述できる。   The above situation will be limited to a set of two plane waves with different traveling directions. Real-time imaging can be described by a collection of interference fringes caused by these different sets of plane waves.

図11には点状試料から発せられ、結像光学系5を通過した2平面波が後側焦点位置(焦点面)6周囲に作る3次元干渉縞7を示した。波面は光速で移動するが、3次元干渉縞7は移動しないことに注意されたい。2平面波の進行方向が光軸8に対し同じ角度になる場合、図11に示すように3次元干渉縞7は光軸8に対し並行になる。   FIG. 11 shows a three-dimensional interference fringe 7 generated around a rear focal position (focal plane) 6 by a two-plane wave emitted from a point sample and passing through the imaging optical system 5. Note that the wavefront moves at the speed of light, but the three-dimensional interference fringes 7 do not move. When the traveling directions of the two plane waves are at the same angle with respect to the optical axis 8, the three-dimensional interference fringes 7 are parallel to the optical axis 8 as shown in FIG. 11.

一方、図12には2平面波の進行方向が光軸8に対し同じでより大きな角度になる場合を示した。このように焦点面6で見た干渉縞間隔は2平面波進行方向のなす角度にほぼ反比例する。   On the other hand, FIG. 12 shows a case where the traveling directions of the two plane waves are the same with respect to the optical axis 8 and have a larger angle. As described above, the interference fringe interval viewed from the focal plane 6 is almost inversely proportional to the angle formed by the traveling directions of the two plane waves.

さて、図11及び図12に示すように、球面収差が無ければ干渉縞の峰(強度が強い)の一つが後側焦点の原点位置に位置する。かつ、2平面波の進行方向が光軸に対し同じ角度になる場合、焦点位置を変えた時、観察される干渉縞は不動である。   As shown in FIGS. 11 and 12, if there is no spherical aberration, one of the peaks of interference fringes (high intensity) is located at the origin position of the rear focal point. When the traveling directions of the two plane waves are the same angle with respect to the optical axis, the observed interference fringes do not move when the focal position is changed.

一方、図13に示すように、光軸8と2平面波進行方向のなす角度が異なると、焦点位置6を変えた時、干渉縞は移動するように観察される。このように、2平面波進行方向のなす角度が等しい場合のみ焦点位置6を変えても、観察される干渉縞は不動になる。   On the other hand, as shown in FIG. 13, when the angle between the optical axis 8 and the traveling direction of the two plane waves is different, the interference fringes are observed to move when the focal position 6 is changed. Thus, even if the focal position 6 is changed only when the angles formed by the traveling directions of the two plane waves are equal, the observed interference fringes do not move.

球面収差があると2平面波の位相は、図14に示すように、光軸8と平面波進行方向のなす角度の4乗に比例して変化する。これに伴い、3次元干渉縞7もこれら2平面波の位相ずれの差に比例して移動する。この結果、干渉縞の峰(強度が強い)が後側焦点の原点位置からずれてしまう。   When there is spherical aberration, the phase of the two plane waves changes in proportion to the fourth power of the angle formed by the optical axis 8 and the plane wave traveling direction, as shown in FIG. Along with this, the three-dimensional interference fringes 7 also move in proportion to the difference in phase shift between these two plane waves. As a result, the peak of the interference fringe (strong intensity) deviates from the origin position of the rear focal point.

しかし、図15に示すように、2平面波進行方向のなす角度が等しい場合には2平面波の位相ずれの差が0になるので、無収差の場合と同様、干渉縞の峰(強度が強い)の一つが後側焦点の原点位置に位置する。また、この時、焦点位置6を変えても干渉縞は不動であるように観察される。このような光軸8に平行な3次元干渉縞7はすべて球面収差の影響を受けない。逆に考えると、焦点位置6を変えても不動であるように観察される干渉縞のみ、すなわち、焦点深度拡大された干渉縞のみを取り出せば、球面収差の影響を受けない無収差結像が実現できる。これが焦点深度拡大に基づく無収差結像法の原理である。   However, as shown in FIG. 15, when the angles formed by the traveling directions of the two plane waves are equal, the difference between the phase shifts of the two plane waves becomes zero. Is located at the origin position of the rear focal point. At this time, even if the focal position 6 is changed, the interference fringes are observed to be stationary. All the three-dimensional interference fringes 7 parallel to the optical axis 8 are not affected by the spherical aberration. Conversely, if only the interference fringes that are observed to remain stationary even when the focal position 6 is changed, that is, only the interference fringes with an increased focal depth are extracted, an aberration imaging that is not affected by the spherical aberration is obtained. realizable. This is the principle of the aberration-free imaging method based on the expansion of the focal depth.

次に、ホイスラーが行った焦点深度拡大手法を説明する。まず、焦点位置を連続的に変化させ観察された画像を積算する(焦点移動平均法)。これにより焦点位置の変化で移動する干渉縞(光軸に並行でない3次元干渉縞)が大部分取り除かれ、焦点深度の深い像になる。本方法の原理によれば、これにより無収差結像が実現できる。ただし、焦点位置の変化に伴って移動する干渉縞が取り除かれてしまうのでそれらの寄与を補償するための中・高域強調が不可欠である。球面収差係数が大きい場合、無収差結像に必要な焦点移動距離は増大する。また、より大きな中・高域強調処理が必要になる。   Next, the depth of focus expansion method performed by Heusler will be described. First, the observed positions are continuously changed and the observed images are integrated (focus moving average method). As a result, most of the interference fringes (three-dimensional interference fringes not parallel to the optical axis) that move due to the change of the focal position are removed, and an image with a deep focal depth is obtained. According to the principle of the present method, this makes it possible to realize aberration-free imaging. However, since the interference fringes that move with the change of the focal position are removed, it is indispensable to emphasize the middle and high frequencies to compensate for their contribution. When the spherical aberration coefficient is large, the focal distance required for non-aberration imaging increases. Also, a larger mid / high frequency enhancement process is required.

一方、結像光学系に含まれる色収差について言えば、これは本質的に焦点移動平均と同じ作用を持つ。この無収差結像法では色収差を焦点移動平均の過程に取りこむことが可能で、実質的に色収差を除去、無視できる。色収差による焦点移動範囲が無収差結像に必要な焦点移動距離に近いか、あるいはそれを上回る場合、焦点移動平均はまったく不必要になる。   On the other hand, in terms of chromatic aberration included in the imaging optical system, this essentially has the same effect as the focal moving average. In this non-aberration imaging method, it is possible to incorporate chromatic aberration into the process of focal moving average, and the chromatic aberration can be substantially removed and ignored. If the focal movement range due to chromatic aberration is close to or exceeds the focal movement distance required for aberration-free imaging, the focal moving average is completely unnecessary.

本球面収差除去法の特徴・利点としては、(a)焦点移動平均という極めて単純な操作で実現でき、実時間処理可能である。(b)球面収差係数を知る必要が無い。(c)電子光学系等で重要な色収差を、実質的に除去、無視できる。(d)自己発光体(蛍光含む)の場合と同様の結像特性を示す、インコヒーレント照明下の透過・反射顕微鏡や暗視野照明顕微鏡にも光波(電磁波)・電子、荷電粒子ビーム・音波を問わず適用可能である。等が挙げられる。   The features and advantages of this spherical aberration removal method can be realized by an extremely simple operation of (a) focal moving average, and real-time processing is possible. (B) There is no need to know the spherical aberration coefficient. (C) Chromatic aberration important in an electron optical system or the like can be substantially removed and ignored. (D) Light waves (electromagnetic waves), electrons, charged particle beams, and sound waves are transmitted to transmission / reflection microscopes and dark field illumination microscopes under incoherent illumination that exhibit the same imaging characteristics as those of self-luminous materials (including fluorescence). It is applicable regardless. Etc.

なお、本方法はホイスラー式の焦点深度拡大法を利用するが、あくまでも結像光学系の球面・色面収差を処理の対象とするものであって、観察試料の深さ方向情報を集約して見せる焦点深度拡大処理とは適用方向がまったく異なり、違った応用分野に属するものである。   Although this method uses the Heusler-type method of expanding the depth of focus, it is intended only for processing spherical and chromatic aberrations of the imaging optical system, and collects the depth direction information of the observation sample. The direction of application is completely different from the depth-of-focus processing to be shown and belongs to a different application field.

以上のような「焦点位置変調球面収差除去法」を利用して、無収差高分解能を実現した電子顕微鏡が開発されている(例えば、特許文献1等参照)。この焦点位置変調球面収差除去法を適用した電子顕微鏡では、電子顕微鏡内部にあるアパーチャ径がある程度大きくても球面収差を除去することができるため、分解能を上げることができるというメリットがある。しかし、上述したように、従来の電子顕微鏡と光電子顕微鏡とは結像メカニズムが異なるため、この手法をそのまま適用することはできない。そこで、本発明者らは、上記焦点位置変調球面収差除去法の基本的な考え方に基づきつつ、光電子顕微鏡に適用可能な焦点位置変化方法の具体的手法を開発した。   An electron microscope that realizes high aberration-free resolution using the “focal position modulation spherical aberration elimination method” as described above has been developed (see, for example, Patent Document 1). An electron microscope to which this focal position modulation spherical aberration removing method is applied has an advantage that the spherical aberration can be removed even if the aperture diameter inside the electron microscope is large to some extent, so that the resolution can be increased. However, as described above, since the imaging mechanism is different between the conventional electron microscope and the photoelectron microscope, this method cannot be applied as it is. Accordingly, the present inventors have developed a specific method of the focal position changing method applicable to the photoelectron microscope based on the basic concept of the focal position modulation spherical aberration removing method.

<本発明に係る電子・2次イオン顕微鏡装置>
本実施の形態では、電子・2次イオン顕微鏡装置のなかでも、特に光電子顕微鏡を例に挙げて説明する。一般的な光電子顕微鏡について図1を用いて簡単に説明する。光電子顕微鏡は、図1に示すように、X線光電子分光(XPS)と電子顕微鏡とを融合させたものである。
<Electron / secondary ion microscope apparatus according to the present invention>
In the present embodiment, a photoelectron microscope will be described as an example among electron / secondary ion microscope apparatuses. A general photoelectron microscope will be briefly described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the photoelectron microscope is a fusion of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and an electron microscope.

ここで、XPSとは、電磁波(光、X線など)を試料に照射して、試料から光電子を励起させ、この光電子の情報を解析して試料の電子状態を調べる方法である。励起された光電子は、試料物質における内殻の準位の情報を反映するものであるため、この光電子の情報を解析することにより、物質の結合状態の情報(例えば、化学結合の情報)、すなわち電子状態の情報がわかる。一方、電子顕微鏡は、光線の代わりに電子線を、ガラスレンズの代わりに電子レンズを使った顕微鏡であって、微細な物質等を拡大して観察し拡大顕微鏡像を得るものである。   Here, XPS is a method in which a sample is irradiated with electromagnetic waves (light, X-rays, etc.), photoelectrons are excited from the sample, and information on the photoelectrons is analyzed to check the electronic state of the sample. Since the excited photoelectrons reflect the information of the inner shell level in the sample material, by analyzing this photoelectron information, information on the bonding state of the material (for example, information on chemical bonds), that is, Know the electronic state information. On the other hand, an electron microscope is a microscope that uses an electron beam instead of a light beam and an electron lens instead of a glass lens, and magnifies and observes a fine substance or the like to obtain an enlarged microscope image.

光電子顕微鏡は、これらXPSと電子顕微鏡とを融合させて、電子状態の情報を反映した、物質の拡大像を観察することを目的としたものであるといえる。   It can be said that the photoelectron microscope is intended to observe an enlarged image of a substance reflecting information on an electronic state by fusing the XPS and the electron microscope.

一般的な光電子顕微鏡の構成を図2に示す。励起光31を試料1に対して照射すると、光電子が放出される。この光電子を対物レンズ10により結像させる。一般的には、対物レンズ10を通過したすべての光電子を結像させるわけではなく、コントラクトアパーチャ211により、取り込み角度を制限している。その後中間レンズ212によりエネルギーフィルター213の入り口にいったん結像させ、エネルギーフィルター213によりエネルギー選別をした後、投影レンズ214で拡大投影して、光電子像をスクリーン215上に結像させる。スクリーン215上の光電子像は、カメラ等により撮影されモニター12上で観察される。   A general configuration of a photoelectron microscope is shown in FIG. When the excitation light 31 is irradiated onto the sample 1, photoelectrons are emitted. The photoelectrons are imaged by the objective lens 10. In general, not all photoelectrons that have passed through the objective lens 10 are imaged, and the contract aperture 211 limits the capture angle. Thereafter, an image is formed once at the entrance of the energy filter 213 by the intermediate lens 212, the energy is selected by the energy filter 213, and enlarged and projected by the projection lens 214 to form a photoelectron image on the screen 215. The photoelectron image on the screen 215 is photographed by a camera or the like and observed on the monitor 12.

この光電子顕微鏡における分解能を決めている重要な要素は、上述の電子顕微鏡等と同様に、球面収差、色収差などである。したがって、図2に示すように、光電子顕微鏡においても、原理的には上述の電子顕微鏡と同様に、焦点位置を変更させることによって、これらの収差を除去し分解能を高めることができる。しかし、上述の通り、従来の電子顕微鏡と同様の収差除去法をそのまま光電子顕微鏡に適用できないため、本発明者らは、光電子顕微鏡に適用可能な具体的な焦点位置変化方法を開発した。   The important factors that determine the resolution in this photoelectron microscope are spherical aberration, chromatic aberration, and the like, as in the above-described electron microscope. Therefore, as shown in FIG. 2, in the photoelectron microscope, in principle, as in the above-described electron microscope, by changing the focal position, it is possible to remove these aberrations and improve the resolution. However, as described above, since the same aberration removal method as that of the conventional electron microscope cannot be applied to the photoelectron microscope as it is, the present inventors have developed a specific focal position changing method applicable to the photoelectron microscope.

光電子顕微鏡における焦点位置変調の具体的手法としては、まず、光電子顕微鏡の対物レンズを変化(変調)させることにより、結像光学系の焦点位置を変化させる方法を挙げることができる。光電子顕微鏡の対物レンズとしては、磁場型および電場型の対物レンズが存在するが、本方法ではこれら両方のタイプの対物レンズを対象としている。   As a specific method of focus position modulation in the photoelectron microscope, first, a method of changing the focus position of the imaging optical system by changing (modulating) the objective lens of the photoelectron microscope can be cited. As the objective lens of the photoelectron microscope, there are a magnetic field type and an electric field type objective lens. In this method, both types of objective lenses are targeted.

電場型の対物レンズを変化(変調)させる場合は、例えば、図3(a)の左側に示す図のように対物レンズを構成し、電場を変化(変調)させることができる電場型対物レンズ10を作製することにより実現可能である。また、磁場型の対物レンズを変化(変調)させる場合は、例えば、図3(a)の右側に示す図のように対物レンズを構成し、磁場を変化(変調)させることができる磁場型対物レンズ10を作製することにより実現可能である。なお、対物レンズを変化(変調)させる方法はこれらに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、対物レンズを変化(変調)させることができる方法も本発明に含まれる。   When the electric field type objective lens is changed (modulated), for example, the objective lens is configured as shown on the left side of FIG. 3A, and the electric field type objective lens 10 that can change (modulate) the electric field. This can be realized by manufacturing. When changing (modulating) the magnetic field type objective lens, for example, the objective lens is configured as shown in the right side of FIG. 3A to change (modulate) the magnetic field objective. This can be realized by manufacturing the lens 10. Note that the method for changing (modulating) the objective lens is not limited to these, and the present invention also includes a method for changing (modulating) the objective lens by appropriately using other conventionally known methods. It is.

このように光電子顕微鏡の対物レンズを変化(変調)させることにより、焦点位置が異なった像を高速で取得でき、その結果、結像光学系の焦点位置を変化させることができる。   By changing (modulating) the objective lens of the photoelectron microscope in this manner, images with different focal positions can be acquired at high speed, and as a result, the focal position of the imaging optical system can be changed.

また、光電子顕微鏡における焦点位置変化(変調)のその他の具体的手法としては、光電子顕微鏡における観察対象物(試料)位置を変化(変調)させることにより、結像光学系の焦点位置を変化させる方法を挙げることができる。試料の位置を変化(変調)させる具体的な方法としては、例えば、図3(b)に示すように、励起光(ここでは放射光)31が照射される試料1と対物レンズ10との距離を変化(変調)させるように、すなわち、試料1と対物レンズ10との距離が長くなるあるいは短くなる方向(図中、両方向矢印)に試料1の位置を移動させる方法が挙げられる。なお、試料位置を変化(変調)させる方法はこれに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、試料位置を変化(変調)させることができる方法も本発明に含まれる。   As another specific method for changing the focal position (modulation) in the photoelectron microscope, a method for changing the focal position of the imaging optical system by changing (modulating) the position of the observation object (sample) in the photoelectron microscope. Can be mentioned. As a specific method for changing (modulating) the position of the sample, for example, as shown in FIG. 3B, the distance between the sample 1 and the objective lens 10 irradiated with the excitation light (here, radiated light) 31 is used. Can be changed (modulated), that is, a method of moving the position of the sample 1 in a direction in which the distance between the sample 1 and the objective lens 10 becomes longer or shorter (a double-headed arrow in the figure). The method for changing (modulating) the sample position is not limited to this, and the present invention also includes a method for changing (modulating) the sample position by appropriately using other conventionally known methods. It is.

このように光電子顕微鏡における試料位置を変化(変調)させることにより、焦点位置が異なった像を実時間で取得でき、その結果、結像光学系の焦点位置を変化させることができる。   By changing (modulating) the sample position in the photoelectron microscope in this way, images with different focal positions can be acquired in real time, and as a result, the focal position of the imaging optical system can be changed.

また、光電子顕微鏡における焦点位置変調のその他の具体的手法としては、励起光の波長を変化させることにより、結像光学系の焦点位置を変化させる方法を挙げることができる。なお、ここでいう励起光は、放射光のように非常に強力な光であることが好ましい。この「放射光」としては、例えば、シンクロトロン放射光施設SPring-8のビームラインから得られる放射光を挙げることができるが、これに限られるものではない。   In addition, as another specific method of focus position modulation in the photoelectron microscope, a method of changing the focus position of the imaging optical system by changing the wavelength of the excitation light can be mentioned. In addition, it is preferable that excitation light here is very powerful light like radiation light. Examples of the “radiation light” include, but are not limited to, radiation light obtained from the beam line of the synchrotron radiation facility SPring-8.

励起光(例えば、放射光)の波長を変化(変調)させる具体的な方法としては、例えば、図3(c)に示すように、励起光(同図では放射光)31が試料1に照射される前に、一旦入射ビーム31を分光器21に対して照射するとともに、分光器の角度を実時間で変化(変調)することにより、入射ビーム31の波長を変化(変調)させる方法を挙げることができる。なお、励起光の波長を変化させる方法はこれに限られるものではなく、その他の従来公知の方法等を適宜利用して、励起光の波長を変化させることができる方法も本発明に含まれる。   As a specific method for changing (modulating) the wavelength of the excitation light (for example, radiation light), for example, as shown in FIG. Before being performed, a method of once irradiating the incident beam 31 to the spectrometer 21 and changing (modulating) the wavelength of the incident beam 31 by changing (modulating) the angle of the spectrometer in real time is given. be able to. Note that the method of changing the wavelength of the excitation light is not limited to this, and the present invention also includes a method capable of changing the wavelength of the excitation light by appropriately using other conventionally known methods.

このように光電子顕微鏡における励起光の波長を変化させることにより、焦点位置が異なった像を高速で取得でき、その結果、結像光学系の焦点位置を変化させることができる。   In this way, by changing the wavelength of the excitation light in the photoelectron microscope, images with different focal positions can be acquired at high speed, and as a result, the focal position of the imaging optical system can be changed.

上記いずれかの方法によって焦点位置を変化(変調)させることにより、光電子顕微鏡における結像光学系の球面収差および色収差を同時に除去することができる。したがって、分解能が向上した光電子顕微鏡を得ることができる。なお、「変調」という文言は、変化、変更と同義の文言として本発明では用いている。   By changing (modulating) the focal position by any one of the above methods, the spherical aberration and chromatic aberration of the imaging optical system in the photoelectron microscope can be simultaneously removed. Therefore, a photoelectron microscope with improved resolution can be obtained. The term “modulation” is used in the present invention as a term synonymous with change or change.

上述した光電子顕微鏡における具体的な焦点位置変化方法を具体化した光電子顕微鏡の構成の一例を模式的に図4に示す。   FIG. 4 schematically shows an example of the configuration of a photoelectron microscope that embodies a specific method for changing the focal position in the photoelectron microscope described above.

図4に示すように、本実施の形態に係る光電子顕微鏡100は、3つのモニター12、14、14’、画像蓄積・処理装置13、2つの焦点位置変調制御装置15、15’、CCDコントローラ16、CCDカメラ17、電子光学装置18、変調信号発生装置19、焦点位置変調装置20、電子光学系制御装置21、分光器22を備えている。光電子顕微鏡100は、励起光として放射光31を利用している。この放射光31は、分光器22を介して電子光学装置18に入射する。   As shown in FIG. 4, the photoelectron microscope 100 according to the present embodiment includes three monitors 12, 14, 14 ′, an image storage / processing device 13, two focal position modulation control devices 15, 15 ′, and a CCD controller 16. A CCD camera 17, an electro-optical device 18, a modulation signal generating device 19, a focal position modulating device 20, an electro-optical system control device 21, and a spectrometer 22. The photoelectron microscope 100 uses the emitted light 31 as the excitation light. The emitted light 31 enters the electron optical device 18 via the spectroscope 22.

また、CCDコントローラ16は、CCDカメラ17の動作を制御するものである。3つのモニター12、14、14’は、それぞれ画像蓄積・処理装置13、2つの焦点位置変調制御装置15、15’の動作状況などを外部から観察するためのものである。電子光学系制御装置21は、電子光学装置18を動作させるものである。電子光学装置18は、内部に試料を備える試料設置部材を有しており、この試料設置部材上の試料に対して放射光31が照射されることにより、試料1から励起された光電子を捉え、光電子像を形成するものである。   The CCD controller 16 controls the operation of the CCD camera 17. The three monitors 12, 14, and 14 'are for observing the operation statuses of the image storage / processing device 13 and the two focus position modulation control devices 15 and 15' from the outside. The electron optical system control device 21 operates the electron optical device 18. The electron optical device 18 has a sample setting member having a sample therein, and the photoelectrons excited from the sample 1 are captured by irradiating the sample on the sample setting member with the radiated light 31. A photoelectron image is formed.

また、モニター12、画像蓄積・処理装置13は、CCDカメラ17からの画像を積算・蓄積し、得られた画像情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリング機能を有している。これにより、光電子顕微鏡100において、球面収差が除去された高分解能な観察像が得られることになる。また、画像蓄積・処理装置13は、変調信号発生装置19を介して、焦点位置変調制御装置15、15’に変調信号を伝える機能をも有している。   In addition, the monitor 12 and the image storage / processing device 13 integrate and store the images from the CCD camera 17 and have a middle / high-frequency spatial frequency enhancement filtering function for the obtained image information. Thereby, in the photoelectron microscope 100, a high-resolution observation image from which spherical aberration is removed is obtained. The image storage / processing device 13 also has a function of transmitting a modulation signal to the focal position modulation control devices 15 and 15 ′ via the modulation signal generating device 19.

また、モニター14、焦点位置変調制御装置15、変調信号発生装置19、焦点位置変調装置20は、焦点位置変調システムを形成している。この焦点位置変調システムは、電子光学装置18の対物レンズ(不図示)の変化(変調)を制御するものであるとともに、試料の位置(不図示)の変調をも制御するものである。具体的には、焦点位置変調制御装置15は、焦点位置変調装置20を介して、変調信号発生装置19からの信号と同期して、対物レンズの電場または磁場を変化(変調)させることにより、対物レンズを変化(変調)させる。また、焦点位置変調制御装置15は、焦点位置変調装置20を介して、変調信号発生装置19からの信号と同期して、電子光学装置18内部の試料と対物レンズの距離を変化(変調)させることにより、試料位置を変化(変調)させる。これにより電子光学装置18における対物レンズあるいは試料位置が変化(変調)され、光電子顕微鏡100における焦点位置が変化(変調)されることになる。したがって、上記焦点位置変調システムは、対物レンズの電場または磁場を変化させる対物レンズ変更手段として機能するものとともに、対象物変更手段(観察対象物の機械的移動手段)として機能するものである。   The monitor 14, the focal position modulation control device 15, the modulation signal generating device 19, and the focal position modulation device 20 form a focal position modulation system. This focal position modulation system controls the change (modulation) of an objective lens (not shown) of the electron optical device 18 and also controls the modulation of the position of the sample (not shown). Specifically, the focal position modulation control device 15 changes (modulates) the electric field or magnetic field of the objective lens in synchronization with the signal from the modulation signal generation device 19 via the focal position modulation device 20. Change (modulate) the objective lens. Further, the focal position modulation control device 15 changes (modulates) the distance between the sample in the electron optical device 18 and the objective lens in synchronization with the signal from the modulation signal generation device 19 via the focal position modulation device 20. Thus, the sample position is changed (modulated). Thereby, the objective lens or the sample position in the electron optical device 18 is changed (modulated), and the focal position in the photoelectron microscope 100 is changed (modulated). Therefore, the focal position modulation system functions as an objective lens changing unit that changes an electric field or a magnetic field of the objective lens, and also functions as an object changing unit (a mechanical moving unit of the observation target).

また、モニター14’、焦点位置変調制御装置15’、変調信号発生装置19、分光器22は、波長変調システムを形成している。この波長変調システムは、分光器22の角度を高速に変化(変調)させることにより、放射光31の波長を変更するものである。すなわち、焦点位置変調制御装置15’から、変調信号発生装置19からの信号と同期して分光器22に対して変調信号が伝えられ、分光器22の角度が高速に変化(変調)される。これにより電子光学装置18に入射する放射光31の波長が変化(変調)され、光電子顕微鏡100における焦点位置が変化(変調)されることになる。したがって、上記波長変調システムは、放射光31(励起光)が試料1(観察対象物)に対して照射される前に当該放射光31(励起光)と接する分光器22の角度を変化させる分光器角度変更手段(光源変更手段)として機能するものである。   The monitor 14 ′, the focal position modulation control device 15 ′, the modulation signal generation device 19, and the spectroscope 22 form a wavelength modulation system. This wavelength modulation system changes the wavelength of the emitted light 31 by changing (modulating) the angle of the spectroscope 22 at high speed. That is, the modulation signal is transmitted from the focal position modulation control device 15 ′ to the spectroscope 22 in synchronization with the signal from the modulation signal generator 19, and the angle of the spectroscope 22 is changed (modulated) at high speed. As a result, the wavelength of the radiation 31 incident on the electron optical device 18 is changed (modulated), and the focal position in the photoelectron microscope 100 is changed (modulated). Therefore, the wavelength modulation system changes the angle of the spectroscope 22 in contact with the radiation light 31 (excitation light) before the radiation light 31 (excitation light) is irradiated onto the sample 1 (observation object). It functions as a device angle changing means (light source changing means).

すなわち、光電子顕微鏡100は、上述した3つの具体的な焦点位置変化方法を適用できるように設計、製作されている。この焦点位置変化方法を実現できる光電子顕微鏡100を用いて、収差除去を試みた基礎的な実験結果を以下に示す。   That is, the photoelectron microscope 100 is designed and manufactured so that the above-described three specific focal position changing methods can be applied. The basic experimental results of trying to remove aberrations using the photoelectron microscope 100 capable of realizing this focal position changing method are shown below.

具体的には、図5(a)に示すように、上記光電子顕微鏡100を用いて、対物レンズの磁場あるいは電場を変化(変調)させて焦点位置を変化(変調)させる焦点位置変調信号と、移動焦点像とを同期させ、試料であるPb/Si(111)の低エネルギー光電子像を得た。なお、光源には放射光を利用できないため、水銀ランプを用いて、低エネルギーの光電子像を得た。   Specifically, as shown in FIG. 5A, using the photoelectron microscope 100, a focal position modulation signal for changing (modulating) the focal position by changing (modulating) the magnetic field or electric field of the objective lens; A low-energy photoelectron image of Pb / Si (111) as a sample was obtained by synchronizing the moving focal image. Since radiant light cannot be used as a light source, a low energy photoelectron image was obtained using a mercury lamp.

その結果を図5(b)(c)に示す。なお、輝点は鉛(Pb)のナノ構造を示す。図5(b)は収差補正をせずに得たオリジナル像であり、図5(c)は焦点位置変化方法を実施し、収差除去を施して得た収差除去像の図である。これらの図から明らかなように、低エネルギー領域では主に色収差が利いてくるため球面収差の補正効果が充分出てこないが、収差も軽減し、明らかにナノ構造の鮮明な像が得られていることがわかる。したがって、上記焦点位置変化方法を実施することにより、球面収差を除去することができ、その結果、光電子顕微鏡における分解能の改善を図ることができることが明らかとなった。   The results are shown in FIGS. In addition, a bright spot shows the nanostructure of lead (Pb). FIG. 5B is an original image obtained without aberration correction, and FIG. 5C is an aberration-removed image obtained by carrying out the focal position changing method and removing aberrations. As is clear from these figures, the chromatic aberration mainly works in the low energy region, so the effect of correcting the spherical aberration is not sufficient, but the aberration is also reduced, and a clear image of the nanostructure is clearly obtained. I understand that. Therefore, it has been clarified that the spherical aberration can be removed by implementing the focal position changing method, and as a result, the resolution in the photoelectron microscope can be improved.

また、光学顕微鏡を用いて、試料(sample)の位置を上下に移動させることにより、焦点位置を変化(変調)する方法について予備実験を行った。具体的には、図6(a)に示すように、開口数N.A.=0.6、λ=0.65μmの条件で光学顕微鏡と試料(sample)との距離を20μmの範囲で変化(変調)させ、焦点位置を変化(変調)させて像を得た。その結果を図6(b)(c)に示す。   In addition, a preliminary experiment was conducted on a method of changing (modulating) the focal position by moving the position of the sample up and down using an optical microscope. Specifically, as shown in FIG. A. = 0.6, λ = 0.65 μm The distance between the optical microscope and the sample was changed (modulated) in the range of 20 μm, and the focal position was changed (modulated) to obtain an image. The results are shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c).

図6(b)は収差補正をせずに得たオリジナル像であり、図6(c)は焦点位置変化方法を実施し、収差除去を施して得た収差除去像の図である。これらの図から、光学顕微鏡において試料位置を変化(変調)させることにより、結像光学系の焦点位置を変化することができ、球面収差を除去することができることが明らかとなった。その結果、通常の観察像に比べて、収差除去像の分解能を向上させることができることがわかった。この方法は、光電子顕微鏡にも適用可能と思われる。   FIG. 6B is an original image obtained without aberration correction, and FIG. 6C is an aberration-removed image obtained by carrying out the focal position changing method and removing aberrations. From these figures, it is clear that the focal position of the imaging optical system can be changed and spherical aberration can be removed by changing (modulating) the sample position in the optical microscope. As a result, it was found that the resolution of the aberration-removed image can be improved as compared with a normal observation image. This method seems to be applicable to a photoelectron microscope.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、それぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and embodiments obtained by appropriately combining the respective technical means disclosed are also included in the present invention. Included in the technical scope.

以上述べてきたように、本発明に係る焦点位置変化方法、および当該焦点位置変化方法を実現した光電子顕微鏡によれば、球面収差と色収差とを同時に除去することができ、分解能を向上させることができる。   As described above, according to the focal position changing method according to the present invention and the photoelectron microscope that realizes the focal position changing method, spherical aberration and chromatic aberration can be simultaneously removed, and resolution can be improved. it can.

このため、工学(特に材料、半導体など)、医学、生物学などの極めて広い産業分野における研究、開発、評価に利用可能であるだけでなく、ナノテクノロジーをはじめとする新分野に貢献することができる。   For this reason, not only can it be used for research, development and evaluation in a wide range of industrial fields such as engineering (especially materials and semiconductors), medicine and biology, but it can also contribute to new fields such as nanotechnology. it can.

光電子顕微鏡の原理を模式的に示す図である。It is a figure which shows the principle of a photoelectron microscope typically. 本発明に係る光電子顕微鏡における焦点位置変化方法の原理を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the principle of the focus position change method in the photoelectron microscope which concerns on this invention. 本発明に係る光電子顕微鏡における焦点位置変化方法の具体的な方法を模式的に示す図であり、(a)は対物レンズの電場あるいは磁場を変化させる方法を模式的に示す図であり、(b)は試料位置を変化させる方法を模式的に示す図であり、(c)は放射光の波長を変化させる方法を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the specific method of the focus position change method in the photoelectron microscope which concerns on this invention, (a) is a figure which shows typically the method of changing the electric field or magnetic field of an objective lens, (b ) Is a diagram schematically showing a method of changing the sample position, and (c) is a diagram schematically showing a method of changing the wavelength of the emitted light. 本発明の実施形態に係る光電子顕微鏡の要部構成の一例を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically an example of the principal part structure of the photoelectron microscope which concerns on embodiment of this invention. (a)は本発明の実施形態に係る光電子顕微鏡を用いて行った基礎実験を模式的に示す図であり、(b)は(a)の結果得られた収差補正していないオリジナル像であり、(c)は焦点位置変化方法を実施し、収差除去を施して得た収差除去像の図である。(A) is a figure which shows typically the basic experiment conducted using the photoelectron microscope which concerns on embodiment of this invention, (b) is the original image which has not carried out the aberration correction obtained as a result of (a). (C) is the figure of the aberration removal image obtained by implementing a focus position change method and performing aberration removal. (a)は本発明の実施形態において、光学顕微鏡を用いて行った予備実験を模式的に示す図であり、(b)は(a)の結果得られた収差補正していないオリジナル像であり、(c)は焦点位置変化方法を実施し、収差除去を施して得た収差除去像の図である。(A) is a figure which shows typically the preliminary experiment conducted using the optical microscope in embodiment of this invention, (b) is the original image which does not carry out the aberration correction obtained as a result of (a). (C) is the figure of the aberration removal image obtained by implementing a focus position change method and performing aberration removal. 現在までに表面ナノキャラクタリゼーションのために開発されている電子顕微鏡および解析方法と、本発明に係る光電子顕微鏡との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the electron microscope and analysis method which have been developed so far for surface nano-characterization, and the photoelectron microscope which concerns on this invention. 自己発光体(光電子含む)の結像に関する幾何光学的解釈と波動光学的解釈を示す図である。It is a figure which shows the geometric optical interpretation and wave optical interpretation regarding the image formation of a self-light-emitting body (a photoelectron is included). 点発光体から無収差結像系を通して後側焦点面に合成される波面と強度分布を示す図である。It is a figure which shows the wave front and intensity distribution which are synthesize | combined by the back side focal plane through a non-aberration imaging system from a point light emitter. 点発光体から球面収差のある無収差結像系を通して後側焦点面に合成される波面と強度分布を示す図である。It is a figure which shows the wave front and intensity distribution with which a back focal plane is synthesize | combined through a non-aberration imaging system with spherical aberration from a point light emitter. 点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通過した2平面波が後側焦点位置周囲に作る3次元干渉縞を示した図である。It is the figure which showed the three-dimensional interference fringe which the 2 plane wave which emitted from the point-like sample and passed the non-aberration imaging optical system makes around a back focal position. 2平面波の進行方向が光軸に対し同じで、図11の場合よりより大きな角度になる場合の3次元干渉縞を示した図である。It is the figure which showed the three-dimensional interference fringe in case the advancing direction of two plane waves is the same with respect to an optical axis, and becomes a larger angle than the case of FIG. 点状試料から発せられ、無収差結像光学系を通過した2平面波が後側焦点位置周囲に作る3次元干渉縞を、光軸と2平面波進行方向のなす角度が異なる場合について示した図である。FIG. 3 is a diagram showing a three-dimensional interference fringe generated around a rear focal position by a two-plane wave emitted from a point-like sample and passed through a non-aberration imaging optical system when the angle between the optical axis and the two-plane wave traveling direction is different. is there. 点状試料から発せられ、球面収差を有する結像光学系を通過した2平面波が後側焦点位置周囲に作る3次元干渉縞を、光軸と2平面波進行方向のなす角度が異なる場合について示した図である。A three-dimensional interference fringe generated around a rear focal point by a two-plane wave that is emitted from a pointed sample and passed through an imaging optical system having spherical aberration is shown when the angle between the optical axis and the traveling direction of the two-plane wave is different. FIG. 点状試料から発せられ、球面収差を有する結像光学系を通過した2平面波が後側焦点位置周囲に作る3次元干渉縞を、光軸と2平面波進行方向のなす角度が等しい場合について示した図である。A three-dimensional interference fringe generated around a rear focal point by a two-plane wave emitted from a pointed sample and passed through an imaging optical system having spherical aberration is shown for the case where the angle between the optical axis and the two-plane wave traveling direction is equal. FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1 試料(観察対象物)
2 凸レンズ
3 後側焦点面(結像面)
4 後側焦点位置
5 結像光学系
6 後側焦点位置(焦点面)
7 3次元干渉縞
8 光軸
10 対物レンズ
12 モニター
13 画像蓄積・処理装置
14 モニター
14’ モニター
15 焦点位置変調制御装置(対物レンズ変更手段、対象物変更手段)
15’ 焦点位置変調制御装置(光源変更手段、分光器角度変更手段)
16 CCDコントローラ
17 CCDカメラ
18 電子光学装置
19 変調信号発生装置
20 焦点位置変調装置(対物レンズ変更手段、対象物変更手段)
21 電子光学系制御装置
22 分光器
31 励起光(放射光)
100 光電子顕微鏡
211 コントラストアパーチャ
212 中間レンズ
213 エネルギーフィルター
214 投影レンズ
215 スクローン
1 Sample (observation object)
2 Convex lens 3 Rear focal plane (imaging plane)
4 Rear focal position 5 Imaging optical system 6 Rear focal position (focal plane)
7 Three-dimensional interference fringes 8 Optical axis 10 Objective lens 12 Monitor 13 Image storage / processing device 14 Monitor 14 'Monitor 15 Focus position modulation control device (objective lens changing means, object changing means)
15 'focus position modulation control device (light source changing means, spectrometer angle changing means)
16 CCD controller 17 CCD camera 18 Electro-optical device 19 Modulation signal generator 20 Focus position modulator (objective lens changing means, object changing means)
21 Electron optical system controller 22 Spectrometer 31 Excitation light (radiated light)
100 Photoelectron microscope 211 Contrast aperture 212 Intermediate lens 213 Energy filter 214 Projection lens 215 Sclone

Claims (6)

(a)光波を含む短波長の電磁波を励起光源として、観察対象とする物質表面から真空中に放出された光電子、2次電子もしくは2次イオンに対する結像光学系と、
(b)当該結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構と、
(c)焦点位置を変化させる間の結像面の画像を積算・蓄積する画像検知手段と、
(d)前記画像検知器から得られた画像情報に対する中・高域空間周波数強調フィルタリング機構とを備え、
(e)前記結像光学系の球面収差と色収差の影響除去を行うことを特徴とする電子・2次イオン顕微鏡装置。
(A) an imaging optical system for photoelectrons, secondary electrons, or secondary ions emitted from the surface of a substance to be observed into a vacuum using a short-wave electromagnetic wave including a light wave as an excitation light source;
(B) a control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed;
(C) image detecting means for accumulating and accumulating images on the imaging plane while changing the focal position;
(D) a medium / high frequency spatial frequency enhancement filtering mechanism for image information obtained from the image detector;
(E) An electron / secondary ion microscope apparatus that removes the influence of spherical aberration and chromatic aberration of the imaging optical system.
上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、対物レンズの磁場または電場を高速に変化させる対物レンズ変更手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   2. The control mechanism according to claim 1, wherein the control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed includes objective lens changing means that changes the magnetic field or electric field of the objective lens at high speed. Electron / secondary ion microscope device. 上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、観察対象物自体の位置を機械的に変化させる対象物変更手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   2. The control mechanism according to claim 1, wherein the control mechanism that changes the focal position of the imaging optical system at high speed includes object changing means that mechanically changes the position of the observation object itself. Electron / secondary ion microscope equipment. 上記(b)結像光学系の焦点位置を高速に変化させる制御機構は、励起光源の波長を変化させる光源変更手段を備えていることを特徴とする請求項1に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   2. The electron / secondary ion according to claim 1, wherein the control mechanism (b) that changes the focal position of the imaging optical system at high speed includes light source changing means for changing the wavelength of the excitation light source. Microscope device. 上記励起光源は、放射光もしくは同等の高輝度光源であり、
上記光源変更手段は、励起光源から照射される短波長入射光が観察対象物に対して照射される際に当該入射光と接する分光器の角度を変化させる分光器角度変更手段を備えていることを特徴とする請求項4に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。
The excitation light source is radiant light or an equivalent high brightness light source,
The light source changing means includes a spectroscope angle changing means for changing the angle of the spectroscope contacting the incident light when the short wavelength incident light irradiated from the excitation light source is irradiated to the observation object. The electron secondary ion microscope apparatus according to claim 4.
上記励起光源を電子線または荷電粒子線に置き換えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電子・2次イオン顕微鏡装置。   6. The electron / secondary ion microscope apparatus according to claim 1, wherein the excitation light source is replaced with an electron beam or a charged particle beam.
JP2003338330A 2003-09-29 2003-09-29 Electron/secondary ion microscope device Pending JP2005108545A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003338330A JP2005108545A (en) 2003-09-29 2003-09-29 Electron/secondary ion microscope device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2003338330A JP2005108545A (en) 2003-09-29 2003-09-29 Electron/secondary ion microscope device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2005108545A true JP2005108545A (en) 2005-04-21

Family

ID=34533883

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2003338330A Pending JP2005108545A (en) 2003-09-29 2003-09-29 Electron/secondary ion microscope device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2005108545A (en)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318651A (en) * 2005-05-10 2006-11-24 Hitachi Ltd Transmission electron microscope
JP2012111981A (en) * 2010-11-19 2012-06-14 Takasago Thermal Eng Co Ltd Method and system for producing hydrogen
WO2015005569A1 (en) * 2013-07-09 2015-01-15 한국표준과학연구원 Device and method for acquiring particle beam discharge image
CN105987924A (en) * 2015-02-11 2016-10-05 中国科学院空间科学与应用研究中心 Measuring apparatus for secondary electron emission of metal surface of satellite and application method thereof
US9761409B2 (en) 2013-01-31 2017-09-12 Hitachi High-Technologies Corporation Composite charged particle detector, charged particle beam device, and charged particle detector
CN112432933A (en) * 2019-08-26 2021-03-02 北京大学 Ultrahigh time-space resolution imaging system and method of multi-excitation light source photoelectron microscope

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006318651A (en) * 2005-05-10 2006-11-24 Hitachi Ltd Transmission electron microscope
JP2012111981A (en) * 2010-11-19 2012-06-14 Takasago Thermal Eng Co Ltd Method and system for producing hydrogen
US9761409B2 (en) 2013-01-31 2017-09-12 Hitachi High-Technologies Corporation Composite charged particle detector, charged particle beam device, and charged particle detector
US10128081B2 (en) 2013-01-31 2018-11-13 Hitachi High-Technologies Corporation Composite charged particle beam detector, charged particle beam device, and charged particle beam detector
WO2015005569A1 (en) * 2013-07-09 2015-01-15 한국표준과학연구원 Device and method for acquiring particle beam discharge image
CN105987924A (en) * 2015-02-11 2016-10-05 中国科学院空间科学与应用研究中心 Measuring apparatus for secondary electron emission of metal surface of satellite and application method thereof
CN112432933A (en) * 2019-08-26 2021-03-02 北京大学 Ultrahigh time-space resolution imaging system and method of multi-excitation light source photoelectron microscope
CN112432933B (en) * 2019-08-26 2021-11-19 北京大学 Ultrahigh time-space resolution imaging system and method of multi-excitation light source photoelectron microscope

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20150055745A1 (en) Phase Contrast Imaging Using Patterned Illumination/Detector and Phase Mask
US7787588B1 (en) System and method for quantitative reconstruction of Zernike phase-contrast images
US7039157B2 (en) X-ray microscope apparatus
US10114207B2 (en) Apparatus and method for obtaining three-dimensional information
US9202670B2 (en) Method of investigating the wavefront of a charged-particle beam
JP6047592B2 (en) Correlated optics and charged particle microscopy
JP2007526457A (en) Method and apparatus for generating image including depth information
JP5736461B2 (en) Electron microscope and sample observation method
JPWO2007058182A1 (en) Phase contrast electron microscope
JP2015141899A5 (en)
JP5065668B2 (en) Microscopy and microscopy
JP5002604B2 (en) Polarization phase microscope
JP2005108545A (en) Electron/secondary ion microscope device
EP3722861A1 (en) Observation method using microscope and transmission-type microscopic device
JP5429861B2 (en) Scanning real-time microscope system and scanning X-ray high-speed drawing system
CN104701122A (en) Method of producing a freestanding thin film of nano-crystalline carbon
JP2006331901A (en) Observation method by phase retrieval type electron microscope
JP2005127967A (en) High resolution/chemical bond electron/secondary ion microscope apparatus
JP4831604B2 (en) Radiation electron microscope for observation of insulator samples using obliquely charged neutralized electron irradiation method
JP3942861B2 (en) Imaging optical device
JP6636061B2 (en) Alignment of featureless thin film in TEM
JP2009277619A (en) Sample analysis method using scanning transmission electron microscope
JP2005106472A (en) Observation technology by coherent wave
JP2004055143A (en) Transmission electron microscope and focusing method
JP4900911B2 (en) Observation technology using coherent waves

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20060913

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20081114

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20081125

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20090324