JP2005216645A - 透過電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い観察領域の中で目的とする観察領域を短時間に自動的に見いだし、所望の透過電子顕微鏡像を取得することができる透過電子顕微鏡システムを実現する。
【解決手段】 モンタージュ手法により、メッシュＭ全域で画像信号が得られたかどうかをコンピュータ５が判断する。コンピュータ５は、得られた画像に対して画像処理を施し、メッシュの中でどの位置に試料があるかを判断する。また、メッシュ全域と、コンピュータ５が判断した試料の位置の両者を重ねて俯瞰する画像をディスプレイ７に表示する。コンピュータ５は電子光学系を制御して倍率を高く変更する。この倍率は、試料の観察位置を詳細に観察するために適切な高い倍率であり、この倍率を変更した際、必要に応じて電子ビームのフォーカス調整がコンピュータ５の制御の下に自動的に行われる。その後、オペレータは、その試料の中で詳細な観察をすべき箇所をマウスによるクリックなどで指定する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、試料領域全域中に点在する試料の高倍率の像を、高い分解能で効率よく撮影することができる透過電子顕微鏡システムに関する。

近年、透過電子顕微鏡の用途や観察の目的が多様化しており、その目的に適用した透過電子顕微鏡の操作が要求される。例えば、半導体デバイスの製造において、歩留まりの向上のため、製作される過程の半導体試料を走査電子顕微鏡によって観察し、欠陥部分の解析を行ってきた。しかしながら、半導体デバイスにおける回路の集積度が高くなり、各回路パターンの微細化が進んでいる。その結果、走査電子顕微鏡の分解能では半導体デバイスの検査を行うことができなくなりつつある。

そのため、走査電子顕微鏡に代わり、より高い分解能で像の観察ができる透過電子顕微鏡を用いた検査が注目されている。透過電子顕微鏡で半導体デバイスの検査を行う場合には、半導体試料を集束イオンビーム装置に導入し、欠陥検査箇所を含む部分に集束イオンビームを照射して削りだし、薄い半導体デバイス試料を作成する。通常半導体デバイス試料は複数作成され、各試料は、試料ホルダーの先端に設けられた円形のメッシュ上に載置される。

メッシュＭは図１（ａ）の立面図に示すように、格子状に設けられているが、メッシュＭの上面は、図１（ｂ）の断面図に示すように、薄い炭素の支持膜Ｃで覆われている。メッシュＭは導電性に優れた銅などの金属で形成され、炭素の支持膜Ｃは試料Ｓを保持するために設けられている。

薄い炭素の支持膜Ｃは、導電性を有しており電子ビームが照射されても帯電の恐れがなく、また、電子ビームの透過能にも優れているので、試料Ｓ部分を透過した電子ビームが支持膜Ｃによって吸収される割合は極めて少ない。したがって、支持膜Ｃが電子ビームの照射により加熱されて変形したり破壊されたりすることはない。

上記した複数の半導体デバイス試料Ｓは、電子ビームが透過しないメッシュＭ部分を避け、メッシュによって囲まれた炭素膜だけの領域（カーボングリッド）Ｇに接着される。このようにして、試料Ｓをメッシュ上に載置した後、メッシュＭは、図示していない試料ホルダーに取り付けられ、試料ホルダーを保持する試料ステージによって透過電子顕微鏡の試料室に装填される。このような前処理が終了した後、透過電子顕微鏡による試料Ｓの観察が行われる。

各試料Ｓを観察する場合、まず、透過電子顕微鏡の倍率を低倍率に設定し、低倍像によって、メッシュＭ全体から個々の試料の位置を特定する。次に、位置を特定した個々の試料の中で、詳細に観察したい部分を観察視野の中心（通常は光軸上）に移動させる。その後倍率を上げ、フォーカスを適切に調節して観察部分の像を得る。一つの試料に関して、第１の観察部分の像の観察、撮影が終了した後は、同一試料内で次に観察したい部分に視野を移動させ、透過電子顕微鏡像の観察、撮影を行う。このような観察動作を繰り返し行い、一つの試料について全ての観察箇所の像の観察、撮影が終了したならば、再び透過電子顕微鏡の倍率を低倍率に戻し、メッシュＭ全体から、別の試料の位置を探し出して、上記のような観察動作を実行する。

上記した半導体デバイス試料の検査目的で多数の試料像を取得する以外に、別の目的で多数の試料像を取得する必要がある透過電子顕微鏡像の観察方法も存在する。その内の一つとして、タンパク質やウィルスなどの粒子の構造を決定する方法であるシングルパーティクル法を挙げることができる。この方法では、様々な方向を向いた粒子の透過像を多数取得し、コンピュータによってこれらの透過像から、元の粒子の三次元形状を計算する。

この方法の概念図を図２に示す。図２では、上下２つの粒子について三次元形状を推定する様子を示している。上下２つの例において、図２（ａ）に示すような透過像（粒子の影）Ｐｓを多数取得し、これらの像から元の粒子の三次元形状Ｐｏを、図２（ｂ）に示すような形で推定する。タンパク質やウィルスなどの粒子の形状を解析する場合、必要とされる透過電子顕微鏡像の分解能は、Åのオーダーとなる。そのためには、透過電子顕微鏡として高分解能のタイプを用いなければならない。

さて、オペレータは、粒子の透過像を撮影するための試料の前処理を行う。この前処理には、図３の一部斜視図に示すようなマイクログリッドと呼ばれる支持膜Ｇが使用される。この支持膜Ｇは、炭素やシリコンなどを材料とした薄い膜にレーザビームなどを照射して、規則正しく円形の穴Ｇｈを開けたものである。通常広く使用されている穴Ｇｈの直径は１μｍ程度で、穴Ｇｈが開けられる周期は２μｍ程度である。このような支持膜Ｇに、観察対象の粒子が包埋された氷を張る。この支持膜に氷を張るための温度としては、−２７０℃程度の極低温が用いられる。

この冷却されたマイクログリッドＧは、図４に示すようなメッシュＭ上に載せられる。図４において、（ａ）はメッシュ全体の図であり、直径が３ｍｍの円盤状に作成されている。この円盤状のメッシュＭの一部を拡大した斜視図が（ｂ）に示されている。通常使用されているメッシュＭは、導電性に優れた銅などの金属に規則正しい正方形の穴Ｍｈが開けられて形成されており、穴のあいている周期は数十μｍ〜数百μｍであり、穴Ｍｈの直径は、穴のあいている周期によって異なる。

冷却されたマイクログリッドＧが載せられメッシュＭは、透過電子顕微鏡の試料室に装填されるが、この試料室は、マイクログリッドＧに張られた氷が溶けないように、試料ホルダーの先端部が液体ヘリウム温度に冷却される構造となっている。なお、試料を冷却して氷の状態にし、更に試料を電子ビームの照射による加熱作用によっても溶けないように、試料室の構造を試料ホルダーの先端部が常に冷却されるようにする理由は、観察対象の粒子が熱により変形してしまい、元の状態を維持できなくなることを防止するためである。

マイクログリッドＧが載せられたメッシュＭが試料室に装填された後、オペレータは、まず低倍率で試料像を観察し、全体的によい厚みの氷が張っているマイクログリッドの穴Ｇｈが多いグリッドスクエアＧｓ（＝図４に示すメッシュＭの四角い穴Ｍｈ）を探す。このとき、氷の厚さの良し悪しは、透過電子顕微鏡像中のグリッドスクエア部分Ｇｓ（＝Ｍｈ）の像の明るさで判断する。

適切な明るさのグリッドスクエアＧｓが見いだされると、個々のマイクログリッドの穴Ｇｈが識別できる程度の倍率に透過電子顕微鏡の光学系を設定し、個々のマイクログリッドＧの穴に張っている氷の厚みをその穴の部分の輝度から判断し、透過電子顕微鏡の倍率を撮影に適した高めの倍率にして、非点やフォーカスを調整した上で、良い厚さの氷のある穴を撮影する。後の解析のために、このとき同じ箇所を複数のデフォーカス値で撮影する。この撮影が終了すると、オペレータは、良い厚さの氷のある他の穴について、上記したと同じ手順により像の撮影を繰り返し、この操作を全体的によい厚さの氷があるグリッドスクエアＧｓ全てに対して繰り返す。

上記した手順で撮影した多数の像には、１枚の像につきいくつかの観察対象の粒子を含む。これらの像信号は、デジタイズされ、コンピュータに像データが転送されて、それぞれの像から一つ一つの粒子を抜き出して解析を行う。なお、図５（ａ）にメッシュＭの全体を、図５（ｂ）にはメッシュＭの拡大図を、図５（ｃ）にマイクログリッドＧを示している。マイクログリッドＧの穴Ｇｈ１は氷がない状態、Ｇｈ２は最適な厚さの氷、Ｇｈ３は薄すぎる氷、Ｇｈ４は厚すぎる氷が張られている。

上記した半導体デバイス試料の観察操作や、シングルパーティクル法のために多数の透過電子顕微鏡像を取得する操作は、主としてオペレータが手動で行っており、煩わしい作業であるため、操作を自動化することが望まれている。自動的に目的観察位置の透過電子顕微鏡像を取得するようにした例として、特許文献１、特許文献２を参照することができる。
特開２００２−２５４９１号公報 特開２０００−１００３６６号公報

上記背景技術の項で説明したように、半導体デバイス試料の検査や、シングルパーティクル法のために多数の透過電子顕微鏡像を取得する操作は、主としてオペレータが手動で行っており、煩わしい作業であるため、操作を自動化することが望まれている。自動的に目的観察位置の透過電子顕微鏡像を取得するようにした公知例として、特許文献１、特許文献２を挙げたが、いずれの特許文献に記載の方式も、基本的には、試料の広い観察領域全てについて高倍観察が必要であり、操作が一部自動化されているにしても、目的とする高倍の像取得に至るまで長時間を要することになる。

本発明は上記課題に鑑みてなされたもので、広い観察領域の中で目的とする観察領域を短時間に自動的に見いだし、所望の透過電子顕微鏡像を取得することができる透過電子顕微鏡システムを実現する。

請求項１の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、透過型電子顕微鏡の像倍率を所定の比較的低い倍率である第１の倍率に設定し、この倍率で観察対象の試料が部分的に載せられたメッシュを移動させて各視野の像を取得し、取得した多数の画像データをつなぎ合わせて、観察領域であるメッシュ全域の画像を表示させ、観察領域全域の像からより高い第２の倍率で観察すべき観察箇所を任意に指定できるように構成し、メッシュの移動や電子ビームの偏向により、指定された各観察箇所を自動的に順々に透過電子顕微鏡像の視野にして撮像し、第２の高い倍率で指定された観察箇所の像をディスプレイ上に表示し、あるいは、各試料箇所の画像データを記憶するように構成したことを特徴としている。

請求項２の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１の発明において、試料を、メッシュの上に設けられたカーボングリッドの上に載せられ、メッシュを移動ステージ上に取り付けたことを特徴としている。

請求項３の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１の発明において、試料は、メッシュの上に設けられたマイクログリッドに、試料となる粒子を包埋した氷を張るようにして作成されることを特徴としている。

請求項４の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜３の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させるように構成したことを特徴としている。

請求項５の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項５の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させ、判断された試料位置の像観察を順次自動的に行わせるように構成したことを特徴としている。

請求項６の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜５の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を観察する前に、各観察ごとあるいは一定の距離試料を移動させて観察するごと、観察領域に隣接した被観察領域に電子ビームを偏向し、偏向位置において電子ビームのフォーカス調整等の処理を行わせるように構成したことを特徴としている。

請求項７の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜６の発明において、コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域としたことを特徴としている。

請求項８の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項７の発明において、コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域とすると共に、観察領域に含まれるグリッドスクエアのいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察対象から外し、観察領域から外れていた観察領域のいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察領域に加えるように構成したことを特徴としている。

透過型電子顕微鏡の像倍率を所定の比較的低い倍率である第１の倍率に設定し、この倍率で観察対象の試料が部分的に載せられたメッシュを移動させて各視野の像を取得し、取得した多数の画像データをつなぎ合わせて、観察領域であるメッシュ全域の画像を表示させ、観察領域全域の像からより高い第２の倍率で観察すべき観察箇所を任意に指定できるように構成し、メッシュの移動や電子ビームの偏向により、指定された各観察箇所を自動的に順々に透過電子顕微鏡像の視野にして撮像し、第２の高い倍率で指定された観察箇所の像をディスプレイ上に表示し、あるいは、各試料箇所の画像データを記憶するように構成したことを特徴としている。このように構成したので、透過電子顕微鏡のオペレータは、像の撮影の諸条件を最初に設定するのみで、自動的に有用な視野の像を効率よく取得でき、オペレータの負担を軽減することができる。

請求項２の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１の発明において、試料を、メッシュの上に設けられたカーボングリッドの上に載せ、メッシュを移動ステージ上に取り付けたことを特徴としている。その結果、試料の周囲の部材を導電性の部材を用いたので、半導体デバイス試料などの分析・観察を試料周囲が帯電することなく、自動的に有用な視野の像を効率よく取得実行することができる。

請求項３の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１の発明において、試料は、メッシュの上に設けられたマイクログリッドに、試料となる粒子を包埋した氷を張るようにして作成されており、高分解能な画像をオペレータの介在を最小として収集することができる。試料粒子を破壊することなく観察や撮像ることを特徴としている。

請求項４の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜３の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させるように構成したことを特徴としており、自動的に目的とする試料を探し出し、試料の観察・画像データの取得を行うことできる。

請求項５の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項４の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させ、判断された試料位置の像観察を順次自動的に行わせるように構成したことを特徴としているので、自動的に目的とする試料を探し出し、試料の観察・画像データの取得を行うことできる。

請求項６の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜５の発明において、観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を観察する前に、各観察ごとあるいは一定の距離試料を移動させて観察するごと、観察領域に隣接した被観察領域に電子ビームを偏向し、偏向位置において電子ビームのフォーカス調整等の処理を行わせるように構成したことを特徴としており、自動的に目的とする試料を探し出し、試料の観察・画像データの取得を行うことできると共に、多数の試料の観察を行うことから、その観察の途中で電子ビームのフォーカス調整を行うので、常に高分解能の画像データを得ることができる。

請求項７の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項１〜６の発明において、コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域としたことを特徴としている。したがって、観察すべきグリッドスクエアを自動的に選択することができる。

請求項８の発明に基づく透過電子顕微鏡システムは、請求項７の発明において、コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域とすると共に、観察領域に含まれるグリッドスクエアのいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察対象から外し、観察領域から外れていた観察領域のいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察領域に加えるように構成したことを特徴としている。したがって、コンピュータが自動的に選択した観察領域の再選択を簡単に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図６は本発明に基づく透過電子顕微鏡システム構成図であり、１は透過電子顕微鏡本体である。詳細に各構成が示されていないが、透過電子顕微鏡１の内部の下方には、試料像を画像信号として取り込むＣＣＤカメラ２が配置されている。透過電子顕微鏡本体１の内部には、電子ビームを発生して加速させる電子銃、電子ビームを集束して試料に照射するためのコンデンサレンズ、更には対物レンズや投影レンズなどを含む、通常透過電子顕微鏡が有する電子光学系や、電子光学系の各レンズ等を制御する電源、試料ステージや試料移動機構、試料移動機構の制御部などの透過電子顕微鏡構成要素３が設けられている。

ＣＣＤカメラ２で取り込まれた画像信号は、画像取り込み用ケーブル４を介してコンピュータ５に接続されている。コンピュータ５と透過電子顕微鏡本体１内部の構成要素３の内、制御電源や制御部などの各制御要素との間は通信ケーブル６で接続されている。コンピュータ５内には、画像信号取り込み用インターフェースと、透過電子顕微鏡本体１の構成要素３中の制御要素との通信用のインターフェイスが備えられている。また、コンピュータ５にはディスプレイ７が接続されている。

更に、コンピュータ５内では本発明を実施するソフトウェアが動作し、ＣＣＤカメラ２で得られた映像信号に対して、画像処理により試料の位置決めを行ったり、画像・透過電子顕微鏡の構成要素３の設定条件・取得時刻などの付帯データをハードディスクなどの媒体に保存する。また、コンピュータ５は、ハードディスクなどの記憶媒体に保存されたデータをディスプレイ７に一覧表示して、オペレータに提供する。このような構成で半導体デバイス試料の検査を行う例について説明する。

まず、この実施の形態の概略を説明すると、最初に、図５（ａ）に示すような、メッシュＭ全体の中での試料の位置を特定するため、モンタージュ法を用いてメッシュ全体の画像を得る。オペレータは、半導体デバイス試料の検査を行うフローの開始時には、透過電子顕微鏡の倍率をそのために使用する低い倍率に設定し、フォーカス調整をしておく。メッシュの中で試料がどこにあるか求まったら、個々の試料全体を観察するのに適切な倍率で個々の試料の像を得る。更に、個々の試料それぞれに対して、その試料のどの部分を詳細に観察するかを決定し、決定された試料位置を高い倍率で撮影する。以下、図７のフロー図を参照して詳細に説明する。

ステップ１では、検査に必要なパラメータをオペレータがコンピュータ５のキーボードなどを用いて入力する。指定できるパラメータの例として、例えば、画像・透過電子顕微鏡の設定条件・取得時刻などの付帯データの内どれを保存するか、透過電子顕微鏡の倍率、その他の透過電子顕微鏡の条件などがある。なお、この段階で、透過電子顕微鏡像の観察のための試料作成処理が終了している。

すなわち、半導体デバイス試料を集束イオンビーム装置に導入し、欠陥検査箇所を含む部分に集束イオンビームを照射して削りだし、薄い半導体デバイス試料を作成する。通常半導体デバイス試料は複数作成され、各複数の半導体デバイス試料は、電子ビームが透過しないメッシュ部分を避け、メッシュによって囲まれた炭素膜だけの領域Ｍｈ（カーボングリッドＧｓ）に接着される。このようにして、試料をメッシュ上に貼付した後、メッシュは試料ホルダーが載せられた試料ステージによって透過電子顕微鏡の試料室に装填されている。

ステップ２では、コンピュータ５は、透過電子顕微鏡本体１内の構成要素３の内、比較的低い倍率で像を取得できるように各レンズ系を制御すると共に、メッシュが取り付けられた試料ホルダーの移動の量やＸ、Ｙ方向の移動回数、電子光学系の偏向系による電子ビームの偏向量を設定する。この場合、試料ホルダーの移動や電子ビームの偏向により、多数の透過電子顕微鏡像を取得することになるが、その理由は、倍率を低くしても、例えば、通常２００メッシュと呼ばれているメッシュでも、その直径は３ｍｍであり、そのようなメッシュ全体を１視野とすることができないことによる。

図８は、メッシュＭに対して設定される視野Ｖ１〜Ｖｎを示している。この各視野Ｖの大きさは、設定された透過電子顕微鏡の倍率により決定されるもので、コンピュータ５は、倍率とメッシュの大きさが設定されると視野ＶのＸ、Ｙ方向の長さを計算で求め、各視野において像の撮影が終了すると、１視野分の長さに対応した距離分、試料ホルダーを移動させて隣接視野を光軸の中心に移動させる。なお、視野の移動は、試料自体の機械的な移動だけではなく、偏向収差の影響が少ない範囲であれば、電子ビームの偏向により隣接視野の移動を行い、機械的な視野移動と電子ビームの偏向移動を組み合わせることによって、より短時間に全視野Ｖ１〜Ｖｎの像の撮影を行うことができる。なお、電子ビームの偏向は、試料の移動誤差の補正にも用いることができる。

第３ステップでは、ＣＣＤカメラ２からの各視野Ｖの画像信号をコンピュータ５に取り込み、取り込み時刻や試料位置（視野位置）などの付随データと共にハードディスクなどの媒体に保存する。この結果、全視野Ｖ１〜Ｖｎの画像信号がコンピュータ５内のハードディスクに取り込まれる。

第４ステップでは、メッシュＭ全域で画像信号が得られたかどうかをコンピュータ５が判断する。既にメッシュ全域で画像が取り込まれていれば、ステップ５に進む。逆にまだ取り込まれていない領域（視野）が残っていれば、ステップ２に戻り、取り残された領域にステージを移動させ、その領域の画像を取り込む。

ステップ５では、試料位置解析が行われる。コンピュータ５は、ステップ３において得られた画像に対して画像処理を施し、メッシュの中でどの位置に試料があるかを判断する。また、メッシュ全域と、コンピュータ５が判断した試料の位置の両者を重ねて俯瞰する画像をディスプレイ７に表示する。

ステップ６では、コンピュータ５が透過電子顕微鏡本体１内の構成要素３の内の電子光学系を制御して倍率を変更する。この倍率は、後述するステップ１０の操作を行うのに適切な高い倍率である。なお、この倍率の具体的な値は、ステップ１でオペレータが指定する。この倍率を変更した際、必要に応じて電子ビームのフォーカス調整がコンピュータ５の制御の下に自動的に行われる。この自動フォーカス調整は、既知の方法によって行うことができ、その詳細な説明は省略する。

また、フォーカス調整を行う際には、電子ビームを若干偏向して電子ビームを隣接する試料がないカーボングリッドに照射して行うことが望ましい。このような電子ビームの照射により、試料に必要以上の電子ビームを照射することが防止でき、試料が電子ビームの照射によって過度に加熱され、破壊や変形することを防止できる。なお、自動的なフォーカス調整を異なったカーボングリッドに電子ビームを偏向して行うようにしたが、同じカーボングリッド内であっても、電子ビーム照射により、試料に熱の影響を及ぼすことが極めて少ない領域があれば、そのような領域で自動フォーカス調整を行うことができる。

ステップ７は視野移動を行うステップであり、コンピュータ５は構成要素３に含まれるステージ移動機構を制御して、ステージ（ステージに取り付けられた試料ホルダー上のメッシュ）を移動させ、更に電子ビームの偏向系を制御して、ステップ５で得た試料位置を含む視野を自動的に設定する。視野移動は、ステップ５で得た全ての試料位置に対して行われ、各試料位置を含む視野において、カメラ２により、透過電子顕微鏡像が取得される。

ステップ８では、ステップ７で移動された各視野において、カメラ２からの画像信号をコンピュータ５に取り込み、取り込み時刻や試料位置などの付随データと共に、ハードディスクなどの媒体に保存する。

ステップ９では、コンピュータ５は、ステップ５で判断した全ての試料位置において、画像信号を取得したかどうかを判断する。既に全ての試料位置において画像信号を取り込んでいれば、ステップ１０に進む。その一方、取り込むべき試料位置が残っていれば、ステップ７に戻り、残された試料位置で画像信号の取得を行う。

ステップ１０においては、試料中の観察位置を指定する。コンピュータ５は、ステップ８で得られた個々の試料の画像をディスプレイ上に表示する。オペレータは、個々の試料に対して、その試料の中で詳細な観察をすべき箇所をマウスによるクリックなどで指定する。もしくは、ステップ１で設定された内容にしたがって、個々の試料中のどの部分を詳細に観察するかをコンピュータが自動的に判断する。

ステップ１１で、コンピュータ５は、透過電子顕微鏡本体１内の構成要素３中の電子光学系を制御し、倍率を調整する。この倍率は、試料の観察位置を詳細に観察するために適切な高い倍率であり、ステップ１でオペレータが指定するパラメータの一つである。

ステップ１２においては、観察視野の移動とオートフォーカス動作を実行する。コンピュータ５は、構成要素３中のステージ駆動機構や電子ビームの偏向系を制御し、ステップ１０で指定された観察位置を臨む視野を自動で設定し、オートフォーカス動作を実行する。このフォーカス調整を行う際には、電子ビームを若干偏向して電子ビームを試料が貼付されたカーボングリッドと隣接する試料がないカーボングリッド領域に照射して行うことが望ましい。このような電子ビームの照射により、試料に必要以上の電子ビームを照射することが防止でき、試料が電子ビームの照射によって過度に加熱され、破壊や変形することを防止できる。なお、電子ビームの調整を行う場所は、試料が貼付されたカーボングリッドと隣接する試料がないカーボングリッド領域に限定されず、隣接していないカーボングリッドを選択してもよく、また、試料が貼付されたカーボングリッド中の試料から離れた領域で行っても良い。

ステップ１３においては、ステップ１２で視野の移動が行われた都度、カメラ２からの画像信号をコンピュータ５に取り込み、取り込み時刻や試料位置などの付随データと共に、ハードディスクなどの記憶媒体に保存する。

ステップ１４においては、ステップ１３で指定した試料領域の全てについて、所定の画像信号を取り込んだかどうかの判断が行われる。既に全ての試料位置において画像信号を取り込んでいれば、ステップ１５に進む。一方、まだ取り込むべき試料位置が残っていれば、ステップ１２に戻る。

ステップ１５においては、ステップ１３において取り込まれた画像信号に基づき、指定した試料位置の透過電子顕微鏡像がディスプレイ７に表示される。この際、ディスプレイ７に表示される画像としては、複数の指定試料位置において取得された各画像の縮小画像が撮影時刻などのデータと共に表示される。オペレータは、このような画像を観察し、表示画像の間引きを行ったり、特定の縮小画像をクリックすることによって、その縮小画像の元画像のみをディスプレイ７に表示したりする。また、特定の画像データが取得された試料位置を透過電子顕微鏡の視野に移動させ、同じ視野の生の像をディスプレイ７上に表示させることもできる。このような操作をオペレータが行うことにより、半導体デバイス試料の微細な欠陥部分の詳細な検査を行うことができる。

次に、本発明の２番目の実施の形態について説明する。この実施の形態では、タンパク質やウィルスの構造を決定するために最適な透過電子顕微鏡システムの一つを示している。シングルパーティクル法に本発明を適用している。この方法を実施するためのシステム構成は、１番目の実施の形態で用いた、図６に示すシステム構成と同じである。この構成によりシングルパーティクル法を実施するためのフローを図８に示すフロー図を参照して説明する。

まず、ステップ１として、コンピュータ５に、目的とする透過電子顕微鏡像を撮影するために必要なパラメータがオペレータによって、キーボードなどを用いてコンピュータ５に入力される。入力するパラメータの例としては、例えば以下に（１）〜（６）に示すようなものがある。

（１）として撮影を行う際の倍率。（２）として撮影を行うときの画像記録媒体。例えば、スロースキャンＣＣＤカメラなどを通じて直接デジタル画像をコンピュータ５に取り込むか、フィルムを感光させるかなど。（３）として、フォーカスを合わせた後に、どのデフォーカス値で撮影を行うか。例えば、個々の撮影位置ごとに、１μｍのアンダーフォーカス、１．５μｍのアンダーフォーカス、２μｍのアンダーフォーカス、２．５μｍのアンダーフォーカスの４つのデフォーカス値で撮影を行いたい場合には、それらの値を指定する。

（４）として、マイクログリッドの穴の内部の輝度が、どの程度であるときに、良い厚みの氷だと判断するかの値。（５）として、自動的なフォーカス合わせを行う頻度。（６）として、一枚の像の撮影にかける電子ビームの露光時間。

以上のようなパラメータが入力された後、ステップ２として、像の撮影を行うグリッドスクエアＧｓの指定が行われる。この指定は、コンピュータ５によって、透過電子顕微鏡本体１内部の構成要素３（電子光学系やステージの移動機構などの機械系の構成要素が含まれている。）を制御することによって、試料全体の像をモンタージュ法によりディスプレイ７上に表示する。

このモンタージュ法により試料全体の像を表示させる方法は、第１の実施の形態で説明したと同様な方法が用いられる。すなわち、コンピュータ５は、透過電子顕微鏡本体１内の構成要素３の内、比較的低い倍率で像を取得できるように各レンズ系を制御すると共に、メッシュが取り付けられた試料ホルダーの移動の量やＸ、Ｙ方向の移動回数、電子光学系の偏向系による電子ビームの偏向量を設定する。この場合、試料ホルダーの移動や電子ビームの偏向により、多数の透過電子顕微鏡像を取得することになるが、その理由は、倍率を低くしても、例えば、通常２００メッシュと呼ばれているメッシュでも、その直径は３ｍｍであり、そのようなメッシュ全体を１視野とすることができないことによる。

この実施の形態でも、図７に示すように、メッシュＭに対して視野Ｖ１〜Ｖｎが設定される。この各視野Ｖの大きさは、設定された透過電子顕微鏡の倍率により決定されるもので、コンピュータ５は、倍率とメッシュの大きさが設定されると視野ＶのＸ、Ｙ方向の長さを計算で求め、各視野において像の撮影が終了すると、１視野分の長さに対応した距離分、試料ホルダーを移動させて隣接視野を光軸の中心に移動させる。なお、視野の移動は、試料自体の機械的な移動だけではなく、偏向収差の影響が少ない範囲であれば、電子ビームの偏向により隣接視野の移動を行い、機械的な視野移動と電子ビームの偏向移動を組み合わせることによって、より短時間に全視野Ｖ１〜Ｖｎの像の撮影を行うことができる。なお、電子ビームの偏向は、試料の移動誤差の補正にも用いることができる。

このように、モンタージュ法により試料全体の像をディスプレイ７上に表示することができる。オペレータは、ディスプレイ上の像を観察し、多数存在するグリッドスクエアＧｓの中で、像の撮影を行うグリッドスクエアＧｓを指定する。この指定は、例えば、図８によって説明する以下のような方法を用いることができる。

この方法では、コンピュータ５はディスプレイ７上に試料全体の像を表示する。コンピュータ５は同時に、２つの閾値を設定できるインターフェイス１１をオペレータが使用できるように構成されている。インターフェイス１１として、２つの閾値を設定するための２つのガイドレールＬ１，Ｌ２を移動するスライドＳＲ１，ＳＲ２がディスプレイ上に表示されている。オペレータは、スライダＳＲ１，ＳＲ２をそれぞれマウスでクリックし、ガイドレールＬ１，Ｌ２上を移動させることによって、２つの閾値を指定する。

コンピュータ５は、試料全体の像において、個々のグリッドスクエアＧｓごとに平均輝度を計算し、その輝度値がオペレータの指定した２つの閾値の中に入っているものは、撮影対象となるグリッドスクエアと判断し、試料全体の像の該当するグリッドスクエアにマークＸを表示する。オペレータは、このようにして、コンピュータ５が撮影領域として判断した各領域（グリッドスクエアＧｓ）を認識することができる。

ここで、インターフェイス１１のスライドＳＲ１，ＳＲ２をガイドレール上で移動させれば、オペレータが像の観察とその画像データの収集を希望する平均輝度値を有したグリッドスクエアＧｓを選択することができる。更に、試料全体の像中の個々のグリッドスクエアをマウスなどのポインティングデバイスによって指し示すことで、Ｘマークが付されたグリッドスクエアは観察対象から外され、逆に、Ｘマークが付されていないグリッドスクエアには、Ｘマークが付されて観察対象とすることができる。このような構成とすることにより、コンピュータにより一律に選ばれたグリッドスクエアについて、オペレータが希望するグリッドスクエアについてのみ詳細な観察対象とすることができる。

ステップ３では、粒子解析と解析結果の保存である。コンピュータ５は、ステップ２で指定したグリッドスクエアの画像を収集中である旨表示し、その間透過型電子顕微鏡の試料ステージを操作して試料の移動を行い、指定された解析対象のグリッドスクエアの一つを透過型電子顕微鏡の光軸上に配置する。コンピュータは、光軸上に配置されたグリッドスクエア内の個々のマイクログリッドの穴を認識し、それぞれの位置と穴の中の平均輝度を計測する。

計測された平均輝度が、オペレータが指定した閾値（ステップ１で指定された値）内にあるものについて、その穴の部分をオペレータがステップ１で事前に指定した倍率で撮影を行う。撮影媒体としては、ステップ１でオペレータが事前に指定した媒体が使用される。例えば、スロースキャンＣＣＤカメラが指定されていた場合には、コンピュータは、透過型電子顕微鏡に組み込まれたカメラ２から像信号を取り込み、ハードディスクに保存する。また、オペレータがフィルムを指定した場合、コンピュータは、透過型電子顕微鏡に付属している写真撮影装置でフィルムを感光させる。このようにして像の撮影が行われる。

像の撮影は、ステップ１でオペレータが設定した全てのでフォーカス値に対して行われる。なお、撮影の直前に自動フォーカス合わせを行うかどうかは、ステップ１でオペレータが指定したフォーカス合わせの頻度に依存する。例えば、オペレータが１箇所の撮影につき１回フォーカス合わせを行うように指定した場合、コンピュータは、１箇所の撮影ごとに１回のフォーカス合わせを自動的に行う。

オペレータが、５μｍの距離を超える位置を撮影するごとに、１回のフォーカス合わせを行うように指定した場合、コンピュータシステムは、フォーカス合わせを行った後、その位置から半径５μｍ以内の距離にある撮影対象のマイクログリッドの穴の撮影を全て終えるまで、改めてフォーカス合わせは行わない。このような撮影動作の途中でも、システムはオペレータからの一時停止や中止の指示を受け付けることができ、これらの指示があった場合は、動作を一時停止したり中止したりする。

また、システムは、撮影中の像のドリフト（試料移動）を測定する。ドリフトの測定は、例えば、像をカメラから取り込んでその１秒後にもう一度取り込み、これらの２枚の像の間の移動量を画像処理などを用いて計測することで可能となる。コンピュータシステムは、ドリフトの速度と方向をこのようにして測定し、ドリフトが収まるまで撮影動作を一時的にストップするか、透過型電子顕微鏡のステージに高速で高精度の移動機構（例えばピエゾ素子）が組み込まれている場合には、このドリフトを打ち消す方向にステージを移動させ、ドリフトの影響を解消させる。

本発明は、半導体デバイスを製造する産業や、タンパク質やウイルスの構造を決定する研究開発の分野等で利用される。

メッシュ上のカーボングリッド上に貼付された半導体デバイス試料を示す図である。 多数の透過像から、粒子の三次元構造を推定する概念図である。 マイクログリッドの模式図である。 メッシュの模式図である。 メッシュ、メッシュの穴、マイクログリッドの穴の関係を示す図である。 本発明に基づく透過型電子顕微鏡システムの構成図である。 本発明に基づく透過型電子顕微鏡システムを用いた像観察の一例を示すフロー図である。 メッシュ全体のモンタージュ写真を取得するための説明図である。 本発明に基づく透過型電子顕微鏡システムを用いた像観察の他の例を示すフロー図である。 観察するグリッドスクエアを指定する際のディスプレイとインターフェイスを示す図である。

符号の説明

１ 透過電子顕微鏡本体
２ ＣＣＤカメラ
３ 電子光学系、試料移動機構等の構成要素
４ 画像取り込み用ケーブル
５ コンピュータ
６ 透過電子顕微鏡本体とコンピュータの通信を行うケーブル

Claims (8)

1. 透過型電子顕微鏡の像倍率を第１の倍率に設定し、この倍率で観察対象の試料が部分的に載せられたメッシュを移動させて各視野の像を取得し、取得した多数の画像データをつなぎ合わせて、観察領域であるメッシュ全域の画像を表示させ、観察領域全域の像からより高い第２の倍率で観察すべき観察箇所を任意に指定できるように構成し、メッシュの移動や電子ビームの偏向により、指定された各観察箇所を自動的に順々に透過電子顕微鏡像の視野にして撮像し、第２の高い倍率で指定された観察箇所の像をディスプレイ上に表示し、あるいは、各試料箇所の画像データを記憶するように構成した透過型電子顕微鏡システム。
2. 試料は、メッシュの上に設けられたカーボングリッドの上に載せられ、メッシュを移動ステージ上に取り付けた請求項１記載の透過型電子顕微鏡システム。
3. 試料は、メッシュの上に設けられたマイクログリッドに、試料となる粒子を包埋した氷を張るようにして作成される請求項１記載の透過型電子顕微鏡システム。
4. 観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させるように構成した請求項１〜３記載の透過型電子顕微鏡システム。
5. 観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させ、判断された試料位置の像観察を順次自動的に行わせるように構成した請求項４記載の透過型電子顕微鏡システム。
6. 観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を観察する前に、各観察ごとあるいは一定の距離試料を移動させて観察するごと、観察領域に隣接した被観察領域に電子ビームを偏向し、偏向位置において電子ビームのフォーカス調整等の処理を行わせるように構成した請求項１〜５記載の透過型電子顕微鏡システム。
7. コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域とした請求項１〜６記載の透過型電子顕微鏡システム。
8. コンピュータはメッシュで囲まれた各グリッドスクエアの平均輝度値を計算し、設定された２種の閾値の間の輝度値を有したグリッドスクエアを観察領域とすると共に、観察領域に含まれるグリッドスクエアのいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察対象から外し、観察領域から外れていた観察領域のいずれかを特定することにより、当該グリッドスクエアを観察領域に加えるように構成した請求項７記載の透過型電子顕微鏡システム。
   観察領域全域の像からより高い倍率で観察すべき試料箇所を画像処理により判断させるように構成した請求項１〜３記載の透過型電子顕微鏡システム。

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