JP2006164861A - 走査干渉電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の検出手法では、干渉縞の検出において、
（１）設定及び調節が複雑で困難。
（２）位相像と振幅像を同時に表示できない。
（３）電子線の検出効率が低い。
という問題があった。
【解決手段】走査干渉電子顕微鏡において、電子線干渉縞の検出効率を上げ、ユーザが簡単に最良の条件で、試料の微小領域の電気的及び磁気的情報を高Ｓ／Ｎ比の走査像として観察できる走査干渉電子顕微鏡を実現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は電子線の干渉を利用して物質あるいは真空中の電磁場を計測する電子顕微鏡などの電子ビーム装置に関する。

電子線ホログラフィー法、あるいは干渉電子顕微鏡法は試料による電子線の位相変化を計測することにより、物質あるいは真空中の電磁場を定量的に計測する手法であり、電子源で発生させた電子ビームをバイプリズムにより複数の電子ビームに分離し、分離した電子ビームを試料に入射し、試料を透過した電子線を検出することにより、干渉像を取得する手法である。このような走査干渉電子顕微鏡は、例えば、特開平８−４５４６５号公報や特開平９−１３４６８７号公報に開示されている。

電子線ホログラフィー法はその方式によって走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ；Scanning Transmission Electron Microscope）型の干渉電子顕微鏡と透過電子顕微鏡（ＴＥＭ；Transmission Electron Microscope）型の干渉電子顕微鏡法に分類される。ＳＴＥＭ型の干渉電子顕微鏡法は、ＴＥＭ型の干渉電子顕微鏡法と比較して、
（１）ＳＴＥＭ型干渉電子顕微鏡法では、オンラインかつリアルタイムでの位相画像表示が可能であること
（２）走査電子線照射により発生する特性Ｘ線等の検出など、分析画像と干渉画像の同時表示が可能であること。
（３）収束電子線のスポット径で空間分解能が決まるため、空間分解能の制御性が良いこと、等の利点がある。

試料内の電磁場は、検出された干渉像を画像解析して干渉縞の位相変化量、すなわち干渉縞の山と谷の位置の位置ずれ量を計測することで推定することができる。干渉縞の位相変化量を迅速に計測する手法としては、例えばLeuthnerらの方法があり、特開平９−１３４６８７号公報に開示された発明でも、Leuthnerらの方法を用いて位相変化量を計算している。Leuthnerの手法では、くし形スリットを通過した電子線を電子線強度検出器で検出し、検出された電子線の強度信号を位相情報に変換することで、試料の位相画像を取得する。以下では、図２(a)(b)を用いてLeuthnerの手法を詳しく説明する。

図２(a)(b)は電子線の干渉縞とスリット及び電子線強度検出器との相対関係を示す模式図である。図２（a)(b)において、４６がスリット、５０が電子線強度検出器を示す。４８および４９は、スリットに到達した電子線の干渉縞を示し、図２（a)が、スリット開孔部と干渉縞の山の位置が一致している場合、図２（b)が、スリット開孔部と干渉縞の谷の位置が一致している場合に対応する。干渉縞４８ないし４９の縦軸は電子線の強度に相当する。Leuthnerらの方法を実行する場合、まず、干渉縞の方向とスリットの方向を合わせる。通常は、装置ユーザが干渉縞の画像を目視により観察し、得られた干渉縞の縞の向きとスリット開孔の向き及びくし形スリット自体の位置を、装置ユーザが同じく手動で調節する。

干渉縞の方向とスリットの方向が一致した状態で干渉縞を検出すると、干渉縞の山と谷のスリットに対する位置により、検出される電子線強度が変化する。図２（ａ）の場合、スリット４６を通過する電子線量は最大となり、図２（ｂ）の場合、スリット４６を通過する電子線量は最小となる。よって、検出器５０で検出される電子線量をその最大値と最小値の間で規格化すれば、検出電子線量を位相変化量の余弦値に変換できることになる。すなわち、スリット４６を通過した干渉縞の電子線量が最大の時、試料による位相変化は０±２π×ｎであり、また、スリット４６を通過した電子線量が最小の時、試料による位相変化はπ±２π×ｎである。一般には、試料の無い状態、あるいは分離した２つの電子線が両方とも真空を通過するような条件で形成される干渉縞の山と谷の検出強度になるように、スリット４６の開孔部の向きとスリット４６の位置とを調節する。スリット４６を通過した電子線量をその最大値と最小値の間で規格化した値を位相変化量の余弦値として表示、或いは位相変化量０とπの間の値に変換して表示をおこなうことで、試料の位相情報を有する像を表示することが可能になる。

特開平８−０４５４６５号公報

特開平９−１３４６９７号公報 Ｔｈ． Ｌｅｕｔｈｎｅｒ， Ｈ． Ｌｉｃｈｔｅ， ａｎｄ Ｋ．−Ｈ．Ｈｅｒｒｍａｎｎ： "ＳＴＥＭ−Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｉｐｒｉｓｍ"， Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔ． Ｓｏｌ． （ａ） １１６， １１３（１９８９）．

走査干渉電子顕微鏡において得られる走査位相情報像のＳ／Ｎ比は、検出する電子線強度が強いほど高く、電子線干渉縞を検出器に有効に入射させることが、明瞭な走査像を得るためには重要である。Leuthnerらの手法を用いた従来の走査干渉電子顕微鏡では、以下のような問題点がある。
（１）設定及び調節が複雑で困難である。
（２）位相像と振幅像を同時に表示できない。
（３）電子線の検出効率が低い。

上記（１）については、スリットと干渉縞の相対的方向及び位置の調整を手動で行なっていることに起因する。スリットの間隔と干渉縞の間隔、および両者の方向を一致させるための調整は、結像系レンズで１０００倍程度に拡大した干渉縞を蛍光板で目視により観察し、スリットの位置と方向を手動で行なっている。拡大によって干渉縞の強度が弱くなるため、調節には熟練と経験を要し、正確な調節が困難である。

上記（２）に記載の手法では、検出器が１個であるため、通常の電子顕微鏡像に対応する振幅像と位相像とのどちらかを選択して表示する必要があり、同時に表示できない。通常の電子顕微鏡像から得られる構造情報と位相像から得られる電磁場の情報とを同時に観察できることは、観察者にとって大きな利便性がある。

上記（３）については、スリットを通過した電子線だけを検出器に入れるため、スリットで遮蔽される電子線は使われていないことが理由である。スリットにより遮蔽される電子線が有効に利用できていないため、検出感度または検出精度向上に限界がある。一方、干渉縞の全画像を取り込んで、すなわち、全ての電子を検出して、高速な演算器により処理をおこなうことも可能であるが、演算器に転送する時間、演算処理に要する時間、及び表示メモリに転送する時間などが膨大となり、実時間で位相像を表示できるというＳＴＥＭ型干渉電子顕微鏡法の利点が失われる。
本発明は、設定、調節が容易、かつ高感度な走査干渉電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明は、１対の多画素により構成される電子線検出器により電子線の干渉縞を検出することにより、前記課題を解決する。すなわち、本検出器の出力は２次元のひとつの1次元方向に積分した値を各画素の値とする１次元干渉縞画像である。
また、本発明では該検出器を外部より制御可能な回転台に載せることにより、干渉縞の拡大率、検出器の回転方向を自動的に調整し、最も効率の高い条件で干渉縞の検出をおこなうことができる。

本発明によれば、電子線の干渉縞を非対称的積分検出器により検出し、高速かつ容易に調整でき、最適な条件で検出をおこなうことができる。したがって、Ｓ／Ｎ比の高い走査像を得ることができる。また１対の検出器を用いることで振幅と位相の同時表示が可能となる。さらに、従来例と異なり、スリットを使用しないので干渉縞を形成する全電子を利用することができ、検出効率が高い。

本実施例では、本実施例をＳＴＥＭに適用した実施例について説明する。図１は本実施例のＳＴＥＭの構成例を示す。本実施例のＳＴＥＭは、大きく分けると、電子銃３８、照射系３９、試料室４０、結像系４２、検出系、制御系等により構成される。

本実施例のＳＴＥＭの電子銃38は、電子源１、第一引き出し電極２、第二引き出し電極３、加速電極４等により構成される。また、照射系３９は、電子線バイプリズム７，コンデンサ絞り８、第一コンデンサレンズ９、第二コンデンサレンズ１０、走査コイル１１、対物前磁場レンズ１３、対物後磁場レンス１６等により構成される。なお、細かくは図示されていないが、バイプリズム７にはバイプリズム駆動手段３５が備えられており、バイプリズム７は可動式になっている。
結像系４１及び検出系４２は、二次電子検出器１２、電子線整形器１９、一段もしくは多段の結像系レンズ２０、検出器２３、回転台２４、回転台移動機構３７等により構成される。二次電子検出器１２に加えて、反射電子検出器を備えていても良い、
また、制御系は、ＣＰＵ２５、メモリ２６，表示装置２７、Ｄ／Ａ変換器２８、２９，信号演算器３２等により構成される。Ｄ／Ａ変換器２８は、電子光学系及び結像系の各構成要素へ、信号伝送線により接続されており、ＣＰＵ２５からの制御信号は、当該信号伝送線を経由して、各構成要素へ伝達される。また、図示されてはいないが、表示装置２７には、キーボード、マウスなどの情報入力手段が備わっており、装置ユーザは、当該情報入力手段を入力インタフェースとして、所望の情報を装置へ入力する。ＣＰＵ２５、Ｄ／Ａ変換器２８、信号演算器３２は、制御用コンピュータとして一つの筐体内に収められる場合もある。３０および３1は回転台２４に装着され、それぞれ回転台２４の回転駆動装置と回転角度検出装置である。また、３７は本発明において用いられる検出器２３および回転台２４を移動させ、他の検出器と入れ替えるための回転台移動機構である。
１５は試料ステージであり、矢印で示されるステージ駆動手段により、Ｘ，Ｙ面内及びＺ方向に移動することができる。

最初に、電子光学系の動作について説明する。電子源１と第１コンデンサレンズ９の間に電子線バイプリズム７を挿入し、これに電圧を印加することにより電子線を２つの仮想光源６に分離する。分離した２つの電子線は第１コンデンサレンズ９、第２コンデンサレンズ１０さらに対物前磁場レンズ１３を用いて各々収束され、試料面１５上に２つの微小スポット１４を形成する。この時、２つの微小スポットの片方が試料を通過し、他方は試料近傍の真空を通過するように調節しておく。ここで、２つの微小スポットの分離幅は電子線バイプリズム７に印加する電圧に比例して大きくなる。

本実施例では電子線バイプリズム７に印加する電圧と電子線走査コイル１１に印加する電圧とを観察する像の倍率に応じて連動させるようにする。この連動はＣＰＵ２５により自動的におこなわれるが、もちろん手動でも設定できる。この連動は、電子線バイプリズムによる電子線の偏向角と電子光学系から計算した試料面上における２つの微小スポットの分離幅が、各倍率における収束電子線のスポット径に予め定められた倍数を乗算した相対値、あるいは各倍率の値に反比例した絶対値のいずれかになるように電子線バイプリズムの電圧を設定することにより実現される。

さて、試料より下の任意の面において試料を通過した電子線と真空を通過した電子線が重なり合うことによって干渉縞１７が生じるが、これを結像系レンズ２０により拡大して、拡大した干渉縞２１を観察面２２に置いた検出器２３により記録する。一般に電子線を走査コイル１１により走査すると干渉縞全体が移動するが、結像系レンズ２０の物面を電子線走査のピボット面１８に調節しておけば、電子線走査によって干渉縞全体が移動することはなくなる。ここで、「ピボット面」とは電子線の偏向支点で電子線を走査しても不動となる電子光学面のことを示す。

ここで結像系レンズ２０は検出器の解像度に応じて１段でもよいし、あるいは多段のレンズの組み合わせでもよい。本実施例においては検出器２３は外部から制御可能な回転台２４の上に置く。さらに、電子線バイプリズム７と検出器２３及び回転台２４はそれぞれ可動機構３５および可動機構３７によって電子線の通路から外すことが可能で、通常の走査透過型電子顕微鏡としての動作を妨げるものではないが、もちろん走査干渉電子顕微鏡専用機として用いることも可能である。また、多重極子から成る電子線整形器１９を用いると、干渉縞の像が干渉縞に平行な方向に圧縮され電子線の強度が上がるため好ましい。

次に、図３を用いて、図１に示したＳＴＥＭを用いた干渉縞の観察方法について説明する。
まず、ステップ30０で、試料を試料ステージ１５に載置し、真空容器内に搬入する。次に、ステップ３０１で、加速電極４に所定電圧を印加し、電子源１で発生した電子線を加速する。ステップ３０２では第一引き出し電極２および第二引き出し電極３に適当な電圧を印加することにより電界放出電流を引き出す。

ステップ３０３では、バイプリズム駆動手段３５を駆動して、バイプリズム７を所定位置まで移動する。ステップ３０４ではバイプリズムの回転機構および試料の回転機構を使用して試料の端とバイプリズムの方向が平行となるように調整する。

ステップ３０５で、モニタ２７は、観察倍率の指定画面になり、装置ユーザは、ＧＵＩやキーボードなどの入力手段で、装置に観察倍率を入力する。ＣＰＵ２６は、入力された観察倍率を元に、バイプリズムに印加する電圧を決定し、バイプリズム７へ伝達する。ＣＰＵ２６で決定された印加電圧は、Ｄ／Ａコンバータ２８によりアナログ制御信号に変換され、図示されていないバイプリズム用の駆動電源に入力され、ステップ３０６が実行される。

次に、ステップ３０７では、拡大レンズ＊及び電子線成型器１９の調整が実行される。すなわち、拡大レンズ２０の倍率を適度に調整し、ピボット面１８における干渉縞１７を適度に拡大された干渉縞２１に変換し、さらにこの干渉縞２１を電子線整形器１９を調整して干渉縞２１が縞に平行な方向に圧縮されるようにする。

このようにしてステップ３０８として干渉縞形成が完了し、ステップ３０９において干渉縞２１を検出器２３から入力する。本発明においては１対の検出器を用いているので入力は1次元画像３３または1次元画像３４となる。
ステップ３１０では入力した干渉縞画像を演算器３２により1次元フーリエ変換し、その結果からＣＰＵ２５は現在の回転台２４の回転角度とピーク位置、すなわちピークを与える空間周波数とピーク強度とを記憶装置２６に記憶する。回転台２４の回転角度は回転台２４に装備された回転検出器３１の出力をＡ／Ｄ変換器２９によりＣＰＵ２５に入力することによって得られる。

ステップ３１１では回転台２４の現在の回転角度が最適かを評価する。すなわち、最大１８０度にわたる各回転角度に対応した各ピーク強度を記憶装置２６から呼び出し、現在の回転角度に対応したピーク強度がその中で最大値を与えるかどうかを評価する。まだ、最大１８０度にわたる回転角度に対応するデータが得られていないか、または現在の回転角度が最適でない場合にはステップ３１２に進み、回転角度を予め設定された角度だけ変化させる。この操作はＣＰＵ２５によって、Ｄ／Ａ変換器２８を通して、回転台２４に装備された回転駆動装置３０に信号を入力することによっておこなわれる。ここで再度ステップ３１０に戻り、回転角度が最適となるまでステップ３１１およびステップ３１２が繰り返される。

検出器の回転角度が最適と判断された場合、ステップ３１３において倍率が最適かどうかを判断する。すなわち、ステップ３１０において記憶されたピーク位置が予め設定した空間周波数の範囲にわたって走査され、かつピーク強度がその中で最大を与えるものであるかどうかを評価する。上記のいずれか一方に該当しない場合にはステップ３０７に戻り、拡大レンズの倍率を予め設定された値だけ変化させ、ステップ３０８からステップ３１３までを繰り返す。

ステップ３１３において倍率が最適であると判断された場合にはステップ３１４に進み、試料の観察をおこない、ステップ３１５で観察終了となる。
図４は、図１のＳＴＥＭの結像系と制御系要部を示す図であり、図３に示した動作フローは、図４に示した構成要素によって実行される。
図４において、引出番号６３が結像レンズ系６２を通過して回転台６６へ到達した電子線の干渉縞である。回転台６６上には、１対の非対称的２次元多画素積分検出器６４および６５が載置されている。ここで「非対称的２次元多画素積分検出器」とは、２次元の多画素より成る検出器であって、その片方の次元における画素数と他の片方の次元における画素数との比が２以上であって、かつその画素数の少ない次元に沿って積分した値を画素数の多い次元に沿った画素ごとの値として出力することを特長とする検出器である。この機能はハードウェアで実現してもよいし、あるいはソフトウェアで実現してもよい。

積分検出器６４および６５は、多数の電子検出素子により構成されており、各々の素子により検出された信号は、それぞれ逐次積分方向に沿った方向に積分され、最終的に１次元の画像として出力される。本実施例では、積分検出器６４からの出力信号を位相検出用、積分検出器６５からの出力信号を振幅検出用として使用することを想定しており、図中ではそれぞれＰ，Ａの記号で示されている。

積分検出器６４および６５には、各々信号伝送線６７，６８が接続されており、信号演算器６９に接続されている。伝送線６７を通る信号は位相検出用信号、伝送線６８を通る信号は振幅検出用信号であり、図４中では、それぞれＤＰ、ＤＡと表記されている。信号演算器６９を通過した信号は、最終的にＣＰＵ７０に入力され、所定の演算処理を施された後、表示手段７６に表示される。Ｄ／Ａ変換器７１は、ＣＰＵ７０からの試料台６６の回転角情報をアナログの制御信号に変換し、試料台６６の回転微調整機構７４に伝達するために、あるいは電子線整形器６１、結像レンズ系６２設けられる。またＡ／Ｄ変換器７２は試料台の回転を検知するセンサ７４からの信号をＣＰＵ７０で処理可能なデジタルデータに変換するために設けられる。

次に、検出器の位置合せフローについて詳述する。試料の観察に先立ってまず干渉縞を本走査干渉顕微鏡の光軸中央に置かれた検出器上に形成する必要がある。これは結像系レンズの機械的軸調整及び照射系に組み込まれた電子線偏向コイルの調整によっておこなうことができる。しかる後に本発明において用いられる検出器の長軸方向に沿って干渉縞が形成されるよう調整する必要がある。（干渉縞の方向と非対称的２次元多画素積分検出器の方向とを相対的に調整する必要がある。）
ここで、電子線の干渉縞の方向及び検出器の方向は以下のように定義する。すなわち、電子線の干渉縞は電子線の強度の大小がある特定の１次元方向に正弦波状に繰り返されるパターンであるが、該１次元方向を干渉縞の方向と定義する。また、非対称的２次元多画素積分検出器の方向とはその長軸方向と定義する。このように定義された干渉縞の方向と検出器の方向は以下のような手順でおこなうことで、精密におこなうことができる。この手順を、同じく図４を用いて説明する。

まず、干渉縞６３を適当な条件で検出器６４及び検出器６５に入射する。位相検出用検出器６４の出力である１次元画像信号ＤＰ６７あるいは振幅検出用検出器６５の出力である１次元画像信号ＤＡ６８を、信号演算器６９により１次元高速フーリエ変換、即ち空間周波数スペクトルに変換する。スペクトルを表示装置７６上に表示すると、干渉縞の方向と検出器の方向が一致している場合にはスペクトルに明瞭なピーク７７が観察される。信号演算器６９は、専用ボードを用いてハードウェア的に実現しても良いし、ＣＰＵ７０によりフーリエ変換のソフトウェアを実行させることで実現しても良い。

そこで、回転台６６に、角度センサ７４などの回転角度検知手段を設け、回転台６５の回転開始からの回転角度を角度信号として出力し、Ａ／Ｄ変換器７２を経由して、ＣＰＵ７０へ入力する。
ＣＰＵ７０は、信号変換器６９からの入力される位相信号をＡ／Ｄ変換器７２からの角度信号と同期させて表示手段７６へ表示する。これにより、表示手段７６には、グラフ７８に示すような、スペクトルのピーク強度の回転台の回転角依存性を示すデータが表示される。検出器を回転しながらピークの高さを観察すると、最も良く方向が一致した場合にピーク強度が最大となり、ピーク強度が最大となる角度を積分検出器６４，６５の最適配置角度と決定する。最適配置角度の決定に際しては、装置ユーザが選択しても良いし、装置が最適なピークを自動的に選択するように制御しても構わない。

装置ユーザ自身が最適なピークを選択する場合には、グラフ７８の横軸の範囲内で回転台の回転が終了すると、装置がユーザの入力待ち状態となるように装置を制御する。入力待ち状態になると、装置は、表示画面７６に表示されたグラフ７８から最適と思われるピークをマウスやキーボード等の入力手段で選択して最適なピークの情報を装置に入力する。装置ユーザによって入力された最適ピークの情報はＣＰＵ７０に伝達され、ＣＰＵ７０は、入力情報を元に最適ピークの回転角度を表示画像（グラフ７８）から読み取り、Ｄ／Ａ変換器７１に最適な角度情報を伝達する。回転台６６に設置された制御手段７３へ最適角度をフィードバックする。回転台の制御手段は、フィードバックされた角度情報を元に回転台を回転させ、積分検出器６４，６５の配置角度を最適化する。

装置が全自動で積分検出器の配置角度を最適化する場合には、ＣＰＵ７０がグラフ７８から最適なピークを自動的に読み取り、Ｄ／Ａ変換器７１経由で回転台制御手段７３へフィードバックする。この場合、回転台の終了後、ユーザの入力待ち状態となるように装置を制御する必要はなく、回転台の終了直後に、最適ピークの自動読み取りを開始して良い。なお、以上記述した干渉縞の最適配置角度の調整開始前に、予め検出器の中心と干渉縞の中心がほぼ一致するように調節しておく必要があることはいうまでもない。

ここで、本実施例で用いる非対称的２次元多画素積分検出器の場合には干渉縞を干渉縞に平行な方向に積分するために、干渉縞の方向が検出器の方向と極めて良く一致していないと明瞭なピークが得られないため、精密に方向を合わせることが可能になる。また、積分することによりＳＮ比も良好となり、さらに精密に方向を合わせることができる。このような手順により、干渉縞の方向と検出器の方向を高い精度で合わせることが可能となる。

次に重要な調節事項は干渉縞の縞間隔、あるいは干渉縞の拡大倍率と、検出器の画素サイズとの調整である。図５は一定の条件で形成された電子線干渉縞を拡大倍率のみを変えて高解像度フィルムに記録したものである。フィルムの解像度は最小で約３ミクロンの縞間隔を有する干渉縞を記録できるものを使用した。拡大倍率をフィルム上で干渉縞間隔が３３ミクロン、１３ミクロン、９ミクロン、５．５ミクロン、３．８ミクロンとなるように小さくしていくと同じ黒化度を得るために必要な露出時間は２４０秒、１２０秒、６０秒、８秒、４秒と少なくなっていく。これらの条件で記録した干渉縞を干渉縞の縞に平行な方向に積分したプロファイル（図５右列）を見ると干渉縞間隔が５．５ミクロンで露出時間が８秒の時に最も高いコントラストが得られていることがわかる。このように干渉縞を記録するためには拡大倍率をなるべく小さくするのが良いが、干渉縞間隔が検出器（この場合はフィルム）の解像度の限界に近づくと逆に、干渉縞の山と谷が記録できないために、コントラストが低下する。

以上のことはすなわち、干渉縞の検出には検出器の解像度に応じた最良の縞間隔となるように拡大して記録するのが良いということである。そこで、本実施例では図４で示したように拡大レンズ６２および電子線整形器６１をＣＰＵ７０およびＤ／Ａ変換器７１によって制御して、検出器の方向を合わせた手順と同じ手順で干渉縞の１次元フーリエ変換におけるピークの位置と高さを調節する。調節は、次の手順で行なう。

まず、干渉縞６３の間隔が検出器６４あるいは検出器６５の画素の大きさに比して十分大きい条件で、検出器中央に入射するように拡大レンズ６２を調整する。また、電子線整形器６１を調節して干渉縞に平行な方向に干渉縞を圧縮する。しかる後に検出器の方向を上述したような手順により干渉縞の方向に対して最適化する。このとき、最適な条件における干渉縞の空間周波数スペクトルのピーク値を記憶装置７５に記憶しておく。次に、拡大レンズ７１の倍率を小さくして同じ手順を繰り返し、拡大レンズ７１の電流値に対応した順次スペクトルのピークを記憶していく。しかる後に横軸に拡大レンズ７１の電流値、縦軸にスペクトルのピーク値をプロットすると拡大レンズ７１の最適倍率でスペクトルのピーク値は最大となるので、拡大レンズ７１および電子線整形器６１を本条件に設定し、調整を終了する。

以上のようにして、最良の条件で干渉縞を検出することができる。もちろん、これらの調整手順をプログラムしておき、自動的におこなうこともできる。上で述べた干渉縞の方向を合わせる手順は、検出器を回転する以外に電子線バイプリズムを電子線の進行方向に垂直な平面内で回転する機構を微調整することによっても可能であることはいうまでもない。

さて、このようにして干渉縞の検出を最良の条件に設定した後、振幅像と位相像を同時に得る手順について図６を用いて説明する。なお、図６において、ハッチングを施した矩形状の図形は、ディジタルの出力信号をイメージしたものである。まず、振幅像であるが、予め試料がない状態または電子線バイプリズムで分離した２つのスポットが試料面で両方とも真空を通過する条件で非対称的２次元多画素積分検出器による出力信号を記憶手段に記憶しておき、ＤＡ０−ｉｎ８０とする。次に片方のスポットが試料を通過し、他の片方が真空を通過する条件における非対称的２次元多画素積分検出器の出力信号ＤＡ−ｉｎ７９を取得し、加算装置８１により両者を加算し、出力信号ＤＡ−ｉｎ＋Ａ０−ｉｎ８２を得る。

さらにこれを全画素にわたって積分した値を出力信号ＩＡ−ＯＵＴ８３とする。この出力信号ＩＡ−ＯＵＴ８３は通常の電子顕微鏡像の振幅像に対応する。本実施例では、振幅像の取得と並行して、もう一つの非対称的２次元多画素積分検出器を用いて位相像を同時に取得する。すなわち、振幅像を取得したときと同様に予め試料がない状態または電子線バイプリズムで分離した２つのスポットが試料面で両方とも真空を通過する条件で非対称的２次元多画素積分検出器による出力信号を記憶しておき、ＤＰ０−ｉｎ８５とする。

次に片方のスポットが試料を通過し、他の片方が真空を通過する条件における非対称的２次元多画素積分検出器の出力信号ＤＰ−ｉｎ８４を取得し、加算装置８６により両者を加算した１次元画像ＤＰ−ｉｎ＋Ｐ０−ｉｎ８７を得る。ここで１次元画像ＤＰ−ｉｎ＋Ｐ０−ｉｎ８７の各画素のうち、あるしきい値以上の値のみを残し、他はゼロとする演算器８９により、あるしきい値以上の値をもった画素のみが残った１次元画像ＤＰ−ＯＵＴ９０を得る。ここでしきい値はユーザによって任意に設定された１次元画像ＤＰ−ＴＨ８８を用いてもよいし、あるいは振幅像の出力信号ＩＡ−ＯＵＴ８３の平均値を各画素の値にもつ１次元画像ＤＰ−ＴＨ８８を用いてもよい。こうして設定をおこなった１次元画像ＤＰ−ＯＵＴ９０の各画素の値を全画素にわたって積分した値を出力信号ＩＰ−ＯＵＴ９１とすれば、これが位相の余弦値に対応する像の出力信号となる。もちろん、さらに変換をおこなって位相の値に対応する像を出力信号してもよいことはいうまでもない。
なお、図１に示したＳＴＥＭの構成では、以上で記述した記憶装置、加算装置８６、演算器８９は、各々記憶装置２６、ＣＰＵ２５、及び信号演算器３２に対応する。

このように本実施例では振幅像と位相像とを同時に取得できるが、両者を同時に表示するためには表示装置の画面に独立に表示してもよいし、あるいは図７に示すように振幅の信号ＩＡ−ＯＵＴ９４をＬｉｇｈｔｎｅｓｓ値に対応させ、位相の余弦値に対応する信号ＩＰ−ＯＵＴ９５或いはさらに位相の値に変換した信号をＨＬＳカラーモデルのＨｕｅ値に対応させ、これを変換器９６によってＲＧＢモデルに変換して表示装置９７上に表示することによって、同一の画面に位相像と振幅像を重ねて表示させることができる。同時に表示することにより、振幅像からわかる試料の構造と位相像からわかる試料の電位分布あるいは磁場分布とを重ね合わせて観察することができ、両者を対応付けて観察することが容易になる。

図８に本実施例の一実施例を示した。本実施例は本実施例を半導体トランジスタのドーパントプロファイル評価に応用したものである。まず、試料のない状態で電子線バイプリズムに電圧を印加し、結像レンズで拡大した干渉縞を非対称的２次元多画素積分検出器に入射させる。然る後に偏向コイルにより電子ビームを偏向させることによって、図８（ａ）で示すような配置とする。ここで２つに分離した電子線スポット９８および９９を一方は試料近傍の真空を、別の片方は試料を通過するように調節しておく。次に２つに分離した電子線スポットを走査方向１００に走査しながら所定の走査距離毎に干渉縞を取得する。図８（ｂ）では半導体薄膜試料の中央部まで電子線を走査させた時点での試料と電子線スポットとの相対関係を示す。さらに走査をおこない、所望の範囲まで電子ビームの走査をおこなった後（図８（ｃ））、逐次取得した電子線の位相の余弦値或いはこれを位相に変換した値に対応する画像から領域１０７におけるドーパントプロファイルに対応した画像を得ることができる。

図９には別の実施例を示した。ＳＴＥＭを磁性薄膜の磁区構造評価に応用したものである。まず、試料のない状態で電子線バイプリズムに電圧を印加し、結像レンズで拡大した干渉縞を非対称的２次元多画素積分検出器に入射させる。然る後に偏向コイルにより電子ビームを偏向させることによって、図９（ａ）で示すような配置とする。ここで２つに分離した電子線スポット１０８および１０９を一方は試料近傍の真空を、別の片方は試料を通過するように調節しておく。

次に２つに分離した電子線スポットを走査方向１１０に走査しながら所定の走査距離毎に干渉縞を取得する。図９（ｂ）では半導体薄膜試料の中央部まで電子線を走査させた時点での試料と電子線スポットとの相対関係を示す。さらに走査をおこない、所望の範囲まで電子ビームの走査をおこなった後（図９（ｃ））、磁性薄膜１１２における磁区構造１１３及び近傍の真空１１１における漏洩磁場に対応する等高線表示１１９および１２０を得ることができる。なお、本実施例では位相の余弦値を位相に変換した値ではなく、位相の余弦値を出力することで直接、磁力線に対応する表示が得られる。

本発明は、微小領域の電気的及び磁気的特性の評価に用いる走査干渉電子顕微鏡に関するものである。

本発明の実施方法を説明する図。 従来の実施方法における検出方法を説明する図。 本発明における干渉縞の方向と検出器の方向を最適に調整する手順を説明するフローチャート。 本発明における干渉縞の方向と検出器の方向を最適に調整する手順を説明する図。 干渉縞の縞間隔、コントラストの拡大倍率による変化を説明する図。 本発明における検出原理を説明する図。 本発明における表示方法を説明する図。 本発明における半導体ドーパントプロファイル観察の一実施例を説明する図。 本発明における磁性薄膜中の磁区構造観察の一実施例を説明する図。

符号の説明

１：電子源、２：第一引き出し電極、３：第二引き出し電極、４：加速電極、５：仮想電子源、６：２つに分離した仮想電子源、７：電子線バイプリズム、８：コンデンサ絞り、９：第一コンデンサレンズ、１０：第二コンデンサレンズ、１１：走査コイル、１２：二次電子検出器、１３：対物前磁場レンズ、１４：試料面上の分離した２つの収束電子線スポット、１５：試料、１６：対物後磁場レンス、１７：干渉縞、１８：走査のピボット面、１９：電子線整形器、２０：結像系レンズ（一段もしくは多段）、２１：拡大された干渉縞、２２：観察面、２３：非対称的二次元多画素積分検出器、２４：回転台、２５：ＣＰＵ、２６：メモリ、２７：表示装置、２８：Ｄ／Ａ変換器、２９：Ａ／Ｄ変換器、30：試料台微動機構、31：試料台微動センサ、３２：信号演算器、３31対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの入力１次元画像、３４：１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの入力１次元画像、３５：電子線バイプリズム可動機構、３６：試料微動機構、３７：非対称的２次元多画素積分検出器および回転台の可動機構、３８：電子銃、３９：照射系、４０：試料、４１：結像系、４２：検出系、４３：くし型スリット、４４：電子線強度検出器、４５：山がスリットの開孔部に対応する干渉縞、４６：くし型スリット、４７：谷がスリットの開孔部に対応する干渉縞、４８：くし型スリットを通過した電子線、４９：くし型スリットを通過した電子線、５０：電子線強度検出器、５１：電子線強度検出器で検出される電流（高）、５２：電子線強度検出器で検出される電流（低）、５３：干渉縞、５４：１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器、５５：１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器、５６：積分方向、５７：１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの積分方向５６に沿った積分後の１次元出力画像、５８：１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの積分方向５６に沿った積分後の１次元出力画像、５９：干渉縞、６０：走査のピボット面、６１：電子線整形器、６２：結像系レンズ(１段または多段)、６３：拡大された干渉縞、６４：１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器、６５：１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器、６６：回転台、６７：１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの１次元入力画像、６８：１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの１次元入力画像Ａ／Ｄ、６９：信号演算器、７０：ＣＰＵ、７１：Ｄ／Ａ変換器、７２：Ａ／Ｄ変換器、７３：回転台の回転微調整機構、７４：回転台の回転角度センサ、７５：記憶装置、７６：表示装置、７７：１次元入力画像６８または６９の１次元フーリエ変換強度におけるピーク、７８：１次元フーリエ変換強度のピーク７７の大きさの非対称的２次元多画素積分検出器の回転角θに対する変化を示すグラフ、７９：収束電子線の片方が真空、もう片方が試料を照射した状態で取得した１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの１次元入力画像、８０：収束電子線の片方が真空、もう片方も真空を照射した状態で取得した１対のうち片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの１次元入力画像、８１：互いに対応する画素毎に積算をおこなう演算器、８２：１次元入力画像７９と１次元入力画像８０とを対応する画素毎に加算した１次元画像、８31次元画像８２の全画素を積分した出力値である振幅信号、８４：収束電子線の片方が真空、もう片方が試料を照射した状態で取得した１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素積分検出器からの１次元入力画像、８５：収束電子線の片方が真空、もう片方も真空を照射した状態で取得した１対のうち他の片方の非対称的２次元多画素検出器からの１次元入力画像、８６：互いに対応する画素毎に積算をおこなう演算器、８７：１次元入力画像８４と１次元入力画像８５を対応する画素毎に積算した１次元画像、８８：しきい値を決める１次元画像、８９：１次元画像８７の各画素ごとに１次元出力画像８８の各画素のしきい値よりも大きい値のみを通過させる演算器、９０：演算器８９を通した１次元画像、９１：１次元画像９０の全画素を積分した出力値である位相信号、９２：信号変換器、９３：入力信号、９４：振幅信号、９５：位相信号、９６：ＨＬＳモデルからＲＧＢモデルへの信号変換器、９７：表示装置、９８：走査開始時において真空を通過する収束電子線スポット、９９：走査開始時において半導体薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１００：収束電子線スポットの走査方向、１０１：半導体薄膜試料、１０２：観察したい半導体薄膜中のドーピング領域、１０３：走査途中において真空を通過する収束電子線スポット、１０４：走査途中において半導体薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１０５：走査終了時において真空を通過する収束電子線スポット、１０６：走査終了時において半導体薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１０７：半導体薄膜中のドーパント分布に対応した電子線の位相変化分布、１０８：走査開始時において真空を通過する収束電子線スポット、１０９：走査開始時において磁性薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１１０：収束電子線スポットの走査方向、１１１：真空、１１２：磁性薄膜試料、１１３：磁性薄膜中の磁区構造、１１４：磁性薄膜中の磁区構造境界、１１５：走査途中において真空を通過する収束電子線スポット、１１６：走査途中において磁性薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１１７：走査終了時において真空を通過する収束電子線スポット、１１８：走査終了時において磁性薄膜試料を通過する収束電子線スポット、１１９：磁性薄膜磁区構造中の磁力線に対応した電子線の位相変化の等高線、１２０：磁性薄膜試料近傍の真空における漏洩磁力線に対応した電子線の位相変化の等高線。

Claims (8)

1. 試料ステージと、
   該試料ステージに載置される試料に対して電子線を照射するための電子光学系と、前記走査により試料から発生する電子を検出するための結像系とを備え、
   前記電子光学系は、
   電子銃と、
   該電子銃で発生した電子線を２つの光路に分離する手段と、
   該光路が分離された電子線の一方を前記試料上で走査する手段とを備え、
   前記結像系は、該電子線走査により試料を透過した電子線と、他の光軸を通過した電子線との干渉縞を検出する非対称的２次元検出器を備えることを特徴とする走査干渉顕微鏡。
2. 試料ステージと、
   該試料ステージに載置される試料に対して電子線を走査させる手段と、
   該試料の透過電子に対して干渉縞を発生させる手段と、
   該干渉縞を検出するための非対称的２次元検出器を備えることを特徴とする走査干渉顕微鏡。
3. 請求項１または２に記載の走査干渉顕微鏡において、
   前記非対称的２次元検出器は、複数の電子線検出素子からなり、前記干渉縞に平行な方向に積分した値を各素子の値として出力することを特徴とする走査干渉電子顕微鏡。
4. 請求項１または２に記載の走査干渉顕微鏡において、
   試料ステージの駆動手段と、該ステージ駆動手段の制御手段とを備え、
   該制御手段は、前記試料上を走査される電子線とは異なるもう一方の電子線の光路が、試料を透過しない位置を通過するように前記試料ステージ駆動手段を制御することを特徴とする走査干渉電子顕微鏡。
5. 請求項３に記載の走査干渉顕微鏡において、
   上記２つに分離した電子線が双方共に真空領域を通過する１次元干渉縞画像を保持する手段と、試料領域の１次元干渉縞画像を保持する手段、およびこれら両者を各画素ごとに積算した１次元干渉縞画像を保持する手段を有し、
   さらに該積算した１次元干渉縞画像の全画素にわたって積分した値を電子線の走査に対応した２次元画像の各画素における振幅信号として出力し、別の片方の１次元干渉縞画像に関しては、真空領域の１次元干渉縞画像を保持する手段と試料領域の１次元干渉縞画像を保持する手段、およびこれら両者を各画素ごとに積算した１次元干渉縞画像を保持する手段を有し、該積算した１次元干渉縞画像の各画素ごとに一定のしきい値以上の値を有する画素のみの値を保持し、他はゼロとする演算をおこなう手段を有し、さらに該演算をおこなった１次元干渉縞画像の全画素にわたって積分した値を電子線の走査に対応した２次元画像の各画素における位相の余弦値に対応する信号或いは位相値に変換した信号として出力することを特徴とする走査干渉電子顕微鏡。
6. 上記請求項１に記載された非対称的２次元多画素積分検出器が２次元平面内において回転可能であることを特徴とし、該検出器上で干渉縞を形成する条件を自動的に調整することができる手段を有する走査干渉電子顕微鏡。
7. 電子線プリズムに印加する電圧と電子線走査コイルに印加する電圧を像倍率に応じて連動させることを特徴とする走査干渉電子顕微鏡。
8. 上記手段によって検出した位相の余弦値に対応する信号或いは位相値に変換した信号の最小値から最大値にＨＬＳカラーモデルのＨｕｅ値の０から１を対応させ、振幅信号の最小値から最大値にはＨＬＳカラーモデルのＬｉｇｈｔｎｅｓｓ値の０から１を対応させて表示することによって通常の電子顕微鏡画像に対応する振幅情報に位相情報を同時に重ねて表示することを可能にする表示方法及び装置。