JP2007128807A - 電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法に関し、希望する試料上の単位面積当たりの電子数で写真撮影することができる電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法を提供する。
【解決手段】蛍光板６から流れる電流を測定する電流計８と、該電流計８の出力を受けて、所定の制御動作を行なう制御装置９と、該制御装置９にコマンドを入力する入力装置１０とを具備し、前記制御装置９で、試料１４を外した状態で前記レンズ系の設定値と前記電流計８の出力とから単位面積あたりの第１の電流量を求めて前記制御装置９内のメモリ９ａに記憶する処理を繰り返し、単位面積あたりの電子数と、露光時間から試料面での単位面積あたりの第２の電流量を求め、第２の電流量から前記記憶されている第１の電流量の内、同じ値のものを読み出し、その時のレンズ系の設定値と集束レンズ絞り１３を再現し、試料を配置した状態で試料像の観察を行なう。
【選択図】図１

Description

本発明は電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法に関し、更に詳しくは、透過電子顕微鏡において、写真撮影の露光時間及び／又は照射条件の設定を簡易に行えるようにして操作性を向上させた電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法に関する。

図３は従来装置の構成例を示す図である。図において、１は電子線を出射する電子銃、２は該電子線を集束する集束レンズ、３は集束レンズ２の後段の試料ステージ（図示せず）上に配置された試料、４は該試料３を透過した試料像を集束する対物レンズ、５は対物レンズ４を透過した試料像を結像する結像レンズ、６は該結像レンズ５からの試料像を受けて、発光し試料像を視覚化する蛍光板、７は蛍光板６を外した状態で結像レンズ５からの試料像を記録するフィルムである。

８は蛍光板６に流れる電流を検出する電流計、９は電流計８からの測定電流値を受け取り、該電流値に応じて各レンズ系を制御する制御装置、１０は該制御装置９に各種のコマンドを入力する入力装置である。制御装置９としては、例えばコンピュータが用いられ、入力装置１０としては、例えばキーボード、マウス等が用いられる。

このように構成された装置において、電子銃１から出射された電子線は、試料に照射する電子線のスポットサイズ、照射角、照射領域、明るさを可変する複数段からなる集束レンズ２を通って試料３に照射される。該試料３に照射された電子線は、試料により散乱やエネルギー吸収の影響を受けて試料を透過し、像を拡大する対物レンズ４、結像レンズ５を通って蛍光板６に照射される。この一連の動作により、蛍光板６上で像観察が可能になる。

写真撮影時には、蛍光板６が光軸から外され、フィルム７に電子線が照射されることで試料像を記録している。このようにして、試料像をフィルム７に記録することが可能となるが、より良い像を得るためには、最適な露光時間で像をフィルム７に記録する必要がある。

そのため、写真撮影直前の蛍光板６が光軸から外される前に、試料３を透過し、対物レンズ４、結像レンズ５を通った試料像を蛍光板６が捕らえることで電子線量を電流計８で測定し、その電子線量から求められる最適な露光時間を制御装置９で自動設定し、写真撮影を行なっている。露光時間の設定を行わない場合には、ユーザが最適となるように露光時間を入力装置１０から設定して写真撮影を行なっている。

従来のこの種の装置としては、試料を透過した電子線により試料像を写真撮影する装置で、試料像の部分的な電子線の強度を検出し、該電子線の強度に基づいて露光時間を設定し、該露光時間に基づいて写真撮影をする装置が知られている（例えば特許文献１参照）。また、試料への電子線照射によって、試料から放出される電子を検出し、当該検出された電子に基づいてパターン幅ｄのパターンを含む領域を表示する試料像表示方法であって、前記パターン幅がｄからΔｄだけ増大するまでの電子線の照射時間を計測し、計測された照射時間、観察倍率及び電子線のプローブ電流に基づいて、前記試料へ電子線照射が可能な残り時間を表示する技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、試料への照射領域はレンズ条件から求め、電流量は電流計で測定して、同一アドレスにおける単位面積当たりの照射量を算出する技術が知られている（例えば特許文献３参照）。
特開２００１−２３５６１号公報（段落０００８〜００１５、図３） 特許第３５０５０１３号公報（段落００１５〜００２０、図１、図２） 特開平９−６９３４９号公報（段落００１０〜００２０、図１、図２）

電子線照射に弱い生物試料等の写真撮影の場合には、試料が電子線から受けるダメージが重要である。そのため、写真撮影に最適な露光時間は試料上に照射される電子線の単位面積当たりの電子数から決める必要がある。しかしながら、電子顕微鏡が自動設定する露光時間は、試料を通過した後の電子線を蛍光板で捕らえることで設定されるので、試料上でのものを求めることができない。

更に、試料を透過した後の電子線は、試料により散乱、吸収の影響を受けるために、試料に照射される電子線を測定しているものではない。そのため、最適条件を確認するためには、写真撮影時に露光時間を手動設定しなければならず、毎回その条件となるように照射条件を設定する必要があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、希望する試料上の単位面積当たりの電子数で写真撮影することができる電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、電子線を発生する電子銃と、第１集束レンズと、第２集束レンズと、集束レンズ絞りと、試料ステージと、対物レンズと、結像レンズと、蛍光板と、記録装置とからなる透過型電子顕微鏡において、前記蛍光板から流れる電流を測定する電流計と、該電流計の出力を受けて、所定の制御動作を行なう制御装置と、該制御装置にコマンドを入力する入力装置とを具備し、前記制御装置で、試料を外した状態で前記レンズ系の設定値と前記電流計の出力とから単位面積あたりの第１の電流量を求めて前記制御装置内のメモリに記憶する処理を繰り返し、単位面積あたりの電子数と、露光時間から試料面での単位面積あたりの第２の電流量を求め、第２の電流量から前記記憶されている第１の電流量の内、同じ値のものを読み出し、その時のレンズ系の設定値と集束レンズ絞りを再現し、試料を配置した状態で試料像の観察を行なうようにしたことを特徴とする。
（２）請求項２記載の発明は、前記電流計としてファラデーケージを用い、該ファラデーケージを試料面上又は対物レンズの像面又は結像レンズ下の何れかに設置することを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、希望する試料上の単位面積当たりの電子数で写真撮影することができる電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法を提供することができる。
（２）請求項２記載の発明によれば、電流計としてファラデーケージを使用することで、流れる電流値を複数の箇所で測定することができるようになる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１は電子線を照射する電子銃、１１は該電子銃１から受けた電子線を集束する第１集束レンズ、１２は該第１集束レンズ１１を透過した電子線を集束する第２集束レンズ、１３は該第２集束レンズ１２の下に配置される集束レンズ絞り、１４は該集束レンズ絞り１３の下に配置された試料である。該試料１４は図示しない試料ステージの上に載置されるようになっている。

４は試料１４を透過した試料像を拡大する対物レンズ、１５は該対物レンズ５の下に配置されたシャッタ、６は結像レンズ５を透過した試料像を受けて発光し、試料像を視覚化する蛍光板、７は蛍光板６が光軸から外れた状態で試料像を記録する記録装置である。該記録装置としては、例えば図３に示すようなフィルムが用いられる。８は蛍光板６から流れる電流を測定する電流計、９は該電流計８の測定した電流値を受けて、所定の演算処理を行ない、レンズ系及びシャッタ１５の制御を行なう制御装置、１０は制御装置９と接続され、各種コマンド等を入力する入力装置である。制御装置９において、９ａは各種の情報を記憶するメモリである。

電子銃１からは電子線が発生する。第１集束レンズ１１は、１段或いは２段の磁界レンズからなり、それぞれの磁界レンズの強さを変えることができ、電子線の大きさを表わすスポットサイズを変更する。第２集束レンズ１２は、１段のレンズからなり、試料１４上の照射領域を変えることができ、それにより試料に照射される電子密度を可変させる。

集束レンズ絞り１３の絞り径は、複数の絞り径の中から選択することができ、これにより、試料１４に照射される電子の総量を変更することができる。第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及び集束レンズ絞り１３を組み合わせることで、試料１４への照射条件である試料１４に照射する電子線のスポットサイズ，照射角，照射領域，明るさを可変することができる。

対物レンズ４は像の焦点合わせ、像の拡大を行なう。結像レンズ５は、複数段の磁界レンズから構成され、それぞれの磁界レンズの強さを変え組み合わせることで、拡大像の倍率を可変することができる。蛍光板６上では、試料１４を透過した電子線の拡大像を観察する。蛍光板６には、電流計８が接続されていて、蛍光板６が捕らえる電子線の電流量を測定する。記録装置７は、拡大像や電子解析像の記録を行なう。

これらの構成要素には、電子顕微鏡を制御する制御装置９が接続されており、この制御装置９により、集束レンズ１１，１２、対物レンズ４，結像レンズ５の磁界レンズの強さがコントロールされ、集束レンズ絞り１３の絞り径が選択される。制御装置９には、電子顕微鏡にコマンドや各種情報を入力する入力装置１０が接続されている。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

試料１４を光軸から外し、試料による影響を受けていない電子線を蛍光板６で捕らえられるようにする。入力装置１０から第２集束レンズ可変ステップを入力し、電子線電流密度測定を開始する。なお、可変ステップは必ずしもオペレータが入力するのではなく、制御装置９から予め決められたステップが入力されるようになっていてもよい。

動作を開始すると、制御装置９は先ず集束レンズ絞り１３を所定のものに選択設定し、次に第１集束レンズ１１を設定する。次に入力した第２集束レンズ可変ステップに従い第２集束レンズを最小値から可変し、それぞれの場合に蛍光板６で捕らえられた電子線量を蛍光板６に接続された電流計８で測定する。次に、下記式により試料上の単位面積当たりの電流量に換算する。

Ｉ＝ｉ・Ｍ²／Ｓ （１）
ここで、Ｉは試料上での単位面積当たりの電流量、ｉは蛍光板６が捕らえた電子線量を電流計８が読み取った値、Ｓは蛍光板６の面積、Ｍは対物レンズ４と結像レンズ５が蛍光板６上に作る倍率である。

制御装置９は、換算した試料上での単位面積当たりの電流量と、それを得た時の第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及び集束レンズ絞り１３のそれぞれの設定値をメモリ９ａに記憶する。

第２集束レンズ１２の設定値が最大になったら、第１集束レンズ１１の設定値を変更し、再度第２集束レンズを可変して測定する。このような動作を繰り返し、第１集束レンズ１１が設定可能な全ての状態を測定したら、集束レンズ絞り１３を変更し、同様の動作を行なう。これを繰り返し、集束レンズ絞り１３と第１集束レンズ１１の全ての組み合わせに対して第２集束レンズ１２を可変し、試料１４上での単位面積当たりの電流量を（１）式により算出し、メモリ９ａに記憶する。
（動作１）
入力装置１０から試料上の単位面積当たりの電子数と露光時間を入力する。単位面積当たりの電子数と、露光時間は予め分かっている値の組み合わせであり、オペレータが選択する。しかしながら、必ずしもオペレータが入力しなければならないものではなく、制御装置９のメモリ９ａに予めこれらの値を記憶しておき、記憶したものの中から自動的に所定の値を選択するようにしてもよい。

以下の式から試料上での単位面積当たりの電流量を算出する。
Ｉ＝ｅ・ｃ／ｔ （２）
ここで、Ｉは試料上での単位面積当たりの電流量、ｅは試料上での単位面積当たりの電子数、ｃは電気素量、ｔは露光時間である。

（２）式から得られた値と、メモリ９ａに記憶している値（（１）式で求めた値）とを比較し、同じ値になるものを抽出する。抽出したデータから１つを写真撮影条件としてオペレータが選択する。選択した値はメモリ９ａに記憶される。

次に、光軸に試料１４を挿入し、撮影視野を選択する。そして、制御装置９のメモリ９ａに記憶されている撮影条件を呼び出し、写真撮影を行なう。この結果、選択した照射条件である第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及びレンズ絞り１３の設定状態が再現され、入力した露光時間で写真撮影を行なう。即ち、制御装置９は、シャッタ１５を設定した露光時間だけ開放して写真撮影を行なう。これにより、希望する試料上の単位面積当たりの電子数での写真撮影が可能となる。
（動作２）
試料１４を光軸に挿入し、試料１４への照射条件である第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及び集束レンズ絞り１３の値を設定する。ここで、オペレータが入力装置１０から単位面積当たりの電子数を入力する。照射条件から上記（動作１）で記憶した試料上での単位面積当たりの電流量を引き出し、（２）式から露光時間を算出する。

そして、その値を露光時間として設定し、この時の照射条件である第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及び集束レンズ絞り１３の値をメモリ９ａに記憶する。この条件で写真撮影を行えば、設定した照射条件である第１集束レンズ１１，第２集束レンズ１２及び集束レンズ絞り１３の状態が再現され、算出した露光時間で写真撮影を行なう。露光時間はシャッタ１５の開放時間で決められる。これにより、希望する試料上の単位面積当たりの電子数での写真撮影が可能となる。

図２は本発明の第２の実施の形態例の動作説明図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。この実施の形態例は、蛍光板で電子線を捕らえて電流量を測定する代わりにファラデーケージ（図示せず）で電流量を測定するようにしたものである。ファラデーケージを試料面に設置して測定した場合（Ａ）と、対物レンズの像面に設置して測定した場合（Ｂ）と、結像レンズ下に設置した場合（Ｃ）のそれぞれについて動作を説明する。
（ａ）試料面上で測定した場合
図１に示す第１の実施の形態例の（１）式の対物レンズ４と結像レンズ５が作る倍率ＭをＭ＝１、ｉをファラデーケージで測定した電流量、Ｓをファラデーケージの受光面にして計算する。他の動作については、第１の実施の形態例の蛍光板で測定する電流量を試料面上でファラデーケージで測定する電流量にすれば同様である。写真撮影時にはファラデーケージは光軸から外して試料を挿入して写真撮影を行なう。
（ｂ）対物レンズの像面で測定した場合
第１の実施の形態例の（１）式の対物レンズ４と結像レンズ５が作る予め制御装置９に入力してある倍率Ｍｏにし、ファラデーケージで測定した電流量をｉ、ファラデーケージの受光部の面積をＳとして計算する。他の動作については、第１の実施の形態例の蛍光板で測定する電流量を試料面上でファラデーケージで測定する電流量にすれば同様である。写真撮影時にはファラデーケージは光軸から外して試料を挿入して写真撮影を行なう。
（ｃ）結像レンズ下で測定した場合
第１の実施の形態例の（１）式における対物レンズと結像レンズが作る倍率を以下の式で表されるＭｆにし、ファラデーケージで測定した電流量をｉ、ファラデーケージの受光部の面積をＳとして計算する。

Ｍｆ＝Ｌｆ・Ｍ／Ｌ （３）
ここで、Ｌｆは最終の結像レンズからファラデーケージまでの距離、Ｌは蛍光板までの距離である。他は、第１の実施の形態例の蛍光板で測定する電流量を結像レンズ下でファラデーケージで測定する電流量にすれば、同様の動作が行なえる。写真撮影時には、ファラデーケージは光軸から外し、試料を挿入して写真撮影を行なう。

本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
１）電子線照射密度を自動で測定するようになり、操作が容易になる。
２）希望する試料上の単位面積あたりの電子数と露光時間を入力することで、照射条件を抽出、設定するようになったので、容易に希望する試料上の単位面積あたりの電子数で写真撮影することができるようになる。
３）照射条件を設定し、希望する試料上の単位面積あたりの電子数を入力すると、自動で露光時間を算出し、写真撮影時に自動設定するので、容易に希望する試料上の単位面積あたりの電子数で写真撮影することができるようになる。

本発明の第１の実施の形態例を示す構成図である。 本発明の第２の実施の形態例の動作説明図である。 従来装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１ 電子銃
４ 対物レンズ
５ 結像レンズ
６ 蛍光板
７ 記録装置
８ 電流計
９ 制御装置
９ａ メモリ
１０ 入力装置
１１ 第１集束レンズ
１２ 第２集束レンズ
１３ 集束レンズ絞り
１４ 試料
１５ シャッタ

Claims (2)

1. 電子線を発生する電子銃と、第１集束レンズと、第２集束レンズと、集束レンズ絞りと、試料ステージと、対物レンズと、結像レンズと、蛍光板と、記録装置とからなる透過型電子顕微鏡において、
   前記蛍光板から流れる電流を測定する電流計と、該電流計の出力を受けて、所定の制御動作を行なう制御装置と、該制御装置にコマンドを入力する入力装置とを具備し、
   前記制御装置で、試料を外した状態で前記レンズ系の設定値と前記電流計の出力とから単位面積あたりの第１の電流量を求めて前記制御装置内のメモリに記憶する処理を繰り返し、
   単位面積あたりの電子数と、露光時間から試料面での単位面積あたりの第２の電流量を求め、第２の電流量から前記記憶されている第１の電流量の内、同じ値のものを読み出し、その時のレンズ系の設定値と集束レンズ絞りを再現し、試料を配置した状態で試料像の観察を行なうようにしたことを特徴とする電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法。
2. 前記電流計としてファラデーケージを用い、該ファラデーケージを試料面上又は対物レンズの像面、又は結像レンズ下の何れかに設置することを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡の露光時間及び照射条件の設定方法。

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