JP2009170352A - 電子ビーム装置の振動補償器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は電子ビーム装置の振動補償器に関し、像ノイズ或いは像のボケによる観察分解能の低下を抑制することができる電子ビーム装置の振動補償器を提供することを目的としている。
【解決手段】試料１の透過像及び／又は試料の走査透過像を取得できる電子ビーム装置の振動補償器であって、観察試料の試料ホルダ２に取り付けて試料ホルダ２及びゴニオメータ３の振動を測定する加速度計１５と、該加速度計１５から求められた振動を周波数分析し、複数の加速度のピーク周波数を検出する検出手段と、求めた該複数の加速度のピークをバンドパスフィルタ３５で抽出する際に、その中心周波数を検出されたピーク周波数に追随するように制御する制御手段と、それぞれの抽出信号を変位に変換する二重積分器３６と、該二重積分器３６で積分した値に適切なゲインを乗じて、電子ビーム偏向器１０に与える振動補償信号出力手段と、とを含んで構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は電子ビーム装置の振動補償器に関し、更に詳しくは装置設置環境の騒音により発生する微振動が問題となる技術分野に属し、サブÅの分解能を持つ電子ビーム装置において利用される電子ビーム装置の振動補償器に関する。

図６は従来の透過型電子顕微鏡の構成例を示す図である。図において、１は試料、２は該試料１を保持する試料ホルダ、３は該試料ホルダ２に取り付けられた３次元方向に試料１を移動させることができるゴニオメータである。４は鏡筒、５は電子を発生する電子銃、６は該電子銃５から発生された電子ビームである。７は試料１を透過した電子ビーム６が結像される蛍光板、８は試料１を透過したＳＴＥＭ像を検出するＳＴＥＭ検出器、９は電子ビーム６の照射位置、１０は照射レンズ系に設けられた照射系偏向器、１１は結合レンズ系に設けられた結像系偏向器である。

試料１を保持する試料ホルダ２は、試料の位置決めを行なうゴニオメータ３に抜き差しできるように保持されている。ゴニオメータ３は、鏡筒４に固定されており、図中のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の直線動及びＸ軸周りの傾斜が可能になっている。ＴＥＭ像の観察時には電子銃５で発生された電子ビーム６を試料１に平行ビームとして照射し、試料１を透過した電子ビーム６を拡大し、蛍光板７上に結像させることでＴＥＭ像を得る。

また、ＳＴＥＭ像の観察時には図中の破線で示すように、試料１の一点に電子ビーム６を収束させ、透過した電子ビーム量をドーナツ形状のＳＴＥＭ検出器８により測定する。この場合において、照射系偏向器１０によってビーム照射位置９をＸＹ平面上で２次元走査することによりＳＴＥＭ像を得る。

さて、ＴＥＭは設置環境の騒音にさらされており、この影響で装置各部がその固有振動で振動する。これにより、ＳＴＥＭ像取得時には、試料１とビーム照射位置９との相対変位が観察分解能を超えた時、振動が像ノイズとして観察される。ＴＥＭ像観察時には、拡大された透過像の振動量が観察分解能を超えた時に、１０数Ｈｚ以下の低周波振動では像の揺れ、それ以上では像がぼやける現象として捕らえられる。何れの場合も、試料１の振動振幅が像ノイズとして支配的な成分となる。

従来のこの種の装置としては、床から試料室へ伝達される振動を振動計により検出し、そしてこの振動信号と、試料室の振動に対する電子ビームの位置振動との伝達関数をもとに、電子ビームの位置ずれ量を観察し、電子ビームの位置をリアルタイムに偏向補正する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−１６８１５号公報（段落０００７〜０００９、図１〜図５）

従来は、前述したように、この振動を抑制するため、騒音の入力を減らすための遮音カバーの取り付けや、種々の減衰能付与の対策が行われている。しかしながら、ＴＥＭの高分解能化に伴い、問題となる振幅は原子よりも小さいサブÅのオーダとなった。このような微小振動における振動減衰のメカニズムはよく分かっておらず、また、粘性減衰を利用する従来のダンピング機構などは有効に働かず、従って振動を抑制することが困難であった。

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、像ノイズ或いは像のボケによる観察分解能の低下を抑制することができる電子ビーム装置の振動補償器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、試料の透過像及び／又は試料の走査透過像を取得できる電子ビーム装置の振動補償器であって、観察試料の試料ホルダに取り付けて試料ホルダ及びゴニオメータの振動を測定する加速度計と、該加速度計から求められた振動を周波数分析し、複数の加速度のピーク周波数を検出する検出手段と、求めた該複数の加速度のピークをバンドパスフィルタで抽出する際に、その中心周波数を検出されたピーク周波数に追随するように制御する制御手段と、それぞれの抽出信号を変位に変換する二重積分器と、該二重積分器で積分した値に適切なゲインを乗じて、電子ビーム偏向器に与える振動補償信号出力手段と、とを含んで構成されることを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記検出された複数の加速度のピーク周波数を検出するに際し、指数平均法を用いることを特徴とする。
（３）請求項３記載の発明は、前記電子ビーム偏向器に振動補償信号を与えるに際し、ＳＴＥＭ像の観察時には照射系の偏向器に、ＴＥＭ像の観察時には結像系の偏向器にそれぞれ与えることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記測定された加速度のピーク周波数それぞれに一致した正弦波による音響加振を行なうことを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、複数の加速度のピーク周波数を検出する検出手段と、求めた該複数の加速度のピークをバンドパスフィルタで抽出する際に、その中心周波数を検出されたピーク周波数に追随するように制御する制御手段と、それぞれの抽出信号を変位に変換する二重積分器と、該二重積分器で積分した値に適切なゲインを乗じて、電子ビーム偏向器に与えることにより、像ノイズ或いは像のボケによる観察分解能の低下を抑制することができる電子ビーム装置の振動補償器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、検出された複数の加速度のピーク周波数を検出するのに、新しいデータほど重みを重くして平均処理するため、複数の加速度のピーク周波数を正確に検出することが可能となる。

（３）請求項３記載の発明によれば、ＳＴＥＭ像の観察時には照射系の偏向器に、ＴＥＭ像の観察時に結像系の偏向器に振動補償信号を与えるようにすることで、振動の影響を効果的に抑制することができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、電子ビーム装置内に振動を発生する音響加振装置を設けることで、各周波数に基づく振動を電子ビーム装置に与えることができ、振動補償信号を効率よく得ることができる。

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１は本発明の一実施の形態を示す構成図である。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図２は本発明の一実施の形態を示す回路図であり、信号処理系の構成を示している。試料ホルダ２の後端部には三軸加速度計１５が取り付けられている。それぞれの加速度信号３１は、信号解析部３２で周波数解析を行ない、複数のピーク周波数を求める。この時、加速度ピークの周波数の測定精度を高めるために平均化処理を行なうが、この際、新しいデータほど重みを大きくする指数平均を行なう。この指数平均を行なう結果、複数の加速度のピーク周波数を正確に検出することができる。

具体的には、指数平均値Ｅａｖｇは次式で与えられる。
Ｅａｖｇ（Ｘ_i）＝（（Ｎ−１）×Ｅａｖｇ（Ｘ_i-1）＋Ｘ_i）／Ｎ
但しｉ＞Ｎの時
Ｘｉは測定ｉ番目のデータ
Ｎは平均回数
偏向信号生成部３３には、複数のピーク周波数３４それぞれを抽出するマルチバンドパスフィルタ３５が設けられており、その中心周波数は信号解析部３２で得られたピーク周波数３４にそれぞれ一致するように制御される。このような制御が必要な理由は、バンドパスフィルタの帯域を狭く、また、フィルタ次数を高めて、複数の周波数ピークを独立させて抽出するためである。

試料１の位置座標によってその固有振動数が変動するような場合、バンドパスフィルタの中心周波数以外では位相が保たれないために、抽出された信号の位相がずれて補償精度が悪化する。これを防ぐのが指数平均法を用いる目的である。このようにして生成された信号は二重積分器３６で変位に変換される。このようにして抽出された変位信号に、それぞれ適切なゲイン３８を乗じてビーム偏向信号３７を生成し、Ｘ，Ｙ方向（試料ホルダ２の出入り方向をＸ，それと直角な水平方向をＹとする）の偏向器１０Ａ，１０Ｂに与えられる。

図２において、加速度信号Ｘ，Ｙ，Ｚはマルチバンドパスフィルタ３５に入り、該マルチバンドパスフィルタ３５の出力は二重積分器３６に入り、該二重積分器３６から出力される信号のうち、Ｘ変位信号は乗算器Ｕ１でＫ１倍された後、Ｘ偏向器１０Ａに入る。Ｙ変位信号は乗算器Ｕ２でＫｙ倍された後加算器３９に入力される。Ｚ変位信号は乗算器Ｕ３でＫｚ倍された後加算器３９に入る。加算器３９で加算された信号は、続く乗算器Ｕ４にてＫ１倍された後、Ｙ偏向器１０Ｂに入る。加速度信号Ｚは、試料軸の回転に基づく成分であり、この成分を偏向信号に含めて、試料１の回転に基づく補正も行なうようにしたものである。

なお、ＳＴＥＭ像の取得時には、電子ビーム６の照射位置を偏向するため、照射系偏向器１０を用い、ＴＥＭ像の取得時には結像系偏向器１１を用いる。本発明によれば、ＳＴＥＭ像の観察時には照射系の偏向器に、ＴＥＭ像の観察時に結像系の偏向器に振動補償信号を与えるようにしている。このようにすれば、振動の影響を効果的に抑制することができる。

この場合において、それぞれの場合でゲインは異なる。また、偏向補償のゲインを調整するための音響加振装置２０が備えられており、任意の周波数の正弦波による音響加振が可能となっている。音響加振の周波数は試料ホルダ２の後端部加速度を信号解析部３２に通して得られたそれぞれのピーク周波数に一致させることができる。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。

図３は図２に示す信号処理部の動作説明図である。加速度信号Ｘは、マルチバンドパスフィルタ３５に入る。ここでは、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）がＢＰＦ１，ＢＰＦ２，ＢＰＦ３の３個設けられた場合を示している。それぞれのＢＰＦで下に示すような加速度信号のピークが抽出される。それぞれの中心周波数をｆｘ１，ｆｘ２，ｆｘ３とする。この時、信号解析部３２で中心周波数がゆらいでもＢＰＦの中心周波数もこのゆらぎに追従できるようになっている。このために、指数平均法を用いて追随制御を行なう。

それぞれのＢＰＦ１〜ＢＰＦ３を通過した加速度信号は、それぞれＡ１〜Ａ３倍されて二重積分器３６に入力される。この二重積分器３６で二重積分された加速度信号は、変位に変換される。この変位を乗算器Ｕ１でＫ１倍されてＸ偏向器１０Ａに入力する。一方、加速度信号ＹとＺは同様のマルチバンドフィルタを通過した後、二重積分器で変位に変換される。この変換された変位は、それぞれ乗算器Ｕ２，Ｕ３でＫｙ，Ｋｚ倍された後、加算され、Ｙ偏向器１０Ｂに入る。加速度計の取り付いた試料ホルダ２の傾斜に伴い加速度計１５も傾斜するので、傾斜に伴う補正をＵ２とＵ３で行なうものである。

試料ホルダ２の後端において測定される加速度のピーク周波数は複数存在し、試料ホルダ２とゴニオメータ３の各振動モードの固有振動数に相当している。それぞれの固有モードによって、試料ホルダ後端の振動振幅と試料観察位置の振幅との比が異なる。また、試料ホルダ２の曲げモード等では位相が反転する場合もある（後述）。そこで、これら複数の加速度成分は、それぞれマルチバンドパスフィルタ３５により分離されて偏向補償に用いられる。

先ず、Ｘ方向の加速度信号は、マルチバンドパスフィルタ３５を通った後、二重積分器３６で変位に変換され、倍率リンクゲインＫ１を乗じられたのち、Ｘ方向の偏向器１０Ａに与えられる。これは、試料ホルダ２の軸方向の剛性が比較的高いため、試料ホルダ後端と試料とのＸ方向変位が等しいとみなせるためである。

一方、ゴニオメータ３は、Ｘ軸を中心とする傾斜機構を備えているため、Ｙ方向の加速度成分は、残る２つの加速度信号（加速度信号Ｙ，加速度信号Ｚ）と、Ｘ軸周りの傾斜角θから計算して求められる。この時、図中のゲインＫｙ＝ｃｏｓθ，Ｋｚ＝ｓｉｎθとなる。更に、Ｙ方向の振動に関しては、図４，図５に例示したように、支持機構がばね要素とからなり試料ホルダ２が剛体的に振動するモードや、試料ホルダ２の曲げモードなどの振動モード別に、試料ホルダ後端と試料との変位比や位相が異なる。

以上のゲイン調整により、試料ホルダ後端の加速度信号から試料観察位置の変位相当信号を求め、電子ビーム偏向による像ノイズ補償を行なう。試料１のＸ，Ｙ座標に依存して各固有振動数が多少変動しても、常に信号解析部３２の周波数解析により求められたピーク周波数に、マルチバンドパスフィルタの中心周波数がそれぞれ追従するため、補償ゲインの再調整は不要である。

図４は試料ホルダの剛体的振幅の説明図、図５は試料ホルダの曲げ振動の説明図である。図４において、３はゴニオメータであり、両端をバネｋ１とｋ２とで剛体に取り付けられている。試料１が傾くと試料ホルダ２もそれに応じて傾むく。三軸加速度計１５は、三軸方向の加速度を測定する。

図５は試料ホルダ２の曲げ振動の説明図である。試料１が図に示すように変位すると、試料ホルダ２は図に示すように曲げられたものとなる。三軸加速度計１５は、三軸方向の加速度を測定する。

従って、マルチバンドパスフィルタ３５を通り、二重積分器３６で変位に変換された各信号に、それぞれ適したゲインを乗じてから全てを足し合わせ、Ｙ軸の偏向器１０Ｂに与える必要がある。そこで、音響加振装置２０を用いて、各モード周波数における正弦波音響加振を行ない、その際発生する観察像ノイズが最も小さくなるようにそれぞれの補償ゲイン３８を調整する。

なお、マルチバンドパスフィルタ３５内部では、各加速度信号が複数に分けられ、適正なゲイン調整後に再度足し合わされるが、煩雑になるため、図示してはいない。
また、本発明によれば、電子ビーム装置内に振動を発生する音響加振装置を設けた場合を例にとった。このように構成することで、各周波数に基づく振動を電子ビーム装置に与えることができ、振動補償信号を効率よく得ることができる。

上述の実施の形態では、試料ホルダ後端に三軸加速度計を取り付けた場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限るものではない。問題となる振動の方向が限定されていれば、必要に応じて加速度計の軸数を減らしてもよい。

以上、詳細に説明したように、試料観察位置の変位振動を直接測定するのではなく、試料ホルダの端部において加速度計で測定した信号から振動モード別に分離を行ない、それぞれに適切な信号処理を行なった後に再合成することによって、求めた変位振動に相当する分、電子ビームを偏向することによってＳＴＥＭ、ＴＥＭ両モードにおける振動像ノイズを補償することができ、サブÅ分解能の観察像質の改善効果がある。また、振動ピークの抽出フィルタに周波数変化に対する追従機能を付与することによって、ステージの座標に依存する固有振動数の変化に対するロバストな補償が実現される。

本発明の一実施の形態を示す構成図である。 本発明の一実施の形態を示す回路図である。 信号処理部の動作を示す説明図である。 試料ホルダの剛体的に振動の説明図である。 試料ホルダの曲げ振動の説明図である。 従来の透過型電子顕微鏡の構成例を示す図である。

符号の説明

１０Ａ Ｘ偏向器
１０Ｂ Ｙ偏向器
３１ 加速度信号
３２ 信号解析部
３３ 偏向信号生成部
３５ マルチバンドパスフィルタ
３６ 二重積分器
３７ ビーム偏向信号

Claims (4)

1. 試料の透過像及び／又は試料の走査透過像を取得できる電子ビーム装置の振動補償器であって、
   観察試料の試料ホルダに取り付けて試料ホルダ及びゴニオメータの振動を測定する加速度計と、
   該加速度計から求められた振動を周波数分析し、複数の加速度のピーク周波数を検出する検出手段と、
   求めた該複数の加速度のピークをバンドパスフィルタで抽出する際に、その中心周波数を検出されたピーク周波数に追随するように制御する制御手段と、
   それぞれの抽出信号を変位に変換する二重積分器と、
   該二重積分器で積分した値に適切なゲインを乗じて、電子ビーム偏向器に与える振動補償信号出力手段と、
   とを含んで構成される電子ビーム装置の振動補償器。
2. 前記検出された複数の加速度のピーク周波数を検出するに際し、指数平均法を用いることを特徴とする請求項１記載の電子ビーム装置の振動補償器。
3. 前記電子ビーム偏向器に振動補償信号を与えるに際し、ＳＴＥＭ像の観察時には照射系の偏向器に、ＴＥＭ像の観察時には結像系の偏向器にそれぞれ与えることを特徴とする請求項１又は２記載の電子ビーム装置の振動補償器。
4. 前記測定された加速度のピーク周波数それぞれに一致した正弦波による音響加振を行なうことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電子ビーム装置の振動補償器。

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