JP2010198826A - 透過型電子顕微鏡のアライメント装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は透過型電子顕微鏡のアライメント装置に関し、高精度でかつ自動的にアライメントを行なうことができる透過型電子顕微鏡のアライメント装置を提供することを目的としている。
【解決手段】透過型電子顕微鏡において、透過電子線が蛍光板１４に投影された場合、その像を取り込む像取得装置１６と、該像取得装置１６を回転させる回転手段と、前記像取得装置の回転を制御する回転制御手段と、像取得装置１６で得た像信号を記憶する記憶手段２１と、該記憶手段２１に記憶された像情報を演算処理する演算手段２０とを有し、自動でアライメントを行なう際、前記像取得装置１６を予め決められた回転角に回転させることにより、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、得られた像を取得・演算処理し、全てのアライメント偏向器の適切な設定値を自動で算出するように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は透過型電子顕微鏡のアライメント装置に関し、更に詳しくは透過型電子顕微鏡を直接ＣＣＤカメラ等の像取得装置で取得したり、蛍光板に投影された像を像取得装置で取得したりする場合の像において、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、アライメント精度を向上させ、かつ操作性を向上させるようにした透過型電子顕微鏡のアライメント装置に関する。

透過型電子顕微鏡における光学系のアライメントは、オペレータによる手動調節がほとんどである。しかしながら、近年透過型電子顕微鏡の初心者オペレータが急増し、光学系のアライメントの自動化が求められてきている。

一方、透過型電子顕微鏡は、一般的に蛍光板に投影された像をオペレータが観察しながらアライメントを行なう。近年は操作性の向上を目的に、透過像を像取得装置を用いることにより、液晶表示器（ＬＣＤ）などにライブ像（現在の像）を表示し、アライメントを行なうこともできるようになっている。

アライメントを手動で行なう場合、一般的に対象となるレンズや偏向器の強度や加速電圧を周期的に強弱をつけ、その時の像の移動方向が最小となるように、対象となるアライメント偏向器でアライメントを調整するようになっている。

従来のこの種の装置としては、電子線を３条件以上傾斜し、その時の透過像をフーリエ変換し、得られたリングパターンを数値解析することにより、自動でアライメント調整できるようにした装置が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、電子ビームによる軸調整時に、対物レンズの励磁電流を周期的に変化させると共に、該励磁電流の変化に同期して前記偏向手段を制御して検出像の回転を止める制御を行なうようにした装置が知られている（例えば特許文献２参照）。

また、電子顕微鏡の観察室の底面に薄い蛍光体層を取り付け、該蛍光体層により得られる電子線像を真空側端面で撮影するカメラにおいて、該カメラを電子顕微鏡の光軸を中心にして回転可能な構造とした装置が知られている（例えば特許文献３参照）。

特開平７−２２０６６９号公報（段落００１２〜００１７、図１〜図１３） 特許第３４００６０８号公報（段落０００９〜００１６、図１，図３） 特開昭５０−１２３２６６号公報（第１頁右蘭第１３行〜第２頁左下欄第１４行、第１図，第２図）

透過型電子顕微鏡の光学系アライメントは、多くの場合オペレータが目視で蛍光板上に投影された透過像を観察しながら該当するアライメント用偏向器を制御しながら行なう。最近では、ＣＣＤカメラ等像取得装置で透過像を直接撮り込みしたり、蛍光板上に投影された透過像を像取得装置で撮り込みしたりし、液晶表示器（ＬＣＤ）等に透過像を表示し、オペレータがその像を観察しながらアライメントを行なう。

この時、オペレータは該当するレンズや偏向器や加速電圧を周期的に強弱をつけて変動させ、観察している像の位置変動を最小となるように該当するアライメント偏向器を変化させる。通常、アライメント偏向器はｘ成分，ｙ成分別に制御できる。即ち、電子線の軌道をアライメント偏向器のｘ成分，ｙ成分の電磁場で制御している。

多くの場合、蛍光板上の位置変動方向とアライメント偏向器の制御方向が異なっているが、多少時間を多く要しても、オペレータの人間的感覚で像の位置変動を最小にすることが可能であるが操作性は低下する。更に、上述の像取得装置で取得した像をＬＣＤ等に表示し、その像を見ながらアライメントを行なう場合、像取得装置の設置位置によっては、上述の像の位置変動方向が蛍光板上の像の位置変動方向と異なる。

従って、ＬＣＤ等の表示装置上の像の位置変動方向とアライメント偏向器の制御方向が異なる。この場合、オペレータが表示装置を観察しながら手動でアライメントを行なう場合は上述のように、人間的感覚で調整可能である。しかしながら、像取得装置で取得した像を例えばコンピュータ上のメモリに記憶し、その像データを基に自動でアライメントを行なう場合、適切なアライメント偏向器の設定電流値を算出できない、若しくは精度が著しく低下する。上述の特許文献１の手法でも像取得装置の機械的取り付け位置により取得した像のフーリエ変換したリングパターンの情報が正しくないため、適切なアライメント偏向器の設定電流値を算出できないという問題がある。

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、高精度でかつ自動的にアライメントを行なうことができる透過型電子顕微鏡のアライメント装置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、電子源から出射した電子線を集束させる照射光学系と、該照射光学系の下部に配置された試料と、該試料を透過した電子線を拡大結像する結像光学系からなる透過型電子顕微鏡において、透過電子線が蛍光板に投影された場合、その像を取り込む像取得装置と、該像取得装置を回転させる回転手段と、前記像取得装置の回転を制御する回転制御手段と、像取得装置で得た像信号を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶された像情報を演算処理する演算手段とを有し、自動でアライメントを行なう際、前記像取得装置を予め決められた回転角に回転させることにより、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、得られた像を取得・演算処理し、全てのアライメント偏向器の適切な設定値を自動で算出するように構成されたことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記アライメント調整のスタートボタンが押されると、対象となる加速電圧を周期的に変動させ、かつ前記像取得装置を予め決められた回転角に回転させ、オペレータによる調整終了時にアライメント調整の終了ボタンが押されると、前記像取得装置の回転角を元の回転角に戻すように構成されることを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、像取得装置を予め決められた回転角に回転させることにより、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、得られた像を取得・演算処理し、全てのアライメント偏向器の適切な設定値を自動で算出することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、アライメント調整のスタートボタンが押されると、像取得装置が回転するので、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させることができ、手動調整を容易に行なうことができる。

本発明を実施する装置の構成例を示す図である。 アライメントｘと移動量Δｘの関係を示す図である。 電子線偏向の説明図である。 電子線の２次元方向偏向の説明図である。 像の移動成分座標とアライメント偏向器の調整成分座標を示す図である。 回転機構付き像取得装置の説明図である。 記憶テーブルの構成例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
（実施例１）
図１は本発明を実施する装置の構成例を示す図であり、透過型電子顕微鏡の光学系を示している。図において、１は電子を出射する電子線源、２は出射された電子を加速させる加速管、１ａは加速管２から放出される電子線である。３は電子線１ａを偏向する電子銃第１偏向器、４は同じく電子線１ａを偏向する電子銃第２偏向器である。これら電子銃第１偏向器３及び電子銃第２偏向器４とで、電子線１ａをＸ，Ｙ２次元的に偏向する。具体的には、電子銃第１偏向器３，電子銃第２偏向器４はそれぞれ単独でＸ，Ｙ方向に偏向できるが、電子銃第１偏向器３と電子銃第２偏向器４全体で電子線１ａがＸ，Ｙ方向に偏向されることになる。この動作は、後述する集束レンズ第１偏向器７，集束レンズ第２偏向器８についても同様であ。

５は電子線１ａを集束する集束レンズ１、６は同じく電子線１ａを集束する集束レンズ２である。これら集束レンズ１と，集束レンズ２とで電子線１ａを集束する。７は集束レンズ２を通過した電子線１ａを偏向する集束レンズ第１偏向器、８は第１偏向器７を通過した電子線１ａを偏向する集束レンズ第２偏向器である。これら集束レンズ第１偏向器７及び集束レンズ第２偏向器８とで、電子線１ａをＸ，Ｙ２次元的に偏向する。９は電子線１ａの光軸上にその中心が配置された試料である。

１０は試料９を透過した透過電子線１ａ’の倍率を変化させる対物レンズ、１１は該対物レンズ１０を透過した透過電子線１ａ’を集束させる中間レンズである。これら中間レンズ１１は複数のレンズから構成されている。１２は中間レンズ１１を通過した透過電子線１ａ’をＸ，Ｙ２次元方向に偏向する投影レンズ偏向器、１３は該投影レンズ偏向器１２を通過した透過電子線１ａ’を蛍光板等の可視化手段上に投影する投影レンズである。

１４は入射された透過電子線１ａ’が投影されて光信号に変換される蛍光板、１５は所定の位置に配置された蛍光板１４の反射光から光学像を得る第１の像取得装置、１６は該蛍光板１４の真下に配置され、光学像を得る第２の像取得装置である。これら像取得装置１５，１６としては、例えばＣＣＤカメラが用いられる。

２０は像取得装置１５，１６から得られた画像データをメモリに記憶させる他、上述した各種レンズや偏向器と加速管２を制御するコンピュータである。２１は像取得装置１５，１６で取得された画像データを記憶するメモリである。該メモリ２１としては、例えば書き替え可能なＲＡＭ等が用いられる。２２はメモリ２１に読み込んだ内容を表示するモニタである。該モニタ２２としては、例えばＣＲＴや液晶表示装置等が用いられる。

２３はコンピュータ２０と接続され、前述した各種レンズの制御を行なうレンズ制御ユニット、２４は同じくコンピュータ２０と接続され、加速電圧の制御を行なう高圧制御ユニットである。２５は前記レンズ制御ユニット２３と接続され、各レンズの励磁電流を駆動するレンズ電源、２６は高圧制御ユニット２４と接続され、加速管２に高圧を印加する高圧電源である。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。

電子線源１から放出された電子線１ａは、加速管２で高速に加速され、集束レンズ１，２により電子線の電流量が調整される。電流量が調整された電子線１ａは試料９上に照射され、試料９を透過した透過波（透過電子線）１ａ’は複数の中間レンズ１１により拡大集束される。そして、最下段に設置された投影レンズ１３により蛍光板１４或いは像取得装置１５，１６上に投影される。

ここで、光学系の光軸の調整には、電子銃第１偏向器３，電子銃第２偏向器４，集束レンズ第１偏向器７，集束レンズ第２偏向器８及び投影レンズ偏向器１２が用いられる。像取得装置１６によって取得された像信号は、コンピュータ２０によりメモリ２１に記憶され、コンピュータ２０を経由してモニタ２２に出力表示することができる。

また、コンピュータ２０では、各レンズや偏向器、高電圧の指定も行なうことができ、レンズ制御ユニット２３や高圧制御ユニット２４を介してレンズ電源２５や高圧電源２６に指示を出すことができる。

ところで、高分解能の電子顕微鏡像を得るには、光学軸の調整が不可欠である。光学軸の調整が不十分な場合、軸外コマ収差などが増大し、分解能の低下を招く。光学軸の調整には上述した電子銃第１偏向器３，電子銃第２偏向器４，集束レンズ第１偏向器７，集束レンズ第２偏向器８及び投影レンズ偏向器１２を用いる。

次に、自動アライメントの動作について説明する。例えば照射系（集束レンズ１，２）部分の光学軸を調整するには、集束レンズ第１偏向器７及び集束レンズ第２偏向器８を用いる。また、光学軸の調整度合いを視覚的に観察するために、例えば高電圧（ＨＴ）を僅かに強めたり弱めたりし、その時の像の移動量を算出する。移動量の算出方法は、既存の技術を使用することができる。

像の移動量が最小の場合、光学軸は最適な状態になる。例えば対物レンズのアライメントを行なう場合、集束レンズ第１偏向器７及び第２偏向器８の強度を変化させながら、複数の条件で上述の場合と同様に像の移動量を算出し、像の移動量が最小となる条件を数学的に算出することができる。集束レンズ第１偏向器７と第２偏向器８の強度と像の移動量との間には直線関係があるため、１次近似により最適値を算出することができる。

図２はアライメントｘと移動量Δｘの関係を示す図である。横軸はアライメントｘ、縦軸は像の移動量Δｘである。ｆはアライメントｘと移動量Δｘの関係を示す１次関数である。図のｘ１点がΔｘが最小となるアライメントｘ値となる。アライメントｙと移動量Δｙの関係についても同様のことが言える。

ところで、電子銃第１偏向器３，電子銃第２偏向器４、集束レンズ第１偏向器７，集束レンズ第２偏向器８及び投影レンズ偏向器１３（以下、まとめてアライメント偏向器と呼ぶ）には、通常、直交する２方向の調整が可能となっている。即ち、図３に示すように電子線の軌道を２次元方向ｘ，ｙに調整することができる。

通常、蛍光板に投影された像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器調整成分ｘ，ｙは１対１で対応しない。
更に、像取得装置は、ほとんどの場合、取り付け位置の制約上、上述の像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器の調整成分は１対１に対応するようには取り付けられない。そのため、図４の（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すような像の移動方向とアライメント偏向器の調整調整方向が一致しない。

図５は像の移動成分座標とアライメント偏向器の調整成分座標を示す図である。図において、Ｘ，Ｙが像の移動成分座標、ｘ，ｙがアライメント偏向器の調整成分座標を示す。
このため、像取得装置１６で取得した像を観察しながらアライメント偏向器を手動調整、或いは上述した自動アライメント調整例において、素直に調整することができない。即ち、像の移動成分がｘ成分のみであった場合、アライメント偏向器のｘを調整しても、像の移動成分にｙ成分が発生することになる。これは、像の移動成分がｙのみであっても、ｘ，ｙの合成成分であっても同様の現象が発生することを示している。手動で調整する場合、オペレータの感性により、多少時間がかかるものの収束することができる。しかしながら、上述した自動アライメント調整例では収束しない。

そこで、図６に示すように像取得装置１６に回転機構を設け、像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器の調整成分ｘ，ｙを１対１で像取得装置１６を回転させ、自動アライメント調整を行なう。図６は回転機構付き像取得装置の説明図である。図に示す像取得装置１６は回転機構を具備しており、モータドライバ２７で像取得装置１６を回転させる。

像取得装置１６の回転角は、予めメモリ２１にテーブルとして記憶させておく。図７は記憶テーブルの構成例を示す図である。例えば、レンズの励磁強度がＩ１で、電子銃高圧の変化がＶ１の場合、像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器の調整成分ｘ，ｙを１対１に対応させるための回転角はθ１に設定する。レンズの励磁強度がＩ３で、電子銃高圧の変化がＶ３の場合、像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器の調整成分ｘ，ｙを１対１に対応させるための回転角はθ３に設定する。

このように像取得装置に、レンズの励磁強度の変化等による像の移動成分ｘ，ｙとアライメント偏向器の調整成分ｘ，ｙを１対１に対応させるための回転機構を設けておくことにより、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、得られた像をコンピュータ２０で取得・演算処理し、全てのアライメント偏向器の適切な設定値を自動で算出することができる。

自動アライメント調整終了後は、像取得装置１６を元の回転角に戻す。自動アライメント調整終了後は、光学系の調整が終了したことになるので、像取得装置１６の回転角は元に戻される。
（実施例２）
実施例２では、オペレータが手動操作する場合について説明する。実施例１で説明した構成において、オペレータが手動でアライメント調整を行なう際、オペレータがアライメントボタンを押すと、対象となるレンズ又は偏向器又は高圧電源（ＨＴ）が周期的に変動する（通常動作）のと同時に、像取得装置１６はレンズの励磁強度及び電子銃高圧の変化に基づき、予め記憶テーブルに記憶されている回転角だけ回転する。この状態でオペレータが手動により装置に付属のつまみを用いて操作するが、像取得装置の回転により、像移動方向と偏向器の制御方向を一致させることにより、操作性を向上させることができる。

アライメント調整が終了すると、オペレータは調整終了時に、再度アライメントボタンを押す。この結果、レンズ又は高圧電源の変動を解除する（通常動作）と同時に像取得装置１６の回転角も元に戻す。

この実施例によれば、アライメント調整のスタートボタンが押されると、像取得装置が回転するので、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させることができるので、手動調整を容易に行なうことができる。

上述の実施例では、像取得装置として１６を用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限る必要はなく、他の像取得装置１５（図１参照）についても、全く同様に自動アライメント調整を行なうことができる。

本発明の効果を列挙すると、以下の通りである。
１）自動アライメントを実行する際、像の移動方向は重要な情報である。本発明により、像取得装置を使用した自動アライメントでは、像取得装置自体を所定の回転角に回転することにより像の移動方向とアライメント偏向器の制御方法が１対１の関係となり、高精度でかつ自動でアライメントを行なうことができる。
２）手動でアライメントを行なう際、アライメントボタンを押した際に、自動的に対象となるレンズ又は高圧電源（ＨＴ）が周期的に変動するのと同時に像取得装置も同時に所定の回転角に回転することにより、像の移動方向とアライメント偏向器の制御方向が１対１の関係となり、オペレータの調整時の操作性を飛躍的に向上させることができる。

１ 電子線源
１ａ 電子線
１ａ’透過電子線
３ 電子銃第１偏向器
４ 電子銃第２偏向器
５ 集束レンズ１
６ 集束レンズ２
７ 集束レンズ第１偏向器
８ 集束レンズ第２偏向器
９ 試料
１０ 対物レンズ
１１ 中間レンズ
１２ 投影レンズ偏向器
１３ 投影レンズ
１４ 蛍光板
１５ 像取得装置
１６ 像取得装置
２０ コンピュータ
２１ メモリ
２２ モニタ
２３ レンズ制御ユニット
２４ 高圧制御ユニット
２５ レンズ電源
２６ 高圧電源
２７ モータドライバ

Claims (2)

1. 電子源から出射した電子線を集束させる照射光学系と、
   該照射光学系の下部に配置された試料と、
   該試料を透過した電子線を拡大結像する結像光学系からなる透過型電子顕微鏡において、
   透過電子線が蛍光板に投影された場合、その像を取り込む像取得装置と、
   該像取得装置を回転させる回転手段と、
   前記像取得装置の回転を制御する回転制御手段と、
   像取得装置で得た像信号を記憶する記憶手段と、
   該記憶手段に記憶された像情報を演算処理する演算手段と、
   を有し、
   自動でアライメントを行なう際、前記像取得装置を予め決められた回転角に回転させることにより、アライメント偏向器の移動方向と像の移動方向を一致させ、得られた像を取得・演算処理し、全てのアライメント偏向器の適切な設定値を自動で算出するように構成されたことを特徴とする透過型電子顕微鏡のアライメント装置。
2. 前記アライメント調整のスタートボタンが押されると、対象となる加速電圧を周期的に変動させ、かつ前記像取得装置を予め決められた回転角に回転させ、
   オペレータによる調整終了時にアライメント調整の終了ボタンが押されると、前記像取得装置の回転角を元の回転角に戻すように構成されることを特徴とする請求項１記載の透過型電子顕微鏡のアライメント装置。

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