JP2014049444A - 位相板を備えるｔｅｍでの試料の可視化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、位相板を備える透過型電子顕微鏡での試料の可視化方法に関する。従来技術に係る位相板の利用は、リンギング及びハローのようなアーティファクトを導入する恐れがある。これらのアーティファクトは、回折面内での位相板の鋭いエッジによるフーリエ領域での急峻な変化によって引き起こされる。
【解決手段】 像を記録しながら非回折ビーム（回折パターン）に対して位相板を移動させることによって、フーリエ領域での突然の遷移はより穏やかな遷移に変化する。その結果、アーティファクトが小さくなる。
【選択図】 図3

Description

本発明は、位相板を備える透過型電子顕微鏡での試料の可視化方法に関する。前記試料には電子ビームが照射される。前記試料は、前記電子ビームを、非回折（非散乱）ビームと回折（散乱）ビームに分離する。当該電子顕微鏡は、位相板、フーコーの素子、又はヒルベルトの素子からなる群から選ばれるコントラスト改善素子を備える。前記コントラスト改善素子は、低空間周波数でのコントラストの改善を目的とする。前記コントラスト改善素子は、対物レンズの後焦点面内又は該面の像内に設けられる。前記コントラスト改善素子は、前記非散乱ビームに対して、ある位置を有する。

係る方法は非特許文献1から既知である。

透過型電子顕微鏡(TEM)では、試料には、典型的には50〜300keVの間で選択可能なエネルギーを有する実質的に平行な電子ビームが照射される。とはいえ50〜300keV以外のエネルギーが用いられることも知られている。試料は非常に薄い試料で、その厚さは典型的には20nm〜1μmである。その結果、電子の中には、試料を通過するもの、散乱されない（つまりエネルギーも方向も変化しない）もの、弾性散乱される（つまりほとんどエネルギーは変化しないが方向は変化する）もの、及び、非弾性散乱される（つまり方向もエネルギーも変化する）ものが存在することになる。弾性散乱される電子（回折電子としても知られている）と非散乱電子のいずれも、像平面中で強い拡大レンズによって結像される。前記像平面内では、回折電子と非散乱電子とが、互いに干渉することで、像を生成する。

他のコントラスト機構も像に寄与することに留意して欲しい。他のコントラスト機構とはたとえば、試料内で局所的に吸収される電子が局所的に存在しないこと、又は、コントラスト改善素子によって吸収される電子の局所的に存在しないことである。

特に主として低原子番号の材料を有する生体試料は、弱い位相像を示す。コントラストは、空間周波数の関数である。特に低空間周波数ではコントラストは低い。これは、非特許文献1（特に図2）で示されているようにコントラスト伝達関数(CTF)によって表される。この理由は、低空間周波数では、電子は小さな角度にわたって回折され、回折電子と非回折電子との間での位相差が小さいためである。

低空間周波数でのコントラストを改善するため、位相板が、対物レンズの後焦点面（回折面としても知られている）内に導入されうる。対物レンズの後焦点面は像のフーリエ表現である。この面では、様々な角度で電子が散乱されることで、電子はこの面内で様々な位置をとる。この面では、たとえば-π/2の位相差を、非散乱ビームを除くすべての電子に導入することが可能である。その導入により位相シフトした散乱ビームと位相シフトしない非回折電子とが干渉する結果、CTFは、非特許文献1の図2に示されているようにかなり大きくなる。

非特許文献1は、回折面内で用いられる複数のコントラスト改善素子について記載している。所謂ゼルニケ位相板について論じると、これは、通過する電子が約-π/2の位相シフトを起こすような厚さを有する薄膜である。ゼルニケ位相板はカーボン膜である。ほとんどすべての電子は、吸収も散乱もされずにゼルニケ位相板を通過する。その薄膜の中心では、非散乱電子を通過させる小さな孔が生成される。その結果、散乱電子と非散乱電子との間でのπ/2の位相シフトが起こり、かつ、位相変化は振幅変化に変換される（正弦状のCTFは余弦状のCTFに変化する）。

この位相板の欠点は、像が、「リンギング(ringing)」と呼ばれるアーティファクトを示すことである。リンギングが生じる理由は、位相板のエッジが急峻なために、フーリエ領域での0→π/2の突然の遷移が導入される結果、正常な像平面内にリップルが生じるためである。これは、非特許文献2においてより詳細に説明されている。

前記位相板の他の欠点は、薄膜（又はその上のほこりの微粉）のわずかな不規則性が、位相を局所的に妨害することである。

さらに他の欠点は、孔を非常に小さくする必要があることである。なぜならその孔を通過する全ての電子は同一の位相シフトを有するので、これらの電子全てはほとんどコントラストを示さないためである。孔の直径は、その孔を通過する電子の許容角、つまりはコントラストの改善が始まる空間周波数を決定する。非特許文献2で述べられているような「カットオン周期(cut-on periodicity)」の定義に従うと、「カットオン周期」すなわち「カットオン周波数」は、可能な限り低い空間周波数でのコントラストを実現するように可能な限り小さくなければならない。

関連する問題は、（非回折）ビームは、コントラスト改善構造に対して非常に良好に中心をとる必要がある。

欧州特許第2485240A1号明細書 欧州特許第2400523号明細書 欧州特許第12168997号明細書

K. Nagayama他、MicroscopyToday誌、第18巻、2010年、pp.10-13 R. Danev他、Ultramicroscopy誌、第111巻、2011年、pp.1305-1315

本発明は、上述した問題を解決することを意図している。

上記目的のため、本発明による方法は、像の生成中に、コントラスト改善素子と非散乱ビームの相互の位置が変化することを特徴とする。

可視化しながら、コントラスト改善素子（たとえば位相板）を、非散乱電子ビーム（及びコントラスト改善素子は回折面内に設けられているので、回折パターンの残り）に対して移動させることによって、エッジの不連続性に起因するフーリエ領域内での突然の遷移がぼやけ、穏やかな遷移が実効的に生成される。その結果、リンギングは強く抑制される。

相互の移動は、像取得時間よりも速い、非回折電子に対するコントラスト改善素子の円運動であることが好ましい。典型的には、1〜50回転/秒（より具体的には2〜50回転/秒）の運動が提案される。このため、当該コントラスト改善素子は、軌道モードコントラスト改善素子（たとえば軌道モード位相板）とも呼ばれる。

運動の振幅は、非回折ビームが常に孔を通過するようなものでなければならない。よって、円運動の直径は孔の直径未満でなければならず、かつ、円運動は孔の周囲と同心円状でなければならない。

たとえばμm及びそれ未満の埃粒子のような、薄膜上での（相互の位置と比較して、すなわち孔の直径に対して）わずかな不規則性は、取り除かれて、像にほとんど影響を及ぼさない。このことはまた、ホイルの電位差をも維持する。フーコー素子の場合であれば、たとえば結晶学的変化又は様々な電子バンドエネルギーを生じさせる変化/注入の結果起こるナイフエッジが維持される。

相互の運動は、試料が存在する面でビームを傾斜させること（錐体状の傾斜）によって容易に実現されるが、たとえばピエゾアクチュエータを用いて顕微鏡（つまりは非散乱電子）に対してコントラスト改善素子を移動させることも可能であることに留意して欲しい。

関連する利点は、本発明の位相板では、孔の直径は、従来の方法で用いられる位相板ほど小さくする必要はないことである。全ての電子が、非回折ビームから孔のエッジまでの最小距離よりも長い距離で通過するので、少なくとも一部の電子は薄膜を通過する。よって位相シフトが起こり、結果としてコントラストが改善される。

本発明の実施例では、TEMには、コントラスト改善素子によって遮断される電流に比例する信号を測定する手段が備えられる。

たとえ薄膜の電子透過度が大きいとしても、電子の一部は遮断される。薄膜に対してビームを移動させている間に、遮断された電流を測定することによって、薄膜中の孔に対するビームの中心位置が測定されて良い。これによりビームに対してコントラスト改善素子が中心位置をとることが可能となる。

上記測定が可能であることで、（一定である）孔の直径と（可変である）円運動の直径とを一致させることも可能であることに留意して欲しい。信号はまた、特許文献1の類推で、仮定される円運動の楕円度を抑制するのにも利用されうる。このことは、電場若しくは磁場を用いて環状にビームを偏向させるとき、又は、位相板を機械的に移動させるときに成立する。

位相板を備えるTEMを概略的に表している。 ゼルニケ位相板を概略的に表している。 (a)従来の位相板を備えるTEMによって得られた像、(b)軌道モード位相板を備えるTEMによって得られた像を表す。 1000nmの中心孔を備える従来技術に係る位相板のコンピュータシミュレーションによる像を表している。 図4aの線AA’での強度を表している。 100nmの中心孔を備える従来技術に係る位相板のコンピュータシミュレーションによる像を表している。 図4cの線BB’での強度を表している。 1000nmの中心孔を備える軌道モード位相板のコンピュータシミュレーションによる像を表している。 図4eの線CC’での強度を表している。 フーコーナイフを表している。 フーコーナイフと回折パターンを表している。

図1は、位相板を備えるTEM100を概略的に表している。

図1は、光軸102に沿った粒子ビーム（たとえば電子ビーム）を生成する粒子源104を表している。粒子は、典型的には80〜300keVの選択可能なエネルギーを有する。ただしそれよりも高いエネルギー（たとえば400keV〜1MeV）又は低いエネルギー（たとえば50keV）が用いられても良い。粒子ビームが収束系106によって操作されることで、試料108に衝突する平行ビームが生成される。試料108は試料ホルダ110によって位置設定される。試料ホルダ110は、試料108を光軸102に対して位置設定し、光軸102に垂直な面内で試料108を移動させ、かつ、光軸102に対して試料108を傾斜させて良い。対物レンズ112は試料108の拡大像を生成する。対物レンズ112に続いて、対物レンズ112の後焦点面114の拡大像を生成する拡大系（たとえば二重レンズ）116が存在する。位相板118が、対物レンズ112の後焦点面の拡大像中に設けられる。この共役面は、拡大系116と投影系122との間に位置する。位相板118は、マニピュレータ120によって位置設定される。それにより位相板118は、光軸102の周辺で中心をとることが可能となる。投影系122は、検出器124上に試料108の拡大像を生成する。それによりたとえば0.1nmの試料の詳細が明らかになる。検出器124は、蛍光スクリーン又はたとえばCCDカメラ若しくはCMOSカメラであって良い。たとえば蛍光スクリーンの場合、そのスクリーンはガラス窓126を介して見ることができる。

光軸102上で光学部品を位置合わせするため、TEMは、128-1…128-7で概略的に表されている多数の偏向器を有する。ただし他の場所に他の偏向器が含まれても良い。

位相板はまた、後焦点面自体の中に設けられても良いことに留意して欲しい。その場合、拡大系116は不要となる。

図2はゼルニケ位相板を概略的に表している。

係る位相板はたとえば非特許文献1で述べられている。その既知の位相板は、電子顕微鏡で通常用いられるように、たとえば開口部を備える標準的なプラチナダイアフラムのようなホルダ構造20を有する。係る標準的なプラチナダイアフラムの外径は典型的には3.05mmであるが、他の直径も用いられる。このホルダ構造上には、アモルファスカーボンの薄いホイル22が設けられる。係るホイルは大抵、荷電粒子によって汚染されるので、最後の製造工程の1つには、層22をカーボンコーティング24で被覆する工程が含まれる。カーボンコーティング24は一般的には真空蒸着によって作られる。その結果新たなアモルファスカーボン層が生成される。ホイルの中心は、非回折ビームを通過させる貫通孔26を有する。この孔26は非回折ビームを通過させるのに十分な直径を有する。しかしあまり大きすぎないことが好ましい。なぜなら孔26が大きすぎると、大きな構造によって散乱される（低空間周波数）電子に相当するわずかに散乱される電子が、ホイルを通過して必要な位相シフトを起こさずに、中心孔を通過してしまうからである。典型的には貫通孔は1μm未満の直径を有する。この直径は集束イオンビームを用いて生成される。位相板は軸28の周りで回転対称性を有することが好ましい。非回折ビームもまた、この軸28の周囲で十分に位置合わせされなければならないことに留意して欲しい。

カーボンを通過する電子は、カーボンの内部ポテンシャルの結果として位相シフトを示す。この位相シフトは、ホルダ構造（支持構造）として円形ダイアフラムを利用するが、（内周又は外周が円若しくは正方形の）シリコン構造が用いられることも知られていることに留意して欲しい。そのようなシリコン位相板は、リソグラフィ法を用いて作製されて良い。その際、薄膜中に中央貫通孔を生成するためにイオンビームミリングが、リソグラフィ法と併用されても良い。従来カーボンは位相板の薄膜に用いられてきたことにさらに留意して欲しい。しかしシリコンのような他の材料が用いられても良い。

図3(a)は、位相板を備える顕微鏡で得られた像を示している。

当業者には知られているように、対物レンズ112の後焦点面（回折面としても知られている）での像は、フーリエ空間における対象物（試料）の関数と等価である。位相板118は、膜に衝突してその膜を通り抜けるすべての電子の位相シフトを引き起こし、かつ、中心孔を通過するすべての電子では位相シフトを引き起こさない。換言すると、位相板は、構造によって散乱される、ある閾値よりも大きな空間周波数の電子すべての位相シフトを引き起こし、かつ、構造によって散乱される、前記閾値未満の空間周波数の電子では位相シフトを引き起こさない（すなわち全く散乱されない）。なお前記閾値は孔の直径によって与えられる。

位相シフトの変化は急峻な変化であることに留意して欲しい。

この像を撮る間、非回折ビームは、位相板に対して十分に中心をとり、かつ、その位相板に対して静止している。位相板を用いているので、大きな構造は十分視認可能である。位相変化が急峻であるため、像中での「リンギング」もまた十分に視認可能である。

図3(b)は、軌道モード位相板を備えるTEMによって得られた像を示している。

像を撮る間、その位相板に対して中央の非回折ビームの位置が変化した。時間依存する位置の設定は、錐体ビームの試料での傾斜を利用した位相板に対する非回折ビームの軌道運動によって実現された。その軌道運動は像検出器124で像を取得するのに用いられる積分時間よりも短い周期を有する。ここでは約10Hzの回転周波数が用いられた。孔の直径は約1μmだった。軌道半径は孔の半径の0.8倍よりも大きい。像の記録時間は1秒よりも長かった。

軌道運動は、位相板によって生じるエッジ不連続が取り除かれることで、像中のリップルが取り除かれる効果を有する。弱いハロー効果だけが、強いコントラスト部位近くに残りうる。リップル効果がほとんど消えただけではなく、像をより容易に解釈できるようになった。

図4aは、中心孔の直径が1000nmでカットオン周期が14.5nm^-1の従来技術に係る位相板によって可視化された試料のシミュレーション像を表している。このシミュレーションでは、非特許文献2にきさいされているように、3つのモデル化された対象物が可視化された。前記3つのモデル化された対象物とは具体的には、直径80nmの対象物401、直径20nmの対象物402、及び、直径10nmの対象物403である。明らかに強いリンギングが視認可能である。リンギングをよりわかりやすく示すため、線AA’に沿った強度変化が図4bで示される。

図4bは、図4aの線AA’に沿った強度変化を示している。図4bの縦軸は強度を表している。強度の範囲は0〜1.6で、1は対象物から離れた場所での強度である。図4bの横軸は線AA’に沿った位置を表している。対象物401の最大直径の周辺（エッジ）で鋭い最大値が視認可能である。またリンギングの存在も認められる。

図4cは図4aと同様の像を表している。しかし図4cでは、位相板の中心孔の直径は100nmで、かつ、カットオン周期は145nm^-1である。

リンギングは視認できないが、その代わりに大きなハローが対象物401の周辺に存在する。ここで「大きな」とは、「強度が1を優に超えること」及び「対象物401から長距離にまで広がること」の両方を意味する。

図4dは、図4cの線BB’に沿った強度変化を示している。図4dの縦軸は強度を表している。強度の範囲は0〜1.6で、1は対象物から離れた場所での強度である。図4dの横軸は線BB’に沿った位置を表している。対象物401の最大直径の周辺（エッジ）で大きなハローが視認可能である。その結果、1を超える強度が、対象物401から長距離にまで見いだされる。

図4eは、中心孔の直径が1000nmで、軌道半径が450nmで、実効カットオン周期が14.5nm^-1の「軌道モード」位相板によって可視化された試料のシミュレーション像を表している。この像は、図4aと図4cと比較して、ほとんどリンギングもハローも示していない。

図4fは、図4eの線CC’に沿った強度変化を示している。図4fの縦軸は強度を表している。強度の範囲は0〜1.6で、1は対象物から離れた場所での強度である。図4fの横軸は線CC’に沿った位置を表している。ハローは、図4d（0.1μmの孔を備える位相板）と比較してほとんどわからない。リンギングはほとんど存在しない。

大きな孔のサイズは大きな製造上の利点であると同時に、軌道運動のサイズの中心合わせと調節が、TEM内に存在する偏向器によって容易に行われることに留意して欲しい。従ってこの軌道運動モード位相板は、像の性能を向上させるだけではなく製造も容易である。

上述の実施例は、軌道モードゼルニケ位相板の利点について述べてきた。位相改善素子の他の群は、非特許文献1に記載されているようなフーコーナイフコントラスト改善素子である。ここで回折電子の一部は、TEMの回折面内に設けられたナイフエッジによって阻止されることで、半分の面が阻止される。非回折中心ビームと阻止されない半分の面の回折電子との干渉によって位相コントラストが現れる。同様に、ヒルベルト素子では、πの位相シフトが2つの半分の面の間に導入される。

図5はフーコーナイフを表している。図5に表された素子は、ホルダ構造50上に設けられた阻止部材52を有する。阻止部材52は面の半分を阻止する。非回折ビームがエッジから離れた線54に沿って通過するように、素子は位置設定される。

半分の面が阻止されない領域が、非回折ビームとナイフエッジとの間に存在することは、当業者には明らかである。ナイフエッジが設けられる場所ではかなり急激な阻止が起こる。従ってフーリエ領域でも急激な変化が起こり、結果としてアーティファクトが生じる。非回折ビーム（及び回折パターンの残りの部分）に対してナイフエッジを移動させることによって、急激な変化は穏やかになり、アーティファクトが生じなくなる。

図6はフーコーナイフの変化型を概略的に表している。

半分の面を阻止する代わりに、その半分の面の一部だけを阻止することが有利となりうる。この例は、特許文献2に記載された所謂「チューリップ」型素子である。

図6は、阻止部材602と共に回折パターンも表している。阻止部材602は、支持アーム604を介してホルダ構造（図示されていない）と接続する。阻止部材は、非回折ビーム600の近くに設けられる。阻止部材602は、真っ直ぐなエッジを備える半円として形成されていることに留意して欲しい。その円の中心には凹みが形成されている。その凹みは、非回折ビーム中の電子が阻止部材に衝突しないように、その非回折ビームを通過させることができる。この凹みは、全方向で同一な低周波数の阻止部材の低周波挙動を保証する。非回折ビームに対して阻止部材を（円運動となるように、又は、阻止部材の真っ直ぐなエッジに対して垂直な方向に）移動させることによって、要求される穏やかな変化が実現される。

また他のコントラスト改善素子（たとえば特許文献3に記載されているようなフレネルゾーンプレート又は非特許文献1に記載されているヒルベルト位相板）も、本発明の利点を享受できることに留意して欲しい。

20 ホルダ構造
22 ホイル薄膜
24 カーボンコーティング
26 孔
28 軸
50 ホルダ構造
52 阻止部材
54 直線
100 TEM
102 光軸
104 粒子源
106 収束系
108 試料
110 試料ホルダ
112 対物レンズ
114 後焦点面
116 拡大系
118 位相板
120 マニピュレータ
122 投影系
124 検出器
126 ガラス窓
128-1…128-7 偏向器
401 対象物
402 対象物
403 対象物
600 非回折ビーム
602 阻止部材
604 支持アーム

Claims (13)

1. 位相板を備える透過型電子顕微鏡での試料の可視化方法であって、
   前記試料には電子ビームが照射され、
   前記試料は、前記電子ビームを非回折ビームと回折ビームに分離し、
   当該電子顕微鏡は、位相板、フーコーの素子、又はヒルベルトの素子からなる群から選ばれるコントラスト改善素子を備え、
   前記コントラスト改善素子は、低空間周波数でのコントラストの改善を目的とし、
   前記コントラスト改善素子は、対物レンズの後焦点面内又は該面の像内に設けられ、
   前記コントラスト改善素子は、前記非散乱ビームに対して、ある位置を有し、
   前記像の生成中に、前記コントラスト改善素子と前記非散乱ビームの相互の位置が変化する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記コントラスト改善素子が、当該電子顕微鏡に対して静止した状態を保持し、
   前記ビームは前記試料に対して傾斜し、
   前記ビームが傾斜する結果、前記対物レンズの後焦点面中又は前記面の像中に生成される回折像がシフトする、
   請求項1に記載の方法。
3. 前記ビームが前記試料に対して錐体状の傾斜をしめ志、
   前記対物レンズの後焦点面中又は前記面の像中に生成される回折像が円運動し、
   前記円運動は、ある直径を有する円によって表される、
   請求項2に記載の方法。
4. 前記ビームが前記試料に対して時間依存する傾斜を示し、
   前記対物レンズの後焦点面中又は前記面の像中に生成される回折像が直線運動し、
   前記直線運動は、前記コントラスト改善素子の真っ直ぐなエッジに対して垂直な方向のある線分によって表される、
   請求項2に記載の方法。
5. 前記コントラスト改善素子が、前記非回折ビームに対して垂直な面内で、当該顕微鏡に対して機械的に移動する、請求項1に記載の方法。
6. 前記コントラスト改善素子が、当該顕微鏡に対する円又は線分の軌跡に従う、請求項5に記載の方法。
7. 前記相互の位置が反復的に変化し、かつ、
   前記反復的に変化する際の周波数が1Hz乃至50Hzである、
   請求項1乃至6のうちいずれか一項に記載の方法。
8. 前記コントラスト改善素子が孔を有し、かつ、
   前記円の直径が、前記孔の直径の0.5倍乃至1倍である、
   請求項3、5、及び6のうちいずれか一項に記載の方法。
9. 前記コントラスト改善素子がエッジを有し、かつ、
   前記直線運動の振幅は、前記エッジまでの距離の0.5倍乃至1倍である、
   請求項3、5、及び6のうちいずれか一項に記載の方法。
10. 像を取得する間、前記コントラスト改善素子によって遮断される電流に比例する信号が、前記前記コントラスト改善素子に対して前記ビームを中心に位置設定するのに用いられる、
    請求項1乃至9のうちいずれか一項に記載の方法。
11. 試料の像を取得するための透過型電子顕微鏡であって、
    当該顕微鏡は、コントラスト改善素子と当該顕微鏡を制御するプログラム可能な制御装置を備え、
    前記制御装置は、像を取得している間に、前記ビームが前記コントラスト改善素子全体にわたって移動するように、当該顕微鏡を制御するようにプログラムされる、
    ことを特徴とする透過型電子顕微鏡。
12. 前記制御装置が、像を取得している間に、前記コントラスト改善素子全体にわたって前記ビームを移動させるように偏向器を制御する、請求項11に記載の透過型電子顕微鏡。
13. 像を取得する間、前記コントラスト改善素子によって遮断される電流に比例する信号を測定する手段を備え、
    前記信号は、前記コントラスト改善素子に対して前記ビームを中心に位置設定するのに用いられる、
    請求項11又は12に記載の透過型電子顕微鏡。