JP2014075365A

JP2014075365A - 荷電粒子線装置、試料画像取得方法、およびプログラム記録媒体

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Publication number: JP2014075365A
Application number: JP2014012083A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Ominami; 祐介大南; Kenji Nakahira; 健治中平; Maki Tanaka; 麻紀田中; Shinsuke Kasai; 晋佐河西
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-01-27
Filing date: 2014-01-27
Publication date: 2014-04-24
Anticipated expiration: 2034-01-27
Also published as: JP6047508B2; KR20160079010A; US9741530B2; CN105874558A; KR101810437B1; DE112014005590T5; DE112014005590B4; WO2015111307A1; US20160336145A1; CN105874558B

Abstract

【課題】非真空雰囲気にある試料を電子顕微鏡で観察する場合には、従来の方法では非真空空間のガス分子や非真空空間と真空空間を隔離する隔膜によって電子ビームが散乱される影響により、簡便に良質な画像を得ることが難しいという課題があった。
【解決手段】本発明の荷電粒子線装置は、一次荷電粒子線が試料に到達するまでに散乱されることによって一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、検出器の信号から除去するデータ処理部を備える。例えば、一次荷電粒子線が隔膜によって、または非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、検出器で取得された信号から除去する。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料を大気圧下、所望のガス圧下またはガス種下で観察可能な荷電粒子線装置に関する。

物体の微小な領域を観察するために、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）などが用いられる。一般的に、これらの装置では試料を配置するための筐体を真空排気し、試料雰囲気を真空状態にして試料を撮像する。しかしながら、生物化学試料や液体試料などは真空によってダメージを受け、または状態が変わってしまう。一方で、このような試料を電子顕微鏡で観察したいというニーズは大きいため、観察対象試料を大気圧下や所望のガス圧下またはガス種下で観察可能なＳＥＭ装置が強く望まれている。

そこで、近年、電子光学系と試料の間に電子線が透過可能な隔膜や微小穴を設けて電子線が飛来する真空状態と試料雰囲気下を仕切ることによって、大気圧下や所望のガス圧下またはガス種下に試料が配置可能なＳＥＭ装置が開示されている。本公知文献では、隔膜直下に配備された試料ステージを使って隔膜と試料とが非接触な状態で、試料位置変更と大気圧下でのＳＥＭ観察を実施することが可能な装置が開示されている。

特開２０１２−２２１７６６号公報

観察対象試料雰囲気を大気圧下、所望のガス圧下またはガス種下にする場合、導入された隔膜や大気ガスや導入ガスによって電子ビームが散乱を受けて顕微鏡画像が明瞭ではなくなるという問題があった。例えば、隔膜と試料とが非接触な状態で大気圧下に置かれた試料に荷電粒子線を照射する装置では、隔膜と試料との距離が長いと大気中のガス分子によって荷電粒子線が散乱を受けた不明瞭な顕微鏡像になってしまう。したがって、隔膜と試料とを近接させて大気のガス分子によって散乱される量を減らすことが重要となる。

しかし、試料と隔膜とを近接させすぎると、試料と隔膜とが接触することによって隔膜を破損してしまう恐れがある。

また、特許文献１では軽元素ガスを導入することで、隔膜と試料との間のガス分子による散乱を低減する方法および装置について提案されている。軽元素ガスを導入することで、隔膜と試料とが維持した状態で良質な画像を取得することが可能となる。しかしながら、ユーザはガスボンベを常時設置して画像観察時に毎回ガスを放出する必要があり、観察に際して手間が発生する。さらに軽元素ガスを導入したとしても、電子ビームが散乱されることには変わらない。その結果、非真空雰囲気にある試料を電子顕微鏡で観察する場合には非常に画質が悪化することが常識と考えられており、そのためこのような装置を有効に利用できる場面が限られていた。

以上まとめると、従来の方法ではガス分子や隔膜によって電子ビームが散乱される影響により、簡便に良質な画像を得ることが難しいという課題があった。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、観察対象試料の近傍の雰囲気が大気下などの所望の非真空状態のときに、ガスや隔膜によって電子ビームが散乱されることによる影響が低減された画像を簡便に取得することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒と、試料を非真空空間に載置する試料ステージと、前記荷電粒子光学鏡筒から出射された一次荷電粒子線が前記試料に照射されることにより得られる二次的荷電粒子を検出する検出器と、前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を前記検出器の信号から除去するデータ処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、観察対象試料の近傍の雰囲気が大気下などの所望の非真空状態のときに、特殊なガスを使用することなく良質な画像を取得することが可能となる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

荷電粒子線の大気圧中の平均自由工程。荷電粒子顕微鏡によって取得された画像。原理説明図。原理説明図。荷電粒子顕微鏡によって取得された画像および当該画像に画像処理した後の画像。実施例１の荷電粒子顕微鏡の構成図。実施例１における隔膜―試料近傍説明図。実施例１における隔膜―試料近傍説明図。実施例１における操作画面。実施例１における実施フロー説明図。実施例１におけるデータ送受信説明図。原理説明図。実施例１における操作画面。実施例１における操作画面。実施例２の荷電粒子顕微鏡の構成図。実施例３の荷電粒子顕微鏡の構成図。実施例４の荷電粒子顕微鏡の構成図。原理説明図。実施例５の荷電粒子顕微鏡の構成図。実施例５の荷電粒子顕微鏡の構成図。原理説明図。実施例６の荷電粒子顕微鏡の構成図。実施例７における操作画面。

以下、図面を用いて各実施形態について説明する。

以下では、荷電粒子線装置の一例として、荷電粒子顕微鏡について説明する。ただし、これは本発明の単なる一例であって、本発明は以下説明する実施の形態に限定されるものではない。本発明は、走査電子顕微鏡、走査イオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡、これらと試料加工装置との複合装置、またはこれらを応用した解析・検査装置にも適用可能である。

また、本明細書において「大気圧」とは大気雰囲気または所定のガス雰囲気であって、大気圧または若干の負圧状態の圧力環境のことを意味する。具体的には約１０⁵Ｐａ（大気圧）から〜１０³Ｐａ程度である。

＜原理説明＞
大気圧下で観察可能な荷電粒子線装置では試料と隔膜は近接していなければならない。我々が計算した結果、荷電粒子線の加速電圧と１気圧中の荷電粒子線の平均自由工程との関係は図１のとおりであった。平均自由行程とは散乱で妨害されること無く進むことのできる距離の平均値のことを言う。たとえば、加速電圧１００ｋＶの場合は２００μｍ程度が平均自由工程となる。なお、後述するように散乱されることなく平均自由工程以上に飛来し、顕微鏡画像の分解能に寄与する無散乱荷電粒子線が存在する。そのため、実際に大気中の試料を荷電粒子線顕微鏡観察する場合は、隔膜と試料との距離が図１で示した平均自由工程よりも数倍から５倍程度にすることが可能であることが実験的にわかっている。つまり、荷電粒子線の加速電圧が１ｋＶから１００ｋＶ程度の範囲の場合は、試料と隔膜との距離は１０００μｍ程度以下でなければならないということになる。

図２に大気中に置かれた観察試料を走査型電子顕微鏡で観察した実験結果を示す。加速電圧は１５ｋＶで、隔膜と試料との距離は約７０μｍである。“９”という文字は金属で構成され、その他はＳｉで構成された試料である。図中Ａ部とＢ部は同じ材料で構成されているが画像の明るさが異なる。Ｂ部はＡ部よりも明るく観察される。また、文字“９”の周辺がぼけているように見える。一方で、文字“９”のエッジはしっかりと識別することが可能である。

一般的に電子顕微鏡では、ある一点にビーム照射をしている場合には照射している領域以外からの信号は検出されない。このことを前提としてビーム照射点を試料上でスキャンさせ、ビーム形状の大きさよりも十分大きい視野の画像を取得することが一般的である。つまり、取得される画像中の１点の輝度値は、試料上の当該１点に対応する場所にビームが照射されているときの二次的荷電粒子の検出量に対応している。したがって、図２の試料を従来の高真空の試料室を有する電子顕微鏡で観察する場合には文字“９”の部分は明るくそれ以外の部分は暗くなり、Ａ部とＢ部の明るさはほぼ変わらないはずである。しかし、図２のＳＥＭ像の場合は、Ｂ部はＡ部よりも明るく観察されている。図２のような画像は一般的な電子顕微鏡では取得されない。Ｂ部に電子線を照射している状態でＢ部以外からの信号が検出されていることになる。Ｂ部の領域に電子線を照射しているときに、Ｂ部以外からの信号が検出されるということは、実際にはＢ部以外の領域にも電子線の一部が照射されていると推測される。つまり実際に試料に照射されているビーム形状の大きさが視野の大きさに対して近いということになる。この現象に関して以下考察する。

図３を用いて大気圧で観察される荷電粒子線装置の一般的な構成要素について説明する。図３（ａ）は荷電粒子顕微鏡の構成を表す概念図である。荷電粒子源８を備えた荷電粒子光学鏡筒２に電磁場を発生することが可能なコンデンサレンズや対物レンズなどの荷電粒子光学部品が具備されている。荷電粒子源８から隔膜１０の図中上面までの空間１１は真空である。また、隔膜１０の図中下面から試料６までの空間１２は大気または所望のガス雰囲気による非真空空間である。なお、以下では非真空空間の距離とは、特筆しない限り、当該非真空空間を荷電粒子線が通過する経路の長さであり、荷電粒子線方向の長さを指す。通常隔膜１０に対して垂直に荷電粒子線が照射されるので、隔膜と試料との距離が非真空空間の距離となる。この構成を簡易化して記述すると図３（ｂ）のようになる。荷電粒子が放出される面を物面８ａとすると、レンズ３０１、レンズ３０２、レンズ３０３は荷電粒子線を集束することが可能な集束レンズ３０１ａ、３０２ａ、３０３ａに対応する。一方、隔膜１０部と非真空雰囲気の空間１２は、それぞれ荷電粒子線を散乱させる散乱レンズ１０ａと散乱レンズ１２ａと記述することができる。

ここで、荷電粒子顕微鏡の光学鏡筒の長さ（荷電粒子源から対物レンズの焦点位置）は加速電圧によるが一般的に１０ｍｍから１０００ｍｍ程度である。荷電粒子線ビームを集束させる必要上、一般的に加速電圧が大きくなると光学鏡筒の長さも長くなる。つまり、光学鏡筒の長さをｈ１、隔膜と試料との距離をｈ２とするならば、以下の関係が成り立つ。

ｈ１／ｈ２≧１０００・・・（式１）

したがって、図３（ｂ）で図示したよりも、実際には隔膜と試料との距離ｈ２はｈ１に比べて非常に小さい。つまり、この構成は、集束レンズ３０３ａと試料面６ａとの間に非常に薄い二つの散乱レンズが近接して導入されている点で、非常に特徴的である。

隔膜を通過した荷電粒子には、隔膜で散乱された荷電粒子と散乱されなかった荷電粒子とが含まれる。隔膜での荷電粒子線の散乱量は隔膜１０の材料種ｍ、密度ρ、厚みtに依存する。隔膜を通過した荷電粒子は非真空雰囲気の空間１２に入射する。非真空雰囲気の空間１２に入射された荷電粒子は雰囲気ガスによって散乱される。ここでも一度も散乱されないで進むことができる荷電粒子が存在する。非真空雰囲気の空間での荷電粒子線の散乱量は、隔膜１０から試料６までの距離ｚ（図３ではｈ２）、非真空雰囲気のガス種ａ、ガス圧力Ｐ（あるいは密度）に依存する。また、隔膜および非真空雰囲気における散乱量は荷電粒子線の照射エネルギーＥ（加速電圧ともいう）にも依存する。例えば図１で示したとおり、加速電圧が高いほど平均自由工程が大きい、つまり散乱されづらくなるといえる。以上をまとめると、隔膜と非真空雰囲気の空間を表す二つの散乱レンズを一つの散乱レンズ関数（または、劣化関数）Ａで表現すると、散乱レンズ関数は以下で記述される。

Ａ＝Ａ（ｍ，ρ，ｔ，ａ，Ｐ，ｚ，Ｅ）・・・（式２）

また、隔膜及び非真空雰囲気の空間を経由した前の荷電粒子ビーム形状をＦとし、隔膜及び非真空雰囲気の空間を経由した後の荷電粒子ビーム形状をＧとした場合、以下の式で記述される。

Ｇ＝Ａ（ｍ，ρ，ｔ，ａ，Ｐ，ｚ，Ｅ）×Ｆ・・・（式３）

なお、前述の通り散乱レンズ関数を経由しても隔膜や非真空雰囲気によって一度も散乱されずに飛来する荷電粒子線も存在する。その様子を説明するために、図４（ａ）を用いて、隔膜１０ａと非真空雰囲気の空間１２ａでの荷電粒子線の散乱について説明する。ビーム３０５は隔膜１０ａに入射する直前のビームの形状を表している。その後、隔膜１０ａを透過すると、隔膜中および非真空雰囲気中で多くの荷電粒子が散乱される。一方で、一度も散乱されないで進むことができる荷電粒子も存在する。以下、隔膜および非真空雰囲気のガスによって散乱されないで進行することができた荷電粒子を「無散乱荷電粒子」と呼び、一回以上散乱された荷電粒子を「散乱荷電粒子」と呼ぶ。このようにビームが散乱された結果、試料６に到達したときのビーム形状は３０６のようになる。この図では横方向がビーム形状を示す距離（すなわち試料面上の空間的な距離）であり、縦方向は荷電粒子数を表している。ビーム３０６は無散乱荷電粒子で構成されるビーム３０７と、散乱荷電粒子で構成されたビーム３０８からなる。

図４（ｂ）でビーム形状だけ拡大して示す。無散乱荷電粒子数をＮ０、散乱荷電粒子数をＮ１と表すと、無散乱荷電粒子数Ｎ０はビーム形状内部の３０７ａの部分（面積）に相当し、散乱荷電粒子数Ｎ１はビーム形状内部の３０８ａの部分（面積）に相当する。つまり、試料６が大気下に配置された荷電粒子顕微鏡装置において、光学レンズで集束されたビーム３０５は試料に到達する直前にはビーム３０６で表される形状になる。入射された荷電粒子線のビーム径をｄ０、無散乱荷電粒子のビーム径をｄ１、散乱荷電粒子のビーム径をｄ２とすると、これらの関係は以下のようになる。

ｄ２＞ｄ０〜ｄ１・・・（式４）

入射された荷電粒子線のビーム径ｄ０と無散乱荷電粒子のビーム径ｄ１とがほぼ等しいので、取得される顕微鏡画像の分解能は無散乱荷電粒子のビーム径ｄ１によって決定される。つまり、ビーム３０７さえ残っていれば、別の表現をすれば無散乱荷電粒子の数が十分残っているのであれば、分解能は維持されるといえる。なお、上記ｄ０、ｄ１、ｄ２で表されるビーム径は、ビーム径の定義が同じであれば、具体的にはビーム直径、半径、または半値幅などで規定されてもよい。以下、特筆のない限り、ビーム形状またはスポット形状とはビームの径の大きさを表すパラメータのことを指す。

次にｄ１とｄ２の大きさについて議論する。荷電粒子線のビーム径（ｄ１）は一般的には最大で１ｎｍ〜１００ｎｍ程度である。また、隔膜の材料や厚み、ガスによる散乱では距離などのパラメータに依存するが、典型的には散乱荷電粒子線のビーム径（ｄ２）は１０ｎｍ〜１０，０００ｎｍ程度となる。隔膜と試料との距離Ｚが大きければ大きいほど散乱量は増すため、ｄ２は１０，０００ｎｍよりさらに大きくなることがある。以上から荷電粒子線の散乱が問題となるケースでは以下の式が成り立つといえる。

ｄ２／ｄ１≧１０・・・（式５）

以上の考察に基づけば、図２で取得された電子顕微鏡画像を図４で説明した散乱荷電粒子によって説明することが可能である。つまり、図２のＢ部に電子線を照射している時に、散乱電子によるビーム３０８が文字“９”の部分にも照射されてしまったと考えることができる。これに対してＡ部は文字“９”から離れているので、Ａ部に電子線を照射しているときにビーム３０８が文字“９”の部分に照射されず、Ｂ部よりも暗く観察される。一方で、無散乱電子によるビーム３０７によって分解能は維持されるため、文字“９”のエッジははっきりと観察されると考察できる。

この現象は（式５）で表されるように散乱荷電粒子線のビーム径が無散乱荷電粒子線のビーム径に比べて非常に大きくなることに起因している。その結果、散乱荷電粒子線が試料上の広範囲に照射されてしまう。このように広範囲に荷電粒子の散乱の影響が発生するのは非真空環境下にある試料に荷電粒子線を照射するときの特徴的現象であり、従来の真空試料室を持つ電子顕微鏡では発生しない現象である。

以上の現象と考察から、荷電粒子光学鏡筒２と試料６との間に配置された非常に薄い散乱レンズで表される隔膜や非真空雰囲気は一次荷電粒子線のスポット形状変化を引き起こすものの、無散乱荷電粒子線３０７が残っているのであれば、画像分解能は維持されることを我々は発見した。また、（式１）で示したように、ビームの散乱を引き起こす原因は空間的に非常に凝縮されているため、この空間で発生したビーム形状変化を理論的に計算することができる。つまり、（式２）で示した散乱レンズ関数Ａを計算やシミュレーションなどから求めて、散乱後のビーム形状Ｇを計算することが非常に簡単である。この点は、後述する画像復元の観点からも非常に重要な構成であるといえる。

＜画像復元＞
以下で説明する画像復元とは取得画像に何らかの演算処理を行うことで分解能や画質の劣化を復元する処理のことである。また、以下で説明する画像復元とは取得後の画像に対して演算処理を行い復元する場合のみではなく、検出器から出力される信号に対して演算処理を行い処理後の信号によって画像を生成する場合も含むものとする。

真空下の試料を観察するための電子顕微鏡において、実験的に把握されたビーム形状を用いて画像復元する手法は従来知られている。例えば、ノイズや分解能劣化などがない理想画像Ｆに分解能の劣化などの劣化関数Ａによる畳込みとノイズｎを重畳したときに、取得画像Ｇのモデルは以下で示される。

Ｇ＝Ａ・Ｆ＋ｎ・・・（式６）

この関係から、取得画像Ｇと劣化関数Ａから理想画像Ｆを推定する。これを画像復元と呼ぶ。この対応関係は（式３）と同等である。つまり、ビーム形状の劣化を表す劣化関数Ａを求めてこの形状をデコンボリューション処理することによって画像復元が実施可能である。しかし、これまで大気雰囲気下、所望のガス圧下またはガス種下で散乱されたビーム形状から理想画像Ｆを推定することはこれまで実施されてこなかった。それは、散乱される領域の制御ができなかったためと考えられる。一方で、前述のとおり、大気圧下で観察可能な電子顕微鏡の場合は、画質劣化要因を非常に薄い散乱レンズとみなすことができ、ビーム形状の劣化度合いを決定する要因が隔膜から試料までの局所的な空間に凝縮されている。この結果、ビーム形状を決定する散乱レンズ関数を決定するパラメータは隔膜と非真空雰囲気の空間に起因するパラメータだけであり、またこれらは制御可能であるため、画像復元に必要な劣化関数Ａを求めることが非常に簡単になる。このことが本発明において重要な点の一つである。

散乱レンズ関数Ａ（劣化関数Ａ）のパラメータのうち、装置に使用される隔膜は既知なので、隔膜１０の材料種Ｍ、密度ρ、厚みｔは既知である。つまり、隔膜によって散乱される散乱量はあらかじめ計算可能である。また、後述するように荷電粒子線の加速電圧、非真空雰囲気のガス種、圧力、及び非真空雰囲気空間の距離は、装置のユーザが指定することで、知ることができる。つまり、これらの観察条件から、無散乱荷電粒子数Ｎ０と散乱荷電粒子数Ｎ１の比率及び無散乱荷電粒子のビーム径ｄ１、散乱荷電粒子のビーム径ｄ２の値やビーム形状などをあらかじめ求めておくことが可能ということである。その結果、無散乱荷電粒子によるビーム３０７ａだけを残し、散乱荷電粒子によるビーム３０８ａの影響を画像信号から除去することが可能である。これによって、後述するように、これまで実施されなかった大気雰囲気下、または所望のガス圧もしくはガス種の雰囲気下で散乱されたビーム形状から理想画像Ｆを推定し、画像復元することが可能となった。なお、ここで「除去」とは完全に除去する場合のみならず、散乱荷電粒子による影響を一部除去し、ビーム劣化による画像への影響を低減する場合も含むものとする。

画像復元処理の対象とするビーム形状は図４（ａ）に示されるような形状３０６である。したがって（式６）における散乱レンズ関数Ａのモデルとして、例えば、図４（ｂ）のように幅ｄ１で構成された第一の波形３０７ａと、幅ｄ２で構成された第二の波形３０８ｂの和を用いればよい。第一の波形３０７ａは無散乱荷電粒子線のスポット形状を表し、第二の波形３０８ｂは散乱荷電粒子線のスポット形状を表している。散乱された荷電粒子線は再度散乱を受けることもあるため、単純に二つの波形分布の和では記述できない場合がある。その場合は、入射した電子数Ｎが一定となるような条件を維持して、ｄ１，ｄ２，ｄ３・・・ｄｎなどの複数の波形の和としてビーム形状を作成してもよい。なお、前述の波形とは例えばガウス分布などであるが、どのような波形の和で表してもかまわない。散乱レンズ関数Ａのモデルが決まると、（式２）で前述したｍ，ρ，ｔ，ａ，Ｐ，ｚ，Ｅのパラメータにより散乱レンズ関数Ａを確定することができる。この確定した散乱レンズ関数Ａを用いて取得画像Ｇに対してデコンボリューション処理することで、理想画像Ｆを復元することができる。

本発明の重要な点の一つは、無散乱荷電粒子と散乱荷電粒子の二つ（または二つ以上）の波形に分離して考えて、画像復元のための演算処理をする際に、それら無散乱荷電粒子と散乱荷電粒子のそれぞれを表す波形を足すことで試料に到達するときの劣化したビーム形状（すなわち散乱レンズ関数のモデル）を作ることができることを見出した点である。

図５で、上述した画像復元処理の前後の画像を比較する。図５（ａ）が画像復元前で、図５（ｂ）が画像復元後である。図５は、（式５）を満たす観察条件の場合に、無散乱荷電粒子線と散乱荷電粒子線の和を散乱レンズ関数Ａのモデルとして、上述のようにデコンボリューション処理することによって図２で示した取得画像を復元した結果である。画像復元したことによって、散乱電子による文字“９”周辺の明るさのにじみが大幅に低減できることが確認できた。また、文字“９”のエッジもしっかりと観察することができる。

この画像復元において、散乱レンズ関数のパラメータを把握して画像復元処理をすることが重要となる。そこで、以下では上述の散乱レンズ関数のパラメータに基づいて画像復元する荷電粒子線装置及び画像処理方法について述べる。なお、後述するように、荷電粒子線の加速電圧、非真空雰囲気のガス種、圧力、及び非真空雰囲気空間の距離に応じた無散乱荷電粒子数Ｎ０と散乱荷電粒子数Ｎ１の比率、及び無散乱荷電粒子のビーム径ｄ１、散乱荷電粒子のビーム径ｄ２の値をユーザ自身が入力していてもよい。また、あらかじめ散乱による影響を計算し試料に到達する際にどのようなビーム３０６の形状になるかをコンピュータ内の記憶部に保存しておき、検出器で取得した信号に対して記憶部で記憶されているデータを用いてデコンボリューション処理を行うことで、自動的に画像復元してもよい。

上述した散乱レンズ関数に基づく画像復元方法は、散乱レンズとみなすことができる物体が局所的に凝縮して配置された荷電粒子光学系を有する装置に対して非常に有効である。このような装置の具体的実施形態を以下の実施例で示すが、本発明の適用は以下の実施例に限定されるものではない。

＜基本装置構成説明＞
本実施例では、基本的な実施形態について説明する。図６には、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。

図６に示される荷電粒子顕微鏡は、主として、荷電粒子光学鏡筒２、荷電粒子光学鏡筒２と接続されこれを支持する筐体（真空室）７、大気雰囲気下に配置される試料ステージ５、およびこれらを制御する制御系によって構成される。荷電粒子顕微鏡の使用時には荷電粒子光学鏡筒２と筐体７の内部は真空ポンプ４により真空排気される。真空ポンプ４の起動・停止動作も制御系により制御される。図中、真空ポンプ４は一つのみ示されているが、二つ以上あってもよい。荷電粒子光学鏡筒２及び筺体７は図示しない柱や土台によって支えられているとする。

荷電粒子光学鏡筒２は、荷電粒子線を発生する荷電粒子源８、発生した荷電粒子線を集束して鏡筒下部へ導き、一次荷電粒子線として試料６を走査する光学レンズ１などの要素により構成される。荷電粒子光学鏡筒２は筐体７内部に突き出すように設置されており、真空封止部材１２３を介して筐体７に固定されている。荷電粒子光学鏡筒２の端部には、上記一次荷電粒子線の照射により得られる二次的荷電粒子（二次電子または反射電子）を検出する検出器３が配置される。検出器３は荷電粒子光学鏡筒２の外部にあっても内部にあってもよい。荷電粒子光学鏡筒には、これ以外に他のレンズや電極、検出器を含んでもよいし、一部が上記と異なっていてもよく、荷電粒子光学鏡筒に含まれる荷電粒子光学系の構成はこれに限られない。

本実施例の荷電粒子顕微鏡は、制御系として、装置使用者が使用するコンピュータ３５、コンピュータ３５と接続され送受信される命令に従って真空排気系や荷電粒子光学系などの制御を行う制御部３６を備える。コンピュータ３５は、装置の操作画面（ＧＵＩ）が表示されるモニタ３３と、キーボードやマウスなどの操作画面への入力手段を備える。制御部３６およびコンピュータ３５は、各々通信線により接続される。

制御部３６は真空ポンプ４、荷電粒子源８や光学レンズ１などを制御するための制御信号を送受信する部位であり、さらには検出器３の出力信号をディジタル画像信号に変換してコンピュータ３５を経由して画面３３に表示される。制御部３６で生成された画像はコンピュータ３５のモニタ３３に表示される。図では検出器３からの出力信号をプリアンプなどの増幅器１５４を経由して制御部３６に接続している。もし、増幅器が不要であればなくてもよい。

制御部３６ではアナログ回路やディジタル回路などが混在していてもよいし、二つ以上の制御部から構成されていてもよい。荷電粒子顕微鏡には、このほかにも各部分の動作を制御する制御部が含まれていてもよい。制御部３６は、専用の回路基板によってハードウェアとして構成されていてもよいし、コンピュータ３５で実行されるソフトウェアによって構成されてもよい。ハードウェアにより構成する場合には、処理を実行する複数の演算器を配線基板上、または半導体チップまたはパッケージ内に集積することにより実現できる。ソフトウェアにより構成する場合には、コンピュータに高速な汎用ＣＰＵを搭載して、所望の演算処理を実行するプログラムを実行することで実現できる。なお、図６に示す制御系の構成は一例に過ぎず、制御ユニットやバルブ、真空ポンプまたは通信用の配線などの変形例は、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例のＳＥＭないし荷電粒子線装置の範疇に属する。

筐体７には、一端が真空ポンプ４に接続された真空配管１６が接続され、内部を真空状態に維持できる。同時に、筐体内部を大気開放するためのリークバルブ１４を備え、メンテナンス時などに、筐体７の内部を大気開放することができる。リークバルブ１４は、なくてもよいし、二つ以上あってもよい。また、筐体７におけるリークバルブ１４の配置箇所は、図６に示された場所に限られず、筐体７上の別の位置に配置されていてもよい。

筐体下面には上記荷電粒子光学鏡筒２の直下になる位置に隔膜１０を備える。この隔膜１０は、荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出される一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能であり、一次荷電粒子線は、隔膜１０を通って最終的に試料台５２に搭載された試料６に到達する。隔膜１０によって構成される閉空間（すなわち、荷電粒子光学鏡筒２および筐体７の内部）は真空排気可能である。試料は非真空空間に配置されるので、隔膜１０は真空空間と非真空空間の差圧を維持可能なものである必要がある。本実施例では、隔膜１０によって真空排気される空間の気密状態が維持されるので、荷電粒子光学鏡筒２を真空状態に維持できかつ試料６を大気圧に維持して観察することができる。また、荷電粒子線が照射されている状態でも試料が設置された空間が大気雰囲気であるまたは大気雰囲気の空間と連通しているため、観察中、試料６を自由に交換できる。

隔膜１０は土台９上に成膜または蒸着されている。隔膜１０はカーボン材、有機材、金属材、シリコンナイトライド、シリコンカーバイド、酸化シリコンなどである。土台９は例えばシリコンや金属部材のような部材である。隔膜１０部は複数配置された多窓であってもよい。一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能な隔膜の厚みは数ｎｍ〜数μｍ程度である。隔膜は大気圧と真空を分離するための差圧下で破損しないことが必要である。そのため、隔膜１０の面積は数十μｍから大きくとも数ｍｍ程度の大きさである。隔膜１０の形状は正方形でなく、長方形などのような形状でもよい。形状に関してはどのような形状でもかまわない。隔膜１０を製作する土台がシリコンであり、シリコン上に隔膜材料を成膜してからウェットエッチングにて加工するのであれば、図のように隔膜上部と下部とで面積が異なる。つまり、土台９の図中上側開口面積は隔膜面積よりも大きくなる。

隔膜１０を支持する土台９は隔膜保持部材１５５上に具備されている。図示しないが、土台９と隔膜保持部材１５５は真空シールが可能なＯリングやパッキンや接着剤や両面テープなどによって接着されているものとする。隔膜保持部材１５５は、筐体７の下面側に真空封止部材１２４を介して脱着可能に固定される。隔膜１０は、荷電粒子線が透過する要請上、厚さ数ｎｍ〜数μｍ程度以下と非常に薄いため、経時劣化または観察準備の際に破損する可能性がある。また、隔膜１０及びそれを支持する土台９は小さいので、直接ハンドリングすることが非常に困難である。そのため、本実施例のように、隔膜１０および土台９を隔膜保持部材１５５と一体化し、土台９を直接ではなく隔膜保持部材１５５を介してハンドリングできるようにすることで、隔膜１０及び土台９の取扱い（特に交換）が非常に容易となる。つまり、隔膜１０が破損した場合には、隔膜保持部材１５５ごと交換すればよい。仮に隔膜１０を直接交換しなければならない場合でも、隔膜保持部材１５５を装置外部に取り出し、隔膜１０と一体化された土台９ごと装置外部で交換することができる。

また、図示しないが、試料６の直下または近傍に試料が観察可能な光学顕微鏡を配置してもよい。この場合は、隔膜１０が試料上側にあり、光学顕微鏡は試料下側から観察することになる。そのため、この場合は、試料台５２は光学顕微鏡の光に対して透明である必要がある。透明な部材としては、透明ガラス、透明プラスチック、透明の結晶体などである。より一般的な試料台としてスライドグラス（又はプレパラート）やディッシュ（又はシャーレ）などの透明試料台などがある。

また、温度ヒータや試料中に電界を発生可能な電圧印加部などを備えてもよい。この場合、試料が加熱または冷却していく様子や、試料に電界が印加されている様子を観察することが可能となる。

また、隔膜は２つ以上配置してもよい。例えば、荷電粒子光学鏡筒２の内部に隔膜があってもよい。あるいは、真空と大気とを分離する第一の隔膜の下側に、第二の隔膜を備え第二の隔膜と試料ステージとの間に試料が内包されていてもよい。

また、別の実施形態として、試料を環境セルに入れて通常の高真空荷電粒子顕微鏡の試料ステージに配置して観察してもよい。環境セルとは、試料全体を密閉状態で内包して真空装置内部に導入することで、真空チャンバ内で試料近傍の雰囲気を局所的に維持する容器のことである。環境セル内部に試料高さ調整機構が具備されていてもよい。環境セルに設けられた真空と局所雰囲気を分離するための隔膜と試料との間の散乱を除去する場合にも上述した画像復元処理が有効である。本発明では隔膜の数や種類は問わず、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例のＳＥＭないし荷電粒子線装置の範疇に属する。

また、図示しないが、試料６の直下に、試料６を透過した荷電粒子線を検出することが可能な検出器を配置してもよい。この検出器は数ｋｅＶから数十ｋｅＶのエネルギーで飛来してくる荷電粒子線を検知及び増幅することができる検出素子である。例えば、シリコン等の半導体材料で作られた半導体検出器や、ガラス面または内部にて荷電粒子信号を光に変換することが可能なシンチレータやルミネッセンス発光材、ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）素子等が用いられる。検出器からの電気信号または光信号は、配線、光伝達経路、または光検出器などを経由して上位制御部３６や下位制御部３７で構成される制御系に送信される。このような試料を直接または間接に搭載した検出器からは透過荷電粒子信号を検出することができる。したがって、試料６が搭載された検出器ごと、隔膜１０に接近させることによって、大気中での試料６の透過荷電粒子線画像を取得することが可能である。この場合も本実施例における画像復元法が有効となる。

筺体７に具備された隔膜１０の下部には大気雰囲気下に配置された試料ステージ５を備える。これによって試料を大気雰囲気（非真空空間）に載置する。試料ステージ５には少なくとも試料６を隔膜１０に接近させることが可能な高さ調整機能をもつＺ軸駆動機構を備える。当然のことながら、試料面内方向に動くＸＹ駆動機構を備えてもよい。なお、図示しないが、試料６と隔膜１０の間の距離を調整する機構として、試料６を動かすＺ軸駆動機構の代わりにまたはこれに加えて、隔膜１０及び隔膜保持部材１５５を試料方向（図中上下方向）に駆動する駆動機構を備えてもよい。または、荷電粒子光学鏡筒２や真空筐体７を垂直方向に可動な駆動機構を具備して、荷電粒子光学鏡筒２や真空筐体７全体を試料側に動かしても構わない。隔膜、試料、または荷電粒子光学鏡筒を可動とすることにより隔膜と試料との距離を可変とするこれらの機構を距離調整機構と総称する。

本実施例では、荷電粒子線源８からの荷電粒子線が試料に到達するときのエネルギーＥを設定及び制御する。制御部３６と荷電粒子光学鏡筒２との間には照射エネルギー制御部５９が設けられている。照射エネルギー制御部５９は、例えば荷電粒子線源８へ供給する電圧を可変とすることで荷電粒子線の試料への照射エネルギーＥを変更することが可能な高圧電源である。照射エネルギー制御部５９は制御部３６の内部にあってもよい。また、別の例として、照射エネルギー制御部５９は、荷電粒子線源からの荷電粒子線の加速電圧を変更する電極でもよい。また、一次荷電粒子線を加速または減速させることが可能な光学レンズへの電圧を可変制御する電源でもよい。また別の例としては、試料ステージに電圧を印加できる電源でもよい。このような制御系は制御部３６内にあってもよいし、制御部３６と光学レンズ１との間にあってもよい。また、上記した荷電粒子線の照射エネルギー制御部の具体例は適宜組み合わされて用いられても良い。

コンピュータ３５は、データ送受信部６０、データメモリ部６１、外部インターフェース６２、データ処理部６３、を含んで構成される。データ送受信部６０は、検出信号の受信など各種データを送受信する。データメモリ部６１は、画像信号を格納することが可能である。外部インターフェース６２は、モニタ３３やキーボードやマウスなどのユーザインターフェース３４と接続される。データ処理部６３は、検出信号を画像信号に変換し出力する。さらに本実施例ではデータ処理部６３は前述のように一次荷電粒子線が試料に到達するまでに散乱されることによってスポット形状に生じる影響を除去する処理、すなわち画像復元処理を実施する。本実施例においては、一次荷電粒子線は隔膜および隔膜と試料との間の大気によって散乱される。画像復元のための散乱レンズ関数のパラメータはユーザインターフェース３４によって入力することができる。データ処理部６３は、これら散乱レンズ関数のパラメータを用いて無散乱荷電粒子と散乱荷電粒子で構成されるビーム形状を求める。前述のように、隔膜による散乱量は隔膜と材料種、密度、厚さによって求めることができ、隔膜と試料との間の大気による散乱量は隔膜と試料との距離、大気のガス種、圧力によって求めることができる。このように求められた散乱量に基づいて一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることができる。その後、取得された画像または現在取得している画像信号に対して、前述のように画像復元処理を実施し、散乱によってスポット形状に生じる影響を除去する。その結果、散乱荷電粒子の影響が低減された顕微鏡画像をモニタ３３に表示することが可能となる。なお、散乱レンズ関数パラメータが既知の場合で入力する必要が無い場合は、予め保存された画像取得条件と散乱レンズ関数パラメータの対応関係を用いてビーム形状を求めればよい。具体的には、画像取得条件と散乱レンズ関数パラメータの対応表をデータメモリ部６１に保管しておき、画像取得条件を自動で読み込んだ後に、この対応表を用いて画像取得条件に対応した散乱レンズ関数パラメータを自動で読み込んで散乱レンズ関数を確定し、これを用いて画像復元する。

図６で示した装置構成において、毎回同一種類の隔膜を用いれば隔膜１０の材料種Ｍ、密度ρ、厚みｔは変動することがなく一定である。また、非真空空間（大気空間）のガス種Ａ、圧力Ｐも大気圧下で使用している限りはほぼ一定である。つまり、図６のうち散乱レンズ関数パラメータを変動させる要因は本実施例では隔膜１０と試料６との距離Ｚだけとなる。そこで、以下では隔膜と試料との距離を求める方法について複数記載する。

図７（ａ）では隔膜および試料の周辺部だけに関して図示している。本実施例では、試料６と隔膜１０との間に距離制御部材４００が具備される。距離制御部材は試料台から突起するように設けられ、図７（ａ）で示すように、距離制御部材４００の先端が常に試料６よりも隔膜側に配置されている。そして、図７（ｂ）で示したように、試料台４０１の位置を隔膜１０方向に接近させた状態において、距離制御部材４００が隔膜保持部材１５５に接触する。これによって、隔膜１０と試料６との距離をある一定値とすることが可能となる。一方で、試料６の高さＢは試料に応じて変わることがある。そのため、試料Ｂの高さに応じて距離制御部材４００の高さＡを調整できる調整機構を有することが望ましい。例えば、距離制御部材４００はおねじであり、試料台４０１側をめねじ４０２とすることにより、距離制御部材４００のネジ部を回すことで距離制御部材４００の高さＡを変更することが可能となる。なお、調整機構は、距離制御部材４００における試料と隔膜とが接触する位置を荷電粒子光学鏡筒の光軸方向に移動可能とするものであればよい。

試料台４０１から試料表面までの距離（試料の厚み）をＢとし、隔膜保持部材１５５と隔膜１０との距離をＣとした場合、距離制御部材４００を隔膜保持部材１５５に接触させた場合の隔膜と試料間の距離Ｚは次式となる。

Ｚ＝（Ａ−Ｂ）−Ｃ・・・（式７）

前述の通り、荷電粒子線の平均自由工程の観点から隔膜と試料間との距離Ｚは短いことが望ましい。具体的には１０００μｍ以下であるとよい。また、隔膜１０と試料６とが接触しないためには次式に従う必要がある。

Ａ−Ｂ＞Ｃ・・・（式８）

以上の関係式により、距離制御部材を用いると試料と隔膜との距離がＺであることを保証できる。

次に、図８を用いて、距離制御部材４０８を配置した別の形態を説明する。この場合は、隔膜１０を保持している土台９上に距離制御部材４０８が具備されている。距離制御部材４０８はあらかじめ土台９上に成膜されている薄膜でもよいし、後から取り付けられたスペーサなどでもよい。例えば、厚みが既知の距離制御部材４０８に試料６を接触させると隔膜との距離Ｚを把握することが可能となる。または接触した後に、再度試料と距離制御部材４０８をある既知の距離だけ離すことによって、試料６と隔膜１０との距離を制御することが可能である。

また、図示しないが図６の装置の図中横方向からカメラなどで距離を把握してもよい。または、レーザなどで隔膜と試料との間の距離を計測してもよい。また、データ送受信部４００から図示しない駆動制御部に対して信号を送り、試料ステージなどを電気的に駆動させることによって試料と隔膜との距離を制御してもよい。なお、図示しないが、試料６が載置された試料ステージ５が動くことによって試料６と隔膜１０を接近させる代わりに、隔膜１０及び隔膜保持部材１５５が図中上下方向に駆動する駆動機構によって試料６と隔膜１０を接近させてもよい。または、試料６の高さを本荷電粒子線装置以外の場所で計測することで、試料高さを既知すれば、前述で説明した手法を使わなくても、試料ステージ５の高さから隔膜１０と試料６との距離を把握することが可能となる。

＜操作画面＞
図９に、操作画面の一例を示す。ここでは、操作画面を通して入力されたパラメータを用いて画像復元する例を説明する。

操作画面７００は、観察条件を設定する条件設定部７０１、取得した原画像を表示する画像表示部７０２、画像復元後の画像を表示する画像表示部７０３、画像調整部７０４、画像復元パラメータ設定部７０５などを備える。条件設定部７０１は照射エネルギーＥ設定部７０６、照射開始ボタン７０７、照射停止ボタン７０８、画像保存ボタン７０９、画像読み出しボタン７１０などを備える。画像表示部７０２には画像復元前の画像が表示され、画像表示部７０３には復元された画像が表示される。画像調整部７０４には焦点調整部７１５、明るさ調整部７１６、コントラスト調整部７１７などを備える。

画像復元パラメータ設定部７０５は、一次荷電粒子線の散乱に寄与する物質に関連するパラメータを入力する入力欄である。具体的には隔膜−試料間距離設定部７１１、画像取得した際の加速電圧を入力する加速電圧入力部７２３、倍率設定部７３２、画像復元開始ボタン７１３、画像復元した画像の明るさやコントラストを調整するボタンを備える。ここでは、隔膜に関する情報が既知でかつ隔膜と試料との間の空間は大気であるとすると、隔膜−試料間距離Ｚと加速電圧Ｅと倍率を設定することで、図４で示したような散乱荷電粒子ビーム形状が計算可能である。当然ながら隔膜−試料間距離Ｚだけではなく、一次荷電粒子線の散乱に寄与する物質に関連するパラメータとして上述した別のパラメータを入力可能としてもよい。なお、倍率を設定するのは、画像を構築している一画素の大きさ（画素サイズ）がいくつかを決めるためである。倍率に代えて画素サイズを入力できるようにしてもよい。

これらの値から無散乱荷電粒子線のビーム径ｄ１、散乱荷電粒子線のビーム径ｄ２、無散乱荷電粒子比率Ｎ０／（Ｎ０＋Ｎ１）が決定される。これらは前述のようにあらかじめ計算式や計算テーブルを準備しておき、コンピュータ内に保存されている既知のパラメータを併せて使うことで自動計算される。この結果を用いて取得した画像に対してデコンボリューション処理することで、ビームの散乱の影響を除去することができる。ただし、隔膜−試料間距離が入力者の想定と異なる場合などは画像復元結果が不適切な場合がある。その場合には自動計算された値を使うのではなく、ユーザが無散乱荷電粒子線のビーム径ｄ１、散乱荷電粒子線のビーム径ｄ２、無散乱荷電粒子比率Ｎ０／（Ｎ０＋Ｎ１）を手動で入力してもよい。これらの値を自動計算するかユーザが入力するかを設定することが選択できるボタン７２６，７２７を備えてもよい。一方で、この作業が煩雑である場合はパラメータを設定する部位７２５は非表示であってもよい。このようにユーザが画像復元処理に用いるパラメータを入力できることで、ユーザがより現実に近いビーム形状を探索することができる。または、ユーザがパラメータを調整した結果、最も理想画像に近い画像となった時に用いたビーム形状が実際のビーム形状に近いという知見を得ることが可能となる。

なお、画像を呼び出した際に、画像を取得したときの画像取得情報が記述されたファイルを読み込めば、加速電圧と倍率を入力する手間を省くことが可能となる。

また、これらのパラメータをまとめて何らかのパラメータに置き換えて入力させてもよい。例えば、デコンボリューション処理の強弱を示すようなパラメータである。より具体的には、画像復元処理の強度レベルを１から１０までに分けて、レベル１がｄ２／ｄ１＝１０に対応し、レベル１０がｄ２／ｄ１＝１０００に対応するようにすればよい。この場合にはパラメータを数値入力する代わりに、スライダーバーなどの入力手段を表示させてもよい。このようにすればユーザが画像復元処理レベルで画像復元を実施し、結果に満足しなければ別レベルに再度画像復元を実施すればよく、ユーザは選択すべきパラメータは画像復元処理のレベルだけとなるので、非常に簡便な操作となる。

＜特定領域画像復元＞
図５では画像全体を処理した結果について図示した。しかし、図１０のように試料６に大きな凹凸が存在する場合などは、隔膜１０と試料６の間の距離が均一ではなく、隔膜と試料表面との距離は試料上の位置に依存する。例えば、６ａの位置では隔膜と試料表面との距離がＺ１であるのに対して、６ｂの位置では隔膜と試料表面との距離がＺ２である。試料上の位置によって隔膜と試料表面との距離が異なると、散乱レンズ関数のパラメータが異なる。そのため、入射ビーム形状３０５を入射すると試料表面に到達する荷電粒子線のビーム形状３０６は図１０の下図に示したようになる。つまり、無散乱荷電粒子と散乱荷電粒子によるビームの形状やこれらの数が異なるために、試料表面に到達するときのビーム形状が異なる。そのため、試料６ａ部と試料６ｂ部とが混在した画像すべての領域に対して一つの散乱レンズパラメータで一括して画像復元処理することは最適とはいえない。

そこで、６ａ近傍と６ｂ近傍の画像を別々のパラメータを用いて画像復元する。この処理を行うための操作画面を図１１に示す。画面７００には、画像を読み出すボタン７１０、読み込んだ画像を表示する画像表示部７０２と、復元後の画像を表示する画像表示部７０３を有する。画像復元パラメータ設定部７０５など特記しない部分については図９にて説明した通りである。画面７００には画像復元領域を設定する領域設定部７２９をそなえる。領域設定部７２９では、四角や丸や三角などの図形が選択でき、画像表示部７０２上に所望の図形で示される範囲を入力することが可能である。表示された図形の内部に含まれる画像に対して指定のパラメータで画像復元される。すなわち、画面７００では一枚の画像のうち画像復元の処理を行う領域をユーザが指定可能となっている。四角や丸などの既知の形だけでなくユーザがフリーハンドで自由に領域を描けるような領域設定を可能としてもよい。

また、一つの画像に対して複数個所に同一パラメータによる画像復元の対象となる領域を設定可能としてもよい。例えば、図中の領域７３０、領域７３１などである。このような状態で画像復元開始ボタン７２３を押すと、画像復元が開始され、画像表示部７０３に復元後の画像が表示される。この状態では、同じパラメータにて画像復元を２か所実施した様子となっている。次に、別領域に対して別パラメータにて画像復元を実施したい場合は、例えば、復元画像呼び出しボタン７２９を押すと、画像表示部７０２に復元された画像が呼び出され、その後同様の手順を繰り返すことで、さらに別パラメータにて画像復元を実施してその結果を上書きすることが可能となる。

また、別の例として、図１２のように画像復元パラメータ設定部７０５に、領域ごとにパラメータをそれぞれ設定可能な入力欄７３３（複数パラメータ設定部）を設けてもよい。複数パラメータ設定部には、入力された数値パラメータに対応する領域選択が可能であることを明示するボタンを有してもよい。選択ボタン（図中領域Ａのボタンなど）を押した状態のままパラメータを設定し、領域設定部７２９にて図形を選び、画像表示部７０２上で領域７３０（図中Ａ部）を指定する。次に、複数パラメータ設定部にて別パラメータのボタン（図中領域Ｂボタン）を選択して同様に別の領域７３１（図中Ｂ部）を選択する。こうすると、一枚の画像に含まれる領域７３０と領域７３１とに対して互いに異なるパラメータを用いて一括して画像復元することが可能となるので、保存された画像を再度読み込む作業は不要となる。

＜手順説明＞
以下で、図１３を用いて画像取得を行う手順について説明する。最初に、ステップ５００で加速電圧Ｅを設定する。次に、ステップ５０１で画像を撮像する。次に、ステップ５０２にて所望の画像を保存する。保存された画像の中から画像復元処理を実施する画像を選択する。または所望の画像を呼び出してもよい（ステップ５１１）。次に、ステップ５１２で、その画像を取得した際の加速電圧Ｅや倍率（または画素サイズ）の設定を行う。次のステップ５０３で画像復元をする画像内の領域を設定する。画像全部に画像復元処理をする場合は、このステップはなくてもよい。次に、ステップ５０４にて、隔膜−試料間距離Ｚを設定する。前述の通り、このステップ５０４で設定するパラメータは隔膜−試料間距離Ｚではなく何らかに置きかえられたパラメータであってもかまわない。ステップ５０５では、設定されたパラメータを用いて散乱荷電粒子線に関するパラメータが決定される。散乱荷電粒子線に関するパラメータとは、無散乱荷電粒子線のビーム径ｄ１、散乱荷電粒子線のビーム径ｄ２、無散乱荷電粒子比率Ｎ０／（Ｎ０＋Ｎ１）等である。前述のように、散乱荷電粒子に関するパラメータを手動で入力したい場合はこのステップで入力する。

また、図１２で示したように、画像復元領域を複数設定したい場合はステップ５０３に戻り、別の画像復元領域を決定する。設定されたパラメータが満足いく値であれば、画像復元を開始する。次に、復元された画像を確認し（ステップ５０７）、結果が不満足であればパラメータを再設定する。問題なければ復元された画像を保存して（ステップ５１０）、画像復元処理を終了させる。

また、図９の説明において前述したとおり、ステップ５０４から５０５までの処理でパラメータを入力することは非常に煩雑であるため、デコンボリューション処理の強弱を示すようなパラメータなどに置き換えて計算させてもよい。

また、顕微鏡が画像を保存した際に加速電圧や倍率などの情報が画像ファイルそれ自体に埋め込まれている場合や、別ファイルにて保存されている場合などは、ステップ５１１にて画像ファイルを呼び出す際に、それらファイルを同時に読み込むことによって、ステップ５１２を不要とすることも可能である。

なお、本実施例の画像復元処理は荷電粒子顕微鏡装置とは独立したコンピュータ上で実施することも可能である。図１４にその状態を説明する。コンピュータ３５が荷電粒子顕微鏡装置に併設されており、これとは独立してコンピュータ３５’が設けられている。コンピュータ３５とコンピュータ３５’とは通信配線や記録媒体などを経由してデータの送受信が可能である。散乱荷電粒子線を含んだ状態で取得された荷電粒子顕微鏡画像を、コンピュータ３５を経由し、コンピュータ３５’に送信する。コンピュータ３５’では図１１または図１２のような操作画面により、上述したように画像復元に用いるパラメータや画像復元対象とする領域の設定が可能である。その後、図１３のステップ５１１のように、コンピュータ３５’が受信した画像データを呼び出し、画像復元を実施する。なお、別に配置されたコンピュータ３５’で画像復元を実施する場合は、図９の操作画面のように荷電粒子線の照射条件や焦点調整などの設定部は不要である。図１４の実施形態によれば、荷電粒子顕微鏡をコントロールするコンピュータ３５を使うことなく別コンピュータにて画像復元作業を実施することが可能であるため、画像取得と画像復元を効率よく実施できる。なお、図１４の実施形態の場合にはコンピュータ３５’に専用のソフトウェアをインストールすることで本実施例の画像復元処理が可能となる。この専用のソフトウェアは少なくとも図１１または図１２に示すようなパラメータの設定が可能な操作画面を表示する機能と、このパラメータを用いて散乱レンズ関数を決定し画像復元処理をする機能とを有する。この専用のソフトウェアは非一時的かつ有体のコンピュータ読み取り可能記録媒体に記憶される。

本実施例または他の実施例で述べるように大気圧下で試料を観察する荷電粒子線装置は荷電粒子線装置の使用に慣れていない初心者が用いる可能性もあり、最適な画像を取得可能な位置に試料を配置することは必ずしも容易とはいえないが、本実施例にて説明した方法によれば、試料と隔膜との距離が離れていても画像復元を実施することで良好な画像を取得することが可能なる。この結果、隔膜や試料を破損することなく、使い勝手が飛躍的に向上するという効果を奏することができる。

以上、本実施例では試料と隔膜との距離に応じた画像復元を行う装置および方法について述べたが、各制御構成、配線経路および操作画面に関しては上記以外の場所に配置されてもよく、本実施例で意図する機能を満たす限り、本実施例のＳＥＭないし荷電粒子線装置の範疇に属する。

以下では、一般的な荷電粒子線装置を簡便に大気下にて試料観察できる装置構成に関して説明する。図１５には、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。実施例１と同様、本実施例の荷電粒子顕微鏡も、荷電粒子光学鏡筒２、該荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する筐体（真空室）７、試料ステージ５などによって構成される。これらの各要素の動作・機能あるいは各要素に付加される付加要素は、実施例１とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。

本構成では、筐体７（以下、第１筺体）に挿入して使用される第２筐体（アタッチメント）１２１を備える。第２筐体１２１は、直方体形状の本体部１３１と合わせ部１３２とにより構成される。後述するように本体部１３１の直方体形状の側面のうち少なくとも一側面は開放面１５となっている。本体部１３１の直方体形状の側面のうち隔膜保持部材１５５が設置される面以外の面は、第２筺体１２１の壁によって構成されていてもよいし、第２筺体１２１自体には壁がなく第１筺体７に組み込まれた状態で第１筺体７の側壁によって構成されても良い。第２筐体１２１は第１筐体７の側面又は内壁面又は荷電粒子光学鏡筒に固定される。本体部１３１は、観察対象である試料６を格納する機能を持ち、上記の開口部を通って第１筐体７内部に挿入される。合わせ部１３２は、第１筐体７の開口部が設けられた側面側の外壁面との合わせ面を構成し、真空封止部材１２６を介して上記側面側の外壁面に固定される。これによって、第２筐体１２１全体が第１筐体７に嵌合される。上記の開口部は、荷電粒子顕微鏡の真空試料室にもともと備わっている試料の搬入・搬出用の開口を利用して製造することが最も簡便である。つまり、もともと開いている穴の大きさに合わせて第２筐体１２１を製造し、穴の周囲に真空封止部材１２６を取り付ければ、装置の改造が必要最小限ですむ。また、第２筐体１２１は第１筐体７から取り外しも可能である。

第２筐体１２１の側面は大気空間と少なくとも試料の出し入れが可能な大きさの面で連通した開放面１５であり、第２筐体１２１の内部（図の点線より右側；以降、第２の空間とする）に格納される試料６は、観察中、大気圧状態に置かれる。なお、図１５は光軸と平行方向の装置断面図であるため開放面１５は一面のみが図示されているが図１５の紙面奥方向および手前方向の第１の筺体の側面により真空封止されていれば、第２の筺体１２１の開放面１５は一面に限られない。第２の筺体１２１が第１の筺体７に組み込まれた状態で少なくとも開放面が一面以上あればよい。一方、第１筐体７には真空ポンプ４が接続されており、第１筐体７の内壁面と第２筐体の外壁面および隔膜１０によって構成される閉空間（以下、第１の空間とする）を真空排気可能である。第２の空間の圧力を第１の空間の圧力より大きく保つように隔膜が配置されることで、本実施例では、第２の空間を圧力的に隔離することができる。すなわち、隔膜１０により第１の空間１１が高真空に維持される一方、第２の空間１２は大気圧または大気圧とほぼ同等の圧力のガス雰囲気に維持されるので、装置の動作中、荷電粒子光学鏡筒２や検出器３を真空状態に維持でき、かつ試料６を大気圧に維持することができる。また、第２筐体１２１が開放面を有するので、観察中、試料６を自由に交換できる。つまり、第一の空間１１が真空状態のままで、試料６を大気中で動かしたり装置外へと出し入れすることが可能となる。

第２筐体１２１の上面側には、第２筐体１２１全体が第１筐体７に嵌合された場合に上記荷電粒子光学鏡筒２の直下になる位置に隔膜１０を備える。この隔膜１０は、荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出される一次荷電粒子線を透過または通過させることが可能であり、一次荷電粒子線は、隔膜１０を通って最終的に試料６に到達する。

第２筐体１２１の内部には試料ステージ５が配置される。試料ステージ５上には試料６が配置される。隔膜１０と試料６との接近には試料ステージ５が用いられる。試料ステージは手動で操作してもよいし、試料ステージ５に電動モータなどの駆動機構を具備させて、装置外部から電気通信にて操作してもよい。

以上の通り、隔膜を備えたアタッチメント部を導入することによって、一般的な真空下での撮像を行う荷電粒子線装置を用いて大気圧またはガス雰囲気で試料観察することが可能である。また、本実施例のアタッチメントは、試料室の側面から挿入する方式のため大型化が容易である。

本実施例の装置構成によっても、実施例１で述べた方法により、隔膜や試料を破損することなく、簡単にかつ正確に試料位置の調整ができるという効果を奏することができる。

本実施例で説明する装置構成においても、隔膜での散乱および隔膜と試料との間大気空間での散乱によりビーム形状が劣化するため、上述の画像復元が有効となる。画像復元に用いるパラメータや画像復元処理の方法は上述した通りなので説明を省略する。

図１６には、本実施例の荷電粒子顕微鏡の全体構成図を示す。実施例２と同様、本実施例の荷電粒子顕微鏡も、荷電粒子光学鏡筒２、該荷電粒子光学鏡筒を装置設置面に対して支持する第１筐体（真空室）７、第１筐体７に挿入して使用される第２筐体（アタッチメント）１２１、制御系などによって構成される。これらの各要素の動作・機能あるいは各要素に付加される付加要素は、実施例１や２とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。

本実施例の荷電粒子顕微鏡の場合、第２筐体１２１の少なくとも一側面をなす開放面を蓋部材１２２で蓋うことができるようになっており、種々の機能が実現できる。以下ではそれについて説明する。

本実施例の荷電粒子顕微鏡は、試料位置を変更することで観察視野を移動する手段としての試料ステージ５が蓋部材１２２に連結されている。試料ステージ５には、面内方向へのＸＹ駆動機構および高さ方向へのＺ軸駆動機構を備えている。蓋部材１２２には試料ステージ５を支持する底板となる支持板１０７が取り付けられており、試料ステージ５は支持板１０７に固定されている。支持板１０７は、蓋部材１２２の第２筐体１２１への対向面に向けて第２筐体１２１の内部に向かって延伸するよう取り付けられている。Ｚ軸駆動機構およびＸＹ駆動機構からはそれぞれ支軸が伸びており、各々蓋部材１２２が有する操作つまみ１０８および操作つまみ１０９と繋がっている。装置ユーザは、これらの操作つまみ１０８、１０９を操作することにより、試料６の第２筐体１２１内での位置を調整する。

本実施例の荷電粒子顕微鏡においては、第２筐体内に置換ガスを供給する機能を備える。例えばガスボンベおよびガス供給管である。またはこれに代えて、第一の空間１１や装置外部である外気とは異なった気圧状態を形成可能な機能を備えてもよい。例えば少しだけ真空引きできるポンプである。荷電粒子光学鏡筒２の下端から放出された荷電粒子線は、高真空に維持された第１の空間を通って、隔膜１０を通過し、更に、大気圧または（第１の空間よりも）低真空度に維持された第２の空間に侵入する。その後、試料６に荷電粒子線が照射される。大気空間では電子線は気体分子によって散乱されるため、平均自由行程は短くなる。つまり、隔膜１０と試料６の距離が大きいと、一次荷電粒子線、または荷電粒子線照射により発生する二次電子、反射電子もしくは透過電子等が試料及び検出器３まで届かなくなる。一方、荷電粒子線の散乱確率は、気体分子の質量数や密度に比例する。従って、大気よりも質量数の軽いガス分子で第２の空間を置換するか、少しだけ真空引きすることを行えば、電子線の散乱確率が低下し、荷電粒子線が試料に到達できるようになる。また、第２の空間の全体ではなくても、少なくとも第２の空間中の荷電粒子線の通過経路、すなわち隔膜１０と試料６との間の大気をガス置換または真空引きできればよい。

以上の理由から、本実施例の荷電粒子顕微鏡では、蓋部材１２２にガス供給管１００の取り付け部（ガス導入部）を設けている。なお、ここではガス供給管と称するが、排気管として利用することで前述のように少しだけ真空引きすることにも使える。ガス供給管１００は連結部１０２によりガスボンベ１０３と連結されており、これにより第２の空間１２内に置換ガスが導入される。ガス供給管１００の途中には、ガス制御用バルブ１０１が配置されており、管内を流れる置換ガスの流量を制御できる。このため、ガス制御用バルブ１０１から下位制御部３７に信号線が伸びており、装置ユーザは、コンピュータ３５のモニタ上に表示される操作画面で、置換ガスの流量を制御できる。また、ガス制御用バルブ１０１は手動にて操作して開閉してもよい。

置換ガスの種類としては、窒素や水蒸気など、大気よりも軽いガスであれば画像Ｓ／Ｎの改善効果が見られるが、質量のより軽いヘリウムガスや水素ガスの方が、画像Ｓ／Ｎの改善効果が大きい。

置換ガスは軽元素ガスであるため、第２の空間１２の上部に溜まりやすく、下側は置換しにくい。そこで、蓋部材１２２でガス供給管１００の取り付け位置よりも下側に第２の空間の内外を連通する開口を設ける。例えば図１６では圧力調整弁１０４の取り付け位置に開口を設ける。これにより、ガス導入部から導入された軽元素ガスに押されて大気ガスが下側の開口から排出されるため、第２筐体１２１内を効率的にガスで置換できる。なお、この開口を後述する粗排気ポートと兼用しても良い。

上述の開口の代わりに圧力調整弁１０４を設けても良い。当該圧力調整弁１０４は、第２筐体１２１の内部圧力が１気圧以上になると自動的にバルブが開く機能を有する。このような機能を有する圧力調整弁を備えることで、軽元素ガスの導入時、内部圧力が１気圧以上になると自動的に開いて窒素や酸素などの大気ガス成分を装置外部に排出し、軽元素ガスを装置内部に充満させることが可能となる。なお、図示したガスボンベまたは真空ポンプ１０３は、荷電粒子顕微鏡に備え付けられる場合もあれば、装置ユーザが事後的に取り付ける場合もある。

また、ヘリウムガスや水素ガスのような軽元素ガスであっても、電子線散乱が大きい場合がある。その場合は、ガスボンベ１０３を真空ポンプに代えればよい。そして、少しだけ真空引きすることによって、第２の筐体内部を極低真空状態（すなわち大気圧に近い圧力の雰囲気）にすることが可能となる。つまり、第一の隔膜１０と試料６の間の空間を真空にすることが可能である。例えば、第２の筐体１２１または蓋部材１２２に真空排気ポートを設け、第２筐体１２１内を少しだけ真空排気する。その後置換ガスを導入してもよい。この場合の真空排気は、第２筐体１２１内部に残留する大気ガス成分を一定量以下に減らせればよいので高真空排気を行う必要はなく、粗排気で十分である。なお、この際に空間１２の圧力を監視することが可能な圧力計８０を有してもよい。

また、図示しないが、ボンベ１０３部はガスボンベと真空ポンプを複合的に接続した、複合ガス制御ユニット等でもよい。図示しないが試料６を加熱するための加熱機構を第２の筺体１２１内部に配置してもよい。

また、二次電子検出器や反射電子検出器に加えて、Ｘ線検出器や光検出器を設けて、ＥＤＳ分析や蛍光線の検出ができるようにしてもよい。Ｘ線検出器や光検出器は、第１の空間１１または第２の空間１２のいずれに配置されてもよい。

このように本装置構成では、試料が載置された空間を大気圧（約１０⁵Ｐａ）から約１０³Ｐａまでの任意の真空度に制御することができる。従来のいわゆる低真空走査電子顕微鏡では、電子線カラムと試料室が連通しているので、試料室の真空度を下げて大気圧に近い圧力とすると電子線カラムの中の圧力も連動して変化してしまい、大気圧（約１０⁵Ｐａ）〜約１０³Ｐａの圧力に試料室を制御することは困難であった。本実施例によれば、第２の空間と第１の空間を薄膜により隔離しているので、第２の筐体１２１および蓋部材１２２に囲まれた第２の空間１２の中の雰囲気の圧力およびガス種は自由に制御することができる。したがって、これまで制御することが難しかった大気圧（約１０⁵Ｐａ）〜約１０³Ｐａの圧力に試料室を制御することができる。さらに、大気圧（約１０⁵Ｐａ）での観察だけでなく、その近傍の圧力に連続的に変化させて試料の状態を観察することが可能となる。つまり、本実施例による構成は前述までの構成と比べて、第２筺体内部の第２の空間１２が閉じられているという特徴を持つ。そのため、例えば隔膜１０と試料６との間にガス導入し、または真空排気することが可能な荷電粒子線装置を提供することが可能となる。

本実施例では、試料ステージ５およびその操作つまみ１０８、１０９、ガス供給管１００、圧力調整弁１０４が全て蓋部材１２２に集約して取り付けられている。従って装置ユーザは、上記操作つまみ１０８、１０９の操作、試料の交換作業、またはガス供給管１００、圧力調整弁１０４の操作を第１筐体の同じ面に対して行うことができる。よって、上記構成物が試料室の他の面にバラバラに取り付けられている構成の荷電粒子顕微鏡に比べて操作性が非常に向上している。

以上説明した構成に加え、第２筐体１２１と蓋部材１２２との接触状態を検知する接触モニタを設けて、第２の空間が閉じているまたは開いていることを監視してもよい。

以上、本実施例の装置は、実施例１や２の効果に加え、大気圧から所望の置換ガス種または所望の圧力下での観察が可能である。また、第一の空間とは異なった圧力の雰囲気下での試料観察が可能である。また、隔膜を取り外して第１の空間と第２の空間を連通させることにより、大気または所定のガス雰囲気下での観察に加えて第一の空間と同じ真空状態での試料観察も可能なＳＥＭが実現される。本実施例の装置構成によっても、実施例１や２に述べた方法により、隔膜や試料を破損することなく、簡単にかつ正確に試料位置の調整ができるという効果を奏することができる。

本実施例においても、一次荷電粒子線は隔膜および非真空空間である隔膜と試料との間のガスによって散乱される。これらの散乱によって一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響は、前述の方法と同様にすれば除去することが可能である。パラメータや演算処理方法は前述のとおりである。ただし、本実施例における装置において、試料と隔膜間にガスを導入したり、大気圧よりも低い圧力にした場合は、図４で示した試料到達ビーム形状は変化する。これは、図３の空間１２に相当する散乱レンズ１２ａの散乱レンズ関数が変化するためである。

つまり、（式２）におけるガス種ａおよびガス圧力Ｐが変化する。試料と隔膜との間の空間に軽元素ガスをいれるとより散乱量が少ないａを設定する必要があり、少しだけ真空引きした場合はより散乱量が少ない圧力Ｐを設定する必要がある。またガスを導入したり軽く真空引きしたりすることにより試料と隔膜との距離を変えた場合にはこれも新たに変更入力する必要がある。前述の通り、軽元素ガスを導入したり大気圧よりも低い圧力にすると、平均自由工程が伸びるので散乱荷電粒子ビーム径ｄ２は小さくなる傾向となる。そのため、本実施例における装置の操作画面では、図９などの操作画面に空間１２に導入するガス種ａや、圧力計８０によって計測されたガス圧力Ｐを入力することが可能な設定部を有することで上述した画像復元が実施可能となる。

本実施例では、実施例１の変形例である荷電粒子光学鏡筒２が隔膜１０に対して下側にある構成に関して説明する。図１７に、本実施例の荷電粒子顕微鏡の構成図を示す。真空ポンプや制御系などは省略して図示する。また、真空室である筺体７、荷電粒子光学鏡筒２は装置設置面に対して柱や支え等によって支持されているものとする。各要素の動作・機能または各要素に付加される付加要素は、前述の実施例とほぼ同様であるので、詳細な説明は省略する。

図１７（ａ）に示すように、本実施例の装置には、試料６を隔膜１０に接近させる試料ステージ５が具備されている。本実施例の装置構成では図中試料６下側の試料面が観察されることになる。言い換えれば、本実施例の装置構成では、装置上方が大気圧空間として開放されている。この場合も実施例１，２で説明した方法によって隔膜と試料との距離を調整することができる。

図１７（ｂ）のように、試料６を直接隔膜１０側に搭載してもよい（図中矢印）。この場合は必ずしも試料ステージ５は必要でない。本実施例に実施例１，２で説明した方法を適用して隔膜と試料６とを接近させるためには、隔膜１０と試料６との間に厚みが規定され成膜された薄膜や着脱可能な箔材などの接触防止部材５６を用いる。この場合には接触防止部材５６が実施例１，２で述べた距離調整機構にあたる。接触防止部材５６を置くことによって、試料６を安心して配置することが可能となる。例えば、様々な既知の厚みの接触防止部材５６を複数個準備する。最初に、厚みがｔ１の接触防止部材５６を土台９上に配置する。次に、試料６を搭載する。これにより、隔膜１０と試料６とを接触させて破損させることなく観察を実施することが可能となる。

図１７（ａ）（ｂ）のいずれの構成においても、隔膜での散乱および隔膜と試料との間大気空間での散乱によりビーム形状が劣化するため、上述の画像復元が有効となる。画像復元に用いるパラメータや画像復元処理の方法は上述した通りなので説明を省略する。

前述までの実施例では、隔膜１０と試料６とが非接触な状態で大気下に配置された荷電粒子顕微鏡観察する装置及び方法について説明した。本実施例では、隔膜と試料とが接触した状態で大気雰囲気中に配置された試料の顕微鏡観察する装置にて画像復元を実行する方法について記載する。

図１８を用いて大気圧で観察される荷電粒子線装置の一般的な構成要素について説明する。図３と同様な点は説明を割愛する。図１８では隔膜１０の図中下面側が非真空空間であり、隔膜１０の図中上側は真空空間である。試料は隔膜１０に接触して保持されている。この構成を簡易化して記述すると図１８（ｂ）のようになる。隔膜１０に試料が接触しているので、図３で説明したような非真空空間に対応する散乱レンズ１２ａは存在していない。つまり、隔膜１０による散乱レンズ１０ａだけが存在していることとなり、散乱量は隔膜１０の材料種ｍ、密度ρ、厚みｔ、及び荷電粒子線の照射エネルギーＥに依存する。隔膜だけによる散乱レンズ関数（または、劣化関数）Ａとおくと、散乱レンズ関数は以下で記述される。

Ａ＝Ａ（ｍ，ρ，ｔ，Ｅ）・・・（式９）

また、隔膜に入射する前の荷電粒子ビーム形状をＦとし、隔膜を透過した後の荷電粒子ビーム形状をＧとした場合、以下と記述される。

Ｇ＝Ａ（ｍ，ρ，ｔ，Ｅ）×Ｆ・・・（式１０）

隔膜１０に入射されるビーム形状をビーム３０５とすると、試料６に到達したビーム形状はビーム３０６のようになる。隔膜と試料との間の非真空雰囲気による散乱レンズ（図３の１２ａ）がないために、実施例１から実施例５までの装置と比べると散乱荷電粒子に起因するビームが少ない。つまり、散乱荷電粒子ビーム径ｄ２は小さい。しかしながら、隔膜１０による散乱は図３の場合と同様に発生する。この結果、図３の場合と同様に、無散乱荷電粒子線によるビーム３０７と、散乱荷電粒子線によるビーム３０８が混在したビームとなる。したがって、前述した画像復元法が有用である。

図１９に本実施例における荷電粒子装置を示す。荷電粒子光学鏡筒２及び筺体７は図示しない柱や土台によって支えられているとする。また、図１７で示したように荷電粒子光学鏡筒が隔膜１０に対して下側にある構成にしてもよい。本構成では、隔膜１０に試料６が接触している点以外の構成は実施例１と同じである。実施例２や３で説明した図１５や図１６のように一般の荷電粒子顕微鏡装置にアタッチメントをつけた構成としてもよい。隔膜に直接試料を接触させて保持する場合、隔膜保持部材１５５上に試料６を搭載した後で、隔膜保持部材１５５を筐体７に接触させて空間１１を真空にし、荷電粒子線を照射することで画像を取得する。その後、取得した画像に対して前述の画像復元を実施する。

次の例として、図２０に隔膜と試料とを接触させて観察する別の荷電粒子顕微鏡装置について記載する。本構成では試料６を非真空雰囲気の局所空間で密閉して内包することが可能な容器１００が荷電粒子装置の試料ステージ５上に配置されている。試料６は隔膜１０に接触している。試料６は、荷電粒子顕微鏡装置外部で容器１００の蓋１０１に具備された隔膜１０に直接搭載される。蓋１０１と容器１００は図示しないねじ等で固定されている。これによって容器１００の内部を容器１００の外部の空間とは異なる局所雰囲気空間に保持している。次に、荷電流顕微鏡装置内部に容器１００を導入し、荷電粒子顕微鏡観察を実施する。この場合には荷電粒子源８から放出された荷電粒子線はいくつかの光学レンズ１を経由したのち真空空間１１を通過し、隔膜１０を経由して試料６に到達する。この場合、容器１００の外部は真空になっているので、図１９の装置と同様に荷電粒子線を散乱させる要因は主に隔膜１０のみである。

これら隔膜に試料６を接触させた装置構成の場合は、隔膜１０と接触した試料部位を観察することになる。そのため、荷電粒子線散乱は隔膜１０の材料種や密度や厚みのみに依存する。隔膜に関するパラメータは既知であるため、（式１０）を計算するときにおいてユーザが設定すべきパラメータがない。したがって、本荷電粒子顕微鏡装置で取得される画像の画像復元を実施する場合は、図９の操作画面で説明したような隔膜−試料間距離を入力する必要はない。別の表現をすれば隔膜−試料間距離は０であるともいえる。この結果、ビーム形状３０６がどのようになるかあらかじめ求めておくことが可能となるので、コンピュータ３５に隔膜による散乱量を記憶させておいて、画像取得時には常に同じパラメータでの画像復元処理を行ってもよい。ただし、観察したい試料部に必ずしも隔膜に接触しているとは限らない。その場合に散乱量を調整できるようにしておくために、何らかの散乱量調整部を有してもかまわない。

本実施例で説明した装置構成の場合は、隔膜と試料との間の非真空空間の雰囲気による散乱がないため、より明瞭な画像を取得することが可能となる。さらに、非真空空間の雰囲気に起因する散乱レンズ関数のパラメータをユーザが気にする必要がないためより簡便な画像復元が可能となる。

本実施例では、実施例１から５とは異なり、隔膜が配置されておらず、試料が低真空下などに配置される例を説明する。例えば、低真空領域でＳＥＭ観察が実施可能な低真空ＳＥＭなどである。なお以下で低真空とは１０^-1Ｐａから１０³Ｐａ程度のことをいう。この場合にも、荷電粒子線は、試料に到達するまでに低真空環境下に残っているガスによって散乱される。実施例１から５と比べると散乱される量は少ないが、本実施例の場合もなお上述の画像復元が有効である。

図２１を用いて本荷電粒子線装置の一般的な構成要素について説明する。図３と同様な点は説明を割愛する。隔膜１０の図中下面側の空間１３が低真空空間である。試料は低真空下に配置されている。一般的に荷電粒子線源８の周辺は低真空であることは望ましくないため、荷電粒子線源８の雰囲気は真空ポンプ４と配管１６によって高真空（１０^-1Ｐａ以下）に維持される。筐体７内の気体ガスが荷電粒子源側に入り込むことを極力避けるために、微小穴があいたアパーチャ８２などを有している。アパーチャが複数設けられ、多段階で差圧が形成されていてもよい。以下で、低真空空間とはアパーチャ８２（アパーチャが複数ある場合は最も試料に近いアパーチャ）から試料６までのことをいう(図中ｈ３部)。

この低真空空間ｈ３の距離（すなわちアパーチャから試料までの距離）は対物レンズからの距離であるワーキングディスタンスに対して相対的に決まっている。アパーチャ８２の位置及び対物レンズ３０３の位置は装置固有であり、対物レンズ３０３の磁場強度からワーキングディスタンスを把握することは可能である。つまり、試料の位置にかかわらず試料に焦点が合う位置を求めることができる。したがって、低真空空間ｈ３の距離はワーキングディスタンスと相対比較することで把握することが可能となる。

この構成を簡易化して記述すると図２１（ｂ）のようになる。前述の実施例と比較すると隔膜１０がないので、低真空空間１３に対応する散乱レンズ１３ａが荷電粒子線を散乱させる主要因となる。散乱量は隔膜１０から試料６までの距離ｚ（図２１（ａ）ではｈ３）と低真空空間のガス種ａおよびガス圧力Ｐ（あるいは密度）、荷電粒子線の照射エネルギーＥに依存する。つまり、この場合の低真空空間による散乱レンズ関数（または劣化関数）Ａとおくと、散乱レンズ関数は以下で記述される。

Ａ＝Ａ（ａ，Ｐ，ｚ，Ｅ）・・・（式１１）

また、低真空空間を経由する前の荷電粒子ビーム形状をＦとし、低真空空間を経由した後の荷電粒子ビーム形状をＧとした場合、以下と記述される。

Ｇ＝Ａ（ａ，Ｐ，ｚ，Ｅ）×Ｆ・・・（式１２）

低真空空間に入射されるビーム形状をビーム３０５とすると、試料６に到達したビーム形状はビーム３０６のようになる。隔膜による散乱レンズ１２ａがないために、散乱量は実施例１から実施例５までの装置と比べると散乱荷電粒子によるビームが少ない。つまり、散乱荷電粒子ビーム径ｄ２は小さい。しかしながら、無散乱荷電粒子線によるビーム３０７と、散乱荷電粒子線によるビーム３０８を持ったビームとなるので、前述で説明した画像復元法が有用である。

図２２に、本実施例における荷電粒子装置の例を示す。この装置では低真空空間１３に試料が配置される。筐体７内部のガスが荷電粒子源８に入り込まないように荷電粒子光学鏡筒２の中にアパーチャ８２が具備される。筐体７内を低真空の真空度にするために、リークバルブ８１と圧力計８０が具備される。リークバルブ８１は例えば大気側とつながっており、リークバルブの開閉量によって筐体７内に大気ガスをいれることが可能である。また、圧力計８０によって圧力が計測できる。リークバルブ８１と圧力計８０は制御部３６と電気的に接続され、真空度の制御はコンピュータ３５にて実施することが可能である。また、図示しないが配管１６経由でガスが荷電粒子源側に混入されないように複数の真空ポンプを設けられていてもよい。こうした装置において上記と同様の画像復元が可能なデータ処理部を有する。上述した画像復元の処理によって、低真空下で取得される画像の画像復元により画質の改善が可能となる。

図２３に、操作画面の一例を示す。図９などと同様な点は説明を割愛する。操作画面７００には筐体７内部の真空度を設定し、設定された真空度にすることが可能な真空度設定部７３３をそなえる。また、画像復元パラメータ設定部７０５には、低真空空間ｈ３の距離を設定する入力欄７３４を備える。入力欄７３４には代わりに試料高さまたは対物レンズとのワーキングディスタンスが入力され、この値を用いて低真空空間ｈ３の距離が求められてもよい。また、真空度を設定する入力欄７３５も備える。その他の条件としては、加速電圧と倍率が設定される。これにより、画像復元パラメータが決定され、前述の画像復元が可能となる。このようにユーザパラメータが入力したパラメータによって画像復元処理を最適化することができる。

なお、復元対象の画像を呼び出して処理する場合や表示している画像に当該画像取得時の条件を示す情報が付帯している場合は、加速電圧や倍率などの条件は既知であるためユーザが入力する必要がない。また、画像復元処理を行うのが荷電粒子線装置とは別に設置されたコンピュータであっても、画像を取得したときの試料位置やワーキングディスタンス、真空度、加速電圧、画像を取得したときの倍率などの画像取得情報が記述されたファイルを読み込むなどを実施すれば、ユーザが前述したパラメータの全部または一部を入力する手間を省くことが可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。

各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、光ディスク等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１：光学レンズ、２：荷電粒子光学鏡筒、３：検出器、４：真空ポンプ、５：試料ステージ、６：試料、７：筐体、８：荷電粒子源、９：土台、１０：隔膜、１１：第１の空間（または真空空間）、１２：第２の空間（または大気空間）、１３：低真空空間、１４：リークバルブ、１６：真空配管、１７：ステージ支持台、１８：支柱、１９：蓋部材用支持部材、２０：底板、３３：モニタ、３４：キーボードやマウスなどのユーザインターフェース、３５：コンピュータ、３６：制御部、４３，４４，４５：通信線、５２：土台、５３：光軸、６０：データ送受信部、６１：データメモリ部、６２：外部インターフェース、６３：データ処理部、６４：ステージ制御部、８０：圧力計、８１：リークバルブ、８２：アパーチャ、
１００：ガス供給管、１０１：ガス制御用バルブ、１０２：連結部、１０３：ガスボンベまたは真空ポンプ、１０４：圧力調整弁、１０７：支持板、１０８，１０９：操作つまみ、１２１：第２筐体、１２２，１３０：蓋部材、１２３，１２４，１２５，１２６，１２８，１２９：真空封止部材、１３１：本体部、１３２：合わせ部、１５４：信号増幅器、１５５：隔膜保持部材、１５５：土台、
２００：光軸、
３０１：レンズ１、３０２：レンズ２、３０３：レンズ３、
３０５：入射ビーム形状、３０６：試料到達ビーム形状、３０７：無散乱荷電粒子ビーム形状、３０８：散乱荷電粒子ビーム形状、
４００：距離制御部材、４０１：試料台、４０２：めねじ、４０７：真空封じ部材、４０８：距離制御部材、
５００：ステップ、
７００：操作画面、７０１：条件設定部、７０２：画像表示部、７０３：画像復元後画像表示部、７０４：画像調整部、７０５：閾値設定部、７０６：照射エネルギーＥ設定部、７０７：照射開始ボタン、７０８：照射停止ボタン、７０９：画像保存ボタン、７１０：画像読み出しボタン、７１１：隔膜-試料間距離設定部、７１３：画像復元開始ボタン、７１５：焦点調整部、７１６：明るさ調整部、７１７：コントラスト調整部、７２０：無散乱荷電粒子径設定部、７２１：散乱荷電粒子径設定部、７２２：無散乱荷電粒子比率設定部、７２３：画像復元開始ボタン、７２４：自動コントラスト調整ボタン、７２５：手入力部、７２６：自動入力選択ボタン、７２７：手動入力選択ボタン、７２８：自動ノイズ調整ボタン、７２９：画像復元領域設定部、７３０：設定部、７３１：設定部、７３２：倍率設定部、７３３：複数パラメータ設定部、７３４：真空度設定部

Claims

内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒と、
試料を非真空空間に載置する試料ステージと、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された一次荷電粒子線が前記試料に照射されることにより得られる二次的荷電粒子を検出する検出器と、
前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去するデータ処理部と、を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒の内部と連通し真空状態に維持される空間と、前記試料が配置される非真空空間の差圧を維持可能であり、かつ前記一次荷電粒子線を透過または通過させる隔膜を備え、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線が前記隔膜を通過するときに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記隔膜の材料種、密度、および厚さに応じて、前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線が前記非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記ガスの種類、前記非真空空間を前記一次荷電粒子線が通過する距離、および前記ガスの圧力に応じて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学鏡筒の長さｈ１と前記非真空空間のうち前記一次荷電粒子線が通過する距離ｈ２との比がｈ１／ｈ２≧１０００であり、ｈ２が１ｍｍ以下であることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記データ処理部は、前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱されなかった無散乱荷電粒子線のスポット形状と前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱された散乱荷電粒子線のスポット形状を用いて、前記試料に到達するときの前記一次荷電粒子線のスポット形状のモデルを生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
前記無散乱荷電粒子線のスポット形状の幅（ｄ１）が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記散乱荷電粒子線のスポット形状の幅（ｄ２）が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記ｄ１と前記ｄ２との関係がｄ２／ｄ１≧１０を満たすことを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、画像復元の処理対象とする領域をユーザが指定可能な操作画面を表示するディスプレイを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、第１のパラメータセットを用いて画像復元の処理がされる第１の領域と前記第１のパラメータセットとは異なる第２のパラメータを用いて画像復元の処理がされる第２の領域をユーザが指定可能な操作画面を表示するディスプレイを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒から一次荷電粒子線を出射し、
前記一次荷電粒子線を非真空空間に載置された試料に照射し、
前記試料に前記一次荷電粒子線を照射することにより得られる二次的荷電粒子を検出し、
前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１１に記載の試料画像取得方法において、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された前記一次荷電粒子線は、前記荷電粒子光学鏡筒の内部と連通し真空状態に維持される空間と、前記試料が配置される非真空空間の差圧を維持可能である隔膜を透過または通過し、
前記一次荷電粒子線が前記隔膜を通過するときに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１２に記載の試料画像取得方法において、
前記隔膜の材料種、密度、および厚さに応じて、前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１１に記載の試料画像取得方法において、
前記一次荷電粒子線が前記非真空空間に存在するガスによって散乱されることで前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去することを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１４に記載の試料画像取得方法において、
前記ガスの種類、前記非真空空間を前記一次荷電粒子線が通過する距離、および前記ガスの圧力に応じて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１１に記載の試料画像取得方法において、
前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱されなかった無散乱荷電粒子線のスポット形状と前記一次荷電粒子線のうち前記試料に到達するまでに散乱された散乱荷電粒子線のスポット形状を用いて、前記試料に到達するときの前記一次荷電粒子線のスポット形状のモデルを生成し、当該モデルを用いて前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を求めることを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１６に記載の試料画像取得方法において、
前記無散乱荷電粒子線のスポット形状の幅（ｄ１）が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であり、
前記散乱荷電粒子線のスポット形状の幅（ｄ２）が１０ｎｍ以上１００００ｎｍ以下であり、
前記ｄ１と前記ｄ２との関係がｄ２／ｄ１≧１０を満たすことを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１１に記載の試料画像取得方法において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、ユーザにより指定された一部の領域に対して、画像復元の処理を行うことを特徴とする試料画像取得方法。
請求項１１に記載の試料画像取得方法において、
前記検出器からの信号に基づいて形成される一枚の画像のうち、第１のパラメータセットを用いて画像復元の処理がされる第１の領域と前記第１のパラメータセットとは異なる第２のパラメータを用いて画像復元の処理がされる第２の領域をユーザが指定可能であることを特徴とする試料画像取得方法。
内部が真空排気される荷電粒子光学鏡筒と、
試料を非真空空間に載置する試料ステージと、
前記荷電粒子光学鏡筒から出射された一次荷電粒子線が前記試料に照射されることにより得られる二次的荷電粒子を検出する検出器と、を有する荷電粒子線装置に接続されたコンピュータで実行されるプログラムが記録されるプログラム記録媒体であって、
前記プログラムは、前記一次荷電粒子線が前記試料に到達するまでに散乱されることによって前記一次荷電粒子線のスポット形状に生じる影響を、前記検出器の信号から除去する処理を行うことを特徴とするプログラム記録媒体。