JP2016219118A - 電子顕微鏡および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】電子顕微鏡１００は、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定するための電子顕微鏡であって、電子線ＥＢを発生させる電子線源と、電子線ＥＢを集束して試料Ｓに照射する照射レンズ系と、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの中央部ＥＢ１と外周部ＥＢ２との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞り３０と、試料Ｓを透過した電子線ＥＢを検出する検出面２２が複数の検出領域に分割された分割型検出器２０と、を含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、電子顕微鏡および測定方法に関する。

走査透過電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）で電磁場を可視化する手法として、微分位相コントラスト（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｒａｓｔ：ＤＰＣ）法が知られている。これは、電子線が試料を透過する際の偏向量を測定し、そこから電子線偏向の原因となる試料中の電磁場を計算する手法である（例えば特許文献１参照）。

特開２００９−２７７６１８号公報

図１３は、分割型検出器１０４を用いてＤＰＣ法で測定を行う際の、従来の電子顕微鏡１０１の動作を説明するための図である。図１４は、分割型検出器１０４を模式的に示す図である。なお、図１３では、電子顕微鏡１０１の要部のみを図示している。

図１３に示すように、電子線源（図示せず）で発生した電子線ＥＢは、照射レンズ系（図示せず）により試料Ｓ上に収束される。この際、コンデンサーレンズ絞り１０２により収束角が制限される。試料Ｓを透過した電子線ＥＢの一部は、試料Ｓ後方に構成された分割型検出器１０４で検出される。

分割型検出器１０４は、図１４に示すように、円環状の検出面１０３を角度方向（円周方向）に４等分した、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備え、各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入射した電子線量を同時に検出することができる。試料Ｓと分割型検出器１０４との間の光学的な距離（カメラ長）は、結像系レンズ（図示せず）で調整することができる。

ＤＰＣ法で測定を行う場合、図１４に示すように、透過電子線の外周縁（エッジ）が分割型検出器１０４の検出面１０３内に位置するようにカメラ長が調整される。電子線ＥＢが試料Ｓによって偏向されると検出面１０３上での透過電子線の位置がずれ、分割した４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の検出信号は増減する。図１４に示す例では、検出面１０３上での透過電子線の照射領域Ｅ１が、試料Ｓによって偏向されて領域Ｅ２へとずれている。

この各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の検出信号の増減を加減算等で抽出することにより、電子線ＥＢの偏向量がわかり、そこから試料Ｓ中の電磁場分布を求めることができる。透過電子線の外周縁が検出面１０３内に位置することにより、透過電子線の照射領域が移動した際の各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の検出信号の増減を大きくすることができる。

試料Ｓによる電子線ＥＢの偏向量が小さい場合には、検出面１０３上での透過電子線の移動量も小さくなり、移動量の検出が難しくなる。このような場合には、図１５に示すように、カメラ長を大きくして、検出面１０３上での電子線の移動量を大きくすることが有
効である。

しかし、照射系を変えずにカメラ長を大きくすると、透過電子線の分布（径）が拡大されるため、図１５に示すように、検出面１０３全体に透過電子線が照射される。これにより、検出面１０３上での透過電子線の照射領域の移動に対する各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の信号量変化が小さくなり、電子線ＥＢの偏向量を高い感度で測定することが難しくなる。

そこで、図１６に示すように、照射系の絞りの孔径を小さくするなどして、試料Ｓへの照射角を小さくする手法が考えられる。これにより、試料Ｓによる電子線ＥＢの偏向量の検出感度を上げることができるが、収束角が小さくなるため、回折によって位置分解能が低下する。

このように、従来の電子顕微鏡では、試料電磁場による電子線偏向量の検出感度を上げるためにカメラ長を大きくする場合、検出面１０３の大きさに応じて収束角を小さくしなければならず、位置分解能が制限されていた。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる電子顕微鏡を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる測定方法を提供することにある。

（１）本発明に係る電子顕微鏡は、
電子線が試料を透過する際の偏向量を測定するための電子顕微鏡であって、
前記電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線を集束して前記試料に照射する照射レンズ系と、
前記試料に入射する前記電子線の中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞りと、
前記試料を透過した電子線を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
を含む。

このような電子顕微鏡では、試料に入射する電子線の中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞りを含むことにより、収束角の小さい電子線の中央部の外周縁が分割型検出器の検出面内に位置するようにカメラ長を調整すればよいため、例えば電子線遮蔽部を有さない絞りを用いる場合と比べて、カメラ長を大きくすることができる。したがって、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で測定することができる。

さらに、このような電子顕微鏡では、収束角の小さい電子線の中央部に外周部を加えて電子線の干渉パターンを変化させることができる。これにより、例えば電子線の中央部のみを試料に照射する場合と比べて、試料面上でのプローブ径の広がりを抑えることができ、位置分解能を高めることができる。

したがって、このような電子顕微鏡では、高い位置分解能を得られる状態でも、カメラ長を大きくして試料による電子線の偏向量を高い感度で測定することができる。よって、このような電子顕微鏡によれば、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

（２）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記絞りは、
前記中央部を通過させる第１絞り孔と、
前記外周部を通過させる円環状の第２絞り孔と、
を有してもよい。

このような電子顕微鏡では、第２絞り孔の外径を大きくして高い位置分解能を得られる状態でも、第１絞り孔の径を小さくしてカメラ長を大きくすることができる。したがって、このような電子顕微鏡によれば、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

（３）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記絞りは、第１絞り部と、第２絞り部と、を有し、
前記第１絞り部は、前記電子線を通過させる第１絞り孔を有し、
前記第２絞り部は、
前記第１絞り孔を通過した前記電子線の中央部を通過させる第２絞り孔と、
前記第１絞り孔を通過した前記電子線の外周部を通過させる第３絞り孔と、
を有してもよい。

このような電子顕微鏡では、絞りが、第１絞り部と、第２絞り部と、の２段で構成されているため、例えば第１絞り部のみを用いて通常の電子顕微鏡像を取得した後に、第２絞り部を挿入して、ＤＰＣ法による電子顕微鏡像を取得することができる。そのため、容易に、試料の同じ領域に対して、通常の電子顕微鏡像と、ＤＰＣ法による電子顕微鏡像と、を取得することができる。

（４）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記中央部が前記試料に入射して前記試料から放出された透過電子線の外周縁が、前記分割型検出器の前記検出面内に位置するように、カメラ長を制御するカメラ長制御レンズ系を含んでいてもよい。

（５）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記試料と前記分割型検出器との間に配置され、前記試料を透過した電子のうち、散乱・回折した電子を検出する暗視野像検出器を含んでいてもよい。

このような電子顕微鏡では、暗視野像検出器が試料と分割型検出器との間に配置されているため、暗視野像を、ＤＰＣ法による電子顕微鏡像と同時に取得することができる。

（６）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記カメラ長制御レンズ系は、前記暗視野像検出器と前記分割型検出器との間に設けられていてもよい。

このような電子顕微鏡では、例えば暗視野像検出器と分割型検出器との間に物理的な距離がとれない場合であっても、分割型検出器に対するカメラ長を大きくすることができる。

（７）本発明に係る測定方法は、
検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器を備えた電子顕微鏡において、電子線が試料を透過する際の偏向量を測定する測定方法であって、
前記試料に入射する前記電子線の中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞りを配置する工程と、
前記中央部が前記試料に入射することにより前記試料から放出された透過電子線の外周縁が、前記検出面内に位置するようにカメラ長を調整する工程と、
前記検出領域ごとに、電子顕微鏡像を取得する工程と、
を含む。

このような測定方法によれば、電子線の中央部が試料に入射することにより試料から放出された透過電子線の外周縁が、検出面内に位置するようにカメラ長を調整するため、電子線が試料を透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 第１実施形態に係る電子顕微鏡の分割型検出器を模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る電子顕微鏡のコンデンサー絞りを模式的に示す平面図。 第１実施形態に係る測定方法の一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 第１実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡のコンデンサー絞りの第１絞り部を模式的に示す平面図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡のコンデンサー絞りの第２絞り部を模式的に示す平面図。 第３実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 分割型検出器を用いてＤＰＣ法で測定を行う際の従来の電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 分割型検出器を模式的に示す図。 従来の電子顕微鏡の動作を説明するための図。 従来の電子顕微鏡の動作を説明するための図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 電子顕微鏡
まず、第１実施形態に係る電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を模式的に示す図である。

電子顕微鏡１００では、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定することができる。この測定結果から、電子線偏向の原因となる試料中の電磁場を計算することができる（ＤＰＣ法）。

電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、照射レンズ系１１と、偏向器１２と、対物レンズ１３と、試料ステージ１４と、中間レンズ１５と、投影レンズ１６と、分割型検出器２０と、コンデンサー絞り３０と、電源４０と、処理部５０と、操作部６０と、表示部６２と、記憶部６４と、を含む。

電子線源１０は、電子線ＥＢを発生させる。電子線源１０としては、例えば熱電子放出型や、熱電界放出型、冷陰極電界放出型などの電子銃を用いることができる。

照射レンズ系１１は、電子線源１０で発生した電子線ＥＢを収束させる。コンデンサー絞り３０は、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの収束角（入射角）を決めるための絞りである。コンデンサー絞り３０は、後述するように、電子線ＥＢを、収束角の小さい中央部と、収束角の大きい外周部と、に分離する。コンデンサー絞り３０の詳細については後述する。

偏向器１２は、電子線ＥＢを偏向させる。電源４０から供給される走査信号を偏向器１２に供給することにより、収束した電子線ＥＢで試料Ｓ上を走査することができる。これにより、電子顕微鏡１００を、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として機能させることができる。

対物レンズ１３は、電子線ＥＢを試料Ｓ上に収束させ、試料Ｓを透過した電子を結像する。

試料ステージ１４は、試料Ｓを保持する。また、試料ステージ１４は、試料Ｓを水平方向や鉛直方向に移動させたり試料Ｓを傾斜させたりすることができる。

中間レンズ１５は、対物レンズ１３の像面または後方焦点面（回折面）を投影レンズ１６の物面に結像する。投影レンズ１６は、中間レンズ１５の像面を分割型検出器２０の検出面２２上に結像する。

分割型検出器２０は、投影レンズ１６の後方（電子線ＥＢの下流側）に設けられている。図２は、分割型検出器２０を模式的に示す平面図である。

分割型検出器２０は、図２に示すように、検出面２２が複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に分割されている。図２に示す例では、分割型検出器２０は、円環状の検出面２２を角度方向（円周方向）に４等分した、４つの検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備え、各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４に入射した電子線量を同時に検出することができる。

なお、検出面２２の分割数、すなわち検出領域の数は特に限定されず、分割型検出器２０は、２つ以上の検出領域を有することができる。分割型検出器２０は、図示はしないが、検出面２２がその動径方向および偏角方向（円周方向）に区画されることにより、複数の検出領域を有していてもよい。例えば、分割型検出器２０は、検出面２２が動径方向に４つ、偏角方向に４つに分割されることにより、１６個の検出領域を有してもよい。

分割型検出器２０は、例えば、図示はしないが、電子線を光に変換する電子−光変換素子（シンチレーター）と、電子−光変換素子を複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４として分割するとともに各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４からの光を伝送する光伝送路（光ファイバー束）と、光伝送路から伝送された検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとの光を電気信号に変換する複数の光検出器（光電子増倍管）と、を備えている。

電源４０は、電子線源１０や、光学系１１，１２，１３，１５，１６に電圧又は電流を印加する。電源４０は、制御部５２からの制御信号に基づいて、電子線源１０や、光学系１１，１２，１３，１５，１６に電圧又は電流を印加する。

操作部６０は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部５０に送る処理
を行う。操作部６０は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどである。操作部６０は、例えば、ユーザーからの観察倍率や観察領域などの入力値を受け付ける。

表示部６２は、処理部５０によって生成された画像を表示するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。表示部６２は、例えば、画像処理部５４で生成された走査電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を表示する。

記憶部６４は、処理部５０のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。記憶部６４は、処理部５０が各種の制御処理や計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部６４は、処理部５０が各種プログラムに従って実行した算出結果等を一時的に記憶するためにも使用される。

処理部５０は、記憶部６４に記憶されているプログラムに従って、各種の制御処理や計算処理を行う。処理部５０は、記憶部６４に記憶されているプログラムを実行することで、以下に説明する、制御部５２、画像処理部５４として機能する。処理部５０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。なお、処理部５０の少なくとも一部をハードウェア（専用回路）で実現してもよい。

処理部５０は、制御部５２と、画像処理部５４と、を含む。

制御部５２は、電子線源１０や、電子顕微鏡１００を構成する光学系１１，１２，１３，１５，１６に電圧又は電流を印加するための電源４０の出力電圧または出力電流を制御するための処理を行う。

画像処理部５４は、分割型検出器２０の出力信号を用いてＳＴＥＭ像を生成する処理を行う。画像処理部５４は、例えば、分割型検出器２０の各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとに明視野ＳＴＥＭ像を生成する処理や、検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の検出信号を加減算等して画像を生成する処理を行うことができる。すなわち、画像処理部５４では、分割型検出器２０の検出結果から、ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像を生成することができる。

ここで、コンデンサー絞り３０について説明する。コンデンサー絞り３０は、試料Ｓの前方（電子線ＥＢの上流側）に配置されている。コンデンサー絞り３０は、電子線源１０で発生した電子線ＥＢを試料Ｓに照射するための照射系に組み込まれている。コンデンサー絞り３０の位置は、試料Ｓの前方であれば特に限定されない。

図３は、コンデンサー絞り３０を模式的に示す平面図である。

コンデンサー絞り３０は、図３に示すように、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部３２を有する。また、コンデンサー絞り３０は、電子線ＥＢの中央部を通過させる第１絞り孔３４と、電子線ＥＢの外周部を通過させる円環状の第２絞り孔３６と、を有しており、電子線遮蔽部３２は第１絞り孔３４と第２絞り孔３６との間の領域である。第１絞り孔３４の形状は、図３に示す例では、円であるがその形状は特に限定されない。第２絞り孔３６の形状は、例えば、円環状である。電子線遮蔽部３２は、複数の架橋部３８によって支持されている。架橋部３８の数および形状は、特に限定されない。

電子顕微鏡１００では、試料Ｓに入射する電子線ＥＢは、コンデンサー絞り３０によっ
て、中央部と外周部との間が遮蔽されて、光軸Ａ近傍の中央部と、光軸Ａから離れた外周部と、に分離される。そして、分離された電子線ＥＢは、試料Ｓ上に照射される。なお、光軸Ａは、電子顕微鏡１００の光学系を構成している各レンズ１１，１３，１５，１６の中心を通る軸である。

１．２． 測定方法
次に、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００を用いた、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定する方法（ＤＰＣ法）について説明する。図４は、第１実施形態に係る測定方法の一例を示すフローチャートである。図５および図６は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の動作を説明するための図である。

まず、図５に示すように、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの中央部ＥＢ１と外周部ＥＢ２との間を遮蔽する電子線遮蔽部３２を有するコンデンサー絞り３０を配置する（ステップＳ１０）。

電子顕微鏡１００では、電子線源１０で発生した電子線ＥＢは、照射レンズ系１１によって収束され、対物レンズ１３によって試料Ｓ上に収束される。図５に示すように、コンデンサー絞り３０が配置されることにより、電子線ＥＢは、収束角の小さい中央部ＥＢ１と、収束角の大きい外周部ＥＢ２と、に分離されて、試料Ｓ上に収束される。

次に、図５および図６に示すように、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１が試料Ｓに入射することにより試料Ｓから放出される透過電子線ＴＥ１の外周縁（エッジ）が、検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整する（ステップＳ１１）。なお、図６では、透過電子線ＴＥ１の外周縁および透過電子線ＴＥ２の外周縁を破線で示している。

ここで、透過電子線とは、試料Ｓを透過する電子のうち、試料Ｓで散乱されずに透過する電子（ダイレクトビーム）をいう。透過電子線を検出することにより、明視野ＳＴＥＭ像が得られる。

カメラ長の調整は、結像系のレンズ（例えば中間レンズ１５や投影レンズ１６）を調整することにより行われる。例えば、ユーザーが操作部６０を介して所望のカメラ長の値を入力すると、制御部５２が入力された値に基づいて電源４０を制御し、結像系のレンズに所定の電流が供給されてカメラ長が設定される。

このとき、図６に示すように、透過電子線ＴＥ１の外周縁の全部が検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整することが望ましい。なお、図示はしないが、透過電子線ＴＥ１の外周縁の一部が検出面２２内にあるようにカメラ長が調整されてもよい。

このように、透過電子線ＴＥ１の外周縁が分割型検出器２０の検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整することで、検出面２２上での透過電子線ＴＥ１の移動に対する各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の信号量変化を大きくすることができる。

なお、電子線ＥＢの外周部ＥＢ２が試料Ｓに入射することにより試料Ｓから放出される透過電子線ＴＥ２は、検出面２２の外に照射される。すなわち、透過電子線ＴＥ２は、分割型検出器２０で検出されない。

次に、分割型検出器２０の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１２）。

具体的には、電子顕微鏡１００において、電子線源１０から放出された電子線ＥＢを、
照射レンズ系１１により収束し、コンデンサー絞り３０により中央部ＥＢ１と外周部ＥＢ２とに分離し、対物レンズ１３で試料Ｓ上に収束する。この収束された電子線ＥＢを、偏向器１２によって試料Ｓ上で走査しながら、処理部５０が分割型検出器２０の各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４の検出信号を取り込む。そして、画像処理部５４が試料Ｓ上の各点の検出信号の強度を画像上のピクセル強度として、検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとにＳＴＥＭ像（明視野ＳＴＥＭ像）を生成する。生成された各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとのＳＴＥＭ像は、記憶部６４に記憶され、表示部６２に表示される。

このようにして得られた各検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとのＳＴＥＭ像（ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像）から、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量の情報、すなわち試料Ｓ中の電磁場の情報を得ることができる。

以上の工程により、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定することができる。

電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。

電子顕微鏡１００では、コンデンサー絞り３０が試料Ｓに入射する電子線ＥＢの中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部３２を有することにより、収束角の小さい電子線ＥＢの中央部ＥＢ１の外周縁が分割型検出器２０の検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整すればよいため、電子線遮蔽部３２を有さない絞りを用いる場合と比べて、カメラ長を大きくすることができる。

例えば、コンデンサー絞り３０が電子線遮蔽部３２を有さない場合、図１３に示すように、収束角の大きい電子線が試料Ｓに入射することにより放出された透過電子線の外周縁が分割型検出器１０４の検出面１０３内に位置するようにカメラ長を調整しなければならないため、カメラ長が小さくなる。これに対して、コンデンサー絞り３０が電子線遮蔽部３２を有する場合、図５に示すように、透過電子線ＴＥ１の外周縁が分割型検出器２０の検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整すればよいため、カメラ長を大きくすることができる。

このように、電子顕微鏡１００では、コンデンサー絞り３０が電子線遮蔽部３２を有することにより、カメラ長を大きくできるため、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を高い感度で測定することができる。

さらに、電子顕微鏡１００では、コンデンサー絞り３０が電子線遮蔽部３２を有することにより、収束角の小さい電子線ＥＢの中央部ＥＢ１に外周部ＥＢ２を加えて電子線の干渉パターンを変化させることができる。これにより、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１のみを試料Ｓに照射する場合と比べて、試料Ｓ面上でのプローブ径の広がりを抑えることができ、位置分解能を高めることができる。例えば、従来の電子顕微鏡では、大きなカメラ長でＤＰＣ法による測定を行うためには、図１６に示すように、収束角を小さくしなければならなかったため、回折により試料面上でのプローブ径が広がり、位置分解能を低下させていた。

したがって、電子顕微鏡１００では、高い位置分解能を得られる状態でも、カメラ長を大きくして試料Ｓによる電子線ＥＢの偏向量を高い感度で測定することができる。よって、電子顕微鏡１００によれば、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

電子顕微鏡１００では、コンデンサー絞り３０は、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１を通過さ
せる第１絞り孔３４と、電子線ＥＢの外周部ＥＢ２を通過させる円環状の第２絞り孔３６と、を有している。そのため、電子顕微鏡１００では、第２絞り孔３６の外径を大きくして高い位置分解能を得られる状態でも、第１絞り孔３４の径を小さくしてカメラ長を大きくすることができる。したがって、電子顕微鏡１００によれば、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

このように、電子顕微鏡１００では、第１絞り孔３４の径を小さくして電子線ＥＢの中央部ＥＢ１の径を小さくすることにより、カメラ長を大きくすることができる。すなわち、第１絞り孔３４の径が試料Ｓによる電子線ＥＢの偏向量の感度（偏向感度）に対応する。上述したように、電子顕微鏡１００では、コンデンサー絞り３０によって、電子線ＥＢが中央部ＥＢ１と外周部ＥＢ２とに分離して、外周部ＥＢ２の影響を抑えて中央部ＥＢ１の移動を検出している。そのため、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１の径（すなわち偏向感度）を比較的自由に選択することができる。これを利用して、観察する試料Ｓにあわせて最適な条件を選択することができる。

また、電子顕微鏡１００では、第２絞り孔３６の径を大きくして電子線ＥＢの外周部ＥＢ２の径（外径）を大きくすることにより、回折の影響を低減させて位置分解能を向上させることができる。すなわち、第２絞り孔３６の外径が位置分解能に対応する。第２絞り孔３６の外径は、光学系の収差等に応じて適宜選択される。

電子顕微鏡１００を用いた、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定する測定方法では、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１が試料Ｓに入射することにより試料Ｓから放出される透過電子線ＴＥ１の外周縁が、分割型検出器２０の検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整するため（ステップＳ１１）、上述したように、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を高い感度で、かつ高い位置分解能で測定することができる。

２． 第２実施形態
２．１． 電子顕微鏡
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図７は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の構成を模式的に示す図である。以下、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電子顕微鏡２００は、図７に示すように、暗視野像検出器２１０と、カメラ長制御レンズ系２２０と、を備えている点で、上述した電子顕微鏡１００と異なる。

暗視野像検出器２１０は、試料Ｓを透過した電子のうち、散乱・回折した電子を検出する。暗視野像検出器２１０は、例えば、高角度に非弾性散乱された電子を検出するＡＤＦ検出器（ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ）である。暗視野像検出器２１０の検出信号は、処理部５０に送られる。画像処理部５４は、暗視野像検出器２１０の検出信号から暗視野ＳＴＥＭ像（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像）を生成する。

暗視野像検出器２１０は、試料Ｓと分割型検出器２０との間に配置されている。図示の例では、暗視野像検出器２１０は、投影レンズ１６の後方（電子線の下流側）に設けられているが、暗視野像検出器２１０は、試料Ｓと分割型検出器２０との間であればその位置は特に限定されない。暗視野像検出器２１０を試料Ｓと分割型検出器２０との間に配置することで、暗視野像検出器２１０に対するカメラ長（試料Ｓと暗視野像検出器２１０との間の光学的な距離）を、分割型検出器２０に対するカメラ長よりも小さくすることができる。

カメラ長制御レンズ系２２０は、分割型検出器２０に対するカメラ長を制御するためのレンズ系である。カメラ長制御レンズ系２２０は、暗視野像検出器２１０と分割型検出器２０との間に設けられている。カメラ長制御レンズ系２２０には、電源４０から所定の電流が供給される。

２．２． 測定方法
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００を用いた、電子線ＥＢが試料Ｓを透過する際の偏向量を測定する方法（ＤＰＣ法）について説明する。図８は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の動作を説明するための図である。なお、第２実施形態に係る測定方法の一例を示すフローチャートは、図４に示すフローチャートと同様であり、図示を省略する。また、第１実施形態に係る測定方法と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。

上述した第１実施形態に係る測定方法では、透過電子線ＴＥ１の外周縁が分割型検出器２０の検出面２２内に位置するようにカメラ長を調整する工程（ステップＳ１１、図４参照）において、結像系のレンズを制御してカメラ長を調整していた。すなわち、結像系のレンズがカメラ長制御レンズ系として機能していた。

これに対して、第２実施形態に係る測定方法では、カメラ長を調整する工程（ステップＳ１１）において、カメラ長制御レンズ系２２０を制御して分割型検出器２０に対するカメラ長を調整する。

カメラ長制御レンズ系２２０でカメラ長を制御することにより、暗視野像検出器２１０に対するカメラ長と、分割型検出器２０に対するカメラ長と、を個別に制御することができる。したがって、図８に示すように、暗視野像検出器２１０に対するカメラ長を小さくし、かつ、分割型検出器２０に対するカメラ長を大きくすることができる。これにより、分割型検出器２０の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する工程（ステップＳ１２）において、明視野ＳＴＥＭ像（ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像）と暗視野ＳＴＥＭ像（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像）を同時に取得することができる。

なお、図示はしないが、カメラ長制御レンズ系２２０を設けずに、暗視野像検出器２１０と分割型検出器２０との間の距離を、物理的に離してもよい。この場合にも、同様に、分割型検出器２０の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ごとに明視野ＳＴＥＭ像と暗視野ＳＴＥＭ像を同時に取得することができる。

電子顕微鏡２００では、試料Ｓと分割型検出器２０との間に配置された暗視野像検出器２１０を含む。そのため、電子顕微鏡２００によれば、暗視野像検出器２１０に対するカメラ長を、分割型検出器２０に対するカメラ長よりも小さくすることができ、高分解能のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を、ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像と同時に取得することができる。これは、高分解能のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を得るためにはカメラ長を小さくすることが必要であるのに対して、ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像を取得するためには、上述したようにカメラ長を大きくする必要があるためである。

さらに、電子顕微鏡２００では、カメラ長制御レンズ系２２０が暗視野像検出器２１０と分割型検出器２０との間に設けられている。そのため、電子顕微鏡２００によれば、カメラ長制御レンズ系２２０によって分割型検出器２０に対するカメラ長を制御することができ、例えば暗視野像検出器２１０と分割型検出器２０との間の距離を物理的に離す場合と比べて、小型化を図ることができる。

３． 第３実施形態
３．１． 電子顕微鏡
次に、第３実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図９は、第３実施形態に係る電子顕微鏡３００の構成を模式的に示す図である。以下、第３実施形態に係る電子顕微鏡３００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

電子顕微鏡３００では、図９に示すように、コンデンサー絞り３０が、第１絞り部３１０と、第２絞り部３２０と、で構成されている点で、上述した電子顕微鏡１００と異なる。

コンデンサー絞り３０は、前方側の第１絞り部３１０と、後方側の第２絞り部３２０の２段で構成されている。

図１０は、コンデンサー絞り３０の第１絞り部３１０を模式的に示す平面図である。図１１は、コンデンサー絞り３０の第２絞り部３２０を模式的に示す平面図である。

第１絞り部３１０は、図１０に示すように、電子線ＥＢを通過させる第１絞り孔３１２を有している。

第１絞り部３１０の第１絞り孔３１２の形状は、図１０に示す例では、円であるがその形状は特に限定されない。第１絞り孔３１２の径は、図１１に示す円環状の第３絞り孔３２６の外径よりも小さく第３絞り孔３２６の内径よりも大きい。

第２絞り部３２０は、図１１に示すように、第１絞り部３１０の第１絞り孔３１２を通過した電子線ＥＢの中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部３２２を有している。

第２絞り部３２０は、第１絞り孔３１２を通過した電子線ＥＢの中央部を通過させる第２絞り孔３２４と、電子線ＥＢの外周部を通過させる円環状の第３絞り孔３２６と、を有しており、電子線遮蔽部３２２は第２絞り孔３２４と第３絞り孔３２６との間の領域である。第２絞り孔３２４の形状は、図１１に示す例では、円であるがその形状は特に限定されない。第３絞り孔３２６の形状は、例えば、円環状である。電子線遮蔽部３２２は、複数の架橋部３２８によって支持されている。架橋部３２８の数および形状は、特に限定されない。

第２絞り部３２０の第２絞り孔３２４は、図３に示す第１絞り孔３４に対応している。第１絞り部３１０の第１絞り孔３１２と第３絞り孔３２６とが、図３に示す第２絞り孔３６に対応する。

図１２は、電子顕微鏡３００の動作を説明するための図である。

電子顕微鏡３００において、試料Ｓに入射する電子線ＥＢは、図１２に示すように、第１絞り部３１０の第１絞り孔３１２を通過した後に、第２絞り部３２０の第２絞り孔３２４および第３絞り孔３２６を通過する。これにより、上述した電子顕微鏡１００のコンデンサー絞り３０（図３参照）と同様に、電子線ＥＢの中央部ＥＢ１と外周部ＥＢ２との間が遮蔽されて、電子線ＥＢは、光軸Ａ近傍の中央部と、光軸Ａから離れた外周部と、に分離されて試料Ｓに入射する。

３．２． 測定方法
第３実施形態に係る測定方法は、上述した図４に示す第１実施形態に係る測定方法と、コンデンサー絞り３０を配置する工程（ステップＳ１０）で２段の絞り部３１０，３２０
を配置する点を除いて同様であり、その説明を省略する。

電子顕微鏡３００によれば、上述した電子顕微鏡１００と同様の作用効果を奏することができる。さらに、電子顕微鏡３００によれば、コンデンサー絞り３０が、第１絞り部３１０と、第２絞り部３２０と、の２段で構成されているため、例えば第１絞り部３１０のみを用いて通常のＳＴＥＭ像を取得した後に、第２絞り部３２０を挿入し、第１絞り部３１０および第２絞り部３２０を用いて、ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像を取得することができる。そのため、容易に、試料Ｓの同じ領域に対して、通常のＳＴＥＭ像と、ＤＰＣ法によるＳＴＥＭ像と、を取得することができる。

なお、図示はしないが、図９に示す電子顕微鏡３００に、図７に示す暗視野像検出器２１０およびカメラ長制御レンズ系２２０を組み込んでもよい。これにより、電子顕微鏡３００においても、明視野ＳＴＥＭ像と暗視野ＳＴＥＭ像とを同時に取得することができる。

４． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

例えば、上述した実施形態では、検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器２０として、電子−光変換素子と、光伝送路と、光検出器と、を含んで構成された装置を挙げて説明したが、分割型検出器は透過電子の移動を検出することができればこの構成に限定されない。例えば、本発明に係る電子顕微鏡の分割型検出器としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いてもよい。

ＣＣＤカメラを分割型検出器として用いる場合、透過電子線の外周縁が検出面内に位置するようにカメラ長を調整する工程（ステップＳ１１、図４参照）では、透過電子線の外周縁がＣＣＤカメラの検出面（受光面）内に位置するようにカメラ長が調整される。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…電子線源、１１…照射レンズ系、１２…偏向器、１３…対物レンズ、１４…試料ステージ、１５…中間レンズ、１６…投影レンズ、２０…分割型検出器、２２…検出面、３０…コンデンサー絞り、３２…電子線遮蔽部、３４…第１絞り孔、３６…第２絞り孔、３８…架橋部、４０…電源、５０…処理部、５２…制御部、５４…画像処理部、６０…操作部、６２…表示部、６４…記憶部、１００，１０１…電子顕微鏡、１０２…コンデンサーレンズ絞り、１０３…検出面、１０４…分割型検出器、２００…電子顕微鏡、２１０…暗視野像検出器、２２０…カメラ長制御レンズ系、３００…電子顕微鏡、３１０…第１絞り部、３１２…第１絞り孔、３２０…第２絞り部、３２２…電子線遮蔽部、３２４…第２絞り孔、３２６…第３絞り孔、３２８…架橋部

Claims (7)

1. 電子線が試料を透過する際の偏向量を測定するための電子顕微鏡であって、
   前記電子線を発生させる電子線源と、
   前記電子線を集束して前記試料に照射する照射レンズ系と、
   前記試料に入射する前記電子線の中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞りと、
   前記試料を透過した電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
   を含む、電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記絞りは、
   前記中央部を通過させる第１絞り孔と、
   前記外周部を通過させる円環状の第２絞り孔と、
   を有する、電子顕微鏡。
3. 請求項１において、
   前記絞りは、第１絞り部と、第２絞り部と、を有し、
   前記第１絞り部は、前記電子線を通過させる第１絞り孔を有し、
   前記第２絞り部は、
   前記第１絞り孔を通過した前記電子線の中央部を通過させる第２絞り孔と、
   前記第１絞り孔を通過した前記電子線の外周部を通過させる第３絞り孔と、
   を有する、電子顕微鏡。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記中央部が前記試料に入射して前記試料から放出された透過電子線の外周縁が、前記分割型検出器の前記検出面内に位置するように、カメラ長を制御するカメラ長制御レンズ系を含む、電子顕微鏡。
5. 請求項４において、
   前記試料と前記分割型検出器との間に配置され、前記試料を透過した電子のうち、散乱・回折した電子を検出する暗視野像検出器を含む、電子顕微鏡。
6. 請求項５において、
   前記カメラ長制御レンズ系は、前記暗視野像検出器と前記分割型検出器との間に設けられている、電子顕微鏡。
7. 検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器を備えた電子顕微鏡において、電子線が試料を透過する際の偏向量を測定する測定方法であって、
   前記試料に入射する前記電子線の中央部と外周部との間を遮蔽する電子線遮蔽部を有する絞りを配置する工程と、
   前記中央部が前記試料に入射することにより前記試料から放出された透過電子線の外周縁が、前記検出面内に位置するようにカメラ長を調整する工程と、
   前記検出領域ごとに、電子顕微鏡像を取得する工程と、
   を含む、測定方法。

Images