JP3979945B2 - 電子分光系を有した電子線装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンデンサレンズ、対物レンズにより電子ビームを試料上に集束し、試料を透過した電子を結像させるようにした電子線装置において、試料を透過した電子の内、特定の元素の特性吸収エネルギーに一致したエネルギーの電子を用いて結像するようにした電子分光系を有した電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡には大きく分けて、透過電子顕微鏡と走査電子顕微鏡がある。透過電子顕微鏡では、電子銃から発生し加速された電子ビームをコンデンサレンズ、対物レンズにより試料上に集束し、試料を透過、散乱された電子を、蛍光板、写真フィルム、あるいは、ＴＶカメラ上に結像させるようにしている。
【０００３】
このような透過電子顕微鏡でエネルギーフィルタを搭載した透過電子顕微鏡が使用されている。このエネルギーフィルタを搭載した透過電子顕微鏡においては、試料を透過した電子の内、ある元素の特性吸収エネルギーに一致したエネルギーの電子のみを用いて結像させることにより、元素の分布などの試料情報を得ることができる。このように電子のエネルギーが試料によって吸収される現象はエネルギー損失（Energy loss）と呼ばれている。そして、損失エネルギーを解析することをエネルギー損失分光と呼んでいる。
【０００４】
このエネルギーフィルタは、多くは結像された像の後段に設けられ、エネルギー選択スリット（絞り）を通過した電子によって像を撮像管などによって検出している。このスリット幅と位置を適宜設定することにより、特定の損失エネルギー像を得ることができる。
【０００５】
このようにして試料の特定元素の損失エネルギー像を得ることができるが、実際には、エネルギー損失スペクトルはバックグラウンドが高く、そのようなスペクトルから特定元素の情報を取り出すためには、バックグラウンド除去の対応が必須となっている。このバックグラウンド除去の方式としていくつかの方式が実際に使われている。以下各バックグラウンド除去の方式を説明する。
【０００６】
最初に２ウィンド方式について図１を用いて説明する。図１はエネルギー損失のグラフを示しており、横軸がエネルギー損失値を表し、縦軸が各エネルギー損失値に対応した電子の強度（Intensity）を表している。この２ウィンド方式の場合、希望するエネルギー損失値の像（Ａ）だけではなく、それよりも低いエネルギー損失値の像（Ｂ）も取得する。そして、Ａ‐ＢあるいはＡ／Ｂの信号処理を行なうことにより、所望の特定元素の情報を得るものである。なお、後者の演算は、バックグラウンドの除去というよりも、強度比を取得していることから、ジャンプ比（Jump-ratio）と呼ばれることもある。
【０００７】
次に、３ウィンド方式について図２を用いて説明する。この方式においては、希望のエネルギー損失値の像（Ａ）に加え、それよりも低いエネルギー損失値の２つの像（Ｂ）、（Ｃ）も取得する。この２つの像信号から像（Ａ）のバックグラウンドを推定して、その値を（Ｄ）とし、Ａ‐Ｄの信号処理を行なうものである。
【０００８】
上記したバックグラウンド推定では、エネルギー損失スペクトルの強度現象と、エネルギー損失値との関係を導き出すのであるが、それは電子の実エネルギーや試料の状態（含まれる元素や試料の厚さなど）に依存するもので、適当な物質‐電子相互作用モデルにしたがって、その度ごとに計算しなければならない。
【０００９】
相互作用モデルはいくつか提唱されており、像を求める元素やエネルギーによってそのいずれかを使用することになる。本発明では、この相互作用モデルは直接には関係しないので詳細な説明は行なわない。ただし、いずれの場合でも損失エネルギー値を替えて複数のフィルタ像を取得し、取得された複数の像信号の間で演算処理を行なう。
【００１０】
ところで、損失の違う像を取得するため、像を形成する電子をアナライザーに導入し、このアナライザーでエネルギーを分散させる。そのエネルギーに応じて分散された電子の内、特定のエネルギー値の電子のみをアナライザーの後段に配置された出力スリットを通過させ、特定のエネルギー値を有した電子のみによる像をＣＣＤカメラの如き撮像装置によって取得するようにしている。このアナライザーとしては、多くはセクタタイプの磁場を用い、磁場の強度を変えることによって出射スリット通過する電子のエネルギーを変えるようにしている。
【００１１】
このアナライザーを備えた電子顕微鏡の例を図３に示す。この図において、電子銃１から加速電圧Ｅで加速された電子は、照射レンズ系２によって平行な電子ビームとして試料３に照射される。照射レンズ系２の中には、複数のコンデンサレンズと対物レンズの前方磁場の組み合わせが含まれている。
【００１２】
試料３を透過あるいは散乱された電子は、結像レンズ系４によってアナライザー５の入射アパーチャ６上に結像される。この際、試料に照射された電子は、試料を構成する元素と照射電子のエネルギーに応じて吸収され、吸収されなかった電子が試料３を透過する。入射アパーチャ６の中心部に設けられた開口を通過した電子は、アナライザー５に入射する。
【００１３】
アナライザー５内には磁場が形成されており、アナライザー５に入射した電子は、磁場によって曲げられるが、そのエネルギーによって曲げられる角度が相違する。すなわち、電子はアナライザー５によってエネルギー分散がなされる。アナライザー５の出射側にはスリット７が設けられ、スリット７の中心部に設けられた開口を通過する電子は、アナライザー５における磁場の強さに応じたエネルギーＥを有した電子のみとなる。
【００１４】
アナライザー５によって大きく曲げられた、エネルギーＥより小さなエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子は、スリット７によって遮断される。スリット７を通過した特定エネルギーＥを有した電子は、結像レンズ系８によって、ＣＣＤカメラの如き撮像装置９の検出表面上に結像される。その結果、撮像装置９によって特定エネルギーの電子による像が検出される。この場合、アナライザー５を形成する磁場の強さを掃引すれば、磁場の強さの変化に応じて、異なったエネルギーを有した電子がスリット７の開口を通過する。
【００１５】
なお、上記アナライザー５としては、セクタ型磁場を形成するアナライザーを用い、磁場の強さを変えるようにしたが、磁場の強さを一定に維持し、アナライザーの内部の電子通路に、導電性のチューブを設け、このチューブに図４に示す電源１０から一定の電位を印加して、一時的に電子のエネルギーを変え、スリット７の開口を通過する電子のエネルギーを掃引することも可能である。図４の例では、アナライザー５内の電位を高くして、弱いエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子がスリット７を通過し、より強いエネルギーＥの電子はスリット７によって遮断される。
【００１６】
図５はスリット７の開口を通過させる電子のエネルギーを変化させる他の例を示したもので、この図５の構成では、スリット７を前段および後段の電子光学系に対して、相対的に移動可能に構成したもので、スリット７を図中矢印方向に移動させれば、異なったエネルギーの電子を選択的にスリット７の開口を通過させることができる。図５の例では、弱いエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子が結像する位置にスリット７の開口を移動させている。一方、光軸上に結像するエネルギーＥの電子は、スリット７によって遮断される。
【００１７】
図６はアナライザー５の条件も変えず、またスリット７を機械的に移動させることなくエネルギーの選択を行なう例を示している。この図６の構成では、アナライザー５とスリット７との間に偏向コイル１１を配置し、偏向コイル１１によってアナライザー５を出射し分散された電子を偏向することにより、異なったエネルギーの電子をスリット７の開口を通過させることができる。
【００１８】
図７はアナライザー５の条件も変えず、またスリット７を機械的に移動させることなく、更には偏向コイルも用いずにエネルギーの選択を行なう例を示している。この図７の構成では、電子銃１の加速電圧を変化させ、試料に対する照射電子のエネルギーを変えるように構成している。例えば、電子銃１における電子の加速電圧をＥからＥ’（Ｅ’＝Ｅ＋δＥ）に変化（上昇）させる。
【００１９】
これによってスリット７上のスペクトルはシフトし、スリットを通過する電子のエネルギーロス値は、変化させた照射エネルギー分δＥに一致する電子のみとなる。すなわち、スリット７の開口を通過する電子のエネルギーかＥであり、それまでスリット７を通過していたエネルギーがＥの電子は、Ｅ＋δＥのエネルギーを有することになり、スリット７により遮断されることになる。その一方、エネルギーがＥ´−δＥの電子は、
Ｅ´−δＥ＝（Ｅ＋δＥ）−δＥ＝Ｅ
となり、アナライザー５によって曲げられ、光軸上のスリット７の開口を通過することになる。このように、電子銃１の加速電圧を変化させることによっても所望のエネルギー損失値の電子スリットを通過させることができる。
【００２０】
上記したようなエネルギーフィルタを備えた電子顕微鏡は、特許文献１や特許文献２に開示されている。なお、特定のエネルギーの電子を選択して像を形成する場合、セクタ型の磁場やビーム通路にチューブを設け、そのチューブに電圧を印加して電子のエネルギーを変化させる方式のみならず、Ωフィルタ、αフィルタ、γフィルタなどのフィルタを電子光学系の途中に配置する方式も用いられている。
【００２１】
【特許文献１】
特開２０００‐２６８７６６号公報
【特許文献２】
特開平１１−８６７７１号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、損失エネルギーを替える方式としては、４つの方式が考えられ、また、実際に動作させられている。その第１の方式は、図３および図４に示した、アナライザー５の条件（セクタ型の磁場の強さ）を変化させたり、その中のビーム通路に一定の電圧を与えて一時的に電子のエネルギーを変えスペクトルを動かす方式であり、第２の方式は、図５に示したアナライザー５の後段に設けられた出射スリット７を機械的に動かす方式である。
【００２３】
第３の方式は、図６に示した、アナライザー５とスリット７との間に偏向コイル１１を設ける方式であり、第４の方式は、図７に示した、電子銃１の加速電圧を変化させることによって、試料３に照射される電子ビームのエネルギーを変化させる方式である。
【００２４】
上記４つの方式の内、広く使用されている方式は、第１と第４の方式である。第２の方式は、スリット７を機械的に移動させるので、機械的な移動精度を極めて高くしても、エネルギー分解能に比べては不充分であり、また、像の再現性や移動機構などの余分なコストがかかる等の問題点が存在する。
【００２５】
第３の方式は、スリットの開口位置とスリット７の後段に設けられた結像レンズ系の光軸に一致しなくなるので、収差や軸ずれが生じてしまう。このように、第２と第３の方式には大きな問題点があり、第１と第４の方式が使用されているが、それらの方式にも一長一短が存在する。
【００２６】
例えば、第１の方式では、アナライザーの磁場を掃引したり、磁場は一定に維持し、アナライザー５のビーム通路内のチューブに電位を与えれば、再現性良くスペクトルを動かすことができると共に、スリット７を通過した電子に対して後段の結像レンズ系９との間の軸ずれも発生しない。また、アナライザー５の前段に配置された照射レンズ系２や結像レンズ系４においても、何ら設定条件を変えることがないので、軸ずれが生じることはない。
【００２７】
しかしながら、アナライザー５の後段の結像レンズ系８も、アナライザー５の前段の結像レンズ系４も、いずれもアナライザー５の中のチューブに電位を与える前のエネルギー損失していない電子（ゼロロス電子）に対して、正確に条件設定（例えばピント合わせなど）が行われている。したがって、チューブ電位を変えた場合、他の全てのレンズ系や偏向系の条件をチューブ電位に応じて連動して変化させない限り、チューブ電位を与えて結像する電子のエネルギーを変化させたなら、その電子に対しては、設定された各条件がずれる（ピントがずれる）ことになる。
【００２８】
第４の方式では、試料３に照射する電子ビームの加速電圧を変える方式であることから、試料３の前段の照射レンズ系２の条件がずれ、軸ずれが発生する。しかしながら、試料透過後においては、所望のエネルギーロス電子がレンズの条件に合致した実エネルギーとなるため、像のピントがずれることはない。したがって、エネルギー選択スリット７で所望のエネルギーの電子を選別して結像させるエネルギーフィルタにおいては、第４の方式を採用するのが一般的である。
【００２９】
上記したように、第４の方式の問題点は、照射レンズ系２の条件がずれるということである。これによって、試料３上の電子ビームの照射領域がずれたり、照射される電子ビームの明るさが変化して、正確な信号処理の妨げとなることがある。このため、電子ビームの加速電圧を変化（上昇）させても、変化させる前と条件が変わらないように、照射光学系（照射レンズ系２や、図示していないが、軸合わせ用等の偏向コイル）の条件を、加速電圧の変化に応じて変化させるフィードバック制御を行う方法が提案されている。
【００３０】
上記したように、電子ビームの加速電圧を変化させた場合、照射光学系２の条件を変える必要があるが、その理由は、各レンズの強さも偏向コイルの強さも、レンズの相対論補正エネルギーのルートに比例するという事実に根拠する。つまり、加速電圧上昇前のエネルギーをＥ、その相対論補正した値をＥ*とし、加速電圧上昇後の電子ビームのエネルギーをＥ'（＝Ｅ＋δＥ）、その相対論補正した値をＥ'*とすると、上昇前のエネルギーに対するレンズや偏向コイルに流す電流Ｉと、上昇後に流す電流Ｉ'には、次の関係がある。
【００３１】
Ｉ'／Ｉ＝√（Ｅ'*／Ｅ'）
このような理由により、電子ビームの加速電圧を変えた場合に、照射光学系の各レンズや偏向コイルの条件をフィードバック制御し、電子ビームの試料３上の位置ずれ、明るさ変化を除去するようにしている。
【００３２】
ところで、通常の透過電子顕微鏡においては、試料は対物レンズの磁場の中に配置され、試料の前方の磁場は照射レンズ作用を有し、試料の後方磁場は、結像レンズ作用を有している。このことは、試料の前段の照射光学系へのフィードバックは、対物レンズにも導入しなければ、正しく動作させることは期待できないことを意味している。しかしながら、対物レンズの照射作用と結像作用は実際には別々に制御することは不可能である。それでも対物レンズによる試料７の前方磁場の強さを加速電圧の変化に応じてフィードバック制御を行うと、対物レンズの試料７の後方磁場による結像作用に悪影響を及ぼし、像のピントがずれてしまう。その結果、照射レンズ系へのフィードバックでは、目的を達成することができない。
【００３３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、試料を対物レンズ磁場内に配置した場合でも、結像作用に悪影響なく照射レンズ系へのフィードバック制御が可能な電子分光系を有した電子線装置を実現することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく電子分光系を有した電子線装置は、電子銃から発生し加速された電子を試料に照射するレンズや偏向コイルより成る照射光学系と、該照射光学系の後段に配置された対物レンズと、該対物レンズの磁場内に配置された試料を透過した電子を結像する結像光学系と、結像された電子を検出する検出系を備えると共に、検出される電子のエネルギーを分光し、特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段を備えた電子分光系を有した電子線装置において、検出される電子のエネルギーをシフトさせるために電子銃の加速電圧を変化させる場合、前記対物レンズの設定条件はそのままで、加速電圧の変化によって試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりしないように、加速電圧の変化に応じたエネルギーシフト値に補正係数を乗じた補正量により、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を補正するようにしたことを特徴としている。その結果、電子銃の加速電圧を変えて、エネルギーシフトを行った場合、照射レンズ系の条件がずれることにより、試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明かるさが変わったりすることが防止される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
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８は、本発明に基づく透過電子顕微鏡の一例を示したもので、２１は電子銃である。電子銃２１から発生し加速された電子ビームは、照射光学系２２によって収束され、試料２３に照射される。照射光学系２２内には、複数のコンデンサレンズ２４や軸補正用の偏向コイル２５が含まれている。試料２３は、試料ステージ（図示せず）に取りつけられた試料ホルダ２６に設けられている。
【００３６】
試料ホルダ２６の後段には、透過電子顕微鏡像を結像する結像光学系２７が設けられている。この結像光学系２７には、複数のレンズと複数の偏向コイルとが備えられている。結像光学系２７の後段には、電子エネルギーアナライザー２８が設けられている。本実施の形態では、アナライザーとして、セクタ型の磁場が用いられており、入射電子はアナライザー内でそのエネルギーに応じて分散させられる。このアナライザーとしては、９０°に曲げられたチューブに電位を与えるタイプ、Ωフィルタやαフィルタ、γフィルタの如きタイプのアナライザー（電子分光器）を用いることができる。
【００３７】
アナライザー２８の後段には、選択されたエネルギーの電子のみを通過させるエネルギー選択スリット２９が配置されているが、スリット２９の前段には、アナライザー２８によってエネルギー分散（分光）され、アナライザー２８から出射した電子をスリット２９上に結像するスリット前部結像光学系３０が設けられ、スリット２９の後段には、スリット２９の開口を通過した特定エネルギーの電子を、ＣＣＤカメラの如き検出器３１上に結像するスリット後部結像光学系３２が設けられている。検出器３１によって検出された信号は、図示していないが、表示装置やエネルギー損失スペクトルを得るための信号処理装置に供給される。
【００３８】
前記電子銃２１には加速電圧制御モジュール３３が接続されており、電子銃２１の加速電圧は、この制御モジュール３３から与えられ、また、その加速電圧値は制御モジュール３３によって変えられる。また、照射光学系２２、結像光学系２７に含まれる各レンズや偏向コイルは、光学系制御モジュール３４が接続されており、各レンズや偏向コイルに流される電流や電圧はこの光学系制御モジュール３４によって制御される。更に、エネルギーアナライザー２８、スリット前部結像光学系３０、スリット後部結像光学系３２は、フィルタ光学系制御モジュール３５によって制御される。
【００３９】
加速電圧制御モジュール３３、光学系制御モジュール３４、フィルタ光学系制御モジュール３５は、ＣＰＵ３６によってコントロールされており、ＣＰＵ３６から加速電圧が指定されると、加速電圧制御モジュール３３は、電子銃２１に与える加速電圧を指定された値に設定する。また、ＣＰＵ３６は光学系制御モジュール３４をコントロールし、光学系制御モジュール３４から照射光学系２２や結像光学系２７に含まれる各レンズや偏向コイルに流す電流を制御する。更に、ＣＰＵ３６はフィルタ光学系制御モジュール３５をコントロールし、特定のエネルギーの電子像を検出器３１の検出面上に結像させる。
【００４０】
更にまた、ＣＰＵ３６は、エネルギーシフト制御モジュール３７をコントロールするが、エネルギーシフト制御モジュール３７は、加速電圧制御モジュール３３をコントロールし、加速電圧の値を変化させて電子ビームのエネルギーをシフトさせ、また、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８光学系制御モジュール３４をコントロールし、加速電圧に応じて各レンズや偏向コイルに流す電流量を変化させる。このような構成の動作を次に説明する。
【００４１】
電子銃２１から発生し加速された電子ビームは、照射光学系２２によって試料２３に平行なビームとされて照射される。この時、電子銃２１の加速電圧は、ＣＰＵ３６から加速電圧制御モジュール３３を介して設定される。また、試料２３に照射される電子ビームの照射条件は、光学系制御モジュール３４によってコントロールされる。
【００４２】
試料２３を透過した電子は、結像光学系２７によって像が形成されるが、その像の倍率やエネルギーアナライザー２８に入射する条件は、光学系制御モジュール３４によって制御される。アナライザー２８は、入射した電子を分光し、フィルタ結像光学系のスリット前部結像光学系３０に導く。このスリット前部結像光学系３０は、分光されたエネルギースペクトルをエネルギー選択スリット２９に導く。このスリット前部結像光学系では、スペクトルを拡大したり、収差や歪を補正する働きを有している。なお、このスリット前部結像光学系３０は必ずしも必要ではなく、この光学系を有しないエネルギーフィルタを有した透過電子顕微鏡も存在する。
【００４３】
フィルタ作用を有するスリット２９は、選択されたエネルギー値の適切なエネルギー幅の電子だけをその開口を通過させる。スリット２９を通過した電子は、スリット後部結像光学系３２に入るが、この後部結像光学系３２は、入射した電子を拡大し、試料２３の投影像を後段のＣＣＤカメラの如き撮像管として動作する検出器３１の検出面上に結像させる。この結果、図示していないが検出器３１に接続された陰極線管や液晶パネル等の表示装置には、選択されたエネルギーの適切なエネルギー幅の電子による試料のエネルギ損失像が表示される。
【００４４】
さて、本実施の形態では、異なったエネルギーの電子によるエネルギー損失像を取得する際、電子銃２１の加速電圧を変化させる方式を採用している。この電子のエネルギーを変化（シフト）させて像を取得する処理の流れについて以下説明する。
【００４５】
まず、オペレータがＣＰＵ３６に接続されたマウスやキーボードを操作して、エネルギーシフトのオペレーションを行なう。次に、ＣＰＵ３６はエネルギーシフト制御モジュール３７に対してエネルギーシフト設定の指令を出す。エネルギーシフト制御モジュール３７は、加速電圧制御モジュール３３に対して加速電圧を指定された値にシフトさせる命令を出すと共に、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８に対してエネルギーシフト情報を転送する。エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８は、エネルギーシフト情報と、別途定義されたフィードバック条件に基づいてフィードバック値を算出し、透過電子顕微鏡光学系制御モジュール３４に対してレンズ、偏向コイルに対する補正情報を供給する。
【００４６】
このようにして、透過電子顕微鏡の照射光学系は、エネルギーシフトの指令に基づいてフィードバックを受ける。その量は、前記した次の式、
Ｉ'／Ｉ＝√（Ｅ'*／Ｅ'）
から求められる。前記したように、この式において、Ｅは加速電圧シフト前のエネルギー、Ｅ*はその相対論補正した値、Ｅ'（＝Ｅ＋δＥ）は加速電圧上昇後の電子ビームのエネルギー、Ｅ'*はその相対論補正した値である。
【００４７】
上式から照射光学系の補正量δＩは、δＩ＝Ｉ−Ｉ’となる。この補正量を照射光学系２２のレンズ２４、偏向コイル２５に適用し、レンズ強度や偏向コイルによる電子ビームの偏向量を加速電圧のシフト量に応じて補正する。ただし、対物レンズにはこの補正を適用しない。
【００４８】
対物レンズについては、そのレンズ強度に対するフィードバックを適用していないので、照射光学系２２が加速電圧のシフトによって完全に補正されたとはいえない。すなわち、対物レンズの試料の前方磁場が加速電圧のシフトに対応して補正されていないためである。この対物レンズの補正分は、他の照射レンズ２４や偏向コイル２５に受け持たせるように構成されている。
【００４９】
すなわち、エネルギーシフト値に対する照射レンズ２４の補正量が事前に測定して求められ、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶されている。同様に、偏向コイル２５への電圧値もエネルギーシフト値に対する偏向コイルの補正量が事前に測定して求められ、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶されている。したがって、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８は、次のような演算を行ってレンズ補正量と偏向コイル補正量を求める。
【００５０】
［レンズ補正量］＝［レンズ補正係数]×[エネルギーシフト値］
［偏向コイル補正量］＝［偏向コイル補正係数]×[エネルギーシフト値］
なお、上式の補正係数はキャリブレーションが可能になっている。
【００５１】
前述のフィードバック制御において、レンズ強度を補正するレンズとして照射光学系２２内の一つのコンデンサレンズ２４を用いたが、複数のコンデンサレンズの組み合わせか、あるいは全てのコンデンサレンズを補正する方式のいずれであっても良い。同様に、補正する偏向コイルとしては、照射光学系２２内の一つの偏向コイル２５を用いたが、複数の偏向コイルの組み合わせか、あるいは全ての偏向コイルを補正する方式のいずれであっても良い。また、補正用に新たなレンズや偏向コイルを設けるようにしてもよい。
【００５２】
次にキャリブレーションについて説明する。この説明においては、理解を容易にするためレンズ強度が補正されるレンズは補正コンデンサレンズ２４の一つ、偏向場が補正される偏向コイルは補正偏向コイル２５の一つとする。
【００５３】
ここで、上記した補正係数は、照射光学系の条件やこれから行なおうとするエネルギーシフト値に依存する。したがって、必要に応じて補正係数を設定し直す動作(キャリブレーション)が必要となる。このキャリブレーションの手続きは、次の通りである。
【００５４】
まず、あるエネルギーシフト値δＥ1(例えば０eV：シフトなし)で所望とする照射条件(電子ビームの照射位置、照射サイズなど)を整える。この時の補正コンデンサレンズ２４の電流の値Ｉ1、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ1、ＩＹ1をフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶する。次にエネルギーシフト値をδＥ2にし、補正コンデンサレンズ２４と補正偏向コイル２５に供給する電流値を調整して、エネルギーシフト値δＥ1の際の照射条件(電子ビームの照射位置、照射サイズなど)と同じ条件とする。このときの補正コンデンサレンズ２４の電流の値をＩ2、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ2、ＩＹ2をフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶する。
【００５５】
このようにして求められた補正コンデンサレンズ２４の電流の値と補正偏向コイル２５の電流の値Ｉ1、Ｉ2、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ1、ＩＹ1、ＩＸ2、ＩＹ2に基づき、補正係数ＫＩ、ＫＤｘ、ＫＤｙを計算する。この計算は、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８によって、次の式に基づき行なわれる。
【００５６】
ＫＩ＝（Ｉ2−Ｉ1）／（δＥ2−δＥ1）
ＫＤｘ＝（ＩＸ2−ＩＸ1）／（δＥ2−δＥ1）
ＫＤｙ＝（ＩＹ2−ＩＹ1）／（δＥ2−δＥ1）
上記した手順によって各補正係数は求められ、エネルギーシフト値δＥに対する補正値δＩ、δＸＩ、δＹＩは、次の式によって計算される。
【００５７】
δＩ＝ＫＩ×δＥ
δＩＸ＝ＫＤｘ×δＥ
δＩＹ＝ＫＤｙ×δＥ
上記した如き演算により求められた補正値は、透過電子顕微鏡光学系制御モジュール３４に供給され、このモジュールにおいてコンデンサレンズ２４への電流値は、補正量δＩによって補正される。また、偏向コイル２５へのＸ方向の偏向量は、補正量δＩＸによって補正され、Ｙ方向の偏向量は、補正量δＩＹによって補正される。この結果、電子銃２１の加速電圧を変化させて、選択する電子のエネルギーを変えた場合でも、試料２３に照射される電子ビームの位置や明るさに変化を及ぼすことが防止される。
【００５８】
以上、図８に基づいて本発明の一実施の形態を説明したが、本発明は図８の構成に限定されることなく他の変形が可能である。例えば、図８の形態では、補正係数を１次関数(直線)としたが、より高次の関数とすれば、更に正確な補正を行なうことができる。
【００５９】
また、補正を適用するレンズや偏向コイルは、既存のものを用いたが、新たにレンズや偏向コイルを設け、それらをエネルギーシフトした際の試料に照射する電子ビームの補正用に用いても良い。更に、検出電子のエネルギーシフトを行なうため、電子銃の加速電圧を変化させたことにより、照射光学系の条件を補正した上で、更に、対物レンズの試料前方磁場分の補正を対物レンズ前段のレンズと偏向コイルによって行なうようにした。しかしながら、対物レンズの試料前方磁場分の補正を考慮せず、対物レンズ以外の照射系レンズや偏向コイルの補正のみでエネルギーシフトによる電子ビームの照射条件ずれを補正するようにしても、実用上充分な効果が得られる。
【００６０】
更にまた、本発明は、エネルギー損失電子分光によって試料に含まれる元素情報を取得する装置全てに適用できるもので、実施の形態として詳細に説明した図８の例では、単一のセクタ型マグネットによって電子をエネルギー分光させたが、
複数のマグネットによって電子を分光するタイプ、あるいは、Ωフィルタやαフィルタ、γフィルタなど、電子をエネルギーに応じて分光するあらゆるタイプのアナライザーを用いた装置に適用できるものである。もちろん上記したように、電子を分光するために磁場型のもの以外に、静電型の偏向コイルや静電ミラーを使用したもの、あるいは、それらとマグネットを併用したものにも適用できる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく電子分光系を有した電子線装置は、電子銃から発生し加速された電子を試料に照射するレンズや偏向コイルより成る照射光学系と、該照射光学系の後段に配置された対物レンズと、該対物レンズの磁場内に配置された試料を透過した電子を結像する結像光学系と、結像された電子を検出する検出系を備えると共に、検出される電子のエネルギーを分光し、特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段を備えた電子分光系を有した電子線装置において、検出される電子のエネルギーをシフトさせるために電子銃の加速電圧を変化させる場合、前記対物レンズの設定条件はそのままで、加速電圧の変化によって試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりしないように、加速電圧の変化に応じたエネルギーシフト値に補正係数を乗じた補正量により、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を補正するようにしたことを特徴としている。
【００６２】
その結果、電子銃の加速電圧を変えて、エネルギーシフトを行った場合、照射レンズ系の条件がずれることにより、試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりすることが防止される。また、対物レンズの試料の前方磁場の強度の補正分は、補正電流値をキャリブレーションし、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を適切に調節することによって補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２ウインドウ方式のバックグラウンド除去方式を説明するためのエネルギー損失のグラフを示した図である。
【図２】３ウインドウ方式のバックグラウンド除去方式を説明するためのエネルギー損失のグラフを示した図である。
【図３】アナライザーを備えた電子顕微鏡の例を示す図である。
【図４】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図５】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図６】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図７】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態である透過電子顕微鏡を示す図である。
【符号の説明】
２１ 電子銃
２２ 照射光学系
２３ 試料
２４ コンデンサレンズ
２５ 偏向コイル
２６ 試料ホルダ
２７、３０、３２ 結像光学系
２８ アナライザー
２９ スリット
３１ 検出器
３３ 加速電圧制御モジュール
３４ 光学系制御モジュール
３５ フィルタ光学系制御モジュール
３６ ＣＰＵ
３７ エネルギーシフト制御モジュール
３８ フィードバック制御モジュール
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンデンサレンズ、対物レンズにより電子ビームを試料上に集束し、試料を透過した電子を結像させるようにした電子線装置において、試料を透過した電子の内、特定の元素の特性吸収エネルギーに一致したエネルギーの電子を用いて結像するようにした電子分光系を有した電子線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡には大きく分けて、透過電子顕微鏡と走査電子顕微鏡がある。透過電子顕微鏡では、電子銃から発生し加速された電子ビームをコンデンサレンズ、対物レンズにより試料上に集束し、試料を透過、散乱された電子を、蛍光板、写真フィルム、あるいは、ＴＶカメラ上に結像させるようにしている。
【０００３】
このような透過電子顕微鏡でエネルギーフィルタを搭載した透過電子顕微鏡が使用されている。このエネルギーフィルタを搭載した透過電子顕微鏡においては、試料を透過した電子の内、ある元素の特性吸収エネルギーに一致したエネルギーの電子のみを用いて結像させることにより、元素の分布などの試料情報を得ることができる。このように電子のエネルギーが試料によって吸収される現象はエネルギー損失（Energy loss）と呼ばれている。そして、損失エネルギーを解析することをエネルギー損失分光と呼んでいる。
【０００４】
このエネルギーフィルタは、多くは結像された像の後段に設けられ、エネルギー選択スリット（絞り）を通過した電子によって像を撮像管などによって検出している。このスリット幅と位置を適宜設定することにより、特定の損失エネルギー像を得ることができる。
【０００５】
このようにして試料の特定元素の損失エネルギー像を得ることができるが、実際には、エネルギー損失スペクトルはバックグラウンドが高く、そのようなスペクトルから特定元素の情報を取り出すためには、バックグラウンド除去の対応が必須となっている。このバックグラウンド除去の方式としていくつかの方式が実際に使われている。以下各バックグラウンド除去の方式を説明する。
【０００６】
最初に２ウィンド方式について図１を用いて説明する。図１はエネルギー損失のグラフを示しており、横軸がエネルギー損失値を表し、縦軸が各エネルギー損失値に対応した電子の強度（Intensity）を表している。この２ウィンド方式の場合、希望するエネルギー損失値の像（Ａ）だけではなく、それよりも低いエネルギー損失値の像（Ｂ）も取得する。そして、Ａ‐ＢあるいはＡ／Ｂの信号処理を行なうことにより、所望の特定元素の情報を得るものである。なお、後者の演算は、バックグラウンドの除去というよりも、強度比を取得していることから、ジャンプ比（Jump-ratio）と呼ばれることもある。
【０００７】
次に、３ウィンド方式について図２を用いて説明する。この方式においては、希望のエネルギー損失値の像（Ａ）に加え、それよりも低いエネルギー損失値の２つの像（Ｂ）、（Ｃ）も取得する。この２つの像信号から像（Ａ）のバックグラウンドを推定して、その値を（Ｄ）とし、Ａ‐Ｄの信号処理を行なうものである。
【０００８】
上記したバックグラウンド推定では、エネルギー損失スペクトルの強度現象と、エネルギー損失値との関係を導き出すのであるが、それは電子の実エネルギーや試料の状態（含まれる元素や試料の厚さなど）に依存するもので、適当な物質‐電子相互作用モデルにしたがって、その度ごとに計算しなければならない。
【０００９】
相互作用モデルはいくつか提唱されており、像を求める元素やエネルギーによってそのいずれかを使用することになる。本発明では、この相互作用モデルは直接には関係しないので詳細な説明は行なわない。ただし、いずれの場合でも損失エネルギー値を替えて複数のフィルタ像を取得し、取得された複数の像信号の間で演算処理を行なう。
【００１０】
ところで、損失の違う像を取得するため、像を形成する電子をアナライザーに導入し、このアナライザーでエネルギーを分散させる。そのエネルギーに応じて分散された電子の内、特定のエネルギー値の電子のみをアナライザーの後段に配置された出力スリットを通過させ、特定のエネルギー値を有した電子のみによる像をＣＣＤカメラの如き撮像装置によって取得するようにしている。このアナライザーとしては、多くはセクタタイプの磁場を用い、磁場の強度を変えることによって出射スリット通過する電子のエネルギーを変えるようにしている。
【００１１】
このアナライザーを備えた電子顕微鏡の例を図３に示す。この図において、電子銃１から加速電圧Ｅで加速された電子は、照射レンズ系２によって平行な電子ビームとして試料３に照射される。照射レンズ系２の中には、複数のコンデンサレンズと対物レンズの前方磁場の組み合わせが含まれている。
【００１２】
試料３を透過あるいは散乱された電子は、結像レンズ系４によってアナライザー５の入射アパーチャ６上に結像される。この際、試料に照射された電子は、試料を構成する元素と照射電子のエネルギーに応じて吸収され、吸収されなかった電子が試料３を透過する。入射アパーチャ６の中心部に設けられた開口を通過した電子は、アナライザー５に入射する。
【００１３】
アナライザー５内には磁場が形成されており、アナライザー５に入射した電子は、磁場によって曲げられるが、そのエネルギーによって曲げられる角度が相違する。すなわち、電子はアナライザー５によってエネルギー分散がなされる。アナライザー５の出射側にはスリット７が設けられ、スリット７の中心部に設けられた開口を通過する電子は、アナライザー５における磁場の強さに応じたエネルギーＥを有した電子のみとなる。
【００１４】
アナライザー５によって大きく曲げられた、エネルギーＥより小さなエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子は、スリット７によって遮断される。スリット７を通過した特定エネルギーＥを有した電子は、結像レンズ系８によって、ＣＣＤカメラの如き撮像装置９の検出表面上に結像される。その結果、撮像装置９によって特定エネルギーの電子による像が検出される。この場合、アナライザー５を形成する磁場の強さを掃引すれば、磁場の強さの変化に応じて、異なったエネルギーを有した電子がスリット７の開口を通過する。
【００１５】
なお、上記アナライザー５としては、セクタ型磁場を形成するアナライザーを用い、磁場の強さを変えるようにしたが、磁場の強さを一定に維持し、アナライザーの内部の電子通路に、導電性のチューブを設け、このチューブに図４に示す電源１０から一定の電位を印加して、一時的に電子のエネルギーを変え、スリット７の開口を通過する電子のエネルギーを掃引することも可能である。図４の例では、アナライザー５内の電位を高くして、弱いエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子がスリット７を通過し、より強いエネルギーＥの電子はスリット７によって遮断される。
【００１６】
図５はスリット７の開口を通過させる電子のエネルギーを変化させる他の例を示したもので、この図５の構成では、スリット７を前段および後段の電子光学系に対して、相対的に移動可能に構成したもので、スリット７を図中矢印方向に移動させれば、異なったエネルギーの電子を選択的にスリット７の開口を通過させることができる。図５の例では、弱いエネルギー（Ｅ‐δＥ）の電子が結像する位置にスリット７の開口を移動させている。一方、光軸上に結像するエネルギーＥの電子は、スリット７によって遮断される。
【００１７】
図６はアナライザー５の条件も変えず、またスリット７を機械的に移動させることなくエネルギーの選択を行なう例を示している。この図６の構成では、アナライザー５とスリット７との間に偏向コイル１１を配置し、偏向コイル１１によってアナライザー５を出射し分散された電子を偏向することにより、異なったエネルギーの電子をスリット７の開口を通過させることができる。
【００１８】
図７はアナライザー５の条件も変えず、またスリット７を機械的に移動させることなく、更には偏向コイルも用いずにエネルギーの選択を行なう例を示している。この図７の構成では、電子銃１の加速電圧を変化させ、試料に対する照射電子のエネルギーを変えるように構成している。例えば、電子銃１における電子の加速電圧をＥからＥ’（Ｅ’＝Ｅ＋δＥ）に変化（上昇）させる。
【００１９】
これによってスリット７上のスペクトルはシフトし、スリットを通過する電子のエネルギーロス値は、変化させた照射エネルギー分δＥに一致する電子のみとなる。すなわち、スリット７の開口を通過する電子のエネルギーかＥであり、それまでスリット７を通過していたエネルギーがＥの電子は、Ｅ＋δＥのエネルギーを有することになり、スリット７により遮断されることになる。その一方、エネルギーがＥ´−δＥの電子は、
Ｅ´−δＥ＝（Ｅ＋δＥ）−δＥ＝Ｅ
となり、アナライザー５によって曲げられ、光軸上のスリット７の開口を通過することになる。このように、電子銃１の加速電圧を変化させることによっても所望のエネルギー損失値の電子スリットを通過させることができる。
【００２０】
上記したようなエネルギーフィルタを備えた電子顕微鏡は、特許文献１や特許文献２に開示されている。なお、特定のエネルギーの電子を選択して像を形成する場合、セクタ型の磁場やビーム通路にチューブを設け、そのチューブに電圧を印加して電子のエネルギーを変化させる方式のみならず、Ωフィルタ、αフィルタ、γフィルタなどのフィルタを電子光学系の途中に配置する方式も用いられている。
【００２１】
【特許文献１】
特開２０００‐２６８７６６号公報
【特許文献２】
特開平１１−８６７７１号公報
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
前記したように、損失エネルギーを替える方式としては、４つの方式が考えられ、また、実際に動作させられている。その第１の方式は、図３および図４に示した、アナライザー５の条件（セクタ型の磁場の強さ）を変化させたり、その中のビーム通路に一定の電圧を与えて一時的に電子のエネルギーを変えスペクトルを動かす方式であり、第２の方式は、図５に示したアナライザー５の後段に設けられた出射スリット７を機械的に動かす方式である。
【００２３】
第３の方式は、図６に示した、アナライザー５とスリット７との間に偏向コイル１１を設ける方式であり、第４の方式は、図７に示した、電子銃１の加速電圧を変化させることによって、試料３に照射される電子ビームのエネルギーを変化させる方式である。
【００２４】
上記４つの方式の内、広く使用されている方式は、第１と第４の方式である。第２の方式は、スリット７を機械的に移動させるので、機械的な移動精度を極めて高くしても、エネルギー分解能に比べては不充分であり、また、像の再現性や移動機構などの余分なコストがかかる等の問題点が存在する。
【００２５】
第３の方式は、スリットの開口位置とスリット７の後段に設けられた結像レンズ系の光軸に一致しなくなるので、収差や軸ずれが生じてしまう。このように、第２と第３の方式には大きな問題点があり、第１と第４の方式が使用されているが、それらの方式にも一長一短が存在する。
【００２６】
例えば、第１の方式では、アナライザーの磁場を掃引したり、磁場は一定に維持し、アナライザー５のビーム通路内のチューブに電位を与えれば、再現性良くスペクトルを動かすことができると共に、スリット７を通過した電子に対して後段の結像レンズ系９との間の軸ずれも発生しない。また、アナライザー５の前段に配置された照射レンズ系２や結像レンズ系４においても、何ら設定条件を変えることがないので、軸ずれが生じることはない。
【００２７】
しかしながら、アナライザー５の後段の結像レンズ系８も、アナライザー５の前段の結像レンズ系４も、いずれもアナライザー５の中のチューブに電位を与える前のエネルギー損失していない電子（ゼロロス電子）に対して、正確に条件設定（例えばピント合わせなど）が行われている。したがって、チューブ電位を変えた場合、他の全てのレンズ系や偏向系の条件をチューブ電位に応じて連動して変化させない限り、チューブ電位を与えて結像する電子のエネルギーを変化させたなら、その電子に対しては、設定された各条件がずれる（ピントがずれる）ことになる。
【００２８】
第４の方式では、試料３に照射する電子ビームの加速電圧を変える方式であることから、試料３の前段の照射レンズ系２の条件がずれ、軸ずれが発生する。しかしながら、試料透過後においては、所望のエネルギーロス電子がレンズの条件に合致した実エネルギーとなるため、像のピントがずれることはない。したがって、エネルギー選択スリット７で所望のエネルギーの電子を選別して結像させるエネルギーフィルタにおいては、第４の方式を採用するのが一般的である。
【００２９】
上記したように、第４の方式の問題点は、照射レンズ系２の条件がずれるということである。これによって、試料３上の電子ビームの照射領域がずれたり、照射される電子ビームの明るさが変化して、正確な信号処理の妨げとなることがある。このため、電子ビームの加速電圧を変化（上昇）させても、変化させる前と条件が変わらないように、照射光学系（照射レンズ系２や、図示していないが、軸合わせ用等の偏向コイル）の条件を、加速電圧の変化に応じて変化させるフィードバック制御を行う方法が提案されている。
【００３０】
上記したように、電子ビームの加速電圧を変化させた場合、照射光学系２の条件を変える必要があるが、その理由は、各レンズの強さも偏向コイルの強さも、レンズの相対論補正エネルギーのルートに比例するという事実に根拠する。つまり、加速電圧上昇前のエネルギーをＥ、その相対論補正した値をＥ*とし、加速電圧上昇後の電子ビームのエネルギーをＥ'（＝Ｅ＋δＥ）、その相対論補正した値をＥ'*とすると、上昇前のエネルギーに対するレンズや偏向コイルに流す電流Ｉと、上昇後に流す電流Ｉ'には、次の関係がある。
【００３１】
Ｉ'／Ｉ＝√（Ｅ'*／Ｅ'）
このような理由により、電子ビームの加速電圧を変えた場合に、照射光学系の各レンズや偏向コイルの条件をフィードバック制御し、電子ビームの試料３上の位置ずれ、明るさ変化を除去するようにしている。
【００３２】
ところで、通常の透過電子顕微鏡においては、試料は対物レンズの磁場の中に配置され、試料の前方の磁場は照射レンズ作用を有し、試料の後方磁場は、結像レンズ作用を有している。このことは、試料の前段の照射光学系へのフィードバックは、対物レンズにも導入しなければ、正しく動作させることは期待できないことを意味している。しかしながら、対物レンズの照射作用と結像作用は実際には別々に制御することは不可能である。それでも対物レンズによる試料７の前方磁場の強さを加速電圧の変化に応じてフィードバック制御を行うと、対物レンズの試料７の後方磁場による結像作用に悪影響を及ぼし、像のピントがずれてしまう。その結果、照射レンズ系へのフィードバックでは、目的を達成することができない。
【００３３】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、試料を対物レンズ磁場内に配置した場合でも、結像作用に悪影響なく照射レンズ系へのフィードバック制御が可能な電子分光系を有した電子線装置を実現することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく電子分光系を有した電子線装置は、電子銃から発生し加速された電子を試料に照射するレンズや偏向コイルより成る照射光学系と、該照射光学系の後段に配置された対物レンズと、該対物レンズの磁場内に配置された試料を透過した電子を結像する結像光学系と、結像された電子を検出する検出系を備えると共に、検出される電子のエネルギーを分光し、特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段を備えた電子分光系を有した電子線装置において、検出される電子のエネルギーをシフトさせるために電子銃の加速電圧を変化させる場合、前記対物レンズの設定条件はそのままで、加速電圧の変化によって試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりしないように、加速電圧の変化に応じたエネルギーシフト値に補正係数を乗じた補正量により、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を補正するようにしたことを特徴としている。その結果、電子銃の加速電圧を変えて、エネルギーシフトを行った場合、照射レンズ系の条件がずれることにより、試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明かるさが変わったりすることが防止される。
【００３５】
【発明の実施の形態】
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８は、本発明に基づく透過電子顕微鏡の一例を示したもので、２１は電子銃である。電子銃２１から発生し加速された電子ビームは、照射光学系２２によって収束され、試料２３に照射される。照射光学系２２内には、複数のコンデンサレンズ２４や軸補正用の偏向コイル２５が含まれている。試料２３は、試料ステージ（図示せず）に取りつけられた試料ホルダ２６に設けられている。
【００３６】
試料ホルダ２６の後段には、透過電子顕微鏡像を結像する結像光学系２７が設けられている。この結像光学系２７には、複数のレンズと複数の偏向コイルとが備えられている。結像光学系２７の後段には、電子エネルギーアナライザー２８が設けられている。本実施の形態では、アナライザーとして、セクタ型の磁場が用いられており、入射電子はアナライザー内でそのエネルギーに応じて分散させられる。このアナライザーとしては、９０°に曲げられたチューブに電位を与えるタイプ、Ωフィルタやαフィルタ、γフィルタの如きタイプのアナライザー（電子分光器）を用いることができる。
【００３７】
アナライザー２８の後段には、選択されたエネルギーの電子のみを通過させるエネルギー選択スリット２９が配置されているが、スリット２９の前段には、アナライザー２８によってエネルギー分散（分光）され、アナライザー２８から出射した電子をスリット２９上に結像するスリット前部結像光学系３０が設けられ、スリット２９の後段には、スリット２９の開口を通過した特定エネルギーの電子を、ＣＣＤカメラの如き検出器３１上に結像するスリット後部結像光学系３２が設けられている。検出器３１によって検出された信号は、図示していないが、表示装置やエネルギー損失スペクトルを得るための信号処理装置に供給される。
【００３８】
前記電子銃２１には加速電圧制御モジュール３３が接続されており、電子銃２１の加速電圧は、この制御モジュール３３から与えられ、また、その加速電圧値は制御モジュール３３によって変えられる。また、照射光学系２２、結像光学系２７に含まれる各レンズや偏向コイルは、光学系制御モジュール３４が接続されており、各レンズや偏向コイルに流される電流や電圧はこの光学系制御モジュール３４によって制御される。更に、エネルギーアナライザー２８、スリット前部結像光学系３０、スリット後部結像光学系３２は、フィルタ光学系制御モジュール３５によって制御される。
【００３９】
加速電圧制御モジュール３３、光学系制御モジュール３４、フィルタ光学系制御モジュール３５は、ＣＰＵ３６によってコントロールされており、ＣＰＵ３６から加速電圧が指定されると、加速電圧制御モジュール３３は、電子銃２１に与える加速電圧を指定された値に設定する。また、ＣＰＵ３６は光学系制御モジュール３４をコントロールし、光学系制御モジュール３４から照射光学系２２や結像光学系２７に含まれる各レンズや偏向コイルに流す電流を制御する。更に、ＣＰＵ３６はフィルタ光学系制御モジュール３５をコントロールし、特定のエネルギーの電子像を検出器３１の検出面上に結像させる。
【００４０】
更にまた、ＣＰＵ３６は、エネルギーシフト制御モジュール３７をコントロールするが、エネルギーシフト制御モジュール３７は、加速電圧制御モジュール３３をコントロールし、加速電圧の値を変化させて電子ビームのエネルギーをシフトさせ、また、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８光学系制御モジュール３４をコントロールし、加速電圧に応じて各レンズや偏向コイルに流す電流量を変化させる。このような構成の動作を次に説明する。
【００４１】
電子銃２１から発生し加速された電子ビームは、照射光学系２２によって試料２３に平行なビームとされて照射される。この時、電子銃２１の加速電圧は、ＣＰＵ３６から加速電圧制御モジュール３３を介して設定される。また、試料２３に照射される電子ビームの照射条件は、光学系制御モジュール３４によってコントロールされる。
【００４２】
試料２３を透過した電子は、結像光学系２７によって像が形成されるが、その像の倍率やエネルギーアナライザー２８に入射する条件は、光学系制御モジュール３４によって制御される。アナライザー２８は、入射した電子を分光し、フィルタ結像光学系のスリット前部結像光学系３０に導く。このスリット前部結像光学系３０は、分光されたエネルギースペクトルをエネルギー選択スリット２９に導く。このスリット前部結像光学系では、スペクトルを拡大したり、収差や歪を補正する働きを有している。なお、このスリット前部結像光学系３０は必ずしも必要ではなく、この光学系を有しないエネルギーフィルタを有した透過電子顕微鏡も存在する。
【００４３】
フィルタ作用を有するスリット２９は、選択されたエネルギー値の適切なエネルギー幅の電子だけをその開口を通過させる。スリット２９を通過した電子は、スリット後部結像光学系３２に入るが、この後部結像光学系３２は、入射した電子を拡大し、試料２３の投影像を後段のＣＣＤカメラの如き撮像管として動作する検出器３１の検出面上に結像させる。この結果、図示していないが検出器３１に接続された陰極線管や液晶パネル等の表示装置には、選択されたエネルギーの適切なエネルギー幅の電子による試料のエネルギ損失像が表示される。
【００４４】
さて、本実施の形態では、異なったエネルギーの電子によるエネルギー損失像を取得する際、電子銃２１の加速電圧を変化させる方式を採用している。この電子のエネルギーを変化（シフト）させて像を取得する処理の流れについて以下説明する。
【００４５】
まず、オペレータがＣＰＵ３６に接続されたマウスやキーボードを操作して、エネルギーシフトのオペレーションを行なう。次に、ＣＰＵ３６はエネルギーシフト制御モジュール３７に対してエネルギーシフト設定の指令を出す。エネルギーシフト制御モジュール３７は、加速電圧制御モジュール３３に対して加速電圧を指定された値にシフトさせる命令を出すと共に、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８に対してエネルギーシフト情報を転送する。エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８は、エネルギーシフト情報と、別途定義されたフィードバック条件に基づいてフィードバック値を算出し、透過電子顕微鏡光学系制御モジュール３４に対してレンズ、偏向コイルに対する補正情報を供給する。
【００４６】
このようにして、透過電子顕微鏡の照射光学系は、エネルギーシフトの指令に基づいてフィードバックを受ける。その量は、前記した次の式、
Ｉ'／Ｉ＝√（Ｅ'*／Ｅ'）
から求められる。前記したように、この式において、Ｅは加速電圧シフト前のエネルギー、Ｅ*はその相対論補正した値、Ｅ'（＝Ｅ＋δＥ）は加速電圧上昇後の電子ビームのエネルギー、Ｅ'*はその相対論補正した値である。
【００４７】
上式から照射光学系の補正量δＩは、δＩ＝Ｉ−Ｉ’となる。この補正量を照射光学系２２のレンズ２４、偏向コイル２５に適用し、レンズ強度や偏向コイルによる電子ビームの偏向量を加速電圧のシフト量に応じて補正する。ただし、対物レンズにはこの補正を適用しない。
【００４８】
対物レンズについては、そのレンズ強度に対するフィードバックを適用していないので、照射光学系２２が加速電圧のシフトによって完全に補正されたとはいえない。すなわち、対物レンズの試料の前方磁場が加速電圧のシフトに対応して補正されていないためである。この対物レンズの補正分は、他の照射レンズ２４や偏向コイル２５に受け持たせるように構成されている。
【００４９】
すなわち、エネルギーシフト値に対する照射レンズ２４の補正量が事前に測定して求められ、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶されている。同様に、偏向コイル２５への電圧値もエネルギーシフト値に対する偏向コイルの補正量が事前に測定して求められ、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶されている。したがって、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８は、次のような演算を行ってレンズ補正量と偏向コイル補正量を求める。
【００５０】
［レンズ補正量］＝［レンズ補正係数]×[エネルギーシフト値］
［偏向コイル補正量］＝［偏向コイル補正係数]×[エネルギーシフト値］
なお、上式の補正係数はキャリブレーションが可能になっている。
【００５１】
前述のフィードバック制御において、レンズ強度を補正するレンズとして照射光学系２２内の一つのコンデンサレンズ２４を用いたが、複数のコンデンサレンズの組み合わせか、あるいは全てのコンデンサレンズを補正する方式のいずれであっても良い。同様に、補正する偏向コイルとしては、照射光学系２２内の一つの偏向コイル２５を用いたが、複数の偏向コイルの組み合わせか、あるいは全ての偏向コイルを補正する方式のいずれであっても良い。また、補正用に新たなレンズや偏向コイルを設けるようにしてもよい。
【００５２】
次にキャリブレーションについて説明する。この説明においては、理解を容易にするためレンズ強度が補正されるレンズは補正コンデンサレンズ２４の一つ、偏向場が補正される偏向コイルは補正偏向コイル２５の一つとする。
【００５３】
ここで、上記した補正係数は、照射光学系の条件やこれから行なおうとするエネルギーシフト値に依存する。したがって、必要に応じて補正係数を設定し直す動作(キャリブレーション)が必要となる。このキャリブレーションの手続きは、次の通りである。
【００５４】
まず、あるエネルギーシフト値δＥ1(例えば０eV：シフトなし)で所望とする照射条件(電子ビームの照射位置、照射サイズなど)を整える。この時の補正コンデンサレンズ２４の電流の値Ｉ1、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ1、ＩＹ1をフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶する。次にエネルギーシフト値をδＥ2にし、補正コンデンサレンズ２４と補正偏向コイル２５に供給する電流値を調整して、エネルギーシフト値δＥ1の際の照射条件(電子ビームの照射位置、照射サイズなど)と同じ条件とする。このときの補正コンデンサレンズ２４の電流の値をＩ2、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ2、ＩＹ2をフィードバック制御モジュール３８内のメモリーに記憶する。
【００５５】
このようにして求められた補正コンデンサレンズ２４の電流の値と補正偏向コイル２５の電流の値Ｉ1、Ｉ2、補正偏向コイル２５の電流の値ＩＸ1、ＩＹ1、ＩＸ2、ＩＹ2に基づき、補正係数ＫＩ、ＫＤｘ、ＫＤｙを計算する。この計算は、エネルギーシフトフィードバック制御モジュール３８によって、次の式に基づき行なわれる。
【００５６】
ＫＩ＝（Ｉ2−Ｉ1）／（δＥ2−δＥ1）
ＫＤｘ＝（ＩＸ2−ＩＸ1）／（δＥ2−δＥ1）
ＫＤｙ＝（ＩＹ2−ＩＹ1）／（δＥ2−δＥ1）
上記した手順によって各補正係数は求められ、エネルギーシフト値δＥに対する補正値δＩ、δＸＩ、δＹＩは、次の式によって計算される。
【００５７】
δＩ＝ＫＩ×δＥ
δＩＸ＝ＫＤｘ×δＥ
δＩＹ＝ＫＤｙ×δＥ
上記した如き演算により求められた補正値は、透過電子顕微鏡光学系制御モジュール３４に供給され、このモジュールにおいてコンデンサレンズ２４への電流値は、補正量δＩによって補正される。また、偏向コイル２５へのＸ方向の偏向量は、補正量δＩＸによって補正され、Ｙ方向の偏向量は、補正量δＩＹによって補正される。この結果、電子銃２１の加速電圧を変化させて、選択する電子のエネルギーを変えた場合でも、試料２３に照射される電子ビームの位置や明るさに変化を及ぼすことが防止される。
【００５８】
以上、図８に基づいて本発明の一実施の形態を説明したが、本発明は図８の構成に限定されることなく他の変形が可能である。例えば、図８の形態では、補正係数を１次関数(直線)としたが、より高次の関数とすれば、更に正確な補正を行なうことができる。
【００５９】
また、補正を適用するレンズや偏向コイルは、既存のものを用いたが、新たにレンズや偏向コイルを設け、それらをエネルギーシフトした際の試料に照射する電子ビームの補正用に用いても良い。更に、検出電子のエネルギーシフトを行なうため、電子銃の加速電圧を変化させたことにより、照射光学系の条件を補正した上で、更に、対物レンズの試料前方磁場分の補正を対物レンズ前段のレンズと偏向コイルによって行なうようにした。しかしながら、対物レンズの試料前方磁場分の補正を考慮せず、対物レンズ以外の照射系レンズや偏向コイルの補正のみでエネルギーシフトによる電子ビームの照射条件ずれを補正するようにしても、実用上充分な効果が得られる。
【００６０】
更にまた、本発明は、エネルギー損失電子分光によって試料に含まれる元素情報を取得する装置全てに適用できるもので、実施の形態として詳細に説明した図８の例では、単一のセクタ型マグネットによって電子をエネルギー分光させたが、
複数のマグネットによって電子を分光するタイプ、あるいは、Ωフィルタやαフィルタ、γフィルタなど、電子をエネルギーに応じて分光するあらゆるタイプのアナライザーを用いた装置に適用できるものである。もちろん上記したように、電子を分光するために磁場型のもの以外に、静電型の偏向コイルや静電ミラーを使用したもの、あるいは、それらとマグネットを併用したものにも適用できる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に基づく電子分光系を有した電子線装置は、電子銃から発生し加速された電子を試料に照射するレンズや偏向コイルより成る照射光学系と、該照射光学系の後段に配置された対物レンズと、該対物レンズの磁場内に配置された試料を透過した電子を結像する結像光学系と、結像された電子を検出する検出系を備えると共に、検出される電子のエネルギーを分光し、特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段を備えた電子分光系を有した電子線装置において、検出される電子のエネルギーをシフトさせるために電子銃の加速電圧を変化させる場合、前記対物レンズの設定条件はそのままで、加速電圧の変化によって試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりしないように、加速電圧の変化に応じたエネルギーシフト値に補正係数を乗じた補正量により、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を補正するようにしたことを特徴としている。
【００６２】
その結果、電子銃の加速電圧を変えて、エネルギーシフトを行った場合、照射レンズ系の条件がずれることにより、試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりすることが防止される。また、対物レンズの試料の前方磁場の強度の補正分は、補正電流値をキャリブレーションし、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を適切に調節することによって補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】２ウインドウ方式のバックグラウンド除去方式を説明するためのエネルギー損失のグラフを示した図である。
【図２】３ウインドウ方式のバックグラウンド除去方式を説明するためのエネルギー損失のグラフを示した図である。
【図３】アナライザーを備えた電子顕微鏡の例を示す図である。
【図４】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図５】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図６】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図７】アナライザーを備えた電子顕微鏡の他の例を示す図である。
【図８】本発明の一実施の形態である透過電子顕微鏡を示す図である。
【符号の説明】
２１ 電子銃
２２ 照射光学系
２３ 試料
２４ コンデンサレンズ
２５ 偏向コイル
２６ 試料ホルダ
２７、３０、３２ 結像光学系
２８ アナライザー
２９ スリット
３１ 検出器
３３ 加速電圧制御モジュール
３４ 光学系制御モジュール
３５ フィルタ光学系制御モジュール
３６ ＣＰＵ
３７ エネルギーシフト制御モジュール
３８ フィードバック制御モジュール
Claims (4)
- 電子銃から発生し加速された電子を試料に照射するレンズや偏向コイルより成る照射光学系と、該照射光学系の後段に配置された対物レンズと、該対物レンズの磁場内に配置された試料を透過した電子を結像する結像光学系と、結像された電子を検出する検出系を備えると共に、検出される電子のエネルギーを分光し、特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段を備えた電子分光系を有した電子線装置において、検出される電子のエネルギーをシフトさせるために電子銃の加速電圧を変化させる場合、前記対物レンズの設定条件はそのままで、加速電圧の変化によって試料上の電子ビームの照射領域がずれたり、電子ビームの照射明るさが変わったりしないように、加速電圧の変化に応じたエネルギーシフト値に補正係数を乗じた補正量により、照射光学系のレンズや偏向コイルに流す電流値を補正するようにした電子分光系を有した電子線装置。
- 前記補正係数をキャリブレーション可能に構成した請求項１記載の電子分光系を有した電子線装置。
- 特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段は、磁場を用いて電子をエネルギー分散させるアナライザーである請求項１記載の電子分光系を有した電子線装置。
- 特定のエネルギーの電子を検出するためのエネルギー選択手段は、電場を用いて電子をエネルギー分散させるアナライザーである請求項１記載の電子分光系を有した電子線装置。
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