JP4744592B2 - Electron beam apparatus and method for measuring stray magnetic field in electron beam apparatus - Google Patents

Electron beam apparatus and method for measuring stray magnetic field in electron beam apparatus Download PDF

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本発明は、電子レンズを有する電子線装置と、その装置内部の浮遊磁場測定方法に関する。   The present invention relates to an electron beam apparatus having an electron lens and a method for measuring a stray magnetic field inside the apparatus.

電子顕微鏡など電子光学系を有する電子線装置においては、通常電子レンズとして磁界型レンズが使用される。磁界型レンズは電子線の進行方向(電子光学系の光軸)と平行方向の局所的強磁場による結像作用を利用するもので、最も一般的に用いられている電子レンズである。電子レンズの磁場の強弱は焦点距離の変化に対応し、対物レンズではフォーカス調整に、結像レンズ系では像倍率の変更などに利用される。一方、電子線の進行方向と垂直方向の磁場は、ローレンツ力として電子線の進行方向を直接的に変更する。そのため、比較的弱磁場にて電子線の偏向器として用いられることが一般的である。   In an electron beam apparatus having an electron optical system such as an electron microscope, a magnetic field type lens is usually used as an electron lens. The magnetic lens uses the image forming action by a local strong magnetic field parallel to the traveling direction of the electron beam (optical axis of the electron optical system), and is the most commonly used electron lens. The strength of the magnetic field of the electron lens corresponds to the change of the focal length, and is used for focus adjustment in the objective lens and for changing the image magnification in the imaging lens system. On the other hand, the magnetic field in the direction perpendicular to the traveling direction of the electron beam directly changes the traveling direction of the electron beam as a Lorentz force. Therefore, it is generally used as a deflector for electron beams in a relatively weak magnetic field.

電子線の場合には光線と異なり、電子線の通過経路を真空排気しなければならないことから、電子光学系は、金属製の密閉容器内に構築されることが一般的である。このとき、真空容器を高透磁率材料(例えば、純鉄やパーマロイなど)とすることによって、容器外部の磁場が電子線の経路に侵入しないよう遮蔽することができ、比較的容易に磁場対策を採ることができる。ただし、磁場に対する遮蔽は電場に対する遮蔽とは異なり、高透磁率材料側に磁場を優先的に透過させることによって、相対的に対策を必要としている空間、部分の磁場強度を低下させているだけで、原理上完全には遮蔽し得ない。   In the case of an electron beam, unlike an electron beam, the electron beam passage path must be evacuated, so that the electron optical system is generally constructed in a metal sealed container. At this time, by using a high permeability material (for example, pure iron, permalloy, etc.) for the vacuum container, it is possible to shield the magnetic field outside the container from entering the electron beam path, and it is relatively easy to take measures against the magnetic field. Can be taken. However, unlike shielding against an electric field, shielding against a magnetic field only lowers the magnetic field strength of the space or part that needs relatively countermeasures by preferentially transmitting the magnetic field to the high permeability material side. In principle, it cannot be completely shielded.

このような事情から、高分解能像観察、特に収差補正装置を導入した高分解能像観察法、および電子線ホログラフィーなど高精度で電子線を制御しなければならない場合には、電子線の経路内に残存する浮遊磁場、とりわけ時間的に変動する磁場に対しては、細心の対策が必要とされる。特に、先述のとおり、光軸に垂直方向の磁場成分は、電子線を直接偏向させるため影響が大であり、その測定と対策は重要である。   For this reason, when high-resolution image observation, especially high-resolution image observation methods using aberration correction devices, and electron beam holography must be controlled with high accuracy, the electron beam path must be Careful measures are required for the remaining stray magnetic field, especially the time-varying magnetic field. In particular, as described above, the magnetic field component perpendicular to the optical axis has a great influence because it directly deflects the electron beam, and its measurement and countermeasures are important.

一般的には、例えば非特許文献1に開示されているように、浮遊磁場が時間的に電子線を偏向することを利用してその浮遊磁場の大きさ、位置を推定する。図13にその原理を模式的に示す。図14(図14A、図14B)に測定の状況および測定結果を示す。電子線の進行方向に幅lに渡って時間的に変化する光軸2に垂直方向の磁場26(磁束密度ΔB)があるとき、磁場中に入射した速度vの電子は、図13のようなある1点25を中心とした回転半径rの等速円運動を行う。その結果、電子線は偏向角αを持って磁場領域26を射出する軌道27を描く。この偏向角αは、電子が磁場より受けるローレンツ力と遠心力のつり合いより、   In general, as disclosed in Non-Patent Document 1, for example, the magnitude and position of the stray magnetic field are estimated using the fact that the stray magnetic field deflects the electron beam temporally. FIG. 13 schematically shows the principle. FIG. 14 (FIGS. 14A and 14B) shows measurement conditions and measurement results. When there is a magnetic field 26 (magnetic flux density ΔB) perpendicular to the optical axis 2 that changes with time in the traveling direction of the electron beam in the direction of travel of the electron beam, the electrons with velocity v incident in the magnetic field are as shown in FIG. A constant-velocity circular motion with a radius of rotation r around a certain point 25 is performed. As a result, the electron beam draws an orbit 27 that exits the magnetic field region 26 with a deflection angle α. This deflection angle α is based on the balance between Lorentz force and centrifugal force that electrons receive from the magnetic field.

Figure 0004744592
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と表わされる(但し、λ = h/mvを用いた)。ここでeは電子の電荷量、hはプランク定数、λは電子線の波長である。 (Where λ = h / mv was used). Here, e is the charge amount of electrons, h is the Planck constant, and λ is the wavelength of the electron beam.

この電子線への偏向角αを浮遊磁場存在領域の電子線の進行方向下流側、距離Lの点で観察し(図14A参照)、ΔSource=2αLより、電子線のスポット10の形状のゆがみ、もしくは分裂として計測し(図14B参照)、浮遊磁場ΔBを求めている。   The deflection angle α to the electron beam is observed at a distance L on the downstream side in the traveling direction of the electron beam in the region where the stray magnetic field exists (see FIG. 14A). From ΔSource = 2αL, the shape of the electron beam spot 10 is distorted. Alternatively, it is measured as splitting (see FIG. 14B), and the stray magnetic field ΔB is obtained.

Figure 0004744592
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図14より明らかなように、この従来の浮遊磁場測定方法では、高感度に測定するには、浮遊磁場の存在領域と電子線スポット10の観察位置は離れている方が望ましく(L → 大)、また、スポット10は小さく、かつ同時にスポット位置の観察倍率は高いことが望まれる。しかし、これらの条件を満たす光学系は、試料像観察条件からは大きく外れていることが多い。従って、浮遊磁場を測定しても、試料像観察時には別途に異なる光学系を構築しなければならず、測定結果が直接、観察像の良否に関係しない場合もある。   As is clear from FIG. 14, in this conventional stray magnetic field measurement method, it is desirable that the region where the stray magnetic field exists and the observation position of the electron beam spot 10 are separated (L → large) in order to measure with high sensitivity. In addition, it is desirable that the spot 10 is small and at the same time the observation magnification of the spot position is high. However, optical systems that satisfy these conditions often deviate greatly from the sample image observation conditions. Therefore, even if the stray magnetic field is measured, a different optical system must be separately constructed when observing the sample image, and the measurement result may not directly relate to the quality of the observed image.

なお、電子線装置に関連するその他の技術として、特許文献1には、基本的な電子顕微鏡本体に加え、ホログラフィー観察において要求する空間分解能を入力する手段と、入力された値及び装置固有のパラメータから要求された空間分解能を実現する電子線バイプリズム位置及び試料位置を算出するための計算装置及び、得られた計算結果を実現するためのこれら二つの位置を移動させる機構を設けてたものが開示されている。試料位置移動手段として、ネジのピッチを利用した回転式機構が開示されている。また、非特許文献2には、電子レンズの収差の影響を受けず高コントラストで格子像を記録する方法として、暗視野結像実験に関する記載がある。また、非特許文献3には電子波の位相および二波の位相差、そしてアハラノフ・ボーム効果に関する記載がある。   As another technique related to the electron beam apparatus, in Patent Document 1, in addition to a basic electron microscope main body, means for inputting a spatial resolution required in holographic observation, input values, and apparatus-specific parameters A device for calculating the electron biprism position and the sample position for realizing the spatial resolution required from the above, and a mechanism for moving these two positions for realizing the obtained calculation results are provided. It is disclosed. As a sample position moving means, a rotary mechanism using a screw pitch is disclosed. Non-Patent Document 2 describes a dark field imaging experiment as a method for recording a lattice image with high contrast without being affected by the aberration of the electron lens. Non-Patent Document 3 describes the phase of the electron wave, the phase difference between the two waves, and the Aharanov-Bohm effect.

特開2007−335083号公報JP 2007-335083 A 後藤憲一、山崎修一 共編:詳解 電磁気学演習 (昭和58年)(共立出版)p400Kenichi Goto and Shuichi Yamazaki Co-edition: Detailed explanation Electromagnetics Seminar (1983) (Kyoritsu Shuppan) p400 Tetsuya Akashi、Akiara Sugawara、Takaho Yoshida、Tsuyoshi Matsuda、Ken Harada and Akira Tonomura: Proceedings of 16 th International Microscopy Congress (IMC16), (Sapporo, Japan, September 3 - 8, 2006) Vol. 2 , pp. 585.Tetsuya Akashi, Akiara Sugawara, Takaho Yoshida, Tsuyoshi Matsuda, Ken Harada and Akira Tonomura: Proceedings of 16th International Microscopy Congress (IMC16), (Sapporo, Japan, September 3-8, 2006) Vol. 2, pp. 585. A. Tonomura: Electron Holography, 2nd ed. (Springer, Heidelberg. Germany,1999), Captor 6, page 52.A. Tonomura: Electron Holography, 2nd ed. (Springer, Heidelberg. Germany, 1999), Captor 6, page 52.

先述のごとく、浮遊磁場、特に光軸と垂直方向成分を有し、時間的にその強度、方位が変化する磁場は、その変動が電子顕微鏡において画像取得中(露光時間内)に作用した場合には、異なる画像が重畳されて観察されることになり、電子顕微鏡像劣化の直接的原因となる。そのため、装置全体だけでなく、電子線の経路を集中的に高透磁率材料で覆ったり、あるいは、装置全体に問題となる浮遊磁場と逆方向でかつ同じ強度の磁場を積極的に印加することによって相殺するなどの対策が採られている。いずれにしても、電子顕微鏡像に直接影響を与えている浮遊磁場を測定することは、対策の方針を決定するためにも、対策の良否を評価するためにも重要である。   As described above, a stray magnetic field, especially a magnetic field that has a component perpendicular to the optical axis and whose intensity and direction change over time, is when the fluctuations are applied during image acquisition (within the exposure time) in an electron microscope. Will be observed by superimposing different images, which directly causes deterioration of the electron microscope image. Therefore, not only the entire device but also the electron beam path is intensively covered with a high permeability material, or the entire device is actively applied with a magnetic field in the opposite direction and the same strength as the problematic floating magnetic field. Countermeasures such as offsetting are taken. In any case, measuring a stray magnetic field that directly affects the electron microscope image is important for determining the countermeasure policy and for evaluating the quality of the countermeasure.

しかし、真空に封じられ、多数の電子レンズから構成される電子顕微鏡光学系においては、センサーを用いて浮遊磁場ΔBを検出することは現実的に困難であり、一般的には先述のとおり、電子ビームをスポット状にして、そのスポットの形状の不均一性(一方向への伸長)やスポットの分裂もしくは振動などを通じて測定、あるいは定性的な観察を行っているのみであった。この電子線のスポットを用いる方法は、スポットのサイズによって検出感度が異なること、通常の透過型電子顕微鏡においては、電子線のスポットを観察する光学系は試料像を結像観察するための光学系と異なることなどから、高分解能観察や、電子線ホログラフィーにおいては、電子線のスポットを拡大投影する光学系によって浮遊磁場の程度を評価しても、像観察に影響を与える浮遊磁場を評価できておらず、結局試行錯誤に磁場対策を行い、実験によって実際の像を観察して効果の程を知るしかなかった。   However, in an electron microscope optical system that is sealed in a vacuum and composed of a large number of electron lenses, it is practically difficult to detect the stray magnetic field ΔB using a sensor. The beam was made into a spot shape, and measurement or qualitative observation was only performed through nonuniformity (extension in one direction) of the spot, splitting or vibration of the spot, and the like. This method using electron beam spots has different detection sensitivities depending on the spot size. In a normal transmission electron microscope, the optical system for observing the electron beam spot is an optical system for imaging and observing the sample image. Therefore, in high-resolution observation and electron beam holography, even if the degree of the stray magnetic field is evaluated by an optical system that magnifies and projects the electron beam spot, the stray magnetic field that affects image observation can be evaluated. However, after all, the magnetic field measures were taken by trial and error, and the actual effect was observed through experiments to know the extent of the effect.

本発明の目的は、電子線装置内の電子光学系上に存在し、結像に影響を与える浮遊磁場を高感度に検出し、定量的に評価できる浮遊磁場の測定手法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a measurement method of a stray magnetic field that exists on an electron optical system in an electron beam apparatus and that can detect a stray magnetic field that affects imaging with high sensitivity and quantitatively evaluate the stray magnetic field. .

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。即ち、本発明は、電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置とを有する電子線装置であって、前記照射光学系、前記試料保持装置、前記結像レンズ系及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備え、前記試料を前記電子線の光軸上で複数の位置に移動させ、前記各々の位置において得られる前記試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化から、当該装置内における前記試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定することを特徴とする。   An example of a representative one of the present invention is as follows. That is, the present invention includes an electron beam light source, an irradiation optical system for irradiating the sample with an electron beam emitted from the light source, a sample holding device for holding the sample irradiated with the electron beam, An electron beam apparatus having an imaging lens system for forming an image of a sample and an image observation / recording device for observing or recording the sample image, the irradiation optical system, the sample holding device, An information processing device for controlling the imaging lens system and the image observation / recording device is provided, and the sample is moved to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam, and images of the sample obtained at the respective positions A stray magnetic field existing on a passage path of an electron beam from the sample to the sample image observation surface in the apparatus is measured from a change in contrast or the image contrast.

本発明によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価することが可能となる。   According to the present invention, it becomes possible to measure the influence of a stray magnetic field quantitatively and with high accuracy under the same imaging optical system and optical conditions as those for sample observation, and the stray magnetic field remaining in the optical system can be observed. It is possible to measure and evaluate the degree of the effect on the magnetic field and the degree of effectiveness of the countermeasure against the stray magnetic field.

本発明は、結晶体の試料を用い、高分解能像(格子像)観察光学系で格子像観察倍率において観察される試料像のコントラストもしくはコントラスト変化の様子から、光学系中の浮遊磁場を測定する方法およびそれを可能とする装置を提供するものである。本方法の原理は、二波を干渉結像させる際に二波の経路が包む空間内に存在する時間的に変動する浮遊磁場によって生じる位相差(アハラノフ・ボーム効果による位相差(非特許文献3参照))の揺らぎを干渉縞のコントラストの劣化として評価するもので、電子線が浮遊磁場から受けるローレンツ力によって偏向される程度を測定する先述の電子線スポットの偏向検出方法とは原理的に異なる。   The present invention uses a crystal sample and measures a stray magnetic field in the optical system from the contrast of the sample image observed at a magnification of the lattice image observation or a change in contrast in the high resolution image (lattice image) observation optical system. A method and apparatus enabling it are provided. The principle of this method is that a phase difference (a phase difference caused by the Aharanov-Bohm effect (Non-Patent Document 3) generated by a temporally fluctuating magnetic field existing in a space surrounded by a path of two waves when two waves are subjected to interference imaging. (Refer to the above)) as a deterioration of contrast of interference fringes, which is in principle different from the method for detecting deflection of the electron beam spot, which measures the degree to which the electron beam is deflected by the Lorentz force received from the stray magnetic field. .

本発明では、電磁ノイズとしての浮遊磁場の強度、方位は時間的に常に揺らいでいるが、その揺らぎの程度は一連の干渉像観察の所要時間内には大きく変化しないとき、この揺らぎの程度を測定・評価するために、試料を光軸上異なる点に移動もしくは複数配置することを可能とし、そのおのおのの位置での干渉像を観察し、そのコントラストの変化の具合から当該干渉像を形成するに至った二波の電子線経路中に存在する浮遊磁場の揺らぎの程度を測定する。二波の経路は空間的に離れるほど該経路により包まれる空間が大きくなり、該閉空間内に取り込まれる浮遊磁場の量が増えるので該浮遊磁場を高感度に検出できる。また、結晶体など格子間隔が小さく大きな回折角を得られる試料のとき、および回折角が大きい低加速電圧電子線ほど同様に該浮遊磁場を高感度に検出できる。   In the present invention, the intensity and direction of the stray magnetic field as electromagnetic noise constantly fluctuate in time, but when the degree of fluctuation does not change greatly within the time required for a series of interference image observations, the degree of fluctuation is reduced. In order to measure and evaluate, it is possible to move the sample to different points on the optical axis or place multiple samples, observe the interference image at each position, and form the interference image from the degree of contrast change Measure the degree of fluctuation of the stray magnetic field existing in the two-wave electron beam path. As the two-wave path becomes farther away, the space enclosed by the path becomes larger, and the amount of the stray field taken into the closed space increases, so that the stray field can be detected with high sensitivity. In addition, when the sample has a small lattice interval and a large diffraction angle, such as a crystal, and the low acceleration voltage electron beam has a large diffraction angle, the stray magnetic field can be detected with high sensitivity.

以下、まず、本発明の浮遊磁場測定の原理に関して説明する。
<1.二波の分離と格子像(二波干渉結像)>
本発明の方法では、同一光源から出発し異なる軌道を経由する複数の電子線の間に生じる干渉現象を利用する。複数の波に分割するために結晶体を用いる。これは振幅分割型の干渉計に該当し、結像するには格子像観察法と同様の光学系が必要となる。従って、格子像観察法と同様の光学条件での評価実験を検討する。特に簡単のため、二波結像の格子像実験についてモデルを与える。これは、結晶格子により回折された二波による格子像(干渉縞)を記録する方法である。
Hereinafter, the principle of the stray magnetic field measurement of the present invention will be described first.
<1. Two-wave separation and lattice image (two-wave interference imaging)>
The method of the present invention uses an interference phenomenon that occurs between a plurality of electron beams starting from the same light source and passing through different orbits. A crystal is used to divide into multiple waves. This corresponds to an amplitude division type interferometer, and an optical system similar to the lattice image observation method is required for imaging. Therefore, an evaluation experiment under the same optical conditions as in the lattice image observation method is examined. For simplicity, a model is given for a two-wave imaging lattice image experiment. This is a method of recording a lattice image (interference fringes) by two waves diffracted by a crystal lattice.

図1に示すごとく(g、−g)の光軸に対称な2つの回折波を用いて説明を行うが、透過波や散乱波など、本質的にはどんな二波による結像系にでも一般的に成立する。図1において、2は光軸、3は試料、5は対物レンズ(対物レンズの主面)、8は干渉縞、11は対物レンズにより結像された電子源の像(クロスオーバー)、22は電子線の波面、27は電子線の軌道、36は対物レンズの後側焦点面、71は対物レンズによる試料の像面、93はビームストッパーを示している。   As shown in FIG. 1, the explanation is made using two diffracted waves symmetric with respect to the optical axis (g, -g), but it is generally applicable to imaging systems using essentially any two waves such as transmitted waves and scattered waves. It holds true. In FIG. 1, 2 is an optical axis, 3 is a sample, 5 is an objective lens (main surface of the objective lens), 8 is an interference fringe, 11 is an image (crossover) of an electron source imaged by the objective lens, 22 is An electron beam wavefront, 27 is an electron beam trajectory, 36 is a rear focal plane of the objective lens, 71 is a sample image plane by the objective lens, and 93 is a beam stopper.

まず、図1の様に光学系の諸パラメータを定め、光学系の倍率をMとすると、ブラッグの回折条件(式(3))より以下の諸式を得る。   First, various parameters of the optical system are determined as shown in FIG. 1, and when the magnification of the optical system is M, the following equations are obtained from Bragg diffraction conditions (equation (3)).

Figure 0004744592
Figure 0004744592

Figure 0004744592
Figure 0004744592

Figure 0004744592
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ここで、aは対物レンズ5(対物レンズの主面)と試料3との距離、bは対物レンズ5(対物レンズ主面)と試料の像面71との距離、θはブラッグ角、dは結晶格子間隔、fは対物レンズの焦点距離、qは光軸2と対物レンズによる電子源の像11(回折点)との距離である。   Here, a is the distance between the objective lens 5 (main surface of the objective lens) and the sample 3, b is the distance between the objective lens 5 (objective lens main surface) and the image plane 71 of the sample, θ is the Bragg angle, and d is The crystal lattice spacing, f is the focal length of the objective lens, and q is the distance between the optical axis 2 and the image 11 (diffraction point) of the electron source by the objective lens.

レンズ後側焦点面36上の回折点11を光源と考えると干渉縞間隔sは、   Considering the diffraction point 11 on the rear focal plane 36 of the lens as a light source, the interference fringe spacing s is

Figure 0004744592
Figure 0004744592

で与えられ、結晶格子間隔dの空間周波数の2倍の空間周波数を持つ干渉縞(格子像)となる。すなわち、回折角θは波長λに依存するが、得られる格子像は倍率のみに依存し波長に依らない。 And an interference fringe (lattice image) having a spatial frequency twice the spatial frequency of the crystal lattice spacing d. That is, the diffraction angle θ depends on the wavelength λ, but the obtained grating image depends only on the magnification and not on the wavelength.

なお、図1では、簡単のため磁界レンズによる光軸を中心とした電子線の回転及びそれに伴う像の回転を描いていないが、この省略によって本発明が議論する電子光学系の一般性を失うものではない。また、レンズ自身も主面を単線で表わす省略を行っている。図1以降の光学系を表わす図についても同様の省略を行う。   In FIG. 1, for the sake of simplicity, the rotation of the electron beam about the optical axis by the magnetic lens and the rotation of the image accompanying the rotation are not drawn. However, the omission of the generality of the electron optical system discussed in the present invention is lost. It is not a thing. Also, the lens itself omits the principal surface represented by a single line. The same abbreviations are applied to the diagrams representing the optical system in FIG.

また、図1で描いた2つの回折波(g、−g)で構成される干渉縞8は暗視野格子像と呼ばれるもので、電子レンズの収差の影響を受けず(厳密には収差の影響を相殺して結像する)、高コントラストで格子像を記録する方法として知られている(非特許文献2参照)。電子線の可干渉性を有効に用いるため、フォーカスはずれ量Δfは、式(7)に基づくことが望ましい。ここでCsは球面収差係数、hklは回折波ghklの次数、qhklはその回折波ghklの空間周波数である。 Further, the interference fringes 8 composed of the two diffracted waves (g, -g) depicted in FIG. 1 are called dark-field grating images, and are not affected by the aberration of the electron lens (strictly, the influence of the aberration). This is known as a method of recording a lattice image with high contrast (see Non-Patent Document 2). In order to effectively use the coherence of the electron beam, it is desirable that the defocus amount Δf be based on the equation (7). Here, C s is the spherical aberration coefficient, hkl is the order of the diffracted wave g hkl , and q hkl is the spatial frequency of the diffracted wave g hkl .

Figure 0004744592
Figure 0004744592

<2.電子軌道と位相差>
本発明の方法では、同一光源から出発し異なる軌道を経由する電子線の間に生じる干渉現象を利用する。図2は電子軌道27と波面22(等位相面)の関係を描いた模式図である。図2のような電子源1と観察点(電子源の像10)の関係の場合、光源1からでた電子線が各々の軌道27を経て観察点10に達した時の電子線の位相差Δφは式(8)で表わされる。
<2. Electron orbit and phase difference>
The method of the present invention utilizes an interference phenomenon that occurs between electron beams starting from the same light source and passing through different orbits. FIG. 2 is a schematic diagram depicting the relationship between the electron trajectory 27 and the wavefront 22 (equal phase plane). In the case of the relationship between the electron source 1 and the observation point (electron source image 10) as shown in FIG. 2, the phase difference of the electron beam when the electron beam from the light source 1 reaches the observation point 10 through each orbit 27. Δφ is expressed by equation (8).

Figure 0004744592
Figure 0004744592

式(8)右辺の第1項Δφ1は幾何光学的光路差(波数の経路積分)、第2項Δφ2は電場の寄与であり光線の場合の屈折率に相当する。第3項Δφ3は磁場の寄与で、加速電圧(電子線の波長)に依存しないことを特徴とする。本発明では、電子顕微鏡像に与える浮遊磁場の影響を考察するため、幾何光学的位相差の第1項Δφ1と磁場の寄与の第3項Δφ3についてそれぞれ検討する。(非特許文献3参照)
<3.幾何光学的光路への浮遊磁場の影響>
前節では試料が結晶体で、入射電子線が該試料によってブラッグ回折を受ける場合を示したが、さらに図3のごとく、2つの回折波(g、−g)の経路中に浮遊磁場24(磁束密度ΔB)が存在する場合を検討する。電子顕微鏡像の解像度など像質に最も大きな影響を与える対物レンズにおいては、試料ホルダー、対物絞りなどの電子光学部品がレンズ主面近傍に配置される構造となっており、そのため磁場遮蔽は他の部分と比較して弱いのが実状である。そこで、時間的に変動する浮遊磁場は、対物レンズの後側焦点面36の電子線の流れの下流側の幅lの範囲に局所的に存在していると仮定する。上記の事情であるため、この仮定でも一般性は失わない。
The first term Δφ 1 on the right side of equation (8) is the geometric optical path difference (wavenumber path integral), and the second term Δφ 2 is the contribution of the electric field and corresponds to the refractive index in the case of light rays. The third term Δφ 3 is a contribution of the magnetic field and is characterized by being independent of the acceleration voltage (electron beam wavelength). In the present invention, the first term Δφ 1 of the geometric optical phase difference and the third term Δφ 3 of the magnetic field contribution are examined in order to consider the influence of the stray magnetic field on the electron microscope image. (See Non-Patent Document 3)
<3. Effect of stray magnetic field on geometric optical path>
In the previous section, the sample was a crystal and the incident electron beam was subjected to Bragg diffraction by the sample. Further, as shown in FIG. 3, a stray magnetic field 24 (magnetic flux) is included in the path of two diffracted waves (g, -g). Consider the case where density ΔB) exists. The objective lens that has the greatest influence on the image quality, such as the resolution of the electron microscope image, has a structure in which electron optical components such as the sample holder and the objective aperture are arranged in the vicinity of the lens main surface. The actual situation is weaker than the part. Therefore, it is assumed that the stray magnetic field that fluctuates with time exists locally in the range of the width l on the downstream side of the flow of the electron beam on the rear focal plane 36 of the objective lens. Because of the above circumstances, generality is not lost even with this assumption.

図3に、浮遊磁場の領域を含む場合の光学系を示す。ある瞬間を考えると、結晶性試料3にて回折を受けた各々の電子軌道27は、それぞれ浮遊磁場ΔBにてローレンツ力による偏向を受け、格子像8は横方向に移動する(図3では右方向)。像観察点は、高倍率のため光軸2のごく近傍のみであるから、観察像では格子像の縞位置が横に移動したように観察される。すなわち、観察された干渉縞の位相が変化することになる。観察点での格子像の位相の変化量Δφ1を、浮遊磁場ΔBにより生じた虚光源15からの光路長より求めると、虚光源15の位置の変位量は1次近似の範囲(式19)でlαであることから、右側回折点g(虚光源)からの光路長LRと、左側回折点−g(虚光源)からの光路長LLとは各々、 FIG. 3 shows an optical system in the case where a floating magnetic field region is included. Considering a certain moment, each electron orbit 27 diffracted by the crystalline sample 3 is deflected by the Lorentz force in the stray magnetic field ΔB, and the lattice image 8 moves laterally (in FIG. 3, the right side). direction). Since the image observation point is only in the vicinity of the optical axis 2 because of the high magnification, it is observed that the fringe position of the lattice image is moved sideways in the observation image. That is, the phase of the observed interference fringe changes. When the change amount Δφ 1 of the phase of the lattice image at the observation point is obtained from the optical path length from the imaginary light source 15 caused by the floating magnetic field ΔB, the displacement amount of the position of the imaginary light source 15 is in a first order approximation range (Equation 19). in because it is L [alpha, each optical path length L R of the right diffraction point g (virtual source), the optical path length L L of the left diffraction point -g (virtual source)

Figure 0004744592
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Figure 0004744592
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Figure 0004744592
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となる。以上より、光路差Δl、および位相差Δφ1を得る。 It becomes. As described above, the optical path difference Δl and the phase difference Δφ 1 are obtained.

Figure 0004744592
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Figure 0004744592
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式(12)より、浮遊磁場による格子像の幾何光学的光路差ΔLによる位相差Δφ1は波長λに依存せず、浮遊磁場の強さ(磁束密度ΔB)と、その磁場の存在領域lに依存することがわかる。すなわち、時間的に変化する浮遊磁場ΔBが領域lに存在するとき、位相差Δφ1分だけ異なる干渉縞8が重畳されて観察されることになり、干渉縞8のコントラストが劣化する。つまり、観察される縞のコントラストと浮遊磁場の間には一定の関係があり、その関係は一連の実験の時間内では一定とみなせる。
<4.磁場に起因した位相差>
式(8)の第3項のごとく、位相差Δφ3に対する磁場の寄与は加速電圧に依存しない。ストークスの定理により、2つの軌道の間に存在する磁束密度Bで決まった変化を受ける(式(13))。これがアハラノフ・ボーム効果(AB効果)である(非特許文献3参照)。
From the equation (12), the phase difference Δφ 1 due to the geometric optical path difference ΔL of the lattice image due to the stray magnetic field does not depend on the wavelength λ, and the intensity of the stray magnetic field (magnetic flux density ΔB) and the existence region 1 of the magnetic field It turns out that it depends. That is, when the stray magnetic field ΔB that changes with time exists in the region l, the interference fringes 8 that differ by the phase difference Δφ 1 are superimposed and observed, and the contrast of the interference fringes 8 deteriorates. That is, there is a certain relationship between the observed fringe contrast and the stray magnetic field, and this relationship can be regarded as constant within the time of a series of experiments.
<4. Phase difference due to magnetic field>
As in the third term of equation (8), the magnetic field contribution to the phase difference Δφ 3 does not depend on the acceleration voltage. According to Stokes' theorem, the change is determined by the magnetic flux density B existing between the two orbits (Equation (13)). This is the Aharanov-Bohm effect (AB effect) (see Non-Patent Document 3).

Figure 0004744592
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従って、二波の電子線で囲まれる浮遊磁場の存在領域Sの面積が求まれば、位相差Δφ3が求められる。前節と同様に図3に示した光学系のパラメータ、および浮遊磁場の存在領域の場合、2つの回折電子線の軌道27で囲まれる面積Sは式(14)のように表わされる。 Therefore, if the area of the floating magnetic field existing region S surrounded by the two-wave electron beams is obtained, the phase difference Δφ 3 is obtained. As in the previous section, in the case of the parameters of the optical system shown in FIG. 3 and the region where the stray magnetic field exists, the area S surrounded by the orbits 27 of the two diffracted electron beams is expressed as in Expression (14).

Figure 0004744592
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これより位相差Δφ3は、式(15)のように表わされる。 Accordingly, the phase difference Δφ 3 is expressed as shown in Expression (15).

Figure 0004744592
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すなわち、式(12)と同様に、時間的に変化する浮遊磁場ΔBが領域lに存在するとき、位相差Δφ3分だけ異なる干渉縞8が重畳されて観察されることになり、干渉縞8のコントラストが劣化する。しかし、式(12)とは異なり、式(15)は実験者が変更可能なパラメータ(電子線の波長λ、結晶の格子間隔d、試料位置a)を含んでいる。
<5.浮遊磁場の評価法>
浮遊磁場ΔBが正負の方向に揺動するので、時間的に積分して表われる縞のにじみ量は、各々の位相差の絶対値の和として取り扱う。すなわち、式(8)、式(12)と式(15)より、二波の位相差はΔφは、
That is, similarly to the equation (12), when the stray magnetic field ΔB that changes with time exists in the region l, the interference fringes 8 that are different by the phase difference Δφ 3 are observed to be superimposed and observed. The contrast of the image deteriorates. However, unlike Equation (12), Equation (15) includes parameters (electron beam wavelength λ, crystal lattice spacing d, sample position a) that can be changed by the experimenter.
<5. Evaluation method of stray magnetic field>
Since the stray magnetic field ΔB fluctuates in the positive and negative directions, the amount of fringe fringes that appears as a result of temporal integration is handled as the sum of the absolute values of the respective phase differences. That is, from the equations (8), (12), and (15), the phase difference between the two waves is Δφ,

Figure 0004744592
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で表わされる。 It is represented by

つまり、観察される縞のコントラストと浮遊磁場の間には式(16)に基づき一定の関係があるが、浮遊磁場からの寄与分(式(15)に基づく位相差)には、実験者により以下のとおりパラメータを変更する余地が残されている。   That is, there is a fixed relationship between the observed fringe contrast and the stray magnetic field based on Equation (16), but the contribution from the stray magnetic field (phase difference based on Equation (15)) is determined by the experimenter. There remains room for parameter changes as follows.

(1) 電子線の加速電圧を変更し波長λを変更する。   (1) Change the wavelength λ by changing the acceleration voltage of the electron beam.

(2) 対象とする結晶体、もしくは結晶の方位を変更し格子間隔dを変更する。   (2) Change the lattice spacing d by changing the orientation of the target crystal or crystal.

(3)試料位置aを変更する。   (3) Change the sample position a.

これらのパラメータ変更によって、浮遊磁場についての情報を得ることが可能である。この実験者によって変更可能なパラメータ(λ、d、およびa)のうち、図4のごとく試料位置(試料とレンズ主面との距離)aを変更し、観察される干渉縞8のコントラスト変化より浮遊磁場ΔBを評価する方法およびそれを可能とする装置を提供することが、本発明の根幹である。   By changing these parameters, it is possible to obtain information about stray magnetic fields. Among the parameters (λ, d, and a) that can be changed by the experimenter, the sample position (distance between the sample and the lens main surface) a is changed as shown in FIG. It is the basis of the present invention to provide a method for evaluating the stray magnetic field ΔB and a device that makes it possible.

例えば、試料位置を変更(試料とレンズ主面との距離aを増加させる)しながら格子像の観察を行い、格子像のコントラストが失われるときには時間的に変動する位相差がちょうど2π(Δφ = 2π)に達したときとみなし、そのときの試料3とレンズ主面5との距離alimを求めると、式(16)より浮遊磁場ΔBの強度について、式(17)の関係を得る。 For example, the lattice image is observed while changing the sample position (increasing the distance a between the sample and the lens main surface), and when the contrast of the lattice image is lost, the time-varying phase difference is exactly 2π (Δφ = 2π), the distance a lim between the sample 3 and the lens main surface 5 at that time is obtained, and the relationship of the equation (17) is obtained with respect to the strength of the floating magnetic field ΔB from the equation (16).

Figure 0004744592
Figure 0004744592

式(17)では浮遊磁場の存在領域lが未定であるが、通常は、対象としている電子レンズ(ここでは対物レンズ)の焦点距離f程度と考えられるので、l=fとして、式(18)を得る。   In the equation (17), the stray magnetic field existence region l is undecided. However, since it is normally considered to be about the focal length f of the target electron lens (here, the objective lens), it is assumed that l = f and the equation (18) Get.

Figure 0004744592
Figure 0004744592

この式(18)より、浮遊磁場を概算することが可能である。なお、格子像のコントラスト消失は、例えばアモルファス像のコントラストとの比較において、格子像のコントラストがノイズレベル以下となり、実効的に格子像8が判別できなくなるときと考えられる。   From this equation (18), it is possible to estimate the stray magnetic field. Note that the disappearance of the contrast of the lattice image is considered, for example, when the contrast of the lattice image falls below the noise level in comparison with the contrast of the amorphous image and the lattice image 8 cannot be effectively discriminated.

なお、式(17)において、浮遊磁場の存在領域lは上記電子レンズの焦点距離fに限定されないことはいうまでも無い。例えば、電子レンズのポールピースギャップ間に浮遊磁場が存在していると見なせるときには、ギャップ長さGを浮遊磁場の存在領域lに置き換えて、式(17)から浮遊磁場ΔBの強度を求めても良い。その他、電子線装置内の浮遊磁場の存在領域を大まかに特定できる任意のパラメータを式(17)の存在領域lの代わりに用いて式(18)相当の演算式を得ても良い。   Needless to say, in the expression (17), the stray magnetic field existence region 1 is not limited to the focal length f of the electron lens. For example, when it can be considered that a stray magnetic field exists between the pole piece gaps of the electron lens, the strength of the stray magnetic field ΔB can be obtained from equation (17) by replacing the gap length G with the stray magnetic field existence region l. good. In addition, an arithmetic expression equivalent to Expression (18) may be obtained by using an arbitrary parameter that can roughly specify the existence area of the stray magnetic field in the electron beam apparatus instead of the existence area l of Expression (17).

本発明により浮遊磁場の測定を行う手順を、図5にフローチャートとして示す。それぞれを説明する。なお、必要な情報は観測者がコンピュータのモニタ画面などを通じて予め入力し、記憶手段に記録されているものとする。
(ステップ1):格子像観察条件、例えば、電子線の波長、格子間隔、観察条件(フォーカスはずれ量、記録時の倍率など)を定める。
(ステップ2):観測者が必要に応じて装置を操作し、装置の光学系をステップ1で定めた観察条件に合わせる。
(ステップ3):試料中のアモルファス部の画像を格子像観察と同条件にて観察し、その画像を記録媒体や記録装置に記録する。
(ステップ4):得られたアモルファス部の画像より、画像のノイズレベルを決定する。これには例えば、画像のフーリエ変換などを利用して装置が自動的に決定してもよい。
(ステップ5):光学系をステップ1で定めた観察条件に合わせる。
(ステップ6):格子像を観察し、その画像を記録媒体や記録装置に記録する。
(ステップ7):格子像のコントラストを評価する。
(ステップ8):ステップ4で求めた画像のノイズレベルと比較する。
(1)ノイズレベルより格子像のコントラストの方が大きいとき(Yes)→試料をレンズ主面からさらに移動させるための移動量を定め(ステップ9)→試料を移動させる(ステップ10)→ステップ5に戻る。
(2)ノイズレベルより格子像のコントラストの方が大きくないとき(No)→ステップ11へすすむ。
(ステップ11):試料位置、もしくはここまでに試料を移動させてきた移動量の積分値を元に、レンズ主面から試料までの距離alimを算出し、その結果を記録装置に記録する。
(ステップ12):式(18)に基づき、浮遊磁場量ΔBを求め、記録装置に記録する。
(ステップ13):ステップ10で求めた浮遊磁場量ΔBをモニタに表示する。
(ステップ14):一連の測定を終了する。
The procedure for measuring the stray magnetic field according to the present invention is shown as a flowchart in FIG. Each will be explained. It is assumed that necessary information is previously input by the observer through a computer monitor screen and recorded in the storage means.
(Step 1): A lattice image observation condition, for example, the wavelength of the electron beam, the lattice interval, and the observation condition (the amount of defocus, the magnification at the time of recording, etc.) are determined.
(Step 2): The observer operates the apparatus as necessary to adjust the optical system of the apparatus to the observation conditions defined in Step 1.
(Step 3): An image of the amorphous part in the sample is observed under the same conditions as the lattice image observation, and the image is recorded on a recording medium or a recording apparatus.
(Step 4): The noise level of the image is determined from the obtained image of the amorphous part. For this, for example, the apparatus may automatically determine using Fourier transform of an image.
(Step 5): The optical system is adjusted to the observation conditions defined in Step 1.
(Step 6): A lattice image is observed and the image is recorded on a recording medium or a recording apparatus.
(Step 7): The contrast of the lattice image is evaluated.
(Step 8): Compare with the noise level of the image obtained in Step 4.
(1) When the contrast of the lattice image is larger than the noise level (Yes) → A movement amount for further moving the sample from the lens main surface is determined (Step 9) → The sample is moved (Step 10) → Step 5 Return to.
(2) When the contrast of the lattice image is not larger than the noise level (No) → Proceed to Step 11.
(Step 11): The distance a lim from the lens main surface to the sample is calculated based on the sample position or the integrated value of the movement amount that has moved the sample so far, and the result is recorded in the recording device.
(Step 12): Based on the equation (18), the stray magnetic field amount ΔB is obtained and recorded in the recording device.
(Step 13): The stray magnetic field amount ΔB obtained in Step 10 is displayed on the monitor.
(Step 14): A series of measurements is terminated.

図5のフローチャートは、ステップ1の条件設定、ステップ8等の判定など、実験者がモニタ画面を見ながら必要な情報を装置に入力することで実現される。なお、図5のフローチャートに基づき、浮遊磁場ΔBを自動測定するシステムを構築することも可能である。すなわち、一連の測定を装置が自動的に行うものとしても良い。
<6.浮遊磁場の評価精度>
本発明の手法が、どの程度浮遊磁場に対して感度を持っているか評価してみる。式(17)もしくは式(18)の係数h/2eはちょうど超伝導磁束量子1個の保持する磁束量(Φ0 = 2×10-15Wb(ウェーバー))に対応している。また、電子線の波長λと格子間隔dの比λ/dは、およそ1/50〜1/100程度の値となる。すなわち、評価可能な浮遊磁場の強度ΔBは、1個の磁束量子が浮遊磁場の存在領域lを定める面積(例えば浮遊磁場の存在領域lを対物レンズの焦点距離f程度とすると、f2〜3 mm2)に存在する場合に対応する。これは大変に弱い磁場に相当する(例えば、地磁気3×10-5Wb/m2(= 0.3G(ガウス))は、磁束量子の面密度に直すと15000個/mm2に対応する)。従って本手法が、地磁気の1/105以下の弱磁場に対して評価可能な方法であることがわかる。
<電子線装置>
図6に、本発明に関するシステムとしての電子線装置の全体を模式的に示す。図6は、汎用型の透過型電子顕微鏡を用いる場合を想定した模式図であるが、本発明はこの模式図に記載の形態に限るものではない。
The flowchart of FIG. 5 is realized when the experimenter inputs necessary information to the apparatus while watching the monitor screen, such as the condition setting in step 1 and the determination in step 8 and the like. It is also possible to construct a system that automatically measures the stray magnetic field ΔB based on the flowchart of FIG. That is, the apparatus may automatically perform a series of measurements.
<6. Evaluation accuracy of stray magnetic field>
Let us evaluate how sensitive the method of the present invention is to a stray magnetic field. The coefficient h / 2e in the equation (17) or the equation (18) corresponds to the amount of magnetic flux (Φ 0 = 2 × 10 −15 Wb (Weber)) held by just one superconducting magnetic flux quantum. The ratio λ / d between the wavelength λ of the electron beam and the lattice spacing d is about 1/50 to 1/100. In other words, the stray magnetic field strength ΔB that can be evaluated is an area where one magnetic flux quantum defines a floating magnetic field existence region l (for example, if the floating magnetic field existence region l is about the focal length f of the objective lens, f 2 to 3 mm 2 ). This corresponds to a very weak magnetic field (for example, geomagnetism 3 × 10 -5 Wb / m 2 (= 0.3G (Gauss)) corresponds to 15,000 / mm 2 when converted to the surface density of magnetic flux quantum). Therefore, it can be seen that this method can be evaluated for a weak magnetic field of 1/10 5 or less of the geomagnetism.
<Electron beam device>
FIG. 6 schematically shows the entire electron beam apparatus as a system relating to the present invention. FIG. 6 is a schematic diagram assuming the use of a general-purpose transmission electron microscope, but the present invention is not limited to the form described in this schematic diagram.

電子源1が電子線の流れる方向の最上流部に位置し、電子源1を射出した電子線は加速管40にて所定の速度の電子線とされた後、照射光学系4(第1の照射(コンデンサ)レンズ41、第2の照射(コンデンサ)レンズ42を経て試料3に照射される。試料3は、可動式の試料保持機構38に設置されており、試料の制御ユニット39により光軸方向における試料の位置、すなわち試料とレンズ主面との距離aが調節される。試料3を透過した電子線は回折波の選択などの処理が対物絞り92にて行われ、電子線の進行方向に試料3よりも下流側の対物レンズ5にて結像される。この結像作用は、対物レンズ5よりも下流側の複数の結像レンズ系(第1の結像レンズ61、第2の結像レンズ62、第3の結像レンズ63、第4の結像レンズ64)に引き継がれ、最終的に電子線装置の観察・記録面89に干渉縞8が結像される。電子線装置の観察・記録面89に対応して画像観察・記録媒体79が設けられている。後で詳細に述べるように、制御系コンピュータ51は、装置全体を制御し、試料像の観察や浮遊磁場の測定を行うための情報処理装置として機能するものであり、この情報処理装置が試料位置(試料とレンズ主面との距離)aを変更することで、観察・記録面89に結像された像、すなわち格子像あるいは干渉縞8は、画像観察・記録装置に記録される。すなわち、格子像あるいは干渉縞8は、制御ユニット78で制御される電子顕微鏡フィルムやCCDカメラなど画像観察・記録媒体79を通じて画像記録装置77に記録される。   The electron source 1 is positioned at the most upstream part in the direction in which the electron beam flows, and the electron beam emitted from the electron source 1 is converted into an electron beam having a predetermined speed by the acceleration tube 40, and then the irradiation optical system 4 (first optical system 4). The sample 3 is irradiated through an irradiation (condenser) lens 41 and a second irradiation (condenser) lens 42. The sample 3 is installed in a movable sample holding mechanism 38, and the optical axis is controlled by a sample control unit 39. The position of the sample in the direction, that is, the distance a between the sample and the main lens surface is adjusted, and the electron beam transmitted through the sample 3 is subjected to processing such as selection of a diffracted wave by the objective aperture 92, and the traveling direction of the electron beam The image is formed by the objective lens 5 on the downstream side of the sample 3. This imaging action is performed by a plurality of imaging lens systems (the first imaging lens 61, the second imaging lens system on the downstream side of the objective lens 5). Imaging lens 62, third imaging lens 63, fourth imaging lens 6 4), interference fringes 8 are finally formed on the observation / recording surface 89 of the electron beam apparatus, and an image observation / recording medium 79 is provided corresponding to the observation / recording surface 89 of the electron beam apparatus. As will be described in detail later, the control system computer 51 functions as an information processing apparatus for controlling the entire apparatus and observing a sample image or measuring a stray magnetic field. By changing the sample position (distance between the sample and the lens main surface) a, the image formed on the observation / recording surface 89, that is, the lattice image or the interference fringes 8 is recorded in the image observation / recording device. That is, the lattice image or interference fringe 8 is recorded in the image recording device 77 through an image observation / recording medium 79 such as an electron microscope film or a CCD camera controlled by the control unit 78.

なお、可動式の試料保持機構38は、例えばネジのピッチを利用した回転式機構(特許文献1参照)でもよいし、圧電素子を用いた機構でもよい。回転機構の場合は、回転角度が試料位置aを与え、圧電素子機構の場合は、印加電圧より試料位置aを知ることとなる。   The movable sample holding mechanism 38 may be, for example, a rotary mechanism using a screw pitch (see Patent Document 1) or a mechanism using a piezoelectric element. In the case of the rotation mechanism, the rotation angle gives the sample position a. In the case of the piezoelectric element mechanism, the sample position a is known from the applied voltage.

電子源1、加速管40への印加電圧、試料3の位置、および各電子レンズの励磁状態などは、装置全体を制御する情報処理装置である制御系コンピュータ51及びこれに接続された各ユニットの制御系、すなわち電子源の制御ユニット19、加速管の制御ユニット49、第1の照射レンズの制御ユニット48、第2の照射レンズの制御ユニット47、試料の制御ユニット39、対物レンズの制御ユニット59、対物絞りの制御ユニット97、第1の結像レンズの制御ユニット69、第2の結像レンズの制御ユニット68、第3の結像レンズの制御ユニット67、第4の結像レンズの制御ユニット66、画像観察・記録媒体の制御ユニット78でコントロールされている。52は制御系コンピュータのモニタ、76は画像観察・記録装置77のモニタである。   The voltage applied to the electron source 1, the accelerating tube 40, the position of the sample 3, the excitation state of each electron lens, and the like of the control system computer 51, which is an information processing apparatus for controlling the entire apparatus, and each unit connected thereto A control system, that is, an electron source control unit 19, an acceleration tube control unit 49, a first irradiation lens control unit 48, a second irradiation lens control unit 47, a sample control unit 39, and an objective lens control unit 59 , Objective aperture control unit 97, first imaging lens control unit 69, second imaging lens control unit 68, third imaging lens control unit 67, fourth imaging lens control unit 66, controlled by the image observation / recording medium control unit 78. 52 is a monitor of the control computer, and 76 is a monitor of the image observation / recording device 77.

なお、実際の装置では、この模式図で示した他に、電子線の進行方向を変化させる偏向系、電子線の透過する領域を制限する対物絞り92以外の絞り機構などが存在し、それらの装置もまたコンピュータ51に接続された制御系でコントロールされている。   In addition, in the actual apparatus, there are a deflection system for changing the traveling direction of the electron beam, a diaphragm mechanism other than the objective diaphragm 92 for limiting the region through which the electron beam passes, and the like. The apparatus is also controlled by a control system connected to the computer 51.

制御系コンピュータ51は、試料位置の制御のために必要な制御パラメータ値等をGUI等で入力する入力装置53、演算手段、及び電子顕微鏡の観測条件探索あるいは動作制御のために必要となる情報を格納する記憶手段、例えばメモリや各種ストレージ装置、表示モニタを含む出力装置を備えている。記憶手段に格納される情報としては、装置が格子像観察に必要な条件を決定するのに必要な情報、例えば、試料の材料や観察条件関する情報などである。更に、上記の情報の探索あるいは動作制御を実行するための各種のソフトウェアが格納されており、演算手段によりこれらのソフトウェアが実行される。   The control system computer 51 inputs information necessary for search of observation conditions or operation control of an input device 53, a calculation means, and an electron microscope for inputting control parameter values and the like necessary for controlling the sample position through a GUI or the like. Storage means for storing, for example, a memory, various storage devices, and an output device including a display monitor are provided. The information stored in the storage means includes information necessary for the apparatus to determine conditions necessary for the lattice image observation, such as information on the material of the sample and observation conditions. Furthermore, various kinds of software for executing the above information search or operation control are stored, and these software are executed by the arithmetic means.

これらのソフトウェアには、照射光学系、試料保持装置、結像レンズ系及び画像観察・記録装置を制御し、図5のフローチャート等に基づく一連の演算処理を実行し、制御系コンピュータ51を、浮遊磁場の測定を行うための情報処理装置として機能させるプログラムも含まれている。   The software controls the irradiation optical system, sample holding device, imaging lens system, and image observation / recording device, executes a series of arithmetic processing based on the flowchart of FIG. A program that functions as an information processing apparatus for measuring a magnetic field is also included.

浮遊磁場の測定を行う場合、情報処理装置は、試料を電子線の光軸上で複数の位置に移動させ、各々の位置において得られる試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化から、当該装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定するように機能する。   When measuring the stray magnetic field, the information processing apparatus moves the sample to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam, and determines the image contrast of the sample obtained at each position or the change in the image contrast. It functions to measure stray magnetic fields existing on the electron beam passage path from the sample to the sample image observation surface.

すなわち、浮遊磁場測定を行う場合、情報処理装置は、格子像観察光学系を制御すると共に、試料保持機構を制御して試料を電子線の光軸上の複数の位置に移動させたときに画像観察・記録装置により得られる各々の位置における試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化を求め、最小距離alimを測定し、演算手段において式(17)あるいは式(18)により、装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を算出し、モニタ52に表示する機能を実行する。この場合、浮遊磁場を算出するための式(17)中の浮遊磁場の存在領域lは、前記したように、対物レンズ5の焦点距離fやポールピースギャップ長さなど、図6にLBで表示した磁場の残存する範囲を特定して、適宜設定し、式(18)に代わるものとして採用しても良い。 In other words, when performing stray magnetic field measurement, the information processing apparatus controls the lattice image observation optical system and controls the sample holding mechanism to move the sample to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam. The image contrast of the sample at each position obtained by the observation / recording apparatus or the change in the image contrast is obtained, the minimum distance a lim is measured, and the arithmetic means calculates the expression in the apparatus by the equation (17) or the equation (18). A function of calculating a floating magnetic field existing on the passage of the electron beam to the sample and the sample image observation surface and displaying it on the monitor 52 is executed. In this case, the stray magnetic field existence region 1 in the equation (17) for calculating the stray magnetic field is L B in FIG. 6 such as the focal length f of the objective lens 5 and the pole piece gap length as described above. The range in which the displayed magnetic field remains may be specified, set as appropriate, and employed as an alternative to equation (18).

また、画像のノイズレベルの設定や格子像のコントラストの観察・評価は、例えば、実験者がモニタ76に表示される画像を見ながら行っても良い。   The setting of the noise level of the image and the observation / evaluation of the contrast of the lattice image may be performed, for example, while the experimenter looks at the image displayed on the monitor 76.

実験者は、モニタに表示された浮遊磁場の算出結果に基き、電子線装置に対して必要な磁場遮蔽対策を施し、以降の電子線装置の本来の計測に備える。   The experimenter takes necessary magnetic field shielding measures for the electron beam apparatus based on the calculation result of the stray magnetic field displayed on the monitor, and prepares for the subsequent original measurement of the electron beam apparatus.

なお、偏向系や、電子線の透過する領域を制限する対物絞り92以外の絞り機構については、本発明には直接の関係が無いので、この図では割愛する。なお、この模式図に示すごとく電子光学装置は真空容器18中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に真空排気されているが、真空系についても本発明とは直接の関係がないため割愛する。   It should be noted that the diaphragm system other than the objective diaphragm 92 that limits the region through which the electron beam passes is not directly related to the present invention, and is omitted in this figure. As shown in this schematic diagram, the electro-optical device is assembled in the vacuum vessel 18 and continuously evacuated by a vacuum pump. However, the vacuum system is not directly related to the present invention, and is therefore omitted. .

本発明の第一の実施例として、電子線装置における暗視野格子像観察光学系の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図7で説明する。
図7に、本発明を実施する場合の暗視野格子像観察光学系の模式図を示す。簡単のため、光軸2に対称な二波のみが結像に寄与するような対物絞り92、ビームストッパー93が、対物レンズ5の後側焦点面36に挿入されている様子を示している。図7のAは、例えば通常の試料位置に結晶性試料3をセットし、ブラッグ回折を受けた多波を対物レンズ5に取り込み、対物絞り92、ビームストッパー93にて選択された二波を結像し、対物レンズの像面71に生じた干渉縞8(格子像)を、さらに電子線の進行方向下流側の結像レンズ61にて、拡大することを表わした模式図である。72は第1の結像レンズ61による試料の像面を示している。結像レンズ61は、浮遊磁場測定に伴う結晶性試料3の移動に伴い結晶性試料3と対物レンズ5の距離が変化したことに伴う試料倍率の補正を行う。
As a first embodiment of the present invention, a specific configuration example of a dark field lattice image observation optical system in an electron beam apparatus and a stray magnetic field measurement method using the same will be described with reference to FIG.
FIG. 7 shows a schematic diagram of a dark field lattice image observation optical system when the present invention is implemented. For the sake of simplicity, a state is shown in which an objective aperture 92 and a beam stopper 93 in which only two waves symmetrical to the optical axis 2 contribute to image formation are inserted in the rear focal plane 36 of the objective lens 5. In FIG. 7A, for example, a crystalline sample 3 is set at a normal sample position, multiwaves subjected to Bragg diffraction are taken into the objective lens 5, and two waves selected by the objective aperture 92 and the beam stopper 93 are connected. It is a schematic diagram showing that the interference fringes 8 (lattice image) generated on the image plane 71 of the objective lens are further magnified by the imaging lens 61 on the downstream side in the traveling direction of the electron beam. Reference numeral 72 denotes an image surface of the sample formed by the first imaging lens 61. The imaging lens 61 corrects the sample magnification associated with the change in the distance between the crystalline sample 3 and the objective lens 5 with the movement of the crystalline sample 3 accompanying the stray magnetic field measurement.

図7のBは、図7のAの光学系において試料の位置を光軸2に沿って、電子線の光源側に移動させたときの模式図である。ブラッグ角(θ = λ/d)は、電子線の波長λと結晶の格子間隔dのみによって定まるため、対物レンズ近傍での回折波は図7のAの場合と比較して空間的に広がっている。すなわち、格子像8に与える浮遊磁場ΔBの影響の大きさは、回折波に囲まれた閉空間の大きさ(式(15)の面積S)に依存し、これは幾何学的に一意に定まる。   7B is a schematic diagram when the position of the sample is moved along the optical axis 2 toward the light source side of the electron beam in the optical system of FIG. 7A. Since the Bragg angle (θ = λ / d) is determined only by the wavelength λ of the electron beam and the lattice spacing d of the crystal, the diffracted wave in the vicinity of the objective lens spreads spatially compared to the case of A in FIG. Yes. That is, the magnitude of the influence of the stray magnetic field ΔB on the lattice image 8 depends on the size of the closed space surrounded by the diffracted wave (area S in the equation (15)), which is uniquely determined geometrically. .

光学系中の浮遊磁場の領域24に残存する浮遊磁場ΔBの大きさは、格子像8のコントラストの劣化として、直接的に観察・測定できる。   The magnitude of the stray field ΔB remaining in the stray field region 24 in the optical system can be directly observed and measured as the contrast degradation of the lattice image 8.

情報処理装置は、試料を前記電子線の光軸上で複数の位置に移動させ、各々の位置における試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化に基き、演算手段により、装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを算出し、モニタに表示する。   The information processing apparatus moves the sample to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam, and based on the image contrast of the sample at each position or a change in the image contrast, the sample and the sample in the apparatus are calculated by a calculation unit. The stray magnetic field ΔB existing on the electron beam passing path to the image observation plane is calculated and displayed on the monitor.

図7の例では、試料位置を光源側に移動させているが、パラメータに変化を与えるだけならば、対物レンズによる結像が可能であれば試料位置はレンズ側に移動させてもよい。一般に高分解能観察時には、試料位置は対物レンズの前側焦点位置のわずかだけ光源側に配置されるため、図7のように試料位置を光源側に移動させる方がパラメータを大きく変更できる。   In the example of FIG. 7, the sample position is moved to the light source side. However, if only the parameter is changed, the sample position may be moved to the lens side as long as an image can be formed by the objective lens. In general, at the time of high-resolution observation, the sample position is arranged on the light source side only slightly from the front focal position of the objective lens. Therefore, the parameter can be greatly changed by moving the sample position to the light source side as shown in FIG.

また、試料位置を光源側に移動させたことによる対物レンズの倍率の減少分を、対物レンズより電子線の進行方向下流側の結像レンズ系の倍率を増大させることによって補い、最終的に記録される格子像の倍率を一定にする。これは、記録系の性能(例えば、MTF(Modulation Transfer Function))の影響を小さくするための施策である。図7のBでは、倍率一定を示すため、結像レンズ61の位置を変更して描いているが、実際の電子顕微鏡においては、結像レンズ61の焦点距離を変更することによって同等の効果を得ている。   In addition, the decrease in the magnification of the objective lens due to the movement of the sample position to the light source side is compensated by increasing the magnification of the imaging lens system downstream of the objective lens in the traveling direction of the electron beam, and finally recorded. The magnification of the lattice image to be made is made constant. This is a measure for reducing the influence of the performance of the recording system (for example, MTF (Modulation Transfer Function)). In FIG. 7B, in order to show constant magnification, the position of the imaging lens 61 is changed and drawn. However, in an actual electron microscope, the same effect can be obtained by changing the focal length of the imaging lens 61. It has gained.

格子像観察光学系においては、透過波と回折波など光軸に対する伝播角度の異なる複数の波が干渉にかかわるため、対物レンズの球面収差、色収差の影響、フォーカスはずれ量の影響が干渉縞(格子像)に重畳される。しかし、本実施例1(図7)では、光軸2に対称な二波のみを対物絞り92とビームストッパー93にて選択して結像に用いているため、両波間での収差の影響は相殺される。そのため、図8と比較したときには、誤差の少ない測定結果を得ることができる。但し、フォーカスはずれ量は式(8)で定める値とする。   In a grating image observation optical system, a plurality of waves having different propagation angles with respect to the optical axis, such as transmitted waves and diffracted waves, are involved in interference. Therefore, the influence of spherical aberration and chromatic aberration of the objective lens and the amount of defocus are interference fringes Image). However, in the first embodiment (FIG. 7), only two waves symmetric with respect to the optical axis 2 are selected by the objective aperture 92 and the beam stopper 93 and used for image formation. Offset. Therefore, when compared with FIG. 8, a measurement result with less error can be obtained. However, the out-of-focus amount is a value determined by the equation (8).

本実施例によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策を施した場合にはその対策の有効性の程度を測定・評価し、適切な磁場遮蔽を実施することが可能となる。   According to the present embodiment, it becomes possible to measure the influence of the stray magnetic field quantitatively and with high accuracy under the same imaging optical system and optical conditions as in the sample observation, and the stray magnetic field remaining in the optical system can be observed. When measures are taken for the effect on the image and countermeasures against the stray magnetic field, it is possible to measure and evaluate the effectiveness of the measures and implement appropriate magnetic shielding.

本発明の第二の実施例として、電子線装置における格子像観察光学系の具体的な構成例を図8、及びそれを用いた浮遊磁場の測定例を、図9〜図10で説明する。   As a second embodiment of the present invention, a specific configuration example of the lattice image observation optical system in the electron beam apparatus will be described with reference to FIG.

図8に、本発明を実施する場合の光学系の構成例を示す。図7の例に対して、ビームストッパー93を用いない。その他の関係は図7と全く同様である。
図8のA、Bは、例えば通常の試料位置に結晶性試料3をセットし、ブラッグ回折を受けた多波(三波)を対物レンズ5によって結像し、対物レンズの像面71に生じた干渉縞8(格子像)を、さらに電子線の進行方向下流側の結像レンズ61にて、拡大することを表わした模式図である。光学系中の浮遊磁場の領域24に残存する浮遊磁場ΔBの大きさは、格子像8のコントラストの劣化として、直接的に観察・測定できる。
FIG. 8 shows a configuration example of an optical system when the present invention is implemented. The beam stopper 93 is not used for the example of FIG. Other relationships are exactly the same as in FIG.
8A and 8B, for example, the crystalline sample 3 is set at a normal sample position, and a multiwave (three waves) subjected to Bragg diffraction is imaged by the objective lens 5 and is generated on the image plane 71 of the objective lens. It is a schematic diagram showing that the interference fringe 8 (lattice image) is further enlarged by the imaging lens 61 on the downstream side in the traveling direction of the electron beam. The magnitude of the stray field ΔB remaining in the stray field region 24 in the optical system can be directly observed and measured as the contrast degradation of the lattice image 8.

浮遊磁場測定を行う場合、情報処理装置は、画像観察・記録装置により得られる各々の位置における試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化に基き、演算手段において式(18)等により、装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを算出し、モニタに表示する。   When performing stray magnetic field measurement, the information processing apparatus uses the image contrast of the sample at each position obtained by the image observing / recording apparatus, or changes in the image contrast, in the calculation means in accordance with the equation (18) or the like. The floating magnetic field ΔB existing on the electron beam passing path from the sample to the sample image observation surface is calculated and displayed on the monitor.

図8の例では、ビームストッパー93を用いないため、通常の試料像の観察時の高分解能像観察と全く同じ観察条件で、浮遊磁場を測定できる利点がある。その反面、対物レンズの球面収差、色収差の影響、フォーカスはずれ量の影響が干渉縞(格子像)に重畳されるので観察される格子像の縞間隔s、方位、コントラストには十分な注意が必要である。すなわち、複数の波の干渉がかかわるため、多波結像では式(18)による評価には誤差が大きくなる傾向がある。しかし、観察条件が揃えば浮遊磁場ΔBの大きさに関する相対的な判断は誤らない。   In the example of FIG. 8, since the beam stopper 93 is not used, there is an advantage that the floating magnetic field can be measured under exactly the same observation conditions as the high-resolution image observation at the time of normal sample image observation. On the other hand, the effects of spherical aberration and chromatic aberration of the objective lens, and the effect of defocusing are superimposed on the interference fringes (lattice image). It is. That is, since interference of a plurality of waves is involved, in multiwave imaging, an error tends to increase in the evaluation according to Expression (18). However, relative observations regarding the magnitude of the stray magnetic field ΔB will not be wrong if the observation conditions are aligned.

図9(図9A、図9B)に、図8を実施した実験結果の一例を示す。図9Aは、図8Aのように、試料位置を通常の高分解能観察位置(a0 = 2.4 mmフォント変更のみ)より0.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 0.6 mm)の縞間隔72pmの格子像、図9Bは試料位置を通常の高分解能観察位置より3.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 3.6 mm)の縞間隔72pmの格子像である。さらに試料位置を、2mm光源側に移動したとき(Δa = 5.6 mm)には、縞間隔72pmの格子像は観察されなかった。これよりalim = 8 mm、浮遊磁場の存在領域lが対物レンズの焦点距離(f = 1.6 mm)程度とすると、格子像を形成させた二波の方位と垂直方向に、浮遊磁場が磁束密度1×10-9Wb/m2(= 1×10-5G)程度残存していると評価できる。但し、この評価では、先述のとおり、球面収差等の影響を無視している。なお、試料には金の単結晶薄膜を用い、電子線の加速電圧は400kVで実験を行った。 FIG. 9 (FIG. 9A, FIG. 9B) shows an example of the experimental result of FIG. FIG. 9A shows a stripe interval of 72 pm when the sample position is moved to the 0.6 mm light source side (Δa = 0.6 mm) from the normal high-resolution observation position (a 0 = 2.4 mm font change only) as shown in FIG. 8A. FIG. 9B is a lattice image with a stripe interval of 72 pm when the sample position is moved to the 3.6 mm light source side from the normal high-resolution observation position (Δa = 3.6 mm). Furthermore, when the sample position was moved to the 2 mm light source side (Δa = 5.6 mm), a lattice image with a stripe interval of 72 pm was not observed. Assuming that a lim = 8 mm and the stray magnetic field existence region 1 is about the focal length of the objective lens (f = 1.6 mm), the stray magnetic field is magnetic flux density in the direction perpendicular to the two waves forming the lattice image. It can be evaluated that about 1 × 10 -9 Wb / m 2 (= 1 × 10 -5 G) remains. However, in this evaluation, as described above, the influence of spherical aberration and the like is ignored. The experiment was conducted using a gold single crystal thin film as the sample and an electron beam acceleration voltage of 400 kV.

図10には、図9での実験の後、磁場遮蔽対策を実施し、その後で行った図9と同様の実験結果の一例を示す。同じ金の結晶薄膜を用い、同じ加速電圧(400kV)での実験であるが、試料位置を通常の高分解能観察位置(a0 = 2.4 mmフォント変更のみ)より5.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 5.6 mm)、すなわちa = 8 mmでも縞間隔72pmの格子像は観察された。この結果から、浮遊磁場の影響が軽減していることがわかる。磁場遮蔽対策の効果の現れである。 FIG. 10 shows an example of the experimental results similar to those of FIG. 9 after the experiment in FIG. In the experiment using the same gold crystal thin film and the same acceleration voltage (400 kV), but the sample position was moved to the 5.6 mm light source side from the normal high resolution observation position (a 0 = 2.4 mm font change only) (Δa = 5.6 mm), that is, a lattice image with a stripe interval of 72 pm was observed even when a = 8 mm. From this result, it can be seen that the influence of the stray magnetic field is reduced. This is the manifestation of the effect of magnetic field shielding measures.

本実施例によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価し、適切な磁場遮蔽を実施することが可能となる。   According to the present embodiment, it becomes possible to measure the influence of the stray magnetic field quantitatively and with high accuracy under the same imaging optical system and optical conditions as in the sample observation, and the stray magnetic field remaining in the optical system can be observed. It is possible to measure and evaluate the degree of the influence on the image and the effectiveness of the countermeasure against the stray magnetic field, and implement appropriate magnetic field shielding.

本発明の第三の実施例として、ビームストッパーの回転による浮遊磁場の方位角依存性の測定方式の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図11で説明する。
図11は、対物レンズ5の後側焦点面36に挿入するビームストッパー93を、光軸2を中心軸として回転させる場合の模式図である。試料位置の変更や、対物レンズの下段の結像レンズ系については割愛している。
As a third embodiment of the present invention, a specific configuration example of the measuring method of the azimuth angle dependence of the stray magnetic field by the rotation of the beam stopper and a stray magnetic field measuring method using the same will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a schematic diagram when the beam stopper 93 inserted into the rear focal plane 36 of the objective lens 5 is rotated about the optical axis 2 as a central axis. The change of the sample position and the imaging lens system at the lower stage of the objective lens are omitted.

Figure 0004744592
Figure 0004744592

結晶体では全方位にブラッグ回折波が発生しているが、回折波は離散的にしか存在しないため、細かく浮遊磁場ΔBの方位依存性を測定することはできない。それでも測定される浮遊磁場ΔBの方位は、およそ平板状ビームストッパー93の長方向に一致する。なお、本図では電子レンズを光学ガラスレンズのごとく描いているが、これは模式図であり、電子レンズによる光軸2を中心とした電子線の回転に伴う像の回転についても割愛している。この作図上の省略は、他の図についても同様である。   Although the Bragg diffraction wave is generated in all directions in the crystal body, since the diffraction wave exists only discretely, the orientation dependence of the floating magnetic field ΔB cannot be measured finely. Still, the direction of the stray magnetic field ΔB measured approximately corresponds to the long direction of the flat beam stopper 93. In this figure, the electron lens is drawn like an optical glass lens, but this is a schematic diagram, and the image rotation accompanying the rotation of the electron beam around the optical axis 2 by the electron lens is also omitted. . This omission on drawing is the same for other drawings.

浮遊磁場測定を行う場合、情報処理装置は、画像観察・記録装置により得られる各々の位置における試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化に基き、最小距離alimを測定し、演算手段において、装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを算出し、モニタに表示する。 When performing stray magnetic field measurement, the information processing device measures the minimum distance a lim based on the image contrast of the sample at each position obtained by the image observation / recording device, or a change in the image contrast, The stray magnetic field ΔB existing on the electron beam passing path from the sample to the sample image observation surface in the apparatus is calculated and displayed on the monitor.

本実施例によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価し、適切な磁場遮蔽を実施することが可能となる。   According to the present embodiment, it becomes possible to measure the influence of the stray magnetic field quantitatively and with high accuracy under the same imaging optical system and optical conditions as in the sample observation, and the stray magnetic field remaining in the optical system can be observed. It is possible to measure and evaluate the degree of the influence on the image and the effectiveness of the countermeasure against the stray magnetic field, and implement appropriate magnetic field shielding.

本発明の第四の実施例として、試料とビームストッパーの回転による浮遊磁場の方位角依存性の測定方式の具体的な構成例及びそれを用いた浮遊磁場の測定方法を、図12で説明する。   As a fourth embodiment of the present invention, a specific configuration example of the measuring method of the azimuth dependency of the stray magnetic field by the rotation of the sample and the beam stopper and a measuring method of the stray magnetic field using the same will be described with reference to FIG. .

図12は、試料3と対物レンズ5の後側焦点面36に挿入するビームストッパー93とを共に光軸2を中心軸として回転させる場合の模式図である。   FIG. 12 is a schematic diagram when the sample 3 and the beam stopper 93 inserted into the rear focal plane 36 of the objective lens 5 are both rotated about the optical axis 2 as a central axis.

Figure 0004744592
Figure 0004744592

このように、試料とビームストッパーの両方を同時に回転させることによって、遊磁場ΔBの方位角依存性を詳細に測定することが可能となる。実施例3で、回折波が空間中で離散的にしか存在していないため、浮遊磁場ΔBの方位についても離散的にしか測定できないことを述べたが、その欠点に対する解決策である。   Thus, by rotating both the sample and the beam stopper at the same time, the azimuth angle dependence of the free magnetic field ΔB can be measured in detail. In the third embodiment, since the diffracted wave exists only in the space in a discrete manner, it has been described that the direction of the floating magnetic field ΔB can be measured only in a discrete manner, but this is a solution to the drawback.

Figure 0004744592
Figure 0004744592

浮遊磁場測定を行う場合、情報処理装置は、画像観察・記録装置により得られる各々の位置における試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化に基き、演算手段において、装置内における試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場ΔBを算出し、モニタに表示する。   When stray magnetic field measurement is performed, the information processing device uses the image contrast of the sample at each position obtained by the image observation / recording device, or changes in the image contrast, and the calculation means observes the sample and the sample image in the device. The stray magnetic field ΔB existing on the electron beam passing path to the surface is calculated and displayed on the monitor.

本実施例によれば、試料観察時と同じ結像光学系、および光学条件において、浮遊磁場の影響を定量的かつ高精度に計測することが可能となり、光学系内に残存する浮遊磁場が観察像に与えている影響の程度、該浮遊磁場への対策の有効性の程度を測定・評価し、適切な磁場遮蔽を実施することが可能となる。   According to the present embodiment, it becomes possible to measure the influence of the stray magnetic field quantitatively and with high accuracy under the same imaging optical system and optical conditions as in the sample observation, and the stray magnetic field remaining in the optical system can be observed. It is possible to measure and evaluate the degree of the influence on the image and the effectiveness of the countermeasure against the stray magnetic field, and implement appropriate magnetic field shielding.

本発明の原理に関し、暗視野格子像の結像光学系を示す模式図である。It is a schematic diagram showing an imaging optical system of a dark field lattice image regarding the principle of the present invention. 本発明の原理に関し、電子軌道と波面の関係を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the relationship between an electron orbit and a wave front regarding the principle of this invention. 本発明の原理に関し、浮遊磁場による回折電子線の軌道の変化を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing changes in the orbit of a diffracted electron beam due to a stray magnetic field in relation to the principle of the present invention. 本発明の原理に関し、試料位置の変更による回折電子線の軌道の変化を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing a change in the trajectory of a diffracted electron beam due to a change in a sample position, regarding the principle of the present invention. 本発明の一実施形態になる浮遊磁場測定の手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the procedure of the floating magnetic field measurement which becomes one Embodiment of this invention. 本発明が適用される電子線装置の一例の概要を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the outline | summary of an example of the electron beam apparatus with which this invention is applied. 本発明の実施例1として、暗視野格子像観察光学系を用いた場合の手法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the method at the time of using a dark field lattice image observation optical system as Example 1 of this invention. 本発明の実施例2として、図6の装置において、格子像観察光学系を用いた場合の手法を示す模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram showing a method when a lattice image observation optical system is used in the apparatus of FIG. 6 as Example 2 of the present invention. 実施例2において、本発明の手法を用い、通常の高分解能観察位置より0.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 0.6 mm)の実験結果を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows the experimental result when it moves to the 0.6mm light source side from the normal high-resolution observation position using the method of this invention ((DELTA) a = 0.6mm). 実施例2において、本発明の手法を用い、通常の高分解能観察位置より3.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 3.6 mm)の実験結果を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows the experimental result when it moves to the 3.6mm light source side from the normal high-resolution observation position using the method of this invention ((DELTA) a = 3.6mm). 実施例2において、磁場遮蔽対策後の格子像観察光学系を用い、通常の高分解能観察位置より5.6mm光源側に移動させたとき(Δa = 5.6 mm)の、実験結果を示す図である。In Example 2, it is a figure which shows an experimental result when it moves to the 5.6mm light source side from the normal high-resolution observation position using the lattice image observation optical system after a magnetic field shielding countermeasure ((DELTA) a = 5.6mm). 本発明の実施例3として、ビームストッパーを光軸を中心軸として回転させるときの手法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the method when rotating a beam stopper centering | focusing on an optical axis as Example 3 of this invention. 本発明の実施例4として、試料とビームストッパーを光軸を中心軸として回転させるときの手法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the method when rotating a sample and a beam stopper centering | focusing on an optical axis as Example 4 of this invention. 従来から知られている磁場(ローレンツ力)による電子線の偏向の原理を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the principle of the deflection | deviation of the electron beam by the magnetic field (Lorentz force) known conventionally. 磁場による電子線の偏向の従来の測定の方法(測定の状況)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the conventional measuring method (measurement condition) of the deflection | deviation of the electron beam by a magnetic field. 磁場による電子線の偏向の従来の測定の方法(測定の結果)を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the conventional method (measurement result) of the deflection | deviation of the electron beam by a magnetic field.

符号の説明Explanation of symbols

1…電子源、10…電子源の像、11…対物レンズにより結像された電子源の像(クロスオーバー)、12…第1の結像レンズにより結像されたクロスオーバーの像、15…対物レンズにより結像されたクロスオーバーの虚像、18…真空容器、19…電子源の制御ユニット、2…光軸、22…電子線の波面、24…浮遊磁場の領域、25…磁場により円弧軌道を描く電子線の回転中心、26…磁場の領域、27…電子線の軌道、3…試料、36…対物レンズの後側焦点面、38…試料保持機構、39…試料の制御ユニット、4…照射光学系、40…加速管、41…第1の照射(コンデンサ)レンズ、42…第2の照射(コンデンサ)レンズ、47…第2の照射レンズの制御ユニット、48…第1の照射レンズの制御ユニット、49…加速管の制御ユニット、5…対物レンズ、51…制御系コンピュータ、52…制御系コンピュータのモニタ、53…制御系コンピュータのインターフェース、59…対物レンズの制御ユニット、61…第1の結像レンズ、62…第2の結像レンズ、63…第3の結像レンズ、64…第4の結像レンズ、66…第4の結像レンズの制御ユニット、67…第3の結像レンズの制御ユニット、68…第2の結像レンズの制御ユニット、69…第1の結像レンズの制御ユニット、71…対物レンズによる試料の像面、72…第1の結像レンズによる試料の像面、76…画像観察・記録装置のモニタ、77…画像記録装置、78…画像観察・記録媒体の制御ユニット、79…画像観察・記録媒体、8…格子像あるいは干渉縞、89…観察・記録面、92…対物絞り、93…ビームストッパー、97…対物絞りの制御ユニット。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electron source, 10 ... Image of electron source, 11 ... Image of electron source imaged by objective lens (crossover), 12 ... Image of crossover imaged by 1st imaging lens, 15 ... Crossover virtual image formed by objective lens, 18 ... vacuum container, 19 ... electron source control unit, 2 ... optical axis, 22 ... electron wavefront, 24 ... floating magnetic field region, 25 ... circular arc by magnetic field The center of rotation of the electron beam, 26 ... the magnetic field region, 27 ... the trajectory of the electron beam, 3 ... the sample, 36 ... the rear focal plane of the objective lens, 38 ... the sample holding mechanism, 39 ... the sample control unit, 4 ... Irradiation optical system, 40 ... acceleration tube, 41 ... first irradiation (condenser) lens, 42 ... second irradiation (condenser) lens, 47 ... second irradiation lens control unit, 48 ... first irradiation lens Control unit, 49 ... Accelerating tube Control unit, 5 ... objective lens, 51 ... control system computer, 52 ... control system computer monitor, 53 ... control system computer interface, 59 ... objective lens control unit, 61 ... first imaging lens, 62 ... first 2 imaging lens, 63 ... third imaging lens, 64 ... fourth imaging lens, 66 ... fourth imaging lens control unit, 67 ... third imaging lens control unit, 68 ... Control unit for second imaging lens, 69... Control unit for first imaging lens, 71... Image plane of sample by objective lens, 72... Image plane of sample by first imaging lens, 76. Monitor of recording device, 77: Image recording device, 78: Image observation / recording medium control unit, 79: Image observation / recording medium, 8: Lattice image or interference fringe, 89 ... Observation / recording surface, 92: Objective Ri, 93 ... beam stopper, 97 ... objective aperture of the control unit.

Claims (20)

電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持装置と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置とを有する電子線装置であって、
前記照射光学系、前記試料保持装置、前記結像レンズ系及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置を備え、
前記試料を前記電子線の光軸上で複数の位置に移動させ、前記各々の位置において得られる前記試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化から、当該装置内における前記試料と試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定することを特徴とする電子線装置。
An electron beam light source, an irradiation optical system for irradiating the sample with an electron beam emitted from the light source, a sample holding device for holding the sample irradiated with the electron beam, and an image of the sample are formed An electron beam apparatus having an imaging lens system for performing an image observation and recording apparatus for observing or recording the sample image,
An information processing device that controls the irradiation optical system, the sample holding device, the imaging lens system, and the image observation / recording device;
The sample is moved to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam, and the image contrast of the sample obtained at each position, or the change of the image contrast, the sample and the sample image observation surface in the apparatus An electron beam apparatus characterized by measuring a stray magnetic field existing on a path through which an electron beam passes.
請求項1において、
前記試料の像とは結晶格子像であって、前記像コントラストの変化とは、該格子像のコントラストが所定のレベルよりも小さくなる状態であることを特徴とする電子線装置。
In claim 1,
2. The electron beam apparatus according to claim 1, wherein the image of the sample is a crystal lattice image, and the change in the image contrast is a state in which the contrast of the lattice image is smaller than a predetermined level.
請求項2において、
該格子像コントラストが比較判断される所定のレベルを定めるのは、前記試料のアモルファス部分が作る像のコントラストであり、前記格子像にとってのノイズであることを特徴とする電子線装置。
In claim 2,
An electron beam apparatus characterized in that a predetermined level at which the lattice image contrast is compared and determined is a contrast of an image formed by an amorphous portion of the sample, and is a noise for the lattice image.
請求項3において、
前記情報処理装置は、
該装置内部の浮遊磁場をΔBとし、
電子の電荷をeとし、
プランク定数をhとし、
前記電子線の波長をλとし、
前記試料として用いる結晶の観察される格子間隔をdとし、
測定対象となす電子レンズの焦点距離をfとし、
測定対象となす電子レンズの主面と試料との距離が変更可能であり格子像が観察されない最小距離をalimとするとき、
前記浮遊磁場を下記の式(18)により評価することを特徴とする電子線装置。
Figure 0004744592
In claim 3,
The information processing apparatus includes:
Let the stray magnetic field inside the device be ΔB,
Let e be the charge of an electron
Let the Planck constant be h,
The wavelength of the electron beam is λ,
The observed lattice spacing of the crystal used as the sample is d,
Let f be the focal length of the electron lens to be measured,
When the distance between the main surface of the electron lens to be measured and the sample can be changed and the minimum distance at which the lattice image is not observed is a lim ,
An electron beam apparatus, wherein the stray magnetic field is evaluated by the following formula (18).
Figure 0004744592
請求項1において、
前記情報処理装置は、
前記試料の格子像観察条件を設定する機能と、
当該装置の光学系を所定の観察条件に合わせる機能と、
前記試料中のアモルファス部の画像を格子像観察と同条件にて観察し、それらの画像を記録する機能と、
得られた前記アモルファス部の画像より、該画像のノイズレベルを決定する機能と、
前記格子像を観察し、該画像を記録する機能と、
前記格子像のコントラストを評価する機能と、
前記求めた画像のノイズレベルと比較し、前記ノイズレベルより前記格子像のコントラストの方が大きいときは前記試料をレンズ主面からさらに移動させるための移動量を定め、前記試料保持機構を制御して前記試料を移動させて前記画像の観察、記録、評価及び比較を繰り返し、前記ノイズレベルより前記格子像のコントラストの方が大きくないときは、前記結像レンズ系のレンズ主面から前記試料までの距離を算出し、記録する機能と、
前記算出された距離に基づき、前記浮遊磁場を評価する機能とを有することを特徴とする電子線装置。
In claim 1,
The information processing apparatus includes:
A function to set the lattice image observation conditions of the sample;
A function for adjusting the optical system of the apparatus to predetermined observation conditions;
A function of observing the image of the amorphous part in the sample under the same conditions as the lattice image observation and recording those images,
From the obtained image of the amorphous part, the function of determining the noise level of the image,
A function of observing the lattice image and recording the image;
A function of evaluating the contrast of the lattice image;
Compared with the obtained noise level of the image, when the contrast of the lattice image is larger than the noise level, a moving amount for further moving the sample from the lens main surface is determined, and the sample holding mechanism is controlled. The sample is moved to repeat observation, recording, evaluation and comparison of the image, and when the contrast of the lattice image is not larger than the noise level, from the lens main surface of the imaging lens system to the sample. A function to calculate and record the distance of
An electron beam apparatus having a function of evaluating the stray magnetic field based on the calculated distance.
請求項5において、
前記格子像及び前記浮遊磁場の評価結果をモニタに表示することを特徴とする電子線装置。
In claim 5,
An electron beam apparatus, wherein the lattice image and the evaluation result of the floating magnetic field are displayed on a monitor.
請求項5において、
前記結像レンズ系は、対物レンズと該対物レンズの像面に生じた前記格子像を前記電子線の進行方向下流側で拡大する一つもしくは複数の結像レンズを備えたことを特徴とする電子線装置。
In claim 5,
The imaging lens system includes an objective lens and one or a plurality of imaging lenses for enlarging the lattice image generated on the image plane of the objective lens on the downstream side in the traveling direction of the electron beam. Electron beam equipment.
請求項1において、
前記試料の結像に際して、絞りを用いて透過波、もしくは散乱波を選択することを特徴とする電子線装置。
In claim 1,
An electron beam apparatus, wherein a transmitted wave or a scattered wave is selected using a diaphragm when an image of the sample is formed.
請求項8において、
前記光軸に垂直な平面内で、該光軸を軸として前記絞りを回転させることを特徴とする電子線装置。
In claim 8,
An electron beam apparatus characterized in that the diaphragm is rotated around the optical axis in a plane perpendicular to the optical axis.
請求項9において、
前記光軸に垂直な平面内で、該光軸を軸として前記試料を回転させることを特徴とする電子線装置。
In claim 9,
An electron beam apparatus, wherein the sample is rotated around the optical axis in a plane perpendicular to the optical axis.
電子線の光源と、
前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、
前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持機構と、
前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、
前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置と、
前記照射光学系、前記試料保持装置、前記結像レンズ系及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置とを備えており、
前記情報処理装置は、
前記試料を、同一光源から出発した電子線を少なくとも2つの波に振幅分割し異なる軌道を経由させるための回折格子として用い、
前記少なくとも2つの波を干渉結像させる際に前記各波の経路が包む空間内に存在する時間的に変動する浮遊磁場によって生じる位相差の揺らぎを干渉縞のコントラストの劣化として評価することを特徴とする電子線装置。
An electron beam source;
An irradiation optical system for irradiating the sample with an electron beam emitted from the light source;
A sample holding mechanism for holding a sample irradiated by the electron beam;
An imaging lens system for forming an image of the sample;
An image observation / recording device for observing or recording the sample image;
An information processing device that controls the irradiation optical system, the sample holding device, the imaging lens system, and the image observation / recording device;
The information processing apparatus includes:
The sample is used as a diffraction grating for amplitude-dividing an electron beam starting from the same light source into at least two waves and passing through different trajectories,
Fluctuation in phase difference caused by a temporally varying floating magnetic field existing in a space surrounded by the path of each wave when the at least two waves are subjected to interference imaging is evaluated as deterioration in contrast of interference fringes. An electron beam device.
請求項11において、
前記試料と試料より電子線の進行方向下流側1番目にある前記結像レンズ系のレンズの主面との距離を変更し、
前記試料のおのおのの位置で前記少なくとも2つの波で構成される干渉縞を観察し、そのコントラストの変化の具合から当該干渉縞を形成するに至った前記少なくとも2つの電子線の経路中に存在する前記浮遊磁場の揺らぎの程度を測定することを特徴とする電子線装置。
In claim 11,
Changing the distance between the sample and the principal surface of the lens of the imaging lens system that is the first downstream in the direction of travel of the electron beam from the sample;
An interference fringe composed of the at least two waves is observed at each position of the sample, and exists in the path of the at least two electron beams leading to the formation of the interference fringe due to the change in contrast. An electron beam apparatus for measuring the degree of fluctuation of the stray magnetic field.
請求項12において、
該装置内部の浮遊磁場をΔBとし、
電子線の電荷をeとし、
プランク定数をhとし、
電子線の波長をλとし、
試料として用いる結晶の観察される格子間隔をdとし、
前記浮遊磁場の存在領域をlとし、
前記試料と前記レンズ主面との距離を変化させながら干渉縞の観察を行い、干渉縞のコントラストが失われるときの前記試料と前記レンズ主面との距離alimを求め、下記の式(17)より浮遊磁場ΔBの強度を得ることを特徴とする電子線装置。
Figure 0004744592
In claim 12,
Let the stray magnetic field inside the device be ΔB,
Let e be the charge of the electron beam,
Let the Planck constant be h,
Let λ be the wavelength of the electron beam,
The observed lattice spacing of the crystal used as the sample is d,
The region where the stray magnetic field exists is l,
The interference fringe is observed while changing the distance between the sample and the lens main surface, and the distance a lim between the sample and the lens main surface when the contrast of the interference fringe is lost is obtained. ) An electron beam apparatus characterized by obtaining the strength of the floating magnetic field ΔB.
Figure 0004744592
請求項13において、
前記式(17)中の存在領域lを、測定対象となす前記結像レンズ系の前記電子レンズの焦点距離fに置き換えて、前記浮遊磁場ΔBの強度を得ることを特徴とする電子線装置。
In claim 13,
An electron beam apparatus characterized in that the intensity of the floating magnetic field ΔB is obtained by replacing the existence region 1 in the equation (17) with the focal length f of the electron lens of the imaging lens system to be measured.
請求項13において、
前記式(17)中の存在領域lを、測定対象となす前記結像レンズ系の前記電子レンズのポールピースギャップ長さGに置き換えて、前記浮遊磁場ΔBの強度を得ることを特徴とする電子線装置。
In claim 13,
The presence region 1 in the equation (17) is replaced with the pole piece gap length G of the electron lens of the imaging lens system to be measured, and the intensity of the floating magnetic field ΔB is obtained. Wire device.
請求項11において、
前記結像レンズ系の前記電子レンズの後側焦点面に挿入され、二波の電子線のみを結像に寄与させる対物絞り及びビームストッパーを備えたことを特徴とする電子線装置。
In claim 11,
An electron beam apparatus comprising: an objective aperture and a beam stopper that are inserted into a rear focal plane of the electron lens of the imaging lens system and that contribute only two-wave electron beams to imaging.
電子線装置内の浮遊磁場測定方法であって、
前記電子線装置は、電子線の光源と、前記光源から放出される電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記電子線が照射する試料を保持するための試料保持機構と、前記試料の像を結像するための結像レンズ系と、前記試料像を観察あるいは記録するための画像観察・記録装置と、前記照射光学系、前記試料保持装置、前記結像レンズ系及び前記画像観察・記録装置を制御する情報処理装置とを備ており、
前記試料を電子線の光軸上複数の位置に移動させ、
前記の各々の位置において得られる前記試料の像コントラスト、もしくは該像コントラストの変化から、前記試料と前記試料像観察面までの電子線の通過経路上に存在する浮遊磁場を測定し、
前記浮遊磁場の測定結果をモニタに表示することを特徴とする電子線装置における浮遊磁場測定方法。
A method for measuring stray magnetic fields in an electron beam device,
The electron beam apparatus includes an electron beam light source, an irradiation optical system for irradiating the sample with an electron beam emitted from the light source, a sample holding mechanism for holding the sample irradiated with the electron beam, An imaging lens system for forming an image of a sample, an image observation / recording device for observing or recording the sample image, the irradiation optical system, the sample holding device, the imaging lens system, and the image It has an information processing device that controls the observation and recording device,
Moving the sample to a plurality of positions on the optical axis of the electron beam;
From the image contrast of the sample obtained at each of the positions, or a change in the image contrast, the stray magnetic field existing on the electron beam passing path from the sample to the sample image observation surface is measured,
A method for measuring a stray magnetic field in an electron beam apparatus, comprising: displaying a measurement result of the stray magnetic field on a monitor.
請求項17において、
前記試料の像とは結晶格子像であって、前記像コントラストの変化とは、該格子像のコントラストが所定のレベルよりも小さくなる状態であることを特徴とする電子線装置における浮遊磁場測定方法。
In claim 17,
The image of the sample is a crystal lattice image, and the change in the image contrast is a state in which the contrast of the lattice image is smaller than a predetermined level. .
請求項17において、
該装置内部の浮遊磁場をΔBとし、
電子の電荷をeとし、
プランク定数をhとし、
電子線の波長をλとし、
試料として用いる結晶の観察される格子間隔をdとし、
測定対象となす電子レンズの焦点距離をfとし、
測定対象となす電子レンズの主面と試料との距離が変更可能であり格子像が観察されない最小距離をalimとするとき、
前記浮遊磁場を下記の式(18)により評価することを特徴とする電子線装置における浮遊磁場測定方法。
Figure 0004744592
In claim 17,
Let the stray magnetic field inside the device be ΔB,
Let e be the charge of an electron
Let the Planck constant be h,
Let λ be the wavelength of the electron beam,
The observed lattice spacing of the crystal used as the sample is d,
Let f be the focal length of the electron lens to be measured,
When the distance between the main surface of the electron lens to be measured and the sample can be changed and the minimum distance at which the lattice image is not observed is a lim ,
A method for measuring a stray magnetic field in an electron beam apparatus, wherein the stray magnetic field is evaluated by the following formula (18).
Figure 0004744592
請求項17において、
試料より電子線の進行方向下流側1番目にある前記結像レンズ系のレンズの後側焦点面に挿入されたビームストッパーを前記光軸を中心軸として回転させる、もしくは前記試料と前記ビームストッパーとを共に前記光軸を中心軸として回転させて前記浮遊磁場を測定することを特徴とする電子線装置における浮遊磁場測定方法。
In claim 17,
A beam stopper inserted in the rear focal plane of the lens of the imaging lens system that is the first downstream in the traveling direction of the electron beam from the sample is rotated about the optical axis, or the sample and the beam stopper And measuring the stray magnetic field by rotating the optical axis about the optical axis as a central axis.
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