JP5380366B2 - 透過型干渉顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線干渉装置に関するもので、電子ビームを用いた透過型干渉顕微鏡に関する。

電子線バイプリズム干渉装置は、電子線の位相変化を計測することにより、物質あるいは真空中の電磁場を定量的に計測する手法である。

図1に従来の電子線ホログラフィー法における干渉光学系を示す。

図１において、電子源１より発せられた電子線２は図示するように進み、収束レンズ３により収束され、対物レンズ４を通過する。

対物レンズ４内の光軸片側に試料５が置かれ、試料を透過（通過）した電子線６と試料を透過していないで真空を通過する電子線７は、拡大レンズ８により拡大され、バイプリズム９により内側に曲げられ、スクリーン１０において干渉縞として検出される。干渉縞から電子線の位相変化を求める。

この方法においては、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７は試料位置において隣り合っており、電子線照射領域を小さくするに従い互いの距離は近くなり、観察領域は試料のエッジ領域しか観察できなくなってくる。

これによる観察領域が制限される問題と、試料に収束した電子線が照射されることによる帯電が真空を通過する電子線７に影響を与え、完全な干渉縞を得ることが困難になってくることが問題点であった。これを解決するには、試料面における真空を通過する電子線と試料を透過する電子線の位置を離すことが必要である。

電子線を照射系に配置したバイプリズムで分離して、試料面の異なる領域を照射する方法が、走査干渉電子顕微鏡として特開2006-164861に提案されている。

この手法は試料面において、真空領域と試料上を収束電子プローブで照射し、下側の検出器にて真空を通過する電子線と試料を透過する電子線の干渉縞を検出し、位相情報を得ながら、プローブもしくは試料を走査し試料面内における電磁場情報を得る方法である。

この手法の場合、一度条件を決めればデータ取得が容易であること、倍率変更が容易であること、S/N比が高いことなどがこの手法の特徴である一方、試料を収束電子線が照射することになり、走査中のある観察点においてコーン状の電子プローブが照射した領域全ての電磁場情報を得るため、試料に厚さがある場合には、コーン状の電子プローブの径だけ分解能が広がるため、トモグラフィー法の様な純粋な透過像を必要とする手法への適用は不向きであるといえる。

試料帯電の影響をあまり受けずに、電子線ホログラフィー法による高分解能トモグラフィー解析を簡便に行う為には、試料面において真空を通過する電子線と試料を透過する電子線の距離を置きつつ平行ビームで試料を照射することが求められるが、従来のホログラフィー法や走査干渉電子顕微鏡ではこの課題を解決できなかった。

特開2006-216345公報 特開2006-164861公報 特開2006-313069公報

本発明は干渉装置における、試料への荷電粒子照射方法における上記問題点を解決し、純粋な透過情報を得ながら、観察領域に自由度を与えることであり、さらに最適化した照射条件により、精度の高い干渉像を高い倍率で得ることを目的とする。

上記課題を解決するため、以下の手段を発明した。発明の概略図を図２に示す。

電子源１から発せられた電子線は収束レンズ3の下に配備されたバイプリズム１１によって分離され、試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７として対物レンズ４に入る。電子線は、対物レンズ４の前磁場で曲げられ、試料位置と真空をそれぞれ適当な距離はなれた状態で、平行ビームにて照射する。

試料の周期性により回折した回折波１２は、真空を通過する電子線７と試料を透過する電子線６のみを通過させる二穴を有する対物絞り１３によってカットされ、スクリーンには到達しない。但し、目的に応じて二穴を有する対物絞り１３は入れたり、抜いたりすることが可能である。

図３に本発明の電子線ホログラフィー法における干渉光学系の説明図（全体）を示す。回折波１２と二穴を有する対物絞り１３は図３には示していない。図２で説明した経路で試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７はそれぞれ拡大レンズ８によって拡大され、バイプリズム９によって曲げられ、スクリーン10に干渉縞を作る。電子線の検出方法および、検出された干渉縞からの位相解析はすでに確立された手法が一般的に知られているため、ここでは特に記述しない。

本発明を用いれば、任意の距離で、試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７を調節することができ、試料はほぼ平行ビームによって照射される。本発明は干渉装置における、試料への荷電粒子照射方法における問題点を解決し、平行ビームによる透過情報を得ながら、観察領域に自由度を与えることが可能であり、最適化した照射条件により、試料の帯電の影響を受けていない真空を通過する電子線７を得ることができ、精度の高い干渉像を高い倍率で得ることを可能とする。

従来の電子線ホログラフィー法における干渉光学系の模式図である。 本発明の電子線ホログラフィー法における照射系、対物レンズまわりにおける干 渉光学系の模式図である。 本発明の電子線ホログラフィー法における干渉光学系全体の模式図である。 本発明による電子線ホログラフィー装置の実施例１を示す模式図である。 本発明による電子線ホログラフィー装置の二穴対物絞りの模式図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図４は本発明による電子線ホログラフィー装置の実施例１を示す模式図である。

本発明による電子線ホログラフィー装置は汎用透過型電子顕微鏡と同様に鏡体１４、制御PC１５、モニタ１６を有し、鏡体１４は図示されない真空排気装置により真空排気されている。鏡体１４は、電子源１、第一引き出し電極１７、第二引き出し電極１８、加速電極１９、収束レンズ３、バイプリズム１１、対物レンズ４、試料微動機構２０、二穴を有する対物絞り１３、対物絞り微動機構２１、拡大レンズ８、バイプリズム９、電子線検出器２２で構成される。レンズ、バイプリズム、試料微動機構、対物絞り微動機構、電子線検出器は、それぞれ制御PC１５により、D/A変換器２２を介して制御される。

制御PC１５は図示されないキーボード、マウスなどの情報入力を備え、装置ユーザはこれらと制御PC１５に組み込まれているGraphical User Interface (GUI)ソフトを使用して装置を制御することができる。バイプリズム１１、バイプリズム９、二穴を有する対物絞り１３以外は通常の汎用透過型電子顕微鏡とほぼ同様の構成であり、図示されない変更コイル、非点補正コイルを有するものとする。

実施例における電子線の経路を説明する。電子源１から発せられた電子線は仮想電子源２４で一度収束し、また広がりながら図４における下方向に鏡体１４内を進む。

収束レンズ3により収束された後、収束レンズの下に配備されたバイプリズム１１によって分離される。バイプリズム１１は制御PC１５により任意の電位を加えることが可能で、対物レンズ内の試料５の位置における、試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７の距離を任意に調整することができる。

試料５は試料微動機構２０により任意の位置に移動可能で、観察領域を変更することができる。試料微動機構２０は機械動作のみによって機能を有してもいいし、機械動作とピエゾ素子を有する電圧機構を有しても良い。

試料を透過する電子線は、試料が周期性の構造を有する場合、回折を起こし、対物レンズの後焦点面に回折スポットをつくる。電子線干渉装置において、試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７は干渉縞を作る為に必要であるが、回折波は必ずしも必要な電子線成分ではない場合がある。むしろ、高分解能観察においては、試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７と回折波が干渉し、干渉縞から再生像を作成する場合にノイズとなる可能性がある。

本発明の電子線ホログラフィー装置では、対物絞りの後焦点面２５に試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７がそれぞれ焦点を結ぶため、対物絞りは二つの穴を有し、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７がそれぞれの穴を通過する必要がある。また、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７の試料位置における距離が変化すると、後焦点面２５における距離も変化するため、二穴を有する対物絞り１３は距離の異なる何パターンかの二穴を有している必要がある。

状況に応じて対物絞りを変更する必要があり、対物絞り微動機構２１は制御PC１５によって操作され、適切は穴距離、絞り位置に配備される。試料に対する、干渉縞の方向や、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７の位置関係を試料面内回転させることが、試料構造によって必要となる場合があるが、このような場合は、二穴を有する対物絞り１３全体を回転させる機構を備えるか、もしくは、あらかじめ方向の異なる二穴位置関係を有する二穴対物絞りを備えることが有効である。

図５は二穴対物絞りプレートの一例を示す。二穴対物絞りプレート２６は穴距離の異なるパターンA２７、パターンB２８、パターンC２９を有し、これらについて向きの異なる横パターン３０を有する。

これら複数のパターンにより、試料照射条件を変更した場合でも、回折波をカットしながら、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７を通過させることができる。モータードライブ対物絞りの実用例と同様に、各対物絞り位置を制御PC１５にメモリしておけば、簡便に絞りパターンの座標を呼び出すことで、絞りパターンを変更することができる。

ある特定の対物レンズ電流においては、収束レンズ３のレンズ電流とバイプリズム１１の向き、バイプリズム１１の電位によって、試料面上での試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７の位置関係および距離は決定される。

対物絞りの穴パターンが決まっている場合、逆に収束レンズ３のレンズ電流とバイプリズム１１の向き、バイプリズム１１の電位を調整することで、試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７を所定パターンの二穴に通過させることができる。

また、材料解析においては、同一箇所で倍率を変えて観察することが良く行われるが、この場合、明るさを変化させるために収束レンズ３のレンズ電流を変化させる必要がある。ある調整された状態から、収束レンズ３のレンズ電流だけを変化させると、電子線が顕微鏡内を螺旋状に回転しながら収束される関係上、試料位置における透過する電子線６と真空を通過する電子線７の位置関係も変わり、後焦点面における電子線６と真空を通過する電子線７の位置関係も変わる。従って、収束レンズ３のレンズ電流を変化させ明るさを変化させても、試料面における試料を透過する電子線６と真空を通過する電子線７の位置関係を同じにする為には、収束レンズ電流と連動して、バイプリズムの向きを面内回転させる必要がある。

この連動関係は装置固有に決まった関係となるため、制御PC１５に連動操作のデータファイルをメモリしておき、収束レンズ電流を変化させると同時に呼び出し、バイプリズムの向きを回転させることができる。上記制御により、ユーザはストレス無く、明るさを変更することができ、透過する電子線６と真空を通過する電子線７の試料面での関係を容易に保持することができる。

試料を透過する電子線６、真空を通過する電子線７はそれぞれ拡大レンズ８によって拡大され、バイプリズム９によって曲げられ、電子線検出器２２上で干渉縞を作る。試料と電子線検出器２２の間には図示されない複数の拡大レンズ、複数のバイプリズムを装備可能で、任意の干渉条件を作ることができる。

試料と電子線検出器２２の間に複数のバイプリズムを装備するホログラフィー電子顕微鏡に関しては、特開2006-216345、特開2006-313069に詳細が開示されているので、ここでは記述しないが、照射系のレンズ電流とバイプリズムの向きを連動させることで、特定の干渉条件を安定して提供できることを説明したように、結像系においても同様に結像系レンズ電流と結像系バイプリズムそれぞれの向きを連動させ回転させることは有効である。

これら連動条件は制御PC15にメモリされ、必要なときに呼び出され適切な操作を行う。
電子線検出器２２にて検出された干渉縞は即座にD/A変換器２３を介し制御PC１５で再生処理され、再生像がモニタ１６に映し出される。再生処理は既に確立された方法が既知であるためここでは詳細を記載しない。

１…電子源、２…電子線、３…収束レンズ、４…対物レンズ、５…試料、７…試料を透過する電子線、８…拡大レンズ、９…バイプリズム、１０…スクリーン、１１…バイプリズム、１２…回折波、１３…二穴を有する対物絞り、１４…鏡体、１５…制御PC、１６…モニタ、１７…第一引き出し電極、１８…第二引き出し電極、１９…加速電極、２０…試料微動機構、２１…対物絞り微動機構、２２…電子線検出器、２３…D/A変換器、２４…仮想電子源、２５…後焦点面、２６…二穴対物絞りプレート、２７…パターンA、２８…パターンB、２９…パターンC、３０…横パターン、３１…固定用ネジ穴。

Claims (9)

1. 荷電粒子線の光源と、前記光源から放出された電子線を試料に照射するための照射光学系と、前記光源と前記試料の間に照射系バイプリズムを備え、試料位置において真空位置と試料位置を独立に照射する機能を有し、前記試料を保持する機構と、前記試料の像を形成するための結像レンズ系と、前記結像レンズ系に１段以上の結像系バイプリズムを備え、試料位置において真空位置を通過した電子線と試料を透過した電子線の干渉縞を観察もしくは記録するための装置を備えることを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
2. 請求項１において、
   二穴を有する対物絞りを備えることを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
3. 請求項１において、
   照射系レンズ電流と連動し、前記照射系バイプリズムを光軸で回転させる機能を有することを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
4. 請求項２において、
   照射系レンズ電流と連動し、前記対物絞りを光軸で回転させる機能を有することを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
5. 請求項２において、
   前記二穴の位置関係は異なり、前記試料位置において真空位置を通過した電子線と試料を透過した電子線それぞれを通過させる位置であることを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
6. 請求項１において、
   真空位置を通過した電子線と試料を透過した電子線の偏向角度を変化させることで、干渉縞の間隔を変化させる機能を有することを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
7. 請求項３において、
   照射系レンズ電流と前記照射系バイプリズムの光軸回転を連動させる際に、特定の目的で、決められた連動動作をさせるための情報を記録する記憶部と、記録した情報を元に決められた連動動作を行わせることが可能な制御装置とを備えたことを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
8. 請求項４において、
   照射系レンズ電流と、前記対物絞りの光軸回転を連動させる際に、特定の目的で、決められた連動動作をさせるための情報を記録する記憶部と、記録した情報を元に決められた連動動作を行わせることが可能な制御装置とを備えたことを特徴とする透過型干渉顕微鏡。
9. 請求項１において、
   結像系レンズ電流と前記結像系バイプリズムの光軸回転を連動させる際に、特定の目的で、決められた連動動作をさせるための情報を記録する記憶部と、記録した情報を元に決められた連動動作を行わせることが可能な制御装置とを備えたことを特徴とする透過型干渉顕微鏡。

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