JP5502407B2 - 共焦点ｓｔｅｍ像取得方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は共焦点ＳＴＥＭ像取得方法及び装置に関し、構成を簡単にした共焦点ＳＴＥＭ像取得方法及び装置に関する。

電子銃から引き出された電子ビームは加速管で加速され、薄膜試料に照射される。電子線は薄膜試料を通過する時に、試料と相互作用し、軌道や位相を変えたり、サンプル中の原子と相互作用することによりエネルギーをロスしたりする。

共焦点型透過電子顕微鏡は、電子銃から出た照射電子を収束レンズによって試料上にフォーカスし、試料を透過した電子を結像レンズによって試料下にある検出器上面の絞り位置に再びフォーカスし、試料上の収束電子プローブの中央の一部のみを絞りによって透過させて検出器により検出するものである。

図６は従来装置の構成例を示す図である。図において、１は電子銃、２は引き出された電子を収束する収束レンズ、１０は収束レンズ２の後段に配置された試料である。３は該試料１０を光軸と垂直方向に移動させるピエゾアクチュエータである。４は試料１０を透過した透過電子を含む信号を結像するための結像レンズ、５は該結像レンズ４の下段のフォーカス点に配置されたピンホール型のアパーチャ、６はアパーチャ５を透過した画像信号を検出する検出器である。９は試料を３次元に移動させるゴニオメータである。

７はコントロールイメージングシステムパソコン（ＰＣ）、８は電子顕微鏡システムパソコン（ＰＣ）である。コントロールイメージングシステムＰＣ７は検出器６からの検出信号を受けると共に、ピエゾアクチュエータ３に制御信号を与えている。電子顕微鏡システムＰＣ８は、収束レンズ２及びゴニオメータ９及び結像レンズ４を制御する。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

電子銃１から出射された電子ビームは収束レンズ２により収束され、試料１０上に細かく絞って２次元方向に走査される。この時、試料１０を透過した透過電子等の信号は、結像レンズ４を介してアパーチャ５を介して検出器６上に照射される。ここで、アパーチャ５をピンホール絞りとしておけば、焦点位置からのみの透過電子を取得することができる。

取得された透過電子は、試料検出器６で検出され、コントロールイメージングシステムＰＣ７に入力され、メモリ（図示せず）に記憶される。この際において、試料走査を電子顕微鏡システムＰＣ８で制御し、検出器６による検出器信号と同期させて共焦点像を得ることができる。

この従来装置では、光学系を固定し、試料１０のみをピエゾアクチュエータ３により走査するようにする。これにより、結像系の走査システムを不要とすることができる。
その他のこの種の装置として、暗視野走査透過電子顕微鏡（ＡＤＦ−ＳＴＥＭ）の像計算を共焦点走査透過型電子顕微鏡に応用して該共焦点走査透過型電子顕微鏡の共焦点像を得るようにして試料の深さ方向の情報を得ることができるようにした装置が知られている。

従来のこの種の装置としては、試料を透過した電子線の強度を、電子線の焦点位置を試料の深さ方向に変化させて測定し、試料による電子線の吸収及び散乱の深さ方向の分布を測定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。

また、試料を保持する試料ステージを、ナノ駆動構造により電子ビームの光軸方向であるＺ軸方向とそれに直交するＸ軸とＹ軸方向とに移動調整可能にした技術が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００８−８４６４３号公報（段落００１３〜００２７、図１〜図３） 特開２００８−２７００５６号公報（段落００１９〜００２３、図４,図５,図６,図１２,図１３）

走査透過型電子顕微鏡において共焦点走査透過型電子顕微鏡像を得ようとする場合、検出器６の前に配置する特殊なピンホール型絞り（アパーチャ）が必要である。また、共焦点像を得るためにピンホールを透過でき、別の信号が混じらないように試料上のビームのスキャンのみならず、結像系にもビームのスキャン装置が必要とる。この場合において、結像系スキャンは、走査系スキャンと連動することが絶対であり、通常の装置では困難であり、また制御も困難である。

上記した問題を緩和するため、図６に示す装置では、電子ビームのスキャンを停止し、試料上にスポットモードでビームを止めた状態を作る。その上で、試料側をスキャンすることで、結像系のスキャンを必要としない装置を作ることができる。しかしながら、この装置も試料をサブÅスケールで走査させる必要があり、試料ドリフトの問題及びｘ，ｙ方向の試料移動に伴い、ｚ方向の位置ずれも生じ、通常ｘ，ｙはゴニオメータのｘ，ｙの共同で作り出しているため制御が大変である。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、以下のような目的を有している。
１）本発明は、スキャニングと同期させて回折像（Diffraction）をＣＣＤカメラにより記録する。
２）ＣＣＤカメラに記録された結像系信号（Diffraction patterm）を、データ取得後で画像データとして中心位置を検知、位置補正を行なうことで、結像系スキャンを不要とする。
３）位置補正を行なったDiffractionを有するスキャン画像中から抜き出したDiffraction中心部のみから画像データとして再生することで、検出器前に置かれたピンホール型の絞りを不要とする。
４）特殊な装置を用いず、通常の装置で共焦点走査透過型電子顕微鏡像を得ることができる。

本発明は、このように、構成を簡単にした共焦点ＳＴＥＭ像取得方法及び装置を提供することを目的としている。

上記した課題を解決するために、本発明は以下のような構成をとっている。
（１）請求項１記載の発明は、電子ビームで試料上を２次元走査して試料から放出される信号を検出器で検出し、該検出器で検出した信号をデジタルデータに変換して画像データとしてメモリに記憶し、メモリに記憶した画像から回折像をピクセル毎に引き出し、引き出した各回折像に対して中心位置の補正を行ない、中心位置の補正を行なった各回折像の中心位置を合わせた回折情報を有する画像セットを作成し、作成した画像セットの各回折像について像の中心部を選択して回折像からＳＴＥＭ画像を再生して共焦点ＳＴＥＭ像を得るようにしたことを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、電子ビームで試料上を２次元走査して試料から放出される信号を検出する検出器と、該検出器で検出した信号をデジタルデータに変換して画像データとして記憶するメモリと、前記検出器及び前記メモリと接続され、前記検出器を制御すると共にメモリに記憶した画像を読み出して所定の演算処理を行なう演算制御手段と、を具備し、前記演算制御手段は、メモリに記憶した画像から回折像をピクセル毎に引き出し、引き出した各回折像に対して中心位置の補正を行ない、中心位置の補正を行なった各回折像の中心位置を合わせた回折情報を有する画像セットを作成し、作成した画像セットの各回折像について像の中心部を選択して回折像からＳＴＥＭ画像を再生して共焦点ＳＴＥＭ像を得るように構成したことを特徴とする。

本発明は以下に示すような効果を有する。
（１）請求項１記載の発明によれば、特殊な検出器絞りを用いず、また照射系スキャンと連動した結像系スキャンを用いることなく、通常の走査透過型電子顕微鏡において共焦点走査透過型電子顕微鏡像を得ることができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、特殊な検出器絞りを用いず、また照射系スキャンと連動した結像系スキャンを用いることなく、通常の走査透過型電子顕微鏡において共焦点走査透過型電子顕微鏡像を得ることができる。

本発明の構成原理図である。 画像からその場所に対応する回折像引き出しの説明図である。 回折像の中心位置を選択し、中心位置の補正を示す図である。 各ピクセル毎に中心位置を合わせた回折情報の画像セットを示す図である。 共焦点ＳＴＥＭ画像生成の説明図である。 従来装置の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。図１は本発明の構成原理図である。図６と同一のものは同一の符号を付して示す。図において、１０は試料、２０は該試料１０上にフォーカスされる電子プローブである。該電子プローブ２０は、外部からのスキャン制御信号によって試料１０上を走査する。試料１０に入射された電子プローブ２０は、該試料１０との相互作用により２０ａ〜２０ｃに示すような方向に出射される。

６１は透過電子像を検出するＣＣＤカメラである。２１はＣＣＤカメラ６１からの検出信号を電気信号に変換した画像データを取り込んでデジタル画像データに変換した後、メモリ２２に記憶させる、演算制御手段としてのＣＣＤカメラ制御パソコン（ＰＣ）である。ＣＣＤカメラ制御ＰＣ２１は、メモリ２２に記憶された画像データを読み出して後述するような所定の演算処理を行なう。

２３は電子プローブ２０を試料上で二次元方向にスキャンするための電子ビームスキャン制御信号を図示しない照射光学系に与える電子顕微鏡制御パソコン（ＰＣ）である。該電子顕微鏡制御パソコン２３からはＣＣＤカメラ制御ＰＣ２１にスキャン情報が与えられ、画像取得の同期をとるようになっている。図より明らかなように、本発明には結像光学系は不要となっている。このように構成された装置の動作を説明すれば以下のとおりである。

（１）図２は画像からその場所に対応する回折像引き出しの説明図である。先ず、顕微鏡制御ＰＣ２３（以下ＰＣ２と略す）により電子プローブ２０が試料１０上をスキャンする。

（２）試料１０上を電子プローブ２０がスキャンすることにより、試料１０からは透過電子や散乱電子が出射される。ＣＣＤカメラ６１は、試料１０を透過した透過像をスキャニングと同期して検出してＣＣＤカメラ制御ＰＣ２１（以下ＰＣ１と略す）に送信する。ＰＣ２１は、ＣＣＤカメラ６１から送られてくるアナログ画像データを図示しないＡ／Ｄ変換器によりデジタル画像データに変換してメモリ２２に記憶させていく。

（３）次に、ＰＣ１はメモリ２２に記憶された画像を読み出して、この画像からその場所に対応する回折像を引き出す。図２は画像からその場所に対応する回折像引き出しの説明図である。図において、（ａ）はスキャン画像、（ｂ）は回折像である。（ａ）に示す四角で囲った領域の各ピクセル毎に回折像を引き出す。スキャン画像と回折像とはペアになっているので、既存の技術を用いてスキャン画像から回折像をピクセル毎に引き出す（変換）するのは容易である。

（４）ＰＣ１はステップ（３）で引き出された回折像の中心位置（透過波）を選択し、ドリフト補正をかける。図３は回折像の中心位置を選択し、中心位置の補正を示す図である。中心付近の透過波を選択し、選択した回折像の中心位置（透過波）補正を行なう。図では、ピクセル１〜ピクセル４…毎に回折像の中心位置を図の矢印方向に移動させて中心位置の補正を行なう。この方法は、結像系スキャンで戻すための補正を中心位置の補正を行なうことで実現するようにしたものである。

試料をスキャンすると、ＣＣＤカメラ６１の検出面で回折パターンが移動する。これを補正して中心位置にもってくる必要がある。これは、投影系をスキャンしてピンホールに固定することに相当する。中心位置の補正は、例えば相互相関関数等を用いてズレの大きさを計算し、計算したズレ量だけ回折像の中心位置を補正すればよい。

（５）ＰＣ１は各ピクセル毎に中心（透過波）位置を合わせた回折情報を有する画像セットを作成する。図４は各ピクセル毎に中心位置を合わせた回折情報の画像セットを示す図である。（ａ）は回折像の中心があったＳＴＥＭ画像（各ピクセル毎に回折パターンを内包している）。（ｂ）が画像セットである。画像セットは複数のピクセル毎の回折像から構成されており、ステップ（４）で位置補正を行なった回折像である。

（６）ＰＣ１は画像セットの内、中心位置の更に中心部のみを選択し、共焦点ＳＴＥＭ像を得る。図５は共焦点ＳＴＥＭ画像生成の説明図である。（ａ）はピクセル毎の回折像、（ｂ）はこの回折像から中心位置の更に中心部のみを選択して変換された共焦点ＳＴＥＭ像である。中心位置の更に中心部のみを選択するのは、従来装置と同様のピンホールで獲得した共焦点ＳＴＥＭ像と同様に正確な共焦点ＳＴＥＭ像を得るためである。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば、特殊な検出絞りを用いず、また照射系スキャンと結像系スキャンを用いずとも、通常の走査透過型電子顕微鏡において、共焦点走査透過型電子顕微鏡像を得ることができる。

６１ ＣＣＤカメラ
１０ 試料
２０ 電子プローブ
２０ａ 透過像
２０ｂ 透過像
２０ｃ 透過像
２１ ＣＣＤカメラ制御ＰＣ
２２ メモリ
２３ 顕微鏡制御ＰＣ

Claims (2)

1. 電子ビームで試料上を２次元走査して試料から放出される信号を検出器で検出し、
   該検出器で検出した信号をデジタルデータに変換して画像データとしてメモリに記憶し、
   メモリに記憶した画像から回折像をピクセル毎に引き出し、
   引き出した各回折像に対して中心位置の補正を行ない、
   中心位置の補正を行なった各回折像の中心位置を合わせた回折情報を有する画像セットを作成し、
   作成した画像セットの各回折像について像の中心部を選択して回折像からＳＴＥＭ画像を再生して共焦点ＳＴＥＭ像を得る、
   ようにしたことを特徴とする共焦点ＳＴＥＭ像取得方法。
2. 電子ビームで試料上を２次元走査して試料から放出される信号を検出する検出器と、
   該検出器で検出した信号をデジタルデータに変換して画像データとして記憶するメモリと、
   前記検出器及び前記メモリと接続され、前記検出器を制御すると共にメモリに記憶した画像を読み出して所定の演算処理を行なう演算制御手段と、
   を具備し、
   前記演算制御手段は、
   メモリに記憶した画像から回折像をピクセル毎に引き出し、
   引き出した各回折像に対して中心位置の補正を行ない、
   中心位置の補正を行なった各回折像の中心位置を合わせた回折情報を有する画像セットを作成し、
   作成した画像セットの各回折像について像の中心部を選択して回折像からＳＴＥＭ画像を再生して共焦点ＳＴＥＭ像を得る、
   ように構成したことを特徴とする共焦点ＳＴＥＭ像取得装置。