JP5826064B2

JP5826064B2 - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JP5826064B2
Application number: JP2012032282A
Authority: JP
Inventors: 浩大上田; 長沖　功; 功長沖; 佳史谷口
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: JP2013168332A

Description

本発明は、蛍光板上の像を歪み無く観察可能な透過型電子顕微鏡に関するものである。

透過型電子顕微鏡は、電子源から発生した電子線を観察試料上に照射し、試料を透過した当該電子線を電子レンズによって蛍光板上、または撮像カメラ上に投影することにより結像を行う装置である。

上記電子顕微鏡において蛍光板で観察する際、観察者は直視するかルーペを用いて、蛍光板斜め上方より鉛ガラスを通して像を見る。また、カメラを用いる場合は蛍光板の下方の光軸上に配置して、蛍光板を光軸上より退避させ、相対的に狭い範囲の像を高倍率にカメラディスプレイ上に表示する。

特開２００９−２９５４２９号公報特開２００３−２５７３５３号公報特開２００２−２７９９２６号公報

透過型電子顕微鏡に関して、観察試料を透過した電子ビームを蛍光板上に投影することにより観察を行う。通常、この蛍光板上に結像された像は真空外から直視するか、またはルーペを通して観察を行う。この際電子顕微鏡の構造上、観察者は斜め上方より蛍光板を見なければならない。

従来は蛍光板を観察方向と正対するように傾けることにより、観察を行っていたが、この方法では像が傾斜方向に伸びでしまう現象が起きる。これを回避するためには蛍光板直上から観察を行う必要があるが、光軸を遮ってしまうことと、光軸付近が真空であるという問題がある。

また、電子光学系の光軸調整には広い領域の像観察が必要であり、この作業の際には蛍光板像を用いている。この時、蛍光板付近を直視しながら、離れた場所にある電子レンズのメカ軸調整を行うことは作業時間がかかることに加え、作業自体の危険性も大きいという問題がある。

上記課題に鑑みた本発明の特徴は以下の通りである。
電子線を発生させる電子銃と、前記電子線の通過部を真空に保つ鏡筒と、前記電子線を試料上に照射する照射部と、前記試料を透過した電子線を拡大する結像部と、拡大された試料像が投影される蛍光板と、前記蛍光板上の像を映すミラーと、前記ミラー上の像を撮像する外部カメラと、を備え、前記ミラーは前記鏡筒内部であって、前記電子線の通過領域外に配置されたことを特徴とする透過型電子顕微鏡。

本発明によって、透過型電子顕微鏡に関して、蛍光板上にて歪みが最小の像観察が可能となる。

本発明の電子顕微鏡（実施例１）。本発明の電子顕微鏡（実施例２）。本発明の電子顕微鏡（実施例３）。本発明の電子顕微鏡（実施例４）。本発明の画像移動量計測。本発明の一致度計算方法。

本発明の一実施形態について説明する。

図１は本発明の実施例１の構成図である。本例の透過型電子顕微鏡は、電子銃１０１、照射レンズ系１０２、対物レンズ１０３、試料１０４、結像レンズ系１０５、蛍光板１０６、ミラー１０７、外部カメラ１０８、ディスプレイ１０９、鏡筒１１０で構成される。電子銃１０１は電子線を発生させる機能を持つ。照射レンズ系１０２は電子線を試料１０４に収束させる機能を持つ。対物レンズ１０３は試料１０４の焦点を合わせる機能を持つ。結像レンズ系１０５は試料を透過した電子線を拡大する機能を持つ。蛍光板１０６は電子線が投影された部分が発光することにより試料の拡大像を映し出す機能を持つ。ミラー１０７は蛍光板１０６上の像を外部カメラ１０８に反射する機能を持つ。外部カメラ１０８はミラー１０７に反射された像を撮影する機能を持つ。ディスプレイ１０９は外部カメラ１０８で撮影された画像を表示する機能を持つ。鏡筒１１０は、電子線通過部を真空に保つ機能を持つ。

ミラー観察の際に照射電子線を遮らないための条件を以下に記載する。最終段の結像レンズ系１０５直下のクロスオーバー位置は加速電圧、倍率、照射角度などから導かれるレンズ系の条件の組み合わせにより決まる。当該電子顕微鏡の光学条件において最もクロスオーバー位置が高くなるときに蛍光板１０６に照射される電子ビームの幅は最も広がる。この時のクロスオーバー高さをａと置くと、ミラー１０７の高さｂ、蛍光板１０６の径ｄからミラー１０７位置での電子線の広がりｄ′、照射角度θは式（１）で表される。

この条件においてミラー１０７が電子線を遮らなければ、他の条件においても遮らないこととなる。よってミラー１０７の角度θ_m＝θ、光軸からの距離ｅ＝ｄ′／２の条件にてミラー１０７を設置する。

次にカメラの設置条件を以下に記載する。外部カメラ１０８は真空外に配置されるため、光軸からの距離ｆはカラムの太さによって決まる。上記のミラー条件から、蛍光板中心からミラー中心への入射角θ′は式（２）で表される。

この値から、カメラの角度θ_cは式（３）、高さｃは式（４）で表される。

上記の条件でミラー１０７、外部カメラ１０８を配置することにより電子線を遮らずに光軸付近より蛍光板を観察することが可能となる。

図２は本発明の実施例２の構成図である。本例の透過型電子顕微鏡は、電子銃２０１、照射レンズ系２０２、対物レンズ２０３、試料２０４、結像レンズ系２０５、蛍光板２０６、ミラー２０７、外部カメラ２０８、ディスプレイ２０９、ルーペ２１０、鏡筒２１１で構成される。電子銃２０１は電子線を発生させる機能を持つ。照射レンズ系２０２は電子線を試料２０４に収束させる機能を持つ。対物レンズ２０３は試料２０４の焦点を合わせる機能を持つ。結像レンズ系２０５は試料を透過した電子線を拡大する機能を持つ。蛍光板２０６は電子線が投影された部分が発光することにより試料の拡大像を映し出す機能を持つ。ミラー２０７は蛍光板２０６上の像を外部カメラ２０８に反射する機能を持つ。外部カメラ２０８はミラー２０７に反射された像を撮影する機能を持つ。ディスプレイ２０９は外部カメラ２０８で撮影された画像を表示する機能を持つ。ルーペ２１０は蛍光板上の像を目視にて拡大して観察する機能を持つ。鏡筒２１１は、電子線通過部を真空に保つ機能を持つ。

実施例１に加えルーペ２１０を通して蛍光板２０６を直接観察を可能とする。ミラー２０７を用いた像の歪み防止の観察と共に、ダイナミックレンジがカメラより広い人間の目で観察することが可能となる。ミラー２０７と外部カメラ２０８の配置条件は実施例１と同じである。蛍光板２０６にはルーペ２１０と正対するように、軸を中心に傾斜可能な機構を持たせる。

図３は本発明の実施例３の構成図である。本例の透過型電子顕微鏡は、電子銃３０１、照射レンズ系３０２、対物レンズ３０３、試料３０４、結像レンズ系３０５、蛍光板３０６、ミラー３０７、外部カメラ３０８、ディスプレイ３０９、ルーペ３１０、内部カメラ３１１、鏡筒３１２で構成される。電子銃３０１は電子線を発生させる機能を持つ。照射レンズ系３０２は電子線を試料３０４に収束させる機能を持つ。対物レンズ３０３は試料３０４の焦点を合わせる機能を持つ。結像レンズ系３０５は試料を透過した電子線を拡大する機能を持つ。蛍光板３０６は電子線が投影された部分が発光することにより試料の拡大像を映し出す機能を持つ。ミラー３０７は蛍光板３０６上の像を外部カメラ３０８に反射する機能を持つ。外部カメラ３０８はミラー３０７に反射された像を撮影する機能を持つ。ディスプレイ３０９は外部カメラ３０８と内部カメラ３１１で撮影された画像を表示する機能を持つ。ルーペ３１０は蛍光板上の像を目視にて拡大して観察する機能を持つ。内部カメラ３１１は蛍光板３０６が光軸上より退避した場合に画像を撮影する機能を持つ。鏡筒３１２は、電子線通過部を真空に保つ機能を持つ。

実施例２に加え内部カメラ３１１を搭載する。蛍光板３０６はエアー駆動により光軸上より退避可能な構造とし、その場合に内部カメラ３１１にて観察可能とする。この内部カメラ３１１は画素数が大きいが撮像素子面積が狭いという特徴を持つので、広範囲の観察ができない。ミラー反射による蛍光板観察と併用することにより、視野探し、光軸調整から高精細画像取得までをシームレスに実施が可能となる。

以下に蛍光板３０６の逃げ量の条件を記載する。蛍光板３０６の逃げ量は、内部カメラ３１１を邪魔しない条件において可能な限り最小にすることにより、ミラー観察の効果が最大限となる。このためにはクロスオーバー点から撮像素子への照射経路中に退避した蛍光板３０６が重ならないことが必要である。実施例１の場合と同様にクロスオーバー高さがａの時に照射領域が最も広くなるが、この時最も光軸に近づくのは蛍光板３０６の端部である。蛍光板がθ_Lで傾いている場合の蛍光板３０６中心から端部までの水平方向距離は（ｄ／２）cosθ_Lである。また、クロスオーバー点から端部までの垂直方向距離はａ＋（ｄ／２）sinθ_Lである。撮像素子の大きさをｇ、蛍光板の中心から内部カメラ上面までの垂直方向距離をｈとすると、蛍光板端部の高さ位置でのビームの広がりｇ′は式（５）となる。

よって、蛍光板の必要逃げ量ｉは式（６）となる。

図４は本発明の実施例４の構成図である。本例の透過型電子顕微鏡は、電子銃４０１、照射レンズ系４０２、対物レンズ４０３、試料４０４、結像レンズ系４０５、蛍光板４０６、ミラー４０７、外部カメラ４０８、ディスプレイ４０９、ルーペ４１０、内部カメラ４１１、検出器系４１２、制御ＰＣ４１３、光源４１４、電子銃用シャッター４１５、鏡筒４１６で構成される。電子銃４０１は電子線を発生させる機能を持つ。照射レンズ系４０２は電子線を試料４０４に収束させる機能を持つ。対物レンズ４０３は試料４０４の焦点を合わせる機能を持つ。結像レンズ系４０５は試料を透過した電子線を拡大する機能を持つ。蛍光板４０６は電子線が投影された部分が発光することにより試料の拡大像を映し出す機能を持つ。ミラー４０７は蛍光板４０６上の像を外部カメラ４０８に反射する機能を持つ。外部カメラ４０８はミラー４０７に反射された像を撮影する機能を持つ。ディスプレイ４０９は外部カメラ４０８と内部カメラ４１１で撮影された画像を表示する機能を持つ。ルーペ４１０は蛍光板上の像を目視にて拡大して観察する機能を持つ。内部カメラ４１１は蛍光板４０６が光軸上より退避した場合に画像を撮影する機能を持つ。検出器系４１２は透過した電子をシンチレータとフォトマルにより検出する機能を持つ。制御ＰＣ４１３は外部カメラより取得された像とテンプレート像から蛍光板４０６、検出器系４１２、内部カメラ４１１の位置の補正量を計算する機能を持つ。光源４１４はカラム内の蛍光板４０６、検出器系４１２、内部カメラ４１１を撮影する際に光源の機能を持つ。電子銃用シャッター４１５は蛍光板４０６、検出器系４１２、内部カメラ４１１の位置調整を行う際に電子線が照射されないようにするために、電子銃４０１の直下で、シールドする機能を持つ。鏡筒４１６は、電子線通過部を真空に保つ機能を持つ。

実施例３に加え、蛍光板４０６下方に配置される検出器系４１２の軸調整機能を持たせる。電子顕微鏡には微小領域に電子線を照射させ透過・散乱した電子線の強度を検出する機構が組み込まれる場合がある。この透過した電子の検出器への散乱角度により取得画像から得られる情報の意味が変わってくるので、検出器系の精密な位置合わせを光軸に対して行う必要がある。従来は検出器の画像を観察しながら位置調整を行っていたが、この方法では電子ビーム自体の傾斜を考慮に入れながら調整する必要があり、ユーザーレベルでは難易度の高い作業となる。本実施例の構成ではミラー４０７を用いることにより、本来では不可能な検出器系４１２の直視が真空を保ちながら可能であり、さらに画像処理を組み合わせることにより自動で調整が可能であるので、ユーザーレベルでも用意に実施可能となる。

検出器の位置調整を行う際の外部カメラ４０８・ミラー４０７の条件を以下に記載する。電子線が蛍光板４０６まで照射されない状態にし、中心が光軸上に来るようにミラー位置を調整する。この時のミラー４０７の角度θ_mは外部カメラ４０８との位置関係から式（７）で表される。

上記の条件に調整すると光軸上から蛍光板４０６、検出器系４１２、内部カメラ４１１を撮影することができる。

次に検出器の位置調整方法を以下に記載する。まず外部カメラ４０８で撮影された、蛍光板４０６、検出器系４１２、内部カメラ４１１の画像データを制御ＰＣ４１３に取り込む。制御ＰＣ４１３にはあらかじめ正確に調整された状態での各部のテンプレート画像を保存させておき、パターンマッチングにより画像をサーチしテンプレート画像からの移動量を計算する。式（８）で示される相関演算をソース画像の指定領域内の全画素に対して行い、一致度係数（ｒ）が最大（１.０）になるポイントを移動量として検出する。このとき一致度はｒに１００をかけたものと定義する。

ｆ：ソース画像
ｇ：テンプレート画像
ｎ：テンプレート領域内有効画素数
（１＜ｎ＜＝６５５３６：２５６×２５６相当）

これらの演算は、テンプレート画像の領域と対応するソース画像の一領域に対して行われる。本発明による正規化相関サーチは、セットアップ、トレーニング、サーチの３段階を設定しており、セットアップは、テンプレート画像を入力画像から切り出すことで、トレーニングは、切り出した画像を正規化相関サーチのテンプレート画像として登録する。次にサーチはトレーニングで登録したテンプレートのサーチを行うこととする。移動量の計算は図５に示すように移動位置を計算して、図６のようにサブピクセル精度で計算を行う。計算されたｘ、ｙの移動量に対して、蛍光板、検出器、内部カメラを自動で移動させ、位置調整を行う。この時、各部の高さ位置によってピクセルあたりの長さが異なるので、あらかじめ各部のピクセルあたりの長さをＰＣに入力しておく。

１０１、２０１、３０１、４０１電子銃
１０２、２０２、３０２、４０２照射レンズ系
１０３、２０３、３０３、４０３対物レンズ
１０４、２０４、３０４、４０４試料
１０５、２０５、３０５、４０５結像レンズ系
１０６、２０６、３０６、４０６蛍光板
１０７、２０７、３０７、４０７ミラー
１０８、２０８、３０８、４０８外部カメラ
１０９、２０９、３０９、４０９ディスプレイ
１１０、２１１、３１２、４１６鏡筒
２１０、３１０、４１０ルーペ
３１１、４１１内部カメラ
４１２検出器系
４１３制御ＰＣ
４１４光源
４１５電子銃用シャッター

Claims

電子線を発生させる電子銃と、
前記電子線の通過部を真空に保つ鏡筒と、
前記電子線を試料上に照射する照射部と、
前記試料を透過した電子線を拡大する結像部と、
拡大された試料像が投影される蛍光板と、
前記蛍光板上の像を映すミラーと、
前記ミラー上の像を撮像する外部カメラと、を備え、
前記ミラーは前記鏡筒内部であって、前記電子線の通過領域外に配置され、
クロスオーバー高さをa、前記ミラーの高さをb、前記蛍光板の径をd、前記電子線の前記ミラー位置での広がりをd’、とした場合に、前記外部カメラの角度θ _c はθ _ｃ＝(π/2)-(2tan ^-1 (d/2a))-(tan ^-1 (d’/b))によって表現され、
前記ミラーの光軸からの距離をe、前記外部カメラの光軸からの距離をfとした場合に、前記外部カメラの高さcは、c=b+((e+f)tanθc)によって表現されることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
請求項１記載の透過型電子顕微鏡において、
前記鏡筒外に蛍光板を観察するルーペを備え、
前記蛍光板は前記試料を通過した電子線に対する角度を変更する機構を備えることを特徴とする透過型電子顕微鏡。
請求項１記載の透過型電子顕微鏡において、
前記電子線の光軸上に内部カメラを備え、
前記蛍光板が前記光軸上から退避可能なように可動であることを特徴とする透過型電子顕微鏡。