JP6225579B2 - Sample analysis program, sample analysis apparatus, and sample analysis method - Google Patents
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Description
本発明は、試料解析プログラム、試料解析装置及び試料解析方法に関する。 The present invention relates to a sample analysis program, a sample analysis device, and a sample analysis method.
電子顕微鏡の一つに、走査透過型電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope;STEM)がある。例えば、このようなSTEMにより取得される試料の像(STEM像)を用いて、その試料の解析を行う技術が知られている。 One of the electron microscopes is a scanning transmission electron microscope (STEM). For example, a technique for analyzing a sample using a sample image (STEM image) obtained by such a STEM is known.
STEMを用いた試料の解析の際には、試料について取得されたSTEM像から、そのSTEM像を計算により再現した像(計算像)を得て、その計算像を利用して試料の解析を行うことが有効な場合がある。 When analyzing a sample using the STEM, an image (calculated image) obtained by reproducing the STEM image is obtained from the STEM image acquired for the sample, and the sample is analyzed using the calculated image. May be effective.
しかし、STEM像を精度良く再現する計算像が得られなかったり、STEM像を精度良く再現する計算像を得るのに膨大な時間を要したりする場合があった。 However, there are cases where a calculation image that accurately reproduces the STEM image cannot be obtained, and it takes a long time to obtain a calculation image that accurately reproduces the STEM image.
一観点によれば、コンピュータに、試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成し、生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の原子の位置を計算した第1計算像を示す第1情報を生成し、生成された前記第1情報から、前記第1計算像の中央部を示す第2情報を抽出し、前記範囲を変更して、前記第1情報の生成及び前記第2情報の抽出を行い、抽出された前記第2情報群を用いて前記試料の第2計算像を生成する処理を実行させる試料解析プログラムが提供される。 According to one aspect, the computer, using a scanning transmission electron microscope image of the sample, to produce an atomic placement information including coordinate information indicating the position of the atoms contained in the sample, wherein the atom placement generated Using the coordinate information included in a part of the range in the information, first information indicating a first calculation image obtained by calculating the position of the atom in the range is generated, and the first information is generated from the generated first information . Extracting the second information indicating the center of one calculation image, changing the range, generating the first information and extracting the second information, and using the extracted second information group A sample analysis program for executing a process for generating a second calculation image of a sample is provided.
また、一観点によれば、試料の計算像を生成する試料解析装置及び試料解析方法が提供される。 Moreover , according to one viewpoint, the sample analysis apparatus and sample analysis method which produce | generate the calculation image of a sample are provided.
開示の技術によれば、STEM像を精度良く再現する計算像を、効率的に取得することが可能になる。また、このような計算像を用いることで、試料の解析精度の向上を図ることが可能になる。 According to the disclosed technology, it is possible to efficiently obtain a calculation image that accurately reproduces a STEM image. Further, by using such a calculation image, it is possible to improve the analysis accuracy of the sample.
まず、暗視野(Annular Dark Field;ADF)走査透過型電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope;STEM)により観察されるSTEM像の取得原理について説明する。 First, the principle of acquiring a STEM image observed with an dark dark field (ADF) scanning transmission electron microscope (STEM) will be described.
図1は、暗視野走査透過型電子顕微鏡により観察されるSTEM像の取得原理を示す図である。
ADFSTEM1000は、電子線を試料1100に入射する電子プローブ(図示を省略)と、試料1100で回折(散乱)した電子1300を検出する環状の検出器1400を少なくとも備える。検出器1400は、検出した電子1300から回折像が結像される面(回析像面)に設置されている。また、ADFSTEM1000の試料1100を観察するための制御を行って、試料1100の解析を行う試料解析装置(図示を省略)が当該ADFSTEM1000に接続されている。試料解析装置は、電子プローブから電子線を出射させて、その電子線の径をナノメートル以下に収束させて(収束電子線1200)、収束電子線1200を試料1100に入射させる。また、試料解析装置は、収束電子線1200を試料1100の主面に対してX方向及びY方向(図2に点線矢印で図示)に走査させて、検出器1400で検出した電子1300に基づいて回折像の生成処理等を行う。
FIG. 1 is a diagram showing the principle of acquiring a STEM image observed with a dark-field scanning transmission electron microscope.
The ADFSTEM 1000 includes at least an electron probe (not shown) that makes an electron beam incident on the
このようなADFSTEM1000を用いて、以下のようにして試料の解析が実行される。
ADFSTEM1000では、所定の観察位置に試料1100がセットされると、試料解析装置が、電子プローブから電子線を出射させ、その電子線を所望の径に収束させて(収束電子線1200)、収束電子線1200を試料1100に入射させる。収束電子線1200は試料1100に含まれる原子により任意の角度で回析する。検出器1400は、試料1100で回折した電子のうち所定の角度範囲で回折した電子1300の数を回折像面で検出する。試料解析装置は、検出器1400が検出した電子1300の数を収束電子線1200の試料1100に対する入射位置と同期させて、その数を像の強度とする。試料解析装置は、収束電子線1200を試料1100の主面に走査させて、収束電子線1200の入射位置ごとに対応する各像の強度から2次元の暗視野のSTEM像を生成し、取得する。
Using such an ADFSTEM 1000, the sample is analyzed as follows.
In the ADFSTEM 1000, when the
このSTEM像から、試料1100に含まれる原子柱の位置にその原子柱を構成する原子の原子番号に対応した強度を得ることができる。STEM像のコントラストは、電子プローブからの電子線を収束電子線1200に収束させる電磁レンズの焦点と試料1100の厚さとに殆ど依存しないため、STEM像は原子直視性に優れている。また、STEM像の空間分解能は収束電子線1200を収束する径に依存し、例えば、収束電子線1200の収束に球面収差補正装置を用いた場合では、その空間分解能は1nm以下まで達成することができる。
From this STEM image, the intensity corresponding to the atomic number of the atoms constituting the atomic column can be obtained at the position of the atomic column included in the
STEM像は、例えば、試料1100の欠陥構造や不純物原子の解析に利用することができる。このような解析においては、理論解析により取得される像を用いる手法が採られる場合がある。例えば、STEM像を計算により再現した計算像を取得し、その計算像を試料1100の欠陥構造等の解析に用いる。
The STEM image can be used, for example, for analysis of the defect structure of the
電子顕微鏡像からそれを再現するような計算像を取得するための計算手法としては、ブロッホ波法、マルチスライス法がある。しかし、これらの計算手法は、上記のようなSTEM像から精度の良い計算像を取得することが難しい場合がある。以下、この点について述べる。 As a calculation method for acquiring a calculation image that reproduces it from an electron microscope image, there are a Bloch wave method and a multi-slice method. However, in these calculation methods, it may be difficult to obtain a highly accurate calculation image from the STEM image as described above. This point will be described below.
ブロッホ波法は、結晶の並進対称性を利用し、実空間の結晶ポテンシャルをフーリエ変換して逆格子空間での結晶ポテンシャルを求め、求めた結晶ポテンシャルをシュレーディンガー方程式に代入し、結晶中の電子の振る舞いをブロッホ波(波動関数)として求める。ここでは、逆格子空間上に生じる全ての回折波が考慮され、その波の数Nに対応したN行N列の正方行列についてその固有値演算が行われ、結晶中のブロッホ波が計算される。このようにして求められたブロッホ波を用いて、結晶下面(電子線の入射面と反対側の面)での電子の振る舞いを求め、結晶を透過する電子を演算し、回折像を計算する。 The Bloch wave method uses the translational symmetry of crystals, Fourier transforms the crystal potential in real space to obtain the crystal potential in reciprocal lattice space, substitutes the obtained crystal potential into the Schrödinger equation, and Is calculated as a Bloch wave (wave function). Here, all diffracted waves generated in the reciprocal lattice space are taken into consideration, the eigenvalue calculation is performed on a square matrix of N rows and N columns corresponding to the number N of the waves, and a Bloch wave in the crystal is calculated. Using the Bloch waves thus obtained, the behavior of electrons on the lower surface of the crystal (the surface opposite to the incident surface of the electron beam) is obtained, the electrons passing through the crystal are calculated, and the diffraction image is calculated.
このようなブロッホ波法において、試料が、電子線の入射方向に垂直な2次元平面方向に周期性を有する結晶である場合には、フーリエ変換する際に周期境界条件を設定することができる。周期境界条件を設定することで、考慮すべき波の数を著しく増加させずに計算像を得ることができる。 In such a Bloch wave method, when the sample is a crystal having periodicity in a two-dimensional plane direction perpendicular to the incident direction of the electron beam, a periodic boundary condition can be set at the time of Fourier transform. By setting the periodic boundary condition, it is possible to obtain a calculation image without significantly increasing the number of waves to be considered.
これに対し、試料が、電子線の入射方向に垂直な2次元平面方向に周期性を有しない結晶である場合には、フーリエ変換する際に適正な周期境界条件を設定することが難しい。計算のために所定の計算範囲、例えば単位格子を数倍拡張した超格子の範囲を設定し、暗視野STEM像の計算像を得ようとすると、隣接計算範囲の境界部分で不連続が生じ、精度の良い計算像が得られない場合がある。周期境界条件を設定せずに計算しようとすると、暗視野STEM像の解像度と同じ逆格子点を全て考慮しなければならなくなり、例えば、512×512ピクセルの暗視野STEM像について計算する場合、約26万行26万列の正方行列の固有値演算が必要になる。これは現在の市販のコンピュータでは実質的に演算不可能なデータのサイズであり、演算を実現しようとすれば、大がかりな計算装置や膨大なメモリ、膨大な計算時間が必要になる。このような理由から、ブロッホ波法はこれまで、欠陥構造の解析に利用する計算像を暗視野STEM像から取得する際の計算手法としては不向きと考えられてきた。 On the other hand, when the sample is a crystal having no periodicity in the two-dimensional plane direction perpendicular to the incident direction of the electron beam, it is difficult to set an appropriate periodic boundary condition at the time of Fourier transform. Setting a predetermined calculation range for calculation, for example, a superlattice range obtained by expanding the unit cell several times, and obtaining a calculation image of a dark field STEM image, discontinuity occurs at the boundary portion of the adjacent calculation range, An accurate calculation image may not be obtained. If the calculation is performed without setting the periodic boundary condition, all the reciprocal lattice points having the same resolution as that of the dark field STEM image must be considered. For example, when the calculation is performed on the dark field STEM image of 512 × 512 pixels, An eigenvalue calculation of a square matrix of 260,000 rows and 260,000 columns is required. This is the size of data that is practically impossible to calculate with current commercially available computers, and if a calculation is to be realized, a large-scale computing device, a huge memory, and a huge calculation time are required. For this reason, the Bloch wave method has hitherto been considered unsuitable as a calculation method for obtaining a calculation image used for analyzing a defect structure from a dark field STEM image.
一方、マルチスライス法は、試料である結晶を薄い層に分割し、結晶上面から結晶下面までの各層の実空間を波動関数がどのように伝播していくかを演算し、結晶下面の波動関数を求める。マルチスライス法では、電子の伝播を、分割した各層の実空間の結晶ポテンシャルで演算でき、逆格子空間を考慮したりシュレーディンガー方程式を解いたりする必要がなく、2次元平面方向に周期境界条件がなくても結晶下面の波動関数を計算することができる。マルチスライス法は、試料が、電子線の入射方向に垂直な2次元平面方向に周期性を有しない結晶である場合にも、そのSTEM像から計算像を取得する際に利用できる計算手法の1つである。 On the other hand, the multi-slice method divides a sample crystal into thin layers, calculates how the wave function propagates in the real space of each layer from the crystal top surface to the crystal bottom surface, and calculates the wave function on the crystal bottom surface. Ask for. In the multi-slice method, the propagation of electrons can be calculated with the crystal potential in the real space of each divided layer, and there is no need to consider the reciprocal space or to solve the Schrödinger equation. Without it, the wave function of the lower surface of the crystal can be calculated. The multi-slice method is one of calculation methods that can be used when acquiring a calculation image from the STEM image even when the sample is a crystal having no periodicity in a two-dimensional plane direction perpendicular to the incident direction of the electron beam. One.
しかし、マルチスライス法では、ある電子線入射位置での計算を行った後、別の電子線入射位置での計算を行う場合、再度結晶上面から結晶下面までの波動関数の伝播を計算する必要がある。そのため、試料に対して電子線が走査されるSTEMのように、暗視野STEM像の解像度が、走査される電子線の入射位置に対応する場合、解像度の数だけ計算を繰り返さなければならず、計算時間が膨大になってしまう。例えば、暗視野STEM像の一画素についての計算の所要時間が10秒であったとしても、512×512ピクセルの像を計算するには、約30日(=512×512×10[sec]÷86400[sec/day])という膨大な時間がかかる。 However, in the multi-slice method, when calculation is performed at one electron beam incident position and then at another electron beam incident position, it is necessary to calculate the propagation of the wave function from the crystal top surface to the crystal bottom surface again. is there. Therefore, when the resolution of the dark field STEM image corresponds to the incident position of the scanned electron beam as in the STEM in which the electron beam is scanned with respect to the sample, the calculation must be repeated by the number of resolutions. Calculation time becomes enormous. For example, even if the calculation time for one pixel of the dark field STEM image is 10 seconds, it takes about 30 days (= 512 × 512 × 10 [sec] / division) to calculate an image of 512 × 512 pixels. 86400 [sec / day]).
そこで、以下の実施の形態では、STEM像からそれを精度良く再現する計算像を効率的に取得することのできる手法について、図面を参照して説明する。
まず、試料解析システムについて図2を用いて説明する。
Therefore, in the following embodiment, a technique that can efficiently acquire a calculation image that accurately reproduces a STEM image will be described with reference to the drawings.
First, the sample analysis system will be described with reference to FIG.
図2は、実施の形態に係る試料解析システムのハードウェア構成の一例を示す図である。
試料解析システム100は、少なくとも、試料を観察するSTEM200と、入力装置300、表示装置400、試料解析装置500を備える。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a hardware configuration of the sample analysis system according to the embodiment.
The sample analysis system 100 includes at least a
入力装置300は、例えば、キーボード、または、マウスであって、ユーザからの操作入力を受け付けて、試料解析装置500に入力信号を入力する。入力装置300は、具体的には、ユーザからの操作入力に基づいて、STEM200において、試料に電子線を出射させて、出射させた電子線を収束させて、収束させた電子線を試料に対して走査させる等の、STEM200の観察に関する動作制御等の入力信号を試料解析装置500に入力する。
The
表示装置400は、例えば、ディスプレイであって、STEM200で観察されたSTEM像、STEM像を用いて取得される計算像等の画像信号を試料解析装置500から受け付けて、その像を表示する。
The
試料解析装置500は、入力装置300からの入力信号に基づきSTEM200が備える電子プローブ、レンズ又はコイル等を制御して、STEM200に試料の観察を実行させて、観察した試料のSTEM像を表示装置400に表示させる。また、試料解析装置500は、STEM像に計算処理を行って、当該STEM像の計算像を生成する。このような試料解析装置500は、CPU(Central Processing Unit:中央演算処理装置)510a、RAM(Random Access Memory)510b、HDD(Hard Disk Drive)510c、グラフィック処理部510d、入出力インタフェース510eを備えており、これらの各部はバス510fで相互に接続されている。
The
CPU510aは、HDD510c等の記憶媒体に記憶された各種プログラムを実行することにより、この試料解析装置500全体を制御する。
RAM510bには、CPU510aに実行させるOS並びにプログラムの少なくとも一部が一時的に格納される。また、RAM510bには、CPU510aによる処理に必要な各種データが格納される。
The
The
HDD510cには、試料解析装置500上のOSやアプリケーションのプログラムが格納される。また、HDD510cには、CPU510aによる処理に必要な各種情報が格納される。
The HDD 510c stores the OS and application programs on the
グラフィック処理部510dには、表示装置400が接続されている。グラフィック処理部510dは、CPU510aからの命令に従って所定の画像を表示装置400に表示させる。
A
入出力インタフェース510eには、STEM200と入力装置300とが接続されている。また、入出力インタフェース510eは、可搬型記録媒体300aへの情報の書き込み、及び可搬型記録媒体300aからの情報の読み出しが可能な可搬型記録媒体インタフェースと接続可能になっている。入出力インタフェース510eは、バス510fを介してCPU510aからの制御信号をSTEM200に通知し、STEM200及び入力装置300からの信号を同様にCPU510aに通知する。
The
なお、試料解析装置500が備える機能の詳細については後述する。
次に、試料解析システム100に含まれるSTEM200の構成の詳細について図3を用いて説明する。
Details of the functions of the
Next, details of the configuration of the
図3は、実施の形態に係る試料解析システムのSTEMの構成例を示す図である。
STEM200は、電子線Bを出射する電子プローブ201と、電子プローブ201から出射された電子線Bを収束させる収束レンズ202と、電子プローブ201から出射された電子線Bの焦点を試料Sの位置に合焦させる対物レンズ204とを備える。収束レンズ202及び対物レンズ204には、電磁レンズを用いることができる。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of the STEM of the sample analysis system according to the embodiment.
The
STEM200は、電子プローブ201と対物レンズ204との間に配置されて電子線Bに試料210の表面を走査させる走査コイル203と、試料210を通過した電子線を結像面に結像させる結像レンズ205とを備える。
The
STEM200は、光軸OAから所定の角度範囲内に散乱した電子を検出する検出器206を備える。検出器206は、円板状の検出器であり、明視野像が結像する結像面に配置されている。
The
STEM200は、光軸OAから所定の角度範囲内に回折(散乱)した電子を検出する検出器207を備える。検出器207は、環状の検出器であり、暗視野像が結像する結像面に配置されている。
The
また、STEM200は、不要な電子線の拡がりをカットする収束レンズ絞り、又は球面収差・非点収差等の収差を補正する補正部を備えることも可能である。
次に、このような構成を備えるSTEM200による電子線Bの試料210での散乱原理について図4を用いて説明する。
In addition, the
Next, the principle of scattering of the electron beam B in the
図4は、STEMによる電子線の試料での散乱原理を示す図である。
なお、図4には、結晶試料中の電子の振る舞いを計算した結果の一例を示している。図4では、上記のようなSTEM200において、入射された電子線Bが試料210に含まれる原子柱で散乱し、散乱した電子213が検出器207で検出される様子を模式的に示している。
FIG. 4 is a diagram showing the principle of scattering of an electron beam by a STEM.
FIG. 4 shows an example of the result of calculating the behavior of electrons in the crystal sample. FIG. 4 schematically shows a state where the incident electron beam B is scattered by the atomic column included in the
STEM200では、収束レンズ202(図3)で収束された電子線Bが試料210の上部に入射すると、その電子212が電子線Bの入射位置周辺の原子柱211に極めて高密度に局在する。球面収差補正装置を用いて収束された電子線Bが試料210に入射する場合には、このような電子212の局在が、より顕著になる。
In the
図4では、試料210中の電子212の振る舞いを計算した結果の一例を示しており、電子212は電子線Bの入射位置から離れたところの原子にはほとんど局在しない。
電子線Bの入射位置周辺の原子柱211の位置に局在する電子212は原子柱211を構成する原子の熱振動により高角度に非弾性散乱される。この電子散乱の過程によって散乱される電子は、熱散漫散乱(Thermal Diffuse Scattering ;TDS)電子213と呼ばれる。
FIG. 4 shows an example of the result of calculation of the behavior of the
The
高角度に散乱されたTDS電子213は検出器207により検出される。TDS電子213の散乱能は原子の原子番号に依存する。このため、検出器207により検出されたTDS電子213に基づいて試料解析装置500が生成するSTEM像は、原子番号に依存した強度を示す。
The
次に、試料解析システム100の試料解析装置500が備える機能について図5を用いて説明する。
図5は、実施の形態に係る試料解析システムの試料解析装置が備える機能を表す機能ブロック図の一例を示す図である。
Next, functions of the
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a functional block diagram illustrating functions included in the sample analysis device of the sample analysis system according to the embodiment.
試料解析システム100の試料解析装置500は、画像保持部501と、原子情報保持部502、STEM制御部503、像生成部504、計算処理部505、表示処理部506を備える。
The
画像保持部501は、STEM200で観察されたSTEM像を示す情報、計算処理部505で計算された計算像を示す情報、及びその他の像を示す情報を保持する。なお、以下では、像を示す情報を、単に像とも表現する。
The
原子情報保持部502は、試料210に含まれる原子の位置を示す座標情報(XY座標)を含む原子配置情報を保持する。
STEM制御部503は、STEM200に試料210の観察を実行させるように、図3で示した各要素を制御する。STEM制御部503は、例えば、STEM200の電子プローブ201から電子線Bを出射させて、収束レンズ202及び対物レンズ204を制御して、電子線Bの径の収束及び焦点の調節を実行させる。また、STEM制御部503は、走査コイル203を制御して試料210の表面を電子プローブ201に走査させる。
The atom
The
像生成部504は、STEM200が検出器207で検出した電子の数に基づきSTEM像を生成し、そのSTEM像を画像保持部501に保持させる。
計算処理部505は、画像保持部501に保持されているSTEM像の計算像を計算するための計算処理を実行するものであり、ピークサーチ部505a、像計算部505b、画像処理部505cを含む。
The
The
ピークサーチ部505aは、試料210のSTEM像にピークサーチ処理を実行して、そのSTEM像から、試料210の原子配置情報を取得し、原子情報保持部502に保持させる。なお、ピークサーチ部505aによるピークサーチ処理は、原子の位置の取得漏れ、過剰な取得等が生じる恐れがあるものの、ピークサーチの精度にはこだわらない。
The peak search unit 505a executes a peak search process on the STEM image of the
像計算部505bは、ピークサーチ部505aが取得した原子配置情報内の一部を計算範囲を指定し、この計算範囲について計算を実行して、計算範囲の像を生成する。計算範囲の像の計算には、ブロッホ波法を用いることができる。像計算部505bは、計算範囲の像を生成すると、原子配置情報内で計算範囲を別の一部に移動させて、上記と同様にして、移動先の計算範囲について、その計算範囲の像を生成する。像計算部505bは、このようにして計算範囲を原子配置情報内で移動させて、各計算範囲の像を生成し、画像保持部501に保持させる。
The image calculation unit 505b designates a calculation range for a part of the atomic arrangement information acquired by the peak search unit 505a, performs calculation for the calculation range, and generates an image of the calculation range. The Bloch wave method can be used to calculate the image of the calculation range. When the image calculation unit 505b generates the image of the calculation range, the image calculation unit 505b moves the calculation range to another part in the atomic arrangement information, and the image of the calculation range is calculated for the calculation range of the movement destination in the same manner as described above. Generate. In this way, the image calculation unit 505b moves the calculation range within the atomic arrangement information, generates an image of each calculation range, and holds the image in the
また、像計算部505bは、生成した計算範囲の像から所定の部分のみを残して他の部分を除去(トリミング)したトリミング像を抽出する。
図4の説明の通り、収束された電子線Bが試料210の上部に入射されると、その電子212は電子線Bの入射位置周辺の原子柱211に局在するものの、原子柱211から離れた箇所にはほとんど局在しない。即ち、電子線Bの入射位置付近の原子柱211から離れたところの原子柱211はSTEM像の結像に寄与しないか或いは寄与してもその影響は極めて小さくなると言うことができる。
In addition, the image calculation unit 505b extracts a trimmed image obtained by removing (trimming) other portions while leaving only a predetermined portion from the generated image in the calculation range.
As illustrated in FIG. 4, when the converged electron beam B is incident on the upper portion of the
また、計算範囲として超格子の範囲が設定された場合には、超格子の非周期性により計算範囲の端に実際の構造とは異なる原子が現れ得る(偽像となり得る)ものの、その中央部ではそのようなことが起こりにくい。 In addition, when a superlattice range is set as the calculation range, atoms different from the actual structure may appear at the end of the calculation range due to the non-periodicity of the superlattice (which may be a false image), but at the center Then that is unlikely to happen.
この計算範囲の計算像の中央部は、STEM像取得時の電子線B入射位置付近、即ち電子212が局在する領域に相当し、結像に電子線B入射位置付近の周辺領域からの影響がないか或いは極めて小さい領域に相当する。このような周辺領域からの影響が抑えられた電子線B入射位置付近のSTEM像は、計算範囲の計算像の中央部と、精度良く一致する。そこで、計算範囲の計算像のうち、実際の構造とは異なる原子が現れ得る計算像周辺領域であり、STEM像取得時の電子線B入射位置付近の結像に影響を及ぼしにくいSTEM像周辺領域に相当する計算像周辺領域を、トリミングする。そして、STEM像取得時の電子線B入射位置付近に相当する計算像中央部を、トリミング像として残す。これにより、STEM像から精度良く再現された計算像を生成することが可能になる。
The central portion of the calculation image in this calculation range corresponds to the vicinity of the electron beam B incident position at the time of STEM image acquisition, that is, the region where the
トリミング像のサイズは、STEM像取得時に試料210に入射される電子線Bの径に基づいて設定することができる。例えば、球面収差補正を行って電子線Bの径が0.2nm程度になる場合、その電子線Bの径を一辺とするようなサイズの矩形領域を、トリミング像として計算範囲の計算像から抽出する。また、計算範囲のサイズは、STEM像取得時の電子線B入射位置付近の周辺領域が、その入射位置付近の結像に影響を及ぼさない程度の範囲に設定することができ、例えば、一辺が0.8nmの超格子の範囲に設定することができる。
The size of the trimmed image can be set based on the diameter of the electron beam B incident on the
画像処理部505cは、各計算範囲の像から抽出したトリミング像を張り合わせてSTEM像の計算像を合成して、画像保持部501に保持させる。また、画像処理部505cは、STEM像と計算像との差分を算出して、その差分に応じて計算像に対して原子を追加または削除(計算像を示す情報に対して原子を示す座標を追加または削除)する処理を行う。
The image processing unit 505c combines the trimmed images extracted from the images in the respective calculation ranges, combines the calculated images of the STEM images, and holds the combined images in the
表示処理部506は、画像保持部501が保持するSTEM像または計算像を表示装置400に表示させる。
なお、試料解析装置500が備える原子情報保持部502と、STEM制御部503、像生成部504、計算処理部505(ピークサーチ部505a、像計算部505b、画像処理部505c)、表示処理部506は、CPU510a(図2)により試料解析プログラムが実行されることによりその処理機能が実現される。
The
Note that the atomic
次に、試料解析装置500で実行される試料解析処理について図6を用いて説明する。
図6は、実施の形態に係る試料解析装置で実行される試料解析処理の一例を示すフローチャートである。
Next, a sample analysis process executed by the
FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of a sample analysis process executed by the sample analysis apparatus according to the embodiment.
ユーザが解析対象の試料210をSTEM200の所定の位置にセットして、試料解析装置500に対して解析開始の操作入力を行うと、試料解析装置500は、初期化した後に以下の処理を実行する。
When the user sets the
[ステップS11] STEM制御部503は、STEM200の電子プローブ201から電子線Bを出射させて、収束レンズ202及び対物レンズ204を制御して、試料210に入射する電子線Bの径を収束させて、試料210に対する電子線Bの焦点を合わせる。さらに、STEM制御部503は、走査コイル203から発生させる磁場を制御して、試料210に対して電子線Bを走査させる。このようにして入射されて、走査する電子線Bは試料210で回折して、回折した電子は検出器207で検出される。
[Step S11] The
像生成部504は、試料210に対する電子線Bの入射位置ごとに検出された電子の数(像の強度)を検出器207から取得して、STEM像を生成する。像生成部504は、そのSTEM像を画像保持部501に保持させる。
The
[ステップS12] 計算処理部505のピークサーチ部505aは、画像保持部501に保持されているSTEM像にピークサーチ処理を実行して、STEM像から試料210の原子配置情報を取得する。
[Step S12] The peak search unit 505a of the
ピークサーチ部505aは、この原子配置情報を原子情報保持部502に保持させる。
[ステップS13] 計算処理部505は、原子情報保持部502が保持する原子配置情報内に指定した計算範囲について、ブロッホ波法を用いた計算処理を実行し、計算範囲の像を生成し、当該像からトリミング像を抽出する。
The peak search unit 505a causes the atomic
[Step S13] The
計算処理部505は、抽出したトリミング像を画像保持部501に保持させる。
なお、ステップS13の処理の詳細については後述する。
[ステップS14] 計算処理部505の画像処理部505cは、画像保持部501が保持する計算範囲ごとのトリミング像を張り合わせて、STEM像の計算像を合成する。
The
Details of the processing in step S13 will be described later.
[Step S14] The image processing unit 505c of the
画像処理部505cは、合成した計算像を画像保持部501に保持させる。
[ステップS15] 計算処理部505の画像処理部505cは、ステップS11で取得したSTEM像と、ステップS14で合成した計算像との差分を算出する。
The image processing unit 505c causes the
[Step S15] The image processing unit 505c of the
[ステップS16] 計算処理部505の画像処理部505cは、ステップS15で差分を算出して、差分が得られた否かを判定する。
画像処理部505cは、差分が得られた場合にはステップS17の処理を実行し、差分が得られなかった場合には試料解析処理を終了する。
[Step S16] The image processing unit 505c of the
The image processing unit 505c executes the process of step S17 when the difference is obtained, and ends the sample analysis process when the difference is not obtained.
画像処理部505cは、差分が得られた場合には、その差分を画像保持部501に保持させる。
[ステップS17] 計算処理部505のピークサーチ部505aは、画像保持部501が保持するSTEM像と計算像との差分にピークサーチ処理を実行して、その差分における原子の位置を示す位置情報を含む差分原子配置情報を取得する。
When the difference is obtained, the image processing unit 505c causes the
[Step S17] The peak search unit 505a of the
ピークサーチ部505aは、この差分原子配置情報を原子情報保持部502に保持させる。
[ステップS18] 計算処理部505の画像処理部505cは、ステップS14で合成した計算像に原子の位置の取得漏れ、または、過剰な取得が含まれているか否かを判定する。そのために、STEM像に差分原子配置情報の原子が全て含まれるか、または、STEM像に差分原子配置情報には含まれない原子があるかを判定する。
The peak search unit 505a causes the atomic
[Step S <b> 18] The image processing unit 505 c of the
画像処理部505cは、STEM像に全ての差分原子配置情報の原子が含まれる場合、即ち、計算像に原子の位置の取得漏れが含まれる場合には、ステップS19の処理を実行する。一方、画像処理部505cは、STEM像に差分原子配置情報には含まれない原子がある場合、即ち、計算像に原子の位置の過剰な取得が含まれる場合には、ステップS20の処理を実行する。 The image processing unit 505c executes the process of step S19 when all the atoms of the difference atom arrangement information are included in the STEM image, that is, when acquisition of the position of the atom is included in the calculation image. On the other hand, if there is an atom that is not included in the difference atom arrangement information in the STEM image, that is, if the calculation image includes excessive acquisition of the position of the atom, the image processing unit 505c executes the process of step S20. To do.
[ステップS19] 計算処理部505の画像処理部505cは、ステップS17で取得した差分原子配置情報を含む計算範囲(ステップS13)について、取得漏れの位置に原子(原子を示す座標)を追加する処理を実行する。
[Step S19] The image processing unit 505c of the
[ステップS20] 計算処理部505の画像処理部505cは、ステップS17で取得した差分原子配置情報を含む計算範囲(ステップS13)について、原子が過剰に取得された位置からその原子(原子を示す座標)を削除する処理を実行する。
[Step S20] The image processing unit 505c of the
[ステップS21] 計算処理部505の像計算部505bは、ステップS19で原子を追加した計算範囲またはステップS20で原子を削除した計算範囲について再度計算処理を実行し、それらの計算範囲の像を生成し、当該像からトリミング像を抽出する。
[Step S21] The image calculation unit 505b of the
像計算部505bは、再計算した計算範囲の像から抽出したトリミング像を画像保持部501に保持させて、画像保持部501が保持していた再計算される前の計算範囲の像のトリミング像が更新される。
The image calculation unit 505b holds the trimming image extracted from the recalculated calculation range image in the
この後のステップS14では、画像処理部505cは、ステップS21のトリミング像も含めて計算像を再合成する。
以上により、試料解析装置500で実行される試料解析処理が終了する。
In subsequent step S14, the image processing unit 505c resynthesizes the calculated image including the trimmed image in step S21.
Thus, the sample analysis process executed by the
次に、図6の試料解析処理で実行されるSTEM像の計算処理(ステップS13)について図7を用いて説明する。
図7は、実施の形態に係る試料解析装置で実行されるSTEM像の計算処理の一例を示すフローチャートである。
Next, STEM image calculation processing (step S13) executed in the sample analysis processing of FIG. 6 will be described with reference to FIG.
FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of STEM image calculation processing executed by the sample analyzer according to the embodiment.
[ステップS13a] 像計算部505bは、ピークサーチ処理でSTEM像から取得した原子配置情報に対して計算範囲を指定する。
[ステップS13b] 像計算部505bは、指定した計算範囲内の原子の原子配置情報を抽出する。
[Step S13a] The image calculation unit 505b specifies a calculation range for the atomic arrangement information acquired from the STEM image in the peak search process.
[Step S13b] The image calculation unit 505b extracts atomic arrangement information of atoms within a specified calculation range.
[ステップS13c] 像計算部505bは、計算範囲から抽出した原子の原子配置情報に基づき、計算範囲について計算処理を実行して、その計算範囲の像を生成する。
[ステップS13d] 像計算部505bは、計算範囲の像をトリミングして、トリミング像を抽出する。
[Step S13c] The image calculation unit 505b performs a calculation process on the calculation range based on the atomic arrangement information of the atoms extracted from the calculation range, and generates an image of the calculation range.
[Step S13d] The image calculation unit 505b trims the image in the calculation range and extracts a trimmed image.
[ステップS13e] 像計算部505bは、ピークサーチ処理(ステップS12)で取得した原子配置情報について全て計算完了したか否かを判定する。
像計算部505bは、全て計算完了していない場合には、ステップS13fの処理を実行し、全て計算完了した場合には、STEM像の計算処理を終了して、ステップS14の処理を実行する。
[Step S13e] The image calculation unit 505b determines whether or not the calculation has been completed for all the atomic arrangement information acquired in the peak search process (step S12).
If all the calculations are not completed, the image calculation unit 505b executes the process of step S13f. If all the calculations are completed, the image calculation unit 505b ends the STEM image calculation process and executes the process of step S14.
[ステップS13f] 像計算部505bは、STEM像に対して計算範囲を移動させる。
この後、像計算部505bは、再び、ステップS13bの処理を実行する。
[Step S13f] The image calculation unit 505b moves the calculation range with respect to the STEM image.
Thereafter, the image calculation unit 505b executes the process of step S13b again.
以上により、ステップS13のSTEM像の計算処理が終了する。
なお、像計算部505bにより、ステップS13a〜13c,13fに従って複数の計算範囲の像を生成した後、それらの計算範囲の像からそれぞれトリミング像を抽出するようにすることもできる。
Thus, the STEM image calculation process in step S13 ends.
Note that the image calculation unit 505b can generate a plurality of calculation range images in accordance with steps S13a to 13c and 13f, and then extract a trimmed image from each of the calculation range images.
次に、上記のフローチャート(図6及び図7)に従って実行される試料解析処理について具体的に説明する。
(第1実施例)
第1実施例では、電子線Bの入射する方向に対して垂直な2次元平面に周期構造を有する系で計算した広範囲の計算像を、周期性が無くなるように適当な角度だけ回転し、正方形に切り出すことによって得られた像を、STEM像(元画像)としている。
Next, the sample analysis process executed according to the flowcharts (FIGS. 6 and 7) will be specifically described.
(First embodiment)
In the first embodiment, a wide range of calculation images calculated by a system having a periodic structure in a two-dimensional plane perpendicular to the incident direction of the electron beam B are rotated by an appropriate angle so as to eliminate periodicity, and square The image obtained by cutting out into STEM images is an STEM image (original image).
このようなSTEM像について、試料解析装置500の計算処理部505で実行される試料解析処理について図6及び図7のフローチャートに沿って、図8〜図10を用いて説明する。
With respect to such a STEM image, a sample analysis process executed by the
図8は、第1実施例のSTEM像の一例を示す図であり、図9は、第1実施例に係る試料解析装置で実行されるSTEM像の計算処理を説明するための図である。また、図10は、第1実施例に係る試料解析装置で得られた計算像を示す図であり、図10(A)はSTEM像を、図10(B)はSTEM像の計算像を、それぞれ示している。 FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the STEM image of the first embodiment, and FIG. 9 is a diagram for explaining the calculation processing of the STEM image executed by the sample analyzer according to the first embodiment. FIG. 10 is a diagram showing a calculation image obtained by the sample analysis apparatus according to the first example. FIG. 10A shows a STEM image, FIG. 10B shows a calculation image of the STEM image, Each is shown.
まず、試料解析装置500の画像保持部501には、図8に示す、Si(シリコン)(011)のSTEM像10が予め保持されている。
計算処理部505のピークサーチ部505aは、このSTEM像10に対してピークサーチ処理を実行して、STEM像10から原子の位置を示す原子配置情報を取得する(図6:ステップS12)。
First, the
The peak search unit 505a of the
なお、第1実施例では、計算像をSTEM像10(元画像)としているために、ノイズ等の影響を受けずにピークサーチ処理によりSTEM像10の全原子柱の位置を示す原子配置情報を取得することができる。
In the first embodiment, since the calculation image is the STEM image 10 (original image), the atomic arrangement information indicating the positions of all atomic columns of the
次いで、計算処理部505がSTEM像10の計算処理を実行する(図6:ステップS13)。
具体的には、まず、計算処理部505の像計算部505bは、図9(A)に示すように、ピークサーチ処理によりSTEM像10から取得した原子配置情報20に対して、例えば、一辺が0.8nm程度の超格子である計算範囲21を指定して、計算範囲21内の原子の原子配置情報を抽出する(図7:ステップS13a,S13b)。
Next, the
Specifically, first, as shown in FIG. 9A, the image calculation unit 505b of the
像計算部505bは、計算範囲21から抽出した原子の原子配置情報に基づき、計算範囲21について計算処理を実行して、図9(B)に示すように、その計算範囲21の像31を生成する(図7:ステップS13c)。
The image calculation unit 505b executes calculation processing for the
像計算部505bは、像31の一辺が0.2nm程度の中心部分以外の範囲をトリミングして、トリミングされたトリミング像32a(図9(B)参照)を取得する(図7:ステップS13d)。
The image calculation unit 505b trims a range other than the central portion where one side of the
像計算部505bは、ピークサーチ処理で取得した原子配置情報20について全て計算完了したか否かを判定し、全ての計算が完了していない場合には、計算範囲21から、図9(A)中右側に0.2nmシフトして計算範囲22を新たに指定する(図7:ステップS13e,S13f)。
The image calculation unit 505b determines whether or not the calculation has been completed for all the
像計算部505bは、計算範囲22についても、計算範囲21の場合と同様に計算処理して生成した像32からトリミング像32aを取得する(図7:ステップS13b〜S13d)。
The image calculation unit 505b also acquires the trimming
像計算部505bは、ピークサーチ処理で取得した原子配置情報20について全て計算完了したか否かを判定し、全ての計算が完了していない場合には、計算範囲22から、図9(A)中右側に0.2nmシフトして計算範囲23を新たに指定する(図7:ステップS13e,S13f)。
The image calculation unit 505b determines whether or not the calculation is complete for the
像計算部505bは、計算範囲23についても、計算範囲21の場合と同様に計算処理して生成した像33からトリミング像33aを取得する(図7:ステップS13b〜S13d)。
The image calculation unit 505b also acquires the trimming
像計算部505bは、このようにして原子配置情報20について全て計算完了するまで計算範囲を移動してトリミング像を取得する(ステップS13e,S13f,S13b〜S23d)。
The image calculation unit 505b moves the calculation range until the calculation of all the
次いで、画像処理部505cは、原子配置情報20の計算範囲ごとのトリミング像31a〜33a,…を張り合わせて(図9(E))、図10(B)に示すように、STEM像の計算像30を合成する(図7:ステップS14)。
Next, the image processing unit 505c puts together the trimmed
次いで、画像処理部505cは、STEM像10と、STEM像10に対応する計算像30との差分を算出する(図6:ステップS15,S16)。
既述の通り、第1実施例では、ノイズ等の影響を受けずにピークサーチ処理によりSTEM像10の全原子柱の位置を示す原子配置情報を取得することができる。このため、STEM像10と、STEM像10に対する計算像30とから差分がないことを判定して(図6:ステップS16(no))、試料解析処理が終了する。
Next, the image processing unit 505c calculates a difference between the
As described above, in the first embodiment, the atomic arrangement information indicating the positions of all atomic columns of the
第1実施例において、試料解析装置500は、STEM像10から原子柱の位置を示す原子配置情報20を取得し、原子配置情報20内に指定した計算範囲について計算して、計算範囲の像を生成し、生成された像をトリミングしてトリミング像を抽出する。さらに、試料解析装置500は、このような計算範囲を原子配置情報20内で移動させて、各計算範囲からトリミング像を抽出し、トリミング像を張り合わせて計算像30を生成する。
In the first embodiment, the
このとき、原子配置情報20に指定した計算範囲は、その境界部分は本来原子柱が存在していない位置にも原子が存在しているような偽像を含み、その中心部分は本来の原子柱の位置を正確に反映した像となっている。そこで、トリミング像は、計算範囲をトリミングして中心部分を抽出したものである。計算像30は、このようなトリミング像を張り合わせて合成したものであるために、非周期構造を含むSTEM像10を精度良く再現するようになる。
At this time, the calculation range specified in the
また、計算像30は、大規模な行列演算や、電子線の入射位置ごとに試料の上面から下面までの波動関数の計算を行うことなく生成される。このため、計算像30の生成で必要とされる計算量が減少されて、計算時間が短縮し、計算に用いられるRAM510bの使用容量も減少する。
Further, the
(第2実施例)
第2実施例では、図6及び図7のフローチャートにより試料解析処理を利用した別の具体例について図11及び図12を用いて説明する。
(Second embodiment)
In the second embodiment, another specific example using the sample analysis process will be described with reference to FIGS. 11 and 12 according to the flowcharts of FIGS.
図11は、第2実施例に係る試料解析装置で得られた原子が欠落した計算像を示す図であって、図11(A)はSTEM像を示し、図11(B)は計算像をSTEM像に重ね合わせた状態を示している。 11A and 11B are diagrams showing calculation images obtained by the sample analyzer according to the second embodiment in which atoms are missing. FIG. 11A shows a STEM image, and FIG. 11B shows a calculation image. A state in which the image is superimposed on the STEM image is shown.
また、図12は、第2実施例に係る試料解析装置で得られる原子が追加された計算像を示す図であって、図12(A)は、STEM像と計算像との差分の像を示し、図12(B)は原子が追加された計算像をSTEM像に重ね合わせた状態を示している。 FIG. 12 is a diagram showing a calculation image in which atoms obtained by the sample analyzer according to the second embodiment are added. FIG. 12A shows an image of the difference between the STEM image and the calculation image. FIG. 12B shows a state in which the calculated image with the atoms added is superimposed on the STEM image.
ユーザが試料をSTEM200の所定の位置にセットして、試料解析装置500に対して解析開始の操作入力を行うと、試料解析装置500が試料の観察を実行する。
STEM制御部503が、STEM200において試料210に対して電子線Bを入射並びに走査させて、試料210で回折した電子を検出させる。像生成部504は、試料210に対する電子線Bの入射位置ごとに検出された電子の数(像の強度)を取得して、図11(A)に示すSTEM像10aを生成する(図6:ステップS11)。
When the user sets a sample at a predetermined position of the
The
図11(A)によれば、STEM像10aは、図11(A)中、左上から右下にかけて中心部分を跨ぐように狭い範囲の双晶欠陥が含まれている。この双晶欠陥により電子線Bと垂直な2次元平面方向の周期性が損なわれている。
According to FIG. 11 (A), the
次いで、計算処理部505のピークサーチ部505aが、STEM像10aにピークサーチ処理を実行して、STEM像10aから試料210に含まれる原子の位置を示す原子配置情報を取得する(図6:ステップS12)。
Next, the peak search unit 505a of the
計算処理部505は、取得した原子配置情報内に指定した一辺が0.8nmの超格子の範囲である計算範囲について計算処理を実行し、計算範囲の像を生成し、当該像をトリミングして一辺が0.2nmの中心部分からトリミング像を抽出する。計算処理部505は、ピークサーチ処理で取得した全ての原子配置情報について像の計算が完了するまで計算範囲を移動させて、上記と同様にトリミング像を抽出し、画像保持部501に保持させる(図6:ステップS13、図7:ステップS13a〜S13f)。
The
画像処理部505cは、画像保持部501が保持する計算範囲ごとのトリミング像を張り合わせて、STEM像の計算像30aを合成する(図6:ステップS14)。
図11(B)には、STEM像10aに重ね合せた計算像30aが示されている。これによれば、計算像30aには、図11(B)中破線の円で囲まれた箇所の原子が抜け落ちていることが認められる。これは、STEM像10aに対するピークサーチ処理時に、STEM像10aから試料210に含まれる一部の原子の位置を示す原子配置情報を取得することができなかったことによる。
The image processing unit 505c combines the trimmed images for each calculation range held by the
FIG. 11B shows a
次いで、画像処理部505cは、STEM像10aと計算像30aとの差分を算出して、その差分の像に対してピークサーチ処理を実行して、差分における原子の位置を示す原子配置情報40を取得する(図6:ステップS15〜S17)。
Next, the image processing unit 505c calculates a difference between the
図12(A)には、STEM像10aと計算像30aとの差分における原子の位置を示す原子配置情報40が示されている。これによれば、STEM像10aに対するピークサーチ処理で取得することができなかった位置に原子が存在することが分かる。
FIG. 12A shows
画像処理部505cは、STEM像10aに原子配置情報40が全て含まれることを判定して、原子配置情報40の原子の位置を含む計算範囲に原子を追加する(図6:ステップS18,S19)。
The image processing unit 505c determines that the
像計算部505bは、原子配置情報40における位置の原子が追加された計算範囲について計算処理を再度実行し、それらの計算範囲の像を生成し、当該像からトリミング像を抽出する。像計算部505bは、再計算した計算範囲の像から抽出したトリミング像を画像保持部501に保持させて、画像保持部501が保持していた再計算される前の計算範囲の像のトリミング像が更新される(図6:ステップS21)。
The image calculation unit 505b performs the calculation process again on the calculation range to which the atom at the position in the
画像処理部505cは、更新されたトリミング像も用いて計算像30bを再合成する(図6:ステップS14)。
図12(B)には、STEM像10aに重ね合せた計算像30bが示されている。これによれば、計算像30bとSTEM像10aとの原子の位置が一致していることが認められる。
The image processing unit 505c re-synthesizes the
FIG. 12B shows a
画像処理部505cは、STEM像10aと計算像30bとの差分がないことを判定して(図6:ステップS16(no))、試料解析処理が終了する。
第2実施例でも、第1実施例と同様に、試料解析装置500は、STEM像10から原子柱の位置を示す原子配置情報20を取得し、原子配置情報20内に指定した計算範囲について計算して、計算範囲の像を生成し、生成された像をトリミングしてトリミング像を抽出する。さらに、試料解析装置500は、このような計算範囲を原子配置情報20内で移動させて、各計算範囲からトリミング像を抽出し、トリミング像を張り合わせて計算像30を生成することができる。
The image processing unit 505c determines that there is no difference between the
Also in the second embodiment, similarly to the first embodiment, the
このとき、原子配置情報に指定した計算範囲は、その境界部分は本来原子柱が存在していない位置にも原子が存在しているような偽像を含み、その中心部分は本来の原子柱の位置を正確に反映した像となっている。そこで、トリミング像は、計算範囲をトリミングして中心部分を抽出したものである。 At this time, the calculation range specified in the atomic arrangement information includes a false image in which the boundary part includes atoms at positions where the atomic column originally does not exist, and the central part includes the original atomic column. The image accurately reflects the position. Therefore, the trimmed image is obtained by trimming the calculation range and extracting the central portion.
さらに、STEM像10aから原子柱の位置を示す原子配置情報を取得した際に、その位置の取得漏れまたは過剰取得が生じても、STEM像10aと、STEM像10aの計算像30aとの差分の像から、取得漏れまたは過剰取得の原子柱の位置を示す原子配置情報40を取得して、取得した原子配置情報40で示される位置を含む計算範囲に原子を追加または削除するようにした。
Further, when the atomic arrangement information indicating the position of the atomic column is acquired from the
したがって、計算像30bは、このような計算範囲の像の中心部分から抽出したトリミング像を張り合わせて合成したものであるために、非周期構造を含むSTEM像10aをより精度良く再現するようになる。
Therefore, since the
また、第2実施例の計算像30bも、大規模な行列演算や、電子線の入射位置ごとに試料の上面から下面までの波動関数の計算を行うことなく生成される。このため、計算像30bの生成で必要とされる計算量が減少されて、計算時間が短縮し、計算に用いられるRAM510bの使用容量も減少する。
Further, the
上記の第1実施例及び第2実施例では、一辺が8nmサイズのSi積層欠陥の計算を行い、元画像と、それを用いて取得した計算像との間に、極めて良い一致が見られる。
仮にこの規模の計算を、ブロッホ波法を用いて従来通りの方法を用いて行おうとすると、10000行10000列の固有値演算を行う必要がある。これは現在の市販のコンピュータでは実質演算不可能なサイズであり、また膨大なメモリも必要とされる。これに対し、上記の第1実施例及び第2実施例では、一辺が0.8nmという1/10のサイズの超格子を計算に用いているため、1000行1000列の固有値演算で済む。この計算規模は、試料の解析を行ううえで極めて現実的な計算規模であると言える。
In the first and second embodiments described above, a Si stacking fault having a size of 8 nm on one side is calculated, and a very good match is found between the original image and a calculated image obtained using the same.
If calculation of this scale is performed using the conventional method using the Bloch wave method, it is necessary to perform eigenvalue calculation of 10,000 rows and 10,000 columns. This is a size that is practically impossible to calculate with current commercially available computers, and also requires a huge amount of memory. On the other hand, in the first and second embodiments described above, a superlattice having a size of 1/10 having a side of 0.8 nm is used for the calculation, and therefore, eigenvalue calculation of 1000 rows and 1000 columns is sufficient. This calculation scale can be said to be a very realistic calculation scale in analyzing a sample.
また、例えば896ピクセル×896ピクセルの解像度の像をマルチスライス法で演算する場合、画素数分の繰り返し演算を必要とするため、802816回の繰り返し演算が必要になる。マルチスライス法では、仮に一画素の計算の所要時間が10秒だとしても、上記解像度の像の計算には、80日以上の計算時間を要してしまう。これに対し、上記の第1実施例及び第2実施例では、計算像の取得までに要する演算を6日程度で終了させることができ、10倍以上の効率化を図ることができる。 Further, for example, when an image having a resolution of 896 pixels × 896 pixels is calculated by the multi-slice method, it is necessary to repeat the calculation for the number of pixels, and thus it is necessary to perform 802,816 repetitions. In the multi-slice method, even if the time required for calculation of one pixel is 10 seconds, calculation of an image with the above resolution requires calculation time of 80 days or more. On the other hand, in the first and second embodiments, the calculation required to obtain the calculation image can be completed in about 6 days, and the efficiency can be increased by 10 times or more.
なお、上記の処理機能は、コンピュータによって実現することができる。その場合、試料解析装置500が有すべき機能の処理内容を記述したプログラムが提供される。そのプログラムをコンピュータで実行することにより、上記処理機能がコンピュータ上で実現される。処理内容を記述したプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体(可搬型記録媒体を含む)に記録しておくことができる。コンピュータで読み取り可能な記録媒体としては、磁気記録装置、光ディスク、光磁気記録媒体、半導体メモリ等がある。磁気記録装置には、ハードディスク装置(HDD:Hard Disk Drive)、フレキシブルディスク(FD)、磁気テープ等がある。光ディスクには、DVD(Digital Versatile Disc)、DVD−RAM、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R(Recordable)/RW(ReWritable)等がある。光磁気記録媒体には、MO(Magneto-Optical disk)等がある。
The above processing functions can be realized by a computer. In that case, a program describing the processing contents of the functions that the
プログラムを流通させる場合には、例えば、そのプログラムが記録されたDVD、CD−ROM等の可搬型記録媒体が販売される。また、プログラムをサーバコンピュータの記憶装置に格納しておき、ネットワークを介して、サーバコンピュータから他のコンピュータにそのプログラムを転送することもできる。 When distributing the program, for example, a portable recording medium such as a DVD or a CD-ROM in which the program is recorded is sold. It is also possible to store the program in a storage device of a server computer and transfer the program from the server computer to another computer via a network.
プログラムを実行するコンピュータは、例えば、可搬型記録媒体に記録されたプログラムもしくはサーバコンピュータから転送されたプログラムを、自己の記憶装置に格納する。そして、コンピュータは、自己の記憶装置からプログラムを読み取り、プログラムに従った処理を実行する。なお、コンピュータは、可搬型記録媒体から直接プログラムを読み取り、そのプログラムに従った処理を実行することもできる。また、コンピュータは、サーバコンピュータからプログラムが転送されるごとに、逐次、受け取ったプログラムに従った処理を実行することもできる。 The computer that executes the program stores, for example, the program recorded on the portable recording medium or the program transferred from the server computer in its own storage device. Then, the computer reads the program from its own storage device and executes processing according to the program. The computer can also read the program directly from the portable recording medium and execute processing according to the program. Further, each time the program is transferred from the server computer, the computer can sequentially execute processing according to the received program.
以上説明した実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
(付記1) コンピュータに、
試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成し、
生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の像を示す第1情報を生成し、
生成された前記第1情報から、前記範囲の像の中央部を示す第2情報を抽出し、
前記範囲を変更して、前記第1情報の生成及び前記第2情報の抽出を行い、
抽出された前記第2情報群を用いて前記試料の計算像を生成する
処理を実行させることを特徴とする試料解析プログラム。
Regarding the embodiment described above, the following additional notes are further disclosed.
(Supplementary note 1)
Using the scanning transmission electron microscope image of the sample, generate atomic arrangement information including coordinate information indicating the position of the atoms contained in the sample,
Using the coordinate information included in a partial range in the generated atomic arrangement information, to generate first information indicating an image of the range,
From the generated first information, second information indicating a central portion of the image of the range is extracted,
Changing the range, generating the first information and extracting the second information;
A sample analysis program for executing a process of generating a calculated image of the sample using the extracted second information group.
(付記2) 前記第2情報群の各々が示す像を張り合わせて前記計算像を生成することを特徴とする付記1に記載の試料解析プログラム。
(付記3) 前記範囲の像の中央部は、前記走査透過型電子顕微鏡像の取得時に前記試料に照射された電子線の径に基づいて設定されることを特徴とする付記1又は2に記載の試料解析プログラム。
(Additional remark 2) The sample analysis program of
(Additional remark 3) The center part of the image of the said range is set based on the diameter of the electron beam irradiated to the said sample at the time of the said scanning transmission electron microscope image acquisition, The
(付記4) 前記範囲は、前記試料の超格子で規定されることを特徴とする付記1乃至3のいずれかに記載の試料解析プログラム。
(付記5) 前記第1情報を、前記範囲に含まれる前記座標情報を用いたブロッホ波法を用いて生成することを特徴とする付記1乃至4のいずれかに記載の試料解析プログラム。
(Additional remark 4) The said range is prescribed | regulated by the superlattice of the said sample, The sample analysis program in any one of
(Supplementary note 5) The sample analysis program according to any one of
(付記6) 前記コンピュータに、
前記走査透過型電子顕微鏡像と前記計算像との差分を示す第3情報を生成し、
前記第3情報を用いて前記計算像を補正する
処理を更に実行させることを特徴とする付記1乃至5のいずれかに記載の試料解析プログラム。
(Appendix 6) In the computer,
Generating third information indicating a difference between the scanning transmission electron microscope image and the calculated image;
The sample analysis program according to any one of
(付記7) 前記計算像を補正する処理は、
前記第3情報を用い、前記原子配置情報内の、前記差分が存在する差分範囲について、前記差分範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記差分範囲の像を示す第4情報を生成し、
前記第4情報から、前記差分範囲の像の中央部を示す第5情報を抽出し、
前記第5情報を用いて前記計算像を補正する
処理を含むことを特徴とする付記6に記載の試料解析プログラム。
(Supplementary Note 7) The process of correcting the calculation image is as follows.
Using the third information, for the difference range in which the difference exists in the atomic arrangement information, the coordinate information included in the difference range is used to generate fourth information indicating an image of the difference range,
From the fourth information, extract fifth information indicating a central portion of the image of the difference range,
The sample analysis program according to appendix 6, including a process of correcting the calculation image using the fifth information.
(付記8) 試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成する第1生成部と、
前記第1生成部によって生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の像を示す第1情報を生成する第2生成部と、
前記第2生成部によって生成された前記第1情報から、前記範囲の像の中央部を示す第2情報を抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された前記第2情報を用いて前記試料の計算像を生成する第3生成部と
を含むことを特徴とする試料解析装置。
(Additional remark 8) The 1st production | generation part which produces | generates the atomic arrangement | positioning information containing the coordinate information which shows the position of the atom contained in the said sample using the scanning transmission electron microscope image of a sample,
A second generation unit that generates first information indicating an image of the range using the coordinate information included in a partial range in the atomic arrangement information generated by the first generation unit;
An extraction unit that extracts second information indicating a central portion of the image of the range from the first information generated by the second generation unit;
And a third generation unit that generates a calculated image of the sample using the second information extracted by the extraction unit.
(付記9) 前記範囲を変更する処理部を更に含み、
前記第2生成部は、前記処理部によって変更された前記範囲に含まれる前記座標情報を用いて、変更された前記範囲の像を示す前記第1情報を生成し、
前記抽出部は、前記第2生成部によって生成された前記第1情報から、変更された前記範囲の像の中央部を示す前記第2情報を抽出し、
前記第3生成部は、前記抽出部によって抽出された前記第2情報群を用いて前記計算像を生成することを特徴とする付記8に記載の試料解析装置。
(Additional remark 9) The process part which changes the said range is further included,
The second generation unit generates the first information indicating the image of the changed range using the coordinate information included in the range changed by the processing unit,
The extraction unit extracts the second information indicating the central part of the image of the changed range from the first information generated by the second generation unit,
The sample analysis apparatus according to appendix 8, wherein the third generation unit generates the calculation image using the second information group extracted by the extraction unit.
(付記10) コンピュータが、
試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成し、
生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の像を示す第1情報を生成し、
生成された前記第1情報から、前記範囲の像の中央部を示す第2情報を抽出し、
前記範囲を変更して、前記第1情報の生成及び前記第2情報の抽出を行い、
抽出された前記第2情報群を用いて前記試料の計算像を生成する
ことを特徴とする試料解析方法。
(Appendix 10) The computer
Using the scanning transmission electron microscope image of the sample, generate atomic arrangement information including coordinate information indicating the position of the atoms contained in the sample,
Using the coordinate information included in a partial range in the generated atomic arrangement information, to generate first information indicating an image of the range,
From the generated first information, second information indicating a central portion of the image of the range is extracted,
Changing the range, generating the first information and extracting the second information;
A sample analysis method, wherein a calculated image of the sample is generated using the extracted second information group.
100 試料解析システム
200 STEM
201 電子プローブ
202 収束レンズ
203 走査コイル
204 対物レンズ
205 結像レンズ
206,207,1400 検出器
210,1100 試料
211 原子柱
212,213,1300 電子
300 入力装置
300a 可搬型記録媒体
400 表示装置
500 試料解析装置
501 画像保持部
502 原子情報保持部
503 STEM制御部
504 像生成部
505 計算処理部
505a ピークサーチ部
505b 像計算部
505c 画像処理部
506 表示処理部
510a CPU
510b RAM
510c HDD
510d グラフィック処理部
510e 入出力インタフェース
510f バス
1000 ADFSTEM
1200 収束電子線
100
DESCRIPTION OF
510b RAM
510c HDD
510d Graphic processing unit 510e I /
1200 Convergent electron beam
Claims (6)
試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成し、
生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の原子の位置を計算した第1計算像を示す第1情報を生成し、
生成された前記第1情報から、前記第1計算像の中央部を示す第2情報を抽出し、
前記範囲を変更して、前記第1情報の生成及び前記第2情報の抽出を行い、
抽出された前記第2情報群を用いて前記試料の第2計算像を生成する
処理を実行させることを特徴とする試料解析プログラム。 On the computer,
Using the scanning transmission electron microscope image of the sample, generate atomic arrangement information including coordinate information indicating the position of the atoms contained in the sample,
Using the coordinate information included in a partial range in the generated atomic arrangement information, to generate first information indicating a first calculation image that calculates the position of the atoms in the range,
From the generated first information, second information indicating a central portion of the first calculation image is extracted,
Changing the range, generating the first information and extracting the second information;
A sample analysis program for executing a process of generating a second calculated image of the sample using the extracted second information group.
前記走査透過型電子顕微鏡像と前記第2計算像との差分を示す第3情報を生成し、
前記第3情報を用いて前記第2計算像を補正する
処理を更に実行させることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の試料解析プログラム。 In the computer,
Generating third information indicating a difference between the scanning transmission electron microscope image and the second calculation image;
The sample analysis program according to any one of claims 1 to 3, further comprising executing a process of correcting the second calculation image using the third information.
前記第1生成部によって生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の原子の位置を計算した第1計算像を示す第1情報を生成する第2生成部と、
前記第2生成部によって生成された前記第1情報から、前記第1計算像の中央部を示す第2情報を抽出する抽出部と、
前記抽出部によって抽出された前記第2情報を用いて前記試料の第2計算像を生成する第3生成部と
を含むことを特徴とする試料解析装置。 A first generation unit that generates atomic arrangement information including coordinate information indicating a position of an atom included in the sample, using a scanning transmission electron microscope image of the sample;
Using the coordinate information included in a partial range in the atomic arrangement information generated by the first generation unit, first information indicating a first calculation image obtained by calculating the position of the atom in the range is generated. A second generation unit;
An extraction unit for extracting second information indicating a central portion of the first calculation image from the first information generated by the second generation unit;
And a third generation unit that generates a second calculated image of the sample using the second information extracted by the extraction unit.
試料の走査透過型電子顕微鏡像を用いて、前記試料に含まれる原子の位置を示す座標情報を含む原子配置情報を生成し、
生成された前記原子配置情報内の一部の範囲に含まれる前記座標情報を用いて、前記範囲の原子の位置を計算した第1計算像を示す第1情報を生成し、
生成された前記第1情報から、前記第1計算像の中央部を示す第2情報を抽出し、
前記範囲を変更して、前記第1情報の生成及び前記第2情報の抽出を行い、
抽出された前記第2情報群を用いて前記試料の第2計算像を生成する
ことを特徴とする試料解析方法。
Computer
Using the scanning transmission electron microscope image of the sample, generate atomic arrangement information including coordinate information indicating the position of the atoms contained in the sample,
Using the coordinate information included in a partial range in the generated atomic arrangement information, to generate first information indicating a first calculation image that calculates the position of the atoms in the range,
From the generated first information, second information indicating a central portion of the first calculation image is extracted,
Changing the range, generating the first information and extracting the second information;
A sample analysis method, wherein a second calculated image of the sample is generated using the extracted second information group.
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