JP6449526B2 - 電子顕微鏡および観察方法 - Google Patents

Description

本発明は電子顕微鏡および観察方法に関する。

透過電子顕微鏡（Transmission Electron Microscope; 以下、ＴＥＭという。）は高電圧で加速された電子線を観察対象物質に照射し、物質を透過した電子線を電磁レンズによって結像、拡大することで物質の微細構造の観察を行う装置である。観察対象物質（試料）に対して観察フォーカスを合わせた状態では主に試料を透過した電子が形成する場の振幅情報が像コントラストとして観察される。生物試料や有機材料などの振幅の変化が小さい試料に対しては十分な像コントラストを得ることが難しい。このような振幅の変化が小さな試料に対してコントラストを得るための手段の一つとして、ナイフエッジを用いて回折波の一部を遮蔽することによりコントラスト得る手法が存在する（特許文献１）。

特開２０１４−０４９４４４号公報

G. S. Settles;「Schlieren and Shadowgraph Techniques」Chapter 2 ; Springer, 2001

特許文献１のようにナイフエッジにより回折波の一部を遮蔽することによりコントラスト得る手法では、エッジが非透過波に対して１方向に配置されることにより、回折波の遮断によって生じるコントラストは必然的に１方向となるため、得られる像コントラストは異方的なものとなり、像の解釈を妨げる。
本発明の課題は等方的な像コントラストを持つ観察像を得る電子顕微鏡および観察方法を提供することにある。

本発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
すなわち、試料に対し電子線を照射し観察を行う電子顕微鏡は、前記試料から回折を受けずに透過する非回折波が収束する回折面ないし回折面と等価な面内に配置されるエッジ素子と、前記電子線または前記エッジ素子を制御する制御装置と、を備える。前記エッジ素子は前記電子線を遮断する遮蔽部と前記電子線を透過する開口とを有し、前記開口は前記非回折波が収束する点を前記回折面内において囲むように前記遮蔽部のエッジにより構成される。前記制御装置は前記非回折波が収束する点と前記エッジとの距離を所定間隔に保って前記非回折波が収束する点を前記エッジに沿って前記エッジに対して相対的に位置を変化させることにより観察像のコントラストを変化させる。

本発明により、等方的な像コントラストを持った観察像を得ることが可能となる。

図１はＴＥＭの像観時の光学系を模式的に示す図である。 図２は比較例に係るＴＥＭの観察光学系を模式的に示す図である。 図３Ａは実施形態に係るＴＥＭの装置構成を示す図である。 図３Ｂは図３ＡのＴＥＭにおいて強調コントラストを得るための光学条件を示す図である。 図４Ａは図３Ｂのエッジ素子上で回折スポットが取る位置を示す平面図である。 図４Ｂは回折スポットが移動する際の軌道を模式的に示す平面図である。 図４Ｃは図４Ａの回折スポットの各位置に対応する観察像を示す図である。 図５Ａは回折面上の回折スポットを移動させる方法の一例を説明するための図である。 図５Ｂは回折面上の回折スポットを移動させる方法の他の例を説明するための図である。 図６はエッジ素子を移動させてエッジと回折スポットの位置関係を変える例を説明するための図である。 図７は図３Ｂに示した構成に観察像を扱うために必要な構成を加えた構成の例を示す図である。 図８はエッジ素子に設けられた開口の形状の例を示す平面図である。 図９Ａは、回折スポットに対するエッジの配置方向を複数の条件へ変化させた際の各観察像を示す図である。 図９Ｂは観察像中の特定箇所におけるコントラストの変化を示すグラフである。 図９Ｃは図９Ｂのコントラストの変化を回折スポットに対するエッジの配置角度に対してフーリエ変換をした一例を示すグラフである。 図１０は様々な回折波の遮断条件において観察像の周波数条件のうち強調コントラストの成分を含む領域を示す図である。 図１１Ａは複数の異なる条件に対して回折スポットが描く軌道を示す図である。 図１１Ｂは各条件において観察像の空間周波数成分のうち強調コントラストの成分を含む領域を示す図である。 図１２Ａはエッジ素子が遮断する電子の量を測定可能な装置の構成例を示す図である。 図１２Ｂはエッジ素子に遮断されない電子の量を測定可能な装置の第１の構成例を示す図である。 図１２Ｃはエッジ素子に遮断されない電子の量を測定可能な装置の第２の構成例を示す図である。 図１２Ｄは回折面に配置されたエッジ素子とその上に形成される回折スポットが描く軌道を示す平面図である。 図１２Ｅはエッジ素子に遮断される電子の量の回折スポットの方位角依存性を示すグラフである。 図１２Ｆはエッジ素子を複数の電極を分割した例を示す平面図である。 図１２Ｇはエッジ素子を複数の電極を分割した例を示す平面図である。 図１３はエッジ素子により回折波の一部を遮断した状態で記録された像をフーリエ変換することで得られる空間周波数情報の分布を示す図である。 図１４は観察像のコントラストの対称性に基づいて回折スポットの位置を調整する際に取得される像の例を示す図である。 図１５は実施形態に係るＴＥＭの構成を示す図である。 図１６は実施形態に係るＴＥＭの調整方法を示すフローチャートである。

以下、比較例および実施形態について、図面を用いて説明する。ただし、以下の説明において、同一構成要素には同一符号を付し繰り返しの説明を省略することがある。

まず、ＴＥＭについて図１を用いて説明する。図１はＴＥＭの像観時の光学系を模式的に示した図である。観察試料２０上方に形成された仮想光源１から広がった電子線７は照射系レンズ３０を通過した後、試料面１０に配置された観察試料２０に対して照射される。観察試料２０を透過した電子線７は、観察試料２０から回折を受けた回折波４と、回折を受けずに透過する非回折波５とに分かれる。両者は観察試料２０上から異なる角度で広がるため、その角度と方向に応じて観察試料２０後方の対物レンズ３１の後ろ焦点面１１上の異なる点に回折スポット２、３として収束し、回折面を形成する。回折スポット３は回折スポット２に対して共役なスポットである。回折スポット２、３へ収束した回折波４は再び広がり、像面１２の上で透過波と干渉し、その結果として観察像２１が形成される。観察像２１は更に下方に配置された結像系レンズ３５により再度結像、投影された上で観察される。このような明視野観察では、観察試料２０に対して観察フォーカスを合わせた状態では観察試料２０を透過した電子が形成する場の振幅情報が主な像コントラストとして観察される。

また異なるコントラストの種類として、散乱コントラストと呼ばれるものがある。これは、図１中の回折面１１上に配置された対物絞り３６を用いて一部の回折波の成分を遮断した状態で観察が行われる。この場合、金属をはじめとした比較的重い元素で構成される部分など、電子線７を強く散乱させる部分は黒いコントラストとして観察される。

こうして得られる像コントラストはいずれも電子線７との相互作用の強い観察試料に対しては十分なコントラストを得ることが可能であるが、生物試料や有機材料などの電子線との相互作用が弱い観察試料に対しては十分な像コントラストを得ることが難しい。

このような電子線との相互作用が弱い観察試料に対してコントラストを得るために本願発明者らが検討したナイフエッジにより像コントラスト得る手法（比較例）について図２を用いて説明する。これは、試料を透過する際に微弱な偏向を受けた波がレンズ後方の回折面において分離することを利用するものである。

図２は比較例に係るＴＥＭの観察光学系を模式的に示す図である。図２では説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。観察試料２０上方に形成された仮想光源１から広がった電子線７は照射系レンズ３０によって適切に調整された後、観察試料２０に対して照射される。観察試料２０を透過した電子線７は、観察試料２０の局所構造に応じて回折を受けた回折波４と、回折を受けずにそのまま透過する非回折波５とに分かれる。この際、観察試料２０からの回折は基本的には点対称な分布となることが知られており、非回折波５を中心として共役な分布となる。回折波４は回折面１１上で回折スポット２に収束するが、回折面１１上には半面を覆うようにナイフエッジ３２が配置されており、回折波４の半分を遮断する。これにより、共役な回折波４の片方のみが失われるため、一方の回折スポット２を通過した回折波の成分のみが結像に寄与し、結果として観察像２２では、観察試料２０のエッジ部分など電子線７が特に強い偏向を受ける部分に対してコントラストが向上する強調コントラストが生じる。ナイフエッジ３２は平面視で矩形状である。符号６で示す網掛けの領域は透過波と回折波の干渉領域である。比較例では、本来干渉で失われる位相由来の像情報を強調コントラストとして取得可能であり、１方向にコントラストの向上した像を得ることができる。

しかし、比較例では、上述したように、エッジが非透過波に対して１方向に配置されることにより、回折波の遮断によって生じるコントラストは必然的に１方向となるため、得られる像コントラストは異方的なものとなる。そこで、等方的な像コントラストを有する観察像を得る実施形態について以下説明する。

図３Ａは実施形態に係るＴＥＭの装置構成を示す図である。観察試料２０上方に形成された仮想光源１から広がった電子線７は観察試料２０に対して照射される。観察試料２０を透過した電子線７は対物レンズ３１によって収束され、回折面上に回折スポット２を形成した後、更に下方に配置された結像系レンズ３５によって像面１２上に観察像２３を形成する。回折面上には開口３７を備えたエッジ素子３８が配置されている。エッジ素子３８は特許文献１の位相板と異なり電子線７を透過させない阻止部材で形成される。また、開口３７は特許文献１の位相板に設ける非常に小さな孔とは異なり大きな孔である。回折スポット２が開口の中央付近を通過する場合、得られる像は一般的な明視野像となる。

図３Ｂは図３ＡのＴＥＭにおいて強調コントラストを得るための条件を示す図である。この例では、観察試料２０に対して照射される電子線７を傾斜させることにより、回折面上の回折スポット２を移動させ、開口３７を構成するエッジの一部に近接させている。この場合、回折スポット２のごく近傍の領域について考えると、開口３７を構成するエッジの一部分は回折面のおおよそ半面を遮蔽しており、近似的にナイフエッジのように機能する。言い換えると、開口３７は回折面のおおよそ半面を透過している。この場合、共役な一方の回折波は結像に寄与しないため、結果として観察像２３には強調コントラストが生じる。

なお、開口３７を構成するエッジは回折スポットの周囲にぐるりと位置するもので、特許文献１の直線状のエッジに設けた凹みのようにエッジが回折スポットの周囲にぐるりと位置せず、回析スポットを囲まない領域が１／２以上あるものは、エッジ素子３８に設ける開口３７には含まれない。

次に、強調コントラストについて図４Ａ〜４Ｃを用いて説明する。図４Ａは図３Ｂ中のエッジ素子と同一面内に形成された回折面上の回折スポットの位置関係を示す平面図である。図４Ｂはエッジ素子上で回折スポットが連続的に移動する軌道を示す平面図である。図４Ｃは図４Ａの回折スポットの位置に対応する観察像を示す図である。例として、回折スポット２が符号４０の位置にある場合、回折面の約半分がエッジにより遮られるため、その向きに応じた方向に対して強調コントラストが図４Ｃの（Ａ）に示すような図面上左側が暗く右側が明るい異方的なコントラストとして現れる。同様に、回折スポット２が符号４１の位置にある場合は図４Ｃの（Ｂ）のような左上側が暗く右下が明るい異方的なコントラスト、回折スポット２が符号４２の位置にあった場合は図４Ｃの（Ｃ）のような上側が暗く下側が明るい異方的なコントラスト、回折スポット２が符号４３の位置にあった場合は図４Ｃの（Ｄ）のような右上側が暗く左下側が明るい異方的なコントラストとなる。これは、回折スポット２近傍での電子線７の遮断の方向と、像に生じる強調コントラストの方向の間には対応関係が存在することを示している。なお、実際の装置では磁気レンズにより電子軌道に対して回転作用が加わる影響などにより、絞り上のスポット位置と像に対して生じるコントラストの方向の間に別途の回転量オフセットが加わり、本例における回折スポットの位置と像中のコントラストの関係とは異なる角度関係も成り立ちうることは言うまでもない。回折スポット２と開口３７のエッジとの距離を同等に保った状態で図４Ｂに示すような軌道４４に沿って回折スポット２が移動した場合、光学的には回折波の遮断の方向のみが連続的に変化したことと同等の効果が生じる。回折スポット２が軌道４４に沿って周期的に移動し続けた場合、観察像では、強調コントラストの生じる方向が連続的かつ周期的に変化して観察されるため、観察者は観察試料２０中に含まれる構造に対して、様々な方向からの強調コントラストを得ることが可能となる。よって、様々方向の強調コントラスト像を積算することで、等方的な像コントラストを得ることができる。

次に、回折面上の回折スポットの位置を変化させる第１方法について図５Ａを用いて説明する。図５Ａは回折面上の回折スポットを移動させる方法の一例を説明するための図である。図５Ａでは説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。この例では、観察試料２０上方に設けられた上下二段の偏向器３３を組み合わせて電子線７を傾斜させることにより、観察試料２０上の電子線７の照射箇所を変えることなく、照射角度のみを変化させている。照射する電子線７を傾斜させた際の軌道の一例を符号９に示す。電子線７の照射角度のみが変化した場合、電子線７は傾斜前と同じ回折面１１内に回折スポット３を形成し、その位置は傾斜の角度と方向に応じて回折面１１面内で移動する。これは観察試料２０から回折した電子線に対しても同様となるため、結果として、照射する電子線７の傾斜により、回折面１１全体が同じ強度分布を保ったまま平行移動する。これにより、エッジ素子３８を動かすことなく、回折スポット３とエッジ素子３８間の位置関係の調整を行うことが可能となる。

また、このような照射する電子線７の傾斜は図中に示すような偏向器３３の配置に限定されるものではなく、観察試料２０上方の任意の偏向器を組み合わせること、および適切な面に配置された１つ（１段）の偏向器を用いることによっても実現可能であることは言うまでもない。

次に、回折面上の回折スポットの位置を変化させる第２方法について図５Ｂを用いて説明する。図５Ｂは回折面上の回折スポットを移動させる方法の他の例を説明するための図である。図５Ｂでは説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。これは、観察試料２０の下方に配置された偏向器３３を使用した例である。この場合も、２段の偏向器３３を用いることにより、観察像２３を移動させることなく回折面１１上の回折スポット２,３を動かすことができる。このような回折スポット２,３の制御は、図５Ｂで示した他に、１段の偏向器のみを使用して行うこともまた可能である。

このような回折スポット２,３とエッジ素子３８のエッジと間の位置関係の調整に偏向器を使用すると、高速かつ高精度、再現性の高いビーム制御が可能となる。

回折スポットの制御は、図５Ａ、５Ｂの偏向器の他に、電子顕微鏡の光学系上に配置された複数コイルを組み合わせて実現することも可能であるほか、点光源である仮想光源を移動させる代わりに輪帯照明のように光源を輪状に配置してもよい。

回折スポットに対してエッジが回折波の遮断を行う方向、遮断の量を制御する方法としては、エッジ素子３８よりも光学的に上方に配置された電磁レンズを用いることも可能である。磁界を用いるレンズを使用する場合、レンズの作用により電子軌道は回転作用を受けるため、これにより遮断の方向を変化させる事が可能となる。特に、複数のレンズを組み合わせて使用した場合、回折面１１の回転、倍率を独立に制御することが可能となるため、回折スポットに対するエッジの位置関係を制御する上で利点が得られる。

次に、エッジ素子３８を移動させてエッジと回折スポットの位置関係を変える例について図６を用いて説明する。図６はエッジ素子を移動させてエッジと回折スポットの位置関係を変える例を説明するための図である。図６では説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。図６のＴＥＭはエッジ素子３８の位置を機械的に制御するための微動機構３４を備える。回折スポット２,３の位置を一定とした状態でエッジ素子３８を、エッジと回折スポット間の距離が一定となるように保つように移動させることにより、前述の図５Ａ、５Ｂの回折スポットの位置を変える例と同様の効果を得ることが可能となる。また、エッジ素子３８の動きが連続的でなく、仮に不規則であったとしても、一定時間の平均を考えた場合に回折スポット２とエッジとの間の距離が一定の分布に従う場合、観察される像は様々な方向からの強調コントラストが得られる。

次にエッジ素子３８に設ける開口３７の形状について図８を用いて説明する。図８はエッジ素子に設けられた開口の形状の例を示す平面図である。開口３７の形状は基本的には円形（図８の（Ａ））となることが好ましいが、そのほか三角形（図８の（Ｃ））、四角形（図８の（Ｂ））、五角形（図８の（Ｆ））、六角形（図８の（Ｄ））等の多角形、楕円（図８の（Ｅ））、それらを組み合わせた開口（例えば図８の（Ｇ））を用いた場合においても、本実施形態の効果を得ることが可能である。図８の（Ｈ）に示すように、開口３７はエッジ素子３８面上に閉じた形状である必要はないほか、図８の（Ｊ）に示すように、複数のエッジ素子３８を組み合わせることにより形成された開口の形も取りうる。なお、図８の（Ｈ）のエッジが連続していない（閉じていない）箇所はスリット等の開口３７に対して非常に狭い幅であるのが好ましい。また、図８の（Ｉ）に示すように、ひとつのエッジ素子３８上に複数の開口３７を備えたものであってもよい。この場合は、エッジ素子３８を移動することにより、複数の開口３７のいずれか一つの開口を用いて観察を行う。

エッジ素子３８は開口３７を含む面が光軸に対して、垂直となるように取り付けられていることが望ましいが、エッジ素子３８がこのような条件から外れて取り付けられているような状態においても、本実施形態を実施することは可能である。また、そのような場合には光軸方向から見た開口の形に合わせて、回折スポットが移動時に描く軌道を変形させる手法も有効である。例として、円形の開口３７を備えるエッジ素子３８が光軸に対して垂直となる状態から傾いて取り付けられた場合、光軸から見て円形開口は楕円のような形状として作用する。このような場合、回折スポットが描く軌道を楕円状とすることにより、回折スポットとエッジ間の距離を一定に保ったまま、回折波の遮断が行われる方向を変化させることが可能となる。

これまでに述べた観察方法では、回折スポットに対する遮断の方向を変化させることにより、強調コントラストの現れる方向を制御することが可能となる。それにより得られる様々な条件での像は、変化している様子を観察することで、異方性にとらわれないかたちで像解釈を行うことは可能であるが、更に各条件で取得した像を基に積算、加算、減算、乗算、除算、微分、積分処理、コンボリューションなどの演算処理を行うことにより、より解釈の容易な像、あるいは定量的な情報を持った像を得ることが可能となる。

次に、観察像の処理について図７を用いて説明する。図７は図３Ｂに示した構成に、観察像を扱うために必要な構成を加えた構成の例を示した図である。観察像２３は蛍光板６０の上に形成され、観察される。更に蛍光板６０に対しては映し出された像を記録するための撮像装置６１が備えられ、記録された像は演算装置６２内に取り込まれ、表示、処理を行うことが可能である。

回折スポット２に対する遮断条件を人間の認識できる速度、あるいは蛍光板６０の発光現象の応答速度よりも早い周期で変化させた場合、蛍光板６０上には実質的に各条件における観察像２３を積算したものに相当する像が観察される。これにより、等方的な像コントラストを持った像を観察することが可能である。

また、撮像装置６１は一定撮像時間の間に取り込まれた信号を一つの像として記録するが、この撮像時間を回折スポット２に対する遮断条件の変化周期よりも長い時間とすることにより、実質的に各条件における観察像２３を積算した像を記録することが可能となる。１回の撮像の間に回折スポットが周期的に変化する回数に対して制約は無いが、望ましくは整数回数に近い周期がよく、回数は１回〜１００回程度となることが、像の更新頻度、操作性の観点からも好ましい。

また、回折スポットの動きを、連続した円形の動きに限らない制御（１２０°ごとに分割して制御、取得。ランダムに円周上の位置を回折スポットが移動して、平均的には円周に分布するなど)を行ってもよい。すなわち、変化周期の１／３や１／２ごとに撮像を中断したり、１変化周期内に１度ずつ撮像し複数の変化周期期間で１変化周期分の撮像を行ったりして撮像時間が遮断条件の変化周期より短い場合であっても、記録された複数の像を加算することにより、実質的には更に長い時間撮像を行った場合と同等の像を得ることも可能である。

次に、観察像のコントラストについて図９Ａ〜９Ｃを用いて説明する。図９Ａは回折スポットに対するエッジの配置方向を複数の条件へ変化させた際の各観察像を示す図である。図９Ｂは観察像中の特定箇所におけるコントラストの変化を示すグラフである。図９Ｃは図９Ｂのコントラストの変化を回折スポットに対するエッジの配置角度に対してフーリエ変換をした一例を示すグラフである。例として、回折スポットを開口のエッジに沿って移動させ、再び元の位置に戻るように１周期移動させた場合、観察像に対して現れる強調コントラストの方向も１周期変化する。図９Ａの（Ａ）の観察像は図面上左側が暗く右側が明るく、図９Ａの（Ｂ）の観察像は左上側が暗く右下側が明るく、図９Ａの（Ｃ）の観察像は上側が暗く下側が明るく、図９Ａの（Ｄ）の観察像は右上側が暗く左下側が明るい。また、図９Ａの（Ｅ）の観察像は図面上右側が暗く左側が明るく、図９Ａの（Ｆ）の観察像は左下側が暗く右上側が明るく、図９Ａの（Ｇ）の観察像は下側が暗く上側が明るく、図９Ａの（Ｈ）の観察像は左下側が暗く右上側が明るい。符号５０で示すような、観察像中の特定箇所の像強度に注目すると、回折スポットの移動に伴って強調コントラストが周期的に変化した場合、その強度の変化は図９Ｂで示すグラフのように周期的な変化を示す。図中の横軸は回折スポットに対するエッジの方向（angle）であり、縦軸は像強度（contrast）を示す。図９Ｂの（ａ）〜（ｈ）はそれぞれ図９Ａの（Ａ）〜（Ｈ）に対応する。

図９Ｃの横軸はコントラストの変化の周期を示す周波数（frequency）、縦軸はその周期に対応して変化する像コントラスト（intensity）の成分の強度を示す。実施形態によって得られる像は、観察試料２０を透過した電子線の強度変化に対応する振幅コントラストと、位相変化に基づいて得られる強調コントラストの重ね合わせである。振幅コントラストは回折スポットに対するビーム遮断方向の変化の影響を受けないため、図９Ｃで示すグラフ中の周波数０の位置の強度に対応する。一方、強調コントラストはビーム遮断方向の周期的な変化に対応して周期的に変化するため、その周期に対応した周波数（ｆ）の成分の強度に対応する。このように、像強度を周波数空間に変換した後、周期をもつ成分のみを抽出することにより、強調コントラストの成分のみを選択的に抽出することが可能となる。なお、本実施形態では像中のコントラストが正弦関数のように変化する例を示したが、実際には像コントラストには様々な成分が含まれるため、１周期内の像強度の変化は様々な形を取りうる。しかし、そのような場合に対しても周期性は存在するため、同様の手法により周期的に変化をしている成分のみを抽出することが可能である。そのような場合には、周期に対応した周波数（ｆ）の他、その整数倍の周波数の成分として生じる高調波の成分も扱う必要があることは言うまでもない。

図１０は様々な回折波の遮断条件において観察像の周波数条件のうち強調コントラストの成分を含む領域を示す図である。

図１０の（Ａ）は通常の明視野像に含まれる周波数情報の一例を示したものである。符号５１で示す領域は明視野像の情報を含む空間周波数領域である。このような観察条件において、回折スポット２をエッジ素子３８中の開口３７に対して図４Ａ中の符号４０に示すような位置に合わせた場合、回折波の約半分は遮断を受けるため、それに対応した空間周波数領域に含まれる情報は強調コントラストの情報を含む。このような空間周波数領域を例として図１０の（Ｂ）中に符号５２として示す領域は強調コントラストの情報を含む空間周波数領域である。また一方で、図１０の（Ｂ）中に符号５１で示す領域は共役な回折波のいずれも遮断を受けることなく結像されているため、明視野像に相当する情報を含む空間周波数領域となる。更に回折スポットを図４Ａ中の符号４１に示すような位置にした場合は図１０の（Ｃ）中の符号５２に示す領域、図４Ａ中の符号４２に示すような位置にした場合は図１０の（Ｄ）中の符号５２に示す領域が強調コントラストの情報を含む空間周波数領域となる。このように、周波数空間において、強調コントラストの情報が含まれる領域は光学的条件を基に区別することができるため、通常の明視像または明視野像に相当する周波数領域との差分を基とした比較を行うことにより、強調コントラストに相当する情報を選択的に取得することが可能である。

図１１Ａは複数の異なる条件に対して回折スポットが描く軌道を示す図である。図１１Ｂは図１１Ａの各条件において観察像の空間周波数成分のうち強調コントラストの成分を含む領域を示す図である。この例では、開口３７は円形であるため、そのエッジに沿って移動する回折スポット２の軌道も必然的に円形となる。この円形軌道の半径が変化した場合、得られる像中に含まれる強調コントラストの情報成分が変化する。

図１１Ａ中に示す軌道４４を回折スポット２が描く場合、その一連の過程の像を全て積算または加算した像が持つ空間周波数情報は図１１Ｂの（Ａ）に示すようなものとなる。回折スポット２からエッジまでの距離に相当する空間周波数領域においては、回折波の遮断は起こらないため、当該空間周波数領域の情報は明視野像と同等のものとなり、図１１Ｂの（Ａ）中に符号５１で示すような領域に対応する。それよりも高い空間周波数領域、すなわち共役な回折電子線の一方が遮断を受ける空間周波数領域では、強調コントラストの情報成分が含まれる。これは図１１Ｂの（Ａ）中に符号５２で示すような領域に対応する。

それに対し、回折スポット２が図１１Ａで示すような軌道４５、軌道４６を描く場合、より低角側の回折波までが遮断を受けるため、その条件で得られる像の空間周波数情報はそれぞれ図１１Ｂの（Ｂ）（Ｃ）中に示すように、より低い空間周波数領域まで強調コントラストの情報成分を含んだものとなる。このように、回折スポット２とエッジとの位置関係と、観察像中で強調コントラストが得られる空間周波数帯の間には直接の関係が成り立つ。このことを利用し、複数の撮影像から、それらの撮影された条件の情報を基に、強調コントラストの情報を抽出、合成することが可能となる。強調コントラストの現れ方は、観察試料の構造、位相変化量およびその空間的な微分値により変化するため、観察試料および視野によって最適な光学条件は異なるが、このような手法を用いることにより、観察試料上の様々な視野、構造に対してそれぞれ適切な像コントラストを持った像を得ることが可能となる。

回折スポット２が軌道４７を描く場合、非回折波が形成する０次の回折スポットはエッジ素子３８に遮断されるため、結像は回折波のみによって行われ、その際の観察像に含まれる空間周波数情報は図１１Ｂの（Ｄ）に示すようなものとなる。実際には、非回折波が形成する回折スポットは一定の大きさを持つため、回折スポット２の大半が遮断を受ける場合においても、強調コントラストは生じうるが、回折スポット２の軌道４７の半径が開口３７に対して十分に大きい場合は回折波の強度のみを用いて観察を行うこととなり、このような条件は環状暗視野観察像に近いものとなる。このような観察条件において、回折スポット２の移動に観察試料２０への照射ビームの方向を変化させる、いわゆるホローコーン照明を用いた手法は一般にホローコーン暗視野観察法と呼ばれるものとなるが、この場合、非回折波と回折波間の干渉は生じていないため、基本的には強調コントラストは生じない。

次に、回折波の遮断条件（エッジ素子３８の開口中心と回折スポットの描く軌道の中心）の調整について図１２Ａ〜１２Ｇを用いて説明する。図１２Ａはエッジ素子が遮断する電子の量を測定可能な装置の構成例を示す図である。図１２Ａでは説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。図１２Ａではエッジ素子３８が遮断した電子の量を測定できるようにエッジ素子３８に電流計６３が接続されている。

図１２Ｄは回折面に配置されたエッジ素子と、その上に形成される回折スポットが描く軌道を示す平面図である。図１２Ｅはエッジ素子に遮断される電子の量の回折スポットの方位角依存性を示すグラフである。本実施形態によるコントラスト向上効果を等方的に得ようとする場合、回折スポット２が描く軌道の中心４８と開口３７の中心は一致する必要がある。仮にこの中心がずれた場合、すなわち図１２Ｄに示すような軌道４４を回折スポット２が描く場合、回折スポットの低角の回折成分はおおよそ回転対称な強度分布を持つとみなすと、中心４８に対する回折スポット２の方位角をθ［ラジアン］とした場合、エッジ素子３８に遮断される電子の量（電流計６３に流れる電流（Ｉ［アンペア］））はθに対して図１２Ｅ中に符号７０で示すような変化を示す。電流値変化７０は回折スポットが描く軌道がエッジに対して合っていないことを示している。

電流計６３に流れる電流が符号７１で示すように直線状、すなわちθによらず同等量の電子がエッジ素子３８に遮られるような状態に調整することにより、中心４８と開口３７の中心を一致させることができる。電流値変化７１は回折スポットが描く軌道がエッジに対して合っていることを示している。また、更にこの軌道４４の半径を小さくした場合、エッジ素子３８に遮断される電子の量は更に小さくなることから、遮断される電子の量は図１２Ｅ中に符号７２で示すように、さらに低い電流量となる。電流値変化７２は回折スポットが描く軌道がエッジに対して合っているがエッジから離れていることを示している。軌道４４の中心を一定としたまま半径を変化させることは偏向器を用いることで容易に行えるため、このように半径を変化させた際の遮断電流量の変化を評価することにより、更に一層高精度な調整が可能となる。

また、図１２Ｆ、１２Ｇはエッジ素子を複数の電極に分割した例を示す平面図である。回折スポットの移動に対する、分割された各電極３９に流れる電流の値を測定することにより、回折スポットが描く軌道の中心位置、および歪みを開口に対して高精度に調整することが可能となる。電極３９の分割数は図に示す４分割に限るものではない。また各電極３９の分離は直線以外のパターンによってなされても良く、エッジを等分しない構成であっても良いことは言うまでもない。

図１２Ｂはエッジ素子に遮断されない電子の量を測定可能な装置の第１の構成例を示す図である。図１２Ｃはエッジ素子に遮断されない電子の量を測定可能な装置の第２の構成例を示す図である。図１２Ｂ、１２Ｃでは説明を分かり易くするために結像系レンズ３５を省略している。図１２Ｂではエッジ素子３８に遮断されず、蛍光板６０上に結像された電子の量を測定するための電流計６３を備えている。結像過程における電子の欠落などがない場合であれば、エッジ素子３８により遮断される電子量と、遮断を受けず結像される電子量の和は一定となるため、蛍光板６０上に届く電子の量を用いることによっても、図１２Ａの説明で述べたような調整を行うことが可能である。

また、遮断を受けなかった電子の量の測定は蛍光板６０以外の手段、例として電子ビームを受け止める図１２Ｃ中に示すファラデーカップ６４や、別途装置の備わった絞り板などを用いることによっても可能である。

次に、回折波の遮断条件（回折スポットの位置）の調整について図１３を用いて説明する。図１３はエッジ素子により回折波の一部を遮断した状態で記録された像をフーリエ変換することで得られる空間周波数情報の分布を示した例である。エッジ素子３８により回折波の一部が遮られた場合、その影響は図１３に示すように観察像の空間周波数情報の中に影５４のような形として現れる。周波数情報の中心からこの影５４までの距離を測定することにより、間接的にエッジと回折スポットの間の距離を測定することができるため、この測定結果を基に回折スポットの位置を調整することが可能である。

また、回折パターンを観察した場合にも同様に絞りによる遮断の影響を影として見ることができるため、それによっても回折スポットの位置を調整することは可能である。

次に、回折波の遮断条件（観察像のコントラストの対称性に基づいて回折スポットの位置）の調整について図１４を用いて説明する。図１４は観察像のコントラストの対称性に基づいて回折スポットの位置を調整する際に取得される像の例を示す図である。

図１４の（Ａ）は孔の空いた観察試料を通常の明視野観察した場合に得られる像の例を示すものである。観察試料に対してフォーカスが合っている場合、観察試料上の孔のエッジ部分を強調するようなコントラストは生じない。

図１４の（Ｂ）は同様の観察試料に対して、各方向に対して生じる強調コントラストの積算を行った際に得られる像の例を示したものである。遮断条件が等方的になるように光学系が調整されている場合、孔のエッジ部分に対しては等方向的なコントラストが生じる。

図１４の（Ｃ）は同様の光学系において、回折スポットの描く軌道とエッジ素子３８の開口３７の中心が合っていない場合に生じる像の一例を示したものである。この場合、像中の左右方向に対しては遮断の条件が非対称となっているため、左右のエッジ部分に生じるコントラストは明暗の異なるコントラストとなっている。このように、観察試料の構造や系によっては観察像に形成されるコントラストの異方性を観察像から把握することができるため、それらの情報を基に回折波の遮断条件の調整を行うことが可能である。

例として、開口３７が円形の形状を持つ場合を考えると、開口３７が回折面の大きさに対して極端に小さい場合を除けば、開口３７の一部分は近似的に回折面の約半分を遮断するナイフエッジと似た働きをもたらすため、回折波の約半分は遮断され、その結果強調コントラストが生じる。この状態で、回折面上の透過波スポットの位置を開口３７のエッジに沿って移動させた場合、像に対して強調コントラストが生じる方向は連続的に変化する。円形の開口３７を用いた場合、この回折スポットの動きは回折面内において円形の軌道を描く。

実施形態による観察は光学系内に形成されるいずれかの回折面とエッジの高さが一致してない場合、コントラスト向上効果は理想的な条件と比較して弱くなるものの、強調コントラスト自体は発生するため、本実施形態の効果は十分に得ることが可能である。

また、観察試料２０上の電子線照射範囲を制御する際、合わせて観察試料２０上方の仮想光源の高さが変化すると、それよりも下流に形成される回折面の高さも変化する。実施形態による観察を行う上ではこのような変化が生じないような制御をおこなうことが望ましく、そのための手段の一つとして、電子線照射領域の調整に複数の照射系レンズを使用する方法などが有効となる。

実施形態による観察において、回折スポットの位置の制御のために観察試料２０へ照射される電子線の角度を制御する場合、観察時のフォーカスが観察試料２０からずれていると、ビーム照射方向の変化に対応して観察像の位置が変化してしまう。そのため、像の変位量に基づいてフォーカスを調整する、像の変位を打ち消すように偏向器を用いて像を移動させる、もしくは像の変位量を補正して記録するといった手法により観察時の利便性を向上させることが可能となる。

エッジ素子３８は基本的に金属で作成されることが望ましいが、エッジ素子３８の表面に異物が付着した場合、異物に電荷が溜まることにより、電子線に対して偏向、位相変調といった作用を及ぼす可能性がある。このような問題は、特にエッジ素子３８上の一か所に対して電子線を停止させた場合に影響が顕著となる。それに対し、本実施形態では回折面上で回折スポットを移動させるため、エッジ上の一か所に電荷が蓄積される量は回折スポットを停止させた場合と比較して小さくなり、結果として電子線に対する偏向や位相変調といった不要な作用を低減させる効果を得ることができる。

回折スポットを移動させる周期を高くした場合、回折スポットの制御に用いる偏向器に流れる電流はより高い周波数で変化することとなり、偏向器を構成するコイルのインダクタンス、偏向器周辺の磁性材料の特性により、応答速度に遅れが生じる場合がある。特に複数のコイルを組み合わせて電子線の制御を行う場合、このような遅れは偏向器ごとに異なるものとなるため、結果として、複数偏向器間の調整関係が崩れ、観察試料上で照射電子線の角度のみを変化させようとした際に、観察試料上の照射位置までもが変化してしまうといった現象が生じる場合がある。このような場合、偏向器へ加える制御電流の位相の調整、もしくはビーム制御に対する各偏向器の電流量の変化を、制御の周波数に応じて変化させるといった方法が有効となる。

本実施形態に使用するエッジ素子３８のエッジの厚みは、数ｎｍ〜数百μｍの範囲に収まっていることが望ましい。それよりもエッジが厚い場合、光学系のフォーカス広がりなどによって定まる回折面の厚みに対してエッジが厚い条件となるため、理想的な強調コントラストの条件からは外れるものの、コントラスト向上効果を得ることは可能である。

次に、実施形態に係るＴＥＭの構成について図１５を用いて説明する。図１５は実施形態に係るＴＥＭの構成を示す図である。図３Ａ、３Ｂ、５Ａ、５Ｂ、６，７、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃでは説明を分かり易くするために一部の構成が省略されていたが、図１５では図３Ａ、５Ａ、７、１２Ａ、１２Ｂの構成が含まれている。

実施形態に係るＴＥＭは、観察試料２０上方に、仮想光源１と、仮想光源１から広がった電子線７が通過する照射系レンズ３０と、電子線７を傾斜させる上下二段の偏向器３３と、を備える。なお、図では電子線７は傾斜されていない場合を示している。また、電子顕微鏡は、観察試料２０下方に、観察試料２０を透過して広がる電子線７（回折波と非回折波）を収束させる対物レンズ３１と、対物レンズ３１の後ろ焦点面（回折面）１１上に設けられるエッジ素子３８と、エッジ素子３８の位置を機械的に制御するための微動機構３４と、エッジ素子３８の開口３７を通過して広がる電子線７（回折波と非回折波）を結像する結像系レンズ３５と、結像系レンズ３５を通過した観察像を形成する蛍光板６０と、蛍光板６０に映し出された像を記録するための撮像装置６１と、を備える。また、実施形態に係るＴＥＭは、記録された像を演算処理する演算装置６２を含み、各レンズや偏向器、微動機構３４を制御する制御装置６５を備える。制御装置６５はエッジ素子３８や蛍光版６０に接続される電流計６３の値を取り込む。制御装置６５はＣＰＵにより制御される駆動電源回路、ＣＰＵが実行するソフトウエアを格納する記憶装置、操作者が入出力を制御できるキーボード、マウス、表示装置等のインタフェース等から構成されている。

ここで、仮想光源とは虚像の電子線スポットまたは電子源、静電型または磁界型の引出電極、静電加速電極等から構成される電子銃によって形成された実際の電子線のスポットであり、電子銃としては電子源を加熱しないで電子線を電界放出させる冷陰極型電界放出電子銃または電子源を加熱して電子線を放出させるショットキー型電子銃などの方式が考えられる。

次に、実施形態に係るＴＥＭの調整方法について図１６を用いて説明する。図１６は実施形態に係るＴＥＭの調整方法の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ１：制御装置６５はエッジ素子３８の開口３７を光軸上に入れる。

ステップＳ２：制御装置６５は、図４Ｂに示すように、エッジ素子３８の開口３７を構成するエッジに対して回折スポットの位置を周期的に移動させる。

ステップＳ３：制御装置６５は、例えば図１２Ａに示すようにエッジ素子３８に接続された電流計６３を用いて、図１２Ｅに示すようなエッジ素子３８が遮断した電子量の回折スポット移動の周期に応じた変化を測定する。または図１２Ｂ、１２Ｃに示すようにエッジ素子３８に遮断されなかった電子量を測定してもよい。

ステップＳ４：制御装置６５は、電子量が所定の範囲内かどうかを判定する。ＹＥＳの場合はステップＳ６に移り、ＮＯの場合はステップＳ５に移る。

ステップＳ５：制御装置６５は、回折スポット移動の半径を変化させる。ステップＳ４に移る。

ステップＳ６：制御装置６５は、電子量の変化幅が規定値以下かどうかを判定する。制御装置６５は、例えば図１２Ａまたは図１２Ｂに示すようにエッジ素子３８に接続された電流計６３を用いて電子量を測定する。ここで、電子量の変化幅は、電子量の最大値と最小値との差または標準偏差等により求める。ＹＥＳの場合は調整を終了する。ＮＯの場合はステップＳ７に移る。

ステップＳ７：制御装置６５は、電子量が最大、最小となるそれぞれの条件のスポット位置の電子量の平均を求め、周期的変化の新たな基準値（中心値）とする。

実施形態によれば、等方的な像コントラストを得ることが可能である。

また、ソフトマテリアル（生物試料や有機材料など軽元素で構成され、電子線との相互作用が弱い試料）に対しても十分な像コントラストを得ることができる。これにより、これらの試料を観察する際に一般的に行われる金属元素など電子との作用が大きな元素を用いた染色処理が必要ない。よって、生体試料を本来の状態により近い状態で観察する凍結観察等染色処理が適用できない場合でも、高コントラスト観察を実現することができる。

また、高コントラストを得るため広く用いられている対物レンズのフォーカスを試料位置から大きくずらす手法を用いる必要がない。この手法は、対物レンズの球面収差の影響により、試料から回折した電子線と、試料から回折を受けずに透過した非回折波の間には光路差が生じ、結果として位相の差を生むものである。この位相差によって、試料透過時の電子線の位相変化に応じた像コントラストを得ることが可能となる。しかし、このような手法は対物レンズの収差を利用するという原理上、非常に低角の回折波に対しては位相差を与えることが難しく、結果として数ｎｍ以上のスケールを持つ構造に対してはコントラスト向上の効果が得にくい。この手法を用いないので、数ｎｍ以上のスケールを持つ構造に対してもコントラストを向上することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々変更可能であることはいうまでもない。

実施形態では透過電子顕微鏡について説明したが、走査透過電子顕微鏡にも適用することができる。

１…仮想光源、２…回折スポット、３…回折スポット、４…回折波、５…非回折波、６…透過波と回折波の干渉領域、７…電子線、９…傾斜した照射電子線、１０…試料面、１１…回折面（後ろ焦点面）、１２…像面、２０…観察試料、２１…観察像、２２…観察像、２３…観察像、３０…照射系レンズ、３１…対物レンズ、３２…ナイフエッジ、３３…偏向器、３４…微動機構、３５…結像系レンズ、３６…対物絞り、３７…開口、３８…エッジ素子、３９…電極、４０…回折スポット、４１…回折スポット、４２…回折スポット、４３…回折スポット、４４…軌道、４５…軌道、４６…軌道、４７…軌道、４８…軌道の中心、５０…観察像中の一部分、５１…空間周波数領域、５２…空間周波数領域、５３…空間周波数領域、５４…影、６０…蛍光板、６１…撮像装置、６２…演算装置、６３…電流計、６４…ファラデーカップ、６５…制御装置、７０…電流値変化、７１…電流値変化、７２…電流値変化

Claims (14)

1. 試料に対し電子線を照射し観察を行う電子顕微鏡において、
   前記試料から回折を受けずに透過する非回折波が収束する回折面ないし回折面と等価な面内に配置されるエッジ素子と、
   前記電子線または前記エッジ素子を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記エッジ素子は前記電子線を遮断する遮蔽部と前記電子線を透過する開口とを有し、
   前記開口は前記非回折波が収束する点を前記回折面内において囲むように前記遮蔽部のエッジにより構成され、
   前記制御装置は前記非回折波が収束する点と前記エッジとの距離を所定間隔に保って前記非回折波が収束する点を前記エッジに沿って前記エッジに対して相対的に位置を変化させることにより観察像のコントラストを変化させる
   電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は前記非回折波が収束する点と前記エッジとの相対位置が異なる複数条件の像に対して演算処理を行い、前記試料の観察像を取得する
   電子顕微鏡。
3. 請求項１において、
   前記制御装置は前記非回折波が収束する点を周期的に移動させる
   電子顕微鏡。
4. 請求項１において、
   前記制御装置は前記エッジ素子により遮断される電子の量、もしくは前記エッジ素子により遮断されていない電子の量に基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
   電子顕微鏡。
5. 請求項１において、
   前記制御装置は観察される像に含まれる空間周波数情報、もしくは観察される像に基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
   電子顕微鏡。
6. 請求項１において、
   前記制御装置は観察される像のコントラストに基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
   電子顕微鏡。
7. 請求項１において、
   前記開口は平面視で円形状であり、前記エッジ素子は前記回折面のおおよそ半面を遮蔽し、前記制御装置は前記非回折波が収束する点を前記エッジに沿って移動させる
   電子顕微鏡。
8. 試料に対し電子線を照射し観察を行う電子顕微鏡において、
   前記試料から回折を受けずに透過する非回折波が収束する回折面ないし回折面と等価な面内において、前記非回折波が収束する点を前記回折面内において囲むように、前記電子線を遮断するエッジにより構成される開口を有するエッジ素子を配置し、
   前記非回折波が収束する点と前記エッジとの距離を所定間隔に保って前記非回折波が収束する点を前記エッジに沿って前記エッジに対して相対的に位置を変化させることにより観察像のコントラストを変化させる
   観察方法。
9. 請求項８において、
   前記非回折波が収束した点とエッジとの相対位置が異なる複数条件の像に対して演算処理を行い、試料の像を取得する
   観察方法。
10. 請求項８において、
    前記非回折波が収束した点が周期的に移動する
    観察方法。
11. 請求項８において、
    前述のエッジにより遮断された電子の量、もしくは前述のエッジにより遮断されていない電子の量に基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
    観察方法。
12. 請求項８において、
    観察される像に含まれる空間周波数情報、もしくは観察される像に基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
    観察方法。
13. 請求項８において、
    観察される像のコントラストに基づいて前記非回折波が収束する点と前記エッジとの位置関係を調整する
    観察方法。
14. 請求項８において、
    前記開口は平面視で円形状であり、前記エッジ素子は前記回折面のおおよそ半面を遮蔽し、前記非回折波が収束する点を前記エッジに沿って移動させる
    観察方法。

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