JP6533665B2 - 電子顕微鏡および収差測定方法 - Google Patents

電子顕微鏡および収差測定方法 Download PDF

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Description

本発明は、電子顕微鏡および収差測定方法に関する。
走査透過電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）は、収束させた電子線を試料上で走査し、この走査と同期させながら試料からの透過電子あるいは散乱電子による検出信号の強度をマッピングすることで走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を得る電子顕微鏡である。走査透過電子顕微鏡は、原子レベルの極めて高い空間分解能が得られる電子顕微鏡として、近年、注目を集めている。
このような走査透過電子顕微鏡に搭載される電子検出器として、検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器が知られている。分割型検出器は、分割された複数の検出領域について独立した検出系を備え、各検出系は検出面上の特定の検出領域に入射した電子のみを検出する。走査透過電子顕微鏡では検出面と回折面を一致させて像を取得する。すなわち、これは試料から特定の立体角領域に透過・散乱した電子を検出することに対応する。したがって、分割型検出器を用いることにより、試料による電子散乱の立体角依存性を同時に取得し、定量的に評価することができるという利点がある（例えば特許文献１参照）。
また、特許文献２には、このような分割型検出器を搭載した走査透過電子顕微鏡における収差測定方法が開示されている。特許文献２に記載の収差測定方法では、分割型検出器を用いて相互に位置の異なる複数の検出面（検出領域）の各々から明視野像を取得し、これと同時に暗視野像を取得し、これらの同時に取得した観察像を用いて各収差係数の算出を行う。このような収差測定方法では、ずれの少ない暗視野像を位置基準として用いるので、収差係数の算出精度を向上させることができ、この結果に基づく収差補正によって高分解能化が達成できるという効果を奏する。
特開２０１１−２４３５１６号公報 特開２０１２−２２９７１号公報
ここで、走査透過電子顕微鏡における収差測定の原理について説明する。図９は、走査透過電子顕微鏡による明視野像の取得において、試料Ｓ近傍から検出器１２０（検出面１２３）までの電子線ＥＢの軌道の一例を模式的に示す図である。
試料Ｓは、対物レンズ１１３の前方焦点面１１３ａから焦点距離だけ離れた位置に設置され、検出器１２０は試料Ｓからカメラ長だけ離れた位置に設置されている。図９では、電子線ＥＢが対物レンズ１１３の前方焦点面１１３ａを通過し、対物レンズ１１３の収束作用によって試料Ｓに向かって収束する様子を示している。
なお、収束角αは試料Ｓに対する電子線ＥＢの入射角であり、方位角θは、試料Ｓ上での電子線ＥＢの方位角である。収差が無い場合、各電子線はその収束角αおよび方位角θに関わりなく、点線で示すように試料Ｓの一点に集中する。これに対して、収差（幾何収
差）がある場合、電子線ＥＢは試料Ｓへの収束角αが大きいほど、試料Ｓの手前で光軸２と交差し、その照射位置は、当該電子線の収束角αが大きいほど、想定する照射位置から遠ざかる。この収差が対物レンズ１１３の球面収差によるものであれば、良く知られているように、このずれは収束角αの３乗に比例する。
このような収差の影響下で、光軸２上を通過した電子線ＥＢ１が図１０（Ａ）に示す明視野像を形成した場合、試料Ｓに対して収束角α（α≠０）の電子線ＥＢ２が形成する明視野像は、図１０（Ｂ）に示すように、図１０（Ａ）の明視野像に対する位置ずれを伴う。これは、収差による照射位置のずれにより、原子Ａの像を形成するために（換言すれば、原子Ａに照射するために）、電子線ＥＢ２をさらにシフトさせる必要があるためである。
つまり、収束角αの異なる電子線によって形成される複数の明視野像は、収差によって必然的に相互の位置ずれを伴うことになる。すなわち、試料Ｓについての一観察像を基準とし、これらの明視野像の位置ずれ量を位置ずれベクトルＦα，θで表したとすると、その逆方向のベクトルは各明視野像に現れる収差を示す幾何収差ベクトルＧα，θに対応する。
一方、対物レンズ１１３の前方焦点面（開口面とも称する）１１３ａは、電子線ＥＢの角度空間面である。すなわち、図９の上部で概念的に示すように、前方焦点面１１３ａ上の電子線の各位置を極座標で表すと、その動径成分および角度成分は、それぞれ、収束角α及び方位角θにより一義的に表すことができる。また、前方焦点面１１３ａでの収差関数χは、これら収束角αおよび方位角θの関数である次の各波面収差の和で表される。原子レベルでの高分解能観察では軸上収差のみを扱うことを考慮すると、収差関数χ（α，θ）は、次のように表される。
χ（α，θ）＝焦点ズレ（デフォーカス）＋２回非点
＋軸上コマ＋３回非点
＋球面収差＋スター収差＋４回非点
＋４次のコマ＋Ｔｈｒｅｅｌｏｂｅ収差＋５回非点
＋５次の球面収差＋６回非点・・・
すなわち、収差関数χ（α，θ）は、次式（Ａ）で表される。
幾何収差ベクトルＧα,θの収束角方向および方位角方向における各成分Ｇα、Ｇθは、この収差関数χについて収束角αおよび方位角θのそれぞれで偏微分することで得られる。
つまり、収束角α及び方位角θの複数の組のそれぞれにおける明視野像を取得することで、その組の数だけ幾何収差ベクトルＧα,θが得られ、これらに対して最小二乗法等の数学的処理を行うことで、各収差係数を算出することができる。
電子線の収束角α及び方位角θについては、例えば、電子線の検出面の位置を特定すればよい。例えば、収束角α及び方位角θを対応付けた検出位置の異なる複数の検出領域を有する多分割検出器を用いて、それぞれの検出領域に入射した電子線から明視野像をその検出面の位置情報（すなわち、当該検出領域に入射した電子線ＥＢの角度情報（収束角α及び方位角θ））とともに複数同時に取得し、これらから各明視野像に対する幾何収差ベクトルＧα,θを複数算出する。なお、各収差は収束角αと方位角θ（前方焦点面では動径成分と角度成分）を変数にもつ関数であるため、両変数に対して検出領域を少なくとも二分割する必要がある。
また、各収差係数の算出に必要な幾何収差ベクトルＧα,θの数が多いほど（すなわち分割された検出領域の数が多いほど）、次数の低い収差について高い精度で算出できる。
図１１は、分割型検出器を搭載した走査透過電子顕微鏡における収差測定方法の概要を説明するための図である。図１１に示すように電子線ＥＢは試料Ｓ上に収束されるが、照射系に収差がある場合には、収束角ごとに、試料Ｓへの入射位置がずれるため、一点に収束しない。
図１２（Ａ）は、検出領域Ｄ１で得られた明視野ＳＴＥＭ像であり、図１２（Ｂ）は、検出領域Ｄ２で得られた明視野ＳＴＥＭ像であり、図１２（Ｃ）は、検出領域Ｄ３で得られた明視野ＳＴＥＭ像である。
複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３を有する分割型検出器で同時に明視野ＳＴＥＭ像を撮影すると、検出される電子線ＥＢの入射角は、検出領域Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ごとに異なる。そのため、図１１に示すように、照射系の収差量に応じて電子線ＥＢの試料Ｓへの入射位置がずれ、図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示すように、明視野ＳＴＥＭ像全体がシフトする。この像シフトから収差係数を計算することができる。
図１３は、分割型検出器１２０の一例を模式的に示す平面図である。分割型検出器１２０において、図１３に示すように、各検出領域Ｄ１〜Ｄ４の形状は、例えば、扇形に近い形状を有している。このような検出領域Ｄ１〜Ｄ４で収差を計測すると、検出領域Ｄ１〜Ｄ４の広がりが大きい（すなわち入射角の広がりが大きい）ために像がぼけてしまい、像の移動量を精度よく計算することが難しい。特に、扇形形状の検出領域では、角度方向（円周方向）の広がりが大きいため、角度方向の対称性の次数が高い収差が存在する場合に像のぼけが顕著になる。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、収差を精度よく測定することができる電子顕微鏡を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、収差を精度よく測定することができる収差測定方法を提供することにある。
（１）本発明に係る電子顕微鏡は、
試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
を含み、
前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられ、
前記絞りは、収差測定用の絞りである。
このような電子顕微鏡では、絞りによって分割型検出器の検出領域の電子が入射する領域を制限することにより、各検出領域で得られる走査透過電子顕微鏡像のぼけを低減させることができる。そのため、収差を精度よく測定することができる。さらに、このような電子顕微鏡では、絞りによって分割型検出器の検出領域の電子が入射する領域を制限することにより、分割型検出器において角度方向の分解能を向上させることができ、高次の収差まで測定することができる。
（２）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記絞り孔の大きさは、前記検出領域の大きさよりも小さくてもよい。
このような電子顕微鏡では、絞り孔によって、各検出領域の電子が入射する領域を決定することができる。
（３）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記検出面は、光軸を中心として、角度方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の前記検出領域を有していてもよい。
（４）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記絞りは、前記光軸からｍ層目（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔を有し、
前記絞り孔は、３６０／Ｎ度おきに設けられていてもよい。
（５）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光軸からｍ層目に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置は、前記光軸からｍ−１層目に位置するＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置を、１８０／Ｎ度回転させた配置であってもよい。
このような電子顕微鏡では、例えば絞りを用いない場合と比べて、高次の収差まで測定することができる。
（６）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光軸からｍ層目に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置は、前記光軸からｍ−１層目に位置するＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置と同じであってもよい。
このような電子顕微鏡では、低次の収差を、精度よく測定することができる。
（７）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限して撮影された前記検出領域ごとの走査透過電子顕微鏡像に基づいて、収差を求める演算部を含んでいてもよい。
（８）本発明に係る電子顕微鏡は、
試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
を含み、
前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられ、
前記検出面は、光軸を中心として、角度方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の前記検出領域を有している。
（９）本発明に係る電子顕微鏡は、
試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
前記絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限して撮影された前記検出領域ごとの走査透過電子顕微鏡像に基づいて、収差を求める演算部と、
を含み、
前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられている。
（１０）本発明に係る収差測定方法は、
検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器を備えた電子顕微鏡における収差測定方法であって、
絞りを用いて前記検出領域の試料を透過した電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
取得した走査透過電子顕微鏡像から収差を求める工程と、
を含み、
前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられている。
このような収差測定方法では、絞りによって分割型検出器の検出領域の電子が入射する領域を制限することにより、各検出領域で得られる走査透過電子顕微鏡像のぼけを低減させることができる。そのため、収差を精度よく測定することができる。さらに、このような収差測定方法では、絞りによって分割型検出器の検出領域の電子が入射する領域を制限することにより、分割型検出器において角度方向の分解能を向上させることができ、高次の収差まで測定することができる。
（１１）本発明に係る収差測定方法において、
前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程では、
第１絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
前記第１絞りとは絞り孔の配置が異なる第２絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
を含んでいてもよい。
このような測定方法では、第１絞りおよび第２絞りを用いることにより、例えば様々な収差を、容易に精度よく測定することができる。さらに、例えば、検出領域の数が少ない分割型検出器であっても、絞り孔の配置が異なる第１絞りおよび第２絞りを用いることにより、高次の収差まで測定することができる。
本実施形態に係る電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子顕微鏡の分割型検出器の構成を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子顕微鏡の分割型検出器の検出面を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子顕微鏡において収差測定用絞りを挿入した状態を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子顕微鏡において収差測定用絞りを挿入した状態で分割型検出器の検出面を電子線の入射方向から見た模式図。 収差測定用絞りの絞り孔の配置の変形例を模式的に示す図。 収差測定用絞りの絞り孔の配置の変形例を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子顕微鏡を用いた収差測定方法の一例を示すフローチャート。 走査透過電子顕微鏡による明視野像の取得において、試料近傍から検出器までの電子線の軌道の一例を模式的に示す図。 図１０（Ａ）は光軸上を通過した電子線が形成する明視野像を模式的に示す図であり、図１０（Ｂ）は試料に対して収束角αの電子線が形成する明視野像を模式的に示す図である。 分割型検出器を搭載した走査透過電子顕微鏡における収差測定方法の概要を説明するための図。 図１２（Ａ）は検出領域Ｄ１で得られた明視野ＳＴＥＭ像であり、図１２（Ｂ）は検出領域Ｄ２で得られた明視野ＳＴＥＭ像であり、図１２（Ｃ）は検出領域Ｄ３で得られた明視野ＳＴＥＭ像である。 分割型検出器を模式的に示す平面図。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 電子顕微鏡
まず、本実施形態に係る電子顕微鏡１００について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を模式的に示す図である。
電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、照射レンズ系１１と、偏向器１２と、対物レンズ１３と、試料ステージ１４と、中間レンズ１５と、投影レンズ１６と、分割型検出器２０と、収差測定用絞り３０と、収差補正器４０と、電源５０と、処理部６０と、操作部７０と、表示部７２と、記憶部７４と、を含む。
電子線源１０は、電子線ＥＢを発生させる。電子線源１０としては、例えば熱電子放出型や、熱電界放出型、冷陰極電界放出型などの電子銃を用いることができる。
照射レンズ系１１は、電子線源１０で発生した電子線ＥＢを収束させる。偏向器１２は、電子線ＥＢを偏向させる。電源５０から供給される走査信号を偏向器１２に供給することにより、収束した電子線ＥＢで試料Ｓ上を走査することができる。これにより、電子顕微鏡１００を、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として機能させることができる。
収差補正器４０は、収差を低減させることができる。収差補正器４０は、電子顕微鏡１００の照射系に組み込まれている。収差補正器４０は、四極子や六極子等の収差補正子を含んで構成されている。
対物レンズ１３は、電子線ＥＢを試料Ｓ上に収束させ、試料Ｓを透過した電子を結像する。
試料ステージ１４は、試料Ｓを保持する。また、試料ステージ１４は、試料Ｓを水平方向や鉛直方向に移動させたり試料Ｓを傾斜させたりすることができる。
中間レンズ１５は、対物レンズ１３の後方焦点面（回折面）を投影レンズ１６の物面に結像する。投影レンズ１６は、中間レンズ１５の像面を分割型検出器２０の検出面２３上に結像する。電子顕微鏡１００では、分割型検出器２０の検出面２３と回折面とを一致させて走査電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を取得する。
分割型検出器２０は、投影レンズ１６の後方（電子線ＥＢの下流側）に設けられている。分割型検出器２０は、試料Ｓを透過した電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された検出器である。図２は、分割型検出器２０の構成を模式的に示す図である。図３は
、分割型検出器２０の検出面２３を模式的に示す図である。
分割型検出器２０は、図２および図３に示すように、電子線を光に変換する電子−光変換素子２２と、電子−光変換素子２２を複数の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に分割するとともに各検出領域からの光を伝送する光伝送路２４と、光伝送路２４から伝送された検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとの光を電気信号に変換する複数の光検出器２８と、を備えている。
電子−光変換素子２２は、例えば、シンチレーターや蛍光板であり、入射した電子を後段の光検出器２８で検出可能な強度を持つ光に変換する。
光伝送路２４は、多数の光ファイバーが束ねられたバンドル光ファイバーであり、電子−光変換素子２２側の端部は電子-光変換素子２２全面からの光を受光するように一体に纏められ、その反対側の端部は受光した光をその受光位置に応じて各光検出器２８に伝送するように分岐している。すなわち、光伝送路２４は、電子−光変換素子２２の発光面を検出面２３とし、収束角αと方位角θを対応づけた相互に位置の異なる複数の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６となるように構成されている。
光伝送路２４は、光の伝送経路を変更することで電子−光変換素子２２の電子線入射面内で複数の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を回転させる回転部２６を有している。光伝送路２４は、真空側に配置される光伝送路２４ａと、大気側に配置される光伝送路２４ｂと、で構成され、光伝送路２４ａと光伝送路２４ｂとは、回転部２６によって相互に回転可能に接続されている。回転部２６は、光伝送路２４全体の中心軸を維持しつつ、当該中心軸周りで光伝送路２４ｂを回転させることができる。この回転によって検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を回転させることができる。
駆動部２７は、回転部２６を動作させて、光伝送路２４ｂを回転させることができる。
光検出器２８は、例えば光電子増倍管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ ｔｕｂｅ：ＰＭＴ）と前置増幅器の複合装置であり、分岐した光伝送路２４から出射した光を電気信号に変換し、増幅する。この信号は、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に入射した電子線の検出信号として、処理部６０に入力される。
上述したように、各収差は収束角αと方位角θ（前方焦点面では動径成分と角度成分）を変数にもつ関数であるため、両変数に対して検出面を少なくとも二分割する必要がある。一方、各収差係数の算出に必要な幾何収差ベクトルＧα,θの数が多いほど、次数の低い収差について高い精度で算出ができる。したがって、光伝送路２４は、電子-光変換素子２２の発光面を角度方向および動径方向において等間隔に分割する。図３に示す例では、方位角方向に４分割、収束角方向に４分割し、電子-光変換素子２２の検出面２３を検出領域Ｄ１〜Ｄ１６として１６分割している。この場合、光伝送路２４の分岐数は１６であり、光検出器２８の数も１６である。
なお、分割型検出器２０の検出面２３は、上記の例に限定されず、例えば、光軸２を中心として、角度方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の検出領域Ｄ１〜Ｄ（Ｎ×Ｍ）を有することができる（図３に示す例ではＮ＝４，Ｍ＝４）。
収差測定用絞り３０は、分割型検出器２０の上方に配置されている。収差測定用絞り３０は、光軸２への挿入、光軸２からの退避が可能に構成されている。電子顕微鏡１００では、収差を測定するためのＳＴＥＭ像の撮影を行う際には収差測定用絞り３０を挿入し、試料Ｓの観察のためのＳＴＥＭ像の撮影を行う際には収差測定用絞り３０を退避させる。
図４は、電子顕微鏡１００において収差測定用絞り３０を挿入した状態を模式的に示す図である。
図４に示すように、収差測定用絞り３０は、分割型検出器２０（検出面２３）の上方に配置され、収差測定用絞り３０を通過した電子は分割型検出器２０の検出面２３に入射する。
図５は、収差測定用絞り３０を挿入した状態で分割型検出器２０の検出面２３を電子線の入射方向から見た模式図である。
収差測定用絞り３０は、複数の絞り孔３２を有している。各絞り孔３２は、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に対応して設けられている。図５に示す例では、絞り孔３２は、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に１対１に対応して１６個設けられている。絞り孔３２の大きさ（開口の面積）は、対応する検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の大きさ（面積）よりも小さい。各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６には、対応する絞り孔３２を通過した電子のみが検出される。すなわち、絞り孔３２によって、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の電子が入射する領域を決定することができる。これにより、分割型検出器２０において角度方向の分解能を向上させることができる。
なお、分割型検出器２０では、絞り孔３２の大きさが小さくなるに従って角度方向の分解能が向上するが、検出される信号量が減少してしまうためＳＮ比が悪化してしまう。そのため、絞り孔３２の大きさは、要求される分解能およびＳＮ比に応じて適宜設定される。
ここで、収差測定用絞り３０における絞り孔３２の配置について説明する。
例えば、図５に示すように、収差測定用絞り３０が、光軸２（検出面２３の中心）からｍ層目（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２を有している場合、絞り孔３２は、３６０／Ｎ度おきに設けられる。具体的には、図５において、１層目に配置された４個の検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２が９０度（３６０／４度）おきに設けられている。他の層についても同様に、４個の検出領域Ｄ５〜Ｄ８，Ｄ９〜Ｄ１２，Ｄ１３〜Ｄ１６に対応する４個の絞り孔３２が９０度おきに設けられている。
また、光軸２からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２からｍ−１層目に位置するＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置を、１８０／Ｎ度回転させた配置である。具体的には、図５において、例えば、２層目に配置された４個の検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２から１層目に配置された４個の検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２の角度方向の配置を４５度（１８０／４度）回転させた配置である。検出領域Ｄ１と検出領域Ｄ２との境界を０°とした場合、検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２は、それぞれ６５°、１５５°、２４５°、３３５°に配置され、検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２は、それぞれ２０°、１１０°、２００°、２９０°に配置されている。４層目に対する３層目、３層目に対する２層目についても、絞り孔３２の角度方向の配置は同様の関係を有している。
図６は、収差測定用絞り３０の絞り孔３２の配置の変形例を模式的に示す図であり、図５に対応している。
例えば、収差測定用絞り３０が、光軸２からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応
するＮ個の絞り孔３２を有している場合、図６に示すように、光軸２からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２からｍ−１層目に位置するＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置と同じである。具体的には、図６において、例えば２層目に配置された４個の検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２から１層目に配置された４個の検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２の角度方向の配置と同じである。検出領域Ｄ１と検出領域Ｄ２との境界を０°とした場合、検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２は、それぞれ４５°、１３５°、２２５°、３１５°に配置され、検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２も同様に、それぞれ４５°、１３５°、２２５°、３１５°に配置されている。４層目に対する３層目、３層目に対する２層目についても、絞り孔３２の角度方向の配置は同様の関係を有している。すなわち、本変形例では、各層（１〜４層）の絞り孔３２の角度方向の配置は同じである。
図７は、収差測定用絞り３０の絞り孔３２の配置の変形例を模式的に示す図であり、図５に対応している。
図７に示す例では、収差測定用絞り３０の絞り孔３２の配置は、図５に示す絞り孔３２の配置を、光軸２を中心として所定の角度（図示の例では４５度）だけ回転させた配置である。
電子顕微鏡１００では、例えば、上述した図５〜図７に示す収差測定用絞り３０が交換可能に設けられている。これにより、後述するように、測定する収差の種類によって収差測定用絞り３０の種類を変えて測定を行うことができる。例えば、電子顕微鏡１００において収差測定用絞りが、図５〜図７に示す収差測定用絞り３０が組み込まれた可動絞りであり、真空外から絞り孔３２の配置を切り替え可能となっていてもよい。
また、電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０は、光軸２を中心として回転可能に設けられていてもよい。具体的には、電子顕微鏡１００は、図示はしないが、収差測定用絞り３０を回転させる回転機構を有しており、当該回転機構によって収差測定用絞り３０を所望の角度だけ回転させることにより、図５に示す絞り孔３２の配置から、所望の配置（例えば図７に示す絞り孔３２の配置）に変更可能となっていてもよい。
電源５０は、図１に示すように、電子線源１０や、光学系１１，１２，１３，１５，１６，４０、分割型検出器２０の駆動部２７（図２参照）に電圧又は電流を印加する。電源５０は、制御部６２からの制御信号に基づいて、電子線源１０や、光学系１１，１２，１３，１５，１６，４０、駆動部２７に電圧又は電流を印加する。
操作部７０は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部６０に送る処理を行う。操作部７０は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどである。操作部７０は、例えば、ユーザーからの観察倍率や観察領域などの入力値を受け付ける。
表示部７２は、処理部６０によって生成された画像を表示するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。表示部７２は、例えば、画像処理部６４で生成されたＳＴＥＭ像を表示する。
記憶部７４は、処理部６０のワーク領域となるもので、その機能はＲＡＭなどにより実現できる。記憶部７４は、処理部６０が各種の制御処理や計算処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。また、記憶部７４は、処理部６０の作業領域として用いられ、処理部６０が各種プログラムに従って実行した算出結果等を一時的に記憶するために
も使用される。
処理部６０は、記憶部７４に記憶されているプログラムに従って、各種の制御処理や計算処理を行う。処理部６０は、記憶部７４に記憶されているプログラムを実行することで、以下に説明する、制御部６２、画像処理部６４、演算部６６として機能する。処理部６０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。なお、処理部６０の少なくとも一部をハードウェア（専用回路）で実現してもよい。
処理部６０は、制御部６２と、画像処理部６４と、演算部６６と、を含む。
制御部６２は、電子線源１０や、電子顕微鏡１００を構成する光学系１１，１２，１３，１５，１６，４０、分割型検出器２０の駆動部２７に電圧又は電流を印加するための電源５０の出力電圧または出力電流を制御するための処理を行う。
画像処理部６４は、分割型検出器２０の出力信号を用いてＳＴＥＭ像を生成する処理を行う。画像処理部６４は、例えば、分割型検出器２０の各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに明視野ＳＴＥＭ像を生成する処理を行う。生成された各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとの明視野ＳＴＥＭ像は、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に対応づけられた収束角αおよび方位角θの情報とともに記憶部７４に記憶される。ここで、収差測定用絞り３０が挿入された場合、収束角αおよび方位角θは、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に対応する絞り孔３２の位置（対応する絞り孔３２を通った電子が検出領域Ｄ１〜Ｄ１６に入射する位置）に対応づけられた値となる。
演算部６６は、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに得られた明視野ＳＴＥＭ像から、収差を算出する処理を行う。演算部６６は、記憶部７４から明視野ＳＴＥＭ像を読み出し、相互相関等の数学的処理により各明視野ＳＴＥＭ像の間の相対的な位置ずれを計算する。そして、演算部６６は、収束角αおよび方位角θと、得られた明視野ＳＴＥＭ像の間の位置ずれを表すベクトルとによる複数の組の中から所定数の組を選択し、最小二乗法等の数学的処理を用いて、幾何収差の各収差係数を算出する。
制御部６２は、演算部６６が算出した収差係数に基づいて、収差補正器４０の収差補正子に供給する励磁電流等を制御する。これにより、収差を低減させることができる。
２． 収差測定方法
次に、本実施形態に係る電子顕微鏡１００を用いた、収差測定方法について図面を参照しながら説明する。
まず、収差を測定する手法について説明する。
一般的な収差まで存在している場合の像の移動量は、例えば、次式（１）のように表すことができる。ただし、ωは試料Ｓに対する複素入射角を表す。
例えば、収差補正器４０で収差が補正されている状態から視野を移動した場合などに変化する収差はｃ１とａ１が主で、その他の収差は無視できると考えられる。このような場合、光軸２から等距離に９０度おきに配置された１層の検出領域（例えば図５に示す検出領域Ｄ１〜Ｄ４）で得られた４枚の明視野ＳＴＥＭ像により一次の収差係数ｃ１とａ１を測定することができる。
収差係数を決定するために必要な枚数以上の明視野ＳＴＥＭ像がある場合には、最小二乗法等を用いて測定精度を向上させることができる。
一次の収差係数に加えて二次の収差係数（ｂ２，ａ２）が残留していると考えられる場合には、二層の検出領域（例えば図５に示す１層目の検出領域Ｄ１〜Ｄ４と、２層目の検出領域Ｄ５〜Ｄ８）で得られた８枚の明視野ＳＴＥＭ像により収差を測定することができる。
さらに高次の収差が残留している場合には、各層での検出領域の配置が重要になる。例えば、図６に示すように各層の絞り孔３２の角度方向の配置が同じ収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を制限すると、ｃ３とａ３、ｂ４とｄ４の角度方向の依存性が同じになり分離ができない。そのため、図５に示すように各層の絞り孔３２の角度方向の配置をずらした収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を制限すると、１・３層目と、２・４層目の位相がずれ、これらの収差係数（ｃ３、ａ３、ｂ４、ｄ４）が計算できるようになる。さらに、例えば、図５に示す状態から、図７に示すように収差測定用絞り３０を４５度回転させると、収差の線形結合係数の位相が１８０度まわるため、容易に収差を分離することができる。
図５に示す収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を制限した状態では、３層の検出領域（例えば検出領域Ｄ１〜Ｄ４、Ｄ５〜Ｄ８、Ｄ９〜Ｄ１２）で得られた１２枚の明視野ＳＴＥＭ像から三次の収差係数（ｃ３，ｓ３，ａ３）を測定することができ、４層の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６で得られた１６枚の明視野ＳＴＥＭ像から上記式（１）に現れたすべての収差を分離することができる。
なお、収差補正器４０を搭載していない電子顕微鏡においては、ｃ３以外の三次の収差が無視できるのであれば、図５に示す収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を制限した状態で、二層の検出領域で得られた８枚の明視野ＳＴＥＭ像から三次までの収差係数を決定することができる。
また、例えば、図５に示す収差測定用絞り３０を用いて撮影を行った後に、図７に示す収差測定用絞り３０を用いて撮影を行うことで、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を４５度回転させた場合と同じ明視野ＳＴＥＭ像を得ることができる。このように、複数の収差測定用絞り３０を切り替えることによって、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を回転させなくても、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６を回転させたときと同じ明視野ＳＴＥＭ像を得ることができる。したがって、高次の収差係数を容易に測定することができる。
複数の高次の収差が残っている状況では、照射系の絞り（図示せず）を大きくする、カメラ長を適切に制御するなどして、上述した収差係数の測定を行ない、収差補正器４０により収差の補正を行う。高次の収差が補正された後に、最終的な観察条件に近い条件（絞りの大きさ、カメラ長）において、低次の収差を測定し、補正を行う。
図８は、本実施形態に係る電子顕微鏡を用いた収差測定方法の一例を示すフローチャートである。
まず、収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６において試料Ｓを透過した電子が入射する領域を制限し、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する（ステップＳ１０）。
本工程では、上述したように収差の種類により、収差測定用絞り３０の種類（絞り孔３２の配置）や、絞りの回転角度を変えて、複数回、明視野ＳＴＥＭ像を撮影してもよい。また、電子顕微鏡１００の結像系のレンズを用いてカメラ長、結像系の回転角を変えて、複数回、明視野ＳＴＥＭ像を撮影してもよい。そして、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに得られた明視野ＳＴＥＭ像は、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６（対応する絞り孔３２の位置）に対応づけられた収束角αおよび方位角θの情報とともに記憶部７４に記憶される。演算部６６は、記憶部７４に記憶された明視野ＳＴＥＭ像を読み出して、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとの明視野ＳＴＥＭ像を取得する。
次に、取得した明視野ＳＴＥＭ像から収差を求める（ステップＳ１１）。
演算部６６は、上述した手法を用いて、明視野ＳＴＥＭ像から収差係数を求める処理を行う。具体的には、演算部６６は、まず、相互相関等の数学的処理により各明視野ＳＴＥＭ像の間の相対的な位置ずれを計算する。演算部６６では、ドリフトの影響を避けるために、撮影を複数回行った場合でも、同時に撮影された明視野ＳＴＥＭ像の間での位置ずれのみを計算する。そして、演算部６６は、各明視野ＳＴＥＭ像の間の相対的な位置ずれから各収差係数を求める。
以上の工程により、収差を測定することができる。
なお、演算部６６が収差係数を求めた後に、制御部６２は、演算部６６が算出した収差係数に基づいて、収差補正器４０の収差補正子に供給する励磁電流等を制御する処理を行う。これにより、収差を低減させることができる。
電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。
電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０が分割型検出器２０の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の電子が入射する領域を制限することにより、各検出領域Ｄ１〜Ｄ１６で得られる明視野ＳＴＥＭ像のぼけを低減させることができる。そのため、演算部６６において明視野ＳＴＥＭ像間の位置ずれを精度よく求めることができ、収差を精度よく測定することができる。
さらに、電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０が分割型検出器２０の検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の電子が入射する領域を制限することにより、分割型検出器２０において角度方向の分解能を向上させることができ、例えば、高次の収差係数まで測定することができる。
また、電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０の絞り孔３２の配置を光軸２からの距離に応じて異ならせることにより、分割型検出器２０の角度方向の分割数を増やした場合と同様に、角度依存性の異なる収差項の分離が可能となる。
また、電子顕微鏡１００では、絞り孔３２の配置が異なる複数の収差測定用絞り３０を備えることにより、測定する収差の種類に応じて収差測定用絞り３０を用いることができる。これにより、様々な収差を、容易に精度よく測定することができる。さらに、例えば、検出領域の数が少ない分割型検出器（例えば２つの検出領域を備えた分割型検出器）であっても、絞り孔３２の配置が異なる複数の収差測定用絞り３０を用いることにより、高
次の収差まで測定することができる。
電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０において、光軸２からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２からｍ−１層目に位置するＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置を、１８０／Ｎ度回転させた配置である。これにより、収差測定用絞り３０を用いない場合と比べて、高次の収差まで測定することができる。
電子顕微鏡１００では、収差測定用絞り３０において、光軸２からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置は、光軸２からｍ−１層目に位置するＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２の角度方向の配置と同じである。これにより、低次の収差を精度よく測定することができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、収差測定用絞り３０を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の試料Ｓを透過した電子が入射する領域を制限し、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する工程（ステップＳ１０）と、取得したＳＴＥＭ像から収差を求める工程（ステップＳ１１）と、を含む。これにより、上述したように、容易に精度よく収差測定することができる。
また、本実施形態に係る収差測定方法では、第１絞り（例えば図５に示す収差測定用絞り３０）を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の電子が入射する領域を制限し、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する工程と、第１絞りとは絞り孔の配置が異なる第２絞り（例えば図７に示す収差測定用絞り３０）を用いて検出領域Ｄ１〜Ｄ１６の電子が入射する領域を制限し、検出領域Ｄ１〜Ｄ１６ごとに明視野ＳＴＥＭ像を取得する工程と、を含む。このように第１絞りおよび第２絞りを用いることにより、例えば様々な収差を、容易に精度よく測定することができる。さらに、例えば、検出領域の数が少ない分割型検出器であっても、絞り孔の配置が異なる第１絞りおよび第２絞りを用いることにより、高次の収差まで測定することができる。
３． 変形例
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
例えば、上述した実施形態では、検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器２０として、図２に示すように、電子−光変換素子２２と、光伝送路２４と、光検出器２８と、を含んで構成された装置を挙げて説明したが、分割型検出器の構成はこれに限定されない。例えば、本発明に係る電子顕微鏡の分割型検出器としてＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）カメラを用いてもよい。
例えば、ＣＣＤカメラの二次元的に配列された複数の画素からなる検出面を分割して複数の検出領域として上述した実施形態を適用し、収差を測定することができる。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
１０…電子線源、１１…照射レンズ系、１２…偏向器、１３…対物レンズ、１４…試料ステージ、１５…中間レンズ、１６…投影レンズ、２０…分割型検出器、２２…光変換素子、２３…検出面、２４…光伝送路、２４ａ…光伝送路、２４ｂ…光伝送路、２６…回転部、２７…駆動部、２８…光検出器、３０…収差測定用絞り、３２…絞り孔、４０…収差補正器、５０…電源、６０…処理部、６２…制御部、６４…画像処理部、６６…演算部、７０…操作部、７２…表示部、７４…記憶部、１００…電子顕微鏡、１１３…対物レンズ、１１３ａ…前方焦点面、１２０…検出器、１２３…検出面

Claims (11)

  1. 試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
    前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
    前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
    を含み、
    前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられ、
    前記絞りは、収差測定用の絞りである、電子顕微鏡。
  2. 請求項１において、
    前記絞り孔の大きさは、前記検出領域の大きさよりも小さい、電子顕微鏡。
  3. 請求項１または２において、
    前記検出面は、光軸を中心として、角度方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の前記検出領域を有している、電子顕微鏡。
  4. 請求項３において、
    前記絞りは、前記光軸からｍ層目（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔を有し、
    前記絞り孔は、３６０／Ｎ度おきに設けられている、電子顕微鏡。
  5. 請求項４において、
    前記光軸からｍ層目に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置は、前記光軸からｍ−１層目に位置するＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置を、１８０／Ｎ度回転させた配置である、電子顕微鏡。
  6. 請求項４において、
    前記光軸からｍ層目に配置されたＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置は、前記光軸からｍ−１層目に位置するＮ個の前記検出領域に対応するＮ個の前記絞り孔の角度方向の配置と同じである、電子顕微鏡。
  7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
    前記絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限して撮影された前記検出領域ごとの走査透過電子顕微鏡像に基づいて、収差を求める演算部を含む、電子顕微鏡。
  8. 試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
    前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
    前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
    を含み、
    前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられ、
    前記検出面は、光軸を中心として、角度方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の前記検出領域を有している、電子顕微鏡。
  9. 試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像を得るための電子顕微鏡であって、
    前記試料を透過した前記電子を検出する検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器と、
    前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限する絞りと、
    前記絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限して撮影された前記検出領域ごとの走査透過電子顕微鏡像に基づいて、収差を求める演算部と、
    を含み、
    前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられている、電子顕微鏡。
  10. 検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器を備えた電子顕微鏡における収差測定方法であって、
    絞りを用いて前記検出領域の試料を透過した電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
    取得した走査透過電子顕微鏡像から収差を求める工程と、
    を含み、
    前記絞りの絞り孔は、複数の前記検出領域に対応して複数個設けられている、収差測定方法。
  11. 請求項１０において、
    前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程では、
    第１絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
    前記第１絞りとは絞り孔の配置が異なる第２絞りを用いて前記検出領域の前記電子が入射する領域を制限し、前記検出領域ごとに走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
    を含む、収差測定方法。
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