JP6595856B2 - 荷電粒子装置および測定方法 - Google Patents

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Description

本発明は、荷電粒子装置および測定方法に関する。
走査透過電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）で電磁場を可視化する手法として、微分位相コントラスト（Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｒａｓｔ：ＤＰＣ）法が知られている。微分位相コントラスト法は、電子線が試料を透過する際の偏向量を測定し、そこから電子線偏向の原因となる試料の電磁場（偏向場）を計算する手法である（例えば特許文献１参照）。
特開平１−９３０４１号公報
ＤＰＣ法は、試料の偏向場をイメージングする手法として極めて優れた手法であるが、特許文献１に示すように、専用の分割検出器が必要であった。
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、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定が可能な荷電粒子装置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、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定が可能な測定方法を提供することにある。
（１）本発明に係る荷電粒子装置は、
荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
前記荷電粒子を前記試料上で走査する照射偏向部と、
前記試料を透過した前記荷電粒子を結像する対物レンズと、
前記対物レンズの後段に配置され、前記荷電粒子を偏向させる結像偏向部と、
前記結像偏向部の後段に配置され、前記荷電粒子で検出面上に回折ディスクを結像する結像光学系と、
前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出し、検出された前記荷電粒子の数に応じた強度情報を出力する検出器と、
前記検出器から出力された前記強度情報を記憶する記憶部と、
前記結像偏向部を制御する制御部と、
走査像を生成する画像生成部と、
を含み、
前記制御部は、
前記結像偏向部の第１〜第４偏向条件を設定する処理と、
前記照射偏向部を制御して、前記荷電粒子を前記試料上で走査し、前記結像偏向部を制御して、１つの走査位置ごとに、前記試料を透過した前記荷電粒子を前記第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、前記回折ディスクを前記検出面上の互いに異なる領域に、順次、結像させる処理と、
を行い、
前記第１〜第４偏向条件を設定する処理では、
前記第１偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第１領域に結像させる条件に設定され、
前記第２偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第２領域に結像させる条件に設定され、
前記第３偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第１領域と前記検出面の中心に関して対称な第３領域に結像させる条件に設定され、
前記第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第２領域と前記検出面の中心に関して対称な第４領域に結像させる条件に設定され、
前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記第１〜第４偏向条件を設定する処理では、
前記第１〜第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記第１偏向条件で前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第２偏向条件で前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第３偏向条件で前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第４偏向条件で前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数とが、互いに等しくなるように設定され、
前記記憶部は、偏向条件ごとに前記強度情報と前記走査位置の情報とを関連づけて記憶し、
前記画像生成部は、
前記記憶部から、前記偏向条件ごとに記憶された前記強度情報と前記走査位置の情報を読み出して、前記第１偏向条件での第１走査像、前記第２偏向条件での第２走査像、前記第３偏向条件での第３走査像、および前記第４偏向条件での第４走査像を生成し、
前記第１走査像と前記第３走査像の差に基づく画像、および前記第２走査像と前記第４走査像の差に基づく画像を生成する。
このような荷電粒子装置では、偏向条件ごとの強度情報から試料の偏向場の大きさや方向を求めることができる。したがって、このような荷電粒子装置では、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定を行うことができる。
（２）本発明に係る測定方法は、
荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
前記荷電粒子を前記試料上で走査する照射偏向部と、
前記試料を透過した前記荷電粒子を結像する対物レンズと、
前記対物レンズの後段に配置され、前記荷電粒子を偏向させる結像偏向部と、
前記結像偏向部の後段に配置され、前記荷電粒子で検出面上に回折ディスクを結像する結像光学系と、
前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出し、検出された前記荷電粒子の数に応じた強度情報を出力する検出器と、
を含む荷電粒子装置において、前記試料の偏向場を測定する測定方法であって、
前記結像偏向部の第１〜第４偏向条件を設定する工程と、
前記照射偏向部を制御して、前記荷電粒子を前記試料上で走査し、前記結像偏向部を制御して、１つの走査位置ごとに、前記試料を透過した前記荷電粒子を前記第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、前記回折ディスクを前記検出面上の互いに異なる領域に、順次、結像させる工程と、
偏向条件ごとに前記強度情報と前記走査位置の情報とを関連づけて取得する工程と、
前記偏向条件ごとに取得された前記強度情報と前記走査位置の情報に基づいて、前記第１偏向条件での第１走査像、前記第２偏向条件での第２走査像、前記第３偏向条件での第３走査像、および前記第４偏向条件での第４走査像を生成する工程と、
前記第１走査像と前記第３走査像の差に基づく画像、および前記第２走査像と前記第４走査像の差に基づく画像を生成する工程と、
を含み、
前記第１〜第４偏向条件を設定する工程では、
前記第１偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第１領域に結像させる条件に設定され、
前記第２偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第２領域に結像させる条件に設定され、
前記第３偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第１領域と前記検出面の中心に関して対称な第３領域に結像させる条件に設定され、
前記第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第２領域と前記検出面の中心に関して対称な第４領域に結像させる条件に設定され、
前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
前記第１〜第４偏向条件を設定する工程では、
前記第１〜第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を
前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記第１偏向条件で前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第２偏向条件で前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第３偏向条件で前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第４偏向条件で前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数とが、互いに等しくなるように設定される。
このような測定方法では、偏向条件ごとの強度情報から試料の偏向場の大きさや方向を求めることができる。そのため、このような測定方法では、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定を行うことができる。
本実施形態に係る荷電粒子装置の構成を模式的に示す図。 本実施形態に係る荷電粒子装置による偏向場の測定方法を説明するための図。 試料を透過した電子を説明するための図。 検出面上における回折ディスクの位置と検出器で計数される電子の数との関係を説明するための図。 検出面上における回折ディスクの位置と検出面上で回折ディスクが占める面積との関係を示すグラフ。 本実施形態に係る荷電粒子装置の結像偏向部の動作を説明するための図。 本実施形態に係る荷電粒子装置の結像偏向部の動作を説明するための図。 本実施形態に係る荷電粒子装置による偏向場の測定方法の一例を示すフローチャート。 第１変形例に係る荷電粒子装置の構成を模式的に示す図。 第２変形例に係る荷電粒子装置の結像偏向部の動作を説明するための図。 第２変形例に係る荷電粒子装置の結像偏向部の動作を説明するための図。
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． 荷電粒子装置
まず、本実施形態に係る荷電粒子装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る荷電粒子装置１００の構成を模式的に示す図である。ここでは、荷電粒子装置１００が走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）である場合について説明する。
荷電粒子装置１００は、図１に示すように、電子源（荷電粒子源の一例）１０２と、照射光学系１０４と、照射偏向部１０６と、試料ステージ１０８と、対物レンズ１１０と、結像偏向部１１２と、結像光学系１１４と、検出器１１６と、走査信号生成部１１８と、フレームメモリー（記憶部の一例）１２０と、制御部１３０と、画像生成部１３２と、を含む。
電子源１０２は、電子（荷電粒子の一例）を発生させる。電子源１０２は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子ビームとして放出する電子銃である。
照射光学系１０４は、電子源１０２で発生した電子を収束して試料に照射する。照射光学系１０４は、電子を試料上に細く絞って電子プローブを形成する。
照射偏向部１０６は、照射光学系１０４で収束された電子（電子プローブ）を偏向させることで、照射光学系１０４で収束された電子（電子プローブ）を試料上で走査する。照射偏向部１０６は、走査信号生成部１１８で生成された走査信号に基づいて、電子プローブを試料上で走査する動作を行う。
照射偏向部１０６は、第１偏向器１０６ａと、第１偏向器１０６ａの後段（電子の流れの下流側）に配置された第２偏向器１０６ｂと、を有している。照射偏向部１０６では、第１偏向器１０６ａで電子を偏向し、第１偏向器１０６ａで偏向された電子を第２偏向器１０６ｂ振り戻すことで、電子プローブを走査する。すなわち、照射偏向部１０６は、二
段偏向系である。なお、照射偏向部１０６は、３つ以上の偏向器で構成された多段偏向系であってもよい。
試料ステージ１０８は、試料を保持する。試料ステージ１０８は、試料ホルダーを介して、試料を保持していてもよい。試料ステージ１０８は、試料（試料ホルダー）を移動および静止させることができ、試料の位置決めを行うことができる。
対物レンズ１１０は、試料を透過した電子（透過電子）を最初に結像する。対物レンズ１１０は、試料を透過した電子で透過像を結像するための初段のレンズである。対物レンズ１１０の後焦点面には回折パターン（電子回折図形、逆空間像）が形成され、対物レンズ１１０の像面には透過像（実空間像）が形成される。
なお、対物レンズ１１０は、試料の前方に形成される前方磁界と、試料の後方に形成される後方磁界と、を生成してもよい。この場合、対物レンズ１１０が生成する前方磁界は、電子プローブを形成するための最終段のレンズとして機能する。
結像偏向部１１２は、対物レンズ１１０の後段に配置されている。結像偏向部１１２は、対物レンズ１１０と結像光学系１１４との間に配置されている。結像偏向部１１２は、試料を透過した電子を偏向させる。結像偏向部１１２で電子を偏向させることにより、検出面１１５上の所望の位置に、回折ディスクを結像させることができる（図２参照）。結像偏向部１１２は、電子を偏向させる偏向器を含んで構成されている。
結像光学系１１４は、結像偏向部１１２の後段に配置されている。結像光学系１１４は、対物レンズ１１０で結像された回折パターンを検出面１１５上に結像する。結像光学系１１４は、中間レンズ１１４ａと、投影レンズ１１４ｂと、を含んで構成されている。結像光学系１１４の条件（中間レンズ１１４ａの条件）を変えることで、カメラ長（回折パターンの拡大率）を変えることができる。
検出器（ＳＴＥＭ検出器）１１６は、検出面１１５に入射した電子を検出し、検出された電子の数に応じた強度情報（電子強度情報）を出力する。検出器１１６は、検出面１１５に入射する電子を計数して、計数された電子の数に応じた強度情報を出力する。検出器１１６から出力される強度情報は、例えば、単位時間あたりに検出器１１６で計数された電子の数に対応している。
検出器１１６では、検出面１１５に入射した電子を一括して計数する。すなわち、検出器１１６の検出面１１５は分割されておらず、検出器１１６は分割検出器ではない。検出器１１６の検出面１１５の形状は、図示の例では円であるが、その形状は特に限定されない。
走査信号生成部１１８は、走査信号を生成する。走査信号は、電子プローブを試料上で走査するための信号である。走査信号生成部１１８で生成された走査信号は、照射偏向部１０６、結像偏向部１１２、およびフレームメモリー１２０に送られる。
フレームメモリー１２０は、走査信号に基づいて、検出器１１６から出力された強度情報と、試料上での電子プローブの走査位置（電子の照射位置）の情報と、を関連づけて記憶する。フレームメモリー１２０は、走査信号に応じて指定されたアドレスの記憶領域に検出器１１６の出力信号を格納することで、強度情報と走査位置の情報とを関連付けて記憶する。
制御部１３０は、電子源１０２、照射光学系１０４、照射偏向部１０６、試料ステージ
１０８、対物レンズ１１０、結像偏向部１１２、および結像光学系１１４を制御する。制御部１３０が行う制御の詳細については、後述する。
制御部１３０は、専用回路により実現して各種制御を行うようにしてもよい。また、制御部１３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が記憶部（図示せず）等に記憶された制御プログラムを実行することによりコンピューターとして機能し、各種制御を行うようにしてもよい。
荷電粒子装置１００は、図示はしないが、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得して制御部１３０に送る処理を行う操作部を有していてもよい。操作部の機能は、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどで実現できる。
画像生成部１３２は、フレームメモリー１２０から、強度情報と走査位置の情報とを読み出して、画像化する処理を行う。画像生成部１３２は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等により実現してもよい。画像生成部１３２で生成された画像は、表示部（図示せず）に表示される。表示部の機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。
２． 荷電粒子装置の動作
次に、荷電粒子装置１００の動作について説明する。
（１）ＳＴＥＭ像の取得
荷電粒子装置１００では、走査透過電子顕微鏡法により走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を取得することができる。
具体的には、荷電粒子装置１００では、電子源１０２から放出された電子を細く絞って電子プローブを形成し、照射偏向部１０６によって当該電子プローブを試料上で二次元的に走査する。そして、試料を透過した電子を結像光学系１１４によって検出器１１６に結像する。検出器１１６から出力された強度情報は走査信号に同期してフレームメモリー１２０に記憶され、画像生成部１３２において画像化されて、ＳＴＥＭ像が生成される。
（２）試料の偏向場の測定
荷電粒子装置１００では、微分位相コントラスト（ＤＰＣ）法により試料の偏向場（電磁場）の測定を行うことができる。以下、荷電粒子装置１００による試料の偏向場の測定方法について、詳細に説明する。
まず、荷電粒子装置１００による偏向場の測定の前提および準備について説明する。図２は、荷電粒子装置１００による偏向場の測定方法を説明するための図である。
荷電粒子装置１００では、図２に示すように、電子源１０２から放出された電子を照射光学系１０４で収束させて電子プローブを形成し、試料の所定の照射位置に電子を照射する。そして、結像光学系１１４を用いて、試料の所定の照射位置を透過した電子を検出面１１５上に結像する。
図３は、試料Ｓを透過した電子を説明するための図である。
図３に示すように、電子プローブＥＰは照射光学系１０４によって円錐状に収束される。そのため、試料Ｓを透過した電子は対物レンズ１１０および結像光学系１１４によって、ディスク状に広がった回折ディスク２として結像される。すなわち、回折ディスク２は、検出面１１５上において所定の拡がりを有している。回折ディスク２の径Ｄは、照射光学系１０４で形成された電子プローブＥＰの収束角に相当し、角度の次元を有する。その
ため、あらかじめ既知の結晶性の試料を用いて測定を行うことで、電子プローブＥＰの収束角の大きさ、すなわち、回折ディスク２の径Ｄを知ることができる。収束角は、下記式で表される。
収束角＝２θ×Ｄ／ｄ
ただし、ｄは透過波と回折波との間の距離であり、２θは試料で散乱された電子の散乱角である。
結像光学系１１４は、試料上で電子プローブを走査しても、検出面１１５上において回折ディスク２が動かないように設定されている。また、結像光学系１１４では、検出面１１５上における回折ディスク２の相対的な大きさ（径Ｄ）を決定することができる。回折ディスク２の大きさは、角度の次元を有している。そのため、検出面１１５上における回折ディスク２の相対的な大きさを測定することで、検出面１１５の大きさを角度次元に変換することができる。
図４は、検出面１１５上における回折ディスク２の位置と検出器１１６で計数される電子の数との関係を説明するための図である。図５は、検出面１１５上における回折ディスク２の位置と検出面１１５上で回折ディスク２が占める面積Ｓとの関係を示すグラフである。なお、図４および図５において、Ｘ軸は回折ディスク２の位置を表すための軸である。回折ディスク２の外縁が検出面１１５の境界（外縁）に接している状態ＡをＸ＝０としている。また、図４において、回折ディスク２は、例えば、透過波に対応する回折ディスクである。
検出器１１６で計数される電子の数は、回折ディスク２が検出面１１５上で占める面積Ｓに比例する。したがって、検出器１１６で計数される電子の数、すなわち検出器１１６から出力される強度情報から回折ディスク２の検出面１１５上における位置を推測することが可能である。
例えば、あらかじめ結像偏向部１１２を用いて、回折ディスク２を既知の量だけ移動させて、移動前後の強度情報を取得することにより、計数された電子の数に応じた強度と回折ディスク２の位置とを関係づける関数を得ることができる。これにより、検出器１１６から出力される強度情報から回折ディスク２の検出面１１５上における位置を推測することが可能である。以下に、その具体例を説明する。
図４に示すように、結像偏向部１１２を用いて回折ディスク２の位置をＸ＝０（状態Ａ）として、検出器１１６から出力された強度情報を取得する。次に、結像偏向部１１２を用いて回折ディスク２の位置をＸ＝Ｄ／２（状態Ｂ）として、検出器１１６から出力された強度情報を取得する。同様に、結像偏向部１１２を用いて回折ディスク２の位置をＸ＝Ｄ（状態Ｃ）として、検出器１１６から出力された強度情報を取得する。
ここで、検出面１１５上における回折ディスク２の位置Ｘと検出面１１５上で回折ディスク２が占める面積Ｓとの関係は、図５に示す通りである。また、検出器１１６で計数された電子の数は、回折ディスク２が検出面１１５上で占める面積Ｓに比例する。そのため、測定された各状態Ａ，Ｂ，Ｃにおける強度情報、および図５に示すグラフから、強度と回折ディスク２の位置とを関係づける関数を得ることができる。当該関数により、検出器１１６から出力される強度情報から回折ディスク２の検出面１１５上における位置を推測することが可能である。
次に、荷電粒子装置１００における偏向場の測定原理について説明する。
荷電粒子装置１００では、走査信号生成部１１８で生成された走査信号を照射偏向部１０６に入力することで、電子プローブで試料上を走査する。このとき、試料を透過した電子は試料の偏向場によって偏向される。この偏向によって、検出面１１５上における回折ディスク２の位置が移動する。そのため、回折ディスク２の移動量および移動方向の情報を得ることで、試料の偏向場の大きさおよび偏向場の方向の情報を得ることができる。
荷電粒子装置１００では、結像偏向部１１２を制御して、試料の１つの走査位置を透過した電子を互いに異なる偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像させ、フレームメモリー１２０が、偏向条件ごとに検出器１１６から出力された強度情報を記憶する。これにより、荷電粒子装置１００では、回折ディスク２の移動量および移動方向の情報を得ることができ、試料の偏向場の大きさおよび偏向方向の情報を得ることができる。以下、結像偏向部１１２の動作について詳細に説明する。
図６は、結像偏向部１１２の動作を説明するための図である。なお、図６は、試料の基準となる照射位置（例えば、試料に偏向場が生じていない箇所）を透過した電子を結像偏向部１１２で偏向させて、回折ディスク２を結像した状態を図示している。
結像偏向部１１２は、図６に示すように、１つの走査位置（１つの照射位置）を透過した電子で結像された回折ディスク２が、検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像されるように動作する。
荷電粒子装置１００では、結像偏向部１１２に対して、複数の偏向条件（偏向角度および偏向方向）が設定される。
図示の例では、結像偏向部１１２に対して、第１〜第４偏向条件が設定されている。結像偏向部１１２は、１つの走査位置に対して、電子を互いに異なる第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させることにより、回折ディスク２を４つの領域１１５ａ〜１１５ｄに、順次、結像させている。結像偏向部１１２は、１つの走査位置に電子が照射されると、まず、第１偏向条件で電子を偏向させて回折ディスク２を領域１１５ａに結像させる。次に、結像偏向部１１２は、第２偏向条件で電子を偏向させて回折ディスク２を領域１１５ｂに結像させる。次に、結像偏向部１１２は、第３偏向条件で電子を偏向させて回折ディスク２を領域１１５ｃに結像させる。次に、結像偏向部１１２は、第４偏向条件で電子を偏向させて回折ディスク２を領域１１５ｄに結像させる。
ここで、第１〜第４偏向条件は、図６に示すように、結像偏向部１１２が試料の基準となる照射位置を透過した電子を偏向させた場合に、回折ディスク２が検出面１１５の境界に跨がって結像されるように設定される。ここで、回折ディスク２が検出面１１５の境界に跨がって結像されるとは、回折ディスク２の一部が検出面１１５上にあり、回折ディスク２の他の一部が検出面１１５の外にある状態をいう。例えば、第１〜第４条件は、回折ディスク２の中心が検出面１１５の境界上に位置するように設定される。
また、第１〜第４偏向条件は、結像偏向部１１２が試料の基準となる照射位置を透過した電子を偏向させた場合に、検出器１１６で計数される電子の数が、各領域１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄで互いに等しくなるように設定される。このような偏向条件では、各領域１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄの面積は、互いに等しい。
また、第１〜第４偏向条件は、結像偏向部１１２が試料の基準となる照射位置を透過した電子を偏向させた場合に、４つの回折ディスク２が検出面１１５の中心に関して対称な
位置に結像されるように設定される。このような偏向条件では、検出面１１５上を４つの象限に分けた場合に、領域１１５ａ，１１５ｂ，１１５ｃ，１１５ｄは、それぞれの象限に位置する。
図７は、結像偏向部１１２の動作を説明するための図である。なお、図７は、試料の走査位置（照射位置）において、試料に偏向場が生じている状態を図示している。
荷電粒子装置１００では、上述したように、結像偏向部１１２は、１つの走査位置に対して、電子を互いに異なる第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させる。そのため、図７に示すように、試料に偏向場が生じている状態では、４つの回折ディスク２は、それぞれ試料の偏向場に応じて検出面１１５上を移動する。
このように、荷電粒子装置１００では、照射偏向部１０６を制御して電子プローブを走査しつつ、結像偏向部１１２を制御して１つの走査位置ごとに電子を４つの偏向条件で、順次、偏向させる。そして、フレームメモリー１２０は、偏向条件ごとに、強度情報と走査位置の情報とを関連付けて記憶する。
画像生成部１３２は、フレームメモリー１２０から、偏向条件ごとに得られた、強度情報と走査位置の情報を読み出して、偏向条件ごとに走査像を生成して、４つの走査像からなる走査像シリーズを生成する。画像生成部１３２は、例えば、第１偏向条件での走査像Ｉａ、第２偏向条件での走査像Ｉｂ、第３偏向条件での走査像Ｉｃ、および第４偏向条件での走査像Ｉｄを生成する。
画像生成部１３２は、例えば、走査像Ｉａ−走査像Ｉｂにより得られた画像（Ｉａ−Ｉｃ）や、走査像Ｉｂ−走査像Ｉｄにより得られた画像（Ｉｃ−Ｉｄ）を生成する。これにより、回折ディスク２の移動量および移動方向を算出することができ、これらの情報から試料の偏向場をプローブの走査位置ごとに求めることができる。すなわち、試料の偏向場の分布の情報を得ることができる。
なお、試料の偏向場を計測できる範囲は、図４に示す状態Ａから状態Ｃの範囲である。そのため、試料の偏向場が非常に大きくて、偏向場による回折ディスク２の移動量が回折ディスク２の径Ｄよりも大きくなった場合、回折ディスク２の移動量を計測できなくなる。この場合、結像光学系１１４を調整することによって、回折ディスク２の検出面１１５上の移動量を、計測可能な範囲（回折ディスク２が検出面１１５上を出ない範囲）にしてもよい。
次に、荷電粒子装置１００による偏向場の測定の流れについて説明する。図８は、荷電粒子装置１００による偏向場の測定方法の一例を示すフローチャートである。
まず、結像光学系１１４の条件を設定する（ステップＳ１０）。
例えば、試料上を電子プローブが走査しても、検出面１１５上の回折ディスク２が動かないように、結像光学系１１４を設定する。また、検出面１１５上における回折ディスク２の大きさが、試料の偏向場を測定するために適切な大きさとなるように、結像光学系１１４を設定する。
次に、検出器１１６で計数された電子の数に応じた強度と検出面１１５上における回折ディスク２の位置との関係を求める（ステップＳ１２）。
具体的には、まず、結像偏向部１１２を用いて、回折ディスク２を既知の量だけ移動さ
せて、回折ディスク２の移動前後の強度情報を取得する。そして、この強度情報から、強度と検出面１１５上における回折ディスク２の位置との関係を求める。
次に、結像偏向部１１２の偏向条件を設定する（ステップＳ１４）。
ここでは、上述した第１〜第４偏向条件が設定される。これらの偏向条件は、例えば、荷電粒子装置１００の記憶部（図示せず）に記録される。
次に、走査像シリーズを取得する（ステップＳ１６）。
走査像シリーズを取得する際の荷電粒子装置１００の動作について説明する。
ユーザーが荷電粒子装置１００の操作部（図示せず）を介して、走査像シリーズの取得を要求すると、制御部１３０は、当該要求を受けて、走査像シリーズを取得する処理を開始する。
まず、制御部１３０は、電子源１０２、照射光学系１０４、および照射偏向部１０６を制御して、試料上で電子プローブを走査する。このとき、制御部１３０は、走査信号に基づき結像偏向部１１２を制御して、１つの走査位置ごとに電子を第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させる。これにより、回折ディスク２が検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像される。そして、フレームメモリー１２０は、偏向条件ごとに、検出器１１６から出力された強度情報と、走査位置の情報と、を関連づけて記憶する。画像生成部１３２は、フレームメモリー１２０から、これらの情報を読み出して、偏向条件ごとに走査像Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを生成する。
以上の動作により、走査像シリーズを取得することができる。
なお、荷電粒子装置１００において、試料の所望の領域を１回走査することで４つの走査像Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを取得してもよい。この場合、１つの走査位置で、結像偏向部１１２が第１〜第４偏向条件に基づき連続して電子を４回偏向させた後に、次の走査位置に移動して結像偏向部１１２が同様の動作を行う。これを繰り返すことで、４つの走査像Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを取得することができる。
また、荷電粒子装置１００において、試料の所望の領域を４つの偏向条件に対応して４回走査することで４つの走査像Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを取得してもよい。この場合、結像偏向部１１２は、１回目の走査時には第１偏向条件で電子を偏向させる。これにより、走査像Ｉａを取得することができる。結像偏向部１１２は、２回目の走査時には第２偏向条件、３回目の走査時には第３偏向条件、４回目の走査時には第４偏向条件でそれぞれ電子を偏向させる。これにより、走査像Ｉｂ，Ｉｃ，Ｉｄを取得することができる。
画像生成部１３２は、得られた走査像シリーズから、回折ディスク２の移動量および移動方向を算出するための画像（画像（Ｉａ−Ｉｃ）、画像（Ｉｂ−Ｉｄ）等）を生成し、試料の偏向場の分布を算出する（ステップＳ１８）。
以上の工程により、試料の偏向場を測定することができる。
荷電粒子装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
荷電粒子装置１００では、制御部１３０は、結像偏向部１１２を制御して、試料の所定の照射位置を透過した電子を互いに異なる偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像させ、フレームメモリー１２０は
、偏向条件ごとに強度情報を記憶する。ここで、上述したように、偏向条件ごとの強度情報から試料の偏向場の大きさや方向を求めることができる。したがって、荷電粒子装置１００では、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定を行うことができる。
荷電粒子装置１００では、制御部１３０は、結像偏向部１１２を制御して、１つの走査位置ごとに、電子を互いに異なる偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像させ、フレームメモリー１２０は、偏向条件ごとに、強度情報と走査位置の情報とを関連づけて記憶する。また、荷電粒子装置１００では、画像生成部１３２がフレームメモリー１２０から、偏向条件ごとに記憶された強度情報と走査位置の情報とを読み出して、偏向条件ごとに走査像を生成する。そのため、荷電粒子装置１００では、試料の偏向場をイメージングすることができる。
本実施形態に係る測定方法では、結像偏向部１１２を制御して、試料の所定の照射位置を透過した電子を互いに異なる偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像させ、偏向条件ごとに電子の強度の情報を取得する。そのため、本実施形態に係る測定方法では、上述したように、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定を行うことができる。
本実施形態に係る測定方法では、試料の基準となる照射位置を透過した電子を結像偏向部１１２で偏向させた場合に、回折ディスク２が検出面１１５の境界に跨がって結像されるように、偏向条件を設定する。これにより、強度情報を回折ディスク２の位置に対応させることができる。回折ディスク２の位置は、試料の偏向場の影響を受けるため、本実施形態に係る測定方法では、強度情報からから試料の偏向場の大きさや方向を求めることができる。
本実施形態に係る測定方法では、試料の基準となる照射位置を透過した電子を結像偏向部１１２で偏向させた場合に、各回折ディスク２の位置が検出面１１５の中心に関して対称な位置に結像されるように偏向条件を設定する。そのため、本実施形態に係る測定方法では、例えば各回折ディスク２が検出面の中心に関して対称な位置にない場合と比べて、試料の偏向場を容易に算出することができる。
３． 変形例
（１）第１変形例
次に、本実施形態の第１変形例に係る荷電粒子装置について、図面を参照しながら説明する。図９は、第１変形例に係る荷電粒子装置２００の構成を模式的に示す図である。以下、本実施形態の第１変形例に係る荷電粒子装置において、上述した荷電粒子装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した荷電粒子装置１００は、図１に示すように、照射偏向部１０６と、走査信号生成部１１８とを備えた走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）であった。
これに対して、荷電粒子装置２００は、図９に示すように、照射偏向部１０６と、走査信号生成部１１８とを備えていない、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）である。
荷電粒子装置２００では、例えば、制御部１３０が、図６に示すように、試料の基準となる照射位置を透過した電子を第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、フレームメモリー１２０が偏向条件ごとの強度情報を記憶する。また、制御部１３０が、図７に示すように、試料の偏向場を生じている位置を透過した電子を第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、フレームメモリー１２０が偏向条件ごとの強度情報を記憶する。２つの位置の
偏向条件ごとの強度情報から、試料の所望の箇所の偏向場を測定することができる。
荷電粒子装置２００の動作は、電子プローブを走査せずに、電子プローブで基準となる照射位置と、試料の所望の照射位置と、を照射する点を除いて、上述した荷電粒子装置１００の動作と同様であり、その説明を省略する。
荷電粒子装置２００では、上述した荷電粒子装置１００と同様に、分割検出器を用いることなく、試料の偏向場の測定を行うことができる。
（２）第２変形例
次に、本実施形態の第２変形例に係る荷電粒子装置について、図面を参照しながら説明する。図１０および図１１は、第２変形例に係る荷電粒子装置の結像偏向部１１２の動作を説明するための図である。なお、図１０は、試料の基準となる照射位置を透過した電子を結像偏向部１１２で偏向させて、回折ディスク２を結像した状態を図示しており、図６に対応している。また、図１１は、試料の走査位置（照射位置）において、試料に偏向場が生じている状態を図示しており、図７に対応している。
なお、第２変形例に係る荷電粒子装置の構成は、図１に示す荷電粒子装置１００の構成と同じであり、図示を省略する。
上述した荷電粒子装置１００では、図６および図７に示すように、制御部１３０は、結像偏向部１１２を制御して、試料の所定の照射位置を透過した電子を互いに異なる第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なる４つの領域に、順次、結像させることで、試料の偏向場の測定を行っていた。
これに対して、本変形例では、図１０および図１１に示すように、制御部１３０は、結像偏向部１１２を制御して、試料の所定の照射位置を透過した電子を互いに異なる第１〜第Ｎ（Ｎは５以上の整数）偏向条件で、順次、偏向させて、回折ディスク２を検出面１１５上の互いに異なるＮ個の領域に、順次、結像させることで、試料の偏向場の測定を行う。
第１〜第Ｎ偏向条件は、図１０に示すように、結像偏向部１１２が試料の基準となる照射位置を透過した電子を偏向させた場合に、Ｎ個の回折ディスク２が検出面１１５の中心に関して対称な位置に結像されるように設定される。
次に、本変形例に係る荷電粒子装置による偏向場の測定方法について説明する。
本変形例に係る荷電粒子装置による偏向場の測定方法は、図８に示す荷電粒子装置１００による偏向場の測定方法と、走査像シリーズを取得する工程（ステップＳ１６）および偏向場を算出する工程（ステップＳ１８）が異なっている。以下、本変形例に係る測定方法において、上述した図８に示す荷電粒子装置１００による測定方法との相違点についてのみ説明する。
具体的には、本変形例では、ユーザーが荷電粒子装置１００の操作部（図示せず）を介して、走査像シリーズの取得を要求すると、制御部１３０は、当該要求を受けて、走査像シリーズを取得する処理を開始する。
まず、制御部１３０は、電子源１０２、照射光学系１０４、および照射偏向部１０６を制御して、試料上で電子プローブの走査を行う。制御部１３０は、走査信号に基づき結像偏向部１１２を制御して、１つの走査位置ごとに電子を第１〜第Ｎ偏向条件で、順次、偏
向させる。これにより、回折ディスク２が検出面１１５上の互いに異なる領域に、順次、結像する。そして、フレームメモリー１２０は、偏向条件ごとに、検出器１１６から出力された強度情報と、走査位置の情報と、を関連づけて記憶する。画像生成部１３２は、フレームメモリー１２０から、これらの情報を読み出して、偏向条件ごとに走査像Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３，・・・，ＩＮ−１，ＩＮを生成する。
以上の動作により、走査像シリーズを取得することができる。
画像生成部１３２は、得られた走査像シリーズから、回折ディスク２の移動量および移動方向を算出するための画像を生成し、試料の偏向場の分布を算出する（ステップＳ１８）。
本変形例によれば、上述した荷電粒子装置１００の例と比べて、結像偏向部１１２において、１つの走査位置を透過した電子を、より多くの偏向条件で偏向させるため、試料の偏向場の方向についての分解能を向上させることができる。
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。
２…回折ディスク、１００…荷電粒子装置、１０２…電子源、１０４…照射光学系、１０６…照射偏向部、１０６ａ…第１偏向器、１０６ｂ…第２偏向器、１０８…試料ステージ、１１０…対物レンズ、１１２…結像偏向部、１１４…結像光学系、１１４ａ…中間レンズ、１１４ｂ…投影レンズ、１１５…検出面、１１５ａ…領域、１１５ｂ…領域、１１５ｃ…領域、１１５ｄ…領域、１１６…検出器、１１８…走査信号生成部、１２０…フレームメモリー、１３０…制御部、１３２…画像生成部、２００…荷電粒子装置

Claims (2)

  1. 荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
    前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
    前記荷電粒子を前記試料上で走査する照射偏向部と、
    前記試料を透過した前記荷電粒子を結像する対物レンズと、
    前記対物レンズの後段に配置され、前記荷電粒子を偏向させる結像偏向部と、
    前記結像偏向部の後段に配置され、前記荷電粒子で検出面上に回折ディスクを結像する結像光学系と、
    前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出し、検出された前記荷電粒子の数に応じた強度情報を出力する検出器と、
    前記検出器から出力された前記強度情報を記憶する記憶部と、
    前記結像偏向部を制御する制御部と、
    走査像を生成する画像生成部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    前記結像偏向部の第１〜第４偏向条件を設定する処理と、
    前記照射偏向部を制御して、前記荷電粒子を前記試料上で走査し、前記結像偏向部を制御して、１つの走査位置ごとに、前記試料を透過した前記荷電粒子を前記第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、前記回折ディスクを前記検出面上の互いに異なる領域に、順次、結像させる処理と、
    を行い、
    前記第１〜第４偏向条件を設定する処理では、
    前記第１偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第１領域に結像させる条件に設定され、
    前記第２偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第２領域に結像させる条件に設定され、
    前記第３偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結
    像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第１領域と前記検出面の中心に関して対称な第３領域に結像させる条件に設定され、
    前記第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第２領域と前記検出面の中心に関して対称な第４領域に結像させる条件に設定され、
    前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記第１〜第４偏向条件を設定する処理では、
    前記第１〜第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記第１偏向条件で前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第２偏向条件で前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第３偏向条件で前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第４偏向条件で前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数とが、互いに等しくなるように設定され、
    前記記憶部は、偏向条件ごとに前記強度情報と前記走査位置の情報とを関連づけて記憶し、
    前記画像生成部は、
    前記記憶部から、前記偏向条件ごとに記憶された前記強度情報と前記走査位置の情報を読み出して、前記第１偏向条件での第１走査像、前記第２偏向条件での第２走査像、前記第３偏向条件での第３走査像、および前記第４偏向条件での第４走査像を生成し、
    前記第１走査像と前記第３走査像の差に基づく画像、および前記第２走査像と前記第４走査像の差に基づく画像を生成する、荷電粒子装置。
  2. 荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
    前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
    前記荷電粒子を前記試料上で走査する照射偏向部と、
    前記試料を透過した前記荷電粒子を結像する対物レンズと、
    前記対物レンズの後段に配置され、前記荷電粒子を偏向させる結像偏向部と、
    前記結像偏向部の後段に配置され、前記荷電粒子で検出面上に回折ディスクを結像する結像光学系と、
    前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出し、検出された前記荷電粒子の数に応じた強度情報を出力する検出器と、
    を含む荷電粒子装置において、前記試料の偏向場を測定する測定方法であって、
    前記結像偏向部の第１〜第４偏向条件を設定する工程と、
    前記照射偏向部を制御して、前記荷電粒子を前記試料上で走査し、前記結像偏向部を制御して、１つの走査位置ごとに、前記試料を透過した前記荷電粒子を前記第１〜第４偏向条件で、順次、偏向させて、前記回折ディスクを前記検出面上の互いに異なる領域に、順次、結像させる工程と、
    偏向条件ごとに前記強度情報と前記走査位置の情報とを関連づけて取得する工程と、
    前記偏向条件ごとに取得された前記強度情報と前記走査位置の情報に基づいて、前記第１偏向条件での第１走査像、前記第２偏向条件での第２走査像、前記第３偏向条件での第３走査像、および前記第４偏向条件での第４走査像を生成する工程と、
    前記第１走査像と前記第３走査像の差に基づく画像、および前記第２走査像と前記第４走査像の差に基づく画像を生成する工程と、
    を含み、
    前記第１〜第４偏向条件を設定する工程では、
    前記第１偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第１領域に結像させる条件に設定され、
    前記第２偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の第２領域に結像させる条件に設定され、
    前記第３偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第１領域と前記検出面の中心に関して対称な第３領域に結像させる条件に設定され、
    前記第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記回折ディスクを前記検出面の前記第２領域と前記検出面の中心に関して対称な第４領域に結像させる条件に設定され、
    前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記回折ディスクは、前記検出面の境界に跨がり、
    前記第１〜第４偏向条件を設定する工程では、
    前記第１〜第４偏向条件は、前記試料の基準となる照射位置を透過した前記荷電粒子を前記結像偏向部で偏向させた場合に、前記第１偏向条件で前記回折ディスクを前記第１領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第２偏向条件で前記回折ディスクを前記第２領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第３偏向条件で前記回折ディスクを前記第３領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数と、前記第４偏向条件で前記回折ディスクを前記第４領域に結像させた場合に前記検出器で計数される前記荷電粒子の数とが、互いに等しくなるように設定される、測定方法。
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