JP6783178B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

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Description

本発明は、電子顕微鏡に関する。
透過電子顕微鏡における電子エネルギー損失分光の高分解能化を可能とするために、モノクロメーターが用いられている。また、透過電子顕微鏡においてモノクロメーターにより電子線を単色化することで、透過電子顕微鏡像の情報限界を改善でき、原子分解能での物質の構造観察が可能である。また、モノクロメーターと照射側の収差補正装置を用いて、原子スケールの空間分解能と高エネルギー分解能を両立させた高角散乱環状暗視野走査透過電子顕微鏡法と電子エネルギー損失分光を併用した物質の原子スケールの微小領域での電子状態分析が可能である。
透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）等の電子顕微鏡において、試料へ照射される電子線を単色化するためのモノクロメーターには、様々な方式が提案されているが、大きく分けて１段フィルター型と２段フィルター型の２つに分類される。
１段フィルター型モノクロメーターは、電子線の分光部であるエネルギーフィルターとエネルギー選択スリットから構成される。電子線源から放出された電子線は、エネルギーフィルターにより分光され、エネルギー選択スリット面に電子線が収束される。電子線は分光されているため、エネルギー選択スリット上には、電子線の速度分布に対応するスペクトルが形成される。エネルギー選択スリットにより、速度の揃った電子線のみがスリットを通過し、電子線は単色化される。エネルギー選択スリットを通過した電子線は収束面においてスリットの幅に対応するスペクトルを形成するため、電子線の仮想光源の形状は円形とはならない。これにより、試料に電子線を収束させて得られる走査透過像（ＳＴＥＭ像）においては、スペクトル方向に広がった光源形状が反映され、分解能の異方性が現れる。また、試料の広範囲に電子線を照射して得られる透過像（ＴＥＭ像）においては、スペクトル方向に広がった仮想光源の形状のために、電子線の干渉性に異方性が現れる。
２段フィルター型モノクロメーターは、エネルギーフィルターが２段に構成されており、２段のエネルギーフィルターの間にエネルギー選択スリットが配置されている。１段目のエネルギーフィルターとエネルギー選択スリットの構成は、１段フィルター型モノクロメーターと同様である。２段フィルター型モノクロメーターにおいて、エネルギー選択スリットを通過した電子線は、２段目のエネルギーフィルターによりエネルギー分散がキャンセルされ、モノクロメーター出射後の収束面と色消し面が一致する。収束面において色消しとなった電子線の収束面における仮想光源の形状は円形となる。これにより、試料に電子線を収束させて得られる走査透過像（ＳＴＥＭ像）においては、分解能の異方性も現れず、ナノメートルスケール、サブナノメートルスケールの空間分解能で物質の電子状態の詳細を高分解能の電子エネルギー損失分光により調べることが可能となる。また、試料の広範囲に電子線を照射して得られる透過像（ＴＥＭ像）においては、スポットとなった仮想光源での等方的な電子線干渉性により、さらに単色化された電子線照射により色収差の影響が低減されることにより、高分解能観察が可能となる。
１段フィルター型モノクロメーターに対する２段フィルター型モノクロメーターの大きな特徴は、単色化されしかも色消しの電子線仮想光源を得ることである。この特徴を実現するため、２段フィルター型モノクロメーターにおいては、エネルギー選択スリット上での電子線の収束と、モノクロメーター出射後の収束面における色消しという２つの条件を満たした光学系に設定する必要がある。しかしながら、２段フィルター型モノクロメータ
ーはその構造の複雑さのために、実際の装置の光学系においてこれらの条件を実現することは困難を伴う。特に、モノクロメーター出射後の収束面における色消しの調整の可否の判断は難しい。
このような問題に対して、特許文献１には、モノクロメーターの後段側の絞りによって電子線の干渉縞を形成し、透過電子顕微鏡像上の干渉縞の強度分布に基づき収束面と色消し面を一致させる調整を行うようにすることで、収束面と色消し面を一致させる調整を容易に行うことができるようにした調整方法が開示されている。
特開２０１３−１９６９２９号公報
上記のように、特許文献１には、２段フィルター型モノクロメーターにおいて、収束面と色消し面を一致させる調整を容易に行うことができる調整方法が開示されている。しかしながら、特許文献１に記載の調整を行うためには、ユーザーが透過電子顕微鏡像上の干渉縞が最も等方的に現れるように光学系を制御しなければならず、ある程度の熟練が必要である。そのため、ユーザーの熟練度によらず、この調整を容易に行うことが可能な電子顕微鏡が望まれている。
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、２段フィルター型モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる調整を容易に行うことが可能な電子顕微鏡を提供することにある。
（１）本発明に係る電子顕微鏡は、
電子線を運動エネルギーに応じて分散させる第１エネルギーフィルターと、エネルギー分散面上に配置されたエネルギー選択スリットと、前記エネルギー選択スリットを通過した電子線のエネルギー分散をキャンセルする第２エネルギーフィルターと、を有するモノクロメーターを備えた電子顕微鏡であって、
前記モノクロメーターの後段側に設けられた絞りによって形成される電子線の干渉縞を含む電子顕微鏡像を取得する画像取得部と、
前記電子顕微鏡像上の前記絞りの中心を通るラインプロファイルを複数取得するラインプロファイル取得部と、
前記ラインプロファイル取得部で取得された複数のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターのエネルギー分散方向を特定するエネルギー分散方向特定部と、
前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面とが一致するように、光学系を制御する光学系制御部と、
を含む。
このような電子顕微鏡では、モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。したがって、このような電子顕微鏡では、ユーザーの熟練度によらず、モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面とを一致させる調整を容易に行うことができる。
（２）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記エネルギー分散方向特定部は、複数のラインプロファイルの各々について極大値と
極小値との比を求め、当該比に基づいて前記エネルギー分散方向を特定してもよい。
このような電子顕微鏡では、ラインプロファイル取得部で取得された複数のラインプロファイルからモノクロメーターのエネルギー分散方向を特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、
前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルの極大値と極小値との比に基づいて、前記光学系を制御してもよい。
このような電子顕微鏡では、モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
（４）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記第１エネルギーフィルターおよび前記第２エネルギーフィルターの少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、前記色消し面を前記収束面に一致させてもよい。
（５）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターの前段に設けられた静電レンズを制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させてもよい。
（６）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターの前段に設けられた磁界レンズを制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させてもよい。
（７）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターが発生させる非点を制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させてもよい。
第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 モノクロメーターの電子線の軌道を示す光線図。 第１実施形態に係る電子顕微鏡の処理部の処理の流れの一例を示すフローチャート。 集束レンズ絞りによって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像。 ラインプロファイルを測定した測定線を示す図。 ラインプロファイルを示すグラフ。 ラインプロファイル取得部で取得された８本のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを示すグラフ。 エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大としたときの、集束レンズ絞りによって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。
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。
また，以下では、本発明に係る電子顕微鏡として、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を例に挙げて説明するが、本発明に係る電子顕微鏡は、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）であってもよいし、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）であってもよい。すなわち、本発明において、電子顕微鏡像は、透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）であってもよいし、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）であってもよいし、走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）であってもよい。
１． 第１実施形態
１．１． 電子顕微鏡の構成
まず、第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成を示す図である。
電子顕微鏡１００は、試料へ照射される電子線を単色化するためのモノクロメーター２０が搭載されている。
電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子線源１０と、絞り１２と、第１静電レンズ１４と、モノクロメーター２０と、第２静電レンズ３０と、加速管３２と、照射レンズ系３４と、試料を保持する試料ステージ３６と、対物レンズ３８と、投影レンズ系４０と、検出器４２と、制御ユニット４４と、処理部５０と、操作部６０と、表示部６２と、記憶部６４と、を含む。
電子線源１０は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する。電子線源１０の例として、公知の電子銃を挙げることができる。
第１静電レンズ１４は、モノクロメーター２０の前段に設けられ、電子線源１０から射出された電子線の軌道（すなわち、モノクロメーター２０に対する入射電子線の入射角度）を調整する。第１静電レンズ１４は、制御ユニット４４により制御され、制御ユニット４４は、処理部５０からの制御信号に基づき第１静電レンズ１４のレンズ強度を制御する。また、モノクロメーター２０の後段には、試料への電子線の軌道を調整する第２静電レンズ３０が設けられている。第１静電レンズ１４および第２静電レンズ３０は、静電界により電子線を集束させるレンズである。
モノクロメーター２０は、電子顕微鏡１００の照射系に組み込まれている。そのため、電子顕微鏡１００では、モノクロメーター２０によって単色化された電子線を試料に照射することができる。
モノクロメーター２０は、電子線を単色化する２段フィルター型のモノクロメーターである。モノクロメーター２０は、電子線を運動エネルギーに応じて分散させる第１エネルギーフィルター２２と、エネルギー分散面上に配置されたエネルギー選択スリット２４と、エネルギー選択スリット２４を通過した電子線のエネルギー分散をキャンセルする第２エネルギーフィルター２６と、を含む。
第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６は、それぞれ、光軸ＯＡにそって進行する電子線に対して互いに直交する電場および磁場を印加するウィーンフィルタから構成される。ただし、第２エネルギーフィルター２６の電場および磁場の向きは、第１エネルギーフィルター２２の電場および磁場の向きと逆となっている。第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６は、制御ユニット４４により制御され、制御ユニット４４は、処理部５０からの制御信号に基づき第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場の強度を制御する。
図２は、モノクロメーター２０における電子線の軌道を示す光線図である。電子線源１０から放出された電子線は、第１エネルギーフィルター２２により分光され、エネルギー選択スリット２４が配置される面（第１収束面）に収束される。電子線は分光されているため、第１収束面上には、電子線の速度分布に対応するスペクトルが形成される。エネルギー選択スリット２４により、光軸ＯＡから電場方向に所定距離内にある電子線のみがスリットを通過する。エネルギー選択スリット２４を通過した電子線は、第２エネルギーフィルター２６によりエネルギー分散がキャンセルされ、理想的には、モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面（第２収束面）と色消し面（エネルギー分散がキャンセルされる面）が一致する。この場合、電子線の第２収束面における仮想光源の形状は円形となる。
モノクロメーター２０で単色化された電子線は、加速管３２によって加速され、照射レンズ系３４によって試料ステージ３６上に照射される。照射レンズ系３４は、複数の集束レンズで構成されている。集束レンズには、集束レンズ絞り３５が配置されている。
対物レンズ３８は、試料ステージ３６の後段に配置され、試料を透過した電子線を結像させる。投影レンズ系４０は、対物レンズ３８の後段に配置され、対物レンズ３８によって結像された像をさらに拡大し、検出器４２上に結像させる。投影レンズ系４０は、複数の中間レンズと投影レンズで構成されている。
検出器４２は、投影レンズ系４０の後段に配置され、投影レンズ系４０によって結像された透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を検出する。検出器４２は、例えば、ＣＣＤ(Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ)カメラ、ＣＭＯＳ（ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどである。検出器４２で検出されたＴＥＭ像の像情報は、制御ユニット４４を介して、処理部５０に出力される。
制御ユニット４４は、電子顕微鏡１００の光学系を構成している各部の制御を行う。また、制御ユニット４４は、検出器４２からの像情報を処理部５０に送る処理を行う。
操作部６０は、ユーザーが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部５０に出力する。操作部６０の機能は、キーボード、マウス、タッチパネル型ディスプレイなどのハードウェアにより実現することができる。
表示部６２は、処理部５０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６２は、処理部５０により生成された、ＴＥＭ像を表示する。
記憶部６４は、処理部５０が各種の計算処理や制御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６４は、処理部５０の作業領域として用いられ、処理部５０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。記憶部６４の機能は、ハードディスク、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ）などにより実現できる。
処理部５０は、後述するモノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる処理を行う。処理部５０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）でプログラムを実行することにより実現することができる。なお、処理部５０の機能の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。処理部５０は、画像取得部５２と、ラインプロファイル取得部５４と、エネルギー分散方向特定部５６と、光学系制御部５８と、を含む。
画像取得部５２は、検出器４２から出力された像情報を取り込むことでＴＥＭ像を取得する処理を行う。後述するモノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面とを一致させる調整する処理では、画像取得部５２は、集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像を取得する。
ラインプロファイル取得部５４は、集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像上の集束レンズ絞り３５の中心を通るラインプロファイルを複数取得する。ラインプロファイルは、ＴＥＭ像上において、ライン（線）上の強度の変化をグラフ化したものである。
エネルギー分散方向特定部５６は、ラインプロファイル取得部５４で取得された複数のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向を特定する。ここで、第１エネルギーフィルター２２で分光された電子線は、運動エネルギーに応じて所定方向に振り分けられる。この所定方向をエネルギー分散方向という。
光学系制御部５８は、エネルギー分散方向特定部５６で特定されたエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面とが一致するように、光学系を制御する。本実施形態では、光学系制御部５８は、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、色消し面を収束面に一致させる。
１．２． 処理
次に、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００における、モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる処理について説明する。
電子顕微鏡１００では、処理部５０が、モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる処理を行う。
ここで、集束レンズ絞り３５の前段側に存在する電子線の収束点（仮想光源）が十分に小さい場合、電子線と集束レンズ絞り３５で回折した電子線とが干渉を起こすことで、ＴＥＭ像上に干渉縞が現れる。モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面、すなわちモノクロメーター２０出射後の電子線の収束面において、電子線のエネルギー分散が残留している場合（電子線の収束面と色消し面が一致していない場合）には、仮想光源がスペクトル方向に広がった形状となるため、等方的な干渉が起こらず、干渉縞に異方性が現れる。
一方、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面が一致している場合には、仮想光源が円形スポットを形成するため、干渉縞は等方的に現れる（すなわち、周方向の強度の変化が少ない同心円状の干渉縞が現れる）。処理部５０は、この原理を利用して、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面を一致させる処理を行う。
図３は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の処理部５０の処理の流れの一例を示すフローチャートである。
まず、処理部５０が、ユーザーがモノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる調整を開始する指示（開始指示）を行ったか否かを判断する（ステップＳ１００）。処理部５０は、開始指示が行われるまで待機する（ステップＳ１００のＮｏ）。処理部５０は、ユーザーが操作部６０を介して開始指示を入力した場合に、開始指示を行ったと判断する。
開始指示が行われたと判断された場合（ステップＳ１００のＹｅｓ）、画像取得部５２が集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像を取得する処理を行う（ステップＳ１０２）。
本工程（ステップＳ１０２）では、画像取得部５２は、まず、エネルギー選択スリット２４を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、エネルギー選択スリット２４が開放状態（すなわちエネルギーの選択が行われない状態）になるようにエネルギー選択スリット２４を移動させる処理を行う。次に、画像取得部５２は、集束レンズ絞り３５を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、集束レンズ絞り３５を光軸ＯＡ上に挿入する処理を行う。次に、画像取得部５２は、規定の結像系倍率（例えば２００，０００倍）に設定し、集束レンズ絞り３５の外縁が確認できるように、照射レンズ系３４（集束レンズ）の励磁を制御する。画像取得部５２は、この状態で、検出器４２から出力された像情報を取り込むことで、集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像を取得する。
図４は、集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像である。図４に示すようにＴＥＭ像には、集束レンズ絞り３５の影に対応した干渉縞が現れる。
次に、ラインプロファイル取得部５４が、画像取得部５２で取得されたＴＥＭ像上の集束レンズ絞り３５の中心（影の中心）を通るラインプロファイルを複数取得する（ステップＳ１０４）。
図５は、ラインプロファイルを測定した測定線を示す図である。図５に示すように、ラインプロファイル取得部５４は、集束レンズ絞り３５の中心の位置を決定し、当該中心を通るラインプロファイルを等角度間隔で取得する。図示の例では、２２．５度間隔で、８本のラインプロファイルを取得した。ラインプロファイルは、集束レンズ絞り３５の外縁から、集束レンズ絞り３５の中心を通り、集束レンズ絞り３５の反対側の外縁までの強度情報が含まれるように取得される。
なお、ラインプロファイルを取得する数は特に限定されないが、ラインプロファイルの数を多くすることで、より正確にモノクロメーター２０のエネルギー分散方向を特定することができる。また、測定線の幅（すなわち測定線の垂直方向の強度を積算する領域）は特に限定されない。
次に、エネルギー分散方向特定部５６が、ラインプロファイル取得部５４が取得した複数のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向を特定する（ステップＳ１０６）。
エネルギー分散方向特定部５６は、複数のラインプロファイルの各々について極大値Ａと極小値Ｂとの比（コントラスト比Ａ／Ｂ）を求め、このコントラスト比Ａ／Ｂに基づいて、エネルギー分散方向を特定する。具体的には、エネルギー分散方向特定部５６は、コントラスト比Ａ／Ｂが最も小さいラインプロファイルの方向を、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向とする。
図６は、ラインプロファイルを示すグラフである。
極大値Ａは、例えば、ラインプロファイルに現れる複数の極大値のうち、最も外側の干渉縞の強度（絞りのエッジに最も近接する強度）に対応する極大値とする。図６に示す例では、極大値Ａは、ラインプロファイルの最初に現れる極大値である。また、極小値Ｂは
、ラインプロファイルに現れる複数の極小値のうち、極大値Ａと隣り合う極小値とする。図６に示す例では、極小値Ｂは、ラインプロファイルにおいて、極大値Ａの次に現れる極小値である。
エネルギー分散方向特定部５６は、すべてのラインプロファイルについてコントラスト比Ａ／Ｂを求める。そして、コントラスト比Ａ／Ｂが最も小さいラインプロファイルの方向を探す。
図７は、ラインプロファイル取得部５４で取得された８本のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを示すグラフである。図７では、各ラインプロファイルごとに、極大値Ａ、極小値Ｂ、コントラスト比Ａ／Ｂを示している。
図７に示すグラフでは、コントラスト比Ａ／Ｂは、７本目のラインプロファイルで最小であり、エネルギー分散方向特定部５６は、図５に示す７本目のラインプロファイルを測定した測定線の方向をモノクロメーター２０のエネルギー分散方向と特定する。
次に、光学系制御部５８がモノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、モノクロメーター２０の出射側の色消し面を、収束面に一致させる（ステップＳ１０８）。
光学系制御部５８は、例えば、エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂに基づいて、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御する。
ここで、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場を変化させることで、モノクロメーター２０の出射側の色消し面の位置が変化する。すなわち、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場を変化させることで、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面の位置を固定したまま、色消し面の位置を独立して変化させることができる。第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場の強度を変化させた結果、色消し面が収束面に一致すると、ＴＥＭ像上に現れる干渉縞は最も高いコントラストを示す。
そのため、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大とすることで、色消し面と収束面とを一致させることができる。
光学系制御部５８は、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大になるように、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御する。
光学系制御部５８は、例えば、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場の強度を変更しながら、エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂをモニターして、コントラスト比Ａ／Ｂを最大となる、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の電磁場の強度を探し出す。
なお、上記では、光学系制御部５８は、ラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが
最大となるように、エネルギーフィルター２２，２６の制御を行ったが、光学系制御部５８は、コントラスト比Ａ／Ｂが所定値以上となるように、エネルギーフィルター２２，２６の制御を行ってもよい。
図８は、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大としたときの、集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像である。
図８に示すように、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大とすることで、図４に示すＴＥＭ像と比べて、干渉縞が等方的に現れており、電子線の収束面と色消し面とが一致していることがわかる。
本実施形態に係る電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。
電子顕微鏡１００では、ラインプロファイル取得部５４が集束レンズ絞り３５によって形成される電子線の干渉縞を含むＴＥＭ像上のラインプロファイルを複数取得し、ラインプロファイル取得部５４が取得された複数のラインプロファイルに基づいて、エネルギー分散方向を特定し、光学系制御部５８がエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とが一致するように第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場を制御する。
そのため、電子顕微鏡１００では、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。したがって、電子顕微鏡１００では、２段フィルター型モノクロメーター２０を出射した電子線の収束面と色消し面を一致させる調整を容易に行うことができる。この結果、電子顕微鏡１００では、ユーザーの熟練度に依らない光学系の設定が可能となり、ユーザーは常に最適な状態で電子顕微鏡を使用できる。
また、電子顕微鏡１００では、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向を特定し、エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいてエネルギーフィルター２２，２６の制御を行うため、例えば複数の方向のラインプロファイルに基づいてエネルギーフィルター２２，２６の制御を行う場合と比べて、処理の簡略化を図ることができる。
電子顕微鏡１００では、エネルギー分散方向特定部５６は、複数のラインプロファイルの各々についてコントラスト比Ａ／Ｂを求め、コントラスト比Ａ／Ｂが最も小さいラインプロファイルの方向をモノクロメーター２０のエネルギー分散方向と特定する。そのため、電子顕微鏡１００では、ラインプロファイル取得部５４が生成した複数のラインプロファイルから、エネルギー分散方向を特定することができる。
電子顕微鏡１００では、光学系制御部５８は、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場を制御して、色消し面を収束面に一致させる。具体的には、電子顕微鏡１００では、光学系制御部５８は、エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大となるように、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場を制御する。そのため、電子顕微鏡１００では、収束面と色消し面とを一致させる作業を自動で行うことができる。
１．３． 変形例
次に、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の変形例について説明する。上述した電子顕微鏡１００では、光学系制御部５８がモノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６の少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、モノクロメーター２０の出射側の色消し面を、収束面に一致させていたが、以下に説明する変形例では、この光学系制御部５８の処理が異なる。以下では、上述した図１に示す電子顕微鏡１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
（１）第１変形例
第１変形例に係る電子顕微鏡では、光学系制御部５８は、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０の前段に設けられた第１静電レンズ１４を制御して、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面を、色消し面に一致させる点で、電子顕微鏡１００と異なる。
第１静電レンズ１４のレンズ強度を変化させると、モノクロメーター２０への電子線の入射開き角が変化し、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面の位置が変化する。すなわち、第１静電レンズ１４のレンズ強度を変化させることで、モノクロメーター２０の出射側の色消し面の位置を固定したまま、収束面の位置を独立して変化させることができる。第１静電レンズ１４の強度を変化させた結果、収束面が色消し面に一致すると、ＴＥＭ像上に現れる干渉縞は最も高いコントラストを示す。
そのため、第１静電レンズ１４を制御して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大とすることで、色消し面と収束面とを一致させることができる。
光学系制御部５８は、第１静電レンズ１４を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大になるように、第１静電レンズ１４を制御する。
本変形例によれば、上述した電子顕微鏡１００と同様に、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
（２）第２変形例
第２変形例に係る電子顕微鏡では、光学系制御部５８が、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０が発生させる非点を制御して、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面を、色消し面に一致させる点で、電子顕微鏡１００と異なる。
本変形例では、モノクロメーター２０が四極子電界を発生させることが可能に構成されている。モノクロメーター２０が四極子電界を発生させることで、モノクロメーター２０において電子線に非点を発生させることができる。モノクロメーター２０で発生させる非点の方向を、第１エネルギーフィルター２２および第２エネルギーフィルター２６のスペクトル方向と一致する方向に設定し、発生させる非点の量を変化させると、モノクロメーター２０の出射側でのスペクトル方向の収束面の位置が変化する。モノクロメーター２０で発生させる非点を変化させた結果、収束面が色消し面に一致すると、ＴＥＭ像上に現れる干渉縞は最も高いコントラストを示す。
そのため、モノクロメーター２０が発生させる四極子電界を制御して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大とする
ことで、色消し面と収束面とを一致させることができる。
光学系制御部５８は、モノクロメーター２０を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大になるように、モノクロメーター２０が発生させる非点を制御する。
本変形例によれば、上述した電子顕微鏡１００と同様に、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
（３）第３変形例
第３変形例に係る電子顕微鏡では、第２変形例と同様に、光学系制御部５８が、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、モノクロメーター２０が発生させる非点を制御して、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面を、色消し面に一致させる点で、電子顕微鏡１００と異なる。ただし、第３変形例では、モノクロメーター２０が四極子磁界を発生させることが可能に構成されている。
モノクロメーター２０が四極子磁界を発生させることで、モノクロメーター２０が四極子電界を発生させる場合と同様に、モノクロメーター２０において電子線に非点を発生させることができる。
したがって、本変形例によれば、上述した第２変形例と同様に（すなわち電子顕微鏡１００と同様に）、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
なお、モノクロメーター２０が四極子電界および四極子磁界の両方を発生させることが可能に構成されている場合には、モノクロメーター２０が四極子電界および四極子磁界の両方を発生させることで、モノクロメーター２０において電子線に非点を発生させてもよい。
２． 第２実施形態
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図９は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡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。
上述した電子顕微鏡１００では、図１に示すように、加速管３２の前段にモノクロメーター２０が配置されていた。
これに対して、電子顕微鏡２００では、図９に示すように、加速管３２の後段にモノクロメーター２０が配置されている。
電子顕微鏡２００では、モノクロメーター２０の前段には、第１磁界レンズ１５が配置され、モノクロメーター２０の後段には、第２磁界レンズ３１が配置されている。第１磁界レンズ１５および第２磁界レンズ３１は、磁界により電子線を集束させるレンズである。
第１磁界レンズ１５のレンズ強度を変化させると、モノクロメーター２０への電子線の入射開き角が変化し、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面の位置が変化する。すなわち、第１磁界レンズ１５のレンズ強度を変化させることで、モノクロメーター２０
の出射側の色消し面の位置を固定したまま、収束面の位置を独立して変化させることができる。第１磁界レンズ１５のレンズ強度を変化させた結果、収束面が色消し面に一致すると、ＴＥＭ像上に現れる干渉縞は最も高いコントラストを示す。
そのため、第１磁界レンズ１５を制御して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂを最大とすることで、色消し面と集束面とを一致させることができる。
光学系制御部５８は、第１磁界レンズ１５を制御する制御信号を生成し、当該制御信号を制御ユニット４４に出力して、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大になるように、第１磁界レンズ１５を制御する。
電子顕微鏡２００によれば、上述した電子顕微鏡１００と同様に、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
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、モノクロメーター２０のエネルギー分散方向を特定する処理（ステップＳ１０６）では、ラインプロファイルの極大値Ａと極小値Ｂの比Ａ／Ｂ（コントラスト比Ａ／Ｂ）が最小のラインプロファイルの方向をエネルギー分散方向としていた。これに対して、ステップＳ１０６の処理において、ラインプロファイルの極大値Ａが最小のラインプロファイルの方向をエネルギー分散方向としてもよいし、ラインプロファイルの極小値Ｂが最大のラインプロファイルの方向をエネルギー分散方向としてもよい。このような場合でも、上述した実施形態と同様に、エネルギー分散方向を特定することができ、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
また、上述した実施形態では、色消し面と収束面とを一致させる処理（ステップＳ１０８）では、エネルギー分散方向のラインプロファイルのコントラスト比Ａ／Ｂが最大となるように、光学系を制御（エネルギーフィルター２２，２６の電磁場、第１静電レンズ１４のレンズ強度、モノクロメーター２０において発生する非点、第１磁界レンズ１５のレンズ強度等）を制御した。これに対して、ステップＳ１０８の処理において、エネルギー分散方向のラインプロファイルの極大値Ａが最大となるように光学系を制御してもよいし、エネルギー分散方向のラインプロファイルの極小値Ｂが最小となるように光学系を制御してもよい。このような場合でも、上述した実施形態と同様に、モノクロメーター２０出射後の電子線の収束面と色消し面とを一致させる作業を、自動で行うことができる。
また、上述した実施形態では、干渉縞を形成する絞りとして、集束レンズ絞り３５を用いる例について説明したが、干渉縞を形成させる絞りは集束レンズ絞り３５に限られず、モノクロメーター２０の後段側に設けられた絞りであればよい。
また、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
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、１２…絞り、１４…第１静電レンズ、１５…第１磁界レンズ、２０…モノクロメーター、２２…第１エネルギーフィルター、２４…エネルギー選択スリット、２６…第２エネルギーフィルター、３０…第２静電レンズ、３１…第２磁界レンズ、３２…加速管、３４…照射レンズ系、３５…集束レンズ絞り、３６…試料ステージ、３８…対物レンズ、４０…投影レンズ系、４２…検出器、４４…制御ユニット、５０…処理部、５２…画像取得部、５４…ラインプロファイル取得部、５６…エネルギー分散方向特定部、５８…光学系制御部、６０…操作部、６２…表示部、６４…記憶部、１００…電子顕微鏡、２００…電子顕微鏡

Claims (7)

  1. 電子線を運動エネルギーに応じて分散させる第１エネルギーフィルターと、エネルギー分散面上に配置されたエネルギー選択スリットと、前記エネルギー選択スリットを通過した電子線のエネルギー分散をキャンセルする第２エネルギーフィルターと、を有するモノクロメーターを備えた電子顕微鏡であって、
    前記モノクロメーターの後段側に設けられた絞りによって形成される電子線の干渉縞を含む電子顕微鏡像を取得する画像取得部と、
    前記電子顕微鏡像上の前記絞りの中心を通るラインプロファイルを複数取得するラインプロファイル取得部と、
    前記ラインプロファイル取得部で取得された複数のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターのエネルギー分散方向を特定するエネルギー分散方向特定部と、
    前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターを出射した電子線の収束面と色消し面とが一致するように、光学系を制御する光学系制御部と、
    を含む、電子顕微鏡。
  2. 請求項１において、
    前記エネルギー分散方向特定部は、複数のラインプロファイルの各々について極大値と極小値との比を求め、当該比に基づいて前記エネルギー分散方向を特定する、電子顕微鏡。
  3. 請求項１または２において、
    前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルの極大値と極小値との比に基づいて、前記光学系を制御する、電子顕微鏡。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記第１エネルギーフィルターおよび前記第２エネルギーフィルターの少なくとも一方の電磁場の強度を制御して、前記色消し面を前記収束面に一致させる、電子顕微鏡。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターの前段に設けられた静電レンズを制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させる、電子顕微鏡。
  6. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターの前段に設けられた磁界レンズを制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させる、電子顕微鏡。
  7. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記光学系制御部は、前記エネルギー分散方向のラインプロファイルに基づいて、前記モノクロメーターが発生させる非点を制御して、前記収束面を前記色消し面に一致させる、電子顕微鏡。
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