JP6824210B2 - 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(Transmission Electron Microscope、TEM)や走査透過電子顕微鏡(Scanning Transmission Electron Microscope、STEM)等の透過電子顕微鏡において、収差補正は、高分解能像を取得するうえで重要な技術である。
透過電子顕微鏡における収差補正の手順は、複雑である。そのため、近年、収差補正の自動化が進められている。このような収差補正の自動化の技術については、例えば、特許文献1に開示されている。
特開2015−215970号公報
収差補正を行う上では、収差計測の精度が重要となる。従来、様々な収差計測方法が提案されているが、収差が小さい場合などには、収差を正しく計測できない場合があった。このため、ユーザーが収差を認識できたとしても、収差補正が自動化されている場合、この収差を補正することができなかった。また、任意の収差を打ち消すために、別の収差を意図的に導入したい場合がある。このように、収差補正の際には、ユーザーが任意の収差を導入したい場合がある。
ユーザーが収差を導入するためには、収差の方向を指定しなければならないが、従来の電子顕微鏡では、収差の方向を指定するための操作の操作性が悪かった。
本発明の目的は、操作性の良い電子顕微鏡を提供することにある。
本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
収差補正装置を含む光学系と、
前記収差補正装置を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
導入される収差の種類の情報を受け付ける処理と、
収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
を行い、
前記画像を前記表示部に表示させる処理では、前記収差の種類の情報に基づいて、前記収差の種類に応じた形状を有する前記画像を前記表示部に表示させる
本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
収差補正装置を含む光学系と、
前記収差補正装置を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
を行い、
前記収差図形は、ロンチグラムである
本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
収差補正装置を含む光学系と、
前記収差補正装置を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
を行い、
前記収差図形は、ディフラクトグラムタブローである
このような電子顕微鏡では、回転操作した後の画像から収差の方向を特定し、特定された方向に収差が導入されるように収差補正装置を制御するため、ユーザーは画像を回転操作することで収差の方向を指定できる。したがって、このような電子顕微鏡によれば、直感的に収差の方向を指定でき、操作性がよい。
第1実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 収差補正装置を模式的に示す図。 収差補正装置を操作するためのGUIを示す図。 収差補正装置を操作するためのGUIを示す図。 インジケーターの変形例を示す図。 インジケーターの変形例を示す図。 インジケーターの操作を説明するための図。 制御部の処理の一例を示すフローチャート。 第2実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 収差補正装置を操作するためのGUIを示す図。 収差補正装置を操作するためのGUI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。
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、収差補正装置30を含む光学系を備えた走査透過電子顕微鏡(STEM)である。走査透過電子顕微鏡は、電子プローブ(集束した電子線)で試料S上を走査し、試料Sを透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像(STEM像)を得ることができる。
電子顕微鏡100は、図1に示すように、電子源10と、光学系(集束レンズ12、走査コイル13、対物レンズ14、中間レンズ18、投影レンズ20、収差補正装置30)と、試料ステージ16と、試料ホルダー17と、STEM検出器22a,22bと、撮像装置24と、制御部40と、操作部50と、表示部52と、記憶部54と、を含む。
電子源10は、電子を発生させる。電子源10は、例えば、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銃である。
集束レンズ12は、電子源10から放出された電子線を集束する。集束レンズ12は、図示はしないが、複数の電子レンズで構成されていてもよい。集束レンズ12および対物レンズ14は、電子顕微鏡100の照射系を構成している。
走査コイル13は、電子線を偏向させて、集束レンズ12および対物レンズ14で集束された電子線(電子プローブ)で試料S上を走査するためのコイルである。走査コイル13は、電子顕微鏡100の制御装置(図示せず)で生成された走査信号に基づき、電子プローブを偏向させる。これにより、電子プローブで試料S上を走査することができる。
対物レンズ14は、電子線を試料S上に集束させて、電子プローブを形成するためのレンズである。また、対物レンズ14は、試料Sを透過した電子で結像する。
試料ステージ16は、試料ホルダー17に保持された試料Sを支持している。試料ステージ16によって、試料Sを位置決めすることができる。
中間レンズ18および投影レンズ20は、試料Sを透過した電子をSTEM検出器22a,22bに導く。また、中間レンズ18および投影レンズ20は、対物レンズ14によって結像された像をさらに拡大し、撮像装置24上に結像する。対物レンズ14、中間レンズ18、および投影レンズ20は、電子顕微鏡100の結像系を構成している。
明視野STEM検出器22aは、試料Sを透過した電子のうち、散乱されずに透過した電子、および所定の角度以下で散乱した電子を検出する。明視野STEM検出器22aは光軸上に配置されているが、撮像装置24を使用する場合には光軸上から退避させることができる。
暗視野STEM検出器22b、試料Sで特定の角度で散乱された電子を検出する。暗視野STEM検出器22bは、円環状の検出器である。
撮像装置24は、結像系によって結像された像を撮影する。撮像装置24は、例えば、CCD(Charge Coupled Device)カメラ等のデジタルカメラである。
収差補正装置30は、電子顕微鏡100の照射系に組み込まれている。図示の例では、収差補正装置30は、集束レンズ12の後段に配置されている。収差補正装置30は、電子顕微鏡100の照射系の収差を補正する。具体的には、収差補正装置30は、負の球面収差を生成し、照射系の正の球面収差を打ち消すことで照射系の球面収差を補正する球面収差補正装置である。
電子顕微鏡100では、電子源10から放出された電子線は、集束レンズ12および対物レンズ14で集束されて電子プローブを形成し試料Sに照射される。このとき、試料Sに照射される電子線は、収差補正装置30によって収差が補正される。試料Sに照射された電子線は、走査コイル13によって試料S上で走査される。試料Sを透過した電子線は、対物レンズ14、中間レンズ18および投影レンズ20によってSTEM検出器22a,22bに導かれ、STEM検出器22a,22bで検出される。STEM検出器22a,22bは、それぞれ検出された電子の強度信号(検出信号)を、信号処理部(図示せず)に送る。信号処理部は、STEM検出器22a,22bで検出された電子の強度信号(検出信号)を走査信号に同期させて画像化し、明視野STEM像および暗視野STEM像を生成する。
また、電子顕微鏡100では、照射系によって電子線を試料S付近に集束させて、回折面上にできる試料の投影像(ロンチグラム(Ronchigram))を、撮像装置24で取得することができる。撮像装置24で取得された投影像(ロンチグラム)の情報は、制御部40に送られる。
図2は、収差補正装置30を模式的に示す図である。収差補正装置30は、三段の多極子32a,32b,32cを有している。すなわち、収差補正装置30は、三段三回場型球面収差補正装置である。
収差補正装置30は、三段の多極子(第1多極子32a、第2多極子32b、第3多極子32c)と、第1転送レンズ系34と、第2転送レンズ系35と、を含んで構成されている。
第1多極子32aは、三回対称場を発生させる。三回対称場とは、場の強度が三回の対称性を持つ場である。第1多極子32aが発生させる三回対称場は、三回対称の電場、三回対称の磁場、または三回対称の電磁場である。第1多極子32aは、例えば、12極子
である。なお、第1多極子32aは、三回対称場を発生させることができれば、12極子に限定されない。
第1多極子32aは、光軸OPに沿った厚みを有する。ここで、厚みを持った多極子では、薄い多極子で発生する収差とは異なる収差がコンビネーション収差として現れる。三回対称場を発生させる多極子では、コンビネーション収差として負の球面収差が生じる。収差補正装置30では、この負の球面収差を利用して照射系の正の球面収差を補正する。
第2多極子32bおよび第3多極子32cの構成は、第1多極子32aの構成と同じである。すなわち、第2多極子32bおよび第3多極子32cは、それぞれ三回対称場を発生させる。また、第2多極子32bおよび第3多極子32cは、それぞれ光軸OPに沿った厚みを有している。
第1多極子32aと第2多極子32bとの間には、第1転送レンズ系34が配置されている。第1転送レンズ系34は、一対の転送レンズ(第1転送レンズ34aおよび第2転送レンズ34b)で構成されている。また、第2多極子32bと第3多極子32cとの間には、第2転送レンズ系35が配置されている。第2転送レンズ系35は、一対の転送レンズ(第1転送レンズ35aおよび第2転送レンズ35b)で構成されている。
集束レンズ12と第1多極子32aとの間には転送レンズ系36が配置されている。転送レンズ系36は、一対の転送レンズ(第1転送レンズ36aおよび第2転送レンズ36b)で構成されている。
なお、上記では、収差補正装置30が、三段三回場型球面収差補正装置である場合について説明したが、収差補正装置30では、三段三回場型球面収差補正装置に限定されず、様々なタイプの収差補正装置を用いることができる。
操作部50は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、制御部40に送る処理を行う。操作部50の機能は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどにより実現できる。操作部50を用いて、後述するインジケーター4の回転操作を行うことができる。
表示部52は、制御部40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(liquid crystal display)などのディスプレイにより実現できる。表示部52には、後述する収差補正装置30を制御するためのGUI(Graphical User Interface)が表示される。
記憶部54は、制御部40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54は、制御部40の作業領域として用いられ、制御部40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54の機能は、ハードディスクや、RAM(random access memory)などにより実現できる。
制御部40は、収差補正装置を制御する処理を行う。制御部40の処理については後述する。制御部40の機能は、各種プロセッサ(CPU(Central Processing Unit)等)でプログラムを実行することにより実現できる。
1.2. 操作
次に、電子顕微鏡100において、ユーザーが所望の収差を導入する際の操作について説明する。
図3および図4は、収差補正装置30を制御するためのGUIを示す図である。
表示部52には、収差の状態を示す収差図形2上に、収差の方向を指定するためのインジケーター4が重ねて表示される。
収差図形2は、図示の例では、照射系の収差の状態を表すロンチグラムである。収差図形2は、あらかじめ取得されたロンチグラムであってもよい。また、撮像装置24で常時ロンチグラムを撮影し、表示部52にリアルタイムにロンチグラムを表示させてもよい。
なお、収差図形2は、収差の状態を表す画像であれば、ロンチグラムに限定されない。
例えば、STEMの収差の計測方法として、プローブタブロー(probe tableau)法が知られている。プローブタブロー法は、試料面への電子線照射角度を変えて複数のSTEM像を撮影し、それらをデコンボリューションすることで得られるプローブ像を基にして収差を測定する手法である。収差図形2として、このプローブ像を用いてもよい。
また、例えば、収差の状態を示す位相マップを収差図形2として用いてもよい。
インジケーター4は、収差の方向を指定するための画像である。インジケーター4は、導入する収差の種類に応じた形状を有する。例えば、インジケーター4は、収差の対称性に応じた対称性を持つ画像として表示されてもよい。導入する収差の種類が変更されると、インジケーター4の形状も変更される。
例えば、導入する収差が三回対称性を持つ場合、図3に示すように、インジケーター4は3つのマーカー6を有し、マーカー6が円上に120°間隔で配置された画像となる。これにより、三回対称性を持つ収差の方向を容易に把握することができ、直感的に、収差の方向を指定できる。
また、例えば、導入する収差が五回対称性を持つ場合、図4に示すように、インジケーター4は5つのマーカー6を有し、マーカー6が円上に72°間隔で配置された画像となる。これにより、五回対称性を持つ収差の方向を容易に把握することができ、直感的に、収差の方向を指定できる。
なお、インジケーター4の形状は、収差の種類に応じた形状を有していれば特に限定されない。
図5および図6は、インジケーター4の変形例を示す図である。
例えば、導入する収差が三回対称性を持つ場合、図5に示すように、インジケーター4は正三角形であってもよい。これにより、三回対称性を持つ収差の方向を容易に把握することができ、直感的に、収差の方向を指定できる。
また、例えば、導入する収差が五回対称性を持つ場合、図6に示すように、インジケーター4は正五角形であってもよい。これにより、五回対称性を持つ収差の方向を容易に把握することができ、直感的に、収差の方向を指定できる。
次に、インジケーター4を用いた収差の方向の指定方法について説明する。図7は、インジケーター4の操作を説明するための図である。
インジケーター4は、マウスなどのポインティングデバイス(操作部50の一例)を使用して、回転させることができる。また、表示部52がタッチパネル型ディスプレイの場合、表示部52に表示されたインジケーター4に手やペンなどを触れたままスライドさせることで、インジケーター4を回転させることができる。このようなインジケーター4の回転操作により、収差の方向を指定することができる。インジケーター4の回転操作後のインジケーター4が示す方向が導入される収差の方向となる。
次に、収差の大きさの設定方法について説明する。
収差の大きさは収差の方向とは異なり、数値で表したほうがわかりやすい。このため、収差の大きさは数値で指定する。なお、数値の入力に代えてマウスのホイール操作などで収差の大きさを指定してもよい。また、収差の大きさは、正の方向と負の方向の両方が設定可能である。そのため、意図的に収差を導入することもできるし、収差を補正することもできる。
1.3. 制御部の処理
次に、制御部40の処理について説明する。
図8は、制御部40の処理の一例を示すフローチャートである。
電子顕微鏡100では、あらかじめ照射系の収差の状態を示す収差図形2としてのロンチグラムが撮影されて記憶部54に記憶され、表示部52に表示されている。
まず、制御部40は、導入する収差の種類の情報を受け付ける(S10)。
例えば、ユーザーが操作部50を操作して導入する収差の種類の情報を入力すると、制御部40は、操作信号を受け付けて、導入する収差の種類の情報を取得する。
制御部40は、収差の種類の情報を受け付けると、収差図形2(ロンチグラム)上に、インジケーター4を重ねて表示部52に表示させる(S20)。このとき、制御部40は、導入する収差の種類の情報に基づいて、導入する収差の種類に応じた形状のインジケーター4を表示部52に表示させる。
次に、制御部40は、収差の方向が指定されたか否かを判定する処理を行う(S30)。
ユーザーが表示部52に表示されたインジケーター4を回転操作してインジケーター4の方向が指定された場合に、収差の方向が指定されたと判定される。
制御部40は、収差の方向が指定されたと判定した場合(S30のYes)、回転操作された後のインジケーター4から収差の方向を特定し、導入する収差の方向の情報を取得する(S40)。
制御部40は、収差の大きさが指定されたか否かを判定する処理を行う(S50)。
ユーザーが操作部50を介して収差の大きさを入力した場合に、収差の大きさが指定されたと判定する。
制御部40は、収差の大きさが指定されたと判定した場合(S50のYes)、入力された収差の大きさの情報を取得する(S60)。
制御部40は、取得した収差の方向の情報および収差の大きさの情報に基づいて、指定された種類の収差が、指定された方向および大きさで導入されるように収差補正装置30を制御する(S70)。
制御部40は、取得した収差の種類の情報、収差の方向の情報、および収差の大きさの情報に基づいて制御信号を生成し、収差補正電源コントローラー31に送る。これにより、収差補正装置30が動作し、指定された種類の収差が、指定された方向および大きさで導入される。
以上の処理により、所望の収差を導入することができる。
1.4. 特徴
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、収差補正装置30を含む光学系と、収差補正装置30を制御する制御部40と、を含み、制御部40は、収差の状態を表す収差図形2上に、収差の方向を指定するためのインジケーター4を重ねて表示部52に表示させる処理と、回転操作された後のインジケーター4から、収差の方向を特定する処理と、特定された方向に収差が導入されるように収差補正装置30を制御する処理と、を行う。そのため、電子顕微鏡100では、導入する収差の方向を指定する操作を直感的に行うことができ、操作性が良い。
電子顕微鏡100では、制御部40は、導入される収差の種類の情報を受け付ける処理を行い、インジケーター4を表示部52に表示させる処理では、収差の種類の情報に基づいて、収差の種類に応じた形状を有するインジケーター4を表示部52に表示させる。そのため、電子顕微鏡100では、導入する収差の方向を指定する操作を、直感的に行うことができ、操作性がよい。
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、収差補正装置30が照射系に組み込まれていた。
これに対して、電子顕微鏡200では、図9に示すように、収差補正装置30が結像系に組み込まれている。収差補正装置30は結像系の収差を補正する。
電子顕微鏡200では、電子源10から放出された電子線は、集束レンズ12で集束されて試料Sに照射される。試料Sを透過した電子線は、対物レンズ14、中間レンズ18および投影レンズ20によって結像される。結像された透過電子顕微鏡像(TEM像)は、撮像装置24で撮影される。電子顕微鏡200では、収差補正装置30によって結像系の収差を補正できるため、高分解能のTEM像を得ることができる。
収差補正装置30が結像系に組み込まれる場合、収差図形2として、例えば、ディフラクトグラムタブローを用いることができる。
図10は、収差補正装置30を操作するためのGUIを示す図である。
表示部52には、収差の状態を示す収差図形2としてのディフラクトグラムタブロー上に、収差の方向を指定するためのインジケーター4が表示される。なお、収差図形2は、結像系の収差の状態を表す画像であれば、ディフラクトグラムタブローに限定されない。
電子顕微鏡200では、電子顕微鏡100と同様に、導入する収差の方向を指定する操作を、直感的に行うことができ、操作性がよい。
3. その他
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、インジケーター4は収差の種類に応じた形状を有していたが、インジケーター4は収差の方向を指定することができればその形状は限定されない。例えば、図11に示すように、インジケーター4は矢印であってもよい。インジケーター4としての矢印によって、収差の方向を指定することができる。このようなインジケーター4によっても、導入する収差の方向を指定する操作を、直感的に行うことができる。
なお、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。
2…収差図形、4…インジケーター、6…マーカー、10…電子源、12…集束レンズ、13…走査コイル、14…対物レンズ、16…試料ステージ、17…試料ホルダー、18…中間レンズ、20…投影レンズ、22a…明視野STEM検出器、22b…暗視野STEM検出器、24…撮像装置、30…収差補正装置、31…収差補正電源コントローラー、32a…第1多極子、32b…第2多極子、32c…第3多極子、34…第1転送レンズ系、34a…第1転送レンズ、34b…第2転送レンズ、35…第2転送レンズ系、35a…第1転送レンズ、35b…第2転送レンズ、36…転送レンズ系、36a…第1転送レンズ、36b…第2転送レンズ、40…制御部、50…操作部、52…表示部、54…記憶部、100…電子顕微鏡、200…電子顕微鏡

Claims (4)

  1. 収差補正装置を含む光学系と、
    前記収差補正装置を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    導入される収差の種類の情報を受け付ける処理と、
    収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
    回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
    特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
    を行い、
    前記画像を前記表示部に表示させる処理では、前記収差の種類の情報に基づいて、前記収差の種類に応じた形状を有する前記画像を前記表示部に表示させる、電子顕微鏡。
  2. 収差補正装置を含む光学系と、
    前記収差補正装置を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
    回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
    特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
    を行い、
    前記収差図形は、ロンチグラムである、電子顕微鏡。
  3. 収差補正装置を含む光学系と、
    前記収差補正装置を制御する制御部と、
    を含み、
    前記制御部は、
    収差の状態を表す収差図形上に、収差の方向を指定するための画像を重ねて表示部に表示させる処理と、
    回転操作された後の前記画像から、収差の方向を特定する処理と、
    特定された方向に収差が導入されるように前記収差補正装置を制御する処理と、
    を行い、
    前記収差図形は、ディフラクトグラムタブローである、電子顕微鏡。
  4. 請求項2または3において、
    前記制御部は、導入される収差の種類の情報を受け付ける処理を行い、
    前記画像を前記表示部に表示させる処理では、前記収差の種類の情報に基づいて、前記収差の種類に応じた形状を有する前記画像を前記表示部に表示させる、電子顕微鏡。
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