JP6914977B2 - 走査透過電子顕微鏡および収差補正方法 - Google Patents

Description

本発明は、走査透過電子顕微鏡および収差補正方法に関する。

走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の高分解能化を図るには電子光学系に生じる収差の補正が極めて重要である。

例えば、特許文献１には、フォーカスと２回非点（幾何１次収差）を自動で補正するための収差補正方法が開示されている。特許文献１に開示された収差補正方法では、走査透過電子顕微鏡像（以下「ＳＴＥＭ像」ともいう）の自己相関関数を用いて収差を計測している。具体的には、特許文献１に開示された収差補正方法では、フォーカスを変えることによって得られる少なくとも２枚のＳＴＥＭ像のそれぞれに対する自己相関関数を算出し、各自己相関関数の等強度線に収差関数をフィッティングし、得られた各収差関数に基づいて収差係数を算出する。

特開２００９−２１８０７９号公報

特許文献１に開示された収差補正方法では、ＳＴＥＭ像の自己相関関数が電子線（プローブ）の試料上での強度分布を反映していることを前提としている。しかしながら、例えば、Ｓｉ［１１０］で見られるような２つの原子が並んだダンベル構造のＳＴＥＭ像を用いて収差補正を行う場合、自己相関関数には試料構造が反映される。そのため、収差がないにも関わらず、収差があるとの計算結果が得られてしまう場合があった。

このように、特許文献１に開示された収差補正方法では、収差を正確に補正できない場合があった。

（１）本発明に係る走査透過電子顕微鏡の一態様は、
収差補正器を含む電子光学系と、
前記収差補正器を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、
互いに異なるデフォーカス量で撮影された第１走査透過電子顕微鏡像および第２走査透過電子顕微鏡像を取得する処理と、
前記第１走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第１自己相関関数を算出する処理と、
前記第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った第１強度プロファイルを取得する処理と、
前記第１強度プロファイルにおいて、前記第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする処理と、
前記第２走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第２自己相関関数を算出する処理と、
前記第２自己相関関数の中心を通る直線に沿った第２強度プロファイルを取得する処理
と、
前記第２強度プロファイルにおいて、前記第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする処理と、
前記第１自己相関関数において前記第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングし、前記第２自己相関関数において前記第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングすることによって、収差係数を求める処理と、
前記収差係数に基づいて、前記電子光学系を制御する処理と、
を行う。

このような走査透過電子顕微鏡では、等強度線を引くための基準強度が、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置の強度であるため、試料の構造によらず、収差係数を正確に求めることができる。したがって、このような走査透過電子顕微鏡では、試料の構造によらず、電子光学系の収差を正確に補正できる。

（２）本発明に係る収差補正方法の一態様は、
収差補正器を含む電子光学系を備えた走査透過電子顕微鏡の収差補正方法であって、
互いに異なるデフォーカス量で撮影された第１走査透過電子顕微鏡像および第２走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
前記第１走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第１自己相関関数を算出する工程と、
前記第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った第１強度プロファイルを取得する工程と、
前記第１強度プロファイルにおいて、前記第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする工程と、
前記第１自己相関関数において、前記第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングする工程と、
前記第２走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第２自己相関関数を算出する工程と、
前記第２自己相関関数の中心を通る直線に沿った第２強度プロファイルを取得する工程と、
前記第２強度プロファイルにおいて、前記第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする工程と、
前記第２自己相関関数において、前記第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングする工程と、
前記第１収差関数のフィッティングおよび前記第２収差関数のフィッティングにより得られた収差係数に基づいて、前記電子光学系を制御する工程と、
を含む。

このような収差補正方法では、等強度線を引くための基準強度が、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置の強度であるため、試料の構造によらず、収差係数を正確に求めることができる。したがって、このような収差補正方法では、試料の構造によらず、電子光学系の収差を正確に補正できる。

実施形態に係る走査透過電子顕微鏡の構成を示す図。 Ｓｉ［１１０］のＳＴＥＭ像。 ＳＴＥＭ像の自己相関関数。 実施形態に係る収差補正方法の一例を示すフローチャート。 自己相関関数の強度プロファイルを取得する手法を説明するための図。 第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数の強度プロファイルを説明するための図。 自己相関関数のコントラストを求める手法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１ＳＴＥＭ像の自己相関関数の強度プロファイル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． 電子顕微鏡の構成
まず、本実施形態に係る走査透過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、本実施形態に係る走査透過電子顕微鏡１００の構成を示す図である。

走査透過電子顕微鏡１００は、収差補正器３０を含む電子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１００は、電子プローブで試料２上を走査し、試料２を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像（以下「ＳＴＥＭ像」ともいう）を得ることができる。

走査透過電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源１０と、集束レンズ１２と、走査コイル１３と、対物レンズ１４と、中間レンズ１８と、投影レンズ２０と、収差補正器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、制御部４０と、操作部５０と、表示部５２と、記憶部５４と、を含む。走査透過電子顕微鏡１００の電子光学系は、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、および収差補正器３０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、走査透過電子顕微鏡１００の照射系を構成している。照射系で電子線を集束することによって、電子プローブを形成する。

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２上を走査するためのコイルである。走査コイル１３は、走査透過電子顕微鏡１００の走査信号発生器（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２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２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２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２を支持している。試料ステージ１６によって、試料２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２を透過した電子をＳＴＥＭ検出器２２ａ，２２ｂに導く。対物レンズ１４、中間レンズ１８、および投影レンズ２０は、走査透過電子顕微鏡１００の結像系を構成している。

明視野ＳＴＥＭ検出器２２ａは、試料２を透過した電子のうち、試料２で散乱されずに透過した電子、および試料２で所定の角度以下で散乱された電子を検出する。明視野ＳＴＥＭ検出器２２ａは光軸上に配置されている。

暗視野ＳＴＥＭ検出器２２ｂは、試料２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。

なお、ＳＴＥＭ像を得るための検出器はＳＴＥＭ像を得ることができれば特に限定されず、例えば、検出面が複数の領域に分割された多分割検出器であってもよいし、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサーを用いたピクセル型検出器であってもよい。

収差補正器３０は、走査透過電子顕微鏡１００の照射系に組み込まれている。図示の例では、収差補正器３０は、集束レンズ１２の後段に配置されている。収差補正器３０は、
走査透過電子顕微鏡１００の照射系の収差を補正する。収差補正器３０は、照射系に生じる２回非点を補正する。収差補正器３０は、例えば、電場、磁場、またはこれらの重畳場を発生させる多極子である。収差補正電源コントローラー３１は、収差補正器３０を動作させる。

走査透過電子顕微鏡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（照射系）で集束されて電子プローブを形成し試料２に照射される。収差補正器３０によって照射系の収差が補正される。試料２に照射された電子線は、走査コイル１３によって試料２上で走査される。試料２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する。これにより、明視野ＳＴＥＭ像および暗視野ＳＴＥＭ像を得ることができる。

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。

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。

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、ＲＡＭ（random access memory）およびハードディスクなどにより実現できる。

制御部４０は、収差補正器３０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。

２． 原理
次に、収差補正の原理について説明する。以下では、暗視野ＳＴＥＭ像を用いた収差補正について説明するが、明視野ＳＴＥＭ像を用いてもよい。

一般的に暗視野ＳＴＥＭ像Ｉは、試料２の試料関数Ｓと、電子線（以下「プローブ」ともいう）の試料２上の強度分布を表すプローブ関数Ｐとのコンボリューション（畳み込み）である。暗視野ＳＴＥＭ像Ｉは、畳み込み演算子を「＊」として次式（１）で表される。

したがって、暗視野ＳＴＥＭ像Ｉの自己相関関数Ｒ_ａｃは、次式（２）で表される。

なお、Ｆはフーリエ変換を表す演算子であり、Ｆ^−１は逆フーリエ変換を表す演算子である。

試料関数が原子ポテンシャル（原子カラムポテンシャル）のようにデルタ関数で表されるとすると、デルタ関数のフーリエ変換は１であるから式（２）は、次式（３）で表される。

したがって、暗視野ＳＴＥＭ像Ｉの自己相関関数Ｒはプローブ関数Ｐに依存することがわかる。

さらに、２回非点やデフォーカスが生じたときのプローブ関数がガウス関数であると仮定して、比例係数をｋとすると、式（３）は、次式（４）で表される。

つまり、原子分解能が得られる状態で暗視野ＳＴＥＭ像を観察しているとき、上式に基づいて得られる自己相関関数Ｒ_ａｃはプローブの強度に比例する。

一方、プローブ関数Ｐが二種類の収差、すなわち、デフォーカスと２回非点収差を含む場合、あるフォーカスにおいて得られた暗視野ＳＴＥＭ像の自己相関関数における等強度線（等高線）は、当該自己相関関数を表す平面座標において、次式（５）を座標値とする収差関数で表される。

なお、Ｐ_ｘは当該平面座標において、上記収差によるｘ軸方向のプローブの変位を表し、同様にＰ_ｙはｙ軸方向のプローブの変位を表す。また、ｏ_２は電子光学系に現れたデフォーカスを表す収差係数であり、ａ_２は２回非点収差係数であり、θ_ａ２は２回非点収差方位角である。
さらに、別のフォーカスにおいて得られる自己相関関数Ｒ_ａｃにおける等強度線（等高線）は、当該自己相関関数を表す平面座標において、次式（６）を座標値とする収差関数で表される。

なお、ｄ_ｏ２は上記２つのフォーカスの間に生じるデフォーカスの差を表す。

したがって、２つの異なるフォーカスで得られた２つの暗視野ＳＴＥＭ像の自己相関関数に対して、それぞれ（５）式および（６）式に基づく収差関数をフィッティングさせると収差係数ｏ_２、収差係数ａ_２、比例係数ｋが直ちに求まる。

ＳＴＥＭ像の自己相関関数から収差を計算するうえで、その自己相関関数が、プローブ像の自己相関関数になっていると仮定する必要がある。しかしながら、ＳＴＥＭ像には試料構造の情報も含まれているため、観察する試料によっては収差の計算結果にばらつきが生じてしまう。

図２は、Ｓｉ［１１０］のＳＴＥＭ像である。図３は、図２のＳＴＥＭ像の自己相関関数である。図２に示すように、Ｓｉ［１１０］では、横方向に２つの原子が並んだダンベル構造が観察される。そのため、自己相関関数において、等強度線に対して収差関数をフィッティングした場合、収差が十分に補正されている状態であっても、図３に破線で示すように、横方向に２回非点が残っているような結果が得られてしまうことがある。そのため、２回非点を正確に計測できなかった。

したがって、本実施形態では、自己相関関数において、プローブ関数と近似できるような部分で収差計算（収差関数のフィッティング）を行う。具体的には、１つの原子像に対応する自己相関関数部分で収差計算を行う。以下、本実施形態の手法について説明する。

図４は、本実施形態に係る収差補正方法の一例を示すフローチャートである。

（１）互いに異なるデフォーカス量で撮影された２つのＳＴＥＭ像の取得（Ｓ１００）
まず、互いに異なるデフォーカス量で撮影された第１ＳＴＥＭ像および第２ＳＴＥＭ像を取得する。デフォーカス量の変更は、対物レンズ１４などのレンズを調整することで行う。対物レンズ１４の励磁を変えて、２つのＳＴＥＭ像を撮影することで、第１ＳＴＥＭ像および第２ＳＴＥＭ像を撮影できる。なお、デフォーカス量の変更を、加速電圧を変えることで行ってもよい。第１ＳＴＥＭ像および第２ＳＴＥＭ像は、暗視野ＳＴＥＭ像であってもよいし、明視野ＳＴＥＭ像であってもよい。

なお、ここでは、２つのＳＴＥＭ像を用いて収差補正を行う場合について説明するが、３つ以上のＳＴＥＭ像を用いて収差補正を行ってもよい。

（２）第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数の算出（Ｓ１０２）
第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数（以下、「第１自己相関関数」ともいう）を算出する。第１自己相関関数は、上記式（２）を用いて算出できる。

（３）第１自己相関関数の強度プロファイルの取得（Ｓ１０４）
図５は、自己相関関数の強度プロファイルを取得する手法を説明するための図である。なお、図５では、自己相関関数の中心を通る直線を破線で示している。図６は、第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数の強度プロファイルを説明するための図である。図６に示す強度プ
ロファイルにおいて、横軸は自己相関関数上の位置を表し、縦軸は強度を表している。

第１自己相関関数の強度プロファイル（以下、「第１強度プロファイル」ともいう）を取得する。第１強度プロファイルは、第１自己相関関数の中心を通る直線に沿って取得する。この結果、図６に示す第１強度プロファイルｆが得られる。

（４）第１基準強度の算出（Ｓ１０６）
次に、第１強度プロファイルｆにおいて、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする。例えば、図６に示すように、第１強度プロファイルｆの２階微分ｆ´´を用いて変曲点を特定する。第１強度プロファイルｆの２階微分ｆ´´がゼロの位置が、変曲点の位置となる。次に、変曲点のうち、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を特定する。図６に示す第１強度プロファイルｆでは、第１自己相関関数の中心の位置は、横軸がゼロの位置である。次に、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置における第１自己相関関数の強度を第１基準強度とする。このようにして、第１基準強度を求めることができる。

なお、ここでは、変曲点の位置を、２階微分ｆ´´を用いて特定したが、変曲点の位置を、１階微分ｆ´を用いて特定してもよい。１階微分ｆ´の極小値または極大値の位置が、変曲点の位置となる。

なお、上記では、１つの第１強度プロファイルから第１基準強度を求める場合について説明したが、複数の第１強度プロファイルから第１基準強度を求めてもよい。具体的には、まず、第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った第１強度プロファイルを、方向を変えて複数取得する。次に、複数の第１強度プロファイルの各々において、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を求める。このように第１強度プロファイルごとに求められた強度のうちの最大値を第１基準強度とする。

（５）第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数の算出（Ｓ１０８）
第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数を算出する。第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数は、第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数を算出する場合と同様に、上記式（２）を用いて算出できる。

（６）第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数の強度プロファイルの取得（Ｓ１１０）
第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数の強度プロファイル（以下、「第２強度プロファイル」ともいう）を取得する。第２強度プロファイルは、第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数の中心を通る直線に沿って取得する。

（７）第２基準強度の算出（Ｓ１１２）
次に、第２強度プロファイルにおいて、第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする。第２基準強度の算出方法は、上述した第１基準強度の算出方法と同様である。

（８）収差関数のフィッティング（Ｓ１１４）
次に、第１自己相関関数において第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングし、第２自己相関関数において第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングする。

具体的には、第１自己相関関数において、第１基準強度と等しい強度の位置を結んで等強度線を引き、等強度線に対して最小二乗法を用いて式（５）で表される収差関数をフィッティングする。同様に、第２自己相関関数において、第２基準強度と等しい強度の位置を結んで等強度線を引き、等強度線に対して最小二乗法を用いて式（６）で表される収差
関数をフィッティングする。これにより、収差係数ｏ_２、収差係数ａ_２、比例係数ｋを求めることができる。収差係数ｏ_２、収差係数ａ_２、比例係数ｋに基づいて、デフォーカスおよび２回非点を求めることができる。

図３の実線は、基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に対して収差関数をフィッティングした結果である。基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に対して収差関数をフィッティングすることにより、図３の実線で示すように、１つの原子像に対応する自己相関関数部分に対して収差関数をフィッティングすることができる。

（９）自己相関関数のコントラストに基づくデフォーカスの算出（Ｓ１１６）
上記のように、基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に対して収差関数をフィッティングして、デフォーカスおよび２回非点を求めた。しかしながら、収差関数をフィッティングする等強度線の強度を、第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置の強度としたため、フィッティングした楕円の大きさ（収差係数ｏ_２）が、必ずしもデフォーカスに依存するわけではなくなる。

したがって、本実施形態では、自己相関関数のコントラストに基づいてデフォーカスを求める。

まず、第１自己相関関数のコントラストを求める。具体的には、第１自己相関関数のコントラストを、第１自己相関関数の最小値と、第１自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第１自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。

図７は、自己相関関数のコントラストを求める手法を説明するための図である。図７に示すグラフは、自己相関関数の中心を通る強度プロファイルの一例である。

図７に示すように、自己相関関数の強度プロファイルでは、自己相関関数の中心の位置で必ず最大値をとる。しかし、自己相関関数の中心の位置の強度は、もとのＳＴＥＭ像の平均強度の和で一意に決まるため、コントラストの判断として用いるには適していない。そのため、図７に示すように、自己相関関数の最小値Ｉｍｉｎと、自己相関関数の中心の位置のピークを除いた領域の自己相関関数の最大値Ｉｍａｘと、の差Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎに基づいて、コントラストを求める。例えば、差Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎを、自己相関関数のコントラストとする。

次に、第２自己相関関数のコントラストを求める。具体的には、第１自己相関関数のコントラストと同様に、第２自己相関関数のコントラストを、第２自己相関関数の最小値と、第２自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第２自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。

ここで、ＳＴＥＭ像の自己相関関数のコントラストは、フォーカスがあった状態のＳＴＥＭ像、すなわち、デフォーカス量がゼロのＳＴＥＭ像において最大となる。これを利用して、デフォーカス量を算出する。以下では、第１ＳＴＥＭ像をアンダーフォーカスで撮影されたものとし、第２ＳＴＥＭ像をオーバーフォーカスで撮影されたものとして、デフォーカスを補正する処理を説明する。

第１自己相関関数のコントラストをＣｕとし、第２自己相関関数のコントラストをＣｏとし、第１ＳＴＥＭ像のデフォーカス量と第２ＳＴＥＭ像のデフォーカス量の差をＤｆとした場合、次式を用いてデフォーカス量を求める。

ａ×Ｄｆ×｛（Ｃｕ−Ｃｏ）／｜Ｃｕ−Ｃｏ｜｝×｛｜Ｃｕ−Ｃｏ｜／｜Ｃｕ＋Ｃｏ｜
｝^ｂ

ここで、ａおよびｂは、任意の係数であり、状況に応じて変更可能である。例えば、ａ＝ｂ＝１としてデフォーカス量を求めることができる。

なお、デフォーカス量を求める式は、上記式に限定されない。例えば、次式を用いてもよい。

２Ｄｆ／（１＋ｅｘｐ［−ａ（Ｃｕ−Ｃｏ）／（Ｃｕ＋Ｃｏ）］）−１／２

第１自己相関関数のコントラストＣｕ、および第２自己相関関数のコントラストＣｏを利用して一意的な値を求めることができれば、これらの式以外の式を用いてデフォーカス量を算出してもよい。

なお、アンダーフォーカスで撮影された複数のＳＴＥＭ像の自己相関関数のコントラストからも、同様にコントラストを変数とした式でデフォーカス量を求めることができる。また、オーバーフォーカスで撮影された複数のＳＴＥＭ像の自己相関関数のコントラストからも、同様にコントラストを変数とした式でデフォーカス量を求めることができる。

（１０）求めた収差係数に基づく電子光学系の制御（Ｓ１１８）
求められた収差係数に基づいて、電子光学系を制御する。具体的には、ステップＳ１１４で求められた２回非点に基づいて、電子光学系の２回非点を補正する。２回非点の補正は、収差補正器３０を用いて行われる。２回非点の補正は、求められた２回非点が打ち消されるように収差補正器３０を動作させることで行われる。

また、ステップＳ１１６で求められたデフォーカス量に基づいて、電子光学系（対物レンズ１４）のデフォーカスを補正する。デフォーカスの補正は、対物レンズ１４を用いて行われる。デフォーカスの補正は、求められたデフォーカス量と最適なデフォーカス量の差に基づいて、最適なデフォーカス量となるように対物レンズ１４を動作させることで行われる。なお、デフォーカスの補正を、加速電圧を変更することによって行ってもよい。

以上の工程により、電子光学系の収差を補正することができる。

なお、図４に示すステップの順序は、収差を補正できれば、入れ替えることも可能である。

また、上記では、ステップＳ１０２において、１つのＳＴＥＭ像から１つの自己相関関数を取得する場合について説明したが、１つのＳＴＥＭ像から複数の自己相関関数を取得してもよい。この場合、ステップＳ１１４では、複数の自己相関関数から求められた２回非点の平均を、補正に用いる２回非点としてもよい。また、ステップＳ１１６では、複数の自己相関関数から求められたデフォーカス量の平均を、補正に用いるデフォーカス量としてもよい。

３． 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。

まず、制御部４０は、ユーザーが収差の補正を開始する指示（開始指示）を行ったか否かを判断し（Ｓ２００）、開始指示が行われるまで待機する（Ｓ２００のＮｏ）。制御部４０は、例えば、操作部５０に開始指示が入力された場合に、ユーザーが開始指示を行っ
たと判断する。

開始指示を行ったと判定した場合（Ｓ２００のＹｅｓ）、制御部４０は、互いにデフォーカス量の異なる第１ＳＴＥＭ像および第２ＳＴＥＭ像を取得する（Ｓ２０２）。

例えば、制御部４０は、まず、電子光学系を、あらかじめ設定されたフォーカス値とし、信号処理部（図示せず）からの画像データを取得する。これにより、制御部４０は、第１ＳＴＥＭ像を取得することができる。次に、制御部４０は、電子光学系を、第１ＳＴＥＭ像を撮影したときと異なるフォーカス値とし、信号処理部からの画像データを取得する。これにより、制御部４０は、第２ＳＴＥＭ像を取得することができる。

次に、制御部４０は、第１ＳＴＥＭ像の自己相関関数である第１自己相関関数を算出する（Ｓ２０４）。制御部４０は、算出した第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った強度プロファイル（第１強度プロファイル）を取得する（Ｓ２０６）。制御部４０は、取得した第１強度プロファイルにおいて、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする（Ｓ２０８）。変曲点の位置は、第１強度プロファイルの２階微分を用いて算出する。

次に、制御部４０は、第２ＳＴＥＭ像の自己相関関数である第２自己相関関数を算出する（Ｓ２１０）。制御部４０は、算出した第２自己相関関数の中心を通る直線に沿った強度プロファイル（第２強度プロファイル）を取得する（Ｓ２１２）。制御部４０は、取得した第２強度プロファイルにおいて、第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする（Ｓ２１４）。

次に、制御部４０は、第１自己相関関数において第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数（式（５）参照）をフィッティングし、第２自己相関関数において第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数（式（６）参照）をフィッティングすることによって、収差係数を求める（Ｓ２１６）。以上の処理により、２回非点を求めることができる。

次に、制御部４０は、第１自己相関関数のコントラストおよび第２自己相関関数のコントラストに基づいて、デフォーカス量を求める（Ｓ２１８）。制御部４０は、第１自己相関関数のコントラストを、第１自己相関関数の最小値と、第１自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第１自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。また、制御部４０は、第２自己相関関数のコントラストを、第２自己相関関数の最小値と、第２自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第２自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。以上の処理により、デフォーカス量を求めることができる。

次に、制御部４０は、求めた収差係数が閾値以下か否かを判定する（Ｓ２２０）。制御部４０は、求めたデフォーカス量と、デフォーカス量の閾値と、を比較して、電子光学系のデフォーカス量が閾値以下か否かを判定する。また、制御部４０は、求めた２回非点と、２回非点の閾値と、を比較して、電子光学系の２回非点が閾値以下か否かを判定する。デフォーカス量の閾値および２回非点の閾値の情報は、任意に設定可能であり、あらかじめ記憶部５４に記憶されている。

制御部４０は、デフォーカス量および２回非点の両方が閾値以下である場合、収差係数が閾値以下と判定する。すなわち、デフォーカス量および２回非点の少なくとも一方が閾値以下でない場合には、収差係数が閾値以下でないと判定する。

収差係数が閾値以下でないと判定された場合（Ｓ２２０のＮｏ）、制御部４０は、求め
た収差係数に基づいて、電子光学系を制御する（Ｓ２２２）。例えば、制御部４０は、求めた２回非点が打ち消されるように、収差補正器３０を制御する。また、制御部４０は、求めたデフォーカス量に基づいて最適なフォーカスとするための対物レンズ１４の励磁量を求め、対物レンズ１４を制御する。

制御部４０は、ステップＳ２２２の処理を行った後、ステップＳ２０２の処理に戻って、ステップＳ２０２〜ステップＳ２２０の処理を行う。制御部４０は、収差係数が閾値以下と判定されるまで、ステップＳ２０２〜ステップＳ２２２の処理を繰り返す。

収差係数が閾値以下と判定された場合（Ｓ２２０のＹｅｓ）、制御部４０は、収差を補正する処理を終了する。

４． 特徴
走査透過電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。

走査透過電子顕微鏡１００では、制御部４０は、第１強度プロファイルにおいて第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とし、第２強度プロファイルにおいて、第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする。また、第１自己相関関数において第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングし、第２自己相関関数において第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングすることによって、収差係数を求める。

このように走査透過電子顕微鏡１００では、等強度線を引くための基準強度が、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置の強度であるため、試料の構造によらず、収差係数を正確に求めることができる。したがって、走査透過電子顕微鏡１００では、試料の構造によらず、電子光学系の収差を正確に補正できる。

走査透過電子顕微鏡１００では、第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を、第１強度プロファイルの２階微分を用いて求め、第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を、第２強度プロファイルの２階微分を用いて求める。

ここで、制御部４０は、等強度線を引くための基準強度を、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い変曲点（２階微分がゼロ）の位置の強度としたが、図９に示すように、基準強度を、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い極小値の位置の強度とすることも考えられる。当該極小値の位置は、１階微分がゼロの位置である。しかしながら、図６に示す場合のように、強度プロファイルに極小値が存在しない場合もある。そのため、汎用性が低い。

このように、走査透過電子顕微鏡１００では、等強度線を引くための基準強度を、強度プロファイルにおいて自己相関関数の中心に最も近い変曲点（２階微分がゼロ）の位置の強度としているため、汎用性が高い。

走査透過電子顕微鏡１００では、第１自己相関関数のコントラストおよび第２自己相関関数のコントラストに基づいて、デフォーカス量を求める。また、第１自己相関関数のコントラストを、第１自己相関関数の最小値と、第１自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第１自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。また、第２自己相関関数のコントラストを、第２自己相関関数の最小値と、第２自己相関関数の中心のピークを除いた領域の第２自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める。そのため、走査透過電子顕微鏡１００では、ＳＴＥＭ像のノイズの影響を低減でき、デフォーカス量を正確に求め
ることができる。

自己相関関数は、図７に示すように、自己相関関数の中心のピークと、当該ピークを除いた周囲のパターンと、に分かれている。ピークを除いた周囲のパターンの形状はノイズの影響を受けにくい。そのため、自己相関関数のコントラストを、自己相関関数の最小値と、自己相関関数の中心のピークを除いた領域の自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求め、当該コントラストに基づいてデフォーカス量を求めることにより、ＳＴＥＭ像のノイズの影響を低減でき、デフォーカス量を正確に求めることができる。

なお、上記では、第１自己相関関数のコントラストおよび第２自己相関関数のコントラストに基づいてデフォーカスを最適なデフォーカスとする場合について説明したが、例えば、フォーカスを変更してＳＴＥＭ像を取得し、取得したＳＴＥＭ像の自己相関関数のコントラストを求める処理を繰り返して、自己相関関数のコントラストが最も高くなる最適なフォーカスを探索してもよい。これにより、デフォーカスを補正することができる。

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。

２…試料、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、３０…収差補正器、４０…制御部、５０…操作部、５２…表示部、５４…記憶部、１００…走査透過電子顕微鏡

Claims (6)

1. 収差補正器を含む電子光学系と、
   前記収差補正器を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   互いに異なるデフォーカス量で撮影された第１走査透過電子顕微鏡像および第２走査透過電子顕微鏡像を取得する処理と、
   前記第１走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第１自己相関関数を算出する処理と、
   前記第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った第１強度プロファイルを取得する処理と、
   前記第１強度プロファイルにおいて、前記第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする処理と、
   前記第２走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第２自己相関関数を算出する処理と、
   前記第２自己相関関数の中心を通る直線に沿った第２強度プロファイルを取得する処理と、
   前記第２強度プロファイルにおいて、前記第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする処理と、
   前記第１自己相関関数において前記第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングし、前記第２自己相関関数において前記第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングすることによって、収差係数を求める処理と、
   前記収差係数に基づいて、前記電子光学系を制御する処理と、
   を行う、走査透過電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記収差係数は、２回非点である、走査透過電子顕微鏡。
3. 請求項１または２において、
   前記第１基準強度とする処理では、前記第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を、前記第１強度プロファイルの２階微分を用いて求め、
   前記第２基準強度とする処理では、前記第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を、前記第２強度プロファイルの２階微分を用いて求める、走査透過電子顕微鏡。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記制御部は、
   前記第１自己相関関数のコントラストおよび前記第２自己相関関数のコントラストに基づいて、デフォーカス量を求める処理と、
   求めた前記デフォーカス量に基づいて、前記電子光学系を制御する処理と、
   を行う、走査透過電子顕微鏡。
5. 請求項４において、
   前記デフォーカス量を求める処理では、
   前記第１自己相関関数のコントラストを、前記第１自己相関関数の最小値と、前記第１自己相関関数の中心のピークを除いた領域の前記第１自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求め、
   前記第２自己相関関数のコントラストを、前記第２自己相関関数の最小値と、前記第２自己相関関数の中心のピークを除いた領域の前記第２自己相関関数の最大値と、の差に基づいて求める、走査透過電子顕微鏡。
6. 収差補正器を含む電子光学系を備えた走査透過電子顕微鏡の収差補正方法であって、
   互いに異なるデフォーカス量で撮影された第１走査透過電子顕微鏡像および第２走査透過電子顕微鏡像を取得する工程と、
   前記第１走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第１自己相関関数を算出する工程と、
   前記第１自己相関関数の中心を通る直線に沿った第１強度プロファイルを取得する工程と、
   前記第１強度プロファイルにおいて、前記第１自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第１基準強度とする工程と、
   前記第１自己相関関数において、前記第１基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第１収差関数をフィッティングする工程と、
   前記第２走査透過電子顕微鏡像の自己相関関数である第２自己相関関数を算出する工程と、
   前記第２自己相関関数の中心を通る直線に沿った第２強度プロファイルを取得する工程と、
   前記第２強度プロファイルにおいて、前記第２自己相関関数の中心に最も近い変曲点の位置を求め、当該位置の強度を第２基準強度とする工程と、
   前記第２自己相関関数において、前記第２基準強度と等しい強度の位置を結んだ等強度線に第２収差関数をフィッティングする工程と、
   前記第１収差関数のフィッティングおよび前記第２収差関数のフィッティングにより得られた収差係数に基づいて、前記電子光学系を制御する工程と、
   を含む、収差補正方法。

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