JP7144485B2 - 像取得方法および電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、像取得方法および電子顕微鏡に関する。

電子線を集束させて電子プローブを形成し、電子プローブで試料を走査して像を取得する装置として、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）や走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子顕微鏡が知られている。

例えば、走査透過電子顕微鏡では、電子プローブで試料を走査し、この走査と同期させながら試料を透過した透過電子あるいは試料で散乱された散乱電子を検出し、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）を得ることができる。

このような電子顕微鏡では、試料の同一領域を撮影して得られた複数の画像を重ね合わせることで、画像のノイズ成分を低減し、画質を向上させることができる。

しかしながら、複数の画像を取得するためには、同一領域を繰り返し撮影しなければならないが、繰り返し撮影する間に位置ずれが生じてしまう。そのため、特許文献１では、複数の画像を重ね合わせる前に、画像間の重ね合わせ位置を調整するドリフト補正を行っている。

特開２０１７－１３０２６３号公報

上記のように複数の画像を重ね合わせて高品質な画像を得るためには、高い精度で複数の画像を重ね合わせなければならない。

本発明に係る像取得方法の一態様は、
電子プローブで試料を走査して走査像を取得する電子顕微鏡における像取得方法であって、
前記電子プローブで前記試料の観察対象領域をラスター走査して、第１走査像を取得する工程と、
前記電子プローブで前記観察対象領域をラスター走査して、第２走査像を取得する工程と、
前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる工程と、
を含み、
前記第１走査像を取得する工程では、
前記電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、
前記走査線を移動させる方向を前記第１方向と直交する第２方向とし、
前記第２走査像を取得する工程では、
前記電子プローブで前記走査線を引く方向を前記第１方向とし、
前記走査線を移動させる方向を、前記第２方向とは反対方向の第３方向とし、
前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる工程では、
前記第１走査像の後半部分と、前記第２走査像の前半部分と、を用いて、前記第１走査像と前記第２走査像との間の位置ずれを補正する。

このような像取得方法では、第１走査像の後半部分と第２走査像の前半部分との間の位
置ずれを小さくできるため、第１走査像と第２走査像との間の位置ずれを正確に補正できる。したがって、このような像取得方法では、高い精度で第１走査像と第２走査像を重ね合わせることができる。

本発明に係る電子顕微鏡の一態様は、
電子プローブで試料を走査して走査像を取得する電子顕微鏡であって、
電子源と、
前記電子源から放出された電子線を集束して前記電子プローブを形成する照射レンズ系と、
前記電子線を偏向させて、前記電子プローブで前記試料を走査するための偏向器と、
前記走査像を取得するための処理を行う制御部と、
を含み、
前記制御部は、
前記偏向器に前記電子線を偏向させることによって、前記電子プローブで前記試料の観察対象領域をラスター走査して、第１走査像を取得する処理と、
前記偏向器に前記電子線を偏向させることによって、前記電子プローブで前記観察対象領域をラスター走査して、第２走査像を取得する処理と、
前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる処理と、
を行い、
前記第１走査像を取得する処理では、
前記電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、
前記走査線を移動させる方向を前記第１方向と直交する第２方向とし、
前記第２走査像を取得する処理では、
前記電子プローブで前記走査線を引く方向を前記第１方向とし、
前記走査線を移動させる方向を、前記第２方向とは反対方向の第３方向とし、
前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる処理では、
前記第１走査像の後半部分と、前記第２走査像の前半部分と、を用いて、前記第１走査
像と前記第２走査像との間の位置ずれを補正する。

このような電子顕微鏡では、第１走査像の後半部分と第２走査像の前半部分との間の位置ずれを小さくできるため、第１走査像と第２走査像との間の位置ずれを正確に補正できる。したがって、このような電子顕微鏡では、高い精度で第１走査像と第２走査像を重ね合わせることができる。

実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 実施形態に係る電子顕微鏡における像取得方法の一例を示すフローチャート。 実施形態に係る電子顕微鏡における像取得方法を説明するための図。 実施形態に係る電子顕微鏡における像取得方法を説明するための図。 走査信号を示すグラフ。 第１ＳＴＥＭ像と第２ＳＴＥＭ像との間の位置ずれを補正する工程を説明するための図。 比較例を説明するための図。 比較例を説明するための図。 比較例における走査信号を示す図。 第１ＳＴＥＭ像と第２ＳＴＥＭ像との間の位置ずれを補正する工程の変形例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
まず、本発明の一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、本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、電子プローブで試料Ｓを走査してＳＴＥＭ像（走査像の一例）を取得する電子顕微鏡である。電子顕微鏡１００は、走査透過電子顕微鏡である。すなわち、電子顕微鏡１００は、電子プローブで試料Ｓを走査し、この走査と同期させながら試料Ｓを透過した透過電子あるいは試料Ｓで散乱された散乱電子を検出し、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１００は、図１に示すように、電子源１０と、照射レンズ系１１と、走査偏向器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、検出器２０と、制御部３０と、を含む。

電子源１０は、電子線ＥＢ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ＥＢを放出する電子銃である。

照射レンズ系１１は、電子源１０で発生した電子線ＥＢを集束させる。走査偏向器１２は、電子源１０から放出された電子線ＥＢを偏向させる。走査偏向器１２を動作させることによって、集束された電子線ＥＢ、すなわち、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１３は、電子線ＥＢを試料Ｓ上に集束させる。照射レンズ系１１および対物レンズ１３で電子線ＥＢを集束させることによって、電子プローブを形成することができる。また、対物レンズ１３は、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。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の後段に配置されている。投影レンズ１６は、中間レンズ１５の後段に配置されている。対物レンズ１３、中間レンズ１５、および投影レンズ１６は、電子顕微鏡１００の結像系を構成している。結像系は、試料Ｓを透過した電子、または試料Ｓで散乱された電子を、検出器２０に導く。

検出器２０は、試料Ｓを透過した電子を検出する。検出器２０は、結像系によって導かれた電子を検出する。なお、検出器２０は、試料Ｓで散乱された電子を検出する円環状の暗視野検出器であってもよい。これにより、電子顕微鏡１００では、高角度散乱暗視野ＳＴＥＭ像（ＨＡＡＤＦ－ＳＴＥＭ像）を得ることができる。

制御部３０は、電子顕微鏡１００の各部を制御する。制御部３０は、例えば、走査偏向器１２を制御する。制御部３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）および記憶装置（ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）など）を含む。制御部３０では、ＣＰＵで記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより、各種計算処理、各種制御処理を行う。

２． 像取得方法
電子顕微鏡１００では、ＳＴＥＭ像（走査像の一例）を取得できる。図２は、電子顕微鏡１００における像取得方法の一例を示すフローチャートである。

電子顕微鏡１００における像取得方法は、試料Ｓの観察対象領域をラスター走査して第
１走査像を取得する工程Ｓ１０と、試料Ｓの観察対象領域をラスター走査して第２走査像を取得する工程Ｓ２０と、第１走査像と第２走査像を重ね合わせる工程Ｓ３０と、を含む。また、第１走査像を取得する工程Ｓ１０では、電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、走査線を移動させる方向を第１方向と直交する第２方向とする。また、第２走査像を取得する工程Ｓ２０では、電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、走査線を移動させる方向を、第２方向とは反対方向の第３方向とする。以下、電子顕微鏡１００における像取得方法を詳細に説明する。

図３および図４は、電子顕微鏡１００における像取得方法を説明するための図である。図３には、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得するための電子プローブの走査を説明するための図を示している。図４には、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得するための電子プローブの走査を説明するための図を示している。

図５は、図３および図４に示す電子プローブの走査を行うための走査信号を示すグラフである。図５では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１のｎ－１番目の走査線Ｌ_ｎ－１を引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の２番目の走査線Ｌ_２を引くまでの走査信号を示している。なお、ここでは、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１および第２ＳＴＥＭ像Ｉ２は、ｎ本の走査線Ｌを引くことによって取得される。

２．１． 第１ＳＴＥＭ像の取得（Ｓ１０）
図３に示すように、まず、試料Ｓ中の観察対象領域Ｓ２をラスター走査して第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得するためのラスター走査は、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を＋Ｙ方向とする。すなわち、電子プローブを＋Ｘ方向に移動させて走査線Ｌを引き、走査線Ｌを引く位置を＋Ｙ方向に移動させることを繰り返して、観察対象領域Ｓ２を走査する。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を得るための電子プローブの走査の開始位置Ａは、画像の左上であり、終了位置Ｂは画像の右下である。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得するための電子プローブの走査において、走査線Ｌを引いてから次の走査線Ｌを引くまでの時間Ｔ１は、一定である。また、１本の走査線Ｌを引く時間は、一定である。

２．２． 第２ＳＴＥＭ像の取得（Ｓ２０）
次に、図４に示すように、観察対象領域Ｓ２をラスター走査して第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する。

第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得するためのラスター走査は、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を－Ｙ方向とする。すなわち、電子プローブを＋Ｘ方向に移動させて走査線Ｌを引き、走査線Ｌを引く位置を－Ｙ方向に移動させることを繰り返して、観察対象領域Ｓ２を走査する。第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を得るための電子プローブの走査の開始位置Ａは、画像の左下であり、終了位置Ｂは画像の右上である。

このように、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程では、走査線Ｌを＋Ｙ方向に移動させ、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程では、走査線Ｌを－Ｙ方向に移動させる。そのため、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程Ｓ１０において最後（ｎ番目）の走査線Ｌ_ｎを引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程Ｓ２０において最初（１番目）の走査線Ｌ_１を引くまでの時間Ｔ１２に、電子プローブはＹ方向に移動しない。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程において最後の走査線Ｌ_ｎを引く位置と、第２ＳＴ
ＥＭ像Ｉ２を取得する工程において最初の走査線Ｌ_１を引く位置は、同じである。同様に、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程においてｎ－１番目の走査線Ｌ_ｎ－１を引く位置と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程において２番目の走査線Ｌ_２を引く位置は、同じである。

第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得するための電子プローブの走査において、走査線Ｌを引いてから次の走査線Ｌを引くまでの時間Ｔ２は、一定である。例えば、Ｔ１＝Ｔ２である。

図５に示すように、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程Ｓ１０と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程Ｓ２０とは、連続して行われる。

例えば、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程Ｓ１０において最後の走査線Ｌ_ｎを引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程Ｓ２０において最初の走査線Ｌ_１を引くまでの時間Ｔ１２は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程において走査線Ｌを引いてから次の走査線Ｌを引くまでの時間Ｔ１と等しい（Ｔ１２＝Ｔ１）。図５に示す例では、Ｔ１２＝Ｔ１＝Ｔ２である。

なお、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程は、連続して行われれば、Ｔ１２＝Ｔ１の場合に限定されない。例えば、時間Ｔ１２は、時間Ｔ１と同程度であってもよい。

２．３． 重ね合わせ（Ｓ３０）
次に、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる工程Ｓ３０は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の位置ずれを補正する工程と、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みを補正する工程と、位置ずれを補正する工程および歪みを補正する工程の後に、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１および第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる工程と、を含む。

２．３．１． 位置ずれの補正
図６は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の間の位置ずれを補正する工程を説明するための図である。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれの補正は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａと、を用いて行う。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａは、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１をＹ方向に半分に分けたときに、後から取得された部分である。図示の例では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａは、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の下半分である。第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａは、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２をＹ方向に半分に分けたときに、先に取得された部分である。図示の例では、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａは、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の下半分である。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれの補正は、例えば、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａにおいて、試料Ｓの同一箇所を示す目印の位置（相対位置）を求めることで行われる。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１における目印の位置と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２における目印の位置を一致させることによって、位置ずれを補正できる。

ここで、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａに複数の目印がある場合、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａのうち、最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得された部分に最も近い目印を用いる。すなわち、まず、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａのうち、
最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得された部分に最も近い目印の位置を求め、次に、この目印の第２ＳＴＥＭ像Ｉ２における位置を求める。

なお、複数の目印がある場合に、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａのうち、最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分に最も近い目印の位置を用いてもよい。すなわち、まず、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａのうち、最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分に最も近い目印の位置を求め、次に、この目印の第１ＳＴＥＭ像Ｉ１における位置を求める。

また、例えば、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれを補正する工程において、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａの相互相関関数を計算し、その計算結果に基づいて位置ずれを補正してもよい。このとき、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａの一部の領域と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａの一部の領域の相互相関関数を計算してもよい。また、相互相関関数を計算する領域は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１において最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得された部分およびその近傍の領域、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２において最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分およびその近傍の領域とする。

ここで、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の最初の走査線Ｌ１を引くことによって取得された部分における、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の像ドリフトによる位置ずれΔは、次式（１）のように表される。

ただし、Ｄ（「Ｄ」の上の矢印は省略する）は、ドリフトレート［ｎｍ／μｓ］である。Ｔ_Ｌは、１本の走査線を引く時間［μｓ］である。なお、式（１）に示す位置ずれΔは、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の最後の走査線Ｌ_ｎを引くことで取得された部分と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の最初の走査線Ｌ_１を引くことで取得された部分と、の間の位置ずれともいえる。

このように、位置ずれΔは、ドリフトレートＤに、１本の走査線Ｌを引く時間をかけた量に抑えられる。したがって、上記のように、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２のうちの最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分に最も近い目印、または第１ＳＴＥＭ像Ｉ１のうちの最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得された部分に最も近い目印を用いることによって、正確に位置ずれΔを求めることができる。

上記のように、電子顕微鏡１００における像取得方法では、位置ずれΔを極めて小さくできる。そのため、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１のうちの最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得され部分と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２のうちの最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分は、位置ずれが無いものと仮定できる。

したがって、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１のうちの最後の走査線Ｌ_ｎを引くことによって取得され部分と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２のうちの最初の走査線Ｌ_１を引くことによって取得された部分とを重ねたときに、２つの部分はほぼ一致する。したがって、この２つの部分を基準として第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の位置合わせを行うことによって、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を正確に位置合わせできる。

２．３．２．歪みの補正
第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる工程では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２に基づいてドリフト量を計算し、当該ドリフト量に基づいて第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みを補正する。

第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みは、次式（２）のように表される。

ただし、Ｐ（「Ｐ」の上の矢印は省略する）は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１における基準点を表す位置ベクトルである。Ｐ_０（「Ｐ_０」の上の矢印は省略する）は、ドリフトが無い場合の基準点を表す位置ベクトルである。なお、図３に示す格子像では、ＰおよびＰ_０は、格子ベクトルを表す。Ｐｙは、位置ベクトルＰのＹ成分である。なお、式（２）では、位置ベクトルＰのＸ成分は、無視できるものとした。

第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みは、次式（３）のように表される。

ただし、Ｐ′（「Ｐ」の上の矢印は省略する）は、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２における基準点を表す位置ベクトルである。Ｐ′ｙは、位置ベクトルＰ′のＹ成分である。なお、図４に示す格子像では、ＰおよびＰ_０は、格子ベクトルを表す。なお、式（３）では、位置ベクトルＰ′のＸ成分は、無視できるものとした。

上記式（２）および上記式（３）に示すように、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１における像ドリフトによる歪みの方向と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２における像ドリフトによる歪みの方向は、反対方向である。そのため、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みの差からドリフトレートＤ、すなわち、ドリフト量を求めることができる。

このように、上記式（２）および上記式（３）から、ドリフト量を求めることができる。また、ドリフト量から、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みを求めることができる。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みは、求めた第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みに基づいて補正できる。また、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みは、求めた第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みに基づいて補正できる。

２．３．３． 重ね合わせ
位置ずれおよび歪みが補正された第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる。これにより、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を、高い精度で重ね合わせることができる。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせることによって、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２が積算された画像（積算画像）を得ることができる。

３． 制御部の処理
電子顕微鏡１００では、制御部３０は、上述した像取得方法によってＳＴＥＭ像（積算画像）を取得する。

具体的には、制御部３０は、走査偏向器１２に電子線ＥＢを偏向させることによって、電子プローブで観察対象領域Ｓ２をラスター走査して、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する処理と、走査偏向器１２に電子線ＥＢを偏向させることによって、電子プローブで観察対象領域Ｓ２をラスター走査して、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する処理と、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる処理と、を行う。また、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する処理では、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を＋Ｙ方向とし、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する処理では、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を、－Ｙ方向とする。

また、制御部３０は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する処理と、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する処理を、連続して行う。制御部３０は、図５に示すように、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する処理において最後の走査線Ｌ_ｎを引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する処理において最初の走査線Ｌ_１を引くまでの時間Ｔ１２を、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する処理において走査線Ｌを引いてから次の走査線Ｌを引くまでの時間Ｔ１と等しくする。

また、制御部３０は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる処理では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと、第２ＳＴＥＭ像の前半部分Ｉ２ａと、を用いて、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれを補正する。位置ずれを補正する処理は、上述した「２．３．１． 位置ずれの補正」に記載した手法により行われる。

また、制御部３０は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる処理では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像に基づいてドリフト量を計算し、当該ドリフト量に基づいて第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みを補正する。歪みを補正する処理は、上述した「２．３．２． 歪みの補正」に記載した手法により行われる。

制御部３０は、位置ずれおよび歪みが補正された、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせて、ＳＴＥＭ像（積算画像）を生成する。

４． 作用効果
電子顕微鏡１００における像取得方法では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程において、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を＋Ｙ方向とし、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程において、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を、－Ｙ方向とする。そのため、電子顕微鏡１００における像取得方法では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を高い精度で重ね合わせることができる。したがって、高品質なＳＴＥＭ像（積算画像）を得ることができる。

また、電子顕微鏡１００における像取得方法では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程は、連続して行われる。例えば、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程において最後の走査線Ｌｎを引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する工程において最初の走査線Ｌ_１を引くまでの時間Ｔ１２は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得する工程において走査線Ｌを引いてから次の走査線Ｌを引くまでの時間Ｔ１と等しい。

以下、電子顕微鏡１００における像取得方法の作用効果について、比較例と対比しながら説明する。

図７および図８は、比較例を説明するための図である。図７には、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１
Ｄと、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄを取得するための電子プローブの走査を説明するための図を図示している。図８には、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄと、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄを取得するための電子プローブの走査を説明するための図を図示している。

図９は、図７および図８に示す電子プローブの走査を行うための走査信号を示す図である。なお、図９では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄのｎ－１番目の走査線Ｌ_ｎ－１を引いてから第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄの２番目の走査線Ｌ_２を引くまでの走査信号を示している。

図７に示すように、比較例では、まず、観察対象領域Ｓ２をラスター走査して第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄを取得する。第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄを取得するためのラスター走査は、上述した図３に示す第１ＳＴＥＭ像Ｉ１を取得するためのラスター走査と同様に行われる。

次に、図８に示すように、観察対象領域Ｓ２をラスター走査して第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を取得する。第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄを取得するためのラスター走査は、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄを取得するためのラスター走査と同様に行われる。

次に、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる。

以上の工程により、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２が積算された画像（積算画像）を得ることができる。

ここで、比較例では、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の最初の走査線Ｌ１を引くことによって取得された部分での、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の像ドリフトによる位置ずれΔは、以下のように表される。

ただし、Ｎ_Ｌは、走査線の数である。Ｔ_Ｉは、電子プローブを開始位置Ａに移動させるための時間［μｓ］である。

比較例では、式（４）に示すように、位置ずれΔは、ドリフトレートＤに、１つのＳＴＥＭ像を取得する時間（Ｔ_Ｌ×Ｎ_Ｌ＋Ｔ_Ｉ）をかけた大きさとなる。

これに対して、電子顕微鏡１００における像取得方法では、式（１）に示すように、位置ずれΔは、ドリフトレートＤに、１本の走査線Ｌを引く時間（Ｔ_Ｌ）をかけた大きさとなる。このように、電子顕微鏡１００における像取得方法では、位置ずれΔを小さくできる。

ここで、２つの画像間の位置ずれが小さい場合、２つの画像間の位置ずれが大きい場合と比べて、精度よく位置ずれを求めることができる。例えば、位置ずれが大きい場合、原子分解能像（格子像）など、周期的な像では、位置ずれを正確に求めることは困難である。これに対して、２つの画像間の位置ずれが小さい場合には、原子分解能像（格子像）など、周期的な像であっても、位置ずれを正確に求めることができる。例えば、格子像において、位置ずれを格子の周期の１周期未満にすることによって、容易に、正確に位置ずれを求めることができる。

電子顕微鏡１００における像取得方法では、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２において最初の走査線
Ｌ_１を引いて取得された部分に最も近い目印を用いて、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれを補正する。そのため、比較例と比べて、位置ずれを小さくでき、正確に位置ずれを求めることができる。したがって、正確に位置ずれを補正できる。電子顕微鏡１００における像取得方法では、例えば、原子分解能像など、周期的な像であっても、正確に位置ずれを補正できる。

また、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａと、を用いて位置ずれを補正する場合でも、比較例と比べて、位置ずれを小さくでき、位置ずれを正確に求めることができる。これは、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａにおける位置ずれを表す式において、ドリフトレートＤにかける値は、１つのＳＴＥＭ像を取得する時間（Ｔ_Ｌ×Ｎ_Ｌ＋Ｔ_Ｉ）よりも小さくなるためである。

電子顕微鏡１００における像取得方法では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を重ね合わせる工程において、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２に基づいてドリフト量を計算し、当該ドリフト量に基づいて第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の歪みおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の歪みを補正する。そのため、電子顕微鏡１００における像取得方法では、像ドリフトによる歪みの影響を低減でき、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２を高い精度で重ね合わせることができる。

例えば、比較例では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄおよび第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄに像ドリフトがあると、画像中の点の相対位置が以下のようにずれる。

式（５）に示す画像中の点の相対位置のずれは、画像の歪みとして現れる。したがって、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１Ｄと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２Ｄを、重ね合わせても高品質な画像が得られない。

これに対して、電子顕微鏡１００における像取得方法では、上記のように、電子プローブの走査方向が互いに反対方向の２つのＳＴＥＭ像（第１ＳＴＥＭ像Ｉ１および第２ＳＴＥＭ像Ｉ２）に基づいて、２つのＳＴＥＭ像の歪みを補正できる。したがって、高品質な画像のＳＴＥＭ像（積算画像）を得ることができる。

５． 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。

５．１． 第１変形例
上記の実施形態では、２つのＳＴＥＭ像（第１ＳＴＥＭ像Ｉ１および第２ＳＴＥＭ像Ｉ２）を取得して、２つのＳＴＥＭ像を重ね合わせる場合について説明したが、３以上のＳＴＥＭ像を取得して、３以上のＳＴＥＭ像を重ね合わせてもよい。

この場合、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の次に取得される第３ＳＴＥＭ像（第３走査像の一例）を取得する工程では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と同様に、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を＋Ｙ方向とする。第３ＳＴＥＭ像を他の画像（例えば第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の積算画像）と重ね合わせる工程では、第３ＳＴＥＭ像の前半部分と他の画像の後半部分を用いて位置ずれを補正する。

また、第３ＳＴＥＭ像の次に取得される第４ＳＴＥＭ像を取得する工程では、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２と同様に、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を－Ｙ方向とする。第４ＳＴＥＭ像を他の画像（例えば第１～第３ＳＴＥＭ像の積算画像）と重ね合わせる工程では、第４ＳＴＥＭ像の前半部分と他の画像の後半部分を用いて位置ずれを補正する。また、第３ＳＴＥＭ像と第４ＳＴＥＭ像を用いて、歪みを補正することもできる。

このように、奇数番目のＳＴＥＭ像を取得する工程では、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を＋Ｙ方向とする。また、偶数番目のＳＴＥＭ像を取得する工程では、電子プローブで走査線Ｌを引く方向を＋Ｘ方向とし、走査線Ｌを移動させる方向を－Ｙ方向とする。

また、取得されたＳＴＥＭ像を、取得したＳＴＥＭ像よりも前に取得された他の画像と重ね合わせる工程では、取得されたＳＴＥＭ像の前半部分と他の画像の後半部分を用いて位置ずれを補正する。

また、連続して取得された奇数番目のＳＴＥＭ像と偶数番目のＳＴＥＭ像を用いて、ドリフト量を求め、当該ドリフト量に基づいて、これらのＳＴＥＭ像の歪みを補正することができる。

第１変形例によれば、上述した電子顕微鏡１００における像取得方法と同様の作用効果を奏することができる。さらに、上記の実施形態と比べて、画像の積算数を多くできるため、より画質を向上させることができる。

５．２． 第２変形例
上記の実施形態では、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａを用いて、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の間の位置ずれを補正する場合について説明した。これに対して、例えば、図１０に示すように、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１をＹ方向に４等分した場合に、最後に取得された部分Ｉ１ｂと、第２ＳＴＥＭ像Ｉ２をＹ方向に４等分した場合に、最初に取得された部分Ｉ２ｂを用いて、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１と第２ＳＴＥＭ像Ｉ２との間の位置ずれを補正してもよい。これにより、第１ＳＴＥＭ像Ｉ１の後半部分Ｉ１ａと第２ＳＴＥＭ像Ｉ２の前半部分Ｉ２ａを用いる場合と比べて、位置ずれを小さくでき、より正確に位置ずれを求めることができる。

５．３． 第３変形例
上記の実施形態では、電子顕微鏡１００が走査透過電子顕微鏡である場合について説明したが、電子顕微鏡１００は、電子プローブを走査して走査像を取得する装置であれば特に限定されない。例えば、電子顕微鏡１００は、走査電子顕微鏡であってもよい。この場合、走査像は、走査電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）である。電子顕微鏡１００が走査電子顕微鏡である場合であっても、上述した電子顕微鏡１００が走査透過電子顕微鏡である場合と同様の作用効果を奏することができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成を含む。実質的に同一の構成とは、例えば、機能、方法、及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である。また、本発明は、実施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…電子源、１１…照射レンズ系、１２…走査偏向器、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…検出器、３０…制御部、１００…電子顕微鏡

Claims (8)

1. 電子プローブで試料を走査して走査像を取得する電子顕微鏡における像取得方法であって、
   前記電子プローブで前記試料の観察対象領域をラスター走査して、第１走査像を取得する工程と、
   前記電子プローブで前記観察対象領域をラスター走査して、第２走査像を取得する工程と、
   前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる工程と、
   を含み、
   前記第１走査像を取得する工程では、
   前記電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、
   前記走査線を移動させる方向を前記第１方向と直交する第２方向とし、
   前記第２走査像を取得する工程では、
   前記電子プローブで前記走査線を引く方向を前記第１方向とし、
   前記走査線を移動させる方向を、前記第２方向とは反対方向の第３方向とし、
   前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる工程では、
   前記第１走査像の後半部分と、前記第２走査像の前半部分と、を用いて、前記第１走査像と前記第２走査像との間の位置ずれを補正する、像取得方法。
2. 請求項１において、
   前記第１走査像を取得する工程と前記第２走査像を取得する工程は、連続して行われる、像取得方法。
3. 請求項１または２において、
   前記第１走査像を取得する工程において最後の前記走査線を引いてから前記第２走査像を取得する工程において最初の前記走査線を引くまでの時間は、前記第１走査像を取得する工程において前記走査線を引いてから次の前記走査線を引くまでの時間と等しい、像取得方法。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
   前記位置ずれを補正する工程では、
   前記第１走査像の後半部分と前記第２走査像の前半部分において、前記試料中の同一箇所を示す目印の位置を求めて、前記位置ずれを補正する、像取得方法。
5. 請求項４において、
   複数の前記目印がある場合、前記第１走査像において最後の前記走査線を引いて取得された部分に最も近い前記目印を用いる、像取得方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
   前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる工程では、前記第１走査像と前記第２走査像の対応する各点においてドリフト量を計算し、当該ドリフト量に基づいて前記第１走査像と前記第２走査像の対応する各点の位置ずれを補正することによって、前記第１走査像の歪みおよび前記第２走査像の歪みを補正する、像取得方法。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項において、
   前記第２走査像を取得する工程の後に、前記電子プローブで前記観察対象領域をラスター走査して、第３走査像を取得する工程と、
   前記第１走査像、前記第２走査像、および前記第３走査像を重ね合わせる工程と、
   を含み、
   前記第３走査像を取得する工程では、
   前記電子プローブで前記走査線を引く方向を前記第１方向とし、
   前記走査線を移動させる方向を前記第２方向とする、像取得方法。
8. 電子プローブで試料を走査して走査像を取得する電子顕微鏡であって、
   電子源と、
   前記電子源から放出された電子線を集束して前記電子プローブを形成する照射レンズ系と、
   前記電子線を偏向させて、前記電子プローブで前記試料を走査するための偏向器と、
   前記走査像を取得するための処理を行う制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、
   前記偏向器に前記電子線を偏向させることによって、前記電子プローブで前記試料の観察対象領域をラスター走査して、第１走査像を取得する処理と、
   前記偏向器に前記電子線を偏向させることによって、前記電子プローブで前記観察対象領域をラスター走査して、第２走査像を取得する処理と、
   前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる処理と、
   を行い、
   前記第１走査像を取得する処理では、
   前記電子プローブで走査線を引く方向を第１方向とし、
   前記走査線を移動させる方向を前記第１方向と直交する第２方向とし、
   前記第２走査像を取得する処理では、
   前記電子プローブで前記走査線を引く方向を前記第１方向とし、
   前記走査線を移動させる方向を、前記第２方向とは反対方向の第３方向とし、
   前記第１走査像と前記第２走査像を重ね合わせる処理では、
   前記第１走査像の後半部分と、前記第２走査像の前半部分と、を用いて、前記第１走査像と前記第２走査像との間の位置ずれを補正する、電子顕微鏡。

Images