JPH10275580A - 電子顕微鏡装置及び電子顕微鏡による試料像再生方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 球面収差が完全に除去され、しかも解像度が
一層改良された電子顕微鏡装置及び電子顕微鏡による試
料像再生方法を実現する。 【解決手段】 本発明では、能動変調型結像方式にホロ
ーコーン照射を併用して収差補正及び解像度の改善を行
なう。このため、本発明では、電子ビームを発生する電
子銃（１１）と、発生した電子ビームを観察すべき試料
に対してホローコーン照射する手段（１４）と、ホロー
コーン照射する際、照射ビームに照射電子量の重み付け
を与える手段（２３）と、試料で散乱した電子ビームを
結像して試料像を形成する対物レンズ（１６）と、対物
レンズのフォーカスを変化させる手段と、試料像を撮像
する撮像装置（２０）とを具え、デフォーカス量と重み
付け量との関係を規定する重み付け関数にしたがって照
射電子ビームに重み付けを与えながらデフォーカス画像
を撮像し、撮像された画像情報を演算処理して試料像を
形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、試料の位相像と振
幅像を収差補正して分離観察できる顕微鏡装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡の分解能は、対物レンズの
開口径で決定され対物レンズに球面収差がある場合は球
面収差によって制限されていた。また試料の位相像、振
幅像を分離観察するためには特別な位相板を設置する必
要があった。たとえば電子顕微鏡の場合は、球面収差に
よって分解能が制限されており、有効な位相板が考察さ
れていなかった。このような事情により、球面収差補正
することで高い分解能が得られ、有効な位相板をもつ電
子顕微鏡の開発が強く要請されている。

【０００３】収差補正としていくつかの手法が提案され
ているが、今回提案する手法は、“Image Restration i
n Coherent Imaging System Involving Spherical Aber
ration”J. Electron Microscope 38 (1989) 412〜422
及び文献“Mathmatical Backgromd of defocus-modulat
ior image processing”Optik 96 (1994) 129 〜135に
記載されている既知の能動変調型結像法を発展させたも
のである。この既知の結像方式の原理を図１に模式的に
示す。観察すべき試料に対して垂直コヒーレント照明を
行う。試料像の撮像に際し、焦点を少しつづずらしなが
ら複数のデフォーカス画像を撮像し、同時に各デフォー
カス像に所定の関数に従った重み付けを行う。そして、
重み付けされた複数のデフォーカス画像を加算処理して
最終的な試料の位相像と振幅像が分離観察されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述した能動変調型結
像法は、複数のデフォーカス画像を特別な手段を講ずる
ことなく加算及び減算処理するだけでほとんど収差のな
い鮮明な位相像及び振幅像を撮像できる特有の効果を有
している。しかしながら、垂直コヒーレント照明を利用
することに起因して解像力に限界があるため、解像度を
一層高くすることが強く要請されている。特に、一層高
い解像度が得られれば、比較的低い加速電圧で単一金属
原子や気体分子のような１Å程度の物体を鮮明に観察で
きることが期待される。

【０００５】従って、本発明は、能動変調型結像法の有
用な特徴を有し、ホローコーン照明を併用することで２
倍の高い解像度が得られると共に、無収差レンズで結像
したと同様な収差補正された位相像と振幅像が分離され
て観察できる電子顕微鏡を実現することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による顕微鏡は、
電子ビームを発生する電子銃と、発生した電子ビームを
観察すべき試料に対してホローコーン照射する手段と、
試料で散乱した電子ビームを結像して試料像を形成する
対物レンズと、ホローコーン照射する際、対物レンズの
フォーカスを順次変化させる手段と、対物レンズのフォ
ーカスの変化に応じて順次試料像を撮像する撮像装置
と、デフォーカス量と重み付け量との関係を規定した重
み付け関数を用い、一連のフォーカス状態の試料像につ
いて重み付け関数に応じて重み付け因子を乗算する手段
と、重み付けされた複数の画像を加算して加重積算され
た試料像を形成する手段とを具えることを特徴とする。

【０００７】電子顕微鏡において高解像度画像を得るに
は、収差補正を行い無収差レンズで撮像したと同様な画
像を得ること、位相像と振幅像の分離観察ができること
が必要である。このため、本発明では、能動変調結像法
を利用して収差補正を行う。しかしながら、前述したよ
うに、既知の能動変調結像法では垂直コヒーレント照明
に起因して解像度を上げるには限界がある。一方、本発
明者が電子線照射について種々の実験及び解析を行った
結果、ホローコーン照射によりインコヒーレント照射に
匹敵する空間周波数伝達特性が得られることが判明し
た。しかも、ホローコーン照明の入射電子線の傾斜角に
対する球面収差補正処理に必要な加重関数は、用いるシ
ステムに応じて一意的に決定できることも解明された。
このような認識に基づき、本発明では能動変調結像法に
よる収差補正に加えてホローコーン照射により解像度を
一層高めることとする。このように構成することによ
り、収差補正された位相像と振幅像の両方を一挙に解決
することができる。

【０００８】本発明者による種々の実験及び解折の結
果、ホローコーン照射に利用する重み付け関数は一般式
として規定される。振幅係再生用の重み付け関数Ｗ
_R （Δｆ）は以下の式で与えられる。

【数５】

【０００９】ここで、Δｆはデフォーカス量であり、ｗ
は空間周波数であり、〔外１〕は各空間周波数での再生
の度合を決定する関数であり、γ_S （ｖ）は波面収差量
である。

【００１０】また、位相像再生間の重み付け関数Ｗ
_I （Δｆ）は以下の式で与えられる。

【数６】 従って、これらの荷重関数に基き、デフォーカス量に対
して照射電子量を規定して重み付けすれば能動変調型結
像方式の利点を維持しながら解像度を一層改善すること
ができる。

【００１１】デフォーカス量に応じた重み付けを行なう
方法として、対物レンズのフォーカスを変化させながら
一連のデフォーカス画像を撮像し、コンピュータにおい
て、この一連の画像をデフォーカス量と重み付けとの関
係を規定する上記関数に基いて重み付け因子を乗算して
重み付けを行ない、その後加算する手法がある。また、
別の方法として、対物レンズのフォーカスを変化させな
がら且つ照射電子量を変化させ、デフォーカスに対応し
て重み付けされた２個の試料像を撮像し、これら試料像
を減算して最終的な試料像を形成する方法がある。この
方法を用いれば、実時間での試料像の再生が可能にな
る。

【００１２】本発明による顕微鏡装置は、電子ビームを
発生する電子銃と、発生した電子ビームを観察すべき試
料に対してホローコーン照射する手段と、ホローコーン
照射する際、照射ビームに照射電子量の重み付けを与え
る手段と、試料で散乱した電子ビームを結像して試料像
を形成する対物レンズと、対物レンズのフォーカスを変
化させる手段と、試料像を撮像する撮像装置とを具え、
デフォーカス量と重み付け量との関係を規定する重み付
け関数にしたがって照射電子ビームに重み付けを与えな
がらデフォーカス画像を撮像し、撮像された画像情報を
演算処理して試料像を形成することを特徴とする。

【００１３】上記本発明の電子顕微鏡装置の実施例は、
電子ビームに重み付けを与える手段及び対物レンズのフ
ォーカスを変化させる手段を、電子銃に高電圧を印加す
る可変高圧発生器及びその制御回路で構成し、この可変
高圧発生器からの出力電圧を、前記及び重み付け関数に
応じて時間的に変化させることを特徴とする。電子銃に
時間的に変性する高電圧を印加することにより、対物レ
ンズのフォーカスを変化させることができる。同時に、
電子銃に印加される高電圧の時間的な変化により、試料
に対する電子ビームの照射時間が時間的に変化し、この
結果デフォーカス量に対応して電子ビームの照射量が変
化することになる。

【００１４】従って、上記重み付け関数に基いて、電子
銃に印加する電圧値を時間的に変化させることにより、
デフォーカスの形成と重み付けとを同時に行なうことが
できる。

【００１５】

【発明の実施の形態】図２は本発明による電子顕微鏡の
基本概念を模式的に示す線図である。尚、説明の便宜上
電子顕微鏡に基づいて説明するが、あらゆる顕微鏡に同
様に適用することができる。電子銃から発生した電子ビ
ームを偏向レンズ系を用いて所定の傾斜角のホローコー
ン状の電子ビームに変換する。ホローコーン状の電子ビ
ームを形成する方法として、後述するように、偏向レン
ズ系により電子ビームを回転させてもよく、又は拡大し
た電子ビームを形成し環状絞りを用いてホローコーン状
の電子ビームを形成することもできる。このホローコー
ン状の電子ビームを試料１に照射する。試料１を通過し
た電子ビームを対物レンズ２により結像して一連の試料
像を撮像する。

【００１６】一連の試料像を撮像するに際し、対物レン
ズのフォーカスを変えながら撮像し、一連のデフォーカ
ス像を形成する。これら一連の試料像とコンピュータに
とり込み、重み付けを行ない、かつ再処理を行なうこと
により最終の試料像が得られる。また、デフォーカスを
与えながら電子ビームの照射時間を変えることにより重
み付けされたデフォーカス像を得ることもできる。

【００１７】この際重要な事項は、収差補正に必要な加
重関数が入射電子線の傾斜角に対して一意的に決定で
き、傾斜方位には依存しないという解析結果に基づいて
いることである。従って、用いるシステムにより決定さ
れる加重関数を用いることにより重み付け及びデフォー
カスの両方がかけられた一連の画像が得られ、これらの
画像を加算することによりインコヒーレント照射に匹敵
する空間周波数帯域が無球面収差で再生可能になる。こ
の際の処理は加算及び減算だけが必要であるので、処理
の実時間処理が可能になる。

【００１８】図３は本発明による電子顕微鏡の具体例を
示す線図である。電子顕微鏡本体１０は電子ビームを発
生する電子銃１１を有する。電子銃１１から発生した電
子ビームは加速電極１２及びコンデンサレンズ１３を経
て偏向コイル１４に入射しホローコーンビームに変換さ
れる。尚、ホローコーンビームの形成方法については後
述することにする。ホローコーンビームは試料１５に入
射し、試料で散乱した電子ビームは対物レンズ１６によ
り結像されて試料像が形成される。対物レンズから出射
した電子ビームは中間レンズ１７及び投射レンズ１８を
経て蛍光板１９により光像に変換され、この光像に変換
された試料像をＴＶカメラ２０で撮像する。この撮像手
段は種々の手段を用いることができ、ＴＶカメラと同様
に電荷蓄積能力を有する２次元ＣＣＤカメラ、感光性フ
ィルム等の手段を用いることができる。

【００１９】本例では、デフォーカスの形成及び電子ビ
ームへの重み付けの制御並びに画像信号の形成等の信号
処理はコンピュータ２１により制御する。電子銃１１に
は例えば２００ｋＶ程度の高電圧を発生する高圧発生器
２２を接続すると共に±３００Ｖの電圧を発生する高圧
変調器２３を接続する。この高圧変調器２２はコンピュ
ータ２１により制御され、時間に対して変化する電圧を
発生する。高圧変調器２２からの電圧は高圧発生器２２
からの高電圧に重畳されて電子銃１１に印加される。従
って、電子銃１１には時間的に変調された高電圧が印加
され、時間に対して対物レンズの焦点が時間的に変化す
ることになる。この結果、対物レンズにより結像される
試料像には変調された高電圧に応じて変化するデフォー
カス量が与えられることになる。

【００２０】偏向コイル１４は偏向コイル駆動回路２４
からの駆動信号により駆動され、この偏向コイル駆動回
路２４はコンピュータ２１に接続する。対物レンズ１６
にレンズ制御回路２５を接続し、コンピュータ２１から
供給される制御信号により対物レンズ１６を駆動制御を
行う。ＴＶカメラ２０により撮像された画像は画像減算
器２３に取り込む。前述したように、重み付けは正又は
負の符号を有するので、画像減算器２３は２個のフレー
ムメモリと画像減算回路を有し、一方のフレームメモリ
には正の重み付けがされた画像情報を取り込み、他方の
フレームメモリには負の重み付けがされた画像情報を取
り込む。そして、正の重み付けがされた画像情報と負の
重み付けがされた画像情報とを減算回路により減算して
最終画像として出力する。得られた画像はビデオフレー
ムメモリ２４に記憶され、コンピュータ２１からの制御
信号によりＣＲＴ２５に表示することができる。

【００２１】次に、電子ビームに対する重み付けについ
て説明する。本例では、重み付け手法としてデフォーカ
スに対して電子ビームの照射時間を変化させる手法を用
いる。図４はデフォーカスと重み付け方法を説明するた
めの線図である。図４Ａは位相成分再生用の荷重関数を
示し、図４Ｂは図４Ａに示す荷重関数についての時間に
対するデフォーカス量の変化を示し、図４Ｃは電子銃に
印加する電圧値の時間変化を示す。図４Ａに示す荷重関
数は上述した式に基くものであり、横軸は重み付け量を
表わし、縦軸はデフォーカス量を示す。また、図４Ｂに
おいて、横軸は時間を示し、縦軸はデフォーカス量を示
す。さらに図４Ｃにおいて横軸は時間を示し、縦軸は電
子銃に印加する電圧値を示す。

【００２２】高圧発生器２２及び高圧変調器２３からの
高電圧を電子銃１１に印加する。この時の印加電圧の変
化は図４Ｃに示すように設定する。電子銃１１に印加さ
れる電圧が変化することにより対物レンズのフォーカス
が変化する。この時試料には時間に連続して電子ビーム
が照射され続ける。従って、印加電圧の時間に対する変
化分は試料に対する電子ビームの照射時間に相当する。
従って、図４Ｃに示すように時間的に変化する電圧を電
子銃に印加することにより、デフォーカス量に応じて重
み付された電子ビームが試料に照射されることになる。
尚、重み付け量は、正及び負の両方の値をとるため、Ｔ
Ｖカメラの電化蓄積能力を利用して、例えば正の重み付
けについて、印加電圧を変化させてデフォーカスに応じ
て重み付けされた第１の試料像を作成し、次に負の重み
付けについて同様にして第２の試料像を作成し、その後
画像減算回路２３において減算処理する。これにより、
荷重関数に基いてデフォーカス量に対して重み付けされ
た試料像を得ることができる。尚、画像減算回路は２個
のフレームメモリと画像減算器を有することにより、上
記処理を行なうことができる。このように構成すること
により、実時間で試料像を再生することが可能になる。

【００２３】図５はホローコーンビーム形成装置の構成
を示す。図５ａに示すように、電子銃から発生した電子
ビームを第１のコンデンサ３０により発散ビームに変換
し、第２のコンデンサ３１により集束性ビームに変換す
る。第２のコンデンサ３１の後段にコンデンサ環状絞り
３２を配置して集束性電子ビームをホローコーンビーム
にする。そして、ホローコーンビームを試料に直接照射
する。図４ｂの構成では、コンデンサ絞り３３を通過し
た電子ビームを２段の偏向コイルにより回転するホロー
コーンビームに変換する。

【図面の簡単な説明】

【図１】能動変調型結像法を模式的に示す線図である。

【図２】本発明による電子顕微鏡装置の撮像方法を説明
するための模式図である。

【図３】本発明による電子顕微鏡装置の具体的構成を示
す線図である。

【図４】荷重関数に応じたデフォーカス量及び重み付け
を与える方法を説明するための線図である。

【図５】ホローコーンビームを形成するための構成を示
す線図である。

【符号の説明】

１ 試料 ２ 対物レンズ １１ 電子銃 １２ 加速電局 １３ コンデンサレンズ １４ 偏向コイル １５ 試料 １６ 対物レンズ １７ 中間レンズ １８ 投射レンズ １９ 蛍光板 ２０ ＴＶカメラ ２１ コンピュータ ２２ 高圧発生器 ２３ 高圧変調器 ２４ 偏向コイル駆動回収 ２５ 対物レンズ制御回路

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを発生する電子銃と、発生し
   た電子ビームを観察すべき試料に対してホローコーン照
   射する手段と、試料で散乱した電子ビームを結像して試
   料像を形成する対物レンズと、ホローコーン照射する
   際、対物レンズのフォーカスを順次変化させる手段と、
   対物レンズのフォーカスの変化に応じて順次試料像を撮
   像する撮像装置と、デフォーカス量と重み付け量との関
   係を規定した重み付け関数を用い、一連のフォーカス状
   態の試料像について重み付け関数に応じて重み付け因子
   を乗算する手段と、重み付けされた複数の画像を加算し
   て加重積算された試料像を形成する手段とを具えること
   を特徴とする電子顕微鏡装置。
2. 【請求項２】 電子ビームを発生する電子銃と、発生し
   た電子ビームを観察すべき試料に対してホローコーン照
   射する手段と、ホローコーン照射する際、照射ビームに
   照射電子量の重み付けを与える手段と、試料で散乱した
   電子ビームを結像して試料像を形成する対物レンズと、
   対物レンズのフォーカスを変化させる手段と、試料像を
   撮像する撮像装置とを具え、デフォーカス量と重み付け
   量との関係を規定する重み付け関数にしたがって照射電
   子ビームに重み付けを与えながらデフォーカス画像を撮
   像し、撮像された画像情報を演算処理して試料像を形成
   することを特徴とする電子顕微鏡装置。
3. 【請求項３】 Δｆをデフォーカス量とし、ｗを空間周
   波数とし、 【外１】 を各空間周波数での再生の度合を決定する関数とし、γ
   _S （ｗ）を波面収差量とした場合に、振幅像再生用の重
   み付け関数Ｗ_R （Δｆ）を、 【数１】 で規定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電
   子顕微鏡装置。
4. 【請求項４】 Δｆをデフォーカス量とし、ｗを空間周
   波数とし、〔外１〕を各空間周波数での再生の度合を決
   定する関数とし、γ_S （ｗ）を波面収差量とした場合
   に、位相像再生用の重み付け関数Ｗ_I （Δｆ）を、 【数２】 で規定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電
   子顕微鏡装置。
5. 【請求項５】 前記電子ビームに重み付けを与える手段
   及び対物レンズのフォーカスを変化させる手段を、電子
   銃に高電圧を印加する可変高圧発生器及びその制御回路
   で構成し、この可変高圧発生器からの出力電圧を、前記
   及び重み付け関数に応じて時間的に変化させることを特
   徴とする請求項２に記載の電子顕微鏡装置。
6. 【請求項６】 電子銃に高電圧を印加して電子ビームを
   発生し、発生した電子ビームを試料に照射し、試料で散
   乱した電子ビームを対物レンズにより結像して試料像を
   形成し、この試料像を撮像装置により撮像して高解像度
   の電子顕微鏡試料像を再生するにあたり、 対物レンズのフォーカスを変化させながら一連の試料像
   を撮像し、デフォーカス量と重み付け量との関係を規定
   した重み付け関数を用い、一連のフォーカス状態の試料
   像について重み付け関数に応じて重み付け因子を乗算
   し、重み付けされた複数の画像を加算して加重積算され
   た試料像を形成することを特徴とする電子顕微鏡による
   試料像再生方法。
7. 【請求項７】 電子銃に高電圧を印加して電子ビームを
   発生し、発生した電子ビームを試料に照射し、試料で散
   乱した電子ビームを対物レンズにより結像して試料像を
   形成し、この試料像を撮像装置により撮像して高解像度
   の電子顕微鏡試料像を再生するにあたり、 前記電子銃に時間的に変化する電圧を印加して対物レン
   ズのフォーカスを時間的に変化させ、この電子銃に印加
   される時間に対する電圧値を、デフォーカス量と重み付
   けとの関係を規定する重み付け関数に基づて規定するこ
   とを特徴とする電子顕微鏡による試料像再生方法。
8. 【請求項８】 前記撮像装置を電荷蓄積能力を有する撮
   像装置としたことを特徴とする請求項７に記載の電子顕
   微鏡による試料観察方法。
9. 【請求項９】 前記重み付け関数の正又は負のいずれか
   一方の重み付け部分に基づいて時間に対して電圧値が段
   階的に変化する電圧を電子銃に印加して前記一方の重み
   付けがかけられた第１の試料像を撮像し、次に他方の重
   み付け部分に基づいて時間に対して電圧値が段階的に変
   化する電圧を電子銃に印加して他方の重み付けがかけら
   れた第２の試料像を撮像し、これら２個の試料像を互い
   に減算して試料像を再生することを特徴とする請求項８
   に記載の電子顕微鏡による試料観察方法。
10. 【請求項１０】 Δｆをデフォーカス量とし、ｗを空間
    周波数とし、〔外１〕を各空間周波数での再生の度合を
    決定する関数とし、γ_S （ｗ）を波面収差量とした場合
    に、振幅像再生用の重み付け関数Ｗ_R （Δｆ）を、 【数３】 で規定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電
    子顕微鏡装置。
11. 【請求項１１】 Δｆをデフォーカス量とし、ｗを空間
    周波数とし、〔外１〕を各空間周波数での再生の度合を
    決定する関数とし、γ_S （ｗ）を波面収差量とした場合
    に、位相像再生用の重み付け関数Ｗ_I （Δｆ）を、 【数４】 で規定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電
    子顕微鏡装置。