WO2012005056A1 - 走査透過電子顕微鏡 - Google Patents

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学尚 秋間
高穂 吉田
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Definitions

  • the present invention relates to a scanning transmission electron microscope equipped with an aberration corrector.
  • the probe diameter is limited by the aberration of the electron optical system, in recent years, an apparatus equipped with an aberration corrector has been developed to correct this aberration.
  • Patent Document 1 Various methods other than Patent Document 1 have been devised for measuring aberrations, and most of them, including the above-mentioned Patent Document, require a plurality of electron microscope images acquired by changing the irradiation angle and focus of the electron beam. And And most of the time for measuring the aberration is spent on the time for acquiring the plurality of electron microscope images.
  • the user of the apparatus can visually check the low-order aberrations by visually observing the electron microscope image without relying on aberration measurement that takes several seconds to several minutes. It is corrected.
  • the correction of the low-order aberration by visual inspection is mainly performed for the axial primary astigmatism A1 and the axial secondary coma aberration B2.
  • a Ronchigram is divided into a plurality of regions, and an on-axis secondary frame is calculated from a center position coordinate vector of each region and a feature vector calculated from off-axis defocus at the position coordinate.
  • Aberration correction conditions are obtained.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating how the feature vector and the Ronchigram change in an example of a process in which the on-axis secondary coma aberration is corrected in the GUI of FIG. 9. It is a figure which shows the change of the feature vector shown in FIG. 10, (a) shows the case of X component, (b) shows the case of Y component. The flowchart of aberration correction is shown.
  • the angle formed by the electron beam 102 after the trajectory is bent by the action of the pre-objective magnetic lens 101 and the optical axis 102 is defined as a convergence angle ⁇ . Due to the influence of aberration, the height at which the focal point is focused differs for each convergence angle, that is, for each electron beam passing through a different distance from the central axis of the pre-objective magnetic lens 101.
  • the magnification of the image projected on the image surface 104 is a function of the height at which the focal point is focused and the distance between the sample surface 103. Therefore, the Ronchigram is a distorted image having a different magnification for each location reflecting the influence of aberration.
  • C1 on the right side
  • B2 is on-axis second order coma
  • C3 third order spherical aberration
  • S3 third order star aberration
  • B4 is on-axis fourth order coma
  • D4 is fourth order trefoil.
  • C5 is called fifth-order spherical aberration
  • S5 is called fifth-order star aberration
  • R5 is called fifth-order rosetta aberration.
  • the plurality of regions are arranged in a rectangular shape, but the plurality of regions may be arranged so that the sum related to the X component and the sum related to the Y component are respectively zero with respect to the central coordinates of each of the plurality of regions. . Therefore, in FIG. 5 (a-1), a 3 ⁇ 3 matrix region (8 regions) excluding the center is used as a plurality of regions. For example, a region (12 regions) obtained by removing the center 2 ⁇ 2 matrix from the 4 ⁇ 4 matrix. It can also be. Furthermore, the accuracy of the azimuth angle increases by increasing the number of regions. However, the 3 ⁇ 3 matrix region (eight regions) excluding the center is practical in terms of the vicinity of the center and the number of regions.
  • each off-axis defocus C1 ( ⁇ ) obtained by the above-described method is meaningful only in the relative value of the divided areas, and the absolute value is an arbitrary scale, but in order to achieve the object of the present invention, It is enough.
  • the feature vector W obtained from the off-axis defocus C1 ( ⁇ ) corresponds to the center-of-gravity vector when the magnitude of the off-axis defocus C1 ( ⁇ ) is regarded as a load. Is reflected. That is, as long as the relative value of off-axis defocus C1 ( ⁇ ) is correct, the direction of the feature vector W coincides with the direction of the on-axis secondary coma aberration B2.
  • the magnitude of the feature vector W may be calibrated for each method for obtaining the off-axis defocus C1 ( ⁇ ).
  • the angle of the feature vector W is ⁇ 120 ⁇ 6 degrees, which almost coincides with the angle of the on-axis secondary coma aberration B2. Further, a proportional relationship is recognized between the magnitude of the on-axis secondary coma aberration B2 and the magnitude of the feature vector W. Therefore, the angle of the feature vector W is regarded as the angle of the axial secondary coma aberration B2, and the proportional relationship between the magnitude of the axial secondary coma aberration B2 and the size of the feature vector W is calibrated in advance. It becomes possible to calculate a correction condition for the on-axis secondary coma aberration B2 from the vector W.
  • the electron beam that has passed through the aberration corrector 805 is focused on the sample 808 by the pre-objective magnetic lens 807 to form a probe.
  • the electron beam transmitted and scattered through the sample 808 forms an electron beam diffraction image below the sample 808 by the post-objective magnetic lens 809 and is projected onto the camera 814 by the projection lens 810.
  • the electron beam probe is scanned on the sample by the scan coils 806a and 806b below the aberration corrector 805, and the dark field image detector 812 or the bright field image is synchronized with the scanning.
  • the signal from the detector 813 is acquired by performing luminance modulation on the image intensity.
  • the alignment coil 811 installed under the projection lens 810 is used for axial alignment with the dark field image detector 812, the bright field image detector 813, and the camera 814. Since the bright field image detector 813 is installed on the optical axis, it has a movable mechanism that can be removed from the optical axis when the camera 814 is used.
  • FIGS. 11A and 11B show changes in feature vectors and Ronchigrams for an example of a process in which the on-axis secondary coma aberration B2 is corrected based on the flowchart shown in FIG. Represents an X component, and (b) represents a Y component.
  • X1 in FIG. 11A be the initial state.
  • FIG. 13 is a flowchart of aberration correction, and shows a flowchart in the case of using in combination with the secondary coma aberration correction according to the present embodiment, the aberration measurement by a known technique, and the correction method.
  • step S131 primary aberration correction is performed by a conventional method.
  • secondary coma is corrected by the method according to the present embodiment (step S132).
  • step S133 the aberration is measured by the conventional method (step S133), and it is confirmed whether the third-order aberration is larger than the allowable range (step S134). Return and repeat step S132 and step S133. If the third-order aberration is within an allowable range, the residual aberration is corrected by a conventional method (step S136), and the correction is completed.
  • the feature vector is approximated by the on-axis second-order coma aberration. Therefore, the on-axis second-order coma aberration is efficiently corrected in a short time by using the feature vector. It is possible to provide a scanning transmission electron microscope.
  • the information processing apparatus divides the Ronchigram acquired by the detector into a plurality of regions, and from the off-axis defocus obtained for each of the plurality of regions and the distance from the Ronchigram center to the center of the plurality of regions, A scanning transmission electron microscope characterized by calculating a feature vector reflecting the magnitude and direction of secondary coma.
  • the sample is an amorphous sample
  • the off-axis defocus obtained for each of the plurality of regions is an autocorrelation function calculated for each of the plurality of regions.
  • a scanning transmission electron microscope characterized by being approximated as the ( ⁇ 1 ⁇ 2) power of the area of an ellipse representing the contour line of the intensity distribution.
  • the control unit is connected to an increase / decrease unit that increases / decreases the X component and Y component of the on-axis secondary coma aberration, and is based on an input from the increase / decrease unit.

Abstract

　本発明の走査透過電子顕微鏡は、試料（８０８）に電子線を照射する電子光学系の収差を補正する収差補正器（８０５）と、試料を透過した電子線を検出する検出器（８１３、８１４）と、検出器の検出信号を処理する情報処理装置（７０３）とを備え、情報処理装置が検出器により取得されたロンチグラムを複数領域に分割し、該複数領域毎に求まる軸外デフォーカス（Ｃ１（τ））とロンチグラム中心から複数領域の中心までの距離（τ）との値から軸上２次コマ収差（Ｂ２）の大きさと方向を反映した特徴ベクトル（Ｗ；９０３）を算出し、更に、該特徴ベクトルから軸上２次コマ収差の補正条件を算出することを特徴とする。これにより、軸上２次コマ収差を短時間で効率的に補正することのできる走査透過電子顕微鏡を提供できるようになった。

Description

走査透過電子顕微鏡
　本発明は、収差補正器を具備した走査透過電子顕微鏡に関する。
　走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）においては、試料上を走査する電子線（プローブ）の径が細いほど高い分解能が得られる。プローブ径は電子光学系の収差により制限されるが、近年ではこの収差を補正するために収差補正器を搭載した装置が開発されている。
　一般に、収差補正器は、複数の多極子レンズと複数の回転対称な電子レンズにより構成される。収差補正器を動作させる際には、何らかの方法で収差を測定し、それらが減少するように各レンズにフィードバックをかける。収差の測定方法として、例えば特許文献１にはロンチグラムの微小領域の自己相関関数をフーリエ解析する方法が開示されている。また、収差の補正方法については、例えば特許文献２に開示されている。
特開２００７－１８００１３号公報 特開２００７－２６６００８号公報
　収差を測定する方法は特許文献１以外にも様々なものが考案されており、上記特許文献を含め、それらのほとんどが電子線の照射角度やフォーカスを変えて取得した複数の電子顕微鏡像を必要とする。そして、収差を測定する時間の大部分が、それら複数の電子顕微鏡像を取得する時間に費やされる。
　このため、電子光学系に残存する低次収差が大きい収差補正の初期段階においては、数秒から数分を要する収差測定に頼らずに、装置の使用者が電子顕微鏡像の目視により低次収差を補正している。この目視による低次収差の補正は、主に軸上１次非点収差Ａ１と軸上２次コマ収差Ｂ２について行われる。
　軸上１次非点収差Ａ１の補正では、アモルファス試料で取得された電子顕微鏡像のフーリエ変換パターンの形状や、適当な試料を用いて取得されたロンチグラムの中央付近に見られる歪みの形状が補正の指針となる。これらの指針では、上記フーリエ変換パターンや歪みの真円度からＡ１の大きさを比較的容易に判断できる。
　一方、軸上２次コマ収差Ｂ２の補正では、ロンチグラムの歪みの偏り具合が指針となるが、その判断にはある程度の熟練を要するために、Ａ１の場合ほど効率的な補正が行えないという課題がある。
　本発明の目的は、軸上２次コマ収差を短時間で効率的に補正することのできる走査透過電子顕微鏡を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明では、ロンチグラムを複数の領域に分割し、各々の領域の中心位置座標ベクトルと当該位置座標における軸外デフォーカスから計算される特徴ベクトルから軸上２次コマ収差の補正条件を求める。
　本発明では、あるフォーカスで取得された１枚のロンチグラムから上記特徴ベクトルを計算できるため、ロンチグラムの取得直後（１秒以内）にＧＵＩを介して軸上２次コマ収差の補正条件を装置の使用者に提示することが可能となる。これにより、ＧＵＩ上に併せて表示されるロンチグラムで補正の効果を確認しながら、軸上２次コマ収差の補正を短時間で効率的に行うことができる。
ロンチグラム取得時の試料周辺の光学系を示す模式図である。 ロンチグラムの倍率とデフォーカスとの関係を示す図であり、（ａ）は収差が無い場合、（ｂ）は収差のある場合を示す。 デフォーカスに対する倍率の変化を示す図であり、（ａ）は倍率と軸外デフォーカスとの関係、（ｂ）は倍率の逆数と軸外デフォーカスとの関係を示す。 特徴ベクトルの計算に用いるロンチグラム上の位置座標の例を示す図であり、（ａ）は矩形配置とした場合、（ｂ）は円形配置とした場合を示す。 ロンチグラムから軸外デフォーカスの近似値を計算する例を示す図であり、（ａ－１）はアモルファス試料を用いた場合のロンチグラムの例、（ａ－２）は（ａ－１）に示すロンチグラムの中心付近を格子状の複数領域に分割し、各々の領域について算出した自己相関関数とその等高線を表す楕円、（ｂ－１）は微粒子試料を用いた場合のロンチグラムの例、（ｂ－２）は（ｂ－１）に示すロンチグラムの中心付近を格子状の複数領域に分割し、各々の領域について像強度の等高線を表す楕円を示す。 軸上２次コマ収差と特徴ベクトルの関係を調べた一例を示す図である。 第１の実施例に係る走査透過電子顕微鏡の外観構成図である。 図７の走査透過電子顕微鏡の鏡体の内部構成図である。 図７の走査透過電子顕微鏡において、軸上２次コマ収差の補正時に用いるＧＵＩの図である。 図７の走査透過電子顕微鏡を用いて軸上２次コマ収差の補正を行うときのフローチャートである。 図９のＧＵＩにおいて、軸上２次コマ収差が補正される過程の一例について特徴ベクトルとロンチグラムが変化する様子を示した図である。 図１０に示す特徴ベクトルの変化を示す図であり、（ａ）はＸ成分の場合、（ｂ）はＹ成分の場合を示す。 収差補正のフローチャートを示す。
　以下、実施例により説明する。
　第1の実施例について、図を用いて説明する。まず、図１を用いて、本実施例におけるロンチグラムの取得方法について説明する。ロンチグラムとは、電子線の走査を停止し、絞りを開放もしくは孔径の大きな絞りを用いた場合に試料下面で観察される像で、場所により倍率が異なり、収差情報が含まれる。図１は透過電子顕微鏡／走査透過電子顕微鏡におけるロンチグラム取得時の、試料周辺の光学系を示す模式図である。簡単のため、収差としては３次球面収差のみを考慮する。
　図１において、符号１０１は対物前磁場レンズ、符号１０２は対物前磁場レンズ１０１に入射する電子線の光軸、符号１０３は試料が配置される試料面、符号１０４はロンチグラムが観察される像面である（奥行きを持たせて書いてある）。通常、対物前磁場レンズ１０１の中心軸と光軸１０２とは一致するように調整されている。
　対物前磁場レンズ１０１の作用により軌道が曲げられた後の電子線が光軸１０２となす角度を収束角τと定義する。収差の影響により、収束角毎に、すなわち対物前磁場レンズ１０１の中心軸から異なる距離を通った電子線毎に、焦点を結ぶ高さが異なる。光軸１０２に沿って測った試料面１０３と像面１０４との距離を一定としたとき、像面１０４に投影される像の倍率は焦点を結ぶ高さと試料面１０３との距離の関数となるので、ロンチグラムは収差の影響を反映して場所毎に倍率が異なる歪んだ像となる。図１に示した電子線ａ－ａ’より光軸１０２に近い位置を通る電子線は全て試料面１０３上に焦点を結ぶとすると、ロンチグラム中には倍率が無限大の像に対応したコントラストが一様な領域１０５が観察される。
　図１に示すように、ロンチグラム上の位置座標は収束角τと対応しているので、今後ロンチグラム上の位置座標ベクトルをτ＝ｔ×ｅｘｐ（ｉφ）と複素数を使って表示する。すなわち、ロンチグラムを２次元直交座標上に配置したとき、Ｘ座標はτの実部Ｒｅ［τ］＝ｔ×ｃｏｓ（φ）、Ｙ座標はτの虚部Ｉｍ［τ］＝ｔ×ｓｉｎ（φ）で与えられる。
　次に、図２（ａ）（ｂ）を用いて、ロンチグラムの倍率とデフォーカスとの関係を説明する。図２（ａ）は収差のない場合の光学系を示している。ここで、図２（ａ）に示すような電子線束２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃと、等間隔な縞模様を持った（仮想的な）試料２０２を考える。どの電子線束も試料面１０３からＣ１（０）だけ離れた位置に焦点を結び、像面１０４に投影される像２０３の倍率Ｍは一様にＭ＝（Ｃ１（０）＋Ｌ）／Ｃ１（０）となる。すなわち、試料は一様に拡大され、縞模様は等間隔のままである。
　図２（ｂ）は３次球面収差がある場合の光学系を示している。図２（ｂ）に示すような電子線束２０４ａ、２０４ｂを考えると、それぞれの電子線束が焦点を結ぶ高さは収束角（＝ロンチグラム上の位置座標）の関数となり、これを軸外デフォーカスＣ１（τ１）と呼ぶ。図２（ｂ）に示すように、Ｃ１（τ１）＜Ｃ１（τ２）となるので、電子線束２０４ａが投影する像の倍率Ｍ１＝（Ｃ１（τ１）＋Ｌ）／Ｃ１（τ１）と、電子線束２０４ｂが投影する像の倍率Ｍ２＝（Ｃ１（τ２）＋Ｌ）／Ｃ１（τ２）との関係はＭ１＞Ｍ２となる。すなわち、投影された像２０５の縞模様の間隔は一定ではない。
　このように、ロンチグラムは場所毎に倍率Ｍが異なり、Ｍは軸外デフォーカスＣ１（τ）と、試料面と像面との距離Ｌで決まる。ここでＬは試料面と像面の間に配置される投影レンズの倍率で決まり、通常はＬ＞＞Ｃ１（τ）である。図３（ａ）にＣ１（τ）とＭとの関係を、図３（ｂ）にＣ１（τ）とＭ－１との関係を示す。Ｃ１（τ）に対するＭの変化は図３（ａ）に示すようなＣ１（τ）の逆数関数となり、Ｍ－１のそれは図３（ｂ）に示すようなＣ１（τ）の比例関数となる。
　次に、ロンチグラム上の位置座標ベクトルτと、当該位置座標における軸外デフォーカスＣ１（τ）から軸上２次コマ収差の特徴ベクトルを求める原理について説明する。Ｃ１（τ）は軸上（τ＝０）の収差係数を使って表され、軸上の収差係数として５次まで考慮した場合には  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
と表される。ここで（右辺の）Ｃ１は軸上デフォーカス、Ｂ２は軸上２次コマ収差、Ｃ３は３次球面収差、Ｓ３は３次スター収差、Ｂ４は軸上４次コマ収差、Ｄ４は４次三つ葉収差、Ｃ５は５次球面収差、Ｓ５は５次スター収差、Ｒ５は５次ロゼッタ収差と呼ばれる。＊は複素共役を取ることを表している。ここで、図４（ａ）（矩形配置とした場合）、図４（ｂ）（円形配置とした場合）に示すように、ロンチグラム上の任意の位置座標ベクトルτ＝ｔ×ｅｘｐ（ｉφ）（－π≦φ≦π）に対して、ロンチグラム中心について点対称位置にある位置座標ベクトル－τ（＝ｔ×ｅｘｐ（ｉ（φ＋π））が存在するτの集合Ｓ＝｛τ｜∀τ∈Ｓ（∃－τ∈Ｓ）｝を取ったとき、収束角τと軸外デフォーカスＣ１（τ）との積から定義される合成ベクトルＷ≡Στ∈Ｓ｛τ×Ｃ１（τ）｝は、図４（ａ）に示す矩形配置の場合  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
図４（ｂ）に示す円形配置の場合  
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
と表される。ここでｔ１として微小な量を選ぶことで式（２）、式（３）の第２項が無視でき、軸上２次コマ収差Ｂ２が含まれる第１項が残る。すなわち、ロンチグラムの中心付近の領域について計算された特徴ベクトルＷは、軸上２次コマ収差Ｂ２を反映した特徴ベクトルとなる。
　軸外デフォーカスＣ１（τ）の値を正確に求めるためには電子線の照射角度やフォーカスを変えて取得した複数の電子顕微鏡像を用いる公知の収差測定を行う必要があるが、図３（ｂ）に示したように、ロンチグラムの局所的な倍率の逆数が軸外デフォーカスＣ１（τ）に比例することを利用すれば、ロンチグラムの局所的な領域から倍率の情報を抽出することで軸外デフォーカスＣ１（τ）の近似値を求めることができる。
　図５（ａ）はアモルファス試料を用いて取得されたロンチグラムから軸外デフォーカスＣ１（τ）の近似値を計算する例を示している。図５（ａ－１）に示すようにロンチグラムの中心付近を格子状の複数領域に分割し、各々の領域について自己相関関数を計算する（図５（ａ－２））。計算された自己相関関数の強度分布の等高線を表す楕円の面積をσとしたとき、σ－１／２が当該領域における軸外デフォーカスＣ１（τ）の近似値となる。なお、ここでは複数領域を矩形配置としたが、複数領域は、その複数領域の各々の中心座標について、Ｘ成分に関する和、及びＹ成分に関する和がそれぞれゼロになるように配置されていればよい。したがって、図５（ａ－１）では複数領域として中心を除く３×３マトリクス領域（８領域）としたが、例えば、４×４マトリクスから中心の２×２マトリクスを除いた領域（１２領域）とすることもできる。さらに領域の数を増やすことにより、方位角の精度が上がる。但し、上記中心を除いた３×３マトリクス領域（８領域）が、中心近傍である点、領域数の点で実用的である。
　図５（ｂ）は微粒子試料を用いて取得されたロンチグラムから軸外デフォーカスＣ１（τ）の近似値を計算する例を示している。図５（ｂ－１）に示すようにロンチグラムの中心付近を格子状の複数領域に分割し、各々の領域について像強度の等高線を表す楕円を抽出する（図５（ｂ－２））。この楕円の面積（微粒子の面積に相当）をρとしたとき、ρ－１／２が当該領域における軸外デフォーカスＣ１（τ）の近似値となる。なお、微粒子の大きさのバラツキは±１０％以内（３σ）が望ましい。
　上述の方法で求められるそれぞれの軸外デフォーカスＣ１（τ）は、分割された領域同士の相対値にのみ意味があり絶対値は任意スケールとなるが、本発明の目的を達成するためには十分である。何故なら、軸外デフォーカスＣ１（τ）から求められる特徴ベクトルＷは軸外デフォーカスＣ１（τ）の大きさを荷重と見なしたときの重心ベクトルに相当し、その偏り具合にＢ２の情報が反映されるためである。すなわち、軸外デフォーカスＣ１（τ）の相対値さえ正しければ、特徴ベクトルＷの方向と軸上２次コマ収差Ｂ２の方向は一致する。特徴ベクトルＷの大きさは、軸外デフォーカスＣ１（τ）を求めた方法毎に較正しておけばよい。
　特徴ベクトルＷと軸上２次コマ収差Ｂ２の関係を調べた一例を図６に示す。これは、軸上２次コマ収差Ｂ２の角度を一定（－１１４ｄｅｇ）として軸上２次コマ収差Ｂ２の大きさを増やしていったときの、アモルファス試料から得られるロンチグラムのシミュレーション像から、図４（ａ）の座標でｔ１＝１０ｍｒａｄとして計算したものである。
　特徴ベクトルＷの角度は－１２０±６度であり、軸上２次コマ収差Ｂ２の角度とほぼ一致する。また、軸上２次コマ収差Ｂ２の大きさと特徴ベクトルＷの大きさとの間には比例関係が認められる。従って、特徴ベクトルＷの角度を軸上２次コマ収差Ｂ２の角度と見なし、軸上２次コマ収差Ｂ２の大きさと特徴ベクトルＷの大きさの比例関係を事前に較正しておくことで、特徴ベクトルＷから軸上２次コマ収差Ｂ２の補正条件を算出することが可能となる。
　次に、取得したロンチグラムから特徴ベクトルＷを求めるための装置の構成例について説明する。本実施例の走査透過電子顕微鏡の外観構成を図７に示す。装置は主に走査透過電子顕微鏡の鏡体７０１、制御ユニット７０２、情報処理装置７０３、ディスプレイ７０４から構成される。情報処理装置７０３には、使用者の入力を受け取る入力手段（例えば、キーボード７０５とマウス７０６）が接続される。また、制御ユニット７０２には、軸上２次コマ収差Ｂ２を補正するための制御卓７０７が接続される。軸上２次コマ収差Ｂ２を補正する手法自体は公知であり、例えば特許文献２に記載されている。これらの方法を用いることで、Ｘ成分調整つまみ７０８とＹ成分調整つまみ７０９を介してＢ２のＸ成分とＹ成分をそれぞれ補正することができる。尚、制御卓７０７は、ディスプレイ７０４上に表示されるＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）で仮想的に実現しても良い。
　図８に、図７で示した走査透過電子顕微鏡の鏡体７０１の内部構成を示す。電子線源８０１から出射された電子線は８０２ａ、８０２ｂ、８０２ｃに示す静電レンズにより所定の加速電圧まで加速される。所定の加速電圧まで加速された電子線は８０３ａ、８０３ｂの集束レンズにより縮小される。集束レンズ８０３ｂの下部にある集束絞り８０４を通った電子線は、収差補正器８０５を通ることで、球面収差などの収差が補正される。収差補正器８０５自体は公知であり、多段の多極子レンズ、回転対称レンズ、及び偏向コイルで構成されており、多極子レンズの各極子、及び回転対称レンズの励磁電流を制御することで収差の補正量を調整できる。
　収差補正器８０５を通過した電子線は、対物前磁場レンズ８０７により試料８０８上に集束され、プローブを形成する。試料８０８を透過・散乱した電子線は対物後磁場レンズ８０９により試料８０８下部に電子線回折像を形成し、投影レンズ８１０によりカメラ８１４に投影される。暗視野像あるいは明視野像を撮影するときには、収差補正器８０５の下部にあるスキャンコイル８０６ａ、８０６ｂにより電子線プローブを試料上で走査させ、それに同期して暗視野像検出器８１２もしくは明視野像検出器８１３での信号を像強度に輝度変調して取得する。
　投影レンズ８１０の下部に設置したアライメントコイル８１１は、暗視野像検出器８１２、明視野像検出器８１３、カメラ８１４に対する軸合わせのために用いる。明視野像検出器８１３は光軸上に設置してあるため、カメラ８１４を使用する際には光軸上から取り除くことができるような可動機構を備えている。
　一連の操作における全てのレンズ、コイル、検出器の制御は、情報処理装置７０３が制御ユニット７０２を介して行い、ディスプレイ７０４、キーボード７０５、マウス７０６等のユーザーインターフェースを通じて操作者が条件を設定することができる。
　図９に、軸上２次コマ収差Ｂ２の補正を行う際のＧＵＩの一例を示す。まず、本ＧＵＩを用いて手動で軸上２次コマ収差Ｂ２の補正を行う手法について説明する。装置の使用者は特徴ベクトル表示部９０２に表示される特徴ベクトル９０３とそのＸ成分９０６とＹ成分９０７を見ながら、Ｂ２のＸ成分の増減ボタン９０８、９０９とＢ２のＹ成分の増減ボタン９１０、９１１、あるいは同等の機能を有するＸ成分調整つまみ７０８とＹ成分調整つまみ７０９を用いて、特徴ベクトル９０３が基準円９０４内に収まるように調整を行う。このとき、特徴ベクトル９０３が基準円９０４の外と内にある場合で特徴ベクトル９０３の色を変えて表示することにより、調整の成否が視覚的に明らかにできる。尚、基準円９０４の大きさは基準円設定テキストボックス９０５を介して自由に設定できる。調整を行った結果はロンチグラム表示部９０１と特徴ベクトル表示部９０２、及びそのＸ成分９０６とＹ成分９０７に直ちに反映され（１秒以内）、装置の使用者は調整の効果を確かめながら軸上２次コマ収差Ｂ２の補正を行うことができる。即ち、特徴ベクトルを用いることにより、効率的な軸上２次コマ収差の補正が可能となる。
　次に、本ＧＵＩを用いて軸上２次コマ収差Ｂ２の補正を自動で行う手法について、フローチャート図１０を用いて説明する。装置の使用者は、Ｂ２のＸ成分を補正する刻み幅（以下αとする）とＹ成分を補正する刻み幅（以下βとする）をＧＵＩ上のテキストボックス９１２と９１３を介して設定しておく。補正実行ボタン９１４を押すと、まずＢ２のＸ成分が－側にαだけ補正される（Ｓ１）。もし、特徴ベクトルのＸ成分が小さくなれば（Ｓ２）、引き続きＢ２のＸ成分を－側にαだけ補正し（Ｓ３）、特徴ベクトルのＸ成分の符合が反転するまで（Ｓ４）Ｓ３を繰り返す。符合の反転が起こったときには補正が行き過ぎたことになるので、Ｂ２のＸ成分を＋側にαだけ補正する（Ｓ５）。
　ステップＳ１の後に特徴ベクトルのＸ成分が大きくなった場合には、ステップＳ３～Ｓ５の場合と補正の符合を反転させたステップＳ６～Ｓ８が行われる。以上、ステップＳ１～Ｓ９で軸上２次コマ収差Ｂ２のＸ成分が補正され、Ｙ成分についても同様の手順がステップＳ９～Ｓ１６で行われることで軸上２次コマ収差Ｂ２の補正が完了する。
　尚、ステップＳ２とステップＳ１０で特徴ベクトルのＸ成分とＹ成分がそれぞれ減少する方向を判定する必要があるのは、ロンチグラムを取得するときのデフォーカスの符合が反転すると特徴ベクトルの方向がほぼ１８０度反転するためである。従って、ロンチグラムを取得するときのデフォーカスを固定しておき、軸上２次コマ収差Ｂ２のＸ成分とＹ成分それぞれの増減と、特徴ベクトルのＸ成分とＹ成分それぞれの増減との対応をあらかじめ調べておけば、ステップＳ２とステップＳ１０での分岐は不要になる。
　図１１（ａ）（ｂ）は図１０に示したフローチャートに基づいて軸上２次コマ収差Ｂ２が補正される過程の一例について、特徴ベクトルとロンチグラムの変化を示したものであり、（ａ）はＸ成分、（ｂ）はＹ成分を示す。図１１（ａ）のＸ１を初期状態とする。初期状態からＢ２のＸ成分を－側にα（＝１００ｎｍ）だけ補正するとＸ０になり、このとき特徴ベクトルのＸ成分は－側に増加する。つまり補正の方向が逆だったことになるので、Ｂ２のＸ成分を＋側にαだけ補正していく。特徴ベクトルのＸ成分は、Ｘ３まで符合が負で大きさが減少していき、Ｘ４になると符合が正に反転する。よって、Ｘ４の一歩手前のＸ３で特徴ベクトルのＸ成分が最小となったと判断し、このＸ３をＹ成分補正の初期状態Ｙ０とする。
　次に、Ｂ２のＹ成分を－側にβ（＝１００ｎｍ）だけ補正すると図１１（ｂ）に示すようにＹ１となり、特徴ベクトルのＹ成分は減少する。つまり補正の方向は正しいことになるので、そのまま特徴ベクトルのＹ成分の符合が負に反転するまでＢ２のＹ成分を－側にβだけ補正し続ける。符合の反転したＹ５の一歩手前のＹ４で特徴ベクトルのＹ４成分が最小となったと判断し、Ｂ２の補正が完了する。
　図１１（ａ）では、Ｘ３で特徴ベクトルのＸ成分が最小になると判断したが、実際はＸ３とＸ４の中間辺りで特徴ベクトルのＸ成分が最小になっているように見える。このようなズレは、Ｘ成分を補正する刻み幅αとＹ成分を補正する刻み幅βが大きいほど顕著になる。この問題は、図１２（ａ）（ｂ）に示すように、Ｂ２のＸ成分及びＹ成分の補正量に対する特徴ベクトルのＸ成分及びＹ成分の変化をグラフにし、縦軸が０になる横軸の値をフィッティングと内挿（または外挿）により求めることで解決できる。
　次に、走査透過電子顕微鏡における全収差の補正の手順について説明する。収差補正としては従来から、１次収差補正、２次コマ収差補正、３次収差補正、及び残存収差補正が行われている。図１３は収差補正のフローチャートであり、本実施例に係る２次コマ収差補正と公知技術による収差測定、及び補正方法と組み合わせて使う場合のフローチャートを示している。
　まず、ステップＳ１３１として、従来の方法により１次収差補正を行う。次いで、本実施例に係る方法により２次コマ収差の補正を行う（ステップＳ１３２）。次いで、従来の方法により収差を測定し（ステップＳ１３３）、３次収差が許容範囲よりも大きいか確認（ステップＳ１３４）し、大きい場合には３次元収差補正（ステップＳ１３５）の後、ステップＳ１３１へ戻り、ステップＳ１３２、ステップＳ１３３を繰り返す。３次収差が許容範囲であれば従来の方法により残存収差を補正（ステップＳ１３６）して補正終了となる。
　一般的に、３次収差の補正を行った後には１次収差と２次収差、特に軸上１次非点収差Ａ１と軸上２次コマ収差Ｂ２が大きく発生する。これらを残したまま収差測定を行っても測定精度が出ないため、収差測定の前に軸上１次非点収差Ａ１と軸上２次コマ収差Ｂ２をある程度補正しておく必要がある。本実施例は、軸上２次コマ収差Ｂ２を素早く補正する方法を提供し、公知技術と組み合わせることによって収差補正のプロセスを素早く完了できる。
　以上述べたように、本実施例によれば、特徴ベクトルは軸上2次コマ収差で近似されるため、特徴ベクトルを用いることにより、軸上２次コマ収差を短時間で効率的に補正することが可能な走査透過電子顕微鏡を提供することができる。
　以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。
（１）　電子線源と前記電子線源から放出された電子を電子線として試料に対して照射する電子光学系と前記試料を透過した電子線を検出する検出器と前記電子光学系の収差を補正する収差補正器とを備えた鏡体と、前記鏡体内の前記各構成要素を制御する制御ユニットと、前記検出器の検出信号を処理する情報処理装置とを備えた走査透過電子顕微鏡において、前記情報処理装置は、前記検出器により取得されたロンチグラムを複数領域に分割し、前記複数領域毎に求まる軸外デフォーカスと、前記ロンチグラム中心から前記複数領域の中心までの距離とから、軸上２次コマ収差の大きさと方向を反映した特徴ベクトルを算出することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（２）　上記（１）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記試料はアモルファス試料であり、前記複数領域毎に求まる前記軸外デフォーカスは、前記複数領域に対してそれぞれ計算された自己相関関数の強度分布の等高線を表す楕円の面積の（－１／２）乗として近似されることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（３）　上記（１）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記試料は、大きさの揃った微粒子試料であり、前記複数領域毎に求まる前記軸外デフォーカスは、前記複数領域でのそれぞれの前記微粒子の面積の（－１／２）乗として近似されることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（４）　複数のレンズにより構成される収差補正器と、前記収差補正器により収差の補正された電子線を試料に対して走査する電子光学系と、前記試料を透過した電子線を検出する検出器と、前記検出器の検出信号を処理して走査透過電子線像を形成する情報処理装置を備えた走査透過電子顕微鏡において、前記検出器により取得されたロンチグラム及び軸上２次コマ収差の大きさと方向を反映した特徴ベクトルを表示する画像表示手段を備えたことを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（５）　上記（４）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記画像表示手段は、特徴ベクトルと共に基準円を表示するものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（６）　上記（５）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記特徴ベクトルは、前記基準円の外と内にある場合で色を変えて表示されるものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（７）　上記（１）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記制御ユニットは、軸上２次コマ収差のＸ成分、Ｙ成分を増減する増減手段に接続され、前記増減手段からの入力に基づき前記収差補正器を制御することにより、軸上２次コマ収差の補正を行うものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（８）　上記（７）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記増減手段は、前記特徴ベクトルのＸ成分が最小となるように前記軸上２次コマ収差のＸ成分を増減し、前記特徴ベクトルのＹ成分が最小となるように前記軸上２次コマ収差のＹ成分を増減するものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
（９）　上記（１）に記載の走査透過電子顕微鏡において、
  前記複数領域は、前記複数領域の各々の中心座標について、Ｘ成分に関する和、及びＹ成分に関する和がそれぞれゼロになることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。  
(1０)　上記（９）に記載の走査透過電子顕微鏡において、前記複数領域は、中心を除く３×３のマトリックス領域であることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
１０１…対物前磁場レンズ、１０２…光軸、１０３…試料面、１０４…像面、１０５…コントラストが一様な領域、２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ…収差のない光学系を通る電子線束、２０２…等間隔な縞模様を持った仮想的な試料、２０３…試料の投影像（縞模様は等間隔）、２０４ａ、２０４ｂ…収差のある光学系を通る電子線束、２０５…試料の投影像（縞模様の間隔は一定ではない）、７０１…鏡体、７０２…制御ユニット、７０３…情報処理装置、７０４…ディスプレイ、７０５…キーボード、７０６…マウス、７０７…軸上２次コマ収差を補正するための制御卓、７０８…軸上２次コマ収差のＸ成分を補正するつまみ、７０９…軸上２次コマ収差のＹ成分を補正するつまみ、８０１…電子線源、８０２ａ…１段目静電レンズ、８０２ｂ…２段目静電レンズ、８０２ｃ…３段目静電レンズ、８０３ａ…１段目集束レンズ、８０３ｂ…２段目集束レンズ、８０４…集束絞り、８０５…収差補正器、８０６ａ…上段スキャンコイル、８０６ｂ…下段スキャンコイル、８０７…対物前磁場レンズ、８０８…試料、８０９…対物後磁場レンズ、８１０…投影レンズ、８１１…アライメントコイル、８１２…暗視野像検出器、８１３…明視野像検出器、８１４…カメラ、９０１…ロンチグラム表示部、９０２…特徴ベクトル表示部、９０３…特徴ベクトル、９０４…基準円、９０５…基準円の大きさを設定するテキストボックス、９０６…特徴ベクトルのＸ成分を表示するラベル、９０７…特徴ベクトルのＹ成分を表示するラベル、９０８…軸上２次コマ収差のＸ成分を＋方向に補正するボタン、９０９…軸上２次コマ収差のＸ成分を－方向に補正するボタン、９１０…軸上２次コマ収差のＹ成分を＋方向に補正するボタン、９１１…軸上２次コマ収差のＹ成分を－方向に補正するボタン、９１２…自動補正時に軸上２次コマ収差のＸ成分を変化させる刻み幅を設定するテキストボックス、９１３…自動補正時に軸上２次コマ収差のＹ成分を変化させる刻み幅を設定するテキストボックス、９１４…自動補正を実行するボタン。

Claims (10)

  1. 　電子線源と前記電子線源から放出された電子を電子線として試料に対して照射する電子光学系と前記試料を透過した電子線を検出する検出器と前記電子光学系の収差を補正する収差補正器とを備えた鏡体と、前記鏡体内の前記各構成要素を制御する制御ユニットと、前記検出器の検出信号を処理する情報処理装置とを備えた走査透過電子顕微鏡において、
      前記情報処理装置は、前記検出器により取得されたロンチグラムを複数領域に分割し、前記複数領域毎に求まる軸外デフォーカスと、前記ロンチグラム中心から前記複数領域の中心までの距離とから、軸上２次コマ収差の大きさと方向を反映した特徴ベクトルを算出することを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  2. 　請求項１に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記試料はアモルファス試料であり、
      前記複数領域毎に求まる前記軸外デフォーカスは、前記複数領域に対してそれぞれ計算された自己相関関数の強度分布の等高線を表す楕円の面積の（－１／２）乗として近似されることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  3. 　請求項１に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記試料は、大きさの揃った微粒子試料であり、
      前記複数領域毎に求まる前記軸外デフォーカスは、前記複数領域でのそれぞれの前記微粒子の面積の（－１／２）乗として近似されることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  4. 　複数のレンズにより構成される収差補正器と、前記収差補正器により収差の補正された電子線を試料に対して走査する電子光学系と、前記試料を透過した電子線を検出する検出器と、前記検出器の検出信号を処理して走査透過電子線像を形成する情報処理装置を備えた走査透過電子顕微鏡において、
      前記検出器により取得されたロンチグラム及び軸上２次コマ収差の大きさと方向を反映した特徴ベクトルを表示する画像表示手段を備えたことを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  5. 　請求項４に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記画像表示手段は、特徴ベクトルと共に基準円を表示するものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  6. 　請求項５に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記特徴ベクトルは、前記基準円の外と内にある場合で色を変えて表示されるものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  7. 　請求項１に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記制御ユニットは、軸上２次コマ収差のＸ成分、Ｙ成分を増減する増減手段に接続され、前記増減手段からの入力に基づき前記収差補正器を制御することにより、軸上２次コマ収差の補正を行うものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  8. 　請求項７に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記増減手段は、前記特徴ベクトルのＸ成分が最小となるように前記軸上２次コマ収差のＸ成分を増減し、前記特徴ベクトルのＹ成分が最小となるように前記軸上２次コマ収差のＹ成分を増減するものであることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  9. 　請求項１に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記複数領域は、前記複数領域の各々の中心座標について、Ｘ成分に関する和、及びＹ成分に関する和がそれぞれゼロになることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
  10. 　請求項９に記載の走査透過電子顕微鏡において、
      前記複数領域は、中心を除く３×３のマトリックス領域であることを特徴とする走査透過電子顕微鏡。
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