JP4790567B2 - ロンチグラムを用いた収差測定方法及び収差補正方法及び電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は電子線を試料上に集束させ、その電子線（単に「プローブ」と称することがある）を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示するようにした電子顕微鏡に関わり、特に照射系収差補正器を装備する電子顕微鏡におけるロンチグラムを用いた収差測定方法及び収差補正方法及び装置に関する。

透過電子顕微鏡において、電子線を試料上に集束させ、その電子線を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示する方法は、走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）観察法と呼ばれる。ＳＴＥＭ像の空間分解能は、試料に照射される電子線が持つ各種の収差に左右される。近年は、球面収差の補正が可能な収差補正器を照射系に組み込むことにより、従来よりも細かい電子線径を得ることのできる装置が実用化されている。このような装置において、電子線の収差を測定する方法として、以下の２つの方法が知られている。

１）フーリエ分析から計算したプローブ形状を用いて収差を補正する方法
標準サンプル（ｎｍオーダの金微粒子）の暗視野像において、正焦点とアンダー（或いはオーバーフォーカス）像を取得する。そして、正焦点とアンダー（或いはオーバーフォーカス）像を用いてフーリエ分析から計算したプローブ形状を計算し、収差を見積もる。その見積もられた収差から各偏向系や非点収差補正装置のパラメータを変化させ収差補正を行なう。この方法はロンチグラムを用いない方法である。ここで、ロンチグラム（Ronchigram）とは、ＳＴＥＭ像観察モードにおいて、試料上に収束した電子線によりできる試料の無限遠方（後焦点面）射影図形をいう。

２）標準試料（金微粒子）等のロンチグラム観察を行ない、ロンチグラム上に場所（微小角度領域）による倍率の変化から収差を計算している。場所による倍率の変化を計算する際、試料上でビームを移動させ、移動前後のロンチグラム図形の移動量を用いている。その計算された収差から、各偏向系やスチグマを変化させて収差補正を行なう。この方法は、ロンチグラムを用いた方法である。

従来のこの種の装置としては、物体をその物体に集束した粒子ビームで映像化し、その映像を記録し、その記録までの工程をアンダーフォーカス及びオーバーフォーカスしたビームで繰り返し、映像をフーリエ変換し、オーバーフォーカスした映像の変換を集束した映像の変換で分割し、その分割結果を逆変換し、アンダーフォーカスした映像の変換を集束した映像の変換で分割し、その分割結果を逆変換してプローブの輝度プロファイル、即ちオーバーフォーカス及びアンダーフォーカスの光源の映像を決定し、映像の中心についての輪郭の非対称性と、輪郭の幅、特に半値幅、及び／又は中心についての輪郭の曲率を決定し、これらのパラメータについてのプローブの輪郭の差異を映像の収差の決定に用いるものがある（例えば、特許文献１の米国出願公開特許２００３／０００１１０２号公報参照）。

また、荷電粒子線を用いた装置であって、その光学収差を最小にするものにおいて、荷電粒子源と、荷電粒子レンズのプローブ形成システムと、複数の２次元の検出器と、電源と、コンピュータと、好適なソフトウェアとを含み、収差補正を自動で行なうものがある（例えば、特許文献２の米国特許第６５５２３４０号公報参照）。

特表２００３−５２１８０１号公報（段落００７、図２） 米国特許第６５５２３４０号公報（４、５、図２）

前記した従来の方法では、以下に示すような問題がある。

上記技術は、何れの方法も標準サンプルを用いた方法である。この際、実際の試料を観察する場合には、試料交換が必要である。また、観察する試料の場所を探すため、ＳＴＥＭモードからＴＥＭモードに移行する場合もある。多からず、少なからず偏向系やスチグマトールのドリフトが起きる。

実際のサンプル観察時には、各種補正したはずの収差がドリフト（レンズの磁場の時間的変化）により変化しており、その導入された収差から超高分解能像が得られないという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、実際のサンプルに存在するアモルファス部（試料端に存在する数ｎｍのものでよい）のロンチグラム観察を用いて残留する収差を調整することができるロンチグラムを用いた収差測定方法及び収差補正方法及び装置を提供することを目的としている。

照射系収差補正器では、収差を補正する調整法が重要になる。ロンチグラムは、残留する収差により形状が変化する。このロンチグラムを観察することにより、操作者が残留収差の種類を把握し、収差を補正する。また、ロンチグラム図形を画像取得し、自動的に収差の量と大きさを計算する。

（１）請求項１記載の発明は、電子線を試料上に集束させ、その電子線を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示する機能を有する電子顕微鏡において、アモルファスの試料のロンチグラム図形の局所領域の自己相関をとり、該自己相関又は該自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出し、該検出結果に基づいて各収差を計算することを特徴とする。

（２）請求項２記載の発明は、前記自己相関を表わす関数としてガウス関数を用いることを特徴とする。

（３）請求項３記載の発明は、前記自己相関を解析する際、前記自己相関の等コントラスト部を楕円関数でフィッティングすることを特徴とする。

（４）請求項４記載の発明は、前記電子線の収差の絶対値を求めるために、前記ロンチグラム図形を取得した時のフォーカス位置ずれ量と正焦点位置との距離を用いて前記電子線の収差の変化を表わすパラメータを規格化することを特徴とする。

（５）請求項５記載の発明は、前記電子線の収差の絶対値を求めるために、フォーカス位置の異なる２枚のロンチグラム図形を取得し、フォーカス位置の差分距離を用いて前記電子線の収差を表わすパラメータを規格化することを特徴とする。

（６）請求項６記載の発明は、試料に照射する電子線のエネルギーを変えた時の幾何収差の変化をロンチグラムの局所領域の変化として検出し、電子線のエネルギー変化分と焦点ずれの大きさから色収差係数を測定することを特徴とする。

（７）請求項７記載の発明は、前記収差測定方法を用いて収差補正を行なうことを特徴とする。

（８）請求項８記載の発明は、電子線を試料上に集束させ、その電子線を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示する機能を有する電子顕微鏡において、アモルファスの試料のロンチグラムの微小領域の自己相関をとる第１の演算手段と、該自己相関又は該自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出する検出手段と、該検出結果に基づいて各収差を計算する第２の演算手段と、該第２の演算手段の演算結果に基づいて収差補正動作を制御する制御手段とを有することを特徴とする。

（１）請求項１記載の発明によれば、ロンチグラムを用いた自動収差補正を自動的に行なうことができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、前記自己相関を表わす関数としてガウス関数を用いることができる。

（３）請求項３記載の発明によれば、前記自己相関の等コントラスト部を楕円関数でフィッティングすることで、自己相関をより正確に解析することができる。

（４）請求項４記載の発明によれば、電子線の収差の絶対値を求めることができる。

（５）請求項５記載の発明によれば、電子線の収差の絶対値を求めることができる。

（６）請求項６記載の発明によれば、色収差係数を測定することができる。

（７）請求項７記載の発明によれば、収差補正を行なうことができる。

（８）請求項８記載の発明によれば、ロンチグラムを用いた収差補正を自動的に行なうことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。

図１は本発明を実施する装置の構成例を示すブロック図である。図において、１は電子線を発生する電子銃、２は非点収差補正素子（スチグマ）を含む第１収束レンズ、３は照射系の収差を補正する非点収差補正素子を含む照射系収差補正器である。

該照射系収差補正器３には電子線偏向素子と非点補正素子（スチグマを含む）が含まれる。４は電子線偏向素子を含む第２収束レンズ、５は試料上で電子線を走査するための走査部、６は対物レンズ、７は試料ステージ、８は中間・投影レンズ、９は投影された画像を観察する観察室である。観察室９には投影板１０（移動可能）とＣＣＤカメラ１１が備えられている。１２は電子銃１に高電圧を印加する高圧制御部、１３は照射系収差補正器３の収差補正制御部、１４は各レンズの電源を駆動するためのレンズ制御部、１５は走査部５の走査制御部である。試料ステージ７には、試料を含む。さらに、この装置には、画像処理部１６、インターフェース１７、コンピュータ１８、表示装置１９、入力装置２０が備えられている。
このように構成された装置の動作を概説すれば、以下の通りである。

電子銃１から出射された電子線は、第１収束レンズにより収束されると共に、非点収差補正が行われ、照射系収差補正器３に入る。該照射系収差補正器３では、電子線の２次元方向への偏向と、球面収差を含む収差補正を行なう。対物レンズの前方焦点からの電子線は、試料（図示せず）に照射される。

この時、試料を透過した電子線は対物レンズ６の後焦点で収束された後、中間・投影レンズ８を介して観察室９の投影板１０に像が投影される。オペレータは、投影板１０投影された像若しくはＣＣＤカメラ１１で取得された画像を表示装置１９上で見ることができ、入力装置２０を用いて装置を操作できる。

次に、図６に基づいてプローブの収差とロンチグラム図形との関係について説明する。図６において、対物レンズ５の前方焦点面（又は第１収束レンズの絞り面）の角度空間面（これを「開口面」という）を収束角α、方位角をθで表わすと、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３のように開口面上の特定の角度領域を「開口面上での局所角度領域」と呼ぶ。観察室９の投影板１０上にはロンチグラムが観察される。プローブの異なる角度に対応した試料の無限遠方における投影図形がロンチグラム上に投影され、開口面上の局所角度領域とロンチグラム上の局所角度領域とは１対１の関係がある。

次に、収差補正の実際について説明する。図２は収差補正処理を示す図である。図は、本発明の一実施例におけるディスプレイ上に表示した表示画面中のメイン画面の一例を中間調画像の写真で示す図である（以下、図３，図４も同じ）。先ず、手動による場合について説明する。走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）モードにして、ロンチグラムを観察しやすいカメラ長、走査倍率にする。次に、ビームの走査を止めるため、スポットモードにする。次に、ロンチグラムを観察するために、試料端のアモルファス部に移動する。

試料ステージにより試料高さを変えて、試料上にビームをフォーカスさせ、ロンチグラムを観察する。図２（ａ）に示すような白丸で示す中心に、線状の模様が観察される。その周囲は、放射状の模様からなり、球面収差補正素子が６極子よりなる場合には、図２（ｂ）に示すようにＰ，Ｑ，Ｒの３つあるいは6つの放射状模様からなるロンチグラムである。一般的に、球面収差補正器が有る場合は、多数の放射状模様からなるロンチグラムが見られる。

ここで、中心部にある特定の方向性を持った線を、非点補正コイルで線が無くなるようにする。この際、フォーカスを変化させて、図２（ｃ），（ｄ）に示すように線の方向が反転するのを確かめながら行なう。この結果、図２（ｅ）に示すように、正焦点付近で中心部に方向性を持った線がないロンチグラムを得るようにする。これによって二回非点を補正できる。

次に、図３に示すように周囲に見られる放射状模様の線の長さが同じになるように偏向コイルで合わせる。この結果、放射状網の線は、図３（ａ）から（ｅ）又は（ｆ）に示すように変化する。一般的に、偏向コイルでロンチグラム上のすべての放射状模様の形状が均等になるように合わせることによってコマ収差を補正できる。

上記図２及び図３に示す処理を必要回数繰り返し、正焦点で以下のような中心部のコントラストがフラットなロンチグラムを得るようにする。図４は収差補正処理を示す図であり、収差が補正されると、図の真ん中付近のコントラストのない領域が拡大する。

以上に述べたように、ロンチグラム図形中でのアモルファス像の変化から各種収差の様子を捉えることができる。本発明では、上述した工程を自動で行なうようにしたものであり、更に高次の収差まで計算し、補正することができる。

ロンチグラムの画像認識から収差計算を以下のようにして行なう。その収差計算の結果を用いて、コンピュータ制御によって収差補正を行なう。図８は、コンピュータ制御によって収差補正を行なうための手段と工程の例を示すブロック図である。図８において、コンピュータ１８は、アモルファスの試料のロンチグラムの微小領域の自己相関をとる第１の演算手段３０と、自己相関又は自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出する検出手段３１と、検出手段３１による検出結果に基づいて各収差を計算する第２の演算手段３２を備えている。また、収差補正制御部１３は、第２の演算手段の演算結果に基づいて照射系収差補正器３の収差補正動作を制御する。

以下に示す方法は、ロンチグラムの局所領域の自己相関関数から、幾何収差の微分を求めることにより各収差関数を求める方法である。ここで、収差関数χとは、波面収差の和を表したものである。高分解能電子顕微鏡を扱う場合、軸上収差のみを扱うので、以下のような収差となる。各収差は、振幅部と角度部を持つ。

収差関数χ＝焦点ズレ＋２回非点＋３回非点＋軸上コマ＋球面収差＋４回非点＋スター収差＋５回非点＋Three lobe収差＋４次の軸上コマ＋５次の球面収差＋６回非点…
ここで、アモルファスの試料のロンチグラムの微小領域の自己相関をとる演算方法（第１の演算手段により実行される）について説明する。自己相関関数とは、着目する関数をｆとすると、次式で表わされる。

開口面上の収差関数χは、各波面収差関数の収差の和で表わされる。Ｇを幾何収差とし、２次元空間を張る基底ベクトルをｅ１，ｅ２とすると、次式が成り立つ。

（ｅ１，ｅ２）は、例えば（α，θ），（Ｘ，Ｙ）となる。今、位置に関する試料情報を表わす関数をＰとすると、ロンチグラムはＰ（Ｇｅ１，Ｇｅ２）となる。Ｇｅ１，Ｇｅ２を、ｅI，ｅII（ここで、ｅI，ｅIIは２次元平面における（α，θ），（Ｘ，Ｙ）方向の単位ベクトル）のまわりで展開すると、
Ｇｅ１＝ＧｅI＋Ａｄｅ１＋Ｂｄｅ２
Ｇｅ２＝ＧｅII＋Ｂｄｅ１＋Ｃｄｅ２
となる。但し、

ここで、（３）式中の｜ｅI，ｅIIは、偏微分した結果のｅ１，ｅ２にｅI，ｅIIの値を
入れることを表している。偏微分しただけではまだ関数であるので、その関数の変数に前記ｅI，ｅIIの値を代入するものである。これにより、Ａ，Ｂ，Ｃの値が具体的に決まる。即ち、電子線の収差の変化を単位ベクトルの変化として表わすことができる。

アモルファスのような位置に依存しない試料では、ロンチグラムは
Ｐ（Ａｄｅ１＋Ｂｄｅ２，Ｂｄｅ１＋Ｃｄｅ２）
となる。このように、ロンチグラムの局所領域では、「開口面上における局所角度領域から形成される電子線（プローブ）の幾何収差」を見ることができる。

次に、自己相関又は自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出する方法（検出手段３１によって実行される）について説明する。
上記の自己相関関数をフーリエ解析すれば、プローブ形状（即ちプローブの収差）を求めることができる。ここで、アモルファス像の自己相関関数をガウス関数

となるとすると、ロンチグラムの各局所領域での自己相関関数は

となる。よって、（Ａｄｅ１＋Ｂｄｅ２）＾２＋（Ｂｄｅ１＋Ｃｄｅ２）＾２を自己相関図形からフィティングしてＡ，Ｂ，Ｃを測定する。上記の説明では、アモルファス像の自己相関関数をガウス関数とおいたが、必ずしもガウス関数を仮定する必要はない。例えば、自己相関を解析する際、自己相関図形の等コントラスト部を、

（但し、Ｋは定数）
とする楕円関数でフィッティングしてもよい。

次に、上記の検出結果に基づいて各収差を計算する収差計算方法（第２の演算手段３２によって実行される）について説明する。図５は実際のロンチグラム図形と自己相関図形を示す図である。図５（ａ）に示すようにロンチグラム領域を局所領域に分割する。ここでは、３×３の小領域に分割した例を示している。図５（ｂ）は（ａ）に示す局所領域での自己相関関数とそのフィティング例を示している。図５（ｂ）中の楕円状の白線はこの部分が等コントラスト部であることを示している。この白線に囲まれた部分の方向と大きさからＡ，Ｂ，Ｃが求められる。なお、補正精度を向上させるため、実用上は図７のフィッティング例に示すように７×７程度の小領域に分割することが多い。

ロンチグラムの各局所領域での自己相関関数から、Ａ，Ｂ，Ｃを測定する。ここで、前記Ａ，Ｂ，Ｃを測定するに際し、（１）式で示した自己相関関数を用いる。前記Ａ，Ｂ，Ｃの絶対値は、例えばロンチグラム図形を取得した際の正焦点からのフォーカスずれ量で規格化することにより求めることができる。この規格化は、自己相関関数をガウス関数とおく方法では、（５）式中のσを決めることに相当し、自己相関図形の等コントラスト部を楕円関数でフィッティングする方法では、（６）式中の定数Ｋを決めることに相当する。なお、正焦点からのフォーカスずれ量の代わりに、フォーカス位置の異なる２枚のロンチグラム図形を取得し、フォーカス位置の差分をとって規格化に用いることもできる。そして、幾つかのＡ，Ｂ，Ｃの測定結果から、（３）式の関係を使用して収差関数を計算する。

計算した収差を元に、収差補正制御部１３は照射系収差補正器３の各補正素子にその収差をキャンセルするような励磁をして、収差を自動的に補正する。

なお、必ずしも計算結果に基づく収差補正をコンピュータ制御によって自動的に行なう必要はなく、計算した収差又は計算結果に基づく補正量を図１の表示装置１９に表示し、表示された結果を見ながら操作者が補正操作を行なうようにしてもよい。

上述の説明において、「開口面における局所角度領域から形成されるプローブの幾何収差」を補正する方法を述べたが、必ずしも幾何収差の補正に限定する必要はない。即ち、試料に照射する電子プローブのエネルギー（加速電圧）を変えた時の幾何収差の変化（焦点ずれ）を、ロンチグラムの局所領域の変化として検出することができる。このエネルギー変化分と焦点のずれの大きさから色収差係数Ｃｃを測定することができ、また色収差の補正を行なうことができる。

このようにして、本発明によれば、実際のサンプルに存在するアモルファス部（試料端に存在する数ｎｍのものでよい）のロンチグラム観察を用いて残留する収差を調整することができるロンチグラムを用いた収差測定方法及び収差補正方法及びこれらの方法によって収差補正を行なう電子顕微鏡を提供することができる。

本発明を実施する構成例を示すブロック図である。 収差補正処理を示す図である。 収差補正処理を示す図である。 収差補正処理を示す図である。 実際のロンチグラムの図形と自己相関図形を示す図である。 プローブの収差とロンチグラム図形との関係を示す図である。 ７×７に分割した自己相関図形の例を示す図である。 本発明を実施する手段と実施工程の例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 電子銃
２ 第１収束レンズ
３ 照射系収差補正器
４ 第２収束レンズ
５ 走査部
６ 対物レンズ
７ 試料ステージ
８ 中間・投影レンズ
９ 観察室
１１ ＣＣＤカメラ
１２ 高圧制御部
１３ 収差補正制御部
１４ レンズ制御部
１５ 走査制御部
１６ 画像処理部
１７ インターフェース
１８ コンピュータ
１９ 表示装置
２０ 入力装置
３０ 第１の演算手段
３１ 検出手段
３２ 第２の演算手段

Claims (8)

1. 電子線を試料上に集束させ、その電子線を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示する機能を有する電子顕微鏡において、
   アモルファスの試料のロンチグラム図形の局所領域の自己相関をとり、
   該自己相関又は該自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出し、
   該検出結果に基づいて各収差を計算することを特徴とするロンチグラムを用いた収差測定方法。
2. 前記自己相関を表わす関数としてガウス関数を用いることを特徴とする請求項１記載の収差測定方法。
3. 前記自己相関を解析する際、前記自己相関の等コントラスト部を楕円関数でフィッティングすることを特徴とする請求項１記載の収差測定方法。
4. 前記電子線の収差の絶対値を求めるために、前記ロンチグラム図形を取得した時のフォーカス位置ずれ量と正焦点位置との距離を用いて前記電子線の収差の変化を表わすパラメータを規格化することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の収差測定方法。
5. 前記電子線の収差の絶対値を求めるために、フォーカス位置の異なる２枚のロンチグラム図形を取得し、フォーカス位置の差分距離を用いて前記電子線の収差を表わすパラメータを規格化することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の収差測定方法。
6. 試料に照射する電子線のエネルギーを変えた時の幾何収差の変化をロンチグラムの局所領域の変化として検出し、電子線のエネルギー変化分と焦点ずれの大きさから色収差係数を測定することを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載の収差測定方法。
7. 前記収差測定方法を用いて収差補正を行なうことを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の収差補正方法。
8. 電子線を試料上に集束させ、その電子線を試料上で走査して、試料を透過した電子の検出信号を電子線走査に同期させて画像表示する機能と、照射系の電子線の収差を補正する収差補正装置とを有する電子顕微鏡において、
   アモルファスの試料のロンチグラムの微小領域の自己相関をとる第１の演算手段と、
   該自己相関又は該自己相関のフーリエ解析から開口面上における局所角度領域から形成される電子線の収差を検出する検出手段と、
   該検出結果に基づいて各収差を計算する第２の演算手段と、
   該第２の演算手段の演算結果に基づいて該収差補正装置の収差補正動作を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする電子顕微鏡。

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