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JP6857575B2 - 収差測定方法および電子顕微鏡 - Google Patents

収差測定方法および電子顕微鏡 Download PDF

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Description

本発明は、収差測定方法および電子顕微鏡に関する。
走査透過電子顕微鏡（ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、ＳＴＥＭ）は、収束させた電子ビームを試料上で走査し、電子ビームの走査と同期させながら試料からの透過電子あるいは散乱電子による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（以下、「ＳＴＥＭ像」ともいう）を得る電子顕微鏡である。走査透過電子顕微鏡は、原子レベルの極めて高い空間分解能が得られるため、近年、注目を集めている。走査透過電子顕微鏡の空間分解能は、試料に入射する電子ビームのビーム径に依存しているため、高分解能化を図るためには収差の低減が重要になる。
例えば、特許文献１には、分割型検出器を搭載した走査透過電子顕微鏡における収差測定方法が開示されている。特許文献１に開示された収差測定方法では、分割型検出器を用いて相互に位置の異なる複数の検出領域の各々からＳＴＥＭ像を同時に取得し、同時に取得されたＳＴＥＭ像を用いて各収差係数の算出を行う。
また、例えば、特許文献２には、ロンチグラム（Ｒｏｎｃｈｉｇｒａｍ）を用いた収差測定方法が開示されている。ここで、ロンチグラムとは、ＳＴＥＭ像観察モードにおいて、試料上に収束した電子ビームによりできる試料の無限遠方（後焦点面）射影図形をいう。
特開２０１２−２２９７１号公報 特開２００７−１８００１３号公報
図１４および図１５は、走査透過電子顕微鏡における収差測定方法について説明するための図である。図１４および図１５では、便宜上、走査透過電子顕微鏡の照射系絞り１００２、対物レンズ（照射系）１００４、および検出器１００６のみを図示している。
図１４および図１５に示すように、走査透過電子顕微鏡において、試料Ｓに対する電子ビームの入射角を変化させると、対物レンズ１００４に存在する各収差の次数、大きさ、および向きに依存して、試料Ｓ上の電子ビームの通過位置が変化する。このとき、入射角ごとに電子ビームを検出して、入射角ごとにＳＴＥＭ像を生成すると、それらの間には、相対的な像シフトが現れる。この像シフトは、波面収差の１階微分（幾何収差）に対応する。そのため、この像シフトを求めることで、対物レンズの収差を測定することができる。
しかし、幾何収差を用いた収差測定を行う際に、対物レンズの光軸と検出器の軸との間に軸ずれがあると、測定したい本来の収差に加え、当該軸ずれに起因した見かけの収差が検出される。この見かけの収差は、高次収差の影響が見かけの低次収差として現れたものである。例えば、球面収差からはコマ収差が主な見かけの収差として現れる。また、コマ収差からは二回非点とデフォーカスが主な見かけの収差として現れる。この見かけの収差
は、本来の収差に重畳される。
図１６および図１７は、軸ずれによる見かけの収差の発生の様子を説明するための図である。
図１６および図１７では、対物レンズ１００４に球面収差のみが存在している。図１６に示すように、対物レンズ１００４の光軸１００５と検出器１００６の軸１００７（検出面の中心、収差の計算の際の座標原点の位置）との間に軸ずれがない場合、球面収差のみが検出される。
これに対して、図１７に示すように、対物レンズ１００４の光軸１００５と検出器１００６の軸１００７との間に軸ずれがある場合、この軸ずれによって検出面に入射する電子ビームの検出器１００６側から見た入射角が試料Ｓに入射する電子ビームの実際の入射角と異なる角度となる。この結果、低次の見かけの収差（ここではコマ収差）が検出される。なお、図１７では、軸ずれがない場合の電子ビームの経路を破線で示し、軸ずれがある場合の検出器１００６側から見た電子ビームの経路を実線で示している。
このように、軸ずれが存在する場合には、低次の見かけの収差が発生することから、本来の低次の収差を正確に計算することは困難である。そのため、検出器１００６の検出面における、対物レンズ１００４の光軸１００５の位置を正確に決定し、光軸１００５と軸１００７とを一致させる必要がある。
図１８および図１９は、対物レンズ１００４の光軸１００５の位置を求める手法の一例を説明するための図である。図１８および図１９では、便宜上、照射系絞り１００２、照射系偏向器１０１２、走査コイル１０１４、および対物レンズ１００４のみを図示している。なお、図１８は、オーバーフォーカスにした状態を図示しており、図１９は、アンダーフォーカスにした状態を図示している。
対物レンズ１００４のデフォーカスを変えた前後のＳＴＥＭ像から、検出器１００６の検出面における光軸１００５の位置を測定することができる。対物レンズ１００４にデフォーカスを加えると、試料ＳのＳＴＥＭ像はぼけると同時に、電子ビームの入射角に応じてシフトする。対物レンズ１００４の光軸１００５と検出器１００６の軸１００７とがずれている場合、デフォーカスによる像のシフトの他に、見かけの収差（平行移動）が現れる。デフォーカスを加える前後のＳＴＥＭ像から、デフォーカスによる像シフトの方向と大きさを求めることにより、対物レンズ１００４の光軸１００５の位置を求めることができる。デフォーカスによる像シフトのみが生じ、見かけの収差（平行移動）が現れない位置が光軸１００５の位置である。
しかしながら、対物レンズ１００４の光軸１００５と対物レンズ１００４の電流軸との間に軸ずれがある場合には、デフォーカスを変化させるに従って電流軸のずれに起因する像シフト（平行移動）が加わる。
図２０および図２１は、対物レンズ１００４の光軸１００５と対物レンズ１００４の電流軸との間の軸ずれによる像シフトを説明するための図である。なお、図２０は、対物レンズ１００４の光軸１００５と電流軸との間に軸ずれがない場合であり、図２１は、対物レンズ１００４と電流軸との間に軸ずれがある場合である。また、図２０および図２１では、オーバーフォーカスを一点鎖線で示し、アンダーフォーカスを破線で示している。
対物レンズ１００４の光軸１００５と電流軸との間に軸ずれがある場合、図２１に示すように、デフォーカスを変化させると、電流軸のずれに起因する像シフト（平行移動）が
生じる。
この像シフトは、デフォーカスに対して１次の関数で表され、極値を持たない。そのため、光軸１００５と軸１００７との間の軸ずれによる像シフトと、光軸１００５と電流軸のずれによる像シフトと、を分離することは困難である。したがって、対物レンズ１００４のデフォーカスを変えた前後のＳＴＥＭ像から、検出器１００６の検出面における光軸１００５の位置を測定する手法では、検出面における光軸１００５の位置を正確に求めることができない。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、対物レンズの収差を正確に測定することができる収差測定方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、対物レンズの収差を正確に測定することができる電子顕微鏡を提供することにある。
本発明に係る収差測定方法は、
試料に照射される電子ビームを収束する対物レンズと、前記試料を透過した電子ビームを検出する検出器と、を備えた電子顕微鏡における対物レンズの収差測定方法であって、
前記対物レンズにコマ収差を導入する工程と、
前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の前に、前記対物レンズの収差を測定する工程と、
前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の後に、前記対物レンズの収差を測定する工程と、
コマ収差を導入する前後の前記対物レンズの収差の測定結果に基づいて、前記検出器の検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める工程と、
を含む。
このような収差測定方法では、対物レンズにコマ収差を導入する前後における見かけの収差の変化に基づいて、検出面における対物レンズの光軸の位置を求めることができるため、当該位置を容易かつ正確に求めることができる。これにより、対物レンズの光軸と検出器の軸とが合った状態で収差の測定を行うことができる。したがって、見かけの収差が発生せず、対物レンズの収差を正確に測定することができる。
本発明に係る電子顕微鏡は、
試料に照射される電子ビームを収束する対物レンズと、
前記試料を透過した電子ビームを検出する検出器と、
前記対物レンズの収差を測定する収差測定部と、
を含み、
前記収差測定部は、
前記対物レンズにコマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、前記検出器の検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める処理を行う。
このような電子顕微鏡では、収差測定部が検出面における対物レンズの光軸の位置を求める処理を行うため、対物レンズの収差を正確に測定することができる。
第１実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 分割型検出器の検出面を模式的に示す図。 収差測定用絞りを分割型検出器の上方に配置した状態を模式的に示す図。 第１実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 第１実施形態に係る収差測定方法の一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る電子顕微鏡における処理部の処理の流れの一例を示すフローチャート。 第１実施形態に係る収差測定方法の変形例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の構成を示す図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡の動作を説明するための図。 第２実施形態に係る収差測定方法の一例を示すフローチャート。 ロンチグラムにおいて、対物レンズの光軸の位置と収差計算の座標原点の位置とを示す図。 第２実施形態に係る電子顕微鏡における処理部の処理の流れの一例を示すフローチャート。 第２実施形態に係る収差測定方法の変形例を示すフローチャート。 走査透過電子顕微鏡における収差の測定方法について説明するための図。 走査透過電子顕微鏡における収差の測定方法について説明するための図。 軸ずれによる見かけの収差の発生の様子を説明するための図。 軸ずれによる見かけの収差の発生の様子を説明するための図。 対物レンズの光軸の位置を求める手法の一例を説明するための図。 対物レンズの光軸の位置を求める手法の一例を説明するための図。 対物レンズの光軸と対物レンズの電流軸との間に軸ずれによる像シフトを説明するための図。 対物レンズの光軸と対物レンズの電流軸との間に軸ずれによる像シフト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． 第１実施形態
１．１． 電子顕微鏡
まず、第１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、第１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、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）である。すなわち、電子顕微鏡１００は、電子ビームで試料Ｓ上を走査し、電子ビームの照射位置ごとに試料Ｓを透過した電子ビームの強度情報を取得して走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を生成する装置である。
電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源１０と、照射系レンズ１２と、照射系絞り１４と、照射系偏向器１６と、走査コイル１８と、対物レンズ２０と、試料ステージ２２と、試料ホルダー２３と、中間レンズ２４と、投影レンズ２６と、結像系偏向器２８と、分割型検出器３０（検出器の一例）と、収差測定用絞り３２と、制御装置４０と、処理部５０と、操作部６０と、表示部６２と、記憶部６４と、を含む。
電子源１０は、電子ビームを放出する。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ビームを放出する電子銃である。
照射系レンズ１２は、電子源１０から放出された電子ビームを試料Ｓに照射する。照射系レンズ１２は、図示はしないが、コンデンサーレンズやコンデンサーミニレンズなどの複数の電子レンズで構成されていてもよい。コンデンサーレンズは、電子源１０から放出
された電子ビームを収束する。コンデンサーミニレンズは、コンデンサーレンズと対物レンズ２０との間に配置される。コンデンサーミニレンズは、観察モードに適した収束角を持つ電子ビームを形成する。
照射系絞り１４は、試料Ｓに照射される電子ビームの開き角や照射量を制御するための絞りである。
照射系偏向器１６は、電子源１０から放出された電子ビームを二次元的に偏向させる。照射系偏向器１６は、電子ビームを試料Ｓ上でシフトさせたり、電子ビームを試料Ｓ上で傾斜させたりすることができる。照射系偏向器１６は、例えば、２段の偏向コイルで構成されており、１段目の偏向コイルで電子ビームを偏向し、２段目の偏向コイルで偏向した電子ビームを振り戻すことができる。なお、照射系偏向器１６は、２段の偏向コイルで構成されている例に限定されない。照射系偏向器１６は、例えば、多段に配置された偏向素子（偏向コイル、偏向板など）で構成されてもよい。照射系偏向器１６で電子ビームを偏向させることにより、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させることができる。
走査コイル１８（走査偏向器の一例）は、電子源１０から放出された電子ビームを二次元的に偏向させる。走査コイル１８は、電子ビーム（電子プローブ）で試料Ｓ上を走査するためのコイルである。
対物レンズ２０は、電子ビームを試料Ｓ上に収束させて、電子プローブを形成する。また、対物レンズ２０は、試料Ｓを透過した電子ビームで結像する。
電子顕微鏡１００では、試料Ｓに電子ビームを照射するための照射系が、照射系レンズ１２、照射系絞り１４、照射系偏向器１６、走査コイル１８、および対物レンズ２０を含んで構成されている。また、図示はしないが、照射系に、照射系（対物レンズ２０）の収差を補正するための収差補正装置が組み込まれていてもよい。これにより、後述する収差測定の結果に基づき収差補正装置を動作させることで、照射系（対物レンズ２０）の収差を低減できる。なお、電子顕微鏡１００の照射系は、これらのレンズや、絞り、偏向器以外の光学素子を備えていてもよい。
試料ステージ２２は、試料Ｓを保持する。図示の例では、試料ステージ２２は、試料ホルダー２３を介して、試料Ｓを保持している。試料ステージ２２は、試料Ｓを水平方向や鉛直方向に移動させることができる。また、試料ステージ２２は、傾斜機構を有しており、試料Ｓを、互いに直交する２つの軸まわりに傾斜（回転）させることができる。
中間レンズ２４および投影レンズ２６は、対物レンズ２０で形成された像を分割型検出器３０の検出面３０２に投影する。
結像系偏向器２８は、試料Ｓを透過した電子ビームを二次元的に偏向させる。結像系偏向器２８は、分割型検出器３０の前段（電子ビームの流れの上流側）に配置されている。結像系偏向器２８で電子ビームを偏向させることにより、分割型検出器３０の検出面３０２の所望の位置に電子ビームを入射させることができる。
分割型検出器３０は、試料Ｓを透過した電子ビームを検出する検出面３０２が複数の検出領域に分割された検出器である。
図２は、分割型検出器３０の検出面３０２を模式的に示す図である。
分割型検出器３０の検出面３０２は、図２に示すように、複数の検出領域Ｄ１，Ｄ２，
Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６，Ｄ７，Ｄ８に分割されている。図２に示す例では、分割型検出器３０は、円環状の検出面３０２を偏角方向（角度方向、円周方向）に４等分することで形成された、４つの検出領域Ｄ１〜Ｄ８を備えている。各検出領域Ｄ１〜Ｄ８では、独立して電子ビームを検出することができる。
なお、検出面３０２における検出領域の数は特に限定されない。分割型検出器３０は、図示はしないが、例えば、偏角方向にＮ個（Ｎは正の整数）、動径方向にＭ層（Ｍは正の整数）に分割されて、Ｎ×Ｍ個の検出領域Ｄ１〜Ｄ（Ｎ×Ｍ）を有することができる（図２に示す例ではＮ＝４，Ｍ＝２）。
分割型検出器３０は、例えば、図示はしないが、電子ビームを光に変換する電子−光変換素子（シンチレーター）と、電子−光変換素子を複数の検出領域Ｄ１〜Ｄ８に分割するとともに各検出領域Ｄ１〜Ｄ８からの光を伝送する光伝送路（光ファイバー束）と、光伝送路から伝送された検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとの光を電気信号に変換する複数の光検出器（光電子増倍管）と、を含んで構成されている。分割型検出器３０は、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとに、検出された電子ビーム（信号）の強度（信号量）に応じた信号を出力する。分割型検出器３０の出力信号は、制御装置４０で所定の処理（Ａ／Ｄ変換、増幅など）が行われ、処理部５０に送られる。
収差測定用絞り３２は、分割型検出器３０（検出面３０２）の上方に配置されている。収差測定用絞り３２は、移動可能に構成されており、例えば、収差を測定するためのＳＴＥＭ像の撮影を行う際には分割型検出器３０の上方に配置され、通常の試料Ｓの観察のためのＳＴＥＭ像の撮影を行う際には退避位置（電子ビームの経路外）に配置される。収差測定用絞り３２は、分割型検出器３０の検出領域Ｄ１〜Ｄ８の電子ビームが入射する領域を制限する。
図３は、収差測定用絞り３２を分割型検出器３０の上方に配置した状態を模式的に示す図である。なお、図３は、収差測定用絞り３２を電子ビームの入射方向から見た図である。
収差測定用絞り３２は、複数の絞り孔３２２を有している。各絞り孔３２２は、検出領域Ｄ１〜Ｄ８に対応して設けられている。図３に示す例では、絞り孔３２２は、検出領域Ｄ１〜Ｄ８に１対１に対応して８個設けられている。絞り孔３２２の大きさ（開口の面積）は、対応する検出領域Ｄ１〜Ｄ８の大きさ（面積）よりも小さい。各検出領域Ｄ１〜Ｄ８には、対応する絞り孔３２２を通過した電子のみが検出される。すなわち、絞り孔３２２によって、各検出領域Ｄ１〜Ｄ８の電子が入射する領域を制限することができる。これにより、例えば、偏角方向の分解能を向上させることができる。
なお、分割型検出器３０では、絞り孔３２２の大きさが小さくなるに従って偏角方向の分解能が向上するが、検出される信号量が減少してしまうためＳＮ比が悪化してしまう。そのため、絞り孔３２２の大きさは、要求される分解能およびＳＮ比に応じて適宜設定される。
収差測定用絞り３２が、検出面３０２の中心からｍ層目（ｍ＝１，２，・・・，Ｍ）に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２２を有している場合、絞り孔３２２は、３６０／Ｎ度おきに設けられる。例えば、図３に示す例では、１層目に配置された４個の検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２２が９０度（３６０／４度）おきに設けられている。２層目についても同様に、４個の検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２２が９０度おきに設けられている。
また、検出面３０２の中心からｍ層目に配置されたＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２２の偏角方向の配置は、検出面３０２の中心（軸３０４）からｍ−１層目に位置するＮ個の検出領域に対応するＮ個の絞り孔３２２の偏角方向の配置を、１８０／Ｎ度回転させた配置である。例えば、図３に示す例では、２層目に配置された４個の検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２２の偏角方向の配置は、１層目に配置された４個の検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２２の角度方向の配置を４５度（１８０／４度）回転させた配置である。検出領域Ｄ１と検出領域Ｄ２との境界を０度とした場合、検出領域Ｄ５〜Ｄ８に対応する４個の絞り孔３２２は、それぞれ６５°、１５５°、２４５°、３３５°に配置され、検出領域Ｄ１〜Ｄ４に対応する４個の絞り孔３２２は、それぞれ２０°、１１０°、２００°、２９０°に配置されている。
なお、収差測定用絞り３２における絞り孔３２２の数や配置はこの例に限定されない。収差測定用絞り３２における絞り孔３２２の数や配置は、測定する収差の種類に応じて決定される。
収差測定用絞り３２を挿入した状態で、試料Ｓを透過した電子ビームを分割型検出器３０で検出することにより、分割型検出器３０の各検出領域Ｄ１〜Ｄ８で得られるＳＴＥＭ像は、試料Ｓに対する入射角および方位角の異なる電子ビームで得られた像となる。すなわち、収差測定用絞り３２および分割型検出器３０を用いることで、試料Ｓに対する入射角および方位角の異なる電子ビームで得られる複数のＳＴＥＭ像を、同時に取得することができる。
ここで、試料Ｓに対する電子ビームの入射角は、試料Ｓに入射する電子ビームの収束角ということもできる。また、試料Ｓに対する電子ビームの入射角は、対物レンズ２０の光軸２０２に対する電子ビームの傾き角である。
電子顕微鏡１００では、分割型検出器３０および収差測定用絞り３２を用いて得られた、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を用いて、対物レンズ２０（照射系）の収差を測定することができる。この収差測定方法については、後述する。
制御装置４０は、電子顕微鏡１００を構成する各部（上述した光学系や試料ステージ２２等）を制御するための装置である。制御装置４０は、例えば、制御部５２からの制御信号に基づいて、電子顕微鏡１００を構成する各部を制御する。
操作部６０は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部５０に送る処理を行う。操作部６０は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどである。
表示部６２は、処理部５０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、ＣＲＴなどにより実現できる。
記憶部６４は、処理部５０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６４は、処理部５０の作業領域として用いられ、処理部５０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６４の機能は、ハードディスク、ＲＡＭなどのメモリー（記憶装置）により実現できる。
処理部５０は、記憶部６４に記憶されているプログラムに従って、各種の制御処理や計算処理を行う。処理部５０は、記憶部６４に記憶されているプログラムを実行することで、以下に説明する、制御部５２、画像生成部５４、収差測定部５６として機能する。処理
部５０の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）でプログラムを実行することにより実現することができる。なお、処理部５０の機能の少なくとも一部を、ＡＳＩＣ（ゲートアレイ等）などの専用回路により実現してもよい。処理部５０は、制御部５２と、画像生成部５４と、収差測定部５６と、を含む。
制御部５２は、電子顕微鏡１００を構成する各部を制御するための制御信号を生成する処理を行う。制御部５２は、例えば、操作部６０を介したユーザーの指令に応じて制御信号を生成し、制御装置４０に送る処理を行う。
画像生成部５４は、分割型検出器３０の出力信号に基づいて、ＳＴＥＭ像を生成する処理を行う。画像生成部５４は、分割型検出器３０の検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとにＳＴＥＭ像を生成する。
収差測定部５６は、対物レンズ２０（照射系）の収差を測定する処理を行う。収差測定部５６の処理の詳細については、後述する。
１．２． 収差測定方法
次に、第１実施形態に係る収差測定方法について説明する。第１実施形態に係る収差測定方法は、電子顕微鏡１００における対物レンズ２０（照射系）の収差測定方法である。
図４は、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の動作を説明するための図である。なお、図４では、便宜上、照射系を構成するレンズ群（照射系レンズ１２など）を照射系合成レンズ２とし、結像系を構成するレンズ群（中間レンズ２４、投影レンズ２６など）を結像系合成レンズ４としている。また、図４は、照射系偏向器１６で電子ビームを傾斜させている様子を図示している。また、図４では、対物レンズ２０の光軸２０２を通る電子ビームの経路を破線で表し、電子ビームの主光線の経路を一点鎖線で示している。
対物レンズ２０の上方には、電子源１０側から、照射系絞り１４、照射系合成レンズ２、照射系偏向器１６、走査コイル１８、対物レンズ２０が配置されている。照射系偏向器１６で電子ビームを偏向させることにより、対物レンズ２０の光軸２０２に対する電子ビームの傾き（試料Ｓに対する電子ビームの入射角）を変化させることができる。そのため、電子顕微鏡１００では、対物レンズ２０の光軸２０２に対して電子ビームを傾けた状態で、試料Ｓを走査することができる。
分割型検出器３０の上方には、収差測定用絞り３２が配置されている。そのため、電子顕微鏡１００では、ＳＴＥＭモードにおける透過ディスク（ロンチグラム）の一部を選択してＳＴＥＭ像を形成することができる。
図５は、第１実施形態に係る収差測定方法の一例を示すフローチャートである。
（１）電子顕微鏡の調整（Ｓ１００）
照射系および結像系の調整、分割型検出器３０のゲインおよびオフセットの調整、結像系のカメラ長の調整、収差測定用絞り３２の挿入、などを行い、電子顕微鏡１００を、収差測定用絞り３２および分割型検出器３０を用いてＳＴＥＭ像が取得可能な状態にする。
ここでは、図４に示すように、対物レンズ２０の光軸２０２と、分割型検出器３０の軸３０４は一致していない。すなわち、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４との間に軸ずれが生じているものとする。
ここで、対物レンズ２０の光軸２０２とは、レンズの中心と焦点とを通る直線である。
分割型検出器３０の軸３０４は、例えば、分割型検出器３０の検出面３０２の中心である。分割型検出器３０の軸３０４は、収差の計算の際に、座標原点となる位置である。
（２）ＳＴＥＭ像の取得（Ｓ１０２）
分割型検出器３０の検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとにＳＴＥＭ像を取得する。例えば、試料Ｓにて輪郭のはっきりとした目標物（粒子、膜孔など）を探し、当該目標物が視野内に含まれるようにＳＴＥＭ像を取得する。ＳＴＥＭ像は、分割型検出器３０および収差測定用絞り３２を用いて取得される。ＳＴＥＭ像の倍率（走査倍率）は、幾何収差による像シフトが検出可能な程度の倍率とする。
（３）収差の測定（Ｓ１０４）
取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の像シフト（幾何収差）から、対物レンズ２０（照射系）の収差を計算する。収差測定用絞り３２の絞り孔３２２の孔径を十分小さくすることで、各ＳＴＥＭ像は、単一の入射角の電子ビームを用いて取得された像と近似できる。すなわち、得られた各ＳＴＥＭ像を、検出面積が無限小の理想的な検出器によって得られたものと仮定して収差の計算を行うことができる。
ここで、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像から、収差を測定する手法について説明する。
一般的な収差が存在している場合の像の移動量は、例えば、次式（１）のように表すことができる。ただし、ωは試料Ｓに対する複素入射角を表している。
Figure 0006857575
例えば、一次の収差係数（ｂ１，ａ１）が残留していると考えられる場合には、１層の検出領域（例えば図３に示す１層目の検出領域Ｄ１〜Ｄ４）で得られた４つのＳＴＥＭ像により収差を測定することができる。
また、例えば、一次の収差係数に加えて二次の収差係数（ｂ２，ａ２）が残留していると考えられる場合には、二層の検出領域（例えば図３に示す１層目の検出領域Ｄ１〜Ｄ４と、２層目の検出領域Ｄ５〜Ｄ８）で得られた８つのＳＴＥＭ像により収差を測定することができる。
分割型検出器３０の検出面３０２における検出領域の層数を増やすことで、さらに、高次の収差（ｃ３，ｓ３，ａ３，・・・）を測定することができる。
なお、収差係数を決定するために必要な枚数以上のＳＴＥＭ像がある場合には、最小二乗法等を用いて測定精度を向上させることができる。
収差の測定は、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の二次元像シフトベクトルに、検出面３０２上の検出位置ベクトルを合わせた４次元のデータセットを構築し、最小二乗法によって収差係数を算出することで行うことができる。このとき、検出面３０２上の検出位置ベクトルの座標原点は、分割型検出器３０の軸３０４の位置とする。
（４）コマ収差の導入（Ｓ１０６）
次に、図４に示すように、照射系偏向器１６によって、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させる。これにより、対物レンズ２０のコマ収差が変化する（コマ収差が導入される）。ここでは、試料Ｓに入射する電子ビームを単純傾斜させる（すなわち電子ビームのシフトを伴わずに傾斜させる）。これにより、コマ収差のみを変化させることができる（コマ収差のみを導入することができる）。照射系偏向器１６は、２段の偏向コイルで構成されているため、電子ビームを単純傾斜させることができる。
なお、照射系偏向器１６の偏向により、電子ビームが分割型検出器３０の検出面３０２上で大きく移動した場合には、必要に応じて結像系偏向器２８で電子ビームを振り戻す。
（５）ＳＴＥＭ像の取得（Ｓ１０８）
対物レンズ２０にコマ収差を導入した状態で、分割型検出器３０の検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとにＳＴＥＭ像を取得する。ＳＴＥＭ像の取得は、上述したステップＳ１０２と同様に行われる。
（６）収差の測定（Ｓ１１０）
次に、ステップＳ１０８で取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の像シフト（幾何収差）から、対物レンズ２０の収差を計算する。収差測定は、上述したステップＳ１０４と同様に行われる。このように本実施形態では、対物レンズ２０にコマ収差を導入する前と、対物レンズ２０にコマ収差を導入した後と、にそれぞれ収差測定が行われる。
（７）対物レンズの光軸の位置の測定（Ｓ１１２）
次に、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、分割型検出器３０の検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める。ここで、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置とは、検出面３０２に投影された光軸２０２の位置であり、当該位置で電子ビームを検出して得られたＳＴＥＭ像に見かけの収差が発生しない位置である。
電子ビームの傾斜前後の対物レンズ２０における収差の変化は、コマ収差の変化のみであるから、対物レンズ２０の光軸２０２を基準として収差を計算すると、電子ビームの傾斜前後のＳＴＥＭ像からはコマ収差の変化のみが測定されるはずである。一方、ここでは、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とがずれている（すなわち、角度計算の際の座標原点が対物レンズ２０側と分割型検出器３０側とでずれている）ため、分割型検出器３０の軸３０４を基準として収差を計算すると、電子ビームの傾斜前後のＳＴＥＭ像からはコマ収差の変化のほかに二回非点およびデフォーカス（以下、「見かけの二回非点」、「見かけのデフォーカス」ともいう）の変化が検出される。以下、見かけの二回非点、見かけのデフォーカスについて、数式を用いて説明する。
対物レンズ２０の光軸２０２を基準として、電子ビームの傾斜によるコマ収差係数の変化がΔＰ３であると仮定する。波面収差χのコマ収差による変化量は、収束角α（入射角に対応する）と方位角θを組み合わせた複素角Ω＝α×ｅｘｐ（ｉθ）を用いて表すと、次式のように表される。
Figure 0006857575
この波面収差の変化を分割型検出器３０の軸３０４を基準として測定する際には、Ωの
原点を軸ずれ分（ｄΩ）だけずらした座標系にて、収差計算が行われることとなる。これに伴い、対物レンズ２０側で入射角Ωであった電子ビームは、分割型検出器３０側では、入射角Ω´＝Ω−ｄΩの電子ビームとして取り扱われる。検出される最終的な波面収差は、高次の微小項を無視して次式のようになる。
Figure 0006857575
上記式において、第１項がコマ収差の変化を表し、第２項が見かけの二回非点の変化を表し、第３項がみかけのデフォーカスの変化を表している。変数を下記のように収束角αと方位角θに戻す。
Figure 0006857575
この結果、次式が得られる。
Figure 0006857575
幾何収差Ｇは、波面収差χを収束角αおよび方位角θで微分したベクトル量である。上記式を分割型検出器３０の軸３０４を座標原点とする座標上の収束角α、および方位角θで微分すれば、対物レンズ２０のコマ収差の導入による（見かけの収差成分も含めた）幾何収差の変化が求められる。
Figure 0006857575
上述したように、各ＳＴＥＭ像から計算される、電子ビームの傾斜前後の収差の変化は、コマ収差成分の変化と見かけの収差成分の変化の和となる。しかしながら、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４との間の軸ずれによる座標原点のずれが打ち消されるような位置に検出点が存在した場合には、この検出点では見かけの収差が消えてコマ収差成分の変化のみが検出される。この検出点は、検出面３０２に投影された対物レンズ２０の光軸２０２の位置に相当し、見かけの収差の変化の大きさは、この検出点において極小値（零）となる。分割型検出器３０の軸３０４とこの極小値をとる検出点（極小点）とを一致させれば、見かけの収差が消滅する。
この極小点を特定するためには、分割型検出器３０の検出面３０２上の検出位置ベクトルをｘｙ座標で表し、見かけの収差の変化の絶対値をｚ座標で表した三次元曲面をプロットする。そして、実測したデータ中のノイズを考慮して、最小二乗法を用いて見かけの収差の変化の極小値をとる極小点を探索する。このようにして、極小点を特定することで、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を特定することができる。
（８）軸合わせ（Ｓ１１４）
次に、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とを一致させる（軸合わせ）。具体的には、結像系偏向器２８を用いて分割型検出器３０の検出面３０２に入射する電子ビームを偏向させて、特定した極小点の位置を分割型検出器３０の軸３０４に一致させる。これにより、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とを一致させることができる。
（９）コマ収差の排除（Ｓ１１６）
次に、導入したコマ収差を排除する。具体的には、コマ収差を導入する際（ステップＳ１０６）に照射系偏向器１６で加えた電子ビームの傾斜を、元の状態（ステップＳ１０６で電子ビームを傾斜させる前の状態）に戻す。また、結像系偏向器２８による電子ビームの振り戻しを行っていた場合には、結像系偏向器２８でその振り戻し量と同じ大きさであって逆方向に電子ビームを偏向させて、電子ビームを元の状態に戻す。
（１０）ＳＴＥＭ像の取得（Ｓ１１８）
次に、分割型検出器３０の検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとにＳＴＥＭ像を取得する。ＳＴＥＭ像の取得は、上述したステップＳ１０２と同様に行われる。
（１１）収差測定（Ｓ１２０）
次に、ステップＳ１１８で取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像から、対物レンズ２０の収差を計算する。収差の測定は、ステップＳ１０４と同様に行われる。ここでは、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とが一致している（軸ずれが補正されている）ため、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
１．３． 電子顕微鏡の動作
電子顕微鏡１００では、上述した収差測定方法による収差の測定を自動で行うことができる。図６は、電子顕微鏡１００における処理部５０（収差測定部５６）の処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、電子顕微鏡１００は、収差測定用絞り３２が挿入され、分割型検出器３０を用いてＳＴＥＭ像が取得可能な状態になっているものとする。
まず、収差測定部５６は、ユーザーが収差測定を開始する指示（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）。収差測定部５６は、例えば、操作部６０を介して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。
収差測定部５６は、開始指示が行われたと判断した場合（Ｓ２００のＹｅｓ）、制御部５２を介して電子顕微鏡１００の光学系（走査コイル１８等）を制御し、画像生成部５４で生成された検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を取得する（Ｓ２０２）。
次に、収差測定部５６は、取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の像シフト（幾何収差）から、対物レンズ２０の収差を計算する（Ｓ２０４）。収差の計算方法は、上述したステップＳ１０４で説明した通りである。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して照射系偏向器１６を動作させて、試料Ｓに入射する電子ビームを単純傾斜させる（Ｓ２０６）。これにより、対物レンズ２０にコマ収差が導入される。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して電子顕微鏡１００の光学系（走査コイル１８等）を制御し、画像生成部５４で生成された検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を取得する（Ｓ２０８）。
次に、収差測定部５６は、ステップＳ２０８で取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の像シフト（幾何収差）から、対物レンズ２０の収差を計算する（Ｓ２１０）。収差の計算は、上述したステップＳ２０４と同様に行われる。
次に、収差測定部５６は、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、分割型検出器３０の検出面３０２上における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める（Ｓ２１２）。収差測定部５６は、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果から、検出面３０２において見かけの収差の変化量が極小となる位置（極小点）を探索し、当該極小点を検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置とする。
次に、収差測定部５６は、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とを一致させる（Ｓ２１４）。収差測定部５６は、例えば、制御部５２を介して結像系偏向器２８を動作させて、分割型検出器３０に入射する電子ビームを偏向させ、特定した対物レンズ２０の光軸２０２の位置を、分割型検出器３０の軸３０４に一致させる。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して照射系偏向器１６を動作させて、コマ収差を導入する際に照射系偏向器１６で加えた電子ビームの傾斜を、元の状態（ステップＳ２０６で電子ビームを傾斜させる前の状態）に戻し、導入したコマ収差を排除する（Ｓ２１６）。
次に、収差測定部５６は、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を取得し（Ｓ２１８）、取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像から、対物レンズ２０の収差を計算する（Ｓ２２０）。ＳＴＥＭ像の取得および収差の測定は、それぞれステップＳ２０２およびステップＳ２０４と同様に行われる。収差測定部５６は、例えば、収差の測定結果を表示部６２に表示させる制御を行う。また、収差測定部５６は、収差の測定結果に基づき収差補正装置（図示せず）を動作させてもよい。そして、収差測定部５６は、処理を終了する。
１．４． 特徴
本実施形態に係る収差測定方法は、例えば、以下の特徴を有する。
本実施形態に係る収差測定方法は、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程と、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程の前に対物レンズ２０の収差を測定する工程と、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程の後に対物レンズ２０の収差を測定する工程と、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて分割型検出器３０の検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める工程と、を含む。そのため、本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０にコマ収差を導入する前後における見かけの収差の変化に基づいて、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求めることができるため、当該位置を容易かつ正確に求めることができる。
例えば、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を測定する場合に、
対物レンズ２０のデフォーカスを変えた前後のＳＴＥＭ像を用いると、当該ＳＴＥＭ像には、見かけの収差による像シフトと、電流軸のずれに起因する像シフト（図２１参照）と、が生じる。これらの像シフトは分離することはできず、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を正確に求めることは難しい。
これに対して、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を測定する場合に、対物レンズ２０にコマ収差を導入した前後のＳＴＥＭ像を用いると、コマ収差は、対物レンズ２０の励磁を変えることなく、電子ビームを傾斜させることで導入できるため、ＳＴＥＭ像には、電流軸のずれに起因する像シフトが生じない。したがって、本実施形態によれば、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を正確に求めることができる。
本実施形態によれば、上述したように、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求めることができるため、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とが合った状態で収差の測定を行うことができる。したがって、見かけの収差が発生せず（または見かけの収差の影響を小さくでき）、補正したい収差を正確に測定することができる。この結果、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める工程において、検出面３０２において見かけの収差の変化量が極小となる位置を、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置とする。そのため、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を容易かつ正確に求めることができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程の前に対物レンズ２０の収差を測定する工程、および対物レンズ２０にコマ収差する工程の後に対物レンズ２０の収差を測定する工程において、収差測定用絞り３２を用いて得られた検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像から収差を求める。そのため、対物レンズ２０の収差を正確に求めることができる。以下、その理由について説明する。
分割型検出器３０では、各検出領域Ｄ１〜Ｄ８の形状は、扇形に近い形状を有している。このような検出領域Ｄ１〜Ｄ８で、収差測定用絞り３２を用いずに、ＳＴＥＭ像を取得すると、各検出領域Ｄ１〜Ｄ８の広がりが大きい（すなわち各検出領域Ｄ１〜Ｄ８に入射する電子ビームの角度範囲が大きい）ため、像がぼけてしまい、像の移動量を正確に計算することが難しい。特に、扇形形状の検出領域では、偏角方向（円周方向）の広がりがおおきいため、偏角方向の対称性の次数が高い収差が存在する場合に像のぼけが顕著になる。
本実施形態では、収差測定用絞り３２を用いているため、上記のような問題が生じない。例えば、収差測定用絞り３２の絞り孔３２２の径を小さくすることで、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を、単一の入射角の電子ビームを用いて取得された像と近似することもできる。したがって、本実施形態によれば、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像から対物レンズ２０の収差を正確に求めることができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程において、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させることで、コマ収差を導入する。そのため、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を容易かつ正確に求めることができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、照射系偏向器１６は、多段に配置された偏向素子を有し、照射系偏向器１６を用いて、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させる。そのた
め、電子ビームを単純傾斜させることができる。したがって、対物レンズ２０にコマ収差のみを導入することができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、分割型検出器３０の検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める工程の後に、求めた検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、対物レンズ２０の光軸２０２を、分割型検出器３０の軸３０４に一致させる工程を含む。そのため、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とが合った状態で収差の測定を行うことができ、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０の光軸２０２を分割型検出器３０の軸３０４に一致させる工程では、求めた検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、結像系偏向器２８で電子ビームを偏向させる。そのため、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とが合った状態で収差の測定を行うことができ、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０の光軸２０２を分割型検出器３０の軸３０４に一致させる工程の後に、対物レンズ２０の収差を測定する工程を含む。そのため、本実施形態によれば、見かけの収差の影響が低減されるため、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
本実施形態に係る電子顕微鏡１００では、収差測定部５６は、対物レンズ２０にコマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める処理を行う。そのため、電子顕微鏡１００では、対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
１．５． 変形例
次に、第１実施形態に係る電子顕微鏡の変形例について、図面を参照しながら説明する。以下では、上述した電子顕微鏡１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
上述した実施形態では、検出面３０２に入射する電子ビームを偏向させて対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とを一致させる場合（図５に示すステップＳ１１２）について説明したが、例えば、収差の計算の際に、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、収差測定の結果を補正してもよい。
図７は、第１実施形態に係る収差測定方法の変形例を示すフローチャートである。
図７に示すように、本変形例では、対物レンズ２０の光軸２０２と分割型検出器３０の軸３０４とを一致させる工程（図５に示すステップＳ１１４）を行わない。本変形例では、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を測定する工程（Ｓ１１２）の後に、検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像を取得し（Ｓ１１８）、対物レンズ２０の収差の測定を行う（Ｓ１２０）。この収差測定を行う際に、検出面３０２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、対物レンズ２０の収差の測定結果を補正する。具体的には、収差の計算の際に、波数空間の原点が見かけの収差の変化の極小値をとる極小点と一致するように補正を加える。これにより、収差計算の結果に見かけの収差が現れない。
本変形例によれば、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、本変形例の処理を、収差測定部５６が行ってもよい。
２． 第２実施形態
２．１． 電子顕微鏡
次に、第２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８は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の構成を示す図である。以下、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る電子顕微鏡１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した電子顕微鏡１００は、図１に示すように、試料Ｓを透過した電子ビームを検出する検出器として分割型検出器３０を備えていた。
これに対して、電子顕微鏡２００では、図８に示すように、試料Ｓを透過した電子ビームを検出する検出器として固体撮像素子２３０を備えている。
固体撮像素子２３０は、複数の受光素子が配列された検出面２３２を有している。固体撮像素子２３０は、例えば、ＣＣＤ（ｃｈａｒｇｅ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｄｅｖｉｃｅ）カメラ、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどのデジタルカメラである。
収差測定部５６は、固体撮像素子２３０で取得されたロンチグラムを用いた収差測定方法によって、対物レンズ２０の収差を計算する。
２．２． 収差測定方法
次に、第２実施形態に係る収差測定方法について説明する。第２実施形態に係る収差測定方法は、電子顕微鏡２００における対物レンズ２０（照射系）の収差測定方法である。以下では、上述した第１実施形態に係る収差測定方法の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
図９は、第２実施形態に係る電子顕微鏡２００の動作を説明するための図である。なお、図９は、図４に対応している。図１０は、第２実施形態に係る収差測定方法の一例を示すフローチャートである。
（１）電子顕微鏡の調整（Ｓ３００）
試料Ｓのアモルファス領域が視野に含まれるように視野を移動させる。そして、照射系および結像系の調整、結像系のカメラ長の調整などを行い、電子顕微鏡１００を、ロンチグラムが撮影可能な状態にする。
ここでは、図９に示すように、対物レンズ２０の光軸２０２と、固体撮像素子２３０の軸２３４は一致していない。すなわち、対物レンズ２０の光軸２０２と固体撮像素子２３０の軸２３４との間に軸ずれが生じているものとする。固体撮像素子２３０の軸２３４は、収差の計算の際に、座標原点（座標原点Ｏ）となる位置である。
（２）ロンチグラムの取得（Ｓ３０２）
固体撮像素子２３０でロンチグラムを撮影する。具体的には、試料Ｓのアモルファス領域に電子ビームを収束させて、試料Ｓを透過した電子ビームを固体撮像素子２３０で検出する。このとき、フォーカスを変化させてロンチグラムを撮影することで、デフォーカス量の異なる複数のロンチグラムを取得する。以下、このデフォーカス量の異なる複数のロンチグラムをデータセットＤＳ１ともいう。
（３）コマ収差の導入（Ｓ３０４）
次に、図９に示すように、照射系偏向器１６によって、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させる。これにより、対物レンズ２０にコマ収差が変化する（コマ収差が導入される）。本工程は、上述したステップＳ１０６と同様に行われる。
（４）ロンチグラムの取得（Ｓ３０６）
次に、対物レンズ２０にコマ収差を導入した状態で、固体撮像素子２３０でロンチグラムを撮影する。本工程は、上述したステップＳ３０２と同様に行われる。これにより、デフォーカス量の異なる複数のロンチグラム（以下、「データセットＤＳ２」ともいう）を取得する。
（５）対物レンズの光軸の位置の測定（Ｓ３０８）
次に、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、固体撮像素子２３０の検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める。ここで、検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置とは、検出面２３２に投影された光軸２０２の位置であり、当該位置で電子ビームを検出することにより得られたＳＴＥＭ像に見かけの収差が発生しない位置である。
図１１は、ロンチグラムにおいて、対物レンズ２０の光軸２０２の位置と、収差計算の座標原点Ｏの位置と、を示す図である。
図１１に示すように、対物レンズ２０の光軸２０２の位置と、収差計算の座標原点Ｏの位置と、がずれている場合、上述したように、コマ収差以外の見かけの収差（二回非点およびデフォーカス）の変化が検出される。検出される収差の変化がコマ収差成分のみとなるときの座標原点Ｏの位置が検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に相当する。
具体的には、まず、データセットＤＳ１およびデータセットＤＳ２に対して、角度空間の座標原点Ｏの位置を変えながら、収差計算を繰り返し行う。そして、見かけの二回非点の変化量、および見かけのデフォーカスの変化量が零となる極小点を、反復法、または最小二乗法によって探索する。このようにして、極小点を特定することで、検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を特定することができる。
（６）軸合わせ（Ｓ３１０）
次に、対物レンズ２０の光軸２０２と収差計算の座標原点Ｏとを一致させる（軸合わせ）。具体的には、結像系偏向器２８を用いて固体撮像素子２３０の検出面２３２に入射する電子ビームを偏向させて、特定した極小点の位置を座標原点Ｏに一致させる。これにより、対物レンズ２０の光軸２０２と座標原点Ｏとを一致させることができる。
（７）コマ収差の排除（Ｓ３１２）
次に、導入したコマ収差を排除する。本工程は、上述したステップＳ１１６と同様に行われる。
（８）ロンチグラムの取得（Ｓ３１４）
次に、固体撮像素子２３０でロンチグラムを撮影する。本工程は、上述したステップＳ３０２と同様に行われる。これにより、デフォーカス量の異なる複数のロンチグラム（以下「データセットＤＳ３」ともいう）を取得する。
（９）収差測定（Ｓ３１６）
次に、データセットＤＳ３を用いて対物レンズ２０の収差の測定を行う。取得した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、収差を測
定することができる。ここでは、対物レンズ２０の光軸２０２と座標原点Ｏの位置とが一致している（軸ずれが補正されている）ため、ロンチグラムを用いて対物レンズ２０の収差を正確に測定することができる。
２．３． 電子顕微鏡の動作
電子顕微鏡２００では、上述した収差測定方法による収差の測定を自動で行うことができる。図１２は、電子顕微鏡２００における処理部５０（収差測定部５６）の処理の流れの一例を示すフローチャートである。なお、電子顕微鏡２００は、固体撮像素子２３０を用いてロンチグラムが取得可能な状態になっているものとする。
まず、収差測定部５６は、ユーザーが収差測定を開始する指示（開始指示）を行ったか否かを判断し（Ｓ４００）、開始指示が行われるまで待機する（Ｓ４００のＮｏ）。収差測定部５６は、例えば、操作部６０を介して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。
収差測定部５６は、開始指示が行われたと判断した場合（Ｓ４００のＹｅｓ）、制御部５２を介して電子顕微鏡１００の光学系を制御し、画像生成部５４で生成されたロンチグラムを取得する（Ｓ４０２）。このとき、フォーカスを変化させてロンチグラムを撮影することで、デフォーカス量の異なる複数のロンチグラム（データセットＤＳ１）を取得する。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して照射系偏向器１６を動作させて、試料Ｓに入射する電子ビームを傾斜させる（Ｓ４０４）。これにより、対物レンズ２０にコマ収差が導入される。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して電子顕微鏡１００の光学系を制御し、画像生成部５４で生成されたロンチグラムを取得する（Ｓ４０６）。このとき、フォーカスを変化させてロンチグラムを撮影することで、デフォーカス量の異なる複数のロンチグラム（データセットＤＳ２）を取得する。
次に、収差測定部５６は、コマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、固体撮像素子２３０の検出面２３２上における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を求める（Ｓ４０８）。
次に、収差測定部５６は、対物レンズ２０の光軸２０２と収差計算の座標原点Ｏとを一致させる（Ｓ４１０）。収差測定部５６は、例えば、制御部５２を介して結像系偏向器２８を動作させて、固体撮像素子２３０に入射する電子ビームを偏向させ、特定した対物レンズ２０の光軸２０２の位置を、座標原点Ｏに一致させる。
次に、収差測定部５６は、制御部５２を介して照射系偏向器１６を動作させて、コマ収差を導入する際に照射系偏向器１６で加えた電子ビームの傾斜を、元の状態（ステップＳ４０４で電子ビームを傾斜させる前の状態）に戻し、導入したコマ収差を排除する（Ｓ４１２）。
次に、収差測定部５６は、ロンチグラムを取得し（Ｓ４１４）、対物レンズ２０の収差の測定を行う（Ｓ４１６）。収差測定部５６は、例えば、収差の測定結果を表示部６２に表示させる制御を行う。また、収差測定部５６は、収差の測定結果に基づき収差補正装置（図示せず）を動作させてもよい。そして、収差測定部５６は、処理を終了する。
２．４． 特徴
本実施形態に係る収差測定方法では、対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程の前に対物レンズ２０の収差を測定する工程、および対物レンズ２０にコマ収差を導入する工程の後に対物レンズ２０の収差を測定する工程において、固体撮像素子２３０を用いて取得したロンチグラムから収差を求める。そのため、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
２．５． 変形例
次に、第２実施形態に係る電子顕微鏡の変形例について、図面を参照しながら説明する。以下では、上述した電子顕微鏡２００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
上述した実施形態では、検出面３０２に入射する電子ビームを偏向させて対物レンズ２０の光軸２０２と座標原点Ｏとを一致させる場合（図１０に示すステップＳ３１０）について説明したが、例えば、収差の計算の際に、検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、対物レンズ２０の収差の測定結果を補正してもよい。
図１３は、第２実施形態に係る収差測定方法の変形例を示すフローチャートである。
図１３に示すように、本変形例では、対物レンズ２０の光軸２０２と座標原点Ｏとを一致させる工程（図１０に示すステップＳ３１０）を行わない。本変形例では、検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置を測定する工程（Ｓ３０８）の後に、ロンチグラムを取得し（Ｓ３１４）、対物レンズ２０の収差の測定を行う（Ｓ３１６）。この収差測定を行う際に、検出面２３２における対物レンズ２０の光軸２０２の位置に基づいて、対物レンズ２０の収差の測定結果を補正する。具体的には、座標原点Ｏの位置を、見かけの収差の変化の極小値をとる極小点と一致するように補正を加えて、計算を行う。これにより、収差計算の結果に見かけの収差が現れない。
本変形例によれば、上述した実施形態と同様の作用効果を奏することができる。なお、本変形例の処理を、収差測定部５６が行ってもよい。
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。
例えば、上述した第１実施形態では、取得した検出領域Ｄ１〜Ｄ８ごとのＳＴＥＭ像の像シフト（幾何収差）から、対物レンズ２０の収差を計算し、上述した第２実施形態では、ロンチグラムから対物レンズ２０の収差を計算したが、収差の計算方法はこれに限定されず、公知の様々な収差の計算方法を適用できる。
また、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
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…照射系合成レンズ、４…結像系合成レンズ、１０…電子源、１２…照射系レンズ、１
４…照射系絞り、１６…照射系偏向器、１８…走査コイル、２０…対物レンズ、２２…試料ステージ、２３…試料ホルダー、２４…中間レンズ、２６…投影レンズ、２８…結像系偏向器、３０…分割型検出器、３２…収差測定用絞り、４０…制御装置、５０…処理部、５２…制御部、５４…画像生成部、５６…収差測定部、６０…操作部、６２…表示部、６４…記憶部、１００…電子顕微鏡、２００…電子顕微鏡、２０２…光軸、２３０…固体撮像素子、２３２…検出面、２３４…軸、３０２…検出面、３０４…軸、３２２…絞り孔、１００２…照射系絞り、１００４…対物レンズ、１００５…光軸、１００６…検出器、１００７…軸

Claims (13)

  1. 試料に照射される電子ビームを収束する対物レンズと、前記試料を透過した電子ビームを検出する検出器と、を備えた電子顕微鏡における対物レンズの収差測定方法であって、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程と、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の前に、前記対物レンズの収差を測定する工程と、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の後に、前記対物レンズの収差を測定する工程と、
    コマ収差を導入する前後の前記対物レンズの収差の測定結果に基づいて、前記検出器の検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める工程と、
    を含む、収差測定方法。
  2. 請求項１において、
    前記対物レンズの光軸の位置を求める工程では、
    コマ収差を導入する前後における見かけの収差の変化に基づいて、前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める、収差測定方法。
  3. 請求項２において、
    前記対物レンズの光軸の位置を求める工程では、
    前記検出面において見かけの収差の変化量が極小となる位置を、前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置とする、収差測定方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記検出器は、前記検出面が複数の検出領域に分割された分割型検出器であり、
    前記電子顕微鏡は、前記検出領域の電子ビームが入射する領域を制限する絞りを備え、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の前に前記対物レンズの収差を測定する工程、および前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の後に前記対物レンズの収差を測定する工程では、
    前記絞りを用いて得られた、前記検出領域ごとの走査透過電子顕微鏡像から収差を求める、収差測定方法。
  5. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記検出器は、複数の受光素子が配列された固体撮像素子であり、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の前に前記対物レンズの収差を測定する工程、および前記対物レンズにコマ収差を導入する工程の後に前記対物レンズの収差を測定する工程では、
    前記固体撮像素子を用いて取得したロンチグラムから収差を求める、収差測定方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する工程では、
    前記試料に入射する電子ビームを傾斜させることで、コマ収差を導入する、収差測定方法。
  7. 請求項６において、
    前記電子顕微鏡は、前記試料に入射する電子ビームを偏向させる照射系偏向器を備え、
    前記照射系偏向器は、多段に配置された偏向素子を有し、
    前記照射系偏向器を用いて、前記試料に入射する電子ビームを傾斜させる、収差測定方法。
  8. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める工程の後に、求めた前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置に基づいて、前記対物レンズの光軸を、前記検出器の軸に一致させる工程を含む、収差測定方法。
  9. 請求項８において、
    前記電子顕微鏡は、前記試料を透過して前記検出面に入射する電子ビームを偏向させる結像系偏向器を備え、
    前記対物レンズの光軸を前記検出器の軸に一致させる工程では、
    求めた前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置に基づいて、前記結像系偏向器で電子ビームを偏向させる、収差測定方法。
  10. 請求項９において、
    前記対物レンズの光軸を前記検出器の軸に一致させる工程の後に、前記対物レンズの収差を測定する工程を含む、収差測定方法。
  11. 請求項１ないし７のいずれか１項において、
    求めた前記検出面における前記対物レンズの光軸の位置に基づいて、前記対物レンズの収差の測定結果を補正する工程を含む、収差測定方法。
  12. 試料に照射される電子ビームを収束する対物レンズと、
    前記試料を透過した電子ビームを検出する検出器と、
    前記対物レンズの収差を測定する収差測定部と、
    を含み、
    前記収差測定部は、
    前記対物レンズにコマ収差を導入する前後の収差の測定結果に基づいて、前記検出器の検出面における前記対物レンズの光軸の位置を求める処理を行う、電子顕微鏡。
  13. 請求項１２において、
    前記試料に入射する電子ビームを傾斜させる照射系偏向器を含む、電子顕微鏡。
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