JP5502794B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、電子顕微鏡に係り、特に高コントラストな暗視野像を得るための光軸調整機能を有する電子顕微鏡に関するものである。

近年の透過電子顕微鏡には走査像観察機能が備えられている。透過電子顕微鏡は、電子銃から発生し加速された電子線を照射系レンズと呼ばれる複数のコンデンサレンズにより平行なビームとし、試料に照射する。試料を通過した電子は、結像系レンズと呼ばれる複数のコンデンサレンズによって、テレビカメラの検出面上に試料像を投影し、観察を行う。

透過電子顕微鏡に電子線の走査機能、および明視野像、暗視野像の検出器を備えたものが走査透過電子顕微鏡である。走査像を観察する場合、電子線は照射系レンズにより細く収束されて試料上を２次元的に走査され、試料から発生する２次電子や反射電子、もしくは透過した電子を検出し、検出信号を電子線走査に同期したディスプレイ装置に供給される。試料を透過した電子は、試料内部で回折し、発散角の大きい散乱電子と発散角の小さい透過電子に分類される。散乱電子の検出信号を像として出力したものを暗視野像、透過電子の検出信号を像として出力したものを明視野像と呼ぶ。

暗視野検出器は環状の検出器となっており、その中心を通過した電子が明視野検出器で検出される。試料に照射する電子線の光軸により検出される走査像のコントラストに違いが生じる。例えば、電子線の光軸が中心から大きくずれていた場合、本来明視野像検出器で検出される透過電子が、暗視野像検出器に検出されてしまい、本来暗視野像から得ることができる情報が欠落してしまう。

このように、暗視野検出と光軸との関係は重要であることから、例えば特許文献１では、電子線を試料上で傾斜させて走査した場合でも、試料を透過した電子線を偏向コイルで軌道補正し、電子線の光軸が暗視野検出器の環状の検出面の中心を通過させることで、高コントラストな暗視野像を得ることが提案されている。

また、特許文献２には、インレンズ形対物レンズの内部に暗視野検出器を配置し、検出器を電子線の光軸に沿って移動させることによって、試料を透過した電子の散乱角を制御する手法が開示されている。

特開２００６−３０２５２３号公報 特開２００４−２１４０６５号公報

前記したように、暗視野検出と光軸との関係は高コントラストな暗視野像を得る上で重要な課題であり、これまでも種々な技術が提案されているが、何れも複雑ないし高度な操作等を必要としていた。

そこで、本発明の目的は、暗視野像観察の際の光軸調整を容易にし、高コントラストな暗視野像を容易に得ることができる電子顕微鏡を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明の特徴とするところは、電子源からの電子線を照射系レンズ及び偏向コイルを介して試料に照射し、該試料を透過した電子線を結像レンズを介して暗視野検出器及び明視野検出器で検出する電子顕微鏡において、電子線像を蛍光板に形成し、該蛍光板の電子線像を撮影する撮影装置と、該撮影装置の画像データから前記電子線の重心座標を求め、前記暗視野検出器の中心と合わせるように前記電子線又は前記暗視野検出器を移動する制御装置と、を備えることにある。

その他の特徴は、以下述べる実施の形態で明らかにする。

本発明によれば、検出器での調整が困難な電子線の光軸調整を容易に行うことができることから、高コントラストな暗視野像を容易に観察することが可能な電子顕微鏡を実現することができる。

本発明の一実施例に係る走査透過電子顕微鏡の主要な構成図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 ディスプレイへ表示される蛍光板の画像を示す画面図である。 本発明の一実施例に係る光軸調整の操作画面図である。 本発明の一実施例に係るディスプレイ表示のメッセージ画面図である。 本発明の一実施例に係る光軸調整処理手順のフローチャートである。 本発明の他の実施例に係る光軸調整処理手順のフローチャートである。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る走査透過電子顕微鏡の主要な構成を示す構成図である。電子源１０３から試料１１０へ照射された電子線１０４は、試料１１０を透過してテレビカメラ１１５等の撮影装置で撮影されて画像処理装置１２２へ送られ、ディスプレイ等に表示される。電子源１０３は電子銃１０１と呼ばれる筐体内で設置され、電子銃１０１と電子顕微鏡本体の鏡体１０２とが接続されてから、内部が真空に保持される。電子源１０３には、タングステンフィラメント、ランタンヘキサボライトフィラメント、熱電子銃、電界放出電子銃、ショットキー電子源等各種あるが、本発明はいずれの電子源にも適用可能である。

鏡体１０２には、電子線１０４を試料１１０へ集束させる照射系レンズ１０５、テレビカメラ１１５へ集束させる結像系レンズ１０８、試料１１０を固定する試料台１０９、電子線１０４を試料表面で走査する偏向コイル１０７、明視野像検出器１１４、暗視野像検出器１１１が内蔵されている。

電子源１０３へは電子源制御装置１１６から加速電圧、フィラメント電圧、バイアス電圧が印加され、電子線１０４が発生する。照射系レンズ１０５や結像系レンズ１０８は、電磁レンズ制御装置１１７から電流が供給されてレンズ強度が変更される。走査像を得る場合は、電子線１０４が走査偏向コイル１０７で走査される。走査偏向コイル１０７は偏向コイル制御装置１１８から電流が供給されて電子線１０４を制御する。

メモリ１２３に格納されたプログラムをプロセッサ１２４が実行することで、電子源１０３へ加速電圧を供給する電子源制御装置１１６への指令、電子線１０４を走査する偏向コイル制御装置１１８、電磁レンズ制御装置１１７への指令を与える。テレビカメラ１１５で撮影された画像信号は画像処理装置１２２へ送られ、メモリ１２３に保存される。

透過電子顕微鏡では、蛍光板１１２の電子線像を作業者が目視観察することで、光軸調整が行われている。本実施例では、蛍光板１１２の電子線像をテレビカメラ１１３で撮影し、当該テレビカメラ１１３からの画像データを画像処理装置１２０で処理することで、前記蛍光板１１２に形成された電子線像の描画画像を作成する。この描画画像には、後述するように、電子線像および暗視野検出器の像も描画されており、メモリ１２３に記憶すると共に、ディスプレイ１２５に表示する。また、暗視野検出器１１１の検出面等もディスプレイ１２５に同時表示する。

また、電子線１０４の光軸の調整の目的で、鏡体１０２の内部には、偏向コイル１０６が設けられる。また、電子線１０４を走査する目的で、走査偏向コイル１０７が設けられ、コイル制御装置１１８によって制御される。

図２において、散乱電子を２０１、透過電子を２０２と表現する。試料１１０を透過した電子は、大きな散乱角を持った散乱電子２０１と、小さな散乱角を持った透過電子２０２に分けられる。散乱電子２０１は主に暗視野検出器１１１で検出され、透過電子２０２は主に明視野検出器１１４で検出される。暗視野検出器１１１は暗視野検出器制御装置１１９で光軸上に移動され、明視野検出器１１４は明視野検出器制御装置１２１で光軸上に移動され、検出した信号はメモリ１２３で処理され、ディスプレイ１２５に表示される。蛍光板１１２には透過電子２０２が中心に、散乱電子２０１がその周囲に配置され、図２に示すような画像で表示される。

図３はディスプレイ１２５に表示される蛍光板１１２の形状を示した画面の例である。図２のような形状をした電子線１０４が蛍光板１１２に照射され、画像としてディスプレイ１２５に表示される。操作者は透過像をテレビカメラ１１５で取得するために光軸調整を行う場合、試料台１０９を光軸上からはずした状態にして、蛍光板１１２を光軸上に挿入して、テレビカメラ１１３に写される画像をディスプレイ１２５で見て、偏向コイル１０６の電流値を制御しながら電子線１０４を蛍光板１１２上に導き、さらに電子線４の重心を蛍光板１１２の中心に移動させる。

操作者は走査透過像を暗視野検出器１１１および明視野検出器１１４で取得するために光軸調整を行う場合、試料台１０９および蛍光板１１２を光軸上に挿入して、テレビカメラ１１３に写される画像をディスプレイ１２５で見て、偏向コイル１０６の電流値を制御しながら、暗視野検出器１１１の中心と蛍光板１１２の中心が同一として、電子線１０４の重心を蛍光板１１２の中心に移動させる。

暗視野検出器１１１の中心と蛍光板１１２の中心が同一でない場合でも、操作者はディスプレイ１２５を見て、描画検出面４０１の中心と電子線１０４の重心を同一となるようにすることで、高コントラストの走査透過像がディスプレイ１２５に表示可能となる。また、蛍光板１１２および明視野検出器１１４を光軸からはずし、暗視野検出器１１１を光軸上に挿入して、その中心を通過した電子線４をテレビカメラ１１５で撮影することでも、光軸調整が可能となる。

メモリ１２３が電磁レンズ制御装置１１７に信号を送り、照射系レンズ１０５および結像系レンズ１０８の電流値を制御し、電子線１０４のスポット径を変更した場合、電子線１０４の光軸が移動するため、光軸調整を行う必要がある。操作者は電子線１０４のスポット径を変更する毎に光軸調整を行うが、各スポット径における偏向コイル制御装置１１８に送る電流値をメモリ１２３に記録しておくことで、電子線１０４のスポット変更毎の光軸調整を省くことができる。

本実施例では、上記光軸調整を、操作者が手動で行う、およびメモリ１２３が自動で行うことができる透過電子顕微鏡を実現するために、図４に示すようなテレビカメラ１１３で撮影した画像に暗視野検出器１１１の検出面と一致する描画検出面４０１を描画した画面を使用する。この場合、上記光軸調整は、試料台１０９および蛍光板１１２を光軸上に挿入し、暗視野検出器１１１を光軸からはずした状態で行う。上記描画検出面４０１の中心に透過電子２０２を移動させる、もしくは散乱電子２０１を描画検出面４０１上に配置するように、メモリ１２３は偏向コイル制御装置１１８に信号を送り、電子線１０４を制御する。

図５にその電子線制御の動作を示す。電子線５０１の重心を描画検出面４０１の中心付近に合わせる。また、メモリ１２３は暗視野検出器制御装置１１９に信号を送り、暗視野検出器１１１の検出面中心の位置を制御して、透過電子２０２の位置に移動することで、上記光軸調整が可能となる。

図８は、上記動作を実行する際の操作画面の例である。Ｂｅａｍ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ８０１を選択すると、偏向コイル１０６を制御して上記光軸調整処理を行う。Ｓｐｏｔ ｍｏｖｅ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ８０２を選択すると、電子線１０４のスポット径を変更した場合の上記光軸調整を行う。Ｂｅａｍ ８０３を選択すると、電子線１０４を制御対象とし、描画検出面４０１の中心付近に電子線１０４を制御する処理となる。Ｄｅｔｅｃｔｏｒ８０４を選択すると、暗視野検出器１１１を制御対象とし、電子線１０４の重心付近に、暗視野検出器１１１を制御する処理となる。

また、Ｂｅａｍ８０３およびＤｅｔｅｃｔｏｒ８０４を選択すると、暗視野検出器１１１を制御対象とし、電子線１０４の重心付近に、暗視野検出器１１１を制御した後、電子線１０４を制御対象とし、描画検出面４０１の中心付近に電子線１０４を制御する処理となる。暗視野検出器１１１を制御し、位置を変更した場合、描画検出面４０１を暗視野検出器１１１の位置に対応した位置に描画する。

Ａｕｔｏ８０５を選択すると、メモリ１２３がテレビカメラ１１３で撮影した画像データを使用して自動で光軸調整を行うＡｕｔｏモードとなる。Ｍａｎｕａｌ８０６を選択すると、操作者がテレビカメラ１１３で撮影した画像をディスプレイ１２５で見ながら光軸調整を行うＭａｎｕａｌモードとなる。Ａｄｊｕｓｔ ｓｔａｒｔ８０７を選択することで、上記光軸調整が動作する。

Ｍａｎｕａｌモードの場合、図９のようなメッセージ９０１をディスプレイ１２５で表示し、操作指示をすることで、光軸調整に慣れていない操作者でも容易に光軸調整を行うことができる。

以下、走査透過像撮影時の自動光軸調整処理について説明する。
図１０はメモリ１２３が走査透過像撮影時の電子線１０４の光軸調整を自動で行う処理のフローチャートである。蛍光板１１２に電子線１０４が照射された状態で、テレビカメラ１１３で撮影した画像データをメモリ１２３に取り込み、ディスプレイ１２５に表示する（ステップ１００１）。

次に描画検出面４０１を画像データに追加することで、暗視野検出面を追加する（ステップ１００２）。表示画像の電子線部分の重心座標を画像データより取得する（ステップ１００３）。図８の光軸調整実行時の操作画面で選択された制御対象が電子線１０４の場合はステップ１００５に移行し、暗視野検出器１１１の場合はステップ１００６に移行する（ステップ１００４）。

ステップ１００５において、メモリ１２３が偏向コイル制御装置１１８に信号を送り、電子線１０４を偏向コイル１０６で制御し、描画検出面４０１の中心に移動させて、動作を終了する。ステップ１００６においては、メモリ１２３は暗視野検出器制御装置１１９に信号を送り、暗視野検出器１１１を制御し、暗視野検出器１１１の中心を電子線１０４の重心座標と同一となるようにして、動作を終了する。

次に、電子線１０４のスポット径の変更に伴う光軸調整処理について説明する。図６の電子線６０１は、スポット径を変更した場合、電子線６０２の位置に移動する。電子線６０２の重心座標が蛍光板中心にない場合は、偏向コイル制御装置１１８が電子線６０２の制御を行い、蛍光板中心に移動させる。図７にその様子を示す。スポット変更に伴い蛍光板中心を外れた電子線７０２は、偏向コイル制御装置１１８に制御され、電子線７０１の位置すなわち蛍光板中心に移動する。尚、電子線６０１、６０２、７０１、７０２と電子線１０４は同意である。

図１１はメモリ１２３が電子線１０４のスポット変更時の光軸調整を自動で行う処理のフローチャートである。蛍光板１１２に電子線１０４が照射された状態で、テレビカメラ１１３で撮影した画像をメモリ１２３に取り込み、ディスプレイ１２５に表示する（ステップ１１０１）。

ここで、電子線１０４が蛍光板中心にない場合は、ステップ１１０２にて電子線１０４を蛍光板中心に移動させる。メモリ１２３は電磁レンズ制御装置１１７に信号を送り、照射系レンズ１０５および結像系レンズ１０８にて電子線１０４のスポット径を変更する（ステップ１１０３）。

スポット径を変更することで、電子線１０４の位置がずれるため（図６）、ずれた位置での電子線１０４の重心座標を画像データより取得する（ステップ１１０４）。ステップ１１０５にてメモリ１２３が偏向コイル制御装置１１８に信号を送り、電子線１０４を偏向コイル１０６で制御し、蛍光板中心に移動させる（図７）。その際に偏向コイル制御装置に送った電流値をメモリ１２３に記録する（ステップ１１０６）。

そして、すべてのスポット径に対して行ったかどうか判定する（ステップ１１０７）。ステップ１１０７で、すべてのスポット径に対して処理を行った場合は動作を終了する。この処理を行った後で電子線１０４のスポット径を変更した場合、メモリから偏向コイル制御装置へ、各ステップに対応した補正データ値を送り、スポット径変更に伴う電子線１０４のずれを自動で補正し、ずれをなくすことができる。

テレビカメラ１１３で撮影した画像データに描画検出面４０１を追加してディスプレイ１２５に表示する。蛍光板１１２に電子線１０４が照射された状態で、操作者はこの表示画像を見ながらスポット径を変更することにより、暗視野検出器１１１の検出面に効率的に散乱電子２０１を照射させ、高コントラストな暗視野像を観察することができる。

１０１・・・電子銃、１０２・・・鏡体、１０３・・・電子源、１０４・・・電子線、１０５・・・照射系レンズ、１０６・・・偏向コイル、１０７・・・走査偏向コイル、１０８・・・結像系レンズ、１０９・・・試料台、１１０・・・試料、１１１・・・暗視野検出器、１１２・・・蛍光板、１１３・・テレビカメラ、１１４・・・明視野検出器、１１５・・・テレビカメラ、１１６・・・電子源制御装置、１１７・・・電磁レンズ制御装置、１１８・・・偏向コイル制御装置、１１９・・・暗視野検出器制御装置、１２０・・・画像処理装置、１２１・・・明視野検出器制御装置、１２２・・・画像処理装置、１２３・・・メモリ、１２４・・・プロセッサ、１２５・・・ディスプレイ

Claims (9)

1. 電子源からの電子線を照射系レンズ及び偏向コイルを介して試料に照射し、該試料を透過した電子線を結像レンズを介して暗視野検出器及び明視野検出器で検出する電子顕微鏡において、電子線像を蛍光板に形成し、該蛍光板の電子線像を撮影する撮影装置と、該撮影装置の画像データから前記電子線の重心座標を求め、前記暗視野検出器の中心と合わせるように前記電子線又は前記暗視野検出器を移動する制御装置と、を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
2. 請求項１において、前記制御装置は、前記偏向コイルを制御する偏向コイル制御装置であって、前記暗視野検出器の中心と合わせるように前記電子線の重心を移動することを特徴とする電子顕微鏡。
3. 請求項１において、前記制御装置は、前記暗視野検出器の位置を制御する暗視野検出器制御装置であって、前記電子線の重心と合わせるように前記暗視野検出器の位置を移動することを特徴とする電子顕微鏡。
4. 請求項１において、前記撮影装置の画像データを用いて前記電子線及び前記暗視野検出器の描画画像を作成する画像処理装置を備え、前記制御装置は、前記電子線の重心座標と暗視野検出器の中心と合わせるように制御した後、前記電子線の重心を前記描画画像の中心と合わせるように制御することを特徴とする電子顕微鏡。
5. 請求項１において、前記電子線のスポット径を変更したとき、前記制御装置は、前記撮影装置の画像データから前記電子線の重心座標を求め、前記暗視野検出器の中心と合わせるように前記電子線の重心を移動することを特徴とする電子顕微鏡。
6. 請求項４において、前記電子線のスポット径を変更して前記電子線の位置がずれたとき、前記制御装置は、前記電子線の重心が前記描画画像の中心となるように前記偏向コイルを制御することを特徴とする電子顕微鏡。
7. 請求項１において、前記撮影装置の画像データを用いて前記電子線及び前記暗視野検出器の描画画像を作成する画像処理装置と、該画像処理装置からの描画画像を表示するディスプレイ装置とを備えることを特徴とする電子顕微鏡。
8. 請求項７において、前記ディスプレイ装置は、操作者に対して、光軸調整を行う際の操作方法を示すメッセージを表示することを特徴とする電子顕微鏡。
9. 請求項８において、前記メッセージは、光軸調整の種類の選択、光軸調整時の制御対象の選択、自動で行うか否かの選択を指示するメッセージを含むことを特徴とする電子顕微鏡。

Images