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JP7369752B2 - 電子顕微鏡及び電子顕微鏡の制御方法 - Google Patents

電子顕微鏡及び電子顕微鏡の制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法に関する。
透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）や走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）にＣＴ法を適用することで３次元構造物の構造観察・構造解析を可能とする手法（トモグラフィー）が知られている（例えば、特許文献１）。トモグラフィーでは、試料を様々な角度で傾斜させ、傾斜角度ごとの透過電子顕微鏡像（傾斜像シリーズ）を取得する。ここで、試料を傾斜させると試料の見かけの厚みが変わるため、試料の傾斜角度に応じて露光時間（傾斜像のデータ取得時間）を変え、傾斜角度が大きいほど露光時間が長くなるようにすることが行われる。
特開２００５－１９２１８号公報
上記のように検出器のデータ取得時間によって電子線照射量を制御すると、傾斜像シリーズを取得する際に多大な時間を必要とする。データ取得時間が長くなると、試料ドリフトが起こることで取得画像の劣化を招き、また、電子線照射によって試料が受けるダメージも大きくなる。
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よれば、データ取得時間の長時間化を防ぐことが可能な荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法を提供することができる。
（１）本発明に係る電子顕微鏡は、電子線のブランキングを行うブランカーと、試料を傾斜可能に保持するステージと、前記電子線のブランキングを制御して前記試料にパルスビームを照射させるブランキング制御部と、前記試料の傾斜角度を制御する傾斜制御部とを含み、前記ブランキング制御部は、前記試料の傾斜角度に基づいて、前記パルスビームのデューティ比を、前記傾斜角度の絶対値が大きいほど大きくなるように設定する。
また、本発明に係る電子顕微鏡の制御方法は、電子線のブランキングを行うブランカーと、試料を傾斜可能に保持するステージとを備えた電子顕微鏡の制御方法であって、前記電子線のブランキングを制御して前記試料にパルスビームを照射させるブランキング制御工程と、前記試料の傾斜角度を制御する傾斜制御工程とを含み、前記ブランキング制御工程では、前記試料の傾斜角度に基づいて、前記パルスビームのデューティ比を、前記傾斜角度の絶対値が大きいほど大きくなるように設定する。
本発明によれば、傾斜角度に応じて、パルスビームのデューティ比を変えることにより荷電粒子線照射量を制御するため、データ取得時間の長時間化を防ぐことができる。
（３）本発明に係る荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の制御方法では、前記ブランカーは、静電偏向板であってもよい。
本実施形態に係る荷電粒子線装置の構成の一例を示す図。 パルスビームのデューティ比と電子線照射量との関係を示す図。 処理部の処理の流れを示すフローチャート。
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。
図１は、本実施形態に係る荷電粒子線装置（電子顕微鏡）の構成の一例を示す図である。ここでは、電子顕微鏡が、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の構成を有する場合について説明するが、電子顕微鏡は、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の構成を有していてもよい。なお本実施形態の電子顕微鏡は図１の構成要素（各部）の一部を省略した構成としてもよい。
図１に示すように、電子顕微鏡１は、電子顕微鏡本体１０と、処理部１００と、操作部１１０と、表示部１２０と、記憶部１３０とを含む。
電子顕微鏡本体１０は、電子線源１１と、ブランカー１２と、照射レンズ系１３と、偏向器１４と、ステージ１５と、対物レンズ１６と、投影レンズ１７と、検出器１８と、ブランカー制御装置２０と、ステージ制御装置２１とを含む。
電子線源１１は、電子線（荷電粒子線の一例）を発生させる。電子線源１１は、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する。電子線源１１としては、例えば、電子銃を用いることができる。
ブランカー１２は、電子線源１１の後段に配置されている。ブランカー１２は、電子線のブランキングを行う。ブランカー１２としては、高速でＯＮ／ＯＦＦ（非照射／照射）の切り替えが可能な静電偏向板（静電シャッター）を用いる。ブランカー１２は、ブランカー制御装置２０によって制御される。
照射レンズ系１３は、ブランカー１２の後段に配置されている。照射レンズ系１３は、複数の集束レンズ（図示省略）で構成されている。照射レンズ系１３は、試料Ｓに照射される電子線（入射電子線）の収束角を調整する。
偏向器１４は、照射レンズ系１３の後段に配置されている。偏向器１４は、複数の偏向コイルと、当該複数の偏向コイルに流れる電流量を制御するための電流制御部（図示省略）とを有する。偏向器１４は、電流制御部で各偏向コイルに流れる電流を制御することにより入射電子線を二次元的に偏向させる。
ステージ１５は、試料Ｓを偏向器１４の後段に位置させるように保持している。ステージ１５は、ステージ制御装置２１により制御され、試料Ｓを水平方向や垂直方向に移動させ、また試料Ｓを回転、傾斜させる。ステージ１５は、光軸ＯＡに直交する傾斜軸ＴＡを中心（軸）として傾斜可能に構成され、試料Ｓが傾斜軸ＴＡを中心（軸）として傾斜するように、試料Ｓを保持している。
対物レンズ１６は、試料Ｓの後段に配置されている。対物レンズ１６は、試料Ｓを透過した電子線を結像させる。投影レンズ１７は、対物レンズ１６の後段に配置されている。投影レンズ１７は、対物レンズ１６によって結像された像をさらに拡大し、検出器１８上に結像させる。
検出器１８は、投影レンズ１７の後段に配置されている。検出器１８は、投影レンズ１７によって結像された透過電子顕微鏡像を検出する。検出器１８の例として、二次元的に配置されたＣＣＤ(Charge Coupled Device)で形成された受光面を有するＣＣＤカメラを挙げることができる。検出器１８が検出した透過電子顕微鏡像の像情報は、処理部１００に出力される。
操作部１１０は、ユーザが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部１００に出力する。操作部１１０の機能は、キーボード、マウス、タッチパネル型ディスプレイなどのハードウェアにより実現することができる。
表示部１２０は、処理部１００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。表示部１２０は、処理部１００により生成された、透過電子顕微鏡像や、再構成断面像、３次元像を表示する。
記憶部１３０は、処理部１００の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに、処理部１００のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、ＲＡＭなどにより実現できる。
処理部１００は、ブランカー制御装置２０、ステージ制御装置２１等を制御する処理や、透過電子顕微鏡像を取得する処理、試料Ｓの三次元像を構築する処理等の処理を行う。処理部１００の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ、ＤＳＰ等）などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。処理部１００は、ブランキング制御部１０２、傾斜制御部１０４、像取得部１０６、３次元像構築部１０８を含む。
ブランキング制御部１０２は、制御信号を生成してブランカー制御装置２０に出力することで、ブランカー１２による電子線のブランキングを制御し、電子線のブランキングを高速でＯＮ／ＯＦＦすることで試料Ｓにパルスビームを照射させる。
傾斜制御部１０４は、制御信号を生成してステージ制御装置２１に出力することで、試料Ｓ（ステージ１５）の傾斜角度を複数段階で制御する。ブランキング制御部１０２は、傾斜制御部１０４によって設定された傾斜角度に基づいて、パルスビームのデューティ比（電子線の非照射／照射の周期に対する照射期間の比）を制御する。
像取得部１０６は、検出器１８から出力された像情報を取り込むことで透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ像）を取得する処理を行う。像取得部１０６は、試料Ｓ（ステージ１５）が各傾斜角度に設定されたときに得られる傾斜角度ごとの透過電子顕微鏡像（傾斜像シリーズ）を取得する。例えば、像取得部１０６は、試料Ｓが－６０°から＋６０°まで１°ステップで１２１段階に傾斜されたときに得られる１２１枚の透過電子顕微鏡像を取得する。なお、試料Ｓの最大傾斜角度（上記の例では、６０°）とステップ角度（上記の例では、１°）は、予め設定情報として記憶部１３０に記憶されている。
３次元像構築部１０８は、像取得部１０６によって取得された傾斜像シリーズに基づき試料Ｓの３次元像を構築するための処理を行う。具体的には、３次元像構築部１０８は、傾斜像シリーズを構成する透過電子顕微鏡像に対してＣＴ法を適用することで断面像を再
構成し、得られた再構成断面像のシリーズを重ね合わせることで試料Ｓの３次元像を構築する。
ここで、傾斜像を取得するために試料Ｓを傾斜させると、試料Ｓの見かけの（光軸ＯＡ方向の）厚みが変わる。すなわち、試料Ｓの傾斜角度によって試料Ｓを透過する電子線量（電子線透過量）が変わり、傾斜角度の絶対値が大きいほど電子線透過量は少なくなる。そこで、本実施形態の手法では、ブランカー１２を制御して試料Ｓにパルスビームを照射し、試料Ｓの傾斜角度の絶対値が大きいほどパルスビームのデューティ比が大きくなるように（すなわち、電子線照射量が多くなるように）、電子線のブランキングを制御する。図２に、パルスビームのデューティ比（ブランキングのＯＮ／ＯＦＦの周期に占めるＯＦＦの期間の比）と電子線照射量との関係を示す。具体的には、試料Ｓの傾斜角度をθ、最大傾斜角度をθｍａｘ（θｍａｘ＜９０°）とすると、パルスビームのデューティ比ＤＲを、以下の式（１）により設定する。
ＤＲ＝ｃｏｓ（｜θｍａｘ｜－｜θ｜） …(1)
これにより、試料Ｓの傾斜角度θに依らず、電子線透過量を一定にすることができる。このように、本実施形態の手法では、試料Ｓの傾斜角度θに応じて、パルスビームのデューティ比ＤＲを変えることにより電子線照射量を制御するため、傾斜像シリーズの取得時間（データ取得時間）の長時間化を防ぐことができる。そして、長いデータ取得時間を必要としないため、試料ドリフトの発生を抑え、取得画像の劣化を防ぐことができる。また、傾斜角度θに応じた適切な量の電子線を試料Ｓに照射できるため、電子線の照射によって試料Ｓが受けるダメージを小さく抑えることができる。
次に、処理部１００の処理の一例について図３のフローチャートを用いて説明する。まず、ブランキング制御部１０２は、ブランカー１２（ブランカー制御装置２０）を制御して電子線のブランキングをＯＦＦにし、電子線を試料Ｓに照射させる（ステップＳ１０）。なお、このときの試料Ｓの傾斜角度θは０°である。次に、像取得部１０６は、検出器１８からの像情報に基づいて透過電子顕微鏡像を取得し、像取得完了を通知する信号をブランキング制御部１０２に出力する（ステップＳ１１）。当該信号を検知したブランキング制御部１０２は、ブランカー１２を制御して電子線のブランキングをＯＮにし、電子線が試料Ｓに照射されないようにする（ステップＳ１２）。
次に、傾斜制御部１０４は、記憶部１３０に記憶された設定情報に従って、ステージ１５（ステージ制御装置２１）を制御して試料Ｓを目的の角度に傾斜させ、傾斜完了を通知する信号をブランキング制御部１０２に出力する（ステップＳ１３）。当該信号を検知したブランキング制御部１０２は、試料Ｓの現在の傾斜角度θに基づいて式（１）によりデューティ比ＤＲを設定し（ステップＳ１４）、ブランカー１２を制御して、設定したデューティ比ＤＲのパルスビームを試料Ｓに照射させる（ステップＳ１５）。次に、像取得部１０６は、検出器１８からの像情報に基づいて透過電子顕微鏡像を取得し、像取得完了を通知する信号をブランキング制御部１０２に出力する（ステップＳ１６）。当該信号を検知したブランキング制御部１０２は、ブランカー１２を制御して電子線のブランキングをＯＮにする（ステップＳ１７）。
次に、処理部１００は、目的の枚数の透過電子顕微鏡像（傾斜像シリーズ）の取得が完了したか否かを判断し（ステップＳ１８）、傾斜像シリーズの取得が完了していない場合（ステップＳ１８のＮ）には、ステップＳ１３に移行する。傾斜像シリーズの取得が完了した場合（ステップＳ１８のＹ）には、３次元像構築部１０８は、傾斜像シリーズから断面像を再構成し（ステップＳ１９）、再構成断面像のシリーズを重ね合わせることで３次元像を構築する（ステップＳ２０）。
なお、ステップＳ１０においても、ステップＳ１４、Ｓ１５と同様に、試料Ｓの傾斜角度θ（＝０°）に基づいて式（１）によりデューティ比ＤＲを設定し、設定したデューティ比ＤＲのパルスビームを試料Ｓに照射させるようにしてもよい。
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。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、方法及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。
例えば、上記実施例では、本発明を、透過型電子顕微鏡や走査透過型電子顕微鏡に適用する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。本発明に係る荷電粒子線装置は、傾斜可能に保持された試料に荷電粒子線を照射する装置であればどのような装置であってもよく、本発明は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や、集束イオンビーム装置（ＦＩＢ）に適用することもできる。
１…電子顕微鏡（荷電粒子線装置）、１０…電子顕微鏡本体、１１…電子線源、１２…ブランカー、１３…照射レンズ系、１４…偏向器、１５…ステージ、１６…対物レンズ、１７…投影レンズ、１８…検出器、２０…ブランカー制御装置、２１…ステージ制御装置、１００…処理部、１０２…ブランキング制御部、１０４…傾斜制御部、１０６…像取得部、１０８…３次元像構築部、１１０…操作部、１２０…表示部、１３０…記憶部、ＯＡ…光軸、Ｓ…試料、ＴＡ…傾斜軸

Claims (3)

  1. 電子線のブランキングを行うブランカーと、
    試料を傾斜可能に保持するステージと、
    前記電子線のブランキングを制御して前記試料にパルスビームを照射させるブランキング制御部と、
    前記試料の傾斜角度を制御する傾斜制御部とを含み、
    前記ブランキング制御部は、
    前記試料の傾斜角度に基づいて、前記パルスビームのデューティ比を、前記傾斜角度の絶対値が大きいほど大きくなるように設定する、電子顕微鏡。
  2. 請求項１において、
    前記ブランカーは、静電偏向板である、電子顕微鏡。
  3. 電子線のブランキングを行うブランカーと、試料を傾斜可能に保持するステージとを備えた電子顕微鏡の制御方法であって、
    前記電子線のブランキングを制御して前記試料にパルスビームを照射させるブランキング制御工程と、
    前記試料の傾斜角度を制御する傾斜制御工程とを含み、
    前記ブランキング制御工程では、
    前記試料の傾斜角度に基づいて、前記パルスビームのデューティ比を、前記傾斜角度の絶対値が大きいほど大きくなるように設定する、電子顕微鏡の制御方法。
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