JP2000133195A

JP2000133195A - 透過電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2000133195A
Application number: JP10308053A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Taniguchi; 佳史谷口; Toshimichi Taya; 俊陸田谷; Shigeto Isagozawa; 成人砂子沢; Koji Kimoto; 浩司木本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-12

Abstract

(57)【要約】【課題】歪みやぼけの少ないエネルギフィルタ像を得る
ことを目的とする。【解決手段】ＳＴＥＭの光学系とＥＦ−ＴＥＭのエネル
ギフィルタを組み合わせる。エネルギフィルタの電子光
学系は、ＥＦ−ＴＥＭにおいて回折パターンを観察する
光学系を採用する。試料面上を電子線走査し、他の偏向
系を用いて振り戻し、照射領域のみのエネルギ分析を行
い、点分析，線分析，面分析を実現する。電子線が試料
面上でラインフォーカスするようにわざと非点収差を与
えることにより、線分析を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は透過型電子顕微鏡に
係り、特に試料を透過した電子線から特定のエネルギを
有する電子に基づいて試料情報を画像化する装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、原子レベルオーダで材料を観察
し、かつ原子レベルで観察された原子の種類や結合状態
で同定を行うことが、特に半導体の不良解析や新素材の
研究において極めて重要になってきている。

【０００３】特定領域の分析方法には、透過型電子顕微
鏡（Transmission ElectronMicroscope：ＴＥＭ）で、
エネルギ損失分光法（Electron Energy LossSpectrosco
py：ＥＥＬＳ）を行う方法がある。この方法は試料を透
過した電子の内、エネルギを失った電子の電子線強度と
その失ったエネルギに基づいて試料内部で起こった現象
や元素の種類、結合状態を調べる方法である。そしてこ
の方法をさらに発展させたエネルギフィルタ電子顕微鏡
によるコアロス電子での元素分布表示方法がある。これ
は電子分光結像法（Electron Spectroscopic Imaging：
ＥＳＩ）と呼ばれ、試料と非弾性散乱した電子のエネル
ギを分析し、特性Ｘ線を励起した電子線をエネルギフィ
ルタで抽出し、結像する方法である。

【０００４】エネルギフィルタ電子顕微鏡（Energy−Fi
ltering Transmission ElectronMicroscope：ＥＦ−Ｔ
ＥＭ）は、試料を透過させた電子線の内、非弾性散乱し
た電子をエネルギフィルタで抽出し、当該抽出された電
子を投影面に結像することで、特定元素の元素分布像を
得るものである。このための透過型電子顕微鏡が、特開
昭61−13541号公報に開示されている。

【０００５】また元素分布像を得るための他の方法とし
て、走査電子顕微鏡（ScanningElectron Microscope：
ＳＥＭ）を使ったエネルギ分散型Ｘ線分光法（EnergyDi
spersive Method in X−ray spectroscopy：ＥＤＸ）が
ある。当該方法は、試料に収束した電子線を二次元的に
走査し、その際に発生した特性Ｘ線のエネルギと強度を
測定し、電子線走査と同期して画像表示する方法であ
る。

【０００６】一方、試料に照射される電子線を走査し、
試料を透過した電子線を検出することによって試料の内
部構造を観察する走査透過電子顕微鏡（ScanningTransm
ission Electron Microscope：ＳＴＥＭ）が特開平9−1
67591 号公報に開示されている。このＳＴＥＭでＥＥＬ
Ｓを行うことが第１２回分析電子顕微鏡討論会予稿集ｐ
８０−８５に紹介されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記各分析方法は、試
料から発生した電子線のエネルギに基づいて試料の特定
領域の情報を得るためのものであるが、以下のような問
題がある。

【０００８】ＴＥＭ＋ＥＥＬＳは、基本的に点分析なの
で画像化ができない。従って、ＥＦ−ＴＥＭのようにＥ
ＳＩによる元素分析像を得ることができず、電源等が発
生する磁界型のノイズがのりやすいという問題がある。

【０００９】ＥＦ−ＴＥＭは、試料の電子線照射領域を
結像レンズを用いてエネルギフィルタの入力像面に結像
させ、エネルギ分光された電子線を観察スクリーンに投
影するものである。このような構成では、観察領域を透
過した電子がエネルギフィルタや電子レンズのレンズ収
差の影響を受けるため、像が歪んだりボケたりするとい
う問題がある。換言すれば試料像を形成する電子が電子
レンズやエネルギフィルタを介して観察スクリーンに投
影されるために、エネルギフィルタの収差の影響が観察
スクリーンに投影される試料像の歪みやボケとして反映
されることになり、エネルギー分解能が低下するという
問題がある。

【００１０】エネルギフィルタは高度なシュミレーショ
ンを駆使して設計され、更に極めて精巧な機械加工技術
と組立技術、および高度な軸調技術が要求されるため、
上記課題を構造的な精度の向上に頼るのは限界がある。

【００１１】また点分析を行う場合、制限視野絞りを用
いて視野を選択する必要があり、微小領域の分析には限
界がある。照射電子線を試料上で収束した場合、エネル
ギ分散面上では逆にスペクトルがぼけてしまい、エネル
ギ分解能が低下するという問題がある。

【００１２】ＳＴＥＭ＋ＥＤＸでは、実像を観察するこ
とができないという問題がある。そのため、観察希望視
野を探すために時間がかかったり、そのため電子線を長
く照射し続けることになり、試料へのダメージの影響も
生じる。またＥＤＸのエネルギ分解能は低いため、状態
分析を行うことができない。更にＥＤＸに用いられるＸ
線検出器は立体角が小さいので感度が不足するという問
題がある。

【００１３】ＳＴＥＭ＋ＥＥＬＳもＳＴＥＭ＋ＥＤＸと
同様実像が観察できず、上記のような問題が発生する。
またＳＴＥＭ＋ＥＥＬＳではＥＳＩを実施することがで
きない。

【００１４】本発明の目的は、上記課題を解決し得る透
過電子顕微鏡の提供を目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するべく、電子源と、該電子源から発生した電子線を収
束して照射する電子レンズと、前記試料からの透過電子
線をエネルギ分光するエネルギフィルタを備えた透過電
子顕微鏡において、前記電子線を前記試料上で走査させ
る第１の偏向器と、前記透過電子線を前記エネルギフィ
ルタの所定の位置に偏向する第２の偏向器と、前記エネ
ルギフィルタを通過した電子線の強度を検出する検出器
と、当該検出器の出力に基づいて輝度を変化させる表示
装置と、前記第１，第２の偏向器に偏向信号を与える偏
向系制御装置を備えたことを特徴とする透過電子顕微鏡
を提供する。

【００１６】本発明によれば、試料を透過した電子はエ
ネルギフィルタに導入され、エネルギフィルタによって
分光され、特定エネルギの電子線のみを抽出することが
できる。抽出された特定エネルギの電子線は、検出器に
よって検出され第１の偏向器の走査と同期して偏向され
る表示装置の輝度情報となるので、表示装置には画素単
位で、特定エネルギを持つ電子線の強度が表示される。

【００１７】従来のＥＦ−ＴＥＭは観察領域像を形成す
る電子がエネルギフィルタに導入され、エネルギ分光さ
れるが、本発明は観察領域の一部である電子線の照射部
分を透過した電子が、第１の偏向器の偏向に伴って順次
エネルギフィルタに導入され、エネルギ分光される。

【００１８】即ちＥＦ−ＴＥＭは観察領域像を形成する
電子がエネルギフィルタに導入されるので、エネルギフ
ィルタによる歪みやボケの影響が像に反映されてしまう
のに対し、本発明ではエネルギフィルタに観察領域像を
形成する電子を導入するわけではないので、表示装置に
表示される観察領域像がエネルギフィルタの歪みやボケ
の影響を受けることがない。

【００１９】本発明では第１の偏向器で偏向された電子
線を順次エネルギフィルタに導入してエネルギ分光し、
該エネルギ分光された電子の電子線量に基づいて表示装
置の輝度変調を行うと共に、表示装置の偏向を第１の偏
向器と同期させることで、歪みやボケの影響の少ないエ
ネルギフィルタ像を構築することが可能になる。またＥ
Ｆ−ＴＥＭに比べ、試料に照射する電子線をより細く絞
って照射することになるので、観察領域像の分解能が向
上する。

【００２０】また、本特許において第２の偏向器を備え
る理由は、エネルギフィルタの入力像面の所定の位置に
試料を透過した電子線を位置づける必要があるからであ
る。即ち本特許では第１の偏向器で試料に照射される電
子線を走査しているため、第１の偏向器による電子線の
走査によってエネルギフィルタの入力像面上の電子線の
照射位置も変化することになる。

【００２１】エネルギフィルタはレンズ作用を持ってい
るので、入力像面上の電子線の照射位置が変化した場
合、相対的に出力像面（色消像面）での電子線の位置が
変化する。すると照射位置の違いによって、エネルギフ
ィルタの下段に設けられるエネルギ選択スリットを通過
する電子線のエネルギが変化してしまう。

【００２２】本発明は、エネルギフィルタの入力像面上
で電子線の照射位置を振り戻すように（エネルギフィル
タの入力像面上での照射電子線の位置を維持するよう
に）、第２の偏向器を機能させているので、第１の偏向
器による電子線の偏向によらず、特定エネルギの電子線
を選択的に検出することが可能になる。

【００２３】以下、本発明に係る他の説明は、以下の発
明の実施の形態の欄で説明する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例を交えて詳
細に説明する。

【００２５】まず、本発明の説明の前にＥＦ−ＴＥＭの
原理について説明する。

【００２６】図２は、ＥＦ−ＴＥＭでエネルギフィルタ
像を観察するときの結像光学系のブロック図である。エ
ネルギフィルタ１２には、入力クロスオーバー面２２と
入力像面２３と色消し像面２４とエネルギ分散面２５が
存在する。対物レンズ８の後ろ焦点面２０にできている
回折パターンをエネルギフィルタ１２の入力クロスオー
バー面２２に結像し、対物レンズ８の像面２１にできて
いる試料６の拡大像をエネルギフィルタ１２の入力像面
２３に結像する。

【００２７】すると、エネルギフィルタ１２の後ろには
色消し像面２４とエネルギ分散面２５が形成される。照
射電子線４が平行光である場合には、入力クロスオーバ
ー面２２にできている回折パターンの拡大像は非常に細
くなるため、エネルギ分散面２５にはエネルギロススペ
クトル３４が形成される。

【００２８】図３は、ＥＦ−ＴＥＭで電子線回折像を観
察するときの結像光学系を示すブロック図である。対物
レンズ８の後ろ焦点面２０にできている回折パターンを
エネルギフィルタ１２の入力像面２３に結像し、対物レ
ンズ８の像面２１にできている試料６の拡大像をエネル
ギフィルタ１２の入力クロスオーバー面２２に結像す
る。

【００２９】すると、エネルギフィルタ１２の後ろの色
消し像面２４には、回折パターンが形成され、エネルギ
分散面２５には試料６の拡大像が形成される。

【００３０】以上の前提を踏まえて以下に本発明実施例
装置について説明する。

【００３１】図１は、本発明の透過型電子顕微鏡の一実
施例である光学系のブロック図である。１は透過型電子
顕微鏡である。電子銃２を含む電子源から放出された照
射電子線４は、収束レンズ３によって収束され試料６に
照射される。また照射の際に、照射偏向系５によって試
料６に対する照射位置と角度が決定される。照射偏向系
５は照射角度を一定に保ったまま位置だけを変えたり、
照射位置を一定に保ったまま照射角度だけをかえたりす
ることができるように構成されている。また照射偏向系
５は、照射電子線４を試料上を２次元走査する機能を備
えている（第１の偏向器の機能）。

【００３２】照射電子線４はできるだけ一定のエネルギ
になるように制御されているが、試料を透過した透過電
子線７は試料６との相互作用により、種々のエネルギを
持つ電子を含んでいる。

【００３３】第１中間レンズ９と第２中間レンズ１０か
らなる第１のレンズ系は、対物レンズ８の後ろ焦点面に
できている回折パターンをエネルギフィルタの入力像面
に結像し、対物レンズ８の像面にできている試料６の拡
大像をエネルギフィルタの入力クロスオーバー点に結像
する。即ち、図３において説明したエネルギフィルタ回
折パターンを観察するときの結像光学系と同じ状態にす
る。なぜこのような光学系にするかについての詳細は後
述するが、図３に示す光学系にすることによって本発明
実施例装置は高いエネルギ分解能を得ることが可能にな
る。

【００３４】なお、以下の説明は中間レンズの数が２段
の場合について説明するが、二段レンズ系に限定される
必要はない。３段以上あっても構わない。

【００３５】透過電子線７は中間偏向系１１（本発明の
第２の偏向器）によりエネルギフィルタ１２への入射位
置が調整される。透過電子線７のエネルギはエネルギフ
ィルタ１２によって分光され、ゼロロス電子線１３とロ
ス電子線１４に分けることができる。この時、エネルギ
選択スリット１５上のエネルギ分散面には照射電子線４
が照射されている領域のエネルギロススペクトル３４が
できる。なお、この際照射電子線４は試料６に対し、収
束して照射されている。

【００３６】分光された電子のうち、エネルギ選択スリ
ット１５は特定のエネルギの電子線のみを抽出すること
ができる。電子線検出器１６は、エネルギ選択スリット
１５を通過してきた電子線の強度を計測し、強度信号１
７を出力する。

【００３７】偏向系制御装置１８は、照射偏向系５と中
間偏向系１１の両方を制御する。照射偏向系５を制御し
て試料６に対する照射電子線の入射方向を一定に保った
まま照射位置を変えることできる。

【００３８】試料６に対する照射電子線４の照射位置が
変化するとエネルギフィルタ１２の入力クロスオーバー
面における透過電子線７の位置が変化するが、偏向系制
御装置１８は、中間偏向系１１を制御してエネルギフィ
ルタ１２の入力クロスオーバ面２２における透過電子線
７の位置を振り戻して、同じ位置にくるようにする。
（本発明の第２の偏向器の機能）このような構成によれ
ば、照射偏向系５を用いて試料６上で照射電子線を２次
元走査してもエネルギ分散面２５にできるエネルギロス
スペクトル３４は移動しない。

【００３９】そしてエネルギロススペクトル３４のう
ち、必要な領域のみがエネルギ選択スリット１５を通過
できるようにすれば、その領域の電子線強度が図１に示
す電子線検出器１６で測定され、強度信号１７として出
力される。この出力信号を増幅してＣＲＴなどの表示装
置（図示せず）の輝度変調信号とする。

【００４０】本実施例装置では偏向系制御装置１８を用
いて照射電子線を試料６上で走査し、試料６の各点にお
けるエネルギロススペクトル３４を連続して獲得し、Ｃ
ＲＴの輝度変調信号とすると共に、照射電子線の走査と
ＣＲＴの走査を同期させることで、高い像分解能と、高
いエネルギ分解能を持ったエネルギフィルタ像を得るこ
とができる。

【００４１】なお、本実施例装置では、高分解能を得る
ために試料に対し照射電子線を細く絞って照射する。本
実施例装置は、観察領域に対して細く絞った電子線を走
査して照射するので、少なくとも観察領域より小さいビ
ーム径を持つ照射電子線を用いる。

【００４２】観察領域とほぼ同じ大きさのビーム径を持
つ照射電子線を用いるＥＦ−ＴＥＭに対し、本実施例装
置では、観察領域より小さいビーム径を持つ照射電子線
を走査して照射するので、像分解能の高いエネルギフィ
ルタ像を得ることができる。次に先に触れた本実施例装
置で図３に示すような光学系を用いる理由について詳述
する。図３に示すような光学系は、一般的に観察スクリ
ーン２９にエネルギフィルタ回折パターンを投影し観察
する際に用いられる。エネルギ分散面２５には試料６の
拡大像が形成されるのでエネルギフィルタ１２を通過し
た電子線は広がりを持つ。しかし、本実施例装置のよう
に照射電子線４を収束して試料６に照射した場合、エネ
ルギ分散面２５上にはエネルギロススペクトルが形成さ
れる。このエネルギロススペクトルのうち、必要な領域
をエネルギ選択スリット１５を通すことができれば、そ
の領域の電子線強度が、本実施例装置の電子線検出器１
６で測定され、強度信号１７として出力される。

【００４３】一方、図３に示すような光学条件以外でも
ＥＦ−ＴＥＭによるエネルギフィルタ像と等価な像を得
ることは可能である。しかし図３の光学系以外では、像
分解能の高い像を得るために照射電子線を収束させた場
合、対物レンズ８の後ろ焦点面２０に形成される回折パ
ターンがぼやけてしまう。

【００４４】後ろ焦点面２０に形成された回折パターン
はエネルギフィルタ１２の入力クロスオーバー面２２に
結像され、エネルギ分散面２５には入力クロスオーバー
面２２に形成された回折パターンと同じ回折パターンが
形成される。エネルギ分散面２５に形成される回折パタ
ーンは、後ろ焦点面２０に形成される回折パターンと同
様、ぼやけた状態で形成されるのでエネルギ選択スリッ
ト１５のエネルギ分解能が、図３の光学系を採用した場
合と比較して低下してしまう。以上の理由により、本実
施例装置で高いエネルギ分解能を得るには図３の光学条
件とすることが理想的である。

【００４５】次に、本発明実施例装置で採用する理想的
な偏向系について説明する。二次元像をすばやく得るた
めには、照射偏向系５と中間偏向系１１の応答速度を早
くしなければならない。また歪みの少ない像を得るため
にはヒステリシスが少なく、かつ線形性のいい偏向系を
採用するのが理想的である。これら条件を満足するため
に照射偏向系５と中間偏向系１１に、空芯コイルや静電
型の偏向板が用いられる。

【００４６】図１で示した光学系でエネルギロススペク
トルを記録するには、エネルギ分散面２５上にできてい
るエネルギロススペクトル３４とエネルギ選択スリット
１５の相対位置関係をずらしながら、エネルギ選択スリ
ット１５を通過するゼロロス電子線１３またはロス電子
線１４の強度を電子線検出器１６で測定し、グラフ表示
すればよい。

【００４７】エネルギロススペクトル３４とエネルギ選
択スリット１５の相対位置をずらすには、加速電圧を変
化させる方法，エネルギ選択スリット１５を移動させる
方法，エネルギフィルタ１２の励磁を変化させる方法が
考えられる。

【００４８】図４は、本発明の他の実施例を説明するた
めの図である。なおエネルギフィルタ１２より上の構成
は図１と同じである。

【００４９】まず図１に示す装置と異なる点は、図１の
電子線検出器１６を二次元電子強度検出器３１にしたこ
とである。本実施例では第２のレンズ系（第１投影レン
ズ２６，第２投影レンズ２７）を設け、エネルギ分散面
に形成されるエネルギロススペクトルを二次元電子線強
度検出器３１に拡大投影する。このような構成とするこ
とによって、エネルギロススペクトルを直接撮影するこ
とが可能になる。このようにすればエネルギロススペク
トルを短時間に得ることができる。なお二次元電子線強
度検出器３１にはＳＳＣＣＤ等の二次元的に電子線の強
度を検出できる媒体が用いられる。またエネルギロスス
ペクトルは斑点状や環状、あるいは暈図形で二次元電子
線強度検出器３１に投影される。なお、図４に示す装置
には第２のレンズ系として、二段レンズ系を採用してい
るが、レンズの段数に依存しない。

【００５０】図４に示す装置は、エネルギフィルタ１２
の下段に第３の偏向器として投影偏向器３３を備えてい
る。投影偏向器３３を用いて図５に示すようにエネルギ
分散の方向と垂直な方向にエネルギフィルタ１２を通過
した電子線を振る。その結果、二次元電子線強度検出器
３１上でのエネルギロススペクトル３４は紙面の垂直方
向に広がりを持つようになる。二次元電子線強度検出器
３１で強度分布を得た後で、エネルギ分散方向と垂直な
方向に強度を積分することにより、エネルギロススペク
トル３４のダイナミックレンジと信号雑音比（Ｓ／Ｎ）
を向上させることができる。

【００５１】図４，図５に開示の構成では、投影偏向系
３３はエネルギフィルタ１２とエネルギ選択スリット１
５の間に配置されているが、エネルギフィルタ１２と二
次元電子線強度検出器３１の間であればどこでも良い。
ただし、エネルギフィルタ１２の色消し像面２４に近い
所にあれば、拡大レンズ系による像回転の影響を受けに
くいので、エネルギ分散方向と偏向方向を垂直な状態に
維持することができる。また拡大レンズ系に無回転レン
ズを用いるようにしても良い。

【００５２】本実施例では、照射偏向系５と中間偏向系
１１を偏向系制御装置１８によって同期して制御してい
る。これによって照射偏向系５による走査領域のＳ／Ｎ
の優れたエネルギロススペクトルを得ることができる。

【００５３】なお、照射偏向系５だけを制御すれば、試
料６の一次元的な領域の分析（以下ラインアナリシスと
する）を行うことができる。一般的に、試料上の一元的
領域の分析をしたいという要求がある。そのためには試
料に対し照射電子線を一次元的に走査し、同期して得ら
れる信号を処理する必要がある。その場合、異なる時間
に得られる信号を処理していくことになるので、試料ド
リフトや装置の安定度の影響を無視することができなく
なる。

【００５４】線分析をするために、点分析を行いながら
微小プローブをシフトしていく方法では、各分析点間で
時間差が生じ、ビーム位置が変化したり、エネルギの原
点がシフトしたりする問題が無視できない。一方ＥＦ−
ＴＥＭでラインフォーカスを行うと、一度に一次元のＥ
ＥＬＳが得られるので分析に時間差は生じないものの、
エネルギフィルタの設計において、このような収束条件
は大きな制約となり、収差の小さいエネルギフィルタを
形成することが困難になる。

【００５５】本発明実施例は上記課題を解決するもので
あり、図６に本発明実施例装置によるラインアナリシス
分析の原理を示す。本実施例装置では、照射電子線４
を、照射偏向系５で試料６上を一次元的に走査する。走
査方向は二次元電子線強度検出器３１上において、エネ
ルギ分散方向と垂直な方向になるようにする。このよう
な走査によって試料６上にはラインプローブ４３が形成
される。

【００５６】結像光学系４０（対物レンズ８と中間レン
ズ９，１０の集合的なレンズ系）によりラインプローブ
４３の像がエネルギフィルタ１２の入力クロスオーバー
面２２に結像され、これをエネルギフィルタ１２はエネ
ルギ分散面２５上でエネルギロススペクトルに分解す
る。これを投影レンズ系４１（投影レンズ２６，２７の
集合的なレンズ系）を用いて拡大投影すると、二次元電
子線強度検出器３１上には走査した一次元領域のエネル
ギロススペクトル４２（以下ラインスペクトルとする）
が形成される。

【００５７】このようなラインスペクトルの形成によ
り、試料の一次元的な方向のエネルギ分析を行うことが
可能になる。また図６に開示されているように、エネル
ギ，電子線の照射個所、及び電子線強度をそれぞれｘ，
ｙ，ｚ軸とした表示を行うことによって、試料のある方
向の組成の推移を視覚的に確認することが可能になる。
外部磁場や電源ノイズの影響で、偏向系制御装置１８の
信号には商用電源の周波数に近い周期的なノイズがのる
場合がある。このノイズの影響を軽減する技術について
図７を用いて説明する。

【００５８】外部ノイズ５０が偏向系制御装置１８に外
乱を与え、本来なら一定の値を示すはずの偏向系５４へ
の偏向系制御信号５１が図７のように外部ノイズと同じ
周期で振動し、一定の値を示さなくなるような場合があ
る。このような状態で図５，図６に示すような処理を行
えば、エネルギロススペクトル３４のエネルギ分解能が
悪くなったり、ラインスペクトル形成において試料６の
正確な一次元情報が得られなくなったり、エネルギロス
スペクトル３４のピーク位置が変化したのか、単に電子
線５３に位置が移動しているだけなのかの区別がつかな
くなる。

【００５９】外部ノイズ５０は、商用電源の周波数に一
致することが多いので商用電源の周波数の自然数分の１
の周波数を持つ周期的な偏向系制御信号５２を重畳す
る。この周期的な偏向系制御信号５２は図５や図６に用
いられた変調信号で良い。図７には２分の１の周波数の
信号を重畳する例を示してある。

【００６０】このように構成することによって、二次元
電子線強度検出器３１上にはノイズの影響を受けたライ
ンスペクトル５５が現れる。これにノイズ除去処理を施
して、一直線状になるようにすれば、ノイズを除去した
ラインスペクトル５６が得られる。このような処理は、
エネルギフィルタ１２の制御系にノイズが乗っていると
きでも利用できる。

【００６１】図６におけるラインプローブ４３は、図８
に示したように収束レンズ非点収差制御装置５８を用い
ても得られる。このような方式では、ラインプローブの
方向，長さを自由に変えることができる。ラインプロー
ブの方向とエネルギフィルタ１２の分散方向が垂直とな
るような非点収差制御電流値と、任意の長さの非点収差
制御電流値の組み合わせのデータテーブルを作っておく
ことも可能である。

【００６２】図６や図８に示したラインプローブはエネ
ルギフィルタ１２のエネルギ分散方向と垂直であるか
ら、エネルギフィルタ１２のエネルギ分散面２５上では
エネルギ選択スリット１５と平行になる。すなわち、あ
るエネルギ領域のみがエネルギ選択スリット１５を通過
するようにしておき、ラインプローブ４３をエネルギ分
散方向と一致する方向に走査させる。

【００６３】さらに中間偏向系１１または投影偏向系３
３を用いて二次元電子線強度検出器３１上でラインプロ
ーブ４３の像が移動しないように制御すれば、試料６の
二次元像が得られる。

【００６４】ＥＦ−ＴＥＭに用いられるエネルギフィル
タ１２はスペクトルと画像の両方を見るので、エネルギ
フィルタ１２の色消し像面２４における収差とエネルギ
フィルタのエネルギ分散面２５における収差を考慮しな
ければならない。収差はエネルギフィルタ１２に入射す
る位置と方向に依存する。従って、対象物が小さいほ
ど、光軸に対し平行になるほど収差の許容量が緩くな
る。

【００６５】エネルギフィルタを設計する際、主として
色消し像面２４における歪みとぼけ、エネルギ分散面２
５における角度に関する収差が問題となる。これは、エ
ネルギ分散面２５では電子線１３，１４は収束して小さ
くなっている反面、色消し像面２４における画像の有効
視野が大きいためである。

【００６６】一方、本発明実施例装置に用いられるエネ
ルギフィルタを設計するに当たり、考慮しなければなら
ない収差は、エネルギ分散面２５における歪みとぼけだ
けである。しかも、歪みに関する収差はエネルギ分散方
向の成分を考慮する必要がない。

【００６７】これは、色消し像面２４では回折パターン
となって小さくなっている上に、エネルギ分散面２５上
では電子線１３，１４は収束して小さくなっているから
である。しかも投影レンズ系４１の倍率は、ＥＦ−ＴＥ
Ｍを用いて像観察するときと比較して大きくとることが
でき、より光軸に近い領域の電子線だけを考慮すれば良
いことも有効に作用している。

【００６８】最終的にスペクトルのエネルギ分解能を制
限するものは、試料６上の照射電子線４の大きさであ
る。収束レンズ３として縮小光学系を採用したり、電子
銃２として電界放出形電子銃を採用すれば、十分な効果
が得られる。但し、試料６上で十分照射電子線４を収束
し得る仕組みが施されていることが重要になってくる。
これは図９に示したような実施例で実現できる。

【００６９】二次元電子線強度検出器３１よりも広範囲
のエネルギロススペクトルを得るには、一定電圧幅で加
速電圧をずらしていけばよい。ずらし幅を二次元電子線
強度検出器３１の幅に相当する電圧幅以下にすれば、無
駄無く獲得していくことができる。但し、加速電圧が変
化すると照射電子線４の収束条件からはずれてしまう。

【００７０】しかし収束レンズ３，照射偏向系５，収束
レンズ非点収差制御装置５８，対物レンズ８の前方磁界
の特性が変化する。これらは発明者らが先に出願した特
願平9−248122 号公報に記載の技術で補正可能である。

【００７１】試料６上で照射電子線４が収束している状
態を探す（収束レンズ３のレンズ電流値をＩｃとする）
には、収束レンズ３のレンズ電流を±０.０１Ａ以下の
範囲で振れば良い。この例を図９に示す。

【００７２】収束レンズ３のレンズ電流値が変化すれ
ば、試料６上における照射電子線４の大きさが変化し、
同時に電子線密度が変化する。試料６上で照射電子線４
が最も収束しているときに、電子線の密度は最大にな
る。ゼロロス電子線１３またはロス電子線１４の強度を
電子線検出器１６または二次元電子線強度検出器３１で
測定し、強度が最大値を示す電流を検出するようにすれ
ば良い。変化させる電流値は少ない方がＩｃを測定する
精度が向上し、しかも短時間で検出できる。変化量とし
て±０.０１Ａ程度あれば十分である。

【００７３】二次元電子線強度検出器３１上のエネルギ
分散量は投影レンズ系４１の倍率に応じて変化させるこ
とができる。ラインアナリシスの分析可能な領域は結像
光学系４０の倍率で変化させることができる。数種類の
電流値の組み合わせを記憶しておけば、適宜、エネルギ
分散量と分析領域の選択をすることができる。結像光学
系４０と投影レンズ系４１として三段レンズ系を採用す
れば、その変化幅の自由度が大きくなる。

【００７４】これまで説明してきた実施例装置は、電子
顕微鏡の鏡体中にエネルギフィルタを配置するいわゆる
インコラム形と呼ばれるエネルギフィルタ付きの透過電
子顕微鏡であるが、それに限らずポストコラム形のエネ
ルギフィルタ付き透過電子顕微鏡に本発明を採用して
も、同様の効果が得られる。

【００７５】上述したように、本発明実施例装置によれ
ば以下のような効果が達成される。中間レンズで試料の
拡大像をエネルギフィルタの入射クロスオーバー面に結
像すると同時に試料の電子線回折パターンをエネルギフ
ィルタの入射像面に結像することにより、エネルギフィ
ルタの出射像面に試料の電子線回折パターンが結像さ
れ、同時にエネルギフィルタのエネルギ分散面上には試
料の拡大像が結像される。このエネルギ分散面上では試
料でエネルギを失った電子線はエネルギ分散方向にずれ
た位置に拡大像が形成される。

【００７６】ここで、照射電子線を試料上で収束させれ
ば、照射領域のみのエネルギロススペクトルがエネルギ
分散面上に形成され、微小領域のエネルギ分析が高いエ
ネルギ分解能で得られるようになる。

【００７７】また、エネルギフィルタへの入射角度を大
きくとる必要がないので、エネルギフィルタの収差の許
容範囲が広がり、簡単な光学系のエネルギフィルタを用
いても高いエネルギ分解能を得ることができるようにな
る。

【００７８】また試料よりも上に位置する第１の偏向コ
イルと、試料とエネルギ選択手段の間にある第２の偏向
コイルを同時に制御して、第１の偏向コイルで電子線の
位置を移動させても、第２の変更コイルでエネルギ選択
手段上の電子線の位置が変わらないようにすることによ
り、試料の各位置におけるエネルギロススペクトルを同
じ位置で観察，記録できるようになる。

【００７９】また、電子線を試料上で二次元的に走査
し、走査信号に同期してエネルギ選択手段を通過した電
子線の強度を画像表示することができるようになる。

【００８０】また第１の偏向コイルと第２の偏向コイル
に空芯コイルまたは静電型の偏向板を用いることによ
り、高速な偏向応答が得られ、短時間で二次元画像を得
ることができるようになる。

【００８１】またエネルギ選択手段の下に第２の結像光
学系を設け、エネルギ選択手段の像をＳＳＣＣＤ等の二
次元電子線検出器上に結像することにより、微小領域の
エネルギロススペクトルを短時間に記録できるようにな
る。

【００８２】更に第２の偏向器または第３の偏向器を用
いて、二次元電子線検出器上でスペクトルと垂直な方向
に周期的に振りながら記録し、強度を振る方向に積分す
ることにより、信号のダイナミックレンジが広がり、信
号雑音比（Signal to noiseratio ：Ｓ／Ｎ）を向上さ
せることができる。

【００８３】また第１の偏向器を用いて、二次元電子線
検出器上でスペクトルと垂直な方向に周期的に振りなが
ら記録することにより、試料の一次元方向のエネルギ分
析を行えるようになる。

【００８４】また、電子線を周期的に振る際の周期を電
源の周波数の自然数分の一にし、エネルギを失わなかっ
た電子線の軸跡が直線になるようにすることにより、電
源から来るノイズの影響を押えることができ、より高分
解能なエネルギ分析が可能になる。

【００８５】また、収束レンズ系に非点収差を導入して
試料に照射する電子線をラインプローブにし、ラインプ
ローブの方向を二次元電子線検出器上でスペクトルと垂
直にすることにより、エネルギ分散面上で照射領域のエ
ネルギスペクトルが得られるので、試料の一次元方向の
エネルギ分析が行えるようになる。

【００８６】更にラインスペクトルの一部分をエネルギ
スリットで選択し、ラインプローブをスペクトル方向に
走査することにより、試料の二次元像を得ることができ
るようになる。

【００８７】加速電圧にオフセット電圧を重畳できるよ
うにすることにより、二次元電子線検出器の外に存在す
るスペクトルも記録できるようになり、広範囲のエネル
ギスペクトルを得ることができるようになる。

【００８８】オフセット電圧を重畳する際、収束レン
ズ、偏向系も同時に制御して試料面上で電子線を収束さ
せることにより、広範囲のエネルギスペクトルが高いエ
ネルギ分解能で得られるようになる。

【００８９】収束レンズ系のレンズ電流を±０.０１Ａ
以下の範囲で変化させ、電子線強度計測手段で強度信号
が最大になるレンズ電流値を検出することにより、電子
線が試料上で収束している状態を見つけることができ操
作性が向上する。

【００９０】エネルギ選択スリットの像を第２の結像光
学系で二次元電子線検出器に結像できる電流値の組み合
わせを複数通り用意し、これらを任意に選択できるよう
にすることにより、エネルギフィルタによる分散が二次
元電子線検出器上で任意に変更できるようになる。

【００９１】

【発明の効果】本発明によれば、歪みやボケの影響の少
ないエネルギフィルタ像を構築することが可能になる。
またＥＦ−ＴＥＭに比べ、試料に照射する電子線をより
細く絞って照射することになるので、観察領域像の分解
能が向上する。

【００９２】更に本発明によれば、発明の実施の形態の
欄に記載した種々の構成により、これまで詳述してきた
種々の効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微小領域観察装置の一実施例のブ
ロック図である。

【図２】ＥＦ−ＴＥＭにおいてエネルギフィルタ像を観
察する時の結像光学系のブロック図である。

【図３】ＥＦ−ＴＥＭにおいてエネルギフィルタ回折パ
ターンを観察する時の結像光学系のブロック図である。

【図４】第２の拡大レンズ系による光学系のブロック図
である。

【図５】エネルギロススペクトルのＳ／Ｎを向上させる
方法の説明図である。

【図６】照射偏向系を用いてラインアナリシスをする方
法の説明図である。

【図７】周期的なノイズに対する影響を軽減する方法の
説明図である。

【図８】収束レンズの非点収差制御装置を用いてライン
アナリシスをする方法の説明図である。

【図９】常に試料面上で収束している電子線を得るため
の説明図である。

【符号の説明】

１…透過型電子顕微鏡、２…電子銃、３…収束レンズ、
４…照射電子線、５…照射偏向系、６…試料、７…透過
電子線、８…対物レンズ、９…第１中間レンズ、１０…
第２中間レンズ、１１…中間偏向系、１２…エネルギフ
ィルタ、１３…ゼロロス電子線、１４…ロス電子線、１
５…エネルギ選択スリット、１６…電子線検出器、１７
…強度信号、１８…偏向系制御装置、２０…対物レンズ
の後ろ焦点面、２１…対物レンズの像面、２２…エネル
ギフィルタの入力クロスオーバー面、２３…エネルギフ
ィルタの入力像面、２４…エネルギフィルタの色消し像
面、２５…エネルギフィルタのエネルギ分散面、２６…
第１投影レンズ、２７…第２投影レンズ、２８…エネル
ギフィルタ像、２９…観察スクリーン、３０…エネルギ
フィルタ回折パターン、３１…二次元電子線強度検出器
（ＳＳＣＣＤ）、３２…映像信号、３３…投影偏向系、
３４…エネルギロススペクトル、３５…積分されたエネ
ルギロススペクトル、３６…偏向系制御信号、４０…結
像光学系、４１…投影レンズ系、４２…一次元領域のエ
ネルギロススペクトル（ラインスペクトル）、４３…ラ
インプローブ、５０…外部ノイズ、５１…ノイズの影響
を受けた偏向系制御信号、５２…周期的な偏向系制御信
号、５３…電子線、５４…偏向系、５５…ノイズの影響
を受けたラインスペクトル、５６…ノイズの影響を除去
したラインスペクトル、５７…ノイズ除去処理、５８…
収束レンズ非点収差制御装置。

フロントページの続き (72)発明者砂子沢成人茨城県ひたちなか市大字市毛882番地株式会社日立製作所計測器事業部内 (72)発明者木本浩司茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 5C033 AA02 EE04 HH02 NN03 NP04 SS01 SS03 SS04 SS08

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子源と、該電子源から発生した電子線を
収束して照射する電子レンズと、前記試料からの透過電
子線をエネルギ分光するエネルギフィルタを備えた透過
電子顕微鏡において、前記電子線を前記試料上で走査さ
せる第１の偏向器と、前記透過電子線を前記エネルギフ
ィルタの所定の位置に偏向する第２の偏向器と、前記エ
ネルギフィルタを通過した電子線の強度を検出する検出
器と、当該検出器の出力に基づいて輝度を変化させる表
示装置と、前記第１，第２の偏向器に偏向信号を与える
偏向系制御装置を備えたことを特徴とする透過電子顕微
鏡。
【請求項２】請求項１において、前記第２の偏向器に与
えられる偏向信号は、前記第１の偏向信号に基づいて設
定されることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項３】請求項１において、前記第２の偏向器に与
えられる偏向信号は、前記第１の偏向器の偏向によって
変化する前記エネルギフィルタ上での前記透過電子線の
位置を、前記エネルギフィルタ上の所定の個所に位置づ
けるように設定されていることを特徴とする透過電子顕
微鏡。
【請求項４】請求項１において、前記第２の偏向器に与
えられる偏向信号は、前記第１の偏向器の偏向によって
変化する前記エネルギフィルタ上での前記透過電子線の
位置を、前記エネルギフィルタ上の所定の個所に振り戻
すように設定されていることを特徴とする透過電子顕微
鏡。
【請求項５】請求項１において、前記第１の偏向器に与
えられる２次元的な偏向信号と同期した偏向信号を前記
表示装置に与えることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項６】請求項１において、前記透過電子線を所定
の条件で結像する結像光学系を備え、当該結像光学系
は、前記エネルギフィルタの入射クロスオーバー面に前
記試料の拡大像を形成すると共に、前記試料の電子線回
折パターンを前記エネルギフィルタの入力像面に形成
し、前記エネルギフィルタは前記入射クロスオーバー面
を前記エネルギ選択手段の存在する面内に前記電子線の
エネルギによって異なる位置に結像するように調節され
ていることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項７】請求項１において、前記エネルギフィルタ
と前記検出器の間に配置される第３の偏向器と、前記エ
ネルギフィルタを通過した電子線を拡大投影する結像光
学系とを備え、前記検出器は二次元的に前記電子線の強
度の分布を測定する機能を有し、前記結像光学系は前記
エネルギフィルタのエネルギ分散面を前記検出器上に結
像するように調節され、前記試料上における前記電子線
の位置と前記検出器上の２次元的な強度の分布を対応付
け、２次元画像として前記表示手段に表示することを特
徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項８】請求項１乃至７において、前記偏向器の少
なくとも１つは磁界形偏向コイルであって、かつ空芯コ
イルであることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項９】請求項１乃至７において、前記偏向器の少
なくとも１つは静電型の偏向器であることを特徴とする
透過電子顕微鏡。
【請求項１０】請求項１において、前記エネルギフィル
タを通過した電子線を結像する結像光学系を備え、前記
検出器は二次元的に前記電子線の強度の分布を測定する
機能を有し、前記結像光学系は前記エネルギフィルタの
エネルギ分散面を前記検出器上に結像するように調節さ
れていることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項１１】請求項１０において、前記電子レンズは
前記電子線を前記試料に収束して照射するように調節さ
れ、前記検出器は前記電子線の照射個所におけるエネル
ギロススペクトルを検出することを特徴とする透過電子
顕微鏡。
【請求項１２】請求項１０において、前記エネルギフィ
ルタと前記検出器の間に配置される第３の偏向器と、前
記エネルギフィルタを通過した電子線を拡大投影する結
像光学系とを備え、前記第３の偏向器は、前記検出器上
における前記エネルギフィルタによるエネルギの分散方
向と垂直な方向に前記透過電子線を偏向することを特徴
とする透過電子顕微鏡。
【請求項１３】請求項１０または１２において、前記第
２の偏向器または第３の偏向器によって偏向された前記
電子線の強度分布を、前記検出器で獲得し、前記第２ま
たは第３の偏向器の偏向作用に基づいて前記検出器上で
移動する移動方向に強度の積分を行うことを特徴とする
透過電子顕微鏡。
【請求項１４】請求項１３において、前記強度の積分が
エネルギを失わなかった電子線の軌跡に沿って行われる
ことを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項１５】請求項１において、前記検出器は二次元
的に前記電子線の強度の分布を測定する機能を有し、前
記偏向制御装置は、前記第１の偏向器によって前記電子
線を一次元的に偏向する機能を備え、当該第１の偏向器
は、前記エネルギフィルタの分散方向に対し垂直な方向
に前記電子線の強度の分布が移動するように前記電子線
を偏向することを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項１６】請求項１２乃至１５において、前記第
１，第２、及び第３の偏向器の内、少なくとも１つの偏
向を周期的に行うと共に、その周波数が電源の周波数の
自然数分の１であるこことを特徴とする透過電子顕微
鏡。
【請求項１７】請求項１０において、前記偏向制御装置
から、前記第１または第２の偏向器に与えられる偏向信
号は鋸歯状波あるいは三角波であることを特徴とする透
過電子顕微鏡。
【請求項１８】請求項１２，１３、または１５におい
て、前記電子レンズ、或いは結像光学系は非点収差調整
手段を備えられ、当該手段によって前記電子線、或いは
透過電子線を線状に形成することを特徴とする透過電子
顕微鏡。
【請求項１９】請求項１８において、前記非点収差補正
手段は、電子レンズ、或いは結像光学系の非点補正量を
少なくとも２以上設定するための設定手段を備えてなる
ことを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２０】請求項１８において、前記非点収差補正
手段の非点補正量は、前記結像光学系のレンズ電流の組
み合わせ毎に設定されていることを特徴とする透過電子
顕微鏡。
【請求項２１】請求項１８において、前記非点収差補正
手段の非点補正量は、前記検出器上の二次元的な前記電
子線の強度分布の一辺の長さと方向に基づいて設定され
ることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２２】請求項１８において、前記第１の偏向器
による電子線の走査と前記第２の偏向器による前記電子
線の振り戻しと、前記第３の偏向器による電子線の走査
を共に行い、前記第１の偏向器の偏向によって前記電子
線が移動しても、前記電子線が前記エネルギフィルタ上
で同じ場所に来るように前記第２の偏向器の偏向量を設
定し、かつ前記第３の偏向器による前記検出器上の走査
により、前記二次元的に前記な強度の分布を反映した二
次元画像を形成する手段を備えてなることを特徴とする
透過電子顕微鏡。
【請求項２３】請求項１０乃至２５において、前記エネ
ルギフィルタを通過した電子線を結像する結像光学系の
レンズ電流の組み合わせを少なくとも２以上記憶する手
段を備えていることを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２４】請求項１において、前記電子源は前記電
子線を加速させるための加速電極を備え、当該加速電極
に印加する加速電圧を設定するための電源を備え、当該
電源はオフセット電圧を重畳する機能を備えてなること
を特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２５】請求項２４において、前記エネルギフィ
ルタと前記検出器の間に配置される第３の偏向器と、前
記エネルギフィルタを通過した電子線を拡大投影する結
像光学系とを備え、前記オフセット電圧を重畳する際
に、前記電子レンズと前記結像光学系に印加されるレン
ズ電流と、前記各偏向器に与えられる磁界形偏向コイル
のコイル電流、或いは静電形偏向器の電界強度を、前記
試料上の電子線の位置と大きさが変化しないように調節
する手段を備えたことを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２６】請求項２５において、前記電子レンズ、
或いは前記結像光学系に印加されるレンズ電流を±０.
０１Ａ以下の範囲で変化させ、前記検出器で最大の値
を検出したときの前記レンズ電流を検出する手段を備え
たことを特徴とする透過電子顕微鏡。
【請求項２７】電子源と、該電子源から射出された電子
線を収束する収束レンズと、該収束レンズで収束された
電子線を試料上で走査する第１の走査偏向器と、前記試
料を透過した電子線を検出する電子線検出器を備えた透
過電子顕微鏡において、前記試料と前記電子線検出器の
間に配置され、前記試料を透過した電子線をエネルギ分
光するエネルギフィルタと、前記収束レンズと前記エネ
ルギフィルタの間に配置され、前記エネルギフィルタの
入力像面上で前記電子線を所定位置に位置づけるように
偏向する第２の偏向器を備えたことを特徴とする透過電
子顕微鏡。