JP2024082586A - 情報処理システム及び位相解析システム - Google Patents

Abstract

【課題】試料の構造が変化する場合においても計測対象の電磁場を精度よく計測する【解決手段】試料の構造分布と前記試料を透過した電子線、Ｘ線、光又は中性子線の第１の位相分布が入力される入力部と、前記構造分布に基づいて第２の位相分布を演算し前記第１の位相分布と前記第２の位相分布に基づいて前記試料の電磁場成分を演算する処理部と、前記磁場成分を出力する出力部とを有する。【選択図】図７

Description

本発明は、情報処理システム及び位相解析システムに関する。

電子顕微鏡は物質の構造を原子分解能のレベルで観察及び分析を行うことができる装置であり、物性研究からバイオ分野まで様々な分野で利用されている。特に原子レベルの観察を行うためには、加速電圧１００ｋＶ以上で電子を加速することで波長の短い電子線を用い試料に電子線を細く絞りその電子線を走査しながら透過電子を検出して試料の画像を得る走査透過型電子顕微鏡などが用いられる。

近年の収差補正器の実用化により、収差補正電子顕微鏡では加速電圧３０ｋＶ程度でも、原子分解能が得られるようになってきており、顕微鏡の加速電圧は観察目的に合わせて選択できるようになってきている。この走査透過型電子顕微鏡で近年注目を集めている観察手法が、微分位相コントラスト法（特許文献１、特許文献２参照）である。

ＵＳ９３１２０９８号公報 ＵＳ１０７１４３０８号公報

前記微分位相コントラスト法では、試料構造の変化により構造由来の位相（構造位相）が変化する計測対象においては、計測したい電位由来の位相変化や磁場由来の位相変化を精度よく計測することは困難である。

本発明の目的は、情報処理システムにおいて、試料の構造が変化する場合においても計測対象の電磁場を精度よく計測することにある。

本発明の一態様の情報処理システムは、試料の構造分布と前記試料を透過した電子線、Ｘ線、光又は中性子線の第１の位相分布が入力される入力部と、前記構造分布に基づいて第２の位相分布を演算し、前記第１の位相分布と前記第２の位相分布に基づいて前記試料の電磁場成分を演算する処理部と、前記磁場成分を出力する出力部とを有することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、情報処理システムにおいて、試料の構造が変化する場合においても計測対象の電磁場を精度よく計測することができる。

微分位相差走査透過型電子顕微鏡装置の一例の模式図である。 試料による電子線の位相変化を示す模式図である。 微分位相差を示す模式図である。 試料の模式図である。 電位分布による位相変化の模式図である。 平均内部電位による位相変化の模式図である。 トータルの位相変化の模式図である。 電位分布による位相変化と平均内部電位による位相変化とトータルの位相変化の位相プロファイルの模式図である。 電位分布による位相変化と平均内部電位による位相変化とトータルの位相変化の位相微分プロファイルの模式図である。 実施例１に係る電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。 ＡＤＦ像の強度プロファイルの模式図である。 ＡＤＦ強度から演算されるＺシグナルのプロファイルを示す模式図である。 Ｚシグナルと位相変化の関係を示した模式図である。 構造情報から算出された構造位相を示した模式図である。 構造情報から算出された構造位相の微分を示した模式図である。 ＤＰＣ法でえられた微分位相から構造情報から算出された構造位相を除去することで得られた電位分布による位相変化の微分を示した模式図である。 データ解析のフローを示した模式図である。 データ解析のためのＧＵＩの一例を示した模式図である。 実施例２に係る計測条件を変更可能な電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。 実施例２に係る計測条件を変更可能な電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。 実施例２に係る計測条件を変更可能な電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。 実施例３に係るエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）を有する電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。 ＥＤＸデータを構造情報として利用するデータ解析のフローを示した模式図である。 本発明の実施形態に係る電子線ホログラフィーにより試料の位相を計測する場合の干渉光学系を示す模式図である。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。ただし、本発明は以下に示す実施例の記載内容に限定して解釈されるものではない。本発明の思想ないし主旨から逸脱しない範囲で、その具体的構成を変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。

また、以下に説明する発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、重複する説明は省略することがある。

最初に、本発明の実施形態について説明する。

本発明は、電磁場を計測する位相計測手法に係り、特に試料に絞った電子線を照射して、その電子線を走査し試料の像を得る電子顕微鏡に関する。また、透過した電子線を検出し解析することにより試料の電磁場情報を観察する顕微鏡装置に関する。電磁場計測は電子線以外にも放射光、中性子線の位相計測によっても実施可能なため電子線以外の電磁場計測手法にも適用可能である。

図１に微分位相コントラスト（ＤＰＣ： Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｒａｓｔ）走査透過型電子顕微鏡法の模式図を示す。

電子源１より発せられた電子波（電子線）２は図示するように進む。照射電子レンズ３と対物レンズ４により電子線２の収束角度が調整され、対物レンズ４とＡＤＦ（ＡＤＦ： Ａｎｎｕｌａｒ Ｄａｒｋ Ｆｉｅｌｄ）拡大レンズ６との間に試料５が置かれ、試料５を収束された電子線２が照射する。

試料５を透過した電子線２はＡＤＦ投影レンズ６と拡大レンズ７の作用により拡大され、観察面８において電子線２が検出器（カメラ）１０より検出される。試料５に電磁場が存在すると、図２Ａに示すように、各位置での電子線の位相変化φ（ｒａｄ）が起こる。

簡単な説明として、横軸ｘ方向にのみ位相変化がある試料を考えた場合、微分位相ｄφ／ｄｘ（ｒａｄ／ｎｍ）を横軸位置ｘに対して示すと、図２Ｂのようになる。例えば飽和磁化２Ｔの磁性体薄膜（薄膜試料厚さ５０ｎｍ）の試料を観察する場合には、０．１５２ ｒａｄ／ｎｍの位相勾配が生じる。この位相勾配は試料の影響を受けた電子線の偏向角度θに以下の（式１）にて対応づけることができる。

θ＝ｄφλ／２π／ｄｘ（式１）
ここで、λは電子線の波長である。

試料５による電磁場の影響で微分位相差がある場合には、電子が検出器１０で検出される位置が変化し、電子線の位置変化１２が検出される。

図３に計測対象のモデルとして想定する試料構造と電荷分布のモデル図を示す。

試料５は物質１０１と物質１０２で構成され、二つの物質の間（界面）に電子が蓄積しているような試料である。この場合、電子線２が試料５を透過することで電子線２の位相が変化する要因は二つに分けられる。一つは界面に蓄積した電子による電位分布、もう一つは、物質を透過することにより電子波の位相が変化する平均内部電位（ＭＩＰ： Ｍｅａｎ Ｉｎｎｅｒ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）の影響による構造由来の位相変化（構造位相）である。ここで、計測者として得たい情報は界面における電荷蓄積により発生している電位分布である。

図４Ａは界面に蓄積した電子により発生する電位分布による位相変化、図４Ｂは平均内部電位による位相変化、図４Ｃはその合計として与えられるトータルの位相変化を示す。

界面領域の図４中に白線で示す領域に対して、それぞれの位相プロファイルを図５に示す。

計測したい電位分布による位相変化が界面で変化する構造由来の位相変化の影響を受け、トータルの位相変化が変化してしまう。この結果、ＤＰＣ法により得られる位相の微分値のプロファイルは図６のようになる。

本来計測したい電位分布による位相変化の微分に対して、実際にＤＰＣで計測されるトータルの位相変化の微分は、物質により異なる平均内部電位による構造由来の位相変化の微分の影響を受け変化してしまう。

そのため、従来法では、試料構造に変化がある場合には、構造変化による位相変化の影響を受けてしまい、計測したい電位が計測できなかった。

図３では試料厚さを一定としたモデルで説明をしたが、仮に同じ物質であっても、試料厚さが変化すると、厚さに比例して構造由来の位相変化が増加するため、やはり本来計測したい電位の計測に障害を与える。従って、ここで問題とする構造変化には、試料の組成、厚さ、密度の変化、など構造由来の位相変化を変化させる要因となる構造変化である。

前述では試料構造に由来する位相変化が電位計測に与える影響を説明したが、同様の問題は、磁場計測でも生じる。磁場による位相変化に構造由来の位相変化が重畳して計測されるため、観察領域に構造由来の位相変化がある場合には、計測結果そのままでは磁場情報を得ることが出来ない。

以上のように、従来法では、試料構造の変化により構造由来の位相（構造位相）が変化する計測対象においては、計測したい電位由来の位相変化や磁場由来の位相変化を精度良く計測することが困難であった。

そこで、本発明の実施形態では、走査透過型電子顕微鏡で試料の電磁場観察において、試料の構造が変化する場合においても、計測対象の電磁場を精度よく計測することが可能な顕微鏡法を提供する。

ここで、図１９を参照して、本発明の実施形態の情報処理システムの一例について説明しる。

図１９に電子線ホログラフィーにより試料の位相を計測する場合の干渉光学系を示す。

本実施形態では、図１９に示す電子線の位相計測と構造由来の位相を解析するためのＡＤＦの計測は別の光学条件で計測する。位相計測とＡＤＦ計測は別の装置で計測してもよい。

電子源１より発せられた電子波（電子線）２は図示するように進む。第１の照射電子レンズ３と第２の照射電子レンズ８０により電流密度が調整され、第２の照射電子レンズ８０と対物レンズ４との間の光軸片側に試料５が置かれ、試料５を電子線が照射する。

対物レンズの作用により得られる像は拡大レンズ７により拡大され、試料面９上の第１の領域（試料）を通過した電子波８１と物面上の第２の領域を通過した電子波８２は結像系の電子線バイプリズム１５により内側に曲げられ、観察面８において重畳され干渉し干渉縞（以下、ホログラムとも呼ぶ）が検出される。

得られたホログラムから再生を行い、試料５による電子波の変化を求める。試料５の情報を反映した、第１の領域を通過した電子波８１は物体波８１であり、第２の領域を通過した電子波８２参照波８２である。

電子線バイプリズム１５は電子波進行方向と平行な平行平板の間に、電極フィラメントを設置し、電極フィラメントに電位を印加することで発生する、フィラメント電極と平行平板との間の電場により、電極フィラメントの左右を通過する電子波を光軸にたいして、内側もしくは外側に偏向する機能を有する。

電子源１、カメラ１０による電子線の計測は制御パーソナルコンピュータ（制御ＰＣ）３４に接続された制御系３８でコントロールされている。なお、制御ＰＣ３４は、相互に接続された処理部である中央処理部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）、記憶部であるメモリ、入出力インタフェース部等を有する通常のコンピュータ構成を備えている。制御ＰＣ３４は、モニタ３５に接続されている。

上述のように、図５において、本来計測したい電位分布による位相変化が、界面で変化する構造由来の位相変化の影響を受けてトータルの位相変化が変化してしまう。

そこで、本発明の実施形態では、トータルの位相変化から構造由来の位相変化を差し引く演算を行うことにより、計測したい電位分布による位相変化を得る。この演算は、図１９に示す情報処理システムを構成する制御ＰＣ３４が行う。

また、図６において、本来計測したい電位分布による位相変化の微分に対して、実際にＤＰＣで計測されるトータルの位相変化の微分は、物質により異なる平均内部電位による構造由来の位相変化の微分の影響を受け変化してしまう。

そこで、本発明の実施形態では、ＤＰＣで計測されるトータルの位相変化の微分から物質により異なる平均内部電位による構造由来の位相変化の微分を除去する演算を行うことにより、本来計測したい電位分布による位相変化の微分計測を得る。この演算は、図１９に示す情報処理システムを構成する制御ＰＣ３４が行う。

このように、本発明の実施形態の情報処理システムは、試料５の構造分布と試料５を透過した電子線２の第１の位相分布（図５のトータルの位相変化）が入力される入力部と、構造分布に基づいて第２の位相分布（図６の構造由来の位相変化）を演算し、第１の位相分布と第２の位相分布に基づいて試料５の電磁場成分（図５の計測したい電位分布による位相変化）を演算する処理部と、磁場成分を出力する出力部とを有する。

ここで、処理部は、制御ＰＣ３４の中央処理部（ＣＰＵ）で構成され、入力部及び出力部は、制御ＰＣ３４の入出力インタフェース部で構成される。

尚、本発明の実施形態の情報処理システムは、試料の構造分布と前記試料を透過した電子線以外のＸ線、光又は中性子線にも適用可能である。

また、前記処理部は、前記第２の位相分布として構造分布に由来する試料５の平均内部電位による位相変化を演算し、前記電磁場成分として試料５の電位分布による位相変化である第３の位相分布を演算する。そして、前記処理部は、前記第１の位相分布から前記第２の位相分布を差し引くことにより、前記第３の位相分布を演算する。

また、前記処理部は、前記第１の位相分布の第１の微分値（図６の実際にＤＰＣで計測されるトータルの位相変化の微分）及び前記第２の位相分布の第２の微分値（図６の平均内部電位による構造由来の位相変化の微分）を演算し、前記第１の微分値と前記第２の微分値に基づいて、前記第３の位相分布の第３の微分値（図６の本来計測したい電位分布による位相変化の微分）を演算し、前記第３の微分値に基づいて前記試料の電磁場成分を演算する。具体的には、前記第１の微分値を前記第２の微分値で除算することにより第３の微分値を演算する。

本発明の実施形態によれば、情報処理システムにおいて、試料の構造が変化する場合においても計測対象の電磁場を精度よく計測することができる。

以下、図面を用いて、実施例について説明する。

本発明の電子顕微鏡の実施例１を図７に従い説明する。図７は、走査透過型電子顕微鏡を利用した微分位相差計測における電子顕微鏡と位相解析システムを組み合わせた実施例１の一構成を示す図である。なお、以下に説明する原理構成は、他の実施例の電子顕微鏡および位相解析システムにおいても同様に適用できる。

図７において、電子源１が電子波（電子線）２の流れる方向の最上流部に位置し、第１引き出し電極、第２引き出し電極、加速電極に電圧が印加され、電子源１から放出された電子波は、加速され、第１の電子源１１に収束される。本明細書では、第１引き出し電極、第２引き出し電極、加速電極をまとめて加速管７３と定義する。印加される電圧の制御により、電子線２はその波長が変化し、その軌道も変化する。従って、電子光学上の第１の電子源１１を図中に改めて描いている。

本構成において、図７では加速管７３と試料６の間に絞りは図示されていないが、試料５への電子波照射領域を調整するために、絞りを使用することは一般的な顕微鏡とかわらないため、ここでは図示を割愛している。また、照射電子レンズ３は１個しか図示されていないが、照射電子レンズを２個以上用い、試料６への電子線照射条件を調整することも、一般的な顕微鏡とかわらないため、ここでは図示を割愛している。

電子線は対物レンズ４の作用により収束されて試料に照射される。電子線２の試料位置での面内方向の走査は、走査コイル３２により行われる。また、試料６を通過した電子線は、ＡＤＦ投影レンズ６、拡大レンズ７の作用により拡大もしくは縮小され、観察面８に設置されたカメラ１０で電子線２を検出する。電子位置の変化１２から微分位相コントラスト（ＤＰＣ）の情報が得られる。一方、試料５により散乱された散乱電子４０は、ＡＤＦ投影レンズ６で拡大もしくは縮小され環状検出器４１で検出される。

図８に図３に示すモデル試料の場合に得られるＡＤＦ強度プロファイルの模式図を示す。

ＡＤＦ強度は物質Ｍ１と物質Ｍ２それぞれのＡＤＦ強度プロファイルの合計として与えられる。ＡＤＦの像強度Ｉは以下の式２で与えられる。

Ｉ ∝ Ｚ^２（式２）
ここで、Ｚは試料を構成する原子番号である。Ｚの二乗に比例することからＡＤＦ像のコントラストをＺ^２コントラストやＺコントラストと呼ばれることがある。試料や計測条件により完全にＺの二乗に比例しない場合もある。

次に、図９に（式２）を使い、ＡＤＦ強度から算出したＺシグナルを示す。Ｍ１とＭ２に由来するＺシグナルが合計として得られる。

さらに、Ｚシグナルと位相変化の関係図１０を利用することで、Ｚシグナルから構造由来の位相変化（図１１）を得ることが出来る。Ｚシグナルと位相変化の関係は理論シミュレーションを用いて算出する方法もあるが、実験条件により若干変化することを考慮すると、標準試料などを用い、実験的に関係を求める方法が有用と考えられる。

ＡＤＦ強度をもとに段階的な演算で得られた構造由来の位相変化を微分した結果を図１２に示す。

最後に、図１３に示すように、ＤＰＣ法で得られた計測結果（トータル位相の微分）から、構造情報から算出された構造由来の位相変化の微分値を差し引くことで、本来計測を行いたい電位分布による位相変化の微分値を得ることができる。微分値が得られれば、その値を積分することで位相分布を得ることが出来る。

ここまでは一次元のプロファイルで説明を行ったが、同様の解析をｘ方向、ｙ方向に行うことで、電位分布による位相変化の微分値の二次元像を得ることができる。

このような解析は計測対象が磁場分布で合っても同様に行うことが可能で、ＡＤＦ強度を基に演算を行い得た試料構造由来の位相変化の微分値をＤＰＣ計測結果から取り除き、磁場由来の位相変化の微分値を得ることが出来る。電位と同様に、位相微分値を積分することで磁場位相の分布を得ることが出来る。

以下、計測システムを説明するため電子線の振り戻しに関して図７を用いて説明する。

試料面において電子線を走査するため走査コイル３２を用いて、電子線２を走査するが、この際、カメラ１０おける電子線２の位置が、試料５による微分位相差（電子線偏向）がない場合では変化しないように調整する必要がある。もし、この調整が実現されていない場合には、カメラ１０での電子線位置が走査コイル３２の作用で変化し、試料５の情報ではないアーティファクトの微分位相差像が生じてしまう。このため、振り戻しコイル３３の動作を走査コイル３２と連動させることで、走査コイル３２を用い、電子線２を試料面で走査しても、カメラ１０の位置での電子線の位置が変化しない状態を実現する。

具体的には試料５のない状態で、走査コイル３２を一定量動かし、その際のカメラ１０での電子線２の位置の変化が起こらないよう、振り戻しコイル３３に流す電流をキャリブレーションする。これにより、走査コイル３２と適正な振り戻しのための振り戻しコイル３３の制御電流量の比を決めることができ、その制御電流比に従って、走査コイル３２と振り戻しコイル３３を連動させて、電子線を走査することで、高精度な計測を達成することができる。

図７の電子顕微鏡において、それぞれの電子源１、加速管７３、への印加電圧、試料微動機構３６、および電子レンズの励磁状態、走査コイル３２と振り戻しコイル３３に流す電流の制御、カメラ１０による電子線の計測は制御パーソナルコンピュータ（ＰＣ）３４に接続された制御系３８でコントロールされている。

実際の電子顕微鏡ではこの模式図で示した他に、電子線の進行方向を変化させる偏向系、電子線の透過する領域を制限する絞り機構などが存在し、それらの要素もまた制御ＰＣ３４に接続された制御系３８でコントロールされている。しかし、これらの装置は本明細書に開示される電子顕微鏡には直接的な関係が無いので、この図では割愛する。

なお、制御ＰＣ３４は、相互に接続された処理部である中央処理部（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）、記憶部であるメモリ、入出力インタフェース部等を有する通常のコンピュータ構成を備えている。本明細書においては、装置の制御を行う、これらの制御ＰＣ３４、制御系３８を纏めて装置の制御部と呼ぶ場合がある。制御ＰＣ３４は、モニタ３５に接続されている。

また、この模式図に示すごとく、電子光学要素は真空容器である電子顕微鏡本体７４中に組み立てられ、真空ポンプにて継続的に真空排気されている。試料室近傍以外の真空系についても、本願発明の電子顕微鏡とは直接の関係がないため図示、説明は割愛する。

図１４にデータ解析のフローを示す。

まず、ＤＰＣデータとＡＤＦデータを読み込む（ステップ１４１）。この時それぞれのデータは同時に取得されたデータでも良いし、別のタイミング、別の装置で取得されたデータでも良い。

次に、演算パラメータ（ＡＤＦ強度と構造位相の関係）を読み込み、ＡＤＦ強度から構造位相分布を演算する（ステップ１４２）。次に、構造位相分布から、構造位相微分を演算する（ステップ１４３）。

次に、ＤＰＣ結果から構造位相微分を除算する（ステップ１４４）。これにより電磁場分布による位相変化の微分が得られる（ステップ１４５）。位相の微分値を積分することで位相像が得られる。

図１５にデータ解析を行うためのＧＵＩの模式図の一例を示す。

ＤＰＣデータ、構造データ（ＡＤＦ強度データ）を選択するボタン、構造位相演算パラメータを選択するボタン、構造位相微分を演算する演算実行ボタン、ＤＰＣデータから構造位相微分を除去する処理を実行するボタン、構造分布による位相変化の微分を表示又は保存するボタン、電磁場分布による位相変化の微分を表示又は保存するボタンを備える。

保存ボタンに関して、保存先、保存ファイル名を設定する機能が盛り込まれていることは一般的に備えられる機能であるため、ここでは説明を割愛する。

本実施例１の位相解析システムと電子顕微鏡の態様によれば、試料構造の変化により構造由来の位相（構造位相）が変化する計測対象において、計測したい電位由来の位相変化や磁場由来の位相変化を精度良く得ることができるようになる。

構造由来の位相変化により電磁場による位相が精度よく計測できない問題は、電子線ホログラフィー、放射光、中性子線を用いる計測方法でも問題となる。本発明を利用することで、同時もしくは別の装置で取得した構造情報から、構造由来の位相変化を取り除くことが可能になる。この組み合わせに関しては容易に類推される応用方法であるため、追加の詳しい説明を割愛する。

これにより、例えば複数の物質で構成される半導体デバイス中の電位分布を高精度に計測できるようになる。また、高分解能観察においても、ＡＤＦ強度と位相変化量の関係をシミュレーションもしくは実験的に求めることで構造情報と電磁場情報を分離することが可能になる。これにより、原子レベルの分解能で、原子間の結合に由来する電位分布や、原子分解能での磁気モーメントの直接観察への応用展開が期待される。

これらの原子レベルの電磁場計測は昨今大きく注目を集める、カーボンニュートラル実現に向けた、各種のエネルギー変換材料、燃料電池、Ｌｉイオン電池、人工光合成触媒などの材料の革新と、これらの制御の最適化に向けた劣化メカニズムの解明に貢献すると期待される。

図１６は、実施例２の位相解析システムと計測条件を変更可能な電子顕微鏡と組み合わせたシステムの模式図である。本実施例の構成は実施例１と類似しているため、実施例１と同じ部分の記載は省略し、装置構成の異なる点に関して記載する。

試料５と環状検出器４１の間に第一のＡＤＦ投影レンズ６ａと第二のＡＤＦ投影レンズ６ｂを備え、環状検出器４１とカメラ８の間に備えた第一の拡大レンズ７ａと第二の拡大レンズ７ｂを備える。

第一の拡大レンズ７ａと第二の拡大レンズ７ｂの作用を調整することで、図１６Ａの計測条件における環状検出器４１で検出される試料５から散乱された電子の角度範囲を保持しながら、カメラ１０に投影されるカメラ長を長くすることができ、照射電子線の角度を小さくし、電磁場に対する位相感度を向上させることが出来る（図１６Ｂ参照）。

また、ＡＤＦ投影レンズ６ａと第二のＡＤＦ投影レンズ６ｂ、第一の拡大レンズ７ａと第二の拡大レンズ７ｂの作用を調整することで、カメラ１０に投影されるカメラ長を保持しながら、環状検出器４１で検出される試料から散乱された電子の角度範囲を変更することが出来る（図１６Ｃ参照）。

これらの機能を組み合わせることで、環状検出器４１で検出される試料５から散乱された電子の角度範囲、カメラ１０に投影されるカメラ長を自在に調整可能で、計測対象に合わせ計測条件を最適化することが可能である。

本実施例２の本質は、位相解析システムと計測条件を変更可能な電子顕微鏡と組み合わせることが本質であり、ＡＤＦ投影レンズや拡大レンズの枚数など、図７に示す構成に限るものではない。

図１７は、実施例３のエネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）を有する電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムを示した模式図である。

本実施例３は試料５に電子線２が収束されて照射される特徴を活かし、各種の計測や元素分析と組み合わせる位相解析システムである。エネルギー分散型Ｘ線分光器４２を備えることで、試料５の元素分析が可能となる。

ＥＤＸ強度と位相変化の関係を別途シミュレーションもしくは実験的に求めておくことで、ＥＤＸデータによる構造情報から、電子線の構造由来の位相変化を演算することが出来る。それ以外の処理は実施例１と類似のためここでは説明を割愛する。

図１８にＥＤＸデータを構造情報として利用するデータ解析のフローを示した模式図を示す。実施例１におけるＡＤＦ強度をＥＤＸ結果に置き換えた部分が本質である。

まず、ＤＰＣデータとＥＤＸデータを読み込む（ステップ１８１）。この時それぞれのデータは同時に取得されたデータでも良いし、別のタイミング、別の装置で取得されたデータでも良い。

次に、演算パラメータ（ＥＤＸ強度と構造位相の関係）を読み込み、ＥＤＸ結果（ＥＤＸ強度）から構造位相分布を演算する（ステップ１８２）。次に、構造位相分布から、構造位相微分を演算する（ステップ１８３）。

次に、ＤＰＣ結果から構造位相微分を除算する（ステップ１８４）。これにより電磁場分布による位相変化の微分が得られる（ステップ１８５）。位相の微分値を積分することで位相像が得られる。

本実施例３の位相解析システムと電子顕微鏡の態様によれば、試料構造の変化により構造由来の位相（構造位相）が変化する計測対象において、計測したい電位由来の位相変化や磁場由来の位相変化を精度良く得ることができるようになる。

それ以外に図１７に図示されない、カソードルミネッセンス検出器を用いた光学特性と組み合わせた計測なども類推される。これらの各種の分析結果と、位相微分像の同時取得は、試料をより詳しく理解するために大変有用である。

本実施例の本質は、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）４２を有する電子顕微鏡と組み合わせた位相解析システムであることが本質であり、図１７に示す構成に限るものではない。なお、エネルギー分散型Ｘ線分光器（ＥＤＸ）４２と環状検出器４１を組み合わせて計測を行うことも可能である。

上記実施例では、電子線を試料に収束して照射し走査し、試料の電磁場により変化した電子線の微分位相を検出して取得したＤＰＣ像と、それと同時、もしくは別のタイミング、別の装置などで取得した構造情報を使い、構造情報から構造位相を演算しＤＰＣデータから構造による影響を除去する。これにより、計測したい電磁場の分布情報を得る機能を備える解析システムである。

上記実施例によれば、試料構造の変化により構造由来の位相（構造位相）が変化する計測対象において、計測したい電位由来の位相変化や磁場由来の位相変化を得ることができる。

以上説明した本発明の位相解析システムは、高精度な電磁場計測システムとして実用化され、本発明を新規システムにて実施することにより、複雑な構造のデバイス中の電磁場観察や、原子レベルでの電磁場をより高感度に観察できるようになる。

本発明を利用した新システムが新たに実現する観察機能により、例えば触媒のメカニズムが解明され、今後世界的に求められるカーボンニュートラル社会を実現するために必要とされている、高性能、高耐久性を有する燃料電池やＣＯ_２燃料化触媒の開発に貢献すると期待される。

１ 電子源
２ 電子波
３ 照射電子レンズ
４ 対物レンズ
５ 試料
６ ＡＤＦ投影レンズ
６ａ 第一のＡＤＦ投影レンズ
６ｂ 第二のＡＤＦ投影レンズ
７ 拡大レンズ
７ａ 第一の拡大レンズ
７ｂ 第二の拡大レンズ
８ 観察面
９ 試料面
１０ カメラ
１１ 第一の電子源
１２ 電子線の位置変化
１５ 電子線バイプリズム
３２ 走査コイル
３３ 振り戻しコイル
３４ 制御ＰＣ
３５ モニタ
３８ 制御系
３６ 試料微動機構
４０ 散乱電子
４１ 環状検出器
４２ エネルギー分散型Ｘ線分光器
７３ 加速管
７４ 電子顕微鏡本体
１０１ 物質１
１０２ 物質２
８０ 第２の照射電子レンズ
８１ 第１の領域（試料）を通過した電子波（物体波）
８２ 物面上の第２の領域を通過した電子波（参照波）

Claims (15)

1. 試料の構造分布と前記試料を透過した電子線、Ｘ線、光又は中性子線の第１の位相分布が入力される入力部と、
   前記構造分布に基づいて第２の位相分布を演算し、前記第１の位相分布と前記第２の位相分布に基づいて前記試料の電磁場成分を演算する処理部と、
   前記磁場成分を出力する出力部と、
   を有することを特徴とする情報処理システム。
2. 前記処理部は、
   前記第２の位相分布として、前記構造分布に由来する前記試料の平均内部電位による位相変化を演算し、
   前記電磁場成分として、前記試料の電位分布による位相変化である第３の位相分布を演算することを特徴とする請求項１に記載の情報処理システム。
3. 前記処理部は、
   前記第１の位相分布から前記第２の位相分布を差し引くことにより、前記第３の位相分布を演算することを特徴とする請求項２に記載の情報処理システム。
4. 前記処理部は、
   前記第１の位相分布の第１の微分値及び前記第２の位相分布の第２の微分値を演算し、
   前記第１の微分値と前記第２の微分値に基づいて、前記第３の位相分布の第３の微分値を演算し、
   前記第３の微分値に基づいて前記試料の電磁場成分を演算することを特徴とする請求項３に記載の情報処理システム。
5. 前記試料の前記構造分布は、
   前記試料の組成、厚さ又は密度に関する分布を含むことを特徴とする請求項１に記載の情報処理システム。
6. 電子顕微鏡と前記電子顕微鏡を制御する制御装置とを有する位相解析システムであって、
   前記電子顕微鏡は、
   電子線を試料に照射する電子源と、
   前記試料により散乱された散乱電子を検出してＡＤＦデータを出力するする環状検出器と、
   前記試料を透過した電子線を検出してＤＰＣデータを出力する検出器と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記ＡＤＦデータに基づいて前記試料の構造位相分布を演算し、
   前記構造位相分布に基づいて構造位相微分値を演算し、
   前記ＤＰＣデータから前記構造位相微分値を除算して電磁場位相分布の微分値を演算することを特徴とする位相解析システム。
7. 前記制御装置は、
   前記電磁場位相分布の微分値に基づいて、位相像又は微分位相差像を生成することを特徴とする請求項６に記載の位相解析システム。
8. 前記検出器と前記環状検出器による前記電子線の検出条件を変更可能に構成したことを特徴とする請求項６に記載の位相解析システム。
9. 前記環状検出器で得たシグナルを用いて前記試料の構造位相分布を取得することを特徴とする請求項６に記載の位相解析システム。
10. 前記試料の前記構造位相分布は、
    前記試料の組成、厚さ又は密度に関する分布を含むことを特徴とする請求項６に記載の位相解析システム。
11. 表示画面を有する表示装置を更に有し、
    前記表示装置は、
    前記ＤＰＣデータと前記ＡＤＦデータの選択を実行するための選択ボタンと、
    前記構造位相微分値の演算を実行するための演算実行ボタンと、
    前記構造位相微分の除去を実行するための除去実行ボタンと、
    前記構造位相微分値及び前記電磁場位相分布の微分値の表示を実行するための表示ボタンと、をそれぞれ前記表示画面に表示し、
    前記制御装置は、
    前記選択ボタン、前記演算実行ボタン、前記除去実行ボタン及び前記表示ボタンの操作に応答して、前記構造位相分布、前記構造位相微分値及び前記電磁場位相分布の微分値をそれぞれ演算することを特徴とする請求項６に記載の位相解析システム。
12. 電子顕微鏡と前記電子顕微鏡を制御する制御装置とを有する位相解析システムであって、
    前記電子顕微鏡は、
    電子線を試料に照射する電子源と、
    ＥＤＸデータを出力するエネルギー分散型Ｘ線分光器と、
    前記試料を透過した電子線を検出してＤＰＣデータを出力する検出器と、を有し、
    前記制御装置は、
    前記ＥＤＸデータに基づいて前記試料の構造位相分布を演算し、
    前記構造位相分布に基づいて構造位相微分値を演算し、
    前記ＤＰＣデータから前記構造位相微分値を除算して電位分布の微分値を演算することを特徴とする位相解析システム。
13. 前記制御装置は、
    前記電位分布の微分値に基づいて、位相像又は微分位相差像を生成することを特徴とする請求項１２に記載の位相解析システム。
14. 前記エネルギー分散型Ｘ線分光で得たシグナルを用いて前記試料の構造位相分布を取得することを特徴とする請求項１２に記載の位相解析システム。
15. 前記試料の前記構造位相分布は、
    前記試料の組成、厚さ又は密度に関する分布を含むことを特徴とする請求項１２に記載の位相解析システム。