JP3970656B2 - 透過電子顕微鏡による試料観察方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料の拡大像観察方法に関し、特に透過形電子顕微鏡を用いた試料の拡大像観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過電子顕微鏡は、試料の内部を透過した透過電子線を結像するもので、試料の内部構造を観察することができる。透過電子顕微鏡によると、材料の格子欠陥や粒界の構造、析出物の大きさや分布、あるいは格子像を観察することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
透過電子顕微鏡による試料の透過電子線像は、同じ座標位置であっても、低倍率での視野と高倍率での視野とが一致するとは限らない。これは、透過電子顕微鏡像はレンズ固有のヒステリシスや試料の熱ドリフト、倍率変化時に発生する軸ずれの影響を受けるため、観察倍率を変更したことによって視野位置が移動してしまうためである。
【０００４】
本発明は、透過電子顕微鏡を用いた試料の拡大像観察におけるこのような問題点に鑑み、倍率を変更したとき生じる視野移動を自動的に補正することのできる試料観察方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の透過電子顕微鏡による試料観察方法は、視野探しに用いる第１の倍率と記録に用いる第２の倍率を入力するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に前記第１の倍率の試料の透過電子線像を表示するステップと、画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録対象の試料ステージ座標を計算し、記憶するステップと、第１の倍率の試料の透過電子線像から記録対象の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、試料ステージを前記記憶した記録対象の試料ステージ座標に移動するステップと、第１の画像と同じ画素数で第２の倍率の透過電子線像を取り込み、第２の画像として記憶するステップと、第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、移動量がゼロになるように撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、撮像手段によって撮像された第２の倍率の透過電子線像を記録するステップとを含むことを特徴とする。
【０００６】
ここで、第２の倍率で記録される試料上の領域の第１の倍率の試料の透過電子線像上でのサイズを計算するステップと、計算されたサイズの領域を表すマークを第１の倍率の透過電子線像の対応する個所に重ねて表示するステップとを更に含むのが好ましい。
【０００７】
本発明の透過電子顕微鏡による試料観察方法は、また、視野探しに用いる第１の倍率を入力するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に第１の倍率の透過電子線像を表示するステップと、画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録領域に関する情報を取得するステップと、取得した情報から記録領域の試料ステージ座標と記録領域を視野いっぱいに収めることのできる第２の倍率を計算し、記憶するステップと、第１の倍率の試料の透過電子線像から記録領域の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、試料ステージを記憶した記録領域の試料ステージ座標に移動するステップと、第１の画像と同じ画素数で第２の倍率の透過電子線像を取り込み、第２の画像として記憶するステップと、第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、移動量がゼロになるように撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、撮像手段によって撮像された第２の倍率の透過電子線像を記録するステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
画像表示部に表示された試料の透過電子線像上での記録領域の指定は、例えば矩形記録領域の対角線上の２点をマウスでクリックする、あるいは記録領域を表す矩形の枠をマウスでドラッグすること等により行うことができる。
【０００９】
撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置の補正は、試料ステージを移動することにより、あるいは試料を透過した電子線を試料イメージ移動用コイルで偏向することにより行うことができる。。
【００１０】
試料に照射する電子線を所定の角度だけ傾斜させたときの像の移動量を求めるステップと、像の移動量に基づいて対物電流値を補正して対物レンズのフォーカス補正を行うステップを更に含むのが好ましい。
２つの画像間の移動量は、画像表示部に表示するようにしてもよい。
【００１１】
本発明の試料観察方法は、以下のような特徴を有する。
１）低倍率で撮影した画像上に記録するオブジェの座標表示が行える。
２）低倍率で撮影した画像上に記録する領域のグラフィック表示が行える。
３）自動的に観察視野ずれを補正できる。
４）自動的に焦点補正が行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明で用いる透過型電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図である。なお、偏向コイルの段数は問わないが、ここでは一般的な２段の偏向コイルを用いた透過電子顕微鏡について説明する。また、以下では、観察視野を探すための操作モードを観察モード、フォーカスあわせを行うための操作モードをフォーカスモード、試料像の撮影を行うための操作モードを記録モードという。
【００１４】
電子銃１から放出されて加速された電子線は第１照射レンズ２及び第２照射レンズ３によって集束され、第１偏向コイル４及び第２偏向コイル５で偏向され、対物レンズ６で結像されて、試料ステージ６０に保持された試料に照射される。試料を透過した電子線は、第１電磁式試料イメージ移動用コイル７及び第２電磁式試料イメージ移動用コイル８を通り、第１中間レンズ９及び第２中間レンズ１０によって拡大された後、第１投射レンズ１１及び第２投射レンズ１２で更に拡大されて、シンチレータ４８上に試料の透過像が形成される。シンチレータ４８で光像に変換された試料の透過電子像は、ＴＶカメラ（撮像装置）４９によって撮像される。ＴＶカメラ４９からの映像信号はＴＶカメラ制御部４７、画像取り込みインターフェース５１を介してマイクロプロセッサ３５に取り込まれ、処理された後、ＣＲＴコントローラ３８で制御されるＣＲＴ３９に表示される。マイクロプロセッサ３５は、ＤＡＣ２４〜３４を介して、電子顕微鏡の各レンズ２〜１２に給電する励磁電源１３〜２３を制御する。また、マイクロプロセッサ３５には、バスを介してハードディスク等の記憶装置３６、演算装置３７、倍率切替用ロータリーエンコーダ４２、入力用ロータリーエンコーダ４３、キーボード４４、ＲＡＭ４６、ＲＯＭ４７、マウス５０等が接続されている。ロータリーエンコーダ４２，４３はＩ／Ｆ４０，４１を介してバスに接続されている。
【００１５】
図２は、試料を保持する試料ステージの概念図である。試料ステージ６０はメッシュ状の試料面５５を備え、試料は試料面５５上に保持される。また、試料ステージ６０は、マイクロプロセッサ３５からの指令のもとに試料ステージコントローラ５７によって駆動制御されるＸ方向駆動モータ５８及びＹ方向駆動モータ５９によってＸ方向及びＹ方向に駆動され、試料ステージ６０に保持された試料を電子線光軸に対して所望の位置に移動して観察視野を選択する。
【００１６】
図３は、電子式試料イメージ移動機構の概念図である。この電子式試料イメージ移動機構は、第１電磁式試料イメージ移動用コイル７及び第２電磁式試料イメージ移動用コイル８を備え、２つのコイルを用いて試料透過電子線を偏向することにより、電子線の軸を傾斜させることなく試料像をシフトさせることができる。
【００１７】
試料ステージを移動することにより視野移動を行うと、移動量を大きくとることができるが、移動精度はそれほど高くできない。一方、電子式試料イメージ移動機構を用いると、移動量は小さいが微小な視野移動を高精度に行うことができる。視野移動にあたっては、場合に応じて試料ステージを用いてもよいし、電子式試料イメージ移動機構を用いてもよい。あるいは、両者を併用してもよい。
【００１８】
以下に、本発明の透過電子顕微鏡を用いた試料観察方法において採用した要素技術について説明する。
【００１９】
（１）２つの画像間の移動量補正
図４に示す画像相関の例を用いて、２つの画像間の移動量（ずれ量）補正について説明する。透過電子顕微鏡像１の一部を切り取った画像を透過像３としてＭ×Ｎの画素数で記憶装置３６に登録画像f1(m,n)として記録する。次に、記録モード後に取込んだ透過電子顕微鏡像２をＭ×Ｎの画素数で記憶装置に参照画像f2(m,n)として記録する。但し、どちらも自然画像とし、ｍ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。
【００２０】
登録画像f1(m,n)及び参照画像f2(m,n)の離散フーリエ画像F1(u,v)，F2(u,v)は、それぞれ次の式(1)、(2)で定義される。但し、ｕ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｖ＝０，１，２，…，Ｎ−１であり、A(u,v)，B(u,v)は振幅スペクトル、θ(u,v)，φ(u,v)は位相スペクトルである。
【数１】
【００２１】
位相相関では、２つの画像間で画像の平行移動があった場合には相関のピークの位置が移動量だけずれる。以下に移動量の導出方法を説明する。まず、原画像f2(m,n)がｍ方向にｒ′だけ移動したとして、f4(m,n)＝f2(m+r',n)とする。前記式(2)を式(3)のように変形する。
【数２】
【００２２】
振幅スペクトルB(u,v)を定数とすることにより、画像のコントラストに依存しない位相画像となる。f4の位相画像F'4 (u,v)は、次の式(4)となる。
【数３】
【００２３】
位相画像F'1(u,v)にF'2(u,v)の複素供役を乗ずることによって、次の式(5)で表される合成画像H14(u,v)が得られる。
【数４】
【００２４】
相関強度画像G14(r,s)は、合成画像H14(u,v)を逆フーリエ変換することによって次の式(6)となる。
【数５】
【００２５】
式(6)より、２つの画像間でｍ方向に位置ずれ量ｒ′が存在する場合、相関強度画像のピークの位置は−ｒ′だけずれる。また、位相成分で相関計算するため、２つの画像で明るさやコントラストに違いがあっても移動量の計算が行える。２つの画像間でｍ方向に位置ずれ量が存在する場合は、相関強度画像の中心よりΔG(pixel)の位置にピークが発生する。例えば、図４に示すように、２つの画像７１，７２間でｍ方向に２pixelのずれがあると、合成位相画像７３は２周期の波になる。これを逆フーリエ変換すると相関強度画像７４となり、中心から２pixelずれた位置にピーク７５が発生する。このΔG(pixel)は検出器の受光面での移動量に相当し、ΔGを試料面上の移動量Δｘに変換する。検出器の受光面の径をL、受光面上での透過電子顕微鏡の倍率をM、検出器の受光面の画素数をLmとすると、試料面上の移動量Δｘは次式(7)で計算される。
Δｘ＝ΔG(pixel)×L／Lm(pixel)／M …(7)
【００２６】
Δｘは２つ画像７１，７２間の試料面上での移動量となる。同様にＹ方向の移動量を計算して、図３に示す電子式試料イメージ移動機構もしくは図２に示す試料ステージを用いて２つの画像７１，７２間の移動量が０となるように補正を行う。
【００２７】
（２）フォーカス補正
図５に示すレイダイヤグラムを用いて、フォーカス補正について説明する。図５は、対物レンズ６の焦点が試料面５５にあっている場合と合っていない場合のレイダイヤグラムを示したものである。
【００２８】
図５（ａ）は対物レンズ６の焦点が試料面５５に合っている場合を表し、この場合には、照射電子線５２を傾斜角ゼロで試料に照射したときと、傾斜角αで試料に照射したときとで、対物レンズ６によって像面５６に形成される試料の透過電子線像は移動しない。しかし、対物レンズ６の焦点が試料面５５に合っていない場合には、図５（ｂ）に示すように、試料の透過電子線像は像面５６から離れた仮想像面５３に結像することになるため、試料に照射する電子線５２を傾斜角ゼロの状態から傾斜角αに傾斜すると、像面５６で観察される試料の透過電子線像はΔXtだけ移動する。この像の移動量ΔXtを測定すると、焦点位置５４からのデフォーカス量Δｆを計算することができる。
【００２９】
具体的には、次のような操作によりフォーカス補正を行うことができる。透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置３６にf1(m,n)として記録する。次に、図６に示すように、照射電子線を傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録する。上記に述べた手法と同様に２つの画像間の試料面上での移動量Δｘを計算する。但し、この移動量Δｘには球面収差による像の移動量δが入っており、デフォーカスによる移動量は、Δｘからδを引いたものである。試料面上でのδは球面収差Ｃｓと偏向角αにより次の式(8)のように表される。
δ＝Ｃｓ・α3 …(8)
【００３０】
以上より、デフォーカスによる像の移動量ΔXtは次式(9)で表される。
ΔXt＝Δｘ−δ …(9)
【００３１】
移動量ΔXtからデフォーカスΔfは次式(10)で計算される。
Δf＝ΔXt／α …(10)
【００３２】
次に、デフォーカス量Δfを対物電流値補正値ΔIに変換する。ΔfとΔIの間には、Cを定数として次式(11)で表される関係がある。従って、式(11)の関係で求まる対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで、試料に焦点を合わせることができる。
ΔI＝√（C／Δf） …(11)
【００３３】
（３）画像上の点に対応する試料面上の座標の計算
また、式(7)を用いて画像上の任意の点（M1,N1）に対応する試料面上の座標（X2,Y2）を計算することができる。図７に示すように、画像上の点（M1,N1）は、画像中心を原点とした画素(pixel)のずれ量によって表すことができる。画像中心の試料面上での座標を（X1,Y1）、検出器の受光面の径をL、受光面上での透過電子顕微鏡の倍率をM、検出器の受光面の画素数をLmとすると、画像上の任意の点（M1,N1）に対応する試料面上の座標（X2,Y2）は式(12)によって表される。
（X2,Y2）＝｛X1＋M1×L／Lm／M,Y1＋N1×L／Lm｝ …(12)
【００３４】
（４）透過像上における記録領域の表示
観察モードの倍率をM、フォーカスモードの倍率をMfとするとき、フォーカスモードにおいて観察領域を透過像１上に重ねて表示する方法について図７を用いて説明する。フォーカスモードにおける観察領域の大きさ｛Lfx(pixel),Lfy(pixel)｝は、次式(13)で表される。
｛Lfx,Lfy｝＝｛Lm×M／Mf,Lm×M／Mf｝ …(13)
【００３５】
同様に記録モード時での倍率をMrとすると、観察モードで取得した透過像画像上における記録領域の大きさ｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝は、次式(14)で表される。
｛Lrx,Lry｝＝｛Lm×M／Mr,Lm×M／Mr｝ …(14)
【００３６】
（５）２つの画像間の一致度
次に図８を用いて、２つの画像間の一致の精度について説明する。位相成分のみを用いた相関計算では、数学上、位相のみを使用しているため相関強度に現れるピークはδピークとなる。例えば２つの画像間で1.5画素ずれると、合成画像は1.5周期の波となる。これを逆フーリエ変換すると、相関強度画像の中心より1.5pixelずれた位置にδピークが立つが、1.5の画素は存在しないので、δピークの値は１pixel目と２pixel目に振り分けられる。ここで一致度が高い画素の重心を取って、この振り分けられた値から真のδピーク位置を計算すると１／１０pixel程度の精度で計算結果が得られる。また、相関強度画像がδピークのため、２つの画像間における類似性の評価を相関強度画像のピークの高さによって行なう。画像の画素数をｍ×ｎ、ピークの高さをPeak(pixel)とすると一致度（％）は次式(15)で表される。
一致度(％)＝(Peak)／（ｍ×ｎ）×100 …(15)
例えば、処理画素数が128pixel×128pixelでPeakが16384(pixel)の場合は、
一致度＝（16384）／（128×128）×100＝100(％)となる。
【００３７】
（６）観察モードで指定した記録領域の大きさから記録モードの倍率算出
次に図９を用いて、観察モードにおいて記録領域の指定条件として矩形領域の対角線上にある２つの頂点の座標が与えられたとき、それから記録領域の中心座標と記録モードにおける最適な倍率を算出する方法について説明する。
【００３８】
画像上で指定された矩形領域の対角線上に位置する２つの頂点（M4,N4），（M5,N5）より矩形領域のＸ方向の画素数LsxとＹ方向の画素数Lsyは、次式(16)から計算される。
｛Lsx,Lsy｝＝｛｜M5-M4｜,|N5-N4｜｝ …(16)
【００３９】
画素数｛Lsx,Lsy｝より記録領域の画像中心（M6,N6）を計算する。画像中心（M6,N6）は、M5−M4≧０，N5-N4≧０の場合には式(17)、M5−M4＜０，N5-N4≧０の場合には式(18)、M5−M4≧０，N5-N4＜０の場合には式(19)、M5−M4＜０，N5-N4＜０の場合には式(20)に示すようになる。
（M6,N6）＝（M4＋(Lsx/2),N4＋(Lsy/2)） …(17)
（M6,N6）＝（M4−(Lsx/2),N4＋(Lsy/2)） …(18)
（M6,N6）＝（M4＋(Lsx/2),N4−(Lsy/2)） …(19)
（M6,N6）＝（M4−(Lsx/2),N4−(Lsy/2)） …(20)
【００４０】
記録領域の画像中心（M6,N6）に対応する試料面上の座標（X6,Y6）は、次式(21)により計算される。
（X6,Y7）＝｛X1＋M6×L／Lm／M,Y1＋N6×L／Lm｝ …(21)
【００４１】
次に、任意の点（M4,N4）、（M5,N5）で決定される領域より、その領域を観察できる倍率M2の計算を行う。なお、ここにはLsx＝LsyとしてX方向のみ計算を行う場合を示す。検出器の受光面の画素数Lmとすると、倍率M2は式(22)で表される。
M2＝Lm／Lsx …(22)
以下に、上記の要素技術を用いた試料観察方法の例について説明する。
【００４２】
図１０は、本発明による試料観察手順の一例を示すフローチャートである。
オペレータは、はじめに観察モードの倍率、フォーカスモードの倍率、記録モードの倍率を、それぞれキーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２より設定する（Ｓ１１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。
【００４３】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、観察モードに移る（Ｓ１２）。観察モードに移ると、マイクロプロセッサ３５は、透過電子顕微鏡の倍率がＲＡＭ４５に記憶された観察モードの倍率となるように、予めＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力してアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００４４】
こうして設定された所望の観察倍率のもとで、シンチレータ４８に投射された試料の拡大透過像は、ＴＶカメラ制御部４７による制御の下にＴＶカメラ４９で撮像され、ＣＲＴコントローラ３８を介してＣＲＴ３９上に画像表示される。オペレータは、試料ステージ６０を駆動して視野探しを行う。記録するオブジェを含む視野が見つかったなら、ＴＶカメラ４９で撮像しているその視野の画像を、画像取込みインターフェース５１により取り込み、透過像１として記憶装置３６に記憶する。次に、試料ステージの位置データを用いて、視野中心の座標を座標（X1,Y1）として記憶装置３６に記憶する（Ｓ１３）。このとき、ＣＲＴ３９上に表示されたナビゲーション・ウインドウには、図１１に示すように、試料全体に対する観察視野の位置が表示される。
【００４５】
オペレータは、図７に示すように、ＣＲＴ３９に表示された画像（透過像１）上で記録するオブジェをマウス５０を用いてクリックし、記録を行う領域と座標位置を指定する。マウスでクリックした表示画像上の点（M1,N1）から、それに対応する試料面上での座標（X2,Y2）を、演算処理装置３７を用いて上式(12)に従って計算する（Ｓ１４）。
【００４６】
次に、設定された記録倍率により記録領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を上式(14)に従って計算し、その記録領域に相当する大きさの枠を透過像１の上に重ねてＣＲＴ３９に表示する（Ｓ１５）。ここで目的とするオブジェが記録モードにおける表示領域を超えてしまっている場合など、必要があれば再度、記録倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて入力し、変更した記録倍率に基づく記録領域の枠を透過像１の上に重ね合せて表示する（Ｓ１６，１７）。
【００４７】
次に、図１２に示すように、フォーカスを合せる透過像１上のオブジェをマウス５０でクリックして座標位置を指定する（Ｓ１８）。ステップ１４と同様にして、この透過像１上で指定した点に対応する試料面上の座標（X3,Y3）を演算処理装置３７を用いて計算する。計算された試料面上の座標（X3,Y3）は、ＲＡＭ４５に記憶される。次に、式(13)により観察領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を計算して透過像１上に重ねて表示する（Ｓ１９）。フォーカスモード倍率を変更する場合は、ステップ２１に移って新しいフォーカスモード倍率を入力する。
【００４８】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、フォーカスモードに切り替える（Ｓ２２）。フォーカスモードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された座標位置（X3,Y3）をもとに試料ステージコントローラ５７に指令し、ステップ２８で指定したフォーカス合わせ用のオブジェが視野中心に位置するように試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶しているフォーカスモード時の倍率をＣＲＴ３９上に表示させると共に、透過電子顕微鏡の倍率が設定されているフォーカスモード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータを参照して必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００４９】
次に、フォーカス合わせを行う（Ｓ２３）。フォーカス合わせは、上述の手順によって行うことができる。すなわち、照射電子線を傾斜角ゼロで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf1(m,n)として記録すると共に、傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録し、２つの画像f1(m,n)，f2(m,n)間の試料面上での移動量（ずれ量）Δｘを計算する。この移動量Δｘをもとに、上式(8)〜(11)に従って対物電流補正値ΔIを求める。そして、求めた対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで試料に焦点を合わせることができる。
【００５０】
傾斜角αでの電子線照射は、図６に示すように、２段の偏向コイル４，５により電子線を傾斜して偏向角αとなる偏向データをＲＯＭ４６よりＤＡＣ２６，２７に出力し、ＤＡＣ２６，２７から励磁電源１５，１６にアナログ信号を出力して偏向コイル４，５に電流を流すことにより行うことができる。また、対物電流補正値ΔIはＤＡＣ２８に出力してレンズデータをアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２８は、励磁電源１７にアナログ信号を出力して対物レンズコイル６に電流を出力させる。
【００５１】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、記録モードに切り替える（Ｓ２４）。記録モードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された試料面上の座標（X2,Y2）が視野中心に位置するように、試料ステージコントローラ５７に指令して試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶していた記録モード倍率をＣＲＴコントローラ３８を用いてＣＲＴ３９上に表示させる。同時に、透過電子顕微鏡の倍率がその記録モード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力することによって設定した倍率を実現する。
【００５２】
次のステップ２５では、透過像１より、ステップ１５で計算された記録領域の画像を切り出し、透過像３としてＲＡＭ４５に記憶する。また、ＴＶカメラ制御部４７を用いてシンチレータ４８に投射された高倍率透過像をＴＶカメラ４９で取込み、画像取込みインターフェース５１より透過像３と同じ画素数の透過像２として記憶装置３６に記憶する。透過像２の画素数を透過像３の画素数と同じにするには、ビニング処理を行う。
【００５３】
そして、演算装置３７を用いて透過像２と透過像３の移動量を計算する（Ｓ２６）。具体的には、透過像２と透過像３を前記式(1)から(7)によって説明した方法に従って比較し、透過像２と透過像３の位置ずれ（移動量）を計算する。移動量がゼロでない場合には、マイクロプロセッサ３５は、移動量がゼロとなるように補正を行う（Ｓ２７，Ｓ２８）。具体的には、ステップ２６で計算された移動量をもとに、透過像３の位置を画像中心に移動させるのに必要なデータをＤＡＣ２９，３０に送り、励磁電源１８，１９から電磁式試料イメージ移動用コイル７，８に通電して、シンチレータ４８に投影される試料の拡大透過像を移動させる。あるいは、試料ステージコントローラ５７に指令して、透過像３が画像中心に位置するように試料ステージ６０を移動させる。
【００５４】
ステップ２７の判定において移動量がゼロであれば、ステップ２４で指定した記録オブジェの拡大像が視野中心に一致しているため、次のステップ２９に進んで透過像を記録する。このようにして、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードにおいて透過電子顕微鏡の倍率が異なっていても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。なお、ステップ２７においては、式(15)によって一致度も計算し、一致度によって移動量の値の信頼性を判定するようにしてもよい。例えば、移動量がゼロであっても一致度が非常に小さい場合には、透過像２と透過像３とが全く別の場所の像である可能性がある。従って、一致度に閾値を設定しておき、ステップ２７で計算された一致度が設定された閾値より小さい場合には、通常の処理を中止し、警報の鳴らしたり警告を表示したりするようにしてもよい。後述する他の実施の形態においても、移動量がゼロかどうかの判定の際に、同時に一致度についても判定を行い、一致度が低い場合には同様の処置をとるようにすることができる。
【００５５】
図１３は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、記録モードの倍率を指定せず自動的に決定する点で、図１０にて説明した手順と異なる。その他の点では図１０と実質的に同じであり、ここでは図１０と異なる個所だけを説明する。
【００５６】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率とフォーカスモードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ３１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。ステップ３２とステップ３３の処理は、図１０のステップ１２とステップ１３に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００５７】
次に、オペレータは、マウス等を用いて透過像１の上で記録領域を指定する（Ｓ３４）。記録領域の指定は、例えば図９に示すように、矩形状の記録領域の左上角と右下角、あるいは右上角と左下角というように、記録領域を囲む矩形の対角線位置にある２つの頂点を指定することによって行うことができる。次に、指定された記録領域の大きさから、その領域全体の拡大像をＴＶカメラ４９で撮像するための最大倍率、すなわち記録モード倍率を計算する（Ｓ３５）。この記録モード倍率の計算は、上式(16)から(22)を用いて説明した方法によって行うことができる。式(22)によって計算された記録モード倍率M2はＲＡＭ４５に記憶される。
【００５８】
続くステップ３６からステップ４１までで行われるフォーカス合わせの処理は、図１０のステップ１８からステップ２３に関して説明した処理と実質的に同じである。フォーカス合わせが終了したあと、ステップ４２からステップ４６で行われる記録モードの処理及びステップ４７で行われる透過像記録処理も、ＲＡＭ４５に記憶されている記録モード倍率がオペレータが設定した倍率（図１０の場合）であるか、装置によって自動的に設定・記憶されたものであるか（図１３の場合）の違いを除けば、図１０のステップ２４からステップ２９に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００５９】
このようにして、記録モードの倍率を指定しない図１３に示した試料観察手順によっても、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードで透過電子顕微鏡の倍率が異なっていても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００６０】
図１４は、本発明による試料観察手順の更に他の例を示すフローチャートである。これまで図１０あるいは図１３によって説明した試料観察手順は、最初にフォーカス合わせを行い、その後、透過電子顕微鏡の倍率を記録モード倍率に設定し、記録領域の高倍率像が視野中心に位置するように試料像の視野中心からの移動量を補正していた。それに対して、ここで説明する試料観察手順は、透過電子顕微鏡の倍率を記録モード倍率に設定し、最初に記録領域の高倍率像が視野中心に位置するように試料像の視野中心からの移動量を補正し、その後、記録モード倍率のままフォーカス合わせを行う例である。
【００６１】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率及び記録モードの倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２より設定する（Ｓ５１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。
【００６２】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、観察モードに移る（Ｓ５２）。観察モードに移ると、マイクロプロセッサ３５は、透過電子顕微鏡の倍率がＲＡＭ４５に記憶された観察モードの倍率となるように、予めＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力してアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００６３】
こうして設定された所望の観察倍率のもとで、シンチレータ４８に投射された試料の拡大透過像は、ＴＶカメラ制御部４７による制御の下にＴＶカメラ４９で撮像され、ＣＲＴコントローラ３８を介してＣＲＴ３９上に画像表示される。オペレータは、試料ステージ６０を駆動して視野探しを行う。記録するオブジェを含む視野が見つかったなら、ＴＶカメラ４９で撮像しているその視野の画像を、画像取込みインターフェース５１により取り込み、透過像１として記憶装置３６に記憶する。次に、試料ステージの位置データを用いて、視野中心の座標を座標（X1,Y1）として記憶装置３６に記憶する（Ｓ５３）。
【００６４】
オペレータは、図７に示すように、ＣＲＴ３９に表示された画像（透過像１）上で記録するオブジェをマウス５０を用いてクリックし、記録を行う領域と座標位置を指定する。マウスでクリックした表示画像上の点（M1,N1）から、それに対応する試料面上での座標（X2,Y2）を、演算処理装置３７を用いて上式(12)に従って計算する（Ｓ５４）。
【００６５】
次に、設定された記録倍率により記録領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を上式(14)に従って計算し、その記録領域に相当する大きさの枠を透過像１の上に重ねてＣＲＴ３９に表示する（Ｓ５５）。ここで目的とするオブジェが記録モードにおける表示領域を超えてしまっているなどにより必要な場合には再度、記録倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて入力し、変更した記録倍率に基づく記録領域の枠を透過像１の上に重ね合せて表示する（Ｓ５６，５７）。
【００６６】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、記録モードに切り替える（Ｓ５８）。記録モードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された試料面上の座標（X2,Y2）が視野中心に位置するように、試料ステージコントローラ５７に指令して試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶していた記録モード倍率をＣＲＴコントローラ３８を用いてＣＲＴ３９上に表示させる。同時に、透過電子顕微鏡の倍率が先に設定した記録モード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力することによって設定した倍率を実現する。
【００６７】
次のステップ５９では、透過像１より、ステップ５５で計算された記録領域の画像を切り出し、透過像３としてＲＡＭ４５に記憶する。また、ＴＶカメラ制御部４７を用いてシンチレータ４８に投射された高倍率透過像をＴＶカメラ４９で取込み、画像取込みインターフェース４６より透過像３と同じ画素数の透過像２として記憶装置３６に記憶する。透過像２の画素数を透過像３の画素数と同じにするには、ビニング処理を行う。
【００６８】
そして、演算装置３５を用いて透過像２と透過像３の移動量を計算する（Ｓ６０）。具体的には、透過像２と透過像３を前記式(1)から(7)によって説明した方法に従って比較し、透過像２と透過像３の位置ずれ（移動量）を計算する。２つの画像間のずれ量（移動量）を計算するに当たっては、フォーカスが完全合っていることを必ずしも必要としない。移動量がゼロでない場合には、マイクロプロセッサ３５は、移動量がゼロとなるように補正を行う（Ｓ６１，Ｓ６２）。具体的には、ステップ６０で計算された移動量をもとに、透過像３の位置を画像中心に移動させるのに必要なデータをＤＡＣ２９，３０に送り、励磁電源１８，１９から電磁式試料イメージ移動用コイル７，８に通電して、シンチレータ４８に投影される試料の拡大透過像を移動させる。あるいは、試料ステージコントローラ５７に指令して、透過像３が画像中心にくるように試料ステージ６０を移動させる。
【００６９】
ステップ６１の判定において移動量がゼロであれば、ステップ５４で指定した記録オブジェの拡大像の位置が視野中心に一致しているため、次のステップ６３に進んでフォーカス合わせを行う。フォーカス合わせは手動で行ってもよいが、前述の方法で自動的に行ってもよい。すなわち、照射電子線を傾斜角ゼロで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf1(m,n)として記録すると共に、傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録し、２つの画像f1(m,n)，f2(m,n)間の試料面上の移動量Δｘを計算する。この移動量Δｘをもとに、上式(8)〜(11)に従って対物電流補正値ΔIを求める。そして、求めた対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで試料に焦点を合わせることができる。
【００７０】
最後にステップ６４において、透過像を記録する。このようにして、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードにおいて透過電子顕微鏡の倍率が異なっても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００７１】
図１５は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、記録モードの倍率を指定せず自動的に決定する点で、図１４にて説明した手順と異なる。その他の大部分の点は図１４と実質的に同じであり、ここでは図１４で説明した処理と同じ処理はそれを引用することによって重複する説明を省略する。
【００７２】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ７１）。設定された倍率はＲＡＭ４５に記憶される。ステップ７２とステップ７３の処理は、図１４のステップ５２とステップ５３に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００７３】
次に、オペレータは、透過像１上で記録領域を指定する（Ｓ７４）。記録領域の指定は、例えば図９に示すように、矩形状の記録領域の左上角と右下角、あるいは右上角と左下角のように、記録領域を囲む矩形の対角線位置にある２つの頂点を指定することによって行うことができる。次に、指定された記録領域の大きさから、その領域全体の拡大像をＴＶカメラ４９で撮像するための最大倍率、すなわち記録モード倍率を計算する（Ｓ７５）。この記録モード倍率の計算は、上式(16)から(22)を用いて説明した方法によって行うことができる。式(22)によって計算された記録モード倍率M2はＲＡＭ４５に記憶される。
【００７４】
続くステップ７６の処理からステップ８０で行われる記録モードの処理は、ＲＡＭ４５に記憶されている記録モード倍率がオペレータが設定した倍率（図１４の場合）であるか、装置によって自動的に設定・記憶されたものであるか（図１５の場合）の違いを除けば、図１０のステップ２４からステップ２９に関して説明した処理と実質的に同じである。また、ステップ８１で行われるフォーカス合わせの処理は、図１４のステップ６３に関して説明した処理と実質的に同じである。最後に、ステップ８２で試料の記録領域の高倍率透過電子線像を記録する。
【００７５】
このようにして、記録モードの倍率を指定しない図１５に示した試料観察手順によっても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００７６】
図１６は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、フォーカス合わせの処理（ステップ９６，９７）を記録モードに切り替える処理（ステップ９８）の前に行う点で図１５にて説明した試料観察手順と異なる。その他の処理の内容は図１５で説明した処理あるいは図１０、図１３、図１４を用いてこれまで説明してきた処理と実質的に同じであるため、対応するステップ番号を引用することによって重複する説明を省略する。
【００７７】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率とフォーカスモードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ９１）。設定された倍率はＲＡＭ４５に記憶される。続くステップ９２からステップ９５までの処理は、図１５のステップ７２からステップ７５に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００７８】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、フォーカスモードに切り替え（Ｓ９６）、フォーカス合わせを行う（Ｓ９７）。ステップ９６，９７の処理内容は、例えば図１０のステップ２２，２３に関して説明した処理内容と実質的に同じである。
【００７９】
オペレータは、次に記録モードに切り替え（Ｓ９８）、拡大像の移動補正に関する処理を行った後、透過像を記録する。ステップ９８からステップ１０３の処理内容は、例えば図１３のステップ４２からステップ４７に関して説明した処理内容と実質的に同じである。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によると、透過電子顕微鏡の高精度の試料位置合せが可能となり、透過電子顕微鏡を用いた試料観察が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる透過型電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図。
【図２】試料ステージの説明図。
【図３】電子式試料イメージ移動機構の概念図。
【図４】画像相関の説明図。
【図５】透過電子顕微鏡のレイダイアグラム。
【図６】偏向コイルの説明図。
【図７】記録領域の表示の説明図。
【図８】相関強度の説明図。
【図９】記録領域の指定方法の説明図。
【図１０】本発明による試料観察手順の一例を示すフローチャート。
【図１１】観察視野の表示の概念図。
【図１２】フォーカス領域の表示の説明図。
【図１３】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【図１４】本発明による試料観察手順の更に他の例を示すフローチャート。
【図１５】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【図１６】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１：電子銃、２：第１照射レンズ、３：第２照射レンズ、４：第１偏向コイル、５：第２偏向コイル、６：対物レンズコイル、７：第１電磁式試料イメージ移動用コイル、８：第２電磁式試料イメージ移動用コイル、９：第１中間レンズ、１０：第２中間レンズ、１１：第１投射レンズ、１２：第２投射レンズ、１３〜２３：励磁電源、２４〜３４：ＤＡＣ、３５：マイクロプロッセサ、３６：記憶装置、３７：演算装置、３８：ＣＲＴコントローラ、３９：ＣＲＴ、４０，４１：Ｉ／Ｆ、４２：倍率切替用ロータリーエンコーダ、４３：入力用ロータリーエンコーダ、４４：キーボード、４５：ＲＡＭ、４６：ＲＯＭ、４７：ＴＶカメラ制御部、４８：シンチレータ、４９：ＴＶカメラ、５０：マウス、５１：画像取込みインターフェース、５３：仮想像面、５４：焦点位置、５５：試料面、５６：像面、５７：試料ステージコントローラ、５８：Ｘ方向駆動モータ、５９：Ｙ方向駆動モータ、６０：試料ステージ
【発明の属する技術分野】
本発明は試料の拡大像観察方法に関し、特に透過形電子顕微鏡を用いた試料の拡大像観察方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
透過電子顕微鏡は、試料の内部を透過した透過電子線を結像するもので、試料の内部構造を観察することができる。透過電子顕微鏡によると、材料の格子欠陥や粒界の構造、析出物の大きさや分布、あるいは格子像を観察することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
透過電子顕微鏡による試料の透過電子線像は、同じ座標位置であっても、低倍率での視野と高倍率での視野とが一致するとは限らない。これは、透過電子顕微鏡像はレンズ固有のヒステリシスや試料の熱ドリフト、倍率変化時に発生する軸ずれの影響を受けるため、観察倍率を変更したことによって視野位置が移動してしまうためである。
【０００４】
本発明は、透過電子顕微鏡を用いた試料の拡大像観察におけるこのような問題点に鑑み、倍率を変更したとき生じる視野移動を自動的に補正することのできる試料観察方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成する本発明の透過電子顕微鏡による試料観察方法は、視野探しに用いる第１の倍率と記録に用いる第２の倍率を入力するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に前記第１の倍率の試料の透過電子線像を表示するステップと、画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録対象の試料ステージ座標を計算し、記憶するステップと、第１の倍率の試料の透過電子線像から記録対象の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、試料ステージを前記記憶した記録対象の試料ステージ座標に移動するステップと、第１の画像と同じ画素数で第２の倍率の透過電子線像を取り込み、第２の画像として記憶するステップと、第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、移動量がゼロになるように撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、撮像手段によって撮像された第２の倍率の透過電子線像を記録するステップとを含むことを特徴とする。
【０００６】
ここで、第２の倍率で記録される試料上の領域の第１の倍率の試料の透過電子線像上でのサイズを計算するステップと、計算されたサイズの領域を表すマークを第１の倍率の透過電子線像の対応する個所に重ねて表示するステップとを更に含むのが好ましい。
【０００７】
本発明の透過電子顕微鏡による試料観察方法は、また、視野探しに用いる第１の倍率を入力するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に第１の倍率の透過電子線像を表示するステップと、画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録領域に関する情報を取得するステップと、取得した情報から記録領域の試料ステージ座標と記録領域を視野いっぱいに収めることのできる第２の倍率を計算し、記憶するステップと、第１の倍率の試料の透過電子線像から記録領域の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、試料ステージを記憶した記録領域の試料ステージ座標に移動するステップと、第１の画像と同じ画素数で第２の倍率の透過電子線像を取り込み、第２の画像として記憶するステップと、第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、移動量がゼロになるように撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、撮像手段によって撮像された第２の倍率の透過電子線像を記録するステップとを含むことを特徴とする。
【０００８】
画像表示部に表示された試料の透過電子線像上での記録領域の指定は、例えば矩形記録領域の対角線上の２点をマウスでクリックする、あるいは記録領域を表す矩形の枠をマウスでドラッグすること等により行うことができる。
【０００９】
撮像手段に対する第２の倍率の透過電子線像の位置の補正は、試料ステージを移動することにより、あるいは試料を透過した電子線を試料イメージ移動用コイルで偏向することにより行うことができる。。
【００１０】
試料に照射する電子線を所定の角度だけ傾斜させたときの像の移動量を求めるステップと、像の移動量に基づいて対物電流値を補正して対物レンズのフォーカス補正を行うステップを更に含むのが好ましい。
２つの画像間の移動量は、画像表示部に表示するようにしてもよい。
【００１１】
本発明の試料観察方法は、以下のような特徴を有する。
１）低倍率で撮影した画像上に記録するオブジェの座標表示が行える。
２）低倍率で撮影した画像上に記録する領域のグラフィック表示が行える。
３）自動的に観察視野ずれを補正できる。
４）自動的に焦点補正が行える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
図１は、本発明で用いる透過型電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図である。なお、偏向コイルの段数は問わないが、ここでは一般的な２段の偏向コイルを用いた透過電子顕微鏡について説明する。また、以下では、観察視野を探すための操作モードを観察モード、フォーカスあわせを行うための操作モードをフォーカスモード、試料像の撮影を行うための操作モードを記録モードという。
【００１４】
電子銃１から放出されて加速された電子線は第１照射レンズ２及び第２照射レンズ３によって集束され、第１偏向コイル４及び第２偏向コイル５で偏向され、対物レンズ６で結像されて、試料ステージ６０に保持された試料に照射される。試料を透過した電子線は、第１電磁式試料イメージ移動用コイル７及び第２電磁式試料イメージ移動用コイル８を通り、第１中間レンズ９及び第２中間レンズ１０によって拡大された後、第１投射レンズ１１及び第２投射レンズ１２で更に拡大されて、シンチレータ４８上に試料の透過像が形成される。シンチレータ４８で光像に変換された試料の透過電子像は、ＴＶカメラ（撮像装置）４９によって撮像される。ＴＶカメラ４９からの映像信号はＴＶカメラ制御部４７、画像取り込みインターフェース５１を介してマイクロプロセッサ３５に取り込まれ、処理された後、ＣＲＴコントローラ３８で制御されるＣＲＴ３９に表示される。マイクロプロセッサ３５は、ＤＡＣ２４〜３４を介して、電子顕微鏡の各レンズ２〜１２に給電する励磁電源１３〜２３を制御する。また、マイクロプロセッサ３５には、バスを介してハードディスク等の記憶装置３６、演算装置３７、倍率切替用ロータリーエンコーダ４２、入力用ロータリーエンコーダ４３、キーボード４４、ＲＡＭ４６、ＲＯＭ４７、マウス５０等が接続されている。ロータリーエンコーダ４２，４３はＩ／Ｆ４０，４１を介してバスに接続されている。
【００１５】
図２は、試料を保持する試料ステージの概念図である。試料ステージ６０はメッシュ状の試料面５５を備え、試料は試料面５５上に保持される。また、試料ステージ６０は、マイクロプロセッサ３５からの指令のもとに試料ステージコントローラ５７によって駆動制御されるＸ方向駆動モータ５８及びＹ方向駆動モータ５９によってＸ方向及びＹ方向に駆動され、試料ステージ６０に保持された試料を電子線光軸に対して所望の位置に移動して観察視野を選択する。
【００１６】
図３は、電子式試料イメージ移動機構の概念図である。この電子式試料イメージ移動機構は、第１電磁式試料イメージ移動用コイル７及び第２電磁式試料イメージ移動用コイル８を備え、２つのコイルを用いて試料透過電子線を偏向することにより、電子線の軸を傾斜させることなく試料像をシフトさせることができる。
【００１７】
試料ステージを移動することにより視野移動を行うと、移動量を大きくとることができるが、移動精度はそれほど高くできない。一方、電子式試料イメージ移動機構を用いると、移動量は小さいが微小な視野移動を高精度に行うことができる。視野移動にあたっては、場合に応じて試料ステージを用いてもよいし、電子式試料イメージ移動機構を用いてもよい。あるいは、両者を併用してもよい。
【００１８】
以下に、本発明の透過電子顕微鏡を用いた試料観察方法において採用した要素技術について説明する。
【００１９】
（１）２つの画像間の移動量補正
図４に示す画像相関の例を用いて、２つの画像間の移動量（ずれ量）補正について説明する。透過電子顕微鏡像１の一部を切り取った画像を透過像３としてＭ×Ｎの画素数で記憶装置３６に登録画像f1(m,n)として記録する。次に、記録モード後に取込んだ透過電子顕微鏡像２をＭ×Ｎの画素数で記憶装置に参照画像f2(m,n)として記録する。但し、どちらも自然画像とし、ｍ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。
【００２０】
登録画像f1(m,n)及び参照画像f2(m,n)の離散フーリエ画像F1(u,v)，F2(u,v)は、それぞれ次の式(1)、(2)で定義される。但し、ｕ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｖ＝０，１，２，…，Ｎ−１であり、A(u,v)，B(u,v)は振幅スペクトル、θ(u,v)，φ(u,v)は位相スペクトルである。
【数１】
位相相関では、２つの画像間で画像の平行移動があった場合には相関のピークの位置が移動量だけずれる。以下に移動量の導出方法を説明する。まず、原画像f2(m,n)がｍ方向にｒ′だけ移動したとして、f4(m,n)＝f2(m+r',n)とする。前記式(2)を式(3)のように変形する。
【数２】
振幅スペクトルB(u,v)を定数とすることにより、画像のコントラストに依存しない位相画像となる。f4の位相画像F'4 (u,v)は、次の式(4)となる。
【数３】
位相画像F'1(u,v)にF'2(u,v)の複素供役を乗ずることによって、次の式(5)で表される合成画像H14(u,v)が得られる。
【数４】
相関強度画像G14(r,s)は、合成画像H14(u,v)を逆フーリエ変換することによって次の式(6)となる。
【数５】
式(6)より、２つの画像間でｍ方向に位置ずれ量ｒ′が存在する場合、相関強度画像のピークの位置は−ｒ′だけずれる。また、位相成分で相関計算するため、２つの画像で明るさやコントラストに違いがあっても移動量の計算が行える。２つの画像間でｍ方向に位置ずれ量が存在する場合は、相関強度画像の中心よりΔG(pixel)の位置にピークが発生する。例えば、図４に示すように、２つの画像７１，７２間でｍ方向に２pixelのずれがあると、合成位相画像７３は２周期の波になる。これを逆フーリエ変換すると相関強度画像７４となり、中心から２pixelずれた位置にピーク７５が発生する。このΔG(pixel)は検出器の受光面での移動量に相当し、ΔGを試料面上の移動量Δｘに変換する。検出器の受光面の径をL、受光面上での透過電子顕微鏡の倍率をM、検出器の受光面の画素数をLmとすると、試料面上の移動量Δｘは次式(7)で計算される。
Δｘ＝ΔG(pixel)×L／Lm(pixel)／M …(7)
【００２６】
Δｘは２つ画像７１，７２間の試料面上での移動量となる。同様にＹ方向の移動量を計算して、図３に示す電子式試料イメージ移動機構もしくは図２に示す試料ステージを用いて２つの画像７１，７２間の移動量が０となるように補正を行う。
【００２７】
（２）フォーカス補正
図５に示すレイダイヤグラムを用いて、フォーカス補正について説明する。図５は、対物レンズ６の焦点が試料面５５にあっている場合と合っていない場合のレイダイヤグラムを示したものである。
【００２８】
図５（ａ）は対物レンズ６の焦点が試料面５５に合っている場合を表し、この場合には、照射電子線５２を傾斜角ゼロで試料に照射したときと、傾斜角αで試料に照射したときとで、対物レンズ６によって像面５６に形成される試料の透過電子線像は移動しない。しかし、対物レンズ６の焦点が試料面５５に合っていない場合には、図５（ｂ）に示すように、試料の透過電子線像は像面５６から離れた仮想像面５３に結像することになるため、試料に照射する電子線５２を傾斜角ゼロの状態から傾斜角αに傾斜すると、像面５６で観察される試料の透過電子線像はΔXtだけ移動する。この像の移動量ΔXtを測定すると、焦点位置５４からのデフォーカス量Δｆを計算することができる。
【００２９】
具体的には、次のような操作によりフォーカス補正を行うことができる。透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置３６にf1(m,n)として記録する。次に、図６に示すように、照射電子線を傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録する。上記に述べた手法と同様に２つの画像間の試料面上での移動量Δｘを計算する。但し、この移動量Δｘには球面収差による像の移動量δが入っており、デフォーカスによる移動量は、Δｘからδを引いたものである。試料面上でのδは球面収差Ｃｓと偏向角αにより次の式(8)のように表される。
δ＝Ｃｓ・α3 …(8)
【００３０】
以上より、デフォーカスによる像の移動量ΔXtは次式(9)で表される。
ΔXt＝Δｘ−δ …(9)
【００３１】
移動量ΔXtからデフォーカスΔfは次式(10)で計算される。
Δf＝ΔXt／α …(10)
【００３２】
次に、デフォーカス量Δfを対物電流値補正値ΔIに変換する。ΔfとΔIの間には、Cを定数として次式(11)で表される関係がある。従って、式(11)の関係で求まる対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで、試料に焦点を合わせることができる。
ΔI＝√（C／Δf） …(11)
【００３３】
（３）画像上の点に対応する試料面上の座標の計算
また、式(7)を用いて画像上の任意の点（M1,N1）に対応する試料面上の座標（X2,Y2）を計算することができる。図７に示すように、画像上の点（M1,N1）は、画像中心を原点とした画素(pixel)のずれ量によって表すことができる。画像中心の試料面上での座標を（X1,Y1）、検出器の受光面の径をL、受光面上での透過電子顕微鏡の倍率をM、検出器の受光面の画素数をLmとすると、画像上の任意の点（M1,N1）に対応する試料面上の座標（X2,Y2）は式(12)によって表される。
（X2,Y2）＝｛X1＋M1×L／Lm／M,Y1＋N1×L／Lm｝ …(12)
【００３４】
（４）透過像上における記録領域の表示
観察モードの倍率をM、フォーカスモードの倍率をMfとするとき、フォーカスモードにおいて観察領域を透過像１上に重ねて表示する方法について図７を用いて説明する。フォーカスモードにおける観察領域の大きさ｛Lfx(pixel),Lfy(pixel)｝は、次式(13)で表される。
｛Lfx,Lfy｝＝｛Lm×M／Mf,Lm×M／Mf｝ …(13)
【００３５】
同様に記録モード時での倍率をMrとすると、観察モードで取得した透過像画像上における記録領域の大きさ｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝は、次式(14)で表される。
｛Lrx,Lry｝＝｛Lm×M／Mr,Lm×M／Mr｝ …(14)
【００３６】
（５）２つの画像間の一致度
次に図８を用いて、２つの画像間の一致の精度について説明する。位相成分のみを用いた相関計算では、数学上、位相のみを使用しているため相関強度に現れるピークはδピークとなる。例えば２つの画像間で1.5画素ずれると、合成画像は1.5周期の波となる。これを逆フーリエ変換すると、相関強度画像の中心より1.5pixelずれた位置にδピークが立つが、1.5の画素は存在しないので、δピークの値は１pixel目と２pixel目に振り分けられる。ここで一致度が高い画素の重心を取って、この振り分けられた値から真のδピーク位置を計算すると１／１０pixel程度の精度で計算結果が得られる。また、相関強度画像がδピークのため、２つの画像間における類似性の評価を相関強度画像のピークの高さによって行なう。画像の画素数をｍ×ｎ、ピークの高さをPeak(pixel)とすると一致度（％）は次式(15)で表される。
一致度(％)＝(Peak)／（ｍ×ｎ）×100 …(15)
例えば、処理画素数が128pixel×128pixelでPeakが16384(pixel)の場合は、
一致度＝（16384）／（128×128）×100＝100(％)となる。
【００３７】
（６）観察モードで指定した記録領域の大きさから記録モードの倍率算出
次に図９を用いて、観察モードにおいて記録領域の指定条件として矩形領域の対角線上にある２つの頂点の座標が与えられたとき、それから記録領域の中心座標と記録モードにおける最適な倍率を算出する方法について説明する。
【００３８】
画像上で指定された矩形領域の対角線上に位置する２つの頂点（M4,N4），（M5,N5）より矩形領域のＸ方向の画素数LsxとＹ方向の画素数Lsyは、次式(16)から計算される。
｛Lsx,Lsy｝＝｛｜M5-M4｜,|N5-N4｜｝ …(16)
【００３９】
画素数｛Lsx,Lsy｝より記録領域の画像中心（M6,N6）を計算する。画像中心（M6,N6）は、M5−M4≧０，N5-N4≧０の場合には式(17)、M5−M4＜０，N5-N4≧０の場合には式(18)、M5−M4≧０，N5-N4＜０の場合には式(19)、M5−M4＜０，N5-N4＜０の場合には式(20)に示すようになる。
（M6,N6）＝（M4＋(Lsx/2),N4＋(Lsy/2)） …(17)
（M6,N6）＝（M4−(Lsx/2),N4＋(Lsy/2)） …(18)
（M6,N6）＝（M4＋(Lsx/2),N4−(Lsy/2)） …(19)
（M6,N6）＝（M4−(Lsx/2),N4−(Lsy/2)） …(20)
【００４０】
記録領域の画像中心（M6,N6）に対応する試料面上の座標（X6,Y6）は、次式(21)により計算される。
（X6,Y7）＝｛X1＋M6×L／Lm／M,Y1＋N6×L／Lm｝ …(21)
【００４１】
次に、任意の点（M4,N4）、（M5,N5）で決定される領域より、その領域を観察できる倍率M2の計算を行う。なお、ここにはLsx＝LsyとしてX方向のみ計算を行う場合を示す。検出器の受光面の画素数Lmとすると、倍率M2は式(22)で表される。
M2＝Lm／Lsx …(22)
以下に、上記の要素技術を用いた試料観察方法の例について説明する。
【００４２】
図１０は、本発明による試料観察手順の一例を示すフローチャートである。
オペレータは、はじめに観察モードの倍率、フォーカスモードの倍率、記録モードの倍率を、それぞれキーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２より設定する（Ｓ１１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。
【００４３】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、観察モードに移る（Ｓ１２）。観察モードに移ると、マイクロプロセッサ３５は、透過電子顕微鏡の倍率がＲＡＭ４５に記憶された観察モードの倍率となるように、予めＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力してアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００４４】
こうして設定された所望の観察倍率のもとで、シンチレータ４８に投射された試料の拡大透過像は、ＴＶカメラ制御部４７による制御の下にＴＶカメラ４９で撮像され、ＣＲＴコントローラ３８を介してＣＲＴ３９上に画像表示される。オペレータは、試料ステージ６０を駆動して視野探しを行う。記録するオブジェを含む視野が見つかったなら、ＴＶカメラ４９で撮像しているその視野の画像を、画像取込みインターフェース５１により取り込み、透過像１として記憶装置３６に記憶する。次に、試料ステージの位置データを用いて、視野中心の座標を座標（X1,Y1）として記憶装置３６に記憶する（Ｓ１３）。このとき、ＣＲＴ３９上に表示されたナビゲーション・ウインドウには、図１１に示すように、試料全体に対する観察視野の位置が表示される。
【００４５】
オペレータは、図７に示すように、ＣＲＴ３９に表示された画像（透過像１）上で記録するオブジェをマウス５０を用いてクリックし、記録を行う領域と座標位置を指定する。マウスでクリックした表示画像上の点（M1,N1）から、それに対応する試料面上での座標（X2,Y2）を、演算処理装置３７を用いて上式(12)に従って計算する（Ｓ１４）。
【００４６】
次に、設定された記録倍率により記録領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を上式(14)に従って計算し、その記録領域に相当する大きさの枠を透過像１の上に重ねてＣＲＴ３９に表示する（Ｓ１５）。ここで目的とするオブジェが記録モードにおける表示領域を超えてしまっている場合など、必要があれば再度、記録倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて入力し、変更した記録倍率に基づく記録領域の枠を透過像１の上に重ね合せて表示する（Ｓ１６，１７）。
【００４７】
次に、図１２に示すように、フォーカスを合せる透過像１上のオブジェをマウス５０でクリックして座標位置を指定する（Ｓ１８）。ステップ１４と同様にして、この透過像１上で指定した点に対応する試料面上の座標（X3,Y3）を演算処理装置３７を用いて計算する。計算された試料面上の座標（X3,Y3）は、ＲＡＭ４５に記憶される。次に、式(13)により観察領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を計算して透過像１上に重ねて表示する（Ｓ１９）。フォーカスモード倍率を変更する場合は、ステップ２１に移って新しいフォーカスモード倍率を入力する。
【００４８】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、フォーカスモードに切り替える（Ｓ２２）。フォーカスモードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された座標位置（X3,Y3）をもとに試料ステージコントローラ５７に指令し、ステップ２８で指定したフォーカス合わせ用のオブジェが視野中心に位置するように試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶しているフォーカスモード時の倍率をＣＲＴ３９上に表示させると共に、透過電子顕微鏡の倍率が設定されているフォーカスモード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータを参照して必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００４９】
次に、フォーカス合わせを行う（Ｓ２３）。フォーカス合わせは、上述の手順によって行うことができる。すなわち、照射電子線を傾斜角ゼロで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf1(m,n)として記録すると共に、傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録し、２つの画像f1(m,n)，f2(m,n)間の試料面上での移動量（ずれ量）Δｘを計算する。この移動量Δｘをもとに、上式(8)〜(11)に従って対物電流補正値ΔIを求める。そして、求めた対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで試料に焦点を合わせることができる。
【００５０】
傾斜角αでの電子線照射は、図６に示すように、２段の偏向コイル４，５により電子線を傾斜して偏向角αとなる偏向データをＲＯＭ４６よりＤＡＣ２６，２７に出力し、ＤＡＣ２６，２７から励磁電源１５，１６にアナログ信号を出力して偏向コイル４，５に電流を流すことにより行うことができる。また、対物電流補正値ΔIはＤＡＣ２８に出力してレンズデータをアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２８は、励磁電源１７にアナログ信号を出力して対物レンズコイル６に電流を出力させる。
【００５１】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、記録モードに切り替える（Ｓ２４）。記録モードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された試料面上の座標（X2,Y2）が視野中心に位置するように、試料ステージコントローラ５７に指令して試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶していた記録モード倍率をＣＲＴコントローラ３８を用いてＣＲＴ３９上に表示させる。同時に、透過電子顕微鏡の倍率がその記録モード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力することによって設定した倍率を実現する。
【００５２】
次のステップ２５では、透過像１より、ステップ１５で計算された記録領域の画像を切り出し、透過像３としてＲＡＭ４５に記憶する。また、ＴＶカメラ制御部４７を用いてシンチレータ４８に投射された高倍率透過像をＴＶカメラ４９で取込み、画像取込みインターフェース５１より透過像３と同じ画素数の透過像２として記憶装置３６に記憶する。透過像２の画素数を透過像３の画素数と同じにするには、ビニング処理を行う。
【００５３】
そして、演算装置３７を用いて透過像２と透過像３の移動量を計算する（Ｓ２６）。具体的には、透過像２と透過像３を前記式(1)から(7)によって説明した方法に従って比較し、透過像２と透過像３の位置ずれ（移動量）を計算する。移動量がゼロでない場合には、マイクロプロセッサ３５は、移動量がゼロとなるように補正を行う（Ｓ２７，Ｓ２８）。具体的には、ステップ２６で計算された移動量をもとに、透過像３の位置を画像中心に移動させるのに必要なデータをＤＡＣ２９，３０に送り、励磁電源１８，１９から電磁式試料イメージ移動用コイル７，８に通電して、シンチレータ４８に投影される試料の拡大透過像を移動させる。あるいは、試料ステージコントローラ５７に指令して、透過像３が画像中心に位置するように試料ステージ６０を移動させる。
【００５４】
ステップ２７の判定において移動量がゼロであれば、ステップ２４で指定した記録オブジェの拡大像が視野中心に一致しているため、次のステップ２９に進んで透過像を記録する。このようにして、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードにおいて透過電子顕微鏡の倍率が異なっていても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。なお、ステップ２７においては、式(15)によって一致度も計算し、一致度によって移動量の値の信頼性を判定するようにしてもよい。例えば、移動量がゼロであっても一致度が非常に小さい場合には、透過像２と透過像３とが全く別の場所の像である可能性がある。従って、一致度に閾値を設定しておき、ステップ２７で計算された一致度が設定された閾値より小さい場合には、通常の処理を中止し、警報の鳴らしたり警告を表示したりするようにしてもよい。後述する他の実施の形態においても、移動量がゼロかどうかの判定の際に、同時に一致度についても判定を行い、一致度が低い場合には同様の処置をとるようにすることができる。
【００５５】
図１３は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、記録モードの倍率を指定せず自動的に決定する点で、図１０にて説明した手順と異なる。その他の点では図１０と実質的に同じであり、ここでは図１０と異なる個所だけを説明する。
【００５６】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率とフォーカスモードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ３１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。ステップ３２とステップ３３の処理は、図１０のステップ１２とステップ１３に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００５７】
次に、オペレータは、マウス等を用いて透過像１の上で記録領域を指定する（Ｓ３４）。記録領域の指定は、例えば図９に示すように、矩形状の記録領域の左上角と右下角、あるいは右上角と左下角というように、記録領域を囲む矩形の対角線位置にある２つの頂点を指定することによって行うことができる。次に、指定された記録領域の大きさから、その領域全体の拡大像をＴＶカメラ４９で撮像するための最大倍率、すなわち記録モード倍率を計算する（Ｓ３５）。この記録モード倍率の計算は、上式(16)から(22)を用いて説明した方法によって行うことができる。式(22)によって計算された記録モード倍率M2はＲＡＭ４５に記憶される。
【００５８】
続くステップ３６からステップ４１までで行われるフォーカス合わせの処理は、図１０のステップ１８からステップ２３に関して説明した処理と実質的に同じである。フォーカス合わせが終了したあと、ステップ４２からステップ４６で行われる記録モードの処理及びステップ４７で行われる透過像記録処理も、ＲＡＭ４５に記憶されている記録モード倍率がオペレータが設定した倍率（図１０の場合）であるか、装置によって自動的に設定・記憶されたものであるか（図１３の場合）の違いを除けば、図１０のステップ２４からステップ２９に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００５９】
このようにして、記録モードの倍率を指定しない図１３に示した試料観察手順によっても、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードで透過電子顕微鏡の倍率が異なっていても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００６０】
図１４は、本発明による試料観察手順の更に他の例を示すフローチャートである。これまで図１０あるいは図１３によって説明した試料観察手順は、最初にフォーカス合わせを行い、その後、透過電子顕微鏡の倍率を記録モード倍率に設定し、記録領域の高倍率像が視野中心に位置するように試料像の視野中心からの移動量を補正していた。それに対して、ここで説明する試料観察手順は、透過電子顕微鏡の倍率を記録モード倍率に設定し、最初に記録領域の高倍率像が視野中心に位置するように試料像の視野中心からの移動量を補正し、その後、記録モード倍率のままフォーカス合わせを行う例である。
【００６１】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率及び記録モードの倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２より設定する（Ｓ５１）。設定された各モードの倍率はＲＡＭ４５に記憶される。
【００６２】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、観察モードに移る（Ｓ５２）。観察モードに移ると、マイクロプロセッサ３５は、透過電子顕微鏡の倍率がＲＡＭ４５に記憶された観察モードの倍率となるように、予めＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力してアナログ信号に変換する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力する。
【００６３】
こうして設定された所望の観察倍率のもとで、シンチレータ４８に投射された試料の拡大透過像は、ＴＶカメラ制御部４７による制御の下にＴＶカメラ４９で撮像され、ＣＲＴコントローラ３８を介してＣＲＴ３９上に画像表示される。オペレータは、試料ステージ６０を駆動して視野探しを行う。記録するオブジェを含む視野が見つかったなら、ＴＶカメラ４９で撮像しているその視野の画像を、画像取込みインターフェース５１により取り込み、透過像１として記憶装置３６に記憶する。次に、試料ステージの位置データを用いて、視野中心の座標を座標（X1,Y1）として記憶装置３６に記憶する（Ｓ５３）。
【００６４】
オペレータは、図７に示すように、ＣＲＴ３９に表示された画像（透過像１）上で記録するオブジェをマウス５０を用いてクリックし、記録を行う領域と座標位置を指定する。マウスでクリックした表示画像上の点（M1,N1）から、それに対応する試料面上での座標（X2,Y2）を、演算処理装置３７を用いて上式(12)に従って計算する（Ｓ５４）。
【００６５】
次に、設定された記録倍率により記録領域｛Lrx(pixel),Lry(pixel)｝を上式(14)に従って計算し、その記録領域に相当する大きさの枠を透過像１の上に重ねてＣＲＴ３９に表示する（Ｓ５５）。ここで目的とするオブジェが記録モードにおける表示領域を超えてしまっているなどにより必要な場合には再度、記録倍率をキーボード４４もしくは倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて入力し、変更した記録倍率に基づく記録領域の枠を透過像１の上に重ね合せて表示する（Ｓ５６，５７）。
【００６６】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、記録モードに切り替える（Ｓ５８）。記録モードが選択されると、マイクロプロセッサ３５は、ＲＡＭ４５に記憶された試料面上の座標（X2,Y2）が視野中心に位置するように、試料ステージコントローラ５７に指令して試料ステージ６０を移動させる。マイクロプロセッサ３５は、また、ＲＡＭ４５に記憶していた記録モード倍率をＣＲＴコントローラ３８を用いてＣＲＴ３９上に表示させる。同時に、透過電子顕微鏡の倍率が先に設定した記録モード倍率となるように、ＲＯＭ４６に記憶してあるレンズデータから必要なデータをＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４に出力する。ＤＡＣ２４，２５，２８，３１〜３４は励磁電源１３，１４，１７，２０〜２３にアナログ信号を出力し、各励磁電源はそれぞれのレンズ系２，３，６，９〜１２のレンズコイルに電流を出力することによって設定した倍率を実現する。
【００６７】
次のステップ５９では、透過像１より、ステップ５５で計算された記録領域の画像を切り出し、透過像３としてＲＡＭ４５に記憶する。また、ＴＶカメラ制御部４７を用いてシンチレータ４８に投射された高倍率透過像をＴＶカメラ４９で取込み、画像取込みインターフェース４６より透過像３と同じ画素数の透過像２として記憶装置３６に記憶する。透過像２の画素数を透過像３の画素数と同じにするには、ビニング処理を行う。
【００６８】
そして、演算装置３５を用いて透過像２と透過像３の移動量を計算する（Ｓ６０）。具体的には、透過像２と透過像３を前記式(1)から(7)によって説明した方法に従って比較し、透過像２と透過像３の位置ずれ（移動量）を計算する。２つの画像間のずれ量（移動量）を計算するに当たっては、フォーカスが完全合っていることを必ずしも必要としない。移動量がゼロでない場合には、マイクロプロセッサ３５は、移動量がゼロとなるように補正を行う（Ｓ６１，Ｓ６２）。具体的には、ステップ６０で計算された移動量をもとに、透過像３の位置を画像中心に移動させるのに必要なデータをＤＡＣ２９，３０に送り、励磁電源１８，１９から電磁式試料イメージ移動用コイル７，８に通電して、シンチレータ４８に投影される試料の拡大透過像を移動させる。あるいは、試料ステージコントローラ５７に指令して、透過像３が画像中心にくるように試料ステージ６０を移動させる。
【００６９】
ステップ６１の判定において移動量がゼロであれば、ステップ５４で指定した記録オブジェの拡大像の位置が視野中心に一致しているため、次のステップ６３に進んでフォーカス合わせを行う。フォーカス合わせは手動で行ってもよいが、前述の方法で自動的に行ってもよい。すなわち、照射電子線を傾斜角ゼロで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf1(m,n)として記録すると共に、傾斜角αで試料に照射した透過像をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にf2(m,n)として記録し、２つの画像f1(m,n)，f2(m,n)間の試料面上の移動量Δｘを計算する。この移動量Δｘをもとに、上式(8)〜(11)に従って対物電流補正値ΔIを求める。そして、求めた対物電流補正値ΔIを対物電流値に加算することで試料に焦点を合わせることができる。
【００７０】
最後にステップ６４において、透過像を記録する。このようにして、視野探しのための観察モードと試料の拡大透過像記録のための記録モードにおいて透過電子顕微鏡の倍率が異なっても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００７１】
図１５は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、記録モードの倍率を指定せず自動的に決定する点で、図１４にて説明した手順と異なる。その他の大部分の点は図１４と実質的に同じであり、ここでは図１４で説明した処理と同じ処理はそれを引用することによって重複する説明を省略する。
【００７２】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ７１）。設定された倍率はＲＡＭ４５に記憶される。ステップ７２とステップ７３の処理は、図１４のステップ５２とステップ５３に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００７３】
次に、オペレータは、透過像１上で記録領域を指定する（Ｓ７４）。記録領域の指定は、例えば図９に示すように、矩形状の記録領域の左上角と右下角、あるいは右上角と左下角のように、記録領域を囲む矩形の対角線位置にある２つの頂点を指定することによって行うことができる。次に、指定された記録領域の大きさから、その領域全体の拡大像をＴＶカメラ４９で撮像するための最大倍率、すなわち記録モード倍率を計算する（Ｓ７５）。この記録モード倍率の計算は、上式(16)から(22)を用いて説明した方法によって行うことができる。式(22)によって計算された記録モード倍率M2はＲＡＭ４５に記憶される。
【００７４】
続くステップ７６の処理からステップ８０で行われる記録モードの処理は、ＲＡＭ４５に記憶されている記録モード倍率がオペレータが設定した倍率（図１４の場合）であるか、装置によって自動的に設定・記憶されたものであるか（図１５の場合）の違いを除けば、図１０のステップ２４からステップ２９に関して説明した処理と実質的に同じである。また、ステップ８１で行われるフォーカス合わせの処理は、図１４のステップ６３に関して説明した処理と実質的に同じである。最後に、ステップ８２で試料の記録領域の高倍率透過電子線像を記録する。
【００７５】
このようにして、記録モードの倍率を指定しない図１５に示した試料観察手順によっても、観察モードで指定した記録オブジェを自動的に視野中心に位置づけて、その高倍率像を撮像し、記録することができる。
【００７６】
図１６は、本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャートである。この試料観察手順は、フォーカス合わせの処理（ステップ９６，９７）を記録モードに切り替える処理（ステップ９８）の前に行う点で図１５にて説明した試料観察手順と異なる。その他の処理の内容は図１５で説明した処理あるいは図１０、図１３、図１４を用いてこれまで説明してきた処理と実質的に同じであるため、対応するステップ番号を引用することによって重複する説明を省略する。
【００７７】
オペレータは、はじめに観察モードの倍率とフォーカスモードの倍率を、キーボード４４又は倍率変更用ロータリーエンコーダー４２を用いて設定する（Ｓ９１）。設定された倍率はＲＡＭ４５に記憶される。続くステップ９２からステップ９５までの処理は、図１５のステップ７２からステップ７５に関して説明した処理と実質的に同じである。
【００７８】
次に、オペレータは、キーボード４４若しくは入力用エンコーダ４３を用いてモード選択を行い、フォーカスモードに切り替え（Ｓ９６）、フォーカス合わせを行う（Ｓ９７）。ステップ９６，９７の処理内容は、例えば図１０のステップ２２，２３に関して説明した処理内容と実質的に同じである。
【００７９】
オペレータは、次に記録モードに切り替え（Ｓ９８）、拡大像の移動補正に関する処理を行った後、透過像を記録する。ステップ９８からステップ１０３の処理内容は、例えば図１３のステップ４２からステップ４７に関して説明した処理内容と実質的に同じである。
【００８０】
【発明の効果】
本発明によると、透過電子顕微鏡の高精度の試料位置合せが可能となり、透過電子顕微鏡を用いた試料観察が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いる透過型電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図。
【図２】試料ステージの説明図。
【図３】電子式試料イメージ移動機構の概念図。
【図４】画像相関の説明図。
【図５】透過電子顕微鏡のレイダイアグラム。
【図６】偏向コイルの説明図。
【図７】記録領域の表示の説明図。
【図８】相関強度の説明図。
【図９】記録領域の指定方法の説明図。
【図１０】本発明による試料観察手順の一例を示すフローチャート。
【図１１】観察視野の表示の概念図。
【図１２】フォーカス領域の表示の説明図。
【図１３】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【図１４】本発明による試料観察手順の更に他の例を示すフローチャート。
【図１５】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【図１６】本発明による試料観察手順の他の例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１：電子銃、２：第１照射レンズ、３：第２照射レンズ、４：第１偏向コイル、５：第２偏向コイル、６：対物レンズコイル、７：第１電磁式試料イメージ移動用コイル、８：第２電磁式試料イメージ移動用コイル、９：第１中間レンズ、１０：第２中間レンズ、１１：第１投射レンズ、１２：第２投射レンズ、１３〜２３：励磁電源、２４〜３４：ＤＡＣ、３５：マイクロプロッセサ、３６：記憶装置、３７：演算装置、３８：ＣＲＴコントローラ、３９：ＣＲＴ、４０，４１：Ｉ／Ｆ、４２：倍率切替用ロータリーエンコーダ、４３：入力用ロータリーエンコーダ、４４：キーボード、４５：ＲＡＭ、４６：ＲＯＭ、４７：ＴＶカメラ制御部、４８：シンチレータ、４９：ＴＶカメラ、５０：マウス、５１：画像取込みインターフェース、５３：仮想像面、５４：焦点位置、５５：試料面、５６：像面、５７：試料ステージコントローラ、５８：Ｘ方向駆動モータ、５９：Ｙ方向駆動モータ、６０：試料ステージ
Claims (7)
- 視野探しに用いる第１の倍率と記録に用いる第２の倍率を入力するステップと、
透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、
試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に前記第１の倍率の試料の透過電子線像を表示するステップと、
前記画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録対象の試料ステージ座標を計算し、記憶するステップと、
前記第１の倍率の試料の透過電子線像から前記記録対象の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、
透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、
試料ステージを前記記憶した記録対象の試料ステージ座標に移動するステップと、
前記第２の倍率で撮像された透過電子線像の所定画素数の画素値を１画素の画素値として圧縮して読み出して、前記第１の画像と同じ画素数の第２の画像として記憶するステップと、
前記第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、
前記移動量がゼロになるように前記撮像手段に対する前記第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、
前記撮像手段によって撮像された前記第２の倍率の透過電子線像を記録するステップと
を含むことを特徴とする透過電子顕微鏡による試料観察方法。 - 請求項１記載の試料観察方法において、
前記第２の倍率で記録される試料上の領域の前記第１の倍率の試料の透過電子線像上でのサイズを計算するステップと、
前記計算されたサイズの領域を表すマークを第１の倍率の透過電子線像の対応する個所に重ねて表示するステップと
を更に含むことを特徴とする試料観察方法。 - 視野探しに用いる第１の倍率を入力するステップと、
透過電子顕微鏡の倍率を前記第１の倍率に設定するステップと、
試料ステージに保持された試料の透過電子線像を撮像手段で撮像し、画像表示部に前記第１の倍率の透過電子線像を表示するステップと、
前記画像表示部に表示された試料の透過電子線像上で指定された記録領域に関する情報を取得するステップと、
前記取得した情報から前記記録領域の試料ステージ座標と前記記録領域を視野いっぱいに収めることのできる第２の倍率を計算し、記憶するステップと、
前記第１の倍率の試料の透過電子線像から前記記録領域の画像を切り取り、第１の画像として記憶するステップと、
透過電子顕微鏡の倍率を前記第２の倍率に設定するステップと、
試料ステージを前記記憶した記録領域の試料ステージ座標に移動するステップと、
前記第２の倍率で撮像された透過電子線像の所定画素数の画素値を１画素の画素値として圧縮して読み出して、前記第１の画像と同じ画素数の第２の画像として記憶するステップと、
前記第１の画像と第２の画像の相関強度から２つの画像間の移動量を計算するステップと、
前記移動量がゼロになるように前記撮像手段に対する前記第２の倍率の透過電子線像の位置を補正するステップと、
前記撮像手段によって撮像された前記第２の倍率の透過電子線像を記録するステップと
を含むことを特徴とする透過電子顕微鏡による試料観察方法。 - 請求項１〜３のいずれか１項記載の試料観察方法において、前記撮像手段に対する前記第２の倍率の透過電子線像の位置の補正は、前記試料ステージを移動することにより、あるいは試料を透過した電子線を試料イメージ移動用コイルで偏向することにより行うことを特徴とする試料観察方法。
- 請求項１〜４のいずれか１項記載の試料観察方法において、
試料に照射する電子線を所定の角度だけ傾斜させたときの像の移動量を求めるステップと、
前記像の移動量に基づいて対物電流値を補正して対物レンズのフォーカス補正を行うステップと
を更に含むことを特徴とする試料観察方法。 - 請求項１〜５のいずれか１項記載の試料観察方法において、前記２つの画像間の移動量を表示することを特徴とする試料観察方法。
- 電子線を放出するための電子源と、前記電子線を集束するための照射レンズと、前記電子線によって照射される試料を保持する試料ステージと、撮像手段と、試料を透過した電子線を前記撮像手段に投影する投射レンズと、前記撮像手段によって撮像された２つの画像間の移動量を計算する演算装置を備え、
前記演算装置は、第１の倍率で取得された第１の画像と、
前記第１の倍率より高倍率の第２の倍率で取得されると共に所定画素数の画素値を１画素の画素値として圧縮して前記第１の画像と同じ画素数とされた第２の画像との相関強度から前記移動量を計算することを特徴とする透過電子顕微鏡。
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