JP4691391B2

JP4691391B2 - 電子顕微鏡

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Publication number: JP4691391B2
Application number: JP2005139495A
Authority: JP
Inventors: 研原田; 哲也明石; 欣彦戸川; 強松田; 騰守谷
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2025-05-12
Also published as: WO2006121108A1; US7655905B2; US20090045339A1; JP2006318734A

Description

本発明は、電子顕微鏡、イオンビーム加工装置など荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置では、試料の観察もしくは加工を行なう際には、荷電粒子線光学系の光軸に対して、その観察・加工に供する試料の位置、バイプリズム等の位置を、観察・加工に好適な状況に設定することが必要である。それには試料等が位置する平面内での回転を必要とすることもある。そのため、荷電粒子線の光学系の光軸に垂直なＸＹ平面内、もしくは、少し傾斜した平面内において回転可能な機構をもった装置として、電子顕微鏡等における回転型試料ホルダー、電子線ホログラフィー顕微鏡等における回転型電子線バイプリズムホルダーなどの回転型ホルダーが実用化されている。試料の位置、バイプリズム等の位置を調整する場合は、操作者は、これら回転型ホルダーを荷電粒子線光学系の光軸に対して所定の関係になるように、Ｘ軸、Ｙ軸方向（荷電粒子線装置の光学系の光軸をＺ軸とする）に観察画面を見ながら、微動させることで容易に調整することができる。

しかし、観察・加工を行ないたい試料の位置や、バイプリズム等の位置の調整が回転を伴うときは、調整は煩雑である。なぜなら、荷電粒子線光学系では観察・加工を行ないたい部分を光軸上に配置するように調整することが通常であり、一般に、この位置は回転型ホルダーの回転機構の回転中心とは一致しない。このような光学系に於いて回転を伴う操作を行なった場合には、この回転操作に伴って回転平面内で、試料やバイプリズムの着目している位置の移動が発生し、観察・加工を行ないたい試料の位置や、バイプリズム等の位置がずれることになる。このずれに対しては、操作者は、目視により当該部分が観察視野、あるいは、加工位置から外れないように、試料ホルダーやバイプリズムホルダーの回転操作を行なうたびに、回転操作に伴う位置ずれをＸＹ平面内でＸ軸、Ｙ軸方向に移動させ補正している。

この回転操作に伴う補正操作は手間のかかる操作ではあるが、荷電粒子線装置では回転操作自体があまり頻度の高い操作ではないため、回転操作とＸＹ平面内での補正操作とは互いに関連をもって制御された例は無く、操作者が当然行なう調整作業として受け入れられているのが現状である。

荷電粒子線で試料を観察し、あるいは、加工する場合に、単に観察・加工を要する試料位置が荷電粒子線光学系の光軸に対してずれていると言う場合には、上述したように、光軸に垂直な平面内でＸ軸、Ｙ軸方向に移動させ補正すれば良い。しかしながら、電子線ホログラフィーを考えると容易に分かるように、例えば、試料ホルダーの参照波の通路となる位置に塵が付着している場合には、単純にＸ軸、Ｙ軸方向に移動させただけでは、適当な試料位置が選べず、回転を伴う操作が必要となる場合がある。この場合には、試料ホルダーの回転に伴うＸ軸、Ｙ軸方向の修正操作が必要となるだけでなく、場合によっては後述するように、他の電子線バイプリズム、対物絞り、制限視野絞り等の荷電粒子線調整装置にも回転操作が必要となる。

その他、例えば、本願の発明者らにより紹介されたAPPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.84, No. 17, 26 April 2004や、本願の発明者らによる特願２００４−０２７２７４号に開示された２段電子線バイプリズム干渉法による干渉縞の方位角コントロール、あるいは本願の発明者らによる特願２００４−０４６６３３号に開示された３段電子線バイプリズム干渉法のように、電子線バイプリズムが多段となると、上述した回転操作に伴うＸＹ平面内での移動の補正は煩雑かつ多数回必要な操作となる。

このような現状に鑑み、操作者が電子線バイプリズム等を回転させる等の回転操作を行ったとき、その回転操作の指令角度、または実際に回転させた角度を検出して、その回転にともなって必要となるＸＹ平面での補正を自動的に行なえるものとすることが望まれる。さらに、これに伴って、他の電子線バイプリズム等の回転、さらに、その補正が必要なら、これらを連動して操作できるものとすることが望まれる。

近年開発・製造される荷電粒子線装置における試料ホルダー、可動絞り装置、電子線バイプリズムなどは、２次元位置検出器とステップモータなど駆動部を備え、コンピュータ制御により使用する機構となっていることが多い。このことに着目して、位置検出器とコンピュータ制御による駆動機構を利用し、さらにコンピュータの演算能力を利用して、平面内の回転操作に伴う位置ずれを相殺するように必要な回転機構のＸＹ平面内での位置の補正動作を行なわせる。また、ひとつの入力によって複数の回転機構を互いに関連をもって操作させる。

本発明によれば、荷電粒子線装置の操作者が、回転型試料ホルダー等回転機構を持った装置において回転操作に伴う位置ずれを煩雑な操作によって動作させることが必要なくなるので、回転機構を持った装置の操作性と操作精度を向上させる効果を奏する。

以下は試料ホルダーを例に説明を行なうが、他の回転機構を持った装置においても同様である。

図１（Ａ）−（Ｃ）は試料ホルダーの回転操作とこれに伴って必要となる補正操作を説明する図である。１０は試料ホルダーである。試料ホルダー１０は、ホルダー板１と端部に設けられた回転可能な試料保持部２とよりなる。３は試料保持部２の回転中心である。４は試料保持部２に載置された試料である。５は試料４の観察、あるいは、加工点である。ここで、一点鎖線で示す光学系の光軸６をZ軸として荷電粒子線装置に固定された座標系をX軸，Y軸で表す。また、この試料ホルダー１０に固定されて、ホルダーと共に水平移動する座標系をｘ軸，ｙ軸で表わす。試料ホルダー１０のＸＹ平面内の移動は回転機構とは独立して行なわれるものとする。また、簡単のため荷電粒子線装置に固定された座標系のＸＹ平面（Ｚ＝０の平面）と試料ホルダー１０とともに移動する座標系のｘｙ平面（ｚ＝０の平面）は光軸上同じ高さに位置しているとする。言い換えれば、蛍光板、もしくはモニター等の画像観察・記録装置の中心がＸＹ平面の原点に位置して不動であり、試料位置が相対的にｘｙ座標とともに移動できると考えればよい。

試料ホルダー１０には、図１（Ａ）に模式的に示すように、ホルダー板１をＸ軸，Ｙ軸のそれぞれの方向に移動させるための駆動装置７，８が設けられ、さらに、回転可能な試料保持部２には、これを回転させるための駆動装置９が設けられる。それぞれの駆動装置は、操作者の与える信号に応じてコンピュータによって駆動される。また、ホルダー板１と荷電粒子線装置の間には位置検出器７’，８’が付加されていて、ホルダー板１の位置が検出される。必要に応じて、駆動装置９には回転角検出器９’が付加されていて、試料保持部２の回転角が検出される。すなわち、試料ホルダー１０が荷電粒子線装置に装着され、あるいは、駆動装置７，８により移動されたときのＸＹ平面内の位置が位置検出器７’，８’で検出される。試料保持部２の回転角は駆動装置９に付加された回転角検出器９’により検出される。このとき試料内の観察・加工に供される位置は常にＸＹ平面の原点を中心に含む領域であるため、試料内の観察・加工に供される位置は改めてホルダーに固定された座標系の位置（ｘ，ｙ）で表記するのが都合よい。

図１（Ａ）において、試料４の観察、あるいは、加工点５が、ホルダーに固定されたｘｙ座標系の点（ｘ_１，ｙ_１）にあり、試料保持部２の回転中心３はｘｙ座標系の点（ｘ_０，ｙ_０）にあるとする。これは、より一般化のため、ｘｙ座標系の原点（０，０）と回転中心軸とは一致しないとしたからである。

図１（Ｂ）は、駆動装置９によって試料保持部２に回転角θの回転を与えた結果を示す図である。観察・加工点５の位置（ｘ_１，ｙ_１）は、試料等の回転機構の回転中心３（ｘ_０，ｙ_０）を中心として回転し、ｘｙ座標系における点（ｘ_２，ｙ_２）に移動する。

図１（Ｃ）は、回転角θの回転に伴う移動をＸ軸方向、Ｙ軸方向への移動による補正で相殺するために、ベクトル量Δ＝（ｘ_１−ｘ_２，ｙ_１−ｙ_２）の移動を行なった結果を示す図である。それぞれの方向への成分（Δｘ，Δｙ）は、式（１）、式（２）にて表される。

さらに、ＸＹ座標系におけるＸＹ平面と回転機構のｘｙ平面とが、角度を持っている場合に一般化しておく。図２（Ａ）は、図１（Ａ）と同じ図である。図２（Ｂ）は、この状態から、例えば、サイドエントリー型試料ホルダー１０のホルダー板１の傾斜を想定し、ｘｙ平面がｙ軸を中心に、角度ψだけ傾斜している場合を考えた図である。図に破線で示すのは傾斜角ψが０の状態である。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）に示すように傾斜したホルダー板10を回転させた結果を示す図であり、図１（Ｃ）と対応する図である。この場合、回転による位置ずれの補正のためのｙ軸方向の移動量Δｙｇは上述と変わらないが、ｘ軸方向の移動量Δｘｇには傾斜角ψ分だけ修正が必要となる。これを式（３）、式（４）に表す。

ここで、光軸上の位置、すなわち観察・加工位置（ｘ_１，ｙ_１）のＺ軸方向の位置（高さ）も変化するが、これはフォーカス（焦点）を合わせることにより光学系で補正するものとする。また、荷電粒子線と観察・加工位置（ｘ_１，ｙ_１）との成す角は、回転の前後で異なることに注意を要する。すなわち、傾斜角ψが０であれば、荷電粒子線は常に試料４の平面に垂直に入射するのに対して、傾斜角ψが０でなければ、回転の前後において、荷電粒子線は試料４の平面に垂直からずれた互いに異なる角度で入射することになる。この角度の違いは原理的なもので、これを補償するためには、荷電粒子線が試料４に入射するよりも前方において荷電粒子線に対して偏向を与えることが必要となる。

本発明による回転に対する補正の手順を列挙すると、以下のようになる。
（１）回転機構の回転中心座標（ｘ_０，ｙ_０）の検出：上述したように、回転機構の回転中心３の座標（ｘ_０，ｙ_０）は荷電粒子線の光学系の光軸と一致している保証は無い。したがって、試料ホルダー１０の試料保持部２に試料を載置した後、試料保持部２に対して適当に回転操作を行って回転機構の回転中心３の座標（ｘ_０，ｙ_０）を求める。例えば、試料４がセットされたときの試料の画像内に任意に２点Ａ，Ｂを定め、θだけ回転させたときの試料の画像内の同じ２点をＡ’，Ｂ’とするとき、線分ＡＡ’と線分ＢＢ’の垂直二等分線の交差する位置を見つければ、この点が回転中心３の座標（ｘ_０，ｙ_０）となるので、操作者は試料４がセットされたときの試料の画像内の任意の２点Ａ，Ｂをカーソルを移動させるなどして指定して画面に表示し、この点の座標をコンピュータに読み込ませる。次いで、試料保持部２をθだけ回転させた後、先に指定した試料の画像内の任意の２点Ａ，Ｂの回転後の位置点Ａ’，Ｂ’を指定して画面に表示し、これの座標をコンピュータに読み込ませる。このようにして得られた4点の座標データからコンピュータは回転中心３の座標（ｘ_０，ｙ_０）を計算できる。表示した各点や線分ＡＡ’などの補助線は必要があれば画面上に図示すればよいし、不要となれば消去すればよい。
（２）光軸（荷電粒子線の透過点）に一致している観察もしくは加工点（ｘ_１，ｙ_１）の検出：表示されたモニター上の試料像が研究もしくは作業目的に応じて、観察・加工を行ないたい場所であるとき、位置検出器７’，８’が与える位置信号が観察もしくは加工点（ｘ_１，ｙ_１）となる。
（３）回転角θの入力、もしくは、実際に回転した後の回転角θの検出：駆動装置９に意図する試料保持部２の回転角θを与える。または、回転角検出器９’の信号を利用して動作後の回転角θを検出すればよい。

ここまでの手順により、（ｘ_０，ｙ_０）、（ｘ_１，ｙ_１）、θのそれぞれの値が既知となる。ただし、回転角検出器９’を用いるときは、θは動作後に検出する。これに続けて、以下の手順により、回転に伴う位置補正が完了する。
（４）上記、式（１）、式（２）による補正移動量をコンピュータにより演算する。
（５）上記（４）に基づいた結果によりコンピュータから駆動装置７，８に信号を送って補正のための移動を行なう。この結果、回転後の位置（ｘ_２，ｙ_２）が当初の光軸の位置（ｘ_１，ｙ_１）に一致する。
（６）上記回転・補正移動後の点（ｘ_２，ｙ_２）を新たな光軸の位置（ｘ_１，ｙ_１）とみなす。

新たな回転操作が必要となったときは、そのたびに、上記（３）から（６）の手順を順次繰り返せばよい。この手順を踏めば、いかなる方位角の回転に対しても観察・加工位置を常に荷電粒子線が透過する点（光軸と試料平面との交点）に一致させることができる。以上の操作は回転機構を持った装置各々において共通である。この操作を、荷電粒子線の流れの方向（Ｚ軸方向）に備えられる複数の回転機構装置に連続して作用させれば、結果的にそれらの装置を連動させることが可能となる。

以下、電子顕微鏡を例に解説する。

図３は本発明を適用した２段電子線バイプリズムを備える電子顕微鏡の構成を示す模式図である。１０は試料ホルダー、２０は対物絞りホルダー、３０は制限視野絞りホルダー、４０は第１電子線バイプリズムホルダー、５０は第２電子線バイプリズムホルダー、６０は観察面であり、電子線の流れ（Ｚ軸６）に沿って、順次配置されるが、煩雑を避けるため複数の拡大レンズ等電子光学上の部品を省略して描いている。試料ホルダー１０の前段に荷電粒子線源１２０および照射光学系１３０が設けられており、光源（クロスオーバ）１００を形成している。試料ホルダー１０の後段に対物レンズ７１が、制限視野絞りホルダー３０の後段に第１拡大レンズ７２が、第１バイプリズムホルダー４０の後段に第２拡大レンズ７３が、それぞれ、設けられている。１１０は真空容器であり、この中に上述の各種ホルダー、荷電粒子線源、照射光学系、各種レンズ、観察面等が設けられる。

試料ホルダー１０については、図１、図２で説明したが、対物絞りホルダー２０、制限視野絞りホルダー３０、第１電子線バイプリズムホルダー４０、第２電子線バイプリズムホルダー５０のそれぞれも、試料ホルダー１０と同様に、参照番号１および２に対応するホルダー板と回転部とを備える。また、ＸＹ座標系のＸＹ平面で、ホルダー板をＸ軸、Ｙ軸方向に駆動し、回転部を回転させる参照番号７，８および９に対応する駆動装置と参照番号７’，８’および９’に対応する位置検出器および回転角検出器とを備える。なお、本明細書中で「ホルダーを回転させる」あるいは「ホルダーの回転中心」と言うときは、ホルダーの回転部を回転させること、あるいは、ホルダーの回転部の回転中心を意味する。

図３では、図が煩雑となるので駆動装置と位置検出器、回転角検出器の表示は省略し、これに代わるものとして、ボックス２０１−２０５を表示し、各ボックス２０１−２０５と各ホルダーとを３本の線で結んだ。ここで、３本の線としたのは、Ｘ軸、Ｙ軸方向に駆動する２つの駆動装置と回転部を回転させる１つの駆動装置、およびこれらの位置検出器の３要素がそれぞれ独立であり、独立に動作することを意味するものとするためである。これら駆動装置と位置検出器、回転角検出器を代表するボックス２０１−２０５は制御用コンピュータ３００から駆動系マイコン３１０_１−３１０_５を介して与えられる操作信号を駆動装置に伝え、ホルダーを駆動すると共に、位置検出器、回転角検出器の検出する信号を制御用コンピュータ３００に戻す機能を果たす。３２０，３３０は制御用コンピュータ３００の入力手段、表示装置である。

なお、ここでは、図２（Ｂ）で説明したような試料ホルダー１０がψだけ傾いている場合については省略した。この傾きに対応するものとする場合には、ホルダー板１の傾きを制御する駆動装置とその回転角検出器を備えるものとし、他の駆動装置とその位置検出器、回転角検出器による制御と同様に、制御用コンピュータ３００により制御すればよい。

観察面６０に対して画像入力装置（例えばカメラ）４１０が配置され、この出力は画像観察モニター４２０に表示され操作者が見ることができるとともに、画像記録装置（例えばビデオ等）４３０により、データとして記録できるものとされる。さらに、画像観察モニター４２０には、操作者が表示画面上に、入力手段、例えば、マウスを使用して任意の位置に点を指定して表示することができ、制御用コンピュータ３００は、この座標を読み取ることができる機能が備えられる。

操作者は試料をセットした状態で画像観察モニター４２０を見ながら、観察の目的が達成できるように、制御用コンピュータ３００の入力手段３２０を介して操作信号を入力する。制御用コンピュータ３００には、必要なプログラムが備えられ、操作信号に応じた操作量を演算して駆動装置に送る。また、駆動装置の動作結果は位置検出器、回転角検出器により検出されてフィードバックされる。さらに、画像観察モニター４２０の表示画面上のデータが、上述した回転中心の検出のように、必要により、制御用コンピュータ３００に導入される。制御用コンピュータ３００の表示装置３３０には、操作者が与えた信号や電子顕微鏡の動作条件、電子顕微鏡の動作状況が表示され、操作者の操作により画像観察モニター４２０に現れた変化に対応した次の操作のための情報として利用される。

図４は操作者の操作に関連する制御用コンピュータ３００と各ホルダー１０−５０との関係をより具体的に説明するためのブロック図である。制御用コンピュータ３００の入力手段３２０は、ここでは、一般的なキーボードおよびマウスに加え、各ホルダーの回転指令を操作者の回転操作で与えるための、また水平移動にもつまみ操作を用いるための操作つまみを備えるものとした。３４０は読み取り用のマイコンであり、操作者が操作つまみを操作した結果を制御用コンピュータ３００が利用できる信号に変換する。制御用コンピュータ３００の本体は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）とプログラム格納メモリ、情報格納メモリおよびワークメモリがバスで接続され、操作者の与える信号に応じた処理を行って操作量を演算する。得られた操作量は駆動系マイコン３１０_１−３１０_５を介して駆動装置に送られる。ここではホルダーとして試料ホルダー１０と第１電子線バイプリズム４０のみを示した。試料ホルダー１０については図１、図２で具体的に説明した。第１電子線バイプリズム４０を簡単に説明すると、試料ホルダー１０と同様に、ホルダー板１と回転部２’とよりなる。回転部２’の内部は中空にされ、この中空部を電子線が通過できる。中空部の中央に電子線バイプリズムのフィラメント電極４１が設けられ、両端部にフィラメント電極４１に平行の接地電極４２，４３が設けられる。フィラメント電極４１と、接地電極４２，４３とは、回転部２’が回転するとき、一体として回転させられる。フィラメント電極４１に外部より電圧を与えて電子線を偏向させる。

表示装置３３０と操作者による回転操作について基本的なことについて説明する。ここでは、操作者による回転操作がなされるときの制御用コンピュータ３００の表示画面３３０および画像観察モニター４２０の表示例を示す。表示画面３３０では回転操作の対象となるホルダーが、実際の電子顕微鏡の配置と同じ順序で、試料ホルダー、対物絞りホルダー、制限視野絞りホルダー、第１電子線バイプリズムホルダー、第２電子線バイプリズムホルダーの順に表示される。それぞれのホルダーごとに、回転角度とその値の増減（例えば、図１で左回りを増（＋）、右回りを減（−）とする）が指定できるようにし、これに対応した表示をする。ここでは、初期設定として、すべてのホルダーが回転角度５°とされている状態を表示した。操作者は、回転角度を別の値にしたいときは、変更するホルダーの回転角度の値を入力手段３２０から希望の値に変更できる。回転角度の増減については表示されている四角の表示をクリックして指定し、クリックに応じて増減することもできる。１クリックに対応する回転角度の増減の変化量は別に任意に設定できる。回転操作は、操作者の回転操作で与えるための操作つまみにより行なうこともできる、この場合には、例えば操作者は回転の「任意」を選択して操作つまみを操作すれば、操作角がマイコン３４０により読み取られて、制御用コンピュータ３００に与えられる。

さらに、それぞれのホルダーの回転に対してどのホルダーを連動させるかはリンクの「全」または「下」を選定することにより指定することができる。リンクを設定しないとき、あるいは、解除するときは、いずれも選択しなければ良い。なお、リンクで指定されたホルダーは、操作の対象となったホルダーの回転に対応して連動するものとすれば良いが、リンクは上段から下段へリンクするのみで下段から上段へはリンクしないものとしても良い。このためには、例えば、配列の順によらず全てを連動させるときはリンクの表示の「全」を選び、上段から下段へ配列順を持っているもののみリンクするのみとする場合には「下」を選ぶものとすれば良い。このようにすれば、例えば、「下」でリンクＡが選定されているとき、試料ホルダー１０の回転指令に対して制限視野絞りホルダー２０、第１電子線バイプリズム４０は連動するが、制限視野絞りホルダー２０の回転指令に対しては第１電子線バイプリズム４０のみが連動し、試料ホルダー１０は連動しない。このようにすれば、回転に対する各要素の影響を個別に判断することができるだけでなく、１つのリンク表示で事実上複数のリンクを取り扱うことが可能となり、表示モニターのスペース節約と表示の煩雑を避けることができる。

ここでは、リンクはＡ，Ｂ，ＣおよびＤが選定できる例を示す。リンクＡは試料ホルダー、制限視野絞りホルダーおよび第１電子線バイプリズムホルダーが連動するものであることが丸印の表示により明示されている。同様に、リンクＢは試料ホルダー、第１電子線バイプリズムホルダーおよび第２電子線バイプリズムホルダーが、リンクＣは試料ホルダー、対物絞りホルダーおよび制限視野絞りホルダーが、それぞれ、連動するものであることが丸印の表示により明示されている。リンクの設定は、よく行なう可能性が高い連動操作については、例えばＡ〜Ｃの様に初期設定とすればよいが、すべてを表示させるのが画面を見にくくする場合には、代表的なものに限り、その他の連動は、操作者が設定できるようにすれば良い。そのためには、例えば、リンクＤを選択し、角度の増減の指定と同様に連動させるホルダーを指定できるようにすれば良い。それぞれの回転機構を個別に操作したい場合には、すなわち、リンクを設定しなければ良い。リンクの選定を操作者が入力手段３２０から入力したときは、リンクＡ−Ｄのいずれか、選定されたリンクの文字の背景の色を変えるなどして、明示できるようにすれば良い。

回転操作に先行して回転機構の回転中心座標（ｘ_０，ｙ_０）の検出をするが、そのためには、上述したように、画像観察モニター４２０画像を利用して行なえばよい。

以上、表示装置３３０、および各操作の方法は一例であり、ここに記載した限りではない。

以下、ホルダーの回転に関するリンクに関して、操作者の操作とコンピュータとの動作の関係を説明する。ここでは、試料ホルダー１０に試料が載置されて、試料ホルダー１０、対物絞りホルダー２０、制限視野絞りホルダー３０、第１電子線バイプリズムホルダー４０および第２電子線バイプリズムホルダー５０が、観察のために、電子顕微鏡の鏡体内に挿入され、荷電粒子線源１２０および照射光学系１３０、対物レンズ７１、第１拡大レンズ７２、および、第２拡大レンズ７３が、それぞれ、初期状態に設定されて電子顕微鏡が正常に動作する状態からスタートするものとする。

（回転中心の決定）
図５は試料ホルダーの回転中心の決定のためのフローを示す図である。図５において、ステップ５０１，５０３および５０５は、上述した手順（１）から（３）を実行する処理である。ここでは、試料ホルダーの回転中心を求める処理であるが、全てのホルダーについて回転中心位置（ｘ_０，ｙ_０）を求めることが必要である。そのため、リンクを設定して連動させる場合には、事前に全てのホルダーについて回転中心を求める処理を纏めて実行する。この場合、ホルダーごとに、試料像と同様に、モニター画面４２０に現れる各ホルダーの像に着目した２点を画面に表示してコンピュータに入力、回転操作、回転後の像に着目した２点を画面に表示してコンピュータに入力することを繰り返すことになる。なお、この段階では、連動は解除しておくことが必要である。

（リンク１：試料回転の場合）
所定の電子回折波を狙って結像を行なう場合、通常は対物絞りのみを回転させればよいが、例えば、観察面６０に置く検出器（フィルムなど）側に方向依存性がある場合には、試料形状をそれに合わせなければならないため、試料、絞りの双方を連動させなければならない可能性が生じる。

［Ｉ］単結晶試料の場合
試料、対物絞り、制限視野絞りが、光軸上に挿入済みであるとともに、上述したように、試料ホルダー１０の回転中心（ｘ_０，ｙ_０）、対物絞りホルダー２０の回転中心（ｘ_０，ｙ_０）および制限視野絞りホルダー３０の回転中心（ｘ_０，ｙ_０）が求められているとする。ここで、回転中心（ｘ_０，ｙ_０）の表現は図１、図２で試料ホルダー１０について説明しただけであるが、その他のホルダーについても、同じ座標表現が適用できるので、同じ表現とする。他の座標についても同様である。以下、図６を参照しながら説明する。連動に関係しない、例えば電子線バイプリズム等は、以下の作業を妨げない適切な位置に配されているものとする。
（１）操作者は画像モニター４２０の画像を見ながら、試料ホルダー１０をＸＹ平面で移動させて観察したい場所、すなわち、観察に供する試料の位置（ｘ_１，ｙ_１）を定め、例えば、エンターキーを押して、試料の位置（ｘ_１，ｙ_１）をコンピュータに入力する（ステップ６０１）。
（２）操作者は観察記録する倍率を定め、入力手段３２０を介して制御用コンピュータ３００に入力する（ステップ６０３）。これにて光学系各レンズの使用条件（倍率、焦点距離等）が定まる。
（３）用いる電子線の波長と対物レンズの焦点距離により、対物絞りホルダー２０の回転による位置ずれ補正等の移動距離が定まる（ステップ６０５）。
（４）ステップ６０３にて対物レンズの倍率が定まっているので、試料ホルダーの水平移動距離に対する、制限視野絞りホルダーの移動距離の比が定まる（ステップ６０７）。なお、ステップ６０７と同じ結果はレンズの倍率からではなく、機械的に求めることも可能である。すなわち、操作者が画像モニター３２０を見ながら、試料像内のある１点を視野中の定まった距離を動かすのに要した試料ホルダー１０の機械的な移動量と、操作者が画像モニター３２０を見ながら、制限視野絞りの像上に定めた任意の１点が、視野内の同一距離を移動するのに要した制限視野絞りホルダー３０の機械的な移動量より、制御用コンピュータ３００が各座標系の相対的な倍率を求める。但し、この場合、各ホルダーの微動機構は等価であると仮定している。
（５）操作者が画像モニター３２０を見ながら、試料形状を確認し、適切な形状（方向）の制限視野絞りを選定（ステップ６０８）の上、制限視野絞りを回転および水平移動させ、試料形状に合わせこむ（ステップ６０９）。これにて、制限視野絞りの水平位置（ｘ_１，ｙ_１）が定まる。
（６）操作者は回折像観察に切り替え（ステップ６１４）、画像モニター４２０を見ながら、電子回折像にて方位を確認し、適切な形状（方向）の対物絞りを選定（ステップ６１０）の上、電子回折像方位に合わせて対物絞りを回転および、水平移動させ、電子回折像に合わせ込む（ステップ６１１）。これにて、対物絞りの水平位置（ｘ_１，ｙ_１）が定まる。

上記（１）−（６）の手順により試料、対物絞り、制限視野絞りの相対関係が確定する。（７）操作者は試料像の観察状態に戻し（ステップ６１２）、図４に示すリンクＣを設定（ステップ６１３）して、モニター画面４２０を見ながら、これらを、観察目的にとって、もっとも有効な方位となるべく、３つを連動して回転・水平移動させることができる。すなわち、試料像観察に対して必要な回転角度を入力（ステップ６１５）すれば、すべての作業が自動的に終了する。

なお、図３では、制限視野絞りおよび対物絞りの選定は説明しなかったが、通常電子顕微鏡には、これらが複数個設けられており、試料の形状等に応じて選択して使用される。上述の説明で、ステップ６０８およびステップ６１０で行なわれる制限視野絞りおよび対物絞りの選定は、この通常良く行なわれる作業のひとつである。

［ＩＩ］上記単結晶試料の場合で、観察場所を変更する場合
モニター画面４２０を見ながら、操作者は新しい観察場所を求めて、試料ホルダー１０をＸ，Ｙ平面で移動させて、新しい観察に供する試料の位置（ｘ_１，ｙ_１）を定める（ステップ６０１）。よほど大きく観察倍率を変更しない限り、対物レンズの倍率は変更する必要がない（ステップ６０７は不要）。試料の形状に合わせて、制限視野絞りのサイズおよび／あるいは形状を変更（ステップ６０８）し、回転・移動により合わせ込み（ステップ６０９）をやり直す。単結晶試料の場合、試料の結晶方位は観察場所によらないので、観察場所が変わっても対物絞りの変更は不要（上記［Ｉ］単結晶試料の場合の手順（６）の操作（ステップ６１０，６１１））は不要である。以降ステップ６１３,６１５を行なって作業を完了する。

対物レンズ７１の倍率を大きく変更して観察する場合には、ステップ６０３以降の処理を全て行なう。

［ＩＩＩ］多結晶試料の場合で、観察場所を変更する場合
上述した単結晶試料に代えて、多結晶試料を観察する場合の手順は、図６を参照しながら説明したのと同様である。ここでは、観察している多結晶試料が、上述した手順で観察された後、観察場所を変更する場合について述べる。

多結晶試料では、試料位置によって結晶方位が異なるので、対物絞りの形状、サイズも見直しの対象となる。したがって、試料のモニター画面４２０を見ながら、操作者は新しい観察場所を求めて、試料ホルダー１０をＸＹ平面で移動させて、新しい観察に供する試料の位置（ｘ_１，ｙ_１）を定めた後（ステップ６０１）、ステップ６０８以降の処理を実行すれば良い。よほど大きく観察倍率を変更しない限り、対物レンズの倍率は変更する必要がない（ステップ６０７は不要）のは、［ＩＩ］単結晶の試料の観察場所変更と同じである。

対物レンズ７１の倍率を大きく変更して観察する場合には、ステップ６０３以降の処理を全て行なうのも単結晶の試料の位置変更と同じである。

（リンク２：干渉光学系の場合）
３段電子線バイプリズム干渉計の場合に関して、図７を参照して説明する。試料は、あらかじめ挿入してあり、モニター画面４２０には、電子顕微鏡の観察画面としてのおよその観察位置の試料像が表示されていて、倍率は確定している状態から始めるものとする。また、各々の電子線バイプリズムの回転補正は、回転中心が求まれば、実行可能な状態にあるとする。なお、説明しない対物絞り等が以下の作業を妨げない位置に配されているのは、上述の（リンク１）の場合と同様である。

［Ｉ］３つの電子線バイプリズムが機械的に同等とみなせるものの場合
３つの電子線バイプリズムは同等の状態（triplicate）で、電子線への偏向特性、フィラメント電極の太さ、微動機構の初期設定などはすべて同じとする。

まず、上段電子線バイプリズムを試料の像面に挿入し、図５で説明したステップ５０１，５０３および５０５を実行して回転中心（ｘ_０，ｙ_０）を求める（ステップ７０１）。この際、操作者が与える画像上の任意の２点はフィラメント電極上に付着したごみなどを手がかりとする。次いで、中段電子線バイプリズムを試料の像面に挿入し、同様にして、回転中心（ｘ_０，ｙ_０）を求める（ステップ７０３）。さらに、下段電子線バイプリズムを、例えば試料の像面と光源の像面の間に挿入し、同様にして、回転中心（ｘ_０，ｙ_０）を求める（ステップ７０５）。下段電子線バイプリズムのフィラメント電極へは、フォーカスは合わないが、影を見ながらフォーカスの合っている、上段、中段電子線バイプリズムと同様の作業は可能である。

次いで、フィラメント径が同じと仮定しているので、モニター画面４２０に現れているフィラメントの影の像のサイズ（径）を求めて、コンピュータに入力する（ステップ７０７）。これにより各々の相対倍率が定まり、コンピュータは上中下３段の電子線バイプリズム各々の水平移動距離の相対比を求めることができる（ステップ７０９）。

次いで、操作者はモニター画面４２０を見ながら、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極の観察に供したい場所を見つけコンピュータに入力（ステップ７１１）して、上段電子線バイプリズムのフィラメント電極の観察に供する場所（ｘ_１，ｙ_１）を定める。

次いで、操作者はモニター画面４２０上の中段電子線バイプリズムのフィラメント電極の、上段電子線バイプリズムのフィラメントに対する角度を定めてコンピュータに入力（ステップ７１３）する。これは、先の特願２００４−０４６６３３号で説明したように、９０度とするのが最もよいが、この限りではない。その後、モニター画面４２０を見ながら、中段電子線バイプリズムのフィラメント電極の観察に供したい場所を見つけ（ステップ７１５）、観察に供する中段フィラメント電極の場所（ｘ_１，ｙ_１）を定める。

次いで、操作者はモニター画面４２０を見ながら、下段電子線バイプリズムのフィラメント電極の、上段電子線バイプリズムのフィラメント、または中段電子線バイプリズムのフィラメントに対する角度を定める（ステップ７１７）。（下段電子線バイプリズムのフィラメント電極の角度は、先の特願２００４−０４６６３３号で説明したように、干渉領域の大きさの縦横比を定めるので、試料サイズによって変更することがあるが、一旦、ここで定めておく。）その後、モニター画面４２０を見ながら、観察に供したい場所を見つけ（ステップ７１９）、観察に供する下段フィラメント電極の場所（ｘ_１，ｙ_１）を定める。

上記ステップ７０１−ステップ７１９により３つの電子線バイプリズムの相対関係が確定する。したがって、操作者は図４に示すリンクを３つの電子線バイプリズム間に設定（ステップ７２１）して、モニター画面４２０を見ながら、これらを、観察目的にとって、最も有効な方位となるべく、３つの電子線バイプリズムを連動して回転・水平移動させることができる。すなわち、試料のモニター画面４２０を見ながら上段電子線バイプリズムのフィラメントに対して必要な回転角度を入力（ステップ７２３）すれば、すべての作業が自動的に終了する。

図８はステップ７２１でリンク設定が指示された後、操作者による回転角度の入力（ステップ７２３）に対応して連動処理がコンピュータにより実行される状況を説明するフロー図である。まず、リンクの指定が、リンクで指定されたホルダーは、操作の対象となったホルダーの回転に対応して全て連動するものとする表示の「全」が選定されているか否か判定される（ステップ８０１）。「全」が選定されていれば、図６−図７の手順により得られたデータを基礎にリンクで指定された全てのホルダーを、操作者が操作もしくは指令したホルダーの回転角に応じて回転させ、位置の補正を行なう。「下」が選定されていれば、当該ホルダーより下段にあるリンクで指定されたホルダーを操作者が操作もしくは指令したホルダーの回転角に応じて回転させ、位置の補正を行なう。

上述の説明は、電子線バイプリズムのフィラメント電極の太さが等しいとの前提の下になされたが、電子線バイプリズムのフィラメント電極の太さが等しくない場合、さらにはその値が未知の場合の実行手順を説明する。

［ＩＩ］フィラメント電極の太さが既知である場合
操作者は、フィラメント電極の太さが既知である場合は、ステップ７０７の前の段階で、これをコンピュータに入力する。コンピュータは、ステップ７０９の処理で、各々の太さが異なるが、各々のフィラメントの影の像のサイズ（径）より、上中下３段の電子線バイプリズム各々の水平移動距離の相対比を求める。ステップ７１１以下の処理は図７の通りである。

［ＩＩＩ］フィラメント電極の太さが未知で各々の太さが異なる場合
フィラメント電極の太さが未知で各々の太さが異なる場合には、使用する電子線バイプリズムホルダーの微動機構の初期設定がすべて同じと仮定し、操作者は、ステップ７０７の前の段階で、モニター画面４２０を見ながら、各々の電子線バイプリズムホルダーを移動させ、視野中の一定距離を移動するのに要した電子線バイプリズムホルダーの機械的な移動量（操作量）をコンピュータに入力する。コンピュータは、ステップ７０９の処理で、この機械的な移動量（操作量）より上中下３段の電子線バイプリズム各々の水平移動距離の相対比を求める。基本的に制限視野絞りに行なった処理（手順［Ｉ］単結晶試料の場合の（４））と同じ方法である。ステップ７１１以下の処理は図７の通りである。

上記の他、コンピュータは、ステップ７０９の処理で、電子光学系より各々のフィラメント電極が挿入された位置の倍率が設定値として知られていれば、その値を元に相対比を求められる。

なお、ステップ７２３に達して、電子線バイプリズム間のリンクが完成した後の観察で、試料形状により干渉領域の縦横比を変更したい場合は、操作者はステップ７２１の各々のバイプリズム間のリンクを解除した後、ステップ７１７の下段電子線バイプリズムのフィラメント電極の角度の設定からやり直せばよい。

また、図３には表示しなかったが、実際の電子顕微鏡では、光学系に多数の電子レンズが配置される。ステップ７２３に達して、各電子線バイプリズム間のリンクが完成した後の観察で、これらの電子レンズにより倍率を変更する場合、下段電子線バイプリズムよりも２つ以降観察面６０側にある電子レンズにて倍率を変更した場合には、各電子線バイプリズムの相対関係はほぼ不変とみなせるから、そのまま観察を続ければよい。しかし、各電子線バイプリズム間または電子線バイプリズムの直上、直下のレンズによって倍率を変更した場合には、各々の電極間の相対倍率が変化する。したがって、操作者はステップ７２１の電子線バイプリズム間のリンクを解除した後、ステップ７０７以降の全ての処理を経て、再立ち上げすることが必要である。

（リンク３：試料回転および干渉光学系）
試料に対して回転操作を行ないながら、３段電子線バイプリズム干渉計による観察を行なう場合には、上述のリンク１、およびリンク２の両方を立ち上げ、それぞれを用いなければならない。もしくは両方を１つのリンクとしてまとめて取り扱わねばならない。すなわち、操作者は図６および図７に示す処理を実行して観察箇所を定め、干渉計の条件を定めた後に、ステップ６１３およびステップ７２１のリンクの設定を１つのリンクとしてコンピュータに入力する。

上述したように、本発明によれば、試料ホルダー、可動絞りや電子線バイプリズム等の荷電粒子線調整装置を、荷電粒子線の光学系の光軸に垂直なＸＹ平面内、もしくは少し傾斜した平面内で回転させる際に、原理的に発生する荷電粒子線の照射位置の移動を、当該装置の位置検出器、駆動装置を利用することによって相殺するように補正し、該平面内のいかなる回転を行なう場合においても、同一箇所を荷電粒子線が透過できる。さらにこれら複数の装置の回転機構を連動させることによって、より簡便かつ高精度に、複数の回転機構をコントロールすることが可能となり、これら複数の回転機構によって構成される荷電粒子線装置が持つ利点を享受できる。

（Ａ）−（Ｃ）は試料ホルダーの回転操作とこれに伴って必要となる補正操作を説明する図である。（Ａ）は図１（Ａ）と同じ図、（Ｂ）は（Ａ）の状態からホルダー板１０のｘｙ平面がｙ軸を中心に、角度ψだけ傾斜している場合を考えた図、（Ｃ）は傾斜したホルダー板１０を回転させた結果を示す図であり、図１（Ｃ）と対応する図である。本発明を適用した２段電子線バイプリズムを備える電子顕微鏡の構成を示す模式図である。操作者の操作に関連する制御用コンピュータ３００と各ホルダー１０−５０との関係をより具体的に説明するためのブロック図である。試料ホルダーの回転中心の決定のためのフローを示す図である。試料ホルダーおよび絞りホルダーを連動させる処理フローを単結晶試料について示す図である。３段電子線バイプリズム干渉計のバイプリズムを連動させる処理フローを３つのバイプリズムホルダーが等価な場合について示す図である。リンク設定が指示された後、操作者による回転角度の入力に対応して連動処理がコンピュータにより実行される状況を説明するフロー図である。

符号の説明

１…ホルダー板、２…試料保持部、３…試料保持部の回転中心、４…試料、５…試料の観察あるいは加工点、６…光学系の光軸、７，８，９…駆動装置、７’，８’…位置検出器、９’…回転角検出器、１０…試料ホルダー、２０…対物絞りホルダー、３０…制限視野絞りホルダー、４０…第１電子線バイプリズムホルダー、５０…第２電子線バイプリズムホルダー、６０…観察面、７１…対物レンズ、７２…第１拡大レンズ、７３…第２拡大レンズ、１１０…真空容器、１２０…荷電粒子線源、１３０…照射光学系、２０１−２０５…ボックス、３００…制御用コンピュータ、３２０…制御用コンピュータの入力手段、３３０…制御用コンピュータの表示装置、３１０_１−３１０_５…駆動系マイコン、４１０…画像入力装置、４２０…画像観察モニター、４３０…画像記録装置。

Claims

電子顕微鏡であって、
電子線源、
該電子線源から放出される電子線が照射光学系を介して形成する光源、
試料を保持し該試料へ該光源から電子線を照射するための試料ホルダー、
該試料ホルダーの後段に設けられる対物レンズ、
該対物レンズの後段に設けられる対物絞り、
該対物絞りの後段に設けられる第１の電子線バイプリズム、
該第１の電子線バイプリズムの後段に設けられる拡大レンズ、
該拡大レンズの後段に設けられる第２の電子線バイプリズム、
該第２の電子線バイプリズムの後段に配される拡大レンズ系、
該拡大レンズ系の最終段に設けられる観察面、
該観察面を観察もしくは記録するための機構、
前記第１、第２の電子線バイプリズムそれぞれが前記電子顕微鏡の光学系の光軸に垂直なＸＹ平面内で移動可能に保持されるとともに、前記ＸＹ平面内もしくは傾いた平面内に於いて回転可能に保持され、前記第１、第２の電子線バイプリズムそれぞれの位置する前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向に独立して移動させる駆動装置、
前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向の位置を検出する位置検出器、及び
前記第１、第２の前記電子線バイプリズムそれぞれを独立して回転させる回転機構を備え、
前記第１、第２の電子線バイプリズムそれぞれにおいて、前記回転機構により電子線バイプリズムを回転させた角度θに応じて、前記駆動装置により当該電子線バイプリズムを前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向に独立して移動させることにより、当該電子線バイプリズムの回転に伴う、当該電子線バイプリズムに対する前記光学系の光軸位置のずれの補正をそれぞれ行うと共に、
前記第１、第２の電子線バイプリズムのいずれか一方の、前記角度θの回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正と連動して、他方の前記電子線バイプリズムが前記角度θだけ回転し、当該回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正を行うことを特徴とする電子顕微鏡。
前記第１、第２の電子線バイプリズムは、前記回転角θを検出する回転検出器をそれぞれ別個に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
前記第１、第２の電子線バイプリズムのいずれか一方の、前記角度θの回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正が、
当該電子線バイプリズムの前記回転機構の回転中心座標の検出、当該電子線バイプリズムに対する前記光学系の光軸位置の検出、及び
当該電子線バイプリズムの回転角度の入力およびそれによる回転動作、もしくは回転した後の当該電子線バイプリズムの回転角度に基づき実行される、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電子顕微鏡。
前記試料ホルダーが、前記光学系の光軸に垂直なＸＹ平面内で移動可能に保持されるとともに、前記ＸＹ平面内もしくは傾いた平面内に於いて回転可能に保持され、前記試料ホルダーの位置する前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向に独立して移動させる試料ホルダー駆動装置、
前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向の位置を検出する試料ホルダー位置検出器、及び
前記試料ホルダーを回転させる試料ホルダー回転機構を更に備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
前記試料ホルダーにおいて、前記試料ホルダー回転機構により前記試料ホルダーを回転させた角度に応じて、前記試料ホルダー駆動装置により前記試料ホルダーを前記ＸＹ平面内でＸ方向、Ｙ方向に独立して移動させることにより、前記試料ホルダーの回転に伴う、前記試料ホルダーに対する前記光学系の光軸位置のずれの補正を行う、
ことを特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。
前記試料ホルダーは、前記試料ホルダーの回転角度を検出する回転検出器を備える、
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。
前記試料ホルダーの回転に伴う、前記試料ホルダーに対する前記光学系の光軸位置のずれの補正が、
前記試料ホルダーの前記試料ホルダー回転機構の回転中心座標の検出、前記試料ホルダーに対する前記光学系の光軸位置の検出、及び
前記試料ホルダーの回転角度の入力およびそれによる回転動作、もしくは回転した後の前記試料ホルダーの回転角度に基づき実行される、
ことを特徴とする請求項５または６に記載の電子顕微鏡。
前記第１、第２の電子線バイプリズムのいずれか一方の、前記角度θの回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正と連動して、前記試料ホルダー回転機構により前記試料ホルダーが前記角度θだけ回転し、当該回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正を前記試料ホルダー駆動装置により行う、
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。
前記試料ホルダーの前記角度θの回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正と連動して、前記第１、第２の電子線バイプリズムが前記角度θだけ回転し、当該回転に伴う前記光学系の光軸位置からのずれの補正を行う、
ことを特徴とする請求項５に記載の電子顕微鏡。