JP5347496B2 - Method for measuring chromatic aberration coefficient in electromagnetic lens and scanning transmission electron microscope - Google Patents
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Description
本発明は電磁レンズにおける色収差係数測定方法及び走査透過電子顕微鏡に関するものであり、例えば、球面収差補正装置を備えた走査透過電子顕微鏡の電磁レンズの色収差係数を簡便に且つ精確に測定するための構成に関するものである。 The present invention relates to a method for measuring a chromatic aberration coefficient in an electromagnetic lens and a scanning transmission electron microscope, for example, a configuration for simply and accurately measuring a chromatic aberration coefficient of an electromagnetic lens of a scanning transmission electron microscope equipped with a spherical aberration correction device. It is about.
走査透過電子顕微鏡(STEM)による高分解能像観察においては、電磁レンズの球面収差係数が非常に大きいため、電子線の波長に対して十分な分解能を得ることができなかった。しかしながら、近年、球面収差補正装置を電子顕微鏡に搭載することによって、球面収差の影響をほとんど無視できるようになり、対物レンズの性能を十分引き出すことが可能になってきている。 In high-resolution image observation with a scanning transmission electron microscope (STEM), since the spherical aberration coefficient of the electromagnetic lens is very large, sufficient resolution cannot be obtained with respect to the wavelength of the electron beam. However, in recent years, by mounting a spherical aberration correction device on an electron microscope, the influence of spherical aberration has become almost negligible, and it has become possible to sufficiently bring out the performance of the objective lens.
しかしその一方で、球面収差補正装置は色収差係数を増大させるという欠点を有している。最近では、その解決のために色収差係数補正装置の開発も行われてきているが、電磁レンズの色収差補正装置に関しては光学レンズと趣が大きく異なるという特徴がある。 However, on the other hand, the spherical aberration corrector has the disadvantage of increasing the chromatic aberration coefficient. Recently, a chromatic aberration coefficient correction apparatus has been developed for solving the problem, but the chromatic aberration correction apparatus for electromagnetic lenses has a feature that it is greatly different from an optical lens.
このような、電磁レンズの色収差補正装置に関しては、アメリカ合衆国の国家プロジェクトであるTEAMがFEI社と共同研究を行い、一方、日本も産業技術総合研究所の末永和知博士が日本電子株式会社と開発に着手している。しかし、2008年9月24日時点において、色収差補正の結果に関する発表はなされていない。さらに、色収差係数の高精度な測定方法も確立されていないのが現状である。 Regarding such chromatic aberration correction devices for electromagnetic lenses, TEAM, a national project in the United States, conducted joint research with FEI, while in Japan, Dr. Kazutomo Suenaga of National Institute of Advanced Industrial Science and Technology developed with JEOL. Has started. However, as of September 24, 2008, no announcement has been made regarding the results of chromatic aberration correction. Furthermore, there is no established method for measuring the chromatic aberration coefficient with high accuracy.
なお、色収差係数を測定する従来の方法として、レンズ形状に基づいたシミュレーションを用いて色収差係数を算出する方法が知られている。また、電子線の加速エネルギーの変化と色収差の変化の関係を数枚の回折像から求め、その関係式から色収差係数を算出する方法も提案されている(例えば、特許文献1乃至特許文献3参照)。
しかし、上述のレンズ形状に基づいたシミュレーションによる方法は、光学顕微鏡のようにレンズ形状が変化しない系には適用可能であるが、電磁レンズのように測定条件によってレンズの形状自体が変化してしまうような場合には不向きである。さらに、球面収差補正装置は補正条件によってもレンズ構成が変化するため、実際の測定条件下での色収差係数を測定することは大変困難であるという問題がある。 However, the above-described simulation method based on the lens shape can be applied to a system in which the lens shape does not change, such as an optical microscope, but the lens shape itself changes depending on measurement conditions, such as an electromagnetic lens. It is not suitable for such cases. Furthermore, since the lens configuration of the spherical aberration correction device changes depending on the correction conditions, there is a problem that it is very difficult to measure the chromatic aberration coefficient under actual measurement conditions.
一方、上述の回折像から色収差係数を求める方法は加速電圧を変化させている間に焦点ずれ量の変化が生じることから、誤差を大きく含んでしまうという問題がある。 On the other hand, the method of obtaining the chromatic aberration coefficient from the above-described diffraction image has a problem that a large amount of error is included because the amount of defocus is changed while the acceleration voltage is changed.
したがって、本発明は電子の加速電圧を変化させることなく、一枚の高分解能電子顕微鏡像を取得するだけで簡便に且つ精度良く色収差係数を測定することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to easily and accurately measure a chromatic aberration coefficient by simply obtaining a single high-resolution electron microscope image without changing the acceleration voltage of electrons.
本発明の一観点からは、球面収差補正された電磁レンズを通過した収束電子線を結晶構造及び格子定数が既知の単結晶試料に入射して、分解能が0.3nm以下の高分解能走査透過電子顕微鏡像を取得する際に連続的に前記電磁レンズの焦点ずれ量を変化させた顕微鏡像を実測により取得する工程と、前記顕微鏡像を走査方向に平均化した強度プロファイルから回帰曲線を求める回帰曲線取得工程と、前記顕微鏡像と同じ条件で理論計算により求めた理論顕微鏡像の計算結果から得られる色収差係数と前記回帰曲線のパラメータを比較することによって、前記電磁レンズの色収差係数を算出する色収差係数算出工程とを有する電磁レンズにおける色収差係数測定方法が提供される。 From one aspect of the present invention, a high-resolution scanning transmission electron having a resolution of 0.3 nm or less is obtained by making a convergent electron beam that has passed through an electromagnetic lens corrected for spherical aberration incident on a single crystal sample having a known crystal structure and lattice constant. A step of obtaining a microscope image by actually measuring a microscope image obtained by continuously changing the amount of defocus of the electromagnetic lens when obtaining a microscope image, and a regression curve for obtaining a regression curve from an intensity profile obtained by averaging the microscope image in the scanning direction. Chromatic aberration coefficient for calculating the chromatic aberration coefficient of the electromagnetic lens by comparing the chromatic aberration coefficient obtained from the calculation process of the theoretical microscope image obtained by the theoretical calculation under the same conditions as the microscope image and the regression curve and the parameters of the regression curve A method for measuring a chromatic aberration coefficient in an electromagnetic lens having a calculation step is provided.
また、本発明の別の観点からは、電子線を発生する電子線発生部と、前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、前記収束レンズの球面収差を補正する球面収差補正部と、試料に照射される収束電子線を走査する走査コイル部と、前記試料の回折像面で回折像強度を検出する検出器と、前記検出器による検出強度を画像化する表示部と、前記収束レンズの電流値を前記試料の焦点ずれ量として変化させる制御部とを有し、且つ、取得された回折画像の平均強度プロファイルを演算する演算手段と、前記演算手段による演算結果と理論計算結果と比較して色収差係数を算出する色収差係数算出手段とを少なくとも有する電磁レンズの色収差係数測定機構を備えた走査透過電子顕微鏡が提供される。 According to another aspect of the present invention, an electron beam generating unit that generates an electron beam, a converging lens that converges the electron beam generated by the electron beam generating unit, and a spherical aberration that corrects the spherical aberration of the converging lens A correction unit; a scanning coil unit that scans a convergent electron beam applied to the sample; a detector that detects a diffraction image intensity on the diffraction image surface of the sample; and a display unit that images the detection intensity of the detector A control unit that changes the current value of the convergent lens as the amount of defocus of the sample, and a calculation unit that calculates an average intensity profile of the acquired diffraction image, and a calculation result and theory by the calculation unit A scanning transmission electron microscope provided with a chromatic aberration coefficient measurement mechanism of an electromagnetic lens having at least chromatic aberration coefficient calculation means for calculating a chromatic aberration coefficient in comparison with a calculation result is provided.
開示の電磁レンズにおける色収差係数測定方法及び走査透過電子顕微鏡によれば、電子の加速電圧を変化させることなく、1枚の顕微鏡像を取得するだけで色収差係数を簡便に且つ正確に測定することが可能になる。 According to the disclosed chromatic aberration coefficient measuring method and scanning transmission electron microscope in an electromagnetic lens, it is possible to easily and accurately measure a chromatic aberration coefficient simply by acquiring a single microscope image without changing the acceleration voltage of electrons. It becomes possible.
ここで、図1乃至図7を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明の実施の形態の色収差測定機構を備えた走査透過電子顕微鏡の概念的装置構成図である。この走査透過電子顕微鏡は、電子銃11、照射レンズ13、球面収差補正装置14、対物レンズ15、STEM検出器17、表示部18、及び、制御部19を備えている。なお、試料16としては単結晶であればなんでも良いが、入手容易性等の観点から、SrTiO3単結晶或いはSi単結晶が好適である。
Here, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a conceptual apparatus configuration diagram of a scanning transmission electron microscope provided with a chromatic aberration measuring mechanism according to an embodiment of the present invention. The scanning transmission electron microscope includes an
この場合、照射レンズ用の球面収差補正装置14は照射レンズ13と対物レンズ15の間に位置し、試料16の上部で同一エネルギーの電子線が一点に収束するように照射レンズ13の球面収差が補正される。また、電子線12は対物レンズ15の上部に位置する走査コイル(図示は省略)により、試料16上を走査する。対物レンズ15は形成された収束電子線の焦点を調整するために用いる。
In this case, the spherical
試料16の下部に位置するSTEM検出器17によって回折像面での強度を検出し、その検出信号を電子線走査に同期させて表示部18にリアルタイムで表示する。また、制御部19からの信号に応じて、対物レンズ15は焦点位置を変化させるよう電流値を変化させる。この制御部19と表示部18との機能により色収差係数測定機構が構成される。
The intensity on the diffraction image plane is detected by the
図2は電磁レンズに色収差が含まれる場合の電子線軌道の変化の模式的説明図であり、入射する電子線22のエネルギーが完全に揃っているならば(ΔE=0)、電磁レンズ21を通過した電子線は同じ軌道をとる。しかしながら、現状の電子顕微鏡においては電子線22のエネルギーは様々な要因で拡がりをもつ。エネルギーに拡がりがあるということは、波長に幅があると言い換えることができる。
FIG. 2 is a schematic explanatory view of changes in the electron beam trajectory when the electromagnetic lens includes chromatic aberration. If the energy of the
電磁レンズ21を通過する際の屈折角度は波長によって異なるため、電磁レンズ21を通過した電子は波長の幅に対応した分だけ到達点にぼけが生じる。このぼけはそのまま高分解能像に影響する。 Since the refraction angle when passing through the electromagnetic lens 21 varies depending on the wavelength, the electron passing through the electromagnetic lens 21 is blurred at the arrival point by the amount corresponding to the wavelength width. This blur affects the high resolution image as it is.
ここで、電磁レンズ21に入射する電子線22の拡がり角をα、焦点ずれ量をΔf、焦点ずれに伴う結像面23におけるボケをr、電子線21のエネルギーをE、そのばらつきをΔE、色収差係数をCcとすると、
r=Ccα(ΔE/E)
の関係がある。このとき、幾何学的に明らかなように焦点ずれ量Δfとボケrとは比例関係になるので、焦点ずれ量Δfと色収差係数Ccも比例関係にあることになる。
Here, the divergence angle of the
r = C c α (ΔE / E)
There is a relationship. At this time, as apparent geometrically, the defocus amount Δf and the blur r are in a proportional relationship, so the defocus amount Δf and the chromatic aberration coefficient C c are also in a proportional relationship.
図3は色収差補正前後の主面が(001)面のSrTiO3単結晶を試料とした場合の理論計算STEM像であり、図3(a)は色収差補正前のSTEM像であり、図3(b)は色収差補正後のSTEM像である。図3(a)と図3(b)との比較から、色収差の有無によって、STEM像がぼけることが明瞭である。なお、このSTEM像の理論計算においては、走査透過顕微鏡の分解能が0.3nm以下、即ち、原子識別可能な高分解能であることを前提に計算している。 FIG. 3 is a theoretical STEM image in the case of using a SrTiO 3 single crystal having a (001) plane before and after chromatic aberration correction as a sample, and FIG. 3A is a STEM image before chromatic aberration correction. b) is a STEM image after chromatic aberration correction. From the comparison between FIG. 3A and FIG. 3B, it is clear that the STEM image is blurred depending on the presence or absence of chromatic aberration. In the theoretical calculation of the STEM image, the calculation is performed on the assumption that the resolution of the scanning transmission microscope is 0.3 nm or less, that is, the resolution is high enough to identify atoms.
したがって、色収差係数を測定することによってボケの影響を正確に定量化することができ、それを理論計算に取り入れることによって、定量測定の精度を向上することが可能になる。 Therefore, it is possible to accurately quantify the influence of blur by measuring the chromatic aberration coefficient, and it is possible to improve the accuracy of quantitative measurement by incorporating it into the theoretical calculation.
図4は理論計算による各色収差係数に対するコントラストの焦点ずれ量依存性の説明図である。ここでは、焦点ずれ量Δfとして、0nm、−10nm、−20nmとし、色収差係数Ccとしては、0mm、1.0mm、2.0mmの値を用いて計算している。なお、現在の走査透過電子顕微鏡の球面収差補正前の色収差係数Ccは、2.0mm程度とされている。 FIG. 4 is an explanatory view of the defocus amount dependency of contrast with respect to each chromatic aberration coefficient by theoretical calculation. Here, the amount of defocus Δf is 0 nm, −10 nm, and −20 nm, and the chromatic aberration coefficient C c is calculated using values of 0 mm, 1.0 mm, and 2.0 mm. Incidentally, chromatic aberration coefficient C c before the spherical aberration correction of the current scanning transmission electron microscope is about 2.0 mm.
図4から明らかなように、色収差係数が0mmのときは焦点ずれ量が−10nm程度で像のコントラストが低下しているのに対して、色収差係数が2.0mmの場合は焦点ずれ量が−20nm変化しても像のコントラストが残っている。この結果より、色収差係数Ccと焦点ずれ量Δfには相関があり、回折像のコントラストと色収差係数Ccの関係を求めることができれば色収差係数Ccを測定することができる。 As can be seen from FIG. 4, when the chromatic aberration coefficient is 0 mm, the defocus amount is about −10 nm and the image contrast is reduced, whereas when the chromatic aberration coefficient is 2.0 mm, the defocus amount is − Even if it changes by 20 nm, the contrast of the image remains. From this result, the chromatic aberration coefficient C c and the defocus amount Δf are correlated, it is possible to measure the chromatic aberration coefficient C c if it is possible to obtain the relationship between contrast and chromatic aberration coefficient C c of the diffraction image.
図5は、STEM像の説明図であり、図5(a)はSTEM像の取得工程の説明図であり、図5(b)は(011)面を主面とするSi単結晶のSTEM像である。図5(a)に示すように、STEM像を取得するためには収束電子線31を試料32の上部で2次元的に走査し、その散乱強度を検出器で検出する。なお、図5(a)において矢印で示す走査方向が主走査方向であり、矢印に直交する方向が副走査方向である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of an STEM image, FIG. 5A is an explanatory diagram of an STEM image acquisition process, and FIG. 5B is an STEM image of a Si single crystal having a (011) plane as a main surface. It is. As shown in FIG. 5A, in order to acquire a STEM image, the
図5(b)は、実際に撮影した(011)面を主面とするSi単結晶のSTEM像であり、図5(a)で示した(A)、(B)、(C)で示されたそれぞれの収束電子線31の位置が、図5(b)の(A)乃至(C)に対応する位置の強度として像が取得される。つまり、走査像は2次元の像が全て同一の条件で撮影するだけでなく、走査時に収束電子線の位置に対応して実験条件を変化させることができる。
FIG. 5B is a STEM image of an Si single crystal having the (011) plane as a main surface, which was actually photographed, and is shown by (A), (B), and (C) shown in FIG. Images are acquired as the intensities of the positions of the converged
そこで、本発明の実施の形態においては、色収差係数CcとSTEM像のコントラストの相関を調べるために、一枚の原子識別可能な高分解能STEM像を取得する際に、焦点ずれ量Δfを連続的かつ一定間隔で変化させ、像のコントラストと焦点ずれ量の関係を調べる。 Therefore, in the embodiment of the present invention, continuous in order to examine the correlation of the contrast of the chromatic aberration coefficient C c and STEM image, when acquiring a high-resolution STEM images discernible single atom, a defocus amount Δf The relationship between the contrast of the image and the amount of defocus is examined by changing at regular intervals.
図6は、連続焦点ずれ変化STEM像であり、STEM像のコントラストの色収差係数依存性の理論計算結果に基づくものである。焦点ずれ量Δfを−100nmから100nmまで連続的に変化させた場合の(011)面を主面とするSi単結晶のSTEM像を示している。ここでは、副走査方向において、0.048nmのピッチで焦点ずれ量Δfを0.78nmずつ変化させている。 FIG. 6 is a continuous defocus change STEM image, which is based on the theoretical calculation result of the chromatic aberration coefficient dependence of the contrast of the STEM image. The STEM image of the Si single crystal which makes the (011) plane the main surface when the amount of defocus Δf is continuously changed from −100 nm to 100 nm is shown. Here, in the sub-scanning direction, the defocus amount Δf is changed by 0.78 nm with a pitch of 0.048 nm.
なお、焦点ずれ量Δfの変化範囲としては、後述する回帰曲線の求めることができる変化を示す範囲が必要であり、色収差係数が現状の約2.0mmの2倍の4.0mmの場合にも回帰曲線を求めるためには、上述の−100nmから100nmの範囲が必要になる。 In addition, as a change range of the defocus amount Δf, a range showing a change that can be obtained in a regression curve described later is required, and even when the chromatic aberration coefficient is 4.0 mm, which is twice the current about 2.0 mm. In order to obtain the regression curve, the above-mentioned range of −100 nm to 100 nm is required.
これは、直線近似によって求まる値の誤差を正確に評価するためには、予想される値の前後に広く分布した標本点が必要なためである。なお、電子銃からの電子線のエネルギーバラツキΔEをより低減する等のハード的改良を加えた場合には色収差係数は小さくなるので、−100nmから100nmより狭い範囲で焦点をずらしても良い。 This is because, in order to accurately evaluate an error of a value obtained by linear approximation, sample points widely distributed before and after an expected value are necessary. Note that the chromatic aberration coefficient decreases when hardware improvements such as further reducing the energy variation ΔE of the electron beam from the electron gun are made, so the focus may be shifted in a range from -100 nm to less than 100 nm.
図6(a)乃至図6(c)は色収差係数Ccをそれぞれ0.0mm、2.0mm、4.0mmとして計算された結果である。色収差係数Ccが小さければ小さいほどコントラストが焦点ずれ量Δfに対して急激に弱くなっていることがわかる。これらの像強度を走査方向に平均化した強度プロファイルを白線でそれぞれの図中に重ねて示している。 FIG. 6A to FIG. 6C show the results calculated with the chromatic aberration coefficient C c being 0.0 mm, 2.0 mm, and 4.0 mm, respectively. The smaller the chromatic aberration coefficient C c contrast it can be seen that sharply weak against defocus amount Delta] f. Intensity profiles obtained by averaging these image intensities in the scanning direction are shown by overlapping with white lines.
なお、本発明においては、コントラストを表すパラメータとして、強度プロファイルの極大値から得た回帰曲線のパラメータを用いる。ここでは、回帰曲線が正規分布関数あることによって求まるパラメータを用いるものであり、典型的には正規分布関数の半値全幅或いは半値半幅を用いる。 In the present invention, a regression curve parameter obtained from the maximum value of the intensity profile is used as a parameter representing contrast. Here, a parameter obtained when the regression curve is a normal distribution function is used, and typically the full width at half maximum or half width at half maximum of the normal distribution function is used.
図7は、正規分布関数の半値全幅と色収差係数の相関関係の説明図であり、ここでは、試料として厚さtが、例えば、40nmと80nmの二種類の(011)面を主面とするSi単結晶を用い、球面収差係数Ccを0.005mmと0.0005mmとして求められた半値全幅を示している。なお、図7における記号○はt=40nmでCcを0.005mmの場合を示し、記号□はt=40nmでCcを0.0005mmの場合を示し、記号×はt=80nmでCcを0.0005mmの場合を示している。 FIG. 7 is an explanatory diagram of the correlation between the full width at half maximum of the normal distribution function and the chromatic aberration coefficient. Here, the sample has a thickness t of, for example, two (011) planes of 40 nm and 80 nm as principal surfaces. a Si single crystal, shows a full width at half maximum obtained spherical aberration coefficient C c as 0.005mm and 0.0005 mm. Symbols ○ is shown in FIG. 7 shows the case of 0.005mm to C c at t = 40 nm, the symbol □ indicates the case of 0.0005mm the C c at t = 40 nm, the symbol × is t = 80 nm in C c Is 0.0005 mm.
図7から明らかなように、どの条件においてもほとんど結果が変わらず、色収差係数Ccと半値全幅tの関係は線形関係にある。これより、色収差係数Ccと半値全幅tの関係を標準的な各試料において求めてデータベース化して上述の制御部19のメモリに格納しておき、実験値をこの関係式に代入することによって色収差係数Ccを容易に算出することができる。
As apparent from FIG. 7, most results unchanged in any condition, the relationship of the chromatic aberration coefficient C c and FWHM t is a linear relationship. From this, it may be stored a relationship of the chromatic aberration coefficient C c and FWHM t in a database seeking in a standard each sample in the memory of the
さらにこれらの結果から、本発明の実施の形態の色収差係数の測定方法は試料の厚さに対しては鈍感であり、球面収差係数Ccに関しても球面収差補正装置によって補正されている範囲の球面収差係数ならば、色収差係数測定にほとんど影響がないことも分かる。具体的には、試料の厚さは100nm以下、球面収差係数は0.005mm以下ならば測定可能である。 Further, from these results, the chromatic aberration coefficient measurement method according to the embodiment of the present invention is insensitive to the thickness of the sample, and the spherical aberration coefficient C c is also corrected within the range corrected by the spherical aberration correction device. It can also be seen that the aberration coefficient has little effect on the chromatic aberration coefficient measurement. Specifically, measurement is possible if the thickness of the sample is 100 nm or less and the spherical aberration coefficient is 0.005 mm or less.
また、本発明の実施の形態における測定の精度はコントラストと色収差係数Ccの関係を求める関係式の誤差によって定義される。上述の測定条件においては、±0.25mmの誤差範囲内で色収差係数Ccが測定できる。 Further, the accuracy of measurement in the embodiment of the present invention is defined by the error relation for obtaining the relationship between the contrast and the chromatic aberration coefficient C c. In the measurement conditions described above, it can be measured chromatic aberration coefficient C c is within the error range of ± 0.25 mm.
従来のレンズ工学に基づいたシミュレーションによる測定では、球面収差補正された電磁レンズの色収差係数Ccを正確に求めることはできなかった。しかし、上述のように、本発明の実施の形態の色収差係数測定方法は実際に実験を行うような結晶性試料で測定することができるため、実際の測定条件により近い条件での色収差係数Ccを正確に測定することができる。 In the measurement by simulation based on conventional lenses engineering, it has not been possible to obtain the chromatic aberration coefficient C c of the spherical aberration corrected electromagnetic lenses precisely. However, as described above, since the chromatic aberration coefficient measurement method according to the embodiment of the present invention can be measured with a crystalline sample that is actually tested, the chromatic aberration coefficient C c under conditions closer to the actual measurement conditions. Can be measured accurately.
また、数枚のSTEM像を必要とする異なる電子線のエネルギーを用いて測定する方法においては測定中に自然と焦点ずれ量Δfが変化してしまうことによる誤差を含む。しかし、本発明の実施の形態の色収差係数測定方法においては、1枚のSTEM像を取得するだけで色収差係数Ccを測定できるため、焦点ずれ量の自然な変化には強い耐性がある。 In addition, in the method of measuring using the energy of different electron beams that requires several STEM images, an error due to a spontaneous change in the defocus amount Δf is included during the measurement. However, the chromatic aberration coefficient measurement method according to the embodiment of the present invention, since it is possible to measure the chromatic aberration coefficient C c by simply obtaining a single STEM image, there is a strong resistance to the natural change in defocus amount.
これらの利点により、従来の方法では正確に測定することが困難であった色収差係数Ccを簡便に測定することができる。また、高分解能像の分解能に密接に関連する装置関数の定量化も色収差係数Ccを正確に測定したのちに行うことが可能である。 These advantages, in the conventional method can be easily measured chromatic aberration coefficient C c is possible to accurately measure difficult. Also, quantification of device functions closely related to the resolution of the high resolution image also can be performed in After accurately measure the chromatic aberration coefficient C c.
以上を前提として、次に、図8を参照して、本発明の実施例1の電磁レンズの色収差係数測定方法を説明する。図8は本発明の実施例1の電磁レンズの色収差係数測定方法のフローチャートである。 Based on the above, a method for measuring a chromatic aberration coefficient of an electromagnetic lens according to Example 1 of the present invention will be described next with reference to FIG. FIG. 8 is a flowchart of the method for measuring the chromatic aberration coefficient of the electromagnetic lens of Example 1 of the present invention.
このフローチャートは、大きく分けて二つの処理に分割できる。一つはフローチャートにおける右側の理論計算による処理である。上記の図6に示すように、いくつかの色収差係数Ccにおいて、加速電圧V(或いは、E=eV)、入射収束角度、STEM像の検出器の取込角度を実験条件に合わせた高分解能STEM像の連続焦点ずれ変化像を計算する。計算結果から正規分布関数によって回帰曲線を求め、STEM像のコントラストを定量化するためのパラメータとして半値全幅を用いて、色収差係数と回帰曲線の半値全幅の検量線を求めておく。 This flowchart can be roughly divided into two processes. One is processing by theoretical calculation on the right side of the flowchart. As shown in FIG. 6 above, in some of the chromatic aberration coefficient C c, the acceleration voltage V (or, E = eV), high resolution combined incidence angle of convergence, the capture angle detectors STEM image in experimental conditions A continuous defocus change image of the STEM image is calculated. A regression curve is obtained from the calculation result using a normal distribution function, and a calibration curve for the chromatic aberration coefficient and the full width at half maximum of the regression curve is obtained using the full width at half maximum as a parameter for quantifying the contrast of the STEM image.
なお、走査透過電子顕微鏡における実験条件が限られているのであれば、これらの検量結果をデータベースとして制御部に残しておけば、理論計算による部分は毎回の測定で必ずしも必要な処理とはならない。 If the experimental conditions in the scanning transmission electron microscope are limited, if these calibration results are left in the control unit as a database, the theoretical calculation part is not necessarily required for each measurement.
もう一方の処理は、フローチャートの左側の実測による処理部分である。入射電子線の条件は加速電圧V、入射電子線の入射収束角度、電磁レンズの収差条件である。さらに、球面収差補正装置によって球面収差係数が0.005mm以下になるように調整を行う。
この時点で、焦点ずれ量Δfと対物レンズの電流値とのキャリブレーションを行う場合、球面収差補正装置を一度オフにし、ロンチグラムを用いて電流値と焦点ずれ量Δfの校正を公知技術(例えば、特開2007−109509号公報参照)に基づいて行う。
The other process is a process part by actual measurement on the left side of the flowchart. The conditions of the incident electron beam are the acceleration voltage V, the incident convergence angle of the incident electron beam, and the aberration condition of the electromagnetic lens. Further, the spherical aberration correction device is adjusted so that the spherical aberration coefficient is 0.005 mm or less.
At this time, when the calibration of the defocus amount Δf and the current value of the objective lens is performed, the spherical aberration correction device is turned off once, and the calibration of the current value and the defocus amount Δf is performed using a Ronchigram (for example, (See JP 2007-109509 A).
その校正結果は制御部19に反映される。制御部19において連続的かつ一定間隔で−100nmから100nmまでの焦点ずれ量Δfに対応する分だけ対物レンズの電流値を一枚のSTEM像取得中に変化させ、連続焦点ずれ変化像を取得する。その後、前記の理論計算部分と同様に、正規分布関数の半値全幅を求め検量結果と比較することで色収差係数Ccが算出される。
The calibration result is reflected in the
以下において図8に示したフローチャートに基づいて本発明の実施例1の電磁レンズの色収差係数測定方法の具体的手順を説明するが、各タームに付した符号は図1における符号を援用する。まず、ステップ1(S1)において、
S1:STEMに単結晶の試料16を挿入し、その条件を制御部19に入力する。次いで、
S2:STEMの光軸調整を行い、その条件を制御部19に入力する。次いで、
S3:ロンチグラムを取得して、制御部19においてロンチグラムを用いて焦点ずれ量Δfと電磁レンズの電流量をキャリブレートする。次いで、
S4:球面収差補正装置を稼働させる。次いで、
S5:球面収差補正装置の調整を行い、その条件を制御部19に入力する。次いで、
S6:制御部19により対物レンズ15の電流値を一枚のSTEM像取得中に変化させ、図6に示した連続焦点ずれ変化像を取得して、制御部19に入力する。次いで、
S7:制御部19において、図6に示したように、走査方向に平均化処理を行って強度プロファイルを作成する。次いで、
S8:制御部19において、図6に示したように、強度プロファイルに基づいて正規分布関数による回帰曲線を得て半値全幅をパラメータとして求める。
以上が実測に伴った処理である。
A specific procedure of the method for measuring the chromatic aberration coefficient of the electromagnetic lens according to the first embodiment of the present invention will be described below based on the flowchart shown in FIG. 8, and the reference numerals in FIG. First, in step 1 (S1),
S1: A
S2: The optical axis adjustment of STEM is performed and the condition is input to the
S3: A Ronchigram is acquired, and the
S4: Activate the spherical aberration correction device. Then
S5: The spherical aberration correction device is adjusted and the condition is input to the
S <b> 6: The
S7: As shown in FIG. 6, the
S8: As shown in FIG. 6, the
The above is the process accompanying the actual measurement.
次いで、制御部19において、
S9:図7に示した色収差係数Ccとコントラストの検量線のデータベースを制御部19の解析データメモリ領域から検索する。検索の結果、試料条件と一致したデータがない場合には次のステップS10に進み、試料条件と一致したデータがある場合にはステップS16に飛んで色収差係数Ccを算出する。試料条件と一致したデータがない場合、次のステップS10において、
S10:色収差係数Ccとコントラストの検量線を引くために任意の色収差係数Ccを入力する。次いで、
S11:入力した色収差係数Cc、試料条件及び実験条件に基づいて、図6に示す高分解能の連続焦点ずれ変化像の計算を行う。次いで、
S12:連続焦点ずれ変化像について、走査方向に平均化処理を行って強度プロファイルを作成する。次いで、
S13:図6に示したように、強度プロファイルに基づいて正規分布関数による回帰曲線を得て半値全幅をパラメータとして求める。次いで、
S14:色収差係数Ccとコントラストの検量線を引くことができるか否かを判定する。
Next, in the
S9: The database of the calibration curve of chromatic aberration coefficient Cc and contrast shown in FIG. As a result of the search, if there is no data that matches the sample condition, the process proceeds to the next step S10, if there is matching data and sample conditions calculates the chromatic aberration coefficient C c jumps to step S16. If there is no data that matches the sample conditions, in the next step S10,
S10: An arbitrary chromatic aberration coefficient Cc is input to draw a calibration curve of chromatic aberration coefficient Cc and contrast. Then
S11: Based on the input chromatic aberration coefficient C c , sample conditions, and experimental conditions, the high-resolution continuous defocus change image shown in FIG. 6 is calculated. Then
S12: An intensity profile is created by performing averaging processing in the scanning direction on the continuous defocus change image. Then
S13: As shown in FIG. 6, a regression curve by a normal distribution function is obtained based on the intensity profile, and the full width at half maximum is obtained as a parameter. Then
S14: It is determined whether or not a calibration curve of chromatic aberration coefficient Cc and contrast can be drawn.
判定の結果、検量線を引くことができる場合には、次のステップS15に進み、検量線を引くことができない場合には、S11に戻って別の色収差係数Ccを入力して検量線を引くことができるまでステップS11乃至S14を繰り返す。なお、検量線を引くためには、最低2つの色収差係数Ccによる計算結果が必要であるが、検量線の誤差・ばらつきを小さくするためには、例えば、6個以上の色収差係数Ccによる計算を行って検量線を引く。 As a result of the determination, if the calibration curve can be drawn, the process proceeds to the next step S15. If the calibration curve cannot be drawn, the process returns to S11 and another chromatic aberration coefficient Cc is input to generate the calibration curve. Steps S11 to S14 are repeated until it can be drawn. In order to draw a calibration curve, it is necessary calculation result by at least two of the chromatic aberration coefficient C c, in order to reduce the error-variance of the calibration curve, for example, by 6 or more of the chromatic aberration coefficient C c Calculate and draw a calibration curve.
判定の結果、検量線を引くことができる場合には、
S15:検量結果を制御部19の解析データメモリ領域に格納したデータベースに登録する。次いで、
S16:検量線データとステップS8で実測により取得した半値全幅とを比較して色収差係数Ccを算出して一連のフローを終了する。
As a result of determination, if a calibration curve can be drawn,
S15: The calibration result is registered in the database stored in the analysis data memory area of the
S16: The calibration curve data is compared with the full width at half maximum obtained by actual measurement in step S8, the chromatic aberration coefficient Cc is calculated, and the series of flow ends.
なお、本発明の実施例1における色収差係数測定機構は、ステップS6乃至S16の処理を行う機能を有するものである。実際には、制御部19によって行われるものであり、必要に応じて表示部18も用いるものである。
Note that the chromatic aberration coefficient measurement mechanism according to the first embodiment of the present invention has a function of performing the processes of steps S6 to S16. Actually, it is performed by the
11 電子銃
12 電子線
13 照射レンズ
14 球面収差補正装置
15 対物レンズ
16 試料
17 STEM検出器
18 表示部
19 制御部
21 電磁レンズ
22 電子線
23 結像面
31 収束電子線
32 試料
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記顕微鏡像を走査方向に平均化した強度プロファイルから回帰曲線を求める回帰曲線取得工程と、
前記顕微鏡像と同じ条件で理論計算で求めた理論顕微鏡像についての計算結果から得られる色収差係数と前記回帰曲線のパラメータを比較することによって、前記電磁レンズの色収差係数を算出する色収差係数算出工程と
を有する電磁レンズにおける色収差係数測定方法。 A continuous electron beam that passes through a spherical aberration-corrected electromagnetic lens is incident on a single crystal sample with a known crystal structure and lattice constant, and is continuously acquired when a high-resolution scanning transmission electron microscope image with a resolution of 0.3 nm or less is acquired. A step of acquiring a microscopic image in which the amount of defocus of the electromagnetic lens is changed by actual measurement,
A regression curve acquisition step for obtaining a regression curve from an intensity profile obtained by averaging the microscopic image in the scanning direction;
A chromatic aberration coefficient calculating step of calculating a chromatic aberration coefficient of the electromagnetic lens by comparing a chromatic aberration coefficient obtained from a calculation result of a theoretical microscope image obtained by theoretical calculation under the same conditions as the microscope image and a parameter of the regression curve; Method of measuring chromatic aberration coefficient in electromagnetic lens having
前記電子線発生部で発生した電子線を収束する収束レンズと、
前記収束レンズの球面収差を補正する球面収差補正部と、
試料に照射される収束電子線を走査する走査コイル部と、
前記試料の回折像面で回折像強度を検出する検出器と、
前記検出器による検出強度を画像化する表示部と、
前記収束レンズの電流値を前記試料の焦点ずれ量として変化させる制御部とを有し、
且つ、取得された回折画像の平均強度プロファイルを演算する演算手段と、
前記演算手段による演算結果と理論計算結果と比較して色収差係数を算出する色収差係数算出手段とを少なくとも有する電磁レンズの色収差係数測定機構
を備えた走査透過電子顕微鏡。 An electron beam generator for generating an electron beam;
A converging lens that converges the electron beam generated by the electron beam generator;
A spherical aberration corrector for correcting the spherical aberration of the convergent lens;
A scanning coil unit that scans a convergent electron beam applied to the sample;
A detector for detecting the diffraction image intensity at the diffraction image surface of the sample;
A display unit for imaging the detection intensity by the detector;
A controller that changes the current value of the convergent lens as the amount of defocus of the sample,
And an arithmetic means for calculating an average intensity profile of the acquired diffraction image;
A scanning transmission electron microscope provided with a chromatic aberration coefficient measurement mechanism for an electromagnetic lens having at least chromatic aberration coefficient calculation means for calculating a chromatic aberration coefficient by comparing the calculation result obtained by the calculation means with a theoretical calculation result.
前記電磁レンズの電流値を連続的かつ一定間隔で自動的に変化させる機能と
を有する請求項5に記載の走査透過電子顕微鏡。 The control unit calibrates the defocus amount of the electromagnetic lens as a change in the current value of the electromagnetic lens; and
The scanning transmission electron microscope according to claim 5 , having a function of automatically changing the current value of the electromagnetic lens continuously and at regular intervals.
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