JP6464064B2 - 荷電粒子装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子装置に関する。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）では、透過像（試料像）や、回折パターンを取得することができる（例えば特許文献１参照）。透過像は試料を透過した電子（透過電子）で結像された像であり、回折パターンは電子回折により得られる図形である。

図１０は、従来の透過電子顕微鏡１０００の構成を模式的に示す図である。

図１０に示すように、透過電子顕微鏡１０００は、電子源１００２と、電子源１００２からの電子を試料に照射する照射光学系１００４と、試料を保持する試料ステージ１００６と、試料を透過した電子を用いて最初に結像する対物レンズ１００８と、対物レンズ１００８で結像された透過像または回折パターンを検出面上に結像する結像光学系１０１０と、検出面に入射した電子を検出して透過像または回折パターンを取得する検出器１０１２と、これらを制御する制御部１０２０と、を備えている。

図１１は、結像光学系１０１０がＭＡＧモードの状態を模式的に示す図である。図１２は、結像光学系１０１０がＤＩＦＦモードの状態を模式的に示す図である。

透過電子顕微鏡１０００で試料の透過像を取得する場合、ユーザーは、試料の透過像を観察しながら試料を探索する。このとき、透過電子顕微鏡１０００の結像光学系１０１０の条件は、図１１に示すように、対物レンズ１００８が生成する最初の像を検出面上に結像する条件（ＭＡＧモード）となっている。

そして、所望の観察領域が見つかると、ユーザーは、必要に応じて制御部１０２０を操作して結像光学系１０１０の条件を切り替えて倍率を調整し、検出器で透過像を取得する。

通常、透過像のみでは、試料の構造を示す情報としては足りない場合が多い。透過電子顕微鏡１０００では、試料で散乱した電子は、対物レンズ１００８の後焦点面に回折パターンを形成している。そこで、結像光学系１０１０の条件を変えて、図１２に示すように、回折パターンを検出面上に結像する条件（ＤＩＦＦモード）にする。ユーザーは結像光学系１０１０の条件を変えて、回折パターンの拡大率（カメラ長）を調整し、検出器で回折パターンを取得する。

特開２００６−３２１０８号公報

上述したように、透過電子顕微鏡では、透過像（実空間像）と回折パターン（逆空間像）の両方を取得することができる。

しかしながら、透過像を検出面上に結像する結像光学系の条件と、回折パターンを検出面上に結像する結像光学系の条件とは、大きく異なる。したがって、１つの試料から透過
像と回折パターンを取得する場合は、必ず結像光学系の条件を変える必要がある。

図１３は、結像光学系を構成している、一般的な磁場レンズ１１００を模式的に示す図である。

電子を結像するために用いられる磁場レンズ１１００は、図１３に示すように、コイル１１０２と、ヨーク１１０４と、ポールピース１１０６と、を有している。磁場レンズ１１００では、コイル１１０２に電流を流し、コイル１１０２で発生した磁場をヨーク１１０４を介してポールピース１１０６に集めることで磁場ＭＦを発生させる。磁場レンズ１１００では、コイル１１０２に流れる電流を調整することで磁場ＭＦをコントロールすることができる。磁場レンズ１１００は、磁場ＭＦによって電子の軌道を変更し、レンズとして機能する。

ヨーク１１０４およびポールピース１１０６は、磁性体で構成されている。ヨーク１１０４およびポールピース１１０６を構成する磁性体には、磁気ヒステリシスが存在する。

図１４は、磁場レンズの磁気ヒステリシスを説明するためのグラフである。図１４に示すグラフの横軸は、磁場レンズのコイルに流れる電流量であり、縦軸は磁場レンズが発生させる磁場の大きさである。

図１４に示すように、コイル電流量がＩ１の状態からコイル電流量を増加させてコイル電流量をＩ２にした場合と、コイル電流量がＩ３の状態からコイル電流量を減少させてコイル電流量をＩ２にした場合では、コイル励磁量が同じＩ２であっても、磁場の大きさ（レンズ強度）は異なっている。

したがって、透過電子顕微鏡において、結像光学系の条件を変えると、変える前の結像光学系の条件によって、同じ条件であっても結像光学系が実現している結像状態（倍率や、カメラ長）が変わってしまう。

また、図１３に示すコイル１１０２に電流を流すことで、コイル１１０２からジュール熱が発生する。このジュール熱によって、ヨーク１１０４およびポールピース１１０６が膨張する。コイル１１０２を流れる電流が一定であれば熱的平衡状態にあるため、特に大きな問題とならない。しかしながら、コイル１１０２を流れる電流を変化させると、熱的変化が発生して、ヨーク１１０４およびポールピース１１０６の形状の変化が起こる。これにより、磁場レンズ１１００が発生させる磁場ＭＦの形状も変わる。

したがって、結像光学系の条件を変えることによって、結像光学系を構成している各レンズにおいて熱的変化が生じ結像状態が変動する可能性がある。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、結像光学系の条件を変えることなく、透過像と回折パターンを取得することができる荷電粒子装置を提供することにある。

（１）本発明に係る荷電粒子装置は、
荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
前記試料を透過した前記荷電粒子で透過像を結像する対物レンズと、
前記対物レンズの後段に配置され、前記試料を透過した前記荷電粒子を偏向させる偏向部と、
前記偏向部の後段に配置された絞りと、
前記対物レンズで結像された前記透過像を検出面上に結像する結像光学系と、
前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出する検出器と、
前記偏向部を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記試料で互いに異なる散乱角で散乱された前記荷電粒子が、順次、前記絞りを通過するように、前記偏向部を制御する。

このような荷電粒子装置では、制御部が試料で互いに異なる散乱角で散乱された荷電粒子が、順次、絞りを通過するように偏向部を制御することにより、回折パターンを取得することができる。そのため、このような荷電粒子装置では、結像光学系の条件を変えることなく、透過像と回折パターンを取得することができる。したがって、このような荷電粒子装置では、結像光学系の磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響により観察倍率やカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

（２）本発明に係る荷電粒子装置において、
前記偏向部は、第１偏向器と、前記第１偏向器の後段に配置された第２偏向器と、を有し、
前記制御部は、前記第１偏向器を制御して前記荷電粒子の偏向角度を連続的に変化させるとともに、前記第２偏向器を制御して前記第１偏向器で偏向された前記荷電粒子を光軸に沿って進行させてもよい。

このような荷電粒子装置では、制御部が第１偏向器を制御して荷電粒子の偏向角度を連続的に変化させるとともに、第２偏向器を制御して第１偏向器で偏向された荷電粒子を光軸に沿って進行させるため、試料で互いに異なる散乱角で散乱された荷電粒子を、順次、光軸上で進行させることができる。

（３）本発明に係る荷電粒子装置において、
前記絞りの孔は、前記光軸上に配置され、
前記検出器は、前記絞りを通過した前記荷電粒子を検出してもよい。

このような荷電粒子装置では、絞りの孔が光軸上に配置され、検出器が絞りを通過した荷電粒子を検出するため、試料で互いに異なる散乱角で散乱された荷電粒子が、順次、絞りを通過し、検出器において互いに異なる散乱角で散乱された荷電粒子を、順次、検出することができる。

（４）本発明に係る荷電粒子装置において、
前記偏向角度の情報と前記検出器で得られた前記荷電粒子の強度の情報とを関連づけて記憶する記憶部を含んでいてもよい。

このような荷電粒子装置では、記憶部が偏向角度の情報と荷電粒子の強度の情報とを関連づけて記憶するため、記憶部に記録された情報を読み出すことで、回折パターンを取得することができる。

（５）本発明に係る荷電粒子装置において、
前記制御部は、前記記憶部から前記偏向角度の情報と関連付けて記憶された前記荷電粒子の強度の情報を読み出して、前記偏向角度を前記散乱角に変換し、回折パターンを生成してもよい。

（６）本発明に係る荷電粒子装置は、
荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
前記試料を透過した前記荷電粒子で透過像を結像する対物レンズと、
前記対物レンズの後段に配置され、前記試料を透過した前記荷電粒子を偏向させる偏向部と、
前記対物レンズで結像された前記透過像を検出面上に結像する結像光学系と、
前記結像光学系の後段に配置され、前記荷電粒子を検出する第１検出器と、
前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出する第２検出器と、
前記偏向部を制御する制御部と、
を含み、
前記制御部は、前記試料で互いに異なる散乱角で散乱された前記荷電粒子が、順次、前記第１検出器で検出されるように、前記偏向部を制御する。

このような荷電粒子装置では、制御部が試料で互いに異なる散乱角で散乱された荷電粒子が、順次、第１検出器で検出されるように偏向部を制御することにより、回折パターンを取得することができる。そのため、このような荷電粒子装置では、結像光学系の条件を変えることなく、透過像と回折パターンを取得することができる。したがって、このような荷電粒子装置では、結像光学系の磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響により観察倍率やカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

第１実施形態に係る荷電粒子装置の構成を模式的に示す図。 第１実施形態に係る荷電粒子装置の動作を説明するための図。 第１実施形態に係る荷電粒子装置の偏向部の動作を説明するための図。 第１実施形態に係る荷電粒子装置の偏向部の動作を説明するための図。 偏向角度φ（散乱角θ）と電子の強度の関係を示すグラフ。 第２実施形態に係る荷電粒子装置の構成を模式的に示す図。 第２実施形態に係る荷電粒子装置の動作を説明するための図。 第２実施形態に係る荷電粒子装置の偏向部の動作を説明するための図。 第２実施形態に係る荷電粒子装置の偏向部の動作を説明するための図。 従来の透過電子顕微鏡の構成を模式的に示す図。 従来の透過電子顕微鏡の結像光学系がＭＡＧモードの状態を模式的に示す図。 従来の透過電子顕微鏡の結像光学系がＤＩＦＦモードの状態を模式的に示す図。 一般的な磁場レンズを模式的に示す図。 磁場レンズの磁気ヒステリシスを説明するためのグラフ。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 第１実施形態
１．１． 荷電粒子装置
まず、第１実施形態に係る荷電粒子装置について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る荷電粒子装置１００の構成を模式的に示す図である。ここでは、荷電粒子装置１００が透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）である場合について説明する。

荷電粒子装置１００は、図１に示すように、電子源（荷電粒子源の一例）１０２と、照
射光学系１０４と、試料ステージ１０６と、対物レンズ１０８と、偏向部１１０と、絞り１１２と、結像光学系１１４と、検出器１１６と、走査信号生成部１１８と、フレームメモリー（記憶部の一例）１２０と、制御部１３０と、画像表示部１３２と、を含む。

電子源１０２は、電子（荷電粒子の一例）を発生させる。電子源１０２は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子ビームとして放出する電子銃である。

照射光学系１０４は、電子源１０２で発生した電子を集束して試料に照射する。

試料ステージ１０６は、試料を保持する。試料ステージ１０６は、試料ホルダーを介して、試料を保持していてもよい。試料ステージ１０６は、試料（試料ホルダー）を移動および静止させることができ、試料の位置決めを行うことができる。

対物レンズ１０８は、試料を透過した電子（透過電子）で透過像を最初に結像する。すなわち、対物レンズ１０８は、試料を透過した電子で透過像を結像するための初段のレンズである。対物レンズ１０８の後焦点面には回折パターン（電子回折図形、逆空間像）が形成され、対物レンズ１０８の像面には透過像（実空間像）が形成される。

偏向部１１０は、対物レンズ１０８の後段（電子の流れの下流側）に配置されている。偏向部１１０は、対物レンズ１０８と絞り１１２との間に配置されている。偏向部１１０は、第１偏向器１１０ａと、第１偏向器１１０ａの後段に配置された第２偏向器１１０ｂと、を有している。第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂは、試料を透過した電子を二次元的に偏向させることができる。第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂは、光軸Ｌと直交する平面内において、電子を二次元的に偏向させる。光軸Ｌは、荷電粒子装置１００の光学系を構成している各レンズの中心を通る軸である。

絞り１１２は、偏向部１１０の後段に配置されている。絞り１１２は、対物レンズ１０８の像面に配置されている。絞り１１２として、回折パターンを取得する試料の領域を制限する制限視野絞りを用いてもよい。

結像光学系１１４は、対物レンズ１０８で結像された透過像または回折パターンを検出面１１５上に結像する。結像光学系１１４は、中間レンズ１１４ａと、投影レンズ１１４ｂと、を含んで構成されている。

結像光学系１１４は、透過像を検出面１１５上に結像するモード（ＭＡＧモード）と、回折パターンを検出面１１５上に結像するモード（ＤＩＦＦモード）と、を備えている。ＭＡＧモードでは、対物レンズ１０８の像面と中間レンズ１１４ａの物面とを一致させて、検出面１１５上に透過像を結像する。ＤＩＦＦモードでは、対物レンズ１０８の後焦点面と中間レンズ１１４ａの物面とを一致させて、検出面１１５上に回折パターンを結像する。例えば、中間レンズ１１４ａの励磁（焦点距離）を切り替えることによって、ＭＡＧモードと、ＤＩＦＦモードと、を切り替えることができる。

検出器１１６は、検出面１１５に入射する電子を検出する。検出器１１６は、検出面１１５に入射する電子を計数する。検出器１１６は、計数された電子の数に応じた強度の情報を出力する。検出器１１６は、結像光学系１１４によって検出面１１５上に結像された透過像や回折パターンを取得することができる。検出器１１６は、例えば、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラなどのデジタルカメラである。

走査信号生成部１１８は、偏向部１１０に供給される走査信号を生成する。走査信号は、偏向部１１０において、試料を透過した電子を二次元的に走査させるための信号である
。

フレームメモリー１２０は、走査信号生成部１１８で生成された走査信号に基づいて、検出器１１６で得られた電子の強度（計数された電子の数）の情報と、偏向部１１０での電子の偏向角度の情報と、を関連づけて記憶する。すなわち、フレームメモリー１２０は、偏向角度の情報と、その偏向角度における電子の強度の情報と、を１対１に対応させて記憶する。

制御部１３０は、電子源１０２、照射光学系１０４、試料ステージ１０６、対物レンズ１０８、偏向部１１０、結像光学系１１４、を制御する。また、制御部１３０は、検出器１１６で取得された透過像や回折パターンを画像表示部１３２に表示する処理や、フレームメモリー１２０に記録された電子の強度の情報と偏向角度の情報とに基づいて回折パターンを生成して画像表示部１３２に表示する処理などを行う。なお、制御部１３０が行う制御の詳細については、後述する。

制御部１３０は、専用回路により実現して各種制御や処理を行うようにしてもよい。また、制御部１３０は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）が記憶部（図示せず）等に記憶された制御プログラムを実行することによりコンピューターとして機能し、各種制御や処理を行うようにしてもよい。

荷電粒子装置１００は、図示はしないが、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得して制御部１３０に送る処理を行う操作部を有していてもよい。操作部は、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどであってもよい。

画像表示部１３２は、制御部１３０で生成された画像を表示するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴなどにより実現できる。

１．２． 荷電粒子装置の動作
次に、荷電粒子装置１００の動作について説明する。以下、荷電粒子装置１００で透過像および回折パターンを取得する例について説明する。

（１）透過像の取得
まず、透過像を取得するときの荷電粒子装置１００の動作について説明する。

試料の所望の観察領域の透過像を取得するためには、試料の透過像（低倍率）を観察しながら、試料を探索する必要がある。そのため、結像光学系１１４は、ＭＡＧモードに設定される。例えば、ユーザーが操作部を介して結像光学系１１４をＭＡＧモードにすることを要求すると、制御部１３０は、結像光学系１１４を制御して、対物レンズ１０８が結像する最初の像（透過像）を検出面１１５上に結像する条件にする。

ユーザーは、所望の観察領域をみつけると必要に応じて倍率を変更してもよい（例えば高倍率にしてもよい）。ユーザーが操作部を介して所望の倍率を指定すると、制御部１３０が結像光学系１１４の条件を切り替えて倍率を変更する。そして、ユーザーが操作部を介して透過像の撮影を要求すると、制御部１３０は検出器１１６の出力信号を取得し、当該出力信号に基づいて透過像を生成する。このとき、検出器１１６の出力信号は、フレームメモリー１２０を介さずに、直接、制御部１３０に送られてもよい。そして、制御部１３０は、生成した透過像を画像表示部１３２に表示する処理を行う。

（２）回折パターンの取得
次に、回折パターンを取得するときの荷電粒子装置１００の動作について説明する。

図２は、荷電粒子装置１００の動作を説明するための図である。図２では、絞り１１２を光軸Ｌ上に挿入した状態を図示している。

回折パターンを取得するときには、まず、図２に示すように、所望の観察領域を観察している状態で、絞り１１２を光軸Ｌ上に挿入する。このとき、結像光学系１１４はＭＡＧモードであり、対物レンズ１０８で結像された透過像が検出面１１５上に結像されている。絞り１１２は、図２に示すように、絞り孔が光軸Ｌ上に位置するように挿入される。これにより、絞り１１２を通過する電子は主に透過波Ｔである。ここで、透過波Ｔとは、試料を透過して入射電子と同じ方向に出射する波である。

次に、例えば、ユーザーが操作部を介して回折パターンの取得を要求すると、制御部１３０は、試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、絞り１１２を通過するように、偏向部１１０を制御する。

具体的には、制御部１３０は、第１偏向器１１０ａを制御して試料を透過した電子の偏向角度を連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させる。これにより、試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、絞り１１２を通過するため、検出器１１６において互いに異なる散乱角で散乱された電子を選択的に検出することができる。以下、この原理について説明する。

図２に示す状態では、第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂは、電子を偏向させていない。このとき、主に透過波Ｔが絞り１１２を通過する。透過波Ｔは、散乱角θ＝０°の透過電子である。絞り１１２を通過した電子は検出器１１６で検出される。すなわち、図２に示す状態では、透過波Ｔを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に透過波Ｔが絞り１１２を通過する」とは、例えば後述する図３や図４に示す他の状態に比べて、図２に示す状態では絞り１１２を通過する電子において透過波Ｔの割合が多いことをいう。

図３および図４は、荷電粒子装置１００の偏向部１１０の動作を説明するための図である。

図３に示す状態では、第１偏向器１１０ａは、試料を透過した電子を偏向角度φ_Ａで偏向し、第２偏向器１１０ｂは、第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる（光軸に戻す）。これにより、試料において散乱角θ_Ａで散乱された散乱波Ａが光軸Ｌ上を進行し、主に散乱波Ａが絞り１１２を通過する。絞り１１２を通過した電子は検出器１１６で検出される。すなわち、図３に示す状態では、散乱角θ_Ａで散乱された散乱波Ａを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に散乱波Ａが絞り１１２を通過する」とは、例えば図２や図４に示す他の状態に比べて、図３に示す状態では絞り１１２を通過する電子において散乱波Ａの割合が多いことをいう。

図４に示す状態では、第１偏向器１１０ａは、試料を透過した電子を偏向角度φ_Ｂで偏向し、第２偏向器１１０ｂは、第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる（光軸に戻す）。これにより、試料において散乱角θ_Ｂで散乱された散乱波Ｂが光軸Ｌ上を進行し、主に散乱波Ｂが絞り１１２を通過する。絞り１１２を通過した電子は検出器１１６で検出される。すなわち、図４に示す状態では、散乱角θ_Ｂ
で散乱された散乱波Ｂを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に散乱波Ｂが絞り１１２を通過する」とは、例えば図２や図３に示す他の状態に比べて、図４に示す状態では絞り１１２を通過する電子において散乱波Ｂの割合が多いことをいう。

ここで、偏向角度φとは、対物レンズ１０８を通過して第１偏向器１１０ａに入射する電子の進行方向（電子線の軸）と、第１偏向器１１０ａで偏向された電子の進行方向（電子線の軸）と、がなす角度をいう。また、散乱角θとは、試料に電子を入射したときに、試料を構成する原子によって電子が散乱される角度をいう。偏向角度φと散乱角θとは、１対１に対応している。偏向角度φは、光学系の設計値、すなわち、例えば対物レンズ１０８の焦点距離や、対物レンズ１０８と第１偏向器１１０ａとの間の光学的な距離などを用いることで、散乱角θに変換することができる。

したがって、第１偏向器１１０ａを制御して試料を透過した電子の偏向角度φを連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させることで、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、取り出すことができる。また、第１偏向器１１０ａにおいて、試料を透過した電子を二次元的に偏向させることにより、試料で互いに異なる方向に散乱された電子を、順次、取り出すことができる。

制御部１３０は、走査信号生成部１１８を制御して、所定の走査信号を第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂに送る。第１偏向器１１０ａは、走査信号に基づいて試料を透過した電子を二次元的に偏向させる。また、第２偏向器１１０ｂは、走査信号に基づいて第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる。このように、制御部１３０が、第１偏向器１１０ａと第２偏向器１１０ｂを連動（同期）させることにより、試料において互いに異なる散乱角θで散乱された電子が、順次、光軸Ｌ上を進行する。そのため、互いに異なる散乱角θで散乱された電子は、順次、絞り１１２を通過し、検出器１１６において、順次、検出される。

フレームメモリー１２０は、偏向角度φの情報と、検出器１１６で得られた電子の強度の情報とを関連づけて記憶する。フレームメモリー１２０は、走査信号に基づいて、検出器１１６の出力信号を記憶することで偏向角度φの情報と、電子の強度の情報とを関連づけて記憶する。

具体的には、荷電粒子装置１００では、検出面１１５上に入射した電子は、検出器１１６で検出され、電気信号に変換される。この電気信号は、Ａ／Ｄ変換器（図示せず）によりデジタル信号に変換され、走査信号に応じて指定されたフレームメモリー１２０内のアドレスの記憶領域に格納される。これにより、フレームメモリー１２０に、偏向角度φの情報と電子の強度の情報とが関連づけて記憶される。

このようにしてフレームメモリー１２０に記憶された偏向角度φの情報と電子の強度の情報は、回折パターンに相当するものとなる。

図５は、偏向角度φ（散乱角θ）と電子の強度の関係を示すグラフである。図５に示す例では、散乱角θ＝０°（透過波Ｔ）に相当するピーク、散乱角θ_Ａで散乱された電子に相当するピーク、散乱角θ_Ｂで散乱された電子に相当するピークが得られている。図５に示す例では、便宜上、偏向部１１０において電子を一次元的に偏向させて、偏向角度φを変化させた例を示しているが、偏向部１１０において電子を二次元的に偏向させて、偏向角度φを変化させることにより、回折パターンを得ることができる。

ここで、偏向角度φの範囲を変えることで、得られる回折パターンの大きさ、すなわち、得られる回折パターンにおけるカメラ長を変えることができる。カメラ長とは、試料から回折パターンを形成する面までの有効距離である。

制御部１３０は、フレームメモリー１２０から偏向角度φの情報と関連付けて記録された電子の強度の情報を読み出して、偏向角度φを散乱角θに変換して回折パターンを生成し、回折パターンを画像表示部１３２に表示させる処理を行う。

なお、荷電粒子装置１００では、制御部１３０が偏向部１１０の制御を停止して、絞り１１２を光軸Ｌ上から退避させることで、直ちに透過像の観察が可能となる。

荷電粒子装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。

荷電粒子装置１００は、対物レンズ１０８の後段に配置され、試料を透過した電子を偏向させる偏向部１１０と、偏向部１１０の後段に配置された絞り１１２と、を備え、制御部１３０は、試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、絞り１１２を通過するように偏向部１１０を制御する。荷電粒子装置１００では、制御部１３０が偏向部１１０を制御することにより、上述したように、回折パターンを取得することができる。すなわち、荷電粒子装置１００では、結像光学系１１４がＭＡＧモードの状態で、回折パターンを取得することができる。したがって、荷電粒子装置１００では、結像光学系１１４の条件を変えることなく、透過像と回折パターンを取得することができる。したがって、荷電粒子装置１００では、結像光学系１１４の磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響により観察倍率やカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

さらに、荷電粒子装置１００では、上述したように、制御部１３０が試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、絞り１１２を通過するように偏向部１１０を制御することにより回折パターンを取得することができる。そのため、荷電粒子装置１００では、結像光学系１１４の条件を変えることなく、回折パターンの大きさ（すなわちカメラ長）を変えることができる。したがって、荷電粒子装置１００では、カメラ長を変更した場合であっても、結像光学系における磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響によりカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

荷電粒子装置１００では、偏向部１１０は、第１偏向器１１０ａと、第１偏向器１１０ａの後段に配置された第２偏向器１１０ｂと、を有し、制御部１３０は、第１偏向器１１０ａを制御して電子の偏向角度φを連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させる。そのため、荷電粒子装置１００では、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、光軸Ｌで進行させることができる。

荷電粒子装置１００では、絞り１１２の孔が光軸Ｌ上に配置され、検出器１１６が絞り１１２を通過した電子を検出するため、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子が、順次、絞り１１２を通過し、検出器１１６において互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、検出することができる。

荷電粒子装置１００では、フレームメモリー１２０が偏向角度φの情報と検出器１１６で得られ電子の強度の情報とを関連づけて記憶するため、フレームメモリー１２０に記録された情報を読み出すことで、回折パターンを生成することができる。

２． 第２実施形態
２．１． 荷電粒子装置
次に、第２実施形態に係る荷電粒子装置について図面を参照しながら説明する。図６は、第２実施形態に係る荷電粒子装置２００の構成を模式的に示す図である。

以下、第２実施形態に係る荷電粒子装置２００において、上述した第１実施形態に係る荷電粒子装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。

上述した荷電粒子装置１００では、図１に示すように、絞り１１２を含んで構成されており、絞り１１２を通過した電子を検出器１１６で検出して、所定の散乱角θで散乱された電子を選択的に検出していた。

これに対して、荷電粒子装置２００では、図６に示すように、所定の散乱角θで散乱された電子を選択的に検出する検出器２１０（以下、「第１検出器２１０」ともいう）を含んで構成されている。

第１検出器２１０は、結像光学系１１４の後段に配置されている。図示の例では、第１検出器２１０は、結像光学系１１４と検出器１１６（以下「第２検出器１１６」ともいう）との間に配置されている。第１検出器２１０は、移動可能であり、光軸Ｌ上に配置したり、光軸Ｌから退避させたりすることができる。第１検出器２１０は、偏向部１１０（第１偏向器１１０ａ）において所定の偏向角度φで偏向された電子、すなわち所定の散乱角θで散乱された電子を選択的に検出できるような検出面（検出領域）を有している。すなわち、第１検出器２１０は、結像光学系１１４を通過した電子の一部のみを検出できるような検出面（検出領域）を有している。第１検出器２１０の検出領域は、例えば、第２検出器１１６の検出領域に比べて小さい。第１検出器２１０の出力信号は、フレームメモリー１２０に送られる。

２．２． 荷電粒子装置の動作
次に、荷電粒子装置２００の動作について説明する。以下、荷電粒子装置２００で透過像および回折パターンを取得する例について説明する。

（１）透過像の取得
まず、透過像を取得するときの荷電粒子装置２００の動作について説明する。

透過像を取得するときの荷電粒子装置２００の動作は、第１検出器２１０を光軸Ｌから退避させて第２検出器１１６を用いる点を除いて荷電粒子装置１００の動作と同様でありその説明を省略する。

（２）回折パターンの取得
次に、回折パターンを取得するときの荷電粒子装置２００の動作について説明する。

図７は、荷電粒子装置２００の動作を説明するための図である。図７では、第１検出器２１０を光軸Ｌ上に挿入した状態を図示している。

回折パターンを取得するときには、まず、図７に示すように、所望の観察領域を観察している状態で、第１検出器２１０を光軸Ｌ上に挿入する。このとき、結像光学系１１４はＭＡＧモードである。第１検出器２１０が、光軸Ｌ上に配置されることにより、第１検出器２１０で検出される電子は主に透過波Ｔである。

次に、例えば、ユーザーが操作部を介して回折パターンの取得を要求すると、制御部１
３０は、試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、第１検出器２１０で検出されるように、偏向部１１０を制御する。

具体的には、制御部１３０は、第１偏向器１１０ａを制御して試料を透過した電子の偏向角度を連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させる。これにより、試料で互いに異なる散乱角で散乱された透過電子が、順次、第１検出器２１０で検出される。以下、この原理について図面を参照しながら説明する。

図７に示す状態では、第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂは、電子を偏向させていない。このとき、主に透過波Ｔが第１検出器２１０で検出される。すなわち、図７に示す状態では、透過波Ｔを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に透過波Ｔが第１検出器２１０で検出される」とは、例えば後述する図８や図９に示す他の状態に比べて、図７に示す状態では第１検出器２１０で検出される電子において透過波Ｔの割合が多いことをいう。

図８および図９は、荷電粒子装置２００の偏向部１１０の動作を説明するための図である。

図８に示す状態では、第１偏向器１１０ａは、試料を透過した透過電子を偏向角度φ_Ａで偏向し、第２偏向器１１０ｂは、第１偏向器１１０ａで偏向された透過電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる（光軸に戻す）。これにより、試料において散乱角θ_Ａで散乱された散乱波Ａが光軸Ｌ上を進行し、主に散乱波Ａが第１検出器２１０で検出される。すなわち、図８に示す状態では、散乱角θ_Ａで散乱された散乱波Ａを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に散乱波Ａが第１検出器２１０で検出される」とは、例えば図７や図９に示す他の状態に比べて、図８に示す状態では第１検出器２１０で検出される電子において散乱波Ａの割合が多いことをいう。

図９に示す状態では、第１偏向器１１０ａは、試料を透過した透過電子を偏向角度φ_Ｂで偏向し、第２偏向器１１０ｂは、第１偏向器１１０ａで偏向された透過電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる（光軸に戻す）。これにより、試料において散乱角θ_Ｂで散乱された散乱波Ｂが光軸Ｌ上を進行し、主に散乱波Ｂが第１検出器２１０で検出される。すなわち、図９に示す状態では、散乱角θ_Ｂで散乱された散乱波Ｂを選択的に検出することができる。

なお、上記の「主に散乱波Ｂが第１検出器２１０で検出される」とは、例えば図７や図８に示す他の状態に比べて、図９に示す状態では第１検出器２１０で検出される電子において散乱波Ｂの割合が多いことをいう。

上述したように、偏向角度φは散乱角θに変換することができるため、第１偏向器１１０ａを制御して試料を透過した電子の偏向角度φを連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させることで、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、取り出すことができる。

制御部１３０は、走査信号生成部１１８を制御して、所定の走査信号を第１偏向器１１０ａおよび第２偏向器１１０ｂに送る。第１偏向器１１０ａは、走査信号に基づいて試料
を透過した電子を二次元的に偏向させる。また、第２偏向器１１０ｂは、走査信号に基づいて第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行するように偏向させる。これにより、第１検出器２１０において、互いに異なる散乱角θで散乱された透過電子が、順次、検出される。

フレームメモリー１２０は、偏向角度φの情報と、第１検出器２１０で得られた電子の強度の情報とを関連づけて記憶する。フレームメモリー１２０は、走査信号に基づいて、第１検出器２１０の出力信号を記憶することで偏向角度φの情報と、電子の強度の情報とを関連づけて記憶する。

制御部１３０は、フレームメモリー１２０から偏向角度φの情報と関連付けて記録された電子の強度の情報を読み出して、偏向角度φを散乱角θに変換して回折パターンを生成し、回折パターンを画像表示部１３２に表示させる処理を行う。

なお、荷電粒子装置２００では、制御部１３０が偏向部１１０の制御を停止して、第１検出器２１０を光軸Ｌ上から退避させることで、直ちに透過像の観察が可能となる。

荷電粒子装置２００は、例えば、以下の特徴を有する。

荷電粒子装置２００は、対物レンズ１０８の後段に配置され、試料を透過した電子を偏向させる偏向部１１０と、結像光学系１１４の後段に配置された第１検出器２１０と、を備え、制御部１３０は、試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、第１検出器２１０で検出されるように偏向部１１０を制御する。荷電粒子装置２００では、上述した荷電粒子装置１００と同様に、制御部１３０が偏向部１１０を制御することにより、回折パターンを取得することができる。そのため、荷電粒子装置２００では、荷電粒子装置１００と同様に、結像光学系１１４の条件を変えることなく、透過像と回折パターンを取得することができる。したがって、荷電粒子装置２００では、結像光学系１１４の磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響により観察倍率やカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

さらに、荷電粒子装置２００では、上述したように、制御部１３０が試料で互いに異なる散乱角で散乱された電子が、順次、第１検出器２１０で検出されるように偏向部１１０を制御することにより回折パターンを取得することができる。そのため、荷電粒子装置２００では、荷電粒子装置１００と同様に、結像光学系における磁気ヒステリシスや、磁場レンズの熱的変動の影響によりカメラ長にばらつきが生じることを抑制することができる。

荷電粒子装置２００では、偏向部１１０は、第１偏向器１１０ａと、第１偏向器１１０ａの後段に配置された第２偏向器１１０ｂと、を有し、制御部１３０は、第１偏向器１１０ａを制御して電子の偏向角度φを連続的に変化させるとともに、第２偏向器１１０ｂを制御して第１偏向器１１０ａで偏向された電子を光軸Ｌに沿って進行させる。そのため、荷電粒子装置２００では、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、光軸Ｌ上で進行させることができる。したがって、荷電粒子装置２００では、第１検出器２１０を光軸Ｌ上に配置することで、試料で互いに異なる散乱角θで散乱された電子を、順次、検出することができる。

荷電粒子装置２００では、フレームメモリー１２０が、偏向角度φの情報と第１検出器２１０で得られ電子の強度の情報とを関連づけて記憶するため、フレームメモリー１２０に記録された情報を読み出すことで、回折パターンを得ることができる。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１００…荷電粒子装置、１０２…電子源、１０４…照射光学系、１０６…試料ステージ、１０８…対物レンズ、１１０…偏向部、１１０ａ…第１偏向器、１１０ｂ…第２偏向器、１１２…絞り、１１４…結像光学系、１１４ａ…中間レンズ、１１４ｂ…投影レンズ、１１５…検出面、１１６…検出器、１１８…走査信号生成部、１２０…フレームメモリー、１３０…制御部、１３２…画像表示部、２００…荷電粒子装置、２１０…第１検出器、１０００…透過電子顕微鏡、１００２…電子源、１００４…照射光学系、１００６…試料ステージ、１００８…対物レンズ、１０１０…結像光学系、１０１２…検出器、１０２０…制御部、１１００…磁場レンズ、１１０２…コイル、１１０４…ヨーク、１１０６…ポールピース

Claims (6)

1. 荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
   前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
   前記試料を透過した前記荷電粒子で透過像を結像する対物レンズと、
   前記対物レンズの後段に配置され、前記試料を透過した前記荷電粒子を偏向させる偏向部と、
   前記偏向部の後段に配置された絞りと、
   前記対物レンズで結像された前記透過像を検出面上に結像する結像光学系と、
   前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出する検出器と、
   前記偏向部を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、前記試料で互いに異なる散乱角で散乱された前記荷電粒子が、順次、前記絞りを通過するように、前記偏向部を制御する、荷電粒子装置。
2. 請求項１において、
   前記偏向部は、第１偏向器と、前記第１偏向器の後段に配置された第２偏向器と、を有し、
   前記制御部は、前記第１偏向器を制御して前記荷電粒子の偏向角度を連続的に変化させるとともに、前記第２偏向器を制御して前記第１偏向器で偏向された前記荷電粒子を光軸に沿って進行させる、荷電粒子装置。
3. 請求項２において、
   前記絞りの孔は、前記光軸上に配置され、
   前記検出器は、前記絞りを通過した前記荷電粒子を検出する、荷電粒子装置。
4. 請求項２または３において、
   前記偏向角度の情報と前記検出器で得られた前記荷電粒子の強度の情報とを関連づけて記憶する記憶部を含む、荷電粒子装置。
5. 請求項４において、
   前記制御部は、前記記憶部から前記偏向角度の情報と関連付けて記憶された前記荷電粒子の強度の情報を読み出して、前記偏向角度を前記散乱角に変換し、回折パターンを生成する、荷電粒子装置。
6. 荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
   前記荷電粒子を試料に照射する照射光学系と、
   前記試料を透過した前記荷電粒子で透過像を結像する対物レンズと、
   前記対物レンズの後段に配置され、前記試料を透過した前記荷電粒子を偏向させる偏向部と、
   前記対物レンズで結像された前記透過像を検出面上に結像する結像光学系と、
   前記結像光学系の後段に配置され、前記荷電粒子を検出する第１検出器と、
   前記検出面に入射した前記荷電粒子を検出する第２検出器と、
   前記偏向部を制御する制御部と、
   を含み、
   前記制御部は、前記試料で互いに異なる散乱角で散乱された前記荷電粒子が、順次、前記第１検出器で検出されるように、前記偏向部を制御する、荷電粒子装置。

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