特許 6783124 走査透過電子顕微鏡および画像生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6783124

(24)【登録日】2020年10月23日

(45)【発行日】2020年11月11日

(54)【発明の名称】走査透過電子顕微鏡および画像生成方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/28 20060101AFI20201102BHJP

   H01J 37/22 20060101ALI20201102BHJP

   H01J 37/147 20060101ALI20201102BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/28 C

   H01J37/22 501C

   H01J37/147 B

   H01J37/147 A

【請求項の数】10

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2016-230168(P2016-230168)

(22)【出願日】2016年11月28日

(65)【公開番号】特開2018-88321(P2018-88321A)

(43)【公開日】2018年6月7日

【審査請求日】2019年7月12日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004271

【氏名又は名称】日本電子株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(72)【発明者】

【氏名】佐川 隆亮

【審査官】 小林 直暉

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−０４２７５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２２０３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２４５６７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２５１０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４５１４６２９（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０４１７６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−２２８３７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５９−１６３５４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ３７／００−３７／０２

３７／０５

３７／０９−３７／１８

３７／２１

３７／２４−３７／２４４

３７／２５２−３７／２９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電子線を試料上で走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡であって、
電子線を放出する電子源と、
前記電子源から放出された電子線を前記試料上で走査するための走査偏向素子と、
前記電子源から放出された電子線を収束させる対物レンズと、
前記対物レンズの後焦点面および当該後焦点面の共役な面に配置された撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて、前記走査像を生成する走査像生成部と、
を含み、
前記走査像生成部は、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する処理と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める処理と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する処理と、
を行い、
前記走査像生成部は、前記撮像装置で撮像して得られた画像から、前記透過波の像の大きさを測定し、測定された前記透過波の像の大きさに基づき前記積分領域を設定する処理を行う、走査透過電子顕微鏡。

【請求項2】

電子線を試料上で走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡であって、
電子線を放出する電子源と、
前記電子源から放出された電子線を前記試料上で走査するための走査偏向素子と、
前記電子源から放出された電子線を収束させる対物レンズと、
前記対物レンズの後焦点面および当該後焦点面の共役な面に配置された撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて、前記走査像を生成する走査像生成部と、
前記試料に入射する電子線を偏向させる第１偏向素子と、
前記撮像装置に入射する電子線を偏向させる第２偏向素子と、
前記第１偏向素子および前記第２偏向素子を制御する処理を行う処理部と
を含み、
前記走査像生成部は、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する処理と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める処理と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する処理と、
を行い、
前記処理部は、
前記試料に入射する電子線の方位角が走査されるように前記第１偏向素子を制御する処理と、
互いに異なる方位角で得られた電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像が積算された積算画像を取得する処理と、
前記積算画像から前記透過波の像を抽出する処理と、
抽出された前記透過波の像の位置に基づいて、前記透過波の像が前記撮像装置で撮像される画像の中心に位置するように、前記第２偏向素子を制御する処理と、
を行う、走査透過電子顕微鏡。

【請求項3】

請求項１または２において、
前記撮像装置で撮像された画像において、前記透過波の像は、ディスクとして現れ、
前記透過波の像の大きさは、前記ディスクの直径である、走査透過電子顕微鏡。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記走査像生成部は、
前記試料上の各位置の信号強度を求める処理において、設定された複数の前記積分領域の各々について、前記試料上の各位置の信号強度を求め、
前記走査像を生成する処理において、複数の前記積分領域に対応する複数の前記走査像を生成する、走査透過電子顕微鏡。

【請求項5】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心を中心とする円の領域である、走査透過電子顕微鏡。

【請求項6】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心を中心とする円環状の領域である、走査透過電子顕微鏡。

【請求項7】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記積分領域は、前記透過波の像の外側の領域であって、前記透過波の像を囲み、かつ、前記透過波の像の中心を中心とする円環状の領域である、走査透過電子顕微鏡。

【請求項8】

請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心に関して対称な２つの領域である、走査透過電子顕微鏡。

【請求項9】

試料に入射する電子線を走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡における画像生成方法であって、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する工程と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める工程と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する工程と、
を含み、
前記撮像装置で撮像して得られた画像から、前記透過波の像の大きさを測定し、測定された前記透過波の像の大きさに基づき前記積分領域を設定する、画像生成方法。

【請求項10】

試料に入射する電子線を走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡における画像生成方法であって、
前記試料に入射する電子線の方位角が走査されるように第１偏向素子を制御する工程と、
互いに異なる方位角で得られた電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像が積算された積算画像を取得する工程と、
前記積算画像から透過波の像を抽出する工程と、
抽出された前記透過波の像の位置に基づいて、前記透過波の像が撮像装置で撮像される画像の中心に位置するように、第２偏向素子を制御する工程と、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する工程と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の前記透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める工程と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する工程と、
を含む、画像生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、走査透過電子顕微鏡および画像生成方法に関する。

【背景技術】

【0002】

走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）は、収束した電子線（電子プローブ）で試料上を走査し、試料を透過した電子を検出して走査透過電子顕微鏡像（ＳＴＥＭ像）を得るための装置である（例えば特許文献１参照）。

【0003】

走査透過電子顕微鏡では、シンチレーターと光電子増倍管等によって構成された検出器を用いて、対物レンズの後焦点面に形成された電子回折パターン中の特定の領域の電子線の信号強度を積分することで、ＳＴＥＭ像を生成していた。当該特定の領域の形状は、ディスク状や円環状のものが用いられている。当該特定の領域の形状は、シンチレーターの形状によって決定される。このように走査透過電子顕微鏡では、シンチレーターの形状によって、一般的なＳＴＥＭ像に加えて、環状明視野ＳＴＥＭ像や、低角度散乱暗視野ＳＴＥＭ像、高角度散乱暗視野ＳＴＥＭ像等、種々のＳＴＥＭ像を取得することが可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−２３５６６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、従来の走査透過電子顕微鏡では、例えば、２種類のＳＴＥＭ像を取得する場合、２種類の検出器を準備しなければならない。このように、従来の走査透過電子顕微鏡では、複数種のＳＴＥＭ像を取得するためには複数の検出器を用意しなければならなかった。

【0006】

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、１つの検出器で、複数種のＳＴＥＭ像を取得することができる走査透過電子顕微鏡を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、１つの検出器で、複数種のＳＴＥＭ像を取得することができる画像生成方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

（１）本発明に係る走査透過電子顕微鏡は、
電子線を試料上で走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡であって、
電子線を放出する電子源と、
前記電子源から放出された電子線を前記試料上で走査するための走査偏向素子と、
前記電子源から放出された電子線を収束させる対物レンズと、
前記対物レンズの後焦点面および当該後焦点面の共役な面に配置された撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて、前記走査像を生成する走査像生成部と、
を含み、
前記走査像生成部は、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する処理と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める処理と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する処理と、
を行い、
前記走査像生成部は、前記撮像装置で撮像して得られた画像から、前記透過波の像の大きさを測定し、測定された前記透過波の像の大きさに基づき前記積分領域を設定する処理を行う。

【0008】

このような走査透過電子顕微鏡では、積分領域に応じて、観察や分析の目的に応じた様々な種類の走査像を生成することができる。したがって、このような走査透過電子顕微鏡では、１つの検出器（撮像装置）で、複数種の走査像を取得することができる。

【0009】

（２）本発明に係る走査透過電子顕微鏡は、
電子線を試料上で走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡であって、
電子線を放出する電子源と、
前記電子源から放出された電子線を前記試料上で走査するための走査偏向素子と、
前記電子源から放出された電子線を収束させる対物レンズと、
前記対物レンズの後焦点面および当該後焦点面の共役な面に配置された撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像に基づいて、前記走査像を生成する走査像生成部と、
前記試料に入射する電子線を偏向させる第１偏向素子と、
前記撮像装置に入射する電子線を偏向させる第２偏向素子と、
前記第１偏向素子および前記第２偏向素子を制御する処理を行う処理部と
を含み、
前記走査像生成部は、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する処理と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める処理と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する処理と、
を行い、
前記処理部は、
前記試料に入射する電子線の方位角が走査されるように前記第１偏向素子を制御する処理と、
互いに異なる方位角で得られた電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像が積算された積算画像を取得する処理と、
前記積算画像から前記透過波の像を抽出する処理と、
抽出された前記透過波の像の位置に基づいて、前記透過波の像が前記撮像装置で撮像される画像の中心に位置するように、前記第２偏向素子を制御する処理と、
を行う。
このような走査透過電子顕微鏡では、積分領域に応じて、観察や分析の目的に応じた様々な種類の走査像を生成することができる。したがって、このような走査透過電子顕微鏡では、１つの検出器（撮像装置）で、複数種の走査像を取得することができる。また、このような走査透過電子顕微鏡では、撮像装置で撮像される画像の中心に透過波の像が位置するため、撮像装置で撮像された画像中の透過波の像の大きさを容易に測定することができる。

【0010】

（３）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記撮像装置で撮像された画像において、前記透過波の像は、ディスクとして現れ、
前記透過波の像の大きさは、前記ディスクの直径であってもよい。

【0011】

（４）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記走査像生成部は、
前記試料上の各位置の信号強度を求める処理において、設定された複数の前記積分領域の各々について、前記試料上の各位置の信号強度を求め、
前記走査像を生成する処理において、複数の前記積分領域に対応する複数の前記走査像を生成してもよい。

【0012】

このような走査透過電子顕微鏡では、複数の積分領域に応じて、複数種の走査像を生成することができる。したがって、このような走査透過電子顕微鏡では、試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置で撮像して得られた複数の画像から、複数種の走査像を同時に生成することができる。

【0013】

（５）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心を中心とする円の領域であってもよい。

【0014】

このような走査透過電子顕微鏡では、明視野ＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0015】

（６）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心を中心とする円環状の領域であってもよい。

【0016】

このような走査透過電子顕微鏡では、環状明視野ＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0017】

（７）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記積分領域は、前記透過波の像の外側の領域であって、前記透過波の像を囲み、かつ、前記透過波の像の中心を中心とする円環状の領域であってもよい。

【0018】

このような走査透過電子顕微鏡では、環状暗視野ＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0019】

（８）本発明に係る走査透過電子顕微鏡において、
前記積分領域は、前記透過波の像の内側の領域であって、前記透過波の像の中心に関し
て対称な２つの領域であってもよい。

【0020】

このような走査透過電子顕微鏡では、微分位相コントラストＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0021】

（９）本発明に係る画像生成方法は、
試料に入射する電子線を走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡における画像生成方法であって、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する工程と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める工程と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する工程と、
を含み、
前記撮像装置で撮像して得られた画像から、前記透過波の像の大きさを測定し、測定された前記透過波の像の大きさに基づき前記積分領域を設定する。

【0022】

このような画像生成方法では、積分領域に応じて、観察や分析の目的に応じた様々な種類の走査像を生成することができる。したがって、このような画像生成方法では、１つの検出器（撮像装置）で、複数種の走査像を取得することができる。

【0023】

（１０）本発明に係る画像生成方法は、
試料に入射する電子線を走査して、走査像を取得する走査透過電子顕微鏡における画像生成方法であって、
前記試料に入射する電子線の方位角が走査されるように第１偏向素子を制御する工程と、
互いに異なる方位角で得られた電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像が積算された積算画像を取得する工程と、
前記積算画像から透過波の像を抽出する工程と、
抽出された前記透過波の像の位置に基づいて、前記透過波の像が撮像装置で撮像される画像の中心に位置するように、第２偏向素子を制御する工程と、
電子線の走査によって前記試料上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを前記撮像装置で撮像して得られた複数の画像を取得する工程と、
取得された複数の画像の各々について、画像中の前記透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、前記試料上の各位置の信号強度を求める工程と、
前記試料上の各位置の信号強度に基づいて、前記走査像を生成する工程と、
を含む。

【0024】

このような画像生成方法では、積分領域に応じて、観察や分析の目的に応じた様々な種類の走査像を生成することができる。したがって、このような画像生成方法では、１つの検出器（撮像装置）で、複数種の走査像を取得することができる。また、このような画像生成方法では、撮像装置で撮像される画像の中心に透過波の像が位置するため、撮像装置で撮像された画像中の透過波の像の大きさを容易に測定することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡を模式的に示す図。

【図2】撮像装置で撮像された電子回折パターンの像を模式的に示す図。

【図3】透過ディスクの中心を通る直線に沿った強度プロファイルを示すグラフ。

【図4】強度プロファイルを微分した結果を示すグラフ。

【図5】明視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域の一例を示す図。

【図6】環状明視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域の一例を示す図。

【図7】微分位相コントラストＳＴＥＭ像を生成するための積分領域の一例を示す図。

【図8】環状暗視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域を示す図。

【図9】ＳＴＥＭ像を説明するための図。

【図10】第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡の動作の一例を示すフローチャート。

【図11】第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡を模式的に示す図。

【図12】試料に入射する電子線の方位角を走査している様子を模式的に示す図。

【図13】試料に入射する電子線の方位角を走査している様子を模式的に示す図。

【図14】光軸に沿って電子線を試料に入射したときの電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像を模式的に示す図。

【図15】試料に入射する電子線を傾斜させたときの電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像を模式的に示す図。

【図16】試料に入射する電子線の方位角を走査して得られた像を模式的に示す図。

【図17】積算画像を二値化して得られた画像。

【図18】補正ベクトルに基づき電子線を偏向させて透過ディスクを移動させた画像。

【図19】第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡の動作の一例を示すフローチャート。

【図20】変形例における、透過ディスクの直径の測定方法を説明するための図。

【図21】透過ディスクの中心を通り、互いに方向の異なる複数の直線に沿った強度プロファイルを積算した結果を示すグラフ。

【図22】積算された強度プロファイルを平滑化した結果を示すグラフ。

【図23】平滑化された強度プロファイルを微分した結果を示すグラフ。

【発明を実施するための形態】

【0026】

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。

【0027】

１． 第１実施形態
１．１． 走査透過電子顕微鏡
まず、第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡について図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡１００を模式的に示す図である。

【0028】

走査透過電子顕微鏡１００は、電子プローブ（収束した電子線）で試料Ｓ上を走査し、試料Ｓを透過した電子を検出して走査像（走査透過電子顕微鏡像、以下「ＳＴＥＭ像」ともいう）を取得するための装置である。

【0029】

走査透過電子顕微鏡１００は、図１に示すように、電子源１０と、収束レンズ１２と、走査コイル１３（走査偏向素子の一例）と、対物レンズ１４と、試料ステージ１６と、試料ホルダー１７と、中間レンズ１８と、投影レンズ２０と、撮像装置２２と、制御部３０と、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）４０（走査像生成部の一例）と、を含む。

【0030】

電子源１０は、電子線を放出する。電子源１０は、例えば、陰極から放出された電子を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。

【0031】

収束レンズ１２は、電子源１０から放出された電子線を収束する。収束レンズ１２は、図示はしないが、複数の電子レンズで構成されていてもよい。

【0032】

走査コイル１３は、電子線を二次元的に偏向させて、収束レンズ１２および対物レンズ１４で収束された電子線（電子プローブ）で試料Ｓ上を走査するためのコイルである。

【0033】

対物レンズ１４は、電子線を試料Ｓ上に収束させて、電子プローブを形成するためのレ
ンズである。また、対物レンズ１４は、試料Ｓを透過した電子を結像する。対物レンズ１４の後焦点面には、電子回折パターンが形成される。

【0034】

図示はしないが、走査透過電子顕微鏡１００の照射系には、電子線の開き角や照射量を制御するためのコンデンサー絞りが組み込まれている。

【0035】

試料ステージ１６は、試料Ｓを保持する。図示の例では、試料ステージ１６は、試料ホルダー１７を介して、試料Ｓを保持している。試料ステージ１６は、試料Ｓを水平方向や鉛直方向に移動させたり、試料Ｓを傾斜させたりすることができる。

【0036】

中間レンズ１８および投影レンズ２０は、対物レンズ１４の後焦点面に形成された電子回折パターンを拡大、転送するレンズ（転送レンズ）として機能する。

【0037】

撮像装置２２は、対物レンズ１４の後焦点面に共役な面に配置されている。走査透過電子顕微鏡１００では、中間レンズ１８および投影レンズ２０によって対物レンズ１４の後焦点面が拡大、転送されることで、撮像装置２２の検出面に後焦点面に共役な面が形成される。これにより、撮像装置２２において、電子回折パターンを撮像することができる。なお、図示はしないが、撮像装置２２を対物レンズ１４の後焦点面に配置してもよい。

【0038】

撮像装置２２は、電子回折パターンを二次元デジタル画像として記録可能なデジタルカメラである。撮像装置２２は、例えば、ピクセル型ＳＴＥＭ検出器である。ピクセル型ＳＴＥＭ検出器は、電子線を二次元的に検出して二次元像を取得することができるとともに、電子線の走査に追従可能なハイスピードのイメージセンサーである。

【0039】

撮像装置２２の検出面の中心（センサーの中心）は、走査透過電子顕微鏡１００の光学系の光軸上に位置している。また、撮像装置２２の検出面の中心は、撮像装置２２で撮像された画像の中心に対応する。

【0040】

制御部３０は、ＰＣ４０からの制御信号に基づき、走査透過電子顕微鏡１００を構成する各部１０，１２，１３，１４，１８，２０，２２を制御する。制御部３０の機能は、専用回路により実現してもよいし、プロセッサ（ＣＰＵ等）でプログラムを実行することにより実現してもよい。

【0041】

ＰＣ４０は、走査透過電子顕微鏡１００の各部を制御するための制御信号を生成する処理や、撮像装置２２で撮像された画像に基づいて、種々のＳＴＥＭ像を生成する処理などを行う。

【0042】

ＰＣ４０は、図示はしないが、操作部と、表示部と、記憶部と、処理部と、を含んで構成されている。操作部は、ユーザーからの入力情報を入力（検出）するための機器であり、ユーザーの入力情報を処理部に出力する。操作部の機能は、タッチパネル（タッチパネル型ディスプレイ）、タッチパッド、マウス、方向キーやボタン、キーボード等の入力機器により実現することができる。表示部は、処理部で生成された画像を出力するものであり、その機能は、ＬＣＤ、ＣＲＴ、或いはタッチパネルなどのディスプレイにより実現できる。記憶部は、処理部の各部（走査像生成部）としてコンピューターを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに処理部のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、ＲＡＭなどにより実現できる。処理部は、走査透過電子顕微鏡１００の各部を制御するための制御信号を生成する処理や、種々のＳＴＥＭ像を生成する処理などの処理を行う。処理部の機能は、各種プロセッサ（ＣＰＵ等）でプログラムを実行することにより実現することができる。

【0043】

１．２． 画像生成方法
（１）手法
次に、第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡におけるＳＴＥＭ像を生成する手法について説明する。

【0044】

本実施形態に係る画像生成方法は、電子線の走査によって試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置２２で撮像して得られた複数の画像を取得する工程と、取得された複数の画像の各々について、画像中の透過波の像の大きさに基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、試料Ｓ上の各位置の信号強度を求める工程と、試料Ｓ上の各位置の信号強度に基づいて、ＳＴＥＭ像を生成する工程と、を含む。

【0045】

まず、走査透過電子顕微鏡１００の撮像装置２２で撮像される電子回折パターンについて説明する。図２は、撮像装置２２で撮像された電子回折パターンの像を模式的に示す図である。

【0046】

走査透過電子顕微鏡１００では、試料Ｓに対して円錐状に収束された電子線が照射されるため、対物レンズ１４の後焦点面には、透過波および回折波がディスク状に広がった電子回折パターンが形成される。対物レンズ１４の後焦点面に形成された電子回折パターンは、中間レンズ１８および投影レンズ２０で転送、拡大されて撮像装置２２で撮像される。このようにして、図２に示す電子回折パターンが撮像される。撮像装置２２で撮像された画像には、透過波の像として、透過波のディスク（以下「透過ディスク」ともいう）があらわれ、回折波の像として、回折波のディスク（以下「回折ディスク」ともいう）があらわれる。なお、図２では、撮像装置２２で撮像された画像中の透過ディスクＡのみを図示している。また、図２では、画像の中心と透過ディスクＡの中心とが一致している。

【0047】

次に、透過ディスクＡの直径（すなわち透過ディスクの大きさ）を求める手法について説明する。

【0048】

図３は、図２に示す透過ディスクＡの中心を通る直線Ｌに沿った強度プロファイルを示すグラフである。図４は、図３に示す強度プロファイルを微分した結果を示すグラフである。

【0049】

図３および図４に示すように、透過ディスクＡの中心を通る直線Ｌに沿った強度プロファイルを取ることで、透過ディスクＡの直径（すなわち、透過波の大きさ）を求めることができる。図４に示す強度プロファイルを微分した結果を示すグラフには、透過ディスクＡのエッジ部分に信号強度が大きい箇所が現れる。そのため、図４に示す強度プロファイルを微分した結果を示すグラフにおいて、所定強度（絶対値）を閾値とすることで、透過ディスクのエッジを検出することができ、透過ディスクの直径Ｄを求めることができる。

【0050】

なお、透過ディスクＡの直径を求める手法は、これに限定されない。例えば、図２に示す画像からＨｏｕｇｈ変換を用いてディスク（円）を検出し、検出されたディスク（円）の直径を求めることで、透過ディスクＡの直径を求めてもよい。

【0051】

次に、積分領域について説明する。図５は、明視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}の一例を示す図である。図６は、環状明視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}の一例を示す図である。図７は、微分位相コントラストＳＴＥＭ像を生成するための積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）の一例を示す図である。図８は、環状暗視野ＳＴＥＭ像を生成するための積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}を示す図である。

【0052】

明視野ＳＴＥＭ像（ＢＦ−ＳＴＥＭ像、Ｂｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）は、試料Ｓを透過した電子のうち、散乱されずに透過した電子を検出して作られるＳＴＥＭ像である。明視野ＳＴＥＭ像を生成する場合、積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}は、図５に示すように透過ディスクＡの内側の領域であって、透過ディスクＡの中心を中心とする円の領域に設定される。

【0053】

図５に示す例では、透過ディスクＡは、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円であり、積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}は、画像の中心を中心とする直径が２０ピクセルの円に設定されている。

【0054】

あらかじめ透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}の直径の割合（図５に示す例では２０／１００）を決めておくことで、ＢＦ−ＳＴＥＭ像を生成する際に、透過ディスクＡの直径の測定値から積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定することができる。

【0055】

環状明視野ＳＴＥＭ像（ＡＢＦ−ＳＴＥＭ像、Ａｎｎｕｌａｒ ｂｒｉｇｈｔ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）は、試料Ｓを透過した電子のうち、明視野領域における低角度散乱された電子を検出して作られるＳＴＥＭ像である。環状明視野ＳＴＥＭ像を生成する場合、積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}は、図６に示すように、透過ディスクＡの内側の領域であって、透過ディスクＡの中心を中心とする円環状の領域に設定される。

【0056】

図６に示す例では、透過ディスクＡは、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円であり、積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}は、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円から、透過ディスクＡの中心を中心とする直径が５０ピクセルの円を除いた円環状の領域である。

【0057】

あらかじめ透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}の内側の領域の直径の割合（図６に示す例では５０／１００）を決めておくことで、ＡＢＦ−ＳＴＥＭ像を生成する際に、透過ディスクＡの直径の測定値から積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定することができる。

【0058】

微分位相コントラストＳＴＥＭ像（ＤＰＣ−ＳＴＥＭ像、Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）は、試料Ｓ中の電磁場による電子線の偏向を、試料Ｓ中の各位置で計測し、電磁場を可視化したＳＴＥＭ像である。微分位相コントラストＳＴＥＭ像を生成する場合、２つの積分領域（積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）、および積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−））が設定される。積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）および積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）は、透過ディスクＡの中心に関して対称な領域である。積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）と積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）の差を取ることで、試料Ｓ内の電子線の偏向量とその方向を検出することができる。

【0059】

図７に示す例では、透過ディスクＡは、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円であり、積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）および積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）は、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円から、画像の中心を中心とする直径が５０ピクセルの円を除いた円環における中心角が９０°の扇形状の領域であり、互いに画像の中心に関して対称に配置されている。

【0060】

あらかじめ透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）の内側の領域の直径の割合（図７に示す例では５０／１００）を決めておくことで、ＤＰＣ−ＳＴＥＭ像を生成する際に、透過ディスクＡの直径の測定値から積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）を設定することができる。

【0061】

環状暗視野ＳＴＥＭ像（ＡＤＦ−ＳＴＥＭ像、Ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ
ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）は、試料Ｓを透過した電子のうち、散乱・回折した電子線を検出して作られるＳＴＥＭ像である。環状暗視野ＳＴＥＭ像を生成する場合、積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}は、図８に示すように、透過ディスクＡの外側の領域であって、透過ディスクＡを囲み、かつ、透過ディスクＡの中心を中心とする円環状の領域に設定される。

【0062】

図８に示す例では、透過ディスクＡは、画像の中心を中心とする直径が１００ピクセルの円であり、積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}は、画像の中心を中心とする直径がａピクセルの円から画像の中心を中心とする直径がｂピクセル（ａ＞ｂ＞１００ピクセル）の円を除いた円環状の領域である。

【0063】

あらかじめ透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}の内径の割合（図８に示す例ではｂ／１００）と、透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}の外径の割合（図８に示す例ではａ／１００）と、を決めておくことで、ＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を生成する際に、透過ディスクＡの直径の測定値から積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定することができる。

【0064】

例えば、積分領域Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}を設定する際に、「ａ」および「ｂ」の値を適宜調整することで、低角度散乱環状暗視野ＳＴＥＭ像（ＬＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像、Ｌｏｗ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）や、高角度散乱環状暗視野ＳＴＥＭ像（ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像、Ｈｉｇｈ−ａｎｇｌｅ ａｎｎｕｌａｒ ｄａｒｋ−ｆｉｅｌｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ）を生成することができる。ＬＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像は、ＡＤＦ−ＳＴＥＭ像のうち、低角度に回折した電子や低角度に非弾性散乱された電子を検出して作られるＳＴＥＭ像である。ＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像は、ＡＤＦ−ＳＴＥＭ像のうち、高角度に非弾性散乱された電子を検出して作られるＳＴＥＭ像である。

【0065】

上述したいずれの積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}，Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}，Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−），Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}についても、透過ディスクＡの直径を基準として設定することができる。そのため、走査透過電子顕微鏡１００では、上述した積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}，Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}，Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−），Ｉ_{ＡＤＦ−ＳＴＥＭ}を設定するための情報（例えば、ＢＦ−ＳＴＥＭ像の場合には、透過ディスクＡの直径に対する積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}の直径の割合）が、あらかじめＰＣ４０の記憶部に記憶されている。そして、ＰＣ４０は、ＳＴＥＭ像の種類に応じて当該情報を読み出して、透過ディスクＡの直径の測定値から生成するＳＴＥＭ像の種類に応じた積分領域を設定する。

【0066】

なお、上記では、透過ディスクＡの大きさとして、透過ディスクＡの直径を用いた例について説明したが、これに限定されない。透過ディスクの大きさとして、透過ディスクＡの半径を用いてもよいし、透過ディスクＡの面積を用いてもよい。

【0067】

次に、ＳＴＥＭ像を生成する手法について説明する。

【0068】

走査透過電子顕微鏡１００では、試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置２２で撮像することで、試料Ｓ上の各位置ごとに、電子回折パターン中の透過ディスクを含む画像を取得することができる。

【0069】

具体的には、走査透過電子顕微鏡１００では、電子源１０から放出された電子線を収束レンズ１２および対物レンズ１４で円錐状に収束して試料Ｓに照射する。これにより、試料Ｓを透過した電子線は対物レンズ１４の後焦点面に電子回折パターンを形成する。走査コイル１３によって電子線は試料Ｓ上で走査されるため、撮像装置２２において、試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像することができる。

【0070】

図９は、ＳＴＥＭ像２を説明するための図である。図９に示すように、ＳＴＥＭ像２は、ｎ×ｍ個（ｎ，ｍは任意の整数）の画素（ピクセル）で構成されている。上述したように、試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置２２で撮像することで、ＳＴＥＭ像２の各画素に対応する電子回折パターンの画像を取得することができる。図９に示す例では、画素（Ｘ，Ｙ）＝（０，０），（１，０），（２，０），・・・，（ｎ，ｍ）に対応するｎ×ｍ個の電子回折パターンの画像が取得される。

【0071】

例えば、ＢＦ−ＳＴＥＭ像を生成する場合、ｎ×ｍ個の電子回折パターンの画像の各々に対して積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}内の各画素の強度値を積分し、当該積分値をＳＴＥＭ像２の対応する各画素の信号強度とする。このようにして得られたＳＴＥＭ像２の各画素ごとの信号強度に応じて、各画素の濃淡を設定する。これにより、ＢＦ−ＳＴＥＭ像が生成される。ＡＢＦ−ＳＴＥＭ像およびＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を生成する場合も同様である。

【0072】

ＤＰＣ−ＳＴＥＭ像を生成する場合、ｎ×ｍ個の電子回折パターンの画像の各々に対して積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）内および積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋）内の各画素の強度値をそれぞれ積分し、当該２つの積分値の差を計算し、当該差をＳＴＥＭ像２の対応する各画素の信号強度とする。

【0073】

なお、ここでは、ＢＦ−ＳＴＥＭ像、ＡＢＦ−ＳＴＥＭ像、ＤＰＣ−ＳＴＥＭ像、およびＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を生成する手法について説明したが、本実施形態では積分領域を任意に設定することもできる。したがって、本実施形態によれば、観察や分析の目的に応じて様々な種類のＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0074】

（２）走査透過電子顕微鏡の動作
次に、第１実施形態に係る電子顕微鏡の動作について説明する。ここでは、走査透過電子顕微鏡１００におけるＳＴＥＭ像を生成する動作について説明する。図１０は、第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡１００の動作の一例を示すフローチャートである。

【0075】

まず、ＰＣ４０（処理部）が、ユーザーがＳＴＥＭ像取得開始の指示を行ったか否かを判定する（ステップＳ１００）。ＰＣ４０は、例えば、ユーザーによってＳＴＥＭ像取得開始ボタンや、キーボード、ＧＵＩ等によりＳＴＥＭ像取得開始の操作が行われた場合に、ユーザーがＳＴＥＭ像取得開始の指示を行ったと判定する。このとき、ユーザーは、ＳＴＥＭ像取得開始の指示とともに、ＳＴＥＭ像の種類の選択する指示も行う。以下では、ユーザーが、ＢＦ−ＳＴＥＭ像を選択した場合について説明する。

【0076】

ＳＴＥＭ像取得開始の指示が行われたと判断された場合（ステップＳ１００でＹｅｓの場合）、ＰＣ４０（処理部）は、撮像装置２２で撮像された画像中の透過ディスクの直径を測定し、測定された透過ディスクの直径に基づき積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定する（ステップＳ１０２）。

【0077】

具体的には、ＰＣ４０は、撮像装置２２で撮像された電子回折パターンの画像を取得し、当該画像から透過ディスクの直径を測定する。当該画像は、例えば、試料Ｓの任意の位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像して得られる。透過ディスクの直径は、上述したように、透過ディスクの中心を通る直線に沿った強度プロファイルを取ることで測定してもよいし、Ｈｏｕｇｈ変換を用いて測定してもよい。

【0078】

そして、ＰＣ４０は、測定された透過ディスクの直径に基づいて、積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定する。ＰＣ４０は、記憶部に記憶されている透過ディスクＡに対する積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}の割合の情報（図５に示す例では２０／１００）を読み出して、透過ディスクの直径の測定値に当該割合をかけて、積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}を設定する。このように、走査透過電子顕微鏡１００では、ユーザーがＳＴＥＭ像の種類を選択することで、自動で積分領域を設定できる。

【0079】

次に、ＰＣ４０（処理部）は、電子線の走査によって試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置２２で撮像して得られた複数の画像を取得する（ステップＳ１０４）。

【0080】

具体的には、ＰＣ４０は、電子線で試料Ｓ上が走査されるように走査コイル１３を制御する処理を行う。これにより、電子線が試料Ｓ上で走査され、試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンが、撮像装置２２で撮像される。そして、撮像装置２２で撮像された試料Ｓ上の各位置の電子回折パターンの画像がＰＣ４０に送られる。このようにして、ＰＣ４０は、試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを、撮像装置２２で撮像して得られた複数の画像を取得する。

【0081】

ＰＣ４０（処理部）は、取得した複数の画像の各々について、設定された積分領域Ｉ_{ＢＦ−ＳＴＥＭ}内の各画素の強度値を積分して、試料Ｓ上の各位置の信号強度を求める（ステップＳ１０６）。そして、ＰＣ４０（処理部）は、試料Ｓ上の各位置の信号強度に基づいてＳＴＥＭ像（ＢＦ−ＳＴＥＭ像）を生成する（ステップＳ１０８）。

【0082】

ＰＣ４０は、撮像装置２２が試料Ｓ上の各位置の電子回折パターンを撮像するごとに、設定された積分領域内の各画素の強度値を積分して信号強度を求め、ＳＴＥＭ像に当該信号強度を反映させてもよい。すなわち、電子回折パターンの撮像と、ＳＴＥＭ像の生成とが並行して行われてもよい。また、ＰＣ４０は、撮像装置２２が試料Ｓ上の各位置の電子回折パターンの撮像を行ってＳＴＥＭ像を生成するために必要な画像を全て取得した後に、設定された積分領域内の各画素の強度値を積分して信号強度を求め、ＳＴＥＭ像を生成してもよい。

【0083】

以上の処理により、ＳＴＥＭ像を生成することができる。そして、ＰＣ４０は、得られたＳＴＥＭ像をＰＣ４０の表示部に表示する処理を行う。

【0084】

上記では、ＰＣ４０がＢＦ−ＳＴＥＭ像を生成する例について説明したが、ＡＢＦ−ＳＴＥＭ像、ＤＰＣ−ＳＴＥＭ像、およびＡＤＦ−ＳＴＥＭ像を生成する場合も同様の処理で生成することができる。

【0085】

走査透過電子顕微鏡１００は、例えば、以下の特徴を有する。

【0086】

走査透過電子顕微鏡１００では、ＰＣ４０（処理部）が、電子線の走査によって試料Ｓ上の各位置を透過した電子線で形成された電子回折パターンを撮像装置２２で撮像して得られた複数の画像を取得する処理と、取得された複数の画像の各々について、透過ディス
クの直径に基づき設定された積分領域内の各画素の強度を積分して、試料Ｓ上の各位置の信号強度を求める処理と、試料Ｓ上の各位置の信号強度に基づいてＳＴＥＭ像を生成する処理と、を行う。そのため、走査透過電子顕微鏡１００では、積分領域に応じて、観察や分析の目的に応じた様々な種類のＳＴＥＭ像を生成することができる。したがって、走査透過電子顕微鏡１００では、１つの検出器（撮像装置２２）で、複数種のＳＴＥＭ像を取得することができる。

【0087】

また、走査透過電子顕微鏡１００では、積分領域を任意に設定してＳＴＥＭ像を生成することができるため、ＳＴＥＭ像の作成の自由度が高い。例えば、従来の走査透過電子顕微鏡では、新たな種類のＳＴＥＭ像を得るためには、新たに検出器を準備しなければならなかったが、走査透過電子顕微鏡１００では、積分領域を設定することで、新たな種類のＳＴＥＭ像を得ることができる。

【0088】

また、上記では、ＳＴＥＭ像を生成する処理において、撮像装置２２で撮像された複数の画像の各々に対して１つの積分領域を設定して信号強度を求めることで、１種類のＳＴＥＭ像を生成する例について説明したが、これに限定されない。走査透過電子顕微鏡１００では、撮像装置２２で撮像された複数の画像の各々に対して複数の積分領域を設定して当該積分領域ごとに信号強度を求めることで、複数種のＳＴＥＭ像を同時に生成することができる。

【0089】

具体的には、ＰＣ４０（処理部）は、試料Ｓ上の各位置の信号強度を求める処理において、設定された複数の積分領域の各々について、試料Ｓ上の各位置の信号強度を求める。このとき、信号領域は、画像上において重なる領域であってもよい。例えば、図６に示す積分領域Ｉ_{ＡＢＦ−ＳＴＥＭ}と、図７に示す積分領域Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（＋），Ｉ_{ＤＰＣ−ＳＴＥＭ}（−）とは画像上において重なる領域であるが同時に設定可能である。そして、ＰＣ４０（処理部）は、ＳＴＥＭ像を生成する処理において、複数の積分領域に対応する複数のＳＴＥＭ像を生成する。

【0090】

例えば、従来の走査透過電子顕微鏡では、同時に複数種のＳＴＥＭ像を取得する場合、対応する複数の検出器を準備しなければならず、また、それらの信号受光部分は互いに重なりあってはならなかった。これに対して、走査透過電子顕微鏡１００では、上述したように、１つの検出器（撮像装置２２）で、同時に複数種のＳＴＥＭ像を生成することができる。また、走査透過電子顕微鏡１００では、信号受光部分が重なるようなＳＴＥＭ像の組み合わせであっても同時に生成することが可能である。

【0091】

２． 第２実施形態
２．１． 走査透過電子顕微鏡
次に、第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡について、図面を参照しながら説明する。図１１は、第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡２００を模式的に示す図である。以下、第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡２００において、第１実施形態に係る走査透過電子顕微鏡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、その詳細な説明を省略する。

【0092】

第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡２００は、上述した走査透過電子顕微鏡１００と同様に、ＳＴＥＭ像を生成することができる。走査透過電子顕微鏡２００では、さらに、撮像装置２２で撮像される画像の中心に透過ディスクを位置させる軸合わせを行うことができる。

【0093】

走査透過電子顕微鏡２００は、図１１に示すように、傾斜コイル２０２（第１偏向素子の一例）と、デスキャンコイル２０４と、偏向素子２０６（第２偏向素子の一例）と、を
含んで構成されている。走査透過電子顕微鏡２００では、ＰＣ４０（処理部の一例）が、傾斜コイル２０２および偏向素子２０６を制御して、電子回折パターン中の透過ディスクが撮像装置２２で撮像される画像の中心に位置するように軸合わせを行う処理を行う。

【0094】

傾斜コイル２０２は、電子線を二次元的に偏向させる。傾斜コイル２０２が電子線を偏向させることにより、試料Ｓに入射する電子線の方位角および入射角を変更することができる。傾斜コイル２０２を用いて電子線を偏向させることにより、試料Ｓに入射する電子線の方位角および入射角の少なくとも一方を走査（角度走査）することができる（ビームロッキング）。

【0095】

デスキャンコイル２０４は、試料Ｓを透過した電子を二次元的に偏向させる。デスキャンコイル２０４は、傾斜コイル２０２によって電子線の方位角および入射角が変更されることで走査透過電子顕微鏡２００の光学系の光軸から外れた電子線を、光軸に振り戻すために用いられる。

【0096】

偏向素子２０６は、試料Ｓを透過した電子を二次元的に偏向させる。偏向素子２０６は、撮像装置２２の前段（電子線の流れの上流側）に配置されている。偏向素子２０６で電子線を偏向させることにより、撮像装置２２の検出面上の所望の位置に電子線を入射させることができる。偏向素子２０６は、例えば、電界により電子を偏向させる静電偏向器である。なお、偏向素子２０６は、磁界により電子を偏向させる電磁偏向器であってもよい。

【0097】

ＰＣ４０（処理部）は、例えば、ＳＴＥＭ像を生成するための処理の前に、軸合わせを行うための処理を行う。軸合わせを行うことで、撮像装置２２で撮像される画像の中心に透過ディスクを位置させることができる。

【0098】

２．２． 軸合わせ方法
まず、本実施形態に係る軸合わせ方法について説明する。本実施形態に係る軸合わせ方法は、試料Ｓに入射する電子線の方位角を走査して、互いに異なる方位角で得られた電子回折パターン中の透過ディスクおよび回折ディスクを含む像を撮像装置２２で撮像して、当該像が積算された積算画像を取得する工程と、積算画像から透過ディスクを抽出する工程と、抽出された透過ディスクが撮像装置２２で撮像される画像の中心に位置するように、撮像装置２２に入射する電子線を偏向させる工程と、を含む。

【0099】

図１２および図１３は、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの方位角φを走査している様子を模式的に示す図である。なお、図１３は、光軸ＯＬに沿った方向から見た図である。

【0100】

図１２および図１３に示すように、傾斜コイル２０２によって電子線ＥＢを偏向させることにより、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの入射位置を固定した状態で、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの方位角φを変更する（走査する）ことができる。図示の例では、方位角φを、方位角φ_０、方位角φ_１、方位角φ_２、方位角φ_３、と４回変更している。方位角φ_０＝０°とすると、方位角φ_１＝９０°、方位角φ_２＝１８０°、方位角φ_３＝２７０°であり、方位角φを、９０°間隔で変更している。

【0101】

図示の例では、電子線ＥＢの方位角φを９０°間隔で４回変更しているが、この例に限定されない。例えば、電子線ＥＢの方位角φを４５°間隔で８回変更してもよいし、３０°間隔で１２回変更してもよい。電子線ＥＢの方位角φを変更する回数を多くすることにより、積算画像から透過ディスクを抽出しやすくなる。

【0102】

ここでは、方位角φのみを変更し、試料Ｓに入射する電子線ＥＢの入射角θは一定とす
る。図示の例では、電子線ＥＢの入射位置は、試料Ｓ上の光軸ＯＬと交わる位置である。なお、方位角φに加えて入射角θを走査してもよい。

【0103】

図１４は、光軸ＯＬに沿って電子線を試料Ｓに入射したときの電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像を模式的に示す図である。図１５は、傾斜コイル２０２によって試料Ｓに入射する電子線を傾斜させたときの電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像を模式的に示す図である。

【0104】

なお、図１４および図１５では、試料Ｓは、結晶性を有する試料である。また、図１４では、試料Ｓの晶帯軸が光軸ＯＬに沿うように試料ステージ１６が調整されている。すなわち、図１４では、電子線は、試料Ｓの晶帯軸に沿って試料Ｓに入射している。また、図１５では、電子線は、試料Ｓの晶帯軸に沿って試料Ｓに入射していない。すなわち、電子線は晶帯軸から外れた角度で試料Ｓに入射している。

【0105】

試料Ｓに対して円錐状に収束された電子線が照射されると、対物レンズ１４の後焦点面には、透過波および回折波がディスク状に広がった電子回折パターンが形成される。図１４および図１５に示す電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像には、ディスクＡ、ディスクＢ、ディスクＣ、ディスクＤ、ディスクＥが見られる。ディスクＡは透過波の像（透過ディスク）であり、ディスクＢ、ディスクＣ、ディスクＤ、ディスクＥは回折波の像（回折ディスク）である。図１４では、ディスクＡ、ディスクＢ、ディスクＣ、ディスクＤ、およびディスクＥの強度が、互いに同程度である場合を図示している。

【0106】

透過ディスクの強度は、大抵の場合、回折ディスクの強度よりも大きい。しかし、回折ディスクの強度が、透過ディスクの強度と同程度か、もしくは透過ディスクの強度よりも大きい場合もある。

【0107】

ここで、図１４に示す電子回折パターンが得られた状態から、試料Ｓに入射する電子線を傾斜させると（例えばディスクＣ，Ｄの方位に傾斜させると）、試料Ｓに入射する電子線が晶帯軸から外れるため、図１５に示すように、ディスクＣおよびディスクＤの強度が小さくなる。また、図１４に示す電子回折パターンが得られた状態から、ディスクＢ，Ｅの方位に傾斜させると、図示はしないが、同様に、ディスクＢおよびディスクＥの強度が小さくなる。

【0108】

このように、回折ディスクＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅの強度は、試料Ｓに入射する電子線の方位角φに応じて変化する。

【0109】

一方、透過ディスクＡは、試料Ｓに入射する電子線の方位角φを変化させてもその強度は大きく変化することはなく、回折ディスクＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅに比べて強度の変化は小さい。

【0110】

図１６は、試料Ｓに入射する電子線の方位角φを走査して得られた像を模式的に示す図である。図１６に示す像は、様々な方位角φで得られた電子回折パターンが積算された像（以下「積算画像」ともいう）といえる。

【0111】

電子線の方位角φを走査して得られた像を積算することにより、回折ディスクＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅの強度は透過ディスクＡの強度に対して相対的に減少する。そのため、図１６に示す積算画像では、電子回折パターン中のディスクＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅのうち、透過ディスクＡが、最も大きい強度を有することとなる。

【0112】

図１６に示す積算画像は、電子線の方位角φを走査して、互いに異なる方位角φの電子
回折パターンを撮像装置２２で撮像し、撮像された複数の画像を積算することで取得することができる。また、図１６に示す積算画像は、電子線の方位角φを走査しながら、当該走査を行っている間、撮像装置２２において露光することにより、取得することができる。

【0113】

図１２および図１３に示す例では、傾斜コイル２０２によって方位角φが４方向に変更される（方位角φ＝φ_１，φ_２，φ_３，φ_４）ため、撮像装置２２において４つの像が撮像され、当該４つの像を積算して積算画像が得られる。なお、互いに異なる方位角φで得られた像の積算数を増やすほど、透過ディスクＡの強度は、回折ディスクＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅの強度に対して相対的に大きくなるため、透過ディスクＡを抽出しやすくなる。したがって、像の積算数は多いほうが望ましい。

【0114】

積算画像では、上述したように、積算画像に含まれる複数のディスクのうち最も強度が大きいものが透過ディスクとなる。したがって、積算画像に含まれる複数のディスクから最も強度が大きいディスクを抽出することで、透過ディスクを抽出することができる。

【0115】

図１７は、図１６に示す積算画像を二値化して得られた画像（以下「二値画像」ともいう）である。なお、図１７では、互いに直交する破線の交点が画像の中心を表している。

【0116】

図１６に示す積算画像を、所定の閾値で二値化することにより、積算画像に含まれる複数のディスクから最も強度が大きいディスク、すなわち透過ディスクＡを抽出することができる。ここで、所定の閾値は、例えば、透過ディスクＡに含まれる画素の最小強度と、回折ディスクＢ，Ｃ，Ｄ，Ｅに含まれる画素の最大強度と、の間に設定される。なお、画像の二値化に加えてエッジ検出を併用することでより精度よく透過ディスクＡを抽出することができる。

【0117】

図１７に示す透過ディスクＡが抽出された二値画像において、当該画像の重心Ｏの位置を計算し、重心Ｏの位置から画像の中心に延びるベクトルを計算することで補正ベクトルＶが得られる。この補正ベクトルＶに基づき、偏向素子２０６の電流量を制御して電子線を偏向させる。偏向素子２０６の電流量と電子線の偏向量との関係は、あらかじめ較正しておく。

【0118】

図１８は、補正ベクトルＶに基づき電子線を偏向させて透過ディスクＡを移動させた後の画像である。

【0119】

図１８に示す透過ディスクＡを移動させた後の画像では、重心Ｏは画像の中心に位置していない。これは、図１６に示す透過ディスクＡを移動させる前の画像において、透過ディスクＡの上部が画像からはみ出して、透過ディスクＡの一部が欠けていたためである。しかし、上述した処理を繰り返し行うことで、透過ディスクＡを画像の中心に位置させることができる。

【0120】

（２）走査透過電子顕微鏡の動作
次に、第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡の動作について説明する。ここでは、走査透過電子顕微鏡２００における軸合わせの動作について説明する。図１９は、第２実施形態に係る走査透過電子顕微鏡２００の動作の一例を示すフローチャートである。

【0121】

まず、ＰＣ４０（処理部）が、ユーザーが軸合わせ開始の指示を行ったか否かを判定する（ステップＳ２００）。ＰＣ４０は、例えば、ユーザーによって軸合わせ開始ボタンや、キーボード、ＧＵＩ等により軸合わせ開始の操作が行われた場合に、ユーザーが軸合わせ開始の指示を行ったと判定する。

【0122】

軸合わせ開始の指示が行われたと判断された場合（ステップＳ２００でＹｅｓの場合）、ＰＣ４０（処理部）は試料Ｓに入射する電子線の方位角φが走査されるように、傾斜コイル２０２を制御する処理を行う（ステップＳ２０２）。傾斜コイル２０２によって試料Ｓに入射する電子線の方位角φが変更されるごとに、撮像装置２２で電子回折パターン中の透過ディスクおよび回折ディスクを含む像が撮像される。

【0123】

ＰＣ４０（処理部）は、撮像装置２２で撮像された、互いに異なる方位角φで得られた電子回折パターン中の透過ディスクおよび回折ディスクを含む像を取得し、これらの像を積算して積算画像を取得する（ステップＳ２０４）。

【0124】

次に、ＰＣ４０（処理部）は、積算画像から透過ディスクを抽出する（ステップＳ２０６）。ＰＣ４０は、積算画像に含まれる複数のディスクから最も強度が大きいディスクを抽出する。具体的には、ＰＣ４０は、積算画像を所定の閾値を用いて二値化することにより二値画像を生成して、複数のディスクから最も強度が大きいディスクを抽出する。これにより、積算画像から透過ディスクを抽出することができる。

【0125】

次に、ＰＣ４０（処理部）は、抽出された透過ディスクの位置に基づいて、透過ディスクが撮像装置２２で撮像される画像の中心に位置するように偏向素子２０６を制御する処理を行う（ステップＳ２０８）。

【0126】

ＰＣ４０は、例えば、二値画像の重心Ｏの位置を計算し、重心Ｏの位置から二値画像の中心に延びる補正ベクトルＶを計算する（図１７参照）。そして、当該補正ベクトルＶに基づき偏向素子２０６に供給される電流量を制御する。これにより、撮像装置２２で撮像される画像上における電子回折パターンの位置が移動する。

【0127】

次に、ＰＣ４０（処理部）は、撮像装置２２で撮像された画像上における透過ディスクが画像の中心に位置しているか否かを判定する（ステップＳ２１０）。ＰＣ４０は、例えば、ステップＳ１０８において計算された補正ベクトルＶの大きさが所定値以下の場合に透過ディスクが画像の中心に位置していると判定する。

【0128】

透過ディスクが撮像装置２２で撮像された画像の中心に位置していないと判定された場合（ステップＳ２１０でＮＯの場合）、ＰＣ４０（処理部）は、ステップＳ２０２に戻って、ステップＳ２０２、ステップＳ２０４、ステップＳ２０６、ステップＳ２０８、ステップＳ２１０の処理を行う。ＰＣ４０は、透過ディスクが撮像装置２２で撮像された画像の中心に位置すると判定されるまで、ステップＳ２０２〜ステップＳ２１０の処理を繰り返し行う。

【0129】

透過ディスクが撮像装置２２で撮像された画像の中心に位置していると判定した場合（ステップＳ２１０でＹＥＳの場合）、ＰＣ４０（処理部）は処理を終了する。

【0130】

なお、上記では、撮像装置２２が試料Ｓに入射する電子線の方位角φが変更されるごとに、電子回折パターン中の透過ディスクおよび回折ディスクを含む像を撮像し、ＰＣ４０が、これらの像を積算して積算画像を取得する処理（ステップＳ２０４）を行う場合について説明したが、これに限定されない。例えば、電子線の方位角φの走査が行われている間、撮像装置２２において露光を行うことにより積算画像を撮像し、当該積算画像をＰＣ４０が受け付けることにより、積算画像を取得してもよい。

【0131】

走査透過電子顕微鏡２００では、上述した軸合わせを行った後に、ＳＴＥＭ像を生成する処理が行われる。

【0132】

走査透過電子顕微鏡２００は、例えば、以下の特徴を有する。

【0133】

本実施形態に係る走査透過電子顕微鏡２００では、ＰＣ４０（処理部）は、試料Ｓに入射する電子線の方位角φが走査されるように傾斜コイル２０２を制御する処理と、互いに異なる方位角φで得られた電子回折パターン中の透過波および回折波を含む像が積算された積算画像を取得する処理と、積算画像から透過ディスクを抽出する処理と、抽出された透過ディスクの位置に基づいて、透過ディスクが撮像装置２２で撮像される画像の中心に位置するように、偏向素子２０６を制御する処理と、を行う。そのため、走査透過電子顕微鏡２００では、自動で軸合わせを行うことができる。また、走査透過電子顕微鏡２００では、あらかじめ透過ディスクが画像の中心に位置するように軸合わせを行うことにより、透過ディスクの直径を容易に求めることができる。したがって、走査透過電子顕微鏡２００によれば、容易に、ＳＴＥＭ像を生成することができる。

【0134】

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

【0135】

例えば、上述した第１実施形態では、透過ディスクＡの直径は、図２に示す透過ディスクの中心を通る直線Ｌに沿った強度プロファイルを取ることで測定している例、およびＨｏｕｇｈ変換を用いて測定している例について説明したが、透過ディスクＡの直径の測定方法は、これに限定されない。例えば、図２０に示すように、透過ディスクＡの直径は、透過ディスクＡの中心を通り、互いに方向の異なる複数の直線Ｌに沿った強度プロファイルを取ることで測定することができる。

【0136】

図２１は、図２０に示す透過ディスクＡの中心を通り、互いに方向の異なる複数の直線Ｌに沿った強度プロファイルを積算した結果を示すグラフである。図２２は、図２１に示す積算された強度プロファイルを平滑化した結果を示すグラフである。図２３は、図２２に示す平滑化された強度プロファイルを微分した結果を示すグラフである。

【0137】

まず、図２０に示すように、互いに方向の異なる複数の直線Ｌに沿った複数の強度プロファイルを取得する。次に、取得した複数の強度プロファイルを積算する。この結果、図２１に示す強度プロファイルが得られる。

【0138】

次に、図２１に示す積算された強度プロファイルに対して平滑化処理を行う。この結果、図２２に示す強度プロファイルが得られる。

【0139】

次に、図２２に示す平滑化された強度プロファイルを微分する。図２３に示すように、強度プロファイルを微分したものでは、透過ディスクＡのエッジ部分に信号強度が大きい箇所が現れる。そのため、透過ディスクＡのエッジを検出することができ、透過ディスクの直径を求めることができる。

【0140】

本変形例によれば、透過ディスクＡの直径を測定する際に、互いに方向の異なる複数の直線Ｌに沿った複数の強度プロファイルを取得するため、より精度よく透過ディスクＡの直径を求めることができる。また、本変形例によれば、積算された強度プロファイルを平滑化処理するため、透過ディスクＡのエッジの検出精度を高めることができる。

【0141】

なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。

【0142】

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。

【符号の説明】

【0143】

１０…電子源、１２…収束レンズ、１３…走査コイル、１４…対物レンズ、１６…試料ステージ、１７…試料ホルダー、１８…中間レンズ、２０…投影レンズ、２２…撮像装置、３０…制御部、１００…走査透過電子顕微鏡、２００…走査透過電子顕微鏡、２０２…傾斜コイル、２０４…デスキャンコイル、２０６…偏向素子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】