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JP4150568B2 - electronic microscope - Google Patents

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JP4150568B2
JP4150568B2 JP2002291317A JP2002291317A JP4150568B2 JP 4150568 B2 JP4150568 B2 JP 4150568B2 JP 2002291317 A JP2002291317 A JP 2002291317A JP 2002291317 A JP2002291317 A JP 2002291317A JP 4150568 B2 JP4150568 B2 JP 4150568B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エネルギーアナライザを備え、エネルギー分析及び暗視野像を同時に観察できる走査透過型の電子顕微鏡に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、電子ビームのエネルギーを分析するエネルギーアナライザを搭載した透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope:TEM)が提供されている(例えば、特許文献1参照)。
【0003】
【特許文献1】
特開2000−133195
【0004】
このような電子顕微鏡は、主として次の3つの用途に使用されている。第1は、エネルギーアナライザを用いて試料の電子エネルギー損失分光法(electron energy loss spectroscopy:EELS)によるエネルギースペクトルを取得することである。第2は、電子ビームで試料を走査した顕微鏡像を観察する走査透過型電子顕微鏡(scanning transmission electron microscope:STEM)方式である。この方式を用いる場合には、試料を走査する細く絞った電子ビームの各位置について取得したEELSによるスペクトルをメモリに記憶させておく。試料を走査した後で、メモリに記憶したデータを用いて特定のエネルギーによる顕微鏡像を形成する。これは、スペクトルイメージング法と称される。第3に、直接写像の透過型電子顕微鏡(transmission electron microscope:TEM)方式である。この方式の場合には、エネルギーアナライザで選択した所望のエネルギーを有する電子ビームによって顕微鏡像を形成する。
【0005】
スペクトルイメージング法によって顕微鏡像を形成するには、入射窓面には、通常は試料による回折像が形成される。これは、入射窓面に試料の顕微鏡像を形成するとこの像は電子ビームの走査に応じて動くのに対し、試料の回折像は電子ビームの走査に関わらず静止しているため、取り扱いが容易だからである。このような静止した回折像において、対物絞りにより所望の回折スポットを選択することができる。
【0006】
エネルギーアナライザにおいて、電子ビームは、入射窓面に対応する出射窓面においてエネルギーに応じて分散する。したがって、この出射窓面にスリットを設置することによって所望のエネルギーを有する電子ビームを選択することができる。また、EELSによるスペクトルを観測する場合は、後段の光学系は、入射像面を記録観察装置に拡大投影する。電子ビームのエネルギー分解能を高めるには、入射窓面と入射像面における電子ビームの径をできるだけ小さくすることが必要である。
一方、従来、試料から大きな角度で回折された電子ビームを結像する高角度暗視野像(high angle annular dark field:HAADF)が利用されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0007】
【非特許文献1】
“Artificial bright spots in atomic-resolution high-angle annular dark field STEM images,” T. Yamazaki, M. Kawasaki, K. Watanabe, I. Hashimoto, M. Shiojiri, Journal of Electron Microscopy 50(6) 517-521 (2001)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
図8は、アニュラ検出器を備えるエネルギーフィルタの構成を示す図である。このエネルギーフィルタは、光軸L0に沿って、入射窓面111と入射像面112の間に、電子ビームを透過させるように中央に孔のあいたアニュラ検出器121を配置し、EELSによるスペクトルの取得と同時に大きな角度で回折された電子ビームをアニュラ検出器121で検出する。
【0009】
図示したエネルギーアナライザにおいては、試料から大きな角度で回折された電子ビームをアニュラ検出器121によって検出する必要があるので、対物絞りを入れることができない。入射窓面に形成される試料の回折像は、試料で回折された電子ビームの角度によるため、対物絞りがないと径が大きくなる。
【0010】
図9は、電子ビームの放出角度と入射窓面における電子ビームの径を説明する図である。
【0011】
例えば、アニュラ検出器で検出する回折した電子ビームの放出角度θ11を170mradとすると、入射窓面111における電子ビームの径D11を1μm程度に縮小することができる。この状態で、エネルギーフィルタを1eV以下のエネルギー分解能で使用することは可能である。なお、図中の黒点は、回折スポットである。
【0012】
図10は、エネルギーアナライザの出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状を示す図である。
【0013】
図10(a)及び図10(b)は、入射窓面における電子ビームの径が0.9μm、入射像面における電子ビームの径が9μmの場合の出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状をそれぞれ示す図である。なお、図10(b)におけるスポットは、200倍に拡大したものである。
【0014】
図10(a)に示す出射窓面において、右側の電子ビームは200kVのエネルギーで入射したエネルギー損失のないものであり、左側の電子ビームは1eVだけエネルギーを損失したものである。図からわかるように、両ビームは充分に離れており、1eV以下のエネルギー分解能のエネルギースペクトルを得ることができると推定される。このように、EELSによるスペクトル、並びにそれを用いたスペクトルイメージングを観察する上で何ら問題がない。
【0015】
図11は、入射窓面における電子ビームの径を説明する図である。
【0016】
電子ビームは、放出角度θ11として170mradを有するもので、電子ビームの径D11を0.9μmまで縮小投影している。ここで、入射窓面111の後段に配置されるアニュラ検出器121の寸法が問題になる。すなわち、10mrad程度の半角θ12を有する電子ビームをアニュラ検出器121の内孔を透過させてエネルギーアナライザに入射させる場合、アニュラ検出器121の内孔の径D12には0.9μm×(10/170)=53nmが必要である。一方、アニュラ検出器121の外径はいくらでもよいが、測定する電子ビームは、光軸L0を中心として径1μm程度に集中している。現代のナノテクノロジーによれば、このように内径53nm、外径1μm程度の検出部を有するアニュラ検出器121を製作することは不可能ではないが、製造の容易さやコストを考慮すると現実性に乏しい。
【0017】
このように、エネルギーアナライザを備えた走査透過型電子顕微鏡において、エネルギー分析及び暗視野像を同時に観察するには、エネルギー分解能を確保するためにエネルギーアナライザの入射窓面において電子ビームを細く絞るとともに回折光を選択する必要があった。
【0018】
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、エネルギーアナライザを備える走査透過型の電子顕微鏡であって、アニュラ検出器を備えるものを提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明に係る電子顕微鏡は、試料を電子ビームで走査して透過像を観察するものであって、試料を走査した電子ビームをエネルギーについて分析するエネルギーアナライザと、電子ビームの進行方向について前記エネルギーアナライザの前段に配置され、前記試料で大きな角度散乱された電子ビームを検出するアニュラ検出器と、を有し、前記エネルギーアナライザの入射窓面に前記試料の小さい口径の回折像を投影し、前記エネルギーアナライザで分析した電子ビームを用いてスペクトル又は顕微鏡像を作成する。
【0020】
好ましくは、前記口径は、0.01μmから10μmの範囲にある。
【0021】
好ましくは、前記アニュラ検出器と前記入射窓面の距離は、前記入射窓面と前記入射像面の距離の半分以上である。
【0022】
好ましくは、電子ビームに沿って、前記アニュラ検出器及び前記エネルギーアナライザ間に、電子ビームの入射角又は径を制限する絞りを配置する。
【0023】
好ましくは、前記絞りの口径は、1μmから10μmの範囲にある。
【0024】
好ましくは、前記試料を走査し、前記エネルギーアナライザによって分析したスペクトルを前記試料における位置ごとにメモリに記憶し、前記メモリに記憶したスペクトルを信号処理してスペクトルを得る。
【0025】
好ましくは、本発明に係る電子顕微鏡は、試料を電子ビームで走査して透過像を観察する電子顕微鏡において、試料を走査した電子ビームをエネルギーについて分析するエネルギーアナライザと、前記エネルギーアナライザの入射像面の近傍に配置され、前記試料で大きな角度散乱された電子ビームを検出するアニュラ検出器と、を有し、前記エネルギーアナライザの入射窓面に前記試料の小さい口径の顕微鏡像を投影し、前記エネルギーアナライザで分析した電子ビームを用いてスペクトル又は顕微鏡像を作成する。
【0026】
好ましくは、前記口径は、0.01μmから10μmの範囲にある。
【0027】
好ましくは、電子ビームに沿って、前記エネルギーアナライザにおける入射像面の近傍に、電子ビームの入射角又は径を制限する絞りを配置する。
【0028】
好ましくは、前記絞りの口径は、1μmから10μmの範囲にある。
【0029】
好ましくは、前記試料を走査し、前記エネルギーアナライザによって分析したスペクトルを前記試料における位置ごとにメモリに記憶し、前記メモリに記憶したスペクトルを信号処理してスペクトルを得る。
【0030】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る電子顕微鏡の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、アニュラ検出器により高角度暗視野像(high angle annular dark field:HAADF)も同時に観察する、エネルギーフィルタを備えた走査透過型電子顕微鏡(scanning transmission electron microscope:STEM)を想定している。
【0031】
図1は、本実施の形態の電子顕微鏡の概略的な構成を示す図である。
【0032】
この電子顕微鏡10は、光軸L0に沿って電子ビームが進行する方向に、電子銃11と、陽極12と、集束レンズ13と、走査コイル14と、対物及び中間レンズ15と、開口16と、エネルギーアナライザ17と、スリット18と、投影レンズ19と、記録観察装置20とを有する。対物及び中間レンズ15は、対物レンズ15aと中間レンズ15bとからなる。なお、図中に電子ビームの軌跡Lを示している。
【0033】
また、電子顕微鏡10は、電子ビームの光軸L0に沿った所定位置(後述)に図示しないアニュラ検出器を有する。電子顕微鏡10においては、エネルギーアナライザ17によって選択された特定のエネルギーの電子ビームによる顕微鏡像を観察すると同時に、アニュラ検出器を用いて高角度暗視野像(HAADF)を観察することができる。
【0034】
本実施の形態では、電子銃11には電界放出型電子銃(field emission gun:FEG)を用いる。エネルギーアナライザ17には、オメガフィルタを用いる。
【0035】
図2は、オメガフィルタによるエネルギーアナライザを示す図である。
【0036】
オメガフィルタは、第1乃至第4の磁極17a,17b,17c,17dを有し、これら第1乃至第4の磁極17a〜17dは巻回されたコイルにより磁場を生成し、電子ビームを対称線Aについて対称にΩ状の軌跡Lを描くように偏向する。電子ビームの軌跡Lが複数あるのは、電子ビームのエネルギーによって描く軌跡Lが異なるからである。
【0037】
図中には、オメガフィルタに入射する電子ビームがクロスオーバを結ぶ入射窓面111、記録観察装置20の物面に共役な入射側の物面である入射像面112、エネルギーの異なる電子ビームが同じ位置に結像され、アクロマティック像面とも称される出射像面113、及びエネルギー分散面とも称され、この面にスリット18が配置される出射窓面114の位置がそれぞれ示されている。
【0038】
これら入射窓面111、入射像面112、出射像面113及び出射窓面114の位置は、エネルギーアナライザ17を備える電子顕微鏡10の基本的な光学的位置として重要である。これらの位置は、エネルギーアナライザ17の結像歪みを最小とし、エネルギーアナライザ17を備えない通常の電子顕微鏡と同様の顕微鏡像の観察機能を確保するため、エネルギーアナライザ17の設計において厳密に定められる。
【0039】
本実施の形態ではエネルギーアナライザ17にオメガフィルタを用いたが、これ以外に、アルファフィルタ、ガンマフィルタ、マンドリンフィルタ、ウィーンフィルタ等の他のエネルギーフィルタを用いることもできる。なお、前述の入射窓面、入射像面、出射像面及び出射窓面の位置は、オメガフィルタに限らす、どのようなエネルギーフィルタにおいても定義される。
【0040】
本実施の形態では、記録観察装置20には、CCDカメラを用いるが、記録フィルム、イメージングプレート等を用いることもできる。
【0041】
電子銃11から出射された電子ビームは、電子銃11と陽極12の間の電位差によって加速され、集束レンズ13によって試料101上に細い電子ビームとして収束される。その際、走査コイル14によって、試料101上において収束される位置を走査される。試料101を走査した電子ビームは、対物及び中間レンズ15によって収束され、開口16を介してエネルギーアナライザ17の入射窓面に収束される。エネルギーアナライザ17を通過した電子ビームは、出射窓面に配置されたスリット18によって特定のエネルギーを有する電子ビームのみが選択され、投影レンズ119によって記録観察装置20に投影される。
【0042】
本実施の形態では、前記構成の電子顕微鏡により、エネルギーアナライザ17の入射窓面において電子ビームを細く絞ることによりエネルギー分解能を確保するとともに、回折光を選択して暗視野像を得ることができる。
【0043】
図3は、第1の実施の形態を示す図である。
【0044】
第1の実施の形態においては、200kVにおいて1.2μm/eVのエネルギー分散を有するオメガフィルタをエネルギーアナライザ17として用い、1eVのエネルギー分解能を想定する。
【0045】
図4は、第1の実施の形態の参考例として出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状を示す図である。
【0046】
図4(a)及び図4(b)は、入射窓面における電子ビームの径が2.0μm、入射像面における電子ビームの径が2.5μmの場合の出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状をそれぞれ示す図である。なお、図4(b)におけるスポットは、200倍に拡大したものである。
【0047】
図4(a)に示す出射窓面において、右側の電子ビームは200kVのエネルギーで入射したエネルギー損失のないものであり、左側の電子ビームは1eVだけエネルギーを損失したものであるが、これらは重なり合っている。このため、1eVの分解能を得るためには、右側と左側の電子ビームが重なり合わないように、電子ビームの径は1μm以下であることが必要であると思われる。このとき、電子ビームの径(1μm)は、分散の値(1.2μm/eV)の5/6倍である。
【0048】
第1の実施の形態においては、光軸L0に沿って電子ビームの進行方向について、入射窓面111の前段に、中心部に径1μmの内孔21aを有するアニュラ検出器21を配置する。光軸L0に沿って、アニュラ検出器21と入射窓面111の距離D1は、入射窓面111と入射像面112の距離D2の半分以上とする。このような構成によると、アニュラ検出器21の内孔21aが、入射窓面111において電子ビームの径を決める絞りとして働く。
【0049】
なお、エネルギーアナライザ17としてオメガフィルタ以外のものを用いる場合には、電子ビームの幅が1μm以下であるという制限も異なるものとなる。エネルギーアナライザの分散の大きさは色々あり、マンドリンフィルタでは例えば6μm/eV、S字フィルタでは例えば10μm/eVである。したがって、1eVの分解能を得るためには、マンドリンフィルタでは電子ビームの径は5μm以下であることが必要と思われ、S字フィルタでは8.3μm以下であることが必要と思われる。ここで、余裕度を考慮し、前述のオメガフィルタの場合と同様に分散を値を5/6倍して電子ビームの径を得た。
【0050】
また、エネルギーフィルタ17に本実施の形態の1.2μm/eVの分散を有するオメガフィルタを用い、10eVの分解能を必要とする場合、電子ビームの径は10μm以下であることが必要と思われ、絞りとして働くアニュラ検出器21の内孔の径は、1eVの分解能を必要とする場合と比べて10倍にすることができる。
【0051】
図5は、第2の実施の形態を示す図である。
【0052】
第2の実施の形態においては、中間レンズ15bから入射した電子ビームによって、入射窓面111に試料101の顕微鏡像を形成し、入射像面112に試料の回折像を形成する。そして、電子ビームの光軸L0に沿って入射像面112の近傍にアニュラ検出器21を配置する。本実施の形態によると、試料101の所望の1点におけるEELSによるスペクトルを取得することができる。
【0053】
入射像面112に形成される回折像は、電子ビームが試料101面に対し垂直に入射しているために、走査コイル16によって電子ビームを試料101面上で二次元走査させても動かない。アニュラ検出器21は、走査に伴って生じる試料101の情報を持つこの回折像を検出して、高角度暗視野像(HAADF)を取得するのが目的であるので、その位置はできるだけ回折像が形成されている入射像面112かその近傍が望ましい。
【0054】
図6は、第2の実施の形態の参考例として出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状を示す図である。
【0055】
図6(a)及び図6(b)は、入射窓面における電子ビームの径が0.1μm、入射像面における電子ビームの径が20.0μmの場合の出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状をそれぞれ示す図である。なお、図6(a)の電子ビームは10倍に拡大したものであり、図6(b)におけるスポットは200倍に拡大したものである。
【0056】
図6(a)に示す出射窓面において、右側の電子ビームは200kVのエネルギーで入射したエネルギー損失のないのであり、左側の電子ビームは1eVだけエネルギーを損失したものである。
【0057】
入射窓面111に試料101の顕微鏡像を形成した場合に、入射像面112には試料101の回折像が形成される。この試料の回折像の径は、かなり大きく取ることができる。
【0058】
例えば、対物レンズ15aの焦点距離fo=2.3mm、対物レンズ15aの主面と対物レンズ15aによって作られる像の間の距離b=192.3mmとする。いま、試料101上に照射する電子ビームの半径ro=1nm、そのときの電子ビームの収束半角を30mradとする。ただし、問題とするのは、試料101より放出角度ro´=170mradの半角で散乱された電子ビームである。
【0059】
対物レンズ15aの倍率Mo=1−(b/fo)=86.2、対物レンズ15aを出た後の電子ビームの傾斜角ri´=ro/fo+ro´/Mo=2.06mradとなるので、対物レンズ15aの焦点面に形成される回折像のro´=170mradに対する大きさは、rD=(b−fo)tan(ri´)=0.4mmとなる。
【0060】
この回折像をエネルギーアナライザ17の入射像面112にカメラ長Lc=20mmで投影したとすると、その間の倍率Md=Lc/fo=8.7、したがって、入射像面112上の放出角度ro´=170mradに対応する電子ビームの半径はrfi=rD×Md=3.4mm(径6.8mm)となる。
【0061】
いま、アニュラ検出器21がエネルギーアナライザ17の入射窓面111と入射像面112の間にあるとすると、アニュラ検出器21上においてはこれより小さい径となる。このように、径が数mm程度のアニュラ検出器21は、製造の容易さやコストの観点から充分に現実的である。
【0062】
次に、入射窓面111における電子ビームの径を求める。対物レンズ15a後段であってエネルギーアナライザ17の前段にある中間レンズ15bの倍率をMi、入射窓面111と入射像面112の距離をL1=95mmとしたとき倍率Miの大きさは、次の式によって求められる。Md×Mi=(b−fo)/L1=0.52。今の場合、Mi=0.52/8.7=0.06である。したがって、入射窓面111上の電子ビームの半径はrfd=ro×Mo×Mi=1×82.6×0.05=5nm(径0.01μm)となる。これは、充分に小さな値であり、エネルギーが1eVだけ異なる電子ビームは充分に離れており、エネルギー分解能は0.5eVより高い。電子ビームの形状は分散と直角方向にほとんどふくらみを持たず、図にした場合良く見えないので、図6(a)では、電子ビームの径0.1μmと10倍にして示した。このように、電子ビームを1点に固定してEELSによるスペクトルを測定する場合には、入射窓面111に試料101の顕微鏡像を投影すれば充分なエネルギー分解能を持つ像を得ることができる。
【0063】
図7は、第3の実施の形態を説明する図である。図7(a)は記録観察装置20におけるピクセルを示す図であり、図7(b)は各ピクセルにおいて検出したスペクトルを示す図であり、図7(c)はピクセルについて位置を調整したスペクトルを示す図である。記録観察装置は、検出の単位となるピクセルが二次元状に配置されている。
【0064】
第3の実施の形態は、第2の実施の形態と同様の構成であるが、記録観察装置20において検出した試料101の回折像を処理する方法が異なる。すなわち、第2の実施の形態と同様に入射窓面111及び入射像面112にそれぞれ試料101の顕微鏡像及び回折像を形成するが、記録観察装置20において検出した回折像を信号処理する。
【0065】
第3の実施の形態においては、走査コイル16により試料101を走査した電子ビームの各位置でのEELSによるスペクトルを積算せずに、それぞれをメモリに保存する。図7(a)に示す記録観測装置20において、各ピクセルp1、p2,p3,p4・・・について検出したスペクトルをメモリに保存する。
【0066】
本実施の形態では、エネルギーアナライザ17を用いて各ピクセルp1,p2‥について電子ビームのエネルギーを変化させ電子ビームの強度を測定することで、図7(b)に示すように各ピクセルp1,p2‥についてEELSによるスペクトルを検出している。試料101を走査する電子ビームの位置の移動に応じて、アニュラ検出器21上での電子ビームも移動し、スペクトルの視点の位置もこれに伴って移動している。このため、図中では位置に応じて横軸の視点の位置をずらしてある。
【0067】
検出したスペクトルs1,s2‥は、試料101を走査したそれぞれの位置について分解能の高いものが得られる。なお、図中のスペクトルs1,s2‥の横軸は例えばエネルギー又は波長であり、縦軸は例えば強度である。
【0068】
これらの各ピクセルp1,p2‥におけるスペクトルs1,s2‥をメモリに格納した後に、図7(c)に示すように、この位置を修正する。すなわち、試料101における電子ビームの走査によるスペクトルの位置のずれを戻すように位置を修正する。その後にスペクトルを重ね合わせれば、高い分解能を維持したままスペクトルの積算を行うことができる。
【0069】
なお、前述の実施の形態は、本発明の具体例を示すものであり、本発明がこれに限定されない。本発明を逸脱しない範囲で、種々の態様で実施することができる。
【0070】
【発明の効果】
前述のように、本発明は、エネルギーアナライザを備える走査透過型の電子顕微鏡であって、アニュラ検出器を備えるものを提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態の電子顕微鏡の概略的な構成を示す図である。
【図2】オメガフィルタによるエネルギーアナライザを示す図である。
【図3】第1の実施の形態を示す図である。
【図4】第1の実施の形態の参考例を示す図である。
【図5】第2の実施の形態を示す図である。
【図6】第2の実施の形態の参考例を示す図である。
【図7】第3の実施の形態を説明する図である。
【図8】アニュラ検出器を備えるエネルギーフィルタの構成を示す図である。
【図9】電子ビームの放出角度と入射窓面における電子ビームの径を説明する図である。
【図10】エネルギーアナライザの出射窓面及び出射像面における電子ビームの形状を示す図である。
【図11】入射窓面における電子ビームの径を説明する図である。
【符号の説明】
10 電子顕微鏡
11 電子銃
12 陽極
13 集束レンズ
14 走査コイル
15 対物及び中間レンズ
16 開口
17 エネルギーアナライザ
18 スリット
19 投影レンズ
20 記録観察装置
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a scanning transmission electron microscope that includes an energy analyzer and can simultaneously observe an energy analysis and a dark field image.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, a transmission electron microscope (TEM) equipped with an energy analyzer that analyzes the energy of an electron beam has been provided (see, for example, Patent Document 1).
[0003]
[Patent Document 1]
JP 2000-133195 A
[0004]
Such an electron microscope is mainly used for the following three applications. The first is to obtain an energy spectrum of the sample by electron energy loss spectroscopy (EELS) using an energy analyzer. The second is a scanning transmission electron microscope (STEM) system that observes a microscope image obtained by scanning a sample with an electron beam. When this method is used, a spectrum by EELS acquired for each position of a finely focused electron beam for scanning the sample is stored in a memory. After scanning the sample, a microscopic image with a specific energy is formed using data stored in the memory. This is called a spectral imaging method. Third, there is a direct mapping transmission electron microscope (TEM) system. In the case of this method, a microscopic image is formed by an electron beam having a desired energy selected by an energy analyzer.
[0005]
In order to form a microscopic image by the spectral imaging method, a diffraction image by a sample is usually formed on the entrance window surface. This is because when a microscopic image of the sample is formed on the entrance window surface, this image moves in response to the scanning of the electron beam, whereas the diffraction image of the sample is stationary regardless of the scanning of the electron beam, so it is easy to handle. That's why. In such a stationary diffraction image, a desired diffraction spot can be selected by the objective aperture.
[0006]
In the energy analyzer, the electron beam is dispersed according to energy on the exit window surface corresponding to the entrance window surface. Therefore, an electron beam having a desired energy can be selected by providing a slit on the exit window surface. Further, when observing a spectrum by EELS, the optical system at the subsequent stage magnifies and projects the incident image plane onto the recording observation apparatus. In order to increase the energy resolution of the electron beam, it is necessary to reduce the diameter of the electron beam on the entrance window surface and the entrance image plane as much as possible.
On the other hand, conventionally, a high angle annular dark field (HAADF) that forms an electron beam diffracted at a large angle from a sample has been used (for example, see Non-Patent Document 1).
[0007]
[Non-Patent Document 1]
“Artificial bright spots in atomic-resolution high-angle annular dark field STEM images,” T. Yamazaki, M. Kawasaki, K. Watanabe, I. Hashimoto, M. Shiojiri, Journal of Electron Microscopy 50 (6) 517-521 ( 2001)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an energy filter including an annular detector. In this energy filter, an annular detector 121 having a hole in the center so as to transmit an electron beam is disposed between the incident window surface 111 and the incident image surface 112 along the optical axis L0, and a spectrum is acquired by EELS. At the same time, the electron beam diffracted at a large angle is detected by the annular detector 121.
[0009]
In the illustrated energy analyzer, an electron beam diffracted from a sample at a large angle needs to be detected by the annular detector 121, so that the objective aperture cannot be inserted. Since the diffraction image of the sample formed on the entrance window surface depends on the angle of the electron beam diffracted by the sample, the diameter increases without an objective aperture.
[0010]
FIG. 9 is a diagram for explaining the electron beam emission angle and the electron beam diameter at the entrance window surface.
[0011]
For example, if the emission angle θ11 of the diffracted electron beam detected by the annular detector is 170 mrad, the electron beam diameter D11 at the entrance window surface 111 can be reduced to about 1 μm. In this state, the energy filter can be used with an energy resolution of 1 eV or less. Note that black spots in the figure are diffraction spots.
[0012]
FIG. 10 is a diagram showing the shape of the electron beam on the exit window surface and the exit image plane of the energy analyzer.
[0013]
10 (a) and 10 (b) show the electron beam diameter on the exit window surface and the exit image surface when the electron beam diameter on the entrance window surface is 0.9 μm and the electron beam diameter on the entrance image surface is 9 μm. It is a figure which shows each shape. In addition, the spot in FIG.10 (b) is expanded 200 times.
[0014]
In the exit window shown in FIG. 10 (a), the right electron beam has no energy loss incident at an energy of 200 kV, and the left electron beam has lost energy by 1 eV. As can be seen from the figure, the two beams are sufficiently separated, and it is estimated that an energy spectrum with an energy resolution of 1 eV or less can be obtained. Thus, there is no problem in observing the spectrum by EELS and spectrum imaging using the spectrum.
[0015]
FIG. 11 is a diagram for explaining the diameter of the electron beam on the incident window surface.
[0016]
The electron beam has an emission angle θ11 of 170 mrad, and the electron beam diameter D11 is reduced and projected to 0.9 μm. Here, the size of the annular detector 121 arranged at the subsequent stage of the entrance window surface 111 becomes a problem. That is, when an electron beam having a half angle θ12 of about 10 mrad is transmitted through the inner hole of the annular detector 121 and is incident on the energy analyzer, the diameter D12 of the inner hole of the annular detector 121 is 0.9 μm × (10/170 ) = 53 nm is required. On the other hand, the annular detector 121 may have any outer diameter, but the electron beam to be measured is concentrated to about 1 μm in diameter around the optical axis L0. According to modern nanotechnology, it is not impossible to manufacture an annular detector 121 having a detector having an inner diameter of 53 nm and an outer diameter of about 1 μm as described above, but it is not realistic in view of ease of manufacturing and cost. .
[0017]
In this way, in a scanning transmission electron microscope equipped with an energy analyzer, in order to observe energy analysis and dark field images simultaneously, the electron beam is narrowed down and diffracted at the entrance window surface of the energy analyzer to ensure energy resolution. There was a need to choose light.
[0018]
The present invention has been proposed in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a scanning transmission electron microscope including an energy analyzer and including an annular detector.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, an electron microscope according to the present invention is an apparatus for observing a transmission image by scanning a sample with an electron beam, an energy analyzer for analyzing the electron beam scanned on the sample for energy, An annular detector that is arranged in front of the energy analyzer in the traveling direction of the electron beam and detects an electron beam scattered at a large angle by the sample, and has a small aperture of the sample on the incident window surface of the energy analyzer. A spectrum or a microscope image is created using the electron beam analyzed by the energy analyzer.
[0020]
Preferably, the aperture is in the range of 0.01 μm to 10 μm.
[0021]
Preferably, the distance between the annular detector and the incident window surface is at least half of the distance between the incident window surface and the incident image surface.
[0022]
Preferably, a diaphragm for limiting an incident angle or diameter of the electron beam is disposed between the annular detector and the energy analyzer along the electron beam.
[0023]
Preferably, the aperture of the diaphragm is in the range of 1 μm to 10 μm.
[0024]
Preferably, the sample is scanned, a spectrum analyzed by the energy analyzer is stored in a memory for each position in the sample, and the spectrum stored in the memory is signal-processed to obtain a spectrum.
[0025]
Preferably, the electron microscope according to the present invention is an electron microscope that scans a sample with an electron beam and observes a transmission image, an energy analyzer that analyzes the electron beam scanned on the sample for energy, and an incident image plane of the energy analyzer. An annular detector for detecting an electron beam scattered at a large angle by the sample, and projecting a microscopic image of the sample with a small aperture on the entrance window surface of the energy analyzer, A spectrum or microscopic image is created using the electron beam analyzed by the analyzer.
[0026]
Preferably, the aperture is in the range of 0.01 μm to 10 μm.
[0027]
Preferably, a diaphragm for limiting the incident angle or diameter of the electron beam is disposed in the vicinity of the incident image plane in the energy analyzer along the electron beam.
[0028]
Preferably, the aperture of the diaphragm is in the range of 1 μm to 10 μm.
[0029]
Preferably, the sample is scanned, a spectrum analyzed by the energy analyzer is stored in a memory for each position in the sample, and the spectrum stored in the memory is signal-processed to obtain a spectrum.
[0030]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of an electron microscope according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. This embodiment assumes a scanning transmission electron microscope (STEM) equipped with an energy filter that simultaneously observes a high angle annular dark field (HAADF) using an annular detector. ing.
[0031]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electron microscope according to the present embodiment.
[0032]
The electron microscope 10 includes an electron gun 11, an anode 12, a focusing lens 13, a scanning coil 14, an objective and intermediate lens 15, an aperture 16, and a direction in which an electron beam travels along the optical axis L0. An energy analyzer 17, a slit 18, a projection lens 19, and a recording observation device 20 are included. The objective and intermediate lens 15 includes an objective lens 15a and an intermediate lens 15b. Note that the locus L of the electron beam is shown in the figure.
[0033]
The electron microscope 10 has an annular detector (not shown) at a predetermined position (described later) along the optical axis L0 of the electron beam. In the electron microscope 10, a high-angle dark field image (HAADF) can be observed using an annular detector at the same time as observing a microscopic image of an electron beam having a specific energy selected by the energy analyzer 17.
[0034]
In the present embodiment, a field emission gun (FEG) is used as the electron gun 11. The energy analyzer 17 uses an omega filter.
[0035]
FIG. 2 is a diagram showing an energy analyzer using an omega filter.
[0036]
The omega filter has first to fourth magnetic poles 17a, 17b, 17c, and 17d. The first to fourth magnetic poles 17a to 17d generate a magnetic field by a wound coil, and the electron beam is symmetric. Deflection is performed so as to draw an Ω-shaped locus L symmetrically with respect to A. There are a plurality of electron beam trajectories L because the trajectory L drawn depends on the energy of the electron beam.
[0037]
In the figure, an incident window surface 111 where an electron beam incident on the omega filter crosses over, an incident image surface 112 which is an object surface conjugate to the object surface of the recording and observation apparatus 20, and electron beams having different energies. The positions of the exit image plane 113 that is imaged at the same position and also referred to as an achromatic image plane, and also referred to as an energy dispersion plane, and the exit window plane 114 on which the slit 18 is disposed are shown.
[0038]
The positions of the entrance window surface 111, the entrance image surface 112, the exit image surface 113, and the exit window surface 114 are important as basic optical positions of the electron microscope 10 including the energy analyzer 17. These positions are strictly determined in the design of the energy analyzer 17 in order to minimize the imaging distortion of the energy analyzer 17 and to ensure the same microscopic image observation function as a normal electron microscope without the energy analyzer 17.
[0039]
In the present embodiment, an omega filter is used for the energy analyzer 17, but other energy filters such as an alpha filter, a gamma filter, a mandolin filter, and a Wien filter can also be used. Note that the positions of the entrance window surface, the entrance image surface, the exit image surface, and the exit window surface are defined in any energy filter, not limited to the omega filter.
[0040]
In the present embodiment, a CCD camera is used as the recording observation device 20, but a recording film, an imaging plate, or the like can also be used.
[0041]
The electron beam emitted from the electron gun 11 is accelerated by a potential difference between the electron gun 11 and the anode 12 and is converged as a thin electron beam on the sample 101 by the focusing lens 13. At that time, the scanning coil 14 scans the position converged on the sample 101. The electron beam scanned on the sample 101 is converged by the objective and the intermediate lens 15 and converged on the incident window surface of the energy analyzer 17 through the opening 16. Of the electron beams that have passed through the energy analyzer 17, only an electron beam having a specific energy is selected by the slit 18 disposed on the exit window surface, and is projected onto the recording observation apparatus 20 by the projection lens 119.
[0042]
In the present embodiment, the electron microscope having the above-described configuration can ensure energy resolution by narrowing the electron beam on the entrance window surface of the energy analyzer 17 and obtain a dark field image by selecting diffracted light.
[0043]
FIG. 3 is a diagram illustrating the first embodiment.
[0044]
In the first embodiment, an energy resolution of 1 eV is assumed using an omega filter having an energy dispersion of 1.2 μm / eV at 200 kV as the energy analyzer 17.
[0045]
FIG. 4 is a diagram showing the shape of the electron beam on the exit window surface and the exit image plane as a reference example of the first embodiment.
[0046]
4A and 4B show the electrons on the exit window surface and the exit image surface when the diameter of the electron beam on the entrance window surface is 2.0 μm and the diameter of the electron beam on the entrance image surface is 2.5 μm. It is a figure which shows the shape of a beam, respectively. In addition, the spot in FIG.4 (b) is expanded 200 times.
[0047]
In the exit window shown in FIG. 4 (a), the right electron beam has no energy loss incident at an energy of 200 kV, and the left electron beam has lost energy by 1 eV, but they overlap. ing. Therefore, in order to obtain a resolution of 1 eV, it seems that the diameter of the electron beam should be 1 μm or less so that the right and left electron beams do not overlap. At this time, the diameter (1 μm) of the electron beam is 5/6 times the dispersion value (1.2 μm / eV).
[0048]
In the first embodiment, an annular detector 21 having an inner hole 21a having a diameter of 1 μm at the center is arranged in front of the entrance window surface 111 in the traveling direction of the electron beam along the optical axis L0. Along the optical axis L0, the distance D1 between the annular detector 21 and the incident window surface 111 is set to be half or more of the distance D2 between the incident window surface 111 and the incident image surface 112. According to such a configuration, the inner hole 21 a of the annular detector 21 functions as a diaphragm that determines the diameter of the electron beam on the incident window surface 111.
[0049]
Note that when an energy analyzer 17 other than the omega filter is used, the restriction that the width of the electron beam is 1 μm or less is also different. The energy analyzer has various dispersions, for example, 6 μm / eV for the mandolin filter and 10 μm / eV for the S-shaped filter, for example. Therefore, in order to obtain a resolution of 1 eV, it seems that the diameter of the electron beam is required to be 5 μm or less for the mandolin filter and 8.3 μm or less for the S-shaped filter. Here, considering the margin, the value of the electron beam diameter was obtained by multiplying the dispersion by 5/6 as in the case of the omega filter described above.
[0050]
Further, when the omega filter having a dispersion of 1.2 μm / eV of the present embodiment is used for the energy filter 17 and a resolution of 10 eV is required, it is considered that the diameter of the electron beam needs to be 10 μm or less. The diameter of the inner hole of the annular detector 21 serving as a diaphragm can be increased by a factor of 10 compared to the case where a resolution of 1 eV is required.
[0051]
FIG. 5 is a diagram illustrating the second embodiment.
[0052]
In the second embodiment, a microscope image of the sample 101 is formed on the incident window surface 111 and a diffraction image of the sample is formed on the incident image surface 112 by the electron beam incident from the intermediate lens 15b. Then, the annular detector 21 is disposed in the vicinity of the incident image plane 112 along the optical axis L0 of the electron beam. According to the present embodiment, a spectrum by EELS at a desired one point of the sample 101 can be acquired.
[0053]
The diffraction image formed on the incident image surface 112 does not move even when the electron beam is incident on the surface of the sample 101 by the scanning coil 16 because the electron beam is perpendicularly incident on the surface of the sample 101. The purpose of the annular detector 21 is to detect this diffraction image having the information of the sample 101 generated along with the scanning and obtain a high-angle dark field image (HAADF). The incident image surface 112 formed or its vicinity is desirable.
[0054]
FIG. 6 is a diagram showing the shape of the electron beam on the exit window surface and the exit image plane as a reference example of the second embodiment.
[0055]
6A and 6B show the electrons on the exit window surface and the exit image surface when the electron beam diameter on the entrance window surface is 0.1 μm and the electron beam diameter on the entrance image surface is 20.0 μm. It is a figure which shows the shape of a beam, respectively. The electron beam in FIG. 6 (a) is magnified 10 times, and the spot in FIG. 6 (b) is magnified 200 times.
[0056]
In the exit window shown in FIG. 6A, the right electron beam has no energy loss incident at an energy of 200 kV, and the left electron beam has lost energy by 1 eV.
[0057]
When a microscope image of the sample 101 is formed on the incident window surface 111, a diffraction image of the sample 101 is formed on the incident image surface 112. The diameter of the diffraction pattern of this sample can be made quite large.
[0058]
For example, the focal length fo = 2.3 mm of the objective lens 15a and the distance b = 192.3 mm between the main surface of the objective lens 15a and the image created by the objective lens 15a. Now, it is assumed that the radius of the electron beam irradiated onto the sample 101 is ro = 1 nm, and the convergence angle of the electron beam at that time is 30 mrad. However, the problem is an electron beam scattered from the sample 101 at a half angle of the emission angle ro ′ = 170 mrad.
[0059]
The magnification Mo of the objective lens 15a is 1− (b / fo) = 86.2, and the inclination angle ri ′ = ro / fo + ro ′ / Mo = 2.06 mrad of the electron beam after exiting the objective lens 15a. The size of the diffraction image formed on the focal plane of the lens 15a with respect to ro ′ = 170 mrad is rD = (b−fo) tan (ri ′) = 0.4 mm.
[0060]
If this diffracted image is projected onto the incident image plane 112 of the energy analyzer 17 with a camera length Lc = 20 mm, the magnification Md = Lc / fo = 8.7 between them, and thus the emission angle ro ′ = on the incident image plane 112. The radius of the electron beam corresponding to 170 mrad is rfi = rD × Md = 3.4 mm (diameter 6.8 mm).
[0061]
Assuming that the annular detector 21 is located between the incident window surface 111 and the incident image surface 112 of the energy analyzer 17, the diameter on the annular detector 21 is smaller than this. Thus, the annular detector 21 having a diameter of several millimeters is sufficiently realistic from the viewpoint of ease of manufacture and cost.
[0062]
Next, the diameter of the electron beam on the entrance window surface 111 is obtained. When the magnification of the intermediate lens 15b in the latter stage of the objective lens 15a and in the former stage of the energy analyzer 17 is Mi, and the distance between the incident window surface 111 and the incident image surface 112 is L1 = 95 mm, the magnitude of the magnification Mi is given by Sought by. Md × Mi = (b−fo) /L1=0.52. In this case, Mi = 0.52 / 8.7 = 0.06. Therefore, the radius of the electron beam on the entrance window surface 111 is rfd = ro × Mo × Mi = 1 × 82.6 × 0.05 = 5 nm (diameter 0.01 μm). This is a sufficiently small value, electron beams whose energies differ by 1 eV are sufficiently separated, and the energy resolution is higher than 0.5 eV. The shape of the electron beam has almost no bulge in the direction perpendicular to the dispersion and cannot be seen well in the figure. Therefore, in FIG. 6A, the diameter of the electron beam is shown as 0.1 μm and 10 times. Thus, when measuring the spectrum by EELS with the electron beam fixed at one point, an image having sufficient energy resolution can be obtained by projecting the microscope image of the sample 101 onto the entrance window surface 111.
[0063]
FIG. 7 is a diagram for explaining the third embodiment. FIG. 7A is a diagram illustrating pixels in the recording observation apparatus 20, FIG. 7B is a diagram illustrating spectra detected in each pixel, and FIG. 7C is a spectrum in which the positions of the pixels are adjusted. FIG. In the recording observation apparatus, pixels serving as detection units are two-dimensionally arranged.
[0064]
The third embodiment has the same configuration as that of the second embodiment, but the method for processing the diffraction image of the sample 101 detected by the recording observation apparatus 20 is different. That is, as in the second embodiment, a microscope image and a diffraction image of the sample 101 are formed on the incident window surface 111 and the incident image surface 112, respectively, but the diffraction image detected by the recording observation apparatus 20 is signal-processed.
[0065]
In the third embodiment, the EELS spectrum at each position of the electron beam scanned on the sample 101 by the scanning coil 16 is stored in the memory without being integrated. In the recording observation apparatus 20 shown in FIG. 7A, the spectrum detected for each pixel p1, p2, p3, p4... Is stored in a memory.
[0066]
In the present embodiment, the energy analyzer 17 is used to change the energy of the electron beam for each pixel p1, p2,... And measure the intensity of the electron beam, so that each pixel p1, p2 as shown in FIG. The spectrum by EELS is detected. In accordance with the movement of the position of the electron beam that scans the sample 101, the electron beam on the annular detector 21 also moves, and the position of the viewpoint of the spectrum also moves accordingly. For this reason, in the drawing, the position of the viewpoint on the horizontal axis is shifted according to the position.
[0067]
Detected spectra s1, s2,... Have high resolution at each position where the sample 101 is scanned. In the figure, the horizontal axis of the spectra s1, s2,... Is, for example, energy or wavelength, and the vertical axis is, for example, intensity.
[0068]
After the spectra s1, s2,... At the respective pixels p1, p2,... Are stored in the memory, this position is corrected as shown in FIG. That is, the position is corrected so as to return the shift of the spectrum position due to the scanning of the electron beam in the sample 101. If the spectra are then superimposed, the spectra can be integrated while maintaining high resolution.
[0069]
In addition, the above-mentioned embodiment shows the specific example of this invention, and this invention is not limited to this. The present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the present invention.
[0070]
【The invention's effect】
As described above, an object of the present invention is to provide a scanning transmission electron microscope including an energy analyzer, which includes an annular detector.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an electron microscope according to the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an energy analyzer using an omega filter.
FIG. 3 is a diagram illustrating a first embodiment.
FIG. 4 is a diagram illustrating a reference example of the first embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a reference example of the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining a third embodiment;
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of an energy filter including an annular detector.
FIG. 9 is a diagram for explaining an emission angle of an electron beam and a diameter of the electron beam at an incident window surface.
FIG. 10 is a diagram showing the shape of an electron beam on the exit window surface and the exit image surface of the energy analyzer.
FIG. 11 is a diagram for explaining the diameter of an electron beam on an incident window surface.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Electron microscope 11 Electron gun 12 Anode 13 Focusing lens 14 Scanning coil 15 Objective and intermediate lens 16 Aperture 17 Energy analyzer 18 Slit 19 Projection lens 20 Recording observation apparatus

Claims (3)

試料を電子ビームで走査して透過像を観察する電子顕微鏡において、
試料を走査した電子ビームをエネルギーについて分析するエネルギーアナライザと、
電子ビームの進行方向について、前記エネルギーアナライザに入射する電子ビームがクロスオーバを結ぶ入射窓面の前段に配置され、前記試料で大きな角度散乱された電子ビームを検出するアニュラ検出器と、
を有し、
前記エネルギーアナライザの入射窓面に前記試料の回折像を投影し、前記エネルギーアナライザで分析した電子ビームを用いてスペクトル又は顕微鏡像を作成すること
を特徴とする電子顕微鏡。
In an electron microscope that scans a sample with an electron beam and observes a transmission image,
An energy analyzer that analyzes the electron beam that has scanned the sample for energy;
An annular detector that is arranged in front of an incident window surface that crosses over the electron beam incident on the energy analyzer with respect to the traveling direction of the electron beam, and detects an electron beam scattered at a large angle by the sample;
Have
An electron microscope characterized in that a diffraction image of the sample is projected onto an incident window surface of the energy analyzer, and a spectrum or a microscope image is created using an electron beam analyzed by the energy analyzer.
前記アニュラ検出器と前記入射窓面の距離は、前記入射窓面と前記入射像面の距離の半分以上であることを特徴とする請求項1記載の電子顕微鏡。  The electron microscope according to claim 1, wherein a distance between the annular detector and the incident window surface is at least half of a distance between the incident window surface and the incident image surface. 試料を電子ビームで走査して透過像を観察する電子顕微鏡において、
試料を走査した電子ビームをエネルギーについて分析するエネルギーアナライザと、
電子ビームの進行方向について、前記エネルギーアナライザに入射する電子ビームがクロスオーバを結ぶ入射窓面と入射像面の間に配置され、前記試料で大きな角度散乱された電子ビームを検出するアニュラ検出器と、
を有し、
前記エネルギーアナライザの入射窓面に前記試料の顕微鏡像形成すると共に、前記入射像面に試料の回折像を形成し、前記エネルギーアナライザで分析した電子ビームを用いてスペクトル又は顕微鏡像を作成すること
を特徴とする電子顕微鏡。
In an electron microscope that scans a sample with an electron beam and observes a transmission image,
An energy analyzer that analyzes the electron beam that has scanned the sample for energy;
An annular detector for detecting an electron beam scattered at a large angle by the sample, the electron beam being incident on the energy analyzer is disposed between an incident window surface connecting the crossover and an incident image surface with respect to a traveling direction of the electron beam. ,
Have
A microscopic image of the sample is formed on the incident window surface of the energy analyzer, a diffraction image of the sample is formed on the incident image surface, and a spectrum or a microscopic image is created using the electron beam analyzed by the energy analyzer. An electron microscope.
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