JPH09306407A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】電子レンズの自動焦点制御が短時間に精度の良
く行え快適な操作環境が得られる走査電子顕微鏡を提供
する。 【解決手段】発振器２２，走査カウンタ２３，変換テー
ブル２４，Ｄ／Ａ変換器２５，２６で構成する偏向信号
発生手段２１を備え、低分解能走査による自動焦点制御
を行った後に高分解能走査により再度自動焦点制御を行
う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査電子顕微鏡に関
する。

【０００２】

【従来の技術】電子顕微鏡は試料の微細な構造を観察す
るための有効なツールとして多くの研究開発分野で用い
られている。図２に従来の一般的な走査電子顕微鏡の構
成を示し、動作を簡単に説明する。電子銃１から放出さ
れた電子線２を電子レンズ３で細く絞り、さらに、偏向
器４と偏向器５とで二次元の走査偏向を行い試料６に照
射させる。試料６に電子線２が照射されると試料６の形
状や材質に従った二次電子等の二次粒子８が発生する。
二次粒子８を二次粒子検出器９で検出増幅した後、Ａ／
Ｄ変換器１３でディジタル値の画像データに変換し、画
像メモリ１４に記憶する。画像メモリ１４に記憶した画
像データはＤ／Ａ変換器１５で映像信号に変換し、ディ
スプレイ１６に走査電子顕微鏡像として表示する。画像
メモリ制御回路１７は電子線２の走査に同期した画像メ
モリ１４へ書き込みと映像信号に同期した画像メモリ１
４の読み出しを行うように画像メモリ１４のアドレスバ
ス，データバス，制御信号を制御する。走査偏向信号発
生回路２７は、偏向アンプ１１，１２に与える二次元偏
向走査信号である鋸歯状波の発生と画像メモリ１４の書
き込みアドレスを画像メモリ制御回路１７に与える。

【０００３】このような走査電子顕微鏡で、電子レンズ
３の焦点条件を自動的に最適値に設定する自動焦点（オ
ートフォーカス）制御は、電子レンズ３の条件を変化さ
せた複数枚のフレームの走査を行い、得られる二次粒子
の検出信号を焦点評価値検出回路１９で評価し、最適値
を電子レンズの条件に設定するものであった。例として
特開平5−190132 号公報「走査型電子顕微鏡の自動焦点
合わせ方法」がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の走査電子顕微鏡
で、走査偏向信号発生回路２７は、四角形の平面の走査
を行う偏向信号を発生するもので、複数枚のフレームの
走査電子顕微鏡像を取り込む自動焦点制御が終了するま
でに数十秒の時間を要する問題があった。また、処理時
間を短縮するために面の走査を行わないで、円走査，８
の字走査，渦巻走査等の走査を行う方法があるが、特殊
な走査をするための信号発生回路が必要であったり、電
子線の走査位置のみの試料の状態に依存するために最適
な焦点検出ができない問題があった。

【０００５】本発明の目的は、電子レンズの焦点の最適
条件を検出する自動焦点制御を短時間に精度良く行える
電子線の走査信号発生手段と自動焦点制御方法により、
快適な操作環境が得られる走査電子顕微鏡を提供するこ
とにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、発振器と、走査カウンタと、変換テーブ
ルと、Ｄ／Ａコンバータとで構成する偏向信号発生手段
を備え、少量の画像データを得るための低分解能走査と
多量の画像データを得るための高分解能走査の複数の電
子線の走査モードを有し、低分解能走査により自動焦点
制御を行った後に高分解能走査により再度自動焦点制御
を行う。さらに、二次粒子が効率良く検出できる走査速
度となるように発振器が任意の発振周波数で発振する。
さらに、走査カウンタが走査モードと走査範囲に応じて
計数範囲を設定できる。さらに、変換テーブルが書き換
え可能で、電子線の走査モードに応じた変換データを設
定する。

【０００７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例である走査
電子顕微鏡のブロック図である。電子銃１から放出され
た電子線２を電子レンズ３で細く絞る。電子レンズ３
は、コイルに電流を流すことよって発生した磁界のレン
ズ作用を用いており、電子レンズ制御回路１０は、電子
レンズ３のレンズ作用が制御ＣＰＵ２０の指示する焦点
距離になるようにコイルの電流を制御する。偏向器４，
５は、電子レンズ３で細く絞った電子線２をＸ方向とＹ
方向の二次元で走査偏向する。偏向器４，５もコイルに
電流を流すことよって発生した磁界により電子線２の偏
向を行い、偏向アンプ１１，１２は、偏向器４，５のコ
イルに流す電流を制御する。試料６に電子線２が照射さ
れると試料６の形状や材質によって二次電子等の二次粒
子８が発生する。この二次粒子８を二次粒子検出器９で
検出増幅した後、Ａ／Ｄ変換器１３でディジタル値の画
像データに変換し、画像メモリ１４に記憶する。画像メ
モリ１４から読み出した画像データはＤ／Ａ変換器１５
で映像信号に変換し、ディスプレイ１６に走査電子顕微
鏡像を表示する。画像メモリ１４は、記憶する画像デー
タの最大サイズを１,０２４画素×１,０２４画素、階調
を８ビットとすると１Ｍ（1,048,576）バイトのサイズ
のメモリで構成する。画像メモリ制御回路１７は、偏向
信号発生手段２１が発生する電子線２の走査信号に同期
したアドレスへの書き込みと映像同期信号発生回路１８
が発生する映像信号に同期したアドレスの読み出しを行
うように画像メモリ１４のアドレスバス，データバス，
制御信号を制御する。偏向信号発生手段２１は、発振器
２２，走査カウンタ２３，変換テーブル２４、および、
Ｄ／Ａ変換器２５，２６で構成し、電子線の走査偏向信
号を発生し、偏向アンプ１１，１２に与える。焦点評価
値検出回路１９は、得られた画像データから焦点の状態
の評価値を検出する。

【０００８】図３に偏向信号発生手段２１の構成例を示
す。発振器２２は、基本発振器３０で発生したパルスを
分周器３１で制御ＣＰＵ２０が指定する分周比で分周し
たパルスを出力する。分周比を設定することによって任
意の走査速度が実現できる。基本周波数を２０ＭＨｚ，
Ｘ方向の画素数を１,０２４ 画素，分周比を１，電子線
の帰線期間を２５６画素分の１２.８μ 秒とした場合、
１ラインの走査時間は（１,０２４＋２５６)÷２０ＭＨ
ｚで得られる６４μ秒となり、ＮＴＳＣと呼ばれる映像
信号の水平周期にほぼ等しい走査速度となる。また、分
周比を３１３，帰線期間を２５６画素分とした場合、１
ラインの走査時間は(１,０２４＋２５６）×３１３÷２
０ＭＨｚで得られる２０ｍ秒となり、商用電源の５０Ｈ
ｚの周期にほぼ等しい走査速度が得られる。このように
分周比を設定することによって走査速度を変化させるこ
とができる。走査カウンタ２３は、２組のカウンタ３
２，３３と比較器３４，３５で構成する。カウンタ３３
は水平画素数１０２４画素の画像データと帰線期間を得
るために２０４８まで計数することができる１１ビット
出力のカウンタで、カウンタ３２は垂直画素数１０２４
画素を得るために1024まで計数することができる１０ビ
ット出力のカウンタである。カウンタ３７，３６の計数
範囲を比較器３５，３４のレジスタに設定し、カウンタ
３３，３２のリセットを解除すると発振器２２が出力す
るパルスの計数を開始する。カウンタ３３の出力が設定
した計数範囲の値になると比較器３５はカウンタ３３を
リセットするとともにカウンタ３２をカウントアップさ
せる。カウンタ３２が設定した計数範囲の値になると比
較器３４はカウンタ３２，３３をリセットし、次のフレ
ームの走査を開始する。変換テーブル２４は、２組のメ
モリ３６，３７で構成し、カウンタ３２，３３の出力を
変換してＡ／Ｄ変換器２５，２６に与える。メモリ３７
は、入力が１１ビットで出力が１０ビットの２０４８×
１０ビットのサイズで、メモリ３６は、入力が１０ビッ
トで出力が１０ビットの１０２４×１０ビットのサイズ
である。変換テーブル２４の変換データは、アドレスバ
ス，データバス，制御信号をカウンタ２３側から制御Ｃ
ＰＵ２０側に切り替えて制御ＣＰＵ２０が書き込む。Ｄ
／Ａ変換器２５，２６は、変換テーブル２４のディジタ
ルの出力をアナログの信号に変換し、偏向アンプ１１，
１２に偏向信号として与える。

【０００９】図４に焦点評価値検出回路１９の構成例を
示す。ここでは画像データの微分値の絶対値の総和が最
大となる場合を最適な焦点が得られたと判断している。
Ａ／Ｄ変換器１３で得た画像データから先に得て遅延レ
ジスタ４０によって遅延させた画像データを減算器４１
で減算して微分値を求める。次に、絶対値回路４２で微
分値が負の場合に２の補数を求めて絶対値にする。さら
に、加算器４３とレジスタ４４によって総和を求める。
このように求めた評価値を制御ＣＰＵ２０が読み取る。
遅延レジスタ４０の遅延を１ライン走査分以上とし、Ｙ
軸方向の微分値を求めたり、減算器４１を空間微分を求
める空間フィルタとすることもできる。以上のような構
成による自動焦点制御について以下に説明する。

【００１０】第１の自動焦点制御の例は、まず、変換テ
ーブル２４のメモリ３６，３７に図５（ａ)，(ｂ）に示
すような入力Ｘｉ，Ｙｉに対して出力Ｘｏ，Ｙｏがそれ
ぞれＮ，Ｍ倍大きくなるような変換データを設定し、走
査カウンタ２３のカウンタ３４，３５の計数範囲を１０
２４画素×１０２４画素のそれぞれ１／Ｎ，１／Ｍとな
るように設定すると電子線の走査は、図５（ｃ）のよう
に間引いた低分解能の全面走査となる。発振器１９の周
波数が同じであれば１フレームの走査を行う時間は１／
（Ｎ×Ｍ）に短くなる。この低分解能走査により電子レ
ンズ３の励磁条件を変化させた複数枚のフレームの走査
を行い、焦点評価値検出回路１９によって焦点の評価値
を検出し、電子レンズ３の励磁条件の最適値を求める。
次に、変換テーブル２４のメモリ３６，３７に図６
（ａ)，(ｂ）に示すような高分解能の全面走査を行うた
めの変換データを設定する。そして、電子レンズ３の励
磁条件を低分解能走査で得た最適値の近くで変化させた
複数枚のフレームの走査を行い、焦点評価値検出回路１
９によって焦点の評価値を検出し、電子レンズ３の励磁
条件の最適値を求める。このような方法により短時間で
精度の良い自動焦点制御ができる。ここでは、２段階の
制御について説明したが、多段階の細かい制御を行うこ
ともできる。

【００１１】高速度の走査を行うと試料の単位面積当り
の電子線の照射量が少なくなり、二次粒子検出信号の雑
音の影響が大きくなる。高品質の画像データを得ようと
すると低速度の走査を行う必要がある。第２の自動焦点
制御の例は、まず、高速度の走査により電子レンズ３の
励磁条件を変化させた複数枚のフレームの走査を行い、
焦点評価値検出回路１９によって焦点の評価値を検出
し、電子レンズ３の励磁条件の最適値を求める。次に、
低速度の走査を行い電子レンズ３の励磁条件を高速度の
走査で得られた最適値の近傍で変化させた複数枚のフレ
ームの走査を行い、焦点評価値検出回路１９によって焦
点の評価値を検出し、電子レンズ３の励磁条件の最適値
を求める。このような方法により短時間で精度の良い自
動焦点制御ができる。走査速度の制御は、偏向信号発生
手段２１の発振器２２の分周器３１の分周比の設定を制
御ＣＰＵ２０が行うことで容易に実現できる。また、焦
点評価値検出回路１９に効率的な信号が入力できる走査
速度の最適値を評価値から求めることもできる。

【００１２】観察する試料６に高低差がある場合に自動
焦点制御を行うと焦点の観察したい部分の焦点が合わな
い問題がある。第３の自動焦点制御の例は、観察したい
部分の最適焦点が得られる例である。ある程度の画像が
得られた時点で、図７に示すようにディスプレイ１６に
表示した画像上で太線で示したように操作者が範囲５０
を指定する。そして、その範囲５０のみに電子線の走査
を行い自動焦点制御を行うようにすれば良い。これは、
図８に示すように変換テーブル２４のメモリ３６，３７
の変換データをＡ，Ｂから始まる指定範囲のみを走査す
るように設定し、走査カウンタ２３のカウンタ３４，３
５の計数範囲を有効な走査期間Ｃ，Ｄに帰線期間を加え
た範囲とすることで実現できる。走査範囲Ｘ方向の長さ
が１／Ｎ，Ｙ方向の長さが１／Ｍとすると１フレームの
画像を取り込む走査時間は、帰線期間を除くと１／（Ｎ
×Ｍ）となる。このような方法により自動焦点制御を短
時間にすることと観察したい部分の精度の良い焦点合わ
せが可能となる。

【００１３】第４の自動焦点制御の例は、面の走査のみ
ならず任意な線走査を行う方法である。図９に示すよう
に走査カウンタ２３のカウンタ３３の出力を変換テーブ
ル２４のメモリ３７，３６の両方に入力し、変換テーブ
ル２４のメモリ３７，３６の変換データを図１０
（ａ)，(ｂ）に示すような値を設定する。すると電子線
の走査は図１０（ｃ）に示すようなＸ方向の直径が１／
Ｎ，Ｙ方向の直径が１／Ｍの円を描く。このような走査
によって自動焦点制御を行うこともできる。変換テーブ
ル２４の変換データによって８の字走査や渦巻き走査を
容易に実現できる。変換テーブル２４はサイズを大きく
し、予めいくつかの走査モードの変換データを書き込ん
でアドレスを制御することで走査モードを選択すること
もできる。また、走査カウンタ２３のカウンタ３３，３
２の両方の出力を変換テーブル２４のメモリ３７，３６
の両方に入力し、変換テーブル２４のメモリ３７，３６
のサイズを対応する大きさにすると１ラインの走査のみ
ならず複雑な面走査を実現することもできる。

【００１４】

【発明の効果】本発明によれば、電子レンズの自動焦点
制御が短時間に精度良く行え快適な操作環境が得られる
走査電子顕微鏡を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の走査電子顕微鏡のブロック
図。

【図２】従来の走査電子顕微鏡のブロック図。

【図３】偏向信号発生手段のブロック図。

【図４】焦点評価値検出手段のブロック図。

【図５】低分解能走査の変換テーブルと電子線の走査を
示す説明図。

【図６】高分解能走査の変換テーブルと電子線の走査を
示す説明図。

【図７】走査の範囲指定を示す説明図。

【図８】指定範囲走査の変換テーブルと電子線の走査を
示す説明図。

【図９】円走査の偏向信号発生手段の構成例を示すブロ
ック図。

【図１０】円走査の変換テーブルと電子線の走査を示す
説明図。

【符号の説明】

１…電子銃、２…電子線、３…電子レンズ、４，５…偏
向器、６…試料、７…試料台、８…二次粒子、９…二次
粒子検出器、１０…レンズ制御回路、１１，１２…偏向
アンプ、１３…Ａ／Ｄ変換器、１４…画像メモリ、１５
…Ｄ／Ａ変換器、１６…ディスプレイ、１７…画像メモ
リ制御回路、１８…映像同期信号発生回路、１９…焦点
評価値検出回路、２０…制御ＣＰＵ、２１…偏向信号発
生手段、２２…発振器、２３…走査カウンタ、２４…変
換テーブル、２５，２６…Ｄ／Ａ変換器。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子線を放出する電子銃と、前記電子線を
   細く絞る電子レンズと、前記電子線を試料上に二次元走
   査させる偏向器と、前記試料から発生する二次粒子を検
   出する二次粒子検出器と、検出信号をディジタルの画像
   データに変換するＡ／Ｄ変換器と、前記画像データを記
   憶する画像メモリと、前記画像メモリから読み出した前
   記画像データを映像信号に変換するＤ／Ａ変換器と、画
   像を表示するディスプレイとで構成される走査電子顕微
   鏡において、発振器と、走査カウンタと、変換テーブル
   と、前記Ｄ／Ａ変換器とで構成する偏向信号発生手段を
   備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 【請求項２】請求項１において、少量の画像データを得
   るための低分解能走査と多量の画像データを得るための
   高分解能走査の複数の電子線の走査モードを有し、前記
   偏向信号発生手段の変換テーブルの変換データによって
   低分解能と高分解能の走査信号を選択して偏向器に与え
   る走査電子顕微鏡。
3. 【請求項３】請求項２において、低分解能走査により自
   動焦点制御を行った後に高分解能走査により再度自動焦
   点制御を行う走査電子顕微鏡。
4. 【請求項４】請求項１において、前記偏向信号発生手段
   の前記変換テーブルが書き換え可能で、前記電子線の走
   査モードに応じて任意の変換データを書き換える走査電
   子顕微鏡。
5. 【請求項５】請求項１において、前記偏向信号発生手段
   の発振器の発振周波数が設定可能で前記電子線の走査速
   度を任意の速度に設定できる走査電子顕微鏡。
6. 【請求項６】請求項５において、高速度の走査により自
   動焦点制御を行った後に低速度の走査により再度自動焦
   点制御を行う走査電子顕微鏡。
7. 【請求項７】請求項１において、前記偏向信号発生手段
   の走査カウンタの計数範囲が設定可能で電子線の走査範
   囲を任意の範囲に設定できる走査電子顕微鏡。
8. 【請求項８】請求項７において、任意の範囲のみに前記
   電子線の走査を行い自動焦点制御する走査電子顕微鏡。