JPH1092354A - 走査型電子顕微鏡の電子光学系自動調節装置及び電子光学系自動調節方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】走査型電子顕微鏡から得られる画像を処理する
装置を付加することによって、電子光学系の調整作業を
自動化し、オペレータの作業負荷を軽減させると共に半
導体検査等における作業のスループットを大幅に向上さ
せる。 【解決手段】焦点調節部１２にて走査型電子顕微鏡１１
の対物レンズ屈折率を変更して焦点調節を行い、走査型
電子顕微鏡１１から順次得られる画像を画像蓄積部１３
に所定数分蓄積する。その後、移動量算出部１４にて上
記複数の画像中に存在する試料像の移動量を算出する。
調整処理制御部１６は上記試料像の移動量に基づいて電
子光学系の調整を必要とするか否かを判断し、必要であ
る場合には、光学系調整部１５にて上記試料像の移動量
に応じて走査型電子顕微鏡１１の電子光学系を調整す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型電子顕微鏡
において、電子光学系の自動調節を行う電子光学系自動
調節装置及び電子光学系自動調節方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型電子顕微鏡（Scanning Electoron
Microscope 、ＳＥＭと略す）は、半導体検査等の幅広
い分野で盛んに利用されている。半導体等といった試料
表面の微細構造を高倍率で検査するには、常にＳＥＭの
電子光学系が正確に調整されている必要がある。つま
り、ＳＥＭの電子銃から照射される電子ビームが電子光
学系で十分に絞り込まれ、電子ビームが電子光学系の中
心を通過し、試料上の一点に集束するようにＳＥＭ電子
光学系が調整されていなければ、試料の微細構造の鮮鋭
な画像を獲得することができない。

【０００３】このような電子光学系の調整作業には数種
類あるが、その中で特に電子光学系の中心軸を電子ビー
ムが通過するように対物レンズ絞りの軸合わせを行う調
整作業を対物レンズアライメントと呼ぶ。

【０００４】この対物レンズアライメントが狂ってい
る、つまり対物レンズ絞りの中心が電子ビームの軸に合
っていない場合には、試料に対して焦点を合わせる操作
を行った時、試料像が画像中で動く。この状況は、試料
に照射される電子ビームスポットの形状が真円にならな
い、いわゆる非点収差の原因となり、像の分解能を低下
させる。このため、通常、オペレータが手作業で対物レ
ンズを操作してオーバーフォーカスとアンダーフォーカ
スの像を交互に出力し、像が画像中で動かなくなるまで
対物レンズ絞りの位置を調整する。

【０００５】対物レンズアライメントは、ＳＥＭに加わ
る外的振動等によって狂いやすいため、定期的、あるい
はＳＥＭを使用する度に調整する必要があるが、通常は
ＳＥＭ画像を見ながらオペレータが手作業で行ってい
る。しかし、熟練を要する作業であるために正確に調節
できるオペレータが少なく、一般のＳＥＭ利用者が正確
に調整するのは困難である。

【０００６】さらに、電子光学系の調節に関する時間
は、ＳＥＭが半導体検査に用いられる場合等には、検査
のスループットに大きく影響することからも、調節の自
動化が望まれている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記したように、従来
では、走査型電子顕微鏡の対物レンズアライメントの調
整作業は、オペレータが定期的、あるいは使用の度に手
作業で行っていた。しかしながら、この調整作業は熟練
を要する困難な作業であり、また、時間も要することか
ら、ＳＥＭが多く用いられる半導体検査等の検査工程で
のスループットを低下させる原因となっていた。

【０００８】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的とするところは、走査型電子顕微鏡
から得られる画像を処理する装置を付加することによっ
て、電子光学系の調整作業を自動化し、オペレータの作
業負荷を軽減させると共に半導体検査等における作業の
スループットを大幅に向上させることにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、走査型電子顕
微鏡の電子光学系を調節する電子光学系自動調節装置で
あって、上記走査型電子顕微鏡の対物レンズ屈折率を変
更して焦点調節を行う焦点調節手段と、この焦点調節手
段による焦点調節によって上記走査型電子顕微鏡から順
次得られる画像を所定数分蓄積する画像蓄積手段と、こ
の画像蓄積手段に蓄積された上記複数の画像中に存在す
る試料像の移動量を算出する移動量算出手段と、この移
動量算出手段によって算出された上記試料像の移動量に
基づいて、上記走査型電子顕微鏡の電子光学系の調整を
必要とするか否かを判断する調整処理制御手段と、この
調整処理制御手段によって上記走査型電子顕微鏡の電子
光学系の調整が必要であると判断された場合に、上記試
料像の移動量に応じて上記走査型電子顕微鏡の電子光学
系を調整する光学系調整手段とを具備したものである。

【００１０】上記移動量算出手段は、上記画像蓄積手段
に蓄積された上記複数の画像を二値化処理した後、その
二値化された画像中に存在する試料像の基準位置を求
め、その基準位置を追跡することによって上記試料像の
移動量を算出することを特徴とする。

【００１１】また、上記移動量算出手段は、上記複数の
画像の統計的処理を行うことによって上記二値化処理の
ためのしきい値を算出することを特徴とする。また、上
記移動量算出手段は、上記画像蓄積手段に蓄積された上
記複数の画像間で相関演算を行うことにより上記試料像
の移動量を算出することを特徴とする。

【００１２】また、上記移動量算出手段は、上記画像蓄
積手段に蓄積された上記複数の画像から焦点量空間画像
を作成することにより上記試料像の移動量を算出するこ
とを特徴とする。

【００１３】このような構成によれば、焦点調節によっ
て走査型電子顕微鏡から所定数分の画像が得られると、
それらの画像中に存在する試料像の移動量が例えば画像
の重心位置または相関演算または焦点空間画像によって
求められる。この試料像の移動量が許容値以上であれ
ば、電子光学系の調整が必要であると判断され、当該移
動量に応じて走査型電子顕微鏡の電子光学系が調整され
る。

【００１４】このように、走査型電子顕微鏡から得られ
る画像を処理することで、電子光学系の調整作業を自動
化することができる。これにより、オペレータの作業負
荷を軽減させると共に半導体検査等における作業のスル
ープットを大幅に向上させることが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図１は本発明の第１の実施形態に係
る電子光学系自動調節装置の構成を示すブロック図であ
る。本装置は、走査型電子顕微鏡１１、焦点調節部１
２、画像蓄積部１３、移動量算出部１４、光学系調整部
１５、調整処理制御部１６とからなる。

【００１６】走査型電子顕微鏡１１は、半導体検査等の
幅広い分野で利用されるものであり、半導体等といった
試料表面の微細構造を高倍率で検査するためのものであ
る。図２に走査型電子顕微鏡１１の概略構成を示す。

【００１７】焦点調節部１２は、走査型電子顕微鏡１１
の対物レンズ屈折率を変更して焦点調節を行う。画像蓄
積部１３は、焦点調節部１２による焦点調節によって走
査型電子顕微鏡１１の検出器から試料像を撮影して複数
分の画像を蓄積する。移動量算出部１４は、画像蓄積部
１３に蓄積された複数の画像中に存在する試料像の移動
量を算出する。光学系調整部１５は、走査型電子顕微鏡
１１の電子光学系を調節して対物レンズアライメントを
調整（補正）する。調整処理制御部１６は、走査型電子
顕微鏡１１の電子光学系調整処理全体の流れを制御す
る。

【００１８】図２は図１中の走査型電子顕微鏡１１の一
般的な概略構成図である。焦点調節部１２は、調整処理
制御部１６の制御の下で焦点調節信号２０２を出力し、
走査型電子顕微鏡１１の対物レンズ２１の焦点調節を行
う。画像蓄積部１３は、走査型電子顕微鏡１１の検出器
２２から出力される画像検出信号２０３をＡ／Ｄ変換し
て二次元の濃淡画像を蓄積する。光学系調整部１５は、
調整処理制御部１６の制御の下で光学系調整信号２０１
を出力し、走査型電子顕微鏡１１の偏向器２３を調整す
ることによって対物レンズ２１のアライメント調整を行
う。

【００１９】ここで、走査型電子顕微鏡１１において、
対物レンズ２１のアライメントが狂っている場合には、
試料２４に対して焦点を合わせる（対物レンズ屈折率を
調節する）操作を行った時、試料像が画像中で動く。し
たがって、焦点調節時の試料像の移動方向とその量か
ら、レンズアライメントの調節量を知ることができる。
そして、試料像が画像中で動かなくなるまで対物レンズ
２１の絞り位置の調節を繰り返すことによって、対物レ
ンズアライメントを正確に調節（つまり、正しい位置に
補正）することができる。

【００２０】焦点調節時の試料像の移動量と方向を知る
には、同じ試料を用いて様々に焦点を変えた画像を撮影
し、焦点調節量に対する画像特徴の移動量を測定できれ
ば良い。ここで課題となるのは、焦点調節による試料像
の“ぼけ”に対しても、安定に画像追跡できる画像処理
手法の実現である。

【００２１】以下、第１の実施形態における電子光学系
自動調節処理について説明する。図３は第１の実施形態
における電子光学系自動調節処理の動作を示すフローチ
ャートである。予め調整処理制御部１６には、調節すべ
き焦点調節量Ｓｎが設定されている（式１）。

【００２２】

【数１】

【００２３】その値に従って、焦点調節部１２が走査型
電子顕微鏡１１の対物レンズ２１の焦点距離を調節する
（ステップＡ１１）。この後、走査型電子顕微鏡１１に
おいて試料２４が撮影され、その画像が画像蓄積部１３
に送られる（ステップＡ１２）。

【００２４】焦点調節量Ｓｎに応じて獲得され、画像蓄
積部１３に蓄積された画像Ｉ（ｎ）は、画像の横方向を
ｘ（最大値Ｘ）、縦方向をｙ（最大値Ｙ）として、Ｉｎ
（ｘ，ｙ）のように表される（式２）。

【００２５】

【数２】

【００２６】蓄積された画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）は、次々と
移動量算出部１４に送られて、まず、以下のようにして
画像中の各領域毎の重心位置が算出される。すなわち、
移動量算出部１４では、まず、式３に示されるように前
処理（ステップＡ１３）によって前処理後の画像Ｉ′ｎ
（ｘ，ｙ）が得られる。

【００２７】

【数３】

【００２８】この前処理Ｆとしては、例えば、撮像系に
おける雑音を除去した後のラベル付け（ステップＡ１
６）でのラベル番号のオーバーフローを回避するための
雑音除去処理が行われる。この雑音除去処理の最も単純
なものとしては、図４に示すような３×３画素の局所平
均マスクの重畳演算による単純平滑化処理が挙げられ
る。さらに雑音除去性能を上げるために、３×３画素以
上の任意の大きさのマスクを重畳しても良いし、マスク
の各画素の値に任意の重み付けを行っても良い。また、
単純平滑化処理だけでなく、メディアンフィルタといっ
た統計的な処理を用いて雑音除去することも可能であ
る。

【００２９】前処理を施された画像Ｉ′ｎ（ｘ，ｙ）
は、予め定められたしきい値ｔｈによって二値化処理さ
れ、式４に示されるように二値化画像Ｊｎ（ｘ，ｙ）が
得られる（ステップＡ１４）。このしきい値ｔｈは、画
像Ｉｎ全体に対して１つに定められても良いし、画像の
座標Ｉｎ（ｘ，ｙ）に応じて別々の値が定められていて
も良い。

【００３０】

【数４】 二値化された画像Ｊｎ（ｘ，ｙ）は、画像中で連結する
領域毎にラベル付けされ、式５に表されるラベル領域Ａ
ｎ（ｋ）が得られる（ステップＡ１５）。

【００３１】

【数５】

【００３２】ここで、画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）に対して得ら
れるラベルの最大値はＫｎである。ラベル付け処理と
は、各々独立の連結画像領域毎に単一のラベル番号を割
り当てて画像変換する一般的な処理を指す（例えば、参
考文献１）。

【００３３】参考文献１：高木、下田監修「画像解析ハ
ンドブック」東京大学出版会ＩＳＢＮ４−１３−０６１
１０７−０Ｃ３０５０ 例えば図５に示されるような二値化画像は、ラベル付け
処理によって図６のようになり、この図でのラベル番号
の最大値Ｋｎは「３」、ラベル領域はＡｎ（１）、Ａｎ
（２）、Ａｎ（３）の３つとなる。なお、図５および図
６において、（ａ）は撮像された試料像、（ｂ）はその
試料像を画素単位で区切って示した図である。そして、
各ラベルＡｎ（ｋ）に応じた画像領域の重心位置のｘ座
標Ｇｘ（ｋ）およびｙ座標Ｇｙ（ｋ）が式６によって算
出される（ステップＡ１６）。

【００３４】

【数６】

【００３５】実際には、より正確な重心位置算出を期す
るために、ラベル画像を補正するような後処理が、重心
位置算出の前に行われても良い。このような後処理とし
ては、例えばラベル画像の穴埋め処理や、穴埋め処理後
の２次モーメント量等による特徴量算出処理等が挙げら
れる。これらの処理は、予め想定されている画像特徴の
みをラベル領域として抽出できるようにするものであ
る。

【００３６】移動量算出部１４では、焦点調節量Ｓｎに
応じた画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）が画像蓄積部１３に蓄積され
る毎に、この重心位置算出処理までをまず行い、画像Ｉ
ｎ（ｘ，ｙ）の全てのラベル領域Ａｎ（ｋ）の重心位置
ＧＸｎ（ｋ），ＧＹｎ（ｋ）を保存する。以上の処理
は、調整処理制御部１６で設定されている焦点調節量Ｓ
ｎ全てについて行われるまで繰り返される（ステップＡ
１７）。

【００３７】ここで、例えばＬＳＩ等の半導体検査にお
いて撮影されるコンタクトホール像を用いて、焦点調節
量が−５μｍ，０μｍ，＋５μｍの３段階に設定されて
いる場合のコンタクトホール画像と重心位置算出した結
果を図７に示す。この例では、１つのコンタクトホール
に対し、上述したような方法により重心位置が算出され
ている。

【００３８】このようにして、設定されている全ての焦
点調節量Ｓｎについて画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）が撮影されて
重心位置ＧＸｎ（ｋ），ＧＹｎ（ｋ）が算出された後、
移動量算出部１４は別々の焦点調節量に対する画像間に
おいて最も近傍の重心位置となるラベル領域同士を対応
付けて重心追跡を行い（ステップＡ１８）、焦点調節量
に対する画像の移動量を算出する処理を行う（ステップ
Ａ１９）。

【００３９】このステップＡ１８での重心位置追跡処理
について説明する。ＳｎとＳｍが焦点調節量の近いもの
同士の一組であるとする。例えばＳｎが「−２」，「−
１」，「０」，「＋１」，「＋２」の５段階設定されて
いるとすると、「−２」と「−１」，「−１」と
「０」，「０」と「＋１」、「＋１」と「＋２」といっ
た組合せである。各々の焦点調節量ＳｎとＳｍに対応す
るラベル領域Ａｎ（ｋ）とＡｍ（ｋ′）の組合せ全てに
ついて、横方向の距離ＤＸｎｍおよび縦方向の距離ＤＹ
ｎｍを式７によって算出する。

【００４０】

【数７】 また、ラベル領域Ａｎ（ｋ）とＡｍ（ｋ′）のユークリ
ッド距離Ｄｎｍを式８によって求める。

【００４１】

【数８】

【００４２】そして、Ａｎ（ｋ）とＡｍ（ｋ′）の全て
の組合せの中で距離Ｄｎｍが最小となるもの同士を対応
するラベル領域同士であるとする。このようなラベル領
域の対応付けを、全ての焦点調節量が最も近いＳｎとＳ
ｍの組合せについて行い、画像蓄積部１３に蓄積されて
いる全ての画像で得られた全てのラベル領域を対応付け
る。

【００４３】次に、ステップＡ１９での移動量算出処理
についてを説明する。ここでは、Ａｎ（ｋ）とＡｍ
（ｋ′）はステップＡ１８で対応付けられたラベル領域
の組の一つであるとする。ステップＡ１８と同様に、式
７および式８を用いてＳｎとＳｍの横方向および縦方向
の距離ＤＸｎｍ，ＤＹｎｍを求める。この距離ＤＸｎ
ｍ，ＤＹｎｍは、ａ７において一旦算出されているの
で、その時の値を移動量算出部１４に蓄積しておき、そ
の値を用いても良い。ここで、先に挙げたような、Ｓｎ
が−２，−１，０，＋１，＋２の５段階設定されている
例のように、焦点調節量Ｓｎが等しい間隔で設定されて
いるものとし、対応付けられている全てのラベル領域Ｓ
ｎとＳｍの組の総数がＮａであるとすると、式９を用い
て単位焦点調節量あたりの画像横方向および縦方向の画
像移動量Ｔｘ，Ｔｙが得られる。

【００４４】

【数９】

【００４５】実際に画像移動量Ｔｘ，Ｔｙが算出された
結果を図８に示す。この図の各値は６つのコンタクトホ
ール画像に対して移動量を求めた結果を示している。こ
の結果から、焦点調節量が−５μｍ→０μｍの時、平均
で左（横方向ｘ）に１７．１２画素、下（縦方向ｙ）に
３０．７４画素、０μｍ→＋５μｍの時、平均で左（横
方向ｘ）に１４．１５画素、下（縦方向ｙ）に２５．４
５画素、試料像が移動しており、平均の画像移動量Ｔｘ
およびＴｙは、左に１５．６４画素、下に２８．１０画
素となる。

【００４６】最後に、調整処理制御部１６にて、走査型
電子顕微鏡１１の電子光学系の調整が必要か否かが判断
される（ステップＡ２０）。ここでは、ステップＡ１９
で算出された画像移動量Ｔｘ，Ｔｙが、予め定められて
いる許容移動量ＣｘおよびＣｙを下回っているか否かが
式１０により判断される。画像移動量Ｔｘ，Ｔｙが許容
移動量未満で式１０に示す２つの式が共に満たされるな
らば、電子光学系の調整の必要なしとして、全ての処理
が完了する。

【００４７】

【数１０】

【００４８】一方、ステップＡ２０において許容移動量
以上であると判断された場合には、次にステップＡ１９
において算出された画像移動量Ｔｘ，Ｔｙに応じて光学
系調整部１５によって走査型電子顕微鏡１１の電子光学
系が調整される。以後、これまで述べてきた処理を再度
繰り返す。

【００４９】光学系調整部１５には、画像移動量Ｔｘ，
Ｔｙに対して走査型電子顕微鏡１１の任意のレンズある
いは偏向器２３に対する調節量が設定されている。例え
ば、あるレンズあるいは偏向器２３への調節量Ｏｉが、
式１１のように任意の関数Ｇで設定されていても良い
し、あるいは任意のＴｘ，Ｔｙに対してテーブルのよう
な形で調節量Ｏｉが設定されていても良い。

【００５０】

【数１１】

【００５１】以上のようにして、ステップＡ２０におい
て画像移動量Ｔｘ，Ｔｙが許容値未満であると判断され
るまで、図３に示される処理を繰り返すことにより、走
査型電子顕微鏡１１の電子光学系の自動調節が可能とな
る。

【００５２】具体的に説明すると、例えば図７に示すよ
うに、３回の焦点調節により、３つの画像が走査型電子
顕微鏡１１から順に得られたとする。なお、このときの
焦点調節回数は図３のステップＡ１７に示されているよ
うに、規定焦点までの撮像回数に対応している。

【００５３】これらの画像中に存在する試料像の重心位
置を求め、それらの重心位置を追跡することにより、試
料像の移動量を求める。上述したように、このときの試
料像の移動量が許容値未満であれば、すなわち、焦点調
節に対して試料像が移動しない状態であれば、その時点
でレンズアライメントが合っていることになるので、電
子光学系の調整の必要なしとして、ここでの処理を終え
る。

【００５４】一方、試料像の移動量が許容値以上であれ
ば、すなわち、焦点調節に対して試料像が移動する状態
であれば、その時点でまだレンズアライメントが合って
いないことになるので、電子光学系の調整の必要ありと
して、その調整を行った後、再びステップＡ１からの処
理を繰り返す。

【００５５】このようにして、走査型電子顕微鏡１１か
ら得られる画像を処理することで、電子光学系の調整作
業を自動化することができる。この場合、図７（ａ）や
同図（ｂ）に示すように、焦点が合っていない状態では
試料像がぼけてしまう。通常、試料像がぼけていると、
正しい移動量が算出できないので、レンズアライメント
を調整しずらいが、本発明の方式では、試料像のぼけに
関係なく調整可能である。

【００５６】なお、この第１の実施形態では、追跡対象
を試料像の重心位置としたが、例えば試料像の中心位置
でもよい。要は基準となる位置を定め、その位置を追跡
することにより、試料像の移動量が算出できれば良い。

【００５７】（第２の実施形態）次に、本発明の第２の
実施形態を説明する。装置構成については、図１と同様
であるため、ここではその説明を省略するものとする。
第２の実施形態における電子光学系自動調節処理のフロ
ーチャートを図９に示す。図９において、ステップＢ１
４のしきい値算出処理が移動量算出部１４において行わ
れること以外は、第１の実施形態と同じである。

【００５８】すなわち、第１の実施形態では、画像Ｉ′
ｎ（ｘ，ｙ）の二値化処理（図３のステップＡ１４）の
しきい値ｔｈが予め定められているものとしたが、焦点
調節によって画像が“ぼけ”ている場合でも適正にラベ
ル領域を抽出できるようにするには、撮影された試料像
に応じて統計学的な処理を行って、最適なしきい値ｔｈ
を定める方が有効な場合がある。

【００５９】そこで、第２の実施形態では、入力画像に
対する二値化処理（ステップＢ１５）の前処理として、
しきい値算出処理（ステップＢ１４）が挿入されてい
る。このしきい値算出処理（ステップＢ１４）の具体的
な処理を図１０のフローチャートに示す。

【００６０】図１０はしきい値算出処理の動作を示すフ
ローチャートである。前処理（ステップＢ１３）後の試
料像の各画素Ｉ′ｎ（ｘ，ｙ）に対し、しきい値を算出
するための画像領域Ｒｎ（ｘ，ｙ）が定められているも
のとする。この画像領域は任意に設定可能であり、例え
ば画素（ｘ，ｙ）を中心とした１５×１５画素の矩形領
域とか、あるいは画像全体Ｉｎとかに設定できる。画像
全体を指定した場合には、これからの処理で求められる
しきい値ｔｈｎ（ｘ，ｙ）は座標によらず画像内で一定
の値となる。

【００６１】まず、しきい値算出処理（ステップＢ１
４）では、各画素Ｉｎ（ｘ，ｙ）の画像領域Ｒｎ（ｘ，
ｙ）内において画像の濃淡値のヒストグラム算出（ステ
ップＣ１１）が行われる。簡略化のために以降では、こ
の画像領域Ｒｎ（ｘ，ｙ）についてのみ考えるものと
し、得られた各濃淡値ｉでのヒストグラム（頻度）をｈ
ｉとする。ここで、例えば８ｂｉｔの濃淡画像が走査型
電子顕微鏡１１から得られる場合には、濃淡値ｉの最小
値は「１」、最大値ｉｍａｘは「２５５」とした２５６
段階の濃淡画像となる。

【００６２】ステップＣ１１で得られたヒストグラムｈ
ｉから、しきい値決定ステップＣ１３に必要な統計量が
統計量算出処理（ステップＣ１２）において算出され
る。ここでは、判別分析法、あるいは大津の方法と呼ば
れる方法を元にしたしきい値算出方法について述べる。

【００６３】まず、ヒストグラムｈｉから式１２を用い
て、濃淡値ｉに対する確率分布ｐｉが求められる。な
お、式１２中のＮｒは領域Ｒｎ（ｘ，ｙ）に全画素数を
示している。

【００６４】

【数１２】 次に、式１３によってクラス内確率和ω０およびω１が
求められる。

【００６５】

【数１３】 そして、式１４によってクラス内平均μ０およびμ１と
全体平均μｔが求められる。

【００６６】

【数１４】

【００６７】これらのうち、クラス内確率和ω０，ω
１，μ０，μ１はｋの全ての取りうる値について求めら
れる。各ｋの値について、式１５によってクラス間分散
Ｅ（ｋ）が求められる。

【００６８】

【数１５】

【００６９】最後に、しきい値決定処理（ステップＣ１
３）において、ステップＣ１２で求められたクラス間分
散Ｅ（ｋ）のうちで最も大きな値となるｋを、その画像
領域Ｒｎ（ｘ，ｙ）での最適な二値化しきい値ｔｈｎ
（ｘ，ｙ）として出力することにより、この後の二値化
処理（ステップＢ１５）で式１６によって最適な二値化
画像Ｊｎ（ｘ，ｙ）が得られる。

【００７０】

【数１６】

【００７１】ここで、焦点調節量が−５μｍ，０μｍ，
＋５μｍの３段階に設定されている場合における二値化
しきい値算出結果と二値化画像の例を図１１、図１２、
図１３に示す。この例では、各画素（ｘ，ｙ）に対応す
る画像領域Ｒｎ（ｘ，ｙ）が画像全体Ｉｎに設定されて
おり、しきい値ｔｈｎ（ｘ，ｙ）は１つの画像で単一の
値となっている。

【００７２】また、第２の実施形態では、大津の方法に
よるしきい値決定方法について述べたが、この方法に限
るものではなく、ラベル画像が画像全体に対して非常に
小さな面積しかないような場合に関しては、以下に述べ
るようなｋｉｔｔｌｅｒの方法が有効なこともある。

【００７３】このｋｉｔｔｌｅｒ方法は、統計量算出処
理（ステップＣ１２）においてクラス内確率和ω０，ω
１は式１３と同様に求め、クラス内確率和ω０，ω１に
対応するクラス内分散をσ０，σ１として求めた場合
に、式１７によって求められる統計量Ｅ′（ｋ）が最小
となるようなｋを、しきい値決定処理ステップＣ１３に
おける最適なしきい値ｔｈｎ（ｘ，ｙ）とする方法であ
る。

【００７４】

【数１７】

【００７５】このように、第２の実施形態によれば、複
数の画像の統計的処理を行うことによって二値化処理の
ためのしきい値を算出し、そのしきい値に基づいて各画
像を二値化する。これにより、焦点調節によって画像が
“ぼけ”ている場合であっても、適正にラベル領域を抽
出でき、より高精度な光学系調整を実現することができ
るものである。

【００７６】（第３の実施形態）次に、本発明の第３の
実施形態を説明する。装置構成については、図１と同様
であるため、ここではその説明を省略するものとする。
第３の実施形態における電子光学系自動調節処理のフロ
ーチャートを図１４に示す。図１４において、焦点調節
（ステップＤ１１）、画像入力（ステップＤ１２）、前
処理（ステップＤ１３）、撮影終了の判断（ステップＤ
１４）、光学系調整必要の判断（ステップＤ１７）、光
学系調整（ステップＤ１８）に関しては、第１の実施形
態で説明した図３中の対応する処理と同様であるため、
ここではその説明を省略するものとする。

【００７７】第３の実施形態では、第１の実施形態のよ
うに前処理（ステップＤ１３）の後に二値化画像を求め
たり重心位置を算出する処理はなく、その代わりとし
て、焦点調節に対する試料像の移動量を算出する処理
（ステップＤ１６）と、そのための画像領域間で相関値
を計算処理（ステップＤ１５）があり、それらの処理が
第３の実施形態独自の方法で行われる。

【００７８】ステップＤ１４までの処理が終わり、画像
蓄積部１３に前処理が行われた規定数の画像Ｉ′ｎ
（ｘ，ｙ）が蓄積されているものとする。また、第１の
実施形態と同様に、焦点調節量Ｓｎは等しい間隔で設定
されているものとし、ＳｎとＳｍが焦点調節量の最も近
いもの同士の一組であるとする。

【００７９】第３の実施形態では、この焦点調節量Ｓｎ
とＳｍに対応して得られる画像Ｉ′ｎとＩ′ｍ間で最も
相関値が高くなるように画像移動量Ｔｘ，Ｔｙを算出
し、これを光学系調節部１５での光学系調節のための指
標とする（ステップＤ１８）。

【００８０】焦点調節量Ｓｎに対応して得られた試料像
Ｉｎに対して前処理が施された画像Ｉ′ｎには、図１５
に示されるような画像領域Ｒｎと探索領域Ｕｎが設定さ
れているものとする。

【００８１】なお、図１５では画像領域Ｒｎと探索領域
Ｕｎが各々の矩形領域で描かれているが、これは任意の
形状で任意の位置に設定することが可能であり、また、
双方ともに画像全体に設定することも可能である。

【００８２】相関値計算処理（ステップＤ１５）では、
焦点調節量Ｓｎでの試料像Ｉ′ｎで設定されている画像
領域Ｒｎと、焦点調節量Ｓｍでの画像Ｉ′ｍで設定され
ている探索領域Ｕｍに含まれる任意の画像領域Ｒｍとの
間で、各々の領域間の相関の度合いを示す統計量を算出
する。例えば、画像領域Ｒｎの基準座標を（ｘ１，ｙ
１）、画像領域Ｒｍの基準座標を（ｘ２，ｙ２）とし
て、式１８を用いて残差θを算出する。

【００８３】

【数１８】

【００８４】このような残差θを用いる方法は、ＳＳＤ
Ａ法といった計算コストの少ない方法もあり、相関の度
合いを求めるには簡便な手法である。また、ＲｎとＲｍ
の真の相互相関計数Ｃ等を求めても良い。このような相
関値計算は、ある一つのＲｎと、Ｕｍに含まれる全ての
Ｒｍの間で算出される。

【００８５】次に、移動量算出処理（ステップＤ１６）
において、例えば残差θが求められている場合には、画
像領域Ｒｎに対して残差θが最も小さくなるようなＲ′
ｍを求め、式１９を用いて画像領域Ｒｎ，Ｒ′ｍの各々
の基準座標（ｘ１，ｙ１），（ｘ′２，ｙ′２）の差を
焦点調節量Ｓｎ，Ｓｍ間での画像移動量Ｔｘ，Ｔｙとし
て算出することができる。この画像移動量Ｔｘ，Ｔｙは
全ての焦点調節量ＳｎとＳｍの組について算出され、各
々の組で得られたＴｘ，Ｔｙの総平均値を画像移動量と
して出力する。

【００８６】

【数１９】

【００８７】また、画像領域Ｒｎと探索領域Ｕｎは、あ
る画像Ｉ′ｎに対して一つだけでなく複数設定されてい
ても良く、この場合には全てのＴｘ，Ｔｙの総平均値が
移動量算出部１４から画像移動量として出力され、光学
系調節部１５での光学系調節のための指標とすることが
できる（ステップＤ１８）。

【００８８】このように、第３の実施形態によれば、複
数の画像間で相関演算を行って試料像の移動量を求める
ようにしたため、第１の実施形態のような重心位置の算
出、追跡処理を必要とせず、簡単に試料像の移動量を求
めることができる。

【００８９】（第４の実施形態）次に、本発明の第４の
実施形態を説明する。装置構成については、図１と同様
であるため、ここではその説明を省略するものとする。
第４の実施形態における電子光学系自動調節処理のフロ
ーチャートを図１６に示す。図１６において、焦点調節
（ステップＥ１１）、画像入力（ステップＥ１２）、前
処理（ステップＥ１３）、撮影終了の判断（ステップＥ
１４）、光学系調整必要の判断（ステップＥ１７）、光
学系調整（ステップＥ１８）に関しては、第１の実施形
態で説明した図３中の対応する処理と同様であるため、
ここではその説明を省略するものとする。

【００９０】第４の実施形態では、第１の実施形態のよ
うに前処理（ステップＥ１３）の後に二値化画像を求め
たり重心位置を算出する処理はなく、その代わりとし
て、焦点調節に対する試料像の移動量を算出する処理
（ステップＥ１６）と、そのための焦点量空間画像作成
処理（ステップＥ１５）があり、それらの処理が第４の
実施形態独自の方法で行われる。

【００９１】ステップＥ１４までの処理が終わり、画像
蓄積部１３に前処理が行われた規定数の画像Ｉ′ｎ
（ｘ，ｙ）が蓄積されているものとする。また、焦点調
節量Ｓｎは等しい間隔で多数設定されているものとす
る。このとき、各画像Ｉ′ｎ（ｘ，ｙ）から特定のｙ座
標の値を持つ画像部分、つまり、あるｙ座標値に対応す
る横１ラインのスリット画像をｎの順番に縦方向に並べ
ると、図１７に示されるような横軸がｘ座標で、縦軸が
焦点調節量Ｓｎとなる画像を作成することができる。

【００９２】このような画像を、ここでは焦点量空間画
像と呼ぶことにする。また、あるｘ座標値に対応する縦
１ラインのスリット画像をｎの順番に縦方向に並べるこ
とにより、ｙに関する焦点量空間画像を作成することが
できる。このようにして、焦点量空間画像作成処理（ス
テップＥ１５）において、予め設定されたｘおよびｙの
座標値についての２つの焦点量空間画像が作成される。

【００９３】このようにして作成された焦点量空間画像
から、焦点調節量に対する試料像の移動量Ｔｘ，Ｔｙを
以下のようにして算出する（ステップＥ１６）。まず、
２つの焦点量空間画像はｓｏｂｅｌオペレータ等の空間
微分処理を施すことによって、焦点調節によって生じた
直線エッジのみが図１８のように抽出される。そして、
画像中の直線部分の傾きを求めるハフ変換のような処理
によって（参考文献１）、各焦点量空間画像に含まれる
複数の直線の傾きｂｉが全て求められ、ｂｉの総平均値
ｂが求められる。

【００９４】この平均の傾きｂ（図１８の画像中の直線
部分の傾きの平均値）は、単位焦点調節量に対する試料
像のｘ方向あるいはｙ方向の移動量を示すものである。
したがって、ｘ方向に関する焦点量空間画像から求めら
れた傾き平均ｂはＴｘとして、ｙ方向に関する焦点量空
間画像から求められた傾き平均ｂはＴｙとして移動量算
出部１４からから出力され、光学系調節部１５での光学
系調節のための指標とすることができる（ステップＥ１
８）。

【００９５】このように、第４の実施形態によれば、複
数の画像から焦点空間画像を作成し、その焦点空間画像
から試料像の移動量を求めるようにしたため、第１の実
施形態のような重心位置の算出、追跡処理を必要とせ
ず、より簡単に試料像の移動量を求めることができる。

【００９６】なお、上述した各実施形態において記載し
た手法は、コンピュータに実行させることのできるプロ
グラムとして、例えば図１９に示すように、磁気ディス
ク（フロッピーディスク、ハードディスク等）、光ディ
スク（ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等）、半導体メモリなどの
記録媒体に書き込んで各種装置に適用したり、通信媒体
により伝送して各種装置に適用することも可能である。
また、本装置を実現するコンピュータは、記録媒体に記
録されたプログラムを読み込み、このプログラムによっ
て動作が制御されることにより、上述した処理を実行す
る。

【００９７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、走査型電
子顕微鏡から得られる画像を処理する装置を付加するこ
とによって電子光学系の調整作業を自動化することがで
きる。したがって、従来では走査型電子顕微鏡の電子光
学系調整作業が熟練を要する困難な作業であって一般の
利用者には調整不可能であったり、半導体検査等の検査
工程において電子光学系調整作業のせいで検査のスルー
プットが低くなる問題があったが、本発明により、オペ
レータの作業負荷を軽減させると共に半導体検査等にお
ける作業のスループットを大幅に向上させることが可能
となる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電子光学系自動調節装置の概略構成を
示すブロック図。

【図２】上記電子光学系自動調節装置に適用される走査
型電子顕微鏡の概略構成を示す図。

【図３】本発明の第１の実施形態における電子光学系自
動調節処理の動作を示すフローチャート。

【図４】第１の実施形態における単純平滑化処理のため
の３×３画素のマスクを示す図。

【図５】第１の実施形態における二値化画像の一例を示
す図。

【図６】第１の実施形態におけるラベル画像の一例を示
す図。

【図７】第１の実施形態における焦点調節での重心位置
算出の一例を示す図。

【図８】第１の実施形態における焦点調節に対する試料
像の移動量の算出例を示す図。

【図９】本発明の第２の実施形態における電子光学系自
動調節処理の動作を示すフローチャート。

【図１０】第２の実施形態におけるしきい値算出処理の
動作を示すフローチャート。

【図１１】第２の実施形態における焦点調節−５μｍで
のしきい値算出結果と二値化画像の例を示す図。

【図１２】第２の実施形態における焦点調節０μｍでの
しきい値算出結果と二値化画像の例を示す図。

【図１３】第２の実施形態における焦点調節＋５μｍで
のしきい値算出結果と二値化画像の例を示す図。

【図１４】本発明の第３の実施形態における電子光学系
自動調節処理の動作を示すフローチャート。

【図１５】第３の実施形態における相関値算出領域を示
す図。

【図１６】本発明の第４の実施形態における電子光学系
自動調節処理の動作を示すフローチャート。

【図１７】第４の実施形態における焦点量空間画像の一
例を示す図。

【図１８】第４の実施形態における焦点量空間画像の直
線抽出例を示す図。

【図１９】ソフトウェアによる本装置の供給方法を示す
図。

【符号の説明】

１１…走査型電子顕微鏡 １２…焦点調節部 １３…画像蓄積部 １４…移動量算出部 １５…光学系調整部 １６…調整処理制御部 ２１…対物レンズ ２２…検出器 ２３…偏向器 ２４…試料 ２０１…光学系調整信号 ２０２…焦点調節信号 ２０３…画像検出信号

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 走査型電子顕微鏡の電子光学系を調節す
   る電子光学系自動調節装置であって、 上記走査型電子顕微鏡の対物レンズ屈折率を変更して焦
   点調節を行う焦点調節手段と、 この焦点調節手段による焦点調節によって上記走査型電
   子顕微鏡から順次得られる画像を所定数分蓄積する画像
   蓄積手段と、 この画像蓄積手段に蓄積された上記複数の画像中に存在
   する試料像の移動量を算出する移動量算出手段と、 この移動量算出手段によって算出された上記試料像の移
   動量に基づいて、上記走査型電子顕微鏡の電子光学系の
   調整を必要とするか否かを判断する調整処理制御手段
   と、 この調整処理制御手段によって上記走査型電子顕微鏡の
   電子光学系の調整が必要であると判断された場合に、上
   記試料像の移動量に応じて上記走査型電子顕微鏡の電子
   光学系を調整する光学系調整手段とを具備したことを特
   徴とする電子光学系自動調節装置。
2. 【請求項２】 上記移動量算出手段は、上記画像蓄積手
   段に蓄積された上記複数の画像を二値化処理した後、そ
   の二値化された画像中に存在する試料像の基準位置を求
   め、その基準位置を追跡することによって上記試料像の
   移動量を算出することを特徴とする請求項１記載の電子
   光学系自動調節装置。
3. 【請求項３】 上記移動量算出手段は、上記複数の画像
   の統計的処理を行うことによって上記二値化処理のため
   のしきい値を算出することを特徴とする請求項２記載の
   電子光学系自動調節装置。
4. 【請求項４】 上記移動量算出手段は、上記画像蓄積手
   段に蓄積された上記複数の画像間で相関演算を行うこと
   により上記試料像の移動量を算出することを特徴とする
   請求項１記載の電子光学系自動調節装置。
5. 【請求項５】 上記移動量算出手段は、上記画像蓄積手
   段に蓄積された上記複数の画像から焦点量空間画像を作
   成することにより上記試料像の移動量を算出することを
   特徴とする請求項１記載の電子光学系自動調節装置。
6. 【請求項６】 走査型電子顕微鏡の電子光学系を調節す
   る電子光学系自動調節装置の電子光学系自動調節方法で
   あって、 上記走査型電子顕微鏡の対物レンズ屈折率を変更して焦
   点調節を行い、 この焦点調節によって上記走査型電子顕微鏡から順次得
   られる画像を所定数分蓄積し、 この蓄積された上記複数の画像中に存在する試料像の移
   動量を算出し、 この算出された上記試料像の移動量に基づいて、上記走
   査型電子顕微鏡の電子光学系の調整を必要とするか否か
   を判断し、 上記走査型電子顕微鏡の電子光学系の調整が必要である
   と判断された場合に、上記試料像の移動量に応じて上記
   走査型電子顕微鏡の電子光学系を調整するようにしたこ
   とを特徴とする電子光学系自動調節方法。
7. 【請求項７】 上記複数の画像を二値化処理した後、そ
   の二値化された画像中に存在する試料像の基準位置を求
   め、その基準位置を追跡することによって上記試料像の
   移動量を算出することを特徴とする請求項６記載の電子
   光学系自動調節方法。
8. 【請求項８】 上記複数の画像の統計的処理を行うこと
   によって上記二値化処理のためのしきい値を算出するこ
   とを特徴とする請求項７記載の電子光学系自動調節方
   法。
9. 【請求項９】 上記複数の画像間で相関演算を行うこと
   により上記試料像の移動量を算出することを特徴とする
   請求項６記載の電子光学系自動調節方法。
10. 【請求項１０】 上記複数の画像から焦点量空間画像を
    作成することにより上記試料像の移動量を算出すること
    を特徴とする請求項６記載の電子光学系自動調節方法。