JPS61281446A - 自動焦点電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は透過形電子顕微鏡の自動焦点合せ装置に関する
。

【発明の背景〕

透過形電子顕微鏡（以下、電顕と略称する）の焦点合せ
法に関して、従来からワブラーと称する装置が用いられ
ている（例えば、特公昭５３−１５７３８号公報参照、
）この装置は１通常は試料を垂直に照射する電子線を試
料に対し斜めに照射して、その極内θを時間的に変化さ
せる装置で、もし、電顕の焦点が合っていなければ、結
像面の試料の像がゆれる。すなわち、焦点が合っていな
い時、試料照射電子線の極内を変えると像が移動する。

この移動量を測定すれば、ファン・デ・マスト：ヨーロ
ピアン・コンブレス・イン・エレクトロン・マイクロス
コビイ／１９８４年、第１巻、ページ３　（１９８４年
）　　（Ｖａｎ　ｄｅｒ　Ｍａｓｔ　；　Ｅｕｒｏｐｅ
ａｎ　Ｃｏｎｇｒｅｓｓｉｎ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｎ１
ｃｒｏｓｃｏｐｙ／　１０８４．　Ｖｏｌ、　１　ｔ　
Ｐ　、　３（１９８４）　）に示されているように、電
顕の焦点はずれ量、Ａｆ（焦点が合っている時からのレ
ンズ焦点距離のずれ量）がわかり、その分だけレンズ電
流値を変えることにより、焦点合せができる。

焦点はずれ景Ａｆを測定する方法として、上記文献では
試料照射電子線の極内を変えた時の２つの像を画像メモ
リに記憶し、その２つの像のずれ量を、関数、 ・・・・・・（１） を最小にするＳ、、Ｓ、を求めることにより決めている
。

ここで、Ｘｅ’ｊは画像メモリ内で直交するＸ方向、Ｘ
方向に対応した記憶番地を示し、Ｓ、、Ｓ。

は２つの像のずれを示す変位ベクトルＳのＸ方向。

Ｘ方向の大きさを番地の単位で示している。また。

Ｉｎ　（Ｘ、ｙ）　ｔ　Ｉｓ　（ｘ　　Ｓ、−Ｙ　　Ｓ
ｙ）は、それぞれ上記の２つの画像メモリＡ、Ｂの（ｘ
、ｙ）番地−（ｘ−８ｍ　ｔ　ｙ−８ｙ　）番地に貯え
られた信号の大きさく画素強度）である、さらに、ｎは
画像メモリのＸ方向、Ｘ方向に配列された番地の総数で
、各画像メモリはｎ２個の画素からできている。

上記文献の原理に基づいた焦点合せ法を実施するには、
（１）式を最小とするＳ、、Ｓ、を見出すことが必要で
、そのためには、（１）式のｎ４回の絶対値計算が必要
である。すなわち、１組の（Ｓ、、Ｓ、）に対するＦ　
（Ｓ、、Ｓ、）を求めるのにｎ２回の計算が必要で、そ
れがｎ２回繰り返される。

ｎを仮に２５６とすれば、総計５　Ｘ　Ｉ　Ｏ＠回の絶
対値計算が必要で、演算器の１回の計算速度を０．２μ
ｓｅｃとしても、約９００秒ががる。これでは焦点合せ
自動化が達成されても極めて不便なものである。

このように膨大な計算回数を必要とする理由は電顕に磁
界形電子レンズを用いていることによる。

周知のように、磁界形電子レンズは電子線を回転させる
ため、レンズ電流値を変えると像が回転する。したがっ
て、試料照射電子線の方位角を１定値に保って極内のみ
を変えても、レンズ電流値を変えると像の移動方向（移
動の方位角）が変化する。

すなねち、たとえば、上記の像移動の原理に基づいて電
顕の焦点合せの粗ｉｇｍを行ない、さらに、同じ原理で
微調整を行なおうとすると像移動の方向が変わっている
。そのため、（１）式のようにＳ□Ｓ、に関する２次元
の計算が必要となり、多量の計算時間を要する。

なお、像の回転角Δφは、管用：　「電子顕微鏡（２）
　Ｊ　、オーム社、東京ｙｐ２３（昭和３７年）に示さ
れているように、磁界レンズ内の磁束密度分布をＢ　（
ｚ）（Ｗｂ／ｍ”）、１ｌｌＲ（７）加速［圧をＶ（ｋ
Ｖ）とすると。

であられされ、（２）式の積分項はレンズ電流値に比例
するため、レンズ電流値がわかれば、Δφは容易に計算
できる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、試料照射電子線の極角を変えた時の像
のずれ量を測定する原理に基づいて、短時間で焦点合せ
のできる自動焦点電子顕微鏡を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するために、本発明の自動焦点電子顕
微鏡では、試料照射電子線の偏向方位角も任意に選べる
電子線偏向装置と、結像面上の像のある方向の強度分布
を測定するラインセンサとを設け、レンズ電流値が変っ
てもこのセンサの方向に像が移動するように電子線偏向
装置を動作させるようにしたことを特徴としている。

〔発明の実施例〕

以下１本発明を用いて詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例である。

鏡体２１内に設けられた電子銃１から出た電子線２は、
Ｘ方向電子線偏向器３、Ｙ方向電子線偏向器４により、
試料５を斜めに照射する。その極角θ。と方位角φ。と
はＸ方向電子線偏向器３、およびＹ方向電子線偏向器に
流す電流、１．、Ｉ。

を調節することにより、自由に設定できる。

すなわち、電流量、ｔ「５１−７５−が極角θ。を決め
、電流比、１．／１．が方位角φ。を決める。

試料５を出た電子線２は拡大レンズ６によりガラス上に
螢光体を塗付した螢光板７上に結像する。

この時、試料５の像は拡大レンズ６によりＡφだけ回転
している。Ａφは拡大レンズ６のレンズ電流値で決って
いることはすでに述べたところである。

螢光板７の下には、方位角φ１の方向に、電荷結合素子
をライン状に配置したラインセンサ８が固定して設けら
れている。

したがって、もし、この状態で試料照射電子線２の極角
θ。を変えても、像は（φ。＋Δφ）の方向に移動する
ので、その移動量はφ、力方向配置されたラインセンサ
８では検出することができない。

ところが、拡大レンズ６のレンズ電流値は、パーソナル
コンピュータを用いた全体制御器９に読みとられ、その
結果、（２）式に基づいて、拡大レンズ６による回転角
Δφが計算される。

全体制御器９はこの情報を用いて、Ｘ方向電子線偏向器
３．Ｙ方向電子線偏向器４に与える電流値工えｅ　ＩＴ
を決める。すなわち、Ａφの値から、（φ１−Δφ）が
試料照射電子線２の方位角φ。

に等しくなるように電流値Ｉ、、Ｉ、を決め、それを出
力するよう電子線偏向器電源１０に指令する。

電流比■−／ｘｖが方位角φ。を決め。

ｈ−５］：「ツーが極角θ。を決めることはすでに述べ
たところである。たとえば、Δφが２　ｒｅｄ　、　、
θ。

が１０−”ｒａｄ、の時、　工、に１アンペア、■、に
２アンペア流すようにすれば、螢光板７の裏に方位角φ
ｘ　＝　Ｏｒａｄ　、の方向に配置されたラインセンサ
８の方向に像が移動する。もし、この時、■、に２アン
ペア、■、に４アンペア流せば、像の移動方向は変らず
、移動量だけが２倍になる。

ラインセンサ８に検知された像のプロファイル（像の線
状の強度分布）は信号蓄積装Ｗ１１に入る。

信号蓄積装置１１は電気的切換スイッチ１９と、２つの
ラインメモリ１２．１３から成っている。

ラインメモリＡ１２には切換スイッチ１９を通して、試
料照射電子線２の極角が十〇。の時のプロファイルを記
憶させ、ラインメモリＢ１３には極角が−θ。の時のプ
ロファイルを記憶させる。

ラインメモリＡ１２およびＢ１３に記憶された信号量は
、像が移動しているため、第２図（Ａ）。

（Ｂ）のようなものである。

第２図（Ａ）、（Ｂ）の横軸はラインセンサ８の方向に
対応したメモリ番地であり、２５６個配列している。こ
の番地は螢光板８上の距離に比例していることは言うま
でもない。第２図（Ａ）。

（Ｂ）で、信号のＡ点が像の移動によって、ラインメモ
リＢ１３のＢ点に移動していることが容易にわかる。

演算器１４はこれらのラインメモリＡ１２゜Ｂ１３の各
番地Ｘに貯えられた信号ＩＡ　（ｘ）　ｔＩｓ（ｙ）を
用いて以下の計算を行なう、すなわちｋを１から２２５
までの整数として、 ｆｌ（ｋ）＝　　Σ　Ｉ　Ｉ−（ｍ）　　Ｉ、（ｍ＋に
−１）Ｉ・・・・・・（３） を求める。

この計算はラインメモリＡ１２の１番地から３２番地ま
でに貯えられたプロファイルが、ラインメモリＢ１３で
はどの番地の付近に貯えられているかを、ｋを変えてさ
がしている。すなわち、ｆ、（ｋ）　　が零となるｋを
に′とすれば、このプロファイルはメモリＢ１３のに′
番地から（ｋ’＋３１）番地までの記憶番地に貯えられ
ている。

すなわち、（ｋ’−１＞番地分だけ像がシフトしており
、この量は（１）式の変位ベクトルの太きただし、（３
）式の絶対値の計算回数は７２００回で、（１）式の場
合の計算回数に比べると極めて少ない。

全体制御器９は現在のに′値から、拡大レンズ、　６の
レンズ電流補正値、ｄＩを計算する。

この計算は、まず、レンズ６の拡大率Ｍと試料照射電子
線２の極内変化量２００および、レンズ６の球面収差係
数Ｃ，とから、前記最初の文献にも示されている式。

ｄ＝２ＭＯ，（Δｆ−Ｃ，θ。３）　　・・・　（４）
ただしｄ；結像面での像の移動距離 から、焦点はずれ量Ａｆを求め、しかる後、Ａｆにほぼ
比例しているΔ工を求める。

ＡｆとΔ工の関係はあらかじめ実験により求められ、全
体制御ｌ１９内部のテーブルに記憶されているので、こ
の計算は瞬時に行なわれる。

全体制御器９は現在のレンズ電流値にΔＩを重ねた値で
レンズ６を励磁するように、レンズ電源２０に指令する
。

このことにより、電顕は焦点正金状態にいたる。

ただし、実際の電顕像では焦点が合った状態よりも、若
干、不足焦点の場合の方°が像のコントラストが強くな
って見易いため、あらかじめ設定した電流値分だけ、少
ないレンズ電流でレンズ６を励磁する場合が多い。

全体制御器９が行なう上記の一連の操作を第３図のフロ
ーチャートに示す。

通常は、この操作により、焦点合せがなされるのである
が、たとえば、試料５を交換して試料位置が大幅にずれ
た時などは、この粗調整だけで焦点正金状態にセットす
ることがむづかしい場合がある。

この時は、粗調整で求めた新しいレンズ電流値を基準に
して、もう１度同じ操作を繰り返す、ただし、上記の粗
調整により、レンズ電流値が焦点正金条件の近傍に変化
しているので、Ｉ、、１．を設定しなおす必要がある。

また、その際、レンズ倍率や極内θ。を大きくするよう
にすれば、焦点合せ精度が更に向上する。

第４図は本発明の他の実施例である。

この実施例では、ラインセンサのがわりに、テレビカメ
ラ１５を使い、ラインメモリのがわりにテレビ像を格納
する画像メモリ１７．１８を用いている。

本実施例では、テレビカメラ１５による像の２次元の多
量の情籟を用いて、像移動量測定の精度を高めるが、た
だし、（１）式の計算を１次元的に行なって計算時間を
短縮する。

また、この実施例では両像メモリ１７，１８の内容が、
ＣＲＴ１８に表示されているので、明るいテレビ像を見
ながら焦点合せのできる利点がある。

本実施例においても、拡大レンズ６の電流値を変えても
結像面での像の移動方向が常に一定方向であるように電
子線偏向器３，４をセットするという本発明の基本原理
は変らない、第４図では、像移動の方向が１丁度、画像
メモリ１７．１８、およびＣＲＴ１６の水平方向である
ように調節されている。

試料照射電子線２の極内θ。を変えた時の２つの像をテ
レビカメラ１５および切換スイッチ１９を通して、それ
ぞれ画像メモリＡ１７画像メモリ８１８に格納する。

画像メモリ１７，１８は２５６Ｘ２５６個の記憶番地を
持っている。この２次元番地を（ｘｙｙ）であられし、
演算器１４は以下の計算を行なう。

ただしに冨１〜２２５ ｆｓ（ｋ）が最小となるｋの値を求めて全体制御ＩＩ９
により拡大レンズ６の電流値を変える操作は実施例１と
同様である。

（５）式の絶対値計算回数は約２ＸＩＯ“回であり、第
１図の実施例に比べると２５６倍多いが、０．４　秒程
度で焦点合せができる。

また、本発明は電顕の自動非点補正装置としても使用さ
れる。

周知のように電子顕微鏡レンズの非点隔差は。

レンズの工作精度等の問題点により、レンズの焦点距離
が、軸対称でないことによる。すなわち。

あるレンズ電流値工に対して、方位角の異なる２方向で
焦点はずれ量Δｆ、が違うことによる。

そのため、本発明を非点隔差補正装置として使用するに
は、結像面にたとえば４５°の角度をなして配置された
２個のラインセンサを設け、試料照射ビームの極内を変
えた時に生じる像の動きが。

最初は第１のラインセンサの方向となるよう、次は第２
のラインセンサの方向となるよう電子線偏向器電源を調
節すればよい、その後の♀つの焦点はずれ量Ａｉｔ−Δ
ｆ２を求める操作は本発明の実施例と全く同じである。

Δｆ１．Ａｆ、が求まれば、本実施例には示していない
が、拡大レンズ内部に設けられた非点補正器に与えるべ
き電流値は容易に決まる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、短時間で、しか
も自動的に電顕の焦点合せができる。

また１本発明の更にの特長は、焦点合せの際に試料にあ
てる電子線の総量が極めて少ないことである。試料に電
子線を照射すると試料が破壊されることをしばしば経験
する、 従来の電顕では、焦点合せを行なうため、オペレータが
像を監視しながらレンズ電流を変えてゆく、その過程で
試料が壊されてしまうことも多かった。

本発明によれば、極内θ。を変えた２枚の像のプロファ
イルを記録する時間だけ、試料に電子線をあてればよい
、この時間は、通常、０．１秒以内である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による自動焦点電子顕微鏡の一実施例構
成図、第２図はラインメモリに貯えられた信号を示す説
明図、第３図は全体制御器の時系列的作業を示すフロー
チャート、第４図は本発明の他の実施例構成図である。 １・・・電子銃、２・・・電子線、３・・・Ｘ方向電子
線偏向器、４・・・Ｙ方向電子線偏向器、５・・・試料
、６・・・拡大レンズ、７・・・螢光板、８・・・ライ
ンセンサ、９・・・全体制御器、１０・・・電子線偏向
器電源、１１・・・信号蓄積装置、１２・・・ラインメ
モリＡ、１３・・・ラインメモリＢ、１４・・・演算器
、１５・・・テレビカメラ、１６・・・ＣＲＴ、１７・
・・画像メモリＡ、１８・・・画像メモリＢ、１９・・
・切換スイッチ、２０・・・レンズ電を　１目 第３町

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、電子線像を得るための試料と、上記試料を照射する
   電子線の方向を変化させる手段と、上記試料を透過した
   電子線を結像する電子レンズとを備えた透過形電子顕微
   鏡において、上記試料を照射する電子線の照射方向の極
   角を変えた時、レンズ電流値を変えても結像面での像移
   動の方向が常に同じ方向であるように試料照射電子線の
   方位角を設定してなることを特徴とする自動焦点電子顕
   微鏡。 ２、上記結像面の任意の１方向に沿って像の強度分布を
   測定するラインセンサを設けたことを特徴とする第１項
   の自動焦点電子顕微鏡。 ３、上記試料照射電子線の極角を変えた時生ずる像移動
   の移動量を上記ラインセンサの各素子からの信号の強度
   変化をもとにして求めるようにしたことを特徴とする第
   ２項の自動焦点電子顕微鏡。 ４、上記像の移動量が零となるようにレンズ電流値を設
   定するようにしたことを特徴とする第３項の自動焦点電
   子顕微鏡。 ５、上記設定されたレンズ電流値からあらかじめ決めら
   れた量だけレンズ電流値を小さくし、その新しい電流値
   で上記レンズを励磁するようにしたことを特徴とする第
   ４項の自動焦点電子顕微鏡。 ６、上記試料照射電子線の極角を変えた時、上記ライン
   センサの各素子からの信号変化が零となるようにレンズ
   電流値を調節するようにしたことを特徴とする第２項の
   自動焦点電子顕微鏡。 ７、上記調節されたレンズ電流値からあらかじめ決めら
   れた量だけレンズ電流値を小さくし、その新しい電流値
   で上記レンズを励磁するようにしたことを特徴とする第
   ６項の自動焦点電子顕微鏡。 ８、上記結像面のラインセンサの方向と平行して他のラ
   インセンサを設けたことを特徴とする第２項の自動焦点
   電子顕微鏡。 ９、上記結像面のラインセンサの方向とは異なる他の方
   向に新しいラインセンサを設けたことを特徴とする第２
   項もしくは第８項の自動焦点電子顕微鏡。