JP2007165338A - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】像形成条件に連動して、最適な焦点ずらし量で複数画像を取得し、最小の画像取り込み数で、最大の焦点深度拡大効果が得る電子線装置の提供。
【解決手段】電子源から放出された１次電子ビーム４を対物レンズ７で細く絞るビーム収束手段５，６と、１次電子を試料１０上で走査するビーム走査手段と、該ビーム走査によって試料から発生する２次信号１２を検出する検出手段１３と、２次信号１２から試料像を形成する像形成手段を備え試料の走査像を得る電子線装置において、像形成条件に連動してビーム収束位置変化幅を決めるフォーカス制御量決定手段１５と、フォーカス制御量
に対応してビームのフォーカス条件を制御するフォーカス制御手段と、画像の枚数を決定する画像数決定手段と、該フォーカス制御手段１５で制御された異なる複数のフォーカス条件の画像を連続して取り込む画像取得手段と、複数画像を記憶する記憶手段とを有する電子線装置。
【選択図】図２

Description

本発明は電子線装置に係り、特に、試料ダメージを最小にして、焦点深度の深い試料像を得るのに好適な電子線装置（電子顕微鏡）に関する。

走査電子顕微鏡に代表されるような、収束電子線を試料上で走査して試料の拡大像を得る電子線装置は、電子の波長が光より短いことから、光学顕微鏡に比較して高い分解能と深い焦点深度で試料の拡大像が得られる装置である。

ところが、近年の装置の高分解能化に伴ってビームの収束角が増大し、この結果として拡大像の焦点深度が低下してきた。

一方、元来、焦点深度の浅い光学顕微鏡像に対しては、焦点位置の異なる複数のディジタル画像を合成して、焦点深度の深い画像を構築する画像処理ソフトが市販されている。

また、特許文献１（特開平５−２９９０４８号公報）には、フォーカス条件の異なる複数の走査像を取り込み、試料の三次元像を形成する技術が開示されている。

特開平５−２９９０４８号公報

一般に、走査電子顕微鏡の倍率は、数十倍から１００万倍程度の範囲で可変できるようになっており、光学顕微鏡と比較して桁違いのダイナミックレンジを有している。このような観察装置において、焦点位置の異なる複数画像から焦点深度の深い画像を合成するには、合成する画像間の焦点ずらし量を最適に制御することが重要である。

本発明の目的は、装置パラメータや観察条件などの像形成条件に連動して、最適な焦点ずらし量で複数画像を取得することにより、最小の画像取り込み数で、最大の焦点深度拡大効果が得られる電子線装置を提供することにある。

前記課題を明確にするために、まず、像形成条件と焦点深度の関係について、図６および図７を用いて説明する。

図６および図７は、いずれも一定のフォーカス条件で走査像を形成した場合の観察倍率と、焦点の合う範囲（焦点深度）との関係を示したものである。

図６は、加速電圧が同じ条件に対して、装置の分解能が異なる場合の焦点深度を，分解能が低い場合：Ａ、分解能が高い場合：Ｂで示している。一方、図７は、同一のビーム分解能に対して、加速電圧が異なる場合の焦点深度を、加速電圧が高い場合：Ａ、加速電圧が低い場合：Ｂで示している。

各々の像形成条件において、これらのグラフに示す焦点深度よりも深い焦点深度の画像が必要な場合には、焦点位置（フォーカス条件）の異なる複数の画像を取り込んで合成することが必要になる。

図６，図７に示されるように、焦点深度は、観察倍率だけでなくビーム分解能や加速電圧などのビーム条件にも大きく依存している。さらに、焦点深度は像形成するときの画素数、または、画素サイズにも依存する。即ち、画素数が多くなると画素サイズが小さくなるため、焦点が合っていると見なせるビームのぼけ量の許容値が小さくなり、焦点深度が浅くなる。

従って、観察倍率を含むこれら像形成条件に連動して、最適な焦点ずらし量を計算しながら、走査像を取り込むことが重要である。例えば、高倍率の像では、微少な焦点ずらし量の画像を取得して合成する必要があるが、低倍率では、この焦点ずらし量が必要以上に細かすぎることになる。

即ち、ある一定の焦点ずらし量で複数画像を取り込んで画像の再構築を行っても、走査電子顕微鏡の倍率範囲の全てにおいて、十分な焦点深度拡大効果を得ることができない。

従来技術においては、この点の配慮が全くなく、所定の焦点深度の画像を得るのに、必要以上の枚数の画像を取り込む必要があった。一方、焦点深度を拡大するために複数画像を取得する場合、試料上の同一場所が繰り返しビーム走査される。従って、合成に用いる画像数が多くなると、試料がビームダメージを受けて、試料の特徴を正しく反映した合成像が得られないと云う問題が生じる。このため、焦点深度の拡大に用いる画像数を最小限にすることが特に重要である。

上記課題を解決するために、本発明では、像形成条件から最適な焦点ずらし量を決定する手段と、合成像として必要な焦点深度を設定する手段と、これらの手段から焦点深度設定値を満足する最小の取り込み画像数を決定する手段とを設けた。

フォーカス条件が一定な一枚の走査像の焦点深度ｆdは、観察倍率が低い場合、次式〔１〕で表される。

（数１）
ｆd＝Ａ１×(ｄpix／Ｍ)×Ｒ×√Ｖacc…〔１〕
ここで、Ａ１は定数、ｄpixは画素サイズ、Ｍは観察倍率、Ｒはビーム分解能（ビーム径で決まる分解能）、Ｖaccは加速電圧を表す。

観察倍率が高くなると、走査像の解像度はビーム分解能Ｒに制限されるようになり、このときの焦点深度は次式〔２〕で表される。

（数２）
ｆd＝Ａ２×Ｒ^２×√Ｖacc／√(１＋０.７３×(Ｉp／Ｂ０)×１０^１４)…〔２〕
ここで、Ａ２は定数、Ｉpはプローブ電流、Ｂ０は１Ｖ当りに換算した電子銃の輝度を表す。

倍率の高い領域では、式〔２〕に示されるように像形成に寄与する多くの条件が焦点深度に影響を与えている。輝度Ｂ０が非常に高い電界放出型電子源の場合には、式〔２〕の（Ｉp／Ｂ０）の項が非常に小さくなるため、高倍率領域の焦点深度を、実用上次式〔３〕
（数３）
ｆd＝Ａ２×Ｒ^２×√Ｖacc…〔３〕
と表すことができる。

なお、式〔１〕から式〔３〕において、ビーム分解能Ｒは、次式〔４〕
（数４）
Ｒ＝０.６１λ／α＝０.７５／(α×√Ｖacc)…〔４〕
の関係で表すことができるため、式〔１〕〜〔３〕のビーム分解能Ｒを式〔４〕の第２項、または、第３項に置き換えて表すことができる。なお、λは電子の波長、αは１次ビームの収束角度（半角）を表す。

フォーカスの異なる複数の画像を取得して適切な合成を行えば、式〔１〕から式〔３〕で示される焦点深度よりも深い焦点深度の画像が得られるが、この場合、画像間の焦点ずらし量を式〔１〕〜〔３〕で表される値と同等か若干小さめにすることにより、最小の画像数で、最大の焦点深度拡大効果を得ることができる。

焦点ずらし量決定手段では、加速電圧や電子源輝度、プローブ電流、画素数、倍率、ビーム分解能などの像型成条件から、式〔１〕〜〔３〕の計算に基づいて、最適な焦点ずらし量を計算する。

焦点ずらし量決定手段では、これらの計算結果を予めテーブルに記載し、像型成条件から対応する焦点ずらし量を、該テーブルから決定することも可能である。

また、フォーカスの合わせたい上限と下限（焦点深度の範囲）を設定する手段、あるいは、焦点深度範囲を直接数値入力する手段などを具備することにより、式〔１〕〜〔３〕の結果を用いて、最小で最適な画像取り込み数を決めることができる。

さらに、焦点ずらし量の設定値に基づき、１画像取り込み毎にフォーカスを変更するフォーカス制御手段と、フォーカス制御手段と画像取り込みを連続して行う連続画像取り込み手段や、連続画像を保存する画像保存手段を設けている。

フォーカス制御手段では、現在のフォーカス条件を中心にしてフォーカスを制御したり、現在のフォーカスを端点としてフォーカスを制御したり、あるいは、予め設定されたフォーカス範囲で制御するなど、種々の制御型態が可能である。

さらに、取り込んだ複数画像の合成で得られる焦点深度を、画像間の焦点変化幅と画像数、および、電子光学系の焦点深度から計算する手段と、この値を表示する表示手段を設け、得られた画像の焦点深度を観察者が容易に分かるようにしている。

焦点深度を拡大するための画像合成（焦点合成）を、走査電子顕微鏡の機能と独立に行う場合には、画像保存手段に記憶した複数の画像を他の画像合成手段（例えば、市販のソフト）に提供して、焦点深度の深い画像を合成することができる。

本発明では、連続画像取り込みから焦点深度の深い合成画像の表示，保存まで一括して行うために、さらに、連続画像から焦点深度の深い合成画像を構築する画像構築手段を設けた。

焦点深度を拡大するために使用する複数画像には、それぞれの対物レンズの焦点位置情報を有しているため、合成画像で指定した画像位置に対応する対物レンズの焦点位置情報を確定することができる。そのため、合成画像上の任意の２点を指定する画像位置指定手段と、指定された２点の対物レンズ焦点位置を抽出する焦点位置抽出手段とを設けて、抽出した焦点位置情報から指定された２点間の高さの差を計算し、この結果を表示する表示手段を設けた。

本発明によれば、前記各種形態により取り込まれた複数画像を合成すれば、オペレータが意図した焦点深度の画像を構築することが可能になる。

そして、画像取り込みに必要な試料へのビーム照射量（画像の枚数に比例）は、理論的な最小値にすることができるため、ビームダメージの抑制と、画像取得時間および処理時間を短縮することができる。

以下、本発明の電子線装置の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成図である。陰極１と第１陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で１次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第２陽極３の間には、ＣＰＵ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された１次電子線４は加速されて後段のレンズ系に進行する。

１次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５（ビーム収束手段）で収束され、絞り板８で１次電子線の不要な領域が除去された後、第２収束レンズ制御電源２２で制御された収束レンズ６（ビーム収束手段）、および、対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により、試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式、アウトレンズ方式、または、シュノーケル方式（セミインレンズ方式）など種々の形態をとることができる。

１次電子線４は、走査コイル９で試料１０上を２次元的に走査される。１次電子線の照射で、試料１０から発生した２次電子等の２次信号（試料信号）１２ａ，１２ｂは、対物レンズ７の上部に進行した後、２次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、それぞれエネルギーの違いにより分離されて２次信号検出器１３ａおよび１３ｂの方向に進行する。

これらの２次信号１２ａ，１２ｂは、その後、２次信号検出器１３ａおよび１３ｂで検出される。

２次信号検出器１３ａ，１３ｂの信号は、それぞれ信号増幅器１４ａ，１４ｂを経て、像信号として表示用画像メモリ２５に記憶される。表示用画像メモリ２５に記憶された画像情報は、像表示装置２６に随時表示される。

走査コイル９の信号は、観察倍率に応じて走査コイル制御電源２４により制御される。

焦点の異なる複数の画像は、ＣＰＵ４０でフォーカス制御条件が計算され、連続して取り込まれ、画像メモリ３２に記憶される（画像構築手段）。画像メモリ３２に記憶された画像データは、ＳＥＭから外部に取出すことができる。

また、画像メモリ３２の画像は、ＣＰＵ４０で画像処理されて、焦点深度を拡大した画像として合成され、画像メモリ２５に記憶されて像表示装置２６に表示される。

合成画像は、画像メモリ３２にも記憶することができ、ＳＥＭから外部に合成画像データを取出すことができる。なお、画像処理は、ＣＰＵ４０に記憶されたプログラムで実施することも可能であるが、専用のハードウェアで高速に行うこともできる。さらに、専用のハードウェアでは画像処理が高速に行えることから、焦点の異なる連続画像を取り込みながら、並行して逐次画像処理を行い、焦点深度の深い画像を合成することもできる。

図２は、ＳＥＭのハードウェア制御用のＣＰＵとは別に、データ処理やマンマシンインタフェース機能を備えた他のコンピュータを組込み接続した本発明の一例である走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）の概略構成図である。

この例では、制御ＣＰＵ４０に組み込まれた画像メモリ３２に，連続画像を一旦記憶した後、データ処理用ＰＣ（コンピュータ）４２にデータを転送する。該ＰＣ４２に転送された画像データは、該ＰＣ４２のプログラムで処理されて、焦点深度の深い画像が合成される。この合成画像は、データ処理用ＰＣ４２に接続されている表示用モニタ４３で表示される。

図３は、複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を対物レンズ部に配置した電極で行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。

対物レンズ７部に軸対称なフォーカス制御用電極１５（フォーカス制御量決定手段）を配置している。この電極の電位分布は、少なくともその一部が対物レンズ７の磁界と重畳するように配置され、その電圧はフォーカス制御用制御電源１７で制御することにより、１次電子のフォーカス位置が変化する。

図４は、複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を対物レンズ部に配置した他の磁界発生用コイルで行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。

対物レンズ７の近傍に別のフォーカス制御用磁界発生コイル１６を配置しており、この励磁電流をフォーカス制御コイル用制御電源１８で変化させることにより、１次電子のフォーカス位置が変化する。

図５は、複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を試料に印加する電圧の制御で行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。

対物レンズ部７に１次電子を加速するフォーカス制御用磁界発生コイル１６と、試料に電圧を印加する試料印加電圧制御電源１９が配置され、該制御電源１９により試料の電圧を制御することにより、１次電子のフォーカス位置が変化する。

図８は、画像数を指定して連続画像を取り込む制御フローの一例を示すフロー図である。オペレータは、画像数設定画面（画像数設定手段）に画像数を直接入力するか、あるいは、定められた選択範囲から画像数を選択して取り込む画像数を入力できる（画像数決定手段）。

一方、制御ＣＰＵでは、現在の像形成条件（倍率、加速電圧、ビーム分解能、画素数など）からビームの焦点深度を計算し、この結果と指定された画像数とから最適な焦点変化量を決定する。

オペレータはさらに、画像取得時のフォーカス制御に対して、Ｕｎｄｅｒフォーカス方向やＯｖｅｒフォーカス方向、あるいは、現在値を中心にした双方向のフォーカス制御の別を、設定画面により設定できる。制御ＣＰＵでは、この制御方法の指定条件に対応してフォーカス制御を行いながら、指定された数の画像を連続して取り込む。これらの画像は画像メモリに記憶され、その後の処理（画像転送、画像合成など）に用いる。

図９は、焦点深度の値を指定して連続画像を取り込む制御フローの一例を示すフロー図である。この場合、オペレータは、必要とする焦点深度の値を直接指定する。制御ＣＰＵでは、ビームの焦点深度から、指定された焦点深度を満足する画像数と焦点ずらし量を決定し、図８と同様の手順により、連続画像を取り込み、保存する。

図１０は、焦点の合う範囲を指定して連続画像を取り込む制御フローの一例を示すフロー図である。この場合、オペレータは、観察画像において焦点を合わせたい下限と上限とを指定（任意の２点を指定する指定手段）する。そのために、まずフォーカスの下限となる試料の部位にフォーカスを合わせ、このフォーカス条件を第一の条件としてＣＰＵに登録する。

次に、フォーカスの上限となる試料の部位にフォーカスを合わせて、第二のフォーカス条件としてＣＰＵに登録する。

制御ＣＰＵでは、これら登録条件に基づきフォーカスの制御範囲を計算し、ビームの焦点深度値から適切な画像数と焦点ずらし量を決定する。

本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。 データ処理やマンマシンインタフェース機能を備えた他のコンピュータを接続した走査電子顕微鏡の概略構成図である。 複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を対物レンズ部に配置した電極で行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。 複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を対物レンズ部に配置した他の磁界発生用コイルで行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。 複数画像の連続取り込み時のフォーカス制御を試料に印加する電圧の制御で行う走査電子顕微鏡の概略構成図である。 加速電圧が同じで、ビーム分解能が異なる場合の観察倍率と焦点深度の関係を表すグラフである。 ビーム分解能が同じで、加速電圧が異なる場合の観察倍率と焦点深度の関係を表すグラフである。 画像数を指定してフォーカスの異なる連続画像を取得する制御フローの一例を説明するフロー図である。 焦点深度の値を指定してフォーカスの異なる連続画像を取得する制御フローの一例を説明するフロー図である。 焦点の合う範囲を指定してフォーカスの異なる連続画像を取り込む制御フローの一例を説明するフロー図である。

符号の説明

１…陰極、２…第１陽極、３…第２陽極、４…１次電子線、５…第１収束レンズ、６…第２収束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…２次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器、１２ａ…低エネルギーの２次信号、１２ｂ…高エネルギーの２次信号、１３ａ…低エネルギー２次信号用検出器、１３ｂ…高エネルギー２次信号用検出器、１４ａ…低エネルギー２次信号用増幅器、１４ｂ…高エネルギー２次信号用増幅器、１５…フォーカス制御用電極、１６…フォーカス制御用磁界発生コイル、１７…フォーカス制御電極用制御電源、１８…フォーカス制御コイル用制御電源、１９…試料印加電圧制御電源、２０…高圧制御電源、２１…第１収束レンズ制御電源、２２…第２収束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査コイル制御電源、２５…表示用画像メモリ、２６…像表示装置、３２…画像メモリ、４０…制御ＣＰＵ、４２…データ処理用ＰＣ、４３…表示用モニタ。

Claims (4)

1. 電子源から放出された電子ビームを試料上に収束するレンズと、
   前記電子ビームを走査する走査偏向器と、
   前記試料への電子ビーム走査によって得られる電子を検出する検出器と、
   前記レンズを制御する制御装置を備えた走査電子顕微鏡において、
   前記制御装置は、
   増倍率が所定の値よりも低い場合には、
   前記増倍率の逆数と、前記電子ビームの加速電圧の大きさに応じて変化する変数と の関係から求められる値に基づいて、前記レンズの変化量を制御し、
   前記増倍率が所定の値よりも高い場合には、
   前記増倍率に依らず、前記加速電圧の大きさに応じて求まる値に基づいて、前記レ ンズの変化量を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１に記載された走査電子顕微鏡において、
   前記制御装置は、
   前記レンズの焦点深度に関する値以下の変化量で前記レンズを調整することを特徴と する走査電子顕微鏡。
3. 請求項１または２のいずれかに記載された走査電子顕微鏡において、
   前記制御装置は、
   前記レンズ条件の異なる複数の画像を合成して合成画像を形成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載された走査電子顕微鏡において、
   前記制御装置は、前記レンズの変化量をテーブルとして予め記憶していることを特徴とする走査電子顕微鏡。

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