JP2012018769A - 電子顕微鏡における焦点合わせ方法および電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】 焦点合わせを良好に行える電子顕微鏡における焦点合わせ方法および電子顕微鏡を提供する。
【解決手段】 対物レンズ電流値がｘ_０＋Δｘに設定された状態において、焦点合わせ部１３は、電子線傾斜前後の像移動量Ｄ_１を求める。次に対物レンズ電流値がｘ_０に設定された状態において、焦点合わせ部１３は、電子線傾斜前後の像移動量Ｄ_２を求める。次に対物レンズ電流値がｘ_０−Δｘに設定された状態において、焦点合わせ部１３は、電子線傾斜前後の像移動量Ｄ_３を求める。そして、焦点合わせ部１３は、その求めた像移動量Ｄ_１〜Ｄ_３に基づき、対物レンズをジャストフォーカス状態にするための対物レンズ電流値を求める。
【選択図】 図８

Description

本発明は、電子顕微鏡における焦点合わせに関する。

透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）は、試料に電子線を照射し、試料を透過した電子線を対物レンズで結像させて像を得、その像を中間レンズと投影レンズで拡大して、試料拡大像を蛍光板などを用いて観察する装置である。

現在のＴＥＭは自動焦点合わせの機能を有しており、その焦点合わせ方法として、たとえば、電子線傾斜による焦点合わせ方法（特許文献１参照）が知られている。この方法は、試料に入射する電子線の角度を変化させて焦点合わせを行う方法である。すなわち、この方法は、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出し（このときの対物レンズ電流値をＩ_ｎとする）、その検出結果に基づいて対物レンズ電流値をＩ_ｎから最適電流値Ｉ₀に補正するものである。

なお、この電子線傾斜による焦点合わせ方法においては、ジャストフォーカス時には電子線を傾斜させても試料像は移動しないが、アンダーフォーカス時とオーバーフォーカス時には電子線を傾斜させると試料像が移動する。そして、その試料像の移動方向は、アンダーフォーカス時とオーバーフォーカス時では逆となる。

特開２００４−５５１４３号公報

特許文献１の焦点合わせにおいては、対物レンズ電流値をＩ_ｎから最適電流値Ｉ₀に変更する場合、対物レンズのヒステリシスについては全く考慮されていない。すなわち、Ｉ_ｎより大きな値からそのＩ_ｎに対物レンズ電流値が設定された場合と、Ｉ_ｎより小さな値からそのＩ_ｎに対物レンズ電流値が設定された場合とでは、Ｉ_ｎをＩ₀に変更した後の対物レンズの磁束密度Ｂ（すなわち対物レンズのフォーカス状態）は異なるが、このような対物レンズのヒステリシスについては特許文献１では全く考慮されていない。このため、特許文献１の焦点合わせでは、目的とする磁場を対物レンズに発生させることができない場合があり、焦点合わせがうまく行われないことがあった。

本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的は、焦点合わせを良好に行える電子顕微鏡における焦点合わせ方法および電子顕微鏡を提供することにある。

上記目的を達成する本発明の焦点合わせ方法は、次の（１）〜（４）の手順で焦点合わせを行うようにしたことを特徴とする。
（１）対物レンズ電流値を現在の対物レンズ電流値から増加させてｘ_０＋Δｘに設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_１を取得する。
（２）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０に設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_２を取得する。
（３）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０−Δｘ’設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_３を取得する。
（４）次の（ａ）の条件を満足するｘ_１、または次の（ｂ）の条件を満足するｘ_２、または次の（ｃ）の条件を満足するｘ_３に、対物レンズ電流値を設定する。
（ａ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_１＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_３−Ｄ_２）または式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_１であって、その値がｘ_０−Δｘ’以下であるｘ_１。
（ｂ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_２＝ｘ_０−Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_２−Ｄ_１）に基づいて求められたｘ_２であって、その値がｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以下であるｘ_２。
（ｃ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_３＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_３であって、その値がｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以上であるｘ_３。

本発明によれば、電子顕微鏡における焦点合わせを良好に行うことができる。

対物レンズのヒステリシスを説明するために示した図である。 第１の本発明を説明するために示した図である。 第１の本発明を説明するために示した図である。 第１の本発明を説明するために示した図である。 第２の本発明を説明するために示した図である。 第２の本発明を説明するために示した図である。 第２の本発明を説明するために示した図である。 第１の本発明の実施例を示した図である。 第２の本発明の実施例を示した図である。

まず、第１の本発明の原理を説明する。
［第１の本発明の原理］
最初に、対物レンズのヒステリシスについて説明する。図１は、対物レンズのヒステリシスループを示したものである。図１に示すように、ｘ_０＋Δｘまで増加させてきた対物レンズ電流値を逆に減少させていくと、対物レンズ電流値がｘ_０＋Δｘからｘ_０までは（ａｂ間では）対物レンズの磁束密度Ｂはゆるやかに減少し、対物レンズ電流値がｘ_０からｘ_０−Δｘ’までは（ｂｃ間では）対物レンズの磁束密度Ｂはａｂ間よりも激しく減少する。このように、増加させてきた対物レンズ電流をｘ_０＋Δｘにおいて減少する方向に反転させると、その反転時から対物レンズ電流値がΔｘ減少する間は、対物レンズの磁束密度ＢはΔＡの変化率（図１参照）で減少する。そして、その後においては、対物レンズの磁束密度ＢはΔＢの変化率（図１参照）で減少する。

一方、ｘ_０−Δｘ’から逆に対物レンズ電流値を増加させていくと、対物レンズ電流値がｘ_０−Δｘ’からｘ_０−Δｘ’＋Δｘまでは（ｃｄ間では）対物レンズの磁束密度Ｂはゆるやかに増加し、対物レンズ電流値がｘ_０−Δｘ’＋Δｘからｘ_０＋Δｘまでは（ｄａ間では）対物レンズの磁束密度Ｂはｃｄ間よりも激しく増加する。このように、減少させてきた対物レンズ電流をｘ_０−Δｘ’において増加する方向に反転させると、その反転時から対物レンズ電流値がΔｘ増加する間は、対物レンズの磁束密度Ｂは前記ΔＡの変化率（図１参照）で増加する。そして、その後においては、対物レンズの磁束密度Ｂは前記ΔＢの変化率（図１参照）で増加する。

以上、対物レンズのヒステリシスについて説明した。本発明ではこのようなヒステリシス特性を事前に取得して前記Δｘを求め、そのΔｘを用いて次の（１）〜（４）の手順で焦点合わせを行う。
（１）現在の対物レンズ電流値がｘ_０とすると、対物レンズ電流値をｘ_０から連続的に増加させてｘ_０＋Δｘに設定する。そして、その設定状態において、上述したように試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する（特許文献１参照）。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が右から左にＤ_１移動した場合、このように試料像が右から左に移動するのはオーバーフォーカス時であるとすると、Ｄ_１は正の値（＋Ｄ_１）として取得される。図２は、横軸に対物レンズ電流値Ｉ、縦軸に試料像の移動量Ｄをとって、ＩとＤの関係を示した図である。図２の点ｅが、ｘ_０＋Δｘにおける像移動量Ｄ_１を示している。なお、この移動量Ｄ_１は、対物レンズの焦点ずれ量に対応している。
（２）次に、対物レンズ電流値をｘ_０＋Δｘから連続的に減少させてｘ_０に設定する。そして、（１）同様に試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が右から左にＤ_２移動した場合、この場合も（１）同様にオーバーフォーカス状態なので、Ｄ_２は正の値（＋Ｄ_２）として取得される。図２の点ｆが、ｘ_０における像移動量Ｄ_２を示している。
（３）次に、対物レンズ電流値をｘ_０から連続的に減少させてｘ_０−Δｘ’に設定する。そして、（１）同様に試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が今度は左から右にＤ_３移動した場合、このように試料像が左から右に移動するのはアンダーフォーカス時であるとすると、Ｄ_３は負の値（−Ｄ_３）として取得される。図２の点ｇが、ｘ_０−Δｘ’における像移動量Ｄ_３を示している。
（４）上記（１）〜（３）の検出結果を示した図２からわかるように、ｘ_０から増加させてきた対物レンズ電流をｘ_０＋Δｘにおいて減少する方向に反転させると、その反転時から対物レンズ電流値がΔｘ減少する間は、像移動量ＤはΔＦ_ｈの変化率で減少する。そして、その後においては、像移動量ＤはΔＦ_０の変化率で減少する。

この図２に示す対物レンズ電流値Ｉと像移動量Ｄの関係は、図１に示した対物レンズ電流値Ｉと磁束密度Ｂの関係と対応している。すなわち、上記（３）の後に対物レンズ電流値をｘ_０−Δｘ’＋Δｘに設定して像移動量Ｄを仮に取得したとすると、図２の直線ｇｈに示すように、ｘ_０−Δｘ’から対物レンズ電流値がΔｘ増加する間は、像移動量Ｄは前記ΔＦ_ｈの変化率で増加する。そして、その後に対物レンズ電流値をｘ_０＋Δｘに設定して像移動量Ｄを仮に取得したとすると、図２の直線ｈｅに示すように、像移動量Ｄは前記ΔＦ_０の変化率で増加する。このことから、現在の対物レンズ電流値が上記（３）のＤ_３検出直後のｘ_０−Δｘ’だとすると、この状態から対物レンズをジャストフォーカスの状態にするには（すなわち像移動量Ｄを零にするには）、対物レンズ電流値Ｉをｘ_３（図２参照）に設定すればよいことがわかる。このｘ_３は次式［１］により求められ、そのｘ_３はｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以上の値となる。
ｘ_３＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_３−Ｄ_２） …［１］
一方、上記（１）〜（３）の検出結果が図３に示す場合には、上記（３）のＤ_３検出直後に対物レンズ電流値Ｉをｘ_２（図３参照）に設定すれば、対物レンズをジャストフォーカスの状態にすることができる。このｘ_２は次式［２］により求められ、そのｘ_２はｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以下の値となる。
ｘ_２＝ｘ_０−Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_２−Ｄ_１） …［２］
また、上記（１）〜（３）の検出結果が図４に示す場合には、上記（３）のＤ_３検出直後に対物レンズ電流値Ｉをさらに減少させてｘ_１（図４参照。点ｘ_１は直線ｆｇの延長線上に位置する。）に設定すれば、対物レンズをジャストフォーカスの状態にすることができる。このｘ_１は次式［３］または［４］により求められ、そのｘ_１はｘ_０−Δｘ’以下の値となる。
ｘ_１＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_３−Ｄ_２） …［３］
ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_３−Ｄ_２） …［４］
以上、第１の本発明の原理を説明した。次に、第２の本発明の原理を説明する。
［第２の本発明の原理］
第２の本発明においても図１に示したヒステリシス特性を事前に取得して前記Δｘを求め、そのΔｘを用いて次の（１）〜（４）の手順で焦点合わせを行う。
（１）現在の対物レンズ電流値がｘ_０とすると、対物レンズ電流値をｘ_０から連続的に減少させてｘ_０−Δｘに設定する。そして、その設定状態において、上述したように試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する（特許文献１参照）。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が左から右にＤ_１移動した場合、このように試料像が左から右に移動するのはアンダーフォーカス時であるとすると、Ｄ_１は負の値（−Ｄ_１）として取得される。図５は、横軸に対物レンズ電流値Ｉ、縦軸に試料像の移動量Ｄをとって、ＩとＤの関係を示した図である。図５の点ｉが、ｘ_０−Δｘにおける像移動量Ｄ_１を示している。なお、この移動量Ｄ_１は、対物レンズの焦点ずれ量に対応している。
（２）次に、対物レンズ電流値をｘ_０−Δｘから連続的に増加させてｘ_０に設定する。そして、（１）同様に試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が左から右にＤ_２移動した場合、この場合も（１）同様にアンダーフォーカス状態なので、Ｄ_２は負の値（−Ｄ_２）として取得される。図５の点ｊが、ｘ_０における像移動量Ｄ_２を示している。
（３）次に、対物レンズ電流値をｘ_０から連続的に増加させてｘ_０＋Δｘ’に設定する。そして、（１）同様に試料に入射する電子線の角度を変化させ、電子線傾斜前の試料像が電子線傾斜後にどの方向にどれだけ移動したかを検出する。たとえば、ＣＣＤカメラで撮像された試料像が今度は右から左にＤ_３移動した場合、このように試料像が右から左に移動するのはオーバーフォーカス時であるとすると、Ｄ_３は正の値（＋Ｄ_３）として取得される。図５の点ｋが、ｘ_０＋Δｘ’における像移動量Ｄ_３を示している。
（４）上記（１）〜（３）の検出結果を示した図５からわかるように、ｘ_０から減少させてきた対物レンズ電流をｘ_０−Δｘにおいて増加する方向に反転させると、その反転時から対物レンズ電流値がΔｘ増加する間は、像移動量ＤはΔＦ_ｈの変化率で増加する。そして、その後においては、像移動量ＤはΔＦ_０の変化率で増加する。

この図５に示す対物レンズ電流値Ｉと像移動量Ｄの関係は、図１に示した対物レンズ電流値Ｉと磁束密度Ｂの関係と対応している。すなわち、上記（３）の後に対物レンズ電流値をｘ_０＋Δｘ’−Δｘに設定して像移動量Ｄを仮に取得したとすると、図５の直線ｋｍに示すように、ｘ_０＋Δｘ’から対物レンズ電流値がΔｘ減少する間は、像移動量Ｄは前記ΔＦ_ｈの変化率で減少する。そして、その後に対物レンズ電流値をｘ_０−Δｘに設定して像移動量Ｄを仮に取得したとすると、図５の直線ｍｉに示すように、像移動量Ｄは前記ΔＦ_０の変化率で減少する。このことから、現在の対物レンズ電流値が上記（３）のＤ_３検出直後のｘ_０＋Δｘ’だとすると、この状態から対物レンズをジャストフォーカスの状態にするには（すなわち像移動量Ｄを零にするには）、対物レンズ電流値Ｉをｘ_６（図５参照）に設定すればよいことがわかる。このｘ_６は次式［５］により求められ、そのｘ_６はｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以下の値となる。
ｘ_６＝ｘ_０＋Δｘ’−Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_２−Ｄ_３） …［５］
一方、上記（１）〜（３）の検出結果が図６に示す場合には、上記（３）のＤ_３検出直後に対物レンズ電流値Ｉをｘ_５（図６参照）に設定すれば、対物レンズをジャストフォーカスの状態にすることができる。このｘ_５は次式［６］により求められ、そのｘ_５はｘ_０−Δｘ’−Δｘ以上ｘ_０＋Δｘ’以下の値となる。
ｘ_５＝ｘ_０＋Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_１−Ｄ_２） …［６］
また、上記（１）〜（３）の検出結果が図７に示す場合には、上記（３）のＤ_３検出直後に対物レンズ電流値Ｉをさらに上昇させてｘ_４（図７参照。点ｘ_４は直線ｊｋの延長線上に位置する。）に設定すれば、対物レンズをジャストフォーカスの状態にすることができる。このｘ_４は次式［７］または［８］により求められ、そのｘ_４はｘ_０＋Δｘ’以上の値となる。
ｘ_４＝ｘ_０＋Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_２−Ｄ_３） …［７］
ｘ_４＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_２−Ｄ_３） …［８］
以上、第２の本発明の原理を説明した。

次に、本発明の実施例を説明する。最初に、上述した第１の本発明の実施例を説明する。
（第１の本発明の実施例）
図８は本発明の電子顕微鏡の一例を示した図である。

図８において、１は鏡筒であり、鏡筒１の内部は排気装置（図示せず）によって排気されている。この鏡筒１の内部には、上から順に、電子銃２、集束レンズ３、電子線傾斜用アライメントコイル（ＣＬアライメントコイル）４、試料５、対物レンズ６、中間レンズ７、投影レンズ８、ＴＶカメラ９が配置されている。

電子銃２から放出された電子は集束レンズ３に入射し、集束レンズ３によって集束された電子線は試料５を照射する。そして、試料５を透過した電子線は対物レンズ６により結像作用を受け、試料５の初段像が対物レンズ６と中間レンズ７間に形成される。

その後、中間レンズ７と投影レンズ８により試料拡大像が形成されて行き、最終的な観察／記録面ｈに、数百倍〜数百万倍の範囲で観察目的に沿った倍率で試料像が結像される。この観察／記録面ｈには、ＴＶカメラ９の撮像素子９ａが配置されており、観察／記録面ｈに結像された試料像は撮像素子９ａで撮像される。

撮像素子９ａからのＴＶ像信号ｉは、ＴＶ画像取り込みインターフェース１０を装備した制御装置（パーソナルコンピュータ）１１に入力される。制御装置１１は、本発明の目的に合わせて開発されたソフトウェア１２を搭載しており、ＰＣ上で動作するソフトウェア１２は、焦点合わせ部１３を備えている。

この焦点合わせ部１３には、前記インターフェース１０からのＴＶ像信号ｉが供給されるように構成されている。また、インターフェース１０からのＴＶ像信号ｉはディスプレイ１４にも供給されており、ディスプレイ１４上には、前記ＴＶカメラ９で撮像された透過電子像が表示されている。

前記焦点合わせ部１３は、電子線傾斜信号ｔをＣＬアライメントコイル電源装置１５に、また、対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給するように構成されている。ＣＬアライメントコイル電源装置１５は、電子線傾斜信号ｔに基づき、ＣＬアライメントコイル４に供給する励磁電流を調節する。一方、対物レンズ電源装置１６は、対物レンズ制御信号ｓに基づき、対物レンズ６に供給する励磁電流（対物レンズ電流）を調節する。なお、焦点合わせ部１３は、対物レンズ電源装置１６の状態を常に監視しており、現在の対物レンズ電流の値ｘ_０を把握している。

以上、図８の電子顕微鏡（ＴＥＭ）の装置構成を説明した。以下、動作説明を行う。

オペレータは、図８のＴＥＭに自動焦点合わせを行わせる場合、制御装置１１のソフトウェア１２に対して「自動焦点合わせ」の開始を指示する。この「自動焦点合わせ」の開始の指示は、ディスプレイ１４上の「自動焦点合わせ」と表示された部分をマウスでクリックすることで行われる。

こうして「自動焦点合わせ」の開始が指示されると、焦点合わせ部１３は、対物レンズ電流値Ｉを現在のｘ_０からｘ_０＋Δｘに増加させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。対物レンズ電源装置１６は、焦点合わせ部１３からの信号に基づき、対物レンズ６に流れる電流をｘ_０＋Δｘに設定する。

そして、ＴＶカメラ９からのＴＶ像信号ｉが供給されている焦点合わせ部１３は、現在ＴＶカメラ９で撮像されている試料像を電子線傾斜前画像（画像Ａ）としてその内部メモリＭ_Ａに取り込む。なお、このときの試料５への電子線の入射角度はθ_１である。

次に焦点合わせ部１３は、試料５に対する入射電子線の角度をθ_１からθ_ｔだけ変化させるための電子線傾斜信号ｔをＣＬアライメントコイル電源装置１５に供給する。ＣＬアライメントコイル電源装置１５は、焦点合わせ部１３からの電子線傾斜信号ｔに基づき、ＣＬアライメントコイル４に供給する励磁電流を調節する。これによって、試料５への電子線の入射角度はθ_１からθ_ｔだけ変化してθ_２（＝θ_１＋θ_ｔ）となり、試料５は、それまでよりθ_ｔだけ傾斜した電子線の照射を受ける。

その電子線照射による試料像はＴＶカメラ９で撮像され、焦点合わせ部１３は、現在ＴＶカメラ９で撮像されている試料像を電子線傾斜後画像（画像Ｂ）としてその内部メモリＭ_Ｂに取り込む。そして、焦点合わせ部１３は、電子線傾斜前画像（画像Ａ）と電子線傾斜後画像（画像Ｂ）の相互相関関数を計算して前記像移動量Ｄ_１（図２〜４参照）を求める。

次に焦点合わせ部１３は、対物レンズ電流値Ｉをｘ_０＋Δｘからｘ_０に減少させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。そして、前記同様にして、試料５への電子線入射角度がθ_１とθ_２のときの画像Ａ，Ｂが取得され、それらの画像Ａ，Ｂに基づいてＩ＝ｘ_０における前記像移動量Ｄ_２（図２〜４参照）が求められる。

次に焦点合わせ部１３は、対物レンズ電流値Ｉをｘ_０からｘ_０−Δｘ’に減少させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。そして、前記同様にして、試料５への電子線入射角度がθ_１とθ_２のときの画像Ａ，Ｂが取得され、それらの画像Ａ，Ｂに基づいてＩ＝ｘ_０−Δｘ’における前記像移動量Ｄ_３（図２〜４参照）が求められる。

次に焦点合わせ部１３は、まず、前記式［３］または式［４］を用いて前記ｘ_１を求める。そして、焦点合わせ部１３は、求めたｘ_１の値がｘ_０−Δｘ’以下のときには（すなわち図４に示す状態のときには）、その電流ｘ_１を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_１を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

一方、焦点合わせ部１３は、上記求めたｘ_１の値がｘ_０−Δｘ’以下でないときは、次に、前記式［２］を用いて前記ｘ_２を求める。そして、焦点合わせ部１３は、求めたｘ_２の値がｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘのときには（すなわち図３に示す状態のときには）、その電流ｘ_２を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_２を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

また、焦点合わせ部１３は、上記求めたｘ_２の値がｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以下でないときは、最後に、前記式［３］を用いて前記ｘ_３を求める。このｘ_３の値はｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以上であり（すなわち図２に示す状態であり）、焦点合わせ部１３は、その電流ｘ_３を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_３を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

以上、図８を用いて第１の本発明の実施例を説明した。

次に、上述した第２の本発明の実施例を図９を用いて説明する。図９において、１３’は焦点合わせ部であり、それ以外の構成は図８の構成と同じである。なお、焦点合わせ部１３’は、対物レンズ電源装置１６の状態を常に監視しており、現在の対物レンズ電流の値ｘ_０を把握している。

さて、この図９のＴＥＭにおいて「自動焦点合わせ」の開始が指示されると、焦点合わせ部１３’は、対物レンズ電流値Ｉを現在のｘ_０からｘ_０−Δｘに減少させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。対物レンズ電源装置１６は、焦点合わせ部１３’からの信号に基づき、対物レンズ６に流れる電流をｘ_０−Δｘに設定する。

そして、ＴＶカメラ９からのＴＶ像信号ｉが供給されている焦点合わせ部１３’は、現在ＴＶカメラ９で撮像されている試料像を電子線傾斜前画像（画像Ａ）としてその内部メモリＭ_Ａに取り込む。なお、このときの試料５への電子線の入射角度はθ_１である。

次に焦点合わせ部１３’は、試料５に対する入射電子線の角度をθ_１からθ_ｔだけ変化させるための電子線傾斜信号ｔをＣＬアライメントコイル電源装置１５に供給する。ＣＬアライメントコイル電源装置１５は、焦点合わせ部１３’からの電子線傾斜信号ｔに基づき、ＣＬアライメントコイル４に供給する励磁電流を調節する。これによって、試料５への電子線の入射角度はθ_１からθ_ｔだけ変化してθ_２（＝θ_１＋θ_ｔ）となり、試料５は、それまでよりθ_ｔだけ傾斜した電子線の照射を受ける。

その電子線照射による試料像はＴＶカメラ９で撮像され、焦点合わせ部１３’は、現在ＴＶカメラ９で撮像されている試料像を電子線傾斜後画像（画像Ｂ）としてその内部メモリＭ_Ｂに取り込む。そして、焦点合わせ部１３’は、電子線傾斜前画像（画像Ａ）と電子線傾斜後画像（画像Ｂ）の相互相関関数を計算して前記像移動量Ｄ_１（図５〜７参照）を求める。

次に焦点合わせ部１３’は、対物レンズ電流値Ｉをｘ_０−Δｘからｘ_０に増加させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。そして、前記同様にして、試料５への電子線入射角度がθ_１とθ_２のときの画像Ａ，Ｂが取得され、それらの画像Ａ，Ｂに基づいてＩ＝ｘ_０における前記像移動量Ｄ_２（図５〜７参照）が求められる。

次に焦点合わせ部１３’は、対物レンズ電流値Ｉをｘ_０からｘ_０＋Δｘ’に増加させるための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。そして、前記同様にして、試料５への電子線入射角度がθ_１とθ_２のときの画像Ａ，Ｂが取得され、それらの画像Ａ，Ｂに基づいてＩ＝ｘ_０＋Δｘ’における前記像移動量Ｄ_３（図５〜７参照）が求められる。

次に焦点合わせ部１３’は、まず、前記式［７］または式［８］を用いて前記ｘ_４を求める。そして、焦点合わせ部１３’は、求めたｘ_４の値がｘ_０−Δｘ＋Δｘ’以上のときには（すなわち図７に示す状態のときには）、その電流ｘ_４を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_４を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

一方、焦点合わせ部１３’は、上記求めたｘ_４の値がｘ_０−Δｘ＋Δｘ’以上でないときは、次に、前記式［６］を用いて前記ｘ_５を求める。そして、焦点合わせ部１３’は、求めたｘ_５の値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上ｘ_０＋Δｘ’以下のときには（すなわち図６に示す状態のときには）、その電流ｘ_５を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_５を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

また、焦点合わせ部１３’は、上記求めたｘ_５の値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上ｘ_０＋Δｘ’以下でないときは、最後に、前記式［５］を用いて前記ｘ_６を求める。このｘ_６の値はｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以下であり（すなわち図５に示す状態であり）、焦点合わせ部１３’は、その電流ｘ_６を対物レンズ６に流すための対物レンズ制御信号ｓを対物レンズ電源装置１６に供給する。この信号を受けた対物レンズ電源装置１６は電流ｘ_６を対物レンズ６に流すので、対物レンズ６はジャストフォーカスの状態となる。

以上、第２の本発明の実施例を説明した。

上述したように、本発明においては、対物レンズのヒステリシスを考慮した焦点合わせが行われるので、焦点合わせを正確かつ短時間に行うことができる。

なお、上記例では、本発明をＴＥＭに適用した場合について説明したが、本発明を走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）や、ＳＥＭ機能を備えたＴＥＭにも適用することができる。その場合、対物レンズの焦点ずれ量に関する前記Ｄ_１は、対物レンズ電流値をｘ_０＋Δｘに設定して取得された１枚のＳＥＭ像に基づいて求められる。すなわち、ＳＥＭ像の特定ラインにおける輝度信号プロファイルに対して微分処理が行われ、それで得られた微分プロファイルのピーク高さに基づいて前記Ｄ_１が求められる。そのピーク高さと焦点ずれ量は対応関係にあり、焦点ずれ量が大きくなるとピーク高さは低くなる。また、この場合、他の値Ｄ_２，Ｄ_３はＤ_１と同様にして求められる。

また、上記例において、Δｘ’をΔｘと同じ値に設定するようにしてもよい。

１…鏡筒、２…電子銃、３…集束レンズ、４…ＣＬアライメントコイル、５…試料、６…対物レンズ、７…中間レンズ、８…投影レンズ、９…ＴＶカメラ、１０…ＴＶ画像取り込みインターフェース、１１…制御装置、１２…ソフトウェア、１３，１３’…焦点合わせ部、１４…ディスプレイ、１５…ＣＬアライメントコイル電源装置、１６…対物レンズ電源装置

Claims (4)

1. 対物レンズに流れる対物レンズ電流を変化させて焦点合わせを行うようにした電子顕微鏡における焦点合わせ方法において、次の（１）〜（４）の手順で焦点合わせを行うようにしたことを特徴とする電子顕微鏡における焦点合わせ方法
   （１）対物レンズ電流値を現在の対物レンズ電流値から増加させてｘ_０＋Δｘに設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_１を取得する
   （２）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０に設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_２を取得する
   （３）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０−Δｘ’設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_３を取得する
   （４）次の（ａ）の条件を満足するｘ_１、または次の（ｂ）の条件を満足するｘ_２、または次の（ｃ）の条件を満足するｘ_３に、対物レンズ電流値を設定する
   （ａ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_１＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_３−Ｄ_２）または式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_１であって、その値がｘ_０−Δｘ’以下であるｘ_１
   （ｂ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_２＝ｘ_０−Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_２−Ｄ_１）に基づいて求められたｘ_２であって、その値がｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以下であるｘ_２
   （ｃ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_３＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_３であって、その値がｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以上であるｘ_３。
2. 対物レンズに流れる対物レンズ電流を変化させて焦点合わせを行うようにした電子顕微鏡における焦点合わせ方法において、次の（１）〜（４）の手順で焦点合わせを行うようにしたことを特徴とする電子顕微鏡における焦点合わせ方法
   （１）対物レンズ電流値を現在の対物レンズ電流値から減少させてｘ_０−Δｘに設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_１を取得する
   （２）対物レンズ電流値を増加させてｘ_０に設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_２を取得する
   （３）対物レンズ電流値を増加させてｘ_０＋Δｘ’設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_３を取得する
   （４）次の（ａ）の条件を満足するｘ_１、または次の（ｂ）の条件を満足するｘ_２、または次の（ｃ）の条件を満足するｘ_３に、対物レンズ電流値を設定する
   （ａ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_２−Ｄ_３）または式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_２−Ｄ_３）に基づいて求められたｘ_１であって、その値がｘ_０＋Δｘ’以上であるｘ_１
   （ｂ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_２＝ｘ_０＋Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_１−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_２であって、その値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上ｘ_０＋Δｘ’以下であるｘ_２
   （ｃ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_３＝ｘ_０＋Δｘ’−Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_２−Ｄ_３）に基づいて求められたｘ_３であって、その値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上であるｘ_３。
3. 対物レンズに流れる対物レンズ電流を変化させて焦点合わせを行うようにした電子顕微鏡において、次の（１）〜（４）の手段を備えたことを特徴とする電子顕微鏡
   （１）対物レンズ電流値を現在の対物レンズ電流値から増加させてｘ_０＋Δｘに設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_１を取得する手段
   （２）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０に設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_２を取得する手段
   （３）対物レンズ電流値を減少させてｘ_０−Δｘ’設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_３を取得する手段
   （４）次の（ａ）の条件を満足するｘ_１、または次の（ｂ）の条件を満足するｘ_２、または次の（ｃ）の条件を満足するｘ_３に、対物レンズ電流値を設定する手段
   （ａ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_１＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_３−Ｄ_２）または式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_１であって、その値がｘ_０−Δｘ’以下であるｘ_１
   （ｂ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_２＝ｘ_０−Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_２−Ｄ_１）に基づいて求められたｘ_２であって、その値がｘ_０−Δｘ’以上ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以下であるｘ_２
   （ｃ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_３＝ｘ_０−Δｘ’＋Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_３−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_３であって、その値がｘ_０−Δｘ’＋Δｘ以上であるｘ_３。
4. 対物レンズに流れる対物レンズ電流を変化させて焦点合わせを行うようにした電子顕微鏡において、次の（１）〜（４）の手段を備えたことを特徴とする電子顕微鏡
   （１）対物レンズ電流値を現在の対物レンズ電流値から減少させてｘ_０−Δｘに設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_１を取得する手段
   （２）対物レンズ電流値を増加させてｘ_０に設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_２を取得する手段
   （３）対物レンズ電流値を増加させてｘ_０＋Δｘ’設定し、その設定状態において対物レンズの焦点ずれ量に関する値Ｄ_３を取得する手段
   （４）次の（ａ）の条件を満足するｘ_１、または次の（ｂ）の条件を満足するｘ_２、または次の（ｃ）の条件を満足するｘ_３に、対物レンズ電流値を設定する手段
   （ａ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’＋Δｘ’Ｄ_３／（Ｄ_２−Ｄ_３）または式ｘ_１＝ｘ_０＋Δｘ’Ｄ_２／（Ｄ_２−Ｄ_３）に基づいて求められたｘ_１であって、その値がｘ_０＋Δｘ’以上であるｘ_１
   （ｂ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_２＝ｘ_０＋Δｘ’＋ΔｘＤ_３／（Ｄ_１−Ｄ_２）に基づいて求められたｘ_２であって、その値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上ｘ_０＋Δｘ’以下であるｘ_２
   （ｃ）前記ｘ_０，Δｘ’，Ｄ_１，Ｄ_２，Ｄ_３と、式ｘ_３＝ｘ_０＋Δｘ’−Δｘ＋Δｘ’（Ｄ_１−Ｄ_２＋Ｄ_３）／（Ｄ_２−Ｄ_３）に基づいて求められたｘ_３であって、その値がｘ_０＋Δｘ’−Δｘ以上であるｘ_３。

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