JP2013258030A - 電子顕微鏡及び電子顕微鏡の作動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エミッション電流の減少に影響されず、従来のアナログ除算方式よりも調整が容易なノイズキャンセルを実現可能な電子顕微鏡及びその作動方法を提供する。
【解決手段】電子顕微鏡は、電子線を発生させる電子線源と、電子線の一部を検出するノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２と、増幅器４２の出力信号の直流成分を抽出する実効値計算回路４４と、電子線が試料に入射して得られる信号を検出する検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０と、アンプ回路３０の出力信号と増幅器４２の出力信号とに基づく除算を行う除算回路５４と、除算回路５４の出力信号と実効値計算回路４４の出力信号との乗算を行う乗算回路５８と、を含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子顕微鏡及び電子顕微鏡の作動方法に関する。

一般に、電界放射型電子銃から放出される電子には数パーセントの変動分が含まれている。これはエミッタ表面にガスが吸着したり、吸着したガスやイオンがマイグレーションするために金属表面の仕事関数が変化し、またイオン等の衝突により金属表面の形状が変化するためである。このため、電界放射型電子銃を走査型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に使用する場合、鏡筒途中にノイズキャンセル用の検出器を設けてプローブを形成する近傍の電子を検出し、この検出信号で試料から放出される信号を除算することにより画像上でのエミッションノイズを消去することが行われている。このようなノイズキャンセル技術は、例えば、特許文献１に開示されている。

特開平５−３０７９４２号公報

図１３は、一般的なノイズキャンセル機能を有する走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）１０１の構成を示している。図１３の例の電子顕微鏡１０１では、冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ：Cold field-emission electron gun）１１１、ノイズキャンセラ絞り（アパーチャー）１１２、レンズ１１３、レンズ１１４、検出器１１５、プリアンプ回路１２０、アンプ回路１３０等が、鏡筒１１０に収容されている。ＣＦＥＧ１１１から放出された電子線はノイズキャンセラ絞り１１２により一部がカットされた後、レンズ１１３によって試料Ａ上に収束される。試料Ａを透過した電子線は、レンズ１１４を通過し、その一部が検出器１１５により検出される。検出器１１５により検出される像信号は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１と試料Ａの輝度成分Ｓの積（Ｉ１×Ｓ）となる。また、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１とノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は比例関係にある（Ｉ１＝ｎ×Ｉ２）。像信号（Ｉ１×Ｓ）は、プリアンプ回路１２０でオフセットが加えられた後Ｇｐ倍に増幅され、さらにアンプ回路１３０でＧａ倍に増幅される。一方、ノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路１４０でＧｎ倍に増幅される。ノイズキャンセル機能を使用しない場合は、アンプ回路１３０の出力信号は、ノイズキャンセル回路１５０をバイパスして処理部（ＣＰＵ）１６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）１０２に送信され、ＰＣ１０２のディスプレイに試料ＡのＳＴＥＭ像が表示される。ノイズキャンセル機能を使用する場合は、アンプ回路１３０の出力信号は、ノイズキャンセル回路１５０において、プリアンプ回路１２０で加えられたオフセット分が引き算された後、ノイズ検出回路１４０の出力信号で除算される。これにより、像信号に含まれていたエミッションノイズが除去される。そして、このエミッションノイズが除去された像信号は、処理部（ＣＰＵ）１６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）１０２に送信され、ＰＣ１０２のディスプレイにエミッションノイズが除去された試料ＡのＳＴＥＭ像が表示される。

図１４は、ノイズキャンセル機能を使用しない場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図１４に示すように、ノイズキャンセル機能を使用しない場合、ＳＴＥＭ像観察は基本的にはコントラストとブライトネスという２つの調整のみで行っている
。コントラストは、明暗を調整するために像信号に加えるゲインであり、ブライトネスは像信号のオフセット成分を打ち消すために加えられるＤＣ電圧である。図１４の例では、コントラストを調整して検出器１１５から得られる像信号Ｓ×Ｉ１は、プリアンプ回路１２０において、加算器１２２によってブライトネスＢが加算された後、増幅器１２４によってＧｐ倍に増幅される。従って、増幅器１２４の出力信号Ｖ_１１は、次式（Ａ）で表される。

増幅器１２４の出力信号Ｖ_１１は、アンプ回路１３０において、増幅器１３２によってＧａ倍に増幅される。従って、式（Ａ）より、増幅器１３２の出力信号Ｖ_１２は、次式（Ｂ）で表される。

そして、増幅器１３２の出力信号Ｖ_１２は、処理部１６０において、Ａ／Ｄ変換器１６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図１３に示したＰＣ１０２に送信される。

一方、図１５は、ノイズキャンセル機能を使用する場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図１５に示すように、ノイズキャンセル機能を使用する場合も、増幅器１３２の出力信号Ｖ_１２は、前述の式（２）で表される。ノイズキャンセル回路１５０は、プリアンプ回路１２０で加えられたブライトネスＢを打ち消すために、増幅器１５１によって増幅器１２４のゲインＧｐと増幅器１３２のゲインＧａの積に等しいゲインをブライトネスＢに与え、減算器１５２によって増幅器１３２の出力信号Ｖ_１２から減算する。従って、式（Ｂ）より、減算器１５２の出力信号Ｖ_１３は、次式（Ｃ）で表される。

ノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路１４０において、増幅器１４２により電圧に変換されるとともにＧｎ倍に増幅される。従って、増幅器１４２の出力信号Ｖ_１４は、次式（Ｄ）で表される。

減算器１５２の出力信号Ｖ_１３は、除算回路１５４の分子側の入力（Ｘ）に入力される。また、増幅器１４２の出力信号Ｖ_１４は、除算回路１５４の分母側の入力（Ｙ）に入力される。従って、式（Ｃ）と式（Ｄ）より、除算回路１５４の出力信号Ｖ_１５は、次式（Ｅ）で表される。

ノイズキャンセル回路１５０は、減算器１５２によって増幅器１３２の出力信号Ｖ_１２から減算した信号を加えるために、増幅器１５５によって増幅器１２４のゲインＧｐと増幅器１３２のゲインＧａの積に等しいゲインをブライトネスＢに与え、加算器１５６によって除算回路１５４の出力信号Ｖ_１５に加算する。従って、加算器１５６の出力信号Ｖ_１６は、次式（Ｆ）で表される。

そして、加算器１５６の出力信号Ｖ_１６は、処理部１６０において、Ａ／Ｄ変換器１６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図１３に示したＰＣ１０２に送信される。

ここで、式（Ｆ）に、Ｉ１＝ｎ×Ｉ２を代入すると、次式（Ｇ）が得られる。

式（Ｇ）の右辺には、エミッションノイズを含んだＩ１，Ｉ２が存在しない。これによって、ノイズキャンセル機能を使用する場合も、エミッションノイズがない時と同様に像として観察したい試料Ａの輝度成分Ｓに比例した値が得られる。

仮に、増幅器１５１と減算器１５２を設けず、プリアンプ回路１２０で加えたブライトネスＢを除去しないまま、除算回路１５４において除算を行うと、除算回路１５４の出力信号Ｖ_１５は、次式（Ｈ）で表される。

式（Ｈ）によると、右辺の第２項にＩ２が残ってしまうため、エミッションノイズは除去できないことがわかる。

なお、図１５の例では、ブライトネスの除去・再加算や除算の処理をアナログ回路で行っているが、これらの処理をデジタル演算で行うこともできる。デジタル演算で行う場合、除去・再加算するブライトネスのゲインの測定や設定などの調整をオートで行うことも
可能である。

以上に説明した従来のノイズキャンセル方式には、以下のような問題点がある。まず、除算をアナログ回路で行う方式（アナログ除算方式）の場合、Ｉ１とＩ２は比例関係にあるが、係数値ｎの値は固定値ではなく、それぞれの検出量などによる各種設定により常に変化するものである。式（Ｇ）においてブライトネスＢを適切に除去・再加算するためには、Ｇａ，Ｇｐを固定としてｎ／Ｇｎが一定値となるようにＧｎを制御するか、ｎ／Ｇｎの変化に応じて式（Ｇ）の第１項もしくは第２項のどちらかのＧａ×Ｇｐを制御する必要がある。そのため、ノイズキャンセル機能を使用する場合は、ノイズキャンセル機能を使用しない場合に比べて多くの制御が必要となってしまう。

次に、ノイズキャンセル機能を使用しない場合に処理部１６０に入力される信号の式（Ｂ）とノイズキャンセル機能を使用する場合に処理部１６０に入力される信号の式（Ｆ）を比較すると、１／（Ｇｎ×Ｉ２）＝１の時に両者が一致する。すなわち、ノイズキャンセル機能を使用する場合に、１／（Ｇｎ×Ｉ２）が１とならないと、適切なブライトネスを加えられてないということになる。Ｇｎは回路のゲインのため固定となるが、Ｉ２はＣＦＥＧ１１１のエミッション電流の減少（図１６参照）に応じて減少するのは当然だが、それ以外にも各種設定を変更することでＩ２の値は変化してしまう。このことから、Ｇｎを適切にコントロールしなければ、適切なブライトネスの除去・再加算ができない。他のゲインを調整することでも同じように除去・再加算するブライトネスを適切な値にできるが、どちらにしても何らかの設定を変更するたびに調整が必要となってしまう。さらに、調整の困難さに加えて、１／（Ｇｎ×Ｉ２）が１とならなければ、ノイズキャンセル機能を使用する場合と使用しない場合で、コントラストやブライトネスを同じ値で使用できず調整が増えてしまうことや、１／（Ｇｎ×Ｉ２）が１よりも大きすぎると像信号のＳ／Ｎ比の悪化などの原因となり、１／（Ｇｎ×Ｉ２）が１よりも小さすぎるとエミッションノイズの除去能力の低下などの原因にもなってしまう。

除算をデジタル演算で行う方式（デジタル除算方式）の場合も、アナログ除算方式と同様の問題点があるが、内部で演算し最終的な出力以前にゲインを自動的に調整することは可能である。但し、像を観察するという点から、スキャン開始から終わりまでの間にゲインやブライトネスを変更することはできず、調整を自動で行える範囲は限られている。調整を手動で行うのであれば、アナログ除算方式と大差ないと言える。また、デジタル除算方式の場合、ＡＤ変換後に除算を行うため、入力可能な電圧範囲は狭く、汎用性はアナログ除算方式よりも劣る。

また、アナログ除算方式でもデジタル除算方式でも、一般に、エミッション電流があらかじめ決められた下限値を超えない限り、エミッション電流の減少に対する対応（ブライトネスの調整）は行われない。従って、図１６に示すように、Ｇｎ×Ｉ２＜１となる下限値を設定した場合、フラッシングを行った瞬間から時間が経つにつれて、１より大きな値で割る→１で割る→１より小さな値で割るといった除算を行っていることとなる。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、エミッション電流の減少に影響されず、従来のアナログ除算方式よりも調整が容易なノイズキャンセルを実現可能な電子顕微鏡及びその作動方法を提供することができる。

（１）本発明に係る電子顕微鏡は、
電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線の一部を検出する電子線検出部と、
前記電子線検出部の検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出部と、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出部と、
前記像検出部の検出信号と前記電子線検出部の検出信号とに基づく除算を行う除算部と、
前記除算部による除算結果の信号と前記直流成分抽出部が抽出した信号との乗算を行う乗算部と、を含む。

電子線が試料に入射して得られる信号は、例えば、試料を透過した電子線に基づく信号であってもよいし、試料に電子線が当たることで試料から放出される電子に基づく信号であってもよい。

除算部は、例えば、像検出部の検出信号にオフセット信号が含まれる場合は、像検出部の検出信号から当該オフセット信号を減算して電子線検出部の検出信号との除算を行ってもよいし、像検出部の検出信号にオフセット信号が含まれない場合は、像検出部の検出信号と電子線検出部の検出信号との除算を行ってもよい。

本発明に係る電子顕微鏡によれば、電子線検出部で検出される電子線の量と電子線が試料に入射して得られる信号の大きさとの比が、照射系、結像系、検出系の各種設定に応じて変動することにより、除算部による除算結果の直流成分が変動するが、乗算部により除算結果の信号に電子線検出部の検出信号の直流成分を乗算することで、この変動分を補正することができる。その結果、ノイズキャンセル機能を使用する場合もノイズキャンセル機能を使用しない場合と同様の制御によって、ノイズキャンセルされた画像を取得することができるとともに、ノイズキャンセル機能のオン／オフを切り替えてもコントラストやブライトネスを変更せずに使用することができる。

従って、本発明に係る電子顕微鏡によれば、エミッション電流の減少に影響されず、従来のアナログ除算方式よりも調整が容易なノイズキャンセルを実現可能な電子顕微鏡を提供することができる。

（２）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記直流成分抽出部は、
前記電子線検出部の検出信号の所定時間における実効値を計算するようにしてもよい。

本発明に係る電子顕微鏡によれば、電子線検出部の検出信号の実効値を計算することで、当該検出信号に含まれる交流成分を除去して直流成分のみを抽出することができる。

（３）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記所定時間は、
前記電子線が前記試料に入射して得られる信号に基づいて前記試料を含む１枚の画像を取得するのに要する時間以上であるようにしてもよい。

本発明に係る電子顕微鏡によれば、所定時間を適切な時間に設定することで、電子線検出部の検出信号に比較的低い周波数の交流成分が含まれていても、実効値の計算結果の変動を抑制することができる。

（４）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記直流成分抽出部は、
前記電子線検出部の検出信号を積分し、積分信号の直流成分を除去するとともに極性を反転して当該積分信号と加算するようにしてもよい。

本発明に係る電子顕微鏡によれば、電子線検出部の検出信号を積分することにより、当該検出信号に含まれる比較的高い周波数の交流成分を除去することができる。また、積分信号の直流成分を除去するとともに極性を反転して当該積分信号と加算することにより、積分器で除去しきれなかった比較的低い周波数の交流成分を除去することができる。従って、当該検出信号に含まれる交流成分を除去して直流成分のみを抽出することができる。

（５）本発明に係る電子顕微鏡は、
前記直流成分抽出部、前記除算部及び前記乗算部の各処理をデジタル演算により行うようにしてもよい。

（６）本発明に係る電子顕微鏡の作動方法は、
電子線源が発生させる電子線の一部を検出する電子線検出ステップと、
前記電子線検出ステップの検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出ステップと、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出ステップと、
前記像検出ステップの検出信号と前記電子線検出ステップの検出信号とに基づく除算を行う除算ステップと、
前記除算ステップにおける除算結果の信号と前記直流成分抽出ステップで抽出した信号との乗算を行う乗算ステップと、を含む。

第１実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図。 第１実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 図３（Ａ）〜図３（Ｊ）は第１実施形態における信号処理用の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。 図４（Ａ）はノイズ信号の一例を示す図であり、図４（Ｂ）は実効値計算回路の出力信号の一例を示す図。 第２実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図。 第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 第３実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 フィルター回路の構成例を示す図。 図９（Ａ）〜図９（Ｅ）はフィルター回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。 第４実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図。 第４実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）は第４実施形態における信号処理用の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。 一般的なノイズキャンセル機能を有する走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の構成図。 従来の電子顕微鏡におけるノイズキャンセル機能を使用しない場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 従来の電子顕微鏡におけるノイズキャンセル機能を使用する場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。 エミッション電流の経時変化の一例を示す図。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

以下では、本発明に係る電子顕微鏡として、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）を例に
挙げて説明するが、本発明は、これ以外の電子顕微鏡、例えば、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等にも適用することができる。

１．第１実施形態
図１は、第１実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図である。図１に示すように、第１実施形態の電子顕微鏡１は、電子線源１１、ノイズキャンセラ絞り（アパーチャー）１２、レンズ１３、レンズ１４、検出器１５、プリアンプ回路２０、アンプ回路３０等が収容されている鏡筒１０、ノイズ検出回路４０、ノイズキャンセル回路５０、処理部（ＣＰＵ）６０等を含んで構成されている。電子顕微鏡１は、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）であり、鏡筒１０にはこの他にも各種のレンズや絞り等が収容されているが、図示を省略している。また、本実施形態の電子顕微鏡１は、図１に示した構成要素の一部を省略又は変更したり、新たな構成要素を付加した構成としてもよい。

電子線源１１から放出された電子線はノイズキャンセラ絞り１２によって一部がカットされた後、レンズ１３によって試料Ａ上に収束される。なお、電子線源１１としては、例えば、冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ）等の公知の電子銃を用いることができる。

試料Ａを透過した電子線は、レンズ１４を通過し、その一部が検出器１５により検出される。検出器１５により検出される像信号は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１と試料Ａの輝度成分Ｓの積（Ｉ１×Ｓ）となる。

ノイズキャンセラ絞り１２は、エミッション電流（ノイズ信号）を検出する。例えば、鏡筒１０において、電子線源１１と試料Ａの間に配置された照射系の絞りのいずれか（例えば、コンデンサーレンズ（ＣＬ：Condenser Lens）絞り）をノイズキャンセラ絞り１２として兼用してもよいし、照射系の絞りとは別に、専用のノイズキャンセラ絞り１２を設けてもよい。ノイズキャンセラ絞り１２で検出されたエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路４０で増幅される。

ノイズキャンセル回路５０は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１とノイズキャンセラ絞り１２で検出されるエミッション電流Ｉ２が比例関係にある（Ｉ１＝ｎ×Ｉ２）ことを利用し、アンプ回路３０の出力信号に重畳されているノイズ信号を除去する（正確には、低減させる）。そして、このノイズ信号が除去された信号は、処理部６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）２に送信され、ＰＣ２のディスプレイに試料ＡのＳＴＥＭ像が表示されるとともに保存される。

図２は、本実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図２において、図１と同じ構成には同じ符号を付している。また、図３（Ａ）〜図３（Ｊ）は、図２の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図である。

図２に示すように、本実施形態では、図１に示したＰＣ２からの制御等により、処理部６０がスイッチ回路５９を切り替えてノイズキャンセル機能をオン／オフすることができるようになっている。

ノイズキャンセル機能がオフの場合、処理部６０には、スイッチ回路５９を介してアンプ回路３０の出力信号が入力される。従って、ノイズキャンセル機能がオフの場合、ＳＴＥＭ像観察は基本的にはコントラストとブライトネスという２つの調整のみで行われる。コントラストは、明暗を調整するために像信号に加えるゲインであり、本実施形態では検出器１５に対してコントラストが設定される。ブライトネスは、像信号のオフセット成分を打ち消すために加えられるＤＣ電圧であり、本実施形態ではプリアンプ回路２０に対してブライトネスが設定される。

本実施形態では、プリアンプ回路２０は、加算器２２と増幅器２４を含んで構成されている。コントラストを調整して検出器１５から得られる像信号Ｓ×Ｉ１（図３（Ａ）参照）は、加算器２２によってブライトネスＢが加算された後、増幅器２４によってＧｐ倍に増幅される。従って、増幅器２４の出力信号（プリアンプ回路２０の出力信号）Ｖ_１（図３（Ｂ）参照）は、次式（１）で表される。

本実施形態では、アンプ回路３０は、増幅器３２を含んで構成されている。プリアンプ回路の出力信号Ｖ_１は、増幅器３２によってＧａ倍に増幅される。従って、式（１）より、増幅器３２の出力信号（アンプ回路３０の出力信号）Ｖ_２（図３（Ｃ）参照）は、次式（２）で表される。

処理部６０は、アンプ回路３０の出力信号をＡ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換した後、平均化等の演算処理を行って画像データを生成し、図１に示したＰＣ２に送信する。処理部６０は、例えば、マイクロコンピューターにより実現することができる。ＰＣ２は、処理部６０が生成した画像データを受信してフレームバッファに書き込み、試料Ａの画像のディスプレイへの表示や保存等の処理を行う。

一方、ノイズキャンセル機能がオンの場合、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２は、ノイズキャンセル回路５０でノイズキャンセル処理がされた後、スイッチ回路５９を介して処理部６０に入力される。

本実施形態では、ノイズキャンセル回路５０は、減算器５２、除算回路５４、加算器５６、増幅器５７、乗算回路５８、スイッチ回路５９を含んで構成されている。増幅器５７は、増幅器２４のゲインＧｐと増幅器３２のゲインＧａの積に等しいゲインＧｐ×ＧａをブライトネスＢに与える。減算器５２は、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２から増幅器５７の出力信号（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を減算する。ノイズキャンセル機能がオンの場合も、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２は式（２）で表されるので、減算器５２の出力信号Ｖ_３（図３（Ｄ）参照）は、次式（３）で表される。

式（３）より明らかなように、減算器５２の出力信号Ｖ_３において、プリアンプ回路２０で加えられたブライトネスが打ち消されている。この減算器５２の出力信号Ｖ_３は、除算回路５４の分子側の入力（Ｘ）に入力される。除算回路５４の分母側の入力（Ｙ）には、ノイズ検出回路４０で検出されたノイズ信号が入力される。

本実施形態では、ノイズ検出回路４０は、増幅器４２と実効値計算回路４４を含んで構成されている。増幅器４２は、ノイズキャンセラ絞り１２で検出されたエミッション電流
Ｉ２（図３（Ｅ）参照）を電圧に変換するとともにＧｎ倍に増幅する。従って、増幅器４２の出力信号Ｖ_４（図３（Ｆ）参照）は、次式（４）で表される。

実効値計算回路４４は、あらかじめ設定された所定時間における増幅器４２の出力信号Ｖ_４の実効値（ＲＭＳ）をリアルタイムに計算する。実効値計算回路４４として、例えば、汎用のＩＣを用いてもよい。

除算回路５４は、分子側の入力（Ｘ）と分母側の入力（Ｙ）に、それぞれ、減算器５２の出力信号Ｖ_３と増幅器４２の出力信号Ｖ_４が入力され、これらの信号の除算を行う。従って、式（３）と式（４）より、除算回路５４の出力信号Ｖ_５（図３（Ｇ）参照）は、次式（５）で表される。

乗算回路５８は、除算回路５４の出力信号Ｖ_５（図３（Ｇ）参照）と実効値計算回路４４の出力信号（Ｇｎ×Ｉ２）_ＲＭＳ（図３（Ｈ）参照）の乗算を行う。従って、式（５）より、乗算回路５８の出力信号Ｖ_６（図３（Ｉ）参照）は、次式（６）で表される。

ここで、エミッション電流Ｉ２は、直流成分Ｉ２_ＤＣとノイズ成分Ｎを用いて次式（７）で表される。

また、実効値計算回路４４の出力信号（Ｇｎ×Ｉ２）_ＲＭＳは、次式（８）で近似することができる。

従って、式（６）に、Ｉ１＝Ｉ２×ｎを代入し、さらに式（７）及び式（８）を代入すると、乗算回路５８の出力信号Ｖ_６は、次式（９）で近似される。

式（９）において、Ｉ２_ＤＣはエミッション電流Ｉ２からノイズ成分Ｎを除いた理想的な直流電流であり、エミッションノイズのない時にノイズ検出回路４０で検出されるエミッション電流である。また、Ｉ１＝Ｉ２×ｎより、Ｉ２_ＤＣ×ｎは、Ｉ１からエミッション電流を除いた理想的な直流電流Ｉ１_ＤＣに相当する。

従って、式（９）に、Ｉ２_ＤＣ×ｎ＝Ｉ１_ＤＣを代入すると、乗算回路５８の出力信号Ｖ_６は、次式（１０）で近似される。

加算器５６は、乗算回路５８の出力信号Ｖ_６と増幅器５７の出力信号（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を加算する。従って、加算器５６の出力信号Ｖ_７（図３（Ｊ）参照）は、次式（１１）で近似される。

加算器５６の出力信号Ｖ_７は、スイッチ回路５９を介して、処理部６０に入力される。処理部６０は、加算器５６の出力信号をＡ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換した後、平均化等の演算処理を行って画像データを生成し、図１に示したＰＣ２に送信する。ＰＣ２は、処理部６０が生成した画像データを受信してフレームバッファに書き込み、エミッションノイズが除去（低減）された試料Ａの画像のディスプレイへの表示や保存等の処理を行う。

式（１１）のＩ１_ＤＣはエミッションノイズのない時に試料Ａに照射されるエミッション電流とほぼ同値となる。これによって、Ｇａ，Ｇｐ，Ｇｎ及び除去・再加算するブライトネスに与えるゲインを常に固定値のままで、ノイズキャンセル機能がオフの時と同様にコントラストとブライトネスの２つの調整のみでＳＴＥＭ像の観察が可能となる。

また、仮にエミッション電流が経時的に減少したとしても、処理部６０に入力される信号は常に式（１１）のようになり、式（２）で表されるアンプ回路３０の出力信号Ｖ_２からノイズのみを除去した信号を取得し続けることができる。

また、ノイズキャンセル機能がオンの場合に処理部６０に入力される信号の式（１１）は、ノイズキャンセル機能がオフの場合に処理部６０に入力される信号の式（２）のＩ１をＩ１_ＤＣに置き換えた式になっている。従って、ノイズキャンセル機能のオン／オフを切り替える毎に煩雑な調整を行う必要がない。

なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。
また、実効値計算回路４４は、本発明の「直流成分抽出部」に相当する。また、検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、除算回路５４は、本発明の「除算部」に相当する。また、乗算回路５８は、本発明の「乗算部」に相当する。

以上に説明したように、第１実施形態の電子顕微鏡によれば、実効値回路４４によりノイズ信号の実効値を計算し、乗算回路５８により、除算回路５４の出力信号と実効値回路４４の出力信号を乗算することで、ノイズキャンセル回路５０のゲインを像信号に無関係に選択することができる。これにより、像観察のために照射系、結像系、検出系の各種設定を変更してもゲインは変更されず一定に保持することができる。ノイズキャンセラ絞り１２よりも上部にあるビーム電流の変更時にのみゲインが変化してしまうが、ノイズ信号の実効値を計算しているため、何も操作しなくても回路上で設定した一定時間後（数秒〜数十秒）にはノイズキャンセルされた等倍の像信号を得ることができる。これにより、ゲインの調整が不要になり、電子線源１１として冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ）を使用しても、ショットキータイプの電子銃と同様の操作により、エミッションノイズを除去した像観察が可能になる。

また、本実施形態の電子顕微鏡によれば、アナログ信号による除算を行うので、外部機器との接続も容易であり、入力電圧範囲に関してもデジタル演算により除算を行う場合よりも自由度が高い。本実施形態の手法により、市場にある多くの電子顕微鏡関連の検出器でも検出されるエミッションノイズをキャンセルすることができるので、汎用性が大幅に向上する。

以上の通り、本実施形態によれば、エミッション電流の減少に影響されず、従来のアナログ除算方式における調整の困難さを無くすとともに、デジタル除算方式よりも汎用性の高いノイズキャンセル機能を実現する電子顕微鏡を提供することができる。

なお、図４（Ａ）に示すように、増幅器４２の出力信号（ノイズ信号）には、画像の数ラインに渡って影響を及ぼす長いスパンのエミッションノイズ（低周波ノイズ）（図４（Ａ）のｔ_１〜ｔ_２の期間のノイズ）と１ラインにのみ影響を及ぼす短いスパンのエミッションノイズ（高周波ノイズ）が含まれている。従って、実効値計算回路４４において実効値を計算する所定時間が短いほど実効値の計算結果が大きく変動し、その結果としてノイズキャンセル能力が低下してしまう。そこで、実効値計算回路４４において実効値を計算する所定時間は、例えば、ＰＣ２が１ページ分の試料Ａの画像（ＳＴＥＭ像）を取得するのに要する時間（数秒程度）以上に設定するのが望ましい。このようにすれば、例えば、図４（Ａ）に示すように、ｔ_１〜ｔ_２に渡る長いスパンのノイズが存在しても、図４（Ｂ）に示すように、実効値計算回路４４の出力信号はｔ_１〜ｔ_３の期間においてわずかに変動する程度で済み、ノイズキャンセル能力はほとんど低下しない。

２．第２実施形態
図５は、第２実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図である。また、図６は、第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図５及び図６において図１及び図２と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。図５及び図６に示すように、第２実施形態の電子顕微鏡１は、第１実施形態の電子顕微鏡１の構成（図１及び図２）に対して、実効値計算回路４４及びノイズキャンセル回路５０が削除され、処理部６０がデジタル演算によってノイズキャンセル処理（実効値計算、オフセット減算、除算、乗算、オフセット加算）を行う。

本実施形態では、処理部６０に、増幅器４２の出力信号と増幅器３２の出力信号が入力され、それぞれ、Ａ／Ｄ変換器６２及びＡ／Ｄ変換器６４によってＡ／Ｄ変換される。処
理部６０は、デジタル演算により、あらかじめ設定された所定時間におけるＡ／Ｄ変換器６２の出力値の実効値を計算する。また、処理部６０は、デジタル演算により、Ａ／Ｄ変換器６４の出力値からプリアンプ回路２０で像信号に加えられたオフセットが増幅器２４及び増幅器３２で増幅された値（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を減算し、当該減算結果を分子、Ａ／Ｄ変換器６２の出力値を分母として除算（式（５）と同様の除算）を行う。また、処理部６０は、デジタル演算により、除算結果と実効値の計算結果（Ｇｎ×Ｉ２）_ＲＭＳの乗算（式（６）と同様の乗算）を行う。さらに、処理部６０は、デジタル演算により、乗算結果に対して、先に減算した値（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を加算する。そして、処理部６０は、この加算結果に対して、平均化等の演算処理を行い、図５に示したＰＣ２に送信する。

なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。また、検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、処理部６０は、本発明の「直流成分抽出部」、「除算部」及び「乗算部」に相当する。

以上に説明した第２実施形態の電子顕微鏡は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

３．第３実施形態
図７は、第３実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図７において図２と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。なお、第３実施形態の電子顕微鏡の構成は、図１と同じであるため、その図示及び説明を省略する。図７に示すように、第３実施形態の電子顕微鏡１は、第１実施形態の電子顕微鏡１の構成（図２）に対して、実効値計算回路４４がフィルター回路７０に置き換わっており、その他の構成は第１実施形態（図２）と同じである。フィルター回路７０は、増幅器４２でＧｎ倍に増幅されたノイズ信号からＡＣ成分を除去し、ＤＣ成分を抽出する。

図８は、フィルター回路７０の構成例を示す図である。また、図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、図８の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図である。図８の例では、フィルター回路７０は、積分回路７１、コンデンサー７２、反転増幅回路７３、加算回路７４、非反転増幅回路（ボルテージフォロワ）７５を含んで構成されている。

積分回路７１は、図７の増幅器４２の出力信号（図９（Ａ）参照）が入力され、積分処理を行うことで平均化された電圧レベルの信号を出力する。

コンデンサー７２は、ＤＣカット用のコンデンサーであり、積分回路７１の出力信号（図９（Ｂ）参照）からＤＣ成分を除去し、ＡＣ成分を抽出する。

反転増幅回路７３は、コンデンサー７２を通過した信号（図９（Ｃ）参照）を所定の基準電圧に対して反転（−１倍）した信号を出力する。

加算回路７４は、積分回路７１の出力信号（図９（Ｂ）参照）と反転増幅回路７３の出力信号（図９（Ｄ）参照）を加算する。

非反転増幅回路７５は、加算回路７４の出力信号（図９（Ｅ）参照）をバッファリングして出力する。非反転増幅回路７５の出力信号は、図７の乗算回路５８に入力される。

図７の例のローパスフィルター７０では、増幅器４２の出力信号に含まれる短いスパンのエミッションノイズ（高周波ノイズ）は、積分回路７１によって除去される。また、増
幅器４２の出力信号に含まれる長いスパンのエミッションノイズ（低周波ノイズ）は、コンデンサー７２、反転増幅回路７３及び加算回路７４によって除去される。従って、図９（Ｅ）に示されるように、非反転増幅回路７５の出力信号は、理想的には一定のＤＣ電圧になる。実際には、積分回路７１の出力信号がコンデンサー７２と反転増幅回路７３を通過する遅延時間のために、積分回路７１の出力信号と反転増幅回路７３の出力信号の加算タイミングが微妙にずれるので、非反転増幅回路７５の出力信号は過渡的にわずかな時間だけ変動するが、その影響は無視できるほど小さい。なお、積分回路７１の出力信号と反転増幅回路７３の出力信号の加算タイミングのずれを無くすために、積分回路７１と加算回路７４の間に遅延回路（移送器）を挿入してもよい。

なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。また、フィルター回路７０は、本発明の「直流成分抽出部」に相当する。また、検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、除算回路５４は、本発明の「除算部」に相当する。また、乗算回路５８は、本発明の「乗算部」に相当する。

以上に説明した第３実施形態の電子顕微鏡によれば、ローパスフィルター７０の出力信号は、第１実施形態における実効値計算回路４４と同様に一定の電圧を維持することができる。従って、第３実施形態の電子顕微鏡は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

４．第４実施形態
図１０は、第４実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図である。図１０において図１と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。図１０に示すように、第４実施形態の電子顕微鏡１は、第１実施形態の電子顕微鏡１の構成（図１）に対して、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０が鏡筒１０の外部に設けられている点が異なる。第１実施形態の電子顕微鏡１では、ブライトネスの調整のために、鏡筒１０の内部に設けられたプリアンプ回路２０において像信号にオフセットを付加し、鏡筒１０の端子から出力される信号を利用してノイズキャンセル処理を行っている。そのため、ノイズキャンセル回路５０での除算及び乗算を行う前にこのオフセットに相当する信号を減算し、除算及び乗算を行った後に再びオフセット信号を追加するという煩雑な処理を行っている。これに対して、第４実施形態の電子顕微鏡では、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０を鏡筒１０の外部に設け、ブライトネス調整のためのオフセットの付加をノイズキャンセル回路５０で行うことで、より簡単な構成でノイズキャンセルを実現する。

図１１は、第４実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図１１において図２と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。また、図１２（Ａ）〜図１２（Ｉ）は、図１１の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図である。図１１に示すように、本実施形態では、図２の構成に対して、プリアンプ回路２０の加算器２４及びノイズキャンセル回路５０の減算器５２が削除されている。また、ノイズキャンセル回路５０において、加算器５６とスイッチ回路５９の接続順が逆になっている。

本実施形態では、検出器１５から得られる像信号Ｓ×Ｉ１（図１２（Ａ）参照）は、プリアンプ回路２０の増幅器２４によってＧｐ倍に増幅される。従って、増幅器２４の出力信号（プリアンプ回路２０の出力信号）Ｖ_１（図１２（Ｂ）参照）は、次式（１２）で表される。

プリアンプ回路の出力信号Ｖ_１は、増幅器３２によってＧａ倍に増幅される。従って、式（１２）より、増幅器３２の出力信号（アンプ回路３０の出力信号）Ｖ_２（図１２（Ｃ）参照）は、次式（１３）で表される。

ノイズキャンセル機能がオフの場合、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２は、スイッチ回路５９を介して、加算器５６に入力され、増幅器５７の出力信号と加算される。増幅器５７は、増幅器２４のゲインＧｐと増幅器３２のゲインＧａの積に等しいゲインＧｐ×ＧａをブライトネスＢに与える。従って、加算器５６の出力信号Ｖ_７は、次式（１４）で表される。

この加算器５６の出力信号Ｖ_７は、処理部６０に入力され、Ａ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図１０に示したＰＣ２に送信される。

一方、ノイズキャンセル機能がオンの場合、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２は、ノイズキャンセル処理がされた後、スイッチ回路５９を介して加算器５６に入力される。

具体的には、除算回路５４の分子側の入力（Ｘ）には、アンプ回路３０の出力信号Ｖ_２が入力される。また、除算回路５４の分母側の入力（Ｙ）には、ノイズ検出回路４０に含まれる増幅器４２の出力信号が入力される。第１実施形態で説明したように、増幅器４２は、ノイズキャンセラ絞り１２で検出されたエミッション電流Ｉ２（図１２（Ｄ）参照）を電圧に変換するとともにＧｎ倍に増幅するので、増幅器４２の出力信号Ｖ_４（図１２（Ｅ）参照）は、前出の式（４）で表される。

従って、式（１３）と式（４）より、除算回路５４の出力信号Ｖ_５（図１２（Ｆ）参照）は、次式（１５）で表される。この式（１５）は、前出の式（５）と同じである。

第１実施形態で説明したように、乗算回路５８は、除算回路５４の出力信号Ｖ_５（図１２（Ｆ）参照）と実効値計算回路４４の出力信号（Ｇｎ×Ｉ２）_ＲＭＳ（図１２（Ｇ）参照）の乗算を行う。従って、乗算回路５８の出力信号Ｖ_６（図１２（Ｈ）参照）は、前出の式（６）で表され、第１実施形態で説明したように、前出の式（１０）で近似される。

乗算回路５８の出力信号Ｖ_６は、スイッチ回路５９を介して加算器５６に入力され、加
算器５６によって増幅器５７の出力信号（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）と加算される。従って、加算器５６の出力信号Ｖ_７（図１２（Ｉ）参照）は、前出の式（１１）で近似される。

加算器５６の出力信号Ｖ_７は、処理部６０に入力され、Ａ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図１０に示したＰＣ２に送信される。

なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。また、実効値計算回路４４は、本発明の「直流成分抽出部」に相当する。また、検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、除算回路５４は、本発明の「除算部」に相当する。また、乗算回路５８は、本発明の「乗算部」に相当する。

以上に説明した第４実施形態の電子顕微鏡によれば、処理部６０には、ノイズキャンセル機能がオフの時もオンの時も、それぞれ第１実施形態と同じ信号が入力される。従って、第４実施形態の電子顕微鏡は、第１実施形態よりも簡単な構成でありながら、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は本実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１ 電子顕微鏡、２ パーソナルコンピューター（ＰＣ）、１０ 鏡筒、１１ 電子線源、１２ ノイズキャンセラ絞り、１３ レンズ、１４ レンズ、１５ 検出器、２０ プリアンプ回路、２２ 加算器、２４ 増幅器、３０ アンプ回路、３２ 増幅器、４０ ノイズ検出回路、４２ 増幅器、４４ 実効値計算回路、５０ ノイズキャンセル回路、５２ 減算器、５４ 除算回路、５６ 加算器、５７ 増幅器、５８ 乗算回路、５９ スイッチ回路、６０ 処理部（ＣＰＵ）、６２ Ａ／Ｄ変換器、６４ Ａ／Ｄ変換器、７０ フィルター回路、７１ 積分回路、７２ コンデンサー、７３ 反転増幅回路、７４
加算回路、７５ 非反転増幅回路（ボルテージフォロワ）、１０１ 電子顕微鏡、１０２ パーソナルコンピューター（ＰＣ）、１１０ 鏡筒、１１１ 冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ）、１１２ ノイズキャンセラ絞り、１１３ レンズ、１１４ レンズ、１１５ 検出器、１２０ プリアンプ回路、１２２ 加算器、１２４ 増幅器、１３０ アンプ回路、１３２ 増幅器、１４０ ノイズ検出回路、１４２ 増幅器、１５０ ノイズキャンセル回路、１５１ 増幅器、１５２ 減算器、１５４ 除算回路、１５５ 増幅器、１５６ 加算器、１６０ 処理部（ＣＰＵ）、１６２ Ａ／Ｄ変換器

Claims (6)

1. 電子線を発生させる電子線源と、
   前記電子線の一部を検出する電子線検出部と、
   前記電子線検出部の検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出部と、
   前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出部と、
   前記像検出部の検出信号と前記電子線検出部の検出信号とに基づく除算を行う除算部と、
   前記除算部による除算結果の信号と前記直流成分抽出部が抽出した信号との乗算を行う乗算部と、を含む、電子顕微鏡。
2. 請求項１において、
   前記直流成分抽出部は、
   前記電子線検出部の検出信号の所定時間における実効値を計算する、電子顕微鏡。
3. 請求項２において、
   前記所定時間は、
   前記電子線が前記試料に入射して得られる信号に基づいて前記試料を含む１枚の画像を取得するのに要する時間以上である、電子顕微鏡。
4. 請求項１において、
   前記直流成分抽出部は、
   前記電子線検出部の検出信号を積分し、積分信号の直流成分を除去するとともに極性を反転して当該積分信号と加算する、電子顕微鏡。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項において、
   前記直流成分抽出部、前記除算部及び前記乗算部の各処理をデジタル演算により行う、電子顕微鏡。
6. 電子線源が発生させる電子線の一部を検出する電子線検出ステップと、
   前記電子線検出ステップの検出信号の直流成分を抽出する直流成分抽出ステップと、
   前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出ステップと、
   前記像検出ステップの検出信号と前記電子線検出ステップの検出信号とに基づく除算を行う除算ステップと、
   前記除算ステップにおける除算結果の信号と前記直流成分抽出ステップで抽出した信号との乗算を行う乗算ステップと、を含む、電子顕微鏡の作動方法。

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