JP2014106388A - 自動合焦点検出装置及びそれを備える荷電粒子線顕微鏡 - Google Patents

自動合焦点検出装置及びそれを備える荷電粒子線顕微鏡 Download PDF

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Abstract

【課題】表面に段差がある試料、また部分的に帯電している試料を観察する場合、従来のオートフォーカス機能では、関心のある領域に焦点があわせられないことがある。
【解決手段】本発明は、光ないし荷電粒子を試料表面に照射して像を得る顕微鏡のための自動合焦点検出装置である。自動合焦点検出装置は、レンズの焦点を制御するレンズ制御部と、焦点検出の対象となるサンプル画像の合焦点を算出する合焦点算出部と、を備える。前記合焦点算出部は、あらかじめ記憶されている少なくとも1つのテンプレート画像と、前記レンズ制御部により前記レンズの焦点値を逐次変化させて取得した前記サンプル画像あるいは前記サンプル画像の一部との間の一致度を算出して、前記合焦点を決定する。
【選択図】図1

Description

本発明は、可視光あるいは荷電粒子線を試料表面に照射し、試料から返ってくる信号を用いて試料表面の画像を得る装置における自動合焦点検出装置に関する。
顕微鏡の焦点調節機能を自動化する技術は、広く実用化されている。これらの機能は、一般に以下のような手順で実現されている。
(1)顕微鏡の対物レンズの焦点深度以下の幅で焦点を変化させながら、各焦点値において画像を取得する。これを対物レンズの焦点設定可能範囲内で一定の順序で繰り返す。
(2)得られた画像から特定の「評価関数」を用いた数学的処理により、画像の鮮鋭度を算出する。
(3)最大の鮮鋭度を示す画像の焦点値を以て試料上に正しく焦点が合う点(以下「合焦点」と呼ぶ)とする。
評価関数には様々なものが提案されている。画像内のコントラストや輝度差を評価するもの、画像信号をフーリエ変換し高周波成分比を算出するものなどがあり、非特許文献1に概要が記載されている。
試料表面の性状を検査、あるいはその特徴量を計測する顕微鏡には、可視光を照射して反射光による像を利用するもの(以下「光学顕微鏡」と呼ぶ)と、荷電粒子線(代表的には電子)を試料表面で走査して、二次的に発生する電子を用いるもの(以下、「SEM」と呼ぶ:Scanning Electron Microscope)がある。SEMにおいて合焦点を自動的に検出する技術の例は、特許文献1にあるように、焦点位置を変えながら取得した画像を処理して、画像の鮮鋭度を評価する上記(1)〜(3)の手続きを基本としている。
特開2002−334678号公報
Groen et al: A Comparison of Different Focus Functions for Use in Autofocus Algorithms; Cytometry 6:81-91(1985)
従来の課題について図2A〜図2Dを用いて説明する。図2Aは試料画像の一例を示す。試料画像201は、図2Bの試料205から得られる試料画像である。試料画像201には、観察あるいは検査したい領域202(以下ROIと呼ぶ:Region of Interest)と、最大の表面情報を持つ領域203とが含まれる。
ここで、試料画像201に含まれるROI202が、領域203と同一平面にある場合、すなわち、図2Bに示すように、ROI202と領域203とが、顕微鏡の対物レンズ204からほぼ等しい距離206にある場合では、前記の手法は、画面に表現される表面性状から得られる情報が最大になる点を検出して、その点を合焦点とする。したがって、図2Bの場合では、合焦点を探索すれば、ROIの鮮明な画像が得られることは自明である。ここでいう「表面情報」とは前記の通り「評価関数」によって評価されるものであり、一般には試料表面の粗度や材料界面などによって生じる画像内輝度差や形状図形である。
一方、図2Cに示すように、ROI202と表面情報が最大の領域203とが異なる平面にある場合、例えば、ROI202が距離206の平面にあり、領域203が距離207の平面にある場合には、前記方法ではROIに合焦することはできない。すなわち、前記方法で設定される合焦値は図2Cの距離207相当の焦点値であり、ROI202に対応する距離206とは異なる。距離206と距離207との差が既知の一定値の場合はその分を補正することも可能であるが、一般には必ずしもそうではない。
また、図2Dに示すように、観察前の試料205の表面が帯電している、あるいは、荷電粒子線による観察中に試料205の表面に帯電が発生する場合もある(208)。さらに、試料205に帯電が発生し、且つ、試料205の物理的な高さの変化がある場合もある。これらの場合には、帯電により表面情報量が変化する可能性がある。したがって、電子顕微鏡における対物レンズ合焦値が、試料面電位差(209,210)による影響を受け、前記方法ではROI202に合焦することはできない場合がある。
本発明の目的は、かかる場合においても有効な自動合焦点検出機能を提供することにある。
上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、光ないし荷電粒子を試料表面に照射して像を得る顕微鏡のための自動合焦点検出装置であって、レンズの焦点を制御するレンズ制御部と、焦点検出の対象となるサンプル画像の合焦点を算出する合焦点算出部と、を備える自動合焦点検出装置が提供される。この自動合焦点検出装置において、前記合焦点算出部は、あらかじめ記憶されている少なくとも1つのテンプレート画像と、前記レンズ制御部により前記レンズの焦点値を逐次変化させて取得した前記サンプル画像あるいは前記サンプル画像の一部との間の一致度を算出して、前記合焦点を決定する。
本発明によれば、ROI部分の画像情報量を選択的に評価することができるため、その他の領域から得られる情報がROIから得られる情報量より多い場合でも正しく合焦点を得ることができる。
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
第1実施例における焦点検出アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。 試料画像の例を示す図である。 試料面が平面である例を示す図である。 ROIと表面情報が最大の領域とが異なる平面にある例を示す図である。 試料表面が帯電している例を示す図である。 走査型電子顕微鏡の構成の一例を示す図である。 第1実施例における自動合焦点検出装置の構成の一例を示す図である。 第1実施例における自動合焦点検出装置の処理を説明する図である。 図4Aの処理を焦点値を変化させながら実行した際の、各焦点値とマッチングスコアとの関係を示すグラフである。 第2実施例における自動合焦点検出装置の処理を説明する図である。 第2実施例における焦点検出アルゴリズムの一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
荷電粒子線装置は、電子や陽イオンなどの電荷をもつ粒子(荷電粒子)を電界で加速し、試料に照射する装置である。荷電粒子線装置は、試料と荷電粒子との相互作用を利用して、試料の観察、分析、加工などを行う。荷電粒子線装置の例として、電子顕微鏡、電子線描画装置、イオン加工装置、イオン顕微鏡などが挙げられる。これら荷電粒子線装置の中において、走査型電子顕微鏡(SEM:Scanning Electron Microscope)は、電子を試料に照射し、電子と試料との相互作用を信号として検出することで微細構造の観察や構成元素の分析を行う装置である。以下、荷電粒子線装置の一例として、走査型電子顕微鏡(SEM)について述べる。なお、本発明は、荷電粒子線装置だけでなく、可視光を用いた光学顕微鏡においても全く同様に実施可能である。
<第1実施例>
図3Aは、本発明が実装される装置の一例であり、図3Aの装置は、上述した走査型電子顕微鏡(SEM)に相当する装置である。走査型電子顕微鏡300は、試料表面の性状を検査あるいはその特徴量を計測するものである。走査型電子顕微鏡300は、電子源301と、引き出し電極303と、中間レンズ304と、偏向コイル305と、対物レンズ306と、反射板309と、制御装置311とを備える。
この構成において、電子源301から放出された一次電子線302は、引き出し電極303、中間レンズ304で収束作用を受け、次いで偏向コイル305で試料307の表面を走査すべく偏向作用を受ける。次いで、一次電子線302は、対物レンズ306で最終的に収束され、試料307の表面に照射される。ここでSEMの場合、中間レンズ304および対物レンズ306は、電磁石であり、コイルに流れる電流で一次電子線302の焦点を変化させるものである。なお、レンズの種類は、磁界型の対物レンズと、試料に負電圧を印加することによるリターディングフォーカスの一方、あるいは併用してもよい。
図3Aに示すように、試料307において、一次電子線302の照射点近傍からは二次電子および反射電子308が放出される。二次電子および反射電子308の量は、試料307の表面の物理形状に応じて多寡が定まる。この二次電子および反射電子308は、適当な機構で上方に引き上げられ、反射板309を経て検出器310に導かれる。検出器310は、蛍光体、光電子倍増管などから構成され増幅機能を有し、二次電子および反射電子308の量のわずかな変化を電圧信号として制御装置311に送る。
本実施例では、上述したように検査・計測機能を持つ顕微鏡を想定している。制御装置311は、上述した顕微鏡の構成要素を制御する機能を有する。制御装置311は、偏向コイル305の電流値と前記電圧信号を同期処理して、表示装置312の画面に、試料表面形状に対応した画像を表示する。また、制御装置311は、このような本来の機能に加えて、自動合焦点検出装置313を備える。
自動合焦点検出装置313は、焦点調節のためのアルゴリズムを実行する処理部を備える。図3Bは、自動合焦点検出装置313の構成を示す図である。自動合焦点検出装置313は、対物レンズの焦点値を制御する焦点制御部321と、サンプル画像を記憶するサンプル画像記憶部322と、ROIのテンプレート画像をあらかじめ記憶するテンプレート画像記憶部323と、合焦点を算出する合焦点算出部330とを備える。合焦点算出部330は、テンプレート画像とサンプル画像あるいはサンプル画像の一部の領域との間のマッチングスコアを算出するマッチング処理部324と、得られたマッチングスコアを記憶し、相互に比較する比較部325とを備える。
なお、上述した自動合焦点検出装置313の処理部は、現在市場に供されている検査・計測顕微鏡に搭載されている画像処理回路などのハードウェアによって容易に実現することができる。また、自動合焦点検出装置313は、コンピュータ等の情報処理装置によって実現してもよい。情報処理装置が、プロセッサなどの演算部と、データを記憶するための記憶部(例えば、メモリおよびハードディスクなど)とを備える。焦点調節のためのアルゴリズムをプログラムコードとして記憶部に格納して、演算部が各プログラムコードを実行することによって実現してもよい。
また、上述の「サンプル画像」とは、焦点検出の対象となる画像である。また、「テンプレート画像」とは、あらかじめ登録された、ROIの十分な鮮鋭度を持つ標準画像である。これらの画像は、既存の方法と同様に各焦点値において画像を取得することにより得られる。また、「マッチングスコア」とは、テンプレート画像と、サンプル画像あるいはサンプル画像の一部の領域との画像一致度である。本実施例は、従来の評価関数の代わりに、テンプレート画像と、サンプル画像あるいはサンプル画像の一部の領域とのマッチングスコアを算出し、そのマッチングスコアが最大になる点をもって合焦点とすることを特徴とする。
マッチングスコアの算出は、一般に広く実施されている正規化相互相関法などを用いればよい。その場合、ある焦点値で取得したサンプル画像からテンプレート画像と同じサイズの画像領域を切り出し、テンプレート画像との間の正規化相関係数を算出する。切り出す領域をサンプル画像内で移動させ、切り出した画像ごとにテンプレート画像との間の正規化相互相関係数を算出していく。これをサンプル画像内で行っていくと、テンプレート画像にもっとも近い領域で正規化相関係数が最大となる。これはサンプル画像からROIと相同の領域を探索する一般的な手法である。これをさらに焦点値を変化させながら繰り返し実施する。すべての繰り返しを通じて最終的に正規化相互相関値が最大になる点の焦点値が、サンプル画像のROIが最も鮮鋭になる焦点値である。
図1は、本実施例における焦点検出アルゴリズムの一例を示す。以下の処理の主体は、自動合焦点検出装置313である。
まず、ステップ101において、焦点制御部321は、焦点位置を適当な初期値に設定する。次に、ステップ102において、設定された焦点でサンプル画像を取得する。取得されるサンプル画像は、サンプル画像記憶部322に格納される。
次に、ステップ103において、マッチング処理部324が、サンプル画像内で、テンプレート画像と一致度(マッチングスコア)の高い領域を正規化相関法などを用いて探索する。なお、テンプレート画像は、あらかじめテンプレート画像記憶部323に格納されている。探索結果として得られる領域は、サンプル画像内のROIと考えられる。なお、一致度の比較は、比較部325により実行される。次に、ステップ104において、マッチング処理部324は、このときのマッチングスコアを所定の記憶部などに記録する。
次に、ステップ105において、焦点制御部321は、焦点深度(DOF:Depth of Focus)以下の幅で焦点位置を変更する。次に、ステップ106において、変更した値が焦点設定値として装置の焦点可変範囲内にあるかを判定する。焦点設定値が装置の焦点可変範囲内にある場合、ステップ102に戻る。ステップ102に戻った場合、再度、サンプル画像の取り込み(ステップ102)、テンプレート探索(ステップ103)、一致度の記録(ステップ104)、焦点位置の変更(ステップ105)を行う。このように、当該装置の焦点可変範囲内でステップ102、103、104、105の処理が繰り返し実行される。なお、ステップ106において、焦点設定値が装置の焦点可変範囲内にない場合、ステップ107に進む。ステップ107において、比較部325は、記録されているマッチングスコアが最も大きな点を合焦点として決定する。
次に、本実施例の処理の詳細を図4A及び図4Bを用いて説明する。図4Aは、第1実施例における自動合焦点検出装置の処理を説明する図である。まず、ROIのテンプレート画像401を、テンプレート画像記憶部323にあらかじめ記憶させておく。そして、焦点値Fで取得したサンプル画像411からテンプレート画像401と同じ大きさの領域402を切り出す。次に、切り出した領域402とテンプレート画像401との間でマッチングスコアとして正規化相互相関係数を算出する。領域402を、矢印で示すように、サンプル画像411内を逐次移動させて、同様の処理を繰り返す。
例えば、領域402を横方向にずらして領域403を設定して、同様にマッチングスコアを算出する。領域402の移動は、画像を構成する最小要素(画素)を単位に行い、最終的に領域402が、サンプル画像411の全画面を覆うまで繰り返す。算出された全てのマッチングスコアを比較し、焦点値Fにおけるマッチングスコアの最大値SFiを求める。この操作を焦点値Fを変化させながら、装置の焦点可変範囲内で繰り返す。
図4Bは、焦点値Fを変化させながら、各焦点値Fでマッチングスコアの最大値SFiを求めたグラフを示す。実線405が、各焦点値Fでマッチングスコアの最大値SFiを求めたグラフであり、点線404が、従来の評価方法(従来の評価関数)を実行した場合の評価関数の値を示す。
従来では、ROI412と、表面情報が最大の領域413とが異なる平面にある場合(図2Cに示すような異なる平面にある場合)、従来の評価方法を実行すると、表面情報が最大の領域413内の領域の時(例えば、領域402の時)に極値を示す場合がある。したがって、正しく合焦点を得ることができない。
これに対して、本実施例によれば、ROI412と、表面情報が最大の領域413とが異なる平面にある場合でも、SFiが最大になる点Fmaxを求めることにより、正しく合焦点を得ることができる。
本実施例では、ROI部分の画像情報量を選択的に評価することができるため、その他の領域から得られる情報がROIから得られる情報量より多い場合でも正しく合焦点を得ることができる。特にROIが最大の表面情報を持つ領域と同一平面と同じ焦点面にない場合においても、容易に正しいROIの合焦点が得られる。また、試料の表面が帯電している場合でも、その影響を受けることなく、容易に正しいROIの合焦点が得られる。
<第2実施例>
第1実施例の処理は、繰り返し処理が多くなり、時間がかかる場合もある。本実施例の合焦点算出部330は、図3Bの構成に加えて、評価関数から得られる値の極値を算出する極値算出部を備える。この極値算出部の処理を図5を用いて説明する。
図5は、焦点値Fと正規化輝度差CFiとの関係を示すグラフである。この例では、極値算出部は、まず既存の自動合焦手法により、たとえばサンプル画像内の輝度差を正規化したものを評価関数として実施する。そして、極値算出部は、正規化輝度差CFiが極値を示す焦点値501、502、503を算出する。その後、焦点値501、502、503のそれぞれにおいて、図4Aで示した処理を実行し、最大値SFiを求める。そして、焦点値501、502、503において、SFiが最大になる点Fmaxを合焦点として決定する。なお、正規化輝度差CFiが極値を示す焦点値501、502、503は、既存の手法で求めることができる。例えば、極値を求める方法としては、図5のグラフの所定の領域ごとを二次近似して求める方法や、所定の領域の平均と各点の値との差も基づいて求める方法など、様々な既存の方法で求めることができる。
図6は、本実施例における焦点検出アルゴリズムの一例を示す。以下の処理の主体は、自動合焦点検出装置313である。
まず、ステップ601において、既存の自動合焦手法により、各焦点値Fに関して、サンプル画像内の輝度差を正規化した正規化輝度差CFiを計算する。次に、ステップ602において、正規化輝度差CFiを示すグラフから複数の極値を求め、それらの極値に対応する焦点値を記録する。
次に、ステップ603において、各極値に対応する焦点値に関して、図4Aに示したマッチング処理を実行し、一致度(マッチングスコア)の最大値SFiを求める。そして、ステップ604において、全ての極値に対応する焦点値を通じて、最大の一致度を示した画像の焦点値を合焦点として決定する。
本実施例によれば、極値を示す焦点値のみでマッチング処理を行うため、繰り返し処理が大幅に少なくなり、合焦点を決定するまでの時間を短縮することができる。
<第3実施例>
上述の第1及び第2実施例では、サンプル画像内に1つの測定パターンがある場合の例を示したが、複数の測定パターンが存在する場合でも、本発明を適用することができる。例えば、各測定パターンに対応させて、予め複数のテンプレート画像を記憶部に格納する。自動合焦点検出装置313のマッチング処理部324は、テンプレート画像ごとにマッチング処理を実行する。自動合焦点検出装置313の比較部325は、テンプレート画像ごとに得られた最大の一致度(マッチングスコア)の平均値を計算し、その平均値を一致度(マッチングスコア)として記録する。そして、自動合焦点検出装置313は、異なる焦点値のサンプル画像に関して、最大の一致度の平均値を繰り返し算出し、前記平均値が最大となる焦点値を合焦点として決定する。
本実施例によれば、サンプル画像内に複数の測定パターンが存在する場合でも、容易に正しいROIの合焦点が得られる。
なお、上記第1乃至第3実施例では、画像一致度として正規化相互相関係数を用いたが、これに限定されない。例えば、画像一致度の評価としては、他に対応する画素ごとの輝度値の差の自乗和を算出するSSD法、形状輪郭を抽出して比較する輪郭マッチング法、位相情報のみを使用する位相限定相関法などがあるが、適用する画像の性質に応じて最適な手法を選べばよく、画像一致度を使用するという本発明の本質を損なうものではない。また、本発明は、上述したように、光を用いた光学顕微鏡においても全く同様に実施可能である。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
300 走査型電子顕微鏡
301 電子源
302 一次電子線
303 引き出し電極
304 中間レンズ
305 偏向コイル
306 対物レンズ
307 試料
308 二次電子および反射電子
309 反射板
310 検出器
311 制御装置
312 表示装置
313 自動合焦点検出装置
321 焦点制御部
322 サンプル画像記憶部
323 テンプレート画像記憶部
324 マッチング処理部
325 比較部
330 合焦点算出部
401 テンプレート画像
402、403、413 領域
411 サンプル画像
412 ROI
焦点値
Fi ある焦点値のマッチングスコアの最大値(最大一致度)
maxFiが最大になる点
Fi 正規化輝度差

Claims (5)

  1. 光ないし荷電粒子を試料表面に照射して像を得る顕微鏡のための自動合焦点検出装置であって、
    レンズの焦点を制御するレンズ制御部と、
    焦点検出の対象となるサンプル画像の合焦点を算出する合焦点算出部と、
    を備え、
    前記合焦点算出部は、あらかじめ記憶されている少なくとも1つのテンプレート画像と、前記レンズ制御部により前記レンズの焦点値を逐次変化させて取得した前記サンプル画像あるいは前記サンプル画像の一部との間の一致度を算出して、前記合焦点を決定することを特徴とする自動合焦点検出装置。
  2. 請求項1の自動合焦点検出装置において、
    前記合焦点算出部は、
    ある焦点値において取得された前記サンプル画像内において前記一致度が最大になる領域を探索して、当該焦点値における最大一致度を算出し、
    異なる焦点値のサンプル画像に関して前記最大一致度を繰り返し算出し、前記最大一致度が最大となる焦点値を前記合焦点として決定することを特徴とする自動合焦点検出装置。
  3. 請求項1の自動合焦点検出装置において、
    前記合焦点算出部は、
    前記レンズの焦点値を逐次変化させて所定の評価関数を実行して、前記評価関数における複数の極値を算出し、
    前記複数の極値に対応する複数の焦点値のそれぞれにおいて前記一致度が最大になる領域を探索して、各焦点値における最大一致度を算出し、
    前記複数の焦点値のうち前記最大一致度が最大となる焦点値を前記合焦点として決定することを特徴とする自動合焦点検出装置。
  4. 請求項1の自動合焦点検出装置において、
    前記合焦点算出部は、
    ある焦点値において取得された前記サンプル画像内において複数のテンプレート画像のそれぞれについて前記一致度が最大になる領域を探索し、各テンプレート画像ごとに最大一致度を算出し、
    当該焦点値における前記最大一致度の平均値を算出し、
    異なる焦点値のサンプル画像に関して前記最大一致度の平均値を繰り返し算出し、前記平均値が最大となる焦点値を前記合焦点として決定することを特徴とする自動合焦点検出装置。
  5. 請求項1に記載の自動合焦点検出装置を備え、
    前記自動合焦点検出装置により算出したレンズの合焦点に調節し、荷電粒子を試料表面に走査的に照射し、得られる二次信号を画像化し、得られた画像を用いて試料表面近傍の形状、性質を計測あるいは検査する荷電粒子線顕微鏡。
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