JP2779048B2 - 走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式
に関するものである。

［従来の技術］ 従来、走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式とし
て、対物レンズの励磁電流を所定の範囲に渡って所定の
電流ステップで変化させながら各励磁電流のときに電子
ビーム走査により得られた検出信号を積分手段により１
画面分積分してサンプリング値を得、サンプリング値が
最大となる対物レンズ励磁電流を求めることにより合焦
点位置を検出する方式が知られている。その構成例を第
５図に示す。

第５図において、マイクロコンピュータで構成される
オートフォーカスコントローラ（以下、AFCと称す）５
は、オートフォーカス時の各回路あるいは各手段の動作
を統括して管理する主制御手段６、A/D変換器15から出
力されるサンプリング値を格納するサンプリング値ファ
イル８およびサンプリング値ファイル８に格納されてい
るサンプリング値に基づいて合焦点位置を検出する合焦
点検出手段７を備えている。

さて、図示しない入力手段からオートフォーカスの指
示がなされると、主制御手段６はD/A変換器11に対して
デジタルの対物レンズ（以下、OLと称す）の励磁電流値
を出力する。当該励磁電流値はD/A変換器11によりアナ
ログ信号となされてOL駆動回路10に供給され、所定の励
磁電流が生成されてOL3に供給されるが、OL3の励磁電流
値は、第６図に示すように、所定の電流範囲に渡って、
所定の時間間隔T₀毎に所定の電流ステップΔＩで階段状
に変化させられる。そしてまた、主制御手段６はOL励磁
電流値を変化させたとき、偏向ユニット９に対してタイ
ミング信号を出力する。これにより偏向ユニット９は水
平走査（以下、Ｘ方向と称す）信号及び垂直走査（以
下、Ｙ方向と称す）信号を生成し、それぞれＸ偏向コイ
ル2_X、Ｙ偏向コイル2_Yに供給する。

以上のことにより、OL励磁電流が変化される度毎に、
図示しない電子銃から放射され、収束された一次電子ビ
ーム１は偏向コイル2_X,2_YでＸ方向及びＹ方向に偏向さ
れ、更にOL3の磁場を通過して試料４の所定の範囲を走
査する。これがフォーカスサーチである。なお、１画面
分の走査は時間T₀以内に終了するように設定されてい
る。

試料４から放出された二次電子は検出器12で検出さ
れ、更にハイパスフィルタ（HPF）13で所望の帯域の信
号となされ、積分器14に入力される。積分器14では、１
画面の走査で得られた検出信号が積分され、サンプリン
グ値が生成される。積分器14の出力であるサンプリング
値はA/D変換器15でデジタル値に変換されてAFC5に取り
込まれる。AFC5および積分器14にはタイミング信号とし
て偏向ユニット９から垂直ブランキング信号V_BLKが供給
されており、積分器14はV_BLKが入力される度毎に積分動
作をリセットし、主制御手段６はV_BLKが入力されたこと
を条件としてA/D変換器15からのサンプリング値の取り
込みを行い、取り込んだサンプリング値をサンプリング
値ファイル８に格納する。

主制御手段６は、一つのサンプリング値データの格納
が終了すると、D/A変換器11に対して次のOL励磁電流値
を出力する。

以上の動作が繰り返し行われることにより、各OL励磁
電流値におけるサンプリング値が得られる。

第７図はサンプリング値ファイル８のデータ構造の例
を示す図であり、サンプリング値ファイル８にはA/D変
換器15から取り込んだ値と、そのときのOL励磁電流値が
書き込まれる。

全てのサンプリング値の収集が終了すると、主制御手
段６は、合焦点検出手段７を起動して合焦点位置の検出
を行わせる。

合焦点検出手段７は、サンプリング値ファイル８から
サンプリング値及びOL励磁電流値を取り込み、サンプリ
ング値が最大となるOL励磁電流値を求めてこれを合焦点
位置とするのであるが、サンプリング値にはノイズも含
まれているので、まず例えば移動平均法等によりサンプ
リング値を平滑化し、次に最大値付近のいくつかの点に
ついて、平滑化されたサンプリング値を通る二次曲線を
最小自乗近似により求め、第８図に示すように、当該二
次曲線が極大となるOL励磁電流値I₀を求める。これが合
焦点位置である。

合焦点位置の検出が終了すると、主制御手段６は、合
焦点を与えるOL励磁電流値を合焦点検出手段７から取り
込んで、D/A変換器11に出力する。これによって、OL3に
は合焦点を与える励磁電流が供給されることになる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、１画面分の検出信号を積分して得られるサ
ンプリング値は、試料４の形状、試料４を構成する元
素、あるいはその他の観察条件等の種々の要因によって
大きく変化する。従って、積分器14の積分定数が大きく
設定され、検出信号が小さい場合にも精度よく合焦点位
置を検出できるようになされている場合には、試料によ
っては、第９図の20で示すように、サンプリング値が積
分器14の飽和レベルに達して、合焦点位置を求めること
ができない場合が生じ、この場合には再度フォーカスサ
ーチを行わなければならないという問題があった。

これに対して、積分器14の積分定数を十分小さくすれ
ば、サンプリング値が積分器の飽和レベルまで達するこ
とは回避できるが、この場合、放出される二次電子が少
ない試料の場合には第９図の21で示すようにサンプリン
グ値のレベルが低くなり、合焦点位置を精度よく求める
ことができないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料
の如何に拘らず積分器の飽和を防いで正しいサンプリン
グ値を得、以て高精度に合焦点位置を検出することがで
きる走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式を提供す
ることを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の走査型電子顕
微鏡のオートフォーカス方式は、対物レンズの励磁電流
を所定の範囲に渡って所定の電流ステップで変化させな
がら各励磁電流のときに電子ビーム走査により得られた
検出信号を積分手段により１画面分積分してサンプリン
グ値を得、サンプリング値が最大となる対物レンズ励磁
電流を求めることにより合焦点位置を検出する走査型電
子顕微鏡のオートフォーカス方式において、前記積分手
段の前段に配置された可変減衰手段と、前記積分手段で
得られたサンプリング値が閾値以上である場合に前記可
変減衰手段のゲインを低下させる手段と、得られた全て
のサンプリング値を同一ゲインに換算してサンプリング
値の補正を行う補正手段と、前記補正手段で補正された
サンプリング値に基づいて合焦点位置を検出する手段と
を備えることを特徴とする。

［作用及び発明の効果］ 本発明によれば、サンプリング値が所定の閾値以上に
なり、積分器の飽和レベルに達すると予測される場合に
は、積分器の前段に配置された可変減衰器のゲインを低
下させる。そして、全てのサンプリング値の収集が終了
した後、全てのサンプリング値は同一のゲインに換算さ
れ、該換算されたサンプリング値に基づいて合焦点位置
の検出が行われる。

従って、本発明においては、サンプリング値が大きく
なる試料の場合であっても合焦点位置を高精度に求める
ことができる。

また、サンプリング値が閾値以上になった場合には可
変減衰器のゲインが低下されてサンプリング値の収集が
続行されるので、フォーカスサーチを１回行えば合焦点
検出のためのデータ収集は完了する。従って、従来のよ
うにフォーカスサーチを再試行する必要はないものであ
る。

［実施例］ 以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る走査型電子顕微鏡のオートフォ
ーカス方式の一実施例の構成を示す図であり、図中、１
は一次電子ビーム、2_XはＸ方向偏向コイル、2_YはＹ方向
偏向コイル、３はOL、４は試料、５はAFC、６は主制御
手段、７は合焦点検出手段、８はサンプリング値ファイ
ル、９は偏向ユニット、10はOL駆動回路、11はD/A変換
器、12は検出器、13はHPF、14は積分器、15はA/D変換
器、16はサンプリング値レベル検出手段、17はサンプリ
ング値補正手段、18は可変減衰器を示す。なお、第５図
と同じものについては同じ番号を付し、必要に応じてそ
の動作説明を省略する。

第１図の構成は、積分器14の前後に可変減衰器18が配
置されている点、AFC5にサンプリング値レベル検出手段
16及びサンプリング値補正手段17が設けられている点で
第５図の構成と異なっている。

可変減衰器18は、サンプリング値レベル検出手段16の
指示によりゲインを切り換えることができるものであれ
ばよく、例えば複数の抵抗を切り換えるもの等も使用可
能ではあるが、抵抗値の調整が非常に面倒であるので、
乗算型D/A変換器を用いるのが好適である。即ち、乗算
器D/A変換器のリファレンス入力端子には検出器12の出
力信号を入力し、デジタル入力端子にはサンプリング値
レベル検出手段16からのデジタル信号を入力するように
する。これで高精度な可変減衰器18を構成することがで
きる。

さて、第１図において、積分器14の積分定数は、小さ
な検出信号に対しても精度よく合焦点位置の検出が行え
るように、十分に大きく設定されている。また、フォー
カスサーチの開始時点では可変減衰器18のゲインは１と
なされ、最大ゲインに設定される。即ち、AFC5が８ビッ
トのデータを取り扱うものとすると、サンプリング値レ
ベル検出手段16からはFF_H（Ｈは16進法を表す）の値が
可変減衰器18に与えられる。これによりHPF13の出力は
そのままの値で積分器14に入力される。

また、サンプリング値レベル検出手段16には、第２図
の26で示す閾値レベルS_thが予め設定されている。この
閾値S_thは、積分器14の飽和レベル25より低いレベルに
設定される。例えば、サンプリング値が０から積分器飽
和レベル25まで256階調で与えられるものとすると、閾
値S_thは200階調程度のレベルに設定される。そして、サ
ンプリング値レベル検出手段16は、取り込んだサンプリ
ング値を閾値S_thと比較し、サンプリング値が閾値S_th以
上である場合には、このままの状態ではサンプリング値
が積分器飽和レベルを超えてしまう可能性があり、従っ
て正しい合焦点位置の検出を行えなくなる可能性がある
ので、可変減衰器18に対して7F_Hを出力する。これによ
り、可変減衰器18のゲインは1/2となるので、次のサン
プリング値の収集からはHPF13の出力レベルは可変減衰
器18により1/2となされる。

このようにしてサンプリング値の収集を続行し、再度
サンプリング値が閾値S_th以上になった場合には、サン
プリング値レベル検出手段16は可変減衰器19に対して3F
_Hを出力する。これにより次回からのサンプリング値の
収集に際してはHPF13の出力レベルは更に1/2となされ、
フォーカスサーチの動作開始時点からは1/4となされ
る。このように、サンプリング値レベル検出手段16は、
サンプリング値が閾値S_th以上となる度毎に可変減衰器1
8のゲインを前回のゲインの1/2にする。

サンプリング値ファイル８は従来と同様にサンプリン
グ値及びそのときのOL電流値を格納するが、本発明にお
いては、第３図に示されるように、そのときのゲインも
書き込まれる。

具体的には次のようである。可変減衰器18が最大ゲイ
ンになされて上述したと同様にしてサンプリング値の収
集が開始され、OL励磁電流がある値のときに１画面の走
査で得られた検出信号を積分して得られたサンプリング
値が第２図のS_mで示すように閾値S_thを超えているとす
ると、当該サンプリング値S_mはそのときのOL励磁電流値
及び可変減衰器18のゲイン「１」と共にサンプリング値
ファイル８に書き込まれるが、このときサンプリング値
レベル検出手段16は可変減衰器18に7F_Hを出力する。こ
れによって、可変減衰器18のゲインは1/2となるので、
次のOL励磁電流値のときのサンプリング値は第２図のS
_m+1で示すように閾値S_thを下回るものとなる。このとき
当該サンプリング値S_m+1はこのときのOL励磁電流値及び
このときのゲイン「1/2」と共にサンプリング値ファイ
ル８に書き込まれる。

以下、従来と同様にサンプリング値の収集が続行され
る。第２図ではその後サンプリング値が閾値S_th以上に
なることはないので、ゲインは図中Ａで示す範囲は
「１」、Ｂで示す範囲は「1/2」である。もし仮に、Ｂ
で示す範囲内でサンプリング値が閾値S_th以上になった
場合には、その次のサンプリング値の収集からは可変減
衰器18のゲインは「1/4」となされることは明らかであ
り、サンプリング値ファイルのゲインの欄には「1/4」
が書き込まれることになる。

以上のようにして１回のフォーカスサーチを行うこと
により、サンプリング値ファイル８には、各OL励磁電流
値に対するサンプリング値及びそのときのゲインが書き
込まれる。

フォーカスサーチが終了すると、主制御手段６はサン
プリング値補正手段17を起動する。

サンプリング値補正手段17は、サンプリング値ファイ
ル８を参照して、全てのサンプリング値を同一ゲインの
値に書き直す。具体的にはサンプリング値ファイル８の
ゲインの欄に書き込まれている最小ゲインのときの値に
変更する。例えば、第２図の場合には最小ゲインは「1/
2」であるから、Ｂの範囲のサンプリング値はそのまま
にし、Ａの範囲のサンプリング値を1/2する。これによ
り、第４図に示すように、Ａの範囲で実際に得られた30
で示すサンプリング値は1/2になされ、図中31で示すよ
うなサンプリング値となり、これで連続するサンプリン
グ値データが得られることになる。同様に、もし最小ゲ
インが1/4である場合には、ゲインが1/2であるときに取
り込まれたサンプリング値は更に1/2になされ、ゲイン
が１のときに取り込まれたサンプリング値は1/4になさ
れる。

以上のようにしてサンプリング値補正手段17で同一ゲ
インでの値に変更されたサンプリング値は合焦点検出手
段７に取り込まれて、合焦点位置の検出に用いられる。

合焦点検出手段７は、上述したと同様にして合焦点位
置の検出を行う。

以上のように、本発明によれば、１回のフォーカスサ
ーチを行うだけで合焦点位置を高精度に求めることがで
きる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明
は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が
可能である。例えば、上記実施例では可変減衰器のゲイ
ン切換は1/2ずつとしたが、これはサンプリング値補正
手段17でのサンプリング値補正が桁ずらしだけで簡単に
行えるからであり、3/4,1/3,1/5等その他の値でもよい
ことは当業者に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る走査型電子顕微鏡のオートフォー
カス方式の一実施例の構成を示す図、第２図は可変減衰
器のゲイン切り換えを説明する図、第３図はサンプリン
グ値ファイルの構成の例を示す図、第４図はサンプリン
グ値補正手段の動作を説明する図、第５図は従来の走査
型電子顕微鏡のオートフォーカス方式の構成例を示す
図、第６図はフォーカスサーチ時のOL励磁電流を示す
図、第７図は従来のサンプリング値ファイルの構造例を
示す図、第８図は合焦点位置の検出の方法を説明する
図、第９図は従来の走査型電子顕微鏡のオートフォーカ
ス方式の問題点を説明する図である。 １……一次電子ビーム、2_X……Ｘ方向偏向コイル、2_Y…
…Ｙ方向偏向コイル、３……OL、４……試料、５……AF
C、６……主制御手段、７……合焦点検出手段、８……
サンプリング値ファイル、９……偏向ユニット、10……
OL駆動回路、11……D/A変換器、12……検出器、13……H
PF、14……積分器、15……A/D変換器、16……サンプリ
ング値レベル検出手段、17……サンプリング値補正手
段、18……可変減衰器。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズの励磁電流を所定の範囲に渡っ
   て所定の電流ステップで変化させながら各励磁電流のと
   きに電子ビーム走査により得られた検出信号を積分手段
   により１画面分積分してサンプリング値を得、サンプリ
   ング値が最大となる対物レンズ励磁電流を求めることに
   より合焦点位置を検出する走査型電子顕微鏡のオートフ
   ォーカス方式において、前記積分手段の前段に配置され
   た可変減衰手段と、前記積分手段で得られたサンプリン
   グ値が閾値以上である場合に前記可変減衰手段のゲイン
   を低下させる手段と、得られた全てのサンプリング値を
   同一ゲインに換算してサンプリング値の補正を行う補正
   手段と、前記補正手段で補正されたサンプリング値に基
   づいて合焦点位置を検出する手段とを備えることを特徴
   とする走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式。