JP3125010B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は走査形電子顕微鏡やイオ
ンビーム装置等の荷電粒子ビーム装置において、特に電
子光学系を自動調整処理する機能を備えた荷電粒子ビー
ム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば走査形電子顕微鏡は、試料表面上
にフォーカシングした電子ビームを走査することによ
り、試料面から発生する二次電子を検出し、この検出信
号を処理してＣＲＴ等の表示装置に表示するようにして
いる。

【０００３】しかし、かかる走査形電子顕微鏡における
画像信号には、種々のノイズが含まれており、特に二次
電子の検出として使用されている二次電子増倍管（以下
ＰＭＴと略称する）から発生するノイズの影響が大きい
ため、高品質の画像データを収集することは困難であ
る。

【０００４】そこで、従来ではこれらのノイズを低減さ
せる手段として、電子ビームを試料面に対し複数回繰返
し走査して各走査毎に試料面から発生する同一走査位置
の二次電子をそれぞれ検出し、その検出信号をＡ／Ｄ変
換して加算し、複数回の走査において積算された信号を
画像データとして用いることにより、Ｓ／Ｎ比を改善す
るようにしたものがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように走査型電子
顕微鏡等の自動焦点および非点補正装置は、高い的中精
度と処理時間の短縮化が求められている。従来の自動焦
点および非点補正装置は、暗い試料（２次電子発生効率
の低いまたは試料ダメージの関係で加速電圧を上げられ
ない試料）のとき、高倍率観察での的中率の低下が顕著
だった。

【０００６】高い的中精度を達成するためには、ノイズ
が検出信号と同程度の場合もあり、ローパスフィルタや
同一画像上での横方向のランニングアベレージ処理で
は、目的の画像信号成分を消失させるため、走査速度を
下げて積分乗数を長くするか同一画像の加算処理によっ
て画質の向上を図るしか方法がなく、的中程度の向上は
処理時間の増大化を招いていた。

【０００７】このため、現在の自動焦点および非点補正
装置を始めとする電子光学系の最適ビーム条件の調整
は、高い的中精度の要求と処理時間の短縮化のジレンマ
を抱えている。

【０００８】本発明の目的は、このジレンマを解決する
ため、必要最小限の画像データの収集を基に画像データ
収集時間を短縮させ、焦点および非点補正を始めとする
電子光学系の最適ビーム条件を自動設定することを可能
とする荷電粒子ビーム装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、荷電粒子ビームを走査しながら電子光学系
を通して試料面に照射し、該試料面から発生する信号を
検出して画像表示装置に表示するようにした荷電粒子ビ
ーム装置において、前記電子光学系を調整して荷電粒子
ビームの収束点を変化させる調整手段と、この調整手段
により収束点が調整される毎に検出される前記試料面か
らの検出信号を画像データとして記憶する記憶手段と、
この記憶手段に記憶された画像データより全てのフレー
ムに対して任意のフレームおよびその前後のフレームの
同一走査位置の画像データを全走査位置について重み付
け演算によるフィルタ処理を行う演算手段と、この演算
手段でフィルタ処理された画像データを基に変化させた
各段階の前記電子光学系の評価値を求める評価値演算手
段と、この評価値演算手段で求められた評価値から適正
な画像データを判定する判定手段とを備えたものであ
る。

【００１０】

【作用】このような構成の荷電粒子ビーム装置にあって
は、電子光学系調整手段により電子光学系が調整される
毎に検出される試料面からの検出信号が画像データとし
て記憶手段に記憶される機能と、演算手段により注目す
るフレームおよびその前後のフレームの同一走査位置の
画像データを全走査位置について重み付け演算する機能
がそれぞれ並列処理されることにより処理時間の短縮化
を図ることができる。

【００１１】また、その演算後の画像データは元画像デ
ータより数倍のＳ／Ｎ比を期待でき、それを基にした評
価演算手段により変化させた各段階の電子光学系の画質
評価値を求めて適正な画質が得られるように電子光学光
学系自動調整することで、必要最小限の画像信号の収集
によってノイズを低減させることが可能となり、画像信
号の処理時間を大幅に短縮できると共に高品質の画像デ
ータに基いた的中率の向上を図ることができる。

【００１２】

【実施例】以下本発明の一実施例を図面を参照して説明
する。

【００１３】図１は本発明を走査形電子顕微鏡の自動焦
点補正機能に適用した場合の構成例を示すものである。
図１において、図示しない電子銃から放出される電子ビ
ーム１は電磁レンズ２によって試料３の表面上に収束す
る。このときの収束状態は電磁レンズ２のレンズ強度を
制御するレンズ電源制御系４の出力を変化させることで
調整される。

【００１４】また、この電子ビーム１はその経路中に設
けられた偏向コイル５により偏向され、電子ビーム１を
試料３の表面上を走査する。このときの走査状態は偏向
電源系６からの出力を変化させることで調整される。

【００１５】さらに、電子ビーム１の照射により試料３
面から発生する二次電子はＰＭＴ等の検出器７により検
出され、電気信号に変換される。この検出器７より出力
される電気信号は増幅器８を通してＡ／Ｄ変換器９に入
力され、ここでＡ／Ｄ変換されて画像入出力装置１０に
加えられる。

【００１６】一方、中央制御装置（ＣＰＵ）１１は走査
形電子顕微鏡全体の制御の中心を担うもので、レンズ電
源制御系４、偏向電源系６、画像入出力装置１０にデー
タバスを介して接続されている。このＣＰＵ１１は、レ
ンズ電源制御系４に電磁レンズ２への電流値Ｉo を変化
させる指令を与えると共にフォーカシングの偏向モード
を行うための制御信号を与える制御部１１ａと、画像信
号等の諸データを記憶する記憶部１１ｂと、フィルタ処
理のための演算や焦点位置等を検出するための評価演算
等を行う演算部１１ｃと、この演算部１１ｃの演算結果
に対して画質の評価判定を行う判定部１１ｄとを備えて
いる。

【００１７】また、１２はＣＰＵ１１に対して設定条件
や起動指令を与えるための設定部、また１３は画像入出
力装置１０に接続されたＣＲＴ等の画像表示装置で、こ
の画像表示装置１０は通常の観察を行う場合に利用され
る。

【００１８】次に上記のように構成された走査形電子顕
微鏡のオートフォーカスの作用を図２に示すフローチャ
ートを参照しながら説明する。いま、設定部１２のスイ
ッチにより中央制御装置１１に起動指令を与えると、ス
テップＳ１でオートフォーカスの初期条件、つまりレン
ズ電源制御系４に対しては電磁レンズ２の電流値Ｉoを
変化させる条件すなわちｊ＝０を、偏向電源系６に対し
てはオートフォーカス専用または汎用の電子ビームの走
査条件を、目的とする変化条件と対応するフレーム枚数
を、また重み付け等の演算条件を、そして画像入出力装
置１０に対しては検出器７で検出され、Ａ／Ｄ変換器９
を通して得られる画像信号を直接データバスに転送させ
る条件等の設定を行う。

【００１９】次にステップＳ２では上記設定条件に基い
て電磁レンズ２の電流値Ｉo を少しづつ変化させ、ステ
ップＳ３ではそのときの２次電子が検出器７により検出
され、Ａ／Ｄ変換器９でＡ／Ｄ変換された画像信号をＣ
ＰＵ１１の記憶部１１ｂに転送する。ステップＳ４では
記憶部１１ｂに記憶された画像信号が設定フレーム枚数
（フィルタ処理可能枚数）Ｆａに達したか否かを判定
し、設定フレーム枚数に達していなければ、そのフレー
ム枚数に達するまで画像信号を記憶部１１ｂに記憶す
る。

【００２０】そして、ステップＳ４で画像信号の取込み
が設定フレーム枚数に達したと判定されると、ステップ
Ｓ５に進み、演算部１１ｃにより画像信号Ｓn^j （ｎ＝
走査位置、ｊ＝フィルタ処理の基準となるレンズ条件）
の前後のデータ（Ｓn ^j-1 ，Ｓn ^j ，Ｓn ^j+1 ）を用い
て重み付け加算演算、つまりフィルタ処理を行う。ここ
で、画像データ前後の重み付けが（１，２，１）とした
場合のフィルタ処理の一例を図３に示す。即ち、図３に
おいて、画像信号Ｓn ^j-1 の重み付けを“１”とし、Ｓ
n ^j の重み付けを“２”とし、Ｓn ^j+1 の重み付けを
“１”とすると重み付け加算平均Ｆ^j は図示する値とな
る。

【００２１】さらに、ステップＳ６では重み付け加算平
均値をもとに画素間のコントラスト成分を積算、つまり
画素間のコントラスト成分の変化分を加算して画像デー
タの評価値ｆⁱ を得る。

【００２２】次にステップＳ７では電磁レンズの電流値
Ｉo と対応する画像データの評価値ｆ^j-1 の取得回数が
設定回数に達したか否かを判定し、設定回数に達したこ
とが判定されると、ステップＳ８により全ての評価値ｆ
ⁱ の中で最大となる値、またはｆⁱ でピークをとる２点
間の中央を最適な電磁レンズの条件Ｉo ^bfを判別して取
出し、これを正しい焦点位置のデータとして利用する。

【００２３】ここで、ステップＳ５，Ｓ６でのフィルタ
リングの効果について述べる。

【００２４】一般にノイズを大量に含むデータの加算処
理は、加算するデータ量ｎの増加に伴い、ノイズ量が１
／ｎ^1/2 に低下し、Ｓ／Ｎ比がｎ^1/2 倍改善されること
が知られている。

【００２５】いま、ＰＭＴに含まれるノイズの影響を仮
に１／２に低下させることにより、画質評価上満足なＳ
／Ｎ比が得られるとすると、同一画像データの加算処理
では１電磁レンズ条件について４枚分の画像を取込む必
要があるが、本実施例では１回分の画像データを取込め
ばよいため、画像データの収集時間はそれだけで１／４
に低下する。また、最終段階の画像のコントラスト評価
用のｆ^j はＰＭＴ等のノイズによって滑らかな変化を示
すことはまれなため、あらかじめ評価用ｆ^j の算出前に
ランニングアベレージ処理等でスムージングを実行して
から、最適レンズ条件を算出することが多い。この点に
ついても全ての画像データの各走査位置間でフィルタリ
ング処理後にコントラスト成分の変化分を加算して画像
データの評価を行っているため、上記のような処理が必
要なくなる。

【００２６】これらの点を数値として表現すると、例え
ば１フレームの画像を収集する時間を仮に１０msecと
し、また電磁レンズに設定する値を６０ステップ、マシ
ン自体の計算に要する時間を仮に本実施例でのフィルタ
処理と同一レンズ条件での画像データの加算処理と同一
と見なして100 (msec)としたときの一連の計算に必要と
する時間は以下の通りとなる。

【００２７】同一画像データの加算処理によるフィルタ
処理の場合 10(msec)×4 （枚）×60（ステップ）＋100 (msec)＝25
00(msec)で約2.5 秒 本実施例でのフィルタ処理の場合 10(msec)×60（ステップ）＋100 (msec)＝700 (msec)で
約0.7 秒 また、ノイズの影響を１／４，１／５と低下させる必要
がある場合には、同一レンズ条件での加算処理では、必
要とするフレーム枚数が１６枚、２５枚と増加するが、
本実施例のフィルタ処理ではフィルタ処理の時間増加の
みで必要とする画像データの収集時間は増加しない。

【００２８】このような数値例からも明らかなように、
必要最小限の画像信号の収集によってノイズを低減させ
ることができるので、画像信号の処理時間を大幅に短縮
できると共に高品質の画像データを得ることができる。

【００２９】なお、以上述べた画像処理機能を用いるこ
とにより次のような処理にも利用することができる。 （１）非点補正コイル電流をＸ軸とＹ軸とでそれぞれ独
立に前記実施例同様に変化させること等で画質の向上を
図る自動非点補正処理。 （２）電子源等からの電子ビーム等の放射位置を上記と
同様にＸ軸とＹ軸とで独立に調整し、画質の明るさレベ
ルが最も高い条件（検出効率最適）に位置調整をする自
動ＧＵＮアライメント処理。 （３）電子光学系の非球面レンズを上記（２）と同様に
調整しつつ、上記実施例での電磁レンズの変化で画像位
置全体にずれが生じないレンズアライメント条件を調整
する自動アライメント処理。 （４）上記（１）〜（３）の補正の処理を組合わせた荷
電粒子ビーム装置等の一連の画像調整処理。

【００３０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、必要
最小限の画像信号の収集によってノイズを低減させるよ
うにしたので、電子光学系の自動調整時に必要とする画
像信号の収集時間を大幅に短縮させ、かつ画像評価用デ
ータが高品質化するので自動調整の的中率が向上した荷
電粒子ビーム装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を走査形電子顕微鏡に適用した場合の一
実施例を示す構成説明図。

【図２】同実施例の作用を説明するためのフローチャー
ト。

【図３】同実施例における重み付け加算平均での処理例
を示す図。

【符号の説明】

１……電子ビーム、２……電磁レンズ、３……試料、４
……レンズ電源制御系、５……偏向コイル、６……偏向
電源制御系、７……検出器、８……増幅器、９……Ａ／
Ｄ変換器、１０……画像入出力装置、１１……中央制御
装置、１１ａ……制御部、１１ｂ……記憶部、１１ｃ…
…演算部、１１ｄ……判定部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/21 G06T 5/00 H01J 37/153 H01J 37/22 H04N 5/232

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子ビームを走査しながら電子光学
   系を通して試料面に照射し、該試料面から発生する信号
   を検出して画像表示装置に表示するようにした荷電粒子
   ビーム装置において、前記電子光学系を調整して荷電粒
   子ビームの収束点を変化させる調整手段と、この調整手
   段により収束点が調整される毎に検出される前記試料面
   からの検出信号を画像データとして記憶する記憶手段
   と、この記憶手段に記憶された画像データより全てのフ
   レームに対して任意のフレームおよびその前後のフレー
   ムの同一走査位置の画像データを全走査位置について重
   み付け演算によるフィルタ処理を行う演算手段と、この
   演算手段でフィルタ処理された画像データを基に変化さ
   せた各段階の前記電子光学系の評価値を求める評価値演
   算手段と、この評価値演算手段で求められた評価値から
   適正な画像データを判定する判定手段とを備えたことを
   特徴とする荷電粒子ビーム装置。