JP4083193B2

JP4083193B2 - 電子顕微鏡

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Publication number: JP4083193B2
Application number: JP2006102310A
Authority: JP
Inventors: 博実稲田; 功長沖; 弘幸小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2006-04-03
Filing date: 2006-04-03
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2020-07-13
Also published as: JP2006228748A

Description

本発明は、電子顕微鏡に係り、特に自動的に視野を移動して試料中の目的の形態（構造物）を検索する電子顕微鏡に関する。

従来の電子顕微鏡においては、試料透過像の視野の計測、分析、検索は、作業員が直接に試料ステージ操作や焦点補正を行い、蛍光板に投影された試料透過拡大像の中から、所望の視野を探し出す方法がとられてきた。この作業は、非常に煩雑で時間を費やし、また作業員の疲労が大きく、その結果、必要としている視野を見逃すといった人為的ミスを招き、観察効率と精度を低下させることになっていた。そこで、自動的に所望の視野を検索する方法として、例えば特開平８−２９８０９０号公報には、試料ステージを自動的に駆動し試料像を表示、保存する方法が提案されている。

特開平８−２９８０９０号公報の方法では、自動的に視野移動と透過像の表示、保存が行われるが完全に自動化されてはおらず、電子顕微鏡像を得る上で必要とする焦点補正を手動で行わなければならなかった。

また、図２に示したように、試料の像観察、あるいは視野の検索を行う場合、観察する薄膜状の試料を試料保持メッシュあるいはマイクログリッド上に乗せ、試料ホルダーに固定する。検索したい領域を図２のように９分割すると、試料の透過拡大像は図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）のように３種類に分けられる。観察視野が視野(5)のような場合（図２（Ｂ））は、試料上の形態６１の透過拡大像を得ることができる。一方、図２中の視野(1)、(4)、(7)のように試料保持メッシュの影やエッジ部分のみの透過拡大像となって視野全体が真っ暗になっている場合（図２（Ａ））、あるいは視野(9)のように試料の破れによって視野中に何も存在せず、真っ白になっている場合（図２（Ｃ））の視野は、観察には不適切な視野である。従来の電子顕微鏡における自動的なステージ駆動による視野観察の方法では、図２（Ａ）や（Ｃ）のような観察、検索、分析に不適切な視野を意図的且つ自動的に取り除くことはできなかった。

更に、従来の電子顕微鏡における自動的な視野観察で必要とする視野中の形態の自動検索を行う場合、図３（Ｂ）に示すように、形態６１とバックグラウンド６５との輝度の比すなわちコントラストが小さい場合には検索精度が著しく低下するおそれがあった。

このように、視野を移動して目的の形態を検索する従来の電子顕微鏡には、視野を自動的に移動し検索を行う際、視野中に試料が存在し検索に適する視野と、試料が存在しないかあるいは試料保持メッシュの拡大像となっている検索に適さない不要な視野の両方を区別することなく検索してしまい、非効率的であるという問題があった。また、煩雑な焦点補正を短時間で高精度に行うことができないという問題があった。特に検索が広範な領域に渡って行われる場合には、試料の反り返りや収縮、伸長によって視野毎に焦点がずれる恐れがあり、検索の動作中、各視野毎に作業員の手を介して焦点補正を行わなければならず自動化が不可能であった。また、各々の視野毎の焦点補正を行わない場合には、焦点ずれによる像ぼけにより正確に検索できない恐れがあった。加えて、観察視野のコントラストが低い場合には、検索に適した視野であっても、目的の形態の検索が不可能かあるいは満足に行うことができないという問題があった。

そこで、本発明は、撮像した視野が目的とする形態の検索に適する視野であるか、適さない視野であるかを自動的に判定し、必要な視野のみを効率的に抽出することのできる電子顕微鏡を提供することを目的とする。また、本発明は、視野を移動し目的の形態を検索する際に、短時間で高精度且つ自動的に焦点補正することのできる電子顕微鏡を提供することを目的とする。さらに、本発明は、自動的に移動した視野が予め設定した明るさあるいはコントラストの基準値を満足しない場合に、基準値を満足するように電子光学条件を調整する機能を有する電子顕微鏡を提供することを目的とする。また、視野から目的の形態のパターンを選択し形態の個数、目的形態の存在する視野座標、目的形態の存在する画像を保存する機能を有する電子顕微鏡を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電子顕微鏡は、撮像した試料の透過拡大像から視野の状態を判定する手段を備え、視野が観察・検索に適さない場合は自動的に次の視野に移動する。観察・検索に適さない視野とは典型的には一面真っ黒あるいは真っ白で構造を有しない視野であり、観察・検索に適した視野とは典型的には視野内に明るさの変化があったりパターンが出現したりしていて構造を有する視野である。視野の状態判定は、撮像した視野のラインプロファイルを作成して明るさ（階調）を測定する方法、電子光学的条件を変えて撮影した同一視野の２枚の透過像の相互相関を求め、その一致度（相関関数）を見る方法、あるいは条件を変えて撮影した２枚の透過像の位相限定相関を求め、その一致度を見る方法等によることができる。

また、本発明の電子顕微鏡は、焦点ずれ量と、焦点補正量を演算する演算装置を備え、演算された焦点補正量に従って対物レンズ電流値を補正することで自動焦点補正を行う。焦点ずれ量は、電子光学条件を変えて撮影した同一視野の２枚の試料透過拡大像のずれ（移動量）から演算することができる。また、本発明の電子顕微鏡は、視野のコントラストを測定し、それが予め設定された基準値を満足しない場合に、基準値を満足するように電子光学条件を調整する機能を備える。

すなわち、本発明による電子顕微鏡は、試料を支持する支持台と、電子線を偏向させて試料に入射させる偏向器と、試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段と、撮像した試料透過像を画像演算する画像演算手段と、視野移動条件を設定する手段と、設定された視野移動条件に基づいて視野を自動的に移動する手段と、画像演算手段による演算結果を用いて撮像した視野が観察に適する視野であるか否かを判定する判定手段とを備え、判定手段によって観察に適すると判定された視野の試料透過像と視野の座標を表示及び／又は保存することを特徴とする。

視野移動は、偏向器の偏向量を変えることによって、あるいは試料支持台を移動させることによって行うことができる。撮像した視野が観察に適した視野であるか否かの判定は、画像演算手段で撮像した視野のラインプロファイルを測定することによって、あるいは画像演算手段で電子光学的条件（試料に入射する電子線の偏向角）を変えて撮影した同一視野の２枚の試料透過像の相互相関もしくは位相限定相関を演算することによって行うことができる。

本発明の別の態様による電子顕微鏡は、また、試料を支持する支持台と、電子線を偏向させて試料に入射させる偏向器と、試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段と、撮像した試料透過像を画像演算する画像演算手段と、視野移動条件を設定する手段と、設定された視野移動条件に基づいて視野を自動的に移動する手段と、画像演算手段による演算結果を用いて撮像した視野が観察に適する視野であるか否かを判定する手段と、判定手段によって観察に適さないと判定された視野を電子光学的条件の調整を行って再度撮像する手段とを備え、判定手段によって観察に適すると判定された視野の試料透過像と視野の座標を表示及び／又は保存することを特徴とする。

電子光学的条件の調整には、電子源の調整、照射レンズのレンズ条件の調整、電子線電流の調整、対物可動絞りの穴径あるいは位置の調整が含まれる。前記電子顕微鏡は、検索対象パターンを登録する手段と、判定手段によって観察に適すると判定された視野から検索対象パターンと一致するパターンを検索する検索手段と、検索手段によって検索された検索対象パターンの個数と視野の座標を表示及び／又は保存する手段とを備えることができる。

本発明の他の態様による電子顕微鏡は、また、試料を支持する支持台と、電子線を偏向させて試料に入射させる偏向器と、試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段と、視野移動条件を設定する手段と、設定された視野移動条件に基づいて視野を自動的に移動する手段と、検索対象パターンを登録する手段と、入射角が異なる電子線による同一視野の２枚の試料透過像についてそれぞれの２次元離散フーリエ変換データを作成し位相情報のみの相互相関を求める演算手段と、演算手段で演算された相互相関が予め定められた閾値に達した視野を選択する視野選択手段と、演算手段で求められた相互相関の結果から自動的に焦点補正を行う手段と、視野選択手段によって選択された視野から登録された検索対象パターンを検索する検索手段と、検索手段によって検索された検索対象パターンの個数と視野の座標を表示及び／又は保存する手段とを備えることを特徴とする。

本発明の更に他の態様による電子顕微鏡は、試料を支持する支持台と、電子線を偏向させて試料に入射させる偏向器と、試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段と、視野移動条件を設定する手段と、設定された視野移動条件に基づいて視野を自動的に移動する手段と、検索対象パターンを登録する手段と、撮像された視野のコントラストを測定するコントラスト測定手段と、コントラスト測定手段によって測定されたコントラストが予め定められた値より小さいときコントラストが高まるように電子光学的条件を調整して再度撮像する手段と、コントラスト測定手段によって測定されたコントラストが予め定められた値より大きな視野から登録された検索対象パターンを検索する検索手段と、検索手段によって検索された検索対象パターンの個数と視野の座標を表示及び／又は保存する手段とを備えることを特徴とする。視野のコントラストは、撮影された試料透過像の信号強度（明るさ）のラインプロファイルを作成することによって測定することができる。

本発明の他の態様による電子顕微鏡は、試料を支持する支持台と、電子線を偏向させて試料に入射させる偏向器と、試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段と、視野移動条件を設定する手段と、設定された視野移動条件に基づいて視野を自動的に移動する手段と、検索対象パターンを登録する手段と、入射角が異なる電子線による同一視野の２枚の試料透過像についてそれぞれの２次元離散フーリエ変換データを作成し位相情報のみの相互相関を求める演算手段と、演算手段で演算された相互相関が予め定められた閾値に達しない場合に照射電子レンズ系あるいは結像電子レンズ系の調整を行い再度２枚の試料透過像を撮像して位相情報のみの相互相関を求める手段と、演算手段で演算された相互相関が予め定められた閾値に達した視野を選択する視野選択手段と、演算手段で求められた相互相関の結果から自動的に焦点補正を行う手段と、焦点補正を行った視野のコントラストを測定するコントラスト測定手段と、コントラスト測定手段によって測定されたコントラストが予め定められた値より小さいときコントラストが高まるように電子光学的条件を調整する手段と、コントラストが予め定められた値より大きな視野から登録された検索対象パターンを検索する検索手段と、検索手段によって検索された検索対象パターンの個数と視野の座標を表示及び／又は保存する手段とを備えることを特徴とする。

本発明の各態様の電子顕微鏡は、以下のような特徴を有する。
（１）視野を自動的に移動、選択し、選択視野が検索に適する明るさか否かを自動的に判定できる。
（２）視野を自動的に移動、選択し選択視野が検索に適する明るさか否かを自動的に判定し、必要な視野のみを抽出し画像記録をすることができる。
（３）視野を自動的に移動選択し、選択視野が検索に適する明るさか否かを自動的に判定し、必要な視野のみを抽出し、抽出した視野の座標情報を記録し、再度の視野観察を容易にする。
（４）視野を自動的に移動選択し、選択視野において自動的に焦点補正を行うことができる。
（５）自動選択した視野のバックグラウンドと形態とのコントラストを自動的に計測することができる。
（６）自動選択した視野のバックグラウンドと形態とのコントラストを自動計測し、短時間でコントラストを自動調整し、目標形態に係る検索精度を向上することができる。

本発明によると、これまで煩雑で作業員の労力と相当な時間を要した電子顕微鏡を用いた試料の検索作業を高精度かつ短時間に自動で行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明による透過型電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図である。なお、電子線偏向コイルの段数は問わないが、ここでは試料上部に２段、試料下部に２段、計４段の電子線偏向コイルを用いた場合を例にとって述べる。また、以下に説明する実施の形態は、全て図１に示した透過型電子顕微鏡を用いるものとして説明する。

電子銃１から放出されて加速された電子線７３は、第一照射レンズコイル２と第二照射レンズコイル３及び対物レンズコイル４の前磁場を通って、試料ステージ１３に保持された試料１４に照射される。試料１４を透過した電子線７３は、第一中間レンズコイル５及び第二中間レンズコイル６によって拡大された後、第一投射レンズコイル７及び第二投射レンズコイル８によってさらに拡大され、シンチレータ１６上に試料の透過拡大像５９が形成される。ここでは、電子線の偏向及び試料透過像の拡大レンズとして電磁場力を応用したコイルを用いているが、電子線偏向及び試料透過像の拡大には静電力を利用した静電偏向、静電レンズを用いてもよい。

シンチレータ１６で光像に変換された試料の透過拡大像５９は撮像装置、例えばＴＶカメラ１７によって撮像される。ＴＶカメラからの映像信号は、ＴＶカメラ制御部３３及び画像取り込みインターフェース３４を介してマイクロプロセッサ４６に取り込まれて処理された後、ＣＲＴコントローラ４９で制御されるＣＲＴ５０に画像として表示される。ここでは、透過拡大像をマイクロプロセッサ４６に取り込む際、シンチレータ１６とＴＶカメラを用いているが、電子線を直接電気信号に変換することができるＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）などの検出素子を用いてもよい。

マイクロプロセッサ４６はＤＡＣ（ディジタル−アナログ変換器）３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１を介して、電子顕微鏡の第一照射レンズコイル２、第二照射レンズコイル３、対物レンズコイル４、第一中間レンズコイル５、第二中間レンズコイル６、第一投射レンズコイル７、第二投射レンズコイル８に給電する励磁電源１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４を制御する。試料上部第一偏向コイル９、第二偏向コイル１０、試料下部第一偏向コイル１１、第二偏向コイル１２の励磁電源２５，２６，２７，２８も、マイクロプロセッサ４６によりＤＡＣ４２，４３，４４，４５を介して同様に制御される。

また、マイクロプロセッサ４６には、バスを介してハードディスク等の外部記憶装置４７、演算装置４８、倍率切替え用ロータリーエンコーダ５３、キーボード５５、ＲＡＭ５７、ＲＯＭ５８等が接続されている。倍率切替え用ロータリーエンコーダ５３はＩ／Ｆ（インターフェース）５１を介してバスに接続されている。試料ステージ１３は、マイクロプロセッサ４６にモータ・ドライバ３０を介して接続されたステージ駆動用の微動モータ２９により駆動されている。

次に、本発明における画像演算の一例として、位相限定相関法によって２つの画像間の一致度を求める原理及び自動焦点補正を行う原理について説明する。図３（Ａ）に示すような基準となる試料透過拡大像である透過像１をＭ×Ｎの画素数で記憶装置にｆ１(ｍ，ｎ)として記録する。次に、２個の上部電子線偏向コイルに電流を与えて、試料に照射する電子線に適当な傾斜偏向角αを与えて撮像した試料透過拡大像を透過像２としてＭ×Ｎの画素数で記憶装置にｆ２(ｍ，ｎ)として記録する。ここで、ｍ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。

透過像ｆ１(ｍ，ｎ)、ｆ２(ｍ，ｎ)の離散フーリエ画像Ｆ１(ｕ，ｖ)、Ｆ２(ｕ，ｖ)はそれぞれ次の〔数１〕、〔数２〕で定義される。ここで、ｕ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｖ＝０，１，２，…，Ｎ−１であり、Ａ(ｕ，ｖ)、Ｂ(ｕ，ｖ)は振幅スペクトル、α(ｕ，ｖ)、β(ｕ，ｖ)は位相スペクトルである。

位相限定相関では、２つの画像間で像の平行移動があった場合には、相関ピークの位置が移動量だけずれる。以下に移動量の導出方法を説明する。まず、透過像ｆ２(ｍ，ｎ)がｍ方向にｒ’だけ移動したとして、ｆ３(ｍ，ｎ)＝ｆ２(ｍ＋ｒ’，ｎ)とする。ｆ３(ｍ，ｎ)の離散フーリエ画像Ｆ３(ｕ，ｖ)は、前記〔数２〕から〔数３〕のように得られる。

振幅スペクトルＢ(ｕ，ｖ)を定数とおくと、画像のコントラスト、明度に依存しない位相画像となる。ｆ３の位相画像Ｆ３’(ｕ，ｖ)は次の〔数４〕になる。同様にｆ１の位相画像Ｆ１’(ｕ，ｖ)は次の〔数５〕になる。

位相画像Ｆ１’(ｕ，ｖ)にＦ３’(ｕ，ｖ)の複素共役を乗ずることによって、次の〔数６〕で表される合成位相画像Ｈ１３(ｕ，ｖ)を得ることができる。相関強度画像すなわち相関指数（２画像間の一致度）ｇ１３(ｒ，ｓ)は、合成画像Ｈ１３(ｕ，ｖ)を逆フーリエ変換することによって次の〔数７〕になる。

〔数７〕で求められた相関強度画像を規格化すると、得られた値が０であれば２画像間は全く異なる画像と認識でき、一方１００であれば２画像は全く同一の画像であると認識できる。
上記〔数７〕により２つの画像間でｍ方向に位置ずれ量ｒ’が存在する場合には、相関強度画像の相関ピーク位置は−ｒ’だけずれる。このように、位相限定相関法を用いることで、画像のコントラストや明るさに依存せずに透過像１と透過像２の２画像間における画像の一致度と、２画像間の画像のずれを求めることができる。

２つの試料透過像間で、以上の〔数１〕から〔数７〕の計算処理の結果、相関強度画像においてΔＧ[pixel]ずれた位置にピークが発生した場合、このΔＧ[pixel]は、ＴＶカメラなどの検出器の受光面での移動量に相当し、ΔＧを試料面上の移動量Δｘに変換する。検出する受光面の径をＬ[m]、受光面上での電子顕微鏡の倍率をＭ、検出器の画素数をＬ_ｄ[pixel]とすると、２つの画像間の試料面上での移動量Δｘは次の〔数８〕で計算される。ただし、〔数８〕には電子レンズの球面収差による像の移動量δが含まれており、視野ずれの真の移動量Δｘ_ｔは、Δｘからδを差し引いたものである。試料面上でのδは、球面収差Ｃｓと電子線偏向角αにより〔数９〕のように表される。以上から、２つの試料透過拡大像間に生じた像の移動量Δｘ_ｔは〔数１０〕で表される。

像の移動量Δｘ_ｔと焦点ずれ量Δfとの間には、次の〔数１１〕の関係がある。この関係を用いることにより、像の移動量Δｘ_ｔから焦点ずれ量Δfを計算することができる。

〔数１１〕で計算された焦点ずれ量Δｆから対物電流補正値を計算する。電子レンズの焦点距離fと対物レンズ電流Ｉとの間には、〔数１２〕の関係がある。ここにＮは電子レンズコイル巻数、Ｅ^＊は相対論補正した加速電圧、Ｉは対物レンズ電流値である。従って、〔数１２〕の関係から求められる対物電流補正値を対物電流値に加算することで、焦点を合わせることができる。

以下、本発明の実施の形態を具体的に説明する。
〔実施の形態１〕
第１の実施の形態として、図４のフローチャートを参照し、図１に示した透過型電子顕微鏡を用いて、自動的に視野を移動、選択し、その視野が観察あるいは検索に不適切な明るさ（階調）であるか判定し、適切な視野のみを効率的に観察あるいは検索する方法を説明する。

図４のステップ１１で、透過型電子顕微鏡を用いて任意の試料透過像を得るために拡大倍率の設定を行う。試料透過像の倍率入力は倍率切り替え用ロータリーエンコーダ５３を用いて行う。ロータリーエンコーダ５３で発生したパルス波はＩ／Ｆ５１でデジタル信号に変換される。マイクロプロセッサ４６は、Ｉ／Ｆ５１から入力されたデジタル信号をもとに、ＲＯＭ５８に予め設定されている倍率表示データを参照し、該当する倍率をＣＲＴ５０に表示させる。同時に、ＲＯＭ５８に予め記憶している第一照射レンズコイル２、第二照射レンズコイル３、対物レンズコイル４、第一中間レンズコイル５、第二中間レンズコイル６、第一投射レンズコイル７、第二投射レンズコイル８の各レンズのデータをＤＡＣ３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１に出力して、レンズ系機構のデータをアナログ信号に変換する。上記ＤＡＣは励磁電源１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４にアナログ信号を出力して、各レンズ系機構のレンズコイルに電流を出力させる。

次にステップ１２で、自動的に視野を移動させるための条件設定を行う。視野移動速度、検索範囲の設定をキーボード５５あるいはマウス５６を用いて入力し、マイクロプロセッサで処理し記憶装置に保存する。
ステップ１３では視野移動の原点を設定する。視野移動の原点６４は、例えば図２に示すように、表示装置（ＣＲＴ）５０に表示された視野の角をマウス等の入力デバイスを用いて決定する。マイクロプロセッサ４６で処理され、原点として決定された座標位置は、記憶装置４７に保存される。

ステップ１４では、ステップ１２、ステップ１３で設定した視野の移動条件に従って、視野の移動を例えば図２の(1)→(2)→(3)→・・・→(9)のように行う。ただし、観察視野６２の移動は、図２に示したような視野(1)から視野(9)へと順に行う方法に限らず、無作為に抽出された視野へ移動するようにしてもよい。視野移動は、試料上部及び試料下部に配置した電子線偏向コイルを用いて電磁的に行う方法、試料ステージ駆動装置を用いて機械的に行う方法、あるいはピエゾ素子のような圧電素子を用いたステージ駆動機構などによって行うことができる。

図５（ａ）は、電磁的に視野移動を行う方法の概略説明図である。マイクロプロセッサ４６の指令のもとに、ステップ１２で設定された視野移動の条件に従って試料上部に配置した２個の電子線偏向コイル（試料上部第一偏向コイル９及び試料上部第二偏向コイル１０）により、電子線７３を試料中心の視野７０を通る電子線光軸７２から偏向時電子線６７のように平行移動させて試料１４に照射する。偏向時電子線６７は、試料中心から距離ｄ離れた視野７１を照射する。試料透過後の電子線は、試料下部に配置した電子線偏向コイル、すなわち試料下部第一偏向コイル１１及び試料下部第二偏向コイル１２によって電子線光軸７２に戻される。その結果、視野移動した後の試料透過拡大像が得られる。

また、図５（ｂ）は、機械的に視野移動を行う方法の概略説明図である。この場合には、マイクロプロセッサ４６は、ステップ１２で設定された視野移動の条件に従ってモータドライバ３０を制御してステージ駆動モータ２９によって試料ステージの微動機構１３を駆動し、試料微動を行う。圧電素子を用いた視野移動方法は、ステージ駆動モータを圧電素子に置き換えて試料微動を行う。

図４のステップ１５では、視野移動を停止させる動作を行う。視野移動を停止させる条件は、ステップ１２で設定された視野移動条件と、ステップ１１で入力した拡大倍率により定まる１視野あたりのサイズにより決まり、次に観察する視野との間で像の重なりが生じないように移動、停止を行う。

ステップ１６では、視野が停止している状態で試料透過像を撮像する。試料１４を透過した電子線は、対物レンズ４、第一、第二中間レンズ５，６、第一、第二投射レンズ７，８を経て、シンチレータ１６上で試料透過拡大像５９として結像する。シンチレータ１６に投影された像をＴＶカメラ１７で撮像し、画像取り込みインターフェース３４により、記憶装置に拡大像を透過像１として登録する。

ステップ１７では、ステップ１６で撮像した透過像１が観察に適しているか否かを判定する。透過像１の視野が観察に適する明るさ（階調）か否かの判定は、撮像した視野のラインプロファイルを作成し明るさ（階調）を測定する方法、電子光学的条件を変えて撮影した同一視野の２枚の透過像の相互相関を求め、この一致度（相関関数）により判定する方法、また、条件を変えて撮影した２枚の透過像の位相限定相関を求め、その一致度により判定する方法等によって行うことができる。これらの判定手法に従って視野が観察に適するか否かを判定した結果、不適であると判断されればステップ１４に戻る。一方、観察に適していると判断されれば、ステップ１８に移る。

図６は、撮像した視野のラインプロファイルによって視野状態を判定する方法の説明図である。図６R>６（Ａ）のように、ｘ，ｙ座標を定め、ｘ方向及び／又はｙ方向に図示のような測定ライン７４を描かせ、ラインプロファイルとしてそれぞれの測定ライン上の輝度の変化を計測する。図６（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は、それぞれｘ方向に関しての計測結果の例を示している。２５６階調の白黒画像の場合、この計測により、図６（Ｂ）、（Ｄ）のように、ラインプロファイルが全画素にわたって階調２５６あるいは０を示した場合、それぞれメッシュの拡大像か、あるいは無試料の領域を撮像した視野であり、観察不適当な視野である。図６（Ｃ）は観察に適する視野のラインプロファイルの例である。図６R>６（Ａ）のように視野６２に形態６１が存在すれば、電子線が試料を透過する際に形態がコントラストの変化となって現れるので図６（Ｃ）のようなラインプロファイルが描かれる。なお、図６（Ａ）には測定ライン７４がｘ方向に１本しか描かれていないが、測定ラインの数は任意であり、全体スキャンでもよい。また、ｘ方向だけでなくｙ方向にも複数本の測定ラインを描かせ、その測定ライン上のラインプロファイルを調べるのが好ましい。

図７は、位相限定相関法により視野状態を判定する方法を説明するフローチャートである。ステップ１５までの一連の動作は図４によって説明した通りである。ステップ１６’に進み、シンチレータ１６に投影された透過拡大像をＴＶカメラ１７を用いて撮像する。この透過拡大像を透過像１として記憶装置に保存する。次にステップ１７’で試料に照射する電子線を偏向角αだけ傾斜させて入射させ、続くステップ１８’でシンチレータ１６に投影された透過拡大像を透過像２として記憶装置に保存する。

ステップ１９’では、透過像１と透過像２を記憶装置から呼び出し、演算装置４８によりそれぞれの画像の離散フーリエ変換データを作成し、上記〔数１〕から〔数７〕で説明した位相限定相関法によって透過像１と透過像２の一致度を計算する。

ステップ２０’では、ステップ１９’で求めた透過像１と透過像２の画像の一致度から、現在の視野がメッシュ上を撮影し視野観察や検索には不適切な視野であるのか、あるいは適切な視野であるのか判定する。透過像１と透過像２の一致度が０であれば、その視野は計測不可能としてステップ１４に戻り次の視野を検索する。透過像１と透過像２の一致度が０でも１００でもなければ、計測可能な適切領域としてステップ２１’（図４のステップ１８に対応）に進む。透過像１と透過像２の一致度が１００であれば、現在の視野はメッシュ上を撮像したもの（図２（Ａ））かあるいは、試料の破けなどにより視野中に形態が存在しないか（図２（Ｃ））のいずれかであると判断され、ステップ１４に戻る。理論的には一致度１００で２つの画像間が完全に等しいとされるが、実験の結果、一致度１００となる２つの画像は図２（Ａ）に示すような真っ黒の画像、あるいは図２（Ｃ）に示すような真っ白の画像であることがわかっている。つまり、視野が真っ黒になる画像は、試料保持メッシュ６のメッシュ上を撮像していることを示し、視野が真っ白になる画像は、試料の破れにより視野中に形態が存在しないことを示している。なお、１視野を上記の位相限定相関法に基づき計算、判断させるのに要する時間は、現状の装置でおよそ０．９〜１秒である。

ここで、画素数Ｍ×Ｎの全画素に渡って一様な階調を示す２つの画像間の一致度が０又は１００となることを説明する。画像１の関数がｆ１(ｍ，ｎ)、画像２の関数はｆ２(ｍ，ｎ)と定義する。画像１及び画像２は全画素に渡り明るさ（階調）が一定である。また、ｍ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。以上の条件より、ｆ２(ｍ，ｎ)は〔数１３〕となる。従って、〔数１〕、〔数２〕より〔数１４〕、〔数１５〕が得られる。

位相限定相関を考えると、〔数１４〕、〔数１５〕は振幅成分Ａ(ｕ，ｖ)を１と定数化してそれぞれＦ１’(ｕ，ｖ)、Ｆ２’(ｕ，ｖ)とすれば、〔数１６〕、〔数１７〕となる。

〔数１６〕に〔数１７〕の複素共役を乗じて得られる合成位相画像Ｈ(ｕ，ｖ)は、〔数１８〕となる。

次に、相関指数（相関強度画像）ｇ(ｒ，ｓ)は〔数１８〕を逆フーリエ変換して〔数１９〕が得られる。

得られた値ＭＮを規格化すれば、相関指数は１００又は０と得られる。
視野状態を判断する方法の例として、相互相関を用いることも可能である。動作フローは位相限定相関法を用いた図７のステップ１６’からステップ２０’と同一であるが、計算原理が異なる。相互相関を用いた画像一致度の計算手法について以下に説明する。

試料透過拡大像を透過像１として、Ｍ×Ｎの画素数で記憶装置にｆ１(ｍ，ｎ)として記録する。次に、２個の上部電子線偏向コイル９，１０に電流を与えて、試料１４に照射する電子線７３にある傾斜偏向角αを与えて撮像した透過像１と同一視野の試料透過拡大像を透過像２としてＭ×Ｎの画素数で記憶装置にｆ２(ｍ，ｎ)として記録する。ここで、ｍ＝０，１，２，…，Ｍ−１；ｎ＝０，１，２，…，Ｎ−１である。

透過像ｆ１(ｍ，ｎ)、ｆ２(ｍ，ｎ)の離散フーリエ画像Ｆ１(ｕ，ｖ)、Ｆ２(ｕ，ｖ)はそれぞれ前述の〔数１〕、〔数２〕で定義される。透過像１の離散フーリエ変換像Ｆ１(ｕ，ｖ)に透過像２の離散フーリエ変換像Ｆ２(ｕ，ｖ)の複素共役を乗ずることによって、次の〔数２０〕で表される合成画像Ｈ１２(ｕ，ｖ)を得ることができる。相関強度画像すなわち相関指数（２画像間の一致度）ｇ１２(ｒ，ｓ)は、合成画像Ｈ１２(ｕ，ｖ)を逆フーリエ変換することによって次の〔数２１〕になる。

〔数２１〕で求められた相関強度画像を規格化すると、得られた値が０であれば２画像間は全く異なる画像と認識でき、一方、１００であれば２画像は全く同一の画像であると認識できる。相互相関を用いた手法においても、一致度が０又は１００と得られれば、現在の視野が観察、検索に不適当であると判断してステップ１４に戻る。

図４に戻って、ステップ１８（図７のステップ２１’）では、観察、検索に適していると判断された場合にシンチレータ１６上に投影された試料透過拡大像５９をＴＶカメラ１７を用いて撮像し、記憶装置４７に画像データとして保存し、ＣＲＴドライバ４９を介して、ＣＲＴ５０に表示させるか、あるいは組成分析などを行う。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。

最後に図４のステップ１９（図７のステップ２２’）でステップ１２で設定した視野移動条件に基づきフローを終了させるか判断させ、終了させなければ再び次の視野を検索させるためにステップ１４に戻る。
以上の動作によって、視野を自動的に移動選択し、選択された視野が観察に適するか否かを判定し、観察に適する視野のみを効率的に観察することが可能となる。

実際の測定例として、試料サイズが直径２ｍｍであるとして、この試料を透過像拡大倍率１００００倍で直径１００ｍｍに拡大して検索を行うものとする。このとき、１視野当たりの大きさは試料面上で約１０μｍに相当する。全領域の観察を行うと、４００００件の撮像が必要である。しかし、実際に試料は試料保持メッシュに支持されているので、図２に示したようにメッシュを撮影して何も写らない視野や、試料の存在しない視野がある。直径２ｍｍの全検索領域中におけるメッシュの領域は約１／２、また試料が存在する視野は全領域の１／１０と見積もることができる。従って、全検索領域において観察に適する視野は、４００００件の撮影視野のうちの１／２０程度である。本実施の形態によると、観察に適する視野のみを自動的に選択して、撮像件数を１／２０にし、結果的に検索に要する時間を１／２０程度に短縮することが可能になる。

〔実施の形態２〕
第２の実施の形態として、図８のフローチャートを参照し、自動的に視野を移動、選択し、その視野が観察あるいは検索に適切な視野であるかどうか判定し、適切な視野のみを効率的に観察あるいは検索し、観察に不適切な視野であると判定された場合には電子光学的条件を自動調整する方法を説明する。

図８において、ステップ２１の倍率入力、ステップ２２の視野移動条件設定、ステップ２３の移動原点設定、ステップ２４の視野移動、ステップ２５の視野移動停止は、図４のステップ１１〜１５と同様であるので重複する説明を省略する。

ステップ２６では、シンチレータ１６に投影された試料透過拡大像５９をＴＶカメラ１７などを用いて撮像し、既に述べたラインプロファイルによる方法や、位相限定相関法、相互相関法を用いて、現在の視野が観察、計測に適しているか否かを判断する。ステップ２６において、現在の視野が観測に適していると判断された場合、ステップ２８に進み、試料透過拡大像の計測、観測、分析を行うが、現在の視野が観測に不適であると判断された場合には、ステップ２７に移る。

ステップ２７では、視野が観測に不適である原因として考えられる項目に関して自動的に調査し、電子光学的条件の調整を行う。ここでは、以下の４項目に関して調査、調整を行う。(1)電子線の調査・調整。(2)照射レンズのレンズ条件の調査・調整。(3)電子線電流の調査・調整。(4)対物可動絞りの穴径、あるいは位置の調査・調整。(1)は、視野全体が黒くなっているような場合に、電子線が放射されていない可能性を調査する。(2)は、試料照射電子線密度が非常に低くなるような照射レンズ条件によって、透過拡大像がＴＶカメラ感度では検出不可能となる可能性などを調査する。(3)は、エミッション電流あるいはフィラメント電流が不足していないか等を調査する。(4)は、対物可動絞りの穴径が必要以上に小さいものが選択され視野が暗くなり、ＴＶカメラで検出不可能になっている可能性や、可動絞りの穴位置と電子線光軸とがずれている可能性などを調査する。

これら４項目について、予め設定されている値と比較し、設定値を満足していないと判断された場合には各項目毎に設定値を満たすように調整を行う。上記の各項目に従った条件を満足しているにも関わらず、再度撮像し判定した結果、現在の視野が観察には適さないと判断された場合、ステップ２４に戻り次の視野検索をする。一方、調整を行った結果、現在の視野が設定値を満足し且つ撮像に適していると判断された場合には、ステップ２８に移り、現在の視野の透過像の観察保存、計測、分析を行う。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。最後にステップ２９に移り、ステップ２２からステップ２３で設定した視野の移動条件から終了するか否か決定し、再度同じフローに基づき計測を行う場合、ステップ２４に戻る。

以上の動作によって、自動的に視野を移動選択し、選択された視野が観察に適するか否か判定し、不適切な視野において電子光学条件を調整して再度判定を行うことにより、洩れの無い自動観察が可能となる。本実施の形態によると、電子光学条件の調整不十分による検索洩れを最小限に抑えたり、電子線が放出されていなかったといった人為的ミスを防ぐことができる。

〔実施の形態３〕
第３の実施の形態として、図９のフローチャートを参照し、自動的に視野を移動、選択し、予め検索目的とする形態と同等の任意の検査対象パターンを設定し、その視野が観察あるいは検索に不適切な明るさ（階調）であるか判定し、適切な視野のみを効率的に検索し、不適切であると判定されたら装置の電子光学的条件を自動調整し、視野中に検査対象パターンと等しいパターンを持つ形態を検索し、検索された形態の数を計測し、表示・保存する方法を説明する。

本実施の形態では、例えば、図１０（Ａ）に示した三角形をした形態を検索対象パターンとして設定し、自動的に視野移動を行った結果、撮影した視野が図１０（Ｂ）のように得られたとする。検索対象パターンとして選んだ三角形と同一パターンを持つ形態は自動的に認識され、マーキングされると共に該視野中における検索対象形態の数を出力し、表示する。

図９のステップ３１で試料透過像を得るための拡大倍率の設定を行う。試料透過像の倍率を設定し、各レンズコイルにその倍率に対応するレンズ電流を出力する。ステップ３２では、検索対象とする形態と同一の形状となるパターン（検索対象パターン）をキーボード５５あるいはマウス５６などを用いて設定する。検索対象パターンは、例えば辺のなす角度範囲、楕円率、長軸と短軸の長さの比などの条件によって設定することができる。検索対象パターンは予め記憶装置に保存しておいた形状を呼び出して設定してもよい。

ステップ３３の視野移動条件設定、ステップ３４の視野移動原点設定、ステップ３５の視野移動、ステップ３６の視野移動停止、ステップ３７の試料透過拡大像の撮像は、図４のステップ１２〜１６と同様であり、重複する説明を省略する。ステップ３８では、現在の視野が観察、検索に適しているか否かを判定する。判定は、既に述べたラインプロファイルによる方法や、位相限定相関法、相互相関法で行うことができる。観察に適する視野であると判定されれば、ステップ４０に移る。観察に適せずと判定された場合には、ステップ３９に移る。

ステップ３９では、図８のステップ２７と同様にして、視野が観測に適しないと判断された原因を自動的に調査し、電子光学的条件の調整を行う。前述のように、各調査項目に従った条件を満足しているにも関わらず、再度撮像し判定した結果、現在の視野が観察には適さないと判断された場合、ステップ３５に戻り次の視野を検索する。一方、調整を行った結果、現在の視野が設定値を満足し且つ撮像に適していると判断された場合には、ステップ４０に移る。

ステップ４０では、計測、観察に適切だと判断された視野について、ステップ３２で設定された検索対象パターンと同一であると判断された形態６１を抽出する。次にステップ４１に移り、ステップ３７で撮影した視野中に存在する抽出された検索対象形態の数をマイクロプロセッサ４６により計測し、計測結果を記憶装置４７に保存する、またはその視野像を記憶装置に保存する、あるいは検出対象形態の分析、写真撮影を行う。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。

さらに、検索対象の形態が検出された視野は、検索対象形態が検出されなかった視野と差別化されて表示装置５０に表示される。例えば、検索対象形態が存在した視野は赤色で表示され、検索対象形態が存在しなかった視野は灰色で表示される。

図１６は表示装置５０の表示例を示す模式図である。この例では表示装置５０の表示画面８０に、動作状態表示部８１と現在の観察視野の拡大像を表示する視野表示部８２を並べて設けている。動作状態表示部８１には、試料保持メッシュ６の模式図８３を表示するともに、試料保持メッシュに対する個々の観察視野の位置関係を模式的に表示している。また、動作状態表示部８１に配置される視野の表示は、上述のように検索対象形態が存在した視野と検索対象形態が存在しなかった視野とを色分け等によって区別して表示している。

図９に戻り、最後にステップ３３及びステップ３４で設定した視野の移動条件に従って自動検索動作を繰り返すか、あるいは終了するか判定する（ステップ４２）。自動検索動作を繰り返す場合は、ステップ３５に戻りこれまでの一連の動作を行う。

以上の動作によって自動的に視野を移動し、選択する電子顕微鏡で、観察に適した視野のみを検索して、視野の明るさが不十分であるような不適切な視野については自動的に電子光学条件を調整し、観察に供せられるようにし、検索対象の形態の自動検索を行うことが可能となる。また、明らかに視野中に試料が発見できないメッシュ上や試料破れの部分での検索は行わない。

本実施の形態によると、前述の実施の形態と同様に、従来、作業員の手で写真撮影後に行われてきた目的形態の検索作業を、撮像と同時に瞬時に行うことが可能となる。また、視野観察に適する視野のみを自動抽出するので、試料の全ての領域を撮像し目的形態を検索する方法に比べて効率がよい。

直径２ｍｍの試料を透過像拡大倍率１００００倍で直径１００ｍｍに拡大して検索を行うとき、仮に試料保持メッシュ上の全ての視野を撮影し、撮影した写真の中から目的の形態の検索作業を人力で行うとすると、１枚の写真の形態検索に要する時間を１分として全部で４００００枚の撮像が必要となるので約６７０時間を要する計算になる。本実施の形態によると、試料の破れやメッシュ上でないような、試料の観察可能な視野のみを自動抽出して目的の構造形態を検索することができる。観察に適した視野は全領域の１／２０程度であり、１つの視野における形態の検索時間は現在の装置でおよそ１秒であるので形態の検索時間は劇的に短縮される。

また、電子光学条件の調整を行うことで、電子光学条件の調整不十分による検索洩れを最小限に抑えたり、電子線が放出されていなかったといった人為的ミスを防ぐことができ、また長時間にわたる自動観察動作によって発生する恐れのある経時的な電子光学条件の変化を抑制して観察条件を安定に保つことができる。さらに目的の形態が存在する視野を色別して明確にし、座標を保存することで、検索動作完了後に再度の観察や分析作業を容易にする。再観察を行う場合には、表示された視野を選択することで、その視野に関連して保存された座標をもとに試料ステージ１３を駆動するかあるいは電子線偏向器を用いて目的の視野を移動し、所望の視野の透過拡大像を瞬時に得ることが可能となる。

〔実施の形態４〕
第４の実施の形態として、図１１のフローチャートを参照し、自動的に視野を移動、選択し、現在の視野が観察、検索に適するか判断し、且つ自動焦点補正を行い、予め設定した検索目的となる任意形状の形態パターンを自動検索する方法について示す。

図１１において、ステップ５１の拡大倍率の設定、ステップ５２の検索対象パターンの設定、ステップ５３の自動的に視野を移動させるための条件設定、ステップ５４の視野移動の原点設定し、ステップ５５での視野移動、ステップ５６の視野移動停止は、図９のステップ３１からステップ３６と同様であるので重複する説明を省略する。

ステップ５７からステップ６０において、二つの画像の位相成分のみの離散フーリエ変換による相関を演算する。まず、ステップ５７で電子線光軸７２に沿って試料に垂直に入射する電子線７３による試料透過拡大像５９をシンチレータ１６に投影し、ＴＶカメラ１７などを用いて撮像する。この透過像を透過像１とする。次にステップ５８にて、試料上部２個の電子線偏向コイルを用いて試料に入射する電子線を電子線光軸に対して任意の傾斜偏向角を与えて入射し、この傾斜電子線によってもたらされたシンチレータ上の透過像１と同一視野の試料透過拡大像をＴＶカメラなどを用いて透過像２として撮像する。これら透過像１と透過像２について、ステップ６０で位相成分のみの離散フーリエ変換の相関指数（一致度）を求める。計算の原理は〔数１〕から〔数７〕で示した通りである。

ステップ６０で計算された相関指数に基づき、ステップ６１に移り現在の視野が検索に適する明るさか不適な明るさかを判定する。この判定結果は、相関指数の値によって４つの分岐が与えられる。

（１）相関指数が０である場合、現在の視野は検索、計測することが不可能であるとして、ステップ５５に戻り別の視野を検索する。
（２）相関指数が１００である場合、現在の視野は試料保持メッシュのメッシュ上を撮影、または試料の破れなどで試料が無い視野など、適切に試料透過拡大像を得ることができないものと判断し、ステップ５５に戻り別の視野を検索する。
（３）相関指数が予め設定された基準値値以上であり且つ１００でない場合には、現在の視野が計測、検索に適する視野であると判断し、次のステップ６２に移る。相関指数の基準値は、試料透過拡大像の自動焦点補正が十分満足に動作するのに必要な閾値として予め設定しておく。相関指数は２つの透過像のずれ量の大きさや透過像の形態と背景とのコントラスト、画像のＳ／Ｎなどによって変化する。図１１のフローチャートで閾値は、実験的に得た値から５とした。ステップ６２では、〔数８〕から〔数１２〕に示した方法に従って自動的焦点補正を行う。自動焦点補正の完了後、ステップ６３に移る。
（４）相関指数が基準値未満であり且つ０でない場合には、現在の視野は計測、検索には適している視野ではあるが、自動焦点補正の完全動作は保証できないと判断して、ステップ６３に移る。ステップ６３では、ステップ５２で設定された任意形状の検索対象パターンを記憶装置より呼び出し、現在の視野中に所望の形態パターンが存在するかマイクロプロセッサにより検索する。ステップ６４では、検索の結果、同一の形態パターンであると判定された形態の個数計測、画像登録、表示、分析等を行う。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。

さらに検索目的とした形態が検出された視野は、検索対象の形態が検索されなかった視野と差別化されて表示装置に表示される。例えば、検索対象形態が存在した視野は赤色に表示され、検索対象形態が存在しない視野は、灰色に表示される。また、検索対象形態が存在した視野の各々の座標を表示装置に表示させ、同時に記録装置に保存する。最後に、ステップ６５において、引き続き自動視野検索を行うか否かを判定し、再度検索を実行する場合にはステップ５５に戻り、一連の動作を繰り返す。再度検索を実行しない場合には終了となる。

本実施の形態によると、自動的に視野を移動し目的構造物の検索を行う電子顕微鏡で実施の形態３と同様に観察に適した視野のみを検索することができる。従来の自動検索では観察に適した視野と適しない視野とを分離することはできなかったが、本実施の形態のように観察に適した視野のみについて目的構造物の検索作業を行うことで、大幅な時間短縮が図れる。また、試料の破れや反りなどにより各々の視野においてレンズ焦点距離が変化する恐れがあるが、視野移動時に自動焦点補正が行われるので焦点ずれに伴う像のぼけによるパターンマッチング精度の低下を防ぐことができる。さらに、一度検索を行って、再度目的構造物が存在した視野の観察を行う場合には、保存された座標を選択することで試料ステージ１３を駆動するかあるいは電子線偏向器を用いて目的の視野の透過拡大像を瞬時に得ることも可能となる。

〔実施の形態５〕
第５の実施の形態として、図１２のフローチャートを参照し、自動的に視野を移動、選択し、任意形状の検索対象パターンと一致する形態を自動的に検索する電子顕微鏡において、自動検索の検索精度を高め信頼性を向上させる方法を示す。

図１２において、ステップ７１の拡大倍率の設定、ステップ７２の検索対象パターンの設定、ステップ７３の自動的に視野を移動させるための条件設定、ステップ７４の視野移動の原点設定し、ステップ７５の視野移動、ステップ７６の視野移動を停止は図９のステップ３１からステップ３６、あるいは図１１のステップ５１からステップ５６と同様であるので重複する説明を省略する。

ステップ７７では、選択された視野のシンチレータ１６に投影された試料透過拡大像５９をＴＶカメラ１７などを用いて撮影する。撮影された透過像は記憶装置に保存される。ステップ７８のコントラスト測定では、撮影された像を記憶装置から呼び出し、マイクロプロセッサによって信号強度（明るさ）のラインプロファイルを作成する。試料透過像と対応するラインプロファイルを図１３に示す。

図１３の試料透過像（左側）で、バックグラウンド６５と試料中の形態６１の信号強度（明るさ）の比はコントラストＣとして表わされる。視野中の形態をよぎるような測定ライン７４を引き、この測定ライン上での信号強度分布をグラフ化すると、図１３の右側に示したようなラインプロファイルが描かれる（横軸は画素[pixel]、縦軸は信号強度（輝度）[arb.u]）。バックグラウンドの信号強度をＩ_０、形態の信号強度をＩ_１とすると、コントラストＣは次の〔数２２〕で定義される。

図１３は実験的にコントラストを変化させた試料透過像の例であり、検索目的の形態は合計３４個存在する。透過像に記された数値は検索の結果、検索対象パターンと同一であると判定された形態７５を示している。図１３（１）はコントラストＣ＝１．１の場合で、形態は全く検出できない。図１３（２）はコントラストＣ＝１．２の場合で、形態は３４個中２５個検出できた。図１３（３）はコントラストＣ＝１．６の場合で、形態は３４個全て検出できた。このように、試料透過像のコントラストによって検索可能な形態の数が変化する。この検出数を表１にまとめる。

各々のコントラストで、全形態数３４個に対する検出数の百分率を検出精度と定義し、グラフ化すると図１４のように表わされる。図１４からわかるように、コントラストが大きくなるに従って、検出精度が高まることがわかる。コントラストが小さい画像では、背景信号中のノイズ及び統計的変動と形態の信号強度との差が小さく分離不可能なために検索精度が低下する。

そこで、検出精度を高め、計測の信頼性を向上させるためにステップ７８からステップ８０を行う。図１４のような実験結果に基づいたコントラストと検出精度の関係を予めＲＯＭに保存しておき、ステップ７９で、測定されたコントラストが検出精度を１００にならしめるコントラストであるか否かを判定する。図１２R>２のフローチャートでは、Ｃ＞１．４を判定の基準としている。ステップ７９において、Ｃ＞１．４であれば検出精度が１００％確保できるとしてステップ８１に進む。Ｃ≦１．４であれば、検出精度が不十分であるとしてステップ８０のコントラスト調整に進む。

ステップ８０では、コントラストを高めるための電子光学的条件の調整を行う。透過型電子顕微鏡では、コントラストを高める方法として次の(1)〜(4)の４種類の方法がある。(1)対物可動絞りの穴径を小さくする。(2)適当な不足焦点量を与える。(3)マイクロプロセッサを用いて撮影像の画像処理を行う。(4)加速電圧を低くする。ここでは、(1)と(2)の方法について説明し、(3)、(4)の方法の詳細説明は割愛する。

まず、(1)の方法は、対物可動絞りの穴径を小さくして不要な電子線の散乱を防ぐと、試料の純粋な情報の結像となり、コントラストが高まる原理を利用したものである。マイクロプロセッサ４６から駆動機構ドライバ３２を介して、対物可動絞り１５と接続された可動絞り駆動機構３１を動作させ、現在の穴径よりも小さな穴径に変更しコントラストを高める。

(2)の方法は、Fresnel回折の原理を利用したものである。電子顕微鏡像では焦点のずれが存在したときにFresnel回折による縞（Fresnel縞）が発生する。Fresnel縞によって、形態とバックグラウンドとのコントラストが高くなる。適度に不足焦点にした像は電子顕微鏡写真撮影のテクニックとして一般的に用いられている。

ステップ８０では上記(1)〜(4)のいずれかの方法によるコントラスト改善処理を行う。例えば倍率に応じた適切な不足焦点量を与えてコントラストを高める。ステップ８０でコントラストの調整が行われると、ステップ７７に戻り再度コントラストが適正か否かを判定する。

ステップ７９でコントラストが適正であると判定された透過像は、予めステップ７２で設定した検索対象パターンと一致するパターンの形態が視野中に存在するか検索する。次いで、ステップ８２で同一のパターンであると判定された形態の個数計測、画像登録、表示、分析などを行う。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。最後に、ステップ８３で引き続き自動視野検索を行うか否かを判定する。再度検索動作を実行する場合にはステップ７５に戻り一連の動作を繰り返す。検索を再度実行しない場合には終了となる。

自動的に視野を移動、選択する電子顕微鏡で、目的の構造パターンが存在する視野を検索するパターンマッチングの検索精度は、図１３で説明したように試料透過拡大像のコントラストに依存する。本実施の形態のように、透過像のコントラストを測定し自動調整することによって、目的構造物の検索精度を高めることが可能となる。同一試料中であっても、試料作成時の染色の不均一によって全ての視野でコントラストが一定であるとは限らない。従って、各視野でコントラストを測定し自動的に調整を行うことで検索精度を高めることができる。

〔実施の形態６〕
第６の実施の形態として、図１５のフローチャートを参照し、自動的に視野を移動、選択し任意形状の検索対象パターンと一致する形態を自動的に検索する電子顕微鏡において、自動焦点補正及び試料透過像の自動コントラスト調整を行って、高い検出効率で高精度に所望の形態を検索する方法を説明する。本実施の形態の画像演算は、透過像の離散フーリエ変換から位相成分に限定した相互相関を求める演算方法を用いる。図１５において、ステップ９１からステップ９６までの動作は、図９に示したステップ３１からステップ３６までの動作と同様であるので詳細な説明を省略する。

次に、ステップ９７からステップ１０１において、図１１のステップ５７からステップ６１までと同様の動作を行う。ステップ９７で電子線光軸に沿って試料に垂直に入射する電子線による試料透過拡大像を透過像１として撮像、記録する。ステップ９８で、試料上部の２個の電子線偏向コイルにより試料に入射する電子線を電子線光軸に対してある傾斜偏向角を与えて入射し、この偏向電子線によってもたらされた透過像１と同一視野の試料透過拡大像を透過像２として撮像、記録する。これら透過像１と透過像２についてステップ１００で位相成分のみの離散フーリエ変換の相関指数（一致度）を求める。計算の原理は〔数１〕から〔数７〕で示した通りである。ステップ１００の演算結果を用いて、ステップ１０１で現在の視野が検索に適する視野か適しない視野か判定する。判定結果は相関指数の値に従って３つの分岐が与えられる。

（１）相関指数が０かあるいは所定の閾値を満足しない場合。この場合には、ステップ１０２に進む。なお、本実施の形態では、実験的に得た閾値として５とする。
（２）相関指数が１００である場合。この場合、現在の視野が試料保持メッシュのメッシュ部分を撮像したか、または試料の破れなどによって試料がない視野を撮像したかのいずれかであると判断し、ステップ９５に戻り別の視野を検索する。
（３）相関指数が任意に設定した閾値以上で且つ１００でない場合にはステップ１０４に移る。

ステップ１０２で、視野が不適と判定された原因について自動的に調査、電子光学的条件の調整を行う。実施の形態２で説明した図８のフローチャートのステップ２７と同様、(1)電子線放出の調査・調整、(2)照射レンズのレンズ条件の調査・調整、(3)電子線電流調査・調整、(4)対物可動絞り穴径及び穴位置の調査・調整を行う。その後、ステップ１０３に移り、透過像の撮像及び、離散フーリエ画像の位相成分から求めた画像の一致度をステップ９７からステップ１００と同様に計算させる。ここで、一致度が０である場合には視野が観察には適しないと判断してステップ９５に戻り、一致度が０でない場合には視野が観察可能と判断してステップ１０４に移る。

ステップ１０４では、画像演算に伴う位置ずれ量計算の結果から対物レンズ電流の調整あるいは、試料ステージの高さ調整によって自動的に焦点補正を行い、ステップ１０５で透過像３として、シンチレータ１６に投影された試料透過拡大像５９をＴＶカメラ１７などを用いて撮像し、記憶装置４７に保存する。この透過像３は焦点補正され正焦点の試料透過像である。

図１３、図１４で説明したように、自動的に形態を検索するには、試料透過拡大像のコントラストが十分確保されないと検索精度が低下する。そこで、ステップ１０６からステップ１０８の動作によって、ステップ１０５で撮影した透過像３が、検索精度を満足するコントラストを有するかどうか測定、判断し、コントラストの自動調整を行う。ステップ１０６では、透過像３を記憶装置から呼び出し、マイクロプロセッサ４６によって信号強度（明るさ）のラインプロファイルを作成する。ラインプロファイルからコントラストを計算する。次に予めＲＯＭ５８に保有する実験結果に基づいて作成された図１４のコントラストと検出精度の関係から、検出精度が１００になるコントラストであるか否かを判定する。本実施の形態では、コントラストが１．４以上あれば検出精度が１００に達することから、判定の閾値を１．４とする。ステップ１０７でコントラストが１．４以上あれば、ステップ１０９に移る。一方、１．４に達していなければステップ１０８に移る。

ステップ１０８では、図１２のステップ８０と同様にコントラストの調整を行う。コントラストを高める方法には、(1)対物可動絞りの穴径を小さくする方法、(2)適当な不足焦点を与える方法、(3)マイクロプロセッサを用いて撮影像の画像処理による方法、(4)加速電圧を低くする方法の４種類がある。ここでは、ステップ１０４にて自動的に焦点補正された正焦点状態に対して、観察倍率に応じた適切な不足焦点量を与えコントラストを高くする方法をとる。ステップ１０８で、予め観察倍率に応じて設定されＲＯＭ５８に保存された不足焦点データを呼び出し、対物レンズコイル４に与えるレンズデータをＤＡＣ３７に出力し、レンズ励磁電源２０にアナログ信号を与え、レンズ電流を出力させる。ステップ１０８において適切な不足焦点量を与え、再度ステップ１０５に戻り、コントラストが高くなった試料透過拡大像を撮像し記憶装置に保存する。

透過像３の背景と形態との信号強度のコントラストが１．４以上の条件を満足していると判定されると、ステップ１０９に移り、視野中にステップ９２で設定した検索対象パターンと一致するパターンの形態が存在するか自動的に検索する。検索対象パターンは記憶装置から呼び出され、マイクロプロセッサによって視野中に同一パターンの形態があるか検索動作を行う。同一パターンであると判断された形態はマーキングが施され、その形態の個数を計測し、画像を記憶装置に登録し、表示装置に透過像が表示される。また、必要に応じて検索対象の形態は、その組成分析が行われる（ステップ１１０）。また、選択された視野の座標を記録装置４７に保存する。

最後にステップ１１１において、引き続き自動視野検索を行うか否かを判定する。再度検索動作を実行し、次の視野検索を行う場合には、ステップ９５に戻りステップ９５以下の一連のフローを繰り返す。検索を再度実行しない場合には終了となる。

自動的に視野を移動し選択する電子顕微鏡で、一つの試料に存在する目的構造物を検索するために要する時間は、観察する電子顕微鏡の倍率にも依存するが数時間以上要する。この数時間、無人で検索作業を行うと、例えば電子銃のフィラメントの寿命や異常電流によって透過拡大像の明るさが満足に得られなくなる可能性が考えられる。また、無人化と高速化を図るために、自動検索作業途中で作業員の手を介した調整を行う事は不可能である。

そこで、本実施の形態では、実施の形態１〜５の特徴を全ての取り入れ組み合わせた。従来の自動的に視野を移動し選択する電子顕微鏡では、構造物の明らかに存在しない試料の破れやメッシュ上の視野を撮影し、目的構造物のパターン検索動作を行うが、本実施の形態の電子顕微鏡は構造物が存在し得ないか或いは観察できない視野の構造パターン検索動作は省かれるので、従来の１／２０程度の時間で完了することが可能となる。さらに、長時間検索動作を繰り返すことに伴う、電子光学条件の経時変化を自動的に調整することが可能となる。また、自動的な視野検索を行う本電子顕微鏡では、試料の一部分の破れや反りに伴う対物レンズ焦点距離の変化を自動的に補正することができ、試料染色の不均一によるコントラストの変化を自動的に補正することができるので、目的の構造物の検索を高精度に高効率に行える。加えて、目的の構造物が存在した座標や画像を記録装置に記録保存しているので、試料の検索作業が終了した後に再度、試料透過拡大像の観察や写真撮影、分析を行いたい場合には、その目的の試料位置に瞬時に得ることが可能となる。

本発明による電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図。試料の自動視野移動観察、検索を説明する模式図。試料透過像例とバックグラウンドと形態とのコントラストを示す図。自動的に視野を移動、選択し、視野が観察あるいは検索に適切な明るさか否かを判定する方法を説明するフローチャート。視野移動の方法を説明する概略図。視野状態の異なる試料透過像のラインプロファイルを示す図。電子顕微鏡を用いて自動的に視野を移動、選択し、視野が観察あるいは検索に適切か否かを判定するために相関法を用いた方法を説明するフローチャートである。自動的に視野を移動、選択し、視野が観察あるいは検索に適切な明るさか否かを判定し、適切な視野のみ効率的に観察し、不適切だと判定された場合、電子光学的条件を自動調査、調整する方法を説明するフローチャート。自動的に視野を移動、選択し、視野が観察あるいは検索に適切な明るさか否かを判定し、適切な視野のみ効率的に観察し、不適切だと判定された場合、電子光学的条件を自動調査、調整し、予め決めた検索対象パターンと同一なパターン数の計測、表示、保存をする方法を説明するフローチャート。検索対象パターンと撮像視野中の検索対象パターン抽出の例を示す模式図。自動的に視野を移動、選択し、視野が観察あるいは検索に適切な明るさか否かを位相情報のみの相互相関によって判定し、自動焦点補正を行い、予め設定した形態パターンを検索する方法を説明するフローチャート。自動的に視野を移動、選択し、検索対象パターンと一致する形態を検索する精度を高め信頼性を向上させた方法を説明するフローチャート。試料透過像のコントラストと信号強度分布の概略を示す模式図。コントラストの変化に対して目的の検索対象パターンの検出精度の変化の実験結果を示すグラフ。自動的に視野を移動、選択し、視野が観察や検索に適するか否か判定し、適していれば自動焦点補正を行い予め設定した検索パターンと一致する形態を高精度に検索し、検索に適せずと判定した場合、検索に適する状態に自動調整をする方法を説明するフローチャート。表示装置の表示例を示す図。

符号の説明

１：電子銃、２：第一照射レンズコイル、３：第二照射レンズコイル、４：対物レンズコイル、５：第一中間レンズコイル、６：第二中間レンズコイル、７：第一投射レンズコイル、８：第二投射レンズコイル、９：試料上部第一偏向コイル、１０：試料上部第二偏向コイル、１１：試料下部第一偏向コイル、１２：試料下部第二偏向コイル、１３：試料ステージ、１４：試料、１５：対物可動絞り、１６：シンチレータ、１７：ＴＶカメラ、１８，１９，２０，２１，２２，２３，２４：レンズコイル励磁電源、２５，２６，２７，２８：電子線偏向コイル励磁電源、２９：微動モータ、３０：モータドライバ、３１：可動絞り駆動機構、３２：駆動機構ドライバ、３３：ＴＶカメラ制御部、３４：画像取込インターフェース、３５，３６，３７，３８，３９，４０，４１，４２，４３，４４，４５：Ｄ／Ａコンバータ（ＤＡＣ）、４６：マイクロプロセッサ、４７：記憶装置、４８：演算装置、４９：ディスプレードライバ、５０：表示装置、５１、５２：インタフェース、５３，５４：ロータリーエンコーダ、５５：キーボード、５６：マウス、５７：ＲＡＭ、５８：ＲＯＭ、５９：試料透過拡大像、６０：試料保持メッシュ、６１：形態、６２：観察視野、６３：メッシュ部、６４：原点、６５：バックグラウンド、６６：偏向前電子線、６７：偏向時電子線、６８：視野移動前試料透過電子線、６９：視野移動後試料透過電子線、７０：試料中心の視野、７１：試料中心から距離ｄ離れた視野、７２：電子線光軸、７３：電子線、７４：測定ライン、７５：検出された形態、７６：検出されていない形態

Claims

試料を支持する支持台と、
電子線の光学条件を調整する調整手段と、
試料を透過した電子線による試料透過像を撮像する撮像手段とを備え、
前記調整手段によって前記光学条件を変えて撮像した２枚の透過像の一致度を求め、当該２枚の透過像が一致する場合に、前記透過像を取得した視野の検索を停止、あるいは当該視野の検索に換えて異なる視野の検索を行うことを特徴とする電子顕微鏡。
請求項１記載の電子顕微鏡において、前記一致度の判定は、前記２枚の透過像の相互相関、あるいは位相限定相関を求めることによって行われることを特徴とする電子顕微鏡。
試料を透過させる透過電子の光学条件を調整する調整手段と、
透過電子線の視野を順次移動させる視野移動手段と、
前記視野に含まれる検索対象パターンを検索する検索手段とを備えた電子顕微鏡において、
前記光学条件を変化させたときに得られる２枚の画像が一致している場合には、当該視野の検索対象パターンの検索を停止して、次の視野の検索を行うことを特徴とする電子顕微鏡。
試料を透過させる透過電子の光学条件を調整する調整手段と、
透過電子線の視野を順次移動させる視野移動手段と、
前記視野に含まれる検索対象パターンを検索する検索手段とを備えた電子顕微鏡において、
前記光学条件を変化させたときに得られる２枚の画像が一致していない場合に、当該視野の検索対象パターンの検索を行うことを特徴とする電子顕微鏡。