JP4286625B2 - 電子顕微鏡による試料観察方法 - Google Patents

Description

本発明は電子顕微鏡に係り、特に電子レンズの焦点及び電子線の非点収差の自動調整を行うことができる電子顕微鏡に関する。

従来の電子顕微鏡においては、試料拡大像の視野の観察、計測、分析、検索にはオペレータが直接試料拡大像を見ながら焦点合わせ、非点収差合わせを行う方法が取られてきた。焦点と非点収差の関係は、焦点補正が試料の高さ方向（これをＺ方向とする）の調整であるのに対し、非点収差補正は試料の０°、９０°方向の非点収差（Ｘ方向）、及び試料の４５°、１３５°方向の非点収差（Ｙ方向）の調整であり、３方向の調整を行わなければならない。すなわち、焦点補正のみを行っても、非点収差が残っていると、試料拡大像は像ぼけが生じ像質の劣化や分析位置の精度を欠いてしまう。オペレータが焦点、非点収差を調整する場合、試料拡大像を見ながら、焦点ずれ、非点収差のずれを識別して行ってきた。焦点補正は一般に電子レンズである対物レンズコイルの励磁電流を変化させて行い、非点収差補正は非点収差補正コイルに励磁電流を与えて行ってきた。

自動的に焦点補正を行う方法は、特開昭６１−２８１４４６号公報が挙げられるが、この方法は電子線の偏向傾斜により焦点補正を行う方法で、非点収差補正を行うことができず、また電子線が試料を透過することが条件となっている。

Ultramicroscopy 49(1993), pp95-108においてＣＣＤカメラを用いた焦点合わせ、非点収差合わせの方法が論じられているが、この方法は試料が非晶質の薄膜に限定されてしまい、動作する倍率も非晶質構造が顕在化する高い倍率に限定されていた。

特開２００１−６８０４８号公報や、特許第３０２１９１７号公報では、自動的に焦点合わせ、非点収差補正に関する方法を挙げているが、この方法では非点補正動作を述べているが、非点隔差量を定量的に判定することや、非点補正が確実に完了しているか定量的に判断することができないため、オペレータの操作技能のレベルに依存するものであった。

特開昭６１−２８１４４６号公報 特開２００１−６８０４８号公報 特許第３０２１９１７号公報 Ultramicroscopy 49(1993), pp95-108

本発明が解決しようとする第１の課題は、従来オペレータの手を介して行っていた焦点補正と非点収差補正を自動化することである。図２は非点収差の原理を説明する図である。非点収差は、電子レンズを形成する磁場が回転対称にならず、図２に示すように電子線のＸ軸方向とＹ軸方向の焦点距離が異なるために発生する。非点収差の発生原因としては、電子レンズの機械的工作精度、試料や試料台の帯電、不均一性、絞り穴の真円度や汚れに伴う帯電などが挙げられる。非点収差が存在すると、電子線の断面が真円ではなく図２のａ１やａ３に示すように楕円状になり、試料拡大像はａ１′やａ３′のような伸びた像となる。非点収差の補正は、非点収差補正コイルに励磁電流を与えて電子線断面の伸びを補正し、真円の電子線に整形することである。ところが、焦点が大幅にずれている状態で非点収差を補正しようとしても、試料拡大像の濃淡コントラストが小さく、非点収差補正方向の判別が非常に難しくなる。一方、非点収差が大きく存在する状態で焦点補正を行う場合にも、同様に像の濃淡コントラストが低下しており、正焦点位置の判定が困難になる。すなわち、焦点補正のみを行っても、非点収差が残っていると、試料拡大像は像ぼけが生じ像質の劣化や分析位置の精度を欠いてしまう。オペレータが調整する際には、焦点とＸ方向非点収差、Ｙ方向非点収差の三者の調整を、濃淡コントラストを判定しながら行わなければならず、煩雑で経験の少ないオペレータには調整しにくいものであった。そこで、本発明は、高精度かつ自動的に焦点補正及び非点収差補正を行うことのできる電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明が解決しようとする第２の課題は、非点収差が大きい場合に、画像ぼけが大きく画像鮮鋭度が十分に得られない問題である。電子顕微鏡の電子光学条件が変更になった場合など、非点収差が大きく異なる場合には画像のぼけが大きく、非点収差補正、焦点補正のいずれの調整も追いつかない場合がある。そこで、本発明は、適切な非点収差補正値を見出し、自動的に焦点補正、非点収差補正を行う電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明が解決しようとする第３の課題は、自動焦点補正や自動非点収差補正を行う電子顕微鏡で、正焦点位置に対物レンズコイル電流や非点収差補正コイル電流を調整する際に、レンズコイルに用いられている強磁性体のヒステリシスのために正焦点位置に適切に合わせられない問題である。また、画像撮像の高速化とＳ／Ｎ向上のために画像履歴平均積算フィルタを用いた場合に、過去の情報が画像に重畳されるために補正電流にずれが生じる問題である。そこで本発明は、ヒステリシスの影響を受けずに、適切な対物レンズコイル電流や非点収差補正コイル電流を与えることができる電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明が解決しようとする第４の課題は、自動焦点補正や自動非点収差補正を行う電子顕微鏡で、焦点ずれや非点収差の存在による試料拡大像の濃淡コントラストの低下により、正しい焦点補正位置、非点収差補正位置に合わせられない問題である。そこで、本発明は、焦点ずれや非点収差のために画像の濃淡コントラストが低くても、適切な対物レンズコイル電流や非点収差補正コイル電流を与えることができる電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明が解決しようとする第５の課題は、自動非点収差補正を行う電子顕微鏡で、自動非点収差補正を実施しようとする際に、現在の非点収差量をオペレータは認識することができないため、非点補正検索範囲を毎回オペレータが設定し決定しなければならないという問題である。そこで、本発明は、自動非点収差補正を行う際に、適切な非点補正検索範囲を与えることができる電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明が解決しようとする第６の課題は、電子顕微鏡において、非点収差補正を行う際、非点補正が完了しているかどうかは、オペレータが撮影、観察している画像から定性的に主観により判断しなければならないという問題である。そこで、本発明は、非点補正が完了しているかどうかを判断することができる電子顕微鏡を提供することを目的とする。

本発明では、第１の課題を解決するために、焦点位置と非点補正電流を変化させ画像を記録し、画像の鮮鋭度から自動的かつ高精度に焦点補正及び非点収差補正を行う。第２の課題を解決するために、焦点位置と非点収差補正電流を変化させて画像を記録し、画像の鮮鋭度と画像の画素平均値から適切な非点収差補正値を見出し、自動的に焦点補正、非点収差補正を行う。第３の課題を解決するために、ヒステリシス現象を補正して適切な対物レンズコイル電流や非点収差補正コイル電流を与える。第４の課題を解決するために、濃淡コントラストが低い画像を取り扱う際に、画像演算によって適切な対物レンズコイル電流や非点収差補正コイル電流を与える。第５の課題を解決するために、自動非点収差補正を行う際に、非点隔差量の計算を行い、適切な非点補正検索範囲を与える。第６の課題を解決するために、自動非点収差補正を行う際に、非点隔差量を計算し、非点隔差量を定量的に表示させると共に、閾値と比較させて非点補正が完了しているかどうかを判断する。

すなわち、本発明の電子顕微鏡による試料観察方法は、試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を画像演算するステップと、電子線の焦点位置と画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピーク数を判定するステップとを有し、その判定においてピークが２つあると判定されたとき非点補正処理に進み、当該非点補正処理は、Ｘ方向の非点収差補正器の非点補正電流を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を画像演算するステップと、Ｘ方向の非点収差補正器の非点補正電流と画像鮮鋭度との関係を表す曲線の２つのピークに挟まれた極小位置を求めるステップと、Ｘ方向の非点収差補正器の非点補正電流を前記極小位置に対応する電流値に設定するステップと、Ｙ方向の非点収差補正器の非点補正電流を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を画像演算するステップと、Ｙ方向の非点収差補正器の非点補正電流と画像鮮鋭度との関係を表す曲線の２つのピークに挟まれた極小位置を求めるステップと、Ｙ方向の非点収差補正器の非点補正電流を前記極小位置に対応する電流値に設定するステップとを含む。

前記判定においてピークが２つあると判定されたとき、非点補正処理に進む前に、２つのピークに挟まれた極小位置を求め、電子線の焦点位置をその極小位置に対応する位置に設定するようにしてもよい。

また、本発明の電子顕微鏡による試料観察方法は、試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度の角度方向成分を画像演算するステップと、画像鮮鋭度の角度方向成分の演算結果から非点収差補正方向を判定するステップと、前記判定された方向の非点収差補正器の非点補正電流を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、非点収差補正器の非点補正電流と画像鮮鋭度との関係を表す曲線の２つのピークに挟まれた極小位置を求めるステップと、前記非点収差補正器の非点補正電流を前記極小位置に対応する電流値に設定するステップとを含む。

非点補正が終了した後、焦点補正処理に移る。焦点補正処理は、試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、電子線の焦点位置と画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピーク位置を求めるステップと、電子線の焦点位置をそのピーク位置に対応する位置に設定するステップとを含む。
画像鮮鋭度は試料拡大像のエッジ強調画像に対して画像演算するのが好ましい。

また、本発明の、電子線の非点収差を補正する処理の後、試料に対して電子線の焦点を一致させる処理を行う電子顕微鏡による試料観察方法は、電子線の非点収差を補正する処理の前に、試料に対して電子線の焦点位置を略一致させる処理を行い、当該試料に対して電子線の焦点位置を略一致させる処理は、試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画素平均値を計算するステップと、電子線の焦点位置と画素平均値との関係を表す曲線の極小位置を求めるステップと、電子線の焦点位置をその極小位置に対応する位置に設定するステップとを含み、電子線の非点収差を補正する処理は、前述したステップによりに行うものである。

また、本発明の、電子線の非点収差を補正する処理の後、試料に対して電子線の焦点を合わせる処理を行う電子顕微鏡による試料観察方法は、電子線の非点収差を補正する処理の前に試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理を行い、当該試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理は、試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、試料拡大像の画素平均値を計算するステップと、各焦点位置における画像鮮鋭度と画素平均値との比を求めるステップと、電子線の焦点位置と前記比との関係を表す曲線の最大位置を求めるステップと、電子線の焦点位置を前記最大位置に対応する位置に設定するステップとを含み、電子線の非点収差を補正する処理は、前述したステップにより行うものである。

電子線の非点収差を補正する処理の前に実行する、試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理は、試料観察倍率より低い倍率で行うのが好ましい。

また、電子線の焦点位置と画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピーク数判定においてピークが２つあると判定されたとき、当該２つのピークから非点隔差量を求めておくと、非点補正電流を変化させる範囲をその非点隔差量に基づいて求めることができる。更に、非点隔差量が予め定めされた閾値より大きいとき非点補正処理に進むようにしてもよい。非点隔差量が前記閾値より小さくなるまで非点隔差量の測定と非点補正処理を反復実行するようにしてもよい。

本発明によると、従来手作業で行っていた非点収差補正を焦点補正と組み合わせて自動化することで、オペレータが非点や焦点の状態を知ることなく再現性良く定量的に与えられた非点隔差量の画像を得ることが可能となり、電子顕微鏡の操作性が向上する。

以下、図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による電子顕微鏡の一例の概略機能ブロック図である。なお、本発明においては電子線偏向コイルの段数は問わないが、本実施の形態においては試料上部に１段、対物レンズ後段に１段備えた。また、本発明においては照射レンズ系の段数は問わないが、本実施の形態においては２段とした。結像レンズ系の段数も任意であるが、本実施の形態においては２段のレンズとした。

電子線源１から放出されて加速された電子線３は、第一照射レンズコイル４と第二照射レンズコイル６及び対物レンズコイル１２の前磁場を通って、試料台１０に保持された試料１１に照射される。電子線３は走査コイル９により偏向され、試料上において走査されてもよい。試料を透過した電子線３は、対物レンズコイル１２の後磁場、中間レンズコイル１４及び投射レンズコイル１５によって拡大され、蛍光板１７上に試料拡大像１８が形成される。蛍光板１７では試料１１を透過した電子線３の試料拡大像１８が光に変換され、光学レンズ１９を介して拡大あるいは縮小され、撮像素子２０にて映像信号電流に変換される。撮像素子２０の映像信号電流は、画像取込ドライバ４１、撮像素子制御部４０を介して、マイクロプロセッサ５５に取込まれて処理された後、画像表示装置コントローラ５８で制御される画像表示装置５９に画像が表示される。

本実施例では試料を透過した電子線試料拡大像１８を蛍光板１７、光学レンズ１９、撮像装置２０からなる画像撮像装置を用いて映像信号電流に変換しているが、電子線を直接映像信号電流に変換できるマイクロチャネルプレート（ＭＣＰ）などを用いて信号電流に変換してもよい。また、走査コイル９を用いて試料１１を電子線で走査し、試料１１から発生する２次電子、散乱電子などを光電子増倍管やＭＣＰなどで構成される電子検出器２４によって検出し、その検出信号をもとに試料拡大像を取得することもできる。電子検出器２４の検出信号は微小電流増幅器３４、電流検出制御部５４を介してマイクロプロセッサ５５に取り込まれる。マイクロプロセッサ５５では、電子線３の走査制御と同期させて走査信号と検出信号からなる画像信号を形成し、画像表示コントローラ５８を介して画像表示装置５９に試料拡大像を表示する。

画像表示装置５９に表示される画像信号は、外部記憶装置５６やランダムアクセスメモリ６５に保存される。

マイクロプロセッサ５５は、デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）４４，４６，５０，５２，５３を介して、電子顕微鏡の第一照射レンズコイル４、第二照射レンズコイル６、対物レンズコイル１２、中間レンズコイル１４、投射レンズコイル１５に給電する励磁電源２８，３０，３５，３８，３９を制御する。マイクロプロセッサ５５は、ＤＡＣ４５，４８，４９，５１を介して非点収差補正コイル５、電子線偏向コイル８、電子線走査コイル９、試料下部電子線偏向コイル１３に給電する励磁電源２９，３２，３３，３７を制御する。

またマイクロプロセッサ５５には、ハードディスクや磁気光学記憶装置などの外部記憶装置５６、演算装置５７、画像表示装置コントローラ５８、画像表示装置５９、キーボード６４、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）６５、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）６６などが接続されている。倍率切替えロータリーエンコーダ６１はインターフェース（Ｉ／Ｆ）６０を介して、試料台移動操作ロータリーエンコーダ６３はＩ／Ｆ６２を介してそれぞれマイクロプロセッサ５５に接続されている。

絞り７は、マイクロプロセッサ５５からＤＡＣ４７を介して駆動電源３１、駆動装置２３で駆動される。試料台１０は、マイクロプロセッサ５５に駆動回路３６を介して接続された試料台駆動用の駆動装置２５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、画像フィルタによって画像の鮮鋭度を求める原理及び自動焦点補正、自動非点収差補正を行う原理を説明する。

画像鮮鋭度の求め方の一例を説明する。図３（Ａ）に示すような任意試料の試料拡大像を、Ｍ×Ｎの画素数で記憶装置に記録する。この２次元画像を関数形f(i,j)で示すことにする。図３（Ａ）の原画像に含まれる試料構造体の部分を画像座標ｘについて作成した濃淡のラインプロファイルを図３（Ｂ）に示す。この画像の１階微分画像の濃淡プロファイルとして、図３（Ｃ）が得られる。すなわち、２次元画像の１階微分画像は、式（１）で示される。

ここでf_x (x,y)及びf_y(x,y)は、それぞれx方向及びy方向の１階微分を表す。式（１）をデジタル画像に拡張すると、１階微分は差分に相当する。画像f(i,j)のx方向及びy方向の１階微分をそれぞれf_x(i,j)及びf_y(i,j)とすると、f_x(i,j)及びf_y(i,j)は式（１．２）で表される。

すなわち、x方向の差分は画像のx方向に隣り合う２画素で計算し、y方向の差分は画像のy方向に隣り合う２画素で計算する。

引き続き、この原画像の２階微分画像について作成した濃淡のラインプロファイルは図３（Ｅ）として得られる。アナログ画像についての２階微分画像は、式（２）にて表される。

これを２次元のデジタル画像に拡張すると、式（２）は１階微分の場合と同様に差分形で示すことが可能である。たとえば、
［Ｄ］［Ａ］［Ｂ］
のような画素列が存在すると仮定して、現在注目する画素を［Ａ］とする。画素ＡとＤとの間、画素ＢとＡの間で差分を取る。この差分をそれぞれ、

と表す。この操作により、画素Ａに関して０．５画素だけ左右にずれた１次微分が得られる。Ｙ方向についても同様に０．５画素ずつ上下にずれた１次微分を得ることができる。次に、f_x(A-D)とf_x(B-A)の間でもう一度差分を取り、注目する画素Ａにおける２階微分を求める操作を行う。

式（２）に式（４．１）、（４．２）を代入してf_xx(i,j)とf_yy(i,j)を線形結合すると、デジタル画像f(i,j)の２階微分は次式（５）のように表される。

式（３）の１階微分や式（５）の２階微分における重み係数をhとして行列で示すと、たとえば次のように与えられる。

式（６）を用いれば、式（４）の１階微分は次式のような演算で示される。

この重み係数hは、式（６）で示されるように、x方向、y方向のみならず、対角状に係数を与えることも可能である。角度成分に対して一般化した形は式（７．３）で与えられる。

対角状に45°方向に与えた重み係数をh₍₄₅₎、135°方向に与えた重み係数をh₍₁₃₅₎とすれば、式（８）を得る。

画像の微分処理を行う際に、雑音の抽出をできるだけ抑えるために平均効果を与える重み係数がある。たとえば、Sobel係数と呼ばれるものは式（９）で示され、上下左右の計９画素分で重み付けをして雑音に対処している。

本実施例における画像鮮鋭度を求める方法としては、例えば次のように行う。原画像のx方向、y方向それぞれの１階微分を求める。その際に、雑音の低減を考慮するために式（９）のような雑音考慮型の重み係数を乗算する。原画像と１階微分の画像の減算からx方向、y方向それぞれのエッジ強調画像Gx,Gyを求める。図３（Ｄ）はエッジ強調された画像の一例である。
エッジ強調画像の絶対値Gは次式で与えられる。

エッジ強調画像Gの画素Ｍ×Ｎに渡る平均値をGavgとすると、これは次式（１１）で与えられる。

式（１０）及び式（１１）から求められる分散は、原画像の鮮鋭度を示している。

また画像の鮮鋭度は、式（１２）から標準偏差の形でも求められる。

画像の鮮鋭度は、方向成分にも分離できる。例えば、画像のx方向の鮮鋭度や45度方向の鮮鋭度という形である。例えば、Sobel重み係数を用いる場合には、下式に示すような重み係数により45度ずつの方向成分を得ることができる。

この重み係数を用いて、４方向の角度における微分を求めて各方向のエッジ強調画像を計算し、各成分単独の分散あるいは標準偏差から、画像鮮鋭度の角度成分を求めることができる。

次に、この画像鮮鋭度を用いて焦点補正を行うプロセスについて説明する。図４（Ａ）は、ある試料の画像について焦点位置を変化させていったときの焦点位置と画像鮮鋭度との関係を示すものである。横軸は焦点位置としての対物レンズコイル電流値を表し、縦軸は式（１３）で示される画像鮮鋭度（但し、０°，４５°，９０°，１３５°成分の画像鮮鋭度の２乗平方和）を表している。

このグラフは、Ｓ点からスタートしてステップ幅ΔＩで対物レンズコイル電流を変化させて焦点位置を変え、その都度画像の鮮鋭度を測定し、正焦点位置を検索したものである。焦点補正を行うプロセスは、焦点位置を変化させ、都度画像の鮮鋭度を評価する方法にて行う。評価点数はＮ個（この図では３０点）である。正焦点位置は一般的には、図２のａ２で示される最小錯乱円を形成した位置である。焦点位置は対物レンズコイルの励磁電流Ｉと比例関係となる。正焦点位置は、電子線が最小錯乱円を形成し最もシャープな画像を形成する位置で、これを図４（Ａ）中にＰ点で示す。このグラフに示されるように、画像鮮鋭度が最も高いＰ点が正焦点位置であると判断される。図４（Ａ）は非点収差が存在しない場合の例で、非点収差が存在しない場合には、焦点を変化させたときのピークはＰ点１個になる。

なお、図４（Ａ）の横軸を焦点位置から非点収差補正電流値に置き換えた場合にも同様の画像鮮鋭度曲線が得られる。図４（Ａ）の横軸を非点収差補正電流値とした場合、画像鮮鋭度が最も高いＰ点は最適非点補正値を示しており、Ｐ点１点だけ現れるのは焦点位置が正焦点である場合である。

図２のａ１からａ３までの電子線光軸上の距離をδfaとすると、このδfaは、非点隔差を示す。即ち、この電子光学系におけるｘ軸方向とｙ軸方向のレンズ強度の非対称性により、ｘ軸方向とｙ軸方向の焦点位置がそれぞれａ３、ａ１であり、その間の距離が非点隔差δfaである。一方、非点収差が存在しない場合、即ち電子光学系の対称性が保たれている場合には、ｘ軸、ｙ軸それぞれの焦点位置が同一になる点ａ２に最小錯乱円スポットを形成するので、形成される画像は画像鮮鋭度が最も高くなる。このとき非点隔差は零である。図４（Ａ）は非点隔差が零であるので山の個数が１個となる。

非点収差が存在する場合の焦点位置と画像鮮鋭度の関係を、図４（Ｂ）を用いて説明する。図４（Ｂ）も図４（Ａ）と同様に、横軸は焦点位置（対物レンズコイル励磁電流値）、縦軸は画像鮮鋭度（但し、０°，４５°，９０°，１３５°成分の画像鮮鋭度の２乗平方和）を示す。非点収差がある場合、図のようにＰ１点とＰ２点の２つのピークが現れる。これは、図２にａ１′やａ３′で示されるように、ある方向成分に画像の伸びが発生し、一方向のエッジのみ検出されるためである。この時の正焦点位置は、Ｂ点で示される２つのピークの谷に相当する位置になる。非点収差が存在する場合、電子光学系の非対称性に伴い、ｘ軸、ｙ軸それぞれの焦点位置がａ３、ａ１と異なった位置に発生するため、画像鮮鋭度曲線には２つの山が現れる。非点隔差δfaはこの２つの山のピークの距離に相当する。

なお、図４（Ｂ）で横軸を非点収差補正コイルレンズ電流値、縦軸を画像鮮鋭度（０°，４５°，９０°，１３５°成分の画像鮮鋭度の２乗平方和）とした場合に、Ｐ１点，Ｐ２点それぞれ２つの山が存在する場合は、焦点が正焦点位置からずれている場合である。

図５は、非点収差補正電流値と画像鮮鋭度、及び試料拡大像を模式的に示したものである。現在注目している視野の試料拡大像が円形の濃淡コントラストを有するものであると仮定する。非点収差が存在しない場合には、試料拡大像は円形の像を示すが、非点収差が存在すると試料透過拡大像は図示のように伸びた画像を呈する。非点収差が非常に大きく画像鮮鋭度が著しく低くなる場合には、試料拡大像の濃淡コントラストが減退する。

図６のフローチャートを参照し、本発明の第１の実施例を説明する。本実施例は、図１に示した電子顕微鏡を用いて、試料拡大像の焦点がずれているか否か、また同時に非点収差が存在するか否かを判定し、自動的に補正することができるもので、第１の課題を解決することができる。

ステップＳ１０１で電子顕微鏡の使用を開始する。任意の試料１１を試料台１０へ装着し、電子顕微鏡への挿入を行う。ステップＳ１０２で、図１に示した倍率切替え用ロータリーエンコーダ６１で任意の倍率に設定する。同時に、ＲＯＭ６６に予め記録している電子線源のデータを呼び出し、そのデータをマイクロプロセッサ５５で処理し、ＤＡＣ４２を介して安定装置２６から電流を出力する。この電流は陰極電源２１を介して電子源１に与えられ、電子線源１から電子が放出される。加速電圧は、ＲＯＭ６６からデータを呼び出し、そのデータをマイクロプロセッサ５５にて処理し、ＤＡＣ４３を介して安定装置２７から電流を出力する。この電流は高圧電源２２で昇圧されて加速電極２に印加され、電子線源１から放出された電子線３は、加速電極２に印加された高電圧により加速される。第一照射レンズコイル４、第二照射レンズコイル６、対物レンズコイル１２、中間レンズコイル１４、投射レンズコイル１５の各レンズコイルには、予めＲＯＭ６６に記録されたレンズコイルデータに基づいて、ＤＡＣ、レンズコイルの励磁電源からレンズ電流が印加される。非点収差補正コイル５、偏向コイル８、電子線走査コイル９、試料下部偏向コイル１３の各コイルには、予めＲＯＭ６６に記録されたコイルデータに従って、ＤＡＣ、コイル励磁電源からコイル電流が印加される。また、ステップＳ１０２では、焦点補正パラメータや非点収差補正パラメータがＲＯＭ６６から呼び出される。

ステップＳ１０３からステップＳ１０５において、焦点位置を変化させて画像を取り込み、都度画像の鮮鋭度を計算する。図７を用いて、ステップＳ１０２からステップＳ１０５の処理の一例を説明する。ステップＳ１０２にて初期設定を完了したあと、ステップＳ１３０にて検索点数Ｎｆを設定する。このデータは予めＲＯＭに登録されているものから呼び出しても、オペレータが入力しても構わない。検索点数Ｎｆは図４の評価点数Ｎに相当する。ステップＳ１３１で電流ステップΔＩをＲＯＭから呼び出す。このΔＩは画像鮮鋭度評価の焦点補正値精度に関係する。電流ステップΔＩを大きく設定すれば精度が低下するが動作時間が短縮される。一方、電流ステップΔＩを小さく設定すれば精度を向上することができる。ステップＳ１３２では、現在の対物レンズ電流値をマイクロプロセッから呼び出す。ステップＳ１３０からステップＳ１３２までは、ステップＳ１０２の初期設定の一部として実行してもよい。

ステップＳ１３２にて取得した現在の対物レンズ電流値を基準として、ステップＳ１３４で開始電流Ｓを設定する。開始電流Ｓは、現在の対物レンズ電流値と検索点数Ｎｆ、電流ステップΔＩから計算される。例えば、現在の対物レンズ電流よりも小さい値の対物レンズ電流を開始電流Ｓとして設定する。まずステップＳ１３５で開始電流Ｓにおける試料拡大像を撮像し、ＲＡＭ６５に保存する。次に、ステップＳ１３６にて、試料拡大像の画像鮮鋭度を演算装置５７で計算する。画像鮮鋭度は、式（１２）又は式（１３）の方向依存性がない式を用いて計算する。計算された画像鮮鋭度は、対物レンズ電流値と関連付けられ、ステップＳ１３７でＲＡＭに保存される。ステップＳ１３８ではステップＳ１３３でインクリメントされた数を計数し、検索点数Ｎｆに達するまでステップＳ１３４からステップＳ１３７の電流設定、撮像、画像鮮鋭度計算、計算結果保存の一連の処理を繰り返す。ここでは、焦点位置変化を対物レンズコイル電流の変化によって行ったが、試料台１０の高さ駆動装置２３にて試料高さを変化させることで焦点位置を変化させてもよい。

図６に戻る。ステップＳ１０３からステップＳ１０５を反復することによって、電流値と画像鮮鋭度の関係から図４（Ａ）や図４（Ｂ）に示したような曲線が得られる。ステップＳ１０６で、ピーク数Ｎｐが1個あるか２個あるか判定する。Ｎｐ＝１なら非点収差がないと判断してステップＳ１１５に移り、Ｎｐ＝２なら非点収差があるものと判断してステップＳ１０７に移る。

ステップＳ１０７からステップＳ１１０では、Ｘ方向の非点収差補正電流を変化させ、試料拡大像を撮像し画像鮮鋭度Ｖを計算する。非点収差補正電流と画像鮮鋭度の関係から図４（Ｂ）のＢ点に相当するボトム位置を検索する。検索したボトム位置Ｂ点に相当するＸ非点収差補正コイル電流を調整し、Ｘ方向の非点収差を取る。

ステップＳ１１１からステップＳ１１４では、Ｙ方向に対して、ステップＳ１０７からステップＳ１１０同様の操作を行い、Ｙ方向の非点収差を取る。

Ｘ方向の非点収差に関するステップＳ１０７からステップＳ１１０の操作、及びＹ方向の非点収差に関するステップＳ１１１からステップＳ１１４の操作の詳細例を、図８を用いて説明する。図８は、非点収差補正方法を説明するフローチャートである。例えば、Ｘ方向の非点収差を補正する場合、Ｓ１０６にてＮｐ＝２で非点収差ありと判定された後、ステップＳ１４０にて検索点数Ｎｓを設定する。ステップＳ１４１で、非点収差補正電流ステップΔＩを設定する。ステップＳ１４２で、現在の非点収差補正コイルの電流値を呼び出す。ステップＳ１４０からステップＳ１４２は、非点収差補正を行うための初期設定に相当する。続いてステップＳ１４４で、非点収差サーチを開始する電流Ｓに設定する。開始電流Ｓは図７のステップＳ１３４にて説明したのと同様に、現在の非点収差補正コイル電流値と検索点数Ｎｓ、電流ステップΔＩから計算される。ステップＳ１４５で開始電流Ｓの試料拡大像が撮像されて、ステップＳ１４６で画像鮮鋭度Ｖの演算が行われる。画像鮮鋭度Ｖの計算には、式（１２）あるいは式（１３）の評価方向性がない式を用いる。計算された画像鮮鋭度Ｖは、非点収差補正コイル電流の電流値と関連付けがされてステップＳ１４７でＲＡＭに保存される。ステップＳ１４８ではステップＳ１４３でインクリメントされた数を計数し、検索点数Ｎｓに達するまで、ステップＳ１４４からステップＳ１４７の非点収差補正コイル電流設定、撮像、画像鮮鋭度計算、計算結果保存の一連の処理を繰り返す。

さらに、ステップＳ１４９で非点収差補正コイル電流と画像鮮鋭度の曲線を形成し、ステップＳ１５０で図４（Ｂ）のＢ点に相当するボトム位置を検索する。ステップＳ１５１ではボトム位置と現在の非点収差補正コイル電流値から補正量を計算し、非点収差補正コイルに対し、マイクロプロセッサから処理を送信し、ＤＡＣ、非点収差補正レンズコイル励磁電源を介して電流が出力される。こうして非点収差補正が行われ、次の処理ステップＳ１０３に移行する。ここではＸ方向の非点収差を最初に補正し、後からＹ方向の非点収差補正を行うアルゴリズムとしているが、補正を開始する順番はＹ方向が最初であってもよい。

非点収差補正はＸ、Ｙ両方向ともステップＳ１１４まで完了した後に、再びステップＳ１０３に戻り、対物レンズ電流を変化させて画像鮮鋭度を計算しピーク数を判定し非点収差がない画像が得られているか、また焦点が合っているか否かを判定する。ステップＳ１０６の判定がＮｐ＝１で非点収差がないと判定されれば、ステップＳ１１５に移行する。Ｎｐ＝２で非点収差が存在することが確認されれば、再度非点収差補正ルーチンのステップＳ１０７からＳ１１４を実行する。

ステップＳ１１５では、ステップＳ１０３からステップＳ１０５で計算された画像鮮鋭度と対物レンズ電流値の曲線から図４（Ａ）のＰ点に相当するピーク位置を検索する。ステップＳ１１６でピーク位置と現在の対物レンズコイルの電流値が比較され、ピーク位置に相当する対物レンズ電流値に調整され、正焦点に補正される。ステップＳ１１７では、これら一連の動作から非点収差がなく正焦点の画像が得られ、動作が完了する。

図１１のフローチャートを参照し、本発明の第２の実施例を説明する。本実施例は、試料拡大像の焦点がずれているか否か、また同時に非点収差が存在するか否かを判定し、自動的に補正することができるもので、第１の課題を解決できる実施例である。図１１のフローチャートは、角度方向依存の画像鮮鋭度を求めてアルゴリズムを簡素化し且つ動作時間を早めることが可能なアルゴリズムを示す。

ステップＳ２０１で電子顕微鏡の使用を開始する。任意の試料１１を試料台１０へ装着し、電子顕微鏡への挿入を行う。ステップＳ２０２で、観察倍率設定、各レンズコイル電流設定、各偏向コイル電流設定、焦点補正パラメータ、非点収差補正パラメータの設定を行う。ステップＳ２０２は、図７で説明したステップＳ１０２に相当する。

ステップＳ２０３で焦点変化を行う。このステップは図７で説明したステップＳ１３０からステップＳ１３８に相当するが、ステップＳ１３６はステップＳ２０４に置き換えられる。ステップＳ２０４で、角度方向依存の画像鮮鋭度を求める。式（１４．１）から式（１４．４）に示した角度依存性のある重み係数を乗じてθ方向の画像鮮鋭度を求める。ある方向のエッジ強調画像をＧ_θとする。このＧ_θの全画素に渡る平均値は式（１５）で求められる。

式（１５）を用いて、θ方向の画像鮮鋭度分散Ｖ_θが、式（１６）から得られる。

また、θ方向画像鮮鋭度標準偏差σ_θは、式（１７）によって得られる。

図９は非点収差Ｘ方向における補正電流と角度成分の画像鮮鋭度の関係を示し、図１０は同非点収差Ｙ方向についての関係を示したものである。ある画像の角度依存画像鮮鋭度を取ったとき、図９（Ｃ）や図１０（Ｃ）に示されるような曲線を描く。図９（Ｃ）及び図１０（Ｃ）は、いずれも過焦点の場合の例を示している。

図９（Ａ）に示す過焦点側で非点収差補正コイル電流が小さい場合には、像がＸ方向の伸びを見せる。このとき、図９（Ｃ）に示すように、画像鮮鋭度は９０°方向成分が最も大きくなる。また非点収差補正コイル電流が大きい場合には像がＹ方向の伸びを見せ、０°方向成分が最も大きくなる。一方、不足焦点側では、図９（Ｂ）に示すように、非点収差補正コイル電流が小さい場合には像がＹ方向の伸びとなり０°方向成分が最も大きくなる。非点収差補正コイル電流が大きい場合には像がＸ方向の伸びとなり９０°方向成分が最も大きくなる。

Ｙ非点収差補正コイルは画像を４５°、１３５°方向の非点収差補正効果があるので、図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように画像はそれぞれ４５°、１３５°方向に伸びが発生する。

このような画像の伸び方向と画像ピークの方向依存性を用いて、ステップＳ２０４で角度依存画像鮮鋭度を計算させる。ステップＳ２０５では、式（１８）の角度依存画像鮮鋭度の絶対値からピーク数Ｎｐを求める。

Ｖ_０，Ｖ_４５，Ｖ_９０，Ｖ_１３５はそれぞれ、０°，４５°，９０°，１３５°における画像鮮鋭度である。Ｎｐ＝１と判定されれば、試料拡大像に非点収差がないと判定されてステップＳ２１８に移る。一方、Ｎｐ＝２と判定されれば、試料拡大像に非点収差が存在すると判定されてステップＳ２０６に移る。

ステップＳ２０６では、対物レンズコイル電流と式（１８）の角度依存画像鮮鋭度の絶対値のプロファイルから２つのピーク点のボトムとなるＢ点を検出する。ステップＳ２０７では、Ｂ点に相当する対物レンズコイル電流に設定し、正焦点にあわせる。次のステップＳ２０８で、正焦点の対物レンズコイル電流からｄｆａだけずらした対物レンズコイル電流を与え、故意に焦点をずらす。

次のステップＳ２０９において、ステップＳ２０４で求めた角度依存画像鮮鋭度の各角度成分を比較し、Ｘ、Ｙ方向のいずれの鮮鋭度が高いかを比較する。０°、９０°方向が高いと判定されれば、Ｘ方向成分の補正を行うステップＳ２１０に移行する。一方、４５°、１３５°方向成分が高いと判定されれば、Ｙ方向成分の補正を行うステップＳ２１４に移行する。

ステップＳ２１０からステップＳ２１３のプロセスと、ステップＳ２１４からステップＳ２１７のプロセスは非点収差補正コイルの印加方向が異なるだけで動作は全く等価であるので、ここではステップＳ２１０からステップＳ２１３についてのみ説明する。ステップＳ２１０からステップＳ２１３では、図８のステップＳ１４０からステップＳ１５１の動作を行い、非点収差Ｘ方向の補正を行う。ステップＳ２１３まで完了したら再度ステップＳ２０３に戻り、焦点位置を変化させて画像鮮鋭度を計算し、ピーク数判定ステップＳ２０５を行う。Ｎｐ＝１で非点収差が無いと判定されればステップＳ２１８に移行する。

ステップＳ２１８からステップＳ２２０のプロセスは、図６のステップＳ１１５からステップＳ１１７のプロセスと同一である。ステップＳ２２０では非点収差がなく、正焦点の試料拡大像が得られる。

図１２のフローチャートを参照し、第３の実施例を説明する。本実施例は、画像の画素平均値を求めて非点収差補正時の濃淡コントラスト変化を捉え、大幅に非点収差が存在し試料拡大像のボケがひどい状態において非点収差補正を行うことを可能にし、第２の課題を解決することができる。図１２のフローチャートは、大幅な非点収差ずれが存在する場合において、試料拡大像の焦点と非点収差とを略一致させるために、図６のステップＳ１０２からステップＳ１０３の間、あるいは図１１に示すフローチャートのステップＳ２０２からステップＳ２０３の間に挿入される。

図６のステップＳ１０２の初期設定あるいは図１１のステップＳ２０２の初期設定を完了後、図１２ステップＳ３０１に移る。ステップＳ３０１で電子顕微鏡の焦点位置変化を行い、ステップＳ３０２の画像鮮鋭度の計算を行う。この実施例では、試料挿入直後や前使用状態から全く異なる撮影条件を求める場合などを考慮する。ステップＳ３０１からステップＳ３０２のプロセスは、図７のステップＳ１３０からステップＳ１３７で説明した対物レンズコイル電流変化、画像鮮鋭度計算に相当する。その後、ステップＳ３０３では画像鮮鋭度ピーク点を検出する。ステップＳ３０４では、画像鮮鋭度と対物レンズコイル電流の関係から正焦点の対物レンズ電流を調整する。あるいはステップＳ３０４は、ステップＳ３０３の画像鮮鋭度ピークと対物レンズコイル電流の関係から試料高さのずれ量ΔＺを導出し、試料台１０の高さを演算装置５７で計算して焦点位置を調整する方法をとってもよい。対物レンズ電流ΔＩと試料高さΔＺの関係は式（１９）で示されるようにほぼ比例しているとする。

ステップＳ３０１からステップＳ３０４は、試料拡大像の非点収差が検出されないような低倍率で実施する。図１２のフローチャートには記載がないが、ステップＳ１０２あるいはステップＳ２０２の初期設定で観察倍率Ｍ１が設定され、ステップＳ３０１が開始する際に、倍率をＭ１よりも低い倍率Ｍ２に設定してステップＳ３０１からステップＳ３０４の動作を実行させる。また、本発明の電子顕微鏡は、式（１９）の関係を利用して、現在の試料台の高さ、試料の高さを演算装置５７で計算して、画像表示装置５９に表示する機能を有する。

続いて、ステップＳ３０５からステップＳ３０７に移る。このプロセスは、図８に示した非点収差補正プロセスに、ステップＳ３０７の全画素の画素値の平均値を計算する処理を加えたものである。

全画素平均値の計算結果を用いて非点収差補正を行う原理について、図１８、図１９を用いて説明する。図１８（Ａ）は、非点収差が大きい場合の画像例である。非点収差が大きい場合は像ぼけがひどく、試料の拡大構造を見出すことができる状態ではなく、一般にコントラストが低く明るい画像が形成される。図１８（Ｂ）は、非点収差がない場合の画像例である。非点収差がない場合、画像には試料の拡大構造が鮮明に表示される。この場合、図１８（Ａ）に比べてコントラストが高い画像が形成される。

図１８（Ｃ）は、一般的な画像評価で用いられるヒストグラムの例（８ビット画像の例）を示したものである。ヒストグラムは、デジタル画像の１画素に与えられた画素値（輝度）をカウントし、横軸に画素値、縦軸にカウント数を示したものである。コントラストが高いとは、画像の輝度値が広く分散していることを示し、画像が明るいとは、輝度値の分布が高い階調に存在することを言う。図１８（Ａ）のような非点収差に伴い画像がぼけている場合、画像のヒストグラムはピーク点μ_１のようなコントラストが低く、輝度値が高い位置に発生する。一方、図１８（Ｂ）のような非点収差がない場合には、試料構造が表現されることからコントラストが高く、明るさレベルが低い位置μ_optになる。

図１９は、横軸に非点収差補正コイル電流値Ｉ、縦軸に画像鮮鋭度Ｖと全画素平均値μをとり、非点収差補正コイル電流量を変化させたときの、画像鮮鋭度と画素平均値のそれぞれの変化の様子を模式的に示したグラフである。
全画素平均値は、次式（２０）で表現できる。

ここに、iは画素値、Ｃ［ｉ］は各画素のカウント数を示し、全画素平均値はヒストグラムの重心を求めていることに相当する。

図１９中のＩ₁は図１８（Ａ）の非点収差ありの画像のときの非点収差補正コイル電流値に、Ｉ_optは図１８（Ｂ）の非点収差なしの画像の時の非点収差補正コイル電流値にそれぞれ対応する。非点収差がない場合には、コントラストが高く、明るさが暗くなるので全画素平均値を求めると最も低い値を示す、また、このとき画像鮮鋭度は最も高くなる。一方、非点収差がある場合、画像鮮鋭度は低く、全画素平均値は高くなる。非点収差が大幅にずれている場合には、図５の非点収差大の試料拡大像の例で示されるように、濃淡コントラストが減退してしまい、非点収差補正コイル電流を調整してもピークを形成するような画像鮮鋭度を得ることが困難になる。画像鮮鋭度だけで判定が困難になるもう一つの原因として、画像のぼけに伴いコントラストが低くなるが画像のＳ／Ｎ（信号対ノイズ比）が高くなってしまい、画像鮮鋭度計算結果が高く示されるという計算誤りが発生する。そこで、全画素平均値による非点収差判定を付け加える。

ステップＳ３０８は、ステップＳ３０６で求められた画像鮮鋭度と非点収差補正コイル電流の関係からボトム点Ｂを検出する処理である。この後、ステップＳ３０９にて画素平均値の最小値と非点収差補正コイル電流の関係を求める。ステップＳ３０８とステップＳ３０９からそれぞれのボトム点、最小点に相当する非点収差補正コイル電流値を与えて、非点収差Ｘ方向を補正する。この際、ボトム点Ｂと全画素平均値のプロファイルによる最小点が一致しない場合には、全画素平均値の結果を採用する。なお、図１２のフローチャートでは、ステップＳ３０６で画像鮮鋭度によるピーク検索も行っているが、全画素平均値による方法でその最小点が検索できれば、画像鮮鋭度によるピーク検索は行わなくとも良い。その後、ステップＳ３１１からステップＳ３１４で非点収差補正Ｙコイルの略補正を行う。図１２には記載していないが、非点が大幅にずれていることから画像のぼけが大きく焦点補正が困難になる可能性がある。そこで焦点補正プロセスであるステップＳ３０１からＳ３０２において、全画素平均値により焦点補正を行ってもよい。同様に、ｙ方向の非点補正プロセスにおいても、ステップＳ３１２において画像鮮鋭度Ｖを計算した後、Ｓ３０７のルーチンと同様に、画素平均値を計算し、画素平均値の計算結果から非点補正値を選び出しても良い。

図１３のフローチャートを参照し、第４の実施例を説明する。本実施例は、試料挿入直後や試料拡大像の撮影条件が大幅に変更になるような場合で、大幅に焦点がずれているときの焦点調整ならびに非点収差補正の方法を示すものである。図１３は、大幅な焦点ずれが存在する場合において、試料拡大像の焦点と略一致させてから非点収差と焦点を補正する手順を示すフローチャートである。

ステップＳ４０１からステップＳ４０２で、電子顕微鏡の初期設定を行う。ステップＳ４０３からステップＳ４０６は、対物レンズコイル電流を変化させながら画像鮮鋭度を評価するプロセスで、図７に示したステップＳ１３０からステップＳ１３８に相当する。ステップ４０６でピーク位置を検索し、ステップＳ４０７でピーク位置に相当する対物レンズコイル電流値に設定し、焦点の略補正を行う。ステップＳ４０７は、対物レンズコイル電流を用いた焦点補正ではなく、試料台の高さ調整により焦点を調整する方法でもよい。ステップＳ４０８からステップＳ４１３のプロセスは、図６のステップＳ１０３からステップＳ１１７のプロセスに相当する。

図１５のフローチャートを参照し、第５の実施例を説明する。本実施例は、対物レンズコイルのヒステリシスや撮像時の画像積算フィルタのヒステリシスを考慮した補正を行うことにより、第３の課題を解決するものである。ここでは、焦点補正の例を取り上げるが、非点収差補正コイル電流調整においても同一のプロセスを用いることが可能である。

図１４を用いて、ヒステリシスについて説明する。図１４のグラフは、横軸を対物レンズコイル電流値あるいは非点収差補正コイル電流値とし、縦軸を画像鮮鋭度とした、コイル電流値と画像鮮鋭度の関係図である。

今、電流の変化方向をグラフに示す矢印のように取ると仮定する。各点での画像鮮鋭度は、画像履歴平均積算フィルタにより時系列的に過去の画像の履歴を持たせ平均化処理を行った試料拡大像を用いて計算しているものとする。このような履歴平均積算フィルタを用いることは、画像の連続撮像が可能となるために、Ｓ／Ｎの悪い画像においては１枚の試料拡大像形成が短時間化されるので自動処理の動作時間の短縮化に効果がある。この例で、実際に計算された画像鮮鋭度のピークはＰ′点にあると判定された。しかし、真のピーク点Ｐ０点はＰ′点よりも時系列で過去に存在する。またレンズコイルのヒステリシスは、電流Ｓ点から開始しＥ点で完了した後に、正焦点位置のピーク点Ｐ′に電流を変化させた際に、コイル鉄心の磁化曲線が履歴特性を持ち非線形となることから正しくＰ′点に戻ることが出来ない現象である。この問題を、例えば図１５のフローチャートで示す処理で解決する。

例えば、図１３で示した第４の実施例に対してこの第５の実施例を適用すると、図１３のステップＳ４０３からステップＳ４０７の過程を図１５のステップＳ５０１からステップＳ５０８に置き換えることができる。図１３のステップＳ４０２で初期設定を完了し、図１５のステップＳ５０１に移る。ステップＳ５０１からステップＳ５０４は図７のステップＳ１３０からステップＳ１３８と同様に対物レンズコイル電流と画像鮮鋭度プロファイルを作成する動作を行う。

ステップＳ５０５で画像鮮鋭度のピーク点Ｐ′を検出する。次いでステップＳ５０６で、予め測定し記録したヒステリシスデータＨをＲＯＭから呼び出す。ヒステリシスデータＨは、あらかじめ測定して求めた定数で、機差を考慮して装置毎に異なる定数としてＲＯＭに保存しておく。ステップＳ５０７で真のピーク点Ｐ０を求める。ピーク点Ｐ０は次式（２１）で求める。

ステップＳ５０８で対物レンズコイル電流値をＰ０点に設定し、焦点補正を完了する。引き続き、図１３のステップＳ４０８に移行する。ヒステリシスの補正について、ここでは対物レンズのヒステリシスについて説明した。同様のヒステリシス補正は、ステップＳ４１０あるいはステップＳ４１１の非点収差補正コイルの非点補正電流設定においても有効である。

図１７のフローチャートを参照し、第６の実施例を説明する。本実施例は、焦点のずれに伴い試料拡大像の濃淡コントラストが低下して、画像鮮鋭度曲線のピークが正しく検出されない誤動作を防止するもので、第４の課題を解決することができる。ここでは焦点補正の例を取り上げるが、非点収差補正コイル電流調整においても同一のプロセスを用いることが可能である。

この課題を、図１６を用いて説明する。画像鮮鋭度による自動焦点補正を行う場合、画像の輝度変化、濃淡変化の影響を受けピーク位置を誤って判定し、誤動作する場合がある。図１６（Ａ）から（Ｃ）に示したグラフは、画像鮮鋭度と焦点位置（対物レンズコイル電流値）との関係を示したものである。横軸は対物レンズコイル励磁電流値である。

図１６（Ａ）は、未処理計測結果の例で、真の正焦点位置Ｐtrue点に対してＰerr点を誤って正焦点位置であると判定した場合の、対物レンズコイル電流−画像鮮鋭度曲線である。Ｐerr点は焦点ずれがあり像ぼけが見られる位置で、画像全体の輝度が高まり濃淡コントラストが低い。この試料拡大像に対して夫々の全画素の平均値を計算し、対物レンズコイル電流に対してプロットしたものが図１６（Ｂ）である。焦点ずれに伴い画像の輝度が高くなり、濃淡コントラストが低下するに従い画素平均値が高くなる。このような誤判定を避けるために、図１６（Ｃ）に示すように、夫々の対物レンズコイル電流値における画像鮮鋭度を全画素平均値で除算すると、結果Ｐtrue点が正しく得られる。

図１７のフローチャートを説明する。例えば図１３のステップＳ４０２にて初期設定が完了し、図１７のステップＳ６０１に移る。ステップＳ６０１からステップＳ６１０のプロセスは、図１５のステップＳ５０１からステップＳ５０８の画像鮮鋭度ピーク点検索の繰返しプロセスに、ステップＳ６０５として画像の画素平均値の計算処理を追加する。次いで、ステップＳ６０６で画像鮮鋭度Ｖと画像の全画素平均値μの除算処理を行い、規格化画像鮮鋭度Ｖ_ｎを求める。

ステップＳ６０７では、図１６（Ｃ）に示すような対物レンズコイル電流値と規格化画像鮮鋭度のプロファイルから画像鮮鋭度のピーク位置Ｐ′点を検索する。ステップＳ６０８で、ＲＯＭに予め記録されたヒステリシスデータＨを呼び出し、ステップＳ６０９でヒステリシスを考慮したピーク点Ｐ０を求め、ステップＳ６１０で正焦点となる対物レンズコイル電流値を出力する。この処理の後、図１３のステップＳ４０８に戻る。

図２０を用いて、第７の実施例を説明する。本実施例は、自動非点収差補正を行う際に、非点隔差量を計算し、非点収差補正範囲を自動的に検出するもので、第５の課題を解決することができる。

図２０は、図６で示した自動非点収差補正ルーチンに、非点収差補正範囲を検出するフローを追加した図である。ステップＳ１０３からステップＳ１０５のルーチンで、対物レンズの励磁電流を変化させながら撮影した画像で夫々画像鮮鋭度を計算する。この際、対物レンズコイルの励磁電流を変化させるのは、焦点位置を変化させるためであるので、焦点を変化させる方法として試料台１０の高さを時々刻々変化させながら画像を撮影、取り込みを行ってもよい。また更に、ステップＳ１０３からＳ１０５で画像鮮鋭度を計算する方法としては、実施例６の式（２２）で示した規格化画像鮮鋭度を用いる方法でもよい。非点収差が存在する場合には、対物レンズ励磁電流値と画像鮮鋭度の関係として図４（Ｂ）に示したような関係が得られる。非点隔差量δfaは、Ｐ１点の対物レンズ電流値とＰ２点の対物レンズ電流値の差分で得られる。

ステップＳ１０５−１では、式（２３）に基づき非点隔差量を計算する。非点隔差量が計算できたら、ステップＳ１０６に移る。ここでは非点収差が存在する場合を想定し、ピーク点が２点存在するＮｐ＝２のステップＳ１０６−１に移行する。ステップＳ１０６−１では、式（２３）で得られた非点隔差から非点サーチ範囲を決定する。本発明の非点収差補正は、予め非点収差の検索範囲を定めておく必要があり、例えばこの非点収差検索範囲に対して大きい非点収差が存在した場合には、検索することができない。そこで、非点隔差から非点収差の大小を計算して適切な検索範囲を与える必要がある。

図２１は非点隔差と非点検索範囲の関係を示したグラフであり、横軸が非点隔差量δfa、縦軸が非点検索範囲を示している。図２１にて示されるように、対物レンズコイル励磁電流が大きく変化しない範囲においては、線形性を保つことができる。

ステップＳ１０６−１の非点検索範囲の計算方法としては、図４（Ｂ）の対物レンズ電流値と画像鮮鋭度のプロファイルで示されたような関係を用いる。すなわち、図２０で、ステップＳ１０３からステップＳ１０５で対物レンズ電流を変化させながら画像を取り込み、画像鮮鋭度を計算する繰返しフローを行うことで、非点収差がある場合には第４図（Ｂ）のプロファイルが得られるので、このプロファイルから非点隔差量δfaは式（２３）から計算される。非点検索範囲は図２１に示した線形な非点隔差量と非点補正電流量の関係から求めることが可能である。ステップＳ１０６−１で非点検索範囲を計算した後、ステップＳ１０７の非点補正電流変化に移行する。

図２０のフローチャートには、ステップＳ１０５−２において、非点隔差量及び試料高さ表示のルーチンを付属しているが、これらの値の表示の必要性が無ければステップＳ１０５−２は必要ない。図２２に、ステップＳ１０５−２で表示するウィンドウの例を示す。

図１に示した電子顕微鏡を用いて、第８の実施例を説明する。本実施例は、自動非点収差補正を行う際に非点隔差量を計算し、非点隔差量を定量的に表示させると共に、閾値と比較して非点補正が完了しているかどうかを判断するもので、第６の課題を解決することができる。

図２３のフローチャートは、自動的に焦点合わせ、非点補正を行うことができる電子顕微鏡で、現在の電子顕微鏡の状態から非点隔差を計算し、予め与えられた非点隔差量閾値と比較し、非点補正が完了しているかどうか定量的に判断し、完了していると判断されれば非点補正ルーチンを実施することなく完了し、自動焦点合わせ、非点補正動作の動作時間短縮化を図ることができるフローを示した図である。

ステップＳ７０１でこの電子顕微鏡の使用を開始し、任意の試料１１を試料台１０へ装着し電子顕微鏡へ挿入する。ステップＳ７０２において、初期条件設定として倍率の設定、電子線加速電圧の設定、各レンズコイル、各偏向コイル系への電流設定が行われる。ステップＳ７０３からステップＳ７０５のルーチンで、対物レンズコイルの励磁電流を変化させながら画像を撮影、取り込みを行い、夫々の画像で画像鮮鋭度を計算する。この際、対物レンズコイルの励磁電流を変化させるのは、焦点位置を変化させるためであるので、焦点を変化させる方法として試料台１０の高さを時々刻々変化させながら画像を撮影、取り込みを行ってもよい。また更に、ステップＳ７０３からＳ７０５で画像鮮鋭度を計算する方法としては実施例６の式（２２）で示した規格化画像鮮鋭度を用いる方法でもよい。

ステップＳ７０６では、前段のルーチンの画像演算結果から非点隔差量を計算する。非点収差がある光学系では、図４（Ｂ）に示したような焦点位置と画像鮮鋭度のプロファイルが描かれる。図４（Ｂ）は０°，４５°，９０°，１３５°の４方向成分の二乗和平均を取った場合のプロファイルであるが、これら４方向成分それぞれについて焦点位置と画像鮮鋭度のプロファイルを独立に示した図９や図１０のようなプロファイルとしても表現できる。ステップＳ７０６では、図４（Ｂ）に示すように、プロファイルから非点隔差δfaを求める。４方向成分に分けたプロファイルであれば、０°と９０°間、若しくは４５°と１３５°間のいずれかのプロファイルの最大点の焦点位置の差分から非点隔差を計算する。この場合の非点隔差は、図２４を用いて以下のように示される。図２４は焦点位置と画像鮮鋭度を示すプロファイルの一例で、角度成分を０°，９０°に限定した概略図である。図２４（Ａ）は非点隔差が大きい場合を示しており、非点隔差は０°成分のピークとなる焦点位置Ｐ１と９０°成分のピークとなる焦点位置Ｐ２から、

で与えられる。式（２４）から得られた非点隔差から、ステップＳ７０７において非点隔差量の表示を行う。非点隔差量の表示は、例えば図２２や図２５に示したような表示窓にて行う。ステップＳ７０８は、ステップＳ７０３からＳ７０５で得られた画像鮮鋭度と焦点位置からなるプロファイルを元に正焦点位置を探索し、正焦点位置に設定するルーチンである。正焦点位置の探索は、例えば非点収差が完全に無ければ図２４（Ａ）に示された２つの独立した角度成分のプロファイルの最大値を示す焦点位置が一致するので、その点が正焦点位置に相当する。非点収差が存在する場合には図２４（Ａ）に示すように２つの独立した角度成分のプロファイルの最大値を示す焦点位置が分離してしまい、この場合、これらの２点の中心位置すなわち式（２５）で、正焦点位置を示す。

ステップＳ７０９では、予め定めた非点隔差量の閾値データδfathを与える。この非点隔差量閾値データは、実験的に装置の限界値を求めて与えた結果でも、電子顕微鏡固有の試料に対する照射角度と画素サイズから得られた焦点深度であってもよい。

ステップＳ７１０において、ステップＳ７０６で求めた現在の非点隔差量と、ステップＳ７０９で与えた非点隔差閾値との比較を行う。比較を行った結果、（１）現在の非点隔差量が、非点隔差閾値に比べて大きいと判定された場合（δfath＜δfa）にはステップＳ７１１−２に移行し、非点補正が未完了であることを図２５に示した表示窓にて表示する。この条件では、非点隔差を示す焦点位置と画像鮮鋭度プロファイルの関係は図２４（Ａ）に示すようなプロファイルとなる。その後、ステップＳ７１２にてＸ方向の非点補正ルーチンを、ステップＳ７１３にてＹ方向の非点補正ルーチンを実施する。ステップＳ７１２やステップＳ７１３は、図８に示された非点補正フローを省略して示したものである。ステップＳ７１３を完了後、ステップＳ７０３に戻り動作を繰返す。

ステップＳ７１０において比較を行った結果、現在の非点隔差量が、非点隔差閾値に比べて小さいと判定された場合（δfath≧δfa）はステップＳ７１１−１に移行し、非点補正が完了していることを図２５に示した表示窓にて表示する。この条件では、非点隔差を示す焦点位置と画像鮮鋭度プロファイルの関係は、例えば図２４（Ｂ）に示すようなプロファイルとなる。その後ステップＳ７１４に移行し、自動焦点合わせ、非点補正動作を完了する。

この第８の実施例では、自動非点収差補正を行う際に非点隔差量を計算することで、非点隔差量を定量的に表示させると共に、閾値と比較させて非点補正が完了しているかどうかを判断するこができる。これにより、電子顕微鏡のオペレータは使用経験が浅く最適な焦点・非点補正の画像状態が分からなくとも定量的に与えられた非点補正画像により、本フローを実行する都度同程度の非点、焦点の質の画像を再現性よく得ることができる。また、以前非点をあわせた状態にしていた場合、本フローを通すことにより、非点補正ルーチンを実行することなく焦点補正のみで動作が完了するので、動作時間は約１／３程度に短縮されるという効果がある。

本発明の電子顕微鏡の構成例を示す図。 電子レンズの非点収差の発生と試料拡大像について説明する図。 画像の濃淡を示すラインプロファイルと１階微分、２階微分のプロファイルを示す図で、画像鮮鋭度を説明する図。 対物レンズコイル電流と画像鮮鋭度、非点収差補正コイル電流値と画像鮮鋭度を説明する図であり、（Ａ）は非点収差がない場合、（Ｂ）は非点収差が存在する場合を説明する図。 非点収差補正コイル電流値と画像鮮鋭度及び試料拡大像の関係を示す図。 非点収差の有無を判定し焦点補正及び非点収差補正を自動的に行う処理のフローチャート。 図６のフローチャートの一部を説明するフローチャート。 図６のフローチャートの一部を説明するフローチャート。 Ｘ方向非点収差補正コイル電流値と角度依存画像鮮鋭度の関係を示す図。 Ｙ方向非点収差補正コイル電流値と角度依存画像鮮鋭度の関係を示す図。 角度依存画像鮮鋭度を用いて焦点補正、非点収差補正を自動的に行う処理のフローチャート。 大きな非点収差があり試料拡大像のぼけが大きい場合に実施する焦点補正、非点収差補正のフローチャート。 焦点ずれが大である場合に実施する焦点補正、非点収差補正のフローチャート。 対物レンズコイル電流、非点収差補正コイル電流とヒステリシスの関係を画像鮮鋭度のグラフで説明する図。 ヒステリシス補正を行う処理のフローチャート。 画像の濃淡コントラストが変化する場合のレンズ電流値と画像鮮鋭度、画素平均値を説明する図。 画素平均値計算プロセスの追加により誤動作を防止する処理のフローチャート。 非点収差の有無の画像例とそれぞれの画像のヒストグラムについて説明する図。 非点収差補正コイル電流値と画像鮮鋭度、全画素平均値の関係を示すグラフ。 図６の非点収差補正フローチャートに、非点収差検索範囲を求めるルーチンを追加したフローチャート。 非点隔差量と非点収差検索範囲との関係を示す図。 試料高さ、非点隔差量を表示する表示窓の例を示す図。 焦点合わせ・非点収差補正を行う電子顕微鏡で、非点隔差量を計算しその結果から動作完了か否かを判定するフローチャート。 非点隔差閾値と現在の非点隔差量を比較する、画像鮮鋭度と焦点位置の関係を説明する図。 試料高さ、非点隔差量を表示し、非点収差補正の動作状態を示す表示窓の一例を示す図。

符号の説明

１：電子線源、２：加速電極、３：電子線、４：第一照射レンズコイル、５：非点収差補正コイル、６：第２照射レンズコイル、７：絞り、８：電子線偏向コイル、９：電子線走査コイル、１０：試料台、１１：試料、１２：対物レンズコイル、１３：試料下部電子線偏向コイル、１４：中間レンズコイル、１５：投射レンズコイル、１６：電子線光軸、１７：蛍光板、１８：試料拡大像、１９：光学レンズ、２０：撮像素子、２１：陰極電源、２２：加速用高圧電源、２３：微動モータ、２４：電子検出器、２５：駆動装置、２６、２７：安定装置、２８：レンズコイル励磁電源、２９：偏向コイル励磁電源、３０：レンズコイル励磁電源、３１：絞り駆動電源、３２：偏向コイル励磁電源、３３：走査コイル励磁電源、３４：微小電流増幅器、３５：レンズコイル励磁電源、３６：試料微動モータ駆動回路、３７：偏向コイル励磁電源、３８，３９：レンズコイル励磁電源、４０：撮像装置制御部、４１：画像取込ドライバ、４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８，４９，５０，５１，５２，５３：デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、５４：電流検出制御部、５５：マイクロプロセッサ、５６：外部記憶装置、５７：演算装置、５８：画像表示装置コントローラ、５９：画像表示装置、６０：インターフェース、６１：ロータリーエンコーダ、６２：インターフェース、６３：ロータリーエンコーダ、６４：キーボード、６５：ランダムアクセスメモリ、６６：リードオンリーメモリ

Claims (14)

1. 対物レンズの電流値を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   各焦点位置における試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、
   前記各試料拡大像の画像鮮鋭度を各試料拡大像の画素平均値で除算した規格化画像鮮鋭度を求めるステップと、
   前記対物レンズの電流値と規格化画像鮮鋭度との関係に基づいて、対物レンズの電流値を設定するステップと、
   当該対物レンズの設定値において非点収差補正器の非点補正電流値を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   前記非点補正電流値における試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、
   前記非点補正電流値と画像鮮鋭度との関係に基づいて、非点収差補正器の電流値を設定するステップとを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
2. 請求項１記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記対物レンズの電流値と規格化画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピークが２つあるとき、前記２つのピークの間の極小位置を求め、前記対物レンズの電流値を、前記極小位置に設定することを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
3. 対物レンズの電流値を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   各焦点位置における試料拡大像の画像鮮鋭度の角度方向成分を計算するステップと、
   前記各試料拡大像の画像鮮鋭度の角度方向成分を各試料拡大像の画素平均値で除算した規格化画像鮮鋭度を求めるステップと、
   前記規格化画像鮮鋭度に基づいて、非点収差補正方向を決定するステップと、
   前記決定された方向の非点収差補正器の非点補正電流値を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   前記非点補正電流値における試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、
   前記非点補正電流値と画像鮮鋭度との関係に基づいて、非点収差補正器の電流値を設定するステップとを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、非点補正が終了した後、焦点補正処理に移り、当該焦点補正処理は、
   試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   前記試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、
   前記電子線の焦点位置と画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピーク位置を求めるステップと、
   前記電子線の焦点位置を前記ピーク位置に対応する位置に設定するステップとを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記画像鮮鋭度は前記試料拡大像のエッジ強調画像に対して画像演算することを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
6. 電子線の非点収差を補正する処理の後、試料に対して電子線の焦点を一致させる処理を行う透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、
   前記電子線の非点収差を補正する処理の前に、試料に対して電子線の焦点位置を略一致させる処理を行い、当該試料に対して電子線の焦点位置を略一致させる処理は、
   試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   前記試料拡大像の画素平均値を計算するステップと、
   前記電子線の焦点位置と画素平均値との関係を表す曲線の極小位置を求めるステップと、
   前記電子線の焦点位置を前記極小位置に対応する位置に設定するステップとを含み、
   前記電子線の非点収差を補正する処理は、請求項１〜３のいずれか１項記載の各ステップを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
7. 電子線の非点収差を補正する処理の後、試料に対して電子線の焦点を合わせる処理を行う透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、
   前記電子線の非点収差を補正する処理の前に試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理を行い、当該試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理は、
   試料に対する電子線の焦点位置を変化させて試料拡大像を撮像するステップと、
   前記試料拡大像の画像鮮鋭度を計算するステップと、
   前記試料拡大像の画素平均値を計算するステップと、
   各焦点位置における画像鮮鋭度と画素平均値との比を求めるステップと、
   前記電子線の焦点位置と前記比との関係を表す曲線の最大位置を求めるステップと、
   前記電子線の焦点位置を前記最大位置に対応する位置に設定するステップとを含み、
   前記電子線の非点収差を補正する処理は、請求項１〜３のいずれか１項記載の各ステップを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
8. 請求項６又は７記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記試料に対する電子線の焦点位置を略一致させる処理は、試料観察倍率より低い倍率で行うことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
9. 請求項１〜３のいずれか１項記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記非点補正電流値と画像鮮鋭度との関係を表す曲線のピークが２つあるとき、前記２つのピークの間の極小位置を求め、前記非点補正電流値を前記極小位置及び当該非点収差補正器の非点補正電流と非点補正量のヒステリシスを考慮に入れて設定することを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
10. 請求項２及び６〜８のいずれか１項記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記試料に対する電子線の焦点位置の変化は対物レンズの励磁電流を変化させることにより行い、前記電子線の焦点位置を前記極小位置に対応する位置に設定する際に、当該対物レンズの励磁電流と焦点位置のヒステリシスを考慮に入れることを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
11. 請求項２記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記２つのピークから非点隔差量を求めるステップを含むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
12. 請求項１１記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記非点補正電流を変化させる範囲を前記非点隔差量に基づいて求めることを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
13. 請求項１１記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記非点隔差量が予め定めされた閾値より大きいとき前記非点補正処理に進むことを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。
14. 請求項１３記載の透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法において、前記非点隔差量が前記閾値より小さくなるまで前記非点隔差量の測定と前記非点補正処理を反復実行することを特徴とする透過電子顕微鏡又は走査透過電子顕微鏡による試料観察方法。

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