JP4292066B2 - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に操作者による画質調整を支援する機能を有する走査電子顕微鏡に関する。

走査電子顕微鏡の画質を決定する要素の一つとして、試料上に照射される一次電子ビームの電流量があげられる。照射される一次電子ビームの電流量は、収束レンズの励磁の強弱によって調整することができる。図５を用いて、一次電子ビームの電流量の調整原理を説明する。図５は、電子線源５１から発生した一次電子線５３が収束レンズ５４で収束され、対物レンズ５６によって試料上に焦点が合うように収束されている状態を表している。図５（ａ）では、収束レンズ５４が収縮率ｂ_１／ａ_１となる励磁強度に設定されている。図５（ａ）の状態から、収束レンズ５４の励磁を弱くすると、図５（ｂ）の様に像距離はｂ_２となる。図５の斜線の領域５５は電子線の経路内でカットされる電子線を表している。図から分かるように、収束レンズの半開口角は図５（ａ）よりも図５（ｂ）の方が小さくなるため、電子線のカットされる量も小さくなり、図５（ａ）に比較して図５（ｂ）の方が電子ビームの電流量は増大する。一次電子ビームの電流量の制御、すなわち収束レンズの励磁の制御は、例えば特開２０００−１１３８４５号公報に示されているように、照射電流量を指定して励磁強度を設定することにより行われる。

特開２０００−１１３８４５号公報

一般的に、一次電子ビームの電流量が多いほど試料から発生する二次信号が増大する為、画像のＳＮ比は良くなるが、一方で、一次電子ビームの電流量が多くなれば一次電子ビームの直径が大きくなり、分解能が低下する。逆に、分解能を高くする為に一次電子ビームの直径を小さくすると電流量が少なくなり、得られる画像のＳＮ比が悪くなる。従って、充分な分解能とＳＮ比の画像を得る為には、操作者は試料に応じて一次電子ビームの電流量の設定と画質の確認を繰り返す必要があり、その調整には時間がかかる。また、画質の評価は、分解能とＳＮ比のどちらに重点を置くかにより異なり、その判断は操作者の経験によるものであって自動化が困難であり、かつ、初心者が最も良い画質を判別することは容易ではない。

本発明は、調整作業の手間を省き、操作者が必要な画質を持った画像を容易に取得できるようにすることを目的とする。

一次電子ビームの電流量は、収束レンズの制御設定値により変化させることができる。本発明は、収束レンズの制御条件を複数の条件に自動的に変化させ、一次電子ビームの電流量が異なる試料画像を複数取得して並べて表示する。操作者は、各画像の画質の差を視覚的に比較して、画質調整を容易に行うことができる。各画像と共に分解能及び／又はＳＮ比を同時に表示して、画質の差を分解能やＳＮ比でも比較できるようにしてもよい。また、取得した画像の中に所望の画質の画像がない場合は、最も画質の良い試料画像を選択し、その選択した画像を基準として処理の再実行を行う動作を繰り返していくことで、所望の画質に調整を行う。

本発明によれば、一次電子ビーム電流量の異なる複数の画像を視覚的に比較することができ、また、分解能やＳＮ比の比較を視覚的に行うことができ、所望の画質をもった画像の観察が容易になる。

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、本発明による走査電子顕微鏡の一例を示す模式図である。電子銃１は、加速電圧発生回路２により一次電子ビーム３を発生させる。一次電子ビーム３は収束レンズ４により収束され、偏向コイル５により偏向される。対物レンズ６は、試料７上で焦点が合うように一次電子ビーム３を収束する。一次電子ビーム３の照射によって試料７から発生する二次信号８は検出器９により検出され、増幅器１０で増幅され、アナログ−デジタル変換された後、フレームメモリ１１に画像データとして記録される。フレームメモリ１１に記録された試料画像は、表示装置１２に表示される。加速電圧発生回路２、収束レンズ４を制御する収束レンズ制御回路１３、偏向コイル５を制御する偏向制御回路１４、対物レンズ６を制御する対物レンズ制御回路１５、フレームメモリ１１、表示装置１２は、ＣＰＵ１６のバス１７に接続されており、ＣＰＵ１６は装置全体の制御を行う。ここまでは従来の装置構成と同じである。本発明の走査電子顕微鏡は、二次信号８の画像と共に収束レンズ４の制御設定値を記憶する記憶装置１８と、表示装置１２の画面上に表示された画像の中から１つの画像を選択する画像選択手段１９と、分解能測定手段２０と、ＳＮ比測定手段２１を更に備える。

次に、図１の走査電子顕微鏡による画像調整の手順を、図２のフローチャートを用いて説明する。図２には、収束レンズの制御値を３回変化させ、各収束レンズの制御設定値における二次信号画像を用いて画質調整を行う例を示しているが、収束レンズの制御値の変化回数は３回に限らず、少なくとも２回以上の複数回変化させることで同様の処理を行うことができる。

操作者が収束レンズの設定を開始すると、ステップ２１では１回目の収束レンズの設定を行う。この設定値は例えば収束レンズの制御設定値の全範囲が１からＮまでのＮ段階で設定できるとした場合、設定値の全範囲を均等に分割するように設定する。すなわち、本手順により収束レンズ制御設定値を３回変化させる場合は１回の変化量をＮ／４ずつ増加させる。従って、ステップ２１における収束レンズの設定値はＮ／４であり、この設定値はＣＰＵ１６から収束レンズ制御回路１３に入力され、収束レンズ制御回路１３は収束レンズ４を形成する収束レンズコイルに流す励磁電流を変化させ、収束レンズ４の励磁強度を変化することで一次電子ビーム３の収束量を変化させ、電流量を変化させる。次にステップ２２へ進み、記憶装置１８はステップ２１の条件における画像をフレームメモリ１１から取得すると共に、その画像と関連付けてステップ２１の収束レンズ設定値を記憶する。ステップ２３からステップ２６は、ステップ２１からステップ２２と同様の動作を繰り返す。ここでステップ２３の設定値はステップ２１の設定値からＮ／４だけ増加して２Ｎ／４とし、ステップ２５の設定値はステップ２３の設定値からＮ／４だけ増加して３Ｎ／４とする。

ステップ２７では、記憶装置１８からステップ２２、ステップ２４、ステップ２６で記憶した画像を読み出し、表示装置１２に表示される画像選択手段１９により並べて表示する。また、画像選択手段１９には、分解能評価手段２０及びＳＮ比測定手段２１により、各画像の分解能及びＳＮ比を各画像に関連させて表示する。次にステップ２８で、操作者は画像選択手段１９に表示された画像あるいは分解能あるいはＳＮ比を比較、評価し、所望の画質を持つ画像を１枚選択する。次にステップ２９で、ＣＰＵ１６は選択された画像に関連付けられて記憶されている収束レンズの設定値を記憶装置１８から読み込み、その設定値を収束レンズ制御回路１３に入力し、収束レンズ制御回路１３は収束レンズ４を制御し、選択された画像と同じ励磁強度にする。以上の手順により、操作者は選択した画像と同じ画質でライブ画像を観察することができる。

図３により、ステップ２７からステップ２８において画像を並べて表示する手段及び分解能やＳＮ比を表示する手段について説明する。図３は表示装置１２に現在走査中のライブ画像とは別に補助的に表示される収束レンズ設定画面であり、記憶装置１８から読み出した画像を少なくとも２枚以上表示し、また、表示している画像の分解能とＳＮ比の比較ができ、収束レンズの設定の制御ができるようにしたものである。具体的には画像３１、画像３２、画像３３の領域には記憶装置１８に記憶した画像を読み込み表示させ、電子ビーム電流量の違いによる画質の違いを各画像間で比較できるようにしている。

また、グラフ３４は一次電子ビーム電流量の違いによる画質の差を分解能又はＳＮ比で比較できるようにしたものであり、縦軸に分解能及びＳＮ比を示しており、横軸に収束レンズの制御設定値を示している。グラフ３４におけるポイント３５、３６、３７はそれぞれ、画像３１、３２、３３のＳＮ比を表しており、ポイント３８、３９、４０はそれぞれ画像３１、３２、３３の分解能を表している。各分解能及びＳＮ比のポイントは一次電子ビーム電流量の小さい順に左から配置し、前記各ポイントと対比できるように画像３１、３２、３３も同様に一次電子ビーム電流量の小さい順に左から配置する。グラフ３４では収束レンズの制御設定値は小さいほど収束レンズコイル４の励磁電流が大きくなり一次電子ビーム３の電流量が少なくなるとしており、前記で述べた通り、収束レンズの設定値が大きくなる、すなわち一次電子ビームの電流量が多くなるに従い、分解能は低下し、ＳＮ比は良くなることを表している。

分解能は、例えば、分解能測定手段２０によって、画像３１、３２、３３の画像をフーリエ変換することで得ることができる。ディジタル画像をフーリエ変換した場合、最高周波数は２画素の変化を表しており、最低周波数は直流、すなわち画像全域において変化のない構造をあらわす。また、画像の観察倍率から、１画素あたりの長さを求めることができるため、分解能測定を行う画像をフーリエ変換し、その画像に含まれている周波数の上限を求め、その周波数が何画素に相当するかを測定し、距離に換算することで、画像中に表現されている試料構造の凹凸変化の最小距離、すなわち分解能を測定することができる。また、グラフ３４に表示される分解能は画像３１から３３において相対的に比較することができればよく、例えば、分解能は試料上に照射される電子ビームの径の大きさによっても評価することもできる。一般的に電子レンズの半開口角をα、電子銃で発生する光源の輝度β、電子ビームの電流ｉ、加速電圧をＶ、電子レンズの球面収差係数をＣ_ｓ、色収差係数をＣ_ｃ、電子ビームの波長をλとすると、電子ビームの径ｄは次式（１）で表すことができる。したがって、式（１）により求められた電子ビーム径ｄをグラフ３４に表示しても良い。

グラフ３４に表示されるＳＮ比も分解能と同様に、画像３１から３３において相対的に比較することができればよいため、各画像において、信号（Ｓ）とノイズ（Ｎ）を厳密に測定する必要は無く、例えばＳＮ比測定手段２１は、表示されている画像のうち、ビーム電流量が最も多い、すなわちＳＮ比が最も良い画像３３を基準とし、ポイント３５では画像３３と画像３１、ポイント３６では画像３３と画像３２の共分散を求めることでＳＮ比を相対的に比較することができる。

画像の共分散は、次のように求めることができる。図６のような画像Ｘ、及び画像Ｙのディジタル画像において、画像Ｘの各画素の濃度値を１次元の配列Ｘ＝｛ｘ_１，ｘ_２，ｘ_３，・・・ｘ_ｎ｝とし、画像Ｙの各画素の濃度値を１次元の配列Ｙ＝｛ｙ_１，ｙ_２，ｙ_３，・・・ｙ_ｎ｝とした場合、共分散Ｃ_ｏｖ(Ｘ，Ｙ)は、次式（２）で表される。

式（２）においてμ_ｘ、μ_ｙはそれぞれ配列Ｘ、及び配列Ｙの平均値である。ここで、配列Ｘを画像３３の各画素の濃度値とし、配列Ｙを画像３１、又は画像３２の各画素の濃度値として、式（２）により、共分散を求め、画像３１又は画像３２が、ＳＮ比が最も良い画像３３からどれだけ信号（Ｓ）にばらつきがあるかを調べることができる。共分散は、値が大きいほどＳＮ比が悪くなっていることを表し、その値をグラフ３４に表示することでＳＮ比の比較とすることができる。

図３の画面において操作者は、グラフ３４あるいは画像３１から画像３３の画質を直接比較し、所望の画質の画像を選択し、決定ボタン４１を押すことで図２のステップ２８の最適画像の選択を行うことができる。

また、図３の画面で画像３１から画像３３に所望の画質の画像がない場合は、所望の画質に最も近い画質の画像を画像３１，３２，３３の中からマウスでクリックする等して選択する。あるいはグラフ３４上に表示されている、ポイント３５から４０で示される分解能及びＳＮ比の分布から、所望の画質となる収束レンズの設定値を推測し、推測した設定値の位置にカーソル４２を横軸方向にスライドすることで設定値を指定し、再実行ボタン４３を押すことで、収束レンズの設定を選択した画像に関連付けて記録されている収束レンズの設定値、あるいはカーソル４２で指定した収束レンズの設定値を基準値として、再度収束レンズの設定値を変化させて画像の取得及び図３の画面上に表示を行う。

図４は、所望の画質に最も近い画質の画像を選択して収束レンズの設定の再実行を行う場合の手順を示したフローチャートである。まず、ステップ４１では、初回の収束レンズの変化量ＣをＣ＝Ｎ／４と設定する。この変化量Ｃは前述の図２の手順と同様の選定条件であるが、後述の手順において変化量Ｃの値を変更するため定義する。ステップ４２は図２のステップ２１からステップ２６までと同様の動作であり、またステップ４３は図２のステップ２７と同じ動作である為、説明を省略する。次にステップ４４では、図３の収束レンズ設定画面において最適な画質の画像があるかどうかの判定を行う。

所望の画質の画像がない場合は、ステップ４５に進み、図３の収束レンズ設定画面上に表示されている画像３１〜３３から、所望の画質に最も近い画質の画像を選択して、再実行ボタン４３を押す。次にステップ４６に進み、前記選択した画像に関連付けて記憶されている収束レンズ設定値を、本手順における収束レンズ設定値の基準値（中間値）とし、画像と共に再度記憶装置１８に記憶する。次にステップ４７で収束レンズの変化量Ｃの大きさを前回の設定の半分とする。すなわち、初回の収束レンズの変化量はＣ＝Ｎ／４であり、収束レンズの設定の再実行による２回目の収束レンズの変化量はＣ＝Ｃ／２＝Ｎ／８となる。次にステップ４８では、収束レンズ設定値をステップ４６で設定した基準値からＣだけ増加させる。次にステップ４９では記憶装置１８にステップ４８の条件における画像をフレームメモリ１１から取得すると共に、その画像と関連付けてステップ４８の収束レンズ設定値を記憶する。つぎにステップ５０では収束レンズ設定値をステップ４６で設定した基準値からＣだけ減少させ、ステップ５１では記憶装置１８にステップ５０の条件における画像をフレームメモリ１１から取得すると共に、その画像と関連付けてステップ５０の収束レンズ設定値を記憶する。次にステップ４３に戻り、記憶装置１８に再度記録した３枚の画像を図３の収束レンズ設定画面上に表示する。

このようにステップ４４において最適な画質が表示されるまで、ステップ４７で収束レンズ設定値の変化量Ｃの大きさを半分にしながら、収束レンズの設定値の変更と画像の取得、評価を繰り返し行い、ステップ４４において最適な画像が表示された場合、ステップ５２及びステップ５３へ進み、操作者はステップ５２で選択した画像と同じ画質でライブ画像を観察することができる。ステップ５２及びステップ５３の動作はそれぞれ図２のステップ２８、ステップ２９と同じ動作であり、説明は省略する。

図３において所望の画質に最も近い画質の画像を選択する代わりに、カーソル４２により収束レンズの設定値を指定し、再実行ボタン４３を押した場合は、図４のステップ４６において画像を選択する手順が、カーソル４２により、収束レンズの設定値を指定する動作に置き換わり、ステップ４７では指定した設定値を基準値とし、収束レンズの制御を行い、このときの画像と設定値を記憶装置１８に記録する動作に置き換えることで実施できる。

本発明による走査電子顕微鏡の一例を示す模式図。 本発明による画像調整の手順を示すフローチャート。 収束レンズ設定画面の例を示す図。 収束レンズの再設定を行う場合の手順を示すフローチャート。 一次電子ビームの電流量の調整の原理図。 共分散を行う画像の例を示す図。

符号の説明

１：電子銃、２：加速電圧発生回路、３：一次電子ビーム、４：収束レンズ、５：偏向コイル、６：対物レンズ、７：試料、８：二次信号、９：検出器、１０：増幅器、１１：フレームメモリ、１２：表示装置、１３：収束レンズ制御回路、１４：偏向制御回路、１５：対物レンズ制御回路、１６：ＣＰＵ、１７：バス、１８：記憶装置、１９：画像選択手段、２０：分解能選択手段、２１：ＳＮ比測定手段、３１〜３３：画像表示領域、３４：グラフ、３５〜３７：ＳＮ比測定値ポイント、３８〜４０：分解能測定値ポイント、４１：決定ボタン、４２：カーソル、４３：再実行ボタン

Claims (6)

1. 電子銃と、前記電子銃から放出される一次電子ビームを収束する収束レンズと、前記一次電子ビームを試料上に走査する偏向器と、前記一次電子ビームを試料上に合焦する対物レンズと、前記一次電子ビームの照射により試料から発生する二次信号を検出する検出器と、前記二次信号を試料画像として表示する表示手段とを含む走査電子顕微鏡において、 前記収束レンズの制御設定値を複数の値に変化させる手段、前記複数の制御設定値における複数の試料画像を記憶する手段、取得した試料画像の分解能を測定する手段及びＳＮ比を測定する手段を有し、前記収束レンズの制御設定値あるいは一次電子ビームの電流量に対する前記複数の試料画像の分解能及びＳＮ比を比較表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、一方の軸が分解能及びＳＮ比を表し、他方の軸が前記収束レンズの制御設定値あるいは一次電子ビームの電流量を表すグラフにより、前記複数の試料画像の分解能及びＳＮ比を比較表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１又は２記載の走査電子顕微鏡において、前記ＳＮ比を測定する手段は、前記複数の試料画像のうち前記収束レンズの制御設定値が一次電子ビームの電流量が最も多くなる設定値である試料画像と、その他の試料画像との共分散によりＳＮ比を求めることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項２記載の走査電子顕微鏡において、前記グラフ上で前記収束レンズの制御設定値を指定する手段を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 請求項４記載の走査電子顕微鏡において、前記指定した制御設定値を基準として前記収束レンズの制御設定値を前回と異なる複数の値に変化させ、当該複数の制御設定値における複数の試料画像を並べて表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項１〜４のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記記憶した複数の試料画像を前記表示手段に並べて表示することを特徴とする走査電子顕微鏡。

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