JP4486509B2 - 電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、セミインレンズ形走査電子顕微鏡など、複数の二次電子または反射電子検出器を有する電子顕微鏡装置に係わり、特にそれら電子信号の画像調整方法の改良に関する。

走査電子顕微鏡は、電子銃から発生した電子を加速し、細く絞った電子線を試料に走査しながら照射する。試料から発生した二次電子や反射電子を、二次電子検出器や反射電子検出器により検出し、電子線を走査する走査信号に同期させて検出器からの信号を観察画面上に表示する。通常の走査電子顕微鏡では、二次電子検出器や反射電子検出器は対物レンズの下方に配置される。近年の高分解能観察を目的とした装置では、試料と対物レンズ磁極の下端面とを極めて接近させて、試料の観察を行うことができるようになっている。この場合、対物レンズの下に配置した検出器の検出効率が大幅に低下するため、二次電子検出器や反射電子検出器を対物レンズの上方に配置し、試料から発生した二次電子や反射電子を対物レンズの内部の電子線通路を通して対物レンズの上方で検出する方式が取られる。

図１に、セミインレンズ形と呼ばれるこの種の走査電子顕微鏡の例を示す。電子銃１から発生した電子線２は試料４に照射される。試料４から放出された二次電子は対物レンズの上方に配置されている上方検出器６と対物レンズの下方に配置されている下方検出器７により検出するようになっている。
セミインレンズ形の場合は、対物レンズ３の下方に漏れ磁場５を生じる構造のため、試料４から放出された二次電子の多くは漏れ磁場５により対物レンズ３の光軸上に巻き上げられる。さらに加速電極（図示せず）で加速された二次電子は、対物レンズ３の軸上磁場に導かれて対物レンズ３の上方に達し、上方検出器６により検出されることになる。

図１に示すように、対物レンズ磁極の下端面と試料表面までの距離は作動距離（ＷＤ：Working Distance）と呼ばれる。試料４から放出された二次電子が上方検出器６と下方検出器７により検出される量、すなわち検出効率はＷＤの違いにより変化する。ＷＤが小さいほど加速電極と対物レンズ軸上磁場により二次電子が上方へ引っ張られやすくなるので上方検出器６による信号検出量は多くなるが、ＷＤが大きくなるほど加速電極と対物レンズ軸上磁場の影響は小さくなり、反対に下方検出器７による信号検出量が増加する。
上方検出器の信号検出量をＳＥＩ、下方検出器の信号検出量をＬＥＩとおき、図２にＷＤを変化させた場合のＳＥＩとＬＥＩの変化を比較したグラフを示す。横軸はＷＤ（ｍｍ）、縦軸は信号検出量である。ただし縦軸の信号検出量は、上方、下方それぞれの最大信号検出量を“１”として規格化している。図２から、ＷＤの違いによって信号の検出量が変わり、あるＷＤ（グラフ上ではＷＤ＝Ｂで示す）を境に、上方検出器と下方検出器の信号検出量が逆転していることが分かる。

このため、セミインレンズ形走査電子顕微鏡などでは配置場所の異なる複数の二次電子検出器を取り付け、ＷＤの変化に従って各々の検出器からの信号に基づく画像を別々に観察したり、複数の画像を加算して観察することが行われている。
同様の問題は反射電子を検出する場合にも生じるので、配置場所の異なる複数の反射電子検出器を取り付け、二次電子と同様の信号処理を行っている。
従って、以下、単に上方検出器、下方検出器と呼ぶ場合は、二次電子用の上方及び下方検出器、若しくは反射電子用の上方及び下方検出器を指すものとする。
上方検出器と下方検出器からの信号を別々に観察する場合、画像のコントラスト／明るさは、各々の表示画像に対して別々に設定する必要がある。また、複数の信号を加算して画像表示する場合は、一度個々の画像を観察画面上に表示し、観察画面上で像のコントラスト／明るさを調整してから画像加算を行う。

図１に従来の装置構成例を示す。上方または下方検出器のいずれを制御するかを、操作者が信号選択操作部19により選択する。もし下方検出器７が選択されると検出器切換部16は端子Ｄに切換えられ、操作者がコントラスト／明るさ操作部を操作すると、検出器制御部14を介してコントラスト／明るさ増幅器９により下方検出器のコントラスト／明るさが変化する。一方、上方検出器６と下方検出器７で検出された信号は信号選択／加算部10に送られるが、信号選択操作部19で下方検出器７が選択されていると、信号選択／加算部10は端子Ｂ−Ｂ’，が接続され、端子Ａ−Ａ’が切り離された状態になって下方検出器７で検出された信号による画像のみが画像メモリ11を経てディスプレイ12に表示される。次に信号選択操作部19において上方検出器６が選択されると、検出器切換部16は端子Ｃに切換えられ、検出器のコントラスト／明るさ増幅器８が制御され、ディスプレイ12には上方検出器６で検出された信号による画像が表示される。
もし上方と下方検出器とで得られた画像を加算して観察を行う場合は、先ず下方及び上方検出器によって得られる画像のコントラスト／明るさを別々に調整する。次に操作者が加算ON／OFF操作部18で加算ONを選択することにより、信号選択／加算部10の端子Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’が共に接続されるので、加算された画像をディスプレイ12で観察することができる。

図１に例示した従来構成では、コントラスト／明るさ操作部20がひとつだけ備えられており、信号選択操作部19からの指示により検出器切換部16の端子が上方または下方検出器を制御するように切換えられているが、上方と下方検出器用に別々のコントラスト／明るさ操作部を備える構成であっても良い。ただし、近年の電子顕微鏡においては、信号のデジタル制御が主流であり、検出器毎に別々のコントラスト／明るさ操作部を備える必要性は無く、操作性やコスト面の優位性も無いため、図１のような構成を持つ電子顕微鏡が一般的である。

特開２００２−１１００７９号 特開平７−２４０１６８号

上述したように、従来の装置で複数の検出器からの画像信号を加算して画像表示する場合、一度個々の検出器からの画像を観察画面上に表示し、別々に画像のコントラスト／明るさを調整してから、それぞれの画像を加算する必要があった。
また、一度加算して観察している画像のコントラスト／明るさを変化させようとした場合、それぞれの検出器による検出信号量の検出効率が異なると、単純に各々の検出器に対してコントラストの値を比例して調整することはできず、別々にコントラスト／明るさの調整を行わなければならない。何故ならば、検出効率の低い検出器のコントラスト変化量を検出効率の高い検出器と同じ値で変化させると、検出効率の低い検出器の信号はよりノイズの多い信号となり、そのまま加算した画像もノイズの多い画像となってしまうからである。

例えば上述したセミインレンズ形走査電子顕微鏡の上方検出器と下方検出器の場合、図２に示すように、観察条件（この場合はＷＤ）が変化すると検出器の信号の検出効率も変化する。上方検出器と下方検出器の信号を加算させてあたかもひとつの検出器からの画像のように表示させる場合、常に信号が加算された状態でコントラスト／明るさの調整を行えれば操作性が良い。しかし実際にはＷＤが変わるとコントラストに影響する信号検出量が変わるため、従来はＷＤを変えるごとに個々の画像を別々に表示し、画像の明るさを合わせ直してから画像の加算を行わなければならないので、手間のかかる操作が必要である。

本発明は、複数の検出器で検出した信号を加算して画像を得る場合に、各々の検出器の検出効率が異なっても、常に画像を加算した状態でコントラスト／明るさの調整を、ひとつの調整動作で行うことができる手段の提供を目的としている。

上述した課題を解決するために、本発明は、
試料表面に加速された電子線を照射し、発生する二次電子または反射電子を検出して試料表面の観察を行う電子顕微鏡において、
配置場所の異なる少なくとも２つの二次電子または反射電子検出器及びこれら各検出器の制御を行う検出器制御手段を有し、
前記各々の検出器からの信号を加算して画像として表示する表示手段と、観察条件に関する情報に基づいて、前記各々の検出器のコントラストを制御するためのコントラスト可変量係数を算出する算出手段と、操作者により設定される変化量を該算出手段に送る操作手段とを備え、
前記算出手段は、前記操作手段から受ける変化量に対して、前記コントラスト可変量係数に基づいて、前記各検出器のコントラストを制御するための制御信号を前記検出器制御手段に送ることを特徴とする。

また、本発明は、前記各々の検出器に対して、何れの検出器の信号制御を行うかを選択する選択手段と、前記何れの検出器からの信号を画像として表示するかを選択する選択手段とを備えることを特徴とする。

また、本発明は、前記各々の検出器による検出信号量の変化と観察条件の変化との相関関係データを予め求めておき、当該相関関係データに基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする。

また本発明は、前記各々の検出器は、セミインレンズ形走査顕微鏡の対物レンズの上方に取り付けられている上方検出器と当該対物レンズの下方に取り付けられている下方検出器であることを特徴とする。

また本発明は、前記試料表面と前記対物レンズの下端面との間の距離（作動距離）に応じた前記各々の検出器による検出信号量の相関関係データを予め求めておき、当該相関関係データに基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする。

また本発明は、観察条件に応じて、検出効率が低い状態の検出器に対して設定されるコントラスト可変量係数は、検出効率が高い状態の検出器に対して設定されるコントラスト可変量係数よりも小さな値に設定することを特徴とする。

また、本発明は、前記上方検出器と前記下方検出器による検出信号量をそれぞれＳＥＩ，ＬＥＩとおき、前記作動距離を変化させた時ＳＥＩとＬＥＩが等しい値を与える作動距離の値をＢとすると、
前記作動距離＜Ｂの場合は、
前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１、
前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＬＥＩ／ＳＥＩ
を設定し、
Ｂ＜前記作動距離の場合は、
前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＳＥＩ／ＬＥＩ、
前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
を設定することを特徴とする。

また本発明は、前記各検出器により得られた各々の画像のＳ／Ｎを求め、当該各々の画像のＳ／Ｎの値に基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする。

また本発明は、前記各々の検出器は、セミインレンズ形走査顕微鏡の対物レンズの上方に取り付けられている上方検出器と当該対物レンズの下方に取り付けられている下方検出器であることを特徴とする。

また本発明は、前記上方検出器と前記下方検出器により得られた画像のＳ／ＮをそれぞれＳＳＮ，ＬＳＮとおくと、
ＳＳＮ＞ＬＳＮの時、
前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＬＳＮ／ＳＳＮ
ＳＳＮ＜ＬＳＮの時、
前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＳＳＮ／ＬＳＮ
前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
を設定することを特徴とする。

本発明によれば、配置場所の異なる少なくとも２つの二次電子または反射電子検出器の信号検出効率が異なる場合でも、各々の検出器のコントラストを制御するための制御信号を、観察条件に応じたコントラスト可変量係数に基づいて検出器制御手段に与えることにより、信号量の少ない画像信号と信号量の多い画像の信号のコントラストをひとつの制御動作で変化させた時、信号量比率を保ったままで画像ノイズも変化するようになる。そのため、各々の検出器の信号を加算して画像を観察している状態で、観察条件が変わるごとに別々に画像を表示して個々の画像のコントラスト／明るさ調整を行って画像を加算し直す必要が無くなり、常に各々の検出器の信号を加算した状態でひとつの制御動作で画像調整を行うことが可能となり、画像調整時間を大幅に短縮し、操作性を向上させることができる。

セミインレンズ形走査電子顕微鏡に上方検出器と下方検出器を組み込んだ場合を例にとり、図３に基づいて本発明の実施形態例１を説明する。
図１の従来構成例の検出器切換部16が、図３では検出器選択部24に置き換わり、係数算出部23が追加されている。操作者が加算ON／OFF操作部18から加算ONを指示すると、加算ON/OFF制御部22を介して、信号選択／加算部10の端子Ａ−Ａ’,Ｂ−Ｂ’及び検出器選択部24の端子Ｃ−Ｃ’,Ｄ−Ｄ’は共に接続状態となる。加算OFFが選択されている時は、操作者による信号選択操作部19からの指示に従って、信号選択／加算部10及び検出器選択部24の端子は、上方または下方検出器のみの制御を行うように接続状態が設定される。
係数算出部23は、観察条件メモリ21から受け取った観察条件に関する情報に基づいて、上方検出器と下方検出器のそれぞれに対するコントラスト／明るさ制御に必要なコントラスト可変量係数を求めるとともに、コントラスト／明るさ操作部20から受け取るひとつの変化量に対して、求められたコントラスト可変量係数に基づいて、上方検出器と下方検出器の検出器制御部14,15に制御信号を送る。

背景技術の中で述べたように、図３の中のコントラスト／明るさ操作部20に相当する操作部が上方と下方検出器用に別々に備えられていても良い。その場合には、操作者が加算ON／OFF操作部18から加算の指示を行った時、例えば上方または下方検出器用のコントラスト／明るさ操作部のどちらを操作しても、上方と下方検出器の両方を同時に制御可能ならしめる構成とすることは容易である。従って、本発明は図３に例示されている、「コントラスト／明るさ操作部20をただひとつ備えて、それを上方検出器のみ制御する場合、下方のみ検出器のみ制御する場合、上方と下方検出器を同時に制御する場合を選択して切換える構成」に限定されるものではない。図３の中のコントラスト／明るさ操作部20に相当する操作部が上方と下方検出器用に別々に備えられていても良いことは、後述する実施形態例２の構成に関しても同様である。

上記のコントラスト可変量係数の求め方を図４に基づいて説明する。
図４は、横軸にＷＤ、縦軸に上方検出器と下方検出器に与えるコントラスト可変量係数をとったグラフである。上方検出器のコントラスト可変量係数は、図２のグラフのＳＥＩとＬＥＩが等しくなるＷＤ（＝Ｂ）を境にして、ＷＤ＜Ｂの時、コントラスト可変量係数＝１、Ｂ＜ＷＤの時は、図２のグラフのＳＥＩとＬＥＩのデータを用いて、信号量比率＝ＳＥＩ／ＬＥＩを求め、この信号量比率をコントラスト可変量係数として用いる。
同様に下方検出器については、ＷＤ＜Ｂの時、信号量比率＝ＬＥＩ／ＳＥＩをコントラスト可変量係数として用い、Ｂ＜ＷＤの時は、コントラスト可変量係数＝１とする。
ＷＤ＝Ｂの時はどちらかに設定すればよい。
ＷＤの値は観察条件メモリ21から読み取ることができるので、図４のグラフからＷＤに応じたコントラスト可変量係数を設定することができる。

実際の動作は次のようになる。操作者が加算ON／OFF操作部18から加算ONを指示し、画像表示と検出器制御が加算ONの状態に設定されたとする。例えばＷＤ<Ｂの時、図３のコントラスト／明るさ操作部20のコントラスト制御つまみを“１”変化させると上方検出器用の検出器制御部14には“１”の変化量が送られ、下方検出器用の検出器制御部15にはＷＤに応じた“ＬＥＩ／ＳＥＩ”の変化量が送られる。明るさについては、上方及び下方検出器とも同じ変化量を検出器制御部14、15に送る。以上のようにして、ひとつのつまみを変化させるだけで、検出効率の違いを考慮した上方及び下方検出器のコントラスト／明るさ制御を行うことができる。

実施形態例１の説明では、セミインレンズ形走査電子顕微鏡に組み込まれた上方検出器と下方検出器の信号量と作動距離の関係を用いる例を示したが、本発明はこの例に限定されるものではない。一般の電子顕微鏡で複数検出器の検出信号量変化と試料傾斜角度など作動距離以外の観察条件の変化との相関関係データを求めておき、求まっている相関関係を利用してコントラスト可変量係数を設定することも本発明の技術範囲に属する。

次に、セミインレンズ形走査電子顕微鏡に上方検出器と下方検出器を組み込んだ場合を例にとり、図５に基づいて本発明の実施形態例２を説明する。
実施形態例１では、観察条件に依存して変わる検出効率を考慮して、予め観察条件から複数の検出器に設定すべきコントラスト可変量係数を求めておいたが、実施形態例２では、各々の検出器から得られた画像のＳ／Ｎ比に基づいて、各々の検出器に対して設定すべきコントラスト可変量係数を求めるようにしている。図５では、図３の構成に画像メモリ25、Ｓ／Ｎ計算部26、信号取込制御部27が追加されている。観察条件（この場合はＷＤ）が変化した時、上方及び下方検出器で検出された信号は信号取込制御部27を介して画像メモリ25に取り込まれる。Ｓ／Ｎ計算部26は、画像メモリ25に取り込んだ画像についてＳ／Ｎを算出し、演算結果を係数算出部23に送る。Ｓ／Ｎを算出する方法としては、積算画像について信号とバックグランドノイズの比を求める方法や、フーリエ変換を用いた画像処理などの方法が従来技術として知られているが、本発明でＳ／Ｎを求める方法は特に限定しない。

上方検出器により得られた画像のＳ／ＮをＳＳＮ、下方検出器により得られた画像のＳ／ＮをＬＳＮとおくと、係数算出部23は上方及び下方検出器のコントラスト可変量係数を下記のように設定する。
ＳＳＮ＞ＬＳＮの時、
上方検出器の係数＝１
下方検出器の係数＝ＬＳＮ／ＳＳＮ
ＳＳＮ＜ＬＳＮの時、
上方検出器の係数＝ＳＳＮ／ＬＳＮ
下方検出器の係数＝１
ＳＳＮ＝ＬＳＮの時はどちらかに設定すればよい。

加算ONが選択された場合、もしＳＳＮ＞ＬＳＮであれば、図５のコントラスト／明るさ操作部20のコントラスト制御つまみを“１”変化させると上方検出器用の検出器制御部14には“１”の変化量が送られ、下方検出器用の検出器制御部15には“ＬＳＮ／ＳＳＮ”の変化量が送られる。明るさについては上方及び下方検出器とも同じ変化量を検出器制御部14、15に送る。以上のようにして、実際に得られる画像のＳ／Ｎを算出することにより、ひとつのつまみを変化させるだけで、検出効率の違いを考慮した上方及び下方検出器のコントラスト／明るさ制御を行うことができる。

実施形態例２の説明では、セミインレンズ形走査電子顕微鏡に組み込まれた上方検出器と下方検出器から得られた画像を用いる例を示したが、本発明はこれに限定される必要はない。一般の走査形電子顕微鏡や走査透過電子顕微鏡等の装置において、配置場所の異なる二次電子または反射電子検出器から得られる画像のＳ／Ｎを求めておき、コントラスト可変量係数を設定することも本発明の技術範囲に属する。

上方検出器と下方検出器の信号制御を行うための従来構成例。 作動距離（ＷＤ）の変化に対する上方検出器と下方検出器の信号量変化を表すグラフ。 本発明の実施形態例１に係わる構成例。 上方検出器と下方検出器に与えるコントラスト可変量係数とＷＤとの関係を表すグラフ。 本発明の実施形態例２に係わる構成例。

符号の説明

図１，３，５について共通の構成要素には説明の重複を避けるため同じ番号を付している。
１：電子銃 14：検出器制御部（上方）
２：電子線 15：検出器制御部（下方）
３：対物レンズ 16：検出器切換部
４：試料 17：操作部
５：漏れ磁場 18：加算ON／OFF操作部
６：上方検出器 19：信号選択操作部
７：下方検出器 20：コントラスト／明るさ操作部
８：コントラスト／明るさ増幅器（上方） 21：観察条件メモリ
９：コントラスト／明るさ増幅器（下方） 22：加算ON／OFF制御部
10：信号選択/加算部 23：係数算出部
11：画像メモリ（表示用） 24：検出器選択部
12：ディスプレイ 25：画像メモリ（S／N計算用）
13：制御部 26：S／N計算部
27：信号取込制御部

Claims (10)

1. 試料表面に加速された電子線を照射し、発生する二次電子または反射電子を検出して試料表面の観察を行う電子顕微鏡において、
   配置場所の異なる少なくとも２つの二次電子または反射電子検出器及びこれら各検出器の制御を行う検出器制御手段を有し、
   前記各々の検出器からの信号を加算して画像として表示する表示手段と、観察条件に関する情報に基づいて、前記各々の検出器のコントラストを制御するためのコントラスト可変量係数を算出する算出手段と、操作者により設定される変化量を該算出手段に送る操作手段とを備え、
   前記算出手段は、前記操作手段から受ける変化量に対して、前記コントラスト可変量係数に基づいて、前記各検出器のコントラストを制御するための制御信号を前記検出器制御手段に送ることを特徴とする電子顕微鏡。
2. 前記各々の検出器に対して、何れの検出器の信号制御を行うかを選択する選択手段と、前記何れの検出器からの信号を画像として表示するかを選択する選択手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
3. 前記各々の検出器による検出信号量の変化と観察条件の変化との相関関係データを予め求めておき、当該相関関係データに基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする請求項１又は２記載の電子顕微鏡。
4. 前記各々の検出器は、セミインレンズ形走査顕微鏡の対物レンズの上方に取り付けられている上方検出器と当該対物レンズの下方に取り付けられている下方検出器であることを特徴とする請求項１乃至３何れか記載の電子顕微鏡。
5. 前記試料表面と前記対物レンズの下端面との間の距離（作動距離）に応じた前記各々の検出器による検出信号量の相関関係データを予め求めておき、当該相関関係データに基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする請求項４記載の電子顕微鏡。
6. 観察条件に応じて、検出効率が低い状態の検出器に対して設定されるコントラスト可変量係数は、検出効率が高い状態の検出器に対して設定されるコントラスト可変量係数よりも小さな値に設定することを特徴とする請求項１乃至５何れか記載の電子顕微鏡。
7. 前記上方検出器と前記下方検出器による検出信号量をそれぞれＳＥＩ，ＬＥＩとおき、前記作動距離を変化させた時ＳＥＩとＬＥＩが等しい値を与える作動距離の値をＢとすると、
   前記作動距離＜Ｂの場合は、
   前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１、
   前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＬＥＩ／ＳＥＩ
   を設定し、
   Ｂ＜前記作動距離の場合は、
   前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＳＥＩ／ＬＥＩ、
   前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
   を設定することを特徴とする請求項４又は５記載の電子顕微鏡。
8. 前記各検出器により得られた各々の画像のＳ／Ｎを求め、当該各々の画像のＳ／Ｎの値に基づいて前記コントラスト可変量係数が算出されることを特徴とする請求項１記載の電子顕微鏡。
9. 前記各々の検出器は、セミインレンズ形走査顕微鏡の対物レンズの上方に取り付けられている上方検出器と当該対物レンズの下方に取り付けられている下方検出器であることを特徴とする請求項８記載の電子顕微鏡。
10. 前記上方検出器と前記下方検出器により得られた画像のＳ／ＮをそれぞれＳＳＮ，ＬＳＮとおくと、
    ＳＳＮ＞ＬＳＮの時、
    前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
    前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＬＳＮ／ＳＳＮ
    ＳＳＮ＜ＬＳＮの時、
    前記上方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝ＳＳＮ／ＬＳＮ
    前記下方検出器に対する前記コントラスト可変量係数＝１
    を設定することを特徴とする請求項９記載の電子顕微鏡。

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