JP5189058B2 - 走査形電子顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、収束された電子線を試料に走査することにより発生する２次粒子信号をデジタル処理することで二次元像を得る走査形電子顕微鏡に関する。

表面の凹凸が大きい試料を観察する場合に、電子ビームの焦点深度が試料の凹凸より浅いと、走査電子像がボケて明瞭な像が得られない。この場合、電子ビームの開き角を小さくして焦点深度を深くすることにより、明瞭な像を得ることができる。しかし、開き角を小さくすると、絞りにおける回折効果により電子ビーム径が大きくなり、像解像度を劣化させる。このように、焦点深度と電子ビーム径はトレードオフの関係にある。ここで、人間の目の分解能は限りがあることから、電子ビーム径は走査電子像に対する人間の目の分解能以下であればよいという前提にもとづき、特開平１−２３６５６３号公報では、走査電子像の倍率変更に応じて電子ビーム径を少なくとも人間の目の分解能以下になる最小の電子ビーム開き角に設定することで、設定された観察倍率において最大の焦点深度を得ている。

近年の走査形電子顕微鏡では、専ら２次粒子信号をアナログ−デジタル変換してディスプレイ等に投影する。このとき、走査電子像は有限の表示領域を持つ画素によって構成される。このため、走査電子像の解像度は、一つの画素が相当する視野領域、いわゆる画素サイズ以下となる。このようなデジタル処理された走査電子像の分解能に関して、Nuclear Instruments and Methods in Physics Reserch A519 280に述べられている。ここでは、Information Passing Capacity (IPC)法を用いてデジタル走査電子像の分解能を評価している。画素サイズが電子ビーム径に比べて十分小さいときは、分解能はほぼ電子ビーム径と同じになるが、画素サイズが大きくなるにつれて分解能は劣化する。電子ビーム径が画素サイズより十分小さくなるような像倍率のとき、走査電子像の分解能は高々１．７Ｌｐとなる。ここで、Ｌｐは画素サイズを示す。

特開平１−２３６５６３号公報

Sato,M., et al.:Nuclear Instruments and Methods in Physics Reserch A519 280.

画素サイズは、視野領域と画素数により決まる。ここでの画素数とは、デジタル変換する際の１画面分の画素数を指す。この画素数は、観察用途によって変更する必要がある。像解像度を上げるために画素数を増やすと、アナログ−デジタル変換におけるサンプリング時間が増加するため、画像撮像時間の増加に繋がる。このため、観察する試料の寸法や観察倍率に応じて、必要な像解像度を得るのに十分な画素数に設定している。このように、デジタル情報としての走査電子像の分解能は、画素サイズに応じて評価する必要がある。

特開平１−２３６５６３号公報においては、電子ビーム径を観察倍率と観察上許容できる像ボケ量から算出している。しかし、当該方式でデジタル処理を行う場合、デジタル画像としての走査電子像の分解能を考慮しておらず、かつ画素数の変化に対応できない。

また、走査電子像の画像処理に関しても、画素サイズに応じた画像分解能の評価が必要である。電子顕微鏡の自動焦点調整機能、いわゆるオートフォーカスの動作の一例として、次の動作が挙げられる。焦点を変化させながら走査電子像を撮像し、取得した画像に微分演算を行い、コントラストの強弱を示す特徴量を算出する。この特徴量から、最適な焦点位置を求める。このオートフォーカスを精度よく行うためには、走査電子像に関して十分な分解能を有するように電子ビームの開き角を設定しなければならない。このとき、オートフォーカスにおいて取得される走査電子像がデジタル情報であるならば、画素サイズを考慮して分解能を評価しなければならない。

本発明は、画像信号をデジタル処理する走査電子顕微鏡において、最深の焦点深度と最良の分解能を得る方法を提供することを目的とする。

本発明は、複数の収束レンズ等により光学系の開き角を変化させる手段をもち、あわせて、収束レンズ及び視野補正コイル条件を記憶する機能を持ち、以上の手段を用いて走査電子像の画素サイズに応じて電子ビーム開き角を設定することにより、適切な光学条件に切替えることで目的を達成する。

すなわち、本発明による走査形電子顕微鏡は、試料を保持する試料保持部と、電子線源と、電子線源から放出された電子線を収束するための収束レンズと、収束された電子線を試料上に微小スポットとして照射する対物レンズと、電子線を試料上に走査する走査コイルと、電子線照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、検出器による検出信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器と、アナログ−デジタル変換器によってデジタル変換された信号を画像信号として記憶する記憶部と、記憶部に記憶された画像信号を画像として表示する表示部とを備え、アナログ−デジタル変換器はサンプリングレートを切替えて一画面分の画素数を切替えることができるものであり、一画面分の画素数に応じて決まる画素サイズ（１画素あたりの視野領域）に応じて、前記電子線の開き角を変化させることを特徴とする。

本発明によれば、画像信号をデジタル処理する走査形電子顕微鏡において、画素サイズの変化に応じて、最深の焦点深度と最良の分解能を得ることができる。

本発明が適用される走査形電子顕微鏡の構成例を示す図。 一次電子線の開き角を制御する手段の構成例を示す図。 Low Magモードでの電子ビーム軌道概念図。 電子ビーム開き角と焦点深度の関係を示す図。 画素サイズと開き角の関係図。 開き角設定の制御流れのフローチャート。 観察条件設定及び表示ウィンドウの模式図。

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、本発明が適用される走査形電子顕微鏡の構成例を示す図である。陰極１と第１陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）２２で制御される高圧制御電源１５により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第２陽極３の間には、ＣＰＵ２２で制御される高圧制御電源１５により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された一次電子線４は加速されて後段のレンズ系に進行する。

一次電子線４は、第１収束レンズ制御電源１６で制御された第１収束レンズ５で収束され、絞り板８で不要な領域を除去された後、第２収束レンズ制御電源１７で制御された第２収束レンズ６、及び対物レンズ制御電源２１で制御された対物レンズ７により、試料ステージ２３に保持された試料１１に微小スポットとして収束される。試料ステージ２３はステージ制御部２４によって制御される。対物レンズ７は、インレンズ方式、アウトレンズ方式、又はシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など種々の形態をとることができる。

一次電子線４は、走査コイル９で試料上を二次元的に走査される。一次電子線４の照射により試料１１から発生した二次電子１３等の二次信号（試料信号）は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１２により、それぞれエネルギーの違いにより分離されて二次信号検出器１４の方向に進行する。これらの二次信号は、その後、二次信号検出器１４で検出される。

二次信号検出器１４の信号は、それぞれ信号増幅器２０、アナログ−デジタル変換器２９、ＣＰＵ２２を経て、二次元像信号としてコンピュータ２５の記憶メモリに記憶される。アナログ−デジタル変換器２９は、必要とされる撮像時間や像解像度に応じてサンプリングレートを切替えて一画面分の画素数を切替えることができる。コンピュータ２５に記憶された画像情報は、画像表示装置２６に随時表示される。走査コイル９の信号は、観察倍率に応じて走査コイル制御電源１８により制御される。

この場合、第１収束レンズ５及び第２収束レンズ６の収束条件及び絞り板８の穴径により開き角α_１は決定される。

次に、図２は本発明が適用された電子顕微鏡において、一次電子線４の開き角を制御する手段の構成例を示している。

ＣＰＵ２２及び第２収束レンズ制御電源１７で制御された第２収束レンズ６によって、第２収束レンズ６による一次電子線４の収束点、いわゆる第２収束レンズ像点を、一次電子線４の光路上の任意の点に設定できる。例えば、一次電子線４の第２収束レンズ像点を図２のＺ_１，Ｚ_２のように異なる点に設定できる。このとき、ＣＰＵ２２及び対物レンズ制御電源２１で制御された対物レンズ７により、第２収束レンズ６によって異なる第２収束レンズ像点に設定された場合に対して、一次電子線４を試料上に収束させることができる。ここで、第２収束レンズ像点がＺ_１，Ｚ_２の場合、一次電子線４の第２収束レンズ像点より下流において、それぞれ一次電子線軌道３０、一次電子線軌道３１のような軌道をとる。このように、第２収束レンズ像点を変化させ、かつ対物レンズ７により試料上に一次電子線４を収束させることで、一次電子線４が試料１１に到達する時の開き角を設定することができる。

また、異なる第２収束レンズ像点に設定するのに必要な第２収束レンズ制御パラメータ、及び、このときに一次電子線４を試料１１に収束するための対物レンズ制御パラメータを予め光学条件記憶装置３３に記憶しておき、これらのパラメータを、光学条件記憶装置３３から呼び出してＣＰＵ２２、第２収束レンズ制御電源１７、対物レンズ制御電源２１を制御することで、異なる一次電子線４の開き角を速やかに変更することができる。ここで、光学条件記憶装置３３は、ＣＰＵ２２又はコンピュータ２５により実行することもできる。

第２収束レンズ像点を移動すると、第２収束レンズ６と対物レンズ７の磁場分布中心と一次電子線４の光路の不一致に起因して、一次電子線４の試料到達点が移動する場合がある。この移動量を補正するために、ＣＰＵ２２と視野移動コイル制御電源１９により制御された視野移動コイル１０により、一次電子線４を偏向し、位置を補正することもできる。このときのＣＰＵ２２と視野移動コイル制御電源１９の制御パラメータは、予めＣＰＵ２２又は、コンピュータ２５に記憶させることができる。

ここでは、収束レンズは２段を想定し、第２収束レンズのみを制御することで開き角を変化させたが、収束レンズを３段以上使用する場合でも、また、２つ以上の収束レンズを同時に制御する場合でも同様の効果が得られる。また同様に、絞り板８の位置及び数についてもこれ以外の構成も可能であるが、効果は同様である。

また、ここでは収束レンズを用いて電子ビームの開き角を変化させているが、複数の異なる直径の絞り穴を切替えることで開き角を変化させることによっても、同様の効果が得られる。

本実施例では第２収束レンズ物点を変化させて対物レンズ開き角を変化させるが、電磁レンズはコイルのインダクタンスに起因して応答速度が遅い場合がある。この問題の解決方法として、第２収束レンズ６と対物レンズ７の間にクロスオーバーを持たない電子ビーム収束条件にすることにより、開き角変更制御をより高速に行うことも可能である。ここでの収束条件をLow Magモードと称する。図３に、Low Magモードでの電子ビーム軌道概念図を示す。Low Magモードでは第２収束レンズ６の物点が長いため、第２収束レンズコイル電流の僅かな変化でも第２収束レンズ物点を大きく変化させることができる。このことから、応答速度が遅い電磁レンズでも、素早い開き角変更が可能になる。

次に、画素サイズによる電子ビーム開き角の設定方法を説明する。
電子ビーム開き角と分解能及び焦点深度の関係について、図４に示す。試料上での電子ビーム径のみを考慮した場合の走査電子像の分解能は、図４の点線のような関係となる。このとき、開き角がα_０において最小の分解能を得る。走査電子像の分解能は通常最適分解能を得てかつ深い焦点深度を得るため、グラフの左半分のα＜α_０以下の領域にて使用している。この開き角と分解能の関係は、電子軌道シミュレーションや実験により導出しておき、記憶装置に記憶させる。

次に、２次粒子信号をデジタル変換して得られた走査電子像の分解能を実線で示す。図４中のＡからＢの領域は、開き角を変化しても分解能が変わらない。これは画素サイズにより画像の解像度が制限されるためである。Nuclear Instruments and Methods in Physics Reserch A519 280によれば、電子ビーム径が画素サイズに比べて十分小さい場合、画素サイズをＬｐとしたときの分解能は最良で１．７Ｌｐになる。

このため、画素サイズがＬｐのとき、深い焦点深度と高い分解能を両立するためには、Ａ点で示される開き角α_ｍｉｎに設定すればよい。このα_ｍｉｎに設定されるように、図２及び図３で示した実施例のような例にもとづき、収束レンズを制御する。

画素サイズに対する開き角の設定の実施例について、図５にて説明する。図５の横軸と縦軸は、それぞれ画素サイズと開き角を示す。実線の例において、点Ｘ_１より画素サイズが大きい領域において、画素サイズの拡大につれて開き角を縮小する。このことは、画素数一定の場合に、倍率が小さくなるにつれて焦点深度が深くなること意味する。点Ｘ_１より画素サイズが小さい場合は、開き角一定にする。これは、画素サイズが電子ビーム径より十分小さい場合、分解能は画素サイズに依存しないため、焦点深度拡大の観点から開き角を一定とする。

一方で、開き角を極端に小さくすると、電子のクーロン効果に起因する近接効果によりビームの散乱が懸念される。このことは、電子ビーム電流量が大きい場合に顕著に表れる。このため、破線における点Ｘ_３より画素サイズ大の領域で示すように、ある画素数以上では開き角を一定としてもよい。また逆に開き角を極端に大きくすると、電子ビーム軌道中心の電流密度が高くなる半面、電子ビーム外周部のフレアが増大する。フレアの増大は、走査電子像のＳ／Ｎ比を劣化させる。このため、電子ビーム径に比べて画素サイズが十分小さくない場合でも、図５の点Ｘ_２より画素サイズが小さい領域で示されるように開き角一定に制御してもよい。

図６に、観察時の開き角制御の流れ図を示す。図２のキーボード２７、マウス２８により観察倍率が設定される（ステップ６０１）。この観察倍率設定は、一連の観察条件をコンピュータ２５に記憶しておき、自動で設定することも可能である。次に、設定された倍率と画素数から画素サイズを算出する（ステップ６０２）。次に、コンピュータに記憶しておいた開き角と分解能の関係のデータをもとに、設定された画素サイズに対する最適開き角を算出する（ステップ６０３）。

この開き角に対して、収束レンズ電流と対物レンズ電流の算出（ステップ６０４）、視野移動コイル電流の算出を行う（ステップ６１０）。収束レンズ、対物レンズ、視野移動コイル電流設定に関しては、予め記憶装置に記憶された開き角に対する収束レンズ、対物レンズ、アライメントコイル電流値の関係式より導出するか、複数の条件に対するデータをもとに内挿して導出する。これらの計算をもとに、収束レンズ電源と対物レンズ電流の設定（ステップ６０５）、視野移動コイル電流の設定（ステップ６１１）を行う。

走査コイル電流に関しては、対物レンズ７の倍率を算出（ステップ６０７）した後に、設定された倍率にするための走査コイル電流を求める（ステップ６０８）。求められた走査コイル電流値をもとに走査コイル電流へ設定する（ステップ６０９）。

収束レンズ、対物レンズ、アライメント、走査コイル電流の算出においては、電子軌道シミュレーションや実験により得られた開き角との関係を数式にフィッティングしたものを利用しても良いし、数点の開き角の条件についてのデータをもとに内挿して求めてもよい。

前記のような画素サイズによる開き角の制御方法をもとに、倍率と１画面を構成する画素数を個別に指定し、かつ像分解能と焦点深度をディスプレイ等に表示することもできる。図７は、ディスプレイ上の表示例を示す図である。このウィンドウは数値入力及び表示を行うために画像表示装置２６に表示する。倍率入力欄７０１と画素数入力欄７０２には、所望の倍率と画素数を入力する。これらの入力は、キーボード２７やマウス２８を用いて行う。倍率入力欄７０１と画素数入力欄７０２への数値入力が終了すると、コンピュータ２５あるいはＣＰＵ２２で開き角、分解能、焦点深度の計算を行う。この開き角をもとに、電子ビームの制御を行う。また、焦点深度と分解能を、図７の分解能表示欄７０３、焦点深度表示欄７０４、開き角表示欄７０５に表示する。

１：陰極、２：第１陽極、３：第２陽極、４：一次電子線、５：第１収束レンズ、６：第２収束レンズ、７：対物レンズ、８：絞り板、９：走査コイル、１０：視野移動コイル、１１：試料、１２：直交電磁界発生装置、１３：二次電子、１４：二次信号検出器、１５：高圧制御電源、１６：第１収束レンズ制御電源、１７：第２収束レンズ制御電源、１８：走査コイル制御電源、１９：視野移動コイル制御電源、２０：信号増幅器、２１：対物レンズ制御電源、２２：ＣＰＵ、２３：試料ステージ、２４：ステージ制御部、２５：コンピュータ、２６：画像表示装置、２７：キーボード、２８：マウス、２９：アナログ−デジタル変換器、３０：一次電子線軌道、３１：一次電子線軌道、３３：光学条件記憶装置、７０１：倍率入力欄、７０２：画素数入力欄、７０３：分解能表示欄、７０４：焦点深度表示欄、７０５：開き角表示欄

Claims (4)

1. 試料における一画面分の視野領域に対して一次電子線を照射することにより得られる信号を前記視野領域に含まれる画素数を規定するサンプリングレートにてアナログ−デジタル変換し、前記画素数で取得したデジタル画像情報を画像として表示する走査形電子顕微鏡であって、
   前記一次電子線を発生する電子線源と、
   前記一次電子線を前記試料上に収束させる対物レンズと、
   前記対物レンズよりも前記電子線源側に設けられ、前記一次電子線の光路上に像点を形成する集束レンズと、
   前記画像の倍率および前記画素数をそれぞれ入力する倍率入力欄および画素数入力欄とが表示されるディスプレイと、
   前記倍率入力欄および画素数入力欄に入力された値をもとに前記一次電子線の開き角を計算する演算手段とを備え、
   当該計算された開き角にもとづき前記一次電子線の開き角を制御することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
2. 請求項１に記載の走査形電子顕微鏡において、
   前記演算手段が、前記倍率入力欄および画素数入力欄へ入力された値をもとに、画像分解能および焦点深度を更に計算することを特徴とする走査形電子顕微鏡。
3. 請求項２に記載の走査形電子顕微鏡において、
   前記計算された、開き角、画像分解能および焦点深度が前記ディスプレイ上に表示されることを特徴とする走査形電子顕微鏡。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の走査形電子顕微鏡において、
   前記信号を検出する検出器と、
   当該検出器による検出信号をアナログ−デジタル変換するアナログ−デジタル変換器とを備え、
   前記アナログ−デジタル変換器は、前記倍率入力欄および画素数入力欄へ入力された値をもとにサンプリングレートを切り替えることを特徴とする走査形電子顕微鏡。