JP7285885B2 - 電子顕微鏡及び画像生成方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電子顕微鏡及び画像生成方法に関する。
電子顕微鏡において、偏向器又はステージを駆動して視野を変えながら複数の領域の画像を取得(撮影)し、取得した複数の画像を繋ぎ合わせることによってモンタージュ画像を取得する手法(モンタージュ撮影)が知られている。複数の領域の画像を取得する際に、その都度自動フォーカス調整(オートフォーカス)を実行すると、モンタージュ撮影に要する時間が長大化する。特許文献1には、フォーカスマップの作成に関する技術であって、試料面を均等に分割して、分割された平面ごとにフォーカスマップをかける方法が開示されている。
特許第3270687号公報
上記の従来技術では、25箇所の測定点それぞれにおいてフォーカス調整によりZ座標を測定しており、測定領域の広さによってはフォーカス測定点が多くなりすぎる場合がある。
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様によれば、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することが可能な電子顕微鏡及び画像生成方法を提供することができる。
(1)本発明に係る電子顕微鏡は、試料上に設定されたモンタージュ撮影領域内の複数の領域の画像を取得し、取得した複数の画像を繋ぎ合わせることによってモンタージュ画像を生成する電子顕微鏡であって、前記モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点の位置においてフォーカス調整を行って求められた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、前記モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布を算出する試料面高さ算出部と、算出された試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得する画像取得部とを含む。
また、本発明に係る画像生成方法は、試料上に設定されたモンタージュ撮影領域内の複数の領域の画像を取得し、取得した複数の画像を繋ぎ合わせることによってモンタージュ画像を生成する画像生成方法であって、前記モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点の位置においてフォーカス調整を行って求められた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、前記モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布を算出する試料面高さ算出ステップと、算出された試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得する画像取得ステップとを含む。
本発明によれば、モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点の位置それぞれにおいてフォーカス調整を行って求めた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布(フォーカスマップ)を算出し、算出した料面高さの分布に基づいて複数の領域の画像を取得することで、複数の領域の画像を
取得する際に、その都度自動フォーカス調整を実行する必要がなくなるため、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することができる。
(2)本発明に係る電子顕微鏡及び画像生成方法では、前記試料面高さ算出部は、前記モンタージュ撮影領域を長方形で近似し、前記複数点の位置のうち、4点の位置を当該長方形の頂点付近に設定し、2点の位置を当該長方形の長辺の中点付近に設定してもよい。
本発明によれば、モンタージュ撮影領域上の6点の位置においてフォーカス調整を行うだけで、複数の領域の画像を取得する際に、その都度自動フォーカス調整を実行する必要がなくなるため、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することができる。
(3)本発明に係る電子顕微鏡及び画像生成方法では、前記画像取得部は、ユーザによって第1モードが選択された場合に、前記複数の領域のうち自動フォーカス調整を実行する領域を指定するユーザの入力を受け付け、ユーザによって指定された領域の画像を取得する際に自動フォーカス調整を実行し、ユーザによって第2モードが選択された場合に、前記試料面高さ算出部によって算出された前記試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得してもよい。
本発明によれば、第1モードにおいて、ユーザによって指定された領域の画像を取得するときのみ自動フォーカス調整が実行されるため、自動フォーカス調整の実行回数を必要最小限に抑え、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することができる。また、本発明によれば、領域ごとに自動フォーカス調整の実行の有無を指定する第1モードと、フォーカスマップを用いて複数の領域の画像を取得する第2モードをユーザが選択することができるため、ユーザの利便性を向上することができる。
本実施形態に係る電子顕微鏡の構成の一例を模式的に示す図。 モンタージュ撮影領域の一例を示す図。 モンタージュ撮影領域の一例を示す図。 処理部の処理の流れを示すフローチャート。
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
1.構成
図1は、本実施形態に係る電子顕微鏡の構成の一例を模式的に示す図である。ここでは、電子顕微鏡が、走査電子顕微鏡(SEM)の構成を有する場合について説明するが、本発明に係る電子顕微鏡は、透過電子顕微鏡(TEM)の構成を有していてもよいし、走査透過電子顕微鏡(STEM)の構成を有していてもよい。なお本実施形態の電子顕微鏡は図1の構成要素(各部)の一部を省略した構成としてもよい。
電子顕微鏡1は、電子顕微鏡本体10と、処理部100と、操作部110と、表示部120と、記憶部130とを含む。
電子顕微鏡本体10は、電子源11と、集束レンズ12と、偏向器13と、対物レンズ14と、試料ステージ15と、電子検出器16とを備える。
電子源11は、電子線を発生させる。電子源11は、例えば、陰極から放出された電子
を陽極で加速し電子線を放出する電子銃である。
集束レンズ12(コンデンサレンズ)は、電子源11から放出された電子線を集束させて電子プローブを形成するためのレンズである。集束レンズ12によって、電子プローブの径(電子ビーム径)やプローブ電流(照射電流量)を制御することができる。対物レンズ14は、試料Sの直前に配置された電子プローブを形成するためのレンズである。対物レンズ14は磁界レンズであり、電磁コイルを有して構成される。
偏向器13(走査コイル)は、集束レンズ12と対物レンズ14とによって形成された電子プローブ(電子線)を偏向させる。偏向器13は、電子プローブを、試料S上で走査するために用いられる。また、偏向器13は、試料Sの任意の位置に電子プローブを移動させて、当該位置を電子プローブで照射するためにも用いられる。
試料ステージ15は、試料Sを保持し、試料Sを水平方向及び垂直方向に移動させ、また、試料Sを垂直軸回りに回転させる。試料ステージ15は、試料Sを移動・回転させるための駆動機構を有している。
電子検出器16は、電子プローブが試料Sに照射(走査)されることにより試料Sから放出された二次電子や反射電子を検出する。電子検出器16の出力信号(二次電子や反射電子の強度信号)は、増幅器20によって増幅された後、処理部100に供給される。
操作部110は、ユーザが操作情報を入力するためのものであり、入力された操作情報を処理部100に出力する。操作部110の機能は、キーボード、マウス、ボタン、タッチパネル、タッチパッドなどのハードウェアにより実現することができる。
表示部120は、処理部100で生成された画像(電子顕微鏡像、モンタージュ画像など)を出力するものであり、その機能は、操作部110としても機能するタッチパネルや、LCD、CRTなどにより実現できる。
記憶部130は、処理部100の各部としてコンピュータを機能させるためのプログラムや各種データを記憶するとともに、処理部100のワーク領域として機能し、その機能はハードディスク、RAMなどにより実現できる。
処理部100は、電子顕微鏡本体10(電子源11、集束レンズ12、偏向器13、対物レンズ14、試料ステージ15)を制御する処理や、増幅器20によって増幅された検出信号を走査信号に同期させて画像化し試料Sの走査電子顕微鏡像を取得する処理、表示制御等の処理を行う。処理部100の機能は、各種プロセッサ(CPU、DSP等)などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。処理部100は、画像取得部101、画像合成部102、試料面高さ算出部103を含む。
画像取得部101は、試料S上に設定されたモンタージュ撮影領域内に複数の領域を重複領域を設けつつ設定し、試料ステージ15を移動させる制御により視野を変更しつつ電子顕微鏡像を取得することで、モンタージュ撮影領域内の複数の領域の画像を取得する。
画像合成部102は、画像取得部101で取得された各画像の位置を補正して繋ぎ合わせることでモンタージュ画像(合成画像)を生成する。各画像の位置の補正は、例えば、画像間で重なり合っている部分(重複領域)で相互相関法を用いた画像マッチングを行うことにより実現できる。
本実施形態では、モンタージュ撮影モードとして、第1モードと第2モードが用意され
ている。ユーザによって第1モードが選択された場合には、画像取得部101は、モンタージュ撮影領域内の複数の領域のうち自動フォーカス調整を実行する領域を指定するユーザの入力を受け付け、ユーザによって指定された領域の画像を取得する際に自動フォーカス調整(オートフォーカス)を実行し、ユーザによって指定されていない領域の画像を取得する際に自動フォーカス調整を実行しない。
ユーザによって第2モードが選択された場合には、試料面高さ算出部103は、モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点(5点以上、好ましくは6点以上)の位置においてフォーカス調整を行って求められた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布(複数の領域それぞれの試料面高さ)を算出し、画像取得部101は、試料面高さ算出部103によって算出された試料面高さの分布に基づいて、各領域の画像を取得する際の対物レンズ14の励磁量或いは試料ステージ15の高さを制御して複数の領域の画像を取得する。
2.本実施形態の手法
次に本実施形態の手法について図面を用いて説明する。
ユーザは、低倍率で撮影された電子顕微鏡像が表示される表示画面において、モンタージュ撮影領域の位置とサイズを指定することができ、指定された情報に基づいて電子顕微鏡像上(ステージ座標上)にモンタージュ撮影領域が設定される。例えば、ユーザによって指定された2点を対角の頂点とする長方形(矩形)をモンタージュ撮影領域として設定する。モンタージュ撮影領域が設定されると、モンタージュ撮影時の倍率や要求解像度などに基づいて、モンタージュ撮影領域内に複数の領域が重複領域を設けつつ自動的に設定される。図2に示す例では、モンタージュ撮影領域MA内に、X軸方向(横方向)に5個、Y軸方向(縦方向)に6個配列された計30個の領域ARが設定されており、また、表示画面において各領域ARの輪郭が識別可能に表示されている。モンタージュ撮影時には、領域ARを1つの視野として各領域ARの画像が高倍率で撮影され取得される。
ここで、ユーザは、モンタージュ撮影モードとして第1モードを選択した場合には、図2に示すような表示画面(電子顕微鏡像、モンタージュ撮影領域MA及び複数の領域ARが表示される画面)において、領域ARごとに自動フォーカス調整を実行するかどうかを設定(指定)することができる。自動フォーカス調整を実行する領域として指定された領域ARには実行フラグとして「ON」が設定され、その旨が当該領域ARに関連付けて表示される。なお、自動フォーカス調整を実行する領域ARをユーザが個別に指定することに加えて、自動フォーカス調整を実行する周期をユーザが指定できるようにし、例えば、3視野ごとに自動フォーカス調整を実行するといった設定を可能にしてもよい。また、視野を変更する際に試料ステージ15がユーザによって指定された距離以上移動したときに、自動フォーカス調整を実行するようにしてもよい。また、自動フォーカス調整は、既定では、自動フォーカス調整を実行する領域として設定された領域ARの中心位置で実行されるが、当該領域AR内における自動フォーカス調整を実行する位置をユーザが指定(変更)することができるようにしてもよい。このようにすると、例えば自動フォーカス調整を実行する領域ARの中心にコントラストの低い異物があった場合に、自動フォーカス調整の実行位置を当該領域ARの中心からずらすことで、自動フォーカス調整が失敗することを防ぐことができる。
また、ユーザによってモンタージュ撮影モードとして第2モードが選択された場合には、モンタージュ撮影領域MAに対してフォーカスマップ(試料面高さの分布)を作成する。具体的には、まず、モンタージュ撮影領域MAを含む領域に、フォーカス調整を実行する複数の位置(フォーカス測定点)を自動的に設定する。図3に示す例では、モンタージュ撮影領域が2つ以上の領域(4個の領域ARを含むMA、4個の領域ARを含むMA
、1個の領域ARを含むMA)に分離しているため、モンタージュ撮影領域MAを、これら領域(MA、MA、MA)を含む長方形で近似している。そして、図3に示すように、複数のフォーカス測定点(図中星印で示す6点)のうち、4点を長方形の頂点付近に設定し、2点を長方形の長辺の中点付近に設定する。なお、モンタージュ撮影領域MAが正方形の場合は、便宜的にX軸方向(或いは、Y軸方向)の辺を長方形の長辺とみなす。図3に示す例では、フォーカス測定点を長方形の頂点や長辺の中点付近であって長方形の内側に設定しているが、フォーカス測定点を、当該頂点や中点に設定してもよいし、当該頂点や中点付近であって長方形の外側に設定してもよい。フォーカス測定点を当該頂点や中点から長方形の内側或いは外側にずれた位置に設定する場合、当該頂点や中点からX軸方向及びY軸方向に、固定的な距離(例えば、X軸方向に10μm、Y軸方向に10μm)だけ離れた位置に設定してもよいし、長方形の一片の長さにより決まる距離(例えば、長方形の一片の長さの1/4)だけ離れた位置に設定してもよい。なお、長方形の頂点と長辺の中点付近に自動的に設定されたフォーカス測定点を、ユーザが任意に変更できるようにしてもよい。
フォーカス測定点が設定されると、設定された複数のフォーカス測定点において、フォーカス調整(自動フォーカス調整、又は、手動のフォーカス調整)を行って、焦点が合っているときの対物レンズ14の励磁量や試料ステージ15の高さから、各フォーカス測定点の試料面高さ(z)を求める。各フォーカス測定点のステージ座標(x,y)と試料面高さ(z)から、各フォーカス測定点の座標(x,y,z)が求められる。次に、求めた複数のフォーカス測定点の座標(x,y,z)に基づいて曲面近似を行ってモンタージュ撮影領域MAにおける試料面高さの分布を算出する。曲面近似の式は2変数(x、y)の多項式であり、例えば二次曲面の場合、ステージ座標(x,y)での試料面高さ(z)、すなわち、試料面高さの分布z(x,y)は、以下の式(1)で表される。
z(x,y)=ax+bxy+cy+dx+ey+f …(1)
式(1)の係数a~fは、実測した複数のフォーカス測定点の座標(x,y,z)から最小二乗法により求めることができる。第2モードにおいて複数の領域ARの画像を取得する際には、自動フォーカス調整を実行せず、取得する領域ARのステージ座標(x,y)を式(1)に代入して当該領域ARの試料面高さ(z)を求め、求めた試料面高さ(z)に基づいて対物レンズ14の励磁量或いは試料ステージ15の高さを制御することで焦点を合わせる。なお、試料面高さ(z)とは、試料面高さそのものであってもよいし、試料面高さと等価な情報(焦点が合っているときの対物レンズ14の励磁量や試料ステージ15の高さ)であってもよい。
このように本実施形態によれば、第1モードにおいて、モンタージュ撮影領域MA内の複数の領域ARのうちユーザによって指定された領域ARの画像を取得するときのみ自動フォーカス調整が実行されるため、自動フォーカス調整の実行回数を必要最小限に抑え、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することができる。また、本実施形態によれば、第2モードにおいて、モンタージュ撮影領域MAに対して作成したフォーカスマップを用いて複数の領域ARの画像を取得することで、複数の領域ARの画像を取得する際に、その都度自動フォーカス調整を実行する必要がなくなるため、モンタージュ撮影に要する時間を短縮することができる。また、本実施形態によれば、第2のモードにおいてフォーカスマップを作成する際に、試料面高さを曲面近似することで、平面近似よりも近似の精度を向上することができ、また、第2のモードにおいてモンタージュ撮影領域MA全体を曲面近似することで、撮影領域を分割して平面近似を行う従来技術よりもフォーカス測定点の数を少なくすることができる。
なお、第2モードにおいても、ユーザが自動フォーカス調整を実行する領域ARを指定できるようにし、複数の領域ARの画像を取得する際に、ユーザによって指定された領域
ARについては例外的に自動フォーカス調整を実行するようにしてもよい。
3.処理
図4は、処理部100の処理の流れを示すフローチャートである。ここでは、モンタージュ撮影領域MAと、モンタージュ撮影領域MA内の複数(N個)の領域ARが既に設定されているものとする。
画像取得部101は、モンタージュ撮影モードを選択する入力(操作)があったか否かを判断し(ステップS10)、当該入力があった場合(ステップS10のY)には、第1モードが選択されたか否かを判断する(ステップS11)。
第1モードが選択された場合(ステップS11のY)には、画像取得部101は、モンタージュ撮影領域MA内の複数の領域ARのうち自動フォーカス調整を実行する領域ARを指定する入力があったか否かを判断し(ステップS12)、当該入力があった場合(ステップS12のY)には、指定された領域ARの実行フラグを「OFF」から「ON」に設定する(ステップS13)。次に、画像取得部101は、領域ARの指定が完了したことを指示する入力があったか否かを判断し(ステップS14)、当該入力がなかった場合(ステップS14のN)には、ステップS12に移行する。
領域ARの指定が完了したことを指示する入力があった場合(ステップS14のY)には、画像取得部101は、変数nに1をセットし(ステップS15)、N個の領域ARのうちn番目の領域ARの視野まで試料ステージ15を移動させる(ステップS16)。次に、画像取得部101は、n番目の領域ARの実行フラグに「ON」が設定されているか否かを判断し(ステップS17)、実行フラグに「ON」が設定されている場合(ステップS17のY)には、自動フォーカス調整を実行し、焦点が合うように対物レンズ14の励磁量や試料ステージ15の高さを制御する(ステップS18)。実行フラグに「OFF」が設定されている場合(ステップS17のN)には、ステップS18をスキップし、対物レンズ14の励磁量や試料ステージ15の高さについて現在の設定を維持する。次に、画像取得部101は、n番目の領域ARの画像を取得し(ステップS19)、変数nがNに達したか否かを判断する(ステップS20)。変数nがNに達していない場合(ステップS20のN)には、画像取得部101は、変数nに1を加算して(ステップS21)、ステップS16に移行する。
第2モードが選択された場合(ステップS11のN)には、試料面高さ算出部103は、モンタージュ撮影領域MAを含む領域(長方形で近似されるモンタージュ撮影領域MAの頂点付近及び長辺の中点付近)に複数のフォーカス測定点を設定し(ステップS22)、設定した各フォーカス測定点で自動フォーカス調整を実行して各フォーカス測定点の試料面高さを求め(ステップS23)、求めた各フォーカス測定点の試料面高さに基づき曲面近似を行って試料面高さの分布(式(1)の係数a~f)を算出する(ステップS24)。
次に、画像取得部101は、変数nに1をセットし(ステップS25)、N個の領域ARのうちn番目の領域ARの視野まで試料ステージ15を移動させる(ステップS26)。次に、画像取得部101は、n番目の領域ARのステージ座標と算出した試料面高さの分布とに基づいてn番目の領域ARの試料面高さを算出し、算出した試料面高さに基づいて対物レンズ14の励磁量や試料ステージ15の高さを制御することで焦点を合わせる(ステップS27)。次に、画像取得部101は、n番目の領域ARの画像を取得し(ステップS28)、変数nがNに達したか否かを判断する(ステップS29)。変数nがNに達していない場合(ステップS29のN)には、画像取得部101は、変数nに1を加算して(ステップS30)、ステップS26に移行する。
変数nがNに達した場合(ステップS20のY、ステップS29のY)には、画像合成部102は、取得した各画像(1~N番目の領域ARの画像)の位置を補正し(ステップS31)、位置が補正されたN個の画像を繋ぎ合わせてモンタージュ画像を生成する(ステップS32)。
なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1…電子顕微鏡、10…電子顕微鏡本体、11…電子源、12…集束レンズ、13…偏向器、14…対物レンズ、15…試料ステージ、16…電子検出器、20…増幅器、100…処理部、101…画像取得部、102…画像合成部、103…試料面高さ算出部、110…操作部、120…表示部、130…記憶部

Claims (4)

  1. 試料上に設定されたモンタージュ撮影領域内の複数の領域の画像を取得し、取得した複数の画像を繋ぎ合わせることによってモンタージュ画像を生成する電子顕微鏡であって、
    前記モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点の位置においてフォーカス調整を行って求められた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、前記モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布を算出する試料面高さ算出部と、
    算出された試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得する画像取得部とを含むことを特徴とする、電子顕微鏡。
  2. 請求項1において、
    前記試料面高さ算出部は、
    前記モンタージュ撮影領域を長方形で近似し、前記複数点の位置のうち、4点の位置を当該長方形の頂点付近に設定し、2点の位置を当該長方形の長辺の中点付近に設定することを特徴とする、電子顕微鏡。
  3. 請求項1又は2において、
    前記画像取得部は、
    ユーザによって第1モードが選択された場合に、前記複数の領域のうち自動フォーカス調整を実行する領域を指定するユーザの入力を受け付け、ユーザによって指定された領域の画像を取得する際に自動フォーカス調整を実行し、ユーザによって第2モードが選択された場合に、前記試料面高さ算出部によって算出された前記試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得することを特徴とする、電子顕微鏡。
  4. 試料上に設定されたモンタージュ撮影領域内の複数の領域の画像を取得し、取得した複数の画像を繋ぎ合わせることによってモンタージュ画像を生成する画像生成方法であって、
    前記モンタージュ撮影領域を含む領域に設定された複数点の位置においてフォーカス調整を行って求められた各位置の試料面高さに基づいて曲面近似を行って、前記モンタージュ撮影領域における試料面高さの分布を算出する試料面高さ算出ステップと、
    算出された試料面高さの分布に基づいて前記複数の領域の画像を取得する画像取得ステップとを含むことを特徴とする、画像生成方法。
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