JPH03291839A - フィールドエミッション走査電子顕微鏡の信号処理回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、電子銃から発射された電子ビーム電流に相応
するモニタ電流及び試料からの２次電子量等に相応する
検出電流を入力し、演算により２次電子量等に関連した
電圧信号（ビデオ信号）を求めてそれを出力するフィー
ルドエミッション走査電子顕微鏡の信号処理回路に関す
る。

（従来の技術） エミッタと引出し電極間に電圧を印加して該空間に引出
し電界を形成し、エミッタ先端部より電工を放出させる
ようにした電界放射電子銃では、エミッタの材質や形状
、エミッタ近傍の真空度等に起因して電子の放出量が経
時的に変動することが知られている。

この様な電界放射電子銃を電子源としたフィールドエミ
ッション走査電子顕微鏡等の表面分析装置では、電子銃
から放出されて試料に照射される電子ビーム量が変動す
ることにより、該電子ビームの照射により試料から放出
される２次電子等の信号が変動し、フィールドエミッシ
ョン走査電子顕微鏡像の明るさが部分的に変動してしま
う事が問題とされている。

従来のフィールドエミッション走査型電子顕微鏡の信号
処理回路では、このような影響を避けるため、第２図の
如き構成をとっている。図において、１ｘ（ｔ）は電子
銃から発射された電子ビーム電流に相応するモニタ電流
、Ｉｚ（ｔ）は試料からの２次電子量等に相応する検出
電流で、Ａ１及びＡ２は、各々この電流１ｘ（ｔ）　、
　１ｚ（ｔ）を電圧信号に変換する電流−電圧変換増幅
器である。この変換増幅器Ａ、、Ａ、とじては、通常各
々低雑音増幅器が用いられる。Ａ、及びＡ４は、それぞ
れ変換増幅器Ａ１及びＡ２の出力電圧を増幅する増幅器
、Ａ、は増幅器Ａ３の出力信号で増幅器Ａ４の出力信号
を割算するアナログ割算器である。Ａ６は、前記アナロ
グ割算器Ａ５の出力信号と直流信号Ｖ、を受けてこれら
の差信号を出力する差動増幅器で、この増幅器Ａ６の出
力電圧Ｖ。が信号処理回路の出力となりＣＲＴ上に表示
されることになる。

この様に構成された従来回路の動作を概説する。

先ず、試料からの２次電子量等に相応する検出電流１ｚ
（ｔ）に関連した電圧信号（増幅器Ａ４の出力）を、モ
ニタ電流１ｘ（ｔ）に関連した信号（増幅器Ａ、の出力
）で割ることにより電子ビームの変動の影響を除去でき
る原理について説明する。電子銃から発射された電子ビ
ーム電流に相応するモニタ電流１ｘ（ｔ）は、電子銃特
有の変動分を含んでおり、その直流分をＩｘ、変動率を
ｋ（ｔ）として次式で表される。

１ｘ（ｔ）　−１ｘ　　（１＋ｋ（ｔ）ｌ　　　　−（
１）ｔ：時間 一方、プローブ電流１ｐ（ｔ）も同様に表すことができ
、直流分をＩｐ、変動率をに’（ｔ）として次式％式％ （２） 電子ビームを試料に照射することにより、試料から出現
する２次電子等の信号の収率をｑ　（ｔ）とすると、上
記電流１ｚ（ｔ）は次式で表される。

１ｚ（ｔ）　　−ｔ（ｔ）　・＋ｐ（ｔ）−η（１）・
Ｉ　ｐ　　Ｈ＋に’（ｔ）　１・・・　（３） ここで、信号１ｘ（ｔ）及び１ｚ（ｔ）を電圧信号に変
換した後、アナログ割算器Ａ５の入力レベルまで電圧増
幅して割算を行うと、アナログ割算器Ａ、の出力電圧ｅ
０は次式で表される。

ｅＯ＝に−ｖ（ｔ）−１ｐ　　（１十に’（ｔ）　）　
／Ｉ　ｘ　　（１＋ｋ（ｔ）ｌ　　　　　−（４）Ｋ：
定数 ここで、変動率ｋ（ｔ）は変動率に’（ｔ）と殆ど同一
と考えてよい。よって（４）式は次式で表現できる。

ｅｏ　−Ｋ　＠４ｆｔ）φＩ　ｐ／　Ｉ　ｘ−にダ（１
）　　　　　　　　　・・・（５）Ｋ゛：定数 即ち、アナログ割算器Ａ、の出力電圧ｅ０からは変動分
が除去され、観察すべき成分ｙｅｔ）のみが残る。

（発明が解決しようとする課８） さて、第２図に示す従来回路では、電流−電圧変換増幅
器Ａ１及びＡ２により電圧に変換された信号を、そのま
ま電圧増幅器Ａ、及びＡ４で増幅している。従って、像
のコントラストに最も寄与する交流分の他にフォトマル
等の出力信号中に含まれていた直流分も増幅することに
なる。一般に、信号は増幅回路（処理回路）の前段部で
増幅する程Ｓ／Ｎ比が向上するが、上記従来例において
は増幅器Ａ、、Ａ４及び割算器Ａ、のダイナミックレン
ジに限界があることと相俟って、ＣＲＴ画像のコントラ
ストに寄与する交流分を前段増幅部で充分に増幅するこ
とができない。この為、第２図に示す回路では前段部で
信号の充分な増幅か行えないので、Ｓ／Ｎ比が悪くなる
。たとえ後段部の増幅器Ａ６で直流分ｖＬを差引いて増
幅しても、Ｓ／Ｎ比の向上は期待できない。

又、電子銃から発射された電子ビームを試料上で高速に
走査した場合、前記アナログ割算器Ａ。

の高域周波数特性が悪いために充分な周波数特性が得ら
れず、その結果、ＣＲＴ画像は精度の低いものとなる。

本発明はこの様な問題を解決することを１的としたもの
である。

（問題を解決するための手段） その為に本発明は、試料からの電子量に相応する検出電
流を電圧信号に変換する第１電流−電圧変換器、電子銃
から発射された電子ビーム量に相応するモニタ電流を電
圧信号に変換する第２電流−電圧変換器、直流分信号発
生器、前記第２電流−電圧変換器からの電圧信号をデジ
タル化した信号と前記直流分信号発生器からのデジタル
直流分信号の積を取るデジタル乗算器、前記第１電流−
電圧変換器からの電圧信号から前記デジタル乗算器から
の信号をアナログ化した信号を差引く差動増幅器、該差
動増幅器からの信号をデジタル化した信号を前記第２電
流−電圧変換器からの電圧信号をデジタル化した信号で
割るデジタル割算器を備え、該割算器の出力に基づいて
表示装置により像表示するように成したフィールドエミ
ッション走査電子顕微鏡の信号処理回路を発明した。

（実施例） 第１図は本発明に係る信号処理回路の一実施例を示す電
気回路である（第２図の回路と同一部分には同一番号を
付し説明を省略する）。

第１図において、１は電流−電圧変換増幅器Ａ１の出力
信号をデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器、２は直流
分除去値発生装置、３はＡ−Ｄ変換器１の出力信号と直
流分除去値発生装置２の発生するデジタル信号Ｂを乗算
するデジタル乗算器、４はＤ−Ａ変換器、Ａ７は電流−
電圧変換増幅器Ａ２の出力信号からＤ−Ａ変換器４の出
力信号を減算する差動増幅器、５はＡ−Ｄ変換器、Ａ８
はＡ−Ｄ変換器５の出力信号をＡ−Ｄ変換器１の出力信
号で割算するデジタル割算器、６はＤ−Ａ変換器、Ａ、
は増幅器である。

先ず、電子銃から発射された電子ビーム電流に相応する
モニタ電流１ｘ（ｔ）　　（前記（１）式）は、電流−
電圧変換増幅器ＡＩ　、Ａ−Ｄ変換器１を介してデジタ
ル乗算器３に送られる。該デジタル乗算器３には、同時
に、前記直流分除去値発生装置２の発生するデジタル信
号Ｂが送られており、デジタル乗算器３はこれらを乗算
する。該デジタル乗算器３の出力信号Ｂ・ｉｘ（ｔ）は
Ｄ−Ａ変換器４を介して差動増幅器Ａ７に送られる。又
、差動増幅器Ａ７の他方の入力端子には、２次電子量等
に相応する検出電流１Ｚ（ｔ）　　（前記（２）式）が
電流−電圧変換増幅器Ａ２で電圧信号に変換されて送ら
れており、該差動増幅器Ａｔは、該電流−電圧変換増幅
器Ａ２の出力信号からＤ−Ａ変換器４の出力信号を引く
減算処理を行う。今、試料からの２次電子量等の信号の
収率をｑ　（ｔ）、該収率信号の交流分をＳａ、直流分
をＳｃとすると、電流−電圧変換増幅器Ａ２の出力は（
Ｓ　ａ　＋　Ｓ　ｃ）　１ｐ（ｔ）と表される。従って
、差動増幅器Ａ７の出力ｅｍは次式で表わされる。

ｅｍ−Ｈ（（Ｓａ＋Ｓｃ）　１ｐ（ｔ）−Ｂ・１ｘ（ｔ
）　）　　　　　　　　・・・（６）Ｈ：定数 該（６）式から、差動増幅器Ａ７により、電流−電圧変
換増幅器Ａ２の出力信号中に含まれる直流分を適当に除
去できるので、ダイナミックレンジを大きくとれる。従
って、増幅回路（処理回路）の前段部で入力信号を大き
く増幅できることになり、Ｓ／Ｎ比は大幅に向上する。

この様に、直流成分が除去された差動増幅器Ａ７の出力
信号ｅｍはＡ−Ｄ変換器５でデジタル信号に変換され、
デジタル割算器Ａ８に送られる。

該デジタル割算器Ａ８には、同時に、前記Ａ−Ｄ変換器
１によりデジタル化された電子銃から発射された電子ビ
ーム電流に相応するモニタ電流１ｘ（ｔ）か送られてお
り、該デジタル割算器Ａ８は、デジタル信号に変換され
た差動増幅器Ａ７の出力信号ｅｍをＡ−Ｄ変換器１の出
力信号で割る割算処理を行う。従って、該デジタル割算
器Ａ８の出力ｅ、）は次式で表される。

ｅ（、−Ｈ”　　（（Ｓａ＋５ｃ）ｊｐ（ｔ）Ｂ−ｉｘ
（ｔ）ｌ／１ｘ（ｔ）　　　＝（７）Ｈ゛：定数 ここで、該（７）式中の１ｐ（ｔ）に前記（２）式を、
１ｘ（ｔ）に前記（１）式を夫々代入して、該（７）式
を書き直すと次式で表される。

ｅｏ　−Ｈ”　　［（Ｓａ−１ｐ　（１＋に’（ｔ）　
）／　Ｉ　ｘ　　（１＋ｋ（ｔ）：ｌ　ｌ　　−１−ｆ
Ｓｃ　−１ｐ　（１＋ｋ“（ｔ）） ／　Ｉ　ｘ　　（１＋ｋ（ｔ））　ｌ　　−Ｂ］・・・
　（８） ここで、変動率ｋ（ｔ）は変動率に’（ｔ）と殆ど同一
と考えてよい。よって（８）式は次式で表現できる。

ｅｏ　ｍｌ（−（Ｓａ−１ｐ／Ｉｘ＋ ５ｃ−１ｐ／１ｘ−Ｂｌ ・・・（９） ｍＨ−、（Ｓ　ａ　・Ｚ＋Ｓ　ｃ　１１Ｚ−Ｂ）・・・
（１０） Ｚ：定数 ここで、前記直流分除去値発生装置２が、該（１０）式
中の（Ｓｃ−Ｚ−Ｂ）が零となる様な信号Ｂを発生する
様に該信号Ｂを設定すれば、デジタル割算器Ａ８の出力
ｅ（、は次式で表される。

ｅ（、ｍＨ−・５ａ−２−（１ユ） 即ち、デジタル割算器Ａ８の出力ｅ０は、最終的に、変
動分と直流分が除去され、ＣＲＴ画像のコントラストに
寄与する交流骨Ｓａのみが残る。

そして、該デジタル割算器Ａ８の出力信号ｅ（。

は、Ｄ−Ａ変換器６を介して増幅器Ａ、に入る。

該増幅器Ａ９の出力信号Ｖｏは、ＣＲＴ　（図示せず）
に供給されるので、該ＣＲＴには、フィールドエミッシ
ョン銃特有の電流不安定によるノイズが消去されたＳ／
Ｎ比の良い高品質の画像が表示される。

（効果） 本発明は、試料からの電子量に相応する検出電流に対応
した信号から、電子銃から発射された電子ビーム量に相
応するモニタ電流に対応した信号に直流分を掛けた信号
を差動増幅器で差引き、該差動増幅器からの信号をデジ
タル化した信号を、電子銃から発射された電子ビーム量
に相応するモニタ電流に対応した信号をデジタル化した
信号をデジタル割算器で割り、該割算器の出力を表示装
置へ供給するように成しているので、前記差動増幅器の
段階、即ち、処理回路の前段部で入力信号を大きく増幅
することができるので、信号のＳ／Ｎ比を大幅に改善す
ることができる。

又、割算器に高域周波数特性の良いデジタル割算器を用
いると共に、主要な回路部分を全てデジタル回路を用い
て構成したので、電子銃から発射された電子ビームを試
料上で高速に走査しても、ＣＲＴ画像は精度の高いもの
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るフィールドエミッション走査電子
顕微鏡の信号処理回路の一実施例を示す電気回路図、第
２図はフィールドエミッション走査電子顕微鏡の信号処
理回路の従来例を示す電気回路図である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 試料からの電子量に相応する検出電流を電圧信号に変換
   する第１電流−電圧変換器、電子銃から発射された電子
   ビーム量に相応するモニタ電流を電圧信号に変換する第
   ２電流−電圧変換器、直流分信号発生器、前記第２電流
   −電圧変換器からの電圧信号をデジタル化した信号と前
   記直流分信号発生器からのデジタル直流分信号の積を取
   るデジタル乗算器、前記第１電流−電圧変換器からの電
   圧信号から前記デジタル乗算器からの信号をアナログ化
   した信号を差引く差動増幅器、該差動増幅器からの信号
   をデジタル化した信号を前記第２電流−電圧変換器から
   の電圧信号をデジタル化した信号で割るデジタル割算器
   を備え、該割算器の出力に基づいて表示装置により像表
   示するように成したフィールドエミッション走査電子顕
   微鏡の信号処理回路。