JPH0487246A - 走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式 - 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、走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式として
、対物レンズの励磁電流を所定の範囲に渡って所定の電
流ステップで変化させながら各励磁電流のときに電子ビ
ーム走査により得られた検出信号を積分手段により１画
面分積分してサンプリング値を得、サンプリング値が最
大となる対物レンズ励磁電流を求めることにより合焦点
位置を検出する方式が知られている。その構成例を第５
図にボす。

第５図において、マイクロコンピュータで構成されるオ
ートフォーカスコントローラ（以下、ＡＦＣと称す）５
は、オートフォーカス時の各回蹄あるいは各手段の動作
を統括して管理する主制御手段６、Ａ／Ｄ変換器１５か
ら出力されるサンプリング値を格納するサンプリング値
ファイル８およびサンプリング値ファイル８に格納され
ているサンプリング値に基づいて合焦点位置を検出する
合焦点検出手段７を備えている。

さて、図示しない入力手段からオートフォーカスの指示
がなされると、主制御手段６はＤ／Ａ変換器１１に対し
てデジタルの対物レンズ（以下、ＯＬと称す）の励磁電
流値を出力する。当該励磁電流値はＤ／Ａ変換器１１に
よりアナログ信号となされてＯＬ駆動回路１０に供給さ
れ、所定の励磁電流が生成されてＯＬ３に供給されるが
、ＯＬ３の励磁電流値は、第６図に示すように、所定の
電流範囲に渡って、所定の時間間隔Ｔ８毎に所定の電流
ステップ△Ｉで階段状に変化させられる。そしてまた、
主制御手段６はＯＬ励磁電流値を変化させたとき、偏向
ユニット９に対してタイミング信号を出力する。これに
より偏向ユニット９は水平走査（以下、Ｘ方向と称す）
信号及び垂直走査（以下、Ｘ方向と称す）信号を生成し
、それぞれＸ偏向コイル２８、Ｙ偏向フィル２．に供給
する。

以上のことにより、ＯＬ励磁電流が変化される度毎に、
図示しない電子銃から放射され、収束された一次電子ビ
ーム１は偏向コイル２ｘ、２ｖでＸ方向及びＸ方向に偏
向され、更にＯＬ３の磁場を通過して試料４の所定の範
囲を走査する。これがフォーカスサーチである。なお、
１画面分の走査は時間Ｔ＠以内に終了するように設定さ
れている。

試料４から放出された二次電子は検出器１２で検出され
、更にバイパスフィルタ（ＨＰＦ）１３で所望の帯域の
信号となされ、積分器１４に入力される。積分器１４で
は、１画面の走査で得られた検出信号が積分され、サン
プリング値が生成される。積分器１４の出力であるサン
プリング値はＡ／Ｄ変換器１５でデジタル値に変換され
てＡＦＣ５に取り込まれる。ＡＦＣ５および積分器１４
にはタイミング信号として偏向ユニット９から垂直ブラ
ンキング信号Ｖ　９　Ｌ　＜が供給されており、積分器
１４はＶＢＬにが入力される度毎に積分動作をリセット
し、主制御手段６はＶ　ｓ　Ｌうが入力されたことを条
件としてＡ／Ｄ変換器１５からのサンプリング値の取り
込みを行い、取り込んたサンプリング値をサンプリング
値ファイル８に格納する。

主制御手段６は、一つのサンプリング値データの格納が
終了すると、Ｄ／Ａ変換器１１に対して次のＯＬ励磁電
流値を出力する。

以上の動作が繰り返し行われることにより、各ＯＬ励磁
電流値におけるサンプリング値が得られる。

第７図はサンプリング値ファイル８のデータ構造の例を
示す図であり、サンプリング値ファイル８にはＡ／Ｄ変
換器１５から取り込んだ値と、そのときのＯＬ励磁電流
値が書き込まれる。

全てのサンプリング値の収集が終了すると、主制御手段
６は、合焦点検出手段７を起動して合焦点位置の検出を
行わせる。

合焦点検出手段７は、サンプリング値ファイル８からサ
ンプリング値及びＯＬ励磁電流値を取り込み、サンプリ
ング値が最大となるＯＬ励磁電流値を求めてこれを合焦
点位置とするのであるが、サンプリング値にはノイズも
含まれているので、まず例えば移動平均法等によりサン
プリング値を平滑化し、次に最大値付近のいくつかの点
について、平滑化されたサンプリング値を通る二次曲線
を最小自乗近似により求め、第８図に示すように、当該
二次曲線が極大となるＯＬ励磁電流値Ｉ８を求める。こ
れが合焦点位置である。

合焦点位置の検出が終了すると、主制御手段６は、合焦
点を与゛えるＯＬ励磁電流値を合焦点検出手段７から取
り込んで、Ｄ／Ａ変換器１１に出力する。これによって
、ＯＬ３には合焦点を与える励磁電流が供給されること
になる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、１画面分の検出信号を積分して得られるサン
プリング値は、試料４の形状、試料４を構成する元素、
あるいはその他の観察条件等の種々の要因によって大き
く変化する。従って、積分器１４の積分定数が大きく設
定され、検出信号が小さい場合にも精度よ（合焦点位置
を検出できるようになされている場合には、試料によっ
ては、第９図の２０で示すように、サンプリング値が積
分器１４の飽和レベルに達して、合焦点位置を求めるこ
とができない場合が生し、この場合には再度フォーカス
サーチを行わなければならないという問題があった。

これに対して、積分器１４の積分定数を十分小さくすれ
ば、サンプリング値が積分器の飽和レベルまで達するこ
とは回避できるが、この場合、放出される二次電子が少
ない試料の場合には第９図の２１で示すようにサンプリ
ング値のレベルが低くなり、合焦点位置を精度よく求め
ることができないという問題があった。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料の
如何に拘らず積分器の飽和を防いで正しいサンプリング
値を得、以て高精度に合焦点位置を検出することができ
る走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式を提供する
ことを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するために、本発明の走査型電子顕微
鏡のオートフォーカス方式は、対物レンズの励磁電流を
所定の範囲に渡って所定の電流ステップで変化させなが
ら各励磁電流のときに電子ビーム走査により得られた検
出信号を積分手段により１画面分積分してサンプリング
値を得、サンプリング値が最大となる対物レンズ励磁電
流を求めることにより合焦点位置を検出する走査型電子
顕微鏡のオートフォーカス方式において、前記積分手段
の前段に配置された可変減衰手段と、前記積分手段で得
られたサンプリング値が閾値以上である場合に前記可変
減衰手段のゲインを低下させる手段と、得られた全ての
サンプリング値を同一ゲインに換算してサンプリング値
の補正を行う補正手段と、前記補正手段で補正されたサ
ンプリング値に基づいて合焦点位置を検出する手段とを
備えることを特徴とする。

［作用及び発明の効果コ 本発明によれば、サンプリング値が所定の閾値以上にな
り、積分器の飽和レベルに達すると予測される場合には
、積分器の前段に配置された可変減衰器のゲインを低下
させる。そして、全てのサンプリング値の収集が終了し
た後、全てのサンプリング値は同一のゲインに換算され
、該換算されたサンプリング値に基づいて合焦点位置の
検出が行われる。

従って、本発明においては、サンプリング値が大きくな
る試料の場合であっても合焦点位置を高精度に求めるこ
とができる。

また、サンプリング値が閾値以上になった場合には可変
減衰器のゲインが低下されてサンプリング値の収集が続
行きれるので、フォーカスサーチを１回行えば合焦点検
出のためのデータ収集は完了する。従って、従来のよう
にフォーカスサーチを再試行する必要はないものである
。

「実施例］ 以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る走査型電子顕微鏡のオートフォー
カス方式の一実施例の構成を示す図であり、図中、１は
一次電子ビーム、２×はＸ方向偏向コイル、２ＹはＹ方
向偏向コイル、３は。Ｌ、　　４は試料、５はＡＦＣｌ
　６は主制御手段、７は合焦点検出手段、８はサンプリ
ング値ファイル、９は偏向ユニット、１０はＯＬ駆動回
路、１１はＤ／Ａ変換器、１２は検出器、１３はＨＰＦ
ｌ　１４は積分器、１５はＡ／Ｄ変換器、１６はサンプ
リングＭＬ’ベル検出手段、１７はサンプリング値補正
手段、１８は可変減衰器を示す。なお、第５図と同じも
のについては同し番号を付し、必要に応じてその動作説
明を省略する。

第１図の構成は、積分器１４の前段に可変減衰器１８が
配置されている点、ＡＦＣ５にサンプリング値レベル検
出手段１６及びサンプリング値補正手段１７が設けられ
ている点で第５図の構成と異なっている。

可変減衰器１８は、サンプリング値レベル検出手段１６
の指示によりゲインを切り換えることができるものであ
ればよく、例えば複数の抵抗を切り換えるもの等も使用
可能ではあるが、抵抗値の調整が非常に面倒であるので
、乗算型Ｄ／Ａ変換器を用いるのが好適である。即ち、
乗算型Ｄ／Ａ変換器のリファレンス入力端子には検出器
１２の出力信号を入力し、デジタル入力端子にはサンプ
リング値レベル検出手段１６からのデジタル信号を入力
するようにする。これで高精度な可変減衰器１８を構成
することができる。

さて、第１図において、積分器１４の積分定数は、小さ
な検出信号に対しても精度よく合焦点位置の検出が行え
るように、十分に大きく設定されている。また、フォー
カスサーチの開始時点では可変減衰器１８のゲインは１
となされ、最大ゲインに設定される。即ち、ＡＦＣ５が
８ビツトのデータを取り扱うものとすると、サンプリン
グ値レベル検出手段１６からはＦＦＨ（Ｈは１６進法を
表す）の値が可変減衰器１８に与えられる。これにより
ＨＰＦ１３の出力はそのままの値で積分器１４に入力さ
れる。

また、サンプリング値レベル検出手段１６には、第２図
の２６で示す閾値レベルＳ　ｔｈが予め設定されている
。この閾値８ｔｈは、積分器１４の飽和レベル２５より
低いレベルに設定される。例えば、サンプリング値が０
から積分器飽和レベル２５まで２５６階調で与えられる
ものとすると、閾値Ｓｔ、は２００階調程度のレベルに
設定される。そして、サンプリング値レベル検出手段１
６は、取り込んだサンプリング値を閾値Ｓ　ｔｈと比較
し、サンプリング値が閾値Ｓｔｈ以上である場合には、
このままの状態ではサンプリング値は積分器飽和レベル
を超えてしまう可能性があり、従って正しい合焦点位置
の検出を行えなくなる可能性があるので、可変減衰器１
８に対して７Ｆ、を出力する。これにより、可変減衰器
１８のゲインはＩ／２となるので、次のサンプリング値
の収集からはＨＰＦ１３の出力レベルは可変減衰器１８
により　１／２となされる。

このようにしてサンプリング値の収集を続行し、再度サ
ンプリング値が閾値Ｓ東り以上になった場合には、サン
プリング値レベル検出手段１６は可変減衰器１８に対し
て３ＦＨを出力する。これにより次回からのサンプリン
グ値の収集に際してはＨＰＦ１３の出力レベルは更にＩ
／２となされ、フォーカスサーチの動作開始時点からは
Ｉ／４となされる。

このように、サンプリング値レベル検出手段１６は、サ
ンプリング値が閾値Ｓ＋ｈ以上となる度毎に可変減衰器
１８のゲインを前回のゲインの１７２にする。

サンプリング値ファイル８は従来と同様にサンプリング
値及びそのときのＯＬ電流値を格納するが、本発明にお
いては、第３図に示されるように、そのときのゲインも
書き込まれる。

具体的には次のようである。可変減衰器１８が最大ゲイ
ンになされて上述したと同様にしてサンプリング値の収
集が開始され、ＯＬ励磁電流がある値のときに１画面の
走査で得られた検出信号を積分して得られたサンプリン
グ値が第２図の８１で示すように閾値Ｓｔｈを超えてい
るとすると、当該サンプリング値Ｓ、はそのときのＯＬ
励磁電流値及び可変減衰器１８のゲインｒｌＪと共にサ
ンプリンク値ファイル８に書き込まれるが、このときサ
ンプリング値レベル検出手段１６は可変減衰器１８に７
Ｆ、を出力する。これによって、可変減衰器１８のゲイ
ンは１／２となるので、次のＯＬ励磁電流値のときのサ
ンプリング値は第２図の８．４．で示すように閾値Ｓｔ
ｈを下回るものとなる。このとき当該サンプリング値８
．４１はこのときのＯＬ励磁電流値及びこの七きのゲイ
ンｒ　Ｉ／２Ｊと共にサンプリング値ファイル８に書き
込まれる。

以下、従来と同様にサンプリング値の収集が続行される
。第２図ではその後サンプリング値が閾値Ｓ＋ｈ以上に
なることはないので、ゲインは図中Ａで示す範囲はｒｌ
Ｊ、Ｂでホす範囲はｒｌ／２Ｊである。もし仮に、Ｂで
示す範囲内でサンプリング値が閾値Ｓｔｈ以上になった
場合には、その次のサンプリング値の収集からは可変減
衰器１８のゲインはｒｌ／４Ｊとなされることは明らか
であり、サンプリング値ファイルのゲインの欄にはｒ　
Ｉ／４Ｊが書き込まれることになる。

以上のようにして１回のフォーカスサーチを行うことに
より、サンプリング値ファイル８には、各ＯＬ励磁電流
値に対するサンプリング値及びそのときのゲインが書き
込まれる。

フォーカスサーチが終了すると、主制御手段６はサンプ
リング値補正手段１７を起動する。

サンプリング値補正手段１７は、サンプリング［７アイ
ル８を参照して、全てのサンプリング値を同一ゲインの
値に書き直す。具体的にはサンプリング値ファイル８の
ゲインの欄に書き込まれている最小ゲインのときの値に
変更する。例えば、第２図の場合には最小ゲインはｒｌ
／２Ｊであるから、Ｂの範囲のサンプリング値はそのま
まにし、Ａの範囲のサンプリング値を１／２する。これ
により、第４図に示すように、Ａの範囲で実際に得られ
た３０で示すサンプリング値は１／２になされ、図中３
１でボすようなサンプリング値となり、これで連続する
サンプリング値データが得られることになる。同様に、
もし最小ゲインが１７４である場合には、ゲインが１７
２であるときに取り込まれたサンプリング値は更に１／
２になされ、ゲインが１のときに取り込まれたサンプリ
ング値は１／４になされる。

以上のようにしてサンプリング値補正手段１７で同一ゲ
インでの値に変更されたサンプリング値は合焦点検出手
段７に取り込まれて、合焦点位置の検出に用いられる。

合焦点検出手段７は、上述したと同様にして合焦点位置
の検出を行う。

以上のように、本発明によれば、１回のフォーカスサー
チを行うだけで合焦点位置を高精度に求めることができ
る。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は
上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可
能である。例えば、上記実施例では可変減衰器のゲイン
切換はＩ／２すつとしたが、これはサンプリング値補正
手段１７てのサンプリング値補正が桁すらしたけて簡単
に行えるからであり、３／４　、１／３　、１１５等そ
の他の値でもよいことは当業者に明らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る走査型電子顕微鏡のオートフォー
カス方式の一実施例の構成を示す図、第２図は可変減衰
器のゲイン切り換えを説明する図、第３図はサンプリン
グ値ファイルの構造の例を示す図、第４図はサンプリン
グ値補正手段の動作を説明する図、第５図は従来の走査
型電子顕微鏡のオートフォーカス方式の構成例を示す図
、第６図はフォーカスサーチ時のＯＬ励磁電流を示す図
、第７図は従来のす／プリング値ファイルの構造例を示
す図、第８図は合焦点位置の検出の方法を説明する図、
第９図は従来の走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方
式の問題点を説明する図である。 １・・・−次電子ビーム、２×・・・Ｘ方向偏向コイル
、２Ｙ・・・Ｘ方向偏向コイル、３・・・ＯＬｌ　４・
・・試料、５・・・ＡＦＣ１６・・・主制御手段、７・
・・合焦点検出手段、８・・・サンプリング値ファイル
、９・・・偏向ユニット、１０・・・ＯＬ駆動回路、１
１・・・Ｄ／Ａ変換器、１２・・・検出器、１３・・・
ＨＰＦ、１４・・・積分器、１５・・・Ａ／Ｄ変換器、
１６・・・サンプリング値レベル検出手段、１７・・・
サンプリング値補正手段、１８・・・可変減衰器。 出　　願　　人　日本電子株式会社 代理人　弁理士　菅　井　英　雄（外７名）ｉ、’１”
７＝ｓ　Ａ”ｃ：ｓ　Ｑ 第９図 Ｏ−Ｓ＆国ｍ別

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）対物レンズの励磁電流を所定の範囲に渡って所定
   の電流ステップで変化させながら各励磁電流のときに電
   子ビーム走査により得られた検出信号を積分手段により
   １画面分積分してサンプリング値を得、サンプリング値
   が最大となる対物レンズ励磁電流を求めることにより合
   焦点位置を検出する走査型電子顕微鏡のオートフォーカ
   ス方式において、前記積分手段の前段に配置された可変
   減衰手段と、前記積分手段で得られたサンプリング値が
   閾値以上である場合に前記可変減衰手段のゲインを低下
   させる手段と、得られた全てのサンプリング値を同一ゲ
   インに換算してサンプリング値の補正を行う補正手段と
   、前記補正手段で補正されたサンプリング値に基づいて
   合焦点位置を検出する手段とを備えることを特徴とする
   走査型電子顕微鏡のオートフォーカス方式。