JPH0656748B2 - 電子顕微鏡のオートフォーカス方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子顕微鏡のオートフォーカス方法に関する
ものである。

［従来の技術］ 透過型電子顕微鏡等の試料に電子ビームを照射し、試料
の形状等の観察を行う装置においては、スクリーンに明
瞭な投影像を得るためにオートフォーカスが採用されて
いる。オートフォーカスの方式としては種々のものが提
案されているが、その一つとして、傾斜させた２方向か
ら試料面を電子ビーム照射し、得られる画像が一致した
点をフォーカス点とするイメージウォブラ方式と称され
るオートフォーカス方式が知られている。イメージウォ
ブラ方式の構成および動作は次のようである。

第４図は従来のイメージウォブラ方式によりオートフォ
ーカスを行う場合の一構成例を示す図、第５図は動作の
タイミングを示す図、第６図はフォーカス点の求め方を
説明するための図である。

第４図において、１はビーム偏向コイル、２は試料、３
は対物レンズ、４は結像系レンズ、５はスクリーン、１
１は制御装置、１２はビーム偏向コイル駆動回路、１３
はＤ／Ａ変換回路、１４は電流安定化回路、１５はメモ
リ、１６は同期信号発生回路、１７はテレビカメラを示
す。

第４図において、ビーム偏向コイル１は、図の実線６あ
るいは破線７で示すように、電子ビームを所定の角度だ
け傾斜させて試料２に照射するためのものである。図に
おいては実線６と破線７の傾斜角度は、それぞれ光軸Ｏ
に対してθであり、実線６と破線７は光軸Ｏに対して軸
対称に設定されている。なお、以下、実線６のように傾
斜されることを(+)傾斜と称し、破線７のように傾斜さ
れることを(-)傾斜と称す。試料２は対物レンズ３のポ
ールピース（図示せず）の間に載置されている。結像系
レンズ４はブロックで示されているが、３段あるいは４
段程度の中間レンズおよび投影レンズで構成されてお
り、蛍光板からなるスクリーン５に所定の倍率で試料２
の投影像を結像させるものである。なお、図中実線８は
(+)傾斜の際の拡大像を示し、破線９は(-)傾斜の際の拡
大像を示している。

制御装置１１はマイクロプロセッサ等で構成され、オー
トフォーカスのための処理を実行する。即ち、ビーム偏
向コイル駆動回路１２に対しては電子ビームの傾斜方
向、即ち電子ビームを(+)傾斜とするか、(-)傾斜とする
かの指示を出力し、Ｄ／Ａ変換回路１３に対しては対物
レンズ３の励磁電流値を出力し、テレビジョン（以下、
ＴＶと称す）カメラ１７に対しては投影像の撮像を指示
し、更に得られた投影像からフォーカス点を求める演算
を行う。

ビーム偏向コイル駆動回路１２は、制御装置１１からの
指示に基づいて、電子ビームを(+)傾斜あるいは(-)傾斜
させるために所定の励磁電流を生成し、ビーム偏向コイ
ル１に供給するものである。Ｄ／Ａ変換回路１３は制御
装置１１から送られてきた対物レンズ３に対するデジタ
ル化された励磁電流値をアナログ値に変換して電流安定
化回路１４に出力する。これにより電流安定化回路１４
は、制御装置１１が指示した励磁電流を生成し、対物レ
ンズ３に供給する。

メモリ１５は、ワークエリアおよびＴＶカメラ１７で取
り込まれた投影像の画像データを格納するファイルとし
て機能するＲＡＭ、およびオートフォーカスを行うに必
要な種々のデータを格納しているＲＯＭで構成される。
同期信号発生回路１６はＴＶカメラ１７に供給する同期
信号、および制御装置１１の動作に必要なクロックを発
生させるものである。ＴＶカメラ１７は制御装置１１の
指示によりスクリーン５に投影された試料２の像を撮影
して取り込むものであり、ＴＶカメラ１７で取り込まれ
た投影像の画像データはメモリ１５のファイルに格納さ
れる。

さて、制御装置１１は、オートフォーカスボタン等の適
当な手段（図示せず）によりオートフォーカスが指示さ
れると、対物レンズ３に所定の第１の励磁電流を供給す
るために、時刻ｔ0に第５図(ｂ)の２０で示すレベルを
有するデジタル値を出力する。該デジタル値はＤ／Ａ変
換回路１３でアナログ値に変換され、電流安定化回路１
４により第５図(ｂ)の２０で示すレベルに対応した電流
が供給され、対物レンズ３の磁場は第５図(ａ)の２１に
示すように変化する。次に、制御装置１１は、ｔ0から
所定時間Ｔ0が経過した時刻ｔ1に、ビーム偏向コイル駆
動回路１２に対して第５図(ｃ)の２２で示す制御信号を
送る。ビーム偏向コイル駆動回路１２は、該制御信号２
２に基づいて、例えば電子ビームを(+)傾斜させる磁場
を発生させるための励磁電流を生成し、ビーム偏向コイ
ル１に供給する。これによって電子ビームは第５図(ｄ)
の２３で示すようにθだけ(+)傾斜される。対物レンズ
３の磁場および電子ビームの傾斜が安定すると、制御装
置１１は、ＴＶカメラ１７に対して第５図(ｅ)の２４で
示す制御信号を出力し、時刻ｔ2から時刻ｔ3までの所定
のＴ1時間に渡ってスクリーン５上の投影像の取り込み
を行い、取り込んだ画像データをメモリ１５に格納す
る。このようにして(+)傾斜の場合の画像データの取り
込みが終了すると、次に、制御装置１１は時刻ｔ4に第
５図(ｃ)の２５で示す制御信号をビーム偏向コイル駆動
回路１２に出力する。これにより電子ビームは第５図
(ｄ)の２６で示すように(-)傾斜される。電子ビームの
傾斜が安定すると、制御装置１１は、ＴＶカメラ１７に
対して第５図(ｅ)の２７で示す制御信号を出力し、時刻
ｔ5から時刻ｔ6までの所定のＴ1時間に渡ってスクリー
ン５上の投影像の取り込みを行い、取り込んだ画像デー
タをメモリ１５に格納する。このようにして(-)傾斜の
ときの画像データの取り込みが終了すると、制御装置１
１は取り込んだ二つの画像データの差を求め、該差の値
をメモリ１５に格納する。画像データの差は二次元的に
求めてもよいし、一次元的に求めてもよい。具体的に
は、例えば、いま、対物レンズ３の励磁電流がある値の
ときの(+)傾斜の場合の画像が第６図の３０に示すよう
であり、(-)傾斜の場合の画像が３１に示すようであっ
たとすると、図中３２で示す方向、３３で示す方向、３
４を示す方向あるいは３５で示す方向についての差のみ
を求めてもよいし、３２〜３５で示す全ての方向につい
て差を求めて、それらの差を組み合わせるようにしても
よいものである。

以上のようにして、対物レンズ３の一つの励磁電流につ
いての処理が終了すると、制御装置１１は、次に、対物
レンズ３に所定の第２の励磁電流を供給するために、時
刻ｔ7に第５図(ｂ)の２８で示すレベルを有するデジタ
ル値を出力する。その後の処理は上述したと同様であ
り、まず電子ビームを(+)傾斜させて画像データを取り
込み、次に(-)傾斜させて画像データの取り込みを行
う。

以上のように、制御装置１１は、対物レンズ３の励磁電
流を所定の範囲に渡って階段状に変化させながら、それ
ぞれの励磁電流の場合について、電子ビームを(+)傾斜
させたときの画像データと(-)傾斜させたときの画像デ
ータを取り込み、それらの二つの画像データの差を求め
る処理を繰り返し行い、データの収集が終了すると、画
像データの差が最小となる点を求めてそれをフォーカス
点とし、そのときの励磁電流を対物レンズ３に供給する
ようにする。これによりフォーカスがとれた投影像がス
クリーン５に投影されることになる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来のイメージウォブラ方式において
は、フォーカス点を求めるのに時間がかかるという問題
があった。即ち、対物レンズ３には強磁性体で形成され
るヨークおよびポールピースが含まれているが、強磁性
体には磁気余効と呼ばれる現象があるために、第５図
(ｂ)の２０で示すように制御装置１１から励磁電流を指
示されてもすぐには応答できず、磁場が安定するにはＴ
3で示す時間が必要である。このＴ3時間は磁性体によっ
て異なるが、通常対物レンズに使用される磁性体では、
例えば 0.5 〜 1.0 秒程度である。以上のことはビーム
偏向コイル１についても同様であり、ビーム偏向コイル
１に使用されている強磁性体の磁気余効により、電子ビ
ームを傾斜させるための磁場が安定するまでには、立ち
上がり時には第５図(ｄ)のＴ4時間が、立ち下がり時に
はＴ5時間が必要である。Ｔ4 ，Ｔ5の値は通常ビーム偏
向コイルとして使用されるものにおいては 0.1〜0.2 秒
であり、対物レンズ３に比較すると短いものである。

そして、精度の高い画像データを得るためには、画像デ
ータの取り込みは、対物レンズ３の磁場およびビーム偏
向コイル１の磁場が共に安定した状態で行わねばならな
いから、第５図(ｅ)の２４で示す１回目の画像データの
取り込みに当たっては、ｔ2はｔ0から少なくとも 0.5
秒以上の時間を開ける必要があり、また、２回目の画像
データの取り込みに当たってはｔ5はｔ4から少なくとも
0.2 秒以上の時間を開ける必要がある。

このように従来のイメージウォブラ方式においては、対
物レンズ３の励磁電流を変化させる度に画像データの取
り込みのために待ち時間を要するのであり、従って、高
倍率時のオートフォーカス等のように、対物レンズ３の
励磁電流を細かなステップで多くの段階に渡って変化さ
せる必要がある場合にはフォーカス点の検出に長時間を
要するものであった。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、短時間
にフォーカス点を検出できる電子顕微鏡のオートフォー
カス方法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、本発明の電子顕微鏡のオ
ートフォーカス方法は、電子ビームを第１の角度で照射
させた状態で対物レンズの励磁電流を変化させながら所
定の複数回のタイミングで試料の第１の画像データを取
り込み、次に電子ビームを第２の角度で照射させた状態
で対物レンズの励磁電流を変化させながら所定の複数回
のタイミングで試料の第２の画像データを取り込み、前
記第１の画像データと前記第２の画像データとを比較す
ることによりフォーカス点を求めることを特徴とする。

［作用および発明の効果］ 本発明においては、対物レンズの励磁電流を従来のよう
に段階的に不連続に変化させてその都度(+)傾斜の場合
の画像と(-)傾斜の場合の画像を得るのではなく、まず
電子ビームを(+)傾斜または(-)傾斜させた状態で対物レ
ンズ３の励磁電流を連続に変化させながら第１の画像デ
ータを得、次に、電子ビームを(-)傾斜または(+)傾斜さ
せた状態で対物レンズ３の励磁電流を同じ様に連続に変
化させながら第２の画像データを得るようにしたので、
対物レンズの磁場およびビーム偏向コイルの磁場が安定
するまでの待ち時間を大幅に縮小することができ、フォ
ーカス点の検出を短時間に行うことが可能である。ま
た、フォーカス点の検出精度は画像データ取り込みのた
めのサンプリング周期を変更するだけで容易に変更でき
るので、多くのサンプル数が必要な高倍率時においても
フォーカス点の検出時間が長くなることはないものであ
る。

［実施例］ 以下、図面を参照しつつ実施例を説明する。

第１図は本発明に係る電子顕微鏡のオートフォーカス方
法の一実施例の構成を示す図であり、第４図に示すもの
と同じものについては同一番号を付す。

第１図に示すハードウェア構成は第４図に示す構成に鋸
歯状波発生回路４０、スイッチ４１および加算回路４２
が追加されただけであるが、制御装置１１の行う処理内
容は以下に説明するように全く異なっている。

制御装置１１はオートフォーカスが指示されると、Ｄ／
Ａ変換回路１３に対しては第２図(ａ)の５０で示すレベ
ルのデジタル値を出力する（時刻ｔ0）。この５０で示
す値は、フォーカス点の探索を行う範囲における対物レ
ンズ３の最小の励磁電流の値に対応した値である。これ
により対物レンズ３の磁場は磁性体の磁気余効により、
破線５１で示すように変化する。また、制御装置１１は
同じ時刻にビーム偏向コイル駆動回路１２に対して第２
図(ｂ)の５２で示す制御信号を出力する。これによりビ
ーム偏向コイル１の磁場は第２図(ｄ)の５３で示すよう
に変化し、電子ビームは(+)傾斜される。

次に、制御装置１１は、ｔ0から所定時間Ｔ0経過したｔ
1にスイッチ４１を閉路すると共に、鋸歯状波発生回路
４０に対して鋸歯状波電流の発生を指示する。鋸歯状波
発生回路４０から出力された鋸歯状波電流はスイッチ４
１を介して加算回路４２に入力され、Ｄ／Ａ変換回路１
３の出力と加算され、これにより対物レンズ３には、第
２図(ａ)の５４で示す直線的に連続に変化する励磁電流
が供給される。なお、時間Ｔ0は対物レンズ３の磁場が
磁気余効により安定するまでの時間より少し長い時間に
設定されている。ビーム偏向コイル１の磁場も安定する
までにはある程度の時間を要するが、上述したように磁
場が安定するまでの時間は対物レンズ３よりは短いの
で、時刻ｔ1にはビーム偏向コイル１の磁場は既に安定
していることは明らかである。

対物レンズ３に対する励磁電流５４はフォーカス点の探
索を行う範囲に渡って時刻ｔ2まで掃引されるが、この
とき対物レンズ３の磁場は磁気余効の影響により、第２
図(ａ)の５５に示すように変化する。

また、制御装置１１は、対物レンズ３の励磁電流を直線
的に連続に変化させると同時に、時刻ｔ1にＴＶカメラ
１７に対して第２図(ｃ)の５６で示す画像データの取り
込み制御信号を出力する。これによりＴＶカメラ１７は
所定の周期毎にｎ回の画像データの取り込みを行い、取
り込まれた画像データはメモリ１５の所定のアドレスに
格納される。

以上のようにして、電子ビームを(+)傾斜させた状態で
対物レンズ３の励磁電流を予め設定された掃引範囲に渡
って直線的に連続に変化させ、所定回数の画像データの
取り込みが終了すると、制御装置１１は時刻ｔ2に対物
レンズ３の励磁電流を再び掃引範囲の最小値に戻すと共
に、ビーム偏向コイル駆動回路１２に対して第２図(ｂ)
の５７で示す制御信号を出力する。これによりビーム偏
向コイル１の磁場が変更され、第２図(ｄ)の５８で示す
ように電子ビームは(−)傾斜される。その後は上述した
と同様に、対物レンズ３の励磁電流を第２図(ａ)の５９
で示すように直線的に連続に変化させながら、第２図
(ｃ)の６０で示すようにｎ回の画像データ取り込みを行
う。

以上のようにして、電子ビームを(+)傾斜させた状態で
の画像データの取り込み、および(-)傾斜させた状態で
の画像データの取り込みが終了すると、制御装置１１
は、Ｄ／Ａ変換回路１３に対しては当該オートフォーカ
ス処理が開始される直前に設定されていた第２図(ａ)の
６１で示す励磁電流値を指示し、ビーム偏向コイル駆動
回路１２に対しては電子ビームを光軸Ｏに戻すために第
２図(ｂ)の制御信号６２を出力し、スイッチ４１を開路
し、更にフォーカス点を決定するための処理を行う。

フォーカス点は、同じタイミングで取り込んだ(+)傾斜
の場合の画像データと(-)傾斜の場合の画像データとの
差を求め、画像データの差が最小の点として決定され
る。つまり、第２図(ｃ)に示すように、(+)傾斜および
(-)傾斜のときにそれぞれｎ個の画像データを取り込ん
だとすると、まず、制御装置１１は、１で示すタイミン
グで取り込んだ画像データと１′で示すタイミングで取
り込んだ画像データとの差を求める処理を行って該差を
メモリ１５に格納する。次に２で示すタイミングで取り
込んだ画像データと２′で示すタイミングで取り込んだ
画像データとの差を求める処理を行って該差をメモリ１
５に格納する。この処理をｎ回繰り返すことによりｎ個
の画像データの差を求めることができる。いま、画像デ
ータの差が第３図に示すようであったとすると、５回目
に取り込んだ画像データの差が最小であるから、第２図
(ｃ)の５で示すタイミングのときの励磁電流値Ｉ（第２
図(ａ)）をフォーカス点と判断することができる。な
お、画像データの差の求め方が上述したように種々知ら
れており、いずれの方法を採用してもよいものである。

しかし、制御装置１１が認識している励磁電流値はＩで
あるが、対物レンズ３の磁場は磁気余効の影響により応
答が遅れているから、実際に対物レンズ３に形成されて
いる磁場は、Ｉよりも△Ｉだけ小さい電流値に対応した
磁場であるので、実際のフォーカス点は（Ｉ−△Ｉ）で
あることになり、補正が必要となる。

この補正は、例えば次のようにして行われる。メモリ１
５内のＲＯＭには、予め当該電子顕微鏡の対物レンズに
ついて行われた磁気余効の影響測定の結果得られた△Ｉ
の値がＲＯＭに格納されており、制御装置１１は上述し
た処理で求められた励磁電流値Ｉからメモリ１５に格納
されている△Ｉの値を減算するのである。これにより、
フォーカス点を決定することができる。

フォーカス点を決定すると、制御装置１１は、Ｄ／Ａ変
換回路１３に対して決定したフォーカス点の励磁電流値
６３（第２図(ａ)）を指示する。これにより、スクリー
ン５上にはフォーカスが合った投影像を得ることができ
る。

なお、上記の画像データのサンプル数ｎは任意である
が、倍率に連動させることができる。なぜなら、高倍率
時にはフォーカス精度が高いことが要求されるから多く
の画像データのサンプル数が必要となるが、低倍率時の
フォーカス精度は高倍率時よりも低くてよいから画像デ
ータのサンプル数は少なくてもよいからである。また、
上記実施例においては、画像データの取り込みは、対物
レンズ３の励磁電流が変化されると同時に開始されるよ
うに説明したが、ビーム偏向コイル１の磁場が安定して
から画像データの取り込みを開始してもよいことは言う
までもない。

以上、本発明の１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、上記実施例ではオートフォーカス動
作は１回しか行われないが、最初にまず画像データのサ
ンプリングを粗く行っておおよそのフォーカス点を求
め、次にフォーカス点と予測される近傍のみを更に細か
くサンプリングして高精度にフォーカス点を求めるよう
にすることも可能である。また、鋸歯状波発生回路４０
を省き。Ｄ／Ａ変換回路１３へ加える入力データを制御
して等価な動作を行わせることも可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電子顕微鏡のオートフォーカス方
法の一実施例の構成を示す図、第２図はオートフォーカ
ス動作のタイミングを示す図、第３図はフォーカス点の
決定を説明するための図、第４図は従来のイメージウォ
ブラ方式によるオートフォーカスの場合の一構成例を示
す図、第５図は動作のタイミングを示す図、第６図はフ
ォーカス点の求め方を説明するための図である。 １……ビーム偏向コイル、２……試料、３……対物レン
ズ、４……結像系レンズ、５……スクリーン、１１……
制御装置、１２……ビーム偏向コイル駆動回路、１３…
…Ｄ／Ａ変換回路、１４……電流安定化回路、１５……
メモリ、１６……同期信号発生回路、１７……テレビカ
メラ、４０……鋸歯状波発生回路、４１……スイッチ、
４２……加算回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビームを第１の角度で照射させた状態
   で対物レンズの励磁電流を変化させながら所定の複数回
   のタイミングで試料の第１の画像データを取り込み、次
   に電子ビームを第２の角度で照射させた状態で対物レン
   ズの励磁電流を変化させながら所定の複数回のタイミン
   グで試料の第２の画像データを取り込み、前記第１の画
   像データと前記第２の画像データとを比較することによ
   りフォーカス点を求めることを特徴とする電子顕微鏡の
   オートフォーカス方法。