JPS5847824B2 - ソウチデンシケンビキヨウトウヨウ シヨウテンアワセホウホウ オヨビ ソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走査電子顕微鏡におけるフォーカス合わせを自
動化する装置の改良に関する。

走査電子顕微鏡において、高分解能の試料像を得るため
には、試料を照射する電子線の試料面上における断面径
をできるだけ小さくすることが要求される。

このような要求を求たすためには、電子線を集束する集
束レンズ系の焦点距離を調整し、試料面上における電子
線のフォーカス状態、即ち試料面上における電子線の断
面径が最適（最新）状態となるように設定することが必
要となる。

このようなフォーカス合わせ操作はオペレータによる試
料像観察の判断に基づいて行われるため未熟練のオペレ
ータにとっては厄介なものとなる。

そのため、このフォーカス合わせの操作を自動化する試
みがなされているが、自動化の精度等に関する問題点は
充分に解決されていないのが現状である。

フォーカス合わせの自動化における問題点の一つとして
、電子線の試料面上におけるフオカス状態をいかにして
（電気）信号として取り出すかの問題がある。

例えば特開昭４８−３４４７７号公報に記載される装置
においては、検出信号を時間的に微分した量の各走査期
間における平均値または瞬時値を測定し、この測定信号
を電子線のフォーカス状態を表わすフォーカス信号とし
て用いているが、このように検出信号を微分した信号を
用いるとノイズによ影響を受け易くなる。

即ち、走査電子顕微鏡の信号検出系に一般的に用いられ
るシンチレーター、光電子増倍管及び増幅回路において
はホワイトノイズと称されるノイズが発生し、このホワ
イトノイズをは検出すべき信号と比較して高い周波数の
領域に存在する。

従ってこのようなホワイトノイズを主とするノイズを含
んだ検出信号を微分回路に導ひくと、測定目的とする信
号よりもノイズの方がより強調されることになるので，
微分回路を使用して電子線のフォーカス状態を表わすフ
ォーカス信号を取り出そうとするとノイズによる影響の
受け易いものとなり、自動フォーカス合わせ装置の精度
（信頼度）を低下させる原因となっていた。

本発明はこのような問題を解決して、ノイズ信号による
影響の少ない自動フォーカス合わせ装置を提供すること
を目的とするもので、その装置は試料面上を照射する電
子線を集束する集束レンズ系と，電子線の試料照射位置
を周期的に走査する走査手段と、電子線照射によって試
料から発生する信号を検出する検出手段と、該検出手段
による検出信号に基づいて前記走査手段による各走査期
間毎に電子線の試料面上にフォーカス状態を表わすフォ
ーカス信号を発生するフォーカス信号発生手段と、該フ
ォーカス信号発生手段から順次出力されるフォーカス信
号のうち最新のフォーカス信号とその直前のフォーカス
信号の比較を行い、その比較結果に基づいて前記集束レ
ンズ系の焦点距離を前記走査手段による走査と同期して
ステ゛ンプ状に増加又は減少させることによって前記フ
ォーカス信号が最適フォーカス状態を示すように制御す
る制御回路部を備えた装置において、前記フォーカス信
号発生手段を前記検出手段からの検出信号の正又は負方
向の変化分を前記走査手段における各走査期間毎に積算
する手段によって構成したことを特徴とするものである
。

第１図乃至第３図は本発明の原理を説明するための略図
である。

第１図においてａは試料表面に形威されている線状の２
つの領域を示し、この領域においては一定強度の電子線
照射によって発生する信号（例えば２次電子）の発生量
が１であると仮定し、その他の試料領域における信号の
発生量はＯと仮定する。

今、点ｂと点Ｃを結ぶ線分上を電子線によってｂ点から
Ｃ点の方向・＼繰り返し等速で走査すると、信号検出器
からは第２図ａ，ｂ，ｃに示すような検出信号が得られ
る。

第２図における横軸と縦軸は夫々時間と信号強度を表わ
しており、第２図ａ，ｂ，ｃに示す波形は夫々第１図中
８１，８２ ，Ｓ３で示すような断面形状を有する電子
線を用いた場合を示すもので、断面径の小さい電子線を
用いる程、検出信号の波高値が高くなることが示されて
いる。

第３図ａ，ｂ，ｃは第２図ａ，ｂ，ｃの夫々に示される
検出信号の正方向の変化量を積算した信号の（電圧）波
形を示すもので、第３図ａ，ｂ，ｃにおける最終的な積
分値は夫々Ｖｌ ，Ｖ２ ，Ｖ３となり、Ｖｌ＞Ｖ２＞
’Ｖ３の関係が成り立つ。

従ってフォーカスが合った状態においては積算値は最大
になるので、この積算値を電子線のフォーカス状態を表
わすフォーカス信号として利用し、このフォーカス信号
が最大となるように集束レンズ系の焦点距離を調整すれ
ば自動フォーカス装置を実現することが可能となる。

第４図は本発明の一実施例装置を示す略図である。

図中１は電子銃を示し、この電子銃から出た電子線は集
束レンズ系を構成する集束レンズ２及び３により集束さ
れ、゛試料４を照射する。

集束レンズ２と３との間には偏向コイル５及び６が置か
れ、該コイルには走査電源７から走査信号が導入されて
おり、前記電子線は試料上において２次元的に走査され
る。

前記電子線の照射により試料から発生した２次電子或る
いは反射電子は検出器８により検出され、増幅器９を介
して陰極線管等の表示装置１０に導入される。

該陰極線管の偏向コイルには走査信号が供給され、陰極
線管画面には試料走査画像が表示される。

前記集束レンズ３に近接して補助レンズ１１が置かれ、
電源１２により励磁される。

電源１２は制御回路部１８を構成する制御回路１３によ
って制御され、前記走査電源７の走査と同期してステッ
プ状に増加又は減少して変化する励磁電流を補助レンズ
１１に供給する。

前記増幅器から出力される検出信号の一部は，電子線の
試料面上におけるフォーカス状態を表わすフォーカス信
号発生回路１４に導入される。

フォーカス信号発生回路１４としては例えば第５図に示
す如く演算増幅器Ａと２つのダイオードＤＩ，Ｄ２及び
２つコンデンサＣＩ，Ｃ２から構成されるストレージカ
ウンタ回路が採用される。

このストレージカウンタ回路についての詳しい回路動作
は、例えば１９５６年にＭ ｃ Ｇ ＲＡＷ−Ｈ Ｉ
Ｌ ＬＢＯＯＫ ＣＯＭＰＡＮＹ．ＩＮＣ．から発行
された「Ｐｕｌｓｅ ａｎｄ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｉ
ｒｃｕｉｔｓＪｂｙＪａｃｏｂ Ｍｉｌｌａｎ ＆ Ｈ
ｅｒｂｅｒｔ Ｔａｕｂ の第３４６頁乃至第３５３
頁に記述されている。

第６図ａ，ｂは夫々ストレージカウンタ回路における人
，出力端子ＴＩ，Ｔ２における電圧波形の一例を示すも
のである。

第５図に示すストレジカウンタ回路は正極性のピークＥ
１，Ｅ３，Ｅ５から負極性のピークＥ２ ，Ｅ４ ，Ｅ
６に変化するときの変化量を積算し、該積算値に計数ｎ
Ｃ１ （ ，−Ｈ）を乗じた電圧信号を端子Ｔ２に出力する
。

第６図ｂからも明らかな如く、ストレージカウンタ回路
の出力電圧が低い程、電子線のフォーカス合わせ状態が
最適状態に近いことを表わすことになる。

所で、第６図ａに示す入力信号には実際には前述したノ
イズが重畳されるので第６図ｂに示す出力電圧の値にも
ノイズ成分に基づく積算値が重畳されることになる。

しかし乍ら、ノイズ成分の積算値は電子線のフォーカス
状態に拘わらず常に略一定で変化しないものと見做せる
ので、ストレージカウンタ回路の出力をフォーカス信号
として利用することができる。

特に、ストレージカウンタ回路を採用したことにより、
従来のように微分回路を用いた場合と比べて、信号より
もノイズの方が強調されて信号処理されるようなことか
くなぐるため、従来に比較して信頼度の高いフォーカス
信号を得ることが可能となる。

第４図に示す装置においては、フォーカス信号発生回路
１４・＼走査電源７から（水平）走査のプランキング信
号が印加されており、各走査毎にフォーカス信号発生回
路１４で積算されたフォーカス信号値がリセットされる
。

フォーカス信号発生回路１４の出力信号はゲート回路１
５ａ，１５ｂに送られるが、該ゲート回路′＼も前記走
査電源７からプランキング信号が印加されており、この
プランキング信号によってゲート回路がオン、オフされ
る。

このとき、ゲート回路１５ａがオンのときは１５ｂはオ
フ、１５ｂがオンのときは１５ａがオフになるように構
成されている。

その結果、試料を走査する電子線の各走査期間における
フォーカス信号発生回路１４からのフォーカス信号が各
プランキング期間に交互に一時記憶回路１６ａ，１６ｂ
に印加される。

一時記憶回路はプランキング信号が印加されると、プラ
ンキング期間の最初にそれまで記憶していたフォーカス
信号値を新しく印加されるフォーカス信号値に置き換え
て記憶する。

一時記憶回路１６ａ，１６ｂの出力は比較回路１７に印
加されており、該比較回路は走査電源７からプランキン
グ信号が印加される期間内に２つのフォーカス信号を比
較し、その比較結果を制御回路１３に印加する。

該制御回路１３は、印加された比較回路１７の出力に基
づいて走査電源７から印加されるプランキング信号の印
加されている期間内に、次の走査期間における電源１２
の出力値を制御する制御信号を決定して電源１２へ印加
する。

第γ図に示す各波形は横軸を時間に縦軸を信号強度とし
て第４図の装置の各部における信号波形を表わしたもの
である。

第５中Ａ，Ｂ１の波形は夫々走査電源７の（水平）走査
信号とプランキング信号発生回路１４の出力を示すもの
で、第１回目から第４回目の各走査期間における積算値
がＣＩ ，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４（ＣＩ＜Ｃ２＜Ｃ４＜Ｃ３
）のように変化する様子が示されている。

走査電源７からはＢ１に示すプランキング信号の他に位
相と信号幅の異なったＢ２ ，Ｂ３ ，Ｂ４で示すプラ
ンキング信号も発生しており、夫々ゲート回路１５ａ，
１５ｂ、一時記憶回路１６ａ，１６ｂ及び制御回路１３
・＼印加される。

又、Ｌは電源１２の出力波形を表わしている。

自動フォーカス合わせが開始されると、先ず制御回路１
３は第１回目の走査において電源１２の出力が予め記憶
された最初の設定値１１となるように制御信号を出力す
る。

第１回目の走査が終ると，そのフォーカス信号値Ｃ１は
ゲート回路の一方、例えば１５ａを通して一時記憶回路
１６ａに記憶される。

次に制御回路１３は予め定められたプログラムに従って
電源１２の出力を■１＋△■に設定して第２回目の走査
を行う。

第２回目の走査におけるフォーカス信号値Ｃ２は第２回
目のプランキング期間においてゲート回路１５ｂを通し
て一時記憶回路１６ｂに記憶された後、比較回路１７に
よってＣ２−ＣＩの値の極性が判定され、制御回路１３
にはその判定結果を表わす信号が印加される。

制御回路１３は印加された信号が負を表わしている場合
には電源１２の出力を増加させて■１＋２Δ■とする制
御信号を電源１２に印加する（逆に、Ｃ２−ＣＩの値が
正の場合には第３回目以降における電源１２の出力をス
テップ状に減少させる。

）。■１＋２△■の励磁電流が供給される補助レンズに
よって集束された電子線によって第３回目の走査が終了
すると、第３回目の走査期間に得られたフォーカス信号
値Ｃ３が第３回目のプランキング期間においてゲート回
路１５ａを通して一時記憶回路１６ａに印加され、リセ
ットされたそれまでの記憶値Ｃ１に代わって記憶される
。

次に比較回路１７は二つの一時記憶回路の出力からＣ３
−Ｃ２の極性を判定し、負極性を表わす信号を制御回路
１３に印加する。

制御回路１３は第３回目のプランキング期間内に印加さ
れた信号に基づいて電源１２の出力を更に１ステップ増
加させて■１＋３△■とする制御信号を電源１２に印加
する。

第４回目の走査は励磁電流■１＋３△■の状態の下で行
われ、そのフォーカス信号値Ｃ４は第４回目のプランキ
ング期間において一時記憶回路１６ｂに記憶されていた
信号値Ｃ２と置き換えられて記憶される。

比較回路１４はＣ４−Ｃ３の極性を判定し、正極性を示
す信号を制御回路１３′＼印加する。

制御回路１３はＣ４−Ｃ３の値が正であって電子線のフ
オカス状態に関しては第３回目の方が第４回目よりも悪
化していると判断し、第５回目以降の走査では電源１２
の出力が■１＋２△■に固定されるような制御信号を電
源１２に印加して制御回路１８による自動フォーカス合
わせの動作を完了させる。

以上のように、第４図の実施例装置では制御回路部１８
によってフォーカス信号が最適（最小）値を示すように
補助レンズの励磁電流が設定されるが、制御回路部に関
するより詳しい具体例に関しては本発明者による別発明
（特願昭４９−１４３６号（特開昭５０−８６１７４号
）の明細書に記載されている。

尚、上記実施例装置においては、フォーカス信号発生回
路としてストレージカウンタ回路を使用しているが、こ
れに限定されるものではなく、検出信号の正又は負方向
の変化量を一定期間毎に積算する動作を回路であれば、
どのような回路素子から構成される回路であっても差し
支えない、又、補助レンズ１１を使用せずに直接集束レ
ンズ３の励磁をステップ状に変化させることも可能であ
り、各繰り返し走査の単位として１回の水平走査の期間
とする代わりに１回の垂直走査期間（即ち一画面走査期
間）を用いることも可能である。

更に、各繰り返し走査による電子線の試料照射領域＠）
は同一である方が好ましいが、各走査毎に僅かにずらせ
てもフォーカス信号に与える影響は殆んど無視すること
ができる。

以上詳述した如き本発明によれば走査電子顕微鏡におけ
るフォーカス合わせの自動化をより高い信頼度で行うこ
とが可能となり走査電子顕微鏡における操作性が著しく
改善される。

【図面の簡単な説明】

第１乃至第３図は本発明の原理説明図，第４図は本発明
の一実施例を示す略図、第５図は第４図の装置において
使用されるフォーカス信号発生回路の電気回路図、第６
図及び第７図はその動作説明図である。 １：電子銃、２，３：集束レンズ、４二試料、５，６：
偏向コイル、７：走査電源、８：検出器、９：増幅器、
１０：陰極線管、１１：補助レンズ、１２：電源、１３
：制御回路、１４：フォーカス信号発生回路、１５ａ，
１５ｂ：ゲート回路、１ ６ａ ， １ ５ｂ ：一時
記憶回路、１７：比較回路、１８：制御回路部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 試科面上を照射する電子線を集束する集束レンズ系
   と、電子線の試料照射位置を周期的に走査する走査手段
   と、電子線照射によって試料から発生する信号を検出す
   る検出手段と、該検出手段による検出信号に基づいて前
   記走査手段による各走査期間毎に電子線の試料面上にお
   けるフォーカス状態を表わすフォーカス信号を発生する
   フォーカス信号発生手段と、該フォーカス信号発生手段
   から順次出力されるフォーカス信号のうち最新のフォー
   カス信号とその直前のフォーカス信号の比較を行い、そ
   の比較結果に基づいて前記集束レンズ系の焦点距離を前
   記走査手段による走査と同期してステップ状に増加又は
   減少させることによって前記フォーカス信号が最適フォ
   ーカス状態を示すように制御する制御回路部を備えた装
   置において、前記フォーカス信号発生手段を前記検出手
   段からの検出信号の正又は負方向の変化分を前記走査手
   段における各走査期間毎に積算する手段によって構成し
   たことを特徴とする走査電子顕微鏡の自動フォーカス合
   わせ装置。