JPS5917496B2 - 走査電子顕微鏡等における焦点合わせ方法及びそのための装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走査電子顕微鏡及びその類似装置における焦点
合わせを自動的且つ正確に行うことを目的とするもので
ある。

走査電子顕微鏡等においては電子銃から発生する電子線
を集束レンズ系によって試料面上で微小なビーム径を形
成する様に集束し、更に該電子線を偏向手段によって試
料面上に走査し、該走査と同期した像表示手段に試料か
ら検出される信号を輝度変調信号として用いて試料像を
表示している。

この場合、試料像のピント合わせは集束レンズの励磁を
調整し試料面上における照射電子線のビーム径が最小と
なることを確認して行われるが、従来装置においてはこ
の様な調整操作を表示手段に表示される試料像の観察に
基づいて行っていたため操作に長い時間を要し、又正確
な調整が困難であった。

本発明はこの様な問題を解決することを目的とするもの
で、試料像観察によらず直接に像信号からピント合わせ
に関する信号を検出して自動的に集束レンズの励磁を最
適状態に設定する事を特徴とするものである。

第１図は本発明による走査電子顕微鏡の一実施例を示す
略図である。

図中１は電子光学系の鏡筒部を表わし、該鏡筒内には試
料２に電子線３を照射するための電子銃４、第１集束レ
ンズ５、第２集束レンズ（対物レンズ）６等が収納され
ている。

又、鏡筒外の水平閃方向走査信号発生回路７Ｘと該回路
と同期してＹ方向の走査信号を発生する回路７Ｙからの
信号は鏡筒内の偏向コイル８Ｘ。

８Ｙへ供給されており、電子線３を試料２の表面で２次
元的に走査する。

一方走査信号発生回路７Ｘ、７Ｙからの信号の一部は陰
極線管９の偏向コイル１０Ｘ、１０Ｙに供給されており
、陰極線管内の電子線１１を画面に走査している。

該電子線は制御グリッド１２及び１３の電位によって輝
度変調を受けるが、その一方のグリッド１３には電子線
照射によって試料２から発生する２次電子、Ｘ線等を検
出する検出器１４からの出力を増幅回路１５で増巾した
信号が用い―似陰極線管画面上に試料像が表示される。

尚グリッド１２に印加される信号は多数のＸ方向（直線
）走査の切り換え時間即ち帰線時間に陰極線管の輝度を
零に保つためのもので回路７Ｘ、７Ｙと同期した帰線信
号発生回路１６によって供給されている。

この様々一般的な構成の走査電子顕微鏡においては対物
レンズ６の励磁電流電源を調整する事によって陰極線画
面上の試料像のピント合わせを行っている力入本発明装
置においては通常の対物レンズの近傍に設けられた別個
の小レンズ１８とその励磁電流電源１９が自動的に制御
さね、正確な試料像のピント合わせが行われる様に構成
されている。

この様な自動制御は検出器１４からの映像信号と電子線
走査の帰線信号とから試料面上における電子線のビーム
径が最小であるか否かを検出し、電源１９に制御信号を
供給する補助レンズ制御回路部２０によって行われる。

制御回路２０の基本的な動作原理を第２図に基づいて以
下に説明する。

今、試料の同一箇所を互いにビーム径の異なった電子線
で水平走査したときに得られる映像信号の出力波形を第
２図ａ、ｂ。

Ｃに示す。

第２図からピントの合った状態、即ちビーム径が小さい
程映像信号の立上りが鋭く、又その大きさも大きい事が
わかる。

本発明では映像信号の立上りの度合及びその大きさを一
定割合で電圧の大きさに変換し、この変換信号（電圧）
が最高値と々る集束レンズ系の焦点距離を求め、この状
態を正しいピント合わせの状態とするものである。

例えば第２図ａｔｂｔｃの状態で得られる映像信号の変
換電圧を夫々Ｖａ、Ｖｂ 、ＶｃとすればＶａ＞Ｖｂ＞
Ｖｃの関係が成り立つ。

従って各水平走査毎に集束レンズ系の焦点距離を変化さ
せ、２つの水平走査の期間に得られる映像信号を前述し
た方法で直流電圧値に変換し、互いに比較する事によっ
て集束レンズ系の焦点距離が最適状態に近づきつつある
か否かを判別する事ができる。

そしてこの様な判別結果に従って集束レンズ系の焦点距
離の変化中を順次小さくすれば最適焦点距離に近ずける
事ができる。

第３図は第１図に示す装置の自動制御回路部２０の構成
を表わす略図である。

回路２０の２つの入力端子Ｓ及びＢには夫々増巾回路１
５からの映像信号と走査信号に同期したブランキング信
号発生回路１６からの出力信号が印加されている。

端子Ｓに印加された映像信号は更に２つの変換回路部Ａ
、１３に印加される。

これらの変換手段は前述した如く映像信号の周波数成分
及びその強度を電圧値に変換する動作を行うものである
が、回路部ＡとＢはブランキング信号によって動作時間
にずれを生じる。

映像信号は例えば高周波フィルター回路等によって変化
の少ない信号部分（低周波分）は圧縮されアナログ・ゲ
ート回路２２Ａ、２２Ｂを経て積分回路２３Ａ、２３Ｂ
に印加され、その積分値は比較回路２４によって比較さ
れている。

第４図ａ。ｂは夫々水平走査信号の波形及びブランキン
グ信号パルスを示しており、第３図におけるタイミング
回路２５はこのパルス信号によってゲート回路２２Ａ、
２２Ｂを交互にパオープン′″状態とする様な信号を発
生する。

従って積分回路２３Ａ。２３Ｂに印加される映像信号の
波形は夫々第４図ｃ ｙ ｄに示す様になる。

更にタイミング回路２５からの信号とブランキング信号
はアンド回路２６Ａ、２６Ｂを経て積分回路２３Ａ、２
３Ｂのリセット信号として用いられ、−水平走査時間に
積分された信号値は次の一水平走査時間保持される。

この様にして得られる積分回路の出力信号は第４図ｅ、
ｆに示す様な波形となる。

これらの信号は比較回路２４によって常時比較されてお
り信号ｅとｆの値が反転する時刻を立上がり又は立下が
り時刻として第４図ｇに示す様な矩形波が発生される。

この矩形波信号は更にパルス発生回路２７において矩形
波の立上がり立下がり時に第４図りに示す様なパルス信
号を発生する。

第３図に示す加算回路部Ｃは補助レンズの電流電源を制
御する信号を発生する回路で、図中２８は入力パルス信
号によって一定間隔値の電流を各コンバーターＤ ｉ
＋ Ｄ２ ｔ・・・Ｄｎに供給し制御するためのパルス
ディス） ＩＪビューター回路を示し、各コンバーター
からの出力は夫々減衰回路Ｅ２）・・・Ｅｎを介して加
算回路２９によって加算される。

パルスディストリビュータ−回路２８の制御信号の１つ
としてＡＮＤ回路３０の出力が印加されているが、この
信号は第４図ｉに示す如くブランキング信号すとパルス
信号りとが一致した場合にのみ発生し、コンバーター回
路Ｄ ｔ ｐ Ｄ２ ｔ・・・Ｄｎへ直流電流を順次供
給するためのシフト信号として用いられる。

回路２８へ印加される他の制御信号は前述したシフト信
号によって選択される特定のコンバーターへ供給する直
流電流を水平走査信号毎に階段的に変化させるためのも
ので、アンド回路３１の出力信号が用いられる。

アンド回路３１の一方の入力端子にはブランキング信号
が印加されている。

第４図ｊは加算回路部Ｃの出力端子Ｏの波形を示すもの
である。

Ｊ＋ 、Ｊ２．Ｊｓ 、Ｊ４はコンバーターＤ１によっ
て各水平走査毎に制御信号が階段的に変化する状態を示
すもので正しいピント状態に対応する制御信号値ｉｏを
越える値に達すると、パルスｉが発生してコンバーター
Ｄ１の出力が保持されると共に次のコンバーターＤ２が
作動しＤＩとは逆方向に制御電流をＪ５ 、Ｊａの様に
変化させる。

このとき減衰回路Ｅ２によってその変化中はＪ１＋・・
・Ｊ４の場合より小さくなっている。

Ｊ６の状態に達するとコンバーターＤ２はこの状態に保
持され更にコンバーターＤ３が作動を始め、次第に最適
値ｉｏに近づいてゆく。

この様な動作が進んでコンバーターＤｎの動作が始まる
と回路２８から完了信号が発生し、この信号とコンバー
ターＤｎの動作完了を表わすパルス発生回路２７からの
信号はストップ・パルス発生回路（ＡＮＤ回路）３３に
印加される。

回路３３の出力は２つのＡＮＤ回路３０，３１を゛′オ
フ″状態とするための信号を発生する様にスタート・ス
トップ制御回路３２へ印加される。

尚、３４はスタート・ストップ制御回路３２、積分回路
２３Ａ。

２３Ｂ及びコンバーターＤ １１ Ｄ２ ＋・・・Ｄｎ
へ作動開始の信号を与えるだめのスタート信号発生回路
である。

この様にしてスタート信号発生回路３４の作動スイッチ
を操作するのみで極めて短い時間に正確なピント合わせ
操作が完全に自動的に行なわれる。

尚、第４図を用いた動作説明においてはレンズ強度を段
階的に変化させる最初の方向が正しい焦点の方向と一致
している場合を説明したが、最初の変化方向が逆であっ
てもレンズ強度の最初の段階的変化が行われると変化の
前後における映像信号の積分値が増加でなく減少してい
ることが検知されたパルス（ｉ）が発生してレンズ強度
の段階的変化の方向が直ちに正しい方向に修正され、前
述した自動焦点合わせの動作が行われる。

第５図は第１図に示す装置に使用される補助レンズ制御
回路部２０の他の実施例を示す略図である。

第５図中第３図と同一構成要素を表わすものには同一記
号を付してあり、その主な変更箇所は映像信号を処理す
る回路部りである。

回路部りは入力端子Ｓからの映像信号を単一の変換回路
２１に導き、更に積分回路２３に導入する。

該積分回路２３はブランキング信号によって一水平走査
毎にリセットされる様に構成されている。

積分回路２３の出力の一部はブランキング信号によって
リセットされる記憶回路３５に印加されており、常に一
水平走査前の積分値が回路３５の出力に現われる。

該出力端子はブランキング信号によって制御されるタイ
ミング回路３６の出力によって″オンｊｊ 、 Ｉｔオ
フ”状態に切り換えられる２つのゲート回路３７を経て
比較回路の２つの入力端子に接続されており、回路３５
の出力信号は比較回路２４の２つの入力端子に一水平走
査毎に交互に印加される。

他方積分回路の出力端子の一部は記憶回路３５を経ずに
２つのゲート回路３Ｔを介して比較回路の２つの入力端
子に接続されており、回路３５の出力信号と同様に積分
回路２３の出力信号は比較回路２４の２つの入力端子に
交互に印加される。

以上の説明から回路部りの動作は第３図の回路における
２つの変換回路部Ａ、Ｂと殆ど同じとなり、第３図と第
４図に示す制御回路の動作は同じである事が明らかとな
る。

第６図は本発明の更に他の実施例装置の要部を示す略図
である。

図中１８は第１図の装置における補助レンズコイルを示
し、２０ａは第３図又は第５図の回路と略同じ構成を有
する回路を表わしている。

該実施例装置においては回路２０ａからコイル１８に供
給する電流の極性を制御する回路部２８が増巾回路２９
と回路２０ａとの間に設けられており、回路２０ａが作
動する前に極性制御回路２８の動作が完了する様に構成
されている。

補助コイル１８は加算器３０によって増巾回路から供給
される補助電流と掃引電流発生回路出力からの電流との
和電流によって励磁される。

掃引電流発生回路３１は通常はある一定の出力電流値Ｉ
Ｄをコイルに供給しているが、スタート信号発生回路３
２からの信号によって掃引電流を発生する。

スタート信号の発生によって第７図ａに示すブランキン
グ信号に同期して回路３１は第７図すのα１．α２に示
す如く直流電流に重畳して掃引信号を発生し、その後は
再び出力直流値ＩＤを保持する。

又、スタート信号発生回路からの信号は極性判定回路３
３にも印加されており、ブランキング信号に同期して回
路３３を動作させる。

回路３３はビデオ信号を試料照射ビーム径に対応する電
圧値に変換し第７図Ｃに示す如く、各コイル電流掃引中
における値を検出する。

これら２つの検出値の大小を比較して正負いずれの極性
の掃引電流のとき、より高い検出値が得られるかを判定
し、その結果によって極性制御回路２８におけるフリッ
プ・フロップ回路に信号を印加する。

例えば正しい焦点補正電流値が第７図すに示す如くＩＣ
である場合に、掃引電流がα２のときに高い検出値が得
られるので直流電流値ＩＤよりも負の方向へ変化する様
に極性相ＩＪ御回路２８へ信号を供給する。

回路２８は回路２０ａの出力信号が増巾回路２９の正負
いずれの端子へ供給されるかを決定するもので、その動
作完了と略同時に回路３３から発生するスタート信号に
よって回路２０ａが動作する。

この様にして補正コイルに供給される電流は第７図すの
Ｊｌ ’ 、Ｊ２’ ｙ Ｊｓ’ ？・・・等の如く変
化し次第に正しい補正電流値ＩＣに近すいてゆく。

第６図の実施例装置と前述した実施例装置との相異は第
７図すに示すＪ１′からＪ２’への変化が常に正しい極
性方向へ行なわれ、逆に５１′から５２″への変化が行
なわれない点にある。

尚、本発明は以上の実施例装置に限定されるものではな
く、試料から得られる映像信号より電子線の試料面上に
おけるビーム径に対応する″変換信号″を検出し、集速
レンズ系を段階的に変化させる場合における変化方向が
適性であるか否かを検知するために変化前の″変換信号
″と変化後の゛変換信号″を比較する方法を実施する装
置であればよく、この様な制御は走査電子顕微鏡へ電子
計算機を接続する事によっても可能である。

更に本発明の原理をＸ線マイクロアナライザー、イオン
マイクロアナライザー、その他の荷電粒子線装置に応用
する事も容易である。

父、補助レンズコイルの電流値を適性な値に調整する間
に電子線の試料照射位置は僅かに変化してしまうが、こ
の変化を除くためには調整動作の間試料照射電子線の垂
直走査を一定に保つ様にすれば良い。

更に第１図の装置に用いられている独立した磁極片を有
する補助レンズの代わりに通常の対物レンズ磁極片のコ
イル巻枠に補助のレンズコイルを追加し、その励磁電流
を制御する装置、或は通常の対物レンズ励磁電源そのも
のを制御する様にしても差支えない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す略図、第２図はビーム
断面と映像信号の関係を示す略図、第３図、第５図及び
第６図は第１図の装置に用いられる制御回路部２０の構
成の一例を示す略図、第４図及び第７図は夫々第３図及
び第６図に示す回路部の動作を説明するための略図であ
る。 ６・・・・・・対物レンズ、７Ｘ、７Ｙ・・・・・・走
査信号発生回路、１６・・・・・・ブランキング信号発
生回路、１７・・・・・・対物レンズ電源、１８・・・
・・・補助レンズ、１９・・・・・・補助レンズ電源、
２０・・・・・・補助レンズ電流制御回路部、２１Ａ、
２１Ｂ・・・・・・・・イバスフィルター、２２Ａ、２
２Ｂ・・・・・・ゲート回路、２３Ａ。 ２３Ｂ・・・・・・積分回路、２４・・・・・・比較回
路、２５・・・・・・タイミング回路、２６Ａ、２６Ｂ
・・・・・・ＡＮＤ回路、２７・・・・・・パルス信号
発生回路、２８・・・・・・パルスディストリビュータ
−１２９・・・・・・加算回路、３０．３１・・・・・
・ＡＮＤゲート回路、３３・・・・・・ストップ信号発
生回路、３２・・・・・・スタートストップ制御信号発
生回路、３４・・・・・・スタート信号発生回路、３５
・・・・・・記憶回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 荷電粒子線源から発生する粒子線を集束レンズ系に
   より試料上で微小な径が形成されるように照射すると共
   に偏向手段によって試料面上の一定領域を繰返し走査し
   、該走査と同期して前記集束レンズ系におけるレンズ強
   度を段階的に変化すると共に各走査毎に試料から得られ
   る映像信号より前記粒子線の試料上におけるビーム径に
   対応する変換信号を検出し、前記レンズ強度変化の前後
   における変換信号の比較に基づいて正焦点を求める方法
   において、前記レンズ強度を一定の変化幅で段階的に増
   加又は減少させ、前記変換信号の増加傾向が逆転する毎
   に前記集束レンズ系に与えるレンズ強度の段階的変化の
   極性を反転させると共に変化幅を減少させ、変換信号の
   増加傾向の逆転が複数回行なわれた後、最後に変換信号
   の増加傾向が逆転した時又はその直前におけるレンズ強
   度を正焦点として保持することを特徴とする走査電子顕
   微鏡等における焦点合わせ方法。 ２ 荷電粒子線源から発生する粒子線を試料上で微小な
   ビーム径が形成されるように集束する集束レンズ系、該
   粒子線を試料面上で走査する偏向手段、試料からの情報
   を検出する検出器、前記偏向手段による走査と同期した
   像表示用陰極線管、前記検出器の出力信号から前記粒子
   線の試料上におけるビーム径に対応する変換信号を得る
   手段、該手段により得られた一定時間中の変換信号と次
   の一定時間中の変換信号とを比較してその増加又は減少
   を検知する手段、及び該手段の検知結果に基づいて前記
   集束レンズ系のレンズ強度を一定時間毎に段階的に変化
   させるレンズ強度変化手段を備えた装置において、前記
   変換信号の増加傾向が逆転する毎に前記集束レンズ系に
   与えるレンズ強度の段階的変化の極性を反転させると共
   に変化幅を減少させるように前記レンズ強度変化手段を
   構成し、変換信号の増加傾向の逆転が数回行なわれた後
   、最後に変換信号の増加傾向が逆転した時又はその直前
   におけるレンズ強度を正焦点として保持する手段を設け
   たことを特徴とする走査電子顕微鏡等における焦点合わ
   せ装置。