JPS60195859A - 走査変調型観察表示装置 - 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】 （発明の技術分野） 本発明は、走査変調型観察表示装置、特に被観察試料に
照射されるプローブの走査位置、径あるいは波長等を高
速に変調して被観察試料から得られた信号に基づき、被
観察試料の特徴を抽出して表示を行う走査変調型観察表
示装置に関するものである。

（技術の背景と問題点） 従来、走査型電子顕微鏡等は、微小な径に集束した電子
線プローブを用いて被観察試料を順次走査し、該被観察
試料から得られた信号、例えば２次電子、オージェ電子
、反射電子、Ｘｌｖ！、光等の信号によって輝度、振幅
変調等を前記走査信号と同期させた形で行うことにより
、ディスプレイに所望の画像を表示することが行われて
いる。

ある種の走査型の顕微鏡、例えば走査型オージェ顕微鏡
は、画像のＳ／Ｎを向上させる等のために被観察試料を
照射する電子線プローブの形を同一にして電子綿密度を
変調することが行われている。該密度変調を行うことに
より、被観察試料から検出されたオージェ電子がいわば
交流的に変化する信号となり、交流化された信号を増幅
し、増幅後に位相検波して画像信号を得るものである。

このため、高Ｓ／Ｎ、特にドリフトを軽減等させた画像
信号を得ることができる。

しかし、該電子線プローブの電子流密度変調は、増幅の
し易さ、高Ｓ／Ｎ等が得られるために行うのであって、
被観察試料に関する特徴を抽出するものではない。従来
、被観察試料において必要とされる画像情報を抽出する
には、画像信号を一度メモリ等に記憶し、該記憶した画
像情報をコンピュータによって画像処理を行うことによ
り、得ていた。これでは、リアルタイムに画像処理を行
うことができず、また、画像処理を行うための構成が複
雑となってしまうという問題点があった。

（発明の目的と構成） 本発明の目的は、前記問題点を解決することにあり、プ
ローブによって被観察試料を照射する際に、プローブの
走査位置、径あるいは波長等を高速に変調を行って被観
察試料からの変調を伴った信号を検出し、該検出信号か
ら変調されない画像信号および変調された画像信号を抽
出し、該両者の画像信号に基づき所望の画像をディスプ
レイ等に表示することにより、簡単な構成および画像処
理によって被観察試料の特徴を抽出した画像を得ること
にある。そのため、本発明の走査変調型観察表示装置は
、被観察試料をプローブ状に形成した荷電粒子、超音波
あるいは光波によって走査することにより前記被観察試
料の状態を表示する走査変調型観察表示装置において、
前記プローブによって被観察試料を走査する主走査部と
、咳主走査部によってプローブを用いて順次走査する際
に前記プローブの位置、径あるいは波長のうち少なくと
も１つについて前記走査速度に比し高速に変調する変調
部と、前記プローブを前記被観察試料に照射することに
よって得られる信号を検出する信号検出部と、前記変調
部からの参照信号に基づき前記信号検出部によって検出
された信号から非変調状態の信号および変調状態の信号
を抽出する信号復調部と、該信号復調部によって復調さ
れた非変調状態および変調状態の信号に基づき所定の画
像信号を生成する画像イ８号生成部とを備え、該画像信
号生成部によって生成された画像信号に暴づき前記被観
察試料の状態を観察・表示することを特徴としている。

（発明の実施例） 以下図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の１実施例構成図、第２図および第３図
は第１図図示本発明の１実施例構成を用いた応用例を説
明する説明図を示す。

図中、１は被観察試料、２は電子銃、２−１は電子源、
２−２はウェネルト筒、２−３はアノード、３は集束レ
ンズ、４は主走査コイル、５はシンチレーション検出器
、６は増幅器、７は復調回路、８はビデオ増幅器、９は
ディスプレイ、１０は走査電顕コントロール部、１１は
焦点変調コイル、１２は副偏向部、１３は高速波形ジェ
ネレータ、１４はマスクオシレータを表す。

第１図は本発明の１実施例構成を示し、走査型電子顕微
鏡を用いて被観察試料ｌを走査する際に、電子線プロー
ブにより照射する位置あるいは電子線プローブの径を変
化させる場合の構成例を示す。

まず、画像観察について説明する。図中２は電子銃であ
って、電子線プローブを放射するためのものである。該
電子銃２は電子源２−１．ウェネルト筒２−２およびア
ノード２−３から構成され、一般にアノード２−３に対
して電子源２−１には図示外の高圧電源から負電圧（〜
２５ＫＶ）が印加されると共に、電子源２−１であるフ
ィラメントに対してウェネルト筒２−２は負のバイアス
電圧（〜数百Ｖ）が印加されている。該構成を採用する
ことにより、電子銃２からは微小断面積を存する電子線
プローブが図示下方に放射されることになる。

図示３は集束レンズであって、前記電子銃から放射され
た電子線１０−ブを縮小した形で被観察試料１を照射す
るためのものである。

図中４は主走査コイルであって、前記集束レンズ３によ
って被観察試料Ｉに照射されている電子線プローブを走
査（Ｘ、　Ｙ）するためのものである。

図中５はシンチレーション検出器であって、電子線プロ
ーブが被観察試料１を照射することによって発生した２
次電子を検出すると共に、増幅するためのものである。

該シンチレーション検出器５の先端には正の高電圧（〜
数百Ｖ）が印加されており、被観察試料Ｉから発生した
２次電子が引っ張られて集束されると共に加速され、シ
ンチレーション検出器５の先端部に衝突することにより
、光の形に変換される。該先に変換された画像信号は更
にフォトマルチプライヤ−等によって光電変換されると
共に増幅され、電気信号に変換される。

図中６は増幅器であって、シンチレーション検出器５に
よって検出された信号のインピーダンス変換および信号
の電圧レヘルｇＰｌ整等を行って、画像信号を次段に送
出する際のノイズの侵入を防止したり、あるいは信号処
理を行い易くするだめのものである。

図中７は復調回路であって、後述する如く被観察試料ｌ
を照射する電子線プローブを変調した場合に画像信号を
復調するためのものである。

図中８はビデオ増幅器であって、各種信号処理を終了し
た画像信号を表示等するために増幅等を行うためのもの
である。

図中９はディスプレイであって、前記ビデオ増幅器８か
ら供給された画像信号を人間が観察し得る映像の形に変
換するためのものである。

図中１０は走査電顕コントロール部であって、各種制御
を行うためのものである。

以上の如き構成を採用した走査型電子顕微鏡を用いて被
観察試料１を観察する場合の動作について簡単に説明す
る。

電子銃２から放射された電子線プローブは、走査電顕コ
ントロール部１０内の所定ツマミを回転等することによ
って集束レンズ３に供給する直流電流の大きさを微調す
ることにより、被観察試料１の表面に微小スポット　（
数千〜数十オングストローム）の形で結像される。そし
て、該微小スポットは、主走査コイル４　（Ｘ、Ｙ）に
走査用の鋸歯状波電流を夫々供給することにより、順次
走査され、面走査が行われる。

電子線プローブによって照射された被観察試料ｌから放
出された２次電子は、シンチレーション検出器５、増幅
器６、復調回路７およびビデオ増幅器８を介して検出・
増幅・信号処理が行われ、ディスプレイ９の例えば輝度
変調端子に供給される。該ディスプレイ９には主走査コ
イル４に供給した鋸歯状波に同期した電流が供給され、
被観察試料ｌから放出された２次電子の放出量に対応し
た明暗の画像（２次電子像）等が得られる。該画像の表
示倍率は主走査コイル４に供給する鋸歯状波電流の大き
さに反比例し、例えば電流を小さくした場合には倍率は
大きくなり、電流を大きくした場合には倍率は小さくな
る。

次に、被観察試料ｌに照射される電子線プローブが高速
変調される場合の構成について説明する。

図中１１は焦点変調コイルであって、被観察試料１に照
射される電子線プローブの径を高速に変調させるための
ものである。

図中１２は副偏向器であって、主走査コイル４に供給す
る電流によって定まる被観察試料ｌ上に照射される電子
線プローブの位置を中心に、高速にランダムに走査する
ためのものである。

図中１３は高速波形ジェネレータであって、主走査コイ
ル４によって走査されるよりも高速に前記焦点変調コイ
ル１１あるいは／および副偏向器１２を所定の走査信号
によって駆動するためのものである。

図中１４はマスクオシレータである。前記高速波形ジェ
ネレータ１３によって焦点変調コイル１１および副偏向
器１２が駆動される信号の周波数が極端に商ければ同期
化する必要はないけれども、駆動のし易さ、検出信号系
の周波数応答性および信号処理のし易さ等のために水平
走査周波数の整数倍に同期化させている。

第２図を用いて被観察試料ｌに照射される電子線プロー
ブの径が高速に変調される場合の動作について説明する
。

第２図（Ａ）において、集束レンズ３に流れる電流を微
細に調整することによって被観察試料１に電子線プロー
ブが図示合焦点の状態に設定される。そして、高速波形
ジェネレータ１３から焦点変調コイル１１に供給される
電流に基づき電子線プローブが図示非焦点■状態に変調
される。このように、焦点変調コイル１１に矩形波状電
流を供給すること、あるいは供給しないことにより、合
焦点■と非焦点■とを任意に選択することができる。非
焦点■の度合は、焦点変調コイル１１に供給する電流の
大きさを変化させることによって所望の被観察試料ｌの
特徴を抽出するに適した任意の大きさに設定することが
できる。そして、合焦点■あるいは非焦点■状態によっ
て照射された領域から放出された２次電子が例えば１つ
の画素に対応する画像信号としてシンナレーション検出
器５によって検出される。

第２図（Ｂ）図中■は変調波形信号であって、前記焦点
変調コイル１１に供給される電流の波形を示す。該矩形
波からなる変調波形信号の振幅値Ｉ０は、＋ｉｉＪ述し
た如く第２図（Ａ）図示非焦点■の度合を決定する電流
値であって、高速波形ジェネレータ１３によって被観察
試料１の特徴を抽出するのに適切な値に設定されるもの
である。

第２図（Ｌｌ）図中■はシンチレーション検出器５から
の出力信号であって、変調波形信号■の各波形に夫々対
応した電子線プローブ径で被観察試料ｌを走査した場合
に放出された２次電子を増幅した信号を示す。該信号中
、“＋”は加算積分を示し、合焦点■状態の信号を復調
回路７内に設けられた所定の時定数を有する積分回路に
よって加算する状態を示す。“−”は減算積分を示す。

該積分回路の時定数は水平走査方向の分解能に対応した
値に設定される。

このように、復調回路７によって焦点変調コイル１１に
ツバ給される電流と同期した形で加算積分あるいは減算
積分を行うことにより、第２図（Ａ）図示合焦点の状態
の画像信号から非焦点■状態の画像信号、即ちいわゆる
バンクグランドとなる信号が減算され、合焦点■状態に
のみ発生ずる固有の一信号が強調された形で抽出される
ことになる。

該抽出された画像信号は前述した如くしてディスプレイ
９に表示される。また、必要に応じて口承外の画像メモ
リ等に記憶させることもできる。

第３図を用いて変調する時間割合を小さくして、いわゆ
る“重みづけ”を行う場合について説明する。

第３図（Ａ）図示非焦点■状態においては、はんのわず
かな焦点ボゲが生じる位に焦点変調コイル１１に供給す
る矩形波状電流の大きさを調整すると共に、電流を供給
する時間を少なくする。

第３図（Ｂ）図示変調波形信号■は、変調する時間をデ
ユーティ５０％以下にした場合を示す。

図中１゜は任意に設定できる。

第３図（Ｂ）図中シンチレーション検出器出力信号■は
変調波形信号■に対応して夫々シンチレーション検出器
５によって検出された２次電子を増幅した信号である。

該増幅された信号を加算積分（図中“＋”）あるいは減
算積分（図中“−”）を行うことにより、第３図（４）
）図示の斜線の如く局部的に強調した信号を抽出し、第
３図（Ｅ）図示の如く波形を得ることができる。即ち、
第３図（Ａ）図示合焦点■（図示非焦点■）状態にある
場合には、第３図（Ｂ）図中“＋”　じ−”）状態にあ
るシンチレーション検出器出力信号が得られ、これを水
平走査の１走査について示すと第３図（Ｃ）図示実線■
（図示点線■）のようになる。該信号■の加算積分する
と共に信号■を減算積分することにより、第３図（Ｄ）
図示斜線［相］の部分を抽出した波形が得られ、第３図
（Ｅ）図示の如き信号が得られる。この際、第３図（Ｄ
）図示点線■は第３図（Ｃ）図示点線■の信号を減算積
分した信号に対応するものであり、第３図（Ｂ）図示変
調波形信号■のデユーティを調整したものである。これ
は、減算量が大きくなり過ぎて、ドーナツ状の信号に成
ってしまうこと等を避けるために行われたものである。

この結果、等価的に電子ビーム径を小さくしたと同様の
結果を得る事が可能になる。このように、合焦点■状態
における信号から非焦点■状態における信号を減算積分
する際の“重みづけ”と“焦点はずれ量”の設定とを適
切に行うことにより、いわゆる２次元のコンボリューシ
ョンを簡単な装置構成によって行うことが可能となる。

また、被観察試料１が電子線プローブによって照射され
る場合について説明したけれども、これに限られること
なく、超音波、光波等のプローブによって被観察試料１
を照射することによっても同様に行い得るものである。

更に、第２図および第３図実施例では、被観察試料１に
照射する電子線プローブの径を大きくする変調を行った
けれども、これに限られることなく、例えば第２図およ
び第３図図示合焦点■の近傍で高速ランダム走査を行い
、図示非焦点■の信号のかわりとして用いて、被観察試
料１から特徴を抽出することを行ってもよい。

尚、電子線の通路は全て真空に保持する必要がある。大
気中では、電子線の平均自由工程は極めて短く、また減
衰あるいは散乱等してしまうからである。

（発明の効果） 以上説明した如く、本発明によれば、被観察試料をプロ
ーブによって走査する際に、該プローブの走査位置、径
あるいは波長等を高速に変調を行って被観察試料から変
調の伴った信号を検出し、該検出信号から変調されない
画像信号および変調された画像信号を抽出し、該両者の
画像信号に基づき所望の画像をディスプレイ等に表示し
ているため、簡単な構成および画像処理によって被観察
試料の特徴を抽出した画像を得ることができる。

特に、前記両者の画像信号に基づき所望の画像を得る際
に、重みづけを行うことにより、いわゆる２次元のコン
ボリューションを簡単な構成かつ極めて迅速に行うこと
が可能となる。このような２次元コンボリューションが
実現できる結果、従来第２図 電ｙビーム ３ｆｆｉ 時間

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被観察試料をプローブ状に形成した荷電粒子、超音波あ
   るいは光波によって走査することにより前記被観察試料
   の状態を表示する走査変調型観察表示装置において、前
   記プローブによって被観察試料を走査する主走査部と、
   咳主走査部によってプローブを用いて順次走査する際に
   前記プローブの位置、径あるいは波長のうち少なくとも
   １つについて前記走査速度に比し高速に変調する変調部
   と、前記プローブを前記被観察試料に照射することによ
   って得られる信号を検出する信号検出部と、前記変調部
   からの参照信号に基づき前記信号検出部によって検出さ
   れた信号から非変調状態の信号および変調状態の信号を
   抽出する信号復調部と、該信号復調部によって復調され
   た非変調状態および変調状態の信号に基づき所定の画像
   信号を生成する画像信号生成部とを備え、該画像信号生
   成部によって生成された画像信号に基づき前記被観察試
   料の状態を観察・表示することを特徴とする走査変調型
   観察表示装置。