JPH01239742A - 走査電子顕微鏡の自動焦点制御装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、電子ビームに対して試料が傾斜していても自
動的に焦点調整を行い、常に焦点の合った画像を得るこ
とができる走査電子顕微鏡の自動焦点制御装置に関する
ものである。

［従来の技術］ 通常、電子顕微鏡では電子ビームが試料に垂直に当たる
ようにする。そうすると試料の１箇所で焦点が合ってい
れば全面で焦点の合った画像を得ることができる。しか
し、試料を意図的に傾斜させて観測しようとする場合、
あるいは平に置いたが傾いてしまった場合、試料表面が
傾斜している場合等には、焦点深度を越えてしまった部
分では画像にぼけを生じてしまう。

これに対して、従来、試料が傾斜している場合に手動で
焦点調整することが行われている。それを第５図で説明
する。第５図ａはフレーム走査信号を、第５図すは補正
電流をそれぞれ示す。電子ビームは時刻Ｔａから試料の
表面を走査し始め、時刻Ｔ、で１画面の走査を完了する
。これがフレーム走査である。そして、時刻Ｔ１から時
刻Ｔ２の間に元の位置に戻り、時刻Ｔ２から再びフレー
ム走査が行われる。もし、試料が平になされているとす
ると、補正電流はフレーム走査の全期間に渡って零でよ
いが、傾斜している場合には、例えば４０のような補正
電流を作り、該補正電流をフレーム走査に同期させて焦
点合わせのための対物レンズまたは補正コイル（以下、
これらを単にレンズと称す。）に供給して焦点制御を行
っていた。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、第５図の４０で示される補正電流の傾き
や大きさは、オペレータが表示画面を観察しながら調整
摘みで補正量を感覚的に調整していたので、熟練を要し
、また時間の掛かるものであった。

本発明は、上記の課題を解決するものであって、試料が
傾斜していても、自動的に焦点調整が行える走査電子顕
微鏡の自動焦点制御装置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、本発明の走査電子顕微鏡
の自動焦点制御装置は、　（１）試料上に定めたいくつ
かの微小領域を予め走査してそれぞれの微小領域におけ
る合焦のための補正電流値を求め、該補正電流値から１
フレーム走査に対して連続的に変化する補正電流を得、
該補正電流を対物レンズまたは補正レンズに供給するこ
と、（２）試料上に定めたいくつかの微小領域を予め走
査してそれぞれの微小領域における合焦のための補正電
流値を求め、該補正電流値を対物レンズまたは補正レン
ズに供給してそれぞれフレーム走査し、該フレーム走査
により得られた画像のうち焦点の合った領域だけを画像
メモリに格納すること、　（３）試料上に定めたいくつ
かの微小領域を予め走査してそれぞれの微小領域におけ
る合焦のための補正電流値を求め、該補正電流値を対物
レンズまたは補正レンズに供給してそれぞれフレーム走
査し、該フレーム走査により得られた画像をそれぞれ画
像メモリに格納し、各画像メモリのうち焦点の合った領
域だけを読みだして表示装置上で画像合成すること、を
特徴とする。

［作用コ 本発明では、２通りの方法で焦点制御を行う。

一つはレンズ電流を制御して焦点の合った画像を得る方
法であり、もう一つは、それぞれのフレーム走査では全
体に焦点の合った画像は得られないが、画像メモリを使
用して画像合成することにより焦点のあった画像を得る
方法である。

レンズ電流を制御する方法は次のようである。

試料をいくつかの領域に仮想的に分割し、それら分割さ
れた領域のほぼ中心部の微小領域を走査し、得られた画
像から各微小領域における焦点を合わせるために必要な
補正電流を求め、それら補正電流から１フレーム走査期
間に渡って連続する補正電流を得、この補正電流を焦点
合わせのためのレンズに供給するというものであり、こ
れにより、自動的に焦点調整を行うことができる。

また、画像メモリを使用する方法には次のような二つの
方法がある。一つは、先ず、最初の領域における最適電
流でフレーム走査を行い、焦点の合った部分、即ち、当
該領域の画像だけを画像メモリに書き込み、第２、第３
・・・の領域についても同様な繰作を行って、結果とし
て画像メモリ上に焦点の合った画像を得る方法。もう一
つは、各領域における最適電流でそれぞれフレーム走査
を行い、得られた画像をそれぞれ画像メモリに格納し、
各画像メモリから焦点の合った部分の画像だけを読みだ
して表示画面上では焦点の合った画像を得るという方法
である。

［実施例コ 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電子顕＠鏡の自動焦点制御装
置の１実施例の構成を示す図であり、図中１はモード設
定手段、２はＣＰＵ、３はＤ／Ａ変換器、４は補正電流
発生回路、５はレンズ駆動回路、６は検出器、７はＡ／
Ｄ変換器、８はインターフェース、９はＲＯＭ、１０は
ＲＡＭ１１１は画像メモリである。

モード設定手段１は走査速度を設定するもので、ここで
は低速モードと高速モードの二つの走査モードを有して
いるものとする。これは走査電子顕微鏡においては通常
備えられている機能である。

そして、本発明では走査モードに応じて焦点制御の仕方
をことならせている。ＣＰＵ２は各種の演算、制御を行
うものである。Ｄ／Ａ変換器３はＣＰＵ２が出力するデ
ィジタルの補正電流値をアナログ値に変換する。補正電
流発生回路４はＤ／Ａ変換器の出力に基づいて焦点補正
のための補正電流を発生する。レンズ駆動回路５は補正
電流発生回路４で発生した補正電流を図示しない焦点を
合わせるためのレンズに供給する。検出器６は試料から
放出される二次電子を検出するもので走査電子顕微鏡に
は必ず設けられているものである。Ａ／Ｄ変換器７は検
出器６の出力をディジタル信号に変換し、ＣＰＵ２に送
出する。インターフェース８は走査電子顕微鏡の走査信
号をＣＰＵ２に取り込むために設けられている。ＲＯＭ
９は必要なプログラムやデータを格納している。ＲＡＭ
ｌ０はＣＰＵ２が取り込んだデータや演算結果等を格納
する。画像メモリ１１は検出器６で得られた画像データ
を格納し、また画像データを読み出して図示しない表示
装置に表示する。

先ず、低速モードでの自動焦点制御について述べる。な
お、以下の説明においては、非点収差による画像のぼけ
等は予め補正されているものとする。

試料は、例えば第２図のように三つの領域２０．２１．
２２に分割される。この分割は、試料を物理的に分割す
るのではなく、仮想的なものである。

いくつの領域に分割するかは、焦点深度等を考慮して適
宜法めればよいが、分割された各領域のどこかで焦点が
合っていれば、その領域中では焦点が合うようになされ
ていることが必要である。また、試料の傾斜の方向はフ
レーム走査の方向と一致させるようにする。傾斜方向は
試料を載せるステージの機溝で決まるので、予め傾斜方
向をフレーム走査の方向と一致させるようにすることは
できる。

モード設定手段１で低速モードが選択されると、ＣＰＵ
２は、電子ビームを走査させ、分割された各領域２０．
２１．２２の略中心部分の微小領域ＰＩ、　　Ｐ２．　
　Ｐ３のデータを検出器６、Ａ／Ｄ変換器７を介して取
り込む。このときのレンズ電流は、試料が平であれば焦
点が合うような電流である。

またこのとき、ＣＰＵ２は走査信号からＰＩ、　　Ｐ２
゜Ｐ３の位置のデータを取り込む。今、ＰＩ、　　Ｐ２
．　　Ｐ３の位置が第３図ａのように、フレーム走査の
ｔｌ。

ｔ２．ｔ３の時刻だったとする。

ＣＰＵ２はこうして得られた画像のコントラストを計算
し、焦点を合わせるために必要な補正電流の値を求める
。走査電子顕＠鏡で得られた画像は、焦点が合ったとき
フントラストが最大となるから、逆に、画像のコントラ
ストが分かれば、焦点の合っている度合を知ることがで
きるのである。

このようにして得たＰＩ、　　Ｐ２．　　Ｐ３の位置で
の補正電流値が第３図すのようにそれぞれＩＩ、　　Ｉ
２．　１３であったとすると、ＣＰＵ２はこれらの点を
結ぶ直線２３を求める。これらの３点は第３図すのよう
に常に一直線状にあるわけではないが、多少外れていて
も焦点深度の範囲内ならば差し支えないことは明かであ
る。勿論各点を結ぶ折れ線としてもよい。この演算結果
はＲＡＭｌ０に格納され、フレーム走査に同期して読み
出される。ＲＡＭ　１０から読み出された、その時々の
ディジタルの補正電流値はＤ／Ａ変換器３でアナログ値
に変換され、補正電流発生回路４、レンズ駆動回路５を
介して、レンズに供給される。

以上が低速走査モードにおける自動焦点制御であり、こ
のことにより試料が傾斜していても焦点の合った画像を
得ることができる。

次に高速走査モード時の自動焦点制御について述べる。

モード設定手段１で高速モードが選択されると、ＣＰＵ
２は、電子ビームを走査させ、分割された各領域中の微
小領域Ｐｉ、　　Ｐ２．　　Ｐ３（第２図）のデータを
取り込み、コントラスト計算からＰＩ、　　Ｐ２゜Ｐ３
の位置で焦点合わせに必要な補正電流値を求める。この
ようにして求められた補正電流の値が第３図すのように
Ｉｌ、　　Ｉ２．　　Ｉ３であったとする。ここまでは
低速モード時と同様である。しかし、高速モードでは低
速モードのときとは事情が違うので、レンズ電流を連続
的に変えることはできない。

つまり、レンズ電流を連続的に変化させるためには、走
査速度はレンズのヒステリシス特性による応答速度で決
まる補正可能な最大走査速度より小さくなければならな
いのであり、該最大走査速度より速い速度で走査させた
い場合には、補正電流を変えて焦点制御を行うことはで
きないのである。

そこで、本発明では、高速モード時には次の様にして焦
点制御を行う。ＣＰＵ２はＲＡＭｌ０から補正電流値Ｉ
ｔを読み出して、Ｄ／Ａ変換・器３、補正電流発生回路
４、レンズ駆動回路５を介してレンズに補正電流１１を
供給する。そして、その状態で所定時間の間フレーム走
査を繰り返す。このとき第２図の領域２０は焦点が合っ
ているから、ＣＰ　Ｕ　２は走査信号を参照しながら、
得られた画像の中の領域２０の部分だけをＡ／Ｄ変換器
７を介して画像メモリ１１に書き込む。この処理が終了
するとＣＰＵ２は、レンズに補正電流工２を供給してフ
レーム走査を行い、領域２１の部分だけを画像メモリ１
１に書き込む。このような処理を分割された全ての領域
について行うことによって、画像メモリ１１には焦点の
あった一枚の画像が得られる。従って、画像メモリ１１
に格納されたデータを図示しない表示装置に表示するこ
とによって、見かけ上点点の合った画像を得ることがで
きる。

また、次のようにして焦点の合った画像を得ることもで
きる。第２図のように試料を３領域に分割する場合は、
第４図のように３つの画像メモリ３２．３３．３４を設
ける。そして先ず、補正電流をＩｔ（第８図ｂ）として
フレーム走査を行い、得られた画像をＡ／Ｄ変換器３０
１　人力切り替えスイッチ３１を介して画像メモリ３２
に格納する。

このとき第２図の領域２０の部分は焦点が合っているの
ではっきりした画像となるが、領域２１．２２の部分は
焦点が合っていないのでぼけた画像となっている。なお
、入力切り替え信号はＣＰＵ■（第１図）から供給され
る。次にＣＰＵ２は同様に、順次補正電流Ｉ２．Ｉ３を
レンズに供給して、それぞれのフレーム走査により得ら
れた画像を画像メモリ３３．３４に格納する。画像メモ
リ３３に格納された画像は領域２１の部分だけ焦点が合
っており、画像メモリ３４の画像は領域２２の部分だけ
焦点があっている。このようにして得られた画像データ
は、ＣＰＵ２の制御の基に読み出され、出力切り替えス
イッチ３５、Ｄ／Ａ変換器３６を介して表示装置３７に
表示されるが、各画像メモリからは焦点のあった部分だ
け読み出される。

つまり、画像メモリ３２からは焦点の合っている領域２
０の部分だけを読み出し、画像メモリ３３．３４からは
、それぞれ領域２Ｌ２２の部分だけを読み出す。このよ
うにすることにより、表示画面上では全体に焦点のあっ
た画像を得ることができる。なお、出力切り替え信号は
、ＣＰＵ２から供給されるが、表示装置３７の走査に同
期したものであることは明かである。

なお、以上述べた高速モード時の焦点制御は、当然低速
モード時にも使用できるが、できるだけレンズ電流の調
整により一度に焦点の合った画像を得る方がよいので、
このようになされているものである。また、以上の説明
では走査モードは二つとしたが、いくつでもよいもので
ある。その場合には、走査速度がレンズの応答速度より
速いか遅いかによって焦点制御の仕方を変えればよい。

更に、以上の例では試料の傾斜はフレーム走査方向と一
致するようになされているが、プログラムにより試料を
二次元的に分割するようにすれば、即ち、第２図でフレ
ーム走査方向ばかりでなくライン走査方向にも分割する
ようにすれば、傾斜はどの方向でもよいことになる。

〔発明の効果コ 以上の説明から明らかなように、本発明によれば、試料
が電子ビームに対して垂直になっていなくても自動的に
焦点制御が行われ、しかも、電子ビームの走査速度に応
じて焦点制御の仕方を自動的に変えるので、オペレータ
の作業を軽減することができ、以て作業効率を向上させ
ることができるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る走査電子顕微鏡の自動焦点制御装
置の１実施例の構成を示す図、第２図は試料の領域分割
の例を示す図、第３図は補正電流の生成を示す図、第４
図は高速モード時の自動焦点制御の例を示す図、第５図
は従来の焦点制御の例を示す図である。 １・・・モード設定手段、２・・・ＣＰＵ、３・・・Ｄ
／Ａ変換器、４・・・補正電流発生回路、５・・・レン
ズ駆動回路、６・・・検出器、７・・・Ａ／Ｄ変換器、
８・・・インターフェース、９・・・ＲＯＭ１１０・・
・ＲＡＭ、１１・・・画像メモリ。 第１図 第２図 第４図 第５図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）試料上に定めたいくつかの微小領域を予め走査し
   てそれぞれの微小領域における合焦のための補正電流値
   を求め、該補正電流値から１フレーム走査に対して連続
   的に変化する補正電流を得、該補正電流を対物レンズま
   たは補正レンズに供給することを特徴とする走査電子顕
   微鏡の自動焦点制御装置。
2. （２）試料上に定めたいくつかの微小領域を予め走査し
   てそれぞれの微小領域における合焦のための補正電流値
   を求め、該補正電流値を対物レンズまたは補正レンズに
   供給してそれぞれフレーム走査し、該フレーム走査によ
   り得られた画像のうち焦点の合った領域だけを画像メモ
   リに格納することを特徴とする走査電子顕微鏡の自動焦
   点制御装置。
3. （３）試料上に定めたいくつかの微小領域を予め走査し
   てそれぞれの微小領域における合焦のための補正電流値
   を求め、該補正電流値を対物レンズまたは補正レンズに
   供給してそれぞれフレーム走査し、該フレーム走査によ
   り得られた画像をそれぞれ画像メモリに格納し、各画像
   メモリのうち焦点の合った領域だけを読みだして表示装
   置上で画像合成することを特徴とする走査電子顕微鏡の
   自動焦点制御装置。