(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを試料に導くための電子光学系と、
前記試料に対し前記電子光学系の焦点位置を制御するための焦点制御部と、
前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を検出する画像検出部と、
第１焦点位置と前記第１焦点位置からずれた焦点位置であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２焦点位置との２つの焦点位置で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１演算手段と、
前記電子光学系に対する像伝達関数を焦点位置と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として焦点位置と空間周波数の関数として予め作成した除算量データと、
前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める第２演算手段と、
を備え、
前記第２演算手段の演算結果に基づき前記焦点制御部によって前記電子光学系の焦点位置を制御する
ことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
前記所定物理量は焦点位置であり、前記既知量は前記第１焦点位置と前記第２焦点位置との間の焦点ずれ量である
ことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項３】
前記第１演算手段は、前記除算結果を平均操作をし１次元の空間周波数の関数として前記実測除算量を求める
ことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項４】
前記第１演算手段は、前記除算結果を空間周波数の値範囲の区分に分割し前記区分毎に平均操作をし、１次元の空間周波数の関数として前記区分毎に前記実測除算量を求め、
前記第２演算手段は、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を前記区分毎に求め、前記区分毎に求めた理論除算量のうちの最大理論除算量と最小理論除算量との平均理論除算量を求め、前記平均理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める
ことを特徴とする請求項１に記載の電子顕微鏡。
【請求項５】
さらに非点収差補正をするスティグメータを備え、前記スティグメータによって非点収差補正をする
ことを特徴とする請求項４に記載の電子顕微鏡。
【請求項６】
電子ビームを試料に導くための電子光学系と、
前記試料に対し前記電子光学系の非点収差を補正するための非点収差制御部と、
前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を検出する画像検出部と、
第１非点収差量と前記第１非点収差量からずれた非点収差量であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２非点収差量との２つの非点収差量で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１演算手段と、
前記電子光学系に対する像伝達関数を非点収差量と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として非点収差量と空間周波数の関数として予め作成した除算量データと、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する非点収差量を前記第１非点収差量として求める第２演算手段と、
を備え、
前記第２演算手段の演算結果に基づき前記非点収差制御部によって前記電子光学系の非点収差量を制御する
ことを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
電子ビームを電子光学系によって試料に導く工程と、
前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を画像検出部によって検出するに際し、第１焦点位置と前記第１焦点位置からずれた焦点位置であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２焦点位置との２つの焦点位置で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１の演算工程と、
前記電子光学系に対する像伝達関数を焦点位置と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として焦点位置と空間周波数の関数として予め作成した除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める第２の演算工程と、
前記第２の演算工程の演算結果に基づき、前記試料に対し前記電子光学系の焦点位置を制御するための焦点制御部によって前記電子光学系の焦点位置を制御する工程と
を備えることを特徴とする電子顕微鏡の焦点位置制御方法。
【請求項８】
前記所定物理量は焦点位置であり、前記既知量は前記第１焦点位置と前記第２焦点位置との間の焦点ずれ量である
ことを特徴とする請求項７に記載の電子顕微鏡の焦点位置制御方法。
【請求項９】
前記第１演算手段は、前記除算結果を平均操作をし１次元の空間周波数の関数として前記実測除算量を求める
ことを特徴とする請求項７に記載の電子顕微鏡の焦点位置制御方法。
【請求項１０】
前記第１演算手段は、前記除算結果を空間周波数の値範囲の区分に分割し前記区分毎に平均操作をし、１次元の空間周波数の関数として前記区分毎に前記実測除算量を求め、
前記第２演算手段は、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を前記区分毎に求め、前記区分毎に求めた理論除算量のうちの最大理論除算量と最小理論除算量との平均理論除算量を求め、前記平均理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める
ことを特徴とする請求項７に記載の電子顕微鏡の焦点位置制御方法。
【請求項１１】
スティグメータによって非点収差補正をする
ことを特徴とする請求項１０に記載の電子顕微鏡の焦点位置制御方法。
【請求項１２】
電子ビームを電子光学系によって試料に導く工程と、
前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を画像検出部によって検出するに際し、第１非点収差量と前記第１非点収差量からずれた非点収差量であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２非点収差量との２つの非点収差量で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１の演算工程と、
前記電子光学系に対する像伝達関数を非点収差量と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として非点収差量と空間周波数の関数として予め作成した除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する非点収差量を前記第１非点収差量として求める第２の演算工程と、
前記第２の演算工程の演算結果に基づき、前記試料に対し前記電子光学系の非点収差量を制御するための非点収差制御部によって前記電子光学系の非点収差量を制御する工程と
を備えることを特徴とする電子顕微鏡の非点収差量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法に係り、特に、自動的に焦点位置の補正及び非点収差の補正を可能にする電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子顕微鏡における電子光学系を自動調整しようとする場合、一般の汎用光学カメラやビデオカメラなどのオートフォーカス機能と類似のことであるが、自動化は容易ではない。その主たる点として、（１）Ｓ／Ｎ比の問題と（２）収差特性の点が上げられる。
【０００３】
一般画像と異なり、電子顕微鏡像のＳ／Ｎ比は低く、画像信号の微分系の処理が機能しない。Ｓ／Ｎ比の高い画像を得ようとすれば、電子線照射量を高くしなければいけないが、試料の照射損傷が問題となり、そして多くの画像を取得する調整手法はさらにこの問題を大きくしてしまう。また、高分解能でなくてはいけない点も加わって、結局Ｓ／Ｎ比の低い場合でも機能しなければならず、この点が一つの自動調整法を難しくしている。
【０００４】
電子顕微鏡が持つ特異な収差特性にも調整法を難しくしている点がある。一般汎用光学カメラなどにおいては、フォーカスのみの調整でよいが、電子顕微鏡の光学系では、それに加えて非点収差補正も調整しなければならない。非点収差の補正調整は２つの調整量（ｘ，ｙの各方向に関して）があるため、調整法をさらに複雑にし、難しくしている。また、光学レンズ系と異なり、非常に特殊な場合を除いて球面収差が補正できないため、特に高分解能電子顕微鏡においては、いわゆるガウス面では最適条件が得られない点も調整法を難しくしている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
このように電子光学系の調整を容易にできないが故に、電子光学系の調整の自動化が望まれている。
【０００６】
また、従来の３次元電子顕微鏡では、電子光学系を自動調整しようとする場合に、多くの画像取得が必要となり、当然同一の最適光学条件下で正確なシリーズ像が得られなければならなず、煩雑であり容易でないという問題があった。
【０００７】
さらに、従来の電子顕微鏡では、得られた電子顕微鏡像を利用して焦点位置合わせを行う場合に、当然のことながら電子顕微鏡像が試料の組成や形状等の試料の特性を反映してしまうために、試料の特性を捨象した電子光学状態を知ることができなかった。このため、焦点位置合わせの度合いが試料の特性自体に依存するため高精度の焦点位置合わせができない、という問題があった。
【０００８】
また、非点収差がある場合には、焦点位置合わせを高精度に行えないまま、いわゆるスティグメータで非点収差補正を行わざるを得なかった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、上記従来技術の有する問題を解消し、簡易に確実に高精度な焦点合わせや非点収差補正などの電子光学パラメータを自動的に調整可能な電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の電子顕微鏡は、電子ビームを試料に導くための電子光学系と、前記試料に対し前記電子光学系の焦点位置を制御するための焦点制御部と、前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を検出する画像検出部と、第１焦点位置と前記第１焦点位置からずれた焦点位置であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２焦点位置との２つの焦点位置で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１演算手段と、前記電子光学系に対する像伝達関数を焦点位置と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として焦点位置と空間周波数の関数として予め作成した除算量データと、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める第２演算手段と、を備え、前記第２演算手段の演算結果に基づき前記焦点制御部によって前記電子光学系の焦点位置を制御することを特徴とする。
【００１１】
また、前記所定物理量は焦点位置であり、前記既知量は前記第１焦点位置と前記第２焦点位置との間の焦点ずれ量であることを特徴とする。
【００１２】
また、前記第１演算手段は、前記除算結果を平均操作をし１次元の空間周波数の関数として前記実測除算量を求めることを特徴とする。
【００１３】
また、前記第１演算手段は、前記除算結果を空間周波数の値範囲の区分に分割し前記区分毎に平均操作をし、１次元の空間周波数の関数として前記区分毎に前記実測除算量を求め、前記第２演算手段は、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を前記区分毎に求め、前記区分毎に求めた理論除算量のうちの最大理論除算量と最小理論除算量との平均理論除算量を求め、前記平均理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求めることを特徴とする。また、さらに非点収差補正をするスティグメータを備え、前記スティグメータによって非点収差補正をすることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の電子顕微鏡は、電子ビームを試料に導くための電子光学系と、前記試料に対し前記電子光学系の非点収差を補正するための非点収差制御部と、前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を検出する画像検出部と、第１非点収差量と前記第１非点収差量からずれた非点収差量であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２非点収差量との２つの非点収差量で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１演算手段と、前記電子光学系に対する像伝達関数を非点収差量と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として非点収差量と空間周波数の関数として予め作成した除算量データと、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する非点収差量を前記第１非点収差量として求める第２演算手段と、を備え、前記第２演算手段の演算結果に基づき前記非点収差制御部によって前記電子光学系の非点収差量を制御することを特徴とする。
【００１５】
本発明の電子顕微鏡の焦点位置制御方法は、電子ビームを電子光学系によって試料に導く工程と、前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を画像検出部によって検出するに際し、第１焦点位置と前記第１焦点位置からずれた焦点位置であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２焦点位置との２つの焦点位置で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１の演算工程と、前記電子光学系に対する像伝達関数を焦点位置と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として焦点位置と空間周波数の関数として予め作成した除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求める第２の演算工程と、前記第２の演算工程の演算結果に基づき、前記試料に対し前記電子光学系の焦点位置を制御するための焦点制御部によって前記電子光学系の焦点位置を制御する工程とを備えることを特徴とする。
【００１６】
上記電子顕微鏡の焦点位置制御方法において、前記所定物理量は焦点位置であり、前記既知量は前記第１焦点位置と前記第２焦点位置との間の焦点ずれ量であることを特徴とする。
【００１７】
また、前記第１演算手段は、前記除算結果を平均操作をし１次元の空間周波数の関数として前記実測除算量を求めることを特徴とする。
【００１８】
また、前記第１演算手段は、前記除算結果を空間周波数の値範囲の区分に分割し前記区分毎に平均操作をし、１次元の空間周波数の関数として前記区分毎に前記実測除算量を求め、前記第２演算手段は、前記除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を前記区分毎に求め、前記区分毎に求めた理論除算量のうちの最大理論除算量と最小理論除算量との平均理論除算量を求め、前記平均理論除算量に該当する焦点位置を前記第１焦点位置として求めることを特徴とする。また、スティグメータによって非点収差補正をすることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の電子顕微鏡の非点収差量制御方法は、電子ビームを電子光学系によって試料に導く工程と、前記試料に照射される電子ビームに起因する画像を画像検出部によって検出するに際し、第１非点収差量と前記第１非点収差量からずれた非点収差量であって所定物理量を既知量だけ変化させて実現する第２非点収差量との２つの非点収差量で前記画像検出部によって検出した第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、前記第１変換像と前記第２変換像とを空間周波数面で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量を求める第１の演算工程と、前記電子光学系に対する像伝達関数を非点収差量と空間周波数の関数として求め、前記既知量だけ互いにずれた２つの前記所定物理量を前記像伝達関数に代入して第１伝達関数値と第２伝達関数値を得、前記第１伝達関数値と前記第２伝達関数値とを空間周波数面で互いに除算し、理論除算量を求め、前記理論除算量の集合として非点収差量と空間周波数の関数として予め作成した除算量データを参照し、空間周波数に対する関数特性が前記実測除算量に相関する前記理論除算量を求め、求めた理論除算量に該当する非点収差量を前記第１非点収差量として求める第２の演算工程と、前記第２の演算工程の演算結果に基づき、前記試料に対し前記電子光学系の非点収差量を制御するための非点収差制御部によって前記電子光学系の非点収差量を制御する工程と
を備えることを特徴とする。
【００２０】
上述の発明において、焦点位置等の所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの焦点位置で２つの第１画像と第２画像を検出し、検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り、焦点位置及び／又は非点収差（非点収差がある場合の焦点位置合わせ）の自動調整を図る。ここで、第１焦点位置と第２焦点位置との２つの焦点位置で得た第１画像と第２画像の各々を空間周波数変換し、第１変換像と第２変換像を得、第１変換像と第２変換像とを空間周波数面で互いに除算することによって、試料の種類に依存する試料関数Ｏ（ｘ，ｙ）を消去できる。実測除算量は、種々の試料が有し得る試料自体の種々の空間周波数の特性に依存することなく、電子光学系の電子光学状態のみの情報で表される。この結果、試料の有する特性に依存することなく、焦点位置合わせと非点収差補正を高精度に行うことが可能になる。
【００２１】
また、所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの焦点位置で２つの第１画像と第２画像を検出し検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り焦点位置の自動調整を図ることと同様の手法を適用して、所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの非点収差量で２つの第１画像と第２画像を検出し検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り非点収差量の自動調整を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法の実施の形態について説明する。
【００２３】
本発明は、所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの焦点位置で２つの第１画像と第２画像を検出し、検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り、焦点位置及び／又は非点収差の自動調整を図るものである。所定物理量としては、電子顕微鏡の焦点位置に一義的に影響を及ぼす物理量であればよく、焦点位置に限らず、他の物理量、例えば電子線の加速電圧でもよい。ここでは、扱い易い例として所定物理量として焦点位置自体をとり、前記既知量としては２つの焦点位置の間の焦点ずれ量をとり、以下に説明する。
【００２４】
まず、図１を参照して本発明の電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法の概略について説明する。
【００２５】
図１に示すように、本発明に係る電子顕微鏡は、電子ビームを試料１に導くための電子光学系２と、試料１に対し電子光学系２の焦点位置ｆを制御するための焦点制御部３と、試料１に照射される電子ビームに起因する画像を検出する画像検出部４と、種々の演算制御処理を行うコンピュータ５と、非点収差補正をするスティグメータ１４を備えている。
【００２６】
コンピュータ５は、適当に設定される第１焦点位置ｆ１と第１焦点位置ｆ１から既知の焦点はずれ量Δｆだけずれた第２焦点位置ｆ２との２つの焦点位置で画像検出部４によって検出した第１画像７と第２画像８の各々を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）（空間周波数変換）し、第１変換像９と第２変換像１０を得、第１変換像９と第２変換像１０とを空間周波数面（ｕ，ｖ）で互いに除算し、除算結果を空間周波数の関数として表した実測除算量Ｒｅｘｐを求める第１演算手段１１を備えている。ここで、ｕ，ｖは直交座標系の空間周波数変数を示す。
【００２７】
また、コンピュータ５は、電子光学系２に対する像伝達関数Ｋ（ｒ，ｆ）を焦点位置と空間周波数の関数として求め、前記焦点はずれ量Δｆだけ互いにずれた２つの焦点位置を像伝達関数Ｋ（ｒ，ｆ）に代入して第１伝達関数値Ｋ（ｒ；ｆ）と第２伝達関数値Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）を得、第１伝達関数値Ｋ（ｒ；ｆ１）と第２伝達関数値Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）とを空間周波数面（ｕ，ｖ）で互いに除算し、理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）を求め、理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）の集合として焦点位置と空間周波数の関数として予め作成して記憶した除算量データ１２を備えている。ここで、ｒは極座標系の空間周波数変数を示し、ｒ２＝ｕ２＋ｖ２である。
【００２８】
また、コンピュータ５は、除算量データ１２を参照し、空間周波数に対する関数特性が実測除算量Ｒｅｘｐに相関する理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ０）／Ｋ（ｒ；ｆ０＋Δｆ）を求め、求めた理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ０）／Ｋ（ｒ；ｆ０＋Δｆ）に該当する焦点位置ｆ０を第１焦点位置ｆ１として求める第２演算手段１３を備えている。
【００２９】
焦点制御部３は、第２演算手段１３の演算結果により絶対位置として第１焦点位置ｆ１を求めることができるので、電子光学系２の電子レンズ１５等を制御して、電子光学系２の焦点位置合わせをし、焦点が自動調整された鮮明な結像画像１６を得る。
【００３０】
次に、以下に上記内容を詳細に説明する。
【００３１】
本発明は、電子光学状態を実際に検出し、その検出結果を用いて焦点位置及び／又は非点収差の自動調整を図るものであり、非点収差の有無にかかわらず焦点位置合わせの自動調整を可能にする。以下に、非点収差のない場合の焦点位置合わせと、非点収差のある場合の焦点位置合わせ（非点収差補正を伴う焦点位置合わせ）について説明する。
【００３２】
まず、除算量データ１２について図２を参照して説明する。
電子光学系２に対する伝達関数Ｋ（ｕ，ｖ）は電子光学系２の幾何学的形状等から理論的に得ることができる。電子光学系２が回転対称性を有する場合には、Ｋ（ｕ，ｖ；ｆ）はＫ（ｒ；ｆ）と表すことができる。図２において、（ａ）、（ｂ）・・・（ｈ）は、種々の焦点位置ｆにおけるＫ（ｒ；ｆ）を示す。電子光学系２が軸対称性を有するので、Ｋ（ｒ；ｆ）はリング状のパターンとして示される。ここで、ｒ２＝ｕ２＋ｖ２である。
【００３３】
Δｆを決定してしまえば、Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）のデータはＫ（ｒ；ｆ）のデータから導かれ、焦点位置ｆに対する理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）は理論的に容易に演算することができる。除算量データ１２は種々の焦点位置ｆに対する理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）の集合として得られる。図２において、符号１２ａ、１２ｂの各々は、除算量データ１２の一部を示す。横軸は焦点位置（焦点はずれ量）ｆ、縦軸は空間周波数ｒである。除算量データ１２は、種々の焦点位置ｆに対する理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）の集合として予め求められ、コンピュータ５のメモリに格納されている。ここで、Δｆは実測除算量Ｒｅｘｐを得るときに用いる焦点ずれ量Δｆと同じ量である。このときのΔｆはあまり広過ぎず、適切に設定することで有効なスペクトル領域が多くなるため、Δｆを１〜２［Ｓｃｈ］程で設定するのがよい。
【００３４】
次に。実測除算量Ｒｅｘｐについて説明する。
異なる電子光学条件下（異なる焦点はずれ量）で検出した第１画像７と第２画像８の２枚の像をＩ１（ｘ，ｙ）７とＩ２（ｘ，ｙ）８とする。電子光学系２に対する伝達関数Ｋ（ｕ，ｖ）と、２枚の像Ｉ１（ｘ，ｙ）とＩ２（ｘ，ｙ）のフーリエ変換Ｆ［Ｉ１（ｘ，ｙ）］９とＦ［Ｉ２（ｘ，ｙ）］１０と、試料１の試料関数Ｏ（ｘ，ｙ）に対するフーリエ変換Ｆ［Ｏ（ｘ，ｙ）］との間には、次式が成り立つ。
【００３５】
0003645198.tif 000002
ここで、着目すべきことは、Ｆ［Ｉ１（ｘ，ｙ）］とＦ［Ｉ２（ｘ，ｙ）］の間で除算を行うことにより得られる実測除算量Ｒｅｘｐは、次式に示すように、試料関数Ｏ（ｘ，ｙ）を含まず、各々の焦点位置ｆ１，ｆ２における伝達関数Ｋ（ｕ，ｖ）の値の比によって表されることである。
【００３６】
0003645198.tif 000003
この結果、実測除算量Ｒｅｘｐは、種々の試料１が有し得る試料１自体の種々の空間周波数の特性に依存することなく、電子光学系２の電子光学状態のみに限定された式で表されるのである。
【００３７】
次に、図３及び図６を参照して、除算量データ１２と実測除算量Ｒｅｘｐを用いて、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）において、非点隔差ｆａ、非点収差の方位ψａ、焦点位置（焦点はずれ量）ｆの調整を実行するための処理手順を説明する。ここでは、焦点制御部３によって焦点位置合わせを行い、非点収差補正をするスティグメータ１４によって通常の非点収差補正を行う。焦点制御部３による焦点位置合わせの操作とスティグメータ１４による非点収差補正の操作との順番を問わないが、焦点位置合わせの操作を先に行うとして説明する。
【００３８】
ＳＴ１で、まず、所定の焦点ずれ量Δｆだけずらし、２枚のＳＴＥＭ像Ｉ１（ｘ，ｙ）７、Ｉ２（ｘ，ｙ）８を取得する。
【００３９】
次に、ＳＴ２で、取得画像のフーリエ変換を行い、Ｆ［Ｉ１（ｘ，ｙ）］９、Ｆ［Ｉ２（ｘ，ｙ）］１０を得る。
【００４０】
次に、ＳＴ３で、空間周波数面（ｕ，ｖ）での除算を行い、Ｆ［Ｉ１（ｘ，ｙ）］／Ｆ［Ｉ２（ｘ，ｙ）］（＝実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ））を求める。
【００４１】
次に、ＳＴ４において、実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）のデータ処理を行う。ＳＴ４は、（ｕ，ｖ）から（ｒ，θ）へ座標変換するＳＴ４ａと、１次元データの加算平均を行うＳＴ４ｂと、信号雑音分離を行うＳＴ４ｃとから構成されている。
【００４２】
ここで、ＳＴ４におけるデータ処理では、非点収差のない場合の焦点位置合わせをする場合に比べて、非点収差のある場合の焦点位置合わせ（収差補正）をする場合の方が演算工程が複雑になる。
【００４３】
そこで、わかり易くするために、非点収差のない場合の焦点位置合わせについてまず説明する。
【００４４】
非点収差のない場合には、実測除算量Ｒｅｘｐ（ｒ，θ）の回転対称性を考慮して、Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）がＲｅｘｐ（ｒ，θ）に変換され、続いて、離散方向θｉについてのすべての動径分布Ｒｅｘｐ（ｒ，θ）が式（３）のように平均化される。
【００４５】
【数１】
0003645198.tif 000004
１次元データとして、Ｒａｖｅ（ｒ）が得られる。ここで、Ｎは離散方向θｉの数であり、θｉの間隔は例えば１〔度〕である。
【００４６】
次に、信号雑音分離を行うＳＴ４ｃでは、相互相関法を用いてＲａｖｅ（ｒ）と除算量データ１２とのフィッティングを行う場合に要する空間周波数の上限値を次のようにして求める。まず、パワースペクトルへの実験上のしきい値水準によって、二値画像Ｂ（ｒｊ，θｉ）が作られる。さらにまた、一次元動径計数ヒストグラムＰ（ｒｊ）が、それらのために作られる（図４（ａ−２）参照）。このヒストグラムは、そのしきい値よりも高い相対ポイント数を、空間周波数半径（ｒ）の関数として、次のように表している。
【００４７】
【数２】
0003645198.tif 000005
これらのヒストグラムから、コンピュータプログラムによって、相関一致のための空間周波数の上限値を概算する。
【００４８】
次に、相互相関法を用いて、ＳＴ５において、式（３）で求めたＲａｖｅ（ｒ）と除算量データ１２とのフィッティングを行う。そして、ＳＴ６において、最大相互相関係数（ＸＣＣｍａｘ）を捜す。これによって、もっともよく一致する焦点位置ｆ１の値が得られる（図５（ａ）、図５（ｂ）参照）。
【００４９】
次に、ＳＴ７において、ＳＴ６で得られた焦点位置ｆに基づいて、シェルツァー焦点へ移動させるためのレンズ電流の量が計算されるとともに、それがこのレンズ系にフィードバックされる。以上の工程によって、試料１の有する特性に依存することなく、非点収差のない場合の焦点位置合わせを高精度で行うことができる。
【００５０】
次に、非点収差のある場合の自動焦点位置合わせ（収差補正）をする場合について説明する。
【００５１】
ここで、伝達関数Ｋ（ｕ，ｖ）はもはや円形環状パターンではなく、楕円形の環状パターンあるいは放射パターンである。そのパターンが楕円環であるときには、非点収差の隔差ｆａおよび焦点位置ｆは、長軸および短軸における特有の位置を測定することによって、直接得ることができる。ｆ１は長軸と短軸との間における中間軸のそれらを測定することによって得られる。短軸における焦点位置の値が最大理論除算量に相当し、長軸における焦点位置の値が最小理論除算量に相当し、平均理論除算量が中間軸における焦点位置に相当する。
【００５２】
この場合、ＳＴ４におけるデータ処理は次のように行われる。
【００５３】
Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ））が計算され、ＳＴ４ａで、Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）が（ｒ，θ）座標系に変換され、Ｒｅｘｐ（ｒ，θ）になり、続いて、離散方向θｉ−ｍ＜θｉ＜θｉ＋ｍのある狭い範囲の内部で、すべての組の動径分布Ｒｅｘｐ（ｒ，θ）が平均化されるとともに、平均化されたそれぞれの分布によって、方向θｉでの動径分布が次のように新たに表される。
【００５４】
【数３】
0003645198.tif 000006
ここで、θ＋ｍからθ−ｍまでの加算角度の本数がＭとなる。今回、この加算角度｜θ±ｍ｜は９［ｄｅｇ］とした。
【００５５】
それぞれの角度毎に離散データ化して、雑音領域を分離する処理を行う。角度毎にＳ／Ｎは変化しているため、それぞれの角度毎に雑音領域を分離しなくてはならない。信号領域と雑音領域の分離を、上述の式（４）に示した場合と同様にして、簡単なパワースペクトルの強度レベルのしきい値処理から行う。相関によるフィッティング演算は、その分離で決められた信号領域で行う。図４（ｂ−１）は非点収差がある場合における実測除算量Ｒｅｘｐを示す図であり、図４（ｂ−２）は図４（ｂ−１）における離散角度範囲｜θ±ｍ｜に対して求めた一次元動径計数ヒストグラムＰ（ｒｊ）を示す図であり、離散角度範囲｜θ±ｍ｜毎に、相互相関法を用いてＲａｖｅ（ｒ）と除算量データとのフィッティングを行う場合に要する空間周波数の上限値を求める。
【００５６】
次に、相互相関によるフィッティング演算を行う。焦点はずれ補正のみの場合すなわち非点収差がない場合の焦点位置合わせを行う場合は図３にあるように、全ての離散的方位における加算平均した１次元のＲａｖｅ（ｒ，θ）を理論モデルのＫ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）とフィッティング演算すればよい。これに対し、非点収差がある場合は、図６に示すように、各方位θｉに対するＲａｖｅ．（ｒ，θｉ）を用いて、各方位ごとに相関演算を行う。これにより相互相関を用いて計測された各角度θｉ毎の相関係数最大となる焦点はずれ量が求まり、これをＦ（θｉ）とする。ここからｆａ、ψａ、ｆを測定することになるが、信頼性を高めるため最小２乗法による近似を行う。Ｆ（θｉ）は２回対称な非点収差に従うため、［ｆ−（ｆａ／２）ｃｏｓ（２θ−ψａ）］の式に近似することができる。従って、以下の方程式を導くことができる。
【００５７】
【数４】
0003645198.tif 000007
この方程式で、非点収差の角度ψａ は数学的に単純には解けないが、ψａ が０〜πの有限範囲に存在しているため、数値計算法では解くことができる。ψａが固定であるならば、ｆとｆａは
【数５】
0003645198.tif 000008
により以下のように簡単に得ることができる。
【００５８】
【数６】
0003645198.tif 000009
ここで、Ｎは角度θｉのデータ数である。さらに、θｉが０〜πまで等間隔で均等（今回１［ｄｅｇ］とした）で与えられていれば、Ａ＝０となり、次のようにｆとｆａは更に簡単な式となる。
【００５９】
ｆ＝Ｄ／Ｎ  ；  ｆａ＝−２Ｃ／Ｂ          （６）
ｆとｆａに上の値を用い、また０〜πまで細かい刻みでψａを変化させながら計算した全ての最小二乗誤差Ｓを比較することにより、ψａ が得られる。誤差Ｓが最小となるψａ が答えとなる。このようにしてｆ、ｆａ、ψａ を測定する。
【００６０】
次に、スティグメータ１４による非点収差補正のｘ、ｙ各成分の調整電流量を、ｆａとψａ の計測値から計算し、フィードバックすることで非点補正を行う。
【００６１】
必要に応じて、上で述べたプロセスを数回繰り返し行う。
【００６２】
最後に、最終的な焦点補正を、シェルツァーフォーカスになるようにフィードバックする。
【００６３】
このように、本実施の形態によれば、試料１の有する特性に依存することなく焦点位置合わせができるので、高精度の非点収差補正された画像を得ることができる。
【００６４】
次に、図７乃至図１０を参照して実用機による実験検証した結果について説明する。
【００６５】
本発明の電子顕微鏡の焦点位置制御方法を実用機に適用し、実験を繰り返して得た結果を図７乃至図１０に示す。
図７は、半導体デバイスであるＤＲＡＭの薄膜化試料によるオートフォーカス実験の結果である。まず、２枚のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（高角度アニューラ型検出器による暗視野走査透過電子顕微鏡像）を取得した（直接倍率×６００００、１［ｐｉｘｅｌ］＝５／３［ｎｍ］）（図７（ａ），（ｄ））。ここで、１枚目の像（図７（ａ））を取得して後、焦点をΔｆ（Δｆ＝１．８２［Ｓｃｈ］）変化させ２枚目の像（図７（ｂ））を取得し、これらに本自動調整法を摘要した。図７（ｂ）、（ｅ）は、図７（ａ），（ｄ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。図７（ｃ）は除算を行った実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）を示す。
【００６６】
図８（ａ）はオートフォーカスを行った後の像を示し、図８（ｂ）はその像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。このような一般的な試料を用いた場合にも、高い信頼性での動作を確認することができた。
【００６７】
図９に、非点収差補正の自動化に関する実験を示した。この実験には、検証を容易にするために、図２（ａ）−（ｈ）で示したような、リングパターンが明瞭なカーボン薄膜上のＡｕ粒子蒸着試料を用いた。画像の取得条件は図７の場合と同様である。１枚目の像（図９（ａ））を取得して後、焦点をΔｆ変化させ２枚目の像（図９（ｂ））を取得した。図９（ｂ）、（ｅ）は、図９（ａ），（ｄ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。図９（ｃ）は除算を行った実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）を示す。図９（ｃ）に示す交差線は、楕円の長軸と短軸に非常によく一致していることが認められる。実験の結果、その演算結果から焦点はずれ量ｆ＝５．８９［Ｓｃｈ］、非点隔差ｆａ＝２．５８［Ｓｃｈ］、角度ψａ＝１５５［ｄｅｇ］と計測できた。
【００６８】
図１０（ａ）は自動非点収差補正後の像を示し、図１０（ｂ）はその像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す。非常に良好な非点収差補正がなされていることが認められる。
【００６９】
実用機による実験の結果、数秒の処理時間で、本自動調整システムが信頼性良く動作することが実証できた。
【００７０】
期待できる精度（Δｆｅｒｒｏｒ）としては、透過電子顕微鏡像（ＴＥＭ）の位相コントラスト伝達関数（ＰＣＴＦ）に基づく近似計算から、以下が算出され評価できた。高いところでは、１ｎｍに近づく精度が可能であることがわかった。
【００７１】
0003645198.tif 000010
なお、上述の実施形態の説明において、走査透過電子顕微鏡を例にとり説明したが、本発明は、走査透過電子顕微鏡に限らず、走査型電子顕微鏡や透過型電子顕微鏡像に対しても適用することができる。
【００７２】
また、所定物理量として焦点位置を例にとり説明したが、本発明は、電子顕微鏡の焦点位置に一義的に影響を及ぼす物理量であればよく、所定物理量として焦点位置に限らず、他の物理量、例えば電子線の加速電圧でもよい。
【００７３】
また、上述の説明において、電子顕微鏡像の焦点位置合わせについて説明したが、上述した技術思想は、焦点位置合わせに限らず、非点収差量を制御する場合にも適用することが可能である。この場合、所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの焦点位置で２つの第１画像と第２画像を検出し検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り焦点位置の自動調整を図ることと同様の手法を適用して、所定物理量を既知量だけ変化させて実現する２つの非点収差量で２つの第１画像と第２画像を検出し検出結果を理論データと比較して電子顕微鏡の電子光学状態を知り非点収差量の自動調整を図るようにすればよい。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の構成によれば、試料の有する特性に依存することなく、非点収差の有無にかかわらず焦点位置合わせを行うことができ、また、非点収差補正を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る電子顕微鏡及びその焦点位置制御方法の実施形態を示すブロック図。▲１▼ー▲７▼は焦点位置合わせする場合の操作手順を示す。
【図２】除算量データを説明する図であり、（ａ）、（ｂ）・・・（ｈ）は、種々の焦点位置ｆにおけるＫ（ｒ；ｆ）を示し、理論除算量Ｋ（ｒ；ｆ）／Ｋ（ｒ；ｆ＋Δｆ）の集合として除算量データが得られる。
【図３】焦点位置合わせをする場合の操作手順を示す図。
【図４】非点収差がない場合（ａ）と非点収差がある場合（ｂ）における実測除算量Ｒｅｘｐを示す図（ａ−１），（ｂ−１）と、二値画像Ｂ（ｒｊ，θｉ）から求めた一次元動径計数ヒストグラムＰ（ｒｊ）を示す図（ａ−２）、（ｂ−２）。一次元動径計数ヒストグラムＰ（ｒｊ）に適当に設定したしきい値水準（threshold level）を適用し、相互相関法を用いてＲａｖｅ（ｒ）と除算量データとのフィッティングを行う場合に要する空間周波数の上限値を求める。
【図５】（ａ）は横軸を焦点位置ｆ、縦軸を空間周波数で表した除算量データを示す図であり、（ｂ）は横軸を焦点位置ｆ、縦軸を相互相関法を用いてＲａｖｅ（ｒ）と除算量データとのフィッティングを行った場合の相互相関計数（ＸＣＣ）で示した図であり、最大相互相関係数（ＸＣＣｍａｘ）に対応する焦点位置がもっともよく一致する焦点位置ｆ１の値として得られる。
【図６】非点収差がある場合の焦点位置合わせをする場合の操作手順を示す図。
【図７】半導体デバイスであるＤＲＡＭの薄膜化試料に対して、異なる焦点位置で取得した２枚のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（ａ），（ｄ）と、（ａ）、（ｄ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す図（ｂ）、（ｅ）と、除算を行った実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）を示す図（ｃ）。
【図８】オートフォーカスを行った後のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（ａ）と、（ａ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す図（ｂ）。
【図９】非点収差補正の自動化に関する実験に係り、カーボン薄膜上のＡｕ粒子蒸着試料に対して異なる焦点位置で取得した２枚のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（ａ），（ｄ）と、（ａ）、（ｄ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す図（ｂ）、（ｅ）と、除算を行った実測除算量Ｒｅｘｐ（ｕ，ｖ）を示す図（ｃ）。
【図１０】自動非点収差補正後のＨＡＡＤＦ−ＳＴＥＭ像（ａ）と、（ａ）の像をフーリエ変換して得たパワースペクトルを示す図（ｂ）。
【符号の説明】
１  試料
２  電子光学系
３  焦点制御部
４  画像検出部
５  コンピュータ
７  第１画像
８  第２画像
９  第１変換像
１０  第２変換像
１１  第１演算手段
１２  除算量データ
１３  第２演算手段
１４  スティグメータ
１５  電子レンズ
ｆ１  第１焦点位置
ｆ２  第２焦点位置
Δｆ  焦点はずれ量
Ｒｅｘｐ  実測除算量
Ｋ（ｒ，ｆ）  像伝達関数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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