(57)【要約】【課題】本発明は、少ない電子照射量でも高画質なＳＥＭ像を得ることが可能な電子顕微鏡および電子顕微鏡の画像形成方法を提供する。【解決手段】本発明の電子顕微鏡は、電子線を試料に照射する照射部と、電子線の照射を制御する制御部と、電子線の照射位置において試料から放出する放出電子を検出する第１の検出部と、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて、第１の検出部において検出された放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部と、サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部と、複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部とを備える。【選択図】図２Ａ
2014017170.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を試料に照射する照射部と、
前記電子線の照射を制御する制御部と、
前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出する第１の検出部と、
前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて、前記第１の検出部において検出された前記放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部と、
前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部と、
を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、
前記サンプリング部は、
前記放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、
前記サンプリング条件に基づいて前記検出信号をサンプリングするサンプリング制御部と、
を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２に記載の電子顕微鏡において、
前記サンプリング条件解析部は、前記サンプリング条件としての前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の照射電流によって決定することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項２に記載の電子顕微鏡において、
前記サンプリング条件解析部は、
前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定し、
複数の異なるタイミングから、前記検出信号が最も高い頻度で所定の閾値を越えるタイミングを、前記検出信号のサンプリングのタイミングとして選択し、
前記サンプリング制御部は、前記選択されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項２に記載の電子顕微鏡において、
前記照射部は、断続的な電子線を前記試料に照射し、
前記サンプリング条件解析部は、前記断続的な電子線の照射を制御するための信号の立ち上がり時間と前記立ち上がり時間後に最初に所定の閾値を超える前記検出信号との間の時間差に基づいて、前記検出信号のサンプリングのタイミングを決定し、
前記サンプリング制御部は、前記決定されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、
前記電子線を検出する第２の検出部と、
前記第２の検出部によって検出された検出信号に基づいて前記サンプリング部にサンプリングトリガ信号を入力する信号処理部と、
を更に備え、
前記信号処理部は、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期で、サンプリングトリガ信号を前記サンプリング部に入力することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１に記載の電子顕微鏡において、
前記検出信号のサンプリング周期が、１ＧＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲内であることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項８】
電子線を試料に照射するステップと、
前記電子線の照射を制御するステップと、
前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出するステップと、
前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングするステップと、
サンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出するステップと、
前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成するステップと、
を含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項９】
請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記サンプリングするステップは、
前記放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するステップと、
前記サンプリング条件に基づいて前記検出信号をサンプリングするステップと、
を含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記解析するステップは、前記検出信号のサンプリング周期を前記電子線の照射電流によって決定することを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記解析するステップは、
前記検出信号のサンプリング周期を、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定することと、
複数の異なるタイミングから、前記検出信号が最も高い頻度で所定の閾値を越えるタイミングを、前記検出信号のサンプリングのタイミングとして選択することと、
を含み、
前記サンプリングするステップは、前記選択されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項１２】
請求項９に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記照射するステップは、断続的な電子線を前記試料に照射し、
前記解析するステップは、前記断続的な電子線の照射を制御するための信号の立ち上がり時間と前記立ち上がり時間後に最初に所定の閾値を超える前記検出信号との間の時間差に基づいて、前記検出信号のサンプリングのタイミングを決定することを含み、
前記サンプリングするステップは、前記決定されたタイミングで、かつ前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、前記検出信号をサンプリングすることを含むことを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項１３】
請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記電子線を検出するステップと、
前記検出された電子線の検出信号に基づいてサンプリングトリガ信号を発生させるステップと、
を更に含み、
前記サンプリングトリガ信号を発生させるステップは、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期で、サンプリングトリガ信号を発生させ、
前記サンプリングするステップは、前記サンプリングトリガ信号に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングすることを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【請求項１４】
請求項８に記載の電子顕微鏡の画像形成方法において、
前記検出信号のサンプリング周期が、１ＧＨｚから１０ＭＨｚまでの範囲内であることを特徴とする電子顕微鏡の画像形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子線を用いた試料形態を観察する顕微鏡技術に関し、特に放出電子の検出制御および信号処理技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
試料の拡大観察可能な顕微鏡として電子線を用いた電子顕微鏡がある。特に、試料上で電子線を走査して撮像する走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと略す）は、微細な表面形状の観察や局所的な組成分析などの試料解析に利用されている。ＳＥＭでは、電子源に印加された電圧によって加速された電子線（以下、１次電子とする）を電子レンズで集束し、試料に照射する。集束した電子線は、偏向器により試料上を走査する。そして、電子線照射による試料からの放出電子（オージェ電子、２次電子、反射電子、もしくは２次電子と反射電子）を検出器で検出する。さらに、検出器で検出した放出電子の検出信号は、一定の周期でサンプリングされる。前記放出電子の信号のサンプリングは、走査信号に同期して実施され、２次元画像の画素に対応した抽出信号が得られる。抽出信号の強度は、画像の明るさに変換される。試料からの放出電子の放出率は、試料表面の形状により異なるため、抽出信号に差が生じ、形状を反映したコントラストが得られる。
【０００３】
ＳＥＭでは、微細な表面形状の観察が最も一般的なアプリケーションである。近年、有機材料や生体材料などのソフトマテリアルを含む試料がＳＥＭの観察対象となる事例が増えている。対象がソフトマテリアルを含む場合、電子線照射によって試料が帯電し、観察中の画像ドリフトや形状コントラストの喪失といった像障害が問題となる。さらには、電子線照射によって試料にダメージが生じるため、シュリンクといった試料の形状変化も問題となる。そのため、数百Ｖの電子線を用いる低加速ＳＥＭが実用化されている。低加速ＳＥＭにおいても、電子線の走査速度を遅くした高画質観察やナノ分解能での高倍観察では、電子照射量が増加し、電子線照射による帯電やダメージの影響が顕在化する。そのため、電子線の低加速化に加え、少ない電子照射量での観察が求められる。
【０００４】
通常、ＳＥＭでは、同一箇所を複数回走査し、各走査で得られる抽出信号の積算により、画質を向上させる。また、抽出信号の積算以外の方法として、特許文献１には、走査速度や観察領域のサイズに応じて放出電子の検出信号をサンプリングする回数を制御し、高解像ＳＥＭ像を取得する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３９９６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
試料に対して照射される電子の個数は、観察視野、電子線の走査速度、照射電流、信号の積算数に依存する。例えば、信号の積算数を増やしたり、走査速度を遅くして、高画質で観察した場合、同一画素内で電子は１００個以上照射される。１００個以上の照射で得られる放出電子の検出信号を、通常、１０回程度サンプリングする。１００個以上の電子照射量では、サンプリングの回数より照射した電子の数の方が多く、積算数に応じた高いＳＮ比（Ｓｉｇｎａｌ  ｔｏ  ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）を有する画像が得られる。
【０００７】
しかしながら、電子線による帯電やダメージが顕著な試料を観察するため、同一画素内に照射する電子を１から数十個と少なくした場合、サンプリングの回数と照射した電子の数が同等もしくは、電子の数の方が小さくなる。そのため、検出信号を取りこぼしたり、電子が照射されていないときの信号を抽出してしまうため、ＳＮ比が低下し、画質が悪化する。また、この同一画素内に照射する電子の数が少ない場合、積算数を増やしても、電子が照射されていない不要な信号を積算することになり、画質が向上しない。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために、少ない電子照射量で高画質なＳＥＭ像を得る電子顕微鏡および電子顕微鏡の画像形成方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するには、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号検出を抑えた、検出のサンプリングを制御することが重要となる。上記課題を解決するために、本発明の電子顕微鏡は、電子線を試料に照射する照射部と、前記電子線の照射を制御する制御部と、前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出する第１の検出部と、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて、前記第１の検出部において検出された前記放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部によってサンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出する処理部と、前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成する画像形成部と、を備える。本発明の電子顕微鏡によれば、効率的に検出信号をサンプリングできるため、少ない電子照射量であっても、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号の積算を抑制でき、高画質なＳＥＭ像が提供できる。
【００１０】
また、本発明によれば、電子顕微鏡の画像形成方法が提供される。本発明の電子顕微鏡の画像形成方法は、電子線を試料に照射するステップと、前記電子線の照射を制御するステップと、前記電子線の照射位置において前記試料から放出する放出電子を検出するステップと、前記電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて前記放出電子の検出信号をサンプリングするステップと、サンプリングされた複数の検出信号の平均値または積算値を算出するステップと、前記複数の検出信号の平均値または積算値に基づいて画像を形成するステップと、を含む。
【００１１】
なお、本発明は、前記電子線を連続的に試料に照射する電子顕微鏡、および前記電子線を断続的に試料に照射する電子顕微鏡のいずれの装置にも適用することができる。
【００１２】
また、本発明では、前記放出電子の検出信号をサンプリングする周期とタイミングを、前記放出電子の検出信号のタイムチャート、もしくは前記試料に照射する電子線を検出したタイムチャートのうちいずれかにより決定することができる。放出電子の検出信号のタイムチャートを用いる構成の場合、本発明の電子顕微鏡は、放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、前記サンプリング条件に基づいて放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング制御部とを備える。これにより、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期を、放出電子の検出信号のタイムチャートから解析的に得ることが可能となる。
【００１３】
また、電子線を検出したタイムチャートを用いる構成の場合、本発明の電子顕微鏡は、電子線を検出する第２の検出部と、前記第２の検出部によって検出された検出信号に基づいて前記サンプリング部にサンプリングトリガ信号を入力する信号処理部とを備える。これにより、電子線の検出信号をトリガとして、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期で、放出電子のサンプリングのための信号を生成し、放出電子の検出信号をサンプリングすることができる。
【００１４】
また、本発明では、前記電子線の単位時間あたりの平均的な電子の照射個数を電子線の照射電流により決定することができる。
【００１５】
また、通常ＳＥＭで用いる単位時間あたりの平均的な電子の照射個数は、１０９個から１０６個／ｓの範囲であるため、前記放出電子の検出信号のサンプリングする周期を、１ＧＨｚから１０ＭＨｚの範囲内に設定するのがよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、少ない電子照射量の観察条件下においても、高画質で画像化する電子顕微鏡が提供できる。
【００１７】
本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成および効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１実施例による電子顕微鏡の一例を示す構成図である。
【図２Ａ】第１実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。
【図２Ｂ】第１実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。
【図３】第１実施例のサンプリング条件の設定フローの一例を示す説明図である。
【図４Ａ】第１実施例の観察条件で取得した画像の一例である。
【図４Ｂ】任意に設定した観察条件で取得した画像の一例である。
【図５】第２実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の一例を示す説明図である。
【図６】第２実施例の画像形成条件の設定フローの一例を示す説明図である。
【図７】第２実施例の電子顕微鏡の一例を示す構成図である。
【図８】第３実施例の画像形成条件の設定フローの一例を示す説明図である。
【図９】第３実施例の画像形成条件の設定操作ＧＵＩの一例を示す図である。
【図１０】第４実施例の電子顕微鏡の一例を示す構成図である。
【図１１】第４実施例のサンプリング条件の設定フローの一例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。
【００２０】
＜第１実施例＞
本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する装置および方法について述べる。図１は、本発明の第１実施例である電子顕微鏡の構成図を示す。なお、本実施例では、例として走査電子顕微鏡を用いているが、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡であっても構わない。
【００２１】
走査電子顕微鏡は、電子光学系と、ステージ機構系と、ＳＥＭ制御系と、信号処理系と、ＳＥＭ操作系とにより構成されている。電子光学系は、電子銃１と、偏向器２と、対物レンズ３と、検出器４とを備える。ステージ機構系は、試料５を設置する試料ホルダ６と、傾斜制御可能で且つＸＹＺ軸方向に移動可能なステージ７とを備える。
【００２２】
ＳＥＭ制御系は、電子銃制御部８と、偏向走査信号制御部９と、対物レンズコイル制御部１０と、ステージ制御部１１とを備える。また、信号処理系は、検出信号抽出部１２と、抽出制御部１３と、抽出信号処理部１４と、画像形成部１５とを備える。本実施例では、検出器４で検出された放出電子をサンプリングするサンプリング部は、検出信号抽出部１２と抽出制御部１３とで構成され、抽出制御部１３が、放出電子の検出信号のサンプリング条件を解析するサンプリング条件解析部と、前記サンプリング条件に基づいて放出電子の検出信号をサンプリングするサンプリング制御部とを備える。さらに、操作系は、画像表示部１６と、操作インターフェース１７とを備える。
【００２３】
走査電子顕微鏡では、電子銃１からの電子線を対物レンズ３で集束し、試料ホルダ６上の試料５に照射する。また、電子線は、偏向器２により試料５上を走査する。そして、電子線照射による試料５からの放出電子を検出器４で検出する。検出信号抽出部１２は、検出器４で得られるアナログの検出信号から、あるサンプリング周期で検出信号を抽出する。ここで、検出信号を抽出するためのサンプリング周期は、抽出制御部１３によって制御される。また、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号を積算する。なお、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号の平均値を計算してもよい。画像形成部１５は、抽出された信号の積算値または平均値に基づいて画像を形成し、画像表示部１６がＳＥＭ像を表示する。
【００２４】
本実施例では、電子照射量を照射電流Ｉｐで制御する。電子銃制御部８が、照射電流Ｉｐを制御することによって、電子銃１から放出される放出電流を制御する。すなわち、電子銃制御部８が、照射電流Ｉｐを制御することによって、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数が制御される。
図２Ａおよび図２Ｂは、本実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の概念図である。図２Ａは、横軸に時間、縦軸にサンプリングトリガ信号をとったタイムチャート１８を示す。また、図２Ｂは、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート２０を示す。
【００２５】
本実施例において、サンプリングトリガ信号の周期は、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づき（１）式で決定する。
ｆ＝Ｉｐ／ｅ                                （１）
ここで、ｆは、図２Ａに示すサンプリング周期１９であり、ｅは、素電荷である。このように、電子銃１からの電子が照射電流Ｉｐによって制御されている構成では、電子線の照射電流Ｉｐを用いて、サンプリング周期を求めることができる。
【００２６】
（１）式に基づいてサンプリング周期ｆが求められると、図２Ａのタイムチャート１８に示すように、サンプリング周期１９で検出信号を抽出する。さらに、図２Ｂの抽出信号のタイムチャート２０に示すように、積算区間２１に含まれる抽出信号を積算し、画質を向上させる。ここで、積算区間２１は、観察条件として設定される信号の積算数によって決定される。
【００２７】
図３は、本実施例におけるサンプリング条件の設定フローを示す。ステップＳ１００において、予め、観察条件を設定する。これらの観察条件は、操作インターフェース１７を介して電子顕微鏡に設定される。なお、本実施例の観察条件は、加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａとした。本実施例では、Ｖａ＝３００ｅＶ、Ｍ＝８０ｎｍ、Ｉｐ＝５．３ｐＡとし、積算数Ｎａ＝６０とした。
【００２８】
次に、ステップＳ１０１において、サンプリング周期を電子顕微鏡（すなわち、抽出制御部１３）に設定する。サンプリング周期ｆは、（１）式によって求められる。Ｉｐ＝５．３ｐＡの場合、ｆは３３ＭＨｚである。ここで、サンプリング周期ｆは、放出電子の信号検出系の帯域以下であることが望ましい。
【００２９】
また、本発明では、画素ごとに、指定した積算数で検出信号を積算処理する必要があり、電子線の走査速度は、サンプリング周期ｆと積算数Ｎａに依存する。したがって、ステップＳ１０２において、観察条件やサンプリング条件によって電子線の走査速度を設定する。電子線の走査速度Ｖは、以下の（２）式により求められる。
Ｖ＝Ｓｐ／ｔｐ                                （２）
ここで、Ｓｐは画素サイズであり、ｔｐは１画素あたりの取得時間である。画素サイズＳｐは、観察視野を画素数で割ることで算出できる。１画素あたりの取得時間ｔｐは、以下の（３）式より算出できる。
ｔｐ＝１／（ｆ×Ｎａ）                                （３）
ここで、ｆはサンプリング周期１９であり、Ｎａは前記積算数である。以上の処理によってサンプリング条件の設定が終了する（Ｓ１０３）。その後、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、サンプリング周期ｆで検出信号を抽出する。その後、抽出信号処理部１４は、検出信号抽出部１２によって抽出された信号を積算し、画像形成部１５は、抽出された信号の積算値に基づいて画像を形成する。
【００３０】
図４Ａは、図３のフローで設定した放出電子の検出信号のサンプリング周期１９（ｆ＝３３ＭＨｚ）で取得した画像である。また、図４Ｂは、任意に設定した放出電子の検出信号のサンプリング周期（ｆ＝３．３ＭＨｚ）での画像である。図４Ｂは、ノイズ成分が多く画質が悪いのに対し、図４Ａは、ノイズ成分が少なく、画質が向上している。
このように、本実施例によれば、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて放出電子の信号を効率よくサンプリングできるため、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。
【００３１】
なお、通常ＳＥＭで用いる単位時間あたりの平均的な電子の照射個数は、１０９個から１０６個／ｓの範囲であるため、放出電子の検出信号のサンプリングする周期を、１ＧＨｚから１０ＭＨｚの範囲内に設定するのが好ましい。
【００３２】
＜第２実施例＞
本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する装置および方法について述べる。なお、本実施例における電子顕微鏡の構成は、第１実施例と同様の構成を使用するため、説明を省略する。図５は、本実施例の放出電子の検出信号を処理する方法の概念図を示す。図５の一番上の図は、横軸に時間、縦軸にサンプリングトリガ信号をとったタイムチャート１８を示す。また、図５における残りの３つの図は、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート２３、２４、２５を示す。
【００３３】
本実施例では、サンプリング周期１９を、以下の（４）式に基づき設定する。
ｆ＝ｎ×Ｉｐ／ｅ                                （４）
ここで、ｎはサンプリング係数であり、整数である。本実施例ではｎ＝３を用いた。放出電子の検出信号は、電子の平均的な照射数より高い頻度でサンプリングされる。ここでは、図５のタイムチャート１８には、係数ｎ＝３を用いて得られたサンプリング周期１９が示されている。
【００３４】
本実施例では、サンプリング周期１９でサンプリングした検出信号の抽出信号のタイムチャートから、（１）式の周期で再度抽出する。この際、サンプリング係数に依存して、サンプリングのタイミング２２ずつオフセットした３つの異なるタイムチャート２３、２４、２５が得られる。タイムチャート２３、２４、２５において、実線の部分が信号を抽出するタイミングを示している。本実施例におけるサンプリングのタイミング２２は、パルス状の検出信号からの遅れ時間で定義している。この遅れ時間が最少となるタイミングが、最適なサンプリングのタイミングである。
【００３５】
本実施例では、最適なサンプリングのタイミングを判定するため、タイムチャート２３、２４、２５において抽出信号が閾値２６以上となる頻度を解析する。ここで、閾値２６は、電子線を遮断したときに生じるノイズ以上で、かつ、電子１個を検出したときの信号電圧以下であることが望ましい。ここで、電子１個を検出したときの信号電圧は、量子化された検出信号の抽出信号の検出電圧ピッチにより求まる。この例では、タイミングの異なる検出信号の抽出信号のタイムチャート２３、２４、２５のうち、閾値２６を超える頻度が最も高いタイミングが、パルス状の検出信号からの遅れ時間が最少となるタイミングとする。
【００３６】
図５の例では、検出信号の抽出信号のタイムチャート２４のタイミングが、閾値２６を超える頻度が最も高いため、最適なサンプリングのタイミングである。ここで、タイミングの調整量はサンプリング係数ｎに依存するため、ｎが大きいほど調整精度が向上する。本実施例によれば、サンプリングのタイミングを補正することが可能となる。
【００３７】
図６は、本実施例の画像形成条件の設定フローを示す。第１実施例と同様に、画像取得前に、ステップＳ１１０において、観察条件（加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａ）を設定する。次に、ステップＳ１１１において、サンプリング条件の解析条件（サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈ）を設定する。ここで、閾値Ｖｔｈは、図５の閾値２６に対応するものである。これらの条件は、例えば、操作インターフェース１７を介して抽出制御部１３に設定される。
【００３８】
次に、ステップＳ１１２において、設定した照射電流Ｉｐとサンプリング係数ｎから（４）式に基づいて、サンプリング周期ｆを電子顕微鏡に（すなわち、抽出制御部１３）に設定する。次に、ステップＳ１１３において、画素に対応した電子線の照射位置に移動する。本実施例において、電子線の照射位置は走査によって制御する。
【００３９】
次に、ステップＳ１１４において、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、サンプリング周期ｆ（＝ｎ×ｆｅ）でサンプリングする。ここで、ｆｅ＝Ｉｐ／ｅである。さらに、ステップＳ１１５において、抽出制御部１３は、図５で説明したやり方で、抽出信号が閾値Ｖｔｈ以上となる頻度が最も高いタイミングを解析し、最適なタイミングを判定する。次に、ステップ１１６において、検出信号抽出部１２は、最適なタイミングでの抽出信号のみを抽出し、抽出信号処理部１４は、それら抽出信号を積算する。
【００４０】
その後、再度、ステップＳ１１３に戻り、画素に対応した電子線の照射位置に移動する。そして、ステップＳ１１４〜１１６を実行して、最適なタイミングの判定と、検出信号の積算とを繰り返し実行する。最終的に、ステップＳ１１７において、画像形成部１５は、画素ごとに積算した信号により、画像を形成する。
このように、本実施例によれば、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。
【００４１】
＜第３実施例＞
本実施例では、予めサンプリングの周期とタイミングを解析する方法とサンプリングの周期とタイミングを解析する機能を備えた装置について述べる。図７は、本実施例における電子顕微鏡の構成図を示す。
【００４２】
図７の構成は、第１実施例で示した図１の構成に対して、ビームブランカ２７と、絞り機構２８と、ビームブランキング制御部２９とが追加された構成となっている。ビームブランカ２７は、例えば、電子線を偏向させる偏向器などであり、絞り機構２８は、電子線を通過させるための経路（孔など）を有するものである。したがって、ビームブランキング制御部２９でビームブランカ２７を制御することにより、電子銃１からの電子線を絞り機構２８の経路を通過させたり、通過させなかったりすることが可能となる。これにより、図７に示すように断続的な電子線の照射が可能となる。
【００４３】
電子線の断続条件（照射時間、照射回数、照射間の間隔時間）は、ビームブランカ２７に印加するビームブンキング電圧信号で制御できる。本実施例では、ビームブランキング制御部２９が、時間を管理する基準信号であるクロック信号と同期して、ビームブランキング電圧信号を制御する。
【００４４】
本実施例の特徴は、断続的な電子線の照射を用いたサンプリングの周期とタイミングを解析できる点にある。以下に、サンプリングの周期とタイミングを解析する方法について説明する。図８は、サンプリングの周期とタイミングを解析するフローである。
【００４５】
まず、ステップＳ１２０において、電子顕微鏡をサンプリング条件の解析モードに切り替える。このとき、サンプリングの周期とタイミングを設定する操作ＧＵＩが起動し、操作ＧＵＩが画像表示部１６に表示される。この操作ＧＵＩの詳細については後述する。
【００４６】
次に、ステップＳ１２１において、操作ＧＵＩ上において、観察条件（加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａ）を入力する。さらに、ステップＳ１２２において、サンプリング条件の解析条件（サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈ）を入力する。
【００４７】
次に、ステップＳ１２３において、（４）式に基づいて、設定した照射電流Ｉｐとサンプリング係数ｎから解析用サンプリング周期ｆを設定する。この解析用サンプリング周期ｆは、例えば、抽出制御部１３に設定される。次に、ステップＳ１２４において、サンプリング条件を解析するために、電子線を照射する解析位置を設定する。解析位置は、観察領域であっても、観察領域外であっても構わない。固定した解析位置に断続的な電子線を照射する。
【００４８】
次に、ステップＳ１２５において、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３からの制御によって、解析用サンプリング周期ｆで放出電子の検出信号を抽出する。次に、ステップＳ１２６において、第２実施例と同様に、タイミングの異なる抽出信号の複数のタイムチャートから、抽出信号の閾値（Ｖｔｈ）以上となる頻度の解析することによって、サンプリングのタイミングを解析する。ここで、まず、上述の第２実施例と同様に、抽出信号の閾値（Ｖｔｈ）以上となる頻度が最も高いタイミングを選択する。ここで、本実施例におけるサンプリングのタイミングは、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時を基準とする。サンプリングのタイミングは、断続的な照射の間において、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時から最初に検出される抽出信号までの遅れ時間で定義した。
【００４９】
本実施例では、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時から最初に検出される抽出信号までの遅れ時間が解析された後、その遅れ時間後からは（１）式のサンプリング周期ｆでサンプリングすればよい。すなわち、本実施例では、画素ごとにサンプリングのタイミングを解析する必要がない。したがって、ステップＳ１２７においては、上述のように得られたサンプリングのタイミングを抽出制御部１３に設定し、さらに、観察に用いるサンプリングの周期として（１）式のサンプリング周期ｆを抽出制御部１３に設定する。
【００５０】
そして、ステップＳ１２８において、これらのサンプリング条件（サンプリング周期ｆとタイミング）で、電子顕微鏡を観察モードに切り替えて、サンプリングトリガ信号を発生させる。なお、このサンプリングトリガ信号は、電子線の照射電流を変更するまで使用できる。また、本実施例で解析したサンプリング条件は、走査電子顕微鏡もしくは断続的な電子線による電子顕微鏡の画像形成に適用できる。
【００５１】
次に、サンプリングの周期とタイミングを設定する操作ＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃ  Ｕｓｅｒ  Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）について説明する。図９は、画像表示部１６に表示される操作ＧＵＩを示す。操作ＧＵＩは、観察条件入力ウィンドウ３０と、解析条件入力ウィンドウ３１と、解析タイムチャートウィンドウ３２と、サンプリング解析結果ウィンドウ３３とを備える。
【００５２】
観察条件とサンプリング条件の解析条件は、観察条件入力ウィンドウ３０およびサンプリング条件の解析条件入力ウィンドウ３１に入力することができる。例えば、観察条件入力ウィンドウ３０では、加速電圧Ｖａ、観察視野Ｍ、照射電流Ｉｐ、積算数Ｎａを設定する。また、解析条件入力ウィンドウ３１では、サンプリング係数ｎ、検出信号の抽出値の閾値Ｖｔｈを設定する。
【００５３】
解析タイムチャートウィンドウ３２には、横軸に時間、縦軸にブランキング電圧信号をとったタイムチャート３２ａと、横軸に時間、縦軸に抽出信号をとったタイムチャート３２ｂが表示される。図９に示すように、ビームブランキング電圧信号の立ち上がりと、断続的な照射の中で最初に検出される抽出信号との間の時間差により、サンプリングのタイミング３２ｃを解析することができる。また、サンプリング解析結果ウィンドウ３３には、サンプリング条件が表示される。この例では、タイミングごとに（２．５ｎｓ、５ｎｓ、７．５ｎｓ）、閾値Ｖｔｈを超えた頻度が表示されている。ユーザは、この中で閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを最適なタイミングとして設定することができる。この構成によれば、ユーザが、各タイミングについて閾値を越えた頻度を確認しながら、最適なタイミングを設定することができる。例えば、閾値を超えた頻度の値が近い２つ以上のタイミングが表示された場合、再解析を行って、より最適なタイミングを選択できる。この場合、ユーザは、解析条件入力ウィンドウ３１の閾値Ｖｔｈを設定し直して、「再解析」ボタンを押すことによって、再解析を行うことができる。
このように、本実施例によれば、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
【００５４】
＜第４実施例＞
本実施例では、放出電子の検出信号のサンプリング周期を制御して画像を形成する方法と装置について述べる。図１０は、本実施例における電子顕微鏡の構成例を示す。
【００５５】
図１０の構成は、第１実施例で示した図１の構成に対して、第二の検出部である１次電子検出器３４と、１次電子検出信号処理部３５とが追加された構成となっている。そして、１次電子検出信号処理部３５が、抽出制御部１３に電気的に接続されている。
【００５６】
本実施例では、電子線を１次電子検出器３４に直接照射し、電子の照射のタイムチャートを取得する。１次電子検出信号処理部３５は、１次電子検出器３４によって検出された１次電子の検出信号のタイムチャートから、単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析する。そして、１次電子検出信号処理部３５は、単位時間当たりの平均的な電子の照射数からサンプリング周期ｆを決定し、サンプリングトリガ信号を発生させる。このサンプリングトリガ信号は、１次電子検出信号処理部３５から抽出制御部１３に直接入力される。検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３に対して入力されたサンプリングトリガ信号に基づいて、検出信号を抽出する。
【００５７】
第１実施例乃至第３実施例においては、（１）式によって、解析的にサンプリング周期を設定する方法について説明した。これに対して、本実施例によれば、１次電子検出器３４で１次電子の照射の周期とタイミングを直接計測し、その周期とタイミングをそのまま検出信号の抽出に利用できる。これにより、サンプリング周期とタイミングを高精度に制御できる。
【００５８】
図１１は、第４実施例のサンプリング条件の設定フローを示す。まず、ステップＳ１３０において、電子顕微鏡をサンプリング条件の解析モードに切り替える。次に、ステップＳ１３１において、電子線の照射位置を、１次電子の解析位置である１次電子検出器３４に移動する。次に、ステップＳ１３２において、１次電子検出信号処理部３５が、１次電子の検出信号のタイムチャートを取得する。
【００５９】
さらに、ステップＳ１３３において、１次電子検出信号処理部３５は、１次電子の検出信号のタイムチャートから、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析し、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期ｆを決定する。次に、ステップＳ１３４において、１次電子検出信号処理部３５は、サンプリング周期ｆで、１次電子の検出信号をトリガにして、サンプリングトリガ信号を発生させる。なお、このサンプリングトリガ信号は、１次電子検出信号処理部３５から抽出制御部１３に入力される。そして、ステップＳ１３５において、抽出制御部１３がサンプリングトリガ信号を保持した状態で、電子顕微鏡を観察モードに変更する。これにより、検出信号抽出部１２は、抽出制御部１３が保持したタイミングで検出信号を抽出することができる。
このように、本実施例によれば、１次電子を直接検出してサンプリング周期を設定でき、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
【００６０】
＜まとめ＞
第１実施例によれば、サンプリングトリガ信号の周期は、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づき（１）式で決定される。第１実施例によれば、（１）式のサンプリング周期ｆで検出信号を抽出し、積算区間２１に含まれる抽出信号を積算する。このように、第１実施例によれば、単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づいて放出電子の信号を効率よくサンプリングでき、放出電子の検出信号の取りこぼしや不要な信号の積算を抑制できる。これにより、少ない電子照射量であっても高画質なＳＥＭ像を取得することができる。
【００６１】
第２実施例によれば、まず、サンプリング周期を（４）式に基づき設定する。すなわち、サンプリング周期を、電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期の整数倍に設定する。そして、タイミング２２ずつオフセットした複数の異なるタイムチャート２３、２４、２５から、検出信号が最も高い頻度で所定の閾値２６を越えるタイミングを、サンプリングのタイミングとして選択する。そして、選択されたタイミングで、かつ電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期（すなわち、（１）式のサンプリング周期ｆ）で、放出電子の検出信号をサンプリングする。
第２実施例によれば、（４）式のサンプリング係数ｎによってより細かい時間間隔でサンプリングを行い、その中から最適なタイミングを選択することができる。したがって、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像を取得することができる。また、係数ｎを大きく設定することにより、サンプリング周期とのタイミングの調整精度をより向上させることもできる。
【００６２】
第３実施例によれば、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡において、予めサンプリングの周期とタイミングを解析することができる。詳細には、第３実施例では、ビームブランキング電圧信号の立ち上がり時と、立ち上がり時から最初に検出される抽出信号との間の時間差に基づいて、検出信号のサンプリングのタイミングを決定する。そして、決定されたタイミングで、かつ電子線の単位時間当たりの平均的な電子の照射個数に基づく周期（すなわち、（１）式のサンプリング周期ｆ）で、検出信号をサンプリングする。
第３実施例によれば、断続的な電子線を用いた電子顕微鏡において、サンプリング周期とのタイミングを高精度に調整することができ、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。さらに、このタイミングおよびサンプリング周期は、電子線の照射電流を変更するまで使用することができる。
【００６３】
第４実施例によれば、電子線を１次電子検出器３４に直接照射し、電子の照射のタイムチャートを取得する。１次電子検出信号処理部３５は、１次電子検出器３４によって検出された１次電子の検出信号のタイムチャートから、単位時間当たりの平均的な電子の照射数を解析し、１次電子の単位時間当たりの平均的な電子の照射数に基づくサンプリング周期ｆを決定する。そして、１次電子検出信号処理部３５は、サンプリング周期ｆで、１次電子の検出信号をトリガにして、サンプリングトリガ信号を発生させる。
第４実施例によれば、放出電子の検出信号から解析的にサンプリング周期を得る必要がなく、１次電子を直接検出してサンプリング周期を設定できる。これにより、少ない電子照射量でも高画質ＳＥＭ像が取得することができる。
【００６４】
また、上記の電子顕微鏡の実施例の各制御部および各処理部等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、本発明は、各制御部および各処理部の機能を実現するソフトウェアのプログラムコードによっても実現できる。この場合、プログラムコードを記録した記憶媒体をコンピュータなどの情報処理装置に提供し、そのコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出す。この場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施例の機能を実現することになり、そのプログラムコード自体、およびそれを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。
【００６５】
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上述した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることがあり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００６６】
第２実施例では、抽出信号が閾値Ｖｔｈ以上となる頻度が最も高いタイミングを、最適なタイミングとして設定しているが、この構成に限定されない。例えば、複数のタイミングのそれぞれにおいて抽出信号の平均値を求めて比較するなど、他の方法で、最適なタイミングを設定してもよい。
【００６７】
図９に示すように、操作ＧＵＩ上において、閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを最適なタイミングとして設定することができる。この構成に限定されず、例えば、装置が、閾値を越えた頻度が最も多いタイミングを自動的に設定してもよい。
【００６８】
また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１  電子銃
２  偏向器
３  対物レンズ
４  検出器
５  試料
６  試料ホルダ
７  ステージ
８  電子銃制御部
９  偏向走査信号制御部
１０  対物レンズコイル制御部
１１  ステージ制御部
１２  検出信号抽出部
１３  抽出制御部
１４  抽出信号処理部
１５  画像形成部
１６  画像表示部
１７  操作インターフェース
２７  ビームブランカ
２８  絞り機構
２９  ビームブランキング制御部
３４  １次電子検出器
３５  １次電子検出信号処理部
【図１】
2014017170.tif 000003
【図２Ａ】
2014017170.tif 000004
【図２Ｂ】
2014017170.tif 000005
【図３】
2014017170.tif 000006
【図４Ａ】
2014017170.tif 000007
【図４Ｂ】
2014017170.tif 000008
【図５】
2014017170.tif 000009
【図６】
2014017170.tif 000010
【図７】
2014017170.tif 000011
【図８】
2014017170.tif 000012
【図９】
2014017170.tif 000013
【図１０】
2014017170.tif 000014
【図１１】
2014017170.tif 000015