(57)【要約】【課題】コントラストのムラを低減して、良好な画像を得ることができる電子顕微鏡を提供する。【解決手段】電子顕微鏡１は、電子線を発生させる電子線源１１と、電子線の一部を検出するノイズキャンセラ絞り１２および増幅器４２と、増幅器４２の検出信号の実効値の直流成分を抽出する実効値計算回路４４および低周波除去回路４６と、電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０と、アンプ回路３０の出力信号と増幅器４２の出力信号とに基づく除算、および当該除算の結果の信号と低周波除去回路４６が抽出した信号との乗算を行う除算回路５４および乗算回路５８と、を含む。【選択図】図２
2018018761.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線の一部を検出する電子線検出部と、
前記電子線検出部の検出信号の実効値の直流成分を抽出する直流成分抽出部と、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出部と、
前記像検出部の検出信号と前記電子線検出部の検出信号とに基づく除算、および当該除算の結果の信号と前記直流成分抽出部が抽出した信号との乗算を行う除算・乗算部と、
を含む、電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記直流成分抽出部は、
前記実効値を計算する実効値計算部と、
前記実効値計算部における前記実効値の計算結果の信号の交流成分を抽出する交流成分抽出部と、
前記実効値の計算結果の信号と前記交流成分抽出部が抽出した信号との減算を行う減算部と、
を有する、電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
処理部を含み、
前記交流成分抽出部は、
前記実効値計算部における前記実効値の計算結果の信号が入力されるコンデンサーと、
第１抵抗器と、
前記第１抵抗器よりも抵抗値の小さい第２抵抗器と、
前記コンデンサーに接続されてハイパスフィルターを構成する抵抗器を前記第１抵抗器と前記第２抵抗器との間で切り替える切替部と、
を有し、
前記処理部は、
前記電子顕微鏡における所定の動作を検知した場合に、前記コンデンサーに接続される抵抗器が前記第１抵抗器から前記第２抵抗器に切り替わるように前記切替部を制御する処理と、
前記第１抵抗器から前記第２抵抗器に切り替わったときから所定時間が経過したタイミングで、前記コンデンサーに接続される抵抗器が前記第２抵抗器から前記第１抵抗器に切り替わるように前記切替部を制御する処理と、
を行う、電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１または２において、
前記直流成分抽出部、および前記除算・乗算部の各処理をデジタル演算により行う処理部を含む、電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項４において、
前記処理部は、前記実効値の平均値を計算することで、前記実効値の直流成分を抽出する、電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項５において、
前記処理部は、
前記電子顕微鏡における所定の動作を検知した場合に、前記実効値の平均値を計算する処理を開始し、
前記実効値のデータ数ｎが目標数Ｎよりも小さい場合、ｎ個のデータの平均値を前記実
効値の直流成分とし、
前記実効値のデータ数ｎが目標数Ｎ以上の場合、Ｎ個のデータの平均値を前記実効値の直流成分とする、電子顕微鏡。
【請求項７】
電子線源が発生させる電子線の一部を検出する電子線検出ステップと、
前記電子線検出ステップの検出信号の実効値の直流成分を抽出する直流成分抽出ステップと、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出ステップと、
前記像検出ステップの検出信号と前記電子線検出ステップの検出信号とに基づく除算、および当該除算の結果の信号と前記直流成分抽出ステップで抽出した信号との乗算を行う除算・乗算ステップと、
を含む、電子顕微鏡の作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡および電子顕微鏡の作動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電界放射型電子銃から放出される電子には数パーセントの変動分が含まれている。これはエミッタ表面にガスが吸着したり、吸着したガスやイオンがマイグレーションするために金属表面の仕事関数が変化し、またイオン等の衝突により金属表面の形状が変化するためである。このため、電界放射型電子銃を走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）に使用する場合、鏡筒途中にノイズキャンセル用の検出器を設けてプローブを形成する近傍の電子を検出し、この検出信号で試料から放出される信号を除算することにより画像上でのエミッションノイズを消去することが行われている。このようなノイズキャンセル技術は、例えば、特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−２５８０３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図２１は、一般的なノイズキャンセル機能を有する走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）１０１の構成を示している。図２１の例の電子顕微鏡１０１では、冷陰極型電界放射型電子銃（Ｃｏｌｄ  ｆｉｅｌｄ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｇｕｎ、ＣＦＥＧ）１１１、ノイズキャンセラ絞り（アパーチャー）１１２、レンズ１１３ａ、走査コイル１１３ｂ、レンズ１１４、検出器１１５、プリアンプ回路１２０、アンプ回路１３０等が、鏡筒１１０に収容されている。
【０００５】
ＣＦＥＧ１１１から放出された電子線はノイズキャンセラ絞り１１２により一部がカットされた後、レンズ１１３ａによって試料Ａ上に収束される。収束された電子線は走査コイル１１３ｂによって試料Ａ上で走査される。試料Ａを透過した電子線は、レンズ１１４を通過し、その一部が検出器１１５により検出される。
【０００６】
検出器１１５により検出される像信号は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１と試料Ａの輝度成分Ｓの積（Ｉ１×Ｓ）となる。また、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１とノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は比例関係にある（Ｉ１＝ｎ×Ｉ２）。像信号（Ｉ１×Ｓ）は、プリアンプ回路１２０でオフセットが加えられた後Ｇｐ倍に増幅され、さらにアンプ回路１３０でＧａ倍に増幅される。
【０００７】
一方、ノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路１４０でＧｎ倍に増幅される。ノイズキャンセル機能を使用しない場合は、アンプ回路１３０の出力信号は、ノイズキャンセル回路１５０をバイパスして演算部（ＣＰＵ）１６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）１０２に送信され、ＰＣ１０２のディスプレイに試料ＡのＳＴＥＭ像が表示される。
【０００８】
ノイズキャンセル機能を使用する場合は、アンプ回路１３０の出力信号は、ノイズキャンセル回路１５０において、プリアンプ回路１２０で加えられたオフセット分が引き算された後、ノイズ検出回路１４０の出力信号で除算される。これにより、像信号に含まれていたエミッションノイズが除去される。そして、このエミッションノイズが除去された像
信号は、演算部（ＣＰＵ）１６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）１０２に送信され、ＰＣ１０２のディスプレイにエミッションノイズが除去された試料ＡのＳＴＥＭ像が表示される。
【０００９】
図２２は、ノイズキャンセル機能を使用しない場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図２２に示すように、ノイズキャンセル機能を使用しない場合、ＳＴＥＭ像観察は基本的にはコントラストとブライトネスという２つの調整のみで行っている。コントラストは、明暗を調整するために像信号に加えるゲインであり、ブライトネスは像信号のオフセット成分を打ち消すために加えられるＤＣ電圧である。図２２の例では、コントラストを調整して検出器１１５から得られる像信号Ｓ×Ｉ１は、プリアンプ回路１２０において、加算器１２２によってブライトネスＢが加算された後、増幅器１２４によってＧｐ倍に増幅される。したがって、増幅器１２４の出力信号Ｖ１１は、次式（Ａ）で表される。
【００１０】
【数１】
2018018761.tif 000003
【００１１】
増幅器１２４の出力信号Ｖ１１は、アンプ回路１３０において、増幅器１３２によってＧａ倍に増幅される。したがって、式（Ａ）より、増幅器１３２の出力信号Ｖ１２は、次式（Ｂ）で表される。
【００１２】
【数２】
2018018761.tif 000004
【００１３】
そして、増幅器１３２の出力信号Ｖ１２は、演算部１６０において、Ａ／Ｄ変換器１６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図２１に示したＰＣ１０２に送信される。
【００１４】
一方、図２３は、ノイズキャンセル機能を使用する場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図２３に示すように、ノイズキャンセル機能を使用する場合も、増幅器１３２の出力信号Ｖ１２は、前述の式（Ｂ）で表される。ノイズキャンセル回路１５０は、プリアンプ回路１２０で加えられたブライトネスＢを打ち消すために、増幅器１５１によって増幅器１２４のゲインＧｐと増幅器１３２のゲインＧａの積に等しいゲインをブライトネスＢに与え、減算器１５２によって増幅器１３２の出力信号Ｖ１２から減算する。したがって、式（Ｂ）より、減算器１５２の出力信号Ｖ１３は、次式（Ｃ）で表される。
【００１５】
【数３】
2018018761.tif 000005
【００１６】
ノイズキャンセラ絞り１１２で検出されるエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路１４０において、増幅器１４２により電圧に変換されるとともにＧｎ倍に増幅される。したがって、増幅器１４２の出力信号Ｖ１４は、次式（Ｄ）で表される。
【００１７】
【数４】
2018018761.tif 000006
【００１８】
減算器１５２の出力信号Ｖ１３は、除算回路１５４の分子側の入力（Ｘ）に入力される。また、増幅器１４２の出力信号Ｖ１４は、除算回路１５４の分母側の入力（Ｙ）に入力される。したがって、式（Ｃ）と式（Ｄ）より、除算回路１５４の出力信号Ｖ１５は、次式（Ｅ）で表される。
【００１９】
【数５】
2018018761.tif 000007
【００２０】
ノイズキャンセル回路１５０は、減算器１５２によって増幅器１３２の出力信号Ｖ１２から減算した信号を加えるために、増幅器１５５によって増幅器１２４のゲインＧｐと増幅器１３２のゲインＧａの積に等しいゲインをブライトネスＢに与え、加算器１５６によって除算回路１５４の出力信号Ｖ１５に加算する。したがって、加算器１５６の出力信号Ｖ１６は、次式（Ｆ）で表される。
【００２１】
【数６】
2018018761.tif 000008
【００２２】
そして、加算器１５６の出力信号Ｖ１６は、演算部１６０において、Ａ／Ｄ変換器１６２によってＡ／Ｄ変換された後、平均化等の演算処理が行われ、図２１に示したＰＣ１０２に送信される。
【００２３】
ここで、式（Ｆ）に、Ｉ１＝ｎ×Ｉ２を代入すると、次式（Ｇ）が得られる。
【００２４】
【数７】
2018018761.tif 000009
【００２５】
式（Ｇ）の右辺には、エミッションノイズを含んだＩ１，Ｉ２が存在しない。これによって、ノイズキャンセル機能を使用する場合も、エミッションノイズがない時と同様に像として観察したい試料Ａの輝度成分Ｓに比例した値が得られる。
【００２６】
なお、図２３の例では、ブライトネスの除去・再加算や除算の処理をアナログ回路で行っているが、これらの処理をデジタル演算で行うこともできる。デジタル演算で行う場合、除去・再加算するブライトネスのゲインの測定や設定などの調整をオートで行うことも可能である。
【００２７】
ここで、上記式（Ｇ）では、ＳＴＥＭ信号系のゲインは、ノイズキャンセル機能を使用する場合と使用しない場合とで変化してしまう。そのため、特許文献１では、ＳＴＥＭ信
号系のゲインにエミッションノイズの検出信号（ノイズ信号）の実効値を乗算することでノイズキャンセル機能を使用する場合、使用しない場合に関わらず、ＳＴＥＭ信号系のゲインを一定にしている。
【００２８】
ノイズ信号の実効値をＶＲＭＳとすると、ＶＲＭＳは次式（Ｅ）で近似される。
【００２９】
【数８】
2018018761.tif 000010
【００３０】
ただし、Ｉ２ＲＭＳは、エミッション電流Ｉ２の実効値である。
【００３１】
この結果、式（Ｇ）は次式（Ｆ）で表される。
【００３２】
【数９】
2018018761.tif 000011
【００３３】
なお、式（Ｆ）では、便宜上、ブライトネスの項を省略している。
【００３４】
式（Ｆ）において、エミッション電流Ｉ１，Ｉ２を以下のようにおく。
【００３５】
【数１０】
2018018761.tif 000012
【００３６】
ただし、Ｉ１ＤＣはエミッション電流Ｉ１からノイズ成分Ｉ１ＡＣを除いた理想的な直流電流であり、Ｉ１ＡＣはエミッション電流Ｉ１のノイズ成分である。また、Ｉ２ＤＣはエミッション電流Ｉ２からノイズ成分Ｉ２ＡＣを除いた理想的な直流電流であり、Ｉ２ＡＣはエミッション電流Ｉ２のノイズ成分である。
【００３７】
エミッション電流の実効値Ｉ２ＲＭＳは、ノイズ成分Ｉ２ＡＣが除去されたときのエミッション電流Ｉ２とほぼ同値となる。
【００３８】
【数１１】
2018018761.tif 000013
【００３９】
このとき、式（Ｆ）は以下のように近似される。
【００４０】
【数１２】
2018018761.tif 000014
【００４１】
したがって、特許文献１の手法では、ＳＴＥＭ信号系のゲインを維持したままで（すなわち、Ｇａ，Ｇｐを固定値のままで）、像信号からエミッションノイズを除去できる。
【００４２】
以上に説明した従来のノイズキャンセル方式には、以下のような問題点がある。
【００４３】
ノイズ信号に振幅の大きなノイズが入力された場合、図２３に示す信号処理用の回路では、そのノイズの影響は除算回路１５４で除去できる。しかしながら、特許文献１の手法では、上述したように、除算回路１５４における除算結果に、ノイズ信号の実効値が乗算される。このため、実効値の演算結果がノイズの影響を受けてしまい、ＳＴＥＭ像にコントラストのムラが生じる。以下、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図２４は、振幅の大きなノイズが無い場合のノイズ信号の一例を表す図である。図２５は、図２４のノイズ信号の実効値の演算結果を示す図である。図２６は、振幅の大きなノイズがある場合のノイズ信号の一例を示す図である。図２７は、図２６のノイズ信号の実効値の演算結果を示す図である。図２８は、図２５および図２７の一部を拡大して重ねた図である。図２９は、図２７に示すノイズ信号の実効値の演算結果を用いてエミッションノイズが除去されたＳＴＥＭ像ＩＳＴＥＭを模式的に示す図である。
【００４５】
ノイズ信号の実効値の演算回路は演算時間（回路定数）に応じた一定時間内は、振幅が大きいノイズの影響を受け、そのノイズを含まない時の実効値との電圧差が大きくなる（図２８参照）。その結果、ＳＴＥＭ像ＩＳＴＥＭに図２９に示すような縞模様のコントラストのムラＭが見えてしまい良好な電子顕微鏡像が得られない場合がある。
【００４６】
本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、コントラストのムラを低減して、良好な電子顕微鏡像を得ることができる電子顕微鏡およびその作動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００４７】
（１）本発明に係る電子顕微鏡は、
電子線を発生させる電子線源と、
前記電子線の一部を検出する電子線検出部と、
前記電子線検出部の検出信号の実効値の直流成分を抽出する直流成分抽出部と、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出部と、
前記像検出部の検出信号と前記電子線検出部の検出信号とに基づく除算、および当該除算の結果の信号と前記直流成分抽出部が抽出した信号との乗算を行う除算・乗算部と、
を含む。
【００４８】
電子線が試料に入射して得られる信号は、例えば、試料を透過した電子線に基づく信号であってもよいし、試料に電子線が当たることで試料から放出される電子に基づく信号であってもよい。
【００４９】
このような電子顕微鏡では、電子線検出部で検出される電子線の量と電子線が試料に入射して得られる信号の大きさとの比が、照射系、結像系、検出系の各種設定に応じて変動することにより、除算結果の直流成分が変動するが、除算結果の信号に電子線検出部の検出信号（ノイズ信号）の実効値の直流成分を乗算することで、この変動分を補正することができる。
【００５０】
また、このような電子顕微鏡では、電子線検出部の検出信号（ノイズ信号）に振幅の大きなノイズが入力された場合、電子線検出部の検出信号の実効値はノイズの影響を実効値の演算時間に応じた一定時間受けるが、当該実効値の直流成分を抽出することで、ノイズ
の影響を低減できる（除去できる）。よって、このような電子顕微鏡では、電子線検出部の検出信号に振幅の大きなノイズが入力された場合に電子線検出部の検出信号の実効値に含まれるノイズの影響を低減して、コントラストのムラが低減された良好な電子顕微鏡像を得ることができる。
【００５１】
（２）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記直流成分抽出部は、
前記実効値を計算する実効値計算部と、
前記実効値計算部における前記実効値の計算結果の信号の交流成分を抽出する交流成分抽出部と、
前記実効値の計算結果の信号と前記交流成分抽出部が抽出した信号との減算を行う減算部と、
を有してもよい。
【００５２】
このような電子顕微鏡では、実効値計算部の計算結果の信号から交流成分を除去して、実効値の直流成分を抽出することができる。
【００５３】
（３）本発明に係る電子顕微鏡において、
処理部を含み、
前記交流成分抽出部は、
前記実効値計算部における前記実効値の計算結果の信号が入力されるコンデンサーと、
第１抵抗器と、
前記第１抵抗器よりも抵抗値の小さい第２抵抗器と、
前記コンデンサーに接続されてハイパスフィルターを構成する抵抗器を前記第１抵抗器と前記第２抵抗器との間で切り替える切替部と、
を有し、
前記処理部は、
前記電子顕微鏡における所定の動作を検知した場合に、前記コンデンサーに接続される抵抗器が前記第１抵抗器から前記第２抵抗器に切り替わるように前記切替部を制御する処理と、
前記第１抵抗器から前記第２抵抗器に切り替わったときから所定時間が経過したタイミングで、前記コンデンサーに接続される抵抗器が前記第２抵抗器から前記第１抵抗器に切り替わるように前記切替部を制御する処理と、
を行ってもよい。
【００５４】
このような電子顕微鏡では、後述するように、電子線検出部の検出信号（ノイズ信号）の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合に、当該動作が行われてから最初に直流成分抽出部から信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。
【００５５】
（４）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記直流成分抽出部、および前記除算・乗算部の各処理をデジタル演算により行う処理部を含んでいてもよい。
【００５６】
（５）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記処理部は、前記実効値の平均値を計算することで、前記実効値の直流成分を抽出してもよい。
【００５７】
（６）本発明に係る電子顕微鏡において、
前記処理部は、
前記電子顕微鏡における所定の動作を検知した場合に、前記実効値の平均値を計算する
処理を開始し、
前記実効値のデータ数ｎが目標数Ｎよりも小さい場合、ｎ個のデータの平均値を前記実効値の直流成分とし、
前記実効値のデータ数ｎが目標数Ｎ以上の場合、Ｎ個のデータの平均値を前記実効値の直流成分としてもよい。
【００５８】
このような電子顕微鏡では、後述するように、電子線検出部の検出信号（ノイズ信号）の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合に、当該動作が行われてから最初に直流成分抽出部から信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。
【００５９】
（７）本発明に係る電子顕微鏡の作動方法は、
電子線源が発生させる電子線の一部を検出する電子線検出ステップと、
前記電子線検出ステップの検出信号の実効値の直流成分を抽出する直流成分抽出ステップと、
前記電子線が試料に入射して得られる信号を検出する像検出ステップと、
前記像検出ステップの検出信号と前記電子線検出ステップの検出信号とに基づく除算、および当該除算の結果の信号と前記直流成分抽出ステップで抽出した信号との乗算を行う除算・乗算ステップと、
を含む。
【００６０】
このような電子顕微鏡の作動方法では、電子線検出ステップで検出される電子線の量と電子線が試料に入射して得られる信号の大きさとの比が、照射系、結像系、検出系の各種設定に応じて変動することにより、除算結果の直流成分が変動するが、除算結果の信号に電子線検出ステップの検出信号（ノイズ信号）の実効値の直流成分を乗算することで、この変動分を補正することができる。
【００６１】
また、このような電子顕微鏡の作動方法では、電子線検出ステップの検出信号（ノイズ信号）に振幅の大きなノイズが入力された場合、電子線検出ステップの検出信号の実効値はノイズの影響を実効値の演算時間に応じた一定時間受けるが、当該実効値の直流成分を抽出することで、ノイズの影響を低減できる（除去できる）。よって、このような電子顕微鏡の作動方法では、電子線検出ステップの検出信号に振幅の大きなノイズが入力された場合に電子線検出ステップの検出信号の実効値に含まれるノイズの影響を低減して、コントラストのムラが低減された良好な電子顕微鏡像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】第１実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図。
【図２】第１実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。
【図３】図３（Ａ）〜図３（Ｊ）は第１実施形態における信号処理用の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。
【図４】第１実施形態における低周波除去回路の構成例を示す図。
【図５】ノイズ信号の一例を示す図。
【図６】低周波除去回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。
【図７】低周波除去回路の各ノードの信号波形の一例を示す図。
【図８】低周波除去回路の各ノードの信号波形の一例を示す図
【図９】ノイズ信号の一例を示す図。
【図１０】参考例における実効値計算回路の帯域幅の一例を示す図
【図１１】第１実施形態における実効値計算回路の帯域幅の一例を示す図。
【図１２】第１実施形態における交流成分抽出回路の帯域幅の一例を示す図。
【図１３】第１実施形態におけるノイズ成分を除去後の低周波除去回路の帯域幅の一例を示す図。
【図１４】従来の実効値計算回路において、演算時間が長い場合の実効値の計算結果の一例を示す図。
【図１５】従来の実効値計算回路において、演算時間が短い場合の実効値の計算結果の一例を示す図。
【図１６】第２実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図。
【図１７】第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。
【図１８】実効値の帯域幅の一例を示す図。
【図１９】デジタルフィルターによる実効値の平均値の帯域幅の一例を示す図。
【図２０】第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成の他の例を示す図。
【図２１】一般的なノイズキャンセル機能を有する走査透過型電子顕微鏡の構成図。
【図２２】従来の電子顕微鏡におけるノイズキャンセル機能を使用しない場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。
【図２３】従来の電子顕微鏡におけるノイズキャンセル機能を使用する場合の信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図。
【図２４】振幅の大きなノイズが無い場合のノイズ信号の一例を表す図。
【図２５】図２４のノイズ信号の実効値の演算結果を示す図。
【図２６】振幅の大きなノイズがある場合のノイズ信号の一例を示す図。
【図２７】図２６のノイズ信号の実効値の演算結果を示す図。
【図２８】図２５および図２７の一部を拡大して重ねた図。
【図２９】図２７に示すノイズ信号の実効値の演算結果を用いてエミッションノイズが除去されたＳＴＥＭ像を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００６４】
１．第１実施形態
図１は、第１実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図である。図１に示すように、第１実施形態の電子顕微鏡１は、電子線源１１、ノイズキャンセラ絞り（アパーチャー）１２、レンズ１３、レンズ１４、像検出器１５、プリアンプ回路２０、アンプ回路３０等が収容されている鏡筒１０、ノイズ検出回路４０、ノイズキャンセル回路５０、処理部（ＣＰＵ）６０等を含んで構成されている。電子顕微鏡１は、走査透過型電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）であり、鏡筒１０にはこの他にも各種のレンズや絞り等が収容されているが、図示を省略している。また、本実施形態の電子顕微鏡１は、図１に示した構成要素の一部を省略又は変更したり、新たな構成要素を付加した構成としてもよい。
【００６５】
電子線源１１は、電子線を発生させる。電子線源１１から放出された電子線はノイズキャンセラ絞り１２によって一部がカットされた後、レンズ１３によって試料Ａ上に収束される。なお、電子線源１１としては、例えば、冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ）等の公知の電子銃を用いることができる。
【００６６】
試料Ａに入射し試料Ａを透過した電子線は、レンズ１４を通過し、その一部が像検出器１５により検出される。像検出器１５により検出される像信号は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１と試料Ａの輝度成分Ｓの積（Ｉ１×Ｓ）となる。
【００６７】
ノイズキャンセラ絞り１２は、エミッション電流（ノイズ信号）を検出する。例えば、鏡筒１０において、電子線源１１と試料Ａの間に配置された照射系の絞りのいずれか（例えば、コンデンサーレンズ（ＣＬ：Condenser Lens）絞り）をノイズキャンセラ絞り１２
として兼用してもよいし、照射系の絞りとは別に、専用のノイズキャンセラ絞り１２を設けてもよい。ノイズキャンセラ絞り１２で検出されたエミッション電流Ｉ２は、ノイズ検出回路４０で増幅される。
【００６８】
ノイズキャンセル回路５０は、試料Ａに照射されるエミッション電流Ｉ１とノイズキャンセラ絞り１２で検出されるエミッション電流Ｉ２が比例関係にある（Ｉ１＝ｎ×Ｉ２）ことを利用し、アンプ回路３０の出力信号に重畳されているノイズ信号を除去する（正確には、低減させる）。そして、このノイズ信号が除去された信号は、処理部６０で所定の演算処理が行われた後、パーソナルコンピューター（ＰＣ）２に送信され、ＰＣ２のディスプレイに試料ＡのＳＴＥＭ像が表示されるとともに保存される。
【００６９】
図２は、本実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図２において、図１と同じ構成には同じ符号を付している。また、図３（Ａ）〜図３（Ｊ）は、図２の回路の各ノードの信号波形の一例を示す図である。
【００７０】
図２に示すように、本実施形態では、図１に示したＰＣ２からの制御等により、処理部６０がスイッチ回路５９を切り替えてノイズキャンセル機能をオン／オフすることができるようになっている。
【００７１】
ノイズキャンセル機能がオフの場合、処理部６０には、スイッチ回路５９を介してアンプ回路３０の出力信号が入力される。従って、ノイズキャンセル機能がオフの場合、ＳＴＥＭ像観察は基本的にはコントラストとブライトネスという２つの調整のみで行われる。コントラストは、明暗を調整するために像信号に加えるゲインであり、本実施形態では像検出器１５に対してコントラストが設定される。ブライトネスは、像信号のオフセット成分を打ち消すために加えられるＤＣ電圧であり、本実施形態ではプリアンプ回路２０に対してブライトネスが設定される。
【００７２】
本実施形態では、プリアンプ回路２０は、加算器２２と増幅器２４を含んで構成されている。コントラストを調整して像検出器１５から得られる像信号Ｓ×Ｉ１（図３（Ａ）参照）は、加算器２２によってブライトネスＢが加算された後、増幅器２４によってＧｐ倍に増幅される。従って、増幅器２４の出力信号（プリアンプ回路２０の出力信号）Ｖ１（図３（Ｂ）参照）は、次式（１）で表される。
【００７３】
【数１３】
2018018761.tif 000015
【００７４】
本実施形態では、アンプ回路３０は、増幅器３２を含んで構成されている。プリアンプ回路２０の出力信号Ｖ１は、増幅器３２によってＧａ倍に増幅される。従って、式（１）より、増幅器３２の出力信号（アンプ回路３０の出力信号）Ｖ２（図３（Ｃ）参照）は、次式（２）で表される。
【００７５】
【数１４】
2018018761.tif 000016
【００７６】
処理部６０は、アンプ回路３０の出力信号をＡ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換した後、平均化等の演算処理を行って画像データを生成し、図１に示したＰＣ２に送信する。処理部６０は、例えば、マイクロコンピューターにより実現することができる。ＰＣ２は、処理部６０が生成した画像データを受信してフレームバッファに書き込み、試料Ａの画
像のディスプレイへの表示や保存等の処理を行う。
【００７７】
一方、ノイズキャンセル機能がオンの場合、アンプ回路３０の出力信号Ｖ２は、ノイズキャンセル回路５０でノイズキャンセル処理がされた後、スイッチ回路５９を介して処理部６０に入力される。
【００７８】
本実施形態では、ノイズキャンセル回路５０は、減算器５２、除算回路５４、加算器５６、増幅器５７、乗算回路５８、スイッチ回路５９を含んで構成されている。増幅器５７は、増幅器２４のゲインＧｐと増幅器３２のゲインＧａの積に等しいゲインＧｐ×ＧａをブライトネスＢに与える。減算器５２は、アンプ回路３０の出力信号Ｖ２から増幅器５７の出力信号（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を減算する。ノイズキャンセル機能がオンの場合も、アンプ回路３０の出力信号Ｖ２は式（２）で表されるので、減算器５２の出力信号Ｖ３（図３（Ｄ）参照）は、次式（３）で表される。
【００７９】
【数１５】
2018018761.tif 000017
【００８０】
式（３）より明らかなように、減算器５２の出力信号Ｖ３において、プリアンプ回路２０で加えられたブライトネスが打ち消されている。この減算器５２の出力信号Ｖ３は、除算回路５４の分子側の入力（Ｘ）に入力される。除算回路５４の分母側の入力（Ｙ）には、ノイズ検出回路４０で検出されたノイズ信号が入力される。
【００８１】
本実施形態では、ノイズ検出回路４０は、増幅器４２、実効値計算回路４４、および低周波除去回路４６を含んで構成されている。増幅器４２は、ノイズキャンセラ絞り１２で検出されたエミッション電流Ｉ２（図３（Ｅ）参照）を電圧に変換するとともにＧｎ倍に増幅する。従って、増幅器４２の出力信号Ｖ４（図３（Ｆ）参照）は、次式（４）で表される。
【００８２】
【数１６】
2018018761.tif 000018
【００８３】
実効値計算回路４４は、あらかじめ設定された所定時間における増幅器４２の出力信号Ｖ４の実効値（ＲＭＳ）をリアルタイムに計算する。実効値計算回路４４として、例えば、汎用のＩＣを用いてもよい。
【００８４】
実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳ（＝（Ｇｎ×Ｉ２）ＲＭＳ）は、直流成分ＶＤＣとノイズ成分（交流成分）ＶＡＣを用いて次式で表される。
【００８５】
【数１７】
2018018761.tif 000019
【００８６】
直流成分ＶＤＣは、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳからノイズ成分を除いた理想的な実効値成分であり、エミッションノイズがないときに実効値計算回路４４から出力される信号である。また、ノイズ成分（低周波のノイズ成分）ＶＡＣは、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳのノイズ成分である。
【００８７】
低周波除去回路４６は、実効値計算回路４４で計算された増幅器４２の出力信号Ｖ４の実効値ＶＲＭＳの直流成分ＶＤＣをリアルタイムに計算する。低周波除去回路４６として、例えば、汎用のＩＣを用いてもよい。
【００８８】
除算回路５４は、分子側の入力（Ｘ）と分母側の入力（Ｙ）に、それぞれ、減算器５２の出力信号Ｖ３と増幅器４２の出力信号Ｖ４が入力され、これらの信号の除算を行う。従って、式（３）と式（４）より、除算回路５４の出力信号Ｖ５（図３（Ｇ）参照）は、次式（５）で表される。
【００８９】
【数１８】
2018018761.tif 000020
【００９０】
乗算回路５８は、除算回路５４の出力信号Ｖ５（図３（Ｇ）参照）と低周波除去回路４６の出力信号ＶＤＣ（図３（Ｈ）参照）の乗算を行う。従って、式（５）より、乗算回路５８の出力信号Ｖ６（図３（Ｉ）参照）は、次式（６）で表される。
【００９１】
【数１９】
2018018761.tif 000021
【００９２】
ここで、エミッション電流Ｉ２は、直流成分Ｉ２ＤＣとノイズ成分Ｉ２ＡＣを用いて次式（７）で表される。
【００９３】
【数２０】
2018018761.tif 000022
【００９４】
また、実効値計算回路４４の出力信号（Ｇｎ×Ｉ２）ＲＭＳ（＝ＶＲＭＳ）は、次式で近似することができる。
【００９５】
【数２１】
2018018761.tif 000023
【００９６】
低周波除去回路４６の出力信号ＶＤＣは、実効値計算回路４４の出力信号（Ｇｎ×Ｉ２）ＲＭＳ（＝ＶＲＭＳ）からノイズ成分ＶＡＣが除去されたものとほぼ同値になる。すなわち、低周波除去回路４６の出力信号ＶＤＣは、実効値計算回路４４で計算されたノイズ信号の実効値からノイズ成分を除いた実効値に相当する。そのため、低周波除去回路４６の出力信号ＶＤＣは次式（８）で近似することができる。
【００９７】
【数２２】
2018018761.tif 000024
【００９８】
従って、式（６）に、Ｉ１＝Ｉ２×ｎを代入し、さらに式（７）及び式（８）を代入すると、乗算回路５８の出力信号Ｖ６は、次式（９）で近似される。
【００９９】
【数２３】
2018018761.tif 000025
【０１００】
式（９）において、Ｉ２ＤＣはエミッション電流Ｉ２からノイズ成分Ｉ２ＡＣを除いた理想的な直流電流であり、エミッションノイズのない時にノイズ検出回路４０で検出されるエミッション電流である。また、Ｉ１＝Ｉ２×ｎより、Ｉ２ＤＣ×ｎは、Ｉ１からエミッション電流を除いた理想的な直流電流Ｉ１ＤＣに相当する。
【０１０１】
従って、式（９）に、Ｉ２ＤＣ×ｎ＝Ｉ１ＤＣを代入すると、乗算回路５８の出力信号Ｖ６は、次式（１０）で近似される。
【０１０２】
【数２４】
2018018761.tif 000026
【０１０３】
加算器５６は、乗算回路５８の出力信号Ｖ６と増幅器５７の出力信号（Ｇｐ×Ｇａ×Ｂ）を加算する。従って、加算器５６の出力信号Ｖ７（図３（Ｊ）参照）は、次式（１１）で近似される。
【０１０４】
【数２５】
2018018761.tif 000027
【０１０５】
加算器５６の出力信号Ｖ７は、スイッチ回路５９を介して、処理部６０に入力される。処理部６０は、加算器５６の出力信号をＡ／Ｄ変換器６２によってＡ／Ｄ変換した後、平均化等の演算処理を行って画像データを生成し、図１に示したＰＣ２に送信する。ＰＣ２は、処理部６０が生成した画像データを受信してフレームバッファに書き込み、エミッションノイズが除去（低減）された試料Ａの画像のディスプレイへの表示や保存等の処理を行う。
【０１０６】
式（１１）のＩ１ＤＣはエミッションノイズのない時に試料Ａに照射されるエミッション電流とほぼ同値となる。これによって、Ｇａ，Ｇｐ，Ｇｎ及び除去・再加算するブライトネスに与えるゲインを常に固定値のままで、ノイズキャンセル機能がオフの時と同様にコントラストとブライトネスの２つの調整のみでＳＴＥＭ像の観察が可能となる。
【０１０７】
また、仮にエミッション電流が経時的に減少したとしても、処理部６０に入力される信号は常に式（１１）のようになり、式（２）で表されるアンプ回路３０の出力信号Ｖ２からノイズのみを除去した信号を取得し続けることができる。
【０１０８】
また、ノイズキャンセル機能がオンの場合に処理部６０に入力される信号の式（１１）は、ノイズキャンセル機能がオフの場合に処理部６０に入力される信号の式（２）のＩ１をＩ１ＤＣに置き換えた式になっている。従って、ノイズキャンセル機能のオン／オフを切り替える毎に煩雑な調整を行う必要がない。
【０１０９】
図４は、低周波除去回路４６の構成例を示す図である。図５は、ノイズ信号（増幅器４２の出力信号Ｖ４）の一例を示す図である。図６〜図８は、図４に示す低周波除去回路４６の各ノードの信号波形の一例を示す図である。図４の例では、低周波除去回路４６は、交流成分抽出回路４６ａおよび減算回路４６ｂを含んで構成されている。
【０１１０】
以下、図５に示すように、ノイズ信号（増幅器４２の出力信号Ｖ４）に振幅の大きなノイズが入力された例について説明する。なお、以下では、ＳＴＥＭ像の取得時間をＴｓ［ｓ］とし、実効値の演算時間をＴ［ｓ］として、便宜上、Ｔｓ＞Ｔである場合について説明する。なお、本実施形態において、Ｔｓ＞Ｔは必須の条件ではなく、Ｔｓ≦Ｔであってもよい。
【０１１１】
低周波除去回路４６には、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳ（図６参照）が入力される。実効値の演算時間Ｔの間にノイズ信号に振幅の大きなノイズが入力された場合（図５参照）、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳには、低周波のノイズ成分ＶＡＣが含まれる（図６参照）。低周波のノイズ成分ＶＡＣは、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳに含まれるスパンの比較的長いノイズをいう。
【０１１２】
交流成分抽出回路４６ａは、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳからノイズ成分ＶＡＣを抽出する。
【０１１３】
交流成分抽出回路４６ａは、コンデンサー４６２、第１抵抗器４６４ａ、第２抵抗器４６４ｂ、切替回路４６６、増幅器４６８を含んで構成されている。
【０１１４】
交流成分抽出回路４６ａでは、コンデンサー４６２および第１抵抗器４６４ａによってハイパスフィルターが構成されている。このハイパスフィルターを用いて、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳから周波数ｆ１以上の交流成分のみを抽出する。ハイパスフィルターでは、ｆ１＝１／（２・π・Ｃ・Ｒ１）以上の周波数成分を検出し、ｆ１＜１／Ｔ（ｆＴ）を満たすものとする。ただし、Ｃはコンデンサー４６２の容量であり、Ｒ１は第１抵抗器４６４ａの抵抗値であり、ｆＴは実効値の演算時間の逆数である。
【０１１５】
ハイパスフィルターで検出された交流成分Ｖａｃは、増幅器４６８でゲインの補正が行われ（Ｇ１×Ｖａｃ）、不要な高周波成分がローパスフィルター（図示せず）で除去される。なお、増幅器４６８におけるゲインの補正は行われなくてもよい。増幅器４６８の出力信号ＶＡＣ（図７参照）は、減算回路４６ｂに入力される。増幅器４６８の出力信号ＶＡＣは、ハイパスフィルターのカットオフ周波数ｆＨＰＦ以上の周波数の信号である。
【０１１６】
減算回路４６ｂは、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳから増幅器４６８の出力信号（交流成分抽出回路４６ａの出力信号）ＶＡＣを減算する。
【０１１７】
【数２６】
2018018761.tif 000028
【０１１８】
この結果、ノイズ検出回路４０の出力信号ＶＤＣ（図８参照）は、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳから振幅の大きなノイズの影響が除去された（低減された）信号となる。減算回路４６ｂの出力信号（低周波除去回路４６の出力信号）ＶＤＣは、図２に示す乗算回路５８に入力される。
【０１１９】
ここで、ノイズキャンセラ絞り１２のアパーチャーサイズの変更や、電子線源１１から
放出された電子線のオン／オフなどの所定の動作が行われた場合、図９に示すように、ノイズ信号（増幅器４２の出力信号）の電位が大きく変動する。増幅器４２の出力信号の電位が大きく変動した場合、低周波除去回路４６は、ハイパスフィルターを構成するコンデンサー４６２の充放電時間が長くなり、応答性が低下する。すなわち、この所定の動作が行われてから最初に低周波除去回路４６から信号が出力されるまでの時間が長くなってしまう。
【０１２０】
そのため、本実施形態では、低周波除去回路４６は、コンデンサー４６２に接続されてハイパスフィルターを構成する抵抗器を、第１抵抗器４６４ａと第２抵抗器４６４ｂとの間で切り替える切替回路４６６を備えている。切替回路４６６は、処理部６０によって制御される。以下、処理部６０による切替回路４６６を制御する処理について説明する。
【０１２１】
本実施形態の電子顕微鏡では、ＳＴＥＭ像を取得している状態では、コンデンサー４６２と第１抵抗器４６４ａとが接続されてハイパスフィルターを構成している。処理部６０は、ノイズキャンセラ絞り１２のアパーチャーサイズの変更や、電子線源１１から放出された電子線のオン／オフなど、ノイズ信号の電位が大きく変動する動作を検知することができる。
【０１２２】
処理部６０は、これらの動作を検知した場合に、コンデンサー４６２に接続される抵抗器が第１抵抗器４６４ａから第２抵抗器４６４ｂに切り替わるように切替回路４６６を制御する。これにより、コンデンサー４６２と第２抵抗器４６４ｂとでハイパスフィルターが構成される。
【０１２３】
第２抵抗器４６４ｂの抵抗値Ｒ２は、第１抵抗器４６４ａの抵抗値Ｒ１よりも極めて小さいため（Ｒ１＞＞Ｒ２）、極めて速い応答で、コンデンサー４６２に増幅器４２の出力信号の電位の変化分に応じた充電（または放電）が行われる。なお、第２抵抗器４６４ｂの抵抗値Ｒ２は、抵抗値Ｒ１よりも小さければよい（Ｒ１＞Ｒ２）。
【０１２４】
処理部６０は、第１抵抗器４６４ａから第２抵抗器４６４ｂに切り替わったときから、あらかじめ設定された所定時間が経過したタイミングで、コンデンサー４６２に接続される抵抗器が第２抵抗器４６４ｂから第１抵抗器４６４ａに切り替わるように切替回路４６６を制御する。これにより、コンデンサー４６２と第１抵抗器４６４ａとでハイパスフィルターが構成される。なお、上記の所定時間は、Ｃ×Ｒ２という時定数に対して、十分な時間が経過した時間であり、コンデンサー４６２の容量Ｃ、第２抵抗器４６４ｂの抵抗値Ｒ２を基準に設定される。
【０１２５】
以上の処理によって、ノイズ信号の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合に、この所定の動作が行われてから最初に低周波除去回路４６から信号が出力されるまでの時間を短くできる。すなわち、ノイズ信号の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合であっても、低周波除去回路４６は高速応答が可能である。
【０１２６】
また、本実施形態では、低周波除去回路４６を備えているため、実効値計算回路４４の帯域幅を広くすることができる。以下、実効値計算回路４４の帯域幅を広くできる理由について説明する。
【０１２７】
図１０は、参考例として、ノイズ検出回路４０が低周波除去回路４６を備えていない場合の実効値計算回路４４の帯域幅の一例を示す図である。
【０１２８】
例えば、ノイズ検出回路４０が低周波除去回路４６を備えていない場合（例えば特許文献１参照）、実効値計算回路４４で計算される実効値をＤＣ（直流成分）に近い成分とす
るためには、実効値計算回路４４は、ノイズ信号の周波数ｆＮＯＩＳＥに比べて狭い帯域幅にしなければならない。しかしながら、実効値計算回路４４の帯域幅を狭くしすぎると、ノイズ信号の電位の変動に連動してＳＴＥＭ像取得時に実効値計算回路４４の帯域幅（実効値の演算時間）に応じた時間でＳＴＥＭ像のコントラストがグラデーション模様に変動する現象が発生する。そのため、実効値計算回路４４は、理想より広い帯域幅としなければならなかった。その結果、ノイズ信号の実効値の計算によって発生する、実効値計算回路４４の帯域幅内（ＤＣ〜ｆＲＭＳ）のノイズ成分が、乗算回路５８の出力信号に含まれてしまう。
【０１２９】
図１１は、第１実施形態における実効値計算回路４４の帯域幅の一例を示す図である。図１２は、第１実施形態おける交流成分抽出回路４６ａの帯域幅の一例を示す図である。図１３は、第１実施形態におけるノイズ成分ＶＡＣを除去後の低周波除去回路４６の帯域幅の一例を示す図である。
【０１３０】
本実施形態の低周波除去回路４６では、交流成分抽出回路４６ａ（ＡＣカップリング）によって実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳのうち、ＤＣに非常に近い成分を除去した信号（ｆＨＰＦ〜ｆＲＭＳ）を取り出すことができる（図１２参照）。また、低周波除去回路４６では、実効値計算回路４４の出力信号ＶＲＭＳから交流成分抽出回路４６ａの出力信号ＶＡＣを減算することで、帯域幅の非常に狭い実効値計算回路を用いたときと同様の結果を得ることができる（図１３参照）。この結果、実効値の演算時間の短縮とＤＣにより近い実効値の演算結果を得ることができる。
【０１３１】
このように、本実施形態では、図１１に示すように、実効値計算回路４４の帯域幅（ＤＣ〜ｆＲＭＳ）を広くしても、低周波除去回路４６によってＤＣにより近い実効値の演算結果を得ることができる（図１３参照）。そのため、実効値計算回路４４の帯域幅を広くして、コントラストがグラデーション模様に変動する現象が発生する時間を短くできる。
【０１３２】
なお、ＡＣカップリングによるハイパスフィルターでは、コンデンサーへの充放電時間が必要となる。ハイパスフィルターのカットオフ周波数ｆＨＰＦはＤＣに近い周波数としたいが、ＤＣに近いほど充放電時間が長くなる。この充放電時間が、ノイズ検出回路４０が低周波除去回路４６を備えていない場合の実効値の演算時間よりも長くなってしまっては、実効値の演算時間を短くする意味がなくなってしまう。
【０１３３】
本実施形態の交流成分抽出回路４６ａは、上述したように、切替回路４６６を備えているため、ノイズ信号の電位が大きく変動した場合には、切替回路４６６によって第２抵抗器４６４ｂに切り替えてコンデンサーの充放電を短時間で行い、その後、第１抵抗器４６４ａに切り替えてＤＣに近いカットオフ周波数ｆＨＰＦとすることができる。この結果、実効値の演算時間よりも短い時間でコンデンサー４６２の充放電が可能となる。なお、切替回路４６６による切替操作は、実効値の演算中に行われてもよい。
【０１３４】
なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。また、実効値計算回路４４および低周波除去回路４６は、本発明の「直流成分抽出部」に相当する。また、像検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、除算回路５４および乗算回路５８は、本発明の「除算・乗算演算部」に相当する。また、実効値計算回路４４は、本発明の「実効値計算部」に相当する。また、交流成分抽出回路４６ａは、本発明の「交流成分抽出部」に相当する。また、減算回路４６ｂは、本発明の「減算部」に相当する。また、切替回路４６６は、本発明の「切替部」に相当する。
【０１３５】
第１実施形態の電子顕微鏡１は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１３６】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、低周波除去回路４６によりノイズ信号の実効値の直流成分を抽出し、乗算回路５８により、除算回路５４の出力信号と低周波除去回路４６の出力信号を乗算することで、ノイズキャンセル回路５０のゲインを像信号に無関係に選択することができる。これにより、像観察のために照射系、結像系、検出系の各種設定を変更してもゲインは変更されず一定に保持することができる。ノイズキャンセラ絞り１２よりも上部にあるビーム電流の変更時にのみゲインが変化してしまうが、ノイズ信号の実効値（直流成分）を計算しているため、何も操作しなくても回路上で設定した一定時間後（例えば数秒〜数十秒）にはノイズキャンセルされた等倍の像信号を得ることができる。これにより、ゲインの調整が不要になり、電子線源１１として冷陰極型電界放射型電子銃（ＣＦＥＧ）を使用しても、ショットキータイプの電子銃と同様の操作により、エミッションノイズを除去した像観察が可能になる。
【０１３７】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、アナログ信号による除算を行うので、外部機器との接続も容易であり、入力電圧範囲に関してもデジタル演算により除算を行う場合よりも自由度が高い。本実施形態の手法により、市場にある多くの電子顕微鏡関連の検出器でも検出されるエミッションノイズをキャンセルすることができるので、汎用性が大幅に向上する。
【０１３８】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、ノイズ信号に振幅の大きなノイズが入力された場合、ノイズ信号の実効値はノイズの影響を実効値の演算時間に応じた一定時間受けるが、当該ノイズ信号の実効値の直流成分を抽出することで、ノイズの影響を低減できる（除去できる）。よって、本実施形態の手法によれば、ノイズ信号に振幅の大きなノイズが入力された場合にノイズ信号の実効値に含まれるノイズの影響を低減して、コントラストのムラが低減された良好なＳＴＥＭ像を得ることができる。
【０１３９】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、実効値計算回路４４がノイズ信号の実効値を計算し、交流成分抽出回路４６ａが実効値計算回路４４の出力信号の交流成分を抽出し、減算回路４６ｂが実効値計算回路４４の出力信号と交流成分抽出回路４６ａが抽出した交流成分との減算を行う。これにより、実効値計算回路４４の出力信号から交流成分を除去して、直流成分を抽出することができる。
【０１４０】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、処理部６０が所定の動作を検知した場合に、コンデンサー４６２に接続される抵抗器が第１抵抗器４６４ａから第２抵抗器４６４ｂに切り替わるように切替回路４６６を制御する処理と、第１抵抗器４６４ａから第２抵抗器４６４ｂに切り替わったときから所定時間が経過したタイミングで、コンデンサー４６２に接続される抵抗器が第２抵抗器４６４ｂから第１抵抗器４６４ａに切り替わるように切替回路４６６を制御する処理と、を行う。これにより、ノイズ信号の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合に、当該動作が行われてから最初に低周波除去回路４６から信号が出力されるまでの時間を短くすることができる。
【０１４１】
第１実施形態の電子顕微鏡によれば、実効値計算回路４４および低周波除去回路４６における演算時間を、例えば、特許文献１（従来）の実効値計算回路における演算時間と比べて、短くできる。以下、その理由について説明する。
【０１４２】
図１４は、従来の実効値計算回路において、演算時間が長い場合の実効値の計算結果の一例を示す図である。図１５は、従来の実効値計算回路において、演算時間が短い場合の実効値の計算結果の一例を示す図である。
【０１４３】
図１４および図１５に示すように実効値計算回路において実効値を計算する所定時間（演算時間）が短いほど実効値の計算結果が大きく変動し、その結果としてノイズキャンセル能力が低下してしまう。そこで、従来の実効値計算回路では、実効値の演算時間を、例えば、ＰＣ２が１枚分の試料Ａの画像（ＳＴＥＭ像）を取得するのに要する時間（数秒程度）以上に設定しなければならなかった。実効値計算回路において実効値を計算している間はＳＴＥＭ像を取得することができない。そのため、この時間は、ユーザーは電子顕微鏡を操作できない待ち時間となっていた。
【０１４４】
本実施形態の電子顕微鏡は、上述したように、低周波除去回路４６によって実効値計算回路４４で発生する低周波のノイズ成分によるＳＴＥＭ像のコントラストの変化を低減でき、かつ、切替回路４６６によってコンデンサー４６２の充放電時間も十分に無視できる時間にできる。これらの結果、実効値の演算時間を従来よりも短時間にしても、そこで発生するコントラストのムラは除算・乗算前に打ち消され、かつ、実効値計算回路４４の高速化も可能である。すなわち、本実施形態では、１枚のＳＴＥＭ像を取得するのに要する時間よりも短い実効値の演算時間であっても、従来よりもコントラストのムラの低減された良好なＳＴＥＭ像の取得が可能となる。
【０１４５】
よって、本実施形態では、実効値の演算時間を短くして、ユーザーの待ち時間を短くすることができ、使用感を向上することができる。
【０１４６】
２．第２実施形態
図１６は、第２実施形態の電子顕微鏡の構成例を示す図である。図１７は、第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成例を示す図である。図１６及び図１７において図１及び図２と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【０１４７】
図１６及び図１７に示すように、第２実施形態の電子顕微鏡１は、第１実施形態の電子顕微鏡１の構成（図１及び図２）に対して、実効値計算回路４４、低周波除去回路４６およびノイズキャンセル回路５０が削除され、処理部６０がデジタル演算によってノイズキャンセル処理（実効値計算、実効値のＡＣ成分除去、除算、乗算、オフセット減算、オフセット加算等）を行う。なお、オフセット減算、オフセット加算等の処理については、デジタル演算により行う点を除いて第１実施形態と同様であるため、図示および説明を省略する。
【０１４８】
本実施形態では、処理部６０に、増幅器４２の出力信号と増幅器３２の出力信号が入力され、それぞれＡ／Ｄ変換器６２およびＡ／Ｄ変換器６４によってＡ／Ｄ変換される。
【０１４９】
処理部６０は、デジタル演算により、あらかじめ設定された所定時間におけるＡ／Ｄ変換器６２の出力値の実効値ＶＲＭＳを計算する。
【０１５０】
また、処理部６０は、デジタル演算により、実効値ＶＲＭＳの計算結果から実効値ＶＲＭＳのノイズ成分ＶＡＣを除去する。
【０１５１】
具体的には、処理部６０は、デジタル演算により、実効値ＶＲＭＳの平均値（移動平均）を計算する。これにより、実効値の計算結果から実効値のノイズ成分ＶＡＣが除去されて、実効値の直流成分ＶＤＣを抽出することができる。
【０１５２】
図１８は、実効値ＶＲＭＳの帯域幅の一例を示す図であり、図１９は、デジタルフィルターによる実効値ＶＲＭＳの平均値の帯域幅の一例を示す図である。
【０１５３】
処理部６０において、実効値ＶＲＭＳの平均値を計算する処理は、デジタルフィルター
のローパスフィルター（カットオフ周波数ｆＬＰＦ）で行われる。この処理により、図１９に示すように、実効値ＶＲＭＳの平均値から、ＤＣ〜ｆＬＰＦの帯域幅の成分を抽出することができる。
【０１５４】
また、処理部６０は、デジタル演算により、Ａ／Ｄ変換器６４の出力値を分子（Ｘ）、Ａ／Ｄ変換器６２の出力値を分母（Ｙ）として除算を行い、当該除算結果と抽出された実効値の直流成分ＶＤＣ（Ｚ）の除算を行う。そして、処理部６０は、この計算結果を、図１６に示したＰＣ２に送信する。
【０１５５】
本実施形態では、処理部６０は、ノイズキャンセラ絞り１２のアパーチャーサイズの変更や、電子線源１１から放出された電子線のオン／オフなど、ノイズ信号（増幅器４２の出力信号）の電位が大きく変動する動作を検知した場合、これまでの実効値の計算結果を一旦キャンセルした後、実効値の計算を開始する。
【０１５６】
ここで、実効値の演算時間をｔ１、実効値をサンプリングするサンプリング間隔をｔ２、とすると、Ｎ個のデータの平均値を算出する演算時間ｔ３は、ｔ３＝ｔ１＋Ｎ×ｔ２となる。そのため、実効値の平均値として正確な値が得られるデータ数をＮ個（目標数）とした場合、時間ｔ３経過しなければ平均値のデータとして扱うことができない。すなわち、少なくとも時間ｔ３経過しなければ、ＳＴＥＭ像を取得することができない。
【０１５７】
本実施形態では、処理部６０は、実効値データの取得数をｎとした場合、ｎ＜ｍの場合には、上記の除算・乗算に用いる実効値の直流成分ＶＤＣに代えて実効値ＶＲＭＳを用いる。なお、ｍは、最低平均データ数であり、実効値の平均値として最低限の精度が得られるデータ数である。
【０１５８】
また、処理部６０は、ｍ≦ｎ＜Ｎの場合、上記の除算・乗算に用いる実効値の直流成分ＶＤＣとして、ｎ個の実効値データの平均値を用いる。また、処理部６０は、ｎ≧Ｎの場合、上記の除算・乗算に用いる実効値の直流成分ＶＤＣとして、直近のＮ個の実効値データの平均値を用いる。
【０１５９】
以上の処理によって、ノイズ信号の電位が大きく変動するような所定の動作が行われた場合に、この所定の動作が行われてから最初に平均値の計算結果が出力されるまでの時間を短くできる。
【０１６０】
なお、本実施形態において、電子線源１１は、本発明の「電子線源」に相当する。また、ノイズキャンセラ絞り１２及び増幅器４２は、本発明の「電子線検出部」に相当する。また、像検出器１５、プリアンプ回路２０及びアンプ回路３０は、本発明の「像検出部」に相当する。また、処理部６０は、本発明の「直流成分抽出部」、「除算・乗算部」に相当する。
【０１６１】
以上に説明した第２実施形態の電子顕微鏡は、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。
【０１６２】
また、第２実施形態の電子顕微鏡は、処理部６０は、所定の動作を検出した場合に、実効値の平均値を計算する処理を開始し、実効値のデータ数ｎが目標数Ｎよりも小さい場合、ｎ個のデータの平均値を実効値の直流成分とし、実効値のデータ数ｎが目標数Ｎ以上の場合、Ｎ個のデータの平均値を実効値の直流成分とする。これにより、所定の動作が行われた場合に、この所定の動作が行われてから最初に平均値の計算結果が出力されるまでの時間を短くできる。
【０１６３】
図２０は、第２実施形態における信号処理用の回路の具体的な構成の他の例を示す図である。図２０において図１７と同じ構成には同じ符号を付しており、その説明を省略する。
【０１６４】
図２０に示す本変形例では、図１７に示す例と、ノイズキャンセラ絞り１２のアパーチャーサイズの変更や、電子線源１１から放出された電子線のオン／オフなど、ノイズ信号の電位が大きく変動する動作を検知した場合の処理が異なる。
【０１６５】
処理部６０は、上記の動作を検知した場合、これまでの実効値の計算結果を一旦キャンセルした後、実効値の計算を開始する。
【０１６６】
処理部６０は、実効値データの取得数をｎとした場合、ｎ＜Ｎの場合には、上記の除算・乗算において、実効値の直流成分ＶＤＣに代えて実効値ＶＲＭＳを用いる。
【０１６７】
また、処理部６０は、ｎ≧Ｎの場合、上記の除算・乗算に用いる実効値の直流成分ＶＤＣとして、直近のＮ個の実効値データの平均値を用いる。
【０１６８】
以上の処理によって、図１６に示す例と同様の作用効果を奏することができる。
【０１６９】
３．  その他
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。
【０１７０】
例えば、第１実施形態では、増幅器４２の出力信号の実効値の直流成分ＶＤＣを抽出する処理、増幅器３２の出力信号と増幅器４２の出力信号とに基づき除算および当該除算の結果の信号と抽出された実効値の直流成分ＶＤＣの信号との除算を行う処理を、アナログ回路で行う例について説明した。また、第２実施形態では、これらの処理をデジタル演算で行う例について説明した。本発明はこれに限定されず、これらの処理の一部をアナログ回路で行い、他の一部をデジタル処理で行ってもよい。
【０１７１】
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
【０１７２】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１７３】
１…電子顕微鏡、２…パーソナルコンピューター、１０…鏡筒、１１…電子線源、１２…ノイズキャンセラ絞り、１３…レンズ、１４…レンズ、１５…像検出器、２０…プリアンプ回路、２２…加算器、２４…増幅器、３０…アンプ回路、３２…増幅器、４０…ノイズ検出回路、４２…増幅器、４４…実効値計算回路、４６…低周波除去回路、４６ａ…交流成分抽出回路、４６ｂ…減算回路、５０…ノイズキャンセル回路、５２…減算器、５４…除算回路、５６…加算器、５７…増幅器、５８…乗算回路、５９…スイッチ回路、６０…処理部、６２…Ａ／Ｄ変換器、６４…Ａ／Ｄ変換器、１０１…電子顕微鏡、１１０…鏡筒、１１２…ノイズキャンセラ絞り、１１３ａ…レンズ、１１３ｂ…走査コイル、１１４…レンズ、１１５…検出器、１２０…プリアンプ回路、１２２…加算器、１２４…増幅器、
１３０…アンプ回路、１３２…増幅器、１４０…ノイズ検出回路、１４２…増幅器、１５０…ノイズキャンセル回路、１５１…増幅器、１５２…減算器、１５４…除算回路、１５５…増幅器、１５６…加算器、１６０…演算部、１６２…Ａ／Ｄ変換器、４６２…コンデンサー、４６４ａ…第１抵抗器、４６４ｂ…第２抵抗器、４６６…切替回路、４６８…増幅器
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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