(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料上に電子線を走査して得られる二次電子を検出する検出器と、該検出器で検出した信号を増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された信号から画像を形成する画像演算部とを備えた走査形電子顕微鏡において、
前記画像演算部で形成される画像を形成するための信号を検出する前記検出器で検出された信号に基づいて、前記検出器または前記増幅器のゲインにフィードバックする信号を発生させる調整手段と、前記画像演算部で形成された画像のコントラストを検出するコントラスト検出手段と、当該コントラスト検出手段の出力に基づいてコントラスト調整を行うためのルックアップテーブルとを備え、
前記電子線がインターレス走査されている場合に、当該インターレス走査の一のフィールドで前記調整手段によるゲイン設定を行い、
当該インターレス走査の他のフィールドで前記ルックアップテーブルによるコントラスト調整を行うことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１の記載において、前記信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換するＡＤ変換器を備え、前記調整手段は前記ＡＤ変換器のフルスケールに略一致するように、前記検出器または増幅器のゲイン設定を行うことを特徴とする走査形電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査形電子顕微鏡に係り、特に画像のコントラストの調整に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査形電子顕微鏡においては、試料に電子線を照射することによって試料から発生する微弱な二次電子を検出器で検出し、その量を増幅し、アナログ信号をＡＤ変換器でディジタル信号に変換し、信号処理装置でこの信号から画像が生成される。二次電子の量は試料の表面の形状や材質に強く依存し、走査された画像の振幅の変動範囲が異なるので、１フィールド走査毎に最適なダイナミックレンジが得られるように、信号レベルの自動調整が必要となる。
【０００３】
従来技術においては、検出器で検出し増幅されたアナログ信号の、１フィールド走査期間中の最大ピーク電圧およびボトム電圧を検出して、この値が一定値に収まるように制御している。入力された信号は、その設定値が選択可能なローパスフィルタを通して高周波ノイズを除去し、検出回路に入力される。検出回路はピーク検出用ピークホールドおよびボトム検出用ピークホールドより構成される。入力信号レベルはＡＤ変換器のデータフルスケールに対してあらかじめ設定した範囲に収まるようにゲイン調整される。例えば、画像信号の最小値がデータフルスケールの２０％、最大値がデータフルスケールの８０％となるような設定を行う。ピークとボトム電圧の差を基準値と比較してその関係により検出器のゲインを設定する。また、ボトム値を基準値と比較して増幅器のバイアス電圧を設定する。
【０００４】
半導体などの絶縁物を観察するためには、試料表面の帯電の影響を減らすために試料に照射する電子の量、すなわちプローブ電流をできるだけ小さくし、かつ、電子線の走査の繰り返し周期をできるだけ早くする必要がある。例えば、走査周期を毎秒３０フレーム、プローブ電流を数ｐＡとする手法が一般的に使用されている。しかし、一回の走査では画像を形成するための十分な信号量が得られないため、フレーム間加算、あるいはフレーム間移動平均法により画像の各画素での信号を蓄積加算して画像を形成する。このような条件下では、検出器の出力信号は二次電子の一個一個が分離して検出されたパルス列信号となり、画像のコントラストは、該パルス信号のピーク値ではなく、単位時間あたりのパルス信号の数の差で形成される。
【０００５】
図２は、検出された二次電子信号を表す波形の一例を示すグラフである。それぞれのピークが一個の二次電子に相当し、ピークの大きさは、二次電子の強さではなく、検出システムの信号増幅率の確率変動によっている。この信号で作られる画像のコントラストは、ピークの密度が高い部分が明るく、低い部分が暗くなる。
【０００６】
前述の従来技術では、信号の大きさを検出するので、正確に画像のコントラストに対応する検出値を得ることはできない。プローブ電流１ｐＡ、走査時の画像の１画素の時間を１００ｎｓとすると、１画素あたりの試料照射電子の数は、平均０.６ 個しかない。これは、試料からの二次電子放出効率の最大値を１、放出された二次電子のすべてを検出できたと仮定し、信号パルスピークを正確にＡＤ変換器のフルスケールに一致させたとしても、通常の加算方式では、画像中のもっとも信号の大きい部分でもフルスケールの６０％の明るさにしかならないということである。ここで、通常の加算方式とは、加算結果の最大が画像メモリのフルスケールを超えないように、入力信号データを加算回数で割って加算する方式である。
【０００７】
さらに、従来方法では、ピーク／ボトム検出回路にローパスフィルタを通すので、ピーク密度が低い場合には、検出されるピーク値は入力信号のピーク値より減衰して小さくなり、検出された小さいピーク電圧を基準に合わせようとしてゲインが過大になり、ＡＤ変換器のフルスケールを大きく超えて飽和してしまう状況になり易い。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、最適な画像コントラストが得られる走査形電子顕微鏡を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を解決するために、本発明は、試料上に電子線を走査して得られる二次電子を検出する検出器と、該検出器で検出した信号を増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された信号から画像を形成する信号処理装置とを備えた走査形電子顕微鏡において、前記信号処理装置で形成される画像を形成するための信号のピーク値を検出する第一信号検出手段と、該第一信号検出手段で検出された信号のピーク値に基づいて、前記検出器または前記増幅器のゲインにフィードバックする信号を発生させる調整手段と、前記信号処理装置で形成された画像のコントラストを検出する第二信号検出手段と、該第二信号検出手段で検出された前記画像の濃度値を変換する濃度値変換手段とを備えたものである。
【００１０】
さらに、前記信号をアナログ信号からディジタル信号へ変換するＡＤ変換器を備え、前記調整手段は前記ＡＤ変換器のフルスケールに略一致するように、前記検出器または増幅器のゲイン設定を行う構成としたものである。
【００１１】
さらに、前記画像を表示する表示装置を備え、前記濃度値変換手段は、前記表示装置が表示できる濃度値の略全領域を利用するように前記画像の濃度値を変換する構成としたものである。
【００１２】
また、本発明は、試料上に電子線を走査して得られる二次電子を検出する検出器と、該検出器で検出した信号を増幅する増幅器と、該増幅器で増幅された信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換器と、該ディジタル信号から画像を形成する画像形成手段とを備えた走査形電子顕微鏡において、前記電子線による１フレーム走査中の前記ＡＤ変換器の入力信号のピーク／ボトム値を検出または前記ＡＤ変換器の出力信号を検出しヒストグラム計算を行う第一信号検出手段と、該第一信号検出手段の結果に基づいて前記検出器または前記増幅器のゲインを設定する調整手段と、前記第一信号検出手段で検出された信号の値に基づいて、フレーム間加算あるいはフレーム間移動平均処理を行って前記画像のヒストグラム計算しＡＤ変換した電圧信号のピーク／ボトム値検出を行う第二信号検出手段と、該第二信号検出手段の結果に基づいてルックアップテーブルのデータを設定し前記画像のコントラストを強調して前記画像形成手段に該画像を表示させる画像調整手段とを備えたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を用いて以下説明する。
【００１４】
図１は、走査形電子顕微鏡の制御構成を示す制御ブロック図である。図において、走査形電子顕微鏡の鏡体部１の電子銃２から発せられた電子線３が電子レンズ（図示省略）によって収束され試料５に照射される。信号制御器２４から偏向器４へ送られる偏向信号２６によって電子線３を試料５の上をラスタ走査させる。電子線３の照射によって試料５の表面から発生する二次電子、あるいは反射電子が電子検出器６および電子検出器７によって検出され、増幅器８および増幅器９で増幅され、信号加算器１０で加算される。信号加算器１０あるいは増幅器８，増幅器９から出力される信号をセレクタ１１で選択し、ＡＤ変換器１２に入力してディジタル信号に変換し、画像演算部１５でフレーム間演算処理（フレーム間加算、あるいはフレーム間移動平均）を行い、ディジタルデータとして画像メモリ１４に取り込む。画像メモリ１４の画像データは、階調変換のためのルックアップテーブル２０を通し、ＤＡ変換器２２でアナログ信号に変換して、ディスプレイ２３上に画像として表示する。
【００１５】
ＡＤ変換器１２の入力信号のピーク電圧がＡＤ変換器１２のフルスケールにほぼ一致するような信号値制御を行う。これには下記の２つの方法がある。
【００１６】
第一の方法は、従来と同じようにアナログビデオ信号のピーク電圧とボトム電圧を検出する方法である。ただし、ローパスフィルタは経由せず、正確なピーク検出ができるように周波数帯域を確保する。信号セレクタ１３を介してＡＤ変換器１２の入力信号をピーク／ボトム電圧ホールド回路１７に入力して、画像の１フレーム走査期間中の最大ピーク電圧とボトム電圧を検出し、これをＡＤ変換器１８でディジタルデータに変換し、中央演算ユニット２１で読み取り、アナログビデオ信号のピーク電圧とボトム電圧が所望の値になるようにゲインコントロールＤＡ変換器２５により増幅器８のゲインおよび増幅器９のゲインを再設定する。
【００１７】
第二の方法は、ビデオ信号のピーク電圧をヒストグラムを用いて検出する方法である。セレクタ２７をＡＤ変換器１２の出力データをヒストグラム演算回路１６に入力する側（図では下側）に設定し、ＡＤ変換器１２の出力データの１フレーム走査期間中の頻度分布をヒストグラム演算回路１６で計算し、得られた信号ヒストグラムの形状から、現在のビデオ信号のピーク値分布を検出し、この値と現在の設定値とから、信号ピーク電圧値の最大をＡＤ変換器１２のフルスケール相当にするために必要なゲインを計算し、ゲインコントロールＤＡ変換器２５を設定する。
【００１８】
図３は、ビデオ信号のピーク値分布のヒストグラムである。取得したビデオ信号のピーク値分布のヒストグラムは図３（ａ）のようになる。Ｗは、ＡＤ変換器１２のフルスケールを示す。ビデオ信号のピーク値の最大値Ａを求め、増幅器８および増幅器９のゲインを現在の値のＷ／Ａ倍に修正する。そうすると、次の１フレームで取得するビデオ信号のピーク値分布のヒストグラムは図３（ｂ）のようになり、フルスケールを有効に使用して画像データを形成する事ができるようになる。
【００１９】
以上のいずれかの方法によりＡＤ変換器１２の入力信号電圧を最適レベルに自動調整することができる。特に、上記の第二の方法を用いれば、ＡＤ変換器１２の入力信号電圧を、飽和することなくかつフルスケールを有効に使用できる値に正確に調整することができる。
【００２０】
次に、画像メモリ上に形成された画像の階調を調整して、適切なコントラストで表示するための画像制御について、以下に述べる。
【００２１】
図１中のセレクタ２７を画像演算部１５の出力信号を選択する側に設定し、画像演算部１５でフレーム間演算処理を行ったデータの、１フレーム走査期間中の全画素のデータの頻度分布をヒストグラム演算回路１６で求める。このヒストグラムデータのピーク／ボトムを、フルスケールに対する所望の範囲（例えばフルスケールの８０／２０％）に引き伸ばすようにルックアップテーブル２０のデータを計算し、設定する。
【００２２】
図４は、ルックアップテーブルを用いて変換した場合のヒストグラムである。図４（ａ）において、取得したヒストグラムの最小値をＴ、分布の幅をＣとする。Ｗは、図１に示したＡＤ変換器１２のフルスケールを示す。そして、図４  (ｂ)に示すように、入力データが(Ｔ−０.２Ｃ)までは出力が０、(Ｔ−０.２Ｃ)から(Ｔ＋１.２Ｃ）の範囲では出力が０からフルスケールまで直線的に変化し、(Ｔ＋１.２Ｃ）以上では出力がフルスケールとなるようにルックアップテーブル２０を設定する。これによって、図４（ａ）に示すヒストグラム分布を有する画像を、図４（ｂ）に示す出力のルックアップテーブルを通すことにより、図４（ｃ）に示すようなヒストグラム分布を有する画像を得ることができる。
【００２３】
図１中に示した画像メモリ１４上に形成された画像コントラストは、画像演算部１５の出力信号をＤＡ変換器１９でアナログ信号に変換し、信号セレクタ１３を通じてピーク／ボトム電圧ホールド回路１７で１フレーム走査中の最小，最大ピークを検出する方法でも実現できる。
【００２４】
以上述べた、図３に示したゲインフィードバックによる信号値制御と図４に示した画像制御とを独立に行い、かつ、これを組み合わせて行うことにより、最終的に表示される画像に対して最適な画像コントラストが得られるようになる。
【００２５】
上記ゲインフィードバックによる信号値制御と画像制御とを交互に繰り返し行う場合、インターレス走査モードを使用している場合には、例えば偶数フィールドでビデオ信号のピーク値分布ヒストグラムを取得して帰線期間中にゲイン設定を行い、次の奇数フィールドで画像のヒストグラムを取得してルックアップテーブルによる画像制御を行えば、もっとも早いレスポンスで画像のコントラストの自動制御ができる。視野の変化がそれほど早くなければ、フレームごとに交互、あるいは数フレームごとに交互に行っても良い。信号のピーク値は、二次電子のエネルギーと、検出器の増幅率で決まるので、一度調整すると短時間では変化せず、画像コントラストは、主として、発生する二次電子の数に依存して視野が変わるごとに変化する。従って、上記画像制御を常時行い、上記信号値制御は間欠的に行っても良い。また、フレーム間演算処理が積算の場合にはゲインフィードバックによる信号値制御だけをフレームごとに行い、画像積算終了時に１回だけ１、ヒストグラム計算回路の入力を図１中の画像演算部１５の出力信号を選択する側に切り換えて画像のヒストグラムを取得し、上記画像制御を行っても良い。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、最適な画像コントラストが得られる走査形電子顕微鏡を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】走査形電子顕微鏡の制御構成を示す制御ブロック図。
【図２】検出された二次電子信号を表す波形の一例を示すグラフ。
【図３】ビデオ信号のピーク値分布のヒストグラム。
【図４】ルックアップテーブルを用いて変換した場合のヒストグラム。
【符号の説明】
３…電子線、５…試料、６，７…電子検出器、８，９…増幅器、１０…信号加算器、１１，２７…セレクタ、１２，１８…ＡＤ変換器、１３…信号セレクタ、１４…画像メモリ、１５…画像演算部、１６…ヒストグラム演算回路、１７…ピーク／ボトム電圧ホールド回路、１９，２２…ＤＡ変換器、２０…ルックアップテーブル、２１…中央演算ユニット、２３…ディスプレイ、２４…信号制御器、２５…ゲインコントロールＤＡ変換器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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