(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を特徴づける情報信号を得るように前記試料を電子ビームで照射するとともに走査する手段、前記情報信号を検出する手段、その検出された情報信号にもとづいて前記試料の像を生成する手段を含む走査電子顕微鏡において、
前記試料及び前記電子ビームによる前記試料の走査方向のうちの一方を固定状態にして他方を複数の角度位置に回転する手段、前記複数の角度位置において生成される前記試料の像を方向が同じとなるように回転させる手段、前記試料の像を方向が同じとなるように回転された像を加算する手段、外乱を検出する手段を備え、
前記加算する手段は巡回デイジタル積分回路を含み、前記外乱を検出した外乱検出信号の大きさに応じて前記巡回デイジタル積分回路の積分度合いを制御する制御回路を含み、
前記複数の角度位置に回転する手段による回転は前記試料に対して前記電子ビームの入射方向に垂直な面内での回転であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
試料を特徴づける情報信号を得るように前記試料を電子ビームで照射するとともに走査する手段、前記情報信号を検出する手段、その検出された情報信号にもとづいて前記試料の像を生成する手段を含む走査電子顕微鏡において、
前記電子ビームによる前記試料の走査方向を、３６０度を予め定められた数で割って得られた角度単位で順次間隔づけられた複数の角度位置に回転する手段、その複数の角度位置において生成される前記試料の像をそれぞれ記憶するフレームメモリ、その記憶されたそれぞれの像を方向が同じとなるように回転させる手段、前記試料の像を方向が同じとなるように回転された像を加算する手段、その加算された像を記憶するフレームメモリ、外乱を検出する手段を備え、
前記加算する手段は巡回デイジタル積分回路を含み、前記外乱を検出した外乱検出信号の大きさに応じて前記巡回デイジタル積分回路の積分度合いを制御する制御回路を含み、
前記複数の角度位置に回転する手段による回転は前記試料に対して前記電子ビームの入射方向に垂直な面内での回転であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査電子顕微鏡、特に改善された像質を有する像を得ることができる走査電子顕微鏡に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査電子顕微鏡においては、試料を電子ビームで走査し、それによって試料から得られる２次電子等の、試料を特徴づける情報信号にもとづいて試料の像を生成する。走査電子顕微鏡は像観察時に振動や浮遊磁場等の外乱が許容範囲を超える環境で使用されると像障害を引き起こす。したがって、一般にはそのような外乱を許容範囲値以下に抑制するための手段が講じられる。具体的には、振動に対しては走査電子顕微鏡を除振台上に設置して、床から伝わる振動をその除振台によって減少させ、また、浮遊磁場に対しては走査電子顕微鏡全体を磁場シールド材で覆うか、その周辺に磁場キャンセラーを設置して浮遊磁場を打ち消すようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このような技術は、走査電子顕微鏡が許容範囲を超える振動あるいは浮遊磁場の外乱が生じている環境において用いられる場合は、その外乱を許容範囲値以下に抑制し、像観察時の像障害の発生を防ぐのに有効である。
【０００４】
しかし、除去することのできる外乱の大きさには限界があり、常時あるいは一時的にこの限界を超える外乱が生じた場合、走査電子顕微鏡に与えられる外乱の影響は減少されるが完全には除去されず、表示像に像障害が生じる。また、上記技術では記録（記憶）された像データに像障害によるノイズが含まれていた場合、これを除去することは不可能である。更に、上記技術では外部装置が必要となるため多くの費用がかかるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、簡単な手段で、外乱による像障害の影響を除去した像を得るのに適した走査電子顕微鏡を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、試料を特徴づける情報信号を得るように前記試料を電子ビームで照射するとともに走査する手段、前記情報信号を検出する手段、その検出された情報信号にもとづいて前記試料の像を生成する手段を含む走査電子顕微鏡において、
前記試料及び前記電子ビームによる前記試料の走査方向のうちの一方を固定状態にして他方を複数の角度位置に回転する手段、前記複数の角度位置において生成される前記試料の像を方向が同じとなるように回転させる手段、前記試料の像を方向が同じとなるように回転された像を加算する手段、外乱を検出する手段を備え、
又は、前記電子ビームによる前記試料の走査方向を、３６０度を予め定められた数で割って得られた角度単位で順次間隔づけられた複数の角度位置に回転する手段、その複数の角度位置において生成される前記試料の像をそれぞれ記憶するフレームメモリ、その記憶されたそれぞれの像を方向が同じとなるように回転させる手段、前記試料の像を方向が同じとなるように回転された像を加算する手段、その加算された像を記憶するフレームメモリ、外乱を検出する手段を備え、
前記加算する手段は巡回デイジタル積分回路を含み、前記外乱を検出した外乱検出信号の大きさに応じて前記巡回デイジタル積分回路の積分度合いを制御する制御回路を含み、
前記複数の角度位置に回転する手段による回転は前記試料に対して前記電子ビームの入射方向に垂直な面内での回転であることを特徴とする。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は、走査電子顕微鏡の第１の実験例を示す。１は電子銃、２は電子ビーム、３は電子ビーム２を収束させるための収束レンズ、４は電子ビーム２をＸ方向及びＹ方向に偏向走査するための偏向コイル、５は対物レンズ、６は収束レンズ３、偏向コイル４及び対物レンズ５を制御するための鏡体制御回路、７は回転角度制御装置、並びに８は電磁的視野回転装置である。回転角度制御装置７は加算回数Ｎを入力することにより電磁的視野回転装置８による回転角度を設定（設定はｎ×Ｎ／３６０度、ｎは０〜（Ｎ―１））し、電磁的視野回転装置８は偏向コイル４による走査方向、したがって視野を設定された回転角度だけ回転させる。９は試料、１０は２次電子や反射電子等の、試料９を特徴づける情報信号を検出する検出器である。
【０００８】
電子銃１から放出される電子ビーム２は収束レンズ３及び対物レンズ５によって収束され、試料９はその収束された電子ビームで照射される。試料９はまた、鏡体制御回路６から電磁的視野回転装置８を介して偏向コイル４に偏向信号を与えることによって、収束された電子ビーム２で2次元的に走査される。それによって試料９からは２次電子や反射電子等の、試料を特徴づける情報信号が発生し、該情報信号は検出器１０によって検出される。
【０００９】
検出器１０によって検出された信号はＡ／Ｄコンバータ１１でディジタル信号に変換され、フレームメモリ１２に記憶される。フレームメモリ１２にはＮ枚の像信号、すなわち１フレームで１つの像が得られるとすればＮフレームの像信号、が記憶され、該記憶された像信号は、回転角度制御装置７からの信号にもとづいて像回転装置１３により電磁的視野回転がない状態の像信号に変換される。加算器１４は画像回転装置１３によって回転されたＮ枚の像の信号をすべて加算し、その加算された像信号は減衰器１５により（１／Ｎ）倍の利得で減衰されて、表示用のフレームメモリ１６に記憶される。これによって、像信号は平均化処理がされたことになり、したがって、フレームメモリ１６の像信号をたとえばＴＶレートでデイスプレイ１７に出力し表示すれば、その表示された観察像は振動あるいは浮遊磁場等の外乱による像障害が除去された像となる。
【００１０】
これらの一連の制御はＣＰＵ（中央処理装置）１８で行われ、使用者は操作卓１９より加算像枚数Ｎを入力し、ＣＰＵ１８は回転角度制御装置７、フレームメモリ１２、加算器１４、減衰器１５にＮを入力する。
【００１１】
図２は本発明に係る外乱による像障害を除去するための電磁的視野回転による走査を、通常の走査と対比させて示す図である。図２（ａ）は通常の走査を、図２（ｂ）は電磁的視野回転による本実験例にもとづく走査を示す。太い実線は試料の方向、点線は電子ビームによる試料の走査方向すなわち試料上で電子ビームスポットが移動する方向を示す。図示するように、走査方向すなわち電子ビームスポットの移動は左から右へと行われる。
【００１２】
通常は、図２（ａ）に示すように、試料の方向及び走査の方向が同じであるとすれば（１）、フレームメモリ１２に記憶される試料の方向は（１）と同じであり、したがってフレームメモリ１２から読み出されてデイスプレイ１７に表示される像の試料の方向も（１）と同じである（３）。
【００１３】
一方、本実験例の場合は、図２（ｂ）に示すように、電磁的視野回転装置８によって視野中心を軸として走査方向が試料の方向に対してある角度、図の例ではたとえば４５度右回り方向に回転される（１）。したがって、フレームメモリ１２に記憶される像の試料の方向は、（２）に示すように、（１）に対して４５度右回り方向に回転した状態となる。そこで、（３）に示すように、像回転装置１３により像全体を視野中心を軸として右回り方向に４５度回転させると、該像はその回転に関しては初期の状態に戻される。したがって、図２（ｂ）（３）においては、図２（ａ）の場合とちがって、走査の方向は、図２（ｂ）（１）におけると同様に、試料の方向に対して右回り方向に４５度回転した状態となる。
【００１４】
図２では、走査方向を電磁的視野回転装置８によって視野中心を軸として右回り方向に４５度回転させただけであるが、その設定される回転角度は実際には３６０度を、加算回路１４で加算されるべき像信号の加算回数Ｎで割った値である。したがって、加算回数Ｎをたとえば８とすれば、走査方向は視野中心を軸として電磁的視野回転装置８により４５度ずつずれた８方向の角度位置に回転される。
【００１５】
走査方向をそれぞれの方向に回転されたときの像信号はそれぞれフレームメモリ１２に記憶され、その記憶された像信号はその試料方向が像回転装置１３によりそれぞれ初期の方向に戻されるように回転され、そしてその回転された像信号は加算回路１４で順次加算され、その加算された信号は減衰器１５により１／Ｎに減衰される。このようにして像信号は平均化処理され、その平均化処理された像信号はフレームメモリ１６に記憶され、該記憶された像信号は読み出されてデイスプレイ１７に表示される。したがって、デイスプレイ１７に表示された像は振動あるいは浮遊磁場等の外乱による像障害のない像となる。
【００１６】
図３は本実験例により外乱による像障害が除去される原理を説明する図である。図３ (a)は第１のフレームメモリ１２に記憶される像を示す。中心の像は観察を行う試料構造を示し、その周囲８枚の像は左側から右側への外乱（太い実線）が生じている環境において、電子ビームによる試料の走査方向を電磁的視野回転装置８により４５度ずつ回転して得られる像を示している。振動あるいは浮遊磁場等の外乱によって像障害が生じている記憶像は、走査速度が十分に早くない場合、外乱成分はその方向性にかかわらず、主に走査方向にずれたように記録される。
【００１７】
図３（ｂ）は図３（ａ）の記憶像を、その試料方向が初期の状態に戻って、像が電磁的視野回転のないときと同じになるように像回転装置１３により回転させた像であり、回転角度は図３（ａ）の像の位置にそれぞれ対応している。また、中心は８枚の像を加算平均した像を示している。
【００１８】
図３（ｂ）において、各像を比較すると外乱による像障害の方向はそれぞれの像ごとに異なって第２のフレームメモリ１６に記憶されることになる。したがって、すべての像間で比較した場合、外乱による像障害は各像間で相関がなくなり、ランダムノイズとみなすことができる。
【００１９】
一般的に同一条件の下で複数回記憶されたランダムノイズを含むデータは加算平均することによりＳＮ比が向上することが知られている。すなわち、各データ中の信号と雑音の平均振幅をｓ、ｎとした場合、1回の測定によるデータのＳＮ比はｓ／ｎとなる。Ｎ回の測定結果を加算平均すると、そのＳＮ比はｓ／ｎのルートＮ倍となり、１回の測定結果のルートＮ倍にＳＮ比が向上する。なお、ＳＮ比の改善のためには減衰器１５は必ずしも必要ではない。
【００２０】
したがって、本実験例により記憶される像をランダムノイズの含まれた像とみなし、加算平均処理と同等のＳＮ比向上の効果を得ることができる。本実験例においては、８枚の像を加算平均処理することによりＳＮ比はルート８倍になる。また、外乱の状況によって加算回数を多くすることでより大きな画質改善効果を得ることができる。加算回数Ｎは外乱の大きさにより適宣選択をすることになるが、Ｎを増すと１枚の画質改善画像を得るまでに必要な時間が長くなるため必要最小限とすることが望ましい。
【００２１】
図４は、第１の実験例による外乱像障害除去の実行手順のフローチャートを示す。まず、加算回数Ｎを適宣設定する（ステップ４２）。次に電磁的視野回転装置８によって試料の電子ビームによる走査方向すなわち電子ビームスポットの移動の初期角度位置を０度に設定し（ステップ４３）、走査を１フレーム行い、そのときの像をフレームメモリ１２に記憶する（ステップ４４）。
【００２２】
次に電磁的視野回転装置８による走査方向の回転が最終回転角度位置に達しているかどうかを判定する（ステップ４５）。終了していない場合は、電磁的視野回転装置８による走査方向回転角度を前回走査方向に対して３６０／Ｎ度右回り方向に回転するように設定し（ステップ４６）、ステップ４４からステップ４５を繰り返す。
【００２３】
ステップ４５で電磁的視野回転装置８による走査方向が最終回転角度位置に達していると判断された場合は、フレームメモリ１２に記憶された各像を、電磁的視野回転装置８による走査方向の回転角度が０度の像と同じ向きになるように像回転装置１３により回転し（ステップ４７）、回転されたそれぞれの像を加算し、１／Ｎに減衰後、処理結果表示用のフレームメモリ１６に記憶し（ステップ４８）、処理を終了する。
【００２４】
このようにしてフレームメモリに記録された画像はデイスプレイ１７に表示される。その表示された像は前述した理由で外乱による像障害が除去された像となる。
【００２５】
ところで、以上の実験例では、検出器で検出され、Ａ／Ｄ変換された複数の像信号はいったんフレームメモリに記憶され、すべての走査方向が終了した後に表示像が得られるため、走査開始から画像を表示するまでに時間がかかる。また、処理前と処理後の画像信号を記憶するため、フレームメモリ容量が多く必要である。
【００２６】
そこで、以下に示す実験例及び実施例はこれらの問題をも解決し、優れた効果を達成することができる走査電子顕微鏡の例である。
【００２７】
図５は、走査電子顕微鏡の第２実験例を示す。この実験例は巡回デイジタル積分回路を用いてフレーム間積分を行うもので、図１と同一の符号は同一又は同等部分を表している。巡回デイジタル積分回路は像回転装置１３とデイスプレイ１７の間に配置され、これは、像回転装置１３の出力に接続された減衰器５１、第１の入力が減衰器５１の出力に接続された加算器５２、該加算器の出力に接続されたフレームメモリ１６、並びに該フレームメモリの出力と加算器５２の第２の入力の間に接続された減衰器５３を含み、フレームメモリ１６の出力には更にデイスプレイ１７が接続されている。
【００２８】
Ａ／Ｄコンバータ１１でディジタル変換された像信号は図１の実験例と同様に像回転装置１３により電磁的視野回転のない像に変換される。その像信号は減衰器５１によって１／Ｋに減衰される。Ｋは減衰係数で、ノイズの抑圧量に応じて予め定められる。その減衰された像信号は加算器５２を介してフレームメモリ１６に記憶される。その記憶された像信号はデイスプレイ１７に表示されるとともに、減衰器５３によって（１―１／Ｋ）に減衰され、その減衰された像信号は加算器５２にフイードバックされる。そのフイードバックされた像信号は像回転装置１３からの違う角度位置で得られた、電磁的視野回転の補正された像信号と加算される。その加算された像信号はフレームメモリ１６に上書き保存されるように記憶される。その記憶された像信号はデイスプレイ１７に表示されるとともに、減衰器５３によって減衰された上、加算器５２にフイードバックされる。そのフイードバックされた像信号は像回転装置１３からの更に違う回転角度位置で得られた、電磁的視野回転の補正された像信号と加算される。その加算された像信号はフレームメモリ１６に上書き保存されるように記憶される。その記憶された像信号はデイスプレイ１７に表示されるとともに、減衰回路５３に加えられる。以下設定された加算回数だけ以上の動作が繰り返され、それによって異なる走査回転角度位置で得られた、それぞれ電磁的視野回転の補正された像信号の積分が実行される。
【００２９】
第２の実験例によれば、第１の実験例と同様に振動あるいは浮遊磁場等の外乱の影響による像障害のない像が得られるとともに、像をフレーム単位でリアルタイムで表示することができ、また必要となるフレームメモリ容量も少なくてすむ。
【００３０】
図６は本発明による走査電子顕微鏡の実施例を示す。図１及び図５の実験例と同一の符号は同一又は同等部分を表している。この実施例は外乱検出器６１を備え、これによって振動や浮遊磁場等の外乱を検出して、その大きさに応じて減衰係数を変えるようにした点である。外乱検出器６１はピエゾ素子を利用した振動ピックアップあるいは磁場センサー等でよく、その検出信号の変動の振幅、つまり外乱の大きさに応じて回転角及び減衰係数が制御される。すなわち、減衰係数は基本的には外乱が大きければ大きくなるように制御される。なお、減衰係数を小さくする場合を一般的には積分度合いを小さくするといい、その反対の場合は積分度合いを大きくするという。これによって像質改善効果が自動的に制御されることになる。
【００３１】
以上の実験例及び実施例では、試料を固定した状態で電子ビームによる試料の走査方向を回転させることで視野回転を行っているが、この視野回転のために電子ビームによる試料の走査方向を固定した状態で試料を回転させることでも基本的に同じ結果を期待することができる。ただし、この場合は、試料回転機構は試料回転によって視野中心が実質的にずれないタイプのものであることが必要である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な手段で、外乱による像障害の影響を除去した像を得るのに適した走査電子顕微鏡が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関係する走査電子顕微鏡の第１の実験例のブロック図である。
【図２】本発明にもとづく外乱による像障害を除去するための電磁的視野回転による走査を、通常の走査と対比させて示す概念図である。
【図３】本発明に係る外乱による像障害が除去される原理を説明する図である。
【図４】本発明に係る外乱像障害除去の実行手順のフローチャートを示す図である。
【図５】本発明に関係する走査電子顕微鏡の第２の実験例のブロック図である。
【図６】本発明による走査電子顕微鏡の実施例のブロック図である。
【図１】
0004307660.tif 000002
【図２】
0004307660.tif 000003
【図３】
0004307660.tif 000004
【図４】
0004307660.tif 000005
【図５】
0004307660.tif 000006
【図６】
0004307660.tif 000007