(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを試料に照射する照射レンズ系と、
非点収差補正器と、
試料を透過した電子線を検出する画像検出部と、
演算制御処理を実行するコンピュータと、
を備えた電子顕微鏡において、
所定の前記照射レンズ系の条件において取得した第一の画像と前記第一の画像を所定距離シフトした第二の画像との相関値のシフト方向の依存性の情報に基づいて、前記非点収差補正器による前記電子ビームの非点収差補正方向及び補正量を決定すること
を特徴とする電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記コンピュータは、前記第一の画像と前記第一の画像を所定距離シフトした第二の画像の相関値を前記シフトの方向を変化させて、
前記相関値のシフト方向の依存性の情報を取得することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記コンピュータは、前記第一の画像をフーリエ変換し、フーリエ変換されたデータの位相スペクトルに前記所定距離のシフト量に相当する周波数を加えてフーリエ逆変換して前記第二の画像を取得することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記所定距離を設定する入力手段を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記電子ビームの補正方向及び補正量を表示する表示手段を備えることを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記相関値を極座標系で表し、前記相関値の前記シフト方向の関係を楕円曲線で近似させてその長軸と短軸の差およびその軸方向を算出することを特徴とする電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１記載の電子顕微鏡において、
前記非点収差補正器の信号量と、非点収差の変化量との関係を予め記憶しておき、当該関係に基づいて、
相関値のシフト方向の依存性の情報から求まる非点収差を補正する信号量を算出すること
を特徴とする電子顕微鏡。
【請求項８】
電子顕微鏡における非点収差補正方法であって、
前記電子顕微鏡は非点収差補正器を備え、
所定の前記照射レンズ系の条件において取得した第一の画像と前記第一の画像を所定距離シフトした第二の画像との相関値のシフト方向の依存性の情報に基づいて、前記非点収差補正器による前記電子ビームの非点収差補正方向及び補正量を決定すること
を特徴とする電子顕微鏡における非点収差補正方法。
【請求項９】
請求項８記載の電子顕微鏡における非点収差補正方法において、
前記第一の画像と前記第一の画像を所定距離シフトした第二の画像の相関値を前記シフトの方向を変化させて、
前記相関値のシフト方向の依存性の情報を取得することを特徴とする電子顕微鏡における非点収差補正方法。
【請求項１０】
請求項８記載の電子顕微鏡における非点収差補正方法において、
前記第一の画像をフーリエ変換し、フーリエ変換されたデータの位相スペクトルに前記所定距離のシフト量に相当する周波数を加えてフーリエ逆変換して前記第二の画像を取得することを特徴とする電子顕微鏡における非点収差補正方法。
【請求項１１】
請求項８記載の電子顕微鏡における非点収差補正方法において、
前記相関値を極座標系で表し、前記相関値の前記シフト方向の関係を楕円曲線で近似させてその長軸と短軸の差およびその軸方向を算出することを特徴とする電子顕微鏡における非点収差補正方法。
【請求項１２】
請求項８記載の電子顕微鏡における非点収差補正方法において、
前記非点収差補正器の信号量と、非点収差の変化量との関係を予め記憶しておき、当該関係に基づいて、
相関値のシフト方向の依存性の情報から求まる非点収差を補正する信号量を算出すること
を特徴とする電子顕微鏡における非点収差補正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子顕微鏡における非点収差の評価や補正に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡において非点収差補正の調整は熟練を要する。慣れない操作者が調整を完了するまでには、かなりの時間を要する。このような労力を低減するために、種々の非点収差補正自動化手法が考案されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載されているように、撮影した電子顕微鏡像をフーリエ変換して、該フーリエ変換パターンから非点収差量を導出して非点収差を補正する手法がある。また、特許文献２に記載されているように、異なる方向に照射ビームを傾斜させて、その傾斜方向を変化させるごとに複数の電子顕微鏡像を記録して、該像の複数の相対変移を測定する手法がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２２０６６９号公報
【特許文献２】特開平５−６２６２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１においては、電子顕微鏡像のフーリエ変換パターンを用いるために、撮影する電子顕微鏡の倍率が比較的高く、また、弱位相物体と見なせる方向性のない非晶質の試料でないと該パターンを得ることが難しい。即ち、非点収差を補正するために試料を選択しなければならないし、低い倍率に適用することが難しい。
【０００６】
特許文献２は、結晶質の試料や低い倍率でも適用できる手法である。しかし、異なる方向にビームを傾斜させてその傾斜方向を変化させるごとに複数回、撮像しなければならない。このため、試料に対する照射ビームの量が増えると共に、合計での撮像時間を要することにもなる。試料損傷・処理時間などの観点からも好ましいものでない。
【０００７】
本発明の目的は、測定倍率や試料に依存しないで、また、できる限り照射ビームを少なくして試料損傷低減を図り、自動的に非点収差補正を行うことに関する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電子顕微鏡により画像を取得し（第１の画像）、第１の画像を基に倍率や試料によって設定する微小量（例えば０.０１〜１０pixel程度）だけ移動した画像を生成し（第２の画像）、第１の画像と第２の画像との相互相関処理を行い、微小量の移動する方向を変化して得られる相互相関値を変数として、第１の画像が有する非点収差の方向とその量を導出することに関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、基本的には電子顕微鏡で撮像する画像は一枚で済む為、試料損傷低減が図れ、また、短時間で処理できる。更に、取得した画像から非点収差量と方向を導出できる為、撮像倍率や試料にも依存しないで、つまり、観察条件の制約を受けることなく、非点収差を補正することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本実施例は、電子顕微鏡像を取得する撮影手段と、得られた電子顕微鏡像を第一の画像データとして格納する手段と、画像データをもとに微小量だけ移動した画像を生成する手段と、画像を第二の画像データとして格納する手段と、第一の画像と第二の画像との相互相関処理を行い、前記微小量の移動する方向を変化して得られる相互相関値を変数として、第一の画像が有する非点収差の方向とその量を導出する演算手段と、を備える電子顕微鏡を開示する。
【００１１】
また、電子顕微鏡における非点収差評価方法であって、撮影手段により取得した電子顕微鏡像を第一の画像データとして格納し、画像データをもとに微小量だけ移動して生成された第二の画像データとして格納し、演算手段により、第一の画像と第二の画像との相互相関処理を行い、微小量の移動する方向を変化して得られる相互相関値を変数として、第一の画像が有する非点収差の方向とその量を導出する方法を開示する。
【００１２】
また、導出した非点収差の方向とその量に基づいて前記撮影手段を制御し、非点収差を補正することを開示する。
【００１３】
また、前記微小量を電子顕微鏡の拡大倍率に対応させることを開示する。
【００１４】
また、前記微小量を設定する入力手段を備えることを開示する。
【００１５】
また、導出した非点収差の方向とその量を表示する表示手段を備えることを開示する。
【００１６】
また、非点収差を補正する際に、Ｘ，Ｙ方向の補正値を表示できる表示手段を備えることを開示する。
【００１７】
また、非点収差の方向とその量を極座標系で表し、その関係式を楕円曲線で近似させてその長軸と短軸の比およびその軸方向を算出することを開示する。
【００１８】
また、非点収差の方向とその量と、Ｘ，Ｙ方向における補正値の関係式を予め求めておき、該関係式よりＸ，Ｙ方向の補正値を導出することを開示する。
【００１９】
以下、上記及びその他の新規な特徴と効果について、図面を参酌して説明する。尚、図面は発明の理解のために用いられるものであり、権利範囲を減縮するものではない。
【実施例１】
【００２０】
電子顕微鏡、及び非点収差補正方法の実施の形態について説明する。
【００２１】
本実施例は、電子顕微鏡にて撮影した一枚の画像を第一の画像とし、第一の画像を複製した後、任意の方向へ微小画素シフトした画像を第二の画像として、第一の画像と第二の画像の相互相関関数を導出する。微小画素シフトする方向（角度）を既知量だけ変化させて導出される該相関関数の値を角度毎に記憶させ角度と該値を極座標系にて表し、これを楕円近似し長軸と短軸の差と方向を算出する事によって電子顕微鏡の非点収差の自動調整を図るものである。
【００２２】
本実施例は、一画素以下の画像シフトを用いる為、画像シフトに以下の式を用いる。
【００２３】
【数１】
0005039633.tif 000002
【００２４】
式（１）は移動ベクトルｄの位相スペクトルを表している。ここでｋは周波数空間領域の座標である。以下にこの画像シフト法について説明する。
【００２５】
画像は濃度値を振幅とした二次元の波と考えることができる。そこで画像をフーリエ変換し、振幅スペクトルと位相スペクトルを求める。その後、該位相スペクトルに移動ベクトルｄの位相を各周波数に加え、フーリエ逆変換を行うことにより画像を移動ベクトルｄだけシフトすることが出来る。この方法は位相を変化させる事で画像をシフトする為、一画素以下の画像シフトを行える。
【００２６】
次に、本実施例は、前記第一の画像と前記第二の画像との相互相関関数の値を算出し角度毎に記憶させ、該値と角度を極座標系にて表し、これを楕円近似し長軸と短軸の差と方向を算出することによって電子顕微鏡の非点収差の自動調整を行う。
【００２７】
非点収差の自動補正について説明する前に、画像の解像度と上述の相互相関関数の値について説明する。
【００２８】
画像Ｉの自己相関関数ＲACFは以下の様に表せる。
【００２９】
【数２】
0005039633.tif 000003
【００３０】
ここで、Ｆｔはフーリエ変換を表し、Ｆｔ-1は逆フーリエ変換を表す。また、＊は共役を表している。式（２）で示すように、画像Ｉの周波数特性を反映したものが自己相関関数であるので、広い帯域を持つほどその逆変換で与えられる自己相関関数には高周波成分が反映する為、自己相関関数自体も高周波成分を持つことになる。つまり、ピーク部分も鋭く、径も小さくなることが分かる。
【００３１】
また、画像Ｉのフーリエ変換は点の広がり関数（ＰＳＦ：Point Spread Function）をＰ(ｒ)とすると、以下の式で表される。
【００３２】
【数３】
0005039633.tif 000004
【００３３】
ここで、Ｏ(ｒ)は十分に広い帯域に渡って一様な理想的な試料であるとする。Ｆｔ[Ｏ(ｒ)]が全周波数帯域にスペクトルを持ち、全て１と近似できるのでＩ(ｒ)は概ねＰ(ｒ)となり、自己相関関数ＲACF(ｒ)は以下のように表せる。
【００３４】
【数４】
0005039633.tif 000005
【００３５】
式（４）より、自己相関関数が解像度を決める点広がり関数の自己相関関数となり、自己相関関数から解像度を記述することが可能であることが分かる。つまり、自己相関関数のピーク部分が急峻で径が細いほど解像度が良いと言える。
【００３６】
前述の相互相関関数のピーク部分は前記第一の画像と前記第二の画像の相互相関関数から算出するが、第二の画像は第一の画像をシフトした像である為、第一の画像と第二の画像の相互相関関数はピーク位置がシフトした自己相関関数となる。ここで、第二の画像のシフト量が１画素未満の時、ピーク位置はデジタル画像上シフトしない。しかし、アナログ的にはシフトしている為、自己相関関数の値が１とならず、僅かに値が減少する。この値の変化量が自己相関関数のピーク部分の鋭敏さを表している。図３に模式図を示す。
【００３７】
自己相関関数のピーク部分の鋭敏さによって解像度が記述できる為、仮に前記第二の画像を導出するシフト量を同一とした時、同一解像度ならば該相互相関関数のピーク部分の変化量は同一となる。つまり、解像度が異なる場合、前記第二の画像を導出するシフト量を同一とすると該相互相関関数のピーク部分の変化量が異なることが分かる。また、解像度が良い時、つまり、点広がり関数の自己相関関数が急峻な時は該相互相関関数のピーク部分の変化がより大きくなり、解像度が悪い時、つまり、点広がり関数の自己相関関数がなだらかな時は変化が少なくなる。つまり、該相関関数のピーク部分は点広がり関数の自己相関関数のピーク部分の鋭敏さを相対的に測定していると言える。
【００３８】
以上より、該相互相関関数のピーク部分を測定することにより相対的に画像の解像度の測定が行える。
【００３９】
図１を参照して、本実施例における電子顕微鏡及び非点収差の自動補正方法の概略について説明する。
【００４０】
図１に示すように、本実施例に係わる電子顕微鏡は、電子ビームを試料４に照射する為の照射レンズ系１と、非点収差補正コイル３と、試料４を透過した電子線を結像レンズ系１０で拡大した像を検出する画像検出部５と、種々の演算制御処理を行うコンピュータ６と、コンピュータ内部の演算装置９と、データを記憶する記憶装置１１と、コンピュータ６とマイクロプロセッサ２との通信を行うコミュニケーションインターフェイス１４ａ，１４ｂと、バス１５を介して制御信号を送るマイクロプロセッサ２と、マイクロプロセッサ２より出力された信号をデジタル−アナログ変換するＤＡＣ１２と、ＤＡＣ１２より出力された信号を増幅し非点収差補正コイル３へ出力する電源１３と、パラメータの入力を行う為の入力装置７と画像を出力する為の出力装置８を備えている。
【００４１】
コンピュータ６は、適当に設定された焦点位置で画像検出部５により検出された第一の画像を複製し、該複製画像を位相変化させて或る方向θに既知量Δｄだけ微小画素シフトさせて第二の画像を作成し、第一の画像と第二の画像の相互相関関数の値を或る方向の角度θと共に記憶する。同様に、シフト方向を更に既知角度Δθだけ変化させていき、シフト方向θが１８０°になるまで繰り返す。このようにして得られた相互相関関数の値とシフト方向の角度から楕円を近似し、該楕円の長軸と短軸の方向と差を算出し、非点収差補正量を導出する演算装置９が備わっている。更に演算装置９で算出された結果はコミュニケーションインターフェイス１４ａ，１４ｂからバス１５を介してマイクロプロセッサ２に補正量の情報として送られる。次に、該補正量の値がマイクロプロセッサ２からバス１５を介してＤＡＣ１２に入力され、電源１３で増幅された後、非点収差補正コイル３へと電流出力される。以上の工程により非点収差が自動的に補正され、画像検出部５から非点収差が補正された画像を得ることができる。
【００４２】
以下に、上記内容を詳細に説明する。
【００４３】
本実施例は、画像より非点収差の方向と量を導出し、その結果を用いて非点収差の自動補正を図るものである。以下、図２のフローチャートを参照して説明する。
【００４４】
まず、非点収差補正コイル３の非点収差補正電流値Ｉx，Ｉyをリセットする（ステップ１０１）。続いて、前記入力装置７を用いて本実施例に必要なパラメータである画像のシフト量Δｄと画像のシフト方向（角度）θ，非点収差補正用刻み角度Δθ，校正処理用にFlag＝falseを設定する（ステップ１０２）。この時、Δｄは倍率や試料によって設定する量である（例えば０.０１〜１０pixel程度）。ここで、非点収差補正用刻み角度は角度を大きくすると処理速度の向上が図れるが補正精度は低下し、非点収差補正用刻み角度を小さくすると補正精度は向上するが処理速度が低下する性質を持つ。
【００４５】
続いてステップ１０３で画像検出部５にて得られた画像を第一の画像Ｆ1(ｘ，ｙ)とし、入力装置７にて設定された各パラメータ（画像のシフト量：Δｄ画素，画像のシフト方向：θ，非点収差補正用刻み角度：Δθ）を参照して位相変化による画像シフトを行った第二の画像Ｇ1(ｘ，ｙ)を演算装置９で導出し記憶装置１１に記憶する（ステップ１０４）。
【００４６】
ステップ１０５では、第一の画像Ｆ1(ｘ，ｙ)と第二の画像Ｇ1(ｘ，ｙ)の相互相関関数の値Ｒspscmを演算装置９で算出し、ステップ１０６でθ毎に記憶装置１１に記憶する。この時、第二の画像Ｇ1(ｘ，ｙ)は消去する。次にθ≧１８０°の判定を行い（ステップ１０７）、この判定を満たさない場合はθをθ＝θ＋Δθとし（ステップ１０８）、再度画像のシフト量Δｄ，画像のシフト方向θを設定し、新たな第二の画像Ｇ1(ｘ，ｙ)を導出する（ステップ１０４）。
【００４７】
続いて第一の画像Ｆ1(ｘ，ｙ)と第二の画像Ｇ1(ｘ，ｙ)の相互相関関数の値Ｒspscmをθ毎に演算装置９で算出し、記憶装置１１に記憶する。これをθ≧１８０°の条件を満たすまで繰り返し処理を行う（ステップ１０４〜１０８）。該判定を満たした場合は記憶装置１１にθ毎に記憶された相互相関関数の値Ｒspscmとθを極座標系にて表し、楕円近似を行う（ステップ１０９）。例として図４に近似された楕円を示す。
【００４８】
ステップ１１０では、演算装置９にて算出された楕円より、長軸の相互相関関数の値Ｌ1と短軸の相互相関関数の値Ｓ1とそれらの差（Ｌ1−Ｓ1）と方向（角度）θLを演算装置９で算出し記憶装置１１にて記憶する。
【００４９】
次にステップ１１１で校正処理用フラグの判定を行う。校正処理用フラグFlag＝falseの場合は以下の校正処理を行う。まず、図５に示すように非点収差補正コイル３に既知の強度で角度（θL＋α）の磁力ＦS-X，ＦS-Yとなる様、非点収差補正電流ＩAX，ＩAYを設定し（ステップ１１２，１１３）、校正処理用フラグをFlag＝trueとする（ステップ１１４）。この時、角度αとは非点収差補正コイル３の座標と画像検出部５によって得られた画像の座標の成す角度である。また、磁力ＦS-X，ＦS-Yは非点収差補正コイル３により発生した磁力Ｆx-x，Ｆx-y，Ｆy-x，Ｆy-yの合成により導出する。
【００５０】
続いて、ステップ１１５で画像のシフト方向θをθ＝０°と設定し、再度画像検出部５にて第三の画像Ｆ2(ｘ，ｙ)を得、記憶装置１１に記憶する（ステップ１０３）。
【００５１】
次に、画像のシフト量Δｄ，画像のシフト方向θを参照し、位相変化による画像シフトを行った第四の画像Ｇ2(ｘ，ｙ)を導出する（ステップ１０４）。その後、第三の画像Ｆ2(ｘ，ｙ)と第四の画像の相互相関関数の値Ｒspscmを演算装置９で算出し、θ毎に記憶装置１１に記憶する（ステップ１０５，１０６）。この時、該第四の画像Ｇ2(ｘ，ｙ)は消去する。
【００５２】
次にθ≧１８０°の判定を行う（ステップ１０７）。この判定を満たさない場合はθをθ＝θ＋Δθとし（ステップ１０８）、再度画像のシフト量Δｄ，画像のシフト方向θを設定し、第四の画像Ｇ2(ｘ，ｙ)を導出する（ステップ１０４）。続いて第三の画像Ｆ2(ｘ，ｙ)と該第四の画像Ｇ2(ｘ，ｙ)の相互相関関数の値Ｒspscmを演算装置９で算出し、θ毎に記憶装置１１に記憶する（ステップ１０５，１０６）。これをθ≧１８０°の条件を満たすまで繰り返し処理を行う（ステップ１０４〜１０８）。前記判定を満たした場合は記憶装置１１にθ毎に記憶された相互相関関数の値Ｒspscmとθを極座標系にて表し、楕円近似を行う。
【００５３】
演算装置９にて算出された楕円より、長軸の相互相関関数の値Ｌ2と短軸の相互相関関数の値Ｓ2とそれらの差（Ｌ2−Ｓ2）を算出し記憶装置１１にて記憶する。
【００５４】
以上にて、既知の電流ＩAX，ＩAYに対する非点収差の変化量を校正値
0005039633.tif 000006
として、演算装置９にて算出された非点収差を補正する為に必要な非点収差補正電流値Ｉx，Ｉyを以下の式より算出する（ステップ１１６）。
【００５５】
【数５】
0005039633.tif 000007
【００５６】
演算装置９で算出された前記非点収差補正電流値Ｉx，Ｉyを非点収差補正コイル３の電流値として設定し、非点収差を補正する（ステップ１１７）。
【００５７】
上述の説明では、非点収差補正電流値Ｉx，Ｉyを導出する為の校正値を算出して用いているが、校正値は電子顕微鏡の観察条件（倍率，加速電圧等）によって異なるので、予め各条件で校正値を測定しておいて記憶装置１１に記憶させておいても良い。この場合、校正値算出の為の工程（ステップ１０３〜１１５）を省略でき、自動非点補正にかかる処理時間を大幅に短縮することができる。
【００５８】
尚、上述の説明において、透過型電子顕微鏡を例に取り説明したが、本実施例は撮影画像の解像度の違いから非点収差の方向と量を導出している為、透過型電子顕微鏡に限らず、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ），走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ），集束イオンビーム加工観察装置（ＦＩＢ）に対しても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】実施例における電子顕微鏡の構造を示す概略図。
【図２】本例の透過型電子顕微鏡において、撮像した画像と撮像した画像を微小画素シフトした画像との相互相関関数の値を用いた非点収差自動補正手順を説明するフローチャート。
【図３】自己相関関数の値から自己相関関数の鋭敏さ計測方法を説明する模式図。
【図４】相互相関関数の値と画像シフト方向とを楕円近似した模式図。
【図５】任意の方向へ任意の磁場を印加する方法を説明する模式図。
【符号の説明】
【００６０】
１  照射レンズ系
２  マイクロプロセッサ
３  非点収差補正コイル
４  試料
５  画像検出部
６  コンピュータ
７  入力装置
８  出力装置
９  演算装置
１０  結像レンズ系
１１  記憶装置
１２  ＤＡＣ（デジタル−アナログ変換器）
１３  電源
１４ａ，１４ｂ  コミュニケーションインターフェイス
１５  バス
【図１】
0005039633.tif 000008
【図２】
0005039633.tif 000009
【図３】
0005039633.tif 000010
【図４】
0005039633.tif 000011
【図５】
0005039633.tif 000012