JP2000311645A

JP2000311645A - 電子顕微鏡

Info

Publication number: JP2000311645A
Application number: JP11121257A
Authority: JP
Inventors: Ruriko Tokida; るり子常田; Masanari Takaguchi; 雅成高口; Isao Nagaoki; 功長沖; Hiroyuki Kobayashi; 弘幸小林
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 1999-04-28
Publication date: 2000-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】視差を利用した焦点補正システム等、画像ペア
の位置ずれを元に補正値を求めるシステムの性能は位置
ずれ解析法に大きく依存する。しかし従来採用された位
置ずれ解析法は解析精度が１画素以下にならない、解析
結果の信頼性を検証する機能が無い、バックグラウンド
変化の影響を受け易い等の問題点があった。【解決手段】位置ずれ解析法として、画像ペアS1(n,m)
とS2(n,m)のフーリエ変換像間の位相差画像P’(k,l)を
計算し、該画像の逆フーリエ変換像上に現われるδ的な
ピークの重心位置から求める方法を採用する。【効果】位置ずれ解析精度が１画素未満になるので焦点
解析精度が向上する。もしくは同じ解析精度を得るため
に必要な画素数を削減する事ができる。δ的なピークの
強度で解析結果の信頼性を評価できる。位相成分を用い
るのでバックグラウンド変化の影響を受け難い。以上の
性能向上によって未熟練者でも熟練者と同等の焦点補正
が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】電子線顕微鏡の画像を用いて
焦点や移動量を自動的に補正する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】本出願人は、電子線顕微鏡の画像を用い
て焦点や移動量を自動的に補正するか否かを判定して補
正する装置また、連続移動する試料ステージでのズレ量
の補正に関し、先行技術調査を行った結果、関連しそう
なものが３件抽出された。１件目は、市瀬紀彦他、日本
電子顕微鏡学会９５年５月位相スペクトル法による透過
電子顕微鏡の自動調整のためのドリフト補正(２６−II
−１０１５)に位相スペクトルによる像の変動を検出で
きるためディフォーカスが測定出ることになったことが
開示されている。しかし、相関値を用いての判定や試料
ステージの連続移動時の焦点やドリフトの補正について
は何ら開示がない。２件目は特開平１０−１３４１９６
号であり、異なる条件で撮影した２枚の画像のフーリエ
変換像の位相差から前記画像間の位置ずれを解析する装
置が開示されている。しかし自動車や人間等を対象物と
した距離測定のみの開示であり、電子線装置へ帰還する
ことについては技術思想を含めて何ら開示されていな
い。３件目は特開昭６１−２８１４４６号であり、電子
顕微鏡像の視差による位置ずれ量を画像処理で検出し、
その結果を電子線装置へ帰還することが開示されてい
る。しかし、フーリエ変換像の位相差を利用した位置ず
れ解析法に関しては何ら開示されていない。より具体的
には、試料が合焦点面に位置すると電子線入射角度の変
化前後での画像間の移動は無いが、試料が合焦点面から
外れていれば電子線入射角の変化前後で画像間の移動が
発生する。αは入射電子線の振り角、Ｍは倍率、Csは球
面収差係数をすると、位置ずれDと焦点ずれFにはD=Mα
(F+Csα²)の関係があり、視差による位置ずれＤが測定
できれば焦点ずれFが求められる。入射角度変化前後の
画像ペアをメモリに記録し、相互相関法や最小２乗法を
用いて位置ずれDを解析して焦点ずれFを求め、対物レン
ズの焦点を補正する装置の記載はあるが、フーリエ変換
像の位相差を利用した位置ずれ解析法に関しては何ら開
示されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】視差を利用した焦点解
析等、電子顕微鏡間の位置ずれDから電子顕微鏡を自動
的に補正する装置の性能は、位置ずれＤの解析法に大き
く依存する。相互相関法や最小２乗法等、これまで電子
顕微鏡像解析に用いられてきた位置ずれ解析法は精度が
電子線検出器の1画素の大きさで制限されていた。現在
の電子顕微鏡像撮影に使用されるCCDカメラの1画素の一
辺の長さは25μm程度である。１画素に対応する焦点ず
れFは入射電子線角度及び倍率に依存するが、入射角度
変化αは対物絞りの穴径に制限されるため大きくとも0.
5°程度であり、倍率は実際の観察倍率でなくてはなら
ない。例えば倍率5,000、入射角度変化0.5°では1画素
の位置ずれDに対応する焦点距離は0.6μｍ程度である。
これは熟練したオペレータによる焦点補正精度よりも低
い。焦点解析で精度を向上させるために位置ずれ解析に
用いる画像を細かくする等の装置性能向上を行うと、解
析時間や装置コストが極端に増加するため、実用的では
無い。

【０００４】また従来の位置ずれ解析法は解析が正しく
実行されたかを数値的に確認する機能が無く、観察者が
目測で、もしくは得られた解析結果を元に焦点補正を行
い、正しく補正された事から確認するしかなかった。自
動補正装置では解析が全て正しく実行される保証はない
ため、解析結果の信頼性が乏しい場合は補正を中止する
機能が必要である。

【０００５】更に従来位置ずれ解析法はバックグラウン
ドの変化が大きかったり、また対物絞りの影が像に入る
と解析不能になる。上記の現象はTEM観察では日常的に
発生する現象であり、これによって動作不能となる事は
実用上問題となる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では視差を利用し
た焦点補正システムに、以下の位置ずれ解析法を採用す
る。

【０００７】位置ずれのある画像ペアの各々の画像にフ
ーリエ変換を施し、その位相差画像を計算する。該位相
差画像に逆フーリエ変換若しくはフーリエ変換を施した
解析画像には、位置ずれに対応した位置にδ的なピーク
が発生する。解析画像にはδ的なピークのみが存在する
と仮定できるので、δ的なピーク以外は雑音成分と見な
す事ができる。従ってδ的なピークの重心位置を計算す
れば、δ的なピークの位置が小数点を含んでいても正し
く求められる。また解析画像の強度を規格化した後計算
されたδ的なピークの強度を画像の一致度を示す相関値
として利用する事ができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】実施例１図１９は、本発明の実施例で使用する透過電子顕微鏡
（以下略してTEM）の基本構成図である。電子銃11及び
その制御回路11’、照射レンズ12及びその制御回路1
2’、照射系電子偏向コイル13及びその制御回路13’、
対物レンズ14及びその制御回路14’、投影レンズ15及び
その制御回路15’、結像系電子偏向コイル16及びその制
御回路16’、電子線検出器17及びその制御回路17’、試
料ステージ18及びその制御回路18’、制御ソフトと画像
処理ソフトを搭載した計算機19から構成される。各制御
回路は計算機19の制御ソフトから送られる制御コマンド
を受信し、制御が終了すると計算機に返り値を送る。電
子線検出器17はCCDカメラ等、多数の画素から構成され
る電子線検出器であり、得られた画像信号は画像送信用
のケーブルで計算機19の記録装置もしくはフーリエ変換
像の位相解析に基づく位置ずれ解析用演算器20に高速に
送信される。計算機19にはフーリエ変換像の位相解析に
基づく位置ずれ解析用演算器20が接続されている。

【０００９】図３にTEM像撮影のフローチャートを示
す。まず電子銃11で発生し電子線に加速電圧を印加し、
電子ビームが光軸上を通過するように照射系電子線偏向
コイル13を用いて調整し、電子線検出器17に電子線が到
達する事を確認する。光軸と平行な方向をz方向、光軸
と直交する面をx-y平面とする。次に照射系レンズ12を
調整した後、試料21を挿入し、低倍で試料21のTEM像を
確認した後、TEM像コントラストを増加させるために光
軸に対物絞りを挿入する。投影レンズ15の倍率を増加さ
せながら観察視野を選択し、焦点補正を行い、必要なTE
M像を撮影する。

【００１０】この焦点補正における焦点解析に、視差を
利用した焦点解析法を適用する。電子線を光軸とほぼ平
行な第１の角度から入射して撮影した第1のTEM像と、光
軸から角度αだけ傾斜させた第２の角度から入射して撮
影した第2のTEM像を用いる。図４に示す様に、焦点がず
れていると第1のTEM像と第2のTEM像では画像の位置ずれ
が発生する。焦点ずれFと視差による位置ずれDにはD=M
α(F+Csα²)の関係がある。倍率M、振り角αは操作者が
設定する。球面収差係数Csは装置に固有であるので、画
像ペア間の位置ずれDが測定できれば焦点ずれFを特定で
きる。本発明はこの位置ずれDの解析にフーリエ変換像
の位相差解析に基づく解析法を適用した事を特長とす
る。図１に示す様に、対物レンズ14の上部に設けられた
電子偏向コイル13を用いて試料に対する電子線の入射角
度を変化させた第１と第２のTEM像を電子線検出器17を
用いて撮影する。撮影された第１と第２のTEM像はフー
リエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析用演算器
20に送信され、解析結果である位置ずれDが計算機19に
送られる。計算機19では位置ずれDから焦点ずれFを計算
し、目的の焦点に設定するために必要な対物電流Iobjを
求め、それを元に対物レンズ14の焦点を補正する。

【００１１】フーリエ変換の位相成分を利用した位置ず
れ解析法の説明図を図5に示す。位置ずれD=(dx,dy)のあ
る画像ペア(S1,S2)に対し、S1(n,m)=S2(n+dx,m+dy)を仮
定し、S1(n,m), S2(n,m)の2次元離散的フーリエ変換をS
1’(k,l),S2’(k,l)とする。フーリエ変換にはF{S(n+d
x,m+dy)}=F{S(n,m)}exp(idxk+idyl)の公式があるので、
S1’(k,l)=S2’(k,l)exp(idxk+idyl)と変形できる。つ
まりS1’(k,l)とS2’(k,l)の位置ずれは位相差exp(idxk
+idyl)=Ｐ’(k,l)で表現される。Ｐ’(k,l)は周期が(d
x,dy)の波でもあるので、位相差画像P’(k,l)を逆フー
リエ変換した画像P(n,m)には(dx,dy)の位置にδ的なピ
ークが発生する。(dx,dy)が小数点を持つ場合、例えば
(dx,dy)=(2.5,2.5)ではδ的なピークの強度は(2,2),(2,
3),(3,2),(3,3)に等しく配分される。画像P(n,m)にはδ
的なピークのみが存在すると仮定できるので、前記４つ
の画素強度の重心を計算すれば、δ的なピークの位置が
小数点を含んでいても正しく求められる。従来解析法で
ある相互相関法は、|S1’||S2’|を解析画像とし、該解
析画像で最大値を持つ位置から位置ずれを解析してい
た。しかし該解析画像には位置ずれ情報と共に画像強度
つまり振幅情報が混在するため、重心計算を行っても位
置ずれ解析精度が向上する事はない。なお振幅の情報を
全て除去するのではなく、S1’(k,l)・S2’(k,l)^*=|S
1’||S2’|exp(idxk+idyl)の振幅成分にlog若しくは√
の処理を施して振幅成分を抑制した画像を計算し、該画
像に逆フーリエ変換を施しても位置ずれベクトルの位置
(dx,dy)にδ的なピークが発生するので、該画像で位置
ずれ解析を行っても良い。位相差画像P’(k,l)をフーリ
エ変換しても(dx,dy)にδ的なピークが発生するので、
位相差画像P’(k,l)のフーリエ変換像で位置ずれ解析を
実行しても良い。

【００１２】なおS1(n,m)とS2(n,m)における差が位置ず
れだけではなく、雑音成分やバックグラウンドの変化を
含んでいても、また入射電子線角度変化による多少の像
変形を含んでいても、S1(n,m)とS2(n,m)における共通部
分が十分あれば位置ずれ解析は可能である。この場合δ
的なピーク以外は雑音成分と見なされる。画像P(n,m)全
体の強度を規格化した後、δ的なピークの強度を計算す
ると、雑音成分つまり画像ペア間で共通部分が多い場合
はピーク強度が弱く、雑音成分つまり共通部分が少ない
とピーク強度は強くなる。このピーク強度を相関値とし
て明示すれば、操作者は雑音成分比つまり解析結果の信
頼性を同定する事ができる。相関値の下限値を設定し、
計算された相関値が下限値以下であれば対物レンズの調
整は行わないように設定しておけば、誤動作の防止にな
る。

【００１３】更に上記位置ずれ解析法は画像の位相成分
を利用した解析法であるので、バックグラウンド変化の
影響を受け難いという特徴もある。従来位置ずれ解析法
では画像ペア間で照射電流密度の分布等によるバックグ
ラウンドの差があると解析不能となったが、本発明で用
いた位置ずれ解析法では解析可能である。また従来位置
ずれ解析法は対物絞りの影等が画像に混入すると、解析
不能となったが、本発明で用いた位置ずれ解析法では対
物絞りの影が多少混入しても、画像ペアの共通部分が十
分存在すれば、解析可能である。自動補正装置はTEM操
作に不慣れな人間の利用が考えられるので、TEM調整が
多少不備であっても動作可能である事は重要である。

【００１４】上記位置ずれ解析を実行するために、TEM
像をCCDカメラ等の電子線検出器17で取り込まれる。電
子線検出器17で検出された信号はアンプで増幅された
後、量子化され、計算機19もしくはフーリエ変換像の位
相差解析に基づく位置ずれ解析用演算器20に送られる。
ここでアンプのゲインとオフセットの設定が不適切であ
ると量子化の際に画像の特徴の多くが除去されてしまう
事がある。電子線検出器17には画像強度平均値や分散を
計算し、それらが指定された値になるように検出器アン
プのゲインとオフセットを用いて自動調整する機能が付
加されている。なおゲインとオフセットでは指定された
平均値と分散に達しない場合もあるので、コントラスト
調整不足の場合は操作者に警告を送り、視野の変更、TE
M本体の再調整等の判断を仰ぐ機能も付加されている。

【００１５】図６にTEMで使用する電子線検出器17の基
本構成図を示す。シンチレータ71、結合部分72、CCDカ
メラ73で構成されている。シンチレータ71に照射された
電子は光子を発生させる。発生した光子は多数の光ファ
イバーを束ねた結合部分72を通り、位置情報を保持した
ままCCDカメラ73に伝達される。CCDカメラ73は２次元に
配列された多数の画素から構成されている。CCDカメラ7
3に到達した光子により生成された電荷が各画素に蓄積
される。蓄積された電荷が各画素の出力信号として読み
出される。各画素のゲインつまり１個の入射電子による
出力信号強度は、シンチレータ71の発光効率、結合部分
72の伝達効率、CCDカメラ73の量子効率により決定され
る。各々の定数は各画素によってバラツキがあるため電
子線検出器17には固定パターンが形成されている。

【００１６】固定パターンのある電子線検出器17で取り
込まれた画像には、試料構造を反映した第１のコントラ
スト共に電子線検出器17の固定パターンを反映した第２
のコントラストが記録される。固定パターンのある電子
線検出器17で記録された画像に上記位置ずれ解析を適用
した場合、試料構造を反映した第１のコントラストは画
像ペアS1(n,m)とS2(n,m)との間で移動するが、電子線検
出器17の固定パターンを反映した第２のコントラストは
移動しないため、解析画像P(n,m)には、試料構造による
第１のピークが位置ずれに対応した位置に、それと共に
固定パターンによる第２のピークが原点に発生する。TE
M像の様に試料構造のコントラストが非常に低い画像で
は、固定パターンによる第2のピーク強度が試料構造に
よる第１のピーク強度よりも大きくなる場合が多い。上
記位置ずれ解析法がこれまで適用されてきたのは、光学
装置で撮影したシャープネスやコントラストの高い画像
であり、固定パターンの影響はほとんど無かったので、
解析画像P(n,m)内で強度最大のピークが解析結果である
と判定できた。しかしTEM像では固定パターンの影響は
無視できず、強度最大のピークを解析結果とする従来の
ピーク判定法では、固定パターンによる第2のピークを
解析結果と判定し、位置ずれ無しのと解析結果を出す場
合が多い。

【００１７】CCDカメラ制御ソフトには、予め撮影され
た固定パターンで画像を除算し、固定パターンの影響を
低減するゲインノーマライズ等の前処理が用意されてい
る事がある。しかし固定パターンは径時変化するので定
期的に更新する必要がある。固定パターンの影響を低減
するためには常にメンテナンスをする必要がある。また
メンテナンスを行っていても、電子線照射量等、個々の
撮影条件の違いによる固定パターンの変化は避けられな
い。ゲインノーマライズだけでは固定パターンの影響を
低減する事は出来ても、除去する事は困難である。電子
顕微鏡像の様に試料構造のコントラストが低い画像で
は、画像ペアS1(n,m)及びS2(n,m)にゲインノーマライズ
等の画像処理を施しても、試料構造による第１のピーク
よりも固定パターンによる第２のピークの強度が大きく
なる場合がある。

【００１８】TEM像の位置ずれ解析では、試料構造によ
る第１のピークと共に固定パターンによる第2のピーク
を有する解析画像から、試料構造による第１のピークを
自動的に判定する工程を付加する必要がある。ピーク自
動判定には以下の２つのアルゴリズムがある。いづれも
固定パターンによる第２のピークは必ず原点に発生する
という特長を利用している。

【００１９】まず、１つの方法は固定パターンによる第
２のピークは必ず原点に発生するので、原点の強度を０
若しくは他の一定値に置換する原点マスクを適用する方
法である。ただし、第１のピークが原点に発生する場合
もあるので、原点マスクを適用するか否かの判断が必要
である。ここで図7に示す具体例を想定し、ピーク特定
のフローを説明する。試料構造による第1のピーク31の
位置D1と強度I1、固定パターンによる第2のピーク32の
位置D2と強度I2を仮定する。D2=0であるので、想定され
るケースとしては|D1|>0かつI1>I2の場合(図７(a))、|D
1|>0かつI1<I2の場合(図７(b))、|D1|〜=0の場合(図７
(c))がある。夫々の場合について解析画像P(n,m)を規格
化して検索された強度最大のピーク33の強度Iと、解析
画像P(n,m)に原点マスクを施した後、規格化して検索さ
れた強度最大のピーク34の強度I’を比較する。図７(a)
の場合、第２ピークの強度が無視出来るほど小さけれ
ば、原点マスク適用前後で強度最大のピークの強度は変
化しないし、第２ピークの強度が強ければ、原点マスク
適用によって第２ピーク32に振り割れられていた強度が
第１ピーク31及び雑音成分35に移るので、I≦I’とな
る。図７(b)の場合、原点マスク適用前には第１ピーク3
1と第２ピーク32に振り分けられていた強度が第１ピー
ク31にまとめられるので、I＜I’となる。一方図７(c)
の場合、原点マスクを施すと第２ピーク32と共に第１ピ
ーク31にまで除去してしまい、雑音成分35のみ増加する
ため、I＞I’となる。以上、原点マスク適用前後の解析
結果の比較から第１ピーク31を判定することが出来る。
図8(a)にそのピーク判定工程のフローを示す。原点マス
ク適用前後の強度最大のピークの強度つまり相関値を比
較し、原点マスク適用によって相関値が減少した場合は
原点マスク適用前の結果を採用し、原点マスク適用によ
って相関値が増加若しくは変化しなかった場合は原点マ
スク適用後の結果を用いる。

【００２０】第２の方法として、解析画像P(n,m)内には
２つのピークがあると仮定し、２つのピークの位置及び
強度を出力するように設定しておく方法がある。なお、
ピークが2つあると各々の相関値が小さくなってしまう
ので、相関値下限は再設定した方が良い。図8(b)に２つ
のピーク検出工程のフローを示す。図７(a)及び図７(b)
では相関値下限より大きいピークは第１ピーク31と第２
ピーク32であるので２つのピークが出力される。|D1|>|
D2|=0であるので、出力されたピークのうち位置すれ量
が大きい方を選択すると、第１のピークを選択する事に
なる。図７(c)の場合は、第１のピークと第２のピーク
が重なっているので、P(n,m)内に１つのピークしか存在
しない。下限値より相関値の大きいピークが１つしか存
在しなければ、そのピークを解析結果とする。

【００２１】次に振り角αの設定であるが、視差による
位置ずれDから焦点ずれFを求める際に、試料に入射する
電子線の振り角αが用いられるので、該振り角αを正確
に設定する必要がある。振り角αの測定は金やシリコン
等、格子定数が既知の結晶性試料の回折像を用いて行
う。格子定数が既知であるので、入射電子線の波長が分
かれば、回折像の１画素当たりの散乱角度が計算でき
る。第１の入射角度で撮影された第１の回折像と第２の
入射角度で撮影された第２の回折像における位置ずれD
_αを解析し、該位置ずれD_αと１画素当たりの散乱角度
の積を計算すれば、入射電子線の振り角αの実測値とな
る。入射電子線の振り角αは照射系電子偏向コイル13の
電流値I_BTとほぼ比例関係にあるが、図１９に示す様に
照射系電子偏向コイル13は対物レンズ14の上部に設けら
れているため、対物レンズ14の電磁界によっても試料に
入射する角度は変化してしまう。入射電子線の振り角α
の算出式には対物レンズ14の励磁電流I_obj値をパラメー
タとした補正項を導入する必要がある。例えばα=A*I_BH
+B*I_obj*I_BHを用いる。ここでA及びBは装置固有の定数
である。

【００２２】また振り角αの大きさであるが、振り角α
が大きいほど画像の位置ずれDに対応する焦点ずれFが大
きくなり、焦点ずれFの解析精度向上が期待されるが、
画像ペアにおける共通部分の減少は誤動作の原因とな
る。共通部分が画像全体の半分以下になると相関値が減
少し、解析結果の信頼性は極端に減少するので、視差に
よる位置ずれＤはCCDカメラの一辺の長さの半分以下に
設定する必要がある。なお同じ倍率でも想定焦点ずれ範
囲が広い場合、つまり粗調整では振り角αを小さく設定
し、想定焦点ずれ範囲が狭い場合、つまり微調整では振
り角αを大きく設定する。例えば想定焦点ずれ範囲が20
μm範囲、電子線検出器の一辺の大きさが2cm、倍率が5
0,000であれば振り角αは0.5°以下にする必要がある。

【００２３】なお焦点ずれFが予想以上に大きかったた
め２枚の画像の共通部分が少なくなり、解析不能となる
場合がある。この様な事態に対処するために、ピーク強
度の下限値を設け、計算されたピーク強度が前記下限値
以下になった場合は倍率を下げ、共通部分を増加させて
焦点の予備補正をし、焦点ずれ量Fを小さくした後に元
の倍率に戻して再測定を行うフローを設けておく。また
共通部分を増加させる方法として振り角αを小さくする
方法もある。

【００２４】またTEMでは像コントラストを増加させる
ために光軸に対物絞りを挿入して観察する場合が多い。
電子線の入射方向を変化させると電子線が光軸から外れ
るため絞りを通らなくなる可能性がある。第１の入射角
度の電子線も第２の入射角度の電子線も共に絞りを通過
するためには、振り角αは絞りの穴径よりも小さく設定
しなければならない。例えば〜10μmの穴径の絞りであ
れば振り角αは0.5°以下に設定する必要がある。

【００２５】また第2のTEM像は入射電子線を傾斜させた
状態で撮影することになるので、入射電子線の振り角α
が大きすぎると第2のTEM像は軸ずれの影響で像が歪んで
しまい、第1のTEM像との共通部分が極端に減少するため
解析不能となる場合がある。この場合振り角αを小さく
設定し直す必要がある。

【００２６】倍率Mも焦点ずれFの計算に必要である。TE
Mには通常5%程度の倍率誤差がある。またシンチレータ7
1とCCDカメラ73の結合部分72に光学レンズが用いられる
場合、光学レンズの倍率誤差も発生する。そこで倍率に
M(1+Δ)つまりΔの誤差があった場合の焦点解析誤差へ
の影響を考察する。例えば位置ずれD1が計測されたとす
る。本来の焦点ずれF1はD1/[M(1+Δ)α]^-1−C_sα²であ
るが、焦点ずれF1’=D1/[Mα]^-1−C_sα²と計算される。
倍率誤差による焦点ずれFの解析誤差はF1−F1’=−ΔD1
/(1+Δ)Mαとなる。つまり倍率誤差による焦点解析誤差
は位置ずれ量D1に比例する。つまり位置ずれD=０となる
時、倍率誤差による焦点解析誤差は最も小さくなる。そ
こで位置ずれD=0となる、F_s=−C_sα²への焦点補正を繰
り返してみる。焦点ずれF1’が解析された後、焦点をF_s
と設定しようとすると、(F1−F1’)+Fsと設定される。
この状態で位置ずれD2を測定すると、D2=-ΔD1となる。
TEMの倍率誤差Δは5%程度であるので、数回焦点補正を
繰り返せば位置ずれD〜=0に収束する。以上、位置ずれD
=０になるように対物レンズを補正した後、指定したオプ
ティマムフォーカスに設定するフロートとすれば、倍率
誤差による焦点解析誤差が充分小さくなる事が分かる。
なお、位置ずれD=0ではなく位置ずれD=0近傍、例えばF=
0となるD=MC_sα³にした後、オプティマムフォーカスに
設定するフローとしても良い。この場合、倍率誤差の影
響低減と共に、固定パターンによる第２のピークの影響
低減も図られる。また焦点ずれF=0の補正回数が２回目
以上に設定されている場合、n回目に解析された焦点ず
れF_nの方がn-1回目に解析された焦点ずれF_n-1より大き
くなると、焦点補正を中止しする機能も付加されてい
る。これによって補正回数を必要最小限に抑える事がで
きる。

【００２７】以上を考慮し、図９に示すフローチャート
に従って焦点補正を実行する。まず焦点解析を行う視野
を選択する。この選択には観察倍率や対物絞りなどの設
定も含める。次にオプティマムフォーカス、相関値下
限、振り角α及び補正回数の設定を図２に示す画面を用
いて行う。計算機にはオプティマムフォーカス、相関値
下限、振り角α及び補正回数の推奨値つまり初期値が設
定されているが、必要に応じて操作者が値を変更できる
様になっている。オプティマムフォーカスは通常F=０に
設定されているが、試料によってはアンダーフォーカス
で観察した方が良い場合もある。また振り角αは、穴径
〜10μmの対物絞りを通過できる最大値振り角である0.5
°に設定されているが、視野によっては入射電子線角度
変化による像歪みの影響が大きく、振り角αを小さく設
定した方が良い場合もある。相関値下限も解析画像の画
素数などの撮影条件に依存する。振り角αや相関値を最
適化するために、焦点解析のみで焦点補正は行わないモ
ードを設けておく必要がある。振り角αは０．２〜０．
５度が一般に使用される。振り角αの下限は許容精度上
限は装置の性能で決まる。図２の画面に示した補正回数
設定を0にし、焦点補正実行ボタン93をクリックすれば
計測のみを行う。また、操作者がパラメータ変更中に推
奨値を忘れてしまった場合は、初期設定のボタン92をク
リックすると推奨値が呼び出される様になっている。

【００２８】パラメータ設定終了の後、電子線検出器17
を用いて画像ペアを撮影する。従来TEMの焦点ずれ検出
装置は入射電子線の角度を照射系電子偏向レンズ13を用
いて正弦波的に振動させた時のTEM像の振動を操作者が
観察するという構成であった。しかしTEM像が常に振動
するという従来の回路構成では画像の取り込みが行えな
い。第1のTEM像取り込みを指示する信号を受信した後、
画像の取り込みを開始し、該画像取り込みが終了した事
を示す信号を受信した後、入射電子線の角度を第2の角
度に変更し、該変更が終了した事を示す信号を電子線検
出器が受信した後、第2の画像の取り込みを行う制御系が
必要である。上記制御系を用いて撮影した画像ペアから
解析画像P(n,m)を計算し、位置ずれに対応したピークを
特定する。

【００２９】なお位置ずれによるピークが特定できなか
った場合は、焦点補正を中止し、操作者に次の行動の指
針を与えるためにその原因を推測するフローが設けてあ
る。位置ずれが解析できなかった原因として、視野内に
試料が存在しない、画像が非常にボケている等、各々の
画像に問題がある場合と、入射電子線の傾斜角度が大き
すぎたために位置ずれDが大きくなり過ぎた、入射電子
線角度変化の影響で画像が歪んだ等、画像ペア間での共
通部分の減少が原因になる場合がある。その判断のため
に、入射電子線の角度を第１の角度とし、結像系電子偏
向コイル16を用いて画像を既知量だけ平行移動させた第
４のTEM像を撮影し、第１のTEM像と第４のTEM像で位置
ずれ解析を行う。第１のTEM像と第４のTEM像で位置ずれ
解析不能であれば、視野内に試料が存在しない、画像が
非常にボケている等、各々の画像に問題があると考えら
れる。これに対しては倍率を下げ、低倍率で予備補正を
実行する指示を出す。倍率を下げれば視野が広がるの
で、視野内に試料が存在する確率が高くなる。また低倍
率では焦点ずれによる像ボケ影響が低減され、像のシャ
ープネスが向上するので、位置ずれ解析が可能となる。
第１のTEM像と第４のTEM像で位置ずれ解析可能であれ
ば、画像ペア間での共通部分減少が原因と考えられるの
で、振り角αを小さくする指示を出す。エラーメッセー
ジは図２(b)の様に画面に表示し、解析できなかった焦
点ずれFは表示せず、相関値のみ表示する。

【００３０】位置ずれに対応したピークが特定できた
ら、該ピークから位置ずれDを求め、D=Mα(F+Csα²)の関
係を用いて焦点Fを計算し、対物レンズ電流の調整を行
う。対物レンズ電流と焦点位置の関係は投影レンズの設
定つまり観察倍率によって異なるので、各観察倍率で対
物レンズ電流と焦点位置の関係表もしくは関係式が計算
機に記録されている。前記関係表もしくは関係式を用
い、設定された焦点にするために必要な電流を求め、対
物レンズ電流を調整する。焦点補正回数が２回以上に設
定されていれば、再び画像ペアを撮影して焦点を解析
し、対物レンズ電流を調整する。

【００３１】本発明における自動焦点補正システムはデ
ジタルシグナルプロセッサであるフーリエ変換像の位相
差解析に基づく位置ずれ解析用演算器20が搭載されてお
り、従来のアプリケーションソフトでは２sec程度かか
っていた256×256画素の画像の位置ずれ解析が、30msec
で実行可能となっている。電子線検出器17による画像取
り込み、照射系電子偏向コイル13、及び対物電子レンズ
14の変更を含めた一回の補正を１秒以下で実行できる様
になっており、連続自動補正が可能になっている。図2
に示した連続実行ボタンをクリックすると連続焦点補正
が始まり、焦点補正の停止を支持するボタンをクリック
すると焦点補正は停止する。もしくは連続実行ボタンを
クリックすると連続焦点補正が始まり、再び連続実行ボ
タンをクリックすると連続焦点補正は停止する。若しく
は焦点補正実行ボタン93をダブルクリックすると連続焦
点補正が始まり、再び実行ボタン93をクリックすると連
続焦点補正は停止する。連続焦点補正実行中は、試料ス
テージを移動させて視野を変化させてもオプティマムフ
ォーカスに自動的に設定される。なお試料ステージを移
動させながら第１のTEM像と第２のTEM像を撮影すると、
視差による位置ずれDと共に試料移動による位置ずれDs
が混入するため焦点補正解析精度は劣化するが、目的の
視野が見つかると試料ステージ移動を停止させて観察を
始めるので、試料観察に必要な焦点補正精度を得る事が
できる。試料ステージ移動による補正精度劣化が問題と
なる場合、n回目の焦点解析のために撮影された第１のT
EM像と、n-1回目の焦点解析のために撮影されは第１のT
EM像の位置ずれから試料ステージの移動速度を測定しn
回目の測定における第１のTEM像と第２のTEM像の間の試
料移動による位置ずれDsを予測し、第１のTEM像と第２
のTEM像の位置ずれD+Dsより試料移動による位置ずれDs
を差し引く事によって視差による位置ずれDを抽出し、
焦点を解析する。

【００３２】本システムには相関値が下限値以下の場合
は焦点を変化させないという誤動作チェック機能が備わ
っている。TEM像は一般にS/Nが低く、S/Nが低い画像で
は位置ずれ解析不能となる確率が高くなる。位置ずれ解
析不能となった原因が確率的なものであれば、次の解析
では正しい解析結果が得られる可能性は高い。そこで焦
点解析におけるエラー回数の上限値を設定し、相関値が
下限値以下となる回数が上限を超えると、絞りなどで電
子線が遮られたため、試料構造のTEM像が電子線検出器
に取り込まれていない等のアクシデントがあったと判断
し、画面にエラーメッセージが表示する機能が付加され
ている。

【００３３】焦点補正連続動作中、第１の入射角度によ
る第１のTEM像と第２の入射角度による第２のTEM像が交
互に画面に表示されるが、処理が高速化してくると交互
表示が画面のチラツキと感じられるようになり、操作者
に不快感を与えたり、微細構造の観察の支障となってく
る場合がある。そこで、画面に表示するのは第１の入射
角度で観察されたTEM像のみとし、第２の入射角度で観
察されたTEM像は画面には表示しない回路構成とする。
または第１の入射角度で観察されたTEM像と第２の入射
角度で観察されたTEM像を別の画面に表示する回路構成
とすると、入射電子線の軸ずれによる像歪みの影響を必
要に応じて確認することもできる。

【００３４】実施例２図１９に自動検査装置で用いたTEMの基本構成図を示
す。電子銃11及びその制御回路11’、照射レンズ12及び
その制御回路12’、照射系電子偏向コイル13及びその制
御回路13’、対物レンズ14及びその制御回路14’、投影
レンズ15及びその制御回路15’、結像系電子偏向コイル
16及びその制御ソフト16’、電子線検出器17及びその制
御回路17’、試料ステージ18及びその制御回路18’、制
御ソフトと画像処理ソフトを搭載した計算機19から構成
される。各制御回路は計算機の制御ソフトから送られる
制御コマンドを受信し、制御が終了すると計算機19に返
り値を送る。照射電子偏向コイル13及び照射電子偏向コ
イル16を用いてTEM像を平行移動させるイメージシフト
機能が設けられている。電子線検出器17はCCDカメラ
等、数万以上の画素から構成される電子線検出器であ
り、得られた画像信号は画像送信用のケーブルで計算機
19の記録装置もしくはフーリエ変換像の位相解析に基づ
く位置ずれ解析用演算器20に高速に送信される。計算機
19にはフーリエ変換像の位相解析に基づく位置ずれ解析
用演算器20が接続され、パターン検査・計測用ソフトが
搭載されている。

【００３５】図１０にTEMを用いた自動検査装置の処理
フローを示す。まず電子銃11で発生させた電子に加速電
圧を印加し、電子ビームが光軸上を通過するように照射
系電子線偏向コイル13を用いて調整し、電子線検出器17
に電子線が到達する事を確認する。光軸と平行な方向を
z方向、光軸と直交する面をx-y平面とする。照射レンズ
12の調整を行った後、試料室に試料21を挿入する。試料2
1は電子線が通過する様に薄片化した後、メッシュ22と
呼ばれる金属製の指示具に固定されている（図１１
(a)）。メッシュ22を試料ホルダーに置き、該試料ホル
ダを試料ステージに乗せて観察する。メッシュ22の直径
は3mm程度であり、方向や位置を正確に指定して試料ホ
ルダーに乗せる事は困難である。そこで低倍率で観察し
たメッシュ22の像を記録し、図１２のフローに従ってメ
ッシュ22の方向、位置及び形状を解析する。電子が通過
できるのはホール23と呼ばれる穴の領域である。まず取
り込まれた画像を2値化し、連結成分を求め、各領域のラ
ベル付けを行う(図１１(b))。次に各ラベル領域の面積
を計算する。ホールの大きさはほぼ一定であるので、面
積の最頻値をホールの面積と特定できる。具体的には図
１１(b)の様にラベル付けられた領域のうち、最頻値近
傍の面積を持つ領域はホール全体が写っている4,5,7,8,
9,12,13のラベル領域である。メッシュ22の方向を解析
するためにホール23全体が写っているラベル領域の重心
24を計算する。各領域の重心間の距離が最小となる組み
合わせを求める(図１１(c))。例えばラベル領域4の重心
24と最も近いのはラベル領域5とラベル領域8の重心24で
ある。ラベル領域4とラベル領域5の重心24を結ぶ方向を
x方向、ラベル領域4とラベル領域8の重心24を結ぶ方向
をｙ方向と特定する。またホール23の形状は既知である
ので、ホール23の面積からホール23の1辺の長さHが計算
できる。また最近接重心の間隔からホール23の一辺の長
さHを引けば、メッシュ22の幅Mが計算される。以上の工
程終了後、メッシュ22のxy方向と画面の水平垂直方向を
一致させた画面が表示される。メッシュ22の各ホール23
に番号が表示されている。操作者はこの表示にてラベリ
ングが正しく実行されている事が確認できる。またこの
番号を用いて試料21が存在する、つまり検査を行うホー
ル23の位置を指定し、それ以外のホールでは検査しない
ように設定し、検査時間の短縮を図る事もできる。

【００３６】ホール内の試料の有無は画像処理により自
動的に判断する事もできる。この判断にはホール内の画
像強度のヒストグラムやフーリエ変換像を用いる。フー
リエ変換像を用いる判断では、フーリエ変換像における
高周波成分の割合で判断する。図１７(b)に示す様に解
析エリア内に試料が存在しないと、照射電子電流密度の
分布等によって画像強度に多少の変動はあるが、そのフ
ーリエ変換像には低周波成分しか存在しない。試料、特
に生物試料の様に微細な構造を持つ試料が存在すると、
フーリエ変換像における高周波成分の割合が増加する
（図１７(a)）。低周波成分に対する高周波成分の割合
が一定値以上になると、解析エリア内に試料が存在する
と判断する。画像強度のヒストグラムを用いる判断で
は、画像強度のヒストグラムに存在するピークの数によ
って試料の有無を判断する。ホール内に試料が存在しな
いと照射電子電流密度の分布等によって画像強度に多少
の変動はあるが、ピークは１つしか存在しない（図１３
(b)）。一方ホール内に試料が存在する画像強度のヒス
トグラムに複数のピークが存在する（図１３(a)）。従
って画像強度ヒストグラムにおけるピークが複数個存在
するとホール内に試料が存在すると判断する。なお、試
料コントラストが非常に低いためピークがオーバーラッ
プしてしまう試料では、ビークの半値幅を元に試料の有
無を判断する。

【００３７】メッシュ22の方向や形状を解析する前に、
試料ホルダの高さを調整しておいた方が良い。試料ステ
ージ18の設定不備等により、対物レンズが設定可能な焦
点範囲外に試料ホルダが置かれている可能性もある。焦
点範囲内に置かれていても、対物レンズ電流を大きく変
化させるとレンズ条件変化のため倍率等が変化してしま
うので、試料ホルダの高さはほぼ一定とした方が良い。
後述する焦点解析装置で試料ホルダの高さを解析し、試
料ステージ制御機構18’を用いて試料ホルダの高さを自
動調整する機能が付加されている。

【００３８】また試料ステージ18の設定不備により、試
料ホルダが傾斜して挿入されている場合もある。試料ホ
ルダが大きく傾斜していると、メッシュ22内のホールの
位置によって観察条件が変わってしまう。そこでメッシ
ュ22から複数の地点を選択し、その地点の位置と焦点ず
れ解析結果から求めた試料高さを記録する。各位置の試
料高さから試料ホルダの傾斜角度を計算し、試料ホルダ
の傾斜角度を調整する。試料ステージ制御機構18’には
試料ホルダ傾斜の自動補正機能も付加されている。

【００３９】次に検査項目の設定を行う。生物の自動検
査ではウィルスの形状や個数を検索する場合が多い。各
ウィルスによって画像前処理や測定すべき幾何的特徴等
の検査項目が設定され、計算機19にマクロプログラムと
して記録されている。例えば試料内に分散した直径約20
nm〜30nmの球形ウィルスの数と各々の直径を測定する場
合について考察する。検査すべき情報はウィルスの個数
と直径のみであるので、ウィルスを濃く染色した試料の
TEM像を電子線検出器17で取り込み、取り込まれた画像
を２値化する事によって染色領域つまりウィルスを抽出
し、幾何的特徴解析を用いてウィルスの直径を測定す
る。まず、この目的に合せ、解析エリアの大きさが設定
される。ウィルス検査に用いる画像の画素数は512×512
であり、直径を１割り程度の誤差で測定する場合、１つ
のウィルスの直径が10画素程度になるためには解析エリ
アの１辺の長さは1μm程度が適当である。ホールの1辺
の長さが30μmであれば、１つのホールは30×30エリア
に、数え落としを防止するためにエリア間に30nm程度の
重なり領域を設定すると31×31エリア分割される。エリ
ア分割が終了すると図１１(d)の様な画面が表示され、
解析エリアが示される。

【００４０】全ての解析エリアに試料が存在するとは限
らないので、解析エリア内に試料が存在しなければ、す
ぐに次の解析エリアに移動した方が検査時間の短縮にな
る。エリア内の画像強度のヒストグラムやフーリエ変換
像を用い、解析エリア内の試料の有無を判断する機能も
装備されている。上述の様にウィルスのみが濃く染色さ
れる試料作製法を用いたので、試料が存在する領域と存
在しない領域の画像強度が異なると仮定できる。解析エ
リア内に試料が存在すると、図１３(a)に示す様に画像
強度のヒストグラムは複数のピークを持つ。図１３(b)
に示す様に解析エリア内に試料が存在しないと、照射電
子電流密度の分布等によって画像強度に多少の変動はあ
るが、ピークは１つしか存在しない。従って画像強度の
ヒストグラムに存在するピークの数によって、ウィルス
の有無を判断できる。フーリエ変換像を用いる判断で
は、フーリエ変換像における高周波成分の割合で判断す
る。図１７(b)に示す様に解析エリア内に試料が存在し
ないと、そのフーリエ変換像には低周波成分しか存在し
ないが、生物試料の様に微細な構造を持つ試料が存在す
ると、フーリエ変換像における高周波成分の割合が増加
する（図１７(a)）。低周波成分に対する高周波成分の
割合が一定値以上になると、解析エリア内に試料が存在
すると判断できる。

【００４１】１辺が30μmホールでは対角線の距離が42
μmであるので、試料ホルダが1°傾斜していたとすると
ホール内で0.74μm焦点ずれが発生する。TEM像のコント
ラストは焦点ずれに敏感であり、サブミクロン焦点ずれ
があると画像コントラスト変化や画像ボケが発生するの
で、ウィルス検査は常に一定のフォーカスで撮影された
像で行う必要がある。ウィルス検査を開始する前に、サ
ブミクロン精度の焦点補正を行う必要がある。

【００４２】この焦点補正における焦点解析に、視差を
利用した焦点解析法を適用する。電子線を光軸とほぼ平
行な第１の角度から入射して撮影した第1のTEM像と、光
軸から角度αだけ傾斜させた第２の角度から入射して撮
影した第2のTEM像を用いる。図４に示す様に、焦点がず
れていると第1のTEM像と第2のTEM像では画像の位置ずれ
が発生する。焦点ずれFと視差による位置ずれDにはD=M
α(F+Csα²)の関係がある。倍率M、振り角αは操作者が
設定する。球面収差係数Csは装置に固定であるので、画
像ペア間の位置ずれDが測定できれば焦点ずれFを特定で
きる。視差による位置ずれ解析法としては、従来、相互
相関法や最小2乗法などが用いられてきたが、位置ずれ
解析法は解析精度が1画素以下にはならず、十分な焦点
解析精度が得られなかった。本発明はこの位置ずれDの
解析にフーリエ変換像の位相差解析に基づく解析法を適
用した事を特長としている。図１に示す様に、対物レン
ズ14の上部に設けられた電子偏向コイル13を用いて試料
に対する電子線の入射角度を変化させた第１と第２のTE
M像を電子線検出器17を用いて撮影する。撮影された第
１と第２のTEM像はフーリエ変換像の位相差解析に基づ
く位置ずれ解析用演算器20に送信され、解析結果である
位置ずれDが計算機19に送られる。計算機19では位置ず
れDから焦点ずれFを計算し、目的の焦点に設定するため
に必要な対物電流Iobjを求め、それを元に対物レンズ14
の焦点を補正する。

【００４３】図５に本発明に適用した位置ずれ解析法の
説明図を示す。位置ずれD=(dx,dy)のある画像ペアS1(n,
m)=S2(n+dx,m+dy)を仮定し、S1(n,m), S2(n,m)の2次元
離散的フーリエ変換をS1’(k,l), S2’(k,l)とする。フ
ーリエ変換にはF{S(n+dx,m+dy)}=F{S(n,m)}exp(idxk+id
yl)の公式があるので、S1’(k,l)=S2’(k,l)exp(idxk+i
dyl)と変形できる。つまりS1’(k,l)とS2’(k,l)の差は
位相差exp(idxk+idyl)=Ｐ’(k,l)で表現される。Ｐ’
(k,l)は周期が(dx,dy)の波でもあるので、位相差画像
P’(k,l)を逆フーリエ変換した画像P(n,m)には(dx,dy)
の位置にδ的なピークが発生する。画像P(n,m)にはδ的
なピークのみが存在すると仮定できるので、δ的なピー
クの強度の重心を計算すれば、δ的なピークの位置が小
数点を含んでいても正しく位置が求められる。

【００４４】画像P(n,m)全体の強度を規格化した後、δ
的なピークの強度を計算すると、雑音成分つまり画像ペ
ア間で共通部分が多い場合はピーク強度が弱く、雑音成
分つまり共通部分が少ないとピーク強度は強くなる。こ
のピーク強度を相関値として明示すれば、操作者は雑音
成分比つまり解析結果の信頼性を同定する事ができる。
自動補正装置では全てのエリアで必ず正しい解析が行わ
れる保証はない。そこで相関値の下限値を設定し、計算
された相関値が下限値以下であれば対物レンズの調整は
行わず、解析エリアの番地と共に相関値を記録してお
く。例えば試料ステージ移動中の誤動作によってメッシ
ュの位置がずれた場合、ホール23の端には取り込まれた
TEM像の半分以上がメッシュ22になってしまい、画像ペ
アの共通部分が減少したため、解析不能となる解析エリ
アの列ができる。操作者は自動検査終了後、解析不能と
なった解析エリアの分布から、試料ステージの誤動作に
よって解析エリアにメッシュが混入した事、及びどの時
点でステージの誤動作が発生したかを推測する事ができ
る位置ずれ量Ｄが解析できたら、D=Mα(F+Csα²)の関係
を用いて焦点Fを計算し、設定されたオプティマムフォ
ーカスにするために必要な電流を求め、対物レンズ電流
の調整を行う。対物レンズ補正後、再び視差による焦点
解析を行い、その位置ずれ解析における相関値と対物レ
ンズ電流を解析エリアの番地と共に記録すると、検査状
態を更に詳しく記録する事ができる。オプティマムフォ
ーカスにおける対物レンズ電流から試料の高さ分布を求
める事ができる。また同じ位置ずれDで計算された相関
値を用いると、シャープネス等の画質を比較する事もで
きる。

【００４５】焦点補正終了の後、図１４に示すフローに
従いウィルス検査を実行する。検査用のTEM像を新たに
撮影しても良いが、オプティマムフォーカスで撮影した
入射電子線角度1におけるTEM像がすでに記録されている
ので、これをウィルス検査に用いると撮影時間の短縮に
なる。ウィルス検査では、まずTEM像を2値化し、連結成
分を求め、領域のラベル付けを行う。次に各ラベル領域
の面積を計算し、面積一定値以下の領域は雑音と判断し
消去する。次に各ラベル領域の円形度やモーメント等を
計算し、真円に近いと判断された領域をウィルスと認定
し、その面積から直径を計算する。ウィルスの個数と各
々の直径は先程と同様に解析エリアの番地と共に記録す
る。

【００４６】１つの解析エリアで検査が終了すると、試
料ステージ18を用いて試料を移動させ、次の解析エリア
の検査を開始する。試料ステージ18の微動精度は位置決
め精度とバックラッシュによって記述される。試料ステ
ージ移動方向一定における移動精度が位置決め精度であ
り、方向転換における滑り距離がバックラッシュであ
る。現在の製品では位置決め精度は約1.2nm、バックラ
ッシュは約0.02μmに達している。解析エリアの大きさ
が30μmであれば、試料移動は試料ステージ18にて実行
可能である。

【００４７】但し試料ステージ18を移動させると、ステ
ージ移動停止の信号を受けた後も、試料ステージ18の惰
性による試料ドリフトが発生する。視差を利用した焦点
解析では、視差による位置ずれDに試料ドリフトによる
位置ずれDsが混入すると、焦点解析精度が低下する。そ
こで第１のTEM像を撮影した時刻とは異なる第２の時刻
において、第１の入射電子線角度で撮影された第３のTE
M像を用いる。第１のTEM像と第３のTEM像の位置ずれ量
より試料ドリフトを計算する。この位置ずれ解析もフー
リエ変換像の位相差解析に基づく位置ずれ解析法で行
う。視差による位置ずれDと同等の解析精度で試料ドリ
フトによる位置ずれDsを解析しなければ、焦点解析精度
の劣化となる。また試料ドリフトの測定は短時間で実行
する必要があり、試料ドリフトによる位置ずれ量は非常
に小さい。解析精度が１画素の大きさで制限される従来
の位置ずれ解析法では、明らかに精度不足である。第１
と第２のTEM像における位置ずれ量より、試料ドリフト
による位置ずれDsを差し引く事により、視差による位置
ずれDを求める事ができる。更に試料ドリフトによる位
置ずれDsを相殺するように結像系電子偏向コイル16を動
作させる自動ドリフト補正を実行する事により、ドリフ
トによる取り込み画像のボケも除去できる。

【００４８】焦点解析に障害を与える様な試料ドリフト
は、電子顕微鏡の電源投入後、鏡体の温度ムラや電子銃
が安定するまでの時間や、移動中の試料ステージ18を停
止させた直後等、ある程度予測可能である。取り込み画
像枚数を増加させると検査効率が低下するので、ドリフ
ト補正用の第３のTEM像を取り込む観察条件を予め指定
しておき、指定された観察条件では第１、第２のTEM像
と共に第３のTEM像を撮影し、ドリフトの影響を除去す
る。ドリフトが低減される、つまり第１のTEM像と第３
のTEM像の位置ずれ量が０に近づいた後は、第１と第２
のTEMのみ撮影するアルゴリズムとすれば、必要最小限
の枚数のTEM像で正確な焦点補正が行える。

【００４９】試料ステージ18の移動の度に試料ドリフト
補正用の画像である第３のTEM像を取り込むと検査の効
率を劣化させるので、試料ステージ18で移動するのはホ
ール間の移動のみとし、解析エリア間の移動は結像系電
子偏向コイル16にて行う。ステージ移動の惰性による試
料ドリフトの補正は、ホール間の移動時のみとなるので
第３のTEM像の取り込み枚数はかなり削減される。その
他、結像系電子偏向コイル16による解析エリア移動が必
要な場合としては、解析エリアが小さく分割されている
ため、試料ステージ18の微動精度では解析エリアの移動
に関しては精度不足となるため、解析エリア間の移動は
結像系電子偏向コイル16で行う、等がある。

【００５０】なおホールの大きさが結像系電子偏向コイ
ル16で追従できない程広範囲である場合、試料ステージ
18をほぼ一定速度で移動させ、結像系電子偏向コイル16
を用いて試料ステージ移動速度とほぼ同じ速度でイメー
ジシフトさせる方法もある。図１８(c)に、解析エリア
の移動を試料ステージ移動とイメージシフト移動を併用
させた場合の観察視野の位置、結像系電子偏向コイル16
設定位置、試料ステージ18設定位置を時間経過を示す。
TEM像撮影に要する時間をT_C、試料ステージによる視野
移動に要する時間をT_S，結像系電子偏向コイル16による
視野移動に要する時間をT_Iとする。試料ステージ18によ
る視野移動では、バックラッシュやステージ移動の惰性
の影響があるため高速化には上限があり、結像系電子偏
向コイル16による視野移動よりも高速化する事は出来な
い。試料ステージ18のみで視野移動を行うと、図１８
(a)に示す様に検査時間が長くなってしまう。一方結像
系電子偏向コイル16は移動範囲が狭いという問題点があ
る。図１８(b)に示す様に、結像系電子偏向コイル16の
移動範囲を超えた場合は試料ステージ18で試料を移動さ
せる必要がある。そこで図１８(c)に示す様に、試料ス
テージ18をほぼ一定速度で移動させ、結像系電子偏向コ
イル16によるイメージシフトで試料ステージの移動を相
殺させれば、試料ステージ18が移動しているにもかかわ
らず、各解析エリアの静止画を撮影する事が出来る。広
範囲の視野移動を、試料ステージ18のバックラッシュや
惰性の影響を受けずに高速に実行する事ができる。

【００５１】各解析エリアの検査が始まる時点における
結像系電子偏向コイル16の設定位置がほぼ一定である方
が、広範囲の解析を行える(図18参照)。各解析エリアで
実行される補正及び検査に要する時間Tを計算し、その
時間で試料ステージ18の次の解析エリアへの移動が終了
するように、試料ステージ18の移動速度を設定する。決
定された試料ステージ18の移動速度を相殺するように、
結像系電子偏向コイル16によるイメージシフトを制御す
る。試料ステージ18による移動速度と結像系電子偏向コ
イル16による移動速度を一致させるために、観察視野の
位置ずれ解析をフーリエ変換像の位相差解析に基づく位
置ずれ解析法で行う。図２６に示す様に、各解析エリア
の検査時間Tの間に第１の時刻と第２の時刻を設定し、
第１の時刻における第１のTEM像と第２の時刻における
第３のTEM像を、電子線検出器17を用いて撮影する。撮
影された第１と第２のTEM像はフーリエ変換像の位相差
解析に基づく位置ずれ解析用演算器20に送信され、解析
結果である位置ずれDが計算機19に送られる。計算機19
では位置ずれDから観察視野の移動速度を計算し、観察
視野の移動速度が０になるために必要が結像系電子偏向
コイル16設定値を求め、それを元に結像系電子偏向コイ
ル16を調整補正する。

【００５２】試料ステージ18は移動速度を一定とした方
が試料ステージ18の位置設定精度が高くなるので、各解
析エリアの検査時間Tは一定としたい。各解析エリア毎
に解析エリアの位置ずれ解析用の第３のTEM像を撮影す
ると位置ずれ補正精度及び焦点解析精度は向上するが、
検査の効率が劣化する。そこで試料ステージ18及び結像
系電子偏向コイル16を用いた観察視野移動の調整はウィ
ルス検査前の装置調整の段階で実行しておく。もしくは
ウィルス検査には不適当な解析エリアを予め指定し、該
解析エリアではウィルスは行わず、観察視野移動の調整
を行う様に設定しておく。通常の解析エリアでは観察視
野はほぼ停止していると仮定して検査を実行し、検査時
間の短縮を図る。

【００５３】検査中の表示項目は操作者が必要に応じて
選択する。例えば図１５に示す表示項目が用意されてい
る。に撮影したメッシュ22の像を解析エリアに分割した
画像を表示し、検査終了、検査中、未検査の解析エリア
を色分けして表示させ、現在の検査進行状態の把握や終
了時間の予測に利用する。また各解析エリアにおける検
査結果を順次表示させる表94や、検査結果の累積値を表
示するヒストグラム95も設けられている。また焦点解析
結果を表示するウィンドウも設けられており、画像ペア
の相関値や焦点解析結果を元に計算された試料の高さを
表示する。試料高さの基準点は検査前もしくは検査後に
試料内で適当な位置を選択し、resetボタン96を押す事
によって指定される。またウィルス検査に用いられるTE
M像の表示には、特定されたウィルスの位置と大きさを
示す円97を表示するレイヤ−が設けられている。操作者
はこれらのウィルス検査結果、焦点補正結果及びTEM像
を観察し、途中で異常が発見された場合は検査を中止さ
せることが出来る様になっている。また、ウィルス検査
結果、焦点補正結果及びTEM像の内、操作者が指定した
項目はメモリに記録されているので、検査終了後、相関
値や試料高さなどの情報から異常が予想される解析エリ
アの検査結果を表示させ、検査状態を確認する事もでき
る。

【００５４】検査終了後の解析結果の表示にもメッシュ
22を利用する。計測を行ったホールには解析エリアに分
割されており、表示項目を選択する事によって、各解析
エリアの解析結果をモノクロ若しくはカラーで色分けし
て表示する。例えば表示項目としてウィルス個数を選択
すると、図１６(b)の様に個数に応じて各解析エリアが
色分けされる。撮影された各解析エリアのTEM像は解析
エリアの番号を指定、例えば解析エリアの位置をダブル
クリックすると表示される様になっている。メモリに記
録されている項目の内、操作者が指定した表示項目が画
面に表示される。例えばTEM像の表示と共に、その解析
エリアでのウィルス検査結果、試料の高さ、相関値が表
示される(図１６(a))。

【００５５】試料の高さ分布や相関値は検査状態の把握
や検査結果の信頼性評価に利用できる。生物試料は通常
数10nm厚さに薄片化されており、ほぼ平坦と仮定でき
る。試料高さの変化は試料をのせたメッシュのソリや傾
斜に起因するものであり、試料の高さ分布をプロットし
た場合、ほぼ滑らかな曲面となるはずである。従って試
料高さが極端に変化している解析エリアは焦点解析の誤
動作が発生した、若しくは何らかの原因で試料薄膜が捲
れ上がったと推定される。いずれにしてもその解析エリ
アの検査結果の信頼性は乏しいと言える。例えば図１６
(c)に示す試料高さ分布では、領域25のみ試料高さが異
なっており、この領域での検査結果の信頼性の乏しいと
推定される。この領域の検査結果を除去するために、試
料高さが指定された範囲外となった解析エリアの検査結
果は用いない様にする事も出来る。つまり試料の高さ分
布を検査結果のフィルターとして用いる事が出来る。ま
た、試料の高さを基準にしたフィルターでは無く、高さ
分布から得られた曲率でフィルターを設定する事も出来
る。また図１６(d)に示す相関値分布が得られたとす
る。相関値はTEM像のシャープネスの評価に利用でき
る。生物試料では試料作製状態、例えば試料が厚いとオ
プティマムフォーカスで観察してもボケた画像しか得ら
れない。画像がボケていると相関値が低下すると共に、
2値化の際の誤差が大きくなるため、ウィルス直径の測
定精度が低下する。試料の高さ分布と同様、相関値分布
をフィルターとして利用し、相関値が低かった領域26で
の解析結果を用いない様にする事もできる。また相関値
からウィルス直径の測定誤差を見積り、該測定誤差をウ
ィルス直径分布図作成の際の重み関数として使用するこ
とも出来る。

【００５６】実施例３図１９は、本発明の実施例で使用する透過電子顕微鏡の
基本構成図である。電子銃11及びその制御回路11’、照
射レンズ12及びその制御回路12’、照射系電子偏向コイ
ル13及びその制御回路13’、対物レンズ14及びその制御
回路14’、投影レンズ15及びその制御回路15’、結像系
電子偏向コイル16及びその制御回路16’、電子線検出器
17及びその制御回路17’、試料ステージ18及びその制御
回路18’、制御ソフトと画像処理ソフトを搭載した計算
機19から構成される。各制御回路は計算機19の制御ソフ
トから送られる制御コマンドを受信し、制御が終了する
と計算機に返り値を送る。電子線検出器17はCCDカメラ
等、多数の画素から構成される電子線検出器17であり、
得られた画像信号は画像送信用のケーブルで計算機19の
記録装置もしくはフーリエ変換像の位相解析に基づく位
置ずれ解析用演算器20に高速に送信される。計算機19に
はフーリエ変換像の位相解析に基づく位置ずれ解析用演
算器20が接続されている。

【００５７】図３にTEM像撮影のフローチャートを示
す。まず電子銃11で発生し電子線に加速電圧を印加し、
電子ビームが光軸上を通過するように照射系電子線偏向
コイル13を用いて調整し、電子線検出器17に電子線が到
達する事を確認する。次に照射系レンズ12を調整した
後、試料21を挿入し、低倍で試料21のTEM像を確認した
後、TEM像コントラストを増加させるために光軸に対物
絞りを挿入する。投影レンズ15の倍率を増加させながら
観察視野を選択し、焦点補正を行い、必要なTEM像を撮
影する。

【００５８】この焦点補正における焦点解析に、視差を
利用した焦点解析法を適用する。電子線を光軸とほぼ平
行な第１の角度から入射して撮影した第1のTEM像と、光
軸から角度αだけ傾斜させた第２の角度から入射して撮
影した第2のTEM像を用いる。図１９図示の照射系電子偏
向コイル13を用いて故意に試料への電子線の照射角度を
変える機能をワブラーといい、これを用いることで焦点
ずれを視差に変換できる。そこでまず図２４を用い、ワ
ブラーの動作原理と視差が生じるメカニズムを説明す
る。図２４(a)には、試料が正焦点位置にあり(F=0)、電
子線が光軸に対し並行(α=0)に入射している場合の電子
光学図を示した。図中で電子線は紙面上方から矢印で示
した試料に入射している。試料中で電子線の一部は回折
され、例えば結晶性試料では図中に示したようにブラッ
グ条件を満たす特定の方向に散乱され、残りは方向を変
えずにそのまま透過する。試料下の対物レンズは通常の
光学凸レンズと同様の性質を持ち、電子線を収束する作
用を有する。従って、レンズ直下で同一散乱方向電子が
１点に収束する、いわゆる回折像面(後方焦点面)が形成
される。つぎに同一点で散乱・透過された電子が１点で
収束されるTEM像面が形成される。この時、レンズの投
影倍率Ｍに従い、試料はTEM像面ではＭ倍に拡大されて
いる。F=0、α=0の場合は、図２４(a)のようにTEM像面
の矢印像は光軸からの位置ずれが起きていない(Ｄ=0)。
一方、試料は正焦点位置にあるものの(F=0)、ワブラー
機能で電子線が角度αで斜め入射した場合、図２４(b)
のように電子線は対物レンズの中心軸からはずれた位置
で収束作用を受けるため、光学レンズ同様凸レンズ固有
の球面収差の影響を受け、視野ずれＤ=CsMα³が発生す
る。ここでCsはレンズの固有値である球面収差係数であ
る。最後に試料は正焦点位置になく、ワブラー機能で電
子線が角度αで斜め入射した場合、図２４(c)のように
位置ずれは更に増大する。焦点ずれ量をFとしたとき、
光軸に対して横方向には試料位置はαFずれるため、TEM
像面ではレンズ倍率Ｍで拡大され、MαF視差が生じるこ
とになる。従って、球面収差によるずれ量と合わせ、視
差はＤ=Mα(F+Csα²) で表される量となる。この式か
ら明らかなように、試料が正焦点位置になくても、α=0
ならば視差Ｄはゼロである。従ってこのようにワブラー
機能を用いてαの異なる２種の画像ペアを撮影すること
により、画像ペアの位置ずれ量Ｄから焦点ずれＦを特定
できる。なお、収差による視差(CsMα³)は焦点ずれで生
じる視差(MαF)より通常１桁以上小さいため、視差を最
小に抑えることで高精度な焦点補正が可能であり、ワブ
ラーでの焦点補正は視差がCsMα³以下に成れば完了と考
えて良い。

【００５９】画像ペアの位置ずれDはフーリエ変換の位
相成分を利用した解析法にて求める。この方法の説明図
を図5に示す。位置ずれD=(dx,dy)のある画像ペアS1(n,
m)=S2(n+dx,m+dy)を仮定し、S1(n,m), S2(n,m)の2次元
離散的フーリエ変換をS1’(k,l),S2’(k,l)とする。フ
ーリエ変換にはF{S(n+dx,m+dy)}=F{S(n,m)}exp(idxk+id
yl)の公式があるので、S1’(k,l)=S2’(k,l)exp(idxk+i
dyl)と変形できる。つまりS1’(k,l)とS2’(k,l)の位置
ずれは位相差exp(idxk+idyl)=Ｐ’(k,l)で表現される。
Ｐ’(k,l)は周期が(dx,dy)の波でもあるので、位相差画
像P’(k,l)を逆フーリエ変換した画像P(n,m)には(dx,d
y)の位置にδ的なピークが発生する。画像P(n,m)にはδ
的なピークのみが存在すると仮定できるので、δ的なピ
ーク強度の重心を計算すれば、δ的なピークの位置が小
数点を含んでいても正しく位置が求められる。

【００６０】画像P(n,m)全体の強度を規格化した後、δ
的なピークの強度を計算すると、雑音成分つまり画像ペ
ア間で共通部分が多い場合はピーク強度が弱く、雑音成
分つまり共通部分が少ないとピーク強度は強くなる。こ
のピーク強度を相関値として明示すれば、画像ペアの一
致度を評価する事ができる。

【００６１】図２５に示した装置を用い、図９に示すフ
ローチャートに従って焦点補正を実行する。まず試料ス
テージ18に備えられた試料微動機構で焦点解析を行う視
野を選択する。この選択には観察倍率や対物絞り径など
の設定も含める。次にオプティマムフォーカス、相関値
下限、振り角α及び補正回数の設定を図２に示すモニタ
画面を用いて行う。パラメータ設定終了の後、電子線検
出器17を用いて画像ペアを撮影する。第1のTEM像取り込
みを指示する信号を電子線検出器17が受信した後、画像
の取り込みを開始し、該画像取り込みが終了した事を示
す信号を照射系電子偏向レンズ制御回路13が受信した
後、入射電子線の角度を第2の角度に変更し、該変更が
終了した事を示す信号を電子線検出器17が受信した後、
第2の画像の取り込みを行う。撮影した画像ペアから解
析画像P(n,m)を計算し、位置ずれに対応したピークを特
定する。位置ずれに対応したピークが特定できたら、該
ピークから位置ずれDを求め、算出されたD値を制御ソフ
ト及び画像処置ソフトを搭載した計算機19に転送する。
ここで、D=Mα(F+Csα²)の関係を用いて焦点Fを計算
し、焦点Fに対応した補正すべき対物電流値Iobjを算出
し、この値を対物レンズ制御回路14’へ転送し、対物レ
ンズ電流の調整を行う。

【００６２】ここでは、上記の焦点補正を用いた電子顕
微鏡によるウィルスや半導体メモリの不良検査の実施例
を示す。電子顕微鏡は原子レベルの分解能を持ち、試料
構造に起因した様々なコントラストが得られるため、生
物・非生物を問わず様々な対象試料の観察が成されてい
る。そうした中で光学顕微鏡ではサイズが小さいため評
価できないエイズやインフルエンザといったウィルスに
ついては、多数の患者についての感染の有無をウィルス
の有無を高速に判定する必要がある。こうした要求に対
しては従来人間がマニュアルで動作する電子顕微鏡に試
料を挿入し、目視にて評価を行っていた。同様の例が、
半導体メモリにおける不良検査である。適宜抜き取り、
観察可能な形状に加工した試料は、電子顕微鏡にセット
され、観察される。しかし近年の高集積化に伴い、観察
視野は飛躍的に増大し、人間がマニュアルで不良を発見
するのは限界となってきている。加えて、多くの試料は
平坦でないこと、試料が常に電子線に垂直な面に設置さ
れるとは限らないことから、次々と観察視野を変えてい
くと、焦点が外れていってしまうため、その都度、焦点
補正が必要であり、検査工程の自動制御による観察のス
ループット向上がきわめて重要になってきている。そこ
で、本出願の自動焦点補正機能を活用し、初めに図20を
用い、ウィルスの検査の例を示す。撮影した2枚の画像
から実施例１同様位置ずれDが算出され、次いで焦点ず
れFと、これに対応した対物電流Iobjが算出される。こ
れらの値を元に、直ちに対物レンズ14に補正が掛けら
れ、再度画像が撮影される。画像撮影は、試料微動と焦
点補正を数回繰り返し、目的の視野が画像に移されるよ
うになってから検査用として改めて画像を撮影してもよ
い。その後、予め摘出すべきウィルスについての登録し
てあった画像との比較を行う。ここでも位置ずれDを解
析したとき同様、２フーリエ変換像間の位相差解析に基
づく画像処理により形状の一致度を評価し、相関値を求
め、設定された相関値下限を上回った場合、ウィルスが
発見されたものとし、ウィルスの発見された試料ステー
ジ18のｘ、ｙ座標を登録したり、試料番号を登録する。
また、観察視野にウィルスが発見されなかった場合は視
野を変更する。この時、視野変更は試料ステージ18にお
けるx、y、z微動機構を動作させるほか、結像系電子偏
向コイル16により電子線位置を移動させてもよい。ま
た、電子線検出器17の電子顕微鏡への取り付け部分に微
動機能を設けることにより、電子線検出器17を移動させ
てもよい。このように、試料位置の変化やドリフト補正
は、試料を透過した電子線の照射位置と電子線検出器の
相対位置を変化させることに他ならず、場合により使い
分けることが可能である。焦点補正についても同様に複
数の方法が存在し、前記実施例では、焦点補正は対物電
流値を変化させ、焦点距離を変えることで実施したが、
位置ずれDを検出した結果、試料ステージ18を用い、試
料の位置、例えば焦点位置なら電子線入射軸方向に試料
を微動することでも焦点補正が可能である。これは図20
中の焦点ずれF算出後、試料ステージｚを移動させたフ
ローで示した通りである。また試料ドリフトの場合、位
置ずれDに対応して、電子線入射方向に垂直面内で試料
ステージ18を移動させてもよいし、電子線検出器17の設
置位置を微動してもよい。

【００６３】次ぎに半導体評価例を図21を用いて説明す
る。電子線検出器17から転送される典型的なメモリセル
の上から観察した像（いわゆる平面像）は図中下部のよ
うな状態である。半導体パターンは通常このように一定
形状のパターンが規則的な配列をしているものが多い。
そしてこの中の極一部に不良である欠陥や異物に起因す
るコントラストが混入している。図21中でも、パターン
周辺に線状の欠陥や、丸型異物が観察されている。初め
に既に記述してきた方法にて焦点を補正し、次に登録パ
ターンと比較をする。ここで比較法の一例を図22を用い
て説明する。検査すべきパターンが規則的に配列してい
ることを利用し、パターン間隔の視野サイズをトリミン
グして切り出すことにする。従って、登録画像も同一サ
イズの画像が適当である。ここでウィルス同様の形状の
一致度を評価し、相関値が設定下限値を上回った場合、
対応するメモリ番地を登録する。次ぎにトリミング位置
を変え、同様の形状一致度を評価していく。こうして撮
影した像全面の検査が終了したら、試料ステージ18や結
像系電子偏向コイル16により視野を変え、焦点を再度補
正した後同様の検査を行う。上記では、初めに電子線検
出器で撮影した像中には複数のメモリセルパターンが含
まれていたが、評価する欠陥が小さい場合や、コントラ
ストが弱いことも考えられ、観察倍率を十分に取る必要
があることもある。この時は電子顕微鏡倍率を高め、初
めからメモリセル1個分の像を撮影し、トリミングなし
に登録画像と１対１で比較しても良い。図22ではトリミ
ング位置は試料左から右に移動しているが、図23のよう
に、様々な検査順番がありえる。これは試料ステージの
微動性能や偏向コイルの偏向精度にあわせて設定すべき
である。

【００６４】更に、本明細書実施例は透過電子顕微鏡(T
EM)を用いた例について記述したが、走査電子顕微鏡(SE
M)、走査透過電子顕微鏡(STEM)、イオン顕微鏡(SIM)等
の電子、イオン等の荷電粒子線を用いた像観察装置に広
く応用可能である。

【００６５】実施例４試料台を連続移動して試料を観察又は検査する装置に於
いて、試料台が５ｍ／Ｓ以上(チェック要)の高速となる
と振動、速度ムラレールの精度による誤差により所定の
速度で移動することが相当難しくなる。このような場合
本願発明の如く、第１の荷電粒子線その物がプローブと
なりこのプローブを試料に照射し試料からの第２の荷電
粒子線を検出して得られた複数の画像から目的の位置と
の誤差を位相限定法により算出し次の検査する試料の画
像を取得するまでの間に試料台又はプローブを偏向する
偏向器にフィードバックすることにより解決を図ること
が可能である。これにより連続して移動する試料の検査
の誤判定を減少することが可能となる。具体的には、プ
ローブである第１の荷電粒子線を収束し偏向器及び対物
レンズを介して試料の所定領域を走査し、試料からの第
２の荷電粒子線を検出器で検出しアナログ信号からデジ
タル信号に変換したのち記憶手段に記憶する。記憶開始
点は常に一定とし、時間管理又はステージからの信号又
は試料上のマークにより動作させる。第１の画像を取り
込んだ後所定時間後第２の画像を取り込む。この第１と
第２の画像をフーリエ変換し位相差を求めて逆フーリエ
変換して原点位置からのズレを記憶手段のアドレス量か
ら求め試料台の制御部又は偏向器へ帰還する事により試
料台の移動時の誤動作による第１の画像と第２の画像と
の比較時誤判定を減少させることが可能となる。

【００６６】

【発明の効果】焦点ずれFの解析精度は位置ずれD解析精
度と比例関係にある。従来焦点補正システムに用いられ
てきた位置ずれ解析法では、解析精度は原理的に電子線
検出器17の１画素のサイズ以下にはならないが、本解析
法の採用により画素サイズ以下の解析精度が得られるよ
うになるので、熟練したオペレータと同等の精度での焦
点補正が可能となる。なお、焦点解析精度を向上させる
ために位置ずれ解析に解析に用いる画像を細かくする等
の装置性能向上を行うと、解析時間や装置コストが増加
してしまうが、位置ずれ解析法変更により位置ずれ解析
精度を向上させる本発明では、解析時間や装置コストを
維持したまま、焦点解析精度を向上させる事ができる。

【００６７】更に画像ペアの一致度が相関値として明示
されるので、操作者は出力された解析結果の信頼性を確
認する事ができる。相関値の下限を設定し、計算された
相関値が前記下限値以下であればレンズ調整は行わない
様にすれば、誤動作防止になる。また自動検査装置にお
いて、焦点解析における相関値及び焦点解析結果を記録
しておけば自動補正が正常に実行されているかを後で検
証する事ができるので、無人で動作させる事も可能にな
る。

【００６８】更に本発明で用いた位置ずれ解析法は画像
の位相成分を用いる方法であるので、バックグラウンド
の変化の影響を受け難く、絞りの影が混入したとしても
画像ペアに十分な共通部分があれば解析可能である。TE
M調整が多少不備であっても動作可能であるので、TEM操
作に不慣れな操作者の利用も可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】視差を利用した自動焦点補正工程を示す説明
図。

【図２】焦点補正におけるパラメータ設定及び解析結果
表示用画面の概略図。

【図３】TEM像撮影の工程を示すフローチャート。

【図４】視差を利用した焦点解析法の原理説明図。

【図５】位置ずれ解析の計算過程を示す説明図。

【図６】TEM用電子線検出器17の基本構成図。

【図７】解析画像におけるピークの位置及び強度を示す
説明図であり、(a)は試料構造のコントラストが高い場
合、(b)は試料構造のコンントラストが低い場合、(c)は
試料構造の位置ずれが小さい場合を示す。

【図８】解析画像から位置ずれに対応したピークを特定
する工程を示すフローチャートであり、(a)は原点マス
クを利用する工程、(b)は２つのピークを出力させる工
程である。

【図９】焦点補正の工程を示すフローチャート。

【図１０】TEMを用いた自動検査工程を示すフローチャ
ート。

【図１１】メッシュ22の方向と形状を解析し、解析エリ
アを指定する工程を示す説明図であり、(a)低倍で撮影
されたメッシュ22のTEM像、(b)２値化、ラベル付けした
画像、(c)ホール23の重心24の位置関係とメッシュ22の
方向を示す図、(d)指定されたホール23が解析エリアに
分割された状態を示す図である。

【図１２】メッシュの方向と形状を解析する工程を示す
フローチャート。

【図１３】TEM像内の試料の有無を判定する方法を示す
説明図であり、(a)は試料が存在する場合の、(b)は試料
が存在しない場合のTEM像とその画像強度ヒストグラム
である。

【図１４】解析エリア内でのウィルス検査の工程を示す
フローチャート。

【図１５】自動検査におけるパラメータ設定及び検査経
過の表示に用いる画面の概略図。

【図１６】自動検査の結果を表示する画面の概略図。

【図１７】TEM像内の試料の有無を判定する方法を示す
説明図であるり、(a)は試料が存在する場合の、(b)は試
料が存在しない場合のTEM像と、そのフーリエ変換像に
おける高周波成分割合を示す説明図。

【図１８】解析エリアの移動を(a)試料ステージ18によ
る試料移動で、(b)結像系電子偏向コイル16によるイメ
ージシフトで、(c)試料移動とイメージシフトで行う場
合の、観察視野の位置、イメージシフトの設定位置、試
料の設定位置を時間経過を示す説明図である。

【図１９】本発明で用いる電子顕微鏡の概略図。

【図２０】TEMを用いたウィルス検査の検査工程を示す
説明図。

【図２１】TEMを用いた半導体評価の評価工程を示す説
明図。

【図２２】TEM像から検査対象パターンをトリミング
し、各パターンを比較する工程を示す説明図。

【図２３】試料ステージ18や結像系偏向コイル16にによ
る検査視野を変える際の、検査順序を示す説明図。

【図２４】視差を利用した焦点解析法の原理説明図であ
り、(a)正焦点位置にある試料に入射電子線を並行照射
した場合、(b)正焦点位置にある試料に入射電子線を斜
め照射した場合、(b)正焦点から外れた位置にある試料
に入射電子線を斜め照射した場合の電子光学図である。

【図２５】視差を利用した自動焦点補正工程を示す説明
図。

【図２６】試料の位置ずれを結像系電子偏向コイル16で
自動補正する工程を示す説明図。

【符号の説明】

11…電子銃、11’…電子銃制御回路、12…照射レンズ、
12’…照射レンズ制御回路、13…照射系電子偏向コイ
ル、13’…照射系電子偏向コイル制御回路、14…対物レ
ンズ、14’…対物レンズ制御回路、15…投影レンズ、1
5’…投影レンズ制御回路、16…結像系電子偏向コイ
ル、16’…結像系電子偏向コイル制御回路、17…電子線
検出器、17’…電子線検出器制御回路、18…試料ステー
ジ、81’…試料ステージ制御回路、19…制御ソフト及び
画像処理ソフトを搭載した計算機、20…フーリエ変換像
の位相差解析に基づく位置ずれ解析用演算器、21…薄膜
化した試料、22…メッシュ、23…ホール、24…ホールの
重心、25…試料高さが指定範囲外の領域、26…相関値が
一定値以下の領域、31…位置ずれに対応する第１ピー
ク、32…検出器固定パターンによる第２ピーク、33…原
点マスク適用前の強度最大のピーク、34…原点マスク適
用後の強度最大のピーク、35…雑音成分、71…シンチレ
ータ、72…結合部分、73…CCDカメラ、91…連続焦点補
正実行ボタン、92…自動焦点補正用パラメータ初期化ボ
タン、93…焦点補正実行ボタン、94…検査結果表、95…
検査結果ヒストグラム、96…試料高さresetボタン、97
…検出されたウィルスの位置及び大きさを示す円。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長沖功茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者小林弘幸茨城県ひたちなか市市毛882番地株式会社日立製作所計測器グループ内Ｆターム(参考） 5C033 EE03 EE06 LL01 LL02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子銃と、前記電子銃からの第１の電子線
を収束するレンズと前記第１の電子線を偏向する偏向器
と、前記第１の電子線を試料に照射し試料からの第２の
電子線像を検出する検出器と、試料を保持する試料ステ
ージと、を備えた電子顕微鏡において、試料に入射する
電子線の角度を第１の入射角度及び第２の入射角度に設
定する手段と、第1の入射角度における第1の電子顕微鏡
像と第２の入射角度における第2の電子顕微鏡像を記録
する手段と、第1及び第2の電子顕微鏡像の画像処理行う
画像処理手段と、前記画像処理手段からの第１と第２の
画像の相関値を求める手段と、前記相関値が所定の範囲
内にあることを判定する手段と前記判定する手段の結果
に基づいて前記第１と第２の画像の解析画像に発生する
ピークから第1の電子顕微鏡像と第2の顕微鏡像の位置ず
れを解析する手段と、該位置ずれから求められた試料に
対する前記レンズの焦点位置を所定の焦点位置に設定す
る手段を具備することを特徴する電子顕微鏡。
【請求項２】前記第１の入射角度及び第２の入射角度に
設定する手段は、電子レンズ通過による電子線の角度変
化の記録を持ち、試料上での電子線入射角度が所望の値
になる様に、前記記録を参照して電子レンズ通過前の角
度を調整する手段を有することを特徴する請求項１記載
の電子顕微鏡。
【請求項３】前記第１の入射角度及び第２の入射角度に
設定する手段は、第1の電子顕微鏡像を記録している間
は電子線の入射角度を第1の入射角度に固定し、第1の電
子顕微鏡像の記録が終了した事を示す信号をすると入射
電子線を第2の角度に変更し、該変更が終了した事を示
す信号を受信すると第2の電子顕微鏡像の記録が終了す
るまで電子線入射角度を第2の入射角度に固定する手段
を含むことを特徴する請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項４】前記位置ずれを解析する手段は、解析画像
の強度を規格化した後計算されたピーク強度を第１の電
子顕微鏡像と第２の電子顕微鏡像の一致度を示す指標と
して表示若しくは記録する手段を含むことを特徴する請
求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項５】前記位置ずれを解析する手段は、該ピーク
の強度の下限値を指定する手段を持ち、ピーク強度が指
定された下限値以下であればピークの位置を計算しない
ことを特徴する請求項１記載の電子顕微鏡。
【請求項６】前記位置ずれを解析する手段は、第1の電
子顕微鏡像及び第2の電子顕微鏡像は試料構造を反映し
た第１のコントラストと電子線検出器の固定パターンを
反映した第２のコントラストを含み、第１のコントラス
トの位置ずれによる第１のピークと第２のコントラスト
の位置ずれによる第２のピークを含む前記解析画像から
第１のピークを判定する手段を含むことを特徴する請求
項１記載の電子顕微鏡。
【請求項７】前記第１のピークの位置を特定する手段
は、第２のピークの位置が既知である事を利用し、該発
生位置の強度をゼロ若しくは他の一定値に置換する手段
を含むことを特徴する請求項７記載の電子顕微鏡。
【請求項８】前記第１のピークの位置を特定する手段
は、解析画像内からピークを２つ特定し、第２のピーク
の位置が既知であり事を利用し、該第２のピークの位置
以外の位置に発生したピークを第１のピークと特定する
手段を含むことを特徴する請求項７記載の電子顕微鏡。
【請求項９】前記焦点位置に設定する手段は、電子顕微
鏡の各倍率のおける電子レンズの電流値と焦点位置の関
係の記録を参照し、試料に対する焦点位置を解析された
焦点位置から指定された焦点位置に変更するために必要
な電流値を設定する手段を含むことを特徴する請求項１
記載の電子顕微鏡。
【請求項１０】レンズ及びその制御装置と、偏向器及び
その制御装置と、検出器及びその制御装置と、試料ステ
ージ及びその制御装置を備えた電子顕微鏡において、試
料に入射する電子線の角度を第１の入射角度及び第２の
入射角度に設定する手段と、第1の入射角度における第1
の電子顕微鏡像と第２の入射角度における第2の電子顕
微鏡像を記録する手段と、第１の電子顕微鏡像と第２の
電子顕微鏡像の位置ずれを１画素未満の精度で解析する
手段と、該位置ずれから試料位置に対する電子レンズの
焦点位置及び解析結果の信頼性を表示若しくは記録する
手段と、試料に対する電子レンズの焦点位置を指定され
た焦点位置に設定する手段を具備したことを特徴する電
子顕微鏡。
【請求項１１】電子源と電子源からの一次電子線を集束
するレンズと、前記電子線を偏向する偏向器と、前記一
次電子線を試料に照射し試料からの２次の電子線を検出
する検出器と、試料ステージを備えた電子顕微鏡におい
て、試料に入射する電子線の角度を第１の入射角度及び
第２の入射角度に設定する手段と、第1の入射角度にお
ける第1の電子顕微鏡像と第２の入射角度における第2の
電子顕微鏡像を記録する手段と、第1及び第2の電子顕微
鏡像の実空間から周波数空間に変換した変換像の合成画
像に実空間から周波数空間に変換した若しくは周波数空
間から実空間へ変換を施した解析画像に発生するピーク
から第1の電子顕微鏡像と第2の電子顕微鏡像の位置ずれ
を解析する手段と、該位置ずれから試料位置に対する電
子レンズの焦点位置及び解析結果の信頼性を表示若しく
は記録する手段と、試料に対する電子レンズの焦点位置
を指定された焦点位置に設定する手段を持ち、焦点補正
を繰り返しに実行する指示を与える手段を具備したこと
を特徴する電子顕微鏡。
【請求項１２】レンズ用いて第１の電子線を集束し前記
集束した電子線を偏向し試料に照射し、前記試料から透
過した第２の電子線を検出する検出器と、試料を保持す
る試料ステージを備えた電子顕微鏡において、第１の時
刻から撮影した第1の電子顕微鏡像と第２の時刻から撮
影した第３の電子顕微鏡像を記録する手段と、第1及び
第３の電子顕微鏡像の直交変換像の合成画像に直交変換
若しくは2次元離散的逆フーリエ変換を施した解析画像
に発生するピークから第1の電子顕微鏡像と第３の電子
顕微鏡像の位置ずれを解析する手段と、該位置ずれから
解析された試料移動速度び解析結果の信頼性を表示若し
くは記録する手段と、該試料移動を相殺する手段を具備
したことを特徴する電子顕微鏡。
【請求項１３】前記試料移動を相殺する手段は、電子線
検出器に取り込まれる試料位置を電子偏向コイルによっ
て移動させる手段であることを特徴する請求項１２電子
顕微鏡。
【請求項１４】前記試料移動を相殺する手段は、電子レ
ンズに対する試料位置を試料ステージによって移動させ
る手段であることを特徴する請求項１２電子顕微鏡。
【請求項１５】電子源と前記電子源からの電子線を集束
するレンズと、前記レンズで集束された電子線を試料に
照射し、試料からの透過電子像をを検出するカメラ手段
と、透過電子像を偏向する偏向器と、試料ステージとを
備えた電子顕微鏡において、前記レンズに対する試料位
置を試料ステージによって移動させる手段と、前記透過
電子像を前記カメラ手段に取り込まれる試料位置を偏向
器によって移動させる手段を持ち、第１の時刻から撮影
した第1の電子顕微鏡像と第２の時刻から撮影した第３
の電子顕微鏡像を記録する手段と、第1及び第３の電子
顕微鏡像のフーリエ変換像の合成画像にフーリエ変換若
しくは逆フーリエ変換を施した解析画像に発生するピー
クから第1の電子顕微鏡像と第３の電子顕微鏡像の位置
ずれを解析する手段と、試料ステージによって前記レン
ズ内の試料位置が移動しても、前記カメラ手段に取り込
まれる試料位置が変化しないように偏向器を用いて調整
する手段を有することを特徴する電子顕微鏡。
【請求項１６】荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの第
１の荷電粒子線を制御するレンズ手段及び偏向コイル手
段と、試料を保持する試料台と、前記試料台を制御する
制御手段と、前記第１の荷電粒子線による試料への照射
によつて発生した第２の荷電粒子線像を検出する検出器
から成る荷電粒子線装置において、前記検出器からの像
信号で複数画像を取得し記憶する記憶手段と、前記複数
の画像に対しフーリエ変換した後、該画像間の位相差を
求めて逆フーリエ変換もしくは逆フーリエ変換をする演
算手段と、前記検出器に取り込まれる前記荷電粒子線像
の試料内の位置を制御する前記偏向コイル手段又は前記
制御手段又は前記検出手段のいずれかに帰還することを
特徴する荷電粒子線装置。
【請求項１７】電子線装置と、前記電子線装置内に配置
されたカメラ手段と、前記カメラ手段に接続された画像
処理手段を有し、第１の荷電粒子線を試料に照射して、
試料からの第２の荷電粒子線から第１の画像取得信号を
前記画像処理手段に送出する工程と、前記画像処理手段
から第１の取得完了信号を受ける工程と、前記画像処理
手段へ第２の画像取得信号を送出する工程と、前記画像
処理手段から前記第１と第２の画像の相関値と位置ずれ
量が出力され、前記位置ずれを補正する補正信号を出力
するか否かを前記相関値より判定する工程と、該判定工
程に基づいて前記電子線装置へ補正信号を出力するプロ
グラムを内蔵した記録媒体。
【請求項１８】試料を保持する試料ステージと、前記試
料ステージを移動させる制御手段を有し、第１の荷電粒
子線を試料に照射し、試料からの第２の荷電粒子線を検
出する検出手段と、前記検出手段からの信号に基づいて
画像形成する手段と、を有し前記ステージ移動による視
野移動を相殺するごとく制御される偏向手段をもうけた
ことを特徴とする電子線装置。
【請求項１９】試料を保持する試料ステージと、前記試
料ステージを移動させる制御手段を有し、第１の荷電粒
子線を試料に照射し、試料を透過した第２の荷電粒子線
像を検出する検出手段と、を有し前記ステージ移動によ
る視野移動を相殺するごとく制御される偏向手段をもう
けたことを特徴とする電子線装置。
【請求項２０】荷電粒子源と、前記荷電粒子源からの第
１の荷電粒子線を制御するレンズ手段と、試料を保持す
る試料台と、前記第１の荷電粒子線のによる試料への照
射によつて発生した第２の荷電粒子線像を検出する検出
器と前記検出器からの第２の荷電粒子像を表示する表示
手段とから成る荷電粒子線装置において、前記試料台を
連続移動制御する制御手段と、前記試料台の第１の試料
へ前記第１の荷電粒子線を照射して焦点の合っていない
第２の荷電粒子像が前記第２の試料の第２の荷電粒子像
を得る迄に焦点の合った第２の荷電粒子像を得ることを
特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２１】試料を試料ステージに設定する工程と、
前記試料ステージを移動させる工程と、第１の電子線を
移動する試料に相対的に移動が相殺される如く偏向器を
制御する工程と、前記試料からの第２の電子線の像を撮
像する工程と、前記撮像した像を複数取得し記憶する工
程と、前記複数の像から画像処理により画像間の相関を
求める工程及びズレ量を求める工程と、前記相関値に基
づきと前記試料ステージまたは前記偏向器へ帰還をする
工程とを有する電子線顕微方法。