ＳＥＭの操作装置
【目的】本発明は、走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置に関し、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などに用いたりすることを目的とする。
【構成】走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、操作手段により機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに調整後の状態を表示する表示手段と、検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、実機の機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段とを備える。
【構成】走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、操作手段により機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに調整後の状態を表示する表示手段と、検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、実機の機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置であって、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＳＥＭの構成について図６を用いて説明する。
【０００３】
図６において、電子銃３１より放射された電子線ビーム３７を電磁レンズや静電レンズを用いて試料３８上にに縮小集束し、かつ電子線ビームを偏向器３４で偏向して試料３８上で平面走査し、当該試料３８から放出された２次電子などを検出器３６で検出・増幅し、図示外の表示装置上に画像を表示する。
【０００４】
この従来のＳＥＭにおける手動によるフォーカス合わせや倍率指定などの操作は、手動操作盤上４１で行い、電源の出力値をボリュームや押しボタンやセレクタ切り替えスイッチ等の手動操作で調整（可変）して行っている。
【０００５】
この手動操作で調整しているときの対応するレンズの強さ状態などを直接に観察することができないので、どのような電子線ビームの形態であるかは想像するしか方法がなく、陽に知ることはできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＳＥＭでは、上述したように、図６の手動操作盤４１上で対物レンズ３５に対応するボリュームなどを調整して図示外の表示装置上に表示された画像が鮮明になるように調整することを行っており、そのときに実機である対物レンズ３５の状態がどのような形態にあるか可視化して認識できないという問題があった。
【０００７】
また、その他の各種調整にしても、図示外の表示装置上の画像を見ながら行うしか方法がなく、実機のＳＥＭの各レンズなどがどのような動作状態にあるが、更にそのように変化したのかなどを可視化して表示できなく、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などには使えないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するため、走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置において、走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図と、実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、操作手段により実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに調整された形状あるいは調整された位置に調整後の状態を表示する表示手段と、調整後の調整された形状あるいは調整された位置を検出する検出手段と、検出手段によって検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、実機の該当機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段とを備え、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整に対応して、実機の該当機能に所定の電圧あるいは電流を供給して制御するようにしている。
【０００９】
この際、機能の形状を調整するとして集束レンズの強さ、対物レンズの強さ、および電子線ビームの位置を調整するとして前記集束レンズあるいは前記対物レンズによって電子線ビームが光軸上に焦点合わせされる焦点位置のうちのいずれか１つ以上とするようにしている。
【００１０】
また、レンズを静電レンズあるいは磁界レンズとするようにしている。
【００１１】
また、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整について、微細に個別調整する可変手段を実機模式図上で該当機能に対応づけて表示するようにしている。
【００１２】
また、実機模式図上における各機能の形状に対応した機能の値をデジタルで表示するようにしている。
【００１３】
また、デジタルの値として、供給した電圧値あるいは電流値、焦点距離、倍率、結像位置のいずれか１つ以上とするようにしている。
【００１４】
また、実機により電子線ビームが試料にフォーカスされて平面走査されたときの信号を検出し、検出した信号をもとに画像を併せて表示するようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ＳＥＭの実機の機能を模式的に表現した実機模式図を表示し、当該実機模式図上で利用者が操作すると操作後の状態に再表示すると共に当該再表示に合わせて操作量を検出し、実機の対応する機能に対応する電圧／電流を供給すると共にそのときに検出された信号をもとに表示装置に拡大画像を表示し、レンズなどが可視化された実機模式図上で利用者がレンズなどの焦点距離、電子線ビームの焦点位置などを視覚的に調整する構成を採用しているため、自動的に実機のＳＥＭの調整を行うと共にそのときの画像を表示することが可能となる。
【００１６】
その結果、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、レンズなどが可視化された実機模式図上で利用者がレンズなどの焦点距離、電子線ビームの焦点位置などを視覚的に調整し、自動的に実機のＳＥＭの調整を行うと共にそのときの画像を表示することを実現した。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
【００１９】
図１の（ａ）は電磁型の実機を含めた全体の構成例を示し、図１の（ｂ）は静電型の実機の部分の構成例を示す。
【００２０】
図１において、操作表示系１は、走査型電子顕微鏡の実機の模式図（実機模式図１７）を表示操作画面１６に表示し、実機２，２’を操作するものであって、ここでは、実機支援ソフト１１、表示操作画面１６、処理装置１９、マウス／キーボード２０などから構成されるものである。
【００２１】
実機支援ソフト１１は、キャラクタ・ジェネレータ１２、変換器１３，１４、制御手段１５などから構成されるものであって、ここでは、プログラムに従い各種制御を行うものであり、表示操作画面１６に表示された実機模式図１７（実機の機能や電子線ビームの軌跡を表現した実機模式図）上で実機２，２’の機能の調整や電子線ビームの位置の調整がマウス／キーボード１９により指示されると、いずれが調整されたかを検出し、検出された機能あるいは電子線ビームの位置に対応する実機２，２’の機能に供給する電圧あるいは電流あるいは走査電圧／走査電流を算出し、実機２，２’の該当機能に供給し、実機２，２’を制御すると共に、実機２，２’で検出された検出信号をもとに表示操作画面１６の画像１８として表示したりなどするものである。
【００２２】
キャラクタ・ジェネレータ１２は、表示操作画面１６の実機模式図１７上に各種キャラクタなどを表示、例えば後述する図２の（ａ）の実機模式図１７、図４、図５を表示するものである。
【００２３】
変換器１３は、電流／電圧からレンズの焦点距離などを数式を用いあるいはテーブル（実験で両者の関係を予め求めて設定したテーブル）を参照して変換するものである（後述する）。
【００２４】
変換器１４は、レンズの焦点距離などからレンズに供給する電流／電圧を数式を用いあるいはテーブル（実験で両者の関係を予め求めて設定したテーブル）を参照して変換するものである（後述する）。
【００２５】
制御手段１５は、プログラムに従い各種制御を行うものであって、表示操作画面１６の実機模式図１７上で機能の調整あるいは電子線ビームの位置の調整などがマウス２０によりドラッグなどされて調整されると、これを検出して調整後の実機模式図１７を作成して表示すると共に実機２，２’の該当機能に供給する電圧／電流などを算出して電源１５に送信し、実機２，２’を制御したり、更に、実機２，２’で電子線ビーム２３が試料２２を平面走査したときに放出された信号を図示外の検出器で検出された検出信号をもとに表示操作画面１６の画像（例えばＳＥＭ画像）１８を表示したりなどするものである（図２から図５を用いて後述する）。
【００２６】
表示操作画面１６は、実機２，２’の模式図である実機模式図１７および実機２，２’で検出された検出信号をもとに試料２２の拡大された画像１８を表示したりなどするものである。
【００２７】
実機模式図１７は、走査型電子顕微鏡の機能および電子線ビームの軌道を分かりやすく模式的に表示したものである（図２から図５を用いて後述する）。
【００２８】
画像１８は、実機２，２’の図示外の検出器によって、電子線ビーム２３が試料２２を平面走査したときに放出された２次電子、反射電子などを検出・増幅し、表示操作画面１６の上に表示した画像（試料２２の拡大画像）である。
【００２９】
処理装置１９は、プログラムをもとに各種制御を行うもの（中央演算装置）である。
【００３０】
マウス／キーボード２０は、表示操作画面１６に表示された実機模式図１７上でレンズの強さを強くしたり（レンズを厚くする方向にドラッグ又は像点をレンズに近い方向にドラッグして強くしたり）などの入力指示を行ったり、各種データを入力したりなどする入出力装置の例である。
【００３１】
電源１０は、操作表示系１からの指示信号に従い、実機２，２’へ電圧、電流、走査電圧／走査電流などを供給する電源であって、例えばレンズ（集束レンズ、対物レンズ）に所定の電圧／電流、偏向器に所定の電圧／電流、電子銃に所定の高電圧、非点補正装置に所定の非点補正電流などを供給するものである。
【００３２】
実機（電磁型）２、実機（静電型）２’は、走査型電子顕微鏡の実機を模式的に表した電磁型あるいは静電型のものであって、電源１０から供給された電圧、電流、走査電圧／走査電流を受け取って各機能（集束レンズ、対物レンズ、偏向器、電子銃など）に供給し、電子線ビームを集束、偏向、焦点合わせ、平面走査などし、細く絞った電子線ビーム２３を試料２２の表面に平面走査してそのときに試料２２から放出された２次電子、反射電子などを図示外の検出器で検出し、操作表示系１に送出して表示操作画面１６上に画像１８として表示させたりなどするものである。図示の例では、走査型電子顕微鏡の実機のうち、対物レンズ２１の部分のみを模式的に表示するが、これに限られず、全体が含まれるものである（図４、図６）。
【００３３】
次に、図１の構成のもとで、レンズ電流（レンズ電圧）からレンズの焦点距離を求める概要について説明する。
【００３４】
（１） 実機２，２’のレンズに供給する電流／電圧から実機模式図１７上に表示するレンズの強さ（焦点距離）に変換する処理（図１の変換器１３の処理）について以下詳細に説明する。
【００３５】
電源１０の出力電流値Ｉを、実機２を構成する対物レンズ２１に入力する。この際、変換器１３は対物レンズ２１が電磁レンズであった場合には、
焦点距離：fM=fM(I, S, D, N) ・・・・（式２）
S：ppの間隙
D：ppの穴径
N：レンズコイルの巻数
を出力する。S, D, Nはレンズの固有値（定数）であるので、予め変換器１３はこれを知っているものとして、
焦点距離：fM=fM(I) ・・・・（式２’）
という演算変換を行い焦点距離fMを得ることができる。
【００３６】
電子光学系による具体的演算例を挙げると、釣鐘型分布の磁束密度をもつと仮定した近軸軌道の場合の電磁レンズの励磁電流Ｉから求めるレンズの焦点距離ｆＭは、ＭＳＫ単位系を用いて、
焦点距離： fM=a sin(P) ・・・・（式３）
P=n/(K+1)2 K：レンズパワー
K=(e/m) 1/2 B0/(8VA)1/2
B0=μ0NI/(S2+0.45D2)1/2
e：電子の素電荷
m：電子の質量
B0：レンズ中心の磁束密度
VA：加速電圧
μ0：空間の磁気透磁率
N：レンズコイル巻数
S：レンズポールピースのギャップ
D：レンズポールピースの内径
となる。ここで、e、m、μ0は物理定数であり、N、S、Dはレンズの持つ形態であるから、これをあらかじめ変換器１３に教えておけば、fM=fM(I)は定式で計算される。又は、実験で測定したレンズ特性データ表をテーブルにして記憶させておけば、上記計算に代わって当該テーブルを参照して変換演算を行える。
【００３７】
（２）静電レンズの場合も同様に、静電レンズへのＶを用いて、焦点距離fEに変換することができる。
【００３８】
焦点距離： fE=fE(V, S, D) ・・・・（式４）
S：電極間距離
D：電極穴径
T：中間電極の厚み
S、D、Tはパラメターであるので、同様に
焦点距離：fE=fE(V) ・・・・（式４’）
の変換を行う。
【００３９】
これによって、レンズ-像点間距離は、
レンズー像点間距離：z1=z1(f, z0)=1/(1/f-1/z0) ・・・・（式５）
z0は物点-レンズ間距離
を演算し、z1に対応した画像上の位置をこのレンズによる集束点とする。
【００４０】
上記演算はすでに計算した表をメモリ（テーブル）に記憶させ、電流あるいは電圧に対応したf, z1を出力する方法でもよい。
【００４１】
次に、図１の構成のもとで、レンズの焦点距離（レンズの厚さ）からレンズ電流（レンズ電圧）を求める概要について説明する。
【００４２】
（１）図１の実機模式図１７上に表示されたレンズの強さ（焦点距離）やレンズ・像点間距離を調整した場合に、実機２，２’のレンズに供給する電流／電圧に変換する処理（図１の変換器１４の処理）の概略について説明する。
【００４３】
図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの厚さ、あるいは電子線ビームの結像位置をマウスで移動操作する。例えば図２の（ａ）の実機模式図１７上で図示の対物レンズをマウスでクリックして光軸方向の、当該対物レンズの厚さを増す方向あるいは薄くなる方向に移動させる（z方向に移動させる）と、z1の移動量が変換器１４に入力される。ここで、（２’式）の逆変換
I=I(fM) ・・・・（式６）
を行い、電源１０に入力し、実機２のレンズでは対応するように電子線ビームを集束する。尚、微調整は、図２の（ａ）の実機模式図１７上のレンズの横に配置したカーソルをマウスでドラッグして所望の値に微細調整する（図１の表示操作画面１６の画像１８を見ながら微細調整する）。
【００４４】
図２は、本発明の説明図を示す。
【００４５】
図２の（ａ）は実機模式図（対物レンズ）を示し、図２の（ｂ）は実機（対物レンズ）を示す。ここで、図１の表示操作画面１６をより詳細に表現した図２において、レンズは厚い程強いレンズ（焦点距離が短い）、薄い程弱いレンズ（焦点距離が長い）になるように円弧の半径を調整して表示する。また、レンズに近接して、キャラクタ・ジェネレータ１２によって焦点距離“ｆ＝＊＊＊ｍｍ”と数値などを合わせて図示のように表示する。
【００４６】
次に、図３のフローチャートの順番に従い、既述した図１および図２の構成の動作を詳細に説明する。図３中において、表示手段１５１は図１の制御手段１５を構成する表示手段であり、変換器１３，１４は図１の変換器１３，１４であり、実体５１（電源１０及び実機２）は図１の電源１０および実機２である。
【００４７】
図３において、Ｓ１は、レンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行う。これは、図１の電源１０から供給されたレンズ電流Ｉをレンズ（例えば図１の対物レンズ２１）に供給して当該レンズの稼動（動作）を行い、電子線ビーム２３を例えば試料２２の表面に焦点合わせを行う。
【００４８】
Ｓ２は、電源電流を焦点距離へ関数ｆ＝ｆ（Ｉ）により変換し、更に、焦点距離を像点距離に関数ｚ１＝ｚ１（ｆ）により変換する。これは、Ｓ１でレンズに供給したレンズ電流Ｉをもとに、当該レンズ電流を関数ｆ＝ｆ（Ｉ）（既述した（２’式））により焦点距離ｆに変換し、更に、当該焦点距離ｆを関数ｚ１＝ｚ１（ｆ）で像点距離ｚ１に変換する（具体的には、例えばレンズの焦点距離ｆが分かれば公知の式（１／ｚ０＋１／ｚ１＝１／ｆ）に代入してレンズ中心から像点までの距離ｚ１（像点距離ｚ１）を算出する）。ここで、ｚ０はレンズ中心から物点までの距離（物点距離）、ｚ１はレンズ中心から像点までの距離（像点距離）を表す。
【００４９】
Ｓ３は、光線図とキャラクタの表示、およびＳＥＭ像の表示を行う。これは、Ｓ２で算出したレンズ電流Ｉに対する焦点距離ｆ（例えば４．７ｍｍ），像点距離ｚ１（例えば５．０ｍｍ）、更に、固定あるいは前段のレンズの像点距離などから算出したレンズ中心から物点までの物点距離（例えばｚ０＝７０ｍｍ）をもとに、既述した図２の（ａ）の実機模式図（対物レンズ）１７に示すように、対物レンズのｆ＝４．７ｍｍ、ｚ０＝７０ｍｍ，ｚ１＝５．０ｍｍと表示すると共に当該焦点距離ｆ＝４．７ｍｍに対応した当該対物レンズの厚さ（焦点距離ｆが短い程、厚く、焦点距離ｆが長くなる程、薄くした対物レンズの厚さ）に変換して表示する。
【００５０】
Ｓ４は、マウスでドラッグか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ５に進む。ＮＯの場合にはＳ４を繰り返し待機する。
【００５１】
Ｓ５は、Ｓ４のＹＥＳでマウスがドラッグされたと判明したので、更に、ドラッグされたのはｚｉか判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実施模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルをｚ１の文字あるいはｚ１の像点（対物レンズが焦点を結んだ光軸上の像点）に位置付けた状態でクリックしたまま、光軸方向（図２の（ａ）の上方向あるいは下方向）にドラッグして離したか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマウスを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの像点ｚ１を増減したと判明したので、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１０でＳ５のＹＥＳで増減した後の像点距離ｚ１を関数ｆ＝ｆ（ｚ１）に代入して焦点距離ｆに変換する。更に、Ｓ１１で焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換する。そして、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ５のＹＥＳでドラッグした像点距離ｚ１になるように実機２のレンズにレンズ電流Ｉを供給して当該像点距離ｚ１の位置に電子線ビームが結像（焦点合わせ）されるように制御する。一方、Ｓ５のＮＯの場合には、Ｓ６に進む。
【００５２】
Ｓ６は、ドラッグされたのはレンズ厚さか判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実施模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルを光軸上のレンズの上側あるいは下側の円弧部分に位置付けた状態でクリックしたまま、光軸方向（図２の（ａ）の上方向あるいは下方向）にドラッグして離したか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマスクを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの厚さを増減したと判明したので、Ｓ１２、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１２でＳ６のＹＥＳで増減した後のレンズの厚さｓを関数ｆ＝ｆ（ｓ）に代入して焦点距離ｆに変換する。更に、Ｓ１１で焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換する。そして、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ６のＹＥＳでドラッグしたレンズ厚さｓの焦点距離ｆになるように実機２のレンズにレンズ電流Ｉを供給して当該レンズ厚さに相当する焦点距離ｆをもとに算出した像点距離の位置に電子線ビームが結像（焦点合わせ）されるように制御する。一方、Ｓ６のＮＯの場合には、Ｓ７に進む。
【００５３】
Ｓ７は、ドラッグされたのは微調整か判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実機模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルを右側のＦＩＮＥと記載した部分の微調整ツマミ部分に位置付けた状態でクリックしたまま、上方向あるいは下方向にドラッグして離して微細調整を行ったか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマウスを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７のレンズの微調整ツマミの微調整を行ったと判明したので、Ｓ１３、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１３でＳ７のＹＥＳで利用者が表示操作画面１７の画像１８（ＳＥＭ像）を参照しながらレンズの微調整した電流Ｉを検出し、Ｓ１で検出した微調整したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ７のＹＥＳで利用者がＳＥＭ像を観察しながらドラッグした微調整ツマミに対応するレンズ電流Ｉを実機２のレンズに供給し、焦点合わせされた綺麗な画像に調整する。一方、Ｓ７のＮＯの場合には、Ｓ８に進む。
【００５４】
Ｓ８は、ｄＢあるいはＩＢの動作点か判別する。これは、表示操作画面１６上に表示した例えば図５の（ａ）の曲線上でｄＢあるいはＩＢの動作点のいずれかが増減された値にドラッグされたか判別する。ＹＥＳの場合には、ドラッグ後の電子線ビームのスポット径ｄＢあるいは電子線ビーム電流ＩＢになるようにＳ１４、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１４でドラッグされた後のｄＢあるいはＩＢの値について、図５の（ａ）の曲線を参照してドラッグ後（調整後）のＩＢを求め（ドラッグされたのがＩＢであればドラッグ後のＩＢ、一方、ドラッグされたのがｄＢであれば図５の曲線を参照して当該ｄＢに対応するＩＢを求め）、当該求めたＩＢを関数ｆ＝ｆ（ＩＢ）に代入して焦点距離ｆを算出し、Ｓ１１で算出した焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換し、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ８のＹＥＳで利用者が図５の（ａ）の曲線を表示した状態でｄＢあるいはＩＢの動作点のいずれかを増減したことに対応して、当該ｄＢあるいはＩＢが得られるレンズ電流Ｉを実機２のレンズに供給し、指定された電子線ビームのスポット径ｄＢあるいは電子線ビーム電流ＩＢに調整することが可能となる。一方、Ｓ８のＮＯの場合には、Ｓ９に進む。
【００５５】
Ｓ９は、その他の処理を行う。これは、Ｓ５のＹＥ，Ｓ６のＹＥＳ，Ｓ７のＹＥＳ、Ｓ８のＹＥＳ以外の他の処理を、利用者からの指示に従い行う。その他の処理としては、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８以外に、図２の（ａ）の実機模式図１７に表示されている、
・ｘ０（光点距離）：
・ｆ（焦点距離）：
・その他：
更に、図５のｄＢ・ＩＢ曲線の他に、図５の（ｂ），（ｃ）に示す２段レンズ径における、
・ｘ１０：
・ｆ１：
・レンズ１の厚さ：
・ｘ１１：
・ｆ２：
・レンズ２の厚さ：
・ｘ２０：
・ｘ２１：
・その他：
がある。
【００５６】
以上によって、利用者が表示操作画面１６の実機模式図１７、図４の２段レンズ系、図５の（ａ）の曲線などを表示し、表示した実機模式図１７、図４の２段レンズ径、図５の（ａ）の曲線上でマウスによりパラメタをドラッグして増減することにより、自動的に該当するレンズの電流Ｉを算出し、実機２のレンズ電流を調整すると共に、そのときに得られた画像を表示することが可能となる。
【００５７】
図４は、本発明の２段レンズの場合の操作表示画面例を示す。
【００５８】
図４において、図示の操作表示画面上に表示した実機模式図１７は、図２の（ａ）の実機模式図１７に代わるものであって、レンズをレンズ１（通常、集束レンズ）、レンズ２（通常、対物レンズ）の２つのレンズからなる２段レンズ系とした場合の例であり、ａ点を電子線ビームの線源（通常は、電子銃における線源の位置）、b点をレンズ１（集束レンズ）の像点、c点はb点を物点とした場合のレンズ２（対物レンズ）の像点である。
【００５９】
レンズ１、レンズ２には、図示の、
・レンズ１：
・物点間距離ｘ１０＝８．０ｍｍ
・焦点距離ｆ１＝７．３ｍｍ
・倍率Ｍ１＝０．１
・加速電圧ＶＬ１＝−９００Ｖ（レンズ１が静電レンズの場合）
・レンズ２：
・物点間距離ｘ２０＝９２．０ｍｍ
・焦点距離ｆ２＝１２．９ｍｍ
・倍率Ｍ２＝０．６
・加速電圧ＶＬ２＝−６００Ｖ（レンズ２が静電レンズの場合）
・レンズ１とレンズ２との間の距離ｘ２０＝９２ｍｍ
・レンズ１と試料との間の距離ｘ１２＝１００ｍｍ
というパラメタ値（実機２に所定電圧／電流を供給したときの当該レンズ１、２などのパラメタ）がそれぞれ表示されている。
【００６０】
また、レンズ１，２の横には、当該レンズ１，２を微細調整するスライドボリュームである、Ｌ１ ＦＩＮＥ，Ｌ２ ＦＩＮＥがそれぞれ表示されている。利用者が表示操作画面１６上に表示されている画像（ＳＥＭ画像）を見ながら、微細に焦点合わせする方向に、スライドボリュームのツマミをマウスでクリックして上方向あるいは下方向にドラッグすると、レンズ１あるいはレンズ２の焦点距離を微小かつ任意に調整し、当該画像の明るさを調整したり、焦点のあった綺麗な画像に調整したりなどすることができる。
【００６１】
以上のように、操作表示画面に図示の実機模式図１７を表示し、利用者が当該実機模式図１７に表示された実機（ＳＥＭ装置）の模式図上で現在のレンズ１，２のパラメタを認識したり、更に、レンズ１、２、ｂ、ｃなどをマウスでクリックしてドラッグしてレンズ１，２の厚さやｂ，ｃの位置などを調整すると、自動的に実機２に反映した電圧／電流を供給して制御を行うと共に表示操作画面１６の上に実機２から得られたＳＥＭ画像（画像１８）を表示することにより、利用者は図４に図示の実機模式図１７の図形上で実機を操作およびそのパラメタを認識することが可能となる。
【００６２】
図５は、本発明の説明図を示す。
【００６３】
図５の（ａ）は、電子線ビームのスポット径ｄＢと電流ＩＢの関係曲線を示す。図示のグラフで、横軸は試料に入射した電子線ビームの電流ＩＢであり、縦軸はそのときの径ｄＢであって、電子銃の種類、加速電圧、レンズの形式とその寸法等によって定まる関係にあり、これは計算してあるいは実験によって測定して図示の曲線を作成する。ここで、
ｄB=ｄB (ＩB)
の関係がある（公知）。定性的に説明すれば、ＩBが小さい場合にはレンズの収差限界によりｄBはある値以下にはならないが、ＩBが大きい場合は収差が寄与しないので、log(ＩB)とlog(dB)の関係はほぼ直線を形成する。
【００６４】
以上の図５の（ａ）の曲線を表示操作画面１６に表示し、現状の動作点をマウスのカーソルを位置づけてドラッグして動かすことにより、例えば既述した図４のレンズ１の焦点距離を調整して電子線ビームのスポット径ｄＢ（あるいは電子電流ＩＢ）を当該図５の（ａ）の曲線上の任意の値に制御することが可能となる。
【００６５】
例えば図５の（ａ）の曲線上の現状を表示したx点（図５の（ｃ）参照）にマウスカーソルを位置付けてドラッグしてｘ’点で離し、ｄＢを小さくすると（電子線ビームスポット径ｄＢを小さくすると）、既述した図４のレンズ１が強く表示され、かつｘ11は小さく表示され、かつレンズ１の拡大率は減少（縮小率は増大）して表示され（図５の（ｂ）参照）、それに対応して実機２のレンズ１に供給される電圧／電流を増大して焦点距離ｆを小さく制御し、結果として試料に照射される電子線ビームのスポット径ｄＢを小さく制御する。この際、図４のレンズ２の物点ｂがわずか上方向に移動するので、当該レンズ２のｘ２１はわずかに小さくなり（僅かに焦点がぼけるので）、当該僅かなボケは図４のレンズ２のＬ２ ＦＩＮＥのボリュームを使ってレンズ２の電流を僅かに減少させることにより、ＳＥＭ画像上で正焦点を結ばせることが可能となる。
【００６６】
図５の（ｃ）は、既述した図５の（ａ）の曲線上のｘ点のときに表示される光線図（実機模式図１７）の例を示す。
【００６７】
図５の（ｂ）は、既述した図５の（ａ）の曲線上のｘ’点のときに表示される光線図（実機模式図１７）を示す。ここでは、利用者が図５の（ａ）の曲線上でｘ点の電子線ビームのスポット径ｄＢにマウスカーソルを位置づけてｘ’点までドラッグして離し、電子線ビームスポット径ｄＢを小さくするように指示したので、ｘ点の場合の図５の（ｃ）に比して図５の（ｂ）ではレンズ１が厚く表示される（図示しないが焦点距離ｆ１は小さく、像点間距離ｘ１１は小さく表示される、更に、併せてレンズ２の物点距離ｘ２０は僅か大きく、像点距離ｘ２１は僅か小さく表示される）。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の１実施例構成図である。
【図２】本発明の説明図である。
【図３】本発明の動作説明フローチャートである。
【図４】本発明の２段レンズの場合の操作表示画面例である。
【図５】本発明の説明図である。
【図６】従来のＳＥＭの構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１：操作表示系
１１：実機支援ソフト
１２：キャラクタ・ジェネレータ
１３、１４：変換器
１５：制御手段
１５１：表示手段
１６：表示操作画面
１７：実機模式図
１８：画像
１９：処理装置
２０：マウス／キーボード
２、３：実機
２１：対物レンズ
２２：試料
２３：電子線ビーム
１０：電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置であって、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のＳＥＭの構成について図６を用いて説明する。
【０００３】
図６において、電子銃３１より放射された電子線ビーム３７を電磁レンズや静電レンズを用いて試料３８上にに縮小集束し、かつ電子線ビームを偏向器３４で偏向して試料３８上で平面走査し、当該試料３８から放出された２次電子などを検出器３６で検出・増幅し、図示外の表示装置上に画像を表示する。
【０００４】
この従来のＳＥＭにおける手動によるフォーカス合わせや倍率指定などの操作は、手動操作盤上４１で行い、電源の出力値をボリュームや押しボタンやセレクタ切り替えスイッチ等の手動操作で調整（可変）して行っている。
【０００５】
この手動操作で調整しているときの対応するレンズの強さ状態などを直接に観察することができないので、どのような電子線ビームの形態であるかは想像するしか方法がなく、陽に知ることはできなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のＳＥＭでは、上述したように、図６の手動操作盤４１上で対物レンズ３５に対応するボリュームなどを調整して図示外の表示装置上に表示された画像が鮮明になるように調整することを行っており、そのときに実機である対物レンズ３５の状態がどのような形態にあるか可視化して認識できないという問題があった。
【０００７】
また、その他の各種調整にしても、図示外の表示装置上の画像を見ながら行うしか方法がなく、実機のＳＥＭの各レンズなどがどのような動作状態にあるが、更にそのように変化したのかなどを可視化して表示できなく、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などには使えないという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、これらの問題を解決するため、走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置において、走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図と、実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、操作手段により実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに調整された形状あるいは調整された位置に調整後の状態を表示する表示手段と、調整後の調整された形状あるいは調整された位置を検出する検出手段と、検出手段によって検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、実機の該当機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段とを備え、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整に対応して、実機の該当機能に所定の電圧あるいは電流を供給して制御するようにしている。
【０００９】
この際、機能の形状を調整するとして集束レンズの強さ、対物レンズの強さ、および電子線ビームの位置を調整するとして前記集束レンズあるいは前記対物レンズによって電子線ビームが光軸上に焦点合わせされる焦点位置のうちのいずれか１つ以上とするようにしている。
【００１０】
また、レンズを静電レンズあるいは磁界レンズとするようにしている。
【００１１】
また、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整について、微細に個別調整する可変手段を実機模式図上で該当機能に対応づけて表示するようにしている。
【００１２】
また、実機模式図上における各機能の形状に対応した機能の値をデジタルで表示するようにしている。
【００１３】
また、デジタルの値として、供給した電圧値あるいは電流値、焦点距離、倍率、結像位置のいずれか１つ以上とするようにしている。
【００１４】
また、実機により電子線ビームが試料にフォーカスされて平面走査されたときの信号を検出し、検出した信号をもとに画像を併せて表示するようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、ＳＥＭの実機の機能を模式的に表現した実機模式図を表示し、当該実機模式図上で利用者が操作すると操作後の状態に再表示すると共に当該再表示に合わせて操作量を検出し、実機の対応する機能に対応する電圧／電流を供給すると共にそのときに検出された信号をもとに表示装置に拡大画像を表示し、レンズなどが可視化された実機模式図上で利用者がレンズなどの焦点距離、電子線ビームの焦点位置などを視覚的に調整する構成を採用しているため、自動的に実機のＳＥＭの調整を行うと共にそのときの画像を表示することが可能となる。
【００１６】
その結果、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、レンズなどが可視化された実機模式図上で利用者がレンズなどの焦点距離、電子線ビームの焦点位置などを視覚的に調整し、自動的に実機のＳＥＭの調整を行うと共にそのときの画像を表示することを実現した。
【実施例１】
【００１８】
図１は、本発明の１実施例構成図を示す。
【００１９】
図１の（ａ）は電磁型の実機を含めた全体の構成例を示し、図１の（ｂ）は静電型の実機の部分の構成例を示す。
【００２０】
図１において、操作表示系１は、走査型電子顕微鏡の実機の模式図（実機模式図１７）を表示操作画面１６に表示し、実機２，２’を操作するものであって、ここでは、実機支援ソフト１１、表示操作画面１６、処理装置１９、マウス／キーボード２０などから構成されるものである。
【００２１】
実機支援ソフト１１は、キャラクタ・ジェネレータ１２、変換器１３，１４、制御手段１５などから構成されるものであって、ここでは、プログラムに従い各種制御を行うものであり、表示操作画面１６に表示された実機模式図１７（実機の機能や電子線ビームの軌跡を表現した実機模式図）上で実機２，２’の機能の調整や電子線ビームの位置の調整がマウス／キーボード１９により指示されると、いずれが調整されたかを検出し、検出された機能あるいは電子線ビームの位置に対応する実機２，２’の機能に供給する電圧あるいは電流あるいは走査電圧／走査電流を算出し、実機２，２’の該当機能に供給し、実機２，２’を制御すると共に、実機２，２’で検出された検出信号をもとに表示操作画面１６の画像１８として表示したりなどするものである。
【００２２】
キャラクタ・ジェネレータ１２は、表示操作画面１６の実機模式図１７上に各種キャラクタなどを表示、例えば後述する図２の（ａ）の実機模式図１７、図４、図５を表示するものである。
【００２３】
変換器１３は、電流／電圧からレンズの焦点距離などを数式を用いあるいはテーブル（実験で両者の関係を予め求めて設定したテーブル）を参照して変換するものである（後述する）。
【００２４】
変換器１４は、レンズの焦点距離などからレンズに供給する電流／電圧を数式を用いあるいはテーブル（実験で両者の関係を予め求めて設定したテーブル）を参照して変換するものである（後述する）。
【００２５】
制御手段１５は、プログラムに従い各種制御を行うものであって、表示操作画面１６の実機模式図１７上で機能の調整あるいは電子線ビームの位置の調整などがマウス２０によりドラッグなどされて調整されると、これを検出して調整後の実機模式図１７を作成して表示すると共に実機２，２’の該当機能に供給する電圧／電流などを算出して電源１５に送信し、実機２，２’を制御したり、更に、実機２，２’で電子線ビーム２３が試料２２を平面走査したときに放出された信号を図示外の検出器で検出された検出信号をもとに表示操作画面１６の画像（例えばＳＥＭ画像）１８を表示したりなどするものである（図２から図５を用いて後述する）。
【００２６】
表示操作画面１６は、実機２，２’の模式図である実機模式図１７および実機２，２’で検出された検出信号をもとに試料２２の拡大された画像１８を表示したりなどするものである。
【００２７】
実機模式図１７は、走査型電子顕微鏡の機能および電子線ビームの軌道を分かりやすく模式的に表示したものである（図２から図５を用いて後述する）。
【００２８】
画像１８は、実機２，２’の図示外の検出器によって、電子線ビーム２３が試料２２を平面走査したときに放出された２次電子、反射電子などを検出・増幅し、表示操作画面１６の上に表示した画像（試料２２の拡大画像）である。
【００２９】
処理装置１９は、プログラムをもとに各種制御を行うもの（中央演算装置）である。
【００３０】
マウス／キーボード２０は、表示操作画面１６に表示された実機模式図１７上でレンズの強さを強くしたり（レンズを厚くする方向にドラッグ又は像点をレンズに近い方向にドラッグして強くしたり）などの入力指示を行ったり、各種データを入力したりなどする入出力装置の例である。
【００３１】
電源１０は、操作表示系１からの指示信号に従い、実機２，２’へ電圧、電流、走査電圧／走査電流などを供給する電源であって、例えばレンズ（集束レンズ、対物レンズ）に所定の電圧／電流、偏向器に所定の電圧／電流、電子銃に所定の高電圧、非点補正装置に所定の非点補正電流などを供給するものである。
【００３２】
実機（電磁型）２、実機（静電型）２’は、走査型電子顕微鏡の実機を模式的に表した電磁型あるいは静電型のものであって、電源１０から供給された電圧、電流、走査電圧／走査電流を受け取って各機能（集束レンズ、対物レンズ、偏向器、電子銃など）に供給し、電子線ビームを集束、偏向、焦点合わせ、平面走査などし、細く絞った電子線ビーム２３を試料２２の表面に平面走査してそのときに試料２２から放出された２次電子、反射電子などを図示外の検出器で検出し、操作表示系１に送出して表示操作画面１６上に画像１８として表示させたりなどするものである。図示の例では、走査型電子顕微鏡の実機のうち、対物レンズ２１の部分のみを模式的に表示するが、これに限られず、全体が含まれるものである（図４、図６）。
【００３３】
次に、図１の構成のもとで、レンズ電流（レンズ電圧）からレンズの焦点距離を求める概要について説明する。
【００３４】
（１） 実機２，２’のレンズに供給する電流／電圧から実機模式図１７上に表示するレンズの強さ（焦点距離）に変換する処理（図１の変換器１３の処理）について以下詳細に説明する。
【００３５】
電源１０の出力電流値Ｉを、実機２を構成する対物レンズ２１に入力する。この際、変換器１３は対物レンズ２１が電磁レンズであった場合には、
焦点距離：fM=fM(I, S, D, N) ・・・・（式２）
S：ppの間隙
D：ppの穴径
N：レンズコイルの巻数
を出力する。S, D, Nはレンズの固有値（定数）であるので、予め変換器１３はこれを知っているものとして、
焦点距離：fM=fM(I) ・・・・（式２’）
という演算変換を行い焦点距離fMを得ることができる。
【００３６】
電子光学系による具体的演算例を挙げると、釣鐘型分布の磁束密度をもつと仮定した近軸軌道の場合の電磁レンズの励磁電流Ｉから求めるレンズの焦点距離ｆＭは、ＭＳＫ単位系を用いて、
焦点距離： fM=a sin(P) ・・・・（式３）
P=n/(K+1)2 K：レンズパワー
K=(e/m) 1/2 B0/(8VA)1/2
B0=μ0NI/(S2+0.45D2)1/2
e：電子の素電荷
m：電子の質量
B0：レンズ中心の磁束密度
VA：加速電圧
μ0：空間の磁気透磁率
N：レンズコイル巻数
S：レンズポールピースのギャップ
D：レンズポールピースの内径
となる。ここで、e、m、μ0は物理定数であり、N、S、Dはレンズの持つ形態であるから、これをあらかじめ変換器１３に教えておけば、fM=fM(I)は定式で計算される。又は、実験で測定したレンズ特性データ表をテーブルにして記憶させておけば、上記計算に代わって当該テーブルを参照して変換演算を行える。
【００３７】
（２）静電レンズの場合も同様に、静電レンズへのＶを用いて、焦点距離fEに変換することができる。
【００３８】
焦点距離： fE=fE(V, S, D) ・・・・（式４）
S：電極間距離
D：電極穴径
T：中間電極の厚み
S、D、Tはパラメターであるので、同様に
焦点距離：fE=fE(V) ・・・・（式４’）
の変換を行う。
【００３９】
これによって、レンズ-像点間距離は、
レンズー像点間距離：z1=z1(f, z0)=1/(1/f-1/z0) ・・・・（式５）
z0は物点-レンズ間距離
を演算し、z1に対応した画像上の位置をこのレンズによる集束点とする。
【００４０】
上記演算はすでに計算した表をメモリ（テーブル）に記憶させ、電流あるいは電圧に対応したf, z1を出力する方法でもよい。
【００４１】
次に、図１の構成のもとで、レンズの焦点距離（レンズの厚さ）からレンズ電流（レンズ電圧）を求める概要について説明する。
【００４２】
（１）図１の実機模式図１７上に表示されたレンズの強さ（焦点距離）やレンズ・像点間距離を調整した場合に、実機２，２’のレンズに供給する電流／電圧に変換する処理（図１の変換器１４の処理）の概略について説明する。
【００４３】
図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの厚さ、あるいは電子線ビームの結像位置をマウスで移動操作する。例えば図２の（ａ）の実機模式図１７上で図示の対物レンズをマウスでクリックして光軸方向の、当該対物レンズの厚さを増す方向あるいは薄くなる方向に移動させる（z方向に移動させる）と、z1の移動量が変換器１４に入力される。ここで、（２’式）の逆変換
I=I(fM) ・・・・（式６）
を行い、電源１０に入力し、実機２のレンズでは対応するように電子線ビームを集束する。尚、微調整は、図２の（ａ）の実機模式図１７上のレンズの横に配置したカーソルをマウスでドラッグして所望の値に微細調整する（図１の表示操作画面１６の画像１８を見ながら微細調整する）。
【００４４】
図２は、本発明の説明図を示す。
【００４５】
図２の（ａ）は実機模式図（対物レンズ）を示し、図２の（ｂ）は実機（対物レンズ）を示す。ここで、図１の表示操作画面１６をより詳細に表現した図２において、レンズは厚い程強いレンズ（焦点距離が短い）、薄い程弱いレンズ（焦点距離が長い）になるように円弧の半径を調整して表示する。また、レンズに近接して、キャラクタ・ジェネレータ１２によって焦点距離“ｆ＝＊＊＊ｍｍ”と数値などを合わせて図示のように表示する。
【００４６】
次に、図３のフローチャートの順番に従い、既述した図１および図２の構成の動作を詳細に説明する。図３中において、表示手段１５１は図１の制御手段１５を構成する表示手段であり、変換器１３，１４は図１の変換器１３，１４であり、実体５１（電源１０及び実機２）は図１の電源１０および実機２である。
【００４７】
図３において、Ｓ１は、レンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行う。これは、図１の電源１０から供給されたレンズ電流Ｉをレンズ（例えば図１の対物レンズ２１）に供給して当該レンズの稼動（動作）を行い、電子線ビーム２３を例えば試料２２の表面に焦点合わせを行う。
【００４８】
Ｓ２は、電源電流を焦点距離へ関数ｆ＝ｆ（Ｉ）により変換し、更に、焦点距離を像点距離に関数ｚ１＝ｚ１（ｆ）により変換する。これは、Ｓ１でレンズに供給したレンズ電流Ｉをもとに、当該レンズ電流を関数ｆ＝ｆ（Ｉ）（既述した（２’式））により焦点距離ｆに変換し、更に、当該焦点距離ｆを関数ｚ１＝ｚ１（ｆ）で像点距離ｚ１に変換する（具体的には、例えばレンズの焦点距離ｆが分かれば公知の式（１／ｚ０＋１／ｚ１＝１／ｆ）に代入してレンズ中心から像点までの距離ｚ１（像点距離ｚ１）を算出する）。ここで、ｚ０はレンズ中心から物点までの距離（物点距離）、ｚ１はレンズ中心から像点までの距離（像点距離）を表す。
【００４９】
Ｓ３は、光線図とキャラクタの表示、およびＳＥＭ像の表示を行う。これは、Ｓ２で算出したレンズ電流Ｉに対する焦点距離ｆ（例えば４．７ｍｍ），像点距離ｚ１（例えば５．０ｍｍ）、更に、固定あるいは前段のレンズの像点距離などから算出したレンズ中心から物点までの物点距離（例えばｚ０＝７０ｍｍ）をもとに、既述した図２の（ａ）の実機模式図（対物レンズ）１７に示すように、対物レンズのｆ＝４．７ｍｍ、ｚ０＝７０ｍｍ，ｚ１＝５．０ｍｍと表示すると共に当該焦点距離ｆ＝４．７ｍｍに対応した当該対物レンズの厚さ（焦点距離ｆが短い程、厚く、焦点距離ｆが長くなる程、薄くした対物レンズの厚さ）に変換して表示する。
【００５０】
Ｓ４は、マウスでドラッグか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ５に進む。ＮＯの場合にはＳ４を繰り返し待機する。
【００５１】
Ｓ５は、Ｓ４のＹＥＳでマウスがドラッグされたと判明したので、更に、ドラッグされたのはｚｉか判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実施模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルをｚ１の文字あるいはｚ１の像点（対物レンズが焦点を結んだ光軸上の像点）に位置付けた状態でクリックしたまま、光軸方向（図２の（ａ）の上方向あるいは下方向）にドラッグして離したか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマウスを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの像点ｚ１を増減したと判明したので、Ｓ１０、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１０でＳ５のＹＥＳで増減した後の像点距離ｚ１を関数ｆ＝ｆ（ｚ１）に代入して焦点距離ｆに変換する。更に、Ｓ１１で焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換する。そして、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ５のＹＥＳでドラッグした像点距離ｚ１になるように実機２のレンズにレンズ電流Ｉを供給して当該像点距離ｚ１の位置に電子線ビームが結像（焦点合わせ）されるように制御する。一方、Ｓ５のＮＯの場合には、Ｓ６に進む。
【００５２】
Ｓ６は、ドラッグされたのはレンズ厚さか判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実施模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルを光軸上のレンズの上側あるいは下側の円弧部分に位置付けた状態でクリックしたまま、光軸方向（図２の（ａ）の上方向あるいは下方向）にドラッグして離したか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマスクを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７上でレンズの厚さを増減したと判明したので、Ｓ１２、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１２でＳ６のＹＥＳで増減した後のレンズの厚さｓを関数ｆ＝ｆ（ｓ）に代入して焦点距離ｆに変換する。更に、Ｓ１１で焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換する。そして、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ６のＹＥＳでドラッグしたレンズ厚さｓの焦点距離ｆになるように実機２のレンズにレンズ電流Ｉを供給して当該レンズ厚さに相当する焦点距離ｆをもとに算出した像点距離の位置に電子線ビームが結像（焦点合わせ）されるように制御する。一方、Ｓ６のＮＯの場合には、Ｓ７に進む。
【００５３】
Ｓ７は、ドラッグされたのは微調整か判別する。これは、例えば既述した図２の（ａ）の実機模式図１７上で、利用者がマウスのカーソルを右側のＦＩＮＥと記載した部分の微調整ツマミ部分に位置付けた状態でクリックしたまま、上方向あるいは下方向にドラッグして離して微細調整を行ったか判別する。ＹＥＳの場合には、利用者がマウスを操作して図２の（ａ）の実機模式図１７のレンズの微調整ツマミの微調整を行ったと判明したので、Ｓ１３、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１３でＳ７のＹＥＳで利用者が表示操作画面１７の画像１８（ＳＥＭ像）を参照しながらレンズの微調整した電流Ｉを検出し、Ｓ１で検出した微調整したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ７のＹＥＳで利用者がＳＥＭ像を観察しながらドラッグした微調整ツマミに対応するレンズ電流Ｉを実機２のレンズに供給し、焦点合わせされた綺麗な画像に調整する。一方、Ｓ７のＮＯの場合には、Ｓ８に進む。
【００５４】
Ｓ８は、ｄＢあるいはＩＢの動作点か判別する。これは、表示操作画面１６上に表示した例えば図５の（ａ）の曲線上でｄＢあるいはＩＢの動作点のいずれかが増減された値にドラッグされたか判別する。ＹＥＳの場合には、ドラッグ後の電子線ビームのスポット径ｄＢあるいは電子線ビーム電流ＩＢになるようにＳ１４、Ｓ１１、Ｓ１を実行する。即ち、Ｓ１４でドラッグされた後のｄＢあるいはＩＢの値について、図５の（ａ）の曲線を参照してドラッグ後（調整後）のＩＢを求め（ドラッグされたのがＩＢであればドラッグ後のＩＢ、一方、ドラッグされたのがｄＢであれば図５の曲線を参照して当該ｄＢに対応するＩＢを求め）、当該求めたＩＢを関数ｆ＝ｆ（ＩＢ）に代入して焦点距離ｆを算出し、Ｓ１１で算出した焦点距離ｆを関数Ｉ＝Ｉ（ｆ）により電源電流Ｉに変換し、Ｓ１で変換したレンズ電流Ｉによるレンズ稼動を行い、結果として、Ｓ８のＹＥＳで利用者が図５の（ａ）の曲線を表示した状態でｄＢあるいはＩＢの動作点のいずれかを増減したことに対応して、当該ｄＢあるいはＩＢが得られるレンズ電流Ｉを実機２のレンズに供給し、指定された電子線ビームのスポット径ｄＢあるいは電子線ビーム電流ＩＢに調整することが可能となる。一方、Ｓ８のＮＯの場合には、Ｓ９に進む。
【００５５】
Ｓ９は、その他の処理を行う。これは、Ｓ５のＹＥ，Ｓ６のＹＥＳ，Ｓ７のＹＥＳ、Ｓ８のＹＥＳ以外の他の処理を、利用者からの指示に従い行う。その他の処理としては、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８以外に、図２の（ａ）の実機模式図１７に表示されている、
・ｘ０（光点距離）：
・ｆ（焦点距離）：
・その他：
更に、図５のｄＢ・ＩＢ曲線の他に、図５の（ｂ），（ｃ）に示す２段レンズ径における、
・ｘ１０：
・ｆ１：
・レンズ１の厚さ：
・ｘ１１：
・ｆ２：
・レンズ２の厚さ：
・ｘ２０：
・ｘ２１：
・その他：
がある。
【００５６】
以上によって、利用者が表示操作画面１６の実機模式図１７、図４の２段レンズ系、図５の（ａ）の曲線などを表示し、表示した実機模式図１７、図４の２段レンズ径、図５の（ａ）の曲線上でマウスによりパラメタをドラッグして増減することにより、自動的に該当するレンズの電流Ｉを算出し、実機２のレンズ電流を調整すると共に、そのときに得られた画像を表示することが可能となる。
【００５７】
図４は、本発明の２段レンズの場合の操作表示画面例を示す。
【００５８】
図４において、図示の操作表示画面上に表示した実機模式図１７は、図２の（ａ）の実機模式図１７に代わるものであって、レンズをレンズ１（通常、集束レンズ）、レンズ２（通常、対物レンズ）の２つのレンズからなる２段レンズ系とした場合の例であり、ａ点を電子線ビームの線源（通常は、電子銃における線源の位置）、b点をレンズ１（集束レンズ）の像点、c点はb点を物点とした場合のレンズ２（対物レンズ）の像点である。
【００５９】
レンズ１、レンズ２には、図示の、
・レンズ１：
・物点間距離ｘ１０＝８．０ｍｍ
・焦点距離ｆ１＝７．３ｍｍ
・倍率Ｍ１＝０．１
・加速電圧ＶＬ１＝−９００Ｖ（レンズ１が静電レンズの場合）
・レンズ２：
・物点間距離ｘ２０＝９２．０ｍｍ
・焦点距離ｆ２＝１２．９ｍｍ
・倍率Ｍ２＝０．６
・加速電圧ＶＬ２＝−６００Ｖ（レンズ２が静電レンズの場合）
・レンズ１とレンズ２との間の距離ｘ２０＝９２ｍｍ
・レンズ１と試料との間の距離ｘ１２＝１００ｍｍ
というパラメタ値（実機２に所定電圧／電流を供給したときの当該レンズ１、２などのパラメタ）がそれぞれ表示されている。
【００６０】
また、レンズ１，２の横には、当該レンズ１，２を微細調整するスライドボリュームである、Ｌ１ ＦＩＮＥ，Ｌ２ ＦＩＮＥがそれぞれ表示されている。利用者が表示操作画面１６上に表示されている画像（ＳＥＭ画像）を見ながら、微細に焦点合わせする方向に、スライドボリュームのツマミをマウスでクリックして上方向あるいは下方向にドラッグすると、レンズ１あるいはレンズ２の焦点距離を微小かつ任意に調整し、当該画像の明るさを調整したり、焦点のあった綺麗な画像に調整したりなどすることができる。
【００６１】
以上のように、操作表示画面に図示の実機模式図１７を表示し、利用者が当該実機模式図１７に表示された実機（ＳＥＭ装置）の模式図上で現在のレンズ１，２のパラメタを認識したり、更に、レンズ１、２、ｂ、ｃなどをマウスでクリックしてドラッグしてレンズ１，２の厚さやｂ，ｃの位置などを調整すると、自動的に実機２に反映した電圧／電流を供給して制御を行うと共に表示操作画面１６の上に実機２から得られたＳＥＭ画像（画像１８）を表示することにより、利用者は図４に図示の実機模式図１７の図形上で実機を操作およびそのパラメタを認識することが可能となる。
【００６２】
図５は、本発明の説明図を示す。
【００６３】
図５の（ａ）は、電子線ビームのスポット径ｄＢと電流ＩＢの関係曲線を示す。図示のグラフで、横軸は試料に入射した電子線ビームの電流ＩＢであり、縦軸はそのときの径ｄＢであって、電子銃の種類、加速電圧、レンズの形式とその寸法等によって定まる関係にあり、これは計算してあるいは実験によって測定して図示の曲線を作成する。ここで、
ｄB=ｄB (ＩB)
の関係がある（公知）。定性的に説明すれば、ＩBが小さい場合にはレンズの収差限界によりｄBはある値以下にはならないが、ＩBが大きい場合は収差が寄与しないので、log(ＩB)とlog(dB)の関係はほぼ直線を形成する。
【００６４】
以上の図５の（ａ）の曲線を表示操作画面１６に表示し、現状の動作点をマウスのカーソルを位置づけてドラッグして動かすことにより、例えば既述した図４のレンズ１の焦点距離を調整して電子線ビームのスポット径ｄＢ（あるいは電子電流ＩＢ）を当該図５の（ａ）の曲線上の任意の値に制御することが可能となる。
【００６５】
例えば図５の（ａ）の曲線上の現状を表示したx点（図５の（ｃ）参照）にマウスカーソルを位置付けてドラッグしてｘ’点で離し、ｄＢを小さくすると（電子線ビームスポット径ｄＢを小さくすると）、既述した図４のレンズ１が強く表示され、かつｘ11は小さく表示され、かつレンズ１の拡大率は減少（縮小率は増大）して表示され（図５の（ｂ）参照）、それに対応して実機２のレンズ１に供給される電圧／電流を増大して焦点距離ｆを小さく制御し、結果として試料に照射される電子線ビームのスポット径ｄＢを小さく制御する。この際、図４のレンズ２の物点ｂがわずか上方向に移動するので、当該レンズ２のｘ２１はわずかに小さくなり（僅かに焦点がぼけるので）、当該僅かなボケは図４のレンズ２のＬ２ ＦＩＮＥのボリュームを使ってレンズ２の電流を僅かに減少させることにより、ＳＥＭ画像上で正焦点を結ばせることが可能となる。
【００６６】
図５の（ｃ）は、既述した図５の（ａ）の曲線上のｘ点のときに表示される光線図（実機模式図１７）の例を示す。
【００６７】
図５の（ｂ）は、既述した図５の（ａ）の曲線上のｘ’点のときに表示される光線図（実機模式図１７）を示す。ここでは、利用者が図５の（ａ）の曲線上でｘ点の電子線ビームのスポット径ｄＢにマウスカーソルを位置づけてｘ’点までドラッグして離し、電子線ビームスポット径ｄＢを小さくするように指示したので、ｘ点の場合の図５の（ｃ）に比して図５の（ｂ）ではレンズ１が厚く表示される（図示しないが焦点距離ｆ１は小さく、像点間距離ｘ１１は小さく表示される、更に、併せてレンズ２の物点距離ｘ２０は僅か大きく、像点距離ｘ２１は僅か小さく表示される）。
【産業上の利用可能性】
【００６８】
本発明は、小中校、高等学校、大学等における教育用ＳＥＭや、ＳＥＭ操作の初心者用シミュレータ等として用いたり、電子線状態を実験パラメターとして問う場合が多い表面解析分野などにおける、ＳＥＭの操作装置に関するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の１実施例構成図である。
【図２】本発明の説明図である。
【図３】本発明の動作説明フローチャートである。
【図４】本発明の２段レンズの場合の操作表示画面例である。
【図５】本発明の説明図である。
【図６】従来のＳＥＭの構成図である。
【符号の説明】
【００７０】
１：操作表示系
１１：実機支援ソフト
１２：キャラクタ・ジェネレータ
１３、１４：変換器
１５：制御手段
１５１：表示手段
１６：表示操作画面
１７：実機模式図
１８：画像
１９：処理装置
２０：マウス／キーボード
２、３：実機
２１：対物レンズ
２２：試料
２３：電子線ビーム
１０：電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置において、
走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図と、
前記実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、
前記操作手段により前記実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに当該調整された形状あるいは当該調整された位置に調整後の状態を表示する表示手段と、
前記調整後の調整された形状あるいは調整された位置を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、前記実機の該当機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段と
を備え、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整に対応して、実機の該当機能に所定の電圧あるいは電流を供給して制御することを特徴するＳＥＭの操作装置。
【請求項２】
前記機能の形状を調整するとして集束レンズの強さ、対物レンズの強さ、および電子線ビームの位置を調整するとして前記集束レンズあるいは前記対物レンズによって電子線ビームが光軸上に焦点合わせされる焦点位置のうちのいずれか１つ以上としたことを特徴とする請求項１記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項３】
前記レンズを静電レンズあるいは磁界レンズとしたことを特徴とする請求項２記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項４】
前記実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整について、微細に個別調整する可変手段を当該実機模式図上で該当機能に対応づけて表示したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項５】
前記実機模式図上における各機能の形状に対応した当該機能の値をデジタルで表示したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項６】
前記デジタルの値として、供給した電圧値あるいは電流値、焦点距離、倍率、結像位置のいずれか１つ以上としたことを特徴とする請求項５記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項７】
前記実機により電子線ビームが試料にフォーカスされて平面走査されたときの信号を検出し、検出した信号をもとに画像を併せて表示することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項１】
走査型電子顕微鏡の実機の機能を可視化して制御する操作装置において、
走査型電子顕微鏡の実機の機能および電子線ビームの軌道を可視化した実機模式図と、
前記実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置を調整する操作手段と、
前記操作手段により前記実機模式図上に表示された機能の形状あるいは表示された電子線ビームの位置が調整されたときに当該調整された形状あるいは当該調整された位置に調整後の状態を表示する表示手段と、
前記調整後の調整された形状あるいは調整された位置を検出する検出手段と、
前記検出手段によって検出された調整後の調整された形状あるいは調整された位置に対応して、前記実機の該当機能に対する電圧あるいは電流を算出する算出手段と、
前記算出手段によって算出された電圧あるいは電流を実機の該当機能に供給する実行手段と
を備え、実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整に対応して、実機の該当機能に所定の電圧あるいは電流を供給して制御することを特徴するＳＥＭの操作装置。
【請求項２】
前記機能の形状を調整するとして集束レンズの強さ、対物レンズの強さ、および電子線ビームの位置を調整するとして前記集束レンズあるいは前記対物レンズによって電子線ビームが光軸上に焦点合わせされる焦点位置のうちのいずれか１つ以上としたことを特徴とする請求項１記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項３】
前記レンズを静電レンズあるいは磁界レンズとしたことを特徴とする請求項２記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項４】
前記実機模式図上における機能の形状の調整あるいは電子線ビームの位置の調整について、微細に個別調整する可変手段を当該実機模式図上で該当機能に対応づけて表示したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項５】
前記実機模式図上における各機能の形状に対応した当該機能の値をデジタルで表示したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項６】
前記デジタルの値として、供給した電圧値あるいは電流値、焦点距離、倍率、結像位置のいずれか１つ以上としたことを特徴とする請求項５記載のＳＥＭの操作装置。
【請求項７】
前記実機により電子線ビームが試料にフォーカスされて平面走査されたときの信号を検出し、検出した信号をもとに画像を併せて表示することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のＳＥＭの操作装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１０−１５７３７０（Ｐ２０１０−１５７３７０Ａ）
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３４９２（Ｐ２００８−３３３４９２）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（５９２１９１１９５）株式会社アプコ (9)
【出願人】（５９０００２６６６）新日本電工株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（５９２１９１１９５）株式会社アプコ (9)
【出願人】（５９０００２６６６）新日本電工株式会社 (7)
【Ｆターム（参考）】
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