(57)【要約】【課題】  走査型電子顕微鏡において、焦点位置を的確に検出することができる手段を提供することにある。【解決手段】  走査型電子顕微鏡装置において、偏向制御系によって電子ビームを走査させながら同時に焦点制御系によって焦点位置を変化させる。サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置の原点からのずれは、焦点位置のずれに対応しているから、焦点位置を容易に検出することができる。【選択図】  図１
2006107917.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子ビームを走査させる偏向制御系と、電子ビームの焦点を制御する焦点制御系と、サンプルからの検出信号を処理する検出処理系と、該検出処理系によって処理された画像データに基づいて検出結果を表示する表示装置と、を有する走査型電子顕微鏡装置において、電子ビームの焦点の軌跡が電子ビームの光学系の光軸に対して所定の角度にて傾斜した直線を描くように、上記偏向制御系によって電子ビームを走査させながら同時に上記焦点制御系によって焦点位置を変化させることを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
【請求項２】
請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置において、上記表示装置は、上記電子ビームの走査毎に、サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置を表示することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
【請求項３】
請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置において、上記焦点制御系は、走査毎に一定である基準信号と１走査において変化する偏向制御信号との和である焦点制御信号によって電子ビームの焦点を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
【請求項４】
請求項１記載の走査型電子顕微鏡装置において、上記検出処理系は、サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置に基づいてサンプルの中心における焦点の位置を検出することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
【請求項５】
走査型電子顕微鏡装置の焦点検出方法において、
電子ビームの焦点の軌跡が電子ビームの光学系の光軸に対して所定の角度にて傾斜した直線を描くように、電子ビームをサンプルの表面に走査させながら同時に焦点位置を上下方向に移動させることと、
サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置を検出することと、
上記サンプルの表面上の電子ビームの焦点位置と電子ビームの光学系の光軸との偏差に基づいてフォーカスコイルの駆動電流を制御することと、
を含む走査型電子顕微鏡装置の焦点検出方法。
【請求項６】
請求項５記載の走査型電子顕微鏡装置の焦点検出方法において、電子ビームの焦点の軌跡が走査毎に異なるようにフォーカスコイルの駆動電流を制御することを特徴とする走査型電子顕微鏡装置の焦点検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型電子顕微鏡に関し、特に、その焦点検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型電子顕微鏡では、試料を観察する前に、焦点の位置を検出する焦点位置検出作業が必要である。即ち、画面の中心点において試料の表面に焦点が結ばれるように、フォーカスコイルへの駆動電流を調節する。
【０００３】
従来、焦点検出作業は手動により行われていた。観察者は、画面上にコントラスト強度が変化する像を探しながら、焦点の調節を行う。特許文献１に記載されているように、画像のコントラストを、画像の輝度波形を利用して検出する方法が知られている。この方法では、画像のエッジが波形の傾きとして得られる。
【０００４】
【特許文献１】特公平０４−０１６８９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の焦点位置検出法は、焦点位置を見つけ出すまで、焦点調節操作を繰り返す必要があり、作業効率が低い欠点があった。即ち、焦点位置が不明であるから、焦点の調節方向と調節量を予想して設定しなければならず、無駄な作業を繰り返し行わなければならない場合があった。
【０００６】
本発明の目的は、走査型電子顕微鏡において、焦点位置を的確に検出することができる手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、走査型電子顕微鏡装置において、偏向制御系によって電子ビームを走査させながら同時に焦点制御系によって焦点位置を変化させる。サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置の中心点からのずれは、焦点位置のずれに対応しているから、焦点位置を容易に検出することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、焦点位置を的確に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明による走査型電子顕微鏡の例を示す。走査型顕微鏡は、電子ビーム発生源１、電子ビーム発生源１からの電子ビーム２を走査させる、即ち、偏向させるｎ段の偏向コイル３、電子ビーム２を収束させるｎ段のフォーカスコイル４、サンプル５からの表面情報信号７を検出し、検出信号１１を出力する検出器６、制御部８、及び、モニタ装置１５を有する。
【００１０】
制御部８は、偏向制御部８１、焦点制御部８２、及び、画像信号処理部８３を有する。偏向制御部８１は、偏向コイル３に偏向制御信号９を出力する。それによって、偏向コイル３は、電子ビーム２を偏向走査させる。本例の、電子ビームの偏向制御は、通常の観察の場合と同様である。
【００１１】
焦点制御部８２は、フォーカスコイル４に焦点制御信号１０を出力する。焦点制御信号１０は、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjである。それによって、焦点の位置は上下方向に移動する。
【００１２】
画像信号処理部８３は、検出器６からの検出信号に基づいて、サンプルの表面における焦点の位置を示す画像データを生成し、それをモニタ装置に出力する。
【００１３】
モニタ装置１５は、焦点位置の画像を表示する。焦点位置の画像は、後に、図５を参照して詳細に説明する。
【００１４】
図２に示すように、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjの大きさによって、電子ビーム２の収束点、即ち、焦点の位置が上下に変化する。光学系の光軸上において、電子ビーム（プローブ）の焦点（プローブが最も細くなる点）とサンプルの表面の位置が一致した時、最良の焦点位置となる。電子ビーム２の焦点がサンプルの表面２０１上にある場合の駆動電流Iobjを最適駆動電流I0とする。電子ビーム２の焦点がサンプルの表面より上方の位置２０２にある場合、駆動電流Iobjは最適駆動電流I0より大きく、Iobj＞I0である。電子ビーム２の焦点がサンプルの表面より下方の位置２０３にある場合、駆動電流Iobjは最適駆動電流I0より小さく、Iobj＜I0である。
【００１５】
通常の観察では、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjを最適駆動電流I0に設定し、電子ビームを走査させる。従って、電子ビームの焦点は、サンプルの表面上を移動する。即ち、焦点の軌跡は、サンプルの表面上を描く。
【００１６】
しかしながら、本例では、サンプルの表面の焦点位置を検出するために、電子ビームを走査させながら、焦点の位置を上下に変化させる。即ち、電子ビームの焦点は、サンプルの表面に対して所定の角度にて傾斜した線を描く。
【００１７】
図１の破線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎは、電子ビーム２の走査毎の焦点の軌跡を示す。本例では、電子ビームの焦点の軌跡は、走査毎に異なる。破線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎは互いに平行であり、サンプルの表面に対して所定の角度にて傾斜している。
【００１８】
従って、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjの大きさは、１回の走査中に変化するが、走査毎に、異なる値となる。上述のように、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjの大きさによって、電子ビーム２の焦点の上下方向の位置が変化する。従って、破線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎ上の点の上下方向の位置は、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjの大きさを示す。
【００１９】
破線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎとサンプルの表面との交差点は、サンプルの表面における電子ビームの焦点の位置を表す。従って、破線Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎとサンプルの表面との交差点は、検出器６によって検出される。
【００２０】
図３を参照して説明する。光学系の光軸がサンプルの表面と交差する点を原点Ｏとし、サンプルの表面上にｘ軸をとり、上方にｚ軸をとる。尚、以下に、サンプル５の表面は、平坦であり、且つ、電子ビーム光学系の光軸に垂直であると仮定する。更に、光学系の光軸とサンプル５の表面の交点の像は、モニタ装置１５に表示された画面の中心位置にあると仮定する。
【００２１】
破線Ｓ０は、フォーカスコイル４の駆動電流の初期値を使用して、電子ビーム２を走査させた場合の焦点の軌跡を示す。破線Ｓ０がｚ軸と交わる点Ｏ１は、ここでは初期焦点位置Ｏ１と呼ぶこととする。駆動電流の初期値は、例えば、現サンプルの前のサンプルの観察に使用した駆動電流である。図示の例では、初期焦点位置Ｏ１は、サンプルの表面より上方にあるが、サンプルの表面より下方にある場合もある。破線Ｓ１は、１番目の走査における電子ビーム２の焦点の軌跡を示し、破線Ｓｋは、ｋ番目の走査における電子ビーム２の焦点の軌跡を示す。
【００２２】
破線Ｓ０がｘ軸と交わる点、即ち、初期走査における電子ビーム２の焦点のサンプルの表面上の位置をＰ０、１番目の走査における電子ビーム２の焦点のサンプルの表面上の位置をＰ１とする。破線Ｓ０がｘ軸となす角をθとする。原点Ｏから点Ｐ０までの距離をＸ０、点Ｐ１までの距離をＸ１とする。
【００２３】
初期走査によって得られた焦点位置Ｐ０は原点Ｏから十分離れているので、次の１番目の走査では、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjのレベルを減少させる。それにより、焦点位置は下方に移動する。１番目の走査によって、サンプルの表面上の焦点の位置Ｐ１が得られる。焦点位置Ｐ１から原点Ｏまでの距離は小さくなったが未だ原点Ｏには届かない。従って、次の走査では、更に、フォーカスコイル４の駆動電流Iobjを減少させる。これを繰り返し、ｋ番目の走査によって、サンプルの表面上の焦点の位置が原点Ｏに一致したと仮定する。
【００２４】
この場合、本例による焦点検出作業が完了する。即ち、ｋ番目の走査において、電子ビーム２が丁度原点Ｏを照射したときの駆動電流Iobjが、焦点検出によって得られた、最良の焦点を得るための焦点制御信号１０である。従って、この時の駆動電流Iobjを焦点制御信号１０として使用して、サンプルの観察を行えばよい。
【００２５】
図４は、検出器６によって得られた検出信号の例を示す。検出信号は、典型的には、画像信号であってよい。通常、走査型顕微鏡による観察画面は平面であるが、点すなわちピクセルの集合とみなすと、検出信号１１は画像の各点のデータとなる。検出信号のピーク位置は、サンプルの表面上における焦点の位置Ｘｋを表す。
【００２６】
図５は、図４の検出信号をコントラスト強度に変換し、それをモニタ装置１５の画面に表示した例を示す。検出信号のピークは、コントラスト強度が大きい領域として表示される。図示のように、走査毎に、コントラスト強度が大きい領域が表示される。上述のように、画面の中心Ｏは、サンプル表面における光軸の位置を示す。従って、画面上において、原点Ｏからコントラスト強度が大きい領域までの距離Ｘｋは、図４の原点Ｏから検出信号のピーク位置までの距離Ｘｋに対応している。
【００２７】
従って、観察者は、走査毎に、サンプルの表面上における、電子ビームの焦点の位置を知ることができる。
【００２８】
図６は、検出器６からの検出信号１１より誤差又はノイズを除去する方法を示す。最初に、サンプルの表面上に焦点を結ばないように、フォーカスコイル４の駆動電流を適当な値に設定して走査を行う。これは、例えば初期走査であってよい。それによって得られた画像データＳ０は、誤差又はノイズのみを含むと考えられる。従って、以下の走査Ｓ１〜Ｓｎによって得られた画像データＳ１〜Ｓｎより画像データＳ０を減算することによって、正確な検出信号が得られる。
【００２９】
図７を参照して、制御部８の動作を詳細に説明する。偏向制御部８１は、観察者が入力した偏向速度に基づいて偏向制御信号９を生成し、それによって、ｎ段の偏向コイル３を駆動する。偏向制御信号９は、スイッチ手段８２１に出力される。スイッチ手段８２１は、本例の焦点検出機能を作動させる場合には、偏向制御信号９を演算部８２２に出力し、焦点検出機能を作動させない場合には、即ち、通常の観察を行う場合には、偏向制御信号９を演算部８２２に出力しない。
【００３０】
演算部８２２は、基準信号生成部８２３からの基準信号と、偏向制御部８１からの偏向制御信号９を加算して、焦点制御信号１０を生成する。それによって、ｎ段のフォーカスコイル４を制御する。尚、基準信号生成部８２３は、可変抵抗やDA変換器からなる。基準信号生成部８２３は観察者が入力した焦点調節値に基づいて基準信号を生成する。
【００３１】
偏向制御部８１は、偏向制御信号９として次の駆動電流信号を出力する。
SG＝-V + ( 2・V / Ts )・t                        式１
【００３２】
ここで、SGはｎ段の偏向コイルの駆動電流、Vは駆動電流の最大値、Tsは走査時間、tは１ライン分の走査時間である。ただし、t＝０〜Ｔｓである。
【００３３】
各段の偏向コイルの駆動電流Ifcは、次のように表される。
Ifc = SG / n                                   式２
【００３４】
演算部８２２は焦点制御信号１０として次の式によって表されるフォーカスコイル４の駆動電流を出力する。
Iobj = Iobjc + Ifc                             式３
【００３５】
ここで、Iobjは焦点制御信号１０、Iobjcは基準信号生成部８２３からの基準信号、Ifcは偏向制御信号である。
【００３６】
偏向制御信号Ifcは、図８Ａに示すように、走査毎に線形的に変動し、偏向制御信号のグラフがゼロとなるとき、電子ビーム２は光軸に整合する。
【００３７】
Pmin < Ifc < Pmaxである。本例の焦点検出機能を作動させない場合には、偏向制御信号Ifcはゼロのままである。
【００３８】
基準信号Iobjcは、図８Ｂに示すように、走査中一定であるが、走査毎に異なる。基準信号の段差ΔＩは、焦点位置の上下方向の変化量ΔＷＬに対応する。段差ΔＩが大きいと、焦点位置の変化量ΔＷＬは大きく、段差ΔＩが小さいと、焦点位置の変化量ΔＷＬは小さい。
【００３９】
焦点制御信号Iobjは、図８Ｃに示すように、偏向制御信号Ifcの反転信号と基準信号Iobjcの和である。焦点制御信号は走査毎の焦点の軌跡Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２…、Ｓｎに対応している。
【００４０】
再び、図３を参照する。１番目の走査において、電子ビームの焦点がサンプルの表面上の点Ｐ１にて結んだときの、焦点制御信号１０をIobjc1とする。Iobj1は、次の式によって表される。
Iobj1 = Iobjc1 - Δiobj1                        式４
【００４１】
ここで Iobjc1は、１番目の走査において偏向制御信号Ifcがゼロのときの焦点制御信号１０の値であり、丁度、ｚ軸上の点Ｑ１にて電子ビーム２が焦点を結んだときの焦点制御信号１０の値である。Δiobj１は、電子ビーム２の焦点が点Ｑ１にて結んだときの焦点制御信号１０と電子ビーム２の焦点が点Ｐ１にて結んだときの焦点制御信号１０の差である。従って、駆動電流の偏差Δiobj１は、焦点位置が初期焦点位置Ｑ１から点Ｐ１まで移動したときの垂直方向の移動距離に対応する。
【００４２】
初期走査において、電子ビーム２の焦点が初期焦点位置Ｏ１にて結んだときの焦点制御信号１０をfobj0とする。fobj0を電流の２乗項までで表すと、次のようになる。
fobj0 = C1・Iobjc^2 + C2・Iobjc + C3                    式５
ここで、C1、C2、C3は、レンズの定数である。
【００４３】
物点をAとすると、フォーカスコイルからサンプルの表面上の点Ｐ１までの距離WLは次の式によって求められる。
WL = ( A・fobj0 ) / ( A + fobj0 )                      式６
【００４４】
サンプルの表面上の点Ｐ１における焦点制御信号１０をfobj1とすると、fobj1は次のように表される。
fobj1 = C1・Iobjc1^2 + C2・Iobjc1 + C3                  式７
【００４５】
従って、フォーカスコイルから初期焦点位置Ｑ１までの距離WLO1は次の式によって求められる。
WLO1 = ( A・fobj1 ) / ( A + fobj1 )                    式８
【００４６】
ｚ軸上の初期焦点位置Ｑ１から原点Ｏまでの距離ΔWL は次のようになる。
ΔWL = WL1 - WL                            式９
【００４７】
式４から式９をまとめると、距離ΔWLは次の式によって得られる。
ΔWL = fp( X1, Iobjc ) - fp( 0, Iobjc )                  式１０
【００４８】
距離ΔWLは正又は負の値をとる。距離ΔWLが正の場合、電子ビームの焦点の軌跡は原点Ｏより上方を描き、距離ΔWLが負の場合、電子ビームの焦点の軌跡は原点Ｏより下方を描く。このずれ量が小さくなるように、フォーカスコイル４の駆動電流を制御すればよい。
【００４９】
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて、様々な変更が可能であることは当業者に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図２】フォーカスコイルの駆動電流と電子ビームの焦点位置の関係を示す図である。
【図３】電子ビームの焦点位置の軌跡とサンプル表面上の位置関係を示す図である。
【図４】コントラスト強度のグラフの例を示す図である。
【図５】コントラスト強度を画像表示した例を示す図である。
【図６】コントラストの検出アルゴリズムである。
【図７】制御部の構造概略図である。
【図８】自動調節時の制御波形である。
【符号の説明】
【００５１】
１…電子ビーム発生源、２…電子ビーム、３…ｎ段の偏向コイル、４…ｎ段のフォーカスコイル、５…サンプル、６…検出器、７…表面情報、８…制御部、９…偏向制御信号、１０…焦点制御信号、１１…検出信号
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2006107917.tif 000009
【図８】
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