(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細く絞った電子やイオンの粒子線を試料に照射して試料から発生する２次線を検出する粒子線装置であって、試料面上に照射される粒子線のプローブ径を調整するフォーカス調整手段を備えた粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、
該粒子線プローブの使用条件によって定まる粒子線プローブの最小プローブ径を算出し、該最小プローブ径に基づいて、所定のフォーカス調整操作に対する該粒子線のプローブ径の変化幅を算出し、該プローブ径の変化幅に基づいて、該粒子線プローブにおけるフォーカス位置の変化幅を算出し、該フォーカス位置の変化幅に基づいて、フォーカス調整手段によるフォーカス調整操作のフォーカス調整量を変化させることを特徴とする粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項２】
細く絞った電子やイオンの粒子線を試料に照射して試料から発生する２次線を検出する粒子線装置であって、試料面上に照射される粒子線のプローブ径を調整するフォーカス調整手段を備えた粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、
該粒子線プローブの使用条件によって定まる粒子線プローブの最小プローブ径を算出し、該粒子線による走査像の表示倍率と該最小プローブ径とに基づいて、所定のフォーカス調整操作に対する該粒子線のプローブ径の変化幅を算出し、該プローブ径の変化幅に基づいて、該粒子線プローブにおけるフォーカス位置の変化幅を算出し、該フォーカス位置の変化幅に基づいて、フォーカス調整手段によるフォーカス調整操作のフォーカス調整量を変化させることを特徴とする粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項３】
前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線の加速電圧に応じて変化するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項４】
前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線のプローブ電流に応じて変化するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項５】
前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線源の種類、エミッション電流及び温度に基づき算出された粒子線源の輝度及び粒子線のエネルギー幅に応じて変化するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項６】
前記フォーカス調整手段によるフォーカス調整量に基づき、フォーカス合わせの作動距離範囲又はフォーカス合わせに要する時間を設定し、該時間内で自動的にフォーカス合わせを行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【請求項７】
前記フォーカス調整手段は、集束レンズ系及び又は対物レンズ系の制御手段、又は試料ステージの制御手段であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、粒子線装置におけるフォーカス調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、粒子線装置、とりわけ荷電粒子線を試料面上で走査して試料から発生するＸ線や２次的な電子などの２次線を検出し、試料表面形状の観察、組成分析、状態分析などを行う、走査型透過電子顕微鏡、走査型電子顕微鏡、電子プローブマイクロアナライザ、オージェ電子分光装置、イオンマイクロプローブなどの粒子線装置においては、試料表面の上下位置に対応して粒子線を集束するレンズ系の焦点距離を調整し、粒子線が試料面上で最小になるようにして微小域の観察や分析を行っている。
【０００３】
ところで、与えられた条件下で試料面における荷電粒子線（粒子プローブ）を最小にするなど、プローブのフォーカス状態を変化させる場合には、荷電粒子線を試料面上で走査して得られる走査像を観察したり、得られる走査像信号を自動処理したりして、電子やイオンなどの粒子線を収束するレンズ又は補助レンズの焦点距離を、手動又は自動的に変えることにより、調整操作が実施されている。
【０００４】
従来の粒子線装置においては、フォーカス状態を変化させる場合、観察倍率が低い場合には１回の調整操作におけるフォーカスの調整量が大きくなるように、すなわちレンズの焦点距離の変化が大きくなるように、また観察倍率が高い場合には１回の調整操作でフォーカス調整量が小さくなるように、(1) 観察倍率に応じて、フォーカス調整量に粗調や微調の専用つまみなどを設け、それらを使い分けたり、粗調や微調機構を切り換えて使用する手法、あるいは、(2) 観察倍率と連動して、自動的に１回の調整操作におけるフォーカス調整量を変化させる手法が用いられている。
【０００５】
これらの手法は、自動的に焦点を合わせる機能を有する場合でも、１回あたりのフォーカス調整量を最適に保つために有用である。なお、前記(2) の手法を自動焦点合わせ機能を備えた粒子線装置に適用した先行技術は、特願平１１−１４４３２１号において提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記(1) の手法により、１回の調整操作に対するフォーカス調整量の異なるつまみ等を配置する場合には、操作つまみの数が増え、画像を観察しているときには、どのつまみがどのフォーカス調整量に対応しているかなどを確認する必要があり、操作が煩雑になるという問題点がある。また、フォーカスつまみは一つであるが、一回のフォーカス調整操作に対するフォーカス調整量をボタンスイッチや操作継続時間などの自動認識等で切り換える場合にも、切り換えの回数は通常は２段階から多くても数段階が限度であるため、フォーカス調整の操作量を最小にすることは不可能である。
【０００７】
一方、(2) の手法を用いた場合には、１回の調整操作に対するフォーカス調整量が同じでも、加速電圧やプローブ電流の違いにより最小プローブ径が異なるため、観察倍率が比較的高い状態で、最小プローブ径が大きいような状態の場合には、フォーカス調整操作が多い割にはフォーカスの変化が少なく観察される。すなわち、プローブ径が細い場合には、僅かなフォーカス調整量でも認識できたフォーカスの変化が、プローブ径が大きくなるとフォーカスの変化は認識できなくなり、合焦位置を確認しにくいという問題があった。
【０００８】
本発明は、従来の粒子線位置のフォーカス調整方法における上記問題点を解消するためになされたもので、最小の操作量で最適なフォーカス状態が容易に得られるようにした粒子線位置におけるフォーカス調整方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するため、請求項１に係る発明は、細く絞った電子やイオンの粒子線を試料に照射して試料から発生する２次線を検出する粒子線装置であって、試料面上に照射される粒子線のプローブ径を調整するフォーカス調整手段を備えた粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、該粒子線プローブの使用条件によって定まる粒子線プローブの最小プローブ径を算出し、該最小プローブ径に基づいて、所定のフォーカス調整操作に対する該粒子線のプローブ径の変化幅を算出し、該プローブ径の変化幅に基づいて、該粒子線プローブにおけるフォーカス位置の変化幅を算出し、該フォーカス位置の変化幅に基づいて、フォーカス調整手段によるフォーカス調整操作のフォーカス調整量を変化させることを特徴とするものである。
【００１０】
このように、粒子線プローブの使用条件によって定まる最小プローブ径に応じて、フォーカス調整手段の１回の操作に対するフォーカス調整量を自動的に変えるようにしているので、任意の粒子線プローブの使用条件に対して、最小の操作量で最適なフォーカス状態を容易に得ることが可能となる。
【００１１】
また請求項２に係る発明は、細く絞った電子やイオンの粒子線を試料に照射して試料から発生する２次線を検出する粒子線装置であって、試料面上に照射される粒子線のプローブ径を調整するフォーカス調整手段を備えた粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、該粒子線プローブの使用条件によって定まる粒子線プローブの最小プローブ径を算出し、該粒子線による走査像の表示倍率と該最小プローブ径とに基づいて、所定のフォーカス調整操作に対する該粒子線のプローブ径の変化幅を算出し、該プローブ径の変化幅に基づいて、該粒子線プローブにおけるフォーカス位置の変化幅を算出し、該フォーカス位置の変化幅に基づいて、フォーカス調整手段によるフォーカス調整操作のフォーカス調整量を変化させることを特徴とするものである。
【００１２】
このように、走査像の表示倍率と粒子線プローブの使用条件によって定まる最小プローブ径に応じて、フォーカス調整手段の一回の操作に対するフォーカス調整量を自動的に変えるようにしているので、任意の表示倍率と任意の粒子線プローブの使用条件に対して、最小の操作量で最適なフォーカス状態を容易に得ることが可能となる。
【００１３】
また請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線の加速電圧に応じて変化するように構成されていることを特徴とするものであり、また請求項４に係る発明は、同じく請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線のプローブ電流に応じて変化するように構成されていることを特徴とするものであり、また請求項５に係る発明は、同じく請求項１又は２に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、前記粒子線の最小プローブ径は、粒子線源の種類、エミッション電流及び温度に基づき算出された粒子線源の輝度及び粒子線のエネルギー幅に応じて変化するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
このように、粒子線のプローブ径を、荷電粒子線の加速電圧、あるいは荷電粒子のプローブ電流に応じて、更には荷電粒子線源の種類、エミッション電流及び温度に基づき算出された粒子線源の輝度及び粒子線のエネルギー幅に応じて変化するようにしているので、最小プローブ径の値を指定する必要もなく、フォーカス合わせ操作を簡単に行うことが可能となる。
【００１５】
また請求項６に係る発明は、請求項１〜５に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、前記フォーカス調整手段によるフォーカス調整量に基づき、フォーカス合わせの作動距離範囲又はフォーカス合わせに要する時間を設定し、該時間内で自動的にフォーカス合わせを行うことを特徴とするものであり、また請求項７に係る発明は、請求項１〜６に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法において、前記フォーカス調整手段は、集束レンズ系及び又は対物レンズ系の制御手段、又は試料ステージの制御手段であることを特徴とするものである。
【００１６】
上記のように構成することにより、一定時間内の合焦位置探査では最も広い範囲を探査でき、また一定の探査範囲の合焦位置探査では最小の時間で実施可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、実施の形態について説明する。図１は、本発明に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法を実施するための粒子線装置におけるフォーカス調整装置の構成例を示す概略構成図で、粒子線装置の主たる分析・観察部分は省略して示している。図１において、１は操作表示部、２は演算処理部、３は制御プログラムによって各部の制御を行う制御部、４は熱電子放出型電子銃（粒子線源）の陰極、５は抑制電極、６は陰極より放出される電子（粒子）ビーム、７は陽極、８は集束レンズ系、９は対物絞り、10は電子（粒子）プローブの走査・偏向量を制御するための走査・偏向系、11は非点収差補正系、12は電子プローブを細く収束するための対物レンズ系、13は電子プローブの照射された試料14から放出される２次電子（２次粒子）を検出するための２次電子（２次粒子）検出器、15は２次電子検出器13からの検出信号を処理し、試料走査像を生成する信号処理部、16は試料ステージで試料ステージ制御部17によって駆動されるようになっており、そして試料ステージ16の位置の認識は試料ステージ制御部17でなされるが、認識位置の表示や移動命令は操作表示部１からなされるようになっている。
【００１８】
また、18は加速電圧電源、19は陰極加熱電源、20は抑制電圧電源、21は集束レンズ電源、22は走査偏向系電源、23は非点収差補正系電源、24は対物レンズ系電源である。
【００１９】
上記図１に示した構成例においては、熱電子放出型の電子銃（粒子線源）を用いたものを示したが、電界放出型又はショットキー放出型などの電子銃（粒子線源）を用いた場合は、図２に示すような構成となる。図２において、31は抑制電極、32は引出電極、33は抑制電圧電源、34は引出電圧電源である。
【００２０】
次に、まず上記構成例の動作に基づいて本発明の概要について説明する。操作表示部１には、図３に示すように、加速電圧電源18の加速電圧Ｖa の設定手段、抑制電圧電源20（又は引出電圧電源34）によるエミッション電流Ｉe の設定手段、集束レンズ電源21によるプローブ電流Ｉp の設定手段、走査・偏向系10及び走査偏向系電源22による表示倍率ＭR の設定手段、対物レンズ系12及び対物レンズ系電源24によるフォーカス調整手段、及び自動焦点実行開始ボタン等が配置されている。なお、図３において、１ａは試料面の高低の指標に用いられる試料と対物レンズ間の距離を示す作動距離（ＷＤ）の値を表す表示である。
【００２１】
そして、上記操作表示部１において、各設定手段で所定条件値を設定し、自動焦点実行の指示がなされると、演算処理部２において、上記操作表示部１において各設定手段で設定された条件の一部又は全部を考慮して、最小プローブ径ｄp を算出し、これに基づいて１回のフォーカス調整操作に対するプローブ径の変化幅ｄc を算出し、フォーカス位置の変化幅Δw を最終的に決定する。そして、この情報に基づいて、制御部３によりレンズ系及び走査系が制御され、従来の適当なフォーカス探査法を利用してフォーカス探査が実行される。
【００２２】
次に、上記演算処理部２における動作について、更に詳細に説明する。電子銃の種類（熱電子放出型、電界放出型、ショットキー放出型など）が決まり、電子銃の加速電圧（陰極４と陽極７との間の電圧）Ｖa ，陰極温度Ｔe ，エミッション電流Ｉe などの電子銃の動作条件が決まると、電子銃の輝度βや電子銃から放出される電子ビームのエネルギー幅ΔＥも決まる。この電子銃の輝度β及び電子ビームのエネルギー幅ΔＥから、装置に固有な常数を用いて、指定した加速電圧Ｖa とプローブ電流（試料に照射される電子の電流）Ｉp に対する最小プローブ径ｄp を求めることができる。この算出法は周知のものであるが、例えば特開平１−２３６５６３号公報などに開示されている。
【００２３】
このようにして求められた最小プローブ径ｄp に対して、走査像（２次電子像）を表示するディスプレイ（操作表示部１）上の表示倍率をＭR ，人間の目の分解能をδe （約0.2mm とされている）とすると、フォーカス調整時にディスプレイ上で許容される画像のぼけの幅δD は、次式（１）のように定義される。
δD ＝｛δe2＋（ｄp ・ＭR ）2 ｝1/2   ・・・・・・・・・・・・（１）
つまり、最小プローブ径ｄp によって、この表示倍率ＭR では、これ以上鮮明な像はフォーカスを調整しても得られないので、このぼけの幅δD を許容値とすることができる。
【００２４】
次に、ディスプレイ上のぼけ幅δD を、試料面上のプローブ径の許容値ｄに換算すると、次式（２）で表される。
ｄ＝δD ／ＭR ＝｛（δe ／ＭR ）2 ＋（ｄp ）2 ｝1/2   ・・・・（２）
フォーカス調整時には、試料面上で、このプローブ径の許容値ｄよりも充分小さな値でプローブ径が変化すれば、δe ／ＭR に相当する値で変化しない場合でも、実質的にはプローブ径の許容値が得られることになる。したがって、１以下の値をもつ適当な係数Ｃ（０＜Ｃ≦１）を用いて、次式（３）に示すプローブ径の変化ｄc でプローブ径が変化するようにすればよい。ここで、実用的にはＣ＝0.1 〜0.5 などが選ばれる。
ｄc ＝｛（δe ／ＭR ）2 ＋（Ｃ・ｄp ）2 ｝1/2   ・・・・・・・・（３）
【００２５】
図４は、プローブ径変化の態様を本発明と従来例の場合を比較して示す図で、プローブ径が零に近くプローブ径を無視できる状態の場合は、フォーカスを僅かずらすだけでプローブ径が広がって行くので、フォーカスの変化がよくわかる。しかし、プローブ径が、ある程度の大きさがあり無視できない状態の場合は、従来の手法では、フォーカスの操作量を多くしても、ある径のプローブ径から変化して行くので、殆どプローブ径の変化が認識できないが、本発明においては、最小プローブ径に応じてフォーカス調整量を変化させるようにしているので、少ない操作量で短時間で合焦状態が得られる。
【００２６】
上記のようにして得られたプローブ径の変化ｄc を、フォーカス位置の変化幅（作動距離の幅）Δw に換算するには、試料面に入射するプローブの開き角（半項角）αを用いて、次式（４）で求められる。
Δw ＝ｄc ／２α  ・・・・・・・・・・・・・（４）
【００２７】
すなわち、最小プローブ径ｄp を考慮するときは、次式（５）で示すこれを考慮しないときのフォーカス位置の変化幅（作動距離の幅）δw の代わりに、前記フォーカス位置の変化幅をΔw を用いればよいことがわかる。
δw ＝（δe ／ＭR ）／２α  ・・・・・・・・（５）
【００２８】
このような作動距離の幅Δw からレンズ系の焦点距離ｆの変化を設定するには、次のようにして行えばよい。すなわち、フォーカス探査を行うレンズが対物レンズの場合、対物レンズ系としての物体距離をａ，像距離をｂとすると、その時点で設定されている対物レンズの焦点距離ｆは、次式（６）で表される。
ｆ＝ａｂ／（ａ＋ｂ）  ・・・・・・・・・・・（６）
したがって、作動距離をΔw だけを変化させた場合の焦点距離ｆ1 は、次式（７）で求められる。
ｆ1 ＝ａ（ｂ＋Δw ）／｛ａ（ｂ＋Δw ）｝  ・・・・・・・・・・（７）
よって、この焦点距離ｆ1 に対応させて磁界型の対物レンズの場合には、励磁電流を調整させればよいことになる。
【００２９】
上記焦点距離ｆ，ｆ1 に対応する励磁電流をそれぞれＩ，Ｉ1 〔Ａ〕とすると、次式（８）で示すそれらの差分δＩの範囲内で励磁電流がずれても、フォーカスのずれは認識できないことになる。
δＩ＝｜Ｉ1 −Ｉ｜  ・・・・・・・・・・・・（８）
【００３０】
次に、焦点距離の調整のため対物レンズの励磁電流を調整した場合、応答の遅れにより理想的な磁場の応答から遅れて磁場が変化する。レンズの応答の遅れ時間をτ〔ｓ〕とすると、この応答遅れ時間τの間に変化する対物レンズの励磁電流が、前記励磁電流の差分±δＩ程度又はそれ以下であれば、すなわち全体として２δＩ以下であれば、応答の遅れの補正は必要ないことがわかる。すなわち、励磁電流の変化の速度Ｓは、次式（９）で示される程度か、又はそれ以下にすればよい。
Ｓ＝２δＩ／τ〔Ａ／ｓ〕  ・・・・・・・・・（９）
したがって、フォーカス探査時間をｔ〔ｓ〕に設定すると、フォーカス探査範囲に対応する励磁電流の可変範囲ΔＩを次式（10）で示す値又はそれ以下に設定すれば、応答の遅れの補正なしに合焦位置を検出できることになる。
ΔＩ＝Ｓｔ〔Ａ〕  ・・・・・・・・・・・・・（10）
この励磁電流の可変範囲ΔＩに対応して、対物レンズの焦点距離の可変範囲Δｆが定まり、また焦点距離の可変範囲Δｆが合焦位置の探査範囲に対応する作動距離の幅ΔＷＤに対応することになる。
【００３１】
上記動作説明では、フォーカス位置の変化幅（作動距離の幅）Δw を、プローブを集束するレンズ系を用いて段階的に設定するようにしたものを示したが、本発明はこれに限らず、作動距離の幅Δw の変化を、試料ステージ16の試料ステージ制御部17による上下方向の位置の変化によって実現するように構成してもよく、同様の効果が得られる。
【００３２】
また、上記動作説明では、プローブ径の変化幅すなわち作動距離の幅Δw は、電子（粒子）プローブの開き角αを用いて求めるようにしたものを示したが、電子（粒子）プローブの開き角αを決める絞り径ｄAPに応じて、プローブ径の変化幅すなわち作動距離の幅Δw を求めるようにしてもよい。
【００３３】
また、上記動作説明では、粒子源として電子銃を用い、電子銃の種類及び電子銃の動作条件により、電子銃の輝度βや電子銃から放される電子ビームのエネルギー幅ΔＥを決めるようにしたものを示したが、電子銃の陰極の材質（Ｗ，Ｌa Ｂ6 など）をも考慮して電子銃の輝度βや電子ビームのエネルギー幅ΔＥを算出するようにしてもよい。また更には、粒子源としてイオン源を用い、イオン源のタイプ（プラズマトロン型、電界脱離型、電界電離型）、イオン源の温度Ｔなどに応じて粒子源（イオン源）の輝度βやエネルギー幅ΔＥを算出し設定するようにしてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粒子線プローブの使用条件によって定まる最小プローブ径に応じて、フォーカス調整量を自動的に変えるようにしているので、任意の粒子線プローブの使用条件に対して、最小の操作量で最適なフォーカス状態を容易に得ることが可能となる。また本発明は、粒子線による走査像の表示倍率と粒子線の最小プローブ径に応じてフォーカス調整量を自動的に変えるようにしているので、任意の表示倍率と任意の粒子線プローブの使用条件に対して、最小の操作量で最適なフォーカス状態を容易に得ることが可能となる。また本発明によれば、荷電粒子線の加速電圧、あるいは荷電粒子線のプローブ電流に応じて、更には荷電粒子線源の種類、エミッション電流及び動作温度に基づき算出された粒子線源の輝度及び粒子線源のエネルギー幅に応じて、粒子線の最小プローブ径を算出するようにしているので、最小プローブ径の値を指定する必要もなく、フォーカス合わせ操作を簡単に行うことが可能となる。また本発明によれば、フォーカス調整量に基づき、フォーカス合わせの作動距離範囲又はフォーカス合わせに要する時間を設定し、該時間内で自動的にフォーカス合わせを行うようにしているので、一定の時間内の合焦位置探査では最も広い範囲を探査でき、また一定の探査範囲の合焦位置探査では最小の時間で探査を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る粒子線装置におけるフォーカス調整方法を実施するための粒子線装置におけるフォーカス調整装置の構成例を示す概略ブロック構成図である。
【図２】  図１に示した構成例の電子銃部分の他の構成例を示す図である。
【図３】  図１に示した構成例における操作表示部、演算処理部の動作を説明するための説明図である。
【図４】  本発明と従来例におけるプローブ径の変化の態様を示す図である。
【符号の説明】
１  操作表示部
２  演算処理部
３  制御部
４  陰極
５  抑制電極
６  電子ビーム
７  陽極
８  集束レンズ系
９  対物絞り
10  走査・偏向系
11  非点収差補正系
12  対物レンズ系
13  ２次電子検出器
14  試料
15  信号処理部
16  試料ステージ
17  試料ステージ制御部
18  加速電圧電源
19  陰極加熱電源
20  抑制電圧電源
21  集束レンズ電源
22  走査偏向系電源
23  非点収差補正系電源
24  対物レンズ系電源
31  抑制電極
32  引出電極
33  抑制電圧電源
34  引出電圧電源
【図１】
0004163393.tif 000002
【図２】
0004163393.tif 000003
【図３】
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【図４】
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