(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数に分割した検出面を備えた一つの反射電子検出器と、
前記複数の検出面から得られる反射電子信号の検出強度から試料表面上の法線ベクトルを求める手段と、
試料表面上の任意に定めた点を基準点とし、当該基準点における高さを求める手段と、
試料表面の定量的な凹凸像を求める手段とを備え、
前記法線ベクトルを求める手段は、各検出面の検出強度から反射電子線が各検出面を照射する照射面積を求め、当該各検出面の照射面積から反射電子検出器が受光する反射電子の受光分布の中心位置を求め、当該中心位置から反射電子線ベクトルを求め、当該反射電子線ベクトルと電子ビームの入射方向から試料表面上の法線ベクトルを求め、
前記定量的凹凸像を求める手段は、試料表面上の各点における法線ベクトルによって順次求めた試料表面の凹凸形状と、基準点における高さとに基づいて試料表面の定量的な凹凸像を求めることを特徴とする、凹凸像形成装置。
【請求項２】
前記凹凸像形成装置で求めた定量的な凹凸像から試料表面の高さデータを求め、該高さデータを用いて試料ステージの高さ方向を制御して試料面を分析位置に位置合わせすることを特徴とする、請求項１記載の電子線分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小領域の定量的な凹凸像の作成、及び線分析やマッピング分析を行う電子線分析装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＥＤＸ（エネルギー分散Ｘ線分光）やＷＤＸ（波長分散Ｘ線分光）を用いた電子マイクロアナライザー（ＥＰＭＡ）や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）などの電子線分析装置は、試料上に電子線を照射し、これによって放出される二次電子線、反射電子線、Ｘ線等を検出することによって試料の表面分析を行う。このような電子線分析装置では、試料上に照射する電子線を走査することによって、二次電子線像、反射電子線像、Ｘ線像の線分析像やマッピング像によって形状や組成分布を得ることができる。
【０００３】
電子線分析装置で線分析やマッピング分析を行う場合、凹凸のある試料面において、点分析、線分析、マッピング分析を精度良く行うために、各分析位置において試料面の高さ制御を行う必要がある。例えばＷＤＸでは、試料面の高さを分光器の集光条件を満足するように常に試料ステージの高さを補正する自動高さ補正を適用するものが知られている。
【０００４】
従来、高さ検出器によってあらかじめ試料表面の高さを求めておき、この高さ情報によって試料表面を近似し、近似データに基づいて試料ステージの高さ位置を調整する方法や、さらに、光学像から分析点の高さを求め、これによって試料ステージの高さを補正することが行われている。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）では、試料面の立体的な像を得る装置として、測定用の二次電子検出器を兼用したものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
走査型電子顕微鏡が備える二次電子検出器を用いた装置は、本来、試料表面の定量的な高さを求めることを目的とするものでないため、測定用の二次電子検出器を兼用して構成している。この二次電子信号を用いて試料の高さを求める装置では、二次電子信号の指向性が低いため、試料表面の面方向を定量的な演算には不向きであるという問題がある。また、二次電子信号にはエッジ効果が大量に含まれ、該エッジ効果の量は試料の組成に大きく依存しているため、正確な高さ情報が得にくいという問題がある。
【０００６】
また、従来知られている高さ検出器では、複雑な凹凸面を正確にかつ容易に求めることが困難であるという問題がある。
また、光学像を用いて高さ制御を補正する方法では、試料面の明るさが低い場合には高精度で焦点位置を求めることが困難であるいため、良好な補正を行うことができないという問題がある。
したがって、従来の装置で得られる凹凸像は定性的なものであって、良好な高さ情報が得がたいという問題があり、このような定性的凹凸像を用いて高さ調整では正確な高さ補正が得にくいという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、定量的な凹凸像を求める凹凸像作成装置を提供することを目的とし、定量的な凹凸像によって正確な高さ補正を行う電子線分析装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、指向性の高い反射電子を用いて試料表面上で局所的な法線ベクトルを求め、この法線ベクトルと基準位置の高さデータを基にして試料表面の定量的な凹凸像を作成し、求めた定量的凹凸像を用いて正確な高さ補正を行うものである。指向性の高い反射電子を用いることによって、高精度の定量的凹凸像を得ることができる。
【０００９】
図１は本発明による凹凸像作成を説明するための図である。図１（ａ）において、試料Ｓ上の点Ｐに電子ビームｅを照射すると、点Ｐで反射した電子は反射電子線として検出される。反射電子線ベクトルβは反射電子の進行方向を示しており、法線ベクトルαを対称位置軸として電子ビームｅと対称の方向に反射する。法線ベクトルαは試料表面の傾斜を表しているので、電子ビームｅに入射方向が既知であれば、反射電子線ベクトルβから法線ベクトルαを求め、該法線ベクトルαから点Ｐでの試料表面の傾斜を求めることができる。
【００１０】
図１（ｂ）で示すように、試料表面上の各点で法線ベクトルαを求めることによって、試料Ｓの表面の凹凸状態を求めることができる。また、試料表面上の基準点の３次元座標を求めることによって、試料全体の傾きを補正するとともに基準位置からの高さ求めて、試料表面の凹凸像を求めることができる。
【００１１】
本発明の反射電子線を用いた凹凸像装置として、複数の反射電子検出器と、反射電子検出器から得られる反射電子信号の強度分布から試料表面上の法線ベクトルを求める手段と、試料表面上の基準点における高さを求める手段と、試料表面の定量的な凹凸像を求める手段とを備えた構成とする。
【００１２】
本発明の凹凸像作成装置は、図２のフローチャートに従って試料表面の凹凸像を作成する。複数の反射電子検出器によって反射電子線を検出し、該反射電子線の強度分布から試料表面上の各点の法線ベクトルを求めるとともに（ステップＳ１）、光学顕微鏡等のフォーカス機能を備える光学的焦点位置検出装置によって試料表面上の基準点における高さを求める（ステップＳ２）。
【００１３】
ある点での法線ベクトルから得られるその点における傾斜情報を用いて近傍点の高さを求める。求めた近傍点での高さとその近傍点での法線ベクトルを用いてさらに他の近傍点の高さを求める。この操作を順次繰り返すことによって試料表面の凹凸形状を求める（ステップＳ３）。試料表面上の基準点における高さから、試料表面の基準位置からの高さ及び試料全体の傾きを求め、ステップＳ３で求めた凹凸形状と組み合わせて試料表面の定量的な凹凸像を求める（ステップＳ４）。
【００１４】
また、本発明の電子線分析装置は、本発明の凹凸像作成装置で求めた定量的凹凸像から試料表面の高さデータを求め、該高さデータを用いて試料ステージの高さ方向を制御して試料面を分析位置に位置合わせすることによって、正確な高さ補正を行う。本発明の電子線分析装置によれば、表面が凹凸形状の試料について、ＷＤＸ（波長分散型Ｘ線分光器）等において試料ステージを制御して、分布位置を自動補正しながらマッピング分布を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図を参照しながら詳細に説明する。
図３は本発明の凹凸像作成装置を説明するための図である。なお、図３は電子線分析装置においてＸ線を検出する場合について示している。
電子線分析装置１において、フィラメント等の電子銃８から発生された電子ビームｅは、コンデンサレンズや対物レンズ（図示していない）及び反射電子検出器２ａを通って、試料ステージ９上に配置された試料に照射される。試料表面で反射した反射電子は反射電子検出器２ａで検出され、試料から放出されるＸ線はＸ線分光器７で検出される。反射電子は試料表面の凹凸形状を求めるために用い、Ｘ線は試料分析に用いる。なお、試料分析はＸ線に限らず他の信号を検出して行う構成とすることもできる。
【００１６】
試料ステージ９は、試料ステージ駆動制御手段６によってＺ軸方向、及びＸ，Ｙ軸方向の駆動を行う。試料ステージ駆動制御手段６は、図示しないコンピュータからの制御コマンドによって、Ｚ軸方向の高さ調整やＸ，Ｙ軸方向の位置決めを行うことができる。
電子線分析装置１は凹凸像を作成する構成として、法線ベクトル形成手段２、基準高さ形成手段３、凹凸像形成手段４を備える。
【００１７】
法線ベクトル形成手段２は、複数の検出面を有した反射電子検出器２ａと法線ベクトル算出手段２ｂとを備える。反射電子検出器２ａは反射電子の強度分布を求め、法線ベクトル算出手段２ｂは反射電子の強度分布から反射電子の進行方向を示す反射電子線ベクトルβを算出し、この反射電子線ベクトルβから法線ベクトルαを算出する。
基準高さ形成手段３は、試料表面の基準点における高さを求めるものであり、ＣＣＤカメラ等の撮像装置を備えた光学顕微鏡等の光学観察手段３ａで試料表面を撮像し、高さ算出手段３ｂで試料表面の高さを求める。高さ算出手段３ｂは、オートフォーカス機能によって光学的焦点位置を検出する合焦信号検出形成機能、及びＺ軸フィードバック制御信号形成機能を備える。合焦信号検出形成機能は、光学観察手段３ａで撮像した光学像信号から焦点合わせに用いる合焦信号を形成し、Ｚ軸フィードバック制御信号形成機能は、合焦信号を用いてＺ軸フィードバック制御信号を形成して試料ステージ駆動制御手段６にフィードバックし、試料ステージ９のＺ軸方向の制御を行って像の焦点を合わせるとともに、試料の高さデータを取得する。
【００１８】
通常、光学的焦点位置検出機能を備える高さ算出手段３ｂは試料上の焦点位置と、Ｘ線分光器の試料上における集光条件を満足する分析位置とが一致するよう設定し、光学像の焦点合わせを行うことによってＸ線分光器の集光条件を合わせる。
Ｚ軸フィードバック制御信号形成機能によって取得した高さデータはＺ軸座標に変換され、Ｘ軸座標値及びＹ軸座標値とともに基準位置データ記憶手段３ｃに記憶される。
【００１９】
凹凸像形成手段４は、凹凸形状算出手段４ａと凹凸像作成手段４ｂとを備える。凹凸形状算出手段４ａは、法線ベクトル算出手段２ｂで求めた法線ベクトルαに基づいて試料表面の凹凸形状を算出する。該凹凸形状の算出は、ある点において、その法線ベクトルからその点における傾斜情報を求め、該傾斜を用いて近傍点の高さを求める。求めた近傍点での高さと近傍点での法線ベクトルを用いてさらに他の近傍点の高さを求める。この操作を順次繰り返すことによって試料表面の凹凸形状を求める。
【００２０】
凹凸像作成手段４ｂは、凹凸形状算出手段４ａで算出した凹凸形状と基準位置データ記憶手段３ｃに格納された基準位置データとから凹凸像を作成する。凹凸像作成手段４ｂは、基準位置データから試料表面の基準位置からの高さ及び試料全体の傾きを求め、凹凸形状と組み合わせて試料表面の定量的な凹凸像を求める。
形成された凹凸像は試料ステージ駆動制御手段６にフィードバックされ、試料ステージの高さ制御の補正に用いられる。また、凹凸像は画像データ保存・表示手段５に送られ、凹凸像の保存あるいは任意の表示手段で表示される。
【００２１】
図４は本発明による凹凸像の作成手順を説明するためのフローチャートであり、図５は反射電子の検出を説明するための概略図である。
はじめに、試料ステージ駆動制御手段６によって試料をｘ，ｙ方向に移動し、試料表面上で電子ビームｅが照射する位置を定める。図５（ａ）中の点Ｐは電子ビームｅの照射位置を示している（ステップＳ１１）。照射された電子ビームｅは点Ｐで反射し、該点Ｐの面傾斜に応じた反射電子線ベクトルβの方向に進む。この反射電子線ベクトルβは、点Ｐにおける電子ビームｅの入射方向及び法線ベクトルαで定まる。一般に、反射電子は強い指向特性を備える。図５（ａ）中の斜線領域は反射電子の指向特性を示し、反射電子線ベクトルβは該指向特性を包括して概括的に示している。
【００２２】
反射電子検出器２ａは複数の検出面を備える。図５（ｂ）は反射電子検出器２ａの一構成例であり、４つの検出面Ａ１〜Ａ４を備えた例を示している。検出面Ａ１〜Ａ４はそれぞれｘ軸あるいはｙ軸方向に配置され、中心に形成した開口部を通って電子ビームｅを通過させ、試料表面で反射した反射電子を受光し、受光面積に対応した検出強度を出力する（ステップＳ１２）。
【００２３】
反射電子検出器２ａで検出した検出強度から反射電子線ベクトルβを求める。図６は反射電子検出器による反射電子の検出状態を説明する図である。図６（ａ）は、反射電子検出器２ａの検出面上におけるの反射電子の受光分布Ｒを示している。図６（ｂ）の斜視図及び図６（ｃ）の平面図に示すように、反射電子の受光分布Ｒの検出面上での位置は反射電子線ベクトルβに対応しており、反射電子の受光分布Ｒの中心位置から反射電子線ベクトルβのｘ成分及びｙ成分を求めることができる。この反射電子の受光分布Ｒの中心位置は、各検出器Ａ１〜Ａ４上に照射される反射電子の面積から求めることができ、この反射電子の照射面積は、分割した各検出器Ａ１〜Ａ４の検出強度から算出することができる。図５（ｂ）に示す検出面の構成では、照射面積と検出強度はほぼ比例関係にあるとすることができる。
【００２４】
したがって、検出器Ａ１〜Ａ４の検出強度から反射電子線ベクトルβのｘ成分Ｉｘ及びｙ成分Ｉｙを求めることができる。なお、反射電子線ベクトルβを単位ベクトルとすると、ｚ成分Ｉｚばｘ成分Ｉｘ及びｙ成分Ｉｙから求めることができる。
【００２５】
反射電子検出器は図５（ｂ）に示す構成に限らず他の構成とすることができる。図７は反射電子検出器の他の構成例である。図７（ａ）に示す第２の構成例は図５（ｂ）に示す第１の構成例と同様に放射状に４分割する構成例であるが、配置位置を異ならせて検出面Ｂ１〜Ｂ４をそれぞれ第１象限〜第４象限に配置したものである。図７（ｂ），（ｃ）に示す第２，３の構成例は放射状に３分割した検出面Ｃ１〜Ｃ３の例、及び放射状に８分割した検出面Ｄ１〜Ｄ８の例である。また、図７（ｄ）に示す第４の構成例は放射状及び同心円状に分割した検出面Ｅ１〜Ｅ１２の例である。
なお、各反射電子検出器を用いた場合の反射電子線ベクトルβの算出は、各検出面の構成に対応して行う（ステップＳ１３）。
【００２６】
試料表面上において電子ビームｅの照射位置をずらしながら、試料の測定領域内の全測定点について上記ステップＳ１１〜ステップＳ１２を繰り返して、全測定点の反射電子線ベクトルβを求める（ステップＳ１４）。
求めた反射電子線ベクトルβから、試料表面上の各測定点における法線ベクトルαを求める。反射電子線ベクトルβは、法線ベクトルαに対して電子ビームｅの入射方向と幾何学的に対称であるため、法線ベクトルαは反射電子線ベクトルβと電子ビームｅの入射方向（通常試料ステージ上の座標系に対して垂直な方向となる）とから幾何学的に算出することができる（ステップＳ１５）。
【００２７】
次に、法線ベクトルαを用いて試料表面の凹凸形状を求める。凹凸形状の算出は、以下に示す算出例のように、ある点の法線ベクトルαから近傍の点の高さを算出する演算を点をずらしながら繰り返すことによって行うことができる。図８は凹凸形状及び凹凸像の算出を説明するための図である。
【００２８】
図８（ａ）において、ある点Ｐ１における法線ベクトルをα１とし、近傍の点Ｐ２における法線ベクトルをα２とし、点Ｐ１と点Ｐ２との横方向の距離をΔＬとする。このとき、点Ｐ１における傾斜面（図８（ａ）の断面中の破線）と法線ベクトルα１とは垂直関係にあることから、点Ｐ１と近傍点Ｐ２との高さの差Δｈは法線ベクトルα及び距離ΔＬを用いて算出することができる。図８（ｂ）は試料表面の一ライン（図中の破線で示す）上の法線ベクトルαを用いた場合であり、上記算出によってライン上の高さを求めることができ、試料表面に一断面の凹凸形状を求めることができる。同様の算出を試料表面上で二次元的に繰り返すことによって試料表面の３次元の凹凸形状を求めることができる（ステップＳ１６）。
【００２９】
ステップＳ１６で求めた凹凸形状は、任意の点の高さをｚ軸方向の基準としており、試料ステージ上の座標系との関係が定められていない。また、試料全体が試料ステージに対して傾斜している場合がある。そのため、試料表面の凹凸像を求めるには、試料ステージ上の座標系と関係付けを行う必要がある。
そこで、基準高さ検出手段３によって、試料表面上の基準点における高さを求め（ステップＳ１７）、この高さデータから試料全体の傾斜を求めるとともに、基準点における高さを定めることによって、凹凸形状に高さデータを付加して定量的な凹凸像を求めることができる。図８（ｃ）は図８（ｂ）における一断面について求めた凹凸像の例であり、両端における基準点の高さＷＤ１及びＷＤ２を用いて、傾斜を求めるともに各点に高さデータを付加して凹凸像を求める（ステップＳ１８）。
【００３０】
本発明の実施態様によれば、定量的な凹凸像を得ることができるため、試料ステージの高さを連続的に制御することができ、凹凸が存在する試料についてＷＤＸ分析を自動で行うことができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の凹凸像作成装置によれば定量的な凹凸像を求めることができ、本発明の凹凸像作成装置を備えた電子線分析装置によれば定量的な凹凸像によって正確な高さ補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による凹凸像作成を説明するための図である。
【図２】試料表面の凹凸像を作成する手順を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の凹凸像作成装置を説明するための図である。
【図４】本発明による凹凸像の作成手順を説明するためのフローチャートである。
【図５】反射電子の検出を説明するための概略図である。
【図６】反射電子検出器による反射電子の検出状態を説明する図である。
【図７】反射電子検出器の他の構成例である。
【図８】凹凸形状及び凹凸像の算出を説明するための図である。
【符号の説明】
１…電子線分析装置、２…法線ベクトル形成手段、２ａ…反射電子検出器、２ｂ…法線ベクトル算出手段、３…基準高さ検出手段、３ａ…光学観察系、３ｂ…高さ算出手段、３ｃ…基準位置データ記憶手段、４…凹凸像形成手段、４ａ…凹凸形状算出手段、４ｂ…凹凸像作成手段、５…分析データ保存手段、６…試料ステージ駆動制御手段、７…Ｘ線分光器、８…電子銃、α…法線ベクトル、β…反射電子線ベクトル、ｅ…電子ビーム。
【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】
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【図８】
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