(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子源と、
試料を搭載するステージと、
当該電子源より放出される電子線を試料に収束する対物レンズと、
前記試料の電子線照射位置から放出される電子を検出する第１の検出器と、
前記試料の電子線照射位置から放出される電子以外の信号を検出する第２の検出器と、
前記第１の検出器で検出された信号を処理して前記試料の三次元形状を求める演算部と、
前記三次元形状を用いて、前記第２の検出器と前記試料の電子線照射位置までの距離を保つように、前記試料の電子線照射位置に応じて試料ステージを移動させる制御装置を備え、
前記演算部は、前記試料の三次元形状に基づく試料の高さ情報に基づいて、前記試料の電子線照射位置から前記第２の検出器に向かう経路上に前記試料が存在するか否かを判断することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１の走査電子顕微鏡において、前記第１の検出器は試料の電子線照射位置から放出される反射電子を検出する反射電子検出器であり、当該反射電子検出器は、分割された検出面を有することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項１又は２の走査電子顕微鏡において、前記第２の検出器は前記試料の電子線照射位置から発生するＸ線を検出するＸ線検出器であることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１の走査電子顕微鏡において、
前記経路上に前記試料が存在する場合には、前記経路上から試料が存在しないように前記ステージを移動させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１つの走査電子顕微鏡において、
高さ情報から、試料のサイズおよび、最大高さを算出し、前記ステージの可動範囲を設定することができることを特徴とする請求項１に記載の走査電子顕微鏡。
【請求項６】
電子源と、
試料を搭載するステージと、
当該電子源より放出される電子線を試料に収束する対物レンズと、
前記試料の電子線照射位置から放出される電子を検出する第１の検出器と、
前記試料の電子線照射位置から放出される電子以外の信号を検出する第２の検出器と、
自動焦点補正機能により前記試料の電子線照射位置毎の前記試料の高さを求める演算部と、
前記試料の高さを用いて、前記第２の検出器と前記試料の電子線照射位置までの距離を保つように、前記試料の電子線照射位置に応じて試料ステージを移動させる制御装置を備え、
前記演算部は、前記試料の高さ情報に基づいて、前記試料の電子線照射位置から前記第２の検出器に向かう経路上に前記試料が存在するか否かを判断することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に三次元形状測定装置を備えた走査電子顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子顕微鏡の１つに、走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭという）と、このＳＥＭに取り付けられた半導体Ｘ線検出器からの信号を処理するエネルギー分散型Ｘ線分析装置（以下、ＥＤＸという）とを組み合わせたものがある。このＥＤＸは、数μｍという微小領域の元素分析を行う装置で、ＳＥＭによる像観察と同時に、ＥＤＸによって観察している部分の定性分析，定量分析，Ｘ線像による元素分布の分析等を行うものである。
【０００３】
また、ＳＥＭは二次元形状の観察および分析のみならず、三次元形状の計測も行うことができる。三次元形状計測の手法の例としては、特許文献１のように、試料に対向し環状に配置した反射電子検出器を放射状に等分割し、それぞれに設けられた検出素子からの指向性を有した検出信号の差分を用いて試料の表面形状を測定する三次元形状測定装置がある。
【０００４】
【特許文献１】特開平６−２３６７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
近年、ＳＥＭは、低真空形ＳＥＭの普及や、試料室の大型化や試料微動装置のモータドライブ化などに伴い、観察および分析できる試料の大きさは大型化している。このため、試料の中から観察および分析したい部分のみを切断し小型化したり、試料を樹脂包埋に埋め込み観察面を平坦に仕上げたり、導電性の無い試料の場合は金属皮膜のコーティングなどの前処理などを行わず、試料そのものを試料微動装置に搭載して観察および分析を行うことが主流となりつつある。そのため、試料表面に大きな凹凸がある試料もめずらしくない。
【０００６】
しかし、ＳＥＭにて試料表面に大きな凹凸がある試料の観察および分析を行う場合、例えばＥＤＸを用いた定量分析などでは、試料に対するＸ線取り出し角および、試料とＸ線検出器までの軸間距離が分析の度に異なったり、また、分析位置から発生したＸ線が試料の凹凸により全部もしくは一部が遮断されたりすると、正しい定量分析結果を得ることができないという問題がある。
【０００７】
そこで、本発明は、前記した問題を解決し、専門的な知識や能力がなくても試料の観察および分析において精度の高い結果を得ることができるＳＥＭを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明によるＳＥＭは、水平方向２軸，回転方向，傾斜方向，垂直方向の合計５軸をモータドライブ等で操作することができ、試料の位置情報を把握できる試料微動装置を有し、三次元形状測定装置を備えていることを特徴とする。これにより、試料の三次元形状を取得し、試料の形状に合わせ試料微動装置を制御することで、目的に応じた最適な観察および分析の環境を提供することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、試料の形態による観察および分析の煩雑な操作を軽減し、専門的な知識や能力がなくても試料の観察および分析において精度の高い結果を得ることができるＳＥＭを供給することができるようになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と記述）を詳細に説明する。
【００１１】
＜第１の実施形態＞
本発明に係る第１の実施形態について、図１を用いて詳細に説明する。
【００１２】
図１は、第１の実施形態のＳＥＭの概略図である。
【００１３】
第１の実施形態のＳＥＭ１は、電子源２と当該電子源より放出される電子ビーム３を収束するコンデンサレンズ４と、電子ビーム３を走査する偏向コイル５と、電子ビーム３の焦点を合わせる対物レンズ６を備える電子光学系７と、前記電子光学系の各条件を調整する制御装置と、試料８に対する電子ビーム３の照射によって試料８より放出される電子を検出する２次電子検出器９と前記検出器からの信号を処理する制御装置と、反射電子を検出する反射電子検出器１０と前記検出器からの信号を処理し三次元形状測定の処理をする制御装置と、水平方向２軸，回転方向，傾斜方向，垂直方向の合計５軸をモータドライブ等で操作することができ、試料の位置情報を把握できる試料微動装置１１を備え、真空を保持するための試料室１２と真空配管１３を介して試料室１２に接続された真空ポンプ１４等により構成され、これにＥＤＸのＸ線検出器１５が組み合わされている。
【００１４】
ＥＤＸを備えるＳＥＭ１において、分析とりわけ定量分析をする場合は、図２に示すように、試料８に対するＸ線取出し角１７および、試料８とＸ線検出器１５までの軸間距離１８を一定に保たねば正確な分析はできない。一般にＥＤＸのＸ線検出器１５は、予め試料室１２に固定されているので、測定者は、分析位置の試料表面の垂直方向の距離がある決められた距離（以下、分析距離と記述）になるように、試料微動装置１１の垂直方向を調整する必要があった。
【００１５】
そこで、分析を行う前にＳＥＭ１に備えた三次元形状測定装置を用いて、試料８の三次元形状測定を行う。本実施例では、試料８に対向し環状に配置した反射電子検出器１０を放射状に４分割し、電子ビーム３の走査により試料８から発生した反射電子を、それぞれに設けられた検出素子からの指向性を有した検出信号の差分を用いて試料の表面形状を測定する手法にて三次元形状測定を行う。三次元形状測定により得た各画素における高さ情報と、試料の位置情報を把握できる試料微動装置１１の垂直方向の位置情報から得た分析位置の試料高さから、分析位置の試料表面の垂直方向の距離を算出し、これが分析距離と一致するように試料微動装置１１の垂直方向を自動で調整する。
【００１６】
これにより、測定者は試料表面に大きな凹凸がある試料８の分析において、分析距離の調整を自動化することができ、分析位置によらず一定の分析距離を提供することができ、分析の煩雑な操作を軽減することができる。また、分析距離の未調整による定量分析の失敗を防ぐことができる。
【００１７】
また、水平方向２軸，回転方向，傾斜方向，垂直方向の合計５軸をモータドライブ等で操作することができ、試料の位置情報を把握できる試料微動装置１１を備えたＳＥＭ１は、試料微動装置１１の可動範囲の制御パラメータとして、試料８の試料サイズ（種類）および、試料高さを予め入力することで、試料８と対物レンズ６や２次電子検出器９，試料室１２内壁等とが接触しないように、試料微動装置１１の可動範囲を制御し、測定者の操作を補助している。しかし、測定者が試料８の試料サイズ（種類）および、試料高さを入力し忘れたり、間違った値を入力すると、試料８と対物レンズ６や２次電子検出器９，試料室１２内壁等とが接触し、破損するおそれがある。そこで、前述の例では、各画素における高さ情報を分析距離の自動調整に利用しているが、各画素における高さ情報から試料のサイズおよび、試料全体の最大高さを算出し、試料微動装置１１の可動範囲の制御パラメータとして自動で入力することで、測定者による入力ミスを無くし、試料８と対物レンズ６や２次電子検出器９，試料室１２内壁等との接触のおそれが無く操作できるＳＥＭ１を提供することができる。
【００１８】
＜第２の実施形態＞
三次元形状測定により得た各画素における高さ情報と、試料の位置情報を把握できる試料微動装置１１とを組み合わせた、試料の形態による観察および分析の煩雑な操作の軽減例は、第１の実施形態に限定されるものではない。本発明に係る第２の実施形態について、図２から図４を用いて詳細に説明する。
【００１９】
図２はＸ線の検出範囲についての概略図である。
【００２０】
電子ビーム３の照射により試料８から発生したＸ線１６のうち、Ｘ線検出器１５に取り込まれるＸ線の範囲は、Ｘ線検出器１５の検出窓の大きさ（ｄ）と軸間距離１８（Ｌ）より、Ｘ線取出し角１７を中心にＸ線取り込み可能角１９（２α）の範囲内となる。
【００２１】
試料８の表面が平坦な場合、試料８から発生したＸ線取り込み可能角１９の範囲内にあるＸ線１６は、全てＸ線検出器１５に取り込まれる。
【００２２】
しかし、試料表面に大きな凹凸がある試料８の場合、図３に示すようにＸ線取り込み可能角１９の範囲内に試料８が重なることがある。このような場合は、試料８から発生したＸ線１６が十分にＸ線検出器１５に取り込まれまいため、分析に時間がかかったり、正しい分析結果が得られなかったりする。
【００２３】
そこで、正しい分析結果が得られるかを判断する方法の例を、図４のフローチャート図に従い、説明する。
【００２４】
測定者が任意の分析位置を指定する（Ｓ４１）と、試料微動装置１１が試料８を指定した分析位置へ移動させる（Ｓ４３）。次に、第１の実施形態と同様に、分析を行う前にＳＥＭ１に備えた三次元形状測定装置を用いて、試料８の三次元形状測定を行い、三次元形状測定により得た各画素における高さ情報を記憶する（Ｓ４３）。そして、分析位置からＸ線検出器１５までのΔＹ位置における試料８の試料高さと、Ｘ線取り込み可能角下限の高さΔＺを比較する（Ｓ４４）。なお、ΔＹ位置における試料８の試料高さと、Ｘ線取り込み可能角下限の高さΔＺを比較するΔＹ位置の試料奥行き方向（図２におけるＸ方向）については、分析位置を中心にＸ線検出器１５の検出窓の大きさ（ｄ）の±１／２の範囲とする。ΔＺの計算式を次式に示す。
【００２５】
【数１】
0005070074.tif 000002
試料８の試料高さ≦ΔＺの場合（Ｓ４４の“Ｙｅｓ”）、試料８により、Ｘ線取り込み可能角１９の範囲内にあるＸ線１６が遮断されることはないため、分析可能と判断する（Ｓ４５）。
【００２６】
試料８の試料高さ＞ΔＺの場合（Ｓ４４の“Ｎｏ”）、試料８により、Ｘ線取り込み可能角１９の範囲内にあるＸ線１６が遮断されるため、分析不可能と判断する（Ｓ４５）。
【００２７】
また、測定者が選択した試料の分析位置からＸ線検出部に向かう方向（つまり図２のＹｍａｘ方向）で、試料の高さが極大値となる位置と、分析位置までのＹｍａｘ方向距離をΔＹnとする。上述の極大となる試料の高さをＨnすると、
0005070074.tif 000003
このとき、θn≦９０°−ＴＯＡ−αであれば、試料８により、Ｘ線取り込み可能角１９の範囲内にあるＸ線１６が遮断されることはないため、分析可能と判断する。θn＞９０°−ＴＯＡ−αであれば、試料８により、Ｘ線取り込み可能角１９の範囲内にあるＸ線１６が遮断されるため、分析不可能と判断することも可能である。
【００２８】
これにより、指定した分析位置で正しい分析結果が得られるかを分析操作実施前に判断することができ、試料８から発生したＸ線１６が試料８の凹凸により遮断されることによる定量分析の失敗を防ぐことができる。
【００２９】
なお、前述の例では、分析可能か分析不可能かだけを判断しているが、分析位置中心に３６０°の範囲についてΔＹ位置における試料８の試料高さとＸ線取り込み可能角下限の高さΔＺを比較することで、前述の例にて分析不可能と判断された場合でも、分析位置を中心に３６０°の範囲に試料８の試料高さ≦ΔＺの範囲が存在すれば、試料８の試料高さ≦ΔＺの範囲に試料８を回転させることで分析が可能となる。そして、試料の位置情報を把握できる試料微動装置１１を用いることで、試料８の回転を自動で行うこともできる。このとき、試料微動装置１１の回転方向などの自動調整により観察視野の方向が変化しないよう、電子ビーム３の走査方向を回転させて表示画像の方向を回転させる機能を併用してもよい。この方法は、上述の角度θnでの判断も可能である。
【００３０】
＜第３の実施形態＞
第１，２の実施形態では、三次元形状測定により得た各画素における高さ情報から試料の試料高さを得ているが、ＳＥＭの自動焦点補正機能（以下、オートフォーカスと記述）を用いることでも試料の試料高さを得ることができる。
【００３１】
オートフォーカスを用いた各画素における高さ情報の取得方法の例を、図５のフローチャート図に従い、説明する。
【００３２】
試料８を試料微動装置１１にセットし、試料８および試料微動装置１１が試料室１２や対物レンズ６、２次電子検出器９等に接触しない位置で、試料微動装置１１を試料室１２へセットする（Ｓ５１）。試料室１２を真空排気後、電子線を照射し（Ｓ５２）、電子ビーム３を走査し試料全体をスキャンし（Ｓ５３）、オートフォーカスを用いて、各画素の高さ方向の情報を取得し、試料８の位置と高さをＳＥＭ制御装置に記憶する（Ｓ５６）。このとき、電子ビーム３の走査だけで試料全体をスキャンできない場合（Ｓ５３の“Ｎｏ”）は、試料微動装置１１にて試料８を移動し全体をスキャンし（Ｓ５４）、複数のスキャンをつなぎ合わせることで試料全体の情報を記憶する（Ｓ５５）。
【００３３】
オートフォーカスを用いた各画素における高さ情報の取得は、ＳＥＭ像を観察するときに用いる電子ビーム３を利用するため、既存のＳＥＭ１の構成を変更することがなく、本実施形態のＳＥＭの提供が可能である。
【００３４】
なお、本発明は、ＳＥＭやＥＤＸを備えるＳＥＭだけでなく、波長分散型Ｘ線分析装置を備えるＳＥＭ、またその類似装置においても同様に適用できることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態のＳＥＭの概略図である。
【図２】Ｘ線の検出範囲についての概略図である。
【図３】Ｘ線の検出範囲に試料が重なっている場合についての概略図である。
【図４】第２の実施形態における正しい分析結果が得られるかを判断する方法の手順を例示したフローチャートである。
【図５】第３の実施形態におけるオートフォーカスを用いた各画素における高さ情報の取得方法の手順を例示したフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１  走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）
２  電子源
３  電子ビーム
４  コンデンサレンズ
５  偏向コイル
６  対物レンズ
７  電子光学系
８  試料
９  ２次電子検出器
１０  反射電子検出器
１１  試料微動装置
１２  試料室
１３  真空配管
１４  真空ポンプ
１５  Ｘ線検出器（検出窓の大きさ：ｄ）
１６  試料から発生したＸ線
１７  Ｘ線取出し角（ＴＯＡ）
１８  軸間距離（Ｌ）
１９  Ｘ線取り込み可能角（２α）
【図１】
0005070074.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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