JP2002343293A - 走査形電子顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】傾斜した試料面を観察する時の焦点補正で発生
する湾曲歪みが、近年の低倍率で６０°以上傾斜させて
測定するアプリケーションの普及とともに問題になって
きた。 【解決手段】電子ビームの走査の方向を、対物レンズの
焦点補正に伴って発生する回転歪みと逆方向に回転させ
ることにより歪みを補正する。 【効果】傾斜した試料面の観察に際し、全面に焦点が合
うように焦点補正を行い、かつ、湾曲歪のない画像を得
ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査形電子顕微鏡装
置で、傾斜した試料面の観察において、電子ビームの走
査に連動して焦点補正を行う際に発生する湾曲歪みの補
正に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査形電子顕微鏡装置においては、試料
構造の側面部分の観察のため、あるいは試料から発生す
る信号の検出器の方向に合わせるなどの理由で、試料を
電子ビームに対して傾斜させて観察する場合も多い。

【０００３】この場合、電子ビームの走査に伴って、電
子ビーム照射位置が変化すると、対物レンズから試料面
までの距離が変化するので、対物レンズの焦点距離を一
定に保ったままであると、試料表面の一部分でしか焦点
が合っていない画像になる。このような場合に、試料全
面に焦点を合わせるために、電子ビームの走査と同期し
て、対物レンズの励磁電流を変化させる方法が一般的に
行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子ビーム収束用に使
用する磁界レンズは、収束作用と同時に、電子ビームの
像面を回転させる作用を持っている。そのため、レンズ
上方に偏向器を配置する構成の場合、焦点距離を変化さ
せるために磁界レンズの励磁電流を変化させると、試料
面上での電子ビームの走査方向が回転する。上述した、
電子ビームの走査と同期して、対物レンズの励磁電流を
変化させる方法で傾斜した試料に対する焦点補正を行っ
た場合、電子ビームの走査と同期して、走査方向が回転
していき、その結果、得られる画像には、円弧上に湾曲
する歪が発生する。その１例を図２に示す。図２（a）
は、焦点補正を行わない場合で、中央部だけに焦点が合
っており、試料上のもともとまっすぐな構造は、直線と
して観察されている。図２（ｂ）は、図の縦方向の走査
に同期して、対物レンズの励磁電流を変化させた場合
で、試料全面に焦点が合っているが、本来直線である構
造が、湾曲している。比較的倍率が高い場合、あるいは
傾斜角度が大きくない場合には、焦点距離の変化量が少
なく、したがって湾曲歪の量も小さいので、従来この歪
を補正することは行われていなかった。しかし、近年、
低倍率で６０°以上傾斜させて測定を行うアプリケーシ
ョンが普及してきて、この歪が問題になってきた。

【０００５】

【課題を解決するための手段】電子ビームの走査の方向
を、焦点補正に伴って発生する回転歪みと逆回転に回転
させることにより歪みを補正する。

【０００６】

【発明の実施の形態】磁界レンズの焦点距離と励磁電流
の関係は焦点距離ｆ、励磁電流I、係数Aを用いて、近似
的に ｆ＝A・1 / I² (式１) となる。

【０００７】電子ビーム走査開始点の焦点位置をf0、励
磁電流をI0、走査距離Lでの焦点距離をf1、試料の傾斜
角度をθとすると、Lだけ走査が進んだ位置での焦点距
離は f1＝f0 ＋ L tanθ (式２) で、ここに焦点を合わせるための励磁電流I1は、 I1＝A√{1 / (f0 ＋ L tanθ)} (式３) となる。

【０００８】したがって、厳密には、走査距離の平方根
に比例する成分を持って、励磁電流を変化させること
で、走査距離全体にわたって、適正な焦点を得ることが
できる。

【０００９】ただし、電子ビームの焦点深度はかなり深
いので、簡易な近似方法として、走査距離に比例する電
流を励磁電流に加減算する方法が、一般的に行われてい
る。

【００１０】一方、対物レンズ上方に偏向コイルを有す
る構成の走査形電子顕微鏡では、対物レンズの磁界によ
る像面の回転作用により、試料表面上での電子ビーム走
査方向は、偏向コイル部分とは異なった角度方向にな
る。焦点距離を変化させるために対物レンズの励磁電流
を変化させると、像面の回転角度も変化する。この様子
を図５に示す。

【００１１】焦点距離の変化に伴う像面の回転角は、 ｒ＝B・√(１ / ｆ)＝C・I (式４) で近似できる（B、Cは比例係数）。

【００１２】前記の焦点補正のために、電子ビームの走
査と同期して対物レンズの励磁電流を変化させると、こ
れによる像面の相対回転角度Δrは、対物レンズの励磁
電流の相対変化量をΔIとして、 Δr ＝ K・ΔI (式５ａ) となる。ΔIは、電子ビームの走査に同期して、変化さ
せるので、回転角度も変化して行き、結果として、湾曲
状の画像歪を生ずることになる。

【００１３】この湾曲歪を補正するためには、式５ａと
逆方向に、偏向コイルでの走査の方向を回転させてやれ
ば良い。

【００１４】走査方向を回転させるには、一般に下記の
演算式を使用する。 X、Yを回転前の2次元走査用信号、
Xo、Yoを回転後の信号、Rを回転角度として、 Xo ＝ X cosR ＋ Y sinR (式６a) Yo ＝ Y cosR − X sinR (式６b) 図６は、これを実現するための回路の一例である。

【００１５】ここで、cosR、sinRの部分は、たとえば乗
算形のDAコンバータで構成し、マイクロコンピュータな
どで回転角度Rから計算したディジタルデータを、ここ
に設定する。

【００１６】この回路を使用して前記の湾曲歪補正を行
う場合には、走査の進行にしたがって、逐次、前記の像
面回転角度Δrを補正するための回転角度−Δrを計算
し、DAコンバータの設定を行う。

【００１７】ただし、DAコンバータの場合、走査速度が
相当ゆっくりでないと、走査の進行にしたがったこの計
算−設定を行うことは難しいし、一般にDAコンバータ
は、ディジタルデータを書きこむときに、出力にスパイ
クノイズを発生させることがあるので、以下に示すよう
に、直接走査信号を使用することも可能である。

【００１８】前述のように、焦点補正の近似法として、
走査距離に比例する電流を励磁電流に加減算する方法を
使用すると、式５ａは、 Δr ＝ K・ΔI ＝K'・L tanθ (式５ｂ) となり、これによる像面の回転角度は、走査距離に比例
することになる。

【００１９】Rが小さい場合には、cosR＝1、sinR＝Rと
近似できるので、前記の走査方向回転の演算式(式６a)
(式６b)は、 Xo ≒ X ＋ Y・Δｒ （式７a） Yo ≒ Y − X・Δｒ （式７b） となる。

【００２０】試料を傾斜させる方向を、走査のY軸方向
に一致させれば、(式５)のLはYに比例するので、式７
a、式７bは、 Xo ≒ X ＋ ｋ・Y² （式８a） Yo ≒ Y − k・XY （式８b） となり、図７の回路で実現できる（ｋは比例係数）。

【００２１】減衰器ｋは、たとえば乗算形DAコンバータ
で構成し、走査距離（倍率の逆数）と傾斜角度で決まる
値を設定する。

【００２２】この方式では、係数ｋは、走査中は変化し
ない値であるので、前述の方法のように走査中に逐次演
算−設定を繰り返す必要はなく、実際的である。

【００２３】図１に、焦点補正部分を含めた、本発明の
実施例を示す。

【００２４】焦点補正に使用する補正信号を、像面の回
転補正に使用した例である。焦点補正のために対物レン
ズ励磁電流に加算する信号を、 ΔI＝Kf・Y （式９） とする。ここで、Kfは、走査距離（倍率の逆数）と傾斜
角度により決定する係数である。(式５)に示すように、
相対回転角度は励磁電流の相対変化に比例するので、こ
の信号を、適切な係数比で走査信号回転回路に加算し
て、偏向コイルによる走査方向を逆方向に回転させる。

【００２５】以下、図１により詳細に説明する。

【００２６】電子ビーム１は、上段Ｘ方向偏向コイル１
３a および上段Ｙ方向偏向コイル１４a により偏向さ
れ、下段Ｘ方向偏向コイル１３ｂおよび下段Ｙ方向偏向
コイル１４ｂにより対物レンズ２の中心を通るように振
り戻されて、対物レンズ２で収束され、試料３に照射さ
れる。試料３の表面は電子ビーム１の垂直面に対し傾斜
が可能である。電子ビーム照射により発生した二次電
子、反射電子等の信号は検出器４で検出され、像信号用
アンプ５で増幅され観察モニタ６に表示される。

【００２７】上下段Ｘ方向偏向コイル１３ａ、１３ｂ、
上下段Ｙ方向偏向コイル１４ａ、１４ｂ、は、それぞれ
Ｘ方向偏向信号発生回路９、Ｘ方向偏向電流アンプ１
１、Ｙ方向偏向信号発生回路１０、Ｙ方向偏向電流アン
プ１２により駆動され、電子ビーム１を試料３上で２次
元に走査する。走査方向は、試料３の傾斜方向と、走査
のＹ方向が一致するようにしておく。対物レンズ２は磁
界形電子レンズで、励磁電流値を変化させることで、焦
点距離が変化する。対物レンズ用制御回路７は、可変の
直流電圧源で、手動または自動で、出力電圧を変化させ
る。対物レンズ用電流アンプ８は、この電圧に比例する
電流を出力し、対物レンズ２を励磁する。

【００２８】試料３が図１に示すように電子ビーム１に
対して傾斜している場合には、対物レンズ用制御回路７
の出力電圧は、Ｙ走査の中間点で試料面に焦点が合うよ
うに調整しておく。

【００２９】焦点補正量調整部１５は、Ｙ方向偏向信号
発生回路１０で発生するＹ方向走査信号を、倍率（走査
距離）および試料の傾斜角（θ）により適切な値に調整
して、対物レンズ用制御回路７の出力電圧に加算し、Ｙ
方向の電子ビーム走査に連動して、対物レンズ２の励磁
電流値を変化させ、試料全面に焦点が合うようにする。
前述したように、対物レンズ２での像面の回転量がこれ
により変化するために、電子ビーム１の走査方向が回転
して行き、図３に示すように、湾曲した画像になる。対
物レンズ２の励磁電流の変化に伴う走査方向の回転は、
前記の式５ｂに示したように、対物レンズ２の励磁電流
の変化に比例する。回転補正量調整部１６は、図７に示
した回路と同じ構成で、減衰器１７で焦点補正量調整部
１５の出力電圧を適切な値に調整し、乗算器１８と加算
器１９で前記式８ａ、８ｂの演算を行う。

【００３０】これにより、上下段Ｘ方向およびＹ方向偏
向コイル１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ、による偏向
方向が回転し、対物レンズ２の励磁電流の変化に伴う走
査方向の回転を相殺することができる。その結果、図４
に示すように、全面に焦点が合っており、かつ湾曲歪の
ない画像を得ることができる。

【００３１】以上の実施例は、対物レンズの焦点を、厳
密な補正式（式３）ではなく、簡易な近似方法として、
走査距離に比例する電流を励磁電流に加減算する方法で
行った例である。焦点補正を式３で行う場合には、対物
レンズによる像面の回転の補正も、走査距離の平方根に
比例する値で行う必要がある。この場合には、前述した
ように、走査の進行にしたがって、逐次、式４に従って
像面回転角度Δrを補正するための回転角度−Δrを計算
し、DAコンバータの設定を行う方法が有効である。

【００３２】

【発明の効果】傾斜した試料面の観察に際し、全面に焦
点が合うように焦点補正を行い、かつ、焦点補正による
湾曲歪のない画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 回転歪補正回路の説明図。

【図２】 回転歪補正の実施観察例を示す写真。

【図３】 回転歪補正の実施観察例を示す写真。

【図４】 回転歪補正の実施観察例を示す写真。

【図５】 電子ビームの像面の回転を示す説明図。

【図６】 走査方向を回転させる回路例を示す図。

【図７】 減衰器と乗算器を用いた走査方向回転の回路
例を示す図。

【符号の説明】

１…電子ビーム、２…対物レンズ、３…試料、４…検出
器、５…像信号用アンプ、６…観察モニタ、７…対物レ
ンズ用制御信号発生回路、８…対物レンズ用電流アン
プ、９…Ｘ方向偏向信号発生回路、１０…Ｙ方向偏向信
号発生回路、１１…Ｘ方向偏向電流アンプ、１２…Ｙ方
向偏向電流アンプ、１３ａ…上段Ｘ方向偏向コイル、１
３ｂ…下段Ｘ方向偏向コイル、１４ａ…上段Ｙ方向偏向
コイル、１４ｂ…下段Ｙ方向偏向コイル、１５…焦点補
正量調整回路、１６…回転補正量調整回路、１７…減衰
器、１８…乗算器、１９…加算器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 富澤 淳一郎 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 (72)発明者 木村 政司 茨城県ひたちなか市大字市毛1040番地 株 式会社日立サイエンスシステムズ内 Ｆターム(参考） 5C033 FF03 FF05 FF08 MM04

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビーム光軸に対する垂直面に対して
   傾斜した試料面の観察のために、電子ビームの走査に連
   動して対物レンズの焦点距離を変化させる機能と、焦点
   距離の変化に伴う像面の回転に起因する電子ビーム走査
   方向の回転を、偏向磁界を電子ビームの走査に連動して
   逆方向に回転させることにより補正する機能とを備え、
   試料面の全面に焦点があっているとともに、回転歪のな
   い画像を得られることを特徴とする走査形電子顕微鏡装
   置。
2. 【請求項２】 電子ビームの走査に連動して、電子ビー
   ムの走査距離に比例した電流を対物レンズの励磁電流に
   加算するとともに、電子ビームの走査距離に比例する角
   度の電子ビーム走査方向回転機能を備えた、請求項１に
   記載の走査形電子顕微鏡装置。