JP2008130251A

JP2008130251A - 集束状態検出用部材、走査型電子顕微鏡、ならびに電子ビームの集束条件調整方法、焦点調整方法及び焦点深度測定方法

Info

Publication number: JP2008130251A
Application number: JP2006310510A
Authority: JP
Inventors: Genya Matsuoka; 玄也松岡
Original assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Current assignee: Tokyo Seimitsu Co Ltd
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-06-05

Abstract

【課題】電子線装置における電子ビームの集束条件の設定の際に電子ビームを試料に照射する機会や時間を低減することを目的とする。
【解決手段】走査電子顕微鏡１の電子ビームＢの集束状態を検出するために電子ビーム照射面１３ａを使用する。電子ビーム照射面１３ａは、電子ビームＢの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、また電子ビームＢを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡、その電子ビームの調整及びこれに用いる集束状態検出用部材に関する。

電子ビームを用いた装置（以下「電子線装置」と記すことがある）においては、試料面上での電子線の焦点位置及び非点収差（以下、これらを総称して「集束条件」と記すことがある）を最適化することが重要である。最適な集束条件の下では、ビーム径が最も小さくかつ真円に近いビーム断面を得ることができる。その結果、例えば走査型電子顕微鏡の場合では、高い分解能の画像が得られる。

試料面の位置が、高さ方向すなわち電子ビームの光軸方向に変動すると、集束条件は最適な条件から外れる。このため電子線装置では試料面の高さ方向の位置を求めて、この高さに応じて集束条件を最適化する必要がある。試料面の高さ方向の位置情報を求める従来方法として、試料面に斜めに入射させた光の反射光の位置を測定する方法がある（例えば、下記特許文献１及び２）。また反射光の位置を測定する測定装置を較正する手段として段差を有する構造物が考案されている（下記特許文献３）。

特開平８−２７３５７５号公報特開平１１−１８３５７５号公報特開平６−３１１５号公報

電子線装置の構成によっては装置内部のスペースの制約によって、上述の光学式計測器が使用できない場合もある。このような場合には、電子ビームを試料に照射させて電子線鏡筒の電子レンズの条件を変えながら電子線画像を取得し、得られた画像から集束状態を求めることにより最適な集束条件を設定していた。
しかしながら、試料の厚さの差や、試料を上下するテーブル機構の機械的な誤差などによって試料面の高さの変動が大きくなると、集束条件の調整範囲が大きくなる。このような場合には、最適な集束条件を発見するのに時間がかかり、電子ビームの長時間の照射によって試料が汚染又は帯電するなどの問題があった。

上記問題に鑑み、本発明は、集束条件の設定の際に電子ビームを試料に照射する機会や時間を低減することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、走査型電子顕微鏡の電子ビームの集束状態を検出するために、以下の電子ビーム照射面を使用する。この電子ビーム照射面は、電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、また電子ビームを照射され反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する。

電子ビーム照射面は、電子ビームを照射され反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生するので、電子ビーム照射面の電子線画像を観察することによって電子ビーム照射面の高さに電子ビームが集束していることを確認することができる。
そして電子ビーム照射面はその面内位置によって高さ方向位置が異なるので、任意の高さを選んでここに電子ビームが集束するように集束条件を選ぶことができる。また、電子ビーム照射面のうち電子ビームが集束する位置を見つけることによって電子ビームの集束位置を決定することができる。

本発明の第１形態によれば、走査型電子顕微鏡の電子ビームの集束状態を検出するために使用する集束状態検出用部材が提供される。ここに集束状態検出用部材は、電子ビームを照射され反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する電子ビーム照射面とこれに略対向する底面とを備え、該電子ビーム照射面はその面内位置によって底面からの高さが異なる部材である。

本発明の第２形態によれば、電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡が提供される。ここで走査型電子顕微鏡は、電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する電子ビーム照射面を備え、電子ビーム照射面は電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なる。

本発明の第３形態によれば、電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の電子ビームの集束条件を調整する集束条件調整方法が提供される。本方法では、走査型電子顕微鏡内に設けられた所定の電子ビーム照射面のうち観察試料の観察面と同じ高さの部分に電子ビームが集束するように集束条件を調整する。ここで所定の電子ビーム照射面は、電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する。

本発明の第４形態によれば、電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の電子ビームの焦点を調整する焦点調整方法が提供される。本方法では、観察試料を昇降する昇降台上に設けられた所定の電子ビーム照射面のうち電子ビームが表面に集束する集束箇所を決定し、集束箇所における電子ビーム照射面の高さと、観察試料の試料面の高さとの間の高低差に基づいて、電子ビームの焦点高さを試料面の高さに調整する。ここで所定の電子ビーム照射面は、電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する。

本発明の第５形態によれば、電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の電子ビームの焦点深度を測定する焦点深度測定方法が提供される。本方法では、走査型電子顕微鏡内に設けられた所定の電子ビーム照射面の複数箇所を電子ビームで走査することにより複数箇所のそれぞれの電子線画像を生成し、これら電子線画像のうちの焦点が合った画像が得られた電子ビーム照射面の高さの範囲を走査型電子顕微鏡の焦点深度として求める。ここで所定の電子ビーム照射面は、電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する。

電子ビームの集束条件の調整のために試料に電子ビームを照射する時間や機会が低減するので、長時間の電子ビーム照射による試料の汚染及び帯電を防ぐことができる。

以下、添付する図面を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、本発明の実施例による走査型電子顕微鏡の概略構成図である。走査型電子顕微鏡１は、ベース２及び筐体３を有し、電子線鏡筒４、及び観察試料Ｓ（以下単に「試料Ｓ」と記す）を保持する試料台５が筐体３の内部に設置されている。試料台５はＺ方向に移動可能であり、試料Ｓを保持しながらこれを昇降することができる。
筐体３の内部は真空状態に保たれており、筐体３内に設けられた電子線鏡筒４は電子ビームＢを試料Ｓに照射する。試料Ｓは電子ビームＢを照射されることによって反射電子及び／又は二次電子を放出し、放出されたこれらの電子は電子線検出器６に検出され電気信号に変換される。電子線検出器６の検出信号はアナログディジタル変換器（Ａ／Ｄ）１１によってディジタル信号に変換され画像処理部９に入力される。
電子線鏡筒４が電子ビームＢを偏向してＸＹ方向に試料Ｓ上を走査し、各座標に電子ビームを照射したときの電子線検出器６の検出信号の強弱を、画像処理部９が二次元画像に構成することによって、試料Ｓの電子線画像が得られる。

図２は、電子線鏡筒４の概略構成図である。電子線鏡筒４は電子銃２１、集束レンズ（コンデンサレンズ）コイル２２、非点収差補正コイル２３、Ｘ方向偏向コイル２４Ｘ及びＹ方向偏向コイル２４Ｙ（これら偏向コイルをまとめて以下「偏向コイル２４」と記すことがある）、対物レンズコイル２５及び電子ビーム射出孔２６を有している。
集束レンズコイル２２は、集束レンズとして働く電磁レンズを発生させて電子銃２１から生じた電子ビームを集束する。
非点収差補正コイル２３は８極子コイル等により構成され、０°、４５°、９０°、１３５°の方向に電子ビームを集束あるいは発散させることにより、観察面において電子ビーム断面が真円となるようにビーム断面形状を補正する。非点収差補正コイル２３の各コイルの励磁電流値は後述する制御部８の非点収差補正コイル制御部５２により制御されて、観察面の高さに応じて補正量が制御される。

偏向コイル２４は、電子ビームＢをＸ及びＹ方向に偏向させることによって電子ビームＢの照射位置を変える。電子ビームＢの偏向量を定める偏向コイル２４の励磁電流値は、後述する制御部８の偏向コイル制御部５３により制御される。
対物レンズコイル２５は、集束レンズコイル２２により集束された電子ビームＢを、さらに観察面上に細く集束させる。本実施例では電子ビームＢは直径約５ナノメートル以下に集束される。対物レンズコイル２５の励磁電流値は、後述する制御部８の対物レンズコイル制御部５４により制御されて、観察面の高さに応じて電子ビームＢの焦点位置が制御される。ディジタルアナログ変換回路３２、３３及び３４は、それぞれ非点収差補正コイル制御部５２、偏向コイル制御部５３及び対物レンズコイル制御部５４が制御するディジタル形式の励磁電流値をアナログ信号に変換して、非点収差補正コイル２３、偏向コイル２４及び対物レンズコイル２５に供給する。

図１に戻り、本実施例の走査型電子顕微鏡１は、電子線鏡筒４をＸ及びＹ方向に移動させる電子線鏡筒移動機構７を有する。電子線鏡筒移動機構７は、電子線鏡筒４の視野を試料Ｓ上の任意の位置に移動させ、または試料Ｓの上以外の場所に移動する。図３に電子線鏡筒移動機構７の概略構成図を示す。
電子線鏡筒移動機構７は、電子線鏡筒４をＸ方向に沿って移動させるための１対のＸ方向ガイド７０ａ及び７０ｂと、Ｙ方向に沿って電子線鏡筒４を移動させるための可動Ｙ方向ガイド７２と、可動Ｙ方向ガイド７２を支持したままＸ方向ガイド７０ａ及び７０ｂにそれぞれ沿って移動する１対のＸ移動部７１ａ及び７１ｂと、電子線鏡筒４を支持したまま可動Ｙ方向ガイド７２に沿って移動するＹ方向移動部７３と、を備えて構成される。各移動部７１ａ、７１ｂ及び７３を移動させるために、例えばボールネジ機構のような様々な直線駆動機構を使用することが可能である。電子線鏡筒移動機構７は、後述する制御部８の電子線鏡筒制御部５５により制御され、ディジタルアナログ変換回路１３は、電子線鏡筒制御部５５が出力するディジタル形式の駆動信号をアナログ信号に変換して電子線鏡筒移動機構７のモータ等（図示せず）に供給する。

図１に戻り、本実施例の走査型電子顕微鏡１は、Ｚ方向に昇降可能な試料台５の上に設けられた集束状態検出用部材１４と、ベース２上に設けられた集束状態検出用部材１５を備える。図４の（Ａ）は集束状態検出用部材１４の第１実施例の平面図であり、図４の（Ｂ）は図４の（Ａ）の集束状態検出用部材１４の側面図である。図中の寸法の単位はミリメートルである。
集束状態検出用部材１４は、電子ビームＢが照射されたときにその表面から反射電子又は二次電子を放出するような非磁性体でかつ導電体の材料で構成され、好適には材料としてリン青銅等が使用される。アルミやステンレスを使用してもよい。
集束状態検出用部材１４は、走査型電子顕微鏡１内に設置されたときに電子線鏡筒４側を向き電子ビームが照射される電子ビーム照射面１４ａと、これに略対向する底面１４ｃとを備えており、電子ビーム照射面１４ａは底面１４ｃに対して斜面をなす。したがって電子ビーム照射面１４ａはその長手方向位置によって底面１４ｃからの高さが異なる。このため試料台５の上面が電子ビームＢと直角をなすとき、この試料台５の上面に集束状態検出用部材１４を設けることによって、電子ビーム照射面１４ａは電子ビームＢに対して傾いた斜面をなす。

電子ビーム照射面１４ａの中間部分で６０ミリメートルの範囲内１４ｂには、目盛りが設けられている。その拡大図を図４の（Ｃ）に示す。本実施例では目盛りは幅及び深さが約０．１ミリメートルの溝として形成され、溝のピッチは約０．５ミリメートルである。このような溝は機械加工またはフォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することが可能である。またこのような溝の代わりに重金属を等間隔に埋め込んで目盛りを形成してもよい。

集束状態検出用部材１４の寸法を図４の（Ａ）〜図４の（Ｃ）に示すように定めると、隣り合う目盛り間の距離０．５ミリメートに対する斜面１４ａの高さ変化は１．６７マイクロメートルとなり、目盛りは斜面１４ａの高さ指標としての役割を果たす。
ベース２上に設けられた集束状態検出用部材１５もまた、寸法は異なるが集束状態検出用部材１４と同様の構造を有する。したがってベース２の上面が電子ビームＢと直角をなすとき、ベース２の上面に設けられた集束状態検出用部材１５の電子ビーム照射面も電子ビームＢに対して傾いた斜面をなす。

図１に戻り、本実施例の走査型電子顕微鏡１は、電子線鏡筒４を制御する制御部８及び制御部８へのデータ入力部１０を有する。図４に制御部８の概略構成図を示す。制御部８は、集束条件調整部４１と、焦点深度決定部４２と、焦点調整部４３を備える。
集束条件調整部４１は、試料Ｓの表面又は集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａ上に電子ビームＢが照射されている状態で、この照射位置に電子ビームＢが集束するように電子ビームＢの焦点及び非点収差を調整する。
焦点深度決定部４２は、集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａ上の高さが異なる複数の箇所に電子ビームＢを各々照射させ、それぞれの照射箇所にて電子線画像を取得し、これら複数箇所のうち焦点が合った電子線画像を得られたものを選択して、走査型電子顕微鏡の焦点深度を求める。

また制御部８は、非点収差補正コイル制御部５２、偏向コイル制御部５３及び対物レンズ制御部５４を備える。
非点収差補正コイル制御部５２は、集束条件調整部４１からの制御信号に従って非点収差補正コイル２３の励磁電流値を増減することによって、電子ビームＢの非点収差を変化させる。
偏向コイル制御部５３は、集束条件調整部４１、焦点深度決定部４２及び焦点調整部４３からの電子ビーム照射位置指示信号に従って偏向コイル２４の励磁電流値を制御し、電子ビームの照射位置を所望の位置に移動させる。また偏向コイル制御部５３は、走査信号生成部４４が生成する走査信号に従って偏向コイル２４の励磁電流値を制御することによって、電子線画像の生成の際に電子ビームＢを走査させる。
対物レンズ制御部５４は、集束条件調整部４１及び焦点調整部４３からの制御信号に従って対物レンズコイル２５の励磁電流値を増減することによって、電子ビームＢの焦点を変化させる。

さらに制御部８は、試料面高さ決定部６１、電子ビーム位置決定部６２、電子線鏡筒制御部５５及びコントラスト決定部６３を備える。
試料面高さ決定部６１は、試料Ｓの厚さ情報が入力部１０から入力されると、試料Ｓの厚さ情報から試料台５の上面から試料Ｓの表面までの高さを決定する。
電子ビーム位置決定部６２は、集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａのうち、試料面高さ決定部６１により決定された試料面の高さと同じ高さとなる位置を決定する。
電子線鏡筒制御部５５は、電子線鏡筒移動機構７の直動機構を駆動して、電子線鏡筒４のＸ及びＹ方向位置を制御する。
コントラスト決定部６３は、画像処理部９が生成した電子線画像のコントラスト値を決定する。

図６は、本発明の実施例による集束条件調整方法のフローチャートである。
ステップＳ１０において、試料Ｓの厚さ情報が入力部１０から入力されると、試料Ｓの厚さ情報から試料台５の上面から試料Ｓの表面までの高さを決定する。
ステップＳ１１において、電子ビーム位置決定部６２は、その電子ビーム照射面１４ａのうち、試料面高さ決定部６１により決定された試料面の高さと同じ高さとなる位置を決定する。このとき、集束状態検出用部材１４の寸法とその配置位置とは既知であるので、電子ビーム位置決定部６２は、電子ビーム照射面１４ａの各位置の高さを決定することができ、試料面の高さと同じ高さとなる電子ビーム照射面１４ａの面内位置を決定することができる。

例えば図７に示す電子ビーム照射面１４ａでは、基準点Ａの位置及び高さが既知であるとすると、電子ビーム照射面１４ａの任意の位置Ｂと基準点Ａとの高低差ΔＨは、
ΔＨ＝ΔＤ×ｔａｎθ
または、
ΔＨ＝ΔＰ×ｓｉｎθ
により求めることができる。ここで角度θは電子ビーム照射面１４ａが試料面（すなわち電子ビームＢの光軸方向と直交する面）とのなす角度であり、ΔＤは基準点Ａと位置Ｂとの間の水平面上の距離であり、ΔＰは基準点Ａと位置Ｂとの間の電子ビーム照射面１４ａ上の距離である。
ステップＳ１２において、電子線鏡筒制御部５５は、電子ビーム位置決定部６２が決定した位置に電子ビームＢを照射するように電子線鏡筒４の位置を移動させる。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２で位置決めした位置に電子線鏡筒４を固定したまま、走査信号生成部４４により生成した走査信号で電子ビームＢを走査し、ステップＳ１１で決定した位置の電子ビーム照射面１４ａの表面の電子線画像を取得する。この電子線画像のコントラスト値はコントラスト決定部６３によって決定される。
集束条件調整部４１は、非点収差補正コイル２３の励磁電流値を変えながら各非点収差状態で撮像した電子線画像のコントラスト値を入力し、コントラスト値が最も高くなる状態に電子ビームＢの非点収差の状態を調整することにより、非点収差コイル２３の励磁電流値を、電子線画像の焦点が合う値に調整する。また集束条件調整部４１は、対物レンズコイル２５の励磁電流値を変えながら各焦点状態で撮像した電子線画像のコントラスト値を入力し、コントラスト値が最も高くなる状態に電子ビームＢの焦点状態を調整することにより、対物レンズコイル２５の励磁電流値を、電子線画像の焦点が合う値に調整する。
なお、本実施例では電子線画像の合焦の有無をコントラストにより判定するが、これはあくまで一例であり、合焦の有無を判定する方法として他の手法を用いてもよい。以下の実施例でも同様である。

ここで、電子ビーム照射面１４ａの表面には加工の際にできた微小な凹凸があるため、その電子線画像には凹凸に応じた明度差が生じる。したがって、コントラスト決定部６３は、電子ビーム照射面１４ａの表面の加工の際にできた凹凸により生じる模様の明度差のコントラスト値を決定してよい。
また、図４の（Ａ）を参照して上述したように電子ビーム照射面１４ａには目盛りが設けられ、この目盛りと目盛り以外の面との間により大きな明暗差を生じる。したがってコントラスト決定部６３は、隣接する目盛り間と目盛り部分との明度差のコントラスト値を決定してもよい。

図６に戻り、ステップＳ１４では、電子線鏡筒制御部５５は、電子ビームＢが試料Ｓ上を照射するように電子線鏡筒４の位置を移動させる。ステップＳ１５では、走査信号生成部４４により生成した走査信号で電子ビームＢを試料Ｓ上で走査し試料面の電子線画像を取得する。そして、集束条件調整部４１は、この電子線画像のコントラスト値に基づき電子ビームＢが試料面上に集束している否かを判定する。ステップＳ１５の判定において、電子ビームＢが試料面上に集束していると判定した場合は集束条件調整処理を終了する。

ステップＳ１５の判定において、電子ビームＢが試料面上に集束していないと判定した場合には、ステップＳ１６において集束条件調整部４１は、非点収差補正コイル２３の励磁電流値を変えながら各非点収差状態で撮像した電子線画像のコントラスト値を入力し、コントラスト値が最も高くなる状態に電子ビームＢの非点収差の状態を調整する。また集束条件調整部４１は、対物レンズコイル２５の励磁電流値を変えながら各焦点状態で撮像した電子線画像のコントラスト値を入力し、コントラスト値が最も高くなる状態に電子ビームＢの焦点状態を調整する。

本方法によれば、ステップＳ１３において予め電子ビーム照射面１４ａを用いて、試料Ｓ上に集束するように集束条件を調整しているため、ステップＳ１６において試料Ｓ上で電子ビームＢの集束条件の調整を無くし、またはその調整量を低減するため、集束条件の調整のために試料Ｓに電子ビームＳを照射する機会またはその照射量を低減することが可能となる。

なお本方法では、電子ビームＢと、試料Ｓ又は集束状態検出用部材１４との間の相対移動のために電子線鏡筒４を移動させることとしたが、その代わりに試料Ｓ又は集束状態検出用部材１４側を移動させてもよい。または偏向コイル２４による電子ビームＢの偏向量が大きい場合には、ステップＳ１２及びステップＳ１４における電子ビームＢの照射位置の移動を、単に電子ビームＢを偏向させることによって行ってもよい。以下に説明する焦点深度決定方法及び焦点調整方法においても同様である。

またステップＳ１２において、電子ビーム位置決定部６２が決定した位置に電子ビームＢの照射位置を移動させる際に、電子ビーム照射面１４ａ上に設けられた目盛りを用いて、電子ビームＢの照射位置がどれだけ移動したかを検出してもよい。電子ビームＢが目盛り上に照射されているときと目盛り以外の部分に照射されているときとでは電子線検出器６の検出量が異なる。したがって、電子ビーム照射面１４ａ上に予め定めた基準点から電子ビームＢの照射位置を移動させ、その間、電子ビーム位置決定部６２は電子線検出器６の出力信号を監視して、電子ビームＢの照射位置が通過した目盛りの数をカウントすることによって、電子ビームＢの現在の照射位置を検出することが可能である。

図８は、集束状態検出用部材１４の第２実施例を示す図である。本実施例では集束状態検出用部材１４を、上部構造１４ｄと下部構造であるスペーサ１４とで構成する。そして上部構造の底面１４ｇを電子ビーム照射面１４ａと略平行に形成する一方で、スペーサ１４の上面１４ｆを集束状態検出用部材１４の底面１４ｃに対して傾けることによって、電子ビーム照射面１４ａは集束状態検出用部材１４の底面１４ｃに対して斜面をなす。
また、集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａは、必ずしも平らな斜面上に形成される必要はなく、階段状又は曲面状に形成されてもよい。すなわち、電子ビーム照射面１４ａはその面内位置によって底面１４ｃからの高さが異なり、かつ面内位置と底面からの高さとの関係が既知であればどのような形態であってもよい。

また電子ビーム照射面は、集束状態検出用部材１４及び１５のような電子線装置内に取り付けられる別個の部材の面として設けられるだけでなく、例えば試料台５やベース２の表面の一部を加工してこれらと一体に形成されてもよい。

図９は、本発明の実施例による焦点深度決定方法のフローチャートである。本方法では、焦点深度決定部４２は、電子ビーム照射面１４ａ上の異なる複数の箇所に電子ビームＢを各々照射させてそれぞれの照射位置にて電子線画像を取得する。そして、そのうち所定のコントラストを有する画像が得られた照射位置同士の高低差を走査型電子顕微鏡の焦点深度として求める。
ステップＳ２０では、焦点深度決定部４２は、電子ビームＢが集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａ上を照射するように電子線鏡筒制御部５５に電子線鏡筒４の位置を移動させる。
ステップＳ２１では、焦点深度決定部４２は、図１０の（Ａ）に示すように電子ビームＢの照射位置を電子ビーム照射面１４ａ上の傾斜方向にずらすように電子線鏡筒制御部５５に電子線鏡筒４の位置を移動させる。そして、電子ビーム照射面１４ａ上の複数の異なるそれぞれの位置において電子線画像を生成し、それぞれの箇所の電子線画像のコントラスト値を所定の記憶手段（図示せず）に保存する。電子ビーム照射位置とコントラスト値との関係を示すと図１０の（Ｂ）に示すとおりとなり、この例では焦点は試料面Ｓと同じ高さのＡ点に合わされており、Ａ点にて生成した電子線画像のコントラスト値が最大値Ｃｍａｘとなる。

ステップＳ２２では、焦点深度決定部４２は、ステップＳ２１にて得られた最大のコントラスト値Ｃｍａｘとの差が、所定のコントラスト差ΔＣ未満となるコントラストを有する画像が得られた電子ビーム照射位置の範囲（ｘｍｉｎ〜ｘｍａｘ）を決定する。ここで所定のコントラスト差ΔＣは、焦点があったものとして許容される画像が有すべきコントラスト値の最低値に応じて適宜顕微鏡装置の構成及び目的に応じて予め定められた値である。
ステップＳ２３では焦点深度決定部４２は、ステップＳ２２で得られた電子ビーム照射位置の範囲の下限ｘｍｉｎの高さと上限ｘｍａｘの高さを決定し、ステップＳ２４では、これらの高さの高低差を焦点深度として決定する。

図１に戻り、走査型顕微鏡装置１は試料Ｓを昇降可能な試料台５を備えている。試料台５は、観察時には上昇して試料Ｓの表面を電子線鏡筒４へと接近させる一方で、その上面に試料Ｓを載置する際には試料台は下降して電子線鏡筒４から離れることで試料Ｓの搬送を容易にする。ここで試料台５を機械的機構により移動させると、移動機構の機械的誤差によって試料Ｓの高さに狂いが生じるため、試料台５を昇降させる度に、すなわち試料交換の度に電子ビームＢの焦点の条件を変更する必要が生じる。
以下に示す焦点調整方法では、図６で示した焦点調整方法よりも簡易に電子ビームＢの焦点を調整する方法を提供する。

図１１は、図５に示す焦点調整部４３の概略構成図である。焦点調整部４３は、最適焦点位置決定部８１と、高低差決定部８２と、焦点変更部８３と、焦点微調整部８４とを備えている。
最適焦点位置決定部８１は、集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａのうち現在の集束条件の電子ビームＢが最も良く集束する位置を決定する。
高低差決定部８２は、最適焦点位置決定部８１が決定した位置と試料Ｓの表面との間の高低差を決定する。
焦点変更部８３は、高低差決定部８２が決定した高低差に応じた補正量によって対物レンズ２５の励磁電流値を補正し、電子ビームＢの焦点が試料Ｓの表面となるように調整する。
焦点微調整部８４は、焦点変更部８３による焦点調整が済んだ後に、試料Ｓの表面に電子ビームＢを照射させて電子ビームＢの焦点の微調整を行う。

図１２及び図１３は、本発明の実施例による焦点調整方法のフローチャートである。
ステップＳ３１において、試料Ｓの厚さ情報が入力部１０から入力されると、高低差決定部８２は、試料台５の上面から試料Ｓの表面まで高さを決定して図示しない記憶手段に記憶する。今、試料Ｓの表面の図１４の（Ａ）に示すようにＬ１であるとする。
ステップＳ３２において、最適焦点位置決定部８１は、電子ビームＢの照射位置を試料台５上の集束状態検出用部材１４の電子ビーム照射面１４ａ上に移動する。このとき例えば、最適焦点位置決定部８１は、電子線鏡筒制御部５５に電子線鏡筒４の位置を移動させることによって、電子線鏡筒４と集束状態検出用部材１４との相対位置を変えて電子ビームＢの照射位置を変更してもよく、偏向コイル２４による偏向量が大きい場合には、偏向コイル制御部５３に電子ビームＢを偏向させることによって電子ビームＢの照射位置を変更してもよい。このとき電子ビームＢの焦点は、図１４の（Ａ）に示すように、予めベース２上に設けられた集束状態検出用部材１５を用いて、図示Ｌ２の高さに合わせておくものとする。

ステップＳ３３において、電子ビームＢの焦点を固定したまま、走査信号生成部４４により生成した走査信号で電子ビームＢを走査し、電子ビーム照射面１４ａの表面の電子線画像を取得する。この電子線画像のコントラスト値はコントラスト決定部６３によって決定される。
最適焦点位置決定部８１は、電子ビーム照射面１４ａ上における電子ビームＢの照射位置を変えながらそれぞれの位置で得られた電子線画像のコントラスト値を取得する。このとき得られるコントラスト値の変化を図１４の（Ｂ）に示す。そして最適焦点位置決定部８１は、コントラスト値が最も高くなる電子ビームＢの照射位置を最適焦点位置として決定する。図１４の（Ａ）に示すように現在の電子ビームＢの焦点はＬ２の高さに合っているので、最適焦点位置は電子ビーム照射面１４ａ上のＡの位置となる。

ステップＳ３４では、ステップＳ３３で最適焦点位置が見つかったか否かを判定する。最適焦点位置が見つからなかった場合には、ステップＳ３５及びＳ３６をスキップして図１３に示すステップＳ３７へ処理を移す。
ステップＳ３５では、高低差決定部８２は、ステップＳ３３で決定した最適焦点位置と試料Ｓの表面との間の高低差を決定する。このとき、集束状態検出用部材１４の寸法とその配置位置とは既知であるので、高低差決定部８２は、最適焦点位置における電子ビーム照射面１４ａの試料台５の上面（すなわち集束状態検出用部材１４の底面１４ｃ）からの高さを決定することができる。また、試料台５の上面から試料Ｓの表面までの高さもステップＳ３１において決定されている。したがって高低差決定部８２は、試料台５の上面から最適焦点位置までの相対高さと、試料台５の上面から試料Ｓの表面までの相対高さとの差を算出することにより、最適焦点位置と試料Ｓの表面との間の高低差を決定する。

ステップＳ３６では焦点変更部８３は、高低差決定部８２が決定した高低差に応じて、電子ビームＢの焦点をこの高低差分だけ移動させるために必要な偏向コイル２４の励磁電流値の補正量を決定する。
焦点変更部８３が補正量を決定するために、例えば、電子ビームＢの焦点変化量と、焦点変化量を生じさせる励磁電流値の変動量との関係を近似する近似式を予め決定しておいてもよい。このとき焦点変更部８３は、予め決定された近似式を使用して、高低差決定部８２が決定した高低差分の焦点変化を生じさせる励磁電流値の補正量を算出する。
また例えば、電子ビームＢの焦点変化量から、その焦点変化量を生じさせる励磁電流値の変動量を求めるルックアップテーブルを予め用意してもよい。

ステップＳ３７では、電子線鏡筒制御部５５は、電子ビームＢが試料Ｓ上を照射するように電子線鏡筒４の位置を移動させる。ステップＳ３８では、走査信号生成部４４により生成した走査信号で電子ビームＢを試料Ｓ上で走査し試料面の電子線画像を取得する。そして焦点微調整部８４は、この電子線画像のコントラスト値に基づき電子ビームＢが試料面上に集束している否かを判定する。ステップＳ３８の判定において電子ビームＢが試料面上に集束していると判定した場合は焦点調整処理を終了する。

ステップＳ３８の判定において、電子ビームＢが試料面上に集束していないと判定した場合には、焦点微調整部８４はステップＳ３９において、ステップＳ３３で最適焦点位置決定部８１が最適焦点位置を見つけることができたか否かを判定する。最適焦点位置決定部８１が最適焦点位置を見つけることができなかった場合には、ステップＳ４１にて、試料台５の昇降による試料Ｓの高さのずれが大きく焦点を合わせることはできないと判定して、焦点調整処理を終了する。

最適焦点位置決定部８１が最適焦点位置を見つけることができた場合には、焦点微調整部８４は、ステップＳ４０において、レンズコイル２５の励磁電流値を変えながら各焦点状態で撮像した電子線画像のコントラスト値を入力し、コントラスト値が最も高くなる状態に電子ビームＢの焦点状態を微調整する。

本方法によれば、ステップＳ３２〜ステップＳ３６において、試料台５上の集束状態検出用部材１４を用いて電子ビームＢの焦点の粗調整を行う際に、ステップＳ３３に示すように電子ビームＢの照射位置を変えながら電子線画像を得る反復処理を行う必要はあるが、図６を参照して説明した集束条件調整方法のステップＳ１３のように反復的に焦点条件を変える必要がないため、より簡単に焦点調整を行うことができる。

本発明は、走査型電子顕微鏡、その電子ビームの調整に利用可能である。

本発明の実施例による走査電子顕微鏡の概略構成図である。図１に示す電子線鏡筒の概略構成図である。図１に示す電子線鏡筒移動機構の概略構成図である。（Ａ）は図１に示す集束状態検出用部材の第１実施例の平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の集束状態検出用部材の側面図であり、（Ｃ）は（Ａ）の集束状態検出用部材の電子ビーム照射面に設けられた目盛りの拡大図である。図１に示す制御部の概略構成図を示す。本発明の実施例による集束条件調整方法のフローチャートである。電子ビーム照射面上の各位置の高さを算出する方法を説明する図である。図１に示す集束状態検出用部材の第２実施例を示す図である。本発明の実施例による焦点深度決定方法のフローチャートである。（Ａ）は図９に示す焦点深度決定方法の説明図であり、（Ｂ）は図９に示す焦点深度決定方法において検出する電子線画像のコントラスト値の変化を示すグラフである。図５に示す焦点調整部の概略構成図である。本発明の実施例による焦点調整方法のフローチャート（その１）である。本発明の実施例による焦点調整方法のフローチャート（その２）である。本発明の実施例による焦点調整方法の説明図である。

符号の説明

１走査型電子顕微鏡
４電子線鏡筒
５試料台
６電子線検出器
７電子線鏡筒移動機構
１３、１４集束状態検出用部材
Ｂ電子ビーム
Ｓ試料

Claims

走査型電子顕微鏡の電子ビームの集束状態を検出するために使用する集束状態検出用部材であって、
前記電子ビームを照射され反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する電子ビーム照射面とこれに略対向する底面とを備え、該電子ビーム照射面はその面内位置によって前記底面からの高さが異なることを特徴とする集束状態検出用部材。
前記電子ビーム照射面に、走査型電子顕微鏡で検出可能な所定のマークを設けることを特徴とする請求項１に記載の集束状態検出用部材。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面の高さ指標であることを特徴とする請求項２に記載の集束状態検出用部材。
前記電子ビーム照射面は、前記底面に対して傾斜した斜面であることを特徴とする請求項１に記載の集束状態検出用部材。
前記電子ビーム照射面に、前記走査型電子顕微鏡で検出可能な所定のマークを設けることを特徴とする請求項４に記載の集束状態検出用部材。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面の高さ指標であることを特徴とする請求項５に記載の集束状態検出用部材。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面に所定の間隔で設けられた目盛りであることを特徴とする請求項５に記載の集束状態検出用部材。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の集束状態検出用部材を有する走査型電子顕微鏡であって、
前記電子ビーム照射面のうち観察試料の観察面と同じ高さの位置を決定する電子ビーム位置決定手段と、電子ビームの集束条件を調整する集束条件調整手段と、をさらに備え、
前記集束条件調整手段は、前記電子ビーム位置決定手段により決定した位置に前記電子ビームを照射した状態でこの位置に前記電子ビームを集束させることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の集束状態検出用部材を、観察試料を昇降する昇降台上に備える走査型電子顕微鏡であって、
前記電子ビームが表面に集束する前記電子ビーム照射面上の位置である集束位置を決定する集束位置決定手段と、
前記集束位置における前記電子ビーム照射面の高さと、前記観察試料の試料面の高さとの間の高低差に基づいて、前記電子ビームの焦点高さを前記試料面の高さに調整する焦点調整手段と、
を備えることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
請求項１〜７のいずれか一項に記載の集束状態検出用部材を有する走査型電子顕微鏡であって、
前記電子ビーム照射面の複数箇所を撮像した電子線画像から、焦点が合った電子線画像が得られる前記電子ビーム照射面の高さの範囲を、前記走査型電子顕微鏡の焦点深度として求める焦点深度決定手段を備えることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡であって、
前記電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する電子ビーム照射面を備え、
前記電子ビーム照射面は、前記電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置が、その面内位置により異なることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
前記電子ビーム照射面に、前記走査型電子顕微鏡で検出可能な所定のマークを設けることを特徴とする請求項１１に記載の走査型電子顕微鏡。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面の高さ指標であることを特徴とする請求項１２に記載の走査型電子顕微鏡。
前記電子ビーム照射面は、前記電子ビームのビーム光軸に対して傾斜した斜面であることを特徴とする請求項１１に記載の走査型電子顕微鏡。
前記電子ビーム照射面に、前記走査型電子顕微鏡で検出可能な所定のマークを設けることを特徴とする請求項１４に記載の走査型電子顕微鏡。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面の高さ指標であることを特徴とする請求項１５に記載の走査型電子顕微鏡。
前記所定のマークは、前記電子ビーム照射面に所定の間隔で設けられた目盛りであることを特徴とする請求項１５に記載の走査型電子顕微鏡。
前記電子ビーム照射面のうち前記観察試料の観察面と同じ高さの位置を決定する電子ビーム位置決定手段と、電子ビームの集束条件を調整する集束条件調整手段と、をさらに備え、
前記集束条件調整手段は、前記電子ビーム位置決定手段により決定した位置に前記電子ビームを照射した状態でこの位置に前記電子ビームを集束させることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に記載の走査型電子顕微鏡。
前記観察試料を昇降する昇降台上に前記電子ビーム照射面を備え、
前記電子ビームが表面に集束する前記電子ビーム照射面上の位置である集束位置を決定する集束位置決定手段と、
前記集束位置における前記電子ビーム照射面の高さと、前記観察試料の試料面の高さとの間の高低差に基づいて、前記電子ビームの焦点高さを前記試料面の高さに調整する焦点調整手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に走査型電子顕微鏡。
前記電子ビーム照射面の複数箇所を撮像した電子線画像から、焦点が合った電子線画像が得られる前記電子ビーム照射面の高さの範囲を、前記走査型電子顕微鏡の焦点深度として求める焦点深度決定手段を、さらに備えることを特徴とする請求項１１〜１７のいずれか一項に走査型電子顕微鏡。
電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の前記電子ビームの集束条件を調整する集束条件調整方法であって、
前記走査型電子顕微鏡内に設けられた所定の電子ビーム照射面のうち観察試料の観察面と同じ高さの部分に前記電子ビームが集束するように前記集束条件を調整し、
前記所定の電子ビーム照射面は、前記電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ前記電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する面であることを特徴とする集束条件調整方法。
前記電子ビーム照射面のうち観察試料の観察面と同じ高さの部分の電子線画像を、複数の集束条件の下でそれぞれ作成し、
前記複数の集束条件のうち、焦点が合った前記電子線画像が得られた条件に前記電子ビームの集束条件を調整することを特徴とする請求項２１に記載の集束条件調整方法。
電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の前記電子ビームの焦点を調整する焦点調整方法であって、
観察試料を昇降する昇降台上に設けられた所定の電子ビーム照射面のうち前記電子ビームが表面に集束する集束箇所を決定し、
前記集束箇所における前記電子ビーム照射面の高さと、前記観察試料の試料面の高さとの間の高低差に基づいて、前記電子ビームの焦点高さを前記試料面の高さに調整し、
前記所定の電子ビーム照射面は、前記電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ前記電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する面であることを特徴とする焦点調整方法。
電子ビームを観察試料上で走査する走査型電子顕微鏡の前記電子ビームの焦点深度を測定する焦点深度測定方法であって、
前記走査型電子顕微鏡内に設けられた所定の電子ビーム照射面の複数箇所を前記電子ビームで走査することにより前記複数箇所のそれぞれの電子線画像を生成し、
これら電子線画像のうちの焦点が合った画像が得られた前記電子ビーム照射面の高さの範囲を前記走査型電子顕微鏡の焦点深度として求め、
前記所定の電子ビーム照射面は、前記電子ビームの光軸方向である高さ方向の位置がその面内位置により異なり、かつ前記電子ビームを照射されることにより反射電子及び二次電子のうちの少なくとも一方を発生する面であることを特徴とする焦点深度測定方法。