JP2009037791A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】試料傾斜時の像を試料水平時の像に歪み無く補正する。
【解決手段】電子線の照射中心から見た一方の偏向角度αともう一方の偏向角度βを異なる角度で偏向できるようにするとともに、台形補正、湾曲歪補正、傾斜焦点補正と組合せることにより、試料傾斜時の像を試料水平時の像に歪み無く補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に傾斜した試料を観察できる走査電子顕微鏡に関する。

走査電子顕微鏡において、電子線源から放出された電子線は偏向コイルにより偏向され、対物レンズによって収束されて試料に照射される。偏向コイルは観察エリアを走査し、対物レンズは試料面で焦点を合わせるように制御されている。水平に置かれている試料に焦点を合わせ、その後試料を傾斜する場合、傾斜回転軸では焦点が合っているが、それ以外は試料面が傾斜することで焦点距離と試料面が異なる位置にくることから焦点が合わなくなる。この焦点ずれは、試料面の傾斜角度に応じて対物レンズの励磁電流を変化させることで補正することができる（傾斜焦点補正）。

しかし、対物レンズは電子線の収束作用の他に電子線の像面を回転させる作用を持っている。そのため、対物レンズの励磁電流を変化させて、傾斜した試料の焦点補正を行った場合、像の湾曲歪が発生する。この湾曲歪みは、電子線の走査方向を、焦点補正に伴って発生する像面の回転方向と逆方向に回転させることにより補正することができる（湾曲歪補正）。

特開２００２−３４３２９３号公報

低倍率観察において、試料面が水平の場合には電子線走査領域は長方形になるが、傾斜試料面では電子線走査領域が台形になり、さらに傾斜方向に伸び倍率が変化する。これに対しては、電子線の偏向を水平面上で台形になるように補正し、傾斜試料面では長方形の走査領域となるように補正できる（台形補正）。また、傾斜方向の偏向角度を小さくさせることで、試料が水平時と同じ倍率になるように偏向範囲を変化させることで補正ができる（傾斜倍率補正）。

傾斜焦点補正、湾曲歪補正、台形補正、傾斜倍率補正を合わせることによって、補正しない場合と比べて歪を改善することができる。しかし、従来の傾斜倍率補正では、偏向角度０°のときの電子線の位置からみて傾斜方向に沿った一方の偏向角度αとその反対側の偏向角度βが等しい。このため、補正が十分でなく、円形のものは楕円となり、正方形は長方形として観察される。そのため次のような問題がある。

一般に２次電子像については、試料を傾斜した方が試料水平時に比べてコントラストを得やすくなる場合が多い。このため、試料水平での試料観察が望ましい場合でもコントラストを得るために試料を傾斜する場合がある。このように傾斜した試料の像上で寸法を測定する場合、上記のように従来の補正方法では十分ではなく、像の中心部と周辺部では測定結果が異なってしまうという問題がある。この問題は試料傾斜角度が高角度であるほど顕著となる。

また、極低倍率像を得る手法の一つとして、低倍率像を複数枚取得し、つなぎ合わせる方法がある。この方法では像の周辺部に歪みがある隣り同士の画像にずれが生じ、つなぎ合わせることが困難である。試料を傾斜した場合、従来の補正方法では十分ではなく、像の周辺で歪みが発生するため、極低倍率像を取得することが困難である。

また、試料ステージの操作方法としてモニタに表示される像上で移動先の点を指定し、指定された点と現状のステージ位置から移動距離を割り出し、その距離だけステージを移動させて指定点を中心に表示させる方法がある。従来の補正方法で表示された像上で移動先を指定する場合を考えると、補正が十分でなく像が歪むため、ステージ移動量が不正確となる。この問題は試料傾斜角度が高角度であるほど、また指定点が像の周辺部であるほど顕著となる。

さらに、ＥＢＳＰ（Electron Backscattered Diffraction Pattern）あるいはＥＢＳＤ（Electron Backscattered Diffraction）とよばれる分析方法は結晶方位解析に有効であるが、この方法では電子の回折パターンを得るために試料を６０°ないし７０°の高傾斜状態にする必要がある。一方、試料上の分析位置を特定するためには、反射電子像が用いられる。これはＥＢＳＰではほとんどの場合、表面研磨された凹凸のない試料が対象であり、反射電子検出器がこのような試料に適しているためである。しかし、試料を高傾斜状態にすると反射電子検出器で検出される反射電子の検出効率は低下する。そのため、ＥＢＳＰにより分析する場合には、まず試料水平状態で反射電子像により分析位置を特定し、その後試料を高傾斜状態にしてＥＢＳＰ分析を行う方法が一般的である。また分析後には、試料上の分析位置を示す反射電子像とＥＢＳＰによるマッピング像を対で記録しておくことが望ましいが、上記のように従来の補正方法では十分ではなく、２者の像間の形状差より対比が困難であるという問題があった。

本発明の走査電子顕微鏡は、傾斜焦点補正、湾曲歪補正、台形補正ができる手段を備え、電子線偏向角度０゜の電子線の位置から正負の試料傾斜方向への電子線の偏向角度α，βをそれぞれ異なる角度とすることで、試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させる。

本発明の走査電子顕微鏡は、一例として、電子線源と、電子線源から発生された電子線を試料上に収束させるための対物レンズと、電子線を試料上で走査させるための電子線偏向手段と、試料を電子線照射方向に対して傾斜させる試料傾斜手段と、傾斜した試料上における試料傾斜方向の電子線偏向範囲が試料水平時の試料上における電子線偏向範囲と同じになるように、試料傾斜方向の電子線偏向角度を、電子線偏向角度０°の電子線の位置からみて一方の偏向角度とその反対側の偏向角度を単位時間当たり異なる角度で変化させる手段と、傾斜した試料上における電子線走査領域が矩形となるように、試料傾斜方向と垂直方向の電子線偏向量を、試料傾斜角度及び試料傾斜方向の偏向量に応じて変化させる手段とを備え、試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させる。試料傾斜角度を検知する手段又は試料の傾斜軸に対する電気的な駆動装置を備えることで、試料傾斜角度を自動的に検知し、上記の傾斜補正を自動化することができる。

また、電子線の偏向を試料傾斜角度に合わせて制御することなく、試料傾斜時にも試料水平時と同様の電子線偏向を行い、試料の傾斜角度及び偏向支点と試料傾斜中心間の距離に基づいて、画像処理によって試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させることもできる。ある倍率で使用する場合、倍率から試料上の偏向量が決まる。例えば倍率２０倍で使用する場合、偏向支点から試料までの距離Ｌ＝１０ｍｍ、画像の大きさを１００ｍｍとすると、その倍率から偏向角度は０゜〜１０゜と計算できる。

試料の傾斜角度及び偏向支点と試料傾斜中心間の距離を、保存した画像に付帯情報として記録することで、保存した画像についても同様の画像処理を可能にすることができる。

本発明によると、試料傾斜時の像を試料水平時の像に歪み無く補正することができ、傾斜試料像による寸法測定精度を向上することができる。また、傾斜試料の低倍率像のつなぎ合わせによる極低倍率像の取得が可能となる。また、試料傾斜時のステージ移動精度を向上できる。さらに、ＥＢＳＰ分析時の分析位置特定の際の操作性を向上させることができるとともにマッピング像との対比が容易になる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による走査電子顕微鏡の構成例を示す説明図である。電子線源１から放出された電子線２は偏向コイル３により偏向され、対物レンズ４によって収束され、試料５に照射される。電子線２は、偏向コイル３によって観察エリアを走査され、対物レンズ４によって試料面で焦点が合わされる。Ｌは偏向支点６と試料傾斜中心との距離であり、装置の電子光学系の構成と試料から対物レンズまで距離（ワーキングディスタンス）に依存する。θは試料の傾斜角度である。偏向角度α，βはこれらに加えて倍率にも依存する。

偏向コイル３は偏向回路３１によって駆動され、対物レンズ４は対物レンズ電源３２によって駆動される。試料５は図示しないステージ上に保持されている。ステージはモーター等のステージ駆動部３３によって駆動され、試料を電子線２に対して平行移動させたり傾斜させることができる。電子線の照射によって試料５から放出された２次電子等の試料信号は検出器３４によって検出され、試料信号を電子線の走査と同期して表示部３５に輝度信号として入力することにより、表示部３５に試料像が表示される。検出器３４によって検出された試料信号を一旦画像処理部３６に送り、画像処理部３６で画像処理した結果を表示部３５に表示することもできる。取得した画像は、必要に応じて記録部３７に記録することができる。偏向回路３１、対物レンズ電源３２、ステージ駆動部３３、検出器３４、表示部３５、画像処理部３６、記録部３７の動作は制御部３８によって統括制御される。

試料面が電子線に対する垂直面から傾斜している場合、試料水平時の偏向範囲（ａ＋ｂ）に対して傾斜方向に偏向範囲（ａ’＋ｂ’）が伸びる。このため、中心からの傾斜方向の偏向角度αと中心からその逆側の偏向角度βをそれぞれ試料の傾斜角度θに応じて変化させることで、中心から左右に振られる偏向量を水平時と等しくする。すなわちａ＝ａ’及びｂ＝ｂ’にする。

図１より試料水平時の偏向量ａ，ｂは
ａ＝Ｌtanα、ｂ＝Ｌtanβ＝Ｌtanα …（１）
であり、試料傾斜時の偏向量ａ’，ｂ’は、幾何学的計算から
ａ’＝Ｌtanα／（cosθ−sinθ・tanα） …（２）
ｂ’＝Ｌtanβ／（cosθ＋sinθ・tanβ） …（３）
となる。試料傾斜角θと偏向角度α，βから偏向量ａ’ ，ｂ’を算出することができ、水平時の偏向量と傾斜時の偏向量をａ＝ａ’ ，ｂ＝ｂ’とすると、補正後の偏向角度α’とβ’は
α’＝tan^-1（tanα・cosθ／（１−tanα・sinθ）） …（４）
β’＝tan^-1（tanα・cosθ／（１＋tanα・sinθ）） …（５）
となりα’，β’を決めることができる。

図２は、従来の傾斜倍率補正で補正した走査時間に対する偏向量のグラフである。例として、水平時の偏向点から試料までの距離Ｌ＝１０ｍｍとする。試料水平時の偏向角度はα，βとも０°〜１０°の範囲とする。走査時間０秒のときαが最大（１０°）、走査時間１０秒のとき偏向角度０°、走査時間２０秒のときβが最大（１０°）となるように電子線を走査する。この水平試料上での電子線偏向量は破線で示すようになる。

次に、試料の傾斜角度θ＝７０°の場合を考える。従来の補正ではα及びβを制限し、傾斜試料上での偏向量を水平試料上での偏向量に近づける。従来の方式での補正結果を実線で示す。この例では、α及びβを０°〜３．５に制限している。すなわち、走査時間０秒のときαが最大（３．５°）、走査時間１０秒のとき偏向角度０°、走査時間２０秒のときβが最大（３．５°）となるように電子線を走査している。破線と実線を比較すると、αが最大のときには、傾斜試料上での偏向量が水平試料上での偏向量を大きく上回り、βが最大の時にはこの関係が逆転する。このため、上端と下端で大きく歪んでいる画像になる。αとβの偏向角度範囲が等しい限り、これ以上の補正はできない。

図３は、本発明での傾斜倍率補正で補正した走査時間に対する偏向量のグラフである。この例では、式（４）（５）からα’，β’を算出し、α’を０°〜４．１４°、βを０°〜２．９６°に制限している。すなわち、走査時間０秒のときαが最大（４．１４°）、走査時間１０秒のとき偏向角度０°、走査時間２０秒のときβが最大（２．９６°）となるように電子線を走査している。その結果、傾斜試料上での偏向量が水平試料上での偏向量と一致する。このように、α，βの偏向角度範囲に独立に制限を加えることにより、傾斜試料上での偏向量と水平試料上での偏向量を一致させることが出来る。

図４に従来の補正に用いられる偏向回路構成図を、図５に従来の補正のＹ偏向波形を示す。従来の補正はα＝βなので、特に傾斜補正回路を設けずに、Ｙ偏向（傾斜方向の偏向）の振り幅を小さくするだけで補正を行っている。このため。Ｙ偏向波形は図５に示すような、のこぎり波形になる。

図６に本発明の補正を可能にした偏向回路構成図を示し、図７に本発明の補正によるＹ偏向波形を示す。本発明の補正では偏向角度α，βを異なる値にするため、Ｙ偏向波形を従来ののこぎり波ではなく、図７に実線で示すような曲線の波形とする。試料傾斜角θと試料水平時の偏向角度α，β（α＝β）から、式（４）（５）により補正後の偏向角度α’，β’を求める。このため、偏向回路内にステージ１１の傾斜角を検出するステージ傾斜角検出センサー１２と傾斜補正回路１３を追加する。ステージ傾斜角検出センサー１２としては、例えばエンコーダやポテンショメータを用いることができる。補正前のＹ偏向コイル波形を傾斜補正回路１３の演算回路１４に入れ、ここでtanαの形に変換する。またステージの傾斜角を傾斜角検出センサー１２で検出し、ＣＰＵ１６を経由して傾斜補正回路１３に入力し、演算回路１５で先に算出したtanαと合わせ、式（４）及び式（５）によって補正後のα’及びβ’を算出する。α’はＹ偏向コイル電流と比例関係にあるのでその値に係数を掛け、Ｙ偏向コイルに電流を流す。このようにして、図７の補正後の波形を得ることが出来る。

図８は電子線走査領域に関して補正なしの偏向状態を示す説明図、図９は電子線走査領域に対して台形補正をした後の偏向状態を示す説明図である。図８に示すように、低倍率観察において試料面が水平の場合には試料上の電子線走査領域１７は長方形になるが、傾斜試料上では傾斜方向に垂直なＸ方向に走査範囲が伸び、試料上の電子線走査領域１８は台形になる。これは、図９に示すように試料傾斜角θ及び傾斜試料方向の偏向量に応じてＸ偏向量を変化させて傾斜試料上で電子線走査領域１９が長方形になるようにすることで補正できる。その結果、図９に示すように、傾斜試料上での走査領域１９が長方形のとき、水平面での走査領域２０は台形となる。

例えば、α_xを試料水平時のＸ方向の偏向角度、偏向量をＸ₀（＝２Ｌtanα_x）とすると、試料をθだけ傾斜したときのＸ方向の偏向量Ｘは、Ｘ＝２（Ｌ＋ａ’sinθ）tanα_xとなる（ａ’はＹ方向の傾斜時の偏向量、（２）式参照）。補正後のＸ方向の変更角度をα’_xとすると、２（Ｌ＋ａ’sinθ）tanα’_x＝Ｘ₀より、α’_x＝tan^-1（Ｘ₀／２（Ｌ＋ａ’sinθ））となり、試料傾斜角度θ及びＹ偏向量α’に対するＸ方向の補正後の変更角度が求まり、台形補正ができる。

試料水平時に焦点を合わせ、その後試料を傾斜する場合、傾斜する回転軸では焦点が合っているが、それ以外は試料面が傾斜することで焦点距離と試料面が異なる位置にくることから焦点が合わなくなる。これは試料面の傾斜角度によって対物レンズの励磁電流を変化させ補正することができる。傾斜試料面において対物レンズの励磁電流を変化させることで発生する湾曲した歪は電子線の走査方向を、偏向コイルにより焦点補正に伴って発生する回転歪と逆に回転させることにより補正することができる。これらすべての方法により補正することで、試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させることができる。

試料傾斜角度を検知する手段及び試料の傾斜軸に対する電気的な駆動装置を備えると、試料傾斜角度を自動的に検知し、上記の方法を適用して傾斜補正を自動的に行うことができる。

次に、別の実施例として、図１０を参照して画像処理による補正方法について説明する。ここでは、試料傾斜方向と同一方向の補正を例に説明する。

例えばＬ＝１０ｍｍ、θ＝４５°、偏向角度αを０°から１０°で偏向させる場合を計算すると、（１）式より試料水平時の最大偏向量ａは約１．８ｍｍであるが、（２）式より試料傾斜時の最大偏向量ａ’は約３ｍｍである。同様に偏向角度βを０°から１０°で偏向させるとき、試料水平時の最大偏向量ｂは約１．８ｍｍであるが、（３）式より試料傾斜時の最大偏向量ｂ’は約２．１ｍｍである。このように試料傾斜時には試料水平時に比べ電子線偏向量が大きくなるため、像の倍率は低くなる。これを画像処理部３６において、以下のような処理で補正する。

上記のように試料水平時の最大偏向量は１．８ｍｍであるが、試料傾斜時には最大偏向量が３ｍｍ及び２．１ｍｍであるから、図１０（ａ）に示すように、試料傾斜時の像２１は試料水平時に比べ広い範囲が表示される。補正を行うには、図１０（ｂ）に示すように、まず試料傾斜時の像２１から最大偏向量ａ’＝１．８ｍｍ、ｂ’＝１．８ｍｍに相当する範囲を切り取る。切り取る範囲は、偏向量を画像上の座標に換算することで容易に決定することができる。例えば、本例の場合には、１画面２０秒とすると、（２）式にθ＝４５゜、ａ’＝１．８ｍｍを代入し、αを算出すると、α＝６．５゜となる。α＝６．５゜となる時間は走査開始から３．５秒である。画素数を４８０とすると、４８０×（３．５／２０）から切り取る座標を得ることができる。

切り取った試料傾斜時の像２２は試料水平時の像と視野範囲が等しくなる。しかし像の縦横比は異なったままであり、縦に縮んだ像となっているため、次に像の縦横比を補正する。切り取った試料傾斜時の像２２は、偏向角度αに換算すると０°〜６．５°、βに換算すると０°〜８．３°に相当する範囲である。α＝０°〜６．５°の範囲の偏向量比（ａ’／ａ）を算出するとおよそ１．４〜１．６であるから、この範囲の画像を１．４〜１．６倍に縦に引き伸ばすように処理する。この処理は例えばαの範囲によって、０°≦α＜２°の範囲を１．４倍、２°≦α＜５°の範囲を１．５倍、５°＜αの範囲を１．６倍にそれぞれ引き伸ばす方法を採ることができる。精度を向上させるためαの範囲と引き伸ばし倍率をさらに細かく区切っても良い。

偏向角度βに相当する範囲についても同様の処理を実施することにより、図１０（ｃ）に示すように、縦横比を補正した試料傾斜時の像２３を得ることができる。

上記例は、試料傾斜方向についての補正例であり、本発明中の台形補正と組み合わせて用いれば試料傾斜方向と垂直な方向についても補正できるので、試料傾斜状態の像を試料水平状態の像に補正することができる。

また、試料傾斜方向と垂直な方向に対しても同様に幾何学的な関係から試料水平時及び試料傾斜時の偏向量を算出し、画像処理によって補正することができる。必要に応じて指定された任意の傾斜角度に補正することも可能である。

例えば、上記台形補正の方法によって、補正後のＸ方向の偏向角度α’_x及び偏向量Ｘが求まる。α’_xは、１画面の画素数と走査時間、走査開始してから偏向角度がα’_xになるまでの時間から、上述のようにして画面上の座標に換算できる。また、偏向量ＸとＸ₀の比から、Ｘ／Ｘ₀だけ画像をＸ方向に引き伸ばす処理を行うことによって補正できる。

上記いずれの方法によっても、偏向支点から試料までの距離Ｌ、及び試料傾斜角度θ、倍率から偏向量を算出し、補正が可能である。このため、試料傾斜時の像とともにこれらの情報を記録しておけば、記録した画像に対しても必要なときに随時補正することができる。

本発明による走査電子顕微鏡の構成例を示す説明図。 従来の傾斜倍率補正で補正した走査時間に対する偏向量のグラフ。 本発明での傾斜倍率補正で補正した走査時間に対する偏向量のグラフ。 従来の偏向回路構成図。 従来の補正によるＹ偏向波形図。 本発明の偏向回路構成図。 本発明の補正によるＹ偏向波形図。 補正無しの偏向状態の説明図。 台形補正時の偏向状態の説明図。 画像処理による補正方法の説明図。

符号の説明

１…電子線源
２…電子線
３…偏向レンズ
４…対物レンズ
５…試料
６…偏向支点
３１…偏向回路
３２…対物レンズ電源
３３…ステージ駆動部
３４…検出器
３５…表示部
３６…画像処理部
３７…記録部
３８…制御部

Claims (7)

1. 電子線源と、
   前記電子線源から発生された電子線を試料上に収束させるための対物レンズと、
   前記電子線を試料上で走査させるための電子線偏向手段と、
   試料を電子線照射方向に対して傾斜させる試料傾斜手段と、
   傾斜した試料上における試料傾斜方向の電子線偏向範囲が試料水平時の試料上における電子線偏向範囲と同じになるように、試料傾斜方向の電子線偏向角度を、電子線偏向角度０°の電子線の位置からみて一方の偏向角度とその反対側の偏向角度を単位時間当たり異なる角度で変化させる手段と、
   傾斜した試料上における電子線走査領域が矩形となるように、試料傾斜方向と垂直方向の電子線偏向量を、試料傾斜角度及び試料傾斜方向の偏向量に応じて変化させる手段とを備え、
   試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
2. 請求項１記載の走査電子顕微鏡において、試料傾斜時の傾斜方向に発生する焦点ズレを補正する手段と、前記焦点ズレに補正に伴って生じる湾曲歪を補正する手段を備え、試料傾斜時に試料面の全体に焦点が合っている像を表示させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
3. 請求項１又は２記載の走査電子顕微鏡において、試料傾斜角度を検知する手段を備え、検知した試料傾斜角度に応じて試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の走査電子顕微鏡において、前記試料傾斜手段は電気的な駆動手段を備えることを特徴とする走査電子顕微鏡。
5. 電子線源と、
   前記電子線源から発生された電子線を試料上に収束させるための対物レンズと、
   前記電子線を試料上で走査させるための電子線偏向手段と、
   試料を電子線照射方向に対して傾斜させる試料傾斜手段と、
   画像処理手段とを備え、
   前記画像処理手段は、試料の傾斜角度及び偏向支点と試料傾斜中心間の距離に基づいて、試料傾斜時の像を試料水平時の像に補正して表示させることを特徴とする走査電子顕微鏡。
6. 請求項５記載の走査電子顕微鏡において、試料傾斜角度を検知する手段を備え、前記画像処理手段は、前記試料の傾斜角度として前記手段によって検知した試料傾斜角度を用いることを特徴とする走査電子顕微鏡。
7. 請求項５又は６記載の走査電子顕微鏡において、試料像を記録する記録手段を有し、前記記録手段に試料像を記録する際に、試料の傾斜角度及び電子線の偏向支点と試料傾斜中心間の距離を像の付帯情報として記録することを特徴とする走査電子顕微鏡。

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