JP2870894B2 - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

走査型電子顕微鏡

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JP2870894B2
JP2870894B2 JP1310790A JP31079089A JP2870894B2 JP 2870894 B2 JP2870894 B2 JP 2870894B2 JP 1310790 A JP1310790 A JP 1310790A JP 31079089 A JP31079089 A JP 31079089A JP 2870894 B2 JP2870894 B2 JP 2870894B2
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弘泰 清水
正平 鈴木
智司 今野
護 中筋
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は走査型電子顕微鏡に関し、特に低倍率時に
は直線性の良い画像を得られ、高倍率時には高分解能な
画像を得ることのできる走査型電子顕微鏡に関する。
[従来の技術] 第2図は従来の電子線偏向装置を有する走査型電子顕
微鏡(SEM:Scannig Electoron Microscope)の構成図で
ある。第2図において、陰極1を出た電子線3は通常は
接地されている加速電極2と上記陰極1との間の電位差
によって所望の速度に加速される。
なお、第2図には示さないが、陰極1が電界放出型陰
極の場合には陰極1と加速電極2との間に引き出し電極
が配置される。
破線で示した電子線3は照射レンズ4および対物レン
ズ7の作用によりステージ9に載置された試料8に収束
される。照射レンズ4の励磁電流を変化させることによ
って、電子線3の開き角を制限する開き角制限開口に対
する電子線3の照射条件、および試料8の表面における
電子線3の開き角や電流値を変化させたりするようにな
っている。また、電子線3は上側偏向器5および下側偏
向器6の作用によって偏向され、設定された範囲の走査
領域および走査方向に従って試料8上を2次元的に走査
する。試料8に電子線3が照射されることにより、この
試料8の材質や形状に応じた強度の2次電子または反射
電子が試料8から放出される。この放出された2次電子
および反射電子は検出器10によって検出され、増幅器17
によって増幅などの適当な信号処理がなされ、検出され
た電子数に比例した検出信号に変換される。この検出信
号は走査信号発生器11から出力された走査信号に同期し
た同期信号とともにCRT18に入力され、電子線3の走査
に同期して試料8の表面に対応した映像がCRT18上に表
示される。
ここで、走査信号発生器11から上側偏向器5および下
側偏向器6に与えらえる走査信号について考える。走査
信号発生器11が発生する走査信号は、電子線3の走査領
域における観察倍率(以下、倍率という)および回転角
を設定する倍率回転設定器16から送出される倍率データ
および回転データに基づいてマルチプライングD/Aコン
バータ12a,12bで変化される。増幅器13a,13bは、入力し
た上記走査信号を増幅して走査信号に応じた偏向器電流
を偏向器5,6に与える。電子線3はこの偏向器電流に応
じた偏向器5,6の作用により偏向され、倍率回転設定器1
6から送出された上記倍率データおよび回転データに対
応する領域を走査する。このとき、偏向歪み収差,すな
わち、映像の偏向歪みが最小になる上側偏向器5および
下側偏向器6の偏向感度比および偏向方向差が得られる
ように倍率回転データが決定されるようになっている。
また、鏡筒と試料室との間に圧力制限アパーチャを設
け、試料室に試料から発生する2次電子を増幅する気体
を導入したESEM(Environmetal Scannig Electoron mic
roscope)では、上記圧力制限アパーチャを通過する電
子線が上記圧力制限アパーチャによってけられることが
ないようにこの圧力制限アパーチャ付近で電子線3の偏
向軌道幅が最小になる偏向感度比および偏向方向差が得
られるように倍率データおよび回転データが決定される
ようになっている。
ここで、電子線3を偏向することによって発生し、走
査型電子顕微鏡の映像に影響を及ぼす2種類の収差,す
なわち、偏向歪み収差および偏向色収差について説明し
ておく。
偏向歪み収差は、偏向された電子線が光軸に近いほど
小さく、遠いほど大きくなるものであって、走査する走
査領域の大きさの3乗に比例する。したがって、偏向歪
み収差によって映像に生じる偏向歪みは、倍率が高い
(走査領域が小さい)ほど小さく、倍率が低い(走査領
域が大きい)ほど大きくなる傾向にある。このため、偏
向歪み収差が映像に及ぼす影響は、高倍率時に小さく、
低倍率時に大きくなる。
偏向色収差は、試料上に収束される電子線の直径に影
響するものであって、電子線のエネルギー分散や電子線
を収束する電子レンズの励磁電流の安定度などに起因し
て生じ、偏向幅に比例する。この偏光色収差は、偏向幅
に比例するぼけであるため、低倍率時に大きく、高倍率
時に小さくなるが、観察画面の大きさに対するぼけの割
合は同じになる。また最近では、特に高倍率、かつ高分
解能で観察することが要求されており、偏向色収差係数
を小さくすることが望まれる。
また、電子線を偏向したときに発生する収差について
シュミレーションした結果、偏向領域が比較的小さい場
合、映像に及ぼす影響は偏向色収差が最も大きいことが
明らかとなった。
[発明が解決しようとする課題] 上述した従来の走査型電子顕微鏡においては、偏向歪
み収差をほぼ0にしてあるために偏向歪みは少ないが偏
向色収差については考慮されていない。したがって、低
倍率の場合には偏向歪み収差が低く抑えられているの
で、良好な映像を得ることができる。しかし、高倍率を
得ようとする場合には、偏向色収差が映像に及ぼす影響
が大となる。すなわち、電子線径が大きくなって映像が
ぼけてしまい、特に低加速時に高倍率の映像を得ようと
したときに充分な分解能が得られないという問題があっ
た。
また、上述した従来のESEMにおいては、偏向軌道幅が
最小となる点は圧力制限アパーチャ付近に位置するの
で、低倍率,すなわち、大きな走査領域を得るために電
子線を大きく偏向した場合でも圧力制限アパーチャによ
って上記偏向した電子線がけられることはない。しか
し、高倍率を得ようとする場合には、上述した走査型電
子顕微鏡と同様に偏向色収差が映像に及ぼす影響が大と
なるため、特に低加速時に高倍率の映像を得ようとした
ときに充分な分解能が得られないという問題があった。
この発明は上述した従来の問題点に鑑みてなされたも
のであって、偏向歪みを小さく、広い領域の走査が可能
で、しかも、高い分解能を得ることができる走査型電子
顕微鏡を得ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的のため、この発明の走査型電子顕微鏡は、2
段の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも一方を
観察倍率に連動せしめて制御する制御手段を有し、この
制御手段は、所定の観察倍率よりも低い観察倍率のとき
には試料上の電子線の偏向歪みを最小とし、所定の観察
倍率より高い観察倍率のときには試料上の電子線の直径
を最小とするように制御を行う。
また、この発明の走査型電子顕微鏡の前記制御手段
は、所定の観察倍率より低い観察倍率のときには圧力制
限アパーチャ付近で電子線の偏向軌道の幅を最小とし、
所定の観察倍率より高い観察倍率のときには試料上の電
子線の直径を最小とするように制御を行う。
[作用] 低倍率時には、電子線の偏向歪みを最小とするように
2段偏向器の偏向方向および偏向感度を制御することに
より、偏向歪み収差を小さくすることができる。高倍率
時には、偏向時の電子線径が最小となるように2段の偏
向器の偏向方向および偏向感度を制御することにより、
偏向色収差を小さくすることができる。
また、低倍率時には、圧力制限アパーチャ付近で電子
線の偏向軌道幅が最小となるように2段の偏向器の偏向
方向および偏向感度を制御することにより、圧力制限ア
パーチャによって電子線がけられことを防止する。
[実施例] 次に、この発明について図面を参照して説明する。
第1図はこの発明の走査型電子顕微鏡の実施例を示す
構成図であり、第2図に示す従来例と同一符号は同一ま
たは相当部分を示し、その説明を省略する。
倍率判定器19は、倍率回転設定器16から受け取った倍
率データの値が設定された倍率データの値と比較して低
い場合は偏向歪み収差を最小にする指示をデータ補正器
20に与え、上記受け取った倍率データの値が設定された
倍率データの値と比較して高い場合は偏向色収差を最小
にする指示をデータ補正器20に与える。
データ補正器20は倍率判定器19からの指示に従って倍
率データおよび回転データを補正処理し、この結果得ら
れた補正データをマルチプライングD/Aコンバータ12bに
出力する。この補正処理は、偏向歪み収差または偏向色
収差を最小にする上側偏向器5および下側偏向器6の偏
向感度比および偏向方向差が得られるようにマルチプラ
イングD/Aコンバータ12bに与える倍率データおよび回転
データに補正演算をする処理である。この補正演算は倍
率データは定数倍し、回転データはオフセット値を加算
するものである。
上述した偏向歪み収差および偏向色収差を最小にする
偏向感度比および偏向方向差を得る倍率データおよび回
転データを求める方法としては、実験によって倍率デー
タおよび回転データを変化させて偏向歪み収差または偏
向色収差が最小となる倍率データおよび回転データを求
めることも可能であるが、計算によって求めることも可
能であり、以下計算によって求めた場合について説明す
る。
初めに、偏向歪み収差を最小にする偏向感度比および
偏向方向差を求める場合について説明する。
上側偏向器5による偏向幅をWU,下側偏向器6による
偏向幅をWDとしたとき、この2つの偏向幅による偏向歪
みSは(1)式となる。
ただし、WU,WDは複素数(例えば、WU=x+jy,WU=x
−jy)である。
合成された偏向軌道による偏向幅でこの偏向歪みSを
示すと、(2)式となる。
(2)式において、Kは合成された偏向軌道による偏
向歪み収差係数である。したがって、(1)式および
(2)式により、偏向歪み収差係数Kは(3)式のよう
に表すことができる。
この偏向歪み収差係数Kの絶対値が最小となるように
WUとWDとの関係を求める。通常、この解(条件)はWU/W
D=定数の形で表される。この解に基づいて偏向感度比|
WU/WD|および偏向方向差Arg(WU/WD)を求めることがで
きる。
そして、最終的には、上記偏向感度比|WU/WD|および
偏向方向差Arg(WU/WD)を満たす偏向器電流が増幅器13
bから下側偏向器6に供給されるように補正した倍率デ
ータおよび回転データをデータ補正器20からマルチプラ
イングD/Aコンバータ12bに送出する。
また、ESEMの場合、電子線3の偏向軌道幅が最小にな
る点を圧力制限アパーチャ付近に位置させる偏向感度比
および偏向方向差を得る倍率データおよび回転データを
得る方法としては、実験により上記倍率データおよび回
転データを変えながら圧力制限アパーチャにけられずに
最大の視野を得る倍率データおよび回転データを得る方
法がある。また、この他にも、計算によって圧力制限ア
パーチャ付近での上側偏向器5および下側偏向器6によ
る電子線の偏向軌道の偏向幅がWU=WDとなる偏向感度比
および偏向方向差を得る倍率データおよび回転データを
決める方法もある。また、ESEMにおいても走査領域の希
望する範囲における偏向歪み収差が最小となる条件に近
付けることは必要である。
次に、偏向色収差を最小にする偏向感度比および偏向
方向差を求める場合について説明する。
上側偏向器5による偏向色収差係数をKU、下側偏向器
6による偏向色収差係数をKDとすると、この上側偏向器
5および下側偏向器6を動作させたときの合成された偏
向軌道による偏向色収差係数Kは(4)式に示すように
なる。
K=(KUWU+KDWD)/(WU+WD) (4) したがって、この偏向色収差係数Kを最小にする条件
は(5)式のようになる。
WU/WD=−KD/KU (5) この条件に基づいて偏向感度比|WU/WD|および偏向方
向差Arg(WU/WD)を求めることができる。
そして最終的には、上記偏向感度比|WU/WD|および偏
向方向差Arg(WU/WD)を満たす偏向器電流が増幅器13b
から下側偏向器6に供給されるように補正した倍率デー
タおよび回転データをデータ補正器20からマルチプライ
ングD/Aコンバータ12bに送出する。
なお、以上の説明では、倍率に応じて偏向器電流の補
正を行う偏向器は、下側偏向器6のみとしたが、上側偏
向器5のみとしてもよく、また、上側偏向器5および下
側偏向器6の両方としてもよい。
なお、以上の説明では、倍率に応じて補正を行ってい
るが、高倍率時には固定的に定めた倍率データおよび回
転データをマルチプライングD/Aコンバータ12a,12bに与
え、低倍率時にのみ倍率に応じた補正を行うようにして
もよく、また、上記高倍率時と低倍率時とを逆にして補
正を行うようにしてもよい。また、上述の説明では、高
倍率時に偏向色収差を最小にするように偏向器を駆動す
る場合について述べたが、より一般的に小偏向時に電子
線径が最小になるように偏向器を駆動しても良い。
なお、上述した実施例は走査電子顕微鏡について述べ
たが、これと同様に2段偏向器を有する測長機について
もこの発明を適用することができることはいうまでもな
い。
[発明の効果] 以上説明したように、この発明の走査型電子顕微鏡に
よれば、低倍率時には、電子線の偏向歪みを最小とする
ように2段偏向器の偏向方向および偏向感度の少なくと
も一方を制御することにより、偏向歪み収差を小さくす
ることができる。したがって、直線性のよい映像を得る
ことができる効果がある。高倍率時には、偏向時の電子
線径が最小となるように2段の偏向器の偏向方向および
偏向感度の少なくとも一方をを制御することにより、偏
向色収差を小さくすることができる。したがって、ぼけ
のすくない解像度の高い映像を得ることができる効果が
ある。
また、ESEMの場合、低倍率時には、圧力制限アパーチ
ャ付近で電子線の偏向軌道幅が最小となるように2段の
偏向器の偏向方向および偏向感度の少なくとも一方を制
御することにより、圧力制限アパーチャによって電子線
がけられことを防止する効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の走査型電子顕微鏡の一実施例を示す
構成図、第2図は従来の走査型電子顕微鏡の構成図であ
る。 3……電子線、5……上側偏向器、6……下側偏向器、
11……走査信号発生器、16……倍率回転データ設定器、
19……倍率判定器、20……データ補正器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中筋 護 東京都品川区西大井1丁目6番3号 株 式会社ニコン大井製作所内 (56)参考文献 特開 昭62−184750(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01J 37/147 H01J 37/04 H01J 37/28

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】試料に照射する電子線を偏向するための2
    段の偏向器を電子線通路に沿って設けた走査型電子顕微
    鏡において、 前記2段の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも
    一方を観察倍率に連動せしめて制御する制御手段を設
    け、該制御手段は、所定の観察倍率よりも低い観察倍率
    のときには前記試料上の電子線の偏向歪みを最小とし、
    前記所定の観察倍率より高い観察倍率のときには前記試
    料上の電子線の直径を最小とすることを特徴とする走査
    型電子顕微鏡。
  2. 【請求項2】試料に照射する電子線を偏向するための2
    段の偏向器を電子線通路に沿って設け、鏡筒と試料室と
    の間に圧力制限アパーチャを形成するとともに前記試料
    室に試料から放出される2次電子を増幅するための気体
    を導入してなる走査型電子顕微鏡において、 前記2段の偏向器の偏向方向と偏向感度比の少なくとも
    一方を観察倍率に連動せしめて制御する制御手段を設
    け、該制御手段は、所定の観察倍率より低い観察倍率の
    ときには前記圧力制限アパーチャ付近で前記電子線の偏
    向軌道の幅を最小とし、前記所定の観察倍率より高い観
    察倍率のときには前記試料上の電子線の直径を最小とす
    ることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
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