JP3202857B2 - 荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法および装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、自動的に荷電粒子ビー
ムの焦点合わせを行うことができる走査電子顕微鏡など
の荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法および装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、自動的な焦点合わ
せ機能が備えられている。この焦点合わせは、集束レン
ズの励磁をステップ状に変化させ、各励磁状態、すなわ
ち、電子ビームの各集束状態のときに試料の所定領域を
電子ビームで走査し、その際、検出器によって２次電子
や反射電子を検出し、各集束状態ごとに検出信号を積算
するようにしている。そして、各集束状態のときの検出
信号の積算値を比較し、最大値が得られたときの集束状
態を合焦点位置と判断し、その状態に集束レンズの励磁
を設定するようにしている。

【０００３】このような焦点合わせ動作において、試料
の電子ビームによる走査に対する要求としては、次の５
つがあげられる。まず１番目としては、より少ない照射
電流で動作できることであり、また、２番目としては動
作時間が短いことである。そして、３番目としては、あ
らゆる試料形状に対して動作する必要がある。更に、４
番目としては、電子ビームの非点収差の影響を受けない
ことである。

【０００４】ところで、焦点合わせにおいて、試料の走
査領域の全面に渡って凹凸が存在していれば、精度の高
い焦点合わせを実行することができる。しかしながら、
ＩＣパターンのように、電子ビームの走査領域の一部分
に直線状にあるいは円形に特徴部分が存在し、他の大部
分は滑らかな平面となっている試料の場合には、焦点合
わせのために用いられる検出信号の積算値が、電子ビー
ムの各集束状態によっても差が小さくなり、焦点合わせ
の精度が低下することがある。その結果、５番目の要求
としては、観察視野内での試料位置による依存性がない
ことが挙げられる。

【０００５】上記した１番目と２番目の要求を満たすた
めには、３番目から５番目の要求事項を満たしながら、
より少ない画素数で効率よく電子ビームの走査を行う必
要がある。これらの点を踏まえて現在用いられている代
表的な走査形状について考察する。

【０００６】従来の走査電子顕微鏡における焦点合わせ
の際の電子ビームの走査形状は、大きく分けて３つの方
式が用いられている。第１は所定の試料領域をラスター
走査する全画素型の走査である。第２は図１に示すよう
に、試料の所定領域において同心円状に電子ビームの走
査を行う同心円型である。第３は、図２に示すように、
試料の所定領域において８の字型に電子ビームの走査を
行う８字型の走査である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した各走査形状に
はそれぞれ長所と短所を有している。まず、全画素型の
走査に関しては、観察視野のどの部位に観察対象があっ
ても良く、前記要求事項の３番目を最も良く満たすこと
になる。その反面、走査する画素数が同一動作時間の場
合、他の走査形状と比較して１画素当たりの走査時間が
短くなり、ＳＮ比が悪化する欠点を有する。そのため、
前記第１と第２の要求事項を満足することができない。
更に、観察像が非点収差を含む場合、非点格差の両端の
焦点距離で信号量積分値のピークが現れ、最小錯乱円の
ある焦点距離にフォーカスしないことになり、前記４番
目の要求事項を満足しない。

【０００８】次に、同心円型の走査に関しては、走査す
る画素数が少ないため、１画素当たりの電子ビームの照
射時間を長く設定することができ、ＳＮ比が良い特徴を
有する。従って、全画素型に比較して少ない照射電流で
も動作が可能であり、前記した要求事項の１番目と２番
目を満たすことができる。また、円形を基本としている
ため、観察像に非点収差を含む場合でもその最小錯乱円
のできる焦点距離にフォーカスしやすくなり、前記４番
目の要求事項を満足することになる。しかしながら、半
導体試料におけるコンタクホールなど、円形の観察対象
の場合、コンタクトホールの中心が走査形状の中心と近
いと、ホールのエッジ部分と電子ビームの走査ラインと
の重なりが少なくなり、信号量積分値の変化が、各対物
レンズの励磁の変化によっても現れにくくなり、前記要
求事項の３番目を満たさないことになる。

【０００９】更に、８字型の走査に関しては、走査する
画素数が少ないために、観察対象がこれから外れると正
確な動作をしない可能性がある。その結果、この走査は
前記５番目の要求事項を満たすことができない。

【００１０】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、少ない照射電流で動作でき、試料
形状や試料位置に影響されず、高い精度で焦点合わせを
行うことができる荷電粒子ビームにおける焦点合わせ方
法および装置を実現するにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明に基づく荷電粒子
ビーム装置における焦点合わせ方法は、荷電粒子ビーム
を試料上に集束するための集束レンズの強度をステップ
状に変化させ、その変化の都度、試料上の荷電粒子ビー
ムの照射位置を走査し、この走査に伴って得られた信号
に基づき、最適集束レンズの強度を検出し、その強度に
集束レンズ強度の設定を行うようにした荷電粒子ビーム
装置における焦点合わせ方法において、集束レンズ強度
のステップ状変化の都度、試料上の荷電粒子ビームの照
射位置の走査を直線状の走査と曲線状の走査とを組み合
わせて行い、前記直線状の走査は、交差する２本の直線
に沿った斜めの直線走査であり、前記曲線状の走査は、
長径がそれぞれ前記２本の直線方向を向いて交差した２
つの楕円に沿った楕円走査と、前記楕円と同軸上の円に
沿った円走査とであることを特徴としている。

【００１２】また、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置
における焦点合わせ装置は、荷電粒子ビームを試料上に
集束するための集束レンズと、集束レンズの強度をステ
ップ状に変化させるための手段と、試料上の荷電粒子ビ
ームの照射位置を走査するための走査手段と、集束レン
ズ強度の各ステップ状変化の都度、試料上を交差する２
本の直線に沿って斜めに直線走査する走査信号と長径が
それぞれ前記２本の直線方向を向いて交差した２つの楕
円に沿って楕円走査する走査信号と前記楕円と同軸上の
円に沿って円走査する走査信号とを走査手段に供給する
ための走査信号発生手段と、試料への荷電粒子ビームの
照射によって得られた信号を検出する検出器と、集束レ
ンズ強度の各ステップ状変化の都度、検出器からの信号
を積算する積算手段と、各ステップ状変化ごとの積算値
に基づいて、集束レンズの強度を設定するための手段と
を備えたことを特徴としている。

【００１３】

【作用】本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における焦
点合わせは、集束レンズ強度のステップ状変化の都度、
試料上の荷電粒子ビームの照射位置の走査を直線状の走
査と曲線状の走査とを組み合わせて行う。具体的には、
交差する２本の直線に沿った斜めの直線走査と、長径が
それぞれ上記２本の直線方向を向いて交差した２つの楕
円に沿った楕円走査と、上記楕円と同軸上の円に沿った
円走査とを用いて行う。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。図３は本発明の一実施例である走査電子顕
微鏡を示しており、１は電子銃である。電子銃１から発
生した電子ビームＥＢは、集束レンズ２と対物レンズ３
によって試料４上に細く集束される。また、電子ビーム
ＥＢは、偏向コイル５によって偏向され、試料４上の電
子ビームの照射位置は走査される。試料４への電子ビー
ムの照射によって発生した２次電子は、２次電子検出器
６によって検出される。検出器６の検出信号は、増幅器
７によって増幅された後、フィルタ８と陰極線管９に供
給される。

【００１５】フィルタ８を通過した信号は、絶対値回路
１０を経て積分器１１に供給される。積分器１１の積分
結果は、ＡＤ変換器１２を介してピーク検出回路１３に
供給される。ピーク検出回路１３で検出されたピーク値
は、制御回路１４に供給される。１５は操作盤であり、
操作盤１５は、制御回路１４に指示信号を送る。制御回
路１４は、対物レンズ３の駆動電源１６と偏向コイル５
の偏向制御回路１７を制御する。偏向制御回路１７は走
査信号メモリー１８内に記憶されている走査信号を読み
だし、その信号を偏向コイル５に供給する。このような
構成の動作は次の通りである。

【００１６】通常の２次電子像を観察する場合、操作盤
１５からの指示信号に基づき、制御回路１４は偏向制御
回路１７を制御し、偏向制御回路１７から所定の走査信
号が偏向コイル５に供給され、試料４上の任意の２次元
領域が電子ビームＥＢによってラスター走査される。試
料４への電子ビームの照射によって発生した２次電子
は、検出器６によって検出される。その検出信号は、増
幅器７を介して偏向コイル５への走査信号と同期した陰
極線管９に供給され、陰極線管９には試料の任意の領域
の２次電子像が表示される。

【００１７】次に、通常の電子ビームの焦点合わせ動作
を行う場合について説明する。操作盤１５を操作し、焦
点合わせモードの指示を行うと、制御回路１４は、対物
レンズ３の駆動電源１６と偏向コイル５の偏向制御回路
１７とを制御する。この結果、駆動電源１６は対物レン
ズ３にステップ状に変化する励磁電流を供給し、偏向制
御回路１７はステップ状の励磁電流の変化の都度、試料
の所定領域の操作を行うための走査信号を偏向コイル５
に供給する。

【００１８】各ステップ状の励磁電流によるフォーカス
の状態における検出器６によって検出された２次電子信
号は、増幅器７によって増幅された後、フィルタ８を通
って絶対値回路１０によって正の信号に変換させられ
る。絶対値回路１０の出力は、積分器１１に供給され、
対物レンズ３の各励磁ステップごとの１回の電子ビーム
の走査に基づく信号が積分される。積分器１１の積分値
は、ＡＤ変換器１２によってディジタル信号に変換され
た後、ピーク検出回路１３に供給される。

【００１９】ピーク検出回路１３においては、対物レン
ズ３の各励磁ステップごとに積分器１１の積分値を記憶
する。図４はこのときの記憶された積分値変化を示して
おり、縦軸が積分値、横軸が対物レンズ３の励磁強度で
ある。ピーク検出回路１３は、記憶された積分値の信号
量積分値変化のピークの時の対物レンズ３の励磁強度を
検出し、その値を制御回路１４に供給する。制御回路１
４は、駆動電源１６を制御し、ピークの時の励磁強度に
対物レンズ３を設定し、このようにして焦点合わせ動作
が行われる。

【００２０】さて、本発明においては、上記した焦点合
わせ動作の際、偏向制御回路１７から偏向コイル５に供
給される走査信号に工夫が加えられている。すなわち、
対物レンズ３の各励磁ステップごとの電子ビームの走査
は、図５に示した５つのモードを組み合わせて行われ
る。まず、偏向制御回路１７は走査信号メモリー１８に
記憶してある図５（ａ）に示した斜めに直線状に走査す
る走査信号を取り出し、この走査信号に基づいた信号を
偏向コイル５に供給する。この結果、試料４上では図５
（ａ）に示した斜め走査が行われる。

【００２１】次に、偏向制御回路１７は、メモリー１８
から図５（ｂ）に示した楕円走査を行うための走査信号
を取り出し、それを偏向コイル５に供給する。更に、偏
向制御回路１７は、メモリー１８から図５（ｃ）の円走
査を行う信号、図（ｄ）に示す楕円走査の信号、図５
（ｅ）に示す斜め走査の信号を取り出し、順に偏向コイ
ルにその信号を供給する。なお、図５（ａ）の走査と
（ｅ）の走査はいずれも斜めの直線走査であるが、それ
ぞれの直線は直交かあるいはそれに近い状態に設定され
ている。また、図５（ｂ）と（ｄ）の走査はいずれも楕
円走査であるが、それぞれの楕円の長径は直交かあるい
はそれに近い状態に設定されている。

【００２２】このように、対物レンズ３の各励磁ステッ
プごとに、図５（ａ）〜（ｅ）に示したモードの走査が
組み合わされた図６に示す走査が行われる。すなわち、
交差する２本の直線に沿った斜めの直線走査（図５
（ａ），（ｅ）参照）と、長径がそれぞれ上記２本の直
線方向を向いて交差した２つの楕円に沿った楕円走査
（図５（ｂ），（ｄ）参照）と、上記楕円と同軸上の円
に沿った円走査（図５（ｃ）参照）の、合計５つのモー
ドの走査が行われる。この図６に示した走査に基づい
て、検出器６によって検出された２次電子信号は、増幅
器７によって増幅された後、フィルタ８を通って絶対値
回路１０によって正の信号に変換させられ、積分器１１
に供給されて積分される。

【００２３】上記した５つのモードの走査を行う方法と
しては、それぞれの走査信号を記憶させておき、逐次そ
れを読みだして偏向コイル５に供給する方法以外に、他
の方法を用いることができる。例えば、基本計算式を用
意し、その計算式に基づいて演算により走査の座標点の
テータを作成し、各モードの走査信号を作成するように
しても良い。この場合、基本計算式としては、次のよう
なものが用いられる。

【００２４】

【数１】

【００２５】更に、前記した偏向制御回路１７にｓｉｎ
とｃｏｓを組み合わせた円を描く回路と、走査方向を回
転させる回路を含ませることにより、制御回路１４から
の走査開始，停止，変換の指令により所望のモードの走
査信号を作成するように構成しても良い。

【００２６】以上本発明の一実施例を詳述したが、本発
明はこの実施例に限定されない。例えば、２次電子を検
出したが、反射電子を検出してもよい。また、実施例で
は、走査電子顕微鏡を例に説明したが、イオンビームを
用いた装置などにも本発明を適用することかできる。更
に、焦点合わせ動作の際に対物レンズの励磁を変化させ
たが、対物レンズの補助レンズを設け、補助レンズの励
磁を変化させるようにしても良い。更にまた、焦点合わ
せの際、１走査ごとに検出信号を積算し、積算信号を比
較して最適焦点位置を得るように構成したが、検出信号
の最大の振幅値（ピークツーピーク値）を検出するよう
にしても良い。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく荷
電粒子ビーム装置における焦点合わせは、集束レンズ強
度のステップ状変化の都度、試料上の荷電粒子ビームの
照射位置の走査を、交差する２本の直線に沿った斜めの
直線走査と、長径がそれぞれ上記２本の直線方向を向い
て交差した２つの楕円に沿った楕円走査と、上記楕円と
同軸上の円に沿った円走査の、合計５つのモードの走査
を組み合わせて行うように構成した。その結果、試料の
形状、位置、および非点収差の有無によらず、低照射電
流で焦点合わせ動作を実行することができる。また、全
画素型の走査方式に比べれば、短時間で焦点合わせを行
うことができる。すなわち、図５に示した５つのモード
を用いることにより、観察画面中の広い範囲を走査する
ことができる。また、観察したい対象は、一般的に画面
の中心にあると考えられるが、本発明による走査方式で
は、画面の中心を集中的に走査することになるので、観
察したい対象部分の焦点合わせに好都合となる。

【００２８】更に、走査形状は、例えば、交差する線分
である図５（ａ），（ｅ）の走査モード、円を基本とす
る図５（ｃ）〜（ｄ）の走査モードによって構成されて
いるため、非点収差がある場合でも、その最小錯乱円の
できる焦点距離にフォーカスを合わせることができる。
更にまた、同心円状に走査する場合には、コンタクトホ
ールなどの円形状の試料が問題となったが、本発明の組
み合わされた走査モードでは、円形試料のエッジ部分と
交差する回数が多く信号量積分値の変化を得やすい利点
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の円形走査の様子を示す図である。

【図２】従来の８字状の走査の様子を示す図である。

【図３】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一実施例を示
す図である。

【図４】対物レンズの励磁強度と積分値との関係を示す
図である。

【図５】本発明に基づく各走査モードを示す図である。

【図６】本発明に基づく組み合わされた走査モードを示
す図である。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 集束レンズ ３ 対物レンズ ４ 試料 ５ 偏向コイル ６ 検出器 ７ 増幅器 ９ 陰極線管 １２ ＡＤ変換器 １４ 制御回路 １５ 操作盤 １６ 駆動電源 １７ 駆動電源 １８ 走査信号メモリー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−290781（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−42750（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−241633（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/21 H01J 37/141 H01J 37/147

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子ビームを試料上に集束するため
   の集束レンズの強度をステップ状に変化させ、その変化
   の都度、試料上の荷電粒子ビームの照射位置を走査し、
   この走査に伴って得られた信号に基づき、最適集束レン
   ズの強度を検出し、その強度に集束レンズ強度の設定を
   行うようにした荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ
   方法において、 集束レンズ強度のステップ状変化の都度、試料上の荷電
   粒子ビームの照射位置の走査を直線状の走査と曲線状の
   走査とを組み合わせて行い、 前記直線状の走査は、交差する２本の直線に沿った斜め
   の直線走査であり、 前記曲線状の走査は、長径がそれぞれ前記２本の直線方
   向を向いて交差した２つの楕円に沿った楕円走査と、前
   記楕円と同軸上の円に沿った円走査とである ことを特徴
   とする荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】 荷電粒子ビームを試料上に集束するため
   の集束レンズと、 集束レンズの強度をステップ状に変化させるための手段
   と、 試料上の荷電粒子ビームの照射位置を走査するための走
   査手段と、 集束レンズ強度の各ステップ状変化の都度、試料上を交
   差する２本の直線に沿って斜めに直線走査する走査信号
   と長径がそれぞれ前記２本の直線方向を向いて交差した
   ２つの楕円に沿って楕円走査する走査信号と前記楕円と
   同軸上の円に沿って円走査する走査信号とを走査手段に
   供給するための走査信号発生手段と、 試料への荷電粒子ビームの照射によって得られた信号を
   検出する検出器と、 集束レンズ強度の各ステップ状変化の都度、検出器から
   の信号を積算する積算手段と、 各ステップ状変化ごとの積算値に基づいて、集束レンズ
   の強度を設定するための手段とを備えた荷電粒子ビーム
   装置における焦点合わせ装置。