JP3342580B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

荷電粒子ビーム装置

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昌樹 斉藤
幸 松谷
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、試料に電子ビームを照
射し、試料から発生したX線を検出して試料の元素分析
を行うようにした電子ビームマイクロアナラザなどの荷
電粒子ビーム装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電子ビームマイクロアナラザにおいて
は、電子銃からの電子ビームを試料上に細く集束して照
射し、この結果試料から発生した特性X線を波長分散型
のX線分析器などによってその波長の分析を行い、試料
の元素の同定など定性分析や定量分析を行っている。こ
のような電子ビームマイクロアナラザでは、電子ビーム
を試料の特定領域で2次元的に走査し、この走査に伴っ
て発生した2次電子を検出し、検出信号を電子ビームの
走査と同期した陰極線管に供給して試料の走査2次電子
像の表示を行うこともできる。
【0003】また、電子ビームマイクロアナラザでは、
分析を行うに際し、試料の分析位置と分光結晶とX線検
出器とをローランド円上に正確に載せる必要がある。そ
のため、分析試料の高さを電子ビームと同軸に組み込ま
れた光学顕微鏡で合わせ込むことを行っている。すなわ
ち、光学顕微鏡の位置と分光結晶やX線検出器などのX
線分光系の位置関係は機械的に正確に調整されており、
光学顕微鏡による焦点合わせを行うと、試料の高さ位置
はX線分光系にとって最適な位置となる。
【0004】なお、オージェ電子分析装置や2次イオン
分析装置では、電子やイオンの発生源とアナライザの位
置関係を特定するため、光学顕微鏡が利用されている。
このような光学顕微鏡を利用した装置では、オペレータ
が光学顕微鏡の像を観察しながら、この分析試料の上下
動を手動で操作していた。しかし、最近では、光学顕微
鏡の自動焦点合わせ機能の技術が進歩したことに伴い、
試料を上下動させての焦点合わせを自動的に行う装置も
開発されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記した光学顕微鏡の
自動焦点合わせ機能を有した装置では、焦点を合わせる
にあたり、最初の分析試料の高さがどこにあるか判断が
つかないために、分析試料を試料ステージの上下に動く
範囲(数mm)で動かして合焦点位置をサーチするよう
にしている。このような方法では、試料ステージの上下
動の全範囲についてサーチが行われる可能性があるた
め、不要な時間が掛かることになる。また、挿入された
分析試料がたまたま試料ホルダーよりも上方に飛び出し
ているような場合には、上方に試料ステージが駆動され
た場合、試料が対物レンズやその周辺の部品に衝突し、
衝突部分が破損する事故が生じる。
【0006】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、短時間に安全に光学顕微鏡の自動
的な焦点合わせを行うことができる荷電粒子ビーム装置
を実現するにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明に基づく荷電粒子
ビームは、試料に照射される荷電粒子ビームの焦点を連
続的に変化させ、それに伴って試料から得られた信号に
基づいて荷電粒子ビームの焦点合わせを行う荷電粒子ビ
ーム焦点合わせ手段と、試料を高さ方向に移動させ、光
学顕微鏡の焦点合わせを行う光学的焦点合わせ手段とを
備えており、荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得
られた焦点合わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合
わせ時の試料の高さ方向の移動範囲を制御する手段を有
したことを特徴としている。
【0008】また、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置
は、荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得られた焦
点合わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の
試料の高さ方向の移動範囲を制御し、その移動範囲内で
試料を移動させて光学顕微鏡の自動焦点合わせを行った
後、光学顕微鏡が認識する作動距離を対物レンズの設定
値に逆変換して荷電粒子ビーム装置の対物レンズに設定
する手段を有したことを特徴としている。
【0009】更に、本発明に基づく荷電粒子ビーム装置
は、荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得られた焦
点合わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の
試料の高さ方向の移動範囲を制御し、その移動範囲内で
試料を移動させて光学顕微鏡の自動焦点合わせを行った
後に、光学顕微鏡が認識する作動距離を対物レンズの設
定値に逆変換し、この設定値を中心に荷電粒子ビーム装
置の自動合焦点機能のサーチ範囲を設定し、荷電粒子ビ
ームの焦点合わせを行う手段を有したことを特徴として
いる。
【0010】
【作用】本発明に基づく荷電粒子ビームは、荷電粒子ビ
ーム焦点合わせ手段によって得られた焦点合わせ信号に
基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の試料の高さ方向
の移動範囲を制御る。
【0011】
【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1は本発明の方法を実施するための電子
ビームマイクロアナラザーの一例を示している。図中1
は電子銃であり、電子銃1から発生し加速された電子ビ
ームは集束レンズ2、対物レンズ3によって細く集束さ
れ、試料4に照射される。試料4に照射される電子ビー
ムは、偏向コイル5によって適宜偏向され、試料4の所
望領域は電子ビームによって走査される。
【0012】6は電子ビームの自動焦点合わせユニット
であり、このユニット6から対物レンズ3には自動焦点
合わせ時には階段状に変化する励磁電流が供給される。
また、ユニット6から偏向コイル5には対物レンズ3に
供給される階段状の励磁電流に同期した走査信号が供給
される。更に、ユニット6には電子ビームの試料4への
照射に伴って発生した2次電子を検出する検出器7から
の信号が供給される。なお、図示していないが、この試
料4の上部には試料への電子ビームの照射によって発生
したX線を分析するためのX線分光器などが配置されて
いる。
【0013】試料4はx,y2次元方向に移動できる水
平移動機構8の上に載せられている。また、水平移動機
構8は、z方向に移動できる垂直移動機構9の上に載せ
られている。水平移動機構8は、パルスモータ10によ
って駆動され、垂直移動機構9はパルスモータ11によ
って駆動される。12はパルスモータ10の駆動制御回
路であり、13はパルスモータ11の駆動制御回路であ
る。この2種の駆動制御回路12,13は、コンピュー
タ14によって制御される。
【0014】15は光学顕微鏡の対物レンズであり、光
学対物レンズ15は光源16から発生され、レンズ1
7,半透明鏡18,反射鏡19を経た光を試料4上に集
束する。試料4から反射した光は、光学対物レンズ15
により結像され、反射鏡19、半透明鏡18およびリレ
ーレンズ20を介して撮像装置21の結像面に投影され
る。なお、光学対物レンズ15と反射鏡19は電子ビー
ムの光路上に配置されるため、電子ビームの光軸に電子
ビーム通過用の開口が穿たれている。撮像装置21によ
って得られた信号は前記コンピュータ14に供給され
る。なお、22はコンピュータ14に接続されたメモリ
ー、23は陰極線管である。このような構成の動作を次
に説明する。
【0015】まず、電子ビームマイクロアナラザーとし
ての通常のX線分析は、電子銃1からの電子ビームを試
料4上に細く集束し、その結果試料から発生した特性X
線を図示していないX線分光器で分光し、得られたX線
スペクトルにより行う。この電子ビームの照射の前に、
光源16からの光を試料4に照射し、撮像装置21によ
り試料の光学像を得、この光学像を陰極線管23上に表
示する。この光学像を観察し、像の焦点が合うように駆
動制御回路13を介してパルスモータ11を駆動し、垂
直移動機構9によって試料の高さ位置の調整を行う。光
学顕微鏡の位置と、X線分光系の位置関係は機械的に事
前調整されており、光学顕微鏡による焦点合わせが行わ
れると、試料の高さ位置はX線分光系にとって最適な位
置となる。
【0016】また、上記した光学顕微鏡の焦点合わせは
自動的に行うことができる。すなわち、撮像装置21に
よって得られた試料の光学像の信号は、コンピュータ1
4に送られる。コンピュータ14は像信号を微分する
が、コンピュータ14は更に垂直駆動回路13を制御し
て垂直移動機構9を一定範囲移動させ、各試料の垂直位
置における像信号の微分値を比較する。この微分値が最
も大きなときが焦点のあっている試料の垂直位置とな
る。従って、コンピュータ14は駆動制御回路13を制
御してパルスモータ11を駆動し、焦点の合う垂直位置
に試料4を位置させる。
【0017】次に電子ビームの焦点合わせ動作について
説明する。自動焦点合わせユニット6から対物レンズ3
には階段状に変化する励磁電流が供給され、その結果焦
点は階段状に変化する。この対物レンズ3の階段状の変
化の都度、偏向コイル5には試料上の所定領域を走査す
る走査信号が供給される。この電子ビームの走査に伴っ
て試料から発生した2次電子は、2次電子検出器7によ
って検出される。検出器7の検出信号は自動焦点合わせ
ユニット6に供給され、所定領域の走査期間の信号が積
算される。ユニット6は対物レンズ3の各励磁状態ごと
に積算された信号強度を比較し、最大の信号強度が得ら
れたときの励磁強度に対物レンズ3を設定する。このよ
うにして電子ビームの自動焦点合わせ動作が実行され
る。
【0018】さて、前記した電子ビームの自動焦点合わ
せによって得られた対物レンズ3の励磁強度は、対物レ
ンズ3と試料との間の距離(ワーキングディスタンスと
言う)に対応した値となる。この励磁強度信号はコンピ
ュータ14に供給されるが、コンピュータ14は供給さ
れた信号からワーキングディスタンスを求め、その結果
をメモリー23に記憶する。次にコンピュータ14はワ
ーキングディスタンスが求められているので、この値に
基づいて光学顕微鏡の自動焦点合わせを効率良く実行す
ることができる。
【0019】すなわち、コンピュータ14は光学顕微鏡
の自動焦点合わせの際には、駆動制御機構13を制御し
て試料4の高さ方向の位置を変化させるが、この変化幅
をワーキングディスタンスの値から極限られた範囲とす
る。その結果、光学顕微鏡の焦点合わせ動作を著しく短
時間に実行することができると共に、不用意に試料の高
さを変化させて、試料などが周辺の構成部材に衝突する
ことは防止される。
【0020】なお、光学顕微鏡の焦点合わせの際の試料
の高さ方向の変化幅は、電子ビームによる走査像の焦点
深度(例えば観察倍率1000倍で±20μm)をカバ
ーする程度の狭い範囲で充分となる。ただし、このサー
チ範囲は任意に設定することができる。
【0021】上記した実施例では、電子ビームの自動焦
点合わせの情報に基づいて光学顕微鏡の焦点合わせを実
行した。この方式以外にも図1のシステムを用いて他の
制御を行うことができる。例えば、走査電子顕微鏡など
の荷電粒子ビーム装置の荷電粒子ビームのプローブ電流
やプローブの開き角(試料への入射角度)、観察倍率な
どが決まれば、荷電粒子ビームの走査像の焦点深度が決
定される。したがって、荷電粒子ビーム像の観察条件の
設定値から、この焦点深度をカバーするサーチ範囲(例
えば焦点深度の2倍)を算出して、光学顕微鏡の自動焦
点合わせ装置にサーチ範囲を設定することもできる。
【0022】また、荷電粒子ビーム像の手動合焦点操作
または自動合焦点操作の後、ボタン操作や自動連続動作
によって光学顕微鏡の自動焦点合わせを行った後は、試
料ステージが移動したことによる荷電粒子ビーム像のフ
ォーカス状態のズレを補正するため、連続して再度前記
の荷電粒子ビーム像の自動合焦点動作によって自動的に
修正することもできる。更に、光学顕微鏡が認識する作
動距離を対物レンズの設定値(焦点距離あるいは励磁の
コードなど)に逆変換して荷電粒子ビーム装置の対物レ
ンズに設定したり、この設定値を中心に荷電粒子ビーム
装置の自動合焦点機能のサーチ範囲を設定することもで
きる。このサーチ範囲が狭ければ、荷電粒子ビーム装置
の対物レンズが電磁式の場合には磁気回路のヒステリシ
スの影響やインダクタンスの影響を小さくでき、合焦点
精度が向上する。
【0023】更にまた、荷電粒子ビーム像または光学顕
微鏡のフォーカス合わせを行う場合、どちらか一方のフ
ォーカス合わせを行うと、自動的に現在の作動距離を認
識し、他方のフォーカス合わせ機構にこの情報を伝え、
最終的に両方のフォーカスを自動的に合わせ込むことも
できる。
【0024】以上本発明の実施例を説明したが、本発明
はこの実施例に限定されない。例えば、図1の実施例で
は電子ビームマイクロアナライザを例に説明したが、イ
オンビーム装置など、光学顕微鏡を備えた他の荷電粒子
ビーム装置にも本発明を適用することができる。
【0025】
【発明の効果】以上説明したように、請求項1〜3に係
発明に基づく荷電粒子ビームは、荷電粒子ビーム焦点
合わせ手段によって得られた焦点合わせ信号に基づい
て、光学顕微鏡の焦点合わせ時の試料の高さ方向の移動
範囲を制御し、また、光学的焦点合わせ手段によって得
られた試料の高さ方向の信号に基づいて、荷電粒子ビー
ム焦点合わせ手段による荷電粒子ビームの焦点合わせ動
作を制御るように構成した。
【0026】この結果、光学顕微鏡の自動焦点合わせ機
能のサーチのスタート時点で、対物レンズの励磁電流か
ら換算される作動距離値を設定できるため、広い範囲で
試料を上下動させる必要がなくなり、狭い範囲の試料の
上下動により自動焦点合わせのサーチを行うことがで
き、サーチ時間(焦点合わせ時間)を短縮することがで
きる。また、作動距離を参照していることから、試料の
上下動の範囲を予め認識することができ、このため、サ
ーチ範囲の適正化やサーチの中止などを行うことがで
き、試料が対物レンズなどに衝突する事故を未然に防止
することができる。
【0027】更に、請求項2および3に係る発明では、
光学顕微鏡の合焦点状態から作動距離を認識し、荷電粒
子ビーム装置の対物レンズに適正な値を設定でき、ま
た、荷電粒子ビームの自動焦点合わせ装置のサーチ開始
位置やサーチ範囲を決めることができることから、荷電
粒子ビーム像および光学顕微鏡像のフォーカスを自動的
かつ効率的に合わせられるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に基づく方法を実施するためのシステム
の一例を示す図である。
【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 自動焦点合わせユニット 7 2次電子検出器 8 水平移動機構 9 垂直移動機構 10,11 パルスモータ 12,13 駆動制御回路 14 コンピュータ 15 光学対物レンズ 16 光源 17 集光レンズ 18 半透明鏡 19 反射鏡 20 リレーレンズ 21 撮像装置 22 メモリー 23 陰極線管
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平3−40355(JP,A) 特開 昭64−57557(JP,A) 特開 平5−41194(JP,A) 実開 昭63−149058(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01J 37/22 H01J 37/21 H01J 37/256

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 試料に照射される荷電粒子ビームの焦点
    を連続的に変化させ、それに伴って試料から得られた信
    号に基づいて荷電粒子ビームの焦点合わせを行う荷電粒
    子ビーム焦点合わせ手段と、試料を高さ方向に移動さ
    せ、光学顕微鏡の焦点合わせを行う光学的焦点合わせ手
    段とを備えており、 荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得られた焦点合
    わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の試料
    の高さ方向の移動範囲を制御する手段を有した荷電粒子
    ビーム装置。
  2. 【請求項2】 試料に照射される荷電粒子ビームの焦点
    を連続的に変化させ、それに伴って試料から得られた信
    号に基づいて荷電粒子ビームの焦点合わせを行う荷電粒
    子ビーム焦点合わせ手段と、試料を高さ方向に移動さ
    せ、光学顕微鏡の焦点合わせを行う光学的焦点合わせ手
    段とを備えており、荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得られた焦点合
    わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の試料
    の高さ方向の移動範囲を制御し、その移動範囲内で試料
    を移動させて光学顕微鏡の自動焦点合わせを行った後、
    光学顕微鏡が認識する作動距離を対物レンズの設定値に
    逆変換して荷電粒子ビーム装置の対物レンズに設定 する
    手段を有した荷電粒子ビーム装置。
  3. 【請求項3】 試料に照射される荷電粒子ビームの焦点
    を連続的に変化させ、それに伴って試料から得られた信
    号に基づいて荷電粒子ビームの焦点合わせを行う荷電粒
    子ビーム焦点合わせ手段と、試料を高さ方向に移動さ
    せ、光学顕微鏡の焦点合わせを行う光学的焦点合わせ手
    段とを備えており、荷電粒子ビーム焦点合わせ手段によって得られた焦点合
    わせ信号に基づいて、光学顕微鏡の焦点合わせ時の試料
    の高さ方向の移動範囲を制御し、その移動範囲内で試料
    を移動させて光学顕微鏡の自動焦点合わせを行った後
    に、光学顕微鏡が認識する作動距離を対物レンズの設定
    値に逆変換し、この設定値を中心に荷電粒子ビーム装置
    の自動合焦点機能のサーチ範囲を設定し、荷電粒子ビー
    ムの焦点合わせを行う 手段を有した荷電粒子ビーム装
    置。
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