JP5303781B2 - 電子顕微鏡装置 - Google Patents

Description

本発明は試料の走査電子像と光学像を観察できる電子顕微鏡装置、特に電子走査中に同時に光学像の観察を可能とした電子顕微鏡装置に関するものである。

走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、電子ビームを試料上に走査し、電子ビームの照射によって発した電子を検知して試料表面の性状について走査電子像を取得するものである。

一方、電子ビームの画角は非常に小さく、照射位置が事前に分っていないと、電子ビームを特定の位置に照射するのは極めて困難である。

この為、電子顕微鏡装置では電子顕微鏡に比べ低倍率の光学顕微鏡を備えており、先ず試料を照明光（白色光）により照明し、光学顕微鏡により試料の観察を行い、照射位置を特定し、次に電子顕微鏡に切替え、照射位置に電子ビームを走査し、観察することが行われている。

走査電子像を得る場合は、試料から発せられた電子を蛍光体に入射させ、蛍光体が発する光を光電変換素子により電気信号に変換し、この電気信号に基づき走査電子像が取得されている。又、光学顕微鏡を用いた光学像も、試料から反射される光を光学顕微鏡用の光電素子で受光し、電気信号に変換し、この電気信号に基づき光学像が取得されている。

ところが、電子ビームの走査で得られる電子と前記試料から反射される光とでは、エネルギレベルが著しく異なり、電子ビームを検出する光電素子に試料からの反射光が入射した場合、光電素子が飽和してしまい、或はＳ／Ｎが著しく小さくなって電子ビームを検出することができなくなってしまう。

この為、従来より、光学顕微鏡で観察する場合と、電子顕微鏡で観察する場合とでは、完全に切替え、光学顕微鏡で観察している状態では、電子顕微鏡では観察せず、又、電子顕微鏡で観察している状態では、光学顕微鏡では観察しない様な構造となっている。

例えば、光学顕微鏡と電子顕微鏡とが分離され、又光学顕微鏡の光軸と電子顕微鏡の光軸とは既知の関係で設けられ、試料を保持したテーブルが光学顕微鏡と電子顕微鏡との間を移動することで、光学像の観察位置と走査電子像の観察位置とが関連付けられる様になっている。

この為、従来の電子顕微鏡では、構造が複雑となっていると共に走査電子像と光学像とを同時に観察することができないという問題があった。

尚、走査電子像と光学像との同時観察を可能とした電子顕微鏡として特許文献１に示されるものがある。

特許文献１に示されるものでは、電子顕微鏡の光学系と光学顕微鏡の光学系とを同一光軸とし、照明光と電子ビームとを同時に照射し、電子検出器からの信号については、照明光の信号を直流成分として除去し、電子のみの信号を抽出する様にしている。

然し乍ら、上記した様に、照明光による直流成分が信号成分に対して著しく大きい為、実現は極めて困難である。

特開平４−２８００５３号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、走査電子像と光学像との同時観察が可能であると共に構造も簡単な電子顕微鏡装置を提供するものである。

本発明は、電子ビームを走査する走査手段と、電子ビームが走査された試料から発せられる電子を検出する電子検出器を有し、該電子検出器からの検出結果に基づき走査電子像を得る走査型電子顕微鏡と、試料に照明光を照射して該試料からの反射光を受光して光学像を得る光学顕微鏡とを具備し、前記走査型電子顕微鏡の光軸と前記光学顕微鏡の光軸が前記試料の観察点上で交差する電子顕微鏡装置であって、前記走査手段は前記電子ビームを走査エリアの幅を超える走査幅で走査し、前記光学顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを超えるオーバラン部分で照明光を発して光学像を得、前記走査型電子顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを走査する際に発せられる電子に基づき走査電子像を得る様構成した電子顕微鏡装置に係るものである。

又本発明は、前記走査型電子顕微鏡は、前記オーバラン部分では前記電子検出器を検出不可状態とし、前記電子ビームが前記走査エリアを走査している状態では前記電子検出器を検出可状態とし、前記光学顕微鏡は、前記電子ビームの前記オーバラン部分では前記照明光を照射し、前記電子ビームが前記走査エリアを走査している状態では前記電子検出器を検出不可状態とする電子顕微鏡装置に係るものである。

又本発明は、前記光学顕微鏡は、前記照明光を前記オーバラン部分が始った時点で点灯し、該オーバラン部分が終了する前に消灯させる電子顕微鏡装置に係り、又前記照明光の点灯と前記オーバラン部分の関係は、前記電子検出器が前記照明光を受光した後前記オーバラン部分が終了する前に前記電子検出器の放電が完了する様になっている電子顕微鏡装置に係り、又前記走査型電子顕微鏡は、前記オーバラン部分の変更が可能である電子顕微鏡装置に係り、更に又前記オーバラン部分は、前記電子ビームの走査終端部と該走査終端部に続く走査始端部で形成される電子顕微鏡装置に係るものである。

本発明によれば、電子ビームを走査する走査手段と、電子ビームが走査された試料から発せられる電子を検出する電子検出器を有し、該電子検出器からの検出結果に基づき走査電子像を得る走査型電子顕微鏡と、試料に照明光を照射して該試料からの反射光を受光して光学像を得る光学顕微鏡とを具備し、前記走査型電子顕微鏡の光軸と前記光学顕微鏡の光軸が前記試料の観察点上で交差する電子顕微鏡装置であって、前記走査手段は前記電子ビームを走査エリアの幅を超える走査幅で走査し、前記光学顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを超えるオーバラン部分で照明光を発して光学像を得、前記走査型電子顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを走査する際に発せられる電子に基づき走査電子像を得る様構成したので、電子ビームが走査される過程で、照明光の照射による光学像の取得と電子ビームの走査による走査電子像の取得が時分割され、相互の影響がなく同時観察が可能となり、又走査型電子顕微鏡による走査電子像の取得と光学顕微鏡による光学像の取得とを機械的に分離して行う必要がなく、構造が簡略化できる。

又本発明によれば、前記走査型電子顕微鏡は、前記オーバラン部分では前記電子検出器を検出不可状態とし、前記電子ビームが前記走査エリアを走査している状態では前記電子検出器を検出可状態とし、前記光学顕微鏡は、前記電子ビームの前記オーバラン部分では前記照明光を照射し、前記電子ビームが前記走査エリアを走査している状態では前記電子検出器を検出不可状態とするので、電源のＯＮ／ＯＦＦを走査と同期して行えばよいだけである為、制御が簡単になる等の優れた効果を発揮する。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

先ず、図１に於いて、本発明に係る電子顕微鏡装置１の概略を説明する。

該電子顕微鏡装置１は、走査型電子顕微鏡２、光学顕微鏡３、干渉計４、前記走査型電子顕微鏡２、前記光学顕微鏡３、前記干渉計４の作動を制御する制御部５を具備し、前記光学顕微鏡３の光軸６、前記走査型電子顕微鏡２の光軸７の交差する点に測定対象（試料）８が設置され、該測定対象８はＸ−Ｙの２方向に移動可能な検査ステージ９に載置されている。

前記走査型電子顕微鏡２の光軸７は前記光学顕微鏡３の光軸６に対して所定角度（例えば６０°）傾斜しており、前記光軸６と前記光軸７の交差する点が前記測定対象８の観察点となっている。前記光軸７に沿って電子ビームが前記測定対象８に照射され、又電子ビーム走査手段１０によって所定範囲を走査する様になっている。電子ビームが照射されることで、前記測定対象８から発せられた電子１１は電子検出器１２によって検出される。又、前記検査ステージ９は電子ビームの照射と同期してＸ−Ｙの２方向に移動し、電子ビームは前記測定対象８の所要範囲を走査する。

前記電子検出器１２の検出結果は前記制御部５に送出され、検出結果に基づき前記制御部５に於いて走査電子像が作成される。

前記光軸６上には照明光（白色光）を発するＬＥＤ１３、第１ハーフミラー１４、第２ハーフミラー１５、対物レンズ１６が配置され、前記ＬＥＤ１３は発光駆動部１７によって発光が制御される。前記ＬＥＤ１３から発せられた照明光は前記第１ハーフミラー１４、前記第２ハーフミラー１５、前記対物レンズ１６を通して前記測定対象８に照射され、該測定対象８で反射された照明光は前記第２ハーフミラー１５を通り、前記第１ハーフミラー１４で反射されて観察用ＣＣＤ１８で受光される様になっている。

前記干渉計４は、光軸１９を有し、該光軸１９は前記第２ハーフミラー１５で偏向され、前記測定対象８上に到達する。前記光軸１９を有し、該光軸１９上に第３ハーフミラー２１が配設され、該第３ハーフミラー２１を挾んで一方に計測用ＣＣＤ２２、他方に参照鏡２３が配設されている。

計測用光源２４から前記光軸１９上に測距用の単波長光が射出され、単波長光の一部は前記第３ハーフミラー２１を透過し、前記第２ハーフミラー１５で反射され、前記対物レンズ１６を通して前記測定対象８に照射される。該測定対象８で反射された単波長光は、前記第２ハーフミラー１５、前記第３ハーフミラー２１を通って前記計測用ＣＣＤ２２で受光される。又、前記第３ハーフミラー２１で反射された前記単波長光の残部は前記参照鏡２３で反射され、前記第３ハーフミラー２１を透過した後、前記計測用ＣＣＤ２２で受光される。該計測用ＣＣＤ２２は、前記測定対象８からの反射光と前記参照鏡２３からの反射光を受光し、両反射光の干渉により前記測定対象８の高さ方向の位置を測定する。

前記測定対象８の観察点のＸ−Ｙ位置と前記干渉計４で得られる高さ方向の位置とで観察点の３次元位置情報が得られる。

前記走査型電子顕微鏡２は、前記電子ビーム走査手段１０により電子ビームを所定の走査エリアに走査させる場合、実際の走査幅は、走査エリアより大きく、走査の始端部、終端部でオーバランする様に設定されている。

本発明では、電子ビームの走査の始端部、終端部を利用して前記ＬＥＤ１３をパルス点灯させて照明し、電子ビームが走査エリアを走査している状態では前記ＬＥＤ１３を消灯させる様に、該ＬＥＤ１３の点灯を制御し、走査電子像と光学像との同時観察を可能としている。

以下、図２を参照して本発明の第１の実施の形態について説明する。

図２中、２６は走査エリアであり、Ｓは電子ビームの実際の走査幅、ＳＡは有効走査幅である。

前記制御部５により、前記走査エリア２６、前記走査型電子顕微鏡２の走査幅Ｓ、有効走査幅ＳＡを設定する。又、前記制御部５により前記電子検出器１２への通電を制御し、該電子検出器１２の検出可状態（ａｃｔｉｖｅ）（ＯＮ）、検出不可状態（ｉｎａｃｔｉｖｅ）（ＯＦＦ）の切替え制御を行う。又、前記電子検出器１２の状態切替え制御に同期させ、前記ＬＥＤ１３の点滅を制御する。

該ＬＥＤ１３の点滅は、前記電子検出器１２がＯＦＦの時に前記ＬＥＤ１３を点灯させ、前記電子検出器１２がＯＮの場合に、前記ＬＥＤ１３をＯＦＦとする様制御される。

上記した様に、前記電子検出器１２が検出不可状態の時に、前記ＬＥＤ１３を点灯することで、前記観察用ＣＣＤ１８により前記測定対象８からの反射光を受光し、光学像を観察できる。又、電子ビームが、前記走査エリア２６を走査し、前記電子検出器１２が検出可状態では、前記ＬＥＤ１３が消灯しているので、前記電子検出器１２は電子のみを検出し、照明光の影響を受けることがない。従って、照明光を原因としたノイズを含まない走査電子像を観察できる。

更に、１走査毎にオーバラン部分で光学像が得られるので、走査中に光学像が取得でき、走査電子像観察と光学像観察との同時性が確保される。即ち、構造上、前記走査型電子顕微鏡２と前記光学顕微鏡３とを分離する必要がなく、又走査電子像観察と光学像観察をする為に、前記走査型電子顕微鏡２と前記光学顕微鏡３とを切分ける必要もなくなる。

次に、図３により、本発明の第２の実施の形態を説明する。

該第２の実施の形態では、前記電子検出器１２のＯＮ／ＯＦＦ制御を省略したものである。

図３（Ａ）は、図２同様、走査エリア２６と、電子ビームの実際の走査幅Ｓ、有効走査幅ＳＡとの関係を示している。又、図３（Ｂ）は、電子ビームを走査させる為に電子ビームに印加する電位を示しており、走査始端ではＶ１の電位が、走査終端ではＶ２の電位が印加される。

従って、電子ビームの走査と、印加電圧とを時系列に示すと、図４に示される（Ｂ）の様に、鋸歯状の波形となる。又、前記走査幅Ｓの両端部がオーバラン部分（ｔ1 ，ｔ2 ）だとすると、両端部のオーバラン部分（ｔ3 ＝ｔ1 ＋ｔ2 ）については前記電子検出器１２からの信号は、走査電子像の作成には寄与しない。従って、オーバラン部分で前記ＬＥＤ１３を点灯して前記測定対象８を照明し、該測定対象８からの反射光が前記電子検出器１２に入力したとしても、走査電子像作成には影響しない。又、前記ＬＥＤ１３を点灯することで、前記測定対象８からの反射光は前記観察用ＣＣＤ１８に入射し、光学像が得られる。

従って、電子ビームの走査と同期させ、オーバラン部分で前記ＬＥＤ１３を点灯することで、第１の実施の形態と同様走査電子像と光学像とを同時に取得することができる。

次に、図４（Ｃ）は、照明光が前記電子検出器１２に入射した場合の該電子検出器１２の出力信号を示している。図示の如く、前記電子検出器１２は光が入射した場合の応答は早いが、蓄積した電荷が放電する速度は遅いという特性を有している。従って、前記ＬＥＤ１３の点灯時間を前記走査の終端部（ｔ2 ）部分とすることで、該終端部に続く始端部で、放電が行われ、照明光が前記電子検出器１２に入射する場合の影響が残らない。

つまり、前記有効走査幅ＳＡで得られる信号には、照明光のノイズが含まれないものとなる。

従って、オーバラン部分をどの程度設定するかは、前記電子検出器１２の放電の影響が前記有効走査幅ＳＡに残らない様にすればよく、前記電子検出器１２の特性が考慮される。又オーバラン部分（ｔ1 ，ｔ2 ）は、前記制御部５により変更が可能となっている。

尚、前記干渉計４の前記計測用光源２４からもレーザ光線が発せられるが、このレーザ光線については前記電子検出器１２が感知しない波長とすればよく、前記干渉計４を作動させても、前記走査電子像を取得することに支障はない。

上述した様に、前記走査型電子顕微鏡２と前記光学顕微鏡３とを機械的に分離する必要がないので、構造が簡単になり、又走査電子像と光学像との同時観察が可能となる。

尚、上記実施の形態では、観察用照明光源としてＬＥＤを用いたが、キセノンランプ等のフラッシュ光源であってもよい。

本発明が実施される電子顕微鏡装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態を示す原理説明図である。 本発明の第２の実施の形態を示す原理説明図である。 本発明の第２の実施の形態を示す原理説明図である。

符号の説明

１ 電子顕微鏡装置
２ 走査型電子顕微鏡
３ 光学顕微鏡
４ 干渉計
５ 制御部
８ 測定対象
１１ 電子
１２ 電子検出器
１３ ＬＥＤ
２６ 走査エリア

Claims (4)

1. 電子ビームを走査する走査手段と、電子ビームが走査された試料から発せられる電子を検出する電子検出器を有し、該電子検出器からの検出結果に基づき走査電子像を得る走査型電子顕微鏡と、試料に照明光を照射して該試料からの反射光を受光して光学像を得る光学顕微鏡とを具備し、前記走査型電子顕微鏡の光軸と前記光学顕微鏡の光軸が前記試料の観察点上で交差する電子顕微鏡装置であって、前記走査手段は前記電子ビームを走査エリアの幅を超える走査幅で走査し、前記光学顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを超えるオーバラン部分で照明光を発して光学像を得、前記走査型電子顕微鏡は前記電子ビームが前記走査エリアを走査する際に発せられる電子に基づき走査電子像を得る様構成した電子顕微鏡装置であって、
   前記光学顕微鏡は、前記照明光を前記オーバラン部分が始った時点で点灯し、該オーバラン部分が終了する前に消灯させ、
   前記照明光の点灯と前記オーバラン部分の関係は、前記電子検出器が前記照明光を受光した後前記オーバラン部分が終了する前に前記電子検出器の放電が完了する様にしたことを特徴とする電子顕微鏡装置。
2. 前記走査型電子顕微鏡は、前記オーバラン部分では前記電子検出器を検出不可状態とし、前記電子ビームが前記走査エリアを走査している状態では前記電子検出器を検出可状態とする請求項１の電子顕微鏡装置。
3. 前記走査型電子顕微鏡は、前記オーバラン部分の変更が可能である請求項１の電子顕微鏡装置。
4. 前記オーバラン部分は、前記電子ビームの走査終端部と該走査終端部に続く走査始端部で形成される請求項１又は請求項２の電子顕微鏡装置。

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