JP5364032B2 - 走査電子顕微鏡及びそれを用いた試料の観察方法 - Google Patents

Description

本発明は、観察試料を保持しながら移動させて、観察視野の移動を行う試料移動機構を備えた走査電子顕微鏡及びそれを用いた試料の観察方法に関する。

従来、試料移動機構を備えた荷電粒子線装置の一例として、走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ、以下、ＳＥＭ）が知られている。走査電子顕微鏡は、電子源から放出された電子を加速し、静電または磁界レンズを用いて収束された電子ビーム（一次電子線）にし、この一次電子線を観察する試料上で二次元状に走査するとともに、この一次電子線（照射電子線）の照射によって試料から二次的に発生する二次電子または反射電子等の二次信号電子を検出し、この検出信号の強度を一次電子線の走査と同期して走査生成される画像の輝度変調入力とすることで、試料表面の観察画像としての走査像（ＳＥＭ像）を取得する。

この場合、観察画像を取得する試料表面部分（観察視野）の選択は、走査電子顕微鏡に備えられ、観察試料を試料室内で移動可能に保持する試料移動機構を用いて、例えば試料室の水平方向、垂直方向、または傾斜方向といった所望の方向に試料を移動させて、観察試料上における一次電子線の走査照射位置を適宜選択することによって行われる。観察者は、走査電子顕微鏡のディスプレイ装置に表示される、一次電子線が照射された試料表面部分の観察画像を確認しながら、手動操作入力手段を用いて観察視野を所望の方向に移動させることによって、所望の試料表面部分の観察画像を得る。

ここで、観察者が観察視野を選択するために、上述のようにして観察試料を試料室内で移動させる場合に、観察試料の寸法把握の誤りや移動操作の誤り等といった原因により、試料室内壁、対物レンズ、反射電子検出器等といった試料室内の構造物に観察試料を接触させ、観察試料や試料室内の構造物を破損させてしまう恐れがある。

そのため、観察者は、試料室内で観察視野を移動するべく試料移動機構を手動操作する場合は、試料室内の構造物に対する観察試料の接触防止に留意しながら、その操作を行う必要があった。

そこで、このような試料室内の構造物に対する観察試料の接触防止を目的として、試料移動機構に搭載された試料台に常に微弱な直流電圧が印加されるように直流電源を設け、この直流電源から直流電圧が印加されている試料台の電位を監視することで、試料台に搭載された観察試料が試料室内の構造物に接触したか否かを検出する電気的接触検知方法が一般的に知られている。

また、このような接触検知方法ではなく、観察試料と試料室内の構造物の接触を未然に防止する方法として、予め観察試料の大きさ等を入力設定し、この情報に基づいて試料移動機構による試料台の移動範囲に制限を設け、試料台がこの移動範囲の制限を超えて移動できないように規制することで、試料台に搭載された観察試料が試料室内の構造物に接触することを防止する方法がある（特許文献１）。

さらに、同様に観察試料と試料室内の構造物の接触を未然に防止する別の方法として、観察試料を試料室内に挿入する際に、観察試料の大きさを試料室入口部に設けられた測定手段によって測定し、この測定結果に基づいて試料台の移動制限範囲を自動設定する方法がある（特許文献２）。

特許２６０７７３１号公報 特開平１１−３５４０５９号公報

上述の電気的接触検知方法では、観察試料と対物レンズ等の試料室内の構造物の接触が発生した時点から、試料移動機構の移動制限（通常は強制停止）を行うため、接触発生による観察試料や試料室内の構造物の何らかのダメージを回避することが困難である。

また、特許文献１に記載の方法では、試料台の移動制限範囲を決定するために観察者が予め設定入力した試料の大きさの情報に誤り（人的エラー）があった場合に、観察試料が試料室内の構造物に接触する可能性が残ってしまう。

さらに、特許文献２に記載の方法では、特許文献１に記載の方法のような人的エラーによる接触発生の可能性はなくなるが、試料室入口部に設ける測定手段に複雑な検出機構と演算処理が必要となるため、装置コストが増大する可能性が高い。また、特許文献２に記載されている方法では、試料の高さ情報を試料測定手段に配置したセンサアレイのピッチの分解能でしか得られないので、試料の最上端を対物レンズ等の試料室内の構造物に近づけられる限度がセンサアレイのピッチで限定されてしまい、センサアレイのピッチ寸法以下に近づけることができない。

そこで、本発明では、従来技術の課題を解決して装置コストを極力増大させることなく、観察試料と試料室内の構造物の接触を未然に、かつ確実に防止することが可能な、使い勝手の良い走査電子顕微鏡及びそれを用いた試料の観察方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明では、従来の走査電子顕微鏡に簡単な物体検出手段を付加するだけで観察試料の大きさを自動検出し試料台の移動制限範囲を決定できる手段を設けることにより、観察試料と試料室内の構造物の接触を未然にかつ確実に防止するようにした。

すなわち、本発明では、内部を真空に排気可能な試料室と、試料室内で試料を載置して
試料を平面内及び高さ方向に移動させることが可能な試料載置手段と、試料載置手段に載
置した試料に収束させた一次電子線を照射して走査する電子光学系手段と、電子光学系手
段で収束させた一次電子線を照射して走査することにより試料から発生した二次信号を検
出する二次信号検出手段と、二次信号検出手段で検出した信号を処理して試料の画像を生
成する画像生成手段と、試料載置手段に載置した試料の高さを検出する試料高さ検出手段
とを備えた走査型電子顕微鏡において、試料高さ検出手段は、試料を載置した試料載置手
段を平面内で一方向に移動させることを試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実
行して試料載置手段に載置した試料の高さを検出し、試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを有し、試料載置手段で駆動された試料が光投光部とこの光投光部に対向して配置した光受光部との間を通過させることにより試料の高さを検出し、試料高さ検出手段は、光ビームを発射する光投光部とこの光投光部に対向して配置されて光投光部から発射された光ビームを受光する光受光部とを有し、光投光部から発射されて受光部へ向かう光ビームは試料を載置した試料載置手段が試料室の内部で移動できる高さ方向の上限の部分を通るように光投光部と受光部とを設置した。
また、本発明では、内部を真空に排気可能な試料室と、この試料室内で試料を載置して試料を平面内及び高さ方向に移動させることが可能な試料載置手段と、この試料載置手段に載置した試料に収束させた一次電子線を照射して走査する電子光学系手段と、この電子光学系手段で収束させた一次電子線を照射して走査することにより試料から発生した二次信号を検出する二次信号検出手段と、この二次信号検出手段で検出した信号を処理して試料の画像を生成する画像生成手段と、試料載置手段に載置した試料の高さを検出する試料高さ検出手段とを備えた走査型電子顕微鏡において、試料高さ検出手段は、試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動させることを試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行して試料載置手段に載置した試料の高さを検出し、試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを有し、試料載置手段で駆動された試料が光投光部とこの光投光部に対向して配置した光受光部との間を通過させることにより試料の高さを検出し、試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを高さ方向に異なる位置に少なくとも２対備え、試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動させることを試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行することを、試料が少なくとも２対のうち高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を始めて通過するまでとこの高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を一度通過した後とで、平面内で一方向に移動させる毎に変える高さ方向の変化量を変えるようにした。

また、上記目的を達成するために、本発明では、内部を真空に排気した試料室内で平面
内及び高さ方向に移動可能な試料載置手段に載置した試料に収束させた一次電子線を照射
して走査し、収束させた一次電子線を照射して走査することにより試料から発生した二次
信号を検出し、検出した信号を処理して試料の画像を生成する走査型電子顕微鏡を用いた
試料の観察方法において、試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動させるこ
とを試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行することにより得られる試料の高
さ情報を用いて試料を載置した試料載置手段が試料室の内部で移動できる高さ方向の上限
を検出し、試料の高さ情報を、光投光部と光受光部とを高さ方向に異なる位置に少なくとも２対備えた試料高さ検出手段を用いて、試料載置手段で高さを順次変えながら試料載置手段を平面内で一方向に移動させることを繰り返し行い、試料が前記少なくとも２対のうち高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を始めて通過するまでと高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を一度通過した後とで、平面内で一方向に移動させる毎に変える高さ方向の変化量を変えて実行することにより得るようにした。

本発明によれば、従来の走査電子顕微鏡に簡単な物体検出手段を付加するだけで、観察試料の大きさを自動検出し、試料台の移動制限範囲を決定できるため、装置コストを極力増大させることなく、観察試料と試料室内の構造物の接触を未然に、かつ確実に防止することが可能な、使い勝手の良い走査電子顕微鏡及びそれを用いた試料の観察方法を提供できる。

実施例１に係る走査電子顕微鏡の構成を示すブロック図である。 実施例１に係る物体検出手段の投光素子と受光素子の距離と、受光量の関係の例を示すグラフである。 実施例１に係る試料高さを算出する際の試料移動機構制御手段における制御処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１に係る試料高さを算出する際の試料移動機構の平面図である。 実施例１に係るバルク形状試料の高さを算出する際の各部の寸法の関係を示す試料と試料台の正面図である。 図５に示したバルク形状試料の検出結果を示すグラフである。 図５に示したバルク形状試料の検出結果を数値で表現した図である。 実施例１に係る針状試料の高さを算出する際の各部の寸法の関係を示す試料と試料台の正面図である。 図５に示した針状試料の検出結果を示すグラフである。 実施例２に係る走査電子顕微鏡の構成を示すブロック図である。 実施例２に係る試料高さを算出する際の試料移動機構制御手段における制御処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例１に関する走査電子顕微鏡の構成を示す図である。

走査電子顕微鏡１は、電子光学系２、試料室３、真空ポンプ４、試料移動機構部５、光電式物体検出手段８、手動操作入力手段９、試料移動機構制御手段１０、走査電子顕微鏡システム制御手段１１、ディスプレイ装置１２を備えて構成される。

電子光学系２は、試料室３上の鏡筒部２ａと試料室３内の対物レンズ２ｂとを備えて構成される。鏡筒部２ａには、電子源で生成された電子を加速して放出する電子銃２１、電子銃から放出された電子を収束して一次電子線にする収束レンズ２２、この一次電子線を観察する試料上で二次元状に走査する走査偏向器２３、一次電子線（照射電子線）の照射によって試料から二次的に発生する二次信号電子を検出する二次信号電子検出器２０等を備える。

鏡筒部２ａ下方に配置される対物レンズ２ｂは、鏡筒部２ａで発生する一次電子線を観察する試料上に細く絞って照射するためのレンズである。前述した二次信号電子検出器２０の出力は、図示せぬ信号増幅器及び映像信号回路を介して、前述した走査偏向器による一次電子線の走査と同期して走査生成する画像の輝度変調入力として、ディスプレイ装置１２の輝度変調端子に入力され、試料表面の観察画像としての走査像（ＳＥＭ像）が観察できる。

一方、試料室３内には、試料観察時に観察試料６が搭載される試料台５ｆを備えた試料移動機構部５（試料ステージ）が配置されている。観察試料６は、試料室３に設けた窓部３１に取付けた蓋３２を開いて試料台５ｆに搭載した状態で外部から試料移動機構部５（試料ステージ）上に載置される。また、蓋３２を閉めた状態で試料室３の排気口３３に取り付けた真空バルブ４１を開くと、真空配管４２で接続された真空ポンプ４によって試料室３内は真空排気される。図１では真空ポンプを１段で構成しているが、これを多段（例えば、ロータリポンプと油拡散ポンプ又はクライオポンプとの組み合わせ）で構成してもよい。

試料台５ｆは、試料室３内の試料移動機構部５に搭載、固定された状態で、試料室３内で水平方向（Ｘ−Ｙ方向）、上下方向（Ｚ方向）、回転方向、傾斜方向に移動可能になっている。試料移動機構部５は、試料台５ｆをこれらの各方向にそれぞれ移動させるためのアクチュエータを備え、後述する試料移動機構制御手段１０からの駆動指令により、これらのアクチュエータを駆動し、試料室３内で、観察試料６を搭載した試料台５ｆを、この駆動指令により指定される位置に移動させる。

すなわち、試料移動機構部５は、電子光学系２の対物レンズ２ｂに対する観察試料６の相対位置を変化させることで、観察試料６上の一次電子線の走査照射位置を変更し、観察視野を移動させる。なお、前述の水平方向の各軸方向の駆動機構をそれぞれＸ軸移動機構５ｃ、Ｙ軸移動機構５ｄ、上下方向の駆動機構をＺ軸移動機構５ａ、回転方向の駆動機構をＲ軸移動機構５ｅ、傾斜方向の駆動機構をＴ軸移動機構５ｂと称し、Ｘ軸移動機構５ｃは試料移動機構部５の長手方向の水平移動、Ｙ軸移動機構５ｄはこれと直交方向の水平移動を行うものとする。

試料室３には、透過型の光電式物体検出手段８の投光素子７ａと受光素子７ｂが、互いに対向するように配置、固定され、図示ではこれらの投光素子７ａと受光素子７ｂの光軸７ｃが、試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃの移動方向と直交するように配置される。また、投光素子７ａと受光素子７ｂの光軸７ｃは、対物レンズ２ｂの先端より下方に配置され、かつ、試料移動機構部５に搭載、固定された試料台５ｆの上面をＺ軸移動機構５ａの移動により対物レンズ２ｂと干渉しない範囲で許容される最も高い位置にしたとき、試料台５ｆの上面と投光素子７ａと受光素子７ｂの光軸７ｃの高さが一致するように配置されている。

投光素子７ａから照射される小径スポットの赤外光を受光素子７ｂにて受光した光量を光電変換により数値化し、この情報を試料移動機構制御手段１０内に設けた物体検出情報記憶手段１０ｄに対して出力する。ここで、光電式物体検出手段８の投光素子７ａから照射する光を小径スポットとした理由は、微細または針状の観察試料６を確実に検出するためであり、例えば、φ０．５ｍｍ程度の物体を検出可能とするためには、スポット径はこれと同等以下のものを選定すれば良い。

試料移動機構制御手段１０は、試料移動機構部５の各軸を駆動するアクチュエータに対する駆動指令を出力する各軸駆動手段１０ａと、各軸を駆動して試料台５ｆを移動した際の試料台５ｆの位置（Ｘ軸移動機構５ｃ、Ｙ軸移動機構５ｄ、Ｚ軸移動機構５ａ、Ｒ軸移動機構５ｅ、Ｔ軸５ｄの現在位置）を記憶する各軸位置記憶手段１０ｂと、各軸を自動的に移動させる際の駆動指令、あるいは上位の走査電子顕微鏡システム制御手段１１から数値的に各軸を移動させる際の駆動指令を生成する各軸駆動指令生成手段１０ｃと、前述の物体検出情報記憶手段１０ｄと、物体検出情報記憶手段１０ｄに記憶される物体検出情報と各軸位置記憶手段１０ｂに記憶される位置情報から観察試料６の位置と高さを算出する試料位置・高さ算出手段１０ｅと、上位の走査電子顕微鏡システム制御手段１１との各種データ通信を行う上位通信手段１０ｆとを備えて構成される。

試料位置・高さ算出手段１０ｅで求められた観察試料６の位置と高さの情報に基づき、各軸駆動手段１０ａでは、各軸を移動する際の移動制限範囲を設定し、各軸の移動量に制限を加える。例えば、観察試料６の高さに基づき、Ｚ軸移動機構５ａの移動量を制限し、観察試料６が対物レンズ２ｂなどの試料室３内の構造物と接触することを未然に防止する。

手動操作入力手段９は、トラックボールなどにより試料移動機構部５の各軸を手動で操作するための入力手段であり、ここからの操作入力は試料移動機構制御手段１０の各軸駆動手段１０ａに入力され、試料移動機構部５の各軸が手動にて動作する。このとき、前述したように、試料移動機構制御手段１０の試料位置・高さ算出手段１０ｅで求められた観察試料６の位置と高さの情報に基づき、各軸駆動手段１０ａでは各軸を移動する際の移動制限範囲を設定し、各軸の移動量に制限を加えることで、観察試料６と試料室３内の構造物との接触を防止する。

走査電子顕微鏡システム制御手段１１は、操作者がディスプレイ装置１２を見ながら、キーボード等の入力手段１３から入力されたデータに基づいてシステムの各種操作を行うとともに、ＳＥＭ像や各種データの表示、処理などを行うための計算機である。

図２は、光電式物体検出手段８の投光素子７ａと受光素子７ｂの距離と、受光量の関係の例を示す図である。ここでは、検出対象として、ある程度の大きさを有するバルク形状試料（バルク体）、ピンや繊維などのような針状試料（針状体）、ガラスなどの透明試料（透明体）を選び、それぞれを投光素子７ａと受光素子７ｂの光軸７ｃ上の中間点に配置し、そのときの受光素子７ｂでの受光量を測定した結果の一例を示す。また、光軸７ｃ上に物体が存在しない（物体無）場合の受光量を測定した結果もあわせて示した。

ここで、光軸７ｃ上に物体が存在すれば、投光素子７ａから照射される光の一部が物体によって遮られるため、受光素子７ｂでの受光量が減少し、物体が大きくなるほど受光量は少なくなる。なお、投光素子７ａと受光素子７ｂの距離は、例として、１５０、２００、２５０ｍｍを選び、それぞれの場合の受光量を測定した。

それぞれの試料を配置した場合（物体無の場合も）の受光量のグラフ（２０１〜２０４）に示した通り、投光素子７ａと受光素子７ｂの距離が大きくなるとともに、受光量は減少する傾向にある。例外として、バルク体のグラフ２０４に関しては、投光素子７ａから照射されるスポット光の径と物体の大きさの関係や光の拡散の影響により、投光素子７ａと受光素子７ｂの距離が最も小さい場合に受光量が最小となり、距離が大きくなるとともに受光量が若干増加している。また、光軸７ｃ上に物体が存在するにも関わらず受光量が大きいものほど（物体無のグラフに近づくほど）、物体の検出感度は低くなると言える。

図示の例では、バルク体よりも針状体、針状体よりも透明体の方が感度は低いと言える。しかしながら、物体無のグラフ２０１と透明体のグラフ２０２の間に明確な差異があるため、受光量の閾値２０５を適切に設定すれば、光軸７ｃ上の物体の有無を判定することは可能である。例えば、物体無の場合の受光量から数％程度少ない値を閾値２０５として入力手段１３から入力して設定すれば、光軸７ｃ上の物体の有無を判定することは可能である。前述の光電式物体検出手段８では、受光量と閾値２０５を比較して光軸７ｃ上の物体の有無を判定し、物体有を１、物体無を０といった２値表現のデータとして前述の物体検出情報記憶手段１０ｄに出力する。

図３は、試料台５ｆ上の観察試料６の高さを算出する際の試料移動機構制御手段１０における制御処理のフローチャートを示す。まず、観察試料６を試料台５ｆ上に搭載、固定し、これを試料室３内に導入する際、試料移動機構部５のＺ軸移動機構５ａは予め、その可動範囲の最も低い位置（Ｚ＝０、Ｚ軸原点）まで下降しておき、ここでＸ軸移動機構５ｃは、観察試料６が存在しうるＸ方向の最も端の位置（Ｘ＝Ｘｓ、通常は試料台５ｆの試料搭載面の端部に相当する位置）まで水平移動しておく。また、Ｙ軸移動機構５ｄは、試料台５ｆの位置が対物レンズ２ｂの中心位置と一致するように移動しておく。Ｒ軸、Ｔ軸移動機構はそれぞれの角度が０度となるように移動しておく。この状態を最初の試料検出開始位置とする（Ｓ３０１）。

ここで、試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）から図示していない駆動手段で駆動して連続的に移動させ、その間に受光素子７ｂの出力信号を光電式物体検出手段８で処理することにより、各位置（Ｘ座標）における観察試料６の有無を検出する（Ｓ３０２）。ここで、光電式物体検出手段８がＸ軸移動機構５ｃのいずれかの位置で観察試料６があることを検出したとき（Ｓ３０３）、観察試料６の高さＨｓを、投光素子７ａから発射されて受光素子７ｂに向かう検出光の光軸７ｃのＺ軸原点からの高さＺｄから、試料台５ｆの高さＨｈとＺ軸移動機構５ａの現在位置Ｚを差し引くことにより算出し（Ｓ３０４）、処理を終了する。

一方、Ｘ軸移動機構５ｃのいずれの位置でも観察試料６を検出できなかったとき（Ｓ３０３）、試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）に移動させ（Ｓ３０５）、さらにＺ軸移動機構５ａをｄＺ（正の一定値）だけ上昇させる（Ｓ３０６）。ここで、Ｚ軸移動機構５ａがその可動範囲の上限に達した場合（Ｓ３０７）、試料台５ｆ上には観察試料６は存在しないものと見なして、処理を終了する。Ｚ軸移動機構５ａで上昇させる量ｄＺは、必要とされる高さ方向の位置精度に応じて決めればよい。

一方、Ｚ軸移動機構５ａがその可動範囲の上限に達していない場合（Ｓ３０７）、再度、試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃを試料検出開始位置から連続的に移動させ、その間に受光素子７ｂの出力信号を光電式物体検出手段８で処理することにより、各位置（Ｘ座標）における観察試料６の有無を検出する（処理３０２）。以下の処理については、前述の通りであり、観察試料６が検出されるまで、Ｚ軸移動機構５ａのｄＺずつの上昇と、Ｘ軸移動機構５ｃの連続的な移動を繰り返すことで、観察試料６の有無の検出（観察試料６のＸ方向の位置の検出も兼ねる）と、その高さの算出を行う。

以上のように、試料移動機構部５の動作を利用することにより、観察試料６を検出するための手段を、前述の投光素子７ａと受光素子７ｂ及び光電式物体検出手段８の組合せのように単純化でき、装置構成の複雑化を回避するとともに、装置コストの低減が可能となる。
図４は、試料台５ｆ上の観察試料６の高さを算出する際の試料移動機構部５の動作を真上から見た図である。前述した通り、投光素子７ａと受光素子７ｂは、試料室３にそれぞれ対向して配置され、これらの光軸７ｃと直交する方向に試料台５ｆを移動させるＸ軸移動機構５ｃを、試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）から移動方向４０１へ図示していない駆動手段により連続的に移動させる。Ｘ軸移動機構５ｃの移動中に、試料台５ｆ上の観察試料６が投光素子７ａから発射されて受光素子７ｂへ向かう検出光の光軸７ｃを横切ると、受光素子７ｂからの出力信号を受けて光電式物体検出手段８で観察試料６が検出される。

図５は、バルク形状の観察試料６の高さを算出する際の各部の寸法の関係を示す図である。図５は、投光素子７ａから発射されて受光素子７ｂへ向かう検出光の光軸７ｃの方向、すなわち試料移動方向５０１（図４の矢印４０１の方向）と直交する方向から、試料台５ｆ及び観察試料６を見た状態を示し、観察試料６の高さＨｓと、試料台５ｆの高さＨｈ、Ｚ軸移動機構５ａの位置（Ｒ軸移動機構５ｅ上面のＺ軸原点からの高さに相当）Ｚ、検出光の光軸７ｃのＺ軸原点からの高さＺｄの関係を示す。前述した通り、ここで求めるべき観察試料６の高さＨｓは、検出光の光軸７ｃのＺ軸原点からの高さＺｄから、試料台５ｆの高さＨｈとＺ軸移動機構５ａの現在位置Ｚを差し引くこと、即ち、
Ｈｓ＝Ｚｄ−（Ｈｈ＋Ｚ） ・・・（数１）
により算出される。

図６は、図５で示したバルク形状の観察試料６の検出結果を示すグラフである。また、図７は、図６の検出結果を各Ｘ座標毎に数値として表現したものである。前述した通り、受光素子７ｂの出力を処理した光電式物体検出手段８による物体検出結果は、物体有を１、物体無を０といった２値表現のデータとして出力するため、図６、図７の検出結果は１または０のデータ列となる。

図５の例で示したバルク形状の観察試料６の場合、表面の凹凸のために途中で検出結果０となる部分もあるが、検出結果１となるＸ座標の範囲を見れば、観察試料６の位置と大きさを判定することも可能である。そこで、試料移動機構制御手段１０の試料位置・高さ算出手段１０ｂでは、前述した試料高さの算出のほかに、図６に示したような検出結果が１となったＸ座標の範囲を求め、それを試料位置として記憶しておく。この情報は、操作者が試料観察を行う際に、最初に観察試料５を観察視野に入れる際に利用できる。例えば、試料位置の情報に基づき、観察試料５が観察視野に入るように、試料移動機構部５を自動的に移動させることができる。

図８は、針状の観察試料６の高さを算出する際の各部の寸法の関係を示す図である。図９は、図８に示した針状の観察試料６の検出結果を示すグラフである。これらの図に示した内容は、前述の図５、図６と同様であるが、図９に示したように、針状の観察試料６の場合、物体有と検出されるＸ座標が極めて少ない位置範囲となる。このような針状の観察試料６を確実に検出するためには、投光素子７ａから発射されて受光素子７ｂへ向かう検出光として前述したように小径のスポット光を用いた方が有効である。

実施例１における走査電子顕微鏡は、上述した走査電子顕微鏡１の具体的構成に限定されずに、種々の変形例が可能である。例えば、投光素子７ａと受光素子７ｂを試料室３の内壁近傍ではなく、試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃのベース構造に、投光素子７ａと受光素子７ｂの支持構造を設け、これに固定することも可能である。また、検出光の光軸７ｃを試料移動機構部５のＸ軸移動機構５ｃの移動方向と直交するように配置したが、これをＹ軸移動機構５ｄの移動方向と直交するように配置してＹ軸移動機構５ｄを移動させるようにすることも可能である。

なお、上記した実施例においては、図３のＳ３０５のステップで、毎回試料検出開始位置へ移動(戻る)動作を行っているが、必ずしも毎回試料検出開始位置へ移動する(戻る)必要はなく、Ｓ３０２のステップでＸ方向への移動と−Ｘ方向への移動を交互に繰り返して試料の有無を検出するようにしても良い。

実施例２として、複数の光電式物体検出手段を試料室に設けた実施形態を図１０及び１１を用いて説明する。図１０は、本発明の実施例２に関連する走査電子顕微鏡１００の構成を示す図である。図１０に示した構成では、実施例１で説明した図１に示した構成に対して、更に１対の投光素子１７ａと受光素子１７ｂ及び第２の光電式物体検出手段１１８を追加した点が相違する。その他の構成については、図１で説明したものと同じであるので、説明を省略する。

図１０に示した構成において、１対の投光素子１７ａと受光素子１７ｂとは、実施例１で説明した１対の投光素子７ａと受光素子７ｂとに対してＺ軸方向に所定の間隔ｈだけ離れて、投光素子１７ａと受光素子１７ｂとの光軸１７ｃが投光素子７ａと受光素子７ｂとの光軸７ｃに平行になるように設置されている。投光素子１７ａから発射された光を検出した受光素子１７ｂからの信号は光電式物体検出手段１１８で処理され、この処理した結果は試料移動機構制御手段１１０へ出力される。

試料移動機構制御手段１１０は、試料移動機構部５の各軸を駆動するアクチュエータに対する駆動指令を出力する各軸駆動手段１１０ａと、各軸を駆動して試料台５ｆを移動した際の試料台５ｆの位置（Ｘ軸移動機構５ｃ、Ｙ軸移動機構５ｄ、Ｚ軸移動機構５ａ、Ｒ軸移動機構５ｅ、Ｔ軸５ｄの現在位置）を記憶する各軸位置記憶手段１１０ｂと、各軸を自動的に移動させる際の駆動指令、あるいは上位の走査電子顕微鏡システム制御手段１１１から数値的に各軸を移動させる際の駆動指令を生成する各軸駆動指令生成手段１１０ｃと、前述の物体検出情報記憶手段１１０ｄと、物体検出情報記憶手段１１０ｄに記憶される物体検出情報と各軸位置記憶手段１１０ｂに記憶される位置情報から観察試料６の位置と高さを算出する試料位置・高さ算出手段１１０ｅと、上位の走査電子顕微鏡システム制御手段１１１との各種データ通信を行う上位通信手段１１０ｆとを備えて構成される。

試料位置・高さ算出手段１１０ｅで求められた観察試料６の位置と高さの情報に基づき、各軸駆動手段１１０ａでは、各軸を移動する際の移動制限範囲を設定し、各軸の移動量に制限を加える。例えば、観察試料６の高さに基づき、Ｚ軸移動機構５ａの移動量を制限し、観察試料６が対物レンズ２ｂなどの試料室３０内の構造物と接触することを未然に防止する。

手動操作入力手段１０９は、トラックボールなどにより試料移動機構部５の各軸を手動で操作するための入力手段であり、ここからの操作入力は試料移動機構制御手段１１０の各軸駆動手段１１０ａに入力され、試料移動機構部５の各軸が手動にて動作する。このとき、前述したように、試料移動機構制御手段１１０の試料位置・高さ算出手段１１０ｅで求められた観察試料６の位置と高さの情報に基づき、各軸駆動手段１１０ａでは各軸を移動する際の移動制限範囲を設定し、各軸の移動量に制限を加えることで、観察試料６と試料室３０内の構造物との接触を防止する。

走査電子顕微鏡システム制御手段１１１は、操作者がディスプレイ装置１１２を見ながら、キーボード等の入力手段１１３から入力されたデータに基づいてシステムの各種操作を行うとともに、ＳＥＭ像や各種データの表示、処理などを行うための計算機である。

図１０に示した構成において、試料台５ｆ上の観察試料６の高さを算出する際の試料移動機構制御手段１１０における制御処理の流れを図１１に示す。この図１１に示したフローチャートの後半の部分は概ね前述の図３に示したフローチャートの処理と同じではあるが、前半の部分が異なる。すなわち、まず、最初に試料移動機構部５の各軸を原点位置に移動させ（Ｓ１１０１）、試料移動機構部５のＸ軸駆動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ、通常は試料台５ｆの試料搭載面の端部に相当する位置）から連続的に所定の距離移動させ（Ｓ１１０２）、その間に第１の光電式物体検出手段１８及び第２の光電式物体検出手段１１８により、各位置（Ｘ座標）における観察試料６の有無を検出する（Ｓ１１０３）。

ここで、第１の光電式物体検出手段１８、第２の光電式物体検出手段１１８ともに観察試料６を検出しなかったときはＸ軸駆動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）に戻し（Ｓ１１０４）、Ｚ軸駆動機構５ａを駆動して観察試料６を高さ方向に光軸７ｃと光軸１７ｃとの間隔に相当するｈだけ上昇させる（Ｓ１１０５）。

次に、試料移動機構部５のＸ軸駆動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）から連続的に所定の距離移動させ（Ｓ１１０２）、その間に第２の光電式物体検出手段１１８により、各位置（Ｘ座標）における観察試料６の有無を検出する（Ｓ１１０３）。この動作を、第２の光電式物体検出手段１１８で観察試料６を検出するまで繰り返す。

第２の光電式物体検出手段１１８でＸ軸移動機構５ｃのいずれかの位置で観察試料６があることを検出したとき、Ｘ軸駆動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）に戻し（Ｓ１１０６）、Ｚ軸駆動機構５ａを駆動して試料を高さ方向にΔＺ（＜ｈ）だけ上昇させる（Ｓ１１０７）。

次に、試料移動機構部５のＸ軸駆動機構５ｃを試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）から連続的に所定の距離移動させ（Ｓ１１０８）、その間に第１の光電式物体検出手段１８により、各位置（Ｘ座標）における観察試料６の有無を検出する（Ｓ１１０９）。

第１の光電式物体検出手段１８により観察試料６を最初に検出したときの観察試料６の高さＨｓを、実施例１に場合と同様に、観察試料６を検出した投光素子１７ａと受光素子１７ｂとの光軸７ｃのＺ軸原点からの高さ（Ｚｄ）から、試料台５ｆの高さ（Ｈｈ）とＺ軸駆動機構５ａの現在位置（Ｚ）を差し引くことにより算出する（Ｓ１１１０）。

次に、第１の光電式物体検出手段１８により観察試料６が検出されなかった場合には、Ｓ１１０７で観察試料６をｄＺ上昇させたことにより観察試料６の最上部がＺ方向の上限値に達していないかをチェックし（Ｓ１１１１）、上限値に達していた場合には測定を終了する。観察試料６の最上部がＺ方向の上限値に達していない場合には、Ｓ１１０６へ戻って、Ｘ軸駆動機構５ｃを駆動して観察試料を試料検出開始位置（Ｘ＝Ｘｓ）からＸ方向へ連続的に所定の距離移動させ、光電式物体検出手段１８で観察試料６を検出するか、又は観察試料６の最上部がＺ方向の上限値に達するまで一連の操作を繰り返す。

このように投光素子１７ａと受光素子１７ｂと第２の光電式物体検出手段１１８を設けたことにより、高さ検出の初期の段階において光軸７ｃと光軸１７ｃの高さの差分ｈの分を一度に移動できるため、観察試料６の高さを検出する際の試料移動機構部５の移動時間（Ｘ軸移動機構５ｃによる繰り返し移動時間）を短縮することが可能となる。

なお、図１０では、２系統の光電式物体検出手段を設けた構成を示したが、３系統以上の光電式物体検出手段を設けた構成も当然のことながら可能であり、この場合においても観察試料６の高さを検出する処理は同様に実現可能である。

１、１００・・・走査電子顕微鏡 ２・・・電子光学系 ２ａ・・・鏡筒部
２ｂ・・・対物レンズ ２０・・・二次信号電子検出器 ３、３０・・・試料室
４０・・・真空ポンプ ５・・・試料移動機構部 ５ａ・・・Ｚ軸移動機構部
５ｂ・・・Ｔ軸移動機構部 ５ｃ・・・Ｘ軸移動機構部 ５ｄ・・・Ｙ軸移動機構部
５ｅ・・・Ｒ軸移動機構部 ５ｆ・・・試料台 ６・・・観察試料 ７ａ、１７ａ・・・投光素子 ７ｂ、１７ｂ・・・受光素子 ８、１８・・・光電式物体検出手段 ９、１０９・・・手動操作入力手段 １０、１１０・・・試料移動機構制御手段 １０ａ、１１０ａ・・・各軸駆動手段 １０ｂ、１１０ｂ・・・各軸位置記憶手段 １０ｃ、１１０ｃ・・・各軸駆動指令生成手段 １０ｄ、１１０ｄ・・・物体検出情報記憶手段 １０ｅ、１１０ｅ・・・試料位置・高さ算出手段 １０ｆ、１１０ｆ・・・上位通信手段 １１、１１１・・・走査電子顕微鏡システム制御手段 １２、１１２・・・ディスプレイ装置 １３、１１３・・・入力手段。

Claims (7)

1. 内部を真空に排気可能な試料室と、
   該試料室内で試料を載置して前記試料を平面内及び高さ方向に移動させることが可能な
   試料載置手段と、
   該試料載置手段に載置した試料に収束させた一次電子線を照射して走査する電子光学系
   手段と、
   該電子光学系手段で収束させた一次電子線を照射して走査することにより前記試料から
   発生した二次信号を検出する二次信号検出手段と、
   該二次信号検出手段で検出した信号を処理して前記試料の画像を生成する画像生成手段
   と、
   前記試料載置手段に載置した試料の高さを検出する試料高さ検出手段と、
   を備えた走査型電子顕微鏡であって、
   前記試料高さ検出手段は、前記試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動さ
   せることを該試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行して前記試料載置手段に
   載置した試料の高さを検出し、
   前記試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを有し、前記試料載置手段で駆動され
   た前記試料が前記光投光部と該光投光部に対向して配置した前記光受光部との間を通過さ
   せることにより前記試料の高さを検出し、
   前記試料高さ検出手段は、光ビームを発射する光投光部と該光投光部に対向して配置さ
   れて該光投光部から発射された光ビームを受光する光受光部とを有し、前記光投光部から
   発射されて前記受光部へ向かう光ビームは前記試料を載置した試料載置手段が前記試料室
   の内部で移動できる高さ方向の上限の部分を通るように前記光投光部と前記受光部とが設
   置されていることを特徴とすることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
2. 内部を真空に排気可能な試料室と、
   該試料室内で試料を載置して前記試料を平面内及び高さ方向に移動させることが可能な
   試料載置手段と、
   該試料載置手段に載置した試料に収束させた一次電子線を照射して走査する電子光学系
   手段と、
   該電子光学系手段で収束させた一次電子線を照射して走査することにより前記試料から
   発生した二次信号を検出する二次信号検出手段と、
   該二次信号検出手段で検出した信号を処理して前記試料の画像を生成する画像生成手段
   と、
   前記試料載置手段に載置した試料の高さを検出する試料高さ検出手段と、
   を備えた走査型電子顕微鏡であって、
   前記試料高さ検出手段は、前記試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動さ
   せることを該試料載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行して前記試料載置手段に
   載置した試料の高さを検出し、
   前記試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを有し、前記試料載置手段で駆動され
   た前記試料が前記光投光部と該光投光部に対向して配置した前記光受光部との間を通過さ
   せることにより前記試料の高さを検出し、
   前記試料高さ検出手段は、光投光部と光受光部とを高さ方向に異なる位置に少なくとも
   ２対備え、前記試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動させることを該試料
   載置手段の高さを順次変えながら繰り返し実行することを、前記試料が前記少なくとも２
   対のうち高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を始めて通過するまでと該
   高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を一度通過した後とで、前記平面内
   で一方向に移動させる毎に変える高さ方向の変化量を変えることを特徴とする走査型電子顕微鏡。
3. 前記試料高さ検出手段は、前記試料を載置した試料載置手段が前記試料室の内部で移動
   できる高さ方向の上限を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の走査型電子顕微鏡。
4. 前記試料高さ検出手段の光投光部は、径を０．５ｍｍ以下に細く絞った光ビームを前記
   受光部に向けて発射することを特徴とする請求項1又は２に記載の走査型電子顕微鏡。
5. 更に制御手段を備え、前記高さ検出手段で検出した前記試料載置手段に載置した試料の
   高さ情報に基づいて前記試料載置手段の高さ方向の位置を制御することを特徴とする請求
   項１又は２に記載の走査型電子顕微鏡。
6. 内部を真空に排気した試料室内で平面内及び高さ方向に移動可能な試料載置手段に載置
   した試料に収束させた一次電子線を照射して走査し、
   該収束させた一次電子線を照射して走査することにより前記試料から発生した二次信号
   を検出し、
   該検出した信号を処理して前記試料の画像を生成する
   走査型電子顕微鏡を用いた試料の観察方法であって、
   前記試料を載置した試料載置手段を平面内で一方向に移動させることを該試料載置手段
   の高さを順次変えながら繰り返し実行することにより得られる前記試料の高さ情報を用い
   て前記試料を載置した試料載置手段が前記試料室の内部で移動できる高さ方向の上限を検
   出し、
   前記試料の高さ情報を、光投光部と光受光部とを高さ方向に異なる位置に少なくとも２
   対備えた試料高さ検出手段を用いて、前記試料載置手段で高さを順次変えながら前記試料
   載置手段を平面内で一方向に移動させることを繰り返し行い、前記試料が前記少なくとも
   ２対のうち高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を始めて通過するまでと
   該高さ方向に一番低い１対の光投光部と光受光部との間を一度通過した後とで、前記平面
   内で一方向に移動させる毎に変える高さ方向の変化量を変えて実行することにより得ることを特徴とする走査型電子顕微鏡を用いた試料の観察方法。
7. 前記試料の高さ情報を、前記試料載置手段で高さを順次変えながら前記試料載置手段を
   平面内で一方向に移動させることを繰り返し実行することにより前記試料を光投光部と該
   光投光部に対向して配置された光受光部との間を通過させることにより得ることを特徴と
   する請求項６記載の走査型電子顕微鏡を用いた試料の観察方法。

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