JP5776056B2 - 電子線装置、及び電子顕微鏡を用いた試料の観察方法 - Google Patents

Description

本発明は電子線装置、及び電子顕微鏡を用いた試料の観察方法に係り、特に走査電子顕微鏡と光学顕微鏡とを同一筐体に備え、同一観察領域のＳＥＭ像及び光学像を観察することができる電子線装置及び電子顕微鏡を用いた試料の観察方法に関する。

電子線装置として、走査電子顕微鏡の鏡筒に光学顕微鏡を配置して、同一試料の所定の観察領域におけるＳＥＭ像と光学像とを観察できるものがある。このような電子線装置は、試料の同一領域を電子光学的及び光学的に観察できるため、試料における観察位置を容易に特定できる他、試料の色を観察できるという利点がある。

特許文献１には、光源からの光を試料に照射して、試料から反射した光に基づいて試料像を得る光学顕微鏡を備え、電子線照射により試料から放出された信号を検出手段で検出して試料像を表示するようにした電子線装置において光学顕微鏡の光学系の中央に貫通孔を配置し、この貫通孔から電子線を試料に走査してＳＥＭ像を観察できるようにしたものが記載されている。

特開２０００−２２８１６５号公報

しかしながら上述した電子線装置にあっては、光学顕微鏡と、走査電子顕微鏡とで同時に観察する場合、光学顕微鏡の照明光が電子顕微鏡像（ＳＥＭ像）に悪影響を与えることがある。具体的には、光学顕微鏡の観察に最適な照明を行った場合、最適なＳＥＭ像が得られない。これは、走査電子顕微鏡の検出器で光学顕微鏡の照明光が検出されてしまうことによる。このため、走査電子顕微鏡と光学顕微鏡での同時観察ができない場合があり、この場合には、両顕微鏡の撮像条件を個別に設定して観察しなければならず、両顕微鏡での観察像を比較しながら観察することが難しい。例えば試料を移動しながら観察を行う場合、両顕微鏡での観察位置が相違してしまい、対応が取れなくなる。

そこで本発明は、走査電子顕微鏡及び光学顕微鏡での同時観察が行えない場合であってもＳＥＭ像及び光学像の対応付けを容易に行うことができる電子線装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、試料の観察領域に電子線を走査しつつ照射する電子光学系を具備し前記試料のＳＥＭ像データを出力する走査電子顕微鏡と、光源、前記光源で照明された前記試料の前記観察領域の光学像を形成する光学系を具備し光学像データを出力する光学顕微鏡と、を同一筐体に備え、前記ＳＥＭ像データ及び光学像データに基づいて前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡とで前記試料を同時に観察できるかを、前記走査電子顕微鏡にから出力された前記ＳＥＭ像データ及び前記光学顕微鏡から出力された光学像データに基づいて判定する同時観察判定手段を備えることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１に記載の電子線装置において、前記同時観察判定手段が同時観察はできないとしたとき前記走査電子顕微鏡の撮像条件及び前記光学顕微鏡の撮像条件の少なくとも一方の条件を変更する撮像条件変更手段を備えることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の電子線装置において、前記同時観察判定手段が同時観察はできないとしたとき、前記走査電子顕微鏡での観察と、前記光学顕微鏡での観察を交互に行うよう前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡とを制御する撮像制御手段を備えることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２に記載の電子線装置において、前記撮像条件変更手段は、前記走査電子顕微鏡の撮像条件を、前記走査電子顕微鏡における検出器のゲイン、オフセットの調整及び、電子線の加速電圧、試料電流を含む電子ビーム条件の変更により行うことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２に記載の電子線装置において、前記撮像条件変更手段は、前記光学顕微鏡の撮像条件を、前記光源の光量の変更により行うことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３に記載の電子線装置において、前記撮像制御手段は、前記光学顕微鏡による観察を前記走査電子顕微鏡像の１画面の走査終了から次画面の走査開始までの垂直帰線期間に行うことを特徴とする。

請求項７の発明は、試料の観察領域に電子線を走査しつつ照射する電子光学系を具備し試料のＳＥＭ像データを出力する走査電子顕微鏡と、光源、前記光源で照明された前記試料の前記観察領域の光学像を形成する光学系を具備し光学像データを出力する光学顕微鏡と、を同一筐体に備える電子線装置を用いた試料の観察方法において、前記光学像データに基づいて前記光源の光量を調整する工程と、前記光源による照明下において取得したＳＥＭ像に基づいて前記走査電子顕微鏡像の撮像条件を調整する工程と、前記調整された走査電子顕微鏡像によるＳＥＭ像データに基づいて、前記走査電子顕微鏡及び前記光学顕微鏡の同時観察を行うか否かを判断する工程と、を備えることを特徴とする電子線装置を用いた試料の観察方法である。

請求項８の発明は、請求項７に記載の電子線装置を用いた試料の観察方法において、前記走査電子顕微鏡及び前記光学顕微鏡の同時観察をしないとき、前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡との観察を交互に行うことを特徴とする。

本発明に係る電子線装置及びその観察方法によれば、試料の状態に応じて走査電子顕微鏡及び光学顕微鏡の同時観察又は交互観察を自動的に変更することができるので、両顕微鏡による同時観察ができる場合はもちろん、同時観察ができない場合であっても、走査電子顕微鏡光学顕微鏡で同一観察領域を交互に表示等することができ、両観察像を容易に対応付けしつつ観察できる。

実施の形態例に係る電子線装置の基本的構造を示す模式図である 実施の形態例に係る電子線装置の制御系を示すブロック図である。 実施の形態例に係る電子線装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態例に係る電子線装置の動作を示すタイミングチャートである。 走査電子顕微鏡の走査状態を示す模式図である。

以下実施形態例に係る電子線装置を図面に基づいて説明する。図１は実施の形態例に係る電子線装置の基本的構造を示す模式図である。この電子線装置１は、走査電子顕微鏡１０と、光学顕微鏡３０とを同一の筐体に備え、試料１８におけるそれぞれの観察領域のＳＥＭ像データと光学像データとを取得して表示する。まず走査電子顕微鏡１０の基本的構成について説明する。

走査電子顕微鏡１０は、鏡筒１１内上部の電子線源１２から発生した電子線１３を、コンデンサレンズ１４で収束し、偏向コイル１５で偏向して、対物レンズ１６で収束及びフォーカスを調整し、試料室１７内の試料１８上を走査する。なお、試料１８は、図示されていないステージに配置されており、任意の位置に移動できる他、任意の角度に傾斜させることができる。そして、試料１８から発生した２次電子、反射電子などの荷電粒子１９が検出器２０で検出され、ＳＥＭ画像形成手段４５（図２参照）で電子線１３の走査状態と同期処理されてＳＥＭ像データが得られ、ＳＥＭ像がＳＥＭ画像表示装置４８（図２参照）に表示される。

光学顕微鏡３０は、光学鏡筒３１内に光学系を備える他、試料１８を照明する光源３２、ＣＣＤ撮像素子、ＣＭＯＳ素子等の電子撮像素子を内蔵し光学像データを出力する撮像装置３３を備えて構成される。そして、試料１８の観察領域の拡大された光学像が光学像表示装置３４（図２参照）に表示される。ここで、光学顕微鏡３０の光軸は前記走査電子顕微鏡１０の光軸と試料１８の観察領域で交差するよう所定の角度で傾けて配置されている。なお、光学顕微鏡３０は、特許文献１に示した例のように、走査電子顕微鏡の光軸と一致するように配置してもよい。本実施の形態例に係る電子線装置１では、両顕微鏡の光軸を一致させないようにしているので、互いの観察条件に悪影響を与えることがない。例えば電子線を通過させるため光学顕微鏡の光学系に貫通孔を形成すると、光学顕微鏡の光学像が部分的に暗くなるなどの悪影響が発生するが、本実施の形態例に係る電子線装置１ではそのような影響を排除することができる。

ここで、走査電子顕微鏡１０と光学顕微鏡３０の撮像倍率は、撮像の目的に応じて適宜変更できる。試料１８の撮像位置を決定する場合には、光学顕微鏡３０の撮像倍率を走査電子顕微鏡１０の撮像倍率より小さくすることが好ましい。また、試料１８は任意の角度に傾斜させて観察することができるが、その表面が、光学顕微鏡３０の光軸に対して直交する方向に傾斜させると光学顕微鏡３０で良好な光学像を取得できる。

次に本実施の形態例に係る電子線装置の制御について説明する。図２は実施の形態例に係る電子線装置の制御系を示すブロック図である。電子線装置１において、走査電子顕微鏡１０に配置された撮像装置３３には、前記光学像表示装置３４の他、取得された光学像の画質が所定の水準を満たすかどうかを判定する光学像判定手段４４が接続されている。また、光学像判定手段４４には光源の光量を調整する撮像条件変更手段である光量調整手段４３が接続され、前記光学像判定手段４４の判定結果に基づいて光源３２の光量を変更できるようにしている。ここで、画質の判定は、得られた画像の光強度のヒストグラム幅が許容範囲内であるかどうかで行われる。

ＳＥＭ画像形成手段４５には、前記ＳＥＭ画像表示装置４８の他、取得されたＳＥＭ像の画質を判定するＳＥＭ像判定手段４７が接続されている。ここで、画質の判定は、得られた画像の光強度のヒストグラム幅が許容範囲内であるかどうかで行われる。また、ＳＥＭ像判定手段４７には走査電子顕微鏡１０の撮像条件を調整する撮像条件変更手段であるＳＥＭ設定手段４６が接続され、前記ＳＥＭ像判定手段４７の判定結果に基づいて走査電子顕微鏡１０の設定を変更できるものとしている。

更に、前記光学像判定手段４４及びＳＥＭ像判定手段４７には、それぞれの判定結果に基づいてＳＥＭ像と光学像とを同時に観察するか、ＳＥＭ像と光学像とを交互に観察するか、を判定する同時観察判定手段４１が接続されている。この同時観察判定手段４１には前記光量調整手段４３及びＳＥＭ設定手段４６を制御して光学顕微鏡３０の光源３２や走査電子顕微鏡の撮像設定条件を制御する撮像制御手段４２が接続されている。撮像制御手段４２は、前記光量調整手段４３及びＳＥＭ設定手段４６の制御を行い、走査電子顕微鏡１０及び光学顕微鏡３０の撮像条件を変更する。ＳＥＭ設定手段４６によるＳＥＭ像の調整は、検出器のゲイン、オフセットの調整の他に、加速電圧や試料電流など電子ビーム条件を変更することにより実施することができる。

このような、各手段を備える制御系は、本実施の形態例に係る電子線装置１ではＣＰＵ、ＨＤＤ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、各種ＩＯインタフェースを備えたコンピュータで構成しており、ＨＤＤ、ＲＯＭに格納されたソフトウエアがＲＡＭをワークエリアとしてＣＰＵで実行されることにより、前記各手段の画像処理、条件判断等の機能を実現する。

ここで、電子線装置１において、ＳＥＭ像と光学像とを同時に観察する場合、ＳＥＭ像を良好なものとするため光学顕微鏡３０の光源３２による照明光量をなるべく少なくすることが好ましい。

電子線装置１の撮像に際しては、光学顕微鏡３０の光源３２の調整を行った後、走査電子顕微鏡１０の撮像条件を調整して、取得したＳＥＭ像の画質を判定して同時観察（同時観察モード）ができる否かを判定する。ＳＥＭ像の画質により同時観察ができないとされた場合には、同時観察モードとせず、走査電子顕微鏡１０と光学顕微鏡３０とを交互に観察する交互観察モードへ移行する。交互観察モードでは、走査電子顕微鏡１０によるＳＥＭ像の観察時には光学顕微鏡３０による光学像の観察を行わず、光学顕微鏡３０の光学像の観察時には走査電子顕微鏡１０のＳＥＭ像の観察を行わない排他的な制御を行う。

本実施の形態例に係る電子線装置１では、交互観察モードでは、走査電子顕微鏡１０のオンオフ制御を行わず、光源３２の点灯、消灯の制御だけを行う。即ち、光源３２の点灯時にのみ光学顕微鏡３０による観察を、光源３２消灯時のみ走査電子顕微鏡１０による観察を行う。これは、走査電子顕微鏡１０の電子線源１２の点灯、消灯制御等を行うと、ＳＥＭ像が不安定となることがある他、走査電子顕微鏡１０によるＳＥＭ像の観察中であっても、光学顕微鏡３０が取得する光学像への影響はないためである。

次に電子線装置１の撮像手順について説明する。図３は実施の形態例に係る電子線装置の動作を示すフローチャート、図４は実施の形態例に係る電子線装置の動作を示すタイミングチャート、図５は走査電子顕微鏡の走査状態を示す模式図である。この電子線装置１では、まず光学顕微鏡３０の光源３２の光量を観察可能な範囲で小さくする。即ち、光量調整手段４３で光学顕微鏡の光源の光量を調整しつつ（ステップＳＴ１）、光学像判定手段４４で光学顕微鏡像の画像を判定して（ステップＳＴ２）光源の光量を光学像が所定の画質を有する最小の値とする。

この画質の判断は、光学像判定手段４４により光量調整後に取得された画像データのヒストグラム幅が許容範囲内であるかどうかで判断される。ヒストグラム幅が許容範囲内であった場合には、画像のゲイン調整を行い、光学像を適正な状態で前記光学像表示装置３４に表示することができる。

次いで、前記光量での照明下において、走査電子顕微鏡１０での撮像を行い、ＳＥＭ像判定手段４７でＳＥＭ像の画質判定を行う（ステップＳＴ３）。この条件でＳＥＭ像判定手段４７によるＳＥＭ像の画質判定が可の場合（ステップＳＴ３のＯＫ）には、得られた光源の照明の下で光学顕微鏡３０及び走査電子顕微鏡１０の同時観察を行う（ステップＳＴ４）。ここで、ＳＥＭ像画質判定の処理は、光学顕微鏡３０の光源３２の点灯時及び消灯時の画像のヒストグラムを比較し、変化が許容範囲であるかどうかで行われる。

一方、ＳＥＭ像判定手段４７によるＳＥＭ像画質判定が不可の場合（ステップＳＴ３のＮＧ）には、ＳＥＭ設定手段４６でＳＥＭ像の明るさ調整が可能であれば調整を行い（ステップＳＴ５、ステップＳＴ６）、再度ＳＥＭ像判定手段４７でＳＥＭ像の画質判定を行う（ステップＳＴ３）。ＳＥＭ像の明るさ調整できる範囲内でＳＥＭ像画質判定が可とならない場合には、同時観察モードから、前記交互観察モードへと移行する（ステップＳＴ７）。なお、この制御では光源３２の光量及び、ＳＥＭ明るさ調整を行ったが、簡易な処理を行う場合には、どちらか一方の調整だけを行うものとできる。

交互観察モードでは、図４に示すように、光学顕微鏡３０の光源は、走査電子顕微鏡１０のＳＥＭ像表示がされないタイミングで点灯（Ｏｎ）し、ＳＥＭ像が表示されるタイミングで消灯（Ｏｆｆ）する（図４（ａ））。一方走査電子顕微鏡１０は常時撮像可能な状態（Ｏｎ）を保つ（同（ｂ））。これにより、光学顕微鏡３０の光学像と走査電子顕微鏡１０のＳＥＭ像とは、交互に表示されることとなる（同（ｃ）、（ｄ））。

ここで、前記光源３２の点灯タイミングは、図４及び図５に示すように、走査電子顕微鏡１０における１画面中５０の電子線走査の終了（ｔ２）から次の走査の開始（ｔ１）までの垂直帰線期間（Ｔ）内に行うことが望ましい。このようにすれば、走査電子顕微鏡１０のＳＥＭ像取得への影響を与えることがない。なお、走査電子顕微鏡１０の垂直帰線期間（Ｔ）を光学顕微鏡３０による観察が行える十分な時間例えば１００ｍｓｅｃ程度にすることが望ましい。

また、このような自動処理を行う場合であっても、ＳＥＭ画像を保存する場合等、よりノイズの少ない良好なＳＥＭ画像を取得する処理を行う際には、自動的に光源を消灯すると共にＳＥＭ像の明るさを調整して撮像することができる。なお、前記例では、光学顕微鏡３０の光学像の画質判定においては、判断の基準となる閾値が１つの場合を説明したが、例えばＳＥＭ像の明るさ調整ができる範囲の外にある場合には、交互観察モードへ移行するのではなく、光学像の画質判定の閾値を下げ、再度前記判定を行うようにしてもよい。

以上説明したように、本実施の形態例に係る電子線装置によれば、試料等の条件によって自動的に同時観察モード及び交互観察モードに切り換えられるため、走査電子顕微鏡及び光学顕微鏡による同時観察ができる場合はもちろん、両顕微鏡による同時観察ができない場合であっても、走査電子顕微鏡光学顕微鏡で同一観察領域を交互に表示等することができ、両観察像を容易に対応させつつ観察を行うことができる。

１ 電子線装置
１０ 走査電子顕微鏡
１１ 鏡筒
１２ 電子線源
１３ 電子線
１４ コンデンサレンズ
１５ 偏向コイル
１６ 対物レンズ
１７ 試料室
１８ 試料
１９ 荷電粒子
２０ 検出器
３０ 光学顕微鏡
３１ 光学鏡筒
３２ 光源
３３ 撮像装置
３４ 光学像表示装置
４１ 同時観察判定手段
４２ 撮像制御手段
４３ 光量調整手段（撮像条件変更手段）
４４ 光学像判定手段
４５ ＳＥＭ画像形成手段
４６ ＳＥＭ設定手段（撮像条件変更手段）
４７ ＳＥＭ像判定手段
４８ ＳＥＭ画像表示装置

Claims (8)

1. 試料の観察領域に電子線を走査しつつ照射する電子光学系を具備し前記試料のＳＥＭ像データを出力する走査電子顕微鏡と、
   光源、前記光源で照明された前記試料の前記観察領域の光学像を形成する光学系を具備し光学像データを出力する光学顕微鏡と、を同一筐体に備え、
   前記ＳＥＭ像データ及び光学像データに基づいて前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡とで前記試料を同時に観察できるかを、前記走査電子顕微鏡にから出力された前記ＳＥＭ像データ及び前記光学顕微鏡から出力された光学像データに基づいて判定する同時観察判定手段を備えることを特徴とする電子線装置。
2. 前記同時観察判定手段が同時観察はできないとしたとき、前記走査電子顕微鏡の撮像条件及び前記光学顕微鏡の撮像条件の少なくとも一方の条件を変更する撮像条件変更手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の電子線装置。
3. 前記同時観察判定手段が同時観察はできないとしたとき、前記走査電子顕微鏡での観察と、前記光学顕微鏡での観察を交互に行うよう前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡とを制御する撮像制御手段を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子線装置。
4. 前記撮像条件変更手段は、前記走査電子顕微鏡の撮像条件を、前記走査電子顕微鏡における検出器のゲイン、オフセットの調整及び、電子線の加速電圧、試料電流を含む電子ビーム条件の変更により行うことを特徴とする請求項２に記載の電子線装置。
5. 前記撮像条件変更手段は、前記光学顕微鏡の撮像条件を、前記光源の光量の変更により行うことを特徴とする請求項２に記載の電子線装置。
6. 前記撮像制御手段は、前記光学顕微鏡による観察を前記走査電子顕微鏡像の１画面の走査終了から次画面の走査開始までの垂直帰線期間に行うことを特徴とする請求項３に記載の電子線装置。
7. 試料の観察領域に電子線を走査しつつ照射する電子光学系を具備し試料のＳＥＭ像データを出力する走査電子顕微鏡と、光源、前記光源で照明された前記試料の前記観察領域の光学像を形成する光学系を具備し光学像データを出力する光学顕微鏡と、を同一筐体に備える電子線装置を用いた試料の観察方法において、
   前記光学像データに基づいて前記光源の光量を調整する工程と、
   前記光源による照明下において取得したＳＥＭ像に基づいて前記走査電子顕微鏡像の撮像条件を調整する工程と、
   前記調整された走査電子顕微鏡像によるＳＥＭ像データに基づいて、前記走査電子顕微鏡及び前記光学顕微鏡の同時観察を行うか否かを判断する工程と、を備えることを特徴とする電子線装置を用いた試料の観察方法。
8. 前記走査電子顕微鏡及び前記光学顕微鏡の同時観察をしないとき、前記走査電子顕微鏡と前記光学顕微鏡との観察を交互に行うことを特徴とする請求項７に記載の電子線装置を用いた試料の観察方法。