JPH0255899B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は走査電子顕微鏡等の荷電粒子線装置に
用いられる自動焦点合わせ装置の改良に関する。

走査電子顕微鏡においては第１図に示すように
電子銃１から発生する電子線２を集束レンズ３，
４によつて試料５の表面上で微小な断面径を形成
するように集束し、それと同時に該電子線２を偏
向コイル６Ｘ，６Ｙに供給される走査信号によつ
て試料面上に走査し、該走査と同期したブラウン
管７に試料から検出器８によつて検出され、増幅
器９で増幅された映像信号を輝度変調信号として
供給することによつて試料走査像を表示してい
る。この試料走査像の像倍率は前記偏向コイル６
Ｘ，６Ｙとブラウン管の偏向コイル１０Ｘ，１０
Ｙに水平走査信号Ｈと垂直走査信号Ｖと供給する
走査電源１１の出力端子と前記偏向コイル６Ｘ，
６Ｙとの間に挿入された可変増幅器１２の増幅度
を変化させることによつて切り換えられる。即
ち、試料面上における電子線走査領域と該領域に
相似なブラウン管画面の面積比を変えることによ
つて像倍率が調整される。ブラウン管画面に表示
される走査像の焦点合わせは集束レンズの特に最
終段集束レンズ（対物レンズ）４の励磁電源１３
の出力を調整して試料面上における電子線の断面
径を最小になることを確認することによつて行わ
れるが、この調整は試料走査像の肉眼観察に基づ
くものであるため、最近この調整を自動化するた
めの自動焦点合わせ装置が実用化されている。第
１図中、１４で示すブロツクはこのような自動焦
点合わせを行うための自動焦点合わせ回路であ
り、走査電源１１からの垂直走査信号をトリガー
信号として励磁電源１３の出力を順次変化させる
と共に、増幅器９の出力をモニターした結果に基
づいて励磁電源１３の適正な出力電流を決定す
る。

第２図及び第３図は自動焦点合わせ回路１４の
原理を説明するためのもので、第２図ａは光軸方
向から眺めた試料面上にある幅を持つた構造１５
と該構造を横切る矢印１６の方向へ図に示す断面
形状の電子線１７を水平走査する様子を表わして
おり、このような電子線走査によつて試料から検
出される信号波形を示すものが第２図ｂである。
第３図ａは第２図ａと同じ試料走査を異なつた断
面径を有する電子線１８で行うもので、この走差
によつて得られる信号波形を示したものが第３図
ｂである。これらの図から、試料を走査する電子
線断面が小さい程、信号波形の高さが高く、ピー
ク波形の幅も狭い鋭い波形になることが分る。従
来の自動焦点合わせ装置はこのような現像を利用
するもので、電子線の試料走査によつて検出され
る信号を微分回路やフイルター回路を用いて高周
波成分のみを取り出し、高周波成分のピーク値又
はその積算値を電子線の断面径に対応する信号と
みなし、これらのピーク値又は積算値が最大とな
るように対物レンズの励磁を設定するものが大部
分である。

第４図は対物レンズ電流の変化に対応させて電
子線の断面径を表わす前記ピーク値又は積算値と
うの変換信号の変化する様子を示すもので、この
ような典型的な関係が得られる場合には、変換信
号が最大値を示す対物レンズ電流値において正し
い焦点合わせが行なわれる。

ところで、走査電子顕微鏡の電子光学系には一
般に非点収差が存在するので、この非点収差を補
正するためのxy型非点補正装置が組み込まれて
いる。この非点補正装置を正しく調整して非点収
差の影響を取り除かない対物レンズ電流と変換信
号との関係は第５図に示すようなものとなつてし
まい、図中LP１，LP２に示す二つの対物電流値
のいずれかにおいて変換信号の最大値が生ずるこ
とになる。しかしながら、このLP１，LP２のい
ずれかに設定しても正しい焦点は得られず、従来
の自動焦点合わせ装置においては正しい非点差補
正が行われていないと正しく機能しない場合がし
ばしばあつた。

本発明は非点収差補正が正確に補正されていな
い状態においても、正しい焦点合わせを行うこ
と、更には対物レンズ以外にステイグメータをも
含めた厳密な意味での焦点合わせを自動的に行う
ことを目的とするもので、荷電粒子線源から発生
する粒子像を集束レンズにより試料面上で微小な
ビーム径が形成されるように照射し、偏向手段に
よつて試料面上の一定領域を走査し、該走査と同
期して前記集束レンズのレンズ強度を変化させる
と共に試料から得られる映像信号より前記粒子線
の試料面上におけるビーム径に対応する変換信号
を検出し、該変換信号の最大値よりも所定量低い
値の変換信号に対応する二つのレンズ強度（L1、
L2）を求め、前記集束レンズの強度をL1＋L2／２ の値に設定することを特徴とするものである。

以下、本発明の原理と実施例装置を図面に基づ
いて詳説する。

非点収差の主要な原因は第６図に示す如く電子
レンズの焦点距離が直交する方向で異なるためで
ある。同図において、ｘ、ｙ軸の交点にレンズ主
面が通つているとするとｘ方向の焦点面に焦線Ｃ
が又ｙ方向の焦点面に焦線Ｅが夫々形成され、
Ｃ，Ｅの中間に最小錯乱中Ｄが形成される。この
Ｄ点が非点収差に補正されたときの焦点位置に相
当する。CEの間隔はいわゆる点差ΔFである。い
ま、第７図ａに示すように、ｘ軸と角度αをなす
ベクトルΔFで表されるレンズ非点収差を４極２
対型の電磁非点補正装置（いわゆるxy型非点補
正装置）によつて補正することを考える。図中
Sxは〇印で示されるｘ軸及びｙ軸上に位置する
４極レンズによつて生ずる非点補正ベクトルを表
し、Syはｘ軸及びｙ軸と45゜回転させた〓で示さ
れる位置に設けられた他の４極レンズによつて生
ずる非点補点ベクトルを表す。ここで、これらの
ベクトル関係の考察を容易にするため各ベクトル
ｘ軸となす角度を全て２倍にして第７図ｂに示す
如くΔF、Sx、Syとする。

第７図ｂにおいてΔFはΔFxとΔFyとのxy軸方
向ベクトルに分割され、Δfは次式で表される。

ΔF＝√²＋² 又、最小錯乱円の直径δは非点隔差ΔFに比例
し、 δ＝Ｋ・ΔF ………(1) となる。ここで、Ｋは電子線の試料に関する開き
角αに関する係数である。

第７図ｃ中ΔF′は非点補正装置を動作させたと
き合成非点ベクトルを示し、ΔF′に対応する非点
隔差ΔF′は次式で表される。

△F′＝√（△）²＋（△−）………(2
) したがつて(1)式からこのときの最小錯乱円の直
径は次のようになる。

δ′＝Ｋ・√（△−）²−（△−）²…
……(3) 以上から、最小錯乱円の状態で非点収差補正装
置の２組の４局レンズを夫々独立に走査しδ′が順
次最小値になるように制御すればΔF′→０即ち
δ′→０になし得、非点収差を完全に補正できるこ
とが分る。

所で、第５図における対物電流値LP１，LP２
は夫々第６図における焦線Ｃ，Ｅに対応してお
り、正しい焦点合わせ即ち最小錯乱円Ｄが形成さ
れるようにするためには対物レンズ電流の値を
L1＋L2／２に設定すればよいが、この最適値の求め 方を第８図に示す本発明の実施例装置に基づいて
説明する。

第８図中第１図と同一符号を付したものは同一
構成要素を表わしている。第８図の装置には２対
の４極レンズ１５ｘ，１５ｙ及びそれらへ励磁電
流を供給する非点補正電源１６からなるxy型非
点補正装置が組み込まれており、各４極レンズへ
の電流値は電流制御回路１７の出力によつて調整
される。又、対物レンズの励磁電源１３も電流制
御路１８の出力によつて調整される。これらの電
流制御回路１７，１８はステツプ可変回路１９の
出力によつて制御される。試料５から発生する２
次電子等の信号は検出器８により映像信号として
検出された後増幅器９を介して自動輝度コントラ
スト調整回路２０に供給され、該回路において映
像信号の信号レベルが所定の値に又映像信号のコ
ントラストが所定範囲に収まるように自動調整さ
せる。自動輝度コントラスト調整回路２０の出力
の一部はブラウン管７の輝度変調信号として用い
られると同時に前記ステツプ可変回路１９にも供
給される。ステツプ可変回路１９は入力された映
像信号に基づいてその高周波成分の強度信号に対
応する電子線断面径を表す変換信号を発生し、該
変換信号が最大値となるようにその出力制御信号
をステツプ状に増減させる。中央制御回路２１は
垂直走査信号をタイミング信号として２つの電流
調整回路１７，１８、ステツプ可変回路１９及び
スイツチＳ１，Ｓ２，Ｓ３に制御信号を供給す
る。

今、仮に必点補正装置を使用せず対物レンズ電
流と変換信号との関係が非点収差の影響で第９図
に示すような波形で表されるものとする。この場
合に第８図に装置における自動焦点合わせ装置を
作動させると、先ず中央制御回路２１がスイツチ
Ｓ１，Ｓ２をオンの状態とし、電流調整回路１７
の出力によつて４極レンズ１５ｘ，１５ｙへの励
磁電流を零に設定する。次にスイツチＳ３が端子
ａ側に切り換えられてステツプ可変回路１９の出
力が電流調整回路１８へ供給され、対物レンズ電
流が第１０図に示す如く低い電流レベルからステ
ツプ状に順次増加する。このステツプ可変の時間
幅ｔは垂直走査の周期と一致しており、電流の変
化幅ΔI１，ΔI２は調整段階に応じて切り換えら
れるが初めの段階では大きい可変幅に設定され
る。第１０図の場合には対物レンズ電流の値が初
めの低い値から大きな変化幅ΔI１で増加し、変
換信号が予め定められたＬレベルを越えるとＬレ
ベルに電流値を設定し、新たに小さな変化幅ΔI
２で電流を増加させつつ常に得られた変換信号の
最大値を求めそれよりも20％減の値Ｓを計算して
記憶し、値Ｓと等しい変換信号が得られるまで電
流のステツプ増加を行う（第９図には変換信号が
実際の最大値Ｐに達した後のＰとＳの値が示され
ている。）このようにしてレベルＳに対応するレ
ンズ電流Ｌ２に達すると、ステツプ可変回路１９
はレンズ電流Ｌ２（又はそれに対応する信号）を
記憶すると同時に、再びレンズ電流をLsに戻し
てＳの変換信号が得られるまで微小ステツプ幅の
電流増加を行ないレンズ電流Ｌ１（又はそれに対
応する信号）の値を求める。次にステツプ可変回
路１９はL1＋L2／２の値を演算し、L1＋L2／２の出力 電流が得られるような制御信号を電流調整回路１
８へ供給する。従つて第８図の装置においては非
点収差が存在する状態であつても最小錯乱円の状
態に電子線を集束させることができるので、従来
よりも信頼性の高い自動焦点合わせを行うことが
できる。

以上のようにして第８図の装置における一応の
焦点合わせが完了すると、中央制御回路２１はス
イツＳ３をｂ側端子へ、又スイツチＳ１をオン状
態として４極レンズ１５ｘへの最適励磁電流強度
を求める動作を開始させる。４極レンズ１５ｘ又
は１５ｙへの励磁電流を連続的に可変させた場合
の変換信号変化は第４図に類似の波形を示すの
で、ステツプ可変回路１９は４極レンズ１５ｘへ
の励磁電流を最低値から順次ステツプ状に微小幅
で増加させ、各ステツプにおいて検出される変換
信号が最大値示す励磁電流値の値（又はこれに対
応する信号）を検出し、この値を記憶して４極レ
ンズ１５ｘへの励磁電流をこの値に固定する。次
に中央制御回路１９からの制御信号がスイツチＳ
２をオン状態にして４極レンズ１６ｙへの励磁電
流を４極レンズ１５ｘの場合と同様にして順次ス
テツプ状に増加させて変換信号が最大値を示す励
磁電流を検出して、その値を保持する。

このようにして、電子線を最小錯乱円に保つた
状態でxy型非点収差補正装置が調整されるので、
対物レンズその他の光学系に起因する非点収差の
正確な補正が行われる。又この状態では対物レン
ズ電流値と変換信号との関係が第５図のように二
つのピーク値を有する波形から第４図のような単
一のピーク値を有する波形に変化しているので、
中央制御回路２１はスイツチＳ３を再びａ側端子
に接続して、ステツプ可変回路１９による２回目
の焦点合わせ調整を行う。この２回目の焦点合わ
せ調整は前述した１回目の方式による焦点合わせ
であつてもよいが、従来の方式即ち変換信号が最
大値を示すときの対物レンズ電流値に設定する方
式のものであつても差し支えない。

以上のようにして第８図の実施例装置によれば
非点収差の補正をも含めた厳密な意味における自
動焦点合わせが行われるので、走差電子顕微鏡を
最適条件で使用するために必要な調整操作が従来
に比較して著しく軽減される。

尚、本発明は第８図の実施例装置に限定される
ものではなく、例えば上述した２回目の焦点合わ
せ調整が完了した後に再度非点収差補正の調整を
行つてもよく、逆に２回目の焦点合わせ調整を省
略したり、自動輝度コントラスト調整回路２０を
設けずに省略したりすることも可能である。或る
いは非点収差補正装置に対する調整機構を設けず
対物レンズに対する調整機構のみを設けた装置で
あつても従来の焦点合わせ装置よりも正確な焦点
合わせを行うことができる。又、実施例装置の変
換信号として映像信号に含まれる高周波成分の最
大値又は積算値を用いたが、正しい焦点では映像
信号のピーク値が高くなることに着目して、映像
信号の正極性又は負極性への変化分を一定時間に
わたつて積算した値を用いることもできる。更に
ステツプ可変回路１９は対物レンズ又は４極レン
ズへの励磁電流をステツプ状に増減させている
が、連続的に増減させる方式のものを採用するこ
とも容易である。

以上のように、本発明によれば、走査電子顕微
鏡、イオンマイクロアナライザー、電子ビーム露
光装置装置のように荷電粒子線を細く集束させた
状態で使用する荷電粒子線装置の焦点合わせ操作
を高い信頼度で自動化することが可能となり、荷
電粒子線装置の操作性の向上に大きな効果が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の自動焦点合わせ装置を備えた走
査電子顕微鏡を示す略図、第２図乃至第４図は自
動焦点合わせの原理を説明するための略図、第５
図乃至第７図は非点収差の影響とその補正方法を
説明するための略図、第８図は本発明の一実施例
装置を示す略図、第９図及び第１０図は第８図の
装置の動作を説明するための略図である。 １：電子銃、３，４：集束レンズ、８：検出
器、１１：走査電源、１２：可変増幅器、１３：
励磁電源、１４：自動焦点合わせ回路、１５ｘ，
１５ｙ：４極レンズ、１６：非点補正回路、１
７，１８：電流調整回路、１９：ステツプ可変回
路、２０：自動輝度コントラスト調整回路、２
１：中央制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 荷電粒子線源から発生する粒子線を集束レン
   ズにより試料面上で微小なビーム径が形成される
   ように照射すると共に試料面上を走査し、該走査
   と同期した像表示手段に試料から検出された映像
   信号を用いた走査像を表示する装置において、前
   記粒子線の試料面上におけるビーム径に対応する
   変換信号を前記映像信号に基づいて得る手段と、
   前記集束レンズのレンズ強度を順次変化させたと
   きに得られる前記変換信号の最大値よりも所定量
   低い変換信号が得られる前記集束レンズのレンズ
   強度（L1、L2）を求める手段と、前記集束レン
   ズのレンズ強度をL1＋L2／２に設定する手段を具備 する荷電粒子線装置における自動焦点合わせ装
   置。 ２ 前記粒子線の試料面上におけるビーム径に対
   応する変換信号を前記映像信号に基づいて得る手
   段に、前記映像信号のレベルとコントラストを所
   定の範囲内に自動設定する回路を組み込んだ特許
   請求の範囲第１項記載の荷電粒子線装置における
   自動焦点合わせ装置。 ３ 荷電粒子源から発生する粒子線を集束レンズ
   及びxy型非点補正装置により試料面上で微小な
   ビーム径が形成されるように照射すると共に、該
   粒子線によつて試料面上を走査し、該走査と同期
   した像表示手段に試料から検出された映像信号を
   供給して走査像を表示する装置において、前記粒
   子線の試料面上におけるビーム径に対応する変換
   信号を前記映像信号に基づいて得る手段と、前記
   集束レンズのレンズ強度を順次変化させたときに
   得られる前記変換信号の最大値よりも所定量少い
   変換信号が得られる前記集束レンズのレンズ強度
   （L1、L2）を求める手段と、前記集束レンズのレ
   ンズ強度をL1＋L2／２に設定する手段と、前記xy 型非点補正装置における二つの補正信号強度を順
   次変化させて前記変換信号が最大となるように設
   定する非点補正制御手段を具備したことを特徴と
   する荷電粒子線装置における自動焦点合わせ装
   置。