JPH08329870A

JPH08329870A - 走査電子顕微鏡

Info

Publication number: JPH08329870A
Application number: JP7134849A
Authority: JP
Inventors: Junichiro Tomizawa; 淳一郎富澤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Science Systems Ltd
Priority date: 1995-06-01
Filing date: 1995-06-01
Publication date: 1996-12-13
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP3400608B2

Abstract

(57)【要約】【目的】走査電子顕微鏡において、電子ビームを対物
レンズの中心軸に合わせる軸調整が容易に行えるように
する。【構成】試料５上のビーム電流を可変するための絞り
２ａ、電子ビーム１を試料上で２次元走査するための偏
向手段３、電子ビームを試料上に集束させて焦点を合わ
せるための対物レンズ４、試料から発生した信号を検出
する検出手段６、前記検出手段からの検出信号をもとに
検出像を形成するための画像形成手段８、絞り２ａの位
置を調整して電子ビームの軸を調整する手段、偏向手段
及び対物レンズを制御する制御手段９を備える。制御手
段９は、電子ビームの軸調整時に、対物レンズ４の励磁
電流を周期的に変化させるとともに励磁電流の変化に同
期して偏向手段３を制御して検出像の回転を止める制御
を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、走査電子顕微鏡に関
し、特に走査電子顕微鏡において対物レンズを通る電子
ビームの軸を対物レンズの中心軸に調整する装置の改良
に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡等による試料像の観察あ
るいは試料の成分分析においては、その観察や分析の形
態に応じて試料上に照射される電子ビームのビーム電
流、すなわちビーム径を変える必要がある。例えば、高
倍率、高分解能像の形成にあたってはビームを細く絞る
必要があり、逆にＸ線分析などにあたってはビーム径を
太くしてビーム電流を大きくする必要がある。このビー
ム径の変更は、径の異なる複数の絞り孔を備えた可動式
多孔絞り装置では使用する絞りを選択することにより、
あるいは単一の絞りを備える絞り装置では装置に取り付
ける絞りを交換することによって行われるが、非点収差
等を避けるために、絞り孔を通りぬけた電子ビームを対
物レンズの中心軸に合わせる調整作業が必要である。

【０００３】この調整は、対物レンズの励磁電流を周期
的に変化（ワブラ）させて焦点位置を合焦位置の上下に
振り、その状態で検出像の中心位置が静止するように絞
りの位置を微調整することによって行われる。電子ビー
ムが対物レンズの中心を通っていれば、対物レンズの励
磁電流を微小変化させても、それによって検出像の中心
が移動することはない。一方、電子ビームが対物レンズ
の中心から外れた位置を通過していると、対物レンズの
励磁電流を周期的に変化させたとき検出像の中心位置も
画面上で上下方向や左右方向に周期的に移動する。この
現象を利用して、検出像を観察しながら手動にて絞りの
位置を微調整するわけである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】電子ビームが対物レン
ズの中心から外れた状態で対物レンズの励磁電流を周期
的に変化させると、検出像は回転しながらその中心位置
が変化するという極めて複雑な動きをする。そのため、
上記従来の調整方法においては、対物レンズの励磁電流
の変化に基づく検出像の回転運動と電子ビームが対物レ
ンズの中心から外れていることに起因する像の中心位置
の移動を分離して観察しながら可動絞りの位置を手動調
整しなければならず、調整には熟練を要していた。

【０００５】本発明は、対物レンズの励磁電流を連続的
に変化させたときの検出像の振る舞いから絞りの位置調
整等によって行う電子ビームの軸調整を、特別な熟練を
要さずに簡単に行うことができるようにすることを目的
とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では、電子ビーム
の軸調整時に、対物レンズの励磁電流を周期的に変化さ
せるとともに、それに同期して偏向コイルによる試料走
査方向を補正し、検出像の回転を止めることによって前
記目的を達成する。すなわち、本発明は、試料上のビー
ム電流を可変するための絞り装置と、電子ビームを試料
上で２次元走査するための偏向手段と、電子ビームを試
料上に集束させて焦点を合わせるための対物レンズと、
試料から発生した信号を検出する検出手段と、前記検出
手段からの検出信号をもとに検出像を形成するための画
像形成手段と、前記対物レンズを通る電子ビームの軸を
調整するための軸調整手段と、前記偏向手段及び対物レ
ンズを制御する制御手段とを備える走査電子顕微鏡にお
いて、前記制御手段は、前記軸調整手段による電子ビー
ムの軸調整時に、前記対物レンズの励磁電流を周期的に
変化させるとともに該励磁電流の変化に同期して前記偏
向手段を制御して検出像の回転を止める制御を行うこと
を特徴とする。

【０００７】軸調整手段は、絞り装置の絞り孔の位置を
機械的に調整するもの、あるいは電子ビームの近傍に配
置された電磁コイルとすることができる。対物レンズ
は、ヒステリシス補正用の空芯コイルを備え、自動焦点
合わせを行えるものであってもよい。また、画像処理手
段をさらに備え、軸調整手段による電子ビームの軸調整
時に、画像処理手段によって検出像の動く方向を認識
し、制御手段はこの認識した検出像の動きを止めるよう
に軸調整手段を制御するようになすことができる。

【０００８】

【作用】本発明によると、電子ビームの軸調整時に検出
像が回転しないため、検出像を止める調整を容易に行う
ことができる。また、検出像の動きは回転がなく並進運
動のみとなるため、画像処理によって検出像の運動方向
を認識することが容易になり、軸調整を自動的に行うこ
とが可能となる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき詳述す
る。図１は、本発明の実施例の模式図である。図中、１
は電子ビーム、２は試料上のビーム電流を可変するため
の可動式多孔絞り装置、３は電子ビームを試料上で２次
元走査するための偏向コイルでＸ方向とＹ方向のコイル
を備えている。４は試料上に電子ビームの焦点を結ばせ
るための対物レンズで、その励磁電流を変化させること
により焦点位置を変えることができる。５は試料、６は
試料から発生する２次電子等の信号を検出する検出器、
７は検出信号を増幅する増幅回路、８は検出信号に基づ
いて画像を表示する表示装置、９はマイクロコンピュー
タ等を用いた制御回路で、偏向コイル３や対物レンズ４
の制御を行う。可動式多孔絞り装置４は径の異なる複数
個の絞り孔２ａを備え、電子ビーム１中に配置する絞り
孔を選択することによりビーム径すなわちビーム電流を
変えることができ、またネジ等により電子ビーム１に対
して垂直な面内で絞り孔２ａをＸ−Ｙ方向に移動してそ
の位置を微調整する機能を有する。

【００１０】電子ビーム１は、可動式多孔絞り装置２の
絞り孔２ａを通過した後、偏向コイル３の磁場により偏
向され、対物レンズ４によって試料５上に焦点を結び、
試料上を２次元走査する。試料５に電子ビームが照射さ
れると、試料から２次電子や反射電子等が発生する。こ
の２次電子や反射電子は、試料の凹凸により発生量が異
なるため、検出器６で検出した信号を増幅回路７で増幅
して表示装置８に入力することにより、表示装置８には
試料の表面形状に関する情報を担持した検出像が表示さ
れる。

【００１１】ここで、可動式多孔絞り装置２の絞り孔２
ａを通過した電子ビーム１が、対物レンズ４の中心軸を
通っていないと、非点収差が大きくなり良好な画像が得
られない。そのため通常、可動式多孔絞り装置２には電
子ビーム１を対物レンズ４の中心軸に合わせるための微
調整機構が備えられている。そして、前述のように、制
御回路９により対物レンズ４の励磁電流を周期的に変化
（ワブラ）させ、操作者は表示装置８上に表示された検
出像の上下左右の動きを止めるように可動式多孔絞り装
置２の微調整機構によって絞り孔２ａの位置を微調整す
る。

【００１２】ところで、電子ビームは図２に示すように
対物レンズ４の磁場の作用により回転し、その回転量は
対物レンズ４の磁場の強さすなわち対物レンズの励磁電
流により変化するため、表示装置８に表示される画像も
電子ビームの回転に伴ない回転する。これにより、上記
の調整時の画像の動きは上下左右の動きと回転が重なっ
た複雑な動きとなり、上下左右の動きのみを止める調整
が困難となっていた。

【００１３】本実施例では、対物レンズの励磁電流の変
化に同期して偏向コイル３による電子ビームの走査方向
を補正し、対物レンズ４による像の回転を画像表示装置
８上で打ち消すことで、画像の動きを並進運動のみとし
て上記の調整を容易にする。対物レンズ４の磁場内での
像回転角Φは、次式（１）のように対物レンズ内の磁束
密度Ｂ(ｚ)に比例する。式中、ｍ及びｅは電子の質量及
び電荷、Ｅは加速電圧、Ｂ(ｚ)は光軸上の磁束密度であ
り、Ｂ(ｚ)についての積分はレンズ磁界の有効範囲にわ
たって行う。

【００１４】 Φ＝（ｅ／８ｍＥ）^1/2∫Ｂ(ｚ)ｄｚ（１）磁束密度Ｂ(ｚ)は励磁電流に比例し、前記像回転角Φは
対物レンズ４の励磁電流と一定の関係を有するので、こ
の関係を計算又は実験により予め求めて制御回路９内の
記憶手段あるいは外部の記憶手段に記憶させておく。制
御回路９は、対物レンズ４の励磁電流を周期的に変化さ
せるとともに、それに連動して変化させるべき偏向コイ
ル３による走査方向を前記関係から求め、それに基づい
て偏向コイルを駆動する。すなわち、Ｘ₀(ｔ)及びＹ
₀(ｔ)を標準的に用いる偏向電流信号（鋸波形）とする
とき、Ｘ方向の偏向コイル及びＹ方向の偏向コイルに次
式（２），（３）で表される偏向電流Ｘ(ｔ)，Ｙ(ｔ)を
供給し、各瞬間における電子ビームの走査方向を像の回
転を打ち消す方向に補正する。

【００１５】Ｘ(ｔ)＝Ｘ₀(ｔ)ｃｏｓΦ(ｔ)＋Ｙ₀(ｔ)ｓｉｎΦ(ｔ) （２）Ｙ(ｔ)＝Ｙ₀(ｔ)ｃｏｓΦ(ｔ)＋Ｘ₀(ｔ)ｓｉｎΦ(ｔ) （３）図３に、偏向コイル３に接続される走査方向補正回路の
具体例を示す。Ｘスキャン発生回路２１は標準偏向信号
Ｘ₀(ｔ)を発生し、Ｙスキャン回路２２は標準偏向信号
Ｙ₀(ｔ)を発生する。マイクロコンピュータ２３は、予
め記憶している演算式に基づいて各瞬間における対物レ
ンズ４の励磁電流からその瞬間の像回転角Φ(ｔ)を求
め、三角関数ｃｏｓΦ(ｔ)、ｓｉｎΦ(ｔ)を演算してＤ
／Ａコンバータ２４〜２７に与え、Ｘ₀(ｔ)，Ｙ₀(ｔ)に
前記三角関数を乗算する。Ｄ／Ａコンバータ２４と２７
の出力は加算器２８で加算されてＸ方向の偏向コイル３
ａに給電され、Ｄ／Ａコンバータ２５と２６の出力は加
算器２９で加算されてＹ方向の偏向コイル３ｂに給電さ
れる。こうして前記（２）及び（３）式に基づく走査方
向の補正が行われるため表示装置８に表示される画像の
回転が無くなり、画像の動きは電子ビームの軸ずれに基
づく上下左右の動きのみとなって、絞り孔位置の微調整
が容易となる。

【００１６】偏向方向の補正は、演算式によらず、あら
かじめ対物レンズ４の励磁電流の変化Δｆ_iによる検出
像の回転Φ_iを測定し、図４に示すように励磁電流とそ
の回転を打ち消すための偏向電流の関係についてのテー
ブルを作成しておき、そのテーブルに基づいて偏向コイ
ル３に補正電流を与えるようにしてもよい。絞り孔の孔
径の変更は、図１に示した可動式多孔絞り装置によらず
に特定の孔径の１個の絞りのみを取り付けた固定式絞り
装置で絞りを孔径の異なるものに交換することによって
行ってもよく、この場合においても絞りを交換した後に
必要となる電子ビームの軸の微調整に本発明は有効であ
る。

【００１７】また、電子ビームの軸調整は、絞りの位置
を機械的に調整する代わりに、図５に示すように、電子
ビームの近傍に配置された軸調整用電磁コイル１１を用
いて行うこともでき、この場合においても本発明は同様
に有効である。軸調整用電磁コイル１１は、偏向コイル
と同様に電子ビームを垂直平面方向に偏向させる機能を
有するコイルで、その偏向電流を制御することによっ
て、絞り孔２ａを通過した電子ビーム１を電磁的に対物
レンズ４の中心軸に合わせる機能を有する。

【００１８】また、走査形電子顕微鏡では、得られた画
像を解析して自動焦点合わせを行うことができる。自動
焦点合わせは、焦点位置を光軸方向に振り、画像の微分
信号が極大となる焦点位置を探すことによって行われる
が、対物レンズは励磁電流の変化に対してヒステリシス
を有するため、精度良く焦点位置を探すことが困難であ
る。そのため、ヒステリシスの少ない空芯コイル１２
（図５参照）を用いて、その電流を周期的に変化させる
ことにより焦点位置の移動が行われる。このとき電子ビ
ームが空芯コイル１２の中心軸を通っていなければ、焦
点位置を移動させたとき、検出像が移動するため目的の
検出像のコントラストの微分信号がピークとなる焦点位
置を正確に検出することができず、自動焦点合わせを行
うことができない。従って、自動焦点合わせにおいては
空芯コイル１２の中心軸に電子ビーム１を軸調整する必
要がある。この場合にも本発明を適用し、空芯コイル１
２の電流制御に同期して偏向コイル３に流す偏向電流を
制御し、電子ビーム１の走査方向を補正して検出像の回
転を止めることで、電子ビームの軸調整を高精度に行う
ことができる。

【００１９】図６は、絞り孔の位置調整を自動化した実
施例の概念図である。可動式絞り装置２は、Ｘ，Ｙ方向
の可動部に各々、Ｘ軸用モータ１３ａ、Ｙ軸用モータ１
３ｂを備え、モータ１３ａ，１３ｂを制御回路９によっ
て駆動して絞り２ａのＸ，Ｙ方向位置を微調整できるよ
うになっている。制御回路９は、対物レンズ４の励磁電
流に同期して偏向コイル３の駆動電流を前述のように制
御することで、検出器６で検出した２次電子信号等によ
る検出像の回転を止める。すると、検出像の動きは絞り
孔２ａの位置ずれに起因する上下左右の動きのみになる
ため、画像処理回路１０で画像の動く方向を認識し、そ
の動きが無くなるようにＸ軸用モータ１３ａ及びＹ軸用
モータ１３ｂを駆動して絞り孔２ａのＸ，Ｙ方向位置を
調整する。

【００２０】画像処理回路１０による検出像の移動方向
の認識は、例えば画像記憶装置に検出像のコントラスト
分布を１フレーム分記憶し、次に対物レンズの励磁電流
を変化させたときの検出像のコントラスト分布を１フレ
ーム分記憶し、この２つの記憶像をもとにコントラスト
分布の移動方向を認識することで行うことができる。図
７のフローチャートは、画像処理により検出像の並進運
動の方向を検出し、その動きが無くなるように可動式絞
り装置２のＸ軸用モータ１３ａ及びＹ軸用モータ１３ｂ
を駆動する制御の流れの一例を示したものである。な
お、ここでは簡単のために、画像の左右方向の移動補正
をＸ軸用モータ１３ａで行い、画像の上下方向の移動補
正をＹ軸用モータ１３ｂで行うとして説明する。

【００２１】前述のように、制御回路９は、対物レンズ
４の励磁電流を周期的に変化させるとともに、この励磁
電流の変化に同期して偏向コイル３に流す偏向電流を制
御することで電子線の走査方向を補正して検出像の回転
を止める。この状態で、画像処理回路１０は、所定のタ
イミングで２フレーム分の画像検出を行い（ステップ３
１）、それを画像処理して画像の移動方向を判定する
（ステップ３２）。画像が右に動いたことが判定されれ
ば（ステップ３３）、Ｘ軸用モータ１３ａを＋方向に駆
動する（ステップ３４）。その後、ステップ３１に戻っ
て再び所定のタイミングで２フレーム分の画像を取り込
み、それを処理して画像の移動方向を判定する（ステッ
プ３２）。まだ画像が右方向に移動していれば、再度Ｘ
用モータ１３ａを＋方向に駆動し、Ｘ軸用モータの駆動
量が大きすぎたりして画像が左に動いたことが判定され
れば（ステップ３５）、Ｘ軸用モータ１３ａを−方向に
駆動する。同様に、ステップ３２の画像処理によって画
像が上に動いたことが判定されれば（ステップ３７）、
Ｙ軸用モータ１３ｂを＋方向に駆動し（ステップ３
８）、画像が下に動いたことが判定されれば（ステップ
３９）、Ｙ軸用モータ１３ｂを−方向に駆動する（ステ
ップ４０）。このように、本実施例によると絞りの位置
調整を自動的に行うことができる。

【００２２】また、Ｘ軸用モータ１３ａ及びＹ軸用モー
タ１３ｂの代わりに電磁コイルを用いて電子ビームの軸
調整を行う場合には、図７のステップ３４，３６，３
８，４０における制御をその電磁コイルに対して行うこ
とにより、電子ビームの軸調整を自動化することができ
る。

【００２３】

【発明の効果】本発明によると、走査電子顕微鏡におけ
る煩わしい操作の一つである電子ビームの軸調整が容易
となり、操作性が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す図。

【図２】対物レンズによる電子ビームの回転を説明する
模式図。

【図３】偏向コイルの駆動電流補正回路の一実施例を示
す図。

【図４】対物レンズの励磁電流とその回転を打ち消すた
めの偏向電流の関係についてのテーブルの説明図。

【図５】軸調整用電磁コイル及び対物レンズのヒステリ
シス補正用空芯コイルの配置図。

【図６】全自動軸調整の一実施例を示す図。

【図７】軸調整を自動化する制御のフローチャート。

【符号の説明】

１…電子ビーム、２…可動式多孔絞り装置、２ａ…絞り
孔、３…偏向コイル、４…対物レンズ、５…試料、６…
検出器、７…増幅回路、８…表示装置、９…制御回路、
１０…画像処理回路、１１…軸調整用電磁コイル、１２
…自動焦点合わせ用補正コイル、１３ａ…可動絞りのＸ
軸駆動用モータ、１３ｂ…可動絞りのＹ軸駆動用モー
タ、２１…Ｘスキャン発生回路、２２…Ｙスキャン発生
回路、２３…マイクロコンピュータ、２４〜２７…Ｄ／
Ａコンバータ、２８，２９…加算器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】試料上のビーム電流を可変するための絞
り装置と、電子ビームを試料上で２次元走査するための
偏向手段と、電子ビームを試料上に集束させて焦点を合
わせるための対物レンズと、試料から発生した信号を検
出する検出手段と、前記検出手段からの検出信号をもと
に検出像を形成するための画像形成手段と、前記対物レ
ンズを通る電子ビームの軸を調整するための軸調整手段
と、前記偏向手段及び対物レンズを制御する制御手段と
を備える走査電子顕微鏡において、前記制御手段は、前記軸調整手段による電子ビームの軸
調整時に、前記対物レンズの励磁電流を周期的に変化さ
せるとともに該励磁電流の変化に同期して前記偏向手段
を制御して検出像の回転を止める制御を行うことを特徴
とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】前記軸調整手段は、前記絞り装置の絞り
孔の位置を機械的に調整するものであることを特徴とす
る請求項１記載の走査電子顕微鏡。
【請求項３】前記軸調整手段は、電子ビームの近傍に
配置された電磁コイルであることを特徴とする請求項１
記載の走査電子顕微鏡。
【請求項４】前記対物レンズは、ヒステリシス補正用
の空芯コイルを備えることを特徴とする請求項３記載の
走査電子顕微鏡。
【請求項５】画像処理手段をさらに備え、軸調整手段
による電子ビームの軸調整時に、前記画像処理手段によ
って検出像の動く方向を認識し、前記制御手段は前記認
識した検出像の動きを止めるように前記軸調整手段を制
御することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記
載の走査電子顕微鏡。