JPH09129169A - 走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容易に観察部位を電子顕微鏡の観察視野に導
くことのできる操作性の良い走査型電子顕微鏡を提供す
る。 【解決手段】 電子ビームを試料９上で走査するときに
放出される２次電子をガス増幅し、増幅された２次電子
を電流として検出して画像に変換する走査型電子顕微鏡
において、電子ビームの照射軸Ｘ１と同軸の光軸Ｘ２を
有する対物光学系を有し、電子ビームによる観察と同時
に電子ビームの走査面を観察する光学式顕微鏡を具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆる環境制御
型の走査型電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の走査型電子顕微鏡では、真空中に
配置された試料に電子線を照射し、試料から放出される
２次電子をシンチレータにより捉える方式を採用してい
る。シンチレータが２次電子を受けたときの発光を光電
倍増管などの受光素子で電気信号に変換し、さらに画像
処理を経て観察像を得ている。

【０００３】ところで、電子顕微鏡は観察倍率が高く観
察視野が狭いため、光学式顕微鏡を用いることにより観
察視野に観察部位を導く場合がある。光学式顕微鏡によ
りウエハやレチクルなどの試料を低倍率で観察し、観察
部位を光学式顕微鏡の光軸上に合わせた後に、所定量ス
テージを移動すると電子顕微鏡の観察視野に観察部位が
導かれる。光学式顕微鏡の光軸と電子顕微鏡の電子ビー
ム照射軸とは一致していないが、両者の軸は所定の位置
関係に設定されているため、光学式顕微鏡の光軸上に観
察部位を設定した後に、所定量だけ試料ステージを移動
することにより電子顕微鏡の視野に観察部位が導かれ
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
電子顕微鏡では電子ビーム照射軸と光学式顕微鏡の光軸
とが別々に設けられているので、観察部位が電子顕微鏡
の観察視野に設定されるまで、それぞれの軸位置の間で
試料を往復させる必要がある。したがって観察部位を電
子顕微鏡の観察視野に導くまでに煩雑な操作が必要で、
時間もかかるという問題がある。電子ビーム照射軸と光
学式顕微鏡の光軸とを一致させることができれば電子顕
微鏡の像と光学式顕微鏡の像とを同時に観察できるた
め、煩雑な操作が不要になる。しかし、従来の電子顕微
鏡では光学式顕微鏡の照明光が検出器に入射するとノイ
ズとなるため、そのような構成を採ることができない。

【０００５】本発明の目的は、容易に観察部位を電子顕
微鏡の観察視野に導くことのできる操作性の良い走査型
電子顕微鏡を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】一実施の形態を示す図１
および図２に対応づけて説明すると、請求項１に記載の
発明は、電子ビームを試料９上で走査するときに放出さ
れる２次電子をガス増幅し、増幅された２次電子を電流
として検出して画像に変換する走査型電子顕微鏡に適用
される。そして、電子ビームによる観察と同時に電子ビ
ームの走査面を観察する光学式顕微鏡を具備することに
より上述の目的が達成される。請求項２に記載の発明
は、請求項１に記載の走査型電子顕微鏡において、光学
式顕微鏡に電子ビームの照射軸Ｘ１と同軸の光軸Ｘ２を
有する対物光学系を設けるものである。請求項３に記載
の発明は、請求項１または２に記載の走査型電子顕微鏡
において、対物光学系を試料９に対し電子ビームと反対
側に設けるものである。請求項４に記載の発明は、請求
項３に記載の走査型電子顕微鏡において、光学式顕微鏡
に観察像をミラー反転する反転手段２２を設けるもので
ある。請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記
載の走査型電子顕微鏡において、対物光学系を試料９に
対し電子ビームと同じ側に設けるものである。請求項６
に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の
走査型電子顕微鏡において、光学式顕微鏡に電子ビーム
の走査面を照明する照明手段１６と、照明手段１６によ
り照明された走査面の像を撮像して映像化する映像化手
段２１とを設けるものである。請求項７に記載の発明
は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の走査型電子顕
微鏡において、光学式顕微鏡に電子ビームの走査面でレ
ーザ光線を走査する走査手段と、走査手段により走査さ
れるレーザ光の反射光を検出する検出手段と、検出手段
の出力信号を画像に変換する変換手段とを設けるもので
ある。

【０００７】請求項１に記載発明では、電子ビームの走
査面を観察する光学式顕微鏡を具備するので、光学式顕
微鏡像を観察しながら試料の観察部位を電子顕微鏡の観
察視野に導くことができる。本発明による電子顕微鏡は
いわゆる環境制御型のものであり、光をノイズとして捕
捉しないから、光学式顕微鏡による同時観察が可能であ
る。請求項２に記載の発明では、電子ビームの照射軸Ｘ
１と同軸の光軸を有する対物光学系により電子ビームの
走査面を観察する光学式顕微鏡を備えるので、光学式顕
微鏡の対物光学系の光軸を観察部位に一致させたとき
に、この観察部位が電子ビームの照射軸Ｘ１上に導かれ
る。請求項３に記載の発明では、光学式顕微鏡により電
子ビームの照射方向と反対方向から電子ビームの走査面
を観察できる。また、試料の表裏を同時に観察できる。
請求項４に記載の発明では、光学式顕微鏡の観察像がミ
ラー反転され、光学式顕微鏡の観察像と電子顕微鏡の観
察像とが互いに逆像とならない。請求項５に記載の発明
では、光学式顕微鏡により電子ビームの照射方向と同一
方向から電子ビームの走査面を観察できる。

【０００８】なお、本発明の構成を説明する上記課題を
解決するための手段と作用の項では、本発明を分かり易
くするために実施例の図を用いたが、これにより本発明
が実施例に限定されるものではない。

【０００９】

【発明の実施の形態】

−第１の実施の形態− 図１は本発明による走査型電子顕微鏡の第１の実施の形
態を示す。図１において上下方向に延設された略円柱形
状の真空室１内の上部には、電子銃２が、真空室１上部
の外周にはリング状のコンデンサレンズ３が、真空室１
下部の外周にはリング状の電磁偏向器４が、電磁偏向器
４の外側にはリング状の対物レンズ５が、それぞれ設け
られている。真空室１は真空ポンプ６により排気され、
低圧状態に保たれている。なお、図１では模式的に真空
室１を一つの部屋として示しているが、実際には複数の
圧力制限アパーチャ板により仕切られた複数（例えば３
つ）の部屋から構成されており、各部屋が真空ポンプに
より差動排気されている。そして、最も真空度の高い部
屋に電子銃２が設けられている。

【００１０】真空室１の下方には、圧力制限板７に形成
された圧力制限アパーチャ７ａを介して真空室１と連通
された試料室８が設けられている。試料室８の中央部に
は圧力制限アパーチャ７ａと対向して、観察試料のレク
チル９が載置されている。試料室８には不図示の気体供
給源よりガス増幅に寄与する気体（例えば水蒸気）が供
給されるとともに、試料室８内部の気体の圧力は真空ポ
ンプ１０により０．１〜数１０Ｔｏｒｒ程度に保たれて
いる。試料室８の気体は圧力制限アパーチャ７ａを通っ
て真空室１に漏れるが、真空室１は真空ポンプ６により
試料室８よりも高い真空度に維持されている。上述のよ
うに、実際には差動排気により電子銃２の収納部に向っ
て順次真空度が高くなる。

【００１１】第１の実施の形態においては、圧力制限ア
パーチャ板７が２次電子検出器を兼ねており、その圧力
制限アパーチャ板７には、試料室８の側壁に設けた絶縁
性のハーメチックシール１１を介して可変電圧源１２よ
り正の電圧が供給され、圧力制限アパーチャ板７の電位
はレクチル９の電位よりも高くされている。その圧力制
限アパーチャー板７からの２次電子信号（電流信号）は
プリアンプ１３を介して画像処理装置１４に取込まれ、
画像処理装置１４からの信号は電子顕微鏡像として多画
像処理装置２２へ出力される。

【００１２】レクチル９を観察する場合には、真空室１
の電子銃２から出射した電子ビームがアパーチャ７ａを
通過してレクチル９に収束される。電子ビームは電磁偏
向器４によりレクチル９上で走査され、対物レンズ５に
よりレクチル９上でのスポット径が制御される。レクチ
ル９に電子ビームが照射されると、レクチル９から２次
電子が放出し、さらに試料室８のガスにより２次電子が
増幅される。増幅された２次電子は２次電子検出器であ
る圧力制限アパーチャー板７で捉えられ、上述のように
電子顕微鏡像に変換される。

【００１３】一方、レクチル９は試料室８の底面に設け
た真空窓１５を介して光学的に観察される。光源１６か
らの出射光は、フィールドレンズ１７、ハーフミラー１
８および真空窓１５を透過して対物レンズ１９により集
光され、レクチル９のパターン面（上面）を照明する。
レクチル９のパターン像は、対物レンズ１９および真空
窓１５を通り、ハーフミラー１８で反射される。反射さ
れたパターン像はフィールドレンズ２０を介してＣＣＤ
２１上に結像し、ＣＣＤ２１の信号は光学式顕微鏡像と
して多画像処理装置２２へ出力される。図１に示すよう
に、対物レンズ１９の光軸Ｘ２は電子ビームの照射軸Ｘ
１と同軸に配置され、光学式顕微鏡による観察方向と電
子顕微鏡による観察方向（電子銃の向けられた方向）と
は互いに対向している。

【００１４】電子顕微鏡の像および光学式顕微鏡の像は
多画像処理装置２２により処理され、モニタ２３に表示
される。例えば、両者の像を並べたり重ねて表示したり
することができる。第１の実施の形態ではレクチル９は
電子顕微鏡により上面から観察され、光学式顕微鏡によ
り下面から観察される。したがって、このままでは２つ
の像は互いにミラー反転した像（裏像）になるので、Ｃ
ＣＤ２１から受けた像を多画像処理装置２２によりミラ
ー反転している。

【００１５】このように、いわゆる環境制御型の電子顕
微鏡は光をノイズとして捕捉しないので光学式顕微鏡と
同時観察ができる。また、第１の実施の形態では光学式
顕微鏡の対物レンズ１９の光軸Ｘ２と、電子顕微鏡の電
子ビームの照射軸Ｘ１とを互いに同軸にしているので、
光学式顕微鏡の視野の中心に観察部位を設定する操作に
より、観察部位を電子顕微鏡の観察視野に導くことがで
きる。したがって、観察部位を容易に電子顕微鏡の観察
視野の位置に設定することができ、何度も試料を移動さ
せる必要がない。また、光学式顕微鏡の像と電子顕微鏡
の像とをモニタ２３に同時に表示し、両者を並べたり重
ねたりすることができるので、試料観察時の操作が容易
となる。

【００１６】第１の実施の形態では、多画像処理装置２
２により光学式顕微鏡による像をミラー反転するように
しているが、画像処理により反転する代りにプリズムを
光学系に組込んで光学像を反転するようにしてもよい。
また、第１の実施の形態では、対物レンズ１９を設けて
観察試料の像を観察するようにしているが、対物レンズ
１９の代りにファイバースコープなどを用いて、光学像
を外部に導いてもよい。さらに、第１の実施の形態では
光源１６の光を観察試料に照射して、その像をＣＣＤ２
１に結像させるようにしているが、レーザ光を観察試料
上で走査し、その反射光を光検出器で検出するような、
いわゆるレーザ走査型顕微鏡を用いてもよい。光検出器
の出力を処理して反射光の強度分布を２次元平面に再現
することにより、レーザ走査面の観察像が得られる。

【００１７】第１の実施の形態では、光学式顕微鏡の対
物レンズ１９の光軸Ｘ２を電子ビームの照射軸Ｘ１と同
軸に設けているが、必ずしもこれら光軸Ｘ１および照射
軸Ｘ２を互いに同軸に設けなくてもよい。

【００１８】−第２の実施の形態− 以下、図２を参照して第２の実施の形態の走査型電子顕
微鏡について説明する。なお、第１の実施の形態の電子
顕微鏡と同一の部分には同一の符号を付してその説明を
省略する。

【００１９】試料室８の試料１０９は、真空室１の中段
に設けられた真空窓１１５を介して光学的に観察され
る。光源１１６から出射した照明光はフィールドレンズ
１１７、ハーフミラー１１８および真空窓１１５を介し
て真空室１に入射する。つづいて照明光は、真空室１内
の真空窓１１５と同じ高さに設けられた反射鏡２４で下
向きに反射され、さらに対物レンズ１１９を透過してレ
チクル１０９を照明する。反射鏡２４および対物レンズ
１１９の中央部には電子ビームを通すための孔が形成さ
れている。また、対物レンズ１１９の光軸Ｘ２´は電子
ビームの照射軸Ｘ１と同軸に配置されている。

【００２０】レチクル１０９の像は対物レンズ１１９で
集光され、反射鏡２４で反射される。反射された像はさ
らに真空窓１１５、ハーフミラー１１８およびフィール
ドレンズ１２０を透過して、ＣＣＤ１２１に結像する。
ＣＣＤ１２１の出力信号は第１の実施の形態と同様、多
画像処理装置１２２により処理されて、光学顕微鏡像が
電子顕微鏡像と同時にモニタ１２３に表示される。

【００２１】図２に示すように、光学式顕微鏡の対物レ
ンズ１１９の光軸Ｘ２´は、電子ビーム軸Ｘ１と同軸に
設けられ、しかも光学式顕微鏡の観察方向は電子ビーム
の照射方向と同一にされている。したがって、第１の実
施の態様と異なり、観察試料が光を透過しない場合であ
っても光学式顕微鏡により電子ビームの走査面を観察す
ることができる。なお、電子顕微鏡と光学式顕微鏡の観
察方向とを同一としているので、光学式顕微鏡像をミラ
ー反転する必要はない。

【００２２】第２の実施の形態では観察試料１０９の上
方からのみ光学式顕微鏡で観察できるようにされている
が、第１の実施の形態で示した光学式顕微鏡をさらに設
けて、一対の顕微鏡により観察試料を上下両方向から照
明・観察できるようにしてもよい。

【００２３】本明細書において、「電子ビームの照射
軸」とは、走査面の中央に入射する電子ビームの軌跡
を、「対物光学系の光軸」とは、観察面を通る光学式顕
微鏡の光軸をいう。

【００２４】

【発明の効果】請求項１に記載の発明によれば、光をノ
イズとして捕捉しないいわゆる環境制御型の電子顕微鏡
に光学顕微鏡を組込み、電子ビームによる観察と同時に
電子ビームの走査面を観察する光学式顕微鏡を具備する
ので、光学式顕微鏡像と電子顕微鏡像とを同時に観察す
ることができ、したがって、観察部位を電子顕微鏡の観
察視野に導くことが容易になる。請求項２に記載の発明
によれば、電子ビームの照射軸と同軸の光軸を持つ対物
光学系を有する光学式顕微鏡を備えるので、光学式顕微
鏡像と電子顕微鏡像とを同時に観察することができ、し
たがって、観察部位を電子顕微鏡の観察視野に導くこと
が容易になる。請求項３に記載の発明によれば、光学式
顕微鏡の対物光学系が試料に対して電子ビームと反対側
に設けられているので、試料の表裏を同時に観察でき
る。請求項４に記載の発明によれば、光学式顕微鏡の観
察像が反転手段により反転されるので、電子顕微鏡像と
光学式顕微鏡像とが互いに正像となり、観察部位を電子
顕微鏡の観察視野に導くことが容易になる。請求項５に
記載の発明によれば、光学式顕微鏡の対物光学系が電子
ビームと同じ側に設けられているので、試料が透明であ
るか否かと関係なく観察部位を光学式顕微鏡により観察
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査型電子顕微鏡の第１の実施の
形態を示す図。

【図２】本発明による走査型電子顕微鏡の第２の実施の
形態を示す図。

【符号の説明】

９ 試料 １６ 光源 ２１ ＣＣＤ ２２ 多画像処理装置 Ｘ１ 照射軸 Ｘ２ 光軸

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを試料上で走査するときに放
   出される２次電子をガス増幅し、増幅された２次電子を
   電流として検出して画像に変換する走査型電子顕微鏡に
   おいて、 前記電子ビームによる観察と同時に前記電子ビームの走
   査面を観察する光学式顕微鏡を具備することを特徴とす
   る走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記光学式顕微鏡は前記電子ビームの照
   射軸と同軸の光軸を有する対物光学系を備えることを特
   徴とする請求項１に記載の走査型電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 前記対物光学系は前記試料に対し前記電
   子ビームと反対側に設けられていることを特徴とする請
   求項１または２に記載の走査型電子顕微鏡。
4. 【請求項４】 前記光学式顕微鏡は観察像をミラー反転
   する反転手段を備えることを特徴とする請求項３に記載
   の走査型電子顕微鏡。
5. 【請求項５】 前記対物光学系は前記試料に対し前記電
   子ビームと同じ側に設けられていることを特徴とする請
   求項１または２に記載の走査型電子顕微鏡。
6. 【請求項６】 前記光学式顕微鏡は電子ビームの前記走
   査面を照明する照明手段と、前記照明手段により照明さ
   れた前記走査面の像を撮像して映像化する映像化手段と
   を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項
   に記載の走査型電子顕微鏡。
7. 【請求項７】 前記光学式顕微鏡は電子ビームの前記走
   査面でレーザ光線を走査する走査手段と、前記走査手段
   により走査されるレーザ光の反射光を検出する検出手段
   と、前記検出手段の出力信号を画像に変換する変換手段
   とを備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１
   項に記載の走査型電子顕微鏡。