JPH09251844A

JPH09251844A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JPH09251844A
Application number: JP8057838A
Authority: JP
Inventors: Mitsugi Sato; 佐藤　　貢
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】観察倍率変更時や画像記録時に最適フォーカ
ス条件を維持する。【解決手段】像表示装置１７の表示画素の大きさに対
応する試料上での画素サイズと最適フォーカス条件の関
係を記憶装置１９に記憶し、その関係を用いて倍率変更
時にフォーカス電流を補正する。また、画像を記録する
ときの画素サイズとフォーカスを調整したときの画素サ
イズの違いに対応して画像記録時にフォーカス電流を補
正する。【効果】一度フォーカス調整を行うと、観察倍率を変
更したり像記録を行うときに、常に最高の画質で画像の
観察及び記録を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査形電子顕微鏡
やＦＩＢ（収束イオンビーム装置）等の荷電粒子線装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査形電子顕微鏡やＦＩＢ等の荷電粒子
線装置は、細く絞った一次電子線やイオンビーム等の荷
電粒子線で試料表面を２次元的に走査し、試料から得ら
れる信号を荷電粒子線の走査と同期してＣＲＴなどの表
示装置に画像として表示する装置である。試料から得ら
れる信号としては二次電子、反射電子、Ｘ線、カソード
ルミネッセンス、試料吸収電流等が利用され、検出され
る信号の種類に応じて試料の二次電子像、反射電子像、
特性Ｘ線像、カソードルミネッセンス像、試料吸収電流
像などを得ることができる。

【０００３】従来、荷電粒子線装置で試料の拡大像を観
察するには、加速電圧、ビーム収束半角、収束レンズ条
件等の光学パラメータを設定し、低倍から順次倍率を上
げて視野を選択する。続いて、選択された視野において
所望の観察倍率を設定し、対物レンズの励磁電流すなわ
ちフォーカス電流を変えることでフォーカス調整を行
う。一旦、フォーカス調整が終了すると、その後に観察
倍率を変更しても通常は再度のフォーカス調整を行うこ
とはない。また、観察像を記録するときのフォーカス条
件は、観察時のフォーカス条件をそのまま使用する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、荷電粒
子線装置の光学系の球面収差係数やビーム収束半角など
の光学系の状態、あるいは観察している倍率範囲によっ
ては、フォーカスを最適な状態に調整したあとで観察倍
率を変更したり、フォーカス調整時と異なる倍率で画像
を記録したとき、あるいは観察時と同じ倍率であっても
観察時と異なる精細度で画像を記録したりすると最適フ
ォーカスからずれてしまうことが経験的に知られてい
る。特に、走査形電子顕微鏡で、大きなビーム電流が必
要とされるＸ線分析や試料吸収電流像の観察のために大
きな絞り孔を選択したときには、この現象が顕著にな
る。そのため、観察倍率を変更したり、フォーカス調整
時と大きく異なる倍率で像を記録するときには、その倍
率で再度フォーカスを調整しなければならない欠点があ
った。

【０００５】本発明は、こうした従来技術の欠点をなく
し、ある観察倍率でフォーカスを調整したら、その後、
像の表示倍率を変えても常にその表示倍率における最適
フォーカス条件で観察することができ、また表示された
像を最適フォーカス条件で記録することのできる荷電粒
子線装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明においては、荷電粒子線装置の加速電圧やビ
ーム収束半角、球面収差係数、光学系の縮小率など、光
学系の状態に応じて、予め、実験あるいはシミュレーシ
ョンなどの手段で観察倍率の変化に対応する最適フォー
カス電流の変化の関係をテーブル、あるいは計算式とし
て求めておき、観察倍率変更時にこの関係からフォーカ
ス電流、すなわち対物レンズの励磁電流を制御するよう
にした。

【０００７】すなわち、本発明は、荷電粒子線源から放
出された荷電粒子線を試料上で走査し、前記試料から発
生した信号を検出して走査像を得る荷電粒子線装置にお
いて、フォーカス電流を像の表示倍率に連動して変化さ
せる制御手段を備えることを特徴とするものである。フ
ォーカス電流と像の表示倍率との関係は、像表示におけ
る画素の大きさ、試料上における荷電粒子線のビーム収
束半角と対物レンズの球面収差係数、加速電圧、荷電粒
子線源から対物レンズまでのトータルの光学倍率等に対
応して決められる。

【０００８】また、通常、フォーカス調整はモニタＣＲ
Ｔ上に表示された像を見て行うが、モニタＣＲＴ上で最
適にフォーカス調整された像を写真フィルムに撮影した
り、ディジタル画像信号として画像メモリ取り込んだり
して像記録を行う際には、画素数を増加してモニタＣＲ
Ｔでの観察時より精細度を上げた記録を行うのが一般的
である。このように、一般には、モニタＣＲＴ上の表示
画像の画素数と画像を記録するときの画素数とが異なる
ため、観察時と記録時の試料上での画素サイズの違いに
よって最適フォーカス条件に違いが生じる。本発明で
は、この関係を予め実験やシミュレーションで求めてお
き、モニタ時と記録時の試料上での画素サイズの違いに
対応するフォーカス補正を施して最適フォーカス条件で
画像記録を行うようにした。

【０００９】すなわち、本発明はまた、荷電粒子線源か
ら放出された荷電粒子線を試料上で走査し、試料から発
生した信号を検出して走査像を得る荷電粒子線装置にお
いて、像を記録するときのフォーカス電流をフォーカス
調整後のフォーカス電流に対して変化させる制御手段を
備えることを特徴とするものである。像を記録するとき
のフォーカス電流とフォーカス調整後のフォーカス電流
との関係は、フォーカスを調整したときの像の表示倍率
における像表示画素に対応した試料上の領域の大きさを
ｄ１、像を記録するときの記録画素に対応した試料上の
領域の大きさをｄ２とするときのｄ１とｄ２の値、試料
上における荷電粒子線のビーム収束半角と対物レンズの
球面収差係数、加速電圧、荷電粒子線源から対物レンズ
までのトータルの光学倍率等に対応して決められる。

【００１０】次に、最適フォーカス条件が観察倍率や表
示画素サイズに依存する理由を走査形電子顕微鏡を例に
とって説明する。走査形電子顕微鏡における最適フォー
カス条件は、一般に、試料上を走査するときの一次電子
ビームが最も細くなる条件と言われているが、試料上に
おける一次電子ビームの強度分布を詳細に調べると、ビ
ームが最も細いという定義に曖昧さがあることがわか
る。

【００１１】一次電子線を試料上にフォーカスさせる対
物レンズには、必ず球面収差や色収差などのレンズ収差
がある。例えば、球面収差係数が１００ｍｍで、図６に
示すように試料８上における一次電子線４のビーム収束
半角θ（図６参照）が５ｍｒａｄの場合を例に試料８上
でのビーム強度分布を計算すると、フォーカス位置の違
いによって図２に示すようなビーム強度分布Ａ及び強度
分布Ｂが得られる。図２において、強度分布Ａのフォー
カス位置は強度分布Ｂのフォーカス位置よりも１．４μ
ｍだけオーバーフォーカス側にずれた位置にあるものと
した。この図から、強度分布Ａは強度分布Ｂよりもビー
ム中心がシャープであるが、そのテールは分布Ｂよりも
大きいことがわかる。このフォーカス位置の違いによる
ビーム強度分布の相違は、レンズ収差や、ビーム収束半
角、電子の波長、電子源の大きさ、光学系の縮小率など
によっても異なる。

【００１２】さて、ＣＲＴ等の表示装置に表示される画
像は有限の画素で構成されるため、１画素は有限の大き
さをもつ。例えば、表示装置の画像が５００×５００画
素で構成されているとし、表示画像の視野が試料上で１
０μｍ×１０μｍの範囲であれば、試料上に換算した１
画素の大きさは、（１０μｍ／５００）×（１０μｍ／
５００）＝２０ｎｍ×２０ｎｍとなる。オペレータがこ
の条件で対物レンズの励磁電流（フォーカス電流）を調
整すれば、この表示画像に対してコントラストやシャー
プネスが最も良いフォーカス条件を設定することになる
のは言うまでもない。一方、観察倍率を変更すれば試料
上での一次電子線の走査範囲が変更されるため、試料上
に換算した表示画像の１画素当たりの大きさも変更され
る。

【００１３】画素は画像を構成する最小単位のため、与
えられた画素サイズ（試料上に換算したサイズ）に対す
る最適フォーカス条件とは、その画素に含まれる信号量
が最も多い条件である。すなわち、試料上に換算した画
素領域に含まれるビーム電流が最も多くなるビーム強度
分布が得られるフォーカス条件が、その観察倍率に対す
る最適フォーカス条件である。

【００１４】例えば、図３に示すような比較的小さな画
素サイズの場合には、ビーム強度分布Ａの方が強度分布
Ｂよりも試料上での画素領域に含まれるビーム電流が多
いため、この画素に対する最適フォーカス条件はビーム
強度分布Ａが得られる条件となる。しかし、観察倍率を
低くして試料上での画素サイズを図４のように大きくす
ると、強度分布Ｂの方が強度分布Ａの場合よりも試料上
での画素領域に含まれるビーム電流が多くなり、強度分
布Ｂが得られるフォーカス条件が最適となる。以上の説
明から、最適フォーカス条件が試料上での画素領域の大
きさ、すなわち、観察倍率に依存することは明白であ
る。

【００１５】また、通常、フォーカスを調整するための
モニタ像の画素数は５００×５００程度であるが、この
画像を記録するときには、走査線密度を上げて１０００
×１０００程度、あるいは、２０００×２０００程度の
画素数で像を取り込むのが普通である。したがって、フ
ォーカスを調整したときの観察倍率と画像を記録すると
きの観察倍率が同一でも、フォーカス調整時のモニタ像
と記録する画像の画素数が異なるために、両者の試料上
での画素領域の大きさが異なり、最適フォーカス条件が
変わってしまう。本発明によると、これらのフォーカス
条件のずれを予め求めておき、観察倍率変更時もしくは
画像記録時にフォーカス補正を行うことで、常に最高の
画質で画像の観察及び記録を行うことができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。ここでは、説明を簡単にするため
走査形電子顕微鏡の例で説明する。図１は、本発明によ
る走査形電子顕微鏡の一例の概略説明図である。陰極１
と第一陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）
３０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加さ
れ、所定のエミッション電流が陰極から引き出される。
陰極１と第二陽極３の間には、ＣＰＵ３０で制御される
高圧制御電源２０により加速電圧が印加されるため、陰
極１から放出された一次電子線４は加速されて後段のレ
ンズ系に進行する。一次電子線４は、レンズ制御電源２
１で制御されたビーム電流制御用収束レンズ５で収束さ
れ、絞り板９でビームの不要な領域が除去される。その
後、レンズ制御電源２２で制御された縮小率調整用の収
束レンズ６、及び、対物レンズ制御電源２３で制御され
た対物レンズ７により試料８に微小スポットとして収束
され、走査コイル１０で試料上を二次元的に走査され
る。走査コイル１０の走査信号は、観察倍率に応じて走
査コイル制御電源２４により制御される。一次電子線４
の収束角（ビーム収束半角）は、対物レンズ絞り９と、
縮小率制御用の収束レンズ６の焦点位置で最適値に決め
られる。

【００１７】試料から発生した二次電子１５は、二次電
子検出器１６で検出される。二次電子検出器１６の出力
信号（像信号）は、Ａ／Ｄ変換器３１によってデジタル
信号に変換されて画像メモリ３２に取り込まれる。画像
メモリ３２に取り込まれた画像は、Ｄ／Ａ変換器３３で
アナログ信号に戻され、像表示装置１７に走査電子顕微
鏡（ＳＥＭ）像として表示される。像表示装置１７で表
示される画像のコントラストと明るさは、ＣＰＵ３０で
最適値に制御される。また、フォーカス調整された後の
画像は、一旦画像メモリ３２に取り込まれ、画像記録装
置１８により記録媒体に記録される。画像記録装置１８
は、例えばイメージプリンタや磁気ディスクとすること
ができる。画像記録は、画像メモリ１８に記憶された画
像をＤ／Ａ変換器３４でアナログ信号に変換して高解像
度のフォトＣＲＴ３５に表示し、それを撮影レンズ３６
で写真フィルムに結像したり、二次電子検出器１６の像
信号をそのままフォトＣＲＴ３５に表示して写真撮影す
ることによっても行うことができる。

【００１８】ＣＰＵ３０に接続された記憶装置１９に
は、電子顕微鏡の加速電圧や動作距離（ＷＤ：ワーキン
グディスタンス）、ビーム収束半角、光学系の縮小率等
に応じて、図５に示すような試料上の画素サイズと最適
フォーカス電流の関係が予め登録されている。最適フォ
ーカス電流は、図３及び図４によって説明したように、
その単位画素領域に含まれるビーム電流が最大となるビ
ーム強度分布を有する一次電子線を発生することのでき
るフォーカス電流であり、電子顕微鏡の加速電圧や動作
距離（ＷＤ：ワーキングディスタンス）、ビーム収束半
角、球面収差係数、光学系の縮小率等で表される光学系
の状態の関数である。この最適フォーカス電流は、予め
実験あるいはシミュレーションなどによって求めること
ができ、テーブルあるいは計算式の形で記憶装置１９に
記憶されている。図７により、観察倍率を変更すると
きのフォーカス電流の調整方法について説明する。ま
ず、加速電圧、ビーム収束半角、縮小率等、走査電子顕
微鏡の光学パラメータを設定し（Ｓ７１）、観察倍率を
設定する（Ｓ７２）。このとき制御ＣＰＵ３０は、その
ときの像倍率と像表示装置１７上の画素サイズから試料
上における画素領域の大きさｄ１を計算して記憶する
（Ｓ７３）。走査形電子顕微鏡のオペレータは、像表示
装置１７上に表示される画像のコントラストやシャープ
ネスが最もよい条件となるように対物レンズ制御電源２
３を通してフォーカス電流を調整する（Ｓ７４）。その
後、オペレータが観察倍率を変更すると（Ｓ７５）、Ｃ
ＰＵ３０は試料上での倍率変更後の画素領域の大きさｄ
２を計算して（Ｓ７６）、図５の関係からｄ１とｄ２に
おけるフォーカス電流の差ΔＩｏを求めて（Ｓ７７）、
このΔＩｏだけフォーカス電流すなわち対物レンズ励磁
電流を変更する（Ｓ７８）。このように、試料像の表示
倍率を変更するとき、それに連動してフォーカス電流を
変化させることにより、一度フォーカス調整するだけで
どの表示倍率においても常にその表示倍率に最適なフォ
ーカス条件を自動的に実現することができる。

【００１９】図８は、像表示装置１７上でフォーカス調
整を行った後、画像記録を行う手順を説明する図であ
る。まず、加速電圧、ビーム収束半角、縮小率等、走査
電子顕微鏡の光学パラメータを設定し（Ｓ８１）、観察
倍率を設定する（Ｓ８２）。このとき制御ＣＰＵ３０
は、そのときの像倍率と像表示装置１７上の画素サイズ
から試料上における画素領域の大きさｄ３を計算して記
憶する。走査形電子顕微鏡のオペレータは、像表示装置
１７上に表示される画像のコントラストやシャープネス
が最もよい条件となるように対物レンズ制御電源２３を
通してフォーカス電流を調整する（Ｓ８４）。その後、
オペレータが画像記録操作を行うと（Ｓ８５）、ＣＰＵ
３０は画像記録時の画素数と観察倍率から試料上の画素
サイズｄ４を計算する（Ｓ８６）。続いて、ＣＰＵ３０
は、最後にフォーカス調整したときの試料上の画素サイ
ズｄ３と画像を記録するときの試料上の画素サイズｄ４
とから、記憶装置１９に記憶されている図５の関係に基
づいてフォーカス電流補正値ΔＩｏを求め（Ｓ８７）、
この値でフォーカス電流を変更してから（Ｓ８８）、記
録画像の取り込み・記録処理を実施する（Ｓ８９）。し
たがって、画像記録時の画素サイズに最適なフォーカス
条件で画像の記録ができる。

【００２０】

【発明の効果】本発明によれば、一度フォーカス調整を
行えば、その後、観察倍率を変えても最適フォーカス条
件が維持されるため、再度フォーカス調整を行う必要が
なくなる。また、画像記録においては、記録画像の画素
数に応じて最適なフォーカス条件が設定されるため、常
に最高の画質で画像を記録できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による走査形電子顕微鏡の一例の概略説
明図。

【図２】ビームフォーカス位置の違いによるビーム強度
分布の違いを説明する図。

【図３】画素サイズが小さいとき（観察倍率が高いと
き）の最適ビーム強度分布を説明する図。

【図４】画素サイズが大きいとき（観察倍率が低いと
き）の最適ビーム強度分布を説明する図。

【図５】試料上の画素サイズと最適フォーカス電流の関
係を示す説明図。

【図６】ビーム収束半角の説明図。

【図７】観察倍率を変更する際のフォーカス制御を説明
するフローチャート。

【図８】画像記録を行う際のフォーカス制御を説明する
フローチャート。

【符号の説明】

１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子
線、５…ビーム電流調整用収束レンズ、６…縮小率調整
用収束レンズ、７…対物レンズ、８…試料、９…絞り
板、１０…走査コイル、１５…二次電子、１６…二次電
子検出器、１７…像表示装置、１８…画像記録装置、１
９…記憶装置、２０…高圧制御電源、２１…ビーム電流
調整用収束レンズ制御電源、２２…縮小率制御用収束レ
ンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査
コイル制御電源、３０…制御ＣＰＵ、３１…Ａ／Ｄ変換
器、３２…画像メモリ、３３…Ｄ／Ａ変換器、３４…Ｄ
／Ａ変換器、３５…フォトＣＲＴ、３６…撮影レンズ、
３７…写真フィルム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子線源から放出された荷電粒子線
を試料上で走査し、前記試料から発生した信号を検出し
て走査像を得る荷電粒子線装置において、フォーカス電
流を像の表示倍率に連動して変化させる制御手段を備え
ることを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】前記フォーカス電流と像の表示倍率との
関係は、少なくとも像表示における画素の大きさに対応
して決めることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線
装置。
【請求項３】前記フォーカス電流と像の表示倍率との
関係は、少なくとも試料上における荷電粒子線のビーム
収束半角と対物レンズの球面収差係数に対応して決める
ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項４】前記フォーカス電流と像の表示倍率との
関係は、少なくとも加速電圧に対応して決めることを特
徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項５】前記フォーカス電流と像の表示倍率との
関係は、少なくとも荷電粒子線源から対物レンズまでの
トータルの光学倍率に対応して決めることを特徴とする
請求項１記載の荷電粒子線装置。
【請求項６】荷電粒子線源から放出された荷電粒子線
を試料上で走査し、前記試料から発生した信号を検出し
て走査像を得る荷電粒子線装置において、像を記録する
ときのフォーカス電流をフォーカス調整後のフォーカス
電流に対して変化させる制御手段を備えることを特徴と
する荷電粒子線装置。
【請求項７】像を記録するときのフォーカス電流とフ
ォーカス調整後のフォーカス電流との関係は、フォーカ
スを調整したときの像の表示倍率における像表示画素に
対応した試料上の領域の大きさをｄ１、像を記録すると
きの記録画素に対応した試料上の領域の大きさをｄ２と
するとき、少なくともｄ１とｄ２の値に対応して決める
ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
【請求項８】像を記録するときのフォーカス電流とフ
ォーカス調整後のフォーカス電流との関係は、少なくと
も試料上における荷電粒子線のビーム収束半角と対物レ
ンズの球面収差係数に対応して決めることを特徴とする
請求項６記載の荷電粒子線装置。
【請求項９】像を記録するときのフォーカス電流とフ
ォーカス調整後のフォーカス電流との関係は、少なくと
も加速電圧に対応して決めることを特徴とする請求項６
記載の荷電粒子線装置。
【請求項１０】像を記録するときのフォーカス電流と
フォーカス調整後のフォーカス電流との関係は、少なく
とも荷電粒子線源から対物レンズまでのトータルの光学
倍率に対応して決めることを特徴とする請求項６記載の
荷電粒子線装置。