JPH0982257A - 荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補正及び焦点合わせ方法 - Google Patents
荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補正及び焦点合わせ方法Info
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Abstract
て、試料の表面形状にによらず、高精度に非点収差補正
及び焦点合わせを可能にすること。 【解決手段】この発明の荷電粒子光学鏡筒における非点
収差の補正及び焦点合わせ方法は、試料上を荷電粒子を
走査して得られる像のフーリエ変換レンズの焦点距離の
異なる設定において求め、両者の違いからビームの断面
形状を判定し、それに基づき非点収差補正及び焦点合わ
せを行うものである。
Description
の微細パターンを観察するのに用いられる走査型荷電粒
子顕微鏡等の荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補正
及び焦点合わせ方法に関するものである。
る場合、電子顕微鏡を用いた観察が行われている。今日
では、一般的に用いられる走査電子顕微鏡においても、
その分解能は1nmを下回るようになっている。
子顕微鏡の構成を示し説明する。同図に於いて、電解放
出型の電子銃3はカソード1及びアノード2により構成
されており、高輝度の電子ビーム4を発生する。この電
子ビーム4をコンデンサレンズ5と絞り7、対物レンズ
6を介して更に縮小し、試料8表面に照射する。このと
き、検出器11により試料表面から放出される二次電子
を検出する。電子ビーム4は走査制御回路12により制
御される偏向器10によって試料台9に置かれた試料8
上で二次元的に走査される。これと同期させて、検出器
11の信号を画像表示装置13に表示することにより、
試料表面の情報が得られる。
た集束系では、通常「非点収差」と呼ばれる収差が存在
する。これは、ビーム軸に垂直な2方向についてビーム
が集束する位置が軸方向にずれる為に起きるものであ
る。このような収差が存在する場合、試料面上のビーム
断面形状は対物レンズ6の焦点距離に応じて図6(a)
乃至(c)に示されるように変化する。尚、図6(b)
に示される円いビームが得られる状態のビーム径は、こ
の様な非点収差が存在しない場合に比べて大きいものと
なる。かかる収差は二方向の焦点距離が異なる為に生じ
る。
タ」と呼ばれる四重極の電場又は磁場を発生する手段を
互いに方向を45度ずらせて発生するように2個設け
て、各強度を調整することで、2方向の集束位置が一致
するようにしている。
法について説明する。図7(a)に示されるような矩形
のパターンを観察するとき、図6に示されるような非点
収差が存在すると、テレビ上の像は例えばビームの断面
形状が図6(a)のときは図7(b),(c)に示され
るようにエッジの分解能の高い方向と低い方向とが現れ
る。対物レンズ6の焦点距離を変えてビーム形状が図6
(c)のようになると、エッジ分解能の高い方向が入れ
替わる。そこで、2組のスティグマタを調整して対物レ
ンズ6の焦点距離を変えても像に方向性が無くなるよう
に調節する。このときビーム断面形状は図8(a)乃至
(c)に示されるようになる。
のようなときに、図7(a)のような試料を観察する場
合には分解能は二辺に垂直な方向に対して略等しく、非
点収差の補正が難しい。これは、非点補正を自動化する
場合も同様である。
の様な操作が行われる。先ず、異なるレンズの焦点距離
において得られる像のコントラストを求め、当該コント
ラストが最大である位置を求める。非点収差が大きいと
きには極大の位置が2点現れることがあるが、かかる場
合は両者の中間をとる。こうして決定された焦点位置に
おいて、x方向のスティグマタを調整してコントラスト
を最大にする。次いで、y方向のスティグマタを調整し
てコントラストを最大にする。以上の走査を繰り返し、
収束したところを最適の位置とする。
た調整方法には以下の様な問題が生じる。即ち、調整は
作業者の視覚に頼って行う為に作業者の熟練度によって
調整に差が出る。また、人間が行う為に調整に時間がか
かり、試料に必要以上にビームを照射することは試料に
損傷を与えたり、レジスト形状を変化させたりする多く
の場合に好ましくない。更に、試料に方向性がある場合
には補正は難しい。
実の試料では、人間の行う作業に比べて補正できる範囲
が限られており、殆どの場合には非点収差補正は人手に
よるものに劣る。更に、試料が方向性を持つ場合には特
に精度が低下する。
面形状が矩形或いは三角形である成形ビーム或いは任意
形状を含むキャラクタービームの場合更に深刻である。
かかる場合、像には試料の情報に加えてビーム形状に伴
う情報も含まれる為、非点収差の補正は更に困難とな
る。
で、その目的とするところは、荷電粒子光学鏡筒におい
て非点収差の補正を迅速且つ高精度で行い、試料或いは
ビーム断面形状による精度の低下を防止することにあ
る。
に、本発明の第1の態様による荷電粒子光学顕微鏡にお
ける非点収差の補正方法は、荷電粒子光学鏡筒におい
て、荷電粒子ビームを試料上に二次元的に走査して得ら
れる二次粒子信号を対物レンズの焦点距離が異なる少な
くとも二種類の設定において抽出する第1のステップ
と、上記第1のステップで抽出された各二次粒子信号の
二次元空間でのフーリエ変換をI(kx,ky) ,I′(kx,k
y) と定義する第2のステップと、上記第2のステップ
で定義されたI(kx,ky) ,I′(kx,ky) の各絶対値であ
る|I(kx,ky) |,|I′(kx,ky) |の大小関係によっ
て値が決定されるR(kx,ky) を算出する第3のステップ
と、上記第3のステップで算出されたR(kx,ky) のkx−
ky平面上での角度θ方向に対してexp(i2θ)又は
exp(−i2θ)に比例する成分が、正の実数A,及
び実数αに対して、Aexp(i(2θ+α))又はA
exp(−i(2θ+α))と表される時のαから非点
収差の方向を決定する第4のステップと、上記実数Aを
最小にするようにスティグマタを調整する第5のステッ
プとを有することを特徴とする。そして、第2の態様に
よる荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補正方法は、
上記R(kx,ky) が、
筒における焦点合わせ方法は、上記請求項1又は2に記
載のR(kx,ky) の符号分布が反転する境界を合焦位置と
して焦点距離を変化させることを特徴とする。
筒における非点収差の補正方法及び焦点合わせ方法は、
上記荷電粒子ビームの試料上の断面形状が、矩形、三角
形、任意形状を含むキャラクタ形状のうちの少なくとも
いずれかであることを特徴とする。
粒子顕微鏡の非点補正及び焦点合わせ方法においては、
荷電粒子ビームを試料上に走査した時に得られる像のフ
ーリエ変換を異なる焦点距離で求め、それを演算処理す
ることにより、ビーム断面形状の情報のみを取り出すよ
うにしてある。よって、試料の方向性によらず、高精度
に非点収差の方向が求められ、且つ合焦点位置が判る
為、高精度な非点補正及び焦点位置合わせが可能となる
といった作用を奏する。
の実施の形態に係る荷電粒子光学鏡筒における非点収差
の補正及び焦点合わせ方法について説明する。いま、図
2(a)に示されるようなパターンT(x,y) を有する試
料を観察して得られた像をi(x,y) とする。そして、か
かる試料に照射されたビームの中心が(x0,y0) にあると
きのビームの電流分布がo(x-x0,y-y0) で与えられると
定義し、先に示した図4の検出器11の信号がビームの
電流に比例するとすれば、次式が与えられる。ここで
は、比例定数を省略しており、更に積分範囲はx,y 方向
とも±無限大とすることができる。
,t(x,y) のフーリエ変換を、それぞれI(kx,ky) ,
O(kx,ky) ,T(kx,ky) とすると、 I(kx,ky) =O(kx,ky) T(kx,ky) が与えられる。実用的にはフーリエ変換の積分の範囲
は、SEM像領域に限定しても十分な近似が得られるこ
とは勿論である。
にはO(kx,ky) は実数である。仮にT(kx,ky) が一様で
あると|I(kx,ky) |は|O(kx,ky) |によって決ま
り、図2(b)に示すようになる。
定できる。
ないため、I(kx,ky) はO(kx,ky)の情報だけでなく、
T(kx,ky) の情報も含む。いま、レンズの焦点距離が異
なる時に得られる像のフーリエ変換をI′(kx,ky) 、ビ
ームの電流分布のフーリエ変換O′(kx,ky) に対して、
I(kx,ky) 又はI′(kx,ky) が0でないkx,kyに対し
て、 R(kx,ky)=Real((I(kx,ky) −I′(kx,ky))/
(I(kx,ky) +I′(kx,ky))) を定義すると、 R(kx,ky)=Real((O(kx,ky) −O′(kx,ky))/
(O(kx,ky) +O′(kx,ky))) といった関係が成立する。
ky) と、ビーム電流分布のフーリエ変換O(kx,ky) ,
O′(kx,ky) とが直接関係づけられた。R(kx,ky) の定
義で実数部をとってあるが、数学的にはO(kx,ky) が実
数である場合にはこれは不要である。しかし、実用上測
定精度や計算機による計算における誤差からR(kx,ky)
が複素数になる場合を処理する為に行っているものであ
る。
0)2 /2) とし、 O′(kx,ky)=A′exp(−(kx/kx0') 2
/2−(ky/ky0') 2 /2) とする。
に示す様になるときの電流分布、o′(x,y) が図6
(b)に示す様になるときの電流分布であるとすると、
kx>kx′,ky<ky′であるから、R(kx,ky) の符号分布
は図3に示すようになる。
電流分布の変化を反映している。ここで得られたR(kx,
ky) のkxky平面での分布の角度方向成分Bexp(2i
θ)を求めるとBは実数となる。逆に、Bが実数であれ
ばビームの断面はx或いはy方向に変形していることが
判る。同様に、xy座標系に対して軸が45度傾いたX
Y座標系で電流分布が、
して45度傾いたKxKy座標系で、 O(Kx,Ky)=Aexp(−(Kx/K1)2 /2
−(Ky/K2)2 /2) として与えられる。
めると、図3に示す様に各象限で符号が反転する様にな
る。これと同様にして、kxky平面での分布の角度方向成
分Bexp(2iθ)を求めると、BはB0を正実数と
てB0exp(i±π/2)となる。但し、符号は焦点
距離を変えた時のK1,K2の変化によって決まる。即
ち、ビーム断面はxy軸に対して45度傾いた方向に変
形している。
面はxy軸に対して45度傾いた方向に変形しているこ
とが判る。また、先に求めた変形の方向は単にR(kx,k
y) の対称軸の方向からも求められる。例えば、
y/ky0') 2 /2+(kx/kx0)2 /2−(ky/ky0)2 /
2))/(1+exp(−(kx/kx0') 2 /2−(ky/
ky0') 2 /2+(kx/kx0)2 /2−(ky/ky0)2 /
2)) と示され、この分布はkx軸,ky軸に関して対称である。
これより、ビーム断面がx軸、y軸方向に変形している
ことが判る。
のkx,ky平面での分布の角度方向成分Bexp(2i
θ)を求めたとき、BがB0を正実数とてB0exp
(iα)となれば、ビーム断面はxy軸に対して(−α
/2)だけ傾いた方向に変形していることが判る。ま
た、R(kx,ky) 分布の対称軸がkx軸と成す角度からαを
求めることも可能である。
上記原理に基づく、本実施の形態に係る荷電粒子光学鏡
筒における非点収差の補正及び焦点合わせ方法について
詳細に説明する。
子ビームを試料上に二次元的に走査して得られる二次粒
子信号を対物レンズの焦点距離が異なる少なくとも二種
類の設定zfとzf+Δにおいて抽出する(ステップS
1)。
二次粒子信号の二次元空間でのフーリエ変換をI(kx,k
y) ,I′(kx,ky) と定義する(ステップS2)。続い
て、上記ステップS2で定義されたI(kx,ky) ,I′(k
x,ky) の各絶対値である|I(kx,ky) |,|I′(kx,k
y) |の大小関係により値が決定されるR(kx,ky) を算
出する(ステップS3)。次に、焦点距離を更にΔ変え
てzf+2Δで第三の像のフーリエ変換I″(kx,ky) を
求める。I´(kx,ky) とI″(kx,ky) とから新しいR(k
x,ky) (これをR2(kx,ky))を計算する。この操作を繰
り返して、Rn(kx,ky) (Rn(kx,ky) はn回目に求め
たものを意味する)の符号が反転するまでこの操作を繰
り返す。次に、このRn(kx,ky) を求めたときの、焦点
距離をzf0,zf0 +Δとするとき、zfと2zf0-
zfでの測定から、改めてR(kx,ky)を求める(これを
Rf(kx,ky) と呼ぶ)(ステップS4)。
なっている。Rf(kx,ky) のkx-ky平面上の角度θに対
してexp(i2θ)またはexp(−i2θ)に比例
する成分が、正の実数A、及び実数αに対して、Aex
p(i(2θ+α))またはAexp(−i(2θ+
α))と表される時のαから、非点収差の方向を決定す
る(ステップS5)。
調整する。α一定の条件を満たすスティグマタの作用方
向の決定には例えばスティグマタを異なる方向に微小に
変化させた状態で、上記の方法でαを求めαが変かしな
い方向を求めればよい。スティグマタの調整は上記のA
が最小となるように行う(ステップS6)。
の絶対値を直接求める方法と、スティグマタの強度を変
化させたときにR(kx,ky) が符号を反転する強度による
方法も可能である。ところで、Rf(kx,ky) の取り方に
関しては、Aを比較できるものであれば任意性がある。
例えば、2zf0-zfの代わりにzf0 をとっても良
い。以上述べた方向により非点収差は補正される。
焦点距離を変化えて、R(kx,ky) の符号が略反転する境
界を合焦位置として焦点距離を変化させる。以上述べた
操作を実現する様に非点補正回路及び焦点合わせ回路を
組めば、高精度な自動非点補正及び自動焦点合わせが可
能となる。
(kx,ky) の定義はかならずしも上に述べたものである必
要はなく、例えば以下の様な定義も考えられる。 R(kx,ky) =(|I(kx,ky) |−|I′(kx,ky) |)/
(|I(kx,ky) |+|I′(kx,ky) |) R(kx,ky) =ln(|I(kx,ky) |/|I′(kx,ky)
|) R(kx,ky) =1−|I(kx,ky) |/|I′(kx,ky) | いずれにせよ、O(kx,ky) の絶対値の変化を反映できる
ものであればよい。
は複素数になり得るが、実用上は殆どの場合に対称であ
ると考えて十分良い近似が得られる。その場合には、 R(kx,ky) =Real((I(kx,ky) −I′(kx,ky))/( I(kx,ky) +I′(kx,ky))) =( I(kx,ky) −I′(kx,ky))/ (I(kx,ky) +I′(kx,ky)) R(kx,ky)=( |I(kx,ky) |−|I′(kx,ky) |)/
(|(kx,ky) |+|I′(kx,ky) |) と等しいので、計算の便宜上R(kx,ky) の定義として
は、 R(kx,ky) =(|I(kx,ky) |−|I′(kx,ky) |)/
(|(kx,ky) |+|I′(kx,ky) |) を用いる方が便利である。
形状が理想的には軸対称である場合、即ちガウシアンビ
ームについて行ってきたが、矩形又は三角断面形状をも
つ成形ビーム又は任意形状をもつキャラクタビームに対
しても適用可能である。
がp(x,y) で与えられていると仮定すると、実際の電流
分布j(x,y) はビームの大きさが十分小さい場合には、 j(x,y) =∫∫q(x-x0,y-y0) p(x0,y0) dx0dy0 で示される。ここで、q(x,y) はビームのぼけを示す。
られる像をi(x,y) とすると、 i(x,y) =∫∫j(x-x0,y-y0) t(x0,y0) dx0dy0 となる。
y) のフーリエ変換をJ(kx,ky) とすると、 I(kx,ky) =J(kx,ky) T(kx,ky) となる。
換を、それぞれQ(kx,ky) ,P(kx,ky) とすると、 J(kx,ky) =Q(kx,ky) P(kx,ky) となる。従って、 I(kx,ky) =Q(kx,ky) P(kx,ky) T(kx,ky) であるから上と同様に、 R(kx,ky)=(I(kx,ky) −I′(kx,ky) )/(I(kx,k
y) +I′(kx,ky) ) を定義すれば、 R(kx,ky)=(Q(kx,ky) −Q′(kx,ky) )/(Q(kx,k
y) +Q′(kx,ky) ) が得られる。ここで、Q′(kx,ky) はQ(kx,ky) を与え
るのとは異なる焦点距離でのq(x,y) のフーリエ変換で
ある。
ームの場合の収差はq(x,y) に含まれており、q(x,y)
を先のo(x,y) と読み変えて先に述べたのと全く同じ方
法で評価することにより、非点収差の補正及び焦点合わ
せが可能となる。
荷電粒子光学鏡筒において非点収差の補正を迅速且つ高
精度で行い、試料或いはビーム断面形状による精度の低
下を防止する荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補正
及び焦点合わせ方法を提供することができる。
おける非点収差の補正方法を説明するためのフローチャ
ートである。
(a)のフーリエ変換を示す図である。
の本発明の実施の形態で用いるR(kx,ky) の分布を示す
図である。
た方向に変形しているときの本発明の実施の形態で用い
るR(kx,ky) の分布を示す図である。
軸y軸方向に変形する非点収差が存在するときレンズの
焦点距離の設定を変えたときのビーム断面形状の変化を
示す図である。
ーム断面形状が図5aに示されるビームをx方向に走査
したときに得られる二次電子信号分布、(c)ビーム断
面形状が図5aに示されるビームをy方向に走査したと
きに得られる二次電子信号分布を示す図である。
を変えたときのビーム断面形状の変化を示す図である。
軸y軸に対して45度傾いた方向に変形する非点収差が
存在するときレンズ焦点距離の設定を変えたときのビー
ム断面形状の変化を示す図である。
ード、2…アノード、3…電子銃、4…電子ビーム、5
…コンデンサレンズ、6…対物レンズ、7…絞りマス
ク、8…試料、9…試料台、10…偏向器、11…検出
器、12…走査制御回路、13…画像表示装置。
Claims (4)
- 【請求項1】 荷電粒子ビームを試料上に二次元的に走
査して得られる二次粒子信号を、対物レンズの焦点距離
が異なる少なくとも二種類の設定において、抽出する第
1のステップと、 上記第1のステップで抽出された各二次粒子信号の二次
元空間でのフーリエ変換をI(kx,ky) ,I′(kx,ky) と
定義する第2のステップと、 上記第2のステップで定義されたI(kx,ky) ,I′(kx,
ky) の各絶対値である|I(kx,ky) |,|I′(kx,ky)
|の大小関係によって値が決定されるR(kx,ky) を算出
する第3のステップと、 上記第3のステップで算出されたR(kx,ky) のkx-ky 平
面上での角度θ方向に対してexp(i2θ)又はex
p(−i2θ)に比例する成分が、正の実数A,及び実
数αに対して、Aexp(i(2θ+α))又はAex
p(−i(2θ+α))と表される時のαから非点収差
の方向を決定する第4のステップと、 上記実数Aを最小にするようにスティグマタを調整する
第5のステップと、を有することを特徴とする荷電粒子
光学鏡筒における非点収差の補正方法。 - 【請求項2】 上記R(kx,ky) が、 【数1】 のうちのいずれかにより定義されることを特徴とする請
求項1に記載の荷電粒子光学鏡筒における非点収差の補
正方法。 - 【請求項3】 上記請求項1又は2に記載のR(kx,ky)
の符号分布が反転する境界を合焦位置として焦点距離を
変化させることを特徴とする荷電粒子光学鏡筒における
焦点合わせ方法。 - 【請求項4】 上記荷電粒子ビームの試料上の断面形状
が、矩形、三角形、任意形状を含むキャラクタ形状のう
ちの少なくともいずれかであることを特徴とする請求項
1乃至3に記載の荷電粒子光学鏡筒における非点収差の
補正方法及び焦点合わせ方法。
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