JPH1031969A - 自動焦点合わせ機能を有する走査型電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い合焦精度を保ちながら、合焦時間の短縮
と製造原価の低減とを両立させた自動焦点合わせ機能を
有する走査型電子顕微鏡を提供する。 【解決手段】 対物レンズ１４の励磁電流を変化させ、
各励磁電流値における該対物レンズの試料６に対する焦
点調節状態を表す信号を取得し、該各取得信号を基に前
記対物レンズの合焦励磁電流値を自動設定する自動焦点
合わせ機能を有する走査型電子顕微鏡において、予め求
めた、前記対物レンズのヒステリシスに起因する励磁電
流データを記憶するヒステリシス記憶装置７と、該励磁
電流データにより、前記対物レンズ１４の励磁電流を任
意の励磁電流値から合焦励磁電流値に移行させるときに
生じる、ヒステリシスに起因する励磁電流値誤差を補正
するヒステリシス補正手段８とを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動焦点合わせ機
能を有する走査型電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型電子顕微鏡で半導体ウエハ上に形
成された回路パターンを観察する場合を例に、従来の電
子顕微鏡の焦点合わせ機能を説明する。走査型電子顕微
鏡は、図３に示すように、鏡筒１内に配置されたコンデ
ンサレンズ１２と、電磁偏向器１３と、対物レンズ１４
からなる電子光学系１０と、試料室２に配置された可動
ステージ２１と、２次電子検出器２２と、２次電子検出
器の出力画像信号を増幅する増幅器３１と、該増幅器の
出力アナログ信号をディジタル信号に変換するアナログ
／ディジタル変換器（Ａ／Ｄコンバータ）３２と、Ａ／
Ｄコンバータの出力を画像データとして記憶するフレー
ムメモリ３３からなる画像信号処理系３と、中央演算装
置（ＣＰＵ）４１と電子光学系駆動回路４２と演算デー
タや処理のためのソフトウエアを格納する記憶装置４３
からなる制御系４と、画像を表示するＣＲＴなどを備え
た表示器５とから構成されている。可動ステージ２１上
に、被観察体となる半導体ウェハ６が載置される。

【０００３】上記、従来の走査型電子顕微鏡における焦
点合わせは以下のように行われている。すなわち、図２
に実線で示すように、電子ビームのビームエネルギを所
定の値とし、対物レンズ１４の励磁電流を、サンプリン
グを開始する点Ｓからサンプリングを終了する点Ｔまで
連続的に一定の方向（例えば、図示したａの方向）に変
化させて、対物レンズの結像位置を一定の方向に変化さ
せ、この過程で複数の結像位置（励磁電流）における試
料６に対する焦点調節状態を表す信号を取得し、これら
の信号に基づいて試料６に合焦したとき、例えば、焦点
調節状態を表す信号が最大となった点の対物レンズの励
磁電流値Ｉａを検出して、合焦点における励磁電流Ｉａ
を記憶装置４３に記憶している。この処理動作を焦点調
節状態を表す信号のサンプリングという。焦点調節状態
を表す信号のサンプリングは、対物レンズの合焦位置を
調整できる範囲の全てをスキャンして焦点調節状態を検
出して実行される。この後、半導体ウェハ上の移動した
観察点での焦点合わせ処理では、記憶された合焦点にお
ける励磁電流を用いて焦点合わせを行っている。

【０００４】しかしながら、このような焦点合わせ手法
によると、焦点調節状態を表す信号のサンプリング過程
における終点位置Ｔ（最終の励磁電流値）から、前記対
物レンズの合焦位置（合焦励磁電流値）に移行する過
程、すなわち焦点調節状態を表す信号のサンプリングと
は逆方向ｂに励磁電流を変化させる過程では、前記対物
レンズの鉄心の磁気ヒステリシスに起因して、励磁電流
を取得した合焦点における励磁電流Ｉａまで減少させて
も合焦せず、前記対物レンズの結像位置に励磁電流分Δ
Ｉのずれを生じる。

【０００５】さらに、電子ビームの速度すなわち加速電
圧が変化しビームエネルギーが変化すると、対物レンズ
の励磁範囲が変わり結像位置も変化する。すなわち、高
い加速電圧になると破線で示すように対物レンズの結像
位置がＩａ′，Ｉｂ′に移動し、合焦点のずれもΔＩ′
に変化する。また、低い加速電圧にすると一点鎖線で示
すように対物レンズの結像位置がＩａ″，Ｉｂ″に移動
し、合焦点のずれもΔＩ″に変化する。この結像位置ず
れに対しては種々の方策が講じられている。例えば、第
１の方策として、前記ヒステリシスに起因する結像位置
ずれを小さくするために、対物レンズの鉄心に磁気ヒス
テリシスの小さなパーマロイ等の材質を使用するという
方策がとられる。第２の方策として、前記ヒステリシス
による結像位置ずれを防止するために、対物レンズの励
磁電流値を、焦点調節状態を表す信号のサンプリングの
終点位置Ｔから、一旦該サンプリングの初期の位置Ｓに
戻してから合焦位置に移行するという方策が講じられて
いる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方策では次に示す問題があった。すなわち、前者の
対物レンズの鉄心に磁気ヒステリシスの小さなパーマロ
イ等の材質を使用するという方策は、パーマロイ等の磁
気ヒステリシスの小さな材質が比較的高価であること
と、レンズ加工および磁気焼鈍などの特殊な工程が必要
であることから、電子顕微鏡の焦点合わせ装置が高価と
なるという問題点があった。また、後者の焦点調節状態
を表す信号のサンプリングの終点位置から、一旦該サン
プリングの初期の位置Ｓに戻してから合焦位置に移行す
るという方策は、合焦動作に時間がかかるという問題が
あった。

【０００７】上記問題点に鑑み、本発明は、高い合焦精
度を保ちながら、合焦時間の短縮と製造原価の低減とを
両立させた自動焦点合わせ機能を有する走査型電子顕微
鏡を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、対物レンズの励磁電流を変化させ、各励
磁電流値における該対物レンズの試料に対する焦点調節
状態を表す信号を取得し、該各取得信号を基に前記対物
レンズの合焦励磁電流値を設定する自動焦点合わせ機能
を有する走査型電子顕微鏡において、対物レンズのヒス
テリシスに起因する、対物レンズ励磁電流を増加方向に
調節した場合の合焦励磁電流値と減少方向に調節した場
合の合焦励磁電流値との差のデータを記憶するヒステリ
シス記憶装置と、該記憶装置に記憶された前記データを
参照して、前記焦点調節状態を表す信号のサンプリング
過程における最終の励磁電流値を起点としたときの前記
対物レンズの合焦励磁電流値を算出するヒステリシス補
正装置とを設けた。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、本
発明による電子顕微鏡の焦点合わせ装置を走査型電子顕
微鏡に組み込んだ状態として説明する。本発明にかかる
走査型電子顕微鏡は、図１に示すように、鏡筒１内に配
置されたコンデンサレンズ１２と、電磁偏向器１３と、
対物レンズ１４からなる電子光学系１０と、試料室２に
配置された可動ステージ２１と、２次電子検出器２２
と、２次電子検出器の出力画像信号を増幅する増幅器３
１と、該増幅器の出力アナログ信号をディジタル信号に
変換するアナログ／ディジタル変換器（Ａ／Ｄコンバー
タ）３２と、Ａ／Ｄコンバータの出力を画像データとし
て記憶するフレームメモリ３３からなる画像信号処理系
３と、中央演算装置（ＣＰＵ）４１と電子光学系駆動回
路４２と演算データや処理のためのソフトウエアを格納
する記憶装置４３からなる制御系４と、画像を表示する
ＣＲＴなどを備えた表示器５と、本発明を特徴付けるヒ
ステリシス記憶手段７と、ヒステリシス補正手段８とか
ら構成される。

【００１０】本発明にかかる走査型電子顕微鏡は、電子
銃１１から射出された電子ビーム１６が、コンデンサレ
ンズ１２と偏向器１３と対物レンズ１４を通って可動ス
テージ２１上に載置されている試料６を照射する。２次
電子検出器２２は、電子ビームの照射によって試料６か
ら発生した２次電子を検出し、この２次電子検出器２２
の検出信号は、増幅器３１を経てＡ／Ｄコンバータ３２
でディジタルデータに変換されてフレームメモリ３３に
記憶される。ディジタルデータは、２次電子信号を表示
器５に表示するための画像信号と、合焦位置を決めるた
めの信号として使用されるが、両信号は物理的には同じ
ものである。

【００１１】ＣＰＵ４１は、合焦励磁電流値を検出する
ために、電子光学系駆動回路４２を制御して所定の範囲
内で対物レンズ１４の励磁電流を変化させて対物レンズ
４の結像位置を変化させ、各励磁電流値における試料６
に対する焦点調節状態を表す信号を上述のように、２次
電子検出器２２、増幅器３１、Ａ／Ｄコンバータ３２、
フレームメモリ３３を経て取得し、該信号を基に合焦励
磁電流値を検出する。また、電子光学系駆動回路４２
は、ＣＰＵ４１の指令に応じて、電子銃１１やコンデン
サレンズ１２や偏向器１３等も駆動する。さらに、ＣＰ
Ｕ４１は、対物レンズ１４の励磁電流を変化させて、電
子ビームが試料６に合焦したときの対物レンズ１４の励
磁電流値を予定合焦励磁電流値としてメモリ４３に記憶
させるが、この予定励磁電流値は、次の試料に対する合
焦励磁電流値検出効率を高めるために使用される。

【００１２】以上の合焦励磁電流値検出工程は、従来の
電子顕微鏡の焦点合わせ装置における合焦励磁電流値検
出工程と同様であるが、合焦励磁電流値を検出した後
に、合焦励磁電流値に移行する工程が、本発明による電
子顕微鏡の焦点合わせ装置が上記した従来の電子顕微鏡
の焦点合わせ装置と異にするところである。

【００１３】すなわち、既に述べたとおり、本発明によ
る走査型電子顕微鏡は、上述の各構成要素１〜５に加え
て、対物レンズのヒステリシス特性や電子加速電圧値，
前回の励磁電流値などをパラメータとして演算した補正
値ΔＩを記憶するヒステリシス記憶手段７、および、こ
れらの値を用いて励磁電流の増減方向に基づいて励磁電
流値を補正するヒステリシス補正手段８を設けた。

【００１４】以下、図２を用いて本発明に特徴的な部分
の働きを説明をする。既に述べたとおり、一般に、電子
顕微鏡の対物レンズは、該対物レンズの鉄心の磁気ヒス
テリシスに起因して、励磁電流を上昇させる方向に変化
させる場合と下降させる方向に変化させる場合とでは、
同じ値の励磁電流を流しても収束力が異なり、結像位置
のずれを生じる。励磁電流を上昇させるａ方向に変化さ
せる場合の合焦励磁電流値Ｉａと、下降させるｂ方向に
変化させる場合の合焦励磁電流値ＩｂとはΔＩの差を生
じている。したがって、両方向の励磁電流値を同一にし
た場合には合焦誤差が生じることになる。

【００１５】上記の現象による合焦誤差を防止するた
め、本発明による電子顕微鏡の焦点合わせ装置は、次に
述べる工程により焦点合わせを行う。これによれば、対
物レンズ４の励磁電流値を、焦点調節状態を表す信号の
サンプリングの終点位置Ｔから、一旦該サンプリングの
初期の位置Ｓに戻すという工程を経なくとも、対物レン
ズ４の磁気ヒステリシスに起因する合焦励磁電流値誤差
ΔＩを補正して、直接合焦励磁電流値Ｉｂに移行するこ
とができる。

【００１６】ところで、既述のとおり電子ビームの加速
電圧によっても結像位置およびずれの値が異なり、ヒス
テリシス特性は変化し、電子ビームの加速電圧が異なる
ときには、前記、合焦電流値の補正値を使用することが
できない。したがって、上記補正値は、電子ビームの加
速電圧ごとに取得しなければならない。

【００１７】本発明による走査型電子顕微鏡の焦点調節
状態を表す信号のサンプリングは、対物レンズ１４の励
磁電流を、サンプリングを開始する点Ｓからサンプリン
グを終了する点Ｔまで連続的に増加する方向に変化させ
て、対物レンズの結像位置を一定の方向に変化させ、こ
の過程で複数の結像位置（励磁電流）における試料６に
対する焦点調節状態を表す信号を取得し、ついで、対物
レンズ１４の励磁電流を、サンプリングを終了した点Ｔ
からサンプリングを開始した点Ｓまで連続的に減少させ
る方向に変化させて、対物レンズの結像位置を一定の方
向に変化させ、この過程で複数の結像位置（励磁電流）
における試料６に対する焦点調節状態を表す信号を取得
する。これらの信号に基づいて試料６に合焦したとき、
例えば、焦点調節状態を表す信号が最大となった点の対
物レンズの励磁電流値Ｉａ、Ｉｂを検出して、合焦点の
位置のずれΔＩを演算し、記憶装置４３に記憶する。

【００１８】すなわち、本発明による電子顕微鏡の焦点
合わせ工程は、対物レンズ４の焦点調節状態を表す信号
のサンプリングにおける、サンプリング開始点Ｓ・サン
プリング終了点Ｔ・合焦点励磁電流Ｉａ・電子ビームの
加速電圧等をパラメータとした各条件の終点位置Ｔを起
点として、直接合焦励磁電流値Ｉｂに移行するときの、
前記合焦励磁電流差ΔＩ（ヒステリシス補正値ΔＩ）を
予め取得し、このヒステリシス補正値ΔＩをヒステリシ
ス記憶装置７に記憶させておく。

【００１９】ヒステリシス補正装置８は、ＣＰＵ４１の
指示により、前記各サンプリングの終点位置Ｔにおい
て、ヒステリシス記憶装置７に記憶されている前記ヒス
テリシス補正値ΔＩを参照して、前記終点位置Ｔから直
接対物レンズ４の合焦位置へ移行する場合の、対物レン
ズ４の合焦励磁電流値Ｉｂを算出し、該励磁電流値Ｉｂ
を表す信号をＣＰＵ４１に出力する。そして、ＣＰＵ４
１は対物レンズ１４の励磁電流をＩｂに設定する命令信
号を電子光学系駆動回路４２に出力し、該信号を入力し
た電子光学系駆動回路４２が、対物レンズ１４の励磁電
流をヒステリシス補正装置８が算出した合焦励磁電流値
Ｉｂに設定する。

【００２０】上記電子ビームのビームエネルギーをパラ
メータとする補正は、前記補正値ΔＩのパラメータとし
てテーブルに格納する方法と、ビームエネルギーとの補
正式を作成しておき、演算によって前記補正値ΔＩを補
正する方法も採ることができる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば電子顕微
鏡対物レンズの励磁電流値を、焦点調節状態を表す信号
のサンプリングの終点位置から、一旦該サンプリングの
初期の位置に戻すことをせず、直接合焦励磁電流値に移
行しても、前記対物レンズの磁気ヒステリシスに起因す
る合焦誤差を防止することができる。従って、前記サン
プリングの終点位置から、短時間で合焦励磁電流値に移
行することが出来、電子顕微鏡の焦点合わせ時間が短縮
される。また、対物レンズの磁気ヒステリシスに起因す
る合焦誤差を防止することができるので、軟鉄等の磁気
ヒステリシスの大きな安価な材料を対物レンズの磁極に
使用することが出来、電子顕微鏡の焦点合わせ装置の製
造原価の低減にも効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動焦点合わせ機能を有する走査型電
子顕微鏡の構成を示す概念図。

【図２】走査型電子顕微鏡の対物レンズの各励磁電流値
に対する焦点調節状態を表す信号レベルをサンプリング
した結果を示す曲線図。

【図３】従来の自動焦点合わせ機能を有する走査型電子
顕微鏡の構成を示す概念図。

【符号の説明】

１ 鏡筒 １０ 電子光学系 １１ 電子銃 １２ コンデンサレンズ １３ 電磁偏向器 １４ 対物レンズ ２ 試料室 ２１ 可動ステージ ２２ ２次電子検出器 ３ 画像処理系 ３１ 画像信号増幅器 ３２ Ａ／Ｄコンバータ ３３ フレームメモリ ４ 制御系 ４１ 中央演算装置（ＣＰＵ） ４２ 電子光学系駆動回路 ４３ 記憶装置 ５ 表示装置 ６ 試料 ７ ヒステリシス記憶装置 ８ ヒステリシス補正装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 対物レンズの励磁電流を変化させ、各励
   磁電流値における該対物レンズの試料に対する焦点調節
   状態を表す信号を取得し、該各取得信号を基に前記対物
   レンズの合焦励磁電流値を自動設定する自動焦点合わせ
   機能を有する走査型電子顕微鏡において、 予め求めた、前記対物レンズのヒステリシスに起因する
   励磁電流データを記憶するヒステリシス記憶装置と、 該励磁電流データにより、前記対物レンズの励磁電流を
   任意の励磁電流値から合焦励磁電流値に移行させるとき
   に生じる、ヒステリシスに起因する励磁電流値誤差を補
   正するヒステリシス補正手段とを有することを特徴とす
   る自動焦点合わせ機能を有する走査型電子顕微鏡。
2. 【請求項２】 前記対物レンズのヒステリシスに起因す
   る励磁電流データは、前記対物レンズの励磁電流を、サ
   ンプリングを開始する点からサンプリングを終了する点
   まで連続的に増加する方向に変化させて、前記対物レン
   ズの結像位置を一定の方向に変化させ、この過程で複数
   の結像位置（励磁電流）における試料に対する焦点調節
   状態を表す信号を取得し、ついで、対物レンズの励磁電
   流を、サンプリングを終了した点からサンプリングを開
   始した点まで連続的に減少させる方向に変化させて、対
   物レンズの結像位置を一定の方向に変化させ、この過程
   で複数の結像位置（励磁電流）における試料に対する焦
   点調節状態を表す信号を取得して、それぞれの合焦時の
   対物レンズの励磁電流値を検出して、合焦点の位置のず
   れを演算する請求項１記載の自動焦点合わせ機能を有す
   る走査型電子顕微鏡。