JPH113676A - 走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 オートフォーカス等の動作を高い精度で行う
ことができ、また、フォーカス変化によっても像の移動
が生じない走査電子顕微鏡を実現する。 【解決手段】 対物レンズ絞りの位置に配置された静電
レンズ３２を通過した電子ビームは、対物レンズ４によ
って収束され、試料５上にフォーカスされる。ここで、
対物レンズ４の励磁を変えずに静電レンズ３２の各電極
の電圧を変化させると、点線のように電子ビームのフォ
ーカスの状態が変化する。なお、実線は静電レンズ３２
を動作させない場合のフォーカスの状態を示している。
このように、電子ビームのフォーカスを変化させる場合
には静電レンズ３２に印加する電圧を変えることによっ
て行うため、速い速度でフォーカスを変化させることが
できると共に、再現性も良い利点を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子ビームのオー
トフォーカスを高い精度で行うことができる走査電子顕
微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、オートフォーカス機能を有した
従来の走査電子顕微鏡の一例を示している。１は電子銃
（図示せず）から発生し加速された電子ビームである。
２，３は２段偏向コイルであり、２段偏向コイル２，３
の夫々には、水平と垂直方向の偏向コイルが含まれてい
る。４は対物レンズであり、対物レンズ４によって細く
集束された電子ビームは試料５に照射される。６は試料
５への電子ビームの照射によって発生した、例えば、２
次電子を検出するための検出器である。

【０００３】２段偏向コイル２，３の水平方向の偏向コ
イルには、水平走査信号発生回路７から駆動回路８を介
して水平走査信号が供給され、垂直方向偏向コイルに
は、垂直走査信号発生回路９から駆動回路１０を介して
垂直走査信号が供給される。水平走査信号発生回路７と
垂直走査信号発生回路９からの走査信号の速度（周期）
は、コンピュータの如き制御回路１１によって制御され
る。

【０００４】前記検出器６によって検出された信号は、
増幅器１２を介して水平，垂直走査信号が供給されてい
る陰極線管１３とフィルター回路１４に供給される。フ
ィルター回路１４の出力信号は絶対値回路１５を介して
積分回路１６に供給され、積分回路１６によって積分さ
れる。積分回路１６の積分値は、ＡＤ変換器１７によっ
てデジタル信号に変換され、制御回路１１内の信号強度
分布メモリー１９に記憶される。

【０００５】制御回路１１内には信号強度分布メモリー
１９に記憶された多数の積分値の最大値を検出する最大
値検出ユニット２０を有している。更に、制御回路１１
は対物レンズ値設定データメモリー２１，補助コイル値
設定データメモリー２２を有している。対物レンズ値設
定データメモリー２１の値は、ＤＡ変換器２３を介して
対物レンズ駆動回路２４に供給される。

【０００６】また、補助コイル値設定データメモリー２
２の値はＤＡ変換器２５を介して補助コイル２６の駆動
回路２７に供給される。なお、２８は対物レンズ値変換
ユニット，２９はオートフォーカスユニットである。こ
のような構成の動作は次の通りである。

【０００７】通常の２次電子像を観察する場合、所望の
走査速度となるよう制御回路１１は水平走査信号発生回
路７と垂直走査信号発生回路９を制御し、その結果、所
望の偏向信号が偏向コイル２，３に供給され、電子ビー
ム１は、偏向コイル２，３により偏向を受け、試料５の
所望領域を走査する。

【０００８】電子ビームの試料５への照射に伴って発生
した２次電子は、検出器６によって検出され、その検出
信号は、増幅器１２によって増幅された後、走査信号が
供給されている陰極線管１３に供給されることから、陰
極線管１３には試料の２次電子像が表示される。

【０００９】次にオートフォーカス動作について図２
（ａ）の補助コイル２６の動作曲線、図２（ｂ）の対物
レンズ４の動作曲線を参照しながら説明する。なお、図
２（ａ），（ｂ）の横軸は時間であり、縦軸は励磁強度
（試料表面とレンズとの間の距離に等しい）である。

【００１０】まず、対物レンズ値設定データメモリー２
１に図２（ｂ）に示す初期値Ｚo を設定し、この初期値
に基づいて対物レンズ駆動回路２４を動作させ、対物レ
ンズ４を励磁する。次にオートフォーカススタートユニ
ット２９を動作させ、補助コイル値設定データメモリー
２２の値を図２（ａ）に示すように変化させる。図２
（ａ）では設定値の変化を便宜上直線状に示したが、具
体的には図３（ａ）に示すようにステップ状に変化させ
る。

【００１１】このステップ状の変化の都度、偏向コイル
２，３には試料５上の所望領域を１回走査するための走
査信号が供給される。試料５への電子ビームの照射に基
づいて発生した２次電子は検出器６によって検出され
る。検出信号は増幅器１２によって増幅され、フィルタ
ー回路１４によって特定の周波数成分をカットした後、
絶対値回路１５において負信号が反転される。

【００１２】絶対値回路１５の出力は積分回路１６に供
給されて信号の積分が行われる。この積分は試料上の所
望領域の１回の２次元走査の期間実行され、その走査が
終了した後、積分値はＡＤ変換器１７を介して制御回路
１１内の信号強度分布メモリー１９に送られて記憶され
る。このような積分動作を補助コイル２６のステップ状
の励磁変化ごとに、そして、＋Ａから−Ａまで行うと、
図３（ｂ）に示す分布がメモリー１９に記憶されること
になる。

【００１３】制御回路１１内の最大値検出ユニット２０
は、図３（ｂ）の分布の最大値を検出し、その時の補助
コイル２６への励磁強度を対物レンズ値変換ユニット２
８に供給する。なお、この最大値の励磁の時に電子ビー
ムのフォーカスが合っている。この結果、対物レンズ値
設定データメモリー２１の値は初期設定値Ｚo にフォー
カスが合っているときの補助コイルの励磁強度分（初期
値Ｚo と合焦点位置とのずれ量）ΔＺ１が加算された値
となる。

【００１４】対物レンズ４の励磁をＺo ＋ΔＺ１に設定
した後、再度上記したオートフォーカス動作を実行し、
その時のＺo ＋ΔＺ１と合焦点値とのずれ量ΔＺ２につ
いては、補助コイル値設定データメモリー２９にセット
される。このセットされる対物レンズの励磁値ΔＺ１と
補助コイルの励磁値ΔＺ２とは、図２（ａ），（ｂ）に
示されている。このΔＺ１とΔＺ２との設定完了によっ
てオートフォーカス動作は終了する。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述したオートフォー
カス動作においては、対物レンズ４のヒステリシスによ
り、動作精度が悪いという欠点を有している。例えば、
対物レンズ４に同じ電流値を流しても、電子ビームのフ
ォーカスは同じとはならない。

【００１６】また、対物レンズの軸は、対物レンズ４の
上部に配置される対物レンズ絞りがずれていた場合、フ
ォーカス変化にともない、観察画面上の画像が移動して
しまう問題も生じる。すなわち、フォーカスをサーチす
るとき、試料上の同じ位置を電子ビームが通らないた
め、検出するフォーカスデータに誤差が生じる。

【００１７】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、オートフォーカス等の動作を高い
精度で行うことができ、また、フォーカス変化によって
も像の移動が生じない走査電子顕微鏡を実現するにあ
る。

【００１８】

【課題を解決するための手段】第１の発明に基づく走査
電子顕微鏡は、電子ビームを試料上に細く集束すると共
に試料上で電子ビームを２次元的に走査し、試料から得
られた信号を検出し、検出信号に基づいて試料の走査像
を得るようにした走査電子顕微鏡において、対物レンズ
絞り位置に静電レンズを配置するようにしたことを特徴
としている。

【００１９】第１の発明では、対物レンズ絞り位置に静
電レンズを配置し、フォーカスを変化させる際には静電
レンズに印加する電圧を変化させる。第２の発明に基づ
く走査電子顕微鏡は、第１の発明において、静電レンズ
の下側に開き角制御レンズを配置したことを特徴として
いる。

【００２０】第２の発明では、静電レンズの下側に開き
角制御レンズを配置し、静電レンズで電子ビームのフォ
ーカスを変化させたときの開き角の変化を補正する。第
３の発明に基づく走査電子顕微鏡は、第１の発明におい
て、オートフォーカス動作時に、静電レンズにステップ
状に変化する電圧を印加するようにしたことを特徴とし
ている。

【００２１】第３の発明では、オートフォーカス動作時
に、静電レンズにステップ状に変化する電圧を印加し、
フォーカス変化の応答を速くする。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図４は、本発明に基づく走
査電子顕微鏡の基本光学系を示している。電子銃（図示
せず）から発生し加速された電子ビーム１は、収束レン
ズ３１によって収束される。収束レンズ３１によって収
束された電子ビーム１は、対物レンズ絞りの位置に配置
された静電レンズ３２を通過する。

【００２３】静電レンズ３２は、図５にその詳細を示す
ように３枚の電極３３，３４，３５より構成されてお
り、例えば、中央の電極３４にはマイナスの電圧が印加
され、両端の電極３３，３５にはプラスの電圧が印加さ
れる。図中の点線は静電レンズによる電界分布Ｅを示し
ており、電子ビーム１は実線のように静電レンズ３２の
凸レンズ作用により収束される。

【００２４】なお、中央の電極３４を接地電位としても
良く、また、逆に中央部の電極３４にプラスの電圧を印
加し、両端の電極３３，３５にマイナスの電圧を印加す
るか、接地電位としても良い。その場合には、静電レン
ズ３２は凹レンズとして作用する。

【００２５】図４で対物レンズ絞りの位置に配置された
静電レンズ３２を通過した電子ビーム１は、対物レンズ
４によって収束され、試料５上にフォーカスされる。こ
こで、対物レンズ４の励磁を変えずに静電レンズ３２の
各電極の電圧を変化させると、点線のように電子ビーム
１のフォーカスの状態が変化する。なお、実線は静電レ
ンズ３２を動作させない場合のフォーカスの状態を示し
ている。

【００２６】このように、図４の光学系では、電子ビー
ム１のフォーカスを変化させる場合には静電レンズ３２
に印加する電圧を変えることによって行うため、速い速
度でフォーカスを変化させることができると共に、再現
性も良い利点を有する。すなわち、従来の磁界型のレン
ズを用いたフォーカスの変化では、応答の遅れがあって
高速のフォーカス変化動作が困難であると共に、磁界型
レンズのヒステリシスにより、フォーカスの再現性が悪
い欠点があったが、図４の光学系はそのような欠点を解
決することができる。

【００２７】例えば、２種類の高さが異なる試料を観察
する場合、２種類のフォーカス値を用いることになる
が、静電レンズにより２種類のフォーカス変化を行え
ば、高速に精度良くフォーカスを変化させることができ
る。

【００２８】また、従来では、対物レンズ絞りと対物レ
ンズおよび補助コイルの３つの軸の内１つでも軸がずれ
ている場合、対物レンズによりフォーカスを変化させた
場合には観察画面上で像が移動することになるが、本発
明においては静電レンズを対物レンズ絞りと兼用さてお
り、対物レンズと静電レンズの軸が合っていれば、この
静電レンズでフォーカスを変化させれば、像の移動は生
じない。

【００２９】図６は上記した光学系を用いてオートフォ
ーカスを行うようにした走査電子顕微鏡を示しており、
図１の従来装置と同一ないしは類似部分には同一番号を
付し、その詳細な説明は省略する。

【００３０】図６の構成で、対物レンズ絞り位置には静
電レンズ３２が配置されている。この静電レンズ３２を
構成する各電極には、静電レンズ電源３６からの電圧信
号が供給される。静電レンズ電源３６には、制御回路１
１内のデータメモリー３７に記憶された静電レンズデー
タからの信号がＤＡ変換器３８を介して供給され、この
信号に応じた電圧信号を発生する。

【００３１】このような構成でオートフォーカス動作を
行う場合には、まず、対物レンズ値設定データメモリー
２１からの初期値に基づいて、対物レンズ駆動回路２４
を動作させ、対物レンズ４を励磁する。次にオートフォ
ーカススタートユニット２９を動作させ、データメモリ
ー３７から静電レンズ電源３６に供給される信号の値を
ステップ状に変化させる。

【００３２】このステップ状の信号変化にともない、静
電レンズ３２のレンズ強度もステップ状に変化し、そし
て試料５上の電子ビームのフォーカスも変化する。な
お、この静電レンズ強度のステップ状の変化の都度、図
示していない偏向コイルに試料５上の所望領域を電子ビ
ームで１回走査する走査信号が供給される。

【００３３】試料５への電子ビームの照射に基づいて発
生した２次電子は検出器６によって検出される。検出信
号は増幅器１２によって増幅され、フィルター回路１４
によって特定の周波数成分をカットした後、絶対値回路
１５において負信号が反転される。

【００３４】絶対値回路１５の出力は積分回路１６に供
給されて信号の積分が行われる。この積分は試料上の所
望領域の１回の２次元走査の期間実行され、その走査が
終了した後、積分値はＡＤ変換器１７を介して制御回路
１１内の信号強度分布メモリー１９に送られて記憶され
る。このような積分動作は静電レンズ３２のステップ状
の強度変化ごとに行われる。

【００３５】制御回路１１内の最大値検出ユニット２０
は、積分値分布の最大値を検出し、その時の静電レンズ
３２の強度（合焦点位置）に相当する電圧を対物レンズ
値変換ユニット２８に供給する。この結果、対物レンズ
値設定データメモリー２１の値は、初期設定値にフォー
カスが合ったときの静電レンズ３２の電圧に相当する分
が加算された値となる。

【００３６】以上のように、図５に示した構成では、電
子ビーム１のフォーカス変化を静電レンズ３２によって
行うようにしたので、試料に照射されるプローブ電流の
変化がない。また、静電レンズ３２によりフォーカス変
化を行ったので、磁界型の補助コイルを用いた従来に比
べて応答を速くすることができる。

【００３７】更に、電磁コイルの場合のヒステリシスの
影響がないため、ヒステリシスによるフォーカス値の誤
差がなく、動作精度を向上させることができる。そし
て、対物レンズ絞りの軸と静電レンズが一体化している
ため、図１に示した補助コイル２６の場合と比較して、
フォーカス変化時の像のずれを著しく小さくすることが
できる。

【００３８】上記した実施の形態では、静電レンズによ
って電子ビームのフォーカスをステップ状に変化させ、
最適なフォーカス状態のときの静電レンズ電圧に相当す
る値を対物レンズ４の励磁強度に加えるようにした。こ
の方式以外に、動作時間を短縮させるために、最適なフ
ォーカス状態のときの静電レンズ３２の強度に静電レン
ズ３２を固定するようにしても良い。具体的には、最大
値検出ユニット２０で検出された静電レンズ強度に基づ
いてデータメモリー３７を制御し、データメモリー３７
から静電レンズ電源３６に最適値を供給するように構成
すれば良い。

【００３９】この場合、静電レンズ３２によるフォーカ
スの変化量によっては、最適開き角が変化する。このた
め、図７に示すように、静電レンズ３２と対物レンズ４
との間に開き角制御レンズ４０を配置し、この開き角制
御レンズ４０で試料５に照射される電子ビームの開き角
αを常に一定に制御することは有効である。

【００４０】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明は上記した形態に限定されない。例えば、２次電子
を検出したが、反射電子を検出してもよい。また、静電
レンズの構成は、３枚電極を用いたものに限定されず、
１枚あるいは２枚であっても良く、更には４枚以上であ
っても良い。更に、対物レンズ絞り位置に配置する静電
レンズの電極は、３枚電極の場合、中間電極とする必要
はなく、他の電極を対物レンズ絞り位置に配置しても良
い。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明では、
対物レンズ絞り位置に静電レンズを配置し、フォーカス
を変化させる際には静電レンズに印加する電圧を変化さ
せるように構成したので、高速度でフォーカスを変化さ
せることができると共に、再現性も良い利点を有する。

【００４２】すなわち、従来の磁界型のレンズを用いた
フォーカスの変化では、応答の遅れがあって高速のフォ
ーカス変化動作が困難であると共に、磁界型レンズのヒ
ステリシスにより、フォーカスの再現性が悪い欠点があ
ったが、本発明の光学系はそのような欠点を解決するこ
とができる。

【００４３】例えば、２種類の高さが異なる試料を観察
する場合、２種類のフォーカス値を用いることになる
が、静電レンズにより２種類のフォーカス変化を行え
ば、高速に精度良くフォーカスを変化させることができ
る。

【００４４】また、従来では、対物レンズ絞りと対物レ
ンズおよび補助コイルの３つの軸の内１つでも軸がずれ
ている場合、対物レンズによりフォーカスを変化させた
場合には観察画面上で像が移動することになるが、本発
明においては静電レンズを対物レンズ絞りと兼用させて
いるので、対物レンズと静電レンズの軸があっていれ
ば、この静電レンズでフォーカスを変化させれば、像の
移動は生じない。

【００４５】第２の発明に基づく走査電子顕微鏡は、第
１の発明において、静電レンズの下側に開き角制御レン
ズを配置したので、静電レンズで電子ビームのフォーカ
スを変化させたときの開き角の変化を補正することがで
きる。

【００４６】第３の発明に基づく走査電子顕微鏡は、第
１の発明において、オートフォーカス動作時に、静電レ
ンズにステップ状に変化する電圧を印加するようにした
ので、フォーカス変化の応答を速くすることができると
共に、フォーカスの再現性も高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のオートフォーカス機能を有した走査電子
顕微鏡を示す図である。

【図２】図１の走査電子顕微鏡によるオートフォーカス
動作を説明するために用いた信号波系図である。

【図３】図１の走査電子顕微鏡によるオートフォーカス
動作を説明するために用いた信号波系図である。

【図４】本発明に基づく走査電子顕微鏡の基本光学系を
示す図である。

【図５】３枚電極より成る静電レンズの一例を示す図で
ある。

【図６】本発明に基づくオートフォーカス機能を有した
走査電子顕微鏡の一例を示す図である。

【図７】開き角制御レンズを配置した光学系を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 電子ビーム ４ 対物レンズ ５ 試料 ６ 検出器 １１ 制御回路 １４ フィルタ回路 １５ 絶対値回路 １６ 積分回路 １７ ＡＤ変換器 ２０ 最大値検出ユニット ２１ 対物レンズ値設定データメモリー ２３，３８ ＤＡ変換器 ２８ 対物レンズ値変換ユニット ２９ オートフォーカスユニット ３２ 静電レンズ ３６ 静電レンズ電源 ３７ データメモリー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子ビームを試料上に細く集束すると共
   に試料上で電子ビームを２次元的に走査し、試料から得
   られた信号を検出し、検出信号に基づいて試料の走査像
   を得るようにした走査電子顕微鏡において、対物レンズ
   絞り位置に静電レンズを配置するようにした走査電子顕
   微鏡。
2. 【請求項２】 静電レンズと対物レンズとの間に開き角
   制御レンズを配置した請求項１記載の走査電子顕微鏡。
3. 【請求項３】 オートフォーカス動作時に、静電レンズ
   にステップ状に変化する電圧を印加するようにした請求
   項１記載の走査電子顕微鏡。