JPS612251A - 荷電粒子ビ−ム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野〕 本発明は走査形電子顕微鏡等の荷電粒子ビーム装置の焦
点合わせ、および非点収差補正に係り、特にその自動化
に好適な装置に関する。

〔発明の背景〕

走査形電子顕微鏡では、試料上を走査するプローブの直
径は装置性能とくに分解能を決定する重要な要因であり
、焦点合わせおよび非点収差補正は微細なプローブ径を
得るための基本調整である。

第１図は光学系の２次非点収差を概略的に示すものであ
る。非点収差は光学系の電磁場の軸非対称性等で生ずる
。ある直交軸（Ｕ、Ｖ軸）方向で収束幅に差が発生して
焦点付１１ｆｖ、ｆｕに相異を生ずる。このため、マイ
クロプローブはＵ軸又はＶ軸方向に長軸父は短軸を有す
る楕円形状となる。

電子レンズ）ミ面に設けられた開口を通過した電子ビー
ムは最初真円であったものが収束される過程で、Ａ−＋
Ｂ→０→Ｄ　−）　Ｅ　−）　Ｆ→Ｇ→Ｈの様に変化す
る。そして、１９点とＦ点のほぼ中間に真円で小さい最
小錯乱円ト：が形成される。ところが、Ｕ軸方向だけを
見ると、Ｆ点でＥ点より細くなっている。■軸でも同様
にＤ点でＥ点よりも細くなっている。非点収差が存在し
なければＤ点とＦ点がＥ点に一致し、最も細い電子ビー
ムが得られることになる。

以上説明したように、微細なマイクロプローブを得るた
めには非点収差の補正が不可欠な調整となる。Ｕ軸、■
軸の焦線の偏差（ＤＦ間）を非点隔差Ａｆと呼んでいる
。

第２図は電子レンズの非点収差とＡｆとの関係を示した
ものである。電子レンズの像側主面での開口半径り、Ｕ
軸、Ｖ軸における焦線の屈折角θＵ、θＶとすると非点
収差による屈折角の偏差ｔｏはＡθ＝θＶ−θＵとなる
。また焦点距離ｆのビーム半開口角をＯとする。非点収
差補正を完全に実行するためにはこの屈折角の偏差ＡＯ
を検出して、後述する非点収差補正装置によってＡＯを
０にすることが必要である。ここで、非点収差の大きさ
ＡＯは第２図よりＡ　ＦＪ＝Ａ　ｆ・１、／ｆ”となる
。（但し、電子ビームの場合、近軸光線を使用するため
に５ｉｎｅ：θ（ｒａｄ）と近似する。）したがって、
非点収差の大きさＡＯは非点隔差Ａｆと焦点圧＠ｆを検
出することにより計算で求めることが可能となる。実際
には非点収差の発生方向が予知できないため、第３図（
ａ）のような互いに４５度だけ異なる方向に配置された
Ｘ−Ｙの二重丸印とＹ、、Ｙ２軸上の丸印の２組）から
なる非点収差補正装置を用いている。同図は簡単なため
静電形非点収差補正器を示したが、磁界形弁点収差補正
器であってもよい。図示するように、非点収差の発生方
向（Ｕ−Ｖ軸）と２組の非点収差補正器の座標軸（Ｘ、
−Ｘ２軸及びＹ、−Ｙ２軸）は一般に相異する。今、こ
の相異する角度をα（ｒａｄ）　　とし１発生した非点
収差のベクトルＳで表わし、第１象現のみに着目すると
、第３図（ｂ）のように表わせる。ここで、非点収差ベ
クトルＳを大きさｒ角度αで示し、また、ｒ＝にΔθ＝
にΔｆ−１、／ｆ”である。

（ｋ：実験で決まる比例定数） 同図から、非点収差ペルトルＳはＸ１′軸とＹＩ′軸に
分解すると、各々Ｓｘ、Ｓ、となる。

故に、非点収差補正器ｘＩ軸、ＹＩ軸に供給する補正量
を＊　　ＳＸ＋　　３２とすれば非点収差を完全に補正
することができる。同図よりＳｘ、Ｓ。

はそれぞれＳＸ＝　ｒ　（ｃｏｓａ−ｓｉｎα）、Ｓｙ
　＝１２　　ｒｓｉｎαとなる。

以上、説明したように、電子線装置において微ホなプロ
ーブ径を得るには、焦点距離ｆ、非点隔差７１ｆそして
非点収差と非点収差補正器の相異角αを検出することが
必要である。

従来は、装置操作者が走査像の鮮明度ならびに流れ具合
（Ｕ、Ｙ方向へのボケ）を観察しながら、電子レンズ電
流、および前記２組の非点収差補正器の補正ｆ＆（Ｓｘ
、Ｓ、）を独立に手動調整して焦点合わせ、非点収差補
正をしていた。斯かる手動補正は煩雑な調整作業を要す
るうえに、操作者による人為的誤差を伴う等の問題があ
った。

最近、自動焦点合わせの実用化が盛んに行なわれている
。以下に、従来の方法および問題点を第４図より説明す
る。陰極１から放出された１次電子ビームはＸ−Ｙ偏向
コイル２によりＸ方向、Ｙ方向に偏向され、非点収差補
正コイル３により非点収差補正を受け、電子レンズ４に
よって、試料面上５に収束され最適ビームスボッ１〜径
を得る。

Ｘ−Ｙ偏向コイル２には円走査供給部７より、Ｘ偏向コ
イルに余弦波電流が、Ｙ偏向コイルには正弦波電流が、
任意の振幅、任意の周期で供給される。すると、１次電
子ビームは試料面上５を円形走査することになる。１次
電子ビームを試料に照射すると、試料から２次電子が発
生し、２次電子検出暮６により捕捉され信号検出部９に
入力される。信号検出部９は試料面上を照射する１次電
子ビームの最小錯乱円Ｅを検出する回路である。一般的
には、１次電子ビームスポット径が小さくなればなるほ
ど、発生する２次電子信号の周波数成分が高くなる特性
を利用して、微分回路を用いて検出し、任意の時間その
出力信号を積分してその値を比較する微分値比較法や、
発生する２次電子信号波形のピーク値が１次電子ビーム
スポット径に依存しで変化することを利用するピーク値
比校法等を用いている。電子レンズコイル４に任意の電
流工。〔Δ〕を電子レンズ電流供給部８により供給し、
１回あるいは数回円形走査した後、得られた信号検出部
９の出力電圧を制御回路１０の中にあるメモリーに記憶
する。

次に、対物レンズコイル４に供給する電流をＪＩだけ増
加（あるいは減少）させ、同様の円形走査を実行する。

そして、得られた信号検出部９の出力電圧と、前回のメ
モリーの内容も比較し大きい方を再度メモリーに記憶す
る。対物レンズコイル電流を順次７１■だけ増加させ一
連の動作を繰り返す。メモリーの内容が最大となった値
ならびにその時の対物レンズコイルに供給した電流値を
捜し出し、コイルに供給すると１次電子ビームスポット
径は最小となり最小錯乱円が得られる。

しかしながら、この様な方法では最小錯乱円を得ること
ができるが非点収差補正するための情報は得ることがで
きない。

〔発明の目的〕

本発明の目的は円形走査を実行しながら、非点の方向な
らびに非点隔差の量を検出し、自動焦点合わせ、自動非
点収差補正を実行する方法および装置を提供することに
ある。

〔発明の概要〕

本発明は前述したように、焦点距離「、非点隔差Ａｆそ
して非点収差の方向αを検出し、これから補正量を計算
し、非点収差補正器を動作させ焦点合わせと非点収差補
正の自動化を行なうものである。以上、ヒ記の諸量を検
出する方法を第５図を用いて説明する。同図は非点収差
のある電子ビームで試料面にを円形走査している様子を
示したものである。理解しやすいように、非点収差が４
５度の方向にある場合を考える。走査回転角度βにおけ
る走査方向の電子ビーム径Ｄβはその点の接線の長さと
なり、同図に矢印で示すように（見かけ上）変化する。

走査回転角度βが１８０度で楕円の短軸から長軸まで変
化することに相当し、１サイクルの変化が起る。したが
って、１回の円形走査で２サイクルの電子ビーム径Ｄβ
の変化となる。走査回転角度βと電子ビーム径Ｄβの関
係をプロワ１−すると第６図（ａ）のようになる。

ここで、電子ビーム径Ｄβが最小になる走査回転角度β
ユ。が非点収差の方向αとなる。したがって、βユ。＝
αとなり、β。１ｎを検出すれば非点収差の方向が決定
できる。

次に、電子レンズの焦点距離ｆと非点隔差７！Ｉｆの検
出方法について述べる。電子レンズの励磁電流Ｉｆを零
から順次、ｄＩずつ増加させると、第１図に示す様に変
化し、Ｕ−Ｖ軸の各々焦線ｆ　１１とｆｖ点において電
子ビーム径Ｄβは最小となる。

したがって、第６図（ａ）のβ１１，１点における電子
ビーム径Ｄβｌｔ＋Ｉｎが最も小さくなる時の励磁電流
ＩｆｕがＵ軸の焦線ｆｕに相当し、走査回転角度β、、
ｈ＋９０度の点において電子ビーム径■〕βｍｌｈ　＋
９０°が最も小さくなる時の励磁電流ＩｆνがＶ軸の焦
線ｆｖに相当する。したがって、非点隔差ＡｆはＡ　Ｉ
　ｆ＝Ｉ　ｆｕ　−Ｉ　ｆｖで求まり、また焦点距離ｆ
はＩ　ｆ＝Ｔ　ｆｖ　＋１／２，４　Ｉ　ｆで求まる。

以上詳述した様に、走査回転角度β□Ｉ１１とβ□１．
１十９０度の点に注目して、その角度における電子ビー
ム径Ｄβが最小になる励磁電流Ｉｆを検出すれば焦点距
離ｆ、非点隔差Δｆが決定できることになる。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第７図により説明する。

陰極】から放射された電子線はＸ−Ｙ偏向コイル２によ
り円偏向を受け、電子レンズコイル４により収束され、
試料面５上を円形走査する。試料から発生した２次電子
信号は２次電子検出器６によって捕捉され信号処理回路
部１７に入力される。

信号処理回路部１７は電子ビーム径を信号電圧に変換す
る回路で、電子ビーム径が小さくなるほど信号電圧は大
きく出力する。本実施例では先述した微分値比１肢θ（
を用いている。例えば第６図（ａ）のように電子ビーム
径の変化が生じる波形は第６図（ｂ）のように変換され
る。その出力信号はゲート回路部１１に人力し、アナロ
グ−ディジタル変換をしてメーエリ一部１２に記憶する
。メモリ一部１２のＲ，からＲｎは円形走査の回転角度
βに対応した信号を記憶するもので、電子ビームの回転
角度とグー１−回路１１が同期して働くために、回転角
度零から１８０度までｎ分割すると１８０／ｎ度間隔で
メモリーＲ３からＲｎまで順次各々メモリーに記憶され
る。更に、それらのメモリーＲ１−Ｒｎの内容はメモリ
一群１３の中にあるメモリーＭ１〜Ｍｎに各々転送され
る。今、電子レンズの励磁電流をＩｆ、と固定し、−回
の円形走査で得られた信号がメモリ一部】２のＲ１−Ｒ
ｎまで記憶されている。そして、Ｒ，の内容はメモリー
Ｍ１のＩｆ、メモリーに、Ｒ２の内容はメモリーＭ２の
Ｉｆ、メモリー、・・・Ｒｎの内容はメモリーＭｎの１
ｆ、メモリーに、各々記憶される。

次に、電子レンズの励磁電流をＡＩだけ増加し。

Ｉｆ、＝Ｉｆ、＋ＡＩと固定し同様に円形走査を行う。

そしてその信号電圧はＲ、”　Ｒ，ｎ　、さらにはメモ
リーＭ、のＩｆ２メモリー、Ｍ、の１ｆ２メモリー、・
・・・・・ＭｎのＩｆ、メモリーに各々記憶される。以
上の動作を電子レンズの励磁電流を順次、ＱＩだけ増加
させｎ回実行し、メモリ一群１３の各メモリーに記憶す
る。これらは第１図に示したようにＡ点からＨ点までの
変化を生じる範囲で実行される６次に、メモリ一群１３
のメモリーＭ１の中で最大値およびその時の励磁電流ｉ
ｆを検出する。これは制御回路１４によって実行する。

同様に、メそり−Ｍ　２　、・・・・・・Ｍｎの各々最
大値およびその時の励磁？′Ｉｉ流Ｉｆを検出する。更
に、今度は検出された最大値をメモリーＭ　１　ｇ　Ｍ
　２　ｙ・・・・・・Ｍｎ間で比重ひする。そして、そ
の最大値を求める。その時のメモリーの番号Ｍｓとする
とそのＭｓが非点収差の方向αを示し、メモリーＭｓの
中のメモリーＩｆｕがＵ軸（あるいはＶ軸）の焦線の位
置を示すごとになる。そして、メモリ一番号Ｍｓから９
０度角度が異なるメモリーがＶ軸（あるいはＵ軸）を示
し、そのメモリーの中で最大値を与えるＩｆｖが焦線の
位置を示すものである。したがって、焦線距ｓｆに相当
する電流を演算回路１４で計算して求め、電子レンズの
励磁電流として電子レンズ供給部１６を経由して、電子
レンズコイル４に供給する。更に、非点収差の方向Ｍｓ
と非点隔差４「を演算回路１４に入力し、前述したよう
に計算して、非点収差補正器の補正量とする。そして、
非点収差補正電流供給部１５を経由して非点収バー補正
コイル３に供給される。以上の動作により、非点収差の
ない最小電子ビーム径が得られる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、電子レンズ等の励磁電流を一度、順次
変化させることにより、非点収差の方向、非点隔差の量
および、焦点距離を検出することができ、それらの情報
をもとに荷電粒子ビーム装置における基本調整の自動化
が極めて容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は焦点距離に対する電子ビームノ、ボッ１−形状
の変化を表わす図、第２図は非点隔差を示す説明図、第
３図は非点収差補正装置の原理図及び非点収差ベクトル
の補正方法を示す図、第４図は従来の自動焦点合わせ方
法を示す荷電粒子ビーム装置のブロック図、第５図は試
料面上を円形走査する電子ビームを示す模式図、第６図
は走査回転角度とビーム径および検出信号の波形を示す
図。 第７図は一実施例になる荷電粒子ビーム装置ブロック図
である。 １・・・陰極、２・・・Ｘ−Ｙ偏向コイル、３・・・非
点収差補正コイル、４・・・電子レンズコイル、５・・
・試料、６・・・２次電子検出器、７・・・円走査供給
部、８・・・電子レンズ電流供給部、９・・・信号検出
部、１０・・・制御回路部、】５・・非点収差補正電流
供給部、１６・・・電子レンズ電流供給部、１７・・・
信号処理回路部、１１・・・ゲート回路゛部、１２・・
・メモリ一部、１３・・・第　３　　図 （矢） （ｂ） 不　４　図 ■　、５　図 ■　６　図 Ｇす 、′ｃ３転角ββ 回傘云角彦ｌ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、電子ビーム等の荷電粒子を放射する手段と、該荷電
   粒子ビームを試料上に走査する手段と、試料から発生し
   た２次電子信号で走査像を作る手段とを備えた荷電粒子
   ビーム装置において、該荷電粒子ビームを試料上で円形
   に走査する手段と、該円形走査の角度に対応して分別し
   て信号を検出する２次電子検出手段と、焦点の良否を判
   定する信号処理手段とを具備し、荷電粒子ビームの焦点
   や非点収差の検出、補正を可能にした荷電粒子ビーム装
   置。