JPS63119147A - 荷電粒子線の集束状態を検出する装置 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、走査電子顕微鏡やイオンビーム装置等にお（
プる電子線やイオンビームの集束状態を高い精度でモニ
ターづることの出来る装置に関する。

［従来技術］ 走査電子顕微鏡のように試料面上に電子線を走査するこ
とにより走査画像を表示する装置や、イオンビーム描画
装置のように材料の表面をイオンビームによって微細に
加工するための装置においては、電子線やイオンビーム
等の荷電粒子線を試料や被加工材の面上でその断面径が
出来るだけ小さくなるように集束させるフォーカシング
の操作が必要である。このフォーカシング操作は荷電粒
子線に対して集束作用を及はＪ電磁レンズのレンズ強度
を調整することにより行なわれるが、斯種装置の一部に
はこのフォーカシングの操作を自動的に行なう装置が組
込まれており、その−例として特公昭５９−１７４．９
６号公報明細舊に記載される技術を使用した装置が挙げ
られる。従来の自動フォーカシング装置は、いずれも荷
電粒子線を試料や材料の面上を走査したときに発生する
信号を検出し、この検出信号に種々の信号処理を施すこ
とによって荷電粒子線の断面（通常は円形）の径に関す
る情報として利用している。従って、この情報が不正確
な場合には十分な粕庶で信頼性の高い自動フォーカシン
グを行なうことができない。

第２図は、従来の自動フォーカシングの機構を備えた走
査電子顕微鏡の要部を示す略図である。

第２図の装動に８５いて、荷電粒子線発生源としての電
子銃１から放出される電子ビーム２は、電磁レンズ３に
より試１３＋　４の表面上に細く集束した状態で前用す
る。このときの集束状態は、電磁レンズ３のレンズ強度
を制御するレンズ電源５の出力を変化させることにより
調整され、正しいフ１−カシング状態においては、試料
表面上にお（プる電子ビーム２の断面径が最小となる。

また、電子ビームの経路中に設けられた複数組の電磁コ
イル等から構成される偏向子６により電子ビーム２は偏
向され、偏向電源７から偏向子６に走査信号が供給され
ると、電子ビーム２は試料面上を走査する。

このようにして、電子ビーム２が試料面上を走査すると
各走査位置において２次電子等の信号が発生し、この信
号は光電子増倍管等から成る検出器８と増ＴＩ］器９に
より電気信号に変換、増幅され、走査電子顕微鏡像を得
るための映像信号として用いられる。但し、第２図には
そのための構成は省略されており、代わりに自動フォー
カシングを行なうための回路が示されている。

自動フォーカシングは、コンピューターから成る中央制
御回路部１０を中心として行なわれ、オペレーターが自
動フォー力シングのモードを指定すると、中央制御回路
部１０は偏向電源７へ自動フォーカシング用の偏向モー
ドを行なうための制御信号を送る。自動フォーカシング
用の偏向モードにおいては、例えば、第３図に示す如く
、格子状試料４の面上におけるＸ方向の特定線分のみが
電子ビーム２で繰返し走査される。このようなＸ方向走
査が繰返される毎に、中央制御回路部１０はＤＡ変換回
路１１とレンズ電源５を介してレンズ３の強度を順次変
化させるが、この時のレンズ強度変化の増減方向や変化
量は、増巾器９の出力に施される信号処理ににつで得ら
れる信号を電子ビーム２の試料面上における集束状態を
表わす信号としてモニターすることによって決定される
。

第４図は、増巾器９の出力から得られる映像信号の波形
を示しており、縦軸は信号強痘を、横軸は試料土の走査
位置に対応した時間を示している。

第４図における波形ａ１はレンズ強度が正しくフォーカ
シング調整された状態にお（プる信号波形を示しており
、波形ｂ１はレンズ強度が正しくフォーカシング調整さ
れていない状態にお【プる信号波形を示している。波形
ａ１は電子ビーム２の断面径が十分率さいために、試料
の格子部分を通過する際の信号変化が急峻となるのに対
して、波形ｂ１は電子ビーム２の断面径が大きいために
、試料の格子部分を通過する際の信号変化が緩やかとな
る。波形ａ１とｂｌに示される信号は、微分回路１２を
通過することにより、第５図中ａ２．ｂ２に示されるよ
うな波形の信号となり、電子ビーム２の集束状態が良い
と波形ａ２のように最大（又は最小）ピークが高く（又
は低く）なり、集束状態が悪いと波形ｂ２のように最大
（又は最小）ピークが低く（又は高く）なる。従って、
微分回路１２の出力信号の最大（又は最小）ピークを検
出してその値を電子ビーム２の集束状態を表わす信号と
して扱うことができる。しかしながら、映像信号は種々
のノイズの影響を受けるので、微分信号の最大ピークの
高さのみで電子ビーム２の集束状態をモニターしようと
すると不正確となり、自動フォーカシング動作の信頼性
が損われる。

このような欠点を除くために、微分信号に含まれる夫々
の微分ピークの高さを積算した値を電子ビーム２の集束
状態を表わす信号として扱うようにするための回路が、
ピーク値加算回路１３である。尚、偏向電源７からは、
走査信号の他に各Ｘ方向走査が繰返される毎に発生する
ブランキング信号が出力されており、ピーク値加算回路
１３や中央制御回路１０ヘリセット信号やタイミング信
号として供給されている。ピーク値加算回路１３は、第
５図に示される微分信号における負極性の各ピーク部分
を反転させて第６図に示す波形ａ３゜ｂ３とし、これら
の波形の夫々のピーク高さを第７図中の波形ａ４とｂ４
に示すように順次加算する。ピーク値加算回路１３の最
終的な出力値ｈａとｈｂは、ＡＤ変換回路１４を介して
中央制御回路部１０に印加されて、電子ビーム２の試料
面上における集束状態を表わす信号として用いられる。

このようにしてｊｒＪられる信号は、ノイズの影響を受
（ブにくいという利点がある。中央制御回路部１０にお
いては、レンズ電源５へ与える異なった制御信号の夫々
に対応する電子ビームの集束状態を表わす信号が記憶さ
れており、これらの記憶データに基づいて、レンズ電源
５へ与えるべき最適な制御信号の値を決定し、その最適
状態を保持することによって自動フォーカシングの動作
を完了させる。

「発明が解決しようとする問題点］ ところで、試料４を照射づる電子ビームの電流値が同じ
であっても、試料の構成物質や表面形状によって試料か
ら発生ずる信号量は大きく異なる。

このことは、第４図に示されるＪ：うな信号波形に現わ
れるピークの数やピークの高さが大幅に変化することを
意味している。即ち、仮に電子ビームが最適な集束状態
にあったとしても、前述した第２図の装置において得ら
れる第７図の信号の値ｈａやｈｂは試料の種類や観察条
件によって大きく変動し、ピーク値加算回路１３の出力
が微弱過ぎたり、逆に飽和状態となったりすることがあ
る。

このような場合には、電子ビームの集束状態を正しくモ
ニターすることができなくなり、自動フォーカシングが
正しく作動しなくなる。

本発明は、このような従来装置の問題点を解決して荷電
粒子線の集束状態を常に正確にモニターすることのでき
る装置を提供することを主な目的としている。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成する本発明装置の構成は、荷電粒
子線発生源からの荷電粒子線を試料面上に集束させた状
態で試料面に照射するための集束手段と、前記荷電粒子
線によって試料面を走査するだめの走査手段と、前記荷
電粒子線の照射によって試料から発生する信号を検出す
る検出器を備えた装置において、該検出器の出力信号を
微分する微分回路と、該微分回路からの出力信号の強度
に応じた周波数のパルスを発生する電圧／周波数変換手
段と、該電圧／周波数変換手段の出力パルス数を計数Ｊ
る計数回路を設（プたことを特徴としている。

［実施例］ 第１図は、本発明の一実施例装置の略図であり、図中、
第２図と同一符号を付したものは、同一構成要素を表わ
している。第１図の装置は、従来装置を示す第２図のピ
ーク値加算回路１３及びＡＤ変換回路１４の代わりに、
全波整流回路１５．電圧／周波数変換回路１６及び計数
回路１７が用いられている。尚、偏向Ｎ源７からは、走
査信号の他に各Ｘ方向走査が繰返される毎に発生するブ
ランキング信号が出力されており、中央制御回路１０へ
のタイミング信号として、また計数回路１７へのリセッ
ト信号として用いられている。

第１図の装置においては、微分回路１２の出力として得
られる第５図の微分信号が、全波整流回路１５に加えら
れ、第６図のａ３及びｂ３に示される信号となり、この
信号が更に電圧／周波数変挽回路１６に導かれる。電圧
／周波数変換回路１６は、入力信号の電圧値に応じた（
比例した）周波数でパルスを発生し、第８図のａ５とｂ
５に示されるようなパルス列を出力する。これら出力パ
ルス数 数値が電子ビームの集束状態を表わす信号として直接中
央制御回路１０に印加される。尚、前記全波整流回路１
５を半波整流回路に置き換えても差し支えない。

第１図の装置においては、微分信号中に発生するピーク
部の高さをアナログ的に直接加算する代わりに、微分信
号の強度をパルス数に置換え、そのパルス数を計数し、
その計数値を電子ビームの集束状態を表わす信号として
用いているため、試料から発生する信号の発生量や変化
量に大きなバラツキがあっても、電子ビームの集束状態
を忠実にモニターすることが可能となり、自動フォーカ
シングの信頼性を高めることができる。

［他の実施例］ 第９図は、本発明の他の実施例装置の略図であリ、図中
、第２図及び第１図と同一符号を付したものは、同一構
成要素を表わしている。第９図の装置は、第１図の実施
例装置と比較して、増幅回路９と微分回路１２の間に積
算回路部１８が挿入されている。この回路部１８は、各
繰返し走査毎に電子ビームの集束状態をモニターする信
号を検出する代わりに、走査が特定回数（ｎ回）繰返さ
れる毎に電子ビームの集束状態をモニターする信号を得
るためのもので、入力された映像信号をディジタル信号
に変換するだめのＡＤ変換回路１９ど、ＡＤ変換回路１
９の出力が入力される加算回路２０と、該加算回路２０
の出力を記憶する記憶回路２２と、前記加算回路２０の
出力をＤＡ変換して積算回路部１８の出力として微分回
路１２に印加するＤ△変換回路２１とから構成されてい
る。

また、逓倍回路２３は、偏向電源７からのブランキング
信号がｎ個発生する毎に１回の割合で出力を発生し、中
央制御回路１０へのタイミング信号として、更に泪数回
路１７と加算回路２０へのリセット信号として用いられ
る。

記憶回路２２は、Ｘ方向の走査線分上における数千の画
素に応じたメモリー領域を有しており、偏向電源７から
のブランキング信号がタイミング信号として入力される
と、加算回路２０からの出力を順次各メモリー領域に記
憶して行くと同時に、前回の走査において記憶しておい
たＸ方向走査における映像信号を加算回路２０の一方の
入力端子に順次出力する。このようにして、加算回路２
０は、常に１〜ｎ回の走査に、１３いて積算された映像
信号が出力されることになる。加算回路２０の出力が供
給されるＤＡ変換回路２１には、逓倍回路２３からの信
号が印加されており、ｎ回積算した映像信号のみを積算
回路部１８の出力として微分回路１２へ出力する。この
ようにして、映像信号をｎ回積算することによりＳＮ比
を６倍改善することができる。

ところで、第５図や第６図に示す微分波形の信号は、第
４図に示される波形の映像信号に対する理論的な微分曲
線ではなく、実際の微分回路によってられる微分曲線で
ある。このような微分曲線においては、高いピーク程そ
のピーク幅が拡がるため、高いピーク部と低いピーク部
の曲線が囲む面積、従って発生するパルス数に大きな差
を生じることになる。このことは、第１図の装置におけ
る電圧／周波数変換回路１６の発生するパルス数が微分
曲線中の高いピークと低いピークとで差を生じ、電子ビ
ームの集束状態をモニターすることができることを意味
している。また、電圧／周波数変換回路１６の発生する
パルス数が微分曲線中の高いピークと低いピークとで出
来るだけ大きな差を生じるようにするため、微分回路１
２と電圧／周波数変換回路１６の間に非線形な増幅特性
を有する増幅器を挿入してもよい。

第１０図に示寸信号波形ａ６及びｂ６は、第５図に示さ
れる（１回）微分信号ａ２及びｂ２を更に微分回路を用
いて２回微分したものである。このような、２回微分信
号は第５図に示される１回微分信号に堤れるピーク信号
の幅（時間）による影響が殆／υどなくなるため、電子
ビームの集束状態をモニターＪ−るためには都合がよい
。従って、第１図又は第９図の実施例装置における微分
回路１２を２回微分を行なう回路で置き換えてもよい。

［効果］ 以上に詳説した如く、本発明の装置においては、映像信
号を微分した信号のピーク高さをパルスの数に変換して
利用しているため、試料から発生する信号が大幅に変動
しても荷電粒子線の集束状態を表わす信号を正確に検出
することが可能となり、荷電粒子線装置における自動フ
ォーカシング装置の信頼性を大幅に高めることができる
。また、本発明の装置は、自動フォーカシングの用途以
外にも、荷電粒子線の光学系に存在する非点収差の影響
を補正する非点収差補正装置の調整操作を行なう際のモ
ニター信号として使用しても大きな効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例装置を示す略図、第２図は従
来の自動フォーカシング装置を備えた走査電子顕微鏡の
要部を示す略図、第３図乃至第７図は第２図の装置の動
作を説明するだめの略図、第８図は第１図の装置の動作
を説明づるための略図、第９図は本発明の他の実施例装
置を示す略図、及び第１０図は本発明の更に伯の実施例
装置の動作を説明するための略図である ５・・・レンズ電源、７・・・偏向電源、１０・・・中
央制御回路部、１１・・・ＤＡ変換回路、１２・・・微
分回路、１３・・・ピーク値加算回路、１１！Ｉ・・・
ＡＤ変換回路、１５・・・全波整流回路、１６・・・電
圧／周波数変換１７・・・計数回路、１８・・・積算回
路部、２３・・・逓倍回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 荷電粒子線発生源からの荷電粒子線を試料面上に集束さ
   せた状態で試料面に照射するための集束手段と、前記荷
   電粒子線によって試料面を走査するための走査手段と、
   前記荷電粒子線による照射により試料から発生する信号
   を検出する検出器を備えた装置において、前記検出器の
   出力信号を微分する微分回路と、該微分回路からの出力
   信号の強度に応じた周波数のパルスを発生する電圧／周
   波数変換手段と、該電圧／周波数変換手段の出力パルス
   数を計数する計数回路を設けたことを特徴とする荷電粒
   子線の集束状態を検出する装置。