JPS63228556A - 走査電子顕微鏡およびその試料台移動方法 - 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、微細対象物の観察、検査に係り、特に観察の
際の視野移動の操作性に優れた走査電子顕微鏡（以下Ｓ
ＥＭと略する）に関する。

〔従来の技術〕

従来、ＳＥＭによる観察においては、視野の変更を行う
場合には、電子線の入射位置を電子レンズの調整により
変化させる方法、試料台を移動させる方法が用いられて
いる。前者は、試料台の機械的移動がないので、操作が
簡単であるが、移動の範囲が限定されたり、電子ビーム
の入射精度が劣化するという制限があり、後者の試料台
移動方式を用いざるを得ない、試料台は、目的に応じ、
水平移動２回転移動、傾斜移動を組合わせて用いられる
。これらの移動は、はとんどの場合、操作者がつまみを
動かして直接機械的に動きが伝えられる。単純な試料台
の構造では、例えば、傾斜した際に、傾斜前に観察して
いた部位が視野から逃げるというような欠点がある。そ
こで、アイ・ビー・エム、テクニカルディスクロージャ
ーブレティン、２６巻、３Ａ号、（１９８３年）第１１
７３頁から第１１７４頁（Ｉ　Ｂ　Ｍ　Ｔｅｃｈｎｉｃ
ａｌＤｉｓｃｌｏｓｕｒａ　　Ｂｕｌｌｅｔｉｎ、　ｖ
ｏ　　１．　２６．　　＆３Ａ（１９８３）ｐｐ、１１
７３−１１７４）に見られるような、特別な機械的工夫
を行って、観察を容易にすることが試みられている。ま
た、半導体の検査等においては、試料台を自動的に測定
点がら次の測定点まで移動したり設計図面上で指定した
位置へ試料台を移動したりし、微妙な位置合わせは、画
像情報に基づいて決定するシステムが開発されている。

これについては、例えば、日本学術振興会荷電粒子ビー
ムの工業への応用第１３２委員会第９７回研究会資料第
６３頁から第６８頁にｒＣＡＤデータ・ベースを結合し
たＥＢテスタ・システム」との題で小松文朗ほかにより
発表されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち、前者には１機械的な動作の仕方が
倍率にかかわらず一定なため、視野の移動の速度が倍率
によって異なる、また、機械的制約によって動作が限ら
れる、機械的な摩耗によって動作精度が劣化する等の点
問題があった。また、上記従来技術のうち後者には、予
め１１ｍの対象が決まっている場合にのみしか使えない
という問題があった。

本発明の目的は、予めａｍ対象の詳細が知られていない
場合においても適用が可能で、１ｍ中の画像を中心とし
て、試料台の機械的構造を意識せずに視野の移動が可能
で、機械的な摩耗による動作精度の劣化にも対応できる
ＳＥＭを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、試料台の平行移動２回転移動、傾斜移動等
の各自由度の動作を自動的に行う駆動部分を設け、これ
ら各自由度の機械的位置決め精度及び電子線の入射位置
精度を考慮し、更に、走査して得られた画像を処理する
ことにより、試料上の相対的及び絶対的走査位置を割り
出す演算処理部を設け、これら精度と位置に関する情報
や倍率の情報を用いて、試料台駆動部を制御する制御部
において、試料台各自重度の運動を組合わせて駆゛動さ
せることにより達成される。

〔作用〕

演算処理部は両像上より、現在の走査位置と試料台の配
置の関係を割り出す、この情報及び試料台の機械的な動
作精度を考慮して、制御部は操作者の所望の視野の変更
を行うので、操作者は試料台の機械的構造を意識するこ
とがなく所望の視野を選択することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図から第１４図を用いて
説明する。

第１図は本発明の一実施例のハードウェア構成図である
。ＳＥＭ鏡体１０１中の電子銃１０２より放出された電
子線１０３は集束レンズ１０４゜偏向コイル１０５及び
対物レンズ１０６で偏向され、試料１１１上を走査する
。試料１１１の乗る　　　　゛試料台は、上下方向に移
動するＺステージ１０７、水平の２方向に移動するＸ−
Ｙステージ１０８、その法線が鉛直面内で傾斜する傾斜
ステージ１０９、傾斜ステージ１０９の作る傾斜面内で
回転する回転ステージ１１０より成る。この試料台では
、下のステージの動きはそのまま上のステージへ伝わる
。例えば、ｘ−Ｙステージ１０８が移動すると、傾斜ス
テージ１０９と回転ステージ１１０はＸ−Ｙステージ１
０８とともに動く、シかし、Ｚステージ１０７は動かな
い。この試料台の上の試料１１１より、電子線１０３の
入射に対応して放出される２次電子１１２は検出器１１
３により検出され、偏向コイル１０５と同期して走査す
るモ二タースクリーン１１４上に画像を形成する。この
信号は、同時にＡ／Ｄ変換器１１５によりディジタル化
され、フレームメモリ１１６上に画像として記憶される
。このフレームメモリ１１６は複数枚の画像を記憶でき
るようにしておく、ＣＲＴ１１７はフレームメモリ１１
６の内容を選択して表示する。演算処理部１１８は、フ
レームメモリ１１６の内容を用い、２つの画像間の対応
点の探索等の処理を行う、制御部１１９は、演算処理部
１１８の情報等を用いて、Ｚステージ１０７．Ｘ−Ｙス
テージ１０８．傾斜ステージ１０９２回転ステージ１１
０．偏向コイル１０５等を制御する。

これらの動作は操作卓１２０の指示のもとに行われる。

次に、本発明の一実施例の処理の流れを第２図から第７
図で説明する。第２図は処理の全体を示す図、第３図は
、第２図ブロック２０４の詳細を示す図、第４図は、第
２図ブロック２０６の詳細及び第３図ブロック３０３の
詳細を示す図、第５図は第３図ブロック３０４の詳細を
示す図、第６図は第３図ブロック３０５の詳細を示す図
、第７図は第３図ブロック３０７の詳細を示す図である
。

第２図ブロック２０１において操作者はＳＥＭで試料１
１１の表面を観察している。対象物をより詳細に観察す
るため、視野を変更するため、ブロック２０２で処理内
容を選択する１本実施例で用意した機能は、視野中心の
回転、視野を中心として軸を指定した傾斜、移動する量
を画面の幅及び、縦横の方向を基準とした水平移動の３
つである。

これらの機能を選択した背景を簡単に説明すると、ＳＥ
Ｍでは、電子光学系の都合により、第１図のＸ−ＹＸテ
ージ１０８の移動方向であるＸＮＹ軸や、傾斜ステージ
１０９の傾斜軸の位置などを容易に知ることが出来ない
ということである。すなわち、これらステージを手動で
動作させても、それに対する視野の動きは予想出来ない
、しかし、観察者が望むのは、大部分の場合、視野を中
心あるいは基準とした移動である。これが上記機能選択
の背景である。視野中心の移動を選択した場合、検出器
の位置関係を保つ等のために、回転ステージ１１０とＸ
−Ｙステージ１０８を実際に動作させることは、特別な
場合を除いていないので、第２図ブロック２０３におけ
るように偏向コイル１０５を制御することにより、走査
方向を回転させ（ラスターローテーション回路を用いる
。）結果として視野を回転させる。第２図ブロック２０
４の視野を中心として軸を指定した傾斜を選択した場合
には、実際に傾斜ステージ１０９及びｘ−Ｙステージ１
０８を移動させなければならない。この詳細については
、第３図を用いて説明する。第３図ブロック３０１にお
いては、別の角度から観察したい特徴点を指定する。こ
の操作は第８図（ａ）ＣＲＴ８０１中で特徴点８０２を
カーソル８０３で指定することにより行う、このカソー
ル８０３内部の画像は記憶され後のパターンマツチング
に用いられる。ブロック３０２では第８図（ｂ）のＣＲ
Ｔ８０１上で傾斜軸８０４を指定する。ブロック３０３
では現在の画面中でのＸｆｉＹ軸の方向を算出する。こ
れについては、第４図ブロック４０１にて試料台移動前
の画像を記憶する。

次にブロック４０２では試料台の第１図Ｘ−Ｙステージ
１０８をＸ方向に移動する。この移動量は第９図移動前
の特徴点９０２がＣＲＴ９０１中から飛び出さないよう
に、倍率を考慮して決定する。

具体的には、ＣＲＴ９０１の一辺の長さをり２倍率をｆ
とした場合１例えば、Ｌ１５ｆだけ動かせばよい、Ｘ軸
Ｙ軸が座標軸９０４で示される位置にあった場合には、
例えば、移動後の特徴点９０３のように移動する。ブロ
ック４０３ではブロック４０１と同様に画像を取り込み
記憶する。ブロック４０４では、ブロック４０１で取り
込んだ画像中の移動前の特徴点９０２がブロック４０３
で取り込んだ画像中でどの位置にあるかを、画像間演算
により行う、具体的には、第１０図において、ＣＲＴ１
００Ｉ上の画像はディジタル的に表現されており、ＮＸ
Ｎ、の二次元配列をそれぞれ構成しているものとしたと
き、これにの画像間の相関値を求めることにより行う。

移動前の画像の配列をＡ、移動後の配列をＢで表す。Ａ
、Ｂの（ｉ、ｊ）成分の値Ａｌｊ、Ｂｉｊがぞれぞれの
画像濃度を表している、配列Ａの（ｉｔ　ｊ）成分の位
置と配列Ｂの（１’　ｔ　ｊ’　）成分の位置との相関
値ＲＩＪ１’Ｊ’を次のように定義する。ただし配列の
添字が１〜Ｎの範囲を越えないようＭを決めておく。

ここで、 上の式は、Ａ１、α＝＝ｉ−Ｍ、・・・、ｉ＋Ｍ、　β
＝ｊ−Ｍ、・・・、ｊ十Ｍで指定される。第１０図（ａ
）第一の画像片１００３により移動前の特徴点１００２
を指定し、Ｂ１．α＝ｉ’−Ｍ、・・・、ｉ’＋Ｍ。

β”　Ｊ　’　　Ｍ　＋・・・、　ｊ’　＋Ｍで指定さ
れる。第１０（ｂ）第二の画像片との相関値を表す、こ
の相関値は二つの画像片が似ていればいる程値が太きく
なり、第二の画像片１００５が移動後の特徴点１００４
を含み、第一の画像片１００２と同様のものになった場
合に最大になる。すなわち、第二の画像片を配列Ｂ中で
動かし、相関値最大の点を求めれば、対応点を決定する
ことができる。ブロック４０５ではこの対応点の位置情
報より、移動量と方向を計算する。第一の画像片が（ｉ
、ｊ）を中心とし、対応する第二の画像片が（１’　＋
　ｊ′）を中心としている場合には、Ｘ軸は、この２点
を結んだ方向となる。第３図に戻り、ブロック３０４で
は１画面に対する機械的な傾斜軸の位置を求める。この
詳細について、第５図と第１１図を用いて説明する。第
５図ブロック５０１では移動前の画像を取り込み記憶す
る。ブロック５０２では試料台を傾斜する。この傾斜の
大きさは、第１１図移動前の特徴点がＣＲＴＩＩＯＩ中
より飛び出してしまわない程度の大きさでなければなら
ない。試料の厚さは未知であるので概略の値しか指定す
ることは出来ないが、傾斜前の試料台傾斜角をＱｌ、試
料台の横幅をＷ、倍率をｆ、ＣＲＴの一辺の長さをＬと
すると、（ｃｏｓ−１（ｃｏｓθｌ−り 中央の特徴点が画面より飛び出すことはない、ブロック
５０３では、移動後の特徴点１１０３を含んだ画像を取
り込み記憶する。ブロック５０４では、第４図ブロック
４０４と同様の方法で対応点決定を行う、ブロック５０
５では、傾斜軸１１０４の位置方向を計算する。ブロッ
ク５０１で取り込んだ画像の（ｉ、ｊ）画素が、ブロッ
ク５０３で取り込んだ画素の（１’　ｅ　ｊ’　）画素
に対応したとすると、傾斜軸の方向はこれら２点を通る
直線に直交する方向になる。軸までの距離の導出は第１
２図で説明する。移動前の特徴点１２０１が水平面と角
度θ１をなす移動前の試料台上面１２０２上にあり、移
動後の特徴点１２０３が水平面と角度θ２をなす移動後
の試料台上面１２０４の上にある。移動前と移動後の特
徴点と傾斜軸１２０５との水平距離をそれぞれＱｌとＱ
ｘ、試料台面上での距離をｒとすると ｊｌｚ＝ｒｃｏｓθ工 Ｑｚ＝ｒｃｏｓθ２ これより５次の式でｒを求めることができる。

ｆ　（ｃｏｓθｚ　　ｃｏｓθ２） 以上の処理では、試料そのものの厚さを考慮していない
ので、正確な値を得られないが１画面に対して概略の傾
斜軸の位置を知ることができる。

次に第３図ブロック３０５では回転中心位置の算出を行
う、その詳細を第６図、第１３図で説明する。ブロック
６０１では画像を読み込み記憶する。

ブロック６０２では試料台を回転させる。この結果、第
１３図ＣＲＴ１３０１上で、中央にあった第一の特徴点
１３０２は第二の特徴点１３０３の位置に移動する。ブ
ロック６０３ではこの画像を取り込む、ブロック６０４
では、前述と同様の相関計算により、対応点、を決定す
る。ブロック６０５では試料台を逆方向に回転する。こ
れより第三の特徴点１３０４の画像が得られる。ブロッ
ク６０６では、この画像を取り込み、ブロック６０７で
は対応点の決定を行う、ブロック６０８では回転中心位
置を算出する。試料台が傾斜しているので、回転中心１
２０５を中心とした回転運動は、短軸と長軸の比が、傾
斜角をθとしたとき、　ｔａｎθ　で表わされる楕円で
表わされる。傾斜軸１２０６をＹ軸、これと直交する方
向にＸ軸をとり１回転中心を（ｘｏ、ｙｏ）、３つの特
徴点の座標が（ｘｔ。

ｙｚ）　ｐ　Ｃｚａｒ　ｙｉ）　ｔ　（ｘａｔ　ｙａ）
とすると、３点よりこの楕円は決定され（短軸と長軸の
比は与えられている。）、 ２　（ｘｘ　（ｙｒｙａ）＋ｘｚ（ｙｒ−ｙｔ）＋ｘａ
（ｙｔ−ｙｚ））で、回転中心を与えることができる。

以上、第３図ブロック３０３．ブロック３０４．ブロッ
ク３０５の処理により、観察画面に対する試料台の位置
関係を知ることができた０次にブロック３０６では、ブ
ロック３０１．ブロック３０２の指定に従い、各ステー
ジの移動量を算出する。ただし、本実施例の試料台とラ
スターローテーション機構では、自由度が十分ではなく
、所望の動作を厳密に行うことはできない場合が多い、
そこで、近似的に次の動作を行う、第１４図において、
ＣＲＴ１４０１上の移動前の特徴点１４０２上に操作者
により指定された、移動前の指定された傾斜軸１４０３
　（この軸は水平面内に位置するものとする。）があり
、試料台の傾斜軸１４ｏ７とβの角度をなしている。こ
の試料台自体はθだけ傾斜しているとき、ｊａｎ″″’
　（ｔａｎβ／ｃｏｓθ）だけ、回転中心１４０８を中
心に回転させると、移動後の特徴点１４０５上の移動後
の指定された傾斜軸１４０６は、傾斜軸１４０３と平行
になる。ここで、第３図ブロック３０２で指示された傾
斜角がΔθであったとすると、Δθ’　＝ｓｉｎ−”　
（ｓｉｎθｅ０１βｃｏｓΔθ−ハ凸−−５ｉｎ”　＆
ｃｏｓ”　ｐ　５ｉｎＡ　Ｂ　）ｔ：ケ０Ｒｆｉ４す＋
ると、結果的に八〇だけ傾斜させたことになる。

しかし、視野中で、特徴点や指定された傾斜軸が回転し
ているので、ラスターローテーション回路を用い、−ｔ
ａｎ″″ヱ（ｔａｎβ／ｃｏｓ（θ＋Δθ′））だけ回
転させる。この移動は近似的なもので、指定された傾斜
軸方向の試料表面の傾きは異なっているが、指定された
傾斜軸のまわりの傾斜角は正確である。ただし、この移
動により、特徴点は最初のＣＲＴ１４０１よりはずれる
ので、Ｘ−Ｙステージを移動して、視野を回復しなけれ
ばならない。

これは、第３図のブロック３０３，３０４，３０５で、
画面に対するＸ＠Ｙ軸の方向、傾斜軸の位置、回転中心
の位置を求めであるので、計算できる。

最後に第３図ブロック３０７では、ブロック３０６で求
めた移動量に基づき移動を行う。ただし、試料台の機械
的精度を考え、回転や傾斜はそれぞれ一度では行わず、
数回に分は小量ずつ行い、その都度、相関計算による位
置合わせを行う、第７図ブロック７０１から７０６では
回転の処理を行う。

何回に分けて回転させるかは１機械的端度等の要因で決
定する０本実施例では仮に５回に分けるものとする。ブ
ロック７０１では画像を入力する。

ブロック７０２では上述の角度の５分の１だけ試料台を
回転する。ブロック７０３では、それに対応し、ＸＹ移
動を行い、再び特徴点を視野中に確保する。ブロック７
０４では、その画像を入力する。ブロック１４０−５で
は対応点を決定し、ブロック７０４では特徴点が画面中
央に来るよう、Ｘ−Ｙ移動する。ここで、ブロック７０
１に戻り再像入力より繰り返す。ブロック７０７からブ
ロック７１１では傾斜を行うにの処理も分割して行うが
、この回数も機械的精度等により決定する。

本実施例では５回に分割するものとする。ブロック７０
７では回転処理を終了した画像を入力する。

ブロック７０８では上述の角度の５分の１だけ傾斜を行
う、ブロック７０９では、特徴点を視野の中に戻すよう
ｘ−Ｙ移動を行う、ブロック７１０では画像を入力する
。ブロック７１１では対応点を決定し、それに基づき、
ブロック７１２でＸ−Ｙ移動を行い、特徴点を中央に戻
す、最後にブロック７１３ではラスターローテーション
回路を起動し、視野中での指定した傾斜軸を最初の位置
に戻す６以上で、傾斜処理を終り、次に第２図、ブロッ
ク２０５以下の水平移動処理の説明をする。

操作者は、本実施例では、画面の幅単位で移動量を指定
する。ブロック２０５では倍率の値より実際の試料台の
動きの量を計算する。ブロック２０６では第３図ブロッ
ク３０３と同様にＸｍＹ軸の方向を算出する。それに従
い、ブロック２０７とブロック２０８では、Ｘステージ
とＹステージの移動を行う。

以上、本実施例では、操作者は画面を中心とした視野の
移動を自動的に行うことができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、試料台の機械的構造や摩耗による動作
精度の劣化にかかわらず、操作者が望む観察中の画像を
基準とした視野移動ができるのでＳＥＭ操作性が向上す
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のハードウェア構成図、第２
図乃至第７図はそれぞれ本発明の一実施例の処理の流れ
のフローチャート、第８図乃至第１４図はそれぞれそれ
らのフローチャートの内容の説明図である。 代理人　弁理士　小用勝、〆）へ （′１ ＼　　　　　Ｉ り１ｃ　）　Ｌ？］ 第　２図 茅　、３　図 第４図　　　　　　茅５カ 茅６図 茅７図 第３図 （０しン 茅　ゾ図 第１θ図 （０−ン 第１／図 茅７２図 箪／３図 回準六中心／ｊθＳ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料面上を電子線で走査し、試料から放出される２
   次電子、反射電子、Ｘ線を検出して試料面の画像を形成
   する走査電子顕微鏡において、その試料台の垂直移動、
   水平移動、回転、傾斜等の各動作自由度の一部または全
   ての現状を把握し、これらの運動を自動的に行う駆動部
   と、その画像信号をディジタル化して記憶し、この記憶
   内容より得る情報を用いて演算処理を行う演算処理部、
   駆動部より得られる試料台各自由度の現状の情報、倍率
   等の走査電子顕微鏡の動作条件及び外部から入力される
   指示、情報、演算処理部より得られる情報に基づき、演
   算処理部に指示及び情報を送り、駆動部を制御する制御
   部の３つを持つことを特徴とする走査電子顕微鏡。 ２、前記外部から入力される指示は、観察中の画像ある
   いは記憶された画像で観察時の試料台の各自由度の状態
   が知られているものの、その画像を基準にとつた視野の
   移動であるところの、特許請求の範囲第１項の走査電子
   顕微鏡。 ３、前記外部から入力される指示は、観察中の画像ある
   いは記憶された画像で観察時の試料台の各自由度の状態
   が知られているものの、その画像を基準にとつた視野の
   傾斜であるところの、特許請求の範囲第１項の走査電子
   顕微鏡。