JPS63254649A - 走査電子顕微鏡による観察装置 - Google Patents

走査電子顕微鏡による観察装置

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JPS63254649A
JPS63254649A JP8914987A JP8914987A JPS63254649A JP S63254649 A JPS63254649 A JP S63254649A JP 8914987 A JP8914987 A JP 8914987A JP 8914987 A JP8914987 A JP 8914987A JP S63254649 A JPS63254649 A JP S63254649A
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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、走査電子顕微鏡等の焦点合わせ方法及び装置
に関するものである。
〔従来の技術〕
走査電子顕微鏡及びその類似装置においては、試料像の
焦点合わせは集束レンズの励磁を調整し試料面上におけ
る照射電子線のビーム径が最小となることを確認して行
われるが、このような調整操作は表示手段に表示される
試料像のB察に基づいて行っていたため操作に長い時間
を要し、又正確な!!15J整が困雛であった。
そのため、例えば、特公昭59−17496号公報には
、集束レンズの強度を変化させ、各強度における映像信
号の立上りの度合を検出して行なう方法が開示されてい
る。すなわち、この方法は集束レンズ強度を一定の変化
幅で段階的に増加又は減少させ、変換信号の増加傾向が
逆転する毎に集束レンズ系に与えるレンズ強度の段階的
変化の極性を反転させると共に変化幅を減少させ、変換
信号の増加傾向の逆転が数回行なわれた後、最後に変換
信号の増加傾向が逆転した時又はその直前におけるレン
ズ強度を正焦点として保持する焦点合わせ方法で、これ
によって、試料像観察によらず直接に像信号から焦点合
わせに関する信号を検出して自動的に集束レンズの励磁
を最適状態に設定するものである。
〔発明が解決しようとする問題点〕
しかし、走査電子顕微鏡の映像信号はS/、Nが低く、
信号の立上りを正しく検出することが難しいため、前述
の焦点合わせ方法のように集束レンズ強度を幾通りにも
変化させる必要がある場合には焦点合わせに要する時間
が長くなり、短時間の焦点合わせには不向である。
本発明は、走査電子顕微鏡等の焦点合わせを、高速度、
高精度に実施可能とすることを目的とするものである。
〔問題点を解決するための手段〕
前述の問題点を解決するためにとられた本発明の摺電は
、走査電子顕微鏡等の焦点合わせ方法においては、電子
線源で生成され試料に照射される電子線のビームスポッ
ト径を焦光レンズにより試料面上で最小とする走査電子
顕微鏡の焦点合わせ方法において、前記試料に表面と所
定の角度をなす斜め方向から光束を照射し該試料面上に
光束像を形成し、前記試料表面と所定の角度をなす方向
から前記光束像を検出して、前記試料の標準位置からの
上下の移動量を前記試料表面への前記光束像の移動に変
換して、該光束像の移動量を検出し、検出された前記光
束像の移動量に基づいて、前記集光レンズの集束電流を
制御することを特徴とするものであり、走査電子顕微鏡
等の焦合わせ装置においては、電子線源で生成され試料
に照射される電子線のビームスポット径を集光レンズに
より試料面上で最小とする走査電子顕微鏡の焦点合わせ
装置において、レーザ光源から発生するレーザ光を平行
光束とし該平行光束を前記試料面に斜め方向から指向さ
せる入射光学系と、前記試料面よりの光束の方向を変え
シリンドリカルレンズにより圧縮し、リニアセンサに入
射させる検出光学系と、前記リニアセンサの検出値から
前記試料の標準位置からの上下の移動量を検出する高さ
検出回路と、前記集束レンズを該高さ検出回路の検出結
果により制御する制御回路とを有していることを特徴と
するものである。
〔作用〕
走査電子顕微鏡では電子ビームを集束レンズにより、微
小なスポットとして試料の表面に照射し、試料より発生
する2次電子等を検出することにより、試料表面の像を
得る。しかし試料の高さが変化すると、電子ビームのス
ポット径は変化し、像のぼけが発生する。従って、試料
に光スリツ1〜像を斜め方向から投影すれば、試料の高
さが変わると、試料表面上のスリット像位置は変化し、
その変化量は試料の高さの関数であるため、スリット位
置を検出すれば試料の高さを検出することができ、試料
の高さに応じ走査電子顕微鏡の集束レンズ強度を変化さ
せれば、焦点合わせが可能となる。
本発明では光学的手段により試料高さを検出するため、
走査電子顕微鏡の低S/N映像信号の影響も受けない。
また、集束レンズ強度の変化は1回のみであるので高速
な焦点合わせが可能となる。
このような構成が可能としたのは、電子顕微鏡の電子レ
ンズの被写界深度が用いられる光学系の高さ精度より十
分に大きいためである。
〔実施例〕
以下、実施例について説明する。
第1図は一実施例の構成説明図で、この図で、1は走査
電子顕微鏡の鏡筒、2は集束レンズ、3は試料ステージ
(図示せず)上に取り付けられている試料で、4は平行
光束を試料3面に指向させる入射光学系で、レーザ光源
5.ビームエキスパンダ6、スリット7、第ルンズ8.
第1反射ミラー9より構成されており、10は検出光学
系で、第2反射ミラー11.第2レンズ12.シリンド
リカルレンズ13.リニアセンサ14より構成されてお
り、15は高さ検出回路、16は集光レンズ制御回路で
ある。なお、この実施例では、入射光学系4と検出光学
系1oとは走査電子顕微鏡の真空室中に設けられている
この実施例の入射光学系は、レーザ光源5より発光した
レーザビームをビームエキスパンダ6により拡大した後
、スリット7を介し形成したスリット像を第ルンズ8を
経て、第1反射ミラー9で光路を曲げ試料3の表面に斜
め方向から投影結像するようになっており、検出光学系
1oは、投影結像したスリット像を第2反射ミラー11
で光路を曲げ、第2レンズ12を介し、シリンドリカル
レンズ13を経て、リニアセンサ14上に結像するよう
になっている。そこで、リニアセンサ14の開口部が狭
いため、シリンドリカルレンズ13により、スリット像
を圧縮しリニアセンサ14上に結像している。リニアセ
ンサ14上のスリット像の位置から高さ検出回路15に
より試料3の高さが検出され、求められた試料の高さに
もとづき、集光レンズ制御回路16により集束レンズ2
を制御して焦点合わせが行なわれる。
次に試料の高さを検出する原理を第2図により説明する
。第2図では、スリット像が入射角αで試料3上に投影
結像されており、試料3上のスリット像を角度βで検出
している。このとき試料3の高さが2だけ異なると、検
出側でのスリット像の移動量2と2の間には z=Qsincz/5in(π/2−a−β)    
−(1)が成立する。Qはリニアセンサ14上において
、検出光学系10の倍率を乗じたものとして検出できる
ので、試料3の高さを第1図の実施例で求めることがで
きることになる。なお、一般にはα=βとすることによ
り、リニアセンサ14へ入射する光量を最大にする(正
反射光を検出するようにする)。
第3図によりリニアセンサ14の出力より、試料3高さ
を検出する高さ検出回路15の具体的処理例を説明する
。スリット像はりニアセンサ14上で明るく検出される
ので、第3図に示すような画像信号がリニアセンサ14
では出力される。この図の横軸には画素位置X、縦軸に
は出力がとってあり、Vmax及びVthはそれぞれ出
力の最大値及び閾値を示し、xt 、X2は閾値V t
 h における画素位置を示している。
この画像信号は試料3の材質による反射率の差異などに
より、信号レベルが変動する。よって画像信号の最大値
Vmaxを検出した後Vmaxより閾値vthを算出し
、閾値Vthを用い、画像信号が初めて閾値V t h
を越えた画素位置X1.最後に閾値Vthを越えた画素
位置X2を求め、画素位置X工、Xxの平均値Xをスリ
ット位置とする。一方、前もって試料3の高さとりニア
センサ14上のスリット位置について、較正を行ってお
けば。
画素位置Xより試料3の高さを算出することができ、試
料3高さに従い、集束レンズ2の強度を集束レンズ制御
回路16により制御することにより、焦点合わせを行う
ことが可能となる。
また、走査電子顕微鏡では検出器としてホトマルを用い
ることが多いので、焦点合わせ時以外のときは試料3に
スリット光が入射しないように、例えばレーザ光源5と
ビームエキスパンダ6の光路中にシャッタなどを設け、
試料3からの散乱光がホトマルに入らないようにする必
要が生じることもある。
なお、走査電子顕微鏡には試料ステージの機能の1つに
、試料と鏡筒の距離を変える機能が付いたものもある。
第4図及び第5図はこのような走査電子顕微鏡の焦点合
わせ装置の説明図で、第1図と同一部分には同一符号が
付してあり、17は試料室、18及び19はそれぞれ入
射光学系4の保持箱及び検出光学系10の保持箱、20
及び21はそれぞれ保持箱18及び19に設けられてい
るガラス窓、22及び23は軸受、24及び25はベロ
ーズを示し、26及び27はそれぞれ入射光線となす角
が可変の反射ミラーを示している。
これらの実施例は、試料3と鏡筒1(第1図参照)との
距離に応じ、焦点合わせ用光学系を動かす機能を有して
おり、第4図の実施例では、試料ステージに連動して入
射光学系4.検出光学系10を上下させるようになって
いる。なお、試料室17は真空であるため、保持箱18
及び19には、それぞれガラス窓20及び21が設けら
れ、保持箱18及び19を上下させるとき、軸受22゜
23、ベローズ24.25を用い、試料室17の内部の
真空を保持するようになっており、第5図の実施例では
、反射ミラー26.27の角度を変えることにより、ス
リット像を走査電子顕微鏡の視野に生成するようになっ
ている。
また、走査電子顕微鏡では試料ステージ28′を第6図
(a)に示す如く電子ビーム29に対して傾けた位置2
8で試料(図示せず)を86することがある。これは試
料から発生する2次電子の数が、入射電子ビームと試料
表面の角度に比例し、増加するのを利用し、検出した像
のコントラストを高めようとするものである。このよう
な場合には、第6図(b)に示すように光スリットの投
影方向および検出方向を試料ステージ28′の傾は方向
と直角になるようにすることにより、目的を達成できる
。この図の30は光スリツト像を示している。
以上の如く、実施例によれば、走査電子顕微鏡の焦点合
わせを自動的に、高精度、高速に行うことが可能になる
。すなわち、走査電子顕微鏡はその特長の1つである高
分解能により半導体のa察あるいは検査などに使用され
ているが、半導体ウェハの試料表面の高さのばらつきは
10〜20μmあり、走査電子顕微鏡のもう1つの特長
である深い被写界深度(倍率10000倍において数μ
m)を有していても、焦点ずれが生じるのに対して、こ
の実施例によれば、焦点合わせが容易となり、操作性を
高めることことを可能とすることができる。
〔発明の効果〕
本発明は、走査電子顕微鏡等の焦点合わせを、高速度、
高精度に実施可能とするもので、産業上の効果の大なる
ものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の走査電子顕微鏡の焦点合わせ方法の一
実施例を実施する装置の構成説明図、第2図は同じく原
理説明図、第3図は同じく具体的処理例の説明図、第4
図及び第5図は同じくそれぞれ異なる他の実施例の構成
説明図、第6図は同じくさらに他の実施例の要部説明図
である。 1・・・走査電子顕微鏡筒、2・・・集束レンズ、3・
・・試料、4・・・入射光学系、5・・・レーザ光源、
6・・・ビームエキスパンダ、7・・・スリット、8・
・・第ルンズ、9・・・第1反射ミラー、10・・検出
光学系、11・・・第2反射ミラー、12・・・第2レ
ンズ、13・・・シリンドリカルレンズ、14・・・リ
ニアセンサ、15・・・第1 目 l δ  −$1  シ>ス°        /乙 ・ 
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Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、電子線源で生成され試料に照射される電子線のビー
    ムスポット径を集光レンズにより試料面上で最小とする
    走査電子顕微鏡等の焦点合わせ方法において、前記試料
    に表面と所定の角度をなす斜め方向から光束を照射し該
    試料面上に光束像を形成し、前記試料表面と所定の角度
    をなす方向から前記光束像を検出して、前記試料の標準
    位置からの上下の移動を前記試料表面への前記光束像の
    移動に変換して、該光束像の移動量を検出し、検出され
    た前記光束像の移動量に基づいて、前記集光レンズの集
    束電流を制御することを特徴とする走査電子顕微鏡等の
    焦点合わせ方法。 2、前記試料に前記光束を照射する方向、及び前記試料
    上の前記光束像を検出する方向が前記試料の傾斜方向と
    直角である特許請求の範囲第1項記載の走査電子顕微鏡
    等の焦点合わせ方法。 3、電子線源で生成され試料に照射される電子線のビー
    ムスポット径を集光レンズにより試料面上で最小とする
    走査電子顕微鏡等の焦点合わせ装置において、レーザ光
    源から発生するレーザ光を平行光束とし該平行光束を前
    記試料面に斜め方向から指向させる入射光学系と、前記
    試料面よりの光束の方向を変えシリンドリカルレンズに
    より圧縮し、リニアセンサに入射させる検出光学系と、
    前記リニアセンサの検出値から前記試料の標準位置から
    の上下の移動量を検出する高さ検出回路と、前記集束レ
    ンズを該高さ検出回路の検出結果により制御する制御回
    路とを有していることを特徴とする走査電子顕微鏡等の
    焦点合わせ装置。 4、前記入射光学系及び前記検出光学系が、前記走査電
    子顕微鏡等の鏡筒軸方向に対して相対的に移動可能にな
    つている特許請求の範囲第3項記載の走査電子顕微鏡等
    の焦点合わせ装置。 5、前記入射光学系及び前記検出光学系が、それぞれ前
    記試料表面に照射する光束及び前記試料表面上の光束像
    を検出する角度を可変とする反射鏡を有するものである
    特許請求の範囲第3項記載の走査電子顕微鏡等の焦点合
    わせ装置。 6、前記入射光学系及び前記検出光学系が、前記走査電
    子顕微鏡等の真空室中に設けられている特許請求の範囲
    第3項又は第4項又は第5項記載の走査電子顕微鏡等の
    焦点合わせ装置。
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