JPS6351038A - 表面検出装置 - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明は、表面検出装置に関し、例えば、電子ビーム、
イオンビーム等の粒子線で試料表面を走査し、試料表面
から発生する２次電子、反射電子、２次イオン、Ｘ線等
の信号粒子線を検知して試料表面の状態を検出する表面
検出装置に関する。

口、従来技術 近年、試料表面の微細な凹凸形状を検出（表面粗さの測
定等の断面形状の検出、以下、表面形状測定と呼ぶ。）
する表面形状１ＪＩＩＩ定装置への需要が、ビディオデ
ィスク、コンパクトディスク、磁気テープ、写真用フィ
ルム、集積回路、機械仕上げされた被加工物の表面粗さ
の測定、或いは生物学、鉱物学、考古学の試料の表面状
態の観察等、踵々の分野に於いて顕著に増大している。

これに対し、従来、表面形状測定装置としては、触針を
試料表面に接触させて走査し、測定するものと光学的な
方法によるものとがあり、特に前者が広く用いられてい
る。しかし、これらはいずれも限られた解像力をしか持
たず、また、触針で試料表面を走査する際に試料にｉｎ
　（１ｋを与える等の欠点を有しているので、微細な表
面形状測定に対する近年の需要に応するには不十分であ
る。

上記の問題を解決するため、本発明打は、先に、高い解
像力と深い焦点深度とを有する走査型電子顕微鏡を表面
形状測定に応用して次のような発明をした（特公昭４０
−１７９９９号公）旧０第９図及び第１０図は、上記の
表面形状測定方法を模式的に示す断面図である。

図示しない電子ビーム照射装置より放射された電子ビー
ム３を、試料１０の水平な面１０ａ（第９図）又は試料
１２の凹凸を有する面１２ａ　（第１０図）に照射し、
これにより信号電子線（反射電子、二次電子等）４Ａ、
４日を発生させる。−点鎖線で示す偏向していない電子
ビームの中心線（偏向中心線）に対して互いに対称な位
置には、−組のセンサ１Ａ、１Ｂが配置してあり、セン
サＩＡ、ＩＢは夫々の方向の信号電子線４Ａ、４Ｂを検
知する。このとき、電子ビーム照射位置が水平であれば
、センサ１Ａ、１日の検知強度は等しくなり、図におい
て左方に傾斜していればセンサＩＡの検知量がセンサＩ
Ｂのそれよりも多くなり、右方に傾斜していれば逆の結
果となる。即ち、θを上述の（頃斜角、Ａ、Ｂを夫々セ
ンサ１Ａ、１Ｂの検知強度とすれば、次の関係が成り立
つ。

θ−ｆ　（Ａ−Ｂ）・・・・・・・・・ｆｌ）ただし、
ｊ　　（０）＝０、チは単調増加関数である。

ゆえに、＋１１式をあらかじめ求めておけば、センサ１
ＡとＩＢとの検知強度の差（Ａ−８）から、そのときの
電子ビーム照射位置における試料表面の傾斜角θを自動
的に算出しうる。そこで、図示しない偏向コイルを使用
して電子ビーム３により試料１０．１２の表面１０ａ、
１２ａを走査しながら、対応する照射位置の傾斜角θを
求め、傾斜角θを走査線に沿って梼分すれば、試料表面
の断面曲線が得られる。また、上述の操作を異なる方向
について行えば、２方向について断面曲線が得られる、
〕ととなり、２方向についての断面曲線を互いに組合せ
れば、平面的に試料の表面凹凸形状を測定できる。

本発明者は、検討を加えた結果、上述の表面形状１ＪＩ
ＩＩ定方法には、次のような問題が存在することを見出
しん。

即ち、試料表面の断面曲線を得る際に２よ、電子ビーム
３を偏向させ照射位置を走査線に沿って移動させるので
あるが、電子ビーム３の照射位置が第９図及び第１０図
に一点鎖線で示す中心線から＾１すれると、測定誤差が
生じ、照射位置と上記中心線との距離が増大する程上記
測定誤差が増大する。

その理由については後に詳述する。

上記の測定誤差は、表面形状測定を行う範囲（電子ビー
ム３による試料表面の走査範囲）が５０μｍ以上になる
と顕著に顕れる。例えば、第９図に示す試料１０の表面
１０ａは水平な平面であるが、第１１図に示す測定結果
（ブラウン管２０に表示された画像３０）は水平な直線
とはならず、中央部が盛り上がった曲線となってしまう
。また、第１０図に示す試料１２の表面１２ａには凹凸
が存在するが、第１２図に示す測定結果（ブラウン管２
０に表示された画像３２）は、上述したような中央部が
盛り上がった曲線３０に、試料表面の凹凸が重畳された
ものとなる。このように上記いずれの場合も測定結果は
著しく歪んだものとなり、走査範囲５０μｍ以上の広い
領域に亘る試料表面の測定は困難となり、そのために著
しく支障をきたしていた。

また、上述した電子ビームの照射位置の移動に伴うｉ＋
１定誤差のため、試料表面の微小な彎曲、うねり等を正
しく測定することができず、測定精度を向上させるうえ
でネックとなっていた。その上、高い測定精度が要求さ
れる場合、走査範囲が狭い領域に限られ、広い領域に亘
って表面形状の測定が困難であった。

ハ１発明の目的 本発明は、上述のような従来の表面検出装置が有する問
題点を解消し、検出精度が高く、試料表面の微小な彎曲
やうねりをも正確に検出し、而も広い領域に亘って高い
精度で表面の検出を可能とする表面検出装置を提供する
ことを目的としている。

二９発明の構成 本発明は、粒子線で試料表面を走査してこの試料表面か
ａ発生する信号粒子線を複数の位置で検知し、これら検
知に基づ（データによって前記試料表面の状態を検出す
る表面検出装置に於いて、前記試料に対する前記粒子線
の走査位置に対応して前記データを補正する補正手段を
有することを特徴とする表面検出装置に係る。

ホ、実施例 具体的な実施例の説明に先立って、本発明の原理につい
て述べる。

第５図は本発明の詳細な説明するための模式断面図、第
６図は同模式平面図である。これらは、従来技術の項で
述べた第９図の例に対応している。

図示しない粒子ビーム照射装置より放射された粒子ビー
ム３は、偏向コイル６により所定の偏向を受け、−点鎖
線で示す偏向中心線より距離Ｘだけ偏向し、試料１０の
水平で凹凸のない表面１０ａ上の微小領域Ｐに照射され
、これにより信号粒子線４Ａ、４日が発生する。偏向中
心線に対して互いに対称な位置には、−組のセンサＩＡ
、１日が配置してあり、センサＩＡ、１日は夫々の方向
の信号粒子線４Ａ、４日を検知する。

本発明者は、粒子ビーム照射位置の移動に伴い測定誤差
の生ずる原因について種々の検討を加えた結果、次のこ
とが判明した。

即ち、信号粒子線の検知強度は、試料から発生する信号
強度及び信号をセンサが検知する効率（検知シフ率）の
双方に依存する。第５図に示す例では、試料１０の表面
１０ａは水平な平面なので、粒子ビーム照射点Ｐにおい
て、センサ１Ａ、ＩＢの方向に夫々発生する信号粒子線
４Ａ、４日の強度は等しい。しかし、検知効率は信号発
生位置（粒子ビーム照射位置）からセンサまでの距離の
変化に伴って変化する。この変化の度合は信号粒子線の
種類により異なり、また、装置の構成により異なる場合
があり得る。

上述の事情より、測定誤差をなくすためには、粒子ビー
ム照射位置からセンサまでの距離の変化に伴う検知効率
の変化を補正すれば良いことが解る。

次に、具体的な補正の度合について述べる。

第５図たび第６図において、信号粒子線４Ａ、４日を二
次電子線とすれば、一般に検知り」率は上記距離に反比
例する。そこでセンサＩＡ、ＩＢの検知強度を夫々Ａ、
日とすると、次の関係が成り立つ。

Ａ＝に／　（β＋Ｘ）・・・・・・・・・（２）Ｂ＝に
／　ｕ−Ｘ）・・・・・・・・・（３）ここで、βは偏
向中心線からセンサ１Ａ、ＩＢまでの距離、Ｘは前述し
たように偏向距離、ｋは定数である。

ここで（２）、（３）式よりＡ−８を求めると、実際の
装置ではｌ）Ｘであるから、この条件で近似計算を行え
ば次式を得る。

Ａ−Ｂ娩−２ｋｘ／ｊ２２・−・−−−−（４）従来技
術の項で述べたように、傾斜角θと検知強度の差Ａ−８
との間には（１）式、即ちθ−ｆ　（Ａ−日）の関係が
成り立つので、これと１４）式より次式を得る。

θｏｂｓ＝　ｆ　（−２ｋ　ｘ／　ｌ　２）　”−−（
５まただし、θｏｂｓは傾斜角の測定値である。

試料１０の表面１０ａ上においては、本来は検知強度Ａ
とＢとは等しく、従って常にＡ−９＝０となる筈である
が、（４）式から解るように偏向中心部ちｘ＝Ｑのとき
以外はＡ−日−０にはならない。

このため、（５）式においてチが単調増加関数であるか
ら、傾斜角の測定値θａｂｓはＸの値の増加に伴い単調
減少し、真の値（θ＝０）との間にずれを生ずるのであ
る。

試料表面の断面曲線は、次式に示すように、（頃斜角の
測定値正接ｔａｎ　θａＪを積分して求められる。

Ｚｏ＆ｓ＝　Ｊｔａｎ　θ０しｓ　ｄ　ｘ　−＝　−−
（６）ただし、Ｚｏｂｓは偏向距離Ｘにおける試料表面
の高さの測定値である。

（６）式及びθ６＆５がＸに対し単調減少することから
、ブラウン管に表示される断面曲線は水平面（Ｚ＝０の
場合）とはならず第１１図に示したような中央部の盛り
上がった曲線３０となる。

以上は、試料表面が凹凸のない水平面の場合であるが、
第１０図に示したように、試料表面が凹凸を有する場合
も、上述したと同様のことが／：Ｉｌじ、表示され−る
断面曲線は、第１２図に示したように中央部の盛り上が
った曲線に凹凸の重畳された曲線３２となる。

上述の測定誤差を補正するには、（４）　ｉ：ｔ：で示
したような偏向距離ｘに比例した量を、予め（１）式に
おいて、次に示すように（Ａ−８）に加えておけば良い
。

θｃａｒ　＝ヂ（Ａ−８＋２ｋｘ／ｊ！　２）　＝・・
−（７）ただし、θｔｏｒは補正された傾斜角の値であ
る。

上述したように、（１）式により傾斜角θを求める代わ
りに、補正式（７）式により傾斜角の補正された値θｅ
Ｏｒを求め、次にｔａｎ　θ（ｏｒを下記（８）式のよ
うに測定範囲に亘ってＸについて積分すれば、測定誤差
の消去された正しい断面曲線が求まる。

７、ｃｏｒ＝　ｆ　ｔａｎθｃｏｒｄ　ｘ　−−−＋８
）ただし、Ｚ　ｃｏｒは座標Ｘにおける補正後の試料表
面の高さである。

即ち、第５図及び第９図に示す例に上述の補正を通用す
ると、（４）式を（７）式に代入すれば、θｃａｒ　＝
　ｆ　（０）　＝　０−・−・・・・・（９１す、従っ
て（８）式よりＺｃｏｒ＝０となり、測定結果は第７図
に示す画像４０のように正しく水平な直線として表示さ
れる。同様に、第１０図の例に上述の補正を適用すると
、測定結果は第８図に示す画像４２のように、正しく凹
凸を有する水平線として表示される。

以上、信号粒子線４Ａ、４Ｂが二次電子の場合について
述べたが、信号粒子線が反射電子、２次イオン、Ｘ線等
の場合には、粒子ビーム照射位置からセンサまでの距離
の変化に伴う検知効率の変化は上述したと異なる場合が
あり、また装置の構成によっても異なるので（＋＊知効
率が距離の２乗に比例、距離の平方根に比例等）、その
場合は上述したと同様の方法で、具体的な補正の度合を
定めれば良い。

次に、本発明の具体的な実施例について述べる。

いて信号が検出されてから表示装置に測定結果が表示さ
れるまでのデータの解析過程を示す図である。第２図に
おいては試料１００表面１０ａは凹凸のない水平面であ
り、第３図においては試料１１の表面１１ａは傾斜面１
１ｂを有している。

第１図に示すように、電子ビーム照射装置５において、
図示しない電子銃から電子ビーム３が射出され、電子ビ
ーム３はコンデンサーレンズ及び対物レンズ（図示省略
）によって集束され、偏向コイル６により所定の偏向を
受けた上で、微少な直径をもつ電子ビームとなって試料
１０（＋１）の表面１０ａ　（ｌ　ｌａ、ｌ　ｌｂ）上
を照射する。

電子ビーム３により照射された試料ＩＱ（１１）からは
、第１図、第２図（ａｌ、第３図（ａｌに示すように信
号として二次電子４Ａ、４Ｂが放出され、これはセンサ
１Ａ、ＩＢにより検知される。マイクロコンピュータか
ら発生したディジタルの走査信号は、Ｄ／Ａ変換器によ
りアナログの走査信号に変換され、走査コイルに供給さ
れる。その結果、電子ビーム３は、試料１０（１１）上
を走査範囲εの全長に亘って走査する。

第１図に示すように、センサ１Ａ、ＩＢの夫々の検知強
度Ａ、Ｅｌのデータは、Ａ／Ｄ　（アナログ／ディジタ
ル）変換によりディジタル信号に変換される。第２図（
ｂｌ、第３図（ｂ）は夫々検知強度Ａのラフは数式上は
双曲線であるが、第５図、第６図において１ｅＸである
ことから直線とみなしてよい。第２図（Ｃ）、第３図（
Ｃ）は夫々検知強度日の位置変化を示し、検知強度日は
前述の（３）式に従うが、上記したと同じ理由により直
線状に変化する。

次に、検知強度Ａ、Ｂのデータはマイクロコンピュータ
に送られ、先ず減算処理を施され、検知強度の差（Ａ−
９）のデータとなる。第２図＋ｄ＋、第３図ｆｄｌは夫
々検知強度の差（Ａ−日）の位置変化を示し、検知強度
の差（八−日）は前述の（４）式に従い直線状に変化す
る。

次に、検知強度の差（Ａ−日）のデータは補正部に送ら
れて補正処理を施され、検知強度の差のン市正１直ＣＡ
　　Ｂ＋２ｋｘ／６”）のデータとなる。

第２図ｔｅｌ、第３図ｆｏｌは夫々検知強度の差の補正
値（Ａ−８＋　２　ｋ　ｘ／７！２）　（７）位置変化
ヲ示シ、上記補正値は第２図（ｅｌにおいては走査範囲
εの全長に亘って零となり、第３図（ｅ）においては、
水平面１１ａに対応する部分では零となり、斜面１１ｂ
に対応する部分では負の一定値となる。

次に、検出強度の差の補正値（Ａ−９＋２ｋＸ／１２）
のデータは、次の演算部に送られ、前述の（７）式に従
って変換され、ｊ　（Ａ−８＋２ｋｘ／２２）即ち１頃
斜角の補正値θＣｏｒのデータとなり、更に、傾斜角の
補正値θｃａｒのデータは、前述の（８）式に従って積
分処理を施されてＪ　ｔａｎ　０ｃｏｒ　ｄ　ｘ叩ち試
料表面の高さの補正値Ｚ　ｃｏｒのデータに変換され、
これらデータは表示装置又はＸ−Ｙブロックへ伝送され
表示される。第２図（ｆｌ、第３図（ｆ）は夫々表示さ
れた画像を示し、第２図（「）は試料１０の表面１０ａ
の真の断面曲線（凹凸形状）を、第３図（「）は試料１
１の表面１１ａ、ｌｌｂの真の断面曲線を、夫々再現し
表示している。

マイクロコンピュータ中での上記各演算は、図示省略し
たメモリに記憶されているプログラムに従って遂行され
る。

なお、第２図Ｆｇ）、第３図（ｇ＞に示すのは、上記補
正を行わなかった場合の比較例の表示である。

この比較例では、第２図（ｄｌ及び第３図（ｄ）に示す
ように、減算処理後の検知強度の差（Ａ−８＞のデータ
とするまでは前記実施例と同一である。しかし、次に検
知強度の差のデータに対し補正を行わず、これらデータ
を（１）式に従って変換し、チ（Ａ−８）即ち傾斜角の
未補正測定値θｏｋ５とし、更に、未補正測定値θｏｂ
５のデータに前述の（６）式に従って積分処理を施して
Ｊｔａｎ　θ０Ｌ５ｄｘ即ち試料表面の高さの未補正測
定値Ｚｏｋｓのデータに変換し、表示装置又はＸ−Ｙプ
ロッタへ伝送し表示する。

第２図（ｇ）、第３図（ｇｌは夫々上述のようにして表
示された画像を示す。

このように、補正を行わないと、試料１０．１１の表面
１０ａ、ｌｌａ、ｌｌｂは、いずれも中央部の盛り上が
った断面曲線として表示される。

第４図は、４個のセンサによって二次電子を検知し、表
面形状を検出する例を示す模式平面図である。

試料１０（＋１）の表面上におけろ偏向していない電子
ビームの照射位置０に対し互いに対称な位置に、−組の
センサ１Ａ、１Ｂが配置され、また、他の一組のセンサ
１Ｃ１ＩＤが配置されており、センサ１Ａと１日とを結
ぶ仮想線と、センサ１Ｃと１Ｄとを結ぶ仮想線とは、互
いに電子ビームの偏向中心Ｏにおいて直交している。セ
ンサ１Ａ、１ＢはＸ軸方向において夫々の方向の二次電
子を検知し、センサＩＣ，ＩＤはｙ軸方向において夫々
の方向の二次電子を検知する。

センサＩＡ、１日、ＩＣ１１Ｄの検知強度を夫々Ａ、日
、Ｃ，、Ｄとし、試料表面１０ａ　　（ｌｌａ）のＸ軸
方向、ｙ軸方向に対する傾斜角を夫々θＸ、θｙとすれ
ば、前述したように次の関係が成り立つ。

θＸ＝　ヂ（Ａ−８）・・・・・・・・・ＱＱ）θｙ＝
　、５１（Ｃ−Ｄ）・・・・・・・・・（１１）ただし
、　Ｊ（ｏ）＝　３　（０）＝０、ｆ、ｙ共に単調増加
関数である。

ゆえに、θ０）式、ω）式をあらかじめ求めておき、夫
々について前述したように、二次電子信号の検知、信号
データのＡ／Ｄ変換、信号データの減算、補正、積分等
の演算、演算結果の表示等を行えば、Ｘ軸方向及びｙ軸
方向における試料表面の補正された断面曲線が得られ、
これら２方向についての断面曲線を互いに組み合わせれ
ば、平面的に表面凹凸形状を測定できる。

以上説明したように、電子ビーム照射位置による１対の
センサ間での検知効率の差に基づく誤差を補正すること
により、この誤差が実質的に無視し得る程度に減少して
高精度の表面形状測定が可能になる。また、上記の結果
から、試料表面の微妙な前極やうねり等をも正確に検出
できる上に、走査範囲を拡げて広い領域に亘る測定が可
能になることが容易に理解されよう。

上記の例では、ブラウン管等の表示装置やＸ−Ｙプｒ゛
ツタに試料表面の凹凸状態の測定結果を表示してい名が
、上記試料が人為的に加工されたものである場合は、上
記表示をすることなく、或いは上記表示に併せて当該試
料の製造工程に演算結果のデータをフィードバンクし、
このデータに基づいて上記製造工程の加工条件を制御す
るようにすることもできる。

また、上記の例は、信号粒子線として二次電子を用いた
場合であるが、この池、反射電子、二次イオン、Ｘ線等
種々の信号粒子線を用いることがればよい。また、試料
に照射する粒子線としては、電子ビーム以外にイオンビ
ーム等を用いてもよい。

また、本発明は、前記のような表面の形状（凹凸）の測
定のほか、例えばＸ線マイクロアナライザのＸ線強度の
検出にも適用可能である。

へ１発明の詳細 な説明したように、本発明は、粒子線の検知に基づくデ
ータを、この粒子線の走査位置に対応して補正するよう
にしているので、走査位置による検知効率の差に基づく
誤差を実質的に無視し得る程度に減少させることができ
る。その結果、検出精度が著しく向上する上に、試料表
面の微妙な曲 前肩やうねり等も正確に検出でき、更に、走査範囲を拡
げて広い領域に亘る検出が可１ｊヒとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図（ａ）　〜（ｆ）、第３図ｆａｌ　〜（
ｆｌ及び第４図〜第８図は本発明の実施例を示すもので
あって、第１図は表面検出装置の概略図、 第２図（ａｌ、（ｂｌ、（Ｃ１、ｔｄ＋、（ｅｌ及び（
０並びに第３図（，１１１、（ｂ）、（Ｃ）、（ｄ）、
（ｅ）及び（ｆ）は夫々表面検出過程の説明図、 第４図は他の表面検出装置の内部１既略部分平面図、 第５図は表面検出装置の概略部分断面図、第６図は表面
検出装置の概略部分平面図、第７図及び第８図は夫々ブ
ラウン管に表示された検出結果を示す正面図 である。 第２図Ｆｇｌ、第３図ｆｇ）及び第９図〜第１２図は従
来例−を示すものであって、 第２図（ｇｌ及び第３図（ｇｌは夫々表示された検出結
果を示す図、 第９図及び第１０図は夫１表面検出装置の概略部分断面
図、 第１１図及び第１２図は夫々ブラウン管に表示された検
出結果を示す正面図 である。 なお、図面に示された符号に於いて、 １Ａ、ＩＢ、１Ｃ１ＩＯ・・・・・・・・・センサ３・
・・・・・・・・電子ビーム ４Ａ、４Ｂ・・・・・・・・・二次電子線５・・・・・
・・・・電子ビーム照射装置６・・・・・・・・・偏向
コイル １０．１１．１２・・・・・・・・・試料１０ａ、１１
ａ、ｌｌｂ、１２ａ ・・・・・・・・・試料表面 ２０・・・・・・・・・ブラウン管 ３０．３２．４０．４２ ・・・・・・・・・ブラウン管に表示された（家である
。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、粒子線で試料表面を走査してこの試料表面から発生
   する信号粒子線を複数の位置で検知し、これら検知に基
   づくデータによって前記試料表面の状態を検出する表面
   検出装置に於いて、前記試料に対する前記粒子線の走査
   位置に対応して前記データを補正する補正手段を有する
   ことを特徴とする表面検出装置。