JP2001035431A - 走査像信号取得方法および走査電子顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価で複雑な除振機構を必要とせず、高い分
解能で正確な像を得ることができる走査像信号取得方法
および走査電子顕微鏡を実現する。 【解決手段】 試料４の表面にＸ，Ｙ方向の基準となる
端部を有した基準部材１８を設ける。電子ビームＥＢを
偏向することによって基準部材１８のＸ，Ｙ方向の基準
端部を検出し、基準端部を基準として電子ビームを偏向
し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を検出しな
がら、試料の所定領域の像信号を取得する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、振動等の影響を受
けずに高い分解能の像を得ることができる走査像信号取
得方法および走査電子顕微鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、電子銃からの電子
ビームをコンデンサレンズと対物レンズによって試料上
に集束し、更に電子ビームを２次元的に走査している。
そして、試料への電子ビームの照射によって発生した２
次電子等を検出し、検出信号を電子ビームの走査に同期
した陰極線管に供給し、試料の走査像を得るようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】さて、このような走査
電子顕微鏡において、高い分解能で正確な像を得る上
で、影響を与える要素として振動、音響、気圧、気流等
の変動がある。例えば、振動が試料に伝達すると、試料
に照射される電子ビームと試料位置の相対的な関係がず
れてしまい、正確な電子ビームの走査ができなくなり、
試料形状に正確に一致した像が得られなくなる。このた
め、アクティブな除振機構を設けるようにしているが、
振動の完全なる除去をすることが困難であると共に、セ
ンサー、コントローラ、アクチュエータ等の多くの付加
的なハードウェアと、複雑なアルゴリズムからなる制御
システムが必要となる。

【０００４】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、高価で複雑な除振機構を必要とせ
ず、高い分解能で正確な像を得ることができる走査像信
号取得方法および走査電子顕微鏡を実現するにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に基づく走査像
信号取得方法は、試料表面にＸ，Ｙ方向の基準となる端
部を有した部材を設け、電子ビームを偏向することによ
って基準端部を検出し、基準端部を基準として電子ビー
ムを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を
検出しながら、試料の所定領域の像信号を取得するよう
にしたことを特徴としている。

【０００６】請求項１の発明では、試料と共に振動等の
影響を受ける基準部材の基準端部を基準として電子ビー
ムを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を
検出しながら、試料の所定領域の像信号を取得するよう
にしたので、振動等の外乱の影響のない像信号を取得で
きる。

【０００７】請求項２の発明では、請求項１の発明にお
いて、基準部材を試料から電気的に絶縁し、基準部材の
吸収電流を検出することにより、基準端部の検出を行う
ようにした。

【０００８】請求項３の発明では、請求項１の発明にお
いて、基準部材を試料とは異なった２次電子放出能の材
料で形成し、基準部材からの２次電子を検出することに
より、基準端部の検出を行うようにした。

【０００９】請求項４に基づく走査電子顕微鏡は、電子
ビームを試料上に細く収束する手段、電子ビームを試料
上で偏向するための偏向器、試料への電子ビームの照射
に基づいて得られた信号を検出する検出器、試料表面に
設けられ、Ｘ，Ｙ方向の基準となる端部を有した基準部
材、基準端部を基準として電子ビームを偏向し、基準端
部から所定の距離の試料部の信号を検出するように制御
する制御手段、検出された試料の所定の領域の各画素信
号に基づいて走査像を表示する表示手段とを備えたこと
を特徴としている。

【００１０】請求項４の発明では、試料と共に振動等の
影響を受ける基準部材の基準端部を基準として電子ビー
ムを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を
検出しながら、試料の所定領域の像信号を取得するよう
にしたので、振動等の外乱の影響のない像信号を取得で
きる。

【００１１】請求項５の発明では、請求項４の発明にお
いて、基準部材を試料表面から退避されるように構成し
た。請求項６の発明では、請求項４の発明において、基
準部材に位置合わせのための微動機構を備えた。

【００１２】請求項７の発明では、請求項４の発明にお
いて、複数の画素単位で基準端部を基準として電子ビー
ムを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を
検出するようにした。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は本発明に基づく走査
電子顕微鏡の一例を示す図であり、１は電子銃である。
電子銃１から発生し加速された電子ビームＥＢは、コン
デンサレンズ２と対物レンズ３により、試料４上に細く
収束される。

【００１４】電子ビームＥＢは更に走査コイル５、ある
いは走査コイル６によって試料の所望領域で２次元的に
走査される。走査コイル６としては応答が早く、ヒステ
リシスの影響が無視できる空芯コイルが用いられる。走
査コイル５あるいは６には、ＣＰＵのごとき制御回路７
によって制御されるデジタル走査信号発生器８からの走
査信号が、走査制御回路９とスイッチ１０を介して供給
される。なお、スイッチ１０は制御回路７によって切り
換えられる。

【００１５】電子ビームＥＢの試料４への照射によって
発生した２次電子は、２次電子検出器１１によって検出
され、検出信号は増幅器１２によって増幅された後、Ａ
Ｄ変換器１３によってディジタル信号に変換される。デ
ィジタル信号に変換された信号は、画像メモリー１４に
供給されて記憶される。

【００１６】画像メモリー１４に記憶された信号は読み
出され、ＤＡ変換器１５を介して陰極線管１６に供給さ
れることから、陰極線管１６には試料の走査像が表示さ
れる。なお、画像メモリー１４への各画素信号の記憶
は、記憶制御回路１７によって制御される。

【００１７】試料４の上部には、試料４表面から僅かに
離されて、Ｌ字状の金属製基準部材１８が配置されてい
る。この金属製基準部材１８と試料４とは絶縁状態とさ
れており、基準部材１８に電子ビームが照射されると、
基準部材１８で信号が検出され、検出信号は増幅器１９
を介して信号処理回路２０に供給される。

【００１８】図２に試料４とＬ字状の基準部材１８を示
している。基準部材１８は支持部材２１によって支持さ
れているが、支持部材２１は軽くて剛性の高い材料で形
成されており、端部は試料の傾斜ステージ上に取り付け
られている。このことによって、試料４と基準部材１８
とは、振動等の外乱に対し、同等の影響を受けることに
なる。

【００１９】この支持部材２１は基準部材１８を試料表
面から退避させるために回転、あるいは移動可能に設け
られている。図３は回転により基準部材１８を試料４表
面から退避させる例を示している。支持部材２１の端部
は回転軸２２に取り付けられており、回転軸２２を回転
させることにより、基準部材１８は試料４表面から退避
させられる。図４は支持部材の端部が直線移動機構２３
に取り付けられた例を示しており、支持部材２１は、基
準部材１８と共に図中矢印方向に移動可能にされてい
る。このような構成の動作を次に説明する。

【００２０】まず、通常の走査電子顕微鏡像を得る場合
には、スイッチ１０が切り換えられ、デジタル走査信号
発生器８からの通常の２次元走査信号が走査制御回路９
を介して走査コイル５に供給される。この結果、試料４
の所定領域は、電子ビームＥＢによって２次元的にディ
ジタル走査される。

【００２１】電子ビームＥＢの走査によって試料４から
発生した２次電子は、２次電子検出器１１によって検出
される。検出器１１の検出信号は、増幅器１２によって
増幅された後、ＡＤ変換器１３によりディジタル信号に
変換され、画像メモリー１４に供給されて記憶される。
各画素信号の画像メモリー１４における記憶領域の選択
は、制御回路７の制御による記憶制御回路１７によって
制御される。

【００２２】画像メモリー１４に記憶された信号は読み
出され、ＤＡ変換器１５によって変換された信号は陰極
線管１６に供給されることから、陰極線管１６には、試
料４の走査２次電子像が表示される。

【００２３】次に振動等の影響を防止して、高い倍率の
像を高分解能で観察する例を図５を用いて説明する。こ
の場合、Ｌ字状の基準部材１８が試料４の表面に配置さ
れると共に、スイッチ１０が切り換えられ、応答の早い
走査コイル６によって電子ビームの走査・偏向が行われ
る。このとき、基準部材１８は試料から僅かに浮かして
配置されている。なお、基準部材１８はＹ方向の直線状
の端部１８ｙと、Ｘ方向の直線状の端部１８ｘとを有し
ている。

【００２４】まず、観察する領域Ｒのほぼ左上に電子ビ
ームを照射し、この位置から、電子ビームをＸ方向に偏
向する。この電子ビームの偏向により、電子ビームＥＢ
が基準部材１８のＹ方向の端部１８ｙに至ると、基準部
材１８から信号が得られ、この信号は増幅器１９を介し
て信号処理回路２０に供給される。

【００２５】信号処理回路２０は、信号を成形し、制御
回路７に供給する。制御回路７は基準部材１８に電子ビ
ームが照射されたことを検知し、その後、電子ビームＥ
Ｂの偏向の向きを反転させるよう、ディジタル走査信号
発生器８を制御する。そして、電子ビームの偏向の向き
が反転され、基準部材１８のＹ方向の端部１８ｙから距
離ｘ０だけ、電子ビームを偏向するようにディジタル走
査信号発生器８を制御する。

【００２６】距離ｘ０だけ電子ビームが偏向された後、
今度は電子ビームをＹ方向に偏向する。この電子ビーム
の偏向により、電子ビームＥＢが基準部材１８のＸ方向
の端部１８ｘに至ると、基準部材１８から信号が得ら
れ、この信号は増幅器１９を介して信号処理回路２０に
供給される。

【００２７】信号処理回路２０は、信号を成形し、制御
回路７に供給する。制御回路７は基準部材１８に電子ビ
ームが照射されたことを検知し、その後、電子ビームＥ
Ｂの偏向の向きを反転させるよう、ディジタル走査信号
発生器８を制御する。そして、電子ビームの偏向の向き
が反転され、基準部材１８のＸ方向の端部１８ｘから距
離ｙ０だけ、電子ビームを偏向するようにディジタル走
査信号発生器８を制御する。

【００２８】このような制御により電子ビームが基準部
材のＹ方向の端部１８ｙから距離ｘ０、Ｘ方向の端部１
８ｘから距離ｙ０離れた位置に照射された時、制御回路
７は記憶制御回路１７を制御し、２次電子検出信号を画
像メモリー１４の座標（ｘ０，ｙ０）に対応した位置に
記憶させる。

【００２９】次に、座標（ｘ０，ｙ０）の位置の信号が
検出された後、電子ビームは再びＸ方向に偏向される。
この電子ビームの偏向により、電子ビームＥＢが基準部
材１８のＹ方向の端部１８ｙに至ると、基準部材１８か
ら信号が得られ、この信号は増幅器１９を介して信号処
理回路２０に供給される。

【００３０】信号処理回路２０は、信号を成形し、制御
回路７に供給する。制御回路７は基準部材１８に電子ビ
ームが照射されたことを検知し、その後、電子ビームＥ
Ｂの偏向の向きを反転させるよう、ディジタル走査信号
発生器８を制御する。そして、電子ビームの偏向の向き
が反転され、基準部材１８のＹ方向の端部１８ｙから距
離ｘ１だけ、電子ビームを偏向するようにディジタル走
査信号発生器８を制御する。

【００３１】距離ｘ１だけ電子ビームが偏向された後、
今度は電子ビームをＹ方向に偏向する。この電子ビーム
の偏向により、電子ビームＥＢが基準部材１８のＸ方向
の端部１８ｘに至ると、基準部材１８から信号が得ら
れ、この信号は増幅器１９を介して信号処理回路２０に
供給される。

【００３２】信号処理回路２０は、信号を成形し、制御
回路７に供給する。制御回路７は基準部材１８に電子ビ
ームが照射されたことを検知し、その後、電子ビームＥ
Ｂの偏向の向きを反転させるよう、ディジタル走査信号
発生器８を制御する。そして、電子ビームの偏向の向き
が反転され、基準部材１８のＸ方向の端部１８ｘから距
離ｙ０だけ、電子ビームを偏向するようにディジタル走
査信号発生器８を制御する。

【００３３】このような制御により電子ビームが基準部
材のＹ方向の端部１８ｙから距離ｘ１、Ｘ方向の端部１
８ｘから距離ｙ０離れた位置に照射された時、制御回路
７は記憶制御回路１７を制御し、２次電子検出信号を画
像メモリー１４の座標（ｘ１，ｙ０）に対応した位置に
記憶させる。

【００３４】同様にして、次々と各画素の信号が得ら
れ、（ｘｎ，ｙｎ）の座標値の信号が検出されて画像メ
モリー１４に記憶されると、領域Ｒに含まれる全画素の
信号が画像メモリー１４に記憶されることになる。この
段階で画像メモリー１４に記憶された信号が読み出さ
れ、ＤＡ変換器１５を介して陰極線管１６に供給される
ことから、陰極線管１６には試料領域Ｒの像が表示され
る。

【００３５】この得られた像は、基準部材１８の２つの
端部１８ｘ，１８ｙを基準として、電子ビームを所定の
距離偏向しながら検出した信号に基づくものであり、試
料４と基準部材１８とが振動等の影響を共通して受ける
ことから、振動等の影響のない美しい像となる。

【００３６】以上の説明では、１画素ごとに基準部材１
８の端部を基準として信号の取得を行ったが、外乱の周
期によっては、荷電粒子ビームまで細かくする必要はな
い。例えば、所定の画素のブロック（例えば、５×５画
素のブロック）ごとや、所定の数のＸ方向のライン画素
ごとに、基準部材１８を用いた電子ビームの位置制御を
行うようにしても良い。

【００３７】図６は、所定の画素のブロック（例えば、
５×５画素のブロック）ごとに基準部材１８の端部を基
準とした信号の取得を行う例を示したもので、図中黒丸
の画素Ｐａについて基準部材１８の端部を基準とした信
号の取得を行い、白丸の画素Ｐｂについては、画素Ｐａ
を基準として電子ビームの偏向走査を行う。すなわち、
２５画素に１回基準部材１８を用いた偏向位置補正動作
を行う。

【００３８】図７は、より振動等の周期が早い場合であ
り、所定の画素のライン（例えば、５画素のライン）ご
とに基準部材１８の端部を基準とした信号の取得を行う
例を示したもので、図中黒丸の画素Ｐａについて基準部
材１８の端部を基準とした信号の取得を行い、白丸の画
素Ｐｂについては、画素Ｐａを基準として電子ビームの
偏向走査を行う。すなわち、５画素に１回基準部材を用
いた偏向位置補正動作を行う。

【００３９】上記したように、高い倍率の像観察におい
ては、基準部材１８の端部を基準とした位置合わせを行
って、試料の所定領域で電子ビームの偏向を行うが、低
い倍率の像を観察する場合には、観察視野内に基準部材
１８が入ってしまうことも生じる。その場合には、図３
や図４で示した機構を用いて、基準部材１８を試料表面
から退避させれば良い。

【００４０】ところで、高倍率像の観察時に基準部材１
８を用いた電子ビームの偏向・走査が行われるが、その
場合、基準部材１８と観察領域との間の位置合わせが必
要となる。図８は基準部材１８の位置合わせを説明する
ための図であり、Ｒは１０万倍の観察範囲を示してお
り、観察範囲Ｒの中点Ｃが電子ビームの光軸と一致して
いる。

【００４１】１０万倍の場合、観察範囲Ｒの一辺の長さ
はおおよそ１μｍである。通常電子ビームのイメージシ
フト機能での電子ビームの偏向範囲は±５μｍであるか
ら、光軸Ｃから基準部材の基準辺までの距離が±４μ程
度であれば、イメージシフト機能を用いて基準部材１８
の基準辺を観察範囲にとらえることができる。図８にお
いて、点線で示した領域Ｒ´がイメージシフトによる観
察領域である。

【００４２】この領域Ｒ´の走査像を観察することによ
り、基準部材１８のＸ，Ｙ方向の基準辺の状態が確認で
きる。この観察により、基準辺の垂直、水平の方向が傾
いている場合には、スキャンローテーションにより方向
を合わせることを行っても良いし、実際の画素情報の取
得時に、傾きの情報を与えて電子ビームの偏向・走査の
方向を補正するようにしても良い。

【００４３】なお、基準部材１８の端部が光軸Ｃから±
４μｍ以内に入るように、事前に機械的な位置合わせが
必要である。その場合、基準部材１８の取り付け時に治
工具を使用して正確に取り付ける、基準部材に移動機構
を設けて調整可能に構成する等が考えられる。この移動
機構としては、ピエゾ素子の利用が好ましい。

【００４４】上記した基準部材１８としては、金属製の
材料を用い、基準部材１８の吸収電流を用いて電子ビー
ムの偏向制御を行うようにしたが、基準部材として２次
電子の放出能が、試料４に比べて極めて高いか逆に極め
て低い材料を用い、基準部材１８からの２次電子を検出
することにより、電子ビームの偏向制御を行うようにし
ても良い。

【００４５】また、電子ビームを偏向し、基準部材１８
の端部を検出したときに電子ビームの偏向の向きを反転
させるようにしたが、電子ビームを基準部材１８を横切
ってある程度まで偏向し、その後偏向の向きを反転さ
せ、電子ビームが再び基準部材１８の端部を横切った時
を基準として、所定の位置までの偏向を行うようにして
も良い。この方式の場合には、走査コイルのヒステリシ
スの影響を著しく小さくすることができる。

【００４６】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこの形態に限定されない。例えば、電磁的な走査
コイルを用いて電子ビームの偏向・走査を行うようにし
たが、高速の電子ビームの偏向が可能な静電偏向器を用
いるようにしても良い。その場合には、切り換えスイッ
チ１０は不要となる。また、各画素信号を画像メモリー
に一次記憶させるようにしたが、所定のタイミングで得
られた信号を直接陰極線管に供給しても良い。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に基づく走
査像信号取得方法は、試料表面にＸ，Ｙ方向の基準とな
る端部を有した部材を設け、電子ビームを偏向すること
によって基準端部を検出し、基準端部を基準として電子
ビームを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信
号を検出しながら、試料の所定領域の像信号を取得する
ようにした。

【００４８】すなわち、試料と共に振動等の影響を受け
る基準部材の基準端部を基準として電子ビームを偏向
し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を検出しな
がら、試料の所定領域の像信号を取得するようにしたの
で、振動等の外乱の影響のない像信号を取得できる。

【００４９】また、本発明に基づく走査電子顕微鏡は、
電子ビームを試料上に細く収束する手段、電子ビームを
試料上で偏向するための偏向器、試料への電子ビームの
照射に基づいて得られた信号を検出する検出器、試料表
面に設けられ、Ｘ，Ｙ方向の基準となる端部を有した基
準部材、基準端部を基準として電子ビームを偏向し、基
準端部から所定の距離の試料部の信号を検出するように
制御する制御手段、検出された試料の所定の領域の各画
素信号に基づいて走査像を表示する表示手段とを備え
た。

【００５０】この結果、試料と共に振動等の影響を受け
る基準部材の基準端部を基準として電子ビームを偏向
し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を検出しな
がら、試料の所定領域の像信号を取得するようにしたの
で、振動等の外乱の影響のない像信号を取得でき、高い
分解能で美しい、正確な像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に基づく走査電子顕微鏡の一例を示す図
である。

【図２】試料と基準部材との関係を示す図である。

【図３】基準部材を試料表面から退避させる構成を示す
図である。

【図４】基準部材を試料表面から退避させる構成を示す
図である。

【図５】電子ビームの偏向と像信号取得のタイミングを
説明するための図である。

【図６】所定ブロックごとに基準位置の補正を行う例を
示す図である。

【図７】所定ラインごとに基準位置の補正を行う例を示
す図である。

【図８】基準部材の位置合わせの説明に用いる図であ
る。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ コンデンサレンズ ３ 対物レンズ ４ 試料 ５，６ 走査コイル ７ 制御回路 ８ デジタル走査信号発生器 ９ 走査制御回路 １０ スイッチ １１ ２次電子検出器 １２ 増幅器 １３ ＡＤ変換器 １４ 画像メモリー １５ ＤＡ変換器 １６ 陰極線管 １７ 記憶制御回路 １８ 基準部材 １９ 増幅器 ２０ 信号処理回路

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料表面にＸ，Ｙ方向の基準となる端部
   を有した部材を設け、電子ビームを偏向することによっ
   て基準端部を検出し、基準端部を基準として電子ビーム
   を偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号を検
   出しながら、試料の所定領域の像信号を取得するように
   した走査像信号取得方法。
2. 【請求項２】 基準部材は試料から電気的に絶縁されて
   おり、基準部材の吸収電流を検出することにより、基準
   端部の検出を行うようにした請求項１記載の走査像信号
   取得方法。
3. 【請求項３】 基準部材は試料とは異なった２次電子放
   出能の材料で形成されており、基準部材からの２次電子
   を検出することにより、基準端部の検出を行うようにし
   た請求項１記載の走査像信号取得方法。
4. 【請求項４】 電子ビームを試料上に細く収束する手
   段、電子ビームを試料上で偏向するための偏向器、試料
   への電子ビームの照射に基づいて得られた信号を検出す
   る検出器、試料表面に設けられ、Ｘ，Ｙ方向の基準とな
   る端部を有した基準部材、基準端部を基準として電子ビ
   ームを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部の信号
   を検出するように制御する制御手段、検出された試料の
   所定の領域の各画素信号に基づいて走査像を表示する表
   示手段とを備えた走査電子顕微鏡。
5. 【請求項５】 基準部材は、試料表面から退避されるよ
   うに構成されている請求項４記載の走査電子顕微鏡。
6. 【請求項６】 基準部材は、位置合わせのための微動機
   構が備えられている請求項４記載の走査電子顕微鏡。
7. 【請求項７】 複数の画素単位で基準端部を基準として
   電子ビームを偏向し、基準端部から所定の距離の試料部
   の信号を検出するようにした請求項４記載の走査電子顕
   微鏡。