JP4004490B2

JP4004490B2 - 走査型電子顕微鏡装置

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Publication number: JP4004490B2
Application number: JP2004214292A
Authority: JP
Inventors: 治郎等松
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2004-07-22
Filing date: 2004-07-22
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2022-11-07
Also published as: JP2004319518A

Description

本発明は、走査型電子顕微鏡装置、特に観察に於ける視野選択を容易に行うことができる光学顕微鏡を備えた走査型電子顕微鏡装置に関するものである。

従来の光学顕微鏡を併設した走査型電子顕微鏡装置としては、例えば特許文献１に示されるものがある。該走査型電子顕微鏡装置を図１１に於いて説明する。

電子線を発する電子銃１、該電子銃１より射出された電子線を試料面に対して走査する走査機構２を具備した鏡筒３ａが気密な試料室４の上面に立設されて走査型電子顕微鏡３が構成され、該試料室４の内部には試料５が載置され、移動可能に設けられた試料台６、前記試料５に電子線を走査させることで発生する２次電子を捕捉する２次電子検出器７が収納されている。

更に前記試料室４の斜め上方には円筒アダプタ８が設けられ、該円筒アダプタ８にはベローズ１０を介して光学顕微鏡９が光軸方向に移動可能に且気密に設けられている。該光学顕微鏡９は図示しない移動機構により光軸方向に移動され、又光学顕微鏡９の光軸は走査型電子顕微鏡の観察位置の中心に合致している。

上記走査型電子顕微鏡により試料５の観察を行う場合について説明する。

図示しない移動機構により光学顕微鏡９を２点鎖線に示す様に移動させ、試料台６を移動させて、光学顕微鏡９により試料５の表面を観察し、走査型電子顕微鏡により観察すべき位置を特定する。観察すべき位置が特定できたら前記光学顕微鏡９を後退させ、該光学顕微鏡９が走査型電子顕微鏡の電子線走査を遮ったり、前記試料５より発生する２次電子が光学顕微鏡９に衝突しない様にする。その後、前記電子銃１から電子線を発生させ、走査機構２により走査し、前記２次電子検出器７により捕捉した２次電子を基に得られる画像を図示しないＣＲＴ上に表示し観察していた。

ところが上記した従来の走査型電子顕微鏡では短焦点の光学顕微鏡の為、試料に光学顕微鏡を近付ける必要があり、光学顕微鏡９が試料室４内に収納される構成であり、光学顕微鏡９の占有空間が試料５近傍迄及び、有効な試料室４の空間が狭められてしまい、試料５を設置する空間、試料５を移動させる距離、或は試料の傾斜が制限され、２次電子、反射電子を検出する検出器を同時に設けることができず、２次電子、反射電子を同時に捕捉し、それぞれの電子に基づく画像を作成し観察に利用するということができなかった。

更に、上記従来例では走査型電子顕微鏡３の走査中心位置（電子線が試料面に照射される位置）が特定できないので、観察部位を特定することができなかった。

特開平４−３０８６３９号公報

本発明は斯かる実情に鑑み、光学顕微鏡の試料室内での占有空間をなくし、試料室の内部空間を有効に利用する様にすると共に、レーザ光線により走査型電子顕微鏡の走査中心位置を示し、観察部位の特定作業を容易にするものである。

本発明は、走査型電子顕微鏡に設けられた試料室の外に、該走査型電子顕微鏡の光軸と試料上で交差可能な光軸を有しズーム機能を有する長焦点距離光学顕微鏡を、該長焦点距離光学顕微鏡の光軸が前記試料のＹ移動軸と前記走査型電子顕微鏡の光軸とを含む面内にあり、光学顕微鏡像が走査型電子顕微鏡像に対して天地左右が全て逆転する位置に設け、前記長焦点距離光学顕微鏡による画像を撮像する撮像手段を前記長焦点距離光学顕微鏡の接眼レンズ側に設置すると共に前記撮像手段の撮像画像が走査型電子顕微鏡像と天地左右が一致する様に設け、長焦点距離光学顕微鏡によるズームアップした画像の移動方向と走査型電子顕微鏡による画像の移動方向とが一致する様に構成し、走査型電子顕微鏡の光軸途中からレーザ光線を走査型電子顕微鏡の光軸に合致させ試料に向かって照射するレーザ光線照射手段を設けた走査型電子顕微鏡装置に係り、又電子線を走査する走査手段を有する走査型電子顕微鏡に設けられた試料室の外に、該走査型電子顕微鏡の光軸と試料上で交差可能な光軸を有しズーム機能を有する長焦点距離光学顕微鏡を、該長焦点距離光学顕微鏡の光軸が前記試料のＹ移動軸と前記走査型電子顕微鏡の光軸とを含む面内にあり、光学顕微鏡像が走査型電子顕微鏡像に対して天地左右が全て逆転する位置に設け、前記走査手段による走査軸の回転により前記長焦点距離光学顕微鏡によるズームアップした画像の移動方向と走査型電子顕微鏡による画像の移動方向とが一致する様に構成し、走査型電子顕微鏡の光軸途中からレーザ光線を走査型電子顕微鏡の光軸に合致させ試料に向かって照射するレーザ光線照射手段を設けた走査型電子顕微鏡装置に係るものである。

本発明によれば、光学顕微鏡を試料室の外に設け、試料室に光学顕微鏡が占める空間を除去したので、試料室内の有効空間が大幅に増大し、試料台、試料等を配置する場合の制約が緩和され、レーザ光線により走査型電子顕微鏡の走査中心位置がズームアップした画像で示されるので観察部位の特定作業が容易となる。

以下、図面を参照しつつ本発明を実施する為の最良の形態を説明する。

図１は第１の実施の形態を示し、図中に於いて図１１中で示したものと同様の構成要素には同符号を付してある。

試料室４の上面に下端部が試料室４内に突出した鏡筒３ａが立設され、該鏡筒３ａ内部には上方より電子銃１、第１コンデンサレンズ１１、第２コンデンサレンズ１２、走査コイル１３、対物レンズ１４が順次配設されている。又、前記鏡筒３ａの下端下方には試料ステージ１５がＸ，Ｙ軸方向、回転、傾斜、上下方向の移動機構を介して任意の方向に傾動自在に設けられ、該試料ステージ１５の上面に設けられる試料台１６には試料５が載置され、該試料ステージ１５は前記鏡筒３ａ下端の直下に位置する。

前記鏡筒３ａの光軸上の所要位置、例えば前記第２コンデンサレンズ１２と走査コイル１３との間に可動ミラー３５を設け、該可動ミラー３５に向かってレーザ光線を発するレーザ光線発光手段３６を設ける。可動ミラー３５は楕円面状のミラーを有し、挿入・引出機構と中心合わせ機構を設けるか、或は電子線を通過させるのに充分な穴を設ける。電子線の照射前に可動ミラー３５を挿入し、電子線の光軸と同軸になる様に中心合わせを行う。レーザ光線発光手段３６から発せられたレーザ光線は前記可動ミラー３５により電子銃１の光軸と同軸になる様に調整されて試料５に向かって反射される。而して、前記可動ミラー３５、レーザ光線発光手段３６のレーザ光線照射手段により、走査型電子顕微鏡の走査中心位置がレーザ光線により示される。電子線の照射時には、可動ミラー３５は引出され、位置合わせされた試料５の走査中心位置に電子線が照射される。或は、可動ミラー３５に電子線を通過させるのに充分な穴を設け、挿入・引出機構を設けずに走査型電子顕微鏡の走査中心位置がレーザ光線により示される。尚、可動ミラー３５の楕円面状のミラーによって試料５上にレーザ光線が照射される。

前記試料室４の側壁には２次電子検出器７が気密貫通して設けられ、２次電子検出器７の２次電子検出部７ａは前記試料５の側方に位置する。又、試料室４の他の側壁には反射電子検出器１７が気密に貫通して設けられ、該反射電子検出器１７の反射電子検出部１７ａは鏡筒３ａより射出される電子線に干渉せず光学顕微鏡の視野を遮らない位置の前記試料５の上方迄延出している。

前記試料室４の上角部には、電子線照射時に生ずるＸ線の漏洩を防止する鉛ガラスで気密に張設された光学顕微鏡取付け窓１８が設けられ、該光学顕微鏡取付け窓１８には光学顕微鏡１９が立設されている。該光学顕微鏡１９は焦点距離が長いもの、例えば１００ｍｍ以上の焦点距離を有するものが用いられ、焦点位置は前記試料５の表面に合致する。又、光学顕微鏡１９の視野は試料台１６の全域をカバーできる広さを有し、肉眼での観察に近付ける為、１５ｍｍ^φ〜３０ｍｍ^φ程度の領域を最大視野としている。更に、光学顕微鏡１９はズーム機構を具備している。

前記光学顕微鏡１９の視野は同軸照明系により照明される様になっている。即ち、前記光学顕微鏡１９内部にはハーフミラー２０が設けられ、該ハーフミラー２０に対向して同軸照明ユニット２１が連設されている。該同軸照明ユニット２１には白熱灯等の光源を有する冷光照明光源２２からの照明光がファイバケーブル２３を介して導かれ、前記ハーフミラー２０により光学顕微鏡１９の光軸と一致した方向に反射され、前記試料５を照明する。

又、前記光学顕微鏡１９の接眼レンズ側にはカラーＣＣＤカメラ２４、テレビカメラ等の撮像手段が設けられ、光学顕微鏡１９で得られた像は前記カラーＣＣＤカメラ２４で撮像され、更に信号化され、カラーモニタ２５で画像化されると共に、画像処理装置２６に入力される。該画像処理装置２６は画像記憶回路（図示せず）を有し、前記光学顕微鏡１９で得られる画像を記憶できる様になっている。従って、カラーモニタ２５には記憶した過去の画像を適宜表示できる。

前記２次電子検出器７、反射電子検出器１７はスイッチング回路２７を介して信号増幅器２８に接続され、前記２次電子検出器７、反射電子検出器１７からの信号は前記信号増幅器２８、前記画像処理装置２６を介してカラーモニタ２５に及びＣＲＴ２９等の映像表示手段に入力される。該ＣＲＴ２９の走査回路３０は前記走査コイル１３も駆動し、前記走査コイル１３の走査に同期してＣＲＴ２９の走査を行う構成となっている。

ここで、光学顕微鏡１９による試料５の位置設定作業で、走査型電子顕微鏡３の画像上での移動方向と、光学顕微鏡１９で得られる画像の移動方向が一致することが作業をやり易くする上で重要である。

走査型電子顕微鏡の画像上での移動方向と、光学顕微鏡による移動方向とを一致させる為に、下記の条件（１）及び（２）を満す様に構成される。

光学顕微鏡の条件（１）
図２により、光学顕微鏡像と走査型電子顕微鏡像との関係を説明する。

走査型電子顕微鏡の光軸（走査中心）Ｏ1 と光学顕微鏡の光軸Ｏ2 との交点をＡとし、Ａ点に試料表面を合わせた時の走査型電子顕微鏡の作動距離をＤ1 とする。光学顕微鏡の焦点距離Ｄ2 はＡ点に焦点が合うように設定されている。走査型電子顕微鏡像は試料を上方つまり電子銃側より見た画像となり、一方光学顕微鏡像は図２に於ける試料表面と光学顕微鏡の光軸Ｏ2 とがなす角をθとすると、斜め上方θ角度からの観察像となる。双方の画像を近付ける為には構造的に可能な限りθを大きくする必要がある。然し角度θは対物レンズの形状、作動距離Ｄ1 、光学顕微鏡の最大視野サイズで制限され、今回の実施の形態では３０°の値を採用した。

光学顕微鏡の条件（２）
光学顕微鏡の取付位置は、図２の条件を施せばどこでもよいかというと、そうではなく、以下の制約を満たす為には、所定の取付位置が決定される。

前述の通り、双方の観察方向が異なる為、光学顕微鏡像と走査型電子顕微鏡像との画像の完全な一致は不可能であるが、少なくとも、次の要件を満足することが望ましい。即ち、1)画像の天地、左右は一致させること、2)走査型電子顕微鏡試料装置の傾斜機能を用い、走査型電子顕微鏡での傾斜観察条件に於いても光学顕微鏡像が得られること、3)試料の移動方向と画像の移動方向との関係が光学顕微鏡像と走査型電子顕微鏡像とで一致していることである。

この状態を図３により説明する。図３は試料室を上方より見た図であり、図４は試料部の断面を示す。

図３の様に試料の移動方向をＸ+ ，Ｘ- ，Ｙ+ ，Ｙ- とした場合、走査型電子顕微鏡の画像は図５の様に設定される。この為、光学顕微鏡に於いては走査型電子顕微鏡像と同様の天地左右の関係を得るには、図３中、走査型電子顕微鏡走査中心（Ａ）を通る試料Ｙ移動軸上に、光学顕微鏡を設定する必要があることが解る。而してＹ移動軸上では、Ｙ+ 側とＹ- 側のいずれかに光学顕微鏡装着が可能である。

先ず、Ｙ- 側に光学顕微鏡を装着した場合、光学顕微鏡画像は図６の様になり、又試料移動に対する画像の移動方向も走査型電子顕微鏡と一致する。但し、走査型電子顕微鏡の試料傾斜機能は、＋傾斜の際にＹ+ 側が下がり、Ｙ- 側が上昇する。この為、光学顕微鏡をＹ- 側に装着する場合、試料傾斜によって傾斜角が図２に於ける角θを越えると試料表面の光学顕微鏡像が得られない。従って、図３に於けるＹ- 側への装着は好ましくない。

次に、Ｙ+ 側の位置に光学顕微鏡を装着する場合、光学顕微鏡像は図７に示す様に走査型電子顕微鏡像の天地左右がすべて逆転したものとなるが、前述の図３に於けるＹ- 側に装着の場合の様な試料傾斜による問題はなくなり、むしろ試料傾斜により図２に於ける角θの値を可変できるようになり、制約条件の2)を満足させることができる。

次に前記制約条件1)及び3)を満足させるには、以下の２つの方法による。

（Ａ）ＣＣＤカメラの回転により一致させる
ＣＣＤカメラを１８０°回転させて取付け、光学顕微鏡像の天地左右を走査型電子顕微鏡像に一致させることができる。
（Ｂ）走査型電子顕微鏡の走査軸を回転させる
走査型電子顕微鏡のもつ走査軸回転機能（スキャンローテーション）により、１８０°走査軸を回転させ、光学顕微鏡像と合わせる。

上記２方法のいずれでも、制約条件1)及び3)を満足させることができる。

而して、本実施の形態では、図２で示す位置に光学顕微鏡を取付け、上記（Ａ）（Ｂ）の方法で光学顕微鏡の画像の天地左右と、試料の移動方向を一致させた。

以下、作動を説明する。

先ず、光学顕微鏡１９を低倍率として試料５の観察位置を特定する。次に、光学顕微鏡１９をズームアップして、観察部位の細部を正確に走査型電子顕微鏡による観察位置である画面の中心に試料５の位置を設定する。光学顕微鏡１９による試料５の観察位置設定に於いて、前記走査コイル１３上部からのレーザ光線が走査型電子顕微鏡３の走査中心位置を照射しているので光学顕微鏡１９による部位設定は極めて簡単で正確となる。

尚、光学顕微鏡による像観察の為の照明光照射中は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）による像観察はできない。これは、走査型電子顕微鏡像の為の検出器に内蔵されている光電子増倍管（ＰＭＴ）が光学顕微鏡用照明光を検出してしまい、画像表示不能となる為である。従って、光学顕微鏡像と走査型電子顕微鏡像を同時に表示、観察するには、いずれかの画像の一方を画像処理装置２６を介しての記憶像とすることで可能となる。

次に、走査型電子顕微鏡による観察について説明する。

電子銃１より放出された電子線を、前記第１コンデンサレンズ１１、第２コンデンサレンズ１２で縮小して鋭い電子プロープと成し、該電子プロープを前記対物レンズ１４により試料５の表面に収斂させ、照射すると同時に、前記走査コイル１３により試料面上を走査する。この時試料表面より放出される２次電子又は反射電子を前記２次電子検出器７又は反射電子検出器１７により捕捉して電気信号に変換し、更に増幅する。

前記２次電子検出器７、反射電子検出器１７からの信号は前記スイッチング回路２７により選択されて信号増幅器２８に入力される。試料５の凹凸等の情報を得る場合には主に２次電子検出器７を前記信号増幅器２８に接続し、試料の凹凸情報の他、組成、結晶性等の情報を得る場合は反射電子検出器１７を前記信号増幅器２８に接続する。

前記信号増幅器２８からの信号は前記ＣＲＴ２９に入力され、該ＣＲＴ２９は前記走査回路３０により前記走査コイル１３と同期駆動され画像を形成する。

而して、観察条件に応じて前記スイッチング回路２７により、２次電子検出器７又は反射電子検出器１７かの検出器の選択をし、光学顕微鏡１９で特定した部位を走査型電子顕微鏡により走査し、走査結果を前記ＣＲＴ２９により観察することができる。

図８により第２の実施の形態を説明する。

光学顕微鏡取付け窓１８を垂直に設け、該光学顕微鏡取付け窓１８に対して上下方向に摺動自在に３角スライドブロック３１を設け、該３角スライドブロック３１に光学顕微鏡１９を設け、該光学顕微鏡１９が前記３角スライドブロック３１と共に上下方向に移動可能とする。尚、光学顕微鏡１９を移動させた時、真空が破れることのない様充分大きなスライド面が形成されている。

而して、光学顕微鏡１９を上下方向、光学顕微鏡１９の光軸と交差する方向に移動させることで、光学顕微鏡１９の光軸と前記走査型電子顕微鏡の光軸との交点がＡからＡ′に移動する。従って、試料の厚みが変化し走査型電子顕微鏡の作動距離Ｄ1 が変化しても容易に対応させることができる。尚、光学顕微鏡の移動方向は図８の様に光軸に対して斜めでも、或は直角方向であってもよい。

図９により第３の実施の形態を説明する。

交点Ａを移動させる他の機構として、前記試料室４の角部に凸面座の光学顕微鏡取付け窓１８を設け、該光学顕微鏡取付け窓１８に該光学顕微鏡取付け窓１８の凸面に摺動自在に契合する凹面スライド座３２を設け、該凹面スライド座３２に光学顕微鏡１９を設け、該光学顕微鏡１９を傾動させることで光学顕微鏡１９の光軸と交差する方向に移動させ、前記交点Ａを上下方向に移動させる様にしてもよい。

更に交点Ａを移動させる他の機構として、図１０に示す様に光学顕微鏡取付け窓１８を凹面に形成し、該光学顕微鏡取付け窓１８に摺動自在に契合する凸面スライド座３３を設けてもよい。

本発明の一実施の形態を示す概略構成図である。該実施の形態に於ける走査型電子顕微鏡と光学顕微鏡との位置関係を示す説明図である。試料の移動方向と光学顕微鏡の画像の移動方向の説明図である。試料と試料台との関係を示す図である。走査型電子顕微鏡像に関する説明図である。光学顕微鏡像に関する説明図である。光学顕微鏡像に関する説明図である。本発明の他の実施の形態を示す説明図である。本発明の他の実施の形態を示す説明図である。本発明の他の実施の形態を示す説明図である。従来例を示す説明図である。

符号の説明

１電子銃
３走査型電子顕微鏡
４試料室
５試料
７２次電子検出器
１６試料台
１７反射電子検出器
１９光学顕微鏡
２１同軸照明ユニット
２２冷光照明光源
２３ファイバケーブル
２４カラーＣＣＤカメラ
２５カラーモニタ
２６画像処理装置
２７スイッチング回路
２９ＣＲＴ
３１３角スライドブロック
３２凹面スライド座
３５可動ミラー
３６レーザ光線発光手段

Claims

走査型電子顕微鏡に設けられた試料室の外に、該走査型電子顕微鏡の光軸と試料上で交差可能な光軸を有しズーム機能を有する長焦点距離光学顕微鏡を、該長焦点距離光学顕微鏡の光軸が前記試料のＹ移動軸と前記走査型電子顕微鏡の光軸とを含む面内にあり、光学顕微鏡像が走査型電子顕微鏡像に対して天地左右が全て逆転する位置に設け、前記長焦点距離光学顕微鏡による画像を撮像する撮像手段を前記長焦点距離光学顕微鏡の接眼レンズ側に設置すると共に前記撮像手段の撮像画像が走査型電子顕微鏡像と天地左右が一致する様に設け、長焦点距離光学顕微鏡によるズームアップした画像の移動方向と走査型電子顕微鏡による画像の移動方向とが一致する様に構成し、走査型電子顕微鏡の光軸途中からレーザ光線を走査型電子顕微鏡の光軸に合致させ試料に向かって照射するレーザ光線照射手段を設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。
電子線を走査する走査手段を有する走査型電子顕微鏡に設けられた試料室の外に、該走査型電子顕微鏡の光軸と試料上で交差可能な光軸を有しズーム機能を有する長焦点距離光学顕微鏡を、該長焦点距離光学顕微鏡の光軸が前記試料のＹ移動軸と前記走査型電子顕微鏡の光軸とを含む面内にあり、光学顕微鏡像が走査型電子顕微鏡像に対して天地左右が全て逆転する位置に設け、前記走査手段による走査軸の回転により前記長焦点距離光学顕微鏡によるズームアップした画像の移動方向と走査型電子顕微鏡による画像の移動方向とが一致する様に構成し、走査型電子顕微鏡の光軸途中からレーザ光線を走査型電子顕微鏡の光軸に合致させ試料に向かって照射するレーザ光線照射手段を設けたことを特徴とする走査型電子顕微鏡装置。