JPH01112647A

JPH01112647A - 走査型荷電ビーム顕微鏡の合焦位置検出装置

Info

Publication number: JPH01112647A
Application number: JP62269982A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Kitamura; 北村　俊昭
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1987-10-26
Filing date: 1987-10-26
Publication date: 1989-05-01

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〕本発明は走査型電子顕微鏡のような走査型荷電ビーム顕
微鏡における合焦位置検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

走査型電子顕微鏡等において、従来の観察像等の焦点合
せ方法は、画像表示装置上の試料像を目視によって判断
し、操作卓等の焦点位１［繁用ボリュームを動かす事に
よって、観察像のコントラストが高く、試料像が最もシ
ャープに見られる位置を検出する方法であった。

また、前記焦点調整方法を自動化し、電子線の走査に同
期して得られる２次電子信号等に対して、（１）信号波
形の振巾を最大にする、（２）元の信号波形に微分処理
を行い、１次微分もしくはさらに高次の微分処理によっ
て得られる曲線のピーク値を最大にする、または、振巾
を最大にする、等の処理による焦点位置の調整方法も考
えられている。

〔発明が解決しようとする問題点Ｊ前記の様に、信号の強度差を検出する方法や微分曲線の
極値を検出する方法は、本装置における２次電子信号の
様に、ノイズの大きい信号に対しては誤検出を起こし易
く、十分な焦点調整は行えないという欠点を持っている
。

そこで本発明は、前記焦点調整方法の欠点を除、−去し
、再現性が良く、高精度な合焦位置検出装置をするもの
である。

〔問題点を解決する為の手段〕

前記問題点の解決の為に本発明では、ある焦点位置にお
いて、電子線等の荷電ビームを走査して得られる２次電
子信号等を積分して得られた値の焦点位置の変化による
変動を測定する事によって、線状パターンを含めた任意
のパターン形状の段差位置を決定し、線状パターンにお
いてはその線巾が最小になる焦点位置、任意のパターン
形状においてはその段差位置が一方向に最もシフトする
焦点位置をもって、合焦位置を決定する。以下にその為
の手段の概略をまとめる。

走査型電子顕微鏡の走査型荷電ビーム顕微鏡では、第２
図の様に試料面上を電子線等の荷電ビームで走査し、各
走査位置から発生する反射電子、２次電子等の強度信号
からなる情報を検出する。

この時、試料の断面方向では第３図（イ）の様に、試料
面付近に集束された電子線等の荷電ビームが走査される
０合焦位置Ｂに対して、Ａ、Ｃでは試料面上の荷電ビー
ム径は、第３図（ロ）のように、合焦位置のＢ′に比べ
Ａ’　、Ｃ’　の様に拡がる。

この時に得られる２次電子等信号波形は、それぞれ第３
図（ハ）のＡ”、Ｂ　ｌ　ｌ、Ｃ”の様になり（Ａ゛°
とＣ″゛は同じ波形）、焦点位置Ｂの信号波形Ｂ　Ｉ　
１にみられるパターン断面端部の影響によるボトム信号
（第３図（ハ）のｂ部）に着目すると、このボトム信号
は焦点位置が試料面上に接近する程顕著になる（以下、
この状態を合焦位置とする）。本発明は、この特徴的な
信号波形（ボトム信号）を積分曲線上で検出し、合焦位
置Ｂを決定するものである。

焦点位置の変化による信号波形を第４図（イ）に示す。

第４図（イ）において、（ａ）の曲線は合焦時を示し、
（ａ″）（ａ”）は合焦していない場合を示す、この波
形上２つのピークのうちの右側の信号強度ピーク位置を
ｙ軸（ｘ＝０）として信号を模式的に第４図（ロ）の様
に考え、変曲点のＸ座標をそれぞれ１．．１．とじて図
の様に定義する。信号強度（ｂ）をｘ＝０からｘ−ｔま
で積分した時の積分値をもの関数として考え、これをＳ
　（ｔ）とすると、第４図（ハ）の様な曲線になる。ｔ
の値が０≦ｔ≦１．の領域では、（ｄ）の様な上に凸の
放物線の一部となり、１．≦ｔ≦Ｌ２の領域では、（ｅ
）の様な下に凸の放物線の一部となり、ｔ２≦ｔの領域
では（ｆ）の様な直線の一部となり、その結果、５（ｔ
）は（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の連続関数となる。この時
、元の信号波形（ａ）（又は（ｂ））に含まれるノイズ
成分は積分効果によって減少され、Ｓ　（ｔ）は大きな
ノイズの影響を受けない。

合焦位置Ｂ以外では、元の信号波形は第４図（イ）の（
ａ゛）、（ａ＋”）の様になり、その積分曲線は第４図
（ハ）の（Ｃ゛）、（Ｃ”）の様に変化する。従って、
第４図（ハ）の（Ｃ゛）、（Ｃ”“）においてそれぞれ
の曲線で（Ｃ）の曲線のボトム位置に対応する変曲点１
．．１．に相当するｔｌｏ、Ｌ２’（ｃ’）、や、、＋
＋　、Ｌｔ＋＋　　（Ｃ＋＋）を求めた時に、最も小さ
な値を持つ様に（すなわち変曲点が最も左側に寄ってい
ることに相当する）焦点位置を調節すると合焦位置が検
出される。また、変曲点ＬＩ、Ｌ！に相当する位置に替
えて、５（ｔ）＝Ｓ、になる位置ｔ３を各焦点位置で決
定しても同様である。

また、前記積分曲線を求める時に、積分開始位置は元の
信号において厳密にピーク位置を決定する必要はない。

なぜならば、第４図（ハ）の曲線において、１＝０の位
置（Ｓ（ｔ）軸）が積分曲線に対して微小量シフトする
だけで、検出されるボトム位置の焦点位置に対する関係
は変動しないからである。

各焦点位置でボトム位置が決定されると、第５図の様な
曲線が得られる。合焦位置では、前記の様にボトム位ｆ
ｆ（ｔｌ、ｔりはパターン端部に最も接近するため（ｔ
＋　、ｔｚは最小値をとる）、第５図の曲線の極値をと
る状態が合焦位置と決定され、観察視野内に線状パター
ンがある場合、その両端部で検出されるボトム位置は最
も接近する。

以上の事から、観察視野内の２次電子等信号を積分し、
ボトム位置に依存した信号を形成することによって、ボ
トム位置に依存した信号をもって、合焦位置の検出が可
能となる。この信号によって手動で合焦しようが自動で
合焦しようがそれは自由である。

〔作　用〕

前記の通り、走査型電子顕微鏡等の走査型荷電ビーム顕
微鏡において、電子線の走査によって得られる２次電子
信号等の情報は、ノイズ成分が信号に対して無視できな
い。本発明は、このノイズ成分の低減のために、信号波
形をある走査範囲（例えば、ビームスキャン範囲）につ
いて積分し、走査位置に対する積分値の変化を測定する
事で、ノイズ成分の低減を図り、この時得られた積分曲
線に対して、パターン形状をあてはめた時に、パターン
段差の下端位置を決定する方法を採用する事により、観
察像としてのパターンの２次元形状に影響されず、走査
線が最低１つの段差部を走査していれば、合焦位置を検
出する事が可能となる。

また、段差位置の決定は、積分曲線に対して決定される
が、この積分曲線は焦点位置によって大きな変動を示す
ため、合焦位置の検出分解能を向上させる事が可能とな
り、原信号波形に含まれるノイズの影響も少なく再現性
の高い合焦位置検出が行なえる。

〔実施例〕

第１図に本発明を走査型電子顕微鏡に適用した実施例の
ブロック図を示す。第１図に於いて、■は電子銃、２は
アパーチャ、３．４は水平・垂直偏向器、５は対物レン
ズ、６は検出器、７は観察・測定試料、８はステージ、
９は電子光学系制御回路、１０は中央制御回路、１１は
信号増幅回路、１２は計算機、１３は表示器としてのＣ
ＲＴ、１４はステージ制御回路、である。

中央制御回路１０によって電子光学系制御回路９を介し
て対物レンズ５を制御し、電子線を試料面付近に集束さ
せる。水平・垂直偏向器３．４によって電子線は試料７
上を２次元的に走査され、この時試料７から発生する２
次電子あるいは反射電子は、検出器６に入り、電気信号
に変換され、信号増幅器１１によって増幅され、計算４
ｆｆｌ１２にとり込まれる。計算機１２は、信号を積分
し、その積分曲線を求め、ボトム位置を検出する。検出
後、計算機１２は中央制御回路１０へ対物レンズ５の励
磁状態を所定量だけ変化させる為の信号を送り、それに
よって中央制御回路１０から出力される電流量を変化さ
せて対物レンズの焦点位置を変化させ、再び検出器６か
らの信号を計算機１２にとり込む。

この動作を繰り返し、計算機１２は第５図に示される様
なボトム位置検出曲線を得る。この時の極値となる対物
レンズ５の励磁状態を求める合焦位置と決定し、中央制
御回路１０へ合焦位置を送信する。

前記実施例において、計算機１２はとり込む検出信号に
対して、電子線走査領域全面について各走査線毎に前記
積分曲線を求める必要はなく、１本の走査線がボトム信
号を検出した場合、その後の検出信号のとり込みは、中
央制御回路１０に対して前記走査線位置だけのライン走
査で検出信号をとり込み積分処理を行なうようになして
も構わない。

そして、計算機１２は、増幅器１１からの信号をリアル
タイムに処理する必要はなく、増幅器１１からの信号を
２次元画像として記憶できるフレームメモリ１５を設け
、フレームメモリ１５に記憶された画像データを読み出
して上述の処理を計算機１２が行なうようになしても良
い。

次に、第６図に計算機１２のフローチャートを示し、以
下、説明する。

計算機１２はまず、焦点位置を７０に初期設定しくステ
ップ１２０）、画像を取り込む（ステップ１２１）。つ
いで、段差部があるか否か判断しくステップ１２２）、
段差部がなければ、焦点位置をΔＺ、移動させる（ステ
ップ１２３）、そして再び画像を取り込む（ステップ１
２１）。ステップ１２２で段差部があると、焦点位置を
微小範囲±ΔＺ、（ΔＺ、＝２Δｚ２）で所定ステップ
（Ｚｓｔｅｐ）毎に移動しつつ、段差部をラインスキャ
ンし、輝度信号Ｅ　（ｘ、ｚ）をとり込む（ステップ１
２４）、ついで、得られた輝度信号■（ｘ、ｚ）から段
差信号のピーク位置を決定し、ｘ　ｐｅａｋとする（ス
テップ１２５）。そして、を演算する（ステップ１２６
）。このとき、ｘｐｅａｋ十ｔ≦ビームスキャン範囲Ｏ
ｒ隣りの段差、の全での領域である。なお、ビームスキ
ャン範囲は倍率によって決定される。ステップ１２６が
終了すると、各Ｓ　（ｔ、ｚ）の変曲点をＬ’（ｚ）と
して求め（ステップ１２７）、ｔ”（Ｚ）が極小値をと
るＺ＋＊ｉｎを求める（ステップ１２Ｂ）、そして、Ｚ
ｎ＋ｉｎの近傍でｔ’（ｚ）の変化が小さいか否かを判
断しくステップ１２９）、変化が大きければ、Ｚｏ　＝
Ｚｓ＋ｉｎ　とし、ΔＺ、　、　Ｚｓｔｅｐを小さくし
くステップ１３０）、ステップ１２４に戻る。−方、変
化が小さければ、合焦位置をＺｍｉｎとする（ステップ
１３１）。

なお、第１図では、中央制御回路１０と計算機１２とを
設けたが、これは１つのコンピュータによって置き換え
ることができる。

〔発明の効果〕

以上の様に本発明によれば、これまでの合焦位置検出方
法による装置と比べ、ノイズの影響を受けにり＜、信頼
性のある合焦位置検出装置が実現できる。同時に、線巾
測定等の目的に対しては、信号波形が安定に検出される
為に再現性良く測定ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による装置の実施例の構成ブロック図
、第２図は、電子線走査の試料上での概要図、第３図は、
試料断面方向での電子線焦点位置と検出信号の関係図、第４図は、検出信号とその積分曲線の模式図、第５図は
、ボトム信号検出位置と焦点位置の関係図、第６図は、第１図の計算機のフローチャート、である。〔主要部分の符号の説明〕ｌ・・・電子銃、２・・・アパーチャ、３・・・水平偏
向器、４・・・垂直偏向器、　５・・・対物レンズ、６
・・・検出器、　７・・・試料、　８・・・ステージ、
９・・・電子光学系制御回路、　　１０・・・中央制御
回路、１１・・・信号増幅回路、　　１２・・・計算機
、１３・・・ＣＲＴ、　　　１４・・・ステージ制御回
路出願人　　日本光学工業株式会社

Claims

【特許請求の範囲】荷電ビームの射出手段と、前記荷電ビームの集束手段と
、前記荷電ビームの走査手段と、前記走査に応じて試料
から得られる情報を電気信号に変換する検出手段と、を
有する走査型荷電ビーム顕微鏡に設けられ、前記電気信
号に基づいて前記荷電ビームの焦点位置に応じた信号を
出力する合焦位置検出装置において、前記電気信号を積分し、積分信号を出力する積分手段と
、前記積分手段による積分信号から、前記電気信号のうち
の前記試料のパターン断面端部の影響によるボトム位置
、に依存した信号を形成し、これを前記合焦位置に応じ
た信号として出力するボトム位置検出手段と、を設けたことを特徴とする合焦位置検出装置。