JPH01120749A

JPH01120749A - 電子顕微鏡の自動焦点合せ装置

Info

Publication number: JPH01120749A
Application number: JP62275797A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Koshishiba; 洋哉越柴; Satoshi Fushimi; 智伏見
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-11-02
Filing date: 1987-11-02
Publication date: 1989-05-12

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〕本発明は電子顕微鏡の自動焦点合せ装置に係り。

特に走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）あるいは走査型透過電子
顕微鏡（ＳＴＥＭ）を用いてＸ線露光用マスクやウェハ
の外観検査を行なう場合に好適な自動焦点合せ装置に関
する。

〔従来の技術〕

従来、走査電子顕微鏡（ＳＢＭ）等における自動焦点合
せは、電子線のスポット径が小さく々るに従って、画像
信号交流成分の周波数が高くなる特性を利用し、対物レ
ンズの励磁電流を少しづつ段階的に変化させて、各段階
での画像信号交流成分の周波数を微分回路を用いた微分
値比較法で比較することにより行なっていた。この方法
については、例えば日立製作所Ｈ−８０１０形走査電子
像観察装置サービスマニエアルに記載されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術は、検出画像を画像処理して合焦点位置を
求めていたため、コントラストの低い画像に対しては無
効である点と、合焦点位置を見つけるのに時間がかかり
、高速な自動焦点合せが困難である点に問題があった。

本発明の目的は、コントラストの低い画像しか得られな
い試料に対しても有効であり、試料を破壊することなく
、高速な自動焦点合せができる装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕上記目的は、光線を収束させて斜め方向から試料面に当
て試料上の輝点位置を受光素子で検出する光学系と、上
記受光素子の出力信号から試料面の高さ位置を求める信
号処理回路とからなる光を用いた三角測量による試料面
高さ位置計測手段を設け、その計測結果に基づき、合焦
点となるように電子レンズまたは試料ステージを自動調
整するととＫより達成される。

走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）および走査型透過電子顕微鏡
（Ｓ’ｌ’ＥＭ）の分解能は電子線のスポット径で規定
される。一般に、対物レンズと試料との距離（ワーキン
グ・デイスタンス）を短かくすると、電子レンズの収差
を低減できるため、上記スポット径を小さくし分解能を
向上させることができる。このため、ワーキング・デイ
スタンスがわずか数閣しか得られない場合もあυ、この
ような場合には対物レンズと試料との間隙に試料面の高
さ位置計測に必要な光源、レンズ、受光素子などを配置
することができないので、光源、レンズおよび受光素子
を上記間隙以外の十分スペースのある場所に配置し、上
記間隙に鏡面を設けて、この鏡面で試料面への入射光お
よび試料面からの出射光を反射させることにより、試料
５面の高さ位置を計測できるようにする。

また、ＳＥＭやＳＴ　ＥＭの電子線検出器としては、シ
ンチレータと光電子増幅管とを組合せたもの、あるいは
半導体検出器が使用されるが、シンチレータと光電子増
幅管とを組合せた系では、電子をシンチレータで元に変
換し、さらに光電子増幅管で電気信号に変換するため、
試料面の高さ位置計測に用いる光線も光電子増幅管で検
出され。

検出画像のＳ／Ｈの低下、あるいは検出画像が得られな
いという現象が起こる。また、半導体検出器においても
、半導体検出器は電子と共に光も検出するため、同様な
現象が起こる。そこで、シンチレータと光電子増幅管と
を組合せた電子線検出器を用いる場合、シンチレータの
発光波長と試料面の高さ位置計側に用いる光線の波長と
を異ならしめ、光電子増幅管の前にシンチレータより発
せられた光線を透過させ、試料面の高さ位置計測に用い
る光線を吸収するフィルタを配置することで、試料面の
高さ位置計測に用いる光線の干渉をなくし、自動焦点合
せを行ないながら画像を検出できるようにする。

〔作用〕

光源から発せられた光線は、対物レンズと試料との間隙
を通して試料面に斜め方向から照射される。このとき、
光源の前に配したレンズにより、光線が試料上の一点に
収束されるようにする。試料面を斜め方向から見ると、
試料面の高さ位置の変化によプ、試料上の輝点位置は上
下および左右に変化するので、この輝点位置の変化を、
レンズを通して受光面に結像させ、ボジシ１ンセンサあ
るいはイメージセンサなどの受光素子で検出して。

その信号を処理することにより、三角測量の手法で試料
面の高さ位置、すなわち対物レンズと試料との間隙距離
を求める。このようにして計測した対物レンズと試料と
の間隙距離に基づき、電子線のスポットの最小径位置が
試料上にくるように。

対物レンズの励磁電流を変える（焦点距離を変える）か
、あるいは試料ステージを上下させて、自動焦点合せを
行なう。

〔実施例〕

以下１本発明の一実施例を第１図および第２図によ）説
明する。

第１図において、電子銃１、コンデンサレンズ２、偏向
コイル群３、対物レンズ４、試料ステージ６、シンチレ
ータ７、ライトガイド８、光電子増幅管１０、励磁電源
１８、ステージ制御装置１９、走査信号発生回路２０、
増幅器２１１表示装置（ＣＲＴ）２２は°走査型透過電
子顕微鏡（ＳＴＢＭ）の通常の構成要素であり、電子銃
１で発生した電子線２３を、コンデンサレンズ２および
対物レンズ４かもなる電子レンズにより試料５上に収束
させ、かつ走査信号発生回路２０で駆動される偏光コイ
ル群３により試料５上を偏向走査させる。そして、試料
５を透過した電子をシンチレータ７で光に変換し、さら
に光電子増幅管１０で電気信号とした後、その信号を増
幅器２１で増幅し、走査信号と同期させて表示装置２２
に表示させることにより、走査透過電子像（ＳＴｌｉｉ
Ｍ像）を得る。本実施例では透過電子を検出しているが
、二次電子を検出して二次電子像を得る場合、あるいは
反射電子を検出して反射電子像を得る場合にも以下の説
明は成立つ。

試料面高さ位置計測手段は、光源１１．レンズ１２、鏡
１５　、１４．レンズ１５、受光素子１６および信号処
理回路１７からなる。光源１１から発せられた光線２４
は、鏡１３で反射され試料５上に照射される。光源１１
としては１例えばレーザを使用し、鏡１３としては、例
えばＡｔ蒸着した薄いガラス板を対物レンズ４の試料５
との間隙に臨む磁路の表面に接着する。あるいは対物レ
ンズ４の上記間隙に臨む磁路の表面を磨き鏡面としても
よい。光線２４はレンズ１２で試料５上に収束させる。

一方、鏡１４を介して、試料５上の輝点位置をレンズ１
５と受光素子１６で検出する。

鏡１４には鏡１３と同じものを使用すればよい。

受光素子１６としては、例えばポジションセンサ、イメ
ージセンサなど、試料５上で光線２４が当たった輝点の
位置を検出できる素子を使用する。レンズ１５は、試料
５上と受光素子１６の受光面とを結像関係とするための
ものである。

第２因に示すように、試料５の凹凸あるいは試料ステー
ジ６の傾き等により、試料面の高さ位置。

すなわち対物レンズ４と試料５との間隙距離が変化する
と、試料５上の光＠２４が当たる輝点位置はＢ、Ｂ’の
ように上下および左右に変化する。これに伴い、光線２
４の経路がＡ−Ｂ−ＣまたはＡ−Ｂ′−σのように変化
することから、この変化を受光素子１６で検出し、三角
測量の手法によ多信号処理回路１７で対物レンズ４と試
料５との間隙距離を求める。あらかじめ、合焦点となる
対物レンズ４の励磁電流と対物レンズ４−試料５間隙距
離との関係を求め、これを関数発生テーブルとして信号
処理回路１７に記憶させておき、前記信号処理で求めた
対物レンズ４−試料５間隙距離で合焦点となる励磁電流
を対物レンズ４へ流すように、信号処理回路１７からの
指令で励磁電源１８を制御する。以上で自動焦点合せが
可能となる。また、励磁電流を制御する代シに、前記信
号処理で求めた対物レンズ−試料５間隙距離に基づき、
ステージ制御装置１９により試料ステージ６のＺ軸を制
御して、対物レンズ４−試料５間隙距離が一定になるよ
うにしても自動焦点合せが可能である。

次に、シンチレータ７の発光波長と光源１１の発光波長
を変えて、光線２４による電子線検出画像の悪化を防止
する方法について一例を述べる。

シンチレータ７として紫外線を発光するイトリウム・ア
ルミニウム・ボビット（ＹＡＰ）単結晶を用い、ライト
ガイド８として紫外線を透過させる石英ガラスを用い、
光電子増幅管１０には紫外線まで検出できるタイプのも
のを用いる。一方５元源１１としては、赤い光を発する
Ｈｅ−Ｎｏレーザあるいは赤外光を発する半導体レーザ
を使用する。

そして、光電子増幅管１０の前に、紫外線を透過させ、
赤い元と赤外光を吸収するフィルタ９を配置することに
より１光線２４の干渉を受けずに、電子線を検出するこ
とができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、ＳＥＭ像あるいはＳＴＢＭ像を検出中
に自動焦点合せができ、かつ元を用いた試料面の高さ位
置計測によるために検出画像のコントラストの良し悪し
に関係なく高速な自動焦点合せができるので、Ｓｌ１１
ＭあるいはＳ’ｌ’ＦｉＭＫよるマスクやウェハの外観
検査に適用すれば、検査時間を短縮することができる。

また、元による非接触式の計測であるため、試料を破壊
する恐れもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す概略図、第２図は三角
測量による試料面高さ位置計測の説明図である。１・・・電子銃、３・・・偏光コイル群、４・・・対物
レンズ、５・・・試料、６・・・試料ステージ、７・・
・シンチレータ、９・・・フィルタ％　１０・・・光電
子増幅管、１１・・・光源、１２．１５・・・レンズ、
１３，１４…鏡、１６・・・受光素子、１７・・・信号
処理回路、１８・・・励磁電源、１９・・・ステージ制
御装置。

Claims

【特許請求の範囲】１、電子線を電子レンズを介して試料上で偏向走査し、
反射電子、二次電子または透過電子を検出して電子像を
得る電子顕微鏡において、光線を収束させて斜め方向か
ら試料面に当て試料上の輝点位置を受光素子で検出する
光学系と、上記受光素子の出力信号から試料面の高さ位
置をめる信号処理回路とからなる光を用いた三角測量に
よる試料面高さ位置計測手段を設け、その計測結果に基
づいて電子レンズまたは試料ステージを自動調整し、合
焦点とするようにしたことを特徴とする電子顕微鏡の自
動焦点合せ装置。２、試料面高さ位置計測手段の光学系が電子顕微鏡の対
物レンズと試料との間隙に、試料面への入射光線および
試料面からの出射光線のそれぞれを反射する鏡面を設け
、光源、レンズおよび受光素子を上記間隙の外に配置し
てなることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の電
子顕微鏡の自動焦点合せ装置。３、電子線検出器としてシンチレータと光電子増幅管と
を組合せた系を用い、シンチレータの発光波長と試料面
の高さ位置計測に用いる光線の波長とを異ならしめ、光
電子増幅管の前にシンチレータより発せられた光線を透
過させ、試料面の高さ位置計測に用いる光線を吸収する
フィルタを設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の電子顕微鏡の自動焦点合せ装置。