JPH03141544A - レーザ変位計を備えた走査型電子顕微鏡 - 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】 ［産業上の利用分野］ 本発明は電子顕微鏡に関するものである。

［従来技術］ 従来の電子顕微鏡では、χｙ力方向は数十人の分解能で
直接測定していたが、Ｚ方向には直接ｎ１定する方法が
ないため、試料台傾斜法或いは複数検出器法で間接的に
データを得ていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、試料台傾斜法では、一つの画像を取り込
んだ後に試料台を傾斜して、次の画像を取り込みステレ
オ法或いは視差の原理で立体像を算出するのであるが、
２つの画像間における対応点マツチングという膨大な計
算を行なわなければならず、精度も上がらなかった。又
、複数検出法では、検出器の信号強度の組より試料表面
の角度という近似式で各点を求めていた。

ここでＺｊはｊ番目の高さ、Ａｎはｎ番目の傾きである
。しかしながら上記方式では、積分していくに従い、即
ちｊの数が大きくなればなる程誤差が累積し形が歪むと
いう欠点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたも
のであり、既存の走査型電子顕微鏡にレーザー変位計を
備え、３次元とも数十人の分解能で数μ角の物体の３次
元形状を直接測定できる装置を提供するものである。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明では、走査型電子顕微
鏡に、Ｚ方向に数人の分解能を持つレ−ザヘテロダイン
干渉計と該顕微鏡内に、該干渉計まで試料を移動させる
ための移動機構と、精密位置決めする為の微動機構及び
移動ｆｆ１ｉｌ）Ｊ走用のレーザ干渉計を備えている。

［作用］ 上記構成を有する本発明において、移動機構は、試料を
電子線照射位置からレーザー照射位置まで移動させ、微
動機構及び移動量計測用レーザー干渉計を用いて、あら
かじめ設定された距離を極めて正確に（例えば精度１ｎ
ｍで）移動させ、電子線照射された試料上位置とほぼ同
じ位置にレーザー光が照射されるようにする。

父上記微動機構は、試料をＸ、Ｙ方向に微動させ、その
試料の凹凸に従い照射されたレーザー光の反射光に位相
変化を与える。

又試料の凹凸による位相変化を受けたレーザー光は、光
ヘテロダイン干渉光学系で、ヘテロダイン検波され、更
に基準ビート信号と比較する事により上記位相変化を検
出し、人の凹凸を検出測定するのである。

［実施例］ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

第１図における図番号１０〜８５は従来型の走査型電子
顕微鏡と同じ構成を示すものである。電子線照射位置と
レーザー光照射位置は、後述するレーザ干渉計であらか
じめ精密に測定しておく。

走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭと略す）で、測定個所を
観察及び設定し、決められた距離だけレーザー照射位置
方向に移動し、更に微動機構により精密に位置決めする
。位置決め終了後、微動機構（８５）により試料χｙ力
方向スキャンし、レーザー反射光に試料の凹凸を光の位
相差として与える。位相差情報をもった反射光は、無偏
光ビームスプリッタ（以下ＮＰＢＳと記す）で合波、所
謂光ヘテロダイン検波され、センサー（３９０）に検知
されるのである。

以下光の経路を追って詳細に説明する。

レーザー光源（２００）を出たレーザーは戻り光防止用
アイソレータ（２１０）を通りビームスプリッタ−（以
下ＢＳと略す）で第１ヘテロダイン干渉用ビーム（反射
光）と第２ヘテロダイン干渉用ビーム（透過光）に分け
られる。この時偏波面は、Ｓ波（つまり紙面に垂直）に
なっているものとする。第２ヘテロダイン用ビームは更
にＮＰＢＳ　（２９０）によって被変調用ビームと凹凸
測定用ビームとに分けられる。被変調用ビームは音響光
学変調器等からなる光周波数シフターにより例えば１０
０ＫＨｚ程シフトされ、一部はＢＳ（３１０）、ＮＰＢ
Ｓ　（２３０）を経てセンサー（２４０）に入り又一部
はＢＳ　（３２０）、ＮＰＢＳ　（３８０）を経て、セ
ンサー（３９０）に入る。ＢＳ　（３２０）を通過した
変調ビームは、偏光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳ）に
より反射されλ／４板（３４０）、反射ミラー（３５０
）そして再びλ／４板（３４０）を通過し、ＰＢＳ（３
３０）に入る。この時点では、λ／４板（３４０）を２
回通過しているのでＰ波となっており、従ってＰＢＳ　
（３３０）を今度は通過した後、ＮＰＢＳ　（３６０）
を経て、センサー（３７０）に入る。以上光周波数シフ
ター（３００）を経て、センサーに入った光の周波数は
、元の光周波数をｆｏとすると金てｆｏ＋１００ＫＨｚ
になっているのである。

又、凹凸測定用のビームはＢＳ　（４００）によって一
部反射されてＮＰＢＳ　（３８０）で先の変調光と合波
された後、センサー（３９０）に入る。

この時、ＢＳ　（４００）を経てセンサー（３９０）に
入った光の周波数はｆｏであるので、センサー（３９０
）上では、先の変調光とヘテロダイン干渉する事になり
、常に１００ＫＨｚのビート信号が検出されるのである
（以下基準信号ｆＢと記す入さて、ＢＳ（４００）を通
過した凹凸測定用ビームは、Ｐ／Ｓ波であるので、ＰＢ
Ｓ（４１０）で反射され、その後、λ／４板（４２０）
ウィンド（４３０）及び対物レンズ（４００）を経て、
試料上凹凸部に届く。試料は常にスキャンされて移動し
ている事から、レーザー光は試料上の凹凸によりドツプ
ラーシフトΔｆｚ（＝１／λ・２ｖ−１／λ−２Ｌ＞　
−（１）を受けｆｏ＋△ｆｚのｔ 光周波数となって、ＰＢＳ　（４１０）に入る。この時
、λ／４板（４２０）を２回通過した事からＰ波となっ
ており、ＰＢＳ　（４１０）を通過する。

通過したビームは、ＮＰＢＳ　（３６０）で先の変調光
（ｆ　ｏ＋１００ＫＨｚ）と合波されてセンサー（３７
０）に入る。センサー（３７０）では、（ｆｏ＋Δｆ、
ｏ）と（ｆｏ＋１００ＫＨｚ）のヘテロダイン干渉（或
いは検波）が起こり、その結果１００ＫＨｚ＋Δｆｚの
１１定信号（以下ｆＤで略す）が得られるのである。そ
して△ｆはｆＢとｆＤを比較する事で求まるのである。

又凹凸ｆｆ１Ｚは上式（１）よりＺ−λ／２／、”Δｆ
ｄｔと△ｆ−ｆ、−ｆＢよりＺ−λ／２．Ｊ’、”（ｆ
ｏ−ｆＢ）　ｄ　を−λ／２［ＣＤ　　Ｃｓ］となり第
２図に示す信号処理ブロック図で求まるのである。一方
ＢＳ（２２０）で反射された第１ヘテロダイン干渉用ビ
ームは、光ファイバー（２５０）、ウィンド（２６０）
を経てキャップ・アイ（２８０）に反射され逆の経路を
経て、ＮＰＢＳ　（２３０）で先の変調光と合波されセ
ンサー（２４０）に入る。移動機構及び微動機構が動く
と、前回と同様にドツプラーシフト△ｆχが起こる為、
センサー（２４０）ではｆＬ−１００ＫＨｚ＋△ｆχの
ビート信号が検出される。Δｆχと移動量Ｘと関係は、
ドツプラーの公式Δｆχ−２／λ・Ｖχ−２／λ・ｋよ
ＬＬも り求まりＸ−λ／２ｆ；Δｆｘｄｔ−λ／２ｆＩ（ｆＬ
−ｆＢ）ｄｔ霧λ／２［ＣＬ　　Ｃｓ］　となる。

信号処理回路は、第２図に示したものと全く同一のもの
を使用し、ｆＤをｆＬに変更するだけでよい。

次に信号処理ブロック図を第２図を用いて簡単に説明す
る。測定信号ｆｏ　　（又はｆＬ）と基準信号ｆＢをコ
ンパレータ（１０５）に入力し矩形波に変換し、カウン
タ（１１０）に入力する。このカウンタ値は図示しない
タイミングによってラッチ器（１１５）によってラッチ
され、引き算器（１３５）に渡される。引き算器の結果
も図示しないタイミングによってラッチ器（１４５）に
ラッチされ、バス（１５０）に出される。つまりこのラ
ッチ器（１４５）は、前出のＺ−λ／２［Ｃｏ−ＣＢ１
のうち（ＣＤ　　ＣＢ）の整数値Ｎをバスに出すのであ
る。ところが実際は、移動量及び凹凸量はλ／２毎の整
数値の他にλ／２以下の少数部もあるので、それを求め
るためにｆＤとｆＢと高周波クォーツクロックのＡＮＤ
をとりカウンタ（１３０）で計数し、ラッチ（１４５）
と同じタイミングでラッチしバス（１５０）にＭ値とし
て出力する。詳細を第３図に示す。この時、計数値の最
大値は、ｆＱ　／ｆＢであり例えば、ｆＱ−１００ＭＨ
ｚ、ｆＢ　＝１００ＫＨｚとすると最大値は１０００と
なるｏ　Ｃｐｕ　（１５５）は、ラッチ器（１４０）の
Ｍ値を読みＭ／１０００を計算し少数部とするのである
。つまり、整数部少数部をまとめるＺ−λ／２　（Ｎ＋
Ｍ／１０００）となり分解能λ／２０００　（＃３人）
で変位が測定できるのである。Ｘ方向の移動量も全く同
じ原理でａ）Ｊ定できるのである。

このように微動機構によりχｙスキャンしなから２を測
定する事により試料表面上のポイント（Ｚ、ｙ、ｚ）が
求まり、ＲＯＭ　（１６０）に書かれたプログラムに従
って、グラフィックデイスプレィ（１７０）に３次元表
示され、先のＳＥＭによる画像と比較され、ＳＥＭの画
像をＺ方向に極めて精度のよい値を与えるのである。尚
、（１６５）は計算に使用するＲＡＭである。又光ヘテ
ロダイン光学系については、第４図に示した二周波直交
ゼーマンレーザー等を使い構成してもよいのである。そ
の他−々例示はしないが、当業者の知識に基づき様々な
態様で変形して構成できるものとする。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、本装置は、高分解能レーザー変位計を備えているので
、ＳＥＭでは正確に測定できない高さ方向も数人の分解
能で測定できるというメリットがある。

【図面の簡単な説明】

第１図から第４図までは本発明を具体化した実図は、小
数部カウントの説明図、第４図は、他の実施例を示す図
である。 図中、１０はＦＥ電子銃、２０は偏向コイル、７０は試
材、８５は微動機構、９０は移動ステージ、２００はレ
ーザー光源、３７０．３９０はフォトセンサーである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、走査型電子顕微鏡であって、Ｚ方向に数Åの分解能
   を持つレーザヘテロダイン干渉計と、該干渉計まで移動
   させる移動機構と、精密位置決めする為の微動機構及び
   移動量測定用同レーザーヘテロダイン干渉計とを備えた
   事を特徴とする走査型電子顕微鏡。