JPH0521033A - 荷電ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 フレームメモリとディスプレイ装置を備えた
荷電ビーム装置に関する。電子光学系のアライメント調
整を容易に行なえるようにすることを目的とする。 【構成】 互いに異なる３種類の電子光学系条件下での
検出器１０３の出力検出信号は、カラーフレームメモリ
１０４内の３原色の３枚のプレーンに別々に格納され
る。それら３枚のプレーンから読み出された各原色信号
は画像処理回路１０６を通してカラーディスプレイ装置
１０７に合成表示される。カラーディスプレイ装置１０
７は上記３種類の電子光学系条件下での検出信号を別々
の原色で表示するため、同じ位置で表示される像は白色
で表示される。従って、電子光学系のアライメントが正
しい場合のカラーディスプレイ装置は、最小の色にじみ
の静止像を表示する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は荷電ビーム装置に係り、
特にフレームメモリとディスプレイ装置を備えた走査型
電子顕微鏡に関する。

【０００２】走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Ele
ctron Microscope）では、対物レンズ励磁電流を微少変
化させた場合に像の流れを最小とする状態に対物レンズ
のアライメントを設定し、またエネルギ分析器を備えた
ＳＥＭでは分析電圧を微少変化させた場合に像のずれを
最小にするようにエネルギ分析器のアライメントを調整
する必要がある。

【０００３】

【従来の技術】図６は従来の電子ビーム装置の一例の構
成図を示す。同図中、電子銃１から放射された電子ビー
ムＩは偏向器２及び対物レンズ３を通して試料４に照射
され、これにより試料４の表面から破線IIで示す如く二
次電子が放出され検出器５で捕捉される。検出器５の出
力信号は所定の信号処理回路を経て画像（ＳＥＭ像）と
してディスプレイ装置に表示される。なお、対物レンズ
３は対物レンズアライメントコイル６の通電電流によっ
てアライメント調整される。

【０００４】かかる構成の電子ビーム装置、すなわち前
記したＳＥＭは、近年、３原色用の３枚のプレーンで構
成されるカラー画像表示用のフレームメモリとカラー画
像表示用ディスプレイ装置を備えたものが多くなってき
た。かかる構成のＳＥＭはＳＥＭ像を一旦フレームメモ
リに格納することにより、ＳＥＭ像の加算平均などの画
像処理が容易になり、また、残光性の陰極線管（ＣＲ
Ｔ）の代わりにディスプレイ装置にＳＥＭ像を表示でき
るため、ＳＥＭ像の観察を通常照明の下で行なうことが
できる。また、ＳＥＭ像をハードディスク等の記憶装置
に格納することも一般的に行なわれている。

【０００５】かかるＳＥＭにおいて、従来は最良のＳＥ
Ｍ像を得るため、フォーカスウォブラという手法により
対物レンズ３のアライメントを行なっている。図７は上
記のフォーカスウォブラのアルゴリズムを説明するフロ
ーチャートで、まず対物レンズ３の励磁電流（図６の端
子７に入力される）を正弦波で変調して対物レンズ３に
供給する（ステップ７１）。これにより、対物レンズ３
の焦点位置が上記正弦波と同じ周期で前後に周期的に変
化する。

【０００６】続いて、この状態で観測されるＳＥＭ像の
拡大中心とＳＥＭ像中心とが一致するか否か画面で目視
により判定される（ステップ７２）。対物レンズ３のア
ライメントがずれている場合には、ＳＥＭ像の拡大中心
とＳＥＭ像の中心とがずれＳＥＭ像の表示位置が定まら
ず流れて見える。

【０００７】不一致の場合は次に対物レンズ３の励磁電
流の変調強度を変えるか否か判定する（ステップ７
３）。この励磁電流の変調強度によりＳＥＭ像の倍率が
変化する。ＳＥＭ像の拡大中心とＳＥＭ像中心との不一
致の大きさに応じてこの変調強度が適宜設定され、例え
ば不一致の大きさが小さくなった場合はＳＥＭ像を拡大
して不一致の度合いをより詳細に観測するために変調強
度が大とされる。

【０００８】次に正弦波振幅変調強度を変更した後（ス
テップ７４）、対物レンズアライメント制御電流（図６
の端子８に入力される）を変更して対物レンズ３のアラ
イメント位置を変更する（ステップ７５）。そして再び
ステップ７２に戻り、ＳＥＭ像の拡大中心とＳＥＭＣ像
中心とが一致するか否か判定する。

【０００９】以下、上記と同様にしてステップ７２〜７
５の処理を繰り返し、ＳＥＭ像の拡大中心とＳＥＭ像中
心とが一致したと判定されると、対物レンズ３の励磁電
流の変調を止め（ステップ７６）、対物レンズ３のアラ
イメント調整を終了する。このようにして、ＳＥＭ像の
流れが最も少なくなる状態に対物レンズ３のアライメン
トが設定される。

【００１０】また、ＳＥＭの中には電子ビームテスタと
いう、大規模半導体集積回路（ＬＳＩ）の内部診断用に
特化したＳＥＭも知られている。この電子ビームテスタ
は例えば図８に示す如き構成とされている。同図中、１
０はエネルギ分析器で、その内部には図中、上から下方
向へ順に、分析グリッド１１，バッファグリッド１２，
引出グリッド１３が夫々設けられており、それらの各グ
リッド１１〜１３の間にはスペーサ１４が設けられてい
る。このエネルギ分析器１０は円環状の対物レンズ１５
の内部中空位置に設けられている。また、エネルギ分析
器１０の上方には二次電子検出器１６が設けられてい
る。

【００１１】一方、エネルギ分析器１０の下方には、プ
リント板１７にソケット１８を介して電気的に接続され
た試料１９が配置されている。この試料１９は例えば半
導体集積回路のチップである。

【００１２】かかる構成の電子ビームテスタでは、電子
銃（図示せず）からの電子ビームＩが分析グリッド１
１，バッファグリッド１２及び引出グリッド１３を順次
透過して試料１９の表面に照射され、その表面から二次
電子を破線IIで示す如く放出させる。

【００１３】引出グリッド１３は正の一定電圧が印加さ
れ、二次電子を引上げる機能を有するため、上記の二次
電子IIは引出グリッド１３を経由してバッファグリッド
１２に入射される。この二次電子IIは正の一定電圧が印
加されるバッファグリッド１２により軌道が修正され、
分析グリッド１１に到り、ここで分析される。

【００１４】この電子ビームテスタは、半導体集積回路
等の試料１９に電子ビームを照射したときに、試料から
放出される二次電子が試料の電子ビーム照射面の電位の
影響を受ける（電位が低いときには多く、高いときには
少ない）ので、逆にこの二次電子のエネルギを検出及び
分析することで試料の電子ビーム照射面の電位（例えば
半導体集積回路の内部配線の電圧）を測定することがで
きる。

【００１５】ところで、上記の各グリッド１１〜１３の
中心のビーム入射孔は静電レンズを構成しているが、特
に分析グリッド１１の印加電圧は測定中に頻繁に変化す
るため、図９（Ａ）に示す如く分析グリッド１１の光軸
III が電子光学系の光軸IVに対してずれていると、電子
ビームの試料１９への着弾位置Ｐが変化し、測定誤差が
生じる。すなわち、分析グリッド１１の光軸III が電子
光学系の光軸IVに対してずれていると、電子ビーム着弾
位置Ｐが分析グリッド１１への印加電圧に比例して変化
する。

【００１６】そこで、従来は分析グリッド１１の印加電
圧に対して前記ウォブラと同様に正弦波を重畳して電子
ビーム着弾位置を変化させ、ＳＥＭ像を観測してＳＥＭ
像のずれをＸ方向及びＹ方向共に最小にするような電圧
を得、それを偏向器への駆動電圧に重畳することによ
り、図９（Ｂ）にＶで示す如く、電子光学系の光軸と分
析グリッドの光軸とを一致させている。このように２つ
の光軸を一致させると、分析グリッド１１への電圧変化
で焦点ボケが発生するが、像のシフトは発生しない。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記のウォ
ブラによる対物レンズのアライメント及びウォブラによ
る分析グリッドの光軸のアライメントは、いずれもウォ
ブラによる像の流れの読み取りに熟練が必要であり、ま
たＳＥＭ像のＳ／Ｎ比向上のためにスキャン速度を遅く
した場合にはウォブラによる像の流れ自体が極めて読み
取り難くなるため、ウォブラによるアライメント自体が
困難になってしまう。

【００１８】本発明は以上の点に鑑みなされたもので、
画像の色にじみに基づいてアライメントするよう構成す
ることにより、上記の課題を解決した荷電ビーム装置を
提供することを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図を示す。同図中、検出器１０３は荷電ビームを対物レ
ンズ１０１を通して試料１０２面上に集束照射すること
により、試料１０２表面から放出される二次電子を検出
する。また、カラーフレームメモリ１０４は、３原色の
３枚のプレーンで構成される。

【００２０】制御手段１０５は、互いに異なる３段階の
電子光学系条件に順次切換えた時、前記検出器１０３か
ら順次取り出される３段階の電子光学系条件下での検出
信号を、前記カラーフレームメモリ１０４の３枚のプレ
ーンのうち割当てられたプレーンに別々に格納させる。

【００２１】画像処理回路１０６は、カラーフレームメ
モリ１０４の３枚のプレーンから夫々取り出される信号
を画像合成処理する。

【００２２】カラーディスプレイ装置１０７は、画像処
理回路１０６から取り出された合成画像信号を表示す
る。

【００２３】

【作用】本発明では、フレームスキャン毎に電子光学系
条件を３段階に切換え、得られた画像信号をカラーフレ
ームメモリ１０４に格納し、そのカラーフレームメモリ
１０４から読み出した信号を画像処理回路１０６を通し
てカラーディスプレイ装置１０７に供給し、３段階の電
子光学系条件の夫々におけるカラーディスプレイ装置１
０７の表示カラー画像から電子光学系のアライメント調
整を行なう。

【００２４】例えば、電子光学系条件を対物レンズ１０
１の励磁電流とすると、励磁電流が弱励磁電流、ジ
ャストフォーカス時の励磁電流及び強励磁電流の計３
段階（種類）の条件とする。この場合、対物レンズアラ
イメントが正しくなされている状態では、弱励磁電流
のときの画像は図２（Ａ）に示す如くになり、ジャス
トフォーカス時の励磁電流のときの画像は図２（Ｂ）に
示す如くになり、また強励磁電流のときの画像は図２
（Ｃ）に示す如くになり、弱励磁電流の画像を基準とす
ると画像は画面の中心を拡大中心として拡大し、像の流
れは生ぜず、ジャストフォーカス時以外では焦点ぼけが
生じるだけである。

【００２５】これに対し、対物レンズアライメントがず
れている場合は、対物レンズの励磁電流を上記と同様に
弱励磁電流、ジャストフォーカス時の励磁電流及び
強励磁電流の３種類に変化させた場合、カラーディス
プレイ装置１０７により表示される像は図３（Ａ），
（Ｂ）及び（Ｃ）に夫々示す如くになる。すなわち、対
物レンズアライメントがずれている場合には、画像の中
心位置が変化し、焦点ぼけと同時に像流れも発生する。

【００２６】一方、前記したように、上記の３段階（種
類）の電子光学系条件の夫々における像のデータはカラ
ーフレームメモリ１０４内の３原色のプレーンに別々に
格納されるため、３種類の電子光学系条件の各像は夫々
３原色のうちの別々の原色で表示され、３種類の電子光
学系条件の各像がカラーディスプレイ装置１０７で合成
表示される。従って、３種類の電子光学系条件の各像が
カラーディスプレイ装置１０７上、同じ位置に在るとき
は白色で表示され、ずれているときは白色以外の三原色
のいずれか又は二原色の加法混色で表示される。

【００２７】従って、上記の３種類の電子光学系条件で
取得した像をカラーディスプレイ装置１０７で表示した
場合、正しい対物レンズアライメント状態のとき色にじ
みが最小となる。また、対物レンズアライメントがずれ
ている場合、対物レンズアライメント補正コイルの駆動
電流を、画像の色にじみが最小となるように調整すれば
よい。

【００２８】また、電子光学系条件をエネルギ分析器の
分析グリッド電圧とした場合も、分析グリッドの光軸と
電子光学系の光軸が不一致のときは、画像の流れと色に
じみが発生し、上記の両光軸が一致している場合は画像
の流れはなく、また色にじみも最小となる。従って、こ
の場合も、画像の色にじみが最小となるようにエネルギ
分析器のアライメント調整を行なえばよい。

【００２９】

【実施例】図４は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、図１及び図６と同一構成部分には同一符号を付
し、その説明を省略する。図４において、二次電子検出
器５より取り出された二次電子信号は、Ａ／Ｄ変換器４
１に供給され、ここでディジタルデータに変換された
後、カラーフレームメモリ１０４に供給される。カラー
フレームメモリ１０４は赤（Ｒ），緑（Ｇ）及び青
（Ｂ）の加法混色の三原色に夫々対応して全部で３つの
プレーン（フレームバッファ）から構成されており、そ
のデータの書き込みは制御手段１０５により制御され
る。

【００３０】制御手段１０５は、制御装置４２，スキャ
ンジェネレータ４３及びコントロールレジスタ４４から
なる。制御装置４２は端子７を介して対物レンズ３（図
１の対物レンズ１０１に相当）へ対物レンズ励磁電流を
供給すると共に、端子８を介して対物レンズアライメン
トコイル６へ補正電流を供給し、対物レンズアライメン
トを正しい位置に補正する。また、制御装置４２はコン
トロールレジスタ４４に対してセット０要求及び走査要
求信号を出力し、コントロールレジスタ４４からレジス
タデータを入力される。

【００３１】スキャンジェネレータ４３はカラーフレー
ムメモリ１０４へサンプリングストローブ及びフレーム
スキャン終了ストローブを夫々供給して、カラーフレー
ムメモリ１０４の書き込みを行なわせ、またコントロー
ルレジスタ４４からレジスタデータが入力される。ま
た、スキャンジエネレータ４３は偏向器２へ偏向信号を
供給し、電子ビームＩを試料４の表面上走査（スキャ
ン）させる。

【００３２】コントロールレジスタ４４はカラーフレー
ムメモリ１０４へ２ビットのレジスタデータＣＲを印加
し、書き込むべきプレーン（フレームバッファ）を指示
する。このレジスタデータＣＲは値が“０”のときＲ，
Ｇ及びＢの各原色信号用の３つのフレームバッファを同
時に指定し、これら３つのフレームバッファにディジタ
ルデータ（二次電子検出信号）を夫々同時に書き込ませ
る。

【００３３】また、レジスタデータＣＲが“１”のとき
はＲ信号用のフレームバッファのみ、ＣＲが“２”のと
きはＧ信号用のフレームバッファのみ、そしてＣＲが
“３”のときはＢ信号用のフレームバッファのみを指定
し、指定した１つのフレームバッファのみにディジタル
データを書き込ませる。

【００３４】制御装置４２はコントロールレジスタ４４
の出力レジスタデータＣＲを制御すると同時に、対物レ
ンズ電流を制御する。すなわち、レジスタデータＣＲが
“０”のときは対物レンズ励磁電流をジャストフォーカ
ス時の値とし、レジスタデータＣＲが“１”のときは強
励磁電流値とし、レジスタデータＣＲが“２”のときは
ジャストフォーカス時の励磁電流の値とし、更にレジス
タデータＣＲが“３”のときは弱励磁電流値とする。

【００３５】従って、以上のレジスタデータＣＲの値
と、データが格納されるフレームバッファと、対物レン
ズ励磁電流とをまとめると次表に示す如くになる。

【００３６】

【表１】

【００３７】カラーフレームメモリ１０４の３つのフレ
ームバッファから夫々読み出された各原色用のディジタ
ルデータは、画像処理回路１０６に供給され、ここで合
成され、かつ、アナログ信号に変換された後、映像表示
に必要な同期信号等を付加されて合成画像信号に変換さ
れる。この合成画像信号はカラー映像信号（三原色信号
又は複合映像信号）であり、カラーディスプレイ装置１
０７に供給されてカラー画像表示される。この表示カラ
ー画像（前記ＳＥＭ像）は静止画像である。

【００３８】本実施例では、外部より通常の表示モード
と対物レンズアライメント調整モードのうち任意の一方
を選択することができる。対物レンズアライメント調整
モードを選択すると、制御装置４２の指令の下、図５に
示す如きフローチャートに従った動作が行なわれる。

【００３９】すなわち、まず２ビットのレジスタデータ
ＣＲの値を“１”とし（ステップ５１）、続いてカラー
ディスプレイ装置１０７に表示されているＳＥＭ像が整
定しているか否か判定され（ステップ５２）、整定して
いる場合はＳＥＭ像の色にじみが最小か否か人間の目で
判定され（ステップ５３）、色にじみが最小でないと
き、又はステップ５２でＳＥＭ像が整定していないと判
定されたときはＣＲ値に応じた対物レンズ励磁電流が設
定される（ステップ５４）。最初のＣＲ値は“１”であ
るから、ここでは前記表より対物レンズ励磁電流は強励
磁電流とされる。

【００４０】続いて、Ａ／Ｄ変換器４１からのディジタ
ル信号データ（ＳＥＭ像データ）が、ＣＲ値に応じたフ
レームバッファ（ここではＣＲ＝１なので、Ｒ信号用フ
レームバッファ）に格納された後（ステップ５５）、Ｃ
Ｒ値が次の値“２”に更新され（ステップ５６）、更に
対物レンズアライメントコイル６への補正電流が変更さ
れる（ステップ５７）。

【００４１】引続いて、再びステップ５２に戻り、カラ
ーディスプレイ装置１０７の表示カラーＳＥＭ像が整定
しているか否か目視判断により判定され、対物レンズア
ライメントがまだずれているときはこのときのＳＥＭ像
も整定しないからステップ５３で色にじみが最小か否か
判定される。

【００４２】以下、上記と同様にして、ステップ５４〜
５７，５２，５３の処理が繰り返され、ＳＥＭ像の１フ
レームスキャンが終了する毎に、レジスタデータＣＲの
値が“１”→“２”→“３”→“１”→…とサイクリッ
クに変化し、対物レンズ３の励磁電流がＣＲ値の変化に
同期して“強励磁”→“ジャストフォーカス”→“弱励
磁”→“強励磁”→…というように変化し、そのときの
ＳＥＭ像データがＲ信号用→Ｇ信号用→Ｂ信号用→Ｒ信
号用…という順序でカラーフレーム１０４内の３つのフ
レームバッファの１つにサイクリックに切換えられて格
納される。また、対物レンズアライメント補正電流も順
次変更されていく。

【００４３】一方、３つのフレームバッファはレジスタ
データＣＲの値に関係なく、常時３つ同時に読み出しが
行なわれるため、カラーディスプレイ装置１０７には、
対物レンズ３の励磁電流が強励磁電流のときの赤色画
像、ジャストフォーカス時電流のときの緑色画像、弱励
磁電流のときの青色画像の計３つの電子光学系条件下で
の原色画像が合成表示される。

【００４４】ＳＥＭ像の大きさは強励磁電流のときが最
も大きく、弱励磁電流のときが最も小さくなるので、カ
ラーディスプレイ装置１０７の画面は周辺が赤っぽく見
え、中央付近が青っぽく見えるが、対物レンズアライメ
ントが正しい所では３つの原色画像の重なりにより白っ
ぽく見えることとなる。

【００４５】このようにして、対物レンズアライメント
が正しい位置となると、表示ＳＥＭ像が整定し、また表
示ＳＥＭ像の色にじみが最小となるので、ステップ５２
及び５３を経由してステップ５８へ進み、対物レンズ励
磁電流をジャストフォーカス値に保持した後、レジスタ
データＣＲの値を“０”として（ステップ５９）、この
対物レンズアライメント調整モードを終了する。

【００４６】従って、その後は、通常の表示モードとな
り、対物レンズアライメントが正しく調整された状態
で、ジャストフォーカス時のＳＥＭ像データがカラーフ
レームメモリ１０４内の３つのフレームバッファに同時
に書き込まれ、同時に読み出されるため、輝度変調され
た白色のＳＥＭ像がカラーディスプレイ装置１０７に表
示される。

【００４７】このように本実施例によれば、対物レンズ
アライメントの状態を静止したＳＥＭ像の色にじみとし
て観測することができるため、従来に比べて容易に対物
レンズアライメント調整ができる。

【００４８】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、電子ビームテスタに本発明を適用するこ
ともできる。この場合は、エネルギ分析器の分析グリッ
ドのグリッド電圧をＳＥＭ像の１フレームスキャン終了
毎に順次変化させると共に、各グリッド電圧下でのＳＥ
Ｍ像データを３つのフレームバッファに順次切換格納
し、それによりカラーディスプレイ装置１０７に表示さ
れるカラーＳＥＭ像の色にじみが最小となるグリッド電
圧を選択する。これにより、分析グリッドによる電子ビ
ームの光軸と電子光学系の光軸とを夫々一致させること
ができる。

【００４９】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、電子光学
系のアライメント調整を、従来のフォーカスウォブラに
よる画像の動的変化ではなく、静止画像の色にじみに基
づいて行なうようにしたため、従来に比べて熟練を要す
ることなく、容易に電子光学系のアライメント調整がで
きる等の特長を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】対物レンズアライメントが正しい場合の対物レ
ンズ励磁電流と像の関係を示す図である。

【図３】対物レンズアライメントがずれている場合の対
物レンズ励磁電流と像との関係を示す図である。

【図４】本発明の一実施例の構成図である。

【図５】本発明の一実施例の対物レンズアライメント調
整アルゴリズム説明用フローチャートである。

【図６】電子ビーム装置の一例の概略構成図である。

【図７】従来の対物レンズアライメント調整アルゴリズ
ム説明用フローチャートである。

【図８】電子ビームテスタの一例の構成図である。

【図９】分析グリッド電圧変化によるビームずれ発生の
説明図である。

【符号の説明】

３，１０１ 対物レンズ ４，１０２ 試料 ５ 二次電子検出器 ６ 対物レンズアライメントコイル １０ エネルギ分析器 １１ 分析グリッド １０３ 検出器 １０４ カラーフレームメモリ １０５ 制御手段 １０６ 画像処理回路 １０７ カラーディスプレイ装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電ビームを対物レンズ（１０１）を通
   して試料（１０２）面上に集束照射することにより、該
   試料（１０２）表面から放出される二次電子を検出する
   検出器（１０３）と、 ３原色の３枚のプレーンで構成されるカラーフレームメ
   モリ（１０４）と、 互いに異なる３段階の電子光学系条件に順次切換えた
   時、前記検出器（１０３）から順次取り出される該３段
   階の電子光学系条件下での検出信号を、前記カラーフレ
   ームメモリ（１０４）の３枚のプレーンのうち割当てら
   れたプレーンに別々に格納させる制御手段（１０５）
   と、 前記カラーフレームメモリ（１０４）の３枚のプレーン
   から夫々取り出される信号を画像合成処理する画像処理
   回路（１０６）と、 該画像処理回路（１０６）から取り出された合成画像信
   号を表示するカラーディスプレイ装置（１０７）とを有
   し、前記３種類の電子光学系条件の夫々における前記カ
   ラーディスプレイ装置（１０７）の表示カラー画像から
   電子光学系のアライメント調整を行なうことを特徴とす
   る荷電ビーム装置。
2. 【請求項２】 前記電子光学系条件は、前記対物レンズ
   （１０１）の励磁電流であることを特徴とする請求項１
   記載の荷電ビーム装置。
3. 【請求項３】 前記電子光学系条件は、エネルギ分析器
   （１０）の分析グリッド（１１）のグリッド電圧である
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電ビーム装置。