JPH0638328B2 - 走査型電子顕微鏡の倍率調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は走査型電子顕微鏡の倍率を高精度に自動調節
する倍率調節装置に関する。

（技術背景） 従来顕微鏡像の倍率を較正する方法は視野内の較正物体
寸法を用いていた。

最も簡単な形式の較正物体は矩形状のものである。較正
物体の長さ及び幅は既知であり、該物体の像の見掛上の
寸法が倍率の標準化に用いられる。較正物体像の左右両
端間距離が当該物体の既知寸法と比較され、目盛、即ち
倍率が算定される。上記形式の較正方法は２つの面で困
難なものである。第１の困難性は高精度に調節された長
さを有する顕微鏡検査用物体を形成することである。第
２の困難性は像の何処の部分が物体の実際の境界と対応
するかを判定することである。

微細二次加工技術は典型的に写真平版操作に頼るもので
あり、そこでは露光及び現像又はエッチング時間が物体
の最終寸法を決定することとなっている。更に、顕微鏡
観察レベルにおいては、較性物体縁部は粗さを有する。
よって、較性物体のサイズは前もってよく知られていな
い。たとえ寸法が顕微鏡の較正において使用される前に
独自の方法による結果精密に決定し得たとしても、第２
の問題が残存する。

暗い背景における明るい物体像の縁部には当該物体及び
その背景の両者の平均輝度よりもより明るい及び暗い輝
度領域に延びる遷移領域が存在する。特徴縁部を単一線
に沿って横断する輝線プロファイルは種々のファクター
に依存する複雑な波形を有する。

光学系の限界解像力に近い倍率とした光顕微鏡におい
て、縁プロファイルは対象物とその背景間の相対反射
率、照明光波長、実物の縁部の高さ及び形状、解像度、
被写界深度並びに光学系の焦点距離に応じて変化する。

走査型電子顕微鏡において、縁プロファイルは解像度、
ビームエネルギー及び電流、実物の縁形状、電子ビーム
／原子番号に応じて変化する物質相互作用に依存するも
のである。

上記２種類の形式の顕微鏡においては、複雑な波形に沿
って実際の縁部の存在位置が不確定であるという問題が
ある。高解像力走査型電子顕微鏡によれば、背景から対
象物表面に至る遷移部全体が非常に短い間隔をもって現
れ、不鮮明さが可成りの程度をもって低減せしめられ
る。それにもかかわらず、見掛け上の物体像長さを判定
する際、ライン走査輪郭における縁部位置を選定、例え
ば輝度閾値を選定することにより何れの誤差も倍加され
る。

信頼性のあるもう１つの較正方法は較正物体自体の絶対
長さを算出して行うことよりもむしろ物体像における反
復されかつ明瞭に形成された一連の特徴部分のピッチ距
離を較正して行うものである。より信頼性のあるこの方
法を説明するにあたり、２つの対象物の長さの差異を判
読することによりも１つの対象物の長さを判読すること
の方がより困難であることに注意しなければならない。
検討するにあたり、摩耗しかつ面取りされた２つのゲー
ジブロックを想定しよう。ゲージブロックの真の長さを
判読するために測定具を設置する高さ位置で決定するこ
とは困難である。しかしながら、２つの類似した面取り
ゲージブロック間の長さ寸法差を測定したいのであれ
ば、測定具の高さ位置を選定することは重要なことでは
ない。言い換えれば、該測定が右端部と右端部間で行わ
れるのであれば、両端部が一致していない限り、測定具
高さの選択は何の効果もないということである。

同様に、顕微鏡から得られた輝線輪郭、即ちテレビジョ
ン受像機画像の単線等のように、１つの対象物の縁部か
ら隣接するもう１つの対象物の対応縁部まで測定するこ
とは当該輪郭における正確な縁部位置の判読にあたり誤
差を回避する。要するに、両縁部に対し首尾一貫した基
準を要いるようにすることが重要である。

更に、一連の較正物体を再現性のある平均距離をもって
離間させて配置することが出来る一方、それらの正確な
寸法を写真平版術の不確定性に応じて変化させることが
出来るから、そのような物体を正確に製作することは容
易である。そのような物体として複数の平行配列した溝
を有する回折格子を用いることが出来る。

一方、縁部粗さが較正精度を限定する。表面上の局部変
化とか信号収集操作における雑音はたとえピッチ測定に
おいても不確定性を惹起する。縁部粗さにより惹起され
た相対誤差は縁部粗さよりも十分に長い距離にわたるピ
ッチ較正を行うことにより低減せしめることが可能であ
る。しかしながら、この方法は各縁部が視野の微細部分
を占拠するという制限がある。輪郭は自動縁部検出を行
うために大抵ディジタル処理されるから、量子化誤差が
大きくなる。更に、ディジタル化した波形の大部分は使
用されることがなく、２つの縁部の付近における領域の
みが較正操作に寄与する。

上記較正はしばしば等間隔をもって離間された一連のラ
イン上で行われ、当該視野内で水平方向及び垂直方向に
種々の位置を取り、種々の間隔をもった各対のライン上
で繰り返し測定を行うことにより較正の不確定性は平均
化されて低減せしめられる。この方法は時間が掛かり、
得られた各輪郭の大部分は測定結果に寄与しないから不
満足なものである。

走査型電子顕微鏡の正確な較正を行うにあたり生じる種
々の問題点はＳＰＩＥ、第４８０巻、８６頁、１９８４
年、Ｄ．Ｇ．Ｓｅｉｌｅｒ等；“Precision Linewidth
Measurement Using A Scanning Electron Microscope”
と題する論文に記載されている。

（解決しようとする課題） 本発明は上述した種々の問題を解消することにある。較
正部材又は較正物体が等間隔で離間された一連のライン
から構成される、微細二次成形法又は機械成形法により
回折格子として製造されるものであれば、調節された寸
法はライン周期性を有する。

（課題を解決するための構成及び作用効果） 本発明の較性方法及び装置は走査輝線プロファイルを得
るとともに全波形の周期性を抽出するようにしたもので
ある。数学的処理により較正器全体像における繰り返し
ライン群及び空間群の周期を決定する。この像における
周期は当該較正器における既知の周期に対応するため、
走査型電子顕微鏡の倍率を決定することが可能である。

一連のラインを横切る単一走査輝線等の繰り返し波形の
周期を判読する好ましい方法は高速フーリエ変換（ＦＦ
Ｔ）に依るものである。この高速フーリエ変換技術はプ
ロファイルを当該画像の基本空間周波数に対応した幅狭
な主要ピークを有する波形に変換するものである。

視野全体における全ラインの全縁部による全情報点は非
常に効率的な方法で関与する。コンピュータ使用は迅速
化され、測定結果は画像の周期性を最良に算定し、当該
画像における縁部粗さ及び種々のピッチ間での公称周期
からの任意偏差に基因する誤差の２乗値の総計を最小と
することを意味する。

高速フーリエ変換におけるピークが例えば０から計数し
て１００番目の点で生じたならば、該画像走査線に１０
０個の基本空間周波数周期が存在する。当該較正器の平
均ピッチは前もって独自の正確な手段を介して決定する
ことが出来るから、当該画像の大きさは算定可能であ
る。この較正は従来方法よりも高速でより繰り返し可能
でありかつより正確なものとすることが出来る。

本発明によれば、電子ビーム発生手段、走査信号発生手
段および電子ビーム走査手段から成る走査型電子顕微鏡
の倍率調節装置であって、配列された複数の素子を有
し、電子ビームにより走査されたとき上記複数の素子の
配列間隔に応じた基本周期の周波数を有する走査信号を
発生する較正物体、上記走査信号を検出するとともに上
記基本周期データを含むアナログ出力信号を発生する検
出手段、上記検出手段と接続され、上記アナログ出力信
号の全データ内容から該アナログ出力信号の基本周期を
判読する手段、所望倍率信号を発生する制御手段、上記
アナログ出力信号の基本周期判読手段及び制御手段と接
続され、上記所望倍率信号及びアナログ出力信号の基本
周期信号から最終補正信号を生成する、補正信号発生手
段、上記補正信号発生手段及び電子ビーム走査手段と接
続され、上記最終補正信号及び走査信号を結合て電子ビ
ームを走査する修正走査信号を生成することにより当該
走査型電子顕微鏡に所望倍率を設定する、結合手段から
構成した走査型電子顕微鏡の倍率調節装置が提供され
る。

以下に、本発明を、実施例を示す添付図面とともに説明
する。

（実施例） 第３図の左手側部に走査型電子顕微鏡の概略構成を示
す。高電圧電源１０が電子ビーム１４を発生する電子銃
１２と接続される。結像コイル１６及び集束コイル１８
は標的にビーム１４を集中せしめる。また、この電子顕
微鏡は走査コイル２０を含み、該走査コイル２０は電子
ビームが観察しようとする対象物を横断するように該電
子ビームを移動させる。もし陰極線管ＣＲＴ２２を横断
する走査幅が常に一定であるならば、この電子顕微鏡の
倍率は走査コイル２０を駆動する走査電流のランプ関数
の振幅を変えることによって変化させることが出来る。

本発明は走査型電子顕微鏡の倍率を正確に設定する装置
を提供するものである。このため、高精度に加工された
較正格子２４が当該電子顕微鏡において検査しようとす
る対象物の近くに装着される。回折技術を用いて上記格
子２４における各溝間隔が高精度をもって測定可能とさ
れる。いま、電子ビームが各溝を横切って走査を行うと
すると、この走査に対する溝数が計数される。第１図は
１回の走査に対する第３図の検出器２６の出力での電圧
信号を示す。波形は可成りけばだったものであり、いか
なる精度をもってしても最大値位置を判読することは困
難なことである。よって、陰極線管（ＣＲＴ）２２にお
いてピッチ距離を精密に測定することは困難なことであ
る。もし、このピッチ距離がＣＲＴにおいて正確に判読
し得るならば、この格子の正確なピッチ距離が既知であ
るから当該顕微鏡の倍率を判読することは簡単なことで
ある。

本発明はこの不確定性を除去するため検出器２６により
受け取った信号を操作する一方、当該走査型電子顕微鏡
の走査発生回路への帰還信号を生成してその倍率を一定
に維持せしめる。

クロック信号発生器２８は連続したクロックパルス列を
発生する。スイッチ３０が位置１に存在するとき、クロ
ック信号発生器２８はカウンター３２と接続される。ク
ロックパルスがカウンター３２により連続的に計数さ
れ、この増大するディジタル計数値がディジタル−アナ
ログ（Ｄ／Ａ）変換器３４に供給される。このＤ／Ａ変
換器３４のアナログ出力ランプ関数とされ、ＣＲＴ２２
の走査を駆動する。なお、この場合初期較正モードは重
要なことではない。一方、Ｄ／Ａ変換器３４の出力はＤ
／Ａ変換及び乗算器３６に加えられる。ディジタル定数
値発生器３８は範囲０〜１内のディジタル出力を発生す
る。この定数値は通常正確に１とされる。このディジタ
ル定数値はスイッチ４０を介してＤ／Ａ変換及び乗算器
３６の第２入力に加えられる。このＤ／Ａ変換器３６の
出力はランプ関数とされ、この関数値は０〜１の係数を
もって乗算されたものである。Ｄ／Ａ変換器３４及び定
数値発生器３８の出力を合成してＤ／Ａ変換器３６の出
力にランプ関数が発生され、この関数は略直角振幅を有
し、増幅器４２を介して電子顕微鏡の走査コイル２０を
駆動する。

この走査の結果、電子ビーム１４を格子２４における各
溝を横切らせて検出器２６の出力に第１図に示す信号を
発生する。

検出器２６からの信号は増幅器４４により増幅されてＣ
ＲＴ２２およびアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器
４６に印加される。このＡ／Ｄ変換器４６は刻時速度と
等しいサンプリング速度をもって駆動され、個別の数を
表す信号の流れを生起する。各数値は各サンプルのアナ
ログ信号強度を示している。精度を良くするため、サン
プリング速度はディジタル化される信号の周波数より著
しく高いものにする必要があり、該信号の周波数は走査
線の長さ及び格子２４における各溝のピッチにより定め
られる。Ａ／Ｄ変換器４６の出力は第１図に示す信号を
ディジタル化したものであり、したがってある領域に割
り当てられる。

Ａ／Ｄ変換器４６の出力は高速フーリエ変換（ＦＦＴ）
信号発生器４８の入力に加えられる。このＦＦＴ信号発
生器４８はメモリー内に１走査分のデータを格納する。
このデータはクロックパルスを発生するクロック信号発
生器２８を介してこのメモリー内に記録される。１走査
が完了し、ＦＦＴ信号発生器４８におけるメモリーが満
杯となったとき、スイッチ３０は位置２に移動する。こ
のクロック信号発生器２８はＦＦＴ信号発生器４８およ
びカウンター５０を起動する。

ＦＦＴ信号発生器４８の出力は第２図に示す。第２図の
Ｘ軸は空間周波数を示し、Ｙ軸から最大ピークまでの距
離は電子ビーム１４の１走査において通過した格子２４
上の溝数に等しい。

回折格子上の溝間隔は既知であり、該溝数を計数するこ
とにより当該顕微鏡の倍率を知ることが出来る。Ｙ軸と
最大ピーク間の間隔はクロック信号発生器のサンプル数
又はピクセル数に割り込まれる。１走査当たりのピクセ
ル数が大きいと、解、即ち最大ピーク位置が高精度をも
って定めることが出来る。Ｙ軸と最大ピーク間の間隔が
大きいと、当該走査において多数の溝を横断したことに
なり、顕微鏡の倍率が比較的低いものとなる。一方、Ｙ
軸と最大ピーク間の間隔が小さいと、電子ビームは僅か
な数の溝を横断するのみであり、顕微鏡の倍率は比較的
高い。勿論、このことは、ＣＲＴ２２の水平軸が常に一
定距離をわたって走査を行うものであるから正しい。

第３図におけるその他の回路はＦＦＴ信号発生器４８の
出力を利用して走査信号と組み合わされる補正信号を生
成し、該走査信号を補正して所定の顕微鏡倍率を設定す
るものである。

上記ＦＦＴ信号発生器４８の出力は本来Ａ／Ｄ変換器４
６から出力される一連のデータにおける空間周波数の相
対振幅を表す。例えば、ＦＦＴ信号発生器４８の出力に
おいて０から数えて３０番目のピクセル強度Ａ／Ｄ変換
器４６から入力され一連のデータにおける１走査当たり
３０サイクルでの正弦波成分相対量、即ち第１図に示す
ような曲線の基本正弦周波数を示す。これは回折格子２
４における３０個の溝を横断して走査を行ったことを示
す。

上記ＦＦＴ信号発生器４８から出力される一連のデータ
はメモリーラッチ５２および比較器５４により形成され
たピーク検出回路に移送される。このピーク検出回路に
新しいピクセルが入力される毎に、クロック信号発生器
２８からのクロックパルスがカウンター５０の計数内容
を増加し、該カウンター５０の出力がメモリーラッチ５
６に加えられる。

ラッチ５２が０で作動を開始し、該ラッチ５２からの出
力が比較器５４のもう１つの入力に加えられ、ＦＦＴ信
号発生器４８からの出力データが該ラッチ５２の内容よ
りも大きくなると、該比較器５４の出力が両メモリーラ
ッチ５２及び５６を起動させて両ラッチ５２及び５６は
入力の取り込みを開始する。この結果、ラッチ５６はカ
ウンター５０からの計数値の蓄積を行い、ラッチ５２は
ＦＦＴ信号発生器４８からの出力データの最新最大値を
蓄積する。ＦＦＴ信号発生器４８から全データの送出が
完了した時、ラッチ５２の内容は最大ピクセルの大きさ
を示し、ラッチ５６の内容は当該シーケンスにおけるそ
の位置又は０からのピクセル計数値を示す。

周期性を有する波形のフーリエ変換における最大ピーク
は基本空間周波数と対応しているから、ラッチ５６の内
容は１走査ライン当たりのサイクル中の格子画像の周期
を示す。換言すれば、ラッチ５６の出力は１走査ライン
に対する格子周期を示す値ｆである。

この値が一旦得られると、スイッチ３０は位置１に復帰
し、スイッチ４０はラン（ｒｕｎ）位置に切り換わる。

この時、操作者は倍率調節器５８を設定する。該倍率調
節器５８の出力はディジタル数値ｍであり、この数値ｍ
は１ミクロン当たりのピクセル数、即ち当該顕微鏡の所
望の倍率を表す。この実施例において、ｍは例えば７０
とされる。

乗算器６０はラッチ５６の出力を倍率調節器５８の出力
をもって乗算を行い、該乗算器６０の出力、即ちディジ
タル数値ｆｘｍ、例えば２１００が割算器６２の一方の
入力に加えられる。

定数ディジタル信号発生器６４は値ｎ／ｐを出力する。
ここで、ｎは１走査ラインに存在するピクセル数、ｐは
１ミクロン当たりの格子周期である。例えば、ｎ＝２０
００、Ｐ＝１とされる。これら２つの変数は当該顕微鏡
を操作する前に設定される。この結果、例えば割算器６
２の出力は定数信号発生器３８の出力値１に近似した値
である。本実施例において、割算器６２の出力は０．９
５２である。割算器６２の出力値と定数信号発生器３８
の出力値との比はＤ／Ａ変換及び乗算器３６の出力に現
れるランプ関数信号に含ませなければならない補正量で
あり、該比は倍率調節器５８により設定された倍率に対
する倍率補正係数を示す。

前記実施例において、上記比値が、０．９５２である
と、この値は当該走査型電子顕微鏡のｂに対する倍率を
示す。もし、倍率を正確に２ｂに増大しようとするなら
ば、操作者は倍率調節器５８を調節し、ディジタル数７
０に代えてディジタル数１４０が出力される。割算器６
２の出力は補正値０．４７６となる。この補正値はＤ／
Ａ変換器３４の出力と乗算され、正確にその１／２をも
って倍率を２倍にすることにより被検体を走査するラン
プ関数を生起する。

第３図に示す回路は、その他の、例えば電子ビームエネ
ルギー等のファクターが一定である限り、その期間中そ
の較正を一定のものに保持する。

第３図に示す回路における適当な部分が数学的方式でデ
ィジタル数を処理することが解る。よって、第３図に示
すブロック回路のうち、幾つかの回路は適宜方式でプロ
グラムされた汎用コンピュータによって置換することが
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は較正格子を横断走査した距離に関する走査型電
子顕微鏡からの検出信号強度を示すグラフ、 第２図は第１図の曲線を高速フーリエ変換したグラフ、 第３図は本発明の一実施例のブロック回路図である。 １０……高電圧電源、１２……電子銃、 １４……電子ビーム、１６……結像コイル、 １８……集束コイル、２０……走査コイル、 ２２……陰極線管（ＣＲＴ）、 ２４……較正（回折）格子、２６……検出器、 ２８……クロック信号発生器、 ３２……カウンター、３４……Ｄ／Ａ変換器、 ３６……Ｄ／Ａ変換及び乗算器、 ３８……定数値発生器、４６……Ａ／Ｄ変換器、 ４８……高速フーリエ変換信号発生器、 ５０……カウンター、５４……比較器、 ５８……操作者倍率調節器、６０……乗算器、 ６２……割算器、６４……定数値発生器。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電子ビーム発生手段、走査信号発生手段お
   よび電子ビーム走査手段から成る走査型電子顕微鏡の倍
   率調節装置において、 配列された複数の素子を有し、電子ビームにより走査さ
   れたとき上記複数の素子の配列間隔に応じた基本周期の
   周波数を有する走査信号を発生する較正物体、 上記走査信号を検出するとともに上記基本周期データを
   含むアナログ出力信号を発生する検出手段、 上記検出手段と接続され、上記アナログ出力信号の全デ
   ータ内容から該アナログ出力信号の基本周期を判読する
   基本周期判読手段、 所望倍率信号を発生する制御手段、 上記アナログ出力信号の基本周期判読手段及び制御手段
   と接続され、上記所望倍率信号及びアナログ出力信号の
   基本周期信号から最終補正信号を生成する、補正信号発
   生手段、 上記補正信号発生手段及び電子ビーム走査手段と接続さ
   れ、上記最終補正信号及び走査信号を結合して電子ビー
   ムを走査する修正走査信号を生成することにより当該走
   査型電子顕微鏡に所望倍率を設定する、結合手段から構
   成し、 上記の基本周期判読手段が、上記アナログ出力信号から
   ディジタル出力信号を発生するディジタル−アナログ変
   換器及びこのディジタル出力信号から上記アナログ出力
   信号の基本周期を表す信号を発生する高速フーリエ変換
   信号発生手段を有することを特徴とする走査型電子顕微
   鏡の倍率調節装置。
2. 【請求項２】較正物体が回折格子である、第１項記載の
   装置。
3. 【請求項３】アナログ出力信号の基本周期判読手段が更
   にアナログ−ディジタル変換器及び高速フーリエ変換信
   号発生手段を駆動するサンプルパルスを発生するクロッ
   ク信号発生手段、ディジタル出力信号の最大値を判読す
   るピーク検出手段、１走査当たりのアナログ出力信号の
   基本周期を示す最大ピーク値サンプル数を記憶するメモ
   リー手段、並びに上記サンプル数を得る毎に上記高速フ
   ーリエ変換信号発生手段の作動を停止せしめるスイッチ
   手段を有する、第２項記載の装置。
4. 【請求項４】ピーク検出手段が第１メモリーユニット及
   び比較器を有し、該第１メモリーユニットがディジタル
   出力信号を受けるとともに該ディジタル出力信号の最大
   値を上記比較器を介してラッチせしめて記憶する、第３
   項記載の装置。
5. 【請求項５】最大ピーク値サンプル数の記憶手段が第１
   カウンター手段を有し、該第１カウンター手段の入力が
   クロック信号発生手段と接続されるとともにその出力が
   比較器と接続した第２メモリーユニットと接続され、該
   比較器により最大値が判読されたとき、第１カウンター
   手段の計数内容をラッチして第２メモリーユニットに格
   納し、該計数内容が１走査における走査基本周期、した
   がって当該走査型電子顕微鏡の現実の倍率を表す、第４
   項記載の装置。
6. 【請求項６】走査信号発生手段が第２カウンター手段と
   接続したクロック信号発生手段を有し、該第２カウンタ
   ー手段をディジタル−アナログ変換手段と接続し、該デ
   ィジタル−アナログ変換手段をディジタル−アナログ変
   換及び乗算手段の第１入力と接続して該ディジタル−ア
   ナログ変換及び乗算手段から走査信号を出力する、第５
   項記載の装置。
7. 【請求項７】補正信号発生手段が制御手段及び第２メモ
   リーユニット手段と接続するとともに、所望倍率信号及
   び計数内容を表す中間補正信号を発生する乗算手段、第
   １定数信号発生手段、並びに割算手段から成り、 上記割算手段を上記乗算手段及び第１定数信号発生手段
   と接続することにより上記中間補正信号を第１定数信号
   で除算して補正信号を生成する、第６項記載の装置。
8. 【請求項８】結合手段がディジタル−アナログ変換及び
   乗算手段の第２入力と接続された割算手段の出力と接続
   するスイッチ手段を有し、走査信号を最終補正信号で乗
   算して修正走査信号を生成する、第７項記載の装置。