JPH09204892A - 荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ビームに非点があっても、正確にビームの焦
点合わせを行うことができる荷電粒子ビームにおける焦
点合わせ方法を実現する。 【構成】 検出器１２によって検出された２次電子信号
は、増幅器１３によって増幅された後、信号微分ユニッ
ト１５に供給される。微分された信号は絶対値反転ユニ
ット１６において負の信号が反転された後、積分ユニッ
ト１７で積分処理が行われる。従って、記憶ユニット１
８には、ダイナミックフォーカスレンズ１０の各励磁ス
テップごとの積分ユニット１６の積分値が記憶される。
自己相関処理ユニット１９は、記憶ユニット１８に記憶
された各値に基づいて自己相関関数処理を実行し、最適
焦点位置（レンズ値）を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自動的に荷電粒子
ビームの焦点合わせを行うことができる走査電子顕微鏡
などの荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡では、自動的な焦点合わ
せ機能が備えられている。この焦点合わせは、集束レン
ズの励磁をステップ状に変化させ、各励磁状態、すなわ
ち、電子ビームの各集束状態のときに試料の所定領域を
電子ビームで走査し、その際、検出器によって２次電子
や反射電子を検出し、各集束状態ごとに検出信号を積算
するようにしている。そして、各集束状態のときの検出
信号の積算値を比較し、最大値が得られたときの集束状
態を合焦点位置と判断し、その状態に集束レンズの励磁
を設定するようにしている。

【０００３】また、半導体デバイスなどの試料の場合に
は、ｘ方向又はｙ方向の連続パターンに対して、連続方
向に垂直（パターンに対して垂直に交差する）方向に電
子ビームを走査している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記した焦
点合わせにおいて、電子ビームに非点がない場合には、
図１に示すように、焦点を変化させてもビームの形状自
体は円形となって変わりがない。なお、図１で（ａ）は
焦点Ｆの変化に伴うビームのｘ方向，ｙ方向の軌跡を点
線で示しており、（ｂ）は各焦点位置におけるビームの
形状を示している。このような非点のない電子ビームの
場合には、各集束レンズの励磁強度（レンズ値）に対す
る積算値変化は、図２（ａ）に示すように、単一のピー
クを有したものとなる。この場合には、積分値が最大値
のときのレンズ値に集束レンズの励磁を設定すれば正確
な焦点合わせを行うことができる。

【０００５】一方、電子ビームに非点がある場合には、
焦点Ｆの変化に伴うビームのｘ方向，ｙ方向の軌跡は、
図３（ａ）に点線で示すようになり、各焦点位置におけ
るビームの形状は図３（ｂ）に示すようにｘ方向の楕円
からｙ方向への楕円と変化する。このような非点を有し
た電子ビームの場合には、各集束レンズの励磁強度（レ
ンズ値）に対する積算値変化は、ｘ方向のフォーカスと
ｙ方向のフォーカスとが分離しているために、図２
（ｂ）に示すように、２つのピークを有したものとな
る。このため、単純に積算値の最大値を合焦点位置とす
ると、ｘ焦点またはｙ焦点の値が設定されてしまい、ジ
ャストフォーカスとはならない。

【０００６】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、ビームに非点があっても、正確に
ビームの焦点合わせを行うことができる荷電粒子ビーム
における焦点合わせ方法を実現するにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法は、荷電粒
子ビームを試料上に集束するための集束レンズの強度を
ステップ状に変化させ、その変化の都度、試料上の荷電
粒子ビームの照射位置を走査し、この走査に伴って検出
された信号を積算して記憶し、記憶された複数の信号Ｐ
ｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）の全部あるいは一部につい
て、次の式

【０００８】

【数２】

【０００９】に基づき、自己相関関数処理を行い、得ら
れたＲ（ｉ）の複数の値から最大値が得られたときの集
束レンズの強度を得、その強度に集束レンズ強度の設定
を行うようにしたことを特徴としている。

【００１０】請求項１の発明に基づく荷電粒子ビーム装
置における焦点合わせにおいては、検出信号の積算値に
対して、自己相関関数処理を行い、合焦点位置を求め
る。請求項２の発明に基づく荷電粒子ビーム装置におけ
る焦点合わせ方法は、検出信号を微分した後絶対値反転
処理を行い、反転処理された信号を積算するようにした
ことを特徴としている。

【００１１】請求項２の発明に基づく荷電粒子ビーム装
置における焦点合わせにおいては、検出信号を微分した
後絶対値反転処理を行い、反転処理された信号を積算す
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図４は本発明に基づく走査
電子顕微鏡の一例を示しており、図中１は電子銃であ
り、電子銃１から発生した電子ビームＥＢは、集束レン
ズ２と対物レンズ（最終段集束レンズ）３によって試料
４上に細く集束される。

【００１３】対物レンズ３にはコンピュータ５から対物
レンズ制御ユニット６を介して励磁電流が供給される。
また、電子ビームＥＢは、偏向器７によって偏向され、
試料４上の電子ビームの照射位置は走査される。偏向器
７にはコンピュータ５から電子ビーム偏向ユニット８、
増幅器９を介して走査信号が供給される。また、１０は
ダイナミックフォーカスレンズであり、このレンズ１０
にはコンピュータ５からダイナミックフォーカスレンズ
制御ユニット１１を介してダイナミックフォーカスレン
ズ電流が供給される。

【００１４】試料４への電子ビームの照射によって発生
した２次電子は、２次電子検出器１２によって検出され
る。検出器１２の検出信号は、増幅器１３によって増幅
された後、累計加算ユニット１４に供給される。累計加
算ユニット１４においては電子ビーム偏向ユニット８か
らの参照信号に基づき、電子ビームの走査座標位置に対
応したメモリアドレスに検出信号を記憶させ、試料上で
の同一直線領域の走査に基づく検出信号をメモリアドレ
ス上で累計加算する。

【００１５】累計加算ユニット１４からの出力信号は、
信号微分ユニット１５に供給されて微分処理が行われ
る。信号微分ユニット１５からの信号は絶対値反転ユニ
ット１６を介して積分ユニット１７に供給され積分処理
される。積分ユニット１７の出力信号はピークプロファ
イルを記憶する記憶ユニット１８に供給されて記憶され
る。記憶ユニット１８に記憶されたピークプロファイル
データは、自己相関処理ユニット１９に供給され、所定
の演算処理が実行される。自己相関処理ユニット１９に
おける処理結果は、コンピュータ５に供給される。この
ような構成の動作を次に説明する。

【００１６】通常の２次電子像を観察する場合、コンピ
ュータ５は電子ビーム偏向ユニット８を制御し、このユ
ニット８から所定の２次元走査信号を偏向器７に供給す
る。その結果、試料４上の任意の２次元領域が電子ビー
ムＥＢによってラスター走査される。試料４への電子ビ
ームの照射によって発生した２次電子は、検出器１２に
よって検出される。その検出信号は、増幅器１３を介し
て偏向器５への走査信号と同期した陰極線管（図示せ
ず）に供給され、陰極線管には試料の任意の領域の２次
電子像が表示される。

【００１７】次に、電子ビームの自動焦点合わせ動作に
ついて説明する。まず自動焦点合わせを行うために試料
４を任意の観察位置にセットする。そしてコンピュータ
５に焦点合わせモードの指示を行うと、コンピュータ５
は対物レンズ制御ユニット６を介して対物レンズに３に
基準となるレンズ値を設定する。更にコンピュータ５は
ダイナミックフォーカスレンズ制御ユニット１１を介し
てダイナミックフォーカスレンズ１０にデータサンプリ
ングするためのダイナミックフォーカス値を設定する。

【００１８】次にコンピュータ５は電子ビーム偏向ユニ
ット８から、試料４上で電子ビームを直線状に走査する
走査信号を発生させる。この走査信号は増幅器９を介し
て偏向器７に供給される。その結果、例えば、試料４上
でｙ方向に直線状に配置されたパターンに対して、ｘ方
向に電子ビームが繰り返し走査される。この試料４上で
の電子ビームの走査に基づいて試料４からは２次電子が
発生する。発生した２次電子は２次電子検出器１２によ
って検出される。

【００１９】２次電子検出器１２の検出信号は増幅器１
３によって増幅された後、累計加算ユニット１４に供給
される。累計加算ユニット１４においては電子ビーム偏
向ユニット８からの参照信号に基づき、電子ビームの走
査座標位置に対応したメモリアドレスに検出信号を記憶
させ、試料上での同一直線領域の走査に基づく検出信号
をメモリアドレス上で累計加算する。この動作によって
検出信号のＳＮ比を向上させる。図５（ａ）は累計加算
された検出信号波形を示している。

【００２０】累計加算ユニット１４で累計加算された検
出信号は信号微分ユニット１５において微分処理され
る。更に微分信号は絶対値反転ユニット１６において絶
対値反転処理が行われる。図５（ｂ）の実線は微分信号
を示しており、また、点線は絶対値反転処理された信号
を示している。絶対値反転処理された信号は積分ユニッ
ト１７において積分処理が行われる。図５（ｃ）は積分
信号を示しており、最終の積分値であるピーク値が積分
ユニット１７からピークプロファイル記憶ユニット１８
に供給されて記憶される。

【００２１】上記した一連の信号処理は、コンピュータ
５によりダイナミックフォーカスレンズ制御ユニット１
１と電子ビーム偏向ユニット８とを制御して繰り返し実
行される。すなわち、ダイナミックフォーカスレンズ制
御ユニット１１はダイナミックフォーカスレンズ１０に
ステップ状に変化する励磁電流を供給し、電子ビーム偏
向ユニット８はステップ状の励磁電流の変化の都度、試
料の所定領域の直線状走査を行うための走査信号を偏向
器７に供給する。

【００２２】この結果、各ステップ状の励磁電流による
フォーカスの状態における検出器１２によって検出され
た２次電子信号は、増幅器１３によって増幅された後、
信号微分ユニット１５に供給される。微分された信号は
絶対値反転ユニット１６において負の信号が反転された
後、積分ユニット１７で積分処理が行われる。従って、
記憶ユニット１８には、ダイナミックフォーカスレンズ
１０の各励磁ステップごとの積分ユニット１６の積分値
が記憶される。

【００２３】図６（ａ）の実線は、電子ビームに非点が
ない場合の記憶ユニット１８に記憶されたピークプロフ
ァイル値の変化曲線（Ｐ（ｘ）…ピークプロファイル関
数）であり、横軸はレンズ値である。また、図６（ｂ）
の実線は、電子ビームに非点がある場合の記憶ユニット
１８に記憶されたピークプロファイル値の変化曲線（Ｐ
（ｘ）…ピークプロファイル関数）であり、横軸はレン
ズ値である。

【００２４】コンピュータ５は、ダイナミックフォーカ
スレンズ１０の各励磁ステップごとの積分ユニット１６
の積分値（ピークプロフアイル値）が記憶された後、自
己相関処理ユニット１９に対して自己相関処理の実行を
指示する。この自己相関処理は、各ピークプロファイル
値Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）に対して、次の式に基づ
いて行われる。

【００２５】

【数３】

【００２６】この自己相関処理によって求める関数Ｒ
（ｉ）は、例えば、レンズ値がｉの場合、ｉの値を軸に
ピークプロファイル関数Ｐ（ｘ）を反転させて積算し、
総和をとった値である。なお、上記式において、Ｐ（ｉ
＋ｊ）は、レンズ値がｉ＋ｊのときのピークプロファイ
ル値であり、Ｐ（ｉ−ｊ）は、レンズ値がｉ−ｊのとき
のピークプロファイル値である。この関係を図６に示す
が、図６中の点線の曲線が対称波形を示している。

【００２７】上記式に基づいて、各レンズ値毎に関数Ｒ
（ｉ）が自己相関処理ユニット１９で求められる。この
求められた関数Ｒ（ｉ）を図７に示す。図７で横軸はレ
ンズ値、縦軸は関数Ｒ（ｉ）である。この関数Ｒ（ｉ）
は、Ｐ（ｘ）の対称性が１番良くなったレンズ値ｉのと
きに最大の値となる。この最大値となるレンズ値のとき
が合焦点であり、図３のｘフォーカスとｙフォーカスの
中間位置となり、ビーム形状が楕円でなく、ほぼ円形と
なる。

【００２８】従って、自己相関処理ユニット１９は、関
数Ｒ（ｉ）が最大のときのレンズ値を検出し、その値を
コンピュータ５に供給する。コンピュータ５は、対物レ
ンズ制御ユニット８を制御し、ピークの時のダイナミッ
クフォーカスレンズの励磁強度を加算した励磁強度に対
物レンズ３を設定し、このようにして焦点合わせ動作が
行われる。

【００２９】なお、関数Ｒ（ｉ）は、全てのレンズ値に
対して求めても良いが、処理時間の短縮のために飛び飛
びのレンズ値に対して求め、補間法によって抜けた部分
の値を求めても良いし、また、予め合焦点位置が予測で
きる場合には、その値の近辺のみに限定して関数Ｒ
（ｉ）を求めていも良い。

【００３０】以上本発明の実施の形態を詳述したが、本
発明はこれらの形態に限定されない。例えば、２次電子
を検出したが、反射電子を検出してもよい。また、電子
ビームを連続パターンに垂直に走査する場合について説
明したが、不規則に凹凸を有する試料上を走査するよう
にしても良い。

【００３１】更に、焦点合わせ動作の際にダイナミック
フォーカスレンズの励磁を変化させたが、ダイナミック
フォーカスレンズを用いず対物レンズの励磁をステップ
状に変化させるようにしても良い。更にまた、検出信号
を微分して絶対値反転させた後に積算処理を行うように
構成したが、検出信号そのものを積算処理しても良い。
更にまた、走査電子顕微鏡などの電子ビーム装置を例に
して説明したが、本発明をイオンビーム装置にも適用す
ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項１
および２に基づく荷電粒子ビーム装置における焦点合わ
せにおいては、荷電粒子ビームを試料上に集束するため
の集束レンズの強度をステップ状に変化させ、その変化
の都度、試料上の荷電粒子ビームの照射位置を走査し、
この走査に伴って得られた信号を積算して記憶し、記憶
された複数の信号に基づき、自己相関関数処理を行い、
得られたＲ（ｉ）の複数の値から最大値が得られたとき
の集束レンズの強度を得、その強度に集束レンズ強度の
設定を行うようにした。その結果、ビームに非点があっ
ても、合焦点位置として、誤ってｘフォーカス位置やｙ
フォーカス位置を選択するようなことはなくなり、正確
な焦点合わせを行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】非点のないビームの焦点位置変化に応じた形状
を示した図である。

【図２】集束レンズ値に応じた検出信号の積算値変化を
示す図である。

【図３】非点のあるビームの焦点位置変化に応じた形状
を示した図である。

【図４】本発明に基づく方法を実施するための走査電子
顕微鏡の一例を示す図である。

【図５】各信号処理波形を示す図である。

【図６】自己相関処理を説明するための図である。

【図７】レンズ値変化に伴う自己相関関数の変化を示す
図である。

【符号の説明】

１ 電子銃 ２ 集束レンズ ３ 対物レンズ ４ 試料 ５ コンピュータ ６ 対物レンズ制御ユニット ７ 偏向器 ８ 電子ビーム偏向ユニット ９ 増幅器 １０ ダイナミックフォーカスレンズ １１ ダイナミックフォーカスレンズユニット １２ ２次電子検出器 １３ 増幅器 １４ 累計加算ユニット １５ 信号微分ユニット １６ 絶対値反転ユニット １７ 積分ユニット １８ 記憶ユニット １９ 自己相関処理ユニット

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 荷電粒子ビームを試料上に集束するため
   の集束レンズの強度をステップ状に変化させ、その変化
   の都度、試料上の荷電粒子ビームの照射位置を走査し、
   この走査に伴って検出された信号を積算して記憶し、記
   憶された複数の信号Ｐｉ（ｉ＝１，２，…，ｎ）の全部
   あるいは一部について、次の式 【数１】 に基づき、自己相関関数処理を行い、得られたＲ（ｉ）
   の複数の値から最大値が得られたときの集束レンズの強
   度を得、その強度に集束レンズ強度の設定を行うように
   した荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】 検出信号を微分した後絶対値反転処理を
   行い、反転処理された信号を積算するようにした請求項
   １記載の荷電粒子ビーム装置における焦点合わせ方法。