JPS63146332A - 荷電ビ−ム集束装置 - 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】 イ、産業上の利用分野 本発明は走査電子顕微鏡、電子描画装置、イオンマイク
ロプロ−ブ装置筈における非点収差の測定と補正、およ
び焦点合わせを行う荷電と一ノ、装置に関する。

１１、従来技術 走査電子顕微鏡、電子描画装置、イオンマイクロプロー
ブ装置等においては、荷電ビームを集束レンズにより細
く集束して標的に照射するが、一般に集束レンズは非点
収差を有し、その場合ビームは楕円形になり充分に細く
かつ円形に絞ることができなくなる。第１図は非点収差
がある場合にビームが光軸Ｚに沿って集束される状態を
示した図であり、光軸Ｚに沿った位置を軸上位置と呼ぶ
。

ｌｄは最小錯乱円であり、この位置は非点収差が補ｉＥ
されたときの正焦点の位置に相当する。この位置の前後
に焦線１ｃと焦線１ｅとが形成され、ＩＣと１ｅとの間
隔が非点収差の大きさである。

ＸとＹは直交座標軸であり、Ｘ軸に対する焦線ＩＣの方
向が、非点収差の方向である。

この非点収差を補正するために集束レンズに゛非点補正
装置を取り付けて非点収差を補正する方法が広く行われ
ているが、従来は非点補正装置の調節は専ら人間が行っ
ていた。即ち、非点収差が存在する場合には荷電ビーム
の正焦点の前後にお番する走査像（いわゆるアンダーフ
ォーカス像、オーバーフォーカス像）において像の滴れ
が９０″回転するので、この流れを注意深く観察し、涼
れが無くなるように非点補正装置を精密に調節する。

しかし像の涼れは微妙なものなので、その存在の有無、
方向と量、等の判断は非常に困難で、操作者には多大の
熟練と労力が要求され、従って一般の利用者にとっては
大きな支障を来たしていた。

上記の問題を解決する為、本発明者は先に、非点収差の
測定と補正を自動化ならしめる次のような発明をした（
特願昭５７−１２８１３６号公報）。

第２図は上記の発明の原理を示す図である。１は荷電ビ
ーム、例えば電子ビーム、の断面であって、光軸は紙面
に直交しており、ビームは図示しない集束レンズにより
集束され紙面を照射している。電子ビーム１は非点収差
を有しているため楕円になっておりその１方向の直径を
ＤＩとする。

集束レンズが例えば電磁レンズの場合、その励磁電流を
変える事により焦点距離を変え、Ｄｌが最小値になった
時の励磁電流を■１とする。次に方向１から一定の角度
、例えば４５″回転した方向ｍに関して同様に、電子ビ
ーム１のｍ方向の直径の最小値を与える集束レンズの励
磁電流を１．とし、更に４５″回転したｎ方向に関する
励磁電流を１７とする。このようにして得られた電流１
１゜１、．１．から、非点収差の方向λと大きさＮは次
式により求めることが出来る。

Ｎ＝ＫＩ　　　（（ＩＩＩ　　−１、）　２　＋　　（
１ｍ−１！　）２）ｌ／２．、　　　（２）ここにに＋
４１集束レンズに固有の定数である。

また非点補正装置が例えばへ極電磁型の場合、補正電流
１．、Ｉ、は次式で求められる。

Ｉｘ＝に２（［（Ｉｎ−１ｍ＋）　　（Ｌ−１＋）］ｃ
ｏｓ２φ１、＝＝に２　（［（Ｌ−Ｌ）　　　（Ｌ　　
Ｉｔ）］ｃｏｓ２φ［（ｉｌｌ−１１１１）　＋（１１
１１１＋）］ｓ＋ｎ２φ）、、（４）ここでに２は集束
レンズと非点補正装置とで決まる定数である。また非点
補正後の正焦点位置に対応するレンズ電ｉＱ　Ｉ　ｏは
次式で与えられる。

ｉｏ　＝　（１＋　＋Ｉｎ）／２　　、、、、（５）従
って互いに異なる少なくとも３つの方向について、それ
ぞれ最小のと一ノ、径を与えるレンズ電液を求めれば、
非点収差を（１）、（２）式により測定でき、（３）、
（４）式により補正できる。

また同時に焦点合わぜを（５）式により行うことが出来
るので、非点補正装置に焦点合わせのための動作を別途
に行う必要はない。

上記レンズ電流を求めるには、第２図の２のごときｒｃ
つずぐな端面を持つ標的を用いて、Ｉ、ｍ。

ｎの３つの方向にと一ノ・を直線走査し、レンズ電流を
変化させ、最小ビーム径を与えるレンズ電液を測定すれ
ば良い。また最小ビーム径の判定は、例えば標的より発
生ずる二次電子等の信号波形を微分し、微分値が最大に
なることにより行えば良い。なおここで走査方向は３方
向以上であればいくらでも良く、また互いの角度差も４
５″以外でも良く、いずれの場合も方程式の解は存在し
て（１）乃至（５）式を若干変更すれば良い。

しかしこの手法は、第２図の２のごとき端面を持つ特殊
な標的に対しては適用することが出来るが、走査電子顕
微鏡等の一般試料のごとき任意の形状を持った標的に対
して適用しても非点収差を的確に測定または補正できず
、焦点合わせも正しく行えず、またその原因は不明であ
った。

ハ０発明の目的 本発明は、」二連の１濱な従来の非点補正装置の持つ欠
点を解消し、走査電子顕微鏡等の試料のごとき任意の形
状を持った一般の標的に於いて、非点収差の測定と補正
を自動的に行い、同時に焦点合わせも行う荷電ビーム集
束装置を提供することを目的としている。

二０発明の構成 本発明は荷電ビームの焦点位置を光軸に沿って標的面の
前後に漸次変化させ、荷電ビームを標的１ユで３つ以」
−の異なる方向に面走査し、荷電ビーム照射により標的
から発生ずる信号の強度の前記走査に伴う変化分に基づ
いた信号を走査面に亙って！Ａ算し、積算した値を焦点
の軸上位置に対応させて走査方向毎に記憶し、記憶した
２つの焦線を含む軸上位置に対応する値を用いて走査方
向毎に軸−り位置の固有値を算出し、上記の固有値を用
いて非点収差の測定、補正および焦点合わせを行う荷電
ビーム集束装置に係わる。

ホ、実施例 本発明者は、従来技術の項で既述した従来技術が一般の
標的に適用出来ない原因につき究明した結果、それが次
の点にあることを見出した。以下、第３図により説明す
る。

図中、３　ａ　ｅ　Ｊ　ｔ）　ｙ　Ｊ　Ｃは非点補正用
の標的として一般に用いられるラテックス球である。こ
れらの球は不規則な位置に分布しているので、ビームを
Ｉ、ｍ、ｎ方向に線走査した場合、３Ｃに於けるごとく
球の端面をビームが偶然に直角に横切る場合もあるが、
一般には３ａ、３ｂのごとく斜めに横切り、横切る角度
は様々である。ビームが端面を斜めに横切る場合には、
直角に横切る場合とはビーム径の最小値を与える焦点位
置は異なったものとなり、それらは横切る角度に従って
２つの焦線の間に分布する。この場合、標的より発生ず
る二次電子等の信号波形を微分し、微分値が最大になる
点を求めても、それらは走査方向に関してビーム径が最
小になる焦点位置を与えず、従ってそれらの点を（１）
乃至（５）式に代入しても非点収差の測定と補１Ｅおよ
び焦点合わせに関するｉＥ　Ｌい信号が得られない。

このような−般の標的における問題点を解決するには、
まず第一にビームの走査を二次元の面走査とする必要が
有る。このことにより走査線」二に偶然に位置する標的
端面の角度の特異性が平均化され、また走査方向を回転
しても標的上の略同一箇所を方向のみを変えて走査する
ことになり、異なった箇所を走査することにより生ずる
誤差を防ぐことが出来る。第二に前述したごとくビーム
は標的をいろいろな角度で横切り、その角度によりビー
ム径が最小となる焦点位置は異なり、それらは２つの焦
線の間に分布するのであるから、＋１ｔに微分値が最大
になる一点を検知するのでなく、２つの焦線を含んだ広
い範囲に亙る軸上位置についてと一ノ、径に関する信号
を検知し、その範囲に？；ｆる信号を用いて非点収差に
関する信号を算出する必要がある。

本発明は４〕述した究明と発見に基づいたものであり、
・−・船形状を有する標的に於いても非点収差を自動的
に測定または補ｉＥすると同時に、焦点合わせも可能に
したものである。以下、第４図の実施例に従って説明す
る。

第４図の１は図示しない電子銃から射出された電ｒ−ビ
ームであり、非点収差を有しており、対物レンズ２７に
より集束されて標的４を照射する。

標的は一般の被検試料でもよく、非点補正用の特殊な標
的でも良い、また、２６Ｘ、２６Ｙは走査：１イルであ
り電子ビーム１を標的上で二次元的に面走査する。２５
Ｘ＊　２５Ｙは非点補正コイルである。５は電子ＩＫ！
射により標的４から発生ずる二次電子、反射電子等の信
号電子であり、検出器６により検出される。

この装置に於いて非点収差の測定と補正および焦点合わ
せは以下の手順で行われる。先ず中央制御回路１０は対
物レンズ電源２０に信号を送り、電源２０からの出力電
流を予め定められた初期値に設定する。その結果電子ビ
ーム１は標的４の後方（図では下方）に焦点を結び、焦
線の位置を越えたアンダーフォーカスの状態になる。

次に中央制御回路１０は回転回路１９に走査方向Ｏ°の
角度信号を送ると供に走査回路１８にスタート信号を送
る。その結果走査回路１８は面走査を開始して走査波形
ｘ、Ｙを回転回路１９に送り、回路１９は角度信号に従
って走査方向を回転させた走査波形Ｘ、Ｙを走査コイル
２６Ｘ、２６Ｙに送り、電子ビームは標的４上において
０°の方向に面走査される。

標的４より発生した信号電子５は検出器６により検出さ
れ、検出信号は微分回路１１により微分される。この微
分値は１回の面走査の期間中、積算回路１２によりｊＡ
算され、積算された値（以下、積算微分値と呼ぶ。）は
記憶回路１３１に記憶される。

次に中央制御回路１０は対物レンズ電源２０に信号を送
って、電源２０からの出力電流を初期値′に一定の増加
分を加えた値１こ設定し、更に走査回路１８に２　［ｉ
ｊｌ　［１のスタート信号を送る。その結果電子と−）
、は焦点距離が１回目より僅かに短くなった状態で面走
査され、その時の！Ａ３７．微分値が記憶回路１３１に
記憶される。以下同梯の動作がビームが前方（図では」
二方）に焦線の位置を越えたオーバーフィーカスの状態
になるまで繰り返されて、走査方向０°の時の一連の１
ＡＴ１微分値が、記憶回路１３＋に記憶される。更に中
央制御回路ｌＯは上述の動作を走査方向４５°と９０°
に対して行う。これらの動作の結果、走査方向Ｏ°、４
５°、９０°の時の積算微分値が、２つの焦線を含む範
囲の軸上位置に対応して、記憶回路１３１ｐ　　１３　
ｍ　ｐ　　１３　ｎに各々記憶される。なお通常は軸上
位置の代わりに対物レンズ電流値を記憶するが、軸上位
置は狭い範囲内ではレンズ電流値と単純な比例関係にあ
り、実質的には軸上位置を記憶していることになる。ま
た対物レンズ電流の変化は通常、一定の増加分をもって
行われるので、各々の電流値を記憶しなくとも、開始値
と増加分と増加回数を記憶すれば良い。

この様にして得られた軸上位置に対する積算微分値の関
数曲線を第五図の３０１（走査方向０゜の場合）、３０
ｍ（同４５°）、３０ｎ（同９０゜）に示す。

このデータから非点収差に関する正確な情報を引き出す
には、既述したとうり、この範囲に亙る関数値全体を用
いる必要がある。その実施方法には幾つかの方法が可能
であるが、第一の例は関数曲線の重心を用いる方法であ
り、第４図の関数解析回路１４は、記憶回路１３１．１
３ｍ、１３ｎに記憶された関数曲線の軸上位置方向に関
する幾何学的重心を算出する。第５図のａ２ｔｔ　３２
ｍｔ；３２ｎはこのようにして求めた重心の位置であり
、それぞれの重心位置の左右で、それぞれの曲線の下側
の面積は等しい。第４図の非点演算回路１５は、これら
の重心位置をｌｌｔ　　ｔ−、Ｉｌｌとして（１）、（
２）式に代入して非点収差を表す信号を算出し、（３）
、（４）式に代入して非点収差を補１１：、する信号を
算出し、また焦点□合わぜの信号を（５）式により算出
する。但しこれらの式における定数Ｋｌ、に２は重心を
用いた方法に特有の値を用いる必要があり、それらは予
め別の実験で求めて働く。

算出された信号は中央ｆ１１１ａ１回路１０に送られ、
制御回路ｌＯから非点収差を表す信号が表示装置１６に
送られて非点収差を表示し、また収差を補１１−．する
信号が非点補正電源１７Ｘ、１７Ｙに送られ、補正電源
１７Ｘ、１７Ｙは信号を電流に変換して非点補正＝ｌイ
ル２５Ｘ、２５Ｙに送り電子ビームｌの非点収差を補正
する。さらに中央制御回路１０からは焦点合わせの信号
が対物レンズ電源２０に送られ、電源２０からは焦点合
わせ電流が対物レンズ２７に送られて焦点合わせを行う
。

ＵＳ　６図は、非点補正後に再びｌ７ｔＴＩ微分値の関
数曲線を求めたものであるが、３つの曲線の左右方向の
位置は等しく、非点収差は完全に補正されたことを示し
ている。また同図の４０は（５）式により算出された正
焦点の位置であるが、これは３つの曲線の最大位置と一
致しており、焦点合わせが正しく行われていることを示
している。

次に関数解析の第二の例を第７図により説明する。図の
３０１．３０ｍ、３０ｎは第５図と同じく積算微分値の
関数曲線である。この方法では先ず前述した手法を用い
て重心の位Ｐｔ３２１，３２ｎを求め、（５）式を使っ
て正焦点位置４ｏを求めておく。次に正焦点位置によっ
て分割された関数曲線３０１の右側の面ｆ／ｌ　Ｌ　、
と左側の面積Ｌ　１との比り、／Ｌ、を求め、同様にし
て関数曲線３０　ｍ　ｐ　３０　ｎにつきＭｒ／Ｍ＋　
、Ｎｒ／Ｎ＋　　（図示は省略する）を求める。これら
の数値の符号は右側の而６１　Ｌ　、が左側の面積より
大きい時は正、小さい時は負にとる。

このようにして求めたり、／Ｉ、＋　、Ｍｒ／Ｍ＋　−
Ｎ、／Ｎ、の値をＩ＋、Ｉ−、Ｉ、として（１）乃至（
５）式に代入して非点収差を表す信号、非点収差を補正
する信号、焦点合わせの信号をそれぞれ算出する。但し
上式における定数Ｋｌ、に２はこの実施例に特有な値に
なるので予め別の実験で求めておく、信号を算出した後
の動作は、既述した実施例と同一である。

さらに他の実施例は、先ず前述した実施例と同じく正焦
点位置を求め、次にその正焦点位置における３つの関数
曲線の勾配を求める。この勾配をそれぞれ１．．１．、
Ｉｎとして（１）乃至（５）式へ代入し、その後の動作
は既詠した実施例とトｉ−である。この場合も定数ＫＩ
、に２は別の値になることは言うまでもない。

このように関数解析には様々な手法が有り得るが、いず
れも採取したデータの２つの焦線を含む範囲の軸上位置
に対する値を用いて各々の走査方向についての固有の値
１＋、Ｉ、、Ｉｎを求め、これらの固有値から非点収差
および焦点の測定または補正を行うものである。

上記の実施例では電子ビームを用いた場合を説明してい
るが、他の荷電ビーム例えばイオンビームなとを用いて
も良く、またビーム径を判定する信号としては二次電子
の他に反射電子、二次イオン、Ｘ線、標的の吸収電流、
標的の内部起電力等の信号を用いることも可能であり、
更にはビームの集束、走査、非点補正の手段として、電
磁方式の代わりに静電方式のものを用いても良い。

また積算する信号は微分値には限らず、例えば信号の波
高値を積算したり信号の交流成分を整流するなと、標的
から発生する信号強度の走査に伴う変化分に基づいた信
号であれば良い、更にまた上記実施例では荷電ビームの
焦点位置の変化を集束レンズにより行っているが、集束
レンズとは別に所謂ダイナミックフォーカスコイルを設
けて、これにより焦点位置を変化させても良い、また、
非点収差の測定のみを行いたい場合には演算結果を表示
ＶＩ置に表示するだけで良く、逆に補正のみを行いたい
場合には演算結果を補正電源を介して補正コイルに供給
するだ番すで良く、焦点合わせのみを行いたい場合には
、演算結果を対物レンズ電源を介して対物レンズに供給
するだけで良い。またビームの走査方向も３方向以上、
例えば４方向を用いても良い。

さらには上述した発明を基本として、その部分的組み賛
え又は部分的変更により更に発明の効果を高めることが
可能である。上記実施例では動作の開始後ただちに非点
収差の測定と補正に入っているが、それに先立ち「１動
焦点合わせの１１　ａｍ整を行っておくと良い。即ち、
動作の開始後まず任意の１つの走査方向、例えば０°の
方向について既述したと同様の手順により積算微分値の
関数曲線のデータを採取する。こ、の場合に焦点位置を
変化させる範囲を広くとり、その範囲内に標的面が存在
することが保証されるようにしておく。次に得られた関
数曲線の重心の位置を求め、続いて行われる非点収差の
測定と補ｉＥの動作に於いては、上記により求めた重心
位置を中心としてその前後に焦点位置を変化させる。こ
の中心位置は正焦点の位置とは必ずしも一致しないが、
その近傍にあることは確実なので、これを中心として焦
点位置を変化させれば最も小さい変化範囲で２つの焦線
を含むことが可能であり、したがって動作時間の短縮と
信頼性の向上を計ることができる。

また今までの実施例では非点の補正を１回行う例を説明
したが、本発明が非点収差の測定も同時に行える特徴を
積極的に利用して、補正を複数回行うことにより補正の
精度を高めることも可能である。即ち１回目の非点収差
の測定と補正のときに、測定された非点収差の大きさを
予め設定した値と比較し、測定値が設定値より大きい場
合には更に２回「１の測定と補正を行うようにし、以下
同様にして測定値が設定値より小さくなるまで繰り返せ
ば、残留する非点収差を確実に極めて小さな値にするこ
とができ、非点補正の動作は更に完全になる。

また、上記のごとく非点補正を複数回行う場合には、残
留する非点収差は回を追う毎に小さくなってゆくので、
２つの焦線の間隔も狭くなってゆく、従って関数曲線を
得る為に荷電ビームの焦点位置を変化させる範囲も回を
追う毎に漸次小さくすることが可能であり、このように
すれば動作時間の短縮を計ることができ、実用的価値は
増大する。

また史には、上述した非点収差の測定をある一定ＪＩＪ
Ｉ間にわたって一定の時間間隔で行い、その測定結果を
記憶し、記憶した測定値の経時的変化から非点収差の増
加傾向を知ることができる。非点収差の緩やかな増加は
通常、ビーム集束装置の内部の汚れに起因することが多
（、急激な増加は電気系統の故障等の可能性がある。従
って非点収差の経時的変化により汚れ、故障なと装置の
状態に関する情報を得ることができ、それにより装置の
洗浄、修理等の保守作業を行うべき時期も判断すること
が可能であり、実用上有位である。なお」―記の非点収
差の測定と記憶は、一定の時間間隔で自動的に行われる
ようにしておく事が便利であるのは言うまでもない。

へ１発明の効果 以」二説明したように、本発明は荷電ビームの焦点位置
を光軸に沿って標的面の前後に漸次変化させ、荷電ビー
ムを標的上で３つ以上の異なる方向に面走査し、荷電ビ
ーム照射により標的から発生ずる信号強度の前記走査に
伴う変化分に基づいた信号を走査面に互ってｆ７Ｉ＄？
：Ｌ、ｆ７ｔＴＩシた値を焦点の軸上位置に対応させて
走査方向毎に記憶し、記憶した２つの焦線を含む軸上位
置に対応する値を用いて走査方向毎に軸上位置の固有値
を算出し、上記の固有値を用いて非点収差の測定および
非点収差の補正および焦点合わせの少な（ともいずれか
一つに必要な信号を算出するので、非点収差の方向と大
きさおよび正焦点の位置を定量的に正確に測定でき、ま
た非点収差の補正および焦点合わせを自動的に行うこと
ができる。また、上述した手順を基本として、その部分
的組み替え又は部分的変更により更に発明の効果を高め
ることも可能である。その結果、操作者は熟練と忍耐と
を要求されることなく容易に荷電ビーム装置を取り扱う
ことができ、実用上の効果は極めて大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は非点収差を説明するための図、第２図は従来技
術を説明するための図、第３図は従来技術の欠点の原因
を説明するための図、第４図は本発明の一実施例を説明
するための構成図、第５図および第６図は上記実施例の
動作を説明するための関数曲線の図、第７図は本発明の
他の実施例の動作を説明するための関数曲線の図である
。 なお、図面に示された符号に於いて、 １；電子ビーム、ｌｄ；最小錯乱円、ｌｃ、ｌｃ；焦線
、２；真っずぐな端面を持つ標的、３ａ。 Ｈ３ｂｅ　３　ｃ　；ラデックス球、４；標的、５；信
号電子、６；検出器、１０：中央制御回路、１１；微分
回路、１２：積算回路、１３　Ｉ、１３ｍ、　　１；３
ｎ；記憶回路、１４；関数解析回路、１５；非点演算回
路、１６；表示装置、１７Ｘ、１７Ｙ；非点補ｉＥ電源
、１８；走査回路、１９；回転回路、２０；対物レンズ
電源、２５Ｘ、２５Ｙ；非点補ｉＥ　Ｊ　４　ｋ、２６
Ｘ、２６Ｙ；走査コ４ｎｐ、２７；対物レンズ、３０１
．３０ｍ、３０ｎ　；関数曲線、３２１．３２ｍ、３２
ｎ　；関数曲線の重心の位置、４０；正焦点の位置　　
である。 第什図 豫Ｓ図 第６１図 算ｑ１図 ｊ２Ｊ！　　３２Ｍ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　荷電ビームの焦点位置を光軸に沿って標的面の前後
   に漸次変化させる手段と、荷電ビームを標的上で３つ以
   上の異なる方向に面走査する手段と、荷電ビーム照射に
   より標的から発生する信号強度の前記走査に伴う変化分
   に基づいた信号を走査面に亙って積算する手段と、積算
   した値を焦点の軸上位置に対応させて走査方向毎に記憶
   する手段と、記憶した２つの焦線を含む軸上位置に対応
   する値を用いて走査方向毎に軸上位置の固有値を算出す
   る手段と、上記の固有値を用いて非点収差の測定および
   非点収差の補正および焦点合わせの少なくともいずれか
   一つに必要な信号を算出する手段とを設けたことを特徴
   とする荷電ビーム集束装置。 ２　荷電ビームの焦点合わせの粗調節を行って焦点の概
   略位置を求め、次にその概略位置を中心として荷電ビー
   ムの焦点位置を変化させることを特徴とする特許請求の
   範囲第１項記載の荷電ビーム集束装置。 ３　非点収差の測定と補正を行った時に、測定された非
   点収差の大きさを予め設定した値と比較し、測定値が設
   定値より大きい場合には、再び非点収差の補正を行うよ
   うにしたことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第
   ２項記載の荷電ビーム集束装置。 ４　非点収差の補正を複数回行い、荷電ビームの焦点位
   置の変化範囲を、後の回においては前の回より小さくす
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第３項記
   載の荷電ビーム集束装置。 ５　非点収差の測定結果を一定期間にわたって記憶し、
   記憶した測定値の経時的変化から装置の状態を検知する
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項記載
   の荷電ビーム集束装置。