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発明の名称 荷電粒子線装置における自動焦点合わせ方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2001−110347(P2001−110347A)
公開日 平成13年4月20日(2001.4.20)
出願番号 特願平11−287279
出願日 平成11年10月7日(1999.10.7)
代理人
発明者 小林 利治
要約 目的


構成
特許請求の範囲
【請求項1】試料上の電子ビームのフォーカスの状態を段階的に変化させ、各段階において試料上の特定領域の電子ビーム走査に伴って得られた検出信号に基づいて最適なフォーカスの状態に電子ビームを設定するようにした荷電粒子装置における自動焦点合わせ方法において、前記試料上の特定領域で電子ビームの走査を複数の走査形状を用いて複数回行い、各走査形状ごとに電子ビームを走査して得られた検出信号に基づいて最適な走査形状を選択し、選択された走査形状を用いて自動焦点合わせを行うことを特徴とする自動焦点合わせ方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、自動的に荷電粒子線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線装置における自動焦点合わせ方法および装置に関する。
【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、対物レンズの励磁をステップ状に変化させ、各ステップ状ごと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、各励磁状態ごとの検出信号から合焦の程度を表す情報(例えば、変化量の絶対値の積算値(以下、単に積算値と呼ぶ))を求めて比較し、積算値の最大値が得られたときの励磁状態を合焦点位置と判断し、その状態に対物レンズの励磁を設定するようにしている。
【0003】このような焦点合わせに対する要求として、従来の走査電子顕微鏡における自動焦点合わせの際の電子ビームの走査形状は、大きく分けて2つの方式が用いられている。第1方式は所定の四角形の試料領域をラスター走査する直線走査であり、第2方式は、例えば、図5(b)に示すように試料の所定領域において円心円状に走査を行う曲線走査である。この曲線走査には、その他の形状として、8字、渦巻き等の走査がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、焦点合わせにおいて、試料の走査領域の全面においてほぼ均一に凹凸が存在していれば、どのような走査形状を用いても精度の高い焦点合わせを実行することができる。しかし、ICパターンの中には、走査領域の一部に直線状あるいは円形のパターンが存在し、他の大部分は滑らかな平面となっている場合やパターンに方向性がある場合などがあり、使用される走査形状によっては、パターンのエッジ部分と電子線の走査ラインと重なりが少なくなり、信号量積算値の変化が小さくなり、焦点合わせの精度が低下することがある。
【0005】例えば、ラスター走査法で、図5(A)に示すようなパターン形状の場合には、走査方向がパターンの方向と一致すると、パターンのエッジ部分と電子線の走査ラインと重なりが少なくなり、信号量積算値の変化が、各対物レンズの励磁の変化によって現れにくくなり、最適な合焦点が得られにくい。
【0006】このようなパターン形状に対しては、曲線走査方式の走査を用いることによって、図5(B)に示すようにパターンのエッジ部分と電子線の走査ラインと重なりが多くなり、各対物レンズの励磁に対して信号量積算値の変化が明確になり、最適な合焦点を求め易くなる。その反面、曲線走査では、ICパターンにおけるコンタクトホールなど、円形のパターンを対象とする場合は、円形のパターンの中心が走査形状の中心と近いと、ホールのエッジ部分と電子線の走査ラインと重なりが少なくなり、信号量積算値の変化が、各対物レンズの励磁の変化によって現れにくくなり、最適な合焦点が得られにくくなる。
【0007】以上で述べたように、試料表面の状態に応じて走査形状を選定することによって、より最適な合焦点を求めることができる。そのため、最近の走査形電子顕微鏡では、自動焦点合わせ用として複数の走査形状を備えて、オペレータが試料によって走査形状を選定して用いている。しかし、ある程度焦点が合って試料表面の状態が判断つく場合はよいが、未知の試料で焦点が合ってなく形状がわからない場合には、1回の自動焦点合わせでは試料と走査形状とが合わず最適な焦点が得られず、最適な焦点を得るために、走査形状をいろいろと変えて自動焦点合わせを行うことがある。
【0008】本発明は、上記の問題を解決すべく成されたものであり、試料表面の状態や試料の位置に影響されず、高い精度で焦点合わせを短時間で行うことができる走査電子顕微鏡などの荷電粒子線装置における焦点合わせ方法および装置を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するための本発明は、試料上の電子ビームのフォーカスの状態を段階的に変化させ、各段階において試料上の特定領域の電子ビーム走査に伴って得られた検出信号に基づいて最適なフォーカスの状態に電子ビームを設定するようにした荷電粒子装置における自動焦点合わせ方法において、前記試料上の特定領域で電子ビームの走査を複数の走査形状を用いて複数回行い、各走査形状ごとに電子ビームを走査して得られた検出信号に基づいて最適な走査形状を選択し、選択された走査形状を用いて自動焦点合わせを行うことを特徴とする。
【0010】
【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1は本発明の実施例として自動焦点機能を有した走査電子顕微鏡を示しており、電子銃1から発生された電子ビームEBは、集束レンズ2と対物レンズ3によって試料4上に細く照射される。5は2段の偏向コイル5a、5bであり、2段偏向コイル5a、5bの各々には水平、垂直方向の偏向コイルが含まれている。2段偏向コイル5a、5bには走査信号発生回路13から偏向コイル駆動回路12を介して水平、垂直走査信号が供給される。走査信号発生回路13は複数の走査形状を与える複数の走査信号波形を記憶するメモリを備えており、コンピュータの如き制御回路20によって制御される。
【0011】試料4への電子ビームEBの照射によって発生した2次電子は、2次電子検出器6によって検出される。検出器6の検出信号は、増幅器7によって増幅された後、水平、垂直走査信号が供給されている表示装置9とフイルター回路8に供給される。フイルター回路8の出力信号は絶対値回路10を介してAD変換器11によってディジタル信号に変換され、制御回路20内のメモリー21に供給され記憶される。
【0012】制御回路20内のメモリー21に一時記憶された信号は、データ積算ユニット22に送られて積算値が求められ、ある条件の積算値として信号強度分布メモリー23に記憶される。信号強度分布メモリー23には最大値検出ユニット24が接続され、最大値検出ユニット24は信号強度分布メモリー23に記憶された複数の積算値の最大値のデータを検出する。最大値検出ユニット24の出力信号はオートフォーカスユニット26に供給される。オートフォーカスユニット26はDA変換器15を介して対物レンズ駆動回路14に対物レンズ電流を指定する信号を供給すると共に、走査信号発生回路13を制御してオートフォーカス作業を実行する。このような構成の動作を次に説明する。
【0013】通常の2次電子像を観察する場合、走査信号発生回路13からは通常のラスタ走査を行うための走査信号が発生され、偏向コイル駆動回路12を介して偏向コイル5に供給されるため、電子ビームEBは、2段の偏向コイル5a、5bにより偏向を受け、試料4の所定領域でラスタ走査される。
【0014】電子ビームの試料4への照射に伴って発生した2次電子は、検出器6によって検出され、その検出信号は増幅器7によって増幅された後、走査信号が供給されている表示装置9に供給されることから、表示装置9には2次電子像が表示される。
【0015】次に、図1〜図4を用いてオートフォーカス動作について説明する。図2(A),(B),(C)は、試料形状の十字パターンに対して、走査形状として水平ラスター走査,垂直ラスター走査,円心円状の曲線走査を用いた場合の走査軌跡を示した図で、また、図2(a),(b),(c)は3つの走査形状より得られた検出信号を示した図である。これらの走査形状を与える走査信号波形は、予め走査信号発生回路13にオートフォーカス用として備えられている。他の走査形状として、斜め直線走査、8字、渦巻き等の複数の走査形状があり、それらの走査形状を任意に選択して用いることができる。また、これらの走査形状のいずれを用いても、試料上でのトータル走査距離および走査速度はほぼ同一になるように走査周期、走査期間などが適宜設定されている。図3には1次オートフォーカス、図4は2次オートフォーカス動作を説明するための対物レンズの励磁強度と、信号の積算値を示す図である。
【0016】まず始めに、1次オートフォーカスとして、オートフォーカスユニット26には、対物レンズ電流可変範囲を大まかに3段階に分けるべく図3(A)に示す対物励磁電流Ia,Ib,Icの値と、走査形状選択対象として図2(A),(B),(C)に示す走査形状を順次走査するシーケンスとして設定される。
【0017】次に、オートフォーカスユニット26は、対物励磁電流を図3に示すようにIa,Ib,Icの値にステップ状に変化させ、対物レンズ3を励磁する。オートフォーカスユニット26は、走査信号発生回路13を制御し、このステップ状の変化の都度、偏向コイル5に試料4上の所定領域を図2(A),(B),(C)に示す3つの走査形状で順次走査するため走査信号が供給されるようにする。
【0018】このようにして、3段階の対物励磁電流Ia、Ib、Ic毎に3種類の走査形状で即ち9通りの条件で電子ビームが試料上を走査された結果、発生した2次電子は検出器6によって検出される。検出信号は増幅器7によって増幅され、フイルター回路8によって特定の周波数成分をカットした後、絶対値回路10において負信号が反転される。
【0019】絶対値回路10の出力はAD変換器11によってディジタル信号に変換された後、メモリー21に供給されて9通りの条件毎に別々に記憶される。メモリー21に記憶された信号はデータ積算ユニット22において対物励磁電流の3つのステップに対して、各走査形状ごとの信号として積算され、得られた積算値は信号強度分布メモリー23に送られる。信号強度分布メモリー23に送られた積算値は、図3(B)に示すように対物レンズIa、Ib、Icの3つのステップの励磁電流ごとに、図2(A),(B),(C)の3つの走査形状ごとのデータA,B,Cとして記憶される。 この図3(B)から明らかなように、フォーカスが比較的合っている励磁電流Ibでは積算値が大きく、また、走査形状による積算値の差が大きく明確となり、逆に、フォーカスが合っていない励磁電流Ia,Icでは積算値自体が小さく走査形状による積算値の差が少なくなる。この結果から、図2に示すように、試料形状が十字パターンの場合は、パターンエッジ部分と電子線の走査ラインとの重なりとが、図2(C)の円心円状の曲線走査Cの方が図2(A)(B)の2つのラスター走査A,Bより多く、その結果、2次電子発生が多くなって信号量が増加し、合焦の判断をより正確に行うことができる。
【0020】このような最適な走査形状の決定は、最大値検出ユニット24により行われる。即ち、最大値検出ユニット24は、信号強度分布メモリー23に送られて記憶された積算値(図3(B))より、最大値として励磁電流Ibにおける走査形状として曲線走査Cを検出し、最適走査形状の曲線走査Cの情報及び3つの励磁電流の中で最適な励磁電流Ibの情報をオートフォーカスユニット26へ送る。
【0021】オートフォーカスユニット26は、この励磁電流値Ibの情報から次の2次オートフォーカスの際の対物レンズ3の励磁電流の変化範囲を決める。図3(B)から明らかなように、積算値は励磁電流Ibで最高値で、その前後のIa,Icでは低下していることより、積算値の最大値、即ちフォーカス点としての励磁電流がIa〜Icの間にあることが分かる。その結果、図4に示すように、2次オートフォーカスの対物励磁電流を変化させるサーチ範囲としては、スタート値IsがIaとIbのほぼ中間点、ストップ値ItがIbとIcのほぼ中点に設定さる。
【0022】このような1次フォーカスを実行した後、引き続き走査形状は試料形状に適した曲線走査Cを用い、対物励磁電流はスタート値Isからストップ値Itの電流範囲をサーチする2次オートフォーカスが実行される。
【0023】次に、図4を用いて第2フォーカスの動作について説明する。対物レンズの励磁電流は、図4に示す、スタート値Isからストップ値It間でステップ状に変化される。このステップ状の変化の都度、偏向コイル5には試料4上の所定領域を曲線走査(図2C)にて1回ずつ走査が行われる。走査に基づいて得られた検出信号は前記と同様の処理を受け、走査ごとの信号の積算値として、図4(B)に示すような積算値が信号強度分布メモリー23に記憶される。制御回路20内の最大値検出ユニット24は、図4(B)の分布の最大値を検出し、その積算値の最大値のときの対物レンズ励磁電流値のデータをオートフォーカスユニット26に供給する。この結果、オートフォーカスユニット26は、DA変換器15と対物レンズ駆動回路14を介して対物レンズの励磁電流をその電流値に設定し2次オートフォーカス動作を終了する。
【0024】このように、1次と2次のオートフォーカスが実行された後、試料のパターン形状に最適な合焦点が得られて、2次電子像の観察ができる。
【0025】以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記の形態に限定されるものではない。例えば、オートフォーカスのために2次電子を検出したが、反射電子を検出してもよい。また、対物レンズを用いてステップ状のフォーカス変化を実行したが、補助コイルを別に設けてステップ状のフォーカス変化を行ってもよい。また、1次オートフォーカスの対物レンズのステップ変化を3ステップで実行したが、ステップ数は任意のステップで行ってもよい。
【0026】また、上記実施例では、1次オートフォーカスにおいて対物レンズ電流値を3段階に変化させると共に、各段階において走査形状を変えて電子ビームを走査するようにしたが、予めある程度フォーカスが合っていれば、対物レンズ電流値は変化させずに走査形状のみを変化させて最適走査形状を求めるようにしてもよい。
【0027】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明においては、未知の試料形状(パターン)に対して数種のフォーカス用の走査形状を用いて1次オートフォーカスを実行した後、試料形状に適した走査形状を選択設定し、試料形状に適した走査形状で2次オートフォーカス動作を実行することにより、試料の観察領域で形状(パターン)に左右されずに1回のオートフォーカスで最適な合焦点が得られ。
【0028】




 

 


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