荷電粒子線調整方法及び荷電粒子線装置
【課題】荷電粒子線の状態が変化しても、容易に光軸の調整を可能とする荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法を提供する。
【解決手段】アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させたときの試料像間の第１のずれを検出し、アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときの試料像間の第２のずれを検出し、当該２つのずれの情報に基づいて、前記アライメント偏向器の動作条件を決定する。
【解決手段】アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させたときの試料像間の第１のずれを検出し、アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときの試料像間の第２のずれを検出し、当該２つのずれの情報に基づいて、前記アライメント偏向器の動作条件を決定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子線装置に係り、特に、荷電粒子光学系の光軸のずれを補正して、高分解能像を安定に得るのに好適な荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く収束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、レンズに対し光軸にずれがあるとレンズ収差が発生し試料像の解像度が低下するため、分解能の高い試料像を得るためには高精度な軸調整が必要である。そのため従来の軸調整では対物レンズの励磁電流等を周期的に変化させ、そのときの動きを最小とするように軸調整用の偏向器（アライナー）の動作条件を手動で調整していた。また、このような調整を自動で行うための技術として特開２０００−１９５４５３号公報に開示の技術がある。この記載によれば対物レンズの２つの励磁条件間で変化する電子線照射位置の推移に基づいて、アライメントコイルの励磁設定値を変更する技術が開示されている。更に特開２０００−３３１６３７号公報には、異なる光学条件で得られた２つの電子顕微鏡画像から両者の位置ずれ検出に基づいて焦点補正を行う技術が開示されている。
【０００３】
また、荷電粒子線の非点補正を行う非点補正器の中心からずれていると、非点収差の調整を行う際に視野が動き、調整が困難になる。そのため、非点収差補正器の動作に連動して荷電粒子の試料上での位置を制御する別のアライナー（偏向器）を設け、非点収差補正器の設定値（非点補正器）の変化に対する像の動きをキャンセルして、非点収差の調整時に観察像が動かないように視野補正している。このとき、視野ずれ補正用のアライナーには非点収差補正器の設定値に比例した信号が入力されるが、この比例係数は非点収差の調整時に像の動きがキャンセルされるように決めなければならない。この調整を行うには、非点収差補正器の設定値（電流など）を周期的に変化させて、このときの像の動きが最小となる比例係数を見つける作業を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９５４５３号公報
【特許文献２】特開２０００−３３１６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように光軸の調整を手動で行うには、経験に裏打ちされた技術が必要であり、オペレータによって調整精度がばらついたり、調整に時間を要することがある。また上記自動化による調整も、光学条件により変化する調整用パラメータをその光学条件毎に記憶しておく必要があり、光学条件を替えて観察しようとする場合、その都度登録作業が必要である。また仮に同じ光学条件で使用する場合であっても光軸の経時変化によって、登録したパラメータに基づく調整が困難になるという問題がある。またオペレータは軸がずれていることに気が付かずに劣化した試料像に基づいて観察等を行う可能性もある。
【０００６】
本発明の目的は、光学条件を変更した場合や光軸の経時変化によって荷電粒子線の状態が変化しても、容易に光軸の調整を可能とする荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明では荷電粒子線に影響を与える光学素子に対する前記荷電粒子線の軸調整をアライメント偏向器で行う際に、アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれを検出し、アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第３の試料像と第４の試料像間の第２のずれを検出し、当該２つのずれの情報に基づいて、前記アライメント偏向器の動作条件を決定する荷電粒子線調整方法、及び荷電粒子線装置を提供する。
【０００８】
このような構成によれば、荷電粒子線の光学条件に関わらず、精度の高い軸調整が可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、荷電粒子線装置の光学条件に因らず精度の高い軸調整を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】対物レンズに対する軸ずれを補正するための概略処理フロー。
【図３】対物レンズに対する軸ずれを補正する原理図。
【図４】非点補正器に対する軸ずれを補正するための概略処理フロー。
【図５】軸ずれを検出したときのメッセージの一例。
【図６】画質判定処理を加えた軸ずれ検出処理の一例。
【図７】自動軸ずれ補正の環境を設定するための設定画面を示す図。
【図８】補正量グラフの表示例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１と第一陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、ＣＰＵ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に、レンズ制御電源２２で制御された収束レンズ６、および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
【００１３】
一次電子線４は、走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。
【００１４】
走査コイル９の近傍もしくは同じ位置に１段の偏向コイル５１が配置されており、対物レンズに対するアライナーとして動作する。また、対物レンズと絞り板との間には、ＸおよびＹ方向の非点を補正するための８極の非点補正コイル５２が配置される。非点補正コイルの近傍、もしくは同じ位置には非点補正コイルの軸ずれを補正するアライナー５３が配置される。
【００１５】
像表示装置２６には、試料像のほかに電子光学系の設定や走査条件の設定を行う種々の操作ボタンの他、軸条件の確認や自動軸合わせの開始を指示するボタンを表示させることができる。
【００１６】
一次電子線が対物レンズの中心からずれた位置を通過した状態（軸がずれた状態）でフォーカス調整を行うと、フォーカス調整に伴い視野の動きが生じる。オペレータが軸ずれに気が付いた場合、表示装置に表示された処理開始ボタンをマウスでクリックするなどの操作により軸合わせ処理の開始を指示することができる。オペレータから軸合わせの指令を受けると、制御ＣＰＵ４０は、図２や図４のフローに沿って処理を開始する。
【００１７】
なお、図１の説明は制御プロセッサ部が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００１８】
（実施例１）
図２の処理フローについて、以下に詳細に説明する。
【００１９】
第１ステップ：
対物レンズ７の現在の条件、あるいは、現在の条件に基づいて決められる（例えば、現在のフォーカス条件からフォーカスを少しずらした条件）を条件１として対物レンズ７に設定する。次に、アライナー５１の現在の条件、あるいは、予め決められた条件をアライナー５１の条件１として設定する。この対物レンズ条件１とアライナー条件１で画像１を取得する。
【００２０】
第２ステップ：
アライナー５１の条件をそのままにして、対物レンズの条件のみを対物レンズ条件１に対して予め決められた値だけフォーカスのずれた第２のフォーカス条件を設定して画像２を取得する。
【００２１】
第３ステップ，第４ステップ：
アライナー５１の条件を条件１に対して予め決められた値だけずらした条件を条件２として、これをアライナー５１に設定する。そして、対物レンズの条件をステップ１とステップ２と同様に条件１、および条件２として、それぞれの画像（画像３，画像４）を取得する。
【００２２】
ステップ５：
画像１と同条件で再度画像を取得し、これを画像５として登録する。
【００２３】
ステップ６：
画像１と画像２の視差（画像のずれ）を画像処理により検出し、これを視差１として登録する。画像間の視差は、例えば、画像１と画像２の画像を互いに画素単位でずらしながら画像相関を求め、画像相関値が最大になる画像のずらし量から検出することが可能である。その他、視差の検出が可能な画像処理ならば、本実施例に適用が可能である。
【００２４】
ステップ７：
画像１と画像２の視差を画像処理により検出して、これを視差２として登録する。
【００２５】
ステップ８：
画像１と画像５の視差を画像処理により検出して、これを視差３として登録する。画像１と画像５とは同一条件で取得したものであるから、これらの画像間にずれ（視差３）があれば、このずれは試料やビームのドリフトによって作られたものである。即ち、荷電粒子線の光学条件を或る状態（第１の状態）とし、次に光学条件を他の状態（第２の状態）とした後、再度第１の状態とするときに、上記２つの第１の状態でそれぞれ試料像を検出し、両者間のずれに基づいてドリフトを算出している。
【００２６】
ステップ９：
視差３からドリフト成分を検出して、視差１と視差２に対してドリフト成分を補正（除去）する。例えば、画像１と画像５の取り込み間隔がｔ秒であれば、単位時間（秒）当たりのドリフト（ｄ）は、ｄ＝（視差３）／ｔで表される。一方、画像１と２、画像３と４の取り込み間隔がＴ１２，Ｔ３４とすれば、視差１と視差２には、それぞれ、ｄ×Ｔ１２、およびｄ×Ｔ３４のドリフト成分が含まれていることになるため、視差１，視差２からドリフト成分を差し引くことで、軸ずれに起因した正確な視差を算出することができる。
【００２７】
ステップ１０，ステップ１１：
ドリフト補正された視差１と視差２からアライナー５１の最適値を計算して、アライナーに設定する。
【００２８】
図２の処理フローは、動作の理解が容易な手順で記載したが、最初と最後の画像（ドリフト補正用）を除けば、画像の取り込み順番は処理に影響を与えない。実際の処理では、処理の高速化を図るために、例えば、対物レンズ条件７を条件１にして、画像１と画像３とを連続して取り込み、次に、対物レンズ条件７を条件２にして、画像２と画像４とを連続して取り込むことが可能である。電子顕微鏡の対物レンズは、通常磁界レンズで構成されるため、インダクタンスが大きいため、インダクタンスが小さく高速制御が可能なアライナーを連続制御する方法が実用上有効となる。
【００２９】
図２の処理フローで対物レンズに対する軸ずれが補正（修正）される原理を、図３により説明する。軸がずれた状態において、アライナー５１の位置(偏向面)でのビーム離軸量をＷＡＬ（複素変数：ＸＡＬ＋ｊ・ＹＡＬ、ｊ：虚数単位）、この位置で光軸に対するビームの傾きをＷＡＬ′（複素変数）とすると、電子光学理論（近軸理論）に基づく軌道計算が可能である。磁界形対物レンズの場合、レンズ電流値をＩ１からＩ２へとΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）だけ変化させたときに生じる像ずれ量（視差）をΔＷｉ（複素変数：ΔＸｉ＋ｊ・ΔＹｉ）とすると、軌道計算により、ΔＷｉは次のように表すことができる。
【００３０】
ΔＷｉ＝Ｋ・ΔＩ・（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ′・Ｂ） （１）
ここで、Ｋ，Ａ，Ｂは、測定の際の軸ずれ状態と、対物レンズの動作条件（加速電圧や対物レンズの焦点距離、あるいは対物レンズの物点位置など）で決まるパラメータ（複素数）である。対物レンズに対して軸がずれた状態とは、式(１)においてΔＷｉが０以外の値を持つことを意味する。したがって、従来は、対物レンズの電流をΔＩだけ周期的に変化させて、このときの像ずれΔＷｉをオペレータが認識し、像ずれを無くすようにアライナーの条件を調整していた。すなわち、軸ずれが補正されるアライナーの最適値とは、式（１）の右辺がΔＩによらず０となる条件を指している。この条件を書き出すと、
（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ′・Ｂ）＝０ （２）
となり、この条件を満たすアライナーの動作条件が最適値となる。軸ずれがあるとアライナー偏向面では入射ビームの傾きも伴うため、これをＷＡＬ０′とし、アライナーによる偏向角（制御値）をＷＡＬ１′とすると
ＷＡＬ′＝ＷＡＬ０′＋ＷＡＬ１′ （３）
で表される。よって、式（２）を満たすアライナーの条件ＷＡＬ１′（アライナーの最適値）を求めることが軸調整機能の目的となる。アライナーを電磁コイルで構成する場合には、偏向角ＷＡＬ１′はアライナーのコイル電流に比例する。
【００３１】
以上の関係から式（１）を書き直すと、
ΔＷｉ＝ΔＩ・（Ａ１＋ＷＡＬ１′・Ｂ１） （４）
が得られる。ここで、Ａ１，Ｂ１は以下の項をまとめたものである。
【００３２】
Ａ１＝Ｋ・（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ０′・Ｂ） （５）
Ｂ１＝Ｋ・Ｂ （６）
式（４）より、アライナーの最適値ＷＡＬ１′はＷＡＬ１′＝−Ａ１／Ｂ１（７）で与えられるため、Ａ１とＢ１を求めることにより、アライナーの最適値を計算することができる。式（４）において、ΔＩは対物レンズの電流変化量であるから、既知の値として予め決めることができる。したがって、アライナーを予め定めた任意の２条件に設定し、その各々においてΔＩに対する視差ΔＷｉを画像処理により検出すると、式（４）より未知数Ａ１，Ｂ１を求めるための方程式が得られる。この方程式からＡ１，Ｂ１を解くことができるため、アライナーの最適条件を式（７）から決定することができる。
【００３３】
即ち、アライナーを予め定めた任意の２条件に設定したときに得られる視差ΔＷｉが小さくなる（理想的にはゼロとなる）ような条件でＡ，Ｂのような未知数をｎ次方程式を解くことによって、電子光学系の動作条件に依存しない条件を導き出すことができる。この条件に基づいてアライナー条件（アライナーの励磁条件）を導き出すことができる。なお、アライナー５１は、少なくとも対物レンズ主面におけるビーム通過位置を二次元的に制御可能な配置、あるいは構造を有している。仮に、アライナーによるビームの偏向支点が対物レンズ主面近傍に存在すると、対物レンズに対する軸ずれの状態が制御できなくなるためである。即ち本発明実施例のように電磁コイルを用いたアライメント偏向器（アライナー）の場合、光学条件によって変化するコイルへの励磁電流（偏向信号）を検出することが可能になる。例えば対物レンズの励磁条件の変化や、試料に印加するリターディング電圧の大きさによって、変化する励磁電流を、観察時の光学条件に基づいて検出することができるので、光学条件ごとに異なるパラメータを登録しておく必要がなくなり、また経時変化により、ビームの条件が変化したとしても、その変化した状態における適正なアライメントコイルへの励磁電流を検出することが可能になる。
【００３４】
このように本発明実施例によれば、変化する軸ずれの状態や荷電粒子光学系の光学素子の動作条件（例えば、ビームエネルギーや焦点距離，光学倍率など）に対応が可能であり、軸調整の自動化を容易に実現することが可能になる。
【００３５】
なお、軸ずれの大きさは、ΔＩに対する視差ΔＷｉの大きさで定量化することができる。したがって、例えば、試料交換や電子光学系の条件変更など、軸ずれが発生する可能性を伴う操作を行ったときに、ΔＩによる視差ΔＷｉを検出する処理を実行すれば、軸ずれを未然に検出することができる。さらに、ΔＷｉがある所定の値を超えると、オペレータに軸調整が必要であることを伝えるメッセージを表示することができる。図５に、軸ずれを検出したときのメッセージ画面の一例を示す。オペレータは、このメッセージに従って、必要となれば、入力手段により軸調整処理を実行させることができる。入力手段は、例えば、メッセージ画面（例えば、図５）に表示されたアイコンやモニタに表示された他の専用アイコンをマウスでクリックしたり、あるいは、メニュー画面から処理コマンドを指定するなど、種々の形態をとることができる。
【００３６】
（実施例２）
一方、非点補正器５２についても、本実施例では自動軸調整が可能である。非点補正器では、光軸と直交する面内において、ビームを収束させる作用とビームを発散させる作用とが方向を異にして発生する。したがって、ビームが非点補正場の中心を通過していないと、非点補正場中心からのずれに対応した方向に偏向作用を受けることになる。このとき、非点収差の補正に連動して偏向作用も変化するため、非点収差の調整操作に連動して像が移動し、調整操作が困難になる。これを補正するために、従来は、非点補正器５２の信号（Ｘｓｔｇ，Ｙｓｔｇ）に連動した信号を別のアライナー５３に入力して、アライナー５３で発生する像の動きでもって非点補正器による像の動きをキャンセルするようにしている。このとき、アライナー５３に入力する信号（複素変数）をＷｓ１とすると、Ｗｓ１は次の式で表される。
【００３７】
Ｗｓ１＝Ｋｓｘ・Ｘｓｔｇ＋Ｋｓｙ・Ｙｓｔｇ （８）
ここで、Ｋｓｘ，Ｋｓｙは複素変数で表される係数である。いま、非点補正器の信号（Ｘｓｔｇ，Ｙｓｔｇ）をそれぞれΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇだけ別々に変化させたとすると、各々の変化に対応する観察像の動き（視差）ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙは、それぞれ次のようになる。
【００３８】
ΔＷｉｘ＝ΔＸｓｔｇ・（Ａｓｘ＋Ｂｘ・Ｋｓｘ） （９）
ΔＷｉｙ＝ΔＹｓｔｇ・（Ａｓｙ＋Ｂｙ・Ｋｓｙ） （１０）
ここで、Ａｓｘ，Ａｓｙは、非点補正器に対するビームの軸ずれに対応してその値が決まる複素変数である。Ｋｓｘ，Ｋｓｙは、装置で制御する軸調整パラメータ（複素変数）を表す。また、Ｂｘ，Ｂｙは、アライナーの位置や偏向感度，電子光学系の条件などで決まる複素変数である。従来は、非点補正器にそれぞれΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇの変調信号を加えて、そのときの像の動き（ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙ)をオペレータが認識し、これを無くすようにパラメータＫｓｘ,Ｋｓｙの手動調整が行われていた。
【００３９】
これが、非点補正器に対する軸調整操作である。すなわち、非点補正器に対して軸を合わせる操作は、式（９）、および式（１０）において、ΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇによらずΔＷｉｘ，ΔＷｉｙが０となる係数Ｋｓｘ，Ｋｓｙを求めることに対応する。なお、ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙはゼロになることが理想であるが、それには限られずゼロに近くなるようにΔＷを小さくするような条件で係数を求めるようにしても良い。式（９）および式（１０）の形式は、先に示した式(４)と全く同じであり、対物レンズの電流値変化（ΔＩ）を非点補正器の信号変化（ΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇ）に置き換えれば、視差検出とその演算処理によりアライナー５３に対する最適制御パラメータ（Ｋｓｘ，Ｋｓｙ）を求めることができる。このための処理フローを図４に示す。非点補正器による視野ずれを補正するアライナーは、試料上におけるビームの位置を補正するためのものであるから、試料上での位置が制御できる位置に配置されなければならない。
【００４０】
非点補正器に対する軸ずれの大きさは、非点補正器の信号にΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇの変化を与えたときの像ずれ（視差）により定量化できる。そのため、本実施例では、先に示した対物レンズに対する軸ずれの場合と同様、光軸の状態が変化する可能性のある操作（加速電圧の変化や試料交換，フォーカス位置の変更など）を行ったときに、視差検出を行い、オペレータに軸ずれの状態を表示して知らせることができる。オペレータは、この表示に従い、必要となれば、画面上に表示した入力手段により、非点補正器の軸合わせ処理の実行を指示することができる。入力手段は、例えば、モニタに表示された専用のアイコンをマウスでクリックしたり、あるいは、メニュー画面から処理を指定するなど、種々の形態をとることができる。
【００４１】
本発明の形態では、オペレータが不適切な画像の状態（フォーカスが著しくずれた状態や構造情報がほとんど含まれない画像の状態）で、誤って軸調整処理を指示した場合に、処理の誤動作を防止することができる。この機能の説明を図６の処理フローにより説明する。軸ずれの検出処理、あるいは、軸調整処理の開始が指示された場合、ＣＰＵ４０は、まず、現状の画像を取り込み、取り込んだ画像の定量化（画質定量化）処理を実行する。この定量化手段による処理は、画像に視差検出に必要な構造情報があるかどうかを定量化するものである。この処理の出力としては、例えば、画像をフーリエ変換し、この結果から次の式で計算される定量値Ｆｉを用いることができる。
【００４２】
Ｆｉ＝ΣΣ［Ｆ(ｆｘ，ｆｙ)・ｆｘn・ｆｙn］ （１１）
ここで、Ｆ(ｆｘ，ｆｙ)は画像の二次元フーリエ変換（ＦＦＴ）を表し、ｆｘ，ｆｙは空間周波数を表す。指数ｎとして１以上の実数や整数を用いることにより、画質の適切な定量化が可能になる。すなわち、画像に構造情報がないと、ｆｘ，ｆｙが０より大きい領域でＦ(ｆｘ，ｆｙ)が非常に小さい値になるため、式（１１）の計算結果から、画質に適切な構造情報があるか否かの判断が可能である。この定量値Ｆｉが予め決定された所定値以下、或いは未満の場合、アライメント信号演算に適さないという判断によって、警報を発生するようにすると良い。この警報は図５に示すような表示によるものや音によるものであっても良い。
【００４３】
（実施例３）
図７は、本発明の第３の実施例を説明するための図であり、像表示装置に表示される自動軸ずれ補正の環境を設定するための設定画面を示す図である。走査電子顕微鏡の操作者はこの画面から自動軸調の環境を設定する。本実施例の場合は、設定画面上で、ポインティングデバイス６０によって設定する例について説明する。まず、オペレータはアパーチャアライメントを自動的に実行するか否かを判断し、“視差検出に基づく補正”，“既定値補正”又は“しない”のいずれかを選択する。“視差検出に基づく補正”は、実施例１で説明したステップで軸ずれ補正を行うモードである。このモードを選択すれば一次電子線の経時変化によらず長時間安定した軸補正精度を得ることができる。“既定値補正”は、対物レンズの励磁条件や試料と対物レンズ間の距離（ワーキングディスタンス等の複数の光学条件）毎に発生する軸ずれを図示しないメモリに予め登録しておき、所定の光学条件が設定されたとき、登録された軸調整条件で軸調を行うようにするモードである。このモードは例えば経時的な軸ずれの変化が発生しないような場合や、光学条件を変化させてもほぼ同様の軸ずれが認められる場合に選択すると良い。この設定では既定値に基づいて補正を行うため、軸調整条件の検出、演算時間を必要とせず処理時間の向上が可能である。“しない”は軸調整を行わないモードであり、軸ずれが起きないような環境で選択することが望ましい。
【００４４】
以上のように、環境設定画面により複数の補正モードを選択できるようにしておけば、走査電子顕微鏡の使用条件や環境等に基づいて、適正な補正条件を選択することが可能になる。
【００４５】
次にオペレータは自動軸調タイミングを選択する。この選択は例えば軸ずれの頻度が高いような場合は、軸調の精度を考慮して“分析点毎”を設定し、測定個所毎に軸ずれ補正を行い、軸ずれがあまり発生しないようであれば、スループットを考慮して“ウェハ毎”を選択し、走査電子顕微鏡による測定対象であるウェハを交換するたびに軸ずれ補正を行うと良い。このような選択肢を設けることで、走査電子顕微鏡の使用条件や環境等に基づいて、適正な軸ずれ補正タイミングを選択することが可能になる。また“所定値を超えたとき”を選択すると、分析点毎或いはウェハ毎に対物レンズ電流変化量ΔＩに対する視差ΔＷｉを検出し、ΔＷｉが所定の値を超えたときに“視差検出に基づく補正”が行われる。ほかに“ユーザー設定”を選択すると予め別途登録された軸調タイミングで軸調が行われる。
【００４６】
次にオペレータは補正量グラフを登録するか、しないかを選択する。ここでいう補正量グラフとは図８（ａ）に示すような形で像表示装置に表示される。実施例１に示す技術では最終的に非点補正器用アライナー５３へのコイル電流を算出しているが、このコイル電流と補正前のコイル電流の大きさの違いは光軸からビームがどれだけずれていたかを表すものであり、この程度をプロットしグラフ化することで、軸ずれの程度の推移を判断することができる。もしこの軸ずれの推移がほぼ一定値を示すようであれば、その後の軸ずれの状態も同様であるとの判断のもとに、先の“既定値補正”に切り替えることで、“視差検出に基づく補正”に要する軸調整条件の検出時間，演算時間を削除でき、スループットを向上させることができる。このようなグラフを表示することで、オペレータに、適切な自動軸調を行うための判断を委ねることができ、適正な軸調条件を設定することができる。
【００４７】
図８（ｂ）に示すグラフは、図８（ａ）の補正量グラフに重畳して、半導体パターン幅の測長結果を表示した例である。半導体パターン幅の測長は、測長対象パターンがある半導体デバイス上に電子線を一次元的、或いは二次元的に走査して得られる二次電子や反射電子の検出量に基づいて形成されるラインプロファイルの幅を測ることで行われる。このようにして得られる対象パターンの測長結果と、設計情報に基づくパターン寸法の誤差を図８（ａ）に示す補正量グラフに重畳してプロットしている。
【００４８】
図８（ｂ）において、ａと記した個所は、視差ΔＷｉが或る定められた範囲を超えたため、或いは視差検出に必要な構造情報がなかったため（実施例２で説明した定量値Ｆｉが、或る値以下或いは未満の場合）、“視差検出に基づく補正”を行わない条件で測長を行った個所である。この部分は補正量がゼロの場合と区別できるように、色を変える等、他の部分と識別して表示することが望ましい。以下の説明では視差ΔＷｉが定められた範囲を超えたときは“視差検出に基づく補正”を行わずに測長を実行する場合について説明するが、これに限られず前述したようにオペレータに軸調整等を促すための警報を発生し自動測長を停止したりしても良い。なお、“視差検出に基づく補正”を行わなかったにも関わらず測長を続行する場合、得られた測長値が誤っている恐れがある。このような場合、後に目視で測長が正しく行われたか否かの確認をすべく、測長値と併せて測長の際に得られた試料像，ラインプロファイル、或いは電子顕微鏡の光学条件のうち少なくとも１つを記憶しておくと良い。オペレータはこれらの情報と共に得られた測長結果とを照らし合わせることで、測長の信頼度を判断することができる。
【００４９】
次にオペレータは視差ΔＷｉが或る定められた範囲を超えているとき、或いは設定値Ｆｉが或る値以下或いは未満の場合に、どのような処理を行うかを選択する。“測長停止”を選択すると自動的かつ連続的に実行されている測長が停止状態となり、電子線は図示しないブランキング機構で試料に照射されないようにブランキングされ待機状態となる。このとき像表示画面に、図５に示すようなメッセージを表示しても良い。この中で単なる“続行”は“視差検出に基づく補正”を行わないでそのまま測長を行うモードである。“試料像登録の上続行”は先に説明したように“視差検出に基づく補正”を行わないで得られた試料像等を測長結果と共に登録しておくモードである。“既定値補正に切替”は“視差検出に基づく補正”ができない場合であって軸ずれの状況がある程度判明している場合等に有効である。このモードでは予め登録された補正量に基づいて軸ずれが行われる。また測長を行わないで次の測頂点にスキップするようにしても良い。これまで説明してきた環境設定画面は当然スティグマアライメント用に適用することも可能である。
【００５０】
なお、本実施例で説明した自動軸調が適正に行われているか否かを判定するために、“視差検出に基づく補正”を行うのに供される少なくとも４枚の試料像を像表示画面にリアルタイムで表示するようにしても良い。また上記説明では対物レンズと非点補正器に対する軸調を行うことについて説明したが、これに限られることはなくアライメント偏向器を用いて光軸調整を行う必要のある荷電粒子線の光学素子全般に適用可能である。更に本発明は電子顕微鏡だけではなく、収束イオンビームや軸対称レンズシステムを用いて荷電粒子線を収束させる全ての荷電粒子線装置に適用が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子線、５…第一収束レンズ、６…第二収束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器、１２…二次信号、１３…二次信号用検出器、１４ａ…信号増幅器、２０…高圧制御電源、２１…第一収束レンズ制御電源、２２…第二収束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査コイル制御電源、２５…画像メモリ、２６…像表示装置、３１…対物レンズ用アライナー制御電源、３２…非点補正器用制御電源、３３…非点補正器用アライナー制御電源、４０…制御ＣＰＵ、５１…対物レンズ用アライナー、５２…非点補正器、５３…非点補正器用アライナー。
【技術分野】
【０００１】
本発明は荷電粒子線装置に係り、特に、荷電粒子光学系の光軸のずれを補正して、高分解能像を安定に得るのに好適な荷電粒子線装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く収束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、レンズに対し光軸にずれがあるとレンズ収差が発生し試料像の解像度が低下するため、分解能の高い試料像を得るためには高精度な軸調整が必要である。そのため従来の軸調整では対物レンズの励磁電流等を周期的に変化させ、そのときの動きを最小とするように軸調整用の偏向器（アライナー）の動作条件を手動で調整していた。また、このような調整を自動で行うための技術として特開２０００−１９５４５３号公報に開示の技術がある。この記載によれば対物レンズの２つの励磁条件間で変化する電子線照射位置の推移に基づいて、アライメントコイルの励磁設定値を変更する技術が開示されている。更に特開２０００−３３１６３７号公報には、異なる光学条件で得られた２つの電子顕微鏡画像から両者の位置ずれ検出に基づいて焦点補正を行う技術が開示されている。
【０００３】
また、荷電粒子線の非点補正を行う非点補正器の中心からずれていると、非点収差の調整を行う際に視野が動き、調整が困難になる。そのため、非点収差補正器の動作に連動して荷電粒子の試料上での位置を制御する別のアライナー（偏向器）を設け、非点収差補正器の設定値（非点補正器）の変化に対する像の動きをキャンセルして、非点収差の調整時に観察像が動かないように視野補正している。このとき、視野ずれ補正用のアライナーには非点収差補正器の設定値に比例した信号が入力されるが、この比例係数は非点収差の調整時に像の動きがキャンセルされるように決めなければならない。この調整を行うには、非点収差補正器の設定値（電流など）を周期的に変化させて、このときの像の動きが最小となる比例係数を見つける作業を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９５４５３号公報
【特許文献２】特開２０００−３３１６３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように光軸の調整を手動で行うには、経験に裏打ちされた技術が必要であり、オペレータによって調整精度がばらついたり、調整に時間を要することがある。また上記自動化による調整も、光学条件により変化する調整用パラメータをその光学条件毎に記憶しておく必要があり、光学条件を替えて観察しようとする場合、その都度登録作業が必要である。また仮に同じ光学条件で使用する場合であっても光軸の経時変化によって、登録したパラメータに基づく調整が困難になるという問題がある。またオペレータは軸がずれていることに気が付かずに劣化した試料像に基づいて観察等を行う可能性もある。
【０００６】
本発明の目的は、光学条件を変更した場合や光軸の経時変化によって荷電粒子線の状態が変化しても、容易に光軸の調整を可能とする荷電粒子線装置、及び荷電粒子線装置の調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明では荷電粒子線に影響を与える光学素子に対する前記荷電粒子線の軸調整をアライメント偏向器で行う際に、アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれを検出し、アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときに、光学素子を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第３の試料像と第４の試料像間の第２のずれを検出し、当該２つのずれの情報に基づいて、前記アライメント偏向器の動作条件を決定する荷電粒子線調整方法、及び荷電粒子線装置を提供する。
【０００８】
このような構成によれば、荷電粒子線の光学条件に関わらず、精度の高い軸調整が可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、荷電粒子線装置の光学条件に因らず精度の高い軸調整を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図。
【図２】対物レンズに対する軸ずれを補正するための概略処理フロー。
【図３】対物レンズに対する軸ずれを補正する原理図。
【図４】非点補正器に対する軸ずれを補正するための概略処理フロー。
【図５】軸ずれを検出したときのメッセージの一例。
【図６】画質判定処理を加えた軸ずれ検出処理の一例。
【図７】自動軸ずれ補正の環境を設定するための設定画面を示す図。
【図８】補正量グラフの表示例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１と第一陽極２の間には、マイクロプロセッサ（ＣＰＵ）４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、ＣＰＵ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された収束レンズ５で収束され、絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に、レンズ制御電源２２で制御された収束レンズ６、および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により試料１０に微小スポットとして収束される。対物レンズ７は、インレンズ方式，アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。
【００１３】
一次電子線４は、走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。
【００１４】
走査コイル９の近傍もしくは同じ位置に１段の偏向コイル５１が配置されており、対物レンズに対するアライナーとして動作する。また、対物レンズと絞り板との間には、ＸおよびＹ方向の非点を補正するための８極の非点補正コイル５２が配置される。非点補正コイルの近傍、もしくは同じ位置には非点補正コイルの軸ずれを補正するアライナー５３が配置される。
【００１５】
像表示装置２６には、試料像のほかに電子光学系の設定や走査条件の設定を行う種々の操作ボタンの他、軸条件の確認や自動軸合わせの開始を指示するボタンを表示させることができる。
【００１６】
一次電子線が対物レンズの中心からずれた位置を通過した状態（軸がずれた状態）でフォーカス調整を行うと、フォーカス調整に伴い視野の動きが生じる。オペレータが軸ずれに気が付いた場合、表示装置に表示された処理開始ボタンをマウスでクリックするなどの操作により軸合わせ処理の開始を指示することができる。オペレータから軸合わせの指令を受けると、制御ＣＰＵ４０は、図２や図４のフローに沿って処理を開始する。
【００１７】
なお、図１の説明は制御プロセッサ部が走査電子顕微鏡と一体、或いはそれに準ずるものとして説明したが、無論それに限られることはなく、走査電子顕微鏡鏡体とは別に設けられた制御プロセッサで以下に説明するような処理を行っても良い。その際には二次信号検出器１３で検出される検出信号を制御プロセッサに伝達したり、制御プロセッサから走査電子顕微鏡のレンズや偏向器等に信号を伝達する伝達媒体と、当該伝達媒体経由で伝達される信号を入出力する入出力端子が必要となる。また、以下に説明する処理を行うプログラムを記憶媒体に登録しておき、画像メモリを有し走査電子顕微鏡に必要な信号を供給する制御プロセッサで、当該プログラムを実行するようにしても良い。
【００１８】
（実施例１）
図２の処理フローについて、以下に詳細に説明する。
【００１９】
第１ステップ：
対物レンズ７の現在の条件、あるいは、現在の条件に基づいて決められる（例えば、現在のフォーカス条件からフォーカスを少しずらした条件）を条件１として対物レンズ７に設定する。次に、アライナー５１の現在の条件、あるいは、予め決められた条件をアライナー５１の条件１として設定する。この対物レンズ条件１とアライナー条件１で画像１を取得する。
【００２０】
第２ステップ：
アライナー５１の条件をそのままにして、対物レンズの条件のみを対物レンズ条件１に対して予め決められた値だけフォーカスのずれた第２のフォーカス条件を設定して画像２を取得する。
【００２１】
第３ステップ，第４ステップ：
アライナー５１の条件を条件１に対して予め決められた値だけずらした条件を条件２として、これをアライナー５１に設定する。そして、対物レンズの条件をステップ１とステップ２と同様に条件１、および条件２として、それぞれの画像（画像３，画像４）を取得する。
【００２２】
ステップ５：
画像１と同条件で再度画像を取得し、これを画像５として登録する。
【００２３】
ステップ６：
画像１と画像２の視差（画像のずれ）を画像処理により検出し、これを視差１として登録する。画像間の視差は、例えば、画像１と画像２の画像を互いに画素単位でずらしながら画像相関を求め、画像相関値が最大になる画像のずらし量から検出することが可能である。その他、視差の検出が可能な画像処理ならば、本実施例に適用が可能である。
【００２４】
ステップ７：
画像１と画像２の視差を画像処理により検出して、これを視差２として登録する。
【００２５】
ステップ８：
画像１と画像５の視差を画像処理により検出して、これを視差３として登録する。画像１と画像５とは同一条件で取得したものであるから、これらの画像間にずれ（視差３）があれば、このずれは試料やビームのドリフトによって作られたものである。即ち、荷電粒子線の光学条件を或る状態（第１の状態）とし、次に光学条件を他の状態（第２の状態）とした後、再度第１の状態とするときに、上記２つの第１の状態でそれぞれ試料像を検出し、両者間のずれに基づいてドリフトを算出している。
【００２６】
ステップ９：
視差３からドリフト成分を検出して、視差１と視差２に対してドリフト成分を補正（除去）する。例えば、画像１と画像５の取り込み間隔がｔ秒であれば、単位時間（秒）当たりのドリフト（ｄ）は、ｄ＝（視差３）／ｔで表される。一方、画像１と２、画像３と４の取り込み間隔がＴ１２，Ｔ３４とすれば、視差１と視差２には、それぞれ、ｄ×Ｔ１２、およびｄ×Ｔ３４のドリフト成分が含まれていることになるため、視差１，視差２からドリフト成分を差し引くことで、軸ずれに起因した正確な視差を算出することができる。
【００２７】
ステップ１０，ステップ１１：
ドリフト補正された視差１と視差２からアライナー５１の最適値を計算して、アライナーに設定する。
【００２８】
図２の処理フローは、動作の理解が容易な手順で記載したが、最初と最後の画像（ドリフト補正用）を除けば、画像の取り込み順番は処理に影響を与えない。実際の処理では、処理の高速化を図るために、例えば、対物レンズ条件７を条件１にして、画像１と画像３とを連続して取り込み、次に、対物レンズ条件７を条件２にして、画像２と画像４とを連続して取り込むことが可能である。電子顕微鏡の対物レンズは、通常磁界レンズで構成されるため、インダクタンスが大きいため、インダクタンスが小さく高速制御が可能なアライナーを連続制御する方法が実用上有効となる。
【００２９】
図２の処理フローで対物レンズに対する軸ずれが補正（修正）される原理を、図３により説明する。軸がずれた状態において、アライナー５１の位置(偏向面)でのビーム離軸量をＷＡＬ（複素変数：ＸＡＬ＋ｊ・ＹＡＬ、ｊ：虚数単位）、この位置で光軸に対するビームの傾きをＷＡＬ′（複素変数）とすると、電子光学理論（近軸理論）に基づく軌道計算が可能である。磁界形対物レンズの場合、レンズ電流値をＩ１からＩ２へとΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）だけ変化させたときに生じる像ずれ量（視差）をΔＷｉ（複素変数：ΔＸｉ＋ｊ・ΔＹｉ）とすると、軌道計算により、ΔＷｉは次のように表すことができる。
【００３０】
ΔＷｉ＝Ｋ・ΔＩ・（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ′・Ｂ） （１）
ここで、Ｋ，Ａ，Ｂは、測定の際の軸ずれ状態と、対物レンズの動作条件（加速電圧や対物レンズの焦点距離、あるいは対物レンズの物点位置など）で決まるパラメータ（複素数）である。対物レンズに対して軸がずれた状態とは、式(１)においてΔＷｉが０以外の値を持つことを意味する。したがって、従来は、対物レンズの電流をΔＩだけ周期的に変化させて、このときの像ずれΔＷｉをオペレータが認識し、像ずれを無くすようにアライナーの条件を調整していた。すなわち、軸ずれが補正されるアライナーの最適値とは、式（１）の右辺がΔＩによらず０となる条件を指している。この条件を書き出すと、
（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ′・Ｂ）＝０ （２）
となり、この条件を満たすアライナーの動作条件が最適値となる。軸ずれがあるとアライナー偏向面では入射ビームの傾きも伴うため、これをＷＡＬ０′とし、アライナーによる偏向角（制御値）をＷＡＬ１′とすると
ＷＡＬ′＝ＷＡＬ０′＋ＷＡＬ１′ （３）
で表される。よって、式（２）を満たすアライナーの条件ＷＡＬ１′（アライナーの最適値）を求めることが軸調整機能の目的となる。アライナーを電磁コイルで構成する場合には、偏向角ＷＡＬ１′はアライナーのコイル電流に比例する。
【００３１】
以上の関係から式（１）を書き直すと、
ΔＷｉ＝ΔＩ・（Ａ１＋ＷＡＬ１′・Ｂ１） （４）
が得られる。ここで、Ａ１，Ｂ１は以下の項をまとめたものである。
【００３２】
Ａ１＝Ｋ・（ＷＡＬ・Ａ＋ＷＡＬ０′・Ｂ） （５）
Ｂ１＝Ｋ・Ｂ （６）
式（４）より、アライナーの最適値ＷＡＬ１′はＷＡＬ１′＝−Ａ１／Ｂ１（７）で与えられるため、Ａ１とＢ１を求めることにより、アライナーの最適値を計算することができる。式（４）において、ΔＩは対物レンズの電流変化量であるから、既知の値として予め決めることができる。したがって、アライナーを予め定めた任意の２条件に設定し、その各々においてΔＩに対する視差ΔＷｉを画像処理により検出すると、式（４）より未知数Ａ１，Ｂ１を求めるための方程式が得られる。この方程式からＡ１，Ｂ１を解くことができるため、アライナーの最適条件を式（７）から決定することができる。
【００３３】
即ち、アライナーを予め定めた任意の２条件に設定したときに得られる視差ΔＷｉが小さくなる（理想的にはゼロとなる）ような条件でＡ，Ｂのような未知数をｎ次方程式を解くことによって、電子光学系の動作条件に依存しない条件を導き出すことができる。この条件に基づいてアライナー条件（アライナーの励磁条件）を導き出すことができる。なお、アライナー５１は、少なくとも対物レンズ主面におけるビーム通過位置を二次元的に制御可能な配置、あるいは構造を有している。仮に、アライナーによるビームの偏向支点が対物レンズ主面近傍に存在すると、対物レンズに対する軸ずれの状態が制御できなくなるためである。即ち本発明実施例のように電磁コイルを用いたアライメント偏向器（アライナー）の場合、光学条件によって変化するコイルへの励磁電流（偏向信号）を検出することが可能になる。例えば対物レンズの励磁条件の変化や、試料に印加するリターディング電圧の大きさによって、変化する励磁電流を、観察時の光学条件に基づいて検出することができるので、光学条件ごとに異なるパラメータを登録しておく必要がなくなり、また経時変化により、ビームの条件が変化したとしても、その変化した状態における適正なアライメントコイルへの励磁電流を検出することが可能になる。
【００３４】
このように本発明実施例によれば、変化する軸ずれの状態や荷電粒子光学系の光学素子の動作条件（例えば、ビームエネルギーや焦点距離，光学倍率など）に対応が可能であり、軸調整の自動化を容易に実現することが可能になる。
【００３５】
なお、軸ずれの大きさは、ΔＩに対する視差ΔＷｉの大きさで定量化することができる。したがって、例えば、試料交換や電子光学系の条件変更など、軸ずれが発生する可能性を伴う操作を行ったときに、ΔＩによる視差ΔＷｉを検出する処理を実行すれば、軸ずれを未然に検出することができる。さらに、ΔＷｉがある所定の値を超えると、オペレータに軸調整が必要であることを伝えるメッセージを表示することができる。図５に、軸ずれを検出したときのメッセージ画面の一例を示す。オペレータは、このメッセージに従って、必要となれば、入力手段により軸調整処理を実行させることができる。入力手段は、例えば、メッセージ画面（例えば、図５）に表示されたアイコンやモニタに表示された他の専用アイコンをマウスでクリックしたり、あるいは、メニュー画面から処理コマンドを指定するなど、種々の形態をとることができる。
【００３６】
（実施例２）
一方、非点補正器５２についても、本実施例では自動軸調整が可能である。非点補正器では、光軸と直交する面内において、ビームを収束させる作用とビームを発散させる作用とが方向を異にして発生する。したがって、ビームが非点補正場の中心を通過していないと、非点補正場中心からのずれに対応した方向に偏向作用を受けることになる。このとき、非点収差の補正に連動して偏向作用も変化するため、非点収差の調整操作に連動して像が移動し、調整操作が困難になる。これを補正するために、従来は、非点補正器５２の信号（Ｘｓｔｇ，Ｙｓｔｇ）に連動した信号を別のアライナー５３に入力して、アライナー５３で発生する像の動きでもって非点補正器による像の動きをキャンセルするようにしている。このとき、アライナー５３に入力する信号（複素変数）をＷｓ１とすると、Ｗｓ１は次の式で表される。
【００３７】
Ｗｓ１＝Ｋｓｘ・Ｘｓｔｇ＋Ｋｓｙ・Ｙｓｔｇ （８）
ここで、Ｋｓｘ，Ｋｓｙは複素変数で表される係数である。いま、非点補正器の信号（Ｘｓｔｇ，Ｙｓｔｇ）をそれぞれΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇだけ別々に変化させたとすると、各々の変化に対応する観察像の動き（視差）ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙは、それぞれ次のようになる。
【００３８】
ΔＷｉｘ＝ΔＸｓｔｇ・（Ａｓｘ＋Ｂｘ・Ｋｓｘ） （９）
ΔＷｉｙ＝ΔＹｓｔｇ・（Ａｓｙ＋Ｂｙ・Ｋｓｙ） （１０）
ここで、Ａｓｘ，Ａｓｙは、非点補正器に対するビームの軸ずれに対応してその値が決まる複素変数である。Ｋｓｘ，Ｋｓｙは、装置で制御する軸調整パラメータ（複素変数）を表す。また、Ｂｘ，Ｂｙは、アライナーの位置や偏向感度，電子光学系の条件などで決まる複素変数である。従来は、非点補正器にそれぞれΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇの変調信号を加えて、そのときの像の動き（ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙ)をオペレータが認識し、これを無くすようにパラメータＫｓｘ,Ｋｓｙの手動調整が行われていた。
【００３９】
これが、非点補正器に対する軸調整操作である。すなわち、非点補正器に対して軸を合わせる操作は、式（９）、および式（１０）において、ΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇによらずΔＷｉｘ，ΔＷｉｙが０となる係数Ｋｓｘ，Ｋｓｙを求めることに対応する。なお、ΔＷｉｘ，ΔＷｉｙはゼロになることが理想であるが、それには限られずゼロに近くなるようにΔＷを小さくするような条件で係数を求めるようにしても良い。式（９）および式（１０）の形式は、先に示した式(４)と全く同じであり、対物レンズの電流値変化（ΔＩ）を非点補正器の信号変化（ΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇ）に置き換えれば、視差検出とその演算処理によりアライナー５３に対する最適制御パラメータ（Ｋｓｘ，Ｋｓｙ）を求めることができる。このための処理フローを図４に示す。非点補正器による視野ずれを補正するアライナーは、試料上におけるビームの位置を補正するためのものであるから、試料上での位置が制御できる位置に配置されなければならない。
【００４０】
非点補正器に対する軸ずれの大きさは、非点補正器の信号にΔＸｓｔｇ，ΔＹｓｔｇの変化を与えたときの像ずれ（視差）により定量化できる。そのため、本実施例では、先に示した対物レンズに対する軸ずれの場合と同様、光軸の状態が変化する可能性のある操作（加速電圧の変化や試料交換，フォーカス位置の変更など）を行ったときに、視差検出を行い、オペレータに軸ずれの状態を表示して知らせることができる。オペレータは、この表示に従い、必要となれば、画面上に表示した入力手段により、非点補正器の軸合わせ処理の実行を指示することができる。入力手段は、例えば、モニタに表示された専用のアイコンをマウスでクリックしたり、あるいは、メニュー画面から処理を指定するなど、種々の形態をとることができる。
【００４１】
本発明の形態では、オペレータが不適切な画像の状態（フォーカスが著しくずれた状態や構造情報がほとんど含まれない画像の状態）で、誤って軸調整処理を指示した場合に、処理の誤動作を防止することができる。この機能の説明を図６の処理フローにより説明する。軸ずれの検出処理、あるいは、軸調整処理の開始が指示された場合、ＣＰＵ４０は、まず、現状の画像を取り込み、取り込んだ画像の定量化（画質定量化）処理を実行する。この定量化手段による処理は、画像に視差検出に必要な構造情報があるかどうかを定量化するものである。この処理の出力としては、例えば、画像をフーリエ変換し、この結果から次の式で計算される定量値Ｆｉを用いることができる。
【００４２】
Ｆｉ＝ΣΣ［Ｆ(ｆｘ，ｆｙ)・ｆｘn・ｆｙn］ （１１）
ここで、Ｆ(ｆｘ，ｆｙ)は画像の二次元フーリエ変換（ＦＦＴ）を表し、ｆｘ，ｆｙは空間周波数を表す。指数ｎとして１以上の実数や整数を用いることにより、画質の適切な定量化が可能になる。すなわち、画像に構造情報がないと、ｆｘ，ｆｙが０より大きい領域でＦ(ｆｘ，ｆｙ)が非常に小さい値になるため、式（１１）の計算結果から、画質に適切な構造情報があるか否かの判断が可能である。この定量値Ｆｉが予め決定された所定値以下、或いは未満の場合、アライメント信号演算に適さないという判断によって、警報を発生するようにすると良い。この警報は図５に示すような表示によるものや音によるものであっても良い。
【００４３】
（実施例３）
図７は、本発明の第３の実施例を説明するための図であり、像表示装置に表示される自動軸ずれ補正の環境を設定するための設定画面を示す図である。走査電子顕微鏡の操作者はこの画面から自動軸調の環境を設定する。本実施例の場合は、設定画面上で、ポインティングデバイス６０によって設定する例について説明する。まず、オペレータはアパーチャアライメントを自動的に実行するか否かを判断し、“視差検出に基づく補正”，“既定値補正”又は“しない”のいずれかを選択する。“視差検出に基づく補正”は、実施例１で説明したステップで軸ずれ補正を行うモードである。このモードを選択すれば一次電子線の経時変化によらず長時間安定した軸補正精度を得ることができる。“既定値補正”は、対物レンズの励磁条件や試料と対物レンズ間の距離（ワーキングディスタンス等の複数の光学条件）毎に発生する軸ずれを図示しないメモリに予め登録しておき、所定の光学条件が設定されたとき、登録された軸調整条件で軸調を行うようにするモードである。このモードは例えば経時的な軸ずれの変化が発生しないような場合や、光学条件を変化させてもほぼ同様の軸ずれが認められる場合に選択すると良い。この設定では既定値に基づいて補正を行うため、軸調整条件の検出、演算時間を必要とせず処理時間の向上が可能である。“しない”は軸調整を行わないモードであり、軸ずれが起きないような環境で選択することが望ましい。
【００４４】
以上のように、環境設定画面により複数の補正モードを選択できるようにしておけば、走査電子顕微鏡の使用条件や環境等に基づいて、適正な補正条件を選択することが可能になる。
【００４５】
次にオペレータは自動軸調タイミングを選択する。この選択は例えば軸ずれの頻度が高いような場合は、軸調の精度を考慮して“分析点毎”を設定し、測定個所毎に軸ずれ補正を行い、軸ずれがあまり発生しないようであれば、スループットを考慮して“ウェハ毎”を選択し、走査電子顕微鏡による測定対象であるウェハを交換するたびに軸ずれ補正を行うと良い。このような選択肢を設けることで、走査電子顕微鏡の使用条件や環境等に基づいて、適正な軸ずれ補正タイミングを選択することが可能になる。また“所定値を超えたとき”を選択すると、分析点毎或いはウェハ毎に対物レンズ電流変化量ΔＩに対する視差ΔＷｉを検出し、ΔＷｉが所定の値を超えたときに“視差検出に基づく補正”が行われる。ほかに“ユーザー設定”を選択すると予め別途登録された軸調タイミングで軸調が行われる。
【００４６】
次にオペレータは補正量グラフを登録するか、しないかを選択する。ここでいう補正量グラフとは図８（ａ）に示すような形で像表示装置に表示される。実施例１に示す技術では最終的に非点補正器用アライナー５３へのコイル電流を算出しているが、このコイル電流と補正前のコイル電流の大きさの違いは光軸からビームがどれだけずれていたかを表すものであり、この程度をプロットしグラフ化することで、軸ずれの程度の推移を判断することができる。もしこの軸ずれの推移がほぼ一定値を示すようであれば、その後の軸ずれの状態も同様であるとの判断のもとに、先の“既定値補正”に切り替えることで、“視差検出に基づく補正”に要する軸調整条件の検出時間，演算時間を削除でき、スループットを向上させることができる。このようなグラフを表示することで、オペレータに、適切な自動軸調を行うための判断を委ねることができ、適正な軸調条件を設定することができる。
【００４７】
図８（ｂ）に示すグラフは、図８（ａ）の補正量グラフに重畳して、半導体パターン幅の測長結果を表示した例である。半導体パターン幅の測長は、測長対象パターンがある半導体デバイス上に電子線を一次元的、或いは二次元的に走査して得られる二次電子や反射電子の検出量に基づいて形成されるラインプロファイルの幅を測ることで行われる。このようにして得られる対象パターンの測長結果と、設計情報に基づくパターン寸法の誤差を図８（ａ）に示す補正量グラフに重畳してプロットしている。
【００４８】
図８（ｂ）において、ａと記した個所は、視差ΔＷｉが或る定められた範囲を超えたため、或いは視差検出に必要な構造情報がなかったため（実施例２で説明した定量値Ｆｉが、或る値以下或いは未満の場合）、“視差検出に基づく補正”を行わない条件で測長を行った個所である。この部分は補正量がゼロの場合と区別できるように、色を変える等、他の部分と識別して表示することが望ましい。以下の説明では視差ΔＷｉが定められた範囲を超えたときは“視差検出に基づく補正”を行わずに測長を実行する場合について説明するが、これに限られず前述したようにオペレータに軸調整等を促すための警報を発生し自動測長を停止したりしても良い。なお、“視差検出に基づく補正”を行わなかったにも関わらず測長を続行する場合、得られた測長値が誤っている恐れがある。このような場合、後に目視で測長が正しく行われたか否かの確認をすべく、測長値と併せて測長の際に得られた試料像，ラインプロファイル、或いは電子顕微鏡の光学条件のうち少なくとも１つを記憶しておくと良い。オペレータはこれらの情報と共に得られた測長結果とを照らし合わせることで、測長の信頼度を判断することができる。
【００４９】
次にオペレータは視差ΔＷｉが或る定められた範囲を超えているとき、或いは設定値Ｆｉが或る値以下或いは未満の場合に、どのような処理を行うかを選択する。“測長停止”を選択すると自動的かつ連続的に実行されている測長が停止状態となり、電子線は図示しないブランキング機構で試料に照射されないようにブランキングされ待機状態となる。このとき像表示画面に、図５に示すようなメッセージを表示しても良い。この中で単なる“続行”は“視差検出に基づく補正”を行わないでそのまま測長を行うモードである。“試料像登録の上続行”は先に説明したように“視差検出に基づく補正”を行わないで得られた試料像等を測長結果と共に登録しておくモードである。“既定値補正に切替”は“視差検出に基づく補正”ができない場合であって軸ずれの状況がある程度判明している場合等に有効である。このモードでは予め登録された補正量に基づいて軸ずれが行われる。また測長を行わないで次の測頂点にスキップするようにしても良い。これまで説明してきた環境設定画面は当然スティグマアライメント用に適用することも可能である。
【００５０】
なお、本実施例で説明した自動軸調が適正に行われているか否かを判定するために、“視差検出に基づく補正”を行うのに供される少なくとも４枚の試料像を像表示画面にリアルタイムで表示するようにしても良い。また上記説明では対物レンズと非点補正器に対する軸調を行うことについて説明したが、これに限られることはなくアライメント偏向器を用いて光軸調整を行う必要のある荷電粒子線の光学素子全般に適用可能である。更に本発明は電子顕微鏡だけではなく、収束イオンビームや軸対称レンズシステムを用いて荷電粒子線を収束させる全ての荷電粒子線装置に適用が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子線、５…第一収束レンズ、６…第二収束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥＸＢ）発生器、１２…二次信号、１３…二次信号用検出器、１４ａ…信号増幅器、２０…高圧制御電源、２１…第一収束レンズ制御電源、２２…第二収束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査コイル制御電源、２５…画像メモリ、２６…像表示装置、３１…対物レンズ用アライナー制御電源、３２…非点補正器用制御電源、３３…非点補正器用アライナー制御電源、４０…制御ＣＰＵ、５１…対物レンズ用アライナー、５２…非点補正器、５３…非点補正器用アライナー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を集束する対物レンズと、当該対物レンズによって集束した前記荷電粒子線の試料への照射によって得られる二次荷電粒子を検出して試料像を形成する荷電粒子線装置であって、前記レンズに対する軸調整をアライメント偏向器で行う荷電粒子線調整方法において、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、前記対物レンズの集束条件を２つの状態に変化させ、そのときに得られる第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれを検出し、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときに、前記対物レンズの集束条件を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第３の試料像と第４の試料像間の第２のずれを検出し、
上記第１のずれと第２のずれの情報を、アライメント条件の変化に対する試料像のずれを導く式に当てはめて、前記荷電粒子線光学系の動作条件によって変動する未知数を算出し、
当該算出された未知数と対物レンズの集束条件を２つの条件に変化させたときの像ずれが小さくなる条件からアライメント条件を得ることを特徴とする荷電粒子線調整方法。
【請求項２】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出された荷電粒子線を集束する対物レンズと、当該対物レンズに対して前記荷電粒子線の軸調整を行うアライメント偏向器と、前記荷電粒子線の照射によって得られる二次荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて試料像を形成する荷電粒子線装置において、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態としたときに前記対物レンズの集束条件を２つの状態に変化させて得られる第１の試料像と第２の試料像と、前記アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態としたときに前記レンズの集束条件を２つの状態に変化させて得られる第３の試料像と第４の試料像を記憶するメモリと、
前記第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれと前記第３と第４の試料像間の第２のずれに基づいて、前記アライメント偏向器のアライナー条件を演算する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記対物レンズの条件を２つの状態に変化させて得られる試料像のずれが小さくなる条件に基づいて前記アライナー条件を演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記レンズを或る集束条件にした状態で、前記アライメント偏向器を第１の状態から第２の状態とすることで、前記第１と第３の試料像を得た後、前記レンズを他の集束条件にした状態で、前記第２と第４の試料像を得るように前記レンズとアライメント偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記少なくとも４つの試料像を取得した後、再度前記第１の試料像を取得したときの光学条件に戻し、両者のずれに基づいてドリフト量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を変化させる光学素子と、当該光学素子によって変化した前記荷電粒子線の試料への照射によって、当該試料から放出される二次荷電粒子を検出して試料像を形成する荷電粒子線装置における前記荷電粒子線の光軸調整を行う荷電粒子線の光軸調整方法において、
前記荷電粒子線装置の光学条件を第１の状態にして第１の試料像を検出し、その後前記光学条件を変化させ、
再度前記光学条件を前記第１の状態にして第２の試料像を検出し、
前記第１の試料像と第２の試料像のずれを検出し、当該検出されたずれに基づいて前記光軸の補正条件を算出することを特徴とする荷電粒子線の光軸調整方法。
【請求項７】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料像から得られる情報に基づいて前記アライメント偏向器によるアライメント条件を演算する手段と、
前記第１の試料像，第２の試料像間、前記第３の試料像および前記第４の試料像のいずれか一つが前記アライナー条件の演算に適しているか否かを判定する手段と、
当該手段により前記演算に適さないと判定された場合に警報を発生する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料像から得られる情報に基づいて前記アライメント偏向器によるアライメント条件を演算する手段と、
前記試料像の画像を定量化する手段と、
当該手段によって定量化された定量値が所定値以下、或いは所定値未満の場合に警報を発生する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項１】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を集束する対物レンズと、当該対物レンズによって集束した前記荷電粒子線の試料への照射によって得られる二次荷電粒子を検出して試料像を形成する荷電粒子線装置であって、前記レンズに対する軸調整をアライメント偏向器で行う荷電粒子線調整方法において、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態にしたときに、前記対物レンズの集束条件を２つの状態に変化させ、そのときに得られる第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれを検出し、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態にしたときに、前記対物レンズの集束条件を少なくとも２つの状態に変化させ、そのときに得られる第３の試料像と第４の試料像間の第２のずれを検出し、
上記第１のずれと第２のずれの情報を、アライメント条件の変化に対する試料像のずれを導く式に当てはめて、前記荷電粒子線光学系の動作条件によって変動する未知数を算出し、
当該算出された未知数と対物レンズの集束条件を２つの条件に変化させたときの像ずれが小さくなる条件からアライメント条件を得ることを特徴とする荷電粒子線調整方法。
【請求項２】
荷電粒子源と、当該荷電粒子源から放出された荷電粒子線を集束する対物レンズと、当該対物レンズに対して前記荷電粒子線の軸調整を行うアライメント偏向器と、前記荷電粒子線の照射によって得られる二次荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器の出力に基づいて試料像を形成する荷電粒子線装置において、
前記アライメント偏向器の偏向条件を第１の状態としたときに前記対物レンズの集束条件を２つの状態に変化させて得られる第１の試料像と第２の試料像と、前記アライメント偏向器の偏向条件を第２の状態としたときに前記レンズの集束条件を２つの状態に変化させて得られる第３の試料像と第４の試料像を記憶するメモリと、
前記第１の試料像と第２の試料像間の第１のずれと前記第３と第４の試料像間の第２のずれに基づいて、前記アライメント偏向器のアライナー条件を演算する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記対物レンズの条件を２つの状態に変化させて得られる試料像のずれが小さくなる条件に基づいて前記アライナー条件を演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項４】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記レンズを或る集束条件にした状態で、前記アライメント偏向器を第１の状態から第２の状態とすることで、前記第１と第３の試料像を得た後、前記レンズを他の集束条件にした状態で、前記第２と第４の試料像を得るように前記レンズとアライメント偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項５】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御装置は、前記少なくとも４つの試料像を取得した後、再度前記第１の試料像を取得したときの光学条件に戻し、両者のずれに基づいてドリフト量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項６】
荷電粒子源から放出された荷電粒子線を変化させる光学素子と、当該光学素子によって変化した前記荷電粒子線の試料への照射によって、当該試料から放出される二次荷電粒子を検出して試料像を形成する荷電粒子線装置における前記荷電粒子線の光軸調整を行う荷電粒子線の光軸調整方法において、
前記荷電粒子線装置の光学条件を第１の状態にして第１の試料像を検出し、その後前記光学条件を変化させ、
再度前記光学条件を前記第１の状態にして第２の試料像を検出し、
前記第１の試料像と第２の試料像のずれを検出し、当該検出されたずれに基づいて前記光軸の補正条件を算出することを特徴とする荷電粒子線の光軸調整方法。
【請求項７】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料像から得られる情報に基づいて前記アライメント偏向器によるアライメント条件を演算する手段と、
前記第１の試料像，第２の試料像間、前記第３の試料像および前記第４の試料像のいずれか一つが前記アライナー条件の演算に適しているか否かを判定する手段と、
当該手段により前記演算に適さないと判定された場合に警報を発生する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項８】
請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
前記試料像から得られる情報に基づいて前記アライメント偏向器によるアライメント条件を演算する手段と、
前記試料像の画像を定量化する手段と、
当該手段によって定量化された定量値が所定値以下、或いは所定値未満の場合に警報を発生する手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１３４７１９（Ｐ２０１１−１３４７１９Ａ）
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２８０６５（Ｐ２０１１−２８０６５）
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【分割の表示】特願２００１−１６１５８８（Ｐ２００１−１６１５８８）の分割
【原出願日】平成１３年５月３０日（２００１．５．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年７月７日（２０１１．７．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１４日（２０１１．２．１４）
【分割の表示】特願２００１−１６１５８８（Ｐ２００１−１６１５８８）の分割
【原出願日】平成１３年５月３０日（２００１．５．３０）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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