(57)【要約】【課題】  荷電ビーム粒子装置の光学系内部に配置されている収差補正装置の軸合わせを、短時間で簡易に行うことを可能にする。【解決手段】  収差補正装置Ｃの前方に荷電粒子線の偏向器Ｄを設け、収差補正装置Ｃの一段目の多極子に対する荷電粒子線の入射方向を変えることを可能とする。偏向器Ｄを設けたことにより、加速電圧を変更したり、照射電流を変えるために集束レンズの励磁を変更しても対物レンズ絞り33の位置を再調整する必要が無いので、収差補正装置Ｃの軸ずれ補正をやり直す必要が無くなる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多極子が多段で構成されている構造の収差補正装置を集束レンズと対物レンズの間に配置することにより、色収差、球面収差を補正する荷電粒子線装置であって、前記集束レンズと前記収差補正装置との間に配置された対物レンズ絞りと前記収差補正装置との間に偏向器を備え、前記偏向器の制御電圧を調整することにより、前記収差補正装置の一段目の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を変えて前記収差補正装置に対する軸ずれ補正を行う、ことを特徴とする荷電粒子線装置。
【請求項２】
前記収差補正装置は、ひとつの段の多極子が少なくとも４極子からなる多極子であって、前記多極子に２極子としての制御を行うための制御電圧を重畳でき、前記多極子が少なくとも４段で構成されている収差補正装置である、ことを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の荷電粒子線装置における軸ずれ補正方法であって、前記収差補正装置の一段目の多極子に重畳されている２極子の制御電圧を調整し、二段目の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を変えて二段目の多極子の軸ずれ補正を行い、以下順次、次段の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を直上段の２極子を使用して変えて、前記収差補正装置を構成する最終段までのすべての多極子の軸ずれ補正を行う、ことを特徴とする軸ずれ補正方法。
【請求項４】
荷電粒子線装置の対物レンズ内に配置されている円状目標物に荷電粒子線を走査しながら照射し、前記一段目の多極子の制御電圧を増減させた時、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置が移動しないように、前記偏向器の制御電圧を設定することにより前記一段目の多極子の軸ずれ補正を行い、以下順次、次段の多極子の制御電圧を増減させた時、前記走査像の中心位置が移動しないように直上段の２極子を使用して前記次段の多極子の軸ずれ補正を行い、前記収差補正装置を構成する最終段までのすべての多極子の軸ずれ補正を行う、ことを特徴とする請求項３に記載の軸ずれ補正方法。
【請求項５】
前記ひとつの段の多極子を制御する制御電圧を変化させたとき、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置の移動方向と移動量を検出し、検出された前記移動方向と移動量を小さくするように偏向器または直上段の２極子を制御する制御電圧を調整して、前記移動方向と移動量と前記調整量との関係データ求めておき、前記関係データを使用して前記収差補正装置を構成する多極子の軸ずれ補正を行う、ことを特徴とする請求項３または４に記載の軸ずれ補正方法。
【請求項６】
前記多極子を制御する制御電圧の異なる少なくとも二つの走査像の画像データを取得する手段と、前記少なくとも二つの走査像の画像データから画像処理により、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置の移動方向と移動量とを算出する算出手段を備え、前記移動方向と移動量と前記調整量との関係データを使用して、前記算出手段により算出された移動方向と移動量を小さくするように前記偏向器または直上段の２極子を制御する制御電圧を調整することにより、前記収差補正装置を構成する多極子の軸ずれを自動的に補正する、ことを特徴とする請求項１または２に記載の荷電粒子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査電子顕微鏡やイオンマイクロプローブなどの荷電粒子線装置に係わり、特に、荷電粒子線光学系に収差補正器を搭載して、色収差、球面収差を補正することができる荷電ビーム粒子装置における収差補正器の軸合わせ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡において、高分解能の像を観察したり照射電流密度を上げることを目的として、電子光学系の中に収差補正装置が組み込まれている。こうした収差補正装置として、静電型４極子と磁場型４極子の組み合わせで色収差を補正し、４段の８極子で球面収差を補正する方法が提案されている。その原理については、非特許文献１〜３に詳しく紹介されている。
【０００３】
ここでは、上記の収差補正装置の原理の概略を図１に基づいて説明する。図１において、対物レンズＬの前段に収差補正装置Ｃが配置されている。収差補正装置Ｃは、４段の静電型４極子１,２,３,４と、静電型４極子の２段目と３段目が作り出す電位分布と相似な磁位分布を作り出し、電界と重畳した磁界を形成する２段の磁場型４極子５，６と、４段の静電型４極子が形成する電界と重畳した電界を形成する４段の静電型８極子７，８，９，10とより構成されている。これら４極子や８極子の電界に重畳した電界を形成する４段の２極子（軸合わせ用の偏向装置として動作する）11,12,13,14が構成されている。実際の装置では上記の電界にさらに図示しない４段の６極子（２次の開口収差補正用として働く）が重畳するようになされている。
【０００４】
このような構成において、図の左側から入射した荷電粒子線は、４段の静電型４極子１,２,３,４と対物レンズＬによって、基準となる荷電粒子線の軌道が作られ、試料面Ｓにフォーカスされる。図１では、荷電粒子線のＸ方向の軌道RxとＹ方向の軌道Ryとを同じ平面上にまとめて模式的に描いている。
【０００５】
基準軌道とは、近軸軌道（収差が無い時の軌道と考えてよい）として、４極子１によってＹ方向の軌道Ryが４極子２の中心を通り、４極子２によってＸ方向の軌道Rxが４極子３の中心を通り、最後に４極子３,４と対物レンズＬによって荷電粒子線が試料面Ｓにフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要となる。このとき、前記４段の２極子は収差補正装置Ｃの軸合わせのために用いられる。
【０００６】
さらに図１について詳細に説明する。図１において、Ｘ方向の軌道Rxの荷電粒子線は４極子１によって拡散（凹レンズと同様な作用）され、次いで４極子２によって集束（凸レンズと同様な作用）されて４極子３の中心を通るようになされ、４極子３の中心を通過した後、４極子４によって集束されて、対物レンズＬに向かう。一方、Ｙ方向の軌道Ryの荷電粒子線は４極子１によって集束されて４極子２の中心を通るようになされ、４極子２の中心を通過した後、４極子３によって集束され、最後に４極子４によって拡散された後、対物レンズＬに向かう。このようにＸ方向の軌道Rxに作用する４極子１の拡散作用と、Ｙ方向の軌道Ryに作用する４極子４の拡散作用とを合成することによって、一個の凹レンズの如くに働かせることができる。
【０００７】
次に、収差補正装置Ｃによる色収差補正について説明する。図１に示したような系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように静電型４極子２の電位φq2[Ｖ]と磁場型４極子５の励磁Ｊ2[ＡＴ]（あるいは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に基準軌道を変えないように静電型４極子３の電位φq3[Ｖ]と磁場型４極子６の励磁Ｊ3[ＡＴ]が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。
【０００８】
次に、球面収差補正（３次の開口収差補正）について説明する。球面収差を補正する場合には、Ｘ，Ｙ方向の色収差補正を行った後に、静電型８極子８の電位φo2[Ｖ]によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、静電型８極子９の電位φo3[Ｖ]によってＹ方向の球面収差を０に補正する。次に、ＸＹが合成された方向の球面型収差を静電型８極子7、10で０に補正する。
【０００９】
上記の説明は、ひとつの段においてあたかも２極子、４極子、８極子等を重ねて構成しているように記述しているが、実際には、１個の１２極子を用いて、１２極の各極子に印加する電位や励磁を変化させ、２極子、４極子、８極子などの合成がおこなわれ、実用化されている。この方法については、例えば非特許文献４に紹介されているが、ここでは静電型の場合の例を図２に示す。図２において、１２個の電極Ｕn（n=1,2,…,12）に対して、独立に電圧を供給できる最終段電源22のＡn（n=1,2,…,12）が接続され、４極子場を作る場合には、理想的な４極子場に近い場が得られるように、４極子電源16からの出力電圧が各Ａnに供給される。最終段電源22のＡnの出力電圧が４極子電源16の出力電圧と比例すると仮定すると、４極子電源16の出力電圧の比は上記の非特許文献４に示された値となる。また、この４極子場に重ねて８極子場を作る場合には、理想的な８極子場に近い場が得られるように、８極子電源18からの出力電圧が前記４極子電源16の出力電圧と加算されて各Ａnに供給される。以下同様の考え方で、１個の１２極子で２ｎ極子（n=1,2,…,8）の多極子場を重ねた場が得られる。磁場型の場合も同様であるが、詳しい説明は省略する。
【非特許文献１】V. H. Rose, Optik 33, Heft 1, 1-24 (1971)
【非特許文献２】J. Zach, Optik 83, No.1, 30-40 (1989)
【非特許文献３】J. Zach and Haider, Nuc1. Instr. and Meth. In Phys. Res.A 363, 316-325 (1995)
【非特許文献４】M. Haider et al., Optik 63, No.1, 9-23 (1982)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
収差補正装置を組み込んだ荷電粒子線光学系は色収差や球面収差の補正が行えるため理論的にも実験的にも優れた性能を得られるが、背景技術の中で述べたように、多段で構成される多極子の複雑な制御を精度良く行う必要がある。
これらの収差補正は、２次電子像などの走査像観察を行いながら、像のボケ量、方向、対称性から、補正を行うのに必要な各極子の制御量を見出して補正を行う。その場合、例えば４極子の各段において、各極子の制御電圧などを変更したとき、各段相互の軸ずれが発生すると、各極子の正確な制御量を判断することができない。収差補正装置Ｃは機械的な中心軸ずれを必ず持っているため、図１に示すように、各段ごとに中心軸ずれを補正するための２極子を構成している。各段の多極子の制御電圧を増減させるとそれに伴って像が移動するので、各段の２極子を用いて走査像が移動しないようにすることで軸ずれ補正を行っている。
【００１１】
しかしながら、収差補正装置Ｃの一段目に重畳されている２極子を用いて調整できるのは、２段目の多極子に対する荷電粒子線の入射方向のみであり、一段目の多極子に入射する荷電粒子線の方向を変えることはできない。そのため従来は、収差補正装置Ｃの前方に配置されている対物レンズ絞りの位置を変えることにより、収差補正装置Ｃの一段目に入射する荷電粒子線の方向を変えて軸ずれ補正を行っている。対物レンズ絞りの位置を変えると、加速電圧を変更したり、照射電流を変えるために集束レンズの励磁を変更するたびに、軸ずれ補正に最適な対物レンズ絞りの位置を再調整しなければならない。対物レンズ絞りの位置が変わると、収差補正装置Ｃの一段目に入射する荷電粒子線の方向も変わるので、結局最終段までの多極子の軸ずれ補正を全てやり直さなければならないことになるので、初心者はもとより熟練者にとっても多大な労力と調整時間を必要としていた。
【００１２】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたもので、収差補正装置の軸ずれ補正に要する労力を軽減し、調整時間を大幅に短縮することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の問題を解決するために、本発明は、
多極子が多段で構成されている構造の収差補正装置を集束レンズと対物レンズの間に配置することにより、色収差、球面収差を補正する荷電粒子線装置であって、前記集束レンズと前記収差補正装置との間に配置された対物レンズ絞りと前記収差補正装置との間に偏向器を備え、前記偏向器の制御電圧を調整することにより、前記収差補正装置の一段目の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を変えて前記収差補正装置に対する軸ずれ補正を行うことを特徴とする。
【００１４】
また本発明は、前記収差補正装置は、ひとつの段の多極子が少なくとも４極子からなる多極子であって、前記多極子に２極子としての制御を行うための制御電圧を重畳でき、前記多極子が少なくとも４段で構成されている収差補正装置であることを特徴とする。
【００１５】
また本発明は、請求項１または２に記載の荷電粒子線装置における軸ずれ補正方法であって、前記収差補正装置の一段目の多極子に重畳されている２極子の制御電圧を調整し、二段目の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を変えて二段目の多極子の軸ずれ補正を行い、以下順次、次段の多極子に入射する荷電粒子線の入射角度を直上段の２極子を使用して変えて、前記収差補正装置を構成する最終段までのすべての多極子の軸ずれ補正を行うことを特徴とする。
【００１６】
また本発明は、荷電粒子線装置の対物レンズ内に配置されている円状目標物に荷電粒子線を走査しながら照射し、前記一段目の多極子の制御電圧を増減させた時、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置が移動しないように、前記偏向器の制御電圧を設定することにより前記一段目の多極子の軸ずれ補正を行い、以下順次、次段の多極子の制御電圧を増減させた時、前記走査像の中心位置が移動しないように直上段の２極子を使用して前記次段の多極子の軸ずれ補正を行い、前記収差補正装置を構成する最終段までのすべての多極子の軸ずれ補正を行うことを特徴とする。
【００１７】
また本発明は、前記ひとつの段の多極子を制御する制御電圧を変化させたとき、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置の移動方向と移動量を検出し、検出された前記移動方向と移動量を小さくするように偏向器または直上段の２極子を制御する制御電圧を調整して、前記移動方向と移動量と前記調整量との関係データ求めておき、前記関係データを使用して前記収差補正装置を構成する多極子の軸ずれ補正を行うことを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記多極子を制御する制御電圧の異なる少なくとも二つの走査像の画像データを取得する手段と、前記少なくとも二つの走査像の画像データから画像処理により、前記円状目標物から発生する信号により形成される走査像の中心位置の移動方向と移動量とを算出する算出手段を備え、前記移動方向と移動量と前記調整量との関係データを使用して、前記算出手段により算出された移動方向と移動量を小さくするように前記偏向器または直上段の２極子を制御する制御電圧を調整することにより、前記収差補正装置を構成する多極子の軸ずれを自動的に補正することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、前記対物レンズ絞りと前記収差補正装置との間に偏向器を備えたので、前記収差補正装置の軸ずれ補正を行う時に対物レンズ絞りの位置を変更する必要が無いため、加速電圧や照射電流を変えても軸ずれ補正をやり直す必要が無くなり、収差補正装置の軸ずれ補正に要する労力を軽減し、調整時間を大幅に短縮することができた。
【００２０】
また本発明によれば、前記移動方向と移動量と前記調整量との関係データを使用して、前記算出手段により算出された移動方向と移動量を小さくするように前記偏向器または直上段の２極子を制御する制御電圧を調整することにより、前記収差補正装置を構成する多極子の軸ずれを自動的に補正するようにしたので、操作者の熟練度にかかわらず、複雑な収差補正装置の軸合わせを簡易に行えるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。図３は、図１で説明したような収差補正装置を組み込んだ、本発明の実施にかかわる走査電子顕微鏡の例を示している。図３において、電子銃31から放射された電子線Ｅは集束レンズ32、対物レンズ36により細く絞られて試料37に照射される。対物レンズ36の上方には走査コイル35が設けられている。走査コイル35は、走査信号発生回路44から供給される２次元あるいは１次元の走査信号に従って、走査コイル駆動回路43により駆動されて電子線Ｅを試料上で走査する。電子線Ｅの照射により試料37の表面から発生し、検出器46で検出された２次電子等の信号は、走査信号と同期して検出器46から増幅器48を経てバスラインＢに送られ、さらにＣＰＵ50に送られる。
【００２２】
ただし本発明において収差補正装置Ｃを構成する多極子の軸ずれ補正を実施する際は、必ずしも試料37がステージ38に装着されている必要はない。試料37から得られる走査像の替わりに、対物レンズ36内の回転対称形状を持つ円状目標物（例えば対物レンズ下部の開口部が有る）から得られる走査像を用いることができる。
【００２３】
集束レンズ32の下には順に対物レンズ絞り33、開き角制御レンズ34が設けられている。図３に示す構成例では、開き角制御レンズ34と収差補正装置Ｃの間に偏向器Ｄが配置されているが、偏向器Ｄは少なくとも対物レンズと収差補正装置Ｃとの間に配置されていれば良い。すなわち、偏向器Ｄと開き角制御レンズ34との位置関係に制限は無く、開き角制御レンズ34を持たない装置であっても良い。偏向器Ｄを配置することにより、収差補正装置Ｃに入射する電子線の入射角度を変えて、収差補正装置Ｃの一段目の多極子に対する軸ずれの補正が可能となる。
【００２４】
なお、電子銃31、集束レンズ32、開き角制御レンズ34対物レンズ36、偏向器Ｄにはそれぞれを駆動する電源39、40、41、45、53が接続され、バスラインＢを介してＣＰＵ50により制御される。収差補正装置Ｃの電源42は、実際には図１に示したように複数の電源から構成されているが、図３では簡単のためにまとめて示している。ＣＰＵ50には、バスラインＢを介してディスプレイ49、キーボード51、マウス52、メモリ54も接続されている。メモリ54には、多極子を制御する制御電圧を変化させることにより走査像の中心位置が移動する方向と移動量と、前記方向と移動量を補正するために偏向器Ｄまたは直上段の２極子を制御する制御電圧調整量との関係を求めたデータが格納される。
【００２５】
次に、本発明の実施手順を図６、図７を参照しながら説明する。図６は本発明を手動で実施する場合を示し、図７は自動で実施する場合を示す。なお、図６、図７において“ｍ”は収差補正装置を構成する多極子の段数を表し、ｎ段目の多極子の直上段は（ｎ-1）段目である。また０段目（ｎ＝０）の２極子とは、収差補正装置の前方に配置された軸ずれ補正のための偏向器Ｄを意味する。
【００２６】
なお、実施手順中の軸合わせにおいて、４極子の制御電圧を増減させて走査像の中心位置移動を観察する時、対物レンズ36内の円状目標物の走査像を使う理由は以下のとおりである。試料37から得られる走査像を使う場合は、当然のことながら試料を必ずステージに載置する必要があるが、対物レンズ36中の円状目標物を使用すればその必要はない。すなわち最終的に観察したい試料に電子線を当てることによる試料損傷や汚染を避けたい場合等である。また、４極子の軸ずれが大きい場合は、低倍率の像のほうが観察しやすい。
【００２７】
始めに図６を参照して、手動で軸合わせを行う手順をステップ毎に説明する。
（Ｓ１）ｎはｎ段目の４極子を意味する。すなわち、先ず一段目の４極子について軸ずれ補正を行う。
（Ｓ２）操作者は、対物レンズ内の円状目標物の走査像が観察できるように、加速電圧、照射電流、倍率、焦点合わせなど必要な設定操作を行う。
（Ｓ３）操作者は、一段目の４極子の制御電圧を増減し、円状目標物の走査像の動きを観察する。円状目標物はそのものは回転対象形状であるが、４極子の制御電圧を増減させると走査像の形状は図４または図５示されるような楕円状に変化する。従って、注目すべき点は形状そのものではなくて中心位置の移動方向と移動量である。
（Ｓ４）操作者は、円状目標物の走査像の動きに従って、ｎ段目の４極子の軸ずれ補正が必要か判断する。一段目の４極子の制御電圧を増減したとき、円状目標物の走査像の中心位置が図４に示すように移動する場合はＳ５に進む。円状目標物の走査像の中心位置が図５に示すように移動しなければＳ６に進む。
（Ｓ５）操作者は、（ｎ−１）段目の２極子の制御電圧を調整し、一段目の４極子の制御電圧を増減しても円状目標物の走査像中心位置が動かなくなるように軸合わせを行う。操作者はこのステップにおける操作により、走査像中心位置の移動方向と移動量と直上段の２極子の制御電圧調整量との関係データを得ることができる。
（Ｓ６、Ｓ７）操作者は、最終段の４極子までの軸ずれ補正が終了すれば収差補正装置Ｃ全体の軸合わせを終了する。終了していなければ次段の４極子の軸合わせを行うためにＳ２へ戻る。
【００２８】
次に、図７を参照して、自動で軸合わせを行う手順をステップ毎に説明する。ここで予め、走査像中心位置の移動方向と移動量と２極子の制御電圧の調整量との関係データがメモリ54に格納されているものとする。
（Ｓ１）ｎはｎ段目の４極子を意味する。すなわち、先ず一段目の４極子について軸ずれ補正を行う。
（Ｓ２）操作者は、対物レンズ内の円状目標物の走査像を撮影できるように、加速電圧、照射電流、倍率、焦点合わせなど必要な設定操作を行う。
（Ｓ３）ＣＰＵ50は、一段目の４極子の制御電圧を変化させる前と変化させた後における円状目標物の二つの走査像を撮影する。
（Ｓ４）ＣＰＵ50は、円状目標物の二つの走査像から画像処理によって、円状目標物の中心位置が移動した方向と移動量を算出する。４極子の制御電圧を変化させることにより、走査像中心位置の移動方向と移動量との関係データをメモリ54から呼び出し、画像処理によって算出した移動方向と移動量とから軸ずれ補正に必要な２極子の制御電圧の調整量を求める。
（Ｓ５）ＣＰＵ50は、Ｓ４で求めたデータに従って、（ｎ−１）段目の２極子の制御電圧を調整し軸合わせを行う。
（Ｓ６、Ｓ７）ＣＰＵ50は、最終段の４極子までの軸ずれ補正が終了すれば収差補正装置Ｃ全体の軸合わせを終了する。終了していなければ次段の４極子の軸合わせを行うためにＳ２へ戻る。
【００２９】
以上図６、図７を参照して、各段の４極子について軸ずれ補正を行う例を示したが、６極子、８極子など４極子以上の多極子についても同じ手順で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】収差補正装置の原理の概略を説明するための図。
【図２】静電型１２極子を１２以下の静電型多極子として用いる方法を示す図。
【図３】本発明を実施する走査電子顕微鏡の構成例を示す図。
【図４】軸が未調整時における円状目標物の走査像の動きを説明する図。
【図５】軸調整完了時における円状目標物の走査像の動きを説明する図。
【図６】本発明の軸ずれ補正を手動で行う場合の動作フローを説明する図。
【図７】本発明の軸ずれ補正を自動で行う場合の動作フローを説明する図。
【符号の説明】
【００３１】
Ｃ：収差補正装置                               35：走査コイル
Ｌ：対物レンズ                 36：対物レンズ
Ｅ：荷電粒子線／電子線              37：試料
Ｓ：試料面                     38：ステージ
Ｂ：バス                       39：電子銃電源
Ｄ：偏向器                          40：集束レンズ電源
１，２，３，４：静電型４極子        41：開き角制御レンズ電源
５,６：磁場型４極子           42:収差補正装置電源
７、８、９、10：静電型８極子        43：走査コイル駆動回路
11、12、13、14：静電型２極子        44：走査信号発生回路
15：静電型２極子電源         45：対物レンズ電源
16：静電型４極子電源                46：検出器
17：磁場型４極子電源         47：増幅器
18：静電型８極子電源         48：ステージ駆動回路
19：対物レンズ電源           49：ディスプレイ
20：制御部                   50：ＣＰＵ
21：操作表示部               51：キーボード
22：最終段電源               52：マウス
31：電子銃                   53：偏向器電源
32：集束レンズ               54：メモリ
33：対物レンズ絞り
34：開き角制御レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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