(57)【要約】【課題】本発明は、焦点深度の深い観察条件においても、高精度なフォーカス調整を実現する。【解決手段】一次電子線の不要な領域を除去する絞り板に複数の穴径の絞り穴を配置し、絞り穴を変更することで絞り穴を通過する一次電子線の開き角を制御し、集束レンズ、対物レンズのレンズ条件を変化させずに、高分解能と焦点深度の浅い条件に設定することで、フォーカスの合わせ精度を向上させる。【選択図】図４
2011014299.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子源と、
前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を複数の集束レンズ群によって集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、
前記荷電粒子線の不要な領域を除去するための穴を有する絞り板を用いて、前記荷電粒子光学系のレンズ条件を変えずに、前記荷電粒子線の開き角を変更する開き角変更手段と、
前記開き角変更手段を用いて前記荷電粒子線の開き角を変えることにより、対物レンズに最も近い集束レンズの焦点位置を同一位置に保持したまま前記荷電粒子線の分解能と焦点深度を制御し、前記荷電粒子線のフォーカス調整を実行するフォーカス制御部と、
前記荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次信号粒子を検出する検出器と、を備え、
前記検出器の出力された前記二次信号粒子を用いて試料像を形成することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項２】
請求項１において、
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より深い状態に制御し、粗めのフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項３】
請求項２において、
前記フォーカス制御部は、前記粗めのフォーカス調整の後、前記開き角変更手段を再度用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項４】
請求項１において、
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項５】
請求項１において、
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて予備帯電時の開き角に制御し、観察時よりも大電流条件で前記試料の予備帯電を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項６】
請求項１において、
前記開き角変更手段は、複数種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をＸＹステージ上で移動させるための絞り板可動ユニットと、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御して前記絞り板を前記ＸＹステージのＸＹ平面上の予め登録された座標に移動させ、前記複数種類のサイズの絞り穴から１つを選択することで開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項７】
請求項１において、
前記開き角変更手段は、１種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をＺ軸に沿って昇降させるための絞り板可動ユニットと、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御して前記絞り板をＺ軸上で昇降させることで前記開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項８】
請求項７において、
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御し、前記絞り板から出射される荷電粒子線の電流値を予め登録した値に調整することにより、所定の開き角に調整することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【請求項９】
請求項１において、
前記開き角変更手段は、複数種類のサイズの絞り穴を有する固定の絞り板と、当該絞り板の前段及び後段に配置した偏向器と、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記偏向器を制御して前記複数種類のサイズの絞り穴の何れかに前記荷電粒子線を通過させることで前記開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絞り穴を通過する一次電子線の開き角を絞り穴径によって制御し、フォーカス精度の向上を実現することを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｏｐｅ：以下、「ＳＥＭ」という）は、電界放出形の電子源から放出された一次電子線を加速し、静電または磁界レンズを用いて試料上に集束したスポットビームを、試料上で二次元状に走査し、試料から二次的に発生する二次電子または反射電子等の二次信号を検出し、検出信号強度を一次電子線の走査と同期して走査されるモニターの輝度変調入力とすることで二次元の走査像（ＳＥＭ像）を得ている。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化が進んだことから、走査電子顕微鏡が光学顕微鏡に代わって、半導体デバイスの検査（例えば電子ビームによる寸法測定や電気的動作の検査）に使われるようになった。特に、パターンの寸法測定のために使用されるＣＤ−ＳＥＭはデバイスの寸法管理として使われ、半導体製造プロセスの管理の目的で高精度に安定した倍率精度、測長性能が求められる。また、デバイスの微細化が進んだことで、それを検査、測定する装置に対しても高分解能化が求められているが、同時に３次元的なデバイス構造や高アスペクトのコンタクトホールなどに対しては高焦点深度のＳＥＭ条件においても高精度で安定した倍率精度、測長性能が求められている。
【０００４】
例えば、特許文献１は、高焦点深度の分解能の最適化手法について開示し、特許文献２は、高焦点深度のＳＥＭ条件におけるプローブ電流制御について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９４３０１号公報
【特許文献２】特開平５−６２６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１は、走査電子顕微鏡において試料にフォーカスする一次電子線のビーム開き角に対する分解能と焦点深度の関係を示す図である。分解能Ｒは、陰極から出るビームの光源径ｒｓｓが複数段の集束レンズ(各レンズの光学倍率：Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３)で試料面上に縮小される光源サイズＲｓｓと、球面収差Ｒｓと、色収差Ｒｃと、回折収差Ｒｄとの合成で決定される。つまり、分解能Ｒは、理論的に以下の式によって表される。
【０００７】
【数１】
2011014299.tif 000003
【０００８】
一方、開き角と焦点深度は、図１に示すように、試料に入射する開き角を大きくすれば焦点深度が浅くなり、開き角を小さくすれば焦点深度は深くなるという関係にある。このような特性の電子光学系においては、最高分解能となる最適開き角は図１の開き角αi１で示す角度となる。開き角がαi１より大きくなると収差等の影響により、分解能が低下してしまう。
【０００９】
また、図１に示すように、試料に入射する一次電子線の開き角をαi2に設定することで分解能は劣化するが、焦点深度の深いレンズ条件にすることができる。試料に一次電子線をフォーカスさせる場合、対物レンズによって一次電子線の焦点位置を変化させて、像が最もシャープになる焦点位置が試料に一次電子線がフォーカスした位置であるとする。これは分解能と焦点深度に依存したばらつきを持ち、分解能が良いほどまた焦点深度が浅いほど、フォーカスの合わせ精度は良い。従って、図１の開き角αi１と開き角αi2のレンズ条件を比べた場合、開き角αi２ではフォーカスの合わせ精度の劣化が起きる。
【００１０】
図２は、走査電子顕微鏡の観察倍率について模式的に表したものである。観察倍率は一次電子線４が偏向コイル９によって試料１０の試料面上を走査される領域（図中Ｌｓ１、Ｌｓ２、Ｌｓ３）と、像表示装置４２で表示される画面（図中Ｌｄ１、Ｌｄ２）の比率で決定される。図２（ａ）では、対物レンズ７の物点をクロスオーバ点２２になるように一次電子線４が制御されているレンズ条件４０１の場合に、偏向コイル９を使って一次電子線４が走査された時のビーム軌道を模式的に表している。偏向コイル９の走査領域Ｌｓ１は予め既知の寸法のパターンを使って、観察倍率に合わせて校正される。この校正時の光学倍率は対物レンズ７によって一次電子線４が試料１０にフォーカスした時の高さｂ３を使って、Ｍ１＝ｂ３/ａ３で表される。
【００１１】
ところが、図２（ｂ）に示すように高さの異なる試料１０や試料ステージの高さ精度の問題で、高さｂ３が高さｂ３’に変化した場合、試料１０における一次電子線４の走査領域は走査領域Ｌｓ１から走査領域Ｌｓ２に変化し、観察倍率が変わる。そこで、一次電子線４が試料１０にフォーカスするレンズ条件４０２の対物レンズ７の制御値から求められる光学倍率Ｍ２＝ｂ３’/ａ３の変動をフィードバックすることで、観察倍率が一定となるように偏向コイル９の走査領域を走査領域Ｌｓ１と同じ走査領域に設定するように制御する。シミュレーションなどを用いて試料１０の高さに対するフォーカス制御値を計算し、制御テーブルとして予めＣＰＵあるいは記憶装置に持つことで、光学倍率変化が生じた時の走査コイル９の走査領域を速やかに制御することができる。
【００１２】
一方、対物レンズの物点がクロスオーバ点２３に制御されたレンズ条件４０３においても、上記と同様に光学倍率Ｍ３＝ｂ３/ａ３’の変化から、走査領域が一定となるように制御することが可能である。このように制御されているＳＥＭの観察倍率は、光学倍率を決定する対物レンズのフォーカスの合わせ精度に大きく依存する。
【００１３】
従って、倍率制御を高精度に行うためには対物レンズ７によるフォーカスの合わせ精度を高精度に制御することが重要である。ところが、特に寸法測定の高精度化と安定性が求められるＣＤ−ＳＥＭなどにおいては、このフォーカスの合わせ精度の劣化が光学倍率のばらつきを発生させ、結果的にデバイスの寸法測定値の変動につながることになる。
【００１４】
また、特許文献１及び２には、集束レンズ郡の制御により光学系の開き角を変化させて分解能と焦点深度を変える手段、あるいはプローブ電流を一定にする制御について述べられているが、焦点深度の深い光学系におけるフォーカスの合わせ精度の劣化については考慮されていない。
【００１５】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、焦点深度の深いレンズ条件においても高精度なフォーカス制御を可能にする技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明では、一次電子線の不要な領域を除去する絞り板に複数の穴径の絞り穴を配置し、絞り穴を変更することで絞り穴を通過する一次電子線の開き角を制御し、集束レンズ、対物レンズのレンズ条件を変化させずに、高分解能と焦点深度の浅い条件に設定することで、フォーカスの合わせ精度を向上させ、高精度なフォーカス調整ができることを特徴としている。フォーカスが調整できたら、元のサイズの絞り穴（観察用絞り穴）に戻して観察する。
【００１７】
また、本発明では、絞り穴径の変更によって、観察時よりも焦点深度の深い条件に設定することで、粗フォーカス調整を実行する。そして、粗めのフォーカス調整の後、焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行するようにしている。
【００１８】
さらに、絞り穴径の面積比で増大するプローブ電流を用いて、絞り穴の変更によって試料の予備帯電できるようにしている。
【００１９】
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、焦点深度の深いレンズ条件あっても高精度にフォーカス調整ができ、倍率の高精度化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】開き角に対する分解能と焦点深度の関係を示す図である。
【図２】走査電子顕微鏡における観察倍率の説明図である。
【図３】比較例による走査電子顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図４】本発明の実施形態による走査電子顕微鏡の概略構成を示す図である。
【図５】絞り穴径の変更による開き角制御における性能特性を示す図である。
【図６】絞り穴径の変更による開き角制御実施時のオートフォーカス特性を示す図である。
【図７】本実施形態によるオートフォーカス制御を説明するためのフローチャートである。
【図８】ＸＹステージを有する絞り可動ユニットを用いた絞り穴径の変更方法を示す図である。
【図９】Ｚステージを有する絞り可動ユニットを用いた開き角の変更方法を示す図である。
【図１０】偏向器を用いた絞り穴径の変更方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。
【００２３】
＜比較例としての走査電子顕微鏡の構成＞
本実施形態の走査電子顕微鏡の構成について説明する前に、本発明理解の補助のため、まず比較例として従来の走査電子顕微鏡の構成例について説明する。
【００２４】
図３は、従来の走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。陰極１と第一陽極２の間には、制御演算装置４０(制御プロセッサ)で制御される高電圧制御電源３０により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には制御演算装置４０で制御される高電圧制御電源３０により加速電圧が印加されるため、陰極１から放出された一次電子線４は加速されて後段レンズ系に進行する。
【００２５】
一次電子線４は、集束レンズ制御電源３１で制御された集束レンズ５で集束され、固定の絞り板５０で一次電子線４の不要な領域が除去された後に、集束レンズ制御電源３２で制御された集束レンズ６および対物レンズ制御電源３６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集束される。集束レンズ６は対物レンズ７の物点を任意の位置に制御することができ、対物レンズ７の入射開き角の制御が可能である。
【００２６】
試料１０には試料台１１を介して試料印加電源３７により負の電圧を印加して一次電子線４を減速させるリターディング方式も可能である。また、対物レンズ７に直接あるいは近傍に収差低減のための加速電極を配置したブースティング方式も可能である。
【００２７】
一次電子線４は、走査コイル制御電源３３によって制御される走査コイル９で試料１０を二次元的に走査される。一次電子線４の照射で試料１０から発生した二次電子、反射電子等の二次信号１２は、対物レンズ７による引上げ磁界あるいは引上げ電界の作用により対物レンズ７の上部に進行し、二次信号分離用直交電磁界発生器（ＥＸＢ）１６が形成する偏向電界によって信号検出器１７側に偏向される。信号検出器１７で検出された信号は、信号増幅器１８で増幅された後、画像メモリ４１に転送されて像表示装置４２にＳＥＭ像として表示される。
【００２８】
また、図３において、集束レンズ６の焦点位置をクロスオーバ点２２に制御することにより、試料１０に入射する一次電子線４の開き角が最適開き角αi1に制御されているとする（図３の実線）。この電子光学系において、焦点深度の深いレンズ条件に設定する場合は、試料１０に入射する一次電子線４でビーム開き角が小さくなるように、図１の開き角αi2で示す角度に設定すれば良い。これは、図３において集束レンズ６の焦点位置がクロスオーバ点２３になるように制御することにより実現される（図３の点線）。
【００２９】
しかしながら、従来（図３）のようにクロスオーバ点を変更することにより開き角を調整すると、集束レンズ６の条件（磁場等）を変更することになり、コイルのヒステリシスの影響を受けてしまう。これでは、高精度なフォーカス調整及び高精度な倍率調整を実現するのは困難である。
【００３０】
そこで、本実施形態では以下のような構成を採用している。
【００３１】
＜本発明の走査電子顕微鏡の構成＞
図４は、本発明の実施形態による走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。本発明の実施形態による走査電子顕微鏡では、一次電子線４の開き角を絞り板８の絞り穴によって制御し、フォーカス精度を向上する手段を採用している点が特徴となっている。絞り板８は複数の穴径の異なる絞り穴を有し、絞り可動ユニット３８によって任意の絞り穴に変更できるようになっている。
【００３２】
まず、図３で示した絞り穴径において焦点深度が深くなるように集束レンズ６の焦点位置がクロスオーバ点２３に制御されているとする。この時、ビーム軌道は実線２４で示す軌道を通り、試料１０での一次電子線４の開き角がαi2に制御されている（図４の実線）。この状態から、フォーカス調整時に絞り可動ユニット３８で絞り板８を移動し、穴径の大きい絞りに変更する。ビーム軌道は点線２５となり、集束レンズ６のクロスオーバ点２３を変えることなく、試料１０におけるビーム開き角をαi1にすることができる（図４の点線）。
【００３３】
従って、図１に示すように高分解能で焦点深度の浅い条件でのフォーカス調整が可能になる。穴径の異なる絞りに変更する場合、予め軸調整しておいた位置（絞り８の座標）を記憶装置４３に登録しておき、絞り可動ユニット３８に登録座標に移動するように制御信号を送り移動させることで、速やかな絞り穴の変更が実現できる。
【００３４】
＜開き角制御によって得られる各特性＞
図５は、開き角制御を実施した場合のプローブ電流特性、分解能特性、焦点深度特性、及びフォーカス特性の詳細を示す図である。図５（ａ）は、絞り穴径によって開き角を制御した場合（本発明）の特性を示している。図５（ｂ）は集束レンズ６によってクロスオーバを変化させて開き角を制御した場合（比較例）の特性を示している。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、絞り穴径の変更によって試料１０における一次電子線４の開き角がαi2からαi1に変わった場合、分解能は良好な状態で焦点深度も浅い状態となる。理想的には光学倍率は変化しないためフォーカス制御値は一定となる。ただし、フォーカス精度は分解能と焦点深度に依存するためレンズ条件に応じた誤差を持つが、開き角αi2で制御した場合のフォーカス制御値の誤差△ｆ２に対し、開き角αi１で制御した場合のフォーカス制御値の誤差は△ｆ１と小さくすることができ、フォーカス精度が向上する。つまり、焦点深度が浅くなる分、焦点のばらつきが抑えられるからである（図６参照）。なお、フォーカス精度を最良にするためには一次電子線４の開き角を最適開き角αi１になるような絞り穴径を選択することが望ましいが、最適開き角の条件に限らず、開き角αi2よりも開き角が大きくなる絞り穴径であれば、本実施形態は適用可能である。また、絞り穴径があまりに大きすぎると、色収差、球面収差の増大により分解能の劣化が激しくなりフォーカス精度が下がる。このため、フォーカスの合わせ精度が向上する範囲での絞り穴径の設定が必要である。
【００３６】
本実施形態では、絞り穴径を大きくするとプローブ電流は絞り穴の面積比で増大し、プローブ電流が大きくなる。これにより走査電子顕微鏡の画像Ｓ／Ｎが向上することが期待できる。従って、絞り穴径を大きくし、画像Ｓ／Ｎの高い状態でフォーカス調整を実施することが可能になる。当然、プローブ電流の増加させる方法としては陰極１から引き出す第一陽極２の電圧値を高く設定することでも可能であるが、陰極１の特性として引出電界が強くなるとエネルギー幅△Ｅの増大に繋がり、色収差の増加による分解能劣化が懸念される。また、集束レンズ５のクロスオーバを絞り板８に近づけてプローブ電流を増加することも可能であるが、集束レンズ５の光学倍率を大きくする傾向となるため、光源径の縮小率への影響や各レンズの収差の増大に繋がり、分解能劣化が懸念される。本発明では、電流増加に伴うレンズ収差の影響は無視できるため、最良な分解能でのフォーカス調整が実現できる。
【００３７】
一方、図５（ｂ）に示される比較例では、開き角を変更するとフォーカス制御値も変化してしまう。つまり、開き角αi2のときにフォーカス調整して得られたフォーカス制御値を、開き角αi１のときのフォーカス制御値に用いることができない。従って、比較例では、分解能の良否がフォーカス調整に直接影響してしまう。
【００３８】
本発明では、上述のように、開き角が大きい場合に得られたフォーカス制御値が開き角の小さい場合のフォーカス制御値に適用することができるので、分解能が良い状態でフォーカス調整が可能となる。よって、高精度なフォーカス調整を実現することができる。
【００３９】
＜オートフォーカス機能における精度向上＞
図６は、本発明を適用した自動焦点調整、いわゆるオートフォーカス機能の精度向上について説明するための図である。
【００４０】
オートフォーカス機能は、対物レンズ制御電源３６によって対物レンズ７を制御し、所定の制御値の範囲で一次電子線４の焦点位置をずらしながらＳＥＭ像を取得し、各焦点位置のＳＥＭ像において画像処理によって像シャープネス６０２を抽出した後、近似関数６０３を求め、近似関数６０３の最大値を焦点位置６０１であるとする機能である。各焦点位置における像シャープネス６０２を取得する場合、画像Ｓ／Ｎが低いと像シャープネス６０２がばらつくことで近似関数から求める焦点位置と実際の焦点位置にずれが生じてしまう（図６（ａ）参照）。一方、画像Ｓ／Ｎが高い状態では像シャープネス６０２のばらつきを少なくすることができ、評価関数６０３が高精度に求まる（図６（ｂ）参照）。
【００４１】
従って、高Ｓ／Ｎ画像取得によってオートフォーカスの画像取得時間の短縮ができるため、オートフォーカス処理の高速化が可能になる。また、分解能と焦点深度から決定されるフォーカスの合わせ精度を△ｆ２から△ｆ１のよう向上させることができ、最適なフォーカス位置が容易に見つかるため、スムーズで高精度な焦点調整が実現できる。
【００４２】
本実施形態では、通常使用する穴径よりも小さい穴に設定することで、焦点深度の深い状態を設定し、オートフォーカスの粗調整の制御も可能である。例えば、最適開き角αi1で焦点深度の浅い状態でのレンズ条件において、試料１０の高さが大きく異なってしまった場合、所定の制御値の範囲内に焦点位置がないと、焦点位置の推定ができなくなる。もしくは再度フォーカス制御値を所定のオフセット量でずらし、オートフォーカスのリトライを実施する必要があり、倍以上の時間が必要となる。この時、絞り穴径を変更して、開き角を小さくし焦点深度を深く設定することで、焦点位置の探索を容易にすることが可能である。この場合分解能の劣化が生じるが、オートフォーカス機能に影響を与えない程度の劣化であれば問題ない。
【００４３】
また、プローブ電流は絞り穴の面積比で減少するが、粗調整としての合わせであることから、画像処理ができるような画像Ｓ／Ｎレベルであれば問題ない。
【００４４】
さらに、高精度なフォーカス精度は求めていないため、色収差の影響が無視できる程度で、陰極１から引き出す第一陽極２の電圧値を高く設定することでプローブ電流を増加しても良い。この場合、オートフォーカス機能に影響を与えない画像Ｓ／Ｎになるように、絞り穴径と第一陽極２の電圧値を記憶装置４３に予め登録しておき、絞り穴径を変更する命令の実行時に、高電圧制御電源３０により登録された電圧値を設定しプローブ電流を増加するように制御することで実現できる。
【００４５】
また、本実施形態の方法を予備帯電のためのプローブ電流制御に用いれば、レンズ条件を変更することなく絞り穴径を変更させることにより電流増加が実現できる。例えば、高アスペクトのコンタンクトホールのようなパターンにおいて、コンタクトホール穴底の形状観察、寸法測定が求められているが、通常の低プローブのＳＥＭ像においては試料穴底で発生した二次信号１２は穴底から脱出できず信号として検出できない。このため、ＳＥＭ像取得の前処理として１次電子線４を試料に照射させて試料表面あるいはコンタクトホールの側壁を帯電させ、二次信号１２を引上げるようにする。この時通常のＳＥＭ使用条件のプローブ電流よりも大電流で照射させるため、本実施例を適用すれば、レンズ条件を変えることなく、プローブ電流を増加させることができるため、磁場レンズのヒステリシス等による光学倍率の再現性を懸念しなくて良い。
【００４６】
＜フォーカス制御処理の内容＞
図７は、上述した原理に基づくフォーカス制御処理（例）の詳細を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートによる制御プログラムは例えば記憶装置４３に記憶されており、制御演算装置４０と協働することによって各ステップの処理が実行される。なお、ここで、絞り板８には複数の穴（Φ１、Φ２、Φ３、Φ４）が設けられており、通常ＳＥＭ像取得時に使用する絞り穴はΦ１で調整されているとする。それぞれの絞り穴径は、Φ２が予備帯電用の大きな絞り穴径、Φ３が粗フォーカス用のΦ１よりも小さな穴径、Φ４は精オートフォーカス用としてΦ１よりも大きな穴径となっている。Φ２は予備帯電の電流条件に合わせて、またΦ３、Φ４は必要なフォーカス合わせ精度に必要な分解能と焦点深度の条件に合わせて最適化されているものとする。また、それぞれの絞り穴は予め軸調整されており、軸調整された位置が座標として記憶装置３４に登録され、絞り穴変更時には絞り可動ユニット３８に制御命令を送り速やかに位置が再現できるようになっている。
【００４７】
まず、制御演算装置４０は、観察点にビームの照射位置を移動させた後（Ｓ００１）、電流を増加させて予備帯電を実施する場合（例えば、レシピによって予備帯電をするか否か判断（Ｓ００２））には、絞り穴Φ２に絞り可動ユニット３８によって絞り穴を変更し、大電流条件とする（Ｓ００３）。この時、必要とされる帯電量に応じて照射時間の設定が可能で、オペレータが待ち時間として任意に設定できる（Ｓ００４）。
【００４８】
予備帯電処理が終了後、粗フォーカス調整が必要な場合には、制御演算装置４０は、絞り可動ユニット３８に制御信号を送り、絞り穴Φ３に変更する（Ｓ００６）。絞り穴Φ３はΦ１よりも開き角の小さい条件に設定されており、焦点深度の深い観察条件でオートフォーカスが実行される（Ｓ００７）。
【００４９】
次に、制御演算装置４０は、絞り穴Φ４に変更し（Ｓ００８）、精オートフォーカスを実行する（Ｓ００９）。この時、粗フォーカス時のフォーカス精度（ばらつき）の範囲内に一次電子線４が試料１０に真にフォーカスする焦点位置があるので、精オートフォーカス時の焦点ずらし量は精オートフォーカスのばらつき範囲程度で良い。
【００５０】
そして、精オートフォーカスが終了後、制御演算装置４０は、通常使用する絞り穴Φ１に戻し（Ｓ０１０）、ＳＥＭ像の取得、あるいはＳＥＭ像を使って寸法測定等の処理を実行する（Ｓ０１１）。
【００５１】
＜絞り穴を変更するための手段＞
図８は、本実施形態で使用可能な絞り板８および絞り可動ユニット３８の概略構成を示す図である。絞り板８はＸＹステージの可動機構に取付けられており、一次電子線４の通過位置に平面上に移動することができるようになっている。絞りの穴径を変更させる場合、ＸＹステージを予め軸調整された座標の情報を記憶装置４３から読み出し、制御演算装置４０で制御信号を可動ユニット３８に送り、ＸＹステージの位置を制御することで実施できる。なお、絞り板８は穴径の異なるものが構成されているものであればどのような形状でもよく、例えば図８に示すような四角形状の絞りでも、円形、台形、長方形、三角形等の絞り形状で、絞り穴径の異なるものを配置しても良い。穴径については使用するレンズ条件に応じて開き角制御とプローブ電流増加量を考慮して、複数の穴径を準備しておくことが望ましいが、特に規定するものではない。
【００５２】
また、図９は、絞り板８を昇降機構で移動制御し、開き角を変化させる構成を示す図である。この構成の場合、絞りの穴径を変更せずに、任意に開き角を制御することができる。例えば、図９に示すように集束レンズ６の物点２６からＬ２の位置で絞り板８の絞り穴によって焦点レンズ６の入射開き角がαｃ２に調整されているとする。開き角をαＣ１に変更するために絞り可動ユニット３８で絞り位置をＬ１の位置に移動させる。絞りの穴径を５０［μｍ］、Ｌ２を５０［ｍｍ］とすると、αｃ２は０．５［ｍｒａｄ］であるから、開き角を２倍変えたい場合にはＬ２を２５［ｍｍ］に設定するように絞り可動ユニット３８動かせば良い。レンズやコイル等の構造物によって物理的に昇降できる範囲が決まるので、更に大きく開き角を変更したい場合には図８の構成と合わせてＸＹＺ軸で制御する絞り可動ユニットを搭載することで実現できる。
【００５３】
また、図９に構成するＺ軸の絞り可動ユニットを用いることで、絞り穴径のばらつきに応じた開き角の調整が実現できる。絞り穴の穴径はエッチングによって加工されるものが一般的であるが、安価な絞りの場合には製造上のばらつきが大きく、５〜１０％程度の穴径のばらつきが発生する。また、電子線を照射することによって絞りにはコンタミネーションがつき、これがチャージアップすることで分解能等の性能劣化を引き起こすため、絞り板８は定期的に交換されることが一般的である。絞りの穴径がばらつくと、図１に示すように絞り穴径のばらつきによって試料１０における一次電子線４の開き角が変化し、分解能や焦点深度に影響する。精度の良い絞り穴を製造できたとしても穴径のばらつきは存在することから、絞り穴径のばらつきに応じた開き角の調整が必要となる。所定の開き角で一次電子線が絞り穴から出射されているかは、出射された電子線のプローブ電流値を計測し、その電流値が予め記憶装置４３に登録された電流値（複数の開き角に対応した電流値が登録されている）となっているかをチェックし、所定の電流値になるように絞り板８の高さを調整することにより制御可能である。また、複数台の装置が存在する場合、この絞り穴径のばらつきによって分解能等の光学性能のばらつきが生じてしまう。このような場合に、図９による構成を適用することで、開き角が一定の角度になるように絞り位置の高さを調整し、絞り板８による光学性能のばらつきを抑えることができるようになる。
【００５４】
図１０は、絞りの移動を行わずに、一次電子線４を偏向して穴径の異なる絞り穴を通過させて開き角を制御する構成を示す図である。絞り板８は複数の穴径の異なる絞りを有し、絞り板８の前後には、偏向器制御電源３４によって制御される４段の偏向器１９が配置されている。通常使う状態では光軸上に配置した絞り穴を通過するように一次電子線４が調整されているが、フォーカス調整時に絞り板８の面内にある穴径の異なる絞り穴を通過させるようにする。この電子線制御は電気的に実現可能であるので、図１０による構成は高速化を図る場合に望ましい。
【００５５】
一次電子線４を偏向器によって偏向するために偏向収差が発生するが、図１０に示すように、前段の偏向器と後段の偏向器で偏向する偏向角を、例えばθ１＝θ４＝θ２＝θ３にするような構成すれば、収差の影響は無視することができる。また、少なからず収差が発生したとしても、集束レンズ６の上段に絞り板８を配置する構成であれば、対物レンズ８の縮小によって収差の影響は軽減できる。このような構成であれば、機械的な移動もなく、電気的に高速に処理が実施できるので、オートフォーカスの高精度化と高速化が実現できる。
【００５６】
＜まとめ＞
本実施形態では、荷電粒子線の不要な領域を除去するための穴を有する絞り板を用いて、荷電粒子光学系のレンズ条件を変えずに、荷電粒子線の開き角を変更する。そして、制御演算装置は、荷電粒子線の開き角を変えることにより、対物レンズに最も近い集束レンズの焦点位置を同一位置に保持したまま荷電粒子線の分解能と焦点深度を制御し、荷電粒子線のフォーカス調整を実行している。これにより、荷電粒子光学系のレンズ条件を変更せずに、高精度なフォーカス調整を実現することができるようになる。
【００５７】
本実施形態では、制御演算装置が、焦点深度が観察時の焦点深度より深い状態に制御し、粗めのフォーカス調整を実行することが選択可能となっている。また、制御演算装置が、粗めのフォーカス調整の後、或いは、粗めのフォーカス制御をせずに、焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行する。これにより、その時々の状況に合わせて高精度なフォーカス調整を実現することができる。
【００５８】
また、制御演算装置は、予備帯電時の開き角に制御し、観察時よりも大電流条件で試料の予備帯電を実行するが選択可能になっている。これにより、試料の種類に応じて予備帯電を実行した状態で、高精度なフォーカス調整を実現することができる。
【００５９】
荷電粒子線の開き角は、絞り穴のサイズを変更することにより制御することができる。例えば、複数種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をＸＹステージ上で移動させるための絞り板可動ユニットと、を設ける。このとき、制御演算装置は、絞り板可動ユニットを制御し、絞り板をＸＹステージのＸＹ平面上の予め登録された座標に移動させ、前記複数種類のサイズの絞り穴から１つを選択することで開き角を変更する。絞り穴のサイズ変更の別の態様として、複数種類のサイズの絞り穴を有する固定の絞り板と、当該絞り板の前段及び後段に配置した偏向器と、を設ける。このとき、制御演算装置は、偏向器を制御して複数種類のサイズの絞り穴の何れかに荷電粒子線を通過させることで開き角を変更する。
【００６０】
また、荷電粒子線の開き角は、１つの絞り穴を有する絞り板を上下させることにより変更することも可能である。この場合、制御演算装置は、絞り板可動ユニットを制御し、絞り板から出射される荷電粒子線の電流値を予め登録した値に調整することにより、所定の開き角に調整する。電流値が所定の値になることによって開き角を制御するので、複数の走査電子顕微鏡における絞り穴のばらつきがある場合、適正に開き角を調整することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子線、５…集束レンズ、６…集束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…試料台、１２…二次信号、１６…二次信号分離用直交電磁界発生器(ＥＸＢ)、１７…信号検出器、１８…信号増幅器、１９…偏向器、２２…クロスオーバ点、２３…クロスオーバ点、２４…ビーム軌道、２５…ビーム軌道、２６…クロスオーバ点、３０…高電圧制御電源、３１…集束レンズ制御電源、３２…集束レンズ制御電源、３３…走査コイル制御電源、３４…偏向器制御電源、３６…対物レンズ制御電源、３７…試料印加電源、４０…制御演算装置、４１…画像メモリ、４２…像表示装置、４３…記憶装置、５０…固定の絞り板（単一径）
【図１】
2011014299.tif 000004
【図２】
2011014299.tif 000005
【図３】
2011014299.tif 000006
【図４】
2011014299.tif 000007
【図５】
2011014299.tif 000008
【図６】
2011014299.tif 000009
【図７】
2011014299.tif 000010
【図８】
2011014299.tif 000011
【図９】
2011014299.tif 000012
【図１０】
2011014299.tif 000013