(57)【要約】【課題】非点が補正されていない像でも、最小錯乱円位置となる対物レンズ励磁量を求めることが可能な、精度の高い自動焦点補正および自動非点補正を行うことが可能な荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法および自動非点補正方法を実現する。【解決手段】元画像５１に対して、Ｘ方向に平行なフィルタによるＸ側エッジ成分抽出処理５２と、画面のＹ方向に平行なフィルタによるＹ側エッジ成分抽出処理５３との２つの処理を別々に行ない、それぞれにノイズ低減フィルタ適用や、数値規格化などの処理を行なうことにより、Ｘ方向、Ｙ方向のエッジ成分を表す２次元数値行列５４と５５とを独立に求め、この２種の行列のそれぞれの総和を元画像Ｉ１におけるＸ側とＹ側それぞれの焦点評価量５６，５７とする。【選択図】      図５
2005063678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次荷電粒子ビームを試料上に集束すると共に、試料上の所定領域でビームを２次元的に走査し、試料上の走査によって得られた信号を検出し、ビームの走査に同期して検出信号に基づき試料像を表示するようにした走査型荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビームを試料上に収束させるためのレンズの強度をステップ状に変化させることにより、試料上のビームのフォーカスの状態をステップ状に変化させ、各フォーカスのステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して焦点評価量を求め、レンズ強度と焦点評価量の関係から合焦点位置を求め、ビームを収束するレンズの強度をこの合焦点位置に対応したレンズ強度に設定するようにした自動焦点補正方法であって、前記画像データを画像処理して焦点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、各フォーカスのステップごとに求められた焦点評価量に基づいて、第１と第２の方向の合焦点位置であるレンズ強度をそれぞれ求め、その中点を合焦点位置としてビームを収束するレンズの強度を設定するようにした荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項２】
１枚の画像における任意の第１と第２の方向ごとに、１次元のエッジ抽出フィルタを用いてエッジ成分抽出処理を行ない、第１の方向におけるエッジ成分を表す２次元数値行列と、第２の方向におけるエッジ成分を表す２次元数値行列とを求め、更にそれぞれの行列の総和ないしは平均値を求め、この総和ないしは平均値をそれぞれの方向の焦点評価量とした請求項１記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項３】
観察試料の表面形状により、第１と第２の方向のいずれか一方の方向において、合焦点位置が得られない場合には、他方の方向において得られた合焦点位置に基づいて、ビームを収束するレンズの強度を設定するようにした請求項１〜２の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項４】
観察試料の表面形状により、第１と第２の方向のいずれか一方の方向において、合焦点位置が得られない場合には、動作エラーのメッセージを表示装置等に表示、あるいは、警報を発生させるようにした請求項１〜２の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項５】
対物レンズの強度を変化させ、観察試料上に収束する荷電粒子ビームのフォーカス状態をステップ状に変化させるようにした請求項１〜４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項６】
対物レンズに接近して配置された補助フォーカスレンズの強度を変化させ、観察試料上に収束する荷電粒子ビームのフォーカス状態をステップ状に変化させるようにした請求項１〜４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項７】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させて画像データを取得し、この画像データに基づいて第１と第２の方向における合焦点位置を求めるようにした請求項１〜６の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項８】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させ、その後ビームの２次元走査方向に対して試料を相対的に回転させ、回転の前後においてそれぞれ画像データを取得し、取得された２種の画像データに基づいて焦点評価量を求めるようにした請求項１〜６の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項９】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させるため、試料が載せられたステージを回転させるようにした請求項７〜８の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項１０】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させるため、試料に照射されるビームの走査方向を回転させるようにした請求項７〜８の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項１１】
荷電粒子ビーム光学系の非点を検出することが不可能な観察試料の場合に、自動焦点補正を中断するか否かを選択できるようにした請求項１〜１０の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項１２】
前記画像データを画像処理して焦点評価量を求める際、画像を多数の領域に分割し、分割された領域ごとに焦点評価量を求め、焦点評価量が低い領域を画像の焦点評価量を求める際に除外するようにした請求項１〜１１の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法。
【請求項１３】
一次荷電粒子ビームを試料上に集束すると共に、試料上の所定領域でビームを２次元的に走査し、試料上の走査によって得られた信号を検出し、ビームの走査に同期して検出信号に基づき試料像を表示するようにした走査型荷電粒子ビーム装置において、非点補正器の強度をステップ状に変化させ、非点補正器の強度の各ステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して非点評価量を求め、非点補正器の強度と非点評価量の関係から最適非点補正位置を求め、非点補正器の強度をこの最適非点補正位置に対応した強度に設定するようにした自動非点補正方法であって、前記画像データを画像処理して非点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、非点補正器の強度の各ステップごとに求められた非点評価量に基づいて、第１と第２の方向の最適非点補正位置である非点補正器強度をそれぞれ求め、その中点を最適非点補正位置として非点補正器の強度を設定するようにした荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１４】
１枚の画像における任意の第１と第２の方向ごとに、１次元のエッジ抽出フィルタを用いてエッジ成分抽出処理を行ない、第１の方向におけるエッジ成分を表す２次元数値行列と、第２の方向におけるエッジ成分を表す２次元数値行列とを求め、更にそれぞれの行列の総和ないしは平均値を求め、この総和ないしは平均値をそれぞれの方向の非点評価量とした請求項１３記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１５】
観察試料の表面形状により、第１と第２の方向のいずれか一方の方向において、最適非点補正位置が得られない場合には、他方の方向において得られた最適非点補正位置に基づいて、非点補正器の強度を設定するようにした請求項１３〜１４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１６】
観察試料の表面形状により、第１と第２の方向のいずれか一方の方向において、最適非点補正位置が得られない場合には、動作エラーのメッセージを表示装置等に表示、あるいは、警報を発生させるようにした請求項１３〜１４記載の何れかにの荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１７】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させて画像データを取得し、この画像データに基づいて第１と第２の方向における非点評価量、更には最適非点補正位置を求めるようにした請求項１３〜１４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１８】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させ、その後ビームの２次元走査方向に対して試料を相対的に回転させ、回転の前後においてそれぞれ画像データを取得し、取得された２種の画像データに基づいて非点評価量、更には最適非点補正位置を求めるようにした請求項１３〜１４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項１９】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させるため、試料が載せられたステージを回転させるようにした請求項１３〜１４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項２０】
観察試料上の所定領域でビームを２次元的に走査する際、２次元走査の方向を観察試料表面上に形成されたパターンの特徴の多い方向と一致させるため、試料に照射されるビームの走査方向を回転させるようにした請求項１３〜１４の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項２１】
荷電粒子ビーム光学系の非点を検出することが不可能な観察試料の場合に、自動非点補正を中断するか否かを選択できるようにした請求項１３〜２０の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項２２】
前記画像データを画像処理して非点評価量を求める際、画像を多数の領域に分割し、分割された領域ごとに非点評価量を求め、非点評価量が低い領域を画像の非点評価量を求める際に除外するようにした請求項１３〜２１の何れかに記載の荷電粒子ビーム装置における自動非点補正方法。
【請求項２３】
一次荷電粒子ビームを試料上に集束すると共に、試料上の所定領域でビームを２次元的に走査し、試料上の走査によって得られた信号を検出し、ビームの走査に同期して検出信号に基づき試料像を表示するようにした走査型荷電粒子ビーム装置において、荷電粒子ビームを試料上に収束させるためのレンズの強度をステップ状に変化させることにより、試料上のビームのフォーカスの状態をステップ状に変化させ、各フォーカスのステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して焦点評価量を求め、レンズ強度と焦点評価量の関係から合焦点位置を求め、ビームを収束するレンズの強度をこの合焦点位置に対応したレンズ強度に設定するようにすると共に、非点補正器の強度をステップ状に変化させ、非点補正器の強度の各ステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して非点評価量を求め、非点補正器の強度と非点評価量の関係から最適非点補正位置を求め、非点補正器の強度をこの最適非点補正位置に対応した強度に設定するようにした自動焦点補正方法および自動非点補正方法であって、前記画像データを画像処理して焦点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、各フォーカスのステップごとに求められた焦点評価量に基づいて、第１と第２の方向の合焦点位置であるレンズ強度をそれぞれ求め、その中点を合焦点位置としてビームを収束するレンズの強度を設定するようにした自動焦点補正動作と、前記画像データを画像処理して非点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、非点補正器の強度の各ステップごとに求められた非点評価量に基づいて、第１と第２の方向の最適非点補正位置である非点補正器強度をそれぞれ求め、その中点を最適非点補正位置として非点補正器の強度を設定するようにした自動非点補正動作とを少なくとも１回以上ずつ繰り返し行うことにより、焦点補正と非点補正とを同時に行なうようにした自動焦点非点補正方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一次荷電粒子ビームの自動焦点補正機能、自動非点補正機能を有した走査電子顕微鏡等の走査型荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法、自動非点補正方法および走査型荷電粒子ビーム装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型荷電粒子ビーム装置の代表例として走査電子顕微鏡について説明する。走査電子顕微鏡では、電子銃から発生し加速された電子ビームをコンデンサレンズと対物レンズとによって、試料上に電子ビームを細く集束すると共に、偏向コイルによって、試料上の所定範囲を電子ビームで走査するようにしている。また、コンデンサレンズと対物レンズ絞りによって試料に照射される電子ビームの強度すなわち、ビーム電流量を調整できるように構成されている。試料に電子ビームを照射することによって２次電子が発生するが、この２次電子を検出し、この検出信号を一次電子ビームの走査と同期した陰極線管に供給し、試料の走査像を表示するようにしている。
【０００３】
このような走査電子顕微鏡には高い分解能で像の観察を行うために、自動焦点補正機能および自動非点補正機能が備えられている。この機能の動作を含め、更に詳細に走査電子顕微鏡の説明を行なう。電子銃から発生し加速された電子ビームは、上段と下段の２段偏向コイルによって振り戻し走査される。各偏向コイルには、垂直走査信号発生回路および水平走査信号発生回路から鋸歯状波の信号が供給され、電子ビームを２次元走査を行なうことが一般的である。なお、２次元走査のための信号は、鋸歯状波以外の三角状波等が用いられるケースもある。
【０００４】
走査された電子ビームは、対物レンズによって細く集束され、試料に照射される。したがって、試料上に集束された電子ビームと試料との相互作用により信号が発生する。この信号には、２次電子、１次イオン、後方散乱電子、Ｘ線等が含まれることは良く知られている。この信号に応じた検出特性を有した検出器により、信号が検出される。例えば、試料からの微弱なエネルギーを有した２次電子を検出するように構成された検出器により、２次電子が検出される。
【０００５】
この検出信号は、垂直走査信号および水平走査信号との同期を取りながら、画像メモリーもしくはフィルム等の画像保存手段に、ＸＹ２次元画像として保存される。この画像は、画像処理装置に転送され、観察者にとって観察しやすいように画像処理が施された後、制御コンピュータ上に保存される。制御コンピュータ上に保存された画像データに基づき、制御コンピュータに接続されたモニター画面上に試料の２次元走査領域の走査像が表示される。ただし、このような構成以外の構成も従来から用いられている。例えば、画像メモリー、画像処理装置および制御コンピュータは、同じ１台のコンピュータ内に含めるように構成しても良いし、制御コンピュータとは異なる別の観察用コンピュータ上であっても良い。
【０００６】
さて、試料上に電子ビームを照射する場合、試料面の高さが観察位置等に応じて変化する場合においても、正確に試料面に電子ビームを集束させるためには、対物レンズまたは対物レンズに接近して設けられる補助フォーカスコイルの励磁電流を制御する必要がある。
【０００７】
また、レンズ場の不均一性に起因する非点収差を補正するための非点補正コイルが、通常、対物レンズの上部に設けられている。この非点補正コイルを制御することにより、試料表面をシャープに画像化することができる。上記したレンズやコイルの制御は、制御コンピュータからの指令により、レンズ制御電源やコイル制御電源を制御することによって行なわれる。
【０００８】
この対物レンズ（もしくは補助フォーカスコイル）および非点補正コイルの制御は、観察者が制御コンピュータを操作することにより行なえるように構成されており、画像を観察者が最もシャープに像が見える位置になるようにエンコーダノブ等の手段を用いて制御する。ただし、操作の簡便化のために、この制御は、現在市販されている走査電子顕微鏡などの走査型荷電粒子ビーム装置では、電気回路またはコンピュータを用いて自動的に行える機能が備えられている場合がほとんどで、このような機能は自動焦点補正機能、自動非点補正機能と呼ばれており、例えば特許文献１に記載されている。以下、自動焦点補正機能について走査電子顕微鏡を例にして説明するが、走査型イオンビーム装置でも同様な動作が実行されている。
【０００９】
まず、対物レンズまたは補助フォーカスコイルの励磁量Ｂ（ｔ）をステップ状に変えながら、電子ビームを走査し、２次電子などの試料から発生した信号を検出し、検出信号を画像処理装置に供給し、ハイパスフィルタ等を通すことにより、画像のシャープさ、すなわち、焦点の合い具合を示す評価量Ｓ（ｔ）を抽出する。以下、このＳ（ｔ）を焦点評価量と呼ぶ。
【００１０】
励磁量Ｂ（ｔ）と評価量Ｓ（ｔ）との関係を正規分布関数などの適当な関数でフィッティングし、評価量Ｓ（ｔ）が極値Ｓ（Ｊ）となる位置ｔ＝Ｊを求める。このＪは整数とは限らず、実数として求める。図１（ａ）は、励磁量Ｂ（ｔ）と評価量Ｓ（ｔ）との関係を示したグラフであり、横軸はフォーカスコイル（あるいは対物レンズ）励磁量Ｂ（ｔ）、縦軸は焦点評価量Ｓ（ｔ）である。また、図１（ｂ）は、フォーカス励磁量に応じた光線図（ビーム径の変化を示した図）である。なお、自動非点補正を行う場合には、横軸が非点補正コイル励磁量となり、縦軸が非点評価量となる。
【００１１】
前記したｔ＝Ｊとなる励磁量Ｂ（Ｊ）を、対物レンズまたは補助フォーカスコイルにフィードバックした後、画像を取得する。このとき、動作を高速化させるために、偏向コイルへの信号を間引きしたり、幾何図形を描かせたりすることにより、検出信号を１次元信号として扱う場合もある。
【００１２】
ところで、レンズに非点がある場合に自動焦点補正機能を用いると、コイル励磁量Ｂ（ｔ）と焦点評価量Ｓ（ｔ）との関係は、図２（ａ）のようになる。すなわち、上焦点および下焦点という２つのピークが出現する。図２（ｂ）は、レンズに非点がない場合のフォーカス励磁量に応じた光線図を示し、図２（ｃ）は、レンズに非点がある場合を示した図２（ａ）のケースに対応した光線図を示している。この図２（ｃ）に示すように、上焦点と下焦点のそれぞれのピーク位置での荷電粒子ビームの断面は、ある一方向にのみ焦点が合い、それ以外の方向は全く焦点が合っていない。すなわち、荷電粒子ビームはライン状の形状となる。
【００１３】
図２（ｃ）では、便宜上、上焦点をＸ方向に焦点が合った状態、下焦点をＹ方向に焦点が合った状態とした光線図を示した。当然、非点の大きさや方向によっては、上焦点がＹ方向焦点、下焦点がＸ方向焦点となる場合もあるし、焦点方向がＸＹ方向とはある角度ずれた状態となることもある。
【００１４】
このようなレンズ非点がある状態で荷電粒子ビームを試料上でＸＹ方向に２次元走査し、画像を取得した場合、ある方向にのみが像がシャープに見える、いわゆるラインフォーカス像が得られる。前記方向は、非点補正に用いる４極子の方向に依存するが、上焦点と下焦点とは必ず９０°の角度をなす。
【００１５】
この場合、合焦点位置としては、上焦点と下焦点の中央とすべきである。この位置で、ビームの方向性が真円すなわち最小錯乱円となるので、この位置を最小錯乱円位置と呼んでいる。対物レンズ励磁量あるいはフォーカスコイル励磁量を最小錯乱円位置に設定した後に、非点補正コイル励磁を最適に調整することにより、試料位置における荷電粒子ビーム断面が最小の真円となる。この時に得られる画像が最もシャープな画像となる。
【００１６】
次に自動非点補正機能について説明するが、この機能は、制御対象が非点補正器（非点補正コイル）になるのみで、自動焦点補正機能とほぼ同様な動作となる。この非点補正機能について図３を用いて説明する。非点補正コイルの励磁を調整することにより生じる作用は、レンズ非点補正前の光線図を示す図３（ａ）において、最小錯乱円位置ＺｍとＸ焦点位置Ｚｘとの距離、あるいは最小錯乱円位置ＺｍとＹ焦点位置Ｚｙとの距離を変化させることと見なせる。
【００１７】
一般的に、非点補正には、４極子コイルを使う。この場合、Ｘ焦点位置Ｚｘと最小錯乱円位置Ｚｍとの間の距離Ｄｘ（＝Ｚｍ−Ｚｘ）と、Ｙ焦点位置Ｚｙと最小錯乱円位置Ｚｍとの間の距離Ｄｙ（＝Ｚｍ−Ｚｙ）とがＤｘ＝Ｄｙの関係を保ちながら、焦点位置Ｚｘ，ＺｙがＺ方向に動く。図３（ｂ）は、ＸＹ焦点位置を最小錯乱円位置から離す作用を示すものであり、図３（ｃ）は、それらを近づける作用を示すものである。図３（ｂ）では錯乱円の半径が大きくなり、図３（ｃ）では錯乱円の半径が小さくなる。結果として、４極子補正コイルによる補正作用は、最小錯乱円位置を不変に保ちながら、錯乱円の半径を変化させるものということができる。
【００１８】
図３（ｃ）の状態から補正量を増やし、光線が図３（ｄ）のようになったときき、Ｄｘ＝Ｄｙ＝０、すなわち、Ｘ焦点位置とＹ焦点位置と最小錯乱円位置とが全て一致する。この結果として、錯乱円の半径が最小となる。このときの非点補正コイル励磁量が、最適非点補正コイル励磁量となる。以上の一連の操作において、非点補正コイル励磁量と非点評価量との関係は、図１（ａ）のＳ（ｔ）‐ｂ（ｔ）曲線と同じになるので、ｔ＝Ｊとなる位置が最適非点補正コイル励磁量である。
【００１９】
焦点位置が最小錯乱円位置に一致しない場合に、非点補正コイルを調整した場合には、現在の焦点位置と最小錯乱円位置との距離をＤｚとすると、Ｄｚ＝ＤｘとなったときにはＸ焦点が得られ、Ｄｚ＝ＤｙとなったときにはＹ焦点が得られる。すなわち、非点補正コイル励磁を調整することで、ラインフォーカス像が２回現れる。この時の非点補正コイル励磁量と非点評価量との関係は、図２（ａ）のＳ（ｔ）‐ｂ（ｔ）曲線と同じになるので、ｔ＝Ｊとなる位置、すなわち、２つのラインフォーカス像が得られる励磁量の中点が最適非点補正コイル励磁量となる。以上説明したように、原理的には、自動焦点補正操作と自動非点補正操作を１回ずつ行なえば、最もシャープな画像が得られることになる。
【００２０】
【特許文献１】
特開平１１−７３９０３号公報
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の自動焦点補正操作方式では、少なくとも以下に説明する７つの欠点を有している。まず第１に、非点が存在している場合に焦点を決めるのが困難であった。すなわち、非点がある場合に焦点補正コイルを操作すると、上焦点と下焦点の２つのピークが加算されるため、焦点評価量曲線は、図２（ａ）に示すように、ダブルピークとなる。そして、非点量に依存してピークの重なり方が異なるため、上焦点と下焦点とが近づくほど、ダブルピークが分離できなくなる。
【００２２】
ところで、非点の有り無しは、焦点評価量曲線のピークがダブルピークなのか、シングルピークなのかで判断する必要がある。また、その判断結果に従って、最適励磁量をダブルピークの中心にするか、あるいはシングルピークの頂点にするかを再度判断する必要がある。これらの厳密な判断パラメータを見つけることは困難であり、従って、ダブルピークの片側頂点をシングルピークの頂点と見誤り、最適励磁量を求めることに失敗することがある。
【００２３】
第２に、従来技術では、焦点がずれた状態で非点補正するのが困難であった。すなわち、焦点がずれた状態に非点補正コイルを操作した場合にも、上焦点と下焦点の２つのピークが重なってダブルピークとなる。しかし、焦点ずれが大きくなればなるほど、ダブルピーク曲線が広がりを持ち、結局ピークが分離できなくなったり、曲線が広がりすぎて、ピーク検出そのものが不可能となる。その結果として、焦点がずれた場合に非点補正することは大変困難であった。
【００２４】
第３に、従来技術では、非点の有る無しの判定を行うことが困難であった。すなわち、前述したように、ダブルピークの分離が難しいことから、非点の有る無しの判定は、特に、非点量が小さいほど困難となる。
【００２５】
第４に、従来技術では、ラインアンドスペースのような一方向のパターンで、非点補正が不可能であることを認識できなかった。すなわち、一方向パターンでは原理的に非点補正が不可能であるが、非点評価量曲線には明瞭なピークが現れる。このピークは、ダブルピークの片側である可能性があり、最適値とは限らないが、従来は、このピークを最適値として判断していた。
【００２６】
第５に、従来技術では、自動非点補正機能を用いるための試料として、方向性が一様でかつ特徴が多い試料を用いる必要があった。すなわち、非点がある場合は、上焦点と下焦点の２つのピークが重なってダブルピークとなるが、試料の特徴に依存してダブルピークのそれぞれのピーク高さが異なり、検出に失敗することがあった。
【００２７】
例えば、表面形状として、Ｘ方向に強い方向性を有した試料の場合、上焦点または下焦点ピークのどちらかが急峻なピークを有し、他方はなだらかとなる。これらを加算しても、急峻なピークのみが目立つ結果となる。従って、得られる励磁量は最適値でなく、上焦点または下焦点の励磁量であり、非点補正に失敗していた。
【００２８】
第６に、従来技術では、ＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、方向性の強い画像に対して自動焦点補正もしくは自動非点補正の精度を上げることが困難であり、対物レンズおよび非点コイルの最適励磁位置を誤検出する原因でもあった。すなわち、走査電子顕微鏡画像のノイズに対して、画像の特徴量が少なく、焦点評価量がノイズに埋もれてしまっていた。また、前述のように、方向性の一様な試料を使わないと、非点検出に失敗していた。
【００２９】
第７に、第６と同様にＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、方向性の強い画像に対して自動焦点補正もしくは自動非点補正の精度を上げることが困難であり、対物レンズおよび非点コイルの最適励磁位置を誤検出する原因でもあった。
【００３０】
その原因として、パターンの方向性が強い場合、自動焦点補正のケースでは、焦点評価量を求める方向とパターンの方向が一致しない場合に、対物レンズ励磁量−焦点評価量曲線がなだらかになり、最適焦点補正量が精度良く求まらないことが挙げられる。また、自動非点補正のケースでは、非点評価量を求める方向とパターンの方向が一致しない場合に、非点補正コイル励磁量−非点評価量曲線がなだらかになり、最適非点補正量が精度良く求まらないことが挙げられる。
【００３１】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その目的は、非点が補正されていない像でも、焦点が合っている位置、すなわち、最小錯乱円位置となる対物レンズ励磁量を求めることが可能で、また、焦点が合っていない像でも、非点補正が最適となる非点補正コイル励磁量を求めることが可能な、更に、半導体パターンのような平坦で特徴が少ない試料に対して、精度の高い自動焦点補正および自動非点補正を行うことが可能な荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法および自動非点補正方法を実現するにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明に基づく荷電粒子ビーム装置における自動焦点補正方法は、荷電粒子ビームを試料上に収束させるためのレンズの強度をステップ状に変化させることにより、試料上のビームのフォーカスの状態をステップ状に変化させ、各フォーカスのステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して焦点評価量を求め、レンズ強度と焦点評価量の関係から合焦点位置を求め、ビームを収束するレンズの強度をこの合焦点位置に対応したレンズ強度に設定するようにした自動焦点補正方法であって、前記画像データを画像処理して焦点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、各フォーカスのステップごとに求められた焦点評価量に基づいて、第１と第２の方向の合焦点位置であるレンズ強度をそれぞれ求め、その中点を合焦点位置としてビームを収束するレンズの強度を設定するようにしたことを特徴としている。
【００３３】
上記した本発明に基づく自動焦点補正方法では、上焦点と下焦点を別々に検出するようにしたため、非点がある場合でも、自動焦点補正機能を正常に動作させることができる。
【００３４】
本発明に基づく自動非点補正方法は、非点補正器の強度をステップ状に変化させ、非点補正器の強度の各ステップごとに試料上の特定領域をビームによって走査し、ビーム走査に基づいて得られた検出信号により画像データを得、画像データを画像処理して非点評価量を求め、非点補正器の強度と非点評価量の関係から最適非点補正位置を求め、非点補正器の強度をこの最適非点補正位置に対応した強度に設定するようにした自動非点補正方法であって、前記画像データを画像処理して非点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、非点補正器の強度の各ステップごとに求められた非点評価量に基づいて、第１と第２の方向の最適非点補正位置である非点補正器強度をそれぞれ求め、その中点を最適非点補正位置として非点補正器の強度を設定するようにしたことを特徴としている。
【００３５】
上記した本発明に基づく自動非点補正方法では、上焦点と下焦点を別々に検出するようにしたため、焦点がずれた場合でも、自動非点補正機能を正常に動作させることができる。
【００３６】
本発明に基づく自動焦点補正および自動非点補正方法は、画像データを画像処理して焦点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに求め、各フォーカスのステップごとに求められた焦点評価量に基づいて、第１と第２の方向の合焦点位置であるレンズ強度をそれぞれ求め、その中点を合焦点位置としてビームを収束するレンズの強度を設定するようにした自動焦点補正動作と、前記画像データを画像処理して非点評価量を求める際、１枚の画像を任意の第１の方向と第２の方向の２つの独立な方向ごとに画像処理し、非点補正器の強度の各ステップごとに求められた非点評価量に基づいて、第１と第２の方向の最適非点補正位置である非点補正器強度をそれぞれ求め、その中点を最適非点補正位置として非点補正器の強度を設定するようにした自動非点補正動作とを少なくとも１回以上ずつ繰り返し行うことにより、焦点補正と非点補正とを同時に行なうようにしたことを特徴としている。
【００３７】
上記した本発明に基づく自動焦点補正および自動非点補正方法では、自動焦点補正動作と自動非点補正動作とを少なくとも１回以上ずつ繰り返し行うので、焦点と非点が完全に補正された画像が得られる。
【００３８】
【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４は、本発明を実施するための走査電子顕微鏡の一例を示しており、図示していない電子銃から発生した電子ビーム１は、コンデンサレンズ（図示せず）と対物レンズ２によって観察試料３上に細く集束される。なお、電子ビーム１は、図示していないコンデンサレンズと対物レンズ絞りとによって、ビーム強度すなわちビーム電流量が調整される。
【００３９】
ビーム強度が調整された後、電子ビーム１は、２段偏向コイル４，５により振り戻し走査される。上段偏向コイル４、下段偏向コイル５のそれぞれには、水平と垂直の偏向コイルが含まれている。上段偏向コイル４内の垂直偏向コイルには、垂直走査信号発生回路６より、増幅器７を介して垂直走査信号が供給され、上段偏向コイル４内の水平偏向コイルには、水平走査信号発生回路８より、増幅器９を介して水平走査信号が供給される。下段偏向コイル５内の垂直偏向コイルには、垂直走査信号発生回路６より、増幅器１０を介して垂直走査信号が供給され、下段偏向コイル４内の水平偏向コイルには、水平走査信号発生回路８より、増幅器１０を介して水平走査信号が供給される。
【００４０】
２段の偏向コイル４，５によって走査された電子ビーム１は、対物レンズ２によって細く集束され、試料３に照射されるが、この対物レンズ２には、レンズ制御電源１２から励磁電流が供給される。また、対物レンズ２に接近して補助フォーカスコイル（レンズ）１３が配置されておリ、この補助フォーカスコイル１３にも、レンズ制御電源から励磁電流が供給されるように構成されている。この補助フォーカスコイル１３は、応答速度を速くするために通常空芯のレンズが使用されている。
【００４１】
対物レンズ２、あるいは、対物レンズ２と補助フォーカスコイル１３とによって電子ビーム１は細く集束されて観察試料３に照射される。この結果、試料上に集束された電子ビームと試料との相互作用により信号が発生する。この信号には、２次電子、後方散乱電子、Ｘ線等が含まれることは良く知られており、これらの信号に応じた検出特性を有した検出器により、それぞれの信号が検出される。例えば、本実施の形態では、試料３からの微弱なエネルギーを有した２次電子ｅを検出するように構成された検出器１２により、２次電子ｅを検出しているが、後方散乱電子（反射電子）を検出する検出器を用いて反射電子信号を得るようにしても良い。
【００４２】
この検出信号は、増幅器１５によって増幅された後、垂直走査信号発生回路６からの垂直走査信号、および、水平走査信号発生回路８からの水平走査信号との同期を取りながら、画像メモリー１６に、ＸＹ２次元画像として保存される。この画像は、画像処理装置１７に転送され、観察者にとって観察しやすいように画像処理が施された後、制御コンピュータ１８上に保存される。制御コンピュータ上１８に保存された画像データに基づき、制御コンピュータ１８に接続されたモニター（図示せず）の画面上に試料の２次元走査領域の走査像が表示される。
【００４３】
ただし、このような構成以外の構成も用いることができる。例えば、画像メモリー１６、画像処理装置１７および制御コンピュータ１８は、同じ１台のコンピュータ内に含めるように構成しても良いし、制御コンピュータ１８とは異なる別の観察用コンピュータを設けるようにしても良い。
【００４４】
さて、観察試料３上に電子ビーム１を照射する場合、試料面の高さが観察位置等に応じて変化する場合においても、正確に試料面に電子ビーム１を集束させるためには、対物レンズ２または対物レンズ２に接近して設けられる補助フォーカスコイル１３の励磁電流を制御する必要がある。
【００４５】
また、レンズ場の不均一性に起因する非点収差を補正するための非点補正コイル２０が、通常、対物レンズ２の上部に設けられている。この非点補正コイル２０を制御することにより、試料表面をシャープに画像化することができる。上記したレンズやコイルの制御は、制御コンピュータ１８からの指令により、レンズ制御電源１２や非点補正コイル制御電源（図示せず）を制御することによって行なわれる。
【００４６】
この対物レンズ２（もしくは補助フォーカスコイル１３）および非点補正コイルの制御は、観察者が制御コンピュータ１８を操作することにより行なえるようにも構成されており、画像を観察者が最もシャープに像が見える位置になるようにエンコーダノブ等の手段を用いて制御することもできる。しかしながら、本実施の形態では、この制御は、制御コンピュータ１８によりコントロールされる各構成要素により、自動的に行う。以上説明した構成の動作を次に説明する。
【００４７】
最初に自動焦点補正動作について説明する。電子ビーム１は図示していないコンデンサレンズと対物レンズ２あるいは補助フォーカスコイル１３によって、観察試料３上に細く集束される。また電子ビーム１は、２段の偏向コイル４，５によって振り戻し走査され、試料３上の特定の２次元領域は電子ビームによって走査されることになる。
【００４８】
試料３への電子ビームの照射によって発生した２次電子ｅは、２次電子検出器１４によって検出される。検出器１４で検出された２次電子信号は、増幅器１５で増幅された後、垂直走査信号発生回路６からの垂直走査信号と、水平走査信号発生回路８からの水平走査信号と同期して、画像メモリー１６に２次元画像データとして蓄えられる。
【００４９】
この際、例えば、１画面分の２次元画像データを取得するごとに、制御コンピュータ１８からの指令により、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量をステップ状に変化させる。この励磁量のステップ状の変化は、レンズ制御電源１２を制御コンピュータ１８が制御することによって行なわれる。それぞれの励磁量ごとの画像データは、画像メモリー１６に蓄えられるが、この画像メモリー１６に蓄えられた画像データは、１枚ずつ画像処理装置１７に転送される。
【００５０】
画像処理装置１７では、焦点評価量計算を画面のある特定の２方向それぞれについて行なう。このような処理を図５に示したフロー図を用いて説明する。図５において、画像メモリー１６から転送された元画像（Ｉ１）５１に対して、１次元のエッジ抽出フィルタを用いて、試料の凹凸におけるエッジ成分抽出処理を行なう。この際、１次元フィルタの方向性を利用し、２つの独立な方向のフィルタを用意する。
【００５１】
図５に示した処理フローでは、画面のＸ方向に平行なフィルタと画面のＹ方向に平行なフィルタの２つが用意されている。この画面のＸ方向に平行なフィルタによるＸ側エッジ成分抽出処理５２と、画面のＹ方向に平行なフィルタによるＹ側エッジ成分抽出処理５３との２つの処理を元画像５１に対して別々に行なう。
【００５２】
このエッジ成分抽出処理５２，５３を行なう際、それぞれにノイズ低減フィルタ適用や、数値規格化などの処理を行なうことにより、Ｘ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５４と、Ｙ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５５とが独立に求まる。これらをＩＸ２，ＩＹ２とする。
【００５３】
この２次元数値行列ＩＸ２，ＩＹ２は、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量をステップ状に変化させて得られた画像ごとに求められ、求められたＩＸ２とＩＹ２それぞれの行列の総和を求める。この総和を元画像Ｉ１におけるＸ側とＹ側それぞれの焦点評価量５６，５７とする。
【００５４】
このような焦点評価量を求める処理が画像処理装置１７においてなされ、求められた焦点評価量の計算結果は、制御コンピュータ１８に転送される。制御コンピュータ１８は、焦点評価量計算結果を図６に示すように、Ｘ方向とＹ方向それぞれ別々にプロットする。制御コンピュータ１８は、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量と、各励磁量における画像の焦点評価量との相関を計算し、Ｘ方向とＹ方向それぞれについて、最も適切なレンズ励磁量Ｂ（Ｘ），Ｂ（Ｙ）を求める。
【００５５】
この最も適切なレンズ励磁量Ｂ（Ｘ），Ｂ（Ｙ）は、非点がない場合には同一となるが、非点がある場合には、異なる値となる。この非点がある場合では、最も適切なレンズ励磁量として、Ｘ側焦点評価量がピークとなる対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側焦点評価量がピークとなる対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）を用いれば良い。
【００５６】
Ｂ（Ｊ）＝（Ｂ（Ｘ）＋Ｂ（Ｙ））／２
このようにして求められた対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量に基づき、制御コンピュータ１８はレンズ制御電源１２をコントロールし、対物レンズ２あるいは補助フォーカスコイルの励磁量を求められた励磁量となるような励磁電流を発生する。
【００５７】
次に自動非点補正動作について説明する。自動非点補正の場合、制御するコイルあるいはレンズが、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３であるのに対し、非点補正コイル（非点補正器）２０になること以外は、基本的には自動焦点補正動作と同様な動作によって行われる。
【００５８】
試料３への電子ビームの照射によって発生した２次電子ｅは、２次電子検出器１４によって検出される。検出器１４で検出された２次電子信号は、増幅器１５で増幅された後、垂直走査信号発生回路６からの垂直走査信号と、水平走査信号発生回路８からの水平走査信号と同期して、画像メモリー１６に２次元画像データとして蓄えられる。
【００５９】
この際、例えば、１画面分の２次元画像データを取得するごとに、制御コンピュータ１８からの指令により、非点補正コイル２０の励磁量をステップ状に変化させる。この励磁量のステップ状の変化は、図示していない非点補正コイル電源を制御コンピュータ１８が制御することによって行なわれる。それぞれの励磁量ごとの画像データは、画像メモリー１６に蓄えられるが、この画像メモリー１６に蓄えられた画像データは、１枚ずつ画像処理装置１７に転送される。
【００６０】
画像処理装置１７では、非点評価量計算を画面のある特定の２方向それぞれについて行なう。このような処理は、図５を用いて説明した自動焦点補正動作と同様に行われる。図５において、画像メモリー１６から転送された元画像５１に対して、１次元のエッジ抽出フィルタを用いて、エッジ成分抽出処理を行なう。この際、１次元フィルタの方向性を利用し、２つの独立な方向のフィルタを用意する。
【００６１】
図５に示した処理フローでは、画面のＸ方向に平行なフィルタと画面のＹ方向に平行なフィルタの２つが用意されている。この画面のＸ方向に平行なフィルタによるＸ側エッジ成分抽出処理５２と、画面のＹ方向に平行なフィルタによるＹ側エッジ成分抽出処理５３との２つの処理を別々に行なう。
【００６２】
このエッジ成分抽出処理５２，５３を行なう際、それぞれにノイズ低減フィルタ適用や、数値規格化などの処理を行なうことにより、Ｘ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５４と、Ｙ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５５とが独立に求まる。これらをＩＸ２，ＩＹ２とする。
【００６３】
この２次元数値行列ＩＸ２，ＩＹ２は、非点補正コイル２０の励磁量をステップ状に変化させて得られた画像ごとに求められ、求められたＩＸ２とＩＹ２それぞれの行列の総和を求める。この総和を元画像Ｉ１におけるＸ側とＹ側それぞれの非点評価量５６，５７とする。
【００６４】
このような非点評価量を求める処理が画像処理装置１７においてなされ、求められた非点評価量の計算結果は、制御コンピュータ１８に転送される。制御コンピュータ１８は、非点評価量計算結果をレンズ励磁量対焦点評価量を示した図６と同様に、Ｘ方向とＹ方向それぞれ別々にプロットする。制御コンピュータ１８は、非点補正コイル２０の励磁量と、各励磁量における画像の非点評価量との相関を計算し、Ｘ方向とＹ方向それぞれについて、最も適切な非点補正コイル励磁量Ｂ（Ｘ），Ｂ（Ｙ）を求める。
【００６５】
この最も適切な非点補正コイル励磁量Ｂ（Ｘ），Ｂ（Ｙ）は、電子ビームのフォーカスずれがない場合には、原理的に同一となるが、フォーカスずれがある場合には、Ｂ（Ｘ），Ｂ（Ｙ）は異なる値となる。このフォーカスずれがある場合では、最も適切な非点補正コイル励磁量として、Ｘ側非点評価量がピークとなる非点補正コイル２０の励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側非点評価量がピークとなる非点補正コイル２０の励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）を用いれば良い。
【００６６】
Ｂ（Ｊ）＝（Ｂ（Ｘ）＋Ｂ（Ｙ））／２
このようにして求められた非点補正コイル２０の励磁量に基づき、制御コンピュータ１８は図示していない非点補正コイル電源をコントロールし、非点補正コイル２０の励磁量を求められた励磁量となるような励磁電流を発生させる。なお、図６において、丸印でプロットされた曲線は、従来の試料の２次元走査に伴って得られた検出信号を１画面ごとに積算処理して得られたものである。
【００６７】
前記した自動焦点補正動作において、もし、一方向しか特徴のないパターン、例えばラインアンドスペースのようなパターンについて、自動焦点補正を行う場合には、Ｂ（Ｘ）もしくはＢ（Ｙ）のいずれか片方にしかピークが生じない。この場合、いずれか片方のピークをもって、合焦点位置とし、対物レンズもしくは補助フォーカスコイルにフィードバックする。あるいは、動作エラーとし、別のパターン位置に試料を移動させてから、前記した自動焦点補正動作を行うようエラーメッセージを表示するようにしても良い。
【００６８】
次に、ＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、パターンの方向性の強い試料に対して有効な、本発明の実施の形態について、図７に基づいて説明する。なお、この実施の形態において、自動焦点補正、自動非点補正は、図４に示された構成により実行される。
【００６９】
この実施の形態においても、電子ビーム１を２段の偏向コイル４，５によって振り戻し走査され、観察試料３からの２次電子ｅが２次電子検出器１４によって検出される。検出信号は、垂直走査信号および水平走査信号と同期して、画像メモリー１６に２次元画像データとして蓄えられる。この画像データは、画像処理装置１７に転送され、画像処理装置１７において焦点評価量計算が以下に示す手順で行われる。
【００７０】
画像処理装置１７では、焦点評価量計算を画面のＸ方向およびＹ方向それぞれについて行う。図７はこの計算処理のフローを示しており、元画像（Ｉ１）５０１に対して、エッジ抽出フィルタ、例えば、３×３ピクセルあるいは５×５ピクセル単位の１次元ゾーベルフィルタやラプラスフィルタ等を用いて、エッジ成分抽出処理を行う。
【００７１】
この際、１次元フィルタの方向性を利用し、２つの独立な方向のフィルタを用意する。ここでは、仮に画面のＸ方向に平行なフィルタと画面のＹ方向に平行なフィルタの２つとしておく。Ｘ側エッジ成分抽出処理５０２と、Ｙ側エッジ成分抽出処理５０３との２つを別々に行う。それぞれにノイズ低減フィルタ適用や、数値規格化などの処理を行うことにより、Ｘ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５０４と、Ｙ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５０５とが独立に求まる。これらをＩＸ２，ＩＹ２とする。
【００７２】
次に、ＩＸ２，ＩＹ２それぞれに領域分割処理５０６および５０７をかけ、分割された領域ごとに行列要素の総和を計算する。ここで、あらかじめ実験的に求めておいたしきい値を用い、領域ごとの総和量にしきい値処理５１０および５１１を施す。すなわち、領域を０又は１の２値化をすることになる。
【００７３】
結果として、２値化された領域は、領域マスク５１２と領域マスク５１３となり、これをＭｘ、Ｍｙとする。このマスクＭｘ、Ｍｙを元の数値行列ＩＸ２，ＩＹ２に掛け算する。すなわち、マスキング５１４および５１５を施す。マスキングされた行列をＩＸ３，ＩＹ３とし、それらの行列要素の総和を焦点評価量とする。
【００７４】
これ以降は、制御コンピュータ１８からの指令により、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量をステップ状に変化させ、それぞれの励磁量ごとに画像メモリー１６に蓄えられた画像を１枚ずつ画像処理装置１３に転送しつつ、上述した焦点評価量計算を行う。その後、制御コンピュータ１８に焦点評価量計算結果を渡し、結果を図６のように、Ｘ方向とＹ方向それぞれの焦点評価量を別々にプロットする。
【００７５】
制御コンピュータ１８は、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量と、各励磁量における画像の焦点評価量との相関を計算し、Ｘ方向とＹ方向それぞれについて、最も適切なレンズ励磁量を求める。これをＢ（Ｘ）、Ｂ（Ｙ）とする。非点がない場合は、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）は同一となるが、非点がある場合は、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）とは異なる値が得られる。このとき、最も適切なレンズ励磁量Ｂ（Ｊ）として、Ｘ側焦点評価量がピークになるレンズ励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側焦点評価量がピークとなるレンズ励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）を設定すればよい。なお、Ｂ（Ｊ）は次のように表される。
【００７６】
Ｂ（Ｊ）＝（Ｂ（Ｘ）＋Ｂ（Ｙ））／２
なお、上記したマスクは必ずしも１枚１枚の画像について求める必要はなく、自動焦点処理開始時に最初に得られた画像が、有る程度焦点の合った画像で有りさえすれば、その画像で一組のマスクＭｘ、Ｍｙを作成し、全ての画像に同じマスクを適用すればよい。または、全ての画像からｎ組のマスクを作成し、焦点評価量対レンズ励磁量曲線をＮ通り求め、最もピークが急峻な曲線から、最適焦点補正レンズ励磁量を求めることにより、マスキングの効果を最大限に発揮させることができる。
【００７７】
以上の操作は、ＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、パターンの方向性の強い試料に対して有効である。例えば、図８に示すように、パターン画像を空間周波数の高いエッジ部分６０３と、空間周波数の低いパターン背景部分６０１，あるいは、パターン上地部分６０２に分ける。一般に走査電子顕微鏡のような荷電粒子ビーム顕微鏡の画像にはノイズ成分が多いため、焦点評価量計算時にはできる限りノイズ成分を減らしたい。焦点評価は、空間周波数の高い領域がどれだけシャープであるかを評価することと同意義なので、空間周波数の低い領域は、焦点評価には全く関係がない。
【００７８】
従って、パターン背景部分６０１とパターン上地部分６０２を領域マスクＭｘ、Ｍｙでマスキングすることによって、効果的に焦点評価量のノイズを低減することができる。特に、画像倍率が高くなるほど、空間周波数の低いパターン背景や上地部分が画像面積に占める割合が高くなることから、上記のマスキング手法は、倍率が高いほど有効となる。
【００７９】
次に自動非点補正動作について説明する。自動非点補正の場合、制御するコイルあるいはレンズが、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３であるのに対し、非点補正コイル２０になること以外は、基本的には自動焦点補正動作と同様な動作によって行われる。画像処理装置１７において焦点評価量計算が以下に示す手順で行われる。
【００８０】
試料３への電子ビームの照射によって発生した２次電子ｅは、２次電子検出器１４によって検出される。検出器１４で検出された２次電子信号は、増幅器１５で増幅された後、垂直走査信号発生回路からの垂直走査信号と、水平走査信号発生回路８からの水平走査信号と同期して、画像メモリー１６に２次元画像データとして蓄えられる。
【００８１】
この際、例えば、１画面分の２次元画像データを取得するごとに、制御コンピュータ１８からの指令により、非点補正コイル２０の励磁量をステップ状に変化させる。この励磁量のステップ状の変化は、図示していない非点補正コイル電源を制御コンピュータ１８が制御することによって行なわれる。それぞれの励磁量ごとの画像データは、画像メモリー１６に蓄えられるが、この画像メモリー１６に蓄えられた画像データは、１枚ずつ画像処理装置１７に転送される。
【００８２】
画像処理装置１７では、非点評価量計算を画面のＸ方向およびＹ方向それぞれについて行う。この非点評価量計算は、図７を用いて説明した焦点評価量計算と同様な方法で行われる。すなわち、図７の計算処理のフローを実行することにより、Ｘ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５０４と、Ｙ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５０５とが独立に求まる。これらをＩＸ２，ＩＹ２とする。
【００８３】
次に、ＩＸ２，ＩＹ２それぞれに領域分割処理５０６および５０７をかけ、分割された領域ごとに行列要素の総和を計算する。ここで、あらかじめ実験的に求めておいたしきい値を用い、領域ごとの総和量にしきい値処理５１０および５１１を施す。すなわち、領域を０又は１の２値化をすることになる。
【００８４】
結果として、２値化された領域は、領域マスク５１２と領域マスク５１３となり、これをＭｘ、Ｍｙとおく。このマスクＭｘ、Ｍｙを元の数値行列ＩＸ２，ＩＹ２に掛け算する。すなわち、マスキング５１４および５１５を施す。マスキングされた行列をＩＸ３，ＩＹ３とおき、それらの行列要素の総和を非点評価量とする。
【００８５】
これ以降は、制御コンピュータ１８からの指令により、非点補正コイル２０の励磁量をステップ状に変化させ、それぞれの励磁量ごとに画像メモリー１６に蓄えられた画像を１枚ずつ画像処理装置１３に転送しつつ、上述した非点評価量計算を行う。その後、制御コンピュータ１８に非点評価量計算結果を渡し、結果を図８に示しした焦点評価量と同様に、Ｘ方向とＹ方向それぞれの非点評価量を別々にプロットする。
【００８６】
制御コンピュータ１８は、非点補正コイル２０の励磁量と、各励磁量における画像の非点評価量との相関を計算し、Ｘ方向とＹ方向それぞれについて、最も適切なレンズ励磁量を求める。これをＢ（Ｘ）、Ｂ（Ｙ）とする。焦点ずれがない場合は、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）は同一となるが、焦点がずれていると、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）とは異なる値が得られる。このとき、最も適切な非点補正コイル励磁量Ｂ（Ｊ）として、Ｘ側非点評価量がピークになる非点補正コイル励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側非点評価量がピークとなる非点補正コイル励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）を設定すればよい。なお、Ｂ（Ｊ）は次のように表される。
【００８７】
Ｂ（Ｊ）＝（Ｂ（Ｘ）＋Ｂ（Ｙ））／２
なお、上記したマスクは必ずしも１枚１枚の画像について求める必要はなく、自動非点処理開始時に最初に得られた画像が、有る程度非点の少ない画像で有りさえすれば、その画像で一組のマスクＭｘ、Ｍｙを作成し、全ての画像に同じマスクを適用すればよい。または、全ての画像からｎ組のマスクを作成し、非点評価量対非点補正コイル励磁量曲線をＮ通り求め、最もピークが急峻な曲線から、最適非点補正コイル励磁量を求めることにより、マスキングの効果を最大限に発揮させることができる。
【００８８】
また、上述した自動焦点補正動作と自動非点補正動作をそれぞれ１画面取得ごとに１回ずつ繰り返し実行することにより、焦点と非点とが完全に補正された画像が得られる。更に、上述した実施の形態では、半導体パターン配線のように、縦方向と横方向の特徴が非常に強い、言い換えれば、直線形状の組合せパターンが多い試料に対して有効に作用する。そして、半導体パターンを高倍率観察した場合、平坦な上地と下地の割合が多くなるが、このような場合には本実施の形態は、更に有効に作用する。
【００８９】
ところで、従来技術の欠点の一つとして、パターンの方向性が強い場合、自動焦点補正のケースでは、焦点評価量を求める方向とパターンの方向が一致しない場合に、対物レンズ励磁量−焦点評価量曲線がなだらかになり、最適焦点補正量が精度良く求まらないことが挙げられる。また、自動非点補正のケースでは、非点評価量を求める方向とパターンの方向が一致しない場合に、非点補正コイル励磁量−非点評価量曲線がなだらかになり、最適非点補正量が精度良く求まらないことが挙げられる。次に説明する実施の形態では、この点に着目してなされたものである。
【００９０】
この実施の形態においても、電子ビーム１は２段の偏向コイル４，５によって振り戻し走査され、観察試料３からの２次電子ｅが２次電子検出器１４によって検出される。検出信号は、垂直走査信号および水平走査信号と同期して、画像メモリー１６に２次元画像データとして蓄えられる。この画像データは、画像処理装置１７に転送され、画像処理装置１７において焦点評価量計算が以下に示す手順で行われる。
【００９１】
まず、画像処理装置１７では、転送された画像データから、パターンの方向性を検証する。この方向性の検証は、公知の手法が存在するのでその内容の説明は省くが、例えば、ハフ変換やラドン変換等の良く知られた方向性検証手法を使うことができる。この方向性の検証の結果として、図９に示すように、画像の座標系（ｘｉ，ｙｉ）に対して、最もパターンＰの特徴の多い方向θｓｐが求まる。このとき、画像の焦点が必ずしも最適である必要はなく、ある程度形状が見えてさえいれば良い。
【００９２】
次に、このθｓｐを制御コンピュータ１８に渡す。制御コンピュータ１８は垂直走査信号発生回路６および水平走査信号発生回路８に指令を出し、それぞれの走査信号の混合比を可変させる。いわゆる走査角回転を指示する。これにより、観察試料３上で電子ビームを走査する方向を−θｓｐだけ回転させる。結果として、パターン方向性の最も強い方向が画像のＸ方向に一致した画像が得られる。
【００９３】
次に、走査角を−θｓｐだけ回転させたまま、制御コンピュータ１８からの指令により、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量をステップ状に変化させ、それぞれの励磁量ごとに画像メモリー１６に蓄えられた画像を１枚ずつ画像処理装置１７に転送する。
【００９４】
画像処理装置１７では、焦点評価量計算を画面のＸ方向およびＹ方向それぞれについて行なう。この動作は図５を用いて説明した計算と同様な計算フローにより行われる。すなわち、元画像５１に対して、エッジ抽出フィルタ、例えば、３×３ピクセルあるいは５×５ピクセル単位の１次元ゾーベルフィルタやラプラスフィルタ等を用いて、エッジ成分抽出処理を行う。
【００９５】
この際、１次元フィルタの方向性を利用し、２つの独立な方向のフィルタを用意する。ここでは、仮に画面のＸ方向に平行なフィルタと画面のＹ方向に平行なフィルタの２つとしておく。Ｘ側エッジ成分抽出処理５２と、Ｙ側エッジ成分抽出処理５３との２つを別々に行う。それぞれにノイズ低減フィルタ適用や、数値規格化などの処理を行うことにより、Ｘ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５４と、Ｙ方向エッジ成分を表す２次元数値行列５５とが独立に求まる。
【００９６】
これらをＩＸ２，ＩＹ２とすると、次に、ＩＸ２，ＩＹ２それぞれの総和を求める。この総和をもって、画像Ｉ１におけるＸ側とＹ側それぞれの焦点評価量５６および５７とする。その後、制御コンピュータ１８に焦点評価量計算結果を渡し、結果を図６に示すように、Ｘ方向Ｙ方向それぞれの焦点評価量を別々にプロットする。
【００９７】
制御コンピュータ１８は、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３の励磁量と、各励磁量における画像の焦点評価量との相関を計算し、Ｘ方向とＹ方向それぞれについて、最も適切なレンズ励磁量を求める。これをＢ（Ｘ）、Ｂ（Ｙ）とする。非点がない場合は、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）は同一となるが、非点がある場合は、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）とは異なる値が得られる。このとき、最も適切なレンズ励磁量Ｂ（Ｊ）として、Ｘ側焦点評価量がピークになるレンズ励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側焦点評価量がピークとなるレンズ励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）を設定すればよい。なお、Ｂ（Ｊ）は次のように表される。
【００９８】
Ｂ（Ｊ）＝（Ｂ（Ｘ）＋Ｂ（Ｙ））／２
ピークがどちらかしか生じないような、一方向しかない観察試料の場合は、そのどちらかのピークを設定するか、あるいは、動作エラーとして処理を終了すれば良い。前者は、非点ズレの可能性がない場合に適用し、後者は非点ズレの可能性が多い場合に適用する。これらの選択は、設計者または観察者に委ねられる。
【００９９】
さて、ここまでは、画面のＸ方向およびＹ方向を例にして説明したが、これは説明の便宜上であり、Ｘ方向およびＹ方向をパターンの方向性の最も強い方向とそれと独立な任意の方向とすれば、１枚の画像から２つの独立した方向の合焦点位置を同時に求めたことになる。
【０１００】
以上説明したように、上記した実施の形態では、試料上に形成されたパターンの方向性にかかわらず、高精度に最適対物レンズ励磁量を求めることができる。なお、電子ビームの走査角を−θｓｐだけ回転させる代わりに、画像処理装置１７内で画像を−θｓｐだけ回転させる演算を行なうことによっても、同じ結果が得られる。更に、電子ビームの走査角を−θｓｐだけ回転させる代わりに、試料３が載せられたステージ（図示せず）を−θｓｐだけ回転させることによっても、同じ結果が得られる。
【０１０１】
次に自動非点補正動作について説明する。自動非点補正の場合、制御するコイルあるいはレンズが、対物レンズ２もしくは補助フォーカスコイル１３であるのに対し、非点補正コイル２０になること以外は、基本的には上記した実施の形態における自動焦点補正動作と同様な動作によって行われる。
【０１０２】
ただし、非点補正コイル２０には方向があるので、その方向補正を行なう必要がある。その補正の方法を図１０、図１１に基づいて説明する。図４では非点補正器としてコイルを用いた磁界型の補正器を例示したが、非点補正器として電極を用いた静電型の補正器を用いることもできる。いずれにしても、一般に、非点補正器は８極のコイルまたは電極によって８回対称の補正場を発生させる。これを制御する際には、便宜上、４５°ずらした２つの４極子補正場をそれぞれ制御する。これらを非点補正器Ａ、非点補正器Ｂと呼ぶ。非点補正器Ａと非点補正器Ｂは、それぞれある特定の方向θｂにビームを発散させ、それと９０°の角をなすθｆ方向にビームを収束させる作用を有する。
【０１０３】
図１０は非点補正器Ａの作用を示しており、（ａ）は荷電粒子ビームに対する非点補正器の作用を、（ｂ）は得られる画像に対する非点補正器の作用を示し、（ｃ）は画像座標系と、非点補正器作用方向との関係を示している。また、図１１は非点補正器Ｂの作用を示しており、（ａ）は荷電粒子ビームに対する非点補正器の作用を、（ｂ）は得られる画像に対する非点補正器の作用を示し、（ｃ）は画像座標系と、非点補正器作用方向との関係を示している。
【０１０４】
ところで、得られる画像の座標系（ｘｉ，ｙｉ）に対する非点補正器の作用方向は、非点補正器の取り付け角度と走査コイルの角度の関係や、非点補正器より試料側に存在する磁界レンズのラーマ―回転作用等によって一意に決定されるが、基本的には画像の座標系（ｘｉ，ｙｉ）とは一致しない。したがって、予めこれらの関係を把握しておく必要がある。
【０１０５】
すなわち、ある加速電圧や照射電流等の使用条件において、非点補正器Ａの作用する座標系（ｘａ，ｙａ）と、画像の座標系（ｘｉ，ｙｉ）とがなす角度θｓａを計算または実験により求め、使用条件ごとの一覧表にする。また、非点補正器Ｂの作用する座標系（ｘｂ，ｙｂ）と、画像の座標系（ｘｉ，ｙｉ）とがなす角度θｓｂを計算または実験により求め、使用条件ごとの一覧表にする。
【０１０６】
ただし、θｓａとθｓｂとの差は、＋４５°または−４５°となることは当然である。これらの一覧表は、システムパラメーターとし、自動非点補正処理実行時に自動的に制御コンピュータ１８に読み込まれる。なお、角度を実験によって求める場合には、出きるだけ細かい粒子状で、一様な方向を有した試料を観察すれば、前述した方向性検証手法等を使うことにより、容易に作用方向は分かる。
【０１０７】
次に、非点補正器Ａと非点補正器Ｂとをそれぞれ独立に使い、自動非点補正を行なう。一例として、非点補正器Ａによる自動非点補正動作について説明する。
【０１０８】
まず、非点補正器Ａの作用方向θｓａを制御コンピュータ１８に渡す。制御コンピュータ１８は、垂直走査信号発生回路６および水平走査信号発生回路８に指令を出し、それぞれの走査信号の混合比を可変させる。いわゆる走査角回転を指示する。これにより、観察試料３上で電子ビームを走査する方向を−θｓａだけ回転させる。結果として、パターン方向性の最も強い方向が画像のＸ方向に一致した画像が得られる。
【０１０９】
次に、走査角を−θｓａだけ回転させたまま、制御コンピュータ１８からの指令により、非点補正器Ａの励磁量をステップ状に変化させ、それぞれの励磁量ごとに画像メモリー１６に蓄えられた画像を１枚ずつ画像処理装置１７に転送する。これ以降の処理は、前述した自動焦点補正方法と同様であり、非点補正器の作用方向Ｘａ方向とＹａ方向それぞれについて、最も適切なレンズ励磁量が求まる。これをＢ（Ｘ）、Ｂ（Ｙ）とする。
【０１１０】
焦点ずれがない場合は、原理的にＢ（Ｘ）とＢ（Ｙ）は同一となるが、焦点がずれていると、Ｂ（Ｘ）とＢ（Ｙ）とは異なる値が得られる。このとき、最も適切な非点補正器Ａの励磁量は、Ｘ側非点評価量がピークになる非点補正器Ａの励磁量Ｂ（Ｘ）と、Ｙ側非点評価量がピークとなる非点補正器Ａの励磁量Ｂ（Ｙ）との中点Ｂ（Ｊ）である。
【０１１１】
ピークがどちらかしか生じないような、一方向しかない観察試料の場合は、そのどちらかのピークを設定するか、あるいは、動作エラーとして処理を終了すれば良い。前者は、焦点ズレの可能性がない場合に適用し、後者は焦点ズレの可能性が多い場合に適用する。ただし、一般には、焦点は観察試料の高さによって大きく変わるので、設計者や観察者は後者を選択することになる。
【０１１２】
非点補正器Ｂでも、電子ビームの走査方向の回転角が−θｓｂになるだけで、非点補正器Ａの自動非点補正と全く同じ手順を踏むことにより、最適非点補正器Ｂの励磁量Ｂ（Ｊ）が求まる。
【０１１３】
前述した自動非点補正において、観察試料３上に形成されたパターンの方向性が強い場合は、走査角回転によって画像の方向性が変わるため、非点評価量曲線の急峻さが低下し、すなわち、自動非点補正の精度が低下する。その場合は、観察試料の方向性成分θｓｐを、試料ステージ回転モーターにフィードバックすることにより、観察試料の方向と非点補正器の作用方向θｓａを一致させれば良い。この時、最も精度の高い非点補正が可能となる。
【０１１４】
更に、前述した自動非点補正において、試料上のパターンの方向性が一方向しかないラインアンドスペースパターンのような試料を用いる場合は、試料ステージ回転モーターを９０°動かす。このモーターを動かす前後で、２回非点評価量を測定することにより、Ｘ側非点評価量と、Ｙ側非点評価量を別々に求めることができる。
【０１１５】
この試料ステージ回転モーターを動かす機能を用いれば、方向性の強い観察試料を用いた自動非点補正の精度を、著しく向上させることが可能である。加えて、前記実施の形態で説明した自動焦点補正において、試料ステージ回転を併用した方式を適用することにより、非点のある場合の自動焦点補正精度をより向上させることができる。
【０１１６】
以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されず幾多の変形が可能である。例えば、電子ビームを用いた走査電子顕微鏡を例にして説明したが、本発明に基づく自動焦点補正、自動非点補正は、走査型の荷電粒子ビーム装置にも適用することができる。イオンビームを用いる装置では、対物レンズや偏向器等のレンズやコイルは、電極を用いた静電型のレンズや偏向器が使用される。
【０１１７】
また、自動焦点補正動作を行う際、電子ビームのフォーカスの状態を対物レンズの励磁量を変化させるか、補助フォーカスコイルの励磁量を変化させるかは任意に選択することができる。補助フォーカスコイルを用いた場合、空芯のコイルを用いるので、フォーカス状態のステップ状の変化を速く行う利点がある。この補助フォーカスコイルの励磁量を変化させてビームのフォーカス状態をステップ状に変化させた場合、結果として得られた最適焦点位置に対応した補助フォーカスコイルの励磁量に該コイルに流す励磁電流を設定しても良いし、最適焦点位置に対応した補助フォーカスコイルの励磁量分、対物レンズの励磁量を調整し、自動焦点補正動作が終了した後は、補助フォーカスコイルを使用しない方式を用いても良い。
【０１１８】
ただし、イオンビーム装置の場合は、補助フォーカスコイルの磁場強度が弱いので、補助フォーカスコイルを用いることはできず、通常は、静電型の対物レンズのレンズ強度を変化させてイオンビームのフォーカス状態をステップ状に変えることになる。
【０１１９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、上焦点と下焦点を別々に検出しその中点に焦点を合わせるようにしたため、非点がある場合でも自動焦点補正機能を正常に動作させることができる。また、焦点がずれている場合でも、自動非点補正機能を正常に動作させることができる。更に、上焦点と下焦点を別々に検出したため、高精度で非点を検出することができ、非点の有る無しの判定を行うことが可能となった。
【０１２０】
試料表面に形成された一方向のパターンに対し、上焦点と下焦点を別々に検出するアルゴリズムを用いると、上焦点か下焦点のいずれかしか検出できないため、ラインアンドスペースのような一方向のパターンで、非点補正を行うことが不可能であることを認識できるようになった。
【０１２１】
従来技術では、非点がある場合は、上焦点と下焦点の２つのピークが重なってダブルピークとなるが、試料の表面形状の特徴に依存してダブルピークのそれぞれのピーク高さが異なり、２つのピークの検出に失敗することがあった。それに対し、本発明においては、上焦点と下焦点を別々に検出するように画像データの処理を行うようにしたので、上焦点を求める曲線のピーク高さと、下焦点を求める曲線のピーク高さとが異なる場合でも関係なく、上焦点と下焦点を分離して検出できるため、試料の特徴にほとんど依存せずに自動非点補正機能を使用することができる。その結果、自動非点補正機能を行うための試料として、方向性が少なくとも２方向ある試料を用いれば良く、試料の選択範囲が広がることになる。
【０１２２】
従来技術では、ＬＳＩパターンのように試料表面が平坦で特徴がなく、パターンの方向性が強い画像に対して、自動焦点補正あるいは自動非点補正の精度を上げることが困難であり、また、対物レンズや補助フォーカスレンズの最適励磁位置、非点補正器の最適励磁位置を誤検出する原因となっていた。これに対して、本発明では、画像データのＸ方向とＹ方向の情報を独立に処理するようにしたので、ＬＳＩパターンのようにＸ、Ｙ方向の方向性が強い試料に対して、高精度に自動焦点補正と自動非点補正を行うことができるようになった。
【０１２３】
また、本発明では、自動焦点補正動作を行う際、焦点評価量を求める画像処理の方向と試料パターンの方向とを一致させ、また、自動非点補正動作を行う際、非点評価量を求める画像処理の方向と非点補正器の作用方向とを一致させ、更に、自動非点補正動作を行う際、非点評価量を求める画像処理の方向と非点補正器の作用方向とを一致させると共に、試料上のパターンの方向も一致させるようにしたため、焦点評価量および非点評価量をより高い精度で測定することができるようになった。したがつて、ＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、方向性の強い画像に対して、自動焦点補正および自動非点補正処理の精度を、著しく向上させることができる。
【０１２４】
ＬＳＩパターンのように平坦で特徴が少なく、方向性の強い画像のノイズに対して効果的なマスキングを行い、自動焦点補正および自動非点補正時のノイズ成分を低減し、焦点評価量や非点評価量を効率よく計算できるようにしたため、ＬＳＩパターンが形成された試料から得られた画像データに基づいて実行される自動焦点補正動作および自動非点補正動作の精度を高くすることができる。また、ＬＳＩパターンの高倍率における観察時において、自動焦点補正および自動非点補正時の画像データに含まれるノイズ成分を大きく低減することができ、高い精度で自動焦点補正や非点補正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】自動焦点補正機能を説明するための図である。
【図２】非点がある場合における自動焦点補正機能を説明するための図である。
【図３】非点補正の原理を説明するための図である。
【図４】本発明に基づく自動焦点補正方法および自動非点補正方法を実施するための走査電子顕微鏡の一例を示す図である。
【図５】Ｘ方向とＹ方向の焦点評価量を計算する方法を説明するための図である。
【図６】Ｘ，Ｙ方向独立に焦点補正量を評価した場合のレンズ励磁量対焦点評価量曲線を示す図である。
【図７】Ｘ焦点評価量およびＹ焦点評価量それぞれの計算方法を説明するための図である。
【図８】半導体パターン画像のノイズ低減方法を説明するための図である。
【図９】試料の表面に形成されたパターンの方向性を示す図である。
【図１０】非点補正器の作用方向を示す図である。
【図１１】非点補正器の作用方向を示す図である。
【符号の説明】
１  電子ビーム
２  対物レンズ
３  観察試料
４  上段偏向コイル
５  下段偏向コイル
６  垂直走査信号発生回路
７，９，１０，１１，１５  増幅器
８  水平走査信号発生回路
１２  レンズ制御電源
１３  補助フォーカスコイル
１４  検出器
１６  画像メモリー
１７  画像処理装置
１８  制御コンピュータ
２０  非点補正コイル
【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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【図８】
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【図９】
2005063678.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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