(57)【要約】【課題】本発明は、焦点調整の高精度化と高速化の両立を実現するのに好適な焦点調整方法、及び焦点調整装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】上記目的を達成するために、本発明では、焦点位置を示す値の変化と焦点評価値の変化との関係を示す値、換言すれば焦点位置を示す値と焦点評価値との関係を示す値、すなわち焦点評価値の焦点位置方向での傾きに基づいて、焦点調整量を求める方法、及び装置を提案する。一例として、励磁電流（或いは試料への印加電圧）の変化と焦点評価値の変化との関係を示す値に基づいて、対物レンズに供給する電流値（或いは試料への印加電圧値）を演算することを提案する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を走査して得られる画像から焦点評価値を算出し、当該焦点評価値に基づいて、前記荷電粒子線の焦点を調整する焦点調整方法において、
前記荷電粒子線の焦点を調整するレンズ条件を変化させたときの焦点位置を示す値の変化と、前記レンズ条件を変化させたときの前記焦点評価値の変化との関係を示す値を演算し、
当該関係値に基づいて、前記レンズの制御量を演算し、
当該制御量に基づいて、前記レンズを制御することを特徴とする焦点調整方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記関係値は、前記焦点位置を示す値と前記焦点評価値との関係を示す値、すなわち連続量である前記焦点評価値の焦点位置方向での傾きに関する値であることを特徴とする焦点調整方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記関係値は、前記焦点評価値の微分値に関する値であることを特徴とする焦点調整方法。
【請求項４】
請求項３において、
前記関係値の演算と前記レンズの制御量の演算、及び前記レンズの制御を、前記微分値の絶対値が所定値未満、或いはその絶対値がゼロを含む所定の範囲内となるまで繰り返すことを特徴とする焦点調整方法。
【請求項５】
請求項１において、
前記焦点位置を示す値とは、前記レンズに供給される励磁電流値に関する値であることを特徴とする焦点調整方法。
【請求項６】
請求項１において、
前記焦点位置を示す値とは、前記試料に印加される負電圧値に関する値であることを特徴とする焦点調整方法。
【請求項７】
荷電粒子線装置によって取得された画像の焦点評価値に基づいて、前記荷電粒子線装置のレンズの制御信号を演算する焦点調整装置において、
当該焦点調整装置は、前記荷電粒子線の焦点を調整するレンズ条件を変化させたときの焦点位置を示す値の変化と、前記レンズ条件を変化させたときの前記焦点評価値の変化との関係を示す値を演算し、当該関係値に基づいて、前記レンズの制御量を演算することを特徴とする焦点調整装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記関係値は、前記焦点位置を示す値と前記焦点評価値との関係を示す値、すなわち連続量である前記焦点評価値の焦点位置方向での傾きであることを特徴とする焦点調整装置。
【請求項９】
請求項７において、
前記関係値は、前記焦点評価値の微分値であることを特徴とする焦点調整装置。
【請求項１０】
請求項９において、
前記関係値の演算と前記レンズの制御量の演算を、前記微分値の絶対値が所定値未満、或いはその絶対値がゼロを含む所定の範囲内となるまで繰り返すことを特徴とする焦点調整装置。
【請求項１１】
請求項７において、
前記焦点位置を示す値とは、前記レンズに供給される励磁電流値に関する値であることを特徴とする焦点調整装置。
【請求項１２】
請求項１において、
前記焦点位置を示す値とは、前記試料に印加される負電圧値に関する値であることを特徴とする焦点調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線装置の焦点調整に係り、特に荷電粒子線装置で得られた信号、例えば画像信号から算出される焦点評価値に基づいて焦点調整を行う方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、荷電粒子線装置の１つである走査型電子顕微鏡（以下ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）と称することもある）は、試料から放出される二次電子から得られる画像に基づいて焦点評価値を算出し、当該焦点評価値が高くなるように、対物レンズを調整することによって、焦点調整を行っていた。特許文献１及び特許文献２には、対物レンズの励磁電流等を連続的に変化させたときに得られる複数の画像から、焦点評価値の高い画像を抽出し、当該画像を形成したときの励磁電流によって、対物レンズを調整することが説明されている。また、特許文献３には、測定された焦点評価値と既定値との差異が、所定値以下となるように、焦点調整を繰り返すことが説明されている。
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２６６８５１号公報
【特許文献２】特開平１０−３１９６９号公報
【特許文献３】特開２００５−１７５４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１及び特許文献２に説明されるような焦点を段階的に変化させて、各焦点の評価値を測定する手法では、焦点評価値が最も高くなる励磁電流を検出するために、焦点評価値のピークを含む広い範囲に亘って、励磁電流を変化させる必要がある。更に、焦点調整の精度を高めるには、真のピークを正確に検出する必要があるため、励磁電流の変化幅を小さくする必要がある。その結果、焦点評価値を測定するための画像を数多く取得しなければならなくなり、焦点が合うまでかなりの時間を要するといった問題があった。
【０００５】
更に特許文献３に説明されるように、予め理想的な焦点評価値を取得しておき、その値に近づくように焦点調整を繰り返す場合も同様に、高精度に焦点調整を行う場合には、焦点の調整ステップ幅を小さくする必要があり、焦点調整の高精度化と高速化を両立することが難しいという問題があった。
【０００６】
本発明は、焦点調整の高精度化と高速化の両立を実現するのに好適な焦点調整方法、及び焦点調整装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、焦点位置を示す値の変化と焦点評価値の変化との関係を示す値、換言すれば焦点位置を示す値と焦点評価値との関係を示す値、すなわち連続量である前記焦点評価値の焦点位置方向での傾き（焦点位置を変えて行ったときに得られる焦点評価値を仮にプロットしたときに得られるグラフのその位置での傾き）に基づいて、焦点調整量を求める方法、及び装置を提案する。一例として、励磁電流（或いは試料への印加電圧）の変化と焦点評価値の変化との関係を示す値に基づいて、対物レンズに供給する電流値（或いは試料への印加電圧値）を演算することを提案する。
【０００８】
この傾きに従って対物レンズに加算する電流量を調整することで、調整前の焦点位置から最終的に得られる合焦位置との乖離の程度に応じた調整が可能となり、焦点評価画像を繰り返し収得する際の焦点振り幅を適切に決めることができる。
【０００９】
即ち、上記傾きが大きいときには、調整前の焦点位置が合焦点から大きく離れていることになり、大きな振り幅で焦点位置を振ることによる高速化の利点を出すことが可能となる。また上記傾きが小さいときには、調整前の焦点位置が合焦点に近いことになり、小さな振り幅で焦点位置を振ることによって高精度化を実現することができる。
【発明の効果】
【００１０】
以上のような構成によれば、高速化と高精度化の両立を実現し得る焦点調整方法、及び装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に図面を用いて、本発明の好適な一例を説明する。
【００１２】
図１は、荷電粒子線装置の１つである走査型電子顕微鏡の概略を説明するための図である。なお、以下の説明では走査型電子顕微鏡の例をとって説明するが、これに限られることはなく、例えば他の荷電粒子線装置である走査イオン顕微鏡、走査透過電子顕微鏡にも適用が可能であり、更に光を照射して得られる信号に基づいて画像を形成する光学顕微鏡等の光学式装置にも適用が可能である。換言すれば、取得された画像に基づいて、焦点の調整を行う装置全般に適用が可能である。
【００１３】
図１に例示される走査型電子顕微鏡では、図示しない電子源から放出される電子ビーム４が、偏向器１，２によって、試料６上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム４は、対物レンズ３によって、試料６上に集束される。試料から放出される二次電子、及び／又は後方散乱電子等は、検出器８に直接的、或いは間接的に検出され、増幅器１１によって増幅される。更に増幅器１１によって増幅された信号は、Ａ／Ｄコンバータ１２によってアナログ―デジタル変換され、フレームメモリ１３に記憶される。なお、検出された信号は、偏向器１、２に供給される走査信号と同期してフレームメモリ１３に記憶されるため、フレームメモリ１３に記憶される情報は、電子ビーム４走査領域に含まれる試料６表面凹凸の拡大像となる。
【００１４】
中央演算装置ＣＰＵ１００は、所定のステップに従って焦点調整を行うように構成、或いはプログラムされている。より具体的には、フレームメモリ１３に記憶された画像のフォーカス評価値（焦点評価値）を計測し、当該焦点評価値に基づいて、対物レンズ３に供給する励磁電流、或いは対物レンズ３へ励磁電流を供給する電源９への制御信号を演算するように構成されている。
【００１５】
中央演算装置ＣＰＵ１００に接続されるメモリ２５には、走査電子顕微鏡１０を制御するのに必要な装置パラメータやプログラムが記憶され、必要に応じて中央演算装置ＣＰＵ１００に情報を送付するように構成されている。また、中央演算装置ＣＰＵ１００には、図示しない入力装置が接続されており、当該入力装置から必要な情報が入力され、走査電子顕微鏡の制御に供される。
【００１６】
中央演算装置ＣＰＵ１００には、フレームメモリ１３に記憶された画像からフォーカス評価値を算出するためのフォーカス評価値算出手段２１が内臓されている。微分手段２２では、励磁電流或いは電源９に供給する信号の変化と、フォーカス評価値の変化との関係を示す傾きに関する情報が演算される。本例では、励磁電流の変化量ｄｎと、フォーカス評価値の変化量ｄＦｕに基づいて、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を算出することによって、フォーカス評価値の焦点位置方向での傾きを求める。傾きがない状態、即ち（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）がゼロのときは合焦状態であり、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）の絶対値が大きい、或いはｄＦｕ／ｄｎが０を挟んだ所定の範囲内に入っていないときは、合焦点から焦点位置が乖離している状態にある。本例では、このような傾きの情報に応じて、対物レンズ３に供給する励磁電流を演算する手段として、ＰＩＤ演算手段２３を用いる。本例では、上記傾きに関する情報を、ＰＩＤ制御を行うための偏差として代入することによって、励磁電流を演算する。このＰＩＤ演算手段２３の演算結果に基づいて、対物レンズ磁場信号発生手段２４から、電源９に所望の励磁電流を対物レンズ３に供給するための信号が供給される。メモリ２５には、ＰＩＤ制御を行うための比例ゲインＫｐ等、以下に説明する必要な変数が予め登録されている。
【００１７】
図２はフォーカス評価値の微分値に基づいて、対物レンズの励磁電流を演算する制御系の一例を説明する図である。本例では、フレームメモリ１３に記憶された４枚のＳＥＭ画像を積算して得られた積算画像からフォーカス評価値を求める例について説明する。取得されたフォーカス評価値について微分を行い、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を求める。この微分値、或いはフォーカス評価値波形の傾きを示す値に基づいて、対物レンズの励磁電流を調整するために、本例ではＰＩＤ制御を用いる。具体的には、式１に従って、電源９に供給する信号が演算される。
【００１８】
【数１】
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【００１９】
この演算式では、偏差ｅとして（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）、或いは傾きの程度を示す数値が代入される。このように演算すれば、微分量（フォーカス評価値の焦点位置方向での傾き）の程度によって、電源９に供給する信号の大きさ、或いは励磁電流を制御できる。これによって、傾きの絶対値が大きいまたは傾きが０より大きく離れ所定の範囲外にある状態にあってジャストフォーカスまで相当量の調整が必要な場合は、大きなレンズ制御量を設定する。また、傾きが小さいまたは傾きが０に近い所定の範囲に入った状態にあってジャストフォーカスまで僅かな調整で足りる場合は小さなレンズ制御量を設定する。励磁電流を制御することが可能となるので、高速、高精度なフォーカス調整が可能となる。図６は、対物レンズの励磁電流とフォーカス評価値との関係を示すグラフである。フォーカス評価値が最大になる点がジャストフォーカス点であり、そのときの励磁電流に精度良く且つ高速に調整することが本例の目的である。本例では、焦点位置を示す値（本例では励磁電流）の変化分ｄｎと、焦点評価値の変化分dFuとの関係を示す値（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を演算し、この値に基づいて、励磁電流に供給する電流値が決定される。
【００２０】
なお、本例ではＰＩＤ制御の演算式の偏差ｅとして、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を用いる例を説明しているが、これに限られることはなく、例えば閾値１≦（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）＜閾値２のときは、偏差ｅ＝所定値ａ、閾値２≦（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）＜閾値３のときは、偏差ｅ＝所定値ｂ…のように、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）の大きさに応じた他の所定値を、偏差ｅとして割り当てるようにしても良い。
【００２１】
また、図６に説明するように、対物レンズの励磁電流を増加させることによって、その際の微分値は、ピークの左側であればプラス、ピークの右側であればマイナスとなるため、その微分値の正負に応じて、励磁電流を減少させるか増加させるかを判断することが可能となる。また、ピークを大きく外れると微分値はゼロに近くなり、ピーク部分と識別が難しくなる場合がある。このような場合には、励磁電流を大きく変化させたときにフォーカス評価値が大きく減少する、またはフォーカス評価値が所定値以上の幅で変化する場合はピーク部の近くと判断し、フォーカス評価値があまり変化しない、またはフォーカス評価値が所定値以上の幅で変化しないような場合は、ピークから大きく外れた位置にあると判断するようにしても良い。もちろんこの説明は一例に過ぎず、状況に応じて種々の応用が可能である。
【００２２】
ＰＩＤ操作量ＭＶは、ＰＩＤ演算手段２３から対物レンズ磁場信号発生手段２４に、出力される。この出力値は、電源９において対物レンズの励磁電流に変換され、対物レンズが制御される。
【００２３】
電源９から対物レンズ３に供給される励磁電流ＩMは式２に示す磁場応答式によって演算される。
【００２４】
【数２】
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【００２５】
τ1, τ2は対物レンズ固有の定数であり、それぞれ自己インダクタンス遅れと、磁気余効に基づく遅れを示している。Ｅは対物レンズのコイルに印加される電圧、Ｒはコイルの抵抗である。
【００２６】
磁場形の対物レンズの場合、図５に図示するような磁気ヒステリシスによって、励磁電流値とフォーカス評価値が、所定の関係を保てないことがある。予め定められた励磁電流の変化幅をもって焦点を段階的に変化させる場合、この不一致により焦点が定まりにくいという問題があるが、本例の場合、フォーカス評価値の焦点位置方向での傾きに応じて操作量を変化させているため、磁気ヒステリシスに因らず、安定した焦点調整を行うことが可能となる。
【００２７】
なお、本例ではいわゆるＰＩＤ制御に基づいて操作量を算出しているが、これに限られることはなく例えばＰ制御（比例動作）、或いはＰＩ制御（比例動作及び積分動作）のみとしても良い。また、本例では磁場形の対物レンズの励磁電流を調整する例について説明するが、これに限られることはなく、例えば試料ステージ５を介して試料６に印加される負電圧を調整することによってフォーカス調整を行う、いわゆるリタ―ディングフォーカスによって焦点調整を行うようにしても良い。
【００２８】
図３に、本実施例を実現するためのフローを示す。まず、図示しない試料高さセンサで、試料の高さを測定し、当該測定された試料高さに基づいて、おおよその焦点位置の設定を行うべく、対物レンズの励磁電流をＥ０に設定する（Ｓ０，Ｓ１）。この状態で電子ビームを走査し、ＳＥＭ画像を取得する（Ｓ２）。
【００２９】
次に、取得されたＳＥＭ画像に基づいて、フォーカス評価値の算出Ｆ０を行う（Ｓ３）。ＳＥＭ画像のフォーカス評価値は、例えばその領域の画像における画素信号強度の微分値の分散をもって焦点評価値とすることができる。このような演算は、例えば上述の中央演算装置ＣＰＵ１００にて行われる。
次に、電源９から供給される励磁電流を、Ｅ０＋ΔＥに設定し、対物レンズ磁場を発生させる（Ｓ５）。
【００３０】
次に対物レンズの励磁電流をＥ０＋ΔＥとした状態で、電子ビームを試料に走査し、試料上の走査領域から放出された電子に基づいて、ＳＥＭ画像を形成する（Ｓ６）。取得されたＳＥＭ画像に基づいてフォーカス評価値の算出Ｆｎを行う（Ｓ７）。
【００３１】
次に、算出されたフォーカス評価値Ｆｎについて、上述した微分手段によって微分演算を行い、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を算出する（Ｓ８）。（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）が正の場合は、ジャストフォーカスを得るための励磁電流値より電流値が不足した状態にあり、負の場合は電流値が過剰な状態にある。これによってフォーカスを調整する際の励磁電流の調整方向（プラス、或いはマイナス）を検出することができる。更に、−ΔｄＦ＜（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）（ΔｄＦは所定のしきい値）になっているかどうかが判定され（Ｓ９）、この範囲に入っていれば、適切な対物レンズ励磁電流が設定されているとして終了（Ｓ１２）し、この範囲に入っていなければ（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）を観察量として、再度フィードバックをかける。
図５に示すように、対物レンズには磁気ヒステリシスがあるが、上述のフィードバック制御によって合焦条件を速やかに決定することができる。
【００３２】
ＰＩＤ制御を行うための各変数は、対物レンズ固有のものであり、予め調整によって決定された値がメモリに格納されている。
ＰＩＤ制御に関する各パラメータは、事前のチューニングによって求められ、その値がメモリに格納されている。１つのパラメータに対し、複数の値が登録されている場合には、操作者は、表示装置に表示された画面を見ながら適切なパラメータの選定を行うようにしても良い。一般的なチューニングの手法としては、ステップ応答法と限界感度法が良く知られている。選定の手法は、図４（ａ）あるいは図４（ｂ）に示すように、励磁電流値を適切なパラメータが設定された時のカーブにあわせていく例が考えられる。図４（ｂ）は、最初の制御の立ち上がりを緩やかにして最終目標値への収束を図った例である。反対に図４（ａ）は、最初の制御の立ち上がりを迅速にして最終目標値への収束時間を短くした例である。この手法によれば、合焦時間を短くすることができ、オーバーシュートの発生を防止した安定したフィードバック制御を実現することができる。
【００３３】
上記演算式によって、電源９から対物レンズに供給する励磁電流Ｅｎ＋１を得る（Ｓ１１）。この励磁電流を対物レンズに供給して、対物レンズの集束磁場を発生させる（Ｓ６）。以下、（ｄＦｕ／ｄｉ）（ｎ）が所定範囲内に入るまで、上述の処理を繰り返す。
【００３４】
以上、本例によれば、適正な対物レンズ制御量による焦点調整を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の実施例の構成図。
【図２】フォーカス評価値の微分値に基づいて励磁電流を演算する制御系を説明する図。
【図３】本発明の実施例のフローチャート図。
【図４】ＰＩＤ制御を示す図。
【図５】対物レンズの磁気ヒステリシスを示す図。
【図６】対物レンズの励磁電流とフォーカス評価値との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３６】
１，２…偏向コイル、３…対物レンズ、４…電子線、５…ステージ、６…試料、８…検出器、１０…電子線集束手段（装置）、１１…画像信号増幅器、１２Ａ／Ｄコンバータ、１３…フレームメモリ、２０…中央演算装置ＣＰＵ（ＰＩＤ制御装置）、２１…フォーカス評価値算出手段、２２…微分手段、２３…ＰＩＤ演算手段、２４…対物レンズ磁場信号発生手段、２５…メモリ、３０…表示装置、１００…中央演算装置ＣＰＵ。
【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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