JP2003016983A - 荷電粒子線装置および自動非点収差調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速・高精度の非点収差・焦点調整を行なうこ
とができるようにした荷電粒子線装置および自動非点収
差補正方法を提供することにある。 【解決手段】２種類のスキャン方向で焦点を変化させな
がら取得した少数の２次元の粒子画像を画像処理するこ
とによって非点隔差の方向・大きさと焦点オフセットを
検出し、これを２種類の非点収差補正量と焦点補正量に
一括して変換して補正を行なうことによって高速・高精
度の自動非点・焦点調整を実現する。また、非点較差の
誤差を補正してより高精度な自動非点・焦点調整を実現
する。さらに、本自動非点収差・焦点調整を用いて高精
度の検査・計測を長時間にわたって実現する装置を実現
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子ビームを
用いて高精度の検査・計測や加工等を行う荷電粒子光学
系における非点収差等を自動調整する荷電粒子線装置お
よび自動非点収差調整方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体ウェハなどに形成された
微細回路パターンを検査・計測するための自動検査シス
テムとして、電子線顕微鏡が用いられてきている。欠陥
検査の場合には、走査電子顕微鏡から検出される電子線
画像を用いて検出画像と基準となる参照画像とを比較し
て行われている。また、半導体装置の製造プロセス条件
の設定やモニタなどに使用される微細回路パターンの線
幅や穴径などを測定する場合には、走査型電子顕微鏡か
ら検出される電子線画像を用いて画像処理による測長が
行われている。

【０００３】このように、パターンの電子線像を比較す
ることによりその欠陥を検出する比較検査や、電子線像
を処理してパターンの線幅などを測定する場合には、得
られる電子線像の質がその検査結果の信頼性に多大な影
響を与える。電子線像の質は、電子光学系の収差や、デ
フォーカスによる解像度の低下などにより劣化する。こ
れらの像質の劣化は検査感度や測長の性能を低下させ
る。また、これらの画像ではパターンの幅が変化した
り、画像のエッジ検出の結果が安定して得られなくなる
ため、欠陥の検出感度や、パターンの線幅や穴径の測定
結果が不安定になることとなる。

【０００４】従来、電子線光学系の焦点・非点収差合わ
せは、電子線像を目で観察しながら対物レンズの制御電
流と２組の非点収差補正コイルの制御電流を調節するこ
とにより行っている。焦点合わせは、対物レンズに流す
電流を変えることによってビームの収束高さを変えるこ
とによって実現できる。

【０００５】このように、電子線像を目で観察しながら
対物レンズの制御電流と２組の非点収差補正コイルの制
御電流を調節する方法は多くの時間を要するのに加え、
電子線で試料表面を何度も走査することとなり、試料へ
のダメージも問題となる可能性がある。また、手動で調
整を行なうと調整結果に個人差がでてしまう。また、通
常、非点収差や焦点位置の時間変動が生じるため、自動
検査や測長を行なう場合に、定期的に人が非点収差・焦
点位置の調整を行なう必要があり、自動化の妨げになっ
ていた。

【０００６】このような課題を解決するために、従来か
らさまざまな自動非点収差補正方法が提案されてきた。
例えば、特開平７−１５３４０７号公報（従来技術１）
には、荷電粒子線の２次元の走査により、試料から得ら
れる２次電子信号を微分して変化状態の大きいデジタル
データを抽出し、この抽出されたデジタルデータに対応
する試料上の位置を求め、この求められた位置を中心に
対物レンズに流す励磁を変化させながらＸ方向のみおよ
びＹ方向のみに荷電粒子線を走査し、これら各走査によ
って得られた２次電子信号のデジタルデータの最大値で
Ｘ方向の焦点情報およびＹ方向の焦点情報を検出し、こ
れらＸ方向の焦点情報およびＹ方向の焦点情報から対物
レンズに流す電流を決定して対物レンズに送出し、その
後非点収差補正コイルに流す電流を変化させてＸまたは
Ｙの一方向に荷電粒子線を走査し、得られた２次電子信
号のデジタルデータの最大値で非点収差補正コイルに流
す電流値を決定して送出する荷電粒子線の焦点調節と非
点収差調節とを行う装置が記載されている。

【０００７】また、特開平９−１６１７０６号公報（従
来技術２）では、さまざまな方向に電子線をスキャンし
ながら焦点を振ることによって非点収差の方向を求めて
から、この方向のみに非点収差が変化するよう２種類の
非点補正量の関係を保ちながら非点補正量を変化させ、
像が鮮明になる条件を探す方法が提案されている。これ
によって、２自由度の非点補正量の条件を１自由度に限
定して調整することができ、調整時間が短縮される。

【０００８】また、特開平１０−１０６４６９号公報
（従来技術３）では、まず合焦状態からわずかずれた状
態に自動焦点調整を行ってから、２次元画像のＦＦＴを
用いて非点収差の方向を求め、この方向のみに非点収差
が変化するよう２種類の非点補正量の関係を保ちながら
非点補正量を変化させ、像が鮮明になる条件を探す方法
が提案されている。

【０００９】また、特開平９−８２２５７号公報（従来
技術４）では、２次元粒子画像のフーリエ変換を用い、
焦点を変化させながらフーリエ変換の大きさの変化が反
転する点をまず求めることによって合焦位置を求め、次
に、合焦位置の前後の焦点位置で各１枚の２次粒子像を
測定し、これらのフーリエ変換の大小の分布から非点収
差の方向を求め、この方向に非点収差が変化するように
非点収差補正を行うことが提案されている。

【００１０】また、ＵＳＰ６０２５６００（従来技術
５）では焦点位置を増加させながら取得したＳＥＭ画像
の４方向の鮮鋭度を求め、これらの最大値が得られるま
で焦点位置を増加させ、これら４方向の鮮鋭度の最大値
から、非点収差の補正量を求めることが提案されてい
た。

【００１１】また、特開昭５９−１８５５５号公報およ
びその米国出願であるＵＳＰ４５５４４５２（従来技術
６）では焦点位置を増加させながらＳＥＭ画像をいろい
ろな方向にスキャンすることでその方向の鮮鋭度を求
め、これら各方向の鮮鋭度の最大値から、非点収差の補
正量を求めることが提案されていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術１では、
２種類の非点補正量と焦点補正量の計３種類の制御量を
それぞれ逐次的に変化させながら、粒子画像の鮮鋭度が
最も高くなる点を試行錯誤で求めてゆく方法であるた
め、補正完了までに要する時間がかかり過ぎることにな
り、その結果試料に長時間荷電粒子線が当たり、試料に
チャージアップ、汚れ等のダメージが生じることにな
る。また、鮮鋭度を目安に自動、あるいは、目視で調整
を行うと、試料のパターンによっては真に非点収差がな
くなった状態にならないことが起こりやすくなる。

【００１３】また、従来技術２でも、焦点をふって非点
収差の方向を調べてから、非点調整量を変化させながら
１次元スキャンを焦点を振って繰り返して、２方向の合
焦位置が一致する条件を探すということを繰り返す必要
があり、この間時間がかかるという課題があった。ま
た、電子線のスキャンが一次元であるために試料に放射
状の痕がついてしまうという課題があった。また、試料
に一様にテキスチャーがついていないとスキャン１次元
スキャンの場所によって十分な信号が得られないために
安定した非点収差補正が行なえないといった課題もあっ
た。

【００１４】また、従来技術３でも、やはり、焦点を振
ってから非点補正量を振るという２ステップの調整を行
うため、調整時間がかかるうえに、試料のダメージが大
きくなる課題があった。また、ＦＦＴから非点収差の方
向を求めるためには、非点収差が発生していないときの
画像のスペクトルが均一であるという前提が必要とな
り、使用できる試料が限定されてしまうという課題があ
った。

【００１５】以上説明したように従来技術１、２、３の
いずれにも、粒子画像から安定に非点収差の方向と大き
さを求める方法と、非点収差の方向と大きさから非点調
整手段への補正量を計算することとについて示唆されて
いないため、試行錯誤で非点補正量を変化させては結果
をみることを繰り返さざるを得ず、調整に時間がかかる
と同時に試料のコンタミネーションやチャージアップに
よるダメージが生じることになっていた。また、一次元
ビームスキャンの場合は、試料上のパターンが粗な場所
をスキャンした場合に精度が悪化するという課題もあっ
た。

【００１６】また、従来技術４では、焦点をふった２次
元画像のフーリエ変換から非点収差の方向と“強度”を
求めているが、非点収差の方向と“強度”から非点調整
手段の補正量を求める具体的な方法について示唆されて
おらず、また“強度”の物理的意味付けが不明確であ
り、非点調整手段の補正量が十分な精度で求められない
という課題を有していた。

【００１７】また、従来技術５では、一連の焦点位置を
ずらしたＳＥＭ画像から非点収差補正量を求めることが
でき、試料ダメージを少なくすることが可能となる。し
かし、この方法は非点収差が大きい場合に鮮鋭度の曲線
が非対称となったり、双峰性であった場合を考慮してい
なかった。また、一枚の画像から方向性鮮鋭度を求める
とビームノイズや検出器の応答性のために垂直方向の鮮
鋭度と水平方向の鮮鋭度が斜め方向の鮮鋭度に比べてノ
イズが多く、試料が暗い場合に動作が不安定になるとい
う問題もあった。。

【００１８】従来技術６では、スキャン方向を３方向以
上に回転させて信号を得て、この断面シグナルからそれ
ぞれの方向の鮮鋭度を求めるために、スキャン時間に時
間がかかることと、基本的に一次元微分処理なのでほか
の方向のエッジの影響を受けて鮮鋭度に誤差が乗りやす
いという問題がある。

【００１９】また、従来技術５、６共通の課題として、
鮮鋭度の最大値の線形結合を用いて非点収差補正量を求
めているので、試料のパターンのエッジがある方向に偏
っている場合、ある方向の鮮鋭度が別の方向のエッジに
影響されて大きくなってしまうために非点収差補正量が
正確に求まらず、非点収差補正の収束に時間がかかる、
という問題がある。

【００２０】本発明の目的は、上記課題を解決すべく、
多様な試料に対応して、少数の２次元画像から、２個以
上の非点収差補正量と焦点補正量を一括して求め、試料
のダメージを最小限に押さえながら、短時間で非点収差
と焦点の自動補正を行うことができるようにした荷電粒
子線装置および自動非点収差調整方法を提供することに
ある。

【００２１】また、本発明の他の目的は、多様な試料に
対応して、少数の２次元画像から、２個以上の非点収差
補正量を同時に求め、試料のダメージを最小限に押さえ
ながら、短時間で非点収差の自動補正を行うことができ
るようにした荷電粒子線装置および自動非点収差調整方
法を提供することにある。

【００２２】また、本発明のさらに他の目的は、荷電粒
子線光学系の非点収差と焦点の自動補正を行うことで被
対象基板から得られる粒子画像の質の向上を図り、長時
間安定で、かつ高信頼性を有する検査、計測、または加
工等を行うことのできる荷電粒子線装置を提供すること
にある。

【００２３】また、本発明のさらに他の目的は、荷電粒
子線光学系において試料のダメージを最小限に押さえな
がら、短時間で非点収差と焦点の自動補正を行うことに
適した荷電粒子線の非点収差・焦点調整用試料を提供す
ることにある。

【００２４】また、本発明のさらに他の目的は、２枚の
２次元の粒子画像から短時間で非点収差と焦点の自動補
正を行うことができるようにした自動非点収差調整方法
およびそのための試料を提供することにある。

【００２５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、荷電粒子線装置を、試料を設置するス
テージと、荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを
収束する荷電粒子光学系と、該荷電粒子光学系によって
収束された収束荷電粒子ビームを走査して前記試料上に
照射する走査手段と、前記荷電粒子光学系によって収束
された収束荷電粒子ビームの焦点位置を制御する焦点制
御手段と、前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷
電粒子ビームの非点収差を調整する非点収差調整手段
と、前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照
射された試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子
画像を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画
像をスキャン方向を変えて２組得る粒子画像検出手段
と、該粒子画像検出手段から得られる複数の焦点位置を
有する２次元の粒子画像に基いて前記収束荷電粒子ビー
ムの非点隔差（大きさδと方向αまたはベクトル（ｄ
ｘ，ｄｙ））を算出する画像処理手段と、該画像処理手
段で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔差に基づく
非点収差補正量を前記非点収差調整手段にフィードバッ
クして収束荷電粒子ビームの非点収差を調整制御する制
御系とを備えて構成した。

【００２６】また、本発明では、自動非点収差調整方法
において、荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを
荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電粒子
ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエッジ
成分を含むパターンが形成されている試料上に照射し、
該試料から発生する粒子画像を粒子画像検出手段で検出
して２次元の粒子画像を得る第１の過程と、該第１の過
程で得られた２次元の粒子画像に基いて収束荷電粒子ビ
ームの非点隔差および焦点オフセットを画像処理手段に
よって算出する第２の過程と、該第２の過程で算出され
た収束荷電粒子ビームの非点隔差に基づく非点収差補正
量を非点収差調整手段にフィードバックして収束荷電粒
子ビームの非点収差を調整制御し、更に前記算出された
収束荷電粒子ビームの焦点オフセットに基づく焦点補正
量を焦点制御手段にフィードバックして収束荷電粒子ビ
ームの焦点を調整制御する第３の過程とを有することを
特徴とする。

【００２７】また、本発明では、荷電粒子線の非点収差
調整用試料を、一方向のパターンを持つ少なくとも３つ
の領域を荷電粒子光学系の視野内にもつように構成した
ことを特徴とする。

【００２８】以上説明したように、本発明では、焦点を
変化させながら取得した少数の２次元の粒子画像を用い
て画像処理することによって直交方向のパターンに対す
る合焦位置の間隔である非点隔差（例えば大きさδと方
向αまたはベクトル）と焦点オフセットｚを算出するこ
とにある。非点収差が発生している状態では焦点を合焦
状態から変化させた時に画像は均等にぼけず、ビームの
楕円形状が最も細くなる点では楕円の長軸方向と平行な
模様は鮮明になる。一方楕円の長軸方向に直交する模様
はぼけが大きくなる。粒子画像上からこれを計測するた
めに、本発明では方向性鮮鋭度｛ｄ0(f),ｄ45(f),ｄ90
(f),ｄ135(f)｝を定義し、フォーカスを振りながら方向
性鮮鋭度の変化を解析し、これから非点隔差（例えば大
きさδと方向αまたはベクトル）、および焦点オフセッ
トｚを求める。このとき、４５°方向と１３５°方向の
方向性鮮鋭度がノイズに対して強くかすかなパターンに
対しても正確であるので、スキャン方向を規準方向にし
たときと、略45°または135°または-45°または-135°
回転させたときと、２組の状態で取得し、それぞれの画
像の組に対して、４５°方向と１３５°方向の方向性鮮
鋭度を計算することで４組の方向性鮮鋭度｛ｄ0(f),ｄ4
5(f),ｄ90(f),ｄ135(f)｝を得る。更にこれを少なくと
も２種類の非点収差補正量と焦点補正量に一括して配分
することによって非点収差・焦点調整を実現する。

【００２９】この構成によれば、焦点を変化させて取得
した少数の２次元の粒子画像から非点収差補正量と焦点
補正量が一括して計算されるため、高速で試料に対する
ダメージの少ない非点収差・焦点調整が実現される。ま
た、焦点距離を変化させながら同じ試料の画像の方向性
鮮鋭度を比較することによって非点隔差が求められるの
で、試料上のパターン（模様）に依存せずに高精度の非
点・焦点調整が実現される。試料上のパターン（模様）
についての唯一の条件は、各方向のエッジ成分をわずか
でも含むものであることである。ここで、エッジ成分と
呼ぶのは明確なパターン境界とは限らず、わずかな傷、
微細な模様、コーナ部の微少な円弧状のパターンなども
含む。

【００３０】また、本発明では、方向性鮮鋭度を解析す
る場合に、鮮鋭度の最大値を用いた場合には非点収差補
正の誤差が大きくなる問題に対して、方向性鮮鋭度の曲
線の重心を求める。重心は、鮮鋭度の曲線が非対称であ
ったり、あるいは、双峰性であった場合に、裾野の広い
ほう、あるいは、副次的な峰のある方に、鮮鋭度曲線の
中心位置を補正する効果があり、これにより、常に正確
に非点収差補正が行えるようになる。ただし、荷電粒子
光学系の非点収差以外の収差の影響によって、非点収差
補正量は一般に誤差をもっているため、必要に応じて、
非点収差が大きい場合には複数回繰り返して非点収差補
正を行い、非点補正量の変化が十分小さくなる（収束）
するまで繰り返すことも行なう。これにより、非点収差
補正が失敗することが防止される。

【００３１】また、本発明では、各方向鮮鋭度における
合焦位置｛ｐ0,ｐ45,ｐ90,ｐ135｝を用いて非点収差補
正量を求めるときに、線形演算のほかに非線型補正演算
を用いる方法も提供する。この方法によれば、試料上の
パターンの方向に偏りがある場合にも、これによる強度
の強いの方向のパターンの影響による隣接方向の鮮鋭度
曲線の形状のずれを補正して非点収差補正量を計算でき
るので、安定して高速に非点収差を補正することが可能
になる。

【００３２】

【発明の実施の形態】本発明に係る荷電粒子線装置およ
び自動非点収差補正方法並びに荷電粒子線の非点収差調
整用の試料の実施の形態について図面を用いて説明す
る。

【００３３】本発明に係る荷電粒子線装置の一実施の形
態である検査／計測装置は、図１に示すように、荷電粒
子光学系１０と荷電粒子光学系１０を構成する各種要素
を制御する制御系と荷電粒子光学系１０内の粒子検出器
１６で検出される２次粒子または反射粒子に基づく画像
について画像処理する画像処理系とから構成される。

【００３４】荷電粒子光学系１０は、電子ビームやイオ
ンビーム等の荷電粒子ビームを出射する荷電粒子線源１
４と、該荷電粒子線源１４から出射される荷電粒子ビー
ムの非点収差を電界を与えることによって補正する非点
収差補正器６０と、上記荷電粒子線源１４から出射され
る荷電粒子ビームを偏向させて走査するビーム偏向器１
５と、該ビーム偏向器１５によって偏向される荷電粒子
ビームを磁界によって集束させる対物レンズ１８と、試
料２０を搭載し、校正用ターゲット６２を試料２０の周
辺に固定した試料台２１を載置して移動するＸＹステー
ジ４６と、接地に近い電位が付与されるグリッド電極１
９と、試料台２１上に設けられて試料２０および校正用
ターゲット６２に対して荷電粒子ビームが電子ビームの
場合負の電位、荷電粒子ビームがイオンビームの場合正
の電位を付与するリターディング電極（図示せず）と、
試料２０等の高さを例えば光学的に測定する高さ検出セ
ンサ１３と、試料２０に荷電粒子ビームを照射すること
によって試料２０の表面から放出される２次粒子または
反射粒子を例えば反射板で反射させて検出する粒子検出
器１６とを備えて構成する。なお、非点収差補正器６０
は、磁界に基づく非点収差補正コイル、または電界に基
づく非点収差補正電極によって構成することができる。
また、対物レンズ１８は磁界に基づく対物コイル、また
は電界に基づく静電対物レンズによって構成することが
できる。更に対物レンズ１８には、焦点補正用のコイル
１８ａを設けてもよい。このように非点収差調整手段
は、非点収差補正器６０および非点収差補正回路部６１
等で構成される。

【００３５】ステージ制御部５０は、全体制御装置２６
からの制御指令に基いてＸＹステージ４６の位置（変
位）を検出しながらＸＹステージ４６の移動（走行）を
駆動制御するものである。なお、ＸＹステージ４６に
は、ＸＹステージ４６の位置（変位）をモニタする位置
モニタ用測長器が備えられ、モニタされたＸＹステージ
４６の位置（変位）がステージ制御部５０を介して全体
制御装置２６に提供できるように構成されている。

【００３６】焦点位置制御部２２は、全体制御装置２６
からの指令を基に、高さ検出センサ１３によって測定さ
れた試料面の高さ情報に基いて対物レンズ１８を駆動制
御して荷電粒子ビームの焦点を試料２０上に合わせる。
なお、ＸＹステージ４６にＺステージを付加することに
よって、焦点合わせを対物レンズ１８でおこなう代わり
にＺステージを駆動制御してもよい。このように焦点制
御手段は、対物レンズ１８またはＺステージおよび焦点
位置制御部２２等で構成される。

【００３７】偏向制御部４７は、全体制御装置２６から
の制御指令に基いてビーム偏向器１５に対して偏向信号
を与えるが、このとき、試料２０の表面の高さ変動にと
もなう像倍率変動、対物レンズ１８の制御にともなう像
回転を補償するように偏向信号に補正を加える。

【００３８】グリッド電位調整部４８は、全体制御装置
２６からの電位調整指令に基いて試料２０の上方に近接
して設けられたグリッド電極１９に与える電位を調整す
るものである。試料台電位調整部４９は、全体制御装置
２６からの電位調整指令に基いて試料台２１上に設けら
れたリターディング電極への電位を調整するものであ
る。これらグリッド電極１９およびリターディング電極
によって試料２０に負または正の電位を付与することに
より、対物レンズ１８と試料２０との間で電子ビームま
たはイオンビームを減速させることで低加速電圧領域で
の高分解能化を図ることができる。

【００３９】線源電位調整部５１は、全体制御装置２６
からの指令に基いて荷電粒子線源１４に与える電位を調
整することによって荷電粒子線源１４から出射される荷
電粒子ビームの加速電圧やビーム電流を調整するもので
ある。

【００４０】そして、これら線源電位調整部５１、グリ
ット電位調整部４８、および試料台電位調整部４９は、
所望の画質の粒子像を粒子検出器１６によって検出でき
るために全体制御装置２６によって制御される。

【００４１】本発明に係る非点収差調整部６４は、非点
収差・焦点補正時に、焦点位置制御部２２に焦点位置
（フォーカスｆ）を変えるべく制御指令を出して焦点位
置制御部２２により対物レンズ１８を駆動制御し、荷電
粒子ビームを、試料２０上または校正用ターゲット６２
上の例えば図４（ａ）（ｂ）の各々に示すような各方向
のエッジ成分を同程度に含むパターンが形成された領域
に照射しながらフォーカスを変える。すると、粒子検出
器１６からは、フォーカスｆを変えた複数枚の粒子画像
信号が検出され、夫々の粒子画像信号がＡ／Ｄ変換器２
４で粒子デジタル画像信号（デジタル画像データ）に変
換されて画像メモリ５２に非点収差調整部６４から出力
されるフォーカス指令値ｆに対応させて記憶される。そ
して、非点収差・焦点補正量算出用画像処理回路５３
は、画像メモリ５２に記憶されたフォーカスｆを変えた
複数枚の粒子デジタル画像信号を読み出して、各フォー
カス指令値ｆに対応する粒子デジタル画像信号について
方向性鮮鋭度ｄ０（ｆ），ｄ４５（ｆ），ｄ９０
（ｆ），ｄ１３５（ｆ）を求め、これら方向性鮮鋭度ｄ
０（ｆ），ｄ４５（ｆ），ｄ９０（ｆ），ｄ１３５
（ｆ）がピークとなるフォーカス値ｆ０，ｆ４５，ｆ９
０，ｆ１３５を求め、これらフォーカス値ｆ０，ｆ４
５，ｆ９０，ｆ１３５から非点隔差（非点隔差ベクトル
（ｄｘ，ｄｙ）、または非点隔差の方向αと大きさ
δ）、および焦点オフセット値ｚを求め、これら求めら
れた非点隔差および焦点オフセット値ｚを全体制御装置
２６に提供して記憶装置５７に記憶する。

【００４２】全体制御装置２６は、予め求めておいた非
点収差補正器６０の特性である非点隔差と非点収差補正
量との関係から上記求められて記憶装置５７に記憶され
た非点隔差に応じた非点収差補正量（Δｓｔｘ，Δｓｔ
ｙ）を算出し、予め求めておいた対物レンズ１８の特性
の関係から上記求められて記憶装置５７に記憶された焦
点オフセット値ｚに応じた焦点補正量を算出し、この算
出された非点収差・焦点補正量を非点収差調整部６４に
提供する。

【００４３】従って、非点収差調整部６４は、全体制御
装置２６から提供された非点補正量（Δｓｔｘ，Δｓｔ
ｙ）を非点収差補正回路部６１に与えることにより非点
収差補正器（磁界に基づく非点収差補正コイル、または
電界に基づく非点収差補正電極によって構成される。）
６０によって荷電粒子ビームの非点収差が補正され、焦
点補正量を焦点位置制御部２２に与えることにより対物
レンズ１８へのコイル電流または焦点補正用のコイル１
８ａ（図示せず）へのコイル電流が制御されて焦点が補
正される。

【００４４】別の方法として、ステージ４６の一部とし
てＺステージを具備する場合には、非点収差調整部６４
は、全体制御装置２６を介してまたは直接ステージ制御
部５０に焦点を振る（試料高さを変える）制御指令を出
し、ステージ制御部５０によりステージ４６のＺ軸を駆
動して焦点を振ることによって、粒子検出器１６から焦
点を振った粒子画像を得、非点収差・焦点補正量算出用
画像処理回路５３において非点収差・焦点補正量を求
め、算出された焦点補正量についてはステージ４６のＺ
軸にフィードバックし、非点補正量については非点収差
補正器６０にフィードバックして補正を行うことも可能
である。もちろん、焦点を振って画像を取得するのと最
終的な焦点補正を行う先が別々、すなわち、どちらか一
方が焦点位置制御部２２、もう一方がステージ４６のＺ
軸でもよいし、両方を組み合わせて同時に制御しても、
焦点位置と試料２０または校正用ターゲット６２の相対
位置を所望の距離に制御できればよい。なお、対物レン
ズ１８を制御する方が、Ｚステージを制御するよりも応
答性に優れている。

【００４５】以上説明したように、非点収差および焦点
補正をする際、全体制御装置２６からの指令による非点
収差調整部６４からの制御に基いて非点収差および焦点
補正が行われる。その結果、全体制御装置２６は、画像
メモリ５２に取り込まれた非点収差および焦点が補正さ
れた粒子画像を直接または画像処理回路５３を介して提
供を受けることによって表示手段５８に表示して非点収
差等の補正の良否を目視確認することができる。

【００４６】さらに、例えば、検査・測定時には、ステ
ージ４６を制御して試料２０上の所定の位置を荷電粒子
光学系の視野に持ってきて、粒子検出器１６で粒子画像
信号を得、この粒子画像信号をＡ／Ｄ変換器２４で粒子
デジタル画像信号に変換して画像メモリ５５に記憶させ
る。そして、検査・計測用画像処理回路５６は、画像メ
モリ５５に記憶された検出粒子デジタル画像信号に基い
て試料２０上に形成された微細なパターンの寸法計測や
試料２０上に発生した微細なパターンの欠陥や微細な異
物等の欠陥について検査が行われ、その結果が全体制御
装置２６に提供される。この時、少なくとも定期的に本
発明に係る非点収差・焦点補正を行うことによって常に
収差の補正された粒子画像による検査または測定（計
測）を実現することができる。

【００４７】なお、粒子画像に基づく欠陥等の検査の場
合には、検査・計測用画像処理回路５６において、検出
される検出粒子デジタル画像信号を繰り返しパターン分
遅延させて比較対象となる参照粒子デジタル画像信号を
作成し、そして検出粒子デジタル画像信号と参照粒子デ
ジタル画像信号とを位置合わせして比較することによっ
て不一致もしくは差画像として欠陥候補を抽出し、この
欠陥候補における特徴量を抽出し、この特徴量から虚報
を除去する判定をする処理が行われて真の欠陥が検査さ
れることになる。

【００４８】また、光学的な高さ検出センサ１３は、試
料２０へのチャージアップ、汚れ、ダメージなどの影響
が少ないので、各検査または計測位置での試料２０の表
面の高さ変動を検出し、焦点位置制御部２２にフィード
バックされて常に合焦点状態が保たれる。このように光
学的な高さ検出センサ１３を用いる場合は、予め、ある
いは検査または計測中定期的に、試料２０上の別の位
置、あるいは、試料台２１上に設けられた校正用ターゲ
ット６２で非点収差・焦点自動調整を行うことによっ
て、非点収差・焦点自動調整のための収束荷電粒子ビー
ムの照射を実際の試料に対してなくしたり、または大幅
に少なくすることができ、試料２０へのチャージアッ
プ、汚れ、ダメージなどの影響をなくすることができ
る。

【００４９】次に、本発明に係る収束荷電粒子光学系に
おける非点収差と焦点の自動調整について説明する。本
発明では、少数の２次元の粒子画像から非点隔差と焦点
オフセットをもとめ、これを非点収差の補正値と焦点の
補正値に同時に変換して一度に補正を行なうものであ
る。

【００５０】図２には、非点収差補正器６０の一実施例
である磁界に基づく２組の非点収差補正コイルで構成し
た場合を示す。即ち、２組の非点収差補正コイルで構成
した場合には、１組のコイルに電流を流すと、ある方向
にビームを伸ばし、それと直交する方向にビームを縮め
るように働く。これを２組、４５°方向にずらしたもの
を（図２のｓｔｘ，ｓｔｙ）を組み合わせて制御する
と、任意の方向に必要な量だけ非点収差を調整すること
が可能となる。当然、非点収差補正器６０を電界に基づ
く電極によって構成することもできる。

【００５１】次に、非点収差の様子について図３を用い
て説明する。左側の列は非点収差の補正された状態での
収束荷電粒子ビームの形状で、上から順に焦点位置が高
い（Ｚ＞０）場合、合焦位置の場合（Ｚ＝０）、焦点位
置が低い（Ｚ＜０）場合である。このように、合焦位置
では小さい点に絞れており、その上下では対称に円の径
が大きくなる。これに対してｓｔｘに電流を流して非点
収差を発生させると図３の真ん中の列のようにＺ＞０で
は横方向にビームが伸び、Ｚ＜０では縦方向にビームが
伸び、合焦位置では真円となるが径は十分に小さくなら
ない。ｓｔｙに電流を流すと合焦位置から外れた場合に
ビームが楕円となる方向が４５°回転するが、やはりＺ
＞０とＺ＜０で楕円の長軸は直交する。このｓｔｘとｓ
ｔｙを組み合わせると任意の方向へ任意の方向の非点収
差を発生させ、これによって調整前の荷電粒子光学系の
持っている非点収差を打ち消して非点収差を補正するこ
とができる。

【００５２】即ち、図３に示すように非点収差が生じて
いる状態では、合焦点からずれると、荷電粒子ビームは
楕円状にぼける。焦点を挟んで±Ｚの位置でビームの楕
円形状は最も細くなり、その楕円の方向が直交する。非
点収差の大きさはこの２点間の焦点の距離２Ｚで表わさ
れ、非点収差の方向は楕円の方向で表わされる。２点間
の焦点の距離２Ｚは非点隔差と呼ばれ、図６中ではδで
表わされる。また、非点隔差の方向は、図６中では主点
主軸方向αで表わされる。また、非点隔差のベクトルと
しては（ｄｘ，ｄｙ）で表わすことができる。

【００５３】次に、非点収差および焦点の補正について
図４〜図７を用いて説明する。図４（ａ）、（ｂ）に
は、試料２０上または校正用ターゲット６２上に形成さ
れた非点収差・焦点補正用のパターンの実施例を示す。
非点収差・焦点補正用のパターンとしては、非点収差が
生じる３方向以上のエッジ成分を同程度に含むパターン
であればよい。図４（ａ）は、４方向を向いた直線状の
パターンを別々の領域に形成したものである。図４
（ｂ）は、４方向のエッジ成分を有する曲線形状パター
ンを２次元に等ピッチで配列して形成したものである。
特に、試料上の場合、３方向以上のエッジ成分を同程度
に含むパターンが形成されていれば、それを用いること
ができる。但し、この場合、このパターンが形成されて
いる位置情報を予め、入力手段５９を用いて全体制御装
置２６に入力して記憶装置５７等に登録しておくか、あ
るいは操作者が非点収差・焦点補正の都度試料上の位置
を指定する必要がある。また、当然、校正用ターゲット
６２が試料台２１上に設置された位置情報については、
入力手段５９を用いて全体制御装置２６に入力して記憶
装置５７等に登録してあるものとする。

【００５４】そこで、まず、全体制御装置２６からステ
ージ制御部５０への非点収差・焦点補正用のパターンの
位置情報に基いてステージ４６を駆動制御して非点収差
・焦点補正用のパターンを荷電粒子光学系の光軸近傍に
位置付ける。次に、全体制御装置２６からの偏向制御部
４７への指令に基いて、荷電粒子ビームを上記非点収差
・焦点補正用のパターン上を走査照射しつつ、非点収差
調整部６４から焦点位置制御部２２への指令で図５に示
すように（１）フォーカスｆを変化させながら粒子検出
器１６で複数枚の画像を取得して画像メモリ５２に記憶
し、画像処理回路５３において、各画像について方向性
鮮鋭度（０°，４５°，９０°，１３５°）を、図６
（ａ）に示す如くｄ０（ｆ），ｄ４５（ｆ），ｄ９０
（ｆ），ｄ１３５（ｆ）として計算する（ステップＳ５
１）。なお、フォーカス値ｆについては、非点収差調整
部６４から焦点位置制御部２２への指令値として取得す
ることができる。なお、後述のように２種類以上のスキ
ャン方向を用いてフォーカスｆの変化を行い、画像を処
理することによって精度を高めることができる。

【００５５】次に、画像処理回路５３において、（２）
４種の方向性鮮鋭度は各方向毎にｆの関数となり、図６
（ａ）に示す如く各関数による曲線毎にその中心位置ｐ
０，ｐ４５，ｐ９０，ｐ１３５を求める（ステップＳ５
２）。

【００５６】次に、画像処理回路５３において、（３）
図６（ｂ）に示す正弦波の関係からｐ０，ｐ４５，ｐ９
０，ｐ１３５から非点収差に起因する方向によるフォー
カス位置のずれ（非点隔差）の方向αと大きさδ、及
び、焦点オフセットｚを求めて全体制御装置２６に提供
して記憶装置５７に記憶させる（ステップＳ５３）。な
お、このステップＳ５３において非点隔差の方向αと大
きさδとを求める必要はなく、非点隔差のベクトル（ｄ
ｘ，ｄｙ）でもよい。非点隔差の大きさδは、次に示す
（数１）式によって表わすことができる。また、非点隔
差の方向（非点主軸方向）αは、次に示す（数２）式に
よって表わすことができる。また、焦点オフセット値ｚ
は、次に示す（数３）式によって表わすことができる。

【００５７】

【数１】 δ2＝（ｐ０−ｐ９０）2＋（ｐ４５−ｐ１３５）2＝（ｄｘ）2＋（ｄｙ）2 （数１）

【数２】 α＝（１／２）ｔａｎ~1（（ｐ４５−ｐ１３５）／（ｐ０−ｐ９０）） ＝（１／２）ｔａｎ~1（（ｄｙ）／（ｄｘ）） （数２）

【数３】 ｚ＝（ｐ０＋ｐ４５＋ｐ９０＋ｐ１３５）／４ （数３） なお、記憶装置５４には、以上説明した方向性鮮鋭度ｄ
０（ｆ），ｄ４５（ｆ），ｄ９０（ｆ），ｄ１３５
（ｆ）を求めるプログラムや方向性鮮鋭度からその中心
位置ｐ０，ｐ４５，ｐ９０，ｐ１３５を求めるプログラ
ムや非点隔差および焦点オフセット値を求めるプログラ
ム等が記憶されていて、非点収差・焦点補正量算出用画
像処理回路５３においてそれらプログラムに基いて実行
できるように構成されている。当然、記憶装置５４とし
てＲＯＭ等で構成することができる。

【００５８】（４）予め、全体制御装置２６において、
非点収差補正器６０の特性である非点収差制御値（ｓｔ
ｘ，ｓｔｙ）の変化と、非点隔差の方向αと大きさδま
たは非点隔差のベクトル（ｄｘ，ｄｙ）の変化量（感
度）との関係を求めておけば、これを利用して非点隔差
（α、δまたは（ｄｘ，ｄｙ））を必要な非点収差補正
値（１，２）（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）へ変換配分するこ
とが可能となり（ステップＳ５４）、非点収差補正値
（１，２）（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）およびフォーカス値
ｚを設定して非点収差調整部６４に提供することができ
る（ステップＳ５５）。なお、非点収差補正値（１，
２）（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）およびフォーカス値ｚの算
出は、全体制御装置２６で行うのではなく、非点収差補
正器６０や対物レンズ１８の特性を全体制御装置２６か
ら提供を受けることによって画像処理回路５３において
実行してもよい。

【００５９】（５）非点収差調整部６４は、全体制御装
置２６から提供を受けた焦点オフセット値ｚを焦点位置
制御部２２に送って焦点位置制御部２２により対物レン
ズ１８または焦点補正用のコイル１８ａにおける対物コ
イル電流または焦点補正コイル電流を補正し、全体制御
装置２６から提供を受けた非点収差補正値（Δｓｔｘ，
Δｓｔｙ）を非点収差補正回路６１に送って非点収差補
正回路６１により非点収差補正コイル電流または非点収
差補正静電圧を補正する。このように非点収差補正と焦
点合わせとを一括して実行することができる。

【００６０】（６）非点収差が小さい場合には上記動作
一回でオートスティグマ動作は完了するが、非点収差が
大きい場合には、非点収差以外の収差他の要因（高次の
非点収差や像歪等がある。）によって一回では補正しき
れない。この場合（１）に戻り再度オートスティグマを
かけ、ｚ、（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）が小さくなるまでル
ープを繰り返す。

【００６１】以上の方法によって、高速で試料２０や校
正用ターゲット６２に対するダメージの少ない非点収差
・焦点の一括調整が実現される。また、焦点距離を変化
させながら同じ試料２０または校正用ターゲット６２の
画像の方向性鮮鋭度を比較することによって非点隔差が
求められるので、試料２０や校正用ターゲット６２の模
様（非点収差・焦点補正用のパターン）に依存せずに高
精度の非点収差・焦点の一括調整が実現される。試料２
０や校正用ターゲット６２の模様についての唯一の条件
は、各方向のエッジ成分を同程度に含むパターンである
ことである。

【００６２】なお、上記実施例ではθ＝０°，４５°，
９０°，１３５°の４種類の方向性鮮鋭度を用いたが、
非点隔差の方向αと大きさδがわかればθは４方向でな
くてもよく、最低３方向以上の任意個数のθに対する方
向性鮮鋭度ｄθ（ｆ）を用いればよい。この場合、各θ
毎に曲線ｄθ（ｆ）の中心位置ｐθを求め、さらに正弦
波（正弦波に近似した波形でもよい。）をｐθに当ては
めて、この正弦波の振幅と位相を求めてやればこれが非
点隔差の大きさδと方向αとなる。

【００６３】次に、画像処理回路５３において粒子画像
の方向性鮮鋭度を求める具体的な実施例について説明す
る。

【００６４】第１の実施例としては、図７（ａ）に示す
ように領域によって方向の異なる縞パターンを持った自
動非点収差補正専用の試料（ターゲット）６２に対して
荷電粒子ビームを走査照射することによって粒子検出器
１６によって粒子画像を検出して観察する。そして、こ
の各領域の粒子画像の振幅を計測することによって方向
性鮮鋭度ｄθを求めるものである。この振幅は、直接に
各領域における振幅｛ｓ（ｘ，ｙ）の最大値−ｓ（ｘ，
ｙ）の最小値｝を計測してもよいし、各領域における粒
子画像の濃淡値（階調値）ｓ（ｘ，ｙ）の分散｛Ｖ＝Σ
xy（ｓ（ｘ，ｙ）−ｓmean）2／Ｎ｝を求めてもよい。
あるいは、ラプラシアン等の２次元微分の結果ｓ（ｘ，
ｙ）の微分ｔ（ｘ，ｙ）の絶対値の和｛Σxy｜ｔ（ｘ，
ｙ）｜｝や二乗和｛Σxy（ｔ（ｘ，ｙ））2｝を求めて
もよい。この時の結果を方向性鮮鋭度ｄθと定義する。
角度方向θはどのように定義しても良いが、図ではパタ
ーンの法線方向が左右方向になる場合を０°とし、ここ
から時計周りに定義している。パターンの方向としては
図に示すように４方向の場合にとらわれず、１８０°の
角度範囲を略ｎ等分する任意の角度の組み合わせが考え
られる。この場合のｎは３以上の任意の整数である。

【００６５】第２の実施例としては、図７（ｂ）に示す
ようなパターンを持った試料２０やターゲット６２の場
合で、粒子検出器１６によって検出された粒子画像に対
して方向性微分演算を施すことによって方向性鮮鋭度ｄ
θを求めるものである。方向性微分は図に例示したよう
なマスクを画像に対して畳込み演算を行なうことによっ
て実現される。微分結果の画像に対して各点の値の二乗
の和を計算して、これを鮮鋭度ｄθとする。ここで、図
示した微分マスクは一例で、方向性微分を取る為のマス
クの要件（ある軸を中心として対称の位置にある値は符
号が反転していて値が略等しい。）を満たしていれば、
これにとらわれる必要はない。ノイズの抑圧と微分の方
向選択性の向上のためにさまざまな微分マスクのバリエ
ーションが考えられる。また、画像微分を計算する前の
フィルタリング、画像の縮小も画像に適合したものを選
択する必要がある。また、画像を回転してから方向性微
分を行なうことにより単純な０°微分あるいは９０°微
分を用いて任意の方向θの方向性微分を行なうことも可
能である。

【００６６】更に方向性鮮鋭度を正確に求めるために以
下のようにしても良い。図１６に示すように、鮮鋭度の
曲線の性質が走査線の方向と検出器の周波数応答とノイ
ズの性質の影響で0°、90°、45°と135°では違うの
で、一枚の画像から方向性微分によって４方向の鮮鋭度
を求める方法では、非点収差の誤差につながって問題が
ある。すなわち、０°と90°の鮮鋭度はピークの高さに
対するすそ野の高さが相対的に高く、また、特に0°は
すそ野のノイズが大きいため、鮮鋭度曲線の中心を求め
る際に誤差が大きくなる。この理由は、９０°方向につ
いては複数の走査線をまたがる方向に微分をすることと
なるので、走査線間の一次ビームの電流量の違いによる
明るさのばらつきが影響して、ノイズが大きくなる。０
°方向については走査線方向に微分をすることになるの
で、検出器の周波数応答に起因して信号がなまる分だ
け、鮮鋭度のピークが小さくなる。これに対して、４５
°，１３５°方向については、水平、垂直方向のいずれ
に対しても応答の低い微分フィルターを用いれば、上記
いずれの影響も受けにくいため、ピークが高く裾野の低
い鮮鋭度曲線が選られる。そこで、図１７に示すよう
に、1回目のFocus sweepと2回目のFocus sweepでスキャ
ン方向を略−45°回転させる。それぞれの画像セットで
性質の優れた45°と135°鮮鋭度のみを計算する。２回
目は画像が45°回転しているため、それぞれ０°と90°
方向の鮮鋭度すなわちｄ０とｄ９０を計算していること
になる。スキャン方向は−４５°の代わりに１３５°回
転させてもよい。また４５°あるいは−１３５°回転さ
せても良いが、この場合は微分方向４５°がｄ９０、微
分方向１３５°がｄ０に対応することとなる。なお、０
°及び９０°から微分方向がずれていれば、必ずしも±
４５°と±１３５°方向に微分を行わなくても良く、例
えば、６０°と１５０°あるいは−１５０°と−６０°
方向への微分を回転しない画像と、−４５°回転された
画像に対して行っても、４種類のノイズに強い方向性鮮
鋭度が選られる。ただしこの場合は、得られる４組の方
向性鮮鋭度は｛ｄ15(f),ｄ60(f),ｄ105(f),ｄ150(f)｝
となるが、角度を表す数字をすべておきかえれば本文中
の計算式はすべて成り立つ。これによって、ノイズに対
して強くかすかなパターンに対しても正確な非点収差測
定が可能となる。また、試料のコンタミネーション等に
よって暗くなった場合にも安定な非点収差測定・補正が
可能となる図１８にこの場合のフローチャートを示す。
全体制御装置２６からの偏向制御部４７への指令に基い
て、荷電粒子ビームを上記非点収差・焦点補正用のパタ
ーン上を走査照射しつつ、非点収差調整部６４から焦点
位置制御部２２への指令で （１）フォーカスｆを変化させながら粒子検出器１６で
複数枚の画像を取得して画像メモリ５２に記憶し、画像
処理回路５３において、各画像について方向性鮮鋭度
（４５°，１３５°）を、図１７に示す如くｄ４５
（ｆ），ｄ１３５（ｆ）として計算する（ループＬ５
１）。

【００６７】（２）次に。全体制御装置２６からの偏向
制御部４７への指令に基いて、荷電粒子ビームを上記非
点収差・焦点補正用のパターン上を上記ループとは−４
５°回転させて走査照射しつつ、非点収差調整部６４か
ら焦点位置制御部２２への指令で図５に示すように
（１）フォーカスｆを変化させながら粒子検出器１６で
複数枚の画像を取得して画像メモリ５２に記憶し、画像
処理回路５３において、各画像について方向性鮮鋭度
（４５°，１３５°）を、図１７に示す如くｄ０
（ｆ），ｄ９０（ｆ）として計算する（ループＬ５
１’）。

【００６８】次に、画像処理回路５３において、（３）
４種の方向性鮮鋭度は各方向毎にｆの関数となり、図６
（ａ）に示す如く各関数による曲線毎にその中心位置ｐ
０，ｐ４５，ｐ９０，ｐ１３５を求める(ステップ５
２）。

【００６９】次に、画像処理回路５３において、（４）
図６（ｂ）に示す正弦波の関係からｐ０，ｐ４５，ｐ９
０，ｐ１３５から非点収差に起因する方向によるフォー
カス位置のずれ（非点隔差）の方向αと大きさδ、及
び、焦点オフセットｚを求めて全体制御装置２６に提供
して記憶装置５７に記憶させる(ステップ５３）。な
お、このステップにおいて非点隔差の方向αと大きさδ
とを求める必要はなく、非点隔差のベクトル（ｄｘ，ｄ
ｙ）でもよい。

【００７０】（５）予め、全体制御装置２６において、
非点収差補正器６０の特性である非点収差制御値（ｓｔ
ｘ，ｓｔｙ）の変化と、非点隔差の方向αと大きさδま
たは非点隔差のベクトル（ｄｘ，ｄｙ）の変化量（感
度）との関係を求めておけば、これを利用して非点隔差
（α、δまたは（ｄｘ，ｄｙ））を必要な非点収差補正
値（１，２）（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）へ変換配分するこ
とが可能となり、非点収差補正値（１，２）（Δｓｔ
ｘ，Δｓｔｙ）およびフォーカス値ｚを設定して非点収
差調整部６４に提供することができる(ステップ５
４）。

【００７１】（６）非点収差調整部６４は、全体制御装
置２６から提供を受けた焦点オフセット値ｚを焦点位置
制御部２２に送って焦点位置制御部２２により対物レン
ズ１８または焦点補正用のコイル１８ａにおける対物コ
イル電流または焦点補正コイル電流を補正し、全体制御
装置２６から提供を受けた非点収差補正値（Δｓｔｘ，
Δｓｔｙ）を非点収差補正回路６１に送って非点収差補
正回路６１により非点収差補正コイル電流または非点収
差補正静電圧を補正する。このように非点収差補正と焦
点合わせとを一括して実行することができる(ステップ
５５）。

【００７２】（７）非点収差が小さい場合には上記動作
一回でオートスティグマ動作は完了するが、非点収差が
大きい場合には、非点収差以外の収差他の要因（高次の
非点収差や像歪等がある。）によって一回では補正しき
れない。この場合（１）に戻り再度オートスティグマを
かけ、ｚ、（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）が小さくなるまでル
ープを繰り返す。

【００７３】更に、図１６に示すような鮮鋭度の曲線の
性質が走査線の方向と検出器の周波数応答とノイズの性
質の影響で0°、90°、45°と135°では違う現象にたい
して、別の原理により対処する方法の実施例について示
す。走査線の明るさノイズはランダムであり、同じ条件
で粒子画像を２回スキャンした場合の走査線の明るさノ
イズは画像間で無相関である。このため、２枚の画像で
それぞれ方向性微分を計算した後、２枚の微分画像の各
画素の共分散値、あるいは、その平方根を求めるとノイ
ズ成分が消えて、微分画像の二乗平均あるいはその平方
根の値が求められる。なお、二つの微分画像をｆ(ｘ，
ｙ)、ｇ(ｘ，ｙ)とすれば、共分散は（Σｆ（ｘ，ｙ）
ｇ（ｘ，ｙ））／Ｎで計算できる（Ｎは共分散計算領域
内の画素数）。この方法によれば、図１６に示した９０
°の鮮鋭度曲線の裾野がノイズで持ち上がる現象は抑制
でき、とくに、ノイズが問題となるパターンの弱い試料
での自動非点補正の安定度・精度が向上できる。共分散
を用いる場合は、２回の焦点スキャンによって選られた
一組の焦点位置ｆが共通の画像に対して、上記方向微分
後の共分散を０°，４５°，９０°，１３５°方向の微
分に対して求め、それぞれ、方向性鮮鋭度ｄ０（ｆ），
ｄ４５（ｆ），ｄ９０（ｆ），ｄ１３５（ｆ）とすれば
いい。

【００７４】次に、画像処理回路５３においてｆの関数
である方向性鮮鋭度ｄθ（ｆ）に対してその中心位置ｐ
θを求める具体的な実施例について説明する。中心位置
ｐθを求める方法としては、ｄθ（ｆ）が最大となるｆ
の位置の前後の値に２次関数、ガウス関数等を当てはめ
た場合の関数の中心位置として求める方法と、ｄθ
（ｆ）がある閾値以上の点に対する重心として求める方
法等から適当なものを用いればよい。

【００７５】２次関数、ガウス関数等を当てはめた場合
の関数の中心位置を求める方法を図１１をもちいて示
す。このように鮮鋭度が最大となる点をもとめ、この前
後のＮ点のデータに対して、２次関数、ガウス関数等の
凸関数を当てはめる。Ｎ＝３の場合は、２次関数、ガウ
ス関数がすべてのデータを通るようにパラメータを決定
することができ、これによって、鮮鋭度曲線の中心の位
置を補間して求められる。ただし、単純な最大位置ある
いは最大位置の補間では特に非点収差が大きい場合に誤
差が生じる。これを図１２を用いて示す。（ａ）の様に
略±４５°方向に非点収差を生じている場合の０°方向
の鮮鋭度を考える。すると、±４５°方向に荷電粒子線
のスポットの焦点があっている場合に０°方向のスポッ
ト断面長さが狭くなり、合焦状態では０°方向のスポッ
ト断面長さが広くなる。スポット断面長さが狭いほど鮮
鋭度が高くなるので、（ｂ）のように、ｄ０（f），ｄ
９０（ｆ）の曲線のように、非点収差の生じていない方
向の鮮鋭度曲線は非点収差が大きい場合に、双峰性とな
る傾向がある。この場合、単純な最大値を用いると
（ｃ）のＢ点のように偏った位置が鮮鋭度の中心と判断
されてしまう。この例の場合にはｄ４５（ｆ）の最大値
ｐ４５に近い値がｄ０（ｆ）の中心とされてしまう。図
１２の例で示すと、最大値を用いるとp0がp45に近い値
となり、p90がp135に近い値となる。この場合、非点較
差の±45°方向の成分p45−p135が本来の大きさの倍以
上となってしまうので、これを使って補正を行うと、こ
の方向の非点収差を補正しすぎて不安定となる。

【００７６】逆に、最大値のサーチの方法によっては極
大値であるＣ点をｄ０（ｆ）の中心としてしまうことも
ある。この場合、非点較差の±45°方向の成分がほとん
ど補正されないこととなる。このため、図６によって示
したように非点較差の大きさと、非点主軸方向を正しく
求める場合には（ｃ）のＡ点のように、Ｂ、Ｃの中間を
ｄ０（ｆ）の中心として求める必要がある。

【００７７】このために、本発明ではＢ、Ｃの中間を
Ｂ、Ｃの山の大きさに応じて求めて方向性鮮鋭度の中心
とする。このためには色々な方法が考えられるが、いく
つかの実施例を以下に示す。ただし、以下に示す実施例
にとらわれず、方向性鮮鋭度が双峰性であった場合に、
山の大きさに応じてその中間の値を求める方法を用いる
事が本発明の範囲内で可能である。図１３に重心を用い
る場合を示す。このように最大値をまず求め、これに一
定の１以下の値αを掛けこれを閾値とし、方向性鮮鋭度
の焦点位置に対する変化を示す曲線が、閾値レベルを上
回った点に対して、曲線と閾値で囲まれる部分の重心を
求め、これを方向性鮮鋭度の中心とする。すなわち、 ｐθ＝Σｆ・（ｄθ（ｆ）−α最大値）／Σｄ（ｄθ
（ｆ）−α最大値） によって、方向性鮮鋭度の中心ｐθを求める。

【００７８】図１４に加重平均を用いる場合を示す。方
向性鮮鋭度の極大値が複数ある場合に、これらのピーク
位置をそれぞれ求め、それぞれの高さに応じた加重平均
をもとめ、これを方向性鮮鋭度の中心とする。すなわち
極大位置をＢ、Ｃとすると、 ｐθ＝（ｄθ(Ｃ)・Ｂ+ｄθ(Ｂ)・Ｃ）／（ｄθ(Ｃ)+ｄ
θ(Ｂ)） によって、方向性鮮鋭度の中心ｐθを求める。

【００７９】図１５に対称性マッチングを用いる方法を
示す。方向性鮮鋭度の焦点位置に対する変化を示す曲線
ｄθ（ｆ）に対し、これを対称軸ｆ＝ａに対して左右に
鏡像反転させた曲線ｄθ（ａ−ｆ）との一致度のｐθに
対する変化を計算し、この一致度が最良となる鏡像反転
の対称軸ａを求め、これを合焦位置ｐθとする。一致度
としては相関値が最大となる点を用いてもいいし、差の
自乗和が最小となる点を用いてもいいし、一致度の指針
として一般に用いられている他の指針を用いても良いこ
とはいうまでもない。

【００８０】次に、全体制御装置２６において画像処理
回路５３から得られる非点隔差から非点収差補正値を求
める具体的な実施例について説明する。０°，４５°，
９０°，１３５°のｐ０、ｐ４５、ｐ９０、ｐ１３５の
４方向を用いる場合には、画像処理回路５３においてま
ず非点隔差ベクトル（ｄｘ，ｄｙ）＝（ｐ０−ｐ９０，
ｐ４５−ｐ１３５）を計算して全体制御装置２６に提供
する。次に、全体制御装置２６は、次に示す（数４）式
に基いて非点収差補正量（Δｓｔｘ，Δｓｔｙ）の配分
を行う。

【００８１】

【数４】 Δｓｔｘ＝ｍｘｘ・ｄｘ＋ｍｘｙ・ｄｙ Δｓｔｙ＝ｍｙｘ・ｄｘ＋ｍｙｙ・ｄｙ （数４） 但し、（ｍｘｘ，ｍｘｙ，ｍｙｘ，ｍｙｙ）は、予め非
点収差補正器６０の特性に基いて算出される非点収差補
正量配分パラメータであり、例えば記憶装置５７に記憶
されている。従って、非点収差調整部６４は、全体制御
装置２６から得られる非点収差補正量を（βΔｓｔｘ、
βΔｓｔｙ）だけ変化させるように非点収差補正回路部
６１に送信し、非点収差補正回路部６１によって非点収
差補正器６０を（βΔｓｔｘ、βΔｓｔｙ）だけ補正す
る。βは補正量減少係数である。

【００８２】また、全体制御装置２６において、画像処
理回路５３から得られる焦点オフセットｚは各方向に対
する焦点位置の平均値となるので、焦点補正量としては
（ｐ０＋ｐ４５＋ｐ９０＋ｐ１３５）／４を設定すれば
よい。従って、非点収差調整部６４は、全体制御装置２
６から得られる焦点補正量を例えば焦点位置制御部２２
に送信し、焦点位置制御部２２によって対物レンズ１８
を焦点補正量で補正する。

【００８３】なお、別の実施例として、画像処理回路５
３において、非点隔差ベクトル（ｄｘ，ｄｙ）から非点
隔差の大きさδ＝｜（ｄｘ，ｄｙ）｜、方向α＝１／２
ａｒｃｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）を一旦求めて全体制御装置
２６に送信し、全体制御装置２６はこれら送信された非
点隔差の大きさδおよび方向αから非点収差補正量（Δ
ｓｔｘ，Δｓｔｙ）に変換してもよい。

【００８４】また、ｎ方向（ｎは３以上の任意の整数）
の方向性鮮鋭度ｐθを用いる場合には、画像処理回路５
３は、これらのデータに正弦波を当てはめてその位相、
振幅、オフセットから非点隔差の方向α、大きさδ、焦
点オフセットｚを求めればよい。

【００８５】さらに、非点収差補正量を変えると焦点位
置が干渉を受けて若干ずれることがあるので、この場合
は、例えば全体制御装置２６において、ΔｓｔｘとΔｓ
ｔｙそれぞれについて適当な係数を掛けたものを焦点補
正量の変化分に足し込んでやるとよい。

【００８６】さらにこれに対して、非点収差補正量をよ
り正確に計算し、高速。高精度に非点補正を行うための
実施例を示す。上記方法では鮮鋭度の重心位置が隣接方
向の鮮鋭度に引きずられてずれる現象が起こる。例え
ば、縦・横のエッジを斜めのエッジに比べて多く含む例
えば図１９のようなパターンに対する45°方向の鮮鋭度
曲線d45では、斜め方向のエッジはパターンのコーナー
部のみなので、縦・横のエッジの影響を相対的に強く受
け、本来のピーク位置だけでなく、d0，d90のピーク位
置にもピークが現れる。d135についても同様である。そ
のために、先鋭度曲線の重心によって計算した非点較差
ベクトルの成分dxは実際よりも小さ目の値となる。半導
体を試料２０として用いた場合、一般に半導体パターン
は縦・横のパターンを用いて構成されているので、この
ような現象が起こりやすい。このため、非点較差ベクト
ルを補正したものを用いて非点収差補正量Δstx，Δsty
を求めるようにする。図２０のように、非点較差ｄｘが
ｄｙに比較して小さく、ピークｄ０，ｄ９０が大きい場
合には非点較差ｄｙは実際よりも小さい方向にずれるの
で、これを補正できる式を用いればよい。下記３種類の
補正式を例としてあげるが、上記補正を行える類似の働
きをする式を用いても同じことである。第1の補正式で
は、非点較差dxとdyの大小関係によって非点較差ベクト
ル(dx,dy)を補正する。非点較差ベクトル(dx，dy)=(p0-
p90,p45-p135)を(dx/dy)^pによって補正して（記号 ^
はべき乗を示す）、

【００８７】

【数５】

【数６】 によって非点補正量配分をおこなう。mxx,mxy,myx,myy
は従来の非点補正量配分パラメータである。pは非線型
補正用のべき乗パラメータである。ここで、pは鮮鋭度
の重心位置が隣接方向の鮮鋭度に引きずられてずれる現
象を補正するパラメータで、０＜p＜1の値である。第２
の補正式では、非点較差dxとdyの大小関係に加えて方向
性鮮鋭度のピーク高さを用いて非点較差ベクトル(dx,d
y)を補正する。それぞれpd0，pd45，pd90，pd135をd0，
d45，d90，d135曲線のピーク高さとし、px＝pd0＋pd9
0、py＝pd45＋pd135 とすると、

【００８８】

【数７】

【数８】 によって非点補正量配分をおこなう。ここで、a：1.8
（1〜2）、bp，bd：5、cp，cd：0.5程度の補正係数であ
る。すなわちpx＜pyでかつdx＞dyの場合に最大a倍程度d
xを補正する。またpx＞pyでかつdx＜dyの場合に最大a倍
程度dyを補正する。第3の補正式として

【００８９】

【数９】

【数１０】 によって非点補正量配分をおこなう。a：1.8（1〜2）、
bp，bd：2程度、cp，cd：４程度の補正係数である。す
なわちpx＜pyでかつdx＞dyの場合に最大a倍程度dxを補
正する。またpx＞pyでかつdx＜dyの場合に最大a倍程度d
yを補正する。これらの式によって、試料パターンの方
向に偏りがある場合でも、これを補正して高精度に非点
収差補正量を計算でき、非点収差補正を高速、高精度に
行うことが可能となる。

【００９０】次に、本発明に係る非点収差・焦点自動補
正をさらに高速に行うための別の実施例について図８お
よび図９を用いて説明する。即ち、校正用ターゲット６
２として、図８（ａ）に示すように表面が傾いており、
この表面上に適当なパターンの形成された校正用ターゲ
ット６２ａ、または図８（ｂ）に示すように表面が階段
状になっており、この表面上に適当なパターンの形成さ
れた校正用ターゲット６２ｂを用いる。本ターゲット６
２ａ、６２ｂは、図１および図１０に示すように試料台
２０上に備えておけばよい。すると、このターゲット
（試料）６２ａ、６２ｂの粒子画像を一枚得るだけで、
画像中の領域によって焦点ｆのことなる画像が得られ
る。これをスキャン方向を回転させて２枚得ることによ
って、既述のノイズに強い方向鮮鋭度の計算が可能にな
る。なお、校正用ターゲット６２ａの基準点の高さ、お
よび校正用ターゲット６２ｂの基準面の高さと実際の試
料２０の表面の高さの差を予め計測しておくものとす
る。方法としては、ターゲット６２と試料２０の双方で
自動高さ補正をかけるか、後述のように光学式高さセン
サで計測する方法が例として挙げられる。

【００９１】即ち、図８（ａ）、図８（ｂ）に示す校正
用ターゲット６２ａ、６２ｂを用いたため、一枚の粒子
画像の異なった領域からフォーカスｆが変わった画像が
得られることにある。そのため、図９に示すフローチャ
ートにおいて、図５に示すフローチャートと相違するの
は、領域毎に高さ（フォーカス）ｆが変えられた３方向
以上のエッジ成分を同程度に含む一枚の粒子画像を取得
し、各領域ごとに方向性鮮鋭度ｐθ（ｆ）を計算するス
テップＳ５１’である。後は、図５に示すステップＳ５
２〜Ｓ５５と同様に非点収差・焦点補正量を求めて調整
をおこなえばよい。これによって一枚の画像だけから高
速に非点収差・焦点補正を行うことが可能となる。

【００９２】また、水平な平面状の校正用ターゲット６
２または実際の試料２０を用いても上記実施例と同様の
効果を得ることも可能である。即ち、焦点位置を高速に
変化させながら粒子画像を撮像すると、上記実施例と同
様に画像中の領域によって焦点の異なる画像を得ること
ができ、これによって一枚の画像だけから高速に非点収
差・焦点補正を行うことが可能となる。

【００９３】次に、被対象基板に対する検査または計測
と非点収差・焦点補正との関係について説明する。ま
ず、被対象基板（実際の試料）２０を試料台２１上に搭
載する。そして、全体制御装置２６に対しては、上記被
対象基板２０上において検査または計測すべき少なくと
も位置情報が記録媒体やネットワーク等で構成された入
力手段５９を用いて入力されて記憶されている。従っ
て、被対象基板２０に対して検査または計測する場合、
全体制御装置２６からの指令でステージ４６が制御され
て被対象基板２０上の所定の位置は、荷電粒子光学系の
視野に持ってこられ、次に荷電粒子ビームが走査照射さ
れて粒子検出器１６で粒子画像が検出されてＡ／Ｄ変換
後画像メモリ５５に記憶され、検査・計測用画像処理回
路５６で画像処理が行われて検査または計測が行われ
る。この時、各検査または計測位置で本発明に係る非点
収差・焦点補正を行うことによって常に収差の補正され
た粒子画像に基づく検査または計測を実現することがで
きる。

【００９４】また、検査／計測装置が、チャージアッ
プ、汚れ、ダメージなどの被対象基板への影響の少ない
例えば光学的な高さ検出センサ１３を持っている場合に
は、各検査または計測位置では光学的な高さ検出センサ
１３を用いた試料高さの焦点へのフィードバックを行
い、焦点・非点収差調整のための収束荷電粒子ビームの
走査照射を行わずに、検査または計測のための収束荷電
粒子ビームの走査照射を行うことによって、被対象基板
（試料）２０へのチャージアップ、汚れ、ダメージなど
の影響を最小限に抑えることも可能である。この場合
は、予め、あるいは検査または計測中に定期的に試料２
０上の別の位置、あるいは、試料台２１上に設けられた
校正用ターゲット６２を用いて非点収差・焦点自動調整
を行う。

【００９５】ところで、校正用ターゲット６２は、図８
に示された傾いたあるいは階段状の試料でも、図１に示
された上面が水平な試料でもよい。

【００９６】以上説明した本発明に係る非点収差・焦点
自動調整によって、焦点位置と非点収差の経時変化によ
るずれを補正することになる。しかし、予め本発明に係
る非点収差・焦点自動調整によって、光学的な高さ検出
センサ１３との検出オフセットを合せておく必要があ
る。実際の試料（被対象基板）２０上の各検査または計
測位置での高さの違い（変動）は、光学的な高さ検出セ
ンサ１３によって検出して合焦点補正を行う。これによ
って、検査または計測時のみ非点収差のない収束荷電粒
子ビームを実際の試料２０に合焦点状態で走査照射する
ことによって、チャージアップ、汚れ、ダメージなどの
影響を最小限に抑えた状態で粒子画像を検出することが
でき、その結果被対象基板に対して高精度の検査または
計測をおこなうことが可能となる。

【００９７】また、光学的高さ検出センサ１３と焦点位
置制御部２２との間のオフセットのみならずゲインも校
正したい場合には、あらかじめ、高さの分かった校正用
ターゲット６２を複数用意して、これらの上で、自動焦
点補正と光学的高さ検出センサ１３による検出の両方を
行うことにより、ゲインさらにはリニアリティーも校正
することができる。また、ステージ４６のＺ軸によって
校正用ターゲット６２あるいは試料２０の高さを変えな
がら、このうえで自動焦点補正と光学的高さ検出センサ
１３による検出の両方を行うことにより、ゲインさらに
はリニアリティーの校正を行うことも可能である。

【００９８】また、図１０に示すようにステージ４６を
横方向に連続移動させながら、ビーム偏向器１５を駆動
して収束荷電粒子ビームを上記ステージの移動方向と交
差する方向（特にほぼ直交する方向）に走査し、粒子検
出器１６で粒子画像を連続検出し、高速の検査または計
測を行う場合には、次に説明するような制御を行う。

【００９９】即ち、光学的な高さ検出センサ１３の高さ
検出値を、焦点位置制御部２２と偏向制御部４７とに常
にフィードバックし、常に、焦点のずれと偏向の回転を
補正しながら粒子画像を連続的に検出することによっ
て、実際の試料２０の全面に亘っての高精度・高感度の
検査または計測を実現することができる。なお、焦点の
補正のために焦点位置制御部２２を駆動する代わりに、
ステージ４６のＺ軸を駆動しても同様の効果が得られる
ことは言うまでもない。この間、図１０に示すように定
期的に校正用試料６２に移動して、自動焦点・非点収差
補正を行うことによって、長時間にわたって、焦点・非
点収差を高精度に補正された粒子画像を用いた高精度・
高感度検査を行うことが可能となる。

【０１００】以上説明した実施の形態では、荷電粒子線
装置を検査／計測装置に適用した場合について説明した
が、荷電粒子ビームを用いた加工装置等にも適用するこ
とができる。

【０１０１】

【発明の効果】本発明によれば、収束荷電粒子ビームの
走査照射によって検出される少数の粒子画像を用いて試
料にダメージを与えずに高速・高精度に非点収差および
焦点の自動調整を行うことができる効果を奏する。

【０１０２】また、本発明によれば、試料にダメージを
与えずに高速・高精度に非点収差および焦点の自動調整
が行われた収束荷電粒子ビームを被対象基板に走査照射
することによって検出される粒子画像に基いてパターン
や異物などの欠陥を検査またはパターンの寸法を計測す
る場合に、長時間にわたって検出される粒子画像の画質
を維持し、安定し、しかも高精度の自動検査または計測
を行うことができる効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る荷電粒子線装置の一実施の形態で
ある検査／計測装置の概略構成を示す正面図である。

【図２】非点収差補正コイルの平面図である。

【図３】非点収差とビームスポット形状の関係を示す図
である。

【図４】焦点・非点収差補正用パターンの実施例を示す
平面図である。

【図５】図１に示す非点収差・焦点補正量算出用画像処
理回路で実行する画像処理フローを示すフロー図であ
る。

【図６】計算される方向性鮮鋭度ｄθ（ｆ）と、非点隔
差の大きさδと方向αおよび焦点オフセットｚとの関係
を示すグラフである。

【図７】方向性鮮鋭度を求めるための画像処理の例を示
す図である。

【図８】焦点・非点収差補正を高速に行なうための校正
用ターゲット（試料）形状を示す平面図である。

【図９】図８に示す校正用ターゲットを用いた場合にお
ける図１に示す非点収差・焦点補正量算出用画像処理回
路で実行する画像処理フローを示すフロー図である。

【図１０】焦点・非点収差のドリフトの定期校正を行な
う場合の視野移動シーケンスを示すウェハの平面図であ
る。

【図１１】方向性鮮鋭度曲線の最大位置を補間する方法
を説明するためのフォーカス値と先鋭との関係を示すグ
ラフである。

【図１２】（ａ）ｚ方向の各位置におけるビーム形状を
示す断面図、（ｂ）（ｃ）ともに方向性鮮鋭度曲線が双
峰性を示す場合を説明するためのフォーカス値と先鋭と
の関係を示すグラフである。

【図１３】方向性鮮鋭度曲線の中心位置を重心を用いて
求める方法を説明するためのフォーカス値と先鋭との関
係を示すグラフである。

【図１４】方向性鮮鋭度曲線の中心位置を極大位置の加
重平均を用いて求める方法を説明するためのフォーカス
値と先鋭との関係を示すグラフである。

【図１５】（ａ）（ｂ）ともに、方向性鮮鋭度曲線の中
心を対称性マッチングを用いて求める方法を説明するた
めのフォーカス値と先鋭との関係を示すグラフである。

【図１６】方向性鮮鋭度曲線の方向による特性の違いを
示すためのフォーカス値と先鋭との関係を示すグラフで
ある。

【図１７】２方向にスキャンをした２枚の画像から４方
向の方向性鮮鋭度をより正確に求める方法を説明するた
めのウェハの平面図とフォーカス値と先鋭との関係を示
すグラフとを組合わせた図である。

【図１８】図１７に示す方法で方向性鮮鋭度を算出する
場合の非点収差補正の処理フローを示すフロー図であ
る。

【図１９】方向鮮鋭度がほかの方向のパターンの影響で
ずれる場合を説明するためのウェハの平面図とフォーカ
ス値と先鋭との関係を示すグラフとを組合わせた図であ
る。

【図２０】図１９で示した現象を補正してより高精度な
非点収差補正をおこなう原理を説明するためのフォーカ
ス値と先鋭との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１０…荷電粒子光学系 １３…光学的高さ検出センサ
１４…荷電粒子源（電子源またはイオン源） １
５…ビーム偏向器 １８…対物レンズ １８ａ…焦
点補正用のコイル １６…粒子検出器 １９…グリ
ッド電極 ２０…試料 実際の試料（被対象基板）
２１…試料台 ２２…焦点位置制御部 ２４…
Ａ／Ｄ変換器 ２６…全体制御装置 ４６…ＸＹス
テージ ４７…偏向制御部 ４８…グリッド電位調整部 ４
９…試料台電位調整部 ５０…ステージ制御部 ５１…線源電位調整部 ５
２、５５…画像メモリ ５３…非点収差・焦点補正量
算出用画像処理回路 ５４…記憶装置 ５６…検査・計測用画像処理回路 ５７…記憶装置
５８…表示装置（表示手段） ６０…非点収差補正
器 ６１…非点収差補正回路部 ６２…校正用ター
ゲット ６４…非点収差調整部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 功一 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 (72)発明者 郡司 康弘 茨城県ひたちなか市市毛882番地 株式会 社日立製作所計測器グループ内 Ｆターム(参考） 2G001 AA03 BA07 BA14 CA03 DA02 DA09 FA01 GA01 GA06 GA13 HA13 JA02 JA03 KA03 LA11 MA05 5C033 FF10 JJ01 JJ02 JJ05 MM07 UU02 UU04

Claims (29)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料を設置するステージと、 荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを収束する荷
   電粒子光学系と、 該荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビー
   ムを走査して前記試料上に照射する走査手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビ
   ームの焦点位置を制御する焦点制御手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷電粒子ビー
   ムの非点収差を調整する非点収差調整手段と、 前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照射さ
   れた試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画像
   を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像を
   得る焦点スキャン動作を２回繰り返して行う粒子画像検
   出手段と、 該粒子画像検出手段から得られる２組の複数の焦点位置
   を有する２次元の粒子画像に基いて前記収束荷電粒子ビ
   ームの非点隔差を算出する画像処理手段と、 該画像処理手段で算出された収束荷電粒子ビームの非点
   隔差に基づいて非点収差補正量を前記非点収差調整手段
   にフィードバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を
   調整制御する制御系とを備えたことを特徴とする荷電粒
   子線装置。
2. 【請求項２】試料を設置するステージと、 荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを収束する荷
   電粒子光学系と、 該荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビー
   ムを走査して前記試料上に照射する走査手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビ
   ームの焦点位置を制御する焦点制御手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷電粒子ビー
   ムの非点収差を調整する非点収差調整手段と、 前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照射さ
   れた試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画像
   を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像を
   得る粒子画像検出手段と、 該粒子画像検出手段から得られる複数の焦点位置を有す
   る２次元の粒子画像に基いて前記収束荷電粒子ビームの
   非点隔差を算出する画像処理手段と、 該画像処理手段で算出された収束荷電粒子ビームの非点
   隔差に基づく非点収差補正量を非線型演算によって求
   め、前記非点収差調整手段にフィードバックして収束荷
   電粒子ビームの非点収差を調整制御する制御系とを備え
   たことを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 【請求項３】試料を設置するステージと、 荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを収束する荷
   電粒子光学系と、 該荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビー
   ムを走査して前記試料上に照射する走査手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビ
   ームの焦点位置を制御する焦点制御手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷電粒子ビー
   ムの非点収差を調整する非点収差調整手段と、 前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照射さ
   れた試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画像
   を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像を
   得ることを２回繰り返して行う粒子画像検出手段と、 該粒子画像検出手段から得られる複数の焦点位置を有す
   る２次元の粒子画像に基いて前記収束荷電粒子ビームの
   非点隔差および焦点オフセットを算出する画像処理手段
   と、 該画像処理手段で算出された収束荷電粒子ビームの非点
   隔差に基づく非点収差補正量を前記非点収差調整手段に
   フィードバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調
   整制御し、前記画像処理手段で算出された収束荷電粒子
   ビームの焦点オフセットに基づく焦点補正量を前記焦点
   制御手段にフィードバックして収束荷電粒子ビームの焦
   点を調整制御する制御系とを備えたことを特徴とする荷
   電粒子線装置。
4. 【請求項４】試料を設置するステージと、 荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを収束する荷
   電粒子光学系と、 該荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビー
   ムを走査して前記試料上に照射する走査手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビ
   ームの焦点位置を制御する焦点制御手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷電粒子ビー
   ムの非点収差を調整する非点収差調整手段と、 前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照射さ
   れた試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画像
   を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像を
   得る焦点スキャンを画像の方向を略45°あるいは135°
   あるいは−45°あるいは−135°変えて２回繰り返して
   行う粒子画像検出手段と、 該粒子画像検出手段から得られる複数の焦点位置を有す
   るスキャン角度の異なる2種類の２次元の粒子画像から
   各画像において45°方向と135°方向の鮮鋭度を求め、2
   回の焦点スキャンの結果をまとめることにより、0°，4
   5°，90°，135°の４方向の複数の焦点位置に対する方
   向鮮鋭度を求め、これら求められた少なくとも４の方向
   鮮鋭度における合焦位置を求め、これら求められた４方
   向についての合焦位置の関係から前記収束荷電粒子ビー
   ムの非点隔差を算出する画像処理手段と、 該画像処理手段で算出された収束荷電粒子ビームの非点
   隔差に基づく非点収差補正量を前記非点収差調整手段に
   フィードバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調
   整制御する制御系とを備えたことを特徴とする荷電粒子
   線装置。
5. 【請求項５】試料を設置するステージと、 荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビームを収束する荷
   電粒子光学系と、 該荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビー
   ムを走査して前記試料上に照射する走査手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束された収束荷電粒子ビ
   ームの焦点位置を制御する焦点制御手段と、 前記荷電粒子光学系によって収束する収束荷電粒子ビー
   ムの非点収差を調整する非点収差調整手段と、 前記走査手段によって収束荷電粒子ビームが走査照射さ
   れた試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画像
   を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像を
   得る焦点スキャンを２度行う粒子画像検出手段と、 該粒子画像検出手段から得られる複数の焦点位置を有す
   る２次元の粒子画像から各画像の0°，45°，90°，135
   °の４方向の微分画像に対して、一回目と2回目の対応
   する焦点位置と微分方向の微分画像の共分散値あるいは
   共分散値の平方根により、 0°，45°，90°，135°の
   ４方向の鮮鋭度を求め、これら求められた４方向につい
   ての方向鮮鋭度における合焦位置を求め、これら求めら
   れた４方向についての合焦位置の関係から前記収束荷電
   粒子ビームの非点隔差および焦点オフセットを算出する
   画像処理手段と、 該画像処理手段で算出された収束荷電粒子ビームの非点
   隔差に基づく非点収差補正量を前記非点収差調整手段に
   フィードバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調
   整制御し、前記画像処理手段で算出された収束荷電粒子
   ビームの焦点オフセットに基づく焦点補正量を前記焦点
   制御手段にフィードバックして収束荷電粒子ビームの焦
   点を調整制御する制御系とを備えたことを特徴とする荷
   電粒子線装置。
6. 【請求項６】前記試料上には、少なくとも３方向のエッ
   ジ成分を含むパターンが形成されていることを特徴とす
   る請求項１または２または３または４または５記載の荷
   電粒子線装置。
7. 【請求項７】前記試料上には、一方向のエッジ成分を有
   するパターンを形成した少なくとも３つの領域を有して
   少なくとも３方向のエッジ成分を含むパターンが形成さ
   れていることを特徴とする請求項１または２または３ま
   たは４または５記載の荷電粒子線装置。
8. 【請求項８】前記粒子画像検出手段を、前記焦点制御手
   段を制御することによって試料上から複数の焦点位置を
   有する粒子画像を検出するように構成したことを特徴と
   する請求項２または３または４または５記載の荷電粒子
   線装置。
9. 【請求項９】前記粒子画像検出手段を、試料上の異なる
   複数の領域から複数の焦点位置を有する粒子画像を検出
   するように構成したことを特徴とする請求項２または３
   または４または５記載の荷電粒子線装置。
10. 【請求項１０】前記試料が、傾けた試料、若しくは階段
    状の段差を持った試料であることを特徴とする請求項１
    ２記載の荷電粒子線装置。
11. 【請求項１１】前記試料に対して高速に焦点位置を変化
    させながら収束荷電粒子ビームを走査して照射すること
    を特徴とする請求項１２記載の荷電粒子線装置。
12. 【請求項１２】前記画像処理手段における非点隔差とし
    ては、非点隔差の大きさと方向または非点隔差のベクト
    ルであることを特徴とする請求項１または２または３ま
    たは４または５記載の荷電粒子線装置。
13. 【請求項１３】更に、前記制御系によって少なくとも非
    点収差が調整制御された収束荷電粒子ビームを前記走査
    手段によって被対象基板上に走査して照射して該被対象
    基板上から発生する粒子画像を前記粒子画像検出手段に
    より検出するように構成し、この検出される粒子画像に
    基いて前記被対象基板上に存在する欠陥を検査する欠陥
    検査画像処理手段を備えたことを特徴とする請求項１ま
    たは２または３または４または５記載の荷電粒子線装
    置。
14. 【請求項１４】更に、前記制御系によって少なくとも非
    点収差が調整制御された収束荷電粒子ビームを前記走査
    手段によって被対象基板上に走査して照射して該被対象
    基板上から発生する粒子画像を前記粒子画像検出手段に
    より検出するように構成し、この検出される粒子画像に
    基いて前記被対象基板上に存在するパターンの寸法を計
    測する計測画像処理手段を備えたことを特徴とする請求
    項１または２または３または４または５記載の荷電粒子
    線装置。
15. 【請求項１５】更に、被対象基板上の高さを光学的に検
    出する高さ検出手段を備え、該高さ検出手段によって光
    学的に検出された被対象基板上の高さに基いて前記焦点
    制御手段を制御するように構成したことを特徴とする請
    求項１６または１７記載の荷電粒子線装置。
16. 【請求項１６】荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビー
    ムを荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電
    粒子ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエ
    ッジ成分を含むパターンが形成されている試料上に照射
    し、該試料から発生する粒子画像を粒子画像検出手段で
    検出して２次元の粒子画像を得る第１の過程と、 該第１の過程で得られた２次元の粒子画像に基いて収束
    荷電粒子ビームの非点隔差および焦点オフセットを画像
    処理手段によって算出する第２の過程と、 該第２の過程で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔
    差に基づく非点収差補正量を非点収差調整手段にフィー
    ドバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調整制御
    し、更に前記算出された収束荷電粒子ビームの焦点オフ
    セットに基づく焦点補正量を焦点制御手段にフィードバ
    ックして収束荷電粒子ビームの焦点を調整制御する第３
    の過程とを有することを特徴とする自動非点収差調整方
    法。
17. 【請求項１７】荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビー
    ムを荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電
    粒子ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエ
    ッジ成分を含むパターンが形成されている試料上に照射
    し、該試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画
    像を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像
    を得る焦点スキャン動作を２回繰り返して行う第１の過
    程と、 該第１の過程で得られた複数の焦点位置を有する２次元
    の粒子画像に基いて収束荷電粒子ビームの非点隔差を画
    像処理手段によって算出する第２の過程と、該第２の過
    程で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔差に基づく
    非点収差補正量を非点収差調整手段にフィードバックし
    て収束荷電粒子ビームの非点収差を調整制御する第３の
    過程とを有することを特徴とする自動非点収差調整方
    法。
18. 【請求項１８】荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビー
    ムを荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電
    粒子ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエ
    ッジ成分を含むパターンが形成されている試料上に照射
    し、該試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画
    像を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像
    を得る第１の過程と、 該第１の過程で得られた複数の焦点位置を有する２次元
    の粒子画像に基いて収束荷電粒子ビームの非点隔差およ
    び焦点オフセットを画像処理手段によって算出する第２
    の過程と、 該第２の過程で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔
    差に基づく非点収差補正量を非線型演算によって求め、
    非点収差調整手段にフィードバックして収束荷電粒子ビ
    ームの非点収差を調整制御し、更に前記算出された収束
    荷電粒子ビームの焦点オフセットに基づく焦点補正量を
    焦点制御手段にフィードバックして収束荷電粒子ビーム
    の焦点を調整制御する第３の過程とを有することを特徴
    とする自動非点収差調整方法。
19. 【請求項１９】荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビー
    ムを荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電
    粒子ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエ
    ッジ成分を含むパターンが形成されている試料上に照射
    し、該試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画
    像を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像
    を得ることを２回繰り返して行う第１の過程と、 該第１の過程で得られた複数の焦点位置を有する２次元
    の粒子画像から複数の焦点位置に対する少なくとも３方
    向についての方向鮮鋭度を求め、これら求められた少な
    くとも３方向についての方向鮮鋭度における合焦位置を
    求め、これら求められた少なくとも３方向についての合
    焦位置の関係から収束荷電粒子ビームの非点隔差を算出
    する第２の過程と、 該第２の過程で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔
    差に基づく非点収差補正量を非点収差調整手段にフィー
    ドバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調整制御
    する第３の過程とを有することを特徴とする自動非点収
    差調整方法。
20. 【請求項２０】荷電粒子源から発せられた荷電粒子ビー
    ムを荷電粒子光学系で収束し、この収束された収束荷電
    粒子ビームを走査手段で走査して少なくとも３方向のエ
    ッジ成分を含むパターンが形成されている試料上に照射
    し、該試料から発生する複数の焦点位置を有する粒子画
    像を検出して複数の焦点位置を有する２次元の粒子画像
    を得る焦点スキャンを画像の方向を略45°あるいは135
    °あるいは−45°あるいは−135°変えて２回繰り返し
    て行う第１の過程と、 該第１の過程で得られた複数の焦点位置を有するスキャ
    ン角度の異なる2種類の２次元の粒子画像から各画像に
    おいて45°方向と135°方向の鮮鋭度を求め、2回の焦点
    スキャンの結果をまとめることにより、0°，45°，90
    °，135°の４方向の複数の焦点位置に対する方向鮮鋭
    度を求め、４方向についての方向鮮鋭度における合焦位
    置を求め、これら求められた４方向についての合焦位置
    の関係から収束荷電粒子ビームの非点隔差および焦点オ
    フセットを算出する第２の過程と、 該第２の過程で算出された収束荷電粒子ビームの非点隔
    差に基づく非点収差補正量を非点収差調整手段にフィー
    ドバックして収束荷電粒子ビームの非点収差を調整制御
    し、更に前記算出された収束荷電粒子ビームの焦点オフ
    セットに基づく焦点補正量を焦点制御手段にフィードバ
    ックして収束荷電粒子ビームの焦点を調整制御する第３
    の過程とを有することを特徴とする自動非点収差調整方
    法。
21. 【請求項２１】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の最大値を求め、この最大値
    前後の値を用いて、２次関数あるいはガウシアン関数の
    ようなピークを持つ関数に当てはめることによって、真
    のピーク位置を補間して求めることを特徴とする、請求
    項４から１０に記載の荷電粒子線装置。
22. 【請求項２２】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の極大値が複数ある場合に、
    これらのピーク位置のそれぞれの高さに応じた加重平均
    をもとめ、これを合焦位置とすることを特徴とする、請
    求項２４に記載の荷電粒子線装置。
23. 【請求項２３】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の焦点位置に対する変化を示
    す曲線に対し、これが、閾値レベルを上回った点に対し
    て、曲線と閾値で囲まれる部分の重心を求め、これを合
    焦位置とすることを特徴とする、請求項４から１０に記
    載の荷電粒子線装置。
24. 【請求項２４】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの評価値の方向鮮鋭度に対する変化を示す
    曲線に対し、これを左右に鏡像反転させた曲線との一致
    度を計算し、この一致度が最良となる鏡像反転の対称軸
    を求め、これを合焦位置とすることを特徴とする、請求
    項４から１０に記載の荷電粒子線装置。
25. 【請求項２５】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の最大値を求め、この最大値
    前後の値を用いて、２次関数あるいはガウシアン関数の
    ようなピークを持つ関数に当てはめることによって、真
    のピーク位置を補間して求めることを特徴とする、請求
    項２２または２３に記載の自動非点収差調整方法。
26. 【請求項２６】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の極大値が複数ある場合に、
    これらのピーク位置のそれぞれの高さに応じた加重平均
    をもとめ、これを合焦位置とすることを特徴とする、請
    求項２８に記載の自動非点収差調整方法。
27. 【請求項２７】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの方向鮮鋭度の焦点位置に対する変化を示
    す曲線に対し、これが、閾値レベルを上回った点に対し
    て、曲線と閾値で囲まれる部分の重心を求め、これを合
    焦位置とすることを特徴とする、請求項２２または２３
    に記載の自動非点収差調整方法。
28. 【請求項２８】それぞれの方向鮮鋭度に対する合焦位置
    は、それぞれの評価値の方向鮮鋭度に対する変化を示す
    曲線に対し、これを左右に鏡像反転させた曲線との一致
    度を計算し、この一致度が最良となる鏡像反転の対称軸
    を求め、これを合焦位置とすることを特徴とする、請求
    項２２または２３に記載の自動非点収差調整方法。
29. 【請求項２９】対象基板に隣接して校正用の標準試料を
    具備し、被対象基板の観察・検査・計測の前、あるい
    は、定期的に、該標準試料上で非点収差と焦点の少なく
    とも一方の補正を行い、常に、非点収差と焦点の合った
    状態で被対象基板の観察・検査・計測をおこなうことを
    特徴とする、請求項４から１０または、請求項２４から
    ２７に記載の荷電粒子線装置。