JP2006173017A - 荷電粒子線装置と荷電粒子線顕微方法 - Google Patents

Abstract

【課題】標準寸法試料の最適観察倍率以外の倍率範囲においても倍率校正、測長値の校正が行える荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】倍率基準とする試料の試料拡大像を用いて倍率が校正された第１の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を所定量偏向させて記録した視野移動を含む第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と、第２の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を前記所定量偏向させて記録した視野移動を含む第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率を校正する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、試料上に荷電粒子線を走査し、荷電粒子線照射によって試料から発生する信号を用いて像を形成する荷電粒子線装置に関する。

従来、走査型電子顕微鏡や集束イオンビーム加工観察装置、透過型電子顕微鏡のような荷電粒子線装置において、画像の正確な倍率及び画像の測長値を校正するためには、寸法が既知のマイクロスケール試料や結晶格子の走査二次電子像や走査透過電子像を用いて試料の特徴を表す間隔寸法を測定していた。標準試料を用いて表示倍率を校正する従来の技術としては、特開２００２−１５６９１号公報がある。特開２００２−１５６９１号公報では、試料は特定していないが、走査電子顕微鏡において加速電圧やワーキングディスタンスが変わった際の倍率の変化を測定し、表示倍率やスケールバーを校正する。

図２（Ａ）は一般的に市販されているピッチ間隔が０．２４μｍであるマイクロスケール試料の拡大図である。また、図２（Ｂ）は金単結晶薄膜試料の結晶格子像であり、結晶面間隔０．２０４ｎｍの格子が交差した像を示している。例えば、金単結晶薄膜試料を寸法基準として用いるためには、金の結晶格子像が観察できる倍率で試料拡大像を撮影する必要があり、０．２０４ｎｍの格子像を１ｍｍの格子間隔に拡大するには拡大倍率５０００×１０³倍を必要とする。実際の走査透過型電子顕微鏡において、この格子像を格子として認識できる拡大倍率としては、３０００×１０³倍以上が必要である。結晶格子像を用いた観察倍率若しくは測長寸法の校正は、撮影した倍率において次のように行う。電子顕微鏡に表示された倍率（表示倍率）を３０００×１０³倍として、結晶面間隔０．２０４ｎｍの金単結晶試料を撮影したところ、表示された格子の間隔が０．６２ｍｍだったとする。このときの真の倍率は
０．６２ｍｍ／０．２０４ｎｍ＝３０３９．２２×１０³倍
と求められる。すなわち表示倍率は１．３１％の誤差を有している。この表示倍率で撮影した画像の２点間の寸法（測長値）は同様に１．３１％大きく表示される。
特開２００２−１５６９１号公報

標準寸法試料を用いた従来の倍率校正及び測長寸法値の校正は、寸法基準となる試料拡大像が適切に撮影されなければならず、観察可能倍率に制約がある。また、試料拡大像が撮影された倍率においてのみ倍率校正、測長寸法値の校正が可能である。例えば、ピッチ間隔が０．２４μｍのマイクロスケール試料は、走査電子顕微鏡の全倍率範囲、特に高倍率の校正に使用することができない。同様に、寸法基準として結晶面間隔０．２０４ｎｍの金単結晶薄膜試料の格子像を用いる場合でも、電子顕微鏡の観察倍率の全倍率範囲を網羅することはできない。

本発明の第一の目的は、標準寸法試料の最適観察倍率以外の倍率範囲においても倍率校正、測長値の校正が行える荷電粒子線装置を提供することである。

本発明の第二の目的は、標準寸法を与える試料として低観察倍率と高観察倍率で異なる試料を使用することなく、１種類の標準寸法試料で低観察倍率の寸法校正と高観察倍率の寸法校正を行うことのできる荷電粒子線装置を提供することである。

本発明の第三の目的は、倍率ステップ間並びに倍率レンジ間の倍率誤差及び寸法測長誤差のばらつきを一定に抑えた荷電粒子線装置を提供することである。本発明は、異なる倍率間でも同一の試料を用いて倍率間の寸法精度を保証し、異なる倍率レンジ間でも寸法精度を保証できるようにする。

本発明の第四の目的は、試料ドリフトに伴う倍率校正精度の低下を抑えることである。

本発明では、第１の倍率で試料像を取得する一画像内で偏向器によって荷電粒子線を所定量偏向させて記録した視野移動を含む第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と、第２の倍率で試料像を取得する一画像内で偏向器によって荷電粒子線を所定量偏向させて記録した視野移動を含む第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率の倍率誤差の量を前記第１の倍率の倍率誤差の量と等しくする。また、倍率基準とする試料の試料拡大像を用いて第１の倍率を校正しておくことにより、同様の方法で第２の倍率を校正する。

本発明によると、試料ドリフトの影響を抑えて参照倍率と等しい倍率誤差で他の観察倍率の倍率誤差を校正することが可能となる。また、参照倍率の倍率校正に寸法基準試料を用い、寸法基準試料を用いることができない他の観察倍率における倍率誤差を校正することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明は、荷電粒子線がイオンビームの場合にも、電子線の場合にも適用できるが、以下では電子線の場合について説明する。また、レンズ系、偏向器、走査器は電場による方式、磁場による方式のいずれでもよいが、以下では磁場方式を用いた場合の例について説明する。試料下の投射レンズの存在及び段数は問わない。

図１は、本発明による荷電粒子線装置の一例の概略機能ブロック図である。
電子線源（荷電粒子線源）１から放出されて加速電極２で加速された電子線（荷電粒子線）３は、第一集束電磁レンズ４と第二集束電磁レンズ５及び対物電磁レンズ９の前磁場を経由して試料台１０に保持された試料１１に照射される。電子線３が試料１１に照射されると試料１１と電子線３との相互作用によって、試料の情報を有する二次電子８、試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３が発生する。試料に照射される電子線３は電子線光軸に対し対称に配置された走査コイル６による磁場により試料上を走査する。電子線の走査と画面における走査の同期とを取ることにより表示部６０上に試料拡大像を形成する。試料から発生した二次電子８は蛍光体１６を発光させ光電子増倍管１７で検出され、微小電流増幅器２９で増幅しＡＤＣ４１によりデータバスに取り込まれる。二次電子の検出器として蛍光体と光電子増倍管を用いたが、マルチチャネルプレートなどの半導体検出器を用いてもよい。試料前方散乱電子１２は前方散乱電子検出器１４にて、試料透過電子１３は試料透過電子検出器１５にて検出される。検出器１４及び１５は蛍光体と光電子増倍管の組合せで構成しても、半導体検出器で構成してもよい。電子線源１、加速電極２の加速電圧や電子線の引き出し電圧、フィラメント電流などは、マイクロプロセッサ４４からの指令がデータバスを経由してＤＡＣ３２、３３に入力され、そこでアナログ信号に変換されて電子線源電源１８、加速用高圧電源１９から設定される。第一集束電磁レンズ４、第二集束電磁レンズ５、対物電磁レンズ９は、マイクロプロセッサ４４からの指令によってＤＡＣ３４、３５、３９に各レンズの励磁電源が設定され、各電磁レンズに対して電流が与えられる。試料１１の位置は、ロータリーエンコーダ５６、５７を用いてオペレータが操作し試料台１０を駆動するか、予め記録された試料位置駆動パターンに従い、試料台１０を駆動することによって制御される。

電子線の試料上における走査量は、走査機構によって電子線に作用させる電場あるいは磁場の大きさによって任意に変化することが可能である。例えば、二次電子による試料拡大像は走査コイル６に印加する電流の大きさを変化させ、試料上における電子線３の走査範囲を変えることで二次電子像の拡大倍率を変えることが可能である。試料上における電子線の走査領域を狭くすれば二次電子像の拡大倍率は大きくなり、広くすれば拡大倍率は小さくなる。

図３は、電子線の走査機構を示した原理図である。電子線３は電子線光軸６２上に沿って移動する。電子線光軸上にＸ、Ｙ対称に走査コイル６３，６４が配置される。試料に対して垂直に電子線を印加するため走査コイルは上下２段に配置される。上方走査コイル６３と下方走査コイル６４に鋸波形の印加をし、対物電磁レンズ９の光軸上の前焦点位置に電子線が到達することで、試料に垂直に電子線が入射され試料と相互作用し、二次電子８や試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３が得られる。これら二次電子８、試料前方散乱電子１２、試料透過電子１３と走査波形とを同期させることで試料拡大像が形成される。試料拡大像の倍率は、Ｘ及びＹ走査コイルに印加する走査波形の電圧に依存する。

図４（Ｂ）は試料拡大倍率Ｍと走査波形電圧の最大値Ｖmaxの関係を示したグラフであり、走査波形電圧最大Ｖmaxは試料拡大倍率Ｍに対して反比例の関係を持つ。走査波形の電圧を可変抵抗器などを用いて連続的に変化させれば理論上は無限種類の倍率種類を確保することができるが、実使用においては連続的な倍率可変は不便であり不要である。一般的には段階状に電圧が切替えられる。また、１０³倍もの広範囲な観察倍率に対応するために、走査波形の基準電圧は図４（Ａ）に示すようなレンジ毎に分離した電圧減衰器を通過させて走査コイルに入力される。倍率の段階切り替えは例えば試料拡大倍率１０００倍、１５００倍、２０００倍、３０００倍、…という具合で、レンジの例としては、レンジ１は１０００倍から９０００倍、レンジ２は１０×１０³倍から９０×１０³倍、レンジ３は１００×１０³倍から９００×１０³倍、レンジ４は１０００×１０³倍から９０００×１０³倍の拡大倍率として与えられる。

まず倍率ステップと拡大倍率の精度のばらつきについて説明する。夫々の試料拡大倍率の精度は、走査波形の電圧の精度で決定される。図３の例で示すようなデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）３７とコイル電源２７により走査コイル６３，６４に走査電圧が印加される系においては、試料拡大倍率の精度は主にＤＡＣ３７から出力される誤差やＤＡＣの最小ビット（ＬＳＢ）の量子誤差に依存する。一方、図４（Ａ）に示すように倍率レンジの切り替えとしての減衰器は固定抵抗器などが用いられる。倍率レンジ間における倍率誤差は固定抵抗器の製作誤差などの固有誤差に依存する。固定抵抗器はそれ自身の抵抗値の±０．１％程度の許容誤差が存在する。例としてレンジ１の拡大倍率１０００倍で走査波形の電圧最大値として１０Ｖが走査コイルに印加されるとし、レンジ２の拡大倍率１００００倍では減衰器で１／１０の１Ｖの電圧が走査コイルに印加される。レンジ１で＋０．１％、レンジ２で−０．１％である場合、倍率誤差は１０００倍では１００１倍、１００００倍では９９９０倍として像が記録される。このように、レンジ１とレンジ２それぞれでは誤差定数が異なる減衰器を用いることになり、結果として拡大倍率ごとに精度のばらつきを発生させる。

異なる倍率間において倍率精度校正若しくは測長寸法校正を行う場合、最初に標準寸法試料を用いて標準寸法試料の特徴的な構造が観察できる倍率で倍率校正を行う。次に当該倍率において任意の電圧を電子線偏向回路に入力し、画像の視差を与える。この視差を検出する際の試料ドリフトは倍率校正値に誤差を与えてしまう。そこで本発明の荷電粒子線装置は、電子線偏向回路を用いて視差を測定する場合にドリフトの影響を考慮した視差測定を行う。

図５に、電子線偏向回路を使用して視野を移動させた場合の画像例を示す。視野の移動量が純粋に電子線偏向回路に印加した電圧に比例した値となればよいが、実際の電子線装置の試料台は試料移動をやめた直後に停止せず勝手に移動したり、熱による試料ドリフトにより、視野移動量は、電子線偏向回路の駆動による視野移動量と試料ドリフト量の合計で表される。すなわち、電子線偏向回路の駆動による真の視野移動量L_ISFは、計測された視野移動量Ｌ_totと試料ドリフトによる移動量Ｌ_drifから式(1)で与えられる。

Ｌ_ISF(t)＝Ｌ_tot(t)−Ｌ_drift(t) (1)
なお、ドリフト量は通常１方向のみに選択的に発生するものではなく、２方向に発生するので、ベクトル量である。また、時間の経過と共にドリフト量は変化するので、時間の関数で与えられる。２枚の画像の視差を比較する際には、観察画像の倍率がドリフト量を無視し得る程度に十分低い場合には問題ないが、ドリフト量を観測し得る観察倍率では、１枚目の画像と別の時間に撮影した２枚目の画像ではドリフトの混入により純粋な電子線偏向回路による像視差を測定することは困難となる。

図６のフローチャートを用いて、電子線装置で試料拡大像の観察倍率ステップ毎の拡大倍率の精度のばらつきを校正する方法を説明する。

図６のフローは大きく２つのプロセスに分けることができる。第一番目のプロセスとして、参照倍率において電子線偏向器に任意の大きさの電圧を印加し、画像の視差を測定、また９０°の像回転をした後に再度電子線偏向器に任意の大きさの電圧を印加し画像の視差を測定するプロセスを設ける（ステップ１０１からステップ１１６）。第二番目のプロセスは、目的とする倍率において参照倍率で与えた電子線偏向器に印加した電圧と同一の電圧を与え画像の視差を測定、また９０°像回転した後に再度電子線偏向器に参照倍率で与えた電子線偏向器印加電圧と同一の電圧を与えて視差を測定し、目的倍率の校正を行うプロセスである（ステップ１１７からステップ１２１）。

ステップ１０１にて任意の構造の試料を試料台に搭載し、電子線装置に挿入する。
ステップ１０２で参照倍率を設定し、走査コイルに印加する電圧を決定する。ここで示す参照倍率は、倍率誤差の基準とする観察倍率で記号をＭ₁とする。ステップ１０３で加速電圧の設定、電子線照射条件の設定をする。ステップ１０４において、ステップ１０１にて挿入した試料の拡大像の撮影を開始する。撮影の条件として、１画像を形成する時間を調節できることとする。また、画像のサイズは問わないが画像サイズも調節できることとする。例えば、図１０の画像において横画素サイズＡ×縦画素サイズＢとし、横６４０ピクセル×縦４８０ピクセルとして、画像取込時間は２０秒というように決める。

試料ドリフトの問題を解決するために、画像取込を行っている最中に、ステップ１０５にて電子線偏向器にＸ方向の電圧Ｖｘを印加する。Ｘ方向の偏向電圧Ｖｘを印加すると、図１０に示すように画像がシフトする。

図７を用いて電子線を偏向する原理を説明する。電子線３は電子源１から放出され、加速電極２で加速されて電子線光軸６２上を沿って移動する。電子線光軸６２上に、Ｘ、Ｙ対称に偏向コイル７１，７２が配置される。偏向コイルは、例えば図１に示すように、第二集束電磁レンズ５と対物電磁レンズ９間で走査コイル６と同一の位置に配置される。電子線は上方偏向コイル６７と下方偏向コイル６８で力を受け、偏向を受けた電子線６９のように傾斜される。対物電磁レンズ９を経由し、試料上で光軸から離軸するように直流電圧が上方、下方の偏向コイルに振り分けられて印加される。結果として、光軸上の電子線３は、試料上でシフトする。一例として、図７ではＸ偏向コイル７１とＹ偏向コイル７２に印加された電圧により電子線３は右下方向に偏向されている。電子線は偏向と同時に走査されており、視野も試料上の中心から右下方向に移動する。このようにして偏向コイルに電圧を印加することで、電子線を偏向し視野を移動させることが可能である。

電子線偏向コイルを用いた際、偏向コイルのＤＡＣ出力値と試料面上における電子線シフト量は、図８に示すように比例する。また、偏向コイルに透磁率１の空芯コイルを用いた場合、図９に示すように、磁場の強さＢは巻き数Ｎと電流Ｉの積で(2)のような線形関係で表される。
Ｂ（T）=μ₀ＮＩ（A） (2)

ここで、μ₀は真空中の透磁率である。従って、試料面上における電子線のシフト量も偏向コイル電流に対し比例する。電子線偏向コイルは走査コイルに対して独立に動作するので、走査コイルに印加する走査波形電圧すなわち観察倍率また倍率レンジが変えられても試料上を電子線がシフトする量には影響しない。

ステップ１０５及び続くステップ１０６で電子線偏向器に印加する電圧を切替えるが、切替時の応答速度は高速であることが必要である。図１０に示したように同一画像内において視野シフトさせる目的は、試料のドリフトの問題を取り除くためである。画像サイズ縦６４０×横４８０ピクセルで１画像取込時間を２０ｓとすると、１ライン走査は約４２ｍｓである。ある時点での電子線装置の試料ドリフト速度が０．１ｎｍ／ｓだとすれば１ラインあたりでの試料ドリフト量は０．００４ｎｍとなる。試料ドリフトによる視差が１ピクセル未満となる時間で電子線偏向器に印加する電圧を切替える。電子線偏向回路の印加電圧の切替は制御回路内において電子スイッチでオン／オフするため、１００ｍｓ以下とみなす事ができる。

ステップ１０５で電子線偏向器を用いて視野シフトする量は、図１０の画像において画像サイズを横Ａピクセル×縦Ｂピクセルとしたとき、画像横サイズＡの最大８０％を超えない範囲で、目的とする視野が外れない任意の大きさとする。画像サイズ８０％の限定は、試料拡大像の周辺歪の発生を考慮して、歪の影響がない視野を使用するためである。すなわち、視野中の構造が外周部１０％の内部Ａ×０．８のエリアにあり、視野シフト後もこの領域に含まれることが条件となる。本実施例では周辺歪を考慮する領域として全撮影画像サイズの８０％としたが、使用する荷電粒子線装置によってこの値は変化するものであり、８０％の数値にはこだわらない。

ステップ１０６にて電子線偏向器に印加する電圧を断し、元の視野位置に戻す。ステップ１０７ではステップ１０５からステップ１０６までの電子線偏向器に印加する電圧を印加・断する操作をＮ回繰り返す循環をさせる。繰返しの回数Ｎは１回でも、複数回でもよい。繰返し回数Ｎを増やすことで視野シフトに伴う視差量の測定回数を増やすことができる。視差量の測定回数を増やすことで平均値の導出及び測定値のばらつき、標準偏差を求めることができる。その結果、視差量と電子線偏向器の印加電圧との相関係数の精度を高めることが可能となる。

ステップ１０８において、図１０のような視野シフトを与えた画像を保存し、ステップ１０９に移行し画像の視差を測定する。

図１１及び、図１２のフローチャートを用いて、同一画像内において視差を測定する方法を説明する。図１１（Ａ）は、同一画像内で視野シフトを２回行った画像例である。図１１（Ａ）において白枠部のような検出エリアを選択する。

ステップ２０１において、撮影した画像の平滑化を行い、画像ノイズを低減する。次に、ステップ２０２に移り、Ｙ方向の切れ目位置Ｙｃを検出する。切れ目位置は、電子線偏向器に電圧を印加して視野をシフトした位置に相当する。切れ目位置は、予め設定した位置で視野シフトする場合と、任意の位置で視野シフトする場合の２通りを考える。予め設定した位置で視野シフトした場合には、ステップ２０３に移行する。任意の位置で視野シフトした場合には、検出エリアから切れ目位置を検出するアルゴリズムを実行する。検出エリアから切れ目位置を検出するアルゴリズムの一例として、画像のＹ方向微分を行い、Ｙ投影した一次元画像プロファイルでピーク検出を行う方法がある。ピーク位置が画像の切れ目Ｙｃと判断され、ステップ２０３に移る。

ステップ２０３にて、図１１（Ｃ）に示すようにＸ方向の画像微分を行い、検出エリア内における画像の微分プロファイルを出力する。次に、ステップ２０４にて切れ目Ｙｃからのオフセット量Ｙδを設定する。ステップ２０５にて切れ目Ｙｃ位置に対してオフセット量Ｙδを加算した位置においてｎライン分のＸ画像微分プロフィルを加算した結果を求める。このようにオフセット量Ｙδを設定する理由は電子線偏向コイルに電圧を印加、断する際に発生しうるノイズを考慮するためである。

ステップ２０６では、加算したＸ方向微分プロファイルから視差量を検出する。示唆量の検出方法として二通りの方法を説明する。１つは微分プロファイル間のピーク間隔を視差量として検出する方法、２つ目は微分プロファイル間の自己相関を取り、自己相関関数の最大値を作ったときの視差量とする方法である（図１１（Ｄ）及び（Ｅ））。Ｘ方向微分プロファイルから視差量を検出する例は、図１３に示す。図１２あるいは図１３に示す矢印の距離が画像内での視差量に相当する。測定された視差量ｄは、画素単位：ピクセルで求められる。現在の倍率（ここでは参照倍率Ｍ₁）における試料上換算の、単位ピクセル当りの長さＰ_M0（nm/ピクセル）を用いて、式（3）により距離ｄ_m(nm)にディメンジョン変換を行う。
ｄ_m(nm)＝ｄ(ピクセル)×Ｐ_M0(nm/ピクセル) (3)

シフト量と偏向コイルに出力するＤＡＣ値Ｖの関係は次式(4)にて単位シフト量Ｄ_M0として得られる。
Ｄ_M0(nm/LSB) = ｄ_m(nm)/Ｖ(LSB) (4)

ここで、ＤＡＣ出力値はＶ（LSB）（LSBはＤＡＣの最小ビット数を意味する）。ＤＡＣからの出力値を１０LSBとして１０ｎｍの視野シフトであれば、式(3)から１（ｎｍ／LSB）と得られる。

図６に戻って、ステップ１０９でＸ方向の電子線偏向器による画像視差量の測定完了後、ステップ１１０に移行して画像を９０°像回転させ、Ｙ方向の倍率校正を行うフローに移る。画像を９０°像回転させる方法として、ラスターローテーション回路を用いる。ラスターローテーション回路は、Ｘ方向の走査信号とＹ方向の走査信号を加算して走査コイルに電流を印加することで観察画像の回転を行う方法である。９０°の像回転を行うためには、Ｘ方向の走査信号をＹ方向の走査コイルに印加し、Ｙ方向の走査信号をＸ方向の走査コイルに印加することで行う。

理想的にはＸ方向、Ｙ方向の入れ替えを行った時の走査量は、入れ替えを行わなかった場合と等しくなければならないが、実際にはコイル製作誤差や取り付け誤差などから磁場分布が等価になるとは限らない。すなわち、この分布の違いがＸ方向とＹ方向の倍率の誤差になる。そこで予め、ラスターローテーション０°（オフ状態）とラスターローテーション９０°の時の倍率誤差を計測しておく。

ステップ１１０にて像回転９０°した後の画像視差測定の操作であるステップ１１１からステップ１１６までの処理は、Ｘ方向とＹ方向が入れ替わっただけで、ステップ１０４からステップ１０９までの処理と同じであるので、説明を省略する。

ステップ１１７以降のプロセスにおいて、目的とする観察倍率Ｍ２において倍率誤差を校正する方法を示す。まずステップ１１７において、目的の倍率に設定する。ステップ１１８はＸ方向において画像の視差測定するプロセスで、ステップ１０４からステップ１０９と同様のプロセスである。ただし、電子線偏向器に印加する電圧値はステップ１０５において印加した値と同一でなければならない。

ステップ１１９でラスターローテーションにより画像を９０°回転させる。ステップ１２０はＹ方向における画像の視差測定を行うプロセスで、ステップ１１１からステップ１１と同様のプロセスである。ただし、電子線偏向器に印加する電圧値はステップ１１２において印加した値と同一でなければならない。

ステップ１２１において、目的倍率Ｍ２の倍率校正を行う。倍率校正方法として、ここでは４種類の校正方法を示す。図１４は、４種類の倍率校正方法(1)〜(4)の説明図である。図示するように、倍率校正方法には、(1)荷電粒子線装置上に表示される拡大倍率の表示値を校正する方法、(2)走査コイル電圧を校正する方法、(3)観察画像に含まれる構造の距離の測定結果を校正する方法、(4)観察画像に対して測定された倍率校正値を元に画像の拡大、縮小を画像処理して補正する方法がある。

次の方法によって、ステップ１０９で測定した画像視差とステップ１１６で測定した画像視差から目的倍率における倍率誤差εと計測倍率Ｍ₀を求める。走査像ではＸ方向とＹ方向の倍率が異なる可能性があるが、ここではＸ方向の倍率について説明する。

ステップ１０９で測定された参照倍率Ｍ₁のＸ方向の視差をｄ_M1x、ステップ１１８で測定された倍率Ｍ２のＸ方向の視差をｄ_M2xとする。倍率Ｍ₂における真の視差ｄ_M2x0は、次式(5)のようになる。
ｄ_M2x0＝Ｍ₂×（ｄ_M1x／Ｍ₁） (5)

Ｘ方向の視差の誤差ε_x（％）は、式(6)のようになる。
ε_x＝（（ｄ_M2x−ｄ_M2x0）／ｄ_Ｍ2x0）×１００ （％） (6)

倍率Ｍ_２における校正倍率Ｍ₂₀は、次式(7)で得られる。
Ｍ₂₀＝Ｍ₂×（１／（１＋ε_ｘ／１００）） (7)

このようにして計算された倍率誤差を、図１に示した補正データテーブル５２に、表示倍率に対してＸ方向の倍率誤差、Ｙ方向の倍率誤差のテーブルとして保管しておく。図１５は、補正データテーブルの例を示す図である。

倍率校正方法(1)として、荷電粒子線装置の表示部上に表示される拡大倍率の表示値を校正する方法を説明する。この方法は、式(7)で計算された校正倍率Ｍ_２０を、元の表示倍率Ｍ_２に変えて表示する方法である。倍率だけではなく、表示されているスケールバーの表示値も校正することが可能である。

倍率校正方法(2)として、走査コイル電圧を校正する方法を説明する。この方法は、校正結果から走査コイルに印加する電圧波形の波高値を直接制御して走査領域を調節することで、観察している画像の倍率を校正する方法である。倍率Ｍ₂における走査電圧の最大波高値をＶ₂とする。式(6)の視差誤差ε_ｘから校正電圧値Ｖ₂₀は、次式(8) で得られる。
Ｖ₂₀＝Ｖ₂×（１／（１＋ε_ｘ／１００）） (8)

倍率校正方法(3)として、観察画像に含まれる構造の距離の測定結果を校正する方法を説明する。例えば、特定構造の２点間の距離を測定した結果、Ｌ（ｎｍ）と求められたとする。校正寸法値Ｌ₀は、式(6)の視差誤差から、式(9)のように求められる。
Ｌ₀＝Ｌ×（１／（１＋ε_ｘ／１００）） (9)

倍率校正方法(4)として、観察画像に対して測定された倍率校正値を元に画像の拡大、縮小を画像処理して補正する方法を説明する。表示倍率Ｍ₂に対して校正倍率がＭ₂₀であった場合に、Ｘ方向の視差誤差ε_X、Ｙ方向の視差誤差ε_Yに合致するように取得画像を画像演算にて拡大・縮小する。撮影した画像の倍率Ｍ₂が校正倍率Ｍ₂₀に対して小さい場合には、観察画像に対して拡大処理を行う。拡大を行う際は、線形補間法や３次補間法を用いる。一方、倍率Ｍ₂が校正倍率Ｍ₂₀に対して大きい場合には、観察画像に対して縮小処理を行う。縮小処理の際には、間引縮小法や平滑縮小法を用いる。

次に、図１６のフローチャートを用いて、参照倍率の倍率を校正する方法を説明する。寸法が既知の倍率校正用の周期試料を挿入して観察し、周期情報を抽出し参照倍率の校正を行う。その後、図６のステップ１０１に移行することで、参照倍率以外の倍率においても倍率校正試料に従った倍率校正を行うことが可能である。

まずステップ３０１にて周期構造を有する倍率校正用の試料を挿入する。この試料としては、図２（Ａ）に示すような１ピッチ０．２４μｍのマイクロスケール試料や、図２（Ｂ）に示すような１ピッチ０．２０４ｎｍの金単結晶薄膜を用いる。ステップ３０２で、倍率の設定、電子線の照射条件などを設定する。参照倍率は試料特有の周期的な構造が満足に観察できる倍率に設定する。例えば金単結晶薄膜の場合には、参照倍率Ｍ₁は３００万倍以上に設定する。

次に、ステップ３０３にて画像を取得する。画像取得の際の走査速度は試料ドリフトを考慮するとできるだけ高速であることが望ましい。倍率校正用の試料拡大像を取得し、周期画像演算処理部４７にデータを転送し、ステップ３０４にて画像演算を行い、ステップ３０５にて周期情報を抽出する。ステップ３０４では、図１に示したコントラスト変換装置６１を用いて周期構造画像のヒストグラムを演算し、この演算結果からコントラストが低いと判断された場合に自動的にコントラストを補正する。コントラスト変換装置６１は、取得した画像のヒストグラム演算部、比較器、電子線検出器及び微小電流増幅器のオフセット電圧調整部、増幅ゲイン調整部で構成され、最適ヒストグラムとの比較でオフセット電圧や増幅ゲインを自動調節する。コントラスト補正はソフトウェアによる画像演算によって行ってもよい。この場合、ヒストグラム演算部、比較部、ガンマ補正部、輝度補正部、明度補正部を備える。

ステップ３０５では、倍率構成用の周期構造を有する試料から周期情報を抽出する。図１７（Ａ）に周期構造試料の画像例を、図１７（Ｂ）にその画像の高速フーリエ変換画像（ＦＦＴ）を示す。図１７（Ｂ）の周辺スポットの４点が周期情報を示している。周期構造試料の情報を抽出する方法として、ここではＦＦＴを用いた例を示したが、自己相関によっても求めることが可能である。ＦＦＴ処理の原理はここでは割愛し、面間隔の計算手法についてのみ言及する。ＦＦＴ処理のために試料拡大像から２のｎ乗ピクセルの正方形領域を切り出す。例えば試料拡大像を画素サイズ６４０×４８０ピクセルで記録した場合、ＦＦＴ処理領域は２５６×２５６ピクセル若しくは１２８×１２８ピクセルと２⁸ピクセル領域や２⁷ピクセル領域とする。１０２４×７６８ピクセルで記録した場合、５１２×５１２ピクセルでＦＦＴ処理を行う。周期情報は、周期の平均値に対応する空間周波数で最大強度の輝点となって現れる。ここでＦＦＴ画像中心の輝点は画像の直流成分を示したものであり、周期構造とは無関係の輝点である。有意な輝点は中心を取り囲む４つの輝点で、これらの空間周波数座標から周期構造の平均周期（ピッチ）を求めることができる。

平均ピッチは、ＦＦＴ画像サイズが縦５１２ピクセル×横５１２ピクセルであったとして、Ｉは５１２ピクセルになるので、式(10)となる。

平均ピッチＬ_p(ピクセル)＝Ｉ(ピクセル)／Ｎ₁(FFT輝点距離) (10)
図１７（Ｂ）の例では、輝点間の距離Ｎ_１は４７．０７ピクセルで、式(10)から平均ピッチＬ_pとして１０．８８（ピクセル）を得る。実測ピッチ距離Ｌ_dは、式(11)で求められる。
実測ピッチ距離Ｌ_d(nm)＝Ｌ_p×Ｐ_M10 (11)

試料拡大像の倍率Ｍ₁は５００万倍で、この時の真の単位ピクセルの長さ、すなわち画素サイズＰ_M10は２×１０^-11（ｍ／ピクセル）であるので、実測ピッチ距離Ｌ_dは、式(11)より、次式のようになる。
１０．８８×２×１０^-11＝０．２１１８(nm)

ステップ３０６において、実測ピッチ距離Ｌ_ｄと金の面間隔（Ｌ_std）である０．２０４ｎｍとを比較することで、この倍率における倍率誤差εが求められる。
倍率誤差ε＝（Ｌ_d−Ｌ_std）／Ｌ_std (12)

式(12)にＬ_dとＬ_stdの数値を当てはめると、（０．２１１８（nm）−０．２０４（nm））／０．２０４（nm）＝０．０３８となり、０．０３８がこの参照倍率における倍率誤差になる。参照倍率における倍率校正値は、式(7)と同様に、式(13)で求められる。
Ｍ₁₀＝Ｍ₁×（１／（１＋ε／１００）） (13)

また、ステップ１０９及びステップ１１６で求められる参照倍率Ｍ₁における視差量はＸ方向、Ｙ方向それぞれで式(14)及び式(15)で与えられる。
ｄ_M1x0＝ｄ_M1x×（１／（１＋ε／１００）） (14)
ｄ_M1Y0＝ｄ_M1Y×（１／（１＋ε／１００）） (15)

次に図１８のフローチャートを用いて、参照倍率において周期構造の試料を用いて倍率校正を行う場合の試料回転角度を表示する機能を説明する。

ステップ４０１からステップ４０４までのプロセスは図１６のステップ３０１からステップ３０５と同様である。ステップ４０１では例えば金単結晶薄膜試料のような周期構造を有する試料を挿入し、ステップ４０２にて倍率Ｍ₁設定、電子線の照射条件を設定する。ステップ４０３にて試料の拡大像を撮影し、ステップ４０４にて該拡大像の高速フーリエ変換を行う。

ステップ４０５では、高速フーリエ変換画像を試料拡大像と共にモニタ上に図１９に示すように表示する。同時に、ステップ４０６にてＦＦＴ像の輝点の重心位置を検出する。重心位置検索は画像演算のブロブ法を用いて行う。ブロブ法では任意の面積以上の輝点に対して座標位置、重心位置を計算することができる。ステップ４０７にて、輝点位置を計算した結果、輝点位置と原点を結ぶ一次直線を計算する。必ずＦＦＴ画像の原点対称に輝点が配置されるので、ある輝点位置を（Ｐ１，Ｐ２）とすると、直線ｙは、式(16)で求めることができる。
ｙ＝（Ｐ２／Ｐ１）・ｘ (16)

ステップ４０８にて、式(16)に基づく直線を図１９（Ｂ）に示すように表示させる。また、ステップ４１０にて試料回転角度を表示させる。試料回転角度θは、式(17)で与えられる。
θ＝ｔａｎ^-1（Ｐ２／Ｐ１） (17)

式(17)で与えられた試料回転角度θは図１９に示すように、表示部上にＦＦＴ画像と共に常時表示される。

次にステップ４１１にて試料駆動装置２０を用いて試料の回転を行う。式(17)で得られた試料回転角度が０°に設定されるように、試料駆動装置２０を用いて試料を回転させる。

本発明の荷電粒子線装置の構成例を示す図。 荷電粒子線装置の寸法を校正する試料の例を示す図。 電子線の走査機構の原理を示す図。 走査機構の倍率レンジを変化する原理を示す図と拡大倍率と走査コイル印加電圧の関係を示す図。 偏向器を用いて視野を移動した画像の例を示す図。 倍率間での寸法誤差を抑える処理を説明するフローチャート。 電子線の偏向機構の原理を示す図。 偏向コイル印加電圧と試料面上での電子線ビームのシフト量の関係を示す図。 偏向コイルに印加する電流と試料面上での電子線ビームのシフト量の関係を示す図。 偏向器を用いて画像撮影中に視野移動を行った例を示す図。 偏向器を用いて視野シフトを行った画像において、視差量を検出するプロセスを示した図。 偏向器を用いて視野シフトを行った画像において、視差量を検出するプロセスを示したフローチャート。 視野シフトを行った前後のＸ方向微分プロファイルを示す図。 視差誤差の計算結果から倍率校正、走査電圧校正、測長寸法値校正、画像倍率校正の方法を示した図。 倍率データテーブルと補正データテーブルを示す図。 倍率基準を与える周期試料から参照倍率の校正を行う方法を示すフローチャート。 周期構造試料の例と、周期構造試料に対して高速フーリエ変換を実施して得られた画像の例を示した図。 倍率基準用の周期試料の試料回転角を計測してＦＦＴ像、試料回転角度表示、試料駆動装置により試料を回転させる方法を示したフローチャート。 倍率基準用の周期画像とＦＦＴ像、試料回転角度を表示部上に表示した例を示す図。

符号の説明

１：荷電粒子線源、２：加速電極、３：電子線、４：第一集束電磁レンズ、５：第二集束電磁レンズ、６：走査コイル、７：偏向コイル、８：試料二次電子、９：対物電磁レンズ、１０：試料台、１１：試料、１２：試料前方散乱電子、１３：試料透過電子、１４：試料前方散乱電子検出器、１５：試料透過電子検出器、１６：蛍光体、１７：光電子増倍管、１８：電子線源電源、１９：加速用高圧電源、２０：試料駆動装置、２１：電圧安定装置、２２：電圧安定装置、２３〜２５：電磁レンズ電源、２６〜２８：コイル電源、２９〜３１：微小電流増幅器、３２〜４０：デジタル−アナログ変換器（ＤＡＣ）、４１〜４３：アナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）、４４：マイクロプロセッサ、４５：ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、４６：画像相関計算処理部、４７：周期画像演算処理部、４８：非周期画像演算処理部、４９：倍率データテーブル、５０：オフセット電圧計算部、５１：偏向系制御部、５２：補正データテーブル、５３：像回転計算部、５４〜５５：インターフェース、５６〜５７：ロータリーエンコーダ、５８：キーボード、５９：表示部ドライバー、６０：表示部、６１：コントラスト変換装置、６２：電子線光軸、６３：上方走査コイル、６４：下方走査コイル、６５：Ｘ走査コイル、６６：Ｙ走査コイル、６７：上方偏向コイル、６８：下方偏向コイル、６９：偏向を受けた電子線、７０：偏向を受けない電子線、７１： Ｘ方向偏向コイル、７２：Ｙ方向偏向コイル

Claims (25)

1. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
   試料を保持し移動する試料台と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
   前記荷電粒子線を試料上に走査する走査器と、
   前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
   前記荷電粒子線の照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   画像演算を行う演算処理部と、
   試料像を表示する表示部とを備え、
   前記演算処理部は、試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を偏向させて記録した視野移動を含む試料像から荷電粒子線偏向前後の視野移動量を抽出することを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
   試料を保持し移動する試料台と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
   試料上に前記荷電粒子線を走査する走査器と、
   前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
   前記荷電粒子線の照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   画像演算を行う演算処理部と、
   試料像を表示する表示部とを備え、
   第１の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を所定量偏向させて記録した視野移動を含む第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と、第２の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を前記所定量偏向させて記録した視野移動を含む第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率の倍率誤差の量を前記第１の倍率の倍率誤差の量と等しくすることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率で観察した試料の寸法測定値の誤差を前記第１の倍率で観察した試料の寸法測定誤差と等しくすることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率における前記走査器の走査信号の電圧値の誤差を前記第１の倍率における前記走査器の走査信号の電圧値の誤差と等しくすることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率で撮影した試料像の倍率誤差が前記第１の倍率で撮影した試料像の倍率誤差と等しくなるように、前記第２の倍率で撮影した試料像を前記演算処理部による画像の拡大、縮小によって調節することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
   試料を保持し移動する試料台と、
   前記荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、
   試料上に前記荷電粒子線を走査する走査器と、
   前記荷電粒子線を偏向する偏向器と、
   前記荷電粒子線の照射によって試料から発生した試料信号を検出する検出器と、
   画像演算を行う演算処理部と、
   試料像を表示する表示部とを備え、
   倍率基準とする試料の試料拡大像を用いて倍率が校正された第１の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を所定量偏向させて記録した視野移動を含む第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と、第２の倍率で試料像を取得する一画像内で前記偏向器によって荷電粒子線を前記所定量偏向させて記録した視野移動を含む第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率を校正することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率で観察した試料の寸法測定値を校正することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率における前記走査器の走査信号の電圧値を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、前記第１の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量と前記第２の試料像から抽出した荷電粒子線偏向前後の視野の移動量とをもとに、前記第２の倍率で撮影した試料像を前記演算処理部による画像の拡大、縮小によって調節することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、観察条件毎に倍率誤差を記録した補正データテーブルを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、観察条件毎に画像面内のＸ方向及びＹ方向の倍率誤差を記録した補正データテーブルを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、倍率基準とする試料として周期構造を有する試料を用いることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項６〜１２のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、画像取得時間が可変であることを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項６〜１３のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記演算処理部により画像演算する領域を変えられることを特徴とする荷電粒子線装置。
15. 請求項６〜１４のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記偏向器による視野移動が一画像内に複数回含まれていることを特徴とする荷電粒子線装置。
16. 請求項６〜１５のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記視野の移動量を計測する際の試料としてラインパターンを有する試料を用いる特徴を有する荷電粒子線装置。
17. 請求項６〜１６のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記視野の移動位置を画像の一次微分によって検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
18. 請求項６〜１７のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、前記演算処理部は画像の一次微分プロファイルによって前記荷電粒子線偏向前後の視野の移動量を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
19. 請求項１８記載の荷電粒子線装置において、前記演算処理部は、画像の一次微分プロファイルに対して自己相関関数を用いて前記荷電粒子線偏向前後の視野の移動量を検出することを特徴とする荷電粒子線装置。
20. 請求項６〜１９のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、コントラスト変換装置を備え、倍率基準試料の試料拡大像の画質を自動補正する機能を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
21. 請求項６記載の荷電粒子線装置において、直交方向に周期性を有する試料を用いて画像面内のＸ方向、Ｙ方向の倍率校正を独立に行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
22. 請求項２１記載の荷電粒子線装置において、試料拡大像の表示部と像回転計算部とを備え、直交方向に周期性を有する試料を用いて倍率校正を行う際に、前記試料の周期構造の回転角度を前記表示部上に表示することを特徴とする荷電粒子線装置。
23. 請求項２１記載の荷電粒子線装置において、試料拡大像の表示部と像回転計算部とを備え、直交方向に周期性を有する試料を用いて倍率校正を行う際に、前記試料の周期構造の方位を逆空間画像上に表示させることを特徴とする荷電粒子線装置。
24. 請求項２１記載の荷電粒子線装置において、試料拡大像の表示部と像回転計算部とを備え、直交方向に周期性を有する試料を用いて倍率校正を行う際に、前記試料の周期構造の方位を、直交方向に周期性を有する試料の拡大像上に表示させることを特徴とする荷電粒子線装置。
25. 請求項２１記載の荷電粒子線装置において、試料駆動装置を備え、直交方向に周期性を有する試料の周期構造方位を検出し、前記試料駆動装置によって試料回転を行い、Ｘ方向倍率、Ｙ方向倍率を独立に倍率校正することを特徴とする荷電粒子線装置。

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