JP2008311216A - 走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面が平板と見なせるような試料であってもフォーカスを合わせることができるオートフォーカス決定方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 試料上の電子ビームのフォーカス状態をステップ状に変化させ、その変化の都度、試料上の帯状領域を電子ビームで走査し、走査に伴って得られたデータとその時のフォーカス状態に対応するフォーカス値とを画像データとしてメモリに格納する。メモリに格納した画像データを読み出して、データ上で複数区画に分割し、各分割した区画の画像データ各々について、複数種類のフォーカス値に対する輝度の特性を求める。複数種類の特性の内、特定の種類の特性についてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数とする。フォーカス関数を２次曲線に近似し、２次曲線からピーク点のフォーカス値を求め、フォーカス値に基づいて電子ビームのフォーカス状態を設定する。
【選択図】図７

Description

本発明はエッジのない平坦な試料でも正確にフォーカス可能な走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法に関する。

走査電子顕微鏡におけるオートフォーカスは、電子ビームにより試料上の領域を走査することにより、該領域から得られた二次的電子の、各走査位置に対する輝度の変化を評価し、評価結果を走査電子顕微鏡の集束レンズ（例えば、対物レンズ）の焦点距離にフィードバックすることにより実現している。

図９はオートフォーカスを行う際の電子ビーム走査を示す図で、（ａ）はベクタ走査の一例を、（ｂ）はラスタ走査を示している。

図１０はビーム走査位置における得られた二次的電子信号の輝度を示している。縦軸は輝度、横軸は走査位置である。

この様な電子ビームによる試料上領域の走査をフォーカス値を種々変えて行ない、その都度、ビーム走査位置と輝度信号の関係を取得し、各フォーカス値毎に信号の微分をとり、微分値の和が最大となる時のフォーカス値を最適フォーカス値としている。

図１１は走査電子顕微鏡におけるオートフォーカスシステムの構成例を示す図である。

この様な走査電子顕微鏡において、電子銃１から出射された電子ビーム２は、対物レンズ４により試料５上に微小に絞られ、偏向器３により試料５上の所定領域を走査する。この時、前記試料５から発生する２次電子は、２次電子検出器６で検出される。検出された２次電子はＡ／Ｄ変換器７によってデジタル画像データに変換される。

１０はマイコンであり、評価部１１と、演算制御部１２と、走査信号発生部１３から構成されている。

該走査信号発生部１３の出力は、偏向駆動回路９に送られ、該偏向駆動回路９は前記偏向器３を駆動するので、電子ビームは前記試料５上を２次元走査する。

前記Ａ／Ｄ変換器７の出力は、前記評価部１１に入って評価され、該評価結果は前記演算制御部１２に送られる。該演算制御部１２は、前記評価部１１の評価結果に基づいてフィードバック量の計算とフィードバック量の出力を行なう。そして、前記演算制御部１２の出力は、焦点距離駆動回路８に入る。

電子ビーム２は、該焦点距離駆動回路８の出力に基づく励磁電流で励磁された前記対物レンズ４を通って前記試料５上に照射される。この時、該試料５から発生した２次電子は、前記２次電子検出器６により検出され、前記Ａ／Ｄ変換器７でデジタル画像データに変換され、前記評価部１１に入る。

該評価部１１はこの時の２次電子検出信号を測定しており、その測定値は前記演算制御部１２に与えられる。

該演算制御部１２は、電子ビーム２が前記試料５上でジャストフォーカスする様な励磁電流を対物レンズ４に流す様に前記焦点距離駆動回路８を駆動する。

この様にしてフォーカス操作が行われる。

従来のこの種のシステムとしては、画面全体を用いたオートフォーカスを実行した後、メモリに画面全体の検出信号を記憶しておき、記憶された検出信号を読み出してデータ積算ユニットで分割領域毎に積算し、各分割領域毎の積算値の数値の大きい領域で再度オートフォーカスを実行するようにした技術が知られている（例えば、特開平１１−７３９０３参照）。

また、水平走査信号と、鋸歯状波が加算された垂直走査信号で偏向コイルを駆動し、１水平走査信号の期間、鋸歯状波により垂直方向に速い周期で繰り返し走査し、該走査により試料から発生した２次電子を検出してオートフォーカスを行なう技術が知られている（例えば、特開平５−１１４３７８参照）。

特開平１１−７３９０３号公報 特開平５−１１４３７８号公報

図１１に示すオートフォーカスシステムが機能するためには、図１０に示すようにビーム走査位置に対応して輝度の変化がなければならない。

しかしながら、電子ビームで試料上を走査した時に、試料上の電子ビームが当たる線上に何も物体が無い場合（例．たまたまビームが当たるところに構造物がなかった場合、微小ゴミのためにビームの照射線上から外れた場合等）や表面が平板と見なせるような試料であるような場合、図１２に示すように、ビーム走査位置に対しての輝度が一定となり、ビーム走査位置による輝度変化を生じない。従って、有効な信号処理を行なうことができず、焦点を合わせることができなくなるという問題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、表面が平板と見なせるような試料であっても正確にフォーカスを合わせることができる走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法を提供することを目的としている。

本発明の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法は、試料上を荷電粒子ビームで走査することにより検出されるデータに基づいて試料像を得る走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、前記試料上の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、その変化の都度、前記試料上の所定領域を荷電粒子ビームで走査し、該走査に伴って得られたデータとその時のフォーカス状態に対応するフォーカス値とを画像データとしてメモリに格納し、該メモリに格納した画像データを読み出して、データ上で複数区画に分割し、各分割した区画の画像データ各々について、複数種類のフォーカス値に対する輝度の特性を求め、該複数種類の特性の内、特定の種類の特性についてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数とし、該フォーカス関数を任意関数に近似し、該任意関数からピーク点のフォーカス値を求め、該フォーカス値に基づいて荷電粒子ビームのフォーカス状態を設定する様にしたことを特徴とする。

本発明によれば、表面が平板と見なせるような試料であっても正確にフォーカスを合わせることができる。

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１はオートフォーカスシステムの構成概念図である。図では、検出器を２つ（例えば、二次電子検出器２０Ａと反射電子検出器２０Ｂ）設けた場合を示している。例えば、二次電子検出器２０Ａで検出された２次電子信号はプリアンプ２１Ａで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器２２Ａでデジタルデータに変換される。このＡ／Ｄ変換器２２Ａの出力は、ＣＰＵ３０に入力され、メモリブロック２３に一旦格納される。その後、該ＣＰＵ３０は前記メモリブロック２３に格納されている２次電子画像データを読み出し、該ＣＰＵ３０内に設けられたオートフォーカスアルゴリズム４１に従って、オートフォーカス処理の演算を実行する。

前記ＣＰＵ３０のオートフォーカスアルゴリズム４１で演算された結果の信号は、Ｄ／Ａ変換器２４によりアナログ信号に変換される。該アナログ信号はドライブアンプ２５に入力され、該ドライブアンプはフォーカスコイル２６を駆動する。このような一連の流れによってオートフォーカスが実行される。この構成は基本的には従来の構成と変わらない。従来と異なるのは、前記オートフォーカスアルゴリズム４１である。このアルゴリズムについては後述する。

先ず、本発明の特徴を成すオートフォーカスアルゴリズムの原理について説明する。

本発明の特徴を成すオートフォーカスアルゴリズムでは、フォーカス状態によって、２次電子や反射電子等の電子や電流等の信号の発生挙動が変化するという物理的性質を利用する。

図２は試料Ｓに対する電子ビームＥＢのフォーカス状態の定義の説明図である。（ａ）は後ピント（Ｒｅａｒ Ｆｏｃｕｓ）、（ｂ）はジャストピント（Ｊｕｓｔ Ｆｏｃｕｓ）、（ｃ）は前ピント（Ｆｒｏｎｔ Ｆｏｃｕｓ）である。

さて、フォーカス状態を、ジャストピントを挟んで、後ピントから前ピントへ（前ピントから後ピントでも良い）適宜な値ずつ変化させ、その都度、試料上を電子ビームで走査すると、その試料が半導体から成る平坦な試料やエッジがあるような試料の場合、ジャストピント状態の時に試料からの二次的電子に基づく信号量が増加する。例えば、フォーカス値ｆに対する、走査面全体から得られる信号量に対応する輝度値の特性を測定すると、それぞれ、図３（ａ），（ｂ）に示すようになる。

それぞれの図において、ｂ１はフォーカス値に対する平均輝度の変化を、ｂ２はフォーカス値に対する最大輝度の変化を、ｂ３はフォーカス値に対する最小輝度の変化を、ｂ４はフォーカス値に対する輝度値の標準偏差（正規化して示す）の変化を、それぞれ示している。ｂ５は後述する本発明のアルゴリズムで得られたフォーカス値に対する輝度の変化を表す信号を示している。尚、前記ｂ１の各平均輝度はそのフォーカス値で得られた全ての信号強度を平均したものに対応し、前記ｂ２の最大輝度はそのフォーカス値で得られた全ての信号の内、強度が上位にあるもの（例えば、（最大値−最小値）の上位５％）を平均したものに対応し、前記ｂ３の最小輝度はそのフォーカス値で得られた全ての信号の内、強度が下位にあるもの（例えば、（最大値−最小値）の下位５％）を平均したものに対応する。

本発明では、試料に応じて、後述する本発明のアルゴリズムに従って前記４種類のフォーカス特性ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４から適宜な特性を選択し、該選択した特性に後述する本発明のアルゴリズムに従った信号処理を施して前記フォーカス特性ｂ５を得る。

該フォーカス特性ｂ５から分かるように、最大輝度前後の輝度は共に減少しており、この最大輝度に対応しているフォーカス値がジャストフォーカス点になる。従って、前記フォーカス特性ｂ５からピーク点を求めれば、ジャストフォーカス点を求めることが出来、高精度でフォーカスを合わせることができる。

フォーカス状態による輝度の変化は、試料を成す物質にも依存する。

例えば、図４はアルミ膜の二次電子像の写真であるが、一般に、平坦な金属の場合は前記輝度の変化量が少く、これまでは、焦点を合わせることができなかった。

図５の（ａ），（ｂ）は該アルミ膜から成る試料に対して前述の様にフォーカスを後ピントから前ピントへ変化させた時の各種輝度変化の状態（特性）を示す。４種類のフォーカス特性ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４を見ると、殆ど変化が見られない。

しかし、後述する本発明のオートフォーカスアルゴリズムに従って該４種類のフォーカス特性ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４から適宜な特性を選択し、該選択した特性に後述する本発明のオートフォーカスアルゴリズムに従った信号処理を施すと、埋もれた信号を出現させることができ、ピークの明確なフォーカス特性ｂ５を得ることが出来、ピーク点探索によりジャストピント点を求めることが可能になるのである。

また、試料が絶縁体の場合は、図６の（ａ）．（ｂ）のｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４に示す如き４種の特性が得られ、後述する本発明のオートフォーカスアルゴリズムに従って該４種類のフォーカス特性ｂ１，ｂ２，ｂ３，ｂ４から適宜な特性を選択し、該選択した特性に後述する本発明のオートフォーカスアルゴリズムに従った信号処理を施してフォーカス特性ｂ５を得ることが出来る。該特性ｂ５から、絶縁体の場合、チャージアップが発生するので、合焦点に近づくにつれて輝度が急激に増加することが分かる。従って、この様な試料の場合も、ピーク点探索によりジャストピント点を求めることが可能になるのである。

次に、本発明のオートフォーカスアルゴリズム（図１の４１）について詳しく説明する。

本アルゴリズムでは、オートフォーカスに使用する信号として、前記４つのフォーカス特性（フォーカス値に対する平均輝度の変化、フォーカス値に対する最大輝度の変化、フォーカス値に対する最小輝度点の変化、フォーカス値に対する輝度値の標準偏差（正規化して示す）の変化）を用いる。尚、この他にも利用できる信号があれば使用しても構わない。また、本アルゴリズムは、半導体試料、金属試料、絶縁体試料の何れにも同じ様に適用することができる。

図７は本発明によるオートフォーカス動作の一例を示すフローチャートである。
＜ステップ１（Ｓ１）：帯状領域の画像データを取得する＞
本発明では、電子ビームで試料上を走査する時、時間短縮のために、試料上の広い範囲を走査するのではなく、帯状領域を走査して、該帯状領域から二次的粒子信号（例えば、二次電子信号）を得る。

先ず、帯状領域走査でのＹ方向オフセットをゼロとし、フォーカス位置ｆを０（後ピント位置に対応する）とする。

次に、電子ビームのフォーカス位置ｆを後ピント位置（ｆ＝０）から前ピント位置へ向け、所定のステップΔｆで連続変化させ、該変化の都度、電子ビームで試料上の所定の帯状領域を走査する。該走査により前記試料から発生した二次電子は二次電子検出器２０Ａで検出される。そして、該検出された信号に基づく、帯状領域（例えば、３２×６４０ピクセル数から成る領域）の画像データＩｍａｇｅ（ｘ，ｙ，ｆ）は前記ＣＰＵ３０の指令によりメモリブロック２３の画像メモリ２３Ａに格納される。ここで、ｘ，ｙは帯状領域内のｘ，ｙ座標である。尚、ここではｆ毎に二次元走査を行う様にしたが、（ｘ，Ｙ）毎にｆを変えても同様なデータが得られる。
＜第２ステップ（Ｓ２）：帯状領域データを小区画領域データに分割する＞
次に、前記ＣＰＵ３０は前記画像メモリ２３Ａに格納された３２×６４０（帯状領域のピクセル数）分の画像データＩｍａｇｅ（ｘ，ｙ，ｆ）を読み出す。そして、該読み出された画像データは前記ＣＰＵ３０中の演算ブロック３１により３２×３２ピクセルの小区画領域に分割される。図８は前記３２×６４０ピクセルから成る帯状領域の説明図である。図中、ｐｏｓは３２×３２ピクセルの小区画領域のインデックスを示し、帯状領域はこの小区画領域ｐｏｓ０からｐｏｓ１９までの２０個に分割される。
＜第３ステップ（Ｓ３）：小区画毎に４種類の特性を求める＞
そして、前記演算ブロック３１はこの２０個の小区画領域各々について、フォーカス値に対する平均輝度の変化（フォーカス−平均輝度特性と称す）ｂ１に対応する信号、フォーカス値に対する最大輝度の変化（フォーカス−最大輝度特性と称す）ｂ２に対応する信号、フォーカス値に対する最小輝度の変化（フォーカス−最小輝度特性）ｂ３に対応する信号、フォーカス値に対する輝度値の標準偏差の変化（フォーカス−輝度標準偏差特性）ｂ４に対応する信号を求める。即ち、画像データＩｍａｇｅ（ｘ，ｙ，ｆ）を元に、フォーカス−平均輝度特性データｂｒｉ（ｐｏｓ_１，ｆ_０）〜ｂｒｉ（ｐｏｓ_２０，ｆ_ｍ）、フォーカス−最大輝度特性ｔｏｐ（ｐｏｓ_１，ｆ_０）〜ｔｏｐ（ｐｏｓ_２０，ｆ_ｍ）、フォーカス−最小輝度特性ｂｏｔ（ｐｏｓ_１，ｆ_０）〜ｂｏｔ（ｐｏｓ_２０，ｆ_ｍ）、フォーカス−輝度標準偏差特性ｓｔｖ（ｐｏｓ_１，ｆ_０）〜ｓｔｖ（ｐｏｓ_２０，ｆ_ｍ）を求める。

そして、前記フォーカス−平均輝度特性データ、フォーカス−最大輝度特性データ、フォーカス−最小輝度特性データ、フォーカス−輝度標準偏差特性データは、前記ＣＰＵ３０の指令により、それぞれ、前記メモリブロック２３の平均値メモリ２３Ｂ、最大値メモリ２３Ｃ、最小値メモリ２３Ｄ、標準偏差メモリ２３Ｅに格納される。
＜第４ステップ（Ｓ４）：特性ｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ），ｔｏｐ（ｐｏｓ，ｆ），ｂｏｔ（ｐｏｓ，ｆ）の平坦化＞
次に、前記ＣＰＵ３０は前記各メモリ２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，２３Ｅからそれぞれフォーカス−平均輝度特性データ、フォーカス−最大輝度特性データ、及びフォーカス−最小輝度特性データを呼び出す。そして、前記演算ブロック３１は、これらの特性を直線近似し、直線の値を差し引くことにより平坦化する。この処理は、輝度変化による影響を除去するためのものである。尚、フォーカス−輝度標準偏差特性の平坦化は不要である。
＜第５ステップ（Ｓ５）：異常な小区画領域の除去（正常な小区画領域を抽出する）＞
次に、前記演算ブロック３１は、各区画毎に、求めた４種類の全てのフォーカス特性を精査して、異常な小区画領域を除外する。該ステップにおいては、小領域区画毎に、４種類のフォーカス特性の少なくとも１つがフォーカスｆについて凸関数になっているかどうか、且つ、該凸関数のピークが走査領域内にあるかどうかを判定し、両条件を満たしている小領域区画（正常な小領域区画）のデータのみを取り出す。
＜第６ステップ（Ｓ６）：最適特性データの選択＞
次に、前記ＣＰＵ３０の信号選択ブロック３２は、最適信号選択ルーチンに従って、前記演算ブロック３１からの、フォーカス−平均輝度特性データｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ）、フォーカス−最大輝度特性データｔｏｐ（ｐｏｓ，ｆ）、フォーカス−最小輝度特性データｂｏｔ（ｐｏｓ，ｆ）、フォーカス−輝度標準偏差特性データｓｔｖ（ｐｏｓ，ｆ）の中から、オートフォーカスを実施するために最適な特性データを選択する。常に同じ特性データを使用すると、特定の条件ではピークを検出できないケースが多くなり破綻する。従って、条件に応じて適切な特性データを選択するアルゴリズムが重要である。

この選択アルゴリズムは、次のようなアルゴリズムが考えられる。
１）平均輝度の変化量が大きい場合（半導体試料や絶縁物試料の場合）
（ａ）フォーカスー平均輝度特性ｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ）が凸関数であり、ピークが存在する場合はフォーカス−最大輝度特性データｔｏｐ（ｐｏｓ，ｆ）を選択する。
（ｂ）フォーカスー平均輝度特性ｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ）が凹関数であり、谷が存在する場合にはフォーカス−最小輝度特性データｂｏｔ（ｐｏｓ，ｆ）を反転したデータを選択する。
２）平均輝度の変化量が小さい場合（金属系試料の場合）
（ａ）フォーカス−輝度標準偏差特性データｓｔｖ（ｐｏｓ，ｆ）が大きい場合は、フォーカス−輝度標準偏差特性データｓｔｖ（ｐｏｓ，ｆ）を選択する。
（ｂ）フォーカス−輝度標準偏差特性データｓｔｖ（ｐｏｓ，ｆ）が小さく、フォーカス−最小輝度特性データｂｏｔ（ｐｏｓ，ｆ）の変動が一定値以上あり、且つフォーカスー平均輝度特性ｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ）が凹関数である場合は、フォーカス−最小輝度特性データｂｏｔ（ｐｏｓ，ｆ）を反転したデータを選択する。
（ｃ）フォーカス−輝度標準偏差特性データｓｔｖ（ｐｏｓ，ｆ）が小さく、フォーカス−最大輝度特性データｔｏｐ（ｐｏｓ，ｆ）の変動が一定値以上あり、且つフォーカスー平均輝度特性ｂｒｉ（ｐｏｓ，ｆ）が凸関数である場合は、フォーカス−最大輝度特性データｔｏｐ（ｐｏｓ，ｆ）を選択する。
（ｄ）前記（ａ），（ｂ），（ｃ）以外の場合は、オートフォーカス不能と判定する。
＜第７ステップ（Ｓ７）：最終的フォーカス関数Ｆ（ｆ）を求める＞
次に、前記ＣＰＵ３０のフォーカス関数算出ブロック３３は、前記信号選択ブロック３２で選択されたフォーカス−輝度特性データを、正規化し、更に、フォーカス値毎に積算して平均化する。この様にして平均化されたフォーカス−輝度特性データを最終的フォーカス関数と称する。
＜第８ステップ（Ｓ８）：Ｆ（ｆ）のピーク点でのフォーカス値を求める＞
次に、前記ＣＰＵ３０のピーク検出処理ブロック３４は、前記最終的フォーカス関数Ｆ（ｆ）を二次曲線に近似し、該二次曲線からピーク点を求め、該ピーク点でのフォーカス値を求める。尚、局所的に強度の高い複数のピークが得られた場合には、該複数のピークそれぞれのフォーカス値を平均した値をジャストフォーカス値とする。

そして、前記ピーク検出処理ブロック３４は、求めたフォーカス値に対応する励磁データを前記ＤＡ変換器２４及びドライブアンプ２５を介してフォーカスコイル２６に送る。この結果、ジャストフォーカスされた電子ビームにより試料が走査されることになる。

尚、前記ピーク検出処理ブロック３４では、得られたピーク値が所定の閾値よりも小さいかどうかをチェックしている。もし、ピーク値が閾値より小さい場合には、信頼出来るジャストフォーカス値を求められないので、試料上で別の帯状領域を選択し、前記ステップＳ１〜Ｓ８をやり直す。この際、この様なやり直しの回数が所定回数実行したかどうかもチェックする。所定回数実行しても閾値より大きいピーク値が得られない場合には、異常事態が発生したと判断し、フォーカス操作を終了する。但し、この様なやり直し回数が所定回数に達していない場合には、帯状領域走査でのＹ方向オフセットを６４×（Ｎ／２）×（−１）^Nに設定する（Ｎはやり直し回数である）。つまり、６４の倍数で上下に交互に帯状領域走査することになる。

又、上述の実施の形態では、オートフォーカス操作に使用する信号として、２次電子検出器による２次電子信号を用いたが、本発明はこれに限る必要はない。例えば、反射電子信号、吸収電子信号等、フォーカスによる変動がある信号であれば使用することができる。

又、微小領域毎にフォーカス点を求めることにより、微小領域の相対的な高さ（３次元データ）を求めることができる。これにより、３次元構造を再現し、任意の点の高さ測定に利用することができる。

又、前記第４ステップと第５ステップの順序を交換しても良い。

又、前記ステップ８で最終的フォーカス関数を二次曲線に近似させているが、他の任意関数、例えば、曲線（Ｎ次曲線）でも良い。

又、前記第７ステップでは、フォーカス関数算出ブロック３３において、信号選択ブロック３２で選択されたフォーカス−輝度特性データを正規化し、更に、フォーカス値毎に積算して最終的フォーカス関数を得る様にしているが、次の様にして最終的フォーカス関数を求めても良い。

正常な小区画領域について、信号選択ブロック３２で選択されたフォーカス−輝度特性データに基づいてピーク値に対応するフォーカス値を求め、フォーカス値毎に小区画の度数（頻度）を求める（フォーカス値に対する小区画のヒストグラムを作成する）。そして、該ヒストグラムから、頻度の最も高いフォーカス値を抽出し、該各フォーカス値を持つ前記小区画領域のデータを平均化して最終的フォーカス関数を得る様にしても良い。尚、この場合、一番頻度の高いフォーカス値をジャストフォーカス値としても良い。

又、通常、走査型荷電粒子ビーム装置には、オートフォーカス機能と共にオート非点補正の機能が備えられている。両機能は、使用するレンズが異なるだけで（オートフォーカスでは、フォーカス用レンズ（対物レンズ）を使用し、オート非点補正では、Ｘ，Ｙ方向の非点補正用レンズを使用する）、同じ様な操作を行う。従って、Ｘ方向、Ｙ方向非点補正用レンズへの励磁強度をステップ状に変化させ、後は、前述のオートフォーカス操作と同じ様に操作していけば、表面が平板と見なせる様な試料であっても、正確に非点補正を行うことが出来ることは言うまでもない。

又、各小領域毎にフォーカス点を求めることにより、小領域の相対的な高さ（三次元データ）を求めることが出来、これにより、試料表面の三次元構造を再現して、試料表面の任意の点の高さ測定に利用することが出来る。

又、本発明のオートフォーカス方法は、走査電子顕微鏡だけではなく、荷電粒子ビームで試料（被描画材料等の被加工材料等も含む）上を走査する他の走査型荷電粒子ビーム装置にも応用可能である。

以上、説明したように、本発明によれば以下のような効果が得られる。
１）パターンの無い試料上でもフォーカスを合わせられるため、従来のオートフォーカスでは困難であった鏡面のような試料でもオートフォーカスが可能となる。
２）試料上の帯状領域を電子ビームで走査することにより得られた画像信号に基づいてオートフォーカスを行っているので、短時間でオートフォーカスが可能となる。
３）分割した区画毎に求めた複数種類の特性を調べ、異常な区画の特性データを除外し、正常な区画のみをオートフォーカス操作に使用しているので、Ｓ／Ｎ比が向上し、金属試料、半導体試料、絶縁体試料の何れでもオートフォーカスが可能となる。
４）ジャストフォーカス点はフォーカス関数のピークを探索することにより求まるため、フォーカスのステップ幅が大きくても、ジャストフォーカスが高精度に求められる。

以上、詳細に説明したように、本発明によれば表面が平板と見なせるような試料であってもフォーカスを合わせることができる走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法を提供することができる。

本発明のオートフォーカスシステムの構成の一概念例を示す。 試料に対する電子ビームのフォーカス状態を示す図である。 半導体やエッジのある試料の場合の、フォーカス値に対する輝度値の特性を示す。 アルミ膜の二次電子像の写真である。 平坦なアルミ表面の、フォーカス値に対する各種輝度変化の状態を示す。 平坦な絶縁体表面の、フォーカス値に対する各種輝度変化の状態を示す。 本発明によるオートフォーカス動作の一例を示すフローチャートである。 帯状領域の説明図である。 オートフォーカスを行う際の電子ビームの走査を示す図である。 ビーム走査位置における得られる二次的信号の輝度を示す図である。 走査電子顕微鏡のオートフォーカスシステムの構成例を示す図である。 対物表面が鏡面の場合のビーム走査位置に対するによる輝度を示す図である。

符号の説明

２０Ａ 二次電子検出器
２０Ｂ 反射電子検出器
２１Ａ，２１Ｂ プリアンプ
２２Ａ，２２Ｂ Ａ／Ｄ変換器
２３ メモリブロック
２３Ａ 画像メモリ
２３Ｂ 平均値メモリ
２３Ｃ 最大値メモリ
２３Ｄ 最小値メモリ
２３Ｅ 標準偏差値メモリ
２４ Ｄ／Ａ変換器
２５ ドライブアンプ
２６ フォーカスコイル
３０ ＣＰＵ
３１ 演算ブロック
３２ 信号選択ブロック
３３ フォーカス関数算出メモリ
３４ ピーク検出処理ブロック
４１ オートフォーカスアルゴリズム

Claims (14)

1. 試料上を荷電粒子ビームで走査することにより検出されるデータに基づいて試料像を得る走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法において、
   前記試料上の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、その変化の都度、前記試料上の所定領域を荷電粒子ビームで走査し、該走査に伴って得られたデータとその時のフォーカス状態に対応するフォーカス値とを画像データとしてメモリに格納し、
   該メモリに格納した画像データを読み出して、データ上で複数区画に分割し、
   各分割した区画の画像データ各々について、複数種類のフォーカス値に対する輝度の特性を求め、
   該複数種類の特性の内、特定の種類の特性についてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数とし、
   該フォーカス関数を任意関数に近似し、該任意関数からピーク点のフォーカス値を求め、該フォーカス値に基づいて荷電粒子ビームのフォーカス状態を設定する様にした
   ことを特徴とする走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
2. 前記求めた各特性を直線近似し、直線の値を引くことにより平坦化する様にしたことを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子ビームのオートフォーカス方法。
3. 前記分割した区画毎に、複数種類の特性の少なくとも一つが凸関数か否か且つその関数のピークが荷電粒子ビーム走査領域内に在るか否かを調べ、これらの条件を満たす区画の特定の種類の特性データについてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数としたことを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
4. 前記複数種類のフォーカス値に対する輝度の特性として、フォーカス値に対する平均輝度の特性、フォーカス値に対する最大輝度の特性、フォーカス値に対する最小輝度の特性、フォーカス値に対する標準偏差の特性の何れか若しくは全てを使用し、該使用する特性の中から最適な種類の特性を選択し、選択された種類の特性についてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数としたことを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
5. 前記複数種類のフォーカス値に対する輝度の特性は、フォーカス値に対する平均輝度の特性、フォーカス値に対する最大輝度の特性、フォーカス値に対する最小輝度の特性、フォーカス値に対する標準偏差の特性であり、これらの特性の内、前記フォーカス値に対する平均輝度の特性，フォーカス値に対する最大輝度の特性及びフォーカス値に対する最小輝度の特性を平坦化し、該平坦化した３種の特性と前記フォーカス値に対する標準偏差の特性の４種の特性の中から最適な種類の特性を選択し、選択された種類の特性についてフォーカス値毎に積算して平均を取ったものをフォーカス関数としたことを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
6. 前記最適な特性の選択は次のａ，ｂの様に行われることを特徴とする請求項４若しくは５記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
   ａ．半導体試料や絶縁体試料の場合、フォーカス値に対する平均輝度の特性が凸関数であり、ピークが存在する場合にはフォーカス値に対する最大輝度の特性を選択する。
   ｂ．半導体試料や絶縁体試料の場合、フォーカス値に対する平均輝度の特性が凹関数であり、谷が存在する場合はフォーカス値に対する最低輝度特性を反転したものを選択する。
7. 前記最適な特性の選択は、次のｃ，ｄ，ｅ，ｆの様に行われることを特徴とする請求項４若しくは５記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
   ｃ．金属系試料の場合、フォーカス値に対する標準偏差の特性が大きい場合は、フォーカス値に対する標準偏差の特性を選択する。
   ｄ．金属系試料の場合、フォーカス値に対する標準偏差の特性が小さく、フォーカス値に対する最適輝度の特性の変動が一定値以上あり、且つフォーカス値に対する平均輝度の特性が凹関数である場合は、フォーカス値に対する最小輝度の特性を反転したものを選択する。
   ｅ．金属系試料の場合、フォーカス値に対する標準偏差の特性が小さく、フォーカス値に対する最大輝度の特性の変動が一定値以上あり、且つフォーカス値に対する平均輝度の特性が凸関数である場合は、フォーカス値に対する最大輝度の特性を選択する。
   ｆ．前記ｃ〜ｅ以外はオートフォーカス不能とする。
8. 前記荷電粒子ビームで走査される試料上の所定領域は帯状の領域で、データ上で長手方向に垂直な方向に分割される請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
9. 前記分割される区画は矩形状である請求項８記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
10. 前記任意関数はＮ次曲線であることを特徴とする請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
11. 前記Ｎ次曲線は２次曲線である請求項１０記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
12. 前記任意関数に複数のピークがある場合、それらのピークのフォーカス値の平均値に基づいて荷電粒子ビームのフォーカス状態を設定する様にした請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
13. 前記分割した区画について、特定の種類の特性データに基づいてピーク点に対応するフォーカス値を求め、フォーカス値毎に区画の度数分布を求め、該分布から、度数の最も高いフォーカス値を抽出し、該フォーカス値を持つ前記区画のデータを平均化して最終的フォーカス関数を得る様にした請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。
14. 度数の最も高いフォーカス値に基づいて荷電粒子ビームのフォーカス状態を設定する様にした請求項１３に記載の走査型荷電粒子ビーム装置のオートフォーカス方法。

Images