JP4328257B2 - 荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法及び装置に関する。

高分解能の像を観察したりプローブ電流密度を上げることを目的として、色収差を静電型４極子と磁場型４極子の組み合わせで補正し、球面収差を４段の８極子で補正する原理については既に知られている（例えば非特許文献１〜非特許文献３参照）。以下、これら非特許文献に記載されている収差補正装置の動作概念について説明する。

図６は従来の収差補正装置の概念図である。４段の多極子１〜４を静電型の４極子として用い、これらと対物レンズ７によって基準となる粒子線（粒子ビーム）の軌道が作られ、試料面１０に粒子線がフォーカスされる。この図では、粒子線のＸ方向の軌道ＲｘとＹ方向の軌道Ｒｙを平面上に模式的に描いている。

次に、多極子１〜４の具体的な構成について説明する。図７、図８には１２極子を用いた多極子の例を示している。図７は静電型１２極子と１２極子の電極用電源を示す図、図８は磁場型１２極子と１２極子コイル用電源を示す図である。多極子１〜４を静電型の１２極子で構成する場合には、図７に示すように１２個の電極Ｕ₁〜Ｕ₁₂の各々に対して独立に電圧を供給可能にする。

図７において、１１は２極子電源（標準用、斜め用）、１２は４極子電源（標準用、斜め用）、１３は６極子電源（標準用、斜め用）、１４は８極子電源（標準用、斜め用）であり、それぞれアンプＡ₁〜Ａ₁₂を介して各極子Ｕ₁〜Ｕ₁₂に接続されている。

また、これらの多極子を電場だけではなく、磁場も同時に印加可能な１２極子として構成する場合には、図８に示すように、前記１２個の電極を磁性材料で作るようにし、これにコイルを装着して各々独立に励磁電流を供給可能にする。図８において、Ｗ₁〜Ｗ₁₂は極子、１７は４極子電源（標準用）で、該４極子電源１７の出力は、アンプＢ₁〜Ｂ₁₂を介して各極子Ｗ₁〜Ｗ₁₂に接続されている。

多極子として電磁場重畳型の１２極子を用い、これらを電場及び磁場型の２極子〜１２極子として用いる方法は既に知られている（例えば非特許文献４参照。特にｔａｂｌｅ１を参照）。図７、図８に示す例では、各多極子の電極の電圧や、磁極の励磁電流を独立に制御するように構成しているが、これは１２極子を複数個の多極子として用いるための構成であり、単一の多極子として用いる場合には、電源の数を減らすことができる。

次に、図７、図８に示した多極子（１２極子）を用いて実現する様々な多極子について説明する。通常、Ｘ軸方向に基準となる電極がある構造と等価な機能を持つ多極子は標準２ｎ極子（ｎ＝１、２、…）、この標準２ｎ極子を電極のピッチ角度の１／２（＝２π／４ｎ＝π／２ｎ）[ｒａｄ]、或いは９０／ｎ[ｄｅｇ]だけ回転した構造と等価な機能を持つ多極子は斜め２ｎ極子と呼ばれる。

同様にして磁場型の場合には、静電型の斜め２ｎ極子の電極を磁極とした構造と等価な機能を持つ多極子は標準２ｎ極子、静電型の標準２ｎ極子の電極を磁極とした構造と等価な機能を持つ多極子は斜め２ｎ極子と呼ばれる。静電型と磁場型で、標準多極子（又は斜め多極子）の電極と磁極の配置が異なるのは、これらの場によって荷電粒子が力を受ける方向を同じ直線上に選んでいるからである。なお、以下の説明では、これらの電極と磁極を特に区別する必要がない場合には、極子と呼ぶ場合がある。

次に、多極子の粒子線装置への取り付け状態を便宜的に区別するため、図７、図８において、Ｕ₁とＵ₇の電位を印加する極子を選ぶ直線がＸ軸方向と一致する場合には、極子が標準配列の多極子（１２極子）と呼ぶ。また、これらの極子と隣接する極子との中間を結ぶ直線がＸ軸方向と一致する場合には、極子が斜め配列の多極子（１２極子）と呼ぶ。斜め配列の多極子であっても、極子への電位の印加法を変えれば、標準多極子として用いることができる（前記の非特許文献４参照）。

次に、これらの多極子１〜４を用いた実際の動作を図６を用いて説明する。なお、標準２極子はＸ方向の偏向装置、斜め２極子はＹ方向への偏向装置で、これらは軸合わせに用いられるが、その詳細については省略する。

（１）フォーカス調整（基準軌道の形成）
基準軌道とは、近軸軌道として１段目の多極子１による４極子の作用でＹ方向の軌道Ｒｙが２段目の多極子２による４極子の中心を通り、２段目の多極子２による４極子の作用でＸ方向の軌道Ｒｘが３段目の多極子３による４極子の中心を通り、最後に４段目の多極子４による４極子の作用と対物レンズ７によって粒子線が試料面１０にフォーカスされる軌道をいう。実際には完全なフォーカスのために、これらの相互調整が必要になる。

また、Ｘ,Ｙ方向のフォーカス調整だけでは像が鮮明にならない場合には、斜め方向の４極子電位を利用する場合がある。
（２）色収差補正
このような系で先ず色収差を補正するには、上記の基準軌道を変えないように２段目の多極子２の静電型４極子の電位φ_q2[Ｖ]と磁場型４極子の励磁Ｊ₂[ＡＴ]（或いは磁位）が調整され、レンズ系全体としてＸ方向の色収差が０に補正される。同様に、基準軌道を変えないように３段目の多極子３の静電型４極子の電位φ_q3[Ｖ]と磁場型４極子の励磁Ｊ₃[ＡＴ]が調整され、レンズ系全体としてＹ方向の色収差が０に補正される。

（３）２次の開口収差の補正
次に、６極子を用いた２次の開口収差の補正について説明する。２次の開口収差は理想的には発生しないはずであるが、機械的な精度の限界によって現実には収差補正装置に寄生して発生する。先ず、２段目の多極子２の静電型６極子の電位ψ_S2［Ｖ］によってレンズ系全体としてＸ方向の２次の開口収差を０に補正し、３段目の多極子３の静電型６極子の電位ψ_S3［Ｖ］によってＹ方向の球面収差を０に補正する。次に、Ｘ，Ｙ方向が合成された方向（例えばＸ軸に対して３０°方向、６０°方向等）の２次の開口収差を１段目の多極子１と４段目の多極子４の各々の静電型６極子で０に補正する。

（４）球面収差補正（３次の開口収差補正）
次に、球面収差を補正する場合には、Ｘ，Ｙ方向の色収差と２次の開口収差の補正を行なった後に、２段目の多極子２の静電型８極子の電位ψ₀₂によってレンズ系全体としてＸ方向の球面収差を０に補正し、３段目の多極子３の静電型８極子の電位ψ₀₃によってＹ方向の球面収差を０に補正する。次に、Ｘ，Ｙ方向が合成された４５°方向の球面型収差を１段目の多極子１と４段目の多極子４の各々の静電型８極子で補正する。実際は交互の繰り返し調整が必要になる。

また、この種の技術としては、静電型多極子を用いて、長時間にわたって安定なそして最適な収差補正を行なうことができる収差補正装置が知られている（例えば特許文献１参照）
V.H.Rose,0ptik33,Heft1,1 (1971) J.Zach,0ptic83,No1,30(1989) J.Zach and M.Haider,Nucl.Instr. and Meth. In Pyhs. Res. A 36 3, 316(1995) M.Haidel,W.Bernhardt and H.Rose,Optik 64,No1,9-23(1982) 特開2003-203593号公報

前述した従来の装置の操作性、簡便性には十分な配慮がなされていなかった。例えば、
（ａ）加速電圧や作動距離等の観察や分析条件を変更した場合、
１．２段目と３段目の多極子において、静電型４極子成分による色収差補正電位の調整
２．２段目と３段目の多極子において、磁場型４極子成分による色収差補正励磁の調整
３．１段目から４段目の多極子において、静電型８極子成分による３次開口収差補正電位の調整等の複雑な調整を一定の手順に基づいて行なう必要があった。これらは、非常に多くのパラメータを含むため、手動で行なうには条件変更の回数にも限界があった。

（ｂ）目標となるデフォルトの補正電位や補正励磁が各多極子成分に設定してあっても、これらの値を各多極子毎にデフォルト値から変更して補正するので、収差補正後の値は特に統一性がなく、目安となる値にはなりえなかった。

（ｃ）試料の凹凸等のために、対物レンズによるフォーカス調整を行なった場合、収差補正装置と対物レンズ又は追加レンズと対物レンズの合成倍率が変化するため、収差補正条件は最適値から外れることになる。この時、前記合成倍率が不適切な設定のまま、収差補正装置の多極子の電圧又は励磁だけを変更すると、補正範囲に入らなくなる場合があった。

（ｄ）前記（ｃ）の問題は、特に収差補正条件を自動で探し出す場合に注意しなければならない問題であり、前記合成倍率の問題を抜きにしては考えることができない。
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、操作性がよく、また自動補正の信頼性の問題を解決することができる荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法及び装置を提供することを目的としている。

請求項１記載の発明は、加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正用の収差補正装置に設定した後、該収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦点の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を補正することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、収差補正装置と対物レンズの間に少なくとも１個の追加レンズを配置し、加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正用の収差補正装置に設定した後、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦度の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を補正することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、合成倍率の各段階において行われるフォーカス合わせにより計測される合焦度の最良値は、対物レンズ或いはこれと同等の働きをするレンズ、又は追加レンズ、又は収差補正装置の焦点距離を段階的に又は連続的に変更し、得られる画像信号から判定することを特徴とする。

請求項４記載の発明は、４段の多極子と、これら４段の多極子を駆動する多極子用電源からなる収差補正用の収差補正装置と、該収差補正装置を通過した荷電粒子ビームを入射して試料面に結像させる対物レンズと、該対物レンズを駆動する対物レンズ電源と、荷電粒子ビームで試料面を走査するための走査装置と、該走査装置を駆動する電源と、試料表面からの２次電子又は放射電子を受ける信号検出器と、装置の操作を行なうと共に、画像を表示する操作表示部と、該操作表示部と接続され、前記信号検出器の出力を受けて、前記多極子用電源及び対物レンズ電源を制御する制御部とを具備し、前記収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦度の最良値から色収差及び３次の開口収差を補正するようにしたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、４段の多極子と、これら４段の多極子を駆動する多極子用電源とからなる収差補正用の収差補正装置と、該収差補正装置を通過した荷電粒子ビームを入射して試料面に結像させる対物レンズと、該対物レンズを駆動する対物レンズ電源と、荷電粒子ビームで試料面を走査するための走査装置と、該走査装置を駆動する電源と、試料表面からの２次電子又は放射電子を受ける信号検出器と、装置の操作を行なうと共に、画像を表示する操作表示部と、該操作表示部と接続され、前記信号検出器の出力を受けて、前記多極子用電源及び対物レンズ電源を制御する制御部とを具備し、前記収差補正装置と対物レンズの間に少なくとも１個の追加レンズを配置し、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦度の最良値から色収差及び３次の開口収差を補正するようにしたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

請求項２記載の発明によれば、追加レンズを設け、該追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

請求項３記載の発明によれば、合成倍率の各段階における合焦度の最良値は、対物レンズ或いはこれと同等の働きをするレンズ、又は追加レンズ、又は収差補正装置の焦点距離を段階的に又は連続的に変更し、得られる画像信号から判定することができる。

請求項４記載の発明によれば、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

請求項５記載の発明によれば、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態例を示す構成図である。図６と同一のものは、同一の符号を付して示す。図において、１〜４は４段の静電型多極子である。中央の２段の多極子２、３は、電位分布と相似な磁位分布を重畳させることが可能な磁場型の多極子としての機能を有している。７は荷電粒子ビームを試料面１０にフォーカスする対物レンズである。３６は荷電粒子ビームで試料面を走査するための走査装置で、図１の例では２段の偏向装置で構成されている。

８は光路の一部に設けられた対物絞り、３０は加速電圧や作動距離を変更する操作表示部、２１〜２４は４段の多極子１〜４の電極に電圧を供給する電源、３２、３３は中央の２段の多極子２、３の励磁コイルに電流を供給する電源、２７は対物レンズ７の電源、３７は走査装置３６の駆動電源、２９は操作表示部３０からの操作又は設定に基づいて前記電源２１〜２４、２７、３７、３２、３３を制御する制御部、３１は試料からの２次的な信号を検出する信号検出器である。制御部２９としては、例えばコンピュータが用いられる。該制御部２９は、信号検出器３１からの信号を読み取り、読み取った画像信号に所定の演算処理を施して、その結果を基に、補正処理を行なうようにしている。図の破線Ａは合成倍率Ｍ_Rが小さい場合を、破線Ｂは合成倍率Ｍ_Rが大きい場合を示している。４段の多極子１〜４と、電源２１〜２４、３２、３３とを収差補正装置（コレクタ）Ｃと呼ぶ。本発明では、収差補正装置の出力電力や電流をなるべく変化しないようにし、補正電圧が所定の範囲に収まるようにしたものである。

電源２１〜２４は、４段の多極子１〜４を静電型の２極子、静電型の４極子、静電型の６極子、静電型の８極子として用いる電源を有している。前記静電型の２極子、４極子、６極子として用いる電源は、多極子１〜４を標準用と斜め用の２極子、標準用と斜め用の４極子、標準用と斜め用の６極子として用いる機能を有している。電源３２、３３は多極子２、３を磁場型の４極子として用いる電源を有している。前記磁場型の４極子として用いる電源３２、３３は、多極子２，３を標準用４極子として用いる機能を有している。前記制御部２９は、前記操作表示部３０の操作又は設定に基づいて前記電源２１〜２４、３２、３３を制御する。このように構成された装置の動作を説明すれば、以下の通りである。

（１）色収差補正
以下では、Ｘ方向の軌道を選んで説明するが、Ｙ方向も同様に考えることができる。色収差補正のための２段目、３段目の多極子２、３の磁場型４極子成分の色収差補正励磁Ｊ₂、Ｊ₃と、この励磁を与えた時に基準軌道を一定に保つための多極子２、３の静電型４極子成分の色収差電位φ_qc2、φ_qc3が共に０（色収差補正が行われていない状態）であるものとする。この時、レンズ系全体で試料面１０に形成されるＸ方向の色収差係数Ｃ_Xは、主に４段目多極子４のＸ方向の倍率Ｍ_4,Xと対物レンズ７の倍率Ｍ_OLの関数である（厳密な意味では収差補正装置Ｃと対物レンズ７の合成倍率Ｍ_Rであるが、動作原理を分かりやすく説明するため、ここではこの表現を用いる）。

ここで、この係数は補正すべき対物レンズ７の色収差係数Ｃ_Sや収差補正装置Ｃの前段に配置される集束レンズの色収差係数等、レンズ系の全ての３次開口収差係数を含むものであるが、プローブ電流の変更等による集束レンズの色収差係数の変化や収差補正装置Ｃの色収差係数の変化は、対物レンズ７の色収差係数と比較して、通常は十分小さい。

先ず、基準となる動作条件（基準となる加速電圧、作動距離、プローブ電流等）で、適当なこの合成倍率条件下で、基準軌道を変えないように、色収差補正励磁Ｊ₂、Ｊ₃と色収差補正電位と色収差電位φ_qc2、φ_qc3を印加して色収差補正を行なう。このような条件下で、３段目多極子３の電磁界重畳型４極子の中央に作られる収差補正のためのＸ方向の色収差係数Ｃ_OXは、後段の光学系の収差の影響がなければ、試料面１０では
Ｃ_OX・（Ｍ_4,X・Ｍ_OL）² （１）
という色収差係数になる。従って、Ｘ方向の色収差係数が補正されるためには、Ｃ_OXが
Ｃ_X＋Ｃ_OX・（Ｍ_4,X・Ｍ_OL）²＝０ （２）
を満たすように、色収差補正励磁Ｊ₂とＪ₃と色収差補正電位と色収差電位φ_qc2、φ_qc3を調整すればよい。（２）式を満たすこれらの値が、実用可能な値に入らない場合には、合成倍率Ｍ_4,X・Ｍ_OLを調整する。

（２）３次開口収差補正
試料に入射するＸ,Ｙ方向の角度をそれぞれα_x、α_yとする時、試料面１０で観測される３次の開口収差係数は、Ｘ方向ではα_X ³、α_x・α_y ²に比例する係数として各々Ｃ₃₀とＣ₁₂、またＹ方向ではα_x ²・α_y、α_y ³に比例する係数としてＣ₂₁とＣ₀₃がある。ここでは、記述を簡単にするために、以下では基準軌道のＸ方向を選び、α_x ³の比例係数Ｃ₃₀を例にとって動作原理を説明するが、その他の係数についても同様である。

先ず、収差補正装置において、３次の開口収差補正のための静電型８極子の電位φ₀₁、φ₀₂、φ₀₃、φ₀₄が全て０の（３次の開口収差補正が行われていない）時、レンズ系全体として試料面１０に形成される収差係数Ｃ⁰ _30,Sは４段目多極子４の静電型４極子成分によるＸ方向の倍率Ｍ_4,Xと対物レンズ７によるＸ方向の倍率Ｍ_OLの関数である。ここで、この係数は補正すべき対物レンズ７の球面収差係数Ｃ_Sや収差補正装置Ｃの前段に配置される集束レンズの球面収差係数等、レンズ系の全ての３次開口収差係数を含むものであるが、プローブ電流の変更等による集束レンズの球面収差係数の変化や収差補正装置Ｃの３次開口収差係数の変化は、対物レンズ７の球面収差係数と比較して、通常は十分小さい。

次に、収差補正装置Ｃにおいて、３次の開口収差補正のための静電型８極子の電位φ₀₁、φ₀₂、φ₀₃、φ₀₄を与えた時、３段目多極子３の中央に作られる収差補正のためのα_x ³に比例する３次の開口収差係数Ｃ^C _30,Oは、後段の光学系の収差の影響がなければ試料面１０では、
Ｃ^C ₃₀,_O・（Ｍ_4,X・Ｍ_OL）⁴
という値になる。従って、３次の開口収差補正が行なわれるためには、試料面１０で
Ｃ⁰ ₃₀,_S＋Ｃ^C ₃₀,_O・（Ｍ_4,X・Ｍ_OL）⁴＝０ （３）
であることが必要である。

合成倍率Ｍ_4,X・Ｍ_OLは前記（１）で既に与えられているので、この条件下で静電型８極子成分の電位φ₀₁、φ₀₂、φ₀₃、φ₀₄を変え、Ｃ^C ₃₀,_Oを調整することである。ここで、これらの８極子成分の電位は実現可能な範囲の値に入っている必要がある。

（３）繰り返し計算
前記（２）において、８極子成分の電位φ₀₁、φ₀₂、φ₀₃、φ₀₄が全て実用可能な範囲に入らなければ、再度合成倍率を変更して、前記（１）、（２）を繰り返すことになる。合成倍率を選ぶ代表的な例としては、加速電圧や作動距離が変化した時、
１．色収差補正励磁Ｊ₂又はＪ₃のうちの少なくとも一方の励磁が一定になるように合成倍率を調整し、磁場ドリフトがないようにする。

２．色収差電位φ_qc2又はφ_qc3のうち少なくとも一方の電圧が一定になるように合成倍率を調整し、印加電圧の過不足やゆらぎに強くする。
３．３次の開口収差補正電位φ₀₁、φ₀₂、φ₀₃、φ₀₄のうち、少なくとも１つの電位が一定になるように合成倍率を調整し、補正電位の目安を作り、制御を単純にする。
等の選択が可能である。

前記の（１）〜（３）で求められた結果は、加速電圧や作動距離等の各条件に対して、データテーブルからの読み出しや、内部演算等による算出によって、収差補正装置Ｃや対物レンズ７等にデフォルト値として設定される。ここで設定される値は、実際には加工精度や組み立て精度によって、完全に収差補正できる設計値とは異なっている可能性がある。しかしながら、ユニット単体として、収差係数を１％の誤差で合わせることは困難でも、例えば１０％程度の誤差で合うのであれば、収差係数は１／１０に減少するのであるから、十分メリットがある。

（４）合成倍率の段階的な設定
前記（１）の説明では、動作原理が分かりやすいように「主に４段目の多極子４のＸ方向の倍率Ｍ_4,Xと対物レンズ７の倍率Ｍ_OLとの合成倍率Ｍ_4,X・Ｍ_OL」という表現を用いたが、以下では、収差補正装置Ｃをシステムの一部として説明し、表現を簡略化するために、Ｘ,Ｙ方向を区別することなく「収差補正装置Ｃと対物レンズ７の合成倍率Ｍ_R」という表現を用いる。

与えられた加速電圧や作動距離に対して、操作表示部３０から収差自動補正の指示が出されると、制御部２９は荷電粒子プローブを試料に照射し、走査装置３６を制御して荷電粒子プローブで試料を走査し、該試料からの信号を信号検出器３１で検出して制御部２９に走査像を送る準備をする。最初に、探査範囲としての合成倍率Ｍ_Rの下限値をＭ_R,LOWに設定する。合成倍率Ｍ_Rの変更に関しては、図１の例では、
合成倍率Ｍ_Rとして小さな（大きな）値を設定するには、対物レンズ７の焦点距離を少し短く（長く）して収差補正装置Ｃの主に４段目多極子４の静電４極子成分でＸ方向のフォーカスを合わせ（焦点距離を調整する）、主に３段目多極子３の静電４極子成分でＹ方向のフォーカスを合わせる（焦点距離を調整する）ようにすればよい。これを、「合成倍率Ｍ_Rの設定とフォーカス合わせ」と呼ぶことにする。なお、自動フォーカス合わせについては、走査像の合焦度が最良になるようないくつかの公知の方法があり、ここではそれらについては特に説明しない。勿論、この自動フォーカス合わせの中で、自動非点補正等を必要に応じて組み合わせることができるのは公知である。

図２は本発明の自動収差補正フローを示す図である。先ず、収差補正装置Ｃにデフォルト値を設定する（Ｓ１）。ここで、デフォルト値とは、加速電圧や作動距離のデフォルト値を示す。次に、最初のステップであるＮ＝１を設定する（Ｓ２）。次に、合成倍率Ｍ_R（Ｎ）を設定し（Ｓ３）、この初期状態でフォーカス制御を行なう（Ｓ４）。ここで、システムの初期状態はどうなっているか不明であるので、ここでは予め設定された所定の合成倍率を設定するものである。

この時の合焦度Ｉ（Ｎ＝１）の最良値を求め、制御部２９が記憶する（Ｓ５）。次に、Ｎが予め設定されている所定の値Ｎ_Eになったかどうかをチェックする（Ｓ６）。Ｎが所定の値になっていない場合には、Ｎ＝Ｎ＋１を計算して（Ｓ７）、ステップＳ３に戻り合成倍率Ｍ_Rを前回値よりもわずかに大きくして、合成倍率の設定とフォーカス合わせを行ない、最良な合焦度Ｉ（Ｎ＝２）を制御部２９が記憶する。

以下、同様の手順で最終ステップＮ＝Ｎ_Eまで繰り返す。そして、合焦度Ｉ（Ｎ）が最大になる（プローブ径が最小になる）、或いは最も画像が鮮明となるステップＮ_OPTを選ぶ（Ｓ８）。次に、合焦度（Ｎ）が最大になる合成倍率Ｍ_R（Ｎ_OPT）を設定する（Ｓ９）。

合成倍率Ｍ_Rを変更すれば、これに反比例して試料面に入射するプローブの開き角αも変化する。ここでは詳しく述べないが、開き角αのデフォルト値としては、Ｍ_Rのデフォルト値に対して最適な値になるように、収差補正装置Ｃの前段に配置した開き角制御装置を設定しておくのが望ましい。

以上、詳細に説明したように、この実施の形態例によれば、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

図３は本発明の他の実施の形態例を示す構成図である。図１と同一のものは、同一の符号を付して示す。図に示す実施の形態例は、図１に示す実施の形態例に比較して、追加レンズ３５を設けた点である。追加レンズ３５は収差補正装置Ｃと対物レンズ７間に設けられており、電源２７により駆動される。３６は追加レンズ３５と対物レンズ７間に設けられた走査装置である。該走査装置３６は、荷電粒子ビームを試料上に２次元方向にスキャンするためのものである。スキャンの結果、信号検出器３１で検出された試料像を得て、制御部２９が所定の画像処理を行ない、必要なデータを得るようになっている。

図１に示す実施の形態例では、加速電圧や作動距離を変更した時、収差補正装置Ｃと対物レンズ７の合成倍率Ｍ_Rを変更することによって、収差補正条件の最適値を探査する方法について説明した。この方法では、収差補正装置Ｃのフォーカス調整で４極子が利用されるため、Ｘ、Ｙの両方向のフォーカス合わせが必要であった。ここで、収差補正装置Ｃと対物レンズ７との間に少なくとも１個の追加レンズ３５を配置することにより、追加レンズ３５の倍率Ｍ_Aと対物レンズ７の倍率Ｍ_OLによる合成倍率Ｍ_R＝Ｍ_A・Ｍ_OLを調整するようにすれば、収差補正装置Ｃ内の基準軌道を変えないでも色収差や３次開口収差の補正が可能なように構成することができる。

以上、説明したように、この実施の形態例によれば、追加レンズを設け、該追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を自動的に補正することができる。

また、本発明によれば、合成倍率の各段階における合焦度の最良値は、対物レンズ（或いはこれと同等の働きをするレンズ）、又は追加レンズ、又は収差補正装置の焦点距離を段階的に（又は連続的に）変更し、得られる画像信号から判定することができる。つまり、倍率を変更する時に、焦点距離を段階的に変化させて、合成倍率を変化させ、得られる画像信号から倍率を調整するものである。

図４は色収差の補正電圧特性を示す図である。レンズ系のＸ方向の倍率をＭｘ、Ｙ方向の倍率をＭｙとし、以下の説明では、これらを代表させてＭで表して説明する。図５の説明についても同様である。図において、横軸はレンズ系の倍率の逆数（１／Ｍ）、縦軸は補正電圧の相対値を示す。色収差の補正電圧は、１／Ｍが大きい領域では図４に示すように倍率の２乗の逆数に比例して補正電圧が増えていく。図では、色収差補正電位φ_qc2、φ_qc3のそれぞれの場合について示している。図５は球面収差の補正電圧特性を示す図である。他の補正特性を示す図である。横軸は倍率の逆数（１／Ｍ）、縦軸は補正電圧の相対値である。球面収差の補正の場合には、倍率の４乗の逆数に比例して補正電圧が増えていく。φ₀₁は多極子１の８極子の電圧、φ₀₂は多極子２の８極子の電圧、φ₀₃は多極子３の８極子の電圧である。多極子４の８極子の電圧φ₀₄は多極子１の８極子の電圧に等しい。この例では、図４の場合よりも補正電圧の増加が大きい。

図４、図５から明らかなように、１／Ｍがある程度大きい場合には、１／Ｍの変化に対する補正電圧の変化が大きいため、本願発明で説明した合成倍率の調整の重要性が理解できる。

本発明の効果を列挙すれば、以下の通りである。
１．加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正装置に設定した後、収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定するようにしたので、
・２段目と３段目の多極子において、静電型４極子成分による色収差補正電位の調整、
・２段目と３段目の多極子において、磁場型４極子成分による色収差補正励磁の調整、
・１段目から４段目の多極子において、静電型８極子成分による３次開口収差補正電位の調整等の複雑な調整を行なう必要がなくなった。

２．収差補正装置と対物レンズの間に少なくとも１個の追加レンズを配置し、加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正装置に設定した後、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において計測された画像の合焦度の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定するようにしたので、合成倍率設定時のフォーカス調整が単純に行える、前記１．に説明したメリットが同様に得られる、等の効果がある。

３．前記１．、２．の合焦度の最良値を求める方法は、従来から行われている対物レンズの自動焦点合わせのアルゴリズム等を流用して構成できるので、新たなソフトウェアを開発しなくてもよい。

４．また、本発明は、より精密な収差補正（例えば誤差が数％以下）を行なう前の前段階として、収差補正装置の出力が制御範囲内に入るようにするためにも用いることができる。

本発明は、走査型電子顕微鏡、電子プローブマイクロアナライザ、オージェ電子分光装置、イオンマイクロプローブ、透過型電子顕微鏡の分野に利用される。

本発明の一実施の形態例を示す構成図である。 本発明の自動収差補正フローを示す図である。 本発明の他の実施の形態例を示す構成図である。 補正特性を示す図である。 他の補正特性を示す図である。 従来の収差補正装置の概念図である。 静電型１２極子と１２極子の電極用電源を示す図である。 磁場型１２極子と１２極子コイル用電源を示す図である。

符号の説明

１〜４ 多極子
７ 対物レンズ
８ 対物絞り
１０ 試料面
２１〜２４ 電源
２７ 対物レンズ電源
２９ 制御部
３０ 操作表示部
３１ 信号検出器
３２，３３ 電源
３６ 走査装置
３７ 走査装置の駆動電源

Claims (5)

1. 加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正用の収差補正装置に設定した後、該収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦点の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を補正することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法。
2. 収差補正装置と対物レンズの間に少なくとも１個の追加レンズを配置し、加速電圧又は作動距離を設定又は変更した時、色収差又は３次開口収差の少なくとも一方を補正するために動作条件に対応する収差補正条件のデフォルト値を収差補正用の収差補正装置に設定した後、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦度の最良値を求め、各段階の最良値を比較して、最も画像が鮮明になる合成倍率を設定することにより、色収差及び３次の開口収差を補正することを特徴とする荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法。
3. 合成倍率の各段階において行われるフォーカス合わせにより計測される合焦度の最良値は、対物レンズ或いはこれと同等の働きをするレンズ、又は追加レンズ、又は収差補正装置の焦点距離を段階的に又は連続的に変更し、得られる画像信号から判定することを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子ビーム装置の収差自動補正方法。
4. ４段の多極子と、これら４段の多極子を駆動する多極子用電源からなる収差補正用の収差補正装置と、
   該収差補正装置を通過した荷電粒子ビームを入射して試料面に結像させる対物レンズと、
   該対物レンズを駆動する対物レンズ電源と、
   荷電粒子ビームで試料面を走査するための走査装置と、
   該走査装置を駆動する電源と、
   試料表面からの２次電子又は放射電子を受ける信号検出器と、
   装置の操作を行なうと共に、画像を表示する操作表示部と、
   該操作表示部と接続され、前記信号検出器の出力を受けて、前記多極子用電源及び対物レンズ電源を制御する制御部とを具備し、
   前記収差補正装置と対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより計測された画像の合焦度の最良値から色収差及び３次の開口収差を補正するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置の収差自動補正装置。
5. ４段の多極子と、これら４段の多極子を駆動する多極子用電源とからなる収差補正用の収差補正装置と、
   該収差補正装置を通過した荷電粒子ビームを入射して試料面に結像させる対物レンズと、
   該対物レンズを駆動する対物レンズ電源と、
   荷電粒子ビームで試料面を走査するための走査装置と、
   該走査装置を駆動する電源と、
   試料表面からの２次電子又は放射電子を受ける信号検出器と、
   装置の操作を行なうと共に、画像を表示する操作表示部と、
   該操作表示部と接続され、前記信号検出器の出力を受けて、前記多極子用電源及び対物レンズ電源を制御する制御部とを具備し、
   前記収差補正装置と対物レンズの間に少なくとも１個の追加レンズを配置し、追加レンズと対物レンズとの合成倍率を段階的に変更し、各段階において行われるフォーカス合わせにより
   計測された画像の合焦度の最良値から色収差及び３次の開口収差を補正するようにしたことを特徴とする荷電粒子ビーム装置の収差自動補正装置。

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