JP4464857B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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。

荷電粒子線を用いた試料拡大像の観察装置の例として、走査電子顕微鏡や走査透過電子顕微鏡、集束イオンビーム観察加工装置が挙げられ、これらの荷電粒子線装置における観察倍率は試料面上における荷電粒子線の走査量と、走査したエリアから得られる二次電子などを検出し拡大した像の間の比率で定義される。荷電粒子線の試料上における走査量は、走査機構によって荷電粒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、荷電粒子として電子を用い、電磁レンズ及び電子の走査機構として磁場を用いた走査電子顕微鏡の場合、二次電子線による試料拡大像は電子線走査コイル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２は、荷電粒子線の走査機構を示した原理図である。ここでは、荷電粒子として電子の場合を考える。電子線３は電子線光軸５８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６１、６２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５９と下方走査コイル６０に鋸波形の走査信号を印加し、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、試料上垂直に電子線が入射される。入射電子線は試料と作用し、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の検出信号と走査波形とが同期す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３（Ｂ）は試料拡大倍率Ｍと走査コイルに印加される走査波形電圧の最大値Ｖ_maxを示したグラフであり、走査波形電圧最大値Ｖ_max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によっ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。しかしながら、荷電粒子線装置の観察倍率は一般に低倍率から高倍率まで１０^３倍もの広範に渡るため、走査波形の基準電圧は、図３（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…というように倍率ステップで与えられ、広範な倍率範囲を確保するための倍率レンジとして、レンジ１は１×１０^３倍から９×１０^３倍、レンジ２は１０×１０^３倍から９０×１０^３倍、レンジ３は１００×１０^３倍から９００×１０^３倍、レンジ４は１０００×１０^３倍から９０００×１０^３倍のような形式で与えられる。

従来の走査型電子顕微鏡や集束イオンビーム加工装置のような、荷電粒子線装置において、荷電粒子線の正確な走査量を測定するため、すなわち試料拡大像の正確な倍率を測定するには、寸法が既知のマイクロスケール試料（図４（Ａ））や結晶格子（図４（Ｂ））の走査二次電子像や走査透過電子像を用いて寸法の特徴を示す間隔寸法を測定していた。測定した結果、基準寸法値と実測値のずれは、拡大倍率のずれ、すなわち倍率誤差として与えられる。

特開２００２−１５６９１号公報

試料拡大倍率の精度は、Ｘ及びＹ走査コイルに印加する走査波形の電圧の精度で決定される。図２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５９、６０に走査電圧を印加する系においては、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）の量子誤差に依存し、倍率間の寸法精度はばらつきを有する。一方、図３（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。固定抵抗器は製品にも依存するが、表記している値に対して±０．１％から±１０％程度の許容誤差を有するものである。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すると、レンジ２の拡大倍率１００００倍では減衰器で１０Ｖの１／１０の１Ｖの電圧が走査コイルに印加される。固定抵抗器に、レンジ１で＋０．１％、レンジ２で−０．１％の誤差がある場合、１０００倍では１００１倍、１００００倍では９９９０倍と倍率誤差をもつ像が記録される。

本発明の第１の目的は、荷電粒子線装置において、倍率ステップ間の誤差のばらつきを抑えることである。

また、従来の基準試料を用いた倍率誤差の補正は、基準試料を撮影した倍率のみで実施され、また保証されるため、倍率ステップ間の倍率誤差の連続性、さらに倍率レンジ間の倍率誤差の連続性を満足することは困難である。全倍率ステップに渡って倍率基準試料を用いて倍率を補正することは時間と手間を要する作業である。また図４に示すような倍率基準試料は定められたピッチ寸法を有していることから、特定の拡大倍率間であれば寸法の特徴を示す間隔を観測することが可能であるが、倍率が低すぎると有意な情報を持たない画像となり、逆に倍率が高すぎても情報がない画像となる。従って、一般に倍率ダイナミックレンジが１０^３を超えるような荷電粒子線装置においては低倍率から高倍率まで校正可能な試料は供されなかった。

本発明の２の目的は、異なる倍率ステップ間でも同一の試料を用いて倍率間の寸法精度を保証することである。

荷電粒子線装置の寸法精度を補正するためには抽出した任意の倍率若しくは全倍率ステップにおいて寸法基準試料を用いて測長値を校正する必要がある。例えば倍率ステップ５０で２種類の加速電圧、２種類のワーキングディスタンスを持つような荷電粒子線装置の場合、全部で２００種類の寸法校正が必要になり、時間とコストがかかっていた。

そこで、本発明の第３の目的は、従来オペレータや装置調整者の手を介して行っていた寸法精度の補正を自動化することである。

さらに従来の荷電粒子線装置においては、加速電圧や試料の作動距離（ワーキングディスタンス）の違いによって倍率誤差が発生する。例えば、加速電圧を変更することができる荷電粒子線装置では、荷電粒子線の運動エネルギーが異なるために同一の試料拡大倍率であっても走査コイルに印加する電圧が変わる。このために、加速電圧を変えた場合には寸法精度が変わる。またワーキングディスタンスが変わった場合には、対物電磁レンズの励磁強度を変えて焦点位置を変えることになるので、走査コイルに印加する電圧が変わり結果的に寸法精度が異なる。

本発明の第４の目的は、加速電圧や試料の作動距離（ワーキングディスタンスＷＤ）など様々な観察光学条件における寸法精度を校正し保持する機能を提供することである。

荷電粒子線装置で試料の拡大像を観察する際、オペレータはその後撮影した試料拡大像を用いて評価するために所望の方向に回転させる。この際、像回転回路を通過する必要があるが、これによって画像のＸ方向とＹ方向の信号が加算されるため、像回転しない場合と比較して異なる倍率誤差となる。

本発明の第５の目的は、像回転回路を通過させて得た回転した試料拡大像の拡大倍率誤差及び寸法精度を補正することである。

本発明による荷電粒子線装置は、荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、試料を保持する試料台と、荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、荷電粒子線を試料上に走査する走査器と、荷電粒子線を偏向する偏向器と、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、画像演算を行う画像処理部と、試料像を表示する表示部とを備え、(a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から画像処理部によって抽出した当該既知の構造の実測寸法と当該既知の構造の既知寸法とを比較することにより求めた当該第１の倍率の倍率誤差と、(b) 第１の倍率で記録した、当該第１の倍率では観察できない対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像とし、偏向器を制御して視野移動して第１の倍率で記録した当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として、当該参照画像と評価画像から画像処理部によって計測した視野移動量と、を用いて、偏向器の制御量と視野移動量の比率を倍率基準試料の寸法精度と同じ精度で求めることを特徴とする。

本発明による荷電粒子線装置は、また、荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、試料を保持する試料台と、荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、荷電粒子線を試料上に走査する走査器と、荷電粒子線を偏向する偏向器と、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、画像演算を行う画像処理部と、試料像を表示する表示部とを備え、(a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から画像処理部によって抽出した当該既知の構造の実測寸法と当該既知の構造の既知寸法とを比較することにより当該第１の倍率の倍率誤差を求め、(b) 倍率誤差が補正された第１の倍率で、当該第１の倍率では観察できない対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像として記録し、偏向器を制御して視野移動した後の当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として記録し、画像処理部によって計測した当該参照画像に対する当該評価画像の視野移動量から偏向器の制御量と視野移動量の比率を求め、(c) 倍率を第１の倍率と異なる観察試料の対象構造を観察するための第２の倍率に設定し、当該第２の倍率において、偏向器を制御して視野移動する前後の観察試料の拡大像の視野移動量を求め、当該第２の倍率における視野移動量と、倍率誤差が補正された第１の倍率における視野移動量との比率から当該第２の倍率の倍率校正を行うことを特徴とする。

寸法が既知の構造を有する倍率基準試料として結晶構造が既知の単結晶薄膜試料を用い、検出器として透過電子検出器を用いることができる。寸法が既知の構造を有する倍率基準試料として結晶構造が既知の単結晶薄膜試料を用い、検出器として散乱電子検出器を用いることができる。また、倍率基準試料及び観察試料は、寸法が既知の構造と第１の倍率では観察できない対象構造とが混在した同じ試料であってもよい。寸法が既知の構造と第１の倍率では観察できない対象構造とが混在した試料から発生した異なる二種類の荷電粒子線による試料拡大像を同時に撮像し、当該既知の構造と当該対象構造の特徴量を同時に取得して演算するようにしてもよい。倍率基準試料として、周期構造を有する試料ではなく、非周期であって寸法値が既知の試料を用いてもよい。

倍率校正は、撮像した試料拡大像で評価した測長値を補正すること行うことができる。 また、撮像した試料拡大像を画像収縮演算して倍率校正した画像を表示部に表示出力すること、あるいは走査器に印加する電圧波形を補正して倍率校正を行うこともできる。

本発明の荷電粒子線装置は、倍率ステップ毎の倍率補正値を記録した補正データテーブルを有することができる。倍率補正データテーブルは荷電粒子線の加速電圧を変化させた場合の倍率補正値や、作動距離を変化させた場合の倍率補正値を記録していてもよい。

本発明による荷電粒子線装置は、荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、試料を保持する試料台と、荷電粒子線を試料に集束させるレンズ系と、荷電粒子線を試料上に走査する走査器と、荷電粒子線を偏向する偏向器と、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、画像演算を行う画像処理部と、試料像を表示する表示部と、試料像を回転させる試料像回転部とを備え、(a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から画像処理部によって抽出した当該既知構造の実測寸法と当該既知構造の既知寸法とを比較することにより当該第１の倍率の倍率誤差を求め、(b) 倍率誤差が補正された第１の倍率で、観察の対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像として記録し、偏向器を制御して視野移動した後の当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として記録し、画像処理部によって計測した参照画像に対する評価画像の視野移動量から偏向器の制御量と視野移動量の比率を求め、(c) 試料像回転部によって試料像を回転させて表示し、偏向器を制御して視野移動する前後の倍率基準試料の拡大像の視野移動量を求め、当該試料像を回転させた時の視野移動量と、回転していない試料拡大像の視野移動量との比率から試料像回転部によって回転した試料像の倍率校正を行うことを特徴とする。

本発明によると、寸法が既知で精度が保証された試料を用いて、当該試料の観察倍率に適さない倍率での倍率精度を高精度に校正することが可能となる。また、試料拡大像の測長寸法精度を高精度に校正することが可能となる。倍率に応じて異なる寸法基準試料を用いる必要がないので、荷電粒子線装置の全倍率に渡る寸法精度を容易に保証することが可能となる。

以下図を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明による荷電粒子線装置の一例を示す概略機能ブロック図である。本発明は、荷電粒子線が陽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、ここでは電子線の場合について説明する。また、集束電磁レンズ、対物電磁レンズ、偏向器、走査器は、電場による静電方式、磁場による方式のいずれでもよいが、ここでは磁場方式について説明する。試料下の投射電磁レンズの存在及び段数は問わない。

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を取ることにより、表示装置５７上に試料拡大像が形成される。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で増幅されて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は、マイクロプロセッサ４４から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の指令をデータバスを経由してＤＡＣ３２、３３で受け、それをアナログ信号に変換して荷電粒子線源電源１８、加速用高圧電源１９に設定することによって駆動される。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からレンズ電流の条件を設定され、それを受けてＤＡＣ３４、３５、３９から各レンズの励磁電源が設定され、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５４を用いてオペレータが操作して試料台１０を駆動するか、データ保存装置４５に予め記録された試料位置駆動パターンに従い試料台１０を駆動することで設定される。

図５のフローチャートを用いて、荷電粒子線装置で試料拡大像の倍率ステップ毎の寸法測長値誤差を校正する方法を説明する。

図５のフローは大きく３つのプロセスに分けることができる。第１に倍率基準とする倍率（Ｍ０）において周期構造の寸法が既知の試料を用いるプロセス（ステップＳ１０２からＳ１０３）、第２に倍率基準とする倍率（Ｍ０）において非周期構造を有する任意の試料を用い電子線偏向器を動作させる前後の画像のシフト量を測定するプロセス（ステップＳ１０４からＳ１０６）、第３に倍率校正を実施する倍率（Ｍ１）に変更し、電子線偏向器を動作させる前後での非周期構造試料の画像のシフト量を計測し、倍率誤差を測定するプロセス（ステップＳ１０７からＳ１１０）である。

図５のフローチャートに従って説明する。ステップＳ１０２では、周期ピッチが既知の周期構造を有する寸法基準試料を用いて、周期ピッチが観察可能な倍率Ｍ０に設定し、周期ピッチ情報を計測する。まず周期構造を有する寸法基準試料を試料台に搭載する。周期構造を有する試料の例は、図６に示すような試料である。図６（Ａ）は金の単結晶薄膜試料の走査透過電子による試料拡大像で、金の（２００）結晶面間隔０．２０４ｎｍの格子縞が観察されている。これらの試料の特徴は、寸法が既知で寸法誤差が装置起因の誤差に比べて極めて小さいという点である。本実施例では、寸法基準試料として金単結晶薄膜試料を用いたが、他の例として図４（Ａ）のような倍率校正用のマイクロスケールを試料として用いても良い。周期構造を有する試料を用いることで、画像面内の平均的な寸法を測定することが可能となるため、画像面内における均一性が得られる。試料を挿入し観察条件を与える。加速電圧の設定、電子線照射条件の設定、及び基準試料を観察する上で最適な倍率に設定し、走査コイルに印加する電圧を決定する。例えば前述の金薄膜単結晶試料を用いる場合、観察倍率は３００万倍から５００万倍が適切な倍率となる。ここで観察倍率として５００万倍を設定する。図１の荷電粒子線装置で金の格子像を寸法基準の周期試料とする場合、試料透過電子による試料拡大像が適切であるので、画像信号として試料透過電子検出器からの信号を選択し、周期構造の画像をマイクロプロセッサ４４にて形成し、データ保存装置４５に画像を記録する。

ステップＳ１０３に移行し、現在の倍率Ｍ０における倍率誤差を計算し、単位ピクセル当りの長さ（基準長さ）を補正する。データ保存装置に保存された周期構造試料の拡大像から周期画像演算装置４６によって、単位画素サイズにおける長さを画像演算により計算する。

図６（Ｂ）は演算装置により高速フーリエ変換（ＦＦＴ）した周期画像から試料の特徴量を演算抽出する例を示したものである。ＲＡＭに保存された周期画像のコントラスト、明るさを調節し、ＦＦＴ処理を行う。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で画像が切り出される。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２^８ピクセル領域や２^７ピクセル領域とする。図６（Ａ）は１２８０×９６０ピクセルで記録された画像で、図６（Ｂ）は５１２×５１２ピクセル正方領域でＦＦＴ処理を行った結果である。格子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。図６（Ｂ）の例ではＦＦＴ領域内に３つの輝点Ａ、Ｂ、Ｃが現れている。ここで輝点ＡはＦＦＴ領域の中心に発生する輝点で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ＢとＣであり、輝点Ｂと輝点Ｃ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Ｌ_p(ピクセル)は次式(1)で計算される。
平均ピッチＬ_p(ピクセル)＝Ｉ(ピクセル)／ｄ_FFT(FFT輝点距離) …(1)

図６（Ｂ）の例では、輝点Ｂと輝点Ｃ間の距離ｄ_FFTは４７．０７ピクセルで、式(1)から平均ピッチＬ_p＝１０．８８（ピクセル）を得る。試料拡大像の倍率は５００万倍で、この時の単位ピクセルの長さ、すなわち画素サイズＰ_M0ideal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(2)のように計算される。
実測ピッチ距離Ｌ_ｄ(nm)＝Ｌ_p×Ｐ_M0ideal＝10.88×2×10^-11＝0.2118(nm) …(2)

金の面間隔（Ｌ_std）０．２０４ｎｍと比較することで、式(3)によって、この倍率における倍率誤差εが補正できる。
倍率誤差ε＝Ｌ_d(nm)／Ｌstd(nm)＝0.2118(nm)/0.204(nm)=1.038 …(3)

式(3)の結果、1.038が拡大倍率５００万倍における倍率補正係数、すなわち測長寸法値補正係数になる。一方、この倍率における実際の画素サイズＰ_M0は式(3)の補正係数の結果から、式(4)によって求められる。
実際の画素サイズＰ_M0＝Ｐ_M0ideal／ε
＝2×10^-11(nm/ピクセル)/1.038=1.93×10^-11(nm/ピクセル) …(4)

なお、この実施の形態では、周期情報の平均ピッチの計算にＦＦＴを用いたが、周期情報を検出する方法であればどのような方法でもよく、例えば自己相関を用いても構わない。画素サイズの計算結果はデータ保存装置４５に保存される。表示装置５７の情報表示領域に実際の画素サイズを表示する。一般的には画素サイズより、スケールバーとして画像情報に埋め込まれた寸法基準がオペレータにとって必要な情報であるので、スケールバーの長さを式(4)の結果を用いて補正し、表示装置５７に表示する。別の例では、表示画像にインポーズされた測長結果に対して、補正を行った測長寸法値を表示装置５７上に表示する。

ステップＳ１０４にて、ランダムな構造を有する任意の非周期構造試料を試料台に装着し荷電粒子線装置に挿入する。非周期試料としては、図７に示すような構造を有したものが一例として挙げられる。試料拡大倍率はステップＳ１０２からＳ１０４と同一とする。試料の構造として図８に示すように、周期構造と非周期構造が重なっている特徴を有する試料を用いた場合には、ステップＳ１０４にて試料を入れ替える必要はない。図７、若しくは図８のような非周期構造の試料拡大像を参照画像として、ステップＳ１０２で撮影したのと同一の倍率、電子光学系条件で撮影し、画像をデータ保存装置４５に保存しておく。

ステップＳ１０５では、倍率Ｍ０のままで荷電粒子線偏向器に電圧を印加し、非周期構造試料の視野を故意に移動させる。図９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５８に沿って移動する。電子線光軸５８上にＸ、Ｙ対称に偏向コイル６７、６８が配置される。偏向コイルの配置位置の例としては、図１に示した荷電粒子線装置の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６３と下方偏向コイル６４で力を受け、偏向を受けた電子線６５のように傾斜される。対物電磁レンズを経由し、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１１上でシフトする。一例として、図９ではＸ偏向コイル６７とＹ偏向コイル６８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、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１０（Ａ）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１０（Ｂ）に示すように、磁場の強さＢは巻き数Ｎと電流Ｉの積で、式(5)のような線形関係で表される。
B(T)=μ₀NI(A) …(5)
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、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Ｓ１０５で偏向器を用いて電子線をシフトする量は任意であって構わない。図１１は偏向コイルを用いて視野をシフトした例の模式図である。図のＸ方向に対して視野移動前の位置７０から移動後７１に視野移動量ｄ（ｎｍ）シフトさせる。ここでは一例として視野移動量ｄ＝１０ｎｍとする。このようにして、偏向器を用いて視野シフト後の非周期構造試料の拡大像が評価画像としてデータ保存装置に記録される。

ステップＳ１０６にて、ステップＳ１０４にて記録された参照画像とステップＳ１０５で記録された評価画像間の画像移動量が計算される。参照画像と評価画像の間の画像シフト量を計算する手段の一例として、本実施例では位相限定相関法を用いた画像上の視野移動量計測原理を述べるが、相互相関法を用いても良い。位相限定相関法は画像の振幅情報を規格化して計算するので、走査透過電子像のような画像のコントラストが平坦になりやすい結像方式を採用した場合には有用な画像シフト量計算手法である。

参照画像はＭ×Ｎの画素数でＲＡＭにf1(m,n)として記録する。評価画像は、参照画像に対して視野がｒ’だけｍ方向にシフトしたと仮定し、Ｍ×Ｎの画素数でＲＡＭにf2(m+r’,n)として記録する。それぞれの画像は自然画像とする。ここで、m=0,1,2…M-1、n=0,1,2…N-1である。試料拡大像f1(m,n)、f2(m,n)の離散フーリエ画像F1(u,v)、F2(u,v)はそれぞれ式(6)、(7)で定義される。ここで、u = 0,1,2…M-1、v=0,1,2…N-1であり、A(u,v)、B(u,v)は振幅スペクトル、α、βは位相スペクトルである。

振幅スペクトルA(u,v)、B(u,v)を定数とすることで、画像のコントラストや明るさに依存しない位相限定画像とすることができる。式(6)、(7)から、位相画像F1’(u,v)、F2’(u,v)はそれぞれ次のように表される。

位相画像F1’(u,v)にF2’(u,v)の複素共役を乗ずることで、式(10)で表される合成位相画像H12(u,v)を得る。

相関強度画像すなわち参照画像、評価画像の一致度g12(r,s)は式(11)になる。

式(11)により、参照画像、評価画像の試料拡大像間でｍ方向にシフト量ｒ’が存在するので相関強度画像の相関ピーク位置は−ｒ’ずれ、この結果からシフト量が計算される。まず、シフト量の画素単位ピクセル数ｄを距離ｄ_mに式(12)で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) …(12)

シフト量と偏向コイルに出力するＤＡＣ値Ｖの関係は次式(13)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) …(13)

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(12)から１（ｎｍ／LSB）と得られる。

ステップＳ１０７で寸法精度の校正を行う所望の倍率ステップＭ１に変更し、ステップＳ１０４で撮影した非周期構造試料の拡大像を撮影し、倍率Ｍ１の参照画像としてデータ保存装置に保存する。この際、偏向器には電圧を印加しない。電子線偏向コイルに印加する電圧と視野移動量との関係を検出できれば良いため、非周期構造の試料はステップＳ１０６で挿入した非周期構造試料と異なるものを挿入しても構わない。

続いてステップＳ１０８において、倍率Ｍ１のままで電子線偏向コイルに電圧を印加する。その結果、Ｓ１０７で保存された画像に対して視野移動した画像が得られるので、この画像を倍率Ｍ１における評価画像としてデータ保存装置に保存する。偏向コイルに印加される電圧と画像のシフト量の大きさは、予めステップＳ１０６において単位ＤＡＣ値に対する視野移動量が求められているので、Ｓ１０８において任意のＤＡＣ出力値が与えられれば視野移動量が求められる。視野移動量は校正を行っている倍率に応じて変えて良い。つまり、ステップＳ１０６で与えたように１０ｎｍであっても、１００ｎｍとしても偏向コイルに対する線形性が保たれている範囲で、シフト量が画像演算によって検出不可能な大きさやシフト量が大きすぎて画像を逸脱してしまうような大きさにならなければ構わない。

ステップＳ１０９において、Ｓ１０７とＳ１０８にてそれぞれ保存した２画像間の視野移動量を計測する。倍率Ｍ１における参照画像と評価画像の視野移動量の計測はＳ１０６にて述べた位相限定相関法によっても相互相関法によっても構わない。

ステップＳ１１０にて、移動量実測値とＳ１０６で計算された移動量実測値とを比較して、倍率ステップＭ１における倍率誤差を計算し補正する。倍率Ｍ１での視野シフト量ｄ_M1（ピクセル）として得られるｄ_M1を、式(14)によって距離の単位へディメンジョン変換する。
ｄ_mM1(nm)＝ｄ_M1(ピクセル)×Ｐ_M0(nm/ピクセル)×（Ｍ１/Ｍ０） …(14)

式(14)は基準倍率Ｍ０から求めた画像シフト量であり、倍率Ｍ１における画像シフト量ｄ_mM1realは式(15)で与えられる。
ｄ_mM1real(nm)＝ｄ_M1(ピクセル)×Ｐ_M1ideal(nm/ピクセル) …(15)
従って、基準倍率で求めたシフト量に対して、実際のシフト量の誤差は、式(16)として得られる。
ε_err＝ｄ_mM1real(nm)／ｄ_mM1(nm) …(16)

倍率Ｍ１でのシフト量として１０ｎｍを与えたものの、評価結果１０．５ｎｍとなった場合には、シフト量の誤差は１．０５倍となる。倍率校正の対象としては、表示画像に対しての測長値であっても、走査コイルに出力するＤＡＣ値であっても構わない。校正の例として図１２から図１４を用いて説明する。

図１２は、表示画像に対しての測長値を補正する方法の一例を示すブロック図である。図１２のＤ１０１からＤ１０２は、図５のＳ１０１からＳ１０９に相当する。式(16)により倍率誤差ε_errを計算し、Ｄ１０３にてデータ保存装置に保持しておく。Ｄ１０４にて実際に評価する画像を倍率Ｍ１にて撮影し、Ｄ１０５にて撮影画像内の所望の距離を測長する。この測定結果をＬとするが、倍率誤差を含んだ値である。倍率Ｍ１は倍率誤差が算定された倍率である。倍率誤差の補正は式(17)によって、
校正値Ｌ_cal(nm)＝測長値Ｌ(nm)／ε_err …(17)
として校正し、Ｄ１０７の如く出力する。出力データは、本荷電粒子線装置が持つ表示装置に表示される。

図１３は、撮影画像の縮尺を変更して倍率補正を行う方法の一例を示すブロック図である。Ｄ２０１からＤ２０３は、式(16)により倍率誤差ε_errを計算するためのプロセスを示している。Ｄ２０４で倍率誤差が算定されている倍率Ｍ１にて撮影し、Ｄ２０３で与えられる倍率誤差値に基づき画像の拡大、縮小を画像演算処理にて行う。Ｄ２０５では撮影画像がデジタル画像として撮影されているか、アナログ画像であってもデジタルデータとして保存されている必要がある。Ｄ２０６では、画像演算処理された画像を倍率補正された画像として表示装置に表示し、データ保存装置に保存する。

図１４は、求めた倍率誤差を走査コイル電流値にフィードバックして補正を行う方法を示すブロック図である。Ｄ３０３にて倍率誤差が求められる。荷電粒子線装置は試料の拡大像を得るために電子線を走査するための走査コイルと、走査コイルに印加する電流を与える演算装置、ＤＡＣを備えている。走査コイルに与える電流値を制御するＤＡＣ出力値に式(18)の制御を与え、走査コイル電流波形を制御し、倍率を校正する。
校正値Ｖ_cal＝走査コイルＤＡＣ値Ｖ_scan/ε_err …(18)

本実施例では、視野シフトを行う方法として偏向コイルを用いる方法を述べたが、試料台を用いても同様に行うことができる。

また、試料台に観察試料とは別に測長寸法誤差評価を行うための試料を予め据付けておき、倍率の設定をマイクロプロセッサ４４にて自動的に切り替え、画像撮影、移動量評価を自動的に行うことにより全倍率に渡り高精度、且つ人手を介さずに寸法校正を行うことが可能となる。この荷電粒子線装置には、補正データテーブルと図１７に示すような倍率データバンクを備え、倍率誤差測定を行った倍率ステップの全情報をデータとして保有する。

図１５は、倍率レンジ間における倍率誤差補正を行う方法を説明するフローチャートである。図５に示したステップＳ１０１からＳ１０６までの処理の後、図１５に示す他Ｓ２０１の処理を行う。Ｓ２０１にて異なる倍率レンジＭＢ１に切り替え、Ｓ２０２で非周期構造の試料をＭＢ１にて撮影する。

Ｓ２０３では、倍率ＭＢ１のままで荷電粒子線偏向器に電圧を印加し、非周期構造試料の視野を故意に移動させる。荷電粒子線偏向器は静電偏向、電磁偏向のいずれでもよいが、本実施例では電磁偏向式すなわち電子線偏向コイルを用いて説明する。電子線偏向コイルに電圧を印加して視野を故意に移動する。この電圧の印加量はＳ１０５で与えた大きさと等量にする。

ステップＳ２０４にて、Ｓ２０２で撮影した画像と、Ｓ２０３にて撮影した視野シフトした画像の２枚の画像移動量を計測する。視野移動量の計測は位相限定相関法によっても相互相関法によっても構わない。ステップＳ２０５にて、移動量実測値とＳ１０６で計算された移動量計算値とを比較して、倍率ＭＢ１における倍率誤差を計算して補正する。倍率誤差の校正方法としては、前記した図１２から図１４の手法を用いて行う。

次に、加速電圧を変化した場合や試料の作動距離を変化した場合における倍率誤差補正について説明する。

図１６は、加速電圧を変更できる荷電粒子線装置において、異なる加速電圧で撮影した倍率の補正を行うフローである。ステップＳ３０２にて加速電圧をＶＢに変更し、ステップＳ３０３で加速電圧ＶＢにおける倍率誤差を計測する。ステップＳ３０３は、図５に示したステップＳ１０２からＳ１１０と同一の方法によって倍率誤差を計測する。

ステップＳ３０４にて、加速電圧毎に持たせた補正データバンクに倍率誤差データを登録する。図１７は補正データバンクの構成と内容を示した一例である。計算された倍率誤差は補正データバンクに登録される。ステップＳ３０５にて、当該加速電圧にて使用する際に登録されたデータを呼出して、倍率誤差を補正する。図１７では倍率校正の手法として走査コイルに印加される電圧を補正する方法を採用しているが、前記した測長値を補正する方法、あるいは、撮影画像を画像演算処理によって拡大、縮小し倍率校正を行う方法を採用しても良い。また倍率誤差がスキャン方向に依存する可能性を考慮し、誤差値はｘ成分、ｙ成分を独立に示し、それぞれε_ｘ、ε_ｙとしたが、次元数にはこだわらない。

図１８は荷電粒子線装置において、異なる作動位置の場合での倍率誤差を補正する方法を示したフローチャートである。ステップＳ４０２にて作動距離をＷＤ２に変更し、ステップＳ４０３で作動距離ＷＤ２における倍率誤差を計測する。ステップＳ４０３では、図５に示したステップＳ１０２からＳ１１０と同様の手順で倍率誤差を計測する。ステップＳ４０４では、作動距離毎に持たせた補正データバンクに倍率誤差データを登録する。図１７は補正データバンクの構成と内容を示した一例である。計算された倍率誤差は補正データバンクに登録される。ステップＳ４０５にて、当該作動距離にて使用する際に登録されたデータを呼出して、倍率誤差を補正する。

図１９は、荷電粒子線装置の像回転回路を用いて像回転したときに発生する倍率誤差を補正する方法を示す概念図である。図５や図１６で示した、異なる倍率ステップ、倍率レンジ間の倍率誤差を補正する手法を用いて、同一倍率内で像回転をした際に発生する倍率誤差を補正する方法を説明する。

像回転回路を通過して画像の像回転をすると、同一倍率でも回路構成素子の固有誤差に起因して異なる倍率誤差を生ずる。図１９（Ａ）のように像回転角度０°の場合に、図９に示す偏向装置を用いて電子線を偏向した場合、移動量Ｌで移動したと仮定する。次に像回転角度θの場合、この移動量Ｌ_Ｒは偏向量が同一であるにも関わらず異なる値になる。図２０は、像回転回路を含む荷電粒子線走査回路と補正データバンクの構成を示したものである。像回転回路は、走査コイルに印加される電流を制御する回路として構成される。

図２１は、像回転により発生する倍率誤差を計測し補正する荷電粒子線装置のフローチャートを示した図である。像回転による倍率誤差を補正する倍率をＭ０、像回転角度をθとする。

ステップＳ５０２にて、像回転角度０°の状態で、図５に示すＳ１０２からＳ１０６の計測を実施する。像回転角度０°では、像回転回路の作用を受けずに通過している。ステップＳ５０３で、倍率はＭ０のままで像回転角をθに設定し、非周期構造試料を観察する。ステップＳ５０４で、像回転角はθのままで、荷電粒子線偏向器に、ステップＳ１０５で印加した電圧と等しい電圧を印加し、故意に視野を移動し撮影する。ステップＳ５０５で、ステップＳ５０３とＳ５０４の２画像間の視野移動量を計測する。計測する手法は位相限定相関法でも相互相関法でもこだわらない。ステップＳ５０６にて、Ｓ５０５の移動量実測値とＳ１０６から計算される移動量計算値とを比較し倍率Ｍ０、像回転角θにおける倍率誤差を計算し補正する。

図２２は、本荷電粒子線装置の応用例を説明する図である。図２２（Ａ）は、周期構造と非周期構造を有する試料の概念図を示した図である。本荷電粒子線装置は図１に示すように、二次電子検出器と透過電子検出器、散乱電子検出器を備える。図２２（Ｂ）は、本体の表示装置に表示された試料拡大像を示した図で、前記３つの検出器を備えることから、例えば二次電子検出器による画像と透過電子検出器の画像を同時検出し、同時表示することが可能である。

図２２（Ａ）のような周期構造と非周期構造を有する試料で、非周期構造は二次電子像にて検出し、これと同時に周期構造のみを透過電子にて検出する。これにより、図５のステップＳ１０２からＳ１０５の並列動作が可能となり、実行時間を短縮することが可能となる。周期構造として結晶格子像を採用する場合、これを観察するには透過電子像若しくは散乱電子像のいずれかによらなければならず、一方で非周期構造として試料上に存在する微小な粒子や塵は二次電子像においてコントラストが得られ容易に観察できる。

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、及び拡大倍率と走査コイル印加電圧の関係を示す図。 荷電粒子線装置の寸法を校正する試料の例を示す図。 本発明の倍率間での倍率誤差を抑える機能を有する荷電粒子線装置の動作を説明するフローチャート。 結晶性試料に対して高速フーリエ変換を行った結果の一例を示す図。 非周期構造を有する試料の例を示す図。 周期構造と非周期構造を有する試料の例を示す図。 荷電粒子線の偏向機構の原理を示す図。 ＤＡＣ出力及び偏向コイル電流と試料面上での電子線シフト量の関係を示す図。 偏向コイルを用いた試料拡大像の視野シフト例を示す図。 計測された倍率誤差を元に、実試料の拡大像で測長した寸法を補正する方法を示すブロック図。 計測された倍率誤差を元に、実試料の拡大像を画像処理によって倍率補正する方法を示すブロック図。 計測された倍率誤差を元に、倍率誤差を荷電粒子線走査システムにフィードバックして、倍率誤差の校正を走査波形の補正によって行う方法を示すブロック図。 倍率レンジ間での倍率誤差を抑える方法を示すフローチャート。 加速電圧を変化させた際に倍率誤差を補正する方法を示すフローチャート。 種々の条件下で計測した倍率誤差を保持する補正データバンクの機能を説明する図。 作動距離を変化させた際に倍率誤差を補正する方法を示すフローチャート。 像回転角度θを与える前後の画像と、視野移動を説明する図。 像回転回路を含む荷電粒子線走査回路と、倍率誤差計測機構、補正データバンクからなる像回転による倍率誤差を校正する機構を説明するブロック図。 像回転により発生する倍率誤差を補正する方法を示すフローチャート。 非周期構造と周期構造の両構造からなる試料の拡大像を異なる検出器で検出した信号による画像を表示装置に表示させた図。

符号の説明

１：荷電粒子線源、２：加速電極、３：荷電粒子線、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：荷電粒子線源電源、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：データ保存装置、４６：周期画像演算装置、４７：非周期画像演算装置、４８：偏向系制御部、４９：補正データテーブル、５０：倍率コンパレータ、５１〜５２：インターフェース、５３〜５４：ロータリーエンコーダ、５５：キーボード、５６：表示装置ドライバー、５７：表示装置、５８：電子線光軸、５９：上方走査コイル、６０：下方走査コイル、６１：Ｘ走査コイル、６２：Ｙ走査コイル、６３：上方偏向コイル、６４：下方偏向コイル、６５：偏向を受けた電子線、６６：偏向を受けない電子線、６７：Ｘ偏向コイル、６８：Ｙ偏向コイル、６９：試料拡大像、７０：視野シフト前の視野の構造（評価画像）、７１：視野シフト後の視野の構造（参照画像）

Claims (13)

1. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
   試料を保持する試料台と、
   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、
   画像演算を行う画像処理部と、
   試料像を表示する表示部と
   を備え、
   (a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から前記画像処理部によって抽出した当該既知の構造の実測寸法と当該既知の構造の既知寸法とを比較することにより求めた当該第１の倍率の倍率誤差と、
   (b) 前記第１の倍率で記録した、当該第１の倍率では観察できない対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像とし、前記偏向器を制御して視野移動して前記第１の倍率で記録した当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として、当該参照画像と評価画像から前記画像処理部によって計測した視野移動量と、
   を用いて、前記偏向器の制御量と視野移動量の比率を前記倍率基準試料の寸法精度と同じ精度で求める
   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、
   画像演算を行う画像処理部と、
   試料像を表示する表示部と
   を備え、
   (a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から前記画像処理部によって抽出した当該既知の構造の実測寸法と当該既知の構造の既知寸法とを比較することにより当該第１の倍率の倍率誤差を求め、
   (b) 倍率誤差が補正された前記第１の倍率で、当該第１の倍率では観察できない対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像として記録し、前記偏向器を制御して視野移動した後の当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として記録し、前記画像処理部によって計測した当該参照画像に対する当該評価画像の視野移動量から前記偏向器の制御量と視野移動量の比率を求め、
   (c) 倍率を前記第１の倍率と異なる前記観察試料の前記対象構造を観察するための第２の倍率に設定し、当該第２の倍率において、前記偏向器を制御して視野移動する前後の前記観察試料の拡大像の視野移動量を求め、当該第２の倍率における視野移動量と、倍率誤差が補正された前記第１の倍率における視野移動量との比率から当該第２の倍率の倍率校正を行う
   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、前記寸法が既知の構造を有する倍率基準試料として結晶構造が既知の単結晶薄膜試料を用い、前記検出器として透過電子検出器を用い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、前記寸法が既知の構造を有する倍率基準試料として結晶構造が既知の単結晶薄膜試料を用い、前記検出器として散乱電子検出器を用い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、前記倍率基準試料及び前記観察試料は、前記寸法が既知の構造と前記第１の倍率では観察できない対象構造とが混在した同じ試料であることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５記載の荷電粒子線装置において、前記寸法が既知の構造と前記第１の倍率では観察できない対象構造とが混在した試料から発生した異なる二種類の荷電粒子線による試料拡大像を同時に撮像し、当該既知の構造と当該対象構造の特徴量を同時に取得して演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、撮像した試料拡大像で評価した測長値を補正することで倍率校正を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、撮像した試料拡大像を画像収縮拡大演算して倍率校正した画像を前記表示部に表示出力することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、前記走査器に印加する電圧波形を補正して倍率校正を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、倍率ステップ毎の倍率補正値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１０記載の荷電粒子線装置において、前記倍率補正データテーブルは荷電粒子線の加速電圧を変化させた場合の倍率補正値を記録していることを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項１０記載の荷電粒子線装置において、前記倍率補正データテーブルは作動距離を変化させた場合の倍率補正値を記録していることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 荷電粒子線を発生させる荷電粒子線源と、
    試料を保持する試料台と、
    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、
    画像演算を行う画像処理部と、
    試料像を表示する表示部と、
    試料像を回転させる試料像回転部と
    を備え、
    (a) 第１の倍率で記録した寸法が既知の構造を有する倍率基準試料の拡大像から前記画像処理部によって抽出した当該既知の構造の実測寸法と当該既知の構造の既知寸法とを比較することにより当該第１の倍率の倍率誤差を求め、
    (b) 倍率誤差が補正された第１の倍率で、観察の対象構造を有する観察試料の拡大像を参照画像として記録し、前記偏向器を制御して視野移動した後の当該観察試料の視野移動後の拡大像を評価画像として記録し、前記画像処理部によって計測した当該参照画像に対する当該評価画像の視野移動量から前記偏向器の制御量と視野移動量の比率を求め、
    (c) 前記試料像回転部によって試料像を回転させて表示し、前記偏向器を制御して視野移動する前後の前記倍率基準試料の拡大像の視野移動量を求め、当該試料像を回転させた時の視野移動量と、回転していない試料拡大像の視野移動量との比率から前記試料像回転部によって回転した試料像の倍率校正を行う
    ことを特徴とする荷電粒子線装置。

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