JP5183318B2

JP5183318B2 - 荷電粒子線装置

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Publication number: JP5183318B2
Application number: JP2008167023A
Authority: JP
Inventors: 祐博伊東; 純一片根; 茂川俣; 真一富田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-06-26
Filing date: 2008-06-26
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2028-06-26
Also published as: JP2010009907A; US8143573B2; US20090322973A1

Description

本発明は、電子線やイオン線等の荷電粒子線を試料上で走査制御して観察画像を取得するための荷電粒子線装置に係り、特に、立体画像（ステレオ画像）を取得するのに好適な荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く集束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、従来は、走査ビームに対して、試料を左右に傾斜させて、角度の異なる方向から取得した２枚の画像又は写真（双方とも静止画像）を、人の目による交差法又は平行法（双方とも左右の目の視差角を利用したのも）又は赤青めがね使用したアナグリフ法を利用した立体観察が行われていた。

なお、従来技術においては、荷電粒子線を走査して二次元像を取得する場合に、一般には、走査用の荷電粒子線の光軸が対物レンズの軸線を通るように制御される。近年、光学系の軸線上の所定の位置（ビームロッキング）を偏向支点として、荷電粒子線に偏向コイルにより傾斜角（振り出し角）を与えて、この傾斜された荷電粒子線を対物レンズの軸外に入射し、対物レンズにより荷電粒子線に振り戻し作用を行わせて試料上で荷電粒子線を走査させる技術が提案されており、その軸外収差に伴う補正や光軸調整に関する技術も提案されている。

また、一般的な画像表示装置の部門では、立体液晶ディスプレイの登場などにより、立体観察に応用できる技術がそれぞれの技術分野で発展してきた。これらの技術を融合することで、従来の取得写真での立体観察時代から、実時間（リアルタイム）立体観察時代へと移り変わることが容易に予測される。特に走査電子顕微鏡においては実時間立体観察へ応用できる分野は幅広く、従来までの平面画像、いわゆる一般的な走査電子顕微鏡取得画像に対し、本発明である、観察しながら厚みや深さ方向の情報を持った画像評価ができることは、生物バイオ分野、金属材料分野などからの要望が強い。

従来技術の代表例として、実開昭55-48610号公報及び特開平2-33843号公報があり、試料に対して荷電粒子線を傾斜して照射し、対物レンズの軸外における荷電粒子ビームの振り戻し作用を利用する手法が公知となっている。また、この手法の適切な光軸調整手段として特願2004-189442号がある。内容は、複数のレンズの組合せと、対物レンズの軸外に入射する際の荷電粒子線の挙動を解析的に解くことで、試料上で傾斜した場合に発生する収差を、光学系構成要素で総合的にキャンセルさせる手段が導き出されており、片軸のビーム傾斜観察方法として公知であり既に製品化されている。

実開昭55−48610号公報特開平2-33843号公報特願2004-189442号

上記公開されている従来技術は、対物レンズの軸外における荷電粒子ビームの振り戻し作用を利用し、かつ、複数のレンズの組合せと適切な光軸調整手段により、試料上でビームを傾斜させたときに生じる収差を光学系構成要素で総合的にキャンセルさせるものである。いずれもビームを傾斜した場合の有用な手段として公知ではあるが、実際、具体的な応用まで記述されたものではなく、前述の分野への要望に応えるものではなかった。

一方、立体画像観察方法として、観察対象（試料）そのものを視差角分だけ傾斜させて、取得した画像から交差法又平行法又はアナグリフ法を利用した観察方法があった。ここで、立体観察に適した視差角は、一般的に約3°〜5°である。ところが、左右対称の画像を取得するには様々な弊害があった。視野の再現性、観察対象の傾斜角再現性などによる画像対称性の不一致、試料損傷による過剰なコントラスト増加により明るさ対称性の不一致などは、従来技術での立体観察に限界を示していた。

そこで本発明では、これら有用な従来技術を総合的に利用し、左右視差角分のビーム傾斜により得られる画像から立体画像（ステレオ画像）を構築可能とし、実時間（リアルタイム）での立体観察方法に供与される荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、試料そのものは傾斜させずに、試料に照射するビームを傾斜させ、制御することに着目した。特に、一次荷電粒子線を視差角分だけ左右に傾斜させることにより、取得する左右視差画像データを実時間（リアルタイム）で立体表示させ、かつ、ビームを傾斜した場合でも分解能の劣化を抑えて高分解能像を得るのに好適な荷電粒子線装置を構成する。

本発明は、基本的には、荷電粒子源と、複数のレンズを含み前記荷電粒子源から放出される一次荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、前記一次荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、前記複数のレンズを制御する制御部とを備え、前記検出手段の二次荷電粒子検出信号を用いて試料像を取得する荷電粒子線装置において、
前記制御部は、試料に入射する前記一次荷電粒子線に対して、前記荷電粒子光学系を介して視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角を設定して、試料上の１ライン単位で前記左傾斜角と右傾斜角の両方の走査制御を行うように前記一次荷電粒子線を制御する視差角走査制御手段と、この走査制御により前記検出手段から得られる二次荷電粒子検出信号に基づき左右の視差画像を取得する視差画像形成手段と、を有することを特徴とする。

例えば、前記視差角走査制御手段は、試料上の走査における同一ライン上で、視差角に相当する左傾斜角による走査と右傾斜角による走査との2回の走査を行うように前記一次荷電粒子線を制御して、前記１ライン単位での視差角分に相当する左右の傾斜角の走査制御を実行する。

もう一つの基本的な課題解決手段は、荷電粒子源と、複数のレンズを含み前記荷電粒子源から放出される一次荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、前記一次荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、前記複数のレンズを制御する制御部とを備え、前記検出手段の二次荷電粒子検出信号を用いて試料像を取得する荷電粒子線装置において、
前記制御部は、試料に入射する前記一次荷電粒子線に対して、前記荷電粒子光学系を介して視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角を設定して、試料上の走査における奇数番目のラインのグループと偶数番目のラインのグループに対して、一方のグループのラインでは前記左傾斜角による走査を、他方のグループのラインでは前記右傾斜角による走査を行うように前記一次荷電粒子線を制御する視差角走査制御手段と、この走査制御により前記検出手段から得られる二次荷電粒子検出信号に基づき左右の視差画像を取得する視差画像形成手段と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、左右視差角分のビーム傾斜により得られる画像から立体画像（ステレオ画像）を構築する仕組みにより、実時間（リアルタイム）立体観察とその応用が可能になる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。

荷電粒子源となる電子銃１´を構成する陰極１と陽極２との間には、制御部となるコンピュータ２８により制御される高圧制御電源１８により電圧が印加され、一次荷電粒子線となる一次電子線３が陰極１から引き出され、さらに加速用の陽極（図示省略）を介して加速されて後段のレンズ系に導かれる。

一次電子線３は、第１の集束レンズ制御電源１９で制御される第１の集束レンズ４で集束され、さらに第２の集束レンズ制御電源２０で制御される第２の集束レンズ５で集束され、絞り６で一次電子線３の不要な領域が除去された後に、第１のビーム傾斜角制御電源２１で制御される第１のビーム傾斜角制御コイル（第１のビーム偏向コイル）７に導かれる。

第１のビーム傾斜角制御コイル７とその下段の第３の集束レンズ９は、次のような機能を有する。一つは、後段の視差角走査制御光学系のビーム傾斜角制御コイル（第２のビーム傾斜角制御コイル：第２のビーム偏向コイル）１０の軸上の対物レンズ１２の物点３５となるべき位置に一次電子線３を集束させる。もう一つは、第２のビーム傾斜角制御コイル１０が対物レンズ１２の物点（ビームロッキング点）３５を偏向支点として対物レンズ１２の軸外位置に一次電子線３を入射させる時（例えば図２のグレーゾーンに示す一次電子線３の偏向軌道の時）に生じる対物レンズ１２の軸外収差（コマ収差及び軸外色収差）を補正（相殺）するための収差を対物レンズ上段で生じさせるビーム傾斜（収差補正）用のビーム傾斜角コイルとして機能する。特に本実施例では、後述するように第２の傾斜角制御コイル１０及び対物レンズ１２を用いて一次電子線３に対する視差角分の左右のビーム傾斜角による走査制御を行う時に、その対物レンズの軸外で発生する軸外収差であるコマ収差と軸外色収差を同時に補正（相殺）するための収差を作り出すためのものである。対物レンズ１２で発生する軸外収差の補正（光軸調整）の詳細は、後述する。また、第３の集束レンズ９には、非点収差補正コイル８が設けられているが、この機能についても後述する。なお、第１のビーム傾斜角制御コイル７は、傾斜角制御電源（収差補正電源）２１により電流制御され、非点収差補正コイル８は、非点収差補正電源２３により電流制御され、第３集束レンズ９は、第３集束レンズ制御電源２２により電流制御される。

対物レンズ１２の物点位置３５の周囲には、上段偏向コイル１０ａと下段偏向コイル１０ｂからなる第２のビーム傾斜角制御コイル(第２の偏向コイル)１０が配置され、さらに第２のビーム傾斜角制御コイル１０の周囲には、一次電子線３を試料１４上で走査するための上下２段の走査コイル１１（１１ａ，１１ｂ）が配置されている。第２のビーム傾斜角制御コイル１０は、ビーム傾斜角制御電源２４により制御され、走査コイル１１は、走査コイル制御電源２５により制御される。

本実施例では、コンピュータ（制御部）１００によりビーム傾斜角制御電源２４及び走査コイル制御電源２５を介して、第２のビーム傾斜角制御コイル１０及び走査コイル１１を電流制御することにより、後述するリアルタイムステレオSEMを実行する。リアルタイムステレオSEMとは、試料上を視差角に相当する左右の傾斜角一次ビーム（例えば電子線やイオン線等の荷電粒子線）を走査制御して、リアルタイムに三次元観察をするための左右の視差画像を取得するモードを意味する。

なお、図１の一次電子線３の軌道は、リアルタイムステレオSEMを実行していない状態、すなわち第１、第２のビーム傾斜角制御コイル７、１１はオフ状態で、一次電子線３が荷電粒子線光学系の中心軸上で試料に焦点を合うように第３集束レンズ９及び対物レンズ１２を電流制御している状態を示す。この状態から対物レンズ１２の軸外位置に一次電子線３を、傾斜角を伴って入射するように第２のビーム傾斜角制御コイル１０を制御し、またこの軸外入射により対物レンズ１２に生じる軸外収差（コマ収差及び軸外色収差）を補正するために第１のビーム傾斜角制御コイル７を電流制御した時の一次電子線３の軌道の一例を図２のグレー色により示す。

コンピュータ１００は、リアルタイムステレオSEMを実行するための視差角に相当するビーム左傾斜角とビーム右傾斜角を設定し、その設定値に相当する電流制御を、ビーム傾斜角制御電源２４を介して第２のビーム傾斜角制御コイル１０に行う機能を有する。すなわち、コンピュータ１００は、一次電子線３に対して、視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角との切り替え制御を実行する機能を有する。また、この第２のビーム傾斜角制御コイル１０の視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角の切り替えと相まって、コンピュータ１００は、走査コイル１１を介して一次電子線３を走査制御することにより、試料上の１ライン単位で左傾斜角と右傾斜角の両方の走査制御を行う。例えば、試料上の同一ラインでビーム左傾斜角による走査とビーム右傾斜角による走査の２回の走査が実行される。すなわち、本実施例のコンピュータ１００は、第２のビーム傾斜角制御コイル１０及び走査コイル１１を介して、試料上の１ライン単位で視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角の両方の走査制御を行う手段を有する。視差角に相当する左右の傾斜角走査制御の詳細は後述する。

一次電子線３は、走査コイル制御電源２５により走査コイル１１を介して水平方向偏向電流制御、垂直方向に偏向電流制御され、試料１４上で二次元的に走査制御される。一次電子線３の照射で試料１４から発生した二次電子は、二次電子分離用の直交電磁界発生装置（図示省略）により一次電子から分離されて二次電子検出器１６により検出される。二次電子検出器１６で検出された信号は、信号増幅器１７で増幅された後、信号入力部２６を介してコンピュータ１００に入力される。

コンピュータ１００は、上記した視差角に相当する左右のビーム傾斜角走査制御を実行した場合には、二次電子検出器１６の検出信号に基づき左右の視差画像（左傾斜角走査画像と右傾斜角走査画像）を画像形成処理により取得する。この左右の視差画像は、画像メモリ３０に記憶され、また、コンピュータ１００は、この左右の視差画像を三次元処理して表示装置２９に立体画像として表示する。画像の三次元処理については、後述する。

本実施例では、試料上からの一次電子線３の反射電子も反射電子検出器１３を介して検出され、信号増幅器１７で増幅された後に、信号入力部２７を介してコンピュータ１００に入力される。この反射電子もコンピュータ１００により反射電子画像として画像処理され、表示装置２９を介して表示することが可能である。

なお、符号の３１は、入力装置であり、画像の取り込み条件（二次元観察及び三次元観察モードの切り替え操作、走査速度、加速電圧などの）を設定する。

本実施例では、観察倍率が任意に定めた所定の倍率（例えば10000倍）以下の場合には、後述するように、一次電子線３に対して視差角相当分の左右の傾斜角によるビーム走査制御を１ライン単位で実施し、それによって取得した左右の視差画像からリアルタイムでの立体観察モード（リアルタイムステレオSEMモード）を、表示装置２９を介して実行し得るように設定してある。なお、観察倍率が前記倍率を超える場合には、視差角相当分の左右の傾斜角による走査制御を実施しないで、通常の二次元観察モードの荷電粒子線走査制御を実施する観察モード切り替え機能を有する。

以下、リアルタイムステレオSEMについて詳述する。

第１のビーム傾斜角制御コイル７及び第３の集束レンズ９を介して対物レンズ１２の物点３５に入射した一次電子線３は、第２のビーム傾斜角制御コイル１０及び走査コイル１１を制御することにより、対物レンズ１２における軸外位置で、一ライン単位で視差角に相当する左傾斜角による走査制御と右傾斜角による走査制御される。

具体的には、試料上の走査における同一ライン上で、視差角分に相当する左傾斜角による走査と右傾斜角による走査との2回の走査を行うように一次電子線３を制御する。

図３（ａ）はその原理図であり、例えば走査すべき各ライン上で１回目は実線で示すような左傾斜角を伴った一次電子線３による走査制御が行われ、２回目は点線で示すような右傾斜角を伴った一次電子線３による走査制御が行われる。図中、太線矢印実線は各ラインの一次電子線の走査方向を示すものである。また、点線矢印は各ラインの走査開始位置への戻り状態を示す。なお、図３（ｂ）に示すように、試料上の走査における奇数番目のラインのグループと偶数番目のラインのグループに対して、一方のグループのライン（本例では奇数番目）では左傾斜角による走査を、他方のグループのライン（本例では偶数番目）では右傾斜角による走査を行う走査制御であってもよい。図３（ａ），（ｂ）の試料１４の左側に付した番号は、走査の番目を示すものである。このような視差角相当の左右の傾斜角を伴った走査制御により試料上から発生した二次電子は、二次電子検出器１６で検出された後にコンピュータ１００により画像処理される。

すなわち、コンピュータ１００は、奇数番目の走査すなわち左傾斜角の一次電子線走査により得られた二次電子検出信号に基づき左傾斜角ビーム走査像（以下、「左傾斜角像」と称する）を合成し、且つ偶数番目の走査すなわち右傾斜角の一次電子線走査により得られた二次電子検出信号に基づき右傾斜角ビーム走査像（以下、「右傾斜角像」と称する）を合成する。これらの左右の傾斜角像は、リアルタイムに合成される。

これらの画像処理により得られた左傾斜角像と右傾斜角像の写真図を図４に示す。図４は、タングステンワイヤの切り口を左傾斜角ビーム走査と右傾斜角ビーム走査により撮像したSEM画像である。これらの傾斜角像は、画像メモリ３０に記憶され、この記憶された左右の傾斜角像がコンピュータ１００により立体画像として処理され、表示装置（例えば立体液晶ディスプレイ）２９を介して立体画像として表示される。表示装置２９についての代表例である立体液晶ディスプレイについては、後述する。

図５（ａ）は、リアルタイムステレオSEMを実行する場合の左傾斜角ビーム走査制御の光軸及びその時のコンピュータ100内部の電子線傾斜角左右切替設定状態を示し、図５（ｂ）は、リアルタイムステレオSEMを実行する場合の右傾斜角ビーム走査制御の光軸及びその時のコンピュータ100内部の電子線傾斜角左右切替設定状態を示す。

図５（ａ）、（ｂ）の光軸（ビーム軸）のうち実線は、荷電粒子線光学系の中心軸上で対物レンズ１２の像点が試料上にくるように一次電子線３を傾斜角制御した時の光軸を示す。左右の基準となる視差角（θi）は、荷電粒子線光学系（対物レンズ）の中心軸に左右の傾斜角ビーム（対物レンズで振り戻し作用を受けた後の傾斜角ビーム）の光軸（図５（ａ），（ｂ）の実線の光軸）が来たときの、光学系中心軸と各傾斜角ビーム光軸の交わる角度である。この視差角（θi）は、例えば３度から５度の範囲で設定される。この視差角(θi)を基準にして、２段の走査コイル１１（１１ａ，１１ｂ）を制御して、点線及び一点鎖線の光軸に示すように視差角(θi±ｘ)の走査範囲で一次電子線３を水平方向走査される。

図６は、このリアルタイムステレオSEM走査を行うときの視差角に相当する左右のビーム傾斜角走査を行うための制御信号のタイムチャートを示す。

図６において、左右の切替信号は、例えばローレベルの場合には第２の傾斜角制御コイル１０に負の電流を流して電子線を左傾斜させ、ハイレベルの場合には第２の傾斜角制御コイル１０に正の電流を流して電子線を右傾斜させる。まず一次電子線を左傾斜角させ画像の１ライン目を走査コイル１１の水平方向（Ｘ方向）偏向電流制御により走査する。次に一次電子線を右傾斜角させ同様に１ライン目を走査する。以上の走査を２ライン目、３ライン目と垂直方向（Ｙ方向）にラインを移行して繰り返すことで、各同一ラインで左右の傾斜像（視差画像）をリアルタイムに取得することができる。その際、電子線の左右傾斜角の切り替えに伴い各パラメータの制御も１ライン単位で切り替える。

左右の傾斜量やパラメータの調整量の切り替えについては、左右切り替え信号の立上り及び立下りのタイミングで行う必要があり、例えばビーム水平方向走査制御のインターバル期間（例えば１６．３μＳ）以内に切り替える必要がある。

本実施例のリアルタイムステレオSEMは、ビームロッキング方式と称されるビームチルト法を採用するものである。ビームロッキング方式のビームチルト法とは、一次ビーム（ここでは、一次電子線）のクロスオーバー（一次電子線が集束する点）をチルトコイル（ここでは、第２のビーム傾斜角制御コイル）１０の位置に固定し、このクロスオーバー位置を対物レンズ１２の物点３５且つ偏向支点としてビームを傾斜させる方法である。

対物レンズ１２に離軸して入射（すなわち軸外入射）した一次ビーム３は、対物レンズ１２の振り戻し作用を受けながら、試料上を走査することになるが、試料上のビーム傾斜角θiは、偏向コイル上段１０ａで形成された振り出し角度θ1と対物レンズ１２の振り戻し作用を受けた角度の合成となる。ビームの行路から幾何的にビームの傾斜角を求めることは可能であるが、実際に試料に入射するビームの角度を実験より求めて、その角度に対応した振り出し角θ１に制御することで、必要な視差角を得ることができる。ビーム傾斜角制御コイル（上段の偏向コイル）１０ａに流す電流値(Idef)と振り出し角(θ1)は比例関係で、振り出し角（θ1）と試料上のビーム傾斜角（θi）も比例関係であるから、
θi ＝ k・Idef ．．．（１）
となる。ここで係数kは、偏向コイル上段に流す単位電流あたりの試料上ビーム傾斜角であり、角度感度（°/A）とおく。この係数kに、幾何的に求めた概算値又は実験から求めた実験値を使用して、左右のビーム振り出し角制御に対応させることで高精度にビームをコントロールすることが可能になる。

この概念は、試料上でビームを傾斜させたときに生じる収差を光学系構成要素で総合的にキャンセルさせる方法に適用することも可能である。具体的な適用方法として図２、図５、図１５に示す。このとき、試料上では、視差角分のビーム傾斜と光学系構成要素による総合的な収差のキャンセルを同時に行うことになる（この詳細は、後述する）。

上記したビームロッキング方式の利点は、対物レンズの物点と像点が同軸上にあるため、ビーム傾斜時に発生する収差を、軸上収差係数（球面収差係数、軸上色収差係数）を用いて計算でき、分解能の計算が容易である。

しかしながら、本実施例のように視差画像に相当する左右の傾斜角を伴ったビーム傾斜制御を行う対物レンズ１２の物点３５で行なう場合には、対物レンズにおける軸外（対物レンズの軸から離れた位置）をビームが通ることになるため、軸外収差（コマ収差、軸外色収差）が増大するために、その対処が必要となる。

図２のグレー色で示す一次電子線（ビーム）３の軌道は、（１）ビームの光軸が荷電粒子線光学系の軸から離れた状態で対物レンズ１２に傾斜した状態で入射し（第２のビーム傾斜角コイル１０によるビーム振り出し制御）且つそのビームを対物レンズ１２で振り戻す視差角ビーム制御と、（２）この視差角ビーム制御時に発生する試料上のコマ収差と軸外色収差を、複数段レンズの光学系（第１のビーム傾斜角制御コイル７、第３の集束レンズ９）で総合的に相殺させる収差補正とを組合せることにより、分解能劣化を抑えた立体画像を取得する概略構成図である。特に図２では、視差角のうちの右傾斜角ビーム制御を示しているが、省略されている左傾斜角ビーム制御も同様である。

図９には、上記した収差低減用（収差補正用）の光学系（第１のビーム傾斜角制御コイル７、第３の集束レンズ９）を設けない場合に、上記した対物レンズ主軸（一次荷電粒子線光学系の軸）に対して一次電子線３の光軸が離軸して対物レンズ１２に傾斜ビームが入射（軸外入射）した場合の、収差による像のボケ量の概算比較を示す。

図９に示すように、傾斜ビームが離軸して入射した場合、対物レンズ本来の球面収差と色収差から派生するボケは、試料上でのビーム傾斜角に応じて（i）非点収差ボケ、（ii）コマ収差ボケ、（iii）軸外色収差ボケの順番に増大していく。これら収差ボケによる分解能劣化を抑制する手段として、（i）非点収差ボケについては非点補正コイル８で補正が可能であると考えられるが、（ii）コマ収差ボケ、（iii）軸外色収差ボケについては、図２、図５（ａ），（ｂ），図１４、図１５に示す構成で補正する方法は最良と考える。

なお、図１４、図１５は、第２のビーム傾斜角制御コイル１０を１段で図示した以外は、図２及び図５（ａ），（ｂ）の光学系と同じ構成である。

上記したコマ収差、軸外色収差の具体的な補正方法として、対物レンズを含む複数の集束レンズの軸外で発生する収差を互いに相殺させる方法があり、図１５にクロスオーバー方式の収差補正方式の模式図を示す。
（Ａ）コマ収差低減条件
収差補正レンズ（第３の集光レンズ）９のビーム傾斜角をθ１、ビーム集束角をα１、対物レンズ１２のビーム傾斜角をθi、ビーム集束角をαiとする。ここで、（２）、（３）式のように基本関係式を定義する。

α１＝１/Ｍα・αi …（２）
θ１＝Ｋ・θi …（３）
ここで、Ｍαは対物レンズの角倍率であり、Ｋは比例定数である。（２）式は電子光学系における開き角の関係式である。

クロスオーバー方式の電子光学系で発生するコマ収差ΔＷＲＬは、（４）式のようになる。

ΔＷＲＬ＝Csi・θi・αi² + M・Cs１・θ1・α1² …（４）
ここで、Ｃsiは、対物レンズ１２の球面収差、Ｍは、対物レンズ１２の縮小率、Ｃs1は、収差補正レンズ９の球面収差である。

上記（４）式から（５）式が得られる。

ΔＷＲＬ＝（Csi + K・M／Ｍα^２・Cs１）θi・αi² …（５）
（５）式の括弧内を零とすると、（６）式のコマ収差低減条件が得られる。

K＝−Ｍα^２・Csi／Ｍ・Cs１ …（６）
（B）軸外色収差低減条件
次にクロスオーバー方式の電子光学系で発生する軸外色収差ΔＷc1は、（７）式で表される。

ΔＷc1＝Ｃci・ΔＶ／Ｖｉ・θi＋Ｍ・Ｃc1・ΔＶ／Ｖ1・θ１ …（７）
ここで、Ｃciは、対物レンズの色収差、ΔＶは、対物レンズ１２における印加電圧Ｖｉの電圧変動及び収差補正レンズにおける印加電圧Ｖ1の電圧変動である。

（７）式から（８）式が得られる。

ΔＷc1＝（Ｃci・ΔＶ／Ｖｉ＋K・ＭＣc1・ΔＶ／Ｖ1）θi …（８）
（８）式の括弧内を零とすると、（９）式の軸外色収差低減条件が得られる。

K=−Ｃci／Ｍ・Ｃc1 …（９）
上記（６）式及び（９）式より、コマ収差と軸外色収差の同時消し条件は、（１０）式となる。

Csi／Ｃci＝Cs１／Ｍα^２・Ｃc1 …（１０）
上記（１０）式が成立するとき、対物レンズ１２における傾斜角ビーム（一次電子線）が離軸によって発生したコマ収差と軸外色収差は同時に消す条件になっている。しかし、関係式が成り立つレンズ条件、レンズ構成、レンズ形状にすることが困難な場合、どちらか一方のみに重点を置いて分解能劣化を最小限に抑える設計も考慮して光学系を構成することになる。

図１０は、上記のように収差補正レンズ（第３集束レンズ）９を追加した場合において、対物レンズの主軸から離軸して対物レンズの軸外位置に一次電子線３が入射した場合のボケ量のグラフである。コマ収差ボケ及び軸外色収差ボケ共に前述の収差補正のない対物レンズだけのグラフとしてボケ量が低下しているのがわかる。

なお、第１のビーム傾斜角制御コイル（偏向コイル）７と第２のビーム傾斜角制御コイル（偏向コイル）１０の制御量は、上記（１０）式の予め定められた関係をもってビーム傾斜角に応じて設定され、理想的には対物レンズ１２の軸外収差（色収差、コマ収差）が集束レンズ９の軸外収差によりキャンセルされる。さらに本実施例では、対物レンズと収差補正レンズとの励磁電流変動などの制御誤差などで光軸ずれが生じないように、対物レンズと収差補正レンズとにそれぞれ振幅に同位相の同時変動ΔIi, ΔI１を与え、次の関係を満たすように光軸調整（光軸制御）している。

ΔI１／Ｉ１＝ΔＩi／Ｉi
すなわち、荷電粒子光学系の各レンズを通過する荷電粒子線のエネルギーに対応して決められた比率で光軸調整を行う。

次に、上記のような構成で立体観察をする際に、有用と考える手段を説明する。

一次電子線のビーム開き角と試料に照射されるビーム電流を制限する絞り６は、図２に示すようにビーム傾斜に依存しない位置に配置される。具体的には、収差補正レンズ９の近くの上段に、絞り６、収差補正用の偏向コイル（第１のビーム傾斜角制御コイル）７の順番で配置する。これにより分解能を決めるビーム開き角とビーム電流が、試料上のビーム傾斜に依存しなくなるため、ビーム開き角・ビーム電流・ビーム傾斜の最適条件が設定しやすくなる。

また、視差角形成用の偏向コイル（第２のビーム傾斜角制御コイル）１０は、試料上ビームの傾斜角とコイル動作感度の関係を実験的に求め、その実験値に基づき1ライン単位での左右のビーム走査速度を設定することで、高精度なビームコントロールが可能となる。また、コイルを通過するビームのエネルギー（ここでは加速電圧とする）ごとに連動制御することで、通常SEMの加速電圧制御範囲0.3kV〜30kVまで対応可能である。

図１２は、上記したような実時間(リアルタイム)の立体観察が可能な荷電粒子線装置において、低真空領域（1Pa〜3000Pa）での観察に応用した図である。また、レンズ内と試料室との間で差圧を作るために必要な差動排気絞りの形状をビーム傾斜に対応させた実施例を図１３に示す。

既述した実施例の走査型電子顕微鏡により立体観察を必要とする分野は、生物・バイオ・繊維など非導電性サンプルを扱う分野も多い。その多くは、導電コーティングをするものが一般的と言われているが、対象のサンプルによってはコーティングが困難な水分を含んだサンプル、高真空により形状そのものが変化してしまうサンプルなど様々である。これらのサンプルを観察する手段では、低真空走査電子顕微鏡と呼ばれている試料室内を前述の低真空雰囲気に制御し、サンプル表面の電気的中和を利用した手段が非常に有効である。

低真空のメリットは、電子走査により試料表面に溜った負の電荷（電子）を残留ガス分子の正のイオンで中和しチャージアップを防止できる点である。

一般的に低真空走査電子顕微鏡では、試料室内を低真空雰囲気に保つために対物レンズ主面近傍に差動排気絞りを配置する。図１２の一点鎖線５０で示したものは、従来方式の差動排気絞りを示すものである。差動排気絞り５０は、対物レンズ１２の主面３６に配置されており、顕微鏡外部（光学系筐体外部）の試料室内は、差動排気絞り５０を境にして低真空に維持され、また、光学系筐体内部は、中真空あるいは高真空（例えば１０^−３〜１０^−４Pa）に維持するために真空引きされている。図１２の符号５４は、真空引きのための吸引通路であり、筐体５３に設けられていることを概略的に示している。

従来の一般的な電子線（荷電粒子線制御）制御は、符号５１に示すように、ビームの光軸が対物レンズの軸線を通過するように走査制御するものであり、この場合には、差動排気絞り５０は小さくて済む（例えばφ０．３５ｍｍ程度の円孔）。一方、本実施例のように立体画像観察（左右の視差画像取得）の場合には、対物レンズ５２に入射する一次ビーム（荷電粒子線）に対して符号５２に示すように傾斜ビームを対物レンズ１２の軸外に入射させるために、従来のような絞り５０の大きさでは、ビームの傾斜角に対して制限を加えてしまう。そこで、差動絞りの位置、形状の最適化により低真空雰囲気による観察を可能とし、より幅広い技術分野への要望に応えられる構成を考案した。

その一例として、図１１の実施例では、差動排気絞り５０の配置位置を、対物レンズ１２の主面位置ではなく、ビームロッキング点３５近傍に配置する。差動排気絞りが対物レンズ主面すなわち試料位置から離れることでビームが低真空領域（1Pa〜3000Pa）の中を長く飛行することでビームの散乱により最適な画像を得られない。それに対してはロッキング点近傍に配置した差動排気絞りと対物レンズ主面との空間を別な真空ポンプで真空排気することで改善できる。なお、図１１において、符号の３９は、ビーム傾斜角制御の電流を増幅するビーム傾斜角制御増幅器、４０は、ビーム傾斜制御回路、４１は、左右の傾斜角画像を取得するための視差画像データ処理部である。

また、図１１のような差動排気絞り位置の変更を採用せず、従来の差動排気絞り位置（対物レンズの主面位置３６）にて、対物レンズの軸外入射に対する絞りの干渉（傾斜角の制限）を回避する方法としては、図１２及び図１３（a）,(b)の符号５０´に示すように、ビーム傾斜による離軸（対物レンズの軸から離れる軸外入射）に伴う範囲で、絞り形状を細長穴（例えば楕円またはそれに近い形状）にすることでも達成できる。この場合、細長穴の絞り５０´の短手方向は、例えば０．３５ｍｍ、長手方向は１ｍｍ程度であるが、これらの寸法を必要に応じて差動排気絞りとしての機能が維持できる限り、変更することが可能である。

次に、上記のような左右の視差画像を取得して、表示装置２９（例えば立体液晶ディスプレイ）で立体画像として表示する方式について説明する。

従来から知られている立体画像の観察としては、専用めがねを用いたものから裸眼で立体視できる方式に移りつつある。一般にゲームやメディア観賞のような用途では常時三次元観察するために専用めがねを用いてもよいが、荷電粒子線装置では装置調整や観察条件の設定など、三次元観察以外の操作と三次元観察を頻繁に繰り返す必要があるため、専用めがねではその脱着がわずらわしく、裸眼での立体視が望まれる。裸眼立体液晶ディスプレイはその方式により2つに大別される。一つは液晶パネル内部に視差バリヤといわれるスリット状の液晶シャッターを設け、視差バリヤに合わせて１画素毎に左右目に対応する画像データを配列したもの、もう一つは液晶パネル前面に指向性を有するかまぼこ形状のビーム分割レンズ（レンティキュラ）を設け、レンズに合わせて１画素毎に左右目に対応する画像データを配列したものである。これらの立体液晶ディスプレイで立体視するにはディスプレイの画素配列に合わせて左右視画素データを入力すればよい。本発明によれば走査線の1ライン単位で左右視差に対応した画像データが交互に検出されるので、2ライン分のラインメモリに左右視画素データを記録して配列を変換しディスプレイの表示レートに合わせて出力すれば、リアルタイムでの立体視が可能である。

立体液晶ディスプレイを用いた立体観察の例について上述したが、さらに簡単に立体視を可能とする方法について次に記す。左右視差に対応した画像を横に並べ、交差法または平行法といわれる、寄り目または遠目により左右視画像を対応する目で見て重ね合わせ立体視する。この場合には走査線の1ライン単位で入力される左右視差に対応した画像データを二次元的に左右に配置するだけで良い。もう一つの方法は、アナグリフと言われる赤青めがねを用いたものであり、左右視画像にそれぞれ対応するめがねの色を着色して一般的なディスプレイに重ね合わせ表示すればよい。

さらに、上記した荷電粒子線装置において、観察倍率が例えば１０，０００倍以下と低いときは、実時間（リアルタイム）での上記した左右の視差角ビーム傾斜走査を実施して立体観察を可能とし、観察倍率が例えば１０，０００倍以上と高い場合は、視差角ビーム傾斜をせずにビーム走査をして通常の荷電粒子線装置となる切り替え機能を付加することも可能である。高倍率ではボケ量の制御に限界があり、三次元表示に無理が生じることが考えられる。したがって、全体光学系において収差補正レンズの配置を通常のＳＥＭにも併用できる配置にし、観察倍率に応じて実時間（リアルタイム）観察と通常高倍率観察とを自動で切り替えることで使いやすさが向上する。

図５に示す観察モードスイッチ６０が、上記視差画像取得（三次元観察モード）と通常の走査モード（二次元観察モード）の切り替えを行うものである。スイッチ６０がオンのときは、切り替えスイッチ６１により、左右のビーム傾斜角制御が１ラインの水平走査ごとに交互に切り替えられる。図７は、通常の走査モード（二次元観察モード）の場合のビームの中心軌道（光軸）を示す。この場合には、光軸は、対物レンズの中心軸線を通る。また、図８は、そのときのビームの広がり及び集束状態の一例を示す。

なお、上記実施例では、一次電子線を例に視差角走査制御する例を例示したが、イオンビームによる荷電粒子線を利用する装置にも、同様に適用できるものである。

本発明の一実施例の荷電粒子線装置の具体例として示す走査電子顕微鏡の概略図。上記実施例の走査電子顕微鏡における一次電子線の動作を示し、特に傾斜電子線が対物レンズから離軸した位置（軸外）に入射する状態を示す説明図。（a）は、本発明における視差角相当の左右傾斜角によりビーム走査する状態を示す図、（ｂ）は、上記（a）に代わる視差角ビーム走査の状態を示す図。タングステンワイヤの切り口を左傾斜角ビーム走査と右傾斜角ビーム走査により撮像したSEM画像。上記実施例の装置により一次電子線を左右の視差角に相当するビーム傾斜角で走査する場合のビーム軸線（光軸）の軌道を示す図であり、（a）は左傾斜角走査、（ｂ）は、右傾斜角走査を示す。上記実施例の装置により一次電子線を左右の視差角に相当するビーム傾斜角で走査する場合の制御信号波形を示すタイムチャート。通常の走査モード（二次元観察モード）の場合のビームの中心軌道（光軸）を示す概略図。図７の状態の走査モードのときのビームの広がり及び集束状態の一例を示す図。対物レンズの軸外入射におけるビーム傾斜角に対する各種収差ボケ量を示す図。収差補正レンズを追加した場合の、対物レンズの軸外入射におけるビーム傾斜角に対する各種収差ボケ量を示す図。差動排気絞りをロッキング点に配置した他の実施例を示す図。差動排気絞りを対物レンズの主面位置に配置したときの従来の差動絞りと本発明の実施例に係る作動絞りとの関係を示す図。差動排気絞りの形状例を示す平面図。本発明の光学系の他の例を示す概略説明図。上記実施例の視差角走査制御を実施する場合の収差補正方式を示す説明図。

符号の説明

１´…電子銃、１…陰極、２…陽極、３…一次電子線、４…第１集束レンズ、５…第２集束レンズ、６…絞り板、７…ビーム傾斜角制御コイル、８…非点収差補正コイル、９…第３集束レンズ（収差補正レンズ）、１０…ビーム傾斜角制御コイル、１１…走査コイル、１２…対物レンズ、１３…反射電子用検出器、１４…試料、１５…試料ステージ、１６…二次電子用検出器、１７…信号増幅器、１８…高圧制御電源、１９…第１集束レンズ制御電源、２０…第２集束レンズ制御電源、２１…収差制御電源、２２…第３集束レンズ制御電源、２３…非点収差補正電源、２４…ビーム傾斜角制御電源、２５…走査コイル制御電源、２６…対物レンズ制御電源、２７…信号制御電源、２８…試料微動制御電源、２９…表示装置、３０…画像メモリ、３１…入力装置、３５…ビームロッキング点、３６…対物レンズ主面、３７…左傾斜ビーム軌道、３８…右側傾斜ビーム軌道、３９…ビーム傾斜角制御増幅器、４０…ビーム傾斜制御回路、４１…視差画像データ処理、５０、５０´…差動排気絞り。

Claims

複数のレンズを含み１つの荷電粒子源から放出される一次荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、前記一次荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、前記複数のレンズを制御する制御部とを備え、前記検出手段の二次荷電粒子検出信号を用いて試料像を取得する荷電粒子線装置において、
前記制御部は、試料に入射する前記一次荷電粒子線に対して、前記荷電粒子光学系を介して視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角を設定して、前記一次荷電粒子線により試料上を二次元的に走査する際に試料上の１ライン単位で前記左傾斜角と右傾斜角の両方の走査制御を行うように前記一次荷電粒子線を制御する視差角走査制御手段と、この走査制御により前記検出手段から得られる二次荷電粒子検出信号に基づき左右の視差画像を取得する視差画像形成手段と、を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１記載の荷電粒子線装置において、
前記視差角走査制御手段は、試料上の走査における同一ライン上で、視差角に相当する左傾斜角による走査と右傾斜角による走査との2回の走査を行うように前記一次荷電粒子線を制御して、前記１ライン単位での視差角分に相当する左右の傾斜角の走査制御を実行する荷電粒子線装置。
複数のレンズを含み１つの荷電粒子源から放出される一次荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、前記一次荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次荷電粒子を検出する検出手段と、前記複数のレンズを制御する制御部とを備え、前記検出手段の二次荷電粒子検出信号を用いて試料像を取得する荷電粒子線装置において、
前記制御部は、試料に入射する前記一次荷電粒子線に対して、前記荷電粒子光学系を介して視差角に相当する左傾斜角と右傾斜角を設定して、前記一次荷電粒子線により試料上を二次元的に走査する際に試料上の走査における奇数番目のラインのグループと偶数番目のラインのグループに対して、一方のグループのラインでは前記左傾斜角による走査を、他方のグループのラインでは前記右傾斜角による走査を行うように前記一次荷電粒子線を制御する視差角走査制御手段と、この走査制御により前記検出手段から得られる二次荷電粒子検出信号に基づき左右の視差画像を取得する視差画像形成手段と、を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１又は２に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御部は、観察倍率が任意に定めた所定の倍率以下の場合には、前記視差角走査制御手段を介して、前記荷電粒子線に対して前記視差角相当分の左右の傾斜角による走査制御を１ライン単位で実施して、前記視差画像形成手段により取得した前記左右の視差画像からリアルタイムの立体観察モードを、表示装置を介して実行し、
観察倍率が前記倍率を超える場合には、前記視差角相当分の左右の傾斜角による走査制御を実施しないで、通常の二次元観察モードの荷電粒子線走査制御を実施する観察モード切り替え機能を有する荷電粒子線装置。
請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
前記制御部は、観察倍率が任意に定めた所定の倍率以下の場合には、前記視差角走査制御手段を介して、試料上の走査における奇数番目のラインのグループと偶数番目のラインのグループに対して、一方のグループのラインでは視差角の左傾斜角による走査を、他方のグループのラインでは視差角の右傾斜角による走査を行うように前記一次荷電粒子線を制御して、前記視差画像形成手段により取得した前記左右の視差画像からリアルタイムの立体観察モードを、表示装置を介して実行し、
観察倍率が前記倍率を超える場合には、前記視差角相当分の左右の傾斜角による走査制御を実施しないで、通常の二次元観察モードの荷電粒子線走査制御を実施する観察モード切り替え機能を有する荷電粒子線装置。
請求項1ないし５のいずれか１項の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学系における対物レンズよりも上段に、前記視差角分の荷電粒子線傾斜角の走査で生じる対物レンズの軸外収差を補正するための収差を生じさせる収差補正レンズが配置されている荷電粒子線装置。
請求項６記載の荷電粒子線装置において、
前記収差補正レンズは、前記制御部で予め決められた制御値に基づき動作させられて、前記視差角分の荷電粒子線傾斜角の走査で生じる対物レンズの軸外収差を実時間で相殺させるための収差を生じさせる荷電粒子線装置。
請求項１ないし７のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
前記一次荷電粒子線の前記視差角に相当する左傾斜角ビームと右傾斜角ビームとを形成する手段として、試料上開き角と試料電流を決める絞りと、試料上で必要とする前記左傾斜角及び右傾斜角に対応した偏向角を形成する電磁コイルとを有する荷電粒子線装置。
請求項１ないし７のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
前記視差角走査制御手段は、左右の視差画像を取得するために予め決められた制御値で、前記荷電粒子光学系の複数のレンズ及び前記視差角に相当する左傾斜角ビームと右傾斜角ビームとを形成するための複数の電磁コイルを連動させる荷電粒子線装置。
請求項１ないし９のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学系の各レンズを通過する荷電粒子線のエネルギーに対応して決められた比率で光軸調整を行う調整手段を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
1Pa〜3000Paの低真空領域での試料像を観察するために、前記視差角に相当する左右の傾斜角に制御された荷電粒子線に影響しない位置に差動排気絞りが配置されている荷電粒子線装置。
請求項１１記載の荷電粒子線装置において、
前記差動排気絞りは、前記荷電粒子系光学系の最終段レンズの主面近傍に配置され、且つ前記一次荷電粒子線を前記視差角分に相当する左右の傾斜角に制御する前記荷電粒子系光学系の軸から離れた範囲を含む楕円又は長円の絞り形状を有する荷電粒子線装置。
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
取得した左右の視差画像を視差バリア方式またはレンティキュラ方式により立体画像の実時間観察を可能にする液晶ディスプレイを備える荷電粒子線装置。
請求項１ないし１０のいずれか１項記載の荷電粒子線装置において、
取得した左右視差画像を一画面に同時表示させ、交差法や平行法による実時間立体観察やアナグリフ法を使った立体画像の実時間観察を可能にする液晶ディスプレイを備える荷電粒子線装置。