JP6210931B2 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Description

本発明は、計測に用いることのできる荷電粒子線装置に関する。

荷電粒子線装置の一態様である走査顕微鏡は、荷電粒子源から加速させて放出された１次荷電粒子線を電磁気的なレンズを用いて集束させ、さらに電磁気的な偏向によって試料表面上で走査しながら照射した際に試料から得られる２次信号を検出し、これを画像化する装置である。この様態の代表的な装置として、電子源を荷電粒子源に用いた走査電子顕微鏡が広く知られており、１次電子線を小さく集束させることで微細形状を観察できることから、半導体製造プロセスにおける微細回路パターンの寸法計測等に用いられている。

１次電子線を試料に照射した際に得られる２次信号は、２次電子や反射電子など様々なエネルギーを有する信号である。この２次信号のエネルギーを選択して検出することで、所望の情報を有する画像を取得することができる。１次電子の光路上に２次信号が進行し、１次電子光路の軸外に２次信号を検出するための検出器が配置された光学系においては、１次電子線を偏向させずに２次信号を偏向させる必要がある。

これを実現する手段として、ウィーンフィルタを２次信号の偏向手段に用いた装置が特許文献１に記載されている。特許文献１には、１次電子線の偏向角度の変化による像面湾曲の変化を、対物レンズの磁極、及び、Ｅ×Ｂ分離器で偏向色収差を発生させることで補正することが記載されている。

また、幾何収差である像面湾曲や非点収差を抑制した装置が、特許文献２に記載されている。特許文献２には、偏向色収差補正素子として動作するウィーンフィルタにより生じる像面湾曲と非点収差を偏向収差補正素子内で補正することが記載されている。

特開２００３−１８７７３３号公報 国際公開第２０１２／０５００１８号

ところで、ウィーンフィルタを検出器に２次信号の偏向器として利用し、２次信号のエネルギーを切り替えて検出する場合、ウィーンフィルタの作用量を切り替える必要が生じる。その際、ウィーンフィルタで発生する像面湾曲や非点収差などの１次電子線の収差量も変化するため、試料上での焦点位置が変化する。特に検出する２次信号のエネルギーを大きく切り替える場合に焦点位置の変化が顕在化することになる。さらに、検出する２次信号のエネルギーを切り替えた際、試料上での焦点位置を補正する手段で焦点ずれを補正すると１次電子線の偏向感度に影響を及ぼし、取得画像の表示寸法に誤差が生じるという課題がある。

前述の先行技術文献では、ウィーンフィルタで偏向する２次信号のエネルギーを切り替えることで生じる焦点ずれ、偏向感度ずれは想定されていない。そのため、特許文献１では、ウィーンフィルタが１次電子を偏向する偏向器の一部として動作し、１次電子偏向器よりも試料側に配置された静電レンズを連動させて焦点ずれを補正するという効果にとどまる。特許文献２ではウィーンフィルタを２次信号の偏向器として用いていない。

本発明の目的は、２次信号の偏向器として作用するウィーンフィルタの動作条件を変更した際に発生する焦点ずれや非点収差を補正し、かつ取得画像の表示寸法を一定に保持することのでき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、代表的な本発明の荷電粒子線装置の一つは、荷電粒子線を集束する２段のレンズのうち試料側に配置されたレンズと検出器の間にウィーンフィルタを配置し、さらにウィーンフィルタと２段のレンズのうち荷電粒子源側に配置されたレンズを連動して制御する演算装置を設けるものである。

例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例をあげるならば、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された１次荷電粒子線を試料上に集束する２段のレンズであって、前記荷電粒子源側に配置された第１のレンズと、前記試料側に配置された第２のレンズとを備える２段のレンズと、前記１次荷電粒子線の前記試料上での照射位置を規定する偏向器と、前記２段のレンズの間に配置され、前記１次荷電粒子線が照射されたことにより前記試料から発生する２次荷電粒子信号を検出する検出器と、前記検出器と前記第２のレンズとの間に配置され、前記２次荷電粒子信号を偏向する第１のウィーンフィルタと、前記第１のウィーンフィルタと前記第１のレンズとを連動して制御する演算装置と、を備える荷電粒子線装置が提供される。

本発明によれば、２次信号の偏向器として作用するウィーンフィルタの動作条件を変更した際に発生する焦点ずれや非点収差を補正し、取得画像の表示寸法を一定に保持することができる。

本発明に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施例の説明により明らかにされる。

第１実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の全体構成図である。 第１実施例に係るウィーンフィルタを通過する２次電子の軌道を説明する模式図である。 第１実施例に係るウィーンフィルタとコンデンサレンズの連動制御の説明する模式図である。 第１実施例に係る画像取得条件設定用ＧＵＩ画面の構成例を示す図である。 第２実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の全体構成図である。 第３実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の全体構成図である。 第４実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の全体構成図である。 第５実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の全体構成図である。 第５実施例に係る画像取得条件設定用ＧＵＩ画面の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、添付図面は本発明の原理に則った具体的な実施例を示しているが、これらは本発明の理解のためのものであり、決して本発明を限定的に解釈するために用いられるものではない。

試料観察装置としては、荷電粒子源から放出された１次荷電粒子線（代表的には、電子）を試料表面で走査して、二次的に発生する２次荷電粒子の信号を検出する荷電粒子線装置がある。本発明は、荷電粒子線装置全般に適用可能である。荷電粒子線装置の代表的な例として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）がある。

［第１実施例］
第１実施例について、図１〜図４を用いて説明する。図１は本実施例に係る荷電粒子線装置の一形態である、走査電子顕微鏡の全体構成図である。

走査電子顕微鏡は、電子光学系鏡筒９１と、電子光学系鏡筒９１の各種構成要素への動作電圧・駆動電流を供給するための電源ユニット９２と、システム全体を統括制御する演算装置９３と、当該演算装置９３に付随する記憶装置９４と、入出力装置９５等を備える。入出力装置９５は、マウスやキーボードなどの入力装置と、ディスプレイ（表示部）などの出力装置を備える。

電子光学系鏡筒９１は、電子源１と、観察試料２と、検出器５と、電流制限絞り６と、対物レンズ１１と、コンデンサレンズ１２と、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と、２段の走査偏向器３０とを備える。検出器５は、２段のレンズ（対物レンズ１１、コンデンサレンズ１２）の間に配置されている。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３は、静電偏向器２１と電磁偏向器２２とから構成される。また、２段の走査偏向器３０は、上段走査偏向器３１と下段走査偏向器３２とから構成される。

電子源１から放出された１次電子ビーム３は、コンデンサレンズ１２と対物レンズ１１を順に通過して観察試料２上に微小スポットとして集束された状態で照射される。途中、観察試料２上の１次電子ビーム３は、上段走査偏向器３１と下段走査偏向器３２からなる２段の走査偏向器３０により２次元的に走査される。

１次電子ビーム３の照射によって観察試料２から放出された２次電子や反射電子などの２次信号４は、２段のレンズ（対物レンズ１１、コンデンサレンズ１２）の間にある検出器５によって検出される。検出器５によって検出された信号は演算装置９３に送られる。演算装置９３では、入力された情報に基づいて画像処理が行われ、２次元的に走査された１次電子ビーム３の照射位置に対応した２次元画像が入出力装置９５のディスプレイなどに表示される。

２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３は、検出器５よりも観察試料２側に配置されている。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３は、検出器５と対物レンズ１１との間に配置され、２次電子や反射電子を検出器５の方向に偏向させる。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３では、静電偏向器２１の電場と電磁偏向器２２の磁場を直交させることにより、１次電子ビーム３を偏向させずに２次電子や反射電子を検出器５の方向に偏向させることができる。ここでは、１次電子ビーム３を偏向させないウィーンフィルタの動作条件をウィーン条件と呼ぶ。本実施例で記載するウィーンフィルタは、特段の事情がない限り１次電子ビーム３を偏向させない条件で用いるものとする。

電源ユニット９２は、電子光学系鏡筒９１の各構成部品の制御電源の集合である。電源ユニット９２は、演算装置９３により制御される。電源ユニット９２は、電子源１の印加電圧を制御する電圧源５１と、静電偏向器２１の印加電圧を制御する電圧源５３と、コンデンサレンズ１２に印加する電流を制御する電流源５２と、対物レンズ１１に印加する電流を制御する電流源５７、電磁偏向器２２のコイルに印加する電流を制御する電流源５４と、上段走査偏向器３１及び下段走査偏向器３２のそれぞれに印加する電流を制御する電流源５５、５６とを備える。上段走査偏向器３１及び下段走査偏向器３２が静電偏向器の場合は、電流源５５、５６の代わりに電圧源を備えてもよい。

図２は、２次信号偏向用ウィーンフィルタを通過する２次電子や反射電子の軌道の詳細を示したものである。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３では、ウィーン条件が保持されるように静電偏向器２１の電圧源５３と電磁偏向器２２の電流源５４が駆動される。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３に進入した２次電子及び反射電子４は、エネルギーの低い２次電子７とエネルギーの高い反射電子８に分離され、２次電子７が検出器５に入射する。反射電子８を検出器５に入射させたい場合は、反射電子８が破線で示す反射電子１０の軌道となるように、ウィーン条件を保持したまま電圧源５３と電流源５４の出力を変化させる。このとき、２次電子７は破線で示す２次電子９に軌道が変化する。このように電圧源５３と電流源５４の出力を切り替えることで、検出する２次信号のエネルギーを選択することができる。

図３は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３とコンデンサレンズ１２とを連動して制御する構成の詳細を模式的に示したものである。演算装置９３は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の２次電子信号の偏向量からコンデンサレンズ１２の作用量（電流源５２への指示値）を算出し、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３とコンデンサレンズ１２とを連動して制御する。

演算装置９３は、コンデンサレンズ１２の駆動電流計算部７１と、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３に連動するコンデンサレンズ１２の駆動電流計算部７２と、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３を構成する静電偏向器２１の印加電圧計算部７３と、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３を構成する電磁偏向器２２の駆動電流計算部７４とを備える。

コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１と１次電子エネルギーの指示値４２をコンデンサレンズ１２の駆動電流計算部７１に入力すると、駆動電流計算部７１は、コンデンサレンズ１２の電流源５２の指示値を出力する。これにより、コンデンサレンズ１２が作動し、コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１の位置で１次電子ビーム３が集束する。コンデンサレンズ合焦点位置は、通常、対物レンズ１１とコンデンサレンズ１２との間に設定される。

検出電子エネルギーの指示値４３を静電偏向器２１の印加電圧計算部７３に入力すると、印加電圧計算部７３は、静電偏向器２１の電圧源５３の指示値を出力する。さらに、検出電子エネルギーの指示値４３と１次電子エネルギーの指示値４２を電磁偏向器２２の駆動電流計算部７４に入力すると、駆動電流計算部７４は、ウィーン条件を満足させるように電磁偏向器２２の電流源５４の指示値を出力する。これにより、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３が動作し、２次信号が偏向される。それと同時に、１次電子ビーム３の観察試料２上での焦点位置がずれる。観察試料２上での焦点位置ずれをΔＦ１、対物レンズ１１の縮小率をＭとすると、ΔＦ１を補正するのに必要な対物レンズ１１の物面位置の補正量ΔＦ２は次式で換算される。

ΔＦ２はコンデンサレンズ１２で設定可能であることから、ΔＦ１をコンデンサレンズ１２で補正することができる。

コンデンサレンズ１２の電流源５２に入力する電流値の変化量は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３に連動するコンデンサレンズ１２の駆動電流計算部７２で算出される。駆動電流計算部７２には、コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１、１次電子エネルギーの指示値４２、及び、検出電子エネルギーの指示値４３が入力される。検出電子エネルギーの指示値４３の代わりに静電偏向器２１の印加電圧計算部７３の出力値を駆動電流計算部７２に入力してもよい。

コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１が設定されると、コンデンサレンズ合焦点位置と２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の作用位置との距離Ｌ１が得られる。２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の静電偏向器２１を単体で動作させたときに２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３からＬ１離れた位置での１次電子ビーム３の偏向量Ｘ１は以下で示される。

ｓ１は静電偏向器２１の偏向感度、Ｖ１は静電偏向器２１の動作電圧である。Ｖ１は検出電子エネルギーの指示値４３が定まれば決定される。ΔＦ２はウィーンフィルタの１次電子ビーム３への作用量であるＸ１を用いると次式となる。

ここで、ｋ１は２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の作用量を焦点位置ずれに換算する係数であり、計算器シミュレーションもしくは装置調整によって得られる値である。コンデンサレンズ１２でΔＦ２だけコンデンサレンズ合焦点位置を変化させるのに必要となる、電流源５２に入力する電流値の変化量（補正値）は、コンデンサレンズ合焦点の指示値４１にΔＦ２を加算した値と、１次電子エネルギーの指示値４２とによって算出され、駆動電流計算部７２の出力値となる。

演算装置９３は、駆動電流計算部７１の出力値と駆動電流計算部７２の出力値とを加算した値を電流源５２に入力する。駆動電流計算部７１の出力値と駆動電流計算部７２の出力値との加算値が電流源５２に入力されると、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の動作によって発生した１次電子ビーム３の観察試料２上での焦点位置ずれを、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と連動して、コンデンサレンズ１２で補正することができる。

上記の例では、駆動電流計算部７２において補正値を計算しているが、補正値は別の方法で電流源５２に入力されてもよい。例えば、コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１、１次電子エネルギーの指示値４２、及び、検出電子エネルギーの指示値４３に対応する補正値をあらかじめテーブルに定義しておき、記憶装置９４に格納していてもよい。コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１、１次電子エネルギーの指示値４２、及び、検出電子エネルギーの指示値４３が駆動電流計算部７２に入力されたとき、駆動電流計算部７２が、当該テーブルを参照して、補正値を出力するようにしてもよい。

図４は、前述のコンデンサレンズ合焦点位置、１次電子エネルギー、および検出電子エネルギーなどを設定し、またその時に得られる走査電子顕微鏡像を表示するためのＧＵＩ画面の構成例を示したものである。

ＧＵＩ画面１０１は、入出力装置９５上に表示される。ＧＵＩ画面１０１は、画像表示部１０２と、光学モードを設定するためのボタン１０３と、１次電子ビーム３の観察試料２への照射電圧を設定するためのボタン１０４と、検出モードを設定するためのボタン１０５と、画像表示部１０２に表示される画像の撮像倍率を設定するためのボタン１０６と、対物レンズ１１の励磁条件を設定するためのスクロールバー１０７および対物レンズ１１の励磁条件の表示部１０８と、対物レンズ１１のオートフォーカスを実行するためのボタン１０９と、走査偏向器の動作を指示するためのボタン１１０と、画像表示部１０２に表示された画像を記憶装置９４に格納するためのボタン１１１と、画像表示部１０２に表示された画像上の観察物の寸法を計測するためのボタン１１２などから構成される。

ボタン１０６の設定は、画像表示部１０２に表示される画像のＦＯＶ(Field Of View)でもよい。ボタン１０３で設定される光学モードは、観察試料２上での１次電子ビーム３のビーム開口角やプローブ電流の制御範囲を設定するものであり、光学モードを設定すると、コンデンサレンズ１２の合焦点位置が決まる。ボタン１０４で加速電圧（Ｖａｃｃ）を設定すると、１次電子エネルギーが決まる（すなわち、１次電子エネルギーの指示値４２＝Ｖａｃｃ）。ボタン１０５で検出モードを設定すると、検出器５で検出する検出電子エネルギーが決まる。例えば、ボタン１０５で検出モードを設定すると、図３で説明したように、検出する２次信号のエネルギーを選択することができる。

本実施例の効果について説明する。本実施例の構成によれば、ウィーンフィルタで偏向する２次信号の偏向量を任意に偏向しても１次電子ビーム３（１次荷電粒子線）の偏向器での偏向感度を一定に保持することが可能となる。したがって、図４のＧＵＩ画面１０１上での操作は以下のようになる。

ボタン１１０を操作して画像表示部１０２に画像を表示した後、ボタン１１２を操作すると、２本のカーソル１１３が出現する。２本のカーソル１１３を動かして観察物の寸法を計測する。寸法計測には等間隔のピッチで形成されたラインパターンのピッチ幅が望ましいが、ラインパターンに限らずホールパターンなど計測できるものであれば何でもよい。この時の計測値が寸法計測値表示部１１４に表示される。

その後、ボタン１０５を操作して検出モードを切り替えた後、ボタン１１０を操作して画像表示部１０２に画像を再表示する。ここで、ボタン１０５の走査により２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の作用量が変化するが、その際に発生する１次電子ビーム３の観察試料２上での焦点位置ずれは図３で説明した動作によって補正される。その結果、スクロールバー１０７の再設定やボタン１０９の操作をせずに、対物レンズ１１の励磁条件の表示部１０８の表示値を保持したままで、画像表示部１０２に焦点ずれのない鮮明な画像が表示される。

その後ボタン１１２を操作してボタン１０５の操作前の観察箇所と同一箇所の寸法を計測すると、寸法計測値表示部１１４に表示される寸法値が、計測精度内のばらつきでボタン１０５の操作前に得た寸法値と一致する。本実施例では、ウィーンフィルタ２３の動作条件を変更した際に、それによって発生する焦点ずれや非点収差を同期して補正することができる。以上の動作により、ウィーンフィルタ２３の動作条件を変更した場合においても、画像表示部１０２における画像の撮像倍率を変動させることなく、画像を取得することができる。

従来では、ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合、対物レンズの励磁条件等を再設定する必要があり、画像の撮像倍率が変動し、取得画像の表示寸法を一定に保持することができなかった。これに対して、本実施例の構成によれば、２次信号の偏向器として作用するウィーンフィルタ２３の動作条件を変更した際に、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と連動するコンデンサレンズ１２で焦点ずれや非点収差を補正し、取得画像の表示寸法を一定に保持することができる。

［第２実施例］
第２実施例について、図５を用いて説明する。なお、第１実施例に記載され本実施例に未記載の事項は、特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

図５は、本実施例に係る荷電粒子線装置の一形態である、走査電子顕微鏡の全体構成図である。第１実施例とは、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３で発生する偏向色収差を補正する目的で色収差補正用ウィーンフィルタ２６が搭載されている点で相違している。なお、図１と同一の符号は同一の構成を示す。

色収差補正用ウィーンフィルタ２６は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３よりも電子源１側に配置されている。具体的には、色収差補正用ウィーンフィルタ２６は、コンデンサレンズ１２と電流制限絞り６との間に配置されている。色収差補正用ウィーンフィルタ２６は、静電偏向器２４と電磁偏向器２５とから構成される。

色収差補正用ウィーンフィルタ２６では、ウィーン条件が保持されるように静電偏向器２４の電圧源５８と電磁偏向器２５の電流源５９が駆動される。コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１が設定されると、Ｌ１と同時にコンデンサレンズ合焦点位置と色収差補正用ウィーンフィルタ２６の作用位置との距離Ｌ２が得られる。色収差補正用ウィーンフィルタ２６の静電偏向器２４を単体で動作させたときに色収差補正用ウィーンフィルタ２６からＬ２離れた位置での１次電子ビーム３の偏向量Ｘ２は以下で示される。

ｓ２は静電偏向器２４の偏向感度、Ｖ２は静電偏向器２４の動作電圧である。また、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３で発生する偏向色収差Ｄ１と色収差補正用ウィーンフィルタ２６で発生する偏向色収差Ｄ２は次式で示される。

ここで、ｃ１は静電偏向器２１の偏向色収差係数であり、ｃ２は電磁偏向器２２の偏向色収差の偏向色収差係数であり、ｃ３は静電偏向器２４の偏向色収差係数であり、ｃ４は電磁偏向器２５の偏向色収差係数であり、Ｖ０は電子源１から放出された１次電子エネルギーであり、ΔＶ０は電子源１から放出された１次電子の色分散である。なお、ｃ１〜ｃ４の係数は、あらかじめ得られる値である。色収差補正用ウィーンフィルタ２６は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３で発生する偏向色収差を打ち消すように動作させるので、以下の関係が成り立つ。

Ｖ２の正負符号はコンデンサレンズ合焦点位置が２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６の間に位置する場合はＶ１と同符号であり、その他の場合はＶ１と逆符号となる。この条件で制御した場合、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６の動作によって生じる観察試料２上での焦点位置ずれを補正するのに必要な対物レンズ１１の物面位置の補正量ΔＦ２は次式で換算される。

ここで、ｋ２は色収差補正用ウィーンフィルタ２６の作用量を焦点位置ずれに換算する係数で、計算器シミュレーションもしくは装置調整によって得られる値である。これより、色収差補正用ウィーンフィルタ２６の動作分だけ増加した物面位置の補正量は、コンデンサレンズ合焦点位置と２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の作用位置との距離Ｌ１および検出電子エネルギーの指示値４３によって決定される。よって、第１実施例で説明したようにΔＦ２だけコンデンサレンズ合焦点位置を変化させれば、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６の動作によって生じる観察試料２上での焦点位置ずれを補正することができる。したがって、図３で説明した構成と同じ構成を用いて、駆動電流計算部７２が、上述したΔＦ２だけコンデンサレンズ合焦点位置を補正した値を算出すればよい。

以上の構成により、演算装置９３は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６と電子源１側に配置されたコンデンサレンズ１２とを連動して制御する。その結果、ウィーンフィルタ２３、２６の動作条件を変更した場合においても表示画像の撮像倍率を変動させることなく画像を取得することができる。

［第３実施例］
第３実施例について、図６を用いて説明する。なお、第１実施例または第２実施例に記載され本実施例に未記載の事項は、特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

図６は、本実施例に係る荷電粒子線装置の一形態である、走査電子顕微鏡の全体構成図である。なお、図５と同一の符号は同一の構成を示す。本実施例では、第２実施例に対して、コンデンサレンズ１３が、コンデンサレンズ１２よりも電子源１側に追加されている。本実施例は、２つのコンデンサレンズ１２、１３を独立に制御することで１次電子ビーム３のビーム開口角とプローブ電流の制御範囲を独立に設定することができる構成となっている。

また、対物レンズ１１の磁路の一部が絶縁体１４によって電気的に分離されている。対物レンズ１１のポールピース１５に電圧を印加することで静電レンズとしても作用させることができると同時に、観察試料２に電圧を印加することも可能である。本実施例では、これらの設定電圧の最適化により高分解能化することが可能である。コンデンサレンズ１３には、電流源６０が接続されており、ポールピース１５と観察試料２には、それぞれ電圧源６１、電圧源６２が接続されている。

本実施例では、１次電子ビーム３の観察試料２への照射電圧Ｖａｃｃは、観察試料２に印加する電圧をＶｒとすると以下で示される。

第３実施例においても、図３で説明した構成と同じ構成によって補正が可能である。本実施例では、図４のＧＵＩ画面１０１内のボタン１０４で設定した照射電圧がＶａｃｃとなる。各ウィーンフィルタ２３、２６を通過する１次電子エネルギーはＶ０である。したがって、ボタン１０４で設定したＶａｃｃにＶｒを加算した値（Ｖａｃｃ＋Ｖｒ）が、１次電子エネルギーの指示値４２として駆動電流計算部７２に入力される。

また、２次信号は観察試料２から放出されたときにＶｒ分のエネルギーを得るので、観察試料２から放出される直前での２次信号のエネルギーＥ１に観察試料２に印加した電圧Ｖｒを加算した値（Ｅ１＋Ｖｒ）が、検出電子エネルギーの指示値４３として駆動電流計算部７２に入力される。

なお、本実施例では、コンデンサレンズ１３が追加されているが、コンデンサレンズ１３を制御することにより、コンデンサレンズ合焦点位置が変更され得る。したがって、コンデンサレンズ１３の制御とも連動して、コンデンサレンズ合焦点位置の指示値４１が変更され得る。

各ウィーンフィルタの動作によって生じる観察試料２上での焦点位置ずれは、第２実施例と同じく走査偏向器３１、３２よりも電子源１側のレンズで補正すればよい。本実施例では、ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合、コンデンサレンズ１２もしくはコンデンサレンズ１３で補正を行えばよい。したがって、コンデンサレンズ１２で補正する場合、図３で説明した構成と同じ構成を用いればよい。また、コンデンサレンズ１３で補正する場合、駆動電流計算部７２の出力値と、コンデンサレンズ１３用の駆動電流計算部（図示を省略）の出力値とを加算した値を電流源６０に入力すればよい。

本実施例では、演算装置９３が、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６と電子源１側に配置されたコンデンサレンズ１２、１３とを連動して制御する。各ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合においても、コンデンサレンズ１２もしくはコンデンサレンズ１３で補正することで、表示画像の撮像倍率を変動させることなく、画像を取得することができる。

なお、観察試料２から放出される直前での２次信号のエネルギーの分布は、既知であり、予め得ることができる。図４のＧＵＩ画面１０１内のボタン１０５で変更できる各検出モードと、観察試料２から放出される直前での２次信号のエネルギーＥ１の値との関係は、あらかじめ記憶装置９４に格納されていてもよい。したがって、ＧＵＩ画面１０１内のボタン１０５を操作して検出モードが変更されたとき、その検出モードに対応するＥ１の値に切替えられ、切替えた後のＥ１の値に観察試料２に印加した電圧Ｖｒを加算した値（Ｅ１＋Ｖｒ）が、検出電子エネルギーの指示値４３として駆動電流計算部７２に入力される。これにより、ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合において、表示画像の撮像倍率を変動させることなく、画像を取得することができる。

［第４実施例］
第４実施例について、図７を用いて説明する。なお、第１実施例から第３実施例のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

図７は本実施例に係る荷電粒子線装置の一形態である、走査電子顕微鏡の全体構成図である。なお、図６と同一の符号は同一の構成を示す。第３実施例に対して、２段の走査偏向器３０で偏向される位置をビーム偏向で移動させる目的で動作する２段の視野移動偏向器３５、２段の視野移動偏向器３５に連動して動作するウィーンフィルタ２９、及び、静電レンズ１６が追加されている。２段の視野移動偏向器３５は、上段視野移動偏向器３３と下段視野移動偏向器３４とから構成される。ウィーンフィルタ２９は、静電偏向器２７と電磁偏向器２８とから構成される。

上段視野移動偏向器３３には電流源６５が接続され、下段視野移動偏向器３４には電流源６６が接続され、静電偏向器２７には電圧源６３が接続され、電磁偏向器２８には電流源６４が接続され、静電レンズ１６には電圧源６７が接続されている。上段視野移動偏向器３３及び下段視野移動偏向器３４が静電偏向器の場合は、電流源６５、６６の代わりに電圧源を接続してもよい。

観察試料２から発生した２次信号４は、上段視野移動偏向器３３と下段視野移動偏向器３４の偏向場によって偏向作用を受ける。この偏向によって２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の位置で２次信号４が軸中心から離軸した位置を通過する。ウィーンフィルタ２９は、上段視野移動偏向器３３と下段視野移動偏向器３４の動作に連動して２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の位置で２次信号４が軸中心を通過するように２次信号４を偏向する。このときに、ウィーンフィルタ２９の動作量に応じて１次電子ビーム３の観察試料２上での焦点位置がずれるので、２段の視野移動偏向器３５よりも電子源１側のレンズで焦点位置ずれを補正する。この焦点位置ずれの補正はコンデンサレンズ１２もしくはコンデンサレンズ１３で行ってもよいが、２段の視野移動偏向器３５に連動した焦点位置ずれの補正は高速での動作が求められるので、本実施例では静電レンズ１６で行うのが望ましい。

演算装置９３は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３の２次電子信号の偏向量と、ウィーンフィルタ２９の２次電子信号の偏向量から、コンデンサレンズ１２の作用量及び静電レンズ１６の作用量を算出し、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６とウィーンフィルタ２９とコンデンサレンズ１２と静電レンズ１６を連動して制御する。

コンデンサレンズ合焦点位置とウィーンフィルタ２９の作用位置との距離をＬ３、ウィーンフィルタ２９の静電偏向器２７を単体で動作させたときにウィーンフィルタ２９からＬ３離れた位置での１次電子ビーム３の偏向量をＸ３、静電偏向器２７の偏向感度をｓ３、静電偏向器２７の動作電圧Ｖ３とすると、各ウィーンフィルタの動作によって生じる観察試料２上での焦点位置ずれを補正するのに必要な対物レンズ１１の物面位置の補正量ΔＦ２は次式で換算される。

ここで、ｋ３はウィーンフィルタ２９の作用量を焦点位置ずれに換算する係数で、計算器シミュレーションもしくは装置調整によって得られる値である。このうち、数８に対して追加された第３項を静電レンズ１６で補正する。なお、図７には記載していないが、本機能は、演算装置９３内にウィーンフィルタ２９と静電レンズ１６を連動して制御する演算部を設けることで実現できる。一例として、当該演算部には、コンデンサレンズ合焦点位置とウィーンフィルタ２９の作用位置との距離Ｌ３、静電偏向器２７の偏向感度ｓ３、及び、静電偏向器２７の動作電圧Ｖ３が、入力値として入力される。演算部は、これらの入力値によって、数１０の第３項の値を求める。演算部は、求めた第３項の値で補正した値を静電レンズ１６用の電圧源６７に入力すればよい。

なお、本実施例では数１０の第３項のみを静電レンズ１６で補正する例を説明したが、数１０のすべてを静電レンズ１６で補正しても同様の効果が得られる。演算装置９３は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と色収差補正用ウィーンフィルタ２６とウィーンフィルタ２９と静電レンズ１６を連動して制御する。この場合、駆動電流計算部７２で計算される数８の値に上記第３項を加算した値を補正値として、静電レンズ１６用の電圧源６７に入力すればよい。

本実施例では、ウィーンフィルタ２９の動作条件を変更した場合においても、表示画像の撮像倍率を変動させることなく画像を取得することができる。

［第５実施例］
第５実施例について、図８と図９を用いて説明する。なお、第１実施例から第４実施例のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は、特段の事情がない限り本実施例にも適用することができる。

図８は本実施例に係る荷電粒子線装置の一形態である、走査電子顕微鏡の全体構成図である。なお、図７と同一の符号は同一の構成を示す。第４実施例に対して、非点補正器３６が追加されている。非点補正器３６には電流源６８が接続されている。

ウィーンフィルタを動作させることで発生する非点収差は、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３および２段の視野移動偏向器３５に連動して動作するウィーンフィルタ２９の動作量の関数で記載することができる。よって、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３に連動して動作する色収差補正用ウィーンフィルタ２６、及びウィーンフィルタ２９のそれぞれの動作によって発生した非点収差は、各ウィーンフィルタの動作量に連動して非点補正器３６を制御することによって、ウィーンフィルタの動作で発生した非点を自動的に補正することができる。

なお、図８には記載していないが、本機能は、演算装置９３内に、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３と非点補正器３６を連動して制御する演算部、及び、ウィーンフィルタ２９と非点補正器３６を連動して制御する演算部を設けることで実現できる。これらの演算部は、検出モード（図９のボタン１０５）が切り替えられた際に、上記関数に基づいて計算された非点収差の補正値を非点補正器３６に入力する。したがって、ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合においても、２次信号偏向用ウィーンフィルタ２３及びウィーンフィルタ２９と非点補正器３６を連動して制御することによって、ウィーンフィルタの動作で発生した非点を自動的に補正することができる。

図９は、本実施例のＧＵＩ画面の構成例を示したものである。第１実施例に記載の図４のＧＵＩに対して、Ｘ方向非点補正器の条件を設定するためのスクロールバー１１５、Ｙ方向非点補正器の条件を設定するためのスクロールバー１１６、Ｘ方向非点補正器設定値の表示部１１７、Ｙ方向非点補正器設定値の表示部１１８、及び、自動で非点補正を実行するためのボタン１１９が追加されている。

ボタン１０５で検出モードを切り替えると、ウィーンフィルタの動作条件の変化分に応じて自動で非点補正器３６の設定条件が変化する。本実施例では、上記の演算部で計算された補正値によって、自動的にＸ方向非点補正器設定値の表示部１１７とＹ方向非点補正器設定値の表示部１１８の表示が更新される。すなわち、ボタン１０５で検出モードを切り替えると、スクロールバー１１５、スクロールバー１１６、及びボタン１１９を操作することなく、Ｘ方向非点補正器設定値の表示部１１７とＹ方向非点補正器設定値の表示部１１８の表示が更新される。ボタン１０５で同一の操作のみを実施した場合、表示部１１７と表示部１１８に表示される数字の変化量は常に一定となる。その結果、ウィーンフィルタの動作条件を変更した場合においても、表示画像の撮像倍率を変動させることなく画像を取得することができる。

本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることもできる。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることもできる。また、各実施例の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

上記の演算装置９３の各計算部などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリやハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）などの記憶装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤなどの記憶媒体に置くことができる。また、上記で説明した演算装置９３の各計算部などは、それらの一部あるいは全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。

また、図面における制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。全ての構成が相互に接続されていてもよい。

１…電子源、２…観察試料、３…１次電子ビーム、４…２次信号、５…検出器、６…電流制限絞り、７…２次電子、８…反射電子、９…２次電子、１０…反射電子、１１…対物レンズ、１２…コンデンサレンズ、１３…コンデンサレンズ、１４…絶縁体、１５…ポールピース、１６…静電レンズ、２１…静電偏向器、２２…電磁偏向器、２３…２次信号偏向用ウィーンフィルタ、２４…静電偏向器、２５…電磁偏向器、２６…色収差補正用ウィーンフィルタ、２７…静電偏向器、２８…電磁偏向器、２９…ウィーンフィルタ、３１…上段走査偏向器、３２…下段走査偏向器、３３…上段視野移動偏向器、３４…下段視野移動偏向器、３６…非点補正器、４１、コンデンサレンズ合焦点位置の指示値、４２…１次電子エネルギーの指示値、４３…検出電子エネルギーの指示値、５１…電圧源、５２…電流源、５３…電圧源、５４…電流源、５５…電流源、５６…電流源、５７…電流源、５８…電圧源、５９…電流源、６０…電流源、６１…電圧源、６２…電圧源、６３…電圧源、６４…電流源、６５…電流源、６６…電流源、６７…電圧源、６８…電流源、７１…コンデンサレンズの駆動電流計算部、７２…ウィーンフィルタに連動するコンデンサレンズの駆動電流計算部、７３…静電偏向器の印加電圧計算部、７４…電磁偏向器の駆動電流計算部、９１…電子光学系鏡筒、９２…電源ユニット、９３…演算装置、９４…記憶装置、９５…入出力装置、１０１…ＧＵＩ画面、１０２…画像表示部、１０３…ボタン、１０４…ボタン、１０５…ボタン、１０６…ボタン、１０７…スクロールバー、１０８…対物レンズ励磁条件の表示部、１０９…ボタン、１１０…ボタン、１１１…ボタン、１１２…ボタン、１１３…カーソル、１１４…寸法計測値表示部、１１５…スクロールバー、１１６…スクロールバール、１１７…表示部、１１８…表示部、１１９…ボタン

Claims (14)

1. 荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から放出された１次荷電粒子線を試料上に集束する２段のレンズであって、前記荷電粒子源側に配置された第１のレンズと、前記試料側に配置された第２のレンズとを備える２段のレンズと、
   前記１次荷電粒子線の前記試料上での照射位置を規定する偏向器と、
   前記２段のレンズの間に配置され、前記１次荷電粒子線が照射されたことにより前記試料から発生する２次荷電粒子信号を検出する検出器と、
   前記検出器と前記第２のレンズとの間に配置され、前記２次荷電粒子信号を偏向する第１のウィーンフィルタと、
   前記第１のウィーンフィルタと前記第１のレンズとを連動して制御する演算装置と、
   を備え、
   前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量から前記第１のレンズの作用量を算出する
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
   前記演算装置は、前記第１のレンズの合焦点位置、前記１次荷電粒子線のエネルギー、及び、前記検出器での検出電子エネルギーを入力値として、前記第１のレンズの作用量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から放出された１次荷電粒子線を試料上に集束する２段のレンズであって、前記荷電粒子源側に配置された第１のレンズと、前記試料側に配置された第２のレンズとを備える２段のレンズと、
   前記１次荷電粒子線の前記試料上での照射位置を規定する偏向器と、
   前記２段のレンズの間に配置され、前記１次荷電粒子線が照射されたことにより前記試料から発生する２次荷電粒子信号を検出する検出器と、
   前記検出器と前記第２のレンズとの間に配置され、前記２次荷電粒子信号を偏向する第１のウィーンフィルタと、
   前記第１のウィーンフィルタと前記第１のレンズとを連動して制御する演算装置と、
   前記２次荷電粒子信号から得られる画像を表示する表示部と、
   を備え、
   前記第１のウィーンフィルタの動作条件を変更した際に、前記表示部には、撮像倍率が変動することなく前記画像が表示されることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から放出された１次荷電粒子線を試料上に集束する２段のレンズであって、前記荷電粒子源側に配置された第１のレンズと、前記試料側に配置された第２のレンズとを備える２段のレンズと、
   前記１次荷電粒子線の前記試料上での照射位置を規定する偏向器と、
   前記２段のレンズの間に配置され、前記１次荷電粒子線が照射されたことにより前記試料から発生する２次荷電粒子信号を検出する検出器と、
   前記検出器と前記第２のレンズとの間に配置され、前記２次荷電粒子信号を偏向する第１のウィーンフィルタと、
   前記第１のウィーンフィルタと前記第１のレンズとを連動して制御する演算装置と、
   前記第１のウィーンフィルタよりも前記荷電粒子源側に配置された第２のウィーンフィルタと、
   を備え、
   前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタと前記第２のウィーンフィルタと前記第１のレンズとを連動して制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１、３、または４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記偏向器は前記２段のレンズの間に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量から前記第１のレンズの作用量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６に記載の荷電粒子線装置において、
   前記演算装置は、前記第１のレンズの合焦点位置、前記１次荷電粒子線のエネルギー、及び、前記検出器での検出電子エネルギーを入力値として、前記第１のレンズの作用量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
   前記試料に電圧を印加する電圧源をさらに備え、
   前記１次荷電粒子線のエネルギーの入力値は、前記１次荷電粒子線の前記試料への照射電圧に前記試料に印加した電圧の値を加算した値であり、
   前記検出電子エネルギーの入力値は、前記試料から放出される直前での前記２次荷電粒子信号のエネルギーに前記試料に印加した電圧の値を加算した値であることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
   前記偏向器よりも前記荷電粒子源側に配置された第３のレンズと、
   前記２段のレンズの間に配置された第２の偏向器と、
   前記第２の偏向器に連動して動作する第３のウィーンフィルタと、
   をさらに備え、
   前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタと前記第２のウィーンフィルタと前記第３のウィーンフィルタと前記第３のレンズを連動して制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 請求項９に記載の荷電粒子線装置において、
    前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量と前記第３のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量とから、前記第１のレンズの作用量及び第３のレンズの作用量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
11. 請求項９に記載の荷電粒子線装置において、
    前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量と前記第３のウィーンフィルタの前記２次荷電粒子信号の偏向量とから、第３のレンズの作用量を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 請求項９に記載の荷電粒子線装置において、
    前記第３のレンズは静電レンズであることを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 請求項１、３、または４に記載の荷電粒子線装置において、
    非点補正器をさらに備え、
    前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタと前記非点補正器とを連動して制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 請求項９に記載の荷電粒子線装置において、
    非点補正器をさらに備え、
    前記演算装置は、前記第１のウィーンフィルタと前記第３のウィーンフィルタと前記非点補正器とを連動して制御することを特徴とする荷電粒子線装置。

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