JP7340033B2 - 荷電粒子線システム及び荷電粒子線装置の制御システムにより実行される方法 - Google Patents

Description

本開示は、荷電粒子線システムに関する。

本願の背景技術として、例えば特開２００９－１９９９０４号公報（特許文献１）がある。では、特開２００９－１９９９０４号公報には、「一次荷電粒子線を試料上に走査し、当該走査により発生する二次荷電粒子を検出して検出結果を二次荷電粒子信号として出力する荷電粒子光学系と、当該荷電粒子光学系の制御手段と、前記出力された二次荷電粒子信号を処理し、前記一次荷電粒子線の走査領域に対応する画素の二次元分布情報を取得する情報処理装置とを有し、前記荷電粒子光学系は、当該荷電粒子光学系で発生する収差を低減する収差補正器と，前記荷電粒子線を該荷電粒子線の光軸から傾斜させた状態で前記試料上に導く手段とを有し、前記情報処理装置は、前記一次荷電粒子を前記傾斜した状態でかつフォーカスの度合いを変えて前記試料上に走査することにより得られる複数の二次元分布情報から前記荷電粒子光学系に含まれるフォーカスずれ量と非点隔差を計算し、前記一次荷電粒子線を前記傾斜が無い状態で前記試料上に走査して得られる二次元分布情報と、前記計算されたフォーカスずれ量および非点隔差とを用いて、前記荷電粒子光学系に発生する任意の次数の収差係数を計算することを特徴とする荷電粒子線装置。」が記載されている（請求項１参照）。

特開２００９－１９９９０４号公報

従来の荷電粒子線装置は、観察時にフォーカスが試料からずれて観察像がボケた際、像の変化のみではフォーカスが試料に対して上又は下のいずれの方向へずれたかを判別することが難しい。そのためフォーカスがずれた状態からフォーカスを合わせようとする際にはフォーカスを上下両方向へ変化させる、もしくはフォーカスを上下どちらかの方向へ変化させ、フォーカスが更に外れた場合は反対方向へ変化させる、などの制御を行う必要があり、フォーカス調整に時間がかかる。またこのようなフォーカスを変化させることで正しいフォーカス位置を探す方法では、複数フォーカスにおける像を同一視野から取得し比較する必要があるため、基本的に像を取得している間は視野を移動させることができない。

本開示の一態様に係る荷電粒子線システムは、荷電粒子源からの荷電粒子ビームを、荷電粒子光学系を介して試料に照射する荷電粒子線装置と、前記荷電粒子線装置を制御する制御システムと、を含み、前記制御システムは、非点収差を有する前記荷電粒子光学系を介して、前記試料に対して前記荷電粒子ビームを照射して得られた信号に対して、前記荷電粒子ビームの空間的な広がりに対応して変化する指標に基づく評価値を評価し、前記荷電粒子光学系が持つ非点収差と前記評価の結果に基づき、前記試料の高さ位置と前記荷電粒子ビームの収束面の位置関係を求める。

本開示の一態様は、荷電粒子線装置において、試料とフォーカスの位置関係を推定できる。

走査電子顕微鏡システムの基本構成を模式的に示す。 走査透過電子顕微鏡として使用されるシステムの基本構成を模式的に示す。 計算機のハードウェア構成例を示す。 非点収差補正装置の構成例を示す。 電子光学系が有する非点収差の方向及び大きさの変化に対する電子ビーム断面形状の変化例を示す。 非点収差を有していない電子光学系による電子ビームの形状、及び、当該電子ビームによる異なる高さ位置の試料の画像を、模式的に示している。 所定の非点収差を有している電子光学系による電子ビームの形状、及び、当該電子ビームによる異なる高さ位置の試料の画像を、模式的に示している。 非点収差を有してない電子光学系による画像それぞれの、微分画像を示す。 非点収差を有している電子光学系による画像それぞれの、微分画像を示す。 非点収差を有していない電子光学系における画像の鮮鋭度評価値を示す。 非点収差を有している電子光学系における画像の鮮鋭度評価値を示す。 制御システムによる荷電粒子線装置の制御フローの例を示す。 制御システムによる荷電粒子線装置の制御フローの他の例を示す。 制御システムによる荷電粒子線装置の制御フローの他の例を示す。 ユーザが荷電粒子線システムを制御するためのグラフィカルユーザインタフェースの例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 フォーカスずれの評価結果に基づいて視野内の高さ分布を評価する例を示す。 実施例２において、試料高さ位置がフォーカス位置よりも高い場合の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。 実施例２において、試料高さ位置がフォーカス位置よりも低い場合の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。 図１６及び１７を参照して説明した例に対応する制御システムによる荷電粒子線装置の制御フローの例を示す。 非点収差を加えた状態におけるフォーカスずれ評価と、非点収差が加わっていない状態で取得された観察像の表示を、見かけ上同時に行う場合の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。 非点収差補正装置に対して異なるＸパラメータを設定した二つの状態と、Ｘパラメータが０となった状態を順に設定する場合にフォーカスずれを評価する際の、制御フローの例を示す。

以下、添付図面を参照して実施例を説明する。実施例は本開示を実現するための一例に過ぎず、本開示の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。各図において共通の構成については同一の参照符号が付されている。以下において、荷電粒子ビームを試料に照射する荷電粒子線装置の例として、電子ビームを使用した試料の観察装置（電子顕微鏡）を示すが、イオンビームを使用する装置の他、計測装置や検査装置に対しても、本開示の特徴を適用することができる。

［システム構成］
図１は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）システムの基本構成を模式的に示す。ＳＥＭシステムは、ＳＥＭ装置５０及び制御システム４２を含む。ＳＥＭ装置５０は荷電粒子線装置の例であり、電子ビーム源１、引き出し電極２、コンデンサレンズ１１、コンデンサ絞り１２、軸調整偏向器１３、非点収差補正装置１４、スキャン偏向器１５、及び対物レンズ２０を含む。図１において、一つのコンデンサレンズのみが例として符号１１で指示されている。

非点収差補正装置１４はコイルを組み合わせて構成されるもののほか、多極子によって構成されるもの、あるいは複数の多極子の組み合わせによって構成された球面、あるいは各種収差補正を行う装置であってもよい。また各偏向器は異なる高さに配置された複数の偏向器を組み合わせて所定の用途に使用することも可能である。

電子ビーム源１は荷電粒子源の例であり、１次電子ビームを発生する。コンデンサレンズ１１は、１次電子ビームの収束条件を調整する。コンデンサ絞り１２は、１次電子ビームの拡がり角を制御する。軸調整偏向器１３は、対物レンズ２０に対する１次電子ビームの位置を調整する。非点収差補正装置１４が、試料２１に入射する１次電子ビーム（プローブ）のビーム形状を調整する。スキャン偏向器１５は試料２１に入射する１次電子ビームをラスタ走査する。対物レンズ２０は、１次電子ビームの試料２１に対するフォーカス位置を調整する。

ＳＥＭ装置５０は、さらに、試料ステージ２２、反射板１６及び検出器２６を含む。試料ステージ２２は、試料２１の試料室内での位置を決める。試料２１から発生した電子、または試料２１から反射板１６に向かった電子が衝突して生じた電子は、検出器２６によって検出される。

制御システム４２は、ＳＥＭ装置５０を制御する。例えば、制御システム４２は、一次電子ビームの加速電圧や引出し電圧、並びに、レンズ及び偏向器等の構成要素の電流を制御する。また、制御システム４２は、試料ステージ２２を制御することで、試料２１に対する１次電子ビームの照射位置、１次電子ビームのフォーカス位置に対する試料２１の位置関係を調整することができる。

制御システム４２は、検出器２６のゲインやオフセットを制御し、検出された二次電子ビームによる画像を生成する。後述するように、制御システム４２は、画像を評価（解析）して、画像における所定の評価値を計算する。制御システム４２は、計算した評価値に基づいて所定の処理を実行する。

制御システム４２は、制御装置４０及び計算機４１を含む。計算機４１は、制御装置４０を介して、ＳＥＭ装置５０の構成要素を制御する。計算機４１は、プログラム及びプログラムが使用するデータを格納する記憶装置並びに記憶装置に格納されているプログラムに従って動作するプロセッサを含む。プログラムは、ＳＥＭ装置５０の制御プログラム及び画像処理プログラムを含む。

計算機４１は、さらに、ネットワークに接続するためのインタフェース及びユーザインタフェースを含む。ユーザインタフェースは、画像を表示する表示装置及びユーザが計算機４１に指示を行うための入力装置を含む。計算機４１は、制御装置４０を制御する。制御装置４０は、ＡＤ変換器、ＤＡ変換器、メモリ、及びＦＰＧＡもしくはマイクロプロセッサ等の演算装置等の構成要素を含む。

ＳＥＭ像を得る工程を説明する。引き出し電極２は、電子ビーム源１から一次電子ビームを所定引出し電圧で引き出す。光軸と平行な方向をＺ方向、光軸と直交する面をＸＹ平面とする。制御システム４２は、試料ステージ２２のＺ位置調整または対物レンズ２０の制御パラメータ調整によって、一次電子ビームが試料２１の上で収束するように合わせる。この調整は粗調整である。

制御システム４２は、フォーカス粗調整の後、試料ステージ２２のＸＹ移動機構を用いて電子光学系調整用の視野を選択する。この際、視野の選択は装置の使用者によって直接試料ステージ２２のＸＹ移動機構を操作することによって行われてもよい。制御システム４２は、当該電子光学系調整用視野で、軸ずれ、フォーカス及び非点を補正する。具体的には、制御システム４２は、軸調整偏向器１３、非点収差補正装置１４、及び対物レンズ２０の調整パラメータを補正する。

次に、制御システム４２は、試料ステージ２２を用いて、観察視野を撮影用視野に移動し、鮮鋭な画像が観察できる様に対物レンズ２０のフォーカスをユーザ操作により微調整した後又はフォーカス調整機能によって調整された適切なフォーカス位置において、像を取得する。後述するように、制御システム４２のフォーカス判定機能により、視野移動後に素早く試料（表面）の高さ位置に対して適切なフォーカス位置を特定することができる。また、フォーカス追従機能がＯＮである場合、制御システム４２は、常にフォーカスを適切な試料の高さ位置に維持することができる。

図２は、走査透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）として使用されるシステムの基本構成を模式的に示す。ＳＴＥＭシステムは、ＳＴＥＭ装置５１及び制御システム４２を含む。ＳＴＥＭ装置５１は、電子ビーム源１、引き出し電極２、コンデンサレンズ１１、コンデンサ絞り１２、軸調整偏向器１３、非点収差補正装置１４、スキャン偏向器１５、対物レンズ２０、及び試料ステージ２２を含む。図２において、一つのコンデンサレンズのみが例として符号１１で指示されている。これらの機能はＳＥＭ装置５０と同様である。

ＳＴＥＭ装置５１は、試料２１の後側に、対物絞り２３、軸調整偏向器２４、制限視野絞り２５、結像系レンズ３０、及び検出器３１を含む。図２において、一つの結像系レンズのみが例として符号３０で指示されているほか、結像系レンズについてはＳＴＥＭとしての機能を得る上で必ずしも必須ではない。結像系レンズ３０は、試料２１を透過した透過電子ビームを結像する。検出器３１は、結像された電子ビームを検出する。

制御システム４２は、検出された二次電子ビームによる画像を生成する。後述するように、制御システム４２は、複数の画像を評価して、画像それぞれにおける複数位置での所定の評価スコアを計算する。制御システム４２は、計算した評価スコアに基づいて所定の処理を実行する。

制御システム４２は、ＳＥＭシステムと同様に、制御装置４０及び計算機４１を含む。計算機４１が実行するプログラムは、ＳＴＥＭ装置５１の制御プログラム及び画像処理プログラムを含む。

ＳＴＥＭ像を得る工程を説明する。引き出し電極２は、電子ビーム源１から一次電子ビームを所定引出し電圧で引き出す。制御システム４２は、試料ステージ２２上の試料２１に、１次電子ビームを照射する。

制御システム４２は、試料ステージ２２のＺ位置調整または対物レンズ２０の制御パラメータ調整によって、１次電子ビームのフォーカス粗調整を行う。その後、制御システム４２は、試料ステージ２２のＸＹ移動機構を用いて電子光学系調整用の視野を選択する。制御システム４２は、当該電子光学系調整用視野で、光学系のずれ、フォーカス及び非点収差を補正する。具体的には、軸調整偏向器１３、非点収差補正装置１４、及び対物レンズ２０の調整パラメータを補正する。

次に、制御システム４２は、試料ステージ２２を用いて、観察視野を撮影用視野に移動し、鮮鋭な画像が観察できる様に対物レンズ２０のフォーカスをユーザ操作により微調整した後又はフォーカス追従機能により適切なフォーカス位置に調整した後において、画像を取り込む。後述するように、制御システム４２のフォーカス判定機能により、視野移動後に素早く試料（表面）の高さ位置に対して適切なフォーカス位置を特定することができる。また、フォーカス追従機能がＯＮである場合、制御システム４２は、フォーカスを適切な試料の高さ位置に維持することができる。

制御システム４２は、コンデンサレンズ１１、軸調整偏向器１３、非点収差補正装置１４を用いて、１次電子ビームを試料２１に対して入射させる。制御システム４２は、スキャン偏向器１５により１次電子ビームをスキャンする。１次電子ビームが試料２１に入射すると、大部分の電子は試料２１を透過する。結像系レンズ３０は透過電子ビームを検出器３１上に適切な角度で入射させ、ＳＴＥＭ像が得られる。ＳＴＥＭ像の倍率はスキャン偏向器１５を制御する電流によって設定される。

図３は、計算機４１のハードウェア構成例を示す。計算機４１は、プロセッサ４１１、メモリ（主記憶装置）４１２、補助記憶装置４１３、出力装置４１４、入力装置４１５、及び通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）４１７を含む。上記構成要素は、バスによって互いに接続されている。メモリ４１２、補助記憶装置４１３又はこれらの組み合わせは記憶装置であり、プロセッサ４１１が使用するプログラム及びデータを格納している。

メモリ４１２は、例えば半導体メモリから構成され、主に実行中のプログラムやデータを保持するために利用される。プロセッサ４１１は、メモリ４１２に格納されているプログラムに従って、様々な処理を実行する。プロセッサ４１１がプログラムに従って動作することで、様々な機能部が実現される。補助記憶装置４１３は、例えばハードディスクドライブやソリッドステートドライブなどの大容量の記憶装置から構成され、プログラムやデータを長期間保持するために利用される。

プロセッサ４１１は、単一の処理ユニットまたは複数の処理ユニットで構成することができ、単一もしくは複数の演算ユニット、又は複数の処理コアを含むことができる。プロセッサ４１１は、１又は複数の中央処理装置、マイクロプロセッサ、マイクロ計算機、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、ステートマシン、ロジック回路、グラフィック処理装置、チップオンシステム、及び／又は制御指示に基づき信号を操作する任意の装置として実装することができる。

補助記憶装置４１３に格納されたプログラム及びデータが起動時又は必要時にメモリ４１２にロードされ、プログラムをプロセッサ４１１が実行することにより、計算機４１の各種処理が実行される。

入力装置４１５は、ユーザが計算機４１に指示や情報などを入力するためのハードウェアデバイスである。出力装置４１４は、入出力用の各種画像を提示するハードウェアデバイスであり、例えば、表示デバイス又は印刷デバイスである。通信Ｉ／Ｆ４１７は、ネットワークとの接続のためのインタフェースである。

計算機４１の機能は、１以上のプロセッサ及び非一過性の記憶媒体を含む１以上の記憶装置を含む１以上の計算機からなる計算機システムに実装することができる。複数の計算機はネットワークを介して通信する。例えば、計算機４１の複数の機能が複数の計算機に実装されてもよい。

図４Ａは、非点収差補正装置１４の構成例を示す。図４Ａの構成例において、非点収差補正装置１４は、８極子コイルを含む。非点収差補正装置１４は、Ｘ軸ペア（Ｘ１、Ｘ２）の非点収差を補正するコイル（Ｘ軸非点収差補正コイル）Ｘ１１、Ｘ１２、Ｘ２１、Ｘ２２と、Ｙ軸ペア（Ｙ１、Ｙ２）の非点収差を補正するコイル（Ｙ軸非点収差補正コイル）Ｙ１１、Ｙ１２、Ｙ２１、Ｙ２２と、を含む。

Ｘ軸非点収差補正コイルは、Ｙ軸非点収差補正コイルの配置位置に対し、光軸中心の回りに４５度回転した位置に配置される。Ｘ軸非点収差補正コイルＸ１１、Ｘ１２は光軸中心を挟んで対向する。Ｘ軸非点収差補正コイルＸ２１、Ｘ２２は光軸中心を挟んで対向する。Ｙ軸非点収差補正コイルＹ１１、Ｙ１２は光軸中心を挟んで対向する。Ｙ軸非点収差補正コイルＹ２１、Ｙ２２は光軸中心を挟んで対向する。Ｘ１軸、Ｘ２軸、Ｙ１軸、Ｙ２軸の交点は光軸中心に一致することが好ましい。

非点収差補正装置１４は、８極子コイルを用い、電子ビームＥＢの断面形状を変形する。コイルが生成する磁場の方向と、前記磁場が電子ビームに対して与える力の方向は直行関係にあるため、Ｘ軸非点収差補正コイルを用いることによってビームをＹ軸（Ｙ１、Ｙ２）方向に対して変形させ、Ｙ軸非点収差補正コイルを用いることによってビームをＸ軸（Ｘ１、Ｘ２）方向に対して変形させることが可能となる。例として、図４Ａは光軸中心からＸ１軸の正負両方向に引っ張られるように変形された電子ビームＥＢを示している。このような形状に変形した電子ビームＥＢの非点収差補正にはＹ軸非点収差補正コイルが使用される。

制御システム４２は、Ｙ軸非点収差補正コイルＹ１１、Ｙ１２に電流を流し、Ｙ１軸に沿って光軸の方向に向けた磁束の流れを生み出し、また同時に、Ｙ軸非点収差補正コイルＹ２１、Ｙ２２に逆向きの電流を流し、Ｙ２軸においてＹ１軸とは逆向きの磁場を発生させる。その結果、Ｘ１軸上ではＸ１軸に直行する方向、Ｙ１１からＹ２１、Ｙ１２からＹ２１、に向かう方向に磁場が生じることにより電子ビームＥＢに対して楕円の長軸方向（Ｘ１軸）に沿って圧縮される方向に変形し、またＸ２軸上ではＸ２軸に直行する方向、Ｙ１２からＹ２１、Ｙ１１からＹ２２に向かう方向に磁場が生じることにより電子ビームＥＢに対して楕円の長軸方向（Ｘ２軸）に沿って発散される方向に変形する。結果的に、非点収差補正コイルが形成する補正磁場を通過した電子ビームＥＢは円形状に補正される。

Ｙ１軸又はＹ２軸に一致する長軸及びＹ２軸又はＹ１軸に一致する短軸を有する楕円形の断面を持つ電子ビームを補正する場合、制御システム４２は、Ｘ軸非点収差補正コイルを使用する。具体的には、制御システム４２は、Ｘ軸非点収差補正コイルＸ１１、Ｘ１２に電流を流し、Ｘ１軸に沿って光軸に向かう方向、もしくは光軸から離れる方向に向けた磁束の流れを生み出し、また同時に、Ｘ軸非点収差補正コイルＸ２１、Ｘ２２に逆向きの電流を流し、Ｘ２軸においてＸ１軸とは逆向きの磁場を発生させる。これによって電子ビームを円形の断面をもつように補正することが可能となる。

例えば、制御システム４２は、Ｘ軸非点収差補正コイルの電流（Ｘパラメータ）及びＹ軸非点収差補正コイルの電流（Ｙパラメータ）を指定して、非点収差補正装置１４を制御する。非点収差補正装置１４は、指定されたＸ、Ｙパラメータに従って、各補正コイルに電流を与える。

また、上記の説明ではコイルを用いた非点収差補正の例を述べたが、コイルの代わりに電極を使用し、電場による作用を用いることによっても同様の調整を行うことが可能である。この場合、制御を行う電極の方向に対して電子ビームが変形するという点のみが磁場を用いた場合に対する差異となるが、それ以外の点については同様の制御を行うことによって同様の効果を得ることが可能である。また、上述の説明では８極子コイルを用いた非点収差補正の例を述べているが、そのほか１２極子コイルなど異なる数の多極子コイルを用いることにより、異なる対称性を有した収差に対しても補正を行うことが可能である。

［フォーカス調整］
以下において、ＳＥＭ装置５０またはＳＴＥＭ装置５１（以下荷電粒子線装置）により取得された画像の解析及び画像解析結果に基づき、ＳＥＭ装置５０またはＳＴＥＭ装置５１のフォーカス位置を評価し、また必要に応じて調整を行うための方法を説明する。フォーカス位置は、対物レンズ２０の電流により制御できる。対物レンズ電流を調整することで、試料に対するフォーカスの上下位置を調整することができる。

例えば、制御システム４２は、荷電粒子線装置における電子光学系における非点収差に関して少なくともその方向が一定以上の精度で既知となっている状態で、一定フォーカス位置での試料の一つの画像を取得する。さらに計算機４１は上記取得された画像に対して鮮鋭度を評価する。さらに計算機４１は上記既知の非点収差と上記鮮鋭度の値に基づきフォーカス位置と試料の高さ位置との関係を推定する。

この時に必要となる非点収差の方向に関する既知の情報の精度は、非点収差による電子ビームの伸びの方向に換算する場合は±４５°以内、非点収差係数を正負で表す場合にはその符号が区別できるだけの精度があればフォーカス位置と試料の高さ位置との関係を推定することができる。更にその方向が高い精度で既知となっているほど、またその大きさが分かっているほど判定における精度は向上する。

具体的には、計算機４１は、異方性フィルタを使用して、画像における２軸に沿った鮮鋭度の評価値を算出し、それら評価値と既知の非点収差に関する情報とに基づいて試料の高さ位置とフォーカス位置との間の関係を推定する。評価値は、像に含まれる軸に沿った像の強度変化の急峻さまたはその最大値、あるいは所定の基準に対応する空間周波数の高さを表す。

以下に説明するように、計算機４１は、フォーカス位置が試料の上側又は下側に、どの程度離れているかを推定する。以下の説明において、電子ビーム源１の側が試料の上側、その反対側が試料の下側であり、この試料に対する上下方向に沿った位置を高さと呼ぶ。なお、計算機４１は、フォーカス位置が試料の上側又は下側に位置することのみを推定し、それらの距離を推定しなくてもよい。

計算機４１は、鮮鋭度と異なる、空間的な広がりに対応して変化する指標を評価してもよい。その例としては、画像をフーリエ変換した結果における、特定方向の周波数強度スペクトルの広がり、あるいは画像から得られる自己相関、相互相関係数に生じるピーク強度の特定方向に対する広がりなどを用いることができる。また、計算機４１は、２次元画像信号と異なる信号、例えば、一次元の信号を取得し、その信号の空間的な広がりに対応して変化する指標を評価することで、試料の高さ位置とフォーカス位置（ビームの収束面の位置）との関係を求めてもよい。

図４Ｂは電子光学系が有する非点収差の方向及び大きさが変化した際に、電子ビームが収束する部分に対して特定の高さにある面における電子ビームの断面形状がどのように変化するかを示した例である。断面１２１から断面１２５は、非点収差の方向が０°であり、その大きさが変化した場合の例を示す。例として、断面１２３が非点収差量０、断面１２２が非点収差量１、断面１２１が非点収差量２、断面１２４が非点収差量－１、断面１２５が非点収差量－２である場合に対応している。

断面１３１から断面１３５は非点収差の方向が４５°であり、その大きさが変化した場合の例を示す。例として、断面１３３が非点収差量０、断面１３２が非点収差量１、断面１３１が非点収差量２、断面１３４が非点収差量－１、断面１３５が非点収差量－２である場合に対応している。

このときの収差量の単位や収差の絶対量のスケールは条件や基準の取り方に応じて様々な形を取りうる。また別の収差の表現方法として、収差の大きさを正の数値で表現した場合、断面１２４を９０°方向の大きさ１、断面１２５を９０°方向の大きさ２、断面１３４を１３５°方向の大きさ１、断面１３５を１３５°方向の大きさ２、に対応する収差と表現することもできる。

２次の非点収差の場合、１８０°の回転対称性を有しているため、０°方向の収差と１８０°方向の収差は実質的に同等となる。このことに基づき、ビーム断面の長軸方向が０～１８０°の範囲で変化する角度領域を収差の方向の１周期として扱い、この１周期に対して新たに０～３６０°、あるいは－１８０～１８０°などの角度を割り当ててその方向を表現することも可能である。また、任意の方向と大きさを持った収差量を、直交する二方向の成分に分解してそれぞれを実部、虚部とした複素数による表現を用いることも可能である。このような収差の方向は位相とも表現される。

図５は、非点収差を有していない、あるいは非点収差がその影響が無視できる程度に小さい量となっている電子光学系によって電子ビームが収束する部分、及び、当該電子ビームによって異なる高さ位置の試料を観察した際に得られるそれぞれの画像を、模式的に示している。

図５において、１０３はＺ軸を光軸として１つの収束点を持った電子ビームの、Ｚ軸とＸ軸を含む面上における断面を示したものである。更に１０１とその上側に示す複数の円は前記電子ビームの、Ｚ軸上の異なる複数の面における断面形状を示したものであり、図形の横方向と縦方向はそれぞれＸ軸とＹ軸方向に対応する。ビームの収束する位置を基準（Ｚ＝０）とした時の各断面形状１０１に対応するＺ軸上の位置をその左に示しており、例えば単位はμｍである。フォーカス位置より上の位置は正の数字で示され、フォーカス位置より下の位置は負の数字で示されている。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに垂直である。

荷電粒子線装置の電子光学系は非点収差を有していないため、任意の高さ位置（Ｚ軸での位置）におけるビーム断面形状１０１は、円である。図５においては、一つの高さ位置におけるビーム断面形状が例として符号１０１で指示されている。ビーム断面形状の径は、フォーカス位置（Ｚ＝０）において最も小さく、フォーカス位置から離れるにしたがって大きくなる。

そのため、試料の高さ位置が電子ビーム１０３のフォーカス位置（Ｚ＝０）と一致する画像２０３が最も鮮鋭である。試料の高さ位置がフォーカス位置よりも上の位置（Ｚ＝１０）である画像２０１及び試料の高さ位置がフォーカス位置よりも下の位置（Ｚ＝－１０）である画像２０５は、共に、フォーカス位置における画像２０３よりもボケており、その精鋭度は低い。このとき電子光学系は非点収差を有していないため画像２０１及び２０５のボケは等方的である。

図６は、図５で示した電子ビームに対して電子光学系に所定の非点収差が加わった状態における電子ビームの形状、及び、当該電子ビームによる異なる高さ位置の試料の画像を、模式的に示している。１５３は前記電子ビームの、Ｚ軸とＸ軸を含む面上における断面を示したものである。電子ビームの光軸はＺ軸と一致しており、更にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は互いに垂直である。

図６左に示すＺの値はＺ軸上の位置を示しており、図６で示す状態が非点収差を持たない状態、すなわち図５で示す１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃで示す複数の円は電子ビームのＺ軸上の異なる複数の面における断面形状を示したものであり、図形の横方向と縦方向はそれぞれＸ軸とＹ軸方向に対応する。各図形に対応するＺ軸上の位置がその左に示されており、例えば単位はμｍである。図５で示すＺ軸上の位置と図６で示すＺ軸上の位置は同じ位置であり、図５と図６でＺ軸上の同じ位置におけるビーム断面形状を比較することは、所定の非点収差が加わる前後におけるＺ軸上の同一面におけるビーム断面形状の変化を評価することに対応する。

図６においてＺ＝０となる位置におけるビーム断面形状１５１Ａは、円である。荷電粒子線装置の電子光学系は非点収差を有しているため、Ｚ＝０となる位置におけるビーム断面形状１５１Ａの径は、非点収差を有していない電子光学系のＺ＝０となる位置におけるビーム断面形状の径よりも大きい。試料の高さ位置がＺ＝０となる位置と一致する画像２５３は、非点収差を有していない電子光学系によるＺ＝０となる位置での画像２０３と比較して、ややボケている。

非点収差を有している電子光学系において、Ｚ＝０となる位置と異なる位置におけるビーム断面形状は、円と異なる。図６に示す非点収差は、一次の非点収差又は二回対称の非点収差であり、Ｚ＝０となる位置と異なる高さ位置でのビーム断面形状は、楕円形である。

図６においては、Ｚ＝０となる位置よりも高い位置の一つのビーム断面形状が符号１５１Ｂで指示されており、長軸がＸ軸と一致し、短軸がＹ軸と一致している。またＺ＝０となる位置よりも低い位置の一つのビーム断面形状が符号１５１Ｃで指示されており、長軸がＹ軸と一致し、短軸がＸ軸と一致している。

ビーム断面形状は、高さ位置Ｚ＝１０においてＹ軸における最も小さい径を有している。高さ位置が、Ｚ＝１０から離れるにしたがって、Ｙ軸における径が増加する。高さ位置Ｚ＝１０は、Ｙ軸におけるフォーカス位置と見做すことができる。また、ビーム断面形状は、高さ位置Ｚ＝－１０においてＸ軸における最も小さい径を有している。高さ位置が、Ｚ＝－１０から離れるにしたがって、Ｘ軸における径が増加する。高さ位置Ｚ＝－１０は、Ｘ軸におけるフォーカス位置と見做すことができる。

このことより、非点収差を有さない電子光学系ではフォーカス位置の上下近傍においてビームの断面形状は円形で等方的なものとなるのに対し、光学系が非点収差を有する状態ではフォーカス位置の上下近傍においてビームの断面形状は異方的なものとなり、またその方向はフォーカス位置の上下で変化することが分かる。

試料の高さ位置がＺ＝１０であるときの画像２５１は、Ｚ＝０となる位置における画像２５３と比較して、Ｘ軸に沿ったボケは大きく、Ｙ軸に沿ったボケは小さくなっている。そのため、Ｘ軸に沿った鮮鋭度は低く、Ｙ軸に沿った鮮鋭度は高い。これは、高さ位置Ｚ＝１０におけるビーム断面形状のＸ軸における径がＺ＝０となる位置における径より大きく、高さ位置Ｚ＝１０におけるビーム断面形状のＹ軸における径がＺ＝０となる位置における径より小さいことに起因する。

また、試料の高さ位置がＺ＝－１０であるときの画像２５５は、Ｚ＝０となる位置における画像２５３と比較して、Ｘ軸に沿ったボケは小さく、Ｙ軸に沿ったボケは大きくなっている。そのため、Ｘ軸に沿った鮮鋭度は高く、Ｙ軸に沿った鮮鋭度は低い。これは、高さ位置Ｚ＝－１０におけるビーム断面形状のＹ軸における径がＺ＝０となる位置における径より大きく、高さ位置Ｚ＝－１０におけるビーム断面形状のＸ軸における径がＺ＝０となる位置における径より小さいことに起因する。

図７は、非点収差を有してない電子光学系による画像２０１、２０３、２０５それぞれの、微分画像を示す。画像群２１１は、試料の高さ位置がＺ＝１０であるときの画像２０１、画像２０１のＸ軸に沿った微分画像２０１Ｘ、及び、画像２０１のＹ軸に沿った微分画像２０１Ｙで構成されている。

画像群２１３は、試料の高さ位置がフォーカス位置（Ｚ＝０）にあるときの画像２０３、画像２０３のＸ軸に沿った微分画像２０３Ｘ、及び、画像２０３のＹ軸に沿った微分画像２０３Ｙで構成されている。画像群２１５は、試料の高さ位置がＺ＝－１０であるときの画像２０５、画像２０５のＸ軸に沿った微分画像２０５Ｘ、及び、画像２０５のＹ軸に沿った微分画像２０５Ｙで構成されている。

微分画像は、対応する軸に沿った画像強度（輝度）の変化（鮮鋭度）を示し、その強度（輝度）は元画像の強度の勾配が急峻なほど高くなる。図７において、フォーカス位置における微分画像２０３Ｘは、Ｘ軸に沿った他の微分画像２０１Ｘ、２０５Ｘよりも高い最大強度を示している。また、フォーカス位置における微分画像２０３Ｙは、Ｙ軸に沿った他の微分画像２０１Ｙ、２０５Ｙよりも高い最大強度を示している。これは、フォーカス位置におけるビーム断面のＸ軸及びＹ軸に沿った径が、他の高さ位置におけるビーム断面のＸ軸及びＹ軸に沿った径より小さく、得られた画像がＸ軸およびＹ軸それぞれの方向にシャープであることを示す。

図８は、非点収差を有している電子光学系による画像２５１、２５３、２５５それぞれの、微分画像を示す。画像群２６１は、試料の高さ位置がＺ＝１０であるときの画像２５１、画像２５１のＸ軸に沿った微分画像２５１Ｘ、及び、画像２５１のＹ軸に沿った微分画像２５１Ｙで構成されている。

画像群２６３は、試料の高さ位置がフォーカス位置（Ｚ＝０）にあるときの画像２５３、画像２５３のＸ軸に沿った微分画像２５３Ｘ、及び、画像２５３のＹ軸に沿った微分画像２５３Ｙで構成されている。画像群２６５は、試料の高さ位置がＺ＝－１０であるときの画像２５５、画像２５５のＸ軸に沿った微分画像２５５Ｘ、及び、画像２５５のＹ軸に沿った微分画像２５５Ｙで構成されている。

図８において、高さ位置Ｚ＝１０におけるＹ軸に沿った微分画像２５１Ｙは、Ｙ軸に沿った他の微分画像２５３Ｙ、２５５Ｙよりも高い最大強度を示している。これは、高さ位置Ｚ＝１０におけるビーム断面のＹ軸に沿った径が、他の高さ位置のビーム断面のＹ軸に沿った径より小さく、得られた画像がＹ軸方向に対してシャープであることを示す。

また、高さ位置Ｚ＝－１０におけるＸ軸に沿った微分画像２５５Ｘは、Ｘ軸に沿った他の微分画像２５１Ｘ、２５３Ｘよりも高い最大強度を示している。これは、高さ位置Ｚ＝－１０におけるビーム断面のＸ軸に沿った径が、他の高さ位置のビーム断面のＸ軸に沿った径より小さく、得られた画像がＸ軸方向に対してシャープであることを示す。

上述のように、非点収差を有する電子光学系によって得られるビームによって得られる画像は、フォーカス位置に対する試料の高さ位置に依存する鮮鋭度の異方性を有している。図６及び８に示す例において、フォーカス位置（Ｚ＝０）よりも高い位置における試料の画像は、Ｙ軸に沿って高い鮮鋭度を示し、Ｘ軸に沿って低い鮮鋭度を示す。また、フォーカス位置（Ｚ＝０）よりも低い位置における試料の画像は、Ｘ軸に沿って高い鮮鋭度を示し、Ｙ軸に沿って低い鮮鋭度を示す。計算機４１は、非点収差を有する電子光学系における画像において、鮮鋭度の異方性を評価して、当該画像を取得したときの試料の高さ位置とフォーカス位置との関係を推定する。

画像の鮮鋭度の異方性を評価するため、計算機４１は、異なる２軸における鮮鋭度評価値を計算する。一つの軸における鮮鋭度が高いことは、その軸におけるビーム断面形状の径が小さいことを意味する。２軸は、例えば、楕円ビーム断面形状の長軸及び短軸と一致する。これにより、試料の高さ位置の推定に効果的な鮮鋭度評価値を得ることができる。また、電子光学系に対して適切な方向の非点収差を加えることにより、画像を構成する２軸と一致する方向に対して楕円ビームの長軸と短軸を一致させることも可能である。この場合、画像の２軸それぞれの方向における鮮鋭度を評価する際の演算処理が簡潔となる。また鮮鋭度評価値を計算するため、他の２軸が選択されてもよい。フォーカス位置と異なる高さ位置においてビーム断面形状の径が異なる２軸が選択される。２軸は直交していなくてもよい。

次に、２軸の鮮鋭度評価値から試料の高さ位置とフォーカス位置との関係を推定する方法を説明する。以下に説明する例は、図５～図８に示すＸ軸における鮮鋭度評価値（Ｘ鮮鋭度評価値）とＹ軸における鮮鋭度評価値（Ｙ鮮鋭度評価値）から、試料の高さ位置とフォーカス位置との関係を推定する。鮮鋭度評価値の計算方法の詳細は後述するが、ウェーブレット変換や微分フィルタにより適切な鮮鋭度評価値を得ることができる。

図９は、非点収差を有していない電子光学系における画像の鮮鋭度評価値を示す。グラフ３０１は、横軸が試料の高さ位置（Ｚ軸上の位置）、縦軸が画像のＸ鮮鋭度評価値を示す。各点はそれぞれ画像２０１、２０３及び２０５における、Ｘ鮮鋭度評価値を示す。フォーカス位置（Ｚ＝０）にある試料の画像２０３のＸ鮮鋭度評価値が最も高く、フォーカス位置の上下の位置（Ｚ＝－１０、１０）における試料の画像２０１、２０５のＸ鮮鋭度評価値は低い。

グラフ３０２は、横軸が試料の高さ位置（Ｚ軸上の位置）、縦軸が画像のＸ鮮鋭度評価値を示す。各点はそれぞれ画像２０１、２０３及び２０５における、Ｙ鮮鋭度評価値を示す。フォーカス位置（Ｚ＝０）にある試料の画像２０３のＹ鮮鋭度評価値が最も高く、フォーカス位置の上下の位置（Ｚ＝－１０、１０）における試料の画像２０１、２０５のＹ鮮鋭度評価値は低い。

グラフ３０３は、各画像のＸ鮮鋭度評価値からＹ鮮鋭度評価値を引いた値を示す。非点収差を有していない電子光学系における各方向に対する鮮鋭度はいずれも同程度であり、またフォーカス位置が試料の高さ位置から離れた場合に生じる各方向の鮮鋭度の低下は、フォーカス位置が試料の高さ位置から離れる方向には殆ど依存せず、その離れた量のみにおおむね依存する。そのため、それぞれの高さにおけるＸ鮮鋭度評価値からＹ鮮鋭度評価値を引いた値は、いずれの高さにおいても０に近い値となる。

なお、光学系が持つ収差のうち、フォーカスずれ（デフォーカス）と１次の非点収差以外を考慮した場合、前述のフォーカス位置が試料の高さ位置から離れる場合の鮮鋭度の変化はフォーカス位置が離れる方向に対していくらかの依存性を示す。しかし、一般的な電子顕微鏡が適切に調整された状態においては３次の球面収差のみがそのような影響を与えうるものであり、その影響自体は観察像を構成する画素の大きさが３次の球面収差の量と同程度、もしくはそれ以下となるような高い倍率での観察以外ではほとんど無視することができる。また上述したような高い倍率での観察においても非点収差に基づくこれまでに述べたような振る舞いは同様に生じるため、多くの状況において本発明で述べる効果が大きく変化することはない。

図１０は、非点収差を有している電子光学系における画像の鮮鋭度評価値を示す。グラフ３５１は、横軸が試料の高さ位置（Ｚ軸上の位置）、縦軸が画像のＸ鮮鋭度評価値を示す。各点はそれぞれ画像２５１、２５３及び２５５における、Ｘ鮮鋭度評価値を示す。Ｚ＝０となる位置よりも低い位置（Ｚ＝－１０）にある試料の画像２５５のＸ鮮鋭度評価値が最も高く、Ｚ＝０となる位置よりも高い位置（Ｚ＝１０）にある試料の画像２５１のＸ鮮鋭度評価値は最も低い。

グラフ３５２は、横軸が試料の高さ位置（Ｚ軸上の位置）、縦軸が画像のＸ鮮鋭度評価値を示す。各点はそれぞれ画像２５１、２５３及び２５５における、Ｙ鮮鋭度評価値を示す。Ｚ＝０となる位置よりも高い位置（Ｚ＝１０）にある試料の画像２５１のＹ鮮鋭度評価値が最も高く、Ｚ＝０となる位置よりも低い位置（Ｚ＝－１０）にある試料の画像２５５のＸ鮮鋭度評価値は最も低い。

グラフ３５３は、各画像のＸ鮮鋭度評価値からＹ鮮鋭度評価値を引いた値を示す。Ｚ＝０となる位置よりも低い位置（Ｚ＝－１０）の試料の画像の値は、正であり、最も大きい。Ｚ＝０となる位置における試料の画像の値はＸ鮮鋭度評価値とＹ鮮鋭度評価値が近い値となることから、０に近い値となる。Ｚ＝０となる位置よりも高い位置（Ｚ＝１０）の試料の画像の値は、負であり、最も小さい。

上述のように、非点収差を有する電子光学系において、Ｘ鮮鋭度評価値は、試料の高さ位置がＺ＝－１０からＺ＝１０に近づくにつれて減少し、Ｙ鮮鋭度評価値は、試料の高さ位置がＺ＝－１０からＺ＝１０に近づくにつれて増加する。試料がＺ＝０となる位置にある場合に画像におけるＸ鮮鋭度とＹ鮮鋭度が同程度の値となり、試料がＺ＝０となる位置よりも高い位置にある場合、画像におけるＹ鮮鋭度が高くＸ鮮鋭度が低い。反対に、試料がＺ＝０となる位置よりも低い位置にある場合、画像におけるＸ鮮鋭度が高くＹ鮮鋭度が低い。

このように、試料の高さ位置に応じてＸ鮮鋭度評価値とＹ鮮鋭度評価値との関係が変化することから、Ｘ鮮鋭度評価値とＹ鮮鋭度評価値の関係から、試料の高さ位置とＺ＝０となる位置とのずれ（フォーカスずれ）の情報、例えば、フォーカスずれの有無、ずれの方向、ずれの大きさ等、を得ることができる。評価値の関係の評価は、例えば、評価値の大きさを比較する。評価値の大きさを比較するため、評価値の差、比又は商を使用することができる。一例において、Ｘ鮮鋭度評価値とＹ鮮鋭度評価値との差を、フォーカスずれの評価値として使用することができる。

図１０に示す例において、グラフ３５３が示すフォーカスずれ評価値が正である場合、フォーカスは、試料よりも上にある。反対に、フォーカスずれ評価値が負である場合、フォーカスは、試料よりも下にある。このように、計算機４１は、フォーカスずれ評価値の正負から、フォーカスずれの方向を推定できる。

このようにして推定したフォーカスずれが小さくなる方向へフォーカス、もしくは試料位置を変化させ、再度同様のフォーカスずれ推定を行った場合、フォーカスずれ評価値の符号は変わらず、その大きさのみが若干小さくなることが期待される。このような動作を繰り返し実行することにより、Ｚ＝０となる位置と試料の高さ位置との間の距離を徐々に小さくし、最終的にＺ＝０となる位置（光学系が非点収差を有さない場合に電子ビームが収束する位置）と試料の高さ位置を一致、もしくは所定の値以下の精度で一致させることができる。

また、フォーカスずれ量が、光学系が有する非点収差量によって定まる非点較差量、すなわちＺ＝０となる位置の上下においてビームの幅がそれぞれの方向に最小となる面間の距離（非点較差）、の半分よりも大きい場合、得られた二つの鮮鋭度のどちらかは試料から遠ざかる程小さくなる変化を示す場合がある。このような場合においても鮮鋭度から求まる評価値の符号、もしくは基準値からのずれの方向は変わらないため、評価値に基づいた制御を続けることによって最終的にＺ＝０となる位置と試料の高さ位置を一致、もしくは所定の値以下の精度で一致させることができる。

更に具体的な制御方法としては、推定されたフォーカスずれ評価値に対して、観察倍率や目的とする調整精度、速度に応じた係数を掛け、その結果を対物レンズ、もしくはフォーカス調整に使用するレンズを制御する電流値、あるいは電圧値に対して加えることでフォーカスに対するフィードバックを行うことが挙げられる。

さらに、計算機４１は、フォーカスずれ評価値の絶対値から、フォーカスずれ量（距離）を推定できる。先に述べた通り、非点収差を有する電子光学系ではフォーカスが合った条件において２つの軸方向の鮮鋭度が近い値となり、両者の差は０に近い最小の値となり、その状態からフォーカスがずれるほど２つの軸方向の鮮鋭度は正負それぞれの方向に対して増加し、両者の差は大きくなるため、その絶対値の大きさから試料の高さ位置からフォーカス位置がずれた量を推定することができる。

この場合、計算機４１は、予め設定された、フォーカスずれ評価値とフォーカスずれ量の関係を示す情報を保持し、その情報と測定されたフォーカスずれの評価値を比較することでフォーカスずれ量を推定することができる。これらの関係は、測定サンプルを使用したフォーカスずれ量の測定や試料ステージの移動量を元にした測定などにより、予め特定しておくことができる。

また、フォーカスずれの評価値からフォーカスずれ量を推定する別の方法として、異なる複数のフォーカス位置もしくは高さ位置において測定されたフォーカスずれの評価値を元にフォーカスずれ量を推定することも可能である。フォーカスずれ評価値を求める際に使用する鮮鋭度の求め方を適切な手法で行った場合、フォーカスずれ量に対するフォーカスずれの評価値の変化は線形ではなくなるため、所定量のフォーカス位置の変化に対するフォーカスずれの評価値の変化量（両者に対するグラフにおける傾き）からフォーカスずれ量の絶対値を推定することが可能である。

図１１は、制御システム４２による荷電粒子線装置の制御フローの例を示す。本例において、制御システム４２は、視野移動のための試料ステージ２２のユーザ操作を検出すると、取得した画像のフォーカスずれ評価値に基づき、試料とフォーカスの相対位置の調整を実行する。

これにより、視野移動の間も試料に対するフォーカス位置が試料を認識する上で適切となる位置に保つことができるほか、視野移動を終えた後に改めてフォーカス調整を実施する必要なく適切な条件で画像を観察、もしくは撮影することができる。また、視野移動後にフォーカス位置を更に細かい精度で行う際にも、前述の手法を用いてそれまでに求めたフォーカスずれの方向や大きさの情報を用いることにより、フォーカス位置を試料へ近づく方向のみに変化させることで効率的に調整を実施することができる。

荷電粒子線装置の電子光学系調整の後、制御システム４２は、ユーザからのステージ制御操作を受け取ると（Ｓ１０１）、非点収差補正装置１４を用いて、所定の非点収差を加える（Ｓ１０２）。非点収差を加える前に電子光学系の非点収差が所定の量以下に補正済みであれば、制御システム４２が所定の既知の非点収差を加えることで電子光学系の非点収差の大きさと方向を非点収差補正装置が対応できる範囲内で自由に調整することができる。所定の量、方向を持った非点収差を加える際に必要となる非点収差補正装置１４の非点収差補正ＸＹパラメータとの関係は予め測定、もしくは設計された値を用いることができる。倍率や必要な調整精度、視野移動の速度に応じた非点収差を加えることで、より正確にフォーカスずれを推定できる。

次に、制御システム４２は、ユーザからのステージ制御操作に応じてステージの制御を実施し、試料を移動する（Ｓ１０３）。制御システム４２は、観察画像を取得する（Ｓ１０４）。制御システム４２は、得られた画像を評価し、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値を取得する（Ｓ１０５）。制御システム４２は、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値からフォーカスずれ評価値を算出する（Ｓ１０６）。

制御システム４２は、フォーカスずれ評価値を対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置へフィードバックする（Ｓ１０７）。制御システム４２は、フォーカスずれ評価値から、試料とフォーカスとの位置関係、具体的には、試料に対してフォーカスが上又は下のいずれの側に位置するかを推定し、また必要であればそれがどれほど離れているかも推定する。制御システム４２は、推定結果に応じて、フォーカスが試料に近づくように、対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置を制御する。

なお、対物レンズ電流値及びステージ高さ位置の一方又は双方を調整してよく、例えば光学系を構成する対物レンズ以外のレンズなど、これらと異なるパラメータを制御してフォーカスと試料との相対位置を調整してもよい。これは、以下に説明する他のフローチャートにおいて同様である。

制御システム４２は、ユーザからのステージ制御操作が続いている間（Ｓ１０８：ＹＥＳ）、ステップＳ１０３からステップＳ１０７を実行し続ける。ユーザからのステージ制御操作が終了すると（Ｓ１０８：ＮＯ）、制御システム４２は、非点収差補正装置１４の状態を、非点収差を加える前の状態に戻し、加えていた非点収差を無くす（Ｓ１０９）。

図１２は、制御システム４２による荷電粒子線装置の制御フローの他の例を示す。本例において、制御システム４２は、フォーカス追従機能が有効とされたことを検出すると、取得した画像のフォーカスずれ評価値に基づき、試料とフォーカスとの相対位置の調整を実行する。これにより、試料に対してフォーカスを効率的に合わせることができる。

荷電粒子線装置の電子光学系調整の後、制御システム４２は、フォーカス追従機能を有効とするユーザ操作を受け取ると（Ｓ１２１）、非点収差補正装置１４を用いて、所定量の非点収差を加える（Ｓ１２２）。非点収差を加える前に電子光学系の非点収差が所定の量以下に補正済みであれば、制御システム４２が所定の既知の非点収差を加えることで電子光学系の非点収差の大きさと方向を非点収差補正装置が対応できる範囲内で自由に調整することができる。加えることを望む非点収差と非点収差補正装置１４の非点収差補正ＸＹパラメータとの関係は予め設定されている。所望の非点収差を加えることで、より正確にフォーカスずれを推定できる。

制御システム４２は、観察画像を取得する（Ｓ１２３）。制御システム４２は、得られた画像を評価し、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値を取得する（Ｓ１２４）。制御システム４２は、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値からフォーカスずれ評価値を算出する（Ｓ１２５）。

制御システム４２は、フォーカスずれ評価値を対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置へフィードバックする（Ｓ１２６）。制御システム４２は、フォーカスずれ評価値から、試料とフォーカスとの位置関係、具体的には、試料に対してフォーカスが上又は下のいずれの側に位置するかを推定し、また必要であればそれがどれほど離れているかも推定する。制御システム４２は、推定結果に応じて、フォーカスが試料に近づくように、対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置を制御する。

制御システム４２は、フォーカス追従機能が有効である間（Ｓ１２７：ＮＯ）、ステップＳ１２３からステップＳ１２６を実行し続ける。フォーカス追従機能が無効とされると（Ｓ１２７：ＹＥＳ）、制御システム４２は、非点収差補正装置１４の状態を、非点収差を加える前の状態に戻し、加えていた非点収差を無くす（Ｓ１２８）。

図１３は、制御システム４２による荷電粒子線装置の制御フローの他の例を示す。本例において、制御システム４２は、非点収差補正された電子光学系にフォーカスずれ評価値を計算するための非点収差を加える代わりに、電子光学系の既存の非点収差を測定し、その非点収差に基づきフォーカスずれ評価値を計算する。

荷電粒子線装置の電子光学系調整の後、制御システム４２は、フォーカス追従機能を有効とするユーザ操作を受け取ると（Ｓ１４１）、画像を取得して非点収差を測定する（Ｓ１４２）。非点収差の測定は広く知られた技術であり詳細説明を省略する。例えば、制御システム４２は、直交する２軸に沿って一次電子ビームを走査し、画像のコントラストを最大になるように非点収差補正装置１４を動作させることで、電子光学系の非点収差を測定できる。また、フォーカス追従機能を有効とするユーザ操作を受け取った際に既に光学系が有する非点収差が既知となっている場合、それを利用してもよい。

または取得した１枚以上の像の自己相関関数や相互相関関数の結果から非点収差の大きさを測定する、さらに対物レンズに入射する電子ビームの角度を変えた複数の条件において取得した像からフォーカスずれ量と非点収差の値を求め、その結果に対してフィッティング計算を行うことによっても収差を測定することが可能である。

制御システム４２は、観察画像を取得する（Ｓ１４３）。制御システム４２は、得られた画像を評価し、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値を取得する（Ｓ１４４）。制御システム４２は、非点収差の測定結果に応じて、上述のように鮮鋭度評価値を取得するＸ軸及びＹ軸を決定してもよい。制御システム４２は、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値からフォーカスずれ評価値を算出する（Ｓ１４５）。

制御システム４２は、フォーカスずれ評価値を対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置へフィードバックする（Ｓ１４６）。制御システム４２は、フォーカスずれ評価値及び測定した非点収差から、試料に対してフォーカスが上又は下のいずれの側に位置するかを、また必要であればそれらがどれほど離れているかを推定する。非点収差とフォーカスずれ評価値との間の関係は、予め制御システム４２に設定されていてよい。制御システム４２は、推定結果に応じて、フォーカスが試料に近づくように、対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置を制御する。

制御システム４２は、フォーカス追従機能が有効である間（Ｓ１４７：ＮＯ）、ステップＳ１４３からステップＳ１４６を実行し続ける。フォーカス追従機能が無効とされると（Ｓ１４７：ＹＥＳ）、制御システム４２は、非点収差補正装置１４を使用して、電子光学系の非点収差を補正する（Ｓ１４８）。

フォーカスずれ評価値は、Ｘ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値の関係に基づき決定される。上記例において、制御システム４２は、Ｘ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値の差によりフォーカスずれ評価値を計算するが、他の方法により評価値の大きさを比較してよく、例えば、Ｘ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値の比又は商を使用してフォーカスずれ評価値を計算してもよい。または、制御システム４２は、得られたＸ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値それぞれに対して所定のオフセットを加える、もしくは除いた結果、あるいは所定の係数を乗じた結果を用いて上述の評価を実施してもよい。

試料が評価を行う軸の１方向に対して変化が少ない試料、例えば滑らかな表面を持つ膜状試料のエッジ部分や、均一な構造を持って積層された膜構造の断面などを観察した場合、試料観察像は１方向に対して主だった構造の変化を持たないため、当該の方向に対する鮮鋭度の評価値はその方向に対するプローブ幅の変化、もしくは試料とフォーカスとの相対位置の変化に対して変化が小さくなりうる。このような場合、制御システム４２は、試料とフォーカスとの相対位置の変化に対して変化を示す一方の鮮鋭度評価値に基づき、フォーカスずれ評価値を計算してもよい。

例えば制御システム４２は前述のような場合を何らかの方法で判別することでその振る舞いを切り替えてよい。前述の判別方法としては複数の方法が考えられ、例えば、一方の鮮鋭度評価値が閾値より小さく、他方の鮮鋭度評価値が閾値より大きい場合、あるいは画像の自己相関関数において特定の方向に対して顕著な相関値の集中、すなわちピークの発生がみられない場合、あるいは画像認識やＨｏｕｇｈ変換といった手法を用いることでそのような場合を判別することが可能である。このような場合、制御システム４２は、像において変化の少ない方向の鮮鋭度評価値をフォーカスずれ評価値と決定する。フォーカスずれ評価値を予め設定されている基準値と比較することで、試料に対するフォーカスずれの方向及びずれ量を推定できる。

図１４は、ユーザが荷電粒子線システムを制御するためのグラフィカルユーザインタフェースの例を示す。図１４は、非点収差に基づくフォーカス調整の制御画面を示す。チェックボックス５０１がチェックされると、制御システム４２は、フォーカス追従機能を有効にする。チェックがチェックボックス５０１から外されると、制御システム４２は、フォーカス追従機能を無効にする。

入力フィールド５０２に入力された角度に従って、制御システム４２は、電子光学系に追加する非点収差の方向を決定する。角度の基準軸（０°の軸）は、例えば、非点収差補正装置１４における、Ｘ１軸やＸ２軸である。選択リスト５０３において選択されたレベルに従って、制御システム４２は、電子光学系に追加する非点収差の大きさを決定する。非点収差が大きいほど、Ｘ軸又はＹ軸におけるビーム断面形状の径が最も小さい位置とフォーカス位置との距離が大きい。非点収差の角度及び大きさを調整可能とすることで、対象試料の観察に適した非点収差を加えることができる。また、入力フィールド５０２、および５０３で設定される値は所定の初期値を持っていてよく、こうした設定を行う入力部はユーザが通常の操作で使用する画面とは異なる、専用の画面においてなされても良い。

制御システム４２は、観察画像５０４を制御画面において表示する。さらに、制御システム４２は、試料の高さ位置または現在のフォーカス位置の一方を基準とする他方の相対位置をボックス５０５に表示する。図１４の例は、試料の高さ位置を基準とするフォーカス相対位置を示す。

フォーカス追跡機能が無効である場合、ユーザは、ボックス５０５の数値を参照しながらスライダ５０６、あるいは制御装置４０や計算機４１に備えられた操作つまみなどを操作することで、試料の高さ位置に対するフォーカス相対位置を調整することができる。制御システム４２は、その操作に応答して、対物レンズ電流または試料ステージ高さを制御する。

次に、鮮鋭度評価値の計算方法の例を説明する。鮮鋭度評価値の計算方法の一例は、ウェーブレット変換または離散ウェーブレット変換を使用する。ウェーブレット変換は、画像を、スケール、位置を変えて重ねたウェーブレット（局在した小さな波／基底）に変換する。そのため、画像の位置情報を保ったまま、局所的な周波数情報を評価することが可能である。試料内において、特にエッジのような構造を含む局所領域に着目した場合、フォーカスが試料と合っていると当該領域における像の強度変化は急峻なものとなり、ウェーブレット変換係数の絶対値は大きくなる。

逆にフォーカスが試料からずれていると、フォーカスが合っている条件よりも広い領域の情報を用いて像の強度を得るために結果として当該領域における像の強度変化は相対的にゆるやかなものとなり、ウェーブレット変換係数の絶対値は小さくなる。このことから、ウェーブレット変換係数の絶対値が大きいことは、フォーカスが試料に近いことを示す。

一例において、制御システム４２は、特定の一つのレベルｊ＋１のＸ軸に沿ったＸ方向（横）ウェーブレット変換係数及びＹ軸に沿ったＹ方向（縦）ウェーブレット変換係数に基づき、Ｘ鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値それぞれを決定する。例えば、制御システム４２は、レベルｊ＋１（例えばレベル１）のＸ方向ウェーブレット変換係数の絶対値の最大値をＸ鮮鋭度評価値と決定し、レベルｊ＋１のＹ方向ウェーブレット変換係数の絶対値の最大値をＹ鮮鋭度評価値と決定する。

なお、ウェーブレット変換係数の絶対値の最大値は、ノイズが除去されたデータや、ニューラルネットワーク、圧縮センシングなど技術を用いて情報の復元処理を適用された像において決定されてよい。また、ウェーブレット変換係数を得る方法としては複数のアルゴリズムが知られているが、任意のアルゴリズムを使用できる。制御システム４２は、複数レベルのウェーブレット変換係数から鋭度評価値を決定してもよい。

ウェーブレット変換と異なる方法により、鮮鋭度評価値を決定することができる。例えば、窓付きフーリエ変換、窓付き離散コサイン変換、微分フィルタの畳み込み等を使用して鮮鋭度評価値を決定することができる。例えば、観察画像に対するＸ方向の微分フィルタとＹ方向の微分フィルタの畳み込みによる係数の最大値を、Ｘ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値とすることができる。微分フィルタの例は、一次微分フィルタ、Ｓｏｂｅｌフィルタ、Ｐｒｅｗｉｔｔフィルタ等を含む。画像における特定軸に沿った鮮鋭度を評価することができれば、鮮鋭度評価値の計算方法は限定されない。

図１５Ａから１５Ｆは上述の手法を用いて評価した結果を用いて試料の高さ分布を行う例を示す。例として、試料構造がＹ軸方向には一様な高さを持ち、Ｘ軸方向には複数の高さを持つ場合、試料構造のＸ軸とＺ軸を含む断面構造を図１５Ａのように表すことができ、また観察方向であるＺ軸方向から試料上面を見た際の外観は図１５Ｂのように表すことができる。

試料表面の高さは５段階の高さを有しており、Ｘ軸上で正方向に進むごとに段階的に高さが変化する形状を持っている。このような試料に対し、非点収差を有さない荷電粒子光学系を用いて視野の中央部分にフォーカスを併せて観察した場合、図１５Ｃに示すような観察像が得られる。視野の左右側はともにフォーカス面と試料表面の間にずれが生じるために観察像はぼける。この際、荷電粒子光学系は非点収差を有していないため、観察像の左右領域におけるぼけの具合から試料表面高さとフォーカス面の間の上下関係を評価することは難しい。

一方、電子光学系が図６で示したようにフォーカス位置から上側ほどビームがＹ方向よりもＸ方向に対して広がるような非点収差を有している場合、観察像は図１５Ｄに示すようになる。また、電子光学系がフォーカス位置から上側ほどビームがＸ方向よりもＹ方向に対して広がるような非点収差を有している場合、観察像は図１５Ｅに示すようになる。

このような場合、観察像を複数の局所領域に分割したうえで、それぞれの領域において上述したような鮮鋭度の評価に基づいたフォーカス位置と試料高さ位置の間の関係を評価することにより、単独の画像、もしくは複数の画像から視野内における試料の高さ分布を評価することができる。そのような結果はＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸によって構成される３次元空間内における試料表面の高さ分布を図１５Ｆに示すような疑似的な３次元表示によって表示することができるほか、Ｚ軸方向の高さ情報を色に置き換えて表示するなどの方法により、制御システム４２はユーザに対して試料の立体的な構造の情報を示すことができる。

以下において、鮮鋭度評価値の他の決定方法を説明する。上記方法は、一つの画像において異なる二つの軸に沿った鮮鋭度評価値を決定する。以下に説明する例は、異なる非点収差を加えた電子光学系における画像それぞれにおいて、同一軸に沿った鮮鋭度評価値を計算し、それら鮮鋭度評価値に基づいて、試料とフォーカスの相対位置を推定する。これにより、一軸に沿った構造の変化が小さい試料の高さ位置をより適切に推定できる。画像における鮮鋭度評価値は、実施例１で説明したように計算できる。また、フォーカスずれ評価値は、実施例１で説明したように様々な方法で計算できる。

図１６は、電子光学系に加える非点収差量を複数の条件に変化させて評価を行う際の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。本例は試料高さ位置がフォーカス位置よりも高く、フォーカス位置は一定とした場合に対応するものである。グラフ６０１は、電子光学系の非点収差を補正した状態の非点収差補正装置１４に対するＸパラメータ（Ｘ軸非点収差補正コイル電流）の時間変化を示す。本例では時間軸方向に対して周期的に、正負二つの非点補正量を繰り返しとる場合を示しているが、変化は周期的である必要はなく、また繰り返しの実施ではなく各条件が１回のみであってもよい。

また非点収差補正装置に対するパラメータは相対的なものであり、例えば上述のようなＸパラメータの時間変化を開始する前の時点で既に非点収差補正装置に対して何らかのパラメータが設定されている場合、上述のＸパラメータの時間変化は既に設定されているＸパラメータの値に対して重畳する形で実施されても良い。このことはＹパラメータ、あるいはＸパラメータとＹパラメータを所定の比率で組み合わせることで実行的に作られた新たなパラメータなどに対しても同様に成り立つ。

グラフ６０２は試料高さの面におけるビーム断面形状のＸ軸における径の時間変化、グラフ６０３はビーム断面形状のＹ軸における径の時間変化を示す。Ｘパラメータは、正負の値の矩形波となっている。Ｘパラメータが正の値のとき、楕円のビーム断面形状のＸ軸の径が大きく、Ｙ軸の径が小さい。Ｘパラメータが負の値のとき、楕円のビーム断面形状のＸ軸の径が小さく、Ｙ軸の径が大きい。Ｘパラメータが正の値である電子光学系の状態をＡ状態、Ｘパラメータが負の値である電子光学系の状態をＢ状態と呼ぶ。電子光学系は、Ａ状態とＢ状態とを繰り返す。

なお、本例での説明ではＸパラメータを増加させた際に、試料近傍で収束する電子線の上側においてビーム断面形状の径が大きくなる方をＸ軸、小さくなる方をＹ軸として説明を行っている。先にも述べた通り、このＸ軸、Ｙ軸は必ずしも観察される２次元像を構成する画素の配列する２方向と一致する必要はない。

グラフ６０４はＸ鮮鋭度評価値の時間変化を示し、グラフ６０５はＹ鮮鋭度評価値の時間変化を示す。Ｘ鮮鋭度評価値は、Ｘ軸における径の変化に応じて変化し、Ｘ軸における径が大きいときに（Ａ状態）低い値を示し、Ｘ軸における径が小さいときに（Ｂ状態）高い値を示す。Ｙ鮮鋭度評価値は、Ｙ軸における径の変化に応じて変化し、Ｙ軸における径が小さいときに（Ａ状態）高い値を示し、Ｙ軸における径が大きいときに（Ｂ状態）低い値を示す。

グラフ６０６は、Ａ状態におけるＸ鮮鋭度評価値から直前のＢ状態におけるＸ鮮鋭度評価値を引いた値（Ｘフォーカスずれ評価値）を示す。Ｘフォーカスずれ評価値は、負の値を示す。グラフ６０７は、Ｂ状態におけるＹ鮮鋭度評価値から直前のＡ状態におけるＹ鮮鋭度評価値を引いた値（Ｙフォーカスずれ評価値）を示す。Ｙフォーカスずれ評価値は、負の値を示す。

図１７は、試料高さ位置がフォーカス位置よりも低い場合の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。フォーカス位置は一定である。グラフ６２１は、電子光学系の非点収差を補正した状態の非点収差補正装置１４に対するＸパラメータ（Ｘ軸非点収差補正コイル電流）の時間変化を示す。

グラフ６２２は試料高さの面におけるビーム断面形状のＸ軸における径の時間変化、グラフ６２３はビーム断面形状のＹ軸における径の時間変化を示す。Ｘパラメータは、正負の値の矩形波を示す。Ｘパラメータが正の値のとき、楕円のビーム断面形状のＸ軸の径が小さく、Ｙ軸の径が大きい。Ｘパラメータが負の値のとき、楕円のビーム断面形状のＸ軸の径が大きく、Ｙ軸の径が小さい。Ｘパラメータが正の値である電子光学系の状態はＡ状態、Ｘパラメータが負の値である電子光学系の状態はＢ状態である。電子光学系は、Ａ状態とＢ状態とを繰り返す。

グラフ６２４はＸ鮮鋭度評価値の時間変化を示し、グラフ６２５はＹ鮮鋭度評価値の時間変化を示す。Ｘ鮮鋭度評価値は、Ｘ軸における径の変化に応じて変化し、Ｘ軸における径が小さいときに（Ａ状態）高い値を示し、Ｘ軸における径が大きいときに（Ｂ状態）低い値を示す。Ｙ鮮鋭度評価値は、Ｙ軸における径の変化に応じて変化し、Ｙ軸における径が大きいときに（Ａ状態）低い値を示し、Ｙ軸における径が小さいときに（Ｂ状態）高い値を示す。

グラフ６２６は、Ａ状態におけるＸ鮮鋭度評価値から直前のＢ状態におけるＸ鮮鋭度評価値を引いた値（Ｘフォーカスずれ評価値）を示す。Ｘフォーカスずれ評価値は正の値を示す。グラフ６２７は、Ｂ状態におけるＹ鮮鋭度評価値から直前のＡ状態におけるＹ鮮鋭度評価値を引いた値（Ｙフォーカスずれ評価値）と時間との関係を示す。Ｙフォーカスずれ評価値は正の値を示す。

上述のように、Ｘフォーカスずれ評価値及びＹフォーカスずれ評価値の双方は、試料とフォーカスの相対位置の変化に応じて変化し得る。試料が特定の方向に対して構造の変化が少ない場合、その方向に対する画像の鮮鋭度、あるいはそれを用いたフォーカスずれ評価値は試料とフォーカスの相対位置の変化に対して大きな変化を示さない。そのような場合、他方の軸のフォーカスずれ評価値を用いることによって、試料とフォーカスの相対位置を示すことができる。

試料の構造変化が少ない方向と鮮鋭度評価を行う方向が一致していない場合、試料の構造変化が少ない方向とそれに直交する方向それぞれにおける鮮鋭度は、鮮鋭度を評価する２つの方向それぞれにその成分が含まれることになる。この場合、鮮鋭度評価を行った両方の軸方向の情報からは同等のフォーカスずれ評価値を得ることができるため、両者のどちらか、もしくは両方の平均や和などを用いることによっても試料とフォーカスの相対位置を示すことができる。

制御システム４２は、例えば、一方のフォーカスずれ評価値の絶対値が閾値より小さく、他方のフォーカスずれ評価値が閾値より大きい場合、他方のフォーカスずれ評価値に従って、実施例１において説明したように、試料とフォーカスの相対位置を変化させる。Ｘ、Ｙフォーカスずれ評価値の双方が閾値より大きい場合、制御システム４２は、いずれか一方又は双方のフォーカスずれ評価値に基づき、試料とフォーカスの相対位置を変化させる。例えば、Ｘ、Ｙフォーカスずれ評価値の平均値、あるいは和、あるいはどちらか値の大きな方、あるいは評価値を複数回求めた際の分散や安定性などを使用することができる。

上記例において、フォーカスずれ評価値が負の値を示す場合、制御システム４２は、試料の高さ位置がフォーカス位置よりも高いと推定し、さらに、フォーカスずれ評価値の絶対値から試料の高さ位置とフォーカス位置との間の距離を推定する。フォーカスずれ評価値が正の値を示す場合、制御システム４２は、試料の高さ位置がフォーカス位置よりも低いと推定し、さらに、フォーカスずれ評価値の絶対値から試料の高さ位置とフォーカス位置との間の距離を推定する。

図１８は、図１６及び１７を参照して説明した例に対応する制御システム４２による荷電粒子線装置の制御フローの例を示す。制御システム４２は、フォーカス追従機能が有効とされたことを検出すると、取得した画像のフォーカスずれ評価値に基づき、試料とフォーカスとの相対位置の調整を実行する。これにより、試料に対してフォーカスを効率的に合わせることができる。

荷電粒子線装置の電子光学系調整の後、制御システム４２は、フォーカス追従機能を有効とするユーザ操作を受け取ると（Ｓ１６１）、非点収差補正装置１４を用いて、［状態Ａ］の非点収差を加える（Ｓ１６２）。制御システム４２は、観察画像を取得する（Ｓ１６３）。制御システム４２は、得られた画像を評価し、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値を取得する（Ｓ１６４）。

次に、制御システム４２は、非点収差補正装置１４を用いて、［状態Ｂ］の非点収差を加える（Ｓ１６５）。制御システム４２は、観察画像を取得する（Ｓ１６６）。制御システム４２は、得られた画像を評価し、Ｘ及びＹ鮮鋭度評価値を取得する（Ｓ１６７）。制御システム４２は、［状態Ａ］及び［状態Ｂ］におけるＸ鮮鋭度評価値からＸフォーカスずれ評価値を計算し、［状態Ａ］及び［状態Ｂ］におけるＹ鮮鋭度評価値からＹフォーカスずれ評価値を計算する（Ｓ１６８）。

上述のように、制御システム４２は、Ｘ、Ｙフォーカスずれ評価値の一方又は双方に基づき、対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置のフィードバック制御を行う（Ｓ１６９）。制御システム４２は、フォーカスずれ評価値から、試料とフォーカスとの位置関係、具体的には、試料に対してフォーカスが上又は下のいずれの側に位置しそれらがどれほど離れているかを推定する。制御システム４２は、推定結果に応じて、フォーカスが試料に近づくように、対物レンズ電流値又は試料ステージ２２の高さ位置を制御する。

制御システム４２は、フォーカス追従機能が有効である間（Ｓ１７０：ＮＯ）、ステップＳ１６２からステップＳ１６９を実行し続ける。フォーカス追従機能が無効とされると（Ｓ１７０：ＹＥＳ）、制御システム４２は、非点収差補正装置１４の状態を、非点収差を加える前の状態に戻し、加えていた非点収差を無くす（Ｓ１７１）。

上記例は、状態Ｂにおける鮮鋭度評価を行った後にフォーカスずれ評価値を計算する。他の例は、状態が切り替わる度に、現在の状態及び直前の状態における鮮鋭度評価値からフォーカスずれ評価値を計算してもよい。制御システム４２は、図１８に示すフォーカス調整を視野移動のための試料ステージ２２のユーザ操作に応答して実行してもよい。制御システム４２は、上記方法により取得したフォーカスずれ評価値により、フォーカス調整を自動で行うことなく、フォーカスと試料との間の相対位置の推定結果を表示してもよい。

図１９は非点収差を加えた状態におけるフォーカスずれ評価と、非点収差が加わっていない状態で取得された観察像の表示を、見かけ上同時に行う場合の、電子光学系に加えられる非点収差、ビーム断面形状の径及び評価値の関係を示す。グラフ６４１は、電子光学系の非点収差を補正した状態の非点収差補正装置１４に対するＸパラメータ（Ｘ軸非点収差補正コイル電流）の時間変化を示す。

Ｘパラメータに０でない値が設定されている場合、荷電粒子光学系には一定の非点収差が加わり［状態Ａ］、Ｘパラメータが０となっている場合、荷電粒子光学系には追加の非点収差は加わらず、非点収差が補正された状態に戻る［状態Ｃ］。［状態Ａ］では上述した方法を用いることでフォーカスずれの評価のみを行い、取得した像は表示しない。［状態Ｃ］では取得した像の表示のみを行うことにより、装置を使用するユーザに対して、見かけ上非点収差を加えていることを感じさせることなく、フォーカスずれの評価を行うことができる。

これにより、ユーザは通常の操作時と同様に、装置の非点収差が調整された状態の像を確認しながら視野の調整を行うと同時に、自動的にフォーカスのずれを調整し続けながら装置を利用することが可能となる。また、他の例として［状態Ｃ］で取得した像の評価結果と［状態Ａ］で取得した像の評価結果の両方を用いてフォーカスずれの評価を行ってもよい。

また、グラフ６４２に示すように、非点収差補正装置１４に対して異なるＸパラメータを設定した二つの状態［状態Ａ］、［状態Ｂ］と、Ｘパラメータが０となった状態［状態Ｃ］を順に設定する。これにより、上述した方法により非点補正量を複数の条件に変化させてフォーカスずれを評価すると同時に、ユーザに対しては非点収差が調整された状態の像のみを見せ続けることが可能となる。この場合、フォーカスずれの評価は［状態Ａ］、［状態Ｂ］の評価結果を元に評価を行うことが好ましいが、［状態Ａ］、［状態Ｂ］、［状態Ｃ］のうちの２条件、あるいは３条件の評価結果を用いて行ってもよい。

また、グラフ６４３に示すように、非点収差補正装置１４に対して異なるＸパラメータを設定した二つの状態［状態Ａ］、［状態Ｂ］を繰り返し設定するそれぞれの合間に［状態Ｃ］を設定する構成も可能である。この場合、グラフ６４２に示した制御よりも倍の頻度で［状態Ｃ］における像取得を実施することができるため、ユーザが利用する際の像の更新頻度を高めることが可能となる。

図２０は先に説明した、図１９のグラフ６４２に示したＸパラメータの制御を非点収差補正装置１４に対して適用してフォーカスずれを評価する際の、具体的な制御フローの例を示す。基本的な流れは図１８で説明した流れと共通する。制御システム４２は、［状態Ａ］と［状態Ｂ］で取得した鮮鋭度評価値からフォーカスずれ評価値を算出した（Ｓ１８８）後、その結果をレンズ電流またはステージの高さ位置へフィードバックする（Ｓ１８９）。その後、制御システム４２は、非点収差補正装置１４に対して［状態Ｃ］の非点収差を与える（Ｓ１９０）ことで非点収差が調整された状態へ戻し、その状態で観察像を取得（Ｓ１９１）し、得られた観察像を表示する（Ｓ１９２）。

この一連の流れを繰り返すことにより、ユーザは、Ｓ１９２で表示される［状態Ｃ］で取得された観察像のみを確認しながら、フォーカスずれが小さくなった状態へ自動的に調整し、その状態を維持し続けることが可能となる。このフローが実施されている最中にユーザが観察視野を変更した場合、その変化に応じたフィードバック（Ｓ１８９）が行われることにより、フォーカスは常に観察視野において適切に調整された状態を自動的に保ち続ける。

また、上記の例では非点収差量を変えた複数の条件で像を取得する例を説明したが、像の代わりに１方向に対して電子ビームを走査して得られる１次元信号から得られる１方向に対する評価値のみを用いて同様の制御を行ってもよい。

なお、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。例えば、上記した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、必ずしも説明したすべ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が可能であり、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可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成・機能・処理部等は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、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、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード等の記録媒体に置くことができる。

また、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、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆どすべての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

Claims (14)

1. 荷電粒子源からの荷電粒子ビームを、荷電粒子光学系を介して試料に照射する荷電粒子線装置と、
   前記荷電粒子線装置を制御する制御システムと、を含み、
   前記制御システムは、
   前記荷電粒子光学系を介して、方向及び大きさが既知の複数の異なる非点収差を有する条件において前記試料に対して前記荷電粒子ビームを照射して得られた信号に対して、前記荷電粒子ビームの空間的な広がりに対応して変化する指標に基づく評価値を評価し、
   前記異なる非点収差の条件と前記評価の結果に基づき、前記試料の高さ位置と前記荷電粒子ビームの収束面の位置関係を求め、
   前記位置関係に基づき、前記試料の高さ位置と前記荷電粒子ビームの収束面との間の差が小さくなるように、前記試料の高さ位置及び前記荷電粒子ビームの収束位置の少なくとも一方を制御し、
   前記方向及び大きさが既知の非点収差を無くすように非点収差補正器を制御する、荷電粒子線システム。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記信号は画像信号である、荷電粒子線システム。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記指標は鮮鋭度を表す、荷電粒子線システム。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、複数の軸方向に対する評価値を評価する、荷電粒子線システム。
5. 請求項４に記載の荷電粒子線システムであって、前記複数の軸方向は直交する２軸方向である、荷電粒子線システム。
6. 請求項５に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、前記評価において、前記複数の軸方向に対する評価値の大きさを比較する、荷電粒子線システム。
7. 請求項４に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、前記複数の軸方向に対する評価値の差、比、商のいずれかを算出する、荷電粒子線システム。
8. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記複数の異なる非点収差の条件は、方向が等しく大きさが異なる複数の非点収差の条件である、荷電粒子線システム。
9. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、複数の異なる非点収差の条件で取得された評価値の大きさの比較による評価を行う、荷電粒子線システム。
10. 請求項９に記載の荷電粒子線システムであって、前記大きさの比較は、同一の方向に対する評価値に対して行われる、荷電粒子線システム。
11. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、非点収差が補正された前記荷電粒子光学系に対して、前記異なる非点収差を加える、荷電粒子線システム。
12. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記制御システムは、前記位置関係の情報を表示装置において表示する、荷電粒子線システム。
13. 請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、前記評価値は、微分フィルタ、Ｓｏｂｅｌフィルタ、Ｐｒｅｗｉｔｔフィルタ、ウェーブレット変換、離散ウェーブレット変換、フーリエ変換、離散コサイン変換、相関関数、のいずれかを用いることによって求められる、荷電粒子線システム。
14. 荷電粒子線装置の制御システムにより実行される方法であって、
    荷電粒子光学系を介して、方向及び大きさが既知の複数の異なる非点収差を有する条件において試料に対して荷電粒子ビームを照射して得られた信号に対して、前記荷電粒子ビームの空間的な広がりに対応して変化する指標に基づく評価値を評価し、
    前記異なる非点収差の条件と前記評価の結果に基づき、前記試料の高さ位置と前記荷電粒子ビームの収束面の位置関係を求め、
    前記位置関係に基づき、前記試料の高さ位置と前記荷電粒子ビームの収束面との間の差が小さくなるように、前記試料の高さ位置及び前記荷電粒子ビームの収束位置の少なくとも一方を制御し、
    前記方向及び大きさが既知の非点収差を無くすように非点収差補正器を制御する、方法。

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