KR20220120647A - 하전 입자선 시스템 - Google Patents

Abstract

하전 입자선 시스템은 하전 입자원으로부터의 하전 입자선을, 하전 입자 광학계를 개재해서 시료에 조사하는 하전 입자선 장치와, 하전 입자선 장치를 제어하는 제어 시스템을 포함한다. 제어 시스템은 하전 입자선을, 주사 궤적을 형성하도록 시료 상에서 주사하고, 주사 궤적에 있어서의 다른 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정한다. 제어 시스템은 평가값과 다른 주사 방향과의 관계에 기초하여, 하전 입자 광학계가 구비하는 포커스 어긋남 및 수차 계수의 적어도 한쪽에 관한 정보를 생성한다.

Description

하전 입자선 시스템

본 개시는 하전 입자선 시스템에 관한 것이다.

본원의 배경 기술로서, 예를 들어 일본특허공개 제2003-016983호 공보(특허문헌 1)가 있다. 그러면, 일본특허공개 제2003-016983호 공보에는, 「두 종류의 스캔 방향에서 초점을 변화시키면서 취득한 소수의 2차원의 입자 화상을 화상 처리함으로써 비점 격차의 방향·크기와 초점 오프셋을 검출하고, 이것을 두 종류의 비점 수차 보정량과 초점 보정량으로 일괄해서 변환해서 보정을 행함으로써 고속·고정밀도의 자동 비점·초점 조정을 실현한다. 또한, 비점 교차의 오차를 보정해서 보다 고정밀도인 자동 비점·초점 조정을 실현한다. 또한, 본 자동 비점 수차·초점 조정을 사용해서 고정밀도의 검사·계측을 장시간에 걸쳐서 실현하는 장치를 실현한다.」는 것이 기재되어 있다(요약 참조).

일본특허공개 제2003-016983호 공보

특허문헌 1의 기술에 따르면, 하전 입자선 장치에 있어서, 포커스나 비점 수차를 자동적으로 조정할 수 있다. 그러나, 특허문헌 1의 기술은, 2차원의 입자 화상을 취득해서 그들의 화상 처리를 행하는 것이 필요하다. 하전 입자선 장치를 이용하는 분야에 있어서는, 보다 고속으로 포커스나 비점 수차를 조정할 수 있는 기술이 요망되고 있다.

본 개시의 일 양태의 하전 입자선 시스템은, 하전 입자원으로부터의 하전 입자선을, 하전 입자 광학계를 개재해서 시료에 조사하는 하전 입자선 장치와, 상기 하전 입자선 장치를 제어하는 제어 시스템을 포함하고, 상기 제어 시스템은, 상기 하전 입자선을, 주사 궤적을 형성하도록 시료 상에서 주사하고, 상기 주사 궤적에 있어서의 다른 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정하고, 상기 평가값과 상기 다른 주사 방향과의 관계에 기초하여, 상기 하전 입자 광학계가 구비하는 포커스 어긋남 및 수차의 적어도 한쪽에 관한 정보를 생성한다.

본 개시의 일 양태에 따르면, 하전 입자선 장치에 있어서, 포커스 및 비점 수차의 적어도 한쪽을 보다 고속으로 조정할 수 있게 된다.

도 1은 주사 전자 현미경 시스템의 기본 구성을 모식적으로 도시한다.
도 2는 주사 투과 전자 현미경 시스템의 기본 구성을 모식적으로 도시한다.
도 3은 계산기의 하드웨어 구성예를 나타낸다.
도 4는 비점 수차 보정 장치의 구성예를 나타낸다.
도 5는 전자 광학계가 갖는 비점 수차의 방향 및 크기의 변화에 대한 전자 빔 단면 형상의 변화예를 나타낸다.
도 6은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 의한 전자 빔의 형상 및 당해 전자 빔에 의한 다른 높이 위치의 시료 화상을, 모식적으로 도시하고 있다.
도 7은 소정의 비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 의한 전자 빔의 형상 및 당해 전자 빔에 의한 다른 높이 위치의 시료 화상을, 모식적으로 도시하고 있다.
도 8은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 의한 화상 각각의, 미분 화상을 나타낸다.
도 9는 비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 의한 화상 각각의, 미분 화상을 나타낸다.
도 10은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 있어서의 화상의 선예도 평가값을 나타낸다.
도 11은 비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 있어서의 화상의 선예도 평가값을 나타낸다.
도 12는 시료 상의 전자 빔(스폿)의 주사 궤적의 예를 나타낸다.
도 13은 도 12에 도시한 원형의 주사 궤적의 몇 가지의 다른 위치에 있어서의 전자 빔의 주사 방향을 나타낸다.
도 14는 비점 수차와 시료면의 Z축 상의 위치(Z 위치라고도 칭한다)와의 다른 조합(상태)에 있어서, 시료 상의 전자 빔(스폿)의 움직임과, 주사 궤적 내의 다른 위치에 있어서의 빔 단면 형상을 나타낸다.
도 15는 도 14에 도시한 원형 주사에 의한, 전자 빔의 스폿 위치와 주사 방향과의 관계를 나타낸다.
도 16은 비점 수차가 보정된 광학계에서의 원형 주사에 의한, 스폿 위치와 주사 방향의 시간 변화 및 복수의 Z 위치에서의 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다.
도 17은 0°의 비점 수차의 존재하는 광학계에서의 원형 주사에 의한, 스폿 위치와 주사 방향의 시간 변화 및 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다.
도 18은 비점 수차와 시료의 Z 위치와의 다른 조합(상태)에 있어서의, 원형 주사 1주기에서 얻어지는 신호 강도의 시간 변화와, 선예도 평가값(신호 강도의 미분값의 절댓값)의 시간 변화를 나타낸다.
도 19는 원형 주사에 의한 스폿 위치에 대한 신호 강도의 변화 및 신호 강도의 변화에 따른 선예도 평가값의 변화를 나타낸다.
도 20은 제어 시스템에 의한, 자동 포커스 조정 및 비점 수차 보정의 예를 나타내는 흐름도이다.
도 21은 제어 시스템에 의한, 자동 포커스 조정의 흐름도를 나타낸다.
도 22는 시료 상에서의 전자 빔(스폿)의 주사 궤적의 예를 나타낸다.
도 23은 비점 수차량을 변화시켰을 때의, 직행하는 주사 방향(X축을 따른 방향 및 Y축을 따른 방향)에 있어서의, 스폿 직경과 선예도 평가값의 변화를 나타낸다.
도 24는 원형 주사와 광학계가 갖는 비점 수차의 변화를 조합해서 비점 수차를 조정하는 예를 나타낸다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 실시예를 설명한다. 실시예는 본 개시를 실현하기 위한 일례에 지나지 않으며, 본 개시의 기술적 범위를 한정하는 것이 아닌 것에 주의해야 한다. 각 도면에 있어서 공통의 구성에 대해서는 동일한 참조 부호가 붙여져 있다. 이하에 있어서, 하전 입자 빔을 시료에 조사하는 하전 입자선 장치의 예로서, 전자 빔을 사용한 시료의 관찰 장치(전자 현미경)를 나타내지만, 이온빔을 사용하는 장치 외에, 계측 장치나 검사 장치에 대해서도, 본 개시의 특징을 적용할 수 있다.

이하에 있어서는, 하전 입자선의 포커스 어긋남 및 비점 수차의 적어도 한쪽을 보정하기 위한 정보를 생성하기 위한 방법을 설명한다. 당해 방법은, 하전 입자선을, 일차원 주사 궤적을 형성하도록 시료 상에서 주사하고, 주사 궤적에 있어서의 다른 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정한다. 평가값과 주사 방향과의 관계에 기초하여, 하전 입자선의 포커스 어긋남 및 비점 수차의 적어도 한쪽을 보정하기 위한 정보를 생성한다. 이와 같이, 일차원 주사 궤적에 있어서의 주사 방향과 평가값과의 관계를 참조함으로써, 포커스 어긋남 또는 비점 수차를 보정하기 위한 정보를 신속히 생성할 수 있다.

도 1은 주사 전자 현미경(SEM) 시스템의 기본 구성을 모식적으로 도시한다. SEM 시스템은 SEM 장치(50) 및 제어 시스템(42)을 포함한다. SEM 장치(50)는 하전 입자선 장치의 예이며, 전자 빔원(1), 인출 전극(2), 콘덴서 렌즈(11), 콘덴서 조리개(12), 축 조정 편향기(13), 비점 수차 보정 장치(14), 스캔 편향기(15) 및 대물 렌즈(20)를 포함한다. 도 1에 있어서, 1개의 콘덴서 렌즈만이 예로서 부호 11로 지시되어 있다.

비점 수차 보정 장치(14)는 코일을 조합해서 구성되는 것 외에, 다극자에 의해 구성되는 것, 또는 복수의 다극자의 조합에 의해 구성된 구면, 또는 각종 수차 보정을 행하는 장치여도 된다. 또한 각 편향기는 다른 높이로 배치된 복수의 편향기를 조합해서 소정의 용도로 사용하는 것도 가능하다.

전자 빔원(1)은 하전 입자원의 예이며, 1차 전자 빔을 발생한다. 콘덴서 렌즈(11)는 1차 전자 빔의 수렴 조건을 조정한다. 콘덴서 조리개(12)는 1차 전자 빔의 확대각을 제어한다. 축 조정 편향기(13)는 대물 렌즈(20)에 대한 1차 전자 빔의 위치를 조정한다. 비점 수차 보정 장치(14)가 시료(21)에 입사하는 1차 전자 빔(프로브)의 빔 형상을 조정한다. 스캔 편향기(15)는 시료(21)에 입사하는 1차 전자 빔을 래스터 주사한다. 대물 렌즈(20)는 1차 전자 빔의 시료(21)에 대한 포커스 위치를 조정한다

SEM 장치(50)는, 또한 시료 스테이지(22), 반사판(16) 및 검출기(26)를 포함한다. 시료 스테이지(22)는 시료(21)의 시료실 내에서의 위치를 정한다. 시료(21)로부터 발생한 전자 또는 시료(21)로부터 반사판(16)을 향한 전자가 충돌해서 발생한 전자(이들을 신호 전자라고도 칭한다)는 검출기(26)에 의해 검출된다.

제어 시스템(42)은 SEM 장치(50)를 제어한다. 예를 들어, 제어 시스템(42)은 1차 전자 빔의 가속 전압이나 인출 전압, 그리고, 렌즈 및 편향기 등의 구성 요소의 전류를 제어한다. 또한, 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)를 제어함으로써, 시료(21)에 대한 1차 전자 빔의 조사 위치, 1차 전자 빔의 포커스 위치에 대한 시료(21)의 위치 관계를 조정할 수 있다. 제어 시스템(42)은 검출기(26)의 게인이나 오프셋을 제어하고, 검출된 신호 전자에 의한 화상을 생성한다.

제어 시스템(42)은 제어 장치(40) 및 계산기(41)를 포함한다. 계산기(41)는 제어 장치(40)를 개재하여, SEM 장치(50)의 구성 요소를 제어한다. 계산기(41)는 프로그램 및 프로그램이 사용하는 데이터를 저장하는 기억 장치 그리고 기억 장치에 저장되어 있는 프로그램에 따라서 동작하는 프로세서를 포함한다. 프로그램은 SEM 장치(50)의 제어 프로그램 및 화상 처리 프로그램을 포함한다.

계산기(41)는, 또한 네트워크에 접속하기 위한 인터페이스 및 유저 인터페이스를 포함한다. 유저 인터페이스는, 화상을 표시하는 표시 장치 및 유저가 계산기(41)에 지시를 행하기 위한 입력 장치를 포함한다. 계산기(41)는, 제어 장치(40)를 제어한다. 제어 장치(40)는 AD 변환기, DA 변환기, 메모리 및 FPGA 혹은 마이크로프로세서 등의 연산 장치 등의 구성 요소를 포함한다.

SEM상을 얻는 공정을 설명한다. 인출 전극(2)은 전자 빔원(1)으로부터 1차 전자 빔을 소정 인출 전압으로 인출한다. 광축과 평행한 방향을 Z 방향, 광축과 직교하는 면을 XY 평면으로 한다. 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)의 Z 위치 조정 또는 대물 렌즈(20)의 제어 파라미터 조정에 의해, 1차 전자 빔이 시료(21) 상에서 수렴하도록 맞춘다. 이 조정은 조조정이다.

제어 시스템(42)은 포커스 조조정 후, 시료 스테이지(22)의 XY 이동 기구를 사용해서 전자 광학계 조정용의 시야를 선택한다. 이때, 시야의 선택은 장치의 사용자에 의해 직접 시료 스테이지(22)의 XY 이동 기구를 조작함으로써 행해져도 된다. 제어 시스템(42)은 당해 전자 광학계 조정용 시야로, 축 어긋남, 포커스 및 비점을 보정한다. 구체적으로는, 제어 시스템(42)은 축 조정 편향기(13), 비점 수차 보정 장치(14) 및 대물 렌즈(20)의 조정 파라미터를 보정한다.

이어서, 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)를 사용하여, 관찰 시야를 촬영용 시야로 이동하고, 선예한 화상을 관찰할 수 있도록 대물 렌즈(20)의 포커스를 유저 조작에 의해 미세 조정한 후 또는 포커스 조정 기능에 의해 조정된 적절한 포커스 위치에 있어서, 상을 취득한다.

도 2는 주사 투과 전자 현미경(STEM)으로서 사용되는 시스템의 기본 구성을 모식적으로 도시한다. STEM 시스템은 STEM 장치(51) 및 제어 시스템(42)을 포함한다. STEM 장치(51)는 전자 빔원(1), 인출 전극(2), 콘덴서 렌즈(11), 콘덴서 조리개(12), 축 조정 편향기(13), 비점 수차 보정 장치(14), 스캔 편향기(15), 대물 렌즈(20) 및 시료 스테이지(22)를 포함한다. 도 2에 있어서, 하나의 콘덴서 렌즈만이 예로서 부호 11로 지시되어 있다. 이들 기능은 SEM 장치(50)와 마찬가지이다.

STEM 장치(51)는 시료(21)의 후방측에, 대물 조리개(23), 축 조정 편향기(24), 제한 시야 조리개(25), 결상계 렌즈(30) 및 검출기(31)를 포함한다. 도 2에 있어서, 1개의 결상계 렌즈만이 예로서 부호 30으로 지시되어 있는 것 외에, 결상계 렌즈에 대해서는 STEM으로서의 기능을 얻는 데 있어서 반드시 필수는 아니다. 결상계 렌즈(30)는 시료(21)를 투과한 투과 전자 빔을 결상한다. 검출기(31)는 결상된 전자 빔을 검출한다.

제어 시스템(42)은 검출된 신호 전자에 의한 화상을 생성한다. 제어 시스템(42)은 SEM 시스템과 마찬가지로, 제어 장치(40) 및 계산기(41)를 포함한다. 계산기(41)가 실행하는 프로그램은, STEM 장치(51)의 제어 프로그램 및 화상 처리 프로그램을 포함한다.

STEM상을 얻는 공정을 설명한다. 인출 전극(2)은 전자 빔원(1)으로부터 1차 전자 빔을 소정 인출 전압으로 인출한다. 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22) 상의 시료(21)에, 1차 전자 빔을 조사한다.

제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)의 Z 위치 조정 또는 대물 렌즈(20)의 제어 파라미터 조정에 의해, 1차 전자 빔의 포커스 조조정을 행한다. 그 후, 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)의 XY 이동 기구를 사용해서 전자 광학계 조정용 시야를 선택한다. 제어 시스템(42)은 당해 전자 광학계 조정용 시야로, 광학계의 어긋남, 포커스 및 비점 수차를 보정한다. 구체적으로는, 축 조정 편향기(13), 비점 수차 보정 장치(14) 및 대물 렌즈(20)의 조정 파라미터를 보정한다.

이어서, 제어 시스템(42)은 시료 스테이지(22)를 사용하여, 관찰 시야를 촬영용 시야로 이동하고, 선예한 화상을 관찰할 수 있도록 대물 렌즈(20)의 포커스를 유저 조작에 의해 미세 조정한 후 또는 포커스 추종 기능에 의해 적절한 포커스 위치로 조정한 후에 있어서, 화상을 도입한다.

제어 시스템(42)은 콘덴서 렌즈(11), 축 조정 편향기(13), 비점 수차 보정 장치(14)를 사용하여, 1차 전자 빔을 시료(21)에 대하여 입사시킨다. 제어 시스템(42)은 스캔 편향기(15)에 의해 1차 전자 빔을 주사한다. 1차 전자 빔이 시료(21)에 입사하면, 대부분의 전자는 시료(21)를 투과한다. 결상계 렌즈(30)는 투과 전자 빔을 검출기(31) 상에 적절한 각도로 입사시키고, STEM상이 얻어진다. STEM상의 배율은 스캔 편향기(15)를 제어하는 전류에 의해 설정된다.

도 3은 계산기(41)의 하드웨어 구성예를 나타낸다. 계산기(41)는 프로세서(411), 메모리(주기억 장치)(412), 보조 기억 장치(413), 출력 장치(414), 입력 장치(415) 및 통신 인터페이스(I/F)(417)를 포함한다. 상기 구성 요소는, 버스에 의해 서로 접속되어 있다. 메모리(412), 보조 기억 장치(413) 또는 이들 조합은 기억 장치이며, 프로세서(411)가 사용하는 프로그램 및 데이터를 저장하고 있다.

메모리(412)는, 예를 들어 반도체 메모리로 구성되고, 주로 실행 중인 프로그램이나 데이터를 유지하기 위해서 이용된다. 프로세서(411)는 메모리(412)에 저장되어 있는 프로그램에 따라, 여러가지 처리를 실행한다. 프로세서(411)가 프로그램에 따라서 동작함으로써, 여러가지 기능부가 실현된다. 보조 기억 장치(413)는, 예를 들어 하드디스크 드라이브나 솔리드 스테이트 드라이브 등의 대용량의 기억 장치로 구성되어, 프로그램이나 데이터를 장기간 유지하기 위해서 이용된다.

프로세서(411)는, 단일의 처리 유닛 또는 복수의 처리 유닛으로 구성할 수 있고, 단일 혹은 복수의 연산 유닛, 또는 복수의 처리 코어를 포함할 수 있다. 프로세서(411)는, 1개 또는 복수의 중앙 처리 장치, 마이크로프로세서, 마이크로 계산기, 마이크로컨트롤러, 디지털 신호 프로세서, 상태 머신, 로직 회로, 그래픽 처리 장치, 칩 온 시스템, 및/또는 제어 지시에 기초하여 신호를 조작하는 임의의 장치로서 실장할 수 있다.

보조 기억 장치(413)에 저장된 프로그램 및 데이터가 기동 시 또는 필요 시에 메모리(412)에 로드되고, 프로그램을 프로세서(411)가 실행함으로써, 계산기(41)의 각종 처리가 실행된다.

입력 장치(415)는, 유저가 계산기(41)에 지시나 정보 등을 입력하기 위한 하드웨어 디바이스이다. 출력 장치(414)는, 입출력용 각종 화상을 제시하는 하드웨어 디바이스이며, 예를 들어 표시 디바이스 또는 인쇄 디바이스이다. 통신 I/F(417)는, 네트워크와의 접속을 위한 인터페이스이다.

계산기(41)의 기능은, 1 이상의 프로세서 및 비일과성의 기억 매체를 포함하는 1 이상의 기억 장치를 포함하는 1 이상의 계산기로 이루어지는 계산기 시스템에 실장할 수 있다. 복수의 계산기는 네트워크를 통해서 통신한다. 예를 들어, 계산기(41)의 복수의 기능이 복수의 계산기에 실장되어도 된다.

도 4는 비점 수차 보정 장치(14)의 구성예를 나타낸다. 도 4의 구성예에 있어서, 비점 수차 보정 장치(14)는, 8극자 코일을 포함한다. 비점 수차 보정 장치(14)는, X축 페어(X1, X2)의 비점 수차를 보정하는 코일(X축 비점 수차 보정 코일) X11, X12, X21, X22와, Y축 페어(Y1, Y2)의 비점 수차를 보정하는 코일(Y축 비점 수차 보정 코일) Y11, Y12, Y21, Y22를 포함한다.

X축 비점 수차 보정 코일은, Y축 비점 수차 보정 코일의 배치 위치에 대하여, 광축 중심의 주위로 45도 회전한 위치에 배치된다. X축 비점 수차 보정 코일 X11, X12는 광축 중심을 사이에 두고 대향한다. X축 비점 수차 보정 코일 X21, X22는 광축 중심을 사이에 두고 대향한다. Y축 비점 수차 보정 코일 Y11, Y12는 광축 중심을 사이에 두고 대향한다. Y축 비점 수차 보정 코일 Y21, Y22는 광축 중심을 사이에 두고 대향한다. X1축, X2축, Y1축, Y2축의 교점은 광축 중심에 일치하는 것이 바람직하다.

비점 수차 보정 장치(14)는, 8극자 코일을 사용하고, 1차 전자 빔 EB(이하 단순히 전자 빔이라 칭한다)의 단면 형상을 변형한다. 코일이 생성하는 자장의 방향과, 상기 자장이 1차 전자 빔에 대하여 부여하는 힘의 방향은 직행 관계에 있기 때문에, X축 비점 수차 보정 코일을 사용함으로써 빔을 Y축(Y1, Y2) 방향에 대하여 변형시키고, Y축 비점 수차 보정 코일을 사용함으로써 빔을 X축(X1, X2) 방향에 대하여 변형시키는 것이 가능해진다. 예로서, 도 4는 광축 중심으로부터 X1축의 정부 양 방향으로 인장되도록 변형된 전자 빔 EB를 나타내고 있다. 이러한 형상으로 변형한 전자 빔 EB의 비점 수차 보정에는 Y축 비점 수차 보정 코일이 사용된다.

제어 시스템(42)은 Y축 비점 수차 보정 코일 Y11, Y12에 전류를 흘리고, Y1 축을 따라 광축의 방향을 향한 자속의 흐름을 만들어 내고, 또한 동시에, Y축 비점 수차 보정 코일 Y21, Y22에 역방향의 전류를 흘리고, Y2축에 있어서 Y1축과는 역방향의 자장을 발생시킨다. 그 결과, X1축 상에서는 X1축에 직행하는 방향, Y11로부터 Y21, Y12로부터 Y21을 향하는 방향으로 자장이 발생함으로써 전자 빔 EB에 대하여 타원의 장축 방향(X1축)을 따라 압축되는 방향으로 변형하고, 또한 X2축 상에서는 X2축에 직행하는 방향, Y12로부터 Y21, Y11로부터 Y22를 향하는 방향으로 자장이 발생함으로써 전자 빔 EB에 대하여 타원의 장축 방향(X2축)을 따라 발산되는 방향으로 변형한다. 결과적으로, 비점 수차 보정 코일이 형성하는 보정 자장을 통과한 전자 빔 EB는 원 형상으로 보정된다.

Y1축 또는 Y2축에 일치하는 장축 및 Y2축 또는 Y1축에 일치하는 단축을 갖는 타원형의 단면을 갖는 전자 빔을 보정하는 경우, 제어 시스템(42)은 X축 비점 수차 보정 코일을 사용한다. 구체적으로는, 제어 시스템(42)은 X축 비점 수차 보정 코일 X11, X12에 전류를 흘리고, X1 축을 따라 광축을 향하는 방향, 혹은 광축으로부터 이격되는 방향을 향한 자속의 흐름을 만들어 내고, 또한 동시에, X축 비점 수차 보정 코일 X21, X22에 역방향의 전류를 흘리고, X2축에 있어서 X1축과는 역방향의 자장을 발생시킨다. 이에 의해 전자 빔을 원형의 단면을 가지도록 보정하는 것이 가능해진다.

예를 들어, 제어 시스템(42)은 X축 비점 수차 보정 코일의 전류(X 파라미터) 및 Y축 비점 수차 보정 코일의 전류(Y 파라미터)를 지정하고, 비점 수차 보정 장치(14)를 제어한다. 비점 수차 보정 장치(14)는, 지정된 X, Y 파라미터에 따라서, 각 보정 코일에 전류를 부여한다.

또한, 상기 설명에서는 코일을 사용한 비점 수차 보정의 예를 설명했지만, 코일 대신에 전극을 사용하고, 전기장에 의한 작용을 사용함으로써도 마찬가지인 조정을 행하는 것이 가능하다. 이 경우, 제어를 행하는 전극의 방향에 대하여 전자 빔이 변형한다고 하는 점만이 자장을 사용한 경우에 대한 차이가 되지만, 그 이외의 점에 대해서는 마찬가지인 제어를 행함으로써 마찬가지 효과를 얻는 것이 가능하다. 또한, 상술한 설명에서는 8극자 코일을 사용한 비점 수차 보정의 예를 설명하고 있지만, 그 외에 12극자 코일 등 다른 수의 다극자 코일을 사용함으로써, 다른 대칭성을 갖는 수차에 대해서도 보정을 행하는 것이 가능하다.

도 5는 전자 광학계가 갖는 비점 수차의 방향 및 크기가 변화했을 때, 동일한 높이에 있는 면에 있어서의 전자 빔의 단면 형상이 어떻게 변화하는지를 나타낸 예이다. 단면 121 내지 단면 125는, 비점 수차의 방향이 0°이고, 그 크기가 변화한 경우의 예를 나타낸다. 예로서, 단면 123이 비점 수차량 0, 단면 122가 비점 수차량 1, 단면 121이 비점 수차량 2, 단면 124가 비점 수차량 -1, 단면 125가 비점 수차량 -2인 경우에 대응하고 있다.

단면 131 내지 단면 135는 비점 수차의 방향이 45°이고, 그 크기가 변화한 경우의 예를 나타낸다. 예로서, 단면 133이 비점 수차량 0, 단면 132가 비점 수차량 1, 단면 131이 비점 수차량 2, 단면 134가 비점 수차량 -1, 단면 135가 비점 수차량 -2인 경우에 대응하고 있다.

이때의 수차량의 단위나 수차의 절대량의 스케일은 조건이나 기준을 취하는 방법에 따라서 여러가지 형태를 취할 수 있다. 또 다른 수차의 표현 방법으로서, 수차의 크기를 정의 수치로 표현한 경우, 단면 124를 90° 방향의 크기 1, 단면 125를 90° 방향의 크기 2, 단면 134를 135° 방향의 크기 1, 단면 135를 135° 방향의 크기 2에 대응하는 수차로 표현할 수도 있다.

1차의 비점 수차인 경우, 180°의 회전 대칭성을 갖고 있기 때문에, 0° 방향의 수차와 180° 방향의 수차는 실질적으로 동등해진다. 이것에 기초하여, 빔 단면의 장축 방향이 0 내지 180°의 범위에서 변화하는 각도 영역을 수차의 방향의 1주기로서 다루고, 이 1주기에 대하여 새롭게 0 내지 360°, 또는 -180 내지 180°등의 각도를 할당해서 그 방향을 표현하는 것도 가능하다. 또한, 임의의 방향과 크기를 갖는 수차량을, 직교하는 2 방향의 성분으로 분해해서 각각을 실부, 허부로 한 복소수에 의한 표현을 사용하는 것도 가능하다. 이러한 수차의 방향은 위상으로도 표현된다.

도 6은 비점 수차를 갖고 있지 않거나, 또는 비점 수차가 그 영향을 무시할 수 있을 정도로 작은 양으로 되어 있는 전자 광학계에 의해 전자 빔이 수렴하는 부분 및 당해 전자 빔에 따라 다른 높이 위치의 시료를 관찰했을 때에 얻어지는 각각의 화상을, 모식적으로 도시하고 있다.

도 6에 있어서, 103은 Z축을 광축으로 해서 1개의 수렴점을 갖는 전자 빔의, Z축과 X축을 포함하는 면 상에 있어서의 단면을 나타낸 것이다. 또한 101과 그 상측에 나타내는 복수의 원은 전자 빔의, Z축 상의 다른 복수의 면에 있어서의 단면 형상을 나타낸 것이고, 도형의 가로 방향과 세로 방향은 각각 X축과 Y축 방향에 대응한다. 빔이 수렴하는 위치를 기준(Z=0)으로 했을 때의 각 단면 형상(101)에 대응하는 Z축 상의 위치를 그 왼쪽에 나타내고 있고, 예를 들어 단위는 ㎛이다. 포커스 위치에서 위의 위치는 정의 숫자로 나타나고, 포커스 위치에서 아래의 위치는 부의 숫자로 나타나 있다. X축, Y축, Z축은 서로 수직하다.

하전 입자선 장치의 전자 광학계는 비점 수차를 갖고 있지 않기 때문에, 임의의 높이 위치(Z축에서의 위치)에 있어서의 빔 단면 형상(101)은 원이다. 도 5에 있어서는, 1개의 높이 위치에 있어서의 빔 단면 형상이 예로서 부호 101로 지시되어 있다. 빔 단면 형상의 직경은, 포커스 위치(Z=0)에 있어서 가장 작고, 포커스 위치에서 이격됨에 따라서 커진다.

그 때문에, 시료의 높이 위치가 전자 빔(103)의 포커스 위치(Z=0)와 일치하는 화상 203이 가장 선예하다. 시료의 높이 위치가 포커스 위치보다 위의 위치(Z=10)인 화상 201 및 시료의 높이 위치가 포커스 위치보다 아래의 위치(Z=-10)인 화상 205는, 모두 포커스 위치에 있어서의 화상 203보다 흐려지고 있고, 그 정예도는 낮다. 이때 전자 광학계는 비점 수차를 갖고 있지 않기 때문에 화상 201 및 205의 흐려짐은 등방적이다.

도 7은 도 6에서 나타낸 전자 빔에 대하여 전자 광학계에 비점 수차가 가해진 상태에 있어서의 전자 빔의 형상 및 당해 전자 빔에 의한 다른 높이 위치의 시료 화상을, 모식적으로 도시하고 있다. 153은 상기 전자 빔의, Z축과 X축을 포함하는 면 상에 있어서의 단면을 나타낸 것이다. 전자 빔의 광축은 Z축과 일치하고 있고, 또한 X축, Y축, Z축은 서로 수직이다.

도 7 왼쪽에 나타내는 Z의 값은 Z축 상의 위치를 나타내고 있고, 예를 들어 단위는 ㎛이다. 각 도형에 대응하는 Z축 상의 위치가 그 왼쪽에 나타나 있고, 예를 들어 단위는 ㎛이다. 도 6에서 나타내는 Z축 상의 위치와 도 7에서 나타내는 Z축 상의 위치는 동일 위치이다. 도형의 가로 방향과 세로 방향은 각각 X축과 Y축 방향에 대응한다.

도 7에 있어서 Z=0이 되는 위치에 있어서의 빔 단면 형상(151A)은 원이다. 하전 입자선 장치의 전자 광학계는 비점 수차를 갖고 있기 때문에, Z=0이 되는 위치에 있어서의 빔 단면 형상(151A)의 직경은, 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계의 Z=0이 되는 위치에 있어서의 빔 단면 형상의 직경보다 크다. 시료의 높이 위치가 Z=0이 되는 위치와 일치하는 화상 253은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 의한 Z=0이 되는 위치에서의 화상 203과 비교하여, 약간 흐려지고 있다.

비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 있어서, Z=0이 되는 위치와 다른 위치에 있어서의 빔 단면 형상은 원과 다르다. 도 7에 도시한 비점 수차는, 1차의 비점 수차 또는 2회 대칭의 비점 수차이고, Z=0이 되는 위치와 다른 높이 위치에서의 빔 단면 형상은 타원형이다.

도 7에 있어서는, Z=0이 되는 위치보다 높은 위치의 1개의 빔 단면 형상이 부호 151B로 지시되어 있고, 장축이 X축과 일치하고, 단축이 Y축과 일치하고 있다. 또한 Z=0이 되는 위치보다 낮은 위치의 1개의 빔 단면 형상이 부호 151C로 지시되어 있고, 장축이 Y축과 일치하고, 단축이 X축과 일치하고 있다.

빔 단면 형상은, 높이 위치 Z=10에 있어서 Y축에 있어서의 가장 작은 직경을 갖고 있다. 높이 위치가, Z=10으로부터 이격됨에 따라서, Y축에 있어서의 직경이 증가한다. 높이 위치 Z=10은 Y축에 있어서의 포커스 위치로 간주할 수 있다. 또한, 빔 단면 형상은, 높이 위치 Z=-10에 있어서 X축에 있어서의 가장 작은 직경을 갖고 있다. 높이 위치가 Z=-10으로부터 이격됨에 따라서, X축에 있어서의 직경이 증가한다. 높이 위치 Z=-10은 X축에 있어서의 포커스 위치로 간주할 수 있다.

이러한 점에서, 비점 수차를 갖지 않는 전자 광학계에서는 포커스 위치의 상하 근방에 있어서 빔의 단면 형상은 원형으로 등방적인 것이 되는 데 반해, 광학계가 비점 수차를 갖는 상태에서는 포커스 위치의 상하 근방에 있어서 빔의 단면 형상은 이방적인 것이 되고, 또한 그 방향은 포커스 위치의 상하에서 변화하는 것을 알 수 있다.

시료의 높이 위치가 Z=10일 때의 화상 251은, Z=0이 되는 위치에 있어서의 화상 253과 비교하여, X축을 따른 흐려짐은 크고, Y축을 따른 흐려짐은 작게 되어 있다. 그 때문에, X축을 따른 선예도(샤프니스)는 낮고, Y축을 따른 선예도는 높다. 선예도는 신호 강도의 변화 정도를 나타낸다. 이것은 높이 위치 Z=10에 있어서의 빔 단면 형상의 X축에 있어서의 직경이 Z=0이 되는 위치에 있어서의 직경보다 크고, 높이 위치 Z=10에 있어서의 빔 단면 형상의 Y축에 있어서의 직경이 Z=0이 되는 위치에 있어서의 직경보다 작은 것에 기인한다.

또한, 시료의 높이 위치가 Z=-10일 때의 화상 255는 Z=0이 되는 위치에 있어서의 화상 253과 비교하여, X축을 따른 흐려짐은 작고, Y축을 따른 흐려짐은 크게 되어 있다. 그 때문에, X축을 따른 선예도는 높고, Y축을 따른 선예도는 낮다. 이것은 높이 위치 Z=-10에 있어서의 빔 단면 형상의 Y축에 있어서의 직경이 Z=0이 되는 위치에 있어서의 직경보다 크고, 높이 위치 Z=-10에 있어서의 빔 단면 형상의 X축에 있어서의 직경이 Z=0이 되는 위치에 있어서의 직경보다 작은 것에 기인한다.

도 8은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 의한 화상 201, 203, 205 각각의, 미분 화상을 나타낸다. 화상군 211은 시료의 높이 위치가 Z=10일 때의 화상 201, 화상 201의 X축을 따른 미분 화상 201X 및 화상 201의 Y축을 따른 미분 화상 201Y로 구성되어 있다.

화상군 213은 시료의 높이 위치가 포커스 위치(Z=0)에 있을 때의 화상 203, 화상 203의 X축을 따른 미분 화상 203X 및 화상 203의 Y축을 따른 미분 화상 203Y로 구성되어 있다. 화상군 215는 시료의 높이 위치가 Z=-10일 때의 화상 205, 화상 205의 X축을 따른 미분 화상 205X 및 화상 205의 Y축을 따른 미분 화상 205Y로 구성되어 있다.

미분 화상은, 대응하는 축을 따른 화상 강도(휘도)의 변화(선예도)를 나타내고, 그 강도(휘도)는 원화상의 강도의 구배가 급준할수록 높아진다. 도 8에 있어서, 포커스 위치에 있어서의 미분 화상 203X는 X축을 따른 다른 미분 화상 201X, 205X보다 높은 최대 강도를 나타내고 있다. 또한, 포커스 위치에 있어서의 미분 화상 203Y는 Y축을 따른 다른 미분 화상 201Y, 205Y보다 높은 최대 강도를 나타내고 있다. 이것은 포커스 위치에 있어서의 빔 단면의 X축 및 Y축을 따른 직경이, 다른 높이 위치에 있어서의 빔 단면의 X축 및 Y축을 따른 직경보다 작고, 얻어진 화상이 X축 및 Y축 각각의 방향으로 샤프한 것을 나타낸다.

도 9는 비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 의한 화상 251, 253, 255 각각의, 미분 화상을 나타낸다. 화상군 261은 시료의 높이 위치가 Z=10일 때의 화상 251, 화상 251의 X축을 따른 미분 화상 251X 및 화상 251의 Y축을 따른 미분 화상 251Y로 구성되어 있다.

화상군 263은 시료의 높이 위치가 포커스 위치(Z=0)에 있을 때의 화상 253, 화상 253의 X축을 따른 미분 화상 253X, 및 화상 253의 Y축을 따른 미분 화상 253Y로 구성되어 있다. 화상군 265는 시료의 높이 위치가 Z=-10일 때의 화상 255, 화상 255의 X축을 따른 미분 화상 255X 및 화상 255의 Y축을 따른 미분 화상 255Y로 구성되어 있다.

도 9에 있어서, 높이 위치 Z=10에 있어서의 Y축을 따른 미분 화상 251Y는 Y축을 따른 다른 미분 화상 253Y, 255Y보다 높은 최대 강도를 나타내고 있다. 이것은 높이 위치 Z=10에 있어서의 빔 단면의 Y축을 따른 직경이, 다른 높이 위치의 빔 단면의 Y축을 따른 직경보다 작고, 얻어진 화상이 Y축 방향에 대하여 샤프한 것을 나타낸다.

또한, 높이 위치 Z=-10에 있어서의 X축을 따른 미분 화상 255X는 X축을 따른 다른 미분 화상 251X, 253X보다 높은 최대 강도를 나타내고 있다. 이것은 높이 위치 Z=-10에 있어서의 빔 단면의 X축을 따른 직경이, 다른 높이 위치의 빔 단면의 X축을 따른 직경보다 작고, 얻어진 화상이 X축 방향에 대하여 샤프한 것을 나타낸다.

상술한 바와 같이, 비점 수차를 갖는 전자 광학계에 의해 얻어지는 빔에 의해 얻어지는 화상은, 포커스 위치에 대한 시료의 높이 위치에 의존하는 선예도의 이방성을 갖고 있다. 도 7 및 9에 나타내는 예에 있어서, 포커스 위치(Z=0)보다 높은 위치에 있어서의 시료의 화상은, Y축을 따라 높은 선예도를 나타내고, X축을 따라 낮은 선예도를 나타낸다. 또한, 포커스 위치(Z=0)보다 낮은 위치에 있어서의 시료의 화상은, X축을 따라 높은 선예도를 나타내고, Y축을 따라 낮은 선예도를 나타낸다.

도 10은 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 있어서의 화상의 선예도 평가값을 나타낸다. 그래프 301은 횡축이 시료의 높이 위치(Z축 상의 위치), 종축이 화상의 X축에 있어서의 선예도 평가값(X 선예도 평가값)을 나타낸다. 각 점은 각각 화상 201, 203 및 205에 있어서의, X 선예도 평가값을 나타낸다. 포커스 위치(Z=0)에 있는 시료의 화상 203의 X 선예도 평가값이 가장 높고, 포커스 위치의 상하 위치(Z=-10, 10)에 있어서의 시료의 화상 201, 205의 X 선예도 평가값은 낮다.

그래프 302는 횡축이 시료의 높이 위치(Z축 상의 위치), 종축이 화상의 Y 선예도 평가값을 나타낸다. 각 점은 각각 화상 201, 203 및 205에 있어서의, Y 선예도 평가값을 나타낸다. 포커스 위치(Z=0)에 있는 시료의 화상 203의 Y 선예도 평가값이 가장 높고, 포커스 위치의 상하 위치(Z=-10, 10)에 있어서의 시료의 화상 201, 205의 Y 선예도 평가값은 낮다.

그래프 303은 각 화상의 X 선예도 평가값에서 Y 선예도 평가값을 뺀 값을 나타낸다. 비점 수차를 갖고 있지 않은 전자 광학계에 있어서의 각 방향에 대한 선예도는 모두 동일한 정도이고, 또한 포커스 위치가 시료의 높이 위치로부터 이격된 경우에 발생하는 각 방향의 선예도의 저하는, 포커스 위치가 시료의 높이 위치로부터 이격되는 방향에는 거의 의존하지 않고, 그 이격된 양에만 대체로 의존한다. 그 때문에, 각각의 높이에 있어서의 X 선예도 평가값으로부터 Y 선예도 평가값을 뺀 값은, 어느 높이에 있어서도 0에 가까운 값이 된다.

또한, 광학계가 갖는 수차 중, 포커스 어긋남(디포커스)과 1차의 비점 수차 이외를 고려한 경우, 전술한 포커스 위치가 시료의 높이 위치로부터 이격되는 경우의 선예도의 변화는 포커스 위치가 이격되는 방향에 대하여 어느 정도의 의존성을 나타낸다. 그러나, 일반적인 전자 현미경이 적절하게 조정된 상태에 있어서는 3차의 구면 수차만이 그러한 영향을 줄 수 있는 것이며, 그 영향 자체는 관찰상을 구성하는 화소의 크기가 3차의 구면 수차의 양과 동일한 정도, 혹은 그 이하가 되는 것과 같은 높은 배율로의 관찰 이외에서는 대부분 무시할 수 있다. 또한 상술한 바와 같은 높은 배율로의 관찰에 있어서도 비점 수차에 기초한 지금까지 설명한 것과 같은 상황은 마찬가지로 발생하기 때문에, 많은 상황에 있어서 본 발명에서 설명하는 효과가 크게 변화할 일은 없다.

도 11은 비점 수차를 갖고 있는 전자 광학계에 있어서의 화상의 선예도 평가값을 나타낸다. 그래프 351는 횡축이 시료의 높이 위치(Z축 상의 위치), 종축이 화상의 X 선예도 평가값을 나타낸다. 각 점은 각각 화상 251, 253 및 255에 있어서의, X 선예도 평가값을 나타낸다. Z=0이 되는 위치보다 낮은 위치(Z=-10)에 있는 시료의 화상 255의 X 선예도 평가값이 가장 높고, Z=0이 되는 위치보다 높은 위치(Z=10)에 있는 시료의 화상 251의 X 선예도 평가값은 가장 낮다.

그래프 352는 횡축이 시료의 높이 위치(Z축 상의 위치), 종축이 화상의 Y 선예도 평가값을 나타낸다. 각 점은 각각 화상 251, 253 및 255에 있어서의, Y 선예도 평가값을 나타낸다. Z=0이 되는 위치보다 높은 위치(Z=10)에 있는 시료의 화상 251의 Y 선예도 평가값이 가장 높고, Z=0이 되는 위치보다 낮은 위치(Z=-10)에 있는 시료의 화상 255의 X 선예도 평가값은 가장 낮다.

그래프 353은 각 화상의 X 선예도 평가값에서 Y 선예도 평가값을 뺀 값을 나타낸다. Z=0이 되는 위치보다 낮은 위치(Z=-10)의 시료의 화상의 값은 정이고, 가장 크다. Z=0이 되는 위치에 있어서의 시료의 화상의 값은 X 선예도 평가값과 Y 선예도 평가값이 가까운 값이 되는 점에서, 0에 가까운 값이 된다. Z=0이 되는 위치보다 높은 위치(Z=10)의 시료의 화상의 값은, 부이며 가장 작다.

상술한 바와 같이, 비점 수차를 갖는 전자 광학계에 있어서, X 선예도 평가값은, 시료의 높이 위치가 Z=-10으로부터 Z=10에 가까워짐에 따라서 감소하고, Y 선예도 평가값은, 시료의 높이 위치가 Z=-10으로부터 Z=10에 가까워짐에 따라서 증가한다. 시료가 Z=0이 되는 위치에 있는 경우에 화상에 있어서의 X 선예도와 Y 선예도가 동일 정도의 값이 되고, 시료가 Z=0이 되는 위치보다 높은 위치에 있는 경우, 화상에 있어서의 Y 선예도가 높고 X 선예도가 낮다. 반대로, 시료가 Z=0이 되는 위치보다 낮은 위치에 있는 경우, 화상에 있어서의 X 선예도가 높고 Y 선예도가 낮다.

상술한 바와 같이, 전자 빔 단면 형상에 따라, X 선예도 평가값 및 Y 선예도 평가값이 변화한다. 구체적으로는, 단면 형상의 직경이 큰 방향에 있어서 선예도 평가값이 낮고, 직경이 작은 방향에 있어서 선예도 평가값이 높다. 이하에 있어서, 이 지견에 기초하여, 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 행하는 방법을 설명한다.

이하에 설명하는 방법은, 다른 주사 방향을 포함하는 일차원의 주사 궤적을 형성하도록, 전자 빔을 시료 상에서 이동시킨다. 얻어진 신호 전자 강도(신호 강도라고도 칭한다)로부터 주사 방향에 관련지어서 선예도 평가값을 계산한다. 선예도 평가값과 주사 방향과의 관계로부터, 포커스 조정 및 비점 보정을 위한 정보를 얻는다.

도 12는 시료 상의 전자 빔(스폿)의 주사 궤적의 예를 나타낸다. 도 12는 시야 내의 시료(21) 상에 있어서, 흰 화살표에 의해 전자 빔의 주사 궤적을 나타낸다. 도 12에 도시한 바와 같이, 주사 궤적은 원형이다. 제어 시스템(42)은 1개 또는 복수회, 동일한 원 형상 궤적을 형성하도록, 전자 빔을 이동시킨다.

도 13은 도 12에 도시한 원형의 주사 궤적의 몇 가지의 다른 위치에 있어서의 전자 빔의 주사 방향을 나타낸다. 주사 궤적(501)에 있어서의 점은, X축으로부터의 각도 θ로 나타낼 수 있다. 예를 들어, 위치 P1의 각도 θ는 0°, 위치 P3의 각도 θ는 90°, 위치 P5의 각도 θ는 180°, 위치 P7의 각도 θ는 270°이다.

전자 빔은 위치 P1에 있어서 Y축을 따라 정의 방향, 즉 도 13에 있어서의 상측 방향으로 이동하고 있다. 이 주사 방향은, 각도 θ로 나타내면, 90°이다. 전자 빔은 위치 P3에 있어서, X축을 따라 부의 방향, 즉 도 13에 있어서의 좌측 방향으로 이동하고 있다. 그 주사 방향의 각도 θ는 180°이다. 전자 빔은, 위치 P5에 있어서, Y축을 따라 부의 방향, 즉 도 13에 있어서의 하측 방향으로 이동하고 있다. 그 주사 방향의 각도 θ는 270°이다. 전자 빔은, 위치 P7에 있어서, X축을 따라 정의 방향, 즉, 도 13에 있어서의 우측 방향으로 이동하고 있다. 그 주사 방향의 각도 θ는 0°이다.

도 14는 비점 수차와 시료면의 Z축 상의 위치(Z 위치라고도 칭한다)와의 다른 조합(상태)에 있어서, 시료 상의 전자 빔(스폿)의 움직임과, 주사 궤적 내의 다른 위치에 있어서의 빔 단면 형상을 나타낸다. 도 14의 예에 있어서, 광학계에 있어서의 비점 수차 STG-X의 방향은 0°이다. 도 14는 비점 수차 STG-X의 3개의 다른 양, (-1, 0, 1)을 나타낸다. 도 14는 3개의 다른 Z 위치, (-1, 0, 1)을 나타낸다. Z 위치(0)은 비점 수차가 존재하지 않는 경우의 포커스 위치이다. Z 위치(1)은 Z 위치(0)보다 위의 위치(전자 빔원(1)에 가까운 위치)이다. Z 위치(-1)은 Z 위치(0)보다 아래의 위치이다.

비점 수차 STG-X가 정일 때(상태 541, 542, 543), Z 위치(0)보다 낮은 위치에, X축에 있어서의 포커스 위치가 존재한다. 빔 단면은 Z 위치(1)에 있어서 X축을 따른 장경을 갖는 타원을 나타내고(상태 541), Z 위치(0)에 있어서 원을 나타내고(상태 542), Z(-1)에 있어서 Y축을 따른 장경을 갖는 타원을 나타낸다(상태 543).

비점 수차 STG-X가 부일 때(상태 547, 548, 549), Z 위치(0)보다 높은 위치에, X축에 있어서의 포커스 위치가 존재한다. 빔 단면은 Z 위치(1)에 있어서 Y축을 따른 장경을 갖는 타원을 나타내고(상태 547), Z 위치(0)에 있어서 원을 나타내고(상태 548), Z(-1)에 있어서 X축을 따른 장경을 갖는 타원을 나타낸다(상태 549).

비점 수차 STG-X가 0일 때(상태 544, 545, 546), 광학계에 비점 수차는 존재하지 않았다. 빔 단면의 직경은 Z 위치(0)에 있어서 가장 작고(상태 545), Z 위치(0)으로부터 이격됨에 따라서 커진다(상태 544, 546). Z 위치(0)에 있어서, 비점 수차 STG-X가 0일 때, 빔 단면의 직경은 가장 작다(상태 545).

시료 상에서의 전자 빔의 주사 궤적은, 도 13에 도시한 바와 같이 원형이다(원형 주사). 구체적으로는, 스폿은 반시계 방향으로 원의 주사 궤적을 형성하고, 위치 P1 내지 P8을 순차 통과한다. 위치 P1 내지 P8의 각도 θ는 각각, 0°, 45°, 90°, 135°, 180°(-180°), 225°(-135°), 270°(-90°), 315°(-45°)이다.

도 15는 도 14에 도시한 원형 주사에 의한, 전자 빔의 스폿 위치와 주사 방향과의 관계를 나타낸다. 도 15의 그래프에 있어서, 종축은 각도 θ를 나타내고, 횡축은 시간을 나타낸다. 실선(571)은 스폿 위치의 시간 변화를 나타내고, 파선(572)은 스폿의 주사 방향의 시간 변화를 나타낸다. 도 15의 예에 있어서, 스폿의 각속도는 일정하다. 예를 들어, 위치 P1의 각도 θ는 0이고, 주사 방향의 각도는 90°이다. 각 위치의 각도에 대하여, 주사 방향의 각도는 90° 진행되고 있다.

도 16은 비점 수차가 보정된 광학계에서의 원형 주사에 의한, 스폿 위치와 주사 방향의 시간 변화, 및 복수의 Z 위치에서의 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다. 주사 방향은 시간 변화와 함께 변화하고 있고, 선예도 평가값의 시간 변화는, 주사 방향에 대한 변화를 나타낸다. 주사 궤적에 있어서의 각 위치에서의 선예도 평가값은, 예를 들어 신호 강도의 미분의 절댓값에 기초할 수 있고, 주사에 있어서의 직전의 신호 강도로부터의 차를 사용해서 계산할 수 있다. 본 예에 있어서, 시료의 구조는, 도 12에 도시한 바와 같이, 등방적이고, 주사 궤적 상에 항상 검출되어 있는 것으로 한다.

스폿 위치와 주사 방향의 시간 변화는, 도 15와 마찬가지이다. 실선 FP1, FP2 및 FP3은, 각각 다른 Z 위치에 있어서의 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다. 시간과 함께 스폿의 위치 및 주사 방향이 변화하기 때문에, 도 15는 선예도 평가값의, 주사 궤적에 있어서의 위치 및 주사 방향에 대한 변화를 나타낸다.

어느 것의 Z 위치에 있어서의 선예도 평가값도 일정하고, 선예도 평가값은, 스폿의 주사 방향에 의존하지 않았다. 비점 수차가 보정되어 있기 때문에, 도 14에 도시한 바와 같이, 어느 것의 Z 위치에 있어서도, 전자 빔의 단면 형상은 원형이다(상태 544, 545, 546). 이와 같이, 스폿 형상(시료에 위의 빔 단면 형상)이 원형인 경우, 선예도 평가값은, 스폿의 주사 방향에 대하여 큰 변화를 나타내지 않는다.

선예도 평가값은, 스폿 형상과 스폿의 주사 방향과의 관계에 의존한다. 주사 방향에 있어서의 스폿 직경이 작을수록, 높은 선예도가 얻어진다. 비점 수차가 보정된 광학계에 있어서의 스폿 형상은 원형이다. 그 때문에, 어느 주사 방향에 있어서도 마찬가지인 선예도 평가값이 얻어진다.

도 16에 도시한 예에 있어서, 선예도 평가값 FP1이 가장 작고, 선예도 평가값 FP3이 가장 크다. 상술한 바와 같이, 동일한 시료에 있어서, 스폿 직경이 작을수록, 높은 선예도 평가값이 얻어진다. 따라서, 선예도 평가값 FP3을 나타내는 스폿 직경이 가장 작고, 선예도 평가값 FP1을 나타내는 스폿 직경은 가장 크다. 선예도 평가값 FP3에 대응하는 스폿이, 시료에 가장 포커스가 있었던 상태에 있다.

도 17은 0°의 비점 수차의 존재하는 광학계에서의 원형 주사에 의한, 스폿 위치와 주사 방향의 시간 변화 및 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다. 상단의 그래프는, 도 15 및 16에 나타내는, 스폿 형상과 스폿의 주사 방향의 시간 변화의 그래프와 마찬가지이다.

중단의 그래프는 X축을 따른 장경을 갖는 타원 형상의 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타낸다. 실선 574는 장경이 보다 길고 단경이 보다 짧은(비점 수차가 보다 크다. 도 5의 121에 상당) 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타내고, 파선 575는 장경이 보다 짧고 단경이 보다 긴(비점 수차가 보다 작다. 도 5의 122에 상당) 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타낸다.

선예도 평가값 574 및 575는 스폿의 주사 방향의 변화에 대하여, 마찬가지의 변화를 나타낸다. 구체적으로는, 선예도 평가값 574 및 575는 원형 주사(주사 궤적)와 마찬가지 주기로 연속적으로 변화한다. 선예도 평가값 574 및 575는 스폿 주사 방향의 각도 θ가 장경과 수직인 방향(90°또는 -90°)일 때 최댓값을 나타낸다. 선예도 평가값 574 및 575는 스폿 주사 방향의 각도 θ가, 장경과 병행한 방향(0°또는 180°(-180°))일 때 최솟값을 나타낸다.

이와 같이, 1개의 스폿에 의한 선예도 평가값은, 스폿의 주사 방향에 있어서의 스폿 직경이 작을수록, 높아진다. 동일한 주사 방향에 있어서의 다른 스폿에 의한 선예도 평가값은, 당해 주사 방향에 있어서의 스폿 직경이 작을수록 높아진다. 장경이 보다 긴 스폿(도 5의 121에 상당)의 단경은, 장경이 보다 짧은 스폿(도 5의 122에 상당)의 단경보다 짧다. 그 때문에, 장경이 보다 긴 스폿의 선예도 평가값 574는 장경이 보다 짧은 스폿의 선예도 평가값 575보다, 큰 진폭(보다 큰 최댓값보다 작은 최솟값)을 갖고 있다.

하단의 그래프는, Y축을 따른 장경을 갖는 타원 형상의 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타낸다. 실선 577은 장경이 보다 길고 단경이 보다 짧은(비점 수차가 보다 크다. 도 5의 125에 상당) 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타내고, 파선 578은 장경이 보다 짧고 단경이 보다 긴(비점 수차가 보다 작다. 도 5의 124에 상당) 스폿에 의한 선예도 평가값의 변화를 나타낸다.

선예도 평가값 577 및 578은, 스폿의 주사 방향의 변화에 대하여, 마찬가지 변화를 나타낸다. 구체적으로는, 선예도 평가값 577 및 578은 원형 주사(주사 궤적)와 마찬가지 주기로 연속적으로 변화한다. 선예도 평가값 577 및 578은 스폿 주사 방향의 각도 θ가, 장경과 수직인 방향(0°또는 180°(-180°))일 때 최댓값을 나타낸다. 선예도 평가값 574 및 575는 스폿 주사 방향의 각도 θ가 장경과 병행한 방향(90°또는 -90°)일 때 최솟값을 나타낸다.

중단 그래프의 선예도 평가값 574 및 575와 마찬가지로, 1개의 스폿에 의한 선예도 평가값은, 스폿의 주사 방향에 있어서의 스폿 직경이 작을수록, 높아진다. 동일한 주사 방향에 있어서의 다른 스폿에 의한 선예도 평가값은, 당해 주사 방향에 있어서의 스폿 직경이 작을수록 높아진다. 장경이 보다 긴 스폿(도 5의 125에 상당)의 선예도 평가값 577은 장경이 보다 짧은 스폿(도 5의 124에 상당)의 선예도 평가값 578보다, 큰 진폭(보다 큰 최댓값과 보다 작은 최솟값)을 갖고 있다.

중단의 그래프와 하단의 그래프의 비교가 나타낸 바와 같이, 주사 방향에 대한 선예도 평가값은, 비점 수차가 존재하는 광학계에 있어서의 타원 스폿의 장축 방향에 따른 위상을 나타낸다. 또한, 중단의 그래프 및 하단의 그래프 각각을 참조하여 설명한 바와 같이, 비점 수차가 크고 타원 스폿의 장축이 길고 단축이 짧을수록, 선예도 평가값의 진폭이 커진다.

도 18은 비점 수차와 시료의 Z 위치와의 다른 조합(상태)에 있어서의, 원형 주사 1주기에서 얻어지는 신호 강도의 시간 변화와, 선예도 평가값(신호 강도의 미분값의 절댓값)의 시간 변화를 나타낸다. 상태 601 내지 620 각각에 있어서, 상단 그래프가 신호 강도의 시간 변화를 나타내고, 하단 그래프가 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다. 도 18은 시뮬레이션에서 얻어진 결과를 나타내고 있고, 시료의 구조는, 도 12에 도시한 바와 같이 등방적이고, 주사 궤적 상에 항상 검출되어 있는 경우의 결과에 상당한다.

광학계에 있어서 비점 수차가 존재하지 않는 상태 611 내지 615 각각에 있어서, 선예도 평가값은 거의 일정하다. 또한, 포커스 상태인 Z 위치(0)의 상태 612가, 가장 큰 선예도 평가값을 나타낸다. 이 상태 612가, 비점 수차 보정과 포커스 조정이 최적인 상태이다. 상태 611 내지 615에 있어서, 최적 상태 612로부터 Z 위치가 이격됨에 따라서, 선예도 평가값이 작아진다.

STG-X가 1인 상태 606 내지 610은, Z 위치(0)의 상태 607을 제외하고, 주사 1주기 중에서 선예도 평가값의 국소 피크가 모여 거시적인 주기적 변화를 나타낸다. Z 위치가 정인 상태 608, 609, 610의 선예도 평가값의 위상과, Z 위치가 부인 상태 606의 선예도 평가값의 위상과는 다르게, 역위상으로 되어 있다. Z 위치(1)의 상태 608이 가장 큰 선예도 평가값의 진폭을 나타낸다. 도시하지 않았지만, Z 위치(-1)의 상태도, 마찬가지로 큰 선예도 평가값의 진폭을 나타낸다. Z 위치(1)이 Y축에 있어서의 포커스 위치이며, Z 위치(-1)가 X축에 있어서의 포커스 위치이다.

STG-X가 2인 상태 601 내지 605는 Z 위치(0)의 상태 602를 제외하고, 주사 1주기 중에서 선예도 평가값의 국소 피크가 모여 거시적인 주기적 변화를 나타낸다. Z 위치가 정인 상태 603, 604, 605의 선예도 평가값의 위상과, Z 위치가 부인 상태 601의 선예도 평가값의 위상과는 다르게, 역위상으로 되어 있다. Z 위치(2)의 상태 604 또는 Z 위치(-2)의 상태 601이, 가장 큰 선예도 평가값의 진폭을 나타낸다. Z 위치(2)가 Y축에 있어서의 포커스 위치이며, Z 위치(-2)가 X축에 있어서의 포커스 위치이다.

STG-X가 -1의 상태 616 내지 620은 Z 위치(0)의 상태 617을 제외하고, 주사 1주기 중에서 선예도 평가값의 국소 피크가 모여 거시적인 주기적 변화를 나타낸다. Z 위치가 정인 상태 618, 619, 620의 선예도 평가값의 위상과, Z 위치가 부인 상태 616의 선예도 평가값의 위상과는 다르게, 역위상으로 되어 있다. Z 위치(2)의 상태 619 또는 Z 위치(-2)의 상태 616이, 가장 큰 선예도 평가값의 진폭을 나타낸다. Z 위치(2)가 X축에 있어서의 포커스 위치이며, Z 위치(-2)가 Y축에 있어서의 포커스 위치이다. 상태 616, 618 내지 620의 선예도 평가값은, STG-X가 정의 동일 Z 위치의 선예도 평가값과 역의 위상을 갖고 있다.

도 19를 참조하여, 선예도 평가값으로부터, 포커스 조정 및 비점 보정을 위한 정보를 얻는 방법을 설명한다. 도 19는 원형 주사에 의한 스폿 위치에 대한 신호 강도의 변화 및 신호 강도의 변화에 따른 선예도 평가값의 변화를 나타낸다. 스폿 위치는, 기준축(X축)을 0°로 하는 각도로 표시되어 있고, 상술한 바와 같이, 스폿 주사 방향과 대응지어진다. 즉, 도 19는 주사 방향에 대한 신호 강도 및 선예도 평가값의 변화를 나타낸다.

도 19에 도시한 바와 같이, 선예도 평가값으로부터, 미리 설정된 연산에 의해, 진폭(교류 성분), 총합 또는 평균값(직류 성분) 및 위상을 결정할 수 있다. 지금까지의 설명에서 이해되듯이, 선예도 평가값의 교류 성분의 진폭은 비점 수차의 크기를 나타낸다. 선예도 평가값의 총합 또는 평균값(직류 성분)은 포커스 어긋남양을 나타낸다. 선예도 평가값의 교류 성분의 위상은, 광학계가 갖는 비점 수차의 방향(비점 수차의 위상으로도 표현한다)을 나타낸다.

제어 시스템(42)은 원 형상으로 전자 빔을 시료 상에서 이동하고, 검출기에 의해 검출된 신호 전자의 강도를 취득한다. 제어 시스템(42)은 주사 궤적에 있어서의 각 점에서의 신호 강도의 선예도 평가값을 계산한다. 이에 의해, 제어 시스템(42)은 도 19에 도시한 바와 같은, 전자 빔의 주사 방향에 관련지어진 선예도 평가값을 얻는다.

제어 시스템(42)은 주사 방향의 변화에 따라서 변화하는 선예도 평가값에 있어서의 교류 성분의 진폭, 직류 성분, 교류 성분의 위상 각각의 값을, 미리 설정된 연산 방법에 의해 결정한다. 전자 빔의 스폿 주사 방향은 기지이며, 제어 시스템(42)은 그 주사 방향에 대응하는 주기성을 갖는 성분(교류 성분)을 추출함으로써, 진폭과 위상을 결정할 수 있다. 직류 성분은, 주파수의 성분을 추출하기 전의 측정 데이터로부터, 또는 추출된 주파수의 성분으로부터 계산할 수 있다. 제어 시스템(42)은 얻어진 값을 포커스 위치 조정 기구 및 비점 보정 기구에 피드백함으로써, 포커스 위치 및 비점 보정량을 적절한 값으로 설정할 수 있다.

일례에 있어서, 시료 상의 전자 빔의 스폿이 1차의 비점 수차를 갖는 2회 대칭인 형상, 즉 타원 형상인 경우, 1회의 원형 주사 중에서 스폿의 장축·단축 방향으로 2도 주사된다. 결과로서 주사 방향이 0° 내지 360°의 범위에서 변화하는 사이에 선예도 평가값은 2헤르츠의 주기를 가진 변화를 갖는다. 또한 마찬가지로 시료 상의 전자 빔의 스폿이 3회 대칭인 형상을 가진 경우에는, 선예도 평가값은 주사 방향의 변화에 대하여 3헤르츠의 주기를 가지고 변화하는 등, 전자 빔의 스폿이 갖는 형상의 대칭성에 따라서 다른 주기성을 갖는 성분이 첨예도 평가값의 변화 중에 나타난다. 하전 입자선에 있어서의 전자 빔의 대칭성은 많은 경우 6회 이하의 대칭성을 갖기 때문에, 이것에 대응해서 선예도 평가값에 나타나는 주사 방향의 변화에 대응한 주기의 성분도 많은 경우 6헤르츠 이하가 된다.

이러한 주사 방향의 변화에 대하여 주기성을 갖는 성분은 복수의 주파수 성분이 동시에 포함되는 경우도 있고, 그 평가 방법으로서는 첨예도 평가값을 주사 방향에 대하여 푸리에 변환하는 방법, 혹은 특정한 주기 성분을 구성하는 2개의 직행 성분에 대응한 평가 행렬과의 도트곱을 구하는 방법 등을 예로서 사용하는 것이 가능하다.

도 20은 제어 시스템(42)에 의한, 자동 포커스 조정 및 비점 수차 보정의 예를 나타내는 흐름도이다. 제어 시스템(42)은 포커스(위치)를 초기 조건으로 설정한다(S101). 제어 시스템(42)은 시료 상에서, 전자 빔을 1주기 주사한다(S102). 예를 들어, 전자 빔의 스폿 시료 상의 주사 궤적은, 상술한 바와 같이 원형이다.

제어 시스템(42)은 주사 궤적에 있어서의 점 각각에 대응하는 신호 강도를 축차 취득하고, 각 점에서의 선예도 평가값을 산출한다(S103). 선예도 평가값은, 예를 들어 직전의 위치 신호 강도와의 차분의 절댓값으로부터 계산할 수 있다. 제어 시스템(42)은 주사 궤적에 있어서의 각 위치의 주사 방향과 선예도 평가값을 관련짓고, 그들의 관계를 분석한다(S104).

주사 궤적에 있어서의 각 위치의 주사 방향을 구하는 방법으로서는, 전자 빔을 주사할 때에 사용하는 각 방향의 스캔 코일에 흘려지는 스캔 신호의 전류량의 미분값, 또는 변화량에 대하여 아크탄젠트(역정접 함수) 등을 적용하는 방법 등을 사용할 수 있다.

제어 시스템(42)은 당해 평가에 의해, 주사 1주기 내에 있어서의 선예도 평가값의 변화로부터, 교류 성분의 진폭 및 위상, 그리고 평균값(직류 성분) 각각에 기초한 평가값을, 미리 설정된 계산 방법에 의해 산출한다(S105). 상술한 바와 같이, 진폭에 기초한 평가값은 비점 수차량의 평가 결과를 나타내고, 위상에 기초한 평가값은 광학계가 갖는 비점 수차의 방향을 나타낸다. 평균값에 기초한 평가값은, 포커스 어긋남양의 평가 결과를 나타낸다.

이어서, 제어 시스템(42)은 현재의 포커스 위치가 미리 설정되어 있는 종료 조건을 충족하고 있는지 판정한다(S106). 예를 들어, 선예도 평가값을 취득하는 포커스 위치의 범위가 미리 설정되어 있고, 현재의 포커스 위치가, 당해 범위의 경계인 경우에, 현재 포커스 위치는 종료 조건을 충족한다. 현재의 포커스 위치가 종료 조건을 충족하지 못한 경우(S106: 아니오), 제어 시스템(42)은 포커스 위치를 소정량 변화시킨 후(S107), 스텝 S102로 되돌아간다.

현재의 포커스 위치가 종료 조건을 충족하고 있는 경우(S106: 예), 제어 시스템(42)은 포커스 평가값이 최대가 되는 최적 포커스 조건을 결정한다(S108). 상술한 바와 같이, 변화하는 선예도 평가값에 있어서의 평균값에 기초한 평가가, 포커스 평가값에 대응한다. 제어 시스템(42)은 관측을 행한 포커스 위치(포커스 조건)각각에 있어서의 포커스 평가값에 있어서, 최대의 포커스 평가값을 나타내는 포커스 조건을, 최적 포커스 조건으로 결정한다. 제어 시스템(42)은 결정한 최적 포커스 조건을 포커스 조정 기구에 설정한다(S109).

이어서, 제어 시스템(42)은 포커스 위치 변화에 대한 이미 취득 완료된 선예도 평가값의 진폭에 기초한 평가값 및 위상에 기초한 평가값의 변화로부터, 미리 설정되어 있는 관계식에 따라, 비점 수차 보정 조건을 결정한다. 이때에 사용하는 관계식은, 예로서 포커스 위치를 변화시켰을 때 선예도 평가값의 진폭이 극대가 되는 2개의 조건에 대응한 포커스 조건의 차로부터 비점 수차의 크기를, 또한 선예도 평가값의 위상 정보로부터 비점 수차의 방향을 구하는 것 등을 들 수 있다. 이것이 최적 비점 수차 보정 조건이다. 제어 시스템(42)은 결정한 최적 비점 수차 보정 조건을, 비점 수차 보정 기구에 설정한다(S111).

상술한 바와 같이, 주사 방향에 따라서 변화하는 선예도 평가값의 특성으로부터, 자동 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 고속으로 행할 수 있다. 시스템의 설계에 따라, 제어 시스템(42)은 포커스 조정 및 비점 수차 보정의 한쪽만을 실행해도 된다. 상기 예에 있어서, 제어 시스템(42)은 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 행하기 위한 정보를 생성하고, 그 정보에 따라서 자동으로 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 행한다. 이것 대신에, 제어 시스템(42)은 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 행하기 위한 정보를 출력 장치(414)에 있어서 유저에게 제시하고, 유저에 의한 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 보조해도 된다. 이 점은, 다음에 설명하는 포커스 조정의 방법에 있어서 마찬가지이다.

이어서, 자동 비점 수차 보정을 행하지 않고 자동 포커스 조정을 행하는 예를 설명한다. 필요한 비점 수차 보정은 이미 실행되어 있는 것으로 한다. 본 예는, 상기 방법과 다른 방법으로 포커스 조정을 행한다. 도 21은 자동 포커스 조정의 흐름도를 나타낸다.

제어 시스템(42)은 포커스(위치)를 초기 조건으로 설정한다(S151). 제어 시스템(42)은 시료 상에서, 전자 빔을 1주기 주사한다(S152). 예를 들어, 전자 빔의 스폿 시료 상의 주사 궤적은, 상술한 바와 같이 원형이다.

제어 시스템(42)은 주사 궤적에 있어서의 점 각각에 대응하는 신호 전자 강도를 축차 취득하고, 각 점에서의 선예도 평가값을 산출한다(S153). 선예도 평가값은, 예를 들어 직전의 위치의 신호 강도와의 차분의 절댓값으로부터 계산할 수 있다. 제어 시스템(42)은 주사 궤적에 있어서의 각 위치의 주사 방향과 선예도 평가값을 관련짓고, 그들의 관계를 분석한다(S154).

제어 시스템(42)은 소정의 직교하는 2개의 주사 방향(세로 방향 및 가로 방향이라 칭한다)에 대응하는 선예도 평가값을 산출한다(S155). 또한, 포커스 조정의 정밀도는 저하될 수 있지만, 직교하고 있지 않은 주사 방향에 있어서의 선예도 평가값을 사용해도 된다. 또한, 제어 시스템(42)은 그들의 값으로부터 포커스 평가값을 생성한다(S156). 제어 시스템(42)은 예를 들어 2개의 주사 방향에 있어서의 선예도 평가값의 곱이나 합에 기초하여, 포커스 평가값을 생성한다. 이와 같이, 다른 방향의 선예도 평가값으로부터 포커스 평가값을 생성함으로써, 여러가지 시료 구조에 있어서 적절하게 포커스 조정을 행할 수 있다.

이어서, 제어 시스템(42)은 현재의 포커스 위치가 미리 설정되어 있는 종료 조건을 충족하고 있는지 판정한다(S157). 예를 들어, 선예도 평가값을 취득하는 포커스 위치의 범위가 미리 설정되어 있고, 현재의 포커스 위치가, 당해 범위의 경계인 경우에, 현재 포커스 위치는 종료 조건을 충족한다. 현재의 포커스 위치가 종료 조건을 충족하지 못한 경우(S157: 아니오), 제어 시스템(42)은 포커스 위치를 소정량 변화시킨 후(S158), 스텝 S102로 되돌아간다.

현재의 포커스 위치가 종료 조건을 충족하고 있는 경우(S157: 예), 제어 시스템(42)은 포커스 평가값이 최대가 되는 최적 포커스 조건을 결정한다(S159). 제어 시스템(42)은 관측을 행한 포커스 위치(포커스 조건) 각각에 있어서의 포커스 평가값에 있어서, 최대의 포커스 평가값을 나타내는 포커스 조건을, 최적 포커스 조건으로 결정한다. 제어 시스템(42)은 결정한 최적 포커스 조건을 포커스 조정 기구에 설정한다(S160).

도 20 및 21을 참조하여 설명한 바와 같이, 제어 시스템(42)은 선예도 평가값과 다른 축을 따른 주사 방향과의 관계에 기초하여, 포커스 어긋남 또는 비점 수차를 보정할 수 있다. 상기 예는 전자 빔(스폿)을 원형의 궤적을 형성하도록 시료 상에서 이동한다. 전자 빔의 주사 궤적은 상기 예에 한정되지 않고, 여러가지 주사 궤적에 의한 신호 강도에 의해 포커스 조정 및/또는 비점 수차 보정을 행할 수 있다.

도 22는 시료 상에서의 전자 빔(스폿)의 주사 궤적의 몇 가지의 다른 예 511 내지 522를 나타낸다. 어느 것의 주사 궤적도, 전자 빔의 다른 주사 방향의 위치를 포함한다. 주사 궤적 511, 512, 514, 516은 곡선으로 구성되고, 다른 주사 궤적은 복수의 직선으로 구성되어 있다. 주사 궤적 511 내지 516에 나타내는 바와 같이, 주사 궤적은 닫지 않아도 되고, 주사 궤적 517 내지 522와 같이, 주사 궤적은 닫고 있어도 된다. 또한 주사 궤적은 주기성이나 대칭성을 갖고 있지 않은 자유 곡선이어도 상술한 방법을 사용해서 포커스 어긋남 또는 비점 수차에 관한 평가를 행하는 것이 가능하다.

제어 시스템(42)은 주사 궤적을 1회 형성하거나, 또는 동일한 주사 궤적을 복수회 형성하도록 전자 빔도 이동해도 된다. 형성 횟수가 적을수록, 포커스 조정 및 비점 수차 보정의 시간을 단축할 수 있고, 또한 전자 빔의 시료에의 영향도 저감할 수 있다. 제어 시스템(42)은 동일 주사 궤적을 복수회 형성하고, 동일 위치에 있어서의 복수회의 신호 강도에 기초하여 동일 위치에 있어서의 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 선예도 평가값을 결정해도 된다. 이에 의해, 노이즈의 영향을 저감할 수 있다.

주사 궤적 511 내지 516은, 동일 주사 방향의 다른 위치를 포함한다. 이러한 주사 궤적에 있어서, 제어 시스템(42)은 하나의 주사 방향에 있어서의 선예도 평가값을, 다른 위치에서 선택한 1개 또는 복수의 위치에서의 신호 강도로부터 산출할 수 있다. 예를 들어, 다른 위치에 있어서 가장 큰 선예도 평가값을 선택할 수 있다. 이와 같이, 다른 위치에 있어서의 동일 축방향(동일한 방향 또는 정반대인 방향)의 신호 강도를 취득함으로써, 선예도 평가값의 산출에 대한 시료 구조의 영향을 저감할 수 있다. 또한, 축은 X축이나 Y축과 같은 특정한 축으로 한정되지 않고, 임의의 방향을 가질 수 있다.

주사 궤적은 보다 많은 다른 방향을 포함함으로써, 보다 정확한 포커스 조정 및 비점 수차 보정이 가능해진다. 도 19에 도시한 예에 있어서, 주사 궤적 511, 512, 514 또는 515는 0°부터 360°까지 연속적으로 변화하는 주사 방향을 나타내고, 주사 궤적 521 및 522도, 많은 주사 방향을 포함한다. 예를 들어, 주사 궤적의 주사 방향 변화는, 90° 이상의 각도 범위를 가질 수 있다. 이 각도 범위를 가짐으로써, 직행하는 2방향에 대한 첨예도에 관한 정보를 얻는 것이 가능해지기 때문에, 적어도 포커스 조정을 보다 적절하게 행할 수 있다. 또한, 주사 궤적의 주사 방향 변화는, 180° 이상의 각도 범위를 가질 수 있다. 이 각도 범위를 가짐으로써, 실질적으로 전 방향에 대한 첨예도에 관한 정보를 얻는 것이 가능해지기 때문에, 포커스 조정에 더하여, 비점 수차의 보정을 보다 적절하게 행할 수 있다.

예를 들어, 도 19를 참조하여 설명한 바와 같이, 선예도 평가값의 교류 성분 및 직류 성분에 기초하여, 보다정확한 포커스 조정 및 비점 수차 보정을 행하기 위해서는, 주사 궤적 511, 512, 514 또는 515가 이용된다. 이들은 모든 주사 방향을 포함하고, 그 주사 방향은 연속적으로(항상) 변화한다.

도 23은 원형 주사와 광학계가 갖는 비점 수차의 변화를 조합해서 포커스 어긋남을 보정하는 예를 나타낸다. 도 23은, 예를 들어 원형 주사를 반복하면서, 비점 수차가 보정된 광학계에 기지의 비점 수차를 더하는 예를 나타낸다. 도 23은 최상단의 그래프로부터 최하단의 그래프를 향하여, 각도로 표현되는 시료 상의 스폿 위치의 시간 변화, 비점 수차 보정량 (STG-X)의 시간 변화, 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경(실선) 및 Y축을 따른 스폿 직경(파선)의 시간 변화, 주사 방향에 대한 프로브의 폭, 주사에 의해 얻어진 신호에 대하여 구해지는 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다.

도 23은, 지금까지 설명한 예에 있어서의, Z 위치(0)보다 위의 위치에 시료가 놓인 상태를 상정하고 있다. 주사 궤적은 원형이며, 각속도는 일정하다. 또한, 다른 주사 궤적 511, 512, 514, 515 등도 이용할 수 있다.

도 23의 예에 있어서, 스폿의 주사 궤적은 원이다. 더해지는 비점 수차는 주기적이고, 1주기의 변화(예를 들어 STG-X=-2로부터 +2로의 단조 증가)에 있어서, 스폿은 23회전(원형 주사)하고 있다. 23회전의 원형 주사에 있어서, 비점 수차 보정량은 계속해서 변화하고 있고, 그에 수반해서 시료 상의 프로브 형상도 변화하고 있다.

비점 수차가 보정된 광학계에서는 전술한 바와 같이 프로브 형상은 어느 높이에 있어서도 등방적인 원형이 되기 때문에, 비점 수차 보정량 (STG-X)가 0인 상태(도 23 중에서 세로선 701에 대응하는 상태)의 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경(실선) 및 Y축을 따른 스폿 직경(파선)은 동등한 값이 된다. 거기에서 시간이 경과하면 비점 수차 보정량 (STG-X)는 서서히 정방향으로 커지고, 거기에 맞추어 시료 상에 있어서의 Y축을 따른 스폿 직경은 작고, 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경은 커진다.

추가로 시간이 경과하면, 어딘가의 시점에서 시료 상에 있어서의 Y축을 따른 스폿 직경은 최소가 된 뒤 서서히 커지고, 반면에 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경은 단조롭게 계속해서 증가한다. 이 사이, 프로브는 원형 주사에 의해 비점 수차 보정량 (STG-X)의 변화보다 빠른 주기로 반복 시료 상에 있어서 그 주사 방향을 변화시킨다.

이때, 프로브가 X축 방향으로 주사되었을 때에 얻어지는 신호로부터 구해지는 선예도 평가값은 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경에, 프로브가 Y축 방향으로 주사되었을 때에 얻어지는 신호로부터 구해지는 선예도는 시료 상에 있어서의 Y축을 따른 스폿 직경에, 각각 대응해서 변화한다. 그 결과, 전술한 시료 상에 있어서의 Y축을 따른 스폿 직경이 최소가 되고, 그에 가까운 타이밍에서 프로브가 Y축 방향으로 주사되었을 때에 선예도 평가값은 극대가 된다.

이것에 대응하는 조건을 도 23 중에 [2]로 나타낸다. 또한 반대로, 비점 수차 보정량이 다른 다른 조건에 있어서 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경은 최소가 되고, 그에 가까운 타이밍에서 프로브가 X축 방향으로 주사되었을 때에 선예도 평가값은 극대가 된다. 이것에 대응하는 조건을 도 23 중에 [1]로 나타낸다.

비점 수차가 충분히 보정된 조건에 있어서 상기의 내용이 실시된 경우, [1]과 [2]에 대응하는 비점 수차 보정량 (STG-X)는 동등한 크기로 부호만이 다른 값이 된다. 이러한 [1]과 [2]의 어느 쪽이거나, 또는 양쪽에 대응하는 비점 수차 보정량 (STG-X)를 구하고, 소정의 관계식에 의해 변환함으로써 포커스 어긋남양을 구할 수 있다.

이때, 포커스가 시료에 대하여 상하 어느 쪽의 방향으로 어긋나 있는지에 대해서는, 이미 설명한 바와 같이 [1] 혹은 [2]로 나타내는 선예도 평가값의 극대가 얻어졌을 때의 빔 주사 방향, 즉 선예도 평가값 변화의 위상을 평가함으로써 판단 할 수 있다. 도 23에 나타내는 예에 있어서, Z 위치는 정이며, 포커스 위치는 시료에 대하여 하측으로 어긋나 있다. 시료의 Z 위치가 부이며, 포커스 위치가 시료에 대하여 상측으로 어긋나 있는 경우, 선예도 평가값의 위상은, 도 23의 위상과 반대가 된다.

이와 같이 해서 얻어진 포커스 어긋남양의 정보를 시료 스테이지의 Z 위치 조정 또는 대물 렌즈의 제어 파라미터 조정으로 피드백함으로써 포커스 어긋남을 보정하는 것이 가능해진다.

상기 예는, 도 20 및 도 21에 나타내는 예와 달리, 시료 스테이지의 Z 위치 조정 또는 대물 렌즈의 제어 파라미터를 변경하지 않고, 포커스 위치를 결정할 수 있다. 이 때문에, 보다 고속으로 포커스 위치의 최적 조건을 결정할 수 있다.

도 24는 원형 주사와 광학계가 갖는 비점 수차의 변화를 조합해서 비점 수차를 조정하는 예를 나타낸다. 도 24는, 예를 들어 원형 주사를 반복하고, 비점 수차가 보정되지 않고 일정량 존재하는 광학계에 대하여 추가로 기지의 비점 수차를 더하는 예를 나타낸다.

도 24는 최상단의 그래프로부터 최하단의 그래프를 향해서, 각도로 표현되는 시료 상의 스폿 위치의 시간 변화, 비점 수차 보정량(X 방향 비점 보정량, STG-X)의 시간 변화, 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경(실선) 및 Y축을 따른 스폿 직경(파선)의 시간 변화, 그리고 주사 방향에 대한 프로브의 폭, 주사에 의해 얻어진 신호에 대하여 구해지는 선예도 평가값의 시간 변화를 나타낸다.

도 24는 지금까지 설명한 예에 있어서의, Z 위치(0)보다 위의 위치에 시료가 놓인 상태에서의 상태를 상정하고 있다. 주사 궤적은 원형이며, 각속도는 일정하다. 또한, 다른 주사 궤적 511, 512, 514, 515 등도 이용할 수 있다.

도 24의 예에 있어서, 스폿의 주사 궤적은 원이다. 더해지는 비점 수차는 주기적이며, 1주기의 변화(예를 들어 STG-X=-2 내지 +2로의 단조 증가)에 있어서, 스폿은 23회전(원형 주사)하고 있다. 23회전의 원형 주사에 있어서, 비점 수차 보정량은 계속해서 변화하고 있고, 그에 수반하여 시료 상의 프로브 형상도 변화하고 있다.

비점 수차가 보정되지 않고 일정량 존재하고, 또한 포커스 위치와 시료 위치가 어긋난 광학계에서는, 비점 수차 보정량 (STG-X)가 0인 상태(도 24 중에서 세로선 702에 대응하는 상태)의 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경(실선)과 Y축을 따른 스폿 직경(파선)은 상이한 값이 된다. 이 상태에서 원형 주사를 행하면, 주사 방향에 따라서 다른 프로브폭으로 시료를 주사한 신호가 얻어지고, 그 선예도 평가값은 주사 방향에 의존해서 변화하기 때문에, 원형 주사의 주기에 따라서 주기적인 변화(진동)를 나타낸다.

이 상태로부터 더욱 비점 수차 보정량 (STG-X)를 변화시키면, 어느 것의 조건에 있어서 전술한 원형 주사의 주기에 따른 선예도 평가값의 주기적 변화의 진폭은 극소가 된다. 이것은 도 24에서 [3]으로 나타내는 조건에 대응하고, 당초 광학계에 존재하고 있었던 비점 수차가 비점 수차 보정량 (STG-X)를 변화시킨 방향에 대하여 보정된 조건이 된다. 이때의 비점 수차 보정량 (STG-X)를 소정의 관계식으로 환산함으로써, 광학계에 존재하고 있었던 비점 수차의 크기를 측정하는 것이 가능해지고, 측정 결과를 비점 보정 기구에 피드백함으로써 실제로 비점 수차가 보정된 상태에 장치를 조정하는 것이 가능해진다.

상기의 예에 있어서, 다른 방향의 비점 수차가 광학계에 존재하고 있는 경우에도 마찬가지로 [3]으로 나타내는 조건에서 선예도 평가값의 주기적 변화의 진폭은 극소가 된다. 이 경우에는 1 방향에 대하여 비점 수차를 보정한 뒤, 다른 1 방향에 대해서도 마찬가지 수순으로 비점 수차를 보정함으로써, 어떤 방향의 비점 수차 성분에 대해서도 적절하게 보정을 행하는 것이 가능해진다.

또한, 상기의 예에 있어서의 비점 수차 보정량은 직행하는 다른 방향의 비점 수차 보정 성분(STG-X, STG-Y)을 합성해서 얻어지는 임의의 방향의 비점 보정에 의해 실시되어도 된다. 보다 적합한 예로서는 비점 수차 보정량이 0인 상태(도 24 중에서 세로선 702에 대응하는 상태)에 있어서 원형 주사를 실시해서 얻어지는 신호의 선예도 평가값에 발생하는 진동의 위상 성분으로부터 비점 수차의 방향을 직접 평가하고, 그 방향의 수차를 보정하는 비점 수차 보정 성분을 사용해서 실시되어도 된다.

또 다른 적합한 예로서는, 1 방향에 대한 비점 수차 보정량을 변화시키면서 원형 주사를 실시하고, 얻어지는 신호의 선예도 평가값에 발생하는 진동의 위상 성분으로부터 각각의 상태에 있어서의 비점 수차의 방향을 평가하고, 크기와 방향이 기지인 더한 비점 수차 보정량의 성분과 비교를 행함으로써 비점 수차 보정을 행한 방향과 직행하는 다른 1 방향의 비점 수차 성분을 측정하고, 그 결과에 기초해서 직행하는 2 방향의 수차 성분을 동시에 보정하는 것이 가능하다.

또한, 본 예에 있어서도 도 23에서 설명한 예와 마찬가지로 비점 수차 보정량 (STG-X)를 변화시켰을 때, 어느 것의 조건에 있어서 시료 상에 있어서의 X축을 따른 스폿 직경은 최소로 되고, 그에 가까운 타이밍에서 프로브가 X축 방향으로 주사되었을 때에 선예도 평가값은 극대가 된다. 이것에 대응하는 조건을 도 24 중에 [1]로 나타낸다. 또한 또 다른 조건에 있어서 시료 상에 있어서의 Y축을 따른 스폿 직경은 최소로 되고, 그에 가까운 타이밍에서 프로브가 Y축 방향으로 주사되었을 때에 선예도 평가값은 극대가 된다.

이에 대응하는 조건을 도 24 중에 [2]로 나타낸다. 여기서 [1]과 [2]에 대응하는 비점 수차 보정량 (STG-X)의 평균을 구하고, 소정의 관계식에 의해 변환함으로써 시료에 대한 포커스 어긋남양을 측정할 수 있다. 또는, 앞서 설명한 도 24에서 [3]으로 나타내는 조건과, [1] 혹은 [2] 사이의 비점 수차 보정량 (STG-X)의 차를 구하고, 소정의 관계식에 의해 변환함으로써도 시료에 대한 포커스 어긋남양을 측정할 수 있다.

상기 예는, 도 20 및 도 21에 나타내는 예와 달리, 시료 스테이지의 Z 위치 조정 또는 대물 렌즈의 제어 파라미터를 변경하지 않고, 포커스 위치 및 비점 수차 보정의 최적 조건을 결정할 수 있다.

또한, 도 24를 사용해서 설명한 예에 있어서 비점 수차 보정량 대신에 포커스 위치, 또는 시료 위치를 변화시킨 형태로도 실시하는 것이 가능하다. 이 경우, 도 24의 최상단의 그래프의 아래에 나타내는, X 비점 수차 보정량 (STG-X)의 시간 변화의 그래프를, 각각 포커스 위치의 변화, 또는 시료 위치의 변화(포커스 위치의 변화와 방향의 부호가 반전한다)로서 봄으로써, 기타 그래프에서 나타내는 요소에 대해서는 마찬가지 결과를 얻을 수 있다.

이 경우, 비점 수차를 갖는 광학계에 있어서 원형 주사를 반복한 상태에서 포커스 위치, 또는 시료 위치를 변화시키고, 그 때에 얻어지는 신호 강도로부터 구해지는 선예도 평가값에 대하여, 이미 설명한 예와 마찬가지 요소에 착안해서 평가를 행함으로써, 광학계가 갖는 비점 수차량의 측정, 혹은 포커스 어긋남양의 측정을 행하는 것이 가능하다.

상기한 실시예에 있어서의 선예도 평가값의 평가 방법으로서는, 일반적으로 알려지는 복수의 수단을 사용할 수 있다. 예로서, 상기 얻어진 신호 강도에 대하여 미분 필터, Wabelet 변환, Fourier 변환 등의 필터나 변환을 적용하고, 얻어진 계수를 그대로, 혹은 얻어진 계수로부터 소정의 식에 기초하여 산출되는 수치를 사용해서 평가할 수 있다. 이들 예와 같이, 비점 수차 및/또는 포커스를 조정하기 위한 평가값의 계산은, 소정의 커널을 사용한 필터를 사용하여 얻을 수도 있다.

또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 여러가지 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 더하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.

또한, 상기 각 구성·기능·처리부 등은, 그들의 일부 또는 전부를, 예를 들어 집적 회로로 설계하는 등에 의해 하드웨어에 의해 실현해도 된다. 또한, 상기 각 구성, 기능 등은, 프로세서가 각각의 기능을 실현하는 프로그램을 해석하고, 실행함으로써 소프트웨어에 의해 실현해도 된다. 각 기능을 실현하는 프로그램, 테이블, 파일 등의 정보는 메모리나, 하드 디스크, SSD(Solid State Drive) 등의 기록 장치 또는, IC 카드, SD 카드 등의 기록 매체에 둘 수 있다.

또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있으며, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.

Claims (15)

1. 하전 입자선 시스템이며,
   하전 입자원으로부터의 하전 입자선을, 하전 입자 광학계를 개재해서 시료에 조사하는 하전 입자선 장치와,
   상기 하전 입자선 장치를 제어하는 제어 시스템을 포함하고,
   상기 제어 시스템은, 상기 하전 입자선을, 주사 궤적을 형성하도록 시료 상에서 주사하고, 상기 주사 궤적에 있어서의 다른 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정하고,
   상기 평가값과 상기 다른 주사 방향과의 관계에 기초하여, 상기 하전 입자 광학계가 구비하는 포커스 어긋남 및 수차의 적어도 한쪽에 관한 정보를 생성하는, 하전 입자선 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은, 상기 정보에 기초하여, 상기 하전 입자 광학계가 구비하는 포커스 어긋남 및 수차의 적어도 한쪽을 보정하는, 하전 입자선 시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 주사 궤적은, 주사 방향이 동일하거나 또는 정반대가 되는 다른 위치를 포함하고,
   상기 제어 시스템은, 상기 다른 위치에 있어서의 신호 강도에 기초하여 상기 신호 강도의 평가값을 결정하는, 하전 입자선 시스템.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은,
   복수회의 상기 주사 궤적을 형성하도록, 상기 하전 입자선을 이동시키고,
   동일 위치에 있어서의 복수회의 신호 강도에 기초하여 상기 동일 위치에 있어서의 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정하는, 하전 입자선 시스템.
5. 제1항에 있어서,
   상기 주사 궤적의 주사 방향이 연속적으로 변화하는, 하전 입자선 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 주사 궤적의 주사 방향의 변화는 90° 이상의 각도 범위에서 행해지는, 하전 입자선 시스템.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제어 시스템은, 상기 평가값과 상기 다른 주사 방향과의 관계로서, 상기 주사 방향의 변화에 대한 상기 평가값의 교류 성분 및 직류 성분의 적어도 하나를 사용하는, 하전 입자선 시스템.
8. 제7항에 있어서,
   상기 교류 성분은 6헤르츠 이하의 주기성을 갖는, 하전 입자선 시스템.
9. 제7항에 있어서,
   상기 제어 시스템은, 상기 교류 성분의 진폭을 사용하는, 하전 입자선 시스템.
10. 제7항에 있어서,
    상기 직류 성분은, 상기 주사 방향의 변화에 대한 상기 평가값의 평균값 또는 총합에 기초한, 하전 입자선 시스템.
11. 제7항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 상기 교류 성분의 위상을 사용하는, 하전 입자선 시스템.
12. 제7항에 있어서,
    상기 직류 성분은, 상기 교류 성분에 있어서의 상기 평가값의 평균값 또는 총합에 기초한, 하전 입자선 시스템.
13. 제1항에 있어서,
    상기 평가값은, 상기 신호 강도의 선예도를 나타내거나, 또는 상기 신호 강도에 대하여 소정의 커널을 사용한 필터를 적용해서 얻어지는 값인, 하전 입자선 시스템.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제어 시스템은, 시료 위치, 포커스, 또는 상기 하전 입자 광학계의 수차량을 변화시킨 복수의 조건에 있어서 상기 평가값을 결정하는, 하전 입자선 시스템.
15. 하전 입자선 장치를 제어하기 위한 방법이며,
    하전 입자선을, 하전 입자 광학계를 개재하여, 주사 궤적을 형성하도록 시료 상에서 주사하고,
    상기 주사 궤적에 있어서의 다른 주사 방향에 관련지어진 신호 강도의 평가값을 결정하고,
    상기 평가값과 상기 다른 주사 방향과의 관계에 기초하여, 상기 하전 입자 광학계가 구비하는 포커스 어긋남 및 수차의 적어도 한쪽에 관한 정보를 생성하는, 것을 포함하는 방법.

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