WO2017056171A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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scanning
frame
charged particle
particle beam
line
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PCT/JP2015/077412
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シャヘドゥル ホック
源 川野
義典 桃井
秀樹 板井
実 山崎
寛 西濱
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株式会社 日立ハイテクノロジーズ
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    • H01J37/28—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes with scanning beams
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    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/22—Treatment of data
    • H01J2237/226—Image reconstruction

Definitions

  • the present invention relates to a charged particle beam apparatus, and more particularly to a charged particle beam apparatus capable of appropriately setting a beam scanning method.
  • SEM Scanning Electron Microscope
  • the distribution of the charged potential in a patchy shape causes variations in image contrast within the observation field (FOV: Field Of View), and even if the left and right edges or the patterns of the top and bottom edges are symmetrical,
  • the upper and lower profiles may be asymmetric.
  • Patent Document 1 discloses a scanning method that reverses the moving direction of a beam on a scanning line in units of a plurality of frames and reverses the scanning order for the plurality of scanning lines.
  • Patent Document 2 describes an electron beam reciprocating scanning method. The reciprocating scanning is a scanning method in which scanning in the X-ray direction is reversed in units of scanning lines.
  • Patent No. 5147327 (corresponding US Pat. No. 7,851,756) JP 2014-143075 A
  • Blanking is a technique for blocking the beam irradiation on the sample by deflecting the electron beam to a diaphragm plate or the like, and is for suppressing the occurrence of charging due to the beam irradiation.
  • the influence of charging resulting from beam irradiation is becoming more prominent with the recent miniaturization of semiconductor devices.
  • Blanking is an excellent method for eliminating the effects of beam irradiation between scan lines or frames, but charging is also caused by beam irradiation from the scan end point of the scan line or frame to the stop. It has become clear that the charging affects the measurement accuracy with an electron microscope. Neither Patent Literature 1 nor 2 discusses the suppression of beam irradiation during blanking.
  • a scanning deflector that scans a charged particle beam emitted from a charged particle source and a detector that detects charged particles obtained based on the scanning of the charged particle beam
  • a charged particle beam apparatus comprising a control device for controlling the scanning deflector, wherein the control device scans the first scan line by deflecting the charged particle beam in a first direction.
  • the charged particle beam is deflected so as to draw a scanning trajectory connecting the end point of the first scanning line and the scanning start point of the second scanning line arranged in parallel to the first scanning line.
  • the second scanning line is changed by changing the scanning line position and scanning the charged particle beam in the second direction opposite to the first direction from the scanning start point of the second scanning line.
  • Scan the line and the second scan line After the inspection, scanning within the first frame is performed by repeatedly changing the scanning line position and scanning the charged particle beam in the opposite direction, and after scanning the first frame, A scan trajectory is drawn so as to connect the scan start point of the second frame with the scan end point included in the frame as the scan start point, or connect the scan start point of the second frame at a position different from the scan end point. Then, a charged particle beam apparatus for controlling the scanning deflector so as to start scanning of the second frame after changing the scanning position is proposed.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining an example in which an image is formed by correcting a shift between two images divided for each scanning direction.
  • the embodiment described below relates to a beam irradiation method that enables scanning of a plurality of frames without performing blanking, and relates to a beam irradiation method that mainly suppresses charging caused by beam irradiation outside the field of view.
  • Blanking is performed between the scanning lines and between the scanning of one frame and the scanning of the next frame in order to prevent the beam from being irradiated in the field of view.
  • Charge due to electron beam irradiation adheres to the (electron beam deflection direction), and asymmetrical charging spots occur with respect to the center of the visual field.
  • the non-uniformity of charging caused by beam scanning in the field of view can be alleviated to some extent, but that alone is not sufficient to suppress the effect of charging on the image after frame integration. It is. Due to charging, drift, image blur, contrast spots, and pattern edge luminance non-uniformity occur at the time of imaging, which may make pattern detection difficult and cause deterioration in measurement accuracy.
  • a charged particle beam apparatus that suppresses charged spots and the like by optimizing the beam scanning pattern.
  • a scanning deflector that scans a charged particle beam emitted from a charged particle source, a detector that detects charged particles obtained based on the scanning of the charged particle beam, and the above-described charging
  • a charged particle beam apparatus is proposed in which all scanning including frame integration is continuously performed, and the scanning direction is rotated 90 ° and 180 ° for each frame.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a scanning electron microscope (SEM) which is one type of charged particle beam apparatus.
  • SEM scanning electron microscope
  • An electron beam 103 extracted from the electron source 101 by the extraction electrode 102 and accelerated by an accelerating electrode (not shown) is focused by a condenser lens 104 which is a form of a focusing lens, and then is scanned on a sample 109 by a scanning deflector 105.
  • the electron beam 103 is decelerated by a negative voltage applied to an electrode built in the sample stage 108, and is focused by the lens action of the objective lens 106 and irradiated onto the sample 109.
  • secondary electrons and electrons 110 such as backscattered electrons are emitted from the irradiated portion.
  • the emitted electrons 110 are accelerated in the direction of the electron source by an acceleration action based on a negative voltage applied to the sample, and collide with the conversion electrode 112 to generate secondary electrons 111.
  • the secondary electrons 111 emitted from the conversion electrode 112 are captured by the detector 113, and the output of the detector 113 changes depending on the amount of captured secondary electrons.
  • the brightness of a display device (not shown) changes. For example, in the case of forming a two-dimensional image, an image of the scanning region is formed by synchronizing the deflection signal to the scanning deflector 105 and the output of the detector 113.
  • the scanning electron microscope illustrated in FIG. 1 includes a deflector (not shown) that moves the scanning region of the electron beam.
  • This deflector is used to form an image of a pattern having the same shape existing at different positions.
  • This deflector is also called an image shift deflector, and enables movement of the field of view of the electron microscope without moving the sample by the sample stage.
  • the image shift deflector and the scan deflector may be a common deflector, and the image shift signal and the scan signal may be superimposed and supplied to the deflector.
  • FIG. 1 An example in which electrons emitted from a sample are converted by a conversion electrode and detected is explained.
  • the present invention is not limited to such a configuration. It is possible to adopt a configuration in which the detection surface of the electron multiplier tube or the detector is arranged on the orbit.
  • a blanking deflector (not shown) is installed in the SEM 100.
  • the blanking deflector is a mechanism that blocks the beam irradiation to the sample by deflecting the beam out of the beam optical axis.
  • an electrostatic deflector is used as the scanning deflector 105.
  • an electromagnetic deflector may be used.
  • the control device 120 controls each component of the scanning electron microscope, and forms a pattern on the sample based on the function of forming an image based on detected electrons and the intensity distribution of detected electrons called a line profile. It has a function to measure the pattern width.
  • the control device 120 includes a SEM control device that mainly controls the optical conditions of the SEM and a signal processing device that performs signal processing of the detection signal obtained by the detector 113.
  • the SEM control device includes a scan control device for controlling beam scanning conditions (direction, speed, etc.).
  • the image processing unit includes an image memory.
  • the image memory is, for example, a 1024 ⁇ 1024 pixel, and can store 256 levels of gradation in the depth direction.
  • signal writing to each address is performed.
  • the beam irradiation position and the writing coordinates are matched.
  • a signal read corresponding to the address is converted from analog to digital by an AD converter and becomes a luminance modulation input of the image display device.
  • an integration process for integrating image data obtained based on a plurality of scans is performed. The integration process is performed, for example, by averaging the signals obtained from a plurality of frames for each pixel.
  • the control device 120 executes signal supply to the deflector for beam scanning and image generation processing as described below.
  • the n-th line scan and the (n + 1) -th line scan are performed in opposite directions, and the reciprocating scan (reciprocating scan without blanking) is repeated in the X direction.
  • the reciprocating scan reciprocating scan without blanking
  • the beam is temporarily interrupted.
  • blanking is canceled (Off) at the start of scanning of the (n + 1) th line, and the beam is returned to the sample again.
  • unnecessary beam irradiation is performed outside the FOV. become.
  • Beam irradiation unnecessary for signal detection is performed on the sample from the scanning end point of the nth line until it reaches the aperture (a member that blocks the arrival of the beam to the sample) and until it reaches the scanning start point of the (n + 1) th line from the aperture. Will do.
  • unnecessary beam irradiation not only accumulates charge on the sample, but also causes asymmetric charge to adhere to the center of the FOV.
  • the sample is continuously irradiated between the end point of the nth line and the start point of the (n + 1) th line without interrupting the beam irradiation.
  • the irradiation position of the electron beam is moved.
  • the beam irradiation position is moved to different scanning lines without blanking.
  • scanning is started from the start point 201 and beam scanning is performed to the end point 202.
  • the beam irradiation position is moved from the scanning end point of one scanning line to the scanning start point of the next scanning line while avoiding unnecessary beam irradiation (without blanking). Scanning is performed such that the scanning line is folded.
  • the beam irradiation position of the beam is moved from the end point of one scanning line extending in the X direction to another scanning line similarly extending in the X direction, the beam irradiation position in the Y direction is equivalent to one scanning line, The scanning is performed for one frame by repeating the scanning with the beam irradiation position after the movement as the scanning start point of the next scanning line.
  • the next frame is scanned without blanking between frames (with irradiation in the frame maintained) by setting the point 202, which is the scanning end point of the first frame, as a starting point.
  • the above-described scanning is repeated after the third frame, and the beam irradiation is completed by blankingless continuous scanning.
  • the scanning direction is rotated by 180 ° for each frame, charging by beam irradiation becomes uniform as an average effect.
  • the scanning directions in the k-th frame and the (k + 1) -th frame are opposite to each other. Therefore, as an average effect, the line profiles of all the edges perpendicular to the scanning direction are (in the X direction). ) Be symmetrical.
  • a return scan is performed so as to connect the end point of one scan line and the start point of the next scan line, and the scan is performed so that the scan start point and the scan end point between frames coincide with each other.
  • a scanning method in which the array direction (sub-scanning direction) of the scanning lines is changed in four directions in four frames will be exemplified.
  • the third frame is rotated by 90 ° in the Y direction without blanking as illustrated in FIGS. 3 and 13.
  • the reciprocating scanning is repeated until the end point 303 of 3 frames is scanned.
  • the dotted arrows in FIG. 13 indicate the sub-scanning direction of each frame.
  • the scanning end point 303 of the third frame is set as the scanning start point of the fourth frame, the scanning direction is further rotated by 180 °, and the reciprocating scanning is repeated to return to the starting point 301 of the first frame.
  • the scanning line direction of each pixel is changed in four directions in four frames (see, for example, the pixel 1301), and thus charging depending on the scanning line direction in each pixel is performed.
  • the bias can be canceled in the vertical direction and the horizontal direction.
  • FIG. 14 is a diagram showing a scanning method in which the sub-scanning direction is sequentially rotated by 90 ° (downward, rightward, upward, leftward). Since there is a difference in the charging relaxation time depending on the material constituting the sample and the optical conditions of the electron microscope, it is desirable to select an appropriate scanning pattern.
  • FIGS. 13 and 14 are scanning patterns in which the scanning start point and the scanning end point between frames can be made coincident while performing return scanning, so that it is possible to achieve uniform image generation conditions within the frame. It becomes possible.
  • the sub-scanning direction can be sequentially rotated by 90 ° without blanking or extra scanning.
  • the beam position after one frame scanning is determined by the scanning start position and the number of pixels in the scanning area. For example, when the number of pixels in the scanning X direction and the vertical Y direction is an even number, the positional relationship between the start point and the end point after one frame scan is as shown in FIG. As described above, it is conceivable that the appropriate scanning pattern changes depending on the material of the sample and the optical conditions of the electron microscope. Therefore, in this embodiment, in order to increase the variation of the scanning pattern while performing blanking-less scanning, as shown in FIG. 4, one line of blanking-less reciprocating scanning is performed outside the observation area (FOV). .
  • FOV observation area
  • beam scanning for moving the beam irradiation position to the scanning start point of the next frame is performed in the out-of-frame region without performing blanking.
  • FIG. 4 by changing the scanning end point from 402 to 402 ′, the scanning start point of the next frame is changed from the lower left corner of the frame to the lower right corner.
  • FIG. 13 the second frame sub-scanning direction is upward
  • FIG. 14 the second frame sub-scanning direction is rightward
  • the beam is not largely deflected outside the field of view, but is scanned along the scanning region, so that the influence of charging can be ignored even when scanning the beam outside the FOV.
  • the scanning direction is rotated by 90 °, the Y-direction reciprocating scanning is repeated, and scanning is performed up to a point 403 ′ by 1 pixel in the X direction.
  • the third and subsequent frames are scanned up to 8 frames while rotating the scanning direction by 90 °, and return to the start point (point 401) of the first frame.
  • scanning from 1 to 8 frames is repeated, and blankingless continuous scanning is performed.
  • the scanning direction is rotated by 90 ° for each frame, as an average effect, the charging potential is hardly inclined in the X and Y directions, and the charging becomes uniform.
  • the scanning direction becomes four directions in the left, right, up, and down directions depending on the frame.
  • all the edges of the two-dimensional pattern have a uniform contrast.
  • the most suitable scanning method is selected and applied from the second and third embodiments.
  • a scanning pattern in which the scanning trajectory outside the FOV of the scanning pattern of FIG. 4 is set to a point 405 ′.
  • the scanning direction can be changed from the starting point of the fifth frame by performing another line reciprocating scanning outside the FOV.
  • the scan start point can be positioned at the upper right corner of the frame, and the scan start point can be set based on the position.
  • the surrounding area of the normal FOV may be used as a preliminary scanning area for waiting for stabilization of the scanning signal, and the scanning within the FOV may be performed again by adjusting the scanning direction in the preliminary scanning process.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a modification of the scanning pattern illustrated in FIG.
  • the scanning start point 1102 of the first frame in the field of view 1101 is set as the starting point, and the return scanning is repeated, and the scanning end point of the first frame is set to 1103 by adding one scanning line 1104 outside the field of view 1101.
  • a scanning pattern is illustrated. According to this scanning pattern, not only can the scanning direction of each pixel be set twice, up, down, left, and right in 8 frames, but also scanning outside the field of view can be performed twice, up, down, left, and right. Can be realized.
  • FIG. 12 is a diagram exemplifying a scanning pattern that enables four-direction scanning of each pixel in four frames and out-of-field scanning in four directions, up, down, left, and right.
  • the scanning method that scans in the field of view or inside and outside the field of view exemplified so far, it is possible to achieve uniform charge without blanking by setting a scan pattern with a frame number that is a multiple of four. It becomes possible.
  • a one-to-one relationship is established between the coordinate data for one-frame scanning and the image memory coordinates.
  • the memory for writing the image of one frame is also divided into 262144.
  • one memory coordinate is assigned to one scanning coordinate, and the coordinate update of the scanning signal and the writing to the image memory are performed in synchronization.
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the beam scanning position and the corresponding position of the image memory in which the detection signal obtained by the beam scanning is written.
  • the detection signal obtained at that coordinate is also written to the corresponding image memory coordinate p4 at the same timing.
  • the beam irradiation position at time t is the pixel p3 (pattern C) due to the delay of the scanning signal.
  • the information (pattern B) of the scan pixel p2 that reaches the image memory p4 at time t due to the transmission delay of the secondary electron signal. Due to the cause of the shift as described above, the field of view is shifted in the scanning direction to form an image. Since this shift is in the same direction as the scanning direction, for example, in the case of reciprocal scanning in the X direction, the fields of view of adjacent X lines are shifted in opposite directions.
  • the same pixel information is imaged in four directions, resulting in image blur after integration.
  • the amount of blur depends on the scanning speed (scanning time of one pixel), and the following relational expression is established.
  • the image capture timing (hereinafter referred to as Tm) is adjusted so that the scanning coordinates on the sample correspond to the information written to the image memory.
  • Td By delaying the writing timing to the memory by Td, in the case of the example in FIG. 5, the information of the pattern D is written in p4 of the image memory, and the visual field shift can be corrected.
  • the delay time of the expression (1) depends on the magnification and other observation conditions, it is necessary to change the image capture delay for each observation condition. Therefore, when adjusting the apparatus in advance, the relationship between the observation conditions and the optimum image capture delay is obtained, and a Tm table for each condition is created.
  • the Tm table is stored in a predetermined storage medium, and during scanning, the control device 120 selects and applies an appropriate Tm according to the set observation conditions.
  • Equation (1) can be modified as follows.
  • Example 5 a method for adjusting the scanning start time of each line was described.
  • the scanning coordinates are shifted.
  • the scan coordinates of the return path are set to ( ⁇ X, - ⁇ Y) Shift.
  • the method of adjusting the image capturing timing and the timing of the scanning signal to reduce the image blur caused by the visual field deviation for each scanning direction has been described.
  • a visual field position adjustment by image processing will be described as a method different from these.
  • FIG. 7 in each frame, the odd-numbered line and the even-numbered line are scanned in the opposite directions.
  • FIG. 7 consider a 512 ⁇ 512 pixel image. This image is divided into an image with only odd lines (A) and an image with only even lines (B), and two 512 (X direction) ⁇ 256 (Y direction) pixel images are generated.
  • the field-of-view shift between the two images is measured, and the image B is moved with reference to the image A, or the image A is moved with reference to the image B, and correction by image processing is performed so that the shift between the two images is eliminated.
  • An image of 512 ⁇ 512 pixels is constructed by such processing. This procedure is performed in each frame.
  • the detection signal obtained based on the beam scanning to the odd lines of frame 1 and the even lines of frame 2 is stored in the first image memory, and image A (right scanning image, see FIG. 15). Is generated.
  • the detection signal obtained based on the beam scanning to the even-numbered line of frame 1 and the odd-numbered line of frame 1 is stored in the second image memory, and an image B (left scanned image) is generated. Since the images stored in the first image memory and the second image memory are obtained by the beam having the same scanning direction, it is possible to generate an image having no shift or distortion inside the frame.
  • the visual field deviation between the images is measured, and the images are integrated by moving the images A, B, or both so as to correct the deviation.
  • the images are integrated by moving the images A, B, or both so as to correct the deviation.
  • it is possible to generate an integrated image without deviation.
  • pattern matching is performed between images in each direction, and the sum is corrected and corrected to generate a composite image.
  • frame integration is performed in the states A and B of FIG. After the frame integration is completed, the integrated visual field deviation of A and B can be measured, and the respective positions can be appropriately shifted to construct the final image.
  • the process of generating an image in units of scanning directions and then combining the images can be performed even when the scanning directions are four directions.
  • an image obtained by beam scanning in a certain direction is set as a reference image, and the reference image and three images obtained by beam scanning in the other three directions are aligned by pattern matching or the like. It is also possible to generate an integrated image on the basis thereof.
  • the position of the corresponding part between the plurality of images is obtained, and the average position (for example, corresponding points (m 1 of four images) , N 1 ), (m 2 , n 2 ), (m 3 , n 3 ), (m 4 , n 4 ), the position in the X direction and the position corresponding to the respective addition average values in the Y direction, It is possible to generate an integrated image without distortion by moving the signal of each corresponding point to the center of gravity of the two-dimensional shape formed by each position and the like, and integrating the signals on the corresponding points.
  • lines in the same direction are collected to generate four types of images (images obtained by scanning frames A, B, C, and D in FIG. 9).
  • the visual field shift of another image is measured based on the image A, and the visual field position is moved so that each shift is eliminated, and then the images A, B, C, and D are added. Combine and build the final image.
  • the generation of images A, B, C, and D and the correction of visual field deviation are performed every four frames.
  • the images A, B, C, and D are integrated, and finally the visual field shift measurement and correction are performed. The latter is faster than the former.
  • An adjustment method that combines the adjustment methods of the fifth and sixth embodiments and the image processing of the seventh to ninth embodiments can also be applied.
  • Examples 6, 7, and 8 the amount of visual field deviation was obtained by pattern matching and the image was reconstructed.
  • a technique using the sharpness of the pattern edge as an index different from pattern matching will be described.
  • images (A, B, C, D) in each scanning direction are respectively ( ⁇ Xi, ⁇ Yi) in the X direction and the Y direction (where the subscript i means the scanning direction). ) Are shifted and added together to construct an image, and the sharpness (hereinafter referred to as S) of the pattern edge is evaluated and recorded with the image.
  • FIG. 10 shows a graph of the S variation while changing ( ⁇ Xi, ⁇ Yi) in the vicinity of the initial value. The smaller the image is, the smaller S is. When there is the least amount of blur, S is the maximum value. Therefore, ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) at which S is maximized is obtained, and the images in the respective directions are added in a state where they are moved by ( ⁇ Xio, ⁇ Yio), and a final image for measurement is constructed.
  • An accumulated image with high sharpness is considered to be an image accumulated after proper alignment, and even if the above-described method is adopted, the deviation between frames is also reduced. It is possible to construct a non-integrated image.
  • deviations ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) between images having different scanning directions described in the tenth embodiment are obtained in advance, and the scan signal and the coordinates taken in the memory are adjusted so as to compensate for the deviations.
  • ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) is obtained using the same sample as the measurement target sample and fed back to the control system. More specifically, when an image is taken into the memory during scanning for imaging, integration is performed while shifting the field of view by ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) obtained in advance. Alternatively, the scanning signal is delayed by a time corresponding to ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) (see FIG. 6).
  • the optimum deviation value ( ⁇ Xio, ⁇ Yio) for each direction may be measured at the time of adjustment of the apparatus so that the sharpness S is maximized, and a table may be created. At the time of observation, by applying the optimum value from the table according to the conditions, measurement before imaging is not required, and throughput can be improved.
  • a dummy frame for measuring the shift amount.
  • a dummy frame is not used. For example, after scanning 4 frames, a dummy scan is performed, and the deviation for each field of view is measured using the image. Is fed back to the control system. After 8 frames, a dummy scan for displacement measurement is performed again.
  • the frequency of performing dummy scanning may be optimized according to the pattern. For example, by performing dummy scanning with at least two (or four) frames, it is possible to return the scanning start point to the initial position while suppressing asymmetry of charging.
  • the sharpness (S) of the pattern edge is continuously monitored simultaneously with the scanning of each frame.
  • the sharpness exceeds a preset threshold value
  • the optimum value of the deviation amount is obtained by dummy scanning in the thirteenth embodiment, and the correction is dynamically performed by feeding back to the control system.

Abstract

本発明は、ブランキングを行うことなく、帯電の影響を抑制し得る走査パターンによる走査を行う荷電粒子線装置の提供を目的とする。この目的を達成するために、荷電粒子ビームを第１の方向に偏向することで、第１の走査線の走査を行い、当該第１の走査線の終点と、当該第１の走査線に平行に配列される第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを偏向して走査線位置を変更し、当該第２の走査線の走査開始点から前記第１の方向と反対の第２の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第２の走査線の走査を行い、当該第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び前記反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、第１のフレーム内の走査を行い、当該第１のフレームの走査の後、当該第１のフレーム内に含まれる走査終点を、走査開始点とした第２のフレームの走査の開始する荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置
　本発明は荷電粒子線装置に係り、特にビームの走査方法を適正に設定することができる荷電粒子線装置に関する。
　半導体パターンの微細化に伴い、僅かな形状差がデバイスの動作特性に影響を及ぼすようになり、形状管理のニーズが高まっている。そのため、半導体の検査・計測に用いられる走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）には、高感度、高精度が従来に増して求められるようになっている。ＳＥＭでは、試料に電子線を照射した際に、試料から放出される２次電子を検出して表面の形状を観察している。この際、検出される２次電子はエネルギーが低く、試料の帯電の影響を受け易い。近年のパターンの微細化やｌｏｗ－ｋなどの低誘電率材料の使用によって、帯電の影響が顕在化し、管理が必要となる場所の信号を捉える事が困難な場合が出てきている。さらに、帯電電位が斑状に分布することによって、観察視野（ＦＯＶ：Ｆｉｅｌｄ　Ｏｆ　Ｖｉｅｗ）内で像コントラストにばらつきが生じ、左右のエッジ、或いは上下のエッジの形状が対称なパターンであっても、左右上下のプロファイルが非対称となる場合がある。
　特許文献１には、複数のフレーム単位で走査線上のビームの移動方向を反転させると共に、複数の走査線に対する走査順序を反転させる走査法が開示されている。また特許文献２には、電子ビームの往復走査法が説明されている。往復走査は、Ｘ線方向の走査を走査線単位で反転させる走査法である。
特許第５１４７３２７号（対応米国特許ＵＳＰ７，８５１，７５６） 特開２０１４－１４３０７５号公報
　通常のラスター走査を行う場合、ブランキングを行うことによって走査線間のビーム照射位置移動、及び異なるフレーム間におけるビームの照射位置移動の際の試料へのビーム照射を抑制することができる。ブランキングとは、電子ビームを絞り板等に偏向することによって、試料に対するビーム照射を遮断する技術であり、ビーム照射に起因する帯電の発生等を抑制するためのものである。一方、ビーム照射に起因する帯電の影響は、昨今の半導体デバイスの微細化に伴ってより顕著なものとなりつつある。ブランキングは、走査線間、或いはフレーム間でのビーム照射の影響を排除するための手法として優れているが、走査線やフレームの走査終点から絞りに至るまでのビーム照射によっても帯電が付着し、その帯電が電子顕微鏡による測定精度に影響を与えることが明らかになってきた。特許文献１、２共に、ブランキングを行う際のビーム照射を抑制することについては何ら論じられていない。
　以下に、ブランキングを行うことなく、帯電の影響を抑制し得る走査パターンによる走査を行うことを目的とする荷電粒子線装置を提案する。
　上記目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記走査偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、前記制御装置は、前記荷電粒子ビームを第１の方向に偏向することで、第１の走査線の走査を行い、当該第１の走査線の終点と、当該第１の走査線に平行に配列される第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを偏向して走査線位置を変更し、当該第２の走査線の走査開始点から前記第１の方向と反対の第２の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第２の走査線の走査を行い、当該第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び前記反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、第１のフレーム内の走査を行い、当該第１のフレームの走査の後、当該第１のフレーム内に含まれる走査終点を、走査開始点とした第２のフレームの走査の開始、或いは前記走査終点と異なる位置の第２のフレームの走査開始点とを接続するような走査軌道を描くように前記走査位置を変更した後、前記第２のフレームの走査を開始するように、前記走査偏向器を制御する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、ブランキングを行うことなく、帯電の影響を抑制し得る走査パターンによる走査を行うことが可能となる。
電子顕微鏡の概要を示す図。 ライン毎に走査方向を変える往復走査を、フレーム毎に方向を逆にする走査パターンを例示する図。 ライン毎に走査方向を変える往復走査を、フレーム毎に方向を変えて４方向に走査する走査パターンを例示する図。 フレーム外に走査開始点変更用のビーム偏向軌道を設けて、複数フレームを走査するときの走査パターンを例示する図。 走査座標と画像座標の関係を示す図。 走査信号の調整を行う手法を説明する図。 走査方向毎に分割した２つの画像間のずれを補正して画像形成する例を説明する図。 複数のフレームから同じ走査方向の検出信号を抽出して形成した複数の画像間のずれを補正して、画像を形成する例を説明する図。 ４方向の走査線方向を例示する図。 画像間の相対位置を変化させて画像積算を行ったときの画像のずれと、シャープネスとの関係を示す図。 ＦＯＶ外の走査をＦＯＶの上下左右で均等にした走査パターンを例示する図。 ＦＯＶ外の走査をＦＯＶの上下左右で均等にした走査パターンを例示する図。 副走査の方向をフレームが変わる毎に、下、上、右、左の順に変化させた走査パターンを示す図。 副走査の方向をフレームが変わる毎に、下、右、上、左の順に変化させた走査パターンを示す図。 複数フレームの走査によって得られた検出信号に基づいて、走査線方向ごとの複数の画像を生成し、当該複数画像を合成する工程を示す図。
　以下に説明する実施例は、ブランキングを行うことなく複数フレームの走査を可能とするビーム照射法に係り、主に視野外へのビーム照射によって生じる帯電を抑制するビーム照射法に関するものである。ブランキングは走査線間、及び１のフレームの走査と、次のフレームの走査との間で、視野内にビームが照射されることを防ぐ目的で実施されるものであるが、ブランキングの方向（電子ビームの偏向方向）に、電子ビーム照射に起因する帯電が付着し、視野中心に対し、非対称な帯電斑が生じる。フレーム毎に走査方向を回転することによって、視野内にビーム走査することによって生ずる帯電の不均一性を、ある程度緩和できるものの、それだけではフレーム積算後の画像に対する帯電の影響を抑制するには不十分である。帯電によって、撮像時にドリフトや像ボケ、コントラスト斑とパターンエッジ輝度の不均一性が生じ、パターン検出が困難になり、計測精度劣化を引き起こす可能性がある。
　以下に、ビームの走査パターンを適正化することにより、帯電斑等を抑制する荷電粒子線装置について説明する。以下に説明する実施例では、例えば荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記の荷電粒子ビームの走査の方向を制御する制御装置を備えた荷電粒子装置であって、各フレームの撮像をブランキングレスで連続走査によって実施し、フレーム間もブランキングレスで連続的に接続することで、フレーム積算を含めて全走査を連続的に実施し、さらに、フレーム毎に走査方向を９０°と１８０°回転する荷電粒子線装置を提案する。
　上記構成によれば、全撮像をブランキングレスで連続的に実施することになるため、試料へのビーム照射を必要最小限に抑えることができ、ブランキングによる非対称な帯電と試料ダメージを低減することが可能となる。さらに、フレーム毎に走査方向を回転することで、撮像時の帯電を均一にする。結果として、画像のドリフトとボケ、視野内のコントラスト不均一性とパターンエッジの非対称性を低減できる。
　図１は、荷電粒子線装置の１種である走査電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）の概要を示す図である。電子源１０１から引出電極１０２によって引き出され、図示しない加速電極によって加速された電子ビーム１０３は、集束レンズの一形態であるコンデンサレンズ１０４によって、絞られた後に、走査偏向器１０５により、試料１０９上を一次元的、或いは二次元的に走査される。電子ビーム１０３は試料台１０８に内蔵された電極に印加された負電圧により減速されると共に、対物レンズ１０６のレンズ作用によって集束されて試料１０９上に照射される。
　電子ビーム１０３が試料１０９に照射されると、当該照射個所から二次電子、及び後方散乱電子のような電子１１０が放出される。放出された電子１１０は、試料に印加される負電圧に基づく加速作用によって、電子源方向に加速され、変換電極１１２に衝突し、二次電子１１１を生じさせる。変換電極１１２から放出された二次電子１１１は、検出器１１３によって捕捉され、捕捉された二次電子量によって、検出器１１３の出力が変化する。この出力に応じて図示しない表示装置の輝度が変化する。例えば二次元像を形成する場合には、走査偏向器１０５への偏向信号と、検出器１１３の出力との同期をとることで、走査領域の画像を形成する。
　また、図１に例示する走査電子顕微鏡には、電子ビームの走査領域を移動する偏向器（図示せず）が備えられている。この偏向器は異なる位置に存在する同一形状のパターンの画像等を形成するために用いられる。この偏向器はイメージシフト偏向器とも呼ばれ、試料ステージによる試料移動等を行うことなく、電子顕微鏡の視野位置の移動を可能とする。イメージシフト偏向器と走査偏向器を共通の偏向器とし、イメージシフト用の信号と走査用の信号を重畳して、偏向器に供給するようにしても良い。
　なお、図１の例では試料から放出された電子を変換電極にて一端変換して検出する例について説明しているが、無論このような構成に限られることはなく、例えば加速された電子の軌道上に、電子倍像管や検出器の検出面を配置するような構成とすることも可能である。また、ＳＥＭ１００内には図示しないブランキング用偏向器が設置されている。ブランキング偏向器はビームをビーム光軸外に偏向することで、試料に対するビーム照射を遮断する機構である。
　なお、図１の例では、走査偏向器１０５として静電式の偏向器を採用している。電磁式の偏向器と比較して、高速な走査が可能である。なお、高速走査が要求されないのであれば、電磁式の偏向器を用いるようにしても良い。
　制御装置１２０は、走査電子顕微鏡の各構成を制御すると共に、検出された電子に基づいて画像を形成する機能や、ラインプロファイルと呼ばれる検出電子の強度分布に基づいて、試料上に形成されたパターンのパターン幅を測定する機能を備えている。また、制御装置１２０内には、主にＳＥＭの光学条件を制御するＳＥＭ制御装置と、検出器１１３によって得られた検出信号の信号処理を行う信号処理装置が含まれている。ＳＥＭの制御装置は、ビームの走査条件（方向や速度等）を制御するための走査制御装置を含む。画像処理部には画像メモリが含まれる。画像メモリは、例えば１０２４×１０２４の画素で、深さ方向に２５６段階の階調を記憶することが可能なメモリである。ＳＥＭ制御装置から出力される信号に基づいて、各アドレス（画素）に対する信号の書き込みを実施する。画像メモリのメモリ位置に対応したアドレス信号を、ビームの照射位置に同期させることによって、ビームの照射位置と書き込み座標を一致させる。アドレスに対応して読み出された信号は、ＡＤ変換器でアナログからデジタルに変換され、像表示装置の輝度変調入力となる。制御装置１２０では、複数回の走査に基づいて得られた画像データを積算する積算処理が行われる。積算処理は例えば画素毎に複数のフレームによって得られる信号を加算平均することによって行う。
　制御装置１２０は、下記のようなビーム走査のための偏向器への信号供給と、画像生成処理を実行する。
　図２に示すように、各フレームにおいて、ｎライン目の走査とｎ＋１ライン目の走査を互い逆方向に実施し、Ｘ方向に往復走査（ブランキングを行わない往復走査）を繰り返し、１フレームを撮像する。ラスター走査では、第ｎライン走査の終了後、ブランキングを実施（Ｏｎ）し、一旦ビームを遮断する。そして、第ｎ＋１ライン目の走査開始時にブランキングを解除（Ｏｆｆ）し、再びビームを試料上に戻すが、ブランキングのＯｎ－Ｏｆｆを実施する際に、ＦＯＶ外へ不要なビーム照射を行うことになる。第ｎラインの走査終点から絞り（ビームの試料への到達を遮断する部材）に到達するまで、及び絞りから第ｎ＋１ラインの走査始点に到達するまで、試料に対し信号検出に不要なビーム照射を行うことになる。このような不要なビーム照射は試料に帯電を蓄積させてしまうだけでなく、ＦＯＶ中心に対し非対称な帯電を付着させてしまうことになる。
　一方、図２に例示するような走査法では、第ｎラインの終点と、第ｎ＋１ラインの開始点との間を、ビーム照射を途切れさせることなく、連続的に試料に照射されるように、電子ビームの照射位置を移動させている。換言すれば、ブランキングを行うことなく、異なる走査線へのビームの照射位置移動を行っている。図２に示すように、１フレーム目は開始点２０１から走査を開始し、終点２０２までビーム走査を実施する。図２に例示する走査法では、１の走査線の走査終点から次の走査線の走査始点まで、不要なビーム照射を避けつつ（ブランキングを行うことなく）、ビーム照射位置を移動させるために、走査線を折り返すような走査を行っている。より具体的には、Ｘ方向に延びる１の走査線の終点から、同様にＸ方向に延びる他の走査線にビームの照射位置を移動させるとき、Ｙ方向にビーム照射位置を１走査線分、移動させ、その移動後のビーム照射位置を、次の走査線の走査始点とする走査を繰り返すことによって、１フレーム分の走査を実行する。
　２フレーム目では、１フレーム目の走査終点である点２０２を開始点とすることによって、フレーム間でブランキングを行うことなく（フレーム内への照射を維持した状態で）、次のフレームの走査を開始する。点２０１まで走査を完了後、３フレーム目以降も、上述のような走査を繰り返し、ブランキングレス連続走査でビーム照射を完了する。この場合は、フレーム毎に走査方向が１８０°回転するため、平均効果としてビーム照射による帯電が均一になる。また、各ピクセルに於いて、ｋフレーム目とｋ＋１フレーム目での走査方向が互いに逆になるため、その平均効果として、走査方向に対して垂直方向の全てのエッジのラインプロファイルが（Ｘ方向に）左右対称になる。
　図２に例示するように、１の走査線の終点と次の走査線の開始点を接続するような折り返し走査を行うと共に、フレーム間の走査始点と走査終点を一致させるような走査を行うことによって、帯電の均一化を実現することが可能となるだけではなく、複数フレームの走査の間、ブランキングを行う必要がなくなるため、ＦＯＶ内の帯電の過剰な蓄積や、ＦＯＶ外にビームを照射することによる帯電の偏り等を抑制することが可能となる。
　本実施例では、走査線の配列方向（副走査方向）を４フレームで４方向に変化させる走査法を例示する。実施例１に例示したような２フレーム目までの走査が終了した後、３フレーム目は、図３や図１３に例示するように、走査方向を９０°回転し、ブランキングレスでＹ方向に往復走査を繰り返し、３フレームの終点３０３まで走査する。図１３の点線の矢印は各フレームの副走査方向を示している。３フレーム目の走査終点３０３を４フレーム目の走査開始点とし、走査方向をさらに１８０°回転し、往復走査を繰り返し、１フレーム目の開始点３０１に戻る。5フレーム目以降は、１フレームから４フレームまでの走査を繰り返し、フレーム積算を重ね、ブランキングレス連続走査でビーム照射を完了する。図３等に例示する走査法によれば、各ピクセルの走査線方向を４フレームで４方向に変化させることになる（例えば画素１３０１参照）ため、各ピクセルでの走査線方向に依存する帯電の偏りを上下方向と、左右方向のそれぞれで相殺することができる。このように各ピクセルで、走査線方向に依存する帯電の偏りを抑制するような走査を行うことによって、結果としてフレーム内の帯電状態の均一化が可能となる。
　このような走査法によれば、フレーム内の帯電状態を均一化した状態での画像生成を行うことができ、帯電に起因する影響を抑制することが可能となる。本実施例によれば、各ピクセルにおける帯電の平均化と、各ピクセル間の帯電の均一化によって、フレーム内の画像生成条件の均一化を実現することが可能となる。
　図１４は、副走査方向を順次９０°回転（下方向、右方向、上方向、左方向）させる走査法を示す図である。試料を構成する材料や電子顕微鏡の光学条件によって、帯電緩和時間等に違いがあるため、適正な走査パターンを選択することが望ましい。図１３、図１４のいずれも、折り返し走査を行いつつ、フレーム間の走査始点と走査終点を一致させることが可能な走査パターンであるため、フレーム内の画像生成条件の均一化を実現することが可能となる。特に図１４の走査パターンによれば、ブランキングや余分な走査を行うことなく、副走査方向を９０°単位で順次回転させることができる。
　実施例１、２の手法で往復走査を繰り返す場合、走査開始位置と走査領域のピクセル数によって、１フレーム走査後のビーム位置が決定される。例えば、走査Ｘ方向とその垂直Ｙ方向のピクセル数が偶数である場合、１フレーム走査後、開始点と終点の位置関係は、図２のようになる。上述したように、試料の材質や電子顕微鏡の光学条件によっては、適正な走査パターンが変化することが考えられる。そこで本実施例では、ブランキングレス走査を行いつつ、走査パターンのバリエーションを増やすために、図４に示すように、観察領域（ＦＯＶ）の外部にさらに１ラインのブランキングレス往復走査を実施する。より具体的には、フレーム走査のための走査に加え、ブランキングを行うことなく、次のフレームの走査始点へビーム照射位置を移動させるためのビーム走査をフレーム外領域で行う。図４に例示するように、走査終点を４０２から４０２´に変えることで、次のフレームの走査始点をフレームの左下角部から右下角部に変化させている。このように次フレームの走査始点を変える走査を行うことによって、図１３（２フレーム目の副走査方向が上方向）や図１４（２フレーム目の副走査方向が右方向）の走査パターンでは実現できなかった走査パターン（２フレーム目の副走査方向が左方向）を生成することが可能となる。ブランキングのように、ビームを視野外に大きく偏向するわけではなく、走査領域に沿ってビーム走査を行うので、ＦＯＶ外へのビーム走査であっても、帯電の影響を無視することができる。
　２フレーム目では、走査方向を９０°回転し、Ｙ方向の往復走査を繰り返し、Ｘ方向に１ピクセル分広く、点４０３´まで走査する。３フレーム目以降も、図４に示すように、走査方向を９０°ずつ回転しながら、８フレームまで走査し、１フレーム目の開始点（点４０１）に戻る。９フレーム以降は１から８フレームの走査を繰り返し、ブランキングレス連続走査でする。この場合、走査方向をフレーム毎に９０°ずつ回転するため、その平均効果として帯電電位のＸとＹ方向に傾きが生じにくく、帯電が一様になる。
　また、実施例２同様、各ピクセルに於いて、フレームによって走査方向が左右上下４方向になるため、その平均効果として２次元パターンの全エッジが均等のコントラストとなる。帯電緩和の時定数によって、実施例２と３より最適な走査方法を選択し、適用する。
　また、図４に例示する走査パターンの変形例として、図４の走査パターンのＦＯＶ外の走査軌道を変えた走査パターンも考えられる。例えば、図４では、４フレーム目の走査終点を点４０５´にしているが、ＦＯＶ外にもう１ライン往復走査することで、５フレーム目の開始点と走査方向を変えることが出来る。例えば、余分に１ライン走査することによって、走査始点をフレームの右上角部に位置付けることができ、当該位置を基準として走査始点を設定することが可能となる。このようにＦＯＶ外への走査によって、観察試料の帯電進行状況に応じて、最適な走査順と方向の選択が可能となる。また、ＦＯＶ外の走査は１ピクセル分であるため、ＦＯＶ全面積に比べて不要なビーム照射領域を最小限にしつつ（帯電の影響を抑制しつつ）、走査パターンのバリエーションを増やすことができる。また、通常のＦＯＶの周囲領域を、走査信号の安定待ちのための予備走査領域とし、当該予備走査の過程で走査方向を調整して再びＦＯＶ内走査を行うようにしても良い。
　図１１は、図４に例示した走査パターンの変形例を説明する図である。図１１では視野１１０１内で第１フレームの走査開始点１１０２を始点として、折り返し走査を繰り返すと共に、視野１１０１の外に１走査線１１０４を追加することによって、第１フレームの走査終点を１１０３とする走査パターンを例示している。この走査パターンによれば、８フレームで、上下左右２回ずつ各ピクセルの走査方向を設定できるだけではなく、視野外への走査も上下左右で２回ずつ行うことができるため、真の意味で帯電の均一化を実現することが可能となる。
　図１２は４フレームで各ピクセルの４方向走査と、上下左右４方向の視野外走査を可能とする走査パターンを例示する図である。これまで例示した視野内、或いは視野内外を走査する走査法では、４の倍数のフレーム数で走査パターンを設定しておくことによって、ブランキングを行わない状態で帯電の均一化を実現することが可能となる。よって、例えば電子顕微鏡の装置条件を設定するＧＵＩ（Ｇｒａｐｈｉｃａｌ　Ｕｓｅｒ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）画面上では、４の倍数でのフレーム数と、上述したような複数種の走査パターンの設定を可能としておくことによって、視野内、或いは視野内外での帯電の均一化を実現できる走査パターンを、帯電抑制条件を意識することなく選択することが可能となる。
　１フレーム走査の座標データと画像メモリ座標に１対１の関係が成立する。例えば、５１２×５１２ピクセルの画像の場合、１フレームの座標数は２６２１４４（＝５１２×５１２）となり、その1フレームの画像を書き込むメモリも２６２１４４個に分割されている。このように、走査座標１つにメモリ座標一つが割り当てられ、走査信号の座標更新と画像メモリへの書き込みを同期して実施する。図５はビームの走査位置と、ビーム走査によって得られる検出信号を書き込む画像メモリの対応位置との関係を示す図である。ある時刻ｔの走査座標がｐ４である場合、当該座標にて得られた検出信号も、対応する画像メモリ座標ｐ４に、同じタイミングで書き込む。但し、走査信号の遅延が原因で、時刻ｔのビーム照射位置がピクセルｐ３（パターンＣ）となる。また、２次電子信号の伝達遅延が原因で、時刻ｔに、画像メモリｐ４に到達するのは、走査ピクセルｐ２の情報（パターンＢ）となる。以上のようなずれの原因によって、走査方向に視野がずれて画像化される。このずれが走査方向と同じ方向になるため、例えばＸ方向の往復走査の場合は、隣接したＸラインの視野が互い逆方向にずれる。
　また、フレーム毎に走査方向を０°、９０°、１８０°、２７０°と回転する場合は、同じピクセル情報が４方向にずれて画像化され、積算後の画像ボケが生じる。ボケ量（ピクセル数）は走査速度（１ピクセルの走査時間）に依存し、以下の関係式が成立する。
　ボケ量（ピクセル数）＝２×遅延時間（Ｔｄ）／１ピクセル走査時間・・・（１）
　但し、Ｔｄは走査信号と２次電子信号の合計遅延である。式（１）から分かるように、走査速度が高い（１ピクセルの走査時間が短い）ほど、ボケが大きくなる。帯電対策に高速走査が有効であるため、実施例１～３を高速で実施する走査が有効である。
　本実施例では高速走査時に発生する像ボケを低減するために、画像取り込みタイミング（以後Ｔｍと称する）を調整し、試料上での走査座標と画像メモリへ書き込む情報が対応するように調節する。メモリへの書き込みタイミングをＴｄ遅延させることで、図５の例の場合は、画像メモリのｐ４にパターンＤの情報が書き込まれ、視野ずれを補正できる。また、式（１）の遅延時間は、倍率や他の観察条件に依存するため、観察条件毎に画像取り込み遅延を変える必要がある。そのために、事前に装置調整の際に、観察条件と最適画像取り込み遅延の関係を求め、条件毎のＴｍテーブルを作成しておく。Ｔｍテーブルを所定の記憶媒体に記憶しておき、走査時に、制御装置１２０は設定された観察条件に応じて、適切なＴｍを選択し適用する。
　実施例４では、走査方向毎の視野ずれ起因の像ボケを低減するために、画像取り込みタイミングＴｍを調整する手法について説明した。もう一つの手法として、画像取り込みタイミングを固定にし、各ラインの走査開始タイミングを調整することが考えられる。走査開始遅延をＴｓと称すると、式（１）を以下のように変形できる。
　ボケ量（ピクセル数）＝２×（Ｔｄ－Ｔｓ）／１ピクセル走査時間・・・（２）
　従って、Ｔｓ＝Ｔｄとすることで、図６に例示するように像ボケを防ぐことが出来る。観察条件と走査方向によってＴｄが異なる場合には、予め倍率等の観察条件と走査条件の組み合わせ毎にＴｓのテーブルを作成しておき、走査時に、制御装置１２０は設定された観察条件に応じて、適切なＴｓを選択し適用する。
　実施例５では、各ラインの走査開始時間を調整する手法について述べた。もう一つの手法として、走査する座標をずらす。例えば、ライン毎の往復走査において、往路の画像基準で復路の画像視野ずれがＸとＹ方向に（ΔＸ，ΔＹ）である場合、往路の走査座標基準に、復路の走査座標を（－ΔＸ，－ΔＹ）ずらす。画像積算時に画像座標は変えずに画像生成することで、画像上では、往路と復路の視野が一致する。
　上述の実施例では、画像取り込みタイミングと走査信号のタイミングを調整し、走査方向毎の視野ずれ起因の像ボケを低減する手法について述べた。これらとは異なる手法として、画像処理による視野位置調整について述べる。図７に示すように、各フレームにおいて、奇数ラインと偶数ラインは互いに逆方向のスキャンである。図７の例では、５１２×５１２ピクセル画像を考える。この画像を、奇数ラインのみの画像（Ａ）と偶数ラインのみの画像（Ｂ）に分割し、５１２（Ｘ方向）×２５６（Ｙ方向）ピクセルの画像を２枚生成する。この２枚の画像の視野ずれを計測し、画像Ａを基準に画像Ｂを移動、或いは画像Ｂを基準に画像Ａを移動し、両者のずれがなくなるよう画像処理による補正を行う。このような処理によって、５１２×５１２ピクセルの画像を構築する。この手順を各フレームにおいて実施する。
　画像処理によって、方向毎の視野ずれ起因の像ボケを低減する別手法について述べる。図８に示すように、フレーム１の奇数ラインとフレーム２の偶数ラインへのビーム走査に基づいて得られた検出信号を第１画像メモリに記憶させ、画像Ａ（右走査画像、図１５参照）を生成する。同様に、フレーム１の偶数ラインとフレーム１の奇数ラインへのビーム走査に基づいて得られた検出信号を第２画像メモリに記憶させ、画像Ｂ（左走査画像）を生成する。第１の画像メモリと第２の画像メモリに記憶された画像は、走査方向が同じビームによって得られたものであるため、フレーム内部のずれや歪みのない画像を生成することができる。このように走査方向ごとの２次元画像を生成した上で、各画像間の視野ずれを測定し、そのずれを補正するように画像Ａ、Ｂ或いはその両方を移動するようにして画像を積算することによって、ずれのない積算画像を生成することが可能となる。例えば各方向の画像間でパターンマッチングを行い、ずれを補正した上で積算し、合成画像を生成することもできる。
　ビームドリフト等がない場合は、画像Ａと画像Ｂのマッチングをフレーム毎に実施する必要はない。例えば、図８のＡとＢの状態でそれぞれにフレーム積算を実施する。フレーム積算終了後、積算されたＡとＢの視野ずれを測定し、それぞれの位置を適切にずらし、最終画像を構築することもできる。
　また、走査方向単位で画像を生成し、その後、合成する処理は走査方向が４方向であっても行うことができる。この場合、例えば或る方向へのビーム走査によって得られた画像を基準画像とし、当該基準画像と、他の３方向へのビーム走査によって得られた３枚の画像をパターンマッチング等によって位置合わせを行い、その上で積算画像を生成することも可能である。更に画像内に走査方向に依存した面内歪み等が発生する場合には、複数の画像間で対応する部位の位置を求め、その平均的な位置（例えば４枚の画像の対応点（ｍ１，ｎ１）、（ｍ２，ｎ２）、（ｍ３，ｎ３）、（ｍ４，ｎ４）のＸ方向の位置、及びＹ方向の位置のそれぞれの加算平均値に対応する位置や、各位置が形作る２次元形状の重心位置等）に、各対応点の信号を移動させ、その上で積算することによって、歪みのない積算画像を生成することが可能となる。
　実施例３に述べるような、４方向の往復走査においては、同じ方向のラインを集め、４種類の画像を生成する（図９のフレームＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの走査によって得られる画像）。４枚の画像の中で、例えば、画像Ａを基準に他の画像の視野ずれを測定し、それぞれのずれがなくなるように視野位置を移動してから、画像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを足し合わせ、最終画像を構築する。画像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄの生成と視野ずれ補正は４フレーム毎に実施する。なお、ドリフトやずれの時間変動がない場合は、画像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄを積算し、最後に視野ずれ計測と補正を実施する。後者は前者に比べて高速である。
　実施例５と６の調整方法と実施例７～９の画像処理を組み合わせるような調整手法も適用できる。
　実施例６、７、８では、視野ずれ量をパターンマッチングによって求め、画像を再構築したが、本実施例では、パターンマッチングとは別の指標としてパターンエッジのシャープネスを用いる手法について述べる。
　図９に示すような、走査方向毎の画像（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）のぞれぞれをＸ方向とＹ方向に（ΔＸｉ，ΔＹｉ）(但し、添え字iは走査方向を意味する)だけずらして足し合わせ、画像を構築し、その画像でパターンエッジのシャープネス（以後Ｓ）を評価し、記録する。（ΔＸｉ，ΔＹｉ）を初期値近傍で変えながらＳ変動をグラフ化すると図１０のようになる。画像がボケる程Ｓが小さくなり、ボケが最も少ない時はＳが最大値になる。そこで、Ｓが最大となる（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）を求め、それぞれの方向の画像を（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）だけ移動した状態で足し合わせ、計測用の最終画像を構築する。
　鮮鋭度（シャープネス）が高い積算画像は、適正な位置合わせが行われた上で積算された画像であると考えられるため、上述のような手法を採用することによっても、フレーム間でのずれがない積算画像を構築することが可能となる。
　本実施例では、実施例１０で説明した走査方向の異なる画像間のずれ（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）を予め求めておき、このずれを補償するように、走査信号やメモリの取り込み座標の調整を行う例について説明する。このような処理を行うためには、例えば、測定対象試料と同じ試料を用いて（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）を求め、制御系にフィードバックする。より具体的には、撮像用走査時に画像をメモリに取り込む際には、予め求めてある（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）分、視野をずらしながら積算する。或いは、（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）に相当する時間だけ走査信号を遅延させる（図６参照）。この場合は、（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）をリアルタイムでフィードバックしながら走査と画像取り込みを実施することで、画像取得後の処理は不要となり、後処理方式と比べて計測時間を短縮できる。また、直前に（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）を求めてフィードバックすることで、試料による帯電の違いや装置状態変動の影響を受けない画像生成を行うことが可能となる。本調整機能をオートシャープネス機能と称する。
　実施例７～１０の場合は、画像取得後の処理であるため、処理後はＦＯＶの縁近傍はパターン情報が足りず、計測に使用できない。オートシャープネスを適用する場合は、走査信号のタイミングの調整、或いは走査領域をＦＯＶより広めに設定することで、ＦＯＶ全体を計測可能な領域とすることが望ましい。
　実施例１１で述べた、シャープネスＳが最大になるように、方向毎の最適ずれ値（ΔＸｉｏ，ΔＹｉｏ）を装置の調整時に測定し、テーブルを作成しておくようにしても良い。観察時には、条件に合わせてテーブルより最適値を適用することで、撮像前の計測を不要とし、スループット向上をできる。
　撮像中に帯電などが原因で方向毎の視野ずれ量が変化する場合は、ずれ量測定用にダミーフレームの走査を実施することが考えられる。通常の観察や計測用の画像では、ダミーフレームを用いないが、例えば４フレームの走査の後、ダミー走査を実施し、その画像を用いて視野毎のずれを計測し、５フレーム以降はその値を制御系にフィードバックする。８フレーム後は再びずれ測定用ダミー走査を実施する。ダミー走査を実施頻度はパターンに合わせて最適化すると良い。ダミー走査は例えば少なくとも２つ（或いは４つ）のフレームで行うようにすることで、帯電の非対称性を抑制した上で、走査始点を初期位置に戻すことができる。
　実施例１２のダミー走査実施タイミングを自動的に判別するために、各フレームの走査と同時に、パターンエッジのシャープネス（Ｓ）をモニタし続けることが考えられる。シャープネスが事前に設定した閾値を超えたときは、実施例１３のダミー走査でずれ量の最適値を求め、制御系にフィードバックすることで、ダイナミックに補正を実施する。
１０１　電子源
１０２　引出電極
１０３　電子ビーム
１０４　コンデンサレンズ
１０５　走査偏向器
１０６　対物レンズ
１０７　試料室
１０８　試料台
１０９　試料
１１０　電子
１１１　二次電子
１１２　変換電極
１１３　検出器
１２０　制御装置

Claims (15)

  1. 　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを走査する走査偏向器と、前記荷電粒子ビームの走査に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、前記走査偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
    　前記制御装置は、前記荷電粒子ビームを第１の方向に偏向することで、第１の走査線の走査を行い、当該第１の走査線の終点と、当該第１の走査線に平行に配列される第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを偏向して走査線位置を変更し、当該第２の走査線の走査開始点から前記第１の方向と反対の第２の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第２の走査線の走査を行い、当該第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び前記反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、第１のフレーム内の走査を行い、当該第１のフレームの走査の後、当該第１のフレーム内に含まれる走査終点を、走査開始点とした第２のフレームの走査の開始、或いは前記走査終点と異なる位置の第２のフレームの走査開始点とを接続するような走査軌道を描くように前記走査位置を変更した後、前記第２のフレームの走査を開始するように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記第１のフレーム内に含まれる走査終点から、前記第１の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、前記第２のフレームの第１の走査線の走査を行い、当該第２のフレームの第１の走査線の終点と、当該第２のフレームの第１の走査線に平行に配列される第２のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを偏向して走査線位置を変更し、当該第２のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第２の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第２のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第２のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第２のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 　請求項２において、
    　前記制御装置は、前記第２のフレームに含まれる走査終点から、前記第１の方向に直交する第３の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、第３のフレームの第１の走査線の走査を行い、前記第３のフレームの第１の走査線の終点と、当該第３のフレームの第１の走査線に平行に配列される第３のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを変更して走査線位置を変更し、当該第３のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第３の方向と反対の第４の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第３のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第３のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第３のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 　請求項３において、
    　前記制御装置は、前記第３のフレーム内に含まれる走査終点から、前記第３の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、前記第４のフレームの第１の走査線の走査を行い、当該第４のフレームの第１の走査線の終点と、当該第４のフレームの第１の走査線に平行に配列される第４のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを偏向して走査線位置を変更し、当該第４のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第４の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第４のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第４のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第４のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記第１のフレームに含まれる走査終点から、前記第１の方向に直交する第４の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、前記第２のフレームの第１の走査線の走査を行い、前記第２のフレームの第１の走査線の終点と、当該第２のフレームの第１の走査線に平行に配列される第２のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを変更して走査線位置を変更し、当該第２のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第４の方向と反対の第３の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第２のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第２のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第２のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 　請求項５において、
    　前記制御装置は、前記第２のフレームに含まれる走査終点から、前記第２の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、第３のフレームの第１の走査線の走査を行い、前記第３のフレームの第１の走査線の終点と、当該第３のフレームの第１の走査線に平行に配列される第３のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを変更して走査線位置を変更し、当該第３のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第１の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第３のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第３のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第３のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 　請求項６において、
    　前記制御装置は、前記第３のフレームに含まれる走査終点から、前記第３の方向に前記荷電粒子ビームを偏向することで、第４のフレームの第１の走査線の走査を行い、前記第４のフレームの第１の走査線の終点と、当該第４のフレームの第１の走査線に平行に配列される第４のフレームの第２の走査線の走査開始点を接続するような走査軌道を描くように前記荷電粒子ビームを変更して走査線位置を変更し、当該第４のフレームの第２の走査線の走査開始点から前記第４の方向に向かって、前記荷電粒子ビームを走査することによって、前記第４のフレームの第２の走査線の走査を行い、当該第４のフレームの第２の走査線の走査の後、前記走査線位置の変更及び反対方向への荷電粒子ビームの走査を繰り返すことによって、前記第４のフレーム内の走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記第１のフレームの走査終点から、前記荷電粒子ビームをフレーム外に偏向し、当該フレームに沿って前記荷電粒子ビームを偏向し、前記第１のフレームの走査終点とは異なるフレーム内位置に、前記荷電粒子ビームを偏向させることによって、前記第２のフレームの走査開始点に前記荷電粒子ビームの照射位置を位置付けるように前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 　請求項８において、
    　前記制御装置は、前記フレームの４辺に沿って、前記フレーム外の荷電粒子ビームの走査を行うように前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、前記第１のフレーム内に含まれる走査終点への荷電粒子ビームの照射と、走査開始点とした第２のフレームの走査の開始点への荷電粒子ビームの照射を連続的に行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、２フレーム、或いは４の倍数のフレームの走査を行うように、前記走査偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
  12. 　請求項１において、
    　前記制御装置は、異なる走査線方向毎の画像を生成し、当該異なる走査線方向毎に形成された複数の画像を合成することを特徴とする荷電粒子線装置。
  13. 　請求項１２において、
    　前記制御装置は、前記異なる走査線方向毎に形成された複数の画像間の位置合わせを行った上で画像合成を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  14. 　請求項１３において、
    　前記制御装置は、複数の画像間でパターンマッチングを行った上で画像合成を行うことを特徴とする荷電粒子線装置。
  15. 　請求項１３において、
    前記制御装置は、合成対象となる複数の画像間の相対位置を変化させたときに得られる鮮鋭度の変化を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
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