WO2021192164A1 - 荷電粒子線システム - Google Patents

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WO2021192164A1
WO2021192164A1 PCT/JP2020/013743 JP2020013743W WO2021192164A1 WO 2021192164 A1 WO2021192164 A1 WO 2021192164A1 JP 2020013743 W JP2020013743 W JP 2020013743W WO 2021192164 A1 WO2021192164 A1 WO 2021192164A1
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charged particle
particle beam
evaluation value
axis
astigmatism
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PCT/JP2020/013743
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央和 玉置
Original Assignee
株式会社日立ハイテク
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Priority to PCT/JP2020/013743 priority patent/WO2021192164A1/ja
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    • H01J2237/1532—Astigmatism
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    • H01J2237/153—Correcting image defects, e.g. stigmators
    • H01J2237/1534—Aberrations

Definitions

  • This disclosure relates to a charged particle beam system.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-016983 (Patent Document 1) is available. Then, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-016983 states, "By performing image processing on a small number of two-dimensional particle images acquired while changing the focus in two types of scanning directions, the direction / size of astigmatism and the focus offset can be determined. By detecting and converting this into two types of astigmatism correction amount and focus correction amount at once and performing correction, high-speed and high-precision automatic astigmatism / focus adjustment is realized. In addition, astigmatism difference Achieve more accurate automatic astigmatism / focus adjustment by correcting errors. Furthermore, we will realize a device that realizes high-precision inspection / measurement over a long period of time by using this automatic astigmatism / focus adjustment. " It is stated (see summary).
  • the focus and astigmatism can be automatically adjusted in the charged particle beam apparatus.
  • the technique of Patent Document 1 requires acquiring two-dimensional particle images and performing image processing on them.
  • a technique capable of adjusting focus and astigmatism at a higher speed is desired.
  • the charged particle beam system of one aspect of the present disclosure includes a charged particle beam device that irradiates a sample with a charged particle beam from a charged particle source via a charged particle optical system, and a control system that controls the charged particle beam device.
  • the control system scans the charged particle beam on the sample so as to form a scan locus, determines an evaluation value of signal intensity associated with different scanning directions in the scan locus, and evaluates the said. Based on the relationship between the value and the different scanning directions, information on at least one of the focus shift and the aberration included in the charged particle optical system is generated.
  • At least one of focus and astigmatism can be adjusted at a higher speed.
  • the basic configuration of the scanning electron microscope system is schematically shown.
  • the basic configuration of the scanning transmission electron microscope system is schematically shown.
  • An example of computer hardware configuration is shown.
  • a configuration example of the astigmatism correction device is shown.
  • An example of a change in the cross-sectional shape of the electron beam with respect to a change in the direction and magnitude of astigmatism possessed by the electron optical system is shown.
  • the shape of the electron beam by the electron optical system having no astigmatism and the images of the samples at different height positions by the electron beam are schematically shown.
  • the shape of the electron beam by the electron optical system having a predetermined astigmatism and the images of the samples at different height positions by the electron beam are schematically shown.
  • the differential image of each image by the electron optics system which does not have astigmatism is shown.
  • a differential image of each image by the electron optics system having astigmatism is shown.
  • the sharpness evaluation value of the image in the electron optics system which does not have astigmatism is shown.
  • the sharpness evaluation value of the image in the electron optical system having astigmatism is shown.
  • An example of the scanning locus of the electron beam (spot) on the sample is shown. The scanning directions of the electron beam at several different positions of the circular scanning locus shown in FIG. 12 are shown.
  • the time change of the signal intensity obtained in one cycle of circular scanning and the time change of the sharpness evaluation value (absolute value of the differential value of the signal intensity) in different combinations (states) of astigmatism and the Z position of the sample. show.
  • the change in signal intensity with respect to the spot position due to circular scanning and the change in sharpness evaluation value according to the change in signal intensity are shown.
  • the flowchart of the automatic focus adjustment by the control system is shown.
  • An example of the scanning locus of the electron beam (spot) on the sample is shown.
  • the changes in the spot diameter and the sharpness evaluation value in the orthogonal scanning direction (direction along the X-axis and direction along the Y-axis) when the amount of astigmatism is changed are shown.
  • An example of adjusting the astigmatism by combining the circular scanning and the change of the astigmatism of the optical system is shown.
  • the method scans a charged particle beam on a sample to form a one-dimensional scan locus to determine an assessment of signal strength associated with different scan directions in the scan locus. Based on the relationship between the evaluation value and the scanning direction, information for correcting at least one of the focus shift and astigmatism of the charged particle beam is generated. In this way, by referring to the relationship between the scanning direction and the evaluation value in the one-dimensional scanning locus, information for correcting the basic focus shift or astigmatism can be quickly generated.
  • FIG. 1 schematically shows the basic configuration of a scanning electron microscope (SEM) system.
  • the SEM system includes an SEM device 50 and a control system 42.
  • the SEM device 50 is an example of a charged particle beam device, and is an electron beam source 1, an extraction electrode 2, a condenser lens 11, a condenser diaphragm 12, an axis adjustment deflector 13, an astigmatism correction device 14, a scan deflector 15, and an objective. Includes lens 20.
  • FIG. 1 only one condenser lens is designated by reference numeral 11 as an example.
  • the astigmatism correction device 14 may be a device composed of a combination of coils, a spherical surface composed of a combination of a plurality of quadrupoles, or a device for correcting various aberrations. ..
  • each deflector can be used for a predetermined purpose by combining a plurality of deflectors arranged at different heights.
  • the electron beam source 1 is an example of a charged particle source and generates a primary electron beam.
  • the condenser lens 11 adjusts the convergence condition of the primary electron beam.
  • the condenser diaphragm 12 controls the spread angle of the primary electron beam.
  • the axis adjustment deflector 13 adjusts the position of the primary electron beam with respect to the objective lens 20.
  • the astigmatism correction device 14 adjusts the beam shape of the primary electron beam (probe) incident on the sample 21.
  • the scan deflector 15 rasterly scans the primary electron beam incident on the sample 21.
  • the objective lens 20 adjusts the focus position of the primary electron beam with respect to the sample 21.
  • the SEM device 50 further includes a sample stage 22, a reflector 16, and a detector 26.
  • the sample stage 22 determines the position of the sample 21 in the sample chamber.
  • the electrons generated from the sample 21 or the electrons generated by the collision of the electrons from the sample 21 toward the reflector 16 (these are also referred to as signal electrons) are detected by the detector 26.
  • the control system 42 controls the SEM device 50.
  • the control system 42 controls the acceleration voltage and extraction voltage of the primary electron beam, and the current of components such as a lens and a deflector.
  • the control system 42 can adjust the positional relationship of the sample 21 with respect to the irradiation position of the primary electron beam with respect to the sample 21 and the focus position of the primary electron beam.
  • the control system 42 controls the gain and offset of the detector 26 to generate an image of the detected signal electrons.
  • the control system 42 includes a control device 40 and a computer 41.
  • the computer 41 controls the components of the SEM device 50 via the control device 40.
  • the computer 41 includes a program, a storage device that stores data used by the program, and a processor that operates according to the program stored in the storage device.
  • the program includes a control program for the SEM device 50 and an image processing program.
  • the computer 41 further includes an interface for connecting to a network and a user interface.
  • the user interface includes a display device for displaying an image and an input device for the user to give an instruction to the computer 41.
  • the computer 41 controls the control device 40.
  • the control device 40 includes components such as an AD converter, a DA converter, a memory, and an arithmetic unit such as an FPGA or a microprocessor.
  • the extraction electrode 2 draws a primary electron beam from the electron beam source 1 at a predetermined extraction voltage.
  • the direction parallel to the optical axis is defined as the Z direction, and the plane orthogonal to the optical axis is defined as the XY plane.
  • the control system 42 adjusts the primary electron beam so that it converges on the sample 21 by adjusting the Z position of the sample stage 22 or adjusting the control parameters of the objective lens 20. This adjustment is a rough adjustment.
  • the control system 42 selects the field of view for the electron optics system adjustment using the XY movement mechanism of the sample stage 22. At this time, the selection of the visual field may be performed by directly operating the XY movement mechanism of the sample stage 22 by the user of the apparatus.
  • the control system 42 corrects the misalignment, the focus, and the astigmatism in the field of view for adjusting the electro-optical system. Specifically, the control system 42 corrects the adjustment parameters of the axis adjustment deflector 13, the astigmatism correction device 14, and the objective lens 20.
  • control system 42 uses the sample stage 22 to move the observation field of view to the field of view for photographing, and after finely adjusting the focus of the objective lens 20 by user operation so that a sharp image can be observed, or a focus adjustment function. Acquires an image at the appropriate focus position adjusted by.
  • FIG. 2 schematically shows the basic configuration of a system used as a scanning transmission electron microscope (STEM).
  • the STEM system includes a STEM device 51 and a control system 42.
  • the STEM device 51 includes an electron beam source 1, a lead-out electrode 2, a condenser lens 11, a condenser diaphragm 12, an axis adjustment deflector 13, an astigmatism correction device 14, a scan deflector 15, an objective lens 20, and a sample stage 22. ..
  • only one condenser lens is designated by reference numeral 11 as an example. These functions are the same as those of the SEM device 50.
  • the STEM device 51 includes an objective diaphragm 23, an axis adjustment deflector 24, a selected area diaphragm 25, an imaging system lens 30, and a detector 31 on the rear side of the sample 21.
  • an imaging system lens 30 forms an image of a transmitted electron beam transmitted through the sample 21.
  • the detector 31 detects the imaged electron beam.
  • the control system 42 generates an image of the detected signal electrons.
  • the control system 42 like the SEM system, includes a control device 40 and a computer 41.
  • the program executed by the computer 41 includes a control program of the STEM device 51 and an image processing program.
  • the extraction electrode 2 draws a primary electron beam from the electron beam source 1 at a predetermined extraction voltage.
  • the control system 42 irradiates the sample 21 on the sample stage 22 with a primary electron beam.
  • the control system 42 roughly adjusts the focus of the primary electron beam by adjusting the Z position of the sample stage 22 or adjusting the control parameters of the objective lens 20. After that, the control system 42 selects the field of view for adjusting the electron optics system by using the XY movement mechanism of the sample stage 22. The control system 42 corrects the deviation, focus, and astigmatism of the optical system in the field of view for adjusting the electro-optical system. Specifically, the adjustment parameters of the axis adjustment deflector 13, the astigmatism correction device 14, and the objective lens 20 are corrected.
  • control system 42 uses the sample stage 22 to move the observation field of view to the field of view for photographing, and after finely adjusting the focus of the objective lens 20 by user operation so that a sharp image can be observed, or a focus tracking function. After adjusting to a more appropriate focus position, the image is captured.
  • the control system 42 uses the condenser lens 11, the axis adjustment deflector 13, and the astigmatism correction device 14 to make the primary electron beam incident on the sample 21.
  • the control system 42 scans the primary electron beam with the scan deflector 15. When the primary electron beam enters the sample 21, most of the electrons pass through the sample 21.
  • the imaging system lens 30 causes a transmitted electron beam to be incident on the detector 31 at an appropriate angle, and a STEM image is obtained. The magnification of the STEM image is set by the current that controls the scan deflector 15.
  • FIG. 3 shows an example of the hardware configuration of the computer 41.
  • the computer 41 includes a processor 411, a memory (main storage device) 412, an auxiliary storage device 413, an output device 414, an input device 415, and a communication interface (I / F) 417.
  • the components are connected to each other by a bus.
  • the memory 412, the auxiliary storage device 413, or a combination thereof is a storage device and stores programs and data used by the processor 411.
  • the memory 412 is composed of, for example, a semiconductor memory, and is mainly used for holding a program or data being executed.
  • the processor 411 executes various processes according to the program stored in the memory 412. By operating the processor 411 according to the program, various functional units are realized.
  • the auxiliary storage device 413 is composed of a large-capacity storage device such as a hard disk drive or a solid state drive, and is used for holding programs and data for a long period of time.
  • the processor 411 can be composed of a single processing unit or a plurality of processing units, and can include a single or a plurality of arithmetic units, or a plurality of processing cores.
  • Processor 411 manipulates signals based on one or more central processing units, microprocessors, microprocessors, microcontrollers, digital signal processors, state machines, logic circuits, graphics processing units, chip-on systems, and / or control instructions. It can be implemented as any device.
  • the program and data stored in the auxiliary storage device 413 are loaded into the memory 412 at startup or when necessary, and the processor 411 executes the program to execute various processes of the computer 41.
  • the input device 415 is a hardware device for the user to input instructions, information, etc. to the computer 41.
  • the output device 414 is a hardware device that presents various images for input / output, and is, for example, a display device or a printing device.
  • the communication I / F 417 is an interface for connecting to a network.
  • the function of the computer 41 can be implemented in a computer system consisting of one or more computers including one or more processors and one or more storage devices including a non-transient storage medium. Multiple computers communicate over a network. For example, a plurality of functions of the computer 41 may be implemented in a plurality of computers.
  • FIG. 4 shows a configuration example of the astigmatism correction device 14.
  • the astigmatism correction device 14 includes an quadrupole coil.
  • the astigmatism correction device 14 includes coils (X-axis astigmatism correction coils) X11, X12, X21, X22 for correcting astigmatism of the X-axis pair (X1, X2), and a Y-axis pair (Y1, Y2).
  • (Y-axis astigmatism correction coil) Y11, Y12, Y21, Y22, and the like.
  • the X-axis astigmatism correction coil is arranged at a position rotated by 45 degrees around the center of the optical axis with respect to the arrangement position of the Y-axis astigmatism correction coil.
  • the X-axis astigmatism correction coils X11 and X12 face each other with the center of the optical axis in between.
  • the X-axis astigmatism correction coils X21 and X22 face each other with the center of the optical axis in between.
  • the Y-axis astigmatism correction coils Y11 and Y12 face each other with the center of the optical axis in between.
  • the Y-axis astigmatism correction coils Y21 and Y22 face each other with the center of the optical axis in between. It is preferable that the intersections of the X1 axis, the X2 axis, the Y1 axis, and the Y2 axis coincide with the center of the optical axis.
  • the astigmatism correction device 14 uses an octapole coil to deform the cross-sectional shape of the primary electron beam EB (hereinafter simply referred to as an electron beam). Since the direction of the magnetic field generated by the coil and the direction of the force exerted by the magnetic field on the primary electron beam are orthogonal to each other, the beam is directed in the Y-axis (Y1, Y2) direction by using the X-axis non-point aberration correction coil. By using the Y-axis non-point aberration correction coil, the beam can be deformed in the X-axis (X1, X2) direction. As an example, FIG.
  • FIG. 4 shows an electron beam EB deformed so as to be pulled from the center of the optical axis in both the positive and negative directions of the X1 axis.
  • a Y-axis astigmatism correction coil is used to correct the astigmatism of the electron beam EB deformed into such a shape.
  • the control system 42 causes a current to flow through the Y-axis astigmatism correction coils Y11 and Y12 to generate a magnetic flux flow in the direction of the optical axis along the Y1 axis, and at the same time, the Y-axis astigmatism correction coil Y21, A current in the opposite direction is passed through Y22, and a magnetic field in the opposite direction to the Y1 axis is generated in the Y2 axis.
  • a magnetic field is generated on the X1 axis in the direction orthogonal to the X1 axis, from Y11 to Y21, and from Y12 to Y21, so that the electron beam EB is compressed along the long axis direction (X1 axis) of the ellipse.
  • a magnetic field is generated in the direction orthogonal to the X2 axis, from Y12 to Y21, and from Y11 to Y22. It deforms in the direction of divergence along.
  • the electron beam EB that has passed through the correction magnetic field formed by the astigmatism correction coil is corrected into a circular shape.
  • the control system 42 uses an X-axis astigmatism correction coil. do. Specifically, the control system 42 passes a current through the X-axis astigmatism correction coils X11 and X12 to generate a magnetic flux flow in the direction toward the optical axis along the X1 axis or in the direction away from the optical axis.
  • control system 42 controls the astigmatism correction device 14 by designating the current (X parameter) of the X-axis astigmatism correction coil and the current (Y parameter) of the Y-axis astigmatism correction coil.
  • the astigmatism correction device 14 applies a current to each correction coil according to the designated X and Y parameters.
  • FIG. 5 is an example showing how the cross-sectional shape of the electron beam on a surface at the same height changes when the direction and magnitude of the astigmatism of the electron optical system changes.
  • Sections 121 to 125 show an example in which the direction of astigmatism is 0 ° and the magnitude of the astigmatism changes.
  • the cross section 123 has astigmatism 0, the cross section 122 has astigmatism 1, the cross section 121 has astigmatism 2, the cross section 124 has astigmatism -1, and the cross section 125 has astigmatism 2. It corresponds to a certain case.
  • Cross section 131 to cross section 135 show an example in which the direction of astigmatism is 45 ° and the magnitude of the astigmatism changes.
  • the cross section 133 has astigmatism 0
  • the cross section 132 has astigmatism 1
  • the cross section 131 has astigmatism 2
  • the cross section 134 has astigmatism -1
  • the cross section 135 has astigmatism 2. It corresponds to a certain case.
  • the unit of the amount of aberration and the scale of the absolute amount of aberration at this time can take various forms depending on the conditions and how to take the standard.
  • the cross section 124 is the size 1 in the 90 ° direction
  • the cross section 125 is the size 2 in the 90 ° direction
  • the cross section 134 is the size 135 ° direction.
  • the size 1 and the cross section 135 can be expressed as the aberration corresponding to the size 2 in the 135 ° direction.
  • first-order astigmatism since it has 180 ° rotational symmetry, the aberration in the 0 ° direction and the aberration in the 180 ° direction are substantially the same. Based on this, the angular region in which the long axis direction of the beam cross section changes in the range of 0 to 180 ° is treated as one cycle in the direction of aberration, and 0 to 360 ° or -180 to -180 ° is newly treated for this one cycle. It is also possible to assign an angle such as 180 ° to express that direction. It is also possible to decompose the amount of aberration having an arbitrary direction and magnitude into components in two orthogonal directions and use a complex number expression in which each is a real part and an imaginary part. The direction of such aberration is also expressed as phase.
  • FIG. 6 shows a portion where the electron beam is converged by an electron optical system having no astigmatism or an amount of astigmatism whose effect is negligible, and a height different depending on the electron beam.
  • Each image obtained when observing the sample at the position is schematically shown.
  • FIG. 6 103 shows a cross section of an electron beam having one convergence point with the Z axis as the optical axis on a plane including the Z axis and the X axis.
  • 101 and the plurality of circles shown above it indicate the cross-sectional shapes of the electron beam on a plurality of different surfaces on the Z axis, and the horizontal and vertical directions of the figure correspond to the X-axis and the Y-axis directions, respectively. do.
  • the X-axis, Y-axis, and Z-axis are perpendicular to each other.
  • the beam cross-sectional shape 101 at an arbitrary height position is a circle.
  • the cross-sectional shape of the beam at one height position is indicated by reference numeral 101 as an example.
  • FIG. 7 schematically shows the shape of the electron beam in a state where astigmatism is added to the electron optical system with respect to the electron beam shown in FIG. 6, and images of samples at different height positions by the electron beam.
  • Reference numeral 153 is a cross section of the electron beam on a plane including the Z-axis and the X-axis. The optical axis of the electron beam coincides with the Z axis, and the X axis, Y axis, and Z axis are perpendicular to each other.
  • the value of Z shown on the left of FIG. 7 indicates the position on the Z axis, for example, the unit is ⁇ m.
  • the position on the Z axis corresponding to each figure is shown to the left, for example, the unit is ⁇ m.
  • the position on the Z axis shown in FIG. 6 and the position on the Z axis shown in FIG. 7 are the same position.
  • the horizontal and vertical directions of the figure correspond to the X-axis and Y-axis directions, respectively.
  • the cross-sectional shape of the beam is circular and isotropic in the vicinity of the upper and lower sides of the focus position, whereas in the state where the optical system has astigmatism, the focus is formed. It can be seen that the cross-sectional shape of the beam becomes anisotropic near the top and bottom of the position, and the direction changes above and below the focus position.
  • FIG. 8 shows a differential image of each of the images 201, 203, and 205 by the electron optics system having no astigmatism.
  • the image 203 when the height position of the sample is at the focus position (Z 0), the differential image 203X along the X axis of the image 203, and the differential image 203Y along the Y axis of the image 203. It is composed of.
  • the differential image shows the change (sharpness) of the image intensity (luminance) along the corresponding axis, and the intensity (luminance) increases as the gradient of the intensity of the original image becomes steeper.
  • the differential image 203X at the focus position shows a higher maximum intensity than the other differential images 201X and 205X along the X axis.
  • the differential image 203Y at the focus position shows a higher maximum intensity than the other differential images 201Y and 205Y along the Y axis. This is because the diameter of the beam cross section along the X and Y axes at the focus position is smaller than the diameter of the beam cross section along the X and Y axes at other height positions, and the obtained image is the X axis and Y. Indicates sharpness in each direction of the axis.
  • FIG. 9 shows differential images of each of the images 251, 253, and 255 by the electron optics system having astigmatism.
  • the image obtained by the beam obtained by the electron optics system having astigmatism has anisotropy of sharpness depending on the height position of the sample with respect to the focus position.
  • FIG. 10 shows the sharpness evaluation value of the image in the electron optics system having no astigmatism.
  • the horizontal axis shows the height position of the sample (position on the Z axis), and the vertical axis shows the sharpness evaluation value (X sharpness evaluation value) on the X axis of the image.
  • Each point indicates an X sharpness evaluation value in images 201, 203 and 205, respectively.
  • the horizontal axis represents the height position of the sample (position on the Z axis), and the vertical axis represents the Y sharpness evaluation value of the image.
  • Each point indicates a Y sharpness evaluation value in images 201, 203 and 205, respectively.
  • Graph 303 shows a value obtained by subtracting the Y sharpness evaluation value from the X sharpness evaluation value of each image.
  • the sharpness in each direction in the electron optics system having no astigmatism is about the same, and the decrease in sharpness in each direction that occurs when the focus position is away from the height position of the sample is the focus.
  • the position hardly depends on the direction away from the height position of the sample, and largely depends only on the amount of the distance. Therefore, the value obtained by subtracting the Y sharpness evaluation value from the X sharpness evaluation value at each height is a value close to 0 at any height.
  • FIG. 11 shows the sharpness evaluation value of the image in the electron optics system having astigmatism.
  • the horizontal axis represents the height position of the sample (position on the Z axis), and the vertical axis represents the X sharpness evaluation value of the image.
  • Each point indicates an X sharpness evaluation value in images 251, 253 and 255, respectively.
  • the X sharpness evaluation value of the image 251 of the above is the lowest.
  • the horizontal axis indicates the height position of the sample (position on the Z axis), and the vertical axis indicates the Y sharpness evaluation value of the image.
  • Each point shows the Y sharpness evaluation value in images 251, 253 and 255, respectively.
  • the X sharpness evaluation value of the image 255 of is the lowest.
  • Graph 353 shows a value obtained by subtracting the Y sharpness evaluation value from the X sharpness evaluation value of each image.
  • the X sharpness evaluation value and the Y sharpness evaluation value change according to the cross-sectional shape of the electron beam. Specifically, the sharpness evaluation value is low in the direction in which the diameter of the cross-sectional shape is large, and the sharpness evaluation value is high in the direction in which the diameter is small. Below, based on this finding, a method of performing focus adjustment and astigmatism correction will be described.
  • the method described below moves the electron beam on the sample so as to form a one-dimensional scanning locus that includes different scanning directions.
  • the sharpness evaluation value is calculated from the obtained signal electron intensity (also called signal intensity) in relation to the scanning direction.
  • Information for focus adjustment and astigmatism correction is obtained from the relationship between the sharpness evaluation value and the scanning direction.
  • FIG. 12 shows an example of a scanning locus of an electron beam (spot) on a sample.
  • FIG. 12 shows the scanning locus of the electron beam on the sample 21 in the field of view by the white arrow. As shown in FIG. 12, the scanning locus is circular.
  • the control system 42 moves the electron beam one or more times so as to form the same circular locus.
  • FIG. 13 shows the scanning directions of the electron beam at several different positions of the circular scanning locus shown in FIG.
  • the points in the scanning locus 501 can be represented by an angle ⁇ from the X axis.
  • the angle ⁇ of the position P1 is 0 °
  • the angle ⁇ of the position P3 is 90 °
  • the angle ⁇ of the position P5 is 180 °
  • the angle ⁇ of the position P7 is 270 °.
  • the electron beam is moving in the positive direction along the Y axis at position P1, that is, in the upward direction in FIG.
  • This scanning direction is 90 ° when expressed in terms of an angle ⁇ .
  • the electron beam is moving in the negative direction along the X axis, that is, to the left in FIG.
  • the angle ⁇ in the scanning direction is 180 °.
  • the electron beam is moving in the negative direction along the Y axis, that is, in the downward direction in FIG.
  • the angle ⁇ in the scanning direction is 270 °.
  • the electron beam is moving in the positive direction along the X axis, that is, to the right in FIG.
  • the angle ⁇ in the scanning direction is 0 °.
  • FIG. 14 shows the movement of the electron beam (spot) on the sample and the different positions in the scanning locus in different combinations (states) of astigmatism and the position (also referred to as Z position) on the Z axis of the sample surface.
  • the beam cross-sectional shape is shown.
  • the direction of the astigmatism STG-X in the optical system is 0 °.
  • FIG. 14 shows three different quantities of astigmatism STG-X, (-1, 0, 1).
  • FIG. 14 shows three different Z positions, (-1, 0, 1).
  • the Z position (0) is the focus position when there is no astigmatism.
  • the Z position (1) is a position above the Z position (0) (a position close to the electron beam source 1).
  • the Z position (-1) is a position below the Z position (0).
  • the focus position on the X axis exists at a position lower than the Z position (0).
  • the beam cross section shows an ellipse with a major axis along the X axis at the Z position (1) (state 541), a circle at the Z position (0) (state 542), and along the Y axis at the Z (-1). Shows an ellipse with a major axis (state 543).
  • the focus position on the X axis exists at a position higher than the Z position (0).
  • the beam cross section shows an ellipse with a major axis along the Y axis at the Z position (1) (state 547), a circle at the Z position (0) (state 548), and along the X axis at the Z (-1). Shows an ellipse with a major axis (state 549).
  • the scanning locus of the electron beam on the sample is circular as shown in FIG. 13 (circular scanning). Specifically, the spot forms a circular scanning locus counterclockwise and sequentially passes through positions P1 to P8.
  • the angles ⁇ from positions P1 to P8 are 0 °, 45 °, 90 °, 135 °, 180 ° (-180 °), 225 ° (-135 °), 270 ° (-90 °), and 315 ° (-90 °), respectively. -45 °).
  • FIG. 15 shows the relationship between the position of the spot of the electron beam and the scanning direction by the circular scanning shown in FIG.
  • the vertical axis represents the angle ⁇ and the horizontal axis represents time.
  • the solid line 571 shows the time change of the spot position
  • the broken line 572 shows the time change of the spot in the scanning direction.
  • the angular velocity of the spot is constant.
  • the angle ⁇ of the position P1 is 0, and the angle in the scanning direction is 90 °.
  • the angle in the scanning direction is advanced by 90 ° with respect to the angle at each position.
  • FIG. 16 shows the time change of the spot position and the scanning direction and the time change of the sharpness evaluation value at a plurality of Z positions due to the circular scanning in the optical system in which the astigmatism is corrected.
  • the scanning direction changes with time
  • the time change of the sharpness evaluation value indicates a change with respect to the scanning direction.
  • the sharpness evaluation value at each position in the scanning locus can be based on, for example, the absolute value of the derivative of the signal strength, and can be calculated using the difference from the signal strength immediately before the scanning. In this example, it is assumed that the structure of the sample is isotropic as shown in FIG. 12 and is always detected on the scanning locus.
  • the time change of the spot position and the scanning direction is the same as in FIG.
  • the solid lines FP1, FP2, and FP3 show the time change of the sharpness evaluation value at different Z positions, respectively. Since the position of the spot and the scanning direction change with time, FIG. 15 shows the change of the sharpness evaluation value with respect to the position and the scanning direction in the scanning locus.
  • the sharpness evaluation value at any Z position is constant, and the sharpness evaluation value does not depend on the scanning direction of the spot. Since the astigmatism is corrected, as shown in FIG. 14, the cross-sectional shape of the electron beam is circular at any Z position (states 544, 545, 546). As described above, when the spot shape (the cross-sectional shape of the beam above the sample) is circular, the sharpness evaluation value does not show a large change with respect to the scanning direction of the spot.
  • the sharpness evaluation value depends on the relationship between the spot shape and the scanning direction of the spot. The smaller the spot diameter in the scanning direction, the higher the sharpness can be obtained.
  • the spot shape in the optical system in which astigmatism is corrected is circular. Therefore, the same sharpness evaluation value can be obtained in any scanning direction.
  • the sharpness evaluation value FP1 is the smallest and the sharpness evaluation value FP3 is the largest.
  • the spot diameter indicating the sharpness evaluation value FP3 is the smallest, and the spot diameter indicating the sharpness evaluation value FP1 is the largest.
  • the spot corresponding to the sharpness evaluation value FP3 is in the state where the sample is most focused.
  • FIG. 17 shows the time change of the spot position and the scanning direction and the time change of the sharpness evaluation value due to the circular scanning in the optical system in which the astigmatism of 0 ° is present.
  • the upper graph is similar to the graph of the spot shape and the time change in the scanning direction of the spot shown in FIGS. 15 and 16.
  • the graph in the middle shows the change in the sharpness evaluation value due to the elliptical spot having a major axis along the X axis.
  • the solid line 574 shows the change in the sharpness evaluation value due to the spot having a longer major axis and a shorter minor axis (astigmatism is larger.
  • the broken line 575 has a shorter major axis and a shorter minor axis.
  • the change in the sharpness evaluation value due to a longer spot small astigmatism; corresponding to 122 in FIG. 5 is shown.
  • the sharpness evaluation values 574 and 575 show the same change with respect to the change in the scanning direction of the spot. Specifically, the sharpness evaluation values 574 and 575 continuously change in the same period as the circular scan (scanning locus).
  • the sharpness evaluation values 574 and 575 show the maximum value when the angle ⁇ in the spot scanning direction is the direction perpendicular to the major axis (90 ° or ⁇ 90 °).
  • the sharpness evaluation values 574 and 575 show the minimum value when the angle ⁇ in the spot scanning direction is a direction parallel to the major axis (0 ° or 180 ° ( ⁇ 180 °)).
  • the sharpness evaluation value for one spot becomes higher as the spot diameter in the scanning direction of the spot is smaller.
  • the minor axis of a spot with a longer major axis (corresponding to 121 in FIG. 5) is shorter than the minor axis of a spot having a shorter major axis (corresponding to 122 in FIG. 5). Therefore, the sharpness evaluation value 574 of a spot having a longer major axis has a larger amplitude (a larger maximum value and a smaller minimum value) than the sharpness evaluation value 575 of a spot having a shorter major axis.
  • the lower graph shows the change in sharpness evaluation value due to the elliptical spot having a major axis along the Y axis.
  • the solid line 577 shows the change in the sharpness evaluation value due to the spot having a longer major axis and a shorter minor axis (astigmatism is larger, which corresponds to 125 in FIG. 5), and the broken line 578 has a shorter major axis and a shorter minor axis.
  • the change in the sharpness evaluation value due to a longer spot smaller astigmatism; corresponding to 124 in FIG. 5 is shown.
  • the sharpness evaluation values 577 and 578 show the same change with respect to the change in the scanning direction of the spot. Specifically, the sharpness evaluation values 577 and 578 change continuously in the same period as the circular scan (scanning locus).
  • the sharpness evaluation values 577 and 578 show the maximum value when the angle ⁇ in the spot scanning direction is the direction perpendicular to the major axis (0 ° or 180 ° ( ⁇ 180 °)).
  • the sharpness evaluation values 574 and 575 show the minimum value when the angle ⁇ in the spot scanning direction is a direction parallel to the major axis (90 ° or ⁇ 90 °).
  • the sharpness evaluation value by one spot becomes higher as the spot diameter in the scanning direction of the spot is smaller.
  • a sharpness rating of 577 for a spot with a longer major axis (corresponding to 125 in FIG. 5) has a larger amplitude (larger maximum) than a sharpness rating of 578 for a spot with a shorter major axis (corresponding to 124 in FIG. 5). And a smaller minimum value).
  • the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction indicates the phase according to the direction of the long axis of the elliptical spot in the optical system in which astigmatism exists. Further, as described with reference to each of the middle graph and the lower graph, the larger the astigmatism, the longer the long axis of the elliptical spot and the shorter the short axis, the larger the amplitude of the sharpness evaluation value.
  • FIG. 18 shows the time change of the signal intensity obtained in one cycle of circular scanning and the sharpness evaluation value (absolute value of the differential value of the signal intensity) in different combinations (states) of astigmatism and the Z position of the sample. Indicates a change over time.
  • the upper graph shows the time change of the signal intensity
  • the lower graph shows the time change of the sharpness evaluation value.
  • FIG. 18 shows the result obtained by the simulation, and the structure of the sample is isotropic as shown in FIG. 12, and corresponds to the result when it is always detected on the scanning locus.
  • the sharpness evaluation value is almost constant in each of the states 611 to 615 in which astigmatism does not exist in the optical system. Further, the state 612 of the Z position (0), which is the focus state, shows the largest sharpness evaluation value. This state 612 is the optimum state for astigmatism correction and focus adjustment. In the states 611 to 615, the sharpness evaluation value becomes smaller as the Z position is separated from the optimum state 612.
  • the phase of the sharpness evaluation value in the states 608, 609, and 610 in which the Z position is positive is different from the phase of the sharpness evaluation value in the state 606 in which the Z position is negative, and the phases are opposite.
  • the state 608 at the Z position (1) shows the amplitude of the largest sharpness evaluation value.
  • the state of the Z position (-1) also shows a large amplitude of the sharpness evaluation value.
  • the Z position (1) is the focus position on the Y axis
  • the Z position (-1) is the focus position on the X axis.
  • the states 616 to 620 of STG-X of -1 local peaks of the sharpness evaluation value are gathered in one scanning cycle except for the state 617 of the Z position (0), and show a macroscopic periodic change.
  • the phase of the sharpness evaluation value in the states 618, 619, and 620 in which the Z position is positive is different from the phase of the sharpness evaluation value in the state 616 in which the Z position is negative, and the phases are opposite.
  • the state 619 at the Z position (2) or the state 616 at the Z position (-2) indicates the amplitude of the largest sharpness evaluation value.
  • the Z position (2) is the focus position on the X axis
  • the Z position (-2) is the focus position on the Y axis.
  • the sharpness evaluation values of the states 616 and 618 to 620 have a phase opposite to the sharpness evaluation value of the same Z position where STG-X is positive.
  • FIG. 19 shows a change in signal intensity with respect to a spot position due to circular scanning, and a change in sharpness evaluation value in response to a change in signal intensity.
  • the spot position is represented by an angle with the reference axis (X axis) as 0 °, and is associated with the spot scanning direction as described above. That is, FIG. 19 shows changes in the signal strength and the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction.
  • the amplitude (AC component), sum or average value (DC component), and phase can be determined from the sharpness evaluation value by a preset calculation.
  • the amplitude of the AC component of the sharpness evaluation value indicates the magnitude of astigmatism.
  • the sum or average value (DC component) of the sharpness evaluation values indicates the amount of focus shift.
  • the phase of the AC component of the sharpness evaluation value indicates the direction of astigmatism (also referred to as the phase of astigmatism) of the optical system.
  • the control system 42 moves the electron beam on the sample in a circular shape to acquire the intensity of the signal electrons detected by the detector.
  • the control system 42 calculates the sharpness evaluation value of the signal strength at each point in the scanning locus. As a result, the control system 42 obtains a sharpness evaluation value associated with the scanning direction of the electron beam as shown in FIG.
  • the control system 42 determines each value of the amplitude of the AC component, the DC component, and the phase of the AC component in the sharpness evaluation value that changes according to the change in the scanning direction by a preset calculation method.
  • the scanning direction of the spot of the electron beam is known, and the control system 42 can determine the amplitude and the phase by extracting a component (AC component) having a periodicity corresponding to the scanning direction.
  • the DC component can be calculated from the measurement data before extracting the frequency component or from the extracted frequency component.
  • the control system 42 can set the focus position and the astigmatism correction amount to appropriate values by feeding back the obtained values to the focus position adjustment mechanism and the astigmatism correction mechanism.
  • the spot of the electron beam on the sample has a two-fold symmetric shape with first-order astigmatism, that is, an ellipse
  • the major / minor axis directions of the spot in one circular scan. Is scanned twice.
  • the sharpness evaluation value has a change with a period of 2 hertz while the scanning direction changes in the range of 0 ° to 360 °.
  • the spot of the electron beam on the sample has a shape symmetrical three times
  • the sharpness evaluation value changes with a period of 3 hertz with respect to the change in the scanning direction, and the shape of the spot of the electron beam has.
  • Components with different periodicity appear in the change of the sharpness evaluation value according to the symmetry of. Since the symmetry of the electron beam in the charged particle beam often has a symmetry of 6 times or less, the component of the period corresponding to the change in the scanning direction appearing in the sharpness evaluation value is also often 6 hertz. It becomes as follows.
  • a component having periodicity with respect to such a change in the scanning direction may include a plurality of frequency components at the same time, and the evaluation method is a method of Fourier transforming the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction, or a method of Fourier transforming the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction.
  • the evaluation method is a method of Fourier transforming the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction, or a method of Fourier transforming the sharpness evaluation value with respect to the scanning direction.
  • FIG. 20 is a flowchart showing an example of automatic focus adjustment and astigmatism correction by the control system 42.
  • the control system 42 sets the focus (position) as an initial condition (S101).
  • the control system 42 scans the electron beam for one cycle on the sample (S102). For example, the scanning locus of the electron beam spot on the sample is circular as described above.
  • the control system 42 sequentially acquires the signal strength corresponding to each point in the scanning locus, and calculates the sharpness evaluation value at each point (S103).
  • the sharpness evaluation value can be calculated from, for example, the absolute value of the difference from the signal strength at the immediately preceding position.
  • the control system 42 associates the scanning direction of each position in the scanning locus with the sharpness evaluation value, and analyzes the relationship between them (S104).
  • the arctangent (reverse) with respect to the differential value of the current amount of the scan signal flowing through the scan coil in each direction used when scanning the electron beam, or the amount of change.
  • a method of applying the tangent function) or the like can be used.
  • the control system 42 calculates the evaluation value based on the amplitude and phase of the AC component and the average value (DC component) from the change in the sharpness evaluation value within one scanning cycle by a preset calculation method. Calculate (S105).
  • the evaluation value based on the amplitude indicates the evaluation result of the amount of astigmatism
  • the evaluation value based on the phase indicates the direction of the astigmatism of the optical system.
  • the evaluation value based on the average value indicates the evaluation result of the amount of focus shift.
  • the control system 42 determines whether the current focus position satisfies the preset end condition (S106). For example, when the range of the focus position for acquiring the sharpness evaluation value is preset and the current focus position is the boundary of the range, the current focus position satisfies the end condition. If the current focus position does not satisfy the end condition (S106: NO), the control system 42 changes the focus position by a predetermined amount (S107), and then returns to step S102.
  • the control system 42 determines the optimum focus condition that maximizes the focus evaluation value (S108). As described above, the evaluation based on the average value in the changing sharpness evaluation value corresponds to the focus evaluation value. The control system 42 determines the focus condition indicating the maximum focus evaluation value as the optimum focus condition in the focus evaluation value at each of the observed focus positions (focus conditions). The control system 42 sets the determined optimum focus condition in the focus adjustment mechanism (S109).
  • the control system 42 sets the astigmatism correction condition according to the relational expression set in advance from the change of the evaluation value based on the amplitude of the sharpness evaluation value already acquired and the evaluation value based on the phase with respect to the change of the focus position.
  • the relational expression used in this case is, for example, the magnitude of astigmatism from the difference between the focus conditions corresponding to the two conditions in which the amplitude of the sharpness evaluation value becomes maximum when the focus position is changed, and the sharpness.
  • the direction of astigmatism is obtained from the phase information of the evaluation value. This is the optimum astigmatism correction condition.
  • the control system 42 sets the determined optimum astigmatism correction condition in the astigmatism correction mechanism (S111).
  • control system 42 may perform only one of focus adjustment and astigmatism correction.
  • the control system 42 generates information for performing focus adjustment and astigmatism correction, and automatically performs focus adjustment and astigmatism correction according to the information.
  • the control system 42 may present information for performing focus adjustment and astigmatism correction to the user in the output device 414 to assist the user in focus adjustment and astigmatism correction. This point is the same in the focus adjustment method described below.
  • FIG. 21 shows a flowchart of automatic focus adjustment.
  • the control system 42 sets the focus (position) as an initial condition (S151).
  • the control system 42 scans the electron beam for one cycle on the sample (S152).
  • the scanning locus of the electron beam spot on the sample is circular as described above.
  • the control system 42 sequentially acquires the signal electron intensity corresponding to each point in the scanning locus, and calculates the sharpness evaluation value at each point (S153).
  • the sharpness evaluation value can be calculated from, for example, the absolute value of the difference from the signal strength at the immediately preceding position.
  • the control system 42 associates the scanning direction of each position in the scanning locus with the sharpness evaluation value, and analyzes the relationship between them (S154).
  • the control system 42 calculates a sharpness evaluation value corresponding to two predetermined orthogonal scanning directions (referred to as a vertical direction and a horizontal direction) (S155). Although the accuracy of the focus adjustment may decrease, the sharpness evaluation value in the scanning directions that are not orthogonal to each other may be used. Further, the control system 42 generates a focus evaluation value from those values (S156). The control system 42 generates a focus evaluation value based on, for example, the product or sum of the sharpness evaluation values in the two scanning directions. In this way, by generating the focus evaluation value from the sharpness evaluation values in different directions, it is possible to appropriately adjust the focus in various sample structures.
  • the control system 42 determines whether the current focus position satisfies the preset end condition (S157). For example, when the range of the focus position for acquiring the sharpness evaluation value is preset and the current focus position is the boundary of the range, the current focus position satisfies the end condition. If the current focus position does not satisfy the end condition (S157: NO), the control system 42 changes the focus position by a predetermined amount (S158), and then returns to step S102.
  • the control system 42 determines the optimum focus condition that maximizes the focus evaluation value (S159).
  • the control system 42 determines the focus condition indicating the maximum focus evaluation value as the optimum focus condition in the focus evaluation value at each of the observed focus positions (focus conditions).
  • the control system 42 sets the determined optimum focus condition in the focus adjustment mechanism (S160).
  • the control system 42 can correct the focus shift or astigmatism based on the relationship between the sharpness evaluation value and the scanning direction along a different axis.
  • the electron beam spot
  • the scanning locus of the electron beam is not limited to the above example, and focus adjustment and / or astigmatism correction can be performed by the signal intensities of various scanning loci.
  • FIG. 22 shows some other examples 511-522 of scanning trajectories of electron beams (spots) on a sample.
  • Each scan locus includes positions of the electron beam in different scan directions.
  • the scanning loci 511, 512, 514, and 516 are composed of curved lines, and the other scanning loci are composed of a plurality of straight lines.
  • the scanning locus may not be closed, and as shown in the scanning loci 517 to 522, the scanning locus may be closed. Further, even if the scanning locus is a free curve having no periodicity or symmetry, it is possible to evaluate the focus shift or astigmatism by using the above-mentioned method.
  • the control system 42 may also move the electron beam so as to form the scanning locus once or to form the same scanning locus multiple times. As the number of formations is smaller, the time for focus adjustment and astigmatism correction can be shortened, and the influence of the electron beam on the sample can be reduced.
  • the control system 42 may form the same scanning locus a plurality of times, and determine the sharpness evaluation value of the signal intensity associated with the scanning direction at the same position based on the signal intensity a plurality of times at the same position. Thereby, the influence of noise can be reduced.
  • the scanning loci 511 to 516 include different positions in the same scanning direction.
  • the control system 42 can calculate the sharpness evaluation value in one scanning direction from the signal strength at one or a plurality of positions selected from different positions. For example, the largest sharpness evaluation value can be selected at different positions.
  • the axis is not limited to a specific axis such as the X axis and the Y axis, and may have an arbitrary direction.
  • the scanning loci 511, 512, 514 or 515 indicate scanning directions that continuously change from 0 ° to 360 °, and the scanning trajectories 521 and 522 also include many scanning directions.
  • the scanning direction change of the scanning locus can have an angle range of 90 ° or more. By having this angle range, it is possible to obtain information on the sharpness in two orthogonal directions, so that at least the focus adjustment can be performed more appropriately.
  • the change in the scanning direction of the scanning locus can have an angle range of 180 ° or more. By having this angle range, it is possible to obtain information on the sharpness in substantially all directions, so that astigmatism can be corrected more appropriately in addition to the focus adjustment.
  • the scanning loci 511, 512, 514 or 515 is used. These include all scanning directions, which change continuously (always).
  • FIG. 23 shows an example of correcting the focus shift by combining the circular scanning and the change of the astigmatism of the optical system.
  • FIG. 23 shows an example of adding known astigmatism to an optical system in which astigmatism has been corrected while repeating circular scanning, for example.
  • FIG. 23 shows the time change of the spot position on the sample represented by the angle, the time change of the non-point aberration correction amount (STG-X), and the X-axis on the sample from the top graph to the bottom graph.
  • FIG. 23 assumes a state in which the sample is placed at a position above the Z position (0) in the examples described so far.
  • the scanning locus is circular and the angular velocity is constant.
  • Other scanning loci 511, 512, 514, 515 and the like can also be used.
  • the scanning locus of the spot is a circle.
  • the probe shape is an isotropic circle at any height as described above, so that the astigmatism correction amount (STG-X) is 0 (in FIG. 23).
  • the spot diameter (solid line) along the X-axis and the spot diameter (broken line) along the Y-axis on the sample in the vertical line 701 (corresponding to the vertical line 701) are equal values.
  • the astigmatism correction amount (STG-X) gradually increases in the positive direction, and the spot diameter along the Y axis on the sample becomes smaller accordingly, and the spot along the X axis on the sample. The diameter increases.
  • the probe repeatedly changes its scanning direction on the sample at a cycle earlier than the change in the astigmatism correction amount (STG-X) by circular scanning.
  • the sharpness evaluation value obtained from the signal obtained when the probe is scanned in the X-axis direction is obtained from the signal obtained when the probe is scanned in the Y-axis direction at the spot diameter along the X-axis on the sample.
  • the sharpness changes correspondingly to the spot diameter along the Y axis on the sample.
  • the spot diameter along the Y-axis on the above-mentioned sample becomes the minimum, and the sharpness evaluation value becomes the maximum when the probe is scanned in the Y-axis direction at a timing close to that.
  • the astigmatism correction amount (STG-X) corresponding to [1] and [2] has the same magnitude but only the code is different. It becomes a value.
  • the astigmatism correction amount (STG-X) corresponding to either or both of such [1] and [2] can be obtained, and the focus shift amount can be obtained by converting the astigmatism correction amount (STG-X) according to a predetermined relational expression.
  • the beam scanning direction when the maximum sharpness evaluation value shown in [1] or [2] is obtained that is, It can be judged by evaluating the phase of the change in the sharpness evaluation value.
  • the Z position is positive and the focus position is shifted downward with respect to the sample.
  • the phase of the sharpness evaluation value is opposite to the phase of FIG. 23.
  • the focus shift can be corrected by feeding back the information on the amount of focus shift obtained in this way to the Z position adjustment of the sample stage or the control parameter adjustment of the objective lens.
  • the focus position can be determined without adjusting the Z position of the sample stage or changing the control parameters of the objective lens. Therefore, the optimum condition of the focus position can be determined at a higher speed.
  • FIG. 24 shows an example of adjusting astigmatism by combining circular scanning and changes in astigmatism of the optical system.
  • FIG. 24 shows an example in which, for example, circular scanning is repeated to add a known astigmatism to an optical system in which astigmatism is not corrected and exists in a certain amount.
  • FIG. 24 shows the time change of the spot position on the sample represented by the angle and the time of the non-point aberration correction amount (X-direction non-point correction amount, STG-X) from the top graph to the bottom graph. Changes, temporal changes in the spot diameter (solid line) along the X-axis and spot diameter (broken line) along the Y-axis on the sample, the width of the probe with respect to the scanning direction, and the sharpness obtained for the signal obtained by scanning. The time change of the degree evaluation value is shown.
  • FIG. 24 assumes a state in which the sample is placed at a position above the Z position (0) in the examples described so far.
  • the scanning locus is circular and the angular velocity is constant.
  • Other scanning loci 511, 512, 514, 515 and the like can also be used.
  • the scanning locus of the spot is a circle.
  • the astigmatism correction amount (STG-X) is 0 (corresponding to the vertical line 702 in FIG. 24).
  • the spot diameter (solid line) along the X-axis and the spot diameter (broken line) along the Y-axis on the sample in the state) are different values.
  • the amplitude of the periodic change of the sharpness evaluation value according to the cycle of the circular scanning described above becomes the minimum under any condition.
  • the amplitude of the periodic change of the sharpness evaluation value is minimized under the condition shown in [3].
  • the astigmatism is corrected in the same procedure for the other direction, which is appropriate for the astigmatism component in any direction. Can be corrected.
  • the astigmatism correction amount in the above example may be performed by astigmatism correction in any direction obtained by synthesizing astigmatism correction components (STG-X, STG-Y) in different directions that are orthogonal to each other. ..
  • astigmatism correction components STG-X, STG-Y
  • STG-X, STG-Y astigmatism correction components
  • the phase component of vibration generated in the sharpness evaluation value of the signal obtained by performing circular scanning in the state where the astigmatism correction amount is 0 the state corresponding to the vertical line 702 in FIG. 24. It may be carried out using an astigmatism correction component that directly evaluates the direction of astigmatism and corrects the astigmatism in that direction.
  • circular scanning is performed while changing the amount of astigmatism correction in one direction, and the phase component of vibration generated in the sharpness evaluation value of the obtained signal is used to determine the astigmatism in each state.
  • the astigmatism component in the other direction orthogonal to the direction in which the astigmatism correction was performed is measured. Based on the result, it is possible to simultaneously correct the orthogonal aberration components in the two directions.
  • the spot diameter along the X axis on the sample becomes the minimum under any of the conditions.
  • the sharpness evaluation value becomes maximum when the probe is scanned in the X-axis direction at a timing close to that.
  • the conditions corresponding to this are shown in FIG. 24 by [1].
  • the spot diameter along the Y-axis on the sample becomes the minimum, and the sharpness evaluation value becomes the maximum when the probe is scanned in the Y-axis direction at a timing close to that.
  • the conditions corresponding to this are shown in FIG. 24 by [2].
  • the average of the astigmatism correction amount (STG-X) corresponding to [1] and [2] is obtained, and the amount of focus shift with respect to the sample can be measured by converting the astigmatism correction amount (STG-X) according to a predetermined relational expression.
  • the difference between the condition shown in [3] in FIG. 24 and the astigmatism correction amount (STG-X) between [1] or [2] is obtained and converted by a predetermined relational expression.
  • the amount of focus shift with respect to the sample can also be measured.
  • the optimum conditions for the focus position and astigmatism correction can be determined without adjusting the Z position of the sample stage or changing the control parameters of the objective lens.
  • the focus position or the sample position can be changed instead of the astigmatism correction amount.
  • the graph of the time change of the X astigmatism correction amount (STG-X) shown below the graph at the top of FIG. 24 is shown as a change in the focus position or a change in the sample position (change in the focus position). Similar results can be obtained for the other elements shown in the graph by viewing as (the sign of the direction is inverted).
  • the focus position or the sample position is changed in a state where circular scanning is repeated, and the sharpness evaluation value obtained from the signal intensity obtained at that time is an example already described.
  • a plurality of generally known means can be used.
  • a filter or transformation such as a differential filter, a Wavelet transformation, or a Fourier transform is applied to the obtained signal strength, and the obtained coefficient is calculated as it is or based on a predetermined formula from the obtained coefficient. It can be evaluated using the numerical values.
  • the calculation of evaluation values for adjusting astigmatism and / or focus can also be obtained using a filter with a given kernel.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various modifications.
  • the above-described embodiment has been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to the one including all the configurations described.
  • it is possible to replace a part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.
  • each of the above-mentioned configurations, functions, processing units, etc. may be realized by hardware, for example, by designing a part or all of them with an integrated circuit.
  • each of the above configurations, functions, and the like may be realized by software by the processor interpreting and executing a program that realizes each function.
  • Information such as programs, tables, and files that realize each function can be placed in a memory, a hard disk, a recording device such as an SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card or an SD card.
  • control lines and information lines indicate those that are considered necessary for explanation, and not all control lines and information lines are necessarily indicated on the product. In practice, it can be considered that almost all configurations are interconnected.

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Abstract

荷電粒子線システムは、荷電粒子源からの荷電粒子線を、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、荷電粒子線装置を制御する制御システムと、を含む。制御システムは、荷電粒子線を、走査軌跡を形成するように試料上で走査し、走査軌跡における異なる走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定する。制御システムは、評価値と異なる走査方向との関係に基づき、荷電粒子光学系が備えるフォーカスずれ及び収差係数の少なくとも一方に関する情報を生成する。

Description

荷電粒子線システム
　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２００３－０１６９８３号公報（特許文献１）がある。では、特開２００３－０１６９８３号公報には、「２種類のスキャン方向で焦点を変化させながら取得した少数の２次元の粒子画像を画像処理することによって非点隔差の方向・大きさと焦点オフセットを検出し、これを２種類の非点収差補正量と焦点補正量に一括して変換して補正を行なうことによって高速・高精度の自動非点・焦点調整を実現する。また、非点較差の誤差を補正してより高精度な自動非点・焦点調整を実現する。さらに、本自動非点収差・焦点調整を用いて高精度の検査・計測を長時間にわたって実現する装置を実現する。」ことが記載されている（要約参照）。
特開２００３－０１６９８３号公報
　特許文献１の技術によれば、荷電粒子線装置において、フォーカスや非点収差を自動的に調整することができる。しかし、特許文献１の技術は、２次元の粒子画像を取得してそれらの画像処理を行うことが必要である。荷電粒子線装置を利用する分野においては、より高速にフォーカスや非点収差を調整することができる技術が望まれている。
　本開示の一態様の荷電粒子線システムは、荷電粒子源からの荷電粒子線を、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、前記荷電粒子線を、走査軌跡を形成するように試料上で走査し、前記走査軌跡における異なる走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定し、前記評価値と前記異なる走査方向との関係に基づき、前記荷電粒子光学系が備えるフォーカスずれ及び収差の少なくとも一方に関する情報を生成する。
　本開示の一態様によれば、荷電粒子線装置において、フォーカス及び非点収差の少なくとも一方をより高速に調整できるようになる。
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。 試料上の電子ビーム（スポット）の走査軌跡の例を示す。 図１２に示す円形の走査軌跡のいくつかの異なる位置における電子ビームの走査方向を示す。 非点収差と試料面のＺ軸上の位置（Ｚ位置とも呼ぶ）との異なる組み合わせ（状態）において、試料上の電子ビーム（スポット）の動きと、走査軌跡内の異なる位置におけるビーム断面形状とを示す。 図１４に示す円形走査による、電子ビームのスポットの位置と走査方向との関係を示す。 非点収差が補正された光学系での円形走査による、スポット位置と走査方向の時間変化、及び、複数のＺ位置での鮮鋭度評価値の時間変化を示す。 ０°の非点収差の存在する光学系での円形走査による、スポット位置と走査方向の時間変化、及び、鮮鋭度評価値の時間変化を示す。 非点収差と試料のＺ位置との異なる組み合わせ（状態）における、円形走査１周期で得られる信号強度の時間変化と、鮮鋭度評価値（信号強度の微分値の絶対値）の時間変化とを示す。 円形走査によるスポット位置に対する信号強度の変化、及び信号強度の変化に応じた鮮鋭度評価値の変化を示す。 制御システムによる、自動フォーカス調整及び非点収差補正の例を示すフローチャートである。 制御システムによる、自動フォーカス調整のフローチャートを示す。 試料上での電子ビーム（スポット）の走査軌跡の例を示す。 非点収差量を変化させた際の、直行する走査方向（Ｘ軸に沿った方向及びＹ軸に沿った方向）における、スポット径と鮮鋭度評価値の変化を示す。 円形走査と光学系が持つ非点収差の変化を組み合わせて非点収差を調整する例を示す。
　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。
　以下においては、荷電粒子線のフォーカスずれ及び非点収差の少なくとも一方を補正するための情報を生成するための方法を説明する。当該方法は、荷電粒子線を、一次元走査軌跡を形成するように試料上で走査し、走査軌跡における異なる走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定する。評価値と走査方向との関係に基づき、荷電粒子線のフォーカスずれ及び非点収差の少なくとも一方を補正するための情報を生成する。このように、一次元走査軌跡における走査方向と評価値との関係を参照することで、基フォーカスずれ又は非点収差を補正するための情報を迅速に生成できる。
　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、又は複数の多極子の組み合わせによって構成された球面、又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（これらを信号電子とも呼ぶ）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、一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、検出された信号電子による画像を生成する。
　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。
　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、検出された信号電子による画像を生成する。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、一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、一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。
　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、一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により一次電子ビームを走査する。一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４は、非点収差補正装置１４の構成例を示す。図４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、一次電子ビームＥＢ（以下単に電子ビームと呼ぶ）の断面形状を変形する。コイルが生成する磁場の方向と、前記磁場が一次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４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。
　図５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、同一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。
　一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°、又は－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６は、非点収差を有していない、又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６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７は、図６で示した電子ビームに対して電子光学系に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７左に示すＺの値はＺ軸上の位置を示しており、例えば単位はμｍである。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６で示すＺ軸上の位置と図７で示すＺ軸上の位置は同じ位置である。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。
　図７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７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７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（シャープネス）は低く、Ｙ軸に沿った鮮鋭度は高い。鮮鋭度は、信号強度の変化の程度を示す。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８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８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９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９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７及び９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。
　図１０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軸における鮮鋭度評価値（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Ｙ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１１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Ｙ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。
　上述のように、電子ビーム断面形状に応じて、Ｘ鮮鋭度評価値及びＹ鮮鋭度評価値が変化する。具体的には、断面形状の径が大きい方向において鮮鋭度評価値が低く、径が小さい方向において鮮鋭度評価値が高い。以下において、この知見に基づき、フォーカス調整及び非点収差補正を行う方法を説明する。
　以下に説明する方法は、異なる走査方向を含む一次元の走査軌跡を形成するように、電子ビームを試料上で移動させる。得られた信号電子強度（信号強度とも呼ぶ）から走査方向に関連付けて鮮鋭度評価値を計算する。鮮鋭度評価値と走査方向との関係から、フォーカス調整及び非点補正のための情報を得る。
　図１２は、試料上の電子ビーム（スポット）の走査軌跡の例を示す。図１２は、視野内の試料２１上において、白い矢印によって電子ビームの走査軌跡を示す。図１２に示すように、走査軌跡は円形である。制御システム４２は、１又は複数回、同一の円形状軌跡を形成するように、電子ビームを移動させる。
　図１３は、図１２に示す円形の走査軌跡のいくつかの異なる位置における電子ビームの走査方向を示す。走査軌跡５０１における点は、Ｘ軸からの角度θで表すことができる。例えば、位置Ｐ１の角度θは０°、位置Ｐ３の角度θは９０°、位置Ｐ５の角度θは１８０°、位置Ｐ７の角度θは２７０°である。
　電子ビームは、位置Ｐ１においてＹ軸に沿って正の方向、つまり、図１３における上方向に移動している。この走査方向は、角度θで表すと、９０°である。電子ビームは、位置Ｐ３において、Ｘ軸に沿って負の方向、つまり、図１３における左方向に移動している。その走査方向の角度θは１８０°である。電子ビームは、位置Ｐ５において、Ｙ軸に沿って負の方向、つまり、図１３における下方向に移動している。その走査方向の角度θは２７０°である。電子ビームは、位置Ｐ７において、Ｘ軸に沿って正の方向、つまり、図１３における右方向に移動している。その走査方向の角度θは０°である。
　図１４は、非点収差と試料面のＺ軸上の位置（Ｚ位置とも呼ぶ）との異なる組み合わせ（状態）において、試料上の電子ビーム（スポット）の動きと、走査軌跡内の異なる位置におけるビーム断面形状とを示す。図１４の例において、光学系における非点収差ＳＴＧ－Ｘの方向は０°である。図１４は、非点収差ＳＴＧ－Ｘの三つの異なる量、（－１、０、１）を示す。図１４は、三つの異なるＺ位置、（－１、０、１）を示す。Ｚ位置（０）は、非点収差が存在しない場合のフォーカス位置である。Ｚ位置（１）は、Ｚ位置（０）より上の位置（電子ビーム源１に近い位置）である。Ｚ位置（－１）は、Ｚ位置（０）より下の位置である。
　非点収差ＳＴＧ－Ｘが正であるとき（状態５４１、５４２、５４３）、Ｚ位置（０）より低い位置に、Ｘ軸におけるフォーカス位置が存在する。ビーム断面は、Ｚ位置（１）においてＸ軸に沿った長径を有する楕円を示し（状態５４１）、Ｚ位置（０）において円を示し（状態５４２）、Ｚ（－１）においてＹ軸に沿った長径を有する楕円を示す（状態５４３）。
　非点収差ＳＴＧ－Ｘが負であるとき（状態５４７、５４８、５４９）Ｚ位置（０）より高い位置に、Ｘ軸におけるフォーカス位置が存在する。ビーム断面は、Ｚ位置（１）においてＹ軸に沿った長径を有する楕円を示し（状態５４７）、Ｚ位置（０）において円を示し（状態５４８）、Ｚ（－１）においてＸ軸に沿った長径を有する楕円を示す（状態５４９）。
　非点収差ＳＴＧ－Ｘが０であるとき（状態５４４、５４５、５４６）、光学系に非点収差は存在していない。ビーム断面の径は、Ｚ位置（０）において最も小さく（状態５４５）、Ｚ位置（０）から離れるにしたがって大きくなる（状態５４４、５４６）。Ｚ位置（０）において、非点収差ＳＴＧ－Ｘが０であるとき、ビーム断面の径は最も小さい（状態５４５）。
　試料上での電子ビームの走査軌跡は、図１３に示すように円形である（円形走査）。具体的には、スポットは、反時計回りに円の走査軌跡を形成し、位置Ｐ１からＰ８を順次通過する。位置Ｐ１からＰ８の角度θは、それぞれ、０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°（－１８０°）、２２５°（－１３５°）、２７０°（－９０°）、３１５°（－４５°）である。
　図１５は、図１４に示す円形走査による、電子ビームのスポットの位置と走査方向との関係を示す。図１５のグラフにおいて、縦軸は角度θを示し、横軸は時間を示す。実線５７１は、スポット位置の時間変化を示し、破線５７２はスポットの走査方向の時間変化を示す。図１５の例において、スポットの角速度は一定である。例えば、位置Ｐ１の角度θは０であり、走査方向の角度は９０°である。各位置の角度に対して、走査方向の角度は９０°進んでいる。
　図１６は、非点収差が補正された光学系での円形走査による、スポット位置と走査方向の時間変化、及び、複数のＺ位置での鮮鋭度評価値の時間変化を示す。走査方向は時間変化と共に変化しており、鮮鋭度評価値の時間変化は、走査方向に対する変化を示す。走査軌跡における各位置での鮮鋭度評価値は、例えば、信号強度の微分の絶対値に基づくことができ、走査における直前の信号強度からの差を使用して計算することができる。本例において、試料の構造は、図１２に示すように、等方的であり、走査軌跡上に常に検出されているものとする。
　スポット位置と走査方向の時間変化は、図１５と同様である。実線ＦＰ１、ＦＰ２及びＦＰ３は、それぞれ、異なるＺ位置における鮮鋭度評価値の時間変化を示す。時間と共にスポットの位置及び走査方向が変化するため、図１５は、鮮鋭度評価値の、走査軌跡における位置及び走査方向に対する変化を示す。
　いずれのＺ位置における鮮鋭度評価値も一定であり、鮮鋭度評価値は、スポットの走査方向に依存していない。非点収差が補正されているため、図１４に示すように、いずれのＺ位置においても、電子ビームの断面形状は円形である（状態５４４、５４５、５４６）。このように、スポット形状（試料に上のビーム断面形状）が円形である場合、鮮鋭度評価値は、スポットの走査方向に対して大きな変化を示さない。
　鮮鋭度評価値は、スポット形状とスポットの走査方向との関係に依存する。走査方向におけるスポット径が小さいほど、高い鮮鋭度が得られる。非点収差が補正された光学系におけるスポット形状は、円形である。そのため、いずれの走査方向においても同様の鮮鋭度評価値が得られる。
　図１６に示す例において、鮮鋭度評価値ＦＰ１が最も小さく、鮮鋭度評価値ＦＰ３が最も大きい。上述のように、同一の試料において、スポット径が小さいほど、高い鮮鋭度評価値が得られる。したがって、鮮鋭度評価値ＦＰ３を示すスポット径が最も小さく、鮮鋭度評価値ＦＰ１を示すスポット径は最も大きい。鮮鋭度評価値ＦＰ３に対応するスポットが、試料に最もフォーカスのあった状態にある。
　図１７は、０°の非点収差の存在する光学系での円形走査による、スポット位置と走査方向の時間変化、及び、鮮鋭度評価値の時間変化を示す。上段のグラフは、図１５及び１６に示す、スポット形状とスポットの走査方向の時間変化のグラフと同様である。
　中段のグラフは、Ｘ軸に沿った長径を有する楕円形状のスポットによる鮮鋭度評価値の変化を示す。実線５７４は、長径がより長く短径がより短い（非点収差がより大きい。図５の１２１に相当）スポットによる鮮鋭度評価値の変化を示し、破線５７５は、長径がより短く短径がより長い（非点収差がより小さい。図５の１２２に相当）スポットによる鮮鋭度評価値の変化を示す。
　鮮鋭度評価値５７４及び５７５は、スポットの走査方向の変化に対して、同様の変化を示す。具体的には、鮮鋭度評価値５７４及び５７５は、円形走査（走査軌跡）と同様の周期で連続的に変化する。鮮鋭度評価値５７４及び５７５は、スポット走査方向の角度θが、長径と垂直な方向（９０°又は－９０°）であるとき最大値を示す。鮮鋭度評価値５７４及び５７５は、スポット走査方向の角度θが、長径と並行な方向（０°又は１８０°（－１８０°））であるとき最小値を示す。
　このように、一つのスポットによる鮮鋭度評価値は、スポットの走査方向におけるスポット径が小さいほど、高くなる。同一の走査方向における異なるスポットによる鮮鋭度評価値は、当該走査方向におけるスポット径が小さいほど高くなる。長径がより長いスポット（図５の１２１に相当）の短径は、長径がより短いスポット（図５の１２２に相当）の短径より短い。そのため、長径がより長いスポットの鮮鋭度評価値５７４は、長径がより短いスポットの鮮鋭度評価値５７５よりも、大きな振幅（より大きな最大値とより小さい最小値）を有している。
　下段のグラフは、Ｙ軸に沿った長径を有する楕円形状のスポットによる鮮鋭度評価値の変化を示す。実線５７７は、長径がより長く短径がより短い（非点収差がより大きい。図５の１２５に相当）スポットによる鮮鋭度評価値の変化を示し、破線５７８は、長径がより短く短径がより長い（非点収差がより小さい。図５の１２４に相当）スポットによる鮮鋭度評価値の変化を示す。
　鮮鋭度評価値５７７及び５７８は、スポットの走査方向の変化に対して、同様の変化を示す。具体的には、鮮鋭度評価値５７７及び５７８は、円形走査（走査軌跡）と同様の周期で連続的に変化する。鮮鋭度評価値５７７及び５７８は、スポット走査方向の角度θが、長径と垂直な方向（０°又は１８０°（－１８０°））であるとき最大値を示す。鮮鋭度評価値５７４及び５７５は、スポット走査方向の角度θが、長径と並行な方向（９０°又は－９０°）であるとき最小値を示す。
　中段グラフの鮮鋭度評価値５７４及び５７５と同様に、一つのスポットによる鮮鋭度評価値は、スポットの走査方向におけるスポット径が小さいほど、高くなる。同一の走査方向における異なるスポットによる鮮鋭度評価値は、当該走査方向におけるスポット径が小さいほど高くなる。長径がより長いスポット（図５の１２５に相当）の鮮鋭度評価値５７７は、長径がより短いスポット（図５の１２４に相当）の鮮鋭度評価値５７８よりも、大きな振幅（より大きな最大値とより小さい最小値）を有している。
　中段のグラフと下段のグラフとの比較が示すように、走査方向に対する鮮鋭度評価値は、非点収差が存在する光学系における楕円スポットの長軸の方向に応じた位相を示す。また、中段のグラフ及び下段のグラフそれぞれを参照して説明したように、非点収差が大きく楕円スポットの長軸が長く短軸が短いほど、鮮鋭度評価値の振幅が大きくなる。
　図１８は、非点収差と試料のＺ位置との異なる組み合わせ（状態）における、円形走査１周期で得られる信号強度の時間変化と、鮮鋭度評価値（信号強度の微分値の絶対値）の時間変化とを示す。状態６０１から６２０それぞれにおいて、上段グラフが信号強度の時間変化を示し、下段グラフが鮮鋭度評価値の時間変化を示す。図１８はシミュレーションで得られた結果を示しており、試料の構造は、図１２に示すように等方的であり、走査軌跡上に常に検出されている場合の結果に相当する。
　光学系において非点収差が存在しない状態６１１から６１５それぞれにおいて、鮮鋭度評価値はほぼ一定である。また、フォーカス状態であるＺ位置（０）の状態６１２が、最も大きな鮮鋭度評価値を示す。この状態６１２が、非点収差補正とフォーカス調整が最適な状態である。状態６１１から６１５において、最適状態６１２からＺ位置が離れるにしたがって、鮮鋭度評価値が小さくなる。
　ＳＴＧ－Ｘが１の状態６０６から６１０は、Ｚ位置（０）の状態６０７を除き、走査１周期の中で鮮鋭度評価値の局所ピークが集まり巨視的な周期的変化を示す。Ｚ位置が正である状態６０８、６０９、６１０の鮮鋭度評価値の位相と、Ｚ位置が負である状態６０６の鮮鋭度評価値の位相とは異なり、逆位相となっている。Ｚ位置（１）の状態６０８が、最も大きな鮮鋭度評価値の振幅を示す。図示していないが、Ｚ位置（－１）の状態も、同様に大きな鮮鋭度評価値の振幅を示す。Ｚ位置（１）がＹ軸におけるフォーカス位置であり、Ｚ位置（－１）がＸ軸におけるフォーカス位置である。
　ＳＴＧ－Ｘが２の状態６０１から６０５は、Ｚ位置（０）の状態６０２を除き、走査１周期の中で鮮鋭度評価値の局所ピークが集まり巨視的な周期的変化を示す。Ｚ位置が正である状態６０３、６０４、６０５の鮮鋭度評価値の位相と、Ｚ位置が負である状態６０１の鮮鋭度評価値の位相とは異なり、逆位相となっている。Ｚ位置（２）の状態６０４又はＺ位置（－２）の状態６０１が、最も大きな鮮鋭度評価値の振幅を示す。Ｚ位置（２）がＹ軸におけるフォーカス位置であり、Ｚ位置（－２）がＸ軸におけるフォーカス位置である。
　ＳＴＧ－Ｘが－１の状態６１６から６２０は、Ｚ位置（０）の状態６１７を除き、走査１周期の中で鮮鋭度評価値の局所ピークが集まり巨視的な周期的変化を示す。Ｚ位置が正である状態６１８、６１９、６２０の鮮鋭度評価値の位相と、Ｚ位置が負である状態６１６の鮮鋭度評価値の位相とは異なり、逆位相となっている。Ｚ位置（２）の状態６１９又はＺ位置（－２）の状態６１６が、最も大きな鮮鋭度評価値の振幅を示す。Ｚ位置（２）がＸ軸におけるフォーカス位置であり、Ｚ位置（－２）がＹ軸におけるフォーカス位置である。状態６１６、６１８～６２０の鮮鋭度評価値は、ＳＴＧ－Ｘが正の同一Ｚ位置の鮮鋭度評価値と逆の位相を有している。
　図１９を参照して、鮮鋭度評価値から、フォーカス調整及び非点補正のための情報を得る方法を説明する。図１９は、円形走査によるスポット位置に対する信号強度の変化、及び信号強度の変化に応じた鮮鋭度評価値の変化を示す。スポット位置は、基準軸（Ｘ軸）を０°とする角度で表されており、上述のように、スポット走査方向と対応付けられる。つまり、図１９は、走査方向に対する信号強度及び鮮鋭度評価値の変化を示す。
　図１９に示すように、鮮鋭度評価値から、予め設定された演算により、振幅（交流成分）、総和又は平均値（直流成分）、及び位相を決定することができる。これまでの説明から理解されるように、鮮鋭度評価値の交流成分の振幅は、非点収差の大きさを示す。鮮鋭度評価値の総和又は平均値（直流成分）は、フォーカスずれ量を示す。鮮鋭度評価値の交流成分の位相は、光学系が持つ非点収差の方向（非点収差の位相とも表現する）を示す。
　制御システム４２は、円形状に電子ビームを試料上で移動して、検出器により検出された信号電子の強度を取得する。制御システム４２は、走査軌跡における各点での信号強度の鮮鋭度評価値を計算する。これにより、制御システム４２は、図１９に示すような、電子ビームの走査方向に関連付けられた鮮鋭度評価値を得る。
　制御システム４２は、走査方向の変化に応じて変化する鮮鋭度評価値における交流成分の振幅、直流成分、交流成分の位相のそれぞれの値を、予め設定された演算方法により決定する。電子ビームのスポットの走査方向は既知であり、制御システム４２は、その走査方向に対応する周期性を持つ成分（交流成分）を抽出することで、振幅と位相を決定できる。直流成分は、周波数の成分を抽出する前の測定データから、又は、抽出された周波数の成分から計算することができる。制御システム４２は、得られた値をフォーカス位置調整機構及び非点補正機構にフィードバックすることで、フォーカス位置及び非点補正量を適切な値に設定できる。
　一例において、試料上の電子ビームのスポットが1次の非点収差を持った2回対称な形状、すなわち楕円状であった場合、1回の円形走査の中でスポットの長軸・短軸方向に2度走査される。結果として走査方向が０°～３６０°の範囲で変化する間に鮮鋭度評価値は2ヘルツの周期をもった変化を持つ。また同様に試料上の電子ビームのスポットが３回対称な形状を持った場合は、鮮鋭度評価値は走査方向の変化に対して３ヘルツの周期をもって変化するなど、電子ビームのスポットが持つ形状の対称性に応じて異なる周期性を持った成分が先鋭度評価値の変化の中に現れる。荷電粒子線における電子ビームの対称性は多くの場合６回以下の対称性を持つため、これに対応して鮮鋭度評価値に現れる走査方向の変化に対応した周期の成分も多くの場合６ヘルツ以下となる。
　このような走査方向の変化に対して周期性を持った成分は複数の周波数成分が同時に含まれることもあり、その評価方法としては先鋭度評価値を走査方向に対してフーリエ変換する方法、もしくは特定の周期成分を構成する２つの直行成分に対応した評価行列とのドット積を求める方法などを例として用いることが可能である。
　図２０は、制御システム４２による、自動フォーカス調整及び非点収差補正の例を示すフローチャートである。制御システム４２は、フォーカス（位置）を初期条件に設定する（Ｓ１０１）。制御システム４２は、試料上で、電子ビームを１周期走査する（Ｓ１０２）。例えば、電子ビームのスポットの試料上の走査軌跡は、上述のように円形である。
　制御システム４２は、走査軌跡における点それぞれに対応する信号強度を逐次取得し、各点での鮮鋭度評価値を算出する（Ｓ１０３）。鮮鋭度評価値は、例えば、直前の位置の信号強度との差分の絶対値から計算できる。制御システム４２は、走査軌跡における各位置の走査方向と鮮鋭度評価値とを関連付け、それらの関係を分析する（Ｓ１０４）。
　走査軌跡における各位置の走査方向を求める方法としては、電子ビームを走査する際に使用する各方向のスキャンコイルに流されるスキャン信号の電流量の微分値、又は変化量に対してアークタンジェント（逆正接関数）などを適用する手法などを用いることができる。
　制御システム４２は、当該評価により、走査１周期内における鮮鋭度評価値の変化から、交流成分の振幅及び位相、並びに平均値（直流成分）それぞれに基づく評価値を、予め設定された計算方法により算出する（Ｓ１０５）。上述のように、振幅に基づく評価値は非点収差量の評価結果を示し、位相に基づく評価値は光学系がもつ非点収差の方向を示す。平均値に基づく評価値は、フォーカスずれ量の評価結果を示す。
　次に、制御システム４２は、現在のフォーカス位置が予め設定されている終了条件を満たしているか判定する（Ｓ１０６）。例えば、鮮鋭度評価値を取得するフォーカス位置の範囲が予め設定されており、現在のフォーカス位置が、当該範囲の境界である場合に、現在フォーカス位置は終了条件を満たす。現在のフォーカス位置が終了条件を満たしていない場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、制御システム４２はフォーカス位置を所定量変化させた後（Ｓ１０７）、ステップＳ１０２に戻る。
　現在のフォーカス位置が終了条件を満たしている場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、制御システム４２はフォーカス評価値が最大となる最適フォーカス条件を決定する（Ｓ１０８）。上述のように、変化する鮮鋭度評価値における平均値に基づく評価が、フォーカス評価値に対応する。制御システム４２は、観測を行ったフォーカス位置（フォーカス条件）それぞれにおけるフォーカス評価値において、最大のフォーカス評価値を示すフォーカス条件を、最適フォーカス条件と決定する。制御システム４２は、決定した最適フォーカス条件をフォーカス調整機構に設定する（Ｓ１０９）。
　次に、制御システム４２は、フォーカス位置変化に対するすでに取得済みの鮮鋭度評価値の振幅に基づく評価値及び位相に基づく評価値の変化から、予め設定されている関係式に従って、非点収差補正条件を決定する。この際に用いる関係式は、例としてフォーカス位置を変化させた際に鮮鋭度評価値の振幅が極大となる２つの条件に対応したフォーカス条件の差から非点収差の大きさを、また鮮鋭度評価値の位相の情報から非点収差の方向を求めるものなどが挙げられる。これが最適非点収差補正条件である。制御システム４２は、決定した最適非点収差補正条件を、非点収差補正機構に設定する（Ｓ１１１）。
　上述のように、走査方向に応じて変化する鮮鋭度評価値の特性から、自動フォーカス調整及び非点収差補正を高速に行うことができる。システムの設計に応じて、制御システム４２は、フォーカス調整及び非点収差補正の一方のみを実行してもよい。上記例において、制御システム４２は、フォーカス調整及び非点収差補正を行うための情報を生成し、その情報に応じて自動でフォーカス調整及び非点収差補正を行う。これに代えて、制御システム４２は、フォーカス調整及び非点収差補正を行うための情報を出力装置４１４においてユーザに提示し、ユーザによるフォーカス調整及び非点収差補正を補助してもよい。この点は、次に説明するフォーカス調整の方法において同様である。
　次に、自動非点収差補正を行うことなく自動フォーカス調整を行う例を説明する。必要な非点収差補正は既に実行されているものとする。本例は、上記方法と異なる方法でフォーカス調整を行う。図２１は自動フォーカス調整のフローチャートを示す。
　制御システム４２は、フォーカス（位置）を初期条件に設定する（Ｓ１５１）。制御システム４２は、試料上で、電子ビームを１周期走査する（Ｓ１５２）。例えば、電子ビームのスポットの試料上の走査軌跡は、上述のように円形である。
　制御システム４２は、走査軌跡における点それぞれに対応する信号電子強度を逐次取得し、各点での鮮鋭度評価値を算出する（Ｓ１５３）。鮮鋭度評価値は、例えば、直前の位置の信号強度との差分の絶対値から計算できる。制御システム４２は、走査軌跡における各位置の走査方向と鮮鋭度評価値とを関連付け、それらの関係を分析する（Ｓ１５４）。
　制御システム４２は、所定の直交する二つの走査方向（縦方向及び横方向と呼ぶ）に対応する鮮鋭度評価値を算出する（Ｓ１５５）。なお、フォーカス調整の精度は低下し得るが、直交してない走査方向における鮮鋭度評価値を使用してもよい。さらに、制御システム４２は、それらの値からフォーカス評価値を生成する（Ｓ１５６）。制御システム４２は、例えば、二つの走査方向における鮮鋭度評価値の積や和に基づき、フォーカス評価値を生成する。このように、異なる方向の鮮鋭度評価値からフォーカス評価値を生成することで、様々な試料構造において適切にフォーカス調整を行うことができる。
　次に、制御システム４２は、現在のフォーカス位置が予め設定されている終了条件を満たしているか判定する（Ｓ１５７）。例えば、鮮鋭度評価値を取得するフォーカス位置の範囲が予め設定されており、現在のフォーカス位置が、当該範囲の境界である場合に、現在フォーカス位置は終了条件を満たす。現在のフォーカス位置が終了条件を満たしていない場合（Ｓ１５７：ＮＯ）、制御システム４２はフォーカス位置を所定量変化させた後（Ｓ１５８）、ステップＳ１０２に戻る。
　現在のフォーカス位置が終了条件を満たしている場合（Ｓ１５７：ＹＥＳ）、制御システム４２はフォーカス評価値が最大となる最適フォーカス条件を決定する（Ｓ１５９）。制御システム４２は、観測を行ったフォーカス位置（フォーカス条件）それぞれにおけるフォーカス評価値において、最大のフォーカス評価値を示すフォーカス条件を、最適フォーカス条件と決定する。制御システム４２は、決定した最適フォーカス条件をフォーカス調整機構に設定する（Ｓ１６０）。
　図２０及び２１を参照して説明したように、制御システム４２は、鮮鋭度評価値と異なる軸に沿った走査方向との関係に基づき、フォーカスずれ又は非点収差を補正することができる。上記例は、電子ビーム（スポット）を円形の軌跡を形成するように試料上で移動する。電子ビームの走査軌跡は上記例に限定されず、様々な走査軌跡による信号強度によりフォーカス調整及び／又は非点収差補正を行うことができる。
　図２２は、試料上での電子ビーム（スポット）の走査軌跡のいくつかの他の例５１１～５２２を示す。いずれの走査軌跡も、電子ビームの異なる走査方向の位置を含む。走査軌跡５１１、５１２、５１４、５１６は曲線で構成され、他の走査軌跡は複数の直線で構成されている。走査軌跡５１１～５１６に示すように、走査軌跡は閉じていなくてもよく、走査軌跡５１７～５２２のように、走査軌跡は閉じていていもよい。また走査軌跡は周期性や対称性を有していない自由曲線であっても上述の手法を用いてフォーカスずれ又は非点収差に関する評価を行うことが可能である。
　制御システム４２は走査軌跡を一回形成する、又は同一の走査軌跡を複数回形成するように電子ビームも移動してよい。形成回数が少ないほど、フォーカス調整及び非点収差補正の時間を短縮でき、また、電子ビームの試料への影響も低減できる。制御システム４２は、同一走査軌跡を複数回形成し、同一位置における複数回の信号強度に基づいて同一位置における走査方向に関連付けられた信号強度の鮮鋭度評価値を決定してもよい。これにより、ノイズの影響を低減することができる。
　走査軌跡５１１から５１６は、同一走査方向の異なる位置を含む。このような走査軌跡において、制御システム４２は、一つの走査方向における鮮鋭度評価値を、異なる位置から選択した１又は複数の位置での信号強度から算出できる。例えば、異なる位置において最も大きな鮮鋭度評価値を選択できる。このように、異なる位置における同一軸方向（同一方向又は正反対の方向）の信号強度を取得することで、鮮鋭度評価値の算出への試料構造の影響を低減できる。なお、軸は、Ｘ軸やＹ軸のような特定の軸に限定されず、任意の方向を有し得る。
　走査軌跡は、より多くの異なる方向を含むことで、より正確なフォーカス調整及び非点収差補正が可能となる。図１９に示す例において、走査軌跡５１１、５１２、５１４又は５１５は０°から３６０°まで連続的に変化する走査方向を示し、走査軌跡５２１及び５２２も、多くの走査方向を含む。例えば、走査軌跡の走査方向変化は、９０°以上の角度範囲を有することができる。この角度範囲を有することで、直行する2方向に対する先鋭度に関する情報を得ることが可能となるため、少なくともフォーカス調整をより適切に行うことができる。また、走査軌跡の走査方向変化は、１８０°以上の角度範囲を有することができる。この角度範囲を有することで、実質的に全方向に対する先鋭度に関する情報を得ることが可能となるため、フォーカス調整に加え、非点収差の補正をより適切に行うことができる。
　例えば、図１９を参照して説明したように、鮮鋭度評価値の交流成分及び直流成分に基づき、より正確なフォーカス調整及び非点収差補正を行うためには、走査軌跡５１１、５１２、５１４又は５１５が利用される。これらはすべての走査方向を含み、その走査方向は連続的（常に）に変化する。
　図２３は、円形走査と光学系が持つ非点収差の変化を組み合わせてフォーカスずれを補正する例を示す。図２３は、例えば、円形走査を繰り返しながら、非点収差が補正された光学系に既知の非点収差を加える例を示す。図２３は、最上段のグラフから最下段のグラフに向かって、角度で表される試料上のスポット位置の時間変化、非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）の時間変化、試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径（実線）及びＹ軸に沿ったスポット径（破線）の時間変化、走査方向に対するプローブの幅、走査によって得られた信号に対して求まる鮮鋭度評価値の時間変化、を示す。
　図２３は、これまでに説明した例における、Ｚ位置（０）よりも上の位置に試料が置かれた状態を想定している。走査軌跡は円形であり、角速度は一定である。なお、他の走査軌跡５１１、５１２、５１４、５１５等も利用できる。
　図２３の例において、スポットの走査軌跡は円である。加えられる非点収差は周期的であり、１周期の変化（例えばＳＴＧ－Ｘ＝－２から＋２への短調増加）において、スポットは２３回転（円形走査）している。２３回転の円形走査において、非点収差補正量は変化し続けており、それに伴って試料上のプローブ形状も変化している。
　非点収差が補正された光学系では前述のようにプローブ形状はどの高さにおいても等方的な円形となるため、非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）が０の状態(図２３中で縦線７０１に対応する状態)の試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径（実線）及びＹ軸に沿ったスポット径（破線）は等しい値となる。そこから時間が経過すると非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）は徐々に正方向に大きくなり、それに合わせて試料上におけるＹ軸に沿ったスポット径は小さく、試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径は大きくなる。
　さらに時間が経過すると、どこかの時点で試料上におけるＹ軸に沿ったスポット径は最小となったのち徐々に大きくなり、一方で試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径は単調に増加し続ける。この間、プローブは円形走査によって非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）の変化よりも早い周期で繰り返し試料上においてその走査方向を変化させる。
　この時、プローブがＸ軸方向に走査された時に得られる信号から求まる鮮鋭度評価値は試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径に、プローブがＹ軸方向に走査された時に得られる信号から求まる鮮鋭度は試料上におけるＹ軸に沿ったスポット径に、それぞれ対応して変化する。その結果、前述の試料上におけるＹ軸に沿ったスポット径が最小となり、それに近いタイミングでプローブがＹ軸方向に走査された時に鮮鋭度評価値は極大となる。
　これに対応する条件を図２３中に[２]で示す。また反対に、非点収差補正量が異なる別の条件において試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径は最小となり、それに近いタイミングでプローブがＸ軸方向に走査された時に鮮鋭度評価値は極大となる。これに対応する条件を図２３中に[１]で示す。
　非点収差が十分に補正された条件において上記の内容が実施された場合、[１]と[２]に対応する非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）は同等の大きさで符号のみが異なる値となる。このような[１]と[２]のどちらか、又は両方に対応する非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）を求め、所定の関係式によって変換することでフォーカスずれ量を求めることができる。
　この際、フォーカスが試料に対して上下どちらの方向にずれているかについては、すでに述べた通り[１]もしくは[２]で示す鮮鋭度評価値の極大が得られた際のビーム走査方向、すなわち鮮鋭度評価値変化の位相を評価することで判断することができる。図２３に示す例において、Ｚ位置は正であり、フォーカス位置は試料に対して下側にずれている。試料のＺ位置が負であり、フォーカス位置が試料に対して上側にずれている場合、鮮鋭度評価値の位相は、図２３の位相と逆となる。
　このようにして得られたフォーカスずれ量の情報を試料ステージのＺ位置調整または対物レンズの制御パラメータ調整へフィードバックすることによりフォーカスずれを補正することが可能となる。
　上記例は、図２０及２１に示す例と異なり、試料ステージのＺ位置調整または対物レンズの制御パラメータを変更することなく、フォーカス位置を決定することができる。このため、より高速にフォーカス位置の最適条件を決定することができる。
　図２４は、円形走査と光学系が持つ非点収差の変化を組み合わせて非点収差を調整する例を示す。図２４は、例えば、円形走査を繰り返し、非点収差が補正されず一定量存在する光学系に対してさらに既知の非点収差を加える例を示す。
　図２４は、最上段のグラフから最下段のグラフに向かって、角度で表される試料上のスポット位置の時間変化、非点収差補正量（Ｘ方向非点補正量、ＳＴＧ－Ｘ）の時間変化、試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径（実線）及びＹ軸に沿ったスポット径（破線）の時間変化、並びに、走査方向に対するプローブの幅、走査によって得られた信号に対して求まる鮮鋭度評価値の時間変化、を示す。
　図２４は、これまでに説明した例における、Ｚ位置（０）よりも上の位置に試料が置かれた状態での状態 を想定している。走査軌跡は円形であり、角速度は一定である。なお、他の走査軌跡５１１、５１２、５１４、５１５等も利用できる。
　図２４の例において、スポットの走査軌跡は円である。加えられる非点収差は周期的であり、１周期の変化（例えばＳＴＧ－Ｘ＝－２から＋２への短調増加）において、スポットは２３回転（円形走査）している。２３回転の円形走査において、非点収差補正量は変化し続けており、それに伴って試料上のプローブ形状も変化している。
　非点収差が補正されず一定量存在し、さらにフォーカス位置と試料位置がずれた光学系では、非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）が０の状態(図２４中で縦線７０２に対応する状態)の試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径（実線）とＹ軸に沿ったスポット径（破線）は異なる値となる。この状態で円形走査を行うと、走査方向に応じて異なるプローブ幅で試料を走査した信号が得られ、その鮮鋭度評価値は走査方向に依存して変化するため、円形走査の周期に応じて周期的な変化（振動）を示す。
　この状態からさらに非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）を変化させると、いずれかの条件において前述の円形走査の周期に応じた鮮鋭度評価値の周期的変化の振幅は極小となる。これは図２４で[３]で示す条件に対応し、当初光学系に存在していた非点収差が非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）を変化させた方向に対して補正された条件となる。この時の非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）を所定の関係式で換算することによって、光学系に存在していた非点収差の大きさを測定することが可能となり、測定結果を非点補正機構へフィードバックすることで実際に非点収差が補正された状態に装置を調整することが可能となる。
　上記の例において、異なる方向の非点収差が光学系に存在している場合であっても同様に[３]で示す条件で鮮鋭度評価値の周期的変化の振幅は極小となる。この場合は１方向に対して非点収差を補正したのち、もう１方向に対しても同様の手順で非点収差を補正することによって、どのような方向の非点収差成分に対しても適切に補正を行うことが可能となる。
　また、上記の例における非点収差補正量は直行する異なる方向の非点収差補正成分（ＳＴＧ－Ｘ，ＳＴＧ－Ｙ）を合成して得られる任意の方向の非点補正によって実施されてもよい。より好適な例としては非点収差補正量が０の状態(図２４中で縦線７０２に対応する状態)において円形走査を実施して得られる信号の鮮鋭度評価値に生じる振動の位相成分から非点収差の方向を直接評価し、その方向の収差を補正する非点収差補正成分を用いて実施されてもよい。
　また別の好適な例としては、１方向に対する非点収差補正量を変化させながら円形走査を実施し、得られる信号の鮮鋭度評価値に生じる振動の位相成分からそれぞれの状態における非点収差の方向を評価し、大きさと方向が既知である加えた非点収差補正量の成分と比較を行うことで非点収差補正を行った方向と直行するもう１方向の非点収差成分を測定し、その結果に基づいて直行する２方向の収差成分を同時に補正することが可能である。
　また、本例においても図２３で説明した例と同様に非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）を変化させた際、いずれかの条件において試料上におけるＸ軸に沿ったスポット径は最小となり、それに近いタイミングでプローブがＸ軸方向に走査された時に鮮鋭度評価値は極大となる。これに対応する条件を図２４中に[１]で示す。またさらに異なる条件において試料上におけるＹ軸に沿ったスポット径は最小となり、それに近いタイミングでプローブがＹ軸方向に走査された時に鮮鋭度評価値は極大となる。
　これに対応する条件を図２４中に[２]で示す。ここで[１]と[２]に対応する非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）の平均を求め、所定の関係式によって変換することで試料に対するフォーカスずれ量を測定することができる。または、先に述べた図２４で[３]で示す条件と、[１]もしくは[２]の間の非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）の差を求め、所定の関係式によって変換することによっても試料に対するフォーカスずれ量を測定することができる。
　上記例は、図２０及２１に示す例と異なり、試料ステージのＺ位置調整または対物レンズの制御パラメータを変更することなく、フォーカス位置及び非点収差補正の最適条件を決定することができる。
　また、図２４を用いて説明した例において非点収差補正量の代わりにフォーカス位置、又は試料位置を変化させた形でも実施することが可能である。この場合、図２４の最上段のグラフの下に示す、Ｘ非点収差補正量（ＳＴＧ－Ｘ）の時間変化のグラフを、それぞれフォーカス位置の変化、又は試料位置の変化（フォーカス位置の変化と方向の符号が反転する）として見ることで、その他のグラフで示す要素については同様の結果を得ることができる。
　この場合、非点収差を有した光学系において円形走査を繰り返した状態でフォーカス位置、又は試料位置を変化させ、その際に得られる信号強度から求まる鮮鋭度評価値に対して、すでに説明した例と同様の要素に着目して評価を行うことにより、光学系が持つ非点収差量の測定、もしくはフォーカスずれ量の測定を行うことが可能である。
　上記した実施例における鮮鋭度評価値の評価方法としては、一般的に知られる複数の手段を用いることができる。例として、上記得られた信号強度に対して微分フィルタ、Ｗａｂｅｌｅｔ変換、Ｆｏｕｒｉｅｒ変換などのフィルタや変換を適用し、得られた係数をそのまま、もしくは得られた係数から所定の式に基づいて算出される数値を用いて評価することができる。これら例のように、非点収差及び／又はフォーカスを調整するための評価値の計算は、所定のカーネルを用いたフィルタを使用して得ることもできる。
　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 (15)

  1. 　荷電粒子線システムであって、
    　荷電粒子源からの荷電粒子線を、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、前記荷電粒子線を、走査軌跡を形成するように試料上で走査し、前記走査軌跡における異なる走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定し、
    　前記評価値と前記異なる走査方向との関係に基づき、前記荷電粒子光学系が備えるフォーカスずれ及び収差の少なくとも一方に関する情報を生成する、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、
    　前記制御システムは、前記情報に基づき、前記荷電粒子光学系が備えるフォーカスずれ及び収差の少なくとも一方を補正する、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、
    　前記走査軌跡は、走査方向が同一又は正反対となる異なる位置を含み、
    　前記制御システムは、前記異なる位置における信号強度に基づいて前記信号強度の評価値を決定する、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、
    　複数回の前記走査軌跡を形成するように、前記荷電粒子線を移動させ、
    　同一位置における複数回の信号強度に基づいて前記同一位置における走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定する、荷電粒子線システム。
  5. 　請求項１に記載の荷電粒子線システムであって、
    　前記走査軌跡の走査方向が連続的に変化する、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、
    　前記走査軌跡の走査方向の変化は９０°以上の角度範囲で行われる、荷電粒子線システム。
  7. 　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、前記評価値と前記異なる走査方向との関係として、前記走査方向の変化に対する前記評価値の交流成分及び直流成分の少なくとも一つを用いる、荷電粒子線システム。
  8. 　請求項７に記載の荷電粒子線システムであって、
    　前記交流成分は６ヘルツ以下の周期性を有する、荷電粒子線システム。
  9. 　請求項７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、前記交流成分の振幅、を用いる、荷電粒子線システム。
  10. 　請求項７に記載の荷電粒子線システムであって、
    　前記直流成分は、前記走査方向の変化に対する前記評価値の平均値又は総和に基づく、荷電粒子線システム。
  11. 　請求項７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、前記交流成分の位相を用いる、荷電粒子線システム。
  12. 　請求項７に記載の荷電粒子線システムであって、
    　前記直流成分は、前記交流成分における前記評価値の平均値又は総和に基づく、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、前記信号強度の鮮鋭度を表す、又は前記信号強度に対して所定のカーネルを用いたフィルタを適用して得られる値である、荷電粒子線システム。
  14. 　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、試料位置、フォーカス、又は前記荷電粒子光学系の収差量を変化させた複数の条件において前記評価値を決定する、荷電粒子線システム。
  15. 　荷電粒子線装置を制御するための方法であって、
    　荷電粒子線を、荷電粒子光学系を介して、走査軌跡を形成するように試料上で走査し、
    　前記走査軌跡における異なる走査方向に関連付けられた信号強度の評価値を決定し、
    　前記評価値と前記異なる走査方向との関係に基づき、前記荷電粒子光学系が備えるフォーカスずれ及び収差の少なくとも一方に関する情報を生成する、ことを含む方法。
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