JP2019164886A - ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本開示は、軸外収差補正を可能とするマルチビーム照射装置の提案を目的とする。【解決手段】上記目的を達成するために、複数のビームを放出するビーム源と、試料に対してビームを集束する対物レンズ（１７）と、対物レンズの物点にレンズ主面が位置するように配置され、入射する複数のビームを前記対物レンズ主面と光軸の交点に向かって偏向する第１のレンズ（１６）と、当該第１のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記第１のレンズの主面に前記複数のビームを集束する第２のレンズ（１５）と、当該第２のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記複数のビームを前記第２のレンズの主面と光軸の交点に向かって偏向する第３のレンズ（１４）を備えたビーム照射装置を提案する。【選択図】 図１

Description

本開示は、ビーム照射装置に係り、特に複数のビームを試料に照射するビーム照射装置に関する。

複数のビームを試料に照射するマルチビームＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、ビームがレンズの中心軸から離軸した位置を通るため、軸外収差（非点、像面湾曲、色、コマ、歪）が発生する。発生するそれぞれの軸外収差によって、それぞれのビームのスポット径が増大したり、取得画像がひずんだりする。軸外収差によるスポット径増大を抑制する方法として、特許文献１に示されているように、予め軸外収差によって発生する像面湾曲収差の分布を予測し、アパーチャーレンズアレイの形状を作りこむことで複数のビームが軸外を通過したことによって発生する非点収差と像面湾曲を補正することができる。

また、特許文献２には、シングルビームの光学系にて、ビーム偏向による視野移動に併せて偏向収差を補正する手法が説明されている。

特許第５８８６６６３号（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１３／０２４８７３１） 特許第６１７８６９９号（対応米国特許ＵＳＰ９，６５３，２５６）

特許文献１では、マルチビームＳＥＭで発生する軸外収差（非点、像面湾曲、色、コマ、歪）に対し、マルチレンズアパーチャーの形状を工夫することで、非点像面湾曲収差を補正している。しかしながら、光学条件の変更や軸調整条件を変更すると、アパーチャーの形状やアパーチャーレンズへの印加電圧条件にフィードバックをかける必要があり、組み立てなおしや光学条件の調整等が必要となる。

一方で、マルチビームＳＥＭにて高速な視野移動を行うことができれば、マルチビームによる複数点の測定や検査と、高速視野移動の組み合わせにより、更なる高速測定、検査を行うことができる。しかしながら、その際に発生する偏向収差を解消できなければ、高精度な測定、検査を実現することができない。特許文献２に開示された手法によれば、シングルビームでの収差抑制が可能となるが、特許文献２に開示の手法のみでは、マルチビームがレンズの軸外を通過する際に発生する軸外収差が補正できない。

以下に、マルチビームのビーム照射装置にて、視野移動のビーム偏向時等、レンズの軸外をビームが通過するときに発生する軸外収差の補正を行うことを目的とするビーム照射装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、複数のビームを放出するビーム源と、試料に対してビームを集束する対物レンズと、対物レンズの物点にレンズ主面が位置するように配置され、入射する複数のビームを前記対物レンズ主面と光軸の交点に向かって偏向する第１のレンズと、当該第１のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記第１のレンズの主面に前記複数のビームを集束する第２のレンズと、当該第２のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記複数のビームを前記第２のレンズの主面と光軸の交点に向かって偏向する第３のレンズを備えたビーム照射装置を提案する。

上記構成によれば、マルチビームのビーム照射装置にて、軸外収差の補正を行うことが可能となる。

マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例１）。 分割された一次電子軌道の説明図（実施例１）。 開き角の異なる一次電子軌道の説明図（実施例１）。 分割された一次電子の中心軌道の説明図（実施例１）。 偏向による視野移動時の偏向軌道の説明図（実施例１）。 偏向によって発生する色分散軌道の説明図（実施例１）。 分割された一次電子の中心軌道と偏向軌道を足した軌道を示す図（実施例１）。 マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例２）。 収差発生用ウィーンフィルタを説明する図。 収差発生用ウィーンフィルタの断面図。 分割された一次電子軌道の説明図（実施例２）。 開き角の異なる一次電子軌道の説明図（実施例２）。 分割された一次電子の中心軌道の説明図（実施例２）。 偏向による視野移動時の偏向軌道の説明図（実施例２）。 偏向によって発生する色分散軌道の説明図（実施例２）。 分割された一次電子の中心軌道と偏向軌道を足した軌道を示す図（実施例２）。 マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例３）。 マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例４）。 マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例５、６）。 マルチビーム照射装置の一例を示す図（実施例７）。 アパーチャーレンズアレイの構造説明図。

微細な半導体デバイスパターンの測定や検査のために、走査電子顕微鏡のような荷電粒子線装置がある。走査電子顕微鏡は、集束した電子ビームを試料上で走査させることによって得られる画像等を用いた測定や検査を行う装置である。昨今の半導体デバイスの複雑化、微細化に伴い、短時間により多くの測定や検査の要望が強くなっている。

測定や検査の速度を向上するためには、撮像時間の短縮と、検査視野の移動時間の短縮が有効である。撮像時間を短縮するにはプローブ電流を増やすことで、短い撮像時間で高いＳ／ＮのＳＥＭ画像が取得可能となる。上記方法で撮像時間を短縮した場合、ＳＥＭ画像取得時の１ピクセルあたりのビーム滞在時間が短くなる。同ビーム滞在時間が検出器の応答時間よりも短くなると前ピクセルに電子を照射したときの情報が次のピクセルに混在する。

このように、プローブ電流を増加しても検出器の応答時間に限界があり撮像時間の短縮には限界がある。この限界を突破する方法として複数のビームを同時に試料に照射し、それぞれのビーム照射によって発生した信号電子を弁別し複数の検出器で同時に検出するマルチビームＳＥＭの採用が考えられる。

マルチビームＳＥＭでは複数のビームを用いた同時観察が可能となるため、測定、検査速度の向上が期待できるが、更なる高速化を実現するためには、ビームを偏向器によって偏向させることによって、ステージ移動を必要としない視野移動を併用することが望ましい。しかしながら、複数のビームがレンズの軸外を通過する際に発生する軸外収差を抑制できなければ、高精度測定、検査が望めない。

軸外色収差、軸外コマ収差、及び軸外歪収差については、ダブレットレンズを使って補正する方法も考えられるが、対物レンズと等価なレンズを配置するため、対物レンズが長焦点化し分解能が相対的に低下する。

以下の実施例では、マルチビームのビーム照射装置において、視野移動のビーム偏向時等に発生する軸外収差補正を行うビーム照射装置について説明する。

以下の実施例では、２以上の複数のビームを試料に照射するマルチビーム光学系を備えたビーム照射装置について説明し、例えば、複数のビームを放出する電子源と、試料に対してビームを集束する対物レンズと、対物レンズの物点にレンズ主面が位置するように配置され、入射する複数のビームを前記対物レンズ主面と光軸の交点に向かって偏向する第１のレンズと、当該第１のレンズより前記電子源側に配置され、前記第１のレンズの主面に前記複数のビームを集束する第２のレンズと、当該第２のレンズより前記電子源側に配置され、前記複数のビームを前記第２のレンズの主面と光軸の交点に向かって偏向する第３のレンズを備えたビーム照射装置を提案する。

上記構成によれば、例えば偏向収差補正器を備えたとマルチビーム装置の提供が可能となる。その結果、複数本のビームで視野を分割し高速に撮像した後、偏向収差補正器を使ったビーム偏向で電気的に視野移動可能となるため、高速且つ高精度な測定や検査が実現できる。

図１は、マルチビームＳＥＭの概要を示す図である。電子源１（チップ）から放出された一次電子２は第一コンデンサレンズ１１によるレンズ作用でＰ１に収束される。その後、絞り１８通過し、第二コンデンサレンズ１２のレンズ作用によりＰ１で収束した一次電子２を平行ビームに変化させる。平行になった一次電子２はアパーチャーレンズアレイ１３によって分割される。アパーチャーレンズアレイ１３で分割された一次電子は、複数のビームとなって試料に到達するため、電子源１からアパーチャーレンズアレイ１３に至るまでの光学素子は、複数のビームを放出するビーム源となる。

分割された一次電子３ａ、３ｂはアパーチャーレンズアレイ１３のレンズ作用と分割ビーム集束レンズ１４のレンズ作用を受け、分割された一次電子３ａ、３ｂはそれぞれＰ２で集束する。

集束した一次電子は、偏向器２１、２２、２３、収差発生レンズ１５、及び色分散軌道集束レンズ１６からなる偏向収差補正器１０１に突入する。また、分割された各々の一次電子３ａ、３ｂの中心軌道は、分割ビーム集束レンズ１４のレンズ作用により、偏向収差補正器１０１内の収差発生レンズ１５のレンズ主面に集束される。

また、ビーム分割後、Ｐ２で集束された軌道は、以降Ｐ２から異なる傾斜角度で放出されたように見える。本軌道のことを以後開き角の異なる軌道と呼ぶ。開き角の異なる軌道は偏向収差補正器１０１内の色分散集束レンズ１６のレンズ主面に形成されるクロスオーバーＰ３に集束される。偏向収差補正器１０１の通過後、分割ビーム３ａ、３ｂの中心軌道は対物レンズ１７の主面近傍で光軸と交わり、ウェハ３１の異なる点ａ、ｂに到着する。このときＰ３で集束した開き角の異なる軌道は試料上で再集束し、ナノメートルオーダーの小さいスポットを形成する。

なお、図示しないが図１に例示する走査電子顕微鏡には、各ビームに対応する複数の検出器、各ビームを試料上で一次元、或いは二次元的に走査するための走査偏向器、各検出器の出力に基づいて画像や信号プロファイルを生成する演算装置が設けられている。更に、後述するようなレンズ条件や偏向器条件を設定するための制御装置が設けられている。また、電子源１を複数備えることによって、複数のビームを放出するようにしても良い。複数のビームを放出するビーム源は、図１に例示するような構成に限らず、種々の形態を採用することが可能である。

上記光学系では、マルチレンズアレイ１３で分割された一次電子がレンズの軸外を通過することで発生する軸外収差と、ビーム偏向によって視野移動した際に発生する偏向収差を同時補正することが可能である。

次に、図１に例示するような光学系で、軸外収差及び偏向収差の補正が可能となる理由について図２等を用いて説明する。この説明を容易にするために、図２に例示するように対称面Ｚｍを定義する。前記対称面Ｚｍに対し開き角の異なる軌道が対称（反対称）であった場合、軸外軌道もしくは偏向軌道を反対称（対称）にすることで軸外収差もしくは偏向収差を補正することができる。

なお、「対称」とは例えば対称面Ｚｍ２を鏡面とした鏡対称と表現することもでき、「反対称」とは例えば対称面Ｚｍ２とビームの交点を対称点とした点対称と表現することもできる。

本実施例における光学系では、上述のような条件を満たすことで、収差補正を行う。図２から図７は収差補正の原理を示す図である。図３は、にアパーチャーレンズアレイ１３通過後の開き角度の異なる軌道（ビームの集束状態（開き角）のみを抽出したときのビームの軌跡）を示す図である。図４は、にアパーチャーレンズアレイ１３で分割された一次電子の中心軌道を示す図である。図２は、図４の軌道を通過する図３に例示するような開き角を持ったビームの軌跡を示す図である。

開き角の異なる軌道（図３）は、アパーチャーレンズアレイ１３通過後、レンズ１４によってＰ２に集束される。その後、ビームはレンズ１５、１７を通過し、レンズ１６の主面Ｐ３と、ウェハ３１に集束する。ここで、レンズ１５，１６，１７の主面を対称面Ｚｍ１、Ｚｍ２、Ｚｍ３と定義する。

ここで、開き角の異なる軌道（図３）は、Ｚｍ１、Ｚｍ３を対称面としたときに、対称面通過前後の軌道が対称、Ｚｍ２を対称面としたときに、対称面通過前後の軌道が反対称となるように、レンズの配置条件や集束条件を決定する。

一方、分割されたビームの中心軌道（図４）は、アパーチャーレンズアレイ１３を通過した後、レンズ１４によってレンズ１５の主面（対称面Ｚｍ１）に集束（レンズ１５の主面と理想光軸の交点に向かって偏向）される。その後レンズ１６を通過し、レンズ１６の偏向作用によって、対物レンズ１７の主面（対称面Ｚｍ３）で再集束してウェハ上の離軸した点ａに到着する。分割されたビームの中心軌道は対称面Ｚｍ１、Ｚｍ３に対し反対称、対称面Ｚｍ２に対して対称に配置される。

以上のように各対称面（Ｚｍ１、Ｚｍ２、Ｚｍ３）について、開き角の異なる軌道（図３、ビームの開き角を示す軌跡）と、ビームの中心軌道（図４）は対称、反対称の関係が逆の状態となっている。その結果、レンズ１５〜レンズ１７間で発生する軸外収差は、上述の軌道の対称性より０となり補正される。なお、本実施例に示した光学系においてレンズ１４で発生する軸外色収差は補正できないが、対物レンズの縮小率を稼ぐことで縮小できる。また、Ｐ２以降の軌道を微調整すれば、最終的にレンズ１４で発生する軸外色収差を打ち消すことも可能である。

上述のようなビーム条件を可能とすべく、本実施例では複数のビームを、レンズ１４（ビーム集束レンズ：第３のレンズ）を用いて、レンズ１５（収差発生レンズ；第２のレンズ）のレンズ主面（Ｚｍ１）と理想光軸（レンズ中心）の交点に向かって偏向すると共に、レンズ１６（色分散軌道集束レンズ：第１のレンズ）のレンズ主面（Ｐ２）に集束させ、収差発生レンズ１５は、レンズ１６のレンズ主面（Ｚｍ２）にビームを集束させ、レンズ１６は、対物レンズ１７の主面と理想光軸の交点に向かってビームを偏向させる。また、本実施例の光学系では、レンズ１５と対物レンズ１７が、光軸方向にＺｍ２を対称面として対称位置に配置され、且つ対物レンズ１７の物点と、レンズ１６のレンズ主面の位置が一致するように配置されている。

図５に偏向器を使って視野移動したときの偏向軌道を示す。図２に示した軌道に本軌道（図５）を足し合わせることで分割した一次電子を偏向によって視野移動したときの軌道（近軸軌道）を表すことができる。そして、図２に示すようなビーム条件を維持しつつ、視野移動（視野移動用偏向器に視野移動量、視野移動方向に応じた電流、或いは電圧を供給する）を行うことによって、マルチビーム装置にて、軸外収差を補正しつつ、視野移動を行うことが可能となる。

図５は、光軸に沿ってビームを照射したと仮定したときのビームの軌道を示す図である。視野移動時の一次電子は偏向器２１、２２の偏向によってレンズ１５の軸外を通過し、レンズ１５の焦点Ｐ４に到着する。一次電子は、焦点位置Ｐ４に設置した偏向器２３により光軸上に振り戻され、レンズ１６を通過する。ここで、レンズ１６のレンズ主面を対称面Ｚｍ２と定義する。レンズ１６を通過したビームは、レンズ１７の前側焦点位置Ｐ５に設置された偏向器２５によって軸外に振りもどされる。その後、対物レンズ１７のレンズ作用を受け、ウェハ３１上に垂直入射する。

図６に偏向軌道がレンズ１５の軸外を通過したことで発生する色分散軌道を示す。偏向器によってレンズ１５の軸外を通過したため色分散が発生し、離軸する。その後、レンズ１６のレンズ作用により振り戻される。対物レンズ１７通過時、偏向軌道は対物レンズを離軸して通過する。この時対物レンズ１７で発生する色分散とレンズ１５で発生した色分散が相殺してウェハ３１に到着する。

本光学系における近軸軌道は開き角の異なる軌道（図３）、分割されたビームの中心軌道（図４）、偏向軌道（図５）の和で表される。

一例として、分割したビームの中心軌道と偏向軌道を足し合わせたものを図７に示す。図７のビーム軌道５０１は、紙面右側の開口（アパーチャーレンズ１３の開口）を通過し、ウェハ３１のａ点に到達するまでの経路を示しており、ビーム軌道５０２は紙面左側の開口を通過し、ウェハ３１のｂ点に到達するまでの経路を示している。ビーム軌道５０１、５０２共に、図５のように偏向されているため、偏向を受けない場合と比較して、ａ点、ｂ点共に紙面右側にシフトしている。ここで、開き角の異なる軌道は対称面Ｚｍ２に対し反対称であり、分割されたビームの中心軌道（図４）、偏向軌道（図５）はＺｍ２に対して対称である。

以上の対称性より、Ｐ２からＺｍ２の間で発生する最低次の偏向／軸外収差（偏向色収差、偏向コマ収差、軸外色収差、軸外コマ収差）と、Ｚｍ２からウェハ３１までの間で発生する同収差は等量異符号となり、同収差は同時に補正される。またビーム偏向によって発生する色分散軌道（図６）もＺｍに対し対称である。その結果、同色分散軌道と各レンズ界の組み合わせ収差（高次色収差）も同時に補正できる。本実施例に示す構成を利用することで、複数のビームを同時に偏向しても軸外収差及び偏向収差によって分解能が劣化しない光学系を実現できる。

図１に例示したレンズ１５（収差発生レンズ）の代わりに収差発生用のウィーンフィルタ３０を利用した場合について説明する。図８に本実施例による光学系説明図を示す。ウィーンフィルタ３０の形状を図９に示す。

図９はウィーンフィルタを光軸２０１に垂直な断面に投影した概略図である。図９に示すように、ウィーンフィルタ３０は４つの電磁極５１、５２、５３、５４からなる。それぞれの電磁極にはコイルが巻かれており、各電磁極の電極及びコイルに電圧及び電流を印加することで、静電界Ｅ１、Ｅ２、静磁界Ｂ１、Ｂ２を生成出来る。ここで、Ｅ１（Ｂ１）は電気（磁気）双極子界、Ｅ２（Ｂ２）は電気（磁気）４極子界である。ウィーンフィルタ動作時には、光軸に垂直な平面内でＥ１，Ｂ１が直交するように場を生成する。

本実施例ではＸ軸方向に電界Ｅ１，Ｙ軸方向に磁界Ｂ１をとった場合について示す。図１０は、生成した電磁界（Ｅ１，Ｂ１）中を一次電子３０１が通過する状態を、ビーム光軸に直交する方向から見た図である。一次電子３０１の速度をｖとする。分割された一次電子３０１がウィーンフィルタ内を直進する条件は数１で与えられる。

ここで、一次電子３０１のエネルギーが低い時（ｖ＜Ｅ１／Ｂ１）、一次電子３０１は電界Ｅ１の方向に偏向作用を受けて曲げられ、一次電子１２のエネルギーが高い時（ｖ＞Ｅ１／Ｂ１）には逆方向に曲げられる。

その結果、ウィーンフィルタ内で分散が発生する。また、この時同時に電界（Ｘ軸）方向にレンズ作用が発生する。Ｘ軸方向に発生したレンズ作用によって、電界（Ｘ軸）方向に広がる成分は集束作用を受け、磁界（Ｙ軸）方向に広がる成分は直進する。その結果、Ｘ軸方向の集束点とＹ軸方向の集束点が異なる位置にできる。このようにして発生したＸ方向の集束点とＹ方向の集束点の違いは４極子場を重畳することで修正できる。ウィーンフィルタもレンズの一種であり、のレンズ作用によって発生したＸ方向集束点とＹ方向集束点のずれを修正するために与える４極子場強度は数２で表わされる。

ここで、ｅは素電荷、ｍは電子質量である。数２で与えられる４極子場を追加したために発生する色収差を０にする条件について考える。

本実施例において、偏向による視野移動時に発生する偏向色収差は、ウィーンフィルタ３０で発生させた色分散を用いて補正する。ウィーンフィルタ３０で分散のみを発生させるには、数２で与える電磁４極子界より発生する色収差を０にする必要がある。電磁４極子界より発生する色収差が０になる条件を数３に示す。

Φ_０はビームの加速電圧である。数１は特定の速度の一次電子３０１がウィーンフィルタ内を直進する条件、数２はウィーンフィルタに双極子場Ｅ１、Ｂ１を加えたことで発生するＸ方向集束点とＹ方向集束点のずれを修正するために印加する４極子場強度（Ｅ２、Ｂ２）の条件、数３は４極子場を加えたときに発生する色収差を０にするための電気４極子場Ｅ２と磁気４極子場Ｂ２の関係式である。

収差補正ユニット１０１内のウィーンフィルタ３０に重畳する電磁界は数１、数２、数３を満たすことによって、Ｘ方向、及びＹ方向双方のビームが点Ｐ３で集束するように設定する。

以上の動作条件で動作させた場合の光線図を図１１〜１６に示す。これらの図は図２〜７における収差発生レンズ１５を、ウィーンフィルタ３０に置き換えたものである。図５と図１４を比較するとわかるように、回転対称レンズ１５をウィーンフィルタに置き換えることにより、レンズ１５主面位置であった偏向軌道の離軸がなくなっている。これは図５に例示する光学系では、レンズ１５とレンズ１７間のビームの軌道を、Ｚｍ２を対称面として鏡対称にすることで、２つのレンズで発生する色分散を相殺していたのに対し、ウィーンフィルタは、光軸を通過するビームに、レンズ１７で発生する色分散を相殺する色分散を発生させることができるためである。

本実施例では、ウィーンフィルタの２方向集束条件（数２）を満たすことによって発生するレンズ作用により、Ｐ２で集束した開き角の異なる軌道をＰ３に集束させることができる。

図１７に例示するように、図８のウィーンフィルタ３０の電子源側、或いは試料側のどちらかの位置に回転対称レンズ１８を追加してもよい。このようなレンズを採用することによって、ウィーンフィルタの集束作用を補助することが可能となる。ウィーンフィルタの集束作用を補助するためのレンズであるため、ウィーンフィルタと連動して制御される。

図６や図１５に例示したように、上述の実施例では収差発生レンズ１５もしくはウィーンフィルタ３０で発生した色分散軌道を対物レンズ１７の主面に集束する高次色収差抑制レンズ１６を採用しているが、図１８に例示するように高次色収差抑制レンズ１６に代えて、電磁双極子４１もしくは電磁４極子４２を採用することも可能である（電磁双曲子、電磁４極子は例えば米国特許ＵＳＰ９，７０４，６８７参照）。

視野移動のためにビームを偏向すると、ビームは対物レンズ１７の軸外を通過する。このとき、非点収差と像面湾曲収差が発生する。像面湾曲は対物レンズ１７のレンズ強度を変更することで補正可能だが、非点収差を補正するためには、開き角の異なる軌道が集束していない場所に４極子場を発生させる光学要素（スティグマコイル）を配置することが望ましい。

本実施例では、非点収差補正のための非点調整用マルチ軌道集束レンズ６１と、スティグマコイル７１を備えた電子顕微鏡を、図１９を用いて説明する。図１９に例示する電子顕微鏡では、非点調整用マルチ軌道集束レンズ６１（第４のレンズ）、及びスティグマコイル７１を含む光学系と、図１等に例示した光学系を有機的に結合するためにレンズ６２（開き角調整レンズ：第５のレンズ）が設けられている。

本実施例では、図１の構成とは異なり、分割ビーム集束レンズ１４の主面にあるＰ２に、開き角の異なる軌道を収束させるためのレンズ６２を配置している。マルチレンズアレイ１３によって分割された一次電子３ａ、３ｂは非点調整用マルチ軌道集束レンズ６１のレンズ主面Ｐ１に集束される。集束されたビームはレンズ６１のレンズ作用を受け、分割された一次電子３ａ、３ｂの中心軌道は非点調整用４極子６１が設置されている点Ｇ１で光軸上に集束される（中心軌道が点Ｇ１に向かって偏向される）。

点Ｇ１ではマルチレンズアパーチャー１３で分割された一次電子の中心軌道３ａ、３ｂが、光軸上に集束（光軸と交差）されているため、Ｇ１に回転対称レンズ（レンズ６２）が発生する磁場と、スティグマコイル７１（非点補正器）の非点補正用４極子場を重畳しても、レンズ及び４極子場の作用で中心軌道（図中点線）は変動しない。

一方分割された一次電子３ａ、３ｂの開き角の異なる軌道は離軸している。よって点Ｇ１に非点補正用の４極子場を発生するスティグマコイル６１と、開き角調整用のレンズ６２を配置（Ｇ１とレンズ６２の主面が一致するように配置）することで、分割されたビームのそれぞれに等しい非点補正とフォーカス調整が可能となる。

なお、図１９の構成では図１の構成と比較すると、Ｐ２の位置が異なるが、図１の分割ビーム集束レンズ１４に代えて、開き角調整レンズ６２によって、Ｐ２への集束を行っており、図３、図４を用いて説明した対称、反対称の関係が保てれば、光学系の種々の変形が可能である。

また、ウェハに印加する電圧（リターディング電圧（負電圧））を調整することで、測定や検査に使用する加速電圧（ランディングエネルギー）を変更する場合、対物レンズ１７の光学倍率が加速電圧に依存して変わるため、試料にランディングする一次電子３ａ、３ｂの試料上の点ａ、ｂでの開き角が変わる。
第６の実施例として、試料に対する負電圧印加電源を備えた第５の実施例に示す光学系において、加速変更時の開き角調整を可能とする光学系について示す。分割された一次電子の中心軌道３ａ、３ｂが集束する位置におかれた開き角調整レンズの強度を変更することで中心軌道３ａ、３ｂを動かすことなく、集束点Ｐの位置のみを変更できる。よって、対物レンズ条件を変更した際に開き角調整レンズ６２のレンズ強度を変更（調整）することで、光学倍率の変更が可能となり開き角調整ができる。
測定目的や測定対象パターンの種類に応じて適切なランディングエネルギーや開き角が変わるため、ランディングエネルギーを変えたときの対物レンズ条件と、開き角調整レンズとの関係を予めテーブル化し、所定の記憶媒体に記憶させておくことで、ランディングエネルギーの変化によらず、収差補正条件を維持した状態で、適切な開き角での観察が可能となる。制御装置は、ランディングエネルギーの変化に応じて、各レンズのレンズ条件を設定する。

走査偏向器２６を使って分割された一次電子３ａ、３ｂを走査する場合を考える。走査偏向器２６の偏向作用によって、到着点ａ、ｂに到達したビームが試料上を走査される。このときの走査範囲が点ａと点ｂとの間の距離よりも小さいと、走査領域間に隙間ができる。また、走査範囲が走査領域間の隙間bの距離よりも大きいと走査領域に重なりができる。

試料上を効率よく走査するには、予め定められた制御条件によって光学素子を制御する制御装置によって、走査偏向器２６による走査範囲に連動して到着点ａと到着点,ｂとの間の距離を変化させることが望ましい。第７の実施例として、アパーチャーレンズアレイ１３で分割された一次電子３ａ、３ｂの到着位置ａとｂの間隔を変更するためのマルチビーム間隔調整レンズ６３が搭載された光学系を図２０に示す。

マルチレンズアパーチャー１３で分割された一次電子３ａ、３ｂが、非点調整用マルチ軌道集束レンズ６１及び開き角調整用レンズ６２を通過した後、マルチビーム間隔調整レンズ６３のレンズ作用を受け、点Ｐ２に集束される。点Ｐ２における分割ビーム３ａ、３ｂの距離に応じて、到着点ａ、ｂ間の距離が変化する。換言すれば、分割ビーム３ａ、３ｂ間の距離が試料上に投影されてウェハ上の到着点ａ、ｂ間の距離となる。

例えば、マルチビーム間隔調整レンズ６３のレンズ作用を強く（弱く）すると分割された一次電子３ａ、３ｂの中心軌道の集束点Ｇ２が上がり（下がり）、Ｐ２での分割された一次電子３ａ、３ｂの距離が小さく（大きく）なる。またマルチビーム間隔調整レンズ６３のレンズ強度を変えると光学系全体の光学倍率が変動するため、分割された一次電子３ａ、３ｂがウェハ上に到着したときの開き角が変動する。そこで、開き角の変動を抑制するように、マルチビーム間間隔調整レンズ６３のレンズ強度変化に同期して開き角調整用レンズ６２のレンズ強度を変化させる。

例えば、複数のビームの走査領域が重なることなく、且つ走査領域間に隙間がないように走査を行うことができれば、広い領域の高分解能画像を効率良く取得することができる。よって、視野（Ｆｉｅｌｄ Ｏｆ Ｖｉｅｗ:ＦＯＶ）の大きさ（倍率）の設定に連動して、このような条件を満たすようにマルチビーム間間隔調整レンズ６３の強度を調整することが望ましい。

本実施例の開き角調整用レンズ６２は、そのレンズ主面の光軸方向の位置が、点Ｇ１（分割された一次電子３ａ、３ｂの中心軌道が光軸上に集束している点）と一致しているため、中心軌道を偏向するようなレンズ作用は働かない。従ってウェハ上の到着点ａ、ｂ間の間隔を変えることなく光学倍率の調整を行える。

本実施例では開き角調整用レンズ６２を分割された一次電子３ａ、３ｂが光軸に集束する点（例えばＧ１）に配置しているが、マルチビーム間隔調整レンズを開き角の異なる軌道の集束点（例えばＰ５）に配置しても中心軌道と開き角の異なる軌道を独立制御が可能となり、制御が簡便になる。

図２１にビームを複数に分割するアパーチャーレンズアレイの一例を示す。本実施例によるアパーチャーレンズアレイは１３ａ、１３ｂ、 １３ｃ、１３ｄの４枚の電極で構成される。本アパーチャーレンズアレイの上方から一次電子が入射する。

最も電子源側に配置されたマルチアパーチャーアレイ１３ａで一次電子を円形に形成する。その後、３枚の電極（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）で構成されるレンズに突入する。本実施例では、図示しない電源から電極１３ｃにマイナスの電圧を印加することでアインツェルレンズとして使用している。アインツェルレンズの軸外を一次電子が通過すると収差の影響で通過した一次電子線の一点集束できなくなり、ウェハ３１に到着したときのビームスポット径が大きくなる。

本実施例によるアパーチャーレンズアレイはレンズアレイ（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）の前段に配置したアパーチャーアレイ１３ａの穴径を、レンズアレイの電極径（１３ｃの穴径もしくは１３ｂ、１３ｃ、１３ｄの穴径の最小径）の半分以下にすることで、レンズアレイで形成されるレンズの軸外を通過する電子の通過を制限できる。

また、アパーチャーアレイ１３ａと、負の電圧を印加したレンズアレイ１３ｃとの間に、グランドに接続したレンズアレイ１３ｂが設置されている。本電極がなかった場合、電極１３ｃに電圧を印加したことによって発生する電界がアパーチャーアレイ１３ａから漏れ出し、アパーチャーアレイで制限する前の電子線に作用し収差が発生する。その結果、アパーチャーレンズアレイ通過後の一次電子線は本収差の影響により一点集束が不可能となりウェハ３１上でのビームスポット径が増大する。

グランド電極に設置されたレンズアレイ１３ｂをアパーチャーアレイ１３ａと負または正の電圧を印加したレンズアレイ１３ｃの間に設置することでマルチレンズアレイ（１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ）によって生成されるレンズの軸外に突入する一次電子を制限できる。その結果、マルチレンズアレイ通過後の一次電子の一点集束が可能となる。

上述した光学系において、分割された一次電子の軸外収差とビーム偏向によって発生する偏向収差を補正するため、アパーチャーレンズアレイ１３通過後のクロス位置（Ｐ１〜Ｐ５、Ｇ１〜Ｇ４)を固定する。

そこで本実施例による光学系は電子源１とアパーチャーレンズアレイ１３の間に、第一コンデンサレンズ１１（第６のレンズ）とプローブ電流調整レンズ１２（第７のレンズ）が設置されている。ここでは分割した一次電子線３ａ、３ｂのプローブ電流量を小さくする場合について具体例を示す。

電子源１から放出された一次電子は第一コンデンサレンズのレンズ作用を受け点Ｐ１に集束される。その後入射角度制御レンズ１２によって光軸２０１に対し平行なビームに変換されてアパーチャーレンズアレイ１３に照射され、円形ビームに成型される。

成型後のビーム電流はアパーチャーレンズアレイ１３の穴径と照射される一次電子の電流密度によって決定される。従って、第一コンデンサレンズの強度を上げて点Ｐ１を上方に移動させると共に、プローブ電流調整レンズ１２のレンズ強度を弱くし焦点距離を伸ばすことで、照射角度（本実施例では光軸に対して平行）を保ったままアパーチャーレンズアレイに照射する一次電子の密度を下げることができる。その結果、ウェハに照射される分割された一次電子３ａ、３ｂのプローブ電流を下げることができる。

１…電子源、２…一次電子（電子ビーム）、３a…分割された一次電子の中心軌道、３ｂ…分割された一次電子の中心軌道、１１…第一コンデンサレンズ、１２…プローブ電流調整レンズ、１３…アパーチャーレンズアレイ、１４…分割ビーム集束レンズ、１５…収差発生レンズ、１６…色分散軌道集束レンズ、１７…対物レンズ、１８…絞り、１９…集束補助用回転対称レンズ、２１…偏向器、２２…偏向器、２３…偏向器、２４…偏向器、２５…偏向器、２６…走査偏向器、３０…ウィーンフィルタ、３１…ウェハ、４１…電磁双極子、４２…電磁４極子、５１…ウィーンフィルタを構成する電磁極、５２…ウィーンフィルタを構成する電磁極、５３…ウィーンフィルタを構成する電磁極、５４…ウィーンフィルタを構成する電磁極、６１…非点調整用マルチ軌道集束レンズ、６２…開き角調整用レンズ、６３…マルチビーム間間隔調整レンズ、７１…スティグマコイル、１０１…偏向収差補正器、２０１…光軸、３０１…ウィーンフィルタを通過する一次電子、ａ…ウェハ上の分割ビーム到着点、ｂ…ウェハ上の分割ビーム到着点、Ｐ１…クロスオーバー、Ｐ２…クロスオーバー、Ｐ３…クロスオーバー、Ｐ４…レンズの焦点、Ｐ５…対物レンズの前側焦点、Ｇ１…分割ビームの中心軌道のクロスオーバー、Ｇ２…分割ビームの中心軌道のクロスオーバー、Ｇ３…分割ビームの中心軌道のクロスオーバー

Claims (11)

1. 複数のビームを放出するビーム源と、
   試料に対してビームを集束する対物レンズと、
   対物レンズの物点にレンズ主面が位置するように配置され、入射する複数のビームを前記対物レンズ主面と光軸の交点に向かって偏向する第１のレンズと、
   当該第１のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記第１のレンズの主面に前記複数のビームを集束する第２のレンズと、
   当該第２のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記複数のビームを前記第２のレンズの主面と光軸の交点に向かって偏向する第３のレンズを備えたことを特徴とするビーム照射装置。
2. 請求項１において、
   前記第２のレンズは、ウィーンフィルタであることを特徴とするビーム照射装置。
3. 請求項２において、
   前記ウィーンフィルタよりビーム源側、或いは試料側の少なくとも一方に、ウィーンフィルタの集束作用を補助する補助レンズを備えたことを特徴とするビーム照射装置。
4. 請求項１において、
   前記第３のレンズは、電磁双極子、或いは電磁４極子であることを特徴とするビーム照射装置。
5. 請求項１において、
   前記第３のレンズより前記ビーム源側に配置され、前記複数のビームを光軸に向かって偏向する第４のレンズと、
   当該第４のレンズによって偏向された前記複数のビームと光軸が交差する位置で、非点を補正する非点補正器と、
   前記交差する位置にレンズ主面を持ち、前記第３のレンズのレンズ主面に前記複数のビームを集束させる第５のレンズを備えたことを特徴とするビーム照射装置。
6. 請求項５において、
   前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源と、当該負電圧印加電源の試料に対する負電圧の変化に応じて、前記第５のレンズを調整することを特徴とするビーム照射装置。
7. 請求項１において、
   前記複数のビームを走査する走査偏向器と、前記複数のビーム間の間隔を調整する間隔調整レンズと、当該間隔調整レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記走査偏向器による走査幅に応じて、前記間隔調整レンズを制御することを特徴とするビーム照射装置。
8. 請求項１において、
   前記複数のビームを放出するビーム源は、電子を放出するチップと、当該チップから放出されたビームを複数に分割する複数の開口を有する複数の電極からなるアパーチャーレンズアレイと、前記複数の電極の少なくとも１つに電圧を印加する電源を備えたことを特徴とするビーム照射装置。
9. 請求項８において、
   前記複数の電極のうち、最も前記チップ側に配置された電極の前記開口の半径が、その他の電極の開口の半径に対し、半分以下であることを特徴とするビーム照射装置。
10. 請求項８において、
    前記アパーチャーレンズアレイは、前記電圧が印加される電極より前記チップ側に、グラウンドに接地される少なくとも２つの電極を備えていることを特徴とするビーム照射装置。
11. 請求項８において、
    前記チップと前記アパーチャーレンズアレイとの間に、前記チップから放出されたビームを集束する第６のレンズと、当該第６のレンズを通過したビームを更に集束する第７のレンズを備え、前記第６のレンズの集束点が前記チップに近づくほど、前記第７のレンズの強度を弱くすることを特徴とするビーム照射装置。

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