JP4878501B2 - 荷電粒子線応用装置 - Google Patents

Description

本発明は、荷電粒子線応用技術に係り、特に、半導体プロセス等において用いられる、検査装置および計測装置等の荷電粒子線応用装置に関する。

半導体プロセスにおいて、対象物上に電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子線（以下、一次ビームと呼ぶ）を照射し、発生した二次電子等の二次荷電粒子（以下、二次ビーム）の信号から、対象物上に形成されたパターンの形状や欠陥の有無を調べる、電子顕微鏡または電子線検査装置などが用いられている。

これらの電子線を応用した半導体製造装置において、対象物を処理する速度、即ちスループットの向上は精度の向上とともに重要な課題であり、この課題を克服するため、例えば、特開２００２-１４１０１０号公報などでは、単一の電子銃から放出される電子線を複数の開口を有する板に照射し、下流に設けられたレンズと偏向器を用いて前記開口像を縮小して試料上に投影、走査するマルチビーム型の電子線装置が提案されている。

一方、特開２００１-２６７２２１号公報においては、単一の荷電粒子源から放出される荷電粒子線を複数の開口を有する板に照射することによって分割し、アレイ状に並べたレンズで個々に集束させることにより、荷電粒子源の中間像を複数形成し、下流に設けられたレンズと偏向器を用いて前記複数の中間像を試料上に投影、走査するマルチビーム型の荷電粒子線露光装置が提案されている。

両者をスループットの観点から比較すると、角度的に広がった電子ビームをアレイ状に並べたレンズにより集めることが出来る後者が、試料上に到達させることのできる電流が大きく、有利であるといえる。

特開２００２-１４１０１０号公報 特開２００１-２６７２２１号公報

上記のように複数の一次ビームを形成し、共通の光学素子で試料上に投影、走査するマルチビーム型の荷電粒子線応用装置を用いて、例えば半導体等の形状や欠陥の有無を調べる場合に、課題となるのが、複数の一次ビームがレンズなどの光学素子の中心から外れた軌道を描くことにより発生する、軸外収差の低減である。また、もう一つの課題は、複数のビームが照射されることによって試料上の複数箇所から放出される、複数の二次ビームの分離検出である。

これら二つの課題は、トレードオフの関係にある。即ち、一次ビームの収差の観点からは、複数のビームは出来るだけ間隔が狭い方が望ましい。それに対して、二次ビームの分離検出の観点からは、複数のビームの距離は広い方が望ましく、少なくとも二次電子光学系の分解能よりも離れている必要がある。

本発明は、上述した一次ビームの収差の低減と二次ビームの分離検出を両立させ得る荷電粒子線応用装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、二次ビームにのみ作用する偏向器を設ける。これを用いて、一次電子の走査によって発生する、検出器における二次ビーム像の位置の変動を打ち消す。

また、本発明においては、一次ビームの瞳面に、検出器、若しくは二次ビームを分離する素子を設置する。

また、本発明においては、試料表面の電界を制御するための電極を試料の極近傍に設置するために、静電吸着装置を用いて試料の反りを矯正する。

また、本発明では、複数の電子ビームを個々に集束させるレンズの焦点距離を個別に調整することにより、を用いて試料上に照射される一次ビームの収差を低減させる。

本発明によれば、一次ビームの収差の低減と二次ビームの分離検出を両立させ得る荷電粒子線応用装置を実現できる。

以下、本発明の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係るマルチビーム型の電子線検査装置の概略構成を示す図である。本装置は、陰極１０２から放出され試料１１７まで到達する一次ビーム（一次荷電粒子線）１０３を制御する一次電子光学系と、一次電子ビームと試料との相互作用により発生した二次ビーム（二次荷電粒子線）１２０を制御する二次電子光学系とに分かれる。一点鎖線は、略回転対称に形成された一次光学系の対称軸が一致するべき軸であり、一次電子ビーム行路の基準となる。以下、中心軸と呼ぶ。

電子銃１０１は、仕事関数の低い物質よりなる陰極１０２、陰極１０２に対して高い電位を持つ陽極１０５、陰極と陽極の間に形成される加速電界に磁場を重畳する電磁レンズ１０４からなる。本実施例では、大きな電流が得やすく電子放出も安定したショットキー型の陰極を用いた。陰極１０２から放出された一次ビーム１０３は、電磁レンズ１０４による集束作用を受けながら陽極１０５の方向に加速される。

１０６は、第一の陰極像である。この第一の陰極像１０６を光源として、コンデンサーレンズ１０７は一次ビームを略平行に整える。本実施例においてコンデンサーレンズ１０７は電磁レンズである。１０９は同一基板に開口を２次元に配列したアパーチャーアレイであり、一次ビームを複数に分割する。本実施例においてアパーチャーアレイは５つの開口を有し、一次ビームは５本に分割される。このうち１本は中心軸上に、残りの４本は中心軸から等距離の位置に配列される。図１においては、このうち３本のビームについて図示する。１０８および１１０は、一次ビームの進行方向を調整するアライナーである。

分割された一次ビームは、レンズアレイ１１１によって個別に集束される。ここで、図２は、レンズアレイ１１１の構造を示す概略図である。大きくは、上部電極２０１、中間電極２０２、下部電極２０３の３枚の電極からなり、それぞれの電極は複数の開口を有する。開口部の形状は円形であり、例えば矢印で示したような、中心軸（一点鎖線で表示）に平行な直線上に各電極の開口が並び、一つの電子レンズを構成している。上部電極２０１と下部電極２０３には共通の電位（本例では、接地電位）を接続し、中間電極には電源２０４が接続し異なる電位を印加する。これにより、開口内を通過する一次ビームに対していわゆるアインツェルレンズとして作用し、複数の第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが形成される。

レンズアレイ１１１により個別に集束された５本の一次ビームは、ウィーンフィルター１１３内を通過する。ウィーンフィルター１１３は、中心軸に対して略垂直な面内において互いに直交する磁場と電場を発生させることにより、通過する電子に対してそのエネルギーに対応した偏向角度を与えるものである。本実施例においては、一次ビームが直進するように磁場と電場の強さを設定する。しかしながら、一次ビームには数エレクトロンボルト程度のエネルギー的な広がりがあるため、ウィーンフィルター１１３を通過することにより一次ビームに角度的な広がりが発生する。この広がりに起因する試料１１７上での一次電子ビームのボケを出来るだけ低減するためには、ウィーンフィルター１１３の偏向主面の一点から出た軌道群が、試料１１７上で一点に集まればよい。したがって、図１に示したように、ウィーンフィルター１１３の偏向主面は、第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃが結ばれる位置に一致させるのが最適である。

１１４ａ、１１４ｂは、１組の対物レンズであり、それぞれ電磁レンズである。この一対の対物レンズは、第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを試料１１７上に縮小投影する作用を持つ。

１１９は移動可能なステージであり、ステージ制御装置１２８により制御される。この上にパレット１１８が載置されている。パレット１１８の内部に組み込まれた静電吸着装置は試料１１７を保持し、同時に、成膜等のプロセスを経て数十μｍの凸型若しくは凹型に反った形状になっている試料１１７を平坦な吸着面に矯正する。

図３は、パレット１１８に内蔵された静電吸着装置と、それにより保持されている試料１１７と、その近傍に設置された表面電界制御電極１１６について説明する図である。３０１はアルミナを主材とした誘電体、３０２ａおよび３０２ｂは誘電体３０１に埋設した吸着電極である。吸着電極３０２ａは、直流電源３０３ａの（＋）側と接続されている。吸着電極３０２ｂは、直流電源３０３ｂの（−）側と接続されている。このように吸着電極が二つに分割された静電吸着装置は、双極型と呼ばれる。

試料１１７の表面は、押さえ治具３０６によって浮き上がらないよう抑えられており、裏面にはばねの力により鋭利な針の形状を持った接触端子３０５を押し付けられている。接触端子３０５はリターディング電源３０４が接続されており、これにより、試料１１７には一次ビームを減速させるための負の電圧が印加される。

一方、直流電源３０３ａの（−）側と直流電源３０３ｂの（＋）側は共に、光学系制御回路１２７に内蔵されたリターディング電源３０４の（−）側に接続されている。即ち、試料１１７と吸着電極３０２ａを対の電極として、また、試料１１７と吸着電極３０２ｂを対の電極として、対の電極間に挟まれた誘電体３０１に直流電圧を印加している。これにより、誘電体に誘電分極による電荷を発生させ、静電吸着力を確保している。

図４（ａ）は、表面電界制御電極１１６について説明する図である。表面電界制御電極１１６は、試料１１７の表面付近の電界強度を調整し、二次ビームの軌道を制御するための電極である。試料１１７に対向して設置され、一次ビームおよび二次ビームを通過させるための円形の開口４０１を備え、電源３０７により、試料１１７に対して正電位または負電位または同電位が印加される。試料１１７および表面電界制御電極１１６に印加される電圧は、試料１１７の種類や観察対象に応じて適した値に調整する。例えば、試料から発生した二次ビームを積極的に試料に戻したい場合には、表面電界制御電極１１６には試料１１７に対して負の電位を印加する。逆に、二次ビームが試料に戻らないよう、表面電界制御電極１１６には試料１１７に対して正の電位を印加することもできる。

一方、表面電界制御電極１１６は、一次ビームに対してレンズ作用を持つ。したがって、本実施例においては、５本の一次ビームのうち、中心軸上に形成された１本を除いた４本は、表面電界制御電極１１６の作るレンズの中心から外れた位置を通過することになる。これにより、軸外収差、即ち非点収差およびコマ収差および像面湾曲収差が発生するので、試料１１７に到達した時の形状がぼけてしまう。

本発明では、この収差を低減するために、表面電界制御電極１１６を試料１１７の極近傍に設置し、表面電界制御電極１１６によって形成される電界中を一次ビームが通過する時間を短くする。即ち、表面電界制御電極１１６と試料１１７の距離Ｌを短くする。好ましくは、Ｌを１ｍｍ以下とする。この時、試料１１７に反りがあると、表面電界の強度を充分に制御できない。さらに、反りが大きい場合は、表面電界制御電極１１６が試料１１７に接触し、瑕をつけてしまう可能性もある。そこで、本実施例においては、試料の保持に、試料を平坦な吸着面に矯正する機能を持つ静電吸着装置を用いた。

表面電界制御電極１１６の開口径Ｄは、試料表面に形成するべき電界の強度、および一次電子ビームの収差を考慮して決定するべきであるが、一次電子ビームの収差を考慮した結果、表面電界制御電極１１６と試料１１７の距離Ｌの１〜４倍の開口径Ｄが好ましいことが分かった。本実施例においては表面電界制御電極１１６と試料１１７の距離Ｌを３００ミクロン、表面電界制御電極１１６の開口径Ｄを１０００ミクロンとした。

また、図１には示していないが、本実施例においては光を用いた試料高さ検出機構が設けられている。図４（ｂ）は、高さ検出機構について説明する図である。高さ検出用レーザー発光器４０４が試料１１７に向けてレーザー光４０６を照射し、試料１１７により反射された光４０６をポジションセンサー４０５が受光し、受光位置から試料１１７の高さが検出される。検出された高さは、光学系制御回路１２７を介して対物レンズ１１４ａまたは１１４ｂのレンズパワーにフィードバックされる。その結果、一次ビームは、試料１１７の高さに依らず試料１１７上に集束される。本実施例におけるレーザー光４０６の試料１１７表面への入射角θは、略８０度である。ここで、本実施例においては表面電界制御電極１１６と試料１１７の距離Ｌが３００ミクロンであることから、レーザー光４０６が表面電界制御電極１１６を横切るのは一転鎖線で示した中心軸から約１７００ミクロンの位置である。一方、表面電界制御電極１１６の開口径Ｄは１０００ミクロンであることから、レーザー光４０６は開口４０１内を通過することが出来ない。そこで、表面電界制御電極１１６にレーザー光用の開口４０２および４０３を設けることにより、高さ検出機構を実現した。

尚、本実施例においては、表面電界制御電極１１６の一つの開口内に複数の一次ビームを通過させる構成をとったが、図４（ｃ）に示したように、表面電界制御電極１１６に複数の開口を設けて、複数の一次ビームをそれぞれ異なる開口に通過させても良い。この場合のメリットは複数の一次電子ビーム毎に表面電界制御電極１１６の開口の形状・位置を設定出来るため、表面電界制御電極１１６と試料１１７によって形成される電界が、一次ビームに及ぼす影響を制御し易いことである。

また、本実施例においては、表面電界制御電極１１６の開口形状を円形としたが、楕円形・多角形等の形状としても同様の効果を持つ場合がある。

再び図１の説明に戻る。対物レンズ中には静電８極型の偏向器１１５が設置されている。走査信号発生装置１２９により偏向器１１５に信号が入力されると、中を通過する複数の一次ビームは、略同一方向に且つ略同一角度だけ偏向作用を受け、試料上をラスタ走査する。図５（ａ）は、本実施例における一次ビームのラスタ走査について説明する図である。５本の一次ビームＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの試料上における軌跡をそれぞれ矢印で示した。任意の時刻において、５本の一次ビームＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの位置をＸ軸に投影すると等間隔である。各ビームは、この間隔ｓと略等しい幅（偏向幅）で試料１１７上をラスタ走査する。同時にステージ１１９は、Ｙ方向に移動する。５本の一次ビームによってｓの５倍の視野幅（ＦＯＶ）が余すところなく走査されるべく、システム制御部１２５は走査信号発生装置１２９およびステージ制御装置１２８を統一的に制御する。尚、一次ビームの数によらず、複数の一次ビームで試料上を余すところなくラスタ走査することが出来る。図５（ｂ）に示すように、一次ビームが８本の場合の例である。

試料上に到達した５本の一次ビームは、試料表面付近の物質と相互に作用する。これにより、反射電子、二次電子、オージェ電子等の二次的な電子が試料から発生する。これらの二次的な電子の流れのことを、以下、二次ビームと呼ぶ。

試料１１７には、リターディング電源により一次ビームを減速させるための負の電位が印加されている。この電位は、一次ビームと逆の進行方向を持つ二次ビームに対しては加速作用を持つ。二次ビームは、加速作用を受けた後、対物レンズ１１４ａ、１１４ｂの集束作用を受ける。ウィーンフィルター１１３は、二次ビームに対して偏向作用を持つ。これにより、二次ビームの軌道は一次ビームの軌道と分離される。

ここで、一次ビームと試料の相互作用により発生した二次ビームは、エネルギー的にまたは角度的に広がりを持つ。５箇所から発生した二次ビームを独立に検出するためには、５箇所から発生した二次ビームが互いに混ざり合うことなく検出器に到達することが必要である。そこで、静電レンズ１２１を用いて、エネルギー的、角度的に広がった二次ビームを集束させる。この時、静電レンズ１２１に与えられるべきレンズパワーは、試料１１９からウィーンフィルター１１３までの二次ビームの軌道、ウィーンフィルターによって偏向される角度、試料１１９に印加された電圧、および検出器１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃの配置等によって決定される。したがって、他の光学素子同様、静電レンズ１２１は、光学系制御回路１２７によって統一的に制御される。

尚、本実施例においては二次ビームの集束に静電レンズを用いたが、電磁レンズを用いても同様の効果を得ることが出来る。

１２２は、二次ビームの１部を遮断する為の絞りであり、５箇所から発生した二次ビームが一点に集まる位置に設置するのが最適である。

１２３は、二次ビームを偏向するための振り戻し偏向器である。図６は、この振り戻し偏向器１２３の効果を説明する図であり、図５（ａ）に図示した５本の一次ビームのうち隣接するビームＡおよびビームＣと、試料１１７との相互作用により発生した二次ビームの、検出器面における位置および大きさを示す。

既に述べたように、一次ビームは偏向器１１５により偏向され、試料上をラスタ走査する。したがって、試料上で二次ビームが発生する位置は走査と同期して変化する。さらに、試料から発生した二次ビームは加速された後、偏向器１１５内を通過するので、偏向作用を受ける。したがって、同一の一次ビームによって発生する二次ビームは、必ずしも検出器面の同一地点に到達するとは限らない。図６（ａ）は、振り戻し偏向を行わない場合の、検出器面における二次ビームの位置を示し、一次ビームが偏向器１１５の作用を受け、試料をＸの−方向から＋方向に走査すると、それに同期して、検出器面における二次ビームの位置が変わることを示す。このため、＋方向に走査されたビームＡにより発生した二次ビームと、−方向に走査されたビームＣにより発生した二次ビームは検出器面上の極めて近い位置に到達する。光学条件によっては、オーバーラップする場合もある。その結果、ビームＡにより発生した二次ビームを検出するための検出器と、ビームＢにより発生した二次ビームを検出するための検出器を干渉せずに設置することが出来ない。

これに対して、走査信号発生装置１２９により、振り戻し偏向器１２３に偏向器１１５と同期した信号を入力し、二次ビームを再偏向した場合の、偏向器面における二次ビームの位置を、図６（ｂ）に示す。検出器面においてビームＡにより発生した二次ビームと、ビームＣにより発生した二次ビームは、一次ビームの走査に依らず、常に概略一定の位置に到達する。これにより、ビームＡにより発生した二次ビームを検出するための検出器と、ビームＢにより発生した二次ビームを検出するための検出器を、干渉することなく設置することが出来た。

尚、本実施例においては、偏向器１１５に静電偏向器を用いたため、同等の応答速度を得るべく振り戻し偏向器１２３にも静電偏向器を用いたが、偏向速度が充分に遅い場合、振り戻し精度が重要でない場合等には電磁偏向器を用いても良い。

検出器１２４ａ、１２４ｂ、１２４ｃにより検出された信号は増幅回路１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃによりそれぞれ増幅され、Ａ/Ｄ変換機１３１によりデジタル化される。デジタル化された信号はシステム制御部１２５内の記憶装置１３２に画像データとして一旦格納される。その後、演算部１３３が画像の各種統計量の算出を行い、最終的には欠陥判定部１３４が予め求めておいた欠陥判定条件に基づき欠陥の有無を判定する。判定結果は画像表示装置１２６に表示される。二次ビームの検出から欠陥判定までの処理は検出器毎に並列的に行われる。

（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例に係るマルチビーム型の電子線検査装置の概略構成を示す図である。

電子銃１０１は、仕事関数の低い物質よりなる陰極１０２、陰極１０２に対して高い電位を持つ陽極１０５、陰極と陽極の間に形成される加速電界に磁場を重畳する電磁レンズ１０４からなる。この例では、陰極１０２には大きな電流が得やすく電子放出も安定したショットキー型の陰極を用いている。陰極１０２から放出された一次ビーム１０３は、電磁レンズ１０４による集束作用を受けながら陽極１０５の方向に加速される。

１０６は、第一の陰極像である。この第一の陰極像１０６を光源としてコンデンサーレンズ１０７は、一次ビームを略平行に整える。本実施例において、コンデンサーレンズ１０７は電磁レンズである。１０９は、開口が２次元に配列して形成されたアパーチャーアレイであり、略平行に整えられた一次ビームを複数に分割する。本実施例において、アパーチャーアレイは中心軸からの距離が略等しい４つの開口を有し、一次ビームは４本に分割される。図７においては、このうち２本のビームについて図示する。１０８および１１０は、一次ビームの位置や角度を調整するアライナーである。分割された一次ビームは、レンズアレイ１１１によって個別に集束される。これにより、第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂが形成される。

１１４ａ、１１４ｂは、２段の電磁レンズで構成される対物レンズであり、第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂを試料１１７上に縮小投影する作用を持つ。表面電界制御電極１１６は、試料１１７の表面付近の電界強度を調整するための電極であり、試料に印加される電圧に対して正または負の電圧が印加される。

試料上に到達した４本の一次ビームは、試料表面付近の物質と相互に作用し、これに伴い二次ビームが試料から発生する。図８（ａ）および図８（ｂ）は、対物レンズ内の一次ビームと二次ビームの軌道の概略を示した図である。

図８（ａ）は、一次ビームの軌道を示したものである。対物レンズ１１４ａ、１１４ｂによって、第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂが試料１１７上に縮小投影される。図中、点線で示したのは、瞳面である。ここで瞳面とは、複数の物点、即ち第二の陰極像１１２ａ、１１２ｂから放出されたビームが集まる面である。

一方、図８（ｂ）は、二次ビームの軌道を示したものである。試料１１７上から発生した二次ビームは、試料１１７に印加された負の電圧により、加速作用を受け、また対物レンズ１１４ａ、１１４ｂの集束作用を受ける。この時、一次ビームと二次ビームはそのエネルギーの差から異なった軌道を描く。このため、点線で示した一次ビームの瞳面において、複数箇所から発生した二次ビームは一点に集まらない。

そこで、本実施例においては、図９（ａ）に示したように、この瞳面に検出器１２４ａ、１２４ｂを設置する。これにより、検出器により一次ビームの軌道をさえぎることなく、また、４箇所から発生した二次ビームを互いに混ざり合わせることなく、検出器に到達させることが出来る。

検出器が大きく、図９（ａ）の構成がとれない場合は、図９（ｂ）に示したように、瞳面に二次ビーム分離素子９０１を設置し、二次ビームの軌道を一次ビームと干渉しないように調整し、検出器１２４ａ、１２４ｂにより検出すればよい。二次ビーム分離素子としては、例えば、偏向器アレイが好ましい。

図１０（ａ）は、中心軸方向から見た偏向器アレイの概略図である。同一面内に一次電子を通過させるための貫通孔１００１と二次ビームを通過させるための貫通孔１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、１００２ｄが設けられている。二次ビームを通過させるための貫通孔１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、１００２ｄの壁面には、電極が設けられている。これらの電極に電源１００３を用いて電圧を印加し、貫通孔１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、１００２ｄ内に中心軸に対して垂直な方向に電場を発生させることにより、二次ビームが中心軸から離れる方向に偏向することが出来る。一方、一次ビームは偏向されることなく貫通孔１００１を通過する。これにより、検出器が大きい場合でも、一次ビームの軌道をさえぎることなく、また、４箇所から発生した二次ビームを互いに混ざり合わせることなく、検出器に到達させることが出来る。

これとは別に、次のような分離素子を用いても良い。図１０（ｂ）は、円筒型分離素子の概略構成図である。内径の異なる二つの円筒型電極が同軸に配置されている。内側の第一電極１００４は、一次ビームを通過させるための円筒形の電極である。これを電子光学鏡筒の他の部分と同じく接地電位に接続することにより、中心を通る一次ビームを偏向することなく通過させる。一方、同じく外側の第二電極１００５には、第一電極１００４に対して正の電圧を印加する。これにより、二つの電極の間を通過する二次ビームを軸から離れる方向に偏向させる。

（実施例３）
図１１は、本発明の第３の実施例における原理を説明する図である。

一点鎖線は、略回転対称の場に形成された対物レンズの対称軸が一致するべき軸であり、一次電子ビーム行路の基準となる。以下、中心軸と呼ぶ。

図１１（ａ）において、複数の一次ビーム１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃはレンズ１１０２ａ、１１０２ｂ、１１０２ｃによる集束作用により、第一の像１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃを形成する。レンズ１１０２ａ、１１０２ｂ、１１０２ｃは、図２に示したようなレンズアレイにおいて形成された複数のアインツェルレンズの一部である。

第一の像１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃは、中心軸に対して垂直な同一面上に形成され、対物レンズ１１０５ａおよび１１０５ｂはこれを物面１１０４ａとする。第一の像１１０３ａ、１１０３ｂ、１１０３ｃから放射された電子ビームは対物レンズ１１０５ａおよび１１０５ｂの作用により試料１１０６上に向かって縮小投影され、第二の陰極像１１０７ａ、１１０７ｂ、１１０７ｃが形成される。その際、第二の像１１０７ａ、１１０７ｂ、１１０７ｃが形成される像面１１０８ａは中心軸に対して垂直な面ではない。対物レンズ１１４ａおよび１１４ｂの像面湾曲収差によって中心軸から離れるに従い物面に近づく方向に湾曲する。このため、複数のビーム１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃのうち、少なくとも一つは、試料１１７上に第二の像を形成することができない。

そこで、図１１（ｂ）に示すように、本発明では、対物レンズの物面１１０４ｂが中心軸から離れるに従い試料に近づく方向に湾曲するよう、レンズ１１０２ａ、１１０２ｂ、１１０２ｃの焦点距離を調整する。

これにより、対物レンズ１１０５ａおよび１１０５ｂの像面湾曲収差があっても、像面１１０８ｂは中心軸に対して垂直な同一面上に形成される。即ち、複数のビーム１１０１ａ、１１０１ｂ、１１０１ｃは共に試料１１７上に第二の像１１０７ａ、１１０７ｂ、１１０７ｃを形成する。

これを実現するためには、第一の像１１０３ｂに比べて１１０３ａおよび１１０３ｃを対物レンズ側に形成させる必要がある。即ち、レンズ１１０２ａおよび１１０２ｃの焦点距離をレンズ１１０２ｂの焦点距離よりも長くする必要がある。しかし、図２で説明したレンズアレイでは、複数のレンズの焦点距離が全て等しいため実現出来ない。

そこで、本実施例においては、図１２のようなレンズアレイを用いた。大きくは、上部電極１２０１、中間電極１２０２、下部電極１２０３の、互いに絶縁され略平行に積層された３枚の電極からなり、それぞれの電極は複数の開口を有する。開口部の形状は円形であり、中心軸に平行な直線上に各電極の開口が並び、アインツェルレンズを構成している。上部電極１２０１と下部電極１２０３には共通の電位（本例では、接地電位）を接続し、中間電極には電源１２０４を接続し異なる電位を印加する。

１２０５ｂは中心軸であり、図１１におけるビーム１１０１ｂの通過する経路である。１２０６ａは中心軸と平行な軸であり、図１１におけるビーム１１０１ａの通過する経路である。アインツェルレンズの焦点距離は電極間の距離と電極間に印加される電圧、そして電極の開口径で決定される。本実施例においては、１２０５ａ上に形成されるアインツェルレンズと１２０５ｂ上に形成されるアインツェルレンズに異なる焦点距離を与えるために、電極に形成された開口１２０６ａと１２０６ｂを異なる大きさとした。即ち、開口１２０６ｂよりも開口１２０６ａの径を大きくすることにより、軸１２０５ｂ上に形成される焦点距離よりも軸１２０５ａ上に形成される焦点距離を長くした。

これとは別に、図１３に示すようなレンズアレイを用いてもよい。１３０５ｂは中心軸であり、図１１におけるビーム１１０１ｂの通過する経路である。１３０６ａは中心軸と平行な軸であり、図１１におけるビーム１１０１ａの通過する経路である。図１３（ａ）において、中間電極は、１３０２ａおよび１３０２ｂの、互いに絶縁された２枚の部分電極に分割されている。上部電極１３０１および下部電極１３０３は１枚の電極であり、共通の電位（ここでは接地電位）が接続されている。

２枚に分割された中間電極１３０２ａと１３０２ｂにはそれぞれ電源１３０４ａおよび１３０４ｂが接続され、異なる電位が印加される。電極１３０２ｂに印加される電位Ｖｂの絶対値に比べて電極１３０２ａに印加される電位Ｖａの絶対値を小さくすることにより、軸１３０５ｂ上に形成される焦点距離よりも軸１３０５ａ上に形成される焦点距離を長くした。

尚、図１３（ａ）では、中間電極を２つの電極に分割したが、これとは別の分割方法でも良い。例えば、８本の一次ビームを４本ずつ同心円上に設ける場合は、図１３（ｂ）に示すように３枚の電極１３０２ｃ、１３０２ｄ、１３０２ｅに分割し、中心軸から同一距離にある開口に電圧を印加する電極１３０２ｃと１３０２ｅには同一電圧Ｖａを印加しても良い。また、４×４本の一次ビームを設ける場合には、図１３（ｃ）に示すように、３枚の電極１３０２ｆ、１３０２ｇ、１３０２ｈに分割してもよく、その場合、各電極に印加する電位の絶対値は、Ｖｃ＜Ｖａ＜Ｖｂのように、中心軸に近いほどに大きくなるようにする。

以上のようなレンズアレイを用いることにより、対物レンズの像面湾曲収差を補正し、試料に到達するビームを良好に集束させることが出来る。

（実施例４）
図１４は、本発明の第４の実施例に係るシングルビーム型の電子線検査装置の概略構成を示す図である。電子銃１０１は仕事関数の低い物質よりなる陰極１０２、陰極１０２に対して高い電位を持つ陽極１０５、陰極と陽極の間に形成される加速電界に磁場を重畳する電磁レンズ１０４からなる。本実施例でも、実施例１と同様、大きな電流が得やすく電子放出も安定したショットキー型の陰極を用いた。陰極１０２から放出された一次ビーム１０３は、電磁レンズ１０５による集束作用を受けながら陽極１０５の方向に加速され、コンデンサーレンズ１４０１に入射する。コンデンサーレンズ１４０１は一次ビームに集束作用を与え、また、絞り１４０２を通過する一次ビームの量を制御する。絞り１４０２を通過した一次ビームは対物レンズ１４０３により集束され、試料１１７上に到達する。

試料１１７は、パレット１１８を介して移動可能なステージ１１９上に載置されている。ステージ１１９は、ステージ制御装置１２８により制御される。実施例１と同様、パレット１１８の内部には静電吸着装置が組み込まれ、これにより、試料１１７を保持し、且つ、平坦な吸着面に矯正する。また、試料１１７には一次ビームを減速させるための負の電圧が印加される。

１１５は偏向器である。走査信号発生装置１２９により偏向器１１５に信号が入力されると、一次ビームは偏向作用を受け、試料上をラスタ走査する。

試料１１７と一次ビームの相互作用により発生した二次ビーム１２０は、検出器１４０４により検出され、その信号は増幅回路１４０５により増幅され、Ａ/Ｄ変換機１３１によりデジタル化される。デジタル化された信号は、システム制御部１２５内の記憶装置１３２に画像データとして一旦格納される。その後、演算部１３３が画像の各種統計量の算出を行い、最終的には欠陥判定部１３４が予め求めておいた欠陥判定条件に基づき欠陥の有無を判定する。判定結果は画像表示装置１２６に表示される。

一方、光学系制御回路１２７は、表面電位制御電極１１６に電圧を印加することにより、試料近傍の電界強度を制御する。例えば、試料から発生した二次ビームの一部が試料表面に再び戻るような電界分布を形成する。または、試料から発生した二次ビームが試料表面に戻らずに検出器１４０４に到達するような電界分布を形成する。このように二次ビーム１２０の軌道を制御することにより、試料の帯電状態を制御し、コントラストの高い画像を得ることが出来る。

本実施例では、実施例１と同様に、静電吸着装置を用いて試料を平坦な吸着面に矯正することにより、また、図４（ｂ）に示した高さ検出機構を用いることにより、表面電界制御電極と試料の距離Ｌを１ｍｍ以下とすることを可能とした。これにより、一次ビームの色収差および偏向収差を低減した。また、試料の負帯電効率欠陥検出感度を向上させることが出来た。また、二次ビーム１２０が試料１１７から検出器１４０４に到達するまでの時間を短縮することにより、検出信号の時間分解能を高め、画像のコントラストを向上することが出来た。

以上のように、シングルビーム型の電子線検査装置においても、静電吸着装置を用いて試料を平坦な吸着面に矯正することにより、また、図４（ｂ）に示した高さ検出機構を用いることにより、表面電界制御電極と試料の距離Ｌを１ｍｍ以下とすることにより、コントラスト向上の効果を得ることが出来る。

なお、上述した実施例では、一個の電子源を用いて形成したマルチビーム型やシングルビーム型の電子線検査装置を例にとって説明してきたが、この例に限らず、複数の電子源を用いてマルチビームを形成する構成の描画装置であっても適用可能であり、また、電子ビームに限らず、イオンビーム等の荷電粒子ビームを用いたマルチビーム方式の描画装置に適用しても有効である。

本発明の第１の実施例に係るマルチビーム型の電子線検査装置の構成を説明する図。 第１の実施例におけるレンズアレイの構造を説明する図。 第１の実施例における静電吸着装置と試料と表面電界制御電極について説明する図。 第１の実施例における、（ａ）表面電界制御電極を示す図、（ｂ）高さ検出機能を示す図、および（ｃ）複数開口型の表面電界制御電極を示す図。 ラスタ走査を説明する図。 第１の実施例における振り戻し偏向器の効果を説明する図。 本発明の第２の実施例に係るマルチビーム型の電子線検査装置の構成を説明する図。 対物レンズ内の（ａ）一次ビームの軌道と（ｂ）二次ビームの軌道を示す図。 第２の実施例における二次ビームの分離検出方法を説明する図。 第２の実施例における、（ａ）偏向器アレイを説明する概略図、および（ｂ）円筒型分離素子を説明する概略図。 本発明の第３の実施例における像面湾曲を補正する原理を説明する図。 第３の実施例におけるレンズアレイの構成例を説明する図。 第３の実施例におけるレンズアレイの別の構成例を説明する図。 本発明の第４の実施例に係るシングルビーム型の電子線検査装置の構成を説明する図。

符号の説明

１０１…電子銃、１０２…陰極、１０３…一次ビーム、１０４…電磁レンズ、１０５…陽極、１０６…第一の陰極像、１０７…コンデンサーレンズ、１０８…アライナー、１０９…アパーチャーアレイ、１１０…アライナー、１１１…レンズアレイ、１１２ａ…第二の陰極像、１１２ｂ…第二の陰極像、１１２ｃ…第二の陰極像、１１３…ウィーンフィルター、１１４ａ…対物レンズ、１１４ｂ…対物レンズ、１１５…偏向器、１１６…表面電界制御電極、１１７…試料、１１８…パレット、１１９…ステージ、１２０…二次ビーム、１２１…静電レンズ、１２２…絞り、１２３…振り戻し偏向器、１２４ａ…検出器、１２４ｂ…検出器、１２４ｃ…検出器、１２５…システム制御部、１２６…画像表示装置、１２７…光学系制御回路、１２８…ステージ制御装置、１２９…走査信号発生装置、１３０ａ…増幅回路、１３０ｂ…増幅回路、１３０ｃ…増幅回路、１３１…Ａ/Ｄ変換機、１３２…記憶装置、１３３…演算部、１３４…欠陥判定部、２０１…上部電極、２０２…中間電極、２０３…下部電極、２０４…電源３０１…誘電体、３０２ａ…吸着電極、３０２ｂ…吸着電極、３０３ａ…直流電源、３０３ｂ…直流電源、３０４…リターディング電源、３０５…接触端子、３０６…押さえ治具、３０７…電源、４０１…開口、４０２…開口、４０３…開口、４０４…高さ検出用レーザー発光器、４０５…ポジションセンサー、４０６…レーザ光、９０１…二次ビーム分離素子、１００１…貫通孔、１００２ａ…貫通孔、１００２ｂ…貫通孔、１００２ｃ…貫通孔、１００２ｄ…貫通孔、１００３…電源、１００４…第一電極、１００５…第二電極、１１０１ａ…一次ビーム、１１０１ｂ…一次ビーム、１１０１ｃ…一次ビーム、１１０２ａ…レンズ、１１０２ｂ…レンズ、１１０２ｃ…レンズ、１１０３ａ…第一の像、１１０３ｂ…第一の像、１１０３ｃ…第一の像、１１０４ａ…物面、１１０４ｂ…物面、１１０５ａ…対物レンズ、１１０５ｂ…対物レンズ、１１０６…試料、１１０７ａ…第二の像、１１０７ｂ…第二の像、１１０７ｃ…第二の像、１１０８ａ…像面、１１０８ｂ…像面、１２０１…上部電極、１２０２…中間電極、１２０３…下部電極、１２０４…電源、１２０５ａ…中心軸と平行な軸、１２０５ｂ…中心軸、１２０６ａ…開口、１２０６ｂ…開口、１３０１…上部電極、１３０２ａ…中間電極、１３０２ｂ…中間電極、１３０２ｃ…中間電極、１３０２ｄ…中間電極、１３０２ｅ…中間電極、１３０２ｆ…中間電極、１３０２ｇ…中間電極、１３０２ｈ…中間電極、１３０３…下部電極、１３０４ａ…電源、１３０４ｂ…電源、１３０５ａ…中心軸と平行な軸、１３０５ｂ…中心軸、１４０１…コンデンサーレンズ、１４０２…絞り、１４０３…対物レンズ、１４０４…検出器、１４０５…増幅回路。

Claims (8)

1. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影する電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源と、前記試料を載置し移動可能なステージを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記一次荷電粒子線の行路と前記二次荷電粒子線の行路とを分離するウィーンフィルターと、
   前記ウィーンフィルターと前記試料の間に設置され、前記複数の一次荷電粒子線を前記試料上で走査する第１の偏向器と、
   前記ウィーンフィルターにより分離された前記二次荷電粒子線を偏向する第２の偏向器と、
   前記第１の偏向器による前記第一次荷電粒子線の前記試料上の照射位置の変化に伴う、前記試料上での二次荷電粒子線の発生の変化と、前記第１の偏向器が前記二次荷電粒子線に及ぼす偏向作用の両方をキャンセルするように、前記第２の偏向器を制御する制御手段とを有し、
   前記複数の検出器は、前記ウィーンフィルターにより分離され前記第２の偏向器により偏向される前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成したことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
2. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影して、偏向器により前記試料上を走査せしめる電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源とを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記電子光学系の瞳面に、前記一次荷電粒子線と前記二次荷電粒子線を分離する分離手段を有し、
   前記複数の検出器は、前記分離手段により分離された前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成し、
   前記分離手段は、同一基板上に設けられた偏向器アレイであり、
   前記基板は、前記一次荷電粒子線が通過する第１の開口部と、前記第１の開口部の周囲に前記二次荷電粒子線が通過する複数の開口部を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
3. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影して、偏向器により前記試料上を走査せしめる電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源とを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記電子光学系の瞳面に、前記一次荷電粒子線と前記二次荷電粒子線を分離する分離手段を有し、
   前記複数の検出器は、前記分離手段により分離された前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成し、
   前記分離手段が、第一の筒型電極と第一の筒型電極の内部に設けられた第二の円筒型電極よりなり、前記第一の筒型電極と前記第二の筒型電極の中心軸が略同一であり、且つ、第一の筒型電極と第二の筒型電極に異なる電圧を印加可能であることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
4. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影して、偏向器により前記試料上を走査せしめる電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源とを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記対物レンズは、第１のレンズと第２のレンズを有し、前記光学系は、前記第１のレンズと前記第２のレンズの間に、前記複数の一次荷電粒子線が互いに交わる瞳面が形成されるように構成され、前記複数の検出器は、前記瞳面の前記一次荷電粒子線の軌道をさえぎらない位置に設置され、
   前記複数の検出器は、前記電子光学系の瞳面に設置され、前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成したことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
5. 請求項１、又は４に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記対物レンズが中心軸の周りに略回転対称な場を形成するように配置され、
   前記レンズアレイが、互いに絶縁され、且つ略平行に積層された三枚の電極よりなり、
   前記三枚の電極は、それぞれ、前記複数の一次荷電粒子線が通過する複数の開口を有し、
   前記三枚の電極のうち残りの二枚に挟まれた中間電極が、互いに絶縁された第一部分電極と第二部分電極に分割され、
   前記第一部分電極は第一の開口と第二の開口を備え、前記第二部分電極は第三の開口を備え、
   前記第一の開口と中心軸間の距離は、前記第二の開口と中心軸間の距離と略等しく、前記第三の開口と中心軸間の距離が異なることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
6. 請求項１、又は４に記載の荷電粒子線応用装置において、
   前記対物レンズが中心軸の周りに略回転対称な場を形成するように配置され、
   前記レンズアレイが、互いに絶縁され、且つ略平行に積層された複数の電極よりなり、
   前記複数の電極が、それぞれ複数の開口を備え、前記複数の電極のうち少なくとも一枚の電極に形成された開口の大きさは、中心軸の距離に応じて異なることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
7. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影して、偏向器により前記試料上を走査せしめる電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源とを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記電子光学系の瞳面に、前記一次荷電粒子線と前記二次荷電粒子線を分離する分離手段を有し、
   前記複数の検出器は、前記分離手段により分離された前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成し、
   前記対物レンズが中心軸の周りに略回転対称な場を形成するように配置され、
   前記レンズアレイが、互いに絶縁され、且つ略平行に積層された三枚の電極よりなり、
   前記三枚の電極は、それぞれ、前記複数の一次荷電粒子線が通過する複数の開口を有し、
   前記三枚の電極のうち残りの二枚に挟まれた中間電極が、互いに絶縁された第一部分電極と第二部分電極に分割され、
   前記第一部分電極は第一の開口と第二の開口を備え、前記第二部分電極は第三の開口を備え、
   前記第一の開口と中心軸間の距離は、前記第二の開口と中心軸間の距離と略等しく、前記第三の開口と中心軸間の距離が異なることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
8. 複数の一次荷電粒子線を形成して、レンズアレイにより前記複数の一次荷電粒子線を個別に集束し、対物レンズにより試料上に投影して、偏向器により前記試料上を走査せしめる電子光学系と、前記複数の一次荷電粒子線の照射により前記試料の複数の箇所から発生した複数の二次荷電粒子線を個別に検出する複数の検出器と、前記試料に電圧を印加する電源とを備えた荷電粒子線応用装置において、
   前記電子光学系の瞳面に、前記一次荷電粒子線と前記二次荷電粒子線を分離する分離手段を有し、
   前記複数の検出器は、前記分離手段により分離された前記複数の二次荷電粒子線を個別に検出するよう構成し、
   前記対物レンズが中心軸の周りに略回転対称な場を形成するように配置され、
   前記レンズアレイが、互いに絶縁され、且つ略平行に積層された複数の電極よりなり、
   前記複数の電極が、それぞれ複数の開口を備え、前記複数の電極のうち少なくとも一枚の電極に形成された開口の大きさは、中心軸の距離に応じて異なることを特徴とする荷電粒子線応用装置。

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