JP2005276881A - パターン評価方法及び該方法を用いたデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のビームを走査して試料上のパターンを評価するにビームごとに得られた小２次元画像を接続して大きな２次元画像が得られるようにした。
【解決手段】 複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ、ｂ．開口の縮小像を試料面上に結像させるステップ、ｃ．上記結像された複数のビームを走査しビームごとの２次元画像を取得するステップ、ｄ．上記ビームごとの２次元画像を接続して大きな２次元画像を形成するステップ、ｅ．複数のビーム間の一軸方向の間隔を測定するステップ、ｆ．上記間隔を画素サイズの整数倍に合せるステップを有する事を特徴とする。
【選択図】 図２

Description

発明の詳細な説明

発明の属する技術分野

本発明は最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有する試料の評価を高スループットで行う方法に関し、さらに該評価方法を用いてデバイスを歩止まり良く製造する方法に関する。

従来技術とその課題

従来、電子ビームを用いて半導体デバイスの欠陥検査や、ＣＤ(Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ)測定、合せ精度測定等のパターン評価を行なう場合、マルチビームを一本の光学系内に形成し、該マルチビームを走査して２次元画像を得る方法は提案されている。

しかしながら、従来は、各ビームに対応する複数の検出器から得られた小さな２次元画像を接続して一つの大きな画像を形成する技術については知られていない。このため、評価は各ビーム毎に行ない、複雑な手順を要し効率が悪かった。

また、従来、マルチビームを形成するに、複数のエミッタから放出された電子線を光軸から等距離に配置された開口に照射してマルチビームを形成する技術が提案されている。
しかしながら、従来のこの技術は、マルチビーム間の間隔が大きいので２次電子を独立に検出するのは容易ではあるが、ビームが光軸から比較的遠い位置にあるので一次電子線に非点収差やコマ収差等が発生し、一次ビームを細く収束するのに問題があった。

また、ＣＤ測定や合せ精度測定は従来１０ｎｍ程度、あるいはそれ以下に電子線を絞り、線幅や線間隔を測定する事により行われていた。
しかしながら、従来の技術ではビーム寸法が小さいためにビーム電流が小さくなり、良好なＳ／Ｎ比の信号波形を得て精度を向上しようとすると走査速度を小さくする必要があり、スループットが小さくなる問題点があった。

また、複数のビームで試料上を走査して試料の評価を行う方法としては、マルチカラムを用いる方法や、光軸を中心とする円の円周上に複数のビームを配置する方法が提案されていた。

しかしながら、マルチカラムを用いる方法では、ウェーハ寸法が１２インチになっても、せいぜい数本のカラムをウェーハ上に配置できるのみでスループットをあまり向上することができず、且つ高価な装置になる欠点てがあった。また、マルチビームを円の円周上に配置する方法では、多くのビームを発生させるには円の直径を大きくする必要があり、像面湾曲以外の諸収差、すなわち、非点収差やコマ収差が大きくなり、ビームを細く絞れない問題点があった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたもので、本発明の第１の目的は、複数のビームに対応する複数の小さな２次元画像を接続して大きな２次元画像を作る方法を提供する事を目的とする。

また、本発明の第２の目的は、一次ビームを細く収束するのに問題がなく、かつ２次電子もクロストーク無しに効率良く検出できるパターン評価方法を提供する事を目的とする。

本発明の第３の目的は、高スループットでＣＤ測定や合せ精度を測定する方法を提供する事を目的とする。

本発明の第４の目的は、一本の光軸の近傍に多くのマルチビームを発生させ、それらのビームを同時に走査した時のそれぞれのビームからの２次電子信号を効率良く検出でき、さらにレンズ段数も少くした電子光学系を用いたパターン評価方法を提供する事を目的とする。

上記第１の目的を達成するため、本発明による第１のパターン評価方法は、
複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
ｂ．開口の縮小像を試料面上に結像させるステップ
ｃ．上記結像された複数のビームを走査しビームごとの２次元画像を取得するステップ
ｄ．上記ビームごとの２次元画像を接続して大きな２次元画像を形成するステップ
ｅ．複数のビーム間の一軸方向の間隔を測定するステップ
ｆ．上記間隔を画素サイズの整数倍に合せるステップ
を有する事を特徴とする。

上記方法においては、複数のビームを使用し、ビームごとに得られた２次元画像を接続して大きな２次元画像を形成するに、複数のビーム間の一軸方向の間隔を画素サイズの整数倍に合せるようにしたので、一つのビームが走査して得られた小さな２次元画像と、隣接するビームが走査して得られた２次元画像とを正確に接続することができ、高精度なパターン評価が可能となる。

また、上記第１の目的を達成するため、本発明による第２のパターン評価方法は、
複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
ｂ．開口の縮小像を試料面上に結像させるステップ
ｃ．上記結像された複数のビームを一軸方向にストライプの幅だけ走査し２次元画像を取得するステップ
ｄ．ｃのステップに於て上記２次元画像を取得する時、試料台を他軸方向に連続移動し続け、評価領域の端迄達するとその他軸方向への移動を止め、ステージをストライプの幅だけ上記一軸方向へステップ移動させるステップ
とを有し、上記ストライプとストライプの境界は上記複数のビームの一軸方向位置に対応した凸凹を有する事を特徴とする。

該方法によれば、複数のビームでパターンを評価するに、ストライプごとに複数のビームで評価し、その際ストライプとストライプとの境界を複数のビームの一軸方向の位置に対応して凹凸を有するようにしたので、重複走査、不足走査を生ずることなく、複数のビームで効率良く評価することができる。

また、上記第１の目的を達成するため、本発明の第３のパターン評価方法は、
複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
ｂ．開口の縮小像を試料面に結像させるステップ
ｃ．上記結像された複数のビームを一軸方向に走査し、ビーム毎に対応した検出器からの信号で２次元画像を得るステップ及び
ｄ．試料上での各ビームの相互間のｘ方向及びｙ方向のあらかじめ設定してある距離だけ上記２次元画像の位置を移動させて該２次元画像を接続することにより広い領域の２次元画像を形成するステップ
とを有する事を特徴とする。

該方法によれば、複数のビームでパターンを評価するに、試料上での各ビームの相互間のｘ方向及びｙ方向のあらかじめ設定してある距離だけ各ビームから得られる小２次元画像の位置を移動させて接続するようにしたので、複数のビームから得られる小２次元画像を全て接続した大きな２次元画像を得ることができる。

また、上記第１の目的を達成するため、本発明の第４のパターン評価方法は、
複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
ａ．複数のビームを生成するステップ
ｂ．複数のビームをｘ方向パターン又はｙ方向パターン辺を有するマーク上を走査し、各ビームからの発生電子を対応する検出器で検出し、２次元画像を形成するステップ
ｃ．各検出器からの２次元画像をビーム間距離のあらかじめ設定した値をもとに接続するステップ
ｄ．上記接続して得られたマーク像の形状が正常になる様にビーム間距離を変更して接続し、マーク像が最も正常になるビーム間距離を記憶するステップ及び
ｅ．各ビームで被評価試料の２次元像を取得し、上記記憶したビーム間距離で各ビームから得られた２次元画像を接続してより広い試料の２次元像を得るステップ
とを有する事を特徴とする。

該方法によれば、上記各ビームからの小２次元画像を接続して大きな２次元画像を形成するに、試料上での各ビームの相互間のｘ方向及びｙ方向のあらかじめ設定してある距離だけ上記２次元画像の位置を移動させて接続するのみならず、接続して得られたマーク像の形状が正常になる様に実際のズレをも修正してビーム間距離を変更して接続するようにしたから、高精度な大きな２次元画像を得ることができる。

また、上記第２の目的を達成するため、本発明の第５のパターン評価方法は、
基板に形成されたパターン上をマルチビームで走査し、走査点から放出される２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
ｂ．上記加速された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
ｃ．上記開口で複数にされたビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
ｄ．走査点から放出された２次電子群の互の間隔を拡大して検出器に導くステップ及び
ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．６ＫＶであり、上記２次電子群は２段のレンズを一次電子線と共通の通路とする事を特徴とする。

該方法によれば、２段のレンズを１次電子線と２次電子線とが共通の通路とする電子光学系において、１次電子線のランディングエネルギー／２次電子のエネルギーの比が、従来のものに比べて相当小さいので、一次ビームと二次ビームの合焦条件を容易に合せることができ、このため一本の光軸の近傍にマルチビームを形成することができる。

また、上記第２の目的を達成するため、本発明の第６のパターン評価方法は、
基板に形成されたパターンをマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
ｂ．上記電子線を複数の開口でマルチビームとするステップ
ｃ．上記マルチビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
ｄ．走査点から放出された２次電子群を互の間隔を拡大して検出器に導くステップ及び
ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．３（ＫＶ）であり、上記２次電子群は１段のレンズを一次電子線と共通の通路とする事を特徴とする。

該方法によれば、１段のレンズを１次電子線と２次電子線とが共通の通路とする電子光学系において、上記第６のパターン評価方法と同様な作用効果を得ることができる。
また、上記第２の目的を達成するため、本発明の第７のパターン評価方法は、
基板に形成されたパターンをマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
ｂ．上記電子線を複数の開口でマルチビームとするステップ
ｃ．上記マルチビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ及び
ｄ．上記走査点から放出された２次電子を検出して２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．５（ＫＶ）であり、試料に最も近く、１次電子線と２次電子線が共に通るレンズが電磁レンズを含む事を特徴とする。

該方法によれば、１次電子線と２次電子線とが共に通る試料に最も近いレンズが電磁レンズを含む電子光学系において、上記第６のパターン評価方法と同様な作用効果を得ることができる。

また、上記第２の目的を達成するため、本発明の第８のパターン評価方法は、
基板に形成されたパターン上をマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
ｂ．上記加速された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
ｃ．上記開口で複数にされたビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
ｄ．複数の走査点から放出された２次電子群の互の間隔を拡大して検出器に導くステップ
ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．５ＫＶであり、上記試料に最も近いレンズは電磁レンズを含む事を特徴とする。

該方法によれば、１次電子線と２次電子線とが共に通る試料に最も近いレンズが電磁レンズを含む電子光学系において、上記第６のパターン評価方法と同様な作用効果を得ることができる。

また、上記第２の目的を達成するため、本発明の第９のパターン評価方法は、
上記第５〜第８のいずれかのパターン評価方法に於て、上記電子光学系は複数の光軸を有し、該複数の光軸の一軸方向への投影距離は互に等間隔である事を特徴とする。

該方法によれば、上記電子光学系が複数の光軸をもつようにしたので、それぞれの方法の利点を有する他に、光軸の数に応じてスループットを向上させることができる。
上記第３の目的を達成するため、本発明の第１０のパターン評価方法は、
マルチビームを用いてパターンの評価を行う方法であって、
ａ．熱電子放出電子銃より放出される電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
ｂ．開口板から出た電子線を縮小して試料上に合焦させるステップ
ｃ．パターン辺に直角方向にマルチビームで同時に走査するステップ
ｄ．走査点から放出された２次粒子線をマルチビームに対応するマルチ検出器により検出し、信号波形を取得し、記憶するステップ
ｅ．上記マルチビームに対応する複数の信号波形からＣＤ値又はパターン間隔を算出するステップ
とを有する事を特徴とする。

また、上記第３の目的を達成するため、本発明の第１１のパターン評価方法は、
上記第１０のパターン評価方法に於て、上記マルチビームはｘ軸及びｙ軸と平行でない直線に沿って並んでいる事を特徴とする。

これら第１０および１１のパターン評価方法によれば、マルチビームに対応する数の信号波形からＣＤ値またはパターン間隔を算出するようにしたので、これらＣＤ値またはパターン間隔の評価において、ビーム数だけ測定時間を短縮することができる。

また、上記第３の目的を達成するため、本発明の第１２のパターン評価方法は、
マルチビームを用いてパターンの評価を行う方法であって、
ａ．熱電子放出電子銃より放出された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
ｂ．開口板を通過した電子線を縮小して試料に合焦させるステップ
ｃ．パターン辺に直角方向にマルチビームで同時に走査するステップ
ｄ．走査点から放出された２次粒子線をマルチビームに対応するマルチ検出器により検出し、信号波形を取得し、記憶するステップ
ｅ．パターン辺に平行方向に１ピクセルずつマルチビームを移動させ、ｃ、ｄのステップをくり返すステップ
ｆ．上記マルチビームに対応する複数の信号波形から上記パターンの２次元画像を形成するステップ及び
ｇ．ｆのステップで得たパターンからエッジラフネスを算出するステップ
とを有する事を特徴とする。

該方法によれば、マルチビームに対応する数の信号波形からエッジラフネスを算出するようにしたので、該エッジラフネスの評価において、ビーム数だけ測定時間を短縮することができる。

また、上記第３の目的を達成するため、本発明の第１３のパターン評価方法は、
上記第１０〜１２のパターン評価方法に於て、上記電子銃は、熱電子放出カソードを有し、そのカソードを空間電荷制限条件で動作させる事を特徴とする。

該方法によれば、上記第１０〜１２のそれぞれのパターン評価方法において、ショット雑音を低減させることができる。
また、上記第４の目的を達成するため、本発明の第１４のパターン評価方法は、
複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって、次のステップ、
ａ．電子銃から放出される電子線を少くとも２枚の電極を有するアノードでビームの放出角度を調整するプロセス
ｂ．上記放出角度を調整された電子線をコンデンサレンズで集束しＮＡ開口にクロスオーバを形成するプロセス
ｃ．上記コンデンサレンズの近傍に設けられたマルチ開口でマルチビームを形成するプロセス
ｄ．ＮＡ開口の像を縮小レンズによって対物レンズの主面近傍に結像されるプロセス
ｅ．マルチ開口の縮小像を縮小レンズと対物レンズとで試料面に合焦させるプロセス
ｆ．試料上をマルチビームでダイナミックフォーカスをかけながら走査するステップ
ｇ．試料から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
ｈ．ＥＸＢ分離器で２次電子を偏向し、二次光学系に向けるプロセス
ｉ．マルチの２次電子の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するプロセス及び
ｊ．マルチの２次電子をそれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し試料の評価を行うプロセスとを有する事を特徴とする。

該方法によれば、アノードを複数にしたレンズで電子銃からのビームの放出角度やクロスオーバ寸法を調整できるようにしたので、必要なレンズを１段とその軸合せ装置が不要となり、簡単な光学系でマルチビームを形成することができる。

また、上記第４の目的を達成するため、本発明の第１５のパターン評価方法は、
複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって、次のステップ
ａ．電子銃から放出された電子線をコンデンサレンズでＮＡ開口に合焦させるステップ
ｂ．上記ＮＡ開口の像を縮小レンズで対物レンズの主面近傍に合焦させるステップ
ｃ．コンデンサレンズの前か後ろに設けられたマルチ開口でマルチビームを形成するステップ
ｄ．上記マルチビームを縮小レンズと対物レンズで試料上に合焦させるステップ
ｅ．試料上をマルチビームでダイナミックフォーカスをかけながら走査するステップ
ｆ．走査点から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
ｇ．ＥＸＢ分離器で２次電子を偏向し、二次光学系に向けるプロセス
ｈ．マルチの２次電子の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するステップ及び
ｉ．マルチの２次電子をぞれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し、試料の評価を行うステップとを有し、上記試料近傍の電界強度は１．５ＫＶ／ｍｍ〜５．５ＫＶ／ｍｍの範囲で調整可能とした事を特徴とする。

該方法によれば、マルチビームを試料表面に合焦、走査して２次元画像を形成して試料のパターン評価をするに、試料近傍の電界強度を．１５ＫＶ／ｍｍ〜５．５ＫＶ／ｍｍの範囲で調整可能としたので、試料表面の性状に応じて電界強度を適宜調整することにより、検出器での２次電子のボケの大きさが小さく、しかもレンズと試料間で放電を生ずるおそれのないパターン評価方法を提供することができる。

また、上記第４の目的を達成するため、本発明の第１６のパターン評価方法は、
複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって次のステップ、
ａ．熱電子放出カソードを有する電子銃から放出される電子線をマルチ開口に照射するステップ
ｂ．マルチ開口を通過した電子線をＮＡ開口に合焦させるステップ
ｃ．マルチ開口で分離された電子線を縮小レンズと対物レンズとで縮小し試料上を走査するステップ
ｄ．試料の走査点から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
ｅ．ＥＸＢ分離器で上記２次電子を二次光学系に向けるステップ
ｆ．マルチの２次電子像の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するステップ及び
ｇ．マルチの２次電子をそれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し、試料の評価を行うプロセスとを有し、上記マルチビームの配置はｍ行ｎ列とし、ｉ行ｊ列とｉ＋１行ｊ列間の間隔はｉ行ｊ列とｉ行ｊ＋１列の間隔にほぼ等しい事を特徴とする。

該方法によれば、一次光学系のビームを二次光学系の分解能より大きく、しかもビームの一軸方向の間隔を全て等しくなる条件でできるだ多くのビームをできるだけ小さい円内に配置することができ、これによって非点収差やコマ収差等を大きくすることなくビームを細く絞ることができる。

また、上記第４の目的を達成するため、本発明の第１７のパターン評価方法は、
上記第１４〜１６のパターン評価方法に於て、上記電子銃、一次光学系、二次光学系及び検出系が一枚のウェーハ上に複数本配置されていて、上記一次光学系のレンズは一枚のセラミック基板に光学系の数に対応した光軸用の穴を有する電極を複数枚重ねて構成されている事を特徴とする。

該方法によれば、光学系の数に応じてパターン評価のスループットを向上させることができ、しかも構造が簡単で、製造および組立が容易であるので安価にパターン評価用の電子光学系をつくることができる。

また、本発明は、デバイスの製造において上記いずれかのパターン評価方法を用いてプロセス途中又は終了後のウェーハの評価を行う事を特徴とする。
該方法によれば、ぞれぞれのパターン評価方法の利点を有するデバイス製造方法が得られる。

発明の実施の形態

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図に沿って説明する。
(第１の実施の形態)
図１は本発明の第１の実施の形態のパターン評価方法に用いられる電子光学系の説明図である。電子銃１から放出された電子線は軸合せ偏向器２７でコンデンサレンズ２及びマルチ開口３に軸合せされる。マルチ開口を通過したビームは軸合せ偏向器２８でＮＡ開口４と縮小レンズ５に軸合せされる。マルチ開口は２６で縮小像を作り、さらに対物レンズ１１で試料１２上に６〜２０個のマルチビームを結像させる。マルチビームは２段の偏向器２９と１０とで試料１２を一軸方向にストライプの幅寸法だけ走査され、他軸方向へは偏向器による走査と試料台を連続移動させることによって２次元像を得る。試料１２から放出された２次電子は対物レンズ１１で加速され、集束され、ＥＸＢ分離器９で一次光学系から分離されて二次光学系へ入射され、拡大レンズ１３、１４で電子像を拡大され、ＭＣＰ検出器１５で増倍され、マルチアノード１６で吸収され、抵抗１７で電気信号に変換され、増幅器・Ａ／Ｄコンバータ及び画像形成回路１８で２次元画像が作られ、ＣＰＵ７のメモリーにストアされる。ここで、ストライプとは、一回のステージ(試料支持台)連続移動で評価が行なえる領域で、偏向器による走査幅×試料の他軸方向の寸法の面積を有し、その内部および境界に評価すべきパターンが存在する。

試料の評価を始める前にステージ上に常備されているＬ字マーカ１９(図１の右下に示す)をマルチビーム２０−２５で走査を行い、それぞれのビームから発生した２次電子をそれぞれの検出器で検出し、それぞれの小２次元画像を作る。その結果をマルチビームの各位置の設計値をもとに画像をつなぎ合せる。

このつなぎ合せの結果８で示した様なパターン(図１左側に示す)が得られたとすると、各小２次元画像の間に３０で示した様につなぎが見られる。このつなぎのズレからｘ方向に最初の設計値からさらに実際にいくらずれているかがわかる。このマルチビームの各位置のｘ座標の設計値からの実際のズレを修正すれば３０のズレを無くすことができる。例えば、３０のように図で下のビームが作ったパターンが上のパターンに対し右にズレていれば、下のビームのｘ座標を設計値より左にズラせばよい。この実際のズレの修正は、画像を見ながら行なうことができる。

次にマルチビーム間のｙ方向間隔について述べる。このシステムでのピクセル寸法が１００ｎｍ、ビーム間隔が１μｍ、１０本のビームであるとすると、図２に示した様にｙ方向の寸法が９μｍのパターンＰを走査した時の信号波形を下に示す。上端のビーム３１からの信号は、図に示した様に中間のビーム３２〜３９からの波形の５０％の振幅になる様にマルチビーム３１−４０全体の位置をｙ方向に微調する。即ち、信号波形が５０％より小さければ３１のビームはパターンの上方(外)を走査している事に相当するのでビーム全体を下へ移動させればよい。そのようにして５０％の振幅になる様に(つまり、上端のビーム３１がパターンの端に半分かかるように)ビーム位置を調整し、次に下端のビーム４０からの波形を見る。その時、実線で示した様にビーム４０からの波形の振幅が中間のビーム３２−３９からの波形の振幅の５０％を越えていればビームのｙ方向の間隔が小さ過ぎ、逆に点線の如く５０％を下回っていれば間隔が大き過ぎる事がわかる。すなわち、複数のビーム間のｙ軸方向の間隔が正確に測定されたことになる。間隔が狭ければ、縮小レンズの励起電圧を上げ、このレンズの焦点距離を短くし、縮小率を０に近ずければよいし、間隔が大きい場合は逆に縮小率を１に近ずければよい。この測定方法は隣のビームとの間隔を評価するよう１０倍拡大された測定法であるから非常に高精度な調整が可能である。このようにしてビーム間隔１μｍは画素サイズ１００ｎｍの１０倍(整数倍)に正確に一致させることができた。

このようにして、ビーム間の距離を調整し、このビーム間距離を記憶した上で、複数のビームにより小２次元画像を取得し、これを上記記憶したビーム間距離に基づき繋ぎ合わせることにより、高精度な大きな２次元画像を形成することができる。

図３は本実施の形態の第２の実施例を示したものである。
従来のように、単一ビームで走査する場合、図３(Ａ)に示したように、１回目の走査(開始点４１，走査４４，走査終点４７)と、２回目、３回目の走査の開始点４１，４２，４３のｘ座標と、走査終点４７，４８，４９のｘ座標は同じであるから、ストライプの境界５０，５１はｙ軸に平行な直線でよい。しかし、マルチビームを使用する場合は、各ビームが図１の２０−２５に示したように、ｘ方向の座標が同じではないので、走査の開始点３１−４０のｘ座標が異る。当然同じ時間走査するから走査の終了点もｘ座標が異る。そこで、マルチビームで評価する場合は、図３(Ｂ)に示した様に、左側のストライプ（白地）と右側のストライプ（走査線有り）との境界をｘ方向におけるビーム位置に対応して凸凹形状にすればよい。この結果、重複走査が生じて試料に余分の照射を与えることはなく、また、不足走査によって非評価領域を作る事もない。図３の走査方法で２次元画像を得るには、３１のビームからの信号で得られた画像の位置を(０，０)とすれば、３２のビームからの信号で得られた小２次元画像の位置を(ｘ_１，２，ｙ_１，２)だけ、３３のビームからの信号で得られた小２次元画像の位置を(ｘ_１，３，ｙ_１，３)だけ、一般には(ｘ_１，ｉ，ｙ_１，ｉ)だけ位置をずらして繋ぎ合わせればよい。

図４は、本実施の形態の第３の実施例を示す。
該実施例は、複数のビーム５１−５６でパターン５７を評価する場合、小２次元画像から大きな２次元画像を形成する方法を示す。
ここでは各ビーム５１−５６の隣接するビーム間のｙ方向の距離は等しく（Δｙ_{５１−５２}＝Δｙ_{５２−５３}＝Δｙ_{５３−５４}＝Δｙ_{５４−５５}＝Δｙ_{５５−５６}）、例えば、１μｍであり、また、隣接するビーム間のｘ方向の距離も等しく（Δｘ_{５１−５２}＝Δｘ_{５２−５３}＝Δｘ_{５４−５５}＝Δｘ_{５５−５６}）、例えば、０．３μｍであり、ビーム２１とビーム２４のｘ座標が等しい（ｘ_５１＝ｘ_５４）。

図（Ａ）のように、各ビーム５１−５６をｘ方向にストライプ幅だけ走査し、かつｙ方向にビーム間距離だけピクセルを移動して走査することにより、各ビーム毎に対応する信号から小２次元画像５１ａ−５６ａが得られる。なお、ビーム５６はパターン外であるので対応する画像は無い。これらの小２次元画像をビーム間位置を補正することによって、広い領域の２次元画像を得ることができる。例えば、上記のビーム位置の例で言えば、ビーム５１から得られた画像を基準に、ビーム５２から得られた画像５２ａをｙ方向へ１μｍ、ｘ方向へ−０．３μｍ移動させ、ビーム５３から得られた画像５３ａをｙ方向へ２μｍ、ｘ方向へ−０．６μｍ移動させ、ビーム５４から得られた画像５４ａをｙ方向へ３μｍ、ｘ方向へ０μｍ移動させ、ビーム５５から得られた画像５５ａをｙ方向へ４μｍ、ｘ方向へ−０．３μｍ移動させ、ビーム間の位置を補正することにより、連続したパターンの２次元画像５８を得ることができる。勿論、この実施例においても、上記したように、各ビーム５１−５６間のｙ方向への間隔をピクセル寸法の整数倍になるように調整することが望ましい。

本実施の形態ではマルチビームの試料台連続移動方向への間隔はピクセル寸法の整数倍であるから、一つのビームが走査して得られた小画像と隣のビームが走査して得られた小画像を正確に接続して大きい２次元画像を作ることができる。

(第２の実施の形態)
図５は本発明の第２の形態で用いられる電子光学系である。電子銃１０１は先端の曲率半径が３０μｍの単結晶Ｌ_ａＢ_６カソードを有し、ここから放出される電子線を光軸近傍に設けられたマルチ開口板１０２を照射し、マルチビームが形成される。マルチ開口から出たビームはコンデンサレンズ１０３で収束されＮＡ開口１０５にクロスオーバを形成し、縮小レンズ１０４で集束され、第１対物レンズ１０６と第２対物レンズ１０８でさらに縮小され試料面１０９にマルチビームを結像させ、静電偏向器１４２、１４３で試料面を走査する。ＥＸＢ分離器１０７は一次ビームの像点でない所に配置されているので一次ビームに偏向色収差を生じる。これを避けるためＥＢ分離器１０７の電磁偏向器による偏向量を静電偏向器の偏向量の２倍にすることにより一次ビームの偏向色収差を発生しない様にしている。この状態で第１対物レンズ１０６の中心を通すため偏向器１４４でプリ偏向を行う。さらに一次電子線の主光線の軸道を１１０とすると、第２対物レンズ１０８の中心を通るが試料１０９上では光軸から少し離れた位置に入射する。ここから発生した２次電子は点線１１１の軸道を取りＥＸＢ分離器１０７でさらに偏向され二次光学系１１２に投入される。拡大レンズ１１３で互の間隔を拡大されＭＣＰ１１５でマルチビーム毎に増倍され、マルチアノード１１６に吸収され、抵抗１１８で電圧信号に変換され、１１９で増倍され、Ａ／Ｄ変換されて、２次元信号を作られ、メモリー１２０にストアされる。なお、図において、１１４は偏向器、１１７はリード線、１４１は である。また、図５の右下に検出器の平面図を示す。

ここで拡大レンズ１１３でＭＣＰ１１５の入射面に拡大像を作るためには、試料１０９から放出された二次電子が拡大レンズ１１３の主面に近い位置にレンズ１０８とレンズ１０６とで拡大像を作る必要があり、しかも、レンズ１０６、レンズ１０８で一次ビームを試料１０９の表面に合焦するレンズ条件で、上記のように二次電子の像を拡大レンズ１１３の主面に近い位置に作る必要がある。この条件を「一次ビームと二次ビームの同時合焦条件」と呼ぶことにする。

次に図６を用いて一次ビームと二次ビームの同時合焦条件を求める。
図６は、一次ビームと二次ビームとが共通に通る光学系を３種類表示したものであり、同図(Ａ)は対物レンズが１段のもの、(Ｂ)は図１と同じもの、(Ｃ)は対物レンズが電磁レンズを含むものである。（Ｂ）が図１に対応するものであり、（Ａ）と（Ｃ）は図１の変形例である。

（Ａ）はレンズ１段のみを一次ビームと二次ビームが共通に通る場合である。従来よく使われる一次ビームを０．３ＫＶ以上とすると、２次電子は対物レンズ１０８のすぐ上でＥＢ分離器１０７の手前で合焦条件となり、拡大レンズ１１３の物点距離が長過ぎ、レンズ１１３を拡大レンズとすると二次光学系が長寸法になる。一次ビームの合焦条件を満たすレンズ条件で二次ビームの像点位置を１２４の近傍にするには、一次ビームのランディングエネルギーを３００Ｖ以下にする必要があることが簡単なシュミレーションの結果明らかになった。なお、図において、１２１は一次ビーム結像図、１２２は二次ビーム結像図、１２３はマルチビームの第１縮小像を示す。

次に（Ｂ）に示した様にレンズ１０６とレンズ１０８を一次ビームと二次ビームが共通に通る場合は、上記合一次と二次の同時合焦条件を満たすランディングエネルギーの条件はかなり緩和され、一次電子線のランディングエネルギーが６００Ｖ以下で２次電子の像点を拡大レンズ１１３の手前の位置１２４に結像させる事ができた。このランディングエネルギーを６００Ｖ以上にすると、一次ビームの軌道１２１が図で上開きとなり、レンズ１０６の位置でビーム径が大きくなり、このため一次ビームの収差が増大した。

さらに、（Ｃ）の場合について述べる。ここでは対物レンズ１０８は電磁レンズと静電レンズとの合成レンズとした。磁気回路中で強磁性体が無い部分、すなわち、レンズギャップ１２５は試料側にあり、レンズの軸上磁界が最大になるＺ位置はギャップより試料側となる。軸上磁界が最大になるＺ位置でビームは最も強く集束作用を受ける。この近傍に正の高電圧を印加する電極１２６を設け、（エネルギー幅／レンズ位置でのビームエネルギー）比を小さくすることにより軸上色収差が小さくなる様にした。すなわち、分母を大きくすることにより上記比を小さくした。電磁レンズのレンズ作用はビームエネルギーの１／２乗に反比例し、静電レンズではビームエネルギーの１乗に反比例するので、この場合の一次ビームのランディング電圧は、本来、静電レンズ１段の（Ａ）の場合の３００Ｖに比べて大幅に大きくできる筈である。シュミレーションの結果、ランディング電圧が５００Ｖ以下で一次ビームの物点１２３と二次ビームの像点１２４が現実的な位置になった。

図７は本実施の形態の第２の実施例による電子光学系を示したものである。図５に示した光学系を複数本直線状に配置したものである。これはセラミック基板１７０に光軸に対応する穴１７２、１７４を複数個設け、その周辺を金属コーティング１７３した板を必要数作り、ノックピン１７１で電子銃１０１アノードから対物レンズ１０８下極迄の一次光学系について組み立てたものである。図８に上記光学部品に対応する参照番号が右側に示してある。同図において、１０１は電子銃、１０２はマルチ開口板、１０３はコンデンサ・レンズ、１０４はコンデンサ・レンズ、１０６は縮小レンズ、１０７はＥＢ分離器、１０８は対物レンズ、１０９は試料、１１３は二次光学系の拡大レンズ、１１５はＭＣＰ、１１６はマルチアノード、１４２，１４３，１４４は静電偏向器である。また、二次光学系については直線状に並んだ一次系光軸に対して一軸毎に互に逆の方向に光軸を斜め方向に出すので、二次光学系については隣の光軸との間隔が２倍になるので、一軸毎に作っても問題はない。すなわち、図８において、二次光学系は光軸１１１と１１３は紙面の表方向、光軸１１２と１１４は紙面の裏方向となるように設けるので、二次光学系の相隣る間隔は１１１と１１３との距離、あるいは１１２と１１４との距離となり、１１１と１１２の間隔の２倍となる。したがって、従来通り各光軸毎の光学系を作ればよい。

本実施の形態によれば、（一次電子線のランディングエネルギー／２次電子のエネルギー）の比が、（６００ｅＶ／２ｅＶ）＝３００以下（図６のＡの場合）、（３００ｅＶ／２ｅＶ）＝１５０以下（Ｂの場合）、（５００ｅＶ／２ｅＶ）＝２５０以下（Ｃの場合）と、従来の（１０００ｅＶ／２ｅＶ）＝５００に比べて小さいので、一次ビームと二次ビームの同時合焦条件を容易に合わせられるので、一次光学系において一本の光軸の近傍にマルチビームを形成し、しかもクロストークなしに独立に二次電子を検出することができる。

（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態で用いられる電子光学系の概略を示したものである。電子銃はＬ_ａＢ_６単結晶カソード２０１、ウェーネルト２０２、アノード２０３から成り、カソード２０１を空間電荷制限条件で動作させることによりショット雑音をショットキーカソードの場合の１／４以下にすることができ、ピクセル当りの電子数が２５０程度で十分なＳ／Ｎ比を得ることができる。従ってＡｒＦレジストの如き電子線照射によってレジスト形状が変化し易いレジストでもレジストを変形させずに評価ができる。

電子銃から放出された電子線はコンデンサレンズ２０４で集束され、マルチ開口２０５を照射すると同時にＮＡ開口２２４にクロスオーバを形成する。マルチ開口２０５で複数化されたビームは縮小レンズ２０６と対物レンズ２０８とで縮小されターゲットすなわち、試料２０９上に細く絞られたマルチビームを形成する。これらのビームは静電偏向器２２３とＥＢ分離器２０７の静電偏向器とで試料２０９上を走査される。試料の走査点から放出された２次電子は試料２０９に例えば、−４ＫＶが印加されているため対物レンズ２０８の方向に加速、集束され、細いビーム束となり、互の間隔は拡大され、ＥＸＢ分離器２０７の近傍で２次電子像を作る。二次ビームはＥＢ分離器２０７で約２０°一次ビームより偏向され、二次光学系２１２の拡大レンズ２１０、２１１で拡大率を調整され、ＭＣＰ２１３の入力面に、背面にあるマルチアノード２１４のピッチに一致する像を結像させる。ＭＣＰ２１３で各ビームからの電子は増倍され、マルチアノード２１４でそれぞれのビームが独立に吸収され、抵抗２１５で電圧信号に変えられ、前置増幅器・Ａ／Ｄコンバータ群２１６でデジタル信号に変えられ２次元像形成回路２１７で各種処理が行われ、メモリー２１８にストアされる。

マルチビームは図の右下に２２２で示した様に約４５°方向に一列に並んで配置されている。ｙライン２１９をｘ方向に走査した時の信号波形は図１０の（Ａ）に示され、２本のｘラインパターン２０、２１をｙ方向に走査した時の信号波形は図１０の（Ｂ）に示されている。またエッジラフネスの測定方法は（Ｃ）にｙラインについて示されている。

図１０（Ａ）に示したＣＤ測定の時には、２次元像を作る前に信号波形のまま処理が行われる。即ち７本の信号波形２３２のそれぞれについて、スレッショールド値２３１を与え、波形がスレッショールド値と交叉する時間間隔２３３を求め、走査速度から寸法に変換し、各ビームについてＣＤ値を求め平均を取ってもよく、あるいは２３２の信号波形を、ビームのｘ方向の間隔差に相当する時間だけ位置調整を行い加算平均することによってＳ／Ｎ比を向上させ、時間間隔２３３を求めてもよい。

またスレッショールド法ではなく、信号波形の立上りと立下りに接線２３４、２３５を作り、その接線と信号の基線２３６との交点を求め、その間の時間差２３７を求め、寸法に換算してもよい。スレッショールド法を採るか、接線を用いるかはパターンの材料とか縦方向構造で決めればよい。

次に図１０（Ｂ）に示した合せ精度測定方法について述べる。ｙ方向の合せ精度を測定する場合、前層で形成したパターン２２０の近くに次層で形成したパターン２２１の近くにマルチビーム２２２を移動させ、ｙ方向に同時に走査する。その時、各ビームに対応する検出器からの信号波形は（Ｂ）で表される。これらの波形の立上り部と立下り部とで波形が急な方を選び、それらの波形とスレッショールド値２３１´との交点間の時間間隔または距離２３８を求めればよい。この場合、スレッショールド値の決め方は、信号波形の立上がりと立下りの双方を使用する（Ａ）の場合と異なり、信号波形の立上りと立下りのいずれか一方を使用すればよいから、信号波形の立上がり又は立下りの最も急な値、通常は振幅の５０％の値を選べばよい。勿論立上り部又は立下り部に接線２３４を近似し、それらと基線との交点から２３９の時間を求め、距離に換算し、設計値と比較することによって合せ精度を算出することもできる。

次に本実施の形態の第３の実施例をエッジラクネスの測定方法について述べる。ｙパターン２４０の近くにマルチビームを移動させｘ方向にマルチビームを走査する。各ビームのｙ方向の間隔が数ピクセル分ある場合は、２４１−２４５で示すように、ビームを１ピクセル分ずつｙ方向に位置をずらしながら同時にマルチビームを走査し、ビーム間距離をすべて埋める迄走査を繰り返して２次元画像を取得する。そして２４６、２４７に示した様に取得した画像より凸凹のＰ−Ｐ値あるいは実効値を測定することによりエッジラフネスを測定することができる。ここで各走査での信号波形は十分Ｓ／Ｎ比が良くなる様にピクセル周波数を遅くする必要がある。

本実施の形態によれば、パターンを評価するに、パターンを走査する時間がビーム数に応じて少くてよいので、測定時間を短くすることができる。

（第４の実施の形態）
図１１は本発明の第４の実施の形態によるパターン評価方法に用いられる電子光学系の説明図である。

電子銃は、Ｌ_ａＢ_６カソード３０１、ウェーネルト電極３０２及び三電極アノード３０３から成り、三電極アノード３０３の中央電極に正の電圧を与えることによって球面収差の小さい凸レンズを形成する。この凸レンズの集束作用を調整することによってマルチ開口３０７の照射領域を調節することができる。あるいはこのレンズの焦点距離を変化させることによってＮＡ開口３０９に形成されるクロスオーバ像の寸法を変えることによって試料３１７上での一次ビームのＮＡ値（集束半角）を調整してもよい。とにかく電子銃３０１、３０２、３０３から放出された一次ビームは軸合せ偏向器３３１、３３２でコンデンサレンズ３０５とマルチ開口３０７とに軸合せされる。コンデンサレンズ３０５はＮＡ開口３０９にクロスオーバを合焦させるように励起電圧が決められる。マルチ開口３０７でマルチビームに分離された電子線は２段の軸合せ偏向器３３３、３３４でＮＡ開口３０９と縮小レンズ３１０の両方に軸合せが行われ、縮小レンズ３１０と対物レンズ３１５とで縮小され試料３１７の表面に合焦され、偏向器３１１、３１４によって同時に試料３１７上をラスター走査される。試料上をマルチビームで走査する際、像面湾曲による収差を補正するため走査に同期してレンズの収束力を変化させ、常に試料面に合焦するようダイナミックスフォーカスをかけながら走査する。試料上のマルチの走査点から放出される２次電子を対物レンズ３１５と試料３１７とが作る試料近傍の２次電子に対する加速電界によって加速・集束し、対物レンズ３１５を通過後ＥＸＢ分離器３１３で偏向され二次光学系に入射させ、２段の拡大レンズ３１９，３２１で２次電子相互の間隔を拡大させ且つ、２次電子像の間隔を２次電子検出器３２３の間隔に一致するようにズーム作用が行われる。ここで、試料３１７の表面近傍の電界強度が強ければ強い程、検出器３２３での２次電子像のボケの大きさが小さい事がシュミレーションで明らかになっている。しかしこの電界強度があまり大きいと、レンズ３１５と試料３１７間で放電が生じ、試料の破壊を招く恐れがある。従って試料３１７とレンズ３１５間で放電が生じないぎりぎりの電界がウェーハ面に生じるようにレンズ３１５の下側電極に与える電圧を決める。試料が放電を起す電界強度は試料の表面の状態で決まり一定ではなく、例えばビアの様な突起がウェーハ表面にある場合は平均電界強度が１．６ＫＶ／ｍｍと小さくても局部的に大きい電界が形成されて放電する。表面にＳ_ｉＯ_２膜が形成された平坦なウェーハの場合は放電を起こす電界強度は６ＫＶ／ｍｍと大きい。

従って、下側電極に与える電圧を、試料３１７とこの電極間に形成される平均電界強度が少なくとも１．５ＫＶ／ｍｍ〜５．５ＫＶ／ｍｍの範囲で可変にしておき、ビア付きの試料を評価する時は１．６ＫＶ／ｍｍより少し小さい１．５ＫＶ／ｍｍになるように電圧を決め、ＳｉＯ２膜が形成された試料の時は６ＫＶ／ｍｍより少し小さい５．５ＫＶ／ｍｍになるように電極に与える電圧をきめればよい。これにより放電を生じることなく、２次電子像のボケが最小になる二次光学系の特性を得ることができる。

次に１次電子線の配置については、１次電子線の相隣るビーム間の距離は二次光学系の分解能より大きくする必要があり、さらにすべてのビームをｙ軸に投影したビーム間隔ｄはすべて等しくする必要がある。上記２つの条件を満し、かつ一定の数のビームをできるだけ小さい円の円内に配置した例を図１１の左に○印で示した。ここでは４行４列で計１６個のビームを円３３５の内部に配置できた。１４個のビームの場合は円３３６の内部となる。この様に所定数のビームをできるだけ小さい円内に収めるには、図の様に各ビームにｘ方向にｉ番、ｙ方向にｊ番と番号をつけると、相隣るビーム（ｉ、ｊ）番目と（ｉ、ｊ＋１）番目との間の距離３２８と、（ｉ、ｊ＋１）番目と（ｉ＋１、ｊ）番目との距離３２９とをほぼ等しくすればよい。

なお、図１１において、３１６は正の高圧電源、３１８は負電源、３２０，３２２は軸合せ用の偏向器、３２３はシンチレータ、３２４はライトガイド、３２５はＰＭＴ、３２６はＡ／Ｄコンバータ、３２７は画像形成装置である。

図１２は、本実施の形態の第２の実施例のによるパターン評価方法に使われる電子光学系である。電子銃３６１から放出された電子線は三電極アノード３７４の集束作用で、一度クロスオーバ３７９を作り、そこから発散するビームでマルチ開口３６２を照射しマルチビームが作られる。これらのビームはコンデンサ・レンズ３６３と対物レンズ３６５で縮小され試料３６６に合焦される。静電偏向器３７５とＥＸＢ分離器３６４の静電偏向器３７６とで試料３６６上を走査し、走査点から放出された２次電子は対物レンズ３６５の最下極に設けた電極３６５’に正の高圧３７７を印加することにより細く集束し、対物レンズ３６５を通過後ＥＸＢ分離器３６４で二次光学系の方向に偏向され、拡大レンズ３６７でマルチの２次電子群の互の間隔が拡大され、シンチレータ３６８で光に変換され、光ガイド３７９でホトマル３６９で電気信号に変えられ、後に続く複数のＡ／Ｄコンバータ、画像形成回路等で２次元画像が形成される。また試料３６６には負の高圧３７８が印加され、２００Ｖ程度の低いランディングエネルギーで一次ビームが照射される。
図１２のものは、図７の実施例と同様に、上記光学系を複数直線状に配置したものである。

また、図８の実施例と同様に、ＥＸＢ分離器や静電偏向器、レンズ等は一枚のセラミック基板３７０に光軸に対応した穴３７２、３７４を設け、その周辺を３７３で示した様に金属コーティングされた板を必要な数必要なＺ位置にノックピン３７１を用いてすべての光軸を一致させて組み立て、電子銃３６１から対物レンズ３６５の最下極までの一次光学系について作製した。二次光学系については直線状に並んだ一次光学系の光軸に対して相隣る光軸は互に逆方向(紙面の表面と裏面方向)に斜め方向に引き出すので、ピッチは２倍の距離が保てるので通常のレンズ構造で製作できる。

本実施の形態によれば、アノードを複数枚にしたレンズで電子銃からのビームの放出角度やクロスオーバ寸法を調整するので、必要なレンズを１段とその軸合せ装置が不要となり、さらに、光軸長も短くできるので簡単な光学系でマルチビームが構成できる。

図１３は、上記実施形態で示したパターン評価方法を半導体デバイス製造工程におけるウェーハの評価に適用したものである。
デバイス製造工程の一例を図１３のフローチャートに従って説明する。

この製造工程例は以下の各主工程を含む。
（１） ウェーハを製造するウェーハ製造工程（又はウェハを準備する準備工程）（ステップ１０）
（２） 露光に使用するマスクを製作するマスク製造工程（又はマスクを準備するマスク準備工程）（ステップ１１）
（３） ウェーハに必要な加工処理を行うウェーハプロセッシング工程（ステップ１２）
（４） ウェーハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程（ステップ１３）
（５） 組み立てられたチップを検査するチップ検査工程（ステップ１４）
なお、各々の工程は、更に幾つかのサブ工程からなっている。

これらの主工程の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェーハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウェーハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウェーハプロセッシング工程は以下の各工程を含む。
（１） 絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或いは電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）
（２） 形成された薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程
（３） 薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するためにマスク（レチクル）を用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィー工程
（４） レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる）
（５） イオン・不純物注入拡散工程
（６） レジスト剥離工程
（７） 加工されたウェーハを検査する検査工程
なお、ウェーハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。

上記ウェーハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を図１４のフローチャートに示す。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
（１） 前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程（ステップ２０）
（２） レジストを露光する露光工程（ステップ２１）
（３） 露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得る現像工程（ステップ２２）
（４） 現像されたパターンを安定化させるためのアニール工程（ステップ２３）
以上の半導体デバイス製造工程、ウェーハプロセッシング工程、リソグラフィー工程には周知の工程が適用される。

上記（７）のウェーハ検査工程において、本発明の上記各実施形態に係るパターン評価方法を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、2次電子画像の像障害が無い状態で高精度に欠陥を検査できるので、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。

なお、本発明によるパターン評価は、フォトマスクやレクチル、ウエハ等の試料の欠陥検査、線幅測定、合わせ精度、電位コントラスト測定等広く試料のパターン評価に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態におけるパターン評価方法で使われる電子光学鏡筒を示す概略図である。 第１の実施の形態の第１実施例によるパターン評価方法におけるビーム間調整方法を示す概略図である。 第１の実施の形態の第２実施例によるパターン評価方法におけるストライプ境界の形状を示す概略図である。 第１の実施の形態の第３実施例によるパターン評価方法おける小画像の接続要領を示す概略図である。 本発明の第２の実施の形態で使われる電子光学系を示す概略図である。 第２の実施の形態のにおける一次ビームと二次ビームの同時合焦条件を求めるための３つの場合の説明図である。 第２の実施の形態の第２実施例を示す図で、一本の光軸まわりにマルチビームを形成した光学系を複数並置した装置の概略図である。 第２の実施の形態の第２実施例の装置を示す断面図であり、複数の光学要素をＺ軸方向に重ねて並べられたセラミック板によって作る場合の例を示す図である。 本発明第３実施の形態によるパターン評価方法で用いられる電子光学系を示す概略図である。 第３の実施の形態によるパターン評価方法の説明図で、（Ａ）はＣＤ測定、（Ｂ）は合せ精度測定、（Ｃ）はエッジフクネス測定の要領を示す。 本発明の第４の実施の形態によるパターン評価方法に使われる電子光学系を示す概略図である。 第４の実施の形態に使われる第２の電子光学系を示す概略図である。 半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。 図１３の半導体デバイス製造プロセスのうちリソグラフィープロセスを示すフローチャートである。

符号の説明

１：電子銃、２：コンデンサレンズ、３：マルチ開口板、４：ＮＡ開口、５：縮小レンズ、８：形成された２次元パターン、９：ＥＸＢ分離器、１０：走査用偏向器、１１：対物レンズ、１２：試料、１３：拡大レンズ、１４：拡大レンズ、１５：ＭＣＰ、１６：マルチアノード、１７：抵抗、１８：前置増幅器＋ＤＡＣ、１９：パターン、２０〜２５：ビーム、２７：軸合せ偏向器、２８：軸合せ偏向器、２９：走査用偏向器、３１〜４０：マルチビーム
１０１：電子銃、１０２：マルチ開口板、１０３：コンデンサレンズ、１０４：縮小レンズ、１０５：ＮＡ開口、１０６：第１対物レンズ、１０７：ＥＸＢ分離器、１０８：第２対物レンズ、１０９：試料、１１０：一次ビーム主光線軌道、１１１：二次ビーム主光線軌道、１１２：二次ビーム光軸、１１３：拡大レンズ、１１４：偏向器、１１５：ＭＣＰ、１１９：アンプおよびＡ／Ｄ変換器、１２０：画像形成回路およびメモリー、１２１：一次ビーム結像図、１２２：二次ビーム結像図、１２３：マルチビーム第１縮小像、１２４：２次電子結像面、１２５：レンズギャップ、１２６：光電圧電極、１７０：セラミック基板、１７１：ノック穴、１７２：光軸用穴、１７３：メタルコート、１７４：アノード穴
２０１：カソード、２０２：ウェーネルト、２０３：アノード、２０４：コンデンサレンズ、２０５：マルチ開口、２０６：縮小レンズ、２０７：ＥＸＢ分離器、２０８：対物レンズ、２０９：試料、２１０：拡大レンズ、２１１：第２拡大レンズ、２１３：ＭＣＰ、２１６：増幅器およびＡ／Ｄコンバータ、２１７：信号処理回路および２次元画像形成回路、２１８：メモリー、２１９：ｙパターン、２２０：１層目ｘパターン、２２１：二層目ｘパターン、２２２：マルチビーム、２２３：静電偏向器、２２４：ＮＡ開口、２３１：スレッショールド、２３２：２次電子信号波形、２３３：ＣＤ値、２３４：接線、２３５：立下り波形への接線、２３６：基線、２３７：ＣＤ値、２３８：線間隔、２３９：線間隔、２４０：ｙライン、２４６、２４７：エッジラクネス（Ｐ−Ｐ値）
３０１：Ｌ_ａＢ_６カソード、３０２：ウェーネルト、３０３：トリプルアノード、３０５：コンデンサレンズ、３０７：マルチ開口、３０９：ＮＡ開口、３１０：縮小レンズ、３１１：偏向器、３１２、３１３：ＥＸＢ分離器、３１４：走査用偏向器、３１５：対物レンズ、３１６：正の高圧電源、３１７：試料、３１８：負電源、３１９：拡大レンズ、３２０：軸合せ、３２１：拡大レンズ、３２２：偏向器、３２３：シンチレータ、３２４：ライトガイド、３２５：ＰＭＴ、３２６：Ａ／Ｄコンバータ、３２７：画像形成回路、３２８：ｙ方向のビーム間隔、３２９：ｘ方向のビーム間隔、３３０：ｙ軸へ投影したビーム間隔、３３１、３３２：軸合せ、３３３、３３４：軸合せ、３３５：収差一定以下の円、３３６：収差がさらに小さい円、３６１：電子銃、３６２：マルチ開口、３６３：コンデンサレンズ、３６４：ＥＸＢ分離器、３６５：対物レンズ、３６６：試料、３６７：拡大レンズ、３６８：シンチレータ、３６９：ＰＭＴ、３７０：セラミック基板、３７１：ノック穴、３７２：レンズ電極用穴、３７３：金属コーティング部、３７４：アノード穴、３７５：クロスオーバ、３７６：対物レンズ下極、３７７：正電圧電源、３７８：負電圧電源、３７９：ライトガイド

Claims (21)

1. 複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
   ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
   ｂ．開口の縮小像を試料面上に結像させるステップ
   ｃ．上記結像された複数のビームを走査しビームごとの２次元画像を取得するステップ
   ｄ．上記ビームごとの２次元画像を接続して大きな２次元画像を形成するステップ
   ｅ．複数のビーム間の一軸方向の間隔を測定するステップ
   ｆ．上記間隔を画素サイズの整数倍に合せるステップ
   を有する事を特徴とするパターン評価方法。
2. 複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
   ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
   ｂ．開口の縮小像を試料面上に結像させるステップ
   ｃ．上記結像された複数のビームを一軸方向にストライプの幅だけ走査し２次元画像を取得するステップ
   ｄ．ｃのステップに於て上記２次元画像を取得する時、試料台を他軸方向に連続移動し続け、評価領域の端迄達するとその他軸方向への移動を止め、ステージをストライプの幅だけ上記一軸方向へステップ移動させるステップ
   とを有し、上記ストライプとストライプの境界は上記複数のビームの一軸方向位置に対応した凸凹を有する事を特徴とするパターン評価方法。
3. 複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
   ａ．電子銃から放出された電子線を複数の開口に照射するステップ
   ｂ．開口の縮小像を試料面に結像させるステップ
   ｃ．上記結像された複数のビームを一軸方向に走査し、ビーム毎に対応した検出器からの信号で２次元画像を得るステップ及び
   ｄ．試料上での各ビームの相互間のｘ方向及びｙ方向のあらかじめ設定してある距離だけ上記２次元画像の位置を移動させて該２次元画像を接続することにより広い領域の２次元画像を形成するステップ
   とを有する事を特徴とするパターン評価方法。
4. 複数のビームを試料に照射し、パターンの評価を行う方法であり、次のステップ、
   ａ．複数のビームを生成するステップ
   ｂ．複数のビームをｘ方向パターン又はｙ方向パターン辺を有するマーク上を走査し、各ビームからの発生電子を対応する検出器で検出し、２次元画像を形成するステップ
   ｃ．各検出器からの２次元画像をビーム間距離のあらかじめ設定した値をもとに接続するステップ
   ｄ．上記接続して得られたマーク像の形状が正常になる様にビーム間距離を変更して接続し、マーク像が最も正常になるビーム間距離を記憶するステップ及び
   ｅ．各ビームで被評価試料の２次元像を取得し、上記記憶したビーム間距離で各ビームから得られた２次元画像を接続してより広い試料の２次元像を得るステップ
   とを有する事を特徴とするパターン評価方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の方法を用いてプロセス途中またはプロセス終了後のウェーハの評価を行う事を特徴とするデバイス製造方法。
6. 基板に形成されたパターン上をマルチビームで走査し、走査点から放出される２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
   ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
   ｂ．上記加速された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
   ｃ．上記開口で複数にされたビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
   ｄ．走査点から放出された２次電子群の互の間隔を拡大して検出器に導くステップ及び
   ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．６ＫＶであり、上記２次電子群は２段のレンズを一次電子線と共通の通路とする事を特徴とするパターン評価方法。
7. 基板に形成されたパターンをマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
   ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
   ｂ．上記電子線を複数の開口でマルチビームとするステップ
   ｃ．上記マルチビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
   ｄ．走査点から放出された２次電子群を互の間隔を拡大して検出器に導くステップ及び
   ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．３（ＫＶ）であり、上記２次電子群は１段のレンズを一次電子線と共通の通路とする事を特徴とするパターン評価方法。
8. 基板に形成されたパターンをマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
   ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
   ｂ．上記電子線を複数の開口でマルチビームとするステップ
   ｃ．上記マルチビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ及び
   ｄ．上記走査点から放出された２次電子を検出して２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．５（ＫＶ）であり、試料に最も近く、１次電子線と２次電子線が共に通るレンズは電磁レンズを含む事を特徴とするパターン評価方法。
9. 基板に形成されたパターン上をマルチビームで走査し、走査点から放出された２次電子を検出してパターンの評価を行う方法であり、
   ａ．電子銃から放出された電子線をＡＫＶに加速するステップ
   ｂ．上記加速された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
   ｃ．上記開口で複数にされたビームを縮小し、−ＢＫＶの電圧を印加された試料に結像させ、走査するステップ
   ｄ．複数の走査点から放出された２次電子群の互の間隔を拡大して検出器に導くステップ
   ｅ．上記検出器で上記２次電子群を独立に検出し、２次元画像を形成するステップとを有し、上記Ａ−Ｂ≦０．５ＫＶであり、上記試料に最も近いレンズは電磁レンズを含む事を特徴とするパターン評価方法。
10. 請求項６〜９のいずれかに記載のパターン評価方法に於て、上記電子光学系は複数の光軸を有し、該複数の光軸の一軸方向への投影距離は互に等間隔である事を特徴とするパターン評価方法。
11. 請求項６〜１０のいずれかに示されたパターン評価方法を用いてプロセス途中またはプロセス終了後のパターン評価を行う事を特徴とするデバイス製造方法。
12. マルチビームを用いてパターンの評価を行う方法であって、
    ａ．熱電子放出電子銃より放出される電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
    ｂ．開口板から出た電子線を縮小して試料上に合焦させるステップ
    ｃ．パターン辺に直角方向にマルチビームで同時に走査するステップ
    ｄ．走査点から放出された２次粒子線をマルチビームに対応するマルチ検出器により検出し、信号波形を取得し、記憶するステップ
    ｅ．上記マルチビームに対応する複数の信号波形からＣＤ値又はパターン間隔を算出するステップ
    とを有する事を特徴とするパターン評価方法。
13. 請求項１２に記載のパターン評価方法に於て、上記マルチビームはｘ軸及びｙ軸と平行でない直線に沿って並んでいる事を特徴とするパターン評価方法。
14. マルチビームを用いてパターンの評価を行う方法であって、
    ａ．熱電子放出電子銃より放出された電子線を複数の開口を有する開口板に照射するステップ
    ｂ．開口板を通過した電子線を縮小して試料に合焦させるステップ
    ｃ．パターン辺に直角方向にマルチビームで同時に走査するステップ
    ｄ．走査点から放出された２次粒子線をマルチビームに対応するマルチ検出器により検出し、信号波形を取得し、記憶するステップ
    ｅ．パターン辺に平行方向に１ピクセルずつマルチビームを移動させ、ｃ、ｄのステップをくり返すステップ
    ｆ．上記マルチビームに対応する複数の信号波形から上記パターンの２次元画像を形成するステップ及び
    ｇ．ｆのステップで得たパターンからエッジラフネスを算出するステップ
    とを有する事を特徴とするパターン評価方法。
15. 請求項１２〜１４に記載のパターン評価方法に於て、上記電子銃は、熱電子放出カソードを有し、そのカソードを空間電荷制限条件で動作させる事を特徴とするパターン評価方法。
16. 請求項１２〜１５のいずれかに記載された方法を用い、プロセス途中あるいは終了後のウェーハの評価を行う事を特徴とするデバイス製造方法。
17. 複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって、次のステップ、
    ａ．電子銃から放出される電子線を少くとも２枚の電極を有するアノードでビームの放出角度を調整するプロセス
    ｂ．上記放出角度を調整された電子線をコンデンサレンズで集束しＮＡ開口にクロスオーバを形成するプロセス
    ｃ．上記コンデンサレンズの近傍に設けられたマルチ開口でマルチビームを形成するプロセス
    ｄ．ＮＡ開口の像を縮小レンズによって対物レンズの主面近傍に結像されるプロセス
    ｅ．マルチ開口の縮小像を縮小レンズと対物レンズとで試料面に合焦させるプロセス
    ｆ．試料上をマルチビームでダイナミックフォーカスをかけながら走査するステップ
    ｇ．試料から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
    ｈ．ＥＸＢ分離器で２次電子を偏向し、二次光学系に向けるプロセス
    ｉ．マルチの２次電子の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するプロセス及び
    ｊ．マルチの２次電子をそれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し試料の評価を行うプロセスとを有する事を特徴とするパターン評価方法。
18. 複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって、次のステップ
    ａ．電子銃から放出された電子線をコンデンサレンズでＮＡ開口に合焦させるステップ
    ｂ．上記ＮＡ開口の像を縮小レンズで対物レンズの主面近傍に合焦させるステップ
    ｃ．コンデンサレンズの前か後ろに設けられたマルチ開口でマルチビームを形成するステップ
    ｄ．上記マルチビームを縮小レンズと対物レンズで試料上に合焦させるステップ
    ｅ．試料上をマルチビームでダイナミックフォーカスをかけながら走査するステップ
    ｆ．走査点から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
    ｇ．ＥＸＢ分離器で２次電子を偏向し、二次光学系に向けるプロセス
    ｈ．マルチの２次電子の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するステップ及び
    ｉ．マルチの２次電子をぞれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し、試料の評価を行うステップとを有し、上記試料近傍の電界強度は１．５ＫＶ／ｍｍ〜５．５ＫＶ／ｍｍの範囲で調整可能とした事を特徴とするパターン評価方法。
19. 複数のビームで試料上を走査し試料の評価を行う方法であって次のステップ、
    ａ．熱電子放出カソードを有する電子銃から放出される電子線をマルチ開口に照射するステップ
    ｂ．マルチ開口を通過した電子線をＮＡ開口に合焦させるステップ
    ｃ．マルチ開口で分離された電子線を縮小レンズと対物レンズとで縮小し試料上を走査するステップ
    ｄ．試料の走査点から放出された２次電子を対物レンズで加速し、通過させるステップ
    ｅ．ＥＸＢ分離器で上記２次電子を二次光学系に向けるステップ
    ｆ．マルチの２次電子像の間隔を拡大し、複数の検出器で検出するステップ及び
    ｇ．マルチの２次電子をそれぞれ独立に検出し、２次元画像を形成し、試料の評価を行うプロセスとを有し、上記マルチビームの配置はｍ行ｎ列とし、ｉ行ｊ列とｉ＋１行ｊ列間の間隔はｉ行ｊ列とｉ行ｊ＋１列の間隔にほぼ等しい事を特徴とするパターン評価方法。
20. 請求項１７〜１９に記載のパターン評価方法に於て、上記電子銃、一次光学系、二次光学系及び検出系が一枚のウェーハ上に複数本配置されていて、上記一次光学系のレンズは一枚のセラミック基板に光学系の数に対応した光軸用の穴を有する電極を複数枚重ねて構成されている事を特徴とするパターン評価方法。
21. 請求項１７〜２０のいずれかに示されたパターン評価方法を用いてプロセス途中又は終了後のウェーハの評価を行う事を特徴とするデバイス製造方法。

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