JP4221428B2 - 荷電粒子線による検査装置及びその検査装置を用いたデバイス製造方法 - Google Patents

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本発明は、複数の電子ビームを用いて検査対象の表面に形成されたパターンの欠陥等を検査する検査装置に関し、詳しくは、半導体製造工程におけるウエハの欠陥を検出する場合のように、電子ビームを検査対象に照射してその表面の性状に応じて変化する二次電子を捕捉して画像データを形成し、その画像データに基づいて検査対象の表面に形成されたパターン等を高いスループットで検査する検査装置、並びにそのような検査装置を用いて歩留まり良くデバイスを製造するデバイス製造方法に関する。
本発明は、荷電粒子線を試料に照射し、試料の照射点から発生する２次荷電粒子を検出する荷電粒子線装置及びそれを用いてデバイスの欠陥検査を行うデバイス製造方法に関する。本発明は、ＸＹステージ上に載置された試料に荷電ビームを照射する装置及びその装置を利用した欠陥検査装置又は露光装置に関し、更にはそれらの装置を使用した半導体の製造方法に関する。本発明は、半導体ウェーハ等の試料の画像を予め用意された基準画像と比較することにより該試料の欠陥を検査するための欠陥検査装置及び方法、並びに、このような欠陥検査装置を用いて半導体デバイスを製造する方法に関する。本発明は、電子線を試料に照射して、その照射点からの２次電子線を測定することにより当該試料の種々の検査を行うための電子線装置に関し、特に、半導体ウエハに形成される、最小線幅０．１μｍ以下の集積回路のパターンを高スループットで欠陥検査、ＣＤ(クリティカルディメンジョン)測定、合せ精度測定、電位測定等を行うための電子線装置に関する。
本発明は、電子銃から放出された電子線を複数の開口を有する開口板に照射して得られる複数の開口像を試料に入射させ、該試料から放出される二次電子を一次光学系から分離して二次光学系に入射させ、二次光学系で拡大して検出器面に写像投影する電子線装置、および該電子線装置を用いて製造プロセス途中のウェハーの評価を行うことを特徴とするデバイス製造方法に関する。本発明は、最小線幅が０．１ミクロン以下のパターンの欠陥検査、線幅測定、合わせ精度測定、電位測定、デバイス動作時の高速動作解析等を高スループットで行う電子線装置及びこうした装置を用いてプロセス途中のウェーハの評価を行うことにより歩留まりを改善するデバイス製造方法に関する。
本発明は電子線装置及びその電子線装置を用いたデバイスの製造方法に関し、詳しくは、最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の欠陥検査、線幅測定、合わせ精度測定、表面電位測定又は高精度時間分解能測定を高いスループットでかつ高い信頼性で行える電子線装置並びにその電子線装置を用いてプロセス途中のウエハーを評価することにより歩留まり率を向上させることができるデバイスの製造方法に関する。本発明の目的は、電子光学的かつ短時間で電子光学系の焦点合わせを行うことができる電子線装置、及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法を提供することである。
本発明は電子線装置及びその電子線装置を用いたデバイスの製造方法に関し、詳しくは、最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の欠陥検査を高いスループットでかつ高い信頼性で行える電子線装置、並びにその電子線装置を用いてプロセス途中のウエハーを評価することにより歩留りを向上させることができるデバイスの製造方法に関する。
本発明は、試料の表面に形成されたパターン等を評価する電子線装置及びその電子線装置を用いてプロセス途中又は終了後の試料の評価を行うデバイス製造方法に関し、詳しくは、最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有する、試料上のデバイス等の欠陥検査、ＣＤ測定、電位コントラストの測定、高時間分解電位測定等の評価を高いスループットでかつ高い信頼性のもとで行える電子線装置及びそのような電子線装置を用いてプロセス途中又は終了後の試料の評価を行うデバイス製造方法に関する。本発明は、Ｅ×Ｂ分離器及び該Ｅ×Ｂ分離器を用いた半導体ウエハの検査装置に関する。より詳細には、一様な磁界強度及び一様な電界強度が得られる光軸の周りの領域が大きくできるようにしたＥ×Ｂ分離器、及び、該Ｅ×Ｂ分離器を用いて、半導体ウエハの欠陥検査、パターン線幅測定、パターン重ね合わせ精度測定、あるいは、高時間分解能の電位測定等を、高スループットでかつ高信頼性で行うことができるようにした検査装置に関する。
本発明は、ＸＹステージ上に載置された試料に荷電ビームを照射する装置に関し、更に詳しくは、ＸＹステージに差動排気機構を設けずに鏡筒周りに差動排気機構を設けた荷電ビーム装置及びその装置を利用した欠陥検査装置又は露光装置に関し、更にはそれらの装置を使用した半導体の製造方法に関する。本発明は最小線幅０．１μｍ以下のパターンが形成されたウェーハ等の評価を高スループット・高信頼性で行う装置に関し、また、そのような装置を用いて歩留り良くデバイスを製造する方法に関する。
半導体プロセスにおいて、デザインルールは１００ｎｍの時代を迎えようとしており、また生産形態はＤＲＡＭに代表される少品種大量生産からＳＯＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｃｈｉｐ）のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、製造工程数が増加し、各工程毎の歩留まり向上は必須となり、プロセス起因の欠陥検査が重要になる。本発明は半導体プロセスにおける各工程後のウェーハの検査に用いられる装置に関し、電子ビームを用いた検査方法及び装置またはそれを用いたデバイス製造方法に関する。
本発明に関連する検査装置の従来技術については、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）を用いた装置が既に市販されている。この装置は細く絞った電子線を非常に間隔の小さいラスタ幅でラスタ走査を行い、走査に伴って検査対象から放出される二次電子を二次電子検出器で検出してＳＥＭ画像を形成し、そのＳＥＭ画像を異なるダイの同じ場所同志を比較して欠陥を抽出するものである。また、複数の電子線すなわちマルチビームを用いてスループットを向上するという提案は多く成されているが、開示されているものは、如何にしてマルチビームをつくるかと言うことと、如何にしてマルチビームを検出するかと言うことについてであり、欠陥検査装置全体をシステムとして完成させた装置は未だ存在しなかった。
半導体デバイス製造用のマスクパターン、あるいは半導体ウエハに形成されたパターンの欠陥検出には、走査型電子顕微鏡が使用されている。走査型電子顕微鏡は、細く絞った１本の電子線で試料表面を走査し、その試料から放出する２次電子を検出するため、試料全体の検査には長い時間を必要とした。このような問題点を解決するため、複数の電子源からの電子を減速電界レンズを通して試料面上に結像させ、かつ走査し、試料面から放出される２次電子をウィーンフィルタで偏向させ、複数の検出器に導くようにしたアイディアが提案されている（Japanese Journal of Applied Physics, Vol.28, No.10, October, 1989, pp.2058-2064 参照）。
半導体ウエハ等の試料表面等に電子ビーム等の荷電ビームを照射することによって、その試料表面上を半導体回路等のパターンで露光し若しくは試料表面上に形成されたパターンを検査する装置、或いは荷電ビームを照射することによって試料に対して超精密加工を施す装置においては、試料を真空中で精度良く位置決めするステージが使用される。かかるステージに対して非常に高精度な位置決めが要求される場合には、ステージを静圧軸受けによって非接触支持する構造が採用される。この場合、静圧軸受けから供給される高圧ガスが直接真空チャンバに排気されないように、高圧ガスを排気する差動排気機構を静圧軸受けの範囲に形成することによって、真空チャンバの真空度が維持される。
従来技術のステージの一例を図１８ＡＢに示す。図１８ＡＢにおいて、真空チャンバＣを構成するハウジング２００８に、荷電ビームを発生し試料に照射する荷電ビーム装置の鏡筒２００１の先端部、即ち荷電ビーム照射部２００２が取り付けられる。鏡筒内部は真空配管２０１０によって真空排気され、チャンバＣは真空配管２０１１によって真空排気される。荷電ビームは鏡筒２００１の先端部２００２から、その下に置かれたウエハ等の試料Ｓに対して照射される。試料Ｓは試料台２００４に取り外し可能に保持される。試料台２００４はＸＹステージ（以下単にステージ）２００３のＹ方向可動部２００５の上面に取り付けられる。Ｙ方向可動部２００５はＸ方向可動部２００６上に摺動可能に配置され、Ｘ方向可動部２００６はステージ台２００７上に摺動可能に配置される。
Ｙ方向可動部２００５には、Ｘ方向可動部２００６のガイド面６ａと向かい合う面（図１８Ａにおいて左右両面及び下面）に静圧軸受け２００９ａが複数取り付けられ、静圧軸受け２００９ａの作用によりガイド面２００６ａとの間に微小隙間を維持しながらＹ方向（図１８Ｂで左右方向）に移動できる。同様にＸ方向可動部２００６に静圧軸受け２００９ｂが複数取り付けられ、静圧軸受け２００９ｂとガイド面２００７ａとの間に微小隙間を維持しながらＸ方向（図１８Ａで左右方向）に移動できる。
更に静圧軸受けの周りには、静圧軸受けに供給される高圧ガスが真空チャンバＣの内部にリークしないように差動排気機構が設けられている。この様子を図１９に示す。静圧軸受け２００９の周囲に二重に溝２０１８と２０１７が構成されており、これらの溝は図示されていない真空配管と真空ポンプにより常時真空排気される。このような構造により、Ｙ方向可動部２００５は真空中を非接触状態で支持されＹ方向に自在に移動することができる。これらの二重の溝２０１８と２０１７は可動部２００５の静圧軸受け２００９が設けられる面にその静圧軸受けを囲むようにして形成される。なお、静圧軸受けの構造は公知のもので良いので、その詳細な説明は省略する。
Ｙ方向可動部２００５を搭載するＸ方向可動部２００６は、図１８ＡＢから明らかなように、上方に開口している凹形の形状を有し、Ｙ方向可動部２００５と同様の静圧軸受け及び溝を備え、ステージ台２００７に対して非接触で支持され、Ｘ方向に自在に移動することができる。Ｙ方向可動部２００５とＸ方向可動部２００６の移動を組み合わせによって、試料Ｓを鏡筒の先端部すなわち荷電ビーム照射部２００２に関して水平方向任意の位置に移動させ、試料の所望の位置に荷電ビームを照射することができる。
従来、半導体ウェーハ等の試料に一次電子を照射することにより発生した二次電子を検出することによって当該試料の欠陥を検査するための欠陥検査装置が、半導体製造プロセス等で利用されている。このような欠陥検査装置には、画像認識技術を応用して欠陥検査の自動化及び効率化を図った技術がある。この技術では、二次電子を検出することによって取得した試料表面の被検査領域のパターン画像データと、予め記憶した試料表面の基準画像データとをコンピュータによってマッチング演算し、その演算結果に基づいて、試料の欠陥の有無を自動的に判定する。昨今では、特に半導体製造分野においては、パターンの高精細化が進み、微細な欠陥を検出する必要が高まってきている。このような状況下では、上記のような画像認識技術を応用した欠陥検査装置においても、認識精度の更なる向上が求められている。
従来、試料台を連続移動させ、この移動方向と直角方向に電子線を走査する方法は公知である（特開平１０−１３４７５７）。また１次電子線を試料面に対して斜め方向から、試料面上に２次元ではあるが、一軸方向への投影は、等間隔であるような配置で照射し、走査する方法は、公知である。また複数の電子銃の各電子銃からの電子を複数に分け、各ビームを一方向に走査させ、それと直角方向に試料台を連続移動させて検査等を行うことが公知である。
半導体デバイス製造用のマスクパターン、あるいは半導体ウェーハに形成されたパターンの欠陥検査に使用する電子線装置として、単一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して得られる複数の開口像を試料に入射させ、該試料から放出される二次電子を二次光学系を用いて検出器面に写像投影して試料上のパターンの欠陥を検査する電子線装置は公知である。
しかしながら、上記従来のものは電子銃から放出される電子線の角度依存性を考慮しておらず、電子線の強度を照射角度に拘わらず一様であるものとして取り扱っている。すなわち、電子銃から放出される電子線は光軸方向には高輝度の電子線が放出されるが、光軸から離れるに従って電子線の輝度（強度）が次第に減少する問題を考慮していない。また、試料から放出される二次電子の検出率は、光軸付近から放出された二次電子の検出率は高いが、光軸から離れた位置から放出された二次電子の検出率が低いといった問題点があったが、上記従来の電子線装置は、かかる問題点をも考慮していなかった。
超ＬＳＩ回路のような微細な回路パターンを有する回路における欠陥検査や線幅測定を行うために、複数の電子ビームを用いる電子線装置は公知である。こうしたマルチビームを利用する電子線装置は、微細回路パターンの作成や検査に１本の電子ビームを使用すると、多大な時間を必要とし、満足なスループットを与えなかった従来の欠点を解決するために提案された。
こうしたマルチビームの電子線装置に関連して、例えば、多数の電子エミッタをマトリクス状に配列した電子線装置においては、反射電子又は二次電子の検出器の間隔が極めて狭いため、隣接する照射領域から反射電子又は二次電子が飛び込みやすく、検出精度を高めることができないという欠点を解決するため、試料面と検知面との間に穴開きマスクを配置することが知られている。また、１本の電子線で試料上のパターンを走査してパターンの０．１ミクロン程度の欠陥を検査する場合、走査に長時間を要するのでスループットが低下するという欠点を解決するため、単一の電子銃から放出された電子線で複数の開口を持つマスクを照射することにより、複数の電子線を形成するようにした電子線装置も知られている。
最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の欠陥検査等を行う場合、光方式では光の回折により解像度から見て限界にきており、そのため、電子線を利用した検査・評価装置が提案されている。電子線を用いると解像度は向上するがスループットが極端に小さくなるため生産性の観点から問題がある。生産性を向上させるべくマルチビームを用いた電子線装置、即ち、単一の電子銃から放出した電子線を複数の開口に照射し、それらの開口を通過した電子ビームで試料の表面（以下試料面と呼ぶ）を走査し、各像からでた二次電子を複数の検出器に導いて試料を検査する電子線装置は既に公知である。
半導体ウエハ等の試料の表面に形成されたパターンの評価を、電子線による走査の結果を用いて高精度で行う場合、試料の高さの変化を考慮することが必要である。これは、試料の高さにより、該試料の表面上のパターンと該パターンに電子線を集束させる対物レンズとの間の距離が変化して、合焦条件はずれにより解像度が低下してしまい、正確な評価ができないためである。これを解消するため、試料面に対して斜めに光を入射させ、その反射光を利用して試料の高さを測定し、その測定結果を、電子線を試料に集束させるための電子光学系に帰還させて、電子光学系の構成要素に供給する電流や電圧を制御することにより、電子光学系の焦点合わせを行う電子線装置はすでに提案されている。
しかしながら、試料に対して斜めに光を入射させる方式においては、試料面と電子光学系の下面との間のスペースに、入射光を反射させるための、絶縁物を主体とする光学部品を配置しなければならない。このためには、試料面と電子光学系の下面との間の間隔を必要以上に大きく取る必要があり、一方、間隔を大きくすると、電子光学系の収差等の問題が無視し得なくなる。したがって、電子光学系の焦点合わせと電子光学系の収差等の問題の解消とを同時に行うことが必要であるが、このような手法が未だ提案されていない。また、電子光学系の焦点合わせは、試料面と電子光学系の下面との間の距離ばかりでなく、試料面上の帯電状態や、電子線の空間電荷効果をも考慮して行う必要があるので、電子光学系の焦点合わせに関係するパラメータを電子光学的に測定しないならば、誤差が発生する可能性がある。
更に、電子光学系に含まれる磁気レンズの励磁電流を調整して焦点合わせを行う場合、この励磁電流を所定値に設定してから電子光学系の焦点距離が安定的に定まるまでの時間、即ち整定時間を長く取ることが必要であるため、高速で焦点合わせを行うことが困難であるという問題もあった。また、静電レンズの励起電圧を変えて電子光学系の焦点合わせを行う場合、静電レンズに印加された高電圧を変化させなければならないので、同様に、整定時間が長くかかるという問題があった。さらにまた、電子線による評価は、スループットが低いという問題点もあった。本発明は、上記した種々の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、電子光学的かつ短時間で電子光学系の焦点合わせを行うことができる電子線装置、及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法を提供することである。
最小線幅が０．１μm以下のデバイスパターンを有する試料の欠陥検査等を行う場合、光方式では光の回折により解像度から見て限界にきており、そのため、電子線を利用した検査・評価装置が提案されている。電子線を用いると解像度は向上するがスループットが極端に小さくなるため生産性の観点から問題がある。生産性を向上させるべくマルチビームを用いた電子線装置、即ち、単一の電子銃から放出した電子線を複数の開口に照射し、それらの開口を通過した電子ビームで試料を走査し、各像からでた二次電子を相互にクロストークなしに複数の検出器に導いて試料を検査する電子線装置については出願されている。
絶縁材料を含む試料を観察、評価する装置には種々の技術が報告されている。このような技術の中で、走査電子顕微鏡について言えば、一次ビームのビーム電流、試料への吸収電流、照射装置からの反射電子量、二次電子放出量等を測定してチャージアップ状態を評価するチャージアップ検知機能を有する装置が公知である。従来、電場と磁場とを直交させた直交フィールドにおいて、電場及び磁場それぞれに直交する方向に荷電粒子を直進させることによって、エネルギ分析を行うＥ×Ｂ型エネルギ・フィルタが知られている。このフィルタは、電子線の電場による偏向作用を磁場による電子線の偏向作用によって打ち消すことによって、電子線中の特定のエネルギを持った荷電電子のみを直進させるようにしている。
このようなＥ×Ｂ型エネルギ・フィルタとして、図４に示した構成が提案されている。図４において、１及び１’はアース電位に保持されている磁極片、２及び２’は電極である。電極２には電圧＋Ｖが印加され、電極２’には電圧−Ｖが印加され、これら電圧は絶対値が等しくかつ可変である。荷電電子は、電場及び磁場の双方に直交する方向、すなわち図表面に垂直方向に直進する。半導体ウエハ等の試料表面等に電子ビーム等の荷電ビームを照射することによって、その試料表面上を半導体回路等のパターンで露光し若しくは試料表面上に形成されたパターンを検査する装置、或いは荷電ビームを照射することによって試料に対して超精密加工を施す装置においては、試料を真空中で精度良く位置決めするステージが使用されている。
かかるステージに対して非常に高精度な位置決めが要求される場合には、ステージを静圧軸受けによって非接触支持する構造が採用されている。この場合、静圧軸受けから供給される高圧ガスが直接真空チャンバに排気されないように、高圧ガスを排気する差動排気機構を静圧軸受けの範囲に形成することによって、真空チャンバの真空度を維持している。かかる従来技術によるステージの一例が図１８ＡＢに示される。同図のステージにおいて、真空チャンバＣを構成するハウジング２００８に、荷電ビームを発生し試料に照射する荷電ビーム装置の鏡筒２００１の先端部、即ち荷電ビーム照射部２００２が取り付けられる。試料Ｓは試料台２００４に取り外し可能に保持される。図１８ＡＢのステージのその他の構造は、後述される。
静圧軸受け２００９ｂの周りには、静圧軸受けに供給される高圧ガスが真空チャンバＣの内部にリークしないように差動排気機構が設けられる。この様子を図１９に示す。静圧軸受け２００９ｂの周囲に二重に溝２０１７と２０１８が構成されており、これらの溝は図示されていない真空配管と真空ポンプにより常時真空排気される。このような構造により、Ｙ方向可動部２００５は真空中を非接触状態で支持されＹ方向に自在に移動することができる。これらの二重の溝２０１７と２０１８は可動部２００５の静圧軸受け２００９ｂが設けられる面にその静圧軸受けを囲むようにして形成される。これらのＹ方向可動部２００５とＸ方向可動部２００６の移動を組み合わせることによって、試料Ｓを鏡筒の先端部すなわち荷電ビーム照射部２００２に関して水平方向任意の位置に移動させ、試料の所望の位置に荷電ビームを照射することができる。
しかしながら、上記の静圧軸受けと差動排気機構を組み合わせたステージでは、差動排気機構を設けたため、大気中で使用される静圧軸受け式ステージに比べて構造が複雑で大型になり、ステージとしての信頼性が低く、高コストになるという問題があった。電子光学系での倍率色収差と回転色収差を補正する方法は、対称磁気ダブレットレンズを用いる方法が知られている。静電レンズ系では回転色収差は発生しないので、倍率色収差を対称ダブレットレンズを用いて補正することが行われる。
半導体デバイスの高集積化、パターンの微細化に伴い、高分解能、高スループットの検査装置が要求されている。１００ｎｍデザインルールのウエハ基板の欠陥を調べるためには、１００ｎｍ以下の分解能が必要であり、デバイスの高集積化による製造工程の増加により、検査量が増大するため、高スループットが要求されている。また、デバイスの多層化が進むにつれて、層間の配線をつなぐビアのコンタクト不良（電気的欠陥）を検出する機能も、検査装置に要求されている。現在は主に光方式の欠陥検査装置が使用されているが、分解能及びコンタクト不良検査の点では、光方式の欠陥検査装置に代わって電子ビームを用いる欠陥検査装置が、今後検査装置の主流になると予想される。但し電子ビーム方式欠陥検査装置にも弱点があり、それはスループットの点で光方式に劣ることである。
このため高分解能、高スループット、且つ電気的欠陥検出が可能な検査装置の開発が要求されている。光方式での分解能は使用する光の波長の１／２が限界と言われており、実用化されている可視光の例では０．２μｍ程度である。一方電子ビームを使用する方式では、通常走査型電子ビーム方式（ＳＥＭ方式）が実用化され、分解能は０．１μｍ、検査時間は８時間／枚（２０ｃｍウエハ）である。電子ビーム方式は、電気的欠陥（配線の断線、導通不良、ビアの導通不良等）も検査可能であることが大きな特徴である。しかし検査時間は非常に遅いため、検査速度の速い欠陥検査装置の開発が期待されている。
一般に検査装置は高価でありまたスループットも他のプロセス装置に比べて低いために、現状では重要な工程の後、例えばエッチング、成膜、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理後等に使用されている。電子ビームを用いた走査（ＳＥＭ）方式の検査装置について説明する。ＳＥＭ方式の検査装置は電子ビームを細く絞って（このビーム径が分解能に相当する）これを走査してライン状に試料を照射する。一方、ステージを電子ビームの走査方向に直角の方向に移動させることにより、平面状に観察領域を電子ビームで照射する。電子ビームの走査幅は一般に数１００μｍである。前記細く絞られた電子ビーム（一次電子線と呼ぶ）照射により発生した試料からの二次電子を検出器（シンチレータ＋フォトマルチプライヤー（光電子増倍管）又は半導体方式の検出器（ＰＩＮダイオード型）等）で検出する。
照射位置の座標と二次電子の量（信号強度）を合成して画像化し、記憶装置に記憶し、あるいはＣＲＴ（ブラウン管）上に画像を出力する。以上はＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の原理であり、この方式で得られた画像から工程途中の半導体（通常はＳｉ）ウエハの欠陥を検出する。検査速度（スループットに相当する）は一次電子線の量（電流値）、ビーム径、検出器の応答速度で決まる。ビーム径０．１μｍ（分解能と同じと考えてよい）電流値１００ｎＡ、検出器の応答速度１００ＭＨｚが現在の最高値で、この場合で検査速度は２０ｃｍ径のウエハ一枚あたり約８時間と言われている。この場合で検査速度は２０ｃｍ径のエウハ１枚当り約８時間と言われている。この検査速度が光に比べて極めて遅い（１／２０以下）ことが大きな問題（欠点）となっている。
一方、ＳＥＭ方式の欠点である検査速度を向上する方法として、複数の電子線を用いたＳＥＭ（マルチビームＳＥＭ）が知られる。この方法は、複数の電子線の本数分だけ検査速度を向上できるが、複数の電子線を斜め入射し、試料からの複数の二次電子線を斜め方向へ取出すため、試料からの二次電子も斜め方向へ放出されたもののみ検出器が拾うことになり、また画像に影ができること、更に複数の電子線からのそれぞれの二次電子を分離することが困難であり、二次電子信号が互いに混入する問題が生じている。
ＳＥＭを応用した欠陥検査装置では、ビーム寸法が小さく、当然画素寸法が小さく、ラスタ幅も小さいため、欠陥検査に多くの時間を必要としていた。また、高スループットにするため、ビーム電流を大きくすると絶縁物が表面にあるウエハでは帯電して良好なＳＥＭ像が得られない問題があった。また、マルチビームを用いた装置では電子光学系のみでなく、装置の全体構成が不明であり、電子光学系と他のサブシステムとの間の相互作用等については今までほとんど明らかにされていなかった。更に、検査対象となるウエハの大径化が進められ、サブシステムもそれに対応可能にする要請もでてきた。
本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、発明が解決しようとする一つの課題は、マルチビームを用いた電子光学系を使用すると共に、その電子光学系と、検査装置を構成するその他の構成機器との調和を図ってスループットを向上した検査装置を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、ＳＥＭで問題のあった帯電の問題を解決して検査対象を精度良く検査可能な検査装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような検査装置を用いてウエハ等の検査対象の検査を行うことにより歩留まりの良いデバイス製造方法を提供することである。
本発明は、電子線でパターンが形成された検査対象を照射し、前記検査対象のパターンを検査する装置を提供する。この検査装置は、電子源、対物レンズ、Ｅ×Ｂ分離器、及び少なくとも１段の拡大レンズを含み、複数の一次電子線を成形して前記検査対象に照射し、前記一次電子線の照射により放出された二次電子を前記対物レンズで加速させて前記Ｅ×Ｂ分離器で分離し、前記少なくとも１段の拡大レンズで二次電子像を投影する。検査装置は、更に前記電子光学系により投影された二次電子像を検出する複数の検出器と、前記検査対象を保持して前記電子光学系に関して相対的に移動させるステージ装置と、前記ステージ装置を収容しておりかつ真空雰囲気に制御可能になっているワーキングチャンバと、前記ワーキングチャンバ内の前記ステージ装置上に検査対象を供給するローダーと、前記ワーキングチャンバ内に配置された、前記検査対象に電位を印加する電位印加機構と、前記電子光学系に対する前記検査対象の位置決めのために前記検査対象の表面を観察してアライメントを制御するアライメント制御装置とを備える。前記真空チャンバは床からの振動を遮断する振動遮断装置を介して支持される。
上記検査装置において、前記ローダーが、それぞれが独立して雰囲気制御可能になっている第１のローディングチャンバ及び第２のローディングチャンバと、前記検査対象を第１のローディングチャンバ内とその外部との間で搬送する第１の搬送ユニットと、前記第２のローディングチャンバに設けられていて前記検査対象を前記第１のローディングチャンバ内と前記ステージ装置上との間で搬送する第２の搬送ユニットとを備え、前記検査装置が、前記ローダーに検査対象を供給するための仕切られたミニエンバイロメント空間を更に備えていてもよい。
また、前記ステージ装置上の前記検査対象の座標を検出するレーザ干渉測距装置を備え、前記アライメント制御装置により検査対象に存在するパターンを利用して検査対象の座標を決めしてもよく、この場合、前記検査対象の位置合わせは、前記ミニエンバイロメント空間内で行われる粗位置合わせと、前記ステージ装置上で行われるＸＹ方向の位置合わせ及び回転方向の位置合わせとを含んでいてもよい。本願の他の発明は、検査装置を用いてプロセス途中又はその後のウエハの欠陥を検出するデバイス製造方法である。従来の装置は、複数の電子線間のクロストークを防止できず、試料面からの２次電子を効率良く検出することができなかった。本発明は、クロストークを防止し、放出される２次電子を効率よく検出器に導くことができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。
本発明の荷電粒子線装置１０００は、複数の１次荷電粒子線を試料に照射する少なくとも１以上の１次光学系と、２次荷電粒子を少なくとも１以上の検出器に導く少なくとも１以上の２次光学系とを有し、前記複数の１次荷電粒子線は、互いに前記２次光学系の距離分解能より離れた位置に照射されるようにしたものである。また、前記１次光学系に、前記１次荷電粒子線の照射間隔より広い間隔で、前記１次粒子線を走査する機能を設けたものである。
上記の静圧軸受けと差動排気機構を組み合わせた図１８Ａ又はＢステージでは、ステージが移動する際に、静圧軸受け２００９に対向するガイド面２００６ａや２００７ａは、静圧軸受け部の高圧ガス雰囲気とチャンバ内の真空環境の間を往復運動する。この時ガイド面では、高圧ガス雰囲気に曝されている間にガスが吸着し、真空環境に露出されると吸着していたガスが放出されるという状態が繰り返される。このためステージが移動する度に、チャンバＣ内の真空度が悪化するという現象が起こり、上述した荷電ビームによる露光や検査や加工等の処理が安定に行えなかった、試料が汚染されてしまうという問題があった。
本発明が解決しようとする一つの課題は、真空度の低下を防止して荷電ビームによる検査や加工等の処理を安定して行える荷電ビーム装置を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、静圧軸受けによる非接触支持機構と差動排気による真空シール機構を有し、荷電ビームの照射領域と静圧軸受けの支持部との間に圧力差を発生させるようにした荷電ビーム装置を提供することである。本発明が解決しようとする別の課題は、静圧軸受けに面する部品表面から放出するガスを低減した荷電ビーム装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記の荷電ビーム装置を用いて試料表面を検査する欠陥検査装置、或いは試料の表面にパターンを描画する露光装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような荷電ビーム装置を用いて半導体デバイスを製造する半導体製造方法を提供することである。
本発明は、ＸＹステージに試料を載置し、該試料を真空中で任意の位置に移動して試料面に荷電ビームを照射する装置２０００を提供する。この装置において、該ＸＹステージには、静圧軸受けによる非接触支持機構と差動排気による真空シール機構とを設け、該試料面上の荷電ビームが照射される箇所と、該ＸＹステージの静圧軸受け支持部との間にコンダクタンスが小さくなる仕切りを設け、荷電ビーム照射領域と静圧軸受け支持部との間に圧力差が生じるようにする。
この発明によれば、試料を載置するＸＹステージの支持機構に静圧軸受けによる非接触支持機構を適用し、かつ静圧軸受けに使用する高圧ガスが真空チャンバ内にもれないように静圧軸受けの周囲に作動排気による真空シール機構を設けることによって、ステージ装置が真空内で高精度な位置決め性能を発揮することができ、更に、荷電ビーム照射位置２１００との間にコンダクタンスを小さくする仕切りを形成することによって、ステージのスライド部が高圧ガス部から真空環境へ移動する度にスライド部表面に吸着していたガスが放出されても、荷電ビーム照射位置に該放出ガスが届きにくくなっているため、荷電ビーム照射位置の圧力が上昇しにくい。すなわち、上記の構成をとることによって、試料面上の荷電ビーム照射位置の真空度を安定させ、かつステージを高精度に駆動させることができるため、試料表面を汚染することなく、試料に対する荷電ビームによる処理を高精度に行うことができる。
本発明は、上記荷電ビーム装置２２００において、前記仕切りが差動排気構造を内蔵することを特徴とする。この発明によれば、静圧軸受け支持部と荷電ビーム照射領域との間に仕切りを設け、その仕切りの内部に真空排気経路を配置して差動排気機能を持たせるので、静圧軸受け支持部から放出されたガスが仕切りを通過して荷電ビーム照射領域側に通過することがほとんどできない。これによって荷電ビーム照射位置の真空度を更に安定させることができる。
本発明は、荷電ビーム装置２３００において、前記仕切りがコールドトラップ機能を有することを特徴とする。一般に１０-7Ｐａ以上の圧力領域では、真空中の残留ガス及び材料表面から放出されるガスの主要成分は水分子である。したがって、水分子を効率的に排出することができれば高い真空度を安定して維持し易い。そこで、−１００℃〜−２００℃程度に冷却したコールドトラップを上記仕切り部に設ければ、静圧軸受け側で発生した放出ガスをコールドトラップで凍結捕集することができるので、荷電ビーム照射領域側に放出ガスが通過することが困難になり、荷電ビーム照射領域の真空度を安定に保ち易くなる。このコールドトラップは、水分子だけに有効なのではなく、清浄な真空の阻害要因である油類等の有機系ガス分子の除去にも有効であることは言うまでもない。
本発明は、荷電ビーム装置２４００において、前記仕切りが、荷電ビーム照射位置の近傍と、静圧軸受け近傍の２カ所に設けられていることを特徴とする。この発明によれば、コンダクタンスを小さくする仕切りを、荷電ビーム照射位置の近傍と静圧軸受けの近傍の２箇所に形成することになるので、真空チャンバ内が、荷電ビーム照射室、静圧軸受け室及びその中間室の３室に小さいコンダクタンスを介して分割された形になる。そして、それぞれの室の圧力を、低い順に荷電ビーム照射室、中間室、静圧軸受け室となるように真空排気系を構成する。
このようにすることによって、静圧軸受け室において放出ガスによる圧力上昇が生じても、もともと圧力を高めに設定してある室なので圧力変動率としては低く抑えることができる。したがって、中間室への圧力変動は仕切りによって更に低く抑えられ、荷電ビーム照射室への圧力変動は、もう一段の仕切りによって更に低減され、圧力変動を実質的に問題ないレベルまで低減することが可能となる。
本発明は、荷電ビーム装置において、前記ＸＹステージの静圧軸受けに供給されるガスが、ドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスであることを特徴とする。また前記ＸＹステージの、少なくとも静圧軸受けに面する部品表面に放出ガスを低減するための表面処理を施したことを特徴とする。上記のように、静圧軸受け部において高圧ガス雰囲気に曝されたステージのスライド部には、その表面に高圧ガスに含まれるガス分子が吸着し、スライド部が真空環境に露出されると、吸着したガス分子が表面から離脱し放出ガスとなって真空度を悪化させる。真空度の悪化を抑えるためには、吸着するガス分子の量を減らすことと、吸着したガス分子を速やかに排気することが必要である。
このためには、静圧軸受けに供給する高圧ガスを十分に水分を除去したドライ窒素もしくは高純度不活性ガス（例えば高純度の窒素ガス）にして、表面に吸着し易く脱離しにくいガス成分（有機物や水分等）を高圧ガスから除去することが有効である。窒素のような不活性ガスは、水分や有機物に比べて表面への吸着率が格段に低く、かつ表面からの脱離速度が格段に大きい。したがって、高圧ガスに、水分や有機物成分を極力除去した高純度不活性ガスを用いれば、スライド部が静圧軸受け部から真空環境に移動しても、放出ガス量が少なく、かつ放出ガス量の減衰も速いため真空度の悪化を小さくすることができる。それ故、ステージが移動した時の圧力上昇を低く抑えることが可能になる。
また、ステージの構成部品、特にその中でも高圧ガス雰囲気と真空環境を往復する部品表面に対して、ガス分子との吸着エネルギーが低くなるような表面処理を施すことも有効である。表面処理としては、母材が金属の場合は、ＴｉＣ（チタンカーバイド）、ＴｉＮ（チタンナイトライド）、ニッケルメッキ、不動態化処理、電解研磨、複合電解研磨、ガラスビーズショット等が考えられ、母材がＳｉＣセラミックの場合は、ＣＶＤによる緻密なＳｉＣ層のコーティング等が考えられる。それ故、ステージが移動した時の圧力上昇を更に低く抑えることが可能である。本発明は、前述の装置を用いて、半導体ウエハ表面の欠陥を検査するウエハ欠陥検査装置にある。この場合、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビームの照射領域の真空度が安定した検査装置を実現することができるので、検査性能が高く、試料を汚染する恐れのない検査装置を提供することができる。
本発明は、前述の装置を用いて、半導体ウエハ表面又はレチクルに半導体デバイスの回路パターンを描画する露光装置にある。この場合、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を実現することができるので、露光精度が高く、試料を汚染する恐れのない露光装置を提供することができる。本発明は、前述の装置を用いて半導体を製造する半導体製造方法にある。この場合、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した装置によって半導体を製造することにより、微細な半導体回路を形成できる。
従来技術では、一次電子線を試料表面の被検査領域に照射して取得した二次電子線の画像と、予め用意された基準画像との間に位置ずれが発生し、欠陥検出の精度を低下させるという問題があった。この位置ずれは、一次電子線の照射領域がウェーハに対してずれ、検査パターンの一部が二次電子線の検出画像内から欠落するとき、特に大きな問題となり、単にマッチング領域を検出画像内で最適化する技術だけでは対処できない。これは、特に、高精細パターンの検査では致命的欠点となり得る。本発明は、上記事実に鑑みなされたもので、被検査画像と基準画像との位置ずれによる欠陥検査精度の低下を防止した欠陥検査装置を提供することを目的とする。更に、本発明は、半導体デバイスの製造プロセスにおいて、上記のような欠陥検査装置を用いて試料の欠陥検査を行うことにより、デバイス製品の歩留まりの向上及び欠陥製品の出荷防止を図った半導体製造方法を提供することを別の目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の欠陥検査装置３０００は、試料の欠陥を検査する欠陥検査装置であって、試料上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する画像取得手段と、基準画像を記憶する記憶手段と、画像取得手段により取得された複数の被検査領域の画像と、記憶手段に記憶された基準画像とを比較することによって試料の欠陥を判断する欠陥判断手段と、を含んで構成される。ここで、検査対象となる試料は、欠陥を検出することができる任意のものが選択可能であるが、本発明は、半導体ウェーハを対象とするとき、優れた効果を奏することができる。
本発明では、画像取得手段が、試料上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得し、欠陥判断手段が、取得された複数の被検査領域の画像と、予め記憶された基準画像とを比較することによって試料の欠陥を判断する。このように本発明は、位置の異なる被検査領域の画像を複数取得できるようにしたので、基準画像と位置ずれの少ない被検査画像を後工程で選択的に利用することができ、位置ずれによる欠陥検出精度の低下を抑えることができる。その上、試料及び画像取得手段が、通常では検査パターンの一部が被検査画像領域から欠落するような位置関係にあったとしても、互いに位置をずらされた複数の被検査領域の画像が網羅するいずれかの領域には、全検査パターンが入る可能性はきわめて高いので、このようなパターンの一部欠落による欠陥検出の誤りを防止することができる。
比較手段は、例えば、取得された複数の被検査領域の各画像と基準画像との間でいわゆるマッチング演算を行い、複数の被検査領域のうち少なくとも１つの画像が基準画像と実質的に差が無かった場合、当該試料に欠陥無しと判断する。逆に、全ての被検査領域の画像が基準画像と実質的な差があった場合、当該試料に欠陥有りと判断することで高精度に欠陥検出を行う。本発明の好ましい態様は、一次荷電粒子線を複数の被検査領域に各々照射し、当該試料から二次荷電粒子線を放出させる荷電粒子照射手段３１００を更に含み、画像取得手段は、複数の被検査領域から放出された二次荷電粒子線を検出することによって該複数の被検査領域の画像を順次取得する。ここで、荷電粒子線は電子線が好ましい。
更に好ましくは、上記荷電粒子照射手段は、一次荷電粒子を放出する粒子源と、一次荷電粒子を偏向させる偏向手段とを備え、粒子源から放出された一次荷電粒子を偏向手段で偏向させることによって、該一次荷電粒子を複数の被検査領域に順次照射する。この態様では、偏向手段により入力画像の位置を容易に変更できるので、高速に位置の異なる被検査画像を複数取得することができる。本発明の更なる態様では、一次荷電粒子線を試料に照射する１次光学系と、二次荷電粒子を検出器に導く２次光学系とを有することを特徴とする。本発明の別の態様に係る半導体製造方法は、上記した各態様の欠陥検査装置を用いて、加工中又は完成品のウェーハの欠陥を検査する工程を含む。
本発明の他の態様及び作用効果は、以下の説明によって更に明らかとなる。前記の如き従来の技術に於ては、１個の電子銃から３個程度の小さい数の電子しか発生させなかったので、多数の鏡筒を並べる必要があった。また前記装置では電子光学系が部分的半球状検出電極を必要としていた。また、従来の技術においては、微小な検査領域を順次検査していくという方式であったため、電子線が当てられる検査領域を頻繁に代える必要があるために、当該検査面(試料)を間欠的に移動させねばならず、移動のための時間が無駄になり、従って、全体の検査に要する時間もかなり長時間を要していた。
本発明は、上記の如き従来の技術における課題を解決した効率的検査を可能とする電子線装置を提供することを目的としている。すなわち、本発明に係る電子線装置４０００は、試料面上に複数の１次電子線を照射する１次電子線照射装置と、試料面上に形成される複数の１次電子線照射点のそれぞれからの２次電子線を検出する２次電子検出器とを有し、試料を移動しながら試料面の所定領域からの２次電子線の検出を行う電子線装置であって、１次電子線照射装置が試料面上に形成する１次電子線照射点を、上記試料の移動方向にＮ行、これと直角方向にＭ列に配置し、且つ、上記１次電子線照射点の１行目からＮ行目までの各行が、順次、試料移動方向と直角方向に一定量ずつずれていることを特徴とする。
より具体的には、上記１次電子線照射装置が、電子銃と、電子銃から放出される電子を受けて上記Ｎ行Ｍ列の１次電子線照射点を形成する複数の電子線を形成する複数の開口を有する開口板とを有し、上記開口は、上記電子銃から放出される電子の所定電子密度の範囲内に位置するようにされる。更に具体的には、上記各１次電子線照射点が、試料の上記移動方向に対して直角方向に、（上記列間の間隔）／（上記行の数Ｎ）＋αだけ走査するようにする（ここでαは、隣の列の１次電子線照射点とともに重複スキャンを行う幅であり、−１％から＋２０％であればよいが、通常は、スキャン幅の約１０％以下とされる）。
このようにすることにより、試料の移動方向に対する直角方向での電子線照射幅を広くとることができ、その広い電子線照射幅を持って連続的に試料の検査を行うことができる。ここでＭ及びＮは、各々独立した１以上の整数である。２次電子検出器で検出される２次電子線は、試料面の欠陥測定、試料面上に形成される集積回路の配線幅測定、電位コントラスト測定、合せ精度測定等、所要の測定に用いるようにすることができる。
また、上記の如き電子線装置において、１次電子線照射装置が、上記電子銃を複数、及び、それに対応する上記開口板を複数、備え、各電子銃及びそれに対応する開口板が、それぞれ、上記試料面に照射する上記複数の１次電子線を形成するようにしてなる、複数の１次電子線照射系を有し、各１次電子線照射系の１次電子線が、他の１次電子線照射系の１次電子線と干渉しないようになされ、また、上記２次電子検出器を、上記１次電子線照射系のそれぞれに対応して複数設けるようにすることもできる。このようにすることにより、より広い走査幅をもって試料を移動し検査することができるので、検査効率を更に上げることができる。
本発明は、マルチビームを試料に照射し、該試料からの二次電子をマルチ検出器で検出する電子線装置において、一次電子の光軸上のビームと、光軸外のビームの強度が異なる問題点を解決し、一次電子の各ビームがほぼ等しいビーム強度となるようにした電子線装置を提供することを目的とする。また、本発明は、マルチビームを試料に照射し、該試料からの二次電子をマルチ検出器で検出する電子線装置４１００において、試料上の光軸付近から放出された二次電子の検出効率が光軸から離れた位置からの二次電子の検出効率よりも高いという問題点を解決し、試料からの二次電子の検出効率をほぼ均一化できる電子線装置を提供することを目的とする。さらに、本発明は、上記装置を用いて製造プロセス途中のデバイスの評価を行う方法を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、電子線源から放出された電子線を複数の開口を有する開口板に照射して得られる複数の開口像を試料に入射させ、該試料から放出される二次電子を一次光学系から分離して二次光学系に入射させ、二次光学系で拡大して検出器面に投影する電子線装置において、一次光学系のレンズが作る電子線源の像の位置より電子線源側にずらした位置に単一の開口板を設け、この開口板を設ける光軸方向位置を、試料面に入射する各開口からのビーム強度の差が最小となるようにする。
このように、試料面に入射するマルチビーム各ビーム間でのビーム強度の差を最小限とすることにより、光軸付近のビームと光軸より離れた位置のビーム間のビーム強度の差を縮小して試料面に均一に入射させることができるので検査、測定精度を向上させることができる。また、試料面に入射するビーム間の強度の差を縮小することにより、ビーム数を増大させ、マルチビームを広範囲に照射することができるので、検査、測定効率を向上させることができる。
本発明によれば、電子線源から放出された電子線を複数の開口を有する開口板に照射して得られる複数の開口像を試料に入射させ、該試料から放出される二次電子を一次光学系から分離して二次光学系に入射させ、二次光学系で拡大して検出器面に投影する電子線装置において、一次光学系のレンズが作る電子線源の像の位置から電子線源側へずらした位置に単一の開口板を設け、該ずらせる量はパターンの無い試料を試料面に置いたときに得られる二次電子の検出量が前記複数の開口間での差が最小となるようにする。このように、二次光学系の検出器において二次電子の検出量を開口間で最小限とすることにより、二次光学系における二次電子の検出率のばらつきをも抑制できるので、さらにより高精度の検査、測定を行うことができる。
本発明は、前述の電子線装置を用いて、製造プロセス途中のウェハーの評価を行うことを特徴とする。本発明の電子線装置を製造プロセス途中のウェーハ評価に用いることにより、より高精度、高効率のウェーハ評価を行うことができる。１個の電子銃から放出された電子線で複数の開口を有する開口板を照射して複数の電子線を作成し、これら各開口からの電子線を一次光学系で縮小して試料面に投影し走査する装置にあっては、一次光学系の歪みに起因して、各電子線が所望の位置に投影されないという課題があった。
また、電子線を縮小して試料面に投影させる一次光学系に視野非点収差が存在するため、一次光学系の光軸近くと光軸外とでは電子線の寸法及び形状が異なるという問題もある。また、試料から放出される二次電子を検出器群に投影するための二次光学系にも収差が存在することに起因して、二次電子を検出器群の所望の位置に投影させることができないという問題もある。
本発明は従来の電子線装置の持つ上記の課題を解決するために提案されたものであって、本発明の一つの目的は、一次光学系の歪み及二次光学系の収差を補正し、一次光学系の非点収差を緩和することができる電子線装置を提供することにあり、本発明の他の目的は、こうした電子線装置を用いてプロセス途中のウェーハの各種の評価を行うことによってデバイスの歩留まりを向上させるデバイス製造方法を提供することにある。上記の目的を達成するために、本発明は、電子銃から放出された電子線で複数の開口を有する開口板を照射し、該複数の開口を通った一次電子線の縮小像を一次光学系を用いて試料上に投影して走査し、前記試料から放出された二次電子線を二次光学系で拡大して検出器に投影する装置において、前記一次光学系の歪みを補正するように前記複数の開口の位置を設定する。
本発明は、電子銃から放出された電子線で複数の開口を有する第１のマルチ開口板を照射し、該複数の開口を通った一次電子線の縮小像を一次光学系を用いて試料上に投影して走査し、前記試料から放出された二次電子線を二次光学系で拡大して複数の検出素子からなる検出器で検出する装置であって、複数の開口が形成された第２のマルチ開口板を前記検出器の前面に配置してなる電子線装置において、前記二次光学系の歪みを補正するように、前記第２のマルチ開口に形成された開口の位置を設定する。
本発明によれば、電子銃から放出された電子線で複数の開口を有する開口板を照射し、該複数の開口を通った一次電子線の縮小像を一次光学系を用いて試料上に投影して走査し、前記試料から放出された二次電子線の像を二次光学系によって検出器に投影する装置において、前記一次光学系の視野非点を補正するように前記複数の開口の形状を設定する。
本発明によれば、電子銃から放出された電子線で複数の開口を有する開口板を照射し、該開口を通過した一次電子線の縮小像を、Ｅ×Ｂ分離器を含む一次光学系を用いて試料上に投影して走査し、該試料から放出された二次電子線の像を写像光学系で検出器に投影し、マルチチャンネルで画像データを取得する装置において、前記二次電子線の像を前記Ｅ×Ｂ分離器の偏向主面に関して試料側に結像させ、前記複数の開口からの一次電子線の像を前記Ｅ×Ｂ分離器の偏向主面上に結像させる。前述の電子線装置は、欠陥検査装置、線幅測定装置、合わせ精度測定装置、電位コントラスト測定装置、欠陥レビュー装置及びストロボＳＥＭ装置からなる群のうちの一つであり得る。
本発明の電子線装置は、前記試料を複数の前記電子銃からの電子線で照射し、前記試料から放出された二次電子線を、前記複数の電子銃に対応して設けられた複数の前記検出器で検出するようにしてもよい。また、本発明の電子線装置はプロセス途中のウェーハの評価を行うために使用することができる。
公知の技術では、二次電子を複数の検出器で検出する具体的な方法が明確でなく、高い分解能で試料を検査・評価することが可能であるか否かについても明確でない。また、一次光学系における電子ビームを試料面に対して斜め方向から照射しており、静電対物レンズと試料間が 軸対象の構造ではないため、電子ビームを細く絞れない等の問題がある。更に、試料からの二次電子をＥ×Ｂ分離器により分離してそれを検出器に導く技術も既に公知であるが、この場合、Ｅ×Ｂ分離器の電界で偏向される電子ビームの偏向量及び偏向方向が低エネルギーの電子ビームと高エネルギーの電子ビームとで相違するため、色収差が生じるという問題がある。また、Ｅ×Ｂ分離器を設けた場合、検査試料の付近に偏向器を配置するためのスペースを確保することが困難である、という問題もある。
本発明が解決しようとする一つの課題は、写像投影型光学系の電子線装置にＥ×Ｂ分離器を備え、複数の電子ビームを用いて試料の検査を行うことにより、試料検査・評価等を高いスループットでしかも高い信頼性で行うことができる具体的な電子線装置を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、電子ビームを細く絞れるようにした電子線装置を提供することである。本発明が解決しようとする別の課題は、Ｅ×Ｂ分離器を使用することにより生じる色収差を補正することができる電子線装置を提供することである。
本発明が解決しようとする更に別の課題は、電子線装置の光学系を２行複数列に配置して、試料の検査・評価等を高いスループットでしかも高い信頼性で行うことができる装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、Ｅ×Ｂ分離器と偏向器とを兼用することにより、Ｅ×Ｂ分離器と偏向器の両者を共に最適の位置に配置することが可能な電子線装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような電子線装置を用いてプロセス途中の試料を評価するデバイスの製造方法を提供することである。
上記課題は以下の手段により解決される。即ち、本願の発明の一つは、電子線を放出する単一の電子銃、複数の孔を設けた開口板、複数のレンズ及び相互に離隔して配置された少なくとも二つのＥ×Ｂ分離器を有していて前記電子銃からの電子線を検査されるべき試料面上に照射する第一次光学系と、前記試料から放出された二次電子を、前記Ｅ×Ｂ分離器の内の一つで第一次光学系から分離し、二次電子検出装置に入射させて検出する第二次光学系とを備え、前記電子銃からの電子線を前記開口板に照射して複数の孔の像を形成し、前記複数の孔の像の位置を前記Ｅ×Ｂ分離器のそれぞれの位置に一致させ、かつ前記それぞれのＥ×Ｂ分離器の電界で偏向される電子線の方向が試料面上で見て相互に逆方向となるようにしている。このように構成したことにより、複数の電子線を用いて試料の検査・評価等を高いスループットでしかも高い信頼性で行うことができる。また、Ｅ×Ｂ分離器により生じる色収差を補正することが可能となり、更に電子ビームを細く絞ることも可能となったため、高い検査精度を確保することができる。
また、電子線装置の発明の別の態様において、前記Ｅ×Ｂ分離器の電界で偏向される電子線の偏向量が磁界による偏向量と試料面上で見て相互に逆方向でありかつその絶対値が等しいように構成してもよい。上記のような電子線装置を、Ｅ×Ｂ分離器によって偏向された二次電子の経路が互いに干渉しないように、２行複数列に配置してもよい。それにより、試料の検査・評価等を高いスループットでしかも高い信頼性で行うことができる。
本願の別の発明では、電子線を放出する単一の電子銃、複数の孔を設けた開口板、複数のレンズ及びＥ×Ｂ分離器を有していて前記電子銃からの電子線を検査されるべき試料面上に照射する第一次光学系と、前記試料から放出された二次電子を、前記Ｅ×Ｂ分離器で第一次光学系から分離し、二次電子検出装置に入射させて検出する第二次光学系とを備え、前記電子銃からの電子線を前記開口板に照射して複数の孔の像を形成し、前記複数の孔の像の位置を前記Ｅ×Ｂ分離器の位置に一致させ、かつ前記Ｅ×Ｂ分離器の電界に走査電圧を重畳させて、前記電子線の偏向動作をさせるようにしている。このように構成したことにより、Ｅ×Ｂ分離器と偏向器とを兼用させて、両者を最適の位置に配置することができる。
前記一つの発明及び別の発明による電子線装置において、前記電子線装置は、欠陥検査装置、線幅測定装置、欠陥レビュウ装置、ＥＢテスター装置及び電位コントラスト測定装置のいずれかであってもよい。本願の更に別の発明は、前記電子線装置を用いてプロセス途中のウエハーの評価を行ってデバイスの製造を行うことである。
本発明の目的は、電子光学的かつ短時間で電子光学系の焦点合わせを行うことができる電子線装置、及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法を提供することである。この目的を達成するため、本発明は、一次光学系により複数の一次電子線を試料に照射し、試料から放出される二次電子線を、対物レンズを通過後にＥＸＢ分離器で二次光学系に投入し、投入後少なくとも一段のレンズで複数の二次電子線間の間隔を拡大し、複数の検出器で検出する電子線装置であって、対物レンズに少なくとも３つの異なる励起電圧を個別に供給して、第１の方向に平行なパターン・エッジを第２の方向に走査したときに得られる、二次電子線の強度に対応する電気信号の立ち上がり幅を表す少なくとも３つのデータを測定することを特徴とする電子線装置を提供する。
これにより、電子光学系の焦点合わせを短時間で実行できる。上記した電子線装置を鏡筒として複数試料に対向して配置し、各鏡筒の一次光学系が、試料上に複数の一次電子線を、他の鏡筒とは異なる位置に照射するよう構成してもよい。これにより、スループットを向上させることができる。また、電子線装置は、ウエハ上のパターンが帯電している状態で、対物レンズの励起条件を求めるよう構成されていることが好ましい。
本発明はまた、一次光学系により複数の一次電子線を試料に照射し、試料から放出される二次電子線を、対物レンズを通過後にＥＸＢ分離器で二次光学系に投入し、投入後少なくとも一段のレンズで複数の二次電子線間の間隔を拡大し、複数の検出器で検出する電子線装置を提供する。この電子線装置において、対物レンズは、アースに近い第１の電圧が印加される第１の電極と、第１の電圧より大きい第２の電圧が印加される第２の電極とを備え、第１の電極に印加される第１の電圧を変化させることによって、対物レンズの焦点距離が変化されるよう構成されており、対物レンズを励起する励起手段は、対物レンズの焦点距離を大きく変化させるために第２の電極に印加する電圧を変更する手段と、焦点距離を短時間で変化させるために第１の電極に印加する電圧を変更する手段とを備える。本発明はさらに、上記した電子線装置を用いて、プロセス途中又は終了後のウエハの評価を行うことを特徴とする半導体デバイス製造方法も提供する。
実際に二次電子を複数の検出器で検出し高い分解能で試料を検査・評価することが可能な電子線装置を実用化することができるか否かについて、必ずしも明確でない。また、このような電子線装置においては、スループットが大きいが解像度が比較的低く比較的大きい欠陥しか検出できないモード（以下、標準モードと呼ぶ）と、スループットが小さいが解像度が高く非常に小さい欠陥でも検出可能なモード（以下、高解像度モードと呼ぶ）との二つの異なったモードを一つの装置で使用できることが必要である。しかし、そのような機能を有する実用的な装置はまだ開発されていない。
更に、これら二つのモードを一つの装置で使用する場合、マルチビームの走査幅を変更すること、及び第二次光学系の静電レンズの拡大率を変更すること等が必要であるが、走査幅を標準モードから狭くするとマルチビーム間に走査の隙間が生じたり、また、第二次光学系でのビーム寸法が検出器の画素寸法と一致しなくなるという問題が生じる。本発明はこのような課題を解決することを目的とする。
上記課題を解決するため、本願の発明の一つは、単一の電子銃から放出された電子線を複数の孔を設けた開口板でマルチビームにし、前記マルチビームを少なくとも２段の静電レンズで縮小して検査されるべき試料を走査する第一次光学系と、前記試料から放出された二次電子を静電対物レンズ通過後Ｅ×Ｂ分離器で第一次光学系から分離し、その後少なくとも１段の静電レンズで拡大して複数の検出装置に入射させる第二次光学系とを備え、スループットが大きいが解像度が比較的低いモード及びスループットが小さいが解像度が高いモードで試料を評価するように、少なくとも二種類の画素寸法で試料の評価を行うようにしている。このように構成したことにより、複数の電子線を用いて試料の検査・評価等を高いスループットでしかも高い信頼性で行うことができる。また、標準モードと高解像度モードとの二つのモードを一つの装置で使用することが可能となる。
電子線装置の発明の別の態様において、第一次光学系でのマルチビームの縮小率と、第二次光学系の静電レンズでの拡大率とを関係付けるようにしている。また、電子線装置の発明の別の態様において、第一次光学系でのクロスオーバ像を、前記スループットが大きいが解像度が比較的低いモードにおいて、静電対物レンズの主面に形成するようにしている。電子線装置の発明の更に別の態様において、第二次光学系の拡大率は、第二次光学系に配置された開口アパーチャよりも検出器側に設けられた静電レンズで調整されるようにしている。本発明によると、上記のような電子線装置を用いてプロセス途中のウエハーの評価を行ってデバイスの製造を行う。
従来の走査電子顕微鏡では細い電子線すなわちビームで試料表面を走査するため、大面積を有する試料を評価するとスループットが大幅に低下する問題があった。また、前記公知のチャージアップ検知機能では、各種電流を高い時間分解能で測定する必要があり、チャージアップの状態をかならずしも正しく検出できなかった。本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであって、発明が解決しようとする一つの課題は、スループットを向上させかつより高い信頼性の下で試料の評価を行える電子線装置を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、複数の電子線を試料に同時に照射させることによりスループットを向上させると共に、チャージアップ検知機能を向上させて評価の信頼性を向上した電子線装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような電子線装置を用いてプロセス途中又は後の試料の評価を、高い製造歩留まりで行えるデバイスの製造方法を提供することである。
本願の一つの発明は、一次電子線を発生し、集束して試料上に走査させて照射する一次光学系と、前記試料の電子線照射部分から放出された二次電子が投入される、少なくとも１段のレンズを有する二次光学系と、前記二次電子を検出する検出器とを備え、前記電子線照射部から放出された二次電子を加速し、Ｅ×Ｂ分離器で一次光学系から分離して前記二次光学系に投入し、前記二次電子の像を前記レンズで拡大して検出器で検出する電子線装置において、前記一次光学系が複数の一次電子線を発生して試料に同時に照射し、前記検出器が前記一次電子線の数に対応して複数設けられていることと、前記試料にリターディング電圧を印加するためのリターディング電圧印加装置と、前記試料のチャージアップ状態を調査するチャージアップ調査機能と、を備えて構成される。
上記発明による電子線装置が、前記チャージアップ調査機能からのチャージアップ状態に関する情報に基づいて最適なリターディング電圧を決定し、それを前記試料に印加する機能、或いは一次電子線の照射量を変化させる機能を更に備えていてもよい。本願の他の発明による電子線装置は、複数の電子線を試料に照射する光学系と、チャージアップ調査機能とを有し、前記チャージアップ調査機能は、前記試料に一次電子線が照射されて発生した二次電子を複数の検出器で検出して画像を形成したとき、前記試料の特定部分のパターン歪み或いはパターンボケを評価し、その結果パターン歪み或いはパターンボケが大きい場合をチャージアップが大きいと評価するように構成されている。
前記各発明による電子線装置において、前記チャージアップ調査機能は、試料に値が可変のリターディング電圧を印加可能であり、少なくとも二つのリターディング電圧を印加した状態で、試料のパターン密度が大きく変化している境界付近の画像形成を行い、上記画像をオペレータがパターン歪み或いはパターンボケを評価可能なように表示する装置を有していてもよい。本願の更に別の発明は、上記の電子線装置を用いてプロセス途中或いは終了後のウエハの欠陥を検出する事を特徴とするデバイスの製造方法を提供することである。
図５４に示した構成を有する従来例のＥ×Ｂ型エネルギ・フィルタを、半導体ウエハを電子ビームを用いて画像データを得ることにより評価する検査装置のＥ×Ｂ分離器として用いても、１次電子ビームが実質的に収差を生じないで直進する光軸の周りの領域は、あまり広くない。この理由の１つは、従来のＥ×Ｂエネルギ・フィルタの構造が複雑であり、対称性が十分に良好ではないことである。すなわち、対称性が良くないため、収差を計算しようとすると、３次元の電場解析や３次元の磁場解析を必要として、計算が複雑になる。よって、収差が最適になるように設計しようとしても、長時間を要する。別の理由は、従来のＥ×Ｂエネルギ・フィルタにおいて、電界及び磁界が光軸に直交しておりかつこれらの強度分布がほぼ一様である領域が、狭いことである。
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、構造が簡単で収差計算が容易にでき、しかも、磁界及び電界の強度が一様な光軸周囲の領域が大きいＥ×Ｂ分離器を提供することである。本発明の第２の目的は、第１の目的を達成するＥ×Ｂ分離器を用いた電子線装置、及び該電子線装置を用いて半導体ウエハの評価を行うことを含んだ半導体デバイス製造方法を提供することである。
上記した第１の目的を達成するために、本発明に係る、光軸に直交する電界及び磁界を生成し、進行方向の異なる少なくとも２つの電子ビームを分離するためのＥ×Ｂ分離器は、電界を生成するための一対の平行な平板状の電極であって、電極相互の間隔が電界と直交する電極の長さよりも短く設定されている電極を備えた静電偏向器と、該静電偏向器と反対方向に電子ビームを偏向させるトロイダル型又はサドル型の電磁偏向器とを備える。また、上記したＥ×Ｂ分離器において、静電偏向器を、電界を生成するための少なくとも６極の電極を有し、回転可能な電界を生成するように構成しても良い。
さらに、上記したＥ×Ｂ分離器において、トロイダル型又はサドル型の電磁偏向器は、電界及び磁界の両方向の磁界を発生させる２組の電磁コイルを有し、これら２組のコイルに流す電流比を調整することにより、電磁偏向器による偏向方向が、静電偏向器による偏向方向と反対となるように調整可能に構成することが好ましい。さらにまた、上記したＥ×Ｂ分離器において、サドル型又はトロイダル型の電磁偏向器の内部に、静電偏向器を配置することが好ましく、これにより、電磁偏向器を２分割状態に形成し、これらを静電偏向器の外周に装着し一体化することができ、よって、Ｅ×Ｂ分離器の製造が容易になる。
本発明はまた、複数の１次電子ビームを半導体ウエハに照射して該ウエハからの２次電子ビームを複数の検出器で検出して画像データを得ることにより、半導体ウエハの加工状態を評価する検査装置において、１次電子ビームと２次電子ビームとの分離用に、上記したＥ×Ｂ分離器を用いた検査装置も提供する。
本発明が解決しようとする課題は、ＸＹステージの差動排気機構をなくして構造が簡単でコンパクト化が可能な荷電ビーム装置を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、ＸＹステージを収容しているハウジング内を真空排気すると共に該試料面上の荷電ビームが照射される領域を排気する差動排気機構をもうけた荷電ビーム装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記の荷電ビーム装置を用いて試料表面を検査する欠陥検査装置、或いは試料の表面にパターンを描画する露光装置を提供することである。本発明が解決しようとする更に別の課題は、上記のような荷電ビーム装置を用いて半導体デバイスを製造する半導体製造方法を提供することである。
本発明のＸＹステージ上に載置された試料に荷電ビームを照射する装置においては、該ＸＹステージはハウジング内に収容されかつ静圧軸受けによりハウジングに対して非接触で支持されており、該ステージが収容されたハウジングは真空排気され、該荷電ビーム装置の該試料面上に荷電ビームを照射する部分の周囲には、試料面上の該荷電ビームが照射される領域を排気する差動排気機構が設けられる。
この発明の荷電ビーム装置によれば、真空チャンバ内に漏れ出た静圧軸受け用の高圧ガスは、まず真空チャンバに接続された真空排気用配管によって排気される。そして荷電ビームが照射される領域を排気する差動排気機構を荷電ビームを照射する部分の周囲に設けることによって、荷電ビーム照射領域の圧力を真空チャンバ内の圧力より大幅に減少させ、荷電ビームによる試料への処理が問題なく実施できる真空度を安定して達成することができる。すなわち、大気中で一般に用いられる静圧軸受け式のステージと同様の構造を持ったステージ（差動排気機構を持たない静圧軸受け支持のステージ）を使用して、ステージ上の試料に対して荷電ビームによる処理を安定に行うことができる。
本発明の荷電ビーム装置において、前記ＸＹステージの静圧軸受けに供給されるガスはドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスであり、該ドライ窒素もしくは高純度不活性ガスは、該ステージを収納するハウジングから排気された後加圧され、再び前記静圧軸受けに供給される。本発明によれば、真空のハウジング内の残留ガス成分は高純度の不活性ガスとなるので、試料表面やハウジングにより形成される真空チャンバ内の構造物の表面を水分や油分等で汚染する恐れがない上に、試料表面に不活性ガス分子が吸着しても、差動排気機構或いは荷電ビーム照射領域の高真空部に晒されれば速やかに試料表面から離脱するので、荷電ビーム照射領域の真空度に対する影響を最小限に抑えることが可能になり、荷電ビームによる試料への処理を安定化させることができる。
本発明は、前記荷電ビーム装置を用いて、半導体ウエハ表面の欠陥を検査するウエハ欠陥検査装置に存する。これにより、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビームの照射領域の真空度が安定した検査装置を安価に提供することができる。本発明は、前記荷電ビーム装置を用いて、半導体ウエハ表面又はレチクルに半導体デバイスの回路パターンを描画する露光装置にある。これにより、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を安価に提供することができる。本発明は、前記荷電ビーム装置を用いて半導体を製造する半導体製造方法にあり、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した装置によって半導体を製造することにより、微細な半導体回路を形成できる。
対称ダブレットレンズでは、例えば縮小レンズ系を作る場合、２段のレンズを必要とし、それぞれのレンズの寸法比を縮小比と同じ比率にする必要がある。例えば１／１０縮小の系を作るとすると、小さい側のレンズは加工精度等で決る寸法より小さくできないので、例えばボーア径が５ｍｍφ、レンズギャップが５ｍｍ程度とすると、大きい側のレンズはボーア径が５０ｍｍφ、レンズギャップも５０ｍｍとなり、かなり大寸法のレンズを作らざるを得ず、また、実際の装置で倍率を変化させようとすると、対称ダブレット条件が狂ってしまう等の問題があった。
本発明は上記の如き問題に鑑み、２段以上のレンズ系で倍率が調整可能で、単レンズで倍率色収差を補正可能な電子光学系を得ることを目的とする。また、デバイス製造における歩留りを低下させる原因を、上記の装置を用いて早期に発見するためのウェーハ評価を行う方法を提供することも目的とする。本発明は、複数の電子線を、コンデンサレンズを含むレンズ系で集束し、対物レンズで試料上に結像する電子線装置であって、上記対物レンズの前段のレンズが作る上記電子線のクロスオーバ位置を、同対物レンズの上記レンズ系側近傍位置にしたことを特徴とする電子線装置を提供する。具体的には、上記クロスオーバ位置は、対物レンズの主面より上記レンズ系側とする。クロスオーバ位置を上記の如くすることにより、試料上で結像される電子線に生じる収差、特に色収差を低減することができる。
上記複数の電子線は、単一の電子銃から放射されて複数の開口を通過して形成された複数の電子線、複数の電子銃から放出された複数の電子線、若しくは、単一の電子銃に形成された複数のエミッターから放出された複数の電子線とすることができる。本発明はまた、上記の如き電子線装置を用いて、製造プロセス途中のウェーハの評価を行うことを特徴とするデバイス製造方法を提供する。
本発明は、一次電子線を複数とし、複数の電子線を一次元方向（ｘ方向）に走査しながらＥ×Ｂフィルタ（ウイーンフィルタ）を通して試料表面へ垂直に入射させ、試料からの二次電子をＥ×Ｂフィルタにより一次電子線と分離して一次電子線の軸に対して斜め方向へ取出し、更にレンズ系により検出系に結像或いは集光させる。一次電子線の走査方向（ｘ方向）に対してステージを垂直方向（ｙ方向）に移動させ、連続した画像を取得する。一次電子線がＥ×Ｂフィルタを通過するときは電子線が電界から受ける力と磁界から受ける強さが逆向きで等しくなる条件（ウイーン条件）に設定され、一次電子線は直進する。
一方、二次電子線は、一次電子線とは方向が逆向きのために二次電子に作用する電界及び磁界の力の方向が同じになるために一次電子線の軸方向から曲げられる。この結果、一次電子線と二次電子線は分離される。Ｅ×Ｂフィルタを電子線が通過するとき、直進のときよりも曲げられた場合の収差が大きくなるため、高い精度が必要とされる一次電子線の一本一本に対応した検出器が備えられ、対応する一次電子線からの二次電子は前記結像系により必ず対応する検出器へ入射する。このため、信号の混入を無くすことが可能となる。検出器としてはシンチレータ＋光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）を使用する。またＰＩＮダイオード（半導体検出器）等を使用することもできる。本発明では１６本の一次電子線でそれぞれビーム径０．１μｍ、ビーム電流２０ｎＡであり、市販の装置の約３倍の電流値が得られた。
電子銃（電子線源）
本発明において、電子線源として熱電子線源を使用している。電子放出（エミッタ）材はＬａＢ６である。高融点（高温での蒸気圧が低い）で仕事関数の小さい材料であれば、他の材料を使用することが可能である。複数の電子線を得るために、２通りの方法を用いている。１つは、１本のエミッタ（突起が１つ）から１本の電子線を引出し、複数の穴のあいた薄板（開口板）を通すことにより、複数の電子線を得る方法であり、もう１つの方法は、１本のエミッタに複数の突起を形成してそこから直に複数の電子線を引出す方法である。いずれの場合にも電子線が突起の先端から放出され易い性質を利用している。他の方式の電子線源、例えば熱電界放出型の電子線も使用可能である。なお、熱電子線源は電子放出材を加熱することにより電子を放出する方式であり、熱電界放出電子線源とは、電子放出材に高電界をかけることにより電子を放出させ、更に電子線放出部を加熱することにより、電子放出を安定させた方式である。
真空排気系
本発明において、真空排気系は、真空ポンプ、真空バルブ、真空ゲージ、真空配管等から構成され、電子光学系、検出器部、試料室、ロードロック室を所定のシーケンスに従い真空排気を行う。各部においては必要な真空度を達成するように真空バルブが制御される。常時、真空度のモニターを行い、異常時には、インターロック機能により隔離バルブ等の緊急制御を行い、真空度の確保をする。真空ポンプとしては主排気にターボ分子ポンプ、粗引き用としてルーツ式のドライポンプを使用する。検査場所（電子線照射部）の圧力は１０−３〜１０−５Ｐａ、好ましくはその１桁下の１０−４〜１０−６Ｐａが実用的である。
制御系
本発明において、制御系は主にメインコントローラ、制御コントローラ、ステージコントローラから構成される。メインコントローラにはマン−マシンインターフェースが備えられており、オペレータの操作はここを通して行われる（種々の指示／命令、レシピなどの入力、検査スタートの指示、自動と手動検査モードの切り替え、手動検査モード時のときの必要な全てのコマンドの入カ等）。その他、工場のホストコンピュータとのコミュニケーション、真空排気系の制御、ウエハ等の試料搬送、位置合わせの制御、他の制御コントローラやステージコントローラヘのコマンドの伝達や情報の受け取り等もメインコントローラで行われる。
また、光学顕微鏡からの画像信号の取得、ステージの変動信号を電子光学系にフィードバックさせて像の悪化を補正するステージ振動補正機能、試料観察位置のＺ方向（二次光学系の軸方向）の変位を検出して、電子光学系ヘフィードバックし、自動的に焦点を補正する自動焦点補正機能を備えている。電子光学系へのフィードバック信号等の授受、及びステージからの信号の授受は、それぞれ制御コントローラ及びステージコントローラを介して行われる。
制御コントローラは主に電子線光学系の制御（電子銃、レンズ、アライナー、ウィーンヒルター用などの高精度電源の制御等）を担う。具体的には照射領域に、倍率が変わったときにも常に一定の電子電流が照射されるようにすること、各倍率に対応した各レンズ系やアライナーへの自動電圧設定等の、各オペレーションモードに対応した各レンズ系やアライナーへの自動電圧設定等の制御（連動制御）が行われる。ステージコントローラは主にステージの移動に関する制御を行い精密なＸ方向およびＹ方向のμｍオーダーの移動（±０．５μｍ程度の誤差）を可能にしている。また、本ステージでは誤差精度±０．３秒程度以内で、回転方向の制御（θ制御）も行われる。
検査手順
本発明において検査手順（図６３）は次のように行われる。一般に電子線を用いた欠陥検査装置は高価であり、またスループットも他のプロセス装置に比べて低いために、現状では最も検査が必要と考えられている重要な工程（例えばエッチング、成膜、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理等）の後に使用されている。検査されるウエハは大気搬送系及び真空搬送系を通して、超精密Ｘ−Ｙステージ上に位置合わせ後、静電チャック機構等により固定され、以後、図６３のフローの従って欠陥検査等が行われる。はじめに光学顕微鏡により、必要に応じて各ダイの位置確認や、各場所の高さ検出が行われ記憶される。光学顕微鏡はこの他に欠陥等の見たい所の光学顕微鏡像を取得し、電子線像との比較等にも使用される。
次にウエハの種類（どの工程後か、ウエハのサイズは２０ｃｍか３０ｃｍか等）に応じたレシピの情報を装置に入力し、以下検査場所の指定、電子光学系の設定、検査条件の設定等を行なった後、画像取得を行ないながら通常はリアルタイムで欠陥検査を行なう。セル同士の比較、ダイ比較等が、アルゴリズムを備えた高速の情報処理システムにより検査が行なわれ、必要に応じてＣＲＴ等に結果を出力や、メモリーへ記憶を行なう。欠陥にはパーティクル欠陥、形状異常（パターン欠陥）、及び電気的（配線又はビア等の断線及び導通不良等）欠陥等が有り、これらを区別したり欠陥の大きさや、キラー欠陥（チップの使用が不可能になる重大な欠陥等）の分類を自動的にリアルタイムで行うことも出来る。
電気的欠陥の検出はコントラスト異状を検出することで達成される。例えば導通不良の場所は電子線照射（５００ｅＶ程度）により、通常正に帯電し、コントラストが低下するので正常な場所と区別ができる。この場合の電子線照射手段とは、通常検査用の電子線照射手段以外に別途、電位差によるコントラストを際立たせるために設けた低エネルギーの電子線発生手段（熱電子発生、ＵＶ／光電子）をいう。検査対象領域に検査用の電子線を照射する前に、この低エネルギーの電子線を発生・照射している。
検査用の電子線を照射すること自体正に帯電させることができる写像投影方式の場合は、仕様によっては、別途低電位の電子線発生手段を設ける必要はない。また、ウエハ等の試料に基準電位に対して、正又は負の電位をかけること等による（素子の順方向又は逆方向により流れ易さが異なるために生じる）コントラストの違いから欠陥検出が出来る。線幅測定装置及び合わせ精度測定にも利用できる。
電極の清掃
本発明の電子ビーム装置が作動すると、近接相互作用（表面近くでの粒子の帯電）により標的物質が遊離して高圧領域に引きつけられるので、電子ビームの形成や偏向に使用される様々な電極には有機物質が堆積する。表面の帯電により徐々に堆積していく絶縁体は電子ビームの形成や偏向機構に悪影響を及ぼすので、堆積した絶縁体は周期的に除去しなければならない。絶縁体の周期的な除去は絶縁体の堆積する領域の近傍の電極を利用して真空中で水素や酸素あるいはフッ素及びそれらを含む化合物ＨＦ、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＭＦＮ等のプラズマを作り出し、空間内のプラズマ電位を電極面にスパッタが生じる電位（数ｋＶ、例えば２０Ｖ−５ｋＶ）に維持することで、有機物質のみ酸化、水素化、フッ素化により除去する。
図１及び図２を参照して、本発明の実施例１について、検査対象として表面にパターンが形成された基板即ちウエハを検査する半導体検査装置として説明する。図１及び図２において、半導体検査装置１の主要構成要素が立面及び平面で示されている。実施例１の半導体検査装置１は、複数枚のウエハを収納したカセットを保持するカセットホルダ１０と、ミニエンバイロメント装置２０と、ワーキングチャンバを画成する主ハウジング３０と、ミニエンバイロメント装置２０と主ハウジング３０との間に配置されていて、二つのローディングチャンバを画成するローダハウジング４０と、ウエハをカセットホルダ１０から主ハウジング３０内に配置されたステージ装置５０上に装填するローダー６０と、真空ハウジングに取り付けられた電子光学装置７０と、を備え、それらは図１及び図２に示されるような位置関係で配置されている。
半導体検査装置１は、更に、真空の主ハウジング３０内に配置されたプレチャージユニット８１と、ウエハに電位を印加する電位印加機構８３（図８に図示）と、電子ビームキャリブレーション機構８５（図１０に図示）と、ステージ装置上でのウエハの位置決めを行うためのアライメント制御装置８７を構成する光学顕微鏡８７１とを備えている。カセットホルダ１０は、複数枚（例えば２５枚）のウエハが上下方向に平行に並べられた状態で収納されたカセットｃ（例えば、アシスト社製のＳＭＩＦ、ＦＯＵＰのようなクローズドカセット）を複数個（この実施形態では２個）保持するようになっている。
このカセットホルダとしては、カセットをロボット等により搬送してきて自動的にカセットホルダ１０に装填する場合にはそれに適した構造のものを、また人手により装填する場合にはそれに適したオープンカセット構造のものをそれぞれ任意に選択して設置できるようになっている。カセットホルダ１０は、この実施形態では、自動的にカセットｃが装填される形式であり、例えば昇降テーブル１１と、その昇降テール１１を上下移動させる昇降機構１２とを備え、カセットｃは昇降テーブル上に図２で鎖線図示の状態で自動的にセット可能になっていて、セット後、図２で実線図示の状態に自動的に回転されてミニエンバイロメント装置内の第１の搬送ユニットの回動軸線に向けられる。また、昇降テーブル１１は図１で鎖線図示の状態に降下される。このように、自動的に装填する場合に使用するカセットホルダ、或いは人手により装填する場合に使用するカセットホルダはいずれも公知の構造のものを適宜使用すれば良いので、その構造及び機能の詳細な説明は省略する。
図３Ｂに示す別の実施の形態では、複数の３００ｍｍφ基板Ｗを、箱本体５０１に固定した溝型ポケット（図示しない）に収納し、搬送及び保管する。この基板搬送箱２４は、角筒状の箱本体５０１と基板搬出ドア自動開閉装置に連絡されて箱本体５０１の側面の開口部を開閉可能な基板搬出入ドア５０２と、開口部に対して反対側に位置されるフィルタ類、及びファンモータの着脱を行うための開閉部を覆う蓋体５０３と、基板Ｗを保持するための溝型ポケット（図示しない）と、ＵＬＰＡフィルタ５０５、ケミカルフィルタ５０６、ファンモータ５０７により構成される。この事例では、基板Ｗは、ローダー６０のロボット式の第１搬送ユニット６１２により出し入れされる。
カセットｃ内に収納される基板即ちウエハは、検査を受けるウエハであり、そのような検査は、半導体製造工程中でウエハを処理するプロセスの後、若しくはプロセスの途中で行われる。具体的には、成膜工程、ＣＭＰ、イオン注入等を受けた基板即ちウエハ、表面に配線パターンが形成されたウエハ、又は配線パターンが未だに形成されていないウエハが、カセット内に収納される。カセットｃ内に収容されるウエハは多数枚上下方向に隔ててかつ平行に並べて配置されているため、任意の位置のウエハと後述する第１の搬送ユニットで保持できるように、第１の搬送ユニットのアームを上下移動できるようになっている。
図１乃至図３において、ミニエンバイロメント装置２０は、雰囲気制御されるようになっているミニエンバイロメント空間２１を画成するハウジング２２と、ミニエンバイロメント空間２１内で清浄空気のような気体を循環して雰囲気制御するための気体循環装置２３と、ミニエンバイロメント空間２１内に供給された空気の一部を回収して排出する排出装置２４と、ミニエンバイロメント空間２１内に配設されていて検査対象としての基板即ちウエハを粗位置決めするプリアライナー２５とを備えている。
ハウジング２２は、頂壁２２１、底壁２２２及び四周を囲む周壁２２３を有していてい、ミニエンバイロメント空間２１を外部から遮断する構造になっている。ミニエンバイロメント空間を雰囲気制御するために、気体循環装置２３は、図３に示されるように、ミニエンバイロメント空間２１内において、頂壁２２１に取り付けられていて、気体（この実施形態では空気）を清浄にして一つ又はそれ以上の気体吹き出し口（図示せず）を通して清浄空気を真下に向かって層流状に流す気体供給ユニット２３１と、ミニエンバイロメント空間内において底壁２２２の上に配置されていて、底に向かって流れ下った空気を回収する回収ダクト２３２と、回収ダクト２３２と気体供給ユニット２３１とを接続して回収された空気を気体供給ユニット２３１に戻す導管２３３とを備えている。
この実施形態では、気体供給ユニット２３１は供給する空気の約２０％をハウジング２２の外部から取り入れて清浄にするようになっているが、この外部から取り入れられる気体の割合は任意に選択可能である。気体供給ユニット２３１は、清浄空気をつくりだすための公知の構造のＨＥＰＡ若しくはＵＬＰＡフィルタを備えている。清浄空気の層流状の下方向の流れ即ちダウンフローは、主に、ミニエンバイロメント空間２１内に配置された後述する第１の搬送ユニットによる搬送面を通して流れるように供給され、搬送ユニットにより発生する虞のある塵埃がウエハに付着するのを防止するようになっている。
従って、ダウンフローの噴出口は必ずしも図示のように頂壁に近い位置である必要はなく、搬送ユニットによる搬送面より上側にあればよい。また、ミニエンバイロメント空間全面に亘って流す必要もない。なお、場合によっては、清浄空気としてイオン風を使用することによって清浄度を確保することができる。また、ミニエンバイロメント空間内には清浄度を観察するためのセンサを設け、清浄度が悪化したときに装置をシャットダウンすることもできる。ハウジング２２の周壁２２３のうちカセットホルダ１０に隣接する部分には出入り口２２５が形成されている。出入り口２２５近傍には公知の構造のシャッタ装置を設けて出入り口２２５をミニエンバイロメント装置側から閉じるようにしてもよい。ウエハ近傍でつくる層流のダウンフローは、例えば０．３乃至０．４ｍ／ｓｅｃの流速でよい。気体供給ユニットはミニエンバイロメント空間内でなくその外側に設けてもよい。
排出装置２４は、前記搬送ユニットのウエハ搬送面より下側の位置で搬送ユニットの下部に配置された吸入ダクト２４１と、ハウジング２２の外側に配置されたブロワー２４２と、吸入ダクト２４１とブロワー２４２とを接続する導管２４３と、を備えている。この排出装置２４は、搬送ユニットの周囲を流れ下り搬送ユニットにより発生する可能性のある塵埃を含んだ気体を、吸入ダクト２４１により吸引し、導管２４３、２４４及びブロワー２４２を介してハウジング２２の外側に排出する。この場合、ハウジング２２の近くに引かれた排気管（図示せず）内に排出してもよい。
ミニエンバイロメント空間２１内に配置されたアライナー２５は、ウエハに形成されたオリエンテーションフラット（円形のウエハの外周に形成された平坦部分を言い、以下においてオリフラと呼ぶ）や、ウエハの外周縁に形成された一つ又はそれ以上のＶ型の切欠き即ちノッチを光学的に或いは機械的に検出してウエハの軸線Ｏ１−Ｏ１の周りの回転方向の位置を約±１度の精度で予め位置決めしておくようになっている。プリアライナーは請求項に記載された発明の検査対象の座標を決める機構の一部を構成し、検査対象の粗位置決めを担当する。このプリアライナー自体は公知の構造のものでよいので、その構造、動作の説明は省略する。なお、図示しないが、プリアライナーの下部にも排出装置用の回収ダクトを設けて、プリアライナーから排出された塵埃を含んだ空気を外部に排出するようにしてもよい。
図１及び図２において、ワーキングチャンバ３１を画成する主ハウジング３０は、ハウジング本体３２を備え、そのハウジング本体３２は、台フレーム３６上に配置された振動遮断装置即ち防振装置３７の上に載せられたハウジング支持装置３３によって支持されている。ハウジング支持装置３３は矩形に組まれたフレーム構造体３３１を備えている。ハウジング本体３２はフレーム構造体３３１上に配設固定されていて、フレーム構造体上に載せられた底壁３２１と、頂壁３２２と、底壁３２１及び頂壁３２２に接続されて四周を囲む周壁３２３とを備えていてワーキングチャンバ３１を外部から隔離している。底壁３２１は、この実施形態では、上に載置されるステージ装置等の機器による加重で歪みの発生しないように比較的肉厚の厚い鋼板で構成されているが、その他の構造にしてもよい。
この実施形態において、ハウジング本体及びハウジング支持装置３３は、剛構造に組み立てられていて、台フレーム３６が設置されている床からの振動がこの剛構造に伝達されるのを防振装置３７で阻止するようになっている。ハウジング本体３２の周壁３２３のうち後述するローダハウジングに隣接する周壁にはウエハ出し入れ用の出入り口３２５が形成されている。
防振装置は、空気バネ、磁気軸受け等を有するアクティブ式のものでも、或いはこれらを有するパッシブ式のもよい。いずれも公知の構造のものでよいので、それ自体の構造及び機能の説明は省略する。ワーキングチャンバ３１は公知の構造の真空装置（図示せず）により真空雰囲気に保たれるようになっている。台フレーム３６の下には装置全体の動作を制御する制御装置２が配置されている。
図１、図２及び図４において、ローダハウジング４０は、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを画成するハウジング本体４３を備えている。ハウジング本体４３は底壁４３１と、頂壁４３２と、四周を囲む周壁４３３と、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを仕切る仕切壁４３４とを有していて、両ローディングチャンバを外部から隔離できるようになっている。仕切壁４３４には両ローディングチャンバ間でウエハのやり取りを行うための開口即ち出入り口４３５が形成されている。また、周壁４３３のミニエンバイロメント装置及び主ハウジングに隣接した部分には出入り口４３６及び４３７が形成されている。
このローダハウジング４０のハウジング本体４３は、ハウジング支持装置３３のフレーム構造体３３１上に載置されてそれによって支持されている。従って、このローダハウジング４０にも床の振動が伝達されないようになっている。ローダハウジング４０の出入り口４３６とミニエンバイロメント装置のハウジング２２の出入り口２２６とは整合されていて、そこにはミニエンバイロメント空間２１と第１のローディングチャンバ４１との連通を選択的に阻止するシャッタ装置２７が設けられている。シャッタ装置２７は、出入り口２２６及び４３６の周囲を囲んで側壁４３３と密に接触して固定されたシール材２７１、シール材２７１と協働して出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉２７２と、その扉を動かす駆動装置２７３とを有している。
また、ローダハウジング４０の出入り口４３７とハウジング本体３２の出入り口３２５とは整合されていて、そこには第２のローディングチャンバ４２とワーキンググチャンバ３１との連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４５が設けられている。シャッタ装置４５は、出入り口４３７及び３２５の周囲を囲んで側壁４３３及び３２３と密に接触してそれらに固定されたシール材４５１、シール材４５１と協働して出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉４５２と、その扉を動かす駆動装置４５３とを有している。
更に、仕切壁４３４に形成された開口には、扉４６１によりそれを閉じて第１及び第２のローディングチャンバ間の連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４６が設けられている。これらのシャッタ装置２７、４５及び４６は、閉じ状態にあるとき各チャンバを気密シールできるようになっている。これらのシャッタ装置は公知のものでよいので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。なお、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２の支持方法とローダハウジングの支持方法が異なり、ミニエンバイロメント装置を介して床からの振動がローダハウジング４０、主ハウジング３０に伝達されるのを防止するために、ハウジング２２とローダハウジング４０との間には出入り口の周囲を気密に囲むように防振用のクッション材を配置しておけば良い。
第１のローディングチャンバ４１内には、複数（この実施形態では２枚）のウエハを上下に隔てて水平の状態で支持するウエハラック４７が配設されている。ウエハラック４７は、図５の示されるように、矩形の基板４７１の四隅に互いに隔てて直立状態で固定された支柱４７２を備え、各支柱４７２にはそれぞれ２段の支持部４７３及び４７４が形成され、その支持部の上にウエハＷの周縁の載せて保持するようになっている。そして後述する第１及び第２の搬送ユニットのアームの先端を隣接する支柱間からウエハに接近させてアームによりウエハを把持するようになっている。
ローディングチャンバ４１及び４２は、図示しない真空ポンプを含む公知の構造の真空排気装置（図示せず）によって高真空状態（真空度としては１０−５〜１０−６Ｐａ）に雰囲気制御され得るようになっている。この場合、第１のローディングチャンバ４１を低真空チャンバとして低真空雰囲気に保ち、第２のローディングチャンバ４２を高真空チャンバとして高真空雰囲気に保ち、ウエハの汚染防止を効果的に行うこともできる。このような構造を採用することによってローディングチャンバ内に収容されていて次に欠陥検査されるウエハをワーキングチャンバ内に遅滞なく搬送することができる。このようなローディングチャンバを採用することによって、後述するマルチビーム型電子装置原理と共に、欠陥検査のスループットを向上させ、更に保管状態が高真空状態であることを要求される電子源周辺の真空度を可能な限り高真空度状態にすることができる。
第１及び第２のローディングチャンバ４１及び４２は、それぞれ真空排気配管と不活性ガス（例えば乾燥純窒素）用のベント配管（それぞれ図示せず）が接続されている。これによって、各ローディングチャンバ内の大気圧状態は不活性ガベント（不活性ガスを注入して不活性ガス以外の酸素ガス等が表面に付着するのを防止する）によって達成される。このような不活性ガスベントを行う装置自体は公知の構造のものでよいので、その詳細な説明は省略する。
電子線を使用する本発明の検査装置において、後述する電子光学系の電子源として使用される代表的な六硼化ランタン（ＬａＢ６）等は一度熱電子を放出する程度まで高温状態に加熱された場合には、酸素等に可能な限り接触させないことがその寿命を縮めないために肝要であるが、電子光学系が配置されているワーキングチャンバにウエハを搬入する前段階で上記のような雰囲気制御を行うことにより、より確実に実行できる。
ステージ装置５０は、主ハウジング３０の底壁３０１上に配置された固定テーブル５１と、固定テーブル上でＹ方向（図１において紙面に垂直の方向）に移動するＹテーブル５２と、Ｙテーブル上でＸ方向（図１において左右方向）に移動するＸテーブル５３と、Ｘテーブル上で回転可能な回転テーブル５４と、回転テーブル５４上に配置されたホルダ５５とを備えている。そのホルダ５５のウエハ載置面５５１上にウエハを解放可能に保持する。ホルダは、ウエハを機械的に或いは静電チャック方式で解放可能に把持できる公知の構造のものでよい。
ステージ装置５０は、サーボモータ、エンコーダ及び各種のセンサ（図示せず）を用いて、上記のような複数のテーブルを動作させることにより、載置面５５１上でホルダに保持されたウエハを電子光学装置から照射される電子ビームに対してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向（図１において上下方向）に、更にウエハの支持面に鉛直な軸線の回り方向（θ方向）に高い精度で位置決めできるようになっている。なお、Ｚ方向の位置決めは、例えばホルダ上の載置面の位置をＺ方向に微調整可能にしておけばよい。この場合、載置面の基準位置を微細径レーザによる位置測定装置（干渉計の原理を使用したレーザ干渉測距装置）によって検知し、その位置を図示しないフィードバック回路によって制御したり、それと共に或いはそれに代えてウエハのノッチ或いはオリフラの位置を測定してウエハの電子ビームに対する平面位置、回転位置を検知し、回転テーブルを微小角度制御可能なステッピングモータなどにより回転させて制御する。
ワーキングチャンバ内での塵埃の発生を極力防止するために、ステージ装置用のサーボモータ５２１、５３１及びエンコーダ５２２、５３２は、主ハウジング３０の外側に配置されている。なお、ステージ装置５０は、例えばステッパー等で使用されている公知の構造のもので良いので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。また、上記レーザ干渉測距装置も公知の構造のものでよいので、その構造、動作の詳細な説明は省略する。
電子ビームに対するウエハの回転位置や、Ｘ、Ｙ位置を予め後述する信号検出系或いは画像処理系に入力することで得られる信号の基準化を図ることもできる。更に、このホルダに設けられたウエハチャック機構は、ウエハをチャックするための電圧を静電チャックの電極に与えられるようになっていて、ウエハの外周部の３点（好ましくは周方向に等隔に隔てられた）を押さえて位置決めするようになっている。ウエハチャック機構は、二つの固定位置決めピンと、一つの押圧式クランクピンとを備えている。クランプピンは、自動チャック及び自動リリースを実現できるようになっており、かつ電圧印加の導通箇所を構成している。
この実施形態では図２で左右方向に移動するテーブルをＸテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＹテーブルとしたが、同図で左右方向に移動するテーブルをＹテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＸテーブルとしてもよい。
ローダー６０は、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２内に配置されたロボット式の第１の搬送ユニット６１と、第２のローディングチャンバ４２内に配置されたロボット式の第２の搬送ユニット６３とを備えている。第１の搬送ユニット６１は、駆動部６１１に関して軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回転可能になっている多節のアーム６１２を有している。多節のアームとしては任意の構造のものを使用できるが、この実施形態では、互いに回動可能に取り付けられた三つの部分を有している。第１の搬送ユニット６１のアーム６１２の一つの部分即ち最も駆動部６１１側の第１の部分は、駆動部６１１内に設けられた公知の構造の駆動機構（図示せず）により回転可能な軸６１３に取り付けられている。
アーム６１２は、軸６１３により軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動できると共に、部分間の相対回転により全体として軸線Ｏ１−Ｏ１に関して半径方向に伸縮可能になっている。アーム６１２の軸６１３から最も離れた第３の部分の先端には公知の構造の機械式チャック又は静電チャック等のウエハを把持する把持装置６１６が設けられている。駆動部６１１は、公知の構造の昇降機構６１５により上下方向に移動可能になっている。
この第１の搬送ユニット６１は、アーム６１２がカセットホルダに保持された二つのカセットｃの内いずれか一方の方向Ｍ１又はＭ２に向かってアームが伸び、カセットｃ内に収容されたウエハを１枚アームの上に載せ或いはアームの先端に取り付けたチャック（図示せず）により把持して取り出す。その後アームが縮み（図２に示すような状態）、アームがプリアライナー２５の方向Ｍ３に向かって伸長できる位置まで回転してその位置で停止する。するとアームが再び伸びてアームに保持されたウエハをプリアライナー２５に載せる。プリアライナーから前記と逆にしてウエハを受け取った後はアームは更に回転し第２のローディングチャンバ４１に向かって伸長できる位置（向きＭ３）で停止し、第２のローディングチャンバ４１内のウエハ受け４７にウエハを受け渡す。機械的にウエハを把持する場合は、ウエハの周縁部（周縁から約５ｍｍの範囲）又は裏面を把持する。これはウエハには周縁部を除いて全面にデバイス（回路配線）が形成されており、この部分を把持するとデバイスの破壊、欠陥の発生を生じさせるからである。
上記ローダー６０では、第１及び第２の搬送ユニット６１及び６３は、カセットホルダに保持されたカセットからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０上への及びその逆のウエハの搬送をほぼ水平状態に保ったままで行い、搬送ユニットのアームが上下動するのは、単に、ウエハのカセットからの取り出し及びそれへの挿入、ウエハのウエハラックへの載置及びそこからの取り出し及びウエハのステージ装置への載置及びそこからの取り出しのときだけである。従って、大型のウエハ、例えば直径３０ｃｍのウエハの移動もスムースに行うことができる。
次にカセットホルダに支持されたカセットｃからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０までへのウエハの搬送を順を追って説明する。カセットホルダ１０は、前述のように人手によりカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが、また自動的にカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが使用される。この実施形態において、カセットｃがカセットホルダ１０の昇降テーブル１１の上にセットされると、昇降テーブル１１は昇降機構１２によって降下されカセットｃが出入り口２２５に整合される。
カセットが出入り口２２５に整合されると、カセットに設けられたカバー（図示せず）が開きまたカセットｃとミニエンバイロメントの出入り口２２５との間には筒状の覆いが配置されてカセット内及びミニエンバイロメント空間内を外部から遮断する。これらの構造は公知のものであるから、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。なお、ミニエンバイロメント装置２０側に出入り口２２５を開閉するシャッタ装置が設けられている場合にはそのシャッタ装置が動作して出入り口２２５を開く。
一方第１の搬送ユニット６１のアーム６１２は方向Ｍ１又はＭ２のいずれかに向いた状態（この説明ではＭ１の方向）で停止しており、出入り口２２５が開くとアームが伸びて先端でカセット内に収容されているウエハのうち１枚を受け取る。なお、アームと、カセットから取り出されるべきウエハとの上下方向の位置調整は、この実施形態では第１の搬送ユニット６１の駆動部６１１及びアーム６１２の上下移動で行うが、カセットホルダの昇降テーブルの上下動行っても或いはその両者で行ってもよい。
アーム６１２によるウエハの受け取りが完了すると、アームは縮み、シャッタ装置を動作して出入り口を閉じ（シャッタ装置がある場合）、次にアーム６１２は軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動して方向Ｍ３に向けて伸長できる状態になる。すると、アームは伸びて先端に載せられ或いはチャックで把持されたウエハをプリアライナー２５の上に載せ、そのプリアライナーによってウエハの回転方向の向き（ウエハ平面に垂直な中心軸線の回りの向き）を所定の範囲内に位置決めする。位置決めが完了すると搬送ユニット６１はアームの先端にプリアライナー２５からウエハを受け取ったのちアームを縮ませ、方向Ｍ４に向けてアームを伸長できる姿勢になる。するとシャッタ装置２７の扉２７２が動いて出入り口２２３及び２３６を開き、アーム６１２が伸びてウエハを第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７の上段側又は下段側に載せる。なお、前記のようにシャッタ装置２７が開いてウエハラック４７にウエハが受け渡される前に、仕切壁４３４に形成された開口４３５はシャッタ装置４６の扉４６１により気密状態で閉じられている。
上記第１の搬送ユニットによるウエハの搬送過程において、ミニエンバイロメント装置のハウジングの上に設けられた気体供給ユニット２３１からは清浄空気が層流状に流れ（ダウンフローとして）、搬送途中で塵埃がウエハの上面に付着するのを防止する。搬送ユニット周辺の空気の一部（この実施形態では供給ユニットから供給される空気の約２０％で主に汚れた空気）は排出装置２４の吸入ダクト２４１から吸引されてハウジング外に排出される。残りの空気はハウジングの底部に設けられた回収ダクト２３２を介して回収され再び気体供給ユニット２３１に戻される。
ローダハウジング４０の第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７内に第１の搬送ユニット６１によりウエハが載せられると、シャッタ装置２７が閉じて、ローディングチャンバ４１内を密閉する。すると、第１のローディングチャンバ４１内には不活性ガスが充填されて空気が追い出された後、その不活性ガスも排出されてそのローディングチャンバ４１内は真空雰囲気にされる。この第１のローディングチャンバの真空雰囲気は低真空度でよい。ローディングチャンバ４１内の真空度がある程度得られると、シャッタ装置４６が動作して扉４６１で密閉していた出入り口４３４を開き、第２の搬送ユニット６３のアーム６３２が伸びて先端の把持装置でウエハ受け４７から１枚のウエハを受け取る（先端の上に載せて或いは先端に取り付けられたチャックで把持して）。ウエハの受け取りが完了するとアームが縮み、シャッタ装置４６が再び動作して扉４６１で出入り口４３５を閉じる。
シャッタ装置４６が開く前にアーム６３２は予めウエハラック４７の方向Ｎ１に向けて伸長できる姿勢になる。また、前記のようにシャッタ装置４６が開く前にシャッタ装置４５の扉４５２で出入り口４３７、３２５を閉じていて、第２のローディングチャンバ４２内とワーキングチャンバ３１内との連通を気密状態で阻止しており、第２のローディングチャンバ４２内は真空排気される。
シャッタ装置４６が出入り口４３５を閉じると、第２のローディングチャンバ内は再度真空排気され、第１のローディングチャンバ内よりも高真空度で真空にされる。その間に、第２の搬送ユニット６１のアームはワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０の方向に向いて伸長できる位置に回転される。一方ワーキングチャンバ３１内のステージ装置では、Ｙテーブル５２が、Ｘテーブル５３の中心線Ｏ０−Ｏ０が第２の搬送ユニット６３の回動軸線Ｏ２−Ｏ２を通るＸ軸線Ｘ１−Ｘ１とほぼ一致する位置まで、図２で上方に移動し、また、Ｘテーブル５３は図２で最も左側の位置に接近する位置まで移動し、この状態で待機している。第２のローディングチャンバがワーキングチャンバの真空状態と略同じになると、シャッタ装置４５の扉４５２が動いて出入り口４３７、３２５を開き、アームが伸びてウエハを保持したアームの先端がワーキングチャンバ３１内のステージ装置に接近する。そしてステージ装置５０の載置面５５１上にウエハを載置する。ウエハの載置が完了するとアームが縮み、シャッタ装置４５が出入り口４３７、３２５を閉じる。
以上は、カセットｃ内のウエハをステージ装置上に搬送するまでの動作に付いて説明したが、ステージ装置に載せられて処理が完了したウエハをステージ装置からカセットｃ内に戻すには前述と逆の動作を行って戻す。また、ウエハラック４７に複数のウエハを載置しておくため、第２の搬送ユニットでウエハラックとステージ装置との間でウエハの搬送を行う間に、第１の搬送ユニットでカセットとウエハラックとの間でウエハの搬送を行うことができ、検査処理を効率良く行うことができる。
具体的には、第２の搬送ユニットのウエハラック４７に、処理済みのウエハＡと未処理のウエハＢがある場合、まずステージ装置５０へ未処理のウエハＢを移動し、処理を開始する。この処理中に、処理済みのウエハＡをアームによりステージ装置５０からウエハラック４７へ移動し、未処理のウエハＣを同じくアームによりウエハラック４７から抜き出し、プリアライナで位置決めした後、ローディングチャンバ４１のウエハラック４７へ移動する。このようにすることで、ウエハラック４７の中には、ウエハＢを処理中に、処理済みのウエハＡが未処理のウエハＣに置き変えられる。
また検査や評価を行うこのような装置の利用の仕方によっては、ステージ装置５０を複数台並列に置き、それぞれの装置に１つのウエハラック４７からウエハを移動することにより複数枚のウエハを同様に処理することもできる。
図６において、主ハウジングの支持方法の変形例がで示されている。図６［Ａ］に示された変形例では、ハウジング支持装置３３ａを厚肉で矩形の鋼板３３１ａで構成し、その鋼板の上にハウジング本体３２ａが載せられている。従って、ハウジング本体３２ａの底壁３２１ａは、前記実施形態の底壁に比較して薄い構造になっている。図６［Ｂ］に示された変形例では、ハウジング支持装置３３ｂのフレーム構造体３３６ｂによりハウジング本体３２ｂ及びローダハウジング４０ｂを吊り下げて状態で支持するようになっている。フレーム構造体３３６ｂに固定された複数の縦フレーム３３７ｂの下端は、ハウジング本体３２ｂの底壁３２１ｂの四隅に固定され、その底壁により周壁及び頂壁を支持するようになっている。そして防振装置３７ｂは、フレーム構造体３３６ｂと台フレーム３６ｂとの間に配置されている。
また、ローダハウジング４０もフレーム構造体３３６に固定された吊り下げ部材４９ｂによって吊り下げられている。ハウジング本体３２ｂのこの図６［Ｂ］に示された変形例では、吊り下げ式に支えるので主ハウジング及びその中に設けられた各種機器全体の低重心化が可能である。上記変形例を含めた主ハウジング及びローダハウジングの支持方法では主ハウジング及びローダハウジングに床からの振動が伝わらないようになっている。
図示しない別の変形例では、主ハウジングのハウジング本外のみがハウジング支持装置よって下から支えられ、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で床上に配置され得る。また、図示しない更に別の変形例では、主ハウジングのハウジング本体のみがフレーム構造体に吊り下げ式で支持され、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で床上に配置され得る。
電子光学装置７０（実施例１、図１）は、ハウジング本体３２に固定された鏡筒７１を備え、その中には、図７及び図８に概略図示するような、一次電子光学系（以下単に一次光学系）７２と、二次電子光学系（以下単に二次光学系）７４とを備える電子光学系と、検出系７６とが設けられている。一次光学系７２は、電子線を検査対象であるウエハＷの表面に照射する光学系で、電子線を放出する電子銃７２１と、電子銃７２１から放出された一次電子線を集束する静電レンズ即ちコンデンサレンズ７２２と、コンデンサレンズ７２２の下方に配置されかつ複数の開口が形成されていて一次電子線を複数の一次電子ビーム即ちマルチビームに形成するマルチ開口板７２３と、一次電子ビームを縮小する静電レンズである縮小レンズ７２４と、ウイーンフィルタ即ちＥ×Ｂ分離器７２５と、対物レンズ７２６と、を備え、それらは、図７に示されるように電子銃７２１を最上部にして順に、しかも電子銃から放出される一次電子線の光軸が検査対象Ｓの表面に鉛直になるように配置されている。
縮小レンズ７２４及び対物レンズ７２６の像面湾曲収差の影響をなくすため、マルチ開口板７２３に形成される複数（この実施形態では９個）の開口７２３ａは、図８に示されるように光軸を中心とした円の円周上に形成され、しかもその開口のＸ軸上への投影像のＸ方向の間隔Ｌｘが同じになるように配置されている。
二次光学系７４は、Ｅ×Ｂ型偏向器７２４により一次光学系から分離された二次電子を通す２段の静電レンズである拡大レンズ７４１及び７４２と、マルチ開口検出板７４３を備えている。マルチ開口検出板７４３に形成される開口７４３ａは、一次光学系のマルチ開口板７２３に形成されている開口７２３ａと一対一で対応するようになっている。検出系７６は、二次光学系７４のマルチ開口検出板７４３の各開口７４３ａに対応してそれに近接して配置された複数（この実施形態では９個）検出器７６１と、各検出器７６１にＡ／Ｄ変換器７６２を介して電気的に接続された画像処理部７６３とを備えている。
次に、上記構成の電子光学装置（実施例２、図７）の動作に付いて説明する。電子銃７２１から放出された一次電子線は、一次光学系７２のコンデンサレンズ７２２によって集束されて点Ｐ１においてクロスオーバを形成する。一方、コンデンサレンズ７２２によって集束された一次電子線は、マルチ開口板の複数の開口７２３ａを通して複数の一次電子ビームが形成され、縮小レンズ７２４によって縮小されて位置Ｐ２に投影される。位置Ｐ２で合焦した後、更に対物レンズ７２６によってウエハＷの表面上に合焦される。一方、一次電子線ビームは縮小レンズ７２４と対物レンズ７２６との間に配置された偏向器７２７によってウエハＷの表面上を走査するように偏向される。
合焦された複数（この実施形態では９本）の一次電子ビームによって試料Ｓは複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点からは二次電子が放出される。この二次電子は、対物レンズ７２６の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７２５で偏向されて二次光学系７４に投入される。二次電子による像は偏向器７２５に関して位置Ｐ２より近い位置Ｐ３において焦点を結ぶ。これは、一次電子ビームがウエハ面上で５００ｅＶのエネルギを有しているのに対して、二次電子が数ｅＶのエネルギしか有していないためである。
位置Ｐ３で合焦された二次電子の像は２段の拡大レンズ７４１、７４２でマルチ開口検出板７４３の対応する開口７４３ａに合焦され、その像を各開口７４３ａに対応して配置された検出器７６１で検出する。検出器７６１は、検出した電子線を、その強度を表す電気信号に変換する。このようにして変換された電気信号は、各検出器７６１から出力されてそれぞれＡ／Ｄ変換器７６２にデジタル信号に変換された後、画像処理部７６３に入力される。画像処理部７６３は入力されたデジタル信号を画像データに変換する。画像処理部７６３には、一次電子線を偏向させるための走査信号が供給されるようになっているので、画像処理部はウエハの面を表す画像を表示することになる。この画像を設定器（図示せず）に予め設定された標準パターンと、比較器（図示せず）において比較することによってウエハＷの被検出（評価）パターンの良否を検出する。
更に、レジストレーションによウエハＷの被測定パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンする事によって線幅評価信号を取り出し、これを適宜校正することによって、ウエハの表面に形成されたパターンの線幅を測定することができる。なお、一次光学系のマルチ開口板７２３の開口を通過した一次電子ビームをウエハＷの表面に合焦させ、ウエハから放出される二次電子を検出器７６１に結像させる際に、一次光学系で生じる歪み、軸上色収差及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。また、複数の一次電子ビーム間の間隔と、二次光学系との関係については、一次電子ビーム間の間隔を二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
プレチャージユニット８１は、図１に示されるように、ワーキングチャンバ３１内で電子光学装置７０の鏡筒７１に隣接して配設されている。本検査装置では検査対象である基板即ちウエハに電子線を走査して照射することによりウエハ表面に形成されたデバイスパターン等を検査する形式の装置であるから、電子線の照射により生じる二次電子等の情報をウエハ表面の情報とするが、ウエハ材料、照射電子のエネルギ等の条件によってウエハ表面が帯電（チャージアップ）することがある。更に、ウエハ表面でも強く帯電する箇所、弱い帯電箇所が生じる可能性がある。ウエハ表面の帯電量にむらがあると二次電子情報もむらを生じ、正確な情報を得ることができない。
そこで、本実施形態では、このむらを防止するために、荷電粒子照射部８１１を有するプレチャージユニット８１が設けられている。検査するウエハの所定の箇所に検査電子を照射する前に、帯電むらをなくすためにこのプレチャージユニットの荷電粒子照射部８１１から荷電粒子を照射して帯電のむらを無くす。このウエハ表面のチャージアップは予めウエハ面の画像を形成し、その画像を評価することで検出し、その検出に基づいてプレチャージユニット８１を動作させる。また、このプレチャージユニットでは一次電子線をぼかして照射してもよい。
図９において、電位印加機構８３は、ウエハから放出される二次電子情報（二次電子発生率）が、ウエハの電位に依存すると言う事実に基づいて、ウエハを載置するステージの設置台に±数Ｖの電位を印加することにより二次電子の発生を制御するものである。また、この電位印加機構は、照射電子が当初有しているエネルギーを減速し、ウエハに１００〜５００ｅＶ程度の照射電子エネルギーとするための用途も果たす。
電位印加機構８３は、図９に示されるように、ステージ装置５０の載置面５４１と電気的に接続された電圧印加装置８３１と、チャージアップ調査及び電圧決定システム（以下調査及び決定システム）８３２とを備えている。調査及び決定システム８３２は、電子光学装置７０の検出系７６の画像形成部７６３に電気的に接続されたモニター８３３と、モニター８３３に接続されたオペレータ８３４と、オペレータ８３４に接続されたＣＰＵ８３５とを備えている。ＣＰＵ８３５は、前記電圧印加装置８３１並びに偏向器７２７に信号を供給するようになっている。上記電位印加機構は、検査対象であるウエハが帯電し難い電位を探し、その電位を印加するように設計されている。
検査試料の電気的欠陥を検査する方法としては、本来電気的に絶縁されている部分とその部分が通電状態にある場合では、その部分の電圧が異なることを利用することもできる。それは、まず、試料に事前に電荷を付与することで、本来電気的に絶縁されている部分の電圧と、本来電気的に絶縁されている部分であるが、何らかの原因で通電状態にある部分の電圧とに電位差を生じさせ、その後、本発明のビームを照射することで、電位差があるデータを取得し、この取得データを解析して、通電状態となっていることを検出する。
図１０において、電子ビームキャリブレーション機構８５は、前記回転テーブル上でウエハの載置面５４１の側部の複数箇所に設置された、ビーム電流測定用のそれぞれ複数のファラデーカップ８５１及び８５２を備えている。ファラデーカップ８５１は細いビーム用（約φ２μｍ）で、ファラデーカップ８５２太いビーム用（約φ３０μｍ）である。細いビーム用のファラデーカップ８５１では回転テーブルをステップ送りすることで、ビームプロフィルを測定し。太いビーム用のファラデーカップ８５２ではビームの総電流量を計測する。ファラデーカップ８５１及び８５２は、上表面が載置面５４１上に載せられたウエハＷの上表面と同じレベルになるように配置されている。このようにして電子銃から放出される一次電子線を常時監視する。これは、電子銃が常時一定の電子線を放出できるわけでなく、使用しているうちにその放出量が変化するためである。
アライメント制御装置８７は、ステージ装置５０を用いてウエハＷを電子光学装置７０に対して位置決めさせる装置であって、ウエハを光学顕微鏡８７１を用いた広視野観察による概略合わせ（電子光学系によるよりも倍率が低い測定）、電子光学装置７０の電子光学系を用いた高倍率合わせ、焦点調整、検査領域設定、パターンアライメント等の制御を行うようになっている。このように光学系を用いて低倍率でウエハを検査するのは、ウエハのパターンの検査を自動的に行うためであり、電子線を用いた狭視野でウエハのパターンを観察してウエハアライメントを行う時には電子線でアライメントマークを容易に検出することが必要であるからである。
光学顕微鏡８７１は、ハウジングに設けられ（ハウジング内で移動可能な設けられていてもよい）ており、光学顕微鏡を動作させるための光源も図示しないがハウジング内に設けられている。また高倍率の観察を行う電子光学系は電子光学装置７０の電子光学系（一次光学系７２及び二次光学系７４）を共用するものである。その構成を概略図示すれば、図１１に示されるようになる。ウエハ上の被観察点を低倍率で観察するには、ステージ装置５０のＸステージ５３をＸ方向に動かすことによってウエハの被観察点を光学顕微鏡の視野内に移動させる。光学顕微鏡８７１で広視野でウエハを視認してそのウエハ上の観察すべき位置をＣＣＤ８７２を介してモニタ８７３に表示させ、観察位置をおおよそ決定する。この場合光学顕微鏡の倍率を低倍率から高倍率に変化させていってもよい。
次に、ステージ装置５０を電子光学装置７０の光軸と光学顕微鏡８７１の光軸との間隔δｘに相当する距離だけ移動させて光学顕微鏡で予め決めたウエハ上の被観察点を電子光学装置の視野位置に移動させる。この場合、電子光学装置の軸線Ｏ３−Ｏ３と光学顕微鏡８７１の光軸Ｏ４−Ｏ４との間の距離δｘ（この実施形態ではＸ軸線に沿った方向にのみ両者は位置ずれしているものとするが、Ｙ軸方向に位置ずれしていてもよい）は予めわかっているのでその値δｘだけ移動させれば被観察点を視認位置に移動させることができる。電子光学装置の視認位置への被観察点の移動が完了した後、電子光学系により高倍率で被観察点をＳＥＭ撮像して画像を記憶したり、モニタ７６５に表示させる。
このようにして電子光学系により高倍率でウエハの観察点をモニタに表示させた後、公知の方法によりステージ装置５０の回転テーブル５４の回転中心に関するウエハの回転方向の位置ずれ、即ち電子光学系の光軸Ｏ３−Ｏ３に対するウエハの回転方向のずれδθを検出し、また電子光学装置に関する所定のパターのＸ軸及びＹ軸方向の位置ずれを検出する。そしてその検出値並びに別途得られたウエハに設けられた検査マークのデータ或いはウエハのパターンの形状等に関するデータに基づいてステージ装置５０の動作を制御してウエハのアライメントを行う。
次に図１２及び図１３を参照して本発明による半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。図１２は、本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。この実施例の製造工程は以下の主工程を含んでいる：
（１）ウエハを製造するウエハ製造工程（又はウエハを準備するウエハ準備工程）
（２）露光に使用するマスクを製造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）
（３）ウエハに必要な加工処理を行うウエハプロセッシング工程
（４）ウエ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
（５）できたチップを検査するチップ検査工程
なお、上記のそれぞれの主工程は更に幾つかのサブ工程からなっている。
これらの主工程中の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼすのが（３）のウエ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エハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウエハプロセッシング工程は以下の各工程を含んでいる：
（Ａ）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）
（Ｂ）この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
（Ｃ）薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためにマスク（レチクル）を用いてレジストパターンを形成するリソグラフィー工程
（Ｄ）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）
（Ｅ）イオン・不純物注入拡散工程
（Ｆ）レジスト剥離工程
（Ｇ）加工されたウエハを検査する工程
なお、ウエ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。
図１３は、図１２のウエ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示すフローチャートである。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む：
（ａ）前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程
（ｂ）レジストを露光する工程
（ｃ）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
（ｄ）現像されたレジストパターンを安定化するためのアニール工程
上記の半導体デバイス製造工程、ウエハプロセッシング工程、リソグラフィー工程については、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記（Ｇ）の検査工程に本発明に係る欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査も可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
本発明によれば、次のような効果を奏することが可能である：
（イ）複数の電子線即ちマルチビームを用いた検査装置の各構成機器を機能的に組み合わせることができたため、高いスループットで検査対象を処理することができる。
（ロ）エンバイロメント空間内に清浄度を観察するセンサを設けることによりその空間内の塵埃を監視しながら検査対象の検査を行うことができる。
（ハ）プレチャージユニットを設けているので、絶縁物でできたウエハも帯電による影響を受けがたい。
図１４Ａは、本発明の実施例３の電子線装置１０００の光学系の概略を示す図である。マルチエミッタ１００１、１００２、１００３から放出された１次電子線は、コンデンサレンズ１００４で像面１００５に縮小投影され、更にレンズ１００６、対物レンズ１００８で縮小され、試料面１０１０に縮小投影される。マルチエミッタは、図１４Ａでは１列のみ示したが、図１７Ａに示すように複数列設けられる。図１７Ａは、３×３のエミッタであり、図１７Ｂは図１７Ａの線１７Ｂ−１７Ｂにおける断面図である。図１７Ａ及び１７Ｂにおいて、１０２１はＳｉ基板、１０２２はＭｏエミッタ、１０２３はＡｕ引出し電極、１０２４はＳｉ3Ｎ4絶縁膜である。エミッタの数は適宜選択できる。レンズは、２〜１０ｍｍ直径の開口を持つ２枚〜３枚の平面電極を光軸方向に２〜１０ｍｍ間隔で配置し、各電極に異なる電圧を与えたもので、凸レンズ作用を示す。
マルチエミッタ１００１、１００２、１００３から放出された１次電子線によって照射された試料面１０１０から放出された２次電子は、試料面１０１０と対物レンズ１００８間に印加された加速電界によって加速され、大きい放出角で放出された２次電子も対物レンズ１００８に入射するまでに細く絞られ、更に開口絞り１００７を通過し、レンズ１００６で1次ビームと同じ像面１００５に結像する。
像面１００５位置には、Ｅ×Ｂ分離器１００９が設けられ、レンズ１００６を通過した２次電子は、１次光学系から分離される。Ｅ×Ｂ分離器１００９は、試料面１０１０の法線（紙面の上方向）に垂直な平面内において、電界と磁界とを直行させた構造となっており、電界、磁界、１次電子エネルギーの関係が、１次電子が直進するように設定されている。
分離された２次電子は、レンズ１０１１、１０１２で光学的に拡大され、検出面１０１３に複数の像を形成する。検出面１０１３には、マルチエミッタ１００１、１００２、１００３からの１次電子線に対応する検出器１０１４、１０１５、１０１６が設けられ、それぞれの電子線によって照射された試料面から放出された２次電子を検出する。なお、マルチエミッタ１００１、１００２、１００３は、１次光学系の像面湾曲を補正するため、Z軸方向に少しずつ位置をずらして配置される。即ち、光軸上のエミッタ１００１は、最も試料から遠い位置に設けられ、光軸から離れたエミッタ１００２は、像面湾曲の値だけエミッタ１００１の位置より試料側に、更に光軸から離れたエミッタ１００３は、更に試料に近い位置にずらされる。
試料の全面を照射するため、マルチエミッタからの１次電子線は、静電偏向器１０１７によって走査される。また、１次電子線の走査に連動して、２次光学系に設けた静電偏向器１０１８も走査され、２次電子が走査位置によらず常に所定の検出器１０１４、１０１５、１０１６に入射するように制御される。即ち、エミッタ１００１、１００２、１００３からの１次電子線による２次電子は、それぞれ検出器１０１４、１０１５、１０１６に入射するように制御される。検出器等は、２０ｋＶ程度の電圧が印加されたＰＩＮダイオードの前面に検出器の数の孔が設けられた曲面上の電極であり、この電極には１ｋＶ程度の電圧が印加される。孔から漏れる２０ｋＶの電圧による電界の凸レンズ作用によって、孔の近傍に来た２次電子はすべて孔を通り、検出器に入る。曲面の形状は、２次光学系の像面湾曲を補正する形状としている。
次に、複数の１次電子線の照射位置間隔と、２次光学系との関係について、説明する。図１５は、２次光学系と開口角を示した図である。図１５に示すように、受け入れ角度α1内の２次電子が、対物レンズ１００８、絞り１００７、レンズ１００６を経て、像面１００５に結像されるものとする。このとき、像面１００５での開口半角は、αiであり、対物レンズ１００８から見た見掛けの角度α0とαiは、２次光学系の拡大倍率をＭとすると、αi／α0＝１／Ｍとなる。また、角度α0とα1は、対物レンズ１００８でのビームポテンシャルをＶ8、２次電子の初期エネルギーをＶiniとすると、（α1／α0）＝Ｖ8／Ｖiniとなる。
試料面１０１０での収差と開口半角αiとの関係を図１６に示す。図１６において、δＳは、球面収差、δcomaは、コマ収差、δCは、色収差であり、δtotalは、それらの合計である。今、２０μｍの収差を許容すると、開口半角αiは、５.３mrad以下にする必要がある。また、検出すべき２次電子の初期エネルギーＶiniは、０．１ｅＶ〜１０ｅＶを考えれば十分であり、拡大倍率Ｍを５、対物レンズ１００８でのビームポテンシャルＶ8を２０ｋＶとすると、α1＝１１８５mrad＝６７．９°となる。
受け入れ角度０°から６０°までで９０％以上の２次電子を取り込める（例えば、米国特許第５，４１２，２１０号明細書Ｆｉｇ．６参照）ので、２次光学系の開口半角αi即ち分解能を５.３mrad程度とし、検出器の寸法を試料面換算で２０μｍの４倍程度とすれば、９０％以上の２次電子をクロストークなしに集めることができる。また、マルチエミッタの間隔も１００μｍ程度とすれば、エミッタ間のクロストークも問題とならない。２次電子を９０％以上集める必要がなく、５０％以上集めればＳ／Ｎ比を十分取れる場合は、４５°より小さい角度で放出された２次電子を検出器に集めるようにすればよい。何故なら、２次電子の収率ηは、次のように表されるからである。
η＝∫０４５°ｓｉｎθｃｏｓθｄθ／∫０９０°ｓｉｎθｃｏｓθｄθ＝０．５
このようにして、１次電子線は、互いに二次光学系の距離分解能より離れた位置に照射される。図１４Ｂは電子線照射面を上から見た拡大図であり、同図において、距離Ｎがレンズ１００８、１０１１、１０１２を通した試料面換算の分解能である。図１４Ｂにおいて、距離Ｎが、識別できる２点間の距離と等しいかそれ以上であることにより、クロストークのないマルチビームが得られ、高スループットを得ることができる。このように構成した電子線装置は、半導体デバイスの欠陥検査や微小距離の測定に利用することができる。
図１２及び図１３の半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートのるチップ検査工程において、図１４Ａの電子線装置を利用すると、スループットよく検査ができ、全数検査も可能となり、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。以上の説明から明らかなように、図１４Ａの電子線装置によれば、試料から放出される２次荷電粒子の大部分をクロストークを生じることなく検出できるので、Ｓ／Ｎ比の高い欠陥検査あるいはパターン線幅測定ができる。
また、２次光学系の収差を試料面で２０μｍ程度としても、十分な検出結果が得られるので、２次光学系を高精度のものとする必要がないとともに、１次光学系を試料に対して垂直なものとしたので、複数の荷電粒子線の形成が簡単になる。更に、試料面と２次光学系の初段レンズ間には、１次光学系に対して減速電界が、２次光学系に対しては加速電界がかかっているため、１次荷電粒子線を絞りやすく、かつ広い角度範囲に放出された２次荷電粒子を初段レンズ位置で細い粒子束にでき、効率良く２次荷電粒子を検出できるのでＳ／Ｎ比の良い信号が得られ測定精度が向上する。
図１８Ａ及びＢは、荷電ビーム装置の従来の真空チャンバ及びステージ（移動台）を示す断面図であり、図１９は従来の排気機構の概略斜視図、図２０Ａ及びＢは、本発明の実施例４の荷電ビーム装置（ステージ等）２０００の概略断面図、図２１は本発明の実施例５の荷電ビーム装置（ステージ等）２１００の概略断面図、図２２は本発明の実施例６の荷電ビーム装置（ステージ等）２２００の概略断面図、図２３は本発明の実施例７の荷電ビーム装置（ステージ等）２３００の概略断面図、図２４は本発明の実施例８の荷電ビーム装置（ステージ等）２４００の概略断面図である。図１８−図２４において同様の構成部材は、同一の参照番号により指示される。
図２０Ａ、図２０Ｂは、実施例４の荷電ビーム装置２０００を示す。ステージ２００３のＹ方向可動部２００５の上面には＋Ｙ方向と−Ｙ方向（図２０Ｂで左右方向）に大きくほぼ水平に張り出した仕切り板２０１４が取り付けられ、Ｘ方向可動部２００６の上面との間に常にコンダクタンスが小さい絞り部２０５０が構成されるようになっている。また、Ｘ方向可動部２００６の上面にも同様の仕切り板２０１２が±Ｘ方向（図２０Ａで左右方向）に張り出すように構成されており、ステージ台２００７の上面との間に常に絞り部２０５１が形成されるようになっている。ステージ台２００７は、ハウジング２００８内において底壁の上に公知の方法で固定されている。
このため、試料台２００４がどの位置に移動しても常に絞り部２０５０と２０５１が形成されるので、可動部２００５及び２００６の移動時にガイド面２００６ａや２００７ａからガスが放出されても、絞り部２０５０と２０５１によって放出ガスの移動が妨げられるため、荷電ビームが照射される試料近傍の空間２０２４の圧力上昇を非常に小さく押さえることができる。
ステージの可動部２００３の側面及び下面並びに可動部２００６の下面には、静圧軸受け２００９の周囲に、図１９に示されるような差動排気用の溝が形成されていてこの溝によって真空排気されるため、絞り部２０５０、２０５１が形成されている場合は、ガイド面からの放出ガスはこれらの差動排気部によって主に排気されることになる。このため、ステージ内部の空間２０１３や２０１５の圧力は、チャンバＣ内の圧力よりも高い状態になっている。従って、空間２０１３や２０１５を、差動排気溝２０１７や２０１８で排気するだけでなく、真空排気する箇所を別に設ければ空間２０１３や２０１５の圧力を下げることができ、試料近傍２０２４の圧力上昇を更に小さくすることができる。このための真空排気通路２０１１−１と２０１１−２とが設けられている。排気通路はステージ台２００７及びハウジング２００８を貫通してハウジング２００８の外部に通じている。また、排気通路２０１１−２はＸ方向可動部２００６に形成されＸ方向可動部２００６の下面に開口している。
また、仕切り板２０１２及び２０１４を設置すると、チャンバＣと仕切り板が干渉しないようにチャンバを大きくする必要が生じるが、仕切り板を伸縮可能な材料や構造にすることによってこの点を改善することが可能である。この実施例としては、仕切り板をゴムで構成したり蛇腹状にして、その移動方向の端部を、仕切り板２０１４の場合はＸ方向可動部２００６に、仕切り板２０１２の場合はハウジング２００８の内壁にそれぞれ固定する構成とすることが考えられる。
図２１に本発明の実施例５の荷電ビーム装置２１００が示される。実施例５では、鏡筒の先端部即ち荷電ビーム照射部２００２の周囲に、試料Ｓの上面との間に絞り部ができるように円筒状の仕切り２０１６が構成されている。このような構成では、ＸＹステージからガスが放出されてチャンバＣ内の圧力が上昇しても、仕切りの内部２０２４は仕切り２０１６で仕切られており真空配管２０１０で排気されているので、チャンバＣ内と仕切りの内部２０２４との間に圧力差が生じ、仕切り内部の空間２０２４の圧力上昇を低く抑えられる。仕切り２０１６と試料面との隙間は、チャンバＣ内と照射部２周辺の圧力をどの程度に維持するかによって変わるが、凡そ数十μｍ乃至数ｍｍ程度が適当である。なお、仕切り２０１６内と真空配管とは公知の方法により連通されている。
また、荷電ビーム照射装置では、試料Ｓに数ｋＶ程度の高電圧を印加することがあり、導電性の材料を試料の近傍に設置すると放電を起こす恐れがある。この場合には、仕切り２０１６の材質をセラミックス等の絶縁物で構成すれば、試料Ｓと仕切り２０１６との間で放電を起こすことがなくなる。試料Ｓ（ウエハ）の周囲に配置したリング部材２００４−１は試料台２００４に固定された板状の調整部品であり、ウエハのような試料の端部に荷電ビームを照射する場合であっても、仕切り２０１６の先端部全周に亘って微小隙間２０５２が形成されるように、ウエハと同一の高さに設定されている。これによって、試料Ｓのどの位置に荷電ビームが照射しても、仕切り２０１６の先端部には常に一定の微小隙間２０５２が形成され、鏡筒先端部周囲の空間２０２４の圧力を安定に保つことができる。
図２２に本発明の実施例６の荷電ビーム装置２２００が示される。鏡筒２００１の荷電ビーム照射部２００２の周囲に差動排気構造を内蔵した仕切り２０１９が設けられている。仕切り２０１９は円筒状の形状をしており、その内部に円周溝２０２０が形成され、その円周溝からは上方に排気通路２０２１が延びている。その排気通路は内部空間２０２２を経由して真空配管２０２３に繋がれている。仕切り２０１９の下端は試料Ｓの上面との間に数十μｍ乃至数ｍｍ程度の微小隙間を形成している。
このような構成では、ステージの移動に伴ってステージからガスが放出されてチャンバＣ内の圧力が上昇し先端部即ち荷電ビーム照射部２００２にガスが流入しようとしても、仕切り２０１９が試料Ｓとの隙間を絞ってコンダクタンスを非常に小さくしているためガスは流入を邪魔され流入量は減少する。更に、流入したガスは、円周溝２０２０から真空配管２０２３へ排気されるため、荷電ビーム照射部２００２の周囲の空間２０２４へ流入するガスはほとんどなくなり、荷電ビーム照射部２００２の圧力を所望の高真空のまま維持することができる。
図２３に本発明の実施例７の荷電ビーム装置２３００が示される。チャンバＣと荷電ビーム照射部２００２の周囲には仕切り２０２６が設けられ、荷電ビーム照射部２００２をチャンバＣから隔てている。この仕切り２０２６は、銅やアルミニュウム等の熱伝導性の良い材料からなる支持部材２０２９を介して冷凍機２０３０に連結されており、−１００℃乃至２００℃程度に冷却されている。部材２０２７は冷却されている仕切り２０２６と鏡筒の間の熱伝導を阻害するためのものであり、セラミックスや樹脂材等の熱伝導性の悪い材料から成っている。また、部材２０２８はセラミックス等の非絶縁体から成り、仕切り２０２６の下端に形成され試料Ｓと仕切り２０２６が放電することを防ぐ役割を持っている。
このような構成により、チャンバＣ内から荷電ビーム照射部に流入しようとするガス分子は、仕切り２０２６で流入を阻害される上、流入しても仕切り２０２６の表面に凍結捕集されてしまうため、荷電ビーム照射部２０２４の圧力を低く保つことができる。なお、冷凍機としては、液体窒素による冷却や、Ｈｅ冷凍機、パルスチューブ式冷凍機等の様様な冷凍機が使用できる。
図２４に本発明の実施例８の荷電ビーム装置２４００が示される。ステージ２００３の両可動部には、図２０に示したのと同様に仕切り板２０１２、２０１４が設けられており、試料台２００４が任意の位置に移動しても、これらの仕切りによってステージ内の空間２０１３とチャンバＣ内とが絞り２０５０、２０５１を介して仕切られる。更に、荷電ビーム照射部２００２の周りには図２１に示したのと同様の仕切り２０１６が形成されており、チャンバＣ内と荷電ビーム照射部２００２のある空間２０２４が絞り２０５２を介して仕切られている。このため、ステージ移動時、ステージに吸着しているガスが空間２０１３に放出されてこの部分の圧力を上昇させても、チャンバＣの圧力上昇は低く抑えられ、空間２０２４の圧力上昇は更に低く抑えられる。これにより、荷電ビーム照射空間２０２４の圧力を低い状態に保つことができる。また、仕切り２０１６に示したように差動排気機構を内蔵した仕切り２０１９としたり、図２２に示したように冷凍機で冷却された仕切り２０２６とすることによって、空間２０２４を更に低い圧力で安定に維持することができるようになる。
図２５において、本実施の実施例９の荷電ビーム装置２５００の光学系及び検出系が模式的に示されている。光学系は鏡筒内に設けられているがこの光学系及び検出器はあくまでも例示であり、必要に応じて任意の光学系、検出器を使用できる。荷電ビーム装置の光学系２０６０は、荷電ビームをステージ２００３上に載置された試料Ｓに照射する一次光学系２０６１と、試料から放出された二次電子が投入される二次光学系２０７１と、を備えている。一次光学系２０６１は、荷電ビームを放出する電子銃２０６２と、電子銃２０１１から放出された荷電ビームを集束する２段の静電レンズからなるレンズ系２０６３、２０６４と、偏向器２０６５と、荷電ビームをその光軸が対象の面に垂直になるように偏向するウイーンフィルタ即ちＥ×Ｂ分離器２０６６と、２段の静電レンズからなるレンズ系２０６７、２０６８と、を備え、それらは、図１８に示されるように電子銃２０６１を最上部にして順に、荷電ビームの光軸が試料Ｓの表面（試料面）に鉛直な線に対して傾斜して配置されている。Ｅ×Ｂ偏向器２０６６は電極２６６１及び磁石２６６２を備えている。
二次光学系２０７１は試料Ｓから放出された二次電子が投入される光学系で、一次光学系のＥ×Ｂ型偏向器２０６６の上側に配置された２段の静電レンズからなるレンズ系２０７２、２０７３を備えている。検出器２０８０は、二次光学系２０７１を介して送られた二次電子を検出する。上記光学系２０６０及び検出器２０８０の各構成要素の構造及び機能は従来のものと同じであるから、それらについての詳細な説明は省略する。
電子銃２０１１から放出された荷電ビームは、電子銃の正方形開口で整形され、２段のレンズ系２０６３及び２０６４によって縮小され、偏光器２０６５で光軸を調整されてＥ×Ｂ偏向器２０６６の偏向中心面に一辺が１．２５ｍｍの正方形に結像される。Ｅ×Ｂ偏向器２０６６は、試料の法線に垂直な平面内において、電界と磁界とを直交させた構造となっており、電界、磁界、電子のエネルギの関係が一定の条件を満たす時には電子を直進させ、それ以外の時にはこれら電界、磁界及び電界のエネルギの相互の関係により所定方向に偏向されるようになっている。図２５においては、電子銃からの荷電ビームを試料Ｓに垂直に入射させ、また試料から放出された二次電子を検出器２０８０の方向に直進させるように設定されている。Ｅ×Ｂ偏光器で偏向された成形ビームはレンズ系２０６７、２０６８で１／５に縮小されて試料Ｓに投影される。試料Ｓから放出されたパターン画像の情報を持った二次電子はレンズ系２０６７、２０６８及び２０７２、２０７３で拡大され、検出器２０８０で二次電子画像を形成する。この４段の拡大レンズは、レンズ系２０６７及び２０６８が対称タブレットレンズを形成し、レンズ系２０７２及び２０７３もやはり対称タブレットレンズを形成しているので無歪みレンズとなっている。
図１２及び図１３の半導体デバイスの製造方法の一例を示すフローチャートの（Ｇ）の検査工程又は（ｃ）の露光工程に、本発明の実施例３乃至８に係る欠陥検査装置及び欠陥検査方法、露光装置及び露光方法を用いると、微細なパターンを高精度で安定して検査又は露光ができるので、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
本発明による電子線装置の実施例３乃至８によれば、次のような効果を奏することが可能である。
（イ）実施例４及び５（図２０、図２１）によれば、ステージ装置が真空内で高精度な位置決め性能を発揮することができ、更に、荷電ビーム照射位置の圧力が上昇しにくい。即ち、試料に対する荷電ビームによる処理を高精度に行うことができる。
（ロ）実施例６（図２２）によれば、静圧軸受け支持部から放出されたガスが仕切りを通過して荷電ビーム照射領域側に通過することがほとんどできない。これによって荷電ビーム照射位置の真空度を更に安定させることができる。
（ハ）実施例７（図２３）によれば、荷電ビーム照射領域側に放出ガスが通過することが困難になり、荷電ビーム照射領域の真空度を安定に保ち易くなる。
（ニ）実施例８（図２４）によれば、真空チャンバ内が、荷電ビーム照射室、静圧軸受け室及びその中間室の３室に小さいコンダクタンスを介して分割された形になる。そして、それぞれの室の圧力を、低い順に荷電ビーム照射室、中間室、静圧軸受け室となるように真空排気系を構成する。中間室への圧力変動は仕切りによって更に低く抑えられ、荷電ビーム照射室への圧力変動は、もう一段の仕切りによって更に低減され、圧力変動を実質的に問題ないレベルまで低減することが可能となる。
（ホ）本発明の実施例５−７によれば、ステージが移動した時の圧力上昇を低く抑えることが可能になる。
（ヘ）本発明の実施例８（図２４）によれば、ステージが移動した時の圧力上昇を更に低く抑えることが可能である。
（ト）本発明の実施例５−８によれば、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビームの照射領域の真空度が安定した検査装置を実現することができるので、検査性能が高く、試料を汚染する恐れのない検査装置を提供することができる。
（チ）本発明の実施例５−８によれば、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を実現することができるので、露光精度が高く、試料を汚染する恐れのない露光装置を提供することができる。
（リ）本発明の実施例５−８によれば、ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した装置によって半導体を製造することにより、微細な半導体回路を形成できる。
次に図２６−図３３を参照して本発明の実施例９−１０の欠陥検査装置を説明する。図２６には、本発明の実施例１０に係る欠陥検査装置３０００の概略構成が示される。この欠陥検査装置３０００は、いわゆる写像投影型の検査装置であり、一次電子線を放出する電子銃３００１、放出された一次電子線を偏向、成形させる静電レンズ３００２、成形された一次電子線を電場Ｅ及び磁場Ｂの直交する場で半導体ウェーハ３００５に略垂直に当たるように偏向させるＥ×Ｂ偏向器３００３、偏向された一次電子線をウェーハ３００５上に結像させる対物レンズ３０１０、真空に排気可能な図示しない試料室内に設けられ、ウェーハ３００５を載置した状態で水平面内を移動可能なステージ３００４、一次電子線の照射によりウェーハ３００５から放出された二次電子線及び／又は反射電子線を所定の倍率で写像投影して結像させる写像投影系の静電レンズ３００６、結像された像をウェーハの二次電子画像として検出する検出器３００７、及び装置全体を制御すると共に、検出器３００７により検出された二次電子画像に基づいてウェーハ３００５の欠陥を検出する処理を実行する制御部３０１６を含む。上記二次電子画像には、二次電子だけでなく散乱電子や反射電子による寄与も含まれているが、ここでは二次電子画像と称することにする。
対物レンズ３０１０とウェーハ３００５との間には、一次電子線のウェーハ３００５への入射角度を電場等によって偏向させる偏向電極３０１１が介在されている。この偏向電極３０１１には、該偏向電極の電場を制御する偏向制御器３０１２が接続されている。この偏向制御器３０１２は、制御部３０１６に接続され、制御部３０１６からの指令に応じた電場が偏向電極３０１１で生成されるように偏向電極を制御する。なお、偏向制御器３０１２は、偏向電極３０１１に与える電圧を制御する電圧制御装置として構成することができる。
検出器３００７は、静電レンズ３００６によって結像された二次電子画像を後処理可能な信号に変換することができる限り、任意の構成とすることができる。例えば、図３１にその詳細を示すように、検出器３００７は、マルチチャンネルプレート３０５０と、蛍光面３０５２と、リレー光学系３０５４と、多数のＣＣＤ素子からなる撮像センサ３０５６と、を含んで構成することができる。マルチチャンネルプレート３０５０は、プレート内に多数のチャンネルを備えており、静電レンズ３００６によって結像された二次電子が該チャンネル内を通過する間に、更に多数の電子を生成させる。即ち、二次電子を増幅させる。蛍光面３０５２は、増幅された二次電子によって蛍光を発することにより二次電子を光に変換する。リレーレンズ３０５４がこの蛍光をＣＣＤ撮像センサ３０５６に導き、ＣＣＤ撮像センサ３０５６は、ウェーハ３００５表面上の二次電子の強度分布を素子毎の電気信号即ちデジタル画像データに変換して制御部３０１６に出力する。
制御部３０１６は、図２６に例示されたように、汎用的なパーソナルコンピュータ等から構成することができる。このコンピュータは、所定のプログラムに従って各種制御、演算処理を実行する制御部本体３０１４と、本体３０１４の処理結果を表示するＣＲＴ３０１５と、オペレータが命令を入力するためのキーボードやマウス等の入力部３０１８と、を備える、勿論、欠陥検査装置専用のハードウェア、或いは、ワークステーションなどから制御部３０１６を構成してもよい。
制御部本体３０１４は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ビデオ基板等の各種制御基板等から構成される。ＲＡＭ若しくはハードディスクなどのメモリ上には、検出器７から受信した電気信号即ちウェーハ３００５の二次電子画像のデジタル画像データを記憶するための二次電子画像記憶領域３００８が割り当てられている。また、ハードディスク上には、予め欠陥の存在しないウェーハの基準画像データを記憶しておく基準画像記憶部３０１３が存在する。
ハードディスク上には、欠陥検査装置全体を制御する制御プログラムの他、記憶領域３００８から二次電子画像データを読み出し、該画像データに基づき所定のアルゴリズムに従ってウェーハ３００５の欠陥を自動的に検出する欠陥検出プログラム３００９が格納されている。この欠陥検出プログラム３００９は、詳細を更に後述するように、基準画像記憶部３０１３から読み出した基準画像と、実際に検出された二次電子線画像とをマッチングして、欠陥部分を自動的に検出し、欠陥有りと判定した場合、オペレータに警告表示する機能を有する。このとき、ＣＲＴ３０１５の表示部に二次電子画像３０１７を表示するようにしてもよい。
次に、実施例１０に係る欠陥検査装置３０００の作用を図２８乃至図３０のフローチャートを例にして説明する。先ず、図２８のメインルーチンの流れに示すように、検査対象となるウェーハ３００５をステージ３００４の上にセットする（ステップ３３００）。これは、図示しないローダーに多数格納されたウェーハを一枚毎に自動的にステージにセットする形態であってもよい。
次に、ウェーハ表面のＸＹ平面上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する（ステップ３３０４）。これら画像取得すべき複数の被検査領域とは、図３２に示すように、例えばウェーハ検査表面３０３４上に、参照番号３０３２ａ、３０３２ｂ、．．．３０３２ｋ、．．．で示す矩形領域のことであり、これらは、ウェーハの検査パターン３０３０の回りで、部分的に重なり合いながら位置がずらされていることがわかる。例えば、図２７に示されたように、１６個の被検査領域の画像３０３２（被検査画像）が取得される。ここで、図２７に示す画像は、矩形の桝目が１画素（或いは、画素より大きいブロック単位でもよい）に相当し、このうち黒塗りの桝目がウェーハ上のパターンの画像部分に相当する。このステップ３３０４の詳細は図２９のフローチャートで後述する。
次に、ステップ３０３４で取得した複数の被検査領域の画像データを記憶部３０１３に記憶された基準画像データと、各々比較照合し（図２８のステップ３３０８）、上記複数の被検査領域により網羅されるウェーハ検査面に欠陥が有るか否かが判定される。この工程では、いわゆる画像データ同士のマッチング処理を実行するが、その詳細については図３０のフローチャートで後述する。
ステップ３３０８の比較結果より、上記複数の被検査領域により網羅されるウェーハ検査面に欠陥が有ると判定された場合（ステップ３３１２肯定判定）、オペレータに欠陥の存在を警告する（ステップ３３１８）。警告の方法として、例えば、ＣＲＴ３０１５の表示部に欠陥の存在を知らせるメッセージを表示したり、これと同時に欠陥の存在するパターンの拡大画像３０１７を表示してもよい。このような欠陥ウェーハを直ちに試料室３から取り出し、欠陥の無いウェーハとは別の保管場所に格納してもよい（ステップ３３１９）。
ステップ３３０８の比較処理の結果、ウェーハ３００５に欠陥が無いと判定された場合（ステップ３３１２否定判定）、現在検査対象となっているウェーハ３００５について、検査すべき領域が未だ残っているか否かが判定される（ステップ３３１４）。検査すべき領域が残っている場合（ステップ３３１４肯定判定）、ステージ４を駆動し、これから検査すべき他の領域が一次電子線の照射領域内に入るようにウェーハ３００５を移動させる（ステップ３３１６）。その後、ステップ３３０２に戻って当該他の検査領域に関して同様の処理を繰り返す。
検査すべき領域が残っていない場合（ステップ３３１４否定判定）、或いは、欠陥ウェーハの抜き取り工程（ステップ３３１９）の後、現在検査対象となっているウェーハ３００５が、最終のウェーハであるか否か、即ち図示しないローダーに未検査のウェーハが残っていないか否かが判定される（ステップ３３２０）。最終のウェーハでない場合（ステップ３３２０否定判定）、検査済みウェーハを所定の格納箇所に保管し、その代わりに新しい未検査のウェーハをステージ３００４にセットする（ステップ３３２２）。その後、ステップ３３０２に戻って当該ウェーハに関して同様の処理を繰り返す。最終のウェーハであった場合（ステップ３３２０肯定判定）、検査済みウェーハを所定の格納箇所に保管し、全工程を終了する。
次に、ステップ３３０４の処理の流れを図２９のフローチャートに従って説明する。図２９では、先ず、画像番号ｉを初期値１にセットする（ステップ３３３０）。この画像番号は、複数の被検査領域画像の各々に順次付与された識別番号である。次に、セットされた画像番号ｉの被検査領域について画像位置（Ｘi，Ｙi）を決定する（ステップ３３３２）。この画像位置は、被検査領域を画定させるための該領域内の特定位置、例えば該領域内の中心位置として定義される。現時点では、ｉ＝１であるから画像位置（Ｘ1，Ｙ1）となり、これは例えば図３２に示された被検査領域３３３２ａの中心位置に該当する。全ての被検査画像領域の画像位置は予め定められており、例えば制御部３３１６のハードディスク上に記憶され、ステップ３３３２で読み出される。
次に、図２６の偏向電極３０１１を通過する一次電子線がステップ３３３２で決定された画像位置（Ｘi，Ｙi）の被検査画像領域に照射されるように、偏向制御器３３１２が偏向電極３３１１に電位を加える（図２９のステップ３３３４）。次に、電子銃３００１から一次電子線を放出し、静電レンズ３００２、Ｅ×Ｂ偏向器３００３、対物レンズ３０１０及び偏向電極３０１１を通して、セットされたウェーハ３００５表面上に照射する（ステップ３３３６）。このとき、一次電子線は、偏向電極３０１１の作り出す電場によって偏向され、ウェーハ検査表面３０３４上の画像位置（Ｘi，Ｙi）の被検査画像領域全体に亘って照射される。画像番号ｉ＝１の場合、被検査領域は３０３２ａとなる。
一次電子線が照射された被検査領域からは二次電子及び／又は反射電子（以下、「二次電子」のみ称する）が放出される。そこで、発生した二次電子線を拡大投影系の静電レンズ３００６により所定の倍率で検出器３００７に結像させる。検出器３００７は、結像された二次電子線を検出し、検出素子毎の電気信号即ちデジタル画像データに変換出力する（ステップ３３３８）。そして、検出した画像番号ｉのデジタル画像データを二次電子画像記憶領域８に転送する（ステップ３３４０）。次に、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップ３３４２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉMAXを越えているか否かを判定する（ステップ３３４４）。このｉMAXは、取得すべき被検査画像の数であり、図２７の上述した例では、「１６」である。
画像番号ｉが一定値ｉMAXを越えていない場合（ステップ３３４４否定判定）、再びステップ３３３２に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像位置（Ｘi+1，Ｙi+1）を再び決定する。この画像位置は、前のルーチンで決定した画像位置（Ｘi，Ｙi）からＸ方向及び／又はＹ方向に所定距離（ΔＸi，ΔＹi）だけ移動させた位置である。図３２の例では、被検査領域は、（Ｘ1，Ｙ1）からＹ方向にのみ移動した位置（Ｘ2，Ｙ2）となり、破線で示した矩形領域３０３２ｂとなる。なお、（ΔＸi，ΔＹi）（ｉ＝１，２，．．．ｉMAX）の値は、ウェーハ検査面３０３４のパターン３０３０が検出器３００７の視野から実際に経験的にどれだけずれるかというデータと、被検査領域の数及び面積から適宜定めておくことができる。
そして、ステップ３３３２乃至３３４２の処理をｉMAX個の被検査領域について順次繰り返し実行する。これらの被検査領域は、図３２に示すように、ｋ回移動した画像位置（Ｘk，Ｙk）では被検査画像領域３０３２ｋとなるように、ウェーハの検査面３０３４上で、部分的に重なり合いながら位置がずらされていく。このようにして、図２７に例示した１６個の被検査画像データが画像記憶領域３００８に取得される。取得した複数の被検査領域の画像３０３２（被検査画像）は、図２７に例示されたように、ウェーハ検査面３０３４上のパターン３０３０の画像３０３０ａを部分的若しくは完全に取り込んでいることがわかる。
インクリメントした画像番号ｉがｉMAXを越えた場合（ステップ３３４４肯定判定）、このサブルーチンをリターンして図２８のメインルーチンの比較工程（ステップ３３０８）に移行する。なお、ステップ３３４０でメモリ転送された画像データは、検出器３００７により検出された各画素毎の二次電子の強度値（いわゆるベタデータ）からなるが、後段の比較工程（図２８のステップ３３０８）で基準画像とマッチング演算を行うため、様々な演算処理を施した状態で記憶領域３００８に格納しておくことができる。このような演算処理には、例えば、画像データのサイズ及び／又は濃度を基準画像データのサイズ及び／又は濃度に一致させるための正規化処理や、所定画素数以下の孤立した画素群をノイズとして除去する処理などがある。更には、単純なベタデータではなく、高精細パターンの検出精度を低下させない範囲で検出パターンの特徴を抽出した特徴マトリクスにデータ圧縮変換しておいてもよい。
このような特徴マトリクスとして、例えば、Ｍ×Ｎ画素からなる２次元の被検査領域を、ｍ×ｎ（ｍ＜Ｍ，ｎ＜Ｎ）ブロックに分割し、各ブロックに含まれる画素の二次電子強度値の総和（若しくはこの総和値を被検査領域全体の総画素数で割った正規化値）を、各マトリックス成分としてなる、ｍ×ｎ特徴マトリックスなどがある。この場合、基準画像データもこれと同じ表現で記憶しておく。本発明の実施例１０でいう画像データとは、単なるべタデータは勿論のこと、このように任意のアルゴリズムで特徴抽出された画像データを包含する。
次に、ステップ３３０８の処理の流れを図３０のフローチャートに従って説明する。先ず、制御部３０１６のＣＰＵは、基準画像記憶部３０１３（図２６）から基準画像データをＲＡＭ等のワーキングメモリ上に読み出す（ステップ３３５０）。この基準画像は、図２７では参照番号３０３６で表される。そして、画像番号ｉを１にリセットし（ステップ３３５２）、記憶領域３００８から画像番号ｉの被検査画像データをワーキングメモリ上に読み出す（ステップ３３５４）。
次に、読み出した基準画像データと、画像ｉのデータとをマッチングして、両者間の距離値Ｄiを算出する（ステップ３３５６）。この距離値Ｄiは、基準画像と、被検査画像ｉとの間の類似度を表し、距離値が大きいほど基準画像と被検査画像との差異が大きいことを表している。この距離値Ｄiとして類似度を表す量であれば任意のものを採用することができる。例えば、画像データがＭ×Ｎ画素からなる場合、各画素の二次電子強度（又は特徴量）をＭ×Ｎ次元空間の各位置ベクトル成分とみなし、このＭ×Ｎ次元空間上における基準画像ベクトル及び画像ｉベクトル間のユークリッド距離又は相関係数を演算してもよい。勿論、ユークリッド距離以外の距離、例えばいわゆる市街地距離等を演算することもできる。更には、画素数が大きい場合、演算量が膨大になるので、上記したようにｍ×ｎ特徴ベクトルで表した画像データ同士の距離値を演算してもよい。
次に、算出した距離値Ｄiが所定の閾値Ｔｈより小さいか否かを判定する（ステップ３３５８）。この閾値Ｔｈは、基準画像と被検査画像との間の十分な一致を判定する際の基準として実験的に求められる。距離値Ｄiが所定の閾値Ｔｈより小さい場合（ステップ３３５８肯定判定）、当該ウェーハ３００５の当該検査面３０３４には「欠陥無し」と判定し（ステップ３３６０）、本サブルーチンをリターンする。即ち、被検査画像のうち１つでも基準画像と略一致したものがあれば、「欠陥無し」と判定する。このように全ての被検査画像とのマッチングを行う必要が無いので、高速判定が可能となる。図２７の例の場合、３行３列目の被検査画像が、基準画像に対して位置ずれが無く略一致していることがわかる。
距離値Ｄiが所定の閾値Ｔｈ以上の場合（ステップ３３５８否定判定）、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップ３３６２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉMAXを越えているか否かを判定する（ステップ３３６４）。
画像番号ｉが一定値ｉMAXを越えていない場合（ステップ３３６４否定判定）、再びステップ３３５４に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像データを読み出し、同様の処理を繰り返す。
画像番号ｉが一定値ｉMAXを越えた場合（ステップ３３６４肯定判定）、当該ウェーハ３００５の当該検査面３０３４には「欠陥有り」と判定し（ステップ３３６６）、本サブルーチンをリターンする。即ち、被検査画像の全てが基準画像と略一致していなければ、「欠陥有り」と判定する。本発明の欠陥検査装置３０００においては、上記した写像投影型の電子線装置のみならず、いわゆる走査型の電子線装置を利用することができる。これを実施例１０として図３３を用いて説明する。
図３３は、本発明の実施例１１の電子線装置３１００を概略的に示す図で、同図において、電子銃３０６１から放出された電子線は、コンデンサレンズ３０６２によって集束されて点３０６４においてクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ３０６２の下方には、複数の開口を有する第１のマルチ開口板３０６３が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。第１のマルチ開口板３０６３によって形成された一次電子線の夫々は、縮小レンズ３０６５によって縮小されて点３０７５に投影される。点３０７５で合焦した後、対物レンズ３０６７によって試料３０６８に合焦される。第１のマルチ開口板３０６３から出た複数の一次電子線は、縮小レンズ３０６５と対物レンズ３０６７との間に配置された偏向器３０８０により、同時に試料３０６８の面上を走査するように偏向される。
縮小レンズ３０６５及び対物レンズ３０６７の像面湾曲収差が発生しないように、図３３右上部分に示すように、マルチ開口板３０６３は、円周上に小開口が配置され、そのＸ方向へ投影したものは等間隔となる構造となっている。合焦された複数の一次電子線によって、試料３０６８の複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から放出された二次電子線は、対物レンズ３０６７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器３０６６で偏向され、二次光学系に投入される。二次電子像は、点３０７５より対物レンズ３０６７に近い点３０７６に焦点を結ぶ。これは、各一次電子線は試料面上で５００ｅＶのエネルギーを持っているのに対し、二次電子線は数ｅＶのエネルギーしか持っていないためである。
二次光学系は、拡大レンズ３０６９、３０７０を有しており、これらの拡大レンズ３０６９、３０７０を通過した二次電子線は、第２マルチ開口板３０７１の複数の開口に結像する。そして、これらの開口を通って複数の検出器３０７２で検出される。図３３右上部分に示すように、検出器３０７２の前に配置された第２のマルチ開口板３０７１に形成された複数の開口と、第１のマルチ開口板３０６３に形成された複数の開口とは一対一に対応している。
夫々の検出器３０７２は、検出した二次電子線を、その強度を表す電気信号へ変換する。こうした各検出器から出力された電気信号は増幅器３０７３によって夫々増幅された後、画像処理部３０７４によって受信され、画像データへ変換される。画像処理部３０７４には、一次電子線を偏向させるための走査信号が偏向器３０８０から更に供給されるので、画像処理部３０７４は試料３０６８の面を表す画像を表示する。この画像は、第１の実施形態で説明した位置の異なる複数の被検査画像（図２７）のうち１つの画像に相当している。この画像を基準画像３０３６と比較することにより、試料３０６８の欠陥を検出することができる。また、レジストレーションにより試料３０６８上の被評価パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、試料３０６８上のパターンの線幅を測定することができる。
ここで、第１のマルチ開口板３０６３の開口を通過した一次電子線を試料３０６８の面上に合焦させ、試料３０６８から放出された二次電子線を検出器３０７２に結像させる際、一次光学系及び二次光学系で生じる歪み、像面湾曲及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう配慮した方がよい。
次に、複数の一次電子線の間隔と、二次光学系との関係については、一次電子線の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
図３３の走査型電子線装置３１００においても、図２８及び図２９のフローチャートに従って、試料３０６８の検査を行う。この場合、図２９のステップ３３３２の画像位置（Ｘi，Ｙi）は、マルチビームを走査して得られる複数のライン画像を合成した２次元画像の中心位置に対応する。この画像位置（Ｘi，Ｙi）は、後の工程で順次、変更されるが、これは、例えば偏向器３０８０のオフセット電圧を変更することによって行う。偏向器３０８０は、設定されたオフセット電圧の回りに電圧を変化させることによって、通常のライン走査を行う。勿論、偏向器３０８０とは別体の偏向手段を設け、これにより画像位置（Ｘi，Ｙi）の変更を行ってもよい。
上述の実施例１０及び１１の装置を図１２及び図１３の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することができる。図１２及び図１３のフローチャートは、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）、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）、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、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、組み立てられたチップを検査するチップ検査工程を含む。
これらの工程の中で、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１３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、
（2） レジストを露光する露光工程、
（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、
（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、
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欠陥検査装置３０００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、二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。本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく本発明の要旨の範囲内で任意好適に変更可能である。例えば、被検査試料として半導体ウェーハ３００５を例に掲げたが、本発明の被検査試料はこれに限定されず、電子線によって欠陥を検出することができる任意のものが選択可能である。例えばウェーハへの露光用パターンが形成されたマスク等を検査対象とすることもできる。
また、本発明は、電子以外の荷電粒子線を用いて欠陥検出を行う装置にも適用できるばかりでなく、試料の欠陥を検査可能な画像を取得できる任意の装置にも適用可能である。更に、偏向電極３０１１は、対物レンズ３０１０とウェーハ３００５との間のみならず、一次電子線の照射領域を変更できる限り任意の位置に置くことができる。例えば、Ｅ×Ｂ偏向器３００３と対物レンズ３０１０との間、電子銃３００１とＥ×Ｂ偏向器３００３との間などがある。更には、Ｅ×Ｂ偏向器３００３が生成する場を制御することによって、その偏向方向を制御するようにしてもよい。即ち、Ｅ×Ｂ偏向器３００３に偏向電極３０１１の機能を兼用させてもよい。
また、上記実施例１０及び１１では、画像データ同士のマッチングを行う際に、画素間のマッチング及び特徴ベクトル間のマッチングのいずれかとしたが、両者を組み合わせることもできる。例えば、最初、演算量の少ない特徴ベクトルで高速マッチングを行い、その結果、類似度の高い被検査画像については、より詳細な画素データでマッチングを行うという２段階の処理によって、高速化と精度とを両立させることができる。
また、本発明の実施例１０及び１１では、被検査画像の位置ずれを一次電子線の照射領域の位置ずらしのみで対応したが、マッチング処理の前若しくはその間で画像データ上で最適マッチング領域を検索する処理（例えば相関係数の高い領域同士を検出してマッチングさせる）と本発明とを組み合わせることもできる。これによれば、被検査画像の大きな位置ずれを本発明による一次電子線の照射領域の位置ずらしで対応すると共に、比較的小さな位置ずれを後段のデジタル画像処理で吸収することができるので、欠陥検出の精度を向上させることができる。
更に、欠陥検査用の電子線装置として、図２６及び図３３の構成を示したが、電子光学系等は任意好適に変更可能である。例えば、図２６に示された欠陥検査装置の電子線照射手段（３００１、３００２、３００３）は、ウェーハ３００５の表面に対して垂直上方から一次電子線を入射させる形式であるが、Ｅ×Ｂ偏向器３００３を省略し、一次電子線をウェーハ３００５の表面に斜めに入射させるようにしてもよい。。
また、図２８のフローチャートの流れも、これに限定されない。例えば、ステップ３３１２で欠陥有りと判定された試料について、他の領域の欠陥検査は行わないことにしたが、全領域を網羅して欠陥を検出するように処理の流れを変更してもよい。また、一次電子線の照射領域を拡大し１回の照射で試料のほぼ全検査領域をカバーできれば、ステップ３３１４及びステップ３３１６を省略することができる。以上詳細に説明したように本発明の実施例１０及び１１の欠陥検査装置によれば、試料上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得し、これらの被検査領域の画像と基準画像とを比較することによって、試料の欠陥を検査するようにしたので、被検査画像と基準画像との位置ずれによる欠陥検査精度の低下を防止できる、という優れた効果が得られる。
更に本発明の実施例１０及び１１を用いるデバイス製造方法によれば、上記のような欠陥検査装置を用いて試料の欠陥検査を行うようにしたので、製品の歩留まりの向上及び欠陥製品の出荷防止が図れる、という優れた効果が得られる。
図３４は本発明の実施例１２の電子線装置４０００を示す配置図である。この電子線装置４０００は、試料Ｔに１次電子線を照射するための電子銃４００１と、試料Ｔからの２次電子線を検出する２次電子検出器４０１１とを有する。図３４において、４０２０は軸対称電極である。電子銃４００１から放出された電子線はコンデンサレンズ４００２で集束されＮＡ(ニューメリカルアパーチャー)を決める開口４００４にクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ４００２の下には開口板４００３が設けられ、該開口板には、図３５Ａに示すように、合計８個の開口４０１４が設けられる。この開口４０１４は縮小レンズ４００５でＥ×Ｂ分離器４００６の偏向主面に結像し、更に対物レンズ７で試料面Ｔに縮小投影され、１次電子線照射点Ｅ(図３６)を形成する。試料面Ｔの各１次電子線照射点Ｅから放出された２次電子はＥ×Ｂ分離器４００６で図３４の右方へ偏向され、２次光学系４００９で拡大され、検出器穴群４０１０に結像される。試料Ｔは、移動ステージ(図示せず)上に支持されており、図３４の紙面に対して垂直な方向（ｙ方向）で移動される。
図３５Ａに示すように、開口板４００３の開口４０１４は、３行３列とされるが、電子銃から放出される電子の輝度（電子密度）がある程度以上大きい、所定直径内にのみ開口４０１４が設けられることが好ましく、従って、図示の例では、３行３列目は設けられていない。また、２行目及び３行目の開口は、それぞれ１行目及び２行目に対して、図３５Ａで見て右方へ、列間の間隔Ｄ１の１／３だけずれている。更に、これら開口４０１４間の間隔Ｄ１、Ｄ２は、試料上での１次電子線の照射点Eの間隔が十分離れるようなものとする。これは、２次光学系は検出効率を良くするため開口角を大きくしているので収差が大きく、検出器穴群４０１０上で２次電子像が各ビーム間でクロストークを起す可能性があり、これを防ぐためである。
図３４Ｂ及びＣは、それぞれ円周上に開口を配置される開口板４０５０、４０６０の平面図である。図３４Ｂの開口板４０５０の開口４０５１、４０５２・・のｘ軸線上への投影点は、等間隔Ｌｘとされ、同様に図３４Ｃの開口板４０６０の開口４０６１、４０６２・・のｘ軸線上への投影点は、等間隔Ｌｘとされる。本発明の実施例の電子線装置４０００において、試料面上に２次元的に配置される隣接する１次電子線同士の距離の最大値が最小となるように１次電子線が配置される。
図３４Ｂの開口板４０５０の隣接する２つの開口間の距離５０ａ、５０ｂ、５０ｅ、５０ｆは、それぞれ４７ｍｍ、６３ｍｍ、６３ｍｍ、４１ｍｍであり、図３４Ｃの開口板４０６０の隣接する２つの開口間の距離６０ａ、６０ｂ、６０ｆは、それぞれ５６ｍｍ、５７ｍｍ、４１ｍｍである。これら２つの開口板を比較すると開口板４０６０は、隣接する１次電子線同士の距離の最大値が５７ｍｍであり、開口板４０５０の５０ｂ（６３ｍｍ）より小であるから、図３４Ｃの開口板４０６０の開口の配置がより適切であるということができる。
このような要件を備える開口板を使用する利点は、実際の隣接する１次電子線の間隔がほぼ等しくなり、対称性が良くなること、非点収差が発生し難くなること、１次電子線が互いに離れるので空間電荷効果による１次電子線のボケが小さくなること、試料上で対称な位置の近くへ照射が行われるので、試料の帯電による影響が緩和されること等である。
１次電子線は、これら小開口４０１４によって複数に分離され、縮小レンズ４００５によってＥ×Ｂ分離器４０６６の偏向主面に結像し、更に対物レンズ４００７によって試料面Ｔに縮小投影され、図３６に示すように、１次電子線の照射点Ｅを形成する。試料面Ｔの各照射点Ｅから放出された２次電子は、対物レンズ４００７と試料面との間に印加された電界で加速・集束し、対物レンズ４００７と電子銃側レンズとの間に設けたＥ×Ｂ分離器４００６によって、図３４の右側に偏向され、２次光学系のレンズ４００９によって拡大され、複数の開口を設けた検出用開口板４０１０に結像され、２次電子検出器４０１１において検出される。試料Ｔは、ステージ（図示せず）上に支持されており、該ステージの移動により、図３４の紙面に対して垂直な方向（ｙ方向）に移動する。
更に、これら小開口４０１４間の間隔Ｄ１、Ｄ２は、試料Ｔ上での１次電子線の照射点Ｅの間隔が十分離れるように設定されている。照射点Ｅの間隔が一定でない場合には、その間隔の最も小さい値が問題になるので、その間隔の最小値をできるだけ大きくする必要がある。これは、２次光学系は検出効率を高くするため開口角を大きくしているので収差が大きく、検出用開口板４０１０上で２次電子像が２次電子線間でクロストークを生じる可能性があり、これを防ぐためである。
電子線走査用の偏向器４０１２、４０１３は、試料Ｔ上の１次電子線の照射点Ｅを、図３６で見て左から右の方向（ｘ方向）に走査するように構成され、その走査距離Ｓは、照射点Ｅの列間の間隔Ｈの約１／３（Ｓ＝Ｈ／３＋α）に設定される。試料Ｔをｙ方向での検出すべき領域の長さ分だけ移動させた後、ステージをｘ方向にステップ移動させて試料をｘ方向に４００μmだけ移動し、その後、上記と同様に、ステージを−y方向に連続移動させつつラスタスキャン（ｘ方向に４００μｍ＋α）を行う。これを繰り返すことにより、検出すべき領域すべての画像データを得ることができる。
この電子線装置において試料面Ｔの検査を行う場合には、移動ステージ４０２０が、試料をｙ方向に連続的に移動する。その間、走査用偏向器４０１２,４０１４は、上述の如く、各１次電子線照射点Ｅをｘ方向にＨ／３＋αだけ走査させるので、例えば、１次電子線照射点Ｅの間隔Ｈが１５０μｍとすると、各１次電子線照射点Ｅは、（１５０μm×１／３）＋αの幅の走査を行い、全体として、（１５０μm×１／３）×８（個）（＝４００μ＋α）の範囲で画像データが得られる。試料を、試料面のｙ方向での長さだけ移動すると、移動ステージは、試料をｘ方向で４００μmだけ移動し、上記と同様のｙ方向での折返し移動による走査が行われる。
この画像データを、所定のパターンデータから得られる画像と比較することにより所要の検査が行える。処理速度は、図示の例では、信号取り込みが８チャンネルとなり、しかも折返し時間以外は、連続的な検査が行えるので、従来のものに比べて格段に早くなる。尚、折返し回数は、試料面の検査領域幅（ｘ方向幅）を２００ｍｍとした場合、２００ｍｍ／０．４ｍｍ＝５００回であり、各折返しに０．５秒の時間を要するとしても、１枚の試料全体を検査するときに折返し走査に要する時間は、約４分であり、極めて少ない。
線幅測定を行う場合には、走査用偏向器４０１２、４０１３をオクタポールとしてｙ方向にも走査可能にし、ｘ方向に偏向することにより被測定パターン位置にビームを移動し、ｙ方向に走査すればよい。ｘ方向のパターン線幅を測定する場合にステージ位置とｙ方向偏向により被測定パターン位置にビームを移動し、ｘ方向に走査し従来の方法と同様の信号処理を行えばよい。合せ精度測定の場合は、合せ精度が評価可能な様なパターンを作製しておき、線幅測定と同様の走査を行えばよい。
実施例１２（図３４）においては、１つの電子銃４００１による１つの電子線照射系を有するものを示したが、複数の電子銃及びそれに対応する開口板、及び、２次電子検査器等からなる、複数の電子線照射系を、相互に、上記の例では、ｘ方向で隣接して並べ、一度のｙ方向での試料の移動において、４００μm×（電子線照射系の数）だけの幅を検査できるようにすることができる。本発明の実施例１２（図３４）によれば、複数の１次電子線により広い走査幅（４００μｍ幅）をカバーした状態で、その走査幅と直角方向に試料を連続的に移動させることにより試料面の検査を行うようにしたので、当該試料面全面の走査時間を大幅に短縮することができる。また、複数の１次電子線を用いたので、各電子線の走査幅を狭くすることができ、従って、色収差を抑えて試料面に対する照射点Eを小さいものとすることができ、しかも電子線間を十分離すことができる。従って、２次光学系におけるクロストークを抑えることができる。
試料は連続的に移動されるので、従来の試料を静止し、微小領域を走査した後に、試料を移動して他の微小領域を走査するような電子線装置に比べて、試料移動のために使う無駄な時間を大幅に減少することができる。更に、電子銃を複数とし、複数の電子線照射系を設定することにより、より効率の良い検査を行うことが可能となる。本発明の実施例１２（図３４）によれば、複数の１次電子線の照射点を２次元的に配置するので、照射間の距離を大きくすることができる。しかも１軸（ｘ軸）上への投影した照射点間の距離はすべて等しいので、すき間なく試料面を走査することができる。またＥ×Ｂを使うため１次電子線を垂直入射できるので、電子線を細く絞ることができる。
図３７は本発明の実施例１３の電子線装置４１００の概略構成図である。図３７において、４１０１は検査用の電子線を放出する一体のカソードを有する単一の電子銃、４１０３はコンデンサレンズ、４１０５はコンデンサレンズからの電子ビームより複数の電子ビームを形成するマルチ開口板、４１０７はコンデンサレンズが作る電子線源の拡大像位置に設けられたＮＡ用開口板、４１０９、４１１１はマルチ開口板で形成された複数の電子ビームを一定の縮小率で縮小した後検査対象である試料４１１３面に結像させるレンズ、４１１５はレンズを通過した二次電子を一次電子より分離させるＥ×Ｂ分離器である。ここで一体のカソードとは、単結晶ＬａＢｂ等のカソード材料の先端を種々の形状に加工したものをいう。
Ｅ×Ｂ分離器４１１５は、試料面の法線（紙面の上方向）に垂直な平面内で電界と磁界とを直交させた構造となっており、電界、磁界、一次電子エネルギーの関係が一次電子を直進させるように設定されている。４１１７はマルチ開口板４１０５で形成された複数の電子ビームを同時に偏向させ試料４１１３上の検査領域を走査する偏向器、４１１９は二次光学系の拡大レンズ、４１２１は一次光学系の偏向器４１１７と同期作動され試料の走査に拘わらずマルチ開口板４１０５の開口４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃ，４１０５ｄからの各ビームの入射点からの二次電子を対応する検出器に入射させるための偏向器、４１２３は一次光学系のマルチ開口板に対応した開口４１２３ａ，４１２３ｂ，４１２３ｃ，４１２３ｄを有する二次光学系のマルチ開口板、４１２５はマルチ開口板の背後に配置された検出器群である。検出器群４１２５は入射した電子量に応じた検出信号を発生する電子増倍管などで構成される。
図３７の電子線装置４１００において、電子銃４１０１から放出された電子線はコンデンサレンズ４１０３で収束され、マルチビームを形成する開口板４１０５のマルチ開口４１０５ａ−４１０５ｄを照射する。各開口４１０５ａ，４１０５ｂ，４１０５ｃ，４１０５ｄを通過した電子線は一次光学系の開口数を決めるＮＡ開口板４１０７の開口位置にクロスオーバーを結ぶ。クロスオーバーを通過した電子線はコンデンサレンズ４１０９で対物レンズ４１１１の主面にクロスオーバー像を形成する。ここでＮＡとは、開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ａｐｅｒｔｕｒｅ）の略である。マルチ開口板４１０５の各開口の開口像はコンデンサレンズ４１０９でＥ×Ｂ分離器４１１５の主面に結像してから対物レンズ４１１１により試料４１１３表面に結像される。
一方、試料から放出された二次電子は、Ｅ×Ｂ分離器４１１５で一次電子から分離されて二次光学系の方向に偏向され、二次光学系の拡大レンズ４１１９で拡大されマルチ開口板４１２３の開口を経て該マルチ開口板の裏面側に配置された検出器群４１２５により検出される。ここで、電子銃４１０１から放出される電子線の電流密度は、マルチ開口板４１０５の中心開口４１０５ｄへの値が最大で、４１０５ｃ，４１０５ｂ，４１０５ａと光軸から離れるに従って減少し、このため試料４１１３面上でのビーム電流が異なる。これを解決するため、一つの実施例では、マルチ開口板４１０５の開口４１０５ａ−４１０５ｄの大きさを、光軸付近で小さく、光軸より離れるに従って漸次大きくなるように微調整し、試料４１１３面上で各開口を通ったビーム電流が全てのビームについてほぼ等しくなるようにする。このため、試料４１１３面上に各ビーム電流を検出する検出器群を置き各ビームの電流を検出する。
また、上記問題を解決する他の方法としては、上記一次光学系の開口度を決めるＮＡ開口板４１０７の光軸方向位置を、一次光学系のレンズが作る電子線源の拡大像のガウス像面（近軸光線の焦点位置）から電子銃１側にずらした位置に設ける。即ち、コンデンサレンズ４１０３が作るクロスオーバー位置は、レンズの球面収差によってマルチ開口板４１０５の各開口を通ったビームのクロスオーバー位置（光軸方向位置）がビームごとに異なる。例えば、開口４１０５ａからのビームが作るクロスオーバー位置は４１０８ａの位置であり、開口４１０５ｃからのビームが作るクロスオーバー位置は４１０８ｃである。即ち、一次光学系のレンズが作る電子線源のガウス像面は最もＮＡ開口板４１０７より遠方にある。
従って、ＮＡ開口板４１０７をガウス像面位置より電子銃１側にずらし、マルチ開口板４１０５の最外側開口４１０５ａが作るクロスオーバー位置に置くことにより、該開口位置では、開口４１０７を通るビームの電流密度が大きく、かつビームの通過が制限されず、一方光軸付近の開口４１０５ｃを通ったビームの電流密度は低く、かつビームの通過量が制限されることにより、試料４１１３面における輝度即ちビーム電流のばらつきを縮小することがができる。なお、この場合も、先の実施例と同様に、各ビーム電流を検出する検出器群を試料面位置に配置することより各開口を通ったビームの電流を検出する。
更に、上記問題は、マルチ開口板４１０５の開口寸法の上記調整と、ＮＡ開口板４１０７の光軸方向位置の上記調整とを組み合わせることによっても解決することができる。上記事例は、いれも試料４１１３面に入射するビーム電流を均一にすることを目的としたが、実際には二次光学系の二次電子の検出率が光軸付近と光軸から離れた位置とで異なる問題がある。そこで、本発明の更に他の事例では、パターンの無い試料を試料位置に置き、該パターンの無い試料面からの二次電子を検出器群４１２５にて検出し、各検出器の出力の差が最小となるようにＮＡ用開口板４１０７の光軸方向位置を決定することにより、二次光学系の二次電子の検出率のばらつきを修正することができる。この開口板をずらす量は、開口板から試料への縮小率をＭ、光学形の像面湾曲のｚ方向距離をδｍｍとすると、ずらす量＝δ／（２Ｍ）となり、通常１〜１０ｍｍである。
また、二次光学系の二次電子の検出率のばらつきは、上記と同様にパターンの無い試料を試料位置に置き、該パターンの無い試料面からの二次電子を検出器群４１２５にて検出し、各検出器の出力の差が最小となるように、一次光学系のマルチ開口板４１０５の開口寸法を光軸付近で小さく、光軸より離れるにつれて漸次大きくなるように微調整することによっても修正することができる。
更に、二次光学系の二次電子の検出率のばらつきは、上記と同様にパターンの無い試料を試料位置に置き、該パターンの無い試料面からの二次電子を検出器群４１２５にて検出し、各検出器の出力の差が最小となるように、二次光学系のマルチ開口板４１２３の開口寸法を光軸付近で小さく、かつ光軸より離れるにつれて漸次大きくなるように微調整することによっても修正することができる。更に、この問題は、マルチ開口板４１０５の開口寸法の上記調整、ＮＡ開口板４１０７の光軸方向調整、二次光学系のマルチ開口板４１２３の開口寸法の上記調整を組み合わせることによっても解決することができる。ここで図示しない制御、計算方法によって各検出器４１２５の出力差を最小とする調整方法を用いるものである。
なお、図３７の実施例１３において、各ビーム間の評価は偏向器４１１７によって全ビームを同時に偏向させ、試料４１１３上で全ビームを走査させ、その時の信号を検出器で検出するようにした。また、ビームを走査したときも各ビームの入射点からの二次電子が対応するマルチ開口板４１２３の穴に確実に入射するよう偏向器４１１１の走査に同期して偏向器４１２１により二次電子を走査した。図１２のフローチャートのウェーハを検査する検査工程に、本発明の実施例１３の電子線装置４１００を用いることによって、より高精度、高スループットの検査、測定を行うことができる。
本発明の実施例１３の電子線装置４１００は、フォトマスクやレクチル、ウェーハ等（試料）の欠陥検査や、線幅測定、合わせ精度測定、電位コントラスト測定等の各種検査や測定に適用できる。本発明の実施例１３の電子線装置４１００によれば、一体のカソードあるいは単一の電子銃から複数のビームを作るので、複数のエミッタを用いる場合に比べて電子銃が故障する確率が著しく改善され、装置の信頼性が向上する。またマルチビームの各ビームの電流を均一化できるのでより精度の高い高スループットの検査、測定が可能となる。実施例１３の電子線装置４１００は熱電界放出電子銃のような狭い方向へのみ電子放出する電子銃をも使用することができる。実施例１３の電子線装置４１００は、各ビームの電流を均一化できるので、マルチビームのビーム数を増大することができ、マルチビームをより広い範囲に照射することができる。従って、高スループットの検査、測定ができる。またビーム間の信号強度をほぼ等しくすることができる。
図３８〜図４１を参照し、本発明の実施例１４の電子線装置４２００を詳述する。図３８の電子線装置４２００において、電子銃４２０１から放出された電子線は、コンデンサ・レンズ４２０２によって集束されて点ＣＯにおいてクロスオーバを形成する。このクロスオーバ点ＣＯに、ＮＡを決める開口４２０４を有する絞り４２０４が配置される。
コンデンサ・レンズ４２０２の下方には、複数の開口を有する第１のマルチ開口板４２０３が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。第１のマルチ開口板４２０３によって形成された一次電子線のそれぞれは、縮小レンズ４２０５によって縮小されてＥ×Ｂ分離器４２０６の偏向主面４２１５に投影され、点４２１５で一度結像した後、対物レンズ４２０７によって試料４２０８に合焦される。
縮小レンズ４２０５及び対物レンズ４２０７の像面湾曲収差を補正するため、図３８に示すように、マルチ開口板４２０３は、中央から周囲へ向かうにつれてコンデンサレンズ４２０２からの距離が大きくなるように段が付けられた構造となっている。
合焦された複数の一次電子線によって照射された試料４２０８の複数の点から放出された二次電子線は、対物レンズ４２０７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器４２０６の手前の点４２１６、即ち、Ｅ×Ｂ分離器４２０６の偏向主面に関して試料側の点４２１６に焦点を結ぶ。これは、各一次電子線は試料面上で５００ｅＶにエネルギを持っているのに対して、二次電子線は数ｅｖのエネルギしか持っていないためである。試料４２０８から放出された複数の二次電子線はＥ×Ｂ分離器４２０６により、電子銃４２０１と試料４２０８とを結ぶ軸の外方へ偏向されて一次電子線から分離され、二次光学系へ入射する。
二次光学系は、拡大レンズ４２０９、４２１０を有しており、これらの拡大レンズ４２０９、４２１０を通過した二次電子線は第２のマルチ開口板４２１１の複数の開口を通って複数の検出器４２１２に結像する。なお、検出器４２１２の前に配置された第２のマルチ開口板４２１１に形成された複数の開口と、第１のマルチ開口板４２０３に形成された複数の開口とは一対一に対応している。
各検出器４２１２は、検出した二次電子線を、その強度を表す電気信号へ変換する。こうして各検出器から出力された電気信号は増幅器４２１３によってそれぞれ増幅された後、画像処理部４２１４によって受信され、画像データへ変換される。この画像データが試料の欠陥や線幅の測定に供される。即ち、画像処理部４２１４には、一次電子線を偏向させるための走査信号が更に供給されるので、画像処理部４２１４は試料４２０８の面を表す画像を表示する。
この画像を標準パターンと比較することにより、試料４２０８の欠陥を検出することができ、また、レジストレーションにより試料４２０８を一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、試料４２０８上のパターンの線幅を測定することができる。ここで、第１のマルチ開口板４２０３の開口を通過した一次電子線を試料４２０８の面上に合焦させ、試料４２０８から放出された二次電子線を検出器４２１２に結像させる際、一次光学系及び二次光学系で生じる歪み、像面湾曲及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。以下、このために本発明の実施例１４において採用した手段について、図３９〜図４１を用いて説明する。
図３９〜図４１においては、第１のマルチ開口板４２０３及び第２のマルチ開口板４２１１に形成された開口の大きさ、形状、ずれの量などは理解を容易にするため強調されており、実際のものとは相違する。図３９は、本発明における電子線装置に使用する第１のマルチ開口板４２０３の第１の例を示しており、この例のマルチ開口板４２０３は、試料面上に糸巻き型（ピンクッション型）の歪み収差が生じたときに使用され、糸巻き型の歪み収差を補正するため、第１のマルチ開口板４２０３にタル型に位置ずれした複数の開口が形成される。即ち、第１のマルチ開口板４２０３の中心Ｘ、即ち電子銃４２０１と試料４２０８とを結ぶ線と第１のマルチ開口板４２０３との交点を中心とする正方形４２２０の４隅のそれぞれ１個の開口４２２１〜４２２４が形成される。
図３９における縦、横の実線は該正方形の相対向する２辺に平行に仮想的に引かれた線であって、複数の開口が第１のマルチ開口板４２０３に均一に分布する場合には、開口はこれらの実線の交点に配置されることになる。実際には、一次光学系における歪み収差を最小にするため、各開口は、第１のマルチ開口板４２０３の中心からの距離に依存して、実線の交点から第１のマルチ開口板４２０３の中心の方へずれた位置に配置されるよう設計される。
図４０は、本発明における電子線装置に使用する第２のマルチ開口板４２１１の一例を示しており、二次光学系に存在する歪みに起因して生じ得る糸巻き型（ピンクッション型）の歪みによる影響を最小にするために使用される。図４０においても、第２のマルチ開口板４２１１のそれぞれの開口は、中心Ｙからの距離に応じて、開口を均一に分布させた理想的な位置から外方へずらされている。このずれの量は、対物レンズ４２０７及び拡大レンズ４２０９、４２１０とＥ×Ｂ分離器４２０６を含む系においてシミュレーションを行って算出された。最も外側の開口は大きすぎてもクロストークを生じないので、充分大きい開口としてもよい。また、図３９、図４０のマルチ開口板４２０３、４２１１は、１枚の板に複数の開口を設けた実施の形態を記載しているが、装置設計上、マルチ開口板は２枚以上の複数枚で構成してもよい。
像面湾曲については、前記のとおり、第１のマルチ開口板４２０３の断面形状を段付きとすることにより、一次光学系により発生する像面湾曲を補正することができる。二次光学系によっても像面湾曲が生じるが、検出器４２１２の前面に配置される第２のマルチ開口板４２１１の開口が大きいので、実際は、二次光学系による像面湾曲は無視し得る。視野非点収差は、レンズの屈折率がレンズの放射方向と周方向とで異なるために発生する。図４１Ａ及び図４１Ｂは、この視野非点収差を緩和するため、この発明に係る電子線装置に使用する第１のマルチ開口板４２０３の第２の例を示しており、図４１Ａに示す第１のマルチ開口板４２０３においては、それぞれの開口は第１のマルチ開口板４２０３の中心からの距離に依存して、該中心に関して放射方向に細長い形状とされている。また、図４１Ｂにおいては、第１のマルチ開口板４２０３の中心に中心を置く仮想円の半径方向と周方向とで大きさが異なるよう、それぞれの開口の形状が設定されている。
図３８における参照数字４２１７はブランキング偏向器を示しており、このブランキング偏向器４２１７に幅の狭いパルスを印加することにより、パルス幅の狭い電子線を形成することができる。これによって形成された幅の狭いパルスを用いると、試料４２０８に形成されたパターンの電位を高時間分解能で測定することが可能となるので、電子線装置に対していわゆるストロボＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の機能を付加することができる。図３８における参照数字４２１８は軸対称電極を示しており、この軸対称電極４２１８に試料４２０８より数１０ボルト低い電位を与えると、試料４２０８から放出される二次電子を、試料４２０８のパターンの有する電位に依存して、対物レンズ４２０７の方へ流し又は試料側へ追い戻すことができる。これによって試料４２０８上の電位コントラストを測定することができる。
図３８〜図４０に示す本発明の実施例１４に係る電子線装置４２００は、欠陥検査装置、線幅測定装置、合わせ精度測定装置、電位コントラスト測定装置、欠陥レビュー装置又はストロボＳＥＭ装置に適用することが可能である。また、本発明の実施例１４の電子線装置４２００は、図１２、図１３に示す半導体デバイスの製造工程のウエハの評価を行うために使用することができる。
図１２のウエ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は、前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコーティングするレジスト工程、レジストを露光する露光工程、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、及び、現像されたレジストのパターンを安定化するためのアニール工程（図１３）を含む。本発明の実施例１４の電子線装置４２００は、更に加工されたウエハを検査する図１２のウエハ検査工程において使用することができる。
本発明は上述の実施例に限定されない。例えば、試料４２０１の異なる位置を同時に照射できるよう、電子銃４２０１、第１のマルチ開口板４２０３、一次光学系、二次光学系、第２のマルチ開口板４２１１及び検出器４２１２からなる電子線照射・検出系を複数系統設け、複数の電子銃から出た複数の一次電子線で試料を照射し、試料から放出された複数の二次電子線を複数の検出器で受け取るようにしてもよい。これにより、検査や測定に要する時間を大幅に短縮することができる。
以上の説明から理解されるであろうように、この発明の実施例１４の電子線装置４２００は、次の効果を奏する：
１．一次光学系による歪み収差を補正し、合せて、視野非点収差も緩和することができるので、広い領域を複数のビームで照射して走査することができ、試料の欠陥検査等を高いスループットで行うことが可能になる。
２．二次光学系による歪みを補正することができるので、複数の一次電子線を狭い間隔で試料に投影、走査してもクロストークが無く、しかも、二次電子の透過率を大きくすることができ、結果的にＳ／Ｎ比の大きい信号を得ることができるので、信頼性の高い線幅測定等を行うことができる。
３．一次光学系をＥ×Ｂ分離器６の偏向主面に結像させることができるので、一次電子線の色収差を小さくすることができ、一次電子線をマルチビームとするときにもマルチビームを細く絞ることが可能になる。
図４２を参照して本発明の実施例１５の電子線装置４３００を説明する。図４２の電子線装置４３０１は、一次光学系４３１０と、二次光学系４３３０と、検出装置４３４０とを備える。一次光学系４３１０は、電子線を試料Ｓの表面（試料面）に照射する光学系で、電子線を放出する電子銃４３１１と、電子銃から放出された電子線を偏向する静電レンズ４３１２と、二次元的に配列された複数の小孔（ただし、図４２では４３１３ａ乃至４３１３ｅのみ図示する）が形成された開口板４３１３と、静電偏向器４３１４と、開口アパーチャ４３１５と、開口板を通過した電子ビームを偏向する静電中間レンズ４３１６と、第一のＥ×B分離器４３１７と、電子ビームを偏向する静電中間レンズ４３１８と、静電偏向器４３１９と、第二のＥ×Ｂ分離器４３２０と、静電対物レンズ４３２１と静電偏向器４３２２とを備える。それらは、図４２に示すように電子銃４３１１を最上部にして順に、かつ電子銃から放出される電子線の光軸Ａが試料の表面ＳＦに垂直になるように配置されている。従って、静電対物レンズ４３２１と試料Ｓ間を軸対象の構造とすることができ、電子ビームを細く絞ることができる。
二次光学系４３３０は、一次光学系４３１０の第二のＥ×Ｂ分離器４３２０の近くで光軸Ａに対して傾斜している光軸Bに沿って配置された静電拡大レンズ４３３１と、二次元的に配列された複数の小孔（図では４３３２ａ乃至４３３２ｅのみ図示する）が形成された開口板４３３２とを備えている。検出装置４３４０は開口板４３３２の各開口毎に検出器４３４１を備えている。なお、開口板４３３２の開口（４３３２ａ乃至４３３２ｅ）の数は一次光学系の開口板４３１３に形成される小孔（４３１３ａ乃至４３１３ｅ）の数及び配列に合わせた数及び配列となっている。上記各構成要素は公知のものであってもよく、それらの構造の詳細説明は省略する。
次に上記構成の電子線装置４３００の動作について説明する。単一の電子銃４３１１から放出された電子線Cは静電レンズ４３１２で収束され、開口板４３１３を照射する。電子線Cは開口板４３１３に形成された複数の小孔（４３１３ａ乃至４３１３ｅ）を通過して複数の電子ビームにされる。これら複数の電子ビームは開口部を有する開口アパーチャ４３１５でクロスオーバーC１を形成する。クロスオーバーした電子ビームは試料Sに向かって進み、途中に設けられた静電中間レンズ４３１６及び静電中間レンズ４３１８により収束され、静電対物レンズ４３２１の主面に結像されて、ケラー照明条件を満足する。一方、開口板４３１３の各小孔の像を形成する電子ビームDは静電中間レンズ４３１６により収束されて第一のＥ×B分離器４３１７の偏向主面ＦＰ１に結像し、更に静電中間レンズ４３１８により収束されて第二のＥ×B分離器４３２０の偏向主面ＦＰ２に結像し、最終的に試料面ＳＦに結像する。
試料面ＳＦから放出された二次電子は、静電対物レンズ４３２１と試料面ＳＦとの間に印加された、二次電子に対する加速電界で加速、収束され、静電対物レンズ４３２１を通過し、第二のＥ×B分離器４３２０の偏向主面ＦＰ２の少し手前でクロスオーバーを結像する。この結像した二次電子は第二のＥ×B分離器４３２０により光軸Bに沿って移動するように偏向されて静電拡大レンズ４３３１に入射する。二次電子は次に静電拡大レンズ４３３１により拡大され、開口板４３３２の小孔（４３３２ａ乃至４３３２ｅ）において拡大結像される。
試料面ＳＦと開口板４３３２は二次電子強度の２ｅＶの値に対して光学的共役関係にあり、開口板４３１３の小孔４３１３ａを通った電子ビームにより試料面ＳＦで放出された二次電子は開口板４３３２の小孔４３３２ａを通して、小孔４３１３ｂを通った電子ビームにより試料面ＳＦで放出された二次電子は開口板４３３２の小孔４３３２ｂを通して、小孔４３１３ｃを通った電子ビームにより試料面ＳＦで放出された二次電子は開口板４３３２の小孔４３３２ｃを通して、と言ったように、電子ビームにより試料面で放出された二次電子は開口板４３１３の各小孔に対応する開口板４３３２の各小孔を通って検出器４３４１に入射する。
上記複数の電子ビームとそれに隣接する電子ビームの間は、静電偏向器４３１９と第二のＥ×B分離器４３２０とを用いて符号Ｅで示されている主光線軌道になるように電子ビームを偏向走査して、各電子ビームの間の走査を行うことができる。第二のＥ×B分離器で偏向走査を行うには、第二のＥ×B分離器４３２０のウィーンフィルター条件を満足し、電子ビームを直進させる電圧をＶｗ、磁場をＢｗとすると、Ｖｗの直流電圧を中心にしてその電圧に走査電圧が重畳するような電圧波形を与えればよく、第二のＥ×B分離器４３２０の電界を与える電極を８極の静電偏向器とすると二次元の走査が可能となる。従って、静電対物レンズ４３２１の上部に偏向器を新たに設ける必要がなく、しかもＥ×B分離器も静電偏向器も最適の位置に配置することができる。
次に、従来技術において単一のＥ×B分離器を使用することにより色収差が生じていわゆるビームボケが生じる問題点と、その解決策について説明する。一般的に、Ｅ×B分離器を使用する電子線装置においては、電子ビームに対して開口の像の位置とＥ×B分離器の偏向主面とが一致した時に収差が最も小さい。しかもＥ×B分離器の偏向主面と試料面は共役になっている。そのため、エネルギー幅のある電子ビームがＥ×B分離器に入射したとき、低いエネルギーの電子ビームが電界により偏向される量はエネルギーに逆比例して大きくなるが、磁場により偏向される量はエネルギーの１／２乗に逆比例してしか大きくならない。
一方、高いエネルギーの電子ビームの場合は、電界により偏向される方向に電子ビームが偏向される量よりも磁場により偏向される方向に偏向される量の方が大きくなる。この場合、Ｅ×B分離器の下側に静電レンズが設けられかつそのレンズが無収差であればビームボケは生じないが、現実的にはレンズに収差があるためビームボケが生じる。従って、単一のＥ×B分離器を使用するのみでは電子ビームのエネルギーに幅がある場合には色収差によりビームボケが生じることは回避できない。
本発明では、第一と第二の二つのＥ×B分離器４３１７及び４３２０を備え、第一のＥ×B分離器４３１７と第二のＥ×B分離器４３２０との電界による偏向方向が試料面上で見て相互に逆方向になり、かつ偏向の大きさの絶対値が等しくなるように、各Ｅ×B分離器の電界を調整している。従って、電子ビームのエネルギーに幅がある場合でも、Ｅ×B分離器による色収差は、第一及び第二のＥ×B分離器４３１７及び４３２０により相互に相殺される。
上記構成の電子線装置４３００を使用して試料面の欠陥検査、試料面に形成されたパターンの線幅の測定等を行うには、検査すべき試料をセットし、電子線装置１を上述のように動作させる。この場合、静電偏向器４３１９及び第二のＥ×B分離器４３２０に与える走査信号波形と、二次電子の検出器４３４１の出力信号とで画像データを作成し、その画像データと、別途得られたパターンデータから作成した画像データとを比較することにより欠陥検査を行うことができる。
また、静電偏向器４３１９及び第二のＥ×B分離器４３２０により、測定したパターンをその直角方向に走査し、そのとき得られた二次電子の信号波形からパターンの線幅の測定が行える。更に、一層目のリソグラフィで形成されるパターンの近傍に二層目のリソグラフィで形成されるパターンを形成し、これら二本のパターンを電子線装置４３００の複数の電子ビームのビーム間隔と略等しい間隔で形成しておき、これら二本のパターン間隔を測定し、その測定値を設計値と比較することにより、合わせ精度を評価することができる。また、二次電子の検出器４３４１の一部又は全部にＣＲＴモニターを接続し、走査信号波形と共に入力することにより走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像をＣＲＴモニター上に形成することができる。検査人はこのＳＥＭ像を見ながら欠陥の種類等を観察できる。
図４２において、静電対物レンズ４３２１と試料面ＳＦとの間に同軸状の電極４３２２を設け、この電極４３２２に負の電圧を与えることにより電位コントラストを測定することができる。また、図４２において、電子ビームをブランキングするため、短時間だけ電子ビームを偏向させず残りは電子ビームを偏向させるような電圧を静電偏向器４３１４に与え、偏向された電子ビームは開口アパーチャ４３１５で除去するようにすることにより、短パルスの電子ビームが得られる。この短パルスの電子ビームを試料面ＳＦに入射させ、試料面上のデバイスを作動状態にして、パターンの電位測定を良好な時間分解能で測定すれば、デバイスの動作解析が行える。
図４３は、上述の構成を有する電子線装置の一次光学系と二次光学系の組を試料S上で複数組配置した状態の平面図を示しており、この実施形態では、６組の一次光学系４３１０と二次光学系４３３０とが２行３列に配列されている。実線で描かれた円４３１０ａ乃至４３１０ｆは一次光学系の最大外径を示し、一点鎖線で描かれた円４３３０ａ乃至４３３０ｆは二次光学系の最大外径を示す。また、本実施例では、一次光学系４３１０の開口板４３１３の小孔は３行３列に配列されており、二次光学系４３３０の開口板４３３２の小孔も同様に３行３列に配列されている。複数の各光学系の組は、各々が互いに干渉しないように、各二次光学系４３３０の光軸Bが行の並び方向に沿って試料の外側に向かうように配置されている。列の数は、好ましくは３，４列程度であるが、これ以下の２列、或いは４列以上であってもよい。
本発明の実施例１５の電子線装置４３００は、更に加工されたウエハを検査する図１２のウエハ検査工程において使用することができる。即ち検査工程に本発明の実施例１５の欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
本発明の実施例１５の電子線装置４３００（図４２）は、次の効果を奏する：
（１）複数の電子ビームを使うのでスループットが向上する。
（２）複数のＥ×Ｂ分離器を備え、開口板の小孔の像の位置とＥ×Ｂ分離器のそれぞれの位置とを一致させ、かつそれぞれのＥ×Ｂ分離器の電界で偏向される電子ビームの方向が試料面上で見て相互に逆方向となるようにしたことにより、Ｅ×Ｂ分離器により生じる色収差を補正することが可能となり、電子ビームを細く絞ることが可能となったため、高い検査精度を確保することができる。
（３）第二のＥ×Ｂ分離器の電界に走査電圧を重畳させて電子ビームの偏向動作をさせるようにしたことにより、第二のＥ×Ｂ分離器と静電偏向器とを兼用させることができ、静電対物レンズ２１の上部に新たに静電偏向器を設ける必要性がなく、しかもＥ×Ｂ分離器と静電偏向器の両者を最適の位置に配置することができる。それにより、二次電子の検出効率を向上させることと偏向収差を低減することが同時に可能となり、更に、二次光学系の光路を大幅に短くすることも可能となる。
（４）電子線装置の一次光学系と二次光学系の組を試料上で複数組配置したので、一時に複数の試料を検査することが可能となり、スループットが更に向上する。
（５）静電対物レンズ４３２１と試料面ＳＦとの間に同軸状に静電偏向器４３２２を設け、この静電偏向器４３２２に負の電圧を与えることにより、電位コントラストを評価することが可能になる。
（６）電子ビームをブランキングする機能を設けて静電偏向器４３１４の電圧を制御して短パルスの電子ビームを形成し、試料面上のデバイスを作動状態にして、パターンの電位測定を良好な時間分解能で測定すれば、デバイスの動作解析が可能となる。
図４４Ａは、本発明の実施例１６の電子線装置４４００の概略配置図であり、図４４Ａにおいて、電子銃４４０１から放出された電子線は、コンデンサ・レンズ４４０２によって集束されて、点４４０４においてクロスオーバを形成する。コンデンサ・レンズ４４０２の下方には、複数の小開口を有する第１のマルチ開口板４４０３が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。第１のマルチ開口板４４０３によって形成された一次電子線のそれぞれは、縮小レンズ４４０５によって縮小されて、点４４１５に投影される。一次電子線は、点４４１５で合焦した後、対物レンズ４４０７によって試料４４０８に合焦される。第１のマルチ開口板４４０３から出た複数の一次電子線は、縮小レンズ４４０５と対物レンズ４４０７との間に配置された偏向器４４１９により偏向されて、ｘ−ｙステージ４４２０上に載置された試料４４０８の面上を同時に走査する。
縮小レンズ４４０５及び対物レンズ４４０７の像面湾曲収差の影響を無くすため、図４４Ｂに示すように、第１のマルチ開口板４４０３は、円周上に小開口４４３３が配置され、これらのｘ軸上に投影した点は、等間隔Ｌｘとなるように設定される。合焦された複数の一次電子線によって、試料４４０８の複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から放出される二次電子線は、対物レンズ４４０７の電界に引かれて細く集束され、ＥＸＢ分離器４４０６で偏向され、２次光学系に投入される。２次電子像は、点４４１５より対物レンズ４４０７に近い点４４１６に焦点を結ぶ。これは、各一次電子線が試料面上で５００ｅＶのエネルギーを持っているのに対して、二次電子線が数ｅＶのエネルギーしか持っていないためである。
二次光学系は、拡大レンズ４４０９、４４１０を有しており、これらの拡大レンズを通過した二次電子線は、第２のマルチ開口板４４１１の複数の開口４４４３を通って、複数の電子検出器４４１２に結像する。図４４Ｂに示すように、検出器４４１２の前に配置された第２のマルチ開口板４４１１に形成された複数の開口４４４３と、第１のマルチ開口板４４０３に形成された複数の開口４４３３とは、１対１に対応する。複数の検出器４４１２は、それぞれ第２のマルチ開口板４４１１の複数の開口に対向して配置される。
検出器４４１２は、検出した二次電子線を、その強度を表す電気信号へ変換する。各検出器４４１２から出力された電気信号は、増幅器１３によってそれぞれ増幅された後、画像処理部１４によって画像データヘ変換される。画像処理部１４には、一次電子線を偏向させるための走査信号ＳＳが更に供給されるので、画像処理部４４１４は、試料４４０８の面を表す画像を生成することができる。この画像を標準パターンと比較することにより、試料４４０８の欠陥を検出することができる。立上がり幅検出部４４３０は、プロセス中は切り離されるが、初期焦点合わせのための励起電圧を決定する段階で動作する。その動作は、後述する。
また、レジストレーションにより、試料４４０８の被測定パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、試料４４０８上のパターンの線幅を測定することができる。ここで、第１のマルチ開口板４４０３の開口４４３３を通過した一次電子線を試料４４０８の面上に合焦させ、試料４４０８から放出された二次電子線を検出器４４１２に結像させる際、一次光学系で生じる歪み、軸上色収差、及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう、特に配慮する必要がある。また、複数の一次電子線の間隔と二次光学系との関係については、一次電子線の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば、複数の電子線間のクロストークを無くすことができる。
対物レンズ４４０７は、図４４Ｃに示すように、ユニポテンシャル・レンズであり、一次電子線を試料４４０８の表面に集束させるため、対物レンズ４４０７の中央電極には電源４４２８から正の高電圧Ｖ0ボルトが印加され、対物レンズ４４０７の上側電極及び下側電極には、電源４４２９からアース電位に近い小電圧である励起電圧±△Ｖ0が印加される。
電子銃４４０１、軸合わせ用偏向器４４１７、第１の開口板４４０３、コンデンサ・レンズ４４０２、偏向器４４１９、ウィーン・フィルタ即ちＥＸＢ分離器４４０６、対物レンズ４４０７、軸対称電極４４２３、及び二次電子検出器４４１２は、適宜のサイズの鏡筒４４２６内に収納されて、一つの電子線走査・検出系を構成する。なお、電子線走査・検出系の初期焦点合わせは、励起電圧±△Ｖ0を例えば−１０ボルトに固定しておき、正電圧Ｖ0を変化させることによって、実行することができる。
上で説明したように、鏡筒４４２６内の電子線走査・検出系は、試料上のチップパターンを走査し、走査の結果として試料から放出された二次電子線を検出して、その強度を表す電気信号を出力する。実際には、試料の表面に複数のチップパターンが形成されているので、図４４Aに示した電子線走査・検出系と同様の構成の電子線走査・検出系（図示せず）が複数、並列する形態で、相互の距離が試料上のチップ寸法の整数倍の距離になるよう配置される。
電子線走査・検出系について更に説明すると、電子検出器４４１２から出力された電気信号は、画像処理部４４１４において、２値化情報へ変換され、この２値化情報を画像データに変換する。この結果、試料の表面に形成された回路パターンの画像データが得られ、得られた画像データは、適宜の記憶手段に蓄積されると共に、基準の回路パターンと比較される。これにより、試料上に形成された回路パターンの欠陥等を検出することができる。
試料上の回路パターンを表す画像データとの比較のための基準回路パターンは、種々のものを使用することができる。例えば、当該画像データを生じる走査が行われた回路パターンを作製したＣＡＤデータから得られた画像データを用いることもできる。
図４４Ａに示す電子線装置において、対物レンズ４４０７の上側電極又は下側電極に印加すべき励起電圧±△Ｖ0の値は、ＣＰＵ等の制御装置（不図示）の制御下で、以下のようにして決定される。まず、試料４４０８の表面に形成された任意の一つの回路パターン上に、第１の方向に平行なパターン・エッジと、この第１の方向に直交する第２の方向に平行なパターン・エッジとが存在する場所を、例えばパターン・データから読み出して特定する。
次いで、偏向器４４１９及びＥ×Ｂ分離器４４０６を用いて、一次電子線により、第１の方向に平行なパターン・エッジを第２の方向に走査し、その結果放出された二次電子線の強度を表す電気信号を電子検出器４４１２から取り出し、立上がり幅検出部４４３０において、該電気信号の立上がり幅ｐ（単位：μｍ）を測定する。同様に、第２の方向に平行なパターン・エッジについても、偏向器４４１９及びＥＸＢ分離器４４０６を用いて、一次電子線により第１の方向に走査し、その結果放出された二次電子線の強度を表す電気信号を電子検出器４４２から取り出し、立上がり検出部４４３０において、その電気信号の立上がり幅ｐを測定する。この操作を、電圧±△Ｖ0を変更して、少なくとも３つの電圧値について行う。
制御装置（図示せず）は、立上がり幅検出部４４３０からのデータに基づいて、図４５Ａの曲線Ａ及びＢを作成する。曲線Ａは、第１の方向に平行なパターン・エッジに関しての、±△Ｖ0それぞれに対する立上がり幅ｐμｍの関係を示す。曲線Ｂは、第２の方向に平行なパターン・エッジに関しての、±△Ｖ0それぞれに対する立上がり幅ｐμｍの関係を示す。電気信号の「立上がり幅R」は、図４５Ｂのグラフに示すように、励起電圧±△Ｖ0（及び高電圧Ｖ0）を固定した状態で、第１の方向（又は、第２の方向）に平行なパターン・エッジを第２の方向（又は、第１の方向）に走査したときに測定される電気信号が、その最大値の１２%から８８%まで変化するのに要する走査距離Ｒ（単位：μｍ）として表したものである。
図４５Ａの曲線Ａは、励起電圧±△Ｖ0が−△Ｖ0(x)のときに立上がり幅ｐが最小であり、従って、このときに立上りがもっとも鋭いことを示す。同様に、曲線Ｂは、励起電圧±△Ｖ0が＋△Ｖ0(ｙ)のときに立上がり上がり幅が最小であり、立上りが最も鋭いことを示している。従って、対物レンズ７の焦点条件、即ち、上側電極及び下側電極に印加する電圧±△Ｖ0の値は、｛−△Ｖ0（ｘ）＋△Ｖ0（ｙ）｝／２に設定することが好ましい。励起電圧±△Ｖ0は０〜±２０Ｖの範囲でしか変化しないので、上記のようにして対物レンズ４４０７の整定を実際に行ったところ、１０マイクロ秒という高速で対物レンズ４４１２の整定を行うことができ、図４５Ａの曲線Ａ及びＢを取得するのに、１５０マイクロ秒しか要しなかった。
また、曲線Ａ及びＢを得るために、多数の±△Ｖ0について測定を行う必要はなく、図４５Ａに示すように、±△Ｖ0の３つの電圧値として、−△Ｖ（１）、＋△Ｖ（２）、＋△Ｖ（３）を設定して立上がり幅ｐを測定し、双曲線近似により曲線Ａ及びＢを求め、立上り幅ｐの最小値−△Ｖ0（ｘ）及び＋△Ｖ0（ｙ）を求めればよい。その場合には、４５マイクロ秒程度で測定を行うことができる。
上記したように、図４５Ａの曲線Ａ及びＢは、２次曲線即ち双曲線に近似している。立ち上がり幅をｐ（μm）、対物レンズ電圧±△Ｖ0をq（ボルト）とすると、グラフＡ及びＢは、ａ、ｂ及びｃを定数として、
（ｐ2／ａ2）−(ｑ−ｃ)2／Ｂ2＝１
と表せる。そこで、３つのq（電圧±△Ｖ0）の値ｑ1、ｑ2、ｑ3と、それらに対応するp（立上がり幅）の値ｐ1、ｐ2、ｐ3を上記式に代入すると、次の３つの式（１）〜（３）が得られる。
（ｐ12／ａ2）−（ｑ1−ｃ）2／ｂ2＝１ （１）
（ｐ22／ａ2）−（ｑ2−ｃ）2／ｂ2＝１ （２）
（ｐ32／ａ2）−（ｑ3−ｃ）2／ｂ2＝１ （３）
これらの式（１）〜（３）から、ａ、ｂ及びｃの値が算出され、ｑ＝ｃのとき、最小値となる。
以上のようにして、立ち上がり幅ｐが最小となる、第１の方向に平行なパターン・エッジに関する対物レンズへの励起電圧△Ｖ0（ｘ）を、３つのレンズ条件で求めることができる。全く同様にして、第２の方向に平行なパターン・エッジに関する対物レンズ電圧△Ｖ0（ｙ）を求めることができる。
図４５Ａの曲線Ａ及びＢに示したように、第１の方向に延存するパターン・エッジを第２の方向に走査したときと、第２の方向に延在するパターン・エッジを第１の方向に走査したときとで、立上がり幅が異なることが一般的である。このような場合には、例えば、８極の非点補正レンズ４４２１（図４４）を設けて、該レンズ４４２１に印加する電圧を調整することにより、パターン・エッジを第１の方向及び第２の方向に走査したときの電子検出器４４１５からの電気信号の立上りが更に小さくなるように、非点補正を行うことが必要である。非点収差がほとんどない場合は、△Ｖ0（ｘ）あるいは△Ｖ0（ｙ）のどちらかを求めればよいので、曲線Ａ又はＢのいずれかのみを求めてもよい。
以上説明したように、電子線走査・検出系における焦点合わせを行い、その後、試料８の評価を行うプロセスに移行する。本方法では、光学的なＺセンサではなく、電子光学的な手段で合焦条件を求めているため、試料が帯電している場合にも、正しい合焦条件が求められるという利点がある。
電子線走査・検出系を含んだ鏡筒４４２６と同様の構成の鏡筒（図示せず）を、鏡筒４４２６と並列する形で、互いの距離が試料４４０８上のチップ・サイズの整数倍の距離になるよう配置した場合、それぞれの鏡筒において一次電子線が試料上に合焦するよう焦点合わせを行う必要がある。しかしながら、こうした焦点合わせは、ほぼ同時に行うことが可能であるので、スループット・バジェットは、僅かな値でしかない。
次に、本発明の半導体デバイス製造方法について説明する。本発明の半導体デバイス製造方法は、上記した電子線装置を用いて、前述の図１２及び図１３に示す半導体デバイス製造方法において実行されるものである。
本発明の半導体デバイス製造方法においては、図４４を参照して説明した電子線装置を用いて、加工途中の工程（ウエハ検査工程）のみならず、完成したチップを検査するチップ検査工程（図１２）において用いることにより、微細なパターンを有する半導体デバイスであっても、歪み、ぼけ等が低減された画像を得ることができるので、ウエハの欠陥を確実に検出することができる。
図１２のウエハ検査工程及びチップ検査工程において、本発明に係る電子線装置を用いることにより、微細なパターンを有する半導体デバイスをも、高スループットで検査することができるので、全数検査が可能となり、製品の歩留りの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
本発明の実施例１６の電子線装置４４００は、次の作用効果を奏する。
（１）試料面の高さを測定するための光学式センサを使用する必要がないので、対物レンズと試料との間を電子光学系のみで最適設計することが可能になる。
（２）電子線走査・検出系の焦点合わせは低電圧の調整のみで可能であるので、整定時間を短縮することができる、.即ち、短時間で焦点合わせを行うことができる。
（３）必要に応じて、焦点合わせの操作の中で、非点補正をも短時間で行うことが可能である。
（４）プロセス途中の試料を短時間で評価することができることになるので、デバイス製造の歩留まりを向上させることができる。
図４６及び４７を参照して本発明の実施例１８の電子線装置４５００を説明する。図４６は、実施例１８の電子線装置４５０１を模式的に示す。この電子線装置４５００は、一次光学系４５１０と、二次光学系４５３０と、検出装置４５４０とを備える。一次光学系４５１０は、電子線を試料Ｓの表面に照射する光学系で、電子線を放出する電子銃４５１１と、電子銃から放出された電子線を縮小する静電レンズ４５１３と、二次元的に配列された複数の小孔（ただし、図４６では４５１４ａ乃至４５１４ｉのみ図示する）が形成された第一の開口板１４と、開口アパーチャ４５１５と、第一の開口板を通過した電子ビームを縮小する静電レンズ４５１６と、静電偏向器４５１７と、Ｅ×B分離器４５１８と、静電対物レンズ４５１９とを備え、それらは、図４６に示すように電子銃４５１１を最上部にして順に、かつ電子銃から放出される電子線の光軸Ａが試料Ｓに垂直になるように配置される。
電子銃４５０１の内部には単結晶のＬａＢ６カソードを多数の突起を有する形状に研磨して形成された突起部４５１２が形成されている。静電レンズ４５１３、４５１６及び静電対物レンズ４５１９の像面湾曲収差の影響を無くすため、図４７に示すように、第一の開口板４５１４には円周上に小孔が配置されそのX方向への投影したものは等間隔Ｌｘとされる。
二次光学系４５３０は、Ｅ×Ｂ分離器４５１８の近くで光軸Ａに対して傾斜している光軸Bに沿って順に配置された、第一の静電拡大レンズ４５３１と、開口アパーチャ４５３２と、第二の静電拡大レンズ４５３３と、二次元的に配列された複数の小孔（図では４５３４ａ乃至４５３４ｉのみ図示する）が形成された第二の開口板４５３４とを備える。
検出装置４５４０は第二の開口板４５３４の各開口毎に検出器４５４１を備えている。なお、第二の開口板４５３４の小孔（図２において破線で示されている）４５３４ａ乃至４５３４ｅの数及び配列は、第一の開口板４５１３に形成される小孔（図４７において実線で示されている）４５１４ａ乃至４５１４ｅの数及び配列に一致されている。上記各構成要素は公知のものであってもよく、それらの構造の詳細説明は省略する。
次に、上記構成の電子線装置４５００における標準モードについて説明する。単一の電子銃４５１１の多数の突起部４５１２から放出された電子線Cは静電レンズ４５１３で収束され、第一の開口板４５１４を照射する。電子線Cは第一の開口板４５１４に形成された複数の小孔（４５１４ａ乃至４５１４ｅ）を通過してマルチビームにされる。これらマルチビームは開口アパーチャ４５１５でクロスオーバー像C１を形成する。クロスオーバーしたマルチビームは、試料Sに向かって進み、途中に設けられた静電中間レンズ４５１６により収束され、静電対物レンズ４５１９の主面に結像されて、ケラー照明条件を満足する。該結像されたマルチビームは試料上に縮小像を結像し、また、静電偏向器４５１７とＥ×Ｂ分離器４５１８の偏向器により試料上を走査される。
試料Ｓから放出された二次電子は、静電対物レンズ４５１９と試料Sとの間に印加された、二次電子に対する加速電界で加速、収束され、静電対物レンズ４５１９を通過し、Ｅ×B分離器４５１８により光軸Bに沿って移動するように偏向されて静電拡大レンズ４５３１に入射する。二次電子は次に静電拡大レンズ４５３１により拡大され、開口アパーチャ４５３２にクロスオーバー像Ｃ２を形成する。これら結像した二次電子は、次に、静電拡大レンズ４５３３により拡大されて第二の開口板４５３４の小孔（４５３４ａ乃至４５３４ｅ）において結像される。二次光学系の拡大率は２つの静電拡大レンズ４５３１及び４５３３で決定することができる。
図４７に示すように、第一の開口板４５１４の小孔４５１４ａを通った電子ビームにより試料Ｓで放出された二次電子は第二の開口板４５３４の小孔４５３４ａを通して、小孔４５１４ｂを通った電子ビームにより試料Ｓで放出された二次電子は小孔４５３４ｂを通して、小孔４５１４ｃを通った電子ビームにより試料Ｓで放出された二次電子は小孔４５３４ｃを通して、と言ったように、電子ビームにより試料面で放出された二次電子は第一の開口板４５１４の各小孔に対応する第二の開口板４５３４の各小孔を通って検出器４５４１に入射する。
上記標準モードから高解像度モードに変更するには走査幅を変更し、かつ画像倍率を変更する必要がある。走査幅を変更することは、静電偏向器４５１７及びＥ×Ｂ分離器４５１８の偏向器のビット当たりの偏向感度を調整することにより可能である。しかしながら、走査幅を標準モードから狭くすると、マルチビームのそれぞれのビームの間に走査の隙間ができることとなる。また、二次光学系においてビーム像間隔が検出器の間隔と一致しなくなる。
ビームの間に走査の隙間ができることについては、第一の開口板４５１４から試料Sへの縮小率を静電レンズ４５１６と静電対物レンズ４５１９とをズーム動作させることにより、画素寸法の変化に対応して変化させることで解決できる。クロスオーバー像Ｃ１を対物レンズ４５１９の主面に結像させるケーラ照明条件は、標準モードでのみ満たすようにし、高解像度モードでは満たさないものとする。
また、二次光学系においてビーム像間隔が検出器の検出器間の寸法と一致しなくなる対策として、二次光学系の開口アパーチャ４５３２の位置及び大きさは固定とし静電拡大レンズ４５３３の励起電圧を変えることにより試料の各ビームから放出された二次電子の主光線が対応する第二の開口板の小孔に入射するようにしている。即ち、二次光学系の静電拡大レンズ４５３３により、拡大倍率と開口アパーチャ４５３２でのクロスオーバーの合焦条件とを合わせるようにしている。また、マルチビームの縮小率を静電レンズ４５１６と静電対物レンズ４５１９とをズーム動作させると共に、ズーム動作に関係付けて二次光学系の静電拡大レンズ４５３１、４５３３で拡大率を変更することにより、二種類の画像寸法で試料の評価を行うことができる。
このような一次光学系でのマルチビームの縮小率と二次光学系の静電レンズでの拡大率との関係は、具体的には、図４６で開口間の寸法（例えば４５１４ａと４５１４ｂの間隔）が１ｍｍであり、一次光学系でのマルチビームの縮小率が１／１００とすると、開口４５１４ａと４５１４ｂを出たビームの間隔は、１０μｍとなる。そして二次光学系の拡大率を５００倍とすると、開口４５３４ａと４５３４ｂの間隔は、５ｍｍである。
一次光学系でのマルチビームの縮小率を１／２００に変えたとき、二次光学系の拡大率を５００×２＝１０００倍とすることにより、開口４５３４ａと４５３４ｂの間隔は５ｍｍとなるから、開口４５３４ａと４５３４ｂの間隔を変えることなく、２次電子の検出を行うことができる。この特徴の利点は、一次光学系でのマルチビームの縮小率を変えることによってビーム寸法、ビーム電流、又は走査幅を変えることができることである。そしてスループットは悪くなるが、高解像度の評価を行ったり、分解能は悪いが高スループットの評価をしたりすることが可能となる。
更に、クロスオーバ像を、スループットは、大きいが解像度が比較的低いモードにおいて対物レンズの主面に形成する。具体的には、例えば、解像度が５０ｎｍ、スループットが８．８分／ｃｍ２のモードと、解像度が１００ｎｍ、スループットが３３秒／ｃｍ２のモードとを持つ装置において、前者のモードの場合に、クロスオーバ像を対物レンズの主面に置いた。
本発明の実施例１７（図４６）の電子線装置４５００は、図１２及び図１３の半導体デバイスの製造方法に好適に使用される。即ち、この製造方法における検査工程に本発明の実施例１８の欠陥検査方法、欠陥検査装置を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
本発明の実施例１７（図４６）の電子線装置４５００は、次の効果を奏する：
（１）任意の倍率の画像を走査の隙間なく形成することができるので、標準モード及び高解像度モードで使用することができる。
（２）倍率を変更した場合でも、画像寸法とビーム寸法とを略対応させることができる。
（３）標準モードでは一次光学系のケーラ照明条件を満足することができる。一方、高解像度モードの場合での一次光学系のケーラ照明条件からのズレは少なく、収差はそれ程増大しない。
（４）試料面に対して垂直方向に放出された試料からの二次電子が二次光学系の光軸と交差する位置に開口アパーチャを設けているため、モードを変更した場合でも、マルチビームの間に強度差の無い二次電子検出ができる。
図４８及び図４９を参照して本発明の実施例１９の電子線装置５０００について説明する。図４８の電子線装置５０００は、一次電子光学系（以下「一次光学系」という。）５０１０と、二次電子光学系（以下「二次光学系」という。）５０２０と、検出系５０３０とを備える。一次光学系５０１０は、電子ビームをウエハ等の評価対象（以下「試料」という）Ｓの表面に照射する光学系で、電子線即ち電子ビームを放出する電子銃５０１１と、電子銃５０１１から放出された一次電子ビームを集束するコンデンサレンズ５０１２と、複数の開口が形成された第１のマルチ開口板５０１３と、縮小レンズ５０１４と、Ｅ×Ｂ分離器５０１５と、対物レンズ５０１６とを備え、それらは、図４８に示されるように電子銃５０１１を最上部にして順に配置されている。なお、５０１７、５０１８は一次電子ビームを走査する偏向器であり、５０１９は軸対称電極である。
二次光学系５０２０は一次光学系の光軸に関して傾斜した光軸に沿って配置された拡大レンズ５０２１及び５０２２並びに第２のマルチ開口板５０２３を備えている。検出系５０３０は、第２のマルチ開口板５０２３の各開口５２３１毎に配置された検出器５０３１と、各検出器にそれぞれ増幅器５０３２を介して接続された画像形成部５０３３とを備えている。上記一次光学系５０１０、二次光学系５０２０及び検出系５０３０の各構成要素の構造及び機能は従来のものと同じであるから、それらについての詳細な説明は省略する。第１のマルチ開口板５０１３の開口５１３１と第２のマルチ開口板５０２３の開口５２３１とは対応して形成され、開口５１３１は、図４９で実線で示されるように、破線で示される開口５２３１より小さくなっている。
試料Ｓは、ステージ装置５０４０のホルダ５０４１により公知の方法により着脱可能に支持され、そのホルダ５０４１は、ＸＹステージ５０４２により直交方向に移動可能に支持されている。電子線装置１は、更に、ホルダ５０４１と電気的に接続されたリターディング電圧印加装置（以下印加装置）５０５０と、チャージアップ調査及びリターディング電圧決定システム（以下調査及び決定システム）５０６０とを備えている。調査及び決定システム５０６０は、画像形成部５０３３に電気的に接続されたモニター５０６１と、モニター５０６１に接続されたオペレータ５０６２と、オペレータ５０６２に接続されたＣＰＵ５０６３とを備えている。ＣＰＵ５０６３は、前記印加装置５０５０並びに偏向器５０１７に信号を供給するようになっている。
次に、上記実施例１８の電子線装置５０００の動作に付いて説明する。電子銃５０１１から放出された一次電子線は、コンデンサレンズ５０１２によって集束され、点Ｐ１においてクロスオーバを形成する。第１のマルチ開口板５０１３の開口５１３１を通過した電子線はその複数の開口５１３１により複数の一次電子ビームに形成される。第１のマルチ開口板５０１３によって形成された一次電子ビームは縮小レンズ５０１４により縮小され、点Ｐ２に投影される。点Ｐ２で合焦した後、対物レンズ５０１６によって試料Ｓの上表面上で合焦される。
複数の一次電子ビームは縮小レンズ５０１４と対物レンズ５０１６との間に配置された偏向器５０１８により、同時に試料の上面を走査するように偏向される。縮小レンズ５０１４及び対物レンズ５０１６の像面湾曲収差の影響をなくすため、マルチ開口板５０１３、５０２３の複数の開口５１３１及び５２３１は、各光学系の光軸を中心とする円の円周上に配置され、そのＸ方向の投影した場合の隣接間距離Ｌｘは、図４９に示されるように等間隔になるように形成されている。
合焦された複数の一次電子ビームによって、試料Ｓ上の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から放出された二次電子は、対物レンズ５０１６の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器５０１５で偏向され、二次光学系５０２０に投入される。二次電子像は点Ｐ２より対物レンズに近い点Ｐ３に焦点を結ぶ。これは、各一次電子ビームが試料面上で５００ｅＶのエネルギを持っているのに対して、二次電子線は数ｅＶのエネルギしか持っていないからである。
この二次電子像は拡大レンズ５０２１及び５０２２により第２のマルチ開口板５０２３の複数の開口５２３１を通して各開口毎に設けられた検出器５０３１に結像する。この二次電子像をそれぞれの検出器５０３１により検出する。それぞれの検出器５０３１は、検出した二次電子像をその強度を表す電気信号に変換する。こうして各検出器から出力された電気信号は対応する増幅器５０３２により増幅された後、画像形成部５０３３に入力され、この画像形成部で画像データに変換される。画像形成部５０３３には、一次電子ビームを偏向させるための走査信号が更に供給されるので、画像形成部は試料Ｓの面を表す画像を表示する。この画像を基準パターンと比較することにより、試料Ｓの欠陥を検出することができる。
また、レジストレーションにより試料Ｓを一次光学系５０１０の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャン即ち走査することによって試料の上表面に形成されたパターンの線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、パターンの線幅を測定することができる。ここで、第１のマルチ開口板５０１３の開口を通過した一次電子ビームを試料Ｓの上面上に合焦させ、試料Ｓから放出された二次電子線を検出器５０３１に結像させる際に、一次光学系で生じる歪み、軸上色収差及び視野非点という三つの収差による影響を最小にするように特に配慮する必要がある。また、試料に照射される一次電子ビーム間の間隔と二次光学系との関係に付いては、複数の一次電子ビーム間の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば、複数のビーム間のクロストークをなくすことができる。
画像形成部５０３３で変換された画像データは、調査及び決定装置５０６０の表示装置５０６１により画像として表示され、オペレータ５０６２により画像を評価する。オペレータ５０６２はこの実施形態ではチャージアップ調査装置を構成する。またオペレータ５０６２は画像に基づいてチャージアップ状態を調査することができる。そして、その結果をＣＰＵ５０６３に入力し、リターディング電圧を最適な値に設定する。ＣＰＵは、この実施形態では、リターディング電圧決定装置を構成する。
図５０Ａはチャージアップの評価場所と評価方法を説明する図である。チップ５１００のメモリーセル境界５１０２の外周部は、周辺回路部で低密度領域である。その内側はメモリーセル部で高密度領域である。従ってＡ１、Ａ２は境界領域の画像となり、Ａ３、Ａ４はメモリーセル部の画像である。図５０Ａ中の２点鎖線や破線は、密度が大きく変化する境界を示す。
より具体的には、被評価試料のチャージアップの影響を受け易い場所即ち図５０Ａに示されるように、試料としてのウエハの表面に形成されたチップ５１００のメモリーセル５１０１のコーナ部を評価した。即ち、（１）コーナ部でのメモリーセル境界５１０２のパターン歪み量５１０３、５１０４を測定するか、或いは、（２）メモリーセルのコーナ部においてパターンを横切るように（矢印Ａ１及びＡ２で示すように）走査した時に得た信号強度のコントラストを、図５０Ｂにおいて実線５１０５及び５１０７で表示して、チップの中心部においてパターンを矢印Ａ３、Ａ４に走査したときに得た信号強度のコントラスト５１０６及び５１０８（いずれも図５０Ｂにおいて破線図示）と比較してもよい。
リターディング電圧印加装置５０５０に複数の値の電圧を与え、その都度、歪み量５１０３及び５１０４或いはコントラスト５１０５、５１０７及び５１０６、５１０８を測定し、歪み量５１０３及び５１０４が小さい方がチャージアップの影響は小さいと評価した。また、コーナ部でのコントラストの値５１０５、５１０７が中心部でのコントラストの値に近い方がチャージアップの影響が小さいと評価した。
チャージアップの状態の良好なリターディング電圧が見出されたら、その値をＣＰＵ５０６３を介して印加装置５０５０に与え、その値で試料即ちウエハの評価を行うようにした。また、ビーム電流を小さくするとチャージアップが減少する試料の場合は、ビーム電流を小さくしてもよい。このように、試料のパターン密度が大きく変化する境界付近の画像形成を行うことは、帯電の効果が大きく出ることから、帯電していることを評価し易く、帯電し難いリーディング電圧を見つけ易い。
本発明の実施例１９（図４８）の電子線装置５０００は、図１２及び図１３の半導体デバイスの製造方法に好適に使用される。即ち、この製造方法における検査工程に本発明の実施例１９の電子線装置５０００を用いると、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
本発明実施例１９（図４８）の電子線装置５０００は、次の効果を奏する：
（イ）スループットが電子ビームの数に比例した倍数に近い値がえられ、数倍に向上できる。
（ロ）チャージアップ状態が最も少ない状態でウエハの評価が行われるので、信頼性の高い評価ができる。
（ハ）チャージアップ性能を、各種の電流を測定して行うのでなく、実際の画像で評価しているので、より正しい評価結果が得られる。
図５１は、本発明の実施例２０のＥ×Ｂ分離器６０２０を示す。Ｅ×Ｂ分離器６０２０は、静電偏向器と電磁偏向器とにより構成されており、図５１においては、光軸（図面に垂直な軸：ｚ軸）に直交するｘ−ｙ平面上の断面図として示されている。ｘ軸方向及びｙ軸方向も直交している。静電偏向器は、真空容器中に設けられた一対の電極（静電偏向電極）６００１を備え、ｘ軸方向に電界Ｅを生成する。これら静電偏向電極６００１は、絶縁スペーサ６００２を介して真空容器の真空壁６００３に取り付けられており、これらの電極間距離Ｄは、静電偏向電極６００１のｙ軸方向の長さ２Ｌよりも小さく設定されている。このような設定により、ｚ軸の周りの形成される電界強度が一様な範囲を比較的大きくすることができるが、理想的には、Ｄ＜Ｌであれば、電界強度が一様な範囲をより大きくすることができる。
即ち、電極の端縁からＤ／２の範囲は、電界強度が一様ではないため、電界強度がほぼ一様な領域は、一様ではない端部領域を除いた中心部の２Ｌ−Ｄの領域となる。このため、電界強度が一様な領域が存在するためには、２Ｌ＞Ｄとする必要があり、さらに、Ｌ＞Ｄと設定することにより、電界強度が一様な領域がより大きくなる。
真空壁６００３の外側には、ｙ軸方向に磁界Ｍを生成するための電磁偏向器が設けられている。電磁偏向器は、電磁コイル６００４及び電磁コイル６００５を備え、これらコイルはそれぞれ、ｘ軸方向及びｙ軸方向に磁界を生成する。なお、コイル６００５だけでもｙ軸方向の磁界Ｍを生成できるが、電界Ｅと磁界Ｍとの直交度を向上させるために、ｘ軸方向に磁界を生成するコイル４を設けている。即ち、コイル６００４によって生成された−ｘ軸方向の磁界成分によって、コイル６００５によって生成された＋ｘ軸方向を打ち消すことによって、電界と磁界との直交度を良好にすることができる。これら磁界生成用のコイル６００４及び６００５は、真空容器の外に設けるため、それぞれを２分割して構成し、真空壁６００３の両側から取り付け、部分６００７においてネジ止め等により締め付けて一体化すればよい。
Ｅ×Ｂ分離器の最外層６００６は、パーマロイあるいはフェライト製のヨークとして構成する。最外層６００６は、コイル６００４及び６００５と同様に、２分割して両側からコイル６００５の外周に取り付けて、部分６００７においてネジ止め等により一体化してもよい。
図５２は、本発明の実施例２０のＥ×Ｂ分離器６０４０の光軸（ｚ軸）に直交する断面を示す。図５２のＥ×Ｂ分離器６０４０は、静電偏向電極６００１が６極設けられている点が、図５１に示した実施例２０のＥ×Ｂ分離器と相違している。これら静電偏向電極６００１には、それぞれの電極の中央と光軸（ｚ軸）とを結んだ線と電界の方向（ｘ軸方向）との角度をθi（ｉ＝０，１，２，３，４，５）としたときに、ｃｏｓθiに比例する電圧ｋ・ｃｏｓθi（ｋは定数）が供給される。ただし、θiは、任意の角度である。
図５２に示した実施例２０においても、実施例１９と同様に、ｘ軸方向の電界Ｅしか作れないので、ｘ及びｙ軸方向の磁界を生成するコイル６００４及び６００５を設け、直交度の修正を行う。実施例２０によれば、図５１に示した実施例２０に比べて、電界強度が一様な領域をさらに大きくすることができる。図５１及び図５２に示した実施例１９及び２０のＥ×Ｂ分離器においては、磁界を生成するためのコイルをサドル型に形成しているが、トロイダル型のコイルを用いてもよい。
図５３Ａは、実施例２０及び２１のＥ×Ｂ分離器を１次電子ビームと２次電子ビームとを分離するために採用可能な本発明の実施例２１の電子線装置６０００（欠陥検査装置）の概略図である。図５３Ａにおいて、電子銃６０２１から放出された電子ビームは、コンデンサ・レンズ６０２２によって集束されて、点６０２４においてクロスオーバを形成する。
コンデンサ・レンズ６０２２の下方には、複数の開口を有する第１のマルチ開口板６０２３が配置され、これによって複数の１次電子ビームが形成される。形成された複数の１次電子ビームはそれぞれ、縮小レンズ６０２５によって縮小されて６０３５に投影される。そして、点６０３５で合焦した後、対物レンズ６０２７によってで試料であるウエハ６０２８に合焦される。第１のマルチ開口板６０２３からの複数の１次電子ビームは、縮小レンズ６０２５と対物レンズ６０２７との間に配置された偏向器６０３９により、同時にウエハ６０２８面上を走査するよう偏向される。
縮小レンズ６０２５と対物レンズ６０２７の像面湾曲収差が発生しないようにするために、第１のマルチ開口板６０２３は、図５３Ｂに示すように、円周上に小さな開口が複数配置され、そのｘ軸上へ投影した点は、等間隔となる構造となっている。合焦された複数の１次電子ビームによって、ウエハ６０２８の複数の点が照射され、該照射された複数の点から放出された２次電子ビームは、対物レンズ６０２７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器６０２６で偏向され、２次光学系に投入される。２次電子ビームによる像は、点６０３５より対物レンズ６０２７に近い点６０３６に焦点を結ぶ。これは、複数の１次電子ビームがそれぞれウエハ６０２８面上で約５００ｅＶのエネルギを有しているのに対して、２次電子ビームは数ｅＶのエネルギしか有していないためである。
２次光学系は、拡大レンズ６０２９、６０３０を有しており、これら拡大レンズを通過した２次電子ビームは、第２のマルチ開口板６０３１の複数の開口に結像する。そして、これら開口を通過して、複数の検出器６０３２で検出される。なお、検出器６０３２の前に配置された第２のマルチ開口板６０３１の複数の開口と、第１のマルチ開口板６０２３の複数の開口とは、図５３Ｂに示すように、１対１に対応している。
検出器６０３２はそれぞれ、受け取った２次電子ビームを、その強度を表す電気信号へ変換する。各検出器６０３２からの電気信号は増幅器６０３３で増幅された後、画像処理装置６０３４において画像データに変換される。画像処理装置６０３４には、偏向器６０３９からの１次電子ビームを偏向させるための走査信号も供給されており、これにより、画像処理装置６０３４は、ウエハ６０２８の表面の画像を表す画像データを得る。
得られた画像データを標準パターンと比較することにより、ウエハ６０２８の欠陥を検出することができ、また、レジストレーションによってウエハ６０２８上の被評価パターンを１次光学系の光軸近傍に移動させ、ライン走査することによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜校正することによって、ウエハ６０２８上のパターンの線幅を測定することができる。
第１のマルチ開口板６０２３の開口を通過した１次電子ビームをウエハ６０２８の面上に合焦させて、ウエハ６０２８から放出された２次電子ビーム検出用のマルチ開口板６０３１に結像させる際、１次光学系及び２次光学系により生じる歪み、像面湾曲及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするように、配慮した方がよい。複数の１次電子ビームの照射位置間隔の最小値を、２次光学系の収差よりも大きい距離だけ離間させれば、複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
本発明の実施例１９のＥ×Ｂ分離器６０２０においては、電界を生成する静電偏向器の一対の電極として、電極間の間隔よりも光軸に直角な方向の大きさが長く形成された平行平板型電極を用いているので、光軸の周りに一様強度で平行な電界が生成される領域が広くなる。また、実施例１９及び実施例２０のＥ×Ｂ分離器においては、電磁偏向器にサドル型コイルを用い、かつ光軸からコイルを見込む角度を片側で２π／３に設定しているので３θ成分が生成せず、これにより、光軸の周りに一様強度で平行な磁界が生成される領域が広くなる。さらにまた、磁界を電磁コイルによって生成しているので、コイルに偏向電流を重畳することができ、これにより、走査機能を持たせることができる。
実施例１９及び実施例２０のＥ×Ｂ分離器は、静電偏向器と電磁偏向器との組み合わせとして構成されているので、静電偏向器及びレンズ系の収差を計算し、これとは別に電磁偏向器及びレンズ系の収差を計算し、これら収差を合計することにより、光学系の収差を得ることができる。
図５５及び図５６を参照して本発明の実施例２２の荷電ビーム装置７０００を説明する。本実施例において「真空」とは当該技術分野において呼ばれる真空である。図５５の荷電ビーム装置７０００において、荷電ビームを試料に向かって照射する鏡筒７００１の先端部即ち荷電ビーム照射部７００２が真空チャンバＣを画成するハウジング７０１４に取り付けられている。鏡筒７００１の直下には、ＸＹステージ７００３のＸ方向（図５５において左右方向）の可動テーブル上に載置されている試料Ｓが配置される。この試料Ｓは高精度なＸＹステージ７００３によって、その試料面上の任意の位置に対して正確に荷電ビームを照射させることができる。
ＸＹステージ７００３の台座７００６はハウジング７０１４の底壁に固定され、Ｙ方向（図５５において紙面に垂直の方向）に移動するＹテーブル７００５が台座７００６の上に載っている。Ｙテーブル７００５の両側面（図５５において左右側面）には、台座７００６に載置された一対のＹ方向ガイド７００７ａ及び７００７ｂのＹテーブルに面した側に形成された凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝はＹ方向ガイドのほぼ全長に亘ってＹ方向に伸びている。
凹溝内に突出する突部の上、下面及び側面には公知の構造の静圧軸受け７０１１ａ、７００９ａ、７０１１ｂ、７００９ｂ、がそれぞれ設けられ、これらの静圧軸受けを介して高圧ガスを吹き出すことにより、Ｙテーブル５はＹ方向ガイド７００７ａ、７００７ｂに対して非接触で支持され、Ｙ方向に円滑に往復運動できるようになっている。また、台座７００６とＹテーブル７００５との間には、公知の構造のリニアモータ７０１２が配置されており、Ｙ方向の駆動をそのリニアモータで行うようになっている。Ｙテーブルには、高圧ガス供給用のフレキシブル配管７０２２によって高圧ガスが供給され、Ｙテーブル内に形成されたガス通路（図示せず）を通じて静圧軸受け７００９ａ乃至７０１１ａ及び７００９ｂ乃至１１ｂに対して高圧ガスが供給される。静圧軸受けに供給された高圧ガスは、Ｙ方向ガイドの対向する案内面との間に形成された数ミクロンから数十ミクロンの隙間に噴出してＹテーブルを案内面に対してＸ方向とＺ方向（図５５において上下方向）に正確に位置決めする役割を果たす。
Ｙテーブル上にはＸテーブル４がＸ方向（図５５において左右方向）に移動可能に載置されている。Ｙテーブル５上にはＹテーブル用のＹ方向ガイド７００７ａ、７００７ｂと同じ構造の一対のＸ方向ガイド７００８ａ、７００８ｂ（７００８ａのみ図示）がＸテーブル７００４を間に挟んで設けられている。Ｘ方向ガイドのＸテーブルに面した側にも凹溝が形成され、Ｘテーブルの側部（Ｘ方向ガイドに面した側部）には凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝はＸ方向ガイドのほぼ全長に亘って伸びている。凹溝内に突出するＸ方向テーブル７００４の突部の上、下面及び側面には前記静圧軸受け７０１１ａ、７００９ａ、７０１０ａ、７０１１ｂ、７００９ｂ、７０１０ｂと同様の静圧軸受け（図示せず）が同様の配置で設けられている。Ｙテーブル７００５とＸテーブル７００４との間には、公知の構造のリニアモータ７０１３が配置されており、ＸテーブルのＸ方向の駆動をそのリニアモータで行うようにしている。
Ｘテーブル７００４にはフレキシブル配管７０２１によって高圧ガスが供給され、静圧軸受けに高圧ガスを供給するようになっている。この高圧ガスが静圧軸受けからＸ方向ガイドの案内面に対して噴出されることによって、Ｘテーブル７００４がＹ方向ガイドに対して高精度に非接触で支持されている。真空チャンバＣは公知の構造の真空ポンプ等に接続された真空配管７０１９、７０２０ａ、７０２０ｂによって排気されている。配管７０２０ａ、７０２０ｂの入口側（真空チャンバ内側）は台座７００６を貫通してその上面において、ＸＹステージ７００３から高圧ガスが排出される位置の近くで開口しており、真空チャンバ内の圧力が静圧軸受けから噴出される高圧ガスにより上昇するのを極力防止している。
鏡筒７００１の先端部即ち荷電ビーム照射部７００２の周囲には、差動排気機構７０２５が設けられ、真空チャンバＣ内の圧力が高くても荷電ビーム照射空間７０３０の圧力が十分低くなるようにしてある。即ち、荷電ビーム照射部７００２周囲に取り付けられた差動排気機構７０２５の環状部材７０２６は、その下面（試料Ｓ側の面）と試料との間で微少隙間（数ミクロンから数百ミクロン）７０４０が形成されるように、ハウジング７０１４に対して位置決めされており、その下面には環状溝７０２７が形成されている。
環状溝７０２７は、排気管７０２８により図示しない真空ポンプ等に接続されている。従って、微少隙間７０４０は環状溝７０２７及び排気口７０２８を介して排気され、真空チャンバＣから環状部材７０２６によって囲まれた空間７０３０内にガス分子が侵入しようとしても、排気されてしまう。これにより、荷電ビーム照射空間７０３０内の圧力を低く保つことができ、荷電ビームを問題なく照射することができる。この環状溝は、チャンバ内の圧力、荷電ビーム照射空間７０３０内の圧力によっては、二重構造或いは三重構造にしてもよい。
静圧軸受けに供給する高圧ガスは、一般にドライ窒素が使用される。しかしながら、可能ならば、更に高純度の不活性ガスにすることが好ましい。これは、水分や油分等の不純物がガス中に含まれると、これらの不純物分子が真空チャンバを画成するハウジングの内面やステージ構成部品の表面に付着して真空度を悪化させたり、試料表面に付着して荷電ビーム照射空間の真空度を悪化させてしまうからである。試料Ｓは、通常Ｘテーブル上に直接載置されるのでなく、試料を取り外し可能に保持したりＸＹステージ７００３に対して微少な位置変更を行うなどの機能を持たせた試料台の上に載置されているが、試料台の有無及びその構造は本願発明の要旨には関係ないので、説明を簡素化するために省略されている。
荷電ビーム装置７０００では、大気中で用いられる静圧軸受けのステージ機構をほぼそのまま使用できるので、露光装置等で用いられる大気用の高精度ステージと同等の高精度のＸＹステージを、ほぼ同等のコスト及び大きさで荷電ビーム装置用のＸＹステージに対して実現できる。以上説明した静圧ガイドの構造や配置及びアクチュエータ（リニアモータ）はあくまでも一実施例であり、大気中で使用可能な静圧ガイドやアクチュエータならば何でも適用できる。
図５６は、差動排気機部７０２５の環状部材７０２６に形成される環状溝の大きさの数値例を示す。図５６の環状部材７０２６は、半径方向に隔てられた二重構造の環状溝７０２７ａ及び７０２７ｂを有し、それぞれ排気ＴＭＰ、ＤＰを排出する。静圧軸受けに供給される高圧ガスの流量は、通常おおよそ２０Ｌ／ｍｉｎ（大気圧換算）程度である。真空チャンバＣを、内径５０ｍｍで長さ２ｍの真空配管を介して２００００Ｌ／ｍｉｎの排気速度を有するドライポンプで排気すると仮定すると、真空チャンバ内の圧力は、約１６０Ｐａ（約１．２Ｔｏｒｒ）となる。この時、差動排気機構部の環状部材７０２６及び環状溝等の寸法を、図５６に示すようにすれば、荷電ビーム照射空間７０３０内の圧力を１０-4Ｐａ（１０-6Ｔｏｒｒ）にすることができる。
図５７は、本発明の実施例２３の荷電ビーム装置７０００を示す。ハウジング７０１４によって画成された真空チャンバＣには、真空配管７０７４、７０７５を介してドライ真空ポンプ７０５３が接続されている。また、差動排気機構７０２５の環状溝７０２７は排気口７０２８に接続された真空配管７０７０を介して超高真空ポンプであるターボ分子ポンプ７０５１が接続される。更に、鏡筒７００１の内部は、排気口７０１８に接続された真空配管７０７１を介して、ターボ分子ポンプ７０５２が接続される。これらのターボ分子ポンプ７０５１、７０５２は、真空配管７０７２、７０７３によってドライ真空ポンプ７０５３に接続される。
図５７の荷電ビーム装置７０００は、ターボ分子ポンプの粗引きポンプと真空チャンバの真空排気用ポンプを１台のドライ真空ポンプで兼用するが、代わりにＸＹステージの静圧軸受けに供給する高圧ガスの流量、真空チャンバの容積や内表面積、真空配管の内径や長さに応じて、それらを別系統のドライ真空ポンプで排気する場合も考えられる。
ＸＹステージ７００３の静圧軸受けには、フレキシブル配管７０２１、７０２２を通して高純度の不活性ガス（Ｎ２ガス、Ａｒガス等）が供給される。静圧軸受けから噴出したこれらのガス分子は真空チャンバ内に拡散し、排気口７０１９、７０２０ａ、７０２０ｂを通してドライ真空ポンプ７０５３によって排気される。また、差動排気機構や荷電ビーム照射空間に侵入したこれらのガス分子は環状溝７０２７或いは鏡筒７００１の先端部から吸引され、排気口７０２８及び７０１８を通ってターボ分子ポンプ７０５１及び７０５２によって排気され、ターボ分子ポンプから排出された後ドライ真空ポンプ７０５３によって排気される。このように、静圧軸受けに供給された高純度不活性ガスはドライ真空ポンプに集められて排出される。
一方、ドライ真空ポンプ７０５３の排気口は、配管７０７６を介して圧縮機７０５４に接続され、圧縮機７０５４の排気口は配管７０７７、７０７８、７０７９及びレギュレータ７０６１、７０６２を介してフレキシブル配管７０２１、７０２２に接続されている。このため、ドライ真空ポンプ７０５３から排出された高純度不活性ガスは、圧縮機７０５４によって再び加圧されレギュレータ７０６１、７０６２で適正な圧力に調整された後、再びＸＹテーブルの静圧軸受けに供給される。
静圧軸受けに供給されるガスは上述したようにできるだけ高純度にし、水分や油分が極力含まれないようにする必要があるため、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ及び圧縮機は、ガス流路に水分や油分が混入しないような構造であることが求められる。また、圧縮機の排出側配管７０７７の途中にコールドトラップやフィルタ７０６０等を設け、循環するガス中に混入した水分や油分等の不純物質をトラップして静圧軸受けに供給されないようにすることも有効である。こうすることによって、高純度不活性ガスを循環させて再利用できるので、高純度不活性ガスを節約でき、また、本装置が設置された部屋に不活性ガスをたれ流さないので、不活性ガスによる窒息等の事故が発生する恐れもなくすことができる。
循環配管系には高純度不活性ガス供給源７０６３が接続されており、ガスの循環を始める際に、真空チャンバＣや真空配管７０７０〜７０７５及び加圧側配管７０７６〜７０８０を含む全ての循環系に高純度不活性ガスを満たす役割と、何らかの原因で循環するガスの流量が減少した際に不足分を供給する役割とを担っている。また、ドライ真空ポンプ７０５３に大気圧以上まで圧縮する機能を持たせることによって、ドライ真空ポンプ７０５３と圧縮機７０５４を１台のポンプで兼ねさせることも可能である。鏡筒の排気に用いる超高真空ポンプには、ターボ分子ポンプの代わりにイオンポンプやゲッタポンプ等のポンプを使用することも可能である。ドライ真空ポンプの代わりに、ダイヤフラム式ドライポンプ等、他方式のドライポンプを使用することも可能である。
図５８は、本発明の実施例２３の荷電ビーム装置７１００を示す。荷電ビーム装置７１００は、図５７の荷電ビーム装置７０００に使用可能な光学系７１６０及び検出器７１８０を含む。光学系７１６０は、荷電ビームをステージ７００３上に載置された試料Ｓに照射する一次光学系７１６１と、試料から放出された二次電子が投入される二次光学系７１７１と、を備える。
図５８の一次光学系７１６１は、荷電ビームを放出する電子銃７１６２と、電子銃７１６２から放出された荷電ビームを集束する２段の静電レンズからなるレンズ系７１６３、７１６４と、偏向器７１６５と、荷電ビームをその光軸が対象の面に垂直になるように偏向するウイーンフィルタ即ちＥ×Ｂ分離器７１６６と、２段の静電レンズからなるレンズ系７１６７、７１６８と、を備え、それらは、図５８に示されるように電子銃７１６１を最上部にして順に、荷電ビームの光軸が試料Ｓの表面（試料面）に鉛直な線に対して傾斜して配置されている。Ｅ×Ｂ偏向器７１６６は、電極７６６１及び磁石７６６２を備える。
二次光学系７１７１は、試料Ｓから放出された二次電子が投入される光学系であり、一次光学系のＥ×Ｂ型偏向器７１６６の上側に配置された２段の静電レンズからなるレンズ系７１７２、７１７３を備える。検出器７１８０は、二次光学系７１７１を介して送られた二次電子を検出する。上記光学系７１６０及び検出器７１８０の各構成要素の構造及び機能は従来のものと同じであるから、それらについての詳細な説明は省略する。
電子銃７１６２から放出された荷電ビームは、電子銃の正方形開口で整形され、２段のレンズ系７１６３及び７１６４によって縮小され、偏光器７１６５で光軸を調整されてＥ×Ｂ偏向器７１６６の偏向中心面に一辺が１．２５ｍｍの正方形に結像される。Ｅ×Ｂ偏向器７１６６は、試料の法線に垂直な平面内において、電界と磁界とを直交させた構造となっており、電界、磁界、電子のエネルギの関係が一定の条件を満たす時には電子を直進させ、それ以外の時にはこれら電界、磁界及び電界のエネルギの相互の関係により所定方向に偏向されるようになっている。電子銃からの荷電ビームを曲げて試料Ｓに垂直に入射させ、また試料から放出された二次電子を検出器７１８０の方向に直進させるように設定される。Ｅ×Ｂ偏光器で偏向された成形ビームはレンズ系７１６７、７１６８で１／５に縮小されて試料Ｓに投影される。
試料Ｓから放出されたパターン画像の情報を持った二次電子は、レンズ系７１６７、７１６８及び７１７２、７１７３で拡大され、検出器７１８０で二次電子画像を形成する。この４段の拡大レンズは、レンズ系７１６７及び７１６８が対称タブレットレンズを形成し、レンズ系７１７２及び７１７３もやはり対称タブレットレンズを形成しているので無歪みレンズとなっている。
図５５乃至図５８の荷電ビーム装置７０００は、図１２及び図１３に示す半導体デバイスの製造方法に使用可能である。即ち、図１２のウエハ検査工程又は図１３の露光工程に、荷電ビーム装置７０００を用いると、微細なパターンを高精度で安定して検査又は露光ができるので、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
図５５乃至図５８の荷電ビーム装置７０００は、次の効果を奏する：
（イ）大気中で一般に用いられる静圧軸受け式のステージと同様の構造を持ったステージ（差動排気機構を持たない静圧軸受け支持のステージ）を使用して、ステージ上の試料に対して荷電ビームによる処理を安定に行うことができる。
（ロ）荷電ビーム照射領域の真空度に対する影響を最小限に抑えることが可能になり、荷電ビームによる試料への処理を安定化させることができる。
（ハ）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビームの照射領域の真空度が安定した検査装置を安価に提供することができる。
（ニ）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した露光装置を安価に提供することができる。
（ホ）ステージの位置決め性能が高精度で、かつ荷電ビーム照射領域の真空度が安定した装置によって半導体を製造することにより、微細な半導体回路を形成できる。
図５９は、本発明の実施例２５の電子線装置８０００の概略的配置図であり、同図において、電子銃８００１から放出された電子線は、コンデンサレンズ８００２によって集束されて点８００４においてクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ８００２の下方には、複数の開口８００３’を有する第１のマルチ開口板８００３が配置され、これによって複数の一次電子線が形成される。第１のマルチ開口板によって形成された一次電子線のそれぞれは、縮小レンズ８００５によって縮小されて点８０１５で合焦され後、更に、対物レンズ８００７によって試料８００８に合焦される。第１のマルチ開口板８００３から出た複数の一次電子線は、縮小レンズ８００５と対物レンズ８００７との間に配置された偏向器により、試料８００８の面上の異なる位置を同時に走査するよう偏向される。
縮小レンズ８００５及び対物レンズ８００７の像面湾曲収差の影響を無くすため、図６０に示すように、マルチ開口板８００３は、その複数の開口８００３’がマルチ開口板３上の同一円周上に配置され、その中心をｘ軸へ投影すると等間隔となるようにされている。図５９の実施例２５の電子線装置８０００において、複数の一次電子線によって照射された試料８００８上の複数の点からは、それぞれ二次電子線が放出され、対物レンズ８００７の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器８００６で偏向され、二次光学系に投入される。二次電子像は点８０１５より対物レンズ８００７に近い点８０１６に焦点を結ぶ。これは、各一次電子線は試料面上で５００ｅＶにエネルギーを持っているのに対して、二次電子線は数ｅｖのエネルギーしか持っていないためである。
二次光学系は、拡大レンズ８００９、８０１０を有しており、これらの拡大レンズ８００９、８０１０を通過した二次電子線は第２マルチ開口板８０１１の複数の開口を通って複数の検出器８０１２に結像する。なお、検出器８０１２の前に配置された第２のマルチ開口板８０１１の複数の開口と、第１のマルチ開口板８００３の複数の開口８００３’とは位置関係が一対一に対応している。
各検出器８０１２は、検出した二次電子線を、その強度を表す電気信号へ変換する。こうした各検出器から出力された電気信号は増幅器８０１３によってそれぞれ増幅された後、画像処理部８０１４によって受信され、画像データへ変換される。画像処理部８０１４には、一次電子線を偏向させるための走査信号が更に供給されるので、画像処理部８０１４は試料８００８の面を表す画像を表示する。この画像を標準パターンと比較することにより、試料８００８の欠陥を検出することができ、また、レジストレーションにより試料８００８の被測定パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜に校正することにより、試料８００８上のパターンの線幅を測定することができる。
ここで、第１のマルチ開口板８００３の開口を通過した一次電子線を試料８００８の面上に合焦させ、試料から放出された二次電子線を検出器８０１２に結像させる際、一次光学系で生じる歪み、像面湾曲及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。次に、複数の一次電子線の間隔と二次光学系との関係については、一次電子線の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば複数のビーム間のクロストロークを無くすことができる。上記光学系では、単一の電子銃からの電子線をマルチ開口を通すことによってマルチビームとした場合について述べたが、電子銃を複数設けたり、電子銃は１個であるがカソードのエミッション領域を複数個とすることもできる。
図６１は図５９の対物レンズ８００７に関するシュミレーションモデルである。符号８０２１は光軸、８０２２は対物レンズ８００７の上部電極で０Ｖ（ボルト）、８０２３は高電圧が印加される対物レンズの中央電極、２４はアース電圧とされる対物レンズの下部電極であり、試料面２５は、−４０００Ｖとした。８０２６、８０２７、８０２８は、電極を保持する絶縁物スペーサを示す。縮小レンズ８００５が作るクロスオーバの位置を種々変化させるとともに、対物レンズの中央電極を変化させて、ｚ＝０ｍｍにあるマルチビームの像を試料面８０２５に合焦させ、そのときに生じる収差を計算した。
図６２は、上記シミュレーションの結果を示グラフである。図６２は、変化させたクロスオーバ位置（ｍｍ）を横軸とし、それに対応して生じた収差の値を縦軸に示す。中央電極８０２３（図６１）の上面は、ｚ=１４４ｍｍとした。またマルチビームのｒ位置は５０μｍ、開口半角は５mradとした。図６２のグラフにおいて、曲線８０３１はコマ収差、８０３２は倍率色収差、８０３３は非点収差、８０３４は軸上色収差、８０３５は像面湾曲、８０３６は歪、８０３７はボケである。マルチビームが光軸を中心とする円周上にある場合は、像面湾曲８０３５は０であるからボケ８０３７は、実質的に倍率色収差８０３２と軸上色収差８０３４で決る。ここで電子銃のエネルギー幅は５ｅＶとした。クロスオーバ位置を１４０ｍｍとした時、倍率色収差８０３２はほぼ問題ない値に小さくなっている。即ち、このシミュレーションによれば、前段レンズが作るクロスオーバ位置を、対物レンズ中央電極位置（１４４ｍｍ）よりも電子銃側に形成する様にすれば良いことがわかる。
図５９の実施例２５の電子線装置８０００は、図１２及び図１３の半導体デバイス製造工程のウエハの評価を行うために使用可能である。図１２のウエハ検査工程において、図５９〜図６２の電子線装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループットよく検査できるので、全数検査が可能となり、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
図５９の実施例２５の電子線装置８０００は、次の作用効果を奏する：
（１）マルチビームを使うことにより電子線によるウエハ等の評価を高スループット化できる。
（２）マルチビームを配置する半径を大きくした時に問題となる倍率の色収差を問題ないレベル迄小さくする事ができる。
図６４は、本発明の電子線装置に使用可能な電子ビーム偏向器９０の詳細な構造を示す水平断面図である。図６５は図６４のＡ−Ａ線に沿う側面図である。図６４に示すように、電子ビーム偏向器９０は、写像投影光学部の光軸に垂直な平面内において、電界と磁界とを直交させた構造、即ちＥ×Ｂ構造である。ここで電界Ｅは、凹面状の曲面を持つ電極９０ａ、９０ｂにより発生される。電極９０ａ、９０ｂが発生する電界は、それぞれ制御部９３ａ及び９３ｂにより制御される。一方、電界発生用の電極９０ａ及び９０ｂと直交するように、電磁コイル９１ａ及び９１ｂを配置させ、磁界を発生させる。電界発生用の電極９０ａ及び９０ｂは、点対称（同心円型）である。
磁界の均一性を向上させるために、平行平板形状を有するポールピースを持たせて磁路を形成する。Ａ−Ａ線に沿う縦断面における電子ビームの挙動は、図６５に示される。照射された電子ビーム９１ａ及び９１ｂは、電極９０ａ及び９０ｂが発生する電界と、電磁コイル９１ａ及び９１ｂが発生する磁界とによって偏向された後、試料表面に対し垂直方向に入射する。
電子ビーム９１ａ及び９１ｂの電子ビーム偏向部９０への入射位置及び角度は、電子のエネルギーが決定されると一義的に決定される。更に二次電子９２ａ及び９２ｂが直進するように、電界及び磁界の条件、即ちｅｖＢ＝ｅＥとなるように、電極９０ａ及び９０ｂが発生する電界と、電磁コイル９１ａ及び９１ｂが発生する磁界とを、それぞれの制御部９３ａ及び９３ｂ並びに９４ａ及び９４ｂが制御することで、二次電子は、電子ビーム偏向部２７を直進して、写像投影光学部へ入射する。ここで、ｖは電子の速度（ｍ／ｓ）、Ｂは磁場（T)、ｅは電荷量（Ｃ）、Ｅは電界（Ｖ／ｍ）である。
図６６は、本発明における一次電子線の照射方法を説明するための平面図である。図６６において１次電子線１００は、４本の電子線１０１、１０２、１０３、１０４により形成される。それぞれの電子線は、５０μｍ幅を走査する。１次電子線１０１を例に取ると、１次電子線１０１は、当初は左端にあり、パターン１０７を有する基板Ｗ（試料）上を右端へ走査され、右端へ到達後、すみやかに左端へもどり、その後、改めて右方向へ走査される。基板Ｗを載置するステージの移動方向は、一次電子線の走査方向に対しほぼ垂直である。
本発明の実施例１の検査装置の主要構成要素を示す立面図であって、図２の線Ａ−Ａに沿って見た図である。 図１に示す検査装置の主要構成要素の平面図であって、図１の線Ｂ−Ｂに沿って見た図である。 は、図１のミニエンバイロメント装置の線Ｃ−Ｃに沿に沿う断面図。 別の形式のミニエンバイロメント装置の側面図である。 図１のローダハウジングを示す図であって、図１の線Ｄ−Ｄに沿って見た図である。 ウエハラックの拡大側面図である。 ウエハラックの拡大図であって、図５Ａの線Ｅ−Ｅに沿って見た断面図である。 主ハウジングの支持方法の第1の変形例を示す図である。 主ハウジングの支持方法の第２の変形例を示す図である。 図１の検査装置に用いられる本発明の実施例２の電子光学装置の概略構成を示す配置図である。 図７の電子光学装置の一次光学系に使用されているマルチ開口板の開口の位置関係を示す図である。 電位印加機構を示す図である。 電子ビームキャリブレーション機構を説明する図であって、側面図。 電子ビームキャリブレーション機構を説明する図であって、平面図。 ウエハのアライメント制御装置の概略説明図である。 本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャート。 図１２のウエ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示すフローチャートである。 本発明の実施例３の電子線装置の光学系の概略を示す図。 試料面上の複数ビームによる像を示す拡大図である。 本発明の実施例３の２次光学系と開口角を示した図。 試料面１０での収差と開口半角αiとの関係を示す図。 は、マルチエミッタの平面図。 図１７Ａの線１７Ｂ−１７Ｂに沿う断面図。 従来の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す図であって、正面図。 従来の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す図であって、側面図。 図１８Ａ及び図１８ＢのＸＹステージに使用される排気機構の概略斜視図である。 本発明の実施例４の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す正面図。 本発明の実施例４の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す側面図である。 本発明の実施例５の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す断面図である。 本発明の実施例６の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す断面図である。 本発明の実施例７の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す図である。 本発明の実施例８の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す図である。 図１８乃至図２４の実施例の鏡筒に設けられる本発明の実施例９の光学系及び検出系を示す概略配置図である。 本発明の実施例１０の欠陥検査装置の概略構成図である。 図２６の欠陥検査装置で取得される複数の被検査画像及び基準画像の例を示す図である。 図２６の欠陥検査装置によるウェーハ検査のメインルーチンの流れを示すフローチャートである。 図２８のフローチャートの複数の被検査画像データ取得工程（ステップ３３０４）のサブルーチンの詳細な流れを示すフローチャートである。 図２８における比較工程（ステップ３０８）のサブルーチンの詳細な流れを示すフローチャートである。 図２６の欠陥検査装置の検出器の具体的構成例を示す図である。 半導体ウェーハの表面上で部分的に重なり合いながら互いから位置がずらされた複数の被検査領域を概念的に示す図である。 本発明の実施例１１の欠陥検査装置を構成する走査型電子線装置の構成図である。 本発明の実施例１２の電子線装置の主要エレメントを示す配置図である。 図３５Ａは、図３４の装置の開口板の平面図。図３５Ｂは、図３４の装置の開口の配置を示す平面図。図３５Ｃは、図３４の装置の開口の配置を示す平面図。 図３４の電子線装置による試料面上に形成される１次電子線照射点の配置を示す図である。 本発明の実施例１３の電子線装置の概略構成図である。 本発明の実施例１４の電子線装置の光学系を示す概略配置図である。 図３８の電子線装置に使用されるマルチ開口板の例を示す平面図である。 図３８の電子線装置に使用される検出器開口板の例を示す平面図である。 図３８の電子線装置に使用されるマルチ開口板の他の例を示す平面図。 図３８の電子線装置に使用されるマルチ開口板の他の例を示す平面図。 本発明の実施例１５の電子線装置の光学系示す配置図である。 図４２の電子線装置の光学系を、２行複数列にウェハ上で並列して配置した状態を示す平面図である。 図４４Ａは、本発明の実施例１６の電子線装置の概略配置図。図４４Ｂは、本発明の実施例１６の電子線装置のマルチ開口板の開口を示す平面図。図４４Ｃは、本発明の実施例１６の電子線装置の対物レンズに電圧を印加する構造を示す配置図である。 図４５Ａは対物レンズに印加する電圧と電気信号の立上り幅との関係を示すグラフである。 図４５Ｂは電気信号の立上り幅を説明するためのグラフである。 本発明の実施例１７の電子線装置の光学系の概略配置図である。 本発明の図４６の電子線装置の第一の開口板及び第二の開口板におけるそれぞれの開口の配置を示した平面図である。 本発明の実施例１８の電子線装置の概略配置図である。 図４８の電子線装置の一次光学系に使用されているマルチ開口板の開口の位置関係を示す平面図である。 チャージアップの評価場所と評価方法を説明する図。 信号強度のコントラストを比較するための図である。 本発明の実施例１９のＥ×Ｂ分離器の光軸に直交する断面図である。 本発明の実施例２０のＥ×Ｂ分離器の光軸に直交する断面図である。 図５１又は図５２のＥ×Ｂ分離器を用いることが可能な本発明の実施例２１のウエハの欠陥検査装置の概略配置図。 マルチ開口板の開口の位置関係を示す図である。 従来例のＥ×Ｂエネルギ・フィルタの構成を示す説明図である。 本発明の実施例２２の荷電ビーム装置の真空チャンバ及びＸＹステージを示す断面図である。 図５５の荷電ビーム装置に設けた作動排気機構の１例を示す図である。 図５５の荷電ビーム装置のガスの循環配管系を示す図である。 本発明の実施例２３の荷電ビーム装置の光学系及び検出系を示す概略配置図である。 本発明の電子線装置の概略配置図である。 図５８の電子線装置で用いられる開口板の平面図である。 本発明の電子線装置の対物レンズのシュミレーションを示す図である。 図６１のシュミレーションにおける結果を示すグラフである。 検査の手順を示す検査フロー図である。 電子ビーム偏向器を示す水平断面図である。 電子ビーム偏向器におけるビームの偏向状態を示す側面図である。 本発明における一次電子線の照射方法を説明するための平面図である。

Claims (5)

  1. １次荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出される２次荷電粒子を検出するデバイスの欠陥検査方法（１０００）であって、
    複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）をＺ方向に配置する段階、
    複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）から複数の１次荷電粒子線を放出させ、コンデンサレンズ（１００４）で像面（１００５）に縮小投影し、更に中間レンズ（１００６）及び対物レンズ（１００８）で縮小させ、試料面（１０１０）に縮小投影する段階、
    １次荷電粒子線によって照射された試料面（１０１０）から放出された２次荷電粒子を、試料面（１０１０）と対物レンズ（１００８）間に印加された加速電界によって加速し、大きい放出角で放出された２次荷電粒子を対物レンズ（１００８）に入射するまでに細く絞り、更に開口絞り（１００７）を通過させ、中間レンズ（１００６）で1次荷電粒子線と同じ像面（１００５）に結像させる段階、
    中間レンズ（１００６）を通過した２次荷電粒子をＥ×Ｂ分離器（１００９）により前記１次荷電粒子線から分離する段階、及び
    分離させた２次荷電粒子を後段レンズ（１０１１、１０１２）により拡大し湾曲した検出面（１０１３）に複数の像を形成させる段階、を含み、
    前記複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）をＺ方向に配置する段階は、光軸上のエミッタ（１００１）を試料から最も遠い位置とし、光軸から離間したエミッタ（１００２）を光軸上のエミッタ（１００１）より試料に近い位置として配置する段階を含み、
    １次荷電粒子線を試料面（１０１０）に縮小投影する段階は、１次荷電粒子線を試料に垂直に入力する段階を含み、
    複数の像を形成させる段階は、前記湾曲した検出面（１０１３）に前記複数の１次荷電粒子線の各々に対応する検出器（１０１４、１０１５、１０１６）を設ける段階、及び各１次荷電粒子線によって照射された試料表面から放出された二次荷電粒子を対応する検出器（１０１４、１０１５、１０１６）によって検出する段階を含み、
    ２次荷電粒子をＥ×Ｂ分離器（１００９）により前記１次荷電粒子線から分離する段階は、２次荷電粒子を斜め上方向へ曲げる段階を含み、
    像面（１００５）での開口角度と拡大倍率（Ｍ）から、対物レンズ（１００８）から見た試料面（１０１０）での見掛けの角度（α０）を求め、該見掛けの角度と、２次荷電粒子の初期エネルギーと、対物レンズのビームポテンシャル（Ｖ８）から試料面での受け入れ角度（α１）を求め、
    該受け入れ角度を基に、２次荷電粒子の収率（η）を求め、該収率を基に１次荷電粒子の照射間隔を求めることを特徴とする欠陥検査方法。
  2. 前記複数の１次荷電粒子線は、互いに前記２次光学系の距離分解能より離れた位置に照射される、請求項１記載の欠陥検査方法。
  3. 請求項２記載の欠陥検査方法であって、
    前記１次荷電粒子線の照射間隔より広い間隔で、前記１次荷電粒子線を走査することを特徴とする欠陥検査方法。
  4. 請求項２又は３記載の欠陥検査方法であって、
    前記２次荷電粒子が試料面の法線から４５度より小さい角度で放出されることを特徴とする欠陥検査方法。
  5. １次荷電粒子線を試料に照射し、試料から放出される２次荷電粒子を検出するデバイスの欠陥検査方法（１０００）であって、
    複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）をＺ方向に配置する段階、
    複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）から複数の１次荷電粒子線を放出させ、コンデンサレンズ（１００４）で像面（１００５）に縮小投影し、更に中間レンズ（１００６）及び対物レンズ（１００８）で縮小させ、試料面（１０１０）に縮小投影する段階、
    １次荷電粒子線によって照射された試料面（１０１０）から放出された２次荷電粒子を、試料面（１０１０）と対物レンズ（１００８）間に印加された加速電界によって加速し、大きい放出角で放出された２次荷電粒子を対物レンズ（１００８）に入射するまでに細く絞り、更に開口絞り（１００７）を通過させ、中間レンズ（１００６）で1次荷電粒子線と同じ像面（１００５）に結像させる段階、
    中間レンズ（１００６）を通過した２次荷電粒子をＥ×Ｂ分離器（１００９）により前記１次荷電粒子線から分離する段階、及び
    分離させた２次荷電粒子を後段レンズ（１０１１、１０１２）により拡大し湾曲した検出面（１０１３）に複数の像を形成させる段階、を含み、
    前記複数のエミッタ（１００１、１００２、１００３）をＺ方向に配置する段階は、光軸上のエミッタ（１００１）を試料から最も遠い位置とし、光軸から離間したエミッタ（１００２）を光軸上のエミッタ（１００１）より試料に近い位置として配置する段階を含み、
    １次荷電粒子線を試料面（１０１０）に縮小投影する段階は、１次荷電粒子線を試料に垂直に入力する段階を含み、
    複数の像を形成させる段階は、前記湾曲した検出面（１０１３）に前記複数の１次荷電粒子線の各々に対応する検出器（１０１４、１０１５、１０１６）を設ける段階、及び各１次荷電粒子線によって照射された試料表面から放出された二次荷電粒子を対応する検出器（１０１４、１０１５、１０１６）によって検出する段階を含み、
    ２次荷電粒子をＥ×Ｂ分離器（１００９）により前記１次荷電粒子線から分離する段階は、２次荷電粒子を斜め上方向へ曲げる段階を含み、
    前記複数の１次荷電粒子線は、互いに前記２次光学系の距離分解能より離れた位置に照射されることを特徴とする欠陥検査方法。
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