JP5886663B2 - 電子線応用装置およびレンズアレイ - Google Patents

Description

本発明は、電子線応用技術に係り、特に、半導体プロセス等において用いられる、検査装置および顕微鏡等の電子線応用装置ならびにそれに含まれるレンズアレイに関する。

半導体プロセスにおいて、試料上に一次ビームと呼ばれる電子線を照射し、発生した二次電子や反射電子等（以下、二次ビームと呼ぶ）の信号からウェハなどの試料上に形成されたパターンや構造体の観測、即ち、観察・測定・検査などを行う電子顕微鏡が用いられている。例えば、形状や寸法を計測する電子線測長装置や、ウェハ上に形成されたパターンを検査する電子線検査装置などが挙げられる。

これらの電子顕微鏡において、検査速度や計測速度の向上は重要な課題であり、この課題を解決するためのさまざまな方式が提案されている。例えば、特許文献１（特開２００１−２６７２２１号公報）で提案されているマルチビーム型の電子線検査装置では、複数の開口を有する板を用いて分割した複数のビームを、アレイ状に並べたレンズで個々に結像させて複数の中間像を形成し、さらに、下流に設けられた対物レンズと偏向器により複数の中間像を試料上に投影、走査する方式が提案されている。このようなマルチビーム型の電子線応用装置において、試料上でのビーム径の均一性は計測精度や検査精度を決定する要因の一つである。このため、複数の中間像を試料上に投影する対物レンズの像面湾曲収差を補正する必要がある。像面湾曲とはレンズにより投影された像面が平坦でない現象のことであり、上記のマルチビーム型電子線検査装置の光学系においては、中心軸に近い軌道を通るビームに焦点を合わせると、中心軸から離れた軌道を通るビームの焦点が合わないことを意味する。

これに対して、例えば、特許文献２（特開２００７−１２３５９９号公報）に開示された電子線露光装置では、像面湾曲収差を補正する方式が示されている。具体的には、下流に設けられたレンズの像面湾曲を予め求めておき、これを補正するよう、レンズアレイを構成する３枚の電極のうち少なくとも１枚の電極に設ける開口の直径が２種類以上に設定される。これにより、レンズアレイの像面は、予め定められた曲面とされ、対物レンズの像面湾曲と相殺される。

特開２００１−２６７２２１号公報 特開２００７−１２３５９９号公報

例えば特許文献２（特開２００７−１２３５９９号公報）のような方式を用いてレンズアレイの開口径による対物レンズの像面湾曲収差補正を実施した場合、問題となりうるのが、レンズアレイの開口径を容易に変更することが出来ないため、像面湾曲の補正を行える光学条件が限定されることである。即ち、一旦装置内にレンズアレイを設置した後で対物レンズの倍率を変化させた場合、それに伴う像面湾曲収差の変化に合わせてレンズアレイ像面の曲率を制御するようなことは困難となる。

この問題を回避する方法として、例えば、特許文献１（特開２００１−２６７２２１号公報）に示されているような、各電子ビームに対して個別の電圧を設定することが可能なレンズアレイを用いることが考えられる。すなわち、当該文献には記載されていないが、例えば各電子ビーム毎の電圧を個別に制御することで、原理的には像面湾曲収差の変化に合わせてレンズアレイ像面の曲率を制御することが可能である。しかしながら、実際上、特許文献１に記載されたようなレンズアレイを作成するのは技術的に課題が多い。また、各電子ビームに与える電圧を制御するために多くの電源および回路が必要であることを考えると、コスト的にも課題があると言える。

一方、各電子ビームに対して個別の電圧を設定せずにこの問題を回避する方法として、レンズアレイへの印加電圧の調整があげられる。印加電圧は装置内にレンズアレイを設置した後も外部から制御が出来るからである。しかし、仮に特許文献２のレンズアレイに対して印加電圧の調整を行った場合、レンズアレイ像面の曲率が変化すると同時に、本来像面湾曲が問題にならない中心軸に近い軌道を通るビームの結像位置も変わってしまう。その結果、レンズアレイより下流側の光学条件を再度変更しなければならない上、試料上に投影される像の倍率を変化させてしまう。

本発明は、上記のようなことを鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、様々な光学条件において像面湾曲収差を補正可能な電子線応用装置ならびにレンズアレイを提供することにある。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される課題を解決するための手段のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本実施の形態によるレンズアレイは、複数の電子ビームを個別の軸に集束させ、当該複数の電子ビームの結像面を形成するものであり、当該結像面の形状を、光学条件を設定する各種パラメータの変更に応じて調整する手段を有するものである。当該手段は、例えば、複数の電子ビームのうち基準となる一本の電子ビームの結像位置と、当該結像面の曲率を独立に制御する。

前記一つの実施の形態によれば、様々な光学条件において像面湾曲収差の補正が実現可能になる。

本発明の実施の形態１による電子線応用装置の概略構成例を示す図である。 比較例となるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。 比較例となるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。 比較例となるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。 比較例となるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いた球面収差の補正方式を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイを用いた球面収差の補正方式を示す説明図である。 本発明の実施の形態１による電子線応用装置において、その光学条件の設定手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイにおいて、印加電圧の決定方法の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態１によるレンズアレイにおいて、印加電圧の決定方法の一例を示す説明図である。 本発明の実施の形態２による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態３による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態３による電子線応用装置において、そのレンズアレイの他の構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態３によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態３によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態４によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態４によるレンズアレイを用いたレンズアレイ像面の曲率制御方式の原理を示す説明図である。 本発明の実施の形態４による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態４による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態４による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。 本発明の実施の形態５による電子線応用装置において、それに含まれる反射鏡の構造例を示す模式図である。

以下の実施の形態においては便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。

さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

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

（実施の形態１）
例えば電子線検査装置や電子線測長装置などの半導体プロセス用途の顕微鏡では、試料に応じて光学条件の多様な制御が求められる。こうした中、前述した従来方式のレンズアレイは、中心軸に近いレンズの結像位置と、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率を独立に制御することが出来ないため、所望の光学条件と像面湾曲収差補正を両立することが困難となっている。本実施の形態１では、この点に着目して、中心軸に近いレンズの結像位置と、レンズアレイ像面の曲率の独立制御を行える電子線応用装置を実現する。その具体的手段の一つとして、詳細は後述するが、レンズアレイを形成する電極を少なくとも４枚とし、そのうち少なくとも２枚の電極には個別の電圧を印加出来るよう構成する。電圧が印加可能な２枚の電極に設けられた開口の大きさは互いに異なるものとし、２枚のうち少なくとも１枚の電極は開口径が中心軸からの距離に応じて異なるよう設定する。

《電子線応用装置の全体構成および動作》
図１は、本発明の実施の形態１による電子線応用装置の概略構成例を示す図である。図１において、一点鎖線は、略回転対称に形成された光学系の対称軸が一致するべき軸であり、一次電子ビーム光路の基準となる。以下、中心軸と呼ぶ。電子銃１０１は、仕事関数の低い物質よりなる陰極１０２、陰極１０２に対して高い電圧を持つ陽極１０５、陰極と陽極の間に形成される加速電界に磁界を重畳する磁界重畳レンズ１０４からなる。本実施の形態では、大きな電流が得やすく電子放出も安定したショットキー型の陰極を用いる。陰極１０２から放出された一次ビーム１０３は、磁界重畳レンズ（電磁レンズ）１０４による集束作用を受けながら陽極１０５の方向に加速される。

１０６はクロスオーバーである。コンデンサレンズ１０７は、所望の倍率でクロスオーバー１０６を結像し、第一のクロスオーバー像を形成する。コリメータレンズ１０８は、第一のクロスオーバー像から広がった一次ビームを略平行に整える。本実施の形態においては、コンデンサレンズ１０７、コリメータレンズ１０８はともに電磁レンズである。１０９は、同一基板で開口を２次元に配列したアパーチャーアレイであり、一次ビームを複数に分割する。本実施の形態において、アパーチャーアレイは２５個の開口を有し、一次ビームは２５本に分割される。図１においては、このうち３本のビームについて図示している。

分割された一次ビームはレンズアレイ１１０によって個別に集束され、２５個のクロスオーバー像がレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）１１２上に形成される。レンズアレイ像面１１２は後に説明するように中心軸の周りで対称な曲面である。１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃは図示した３本のビームについてクロスオーバー像を示したものである。２５本のビームはレンズアレイの集束作用を受けた後、トランスファーレンズ１１３ａおよび１１３ｂの集束作用により、トランスファーレンズ結像面１１５上に結像する。

トランスファーレンズ結像面１１５の付近にはウィーンフィルター１１４が設けられている。ウィーンフィルター１１４は、中心軸に対して概略垂直な面内に互いに直交する磁界と電界を発生させることにより、通過する電子に対してそのエネルギーに対応した偏向角度を与える。本実施の形態では、一次ビームが直進するように磁界と電界の強さが設定される。

１１６ａ，１１６ｂは対物レンズであり、対になった２つの電磁レンズである。試料１２０には負の電圧が印加されており、試料と接地電圧に接続された接地電極１１８の間には一次ビームを減速させる電界が形成されている。一方、表面電界制御電極１１９は試料１２０の表面付近の電界強度を調整するための電極である。接地電極１１８、表面電界制御電極１１９および試料１２０が形成する電界は一次ビームに対して静電レンズとして作用する。２５本の一次ビームはこの静電レンズと対物レンズ１１６ａ，１１６ｂの集束作用を受け、最終的には試料１２０上に２５個のクロスオーバー像が結ばれる。

対物レンズ中には静電８極型の偏向器１１７が設置されている。走査信号発生回路１３５より発生した走査信号が偏向器１１７に入力されると、偏向器内に略一様な偏向電界が形成され、偏向器内を通過する２５本の一次ビームは、略同一方向に且つ略同一角度の偏向作用を受け、試料１２０上を走査する。試料１２０はステージ制御装置１３６の制御により移動可能なステージ１２１上に搭載されているため、試料上の所望の位置が２５本の一次ビームにより走査されることになる。

試料１２０上に到達した一次ビームは試料表面を構成する物質と相互作用する。これにより試料１２０から発生する反射電子・二次電子・オージェ電子等の二次的な電子の流れのことを、以下、二次ビームと呼ぶ。本実施の形態では２５本の一次ビームが試料に到達するため、発生する二次ビームも２５本であるが、図１では３本の一次ビームについて図示しているため、二次ビームについても、３本の二次ビームについて１２２の符号と点線で図示している。

試料１２０から発生した二次ビームは、試料に負の電圧が印加されているため、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂに向かって加速される。その後、二次ビームは対物レンズ１１６ａ，１１６ｂの集束作用を受け、さらに、ウィーンフィルター１１４の偏向作用を受ける。これにより、二次ビームの軌道は一次ビームの軌道と分離される。一次ビームの軌道と分離された二次ビームは二次ビームにのみ作用する電磁レンズ１２３の集束作用を受ける。振り戻し偏向器１２４は二次ビームを対応する検出器に常に入射させるための偏向器であり、偏向器１１７に入力される走査信号と同期した走査信号が走査信号発生回路１３５により入力される。即ち、電磁レンズ１２３と振り戻し偏向器１２４の集束・偏向作用により、二次ビーム（図１に示した３本の二次ビーム）は、検出器１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃにより、個別に検出される。

検出器１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃにより検出された信号は、増幅回路１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃによりそれぞれ増幅され、Ａ／Ｄ変換器１２７によりデジタル化される。デジタル化された信号はシステム制御部１２８内の記憶装置１２９に画像データとして一旦格納される。その後、演算部１３０が画像の各種統計量の算出を行う。算出された統計量は画像表示装置１３１に表示される。二次ビームの検出から統計量算出までの処理は検出器毎に並列に行われる。なお、１３３は、キーボード、マウス等の入力装置であり、システム制御部１２８に対するユーザインタフェースを担う。また、コンデンサレンズ１０７およびコリメータレンズ１０８は、主に電子銃１０１からの電子ビームを整える役目を担うことから照射光学系等と呼ばれ、トランスファーレンズ１１３ａ，１１３ｂおよび対物レンズ１１６ａ，１１６ｂは、主に照射光学系を介して得られた電子ビームを試料１２０上に投影する役目を担うことから投影光学系等と呼ばれる。

次に、各光学素子の制御について説明する。光学系制御回路１３４は、システム制御部１２８内にインストールされた計測条件設定プログラム１３２に従い、各光学素子を統一的に制御する。具体的には、電子銃１０１内に実装された引出電極（図示せず）に印加する電圧、電子銃の加速電圧（陰極１０２と陽極１０５の間に印加される電圧）、および電子銃内に磁界を重畳する電磁レンズ１０４に印加する電流を制御する。また、コンデンサレンズ１０７、コリメータレンズ１０８に印加する電流、レンズアレイ１１０に印加する電圧を制御する。また、トランスファーレンズ１１３ａ，１１３ｂ、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂに印加する電流を制御する。また、接地電極１１８、表面電界制御電極１１９に印加する電圧を制御する。また、ウィーンフィルター１１４に印加する電圧および電流を制御する。また、電磁レンズ１２３に印加する電流を制御する。

《像面湾曲収差の補正方式の概要》
ここで、図２Ａ〜図２Ｅを用いて、像面湾曲収差の補正の概要について説明する。図２Ａ〜図２Ｄは、比較例となるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図であり、図２Ｅは、本実施の形態１によるレンズアレイを用いた場合の像面湾曲収差の一例を示す図である。これらの図では簡単のために、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）と試料の間に２つのレンズが図示されているが、これは必要最小限の構成を示したものであり、図１等のように、レンズアレイ像面と試料の間に３つ以上のレンズが設けられた場合であっても、同様の効果を得ることが出来る。

図２Ａは、レンズアレイ１１０による像面湾曲収差の補正を行わない場合について各ビーム（この例では５本のビーム）の軌道を示したものである。ここでは、レンズアレイ１１０が５本のビーム全てに対して等しい集束作用を与えるため、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）２０１は平面をなしている。一方、レンズ２０２およびレンズ２０３の像面湾曲収差により、結像位置が中心軸からの距離に依存し縦方向に異なる。このため、試料上の結像面２０４において、中心のビームのフォーカスを試料面に合わせても、中心軸から離れたビームではフォーカスが試料面からずれてしまう。

これに対して、図２Ｂは、特許文献２（特開２００７−１２３５９９）に開示された電子線露光装置における像面湾曲収差の補正方式を説明する図である。この方式では、レンズ２０２および２０３の像面湾曲収差を予め求めた上で、レンズアレイ１１０の開口径を調整することにより、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）２０１の曲率を制御している。その結果、試料上の結像面２０４において、全てのビームのフォーカスを中心軸からの距離に依存せずに試料面に合わせることができる。

ここで、図２Ｃ〜図２Ｄを用いて、図２Ａおよび図２Ｂに対してレンズ２０２，２０３の倍率を変化させることにより、試料上の結像面２０４におけるビームの間隔を変化させる場合について考える。このように、２つ以上のレンズの強度のバランスを変えることにより焦点の位置を変えずに倍率を変動させることはズームと呼ばれる。この時、新たな課題となるのが、倍率の変化に伴う像面湾曲収差の変化である。図２Ｃは、レンズアレイ１１０による像面湾曲収差の補正を行わない場合の結像面２０４におけるビームの軌道を示した図であり、倍率変化前の図２Ａと比較すると、同様の像面湾曲収差が生じていると共にその曲率が異なっている。

また、特許文献２の補正方式を用いた場合でも、特定の倍率を想定した上で像面湾曲収差を求め、それに基づいてレンズアレイ１１０の開口径を調整しているため、想定と異なる倍率設定では、最適な補正を行うことが困難となる。例えば、図２Ｄのように過補正になり、試料上の結像面２０４において、中心のビームのフォーカスを試料面に合わせると、中心軸からの距離に依存してフォーカスが試料面からずれてしまう。また、図示は省略するが、逆に補正不足となる場合にも、中心軸からの距離に依存してフォーカスが試料面からずれてしまう。

これに対して、本実施の形態１のレンズアレイ１１０では、ズームレンズの倍率を変化させた場合でも、試料上での像面湾曲が最小になるよう、レンズアレイ１１０の像面の曲率を最適に制御する。即ち、図２Ｅに示すように、レンズ２０２，２０３の強度等の変化に伴う像面湾曲収差の変化に合わせてレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）２０１の曲率を適宜調整可能なレンズアレイ１１０を設けることで、中心軸からの距離に依存せず全てのビームのフォーカスが試料面に合った結像面２０４を得る。

《レンズアレイの詳細》
次に、図３Ａ〜図３Ｃを用いて、本実施の形態１によるレンズアレイの構成例を説明する。図３Ａのレンズアレイは４枚の電極よりなり、上流（電子銃側）より順に第一電極３０１、第二電極３０２、第三電極３０３、第四電極３０４を備える。それぞれの電極は複数の開口を有する。図３Ａではビームの本数２５本に対応して、２５個の開口が形成されている。開口部の形状は円形であり、図中実線で示した２５本のビーム軸が中心を貫くように各電極の開口が配置されている。第一電極３０１および第四電極３０４には共通の電圧（ここでは接地電圧（図１の電子線応用装置の筐体電圧））が印加され、第二電極３０２および第三電極３０３にはそれぞれ独立に電源が接続される。第二電極３０２の電圧はＶ１、第三電極３０３の電圧はＶ２である。ここではＶ１とＶ２は同一の極性を持つ。

図３Ｂは第一、第二および第四電極（３０１，３０２，３０４）の開口の径および配置の一例を示したものである。図３Ｃは第三電極３０３の開口の径および配置の一例を示したものである。第一、第二および第四電極の開口は２５個の開口径が全て等しい。これに対して第三電極の開口径は配列の中心から離れるに従って大きく作られている。

図３Ａのレンズアレイは、入口である第一電極３０１と出口である第四電極３０４が同一電圧であることから、アインツェルレンズの一種であると言える。アインツェルレンズはビームを加速または減速させながら、電極の開口部に形成される電場の漏れ（ｆｒｉｎｇｅ）の回転対称性を利用して電子ビームに凸レンズの効果を与えるものであり、レンズ強度は電圧が印加される電極の開口径と電圧で決まる。図３Ａの場合は、電圧が印加される電極は第二電極３０２と第三電極３０３の２電極であるため、２段のレンズ、即ち、第二電極の電圧Ｖ１により強度が決定されるレンズと、第三電極の電圧Ｖ２により強度が決定されるレンズで近似できる。

第二電極３０２の開口径は図３Ｂに示したように全て等しいことから、Ｖ１により強度が決定されるレンズは２５本のビームの全てにわたって同一のレンズ強度を持つ。一方、第三電極３０３の開口径は図３Ｃに示したように配列の中心から離れるに従って大きく作られていることから、Ｖ２により強度が決定されるレンズは、中心軸上にあるビームに対しては大きいレンズ強度を持ち、中心軸以外のビームに対しては中心軸から離れるに従って小さいレンズ強度を持つ。

次に図４Ａ〜図４Ｄを用いて、本実施の形態１によるレンズアレイ１１０を用いたレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率制御方式の原理を説明する。図中、レンズ４０１は第二電極の電圧Ｖ１により強度が決定されるレンズ、レンズ４０２は第三電極の電圧Ｖ２により強度が決定されるレンズである。

図４Ａは中心ビーム「ｃ」と中心軸から離れたビーム「ａ」とで像面位置の差がｄｚ１となるようにレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率を調整した場合について、中心軸からの距離の異なる５本のビームの軌道を示した模式図である。図４Ｂは中心ビーム「ｃ」と中心軸から離れたビーム「ａ」とで像面位置の差がｄｚ２となるようにレンズアレイ像面の曲率を調整した場合について、中心軸からの距離の異なる５本のビームの軌道を示した模式図である。ｄｚ１はｄｚ２よりも大きく、図４Ａの方が図４Ｂと比べてレンズアレイ像面の曲率が大きい。一方、中心ビームの結像位置は、図４Ａと図４Ｂとで等しい。

このような制御を行うためには、次のようにレンズ４０１およびレンズ４０２の強度を制御すれば良い。図４Ｃは図４Ａに対応して、レンズ４０１の強度をＰ１、レンズ４０２の強度をＰ２として、ビーム毎のレンズ強度分布の一例をグラフで示したものである。図３の説明で述べたように、Ｐ１は５本のビーム全てについて等しく、Ｐ２はビーム毎に異なる。結果的にレンズアレイ１１０は、中心軸からの距離に応じて異なったレンズ強度（Ｐ１＋Ｐ２）を与えている。

一方、図４Ｄは図４Ｂに対応して、ビーム毎のレンズ強度分布の一例をグラフで示したものである。図４Ａと比べて図４Ｂでは形成するべきレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率が小さい。これを実現するべく、図４Ｄではレンズ強度Ｐ２を図４Ｃよりも弱く設定する。その一方で、中心ビーム「ｃ」の結像位置を一定に保つために、レンズ強度Ｐ１は図４Ｃよりも強く設定することで、中心ビームに作用するレンズ強度の和を図４Ｃと等しく設定する。

以上のように、４枚の電極よりなるレンズアレイ１１０の第二電極（３０２，４０１）の開口径と第三電極（３０３，４０２）の開口径を異なる分布とし、第二電極に印加する電圧Ｖ１と第三電極に印加する電圧Ｖ２を適宜制御することにより、レンズアレイ像面の曲率と中心軸に近いレンズの結像位置とを独立に制御することが可能になる。すなわち、この例では、第三電極およびＶ２によってレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率を制御し、第二電極およびＶ１によって中心軸に近いレンズの結像位置を制御する。これにより、各種光学条件（電子線応用装置を構成する他のレンズの焦点距離等）を変更する場合においても、それに対応するレンズアレイ像面を適宜設定することが可能となり、試料上における像面湾曲収差を常に最小にすることが出来る。

なお、本実施の形態１においては、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率の調整に際して、中心ビームの結像位置を一定に保つよう、電圧Ｖ１およびＶ２の制御を行った。ただし、本実施の形態１の本質は、２つの電圧（Ｖ１，Ｖ２）の調整により、中心軸に近いレンズの結像位置と、レンズアレイ像面の曲率という２つのパラメータを独立に制御することであるから、中心ビームの結像位置は必ずしも一定ではなく、所望の値に都度調整することも可能である。

また、本実施の形態１においては、４枚の電極よりなるレンズアレイの第二電極の開口径は全てのビームについて等しく設定を行った。ただし、本実施の形態１によるレンズアレイの原理は、２枚の異なる開口径分布を持った電極に印加する電圧を独立に制御することにより、レンズ強度の分布を制御することであるから、第二電極の開口径と第三電極の開口径とが異なってさえいれば、同様の効果を得ることが出来る。

さらに、本実施の形態１では、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）を下流のレンズの像面湾曲と逆向き、即ち上に凸にするべく、第三電極の開口径は中心から離れるに従って大きく作られていた。ただし、例えば、レンズアレイ像面の湾曲の向きを下に凸にする場合などは、中心から離れるに従って小さな開口を持った電極を用いても良い。また、例えば、第二電極は中心から離れるに従って開口径を大きくし、第三電極は第二電極とは逆に中心から離れるに従って開口径を小さくするなどすれば、レンズアレイ像面の曲率をさらに精密に制御することが出来る。

さらに、本実施の形態１では、下流のレンズが回転対称な電磁レンズであったため、像面湾曲収差も回転対称であったが、例えば四極子、八極子などの非回転対称なレンズを用いた場合など、下流のレンズの像面湾曲収差が回転対称ではない場合がある。このような場合は、レンズアレイの開口径の分布を中心軸からの距離のみに応じて変えるのではなく、方位に応じて変化させることにより、同様の効果を得ることが出来る。また、本実施の形態１では、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂの倍率調整を目的として、これに伴う像面湾曲収差の変化を補正する方式について述べたが、試料に入射する一次ビームのエネルギーや、試料表面付近の電界強度の変更を目的とした場合であっても、これらに伴う像面湾曲収差の変化を補正する手段として本実施の形態１は有効である。

またさらに、レンズアレイよりも上流のレンズにおける球面収差の補正手段としても、本実施の形態１によるレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率制御方式は有効である。これに関して図５を用いて説明する。

球面収差は光軸上の一点から出た軌道が像面において１点で結像しない現象である。図５Ａはコンデンサレンズ１０７の球面収差と、レンズアレイ１１０によるレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率との関係をしめす図である。クロスオーバー１０６から出たビームのうち、中心軸に近いビームと中心軸から離れたビームとが、球面収差によりｄｚだけ異なる位置に結像する。その結果、コリメータレンズ１０８およびレンズアレイ１１０が全てのビームに対して等しい集束作用を与えた場合、その複数のクロスオーバー像１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃによって形成されるレンズアレイ像面は点線で示すように下に凸の曲面となってしまう。そこで、図５Ｂでは、コンデンサレンズ１０７の球面収差による結像位置の差の影響を打ち消すように、レンズアレイ１１０の強度分布を調整している。その調整方法は図４Ａ〜図４Ｄの説明と同様である。これにより、点線で示すように、レンズアレイ像面を平面状に形成することが出来る。

なお、図５Ａおよび図５Ｂではコンデンサレンズの球面収差の補正について説明したが、コンデンサレンズ以外のレンズアレイより上流の光学素子、例えば図１に示された電子銃１０１、磁界重畳レンズ１０４、コリメータレンズ１０８などの球面収差についても同様に補正出来る。したがって、レンズアレイよりも上流のレンズの光学条件、例えば、電子銃の加速電圧やレンズの倍率を変更しても、本実施の形態によれば、常に、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率を所望の値に調整することが出来るので、光学条件の設定の幅を広げることが出来る。

《電子線応用装置における光学条件の設定方法》
次に、本実施の形態１における光学条件の設定手順について、図１の構成例および図６のフローチャート例を用いて説明する。ステップＳ６０１では、入力装置１３３を通してオペレータが計測条件を入力する。あるいは「高速モード」「高分解能モード」等のメニューの中から選択することにより、予め設定された計測条件の組み合わせを選択する。計測条件とは、例えば、試料に照射するビームの電流、入射エネルギー、試料表面付近の電界強度などである。

ステップＳ６０２では、Ｓ６０１で設定された計測条件を元に、システム制御部１２８にインストールされた計測条件設定プログラム１３２が、各光学素子のパラメータを決定する。当該パラメータの中には、例えば、コンデンサレンズ１０７の倍率、コリメータレンズ１０８の焦点距離、トランスファーレンズ１１３ａ，１１３ｂの倍率、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂの倍率、表面電界制御電極１１９に印加する電圧、電磁レンズ１２３の焦点距離等が含まれる。また、電子銃１０１の加速電圧や、ウィーンフィルター１１４に印加する電流、電圧等が含まれる。

ステップＳ６０３では、ステップＳ６０２で設定されたパラメータを元に、計測条件設定プログラム１３２の制御のもと、光学系制御回路１３４が各光学素子に印加する電圧・電流を設定する。

ステップＳ６０４では、計測条件設定プログラム１３２は、予め入力された各レンズの倍率と像面湾曲との関係を参照して、ステップＳ６０２で設定されたパラメータを前提とした試料１２０上の像面湾曲を計算する。

ステップＳ６０５では、計測条件設定プログラム１３２は、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の最適な曲率を計算する。即ち、トランスファーレンズ１１３ａ，１１３ｂ、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂの縦倍率に基づき、Ｓ６０４で求められた試料１２０上の像面湾曲をレンズアレイ１１０の像面湾曲に換算する。

ステップＳ６０６では、計測条件設定プログラム１３２は、図３Ａ〜図３Ｃ等に示したようなレンズアレイ１１０の第二電極に印加する電圧Ｖ１および第三電極に印加する電圧Ｖ２を決定する。ここで、図７Ａおよび図７Ｂのグラフを用いてＶ１およびＶ２の決定方法について説明する。

図７Ａは複数のビームのうち基準となるビームに対する、電圧Ｖ１，Ｖ２と結像位置ｚの関係であり、これは実測あるいは光学計算により求めることが出来る。ここでは、例えば図４Ａのビーム「ｃ」に相当する中心軸上のビームを基準ビームとする。中心軸上にビームが配置されていない場合は、中心軸に最も近いビームを基準ビームとしても良い。基準ビームが通過するレンズアレイ１１０の各電極の開口径は決まっているため、図７Ａのグラフを用いれば、所望の結像位置ｚに対してＶ１とＶ２の関係を一意に定めることが出来る。一方、図７Ｂは、図７Ａで定めたＶ１とＶ２の関係を前提として、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率とＶ２の関係を表したグラフである。所望の曲率に対してＶ２が一意に定まることを示している。即ち、基準ビームの結像位置ｚとレンズアレイ像面の曲率ｄｚの所望の値が決まれば、Ｖ１およびＶ２が一意に定まることが分かる。

ステップＳ６０７では、計測条件設定プログラム１３２は、耐圧の観点からレンズアレイ１１０の電圧設定が実現可能かどうかを判定する。すでに述べたようにレンズアレイは４枚の電極よりなり、それぞれに異なる電圧を印加することでレンズ作用が発生している。４枚の電極の間には絶縁部材が挟まれているが、電圧差が一定の値を越えると、放電が発生し、レンズとしての機能が損なわれたり、レンズアレイあるいは電源が破損したりする場合がある。したがって、電圧Ｖ１およびＶ２の絶対値、およびＶ１とＶ２の電圧差に制限を設ける必要がある。

例えば、図７Ａに斜線で示された領域は、上記の観点から電圧設定に適さない領域である。そこで、当該ステップＳ６０７では、計測条件設定プログラム１３２は、Ｓ６０６で定められた電圧Ｖ１，Ｖ２が設定可能な範囲に入っているかどうかを判定する。設定可能な範囲に入っていると判定された場合はステップＳ６０８に進む。設定可能な範囲に入っていないと判定された場合はＳ６０２に戻り、Ｖ１，Ｖ２が設定可能な範囲に入るように、一部のレンズ条件を変更した上で、全てのレンズ条件を再決定する。例えば基準ビームのレンズアレイ１１０の結像位置ｚを変更してもよいし、レンズアレイ以外のレンズの条件を変えることでレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の最適な曲率を変えても良い。

ステップＳ６０８では、光学系制御回路１３４は、計測条件設定プログラム１３２の制御のもと、レンズアレイ１１０の第二電極および第三電極にＳ６０６で決定した電圧Ｖ１およびＶ２を設定する。

ステップＳ６０９では、電子線応用装置は、計測条件設定プログラム１３２の制御のもと、各ビームについて像面位置を測定することで、試料１２０上での像面湾曲を測定する。図１には図示していないが、例えばステージ１２１上にはビームの形状を確認するための較正マークが設置されており、この較正マークを用いてビーム毎の結像位置を求める。具体的には、対物レンズ１１６ｂに印加する電流を変化させながら較正マーク上でビームを走査し、発生する二次ビーム信号のコントラストが高い対物レンズの電流値を探る。これをビーム毎に繰り返せば、ビーム毎に最適な対物レンズの電流値を求めることが出来る。対物レンズの電流値と試料の高さの関係は高さの異なる複数の較正マーク等を用いて予め求めることが出来るため、中心軸に近いビームと中心軸から離れたビームの対物レンズの電流値の差から試料上の像面湾曲を求めることが出来る。

ステップＳ６１０では、計測条件設定プログラム１３２は、Ｓ６０９で測定された像面湾曲が許容範囲に入るかどうかを判定する。許容範囲に入らないと判定された場合は、Ｓ６０５に戻り、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の最適な曲率を再計算する。許容範囲に入ると判定された場合は、光学条件の設定が完了したので、ステップＳ６１１において試料１２０の計測を開始する。

以上のようなフローチャートを用いることで、様々な光学条件に対応して像面湾曲収差の補正を行うことが可能になる。さらに、この際には、レンズアレイ１１０の耐圧を考慮することでレンズアレイの保護が図れ、また、レンズアレイの電圧Ｖ１，Ｖ２の良否を試料１２０上の像面湾曲の実測に基づいて検証することで、より高精度な像面湾曲収差の補正が実現可能となる。なお、ここでは、ステップＳ６０９での像面位置の測定をステージ１２１上に設けられた較正マークを用いて行ったが、より感度良く測定したい場合などは、別の位置にビーム検出手段を設けても構わない。例えば、レンズアレイ像面の付近に鋭利な端面を持つアパーチャーを設置し、アパーチャー上で走査したビームをフォトダイオードやファラデーカップなどの検出器により検出すればナイフエッジ法によりアパーチャー上でのビーム形状を測定することが出来る。

また、本実施の形態では、電子線応用装置の一例として、電子線測長装置を想定して各種説明を行ったが、複数のビームを個別に集束させるレンズアレイを用いた電子光学系を持つ全ての装置に対して同様に適用することができ、同様の効果を得ることが出来る。具体的には、例えば、試料上に形成されたパターン内における欠陥の有無を調べる検査装置、試料上に形成されたパターンの欠陥を観察するレビューＳＥＭ等の電子顕微鏡等に適用できる。また、例えば、電子顕微鏡を応用した電子線描画装置にも適用できる。

（実施の形態２）
《レンズアレイの詳細（変形例［１］）》
図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の実施の形態２による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。図８Ａに示すレンズアレイは、第一レンズアレイユニット８０１および第二レンズアレイユニット８０５の２ユニットより構成されている。第一レンズアレイユニット８０１は、３枚の電極よりなり、上流（電子銃側）より順に第一電極８０２、第二電極８０３、第三電極８０４を備える。それぞれの電極には２５個の開口が形成されている。開口部の形状は円形であり、図中実線で示した２５本のビーム軸が中心を貫くように各電極の開口が配置されている。第一電極８０２および第三電極８０４には共通の電圧（ここでは接地電圧）が接続され、第二電極８０３には電源より電圧Ｖ１が供給されている。

第二レンズアレイユニット８０５も、３枚の電極よりなり、上流（電子銃側）より順に第一電極８０６、第二電極８０７、第三電極８０８を備える。それぞれの電極には２５個の開口が形成されている。開口部の形状は円形であり、図中実線で示した２５本のビーム軸が中心を貫くように各電極の開口が配置されている。第一電極８０６および第三電極８０８には共通の電圧（ここでは接地電圧）が接続され、第二電極８０７には電源より電圧Ｖ２が供給されている。

ここで、図８Ｂは第一レンズアレイユニット８０１を構成する電極の開口の径および配置を示したものであり、図８Ｃは第二レンズアレイユニット８０５を構成する電極の開口の径および配置を示したものである。図８Ｂに示すように、第一レンズアレイユニット８０１を構成する各電極の開口は５個の開口径が全て等しいのに対して、図８Ｃに示すように、第二レンズアレイユニット８０５を構成する各電極の開口径は配列の中心から離れるに従って大きく作られている。

この構成例は、図３Ａ〜図３Ｃに示されたレンズアレイを第二電極３０２と第三電極３０３の間で２つに分け、最下流側と最上流側にそれぞれ１枚ずつ接地電圧を持つ電極を追加した構成と見なすことが出来る。この時、二つのレンズアレイユニットのレンズ強度は、第一レンズアレイユニット８０１の第二電極８０３に印加された電圧Ｖ１と第二レンズアレイユニット８０５の第二電極８０７に印加された電圧Ｖ２で決まる。このため、実施の形態１と同様に、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率を制御することが出来る。

このようにレンズアレイを２つのユニットに分けるメリットは、２つのレンズアレイユニットの間にアライナー（図示せず）を設置することが出来る点である。即ち、２つのレンズアレイユニットの組立時にずれが発生した場合でも電子ビームの軌道を補正することが出来るので、複数のビームを良好に集束させることが出来る。

（実施の形態３）
《レンズアレイの詳細（変形例［２］）》
図９Ａは、本発明の実施の形態３による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。図９Ａのレンズアレイは、５枚の電極よりなり、上流（電子銃側）より順に第一電極９０１、第二電極９０２、第三電極９０３、第四電極９０４、第五電極９０５を備える。図９Ａのレンズアレイは、第三電極９０３を中心として上下対称に構成されており、第一電極９０１と第二電極９０２の間隔と、第四電極９０４と第五電極９０５の間隔は等しい。また、第二電極９０２と第三電極９０３の間隔と、第三電極９０３と第四電極９０４の間隔は等しい。それぞれの電極には、複数の円形開口（図９Ａでは２５個）が、図中実線で示した２５本のビーム軸によって中心を貫かれるように配置されている。

第一および第三および第五電極（９０１，９０３，９０５）の開口は、図３Ｂの構成例と同様に２５個の開口径が全て等しい。一方、第二および第四電極（９０２，９０４）の開口は、図３Ｃの構成例と同様に開口径が配列の中心から離れるに従って大きく作られている。第二電極と第四電極の開口径は等しい。第一電極９０１および第五電極９０５には共通の電圧（ここでは接地電圧）が接続され、第二電極９０２および第三電極９０３および第四電極９０４にはそれぞれ独立に電源が接続されている。第二電極９０２の電圧はＶ１、第三電極９０３の電圧はＶ２、第四電極９０４の電圧は第二電極９０２と等しく、Ｖ１である。

次に図９Ｃおよび図９Ｄを用いて、図９Ａに示したレンズアレイにおけるレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率制御方式について説明する。図９Ｃは、中心ビーム「ｃ」と中心軸から離れたビーム「ａ」とで像面位置の差がｄｚ１となるようにレンズアレイ像面の曲率を調整した場合について、中心軸からの距離の異なる５本のビームの軌道を示した模式図である。図９Ａのレンズアレイは５枚の電極より構成されているが、レンズの強度は第二および第三および第四電極（９０２，９０３，９０４）に印加する電圧で調整出来るため、レンズアレイを３段のレンズの合成と近似することが出来る。図９Ｃでは、この３段のレンズとして、第二電極の電圧Ｖ１により強度が決定されるレンズ９０６、第三電極の電圧Ｖ２により強度が決定されるレンズ９０７、第四電極の電圧Ｖ１により強度が決定されるレンズ９０８が示されている。

図９Ｄは、図９Ｃに対応して、レンズ９０６の強度をＰ１、レンズ９０７の強度をＰ２、レンズ９０８の強度をＰ３として、ビーム毎のレンズ強度分布をグラフで示したものである。図９Ａで述べたように、第二電極９０２の開口径は配列の中心から離れるに従って大きく作られているから、Ｐ１はビーム毎に異なる。レンズアレイは第三電極９０３を中心として上下対称に構成されているから、Ｐ３は常にＰ１に等しい。一方、第三電極９０３に形成される開口は全てのビームに対して等しいから、Ｐ２は５本のビーム全てについて等しい。

本実施の形態３においても、実施の形態１と同様に、２つの電圧（Ｖ１，Ｖ２）の調整により、中心軸に近いレンズの結像位置と、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率という２つのパラメータを独立に制御することが可能である。これに加えて、本実施の形態３ではレンズ主面を独立に制御することが可能である。ここで、レンズ主面とは一本のビームが通過する経路上におけるレンズ強度の重心である。レンズ主面が変動すると像面でのビーム開き角が変動するため、ビームのボケ（収差）が変動し、試料上でのビーム径が変動する恐れがある。一方、本実施の形態３では、図９Ｃに示すように、レンズアレイが第三電極９０３を中心として上下対称に構成されていることから、レンズ主面は一点鎖線で示したように、レンズ９０７（第三電極）の位置に形成される。この対称性はいかなるＶ１およびＶ２についても成立することから、中心軸に近いレンズの結像位置と、レンズアレイ像面の曲率を変化させた場合でも、常にレンズ主面を一定に保つことが出来ると言える。

なお、図９Ａでは、第二電極９０２、第四電極９０４の開口径を配列の中心から離れるに従って大きく設定し、第三電極９０３に形成される開口は全てのビームに対して等しく設定した。ただし、これとは逆に、第二電極９０２、第四電極９０４の開口径を全てのビームに対して等しく設定し、第三電極９０３に形成される開口を配列の中心から離れるに従って大きく設定しても、同等の効果を得ることが出来る。また、本実施の原理は、上下対称な構造を持ったレンズアレイにおいて、２枚の異なる開口径分布を持った電極に印加する電圧を独立に制御することにより、レンズ強度の分布を制御することであるから、第二電極および第四電極の開口径が等しく、第三電極の開口径が両電極と異なってさえいれば、同様の効果を得ることが出来る。

さらに、本実施の形態の本質は、レンズ主面を一定に保つことであるから、仮に第二電極９０２と第四電極９０４の電極径が異なっていても、電圧の制御によって図９Ｄに示したようなレンズ強度分布を形成すれば、同様の効果を得ることが出来る。即ち、第二電極と第四電極の電極径が異なっていて、構造的には上下対称でなくても、電圧の制御により、レンズ強度の分布が図９Ｃのように上下対称になっていれば十分である。この場合、第二電極９０２、第三電極９０３、第四電極９０４は、図９Ｂに示すように、それぞれ個別の電源によって電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３が印加される必要がある。

また、本実施の形態においては、全てのビームにわたってレンズ主面の位置を一定にするべくレンズアレイを構成したが、図９Ｂのように第二電極９０２、第三電極９０３、第四電極９０４に印加する３つの電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を個別に制御すれば、より自由度の高いレンズ主面の制御が可能となる。即ち、レンズ主面を所望の曲面状に形成することも可能である。

（実施の形態４）
《像面湾曲収差の補正方式の概要（応用例［１］）》
前述した実施の形態１および２では、補正の対象である像面湾曲収差は静的、即ち時間的に一定であり、したがって補正のためにレンズアレイに印加する電圧も時間的に一定なＤＣ電圧であった。本実施の形態４では、試料上でのビーム走査に伴う像面湾曲収差の変化の動的な補正を行う。ここでは実施の形態１と同様に、電子線応用装置として電子線測長装置を例に説明を行うが、試料上でのビーム走査範囲が広い電子線検査装置や電子線露光装置においても特に有効である。

実施の形態１の図１で述べたように、試料１２０上のビーム走査は、対物レンズ１１６ａ，１１６ｂ中に設置された偏向器１１７によりなされる。偏向器１１７は、走査信号発生回路１３５が発生した走査信号の入力により、偏向器内に略一様な偏向電界を形成し、偏向器内を通過する一次ビームを偏向する。この時、偏向に伴い発生する収差の中に、偏向像面湾曲収差とハイブリッド像面湾曲収差がある。このうち偏向像面湾曲収差は全てのビームに対して共通に発生するので、投影光学系に全てのビームに対して共通に作用するダイナミックフォーカスレンズ（図示せず）を設け、これに偏向と同期して電圧または電流を供給することで補正することが出来る。一方、ハイブリッド像面湾曲収差は、一次ビームの位置ベクトルと偏向ベクトルの双方により決まるため、全てのビームに対して共通に作用するダイナミックフォーカスレンズで補正することが出来ない。そこで、本実施の形態４においては、レンズアレイに偏向と同期した電圧を供給することにより、動的な像面湾曲収差の補正を実施する。

ここで、ハイブリッド像面湾曲収差の補正の原理について説明する。ハイブリッド像面湾曲収差は、一次ビームと中心ビームの距離をＲ、方位角をθ、偏向距離をＭ、方位角をφ、ハイブリッド像面湾曲収差係数の絶対値をＡ、方位角をαとすると、Ａ×Ｍ×Ｒ×ｃｏｓ（α−θ＋φ）で表される。この場合、ハイブリッド像面湾曲収差は、α−θ＋φ＝０で最大となり、α−θ＋φ＝９０°でゼロとなり、α−θ＋φ＝−１８０°で最小となる。簡単のためハイブリッド像面湾曲収差係数の方位角αが０の場合について考えると、ビームの位置ベクトルと偏向ベクトルが同じ方向を向いた時に像面湾曲が最大となり、ビームの位置ベクトルと偏向ベクトルが逆方向を向いた時に像面湾曲が最小となる。これを補正するためにはレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）を、図１０Ａに示すように傾ければよい。

図１０Ａではレンズアレイ１１０の集束作用を２段のレンズで表している。１００１は第二電極の電圧Ｖ１により強度が決定されるレンズ、１００２は第三電極の電圧Ｖ２により強度が決定されるレンズである。ここでは、一方向に向けて段階的に強度が上がるレンズ１００１と、その逆方向に向けて段階的に強度が上がるレンズ１００２を設け、この２個のレンズの平均強度のバランスを電圧Ｖ１，Ｖ２により制御することでレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）を傾けている。なお、通常のビーム走査では、一次ビームを左右あるいは上下に偏向するため、図１０Ａの場合とは逆向きの偏向に対しては、図１０Ｂのようにレンズアレイ像面を逆方向に傾ける必要がある。

《レンズアレイの詳細（応用例［１］）》
図１１Ａ〜図１１Ｃは、本発明の実施の形態４による電子線応用装置において、そのレンズアレイの構成例を示す概略図である。前述したような像面湾曲収差の動的な補正を実現するためには、図１１Ａ〜図１１Ｃのごときレンズアレイの構成が望ましい。図１１Ａのレンズアレイは、実施の形態１のレンズアレイと同様、４枚の電極よりなり、上流（電子銃側）より順に第一電極１１０１、第二電極１１０２、第三電極１１０３、第四電極１１０４を備える。第一電極１１０１および第四電極１１０４には共通の電圧（ここでは接地電圧）が接続され、第二電極１１０２および第三電極１１０３にはそれぞれ独立に電源が接続されている。第二電極１１０２の電圧はＶ１、第三電極１１０３の電圧はＶ２である。

第一および第四電極（１１０１，１１０４）の開口は、図３Ｂと同様に２５個全てにわたって開口径が等しい。一方、第二電極１１０２の開口径は、偏向方向を紙面左右とすると、図１１Ｂに示すように紙面右に向かって段階的に大きくなる。逆に、第三電極１１０３の開口径は図１１Ｃに示すように紙面左に向かって段階的に大きくなる。

このようなレンズアレイの第二および第三電極（１１０２，１１０３）に対して走査信号に同期した信号を入力する。即ち、電圧Ｖ１，Ｖ２を一次ビームの左右の偏向に同期して制御する。Ｖ１とＶ２には、図１０Ａおよび図１０Ｂに示したように、レンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）を双方向に傾ける作用があるから、例えば、偏向方向に応じて、Ｖ２よりもＶ１を大きくする、あるいは、逆にＶ１よりもＶ２が大きくするといった逆位相の制御を行う。以上の方法により、偏向位置に関わらず、像面湾曲収差の補正を実施することが出来る。

なお、本実施の形態４では試料上でのビーム走査に伴うハイブリッド像面湾曲収差の補正についてのみ説明したが、実際には実施の形態１〜３で説明した静的な像面湾曲収差の補正や、ダイナミックフォーカスレンズによる偏向像面湾曲収差の補正を組み合わせることで、より好適に像面湾曲収差が補正できる。すなわち、例えば、図１のレンズアレイ１１０の部分において、図３Ａ等のレンズアレイを配置すると共にそのビーム軸方向の上部又は下部に図１１Ａのレンズアレイを配置したり、場合によっては図３Ａ等のレンズアレイを配置すると共にその最上部電極と最下部電極の間に図１１Ｂおよび図１１Ｃのような電極を挿入することも可能である。

（実施の形態５）
《像面湾曲収差の補正方式の概要（応用例［２］）》
本実施の形態５では、前述したようなレンズアレイ像面（レンズアレイ結像面又はクロスオーバー像面）の曲率制御方式を反射型電子線描画装置へ応用した例について説明する。反射型電子線描画装置とは、画素ごとに反射／吸収を制御可能な反射鏡を用いて、描画するべきパターンに応じた形状の電子ビームを反射させ、これを縮小結像することで所望のパターンをウェハ上に描画する描画装置のことである。反射鏡には微小電極が配列され、各微小電極に印加する電圧の制御により画素ごとに反射／吸収を制御する。

図１２は、本発明の実施の形態５による電子線応用装置において、それに含まれる反射鏡の構造例を示した模式図である。図１２において、入射するビームは紙面内で上から下に向かって進み、このうち、描画するべき画素に相当するビームのみが反射鏡によって反射され、紙面内で下から上に向かって戻る。なお、図１２では説明を簡単にするため２５本のビームしか描かれていないが、高速描画を実現するためには数多くのビーム本数が必要であることは言うまでもない。

当該反射鏡は、図１２に示すように、具体的にはレンズアレイとパターンジェネレータ１２０５の各部より構成され、レンズアレイは絶縁体（図示せず）を挟んで積層された４枚のレンズ電極１２０１〜１２０４よりなる。レンズ電極１２０１〜１２０４はそれぞれ図中実線で示した入射ビーム経路の周りに開口を備え、独立の電圧が印加される。パターンジェネレータ１２０５は、各ビームに対応する微小電極を備える。ここでは、その内の一部の微小電極１２０６ａ，１２０６ｂ，１２０６ｃ，１２０６ｄ，１２０６ｅのみ図示している。

各微小電極には、描画するべきパターンに従って、正または負の電圧が印加される。入射ビームのエネルギーよりも大きな負の電圧が印加されると、入射ビームは反射される。逆に正の電圧が印加されると入射ビームは微小電極に吸収される。各微小電極に印加する電圧はパターンジェネレータ制御回路１２０７によって制御される。反射されたビームは、紙面内で上側に設けられた縮小光学系（図示せず）を経てウェハ上に到達する。

このような反射型の電子線装置においても、像面湾曲収差が問題となりうる。即ち、反射鏡で反射されたビームは面積的な広がりを持つため、これらをウェハ上に縮小結像する際に、縮小光学系の像面湾曲収差により、ウェハ上で中心軸に近い軌道を通るビームと中心軸から離れた軌道を通るビームとで結像位置が異なってしまう。これを防ぐために、本実施の形態５では、レンズ電極１２０２またはレンズ電極１２０３またはレンズ電極１２０４の開口径を、縮小光学系の中心軸からの距離に応じて異なるよう設定する。さらに、レンズ電極１２０１〜１２０４に印加する電圧を制御することで、中心軸に近いビームの結像位置とレンズアレイ像面の曲率を独立に制御する。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０１…電子銃、１０２…陰極、１０３…一次ビーム、１０４…磁界重畳レンズ、１０５…陽極、１０６…クロスオーバー、１０７…コンデンサレンズ、１０８…コリメータレンズ、１０９…アパーチャーアレイ、１１０…レンズアレイ、１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ…クロスオーバー像、１１２，２０１…レンズアレイ像面、１１３ａ，１１３ｂ…トランスファーレンズ、１１４…ウィーンフィルター、１１５…トランスファーレンズ結像面、１１６ａ，１１６ｂ…対物レンズ、１１７…偏向器、１１８…接地電極、１１９…表面電界制御電極、１２０…試料、１２０１，１２０２，１２０３，１２０４…レンズ電極、１２０５…パターンジェネレータ、１２０６ａ，１２０６ｂ，１２０６ｃ，１２０６ｄ，１２０６ｅ…微小電極、１２０７…パターンジェネレータ制御回路、１２１…ステージ、１２２…二次ビーム、１２３…電磁レンズ、１２４…振り戻し偏向器、１２５ａ，１２５ｂ，１２５ｃ…検出器、１２６ａ，１２６ｂ，１２６ｃ…増幅回路、１２７…Ａ／Ｄ変換器、１２８…システム制御部、１２９…記憶装置、１３０…演算部、１３１…画像表示装置、１３２…計測条件設定プログラム、１３３…入力装置、１３４…光学系制御回路、１３５…走査信号発生回路、１３６…ステージ制御装置、２０２，２０３，４０１，４０２，９０６，９０７，９０８，１００１，１００２…レンズ、２０４…結像面、３０１，８０２，８０６，９０１，１１０１…第一電極、３０２，８０３，８０７，９０２，１１０２…第二電極、３０３，８０４，８０８，９０３，１１０３…第三電極、３０４，９０４，１１０４…第四電極、８０１…第一レンズアレイユニット、８０５…第二レンズアレイユニット、９０５…第五電極、Ｐ１，Ｐ２…強度、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３…電圧。

Claims (14)

1. 電子源と、
   前記電子源から放出された電子を加速する電子銃と、
   前記電子銃から射出された電子ビームの広がりを整える照射光学系と、
   前記照射光学系により整えられた電子ビームを複数の電子ビームに分割するアパーチャーアレイと、
   前記アパーチャーアレイにより分割された前記複数の電子ビームを個々に集束し複数のクロスオーバー像を形成するレンズアレイと、
   前記レンズアレイが形成した前記複数のクロスオーバー像を試料上に投影する投影光学系と、
   前記照射光学系または前記投影光学系のパラメータを変更する光学調整手段とを備え、
   前記レンズアレイは、前記光学調整手段によるパラメータの変更に応じて、前記複数のクロスオーバー像によって形成されるクロスオーバー像面の形状を調整する像面調整手段を有し、
   前記レンズアレイは、前記電子ビームの光路となる中心軸の延伸方向に向けて順に配置される４枚の電極を含み、
   前記４枚の電極の中の２枚となる第１電極および第２電極には、第１電圧および第２電圧がそれぞれ独立に印加され、
   前記４枚の電極のそれぞれには、前記複数の電子ビームを通過させるための複数の開口が形成され、
   前記第１電極と前記第２電極のうち一方の電極に形成される前記複数の開口は、二種類以上の開口径を有し、他方の電極に形成される前記複数の開口は、一種類の開口径を有し、
   前記像面調整手段は、前記第１電圧と前記第２電圧とによって、前記複数のクロスオーバー像のうち基準となる１個のクロスオーバー像の結像位置と、前記クロスオーバー像面の曲率を独立に制御する、
   電子線応用装置。
2. 請求項１記載の電子線応用装置において、
   前記４枚の電極は、前記中心軸の延伸方向に向けて順に配置される上部電極、前記第１電極、前記第２電極、下部電極である電子線応用装置。
3. 請求項１記載の電子線応用装置において、
   前記像面調整手段は、前記クロスオーバー像面の曲率を、前記投影光学系により前記試料上に投影される結像面の曲率が最小となるように調整する電子線応用装置。
4. 請求項３記載の電子線応用装置において、
   前記像面調整手段は、さらに、前記レンズアレイの主面を所定の位置に保つ主面制御手段を有する電子線応用装置。
5. 請求項４記載の電子線応用装置において、
   前記レンズアレイは、前記中心軸の延伸方向に向けて順に配置される上部電極、前記第１電極、前記第２電極、第３電極、下部電極を備え、
   前記第１および第３電極には、前記第１電圧が共通に印加され、
   前記第２電極には、前記第２電圧が印加され、
   前記上部電極、第１電極、第２電極、第３電極、下部電極のそれぞれには、前記複数の電子ビームを通過させるための複数の開口が形成され、
   前記複数の電子ビームに対応する前記複数の開口の開口径は、前記第１電極と前記第３電極とで同一であり、
   前記第２電極と前記第１および第３電極のうち、一方側の電極に形成される前記複数の開口は、二種類以上の開口径を有し、他方側の電極に形成される前記複数の開口は、一種類の開口径を有する電子線応用装置。
6. 請求項２記載の電子線応用装置において、
   前記上部電極および前記下部電極には、前記電子線応用装置の筐体電圧が共通に印加される電子線応用装置。
7. 請求項２記載の電子線応用装置において、
   前記電子線応用装置は、さらに、前記投影光学系が前記複数のクロスオーバー像を前記試料上に投影する際に前記試料上での偏向を行う偏向器を備え、
   前記像面調整手段は、前記偏向器を制御する信号と同期して前記クロスオーバー像面の形状を調整する電子線応用装置。
8. 請求項７記載の電子線応用装置において、
   前記偏向器を制御する信号と同期して前記第１、第２電圧がそれぞれ独立に印加される電子線応用装置。
9. 請求項１記載の電子線応用装置において、
   前記光学調整手段が変更するパラメータは、前記電子銃の加速電圧、前記照射光学系または前記投影光学系の倍率、前記試料に入射する電子ビームのエネルギー、前記試料の表面付近の電界強度、前記試料上に投影される複数の電子ビームの間隔、前記試料上に入射する電子ビームの電流のうちいずれかである電子線応用装置。
10. 電子ビームの光路となる中心軸の周りに配列された複数の電子ビームを個別の軸に集束させ、前記複数の電子ビームの結像面を形成するレンズアレイであって、
    前記複数の電子ビームのうち基準となる一本の電子ビームの結像位置と、前記結像面の曲率を独立に制御する手段を有し、
    前記レンズアレイは、前記中心軸の延伸方向に向けて順に配置される４枚の電極を含み、
    前記４枚の電極のそれぞれには、前記複数の電子ビームを通過させるための複数の開口が形成され、
    前記４枚の電極の中の２枚となる第１電極および第２電極には、第１電圧および第２電圧がそれぞれ独立に印加され、
    前記第１電極と前記第２電極のうち一方の電極に形成される前記複数の開口は、二種類以上の開口径を有し、他方の電極に形成される前記複数の開口は、一種類の開口径を有する、
    レンズアレイ。
11. 請求項１０記載のレンズアレイにおいて、
    前記４枚の電極は、前記中心軸の延伸方向に向けて順に配置される上部電極、前記第１電極、前記第２電極、下部電極であるレンズアレイ。
12. 請求項１１記載のレンズアレイにおいて、
    前記上部電極、第１電極、第２電極、下部電極は、各電極間に絶縁体を挟んで積層された薄板であるレンズアレイ。
13. 請求項１０記載のレンズアレイにおいて、さらに、
    前記レンズアレイの主面を所定の位置に保つ手段を有するレンズアレイ。
14. 請求項１３記載のレンズアレイにおいて、
    前記レンズアレイは、前記中心軸の延伸方向に向けて順に配置される上部電極、前記第１電極、前記第２電極、第３電極、下部電極を備え、
    前記第１および第３電極には、前記第１電圧が共通に印加され、
    前記第２電極には、前記第２電圧が印加され、
    前記上部電極、第１電極、第２電極、第３電極、下部電極のそれぞれには、前記複数の電子ビームを通過させるための複数の開口が形成され、
    前記複数の電子ビームに対応する前記複数の開口の開口径は、前記第１電極と前記第３電極とで同一であり、
    前記第２電極と前記第１および第３電極のうち一方側の電極に形成される前記複数の開口は、二種類以上の開口径を有し、他方側の電極に形成される前記複数の開口は、一種類の開口径を有するレンズアレイ。

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