JP7459380B2 - マルチ電子ビーム画像取得装置及びマルチ電子ビーム画像取得方法 - Google Patents

Description

本出願は、２０２１年５月１１日に日本国に出願されたＪＰ２０２１－０８０６４２（出願番号）を基礎出願とする優先権を主張する出願である。ＪＰ２０２１－０８０６４２に記載されたすべての内容は、参照されることにより本出願にインコーポレートされる。

本発明は、マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法に関する。例えば、マルチ１次電子ビームの照射に起因した２次電子画像を用いてパターン検査するマルチビーム検査装置の画像取得手法に関する。

近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。そして、多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。しかし、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになっている。近年、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。よって、半導体ウェハ上に転写された超微細パターンの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。

検査装置では、例えば、電子ビームを使ったマルチビームを検査対象基板に照射して、検査対象基板から放出される各ビームに対応する２次電子を検出して、パターン画像を撮像する。そして撮像された測定画像と、設計データ、あるいは基板上の同一パターンを撮像した測定画像と比較することにより検査を行う方法が知られている。例えば、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ（ダイ－ダイ）検査」がある。その他、パターン設計された設計データをベースに設計画像データ（参照画像）を生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる測定画像とを比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ（ダイ－データベース）検査」がある。撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較する。そして、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する。

ここで、マルチ電子ビームを用いて検査画像を取得する場合、高分解能を実現するためにもビーム間ピッチを狭くすることが求められる。ビーム間ピッチを狭くすると検出系においてビーム間のクロストークが生じやすいといった問題があった。具体的には、１次電子ビームの軌道上に電磁界直交（Ｅ×Ｂ：Ｅ ｃｒｏｓｓ Ｂ）分離器を配置して、１次電子ビームから２次電子ビームを分離する。Ｅ×Ｂ分離器は、Ｅ×Ｂの影響が小さくなる１次電子ビームの像面共役位置に配置される。そして、対物レンズで１次電子ビームを試料面に結像する。１次電子ビームと２次電子ビームとでは、試料面に入射する照射電子のエネルギーと発生する２次電子のエネルギーとが異なる。そのため、１次電子ビームをＥ×Ｂ分離器面で中間像面を形成させた場合、２次電子ビームは対物レンズ通過後にＥ×Ｂ分離器よりも手前で中間像面を形成してしまう。そのため、２次電子ビームは、Ｅ×Ｂ分離器面で中間像面を形成せずに広がってしまう。このため、Ｅ×Ｂ分離器により分離される際に、生じる収差が大きくなってしまう。その結果、検出器上においてマルチ２次電子ビームがオーバーラップして個別に検出することが困難になってしまう場合があるといった問題があった。言い換えれば、ビーム間のクロストークが生じやすいといった問題があった。かかる問題は、検査装置に限るものではなく、マルチ電子ビームを用いて画像を取得する装置全般に対して同様に生じ得る。

ここで、１次電子光学系から離れた２次電子光学系内に軸上色収差補正用の４段構成の多極子レンズからなるウィーンフィルタを配置して、分離された後の２次電子の軸上色収差を補正するといった技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６－２４４８７５号公報

そこで、本発明の一態様は、Ｅ×Ｂ分離器でマルチ１次電子ビームからマルチ２次電子ビームを分離する際に生じる収差を低減することが可能な装置および方法を提供する。

本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得装置は、
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームを用いて、基板をマルチ１次電子ビームで照明する照明光学系と、
マルチ１次電子ビームの軌道とマルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームの軌道とが共通する位置に配置された、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極とを有する２段以上の複数の多極子レンズと、
マルチ１次電子ビームの軌道上から分離されたマルチ２次電子ビームを検出するマルチ検出器と、
を備え、
複数の多極子レンズのうち、前記基板からより離れた位置に配置される多極子レンズが、マルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
前記複数の多極子レンズは、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第１の方向に発散作用と集束作用との一方のレンズ作用を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第２の方向に発散作用と集束作用との他方のレンズ作用を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、
前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する前記複数の多極子レンズのうちの１つは、前記第１と第２の方向のうち発散作用を及ぼす方向に前記マルチ２次電子ビームを分離することを特徴とする。

本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得方法は、
照明光学系を用いて、ステージ上に載置される基板をマルチ１次電子ビームで照明し、
４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極とを有する２段以上の複数の多極子レンズを用いて、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームにレンズ作用を及ぼし、
複数の多極子レンズのうち、前記基板からより離れた位置に配置される多極子レンズを用いて、マルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
分離されたマルチ２次電子ビームを検出し、
前記複数の多極子レンズは、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第１の方向に発散作用と集束作用との一方を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第２の方向に発散作用と集束作用との他方を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、
前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する前記複数の多極子レンズのうちの１つは、前記第１と第２の方向のうち発散作用を及ぼす方向に前記マルチ２次電子ビームを分離し、
前記複数の多極子レンズは、前記マルチ１次電子ビームの軌道と前記マルチ２次電子ビームの軌道とが共通する位置に配置される、
を備えたことを特徴とする。

本発明の一態様によれば、Ｅ×Ｂ分離器でマルチ１次電子ビームからマルチ２次電子ビームを分離する際に生じる収差を低減できる。

実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。 実施の形態１におけるＥ×Ｂ多極子レンズの構成と偏向作用を説明するための図である。 実施の形態１におけるＥ×Ｂ多極子レンズの構成と偏向作用を説明するための図である。 実施の形態１におけるＥ×Ｂ多極子レンズの構成と偏向作用を説明するための図である。 実施の形態１の比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。 実施の形態１におけるマルチ１次電子ビームへのＥ×Ｂ多極子レンズのレンズ作用を説明するための図である。 実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームへのＥ×Ｂ多極子レンズのレンズ作用を説明するための図である。 実施の形態１における四重極場でのマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。 実施の形態１における２段の四重極レンズの作用を説明するための図である。 実施の形態１における２段の四重極場による倍率計算式を示している。 実施の形態１における２段の四重極場によるマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場によるマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場によるマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１における四重極場による力の向きと偏向場による偏向方向との一例を示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。 実施の形態１の変形例１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１の変形例１における四重極場におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。 実施の形態１の変形例２におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１の変形例２における第３の多極子レンズの一例を示す図である。 実施の形態１の変形例２における第３の多極子レンズの一例を示す図である。 実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。 実施の形態１における画像取得処理を説明するための図である。 実施の形態１の変形例３におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。

以下、実施の形態では、マルチ電子ビーム画像取得装置の一例として、マルチ電子ビーム検査装置について説明する。但し、画像取得装置は、検査装置に限るものではなく、マルチビームを用いて画像を取得する装置であれば構わない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、マルチ電子ビーム検査装置の一例である。検査装置１００は、マルチ電子ビーム画像取得装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒）、検査室１０３、検出回路１０６、チップパターンメモリ１２３、ステージ駆動機構１４２、及びレーザ測長システム１２２を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６，２０７、主偏向器２０８、副偏向器２０９、２段以上の複数の多極子レンズ（Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７）、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、偏向器２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。

電子銃２０１、電磁レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９によって１次電子光学系１５１（照明光学系）を構成する。また、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、２段以上の複数の多極子レンズ、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、及び偏向器２２６によって２次電子光学系１５２（検出光学系）を構成する。

複数の多極子レンズとして、図１の例では、２段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１７が配置される。Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１７は、マルチ１次電子ビーム２０の軌道とマルチ２次電子ビーム３００の軌道とが共通する位置に配置される。図１の例では、電磁レンズ２０６と電磁レンズ２０７との間に配置される。

検査室１０３内には、少なくともＸＹ方向に移動可能なステージ１０５が配置される。ステージ１０５上には、検査対象となる基板１０１（試料）が配置される。基板１０１には、露光用マスク基板、及びシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１が半導体基板である場合、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されている。基板１０１が露光用マスク基板である場合、露光用マスク基板には、チップパターンが形成されている。チップパターンは、複数の図形パターンによって構成される。かかる露光用マスク基板に形成されたチップパターンが半導体基板上に複数回露光転写されることで、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成される。以下、基板１０１が半導体基板である場合を主として説明する。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてステージ１０５に配置される。また、ステージ１０５上には、検査室１０３の外部に配置されたレーザ測長システム１２２から照射されるレーザ測長用のレーザ光を反射するミラー２１６が配置されている。

また、マルチ検出器２２２は、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０６に接続される。検出回路１０６は、チップパターンメモリ１２３に接続される。

制御系回路１６０では、検査装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、ステージ制御回路１１４、レンズ制御回路１２４、ブランキング制御回路１２６、偏向制御回路１２８、リターディング制御回路１３０、Ｅ×Ｂ多極子レンズ制御回路１３２、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、メモリ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、偏向制御回路１２８は、ＤＡＣ（デジタルアナログ変換）アンプ１４４，１４６，１４８に接続される。ＤＡＣアンプ１４６は、主偏向器２０８に接続され、ＤＡＣアンプ１４４は、副偏向器２０９に接続される。ＤＡＣアンプ１４８は、偏向器２１８に接続される。

また、チップパターンメモリ１２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ステージ１０５は、ステージ制御回路１１４の制御の下に駆動機構１４２により駆動される。駆動機構１４２では、例えば、ステージ座標系におけるＸ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ－Ｙ－θ）モータの様な駆動系が構成され、ＸＹθ方向にステージ１０５が移動可能となっている。これらの、図示しないＸモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。ステージ１０５は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ステージ１０５の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。レーザ測長システム１２２は、ミラー２１６からの反射光を受光することによって、レーザ干渉法の原理でステージ１０５の位置を測長する。ステージ座標系は、例えば、マルチ１次電子ビーム２０の光軸に直交する面に対して、１次座標系のＸ方向、Ｙ方向、θ方向が設定される。

電磁レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７、及び電磁レンズ２２４は、レンズ制御回路１２４により制御される。また、一括偏向器２１２は、２極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介してブランキング制御回路１２６により制御される。副偏向器２０９は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４４を介して偏向制御回路１２８により制御される。主偏向器２０８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４６を介して偏向制御回路１２８により制御される。偏向器２１８は、４極以上の電極により構成される２段の偏向器により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４８を介して偏向制御回路１２８により制御される。また、偏向器２２６は、４極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介して偏向制御回路１２８により制御される。リターディング制御回路１３０は、基板１０１に所望のリターディング電位を印加して、基板１０１に照射されるマルチ１次電子ビーム２０のエネルギーを調整する。

Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７は、Ｅ×Ｂ多極子レンズ制御回路１３２により制御される。

電子銃２０１には、図示しない高圧電源回路が接続され、電子銃２０１内の図示しないフィラメントと引出電極間への高圧電源回路からの加速電圧の印加と共に、所定の引出電極（ウェネルト）の電圧の印加と所定の温度のカソードの加熱によって、カソードから放出された電子群が加速させられ、電子ビーム２００となって放出される。

ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。

図２は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、２次元状の横（ｘ方向）ｍ_１列×縦（ｙ方向）ｎ_１段（ｍ_１，ｎ_１は２以上の整数）の穴（開口部）２２がｘ，ｙ方向に所定の配列ピッチで形成されている。図２の例では、２３×２３の穴（開口部）２２が形成されている場合を示している。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチ１次電子ビーム２０が形成されることになる。成形アパーチャアレイ基板２０３には、マルチ１次電子ビームを形成するマルチビーム形成機構の一例となる。

画像取得機構１５０は、電子ビームによるマルチビームを用いて、図形パターンが形成された基板１０１から図形パターンの被検査画像を取得する。以下、検査装置１００における画像取得機構１５０の動作について説明する。

電子銃２０１（放出源）から放出された電子ビーム２００は、電磁レンズ２０２によって屈折させられ、成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、図２に示すように、複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、マルチ１次電子ビーム２０が形成される。

形成されたマルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２０５、及び電磁レンズ２０６によってそれぞれ屈折させられ、中間像およびクロスオーバーを繰り返しながら、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームの中間像面（像面共役位置：Ｉ．Ｉ．Ｐ．）に配置されたＥ×Ｂ多極子レンズ２１４に進む。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７を通過して、電磁レンズ２０７に進む。また、マルチ１次電子ビーム２０のクロスオーバー位置付近に、通過孔が制限された制限アパーチャ基板２１３を配置することで、散乱ビームを遮蔽できる。また、一括偏向器２１２によりマルチ１次電子ビーム２０全体を一括して偏向して、マルチ１次電子ビーム２０全体を制限アパーチャ基板２１３で遮蔽することにより、マルチ１次電子ビーム２０全体をブランキングできる。

マルチ１次電子ビーム２０が電磁レンズ２０７（対物レンズ）に入射すると、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカスする。言い換えれば、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０で基板１０１を照射する。このように、１次電子光学系１５１は、基板１０１にマルチ１次電子ビーム２０を照明する。

対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされ（合焦され）たマルチ１次電子ビーム２０は、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって一括して偏向され、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置がマルチ１次電子ビーム２０で照射される。このように、１次電子光学系１５１は、基板１０１にマルチ１次電子ビーム２０を照明する。

基板１０１の所望する位置がマルチ１次電子ビーム２０で照射されると、かかるマルチ１次電子ビーム２０で照射されたことに起因して基板１０１から反射電子を含む２次電子の束（マルチ２次電子ビーム３００）が放出される。マルチ１次電子ビーム２０の各ビームに対応する２次電子ビームが放出される。

基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ２０７を通って、２段以上の複数の多極子レンズ（Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７）に進む。図１の例では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７を通過した後にＥ×Ｂ多極子レンズ２１４に進む。

複数の多極子レンズのうち、電磁レンズ２０７から最も離れた位置に配置されるＥ×Ｂ多極子レンズ２１４は、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。１次軌道と２次軌道の共通軌道上に配置される複数の多極子レンズのうち、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４は、２次電子ビーム軌道の最下流側に位置する。

図３Ａから図３Ｃは、実施の形態１におけるＥ×Ｂ多極子レンズの構成と偏向作用を説明するための図である。図３Ａから図３Ｃにおいて、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７は、共に、コイルを用いた４極以上の複数の磁極１２（電磁偏向コイル）と、４極以上の複数の電極１４（静電偏向電極）とを有する。図３Ａから図３Ｃの例では、９０°ずつ位相をずらした複数の磁極１２が示されている。同様に、９０°ずつ位相をずらした複数の電極１４が示されている。また、複数の磁極１２と複数の電極１４とが４５°ずつ位相をずらして交互に配置される場合を示している。配置の仕方はこれに限るものではない。複数の磁極１２と複数の電極１４とが同じ位相に重なって配置されても構わない。Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７のうち、電磁レンズ２０７から最も離れた位置に配置されるＥ×Ｂ多極子レンズ２１４でマルチ２次電子ビーム３００を偏向することで分離作用を生じさせる。Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４では、複数の磁極１２によって指向性の磁界を発生させる。同様に、複数の電極１４によって指向性の電界を発生させる。具体的には、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４は、図３Ａに示すように、マルチ１次電子ビーム２０の中心ビームが進む方向（軌道中心軸）に直交する面上において電界Ｅと磁界Ｂを直交する方向に発生させる。電界は電子の進行方向に関わりなく同じ方向に力を及ぼす。これに対して、磁界はフレミング左手の法則に従って力を及ぼす。そのため、電子の侵入方向によって電子に作用する力の向きを変化させることができる。図３Ｂに示すようにＥ×Ｂ多極子レンズ２１４に上側から侵入してくるマルチ１次電子ビーム２０には、電界による力ＦＥと磁界による力ＦＢが打ち消し合い、マルチ１次電子ビーム２０は下方に直進する。これに対して、図３Ｃに示すようにＥ×Ｂ多極子レンズ２１４に下側から侵入してくるマルチ２次電子ビーム３００には、電界による力ＦＥと磁界による力ＦＢがどちらも同じ方向に働き、マルチ２次電子ビーム３００は所定の方向に偏向されることによって斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。

斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、２次電子光学系１５２によってマルチ検出器２２２に導かれる。具体的には、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８によって偏向されることにより、さらに曲げられ、電磁レンズ２２４に進む。そして、マルチ２次電子ビーム３００は、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から離れた位置で電磁レンズ２２４によって、集束方向に屈折させられながらマルチ検出器２２２に投影される。マルチ検出器２２２（マルチ２次電子ビーム検出器）は、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離されたマルチ２次電子ビーム３００を検出する。言い換えれば、マルチ検出器２２２は、屈折させられ、投影されたマルチ２次電子ビーム３００を検出する。マルチ検出器２２２は、複数の検出エレメント（例えば図示しないダイオード型の２次元センサ）を有する。そして、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームは、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームに対応する検出エレメントに衝突して、電子を発生し、２次電子画像データを画素毎に生成する。マルチ検出器２２２にて検出された強度信号は、検出回路１０６に出力される。

図４は、実施の形態１の比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。比較例では、１段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４を配置する場合を示している。マルチ１次電子ビーム２０は、マルチ１次電子ビーム２０の像面共役位置に配置されたＥ×Ｂ多極子レンズ２１４を通過して広がる。そして、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ基板１０１面に結像する。図４では、マルチ１次電子ビーム２０のうち中心の１次電子ビーム２１の軌道を示している。そして、マルチ１次電子ビーム２０で基板１０１が照射されることにより、基板１０１からマルチ２次電子ビーム３００が放出される。マルチ２次電子ビーム３００のうち、中心の１次電子ビーム２１に対応する中心の２次電子ビーム３０１の放出時のエネルギーは、基板１０１への中心１次電子ビーム２１の入射エネルギーよりも小さい。そのため、１次電子ビームがＥ×Ｂ多極子レンズ２１４面で結像し、対物レンズがマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、図４に示すように、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７によって集束方向に軌道が曲げられるもののＥ×Ｂ多極子レンズ２１４に届く手前の位置で中間像面（結像点）が形成される。その後、中心２次電子ビーム３０１は広がりながら、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４へと進む。そして、比較例では、中心２次電子ビーム３０１がさらに広がりながら偏向器２１８へと進むことになる。Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４での各２次電子ビームのビーム径が大きいため、分離するために偏向した各２次電子ビームに生じる収差が大きくなってしまう。その結果、マルチ検出器２２２で検出されるマルチ２次電子ビーム３００が互いに重なり合ってしまう場合が生じ得る。

そこで、実施の形態１では、２段以上の複数の多極子レンズを配置して、マルチ２次電子ビーム３００にレンズ作用を及ぼす。複数の多極子レンズとして、複数のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７を用いる。

図５は、実施の形態１におけるマルチ１次電子ビームへのＥ×Ｂ多極子レンズのレンズ作用を説明するための図である。図５において、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７は、上述したように、９０°ずつ位相がずれた４極の磁極１２と９０°ずつ位相がずれた４極の電極１４とを有する。４極の磁極１２によって磁界による四重極場を形成する。４極の電極１４によって電界による四重極場を形成する。実施の形態１の四重極場では、電子ビームの軌道中心軸に直交する２方向の一方に集束作用を生じさせ、他方に発散作用を生じさせる。このように、ｘ、ｙ方向といった直交する２方向に反対のレンズ作用を通過する電子ビームに及ぼすことができる。図５において、電界と磁界の方向を直交させる。これにより、図５の例では、マルチ１次電子ビーム２０に対して、磁界による四重極場によりｙ方向に発散作用を生じさせ、ｘ方向に集束作用を生じさせる場合を示している。一方、電界による四重極場によりｘ方向に発散作用を生じさせ、ｙ方向に集束作用を生じさせる場合を示している。このように、図５において、電界と磁界の方向を直交させることによりマルチ１次電子ビーム２０に及ぼす電界による力と磁界による力とが打ち消し合い相殺できる。よって、マルチ１次電子ビーム２０にレンズ作用を及ぼすことなく、通過させることができる。なお、電界による力と磁界による力とが同じ大きさになるように調整する。また、多極子レンズのレンズ作用は、例えば電極と磁極とをそれぞれ８極にすることで任意の方向の四重極場を発生させることができる。

図６は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームへのＥ×Ｂ多極子レンズのレンズ作用を説明するための図である。上述したように、実施の形態１の四重極場では、電子ビームの軌道中心軸に直交する２方向の一方に集束作用を生じさせ、他方に発散作用を生じさせる。図５で説明したように、電界と磁界の方向を直交させる。これにより、図６の例では、マルチ２次電子ビーム３００に対して、磁界による四重極場によりｘ方向に発散作用を生じさせ、ｙ方向に集束作用を生じさせる場合を示している。そして、電界による四重極場によりｘ方向に発散作用を生じさせ、ｙ方向に集束作用を生じさせる場合を示している。このように、図６において、電界と磁界の方向を直交させることによりマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす電界による力と磁界による力とを同方向に生じさせることができる。よって、磁界による四重極場によるレンズ作用と電界による四重極場によるレンズ作用とを同方向に合わせることができる。

図７は、実施の形態１における四重極場でのマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。図７において、マルチ１次電子ビーム２０（点線）は、マルチ１次電子ビーム２０の像面共役位置に配置されたＥ×Ｂ多極子レンズ２１４を通過してｘ，ｙ方向共に広がる。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７を通過し、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によってｘ，ｙ方向共に集束方向に軌道が曲げられ基板１０１面に結像する。図７では、マルチ１次電子ビーム２０のうち中心の１次電子ビーム２１の軌道を示している。そして、マルチ１次電子ビーム２０で基板１０１が照射されることにより、基板１０１からマルチ２次電子ビーム３００が放出される。上述したように、２次電子ビーム３０１の放出時のエネルギーは、基板１０１への１次電子ビーム２１の入射エネルギーよりも小さい。そのため、１次電子ビームがＥ×Ｂ多極子レンズ２１４面で結像し、対物レンズがマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、図３Ａから図３Ｃと同様、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７によって集束方向に軌道が曲げられるもののＥ×Ｂ多極子レンズ２１７に届く手前の位置で中間像面（結像点）（第１像面）が形成される。

その後、中心２次電子ビーム３０１は広がりながら、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７へと進む。

図８は、実施の形態１における２段の四重極レンズの作用を説明するための図である。図８において、複数の多極子レンズは、マルチ２次電子ビーム３００の軌道中心軸と直交するｘ方向（第１の方向）に発散作用と集束作用との一方のレンズ作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。そして、マルチ２次電子ビーム３００の軌道中心軸と直交するｙ方向（第２の方向）に発散作用と集束作用との他方のレンズ作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。図８に示す２段の四重極レンズでは、１段目の四重極レンズと２段目の四重極レンズとで反対のレンズ作用を生じさせる。

図７及び図８の例では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７によって、ｘ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そして、ｙ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７によってｘ方向では集束方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに発散方向に軌道が曲げられて、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４に進む。

一方、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７とは反対のレンズ作用を生じさせる。具体的には、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によって、ｘ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そして、ｙ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によってｘ方向では発散方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに集束方向に軌道が曲げられて、中間像面（第２像面）に結像する。

ここで、一般に２段の四重極レンズでは、集束／発散の順で進む方向が、発散／集束の順で進む方向よりも中間像面（第２像面）での倍率が大きくなる。図８では、第１像面からＥ×Ｂ多極子レンズ２１７（１段目）のレンズ中心までの距離ａ、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７（１段目）のレンズ中心からＥ×Ｂ多極子レンズ２１４（２段目）のレンズ中心までの距離ｂ、及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１４（２段目）のレンズ中心から第２像面までの距離ｃを示している。また、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７（１段目）の発散レンズの焦点距離ｆ１、及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１７（１段目）の集束レンズの焦点距離－ｆ１を示している。また、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４（２段目）の発散レンズの焦点距離ｆ２、及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１４（２目）の集束レンズの焦点距離－ｆ２を示している。また、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４（２段目）のレンズ中心から第２像面へのｙ方向の倍率Ｍ１、及びＥ×Ｂ多極子レンズ２１４（２段目）のレンズ中心から第２像面へのｘ方向の倍率Ｍ２を示している。

図９は、実施の形態１における２段の四重極場による倍率計算式を示している。図９では、図８の状態における倍率計算式を示している。図９において、ｙ方向の倍率Ｍ１は式（１）で定義できる。ｘ方向の倍率Ｍ２は式（２）で定義できる。また、ｙ方向の結像条件（共役条件）は式（３）で定義できる。ｘ方向の結像条件（共役条件）は式（４）で定義できる。式（３）と式（４）とから焦点距離ｆ１，ｆ２について解くと、焦点距離ｆ１は式（５）で定義できる。焦点距離ｆ２は式（６）で定義できる。そして、式（５）と式（６）を式（１）及び式（２）に代入すると、ｙ方向の倍率Ｍ１の絶対値と、ｘ方向の倍率Ｍ２の絶対値が求まる。ｙ方向の倍率Ｍ１の絶対値と、ｘ方向の倍率Ｍ２の絶対値を比較することで、ｘ方向の倍率Ｍ２がｙ方向の倍率Ｍ１より大きくなることがわかる。

図１０Ａから図１０Ｃは、実施の形態１における２段の四重極場によるマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。図１０Ｃに示す試料面でのマルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ作用による第１像面では、図１０Ｂに示すようにｘ，ｙ方向に倍率差が生じていない。これに対して、２段目のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４によるレンズ作用による第２像面では、図１０Ａに示すように、ｘ方向に延びた楕円形状のビームとなる。

ここで、上述したように、マルチ２次電子ビーム３００を検出するためには、マルチ１次電子ビーム２０からマルチ２次電子ビーム３００を分離する必要がある。そこで、実施の形態１では、複数の多極子レンズのうちの１つで、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。言い換えれば、１次電子ビームと２次電子ビームとの共通軌道上に配置される複数の多極子レンズのうち、基板１０１からより離れた位置に配置される多極子レンズにより、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。よって、図１の例では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４により、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。マルチ２次電子ビーム３００を分離するために、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４に、四重極場に加えて、マルチ２次電子ビーム３００を偏向するための偏向場を追加する。

図１１は、実施の形態１における四重極場による力の向きと偏向場による偏向方向との一例を示す図である。図１１では、４極の電極１４を用いて説明する。４極の磁極１２による作用については図示を省略している。偏向場を形成するｘ方向の電極電位をＶｘ_０、ｙ方向の電極電位をＶｙ_０で示す。四重極場を形成するｘ方向の電極電位をＶｘ_１、ｙ方向の電極電位をＶｙ_１で示す。

四重極場では、上述したように、対向する電極に同じ符号の電位を印加する。図１１の例では、左右の電極に＋Ｖｘ_１を印加する。上下の電極に＋Ｖｙ_１を印加する。例えば、Ｖｘ_１＝＋Ｖ２、Ｖｙ_１＝－Ｖ２にすると、ｘ方向に発散し、ｙ方向に集束するレンズ作用を形成できる。

偏向場では、図３Ａから図３Ｃで説明したように、対向する電極に符号が反転した同じ大きさの電位を印加する。図１１の例では、上の電極電位を＋Ｖｙ_０とする。対向する下の電極電位を－Ｖｙ_０とする。また、右の電極電位を＋Ｖｘ_１とする。対向する左の電極電位を－Ｖｘ_１とする。例えば、Ｖｘ_０＝＋Ｖ１、Ｖｙ_０＝０にすると、ｘ方向にマルチ２次電子ビーム３００を偏向する電界による力ＦＥを生じさせることができる。

実施の形態１では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４について、四重極場と偏向場を加算する。その際、実施の形態１では、四重極場で集束／発散の順で進む方向にマルチ２次電子ビーム３００を偏向する。

図１２は、実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。マルチ１次電子ビーム２０（点線）の軌道は、図７と同様である。図１２では、マルチ１次電子ビーム２０のうち中心の１次電子ビーム２１の軌道を示している。そして、マルチ２次電子ビーム３００の軌道は、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４までは図７と同様である。

図１２の例では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４の偏向場によってｘ方向にマルチ２次電子ビーム３００を偏向する。これにより、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０から分離して、マルチ２次電子ビーム３００を偏向器２１８に向けることができる。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４の四重極場では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７とは反対のレンズ作用を生じさせる。具体的には、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によって、ｘ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そして、ｙ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によってｘ方向では発散方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに集束方向に軌道が曲げられて、中間像面（第２像面）に結像する。

実施の形態１では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によりｘ，ｙ方向のうち発散作用を及ぼす方向にマルチ２次電子ビーム３００を分離する。四重極場で集束／発散の順で進むｘ方向では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４上でのビーム径が小さい。よって、マルチ２次電子ビーム３００をｘ方向に偏向する。これにより、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４での偏向により生じる収差を小さくできる。よって、マルチ検出器２２２でのビーム同士の重なりを抑制し、個別に２次電子ビームを検出できる。

また、中間像面（第２像面）を偏向器２１８の中心位置に調整することで、偏向器２１８での偏向により生じる収差を小さくできる。

また、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４での偏向によって、マルチ２次電子ビーム３００の倍率が変化する。ｘ方向に偏向する場合のｘ方向の倍率Ｍｘとｙ方向の倍率Ｍｙの比Ｍｘ／Ｍｙ＜１となる。実施の形態１では、四重極場で集束／発散の順で進むｘ方向にマルチ２次電子ビーム３００を偏向する。よって、四重極場で大きくなったｘ方向の倍率を偏向場で小さくできる。よって、ｘ，ｙ方向の倍率差を改善できる。

図１３Ａから図１３Ｃは、実施の形態１における２段の四重極場に偏向場を加えたマルチ２次電子ビームの像面での状態の一例を示す図である。図１３Ｃに示す試料面でのマルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ作用による第１像面では、図１３Ｂに示すようにｘ，ｙ方向に倍率差が生じていない。これに対して、２段目のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４によるレンズ作用による第２像面では、偏向することにより図１３Ａに示すように、ｘ，ｙ方向の倍率差が小さくなる。

図１４は、実施の形態１の変形例１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１４の例では、２段以上の複数の多極子レンズとして、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズと第３の多極子レンズとの３段の多極子レンズが配置される。３段の多極子レンズとして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７，２１９がマルチ１次電子ビーム２０の軌道とマルチ２次電子ビーム３００の軌道とが共通する位置に配置される。図１４の例では、電磁レンズ２０６と電子レンズ２０７との間に配置される。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７，２１９のうち、基板からより離れた位置に配置される多極子レンズにより、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。

３段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７，２１９を用いる場合でも、電界と磁界とを直交する方向に形成し、磁界による力と電界による力を同じ大きさにすることでマルチ１次電子ビーム２０が進む方向では、磁界による力と電界による力を相殺できる。よって、マルチ１次電子ビーム２０を直進させることができる。

図１５は、実施の形態１の変形例１における四重極場におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。マルチ１次電子ビーム２０の軌道は、図７と同様である。１次電子ビームがＥ×Ｂ多極子レンズ２１４面で結像し、対物レンズがマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、図３Ａから図３Ｃと同様、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７によって集束方向に軌道が曲げられるもののＥ×Ｂ多極子レンズ２１７に届く手前の位置で中間像面（結像点）（第１像面）が形成される。

その後、中心２次電子ビーム３０１は広がりながら、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１９（１段目）へと進む。

図１５の例では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１９（１段目）によって、ｘ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そして、ｙ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１９によってｘ方向では集束方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに発散方向に軌道が曲げられて、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７に進む。

Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７（２段目）では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１９とは反対のレンズ作用を生じさせる。具体的には、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７によって、ｘ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そして、ｙ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によってｘ方向では発散方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに集束方向に軌道が曲げられて、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４に進む。

Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４（３段目）では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７とは反対のレンズ作用を生じさせる。具体的には、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によって、ｘ方向に集束作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、集束レンズとして作用する。そして、ｙ方向に発散作用をマルチ２次電子ビーム３００に及ぼす。言い換えれば、発散レンズとして作用する。そのため、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によってｘ方向では集束方向に軌道が曲げられ、ｙ方向ではさらに発散方向に軌道が曲げられて、中間像面（第２像面）に結像する。

ここで、上述したように、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１９（１段目）とＥ×Ｂ多極子レンズ２１７（２段目）によって、集束／発散の順で進むｘ方向が、発散／集束の順で進むｙ方向よりも中間像面（第２像面）での倍率が大きくなる。そこで、実施の形態１の変形例１では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４（３段目）によって、レンズ作用を逆転させ、ｘ方向について集束／発散／集束の順にする。これにより、集束／発散の順で大きくなった倍率を次に集束させることでｙ方向の倍率に近づけることができる。また、ｙ方向について発散／集束／発散の順にする。これにより、発散／集束の順で小さくなった倍率を次に発散させることでｘ方向の倍率に近づけることができる。これにより、ｘ，ｙ方向に生じた倍率差を改善できる。

実施の形態１の変形例１では、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４での偏向方向はｘ方向で良い。但し、ｙ方向にしても構わない。３段目のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４上でのビーム径はｘ方向だけではなくｙ方向でも小さくできるので、偏向による収差はいずれの方向でも小さくできる。また、倍率差が小さくできることからもいずれの方向に偏向しても構わない。

図１６は、実施の形態１の変形例２におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１６の例では、複数の多極子レンズとして、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズと第３の多極子レンズとの３段の多極子レンズが配置される。３段の多極子レンズのうち、２段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７が、図１と同様、マルチ１次電子ビーム２０の軌道とマルチ２次電子ビーム３００の軌道とが共通する位置に配置される。そして、残りの多極子レンズ２２１が、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離されたマルチ２次電子ビーム３００の軌道途中に配置される。図１６の例では、多極子レンズ２２１がＥ×Ｂ多極子レンズ２１４と偏向器２１８との間に配置される。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７のうち、基板からより離れた位置に配置されるＥ×Ｂ多極子レンズ２１４により、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。

図１７Ａと図１７Ｂは、実施の形態１の変形例２における第３の多極子レンズの一例を示す図である。マルチ１次電子ビーム２０の軌道とマルチ２次電子ビーム３００の軌道とが共通する位置に多極子レンズを配置する場合には、マルチ１次電子ビーム２０を直進させるために、Ｅ×Ｂ多極子レンズである必要があった。しかし、マルチ１次電子ビーム２０から分離後のマルチ２次電子ビーム３００の軌道に配置する場合には、マルチ１次電子ビーム２０への影響を考慮する必要が無い。よって、磁界による四重極場と電界による四重極場との一方で良い。よって、多極子レンズ２２１は、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極との少なくとも一方を有する構成であればよい。多極子レンズ２２１は、例えば、図１７Ａに示すように、４極の電極１４で構成されても良いし、或いは、図１７Ｂに示すように、４極の磁極１２で構成されても良い。

実施の形態１の変形例２における四重極場におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例は、図１５と同様で良い。実施の形態１の変形例２では、多極子レンズ２２１（３段目）によって、レンズ作用を逆転させ、ｘ方向について集束／発散／集束の順にする。これにより、集束／発散の順で大きくなった倍率を次に集束させることでｙ方向の倍率に近づけることができる。また、ｙ方向について発散／集束／発散の順にする。これにより、発散／集束の順で小さくなった倍率を次に発散させることでｘ方向の倍率に近づけることができる。これにより、実施の形態１の変形例２では、変形例１と同様、ｘ，ｙ方向に生じた倍率差を改善できる。

実施の形態１の変形例２では、変形例１と同様、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４での偏向方向はｘ方向で良い。但し、ｙ方向にしても構わない。３段目の多極子レンズ２２１上でのビーム径はｘ方向だけではなくｙ方向でも小さくできるので、偏向による収差はいずれの方向でも小さくできる。また、倍率差が小さくできることからもいずれの方向に偏向しても構わない。

図１８は、実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。図１８において、半導体基板（ウェハ）１０１の検査領域３３０には、複数のチップ（ウェハダイ）３３２が２次元のアレイ状に形成されている。各チップ３３２には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のマスクパターンが図示しない露光装置（ステッパ）によって例えば１／４に縮小されて転写されている。

図１９は、実施の形態１における画像取得処理を説明するための図である。図１９に示すように、各チップ３３２の領域は、例えばｙ方向に向かって所定の幅で複数のストライプ領域３２に分割される。画像取得機構１５０によるスキャン動作は、例えば、ストライプ領域３２毎に実施される。例えば、－ｘ方向にステージ１０５を移動させながら、相対的にｘ方向にストライプ領域３２のスキャン動作を進めていく。各ストライプ領域３２は、長手方向に向かって複数の矩形領域３３に分割される。対象となる矩形領域３３へのビームの移動は、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。

図１９の例では、例えば、５×５列のマルチ１次電子ビーム２０の場合を示している。１回のマルチ１次電子ビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４は、（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じたｘ方向サイズ）×（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じたｙ方向サイズ）で定義される。照射領域３４が、マルチ１次電子ビーム２０の視野となる。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するｘ方向のビーム間ピッチとｙ方向のビーム間ピッチとで囲まれるサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。各１次電子ビーム１０は、互いに異なるいずれかのサブ照射領域２９を担当することになる。そして、各１次電子ビーム１０は、担当サブ照射領域２９内の同じ位置を照射することになる。副偏向器２０９（第１の偏向器）は、マルチ１次電子ビーム２０を一括して偏向することにより、パターンが形成された基板１０１面上をマルチ１次電子ビーム２０で走査する。言い換えれば、サブ照射領域２９内の１次電子ビーム１０の移動は、副偏向器２０９によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。かかる動作を繰り返し、１つの１次電子ビーム１０で１つのサブ照射領域２９内を順に照射していく。

各ストライプ領域３２の幅は、照射領域３４のｙ方向サイズと同様、或いはスキャンマージン分狭くしたサイズに設定すると好適である。図１３Ａから図１３Ｃの例では、照射領域３４が矩形領域３３と同じサイズの場合を示している。但し、これに限るものではない。照射領域３４が矩形領域３３よりも小さくても良い。或いは大きくても構わない。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。そして、１つのサブ照射領域２９のスキャンが終了したら、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射位置が同じストライプ領域３２内の隣接する矩形領域３３へと移動する。かかる動作を繰り返し、ストライプ領域３２内を順に照射していく。１つのストライプ領域３２のスキャンが終了したら、ステージ１０５の移動或いは／及び主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射領域３４が次のストライプ領域３２へと移動する。以上のように各１次電子ビーム１０の照射によってサブ照射領域２９毎のスキャン動作および２次電子画像の取得が行われる。これらのサブ照射領域２９毎の２次電子画像を組み合わせることで、矩形領域３３の２次電子画像、ストライプ領域３２の２次電子画像、或いはチップ３３２の２次電子画像が構成される。また、実際に画像比較を行う場合には、各矩形領域３３内のサブ照射領域２９をさらに複数のフレーム領域３０に分割して、フレーム領域３０毎の測定画像となるフレーム画像３１について比較することになる。図１９の例では、１つの１次電子ビーム１０によってスキャンされるサブ照射領域２９を例えばｘ，ｙ方向にそれぞれ２分割することによって形成される４つのフレーム領域３０に分割する場合を示している。

ここで、ステージ１０５が連続移動しながらマルチ１次電子ビーム２０で基板１０１を照射する場合、マルチ１次電子ビーム２０の照射位置がステージ１０５の移動に追従するように主偏向器２０８によって一括偏向によるトラッキング動作が行われる。そのため、マルチ２次電子ビーム３００の放出位置がマルチ１次電子ビーム２０の軌道中心軸に対して刻々と変化する。同様に、サブ照射領域２９内をスキャンする場合に、各２次電子ビームの放出位置は、サブ照射領域２９内で刻々と変化する。このように放出位置が変化した各２次電子ビームでマルチ検出器２２２の対応する検出領域内が照射されるように、例えば偏向器２２６は、マルチ２次電子ビーム３００を一括偏向する。偏向器２２６とは別に、アライメントコイル等を２次電子光学系内に配置して、かかる放出位置の変化を補正させても好適である。

以上のように、画像取得機構１５０は、ストライプ領域３２毎に、スキャン動作をすすめていく。上述したように、マルチ１次電子ビーム２０を照射して、マルチ１次電子ビーム２０の照射に起因して基板１０１から放出されるマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８内で中間像面（第２像面）を形成すると共に、偏向器２１８で偏向され、それからマルチ検出器２２２で検出される。検出されるマルチ２次電子ビーム３００には、反射電子が含まれていても構わない。或いは、反射電子は、２次電子光学系を移動中に発散し、マルチ検出器２２２まで到達しない場合であっても構わない。そして。検出されたマルチ２次電子ビーム３００の信号に基づいた２次電子画像が取得される。具体的には、マルチ検出器２２２によって検出された各サブ照射領域２９内の画素毎の２次電子の検出データ（測定画像データ：２次電子画像データ：被検査画像データ）は、測定順に検出回路１０６に出力される。検出回路１０６内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、チップパターンメモリ１２３に格納される。そして、得られた測定画像データは、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、比較回路１０８に転送される。

一方、参照画像作成回路１１２は、基板１０１に形成された複数の図形パターンの元になる設計データに基づいて、フレーム領域３０毎に、フレーム画像３１に対応する参照画像を作成する。具体的には、以下のように動作する。まず、記憶装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータを読み出し、この読み出された設計パターンデータに定義された各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換する。

上述したように、設計パターンデータに定義される図形は、例えば長方形や三角形を基本図形としたもので、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形等の図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報で各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データが格納されている。

かかる図形データとなる設計パターンデータが参照画像作成回路１１２に入力されると図形ごとのデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして２値ないしは多値の設計パターン画像データに展開し、出力する。言い換えれば、設計データを読み込み、検査領域を所定の寸法を単位とするマス目として仮想分割してできたマス目毎に設計パターンにおける図形が占める占有率を演算し、ｎビットの占有率データを出力する。例えば、１つのマス目を１画素として設定すると好適である。そして、１画素に１／２^８（＝１／２５６）の分解能を持たせるとすると、画素内に配置されている図形の領域分だけ１／２５６の小領域を割り付けて画素内の占有率を演算する。そして、８ビットの占有率データとなる。かかるマス目（検査画素）は、測定データの画素に合わせればよい。

次に、参照画像作成回路１１２は、図形のイメージデータである設計パターンの設計画像データに、所定のフィルタ関数を使ってフィルタ処理を施す。これにより、画像強度（濃淡値）がデジタル値の設計側のイメージデータである設計画像データをマルチ１次電子ビーム２０の照射によって得られる像生成特性に合わせることができる。作成された参照画像の画素毎の画像データは比較回路１０８に出力される。

比較回路１０８内では、フレーム領域３０毎に、被検査画像となるフレーム画像３１（第１の画像）と、当該フレーム画像に対応する参照画像（第２の画像）とを、サブ画素単位で、位置合わせする。例えば、最小２乗法で位置合わせを行えばよい。

そして、比較回路１０８は、フレーム画像３１（第１の画像）と、参照画像（第２の画像）とを比較する。比較回路１０８は、所定の判定条件に従って画素３６毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。例えば、画素３６毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に出力される、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

なお、上述したダイ－データベース検査の他、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較するダイ－ダイ検査を行っても好適である。或いは、自己の測定画像だけを用いて検査しても構わない。

図２０は、実施の形態１の変形例３におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図２０の例では、複数の多極子レンズとして、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズと第３の多極子レンズと第４の多極子レンズとの４段の多極子レンズが配置される。４段の多極子レンズのうち、２段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７が、図１と同様、マルチ１次電子ビーム２０の軌道とマルチ２次電子ビーム３００の軌道とが共通する位置に配置される。そして、残りの多極子レンズ２２７，２２８が、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離されたマルチ２次電子ビーム３００の軌道途中に配置される。図２０の例では、多極子レンズ２２７，２２８が偏向器２１８と投影レンズ２２４との間に配置される。そして、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４，２１７のうち、基板からより離れた位置に配置されるＥ×Ｂ多極子レンズ２１４により、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。

Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１７でＸ方向集束、Ｙ方向発散作用を及ぼし、Ｅ×Ｂ多極子レンズ２１４によって、Ｘ方向発散作用、Ｙ方向集束作用を与えることで偏向器２１８の位置に結像する。このとき、上述したようにＸ、Ｙに倍率差が生じる。この倍率差は、偏向器２１８以降に２段の多極子レンズ２２７，２２８を配置すれば倍率差を改善できる。具体的には多極子レンズ２２７でＸ方向発散、Ｙ方向集束作用を与え、多極子レンズ２２８でＸ方向集束、Ｙ方向発散作用を与えることにより、２段のＥ×Ｂ多極子レンズ２１４、２１７で生じた倍率差を、同じく２段の多極子レンズ２２７，２２８で打ち消すように改善できる。多極子レンズ２２７，２２８は、多極子レンズ２２１と同様、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極との少なくとも一方を有する構成であればよい。なお、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離されたマルチ２次電子ビーム３００の軌道途中に配置される多極子レンズは段数を増やして倍率差の調整をすることもできる。その他の内容は、上述した内容と同様である。

以上のように、実施の形態１によれば、Ｅ×Ｂ分離器でマルチ１次電子ビームからマルチ２次電子ビームを分離する際に生じる収差を低減できる。

以上の説明において、一連の「～回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「～回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録されればよい。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、及び参照画像作成回路１１２等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電磁レンズ２１７は、静電レンズであっても構わない。

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのマルチ電子ビーム画像取得装置及びマルチ電子ビーム画像取得方法は、本発明の範囲に包含される。

マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法に関する。例えば、マルチ１次電子ビームの照射に起因した２次電子画像を用いてパターン検査するマルチビーム検査装置の画像取得手法に利用できる。

１０ １次電子ビーム
１２ 磁極
１４ 電極
２０ マルチ１次電子ビーム
２１ １次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３０ フレーム領域
３１ フレーム画像
３２ ストライプ領域
３３ 矩形領域
３４ 照射領域
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１３０ リターディング制御回路
１３２ Ｅ×Ｂ多極子レンズ制御回路
１４２ ステージ駆動機構
１５０ 画像取得機構
１５１ １次電子光学系
１５２ ２次電子光学系
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２，２０５，２０７ 磁気レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１２ 一括偏向器
２１３ 制限アパーチャ基板
２１４，２１７，２１９ Ｅ×Ｂ多極子レンズ
２１６ ミラー
２１８ 偏向器
２２１ 多極子レンズ
２２２ マルチ検出器
２２４ 投影レンズ
２２６ 偏向器
２２７，２２８ 多極子レンズ
３００ マルチ２次電子ビーム
３０１ ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ

Claims (11)

1. 基板を載置するステージと、
   マルチ１次電子ビームを用いて、前記基板を前記マルチ１次電子ビームで照明する照明光学系と、
   前記マルチ１次電子ビームの軌道と前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームの軌道とが共通する位置に配置された、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極とを有する２段以上の複数の多極子レンズと、
   前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離された前記マルチ２次電子ビームを検出するマルチ検出器と、
   を備え、
   前記複数の多極子レンズのうち、前記基板からより離れた位置に配置される多極子レンズが、前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
   前記複数の多極子レンズは、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第１の方向に発散作用と集束作用との一方のレンズ作用を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第２の方向に発散作用と集束作用との他方のレンズ作用を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、
   前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する前記複数の多極子レンズのうちの１つは、前記第１と第２の方向のうち発散作用を及ぼす方向に前記マルチ２次電子ビームを分離することを特徴とするマルチ電子ビーム画像取得装置。
2. 前記複数の多極子レンズは、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズとを有し、
   前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離された前記マルチ２次電子ビームの軌道途中に配置された、第３の多極子レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
3. 前記第３の多極子レンズは、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極との少なくとも一方を有することを特徴とする請求項２記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
4. 前記複数の多極子レンズは、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズと第３の多極子レンズとを有し、
   前記第１から第３の多極子レンズのうち、基板からより離れた位置に配置される多極子レンズにより、前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離することを特徴とする請求項１記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
5. 照明光学系を用いて、ステージ上に載置される基板をマルチ１次電子ビームで照明し、
   ４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極とを有する２段以上の複数の多極子レンズを用いて、前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームにレンズ作用を及ぼし、
   前記複数の多極子レンズのうち、前記基板からより離れた位置に配置される多極子レンズを用いて、前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離し、
   分離された前記マルチ２次電子ビームを検出し、
   前記複数の多極子レンズは、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第１の方向に発散作用と集束作用との一方を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸と直交する第２の方向に発散作用と集束作用との他方を前記マルチ２次電子ビームに及ぼし、
   前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する前記複数の多極子レンズのうちの１つは、前記第１と第２の方向のうち発散作用を及ぼす方向に前記マルチ２次電子ビームを分離し、
   前記複数の多極子レンズは、前記マルチ１次電子ビームの軌道と前記マルチ２次電子ビームの軌道とが共通する位置に配置される、
   ことを特徴とするマルチ電子ビーム画像取得方法。
6. 前記複数の多極子レンズは、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズとを有し、
   前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離された前記マルチ２次電子ビームの軌道途中に配置された第３の多極子レンズで、前記マルチ２次電子ビームに作用しているレンズ作用を逆転させることを特徴とする請求項５記載のマルチ電子ビーム画像取得方法。
7. 前記第３の多極子レンズは、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極との少なくとも一方を有することを特徴とする請求項６記載のマルチ電子ビーム画像取得方法。
8. 前記複数の多極子レンズは、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズと第３の多極子レンズとを有し、
   前記第１から第３の多極子レンズのうち、基板からより離れた位置に配置される多極子レンズにより、前記マルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離することを特徴とする請求項５記載のマルチ電子ビーム画像取得方法。
9. 前記複数の多極子レンズは、第１の多極子レンズと第２の多極子レンズとを有し、
   前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離された前記マルチ２次電子ビームの軌道途中に配置された、複数の多極子レンズをさらに備えたことを特徴とする請求項１記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
10. 前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離された前記マルチ２次電子ビームの軌道途中に配置された前記複数の多極子レンズは、第３の多極子レンズと第４の多極子レンズとを有することを特徴とする請求項９記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
11. 前記第３と第４の多極子レンズは、４極以上の複数の電極と４極以上の複数の磁極との少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１０記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。

Images