WO2007013398A1 - 電子線装置 - Google Patents

Abstract

　電子銃（Ｇ）から放出された電子線は、非分散のウィーンフィルタ（５－１）、電磁偏向器（１１－１）、ビーム分離器（１２－１）及び対物レンズを構成するタブレットレンズ（１７－１）を介して試料（Ｓ）上に縮小像を形成する。ビーム分離器（１２－１）は、２次電子ビームのビーム分離器内の通過距離が、１次電子ビームのビーム分離器内の通過距離の３倍程度となるよう構成されている。これにより、ビーム分離器における磁界を、１次電子ビームを約１０度以下の小角度だけ偏向するように設定しても、２次電子ビームを約３０度以上偏向させることができ、１次及び２次電子ビームは十分に分離される。また、１次電子ビームを小角度だけ偏向するので、１次電子ビームに生じる収差が小さい。したがって、空間電荷効果の影響を電子光学系の光路長を短くして、空間電荷の影響及び偏向収差の発生を低減することができる。                                                                                 

Description

明 細 書

電子線装置

技術分野

[0001] 本発明は、最小線幅 0. 1 μ m以下のパターンを有する基板の欠陥検査、 CD測定 、ァライメント測定、その他の評価を高スループットで評価するための電子線装置に 関する。

背景技術

[0002] 基板上のパターンの欠陥等を検査し評価する電子線装置として、軸上色収差補正 レンズを用いて超高分解能を有する走査型電子顕微鏡 (SEM)や透過型電子顕微 鏡 (TEM)が知られている。「第 52回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集」（2 005年春 埼玉大学）、 P. 812及び P. 815には、軸上色収差補正レンズを用いた 電子線装置が開示されている。軸上色収差補正レンズ及び球面収差補正レンズとし て、 4極子や 12極子の電極や磁極を有するものが知られて!/、る。

[0003] 従来、こうした軸上色収差補正レンズや球面収差補正レンズは単に解像度を小さく するために用いられていた。ところが、電子線装置を用いて半導体デバイスの製造や 評価を行う場合、限界解像度よりも、解像度は数 lOnmのままで処理速度を大幅に 向上させたいときがある。しかし、電子線装置において用いられている軸上色収差補 正レンズ又は球面収差補正レンズは光路長を長くするので、空間電荷効果を増すこ とになり、処理速度の向上を阻止する要因となるという問題があった。特に、試料の高 密度化が計られて試料上のパターンが微細化されて ヽる現状にぉ 、て、空間電荷の 問題を解決して、パターンを高スループットで評価することが重要であるが、従来の 電子線装置は、このような空間電荷効果の問題を解決することができるものではない

[0004] また、多極子型の従来の収差補正レンズでは、フリンジの場によって余計な収差が 発生する恐れがあった。し力も、軸上色収差や球面収差のような収差の補正をするこ とによって、大きい開口を有する NA開口部材を使用し、ビーム電流を大きくし、又は 、空間電荷効果を低減することは報告されて 、な力つた。 [0005] さらに、電子線装置はビーム分離器を具備しているが、ビーム分離器による偏向収 差の発生を避けるため、ビーム分離器を配置すべき場所を試料面と共役な位置に限 定している。このため、電子線装置の光路長が長くなることから装置の小型化が困難 であり、また、ビーム分離器によって生じる偏向収差により、得られた画像がぼやける 等の問題がある。

[0006] また、従来から、複数のビームを形成して試料を走査し、試料力も放出された 2次電 子を複数の検出器で検出して試料像を得ることができるようにした電子線装置も知ら れているが、このような電子線装置においては、分解能を小さくすると、収差のために 大き 、ビーム電流を得ることができず、スループットが極めて小さ!/、と!/、う問題があつ た。

[0007] さらに、従来の電子線装置では、高輝度電子銃を用い、小さい開口角でビームを 細く絞って基板上を走査し、画像取得が行われているものがある。このような電子線 装置においては、開口角が小さいので焦点深度が深ぐゥエーハ面の高さが数/ z m 〜数 10 μ m変動しても画質が悪くならなかった。し力しながら、試料上のパターンが 微細化されている場合、高スループットを得るために、軸上色収差を補正して大きい 開口で動作させようとすると、大きい焦点深度が得られない問題点が発生してきた。 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 本発明は上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、新規な収差補 正技術を用いて lOOnm程度の解像度ではあるが超高スループットを得ることができ る電子線装置を提供することである。

また、本発明の他の目的は、高スループットで試料の評価を行い、フリンジの電磁 場の問題が生じないウィーンフィルタを用いた電子線装置を提供することにある。 本発明のさらに他の目的は、軸上色収差又は球面収差を補正するレンズを適所に 配置することにより処理速度を向上させた電子線装置を提供することである。

本発明の別の目的は、微細パターンを評価する際の空間電荷効果の影響を、電子 線装置の光路長を短くすることによって低減させるとともに、偏向収差の発生を低減 することができるようにした電子線装置及びパターン評価方法を提供することである。 課題を解決するための手段

[0009] 上記した目的を達成するために、本発明の、 1次電子ビームを試料に照射し、これ により試料力 放出される 2次電子をビーム分離器で 1次電子ビーム力 分離し、分 離された 2次電子を 2次電子光学系を介して検出するようにした電子線装置にお！、て は、ビーム分離器は、磁気偏向器であって、 1次電子ビーム及び 2次電子の一方に 対しては通過する領域が短ぐ他方に対しては通過する領域が前記した短い領域の 2倍以上となるように構成されて 、ることを特徴として！/、る。

[0010] 上記した本発明の電子線装置において、ビーム分離器は、 2つの磁極面を連接す る強磁性体と、該強磁性体に卷回した励磁コイルとからなることが好適である。

また、 2次電子光学系は写像投影光学系であり、ビーム分離器は、 1次電子ビーム を第 2の角度偏向させて試料面の法線力 小角度傾いた第 3の角度で試料上に入 射させ、 2次電子を偏向する第 1の角度がゼロとなるよう構成されていることが好まし い。この場合、ビーム分離器は、 2つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に 卷回した励磁コイルとからなり、 2次電子光学系は、その光軸の周囲に、ビーム分離 器により生じる磁界が光軸に侵入するのを防止する軸対称シールドを備えていること が好ましい。

[0011] 本発明はまた、 1次電子ビームを放出する電子銃と、 1次電子ビームを偏向する電 磁偏向器と、 1次電子ビームと、該 1次電子ビームが試料に照射された際に該試料か ら放出される 2次電子とを分離するビーム分離器と、 2次電子ビームを検出する検出 器とを有し、ビーム分離器は、 2次電子ビームが該ビーム分離器を走行する距離が、 1次電子ビームが該ビーム分離器を走行する距離の 3倍となるように構成されている ことを特徴とする電子線装置も提供する。該電子線装置においては、電磁偏向器は 、 1次電子ビームをビーム分離器が偏向する偏向方向と逆方向に偏向するよう設定さ れ、かつ、該電磁偏向器の偏向により該 1次電子ビームに生じる偏向色収差と、ビー ム分離器の偏向により該 1次電子ビームに生じる偏向色収差の絶対値とが等しくなる ように設定されて 、ることが好ま 、。

[0012] 本発明はさらに、電子線装置により、試料上に形成されたパターンを評価するため の評価方法において、 1次電子線を小角度だけ偏向してビーム分離器に入射させる ステップと、ビーム分離器により、 1次電子線を試料に対して垂直方向に偏向させて 試料に照射するステップと、ビーム分離器により、試料面から放出された 2次電子を 大きく偏向して 2次電子光学系に導くステップと、検出器により、 2次電子光学系を介 して受け取った 2次電子を検出するステップとを含んでいることを特徴とする評価方 法も提供する。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明に係る電子線装置の第 1の実施形態を概略的に示す図である。

[図 1 A]図 1に示した電子線装置に具備される収差補正レンズの縦断面図であり、図 1 Bの線 X—Xに沿う断面を示すとともに、これに対応させて図 1の収差補正レンズにお ける磁界強度及び電界強度の分布を示すグラフを示している。

[図 1B]図 1に示した電子線装置に具備される収差補正レンズの横断面図であり、図 1 Aの線 Y—Yに沿う断面を示す。

[図 2]本発明に係る電子線装置の第 2の実施形態を概略的に示す図である。

[図 2A]図 2に示した電子線装置に具備される NA開口部材の平面図である。

[図 2B]図 2に示した電子線装置に具備される検出器の CCD検出器の配列を示す図 である。

[図 3]本発明に係る電子線装置の第 3の実施形態を概略的に示す図である。

[図 4A]本発明に係る電子線装置で使用可能なマーカーの平面図である。

[図 4B]図 4Aにおける線 Z— Zに沿う断面図である。

[図 4C]軸合わせが不適切な場合のマーカー穴の像を示す図である。

[図 4D]軸合わせが適切な場合のマーカー穴の像を示す図である。

[図 4E]実際のマーカー穴の像を示す図である。

[図 4F]代替のマーカーの断面図である。

[図 5]本発明に係る電子線装置の第 4の実施形態を概略的に示す図である。

[図 5A]図 5に示した電子線装置に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。

[図 5B]図 5に示した電子線装置に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。

[図 5C]図 5に示した電子線装置に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。

[図 6]本発明に係る電子線装置の第 5の実施形態を概略的に示す図である。 [図 6A]図 6に示した電子線装置に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。

[図 7]図 5及び図 6に示した電子線装置に具備される軸上色収差補正レンズの構成を 示す断面図である。

[図 8]本発明に係る電子線装置の第 6の実施形態を概略的に示す図である。

[図 9A]本発明に係る電子線装置における最適合焦条件を求める説明図である。

[図 9B]本発明に係る電子線装置における最適合焦条件を求める説明図である。

[図 10]本発明に係る電子線装置において実行されるパターン評価方法の説明図で ある。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 以下、本発明に係る電子線装置の種々の実施形態について、添付図を参照して 説明する。

図 1は、本発明に係る電子線装置の第 1の実施形態を概略的に示す図である。図 1 に示すように、電子線装置は、電子銃 Gと、電子銃 Gから放出された 1次電子線を運 ぶ電子光学系 Aと、電子光学系 Aから送られてきた 1次電子線を試料 Sに照射させる とともに試料 Sから放出された 2次電子線を 1次電子線力 分離する電子光学系 Bと、 分離された 2次電子線を運ぶ電子光学系 Cと、電子光学系 Cからの 2次電子線を受 け取る検出器 Dとを備えている。

[0015] 電子光学系 Aは、マルチ開口部材 1、コンデンサレンズ 2、縮小レンズ 3、 4、 NA開 ロ部材 5、収差補正レンズ 6、第 1走査偏向器 7及びビーム分離用プリ偏向器 8を備 えている。収差補正レンズ 6は例えば二段の補正レンズから成り、各補正レンズはウイ ーンフィルタで構成される。電子銃 G力 放出された 1次電子線は、マルチ開口部材 1の複数の開口を一様に照射する。これにより複数の 1次電子線が生成される。生成 された複数の 1次電子線は、コンデンサレンズ 2によって集束され、縮小レンズ 3に入 射する前にクロスオーバー即ち電子銃が作る光源の像を形成する。

[0016] マルチ開口部材 1の像は、縮小レンズ 3、 4によって縮小されて収差補正レンズ 6の 物点 9に縮小像を作る。 NA開口部材 5は、縮小レンズ 4の手前に配置されており、縮 小レンズ 3を通過した複数の 1次電子線のビーム分解能を確保する。物点 9に作られ た縮小像は、収差補正レンズ 6の中間の点 10及び収差補正レンズ 6の像点 11に等 倍の像を形成する。像点 11に集束された複数の 1次電子線は、電子光学系 Bの対物 レンズ (後述する）によって再度集束されて、試料 Sの面上に結像される。

[0017] 第 1走査偏向器 7は、像点 11に形成された複数の 1次電子線の進行方向を所定の 方向に所定の振幅で偏向させ、これによつて複数の 1次電子線が試料 Sの面上を走 查する。更に、複数の 1次電子線は、電子光学系 Bのビーム分離器の中心に入射す るように、プリ偏向器 8によって進行方向を偏向される。

[0018] 電子光学系 Bは、ビーム分離器 12、第 2走査偏向器 13、軸対称電極 14、第 1MO L (Moving Objective Lens)偏向器 15、第 2MOL偏向器 16及び対物レンズ 17を備 えている。対物レンズ 17は、例えば、磁気ギャップ 18が試料 Sの側に位置する電磁 レンズである。プリ偏向器 8によって偏向された複数の 1次電子線は、ビーム分離器 1 2を通過した後、第 2走査偏向器 13によって更に偏向され、こうして 2段の偏向が施さ れた複数の 1次電子線のそれぞれ力 試料 Sの面の異なる位置に結像されて試料 S を走査する。このときの偏向支点は、対物レンズ 17で生じる偏向色収差とコマ収差と の合計が最小になる位置に設定される。

[0019] 第 1MOL偏向器 15と第 2MOL偏向器 16は、電磁偏向器であり、 MOL条件に近 い条件に設定することによって、偏向収差を更に小さくするよう動作する。 MOL条件 とは、対物レンズ 17の軸上磁場分布の微分に比例する偏向磁場を発生させるため の条件である。この場合の偏向支点は、—∞に位置する。即ち、複数の 1次電子線 の主光線は電子光学系 Aの光軸 Lに平行に入射される。 MOL条件に近 、条件に設 定すると偏向収差が更に小さくなる。これは、このような条件に設定することにより、レ ンズの軸をビームの位置に移動させることができ、ビームを偏向したときもレンズの軸 を主光線が通るので、偏向収差を小さくすることができるからである。すなわち、 MO L偏向器 15、 16は、ビームを走査したときに、ビームの主光線と重なる対物レンズの 磁力線が直線となるように対物レンズの軸上磁場分布の磁場に対して偏向磁場をか けている。

[0020] 電子光学系 Bを通過して試料 Sの面上に結像される複数の 1次電子線は、対物レン ズ 17によって軸上色収差と球面収差とを受ける。しかし、電子光学系 Aにおける二段 のウィーンフィルタ 6が負の軸上色収差と負の球面収差とを作るように動作するので、 対物レンズ 17によって作られる軸上色収差と球面収差は、二段のウィーンフィルタ 6 が作る負の軸上色収差と負の球面収差によって打ち消される。こうして収差が打ち消 されるため、 NA開口部材 5の NA開口を大きな値にしても、縮小レンズ 3、 4によって 複数の 1次電子線を小さく絞ることが可能になる。軸対称電極 14は、該電極に印加 する電圧を変えることにより、対物レンズ 17による軸上色収差の程度を調節すること ができる。

[0021] 第 1MOL偏向器 15と第 2MOL偏向器 16は、対物レンズ 17の主光線に対する屈 折作用を打ち消すように動作する。このため、電子光学系 Bで集束された複数の 1次 電子線によって照射された試料 Sの面の異なる位置力 放出された複数の 2次電子 線のうち、試料 Sの法線方向に放出された複数の 2次電子線の主光線は、対物レン ズ 17による屈折作用を受けることなく光軸 Lに平行に進み、ビーム分離器 12により 1 次電子線の到来方向から離れるように（図 1においては左へ偏向されて）、電子光学 系 Cに入る。なお、プリ偏向器 8は静電偏向器であり、ビーム分離器 12において複数 の 1次電子線に発生する偏向色収差を打ち消すように動作する。

[0022] 電子光学系 Cは、 2次電子像形成レンズ 19、収差補正レンズ 20、第 1拡大レンズ 2 1及び第 2拡大レンズ 22を備える写像投影型光学系である。なお、収差補正レンズ 2 0は、 2次電子ビームの軸上色収差のみを補正すればよいので、 4極子の電界と 4極 子の磁界を発生すれば良ぐ例えば、 4極子のウィーンフィルタであってよい。代わり に、収差補正レンズ 20を 6極子のウィーンフィルタとし、球面収差のみを補正するよう にしてもよい。

[0023] ビーム分離器 12で 1次電子線と分離された複数の 2次電子線は、 2次電子像形成 レンズ 19によって収差補正レンズ 20の物点 23に像を作る。つまり、収差補正レンズ 20は、 2次電子像形成レンズ 19の像面に配置されている。収差補正レンズ 20は、物 点 23の像を点 24に形成する。収差補正レンズ 20によって点 24に作られた像は、第 1拡大レンズ 21、第 2拡大レンズ 22によって拡大され、検出器 Dに複数の 2次電子線 に対応した像を作る。検出器 Dは、マルチ検出器であり、入射した複数の 2次電子線 のそれぞれに対応した信号を生成する。このようにして生成された信号を用いて、処 理回路（図示せず）は試料 Sの 2次元画像を作る。 [0024] 電子光学系 Aの収差補正レンズ 6には、要求精度が 25nmピクセル寸法の場合、 2 5nm程度の解像度が要求される。そのため、収差補正レンズ 6に 1次電子線が入る 側の端部と収差補正レンズ 6から 1次電子線が出る側の端部とで発生するフリンジ電 場及びフリンジ磁場の影響で収差が発生することが予測される。こうしたフリンジ場の 影響を回避するために、収差補正レンズ 6として、 2分割したウィーンフィルタを用い、 その対称性を利用してフリンジ場の影響を打ち消させることが好ましい。図 1 A及び図 1Bは、このようなウィーンフィルタの構成の一例を示す断面図である。なお、図 1Aは 、該フィルタの軸上電場及び磁場の分布をも示している。

[0025] 図 1A及び図 1Bにおいて、ウィーンフィルタ 30は、 10〜20mmの肉厚の円筒であ るパーマロイコア 31を有する。パーマロイコア 31は、磁気回路を形成し、且つウイ一 ンフィルタ 30の剛性を高めるために厚く設計されて!、る。図 1Bに詳細に示すように、 パーマロイコア 31の内側の空間には、 1次電子線を通過させるための所定の径を有 するボーァ 32を中心として、 12個の電磁極（即ち、 12個の電極兼磁極） 331、 332、 333、 · · ·、 3312力 パーマロイコア 31との間にそれぞれ絶^ぺーサ 341、 342、 343、 · · ·、 3412を介して等間隔に配置される。

[0026] 各絶縁スぺーサ 341〜3412の厚さ a (即ち、径方向の幅）は、磁気抵抗が小さく且 つ所要の絶縁性が保持されるよう最小限の値に選択される。一方、各絶^ぺーサ の周方向の長さ bは、図 1Bにおいては、絶縁スぺーサが光軸から見て磁極片に隠れ るように、光軸 L力も直視できない値に設定される。し力しながら、絶^ぺーサの周 方向の長さ bを磁極片の周方向の長さよりも大きくして、放電を防止するようにしても よい。これらの電磁極 331〜3312及び絶^ぺーサは、適宜の固定手段 35によつ て、所要の複数の位置においてパーマロイコア 31に取り付けられる。なお、図 1A及 び図 1Bは、簡略ィ匕のために、固定手段 35を 1個所し力示していない。固定手段 35と して締め付けネジを用いた場合、締め付けネジとパーマロイコア 31との間を絶縁する ためのスぺーサ 351を設けることが好適である。

[0027] それぞれの電磁極は、光軸 Lに沿って 2段に分割され、各電磁極の周囲には励磁 コイルが巻かれて同一構造を有している。対向する 2つの電磁極、例えば電磁極 33 1、 337は、図 1Aに示すように、光軸 Lに沿って 2段に配された上側電磁極 331U、 3 37Uと下側電磁極 331L、 337Lを有している。これら上下の電磁極は、接続部 331 M、 337Mで連結された一体構造をしており、電磁極 331、 337の周囲には、所定の 方向に磁界を形成するための励磁コイル 331C、 337Cが卷回されている。これによ り、それぞれの対向する電磁極は、光軸 Lに直交する方向に磁場を形成する。接続 部 331M、 337Mは、実質的に磁場及び電場が発生しない程度のボーァ径を持ち、 上側電磁極 331U、 337Uと下側電磁極 331L、 337Lとが位置ズレしない一体構造 になっている。

[0028] 更に、図 1Aに示すように、上側電磁極 331U、 337Uと下側電磁極 331L、 337Lと の光軸 Lを含む面での断面形状は、台形に形成される。そのため、中央のボーァ 32 の径は、光軸 Lを挟んで隣り合う電磁極間の最小値 hから、光軸 Lを挟んで隣り合う接 続部間の最大値 kまで変化する。その結果、光軸 Lを挟んで隣り合う上側電磁極の間 及び光軸 Lを挟んで隣り合う下側電磁極の間に形成される軸上磁場の強さは、図 1A の右側に示すように、光軸 Lの方向に二度、台形に近い形で、最小値と最大値の間 で変化する。このように、ウィーンフィルタ 30の光軸 Lに沿って変化する磁場が 1次電 子線に及ぼすロレンツ力を打ち消すように、ウィーンフィルタ 30の光軸 Lに沿って 6個 の電磁極によって軸上電場が形成される。この軸上電場の分布も図 1 Aに示す軸上 磁場と同一の形になる。

[0029] 収差補正レンズ 6をこのように 2段に分割した構造にしたことにより、物点 9から発散 して点 10に集束する 1次電子線と、点 10から発散して像点 11に集束する 1次電子線 との対称性を改善し、フリンジ場による影響を打ち消すことができる。更に、上側電磁 極及び下側電磁極の光軸 Lを含む面における断面形状を台形とし、ボーァ 32が単 調に変化するようにしたので、ウィーンフィルタ 30の上端及び下端におけるフリンジ 磁場及びフリンジ電場の差を小さくすることができ、これによりウィーン条件への影響 が低減される。また、上側と板側が一体になつているので、上側と下側の製作精度の 劣化を防止することができる。なお、図 1A及び図 1Bに示したウィーンフィルタの構成 を、以降で説明する他の実施形態に適用してもよいことは勿論である。

[0030] 図 2は、本発明に係る電子線装置の第 2の実施形態を概略的に示す図である。こ の実施の形態における電子線装置も、第 1の実施の形態と同様に、電子銃 G、電子 光学系 A、 B、 C及び検出器 Dを備えており、電子銃から放出された電子線は電子光 学系 A、 Bを通過して試料 Sを照射し、それによつて試料 Sから放出された 2次電子線 は電子光学系 Cによって導かれて検出器 Dに至る。

[0031] 図 2において、電子光学系 Aは、軸合わせ偏向器 41、コンデンサレンズ 42、軸合 わせ偏向器 43、複数の正方形の開口を有する成形開口部材 44、コンデンサレンズ 45、軸合わせ偏向器 46、成形レンズ 47、及び 1次電子線軌道調整用偏向器 48を 備えている。ここで、成形開口部材 44に開口が複数あるのは、開口が汚れた場合の 交換用及びピクセル寸法を変えたときの異なる寸法のものであって、電子線は 1つで ある。電子銃 G力 放出された 1次電子線は、光軸 Lに沿って進むように軸合わせ偏 向器 41によって偏向され、次いでコンデンサレンズ 42によって集束されて、成形開 ロ部材 44の 1つの正方形開口を一様に照射し、これによつて、正方形の断面形状を 有する 1次電子線が形成される。正方形断面の 1次電子線は、コンデンサレンズ 45 及び成形レンズ 47によって倍率調整され、軸合わせ偏向器 46及び軌道調整偏向器 48によって、正方形の 1次電子線が光軸 L力 外れた位置にある開口部材 501に向 力うよう軌道修正されて、電子光学系 Bに入る。 1次電子線は、ビームエネルギが高 い場合には、軌道 L1を通り、ビームエネルギが低い場合には、ビーム分離器 49によ る偏向角が大きいので、軌道 L2を通るよう制御される。

[0032] 電子光学系 Bは、例えば電磁偏向器であるビーム分離器 49、 NA開口部材 50及 び複数枚（図 2では 3枚)の電極を有する対物レンズ 51を備える。 NA開口部材 50は 、図 2Aに示すように、正方形の穴 501と 4分割されたリング状の穴 502とを有しており 、電子光学系 Aから送出された正方形の 1次電子線は、試料 Sの 2次光学系の光軸 位置に入射するようにビーム分離器 49によって進行方向を変更され、 NA開口部材 50の正方形の穴 501を通過した後、対物レンズ 51によって所定の寸法に集束され て、試料 Sの面上に合焦される。

[0033] 対物レンズ 51の 3枚の電極のうち、中央電極 511は、図 2に示すように、円板部分 5 11と該円板部分に垂直な円筒部分 511とを組み合わせた形状をしている。この結

1 2

果、試料面上での電界強度が小さぐレンズのある光軸上では 1次電子線のエネル ギが高くなるので、低収差となる。また、試料 Sに近い方の電極 512に中央電極 511 よりも低い電位を与えることによって、試料面の近傍の電界を、放電を回避することが できる値、例えば 1. 8kVZmm以下にすることができる。更に、中央電極 511の電極 513側の面は平面であり、それにより、試料 S力も遠い方の電極 513との間隔を小さく することができるので、比較的小さい電圧を電極 513に与えるだけで、所要の焦点距 離を設定することができる。

[0034] 正方形の 1次電子線の照射により試料 Sから放出された 2次電子線は、対物レンズ 51によって集束され、 NA開口部材 50の 4分割されたリング状の穴 502 (図 2A)を通 過して断面が中空のホロ一ビームとされる。後述するように、電子光学系 Cの収差補 正レンズによって軸上色収差が補正されるので、リング状の穴 502によって大きい開 口角のホロ一ビームを作ることができ、それぞれのビームは距離を置くことになるから

、相互作用が低減する。このため、空間電荷効果によるボケは小さい。また、 1次電 子線はリング状の穴 502から離れた穴 501 (図 2A)を通過するので、 1次電子線によ る空間電荷が 2次電子線のボケを生じさせる量は、無視し得るほど小さい。リング状の 穴 502によってホロ一ビームとされた 2次電子線は、ビーム分離器 49によって 1次電 子線から分離されて電子光学系 Cに入射する。

[0035] 電子光学系 Cは、静電偏向器 52、収差補正レンズ 53、補助レンズ 54、第 1拡大レ ンズ 55、補助レンズ群 56、第 2拡大レンズ 57及び偏向器 58を備える。ビーム分離器 49で分離された 2次電子線は、静電偏向器 52により、ビーム分離器 49で生じる偏向 色収差を補正するよう偏向されるとともに、試料 Sに垂直な方向に進むよう進路を偏 向されて収差補正レンズ 53の物点 59に 2次電子像を形成する。

[0036] 収差補正レンズ 53は、例えば 12極のウィーンフィルタであり、第 1の実施形態にお けるウィーンフィルタ 6と同様に、図 1A及び図 1Bに示したと同様の 2段構造をしてい る。軸上色収差及び球面収差を補正するために、収差補正レンズ 53には、ダイポー ル電磁界がウィーン条件を満たすように与えられ、 4極子電磁界によって負の軸上色 収差を作り、 6極子電磁界と 8極子電磁界とで負の球面収差を作るよう制御される。収 差補正レンズ 53は、非分散となるよう、物点 59から発散した 2次電子線を中間点 60 に集束させた後、像点 61に 2次電子像を形成する。像点 61は補助レンズ 54の主面 に位置する。図 2に示すように、収差補正レンズ 53の 2次電子線の進行方向におけ る長さは、物点 59と像点 61との距離よりも小さい。また、物点 59からフィルタの一端 までの寸法 dは、中間点 60からフィルタの対向端までの距離 d、 d及びフィルタの他

1 2 3

端力 像点 61までの距離 dに等しい。

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[0037] 上記のように、収差補正レンズ 53としてウィーンフィルタを用いると、 2次電子線のビ ーム軌道は軸対称となり、視野が広いため、広がりのある 2次電子像であっても、全 体を低収差にすることができる。また、視野が広いため、収差補正レンズ 53の軸合わ せは容易である。

[0038] 補助レンズ 54は、 2次電子像の結像条件に影響を与えることなぐ NA開口部材 50 のリング状の穴 502の像を第 1拡大レンズ 55の主面に結像させる。第 1拡大レンズ 55 は 2次電子の像を拡大し、拡大された像は補助レンズ群 56の 1つに結像される。さら に、 2次電子の像は、第 2拡大レンズ 57によって更に拡大され、検出器 Dに結像され る。補助レンズ群 56は複数の（図 2では 3段の）レンズからなるので、ピクセル寸法を 変えた場合であっても対応可能である。ピクセル寸法が最小のときは、補助レンズ群 56のうちの第 2拡大レンズ 57に最も近いレンズが使われ、他のレンズは励起されな い。このレンズの主面に結像された 2次電子像は、第 2拡大レンズ 57で大きく拡大さ れ、検出器 Dに最大の拡大率の 2次電子像が形成される。逆に、ピクセル寸法が最 大のときには、補助レンズ群 56のうちの第 2拡大レンズ 57から遠いレンズに 2次電子 像が形成され、検出器 Dには同じ寸法の拡大像が形成される。

[0039] 検出器 Dを複数の CCD装置を配列した構成とすると、 CCDのデータ読み出し時間 の方が露光時間よりも長いことによる無駄な待ち時間を生じさせないで済む。例えば 、図 2Bに示すように、検出器 Dを 4つの CCD装置 62〜65を同一面上に配列した構 成とした場合、偏向器 58は第 2拡大レンズ 57から出た 2次電子線を偏向させ、第 2拡 大レンズ 57によって拡大された 2次電子像を 4つの CCD装置 62〜65に順番に結像 させる。これにより、 CCD装置のデータ読み出し時間が露光時間の 4倍であっても、 無駄な待ち時間なしに、 2次電子像の検出を連続的に行うことができる。

[0040] 次に、図 3を用いて、本発明に係る電子線装置の第 3の実施形態を概略的に説明 する。この第 3の実施の形態における電子線装置も、これまで説明した 2つの実施形 態と同様に、電子銃 G、電子光学系 A、 B、 C、及び検出器 Dを備えており、更に、検 出器 Dからの出力に応じて対物レンズへの印加電位を調整する制御系 Eを有する。 電子銃 G力 放出された電子線は、電子光学系 A、 Bを通過して試料 Sを照射し、そ れによって試料 Sから放出された 2次電子線は、電子光学系 Cによって導かれて検出 器 Dに至る。

[0041] 電子光学系 Aは、 2つのコンデンサレンズ 71、 72、長方形の開口を持つ開口部材

73、 2つのレンズ 74、 75及び入射点調整用の 2段の偏向器 76を備える。電子銃 Gは 例えば LaBの力ソードを持ち、該カソードから放出された電子線は、 2段のコンデン

6

サレンズ 71、 72によって集束され、開口部材 73の長方形の開口を一様な照射強度 で照射する。この開口によって断面長方形に成形された 1次電子線は、 2段のレンズ

74、 75によって所望の倍率で縮小又は拡大され、更に、偏向器 76によって、電子光 学系 Bの所定の入射点に入射するよう進行方向を調整される。このような調整が必要 なのは、 1次電子線のエネルギが小さい場合にはビーム分離器 77での偏向角が大き いので、軌道 L3を取るようにするためである。

[0042] 電子光学系 Bは、ビーム分離器 77と 3枚の電極を有する第 1対物レンズ 78とを備え 、ビーム分離器 77は例えば電磁偏向器である。偏向器 76によって進行方向が調整 された 1次電子線は、ビーム分離器 77の中心から所定の距離だけ離れた点、例えば 4mm離れた点に向力つて入射し、ビーム分離器 77によって角度 |8 « α )だけ偏向 される。 βは例えば 23度である。これによつて、 1次電子線は、試料 Sに対して α— βの角度を持って第 1対物レンズ 78に入り、第 1対物レンズ 78によって集束されると ともに、更に僅かに偏向されて試料 Sを照射する。

[0043] 1次電子線の照射によって試料 Sから放出された 2次電子線は、第 1対物レンズ 78 によって集束され、次いで、ビーム分離器 77によって、進行方向を 1次電子線力 離 れるよう偏向されて電子光学系 Cに入る。電子光学系 Cは、ビーム軌道修正偏向器 7 9、 ΝΑ開口部材 80、 3枚の電極を有する第 2対物レンズ 81、収差補正レンズ 82、第 1拡大レンズ 83、補助レンズ群 84及び第 2拡大レンズ 85を備えて!/、る。

[0044] ビーム分離器 77によって分離された 2次電子線は、ビーム軌道修正偏向器 79によ つて更に偏向されて、試料 Sの法線方向と平行な方向に進む。ビーム軌道修正偏向 器 79も例えば電磁偏向器であり、ビーム分離器 77が 1次電子線を偏向した角と同じ 角度で且つ逆方向に、即ち αだけ 2次電子線を偏向する。これにより、 2次電子線 の主光線を試料 Sに垂直に進ませるとともに、試料力 発散したビームが 2段のレン ズ間で平行ビームとなるため、偏向色収差を除去することができる。なお、ビーム分 離器 77及びビーム軌道修正偏向器 79における偏向によって非点収差が発生する 可能性がある。これを除去するため、これらのビーム分離器には非点収差補正用の 電流を重畳することが望ましい。また、ビーム軌道修正偏向器 79を、その偏向角の 1 Ζ2の角度だけ電子光学系 Cの光軸 L'に対して傾けることにより、ビーム分離器が小 口径であっても、歪みを生じなくすることができる。

[0045] ビーム軌道修正偏向器 79によって偏向された 2次電子線は、 ΝΑ開口部材 80で制 限され、第 2対物レンズ 81によって僅かに縮小された 2次電子像を収差補正レンズ 8 2の物点 86に形成する。なお、 ΝΑ開口部材 80の光軸 L'方向の位置を調整すること により、コマ収差を最小にすることができ、また、倍率色収差も充分小さくすることがで きる。ここで、第 1対物レンズ 78と第 2対物レンズ 81との縮小率を大きくしたとき、 2次 電子線は実線 87で示す経路を進み、第 1対物レンズ 78と第 2対物レンズ 81との縮小 率を小さくしたときには、 2次電子線は点線 88で示す経路を進む。

[0046] 収差補正レンズ 82の構成は、図 1に示す収差補正レンズ 6と同様であり、ここでの 説明は省略する。収差補正レンズ 82は、物点 86における 2次電子像を像点 89に形 成し、像点 89からの 2次電子線は、第 1拡大レンズ 83、補助レンズ群 84及び第 2拡 大レンズ 85によって倍率を調整され、検出器 Dの画素ピッチに一致するよう所望の 大きさに拡大された像を、検出器 Dに形成する。

[0047] 検出器 Dからの出力は制御系 Εの CPU90に供給され、 CPU90は、検出器 Dの出 力を用 ヽて試料面の 2次元画像信号を生成する。この 2次元画像信号を用 ヽて表示 された画像に収差が含まれる場合、その収差を補正するため、 CPU90からの指令 に基づいて、制御電源 91は、第 1対物レンズ 78及び第 2対物レンズ 81の各電極に 与える電圧を調整する。

[0048] ここで、第 1対物レンズ 78及び第 2対物レンズ 81について説明する。第 1対物レン ズ 78は、電極 781、 782、 783を有しており、その中央電極 782は、中央に電子線通 過用の開口を有する円錐台部分とその周囲の円板部分とからなる。こうした形状にす ることにより、コマ収差を小さくし、しかも、比較的小さな正の電圧で所望の焦点距離 を得ることができる。試料 Sに近い方の電極 783に与える電圧を低くすることにより、 試料面での電界強度を小さくして放電を回避することができる。逆に、電極 783に与 える電圧を高くすると、対物レンズ 78の軸上色収差係数を小さくすることができるの で、第 1対物レンズ 78及び第 2対物レンズ 81による軸上色収差を、収差補正レンズ 8 2の負の軸上色収差によって打ち消すことが容易になる。また、電極 781に与える電 圧を例えば士 100V程度変化させることにより、試料面の凹凸によるフォーカスのズレ をダイナミックに補正することができる。

[0049] 第 2対物レンズ 81も複数（図 3では 3枚）の電極を持ち、中央の電極に与える電圧を 調整することにより、 1次電子線の結像位置 86を変えることなぐ 2次電子像の倍率を 調整することができる。この結果を用いて、第 1対物レンズ 78と第 2対物レンズ 81の 球面収差補正係数或いは軸上色収差補正係数を微調整することもできる。

[0050] ここで、図 4A〜図 4Eを用いて、本発明の電子線装置の第 1〜第 3の実施形態にお いて、ビーム調整のために用いることができるマークについて説明する。図 4Aは、 3 種類の径の異なる穴を有するマーカー板 101を示している。図 4Aに例示したマーカ 一板 101には、径が最小の小マーカー穴 102 (3個）、径が中間の中マーカー穴 103 (3個）、及び径が最大の大マーカー穴 104 (3個）がそれぞれ行方向に並ぶように形 成されており、これらのマーカー穴以外の領域は、 2次電子放出率の大きい導電性 材料で両面ともコーティングされている。図 4Bは、マーカー板 101の断面形状を示し ている。

[0051] このマーカー板 101を試料 Sと同じ高さの位置に置き、 1次電子線を照射して検出 器 Dによってマーカー穴 102、 103又は 104の 2次元像を検出する。このとき検出さ れる像の例を、図 4C、図 4D及び図 4Eに示す。電子銃 G力 試料 Sを経て検出器 D に至る電子線の光路における補正レンズの軸合わせが適切でな!、場合には、図 4C に示すようなコマ収差が観察されるので、図 4Dに示すような円形の像を得るよう軸合 わせを行う必要がある。実際には、図 4Eに示すように、マーカー穴 102は小さいので 、コントラストが極めて低い像となり、収差が検出し難い。一方、マーカー穴 104の像 はコントラストが大きく且つはっきりしてはいる力 マーカー穴が大きいことによって像 のボケも大きくなり、微妙な収差を見逃す危険性も生じ得る。そこで、最適な穴径を選 択すればよい。

[0052] または、別のマーカーとして、図 4Fに示すように、マーカー板 101 'を 2次電子放出 率の小さい薄膜で作り、マーカー穴 102〜104の代わりに、重金属のドットによるマ 一力一 105を Si薄膜上に形成したものを用いてもよい。

[0053] 図 5は、本発明に係る電子線装置の第 4の実施形態の概略図を示して 、る。この実 施形態は、マルチビーム SEM型の電子線装置である。該電子線装置においては、 電子銃 G力 放出された電子線は、複数の開口 2—1に照射され、縮小レンズ 3—1 により位置 4—1に縮小像を形成する。そして、非分散のウィーンフィルタ 5—1により 位置 8— 1及び 9— 1に結像され、タブレットレンズ 10— 1及び 17— 1でさらに縮小さ れて、試料 S上にマルチビームの縮小像を形成する。タブレットレンズ 17— 1は、該レ ンズの試料 Sの側に磁気ギャップ 19 1を設けた磁気レンズであり、対物レンズとして 機能する。

[0054] より詳細に説明すると、ウィーンフィルタ 5— 1は、入射側及び出射側の 2つの領域 のボーァ径 6—1が小さく設定されていて該領域で集束作用を行い、中央領域のボ ーァ径 7— 1が大きく設定されてフィルタ作用が行われな 、ように構成されて 、る。位 置 9—1の縮小像力も発散したビームは、タブレットレンズ 10— 1により平行ビーム 13 — 1となり、ビーム分離器 12— 1の所定の位置力も入射するように、電磁偏向器 11— 1により偏向される。平行ビーム 13— 1は、ビーム分離器 12— 1により試料 Sの表面に 対して垂直となるように偏向される。ビーム分離器 13 - 1により偏向された平行ビーム は、 2段の静電偏向器 14— 1及び 15— 1によりラスタスキャンされ、かつ、軸対称電 極 16— 1により低収差ィ匕される。ラスタスキャンを行うための 2段の静電偏向器 14— 1 及び 15— 1は、偏向支点と 2つの偏向方向とを最適化した条件で駆動され、また、偏 向器 14— 1及び 15— 1の Z方向（光軸方向）の位置は、後述するように、シミュレーシ ヨンにより最適化することができる。軸対称電極 16— 1に試料 Sとの間で放電を生じさ せない程度の高電圧を印加することにより、低収差ィ匕を図ることができる。

[0055] 1次電子ビームの照射により試料 Sから放出された 2次電子は、静電偏向器 15—1 及び 14— 1により光軸方向に偏向されながらビーム分離器 12— 1に入射する。 2次 電子は、該ビーム分離器 12— 1により、図において右側に偏向されて 2次電子光学 系の拡大レンズ 23— 1に向かう。拡大レンズ 23— 1で拡大された 2次電子像は、次の 拡大レンズ 24—1でさらに拡大され、そして、検出器 Dにおいてマルチチャネルの S EM像が得られる。

[0056] ビーム分離器 12—1は、電磁偏向器で構成されており、図 5に示すように、 2次電 子ビームがビーム分離器 12— 1内を走行する距離が、 1次電子ビームがビーム分離 器 12— 1内を走行する距離の 3倍程度となるよう構成されている。したがって、ビーム 分離器 12—1における磁界を、 1次電子ビームを 10度程度の小角度だけ偏向するよ うに設定した場合であっても、 2次電子ビームは 31. 8度（ = 3 X 10 X ^ (4. 5/4) ) 程度偏向されるため、 1次電子ビームと 2次電子ビームとは十分に分離される。これは 、ビーム分離器 12— 1の位置での 1次電子ビーム及び 2次電子ビームのエネルギは それぞれ 4. 5KeV及び 4. OKeVであり、ビーム分離器 12— 1が電磁偏向器であるこ とから、偏向角がエネルギの（1Z2)乗に逆比例するためである。上記の式により、 2 次電子ビームの偏向角度が求められる。

[0057] また、 1次電子ビームを 10度程度以下の小角度だけ偏向可能なようにビーム分離 器 12— 1を設定することにより、 1次電子ビームに比較的小さい収差しか生じないこと になる。また、ビーム分離器 12— 1により 1次電子ビームに偏向色収差が生じたとして も、該収差の絶対値と、ビーム分離器 12— 1による偏向方向と逆方向に偏向する電 磁偏向器 11 1により生じる偏向色収差の絶対値とを等しく設定することにより、偏 向色収差を打ち消すことができる。また、他の偏向収差も小さい。

[0058] なお、 2次電子ビームは、偏向収差はあまり問題とならないので、ビーム分離器 12

1により大きく偏向しても、問題が生じない。

さらに、ビーム分離器 12—1で発生する偏向色収差は偏向器 11— 1で打ち消され るので、ビーム分離器 12— 1を試料面と共役の位置に配置する必要がない。そのた め、電子光学系設計の自由度が増えて、光路長を大幅に短くすることができ、空間 電荷効果を小さくすることができる。

[0059] 図 5Aは、図 5に示した電子線装置の電磁偏向器 11—1及びビーム分離器 12— 1 を、図 5の矢印 aの方向であって、紙面に平行な方向力も見た図を示している。ビーム 分離器 12— 1は、強磁性体であるパーマロイコア 21— 1に 2つの平行平板力もなる 磁極面で形成される磁気ギャップ 20— 1が 2力所形成され、上側のギャップを 1次電 子ビームのみが通過し、下側のギャップを 1次及び 2次電子ビームの両方が通過する 。 22— 1及び 22'— 1は励磁コイルである。

[0060] 図 5Bは、電磁偏向器 11 1及びビーム分離器 12— 1を、図 5の紙面に垂直な方 向（手前側）から見た図である。電磁偏向器 11—1を構成する磁気コアは、図 5Bの 紙面の裏側力 手前方向に出て右下方向へ曲げられ、紙面に垂直に向かう。ビーム 分離器 12— 1を構成する紙面の裏側の磁気コアは、紙面の裏側へ出て図の左上側 に曲げられ、紙面の裏側力 紙面方向に向かう。磁気コアの断面は、図 5及び図 5B に示すような、上に凸及び下に凸の形状を備えている。そして、電磁偏向器 11—1で 紙面の裏側力も表側に向力 磁力線が、ビーム分離器 12— 1で紙面の表側力も裏側 へ向かうように、励磁コイル 22—1が巻かれている。なお、図 5Bにおいては、励磁コ ィル 22，一 1は、紙面の前面側のコイルのみを示している。図 5Bは図 5の紙面に直交 する上側からみた図であるため、図 5の矢印から見たときに左側のコイル、すなわち 図 5Aのコイル 22'— 1が図 5Bに示されたコイルである。

[0061] ビーム分離器 12—1がこのような構成を備えることにより、 1次電子ビームを小角度 偏向しかつ 2次電子を大角度偏向することができ、問題となる 1次電子ビームの偏向 収差を比較的小さくすることができるとともに、 1次電子光学系の光路長を短くするこ とがでさる。

[0062] 上記したビーム分離器 12—1は、磁気コアに励磁コイルを卷回した構造を有してい る力 励磁コイルを卷回する代わりに、永久磁石を用いても良い。図 5Cは、永久磁石 を用いたビーム分離器を示しており、 NSで表した薄 ヽ 2枚の永久磁石を磁気コアの 適宜の位置に配置している。図 5Cに示したビーム分離器を用いれば、真空中にコィ ルを入れる必要がなぐ磁場の強さも変動しないので、安定に動作することができる。 また、図 5A及び図 5Bに示したビーム分離器と同様に、 1次電子ビームを小角度偏 向しかつ 2次電子を大角度偏向することができ、 1次電子ビームの偏向収差を小さく することができるとともに、 1次電子光学系の光路長を短くすることができる。

[0063] 図 6は、本発明に係る電子線装置の第 5の実施形態を示しており、この実施形態に おいては、電子線装置は写像投影型の電子光学系で構成されている。この電子線 装置において、電子銃 G力も放出された電子線は、長方形開口 32— 1を一様な強度 で照射し、その結果得られた長方形の 1次電子ビームは、 2段のレンズ 33— 1及び 3 4—1で縮小率が調整され、電磁偏向器 35— 1で偏向される。そして、対物レンズ 36 — 1を介して、 38— 1で示す軌道（例えば、 4〜15° の範囲）で試料 S上に入射され る。

[0064] 1次電子ビームの照射により試料 Sから放出された 2次電子は、対物レンズ 36— 1を 通過し、 NA開口 40—1で適宜の解像度に制限され、タブレットレンズ 42—1で収束 されて、軸上色収差補正レンズ 44—1の物点 43に拡大像を生成する。この像は、軸 上色収差補正レンズ 44— 1により点 47— 1及び点 48 - 1に像を形成し、非分散のゥ ィーン条件を満たすことになる。次いで、点 48— 1の像は拡大レンズ 49— 1及び 50 1で 2段に拡大され、検出器 Dに拡大像を結像し、これにより、 2次元像が形成され る。

[0065] NA開口 40— 1の上下には、電磁偏向器 35— 1の偏向磁場が 2次電子ビームの軌 道に漏れないようにシールドするためのテーパ付きのパイプ 39— 1及び 41 1が配 置されている。該パイプに、レンズ側で径が大きく NA開口側で径が小さいテーパを 付けたこと〖こより、 2つの静電レンズの特性劣化を防止することができ、また電極のコ ンパクトイ匕を図ることができる。

[0066] 図 6Aは、図 6に示した電子線装置の電磁偏向器 35— 1を、図 6の矢印 bの方向か ら見た図を示している。電磁偏向器 35— 1は、磁気ギャップ 53— 1をつなぐパーマ口 ィコア 54— 1を有し、該パーマロイコアには励磁コイル 55— 1が卷回されている。 電磁偏向器 35— 1は、約 2mmの磁気ギャップ 53— 1の形状が図 6に示すようにビ ームの入射点及びビームの出射点でビーム軌道に直角になっている。磁気ギャップ

53 - 1をパーマロイコア 54— 1で結んだ形状を有して!/ヽる。

磁気ギャップ力 紙面の上側へ延びたパーマロイコア 54— 1は、光軸を避けて図の 右側へ回り、紙面の裏側へ延びている。そして、そこで左へ曲がり、紙面の裏側に位 置するギャップに接続されて 、る。

[0067] 第 5の実施形態は、図 5に示した第 4の実施形態と共通の言い方をすれば、ビーム 分離器 (すなわち電磁偏向器) 35— 1を通るビームの光路長が、低収差を必要とする 2次電子ビーム側で短く（この例ではゼロ）、低収差をさほど必要としない 1次電子ビ ーム側で長 、ことを特徴として 、る。

[0068] 図 7は、図 5に示した第 4の実施形態における軸上色収差補正レンズ 5— 1及び図 6 に示した第 5の実施形態における軸上色収差補正レンズ 44 1の断面図（光軸に直 交する 1Z4断面図）を示している。軸上色収差補正レンズは、中央部で一度結像さ せることにより非分散の条件を満足している。該軸上色収差補正レンズにおいて、電 極兼磁極 (電磁極） 57— 1は、光軸近傍の放射状の面 58— 1と、励磁コイル 59— 1 が卷回される面 64— 1とを備えている。面 64— 1は、外方に向力 に連れて板厚が薄 くなつているが、ただし、最外端は、ネジ締めをするために厚くなつている。各面が交 差又は連接して 、る部分はすべて曲面として、鋭 、エッジが形成されな 、ようにして いる。例えば、電磁極 57— 1の最も光軸に近い部分は 0. 5R程度、面 58— 1と面 64 — 1との連接部分は 100R程度、電磁極 57— 1の最外端の左右端は 5R程度に設定 されている。

[0069] 軸上色収差補正レンズはさらに、各励磁コイル 59— 1の外側には金属カバーが被 覆され該コイルの被膜用絶縁物が光軸方向力も見えないようにして、スぺーサ 56— 1の表面が帯電したとしてもその電荷による電界が光軸方向へ漏洩しな 、ように、金 属カバーによりシールドしている。隣接する金属カバーの間隔は、放電が回避できる 最小の幅に設定されている。電磁極 57—1は、位置 63— 1でコア 55— 1に周方向で 2力所以上でネジ止めされて 、る。

[0070] 本発明の電子線装置係る第 4及び第 5の実施形態においては、上記したように、 1 次電子ビームと 2次電子ビームとを分離するビーム分離器が、低収差を必要とする 1 次電子光学系側の電子ビーム通過軌道が、 2次電子ビーム通過軌道よりも短 、ため 、ビーム分離器で発生する 1次電子光学系の収差を小さくすることができる。さらに、 ビーム分離器を試料面と共役位置に配置する必要がないため、光路長を大幅に短く することができ、よって、空間電荷効果を小さくすることができる。

また、写像投影型の電子光学系を有する第 5の実施形態においては、 2次電子ビ ームがビーム分離器を通らな 、ので、ビーム分離器で発生する収差を無くすことがで きる。

[0071] 図 8は、本発明に係る電子線装置の第 6の実施形態を示す該略図である。この第 6 の実施形態においては、電子銃 G力 放出された電子線は、コンデンサレンズ 2— 2 で集束され、マルチ開口 3— 2を一様な強度で照射する。マルチ開口 3— 2を通過し てマルチビームとなったビームは、回転調整レンズ 4 2と縮小レンズ 5— 2とで 2段に 縮小され、位置 22— 2に縮小像を作る。この位置 22— 2は軸上色収差補正レンズ 6 2の物点になり、このレンズは位置 23— 2に等倍の負の軸上色収差を持つ像を形 成する。この像はさらに、対物レンズ 10— 2で縮小され、試料 S上に縮小像を作る。

[0072] 軸上色収差補正レンズ 6— 2は、 12極の電極兼磁極が放射状に形成されたウイ一 ンフィルタであり、物点 22— 2から放出されたビームが一度フィルタの中央で結像し、 さらに位置 23— 2で等倍の像を作るように電磁界を与える。これにより、このウィーン フィルタは、非分散即ち、エネルギの異なるビームも位置 23— 2で、同一の XY位置 に結像する。この条件が非分散ウィーン条件と呼ばれ、電界と磁界が直交するように 電磁界が与えられる。さらに、 12極子に 4極子電界と 4極子磁場を与えることによって 、負の軸上色収差係数を発生させることができる。すなわち、位置 23— 2でエネルギ の高 、ビームが位置 23 - 2の電子銃 G側で結像し、エネルギの低 、ビームが位置 2 3 - 2の試料 S側に結像する。この位置 23 - 2の像を対物レンズ 10— 2を介して試料 Sに結像させると、対物レンズの正の軸上色収差のため、すべてのエネルギの電子 線力 同じ場所に結像する。定量的には、軸上色収差補正レンズ 6— 2が作る負の軸 上色収差係数の絶対値と、対物レンズ 10— 2の物点での軸上色収差係数とを一致さ せると、試料面 Sで軸上色収差の無い像が得られる。

[0073] 軸上色収差が有る場合、 20mmd以下に制限されていた開口角が、軸上色収差補 正をすることにより、 30mrad以上と大きくしても 25nm以下の解像度が得られ、 60mr adの開口角でも 50nm以下の解像度が得られる。 60mradの開口角とすると、 20mr adの開口角の場合の 9倍のビーム電流が得られ、高速評価ができる。

[0074] 図 8において、 9— 2は電磁偏向器力 成るビーム分離器であり、電磁偏向器 7— 2 によって偏向色収差が補正される。 1次電子線は、静電偏向器 8— 2、 13— 2により、 試料 Sの面上を走査する。パターン評価を行う時、及び、後述するようにフォーカス条 件を変えて z位置 (z方向位置、すなわち軸線方向位置)を測定する場合は、試料面 から 38. 7mmの位置 24— 2を偏向中心とした。これは、コマ収差と偏向色収差の和 が最小になるように、シミュレーションによって求めた値である。また、後述するように 信号波形を取得して Z位置を測定する際は、 1次ビームが 11— 2又は 12— 2の軌道 を取るようにし、 17— 2又は 18— 2を偏向中心とした。これらの位置は、試料 Sに近い 位置である。

[0075] 軸対称レンズ 15— 2には放電を起さない程度の正の高電圧が印加され、球面収差 を小さくする。 14 2は、 100V前後の電圧で ± 50 m程度のフォーカス位置を調 整できるダイナミックフォーカス用の円筒電極である。

[0076] なお、レンズの焦点距離を高速で変化させた 、場合、電磁レンズの場合はダイナミ ックフォーカスコイルを設けて、そのコイル電流を変化させる方法が多々用いられる。 100V前後の電圧変化で焦点距離を必要な値だけ変化できれば、より高速でダイナ ミックフォーカスができる。本実施例では、対物レンズの磁場がゼロでない場所に軸 対称電極 14— 2を設けることによって、フォーカス調整を行っている。すなわち、この 軸対象電極 14 2に正の電圧を印加すると、該電極を通るビームエネルギが若干高 くなり、焦点距離を少し長くすることができ、逆に負の電圧を与えると集束力が少し強 くなり、焦点距離を短くすることができる。

[0077] ビーム分離器 9 2で分離された 2次電子は、拡大レンズ 19 2、 20— 2で倍率を 調整され、検出器 (マルチ検出器) Dで検出される。ここでレンズ 20— 2は回転レンズ が使われ、該レンズにより 2次電子像の方向と検出器の並び方向が合される。

[0078] 次に、図 9A、図 9B、及び図 10を参照して、本発明に係る電子線装置を用いてパ ターン評価中に、試料面の Z位置を測定する方法について説明する。なお、以下の 説明においては、図 8に示した第 6の実施形態に関連して説明するが、他の実施形 態の電子線装置であっても、同様に Z位置を測定することができることは、言うまでも ない。図 10において、 31— 2はダイシングライン、 32— 2は一つのストライプ、 33— 2 は電子光学系の視野で、例えば 200 mX 50 mのサイズを有する。 34— 2はダイ のパターン領域である。試料 Sは矢印 cで示した Y方向に連続移動している。視野 33 2がパターン領域 34— 2に入ってくると、 35— 2で示したような 2本の幅の異る X方 向又は Y方向パターンが存在する場所へビームを移動させ、そこで、偏向器 8— 2、 1 3— 2により、パターンの直角方向にビームを走査させる。その結果、偏向中心が 17 — 2 (図 8)で示すように試料 Sの面より上にある場合は、ビームの走る方向が実線矢 印 dで示した方向となり、 38— 2で示すように、最初に幅広パターンに相当する 2次電 子信号が得られ、次に幅狭パターンに相当する 2次電子信号が得られたとする。この 場合、次に偏向中心を 18— 2 (図 8)で示すように試料 Sの面より下へ移動させ、同じ 走査信号を与えると、ビームが走る方向が点線矢印 eで示した方向となり、 2次電子 信号は最初に幅狭パターンに相当する信号が得られ、次に幅広パターンに相当する 信号が得られるので、 39— 2で示した信号波形が得られる。

[0079] 線間隔 1を信号波形の電圧パルス間隔 V又は Vで割算した値、即ち走査感度（ μ

1 1 2

mZV)を縦軸にプロットすると、図 9Bに示したように、直線上に乗る。なお、 2段の偏 向器 8— 2、 13— 2で試料上を走査する場合、上段の偏向器 8— 2に与える電圧と、 下の偏向器 13— 2に与える電圧比を固定して電圧を変えることによって、偏向中心 を固定した状態で走査が行なわれる。偏向中心を変える必要がある場合、この電圧 比を変えるが、片側の電圧を固定し、他側の電圧のみ変化させて電圧比を変えると する。走査感度を定義する時、この固定した側の電圧で定義すると、偏向中心を変え ても共通に走査感度が定義できる。すなわち、偏向中心を試料から遠くへ設けると走 查感度は大きくなり、また、偏向中心を試料より下側に設けると走査感度は負の値に なる。図 9Bに示した走査感度（ μ m/V)の電圧 Vは、偏向中心を変える時に電圧を 変えなかった側の偏向器に与える電圧である。

[0080] 走査感度は直線で表されるので、偏向位置は任意の 2点でょ 、。 Z位置はこの直線 が走査感度 0を横切る点である。 Z位置と対物レンズ 10— 2の励起電圧との関係は予 め測定しリストイ匕してあり、したがって、該リストに基づき、 Z位置の値力 対物レンズの 励起電圧を換算することができる。

以上のパターン間隔を測定する方法では、狭い幅の 2本パターンが必要である。こ のようなパターンが無い時は、パターンエッジの信号波形の立ち上がりで測定しても よい。この場合は、以下に述べるように、レンズ条件、すなわち対物レンズ条件を変え て合焦条件を求めればょ 、。 [0081] 図 10の 40— 2で示したパターンエッジをエッジに直角方向にビームを走査した時 の信号波形は、フォーカス条件を 3条件変えて信号取得を行うと、 41—2, 42—2, 4 3 2で示した波形が得られる。横軸をフォーカス条件を与える軸対称電極 13— 2〖こ 印加する電圧とし、縦軸を信号の立ち上がり幅 44 2としてプロットすると、図 9Aに 示したような曲線が得られる。この曲線を 2次曲線で近似すれば、信号立ち上がり幅 が最も狭 ヽ対物レンズの最適電圧値 Voptが得られる。この Voptが Z位置に対応し ている。

したがって、対物レンズ 10— 2の電圧値を Voptにして、次の測定までこの対物レン ズの条件で評価を行えばよい。すなわち、最小のボケでパターン評価を行うことがで きる。

[0082] 次に、ステージを連続移動させながら試料の評価を行う場合、何 mm間隔で Z位置 を測定し、フォーカスを微調整する必要があるかについて述べる。この場合、まず焦 点深度を見積る必要がある。図 8に関連して説明したように軸上色収差を補正する場 合は、 30mrad以上の開口角を利用することができる。その場合の焦点深度は、 30η mのボケを許容するとして、焦点深度は 30nm/30 X 10"³= 1 μ mとなる。試料載置 台或いは基板の Z位置の変動要因は、試料 Sの厚みムラの変動と、ステージの Z振動 が主要因である。これらの Z位置変動の予測値から、次に示すように、合焦条件を測 定する周期或いは測定回数を求める。

[0083] 試料 Sの厚みムラの変動は周期が長いので、ステージの Z振動で Z位置測定の周 期が決る。ステージをパターン評価を行う時の速度で移動させ、 Z方向に感度を有す る加速度ピックアップをステージに取り付け、信号波形を振幅モードで測定する。この 振幅波形が： L m変化するのに要するステージの走行距離を求め、その走行距離よ り短い間隔で Z位置測定を行い、フォーカス合わせを行えばよい。ステージがローラ ベアリング等、接触支持方式の場合は、 1mm程度の間隔で測定すればよい。また、 ステージがエアベアリング等、非接触支持方式の場合は、 100mm以上走行しても上 下動は 1 μ m以下であり、試料の厚み変化の方が大きいので、この場合はダイ毎に 測定すればよい。

[0084] 次に、本発明に係る電子線装置を用いて試料の画像を得る際のステージ速度の決 め方について述べる。この場合、条件は以下の通りである。

ビーム数： 16

各ビームの走査ピクセル周波数： 50MHzZpix

走査整定時間： 10 s

ス卜ライプ： 200 /z m

ピクセル寸法： 50nm角

Z位置測定周期： 1mm間隔

[0085] 合焦条件測定等の時間は、偏向中心を変えずにレンズ条件を 3条件変化させる方 法の方が、偏向中心を変える方法より長いので、こちらの条件で見積もる。レンズ電 圧の整定は、ダイナミックフォーカス用の電極 14— 2に印加する電圧を 100V程度変 えるのみで lmsとすると、 3条件と Voptにするのと合計で 4回と、信号取得等で lms で、合計 5msとする。

[0086] 1mmの距離ステージを移動させパターン評価行うのに要する時間は、

[(lmm X 200 μ m)/(16 X 50 X 10— ⁹ X 50 X 10— ⁹)] X 20 X 10— ⁹s

+ [(10 m X 100)/(50 X 10"%)] X 20 X 10— ⁹s

+ [lmm/(16 X 50 X 10— ⁹)] X lO ^ s

+ 5ms

= 0.1s + 0.004s + 0.0125s + 0.005s

となる。ここで、上記式中、第 1項は画素走査時間（lmm X 200 mの面積を 16本のビ ームが走査する時間）、第 2項は信号波形取得時間（例えば、図 9Aの実施例におい ては、電圧 VIおよび V2の値を取得するのに力かる時間）、第 3項は走査整定時間（ 16本のビームが lmm X 200 mの面積を走査するために折り返す回数と折り返しに 力かる時間との積)、第 4項は焦点算出時間である。

従ってステージ移動速度は、

lmm/ (0. 1 +0. 004 + 0. 0125 + 0. 005) sec

=8. olmm/ sec

と算出することができる。

[0087] Z位置測定用の走査時間と Z位置算出時間 0. 005秒間にステージが移動する距 離は、

8. 51mm/s X 0. 005s=42. 5 ^ m

となる。したがって、 Z位置測定前にビームを 42. 5 m、 Y方向 (ステージ移動方向） に移動させ、そこで Z位置測定を行うと、 Z位置測定が終了するのに 0. 005秒かかる 。そして、その間にステージが 42. 5 m進んでいるから、すぐにパターン評価に入る ことができる。

[0088] 従って Y方向の視野寸法は、 42. 5 μ m以上必要である。この値は、ストライプ幅 20 0 mの約 1Z4程度の視野寸法が必要であることを示している。（上記条件に示すよ うに、ステージ速度はストライプ幅の関数である。）このように、 Z位置を測定する前に、 ストライプ幅の 1Z4以上、ビームを試料台移動方向へ移動させた後に、 Z位置測定 を行えばよい。

[0089] このようにすると、 Z位置測定が終了した時、被評価パターンが Y方向の視野中心 に来るので、評価を Y方向の視野中心で行うことができる。なお、上記例では、合焦 条件測定間隔が lmmの場合についてステージ速度を求めている力 一般のステー ジの場合のステージ速度は、合焦条件測定間隔分の画素走査時間、信号波形取得 時間、走査整定時間、焦点算出時間から求めればよい。

[0090] 従来例においては、一般に、超高精度のステージを用い、ゥエーハの厚みむらに 相当する試料面の Zマップを作ってダイナミックフォーカスを行っている。このような方 法では、 Zマップの作製時間が必要でありスループットを低下させると共に、ステージ の Z位置再現性に高精度が必要でステージが高価になり過ぎるという問題がある。本 発明においては、上記したように、パターン評価を行う直前にフォーカス合わせを行う ことにより、 Zマップの作製を不要としているので、高スループットを実現すると共に、 高価なステージを必要とせず、また、軸上色収差を補正して大きい開口角を用いた 電子光学系を用いた場合でも、フォーカスずれを少なくして、試料を高精度で評価す ることがでさる。

[0091] 半導体ゥエーハ検査工程において、本発明の上記した各実施形態に係る電子線 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、 2次電子画像の 像障害が無い状態で高精度に欠陥を検査できるので、製品の歩留向上、欠陥製品 の出荷防止が可能となる。

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

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、これら実施形態 の構成に限定されるものではなぐ当業者であれば種々の変形、変更が可能である ことが明らかであろう。

Claims

請求の範囲

[1] 1次電子ビームを試料に照射し、これにより試料力 放出される 2次電子をビーム分 離器で 1次電子ビーム力 分離し、分離された 2次電子を 2次電子光学系を介して検 出するようにした電子線装置にぉ 、て、

ビーム分離器は、磁気偏向器であって、 1次電子ビーム及び 2次電子の一方に対し ては通過する領域が短く、他方に対しては通過する領域が前記した短!、領域の 2倍 以上となるように構成されて 、る

ことを特徴とする電子線装置。

[2] 請求項 1記載の電子線装置において、

ビーム分離器は、 2つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に卷回した励 磁コイルとからなる

ことを特徴とする電子線装置。

[3] 請求項 1記載の電子線装置において、

2次電子光学系は写像投影光学系であり、

ビーム分離器は、 1次電子ビームを第 2の角度偏向させて試料面の法線力ゝら小角 度傾いた第 3の角度で試料上に入射させ、 2次電子を偏向する第 1の角度がゼロとな るよう構成されている

ことを特徴とする電子線装置。

[4] 請求項 3記載の電子線装置において、

ビーム分離器は、 2つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に卷回した励 磁コイルとからなり、

2次電子光学系は、その光軸の周囲に、ビーム分離器により生じる磁界が光軸に侵 入するのを防止する軸対称シールドを備えて 、る

ことを特徴とする電子線装置。

[5] 電子線装置において、

1次電子ビームを放出する電子銃と、

1次電子ビームを偏向する電磁偏向器と、

1次電子ビームと、該 1次電子ビームが試料に照射された際に該試料力 放出され る 2次電子とを分離するビーム分離器と、

2次電子ビームを検出する検出器と

を有し、ビーム分離器は、 2次電子ビームが該ビーム分離器を走行する距離が、 1次 電子ビームが該ビーム分離器を走行する距離の 3倍となるように構成されていること を特徴とする電子線装置。

[6] 請求項 5記載の電子線装置において、電磁偏向器は、 1次電子ビームをビーム分離 器が偏向する偏向方向と逆方向に偏向するよう設定され、かつ、該電磁偏向器の偏 向により該 1次電子ビームに生じる偏向色収差と、ビーム分離器の偏向により該 1次 電子ビームに生じる偏向色収差の絶対値とが等しくなるように設定されていることを 特徴とする電子線装置。

[7] 電子線装置により、試料上に形成されたパターンを評価するための評価方法におい て、

1次電子線を小角度だけ偏向してビーム分離器に入射させるステップと、 ビーム分離器により、 1次電子線を試料に対して垂直方向に偏向させて試料に照 射するステップと、

ビーム分離器により、試料面力 放出された 2次電子を大きく偏向して 2次電子光 学系に導くステップと、

検出器により、 2次電子光学系を介して受け取った 2次電子を検出するステップと を含んで!/、ることを特徴とする評価方法。