(57)【要約】【課題】超高安定な電源を用いることなく、色収差や球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供する。【解決手段】荷電粒子線１０１を試料１０３上に照射する荷電粒子線応用装置において、荷電粒子線１０１の光軸１０４を含む領域に偏向器が複数配置された偏向器アレイ１０７を少なくとも１つ備え、偏向器アレイ１０７は、荷電粒子線１０１に対して凹レンズの機能を有する。【選択図】図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子線応用装置であって、
前記荷電粒子線の光軸を含む領域に偏向器が複数配置された偏向器アレイを少なくとも１つ備え、
前記偏向器アレイは、前記荷電粒子線に対して凹レンズの機能を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項２】
請求項１記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記荷電粒子線を複数の荷電粒子線に分割する複数の開口を備えた開口部アレイを更に有し、
前記複数の開口は、前記複数の荷電粒子線が前記偏向器アレイでそれぞれ偏向されるように、前記開口部アレイに配置されていることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項３】
請求項２記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記複数の荷電粒子線に対して共通の作用を持つマクロレンズを１つ以上更に有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項４】
請求項２記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記複数の荷電粒子線に対して個別に集束作用を与えるレンズアレイを１つ以上更に有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項５】
請求項２記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記複数の荷電粒子線に対して個別に非点作用を与える四極子アレイを１つ以上更に有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項６】
請求項３記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記複数の荷電粒子線に対して個別に集束作用を与えるレンズアレイを１つ以上更に有し、
前記マクロレンズは第一のマクロレンズを含み、前記第一のマクロレンズは前記偏向器アレイおよび前記レンズアレイより荷電粒子線進行方向の下流側に配置されていることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項７】
請求項６記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記複数の荷電粒子線から、前記光軸からの距離が異なる２つの荷電粒子線Ａ、荷電粒子線Ｂを選ぶとき、前記荷電粒子線Ａに対する前記レンズアレイの焦点距離ｆａは前記荷電粒子線Ｂに対する前記レンズアレイの焦点距離ｆｂと異なる値であり、
更に、前記レンズアレイと前記第一のマクロレンズまでの距離Ｌに対して、
ｆａ＞Ｌかつｆｂ＞Ｌ
の関係を満たすことを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項８】
請求項６記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記マクロレンズは、前記第一のマクロレンズに加えて第二のマクロレンズを含み、
前記複数の荷電粒子線が前記試料に照射された結果発生する二次荷電粒子を検出器する検出器と、
前記複数の荷電粒子線を試料上で走査するための走査偏向器とを更に備え、
前記第二のマクロレンズと前記検出器と前記走査偏向器は、前記第一のマクロレンズより下流側にあることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項９】
請求項４記載の荷電粒子線応用装置であって、
前記レンズアレイは、第一のレンズアレイと第二のレンズアレイとを含み、
前記偏向器アレイは、第一の偏向器アレイと第二の偏向器アレイとを含み、
前記第一のレンズアレイは前記レンズアレイのうち最も上流に配置されており、
前記第一の偏向器アレイと前記第二の偏向器アレイは、前記第一のレンズアレイと前記第二のレンズアレイとの間に配置されていることを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【請求項１０】
前記偏向器アレイはＭＥＭＳプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項１１】
前記偏向器アレイ、あるいは前記レンズアレイはＭＥＭＳプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項４記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項１２】
前記偏向器アレイ、あるいは前記四極子アレイはＭＥＭＳプロセスにより形成されたものであることを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線応用装置。
【請求項１３】
荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子線応用装置であって、
前記荷電粒子線の光軸を含む領域に偏向器が複数配置された偏向器アレイを少なくとも１つ備え、
前記偏向器アレイは、前記荷電粒子線を前記光軸から離れる方向に偏向させる機能を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度、高効率な検査および計測を行うための荷電粒子線応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体や磁気ディスクの製造プロセスにおいて、試料上に電子ビームやイオンビームなどの荷電粒子線(以下、一次ビーム)を照射し、発生した二次電子等の二次荷電粒子(以下、二次ビーム)の信号を取得し、試料上に形成されたパターンの形状や寸法を測定する荷電粒子線測長装置、欠陥の有無を調べる荷電粒子線検査装置などが用いられている。このような荷電粒子線応用装置としては、点状に絞った一次ビームを試料上で走査する、いわゆる走査電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）が使用されてきた。
【０００３】
ＳＥＭは光学顕微鏡よりも高い分解能と深い焦点深度を特徴としており、試料表面のミクロンからナノメーターオーダーまでの表面形状を観察できる。また、物質の種類に応じた反射電子の発生量の差を利用して取得画像のコントラストから異物を検出したり、発生したＸ線の分析により異物の材料を特定するといった表面分析も可能である。このように、ＳＥＭは広く研究用や検査解析用に普及している。ＳＥＭの分解能を決める要因としては回折収差、球面収差、色収差、光源径が挙げられる。このうち光源径は、たとえばＦＥ（Field Emission）電子源のような高輝度電子源を用いることにより十分小さくすることが可能である。これに対し、回折収差は波長と開き角によって決定される物理量であるため、回避は難しい。また、電子レンズは、一般的な回転対称の磁極、あるいは電極によって形成される限り、原理的に凹レンズとなりえないため、光学レンズと異なり、球面収差、色収差の補正は容易ではない。このため、上記の３つの収差をバランスよくして最小ビーム径を得るよう磁界レンズ、静電レンズの形状、組合せを研究してＳＥＭの高分解能化が進んできた。
【０００４】
これまでに、多極子レンズを駆使し回転対称系を崩すことにより、電子顕微鏡の球面収差、色収差を補正する技術が実用化され、従来では到達できなかった分解能が達成されるようになってきた。ＳＥＭにおいては、低加速ビームを使用して試料へのダメージを低くしつつ、高分解能観察することが期待されており、この場合には色収差の影響が特に大きい。このため、色収差を補正できる多極子型収差補正器が主に研究されてきた（特許文献１参照）。このタイプの収差補正器では多極子に使用する電源の安定度は０．１ｐｐｍ程度が要求される。
【０００５】
一方、近年ではＭＥＭＳ技術が発達し、これを利用した小型の電子レンズや偏向器を用いた電子光学系の開発が進められてきた。たとえば、特許文献２では、単一の電子銃から放出される電子線を複数のビームに分割し、アレイ状に並べられた小型のレンズにより個々に集束させることによって複数のビームを形成するマルチビーム型の電子線検査装置が開示されている。また、特許文献３には、ビームをビームレットに分割し、共通結像点に集束する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−４０２５６号公報
【特許文献２】特許第４８７８５０１号公報
【特許文献３】特表２００９−５４３１１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
発明者等は、高分解能観察する際に特に問題となる色収差の補正ができる多極子型収差補正器に注目し、更に検討を行った。その結果、この構成においては今後、１２極子レンズ４段、すなわち計４８系統の超高安定電源（電源の揺らぎとして、１０−１２以下）が必要になることが分かった。この要求を満たすことは技術的、コスト的に難しいことが危惧された。
【０００８】
上述のとおり、収差補正技術は高分解能化のためには必要不可欠な技術であるが、多極子タイプの収差補正器では、高安定な電源が多数必要であるという課題がある。
【０００９】
本発明の目的は、超高安定な電源を用いることなく、色収差や球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するための一実施形態として本発明においては、荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子線応用装置であって、
前記荷電粒子線の光軸を含む領域に偏向器が複数配置された偏向器アレイを少なくとも１つ備え、
前記偏向器アレイは、前記荷電粒子線に対して凹レンズの機能を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置とする。
【００１１】
また、荷電粒子線を試料上に照射する荷電粒子線応用装置であって、
前記荷電粒子線の光軸を含む領域に偏向器が複数配置された偏向器アレイを少なくとも１つ備え、
前記偏向器アレイは、前記荷電粒子線を前記光軸から離れる方向に偏向させる機能を有することを特徴とする荷電粒子線応用装置とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、超高安定な電源を用いることなく、色収差や球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電子線応用装置における収差補正の方法および収差補正器の構成を説明するための断面図であり、（ａ）は収差補正無の場合、（ｂ）は（ａ）において開口アレイを用いてビームを複数に分割した場合、（ｃ）は（ｂ）において偏向器アレイを用いて複数のビームを光軸から離れるように偏向させた場合、（ｄ）は（ｃ）においてレンズアレイを用いて複数のビームの集束位置を一致させた場合、（ｅ）は四極子アレイを用いて非点補正を行った場合、（ｆ）は球面収差を補正する場合である。
【図２】第１の実施例に係る電子線応用装置を説明するための概略全体構成図である。
【図３】第１の実施例に係る電子線応用装置の入出力装置におけるビーム調整画面の一例を示す概略図である。
【図４】第１の実施例に係る電子応用装置における収差補正用電子ビーム調整のフローチャートである。
【図５】第２の実施例に係る電子線応用装置を説明するための概略全体構成図である。
【図６】第３の実施例に係る電子線応用装置における収差補正器の構成を示す概略断面図である。
【図７】第４の実施例に係る電子線応用装置における収差補正器を構成する開口アレイ、レンズアレイの概略構成を示す図であり、（ａ）は開口部が正方配列で形成された開口アレイの平面図、（ｂ）は開口部が光軸から等距離に配列された開口アレイの平面図、（ｃ）は開口部が同心円状に配列された開口アレイの平面図、（ｄ）は開口部が六方細密格子状に配列された開口アレイの平面図、（ｅ）は開口アレイが形成された電極板が積層されたレンズアレイの斜視図である。
【図８】第４の実施例に係る電子線応用装置における収差補正器を構成する偏向器アレイの概略構成を示す図であり、（ａ）は図７（ａ）に対応する偏向器アレイの平面図、（ｂ）は図７（ｂ）に対応する偏向器アレイの平面図、（ｃ）は図７（ｃ）に対応する偏向器アレイの平面図、（ｄ）は図７（ｄ）に対応する偏向器アレイの平面図、（ｅ）は図７（ａ）に対応するがその開口部に対して偏向用電極が４５度回転した偏向器アレイの平面図、（ｆ）は偏向器アレイのうちの一つを拡大した平面図、（ｇ）は（ｆ）のＡＡ’ラインにおける断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
光の場合には凸レンズと凹レンズとを作製することができるため、その組合せにより容易に各種収差補正を行うことができる。そこで発明者等は、荷電粒子を用いた場合であっても凹レンズ機能を実現することができれば荷電粒子線応用装置において、球面収差の補正や色収差の補正を容易に行うことが可能となり、今後必要とされる高分解能観察・検査を行うことができると考えた。この観点で従来技術を見直した結果、マルチビーム型の装置には、分割した複数本のビームを個別に制御できるという利点があること、光軸から離れたビーム程、光軸から外側に偏向するように制御すれば凹レンズの機能が実現できることに思い至った。即ち、小型（数μｍ〜数百μｍ）の電子レンズや偏向器を用いてビームを分割し光軸から外側に一度偏向させた後、収差によって生じる試料上到達位置のずれをキャンセルするよう各ビームを個別に制御することで収差補正を実現する。なお、複数のビームを偏向させるための偏向器アレイ等は公知のＭＥＭＳ技術により作製可能である。
【００１５】
以下、本発明の数々の実施例について、図面に基づき詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、電子線を使用した観察装置、すなわち一般的な電子顕微鏡試料における実施例を示すが、イオンビームを使用する場合、また、検査、計測装置の場合においても本発明の効果は失わない。
【実施例１】
【００１６】
本発明の第1の実施例について図１〜図４を用いて説明する。図１は、本実施例に係る電子線応用装置における収差補正の方法および収差補正器の構成を説明するための断面図である。図１（ａ）は収差補正なしの場合の光路図を示している。簡単のため、電子光学系はマクロレンズ１０２のみで構成されているものとしたが、実際にはより上流（電子線が流れて来る方向；電子源が設置されている方向）に電子源や、電子源から発生した電子ビームを集束させるためのレンズ等、各種光学系が含まれることは言うまでもない。また、マクロレンズ１０２より下流（電子線が流れて行く方向；試料が配置される方向）にも他のレンズが存在する場合においても本発明の効果は失われない。
【００１７】
図１（ａ）においては、収差の効果を分かりやすくするため、電子ビーム１０１を等間隔の光線の集合で記述した。電子ビーム１０１はマクロレンズ１０２によって集束作用を受け、試料１０３の表面にフォーカスしながら到達する。このとき、収差を受けると、電子ビーム１０１のうちマクロレンズ１０２の外側を通る光線ほど強く曲げられる。この結果、電子ビーム１０１が試料１０３に到達するときには、本来は光軸１０４上に一点に集束すべきところを、異なる位置に到達してしまう。次に、図１（ｂ）を使用して、ビームを複数に分割した場合を考える。図１（ｂ）が図１（ａ）と異なる点は電子ビームを分割するための開口アレイ１０５が備えられている点のみである。開口アレイ１０５は、板に複数の開口が配列されているもので、開口のある部分は電子ビームを通過させ、開口の無い部分は電子ビームを遮断する。したがって、電子ビーム１０１は、開口アレイ１０５を通過した後、複数の電子ビーム群に分割されることになる。この電子ビーム群のうち、電子ビーム１０６に関して着目すると、電子ビーム１０６の試料上到達点は、収差により光軸１０４を通過して、光軸１０４より距離Ｄだけ遠ざかっていることがわかる。したがって、分割されたビーム群の各々を光軸１０４より外側の方向に向かわせるように軌道を補正し、収差補正なしの位置のずれである距離Ｄだけ戻すようにすれば、全ビームの到達位置は光軸と一致させることができる。そこで、図１（ｃ）に示すように、分割された各電子ビームを制御する偏向器群である偏向器アレイ１０７を開口アレイより下流に配置し、分割された各電子ビームの試料１０３における到達位置のずれを補正すべく、光軸１０４から離れるように偏向させるように制御すれば、収差が補正できる。電子ビームを外側に発散させるという点において、偏向器アレイ１０７は、電子ビーム１０１に対して凹レンズとして機能しており、開口アレイ１０５および偏向器アレイ１０７の組み合わせは収差補正器１０８である。ここで、偏向器アレイ１０７が分割された各電子ビームに対して与えるべき偏向量、すなわち収差補正なしの場合の到達位置のずれは、光軸からの距離に依存し、遠いほど大きくなるように制御する。
【００１８】
次に、より収差補正器１０８の効果を高めるため、レンズアレイ１０９を追加した場合について示す。図１（ｄ）においては、開口アレイ１０５、偏向器アレイ１０７、レンズアレイ１０９の組み合わせが収差補正器１０８となる。図１（ｂ）で示したように、電子ビーム１０６の集束点の位置は、試料表面より距離Ｆだけ上側に移動する。すなわち、マクロレンズ１０２の集束の強さは分割された各電子ビームによって異なる。これを補正するために、図１（ｄ）に示すように、分割された各電子ビームを制御するレンズ群である、レンズアレイ１０９を開口アレイより下流に配置し、分割された各電子ビーム集束位置が一致するように制御すれば、更に収差の補正量が高くなる。
【００１９】
ここで、レンズアレイ１０９が分割された各電子ビームに対して与えるべき集束量、すなわち収差補正なしの場合の電子ビーム集束位置のずれは、光軸からの距離に依存し、遠いほど弱くなるように制御する。また、レンズアレイ１０９は、マクロレンズ１０２が試料１０３に対して合焦するための補助的なレンズとして使用し、レンズアレイ単独の像は形成しない。すなわち、分割された複数の電子ビームのうち、光軸１０４からの距離が異なる２つＡ、Ｂを選ぶと、電子ビームＡに対するレンズアレイ１０９の焦点距離ｆａは電子ビームＢに対するレンズアレイ１０９の焦点距離ｆｂと異なる値となり、更に、レンズアレイ１０９とマクロレンズ１０２までの距離Ｌに対して、ｆａ＞Ｌかつｆｂ＞Ｌの関係を満たす。
【００２０】
また、図１（ｄ）においては、レンズアレイ１０９は偏向器アレイ１０７の上流に配置する例を示したが、偏向器アレイ１０７の下流に配置される場合でも同様の効果を持つ。
【００２１】
図１（ｅ）は、収差補正器１０８の効果を更に強めるため、収差補正器１０８に四極子アレイ１１０を更に追加した場合について示した例である。分割された各電子ビームには、離軸に応じて異なる非点効果が付与されているため、それぞれを打ち消すように四極子アレイ１１０を各ビームに対する非点補正器として制御すればよい。図１（ｅ）においては、四極子アレイ１１０はレンズアレイ１０９の上流に配置する場合を示したが、レンズアレイ１０９、偏向器アレイ１０７は、如何なる順序で配置されていても同様の効果を持つ。また、本実施例においては、レンズアレイ１０９、偏向器アレイ１０７はそれぞれ異なる光学素子として記述したが、一つの光学素子が２つ以上の要素を兼ねる場合に関しても、収差補正器としての効果は失われない。
【００２２】
補正したい収差が球面収差である場合に関してもう少し詳細に説明する。図１（ｆ）に示す理想的な状態における電子ビーム１０６の光軸からの傾きの角度をθ、電子ビーム１０６の開き角をαとする。試料表面を２次元的に把握するために複素平面として捉える場合、θとαも複素数で表現される。マクロレンズ１０２の像面定義の球面収差係数をＣｓとすると、電子ビーム１０６の球面収差は次に示す式１で表現できる。
Ｃｓ（θ＋α）２（θ＋α）＊
＝  Ｃｓ（θ２θ＊＋θ２α＊＋２θθ＊α＋２θαα＊＋θ＊α＊２＋α２α＊）                                                                        ・・・（１）
なお、＊は複素共役を示す。式（１）の第一項は、開き角αに関する依存がない電子ビーム１０６の歪曲収差、すなわち位置のずれＤに相当する。位置のずれＤは、上述のとおり、偏向器アレイ１０７により電子ビーム１０６を偏向すれば解消される。第二項はαに対する一次の複素共役項、すなわち非点収差である。これは四極子アレイ１１０により解消できる。第三項はαに対する一次の項であることから、像面湾曲である。第三項自身は試料面上での位置のずれを示しているので、開き角αで除算した２θθ＊が集束までの距離となる。すなわち、これが集束位置の移動分Ｆ（図１（ｂ）参照）に相当する。集束位置のずれはレンズアレイ１０９により解消することができる。第四項、第五項はコマ収差、第六項は球面収差であり、これらの項目は開き角αが二乗以上で効果を持つため、解消できない。しかしながら、電子ビーム１０６は電子ビーム１０１を分割したものであるため、開き角は電子ビーム１０１と比較すると無視できる程度に小さく、第四〜六項に関しては補正の必要はない。以上より、図１（ｅ）に示す収差補正器１０８を配置することにより、球面収差が補正できることが示された。なお、本実施例においては球面収差の補正方法に関して説明したが、色収差に関しても同様に偏向器アレイ、レンズアレイ、四極子アレイを組み合わせた収差補正器により収差補正が可能である。
【００２３】
続いて、これまでに説明した収差補正器１０８を使用した、電子線応用装置に関して説明する。図２は本実施例に係る電子線応用装置の概略構成である。
【００２４】
図２を用いて装置構成について説明する。電子源２０１から電子ビーム１０１が引出される下流方向には、マクロレンズ２０２、収差補正器１０８、走査偏向器２０３、マクロレンズ１０２等を配置して構成している。さらに、電子光学系には、電流制限用絞り、一次ビームの中心軸（光軸１０４）調整用アライナ、非点補正器等も付加されている（図示せず）。マクロレンズ１０２の下には試料１０３が配置される。この際、試料１０３は場合に応じて試料搭載ステージや試料ホルダ（いずれも図示せず）などを介して配置される。電子ビーム１０１が試料１０３に照射されると、電子と試料の相互作用により二次電子２１０が発生する。これを検出器２０９で検出し、走査偏向器２０３によって電子ビーム１０１が試料１０３を走査する位置に合わせて画像化することで試料１０３のＳＥＭ画像を取得する。
【００２５】
各種電子光学要素には電子光学系制御装置２０４が接続されており、電子光学系制御装置２０４はシステム制御部２０５により制御される。システム制御部２０５は、機能的には記憶装置２０６、演算装置２０７が配置され、画像表示装置、信号を入力するためのキーボード等を備えた入出力装置２０８が接続されている。また、図示していないが、制御系、回路系以外の構成要素は真空容器内に配置しており、真空排気して動作させていることは言うまでもない。
【００２６】
なお、システム制御部２０５は、演算装置２０７である中央処理部や記憶装置２０６である記憶部を備えた構成とし、演算装置２０７が記憶装置２０６に記憶されたプログラム等を実行させることにより、走査偏向器２０３への信号制御、電子光学系等の制御を実施する電子光学系制御装置２０４等の制御を行うことができる。更に、入出力装置２０８は、キーボードやマウス等の入力手段と、液晶表示デバイスなどの表示手段が、入力部、出力部として別構成とされていても良いし、タッチパネルなどを利用した一体型の入出力手段で構成されていても良い。
【００２７】
説明を簡略化するため、収差補正器１０８には平行な電子ビームが照射される構成としたが、通常の電子光学系のように、集束、或いは発散する軌道となるように制御を施しても本収差補正器としての効果は失わない。
【００２８】
次に、本実施例の装置において、収差が補正された状態となるように電子ビームを調整する方法に関して図３及び図４を用いて説明する。
【００２９】
図４は、収差が補正された状態にするべく電子ビーム調整を実施するフローチャートである。
【００３０】
オペレーターは、画像表示装置を備えた入出力装置２０８を介してビーム調整を開始する（図４中ステップＳ４００）。画像表示装置には図３に示すビーム調整用画面が現れる。以下、特に断らない場合は図３を参照する。オペレーターは、ファイル選択ボタン３００から所望のファイルを選択する。これにより、記憶装置２０６に保存されていた、電子線応用装置の電子光学系を制御するためのプリセットデータが読み出され、システム制御部２０５、電子光学系制御装置２０４を介してマクロレンズ１０２や収差補正器１０８等の全ての電子光学素子にプリッセットデータに応じた制御信号が入力される（図４中ステップＳ４０１）。このプリセットデータは、あらかじめ理論値にあわせて決定してあっても良いし、前回の調整に決定した値であっても良い。あるいは、収差補正器１０８を全てＯＦＦした状態を呼び出してもよい。
【００３１】
続いて、オペレーターは照射ビーム選択ボックス３０１から番号を選択することにより、電子ビーム１０１が開口アレイ１０５により分割された複数の電子ビームから試料に照射する電子ビームを選択する（図４中ステップＳ４０２）。ＳＥＭ画面３０２には、ステップ４０２にて選択した電子ビームを試料に照射して形成されたＳＥＭ画像が表示される。複数のビームが選択された状態で収差が補正されていなければ、ＳＥＭ画面３０２はボケたり位置がずれて観察されることになる。そこで、オペレーターは、ＳＥＭ画面３０２の画像のボケやパターンの位置に応じて、調整ビーム選択ボックス３０３により、照射した電子ビームから調整する電子ビームを選択する（図４中ステップＳ４０３）。なお、電子ビームの調整は、中心に近いビームから順に行うことが望ましい。このステップにより、選択された電子ビームを調整するためのパラメータセットが調整ボックス３０４に表示される。なお、調整ボックス３０４においては、Ｌはレンズアレイ、ＤＥＦは偏向器アレイ、Ｓは非点補正アレイに対応する。図３においては、電子ビームＣが調整する電子ビームとして選択されており、調整ボックス３０４の各パラメータは、レンズアレイ、偏向器アレイ、非点補正アレイから電子ビームＣに対応するものがそれぞれ４つずつ表示されている例を示している。
【００３２】
オペレーターは、ＳＥＭ画面３０２の画像のボケやパターンの位置ずれが消えるように、調整ボックス３０４の各パラメータを調整する（図４中ステップＳ４０４）。このとき同時に、オペレーターは共通光学素子調整ボックス３０５を使用して、マクロレンズ１０２等のアレイ状でない全電子ビーム共通のマクロレンズやその他共通の光学素子に関する光学調整も併せて実施する（図４中ステップＳ４０５）。ＳＥＭ画面３０２に表示される画像のボケ量が許容範囲内に収まるよう図４中ステップＳ４０４及びＳ４０５を繰り返し実施し（図４中ステップＳ４０６）、許容範囲以内に収まったら、必要に応じて保存ボタン３０６を押下することで調整した各光学条件を記憶装置２０６に保存し、電子ビーム調整を完了する（図４中ステップＳ４０７）。なお、本実施例における調整は全てオペレーターが手動で実施し、判定もオペレーターが実施する例を示したが、画像からボケ量を自動的に測定し、測定した結果を制御系にフィードバックする等の方法で、自動的に実施、判断するようにしてもよい。
【００３３】
また、本調整においては、試料として特別なものは用意しない前提としたが、調整用試料として標準パターンを用意しておいてもよい。
【００３４】
また、本調整におけるステップＳ４０２では、試料に照射する電子ビームを選択している。このための機構に関しては図１および図２に図示していないが、ビーム選択絞りによる機械的な選択、あるいは、ビームブランキングによる電気的な選択が考えられる。ビーム選択絞りは、一般的な可動絞りの開口位置を変更することにより実現できる。可動絞りの可動部分をモータ制御やステージ上配置することにより、自動選択可能である。ブランキングによる電気的な選択は、専用の偏向器アレイを追加してもよいし、偏向器アレイにブランキング用信号を重畳させることでも実現可能である。
【００３５】
尚、図３にその一例を示したビーム調整用画面は、この例に限定されることなく、色々な変形を取りうることは言うまでもない。
【００３６】
図１（ｅ）に示す収差補正器を図２に示す電子線応用装置に搭載し、図４に示すフローチャートに従って電子ビームを調整後、試料の観察・計測等を行った結果、微細なパターンの良好な画像を得ることができ、又高精度に寸法を計測することができた。これにより、超安定な電源を用いることなく低コスト化を図ることができる。
以上、本実施例によれば、超高安定な電源を用いることなく、球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供することができる。
【実施例２】
【００３７】
本発明の第２の実施例に係る荷電粒子線応用装置について図５を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。
【００３８】
実施例１においては、収差補正器１０８を含む電子光学系のうち最も単純な構成を示した。本実施例においては、より実用的な構成を持つ電子線応用装置に関する構成について示す。なお、本実施例における収差補正器１０８は、実施例１に示したものと同一、すなわち、図１（ｅ）に示した開口アレイ１０５、偏向器アレイ１０７、レンズアレイ１０９、四極子アレイ１１０の組み合わせで示されたものである。
【００３９】
図５は本実施例に係る電子線応用装置の概略全体構成図である。図５の装置構成においては、電子源２０１から電子ビーム１０１が引出される下流方向には、マクロレンズ２０２、収差補正器１０８、マクロレンズ１０２が配置されており、更に下流に、走査用偏向器５０１とマクロレンズ５０２を備えている。収差補正器１０８は、実施例１にて説明したとおり、開口アレイ１０５、偏向器アレイ１０７等の組み合わせで構成されている。マクロレンズ５０２の下には試料１０３が配置され、電子ビーム１０１が試料１０３に照射されると、電子と試料の相互作用により二次電子２１０が発生する。これを検出器２０９で検出し、走査用偏向器５０１によって電子ビーム１０１が試料１０３を走査する位置に合わせて画像化することで試料１０３のＳＥＭ画像を取得する。
【００４０】
図５の構成が実施例１における図２の構成と大きく違う点は、収差補正器１０８とその直下に配置したマクロレンズ１０２よりも下流に、走査用偏向器５０１とマクロレンズ５０２が配置されている点である。本実施例における収差補正器１０８は、電子ビーム１０１を開口アレイにより複数の電子ビームに分割し、各ビームは各ビームに対して作用するアレイ状の素子（偏向器アレイ１０７、レンズアレイ１０９、四極子アレイ１１０など）を通過する必要がある。走査用偏向器５０１が収差補正器１０８よりも上流に配置されている場合、上述のアレイ状の素子上で電子ビームが走査されることになり、アレイ状素子の開口を各ビームが通過することが難しくなる。このため、本実施例では、走査用偏向器５０１を収差補正器１０８より下流に配置する。更に、調整を簡単とするため、収差補正器１０８とマクロレンズ１０２の間には、他の電子光学素子は配置しない。走査用偏向器５０１は、マクロレンズ１０２よりも下流に配置する。また、ＳＥＭで高分解能を実現する多くの場合、試料から試料直上のレンズ、すなわち対物レンズまでの作動距離を短くするため、試料と試料直上のレンズとの間に走査用偏向器を配置することは実質的に難しい。そこで、本実施例においては、マクロレンズ１０２より下流にもう一段マクロレンズを配置する（マクロレンズ５０２）。この構成により、マクロレンズ５０２を対物レンズとして使用し、マクロレンズ５０２から試料１０３までの作動距離を十分に短くとることができる。
【００４１】
また、収差補正器１０８とマクロレンズ１０２の組み合わせよりも下流にマクロレンズ５０２を配置することにより、マクロレンズ１０２とマクロレンズ５０２の間には、走査用偏向器５０１以外にもいろいろな素子を配置できる。本実施例においては、検出器２０９を配置した。同じように、２次電子の検出を補助するためのＥＸＢ偏向器や、反射板などを配置してもよい。
【００４２】
以上より、本実施例においては、収差補正器１０８、マクロレンズ１０２の下流に対物レンズの役割を果たすマクロレンズ５０２を配置し、走査用偏向器５０１や、そのほかの電子光学素子を追加することで実用的な電子線応用装置構成とした。
【００４３】
なお、本実施例においても、実施例１と同様に、電子光学系には、電流制限用絞り、一次ビームの中心軸（光軸）調整用アライナ、非点補正器等も付加されている（図示せず）。試料１０３は場合に応じて試料搭載ステージや試料ホルダ(いずれも図示せず)などを介して配置される。
【００４４】
各種電子光学要素には電子光学系制御装置２０４が接続されており、電子光学系制御装置２０４はシステム制御部２０５により制御される。システム制御部２０５は、機能的には記憶装置２０６、演算装置２０７が配置され、画像表示装置、信号を入力するためのキーボード等を備えた入出力装置２０８が接続されている。また、図示していないが、制御系、回路系以外の構成要素は真空容器内に配置しており、真空排気して動作させていることは言うまでもない。
【００４５】
なお、システム制御部２０５は、演算装置２０７である中央処理部や記憶装置２０６である記憶部を備えた構成とし、演算装置２０７が記憶装置２０６に記憶されたプログラム等を実行させることにより、走査偏向器２０３への信号制御、電子光学系等の制御を実施する電子光学系制御装置２０４等の制御を行うことができる。更に、入出力装置２０８は、キーボードやマウス等の入力手段と、液晶表示デバイスなどの表示手段が、入力部、出力部として別構成とされていても良いし、タッチパネルなどを利用した一体型の入出力手段で構成されていても良い。
【００４６】
また、説明を簡略化するため、収差補正器１０８には平行な電子ビームが照射される構成としたが、通常の電子光学系のように、集束、或いは発散する軌道となるように制御を施しても本発明の効果は失わない。
【００４７】
また、収差が補正された状態となるように電子ビームを調整する方法に関しては、実施例１と同様である。
【００４８】
図５に示す電子線応用装置を用い、図４に示すフローチャートに従って電子ビームを調整後、試料の観察・計測等を行った結果、微細なパターンの良好な画像を得ることができ、又高精度に寸法を計測することができた。
以上、本実施例によれば、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、収差補正器と試料との間に２つのマクロレンズを配置することにより、マクロレンズから試料までの作動距離を十分短く取ることができ、また、２つのマクロレンズの間に各種素子を配置できる。
【実施例３】
【００４９】
本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。本実施例においては、色収差を補正するための収差補正器１０８の具体的な構成に関して説明する。なお、収差補正器１０８の詳細以外の部分、例えば電子光学系の構成や電子ビームの調整方法などに関しては、実施例１あるいは実施例２と同様であるため、記述は省略する。
【００５０】
色収差を補正するためには、電子ビームのエネルギーに応じて軌道を制御すること、すなわち、軌道に対して色分散を与えることが必要である。しかしながら、色分散を与えるときに、同時に電子ビームの軌道全体が変化させられてしまうと、もともとの電子ビーム軌道から大きくはずれた状態となってしまい、収差が補正できる範囲ではなくなってしまうことがある。これを避けるためには、色分散を与えるときに、基本的な電子ビーム軌道には大きな影響を与えないような構成となっていることが望ましい。
【００５１】
図６は、収差を補正するための収差補正器１０８の具体的な構成を示したものである。図１と同様に、電子ビーム１０１は収差補正器１０８に入射し、収差が補正された状態でマクロレンズ１０２に入射して、試料１０３に到達する。補正する色収差は、光軸１０４からの距離が大きいほど強くなる。収差補正器１０８は、開口アレイ１０５、レンズアレイ６０１、偏向器アレイ６０２、偏向器アレイ６０３、レンズアレイ６０４で構成されている。電子ビーム１０１は、開口アレイ１０５により複数のビーム群に分割される。この電子ビーム群のうち、電子ビーム６０５に関して着目する。電子ビーム６０５は、レンズアレイ６０１の作用で偏向器アレイ６０２の位置で結像する。偏向器アレイ６０２は、電子ビーム６０５を光軸１０４から離れる方向に偏向させ、凹レンズとして作用する。偏向器アレイ６０３は、振り戻す方向に電子ビーム６０５を偏向させる。ここで、偏向器アレイ６０２と６０３に与える偏向の強さを同程度とすると、偏向器アレイ６０３を通過したあとの電子ビーム６０５は光軸１０４から遠ざかる方向にシフトする軌道をとり、電子ビーム軌道は大きく変化することを避けられる。
【００５２】
一方、偏向器アレイ６０２による偏向の強さは、電子ビームの強さによって異なるため、偏向器アレイ６０２により、色分散が発生する。６０６ａ〜６０６ｃは、エネルギーが低い電子ビーム（６０６ａ）、平均的なエネルギーの電子ビーム（６０６ｂ）、エネルギーが高い電子ビーム（６０６ｃ）の中心の軌道を示している。エネルギーが低いほど偏向器アレイ６０２および６０３の感度が高く、より強く光軸１０４から離れる方向に偏向される。上述のとおり、偏向器アレイ６０２と６０３の強さはほぼ同程度としているため、いずれのエネルギーのビームも、光軸１０４から遠ざかる方向にシフトし、各エネルギーの中心軌道は、６０６ａ〜６０６ｃに示した通り、平行となる。レンズアレイ６０４を入れると、エネルギーの異なる電子ビーム軌道６０６ａ〜６０６ｃの分散軌道を再び集束させるように制御することが可能となり、色収差補正が実現できる。なお、本構成においても球面収差が補正できる。
【００５３】
図２や図５に示す電子線応用装置を用い、図４に示すフローチャートに従って電子ビームを調整後、試料の観察・計測等を行った結果、微細なパターンの良好な画像を得ることができ、又高精度に寸法を計測することができた。
以上、本実施例によれば、超高安定な電源を用いることなく、色収差や球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供することができる。
【実施例４】
【００５４】
本発明の第4の実施例について説明する。本実施例における収差補正器を構成する要素は、微小開口や微小電極および配線等を有するため、ＭＥＭＳ技術を利用して作成する。本実施例では、実施例１〜３で示された収差補正器１０８を構成する開口アレイ、偏向器アレイ、レンズアレイ、四極子アレイの具体的な構成について、図７および図８を用いて説明する。
【００５５】
図７は、開口アレイ、レンズアレイの概略構成を示す図である。実施例１〜３に示したとおり、本実施例においては、収差補正を施すために、開口アレイにより、電子ビームを複数の電子ビームに分割する。図１および図６においては、一次元に並んだ５本の電子ビームに分割した例について説明してきたが、実際には、二次元的な開口の配列となる。この開口の例について示したものが図７（ａ）〜図７（ｄ）である。図７（ａ）は、電極板７０１に、開口部７０２が５×５の正方配列で形成された例を示している。なお、符号７０２は一箇所の開口部のみに代表して付したが、周囲の白抜き形状で示した他のものも同様に開口部である。また、開口の数は５×５には限らない。図７（ｂ）は中心、すなわち光軸からの距離が同じ位置に開口部７０２を有する例である。図７（ｃ）は、開口が円形ではなく、電子ビームが同心円状に分割される例について示している。図７（ｄ）は、開口が六方細密格子状に配列している例である。いずれの場合も、電子ビームが電極板７０１に衝突し、開口部７０２に到達した電子ビームのみ通過し、それ以外の電子ビームは遮断されることにより、複数の電子ビームに分割する。電子ビームの衝突による帯電の影響がでないように、電極板７０１は金属で形成し、接地電位として使用する。
【００５６】
図７（ｅ）は、開口アレイを形成する電極板を３枚積層することにより、レンズアレイを形成した例について示している。電極板７０３ａおよび電極板７０３ｃは接地電位、電極板７０３ｂに、レンズ電圧源７０４によりレンズ電圧を印加することで、開口７０２を通過する各分割された電子ビームに対して、アインツェルレンズとして作用する。なお、本実施例においては、電圧を印加する電極が１枚（７０３ｂ）の例を示したが、２枚の接地電極（７０３ａ，７０３ｃ）の間に複数枚の電極板を設けてもよい。また、レンズ電圧源７０４により印加されるレンズ電圧は負電圧である例としたが、正電圧としてもよい。
【００５７】
図８は、偏向器アレイに関して説明する図である。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、それぞれ図７（ａ）〜図７（ｄ）に対応する。図８（ａ）〜図８（ｄ）のいずれの場合においても偏向器アレイの開口部８０２の位置は、図７（ａ）〜図７（ｄ）に示した開口アレイの開口部７０２の位置と対応するように配置される。電極板８０１に設けられた開口部８０２の周りには、開口部８０２を通過する電子ビームを偏向させるための偏向用電極８０３を有する。なお、符号８０２は一箇所の開口部のみに代表して付したが、他のものも同様に開口部であり、また、符号８０３も一箇所の偏向用電極のみに代表して付したが、例えば図８（ａ）においては、偏向用電極８０３に対向配置された形状および、同じ開口に対して９０度回転させて配置された２つの形状も偏向用電極である。他の開口部の周りに配置されたものも同様である。偏向用電極８０３には、電子ビームを偏向させるための電圧を印加する。このため、図８（ａ）〜図８（ｅ）には図示していないが、図８（ｆ）で説明するように電極板８０１には、偏向用電極８０３まで印加電圧をガイドするための配線が形成されている。偏向用電極８０３は、偏向器として使用するため、対向電極と一対で形成されていることが望ましい。ただし、電極板８０１上に上述の配線を形成するためのスペースが十分にない場合などにおいて、対向電極を用いず、片極で偏向させる場合もある。また、本実施例においては、偏向用電極を用いた静電偏向の場合について示したが、偏向用電極の代わりに偏向用コイルを用いれば、磁場偏向を施すことも可能である。
【００５８】
図８（ａ）においては、直交する２方向に対向する偏向用電極を設けた。これにより、偏向の方向を自由に制御可能である。
【００５９】
ここで、実施例１、３にて説明したとおり、偏向器アレイの偏向方向は、光軸から離れる方向、あるいは光軸に近づく方向である。したがって、偏向方向に自由度を設けなくてもよい場合がある。図８（ｂ）はその例を示したものである。図８（ｂ）における偏向用電極８０３は、パターンの中心、すなわち光軸から放射状に延びる直線に対して対向する方向に配置されている。これにより、光軸から離れる方向、あるいは光軸に近づく方向に偏向させる構成となっている。図８（ａ）の構成と比較すると、偏向方向の自由度は落ちるが、電極の数が少ない分、配線のスペースに余裕ができ、更に、偏向の感度を高くできるというメリットがある。あるいは、同じ開口部に対して９０度回転させた方向にも偏向用電極を設け、補助的に使用してもよい。
【００６０】
図８（ｃ）は、光軸からの離軸距離が同じ場合、同じ偏向の強さとなることを利用して、円周状の電極を配置した例である。この例では、レンズアレイを配置することができないが、開口部分の面積が大きいことから、遮断される電流を少なくできるというメリットや、制御用の電源の数が少なくてもよいというメリットがある。
【００６１】
ここで、図８（ａ）及び図８（ｄ）においては、一つの開口部に対して、４つの偏向用電極を有している。したがって、これは、四極子としても使用し、例えば非点補正に用いることができる。ただし、四極子として使用する場合は、非点方向の自由度がない。このため、たとえば図８（ａ）の場合、開口部に対して偏向用電極が４５度回転している図８（ｅ）を併せて使用すれば、非点方向にも自由度ができる。あるいは、四つの電極の、開口に対する回転を、あらかじめ必要な方向としてもよい。
【００６２】
図８（ｆ）は偏向器アレイのうちの一つを拡大した図である。ここでは、図８（ａ）、図８（ｄ）、図８（ｅ）のように一開口あたり４つの偏向用電極を持っているものに関して示した。偏向用電極８０３は配線８０４に接続されており、配線８０４は制御用の電源に接続されるように電極板８０１や配線用基板上に引き回される（図示せず）。図８（ｇ）は、図８（ｆ）中に示した破線ＡＡ’に沿った断面図である。偏向用電極８０３は、電極板８０１に開けられた開口部８０２の壁面に沿う形で形成されており、ここに制御信号が印加されることにより、偏向器として作用する。
【００６３】
図７に示す開口アレイ、レンズアレイ、図８に示す偏向器アレイを備えた収差補正器を図２や図５に示す電子線応用装置を用い、図４に示すフローチャートに従って電子ビームを調整後、試料の観察・計測等を行った結果、微細なパターンの良好な画像を得ることができ、又高精度に寸法を計測することができた。
以上、本実施例によれば、超高安定な電源を用いることなく、色収差や球面収差を補正し、高分解能観察や検査が可能な荷電粒子線応用装置を提供することができる。
【００６４】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、荷電粒子線応用装置、特に荷電粒子線を利用した高分解能での観察・計測及び検査技術として有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１０１…電子ビーム、１０２…マクロレンズ、１０３…試料、１０４…光軸、１０５…開口アレイ、１０６…分割された電子ビーム、１０７…偏向器アレイ、１０８…収差補正器、１０９…レンズアレイ、１１０…四極子アレイ、２０１…電子源、２０２…マクロレンズ、２０３…走査偏向器、２０４…電子光学系制御装置、２０５…システム制御部、２０６…記憶装置、２０７…演算装置、２０８…入出力装置、２０９…検出器、２１０…二次電子、３００…ファイル選択ボタン、３０１…照射ビーム選択ボックス、３０２…ＳＥＭ画面、３０３…調整ビーム選択ボックス、３０４…調整ボックス、３０５…共通光学素子調整ボックス、３０６…保存ボタン、４００…電子ビーム調整開始ステップ、Ｓ４０１…プリセットデータ読み出しステップ、Ｓ４０２…照射ビームの選択ステップ、Ｓ４０３…調整ビームの選択ステップ、Ｓ４０４…調整用ビームの調整ステップ、Ｓ４０５…共通光学系の調整ステップ、Ｓ４０６…調整完了判定ステップ、Ｓ４０７…完了ステップ、５０１…走査用偏向器、５０２…マクロレンズ、６０１…レンズアレイ、６０２…偏向器アレイ、６０３…偏向器アレイ、６０４…レンズアレイ、６０５…分割された電子ビーム、６０６ａ…エネルギーの低いビームの中心軌道、６０６ｂ…中心エネルギーのビームの中心軌道、６０６ｃ…エネルギーの高いビームの中心軌道、７０１…電極板、７０２…開口部、７０３ａ…電極板、７０３ｂ…電極板、７０３ｃ…電極板、７０４…レンズ電圧源、８０１…電極板、８０２…開口部、８０３…偏向用電極、８０４…配線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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