(57)【要約】【課題】解像度を低下させることなく低収差で取り込める電子ビーム量を向上し、また広いサブフィールドを得ることでスループットを向上させる荷電粒子ビーム応用装置を提供する。【解決手段】試料６に荷電粒子ビームを照射する照射光学系と、試料６に照射した荷電粒子ビームにより試料６から放出される荷電粒子を結像する結像光学系と、結像光学系により結像した荷電粒子ビームを検出する検出装置１２と、照射光学系と結像光学系とを分離するビーム分離器４とを有し、ビーム分離器４と検出装置１２との間に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する収差補正器１０を設けた構成とする。【選択図】図１
2007109531.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に荷電粒子ビームを照射する照射光学系と、前記試料に照射した荷電粒子ビームにより前記試料から放出される荷電粒子を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像した荷電粒子ビームを検出する検出装置と、前記照射光学系と前記結像光学系とを分離するビーム分離器とを有し、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する収差補正器を設けたことを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項２】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、第１のレンズ、前記収差補正器、第２のレンズの順に並ぶ構造を有することを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項３】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、レンズダブレットと、前記第１のレンズ、前記収差補正器、前記第２のレンズの順に並ぶ構造とを有することを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項４】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成として、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定することで、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず前記収差補正器を通過する荷電粒子ビームのエネルギーを略一定にするよう構成したことを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項５】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成とし、前記収差補正器の前後にあるレンズを静電レンズとして、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定し、前記静電レンズの収差補正器側の電極を前記フローティング電位と略同電位にすることを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項６】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にし、前記収差補正器直前のレンズからのビーム射出角度を略不変とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項７】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料の高さに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にする構成とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項８】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料と前記収差補正器直前のレンズとの間に、磁界レンズと前記焦点補正器を有することを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項９】
請求項１に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器が複数の多極子レンズで構成され、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に動作する少なくとも２枚の補助レンズを有し、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に、前記多極子レンズおよび前記補助レンズ以外のレンズ条件を略不変で結像する構成であることを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記補助レンズは少なくとも一組のトランスファーダブレットレンズを含むことを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記照射光学系に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する第二の収差補正器を有することを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【請求項１２】
請求項１乃至１０に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記荷電粒子ビームは、電子ビームであり、前記電子ビームの照射により前記試料から放出される荷電粒子は、二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子のうち何れか一つであることを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを用いてウエハ等の試料に形成されたパターンを観察および検査、計測する電子ビームパターン検査装置を含む荷電粒子ビーム応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス（ＩＣ、ＬＳＩ）の微細化、高密度化はさらに進み、その製造工程および完成後のパターン形状やパターン寸法を検査するための検査装置には、より高い解像度が要求される。また、高効率で生産するためには、検査に要する時間の短縮が求められる。
【０００３】
荷電粒子ビーム応用装置の一例として、電子ビームを用いたパターン検査装置がある。通常の電子ビームパターン検査装置は、試料にスポット状のビームを照射するが、これではスループット（単位時間あたりの処理量）に課題が残る。そこで、高スループットパターン検査装置として、試料に面積電子ビームを照射し試料で発生する二次電子ビーム像を拡大投影してパターン形状を観察する二次電子投影型検査装置（例えば、非特許文献１参照）や、同じく面積ビームを照射し試料近傍で反射した電子ビームを投影するミラープロジェクション型検査装置（例えば、特許文献１、特許文献２参照）などが開発されつつある。これら２つのパターン検査装置を総称して「投影型検査装置」と呼ぶ。
【０００４】
一方、透過型や走査型電子顕微鏡の分野においては、収差補正器が実用化され、軸上の色収差、球面収差を補正することで、より高解像度な像観察が可能となりつつある。また軸上の収差のみでなく、軸外の収差を補正する収差補正器も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【非特許文献１】Proceedings of SPIE, Vol. 5375 (2004), 1125
【特許文献１】特開２００４−３４２３４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４６０８号公報
【特許文献３】特開２００３−１８７７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記投影型検査装置では、よりスループットを向上させるためには試料から放出される電子ビームを可能な限り多く検出器に取り込む必要がある。しかし、放出電子ビームを広く取ると、対物レンズおよび投影レンズの収差によりビームのボケが大きくなり、解像度が低下するといった問題が発生する。
【０００７】
また、一度に観察する試料上の領域（「サブフィールド」と呼ぶ）を広く取ることでスループットの向上を図ると、投影レンズにおける軸外の収差により、十分な解像度を得られなくなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、解像度を低下させることなく低収差で取り込める電子ビーム量を向上し、また広いサブフィールドを得ることでスループットを向上させる荷電粒子ビーム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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下に示すような特徴を有する。
【００１０】
（１）本発明の荷電粒子ビーム応用装置は、試料に荷電粒子ビームを照射する照射光学系と、前記試料に照射した荷電粒子ビームにより前記試料から放出される荷電粒子を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像した荷電粒子ビームを検出する検出装置と、前記照射光学系と前記結像光学系とを分離するビーム分離器とを有し、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する収差補正器を設けたことを特徴とする。
【００１１】
（２）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、第１のレンズ、前記収差補正器、第２のレンズの順に並ぶ構造を有することを特徴とする。
【００１２】
（３）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、レンズダブレットと、前記第１のレンズ、前記収差補正器、前記第２のレンズの順に並ぶ構造とを有することを特徴とする。
【００１３】
（４）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成として、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定することで、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず前記収差補正器を通過する荷電粒子ビームのエネルギーを略一定にするよう構成したことを特徴とする。
【００１４】
（５）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成とし、前記収差補正器の前後にあるレンズを静電レンズとして、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定し、前記静電レンズの収差補正器側の電極を前記フローティング電位と略同電位にすることを特徴とする。
【００１５】
（６）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にし、前記収差補正器直前のレンズからのビーム射出角度を略不変とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする。
【００１６】
（７）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料の高さに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にする構成とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする。
【００１７】
（８）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料と前記収差補正器直前のレンズとの間に、磁界レンズと焦点補正器を有することを特徴とする。
【００１８】
（９）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器が複数の多極子レンズで構成され、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に動作する少なくとも２枚の補助レンズを有し、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に、前記多極子レンズおよび前記補助レンズ以外のレンズ条件を略不変で結像する構成であることを特徴とする。
【００１９】
（１０）前記（９）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記補助レンズは少なくとも一組のトランスファーダブレットレンズを含むことを特徴とする。
【００２０】
（１１）前記（１）乃至（１０）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記結像光学系に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する第二の収差補正器を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、解像度を低下させることなく低収差で取り込める電子ビーム量を向上し、また広いサブフィールドを得ることでスループットを向上させる荷電粒子ビーム応用装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に述べる本発明の実施例では、荷電粒子ビーム応用装置として、電子ビームパターン検査装置を例にとって説明する。なお、本発明は、電子ビームパターン検査装置に限らず、イオンビーム等の荷電粒子ビームを用いた応用装置にも同様に適用できる。
【００２３】
図１は、本発明の第１の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。
【００２４】
電子源１から放射された電子ビームは、照射レンズ２で収束ビームになり、ビーム分離器（ウィーンフィルター）４で偏向され、対物レンズ５で略平行ビームとなりステージ７上の試料６に照射される。３はこの照射電子光学系の光路を示しており、電子銃制御回路２００により電子銃印加電圧Ｖ０、電流量等を制御される。試料６は、例えば、パターンつきウエハであり、マイナス数ｋＶ程度の電圧（Ｖｓ）が印加されている。Ｖｓは試料電位制御回路２０１により制御される。ステージ７は、ステージ制御回路２０２により制御される。電子源１の像は対物レンズ５の前側焦点位置近傍に形成されているため、試料に照射されるビームは略平行で、試料上の広い領域を一度に照射することが可能である。
【００２５】
電子銃印加電圧Ｖ０はマイナス数ｋＶからマイナス１０ｋＶ程度であり、Ｖ０とＶｓの差が試料に照射される電子ビームのエネルギー（ランディングエネルギー）である。ウエハ上に形成されたパターンの検査を行う場合、検査対象に応じてランディングエネルギーを変える。ランディングエネルギーを変えるのは、電子銃印加電圧Ｖ０を変える場合もあり、試料電圧Ｖｓを変える場合もある。
【００２６】
電子ビーム照射により試料から放出される荷電粒子種は、二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子などが挙げられる。試料にイオンビームが照射される場合には、弾性散乱イオンも放出される。二次電子の放出エネルギーは１〜１０ｅＶ程度であるが、通常結像させるのは１〜５ｅＶ程度である。弾性散乱電子は、試料に照射された電子が弾性散乱したものであるため、放出エネルギーはランディングエネルギーに等しい。弾性散乱電子は、通常反射電子と呼ばれるが、ミラー電子との違いを明確にするために、ここでは弾性散乱電子と呼ぶ。ミラー電子は、ランディングエネルギーをほぼ０にした場合の反射電子で、試料に衝突せず、直上で電位Ｖｒにより引き戻される電子である。そのため、放出エネルギーはほぼ０である。なお、ミラー電子は厳密には試料から放出される電子ではないが、試料（もしくは試料近傍）の作用を受けて照射ビームの反対側に進む電子であるので、本発明中では、試料から放出される荷電粒子として扱う。
【００２７】
対物レンズ５は、３枚の電極５ａ、５ｂ、５ｃで構成される静電レンズである。第一電極５ａにはプラス数ｋＶ程度の電圧（Ｖｒ）が印加され、試料から放出された電子を加速させる。第二、第三電極５ｂ、５ｃはそれぞれマイナス数ｋＶ（Ｖobj）、０Ｖ程度の電圧に設定し、加速された電子を収束する。対物レンズ５の各電極電圧は、静電レンズ制御回路２０３により制御される。対物レンズ５を出射する電子ビームのエネルギーは、放出エネルギーと試料電位Ｖｓと検出装置１２の接地電位（通常０Ｖ）で決まる。対物レンズ５の像面をウィーンフィルター４の中心近傍にすると、ウィーンフィルター４の収差等の影響を少なくできる。
【００２８】
対物レンズ５に加えて、中間レンズ８、投影レンズ９により、試料上で発生した荷電粒子ビームの像を拡大して検出装置１２上に投影する。検出装置１２での検出結果は、検出信号処理回路２０６を経て画像処理部２１２に入力される。画像処理部２１２内には入力された検出結果を記憶する記憶機構と、検出結果と設計データもしくは事前の検出結果との比較をし、欠陥および異物の有無等を判定する欠陥判定部を有する。判定結果は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）２０７上に表示される。
【００２９】
なお、図１において、中間レンズ８、投影レンズ９は磁界レンズを想定しており、磁界レンズ制御回路２０５により制御されるが、静電レンズでもよい。
【００３０】
放出電子種に応じて放出エネルギーは異なり、ユーザーがＧＵＩ２０７上で検出したい電子種を選択すると、対物レンズ５、中間レンズ８、投影レンズ９のレンズ条件は検出したい電子種に応じて変化され、収差補正器１０乗条件も変化される。検出したい電子種以外は、対物絞り７０（後述する図４）やウィーンフィルター４内壁などで遮断し、結像に寄与しないようにする。
【００３１】
収差補正器１０は、通常複数の多極子レンズにより構成されており、対物レンズ５、中間レンズ８、投影レンズ９で発生する収差を補正する。１３は収差補正器の動作電源であり、電極数分だけ必要になる場合もある。多数の収差補正器電源１３は、収差補正器制御回路２０４により制御される。発生する収差には球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、非点収差などがあり、軸上の収差のみでなく、軸外の収差も補正する収差補正器であることが望ましい。収差補正器をウィーンフィルター４と対物レンズ５との間（図中、位置１４）に設置すると、照射光学系と結像光学系の両光路３、１１が収差補正器の中にあることになる。両光学系とも補正をすることは困難であるため、この位置は望ましくない。したがって、収差補正器の設置位置は、二光学系が重なっていないウィーンフィルター４から検出装置１２の間が望ましい。
【００３２】
検出電子量を増やすには、試料からの放出角を大きくとる必要がある。しかし、約２０ｍｒａｄより大きい放出角の場合、放出角の増大に伴い解像度は低下し、１００ｎｍ以下の解像度を得るには、１００ｍｒａｄ程度までの放出角しか取れない。２０ｍｒａｄ以上での解像度低下の要因は、二次電子は主に色収差であり、反射電子（弾性散乱電子）は主に球面収差である。これらの収差を低減できれば、放出角を大きくすることができ、検出電流量が上がるため、スループットを向上させることが出来る。すなわち、スループット向上には、収差の低減が必須である。従来は試料６と対物レンズ第一電極５ａ間の電界密度を上げることで収差を低減させているが、高電圧の放電等の問題があり、この方法での改善は次第に困難となる。
【００３３】
図１で述べたように、試料上には面積ビームを照射するため、一度に観察できる試料上の領域が広い。試料上の照射領域から、検出装置で一度に取り込める領域をサブフィールドと呼ぶ。通常は、照射ビームを出来る限り像に寄与させたいため、照射領域とサブフィールドは同程度であり、試料上で現状一辺５０〜１００μｍ程度の四角形である。このサブフィールドが広くなれば、ステージ移動の回数が減らせるなどにより、スループットを向上させることが可能となる。
【００３４】
本発明によれば、収差補正器１０で収差を補正することで、これら２つの要因（放出角、サブフィールド面積）を向上させスループットを向上させることができる。
【００３５】
図２は、本発明の第２の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。収差補正器は、一般的に、補正器前後の軌道が対称である方が調整をしやすい。特に、平行入射・平行出射が望ましいため、図２に示したような両側テレセントリックなレンズ組内に収差補正器を置く構成が望ましい。両側テレセントリックなレンズ組とは、二個一組のレンズで、第一レンズの前側焦点位置に物面があり、第二レンズの後側焦点位置に像面がある構成である。また、両側テレセントリックなレンズ組で、第一レンズと第二レンズの間隔が両焦点距離の和である構成の場合をレンズダブレットと呼ぶ。本実施例では、図２において、第一対物レンズ５１と第二対物レンズ５２（中間電極電圧Ｖobj2）はレンズダブレットを構成し、第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２は両側テレセントリックであるが、必ずしもレンズダブレットではない。
【００３６】
収差補正器の両側のレンズは、磁界レンズで構成することが可能である。また、後述する図３および図４に示すように、静電レンズで構成することも可能である。レンズダブレットは、歪曲収差、コマ収差、倍率色収差を低減する働きがある。なお、磁界レンズでのダブレットはレンズの極性を逆にすることが望ましく、前記の収差のみでなく、磁界レンズでの像回転も低減できる。また、収差補正器１０の両側のレンズをレンズダブレットもしくは両側テレセントリックにするのみでなく、他のレンズもレンズダブレットを構成することは、収差補正器１０への負荷を低減できる点から望ましい。この構成は、図２ないし図５において当てはまる。
【００３７】
ところで、収差補正器１０の動作条件（印加電場、印加磁場）は、収差補正器に入射する荷電粒子のエネルギーおよび軌道により変化する。二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子などと検出荷電粒子種を切り替えて検出する場合や、ランディングエネルギー変化や試料移動に伴う高さ変化に対して、収差補正器１０の動作条件ができる限り変化しない構成もしくは収差補正器１０の軌道ができる限り変化しない構成にしてあれば、検出荷電粒子種を変えても調整が容易である。
【００３８】
結像光学系１１における電子のエネルギー、すなわち収差補正器１０を通る電子のエネルギーは、試料電位（Ｖｓ）と検出装置の接地電位（通常０Ｖ）の差分のエネルギーに放出エネルギーを加えたものである。結像光学系１１のエネルギーは、以下の要因で変化しうる。
（１）二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子と、検出したい放出電子が異なると放出エネルギーが異なるので、結像光学系１１での電子エネルギーは異なる。
（２）通常、半導体ウエハ上に形成したパターンを検査する場合、検査する対象に応じて、ランディングエネルギーを変化させる。このとき、試料電位Ｖｓを変えずにＶ０でランディングエネルギーを制御する場合は、結像光学系１１での電子エネルギーは変化しないが、Ｖ０を変えずにＶｓ変化でランディングエネルギーを制御する場合、結像光学系のエネルギーは変化する。
【００３９】
また、収差補正器１０に入射する電子ビームの軌道は、以下の要因で変化する。
（１）上記二要因による結像光学系のエネルギーの変化。
（２）試料の高さ変化。
【００４０】
そこで、上記の要因により収差補正器１０の条件変化が少ないシステムを提案する。
【００４１】
まず、収差補正器１０における電子ビームのエネルギーを略不変にする構成を示す。
【００４２】
図３は、本発明の第３の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。本実施例では、対物レンズ、中間レンズともレンズダブレットを形成し、投影レンズはレンズダブレットとは限らないが両側テレセントリックになっている。また、中間レンズ８１、８２は磁界レンズ、投影レンズ９１、９２は静電レンズを用いている。９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、それぞれ第一投影レンズ９１を構成する第一電極、第二電極（印加電圧Ｖi）、第三電極を示し、９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、それぞれ第二投影レンズ９２を構成する第一電極、第二電極（印加電圧Ｖp）、第三電極を示している。
【００４３】
収差補正器１０は電気的にフローティングとし、フローティング電位（Ｖｅ）を任意に変えられるものとする。収差補正器１０のフローティング電位Ｖｅを、試料から放出されるエネルギーに相当する電圧値に設定することで、放出エネルギーにかかわらず、収差補正器１０を通る電子ビームのエネルギーを一定に保つことが可能となる。また、図３に示したように、第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２の収差補正器側の電極（９１ｃ、９２ａ）をＶｅと同電位にし、９１ｃから９２ａまでの鏡体もＶｅにすると、収差補正器１０の入出射エネルギーを一定に保つことができ、より調整がしやすくなる。ただし、収差補正器内の多極子の間隔が密であり、前記第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２の収差補正器側の電極が収差補正器１０に近い場合には、実質的に鏡体までＶｅにしなくてもよい場合もある。
【００４４】
次に、収差補正器に入射する電子ビームの軌道を略不変にする構成を示す。
【００４５】
図３には、焦点補正器６０を有する。焦点補正器６０は筒状の電極であり、ここに電圧を印加することで、第一中間レンズ８１の磁場の作用が変化し、焦点位置Ｐを変化させることが出来る。図中Ｐは、収差補正器１０直前レンズの物面を示す。試料６の高さ変化は試料高さ検出器１５で検出し、検出結果はＺ検出回路２０９を経て焦点補正器制御回路２０８や静電レンズ制御回路２０３、磁界レンズ制御回路２０５にフィードバックされる。試料の高さ変化に対してもＰ位置を略一定に保つことで、収差補正器１０への入射軌道は略一定に保つことが出来る。各レンズの励磁値・電圧値を変えてもＰ位置を略一定に保つことは可能であるが、ウエハ検査時の高さ変化のように、高速での応答を要求される場合には、焦点補正器６０にフィードバックした方がよい。なお、焦点補正器６０はＰを不変にするのみでなく、検出装置１２でのフォーカスを調整するために用いることも可能である。
【００４６】
また、放出エネルギーが変化した場合でも、収差補正器１０直前レンズの物面Ｐを略不変にし、収差補正器１０直前レンズからの射出角度を略不変にすることで、収差補正器１０への入射軌道を略一定にすることができ、検査対象（二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子）を変えた場合の調整が容易になる。図３のように、収差補正器１０が両側テレセントリックなレンズに挟まれている場合、収差補正器１０直前レンズ（第一投影レンズ９１）は平行射出であるため、調整が容易になる。放出エネルギーが変化した場合は高速でのフィードバックが要求されないので、物面Ｐを略不変にし、収差補正器１０直前レンズからの射出角度を略不変にするためには、磁界レンズや静電レンズの励磁値、電圧値を変化させればよく、補助的に焦点補正器６０を用いてもよい。
【００４７】
図４は、本発明の第４の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図であり、収差補正器１０を実際に使用する場合に有用な構成を示す。ここでは、照射光学系３の一部を省略してある。収差補正器は、通常複数の多極子レンズで構成される。収差補正器を用いる場合、まずこれら多極子レンズを動作させない状態で多極子レンズ以外のレンズ条件等の設定を行い、その後多極子レンズを動作させて調整し、収差補正器として機能させる。本発明で想定する軸外収差まで補正する収差補正器では、多極子レンズの動作・非動作によって収差補正器以下の結像条件が変化するため、多極子レンズ非動作時に結像できるように補助レンズＴＬ１、ＴＬ２を有することが望ましい。
【００４８】
補助レンズＴＬ１、ＴＬ２を有する構成を、図４に示す。図４には、第一結像レンズ９１と収差補正器１０の間、および収差補正器１０と第二結像レンズ９２との間に、補助レンズＴＬ１およびＴＬ２を設置している。これら補助レンズは補助レンズ制御回路２１１を経て制御し、収差補正器１０を動作させない場合ＯＮ、動作時にはＯＦＦにする。補助レンズの焦点距離および設置位置は、第一投影レンズの焦点距離をｆ１とすると、ＴＬ１、ＴＬ２とも焦点距離をｆ１としたダブレットレンズが望ましい。補助レンズの物面（Ｚ１）を第一投影レンズ９１の後側焦点位置、像面（Ｚ２）を第二投影レンズ９２の前側焦点位置となるように設置する。この補助レンズＴＬ１、ＴＬ２のように、二つのレンズの焦点距離が等しく、レンズ間隔が焦点距離の２倍で、第一レンズ（ＴＬ１）の物面が前側焦点位置、第二レンズ（ＴＬ２）の像面が後側焦点位置にあるレンズ組をトランスファーダブレットと呼び、物面を等倍で像面に写像する機能を有する。このとき収差補正器はＺ１からＺ２の間に入るため、収差補正器１０の大きさを考慮して、ｆ１、ｆ２を設計する。なお補助レンズを用いる場合、Ｖｅは所定の値にしてあった方が以後の調整が容易になる。
【００４９】
また、６１、６２は軸調整用のアライナであり、アライナ制御回路２１０により制御され、収差補正器１０動作時と補助レンズ動作時での光軸の違いを調整する。この軸調整用アライナは、磁場型ではヒステリシスがあるため、再現性のよさから静電型が望ましい。図４に示したように、両側テレセントリックなレンズ組の間に補助レンズを入れる場合、２枚のレンズでよいが、収差補正器の前後が両側テレセントリックでない場合、同様の機能を持たせる場合に２枚以上のレンズが必要になる場合がある。図４中、１１０、１１１は軸外の結像光学系である。また、７０は絞りである。絞り７０では、放出電子の角度を制限したり、結像に寄与する以外の電子ビームを遮断したりする。
【００５０】
図５は、本発明の第５の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。照射光学系内にも、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、非点収差などの収差を補正する収差補正器１００を搭載した例である。収差補正器１００は、収差補正器制御回路２０４で制御される。このように、照射光学系にも収差補正器を搭載することにより、例えば、照射光学系の球面収差を補正することで平行度のより高いビームを試料に照射することが可能となり、また、色収差を補正することでエネルギーがより一様なビームを試料に照射することが可能となる。
【００５１】
このように、本発明によれば、試料上に形成されたパターンを観察する際に、解像度を低下させずに検出荷電粒子量を向上させ、さらにサブフィールドを広く取り、観察スループットを向上させることが可能となる。また、放出される荷電粒子種（二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子など）の変化や試料高さ変動などにより結像光学条件が変化しても、収差補正条件をほぼ一定に保つことが可能となる。また、収差補正器が動作していない場合でも結像が可能なように、補助レンズを設置する。さらに、照射光学系にも収差補正器を搭載することにより、試料に一様なビーム照射が可能となる。
【００５２】
以上詳述したように、本発明の荷電粒子ビーム応用装置によれば、軸上および軸外の収差を補正し、より広い試料放出角のビームを取り込めるのと、より広い領域での観察が可能となり、高解像度、高スループットのパターン検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図４】本発明の第４の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図５】本発明の第５の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【符号の説明】
【００５４】
１…電子源、２…照射レンズ、３…照射光学系の光路、４…ビーム分離器（ウィーンフィルター）、５…対物レンズ、５ａ…対物レンズ第一電極、５ｂ…対物レンズ第二電極、５ｃ…対物レンズ第三電極、６…試料、７…試料ステージ、８…中間レンズ、９…投影レンズ、１０…収差補正器、１１…結像光学系の光路、１２…検出装置、１３…収差補正器制御回路、１４…収差補正器仮位置、１５…試料高さ検出器、６０…焦点補正器、５１…第一対物レンズ、５１ａ…第一対物レンズ第一電極、５１ｂ…第一対物レンズ第二電極、５１ｃ…第一対物レンズ第三電極、５２…第二対物レンズ、６１…収差補正器前アライナ、６２…収差補正器後アライナ、７０…絞り、８１…第一中間レンズ、８２…第二中間レンズ、９１…第一投影レンズ、９１ａ…第一投影レンズ第一電極、９１ｂ…第一投影レンズ第二電極、９１ｃ…第一投影レンズ第三電極、９２…第二投影レンズ、９２ａ…第二投影レンズ第一電極、９２ｂ…第二投影レンズ第二電極、９２ｃ…第二投影レンズ第三電極、１００…照射光学系収差補正器、１１０…結像光学系軸外光路１、１１１…結像光学系軸外光路２、２００…電子銃制御回路、２０１…試料電位制御回路、２０２…ステージ制御回路、２０３…静電レンズ制御回路、２０４…収差補正器制御回路、２０５…磁界レンズ制御回路、２０６…検出信号処理回路、２０７…ＧＵＩ（Graphical User Interface）、２０８…焦点補正器制御回路、２０９…Ｚ検出回路、２１０…アライナ制御回路、２１１…補助レンズ制御回路、２１２…画像処理部、ＴＬ１…第一補助レンズ、ＴＬ２…第一補助レンズ。
【図１】
2007109531.tif 000003
【図２】
2007109531.tif 000004
【図３】
2007109531.tif 000005
【図４】
2007109531.tif 000006
【図５】
2007109531.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年11月2日(2005.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１２】
請求項１乃至１０に記載の荷電粒子ビーム応用装置において、前記荷電粒子ビームは、電子ビームであり、前記電子ビームの照射により前記試料から放出される荷電粒子は、二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子のうち何れか一つを主に含むことを特徴とする荷電粒子ビーム応用装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子ビームを用いてウエハ等の試料に形成されたパターンを観察および検査、計測する電子ビームパターン検査装置を含む荷電粒子ビーム応用装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス（ＩＣ、ＬＳＩ）の微細化、高密度化はさらに進み、その製造工程および完成後のパターン形状やパターン寸法を検査するための検査装置には、より高い解像度が要求される。また、高効率で生産するためには、検査に要する時間の短縮が求められる。
【０００３】
荷電粒子ビーム応用装置の一例として、電子ビームを用いたパターン検査装置がある。通常の電子ビームパターン検査装置は、試料にスポット状のビームを照射するが、これではスループット（単位時間あたりの処理量）に課題が残る。そこで、高スループットパターン検査装置として、試料に面積電子ビームを照射し試料で発生する二次電子ビーム像を拡大投影してパターン形状を観察する二次電子投影型検査装置（例えば、非特許文献１参照）や、同じく面積ビームを照射し試料近傍で反射した電子ビームを投影するミラープロジェクション型検査装置（例えば、特許文献１、特許文献２参照）などが開発されつつある。これら２つのパターン検査装置を総称して「投影型検査装置」と呼ぶ。
【０００４】
一方、透過型や走査型電子顕微鏡の分野においては、収差補正器が実用化され、軸上の色収差、球面収差を補正することで、より高解像度な像観察が可能となりつつある。また軸上の収差のみでなく、軸外の収差を補正する収差補正器も提案されている（例えば、特許文献３参照）。
【０００５】
【非特許文献１】Proceedings of SPIE, Vol. 5375 (2004), 1125
【特許文献１】特開２００４−３４２３４１号公報
【特許文献２】特開２００５−１６４６０８号公報
【特許文献３】特開２００３−１８７７３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記投影型検査装置では、よりスループットを向上させるためには試料から放出される電子ビームを可能な限り多く検出器に取り込む必要がある。しかし、放出電子ビームを広く取ると、対物レンズおよび投影レンズの収差によりビームのボケが大きくなり、解像度が低下するといった問題が発生する。
【０００７】
また、一度に観察する試料上の領域（「サブフィールド」と呼ぶ）を広く取ることでスループットの向上を図ると、投影レンズにおける軸外の収差により、十分な解像度を得られなくなる。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述した従来の問題点に鑑みてなされたものであり、解像度を低下させることなく低収差で取り込める電子ビーム量を向上し、また広いサブフィールドを得ることでスループットを向上させる荷電粒子ビーム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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下に示すような特徴を有する。
【００１０】
（１）本発明の荷電粒子ビーム応用装置は、試料に荷電粒子ビームを照射する照射光学系と、前記試料に照射した荷電粒子ビームにより前記試料から放出される荷電粒子を結像する結像光学系と、前記結像光学系により結像した荷電粒子ビームを検出する検出装置と、前記照射光学系と前記結像光学系とを分離するビーム分離器とを有し、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する収差補正器を設けたことを特徴とする。
【００１１】
（２）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、第１のレンズ、前記収差補正器、第２のレンズの順に並ぶ構造を有することを特徴とする。
【００１２】
（３）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記ビーム分離器と前記検出装置との間に、レンズダブレットと、前記第１のレンズ、前記収差補正器、前記第２のレンズの順に並ぶ構造とを有することを特徴とする。
【００１３】
（４）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成として、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定することで、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず前記収差補正器を通過する荷電粒子ビームのエネルギーを略一定にするよう構成したことを特徴とする。
【００１４】
（５）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器を電気的にフローティングとし、前記収差補正器のフローティング電位を任意に設定できる構成とし、前記収差補正器の前後にあるレンズを静電レンズとして、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに応じて前記フローティング電位を設定し、前記静電レンズの収差補正器側の電極を前記フローティング電位と略同電位にすることを特徴とする。
【００１５】
（６）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料から放出される荷電粒子のエネルギーに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にし、前記収差補正器直前のレンズからのビーム射出角度を略不変とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする。
【００１６】
（７）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料の高さに関わらず、前記収差補正器直前のレンズの物面を略不変にする構成とし、前記収差補正器に入射する荷電粒子ビームの軌道を略一定にすることを特徴とする。
【００１７】
（８）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記試料と前記収差補正器直前のレンズとの間に、磁界レンズと焦点補正器を有することを特徴とする。
【００１８】
（９）前記（１）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記収差補正器が複数の多極子レンズで構成され、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に動作する少なくとも２枚の補助レンズを有し、前記多極子レンズが収差補正器として動作していない場合に、前記多極子レンズおよび前記補助レンズ以外のレンズ条件を略不変で結像する構成であることを特徴とする。
【００１９】
（１０）前記（９）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記補助レンズは少なくとも一組のトランスファーダブレットレンズを含むことを特徴とする。
【００２０】
（１１）前記（１）乃至（１０）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記結像光学系に、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、軸外非点収差のうち少なくとも一つの収差を補正する第二の収差補正器を有することを特徴とする。
【００２１】
（１２）前記（１）乃至（１０）の荷電粒子ビーム応用装置において、前記荷電粒子ビームは、電子ビームであり、前記電子ビームの照射により前記試料から放出される荷電粒子は、二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子のうち何れか一つを主に含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、解像度を低下させることなく低収差で取り込める電子ビーム量を向上し、また広いサブフィールドを得ることでスループットを向上させる荷電粒子ビーム応用装置が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に述べる本発明の実施例では、荷電粒子ビーム応用装置として、電子ビームパターン検査装置を例にとって説明する。なお、本発明は、電子ビームパターン検査装置に限らず、イオンビーム等の荷電粒子ビームを用いた応用装置にも同様に適用できる。
【００２４】
図１は、本発明の第１の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。
【００２５】
電子源１から放射された電子ビームは、照射レンズ２で収束ビームになり、ビーム分離器（ウィーンフィルター）４で偏向され、対物レンズ５で略平行ビームとなりステージ７上の試料６に照射される。３はこの照射電子光学系の光路を示しており、電子銃制御回路２００により電子銃印加電圧Ｖ０、電流量等を制御される。試料６は、例えば、パターンつきウエハであり、マイナス数ｋＶ程度の電圧（Ｖｓ）が印加されている。Ｖｓは試料電位制御回路２０１により制御される。ステージ７は、ステージ制御回路２０２により制御される。電子源１の像は対物レンズ５の前側焦点位置近傍に形成されているため、試料に照射されるビームは略平行で、試料上の広い領域を一度に照射することが可能である。
【００２６】
電子銃印加電圧Ｖ０はマイナス数ｋＶからマイナス１０ｋＶ程度であり、Ｖ０とＶｓの差が試料に照射される電子ビームのエネルギー（ランディングエネルギー）である。ウエハ上に形成されたパターンの検査を行う場合、検査対象に応じてランディングエネルギーを変える。ランディングエネルギーを変えるのは、電子銃印加電圧Ｖ０を変える場合もあり、試料電圧Ｖｓを変える場合もある。
【００２７】
電子ビーム照射により試料から放出される荷電粒子種は、二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子などが挙げられる。試料にイオンビームが照射される場合には、弾性散乱イオンも放出される。二次電子の放出エネルギーは１〜１０ｅＶ程度であるが、通常結像させるのは１〜５ｅＶ程度である。弾性散乱電子は、試料に照射された電子が弾性散乱したものであるため、放出エネルギーはランディングエネルギーに等しい。弾性散乱電子は、通常反射電子と呼ばれるが、ミラー電子との違いを明確にするために、ここでは弾性散乱電子と呼ぶ。ミラー電子は、ランディングエネルギーをほぼ０にした場合の反射電子で、試料に衝突せず、直上で電位Ｖｒにより引き戻される電子である。そのため、放出エネルギーはほぼ０である。なお、ミラー電子は厳密には試料から放出される電子ではないが、試料（もしくは試料近傍）の作用を受けて照射ビームの反対側に進む電子であるので、本発明中では、試料から放出される荷電粒子として扱う。
【００２８】
対物レンズ５は、３枚の電極５ａ、５ｂ、５ｃで構成される静電レンズである。第一電極５ａにはプラス数ｋＶ程度の電圧（Ｖｒ）が印加され、試料から放出された電子を加速させる。第二、第三電極５ｂ、５ｃはそれぞれマイナス数ｋＶ（Ｖobj）、０Ｖ程度の電圧に設定し、加速された電子を収束する。対物レンズ５の各電極電圧は、静電レンズ制御回路２０３により制御される。対物レンズ５を出射する電子ビームのエネルギーは、放出エネルギーと試料電位Ｖｓと検出装置１２の接地電位（通常０Ｖ）で決まる。対物レンズ５の像面をウィーンフィルター４の中心近傍にすると、ウィーンフィルター４の収差等の影響を少なくできる。
【００２９】
対物レンズ５に加えて、中間レンズ８、投影レンズ９により、試料上で発生した荷電粒子ビームの像を拡大して検出装置１２上に投影する。検出装置１２での検出結果は、検出信号処理回路２０６を経て画像処理部２１２に入力される。画像処理部２１２内には入力された検出結果を記憶する記憶機構と、検出結果と設計データもしくは事前の検出結果との比較をし、欠陥および異物の有無等を判定する欠陥判定部を有する。判定結果は、ＧＵＩ（Graphical User Interface）２０７上に表示される。
【００３０】
なお、図１において、中間レンズ８、投影レンズ９は磁界レンズを想定しており、磁界レンズ制御回路２０５により制御されるが、静電レンズでもよい。
【００３１】
放出電子種に応じて放出エネルギーは異なり、ユーザーがＧＵＩ２０７上で検出したい電子種を選択すると、対物レンズ５、中間レンズ８、投影レンズ９のレンズ条件は検出したい電子種に応じて変化され、収差補正器１０の条件も変化される。検出したい電子種以外は、対物絞り７０（後述する図４）やウィーンフィルター４内壁などで遮断し、結像に寄与しないようにする。
【００３２】
収差補正器１０は、通常複数の多極子レンズにより構成されており、対物レンズ５、中間レンズ８、投影レンズ９で発生する収差を補正する。１３は収差補正器の動作電源であり、電極数分だけ必要になる場合もある。多数の収差補正器電源１３は、収差補正器制御回路２０４により制御される。発生する収差には球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、非点収差などがあり、軸上の収差のみでなく、軸外の収差も補正する収差補正器であることが望ましい。収差補正器をウィーンフィルター４と対物レンズ５との間（図中、位置１４）に設置すると、照射光学系と結像光学系の両光路３、１１が収差補正器の中にあることになる。両光学系とも補正をすることは困難であるため、この位置は望ましくない。したがって、収差補正器の設置位置は、二光学系が重なっていないウィーンフィルター４から検出装置１２の間が望ましい。
【００３３】
検出電子量を増やすには、試料からの放出角を大きくとる必要がある。しかし、約２０ｍｒａｄより大きい放出角の場合、放出角の増大に伴い解像度は低下し、１００ｎｍ以下の解像度を得るには、１００ｍｒａｄ程度までの放出角しか取れない。２０ｍｒａｄ以上での解像度低下の要因は、二次電子は主に色収差であり、反射電子（弾性散乱電子）は主に球面収差である。これらの収差を低減できれば、放出角を大きくすることができ、検出電流量が上がるため、スループットを向上させることが出来る。すなわち、スループット向上には、収差の低減が必須である。従来は試料６と対物レンズ第一電極５ａ間の電界密度を上げることで収差を低減させているが、高電圧の放電等の問題があり、この方法での改善は次第に困難となる。
【００３４】
図１で述べたように、試料上には面積ビームを照射するため、一度に観察できる試料上の領域が広い。試料上の照射領域から、検出装置で一度に取り込める領域をサブフィールドと呼ぶ。通常は、照射ビームを出来る限り像に寄与させたいため、照射領域とサブフィールドは同程度であり、試料上で現状一辺５０〜１００μｍ程度の四角形である。このサブフィールドが広くなれば、ステージ移動の回数が減らせるなどにより、スループットを向上させることが可能となる。
【００３５】
本発明によれば、収差補正器１０で収差を補正することで、これら２つの要因（放出角、サブフィールド面積）を向上させスループットを向上させることができる。
【００３６】
図２は、本発明の第２の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。収差補正器は、一般的に、補正器前後の軌道が対称である方が調整をしやすい。特に、平行入射・平行出射が望ましいため、図２に示したような両側テレセントリックなレンズ組内に収差補正器を置く構成が望ましい。両側テレセントリックなレンズ組とは、二個一組のレンズで、第一レンズの前側焦点位置に物面があり、第二レンズの後側焦点位置に像面がある構成である。また、両側テレセントリックなレンズ組で、第一レンズと第二レンズの間隔が両焦点距離の和である構成の場合をレンズダブレットと呼ぶ。本実施例では、図２において、第一対物レンズ５１と第二対物レンズ５２（中間電極電圧Ｖobj2）はレンズダブレットを構成し、第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２は両側テレセントリックであるが、必ずしもレンズダブレットではない。
【００３７】
収差補正器の両側のレンズは、磁界レンズで構成することが可能である。また、後述する図３および図４に示すように、静電レンズで構成することも可能である。レンズダブレットは、歪曲収差、コマ収差、倍率色収差を低減する働きがある。なお、磁界レンズでのダブレットはレンズの極性を逆にすることが望ましく、前記の収差のみでなく、磁界レンズでの像回転も低減できる。また、収差補正器１０の両側のレンズをレンズダブレットもしくは両側テレセントリックにするのみでなく、他のレンズもレンズダブレットを構成することは、収差補正器１０への負荷を低減できる点から望ましい。この構成は、図２ないし図５において当てはまる。
【００３８】
ところで、収差補正器１０の動作条件（印加電場、印加磁場）は、収差補正器に入射する荷電粒子のエネルギーおよび軌道により変化する。二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子などと検出荷電粒子種を切り替えて検出する場合や、ランディングエネルギー変化や試料移動に伴う高さ変化に対して、収差補正器１０の動作条件ができる限り変化しない構成もしくは収差補正器１０の軌道ができる限り変化しない構成にしてあれば、検出荷電粒子種を変えても調整が容易である。
【００３９】
結像光学系１１における電子のエネルギー、すなわち収差補正器１０を通る電子のエネルギーは、試料電位（Ｖｓ）と検出装置の接地電位（通常０Ｖ）の差分のエネルギーに放出エネルギーを加えたものである。結像光学系１１のエネルギーは、以下の要因で変化しうる。
（１）二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子と、検出したい放出電子が異なると放出エネルギーが異なるので、結像光学系１１での電子エネルギーは異なる。
（２）通常、半導体ウエハ上に形成したパターンを検査する場合、検査する対象に応じて、ランディングエネルギーを変化させる。このとき、試料電位Ｖｓを変えずにＶ０でランディングエネルギーを制御する場合は、結像光学系１１での電子エネルギーは変化しないが、Ｖ０を変えずにＶｓ変化でランディングエネルギーを制御する場合、結像光学系のエネルギーは変化する。
【００４０】
また、収差補正器１０に入射する電子ビームの軌道は、以下の要因で変化する。
（１）上記二要因による結像光学系のエネルギーの変化。
（２）試料の高さ変化。
【００４１】
そこで、上記の要因により収差補正器１０の条件変化が少ないシステムを提案する。
【００４２】
まず、収差補正器１０における電子ビームのエネルギーを略不変にする構成を示す。
【００４３】
図３は、本発明の第３の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。本実施例では、対物レンズ、中間レンズともレンズダブレットを形成し、投影レンズはレンズダブレットとは限らないが両側テレセントリックになっている。また、中間レンズ８１、８２は磁界レンズ、投影レンズ９１、９２は静電レンズを用いている。９１ａ、９１ｂ、９１ｃは、それぞれ第一投影レンズ９１を構成する第一電極、第二電極（印加電圧Ｖi）、第三電極を示し、９２ａ、９２ｂ、９２ｃは、それぞれ第二投影レンズ９２を構成する第一電極、第二電極（印加電圧Ｖp）、第三電極を示している。
【００４４】
収差補正器１０は電気的にフローティングとし、フローティング電位（Ｖｅ）を任意に変えられるものとする。収差補正器１０のフローティング電位Ｖｅを、試料から放出されるエネルギーに相当する電圧値に設定することで、放出エネルギーにかかわらず、収差補正器１０を通る電子ビームのエネルギーを一定に保つことが可能となる。また、図３に示したように、第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２の収差補正器側の電極（９１ｃ、９２ａ）をＶｅと同電位にし、９１ｃから９２ａまでの鏡体もＶｅにすると、収差補正器１０の入出射エネルギーを一定に保つことができ、より調整がしやすくなる。ただし、収差補正器内の多極子の間隔が密であり、前記第一投影レンズ９１と第二投影レンズ９２の収差補正器側の電極が収差補正器１０に近い場合には、実質的に鏡体までＶｅにしなくてもよい場合もある。
【００４５】
次に、収差補正器に入射する電子ビームの軌道を略不変にする構成を示す。
【００４６】
図３には、焦点補正器６０を有する。焦点補正器６０は筒状の電極であり、ここに電圧を印加することで、第一中間レンズ８１の磁場の作用が変化し、焦点位置Ｐを変化させることが出来る。図中Ｐは、収差補正器１０直前レンズの物面を示す。試料６の高さ変化は試料高さ検出器１５で検出し、検出結果はＺ検出回路２０９を経て焦点補正器制御回路２０８や静電レンズ制御回路２０３、磁界レンズ制御回路２０５にフィードバックされる。試料の高さ変化に対してもＰ位置を略一定に保つことで、収差補正器１０への入射軌道は略一定に保つことが出来る。各レンズの励磁値・電圧値を変えてもＰ位置を略一定に保つことは可能であるが、ウエハ検査時の高さ変化のように、高速での応答を要求される場合には、焦点補正器６０にフィードバックした方がよい。なお、焦点補正器６０はＰを不変にするのみでなく、検出装置１２でのフォーカスを調整するために用いることも可能である。
【００４７】
また、放出エネルギーが変化した場合でも、収差補正器１０直前レンズの物面Ｐを略不変にし、収差補正器１０直前レンズからの射出角度を略不変にすることで、収差補正器１０への入射軌道を略一定にすることができ、検査対象（二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子）を変えた場合の調整が容易になる。図３のように、収差補正器１０が両側テレセントリックなレンズに挟まれている場合、収差補正器１０直前レンズ（第一投影レンズ９１）は平行射出であるため、調整が容易になる。放出エネルギーが変化した場合は高速でのフィードバックが要求されないので、物面Ｐを略不変にし、収差補正器１０直前レンズからの射出角度を略不変にするためには、磁界レンズや静電レンズの励磁値、電圧値を変化させればよく、補助的に焦点補正器６０を用いてもよい。
【００４８】
図４は、本発明の第４の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図であり、収差補正器１０を実際に使用する場合に有用な構成を示す。ここでは、照射光学系３の一部を省略してある。収差補正器は、通常複数の多極子レンズで構成される。収差補正器を用いる場合、まずこれら多極子レンズを動作させない状態で多極子レンズ以外のレンズ条件等の設定を行い、その後多極子レンズを動作させて調整し、収差補正器として機能させる。本発明で想定する軸外収差まで補正する収差補正器では、多極子レンズの動作・非動作によって収差補正器以下の結像条件が変化するため、多極子レンズ非動作時に結像できるように補助レンズＴＬ１、ＴＬ２を有することが望ましい。
【００４９】
補助レンズＴＬ１、ＴＬ２を有する構成を、図４に示す。図４には、第一結像レンズ９１と収差補正器１０の間、および収差補正器１０と第二結像レンズ９２との間に、補助レンズＴＬ１およびＴＬ２を設置している。これら補助レンズは補助レンズ制御回路２１１を経て制御し、収差補正器１０を動作させない場合ＯＮ、動作時にはＯＦＦにする。補助レンズの焦点距離および設置位置は、第一投影レンズの焦点距離をｆ１とすると、ＴＬ１、ＴＬ２とも焦点距離をｆ１としたダブレットレンズが望ましい。補助レンズの物面（Ｚ１）を第一投影レンズ９１の後側焦点位置、像面（Ｚ２）を第二投影レンズ９２の前側焦点位置となるように設置する。この補助レンズＴＬ１、ＴＬ２のように、二つのレンズの焦点距離が等しく、レンズ間隔が焦点距離の２倍で、第一レンズ（ＴＬ１）の物面が前側焦点位置、第二レンズ（ＴＬ２）の像面が後側焦点位置にあるレンズ組をトランスファーダブレットと呼び、物面を等倍で像面に写像する機能を有する。このとき収差補正器はＺ１からＺ２の間に入るため、収差補正器１０の大きさを考慮して、ｆ１、ｆ２を設計する。なお補助レンズを用いる場合、Ｖｅは所定の値にしてあった方が以後の調整が容易になる。
【００５０】
また、６１、６２は軸調整用のアライナであり、アライナ制御回路２１０により制御され、収差補正器１０動作時と補助レンズ動作時での光軸の違いを調整する。この軸調整用アライナは、磁場型ではヒステリシスがあるため、再現性のよさから静電型が望ましい。図４に示したように、両側テレセントリックなレンズ組の間に補助レンズを入れる場合、２枚のレンズでよいが、収差補正器の前後が両側テレセントリックでない場合、同様の機能を持たせる場合に２枚以上のレンズが必要になる場合がある。図４中、１１０、１１１は軸外の結像光学系である。また、７０は絞りである。絞り７０では、放出電子の角度を制限したり、結像に寄与する以外の電子ビームを遮断したりする。
【００５１】
図５は、本発明の第５の実施例に係る電子ビーム検査装置の概略図である。照射光学系内にも、球面収差、色収差、コマ収差、歪曲収差、像面湾曲、非点収差などの収差を補正する収差補正器１００を搭載した例である。収差補正器１００は、収差補正器制御回路２０４で制御される。このように、照射光学系にも収差補正器を搭載することにより、例えば、照射光学系の球面収差を補正することで平行度のより高いビームを試料に照射することが可能となり、また、色収差を補正することでエネルギーがより一様なビームを試料に照射することが可能となる。
【００５２】
このように、本発明によれば、試料上に形成されたパターンを観察する際に、解像度を低下させずに検出荷電粒子量を向上させ、さらにサブフィールドを広く取り、観察スループットを向上させることが可能となる。また、放出される荷電粒子種（二次電子、弾性散乱電子、ミラー電子など）の変化や試料高さ変動などにより結像光学条件が変化しても、収差補正条件をほぼ一定に保つことが可能となる。また、収差補正器が動作していない場合でも結像が可能なように、補助レンズを設置する。さらに、照射光学系にも収差補正器を搭載することにより、試料に一様なビーム照射が可能となる。
【００５３】
以上詳述したように、本発明の荷電粒子ビーム応用装置によれば、軸上および軸外の収差を補正し、より広い試料放出角のビームを取り込めるのと、より広い領域での観察が可能となり、高解像度、高スループットのパターン検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図２】本発明の第２の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図３】本発明の第３の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図４】本発明の第４の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【図５】本発明の第５の実施例に係る電子ビームパターン検査装置を説明する図。
【符号の説明】
【００５５】
１…電子源、２…照射レンズ、３…照射光学系の光路、４…ビーム分離器（ウィーンフィルター）、５…対物レンズ、５ａ…対物レンズ第一電極、５ｂ…対物レンズ第二電極、５ｃ…対物レンズ第三電極、６…試料、７…試料ステージ、８…中間レンズ、９…投影レンズ、１０…収差補正器、１１…結像光学系の光路、１２…検出装置、１３…収差補正器制御回路、１４…収差補正器仮位置、１５…試料高さ検出器、５１…第一対物レンズ、５１ａ…第一対物レンズ第一電極、５１ｂ…第一対物レンズ第二電極、５１ｃ…第一対物レンズ第三電極、５２…第二対物レンズ、６０…焦点補正器、６１…収差補正器前アライナ、６２…収差補正器後アライナ、７０…絞り、８１…第一中間レンズ、８２…第二中間レンズ、９１…第一投影レンズ、９１ａ…第一投影レンズ第一電極、９１ｂ…第一投影レンズ第二電極、９１ｃ…第一投影レンズ第三電極、９２…第二投影レンズ、９２ａ…第二投影レンズ第一電極、９２ｂ…第二投影レンズ第二電極、９２ｃ…第二投影レンズ第三電極、１００…照射光学系収差補正器、１１０…結像光学系軸外光路１、１１１…結像光学系軸外光路２、２００…電子銃制御回路、２０１…試料電位制御回路、２０２…ステージ制御回路、２０３…静電レンズ制御回路、２０４…収差補正器制御回路、２０５…磁界レンズ制御回路、２０６…検出信号処理回路、２０７…ＧＵＩ（Graphical User Interface）、２０８…焦点補正器制御回路、２０９…Ｚ検出回路、２１０…アライナ制御回路、２１１…補助レンズ制御回路、２１２…画像処理部、ＴＬ１…第一補助レンズ、ＴＬ２…第一補助レンズ。