(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射する照明光学系と、
前記照明用ビームを前記物体表面に照射して得られる二次ビームを所定の検出面上に結像させる写像光学系と、
前記検出面に結像した像を電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算した信号を出力する撮像手段と、
前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれ量に応じて、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御する制御手段とを備え、
該制御手段は、前記撮像手段から出力される信号から求められる光学的伝達関数が、前記物体に形成されたパターンのピッチに応じた前記像の空間周波数において最大となるように前記非同期量を制御することを特徴とする表面状態観察装置。
【請求項２】
前記物体を載置した状態で移動可能に構成されたステージを更に備え、
前記制御手段は、前記像の位置ずれ量に応じて前記ステージの移動速度を可変にすることにより、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御することを特徴とする請求項１記載の表面状態観察装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記検出面上の像の移動速度を一定とした状態で、前記撮像手段から出力される信号から求められる光学的伝達関数が、前記物体に形成されたパターンのピッチに応じた前記像の空間周波数において最大となるように前記非同期量を制御することを特徴とする請求項１記載の表面状態観察装置。
【請求項４】
前記空間周波数は、前記検出面上の前記像の移動方向における空間周波数であることを特徴とする請求項３記載の表面状態観察装置。
【請求項５】
前記写像光学系の設計値から又は実測値から予め求めた前記写像光学系の光学特性を記憶する記憶手段と、
前記物体に形成されたパターンのピッチを入力する入力手段と、
前記記憶手段に記憶された前記写像光学系の光学特性及び前記入力手段から入力された前記パターンのピッチに基づいて前記変換タイミングに対する前記像の非同期量を算出する算出手段と
を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の表面状態観察装置。
【請求項６】
前記撮像手段は、前記検出面において二次元的に等間隔で配列された複数の画素を有し、各画素における前記変換タイミングは同一であることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の表面状態観察装置。
【請求項７】
観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射する照明光学系と、
前記照明用ビームを前記物体表面に照射して得られる二次ビームを所定の検出面上に結像させる写像光学系と、
前記検出面に結像した像を電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算した信号を出力する撮像手段と、
前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれ量に応じて、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御する制御手段とを備え、
前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれは、前記写像光学系に残存する歪曲収差による位置ずれであることを特徴とする表面状態観察装置。
【請求項８】
前記照明用ビームは荷電粒子線であり、
前記二次ビームは、前記荷電粒子線を前記物体に照射して生ずる二次電子、反射電子、及び後方散乱電子の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の表面状態観察装置。
【請求項９】
前記撮像手段は、前記写像光学系によって前記検出面に結像された像を光学像に変換する変換手段を備え、当該変換手段で変換された光学像を光電変換して前記電気信号に変換することを特徴とする請求項８記載の表面状態観察装置。
【請求項１０】
観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射して得られる二次ビームを写像光学系を介して所定の検出面上に結像させ、当該検出面に結像した像を移動させつつ電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算して得られる信号を用いて前記物体の表面の状態を観察する表面状態観察方法において、
前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる該写像光学系に残存する歪曲収差による位置ずれ量に応じて、前記検出面に結像した像の電気信号への変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御することを特徴とする表面状態観察方法。
【請求項１１】
請求項１から請求項９の何れか一項に記載の表面状態観察装置又は請求項１０記載の表面状態観察方法を用いてマイクロデバイスの表面を観察する工程を含むことを特徴とするマイクロデバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子線又は光やＸ線等の電磁波を照明用ビームとして物体に照射し、照明用ビームを物体に照射して得られる二次ビーム（二次電子、反射電子、後方散乱光、反射光）を検出して物体の表面状態の観察や検査等を行う表面状態観察装置及び方法、並びに、当該表面状態観察装置及び方法を用いて観察された半導体素子、及び、当該表面状態観察装置及び方法を用いてマイクロデバイスの表面を観察する工程を含むマイクロデバイスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子はプレーナ技術を用いて半導体基板表面に微細なパターンを形成して製造されるが、半導体素子の小型化の要求によりそのパターンは微細化され、高集積化されている。かかる半導体素子の表面状態の観察及び欠陥検査を行うために電子ビーム（電子線）等の荷電粒子を用いた荷電粒子線顕微鏡が用いられている。従来から荷電粒子顕微鏡として一般的に知られており、使用頻度が高い顕微鏡は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）である。走査型電子顕微鏡は、物体表面の一点に電子ビームを照射し、電子ビームを照射した点から発生する二次電子、反射電子、及び後方散乱電子を検出し、かかる動作を物体に対して照射する電子ビームを相対的に走査しつつ行うことにより物体表面の画像を形成する。走査型電子顕微鏡は、観察を行う領域全面に亘って電子ビームを走査する必要があるため、観察に比較的長時間を要するという問題がある。
【０００３】
この問題を解決する装置として、近年、写像型電子顕微鏡が案出されている。この写像型電子顕微鏡は、電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子線又は光やＸ線等の電磁波を物体の観察面に面状に照射し、物体の表面から発生する二次電子、反射電子、及び後方散乱電子を加速して集束し、電子光学系によりその像を拡大投影して撮像面に結像させ、電子強度分布を光強度分布に変換することにより物体の表面を観察する装置である。物体に電子ビームを照射する写像型電子顕微鏡は、例えば特開平１０−１９７４６２号公報や特開平１１−６４２５６号公報に開示されている。
【０００４】
写像型電子顕微鏡は、電子光学系に設けられるＣＣＤ（Charge Coupled Device）等のセンサが一次元のセンサであるか又は二次元のセンサであるかにより観察時の制御方法が異なる。一次元のセンサを備える写像型電子顕微鏡は観察対象の物体が載置されたステージを一定速度で移動させて、センサに対して物体の像を走査しつつ、順次光強度分布を得る制御方法が基本となる。一方、二次元のセンサを備える写像型電子顕微鏡は、物体が載置されたステージを一定距離だけ移動させてセンサで撮像し、その後更にステージを一定距離だけ移動させてセンサで撮像を行う動作、即ちステージをステップ・アンド・リピートにより光強度分布を得る制御方法が基本となる。
【０００５】
一次元のセンサを備える写像型電子顕微鏡は、二次元のセンサを備える写像型電子顕微鏡に比べて、以下に示す利点を有する。まず、物体の表面から発生する二次電子、反射電子、及び後方散乱電子を拡大等させる電子光学系の視野が二次元びセンサを備える場合に比べて狭くて良いため、収差補正を考慮した電子光学系の設計・製造コストを低減することができるという利点がある。第２に、広い範囲を観察する場合であっても、単にステージを一定の速度で移動させるだけで良いため、ステージ制御を簡単化することができるという利点がある。以上の理由から、写像型電子顕微鏡は一次元のセンサを備えることが多い。
【０００６】
ところで、以上の特徴を有する一次元のセンサを備えた写像型電子顕微鏡を発展させた顕微鏡として、特開平１０−１９７４６２号公報に開示された写像型電子顕微鏡が案出されている。この写像型電子顕微鏡は、観察する物体をステージ上に載置し、ステージを移動させながら撮像面に結像された二次元画像をＴＤＩ（Time-Delay-Integration；時間遅延積分型）アレイＣＣＤ（Charge Coupled Device）で検出するものである。ここで、ＴＤＩアレイＣＣＤの構成を簡単に説明すると以下の通りである。ＴＤＩアレイＣＣＤは、複数の行（例えば、２５６行）と複数の列（例えば、１０２４列）とを有し、各行と列との交点位置に画素が配列され、各行に配列された画素において蓄積された電荷を列毎に隣接する行に転送する構成である。換言すると、ＴＤＩアレイＣＣＤは列数分の長さを有する行数分のラインセンサと考えることができる。よって、ＴＤＩアレイＣＣＤにおける電荷の転送タイミングとステージの移動タイミングとを同期させれば、電荷が転送される度に同じ信号が順次積算されるため、検出感度を向上させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＴＤＩアレイＣＣＤにおける電荷の転送タイミングは固定であり、高解像度の観察結果を得るためにはステージの移動タイミング（移動速度）を高い精度をもってＴＤＩアレイＣＣＤにおける電荷の転送タイミングに合わせる制御を行う必要がある。また、物体の表面状態を精密に検査するためには、物体表面からの二次電子、反射電子、及び後方散乱電子を集束して撮像面に結像させる写像光学系の収差、特に歪曲収差を極力抑える必要がある。図１６は、歪曲収差の一例を示す図である。いま、図１６（ａ）に示すように格子形状が物面（例えば、観察対象の物体の表面）に配置されている場合、写像光学系に負の歪曲収差が生じている場合には、像面（例えば、撮像面）に結像される像は、例えば図１６（ｂ）に示したように樽型に変形する。かかる変形した像をＣＣＤで撮像した場合には、変形した分の誤差が生じた状態で物体の表面が観察される。
【０００８】
また、ＴＤＩアレイＣＣＤで図１６（ｂ）に示した像を撮像した場合にはＴＤＩアレイＣＣＤの構成上、更に検出精度が悪化する。以下、その原因について説明する。図１７は、歪曲収差が生じている像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出した場合の検出精度の悪化を説明する図である。いま、理解を容易にするため、物体上の観察面に点光源があるとする。ＴＤＩアレイＣＣＤで観察する場合には、前述した通りステージを移動させながら観察するため、物面（観察面）での点光源の軌跡ｔｒ１は図１７（ａ）に示した通り線状になる。写像光学系に歪曲収差が生じていない場合には像面における点光源の像の軌跡も線状になる。
【０００９】
しかしながら、写像光学系に歪曲収差が生じている場合には、図１６（ｂ）に示したように像面に結像される像が変形するため、物面において点光源が移動すると、像面における点光源の像の軌跡は直線とはならず、図１７（ｂ）に示すように弧状の曲線の軌跡ｔｒ２となる。かかる弧状の曲線の軌跡ｔｒ２をＴＤＩアレイＣＣＤで検出すると、ＴＤＩアレイＣＣＤの端部に位置する行ｒ１，ｒ３においては、第ｊ（ｊは自然数）列の画素で観察され、ＴＤＩアレイＣＣＤの中央部に位置する行ｒ２においては、第ｉ（ｉはｉ＜ｊを満たす自然数）列の画素で検出される（尚、図中の右側ではこの関係は逆になる）。前述したように、ＴＤＩアレイＣＣＤは蓄積した電荷を順次隣接する行に転送しているため、物面における点光源の像は像面において、第ｉ列と第ｊ列との間隔Δｘの幅だけぼけて観察される。このように、歪曲収差を有する光学像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出すると、像が悪化してしまう。
【００１０】
スキャン方向（図１７のＹ方向）については、歪曲収差が無いと仮定すると、物面上にある点光源の像は、一定の時間間隔で同一列に配列された異なる画素で順次観察され、点光源が観察される時間間隔とＴＤＩアレイＣＣＤの電荷の転送タイミングが同期しているため、最終的にＴＤＩアレイＣＣＤからは同一の列に配列された画素の数だけ信号強度が積算された点光源の像が出力される。しかしながら、写像光学系に歪曲収差が生じていると、物面の点光源の移動速度が一定であってもＴＤＩアレイＣＣＤ上における点光源の像の移動速度が歪曲収差に応じて変化するため、点光源の像の移動速度とＴＤＩアレイＣＣＤの電荷の転送タイミングが異なったものとなり、結果として点光源は歪曲収差に応じてＹ方向に延びた形状が観察されることになる（正確にはＸ方向にも歪曲収差があるため、円形状又は楕円形状の像が観察される）。
【００１１】
以上のように、歪曲収差が生じている写像光学系を介した像をＴＤＩアレイＣＣＤで観察しようとすると、Ｘ方向及びＹ方向ともにぼけた像が得られ、分解能が低下してしまう。図１７（ｂ）で示したように、Ｘ方向についてはΔｘだけぼけた像が得られるが、スキャン方向については、図１８に示すように、最大で２・Δｙだけぼけた像が得られる。図１８は、歪曲収差が生じている像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出した場合のスキャン方向の検出精度の悪化を説明する図である。図１８に示したように、スキャン方向（Ｙ方向）については、同一の列に配列される画素は、＋Ｙ方向に歪曲した像（＋Ｙ方向に凸となる像）及び−Ｙ方向に歪曲した像（−Ｙ方向に凸となる像）の両方を検出することになるため、スキャン方向の解像度は、図１７（ｂ）に示したＸ方向の解像度よりも低下する。よって、全体的な解像度を向上させるためには、まずＹ方向（スキャン方向）の解像度の低下を極力防止する必要がある。
【００１２】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、写像光学系に歪曲収差が残存する場合であっても高分解能で観察することができる表面状態観察装置及び方法、並びに、当該表面状態観察装置及び方法を用いて観察された半導体素子、及び、当該表面状態観察装置及び方法を用いてマイクロデバイスの表面を観察する工程を含むマイクロデバイスの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の観点による表面状態観察装置は、観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射する照明光学系と、前記照明用ビームを前記物体表面に照射して得られる二次ビームを所定の検出面上に結像させる写像光学系と、前記検出面に結像した像を電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算した信号を出力する撮像手段と、前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれ量に応じて、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御する制御手段とを備え、該制御手段は、前記撮像手段から出力される信号から求められる光学的伝達関数が、前記物体に形成されたパターンのピッチに応じた前記像の空間周波数において最大となるように前記非同期量を制御することを特徴としている。
この発明によれば、写像光学系の光学特性に応じて生ずる検出面上での光学像の位置ずれ量に応じて、撮像手段が検出面に結像した像を電気信号に変換するタイミングと検出面上における像の移動速度とを非同期にするのみならず、その非同期の量を制御するようにしているため、写像光学系の歪曲収差による解像度の低下を防止することができ、その結果として写像光学系に歪曲収差が残存していても高分解能で観察することができる。
また、本発明の第２の観点による表面状態観察装置は、第１の観点による表面状態観察装置において、前記物体を載置した状態で移動可能に構成されたステージを更に備え、前記制御手段が、前記像の位置ずれ量に応じて前記ステージの移動速度を可変にすることにより、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御することを特徴としている。
また、本発明の第３の観点による表面状態観察装置は、第１の観点による表面状態観察装置において、前記制御手段が、前記検出面上の像の移動速度を一定とした状態で、前記撮像手段から出力される信号から求められる光学的伝達関数が、前記物体に形成されたパターンのピッチに応じた前記像の空間周波数において最大となるように前記非同期量を制御することを特徴としている。
また、本発明の第４の観点による表面状態観察装置は、第３の観点による表面状態観察装置において、前記空間周波数が、前記検出面上の前記像の移動方向における空間周波数であることを特徴としている。
また、本発明の第５の観点による表面状態観察装置は、第３の観点又は第４の観点による表面状態観察装置において、前記写像光学系の設計値から又は実測値から予め求めた前記写像光学系の光学特性を記憶する記憶手段と、前記物体に形成されたパターンのピッチを入力する入力手段と、前記記憶手段に記憶された前記写像光学系の光学特性及び前記入力手段から入力された前記パターンのピッチに基づいて前記変換タイミングに対する前記像の非同期量を算出する算出手段とを備えることを特徴としている。
また、本発明の第６の観点による表面状態観察装置は、第１の観点から第５の観点の何れかの表面状態観察装置において、前記撮像手段が、前記検出面において二次元的に等間隔で配列された複数の画素を有し、各画素における前記変換タイミングは同一であることを特徴としている。
また、本発明の第７の観点による表面状態観察装置は、観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射する照明光学系と、前記照明用ビームを前記物体表面に照射して得られる二次ビームを所定の検出面上に結像させる写像光学系と、前記検出面に結像した像を電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算した信号を出力する撮像手段と、前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれ量に応じて、前記撮像手段の変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御する制御手段とを備え、前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる前記像の位置ずれは、前記写像光学系に残存する歪曲収差による位置ずれであることを特徴としている。
また、本発明の第８の観点による表面状態観察装置は、第１の観点から第７の観点の何れかの表面状態観察装置において、前記照明用ビームは荷電粒子線であり、前記二次ビームは、前記荷電粒子線を前記物体に照射して生ずる二次電子、反射電子、及び後方散乱電子の少なくとも１つであることを特徴としている。
また、本発明の第９の観点による表面状態観察装置は、第８の観点の表面状態観察装置において、前記撮像手段が、前記写像光学系によって前記検出面に結像された像を光学像に変換する変換手段を備え、当該変換手段で変換された光学像を光電変換して前記電気信号に変換することを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の表面状態観察方法は、観察対象の物体の表面上に照明用ビームを照射して得られる二次ビームを写像光学系を介して所定の検出面上に結像させ、当該検出面に結像した像を移動させつつ電気信号に変換し、当該電気信号を前記検出面上における前記像の移動方向に転送しつつ積算して得られる信号を用いて前記物体の表面の状態を観察する表面状態観察方法において、前記写像光学系の光学特性に起因して生ずる該写像光学系に残存する歪曲収差による位置ずれ量に応じて、前記検出面に結像した像の電気信号への変換タイミングと前記検出面上の前記像の移動速度との非同期量を制御することを特徴としている。
更に、上記課題を解決するために、本発明のマイクロデバイスの製造方法は、上記第１の観点から第９の観点の何れかに記載の表面状態観察装置又は上記表面状態観察方法を用いてマイクロデバイスの表面を観察する工程を含むことを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による表面状態観察装置及び方法並びに半導体素子及びマイクロデバイスの製造方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の構成を示す図である。本実施形態の表面状態観察装置は、主として電子ビームを加速して試料に導くための一次コラム１と、電子ビームを試料に照射した際に発生する二次電子ビームを電子ビーム検出器３０の検出面に集束させるための二次コラム２と、観測対象である試料（物体）４を収容するチャンバー３とから構成されている。一次コラム１の光軸は鉛直方向に対して斜方向に設定され、二次コラム２の光軸はほぼ鉛直方向に設定される。よって、一次コラム１から二次コラム２へは照明用ビームＢ１が斜方向から入射する。一次コラム１、二次コラム２、及びチャンバー３には真空排気系（図示省略）が繋がっており、真空排気系が備えるターボポンプ等の真空ポンプにより排気されており、これらの内部は真空状態に維持される。
【００１５】
一次コラム１内部には熱電子放出型電子銃１０が設けられており、この熱電子放出型電子銃１０から照射される照明用ビームＢ１の光軸上に照明光学系１１が配置される。ここで、熱電子放出型電子銃１０のチップとしては、例えば矩形陰極で大電流を取り出すことができることが好ましい。照明光学系１１は、視野絞りＦＳ１、照射レンズ１２，１３，１４、アライナ１５，１６、スキャン用アライナ１７、アパーチャ１８等で構成されている。ここで、照射レンズ１２，１３，１４は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。照明光学系１１が備える照射レンズ１２，１３，１４の照明用ビームＢ１に対する収束特性は印加する電圧を変えることにより変化する。尚、照射レンズ１２，１３，１４は、ユニポテンシャルレンズ又はアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズであってもよい。
【００１６】
二次コラム２内には写像光学系２０が配置されている。写像光学系２０は試料４に照明用ビームＢ１を照射した場合に生ずる二次ビームとしての二次電子ビームＢ２を収束して電子ビーム検出器３０の検出面に結像させるためのものであり、試料４側から鉛直上方向へ順にカソードレンズ２１、第１アライナ２２、開口絞りＡＳ、イー・クロス・ビー２３、スティグメータ２４、結像レンズ前群２５、第２アライナ２６、スティグメータ２７、視野絞りＦＳ２、結像レンズ後群２８、及び第３アライナ２９が配置されてなるものである。
【００１７】
写像光学系２０が備える視野絞りＦＳ２は、カソードレンズ２１と結像レンズ前群２５に関して、試料４の物体面と共役な位置関係に設定されている。また、写像光学系２０の結像レンズ前群２５及び結像レンズ後群２８は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。尚、カソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、及び結像レンズ後群２８は、ユニポテンシャルレンズ又はアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズであってもよい。また、写像光学系２０が備えるカソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、及び結像レンズ後群２８の二次電子ビームＢ２に対する収束特性、つまり二次電子ビームＢ２の焦点位置は印加する電圧を変えることにより変化する。また、イー・クロス・ビー２３の照明用ビームＢ１及び二次電子ビームＢ２に対する偏向特性及び収束特性は印加する電圧又は電流を変えることにより変化する。
【００１８】
更に、写像光学系２０が備える第３アライナ２９の鉛直上方向には電子ビーム検出器３０が配置される。この電子ビーム検出器３０の検出面には電子ビームＢ１を試料４に照射したときに放出される二次電子ビームＢ２が写像光学系２０によって結像される。ここで、電子ビーム検出器３０は、電子を増幅するためのＭＣＰ（Micro Channel Plate）３１と、電子ビーム検出器３０の検出面に結像された像を光学像に変換する変換手段としての蛍光板３２と、真空状態に保たれた二次コラム２の外部に蛍光板によって変換された光を放出するための真空窓３３とから構成されている。電子ビーム検出器３０から放出された光、即ち試料４の光学像はリレーレンズ３４を透過して、ＴＤＩ（Time-Delay-Integration；時間遅延積分型）アレイＣＣＤ（Charge Coupled Device）の撮像素子３５の撮像面に入射する。尚、上記電子ビーム検出器３０、リレーレンズ３４、及び撮像素子３５は、本発明にいう撮像手段に相当するものである。また、電子ビーム検出器３０の検出面はリレーレンズ３４により電子ビーム検出器３０の検出面と光学的に共役関係にあるので、以下、単に検出面といった場合には、電子ビーム検出器３０の検出面及び撮像素子３５の撮像面の両方を意味するものとする。
【００１９】
ここで、撮像素子３５の構成について説明する。図２は、撮像素子３５としてのＴＤＩアレイＣＣＤの構成例を示す機能ブロック図である。図２に示したＴＤＩアレイＣＣＤは、水平方向（図２中のＸ軸方向）に１０２４個の画素Ｃ１〜Ｃ１０２４を配列してライン状のＣＣＤ画素列が構成されており、更に垂直方向（図２中のＹ軸方向）に２５６列のＣＣＤ画素列Ｒ１〜Ｒ２５６を配列して構成される。各ＣＣＤ画素は行方向及び列方向に等間隔に配置されており、各ＣＣＤ画素が撮像面に結像した像を変換するタイミングは同一に設定されている。尚、各画素が行方向に配列される間隔と列方向に配列される間隔とは異なっていても良い。ＣＣＤ画素列Ｒ１〜Ｒ２５６各々に配列された画素上の蓄積電荷は、外部から供給される１垂直クロック信号により、一度に垂直方向へ１つのＣＣＤ画素列分だけ転送されるようになっている。
【００２０】
撮像素子３５の撮像面に結像した画像の内、ある時点でＣＣＤ画素列Ｒ１で撮像された画像が、垂直方向に１ＣＣＤ画素列分だけ移動し、それと同期して垂直クロック信号が与えられると、ＣＣＤ画素列Ｒ１の各画素で蓄積された画素信号はＣＣＤ画素列Ｒ２へ転送される。ＣＣＤ画素列Ｒ２では、垂直クロック信号が与えられる前においてＣＣＤ画素列Ｒ１で撮像された画像と同一の画像を撮像するので、ＣＣＤ画素列Ｒ２内で蓄積される画像の電荷は２倍になる。続けて画像が垂直方向にさらに１ＣＣＤ画素列分だけ移動し、同期クロック信号が与えられると、蓄積画像はＣＣＤ画素列Ｒ３に転送され、そこで３倍の画像電荷が蓄積される。以下順々に、画像の移動に追随してＣＣＤ画素列Ｒ２５６まで電荷の転送と撮像とを繰り返し行うと、最初にＣＣＤ画素列Ｒ１において蓄積された電荷の２５６倍の電荷を蓄積した結果が水平出力レジスタＨＲからシリアルに画素信号として出力される。ここで、撮像素子３５が備える各画素は、水平方向（図２中のＸ軸方向）及び垂直方向（図２中のＹ軸方向）に等間隔をもって配列されている。
【００２１】
この撮像素子３５にはコントロールユニット３６が接続されている。コントロールユニット３６は、撮像素子３５から出力される画素信号をシリアルに読み出し、順次主制御系３７へ出力する。主制御系３７はコントロールユニット３６から出力される画素信号に対して、例えばテンプレートマッチング等の画像処理を行って試料４の欠陥の有無を判断する。また、主制御系３７は照明光学系制御部３８及び写像光学系制御部３９に制御信号を出力して照明光学系１１及び写像光学系２０の光学特性の制御並びにイー・クロス・ビー２３の電磁界制御を行う。尚、コントロールユニット３６から主制御系３７へ出力される画像信号をＣＲＴ（Cathod Ray Tube）等の表示装置へ表示させれば試料４の像は表示装置へ表示されることになる。
【００２２】
次に、チャンバー３内の構成について説明する。チャンバー３の内部には、試料４を載置した状態で水平面とほぼ平行に設定されたｘｙ平面内で移動自在に構成されたｘｙステージ４０が配置されている。ｘｙステージ４０上の一端にはＬ字型の移動鏡４１が取り付けられ、移動鏡４１の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計４２が配置されている。図１では簡略化して図示しているが、移動鏡４１はｘ軸に垂直な反射面を有する平面鏡及びｙ軸に垂直な反射面を有する平面鏡より構成されている。また、レーザ干渉計４２は、ｘ軸に沿って移動鏡４１にレーザビームを照射する２個のｘ軸用のレーザ干渉計及びｙ軸に沿って移動鏡４１にレーザビームを照射するｙ軸用のレーザ干渉計より構成され、ｘ軸用の１個のレーザ干渉計及びｙ軸用の１個のレーザ干渉計により、ｘｙステージ４０のｘ座標及びｙ座標が計測される。また、ｘ軸用の２個のレーザ干渉計の計測値の差により、ｘｙステージ４０のｘｙ平面内における回転角が計測される。
【００２３】
レーザ干渉計４２の計測結果は主制御系３７に出力され、主制御系３７はこの計測結果に基づいて駆動装置４３に対して制御信号を出力し、ｘｙステージ４０のｘｙ平面内における位置を制御する。また、図示は省略しているが、ｘｙステージ４０以外に試料４のｚ軸方向（鉛直方向）の位置を変化させることができるｚステージや試料４の物体面のｘｙ平面に対する傾斜を制御するチルトステージを設けることが好ましい。
【００２４】
本実施形態の表面状態観察装置は、上記構成に加えて写像光学系２０の設計値から又は実測値から予め求めた写像光学系２０の歪曲収差量を記憶する記憶手段としての記憶装置４４及び試料４に形成されているパターンのピッチを入力するための入力手段としての入力装置４５を備える。記憶装置４５は例えばハードディスク等の外部記憶装置により実現され、入力装置４５はキーボード及びマウス等により実現される。尚、記憶装置４４は写像光学系２０の歪曲収差量のみを記憶する訳ではなく、その他に写像光学系２０の倍率及び撮像素子３５に関する情報（例えば、撮像素子３５に設けられるシャッタが開状態にある時間並びに行方向及び列方向の画素数）を記憶する。
【００２５】
入力装置４５から入力されたパターンのピッチは主制御系３７に出力され、主制御系３７は入力装置４５からの値に基づいて写像光学系２０の歪曲収差量に応じて検出面（ひいては、撮像素子３５の撮像面）で生ずる像のずれ量に基づいて生ずる解像度の低下を極力低下させないようにステージ２０の移動速度を算出する。この算出方法の詳細については後述する。尚、主制御系３７は、本発明にいう制御手段及び算出手段に相当する。
【００２６】
以上、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の概略構成について説明したが、次に本発明の一実施形態による表面状態観察装置の照明用ビームＢ１と二次電子ビームＢ２の軌道について詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の照明用ビームＢ１の軌道を示す図である。尚、図３においては理解を容易にするため、照明光学系１１が備える部材の一部の図示を省略している。熱電子放出型電子銃１０から放出された照明用ビームＢ１は、図３に示したように照射レンズ１２，１３，１４によって形成された電場の影響を受けて集束及び発散する。ここで、熱電子放出型電子銃１０が有する矩形形状のチップの長軸方向をａ軸方向に設定し、短軸方向をｂ軸方向に設定すると、矩形陰極のａ軸方向断面に放出された電子の軌道は図３において符号Ｐaを付して示した軌道となり、矩形陰極のｂ軸方向断面に放出された電子の軌道は図３において符号Ｐbを付して示した軌道となる。
【００２７】
照射レンズ１２，１３，１４による電場の影響を受けた後、照明用ビームＢ１は斜め方向からイー・クロス・ビー２３に入射する。照明用ビームＢ１がイー・クロス・ビー２３に入射すると、その光路が鉛直方向に対してほぼ平行な方向に偏向される。イー・クロス・ビー２３によって偏向された照明用ビームＢ１は開口絞りＡＳに達し、この位置で熱電子放出型電子銃１０のクロスオーバーの像を形成する。開口絞りＡＳを通過した照明用ビームＢ１は、第１アライナ２２を通過した後、カソードレンズ２１によるレンズ作用を受けて、試料４をケーラー照明する。
【００２８】
試料４に照明用ビームＢ１が照射されると、試料４からは試料４の表面形状、材質分布、電位の変化等に応じた分布の二次電子、反射電子、及び後方散乱電子を含む二次電子ビームＢ２が発生する。このうち、主に二次電子による二次電子ビームＢ２が観察用電子ビームとなる。二次電子ビームＢ２の初期エネルギーは低く、０．５〜２ｅＶ程度である。次に、試料４から発生した二次電子ビームＢ２の軌道について説明する。図４は、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の二次電子ビームＢ２の軌道を示す図である。尚、図４においては理解を容易にするため、写像光学系２０が備える部材の一部の図示を省略している。
【００２９】
試料４から放出された二次電子ビームＢ２は、写像光学系２０が備えるカソードレンズ２１、第１アライナ２２、開口絞りＡＳ、イー・クロス・ビー２３を順に通過する。二次電子ビームＢ２がイー・クロス・ビー２３を通過すると、結像レンズ前群２５によって収束され、試料４の像を視野絞りＦＳ２の位置に結像する。視野絞りＦＳ２を通過した二次電子ビームＢ２は結像レンズ後群２８によって再度収束されて電子ビーム検出器３０の検出面に試料４の物体面の拡大像が結像される。このとき、写像光学系２０に歪曲収差が残存している場合には、検出面に結像される像は、歪曲収差を反映したものとなる。二次電子ビームＢ２が電子ビーム検出器３０に入射すると、まずＭＣＰ３１によって電子数が増幅され、その後蛍光板３２に入射して光子に変換される。蛍光板３２によって変換された光学像は、リレーレンズ３４を介して撮像素子３５の撮像面に結像する。このとき、蛍光板３２における試料４の像の大きさは撮像素子３５の撮像面よりも大であるため、リレーレンズ３４は蛍光板３２によって変換された光学像を所定の倍率で縮小するよう設定される。
【００３０】
次に、本発明の一実施形態による表面状態観察装置が備えるイー・クロス・ビー２３について詳細に説明する。図５は、本発明の一実施形態による表面状態観察装置が備えるイー・クロス・ビー２３の構成及び動作原理を説明するための図である。図５（ａ）はイー・クロス・ビー２３の構成を示す斜視図である。図５（ａ）に示すように、熱電子放出型電子銃１０から放出された照明用ビームＢ１は、照明光学系１１によるレンズ作用を受けて収束し、イー・クロス・ビー２３に入射した後、イー・クロス・ビー２３の偏向作用によりその軌道（光路）が曲げられる。これは、図５（ｂ）に示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの中を、電荷ｑの電子（照明用ビームＢ１）が、＋ｚ方向に速度ｖにて進むとき、−ｘ方向に働く電界による力ＦE（＝ｑＥ）と磁界による力ＦB（＝ｑｖＢ）との合力を受けるためである。これによって、照明用ビームＢ１の軌道は、ｚｘ平面内で曲げられる。
【００３１】
一方、照明用ビームＢ１が照射された試料４から発生した二次電子ビームＢ２は、カソードレンズ２１によるレンズ作用を受けて、カソードレンズ２１の焦点位置に配置される開口絞りＡＳを通過し、イー・クロス・ビー２３に入射した後、イー・クロス・ビー２３をそのまま直進する。これは、以下の理由による。図５（ｃ）に示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの中を、電荷ｑの電子（二次電子ビームＢ２）が、−ｚ方向に速度ｖにて進むとき、−ｘ方向に働く電界による力ＦEと、＋ｘ方向に働く磁界による力ＦBとの合力を受ける。このとき、電界による力ＦEと磁界による力ＦBとの絶対値は、等しく（Ｅ＝ｖＢ）なるように、即ちウィーン条件を満たすように設定されている。従って、電界による力ＦEと磁界による力ＦBとは互いに相殺され、二次電子ビームＢ２が受ける見かけ上の力はゼロになり、二次電子ビームＢ２はイー・クロス・ビー２３の中を直進することになる。以上のように、イー・クロス・ビー２３は、通過する電子ビームの光路を選択する、いわゆる電磁プリズムとしての機能をもつ。
【００３２】
以上、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の構成について説明した。従来の一般的な表面状態観察装置は、撮像素子３５の撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミング及び変換した電気信号を転送するタイミングに同期してｘｙステージ４０を一定方向（本実施形態ではｙ方向とする）に一定速度で走査移動させることが基本である。しかしながら、本発明の一実施形態による表面状態観察装置は、解像度を向上させるために、撮像面に結像した像を撮像素子３５が電気信号へ変換するタイミングと、ｘｙステージ４０の移動速度（ひいては検出面における像の移動速度）とが非同期となるようにｘｙステージ４０の移動速度を制御している。
【００３３】
より具体的には、本実施形態では、ｘｙステージ４０の移動速度をＯＴＦ（Optical Transfer Function：光学的伝達関数）が最大となるように制御している。ここで、ＯＴＦとはレンズの結像特性等の光学系の画像伝達性能を評価する概念であり、端的にいうと物面にある空間周波数ｆの物体の像を光学系で像面に結像させたときに得られる像の空間周波数特性である。
【００３４】
ＯＴＦは撮像素子３５の撮像面上における空間周波数の関数であり、分布を有するものであるが、本実施形態では試料４に形成されているパターンのピッチに応じた撮像面上における空間周波数でのＯＴＦが最大となるようにｘｙステージ４０の移動速度を制御している。ここで、写像光学系２０の歪曲収差に起因する解像度の低下は、走査方向（ｙ方向）の方が非走査方向（ｘ方向）よりも顕著である。従って、ＯＴＦを考慮する場合にも、ｙ方向のピッチに応じた方向（撮像素子３５の撮像面上におけるＹ方向（図２参照））の空間周波数でのＯＴＦが最大となるようにｘｙステージ４０の移動速度を制御している。以下、ｘｙステージ４０の移動速度の制御方法の一例について具体的に説明する。
【００３５】
いま、図６に示す座標系を設定する。図６は、試料４の表面に設定されたｘｙ座標系を撮像素子３５の撮像面に設定されたＸＹ座標系を示す図である。尚、図６において、３５ａは撮像面を示している。以下の、説明では、撮像素子３５が撮像面３５ａに結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している場合において、〔１〕写像光学系２０に歪曲収差がないと仮定したときに撮像素子３５から得られる信号を求め、〔２〕写像光学系２０の歪曲収差を考慮したときに撮像素子３５から得られる信号を求め、〔３〕撮像素子３５から得られる信号のＯＴＦを求める。そして、最後に〔４〕ＯＴＦを最大にするｘｙステージ４０の移動速度を求める。尚、〔４〕の場合は、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが非同期となっている点に注意されたい。
【００３６】
〔１〕写像光学系２０に歪曲収差がないと仮定したときに撮像素子３５から得られる信号
写像光学系２０に歪曲収差がないと仮定した場合、写像光学系２０の倍率をβ（ここで、通常はβ＞１である）とすると、図６に示したｘｙ座標系とＸＹ座標系との関係は以下の（１）式で表される。
【数１】
0003986801.tif 000002
試料４に形成されているパターンをＯ（ｘ，ｙ）とすると、このパターンＯ（ｘ，ｙ）は、上記（１）式からＸＹ座標系を用いて表すことができ、更にｘｙステージ４０のｙ方向の移動速度をｖとすると以下の（２）式で表される。
【数２】
0003986801.tif 000003
【００３７】
次に、撮像素子３５から出力される画素信号について考える。まず、撮像素子３５が備える複数の画素の内の１つの画素から出力される信号について考察する。図７は、撮像素子３５が備える画素の配列の一例を示す図である。いま、図７に示すように、撮像素子３５のＸ方向の画素を第１番目から第ｍ番目のｍ個とし、Ｙ方向の画素を第１番目から第ｎ番目のｎ個とし、Ｘ方向についてｐ（１≦ｐ≦ｍ）番目であって、Ｙ方向についてｑ（１≦ｑ≦ｎ）番目の画素（図７中においては斜線を付した画素）からの出力を考える。また、各画素の感度特性は全て等しいと仮定し、この感度特性を関数ｇ（Ｘ，Ｙ）で表す。図８は、Ｙ方向の位置が画素の中心に設定された感度特性関数ｇ（Ｘ）の一例を示す図である。図８に示したように、この感度特性関数ｇ（Ｘ）は画素の開口内のみで値を有する関数である。尚、感度特性関数ｇ（Ｙ）も、図８と同様に開口内でのみ値を有する関数である。
【００３８】
ここで、時刻ｔにおいて試料４に形成されているパターンの像の一部が着目画素上にあるとすると、着目画素から出力される信号ｇ′（Ｘp，Ｙq，ｔ）は、感度特性関数ｇ（Ｘ，Ｙ）を用いて以下の（３）式で表される。尚、本明細書において、数式中の積分範囲に積分範囲を明示していない場合には、−∞から∞まで積分するものとする。
【数３】
0003986801.tif 000004
ところで、撮像素子３５は各画素毎にシャッタが設けられており、シャッタが開状態の時のみパターンの光学像を電気信号に変換する。そこで、シャッタが開状態である時間をΔｔとし、以下の（４）式に示す関数Ω（ｔ）を考える。
【数４】
0003986801.tif 000005
上記（４）式で表される関数Ω（ｔ）は、シャッタが開状態にあるΔｔの間のみ値「１」となり、それ以外のシャッタが閉状態にある時間は値が「０」となる関数である。よって、シャッタを考慮した上で時刻ｔkに着目画素から出力される信号ｇ″（Ｘp，Ｙq，ｔk）は以下の（５）式で表される。
【数５】
0003986801.tif 000006
【００３９】
次に、撮像素子３５の全画素を考慮した信号を考える。前述したように、撮像素子３５はＹ軸方向に並んだ画素各々が変換した信号を積算して出力する。ここでは、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している場合を考えているので、Ｙ座標を時刻で表すことができる。いま、試料４上の任意の点Ｐの像が撮像素子３５の撮像面３５ａをＹ方向に移動している場合を考える。尚、この場合において、点Ｐの像は撮像素子３５の同一列上を移動する点に注意されたい。
【００４０】
この点Ｐの像が撮像面３５ａの中心に配置された行を横切る（通過する）時刻をＴとすると、この行からＹ方向へｑ個の画素数分だけずれた位置の画素を点Ｐの像が通り過ぎる時刻はＴ＋ｔqとなる。尚、ｔq＝（Ｙq／β）／ｖである。このため、時刻Ｔにおいて、撮像素子３５から出力される信号ｓ（Ｘp，Ｔ）は、以下の（６）式で表される。
【数６】
0003986801.tif 000007
上記（６）式に示した撮像素子３５から出力される信号ｓ（Ｘp，Ｔ）を示す式はＸ方向の値が離散的であり、後述するＯＴＦを解析する上で取り扱いが不便である。このため、連続的な変数Ｘを用いた式Ｓ（Ｘ，Ｔ）に変形すると、以下の（７）式となる。
【数７】
0003986801.tif 000008
この（７）式中の右辺のδ（Ｘ−Ｘp）は、Ｄｉｒａｃのδ関数である。上記の（７）式が写像光学系２０に歪曲収差がないとしたときの撮像素子３５から出力される信号を示す式である。
【００４１】
〔２〕写像光学系２０の歪曲収差を考慮したときに撮像素子３５から得られる信号
上記〔１〕においては、写像光学系２０の倍率βを定数として歪曲収差がない場合を考えた。この場合には試料４に形成されたパターンを拡大又は縮小した像が撮像素子３５の撮像面３５ａに形成される。しかしながら、写像光学系２０に歪曲収差がある場合には撮像面３５ａ上の像は歪む。この像の歪みは、写像光学系２０の局所的な倍率の変動と解釈できる。そこで、ｘｙ座標内の位置に応じて写像光学系２０の倍率が異なるものとして歪曲収差を捕らえ、前述した（１）式を以下の（８）式で表す。
【数８】
0003986801.tif 000009
尚、上述したように、写像光学系２０の倍率がｘｙ座標内の位置に応じて異なるものであるならば、上記（８）式中の倍率βx，βyがｘ，ｙの関数とするのが自然であるが、倍率βx，βyをＸ，Ｙの関数としても結果は同じになるため、以下の取り扱いを容易にすることを考慮して、上記（８）式では、倍率βx，βyをＸ，Ｙの関数としている。
【００４２】
ｘｙ座標系とＸＹ座標系との関係が上記（８）式に示した関係にある場合に、撮像素子３５の撮像面上に形成される像は、（８）式をｘ，ｙ各々について解いた式を、試料４上のパターンを示す式Ｏ（ｘ，ｙ）に代入し、更にｘｙステージ４０のｙ方向の移動速度ｖを考慮すると以下の（９）式となる。
【数９】
0003986801.tif 000010
写像光学系２０の歪曲収差を考慮したときの、撮像素子３５から出力される信号ｓd（Ｘp，Ｔ）は、（５）式中の式Ｏ（Ｘ／β，Ｙ／β−ｖ・ｔ）を上記（９）式に換えた式を（６）に代入することにより以下の（１０）式の通りに求まる。
【数１０】
0003986801.tif 000011
最後に、上記〔１〕の場合と同様に、後述するＯＴＦを解析する上で取り扱いを容易とするため、連続的な変数Ｘを用いた式に変形すると、以下の（１１）式となる。
【数１１】
0003986801.tif 000012
【００４３】
〔３〕撮像素子３５から得られる信号のＯＴＦの計算
以下、上記（１０）式及び（１１）式で示される撮像素子３５から出力される信号をフーリエ変換することにより撮像素子３５から得られる信号のＯＴＦを求めることができる。しかしながら、通常は写像光学系２０の歪曲収差は極力小さくなるように設計されている。従って、以下においては、歪曲収差が小さいとして式の簡略化を図り、その後にＯＴＦを計算する。
【００４４】
（ａ）式の簡略化
写像光学系２０の歪曲収差が小さいため、（８）式に示した倍率βx（Ｘ，Ｙ），βy（Ｘ，Ｙ）は〔１〕で用いた定数の倍率βに極めて近いと考えられる。このため、倍率βx（Ｘ，Ｙ），βy（Ｘ，Ｙ）をそれぞれ以下の（１２）式で表す。
【数１２】
0003986801.tif 000013
ここで、上記（１２）式中のＤx（Ｘ，Ｙ），Ｄy（Ｘ，Ｙ）は、それぞれ、Ｄx（Ｘ，Ｙ）≪１、Ｄy（Ｘ，Ｙ）≪１である。
【００４５】
次に、上記（１２）式に示した倍率、βx（Ｘ，Ｙ），βy（Ｘ，Ｙ）を（１０）式に適用するわけであるが、ここで、以下の（１３）式に示す変数変換を施す。尚、以下の式では、式の簡略化のために、倍率βx（Ｘ，Ｙ），βy（Ｘ，Ｙ）をβx，βyとそれぞれ表記する。
【数１３】
0003986801.tif 000014
この（１３）式に示した変数変換では、（９）式に示した撮像面３５ａ上の像の位置を規定するＸ座標の値及びＹ座標の値をそれぞれ変数Ｘ′，Ｙ′に変換していることから、撮像素子３５の撮像面３５ａ上で移動する像の移動とともに移動する座標系（Ｘ′，Ｙ′）を設定している。尚、（１３）式中のＬはＸ′Ｙ′座標系の原点とｑ番目の画素とのＹ方向についてのオフセット量（距離）を示している。上記（１０）式に示した変数変換を行うときに、（１０）式中の積分要素ｄＸｄＹｄｔは、ｄＸｄＹｄｔ＝（１／｜Ａ｜）ｄＸ′ｄＹ′ｄＬとなる。ここで、Ａは、以下の（１４）式で表される。
【数１４】
0003986801.tif 000015
【００４６】
ここで、｜Ａ｜を計算すると、以下の（１５）式となる。
【数１５】
0003986801.tif 000016
尚、上記（１５）式を導出するにあたっては、（１２）式を用いるとともにＤx（Ｘ，Ｙ），Ｄy（Ｘ，Ｙ）の２次以上の項を無視している。上記（１３）式中の各式を、ｔ，Ｘ，Ｙについて解いて（１０）式に代入するとともに、（１２）式を（１０）式に代入し、更にｄＸｄＹｄｔ＝（１／｜Ａ｜）ｄＸ′ｄＹ′ｄＬなる関係を用いて（１０）式を表すと以下の（１６）式となる。
【数１６】
0003986801.tif 000017
【００４７】
ところで、前述しように、撮像素子３５が備える各画素の感度特性を示す関数ｇは、画素の開口内でのみ値を有する関数である。従って、上記（１６）式においても、感度関数ｇはＤx(Ｘ，Ｙ)，Ｄy(Ｘ，Ｙ)が極めて小さいとすると、Ｘ方向のｐ番目の画素、及び、Ｙ方向のｑ番目の画素に対して、以下の（１７）式が成り立つ極めて近接する領域のみで値を有することになる。
【数１７】
0003986801.tif 000018
また、上記（１６）式中の感度関数ｇのＸ座標の値におけるＤx（Ｘ，Ｙ）・Ｘ′についても、上記（１７）式が成り立つ座標（Ｘ′，Ｙ′）の周りで展開したときに、第２項目以降は無視することができるので、以下の（１８）式のように近似することができる。
【数１８】
0003986801.tif 000019
【００４８】
同様に、上記（１６）式中の感度関数のＸ座標の値におけるＤy（Ｘ，Ｙ）・（Ｙ′＋Ｌ−ｖ・ｔq）についても、以下の（１９）式のように近似することができる。
【数１９】
0003986801.tif 000020
更に、同様の理由から｜Ａ（Ｘ，Ｙ）｜についても以下の（２０）式のように近似することができる。
【数２０】
0003986801.tif 000021
【００４９】
以上の近似式（１８）式〜（２０）式を（１６）式に代入すると、以下の（２１）式が得られる。
【数２１】
0003986801.tif 000022
この（２１）式が写像光学系２０に歪曲収差があるときに、撮像素子３５から出力される信号の近似値を示している。
【００５０】
（ｂ）信号のフーリエ成分
次に、写像光学系２０に残存収差があるときに、撮像素子３５から出力される信号Ｓd（Ｘ、Ｔ）のフーリエ成分について考察する。いま、信号Ｓd（Ｘ，Ｔ）のフーリエ変換をＦＳd（μ，ν）とすると、この式は以下の（２２）式で表される。
【数２２】
0003986801.tif 000023
ここで、（１１）式を参照すると分かるように、式Ｓd(Ｘ，Ｔ)は、くし形関数（comb関数）と式ｓd（Ｘ，Ｔ）との積であるので、そのフーリエ変換は式ｓd（Ｘ，Ｔ）のフーリエ変換、comb関数、及び式ＦＳd（μ，ν）のコンボリューションとなる。よって、式ｓd（Ｘ，Ｔ）のフーリエ変換をＦｓd（μ，ν）とすると、式ＦＳd（μ，ν）は以下の（２３）式のように変形することができる。
【数２３】
0003986801.tif 000024
【００５１】
上記（２３）式を参照すると、式ＦＳd（μ，ν）は式ｓdのフーリエ変換から得られることが分かる。従って、次に式ｓdについて考察する。ここで、上記（２１）式に着目すると、この式中に含まれる感度関数ｇが値を有する領域は、前述したように、極めて狭い領域である。また、試料４に形成されたパターンを示す式Ｏについても、分解能を議論するときには極めて微細なパターンを考えている。従って、関数Ｏが値を有する領域も極めて狭い領域となる。それ故、上記（２１）式も限られた領域でのみ値を持つ式である。かかる限られた領域内においては、Ｘ方向に関して歪曲収差の変化量も小さいと考えられる。つまり、上記（２１）式中のＤx（Ｘp，Ｙq）・（Ｘp／β）及びＤy（Ｘp，Ｙq）・（Ｘp／β）の変化は小さいものとし、Ｘ方向に関しては、第ｐ列に配列された全ての画素について同一の値をとるものとし、以下の（２４）式に示すように、Ｙ方向の座標にのみ依存するとする。尚、（２４）式中のδxp，δypはδ関数ではない点に注意されたい。
【数２４】
0003986801.tif 000025
また、上記（２２）式中の｜Ａ（Ｘp，Ｘq）｜についても同様の理由により、Ｘ方向に関して定数と見なして、（２５）式のように近似する。
【数２５】
0003986801.tif 000026
【００５２】
以上の（２４）式及び（２５）式に示した近似を用いると、式ｓd（Ｘp，Ｔ）のフーリエ変換は簡単になる。いま、以下の（２６）式に示す関数Ｇq（Ｘ，Ｙ）を定義する。
【数２６】
0003986801.tif 000027
この関数Ｇq（Ｘ，Ｙ）を用いて（２１）式を表記すると以下の（２７）式になる。尚、（２７）式中のｄは画素のピッチを示している。
【数２７】
0003986801.tif 000028
ここで、上記（２７）式に示したように、式ｓd（Ｘ，Ｔ）は関数Ｇq（Ｘ，Ｙ）と関数Ｏ（Ｘ′，Ｙ′）とのコンボリューション、更にはΩ（Ｔ）とのコンボリューションの形で表されている。ここで、関数Ｇqはいわば撮像素子３５に設けられた各画素の感度を示す式であり、関数Ｏ（Ｘ′，Ｙ′）は撮像面に結像している試料４のパターンの像を示す式であり、Ω（Ｔ）は各画素のシャッタ速度を示す式である。
【００５３】
上記（２７）式のフーリエ変換を求めると以下の（２８）式になる。尚、（２８）式中のＦΩは、式Ωのフーリエ変換であり、ＦＯは式Ｏのフーリエ変換である。
【数２８】
0003986801.tif 000029
【００５４】
更に、感度関数ｇのフーリエ変換をＦｇとすると、（２６）式に示した関数Ｇq（Ｘ，Ｙ）のフーリエ変換は、以下の（２９）式となる。
【数２９】
0003986801.tif 000030
そこで、上記（２９）式を上記（２８）式に代入し、点像のフーリエ変換をＯＴＦと考えると、ＯＴＦは以下の（３０）式で表される。
【数３０】
0003986801.tif 000031
【００５５】
上記（３０）中において、写像光学系２０の歪曲収差に関係するのは、以下の（３１）式に示す部分である。
【数３１】
0003986801.tif 000032
上記（３１）式が写像光学系２０に歪曲収差が存在するときのＯＴＦを示している。
【００５６】
〔４〕ＯＴＦを最大にするｘｙステージ４０の移動速度
以上の〔２〕及び〔３〕の議論では、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している状態において、写像光学系２０の残存収差により生ずるＯＴＦの劣化について議論した。以下では、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期として、ＯＴＦを最大にするための非同期量を求める方法について説明する。
【００５７】
本実施形態では、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングを固定とし、ｘｙステージ４０の移動速度を変えることにより、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にしている。同期している状態（ｘｙステージ４０の移動速度がｖのとき）に得られるＯＴＦは上記の（３１）式から求められる。そこで、ｘｙステージ４０の移動速度を、以下の（３２）式で示したように、ｖからδｖだけ変化させた速度ｖ′に変えたときのＯＴＦについて考察する
【数３２】
0003986801.tif 000033
【００５８】
上記（３２）式を（３０）式に代入し、ｘｙステージ４０の速度をｖ′としたときに得られるＯＴＦ′（μ，ν）は以下の（３３）式で表される。尚、このとき、Ｙq＝β・ｖ・ｔqを用いた。
【数３３】
0003986801.tif 000034
ここで、上記（３３）式は、非走査方向（Ｘ方向）及び走査方向（Ｙ方向）のＯＴＦをともに含んでおり、走査方向（Ｙ方向）のみのＯＴＦY′を抜き出すと以下の（３４）式で表される。
【数３４】
0003986801.tif 000035
【００５９】
上記の（３４）式において、δｖを最適に選ぶことによりＯＴＦY′をより１（最大）に近い値にすることができる。以上から本実施形態では、以下の（３５）式の値が最大となるように、式中のδｖを求めている。
【数３５】
0003986801.tif 000036
上記（３５）式は、歪曲収差がないとしたときの写像光学系２０の倍率β、画素のＹ方向の位置に応じたＹ方向の歪曲収差の量δyq、撮像素子３５の各画素に設けられたシャッタが開状態にある時間Δｔ、画素のＹ方向の位置ｑ、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にするときのステージ４０の速度の変化分δｖ、及び試料４に形成されたパターンの空間周波数ν、更にはＡpqを含んでなる式である。この式に於いて、倍率β、歪曲収差の量δyq、及びシャッタが開状態にある時間Δｔは装置によって決まってしまう。よって、Ｙ方向の歪曲収差の影響による解像度の低下を防止するためには、試料４に形成されたパターンのピッチに応じてδｖを決定する必要がある。
【００６０】
以上、本発明の一実施形態による表面状態観察装置において、ＯＴＦを最大にする方法、つまり解像度の低下を防止する方法について説明したが、次に、上記方法を用いて求めた方法により求めたステージの移動速度でステージを移動させて、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にしたときに得られるＯＴＦと、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にしたときに得られるＯＴＦとのシミュレーション結果を説明する。
【００６１】
シミュレーション結果を説明する準備として、本実施形態で想定している歪曲収差について説明する。写像光学系２０により歪曲収差の発生する様子は異なるが、本実施形態の表面状態観察装置のように狭い視野を観察する写像光学系２０は、一般的に低次の成分が支配的になる。このため、ここでは、三次以下の歪曲収差を考える。また、写像光学系２０が光軸に対して回転対称に構成されており、このために歪曲収差も光軸に回転対称であるとする。いま、図９に示すように、試料４の表面において、写像光学系２０の光軸との交点から以下の（３６）式で示した距離ｒにある点が写像光学系２０の歪曲収差により撮像面３５ａでは光軸からＲの位置に結像するとする。図９は、光軸からｒにある距離の点と歪曲収差の影響により、この点が結像する位置Ｒとの関係を示す図である。
【数３６】
0003986801.tif 000037
【００６２】
ここで、三次までの歪曲収差を考えると、上記ｒとＲとの関係は以下の（３７）式で表される。
【数３７】
0003986801.tif 000038
また、上記ｒ及びＲをベクトル成分で表し、その関係を表記すると以下の（３８）式になる。尚、以下の（３８）式では、Ｒの座標を（Ｘ，Ｙ）、ｒの座標を（ｘ、ｙ）としている。
【数３８】
0003986801.tif 000039
更に、上記（３７）式の両辺を二乗して、ｒ2について解くと以下の（３９）式になる
【数３９】
0003986801.tif 000040
上記（３９）式を（３８）式に代入し、（β3／β1）≪１を考慮して、（β3／β1）の二次以上を無視すると、以下の（４０）式となる。
【数４０】
0003986801.tif 000041
【００６３】
上記（４０）式と（１２）式とを比較すると、三次までの歪曲収差を考慮した場合には、（１２）式中のβ、Ｄx（Ｘ，Ｙ）、Ｄy（Ｘ，Ｙ）は以下の（４１）式で表される。
【数４１】
0003986801.tif 000042
また、｜Ａ｜についても、上記（４１）式を（１５）式に代入すると、以下の（４２）式となる。
【数４２】
0003986801.tif 000043
以下に示すシミュレーションでは、（４１）式中のβ、Ｄx（Ｘ，Ｙ）、Ｄy（Ｘ，Ｙ）及び（４２）式中の｜Ａ｜を用いて、ＯＴＦの評価を行っている。尚、撮像素子３５の走査方向（Ｙ方向）の大きさを８．２ｍｍ、非走査方向（Ｘ方向）の大きさを３８．５ｍｍ、撮像素子３５が備える画素のＸ方向及びＹ方向のピッチを共に１６μｍとしている。
【００６４】
まず、比較のために撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している状態をシミュレートする。図１０は、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している状態において得られたシミュレーション結果である。尚、このシミュレーションは、撮像素子３５の最周辺において０．４％の歪曲収差が生じているとしている。図１０中の符号Ｃ１０を付した曲線は撮像面３５ａの周辺において得られるＸ方向のＭＴＦ曲線であり、符号Ｃ１１を付した曲線は撮像面３５ａの中心位置において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線であり、符号Ｃ１２を付した曲線は撮像面３５ａの周辺において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線である。
【００６５】
また、図１１は、写像光学系２０の歪曲収差により生ずる撮像素子３５の撮像面３５ａ上における像の画素に対するずれ量を示す図である。図１１において、符号Ｄ１０を付した曲線は撮像面３５ａの周辺におけるＸ方向の像のずれ量を示しており、符号Ｄ１１を付した曲線は撮像面３５ａの中心におけるＹ方向の像のずれ量を示しており、符号Ｄ１２を付した曲線は撮像面３５ａの周辺におけるＹ方向の像のずれ量を示している。図１０及び図１１から分かるように、走査方向（Ｙ方向）に直交する非走査方向（Ｘ方向）の歪曲収差の影響よりも、走査方向（Ｙ方向）のＭＴＦが悪化している。ここで、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している状態においては、前述した（３１）式において、ｔq＝Ｙq／ｖなる関係があるため、Ｘ方向のＯＴＦX（μ，ν）及びＹ方向のＯＴＦY（Ｘ，Ｙ）は以下の（４３）式となる。
【数４３】
0003986801.tif 000044
【００６６】
上記（４３）式を参照すると、何れもｑについて和をとっているが、これは撮像素子３５が備える各画素の信号をＹ方向に加算することを意味する。しかしながら、（４３）式中のδxp,δyqの値が大きくとも、これらの値がｑに関して一定ならばＯＴＦの劣化は生じないことになる。ＯＴＦの劣化を引き起こすのは、（４３）式中のδxp,δyqの位置による差である。ここで、図１１中の符号Ｄ１０を付した曲線がδxpを示しており、符号Ｄ１１又は符号Ｄ１２を付した曲線がδyqを示している。
【００６７】
ここで、図１０と図１１との関連について考えてみると、図１１に示したように、δxpの値（曲線Ｄ１０の値）はδyqの値（曲線Ｄ１１又は曲線Ｄ１２の値）よりも大きい。しかしながら、図１０をみると撮像面３５ａの中心位置において得られるＸ方向のＭＴＦ曲線を示す曲線Ｃ１０の劣化はほとんど無い。一方、図１１中に示したようにδyqの値（曲線Ｄ１１又は曲線Ｄ１２の値）そのものは小さい。しかしながら、δxpの最大値と最小値との差（曲線Ｄ１０の差）は３μｍ程度であるのに対し、例えば符号Ｄ１２を付した曲線の最大値と最小値との差は３２μｍ程度と極めて大きい。その差の結果が図１０に反映されており、撮像面３５ａの周辺において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線である曲線Ｃ１２が悪化している。
【００６８】
次に、本実施形態のように、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にした場合についてシミュレートする。図１２は、撮像面に結像した像を撮像素子３５が電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にした状態において得られたシミュレーション結果である。尚、このシミュレーションは、撮像素子３５の最周辺において０．４％の歪曲収差が生じているとしており、また、（３４）式において、δｖを最適に選んでいる。図１２中の符号Ｃ２０を付した曲線は撮像面３５ａの周辺において得られるＸ方向のＭＴＦ曲線であり、符号Ｃ２１を付した曲線は撮像面３５ａの中心位置において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線であり、符号Ｃ２２を付した曲線は撮像面３５ａの周辺において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線である。
【００６９】
また、図１３は、撮像面に結像した像を撮像素子３５が電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にした状態において、写像光学系２０の歪曲収差により生ずる撮像素子３５の撮像面３５ａ上における像の画素に対するずれ量を示す図である。図１３において、符号Ｄ２０を付した曲線は撮像面３５ａ上におけるＸ方向の像のずれ量を示しており、符号Ｄ２１を付した曲線は撮像面３５ａの中心におけるＹ方向の像のずれ量を示しており、符号Ｄ２２を付した曲線は撮像面３５ａの周辺におけるＹ方向の像のずれ量を示している。
【００７０】
図１３を参照すると分かるように、試料４に形成されたパターンの空間周波数に応じて、（３５）式に示される値が最大となるδｖを求めてステージ４０の速度を設定することにより、撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度との非同期量を制御すると、符号Ｄ２１を付した曲線で示されるように、撮像面３５ａの中心におけるＹ方向の像のずれ量の差は大きくなる。しかしながら、符号Ｄ２２を付した曲線で示されるように撮像面３５ａの周辺におけるＹ方向の像のずれ量の差は図１１中に示した曲線Ｄ１２と比較すると小さくなる。また、図１３において符号Ｄ２２を付して示す撮像面３５ａの周辺におけるＹ方向の像のずれ量を示す曲線の差が小さくなったことに伴って、撮像面３５ａの周辺において得られるＹ方向のＭＴＦ曲線（図１２中のＭＴＦ曲線Ｃ２２）の悪化が改善されていることがわかる。
【００７１】
以上、本発明の一実施形態による表面状態観察装置の構成及び本発明の特徴部分である、非同期量の制御方法について説明したが、次に上記構成における本発明の一実施形態による表面状態観察装置の観察時における動作について説明する。まず、観察対象の試料４をローダ（図示省略）上に載置すると、試料４はローダによって図１に示したチャンバ３内に搬送される。試料４がチャンバ３内に搬入されるとｘｙステージ４０上に載置され、主制御系３７は駆動装置４３を介してｘｙステージ４０を駆動して、試料４を計測範囲に移動する。次に、ユーザは、入力装置４５を操作して、試料４に形成されているパターンにのピッチを入力する。
【００７２】
入力装置４５からパターンのピッチが入力されると、主制御系３７は記憶装置４４から写像光学系２０に歪曲収差量δyp、写像光学系２０の倍率β、撮像素子３５に設けられているシャッタが開状態にある時間Δｔ、及び撮像素子３５の行方向及び列方向の画素数等を読み出し、前述した（３５）式を最大にするようなδｖ（これは、本発明にいう非同期量に相当する）を算出する。ここで、図１４に示した試料４の表面状態を観察する場合を考える。図１４は、表面状態の観察を行う際の動作を説明するための図である。ここで、試料４の斜線を付した観察対象領域４ａを観察する場合について考える。
【００７３】
観察にあたり、主制御系３７はまず図示せぬＺセンサの計測結果に基づいて制御信号を写像光学系制御部３９へ出力して第２光学系２０の倍率を調整し、試料４から放出される二次電子ビームＢ２の焦点位置を電子ビーム検出器３０の検出面上に設定する。そして、主制御系３７は熱電子放出型電子銃１０に対して電子の放出を開始させ、照明光学系１１、イー・クロス・ビー２３、開口絞りＡＳ、第１アライナ２２、及びカソードレンズ２１を介して照明用ビームＢ１を試料４に照射するとともに、駆動装置４３を介してｘｙステージ４０を上述した処理で求めたδｖを考慮した一定速度ｖ＋δｖで図１４中Ｙ軸方向と平行な方向（図１４中符号ｄを付して示した方向）へ移動させる。試料４に照明用ビームＢ１を照射することにより、試料４の物体面から発生する二次電子ビームＢ２は写像光学系２０で集光され、その像は電子ビーム検出器３０の検出面に結像する。電子ビーム検出器３０から放出された光、即ち試料４の光学像はリレーレンズ３４を透過して画素が写像光学系２０の歪曲収差に応じて配列された撮像素子３５の撮像面に結像する。撮像素子３５の結像面に結像した光学像は、撮像素子３５によって画素信号に光電変換される。
【００７４】
図１４において、符号５０を付した領域が撮像素子３５で撮像される領域であるとし、領域５０中の符号Ｒ１を付した線状の領域を図２に示したＣＣＤ画素列Ｒ１が撮像し、符号Ｒ２５６を付した線状の領域をＣＣＤ画素列Ｒ２５６が撮像するとする。図１４に示した状態から観察を開始したとすると、観察対象領域４ａの座標（Ｘ１，Ｙ１）から（Ｘ１０２４，Ｙ１）までの光学像が、撮像素子３５をなすＴＤＩアレイＣＣＤのＣＣＤ画素列Ｒ１において光電変換されて、電荷が蓄積される。試料４が−Ｙ軸方向に移動することにより、撮像素子３５によって撮像される領域５０が符号ｄを付した方向に移動し、ｘｙステージ４０が速度ｖで移動していると仮定したときに領域５０が１ＣＣＤ画素列分だけ移動した時間が経過すると、主制御系３７から撮像素子３５へ垂直クロック信号が１つ送出される。
【００７５】
垂直クロック信号が送出されてくると、撮像素子３５のＣＣＤ画素列Ｒ１に蓄積されていた電荷は、ＣＣＤ画素列Ｒ２に転送される。尚垂直クロック信号が送出されてくる前にＣＣＤ画素列Ｒ１で撮像されていた光学像は、写像光学系２０の歪曲収差及びステージ４０の移動速度ｖ＋δｖに応じてＣＣＤ画素列Ｒ２の位置からずれた位置に移動する。写像光学系２０に歪曲収差がなく、且つｘｙステージ４０が速度ｖで移動している場合には、ＣＣＤ画素列Ｒ２は、垂直クロック信号が送出されてくる前にＣＣＤ画素列Ｒ１で撮像されていた光学像と同様の光学像を、次の垂直クロック信号が送出されてくるまで撮像することになる。しかしながら、実際には写像光学系２０の歪曲収差のために光学像の位置がずれてしまう。本実施形態ではこの位置ずれを緩和するために、ｘｙステージ４０の移動速度をｖ＋δｖとして各ＣＣＤ画素が光学像を電気信号に変換するタイミングと、ｘｙステージ４０の移動速度（ひいては、撮像素子３５の撮像面上における光学像の移動速度）とを非同期にしている。
【００７６】
以下同様にして、ＣＣＤ画素列Ｒ１によって撮像される領域５０の中のＲ１を付した線状の部分が（Ｘ１，Ｙ２５６）から（Ｘ１０２４，Ｙ２５６）までの位置に達すると撮像は終了し、（Ｘ１，Ｙ１）から（Ｘ１０２４，Ｙ１）までの試料画像が、コントロールユニット３６を介して初めて主制御系３７へ出力され始める。次に送出されてくる垂直クロック信号からは、（Ｘ１，Ｙ２）から（Ｘ１０２４，Ｙ２）までの試料画像が主制御系３７へ出力され、以下順々に画像が主制御系３７に取得されて観察が行われる。
【００７７】
以上説明したように、本発明の一実施形態による表面状態観察装置によれば、照明用ビームＢ１を試料４に照射して得られる二次電子ビームＢ２が写像光学系２０の光学特性に起因して撮像素子３５の撮像面３５ａ上において位置ずれを生じていても、撮像素子３５の各画素が撮像面に結像した光学像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にしているため、撮像面上の光学像の走査方向（Ｙ方向）の位置ずれ量を緩和することによりＯＴＦの悪化を改善することができ、その結果として分解能を向上させることができる。また、本実施形態によれば、撮像素子３５として用いているのは検出感度の高いＴＤＩアレイＣＣＤであり、ＴＤＩアレイＣＣＤを用いて上述の方法により分解能を向上させることができれば、検出信号の強度不足なく短時間で高分解能の観察を行うことができるという効果がある。
【００７８】
以上、本発明の一実施形態による表面状態観察装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した一実施形態及び他の実施形態では、照明用ビームとして照明用ビームＢ１を用い、照明用ビームＢ１を試料４に照射して得られる二次電子、反射電子、及び後方散乱電子の少なくとも１つを含む二次電子ビームＢ２を蛍光板３２で光電変換し、変換された光学像を撮像素子３５で撮像する場合を例に挙げたが、例えば電子ビームの代わりにイオンビームを用いても良く、可視領域の光を試料４に照射して得られる光学像を直接撮像素子３５で撮像するようにしても良い。この場合においては、写像光学系２０が光学レンズを含んで構成されるが、写像光学系２０の歪曲収差を完全に補正するために写像光学系２０を構成する光学レンズの数を増加させる必要がないため、装置の大型化を招かずに高分解能で観察することができる。照明用ビームとして光を用いた場合には、二次ビームは光を物体表面に照射して得られる反射光である。
【００７９】
また、上記実施形態においては、イー・クロス・ビー２３を用いて照明用ビームＢ１を偏向させて試料４に照射し、試料４から発生した二次電子ビームＢ２を直進させる場合について説明した。しかしながら、本発明はこれに限られず、照明用ビームＢ１を直進させて、二次電子ビームＢ２を偏向させる電磁プリズムを用いても良い。更に、本実施形態は線源からの電子ビームにて試料の物体面を照明し像面ヘ結像する、いわゆる面から面への写像投影光学系を備えているが、観察装置及び検査装置の単体装置としてではなく、半導体露光装置等にも簡単に応用することができる。
【００８０】
更に、上記実施形態では、入力手段として入力装置４５を備え、試料４に形成されたパターンのピッチを入力するようにしていたが、予め測定する試料４に形成されているパターンをハードディスク等の外部記憶装置に入力しておき、その内容を読み出してステージ４０の移動速度を算出するようにしても良い。また、上記実施形態では、ｘｙステージ４０を移動させていたが、試料４を載置するステージを固定にし、照明用ビームＢ１を試料４に照射して得られる二次ビームを、偏向させる偏向装置を設けて検出面又は撮像面に結像した像を検出面又は撮像面に対して相対的に移動させるようにしてもよい。更にまた、上記実施形態では試料４のｘｙ座標系の位置に関わらずｘｙステージ４０を一定の速度ｖ＋δｖで移動させていたが、写像光学系２０の歪曲収差に応じてｘｙステージ４０の移動速度を可変する制御を行っても良い。
【００８１】
次に、本発明の一実施形態によるマイクロデバイスの製造方法について説明する。図１５は、マイクロデバイス（ＩＣやＬＳＩ等の半導体チップ、液晶パネル、ＣＣＤ、薄膜磁気ヘッド、マイクロマシン等）の製造例のフローチャートを示す図である。図１５に示すように、まず、ステップＳ１０（設計ステップ）において、マイクロデバイスの機能・性能設計（例えば、半導体デバイスの回路設計等）を行い、その機能を実現するためのパターン設計を行う。引き続き、ステップＳ１１（マスク製作ステップ）において、設計した回路パターンを形成したマスク（レチクル）を製作する。一方、ステップＳ１２（ウェハ製造ステップ）において、シリコン等の材料を用いてウェハを製造する。
【００８２】
次に、ステップＳ１３（ウェハ処理ステップ）において、ステップＳ１０〜ステップＳ１２で用意したマスクとウェハを使用して、後述するように、リソグラフィ技術等によってウェハ上に実際の回路等を形成する。次いで、ステップＳ１４（デバイス組立ステップ）において、ステップＳ１３で処理されたウェハを用いてデバイス組立を行う。このステップＳ１４には、ダイシング工程、ボンティング工程、及びパッケージング工程（チップ封入）等の工程が必要に応じて含まれる。最後に、ステップＳ１５（検査ステップ）において、ステップＳ１４で作製されたマイクロデバイスの動作確認テスト、耐久性テスト等の検査を行う。このステップＳ１５において、前述した本発明の一実施形態による表面状態観察装置によって、マイクロデバイスの表面状態が観察される。こうした工程を経た後にマイクロデバイスが完成し、これが出荷される。尚、図１５に示したフローチャートでは、ステップＳ１４を経た後に、本発明の一実施形態による表面状態観察装置によってマイクロデバイスの表面状態を観察している場合を例示しているが、ステップＳ１４のデバイスを組み立てる前に、ステップＳ１３を経ることにより処理が終了したウェハの表面状態を適宜観察してもよい。
【００８３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、写像光学系の光学特性に応じて生ずる検出面上での光学像の位置ずれ量に応じて、撮像手段が検出面に結像した像を電気信号に変換するタイミングと検出面上における像の移動速度とを非同期にするのみならず、その非同期の量を制御するようにしているため、写像光学系の歪曲収差による解像度の低下を防止することができ、その結果として写像光学系に歪曲収差が残存していても高分解能で観察することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態による表面状態観察装置の構成を示す図である。
【図２】  撮像素子３５としてのＴＤＩアレイＣＣＤの構成例を示す機能ブロック図である。
【図３】  本発明の一実施形態による表面状態観察装置の照明用ビームＢ１の軌道を示す図である。
【図４】  本発明の一実施形態による表面状態観察装置の二次電子ビームＢ２の軌道を示す図である。
【図５】  本発明の一実施形態による表面状態観察装置が備えるイー・クロス・ビー２３の構成及び動作原理を説明するための図である。
【図６】  試料４の表面に設定されたｘｙ座標系を撮像素子３５の撮像面に設定されたＸＹ座標系を示す図である。
【図７】  撮像素子３５が備える画素の配列の一例を示す図である。
【図８】  Ｙ方向の位置が画素の中心に設定された感度特性関数ｇ（Ｘ）の一例を示す図である。
【図９】  光軸からｒにある距離の点と歪曲収差の影響により、この点が結像する位置Ｒとの関係を示す図である。
【図１０】  撮像素子３５が撮像面に結像した像を電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とが同期している状態において得られたシミュレーション結果である。
【図１１】  写像光学系２０の歪曲収差により生ずる撮像素子３５の撮像面３５ａ上における像の画素に対するずれ量を示す図である。
【図１２】  撮像面に結像した像を撮像素子３５が電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にした状態において得られたシミュレーション結果である。
【図１３】  撮像面に結像した像を撮像素子３５が電気信号に変換するタイミングとｘｙステージ４０の移動速度とを非同期にした状態において、写像光学系２０の歪曲収差により生ずる撮像素子３５の撮像面３５ａ上における像の画素に対するずれ量を示す図である。
【図１４】  表面状態の観察を行う際の動作を説明するための図である。
【図１５】  マイクロデバイスの製造工程の一例示すフローチャートである。
【図１６】  歪曲収差の一例を示す図である。
【図１７】  歪曲収差が生じている像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出した場合の検出精度の悪化を説明する図である。
【図１８】  歪曲収差が生じている像をＴＤＩアレイＣＣＤで検出した場合のスキャン方向の検出精度の悪化を説明する図である。
【符号の説明】
４      試料（物体）
１１    照明光学系
２０    写像光学系
３０    電子ビーム検出器（撮像手段）
３２    蛍光板（変換手段）
３４    リレーレンズ（撮像手段）
３５    撮像素子（撮像手段）
３７    主制御系（制御手段、算出装置）
４０    ｘｙステージ（ステージ）
４４    記憶装置（記憶手段）
４５    入力装置（入力手段）
Ｂ１    照明用ビーム
Ｂ２    二次電子ビーム（二次ビーム）
【図１】
0003986801.tif 000045
【図２】
0003986801.tif 000046
【図３】
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【図４】
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【図５】
0003986801.tif 000049
【図６】
0003986801.tif 000050
【図７】
0003986801.tif 000051
【図８】
0003986801.tif 000052
【図９】
0003986801.tif 000053
【図１０】
0003986801.tif 000054
【図１１】
0003986801.tif 000055
【図１２】
0003986801.tif 000056
【図１３】
0003986801.tif 000057
【図１４】
0003986801.tif 000058
【図１５】
0003986801.tif 000059
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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