(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を落射照明するように照明系荷電粒子を偏向し、かつ、試料から発生する二次荷電粒子が直進するように設定されたＥｘＢを備えた二次荷電粒子写像投影装置であって、発生する二次荷電粒子によって形成される前記試料の中間像を、前記ＥｘＢの中心近傍に結像させる前段写像投影光学系と、前記中間像の像を結像面に結像させる後段写像投影光学系とを備えてなり、後段写像光学系は、少なくとも二段以上のレンズで構成されて中間像を形成するリレー光学系と、投影レンズとで構成されていることを特徴とする二次荷電粒子写像投影装置。
【請求項２】
試料を落射照明するように照明系荷電粒子を偏向し、かつ、試料から発生する二次荷電粒子が直進するように設定されたＥｘＢを備えた二次荷電粒子写像投影装置であって、発生する二次荷電粒子によって形成される前記試料の中間像を、前記ＥｘＢの中心近傍に結像させる前段写像投影光学系と、前記中間像の像を結像面に結像させる後段写像投影光学系とを備えてなり、前段写像投影光学系は、両側テレセントリック光学系を構成すると共に、後段写像光学系は、少なくとも二段以上のレンズで構成されて中間像を形成するリレー光学系と、投影レンズとで構成されていることを特徴とする二次荷電粒子写像投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、荷電粒子線光学系を利用して、被観察面を２次元的に観察するため等に用いられる二次荷電粒子写像投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体欠陥検査において、コンタクト不良などの電気的な観察を行うにはＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）を用いるのが一般的である。ＳＥＭにおいては、周知のように、被観察面において点状となるような電子ビームを照射し、被照射面から放出される二次電子を加速して取り出し、検出器で受けることにより二次電子の量を検出する。そして、電子ビームを２次元的に走査することにより照射点を変え、被観察面全体からの二次電子の量を、画像として組立てることにより、被観察面の観察を行っている。
【０００３】
しかしながら、ＳＥＭにおいては、被観察面の２次元的な走査が必要である関係上、被観察面全体の像を得るまでに時間がかかるという問題点がある。一方、半導体の欠陥検査においては、高速性が要求されるので、ＳＥＭに代わり、電子光学系等の荷電粒子線光学系を利用して被観察面を２次元的に観察することが可能な二次荷電粒子写像投影装置が開発されている。
【０００４】
多くの場合、このような二次荷電粒子写像投影装置においては、被観察面を照明用荷電粒子で垂直に照射し、かつ、発生する二次荷電粒子を被観察面の垂直方向に光軸を有する写像投影光学系で観察することを可能にするためにＥｘＢが用いられている。すなわち、斜め方向から照射される照明用荷電粒子線を、ＥｘＢで偏向させて垂直照明に変えると共に、垂直方向に放出される二次荷電粒子は、ＥｘＢ中で偏向されずに直進するようにして、照明系と写像投影光学系との位置的な干渉を回避している。
【０００５】
図４に、その１例である電子線写像投影装置の構成の概要を示す。照明鏡筒１１から斜めに放出された、所定断面積を有する電子線は、ＥｘＢ１２の偏向中心に向って進み、ＥｘＢ１２によって写像投影光学系の光軸に一致するように偏向され、前段レンズ１３を介して試料面（被観察面）１４を垂直に落射照明する。試料面１４から放出された二次電子は、前段レンズ１３によって、ＥｘＢ１２の偏向中心に位置する第１の中間結像面Ｍ１に結像する。絞り１５は、中間像の収差を小さくするために設けられている。
【０００６】
第１の中間結像面Ｍ１に形成された中間像は、第１の投影レンズ１６によって、第２の中間結像面Ｍ２に第２の中間像を形成し、この第２の中間像の像が、第２の投影レンズ１７によって、最終的に検出面（結像面）１８に結像される。第１の投影レンズ１６に与えるパワーを変え、第２の中間結像面Ｍ２の位置を変えることにより、全体の像倍率を連続的に変化させることができる。
【０００７】
第１の中間結像面Ｍ１を、ＥｘＢ１２の偏向中心位置としているのは、このようにすることにより、ＥｘＢ１２が本来のウィーンフィルターとして有する色収差や、ＥｘＢ固有の非点収差などをほぼ除去できるからである。
【０００８】
しかしながら、図４に示すような、ＥｘＢを落射照明用のビームセパレーターとして備えた二次荷電粒子写像投影光学系の場合、照明系との機械的な制約上、ＥｘＢとＥｘＢ後段のレンズまでの間隔をどうしても広くせざるを得ない。そのため、ＥｘＢのほぼ偏向中心に中間結像面Ｍ１を形成させると、ＥｘＢによる収差は低減できるが、レンズ系そのものへの負担が大きくなってしまうという問題点がある。
【０００９】
たとえば、ＥｘＢ後段において単レンズで拡大投影を行うと、当該レンズとＥｘＢ上にある中間結像面との間隔が大きいので、全長が非常に長くなってしまうのみならず、中間結像面が固定されるのでズームをかけることもできない。そのため、図４に示すように、ＥｘＢ上にある中間結像面Ｍ１と検出器面の間に複数の拡大投影用レンズを挿入し、拡大投影用レンズごとに再度中間結像面を形成することで、限られた全長で高倍率を達成するとともに、拡大投影用レンズ間の中間結像面位置を動かすことでズームをかけるのが一般的であった。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すような電子線写像投影装置においては、高倍領域での観察は、視野が狭いので軸外収差をほどんど考慮する必要がなく、問題無く実行できるが、広視野低倍領域での観察を行おうとすると、軸外収差が大きくなってくる。すなわち、中間結像面Ｍ１においては、主光線（図示せず）は発散する方向に向いており、ＥｘＢと第１の投影レンズ１６の間が離れていることに起因して、主光線は第１の投影レンズ１６の位置においてはさらにレンズの外周側を通過することになる。よって、これに伴なって、糸巻き状の歪曲収差を初めとする軸外収差が大きくなる。
【００１１】
同様、中間結像面Ｍ１の像を、投影レンズ１６、１７で拡大して検出面１８に結像させる場合にも、同様の理由により第２の投影レンズ１７に入射する主光線が、発散しながら第２の投影レンズ１７の光軸から離れた点を通過するため、糸巻き状の歪曲収差が大きくなるという問題点がある。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ビームセパレーターとしてのＥｘＢが存在し、かつ、そのほぼ中心に中間像面を形成する二次荷電粒子写像投影光学系において、広視野観察における歪曲収差を低減することを第１の課題とする。また、良好な結像状態を保ったまま、低倍から高倍までズームが可能な二次荷電粒子写像投影光学系を提供することを第２の課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、試料を落射照明するように照明系荷電粒子を偏向し、かつ、試料から発生する二次荷電粒子が直進するように設定されたＥｘＢを備えた二次荷電粒子写像投影装置であって、発生する二次電子によって形成される前記試料の中間像を、前記ＥｘＢの中心近傍に結像させる前段写像投影光学系と、前記中間像の像を結像面に結像させる後段写像投影光学系とを備えてなり、前段写像投影光学系は、両側テレセントリック光学系を構成することを特徴とする二次荷電粒子写像投影装置である。
【００１４】
本手段においては、前段写像投影光学系が、両側テレセントリック光学系を構成するように構成されているので、主光線は発散せずに後段写像光学系の最初のレンズに入射する。よって、広視野観察を行う場合でも、歪曲収差をはじめ収差をかなり抑えることができる。かつ、両側テレセントリック系であるため、試料面の周辺減光もなく、一様な明るさで観察をすることができる。
【００１５】
なお、「両側テレセントリック光学系を構成する」とは、必ずしも、厳密な両側テレセントリックでなくてもよく、収差が許容される範囲で、両側テレセントリック系から外れてもよいことを意味するものであり、どの程度両側テレセントリック系から外れてもよいかは、許容収差に応じて当業者が容易に決定できる。
【００１６】
前記課題を解決するための第２の手段は、試料を落射照明するように照明系荷電粒子を偏向し、かつ、試料から発生する二次荷電粒子が直進するように設定されたＥｘＢを備えた二次荷電粒子写像投影装置であって、発生する二次電子によって形成される前記試料の中間像を、前記ＥｘＢの中心近傍に結像させる前段写像投影光学系と、前記中間像の像を結像面に結像させる後段写像投影光学系とを備えてなり、後段写像光学系は、少なくとも二段以上のレンズで構成されて中間像を形成するリレー光学系と、投影レンズとで構成されていることを特徴とする二次荷電粒子写像投影装置（請求項１）である。
【００１７】
本手段においては、投影レンズの前に、二段以上で構成されるリレー光学系を有するので、このリレー光学系において、主光線の発散を抑制することができる。よって、リレー光学系において歪曲収差を補正しながら第２の中間像を形成し、かつ、その第２の中間像の位置を連続的に変化させることによりズームをかけることができる。このとき、リレー光学系は、ズームのワイド端近辺において、両側テレセントリックな等倍系程度になるのが、収差の低減の面から好ましい。
【００１８】
前記課題を解決するための第３の手段は、試料を落射照明するように照明系荷電粒子を偏向し、かつ、試料から発生する二次荷電粒子が直進するように設定されたＥｘＢを備えた二次荷電粒子写像投影装置であって、発生する二次荷電粒子によって形成される前記試料の中間像を、前記ＥｘＢの中心近傍に結像させる前段写像投影光学系と、前記中間像の像を結像面に結像させる後段写像投影光学系とを備えてなり、前段写像投影光学系は、両側テレセントリック光学系を構成すると共に、後段写像光学系は、少なくとも二段以上のレンズで構成されて中間像を形成するリレー光学系と、投影レンズとで構成されていることを特徴とする二次荷電粒子写像投影装置（請求項２）である。
【００１９】
本手段は、前記第１の手段と第２の手段の特徴部を併せ持つものである。すなわち、前段写像投影光学系が、両側テレセントリック光学系を構成するように構成されているので、主光線は発散せずに後段写像光学系の最初のレンズに入射する。よって、広視野観察を行う場合でも、歪曲収差をはじめ収差をかなり抑えることができる。又、後段写像投影光学系においては、投影レンズの前に、二段以上で構成されるリレー光学系を有するので、リレー光学系において歪曲収差を補正しながら中間像を形成し、かつ、その中間像の位置を連続的に変化させることによりズームをかけることができる。
【００２０】
これにより、広視野低倍率のときは前段写像投影光学系の両側テレセントリック性を生かして収差を小さくし、軸外収差がほとんど無視できる狭視野高倍率のときには、後段のズームだけでなく、前段写像投影光学系の両側テレセントリック性を崩して、その分、さらに高倍率にしながらズームをかけることができる。なお、「両側テレセントリック光学系を構成する」の意味は、第１の手段の説明において述べたものと同じである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である二次電子写像投影光学装置の概要を示す図である。図１において、１は照明鏡筒、２はＥｘＢ、３は第１の前段レンズ、４は第２の前段レンズ、５は照射面（被観察面）、６は絞り、７は投影レンズ、８は検出面（結像面）、Ｍ１は第１の中間結像面である。なお、以下の図面において同じ構成要素には同じ符号を付してその説明を省略する。
【００２２】
照明鏡筒１から斜めに放出された、所定断面積を有する電子線は、ＥｘＢ２の中心に向って進み、ＥｘＢ２によって写像投影光学系の光軸に一致するように偏向され、前段レンズ群３、４を介して試料面（被観察面）５を垂直に落射照明する。試料面５から放出された二次電子は、前段レンズ群３、４によって、ＥｘＢ２の偏向中心に位置する第１の中間結像面Ｍ１に結像する。絞り６は、中間像の収差を小さくするために設けられている。試料面５から放出された二次電子の像を、ＥｘＢ２の偏向中心位置に結像させるのは、従来技術の説明において示した理由と同じである。
【００２３】
本実施の形態においては、図４に示した従来技術と異なり、前段写像投影光学系が２枚の前段レンズ群３、４を中心として構成され、これらが両側テレセントリック系を構成していることである。すなわち、照射面５は第２の前段レンズ４の前側焦点位置に、絞り６は第２の前段レンズ４の後側焦点位置であって、かつ、第１の前段レンズ３の前側焦点位置に位置している。そして、第１の中間結像面Ｍ１は、第１の前段レンズ３の後側焦点位置に形成される。
【００２４】
これにより、主光線は実線で示すように、第１の前段レンズ３で光軸に平行となり、発散しなくなる。よって、従来技術に比して投影レンズ７の光軸に近い点に入射する。従って、広視野低倍率の場合でも、糸巻き状の歪曲収差の発生が抑制され、使用される光線が近軸光線に近くなるので、他の収差も小さく抑えられる。
【００２５】
投影レンズ７は、第１の中間結像面Ｍ１に形成された像を、拡大して検出面に結像させる。投影レンズ７の位置を変更することにより、像の拡大倍率を変更することができる。これらの構成は図４に示した従来技術と同じである。投影レンズ７の拡大率を小さくすることにより、広視野低倍率の像が得られる。なお、図４に示す従来例と同じように、後段写像投影光学系を複数のレンズから構成し、これにより像の拡大倍率を変更することができる。
【００２６】
図２は、本発明の実施の形態の第２の例である二次電子写像投影光学系の概要を示す図である。図２において、９は第２の後段レンズ、１０は第３の後段レンズ、Ｍ２は第２の中間結像面である。この実施の形態においては、照明光学系、及びＥｘＢ２の偏向中心位置に第１の中間結像面Ｍ１を形成する前段写像光学系の構成は、図４に示した従来技術と同じである。
【００２７】
この実施の形態においては、第２の後段レンズ９、第３の後段レンズ１０が設けられ、第１の後段レンズ７と第２の後段レンズ８によってリレー光学系が構成されている。そして、このリレー光学系において第１の中間結像面Ｍ１に形成された像の像を、第２の中間結像面Ｍ２に結像させ、さらにその像を、第３の後段レンズ１０によって検出面８に結像させている。これらの要素が後段写像投影光学系を構成している。
【００２８】
主光線の発散はこれらリレー光学系によって抑えられ、歪曲収差が補正される。すなわち、第３の後段レンズ１０に入射する主光線は光軸に平行に近くなっており、かつ、第３の後段レンズ１０の光軸に近い位置を通過する。そして、リレー光学系のパワーバランスを変えたり、リレー光学系と投影レンズ１０のパワーバランスを変えて中間結像面Ｍ２の位置を変えたり、投影レンズ１０のパワーを変えることにより、後段写像投影光学系による像の拡大率を、連続的に変化させ、広視野低倍率から狭視野高倍率までの像を得ることができる。
【００２９】
このとき、リレー光学系は、このリレー光学系における像の拡大率が小さく視野が大きいとき、すなわち、ズームのワイド端近辺において、両側テレセントリック系になるように構成するのが好ましい。すなわち、このとき、第１の後段レンズ７の焦点位置が第１の中間結像面Ｍ１の位置となり、第２の後段レンズ９の焦点位置が第２の中間結像面Ｍ２の位置となるようにする。このようにすれば、一番歪曲収差が発生しやすい状態で、主光線を第３の後段レンズ１０に、光軸とほぼ平行に入射させることができ、これにより、歪曲収差を抑えることができる。
【００３０】
図３は、本発明の実施の形態の第３の例である二次電子写像投影光学系の概要を示す図である。図３に示す実施の形態は、前段写像投影光学系を図１に示すものとし、後段写像投影光学系を図２に示すものとしたものであり、両者の特長を併せ持つものである。
【００３１】
すなわち、前段光学系が両側テレセントリック系を構成しているので、第１の中間結像面Ｍ１に入射し、出射する主光線は光軸に平行になっており、後段写像投影光学系に対しても、発散せずかつ光軸から離れない位置に入射するので、歪曲歪みは発生しにくくなる。後段写像投影光学系においても、リレー光学系により、主光線をあまり発散させずに第１の中間結像面Ｍ２の位置を連続的に変えることができる。よって、後段写像投影光学系においても、歪曲歪みは余り発生しない。また、後段で達成できる倍率より、さらに狭視野で高倍率が必要な場合は、前段写像投影光学系の両側テレセントリック性を崩し、機能的に図２に示すものと同じようにすることにより、これを実現することができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、前段写像投影光学系が、両側テレセントリック光学系を構成するように構成されているので、広視野観察を行う場合でも、歪曲収差をはじめ収差をかなり抑えることができる。
【００３３】
また、請求項１に係る発明においては、二段以上で構成されるリレー光学系を有するので、このリレー光学系において、主光線の発散を抑制することができ、歪曲収差を補正しながらズームをかけることができる。
【００３４】
請求項２に係る発明は、前段写像光学系と、請求項１に係る発明の後段写像光学系を併せて有するので、両者の効果を併せて奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の第１の例である二次電子写像投影光学装置の概要を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態の第２の例である二次電子写像投影光学装置の概要を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の第３の例である二次電子写像投影光学装置の概要を示す図である。
【図４】従来の電子線写像投影装置の概要を示す図である。
【符号の説明】
１…照明鏡筒
２…ＥｘＢ
３…第１の前段レンズ
４…第２の前段レンズ
５…照射面（被観察面）
６…絞り
７…投影レンズ
８…検出面（結像面）
９…第２の後段レンズ
１０…第３の後段レンズ
Ｍ１…第１の中間結像面
Ｍ２…第２の中間結像面
【図１】
0004192338.tif 000002
【図２】
0004192338.tif 000003
【図３】
0004192338.tif 000004
【図４】
0004192338.tif 000005