JP2015095297A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子線のエネルギーと開き角が一定でなく分布していることによって発生する複数の収差を同時に打ち消すことができる荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線が軸外を通過することによって収差を発生させる収差発生レンズと、荷電粒子線のエネルギーによらずその軌道を対物レンズの主面上に集束させる補正レンズとを備え、補正レンズの主面は、開き角がそれぞれ異なる複数の荷電粒子線が収差発生レンズを通過した後に集束するクロスオーバー位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に対して荷電粒子線を照射する荷電粒子線装置に関する。

電子線などの荷電粒子線を用いて３次元試料を検査する装置においては、試料を３次元観察することが重要な機能として求められる。電子顕微鏡を使って試料を３次元観察する場合、ステージを傾斜することにより試料の３次元画像を取得することができる。しかしながら、ステージやカラムを傾斜させるためには機械的動作が必要となり、スループットや傾斜角度の再現性が劣化する。ステージを傾斜させることなく試料を３次元測定する方法として、偏向器を用いてビームを傾斜することが考えられる。ただし偏向器でビームを傾斜（偏向）させると、収差が発生してビーム径が増大する。

下記特許文献１は、色収差を補正したいレンズを荷電粒子線が通過するときのエネルギーよりも、補正器を通過するときのエネルギーを低くすることにより、レンズの電源安定性に関する要求スペックを下げることができる技術を記載している。同文献は、エネルギーの異なるビームをレンズ主面付近に収束させることにより、レンズの像面側に色消し空間を作ることを記載している。

特開２００７−１２８８９３号公報

電子ビームを傾斜させて試料を３次元観察する走査型電子顕微鏡においては、チップから放出された電子を、複数の光学要素を使って試料上に集束させるともに、偏向器で電子ビームを傾け、傾斜したビームを試料上で走査する必要がある。この場合、電子ビームを傾斜させるため、１次電子ビームがレンズの軸外を通ることとなり、その結果収差が発生し分解能が劣化する。チップから放出された電子ビームは、エネルギーと出射角度（開き角）が一定ではなく分布している。そのため、電子ビームを傾斜させるとエネルギーの違いに起因する収差と開き角の違いに起因する複数の収差（例えば、偏向色収差、偏向コマ収差、高次色収差）が発生し、ビーム径を増大させる。上記特許文献１記載の技術を用いることにより、高次色収差の発生を抑制し、レンズ像面側に色消し空間を作り出すことができるが、同文献記載の技術は以下の２つの課題がある。

（課題１）高次色収差の発生をある程度抑制することはできるものの、逆方向の高次色収差を発生させる機構を持たないため、発生した高次色収差を補正することができない。
（課題２）高次色収差の発生を抑制することと併せて開き角に起因する収差を補正する手法については記載されていない。

上記課題に起因して、特許文献１記載の技術においては、上記すべての収差を同時に打ち消すことは困難であると考えられる。特に電子ビームを大角度（例えば１０度以上）傾斜させたときのように、複数の収差が顕在化してくる条件の下においては、ビーム径の増大と分解能の劣化が顕著となる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、荷電粒子線のエネルギーと開き角が一定でなく分布していることによって発生する複数の収差を同時に打ち消すことができる荷電粒子線装置を提供することを目的とする。

本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線が軸外を通過することによって収差を発生させる収差発生レンズと、荷電粒子線のエネルギーによらずその軌道を対物レンズの主面上に集束させる補正レンズとを備え、補正レンズの主面は、開き角がそれぞれ異なる複数の荷電粒子線が収差発生レンズを通過した後に集束するクロスオーバー位置に配置されている。

本発明に係る荷電粒子線装置によれば、荷電粒子線を大きく偏向させたときにおいても分解能の劣化を抑制することができる。

実施形態１に係る荷電粒子線装置が備える光学系の構成を説明する図である。 図１の太線によって示す電子ビーム２の中心軌道に対する、図１の点線によって示す電子ビーム２の軌道の差分を示す図である。 異なるエネルギーを有する複数の電子ビーム２の軌道を示す図である。 実施形態１に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態２に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態３に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態４に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態４に係る荷電粒子線装置の動作を説明するフローチャートである。 実施形態５に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態６に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。 実施形態７に係る荷電粒子線装置が備える光学系の構成を説明する図である。 異なるエネルギーを有する複数の電子ビーム２の軌道を示す図である。 実施形態７に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る荷電粒子線装置が備える光学系の構成を説明する図である。以下では荷電粒子線装置の例として、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）を例に説明する。本実施形態１における光学系は、対物レンズ１２、補正レンズ１５、収差発生レンズ１３、コンデンサレンズ１１を備える。対物レンズ１２は、荷電粒子線（電子ビーム）２を像面Ｚ４上の点Ｐ４に集束させる。収差発生レンズ１３は、対物レンズ１２と等価な特性を有するように構成されており、コンデンサレンズ１１を通過した電子ビーム２が軸外を通過することによって収差を発生させる。補正レンズ１５は、それぞれ異なるエネルギーを有する電子ビーム２を、対物レンズ１２の主面上に集束させる。補正レンズ１５の主面は、対物レンズ１２の物面と重なるように配置されている。

電子源１から放出された電子ビーム２は、コンデンサレンズ１１によって平面Ｚ１上の点Ｐ１に集束される。点Ｐ１に集束した電子ビーム２は、Ｚ１上に設置された偏向器２１によって偏向され、収差発生レンズ１３の軸外を通過する。収差発生レンズ１３によって生じる収差は、電子ビーム２の開き角に応じて異なる。収差発生レンズ１３を通過する電子ビーム２は、電子ビーム２の開き角によらず補正レンズ１５の主面（対物レンズ１２の物面）Ｚ３上の点Ｐ３に集束し、点Ｐ３においてクロスオーバーする。開き角の異なる複数の電子ビーム２のうち中心軌道を通過するものを太線で示し、その他２つの軌道を通過するものをそれぞれ通常線と点線によって示した。

補正レンズ１５の主面（対物レンズ１２の物面）Ｚ３上には、偏向器２７が配置されている。偏向器２７は、電子ビーム２を偏向させて対物レンズ１２の軸外を通過させる。偏向器２７によって偏向された後の電子ビーム２の軌道は、偏向器２７によって偏向される前の開き角に応じてそれぞれ異なるが、いずれの軌道においても対物レンズ１２を通過した後点Ｐ４に集束し、同点に配置された試料に対して傾斜して入射する。

図２は、図１の太線によって示す電子ビーム２の中心軌道に対する、図１の点線によって示す電子ビーム２の軌道の差分を示す図である。図２によれば、収差発生レンズ１３の主面上における中心軌道に対するずれと、対物レンズ１２の主面上における中心軌道に対するずれは、補正レンズ１５の主面Ｚ３から見て反対称になるように配置されている。この配置により、電子ビーム２の開き角の違いに起因して発生する収差を打ち消すことができる。すなわち、平面Ｚ１から主面Ｚ３までの区間において発生する偏向コマ収差および偏向色収差と、主面Ｚ３から像面Ｚ４までの区間において発生する同収差とは、等量異符号となって互いに打ち消し合う。

図３は、異なるエネルギーを有する複数の電子ビーム２の軌道を示す図である。チップ１から放出された電子ビーム２は偏向器２１によって偏向され、収差発生レンズ１３に入射する。エネルギーが低い電子ビーム２（１点鎖線）は収差発生レンズ１３の作用を強く受け、エネルギーが高い電子ビーム２（点線）は収差発生レンズ１３の作用を弱く受ける。その結果、エネルギーの違いによる軌道のずれ（色分散）が発生する。補正レンズ１５に入射したエネルギーの異なる電子ビーム２は、補正レンズ１５の主面上に配置された偏向器２７によって反対方向に振り戻され、それぞれ対物レンズ１２の主面上に集束する。

図３によれば、エネルギーの違いに起因する電子ビーム２の軌道ずれは、補正レンズ１５の主面Ｚ３を基準として反対方向に振り戻される。その結果、電子ビーム２のエネルギーの違いに起因する収差（例えば傾斜角θiの３乗とエネルギーの違いΔΦの積に比例する高次色収差）を打ち消すことができる。すなわち、収差発生レンズ１３から主面Ｚ３までの区間において発生する同収差と、主面Ｚ３から対物レンズ１２までの区間において発生する同収差とは、等量位符号となって互いに打ち消し合う。

したがって、本実施形態１における光学系は、収差発生レンズ１３と対物レンズ１２においては電子ビーム２の開き角が異なる一方で（図１）、これらレンズを用いてエネルギーの異なる電子ビーム２を集束させる（図３）。他方、補正レンズ１５においては電子ビーム２のエネルギーが異なる一方で（図３）、同レンズを用いて開き角の異なる電子ビーム２を集束させる（図１）。電子ビーム２を傾斜させたときに発生する、エネルギーの異なることに起因する収差と、開き角が異なることに起因する収差（偏向色収差、偏向コマ収差、高次色収差）を、同時に補正することができる。

図４は、本実施形態１に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。電子ビーム２の軌道例として、図１に対応するものを例示した。光学要素制御部３５は、各レンズや各偏向器の動作を制御する。光学条件記憶部３６は、各レンズの設定パラメータや各偏向器の偏向強度などの動作パラメータを記憶する。

チップ１から放出された電子ビーム２はコンデンサレンズ１１を通過し、対物絞り３により開き角の制限を受け、点Ｐ１に集束される。電子ビーム２は偏向器２１（さらに偏向器２２を設ける場合もある）によって偏向され、収差発生レンズ１３の軸外を通過し、補正レンズ１５と偏向器２７が設置されている点Ｐ３に集束される。電子ビーム２は、偏向器２７により振り戻され、対物レンズ１２に入射し、試料５２に対して傾斜して到着する。対物レンズ１２のレンズ強度によって電子ビーム２のフォーカスを調整し、コンデンサレンズ１１内に設置されたスティグマコイル３７の励磁量によって非点調整をすることができる。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る荷電粒子線装置において、補正レンズ１５の主面Ｚ３は、開き角がそれぞれ異なる複数の電子ビーム２が収差発生レンズ１３を通過した後に集束するクロスオーバー位置に配置されている。さらに補正レンズ１５の主面は、対物レンズ１２の物面と重なるように配置されている。この配置により、電子ビーム２のエネルギーが異なることに起因する収差と、電子ビーム２の開き角が異なることに起因する収差とを、同時に補正することができる。

＜実施の形態２＞
図５は、本発明の実施形態２に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。本実施形態２においては、補正レンズ１５の主面Ｚ３上に配置された偏向器２７に代えて、補正レンズ１５と対物レンズ１２の間に設置された２段偏向器２７と２８を用いて電子ビーム２を振り戻す。収差補正を厳密に実施するためには、実施形態１のように補正レンズ１５の主面Ｚ３上に偏向器２７を設置して電子ビーム２を振り戻すことが望ましいが、設計上の理由によりその位置に偏向器２７を配置することが難しい場合もある。そのような場合には、図５に示す２段偏向器２７と２８によって電子ビーム２を振り戻すこともできる。この場合においても、実用上分解能の低下が問題にならず実施形態１と同等の効果を発揮させることが期待できる。

＜実施の形態３＞
図６は、本発明の実施形態３に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。本実施形態３においては、電子ビーム２の照射角を様々に変化させたときその照射角に応じて変化する収差を補正するため、収差発生レンズ１３と補正レンズ１５との間に２段偏向器２５と２６を設置する。

電子ビーム２が収差発生レンズ１３の軸外を通過するとき、収差発生レンズ１３の像面（補正レンズ１５の主面Ｚ３）上に補正量（∝θ_Ｐ１）の３乗に比例する位置ずれが発生する。２段偏向器２５と２６は、この位置ずれを補正し、電子ビーム２の中心軌道（太線）が補正レンズ１５のレンズ中心を通過するように、電子ビーム２の軌道を修正する。この軌道修正により、電子ビーム２の照射角を様々に変化させたとき電子ビーム２が補正レンズ１５の軸外を通過することなく、補正レンズ１５のレンズ中心を通過するようにすることができる。これにより、電子ビーム２の照射角を様々に変化させた場合であっても、補正レンズ１５によって別の収差が発生しないように電子ビーム２の軌道を制御することができる。

＜実施の形態４＞
以上の実施形態１〜３においては、収差発生レンズ１３を対物レンズ１２と等価なレンズとして設計する必要がある。本発明の実施形態４ではこれに代えて、補正したい収差（今回の例では偏向色収差と偏向コマ収差）に注目し、注目した収差成分について、等量異符号の収差を発生させることができるようにレンズ条件を調整する機構を設け、これにより対物レンズ１２において生じる収差を補正することを図る。

図７は、本実施形態４に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。本実施形態４においては、収差発生レンズ１３の後段に収差調整レンズ１４を配置し、これら２レンズによって構成される合成レンズを用いて補正用の収差を発生させる。

対物レンズ１２近傍には、電子ビーム２を加速するブースティング電極５１が設置されている。試料５２は、減速電圧を印加することができる機構が設けられている。このように電界や磁界が重畳的に印加される環境下においては、ブースティング電極５１に対する印加電圧や試料５２に対して印加する減速電圧によって対物レンズ１２の光学特性が変化する。そこで収差発生レンズ１３の後段に収差調整レンズ１４の合成効果により、変化した対物レンズ１２の収差を動的に打ち消すことを図る。ステージ高さ計測装置３８は、試料５２を載置するステージの高さを計測する。

電子ビーム２は実施形態１と同様に点Ｐ１に集束され、偏向器２１（または偏向器２１と２２）によって偏向され、収差発生レンズ１３の軸外を通過する。収差発生レンズ１３は、偏向器２１による偏向量θ_Ｐ１に依存し増加する偏向収差（偏向色収差と偏向コマ収差）を発生させる。偏向器２３と２４は、収差調整レンズ１４の中心を通るように電子ビーム２の軌道を修正する。収差発生レンズ１３において発生した偏向色収差と偏向コマ収差は収差調整レンズ１４のレンズ倍率にしたがって点Ｐ３に映しこまれる。点Ｐ３に映しこまれた収差を用いて、対物レンズ１２において発生する偏向コマ収差と偏向色収差を補正することができる。

以下では、収差調整レンズ１４を用いて発生される収差量を調整する方法について具体的に説明する。ここでは簡単のため、偏向器２１と２２を用いて電子ビーム２を偏向したときの仮想偏向視点をＰ１と一致させた場合を考える。収差発生レンズ１３の像面において発生する偏向色収差と偏向コマ収差は次式で表される。

（ΔＵ_Ｃｏｍａ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ２}：偏向収差補正器で発生させたP2でのコマ収差量
（ΔＵ_Ｃ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ２}：偏向収差補正器で発生させたP2での色収差量
（Ｃｓ_１３）_Ｐ２：レンズ１３の球面収差係数（像面定義）
（Ｃｃ_１３）_Ｐ２：レンズ１３の色収差係数（像面定義）
α_Ｐ２：レンズ１３像面でのビーム開き角
α_Ｐ２＊:α_Ｐ２の複素共役
θ_Ｐ２：Ｐ２における傾斜角度
θ_Ｐ２＊:θ_Ｐ２の複素共役
ΔΦ：チップ１から放出された電子ビーム２のエネルギー幅
Φ_Ｐ２：Ｐ２における電子ビームポテンシャル。

収差拡大レンズ１４によって点Ｐ３に映しこまれる各収差量は次式となる。

（ΔＵ_Ｃｏｍａ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ３}：偏向器２３と２４で発生させたＰ３におけるコマ収差量
（ΔＵ_Ｃ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ３}：偏向器２３と２４で発生させたＰ３における色収差量
ＭＡ_１４：収差調整レンズ１４の角度倍率
Ｍ_１４：収差調整レンズ１４の倍率
α_Ｐ３：Ｐ３における電子ビーム２の開き角
α_Ｐ３＊：α_Ｐ３の複素共役
Φ_Ｐ３：Ｐ２における電子ビーム２のポテンシャル。

対物レンズ１２の物面Ｚ３上で定義した、対物レンズ１２により発生する偏向色収差と偏向コマ収差は、次式となる。

（ΔＵ_Ｃｏｍａ）_{ｏｂｊ＿Ｐ３}：電子ビーム２を傾斜させたとき対物レンズ１２において発生するコマ収差量（Ｐ３における大きさに換算）
（ΔＵ_Ｃ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ３}：電子ビーム２を傾斜させたとき対物レンズ１２において発生する色収差量（Ｐ３における大きさに換算）
ＭＡ_ｏｂｊ：対物レンズ１２の角度倍率
Ｍ_ｏｂｊ：対物レンズ１２の倍率
（Ｃｓ_ｏｂｊ）_Ｐ３：対物レンズ１２の球面収差係数（物面定義）
（Ｃｃ_ｏｂｊ）_Ｐ３：対物レンズ１２の色収差係数（物面定義）
θ_Ｐ３：Ｐ３における傾斜角度
θ_Ｐ３＊：θ_Ｐ３の複素共役
θ_ｉ：ビーム傾斜角（試料面）。

収差拡大レンズ１４によって点Ｐ３に映しこまれる収差（式（１）’、式（２）’）と対物レンズ１２の収差（式（３）、式（４））の和は以下となる。

（ΔＵ_Ｃｏｍａ）_{ａｌｌ＿Ｐ４}：光学系全体で発生する偏向コマ収差量（試料面定義）
（ΔＵ_Ｃ）_{Ｃｏｒ＿Ｐ３}：光学系全体で発生する偏向色収差量（試料面定義）。

式（５）、式（６）を同時に０にする条件（補正条件）は、次式となる。式（７）は偏向色収差と偏向コマ収差を同時に補正する条件であり、式（８）は補正時に点Ｐ１とＰ３において与える偏向角度である。

式（７）にしたがって、偏向色収差と偏向コマ収差を同時に補正する条件について考える。式（７）右辺は対物レンズ１２の物面定義の球面収差係数Ｃｓと色収差係数Ｃｃで決定される値であり、偏向コマ収差と偏向色収差の発生割合を表す。したがって、式（７）右辺は対物レンズ１２において発生する偏向色収差と偏向コマ収差の割合を表し、左辺は収差発生レンズ１３と収差調整レンズ１４によって作り出す同収差の割合を表す。したがって、右辺と左辺が釣り合う条件の下において、偏向色収差と偏向コマ収差を同時に補正することができる。

簡単のため点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３における電位Φ_Ｐ１、Φ_Ｐ２、Φ_Ｐ３は同電位であると仮定した場合について以下に説明する。この場合、偏向色収差と偏向コマ収差を同時に補正する条件は、次式となる。

クロスオーバー点Ｐ１とＰ３を固定し、クロスオーバー点Ｐ２のみを上下に動かすように、収差発生レンズ１３と収差調整レンズ１４それぞれの強度を調整することを考える。クロスオーバー点Ｐ２の位置を上にあげると、収差発生レンズ１３の倍率Ｍ_１３は小さくなる。倍率と球面収差係数Ｃｓおよび色収差係数Ｃｃは以下の近似が成り立つことが知られている。

式（９）（１０）より、倍率Ｍ_１３を小さくすると収差発生レンズ１３のＣｓ／Ｃｃの値は小さくなることが分かる。また、Ｐ３の位置を固定してＰ２位置を上げると収差調整レンズ１４の角度倍率ＭＡ_１４は大きくなる。その結果式（７）’左辺の構成要素（１／ＭＡ_１４ ^２）も小さくなるので、これにより収差発生レンズ１３と収差調整レンズ１４の合成によって作り出す偏向色収差と偏向コマ収差の割合（式（７）’左辺）を小さくすることができる。点Ｐ１とＰ３を固定してＰ２の位置を下げると、この割合（式（７）’左辺）を大きくすることができる。点Ｐ３の位置は、光学要素制御部３５により制御することができる。

図８は、本実施形態４に係る荷電粒子線装置の動作を説明するフローチャートである。以下、図８の各ステップについて説明する。

（図８：ステップＳ１０１〜Ｓ１０２）
オペレータは、試料観察に際する光学条件（加速電圧、ブースタ電位、リターディング電位、物面位置など）を決定し、光学条件記憶部３６に対して入力する（Ｓ１０１）。ステップＳ１０１において入力される光学条件により、上述の（Ｃｓ_ｏｂｊ）_Ｐ３と（Ｃｃ_ｏｂｊ）_Ｐ３が決定される。オペレータは、試料ステージを観察位置に移動させる（Ｓ１０２）。

（図８：ステップＳ１０３）
ステージ高さ計測装置３８は、試料５２の高さを計測し、その計測結果に基づきワーキングディスタンスを光学条件記憶部３６に格納する。ステージ高さ計測装置３８に代えて無傾斜時の対物レンズ１２の励磁量に基づき試料５２の高さを推定することもできる。

（図８：ステップＳ１０４）
光学要素制御部３５は、ステップ１０１において光学条件記憶部３６に格納した光学条件と、ステップ１０３において測定した光学条件とに基づき、式（７）または式（７）’にしたがって各レンズの設定パラメータを算出し、その結果を各レンズに対して反映する。

（図８：ステップＳ１０５〜Ｓ１０６）
オペレータは、電子ビーム２の傾斜角度を光学条件記憶部３６に対して入力する（Ｓ１０５）。光学要素制御部３５は、入力された傾斜角度と、光学条件記憶部３６が格納しているビーム傾斜時の各偏向器の偏向強度とに基づき、各偏向器の偏向強度とスティグマコイル３７の設定強度を決定し、それぞれに対して反映する。ステップＳ１０６は、図１〜図３で説明した原理にしたがって各偏向器を調整するためのものである。

（図８：ステップＳ１０７〜Ｓ１０８）
光学要素制御部３５は、フォーカス調整とスティグマ調整を実施する（Ｓ１０７）。観察画像生成器（図示せず）は、試料５２から放出される２次電子を用いて、試料５２の傾斜画像を取得する（Ｓ１０８）。傾斜角度を変更する場合はＳ１０５に戻り、観察条件を変更する場合はＳ１０４に戻る。

＜実施の形態４：まとめ＞
以上のように、本実施形態４に係る荷電粒子線装置は、点Ｐ１とＰ３を固定して点Ｐ２を制御することにより、生成する偏向コマ収差と偏向色収差の割合を対物レンズ１２において発生する同収差の割合に合わせることができる。これにより、ワーキングディスタンスの変更等によって、対物レンズ１２において発生する偏向色収差と偏向コマ収差の割合が変動した場合であっても、その変動量に合わせて点Ｐ２を移動させることにより、偏向色収差と偏向コマ収差を同時補正することができる。すなわち、収差発生レンズ１３と収差調整レンズ１４の合成効果により、対物レンズ１２の光学条件を変化させた場合であっても、対物レンズ１２における収差を打ち消すことができる。

＜実施の形態５＞
図９は、本発明の実施形態５に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。本実施形態５においては、対物レンズ１２の磁場中に設置した偏向器２８を用いて電子ビーム２を傾斜させる。対物レンズ１２において発生する収差は、対物レンズ１２と偏向器２８の動作に応じて異なる。そこで本実施形態５においては、実施形態４と同様に、収差発生レンズ１３と収差調整レンズ１４の合成効果により、対物レンズ１２において発生する収差を動的に調整する。なお図９においては、実施形態３で説明した２段偏向器２５と２６を併用して電子ビーム２をレンズ中心に向ける構成例を示したが、これに限られるものではない。

本実施形態５に係る荷電粒子線装置によれば、電界磁界重畳型のレンズを対物レンズ１２として使用した場合やビーム傾斜手段として対物レンズ１２の磁場中に偏向器２８を配置した場合など、電磁レンズの条件や磁場中偏向によるレンズ内の軌道の変化によって、ビーム傾斜時に対物レンズ１２において発生する収差が大きく変動する場合においても、その収差を動的に補正することができる。

＜実施の形態６＞
図１０は、本発明の実施形態６に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。本実施形態６においては、２段偏向器２３と２４は、電子ビーム２が収差調整レンズ１４の軸外を通過するように、電子ビーム２の軌道を偏向する。本実施形態６においては、電子ビーム２を収差調整レンズ１４の軸外に通して偏向収差を発生させることにより、実施形態５と同量の収差を発生させるために必要な収差発生レンズ１３における離軸量を小さくすることができる。これにより、収差発生レンズ１３において発生させるべき高次収差量が抑制され、各レンズの制御が容易になる効果がある。

＜実施の形態７＞
図１１は、本発明の実施形態７に係る荷電粒子線装置が備える光学系の構成を説明する図である。本実施形態７において、軌道集束レンズ１７は、偏向器３０および３１による偏向動作と併せて、開き角の異なる電子ビーム２を補正レンズ１５の主面上の点Ｐ３に集束させる。第２補正レンズ１６は、補正レンズ１５と等価に構成されている。すなわち、第２補正レンズ１６から見ると、それぞれ異なるエネルギーを有する電子ビーム２が収差発生レンズ１３の主面上に集束するように構成されている。第２補正レンズ１６の主面は、収差発生レンズ１３の像面と重なるように配置されている。開き角の異なる電子ビーム２は、第２補正レンズ１６の主面上の点Ｐ５および補正レンズ１５の主面上の点Ｐ３においてそれぞれクロスオーバーする。

図１１のレンズ配置によれば、収差発生レンズ１３の主面上における中心軌道に対するずれと、対物レンズ１２の主面上における中心軌道に対するずれは、軌道集束レンズ１７の主面Ｚ６から見て対称になるように配置されている。また、収差発生レンズ１３の主面上における中心軌道の軸ずれと、対物レンズ１２の主面上における中心軌道の軸ずれは、軌道集束レンズ１７の主面Ｚ６を中心として反対称になるように配置されている。したがって図１１の光学系全体としては、図１の光学系と同等の効果を発揮することができる。

図１２は、異なるエネルギーを有する複数の電子ビーム２の軌道を示す図である。軌道集束レンズ１７の主面は、エネルギーがそれぞれ異なる電子ビーム２が第２補正レンズ１６を通過した後に集束するクロスオーバー位置Ｐ６と重なるように配置されている。これにより、異なるエネルギーを有する電子ビーム２の軌道は、軌道集束レンズ１７の主面Ｚ６を中心として反対称となるので、エネルギーの違いに起因して生じる収差はＺ６の前後において互いに等量異符号となり打ち消し合う。したがって、図１２の光学系全体としては、図３の光学系と同等の効果を発揮することができる。

図１３は、本実施形態７に係る荷電粒子線装置の構成を示す側面図である。チップ１から放出された電子ビーム２はコンデンサレンズ１１によって点Ｐ１に集束され、偏向器２１（または偏向器２１と２２）によって収差発生レンズ１３の軸外を通過し点Ｐ５に集束される。点Ｐ５には第２補正レンズ１６が配置されており、エネルギーの異なる電子ビーム２に対してのみレンズ作用を与える（図１２）。偏向器３０は電子ビーム２を軌道集束レンズ１７のレンズ中心に向けて偏向する（図１１）。軌道集束レンズ１７のレンズ作用および偏向器３１によって、開き角の異なる軌道が点Ｐ３に集束される。以後の動作は実施形態１と同様である。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態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、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

例えば、本発明に係る荷電粒子線装置が備える各レンズ（コンデンサレンズ１１、収差発生レンズ１３、収差調整レンズ１４、補正レンズ１５、対物レンズ１２）は静電型、磁場型、電磁重畳型のどのタイプのレンズを用いることもできる。またこれらレンズを組み合わせて用いることもできる。

以上の実施形態においては、偏向器で電子ビーム２を傾斜して試料５２を走査することにより試料５２の傾斜画像を取得する、走査型電子顕微鏡を例に説明した。偏向器で観察視野を移動させるイメージシフトを実施するときも、上記動作により同様の効果を期待することができる。これにより、大領域のイメージシフトを実現することができる。したがって、高分解能なビーム傾斜画像を短時間で取得することができ、半導体デバイスなどの試料を３次元観察することに適したＳＥＭを実現できる。

また、本発明に係る荷電粒子線装置は、荷電粒子線として電子線を用いる装置に限られるものではなく、イオン顕微鏡やイオン加工装置（ＦＩＢ）などその他の荷電粒子線を利用した荷電粒子線装置全般に対して適用することができる。

１：電子源、２：電子ビーム、３：対物絞り、１１：コンデンサレンズ、１２：対物レンズ、１３：収差発生レンズ、１４：収差調整レンズ、１５：補正レンズ、１６：第２補正レンズ、１７：軌道集束レンズ、２１〜２８および３０〜３１：偏向器、３５：光学要素制御部、３６：光学条件記憶部、３７：スティグマコイル、３８：ステージ高さ計測装置、５１：ブースタ電極、５２：試料。

Claims (12)

1. 荷電粒子線を出射する荷電粒子線源、
   前記荷電粒子線を試料に対して集束させる対物レンズ、
   前記対物レンズと前記荷電粒子線源との間に配置され、前記荷電粒子線が軸外を通過することによって収差を発生させる、収差発生レンズ、
   前記荷電粒子線のエネルギーによらず前記荷電粒子線の軌道を前記対物レンズの主面上に集束させる補正レンズ、
   を備え、
   前記補正レンズの主面は、開き角がそれぞれ異なる複数の前記荷電粒子線の軌道が前記収差発生レンズを通過した後に集束するクロスオーバー位置に配置されている
   ことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記補正レンズの主面は、前記対物レンズの物面と重なるように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 前記収差発生レンズは、前記対物レンズが発生させる収差を打ち消す収差を発生させるように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
4. 前記補正レンズは、前記補正レンズの主面と重なる位置に配置され前記荷電粒子線の軌道を偏向する偏向器を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
5. 前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線の傾斜角度によらず前記荷電粒子線が前記補正レンズの中心を通過するように前記荷電粒子線の軌道を調整する偏向器を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
6. 前記荷電粒子線装置は、前記収差発生レンズが発生させた収差を調整する収差調整レンズを備え、
   前記収差発生レンズと前記収差調整レンズは、前記収差発生レンズが発生させる収差と前記収差調整レンズが発生させる収差との合成によって生成される合成収差が、前記対物レンズが発生させる収差を打ち消すように、構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
7. 前記荷電粒子線装置は、前記対物レンズの球面収差係数、前記対物レンズの色収差係数、前記収差発生レンズの強度、および前記収差調整レンズの強度を制御する、光学要素制御部を備え、
   前記光学要素制御部は、前記収差発生レンズの強度と前記収差調整レンズの強度を制御して前記収差発生レンズが前記荷電粒子線を集束させる位置を変更することにより、前記対物レンズの球面収差係数と前記対物レンズの色収差係数の変化に応じて、前記対物レンズによって発生する収差を打ち消すように前記合成収差を調整する
   ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
8. 前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線の傾斜角度に応じて前記荷電粒子線を偏向させて前記収差調整レンズの中心を通過させる偏向器を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
9. 前記荷電粒子線装置は、前記荷電粒子線を偏向させて前記収差調整レンズの軸外を通過させる偏向器を備える
   ことを特徴とする請求項６記載の荷電粒子線装置。
10. 前記荷電粒子線装置は、前記対物レンズのレンズ界の中に配置され前記荷電粒子線を傾斜させる偏向器を備える
    ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
11. 前記荷電粒子線装置は、
    前記補正レンズと前記収差発生レンズとの間に配置され、前記荷電粒子線が軸外を通過することによって収差を発生させる、軌道集束レンズ、
    前記荷電粒子線のエネルギーによらず前記荷電粒子線の軌道を前記軌道集束レンズの主面上に集束させる第２補正レンズ、
    を備え、
    前記軌道集束レンズの主面は、エネルギーがそれぞれ異なる複数の前記荷電粒子線が前記第２補正レンズを通過した後に集束するクロスオーバー位置に配置されている
    ことを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
12. 前記軌道集束レンズは、開き角がそれぞれ異なる複数の前記荷電粒子線を前記補正レンズの主面上に偏向させる偏向器と、エネルギーがそれぞれ異なる複数の前記荷電粒子線を前記軌道集束レンズの主面上に偏向させる偏向器と、を備える
    ことを特徴とする請求項１１記載の荷電粒子線装置。

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