JP2020021733A - 電子光学系及びマルチビーム画像取得装置 - Google Patents

電子光学系及びマルチビーム画像取得装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電子光学系の電磁レンズからの漏れ磁場を無くし、高精度画像の取得を実現する。【解決手段】ヨーク２１７を有し、磁場を発生させてヨーク２１７内を通過する電子ビーム２０ａ、２０ｂ，２０ｃを屈折させる電磁レンズ２２０と、ヨーク２１７の内壁に沿って配置された、電磁レンズ２２０によって生じる漏れ磁界を低減するシールドコイル２２１、とを備えた電子光学系に於いて、シールドコイル２２１は、ヨーク２１７の内壁に沿って多段に配置される。【選択図】図１

Description

本発明は、電子光学系及びマルチビーム画像取得装置に関する。例えば、電子線によるマルチビームを照射して放出されるパターンの２次電子画像を取得してパターンを検査する検査装置に関する。
近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。そして、多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。しかし、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになっている。近年、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。よって、半導体ウェハ上に転写された超微細パターンの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。その他、歩留まりを低下させる大きな要因の一つとして、半導体ウェハ上に超微細パターンをフォトリソグラフィ技術で露光、転写する際に使用されるマスクのパターン欠陥があげられる。そのため、ＬＳＩ製造に使用される転写用マスクの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。
検査手法としては、半導体ウェハやリソグラフィマスク等の基板上に形成されているパターンを撮像した測定画像と、設計データ、あるいは基板上の同一パターンを撮像した測定画像と比較することにより検査を行う方法が知られている。例えば、パターン検査方法として、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ（ダイ−ダイ）検査」や、パターン設計された設計データをベースに設計画像データ（参照画像）を生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる測定画像とを比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ（ダイ−データベース）検査」がある。撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する。
上述したパターン検査装置には、レーザ光を検査対象基板に照射して、その透過像或いは反射像を撮像する装置の他、検査対象基板上を電子ビームで走査（スキャン）して、電子ビームの照射に伴い検査対象基板から放出される２次電子を検出して、パターン像を取得する検査装置の開発も進んでいる。電子ビームを用いた検査装置では、さらに、マルチビームを用いた装置の開発も進んでいる。マルチビームを用いる場合、マルチ１次電子ビームを電磁レンズで屈折させながら試料面に照射し、同様の軌道で戻ってくるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームから分離して、検出器にマルチ２次電子ビームを誘導する必要がある。例えば、ウィーンフィルタを用いてマルチ１次電子ビームとマルチ２次電子ビームを分離する。電子光学系は、電界と磁界の高精度な機能制御が重要である。電界と磁界は、互いに近接している場合、フィールドが重なって能力が落ちる。そのため、物理的な保護シールドが用いられるが、とくに磁性シールドの場合は漏れやすくなり、残留磁場ができて光学性能が落ちる場合がある。受動シールドも、新たなフリンジ場が磁気回路にできて、望まない性能になる場合がある。例えば、磁性材料シールドを用いてウィーンフィルタ外へと漏れ磁束を防ぐことが提案されている（例えば、特許文献１参照）。ここで、電磁レンズからの漏れ磁場によってビームが影響を受けてしまい、高精度な画像を取得することが困難になるといった問題が生じてきた。そのため、電磁レンズからの漏れ磁場を抑制することが求められる。かかる問題は、検査装置に限るものではなく、マルチビームを用いて画像を取得する装置において同様に生じ得る。
米国特許第８，４２１，０２９号
本発明の一態様は、電磁レンズからの漏れ磁場による電磁レンズ内に配置される光学機器で生じる磁場の発生を抑制可能な装置および方法を提供する。
本発明の一態様の電子光学系は、
ヨークを有し、磁場を発生させて前記ヨーク内を通過する電子ビームを屈折させる電磁レンズと、
前記ヨークの内壁に沿って配置された、前記電磁レンズによって生じる漏れ磁界を低減するシールドコイルと、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得装置は、
ヨークを有し、磁場を発生させて前記ヨーク内を通過する１次マルチ電子ビームを屈折させる電磁レンズと、
前記ヨークの内壁に沿って配置された、前記電磁レンズによって生じる漏れ磁界を低減するシールドコイルと、
前記ヨーク内に配置され、前記電磁レンズを通過した前記１次マルチ電子ビームが基板に照射されることに起因して生じる、反射電子を含む２次電子ビームを前記ヨーク内で前記１次マルチ電子ビームから分離する、磁性体を含む構成物で構成されるビームセパレーターと、
分離された前記２次電子ビームを検出する検出器と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、磁レンズからの漏れ磁場による電磁レンズ内に配置される光学機器で生じる磁場の発生を抑制できる。
実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。 実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。 実施の形態１における電磁レンズとシールドコイルとの関係を説明するための断面図と上面図である。 実施の形態１におけるビームセパレーターにより生じる磁界の一例を示す図である。 実施の形態１における対物レンズにより生じる磁界がビームセパレーターに及ぼす影響の一例を示す図である。 実施の形態１における対物レンズにより生じる磁界がビームセパレーターに影響を及ぼした状態でビームセパレーターを駆動した場合の磁界の一例を示す図である。 実施の形態１における対物レンズにより磁界を発生させていない状態でビームセパレーターを駆動した場合の磁界の一例を示す図である。 実施の形態１における補正後のビームセパレーター付近の磁界の一例を示す図である。 実施の形態１におけるシールドコイルの変形例を示す断面図である。 実施の形態１におけるシールドコイルの他の変形例を示す断面図である。 実施の形態１におけるシールドコイルで漏れ磁場を補正していない状態で撮像された画像の一例を示す図である。 実施の形態１におけるシールドコイルで漏れ磁場を補正した状態で撮像された画像の一例を示す図である。 実施の形態１における検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。 実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。 実施の形態１におけるマルチビームのスキャン動作を説明するための図である。 実施の形態１における比較回路内の構成の一例を示す構成図である。
以下、実施の形態では、マルチ電子ビーム画像取得装置の一例として、マルチ電子ビーム検査装置について説明する。但し、マルチ電子ビーム画像取得装置は、検査装置に限るものではなく、例えば、画像が取得可能なマルチ電子ビームを照射する装置であれば構わない。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、マルチ電子ビーム検査装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒ともいう。）（マルチビームカラムの一例）、検査室１０３、検出回路１０６、チップパターンメモリ１２３、ステージ駆動機構１４２、及びレーザ測長システム１２２を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括ブランキング偏向器２１２、制限アパーチャ基板２０６、電磁レンズ２２０、ビームセパレーター２１４、対物レンズ２０７、シールドコイル２２１、偏向器２０８、投影レンズ２２４、及びマルチ検出器２２２が配置されている。
検査室１０３内には、少なくともＸＹ平面上を移動可能なＸＹステージ１０５が配置される。ＸＹステージ１０５上には、検査対象となる基板１０１（試料）が配置される。基板１０１には、露光用マスク基板、及びシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１が半導体基板である場合、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されている。基板１０１が露光用マスク基板である場合、露光用マスク基板には、チップパターンが形成されている。チップパターンは、複数の図形パターンによって構成される。かかる露光用マスク基板に形成されたチップパターンが半導体基板上に複数回露光転写されることで、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されることになる。以下、基板１０１が半導体基板である場合を主として説明する。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてＸＹステージ１０５に配置される。また、ＸＹステージ１０５上には、検査室１０３の外部に配置されたレーザ測長システム１２２から照射されるレーザ測長用のレーザ光を反射するミラー２１６が配置されている。マルチ検出器２２２は、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０６に接続される。検出回路１０６は、チップパターンメモリ１２３に接続される。
制御系回路１６０では、検査装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、ステージ制御回路１１４、シールドコイル制御回路１２１、レンズ制御回路１２４、ブランキング制御回路１２６、偏向制御回路１２８、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、メモリ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、偏向制御回路１２８は、ＤＡＣ（デジタルアナログ変換）アンプ１４４，１４８に接続される。ＤＡＣアンプ１４４は、偏向器２０８に接続され、また、ＤＡＣアンプ１４８は、偏向器２１９に接続され。また、シールドコイル制御回路１２１は、シールドコイル２２１に接続される。
また、チップパターンメモリ１２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ＸＹステージ１０５は、ステージ制御回路１１４の制御の下に駆動機構１４２により駆動される。駆動機構１４２では、例えば、ステージ座標系におけるＸ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ−Ｙ−θ）モータの様な駆動系が構成され、ＸＹステージ１０５が移動可能となっている。これらの、図示しないＸモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。ＸＹステージ１０５は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ＸＹステージ１０５の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。レーザ測長システム１２２は、ミラー２１６からの反射光を受光することによって、レーザ干渉法の原理でＸＹステージ１０５の位置を測長する。ステージ座標系は、例えば、マルチ１次電子ビームの光軸に直交する面に対して、Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向が設定される。
一括ブランキング偏向器２１２は、少なくとも２極の電極群により構成され、ブランキング制御回路１２６によって制御される。偏向器２０８は、少なくとも４極の電極群により構成され、電極毎に配置されるＤＡＣアンプ１４４を介して、偏向制御回路１２８によって制御される。同様に、偏向器２１９は、少なくとも４極の電極群により構成され、電極毎に配置されるＤＡＣアンプ１４８を介して、偏向制御回路１２８によって制御される。シールドコイル２２１は、シールドコイル制御回路１２１によって制御される。
ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。
図２は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、２次元状の横（ｘ方向）ｍ１列×縦（ｙ方向）ｎ１段（ｍ１，ｎ１は２以上の整数）の穴（開口部）２２がｘ，ｙ方向に所定の配列ピッチで形成されている。図２の例では、５×５の穴（開口部）２２が形成されている場合を示している。穴２２の配列数はこれに限るものではない。各穴２２は、共に同じ外径の円形で形成される。或いは、同じ寸法形状の矩形であっても構わない。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチビーム２０が形成されることになる。ここでは、横縦（ｘ，ｙ方向）が共に２列以上の穴２２が配置された例を示したが、これに限るものではない。例えば、横縦（ｘ，ｙ方向）どちらか一方が複数列で他方は１列だけであっても構わない。また、穴２２の配列の仕方は、図２のように、横縦が格子状に配置される場合に限るものではない。例えば、縦方向（ｙ方向）ｋ段目の列と、ｋ＋１段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ａだけずれて配置されてもよい。同様に、縦方向（ｙ方向）ｋ＋１段目の列と、ｋ＋２段目の列の穴同士が、横方向（ｘ方向）に寸法ｂだけずれて配置されてもよい。
次に、検査装置１００における画像取得機構１５０の動作について説明する。
電子銃２０１（放出源）から放出された電子ビーム２００は、照明レンズ２０２によりほぼ垂直に成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、図２に示すように、複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、例えば複数の電子ビーム２０ａ〜２０ｃ（マルチ１次電子ビーム２０）（図１の実線）が形成される。
形成されたマルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２０５によって制限アパーチャ基板２０６に形成された中心の穴に向かって屈折させられる。言い換えれば、電磁レンズ２０５は、マルチ１次電子ビーム２０の入射を受け、マルチ１次電子ビーム２０を屈折させる。ここでは、電磁レンズ２０５が制限アパーチャ基板２０６に形成された中心の穴の位置にマルチ１次電子ビーム２０の各ビームの焦点位置がくるように屈折させる。ここで、一括ブランキング偏向器２１２によって、マルチ１次電子ビーム２０全体が一括して偏向された場合には、制限アパーチャ基板２０６の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ基板２０６によって遮蔽される。一方、一括ブランキング偏向器２１２によって偏向されなかったマルチ１次電子ビーム２０は、図１に示すように制限アパーチャ基板２０６の中心の穴を通過する。かかる一括ブランキング偏向器２１２のＯＮ／ＯＦＦによって、マルチ１次電子ビーム２０全体の一括したブランキング制御が行われ、ビームのＯＮ／ＯＦＦが一括制御される。このように、制限アパーチャ基板２０６は、一括ブランキング偏向器２１２によってビームＯＦＦの状態になるように偏向されたマルチ１次電子ビーム２０を遮蔽する。そして、ビームＯＮになってからビームＯＦＦになるまでに形成された、制限アパーチャ基板２０６を通過したビーム群により、検査用のマルチ１次電子ビーム２０が形成される。
制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２２０に進む。電磁レンズ２２０は、マルチ１次電子ビーム２０の入射を受け、マルチ１次電子ビーム２０を屈折させる。マルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２２０によって、中間像面（Ｉ．Ｉ．Ｐ）を形成する。マルチビーム２０は、かかる中間像面の位置に配置されたビームセパレーター２１４を通過した後、対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされ（合焦され）、所望の縮小率のパターン像（ビーム径）となり、偏向器２０８によって、制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチ１次電子ビーム２０全体が同方向に一括して偏向され、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。実施の形態１では、例えばＸＹステージ１０５を連続移動させながらスキャンを行う。そのため、偏向器２０８は、さらにＸＹステージ１０５の移動に追従するように、トラッキング偏向を行う。そして、偏向器２０８によって、各ビームがそれぞれ対応する領域内を走査するようにマルチ１次電子ビーム２０全体を一括偏向する。一度に照射されるマルチ１次電子ビーム２０は、理想的には成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２の配列ピッチに所望の縮小率（１／ａ）を乗じたピッチで並ぶことになる。このように、電子ビームカラム１０２は、一度に２次元状のｍ１×ｎ１本のマルチビーム２０を基板１０１に照射する。
基板１０１の所望する位置にマルチ１次電子ビーム２０が照射されたことに起因して基板１０１からマルチ１次電子ビーム２０の各ビームに対応する、反射電子を含む２次電子の束（マルチ２次電子ビーム３００）（図１の点線）が放出される。
基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００は、対物レンズ２０７によって、マルチ２次電子ビーム３００の中心側に屈折させられ、中間像面位置に配置されたビームセパレーター２１４に進む。
ここで、ビームセパレーター２１４はマルチビーム２０の中心ビームが進む方向（光軸）に直交する面上において電界と磁界を直交する方向に発生させる。電界は電子の進行方向に関わりなく同じ方向に力を及ぼす。これに対して、磁界はフレミング左手の法則に従って力を及ぼす。そのため電子の侵入方向によって電子に作用する力の向きを変化させることができる。ビームセパレーター２１４に上側から侵入してくるマルチ１次電子ビーム２０には、電界による力と磁界による力が打ち消し合い、マルチ１次電子ビーム２０は下方に直進する。これに対して、ビームセパレーター２１４に下側から侵入してくるマルチ２次電子ビーム３００には、電界による力と磁界による力がどちらも同じ方向に働き、マルチ２次電子ビーム３００は斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０から分離する。
斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１９によって、さらに曲げられ、投影レンズ２２４に進む。そして、偏向器２１９によって偏向されたマルチ２次電子ビーム３００は、投影レンズ２２４によって、屈折させられながらマルチ検出器２２２に投影される。マルチ検出器２２２は、投影されたマルチ２次電子ビーム３００を検出する。マルチ検出器２２２は、例えば図示しないダイオード型の２次元センサを有する。そして、マルチビーム２０の各ビームに対応するダイオード型の２次元センサ位置において、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子がダイオード型の２次元センサに衝突して、電子を発生し、２次電子画像データを画素毎に生成する。また、ＸＹステージ１０５を連続移動させながらスキャンを行うため、上述したようにトラッキング偏向が行われる。偏向器２１９は、かかるトラッキング偏向及びスキャン動作に伴うマルチ１次電子ビーム２０の偏向位置の移動によるマルチ検出器２２２の電子受け面でのマルチ２次電子ビーム３００の電子受け位置のずれをキャンセルして、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ検出器２２２の電子受け面における所望の位置に照射させるように偏向する。そして、マルチ２次電子ビーム３００は、マルチ検出器２２２にて検出される。マルチ検出器２２２にて検出された強度信号によって、基板１０１上の画像が形成される。
図３は、実施の形態１における電磁レンズとシールドコイルとの関係を説明するための断面図と上面図である。図３（ａ）に断面図、図３（ｂ）に上面図を示す。照明レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２２０、及び対物レンズ２０７といったマルチ１次電子ビーム２０（若しくは電子ビーム２００）を屈折させる各電磁レンズは、マルチ１次電子ビーム２０（若しくは電子ビーム２００）の光軸を取り囲むように配置されるコイルとコイルを取り囲むヨーク（ポールピース）で構成される。そして、ヨークには、コイルで作られた高密度な磁力線をマルチ１次電子ビーム２０（若しくは電子ビーム２００）の光軸側に漏洩させる開放部（隙間、或いはギャップともいう。）が形成されている。図３の例では、一例として、対物レンズ２０７について説明する。図３において、対物レンズ２０７は、コイル２１８とヨーク２１７を有している。ヨーク２１７は、縦長（光軸側に長い）に形成され、例えば縦長のコイル２１８を内側に配置する。ヨーク２１７は、上下面の中央部が電子ビームの通過領域を確保するため開口されており、垂直方向に平行な筒状の途中からマルチ１次電子ビーム２０全体の軌道中心（光軸）側に斜め下方向に向かって先細りし、基板１０１近くで、コイル２１８で作られた高密度な磁力線をマルチ１次電子ビーム２０（若しくは電子ビーム２００）の光軸側に漏洩させる開放部が形成された形状になっている。対物レンズ２０７では、かかる開放部付近のマルチ１次電子ビーム２０の通過領域に高密度な磁場を発生させる。コイル２１８は、ヨーク２１７によって内周面、外周面、及び上下面が囲まれた空間内の例えば上方側に寄った位置に配置される。かかる状態でコイル２１８に電流を流すことによって、コイル２１８は、コイル２１８よりも内側（光軸側）の空間においてマルチ１次電子ビーム２０の進む方向（図３（ａ）では下向き）に磁力線を発生させる。これにより磁場を発生させてヨーク２１７内を通過するマルチ１次電子ビーム２０を屈折させる。同時に、基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００を屈折させる。
シールドコイル２２１は、ヨーク２１７の内壁に沿って配置される。シールドコイル２２１は、対物レンズ２０７と同軸のコイルで形成されると好適である。シールドコイル２２１は、ヨーク２１７の内壁に沿ってマルチ１次電子ビーム２０（若しくは電子ビーム２００）の光軸を取り囲むように配置される。シールドコイル２２１は、対物レンズ２０７（電磁レンズ）によって生じる漏れ磁界を相殺する。実施の形態１では、シールドコイル２２１は、ヨーク２１７の内壁に沿って多段に配置される。図３の例では、ヨーク２１７の内壁のうち、垂直な壁面に沿って垂直な壁面と平行に１段目のシールドコイル１０と２段目のシールドコイル１２が配置される。図３の例では、２段のシールドコイルが示されているが、これに限るものではない。３段以上のシールドコイルが配置されても好適である。段数を増やすことで制御の自由度を増やすことができる。なお、１段だけのシールドコイル１０を排除するものではない。１段だけのシールドコイル１０を配置しても、配置した付近の漏れ磁場を低減できる。
シールドコイル２２１（シールドコイル１０及びシールドコイル１２）は、漏れ磁界を消すための磁界を発生すればよいので、コイル２１８及びヨーク２１７に比べて、厚みを薄く形成できる。マルチ１次電子ビーム２０の進む方向に対するシールドコイル１０，１２の合計の長さは、ヨーク２１７の内壁のうち、垂直な壁面の長さと同様の長さに設定すると好適である。これにより、広い範囲でシールドできる。但し、これに限るものではない。垂直な壁面の長さよりも短くても構わない。或いは、図示しないが、シールドコイル１２を、ヨーク２１７の内壁のうち、先細りした壁面に接触しない程度に近づけて垂直方向に配置しても好適である。その場合、シールドコイル１２にマルチビームやその他の光学機器が干渉しない範囲でシールドコイル１２の長さを設定すると好適である。できるだけ長くすることにより、その分、広い範囲でシールドできる。但し、これに限るものではない。短くても構わない。
ヨーク２１７内（ヨーク２１７の内壁よりも内側）には、磁性体を含む構成物で構成される電子光学機器が配置される。図１に示した例では、かかる電子光学機器の一例として、ビームセパレーター２１４がヨーク２１７内に配置される。ビームセパレーター２１４は、例えば、ウィーンフィルタのように周囲が磁性体で囲まれている。また、図１に示した例では、かかる電子光学機器の他の一例として、マルチ２次電子ビームを偏向する偏向器２１９の少なくとも一部がヨーク２１７内に配置される。偏向器２１９のハウジングが例えば磁性体で形成される。かかる磁性体の部分が電磁レンズの漏れ磁場の影響を受けることになる。
図４は、実施の形態１におけるビームセパレーターにより生じる磁界の一例を示す図である。図４の例では、ビームセパレーター２１４により磁界を発生させた場合を示している。図４に示すように、ビームセパレーター２１４により発生させた磁界は、ビームセパレーター２１４の外部である、例えば、マルチ１次電子ビーム２０の進行方向のビームセパレーター２１４の上流側の空間、及びビームセパレーター２１４よりも下流側の空間に漏れ磁場を発生させていないことがわかる。
図５は、実施の形態１における対物レンズにより生じる磁界がビームセパレーターに及ぼす影響の一例を示す図である。図５の例では、ビームセパレーター２１４で磁界を発生させていない状態で、対物レンズ２０７により磁界を発生させた場合を示している。図５に示すように、本来、対物レンズ２０７が高密度な磁場を発生させる領域（ヨーク開放部）に対して上流側のビームセパレーター２１４の入射口付近（Ａ）及び出射口付近（Ｂ）でも磁場が発生していることがわかる。これらの磁場は、対物レンズ２０７により生じた漏れ磁場に磁性体が影響されて磁界の集中が生じているものである。同様に、ビームセパレーター２１４よりもさらに上流側の偏向器２１９の入射口付近（Ｃ）についても磁場が発生していることがわかる。かかる磁場についても対物レンズ２０７により生じた漏れ磁場に磁性体が影響されて磁界の集中が生じているものである。
図６は、実施の形態１における対物レンズにより生じる磁界がビームセパレーターに影響を及ぼした状態でビームセパレーターを駆動した場合の磁界の一例を示す図である。図６の例では、対物レンズ２０７により磁界を発生させた状態で、さらにビームセパレーター２１４で磁界を発生させた場合を示している。図６に示すように、ビームセパレーター２１４の入射口付近（Ａ）及び出射口付近（Ｂ）の磁場が、対物レンズ２０７により生じた漏れ磁場とビームセパレーター２１４自身の磁場との相互作用によりさらに変化して乱れた磁場を形成している。
図７は、実施の形態１における対物レンズにより磁界を発生させていない状態でビームセパレーターを駆動した場合の磁界の一例を示す図である。図４にて説明したように、ビームセパレーター２１４により発生させた磁界は、ビームセパレーター２１４の外部である、マルチ１次電子ビーム２０の進行方向のビームセパレーター２１４の上流側の空間、及びビームセパレーター２１４よりも下流側の空間に漏れ磁場を発生させていない。そのため、対物レンズ２０７のヨーク２１７内に配置した場合でも、同様に、ビームセパレーター２１４により発生させた磁界は、ビームセパレーター２１４の外部である、マルチ１次電子ビーム２０の進行方向のビームセパレーター２１４の上流側の空間、及びビームセパレーター２１４よりも下流側の空間に漏れ磁場を発生させていない。さらに上流側の偏向器２１９の入射口付近（Ｃ）についても漏れ磁場を発生させていない。
以上のように、漏れ磁場の原因は、対物レンズ２０７にあり、ビームセパレーター２１４ではないことがわかった。かかる漏れ磁場の影響により、ビーム軌道がずれてしまい、高精度な画像を得ることが難しい。そこで、実施の形態１では、シールドコイル２２１を使って、狭い設置空間内で効率よく漏れ磁場を低減する。具体的には、シールドコイル制御回路１２１により、シールドコイル１０，１２に対して、対物レンズ２０７による漏れ磁界を低減する方向に励磁電流を流す。シールドコイル１０，１２に流す励磁電流は、同じ方向に流して構わない。実施の形態１では、２段のシールドコイル１０，１２をそれぞれ独立に制御することで、漏れ磁界の状態に合わせて補正できる。
図８は、実施の形態１における補正後のビームセパレーター付近の磁界の一例を示す図である。上述した図６の補正前の状態では、ビームセパレーター２１４の入射口付近（Ａ）及び出射口付近（Ｂ）について、対物レンズ２０７により生じた漏れ磁場に磁性体が影響されて磁界の集中が生じていた。これに対して、シールドコイル２２１により補正することで、図８に示すように、ビームセパレーター２１４の入射口付近（Ａ）及び出射口付近（Ｂ）に生じていた磁場を実質的に無くすことができていることがわかる。また、上流側の偏向器２１９の入射口付近（Ｃ）についても磁界の集中を大きく低減できていることがわかる。以上のように、実施の形態１によれば、ビームセパレーター２１４自身では、防ぎきれない漏れ磁場をヨーク２１７内壁に沿ったシールドコイル２２１により補正することで、解消或いは低減することができる。
図９は、実施の形態１におけるシールドコイル配置の変形例を示す断面図である。図９において、対物レンズ２０７の構成は、図３と同様である。但し、図９では、ヨーク２１７の先細りする部分を強調して示している。図９では、２段目のシールドコイル１２を、先細りするヨーク２１７の内壁面に平行に配置する場合を示している。その他の構成は図３と同様である。かかる構成であっても、漏れ磁場を解消或いは低減できる。
図１０は、実施の形態１におけるシールドコイル配置の他の変形例を示す断面図である。図１０の例では、対物レンズ２０７のヨーク２１７がマルチ１次電子ビーム２０の進行方向下流側で先細りしない形状を示している。かかる場合には、ヨーク２１７の内壁の向きに変化が生じないので、ヨーク２１７の垂直な内壁面に沿って平行に１段のシールドコイル２２１を内壁面の長さと同等の長さで配置しても好適である。もちろん、かかる場合でもシールドコイルを多段に配置しても好適である。
図１１は、実施の形態１におけるシールドコイルを設けず、漏れ磁場を補正していない状態で撮像された画像の一例を示す図である。
図１２は、実施の形態１におけるシールドコイルを設け、漏れ磁場を補正した状態で撮像された画像の一例を示す図である。図１１に示すように、対物レンズ２０７のヨーク２１７内の磁性体部品（ビームセパレーター２１４）で生じる漏れ磁場による磁界の集中により、ビーム軌道がずれてしまうので、焦点位置がずれ、得られる画像がボケてしまう。これに対して、シールドコイル２２１により、対物レンズ２０７で生じる漏れ磁場をヨーク２１７内壁付近で解消或いは低減することで、ヨーク２１７内の磁性体部品（ビームセパレーター２１４）での磁界の集中を抑制できる。そのため、ビーム軌道が漏れ磁場に起因したずれが生じないので焦点位置のずれが抑制され、図１２に示すように、補正前に比べて鮮明な画像を得ることができる。
以上の構成により、電磁レンズの漏れ磁場を解消或いは低減したマルチ２次電子ビーム３００を用いて、被検査基板のパターン検査を行う。
図１３は、実施の形態１における検査方法の要部工程を示すフローチャート図である。図１３において、実施の形態１における検査方法は、被検査画像取得工程（Ｓ２０２）と、参照画像作成工程（Ｓ２０４）と、位置合わせ工程（Ｓ２０６）と、比較工程（Ｓ２０８）と、いう一連の工程を実施する。
被検査画像取得工程（Ｓ２０２）として、画像取得機構１５０は、マルチ１次電子ビーム２０を用いて基板１０１上に形成されパターンの２次電子画像を取得する。具体的には、以下のように動作する。
上述したように、制限アパーチャ基板２０６を通過したマルチ１次電子ビーム２０は、ビームセパレーター２１４を通過し、対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされ（合焦され）、偏向器２０８によって、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。
基板１０１の所望する位置にマルチ１次電子ビーム２０が照射されたことに起因して基板１０１からマルチ１次電子ビーム２０に対応する、反射電子を含むマルチ２次電子ビーム３００が放出される。基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００は、対物レンズ２０７を通過し、ビームセパレーター２１４に進み、斜め上方に曲げられる。斜め上方に曲げられたマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１９で軌道を曲げられ、投影レンズ２２４によって、屈折させられながらマルチ検出器２２２に投影される。このように、マルチ検出器２２２は、マルチ１次電子ビーム２０が基板１０１面に照射されたことに起因して放出される反射電子を含むマルチ２次電子ビーム３００を検出する。
図１４は、実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。図１４において、基板１０１が半導体基板（ウェハ）である場合、半導体基板（ウェハ）の検査領域３３０には、複数のチップ（ウェハダイ）３３２が２次元のアレイ状に形成されている。各チップ３３２には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のマスクパターンが図示しない露光装置（ステッパ）によって例えば１／４に縮小されて転写されている。各チップ３３２内は、例えば、２次元状の横（ｘ方向）ｍ２列×縦（ｙ方向）ｎ２段（ｍ２，ｎ２は２以上の整数）個の複数のマスクダイ３３に分割される。実施の形態１では、かかるマスクダイ３３が単位検査領域となる。
図１５は、実施の形態１におけるマルチビームのスキャン動作を説明するための図である。図１５の例では、５×５列のマルチ１次電子ビーム２０の場合を示している。１回のマルチ１次電子ビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４は、（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じたｘ方向サイズ）×（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じたｙ方向サイズ）で定義される。図１５の例では、照射領域３４がマスクダイ３３と同じサイズの場合を示している。但し、これに限るものではない。照射領域３４がマスクダイ３３よりも小さくても良い。或いは大きくても構わない。そして、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームは、自身のビームが位置するｘ方向のビーム間ピッチとｙ方向のビーム間ピッチとで囲まれるサブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。マルチ１次電子ビーム２０を構成する各ビームは、互いに異なるいずれかのサブ照射領域２９を担当することになる。そして、各ショット時に、各ビームは、担当サブ照射領域２９内の同じ位置を照射することになる。サブ照射領域２９内のビームの移動は、偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。かかる動作を繰り返し、１つのビームで１つのサブ照射領域２９内のすべてを順に照射していく。
以上のように、マルチ１次電子ビーム２０全体では、マスクダイ３３を照射領域３４として走査（スキャン）することになるが、各ビームは、それぞれ対応する１つのサブ照射領域２９を走査することになる。そして、１つのマスクダイ３３の走査（スキャン）が終了すると、隣接する次のマスクダイ３３が照射領域３４になるように移動して、かかる隣接する次のマスクダイ３３の走査（スキャン）を行う。かかる動作を繰り返し、各チップ３３２の走査を進めていく。マルチ１次電子ビーム２０のショットにより、その都度、照射された位置から２次電子が放出され、マルチ検出器２２２にて検出される。
以上のようにマルチ１次電子ビーム２０を用いて走査することで、シングルビームで走査する場合よりも高速にスキャン動作（測定）ができる。なお、ステップアンドリピート動作で各マスクダイ３３のスキャンを行っても良いし、ＸＹステージ１０５を連続移動させながら各マスクダイ３３のスキャンを行う場合であってもよい。照射領域３４がマスクダイ３３よりも小さい場合には、当該マスクダイ３３中で照射領域３４を移動させながらスキャン動作を行えばよい。
基板１０１が露光用マスク基板である場合には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のチップ領域を例えば上述したマスクダイ３３のサイズで短冊状に複数のストライプ領域に分割する。そして、ストライプ領域毎に、上述した動作と同様の走査で各マスクダイ３３を走査すればよい。露光用マスク基板におけるマスクダイ３３のサイズは、転写前のサイズなので半導体基板のマスクダイ３３の４倍のサイズとなる。そのため、照射領域３４が露光用マスク基板におけるマスクダイ３３よりも小さい場合には、１チップ分のスキャン動作が増加する（例えば４倍）ことになる。しかし、露光用マスク基板には１チップ分のパターンが形成されるので、４チップよりも多くのチップが形成される半導体基板に比べてスキャン回数は少なくて済む。
以上のように、画像取得機構１５０は、マルチ１次電子ビーム２０を用いて、図形パターンが形成された被検査基板１０１上を走査し、マルチ１次電子ビーム２０が照射されたことに起因して被検査基板１０１から放出される、マルチ２次電子３００を検出する。マルチ検出器２２２によって検出された各位置からの２次電子の検出データ（測定画像：２次電子画像：被検査画像）は、測定順に検出回路１０６に出力される。検出回路１０６内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、チップパターンメモリ１２３に格納される。このようにして、画像取得機構１５０は、基板１０１上に形成されたパターンの測定画像を取得する。そして、例えば、１つのチップ３３２分の検出データが蓄積された段階で、チップパターンデータとして、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、比較回路１０８に転送される。
参照画像作成工程（Ｓ２０４）として、参照画像作成回路１１２（参照画像作成部）は、被検査画像に対応する参照画像を作成する。参照画像作成回路１１２は、基板１０１にパターンを形成する基になった設計データ、或いは基板１０１に形成されたパターンの露光イメージデータに定義された設計パターンデータに基づいて、フレーム領域毎に、参照画像を作成する。フレーム領域として、例えばマスクダイ３３を用いると好適である。具体的には、以下のように動作する。まず、記憶装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータを読み出し、読み出された設計パターンデータに定義された各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換する。
ここで、設計パターンデータに定義される図形は、例えば長方形や三角形を基本図形としたもので、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形等の図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報で各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データが格納されている。
かかる図形データとなる設計パターンデータが参照画像作成回路１１２に入力されると図形ごとのデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして２値ないしは多値の設計パターン画像データに展開し、出力する。言い換えれば、設計データを読み込み、検査領域を所定の寸法を単位とするマス目として仮想分割してできたマス目毎に設計パターンにおける図形が占める占有率を演算し、ｎビットの占有率データを出力する。例えば、１つのマス目を１画素として設定すると好適である。そして、１画素に１／２８（＝１／２５６）の分解能を持たせるとすると、画素内に配置されている図形の領域分だけ１／２５６の小領域を割り付けて画素内の占有率を演算する。そして、８ビットの占有率データとして参照回路１１２に出力する。かかるマス目（検査画素）は、測定データの画素に合わせればよい。
次に、参照画像作成回路１１２は、図形のイメージデータである設計パターンの設計画像データに適切なフィルタ処理を施す。測定画像としての光学画像データは、光学系によってフィルタが作用した状態、言い換えれば連続変化するアナログ状態にあるため、画像強度（濃淡値）がデジタル値の設計側のイメージデータである設計画像データにもフィルタ処理を施すことにより、測定データに合わせることができる。作成された参照画像の画像データは比較回路１０８に出力される。
図１６は、実施の形態１における比較回路内の構成の一例を示す構成図である。図１６において、比較回路１０８内には、磁気ディスク装置等の記憶装置５０，５２，５６、被検査画像生成部５４、位置合わせ部５７、及び比較部５８が配置される。被検査画像生成部５４、位置合わせ部５７、及び比較部５８といった各「〜部」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「〜部」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。被検査画像生成部５４、位置合わせ部５７、及び比較部５８内に必要な入力データ或いは演算された結果はその都度図示しないメモリ、或いはメモリ１１８に記憶される。
比較回路１０８内では、転送されたストライプパターンデータ（或いはチップパターンデータ）が、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、記憶装置５０に一時的に格納される。また、転送された参照画像データが、記憶装置５２に一時的に格納される。
次に、被検査画像生成部５４は、ストライプパターンデータ（或いはチップパターンデータ）を用いて、所定のサイズのフレーム領域（単位検査領域）毎、フレーム画像（被検査画像）を生成する。フレーム画像として、例えば、ここでは、マスクダイ３３の画像を生成する。但し、フレーム領域のサイズはこれに限るものではない。生成されたフレーム画像（例えばマスクダイ画像）は、記憶装置５６に格納される。
位置合わせ工程（Ｓ２０６）として、位置合わせ部５７は、被検査画像となるマスクダイ画像と、当該マスクダイ画像に対応する参照画像とを読み出し、画素３６より小さいサブ画素単位で、両画像を位置合わせする。例えば、最小２乗法で位置合わせを行えばよい。
比較工程（Ｓ２０８）として、比較部５８は、マスクダイ画像（被検査画像）と参照画像とを比較する。比較部５８は、所定の判定条件に従って画素３６毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。例えば、画素３６毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に出力される、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。
なお、上述したダイ−データベース検査に限らず、ダイ−ダイ検査を行っても構わない。ダイ−ダイ検査を行う場合には、同じパターンが形成されたマスクダイ３３の画像同士を比較すればよい。よって、ダイ（１）となるウェハダイ３３２（チップ）の一部の領域のマスクダイ画像と、ダイ（２）となる別のウェハダイ３３２の対応する領域のマスクダイ画像と、を用いる。或いは、同じウェハダイ３３２の一部の領域のマスクダイ画像をダイ（１）のマスクダイ画像とし、同じパターンが形成された同じウェハダイ３３２の他の一部のマスクダイ画像をダイ（２）のマスクダイ画像として比較しても構わない。かかる場合には、同じパターンが形成されたマスクダイ３３の画像同士の一方を参照画像として用いれば、上述したダイ−データベース検査と同様の手法で検査ができる。
すなわち、位置合わせ工程（Ｓ２０６）として、位置合わせ部５７は、ダイ（１）のマスクダイ画像と、ダイ（２）のマスクダイ画像と、とを読み出し、画素３６より小さいサブ画素単位で、両画像を位置合わせする。例えば、最小２乗法で位置合わせを行えばよい。
そして、比較工程（Ｓ２０８）として、比較部５８は、ダイ（１）のマスクダイ画像と、ダイ（２）のマスクダイ画像とを比較する。比較部５８は、所定の判定条件に従って画素３６毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。例えば、画素３６毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に出力される、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。
以上のように、実施の形態１によれば、電磁レンズからの漏れ磁場による電磁レンズ内に配置される光学機器で生じる磁場の発生を抑制し、高精度な画像を取得できる。
以上の説明において、一連の「〜回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「〜回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録されればよい。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、シールドコイル制御回路１２１、及び偏向制御回路１２８等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。
以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。
また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての電子光学系及びマルチビーム画像取得装置は、本発明の範囲に包含される。
１０，１２ シールドコイル
２０ マルチ１次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３３ マスクダイ
３４ 照射領域
５０，５２，５６ 記憶装置
５４ 被検査画像生成部
５７ 位置合わせ部
５８ 比較部
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０５ ＸＹステージ
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２１ シールドコイル制御回路
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１４２ ステージ駆動機構
１４４，１４８ ＤＡＣアンプ
１５０ 画像取得機構
１６０ 制御系回路
２０１ 電子銃
２０２ 照明レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０５ 電磁レンズ
２０６ 制限アパーチャ基板
２０７ 対物レンズ
２０８ 偏向器
２００ 電子ビーム
２１２ 一括ブランキング偏向器
２１４ ビームセパレーター
２１６ ミラー
２１７ ヨーク
２１８ コイル
２２０ 電磁レンズ
２２１ シールドコイル
２２２ マルチ検出器
２２４ 投影レンズ
３００ マルチ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ

Claims (6)

  1. ヨークを有し、磁場を発生させて前記ヨーク内を通過する電子ビームを屈折させる電磁レンズと、
    前記ヨークの内壁に沿って配置された、前記電磁レンズによって生じる漏れ磁界を低減するシールドコイルと、
    を備えたことを特徴とする電子光学系。
  2. 前記シールドコイルは、前記ヨークの内壁に沿って多段に配置されることを特徴とする請求項１記載の電子光学系。
  3. 少なくとも一部が前記ヨーク内に配置された、磁性体を含む構成物で構成される電子光学機器をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の電子光学系。
  4. 前記電磁レンズには、１次電子ビームと、前記１次電子ビームとは逆方向に進む、前記１次電子ビームが基板に照射されることに起因して生じる、反射電子を含む２次電子ビームとが通過し、
    前記電子光学機器として、前記１次電子ビームと前記２次電子ビームとを分離するビームセパレーターが用いられることを特徴とする請求項３記載の電子光学系。
  5. 前記電磁レンズには、１次電子ビームと、前記１次電子ビームとは逆方向に進む、前記１次電子ビームが基板に照射されることに起因して生じる、反射電子を含む２次電子ビームとが通過し、
    前記電子光学機器として、前記２次電子ビームを偏向する偏向器が用いられることを特徴とする請求項３記載の電子光学系。
  6. ヨークを有し、磁場を発生させて前記ヨーク内を通過する１次マルチ電子ビームを屈折させる電磁レンズと、
    前記ヨークの内壁に沿って配置された、前記電磁レンズによって生じる漏れ磁界を低減するシールドコイルと、
    前記ヨーク内に配置され、前記電磁レンズを通過した前記１次マルチ電子ビームが基板に照射されることに起因して生じる、反射電子を含む２次電子ビームを前記ヨーク内で前記１次マルチ電子ビームから分離する、磁性体を含む構成物で構成されるビームセパレーターと、
    分離された前記２次電子ビームを検出する検出器と、
    を備えたことを特徴とするマルチ電子ビーム画像取得装置。
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