JP2022043453A - θステージ機構及び電子ビーム検査装置 - Google Patents

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Abstract

【目的】テーブル上に載置される試料面の最大変位量を小さくすることが可能なθステージ機構を提供する。【構成】本発明の一態様のθステージ機構は、固定軸４０と、固定軸の外周面を外輪が転がる複数の軸受４１と、複数の軸受の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される複数の軸４３，４４と、複数の軸上に配置され、複数の軸受が固定軸の外周面を転がることにより固定軸の中心を軸に回転方向に移動するテーブル４２と、を備えたことを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明の一態様は、θステージ機構及び電子ビーム検査装置に関する。例えば、電子線によるマルチビームで基板を照射して放出されるパターンの２次電子画像を用いて検査する検査装置、および検査装置に搭載されるθステージ機構に関する。
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、ＬＳＩを構成するパターンは、１０ナノメータ以下のオーダーを迎えつつあり、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。
欠陥検査手法としては、電子ビームを用いて、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。
ここで、ステージ上に搬送される試料の搬送誤差を修正するため、ステージには回転方向に移動可能なθステージ機能が搭載される。従来のθステージでは、静止側の中心軸で軸受の内輪が支持され、軸受の外輪側に接続されるテーブルを回転させる構造としていた。かかるテーブルを支持するには軸受サイズが大きくなり、その分、軸受の遊び（所謂ガタ）も大きくなってしまう。その結果、テーブル上に載置される試料の傾きにより生じる試料の最大変位量が大きくなってしまう場合があるといった問題があった。試料面の最大変位量を抑制するため、複数段の軸受でテーブルを支持することも検討されるが、軸受の段数が増えるに伴い、中心軸の長さを長くする必要が生じるで、θステージの高さ寸法が大きくなり過ぎてしまうといった問題につながる。かかる問題は、検査装置に搭載される場合に限るものではなく、試料を回転させる必要があるθステージ全般に同様の問題が生じ得る。
一方、電子ビームが照射される試料を載置するステージでは電子ビームに与える磁場の影響を小さくするため、非磁性材料の軸受を用いることが求められる。しかしながら、非磁性材料の軸受ではサイズに制限があり、大きなサイズの製品が市販されていない。そのため、従来のθステージに搭載する場合でも、軸受サイズに制限が生じる。或いは特別に大きな軸受を製造する必要があり、コストが高くなってしまうといった問題も生じる。
ここで、試料を取り囲むように小さいサイズのローラを試料の外周に配置して、ローラを回転させることで、取り囲んだ内側の試料を回転させる構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－１５３８６０号公報
本発明の一態様は、テーブル上に載置される試料面の最大変位量を小さくすることが可能なθステージ機構及びこれを搭載する装置を提供する。
本発明の一態様のθステージ機構は、
固定軸と、
固定軸の外周面を外輪が転がる複数の軸受と、
複数の軸受の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される複数の円筒部材と、
複数の円筒部材上に配置され、複数の軸受が固定軸の外周面を転がることにより固定軸の中心を軸に回転方向に移動するテーブルと、
を備えたことを特徴とする。
また、複数の軸受のうち１つ以上の軸受が内輪に差し込まれる円筒部材を介してテーブルに固定され、残りの軸受が内輪に差し込まれる円筒部材を介して固定軸の外周面側に与圧されると好適である。
また、固定軸は中空構造に形成され、
テーブルは中央部に開口部が形成されると好適である。
また、テーブル上に配置された電極をさらに備え、
外部から固定軸の中空構造内およびテーブルの前記開口部を通って配線が電極に接続されると好適である。
本発明の一態様の電子ビーム検査装置は、
固定軸と、
固定軸の外周面を外輪が転がる複数の軸受と、
複数の軸受の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される複数の円筒部材と、
複数の円筒部材上に配置され、複数の軸受が固定軸の外周面を転がることにより固定軸の中心を軸に回転方向に移動するテーブルと、
を有するθステージ機構と、
θステージ機構上に配置される基板を電子ビームで照射する電子ビームカラムと、
電子ビームの照射によって基板から放出される２次電子を検出する検出器と、
検出されたデータに基づく２次電子画像を被検査画像として、被検査画像と参照画像とを比較する比較部と、
を備えたことを特徴とする。
本発明の一態様によれば、テーブル上に載置される試料面の最大変位量を小さくできる。
実施の形態１における検査装置の構成の一例を示す構成図である。 実施の形態１の比較例１におけるθステージの一例を示す断面図である。 実施の形態１の比較例２におけるθステージの一例を示す断面図である。 実施の形態１におけるθステージの構成の一例を示す断面図である。 実施の形態１におけるθステージの構成の一例を示す上面図である。 実施の形態１におけるθステージの構成のうち軸受が配置される領域を示す上面図である。 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、検査装置の一例として、電子ビーム検査装置について説明する。但し、これに限るものではない。例えば、紫外線を被検査基板に照射して、被検査基板を反射した光を用いて被検査画像を取得する検査装置であっても構わない。また、実施の形態では、複数の電子ビームによるマルチビームを用いて画像を取得する検査装置について説明するが、これに限るものではない。１本の電子ビームによるシングルビームを用いて画像を取得する検査装置であっても構わない。また、以下に説明するステージ機構が搭載される装置は、検査装置に限るものではなく、回転方向に移動可能なθステージを搭載する装置であればよい。例えば、描画装置にも適用できる。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１における検査装置の構成の一例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（２次電子画像取得機構）、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）及び検査室１０３を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、電磁レンズ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２１３、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、副偏向器２０９、ビームセパレーター２１４、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、電磁レンズ２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。図１の例において、電子銃２０１、電磁レンズ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２１３、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９は、マルチ１次電子ビームを基板１０１に照射する１次電子光学系を構成する。ビームセパレーター２１４、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、及び電磁レンズ２２６は、マルチ２次電子ビームをマルチ検出器２２２に照射する２次電子光学系を構成する。
検査室１０３内には、なくともＸＹ方向に移動可能なステージ１０５が配置される。ステージ１０５では、ＸＹ方向に移動可能なＸＹステージ２３６上に、回転方向に移動可能なθステージ２３４が配置される。θステージ２３４上には、検査対象となる基板１０１（試料）が配置される。ここでは、基板１０１が、θステージ２３４上に、例えば、３点支持により支持される。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ステージ１０５に配置される。また、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。
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、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、リターディング電位制御回路１３０、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、及びメモリ１１８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１４４，１４６，１４８に接続される。ＤＡＣアンプ１４６は、主偏向器２０８に接続され、ＤＡＣアンプ１４４は、副偏向器２０９に接続される。ＤＡＣアンプ１４８は、偏向器２１８に接続される。
また、検出回路１０６は、チップパターンメモリ１２３に接続される。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、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方向に駆動する２軸（Ｘ－Ｙ）モータの様な駆動系が構成され、ＸＹ方向にＸＹステージ２３６が移動可能となっている。また、θステージ２３４付近には、後述するように１軸の駆動モータ（θモータ）が配置され、テーパブロックを駆動することにより回転（θ）方向にθステージ２３４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モータは、例えばステッピングモータを用いることができる。図示しないθモータは、例えば、ピエゾ駆動の超音波モータを用いると好適である。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、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（電子軌道中心軸）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。
電磁レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、電磁レンズ２２４、電磁レンズ２２６、及びビームセパレーター２１４は、レンズ制御回路１２４により制御される。また、一括ブランキング偏向器２１２は、２極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介してブランキング制御回路１２６により制御される。副偏向器２０９は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４４を介して偏向制御回路１２８により制御される。主偏向器２０８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４６を介して偏向制御回路１２８により制御される。偏向器２１８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４８を介して偏向制御回路１２８により制御される。また、基板１０１には、リターディング電位制御回路１３０により制御されたリターディング電位が印加される。
電子銃２０１には、図示しない高圧電源回路が接続され、電子銃２０１内の図示しないフィラメント（カソード）と引出電極（アノード）間への高圧電源回路からの加速電圧の印加と共に、別の引出電極（ウェネルト）の電圧の印加と所定の温度のカソードの加熱によって、カソードから放出された電子群が加速させられ、電子ビーム２００となって放出される。
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の比較例１におけるθステージの一例を示す断面図である。図２において、実施の形態１の比較例１におけるθステージでは、静止側の固定軸５０２に軸受５０４の内輪が支持される。そして、軸受５０４の外輪を内周面に嵌合した回転軸５０６上に回転側のテーブル５０８が配置される。テーブル５０８上には３本の支持ピン５１０が配置され、被測定物である基板１０１が３本の支持ピン５１０によって３点支持される。基板１０１とテーブル５０８との間にはリターディング電極５１２が配置され、リターディング電極５１２にはリターディング電位用の負の高電位を印加するための高電圧印加配線５１４が接続される。かかる構成では、軸受５０４の内部隙間（遊び）Ｓを、回転中心から遊び発生個所までの距離Ｂで割った値が、基板１０１の傾きにより生じる基板１０１の最大変位量Ｒ１に相当することになる。回転軸５０６、回転側のテーブル５０８、リターディング電極５１２、及び基板１０１といった構造物の荷重を支持するため、サイズの大きい軸受が必要となる。サイズが大きくなる分、軸受の内部隙間Ｓは大きくなる。軸受の内部隙間Ｓが大きくなるので、基板１０１の傾きにより生じる基板１０１の最大変位量Ｒ１が大きくなってしまうといった問題があった。これでは、電子ビームの照射位置に誤差が生じ、高精度な画像を得ることが困難になってしまう。また、比較例１では、高電圧印加配線がテーブルの外周側に近い位置に形成された開口部を通って電極に接続される。例えば、－数１０ｋＶといった高電位を電極に印加するため、高電圧印加配線は太く、曲げにくい。そのため、かかる高電圧印加配線がテーブルの回転移動に干渉する場合があるといった問題も生じる。
図３は、実施の形態１の比較例２におけるθステージの一例を示す断面図である。図３において、実施の形態１の比較例２におけるθステージでは、比較例１の構成から軸受５０４を２段構成にした場合を示している。同じ静止側の固定軸５２２に２段の軸受５０４を配置することで、軸受５０４の内部隙間（遊び）Ｓを、２段の軸受間の配置ピッチｐで割った値が、基板１０１の傾きにより生じる基板１０１の最大変位量Ｒ２に相当することになる。一方で２段の軸受５０４を配置するため、固定軸５２２及び回転軸５２６を長くすることになるので、比較例２のθステージの高さ寸法Ｚ２を比較例１のθステージの高さ寸法Ｚ１よりも大きくする必要がある。ここで、配置ピッチｐを長くすることで比較例２における基板１０１に生じる最大変位量Ｒ２を小さくできる。しかしながら、許容される傾き角度まで小さくするためには、比較例２のθステージの高さ寸法Ｚ２が許容される高さ寸法よりも大きくなってしまう。その結果、検査室１０３内の許容スペースにθステージを配置することが困難になってしまう。
図４は、実施の形態１におけるθステージの構成の一例を示す断面図である。
図５は、実施の形態１におけるθステージの構成の一例を示す上面図である。
図６は、実施の形態１におけるθステージの構成のうち軸受が配置される領域を示す上面図である。図５では、テーブル４１表面上から見た場合を示している。図４及び図５において、実施の形態１におけるθステージ２３４（θステージ機構）は、静止側の固定軸４０、複数の軸受４１、回転側のテーブル４２、少なくとも１つの軸４３、少なくとも１つの軸４４、少なくとも１つの固定具４５、少なくとも１つの軸受ホルダ４６、少なくとも１つの弾性体４７、電極４８、複数の支持ピン４９、複数の支持ピン６０、アーム６１、ローラ６２、配線６４、駆動モータ６５（θモータ）、テーパブロックホルダ６６、テーパブロック６７、弾性体６８、及び固定具６９を有する。図４及び図５の例では、３つの軸受４１、２つの軸４３、１つの軸４４、１つの固定具４５、１つの軸受ホルダ４６、及び１つの弾性体４７が配置される場合を示している。但し、これに限るものではない。
図６に示すように、３つの軸受４１は、固定軸４０の外周面を外輪が転がるように配置される。３つの軸受４１は、固定軸４０の中心を軸に位相を均等にずらして配置されると好適である。図６の例では、１２０°ずつ位相をずらして配置される。図４及び図６に示すように、２つの軸４３と１つの軸４４（複数の円筒部材）が３つの軸受４１（複数の軸受）の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される。具体的には、２つの軸４３の１つである軸４３ａが軸受４１ａの内輪の内側に差し込まれた状態で支持される。２つの軸４３の他の１つである軸４３ｂが軸受４１ｂの内輪の内側に差し込まれた状態で支持される。残りの１つの軸４４は、軸受４１ｃの内輪の内側に差し込まれた状態で支持される。図４に示すように、２つの軸４３ａ，４３ｂと１つの軸４４上にテーブル４２が配置される。複数の軸受４１のうち１つ以上の軸受が内輪に差し込まれる軸を介してテーブル４２に固定される。具体的には、２つの軸４３ａ，４３ｂの上面がテーブル４２の裏面に接続され、固定される。残りの軸４４は、テーブル４２裏面とは隙間を空けて配置される。
軸４４は、嵌合された軸受４１ｃと共に軸受ホルダ４６内に配置される。また、テーブル４２の回転中心から軸４４に向かったラジアル方向線上であってテーブル４２の外周部裏面に固定具４５が配置され、固定される。固定具４５と軸受ホルダ４６との間に弾性体４７が圧縮された状態で配置される。弾性体４７の一例として、ばねを用いると好適である。弾性体４７の伸びる方向への弾性力により、軸受４１ｃが内輪に差し込まれる軸４４を介して固定軸４０の外周面側に与圧される。これにより、図６に示すように、３つの軸受４１の内輪がそれぞれ回転軸４０の中心側に押され、内部隙間内を自由に動くことが困難となる。そのため、３つの軸受４１の内部隙間による遊び（所謂ガタ）を無くす、或いは軽減できる。さらに、与圧されることで３つの軸受４１の内部隙間による位置のずれが生じる場合でも、３つの軸受４１と固定軸４０との間に隙間が生じないようにできる。
図５に示すように、テーブル４２には、アーム６１が接続される。図５の例ではテーブル４２のｘ方向端部からｘ方向に延びるようにアーム６１が接続される。アーム６１の先端付近にはローラ６２が回転可能に支持される。そして、１面がテーパ状に形成されるテーパブロック６７のテーパ面がローラ６２に当接するように配置される。また、アーム６１と静止側の固定具６９との間には、圧縮された弾性体６８が配置される。弾性体６８の伸びる方向への弾性力により、アーム６１を介してローラ６２がテーパブロック６７のテーパ面に押し付けられる。弾性体６８の一例として、ばねを用いると好適である。
図５に示すように、駆動モータ６５は、１軸方向に駆動する。図５の例では、例えば、ｘ方向に駆動する。駆動モータ６５によってテーパブロックホルダ６６がｘ方向に移動させられることにより、テーパブロックホルダ６６に支持されるテーパブロック６７がｘ方向に移動する。図５の例では、テーパブロック６７が－ｘ方向に移動することでローラ６２を－ｙ方向へと押すことでアーム６１が押され、３つの軸受４１の外輪が固定軸４０の外周面を転がることで、テーブル４２が固定軸４０の中心を軸に時計回りの回転方向に移動する。逆に、テーパブロック６７が＋ｘ方向に移動することで弾性体６８がローラ６２を＋ｙ方向へと押すことでアーム６１が押され、３つの軸受４１の外輪が固定軸４０の外周面を転がることで、テーブル４２が固定軸４０の中心を軸に反時計回りの回転方向に移動する。テーブル４２が調整可能な回転角度の範囲は任意に設定すればよい。例えば、数度の角度範囲内で基板１０１の回転角を調整する。例えば、±０．１°の範囲内で基板１０１の回転角θを調整する。
複数の軸受４１を用い、かつ、各軸受４１自体の回転中心がテーブル４２の回転中心とは異なる外側の位置に配置することで、各軸受４１のサイズを小さくできる。上述したように、与圧により、３つの軸受４１の内部隙間による遊び（所謂ガタ）を無くす、或いは軽減できるが、仮に、内部隙間による遊び（所謂ガタ）が生じる場合でも、各軸受４１に存在する内部隙間ｓを小さくできるので、基板１０１の傾きにより生じる基板１０１の最大変位量Ｒを小さくできる。かかる構成では、軸受の内部隙間ｓ（遊び）を、回転中心から遊び発生個所までの距離Ａで割った値が、基板１０１の傾きにより生じる基板１０１の最大変位量Ｒに相当することになる。また、軸受４１のサイズを小さくできるので、市販されている非磁性体材料の軸受の中から任意に選択できる。また、小型の複数の軸受４１を用いてθステージ２３４の回転機構を構成することで、θステージ２３４の高さ寸法Ｚを小さくできる。
また、図４及び図５に示すように、固定軸４０の中央部には開口部８０が形成される。言い換えれば、固定軸４０は中空構造に形成される。また、テーブル４２の回転中心領域を含むテーブル４２の中央部には、開口部８２が形成される。
ここで、テーブル４２上には、複数の支持ピン４９を介して電極４８が配置される。また、テーブル４２上、かつ電極４８上には、複数の支持ピン６０を介して基板１０１が配置される。基板１０１は、例えば、３本の支持ピン６０によって外周部付近で３点支持される。電極４８は、３本の支持ピン６０によって囲まれる領域内に配置可能なサイズで形成される。電極４８は、電極表面サイズができるだけ基板１０１に近づくように、３本の支持ピン６０によって囲まれる領域内において外形サイズをできるだけ大きく形成することが好ましい。電極４８の形状は、例えば、円盤型、或いは、矩形盤型に形成される。電極４８の形状は、基板１０１の形状と相似形状が望ましい。
電極４８に印加される電位によって形成される電界により、基板１０１に負のリターディング電位を印加する。電極４８に電位を印加するためには高電圧印加配線が必要となる。実施の形態１では、高電圧印加配線となる配線６４が、外部から固定軸４０中央の開口部８０及びテーブル４２中央部の開口部８２を通って電極４８裏面に接続される。上述したように、例えば、－数１０ｋＶといった高電位を電極４８に印加するため、高電圧を印加する配線６４は太く、曲げにくい。しかしながら、実施の形態１では、配線６４がテーブル４２の回転中心軸に形成される開口部８０，８２を通るので、配線６４がテーブル４２の回転移動に干渉することを回避できる。
図７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７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、一方が２以上の整数、他方が１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７の例では、２３×２３の穴（開口部）２２が形成されている場合を示している。各穴２２は、理想的には共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、理想的には同じ外径の円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、ｍ１×ｎ１本（＝Ｎ本）のマルチ１次電子ビーム２０が形成されることになる。
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。
電子ビームカラム１０２は、θステージ２３４（θステージ機構）上に配置される基板１０１をマルチ１次電子ビーム２０（電子ビーム）で照射する。具体的には、以下のように動作する。電子銃２０１（放出源）から放出された電子ビーム２００は、電磁レンズ２０２によって屈折させられ、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７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、マルチ１次電子ビーム２０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、及び電磁レンズ２０６によってそれぞれ屈折させられ、中間像およびクロスオーバーを繰り返しながら、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームのクロスオーバー位置（各ビームの中間像位置）に配置されたビームセパレーター２１４を通過して電磁レンズ２０７（対物レンズ）に進む。そして、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカス（合焦）する。対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされた（合焦された）マルチ１次電子ビーム２０は、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって一括して偏向され、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。なお、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２１３の中心の穴から位置がはずれ、制限アパーチャ基板２１３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２１３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、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２１３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２１３を通過したビーム群により、検査用（画像取得用）のマルチ１次電子ビーム２０が形成される。
基板１０１の所望する位置にマルチ１次電子ビーム２０が照射されると、かかるマルチ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）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、電磁レンズ２０７を通って、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１次電子ビーム２０の中心ビームが進む方向（電子軌道中心軸）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２１８によって、さらに曲げられ、電磁レンズ２２４，２２６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、マルチ１次電子ビーム２０の照射によって基板１０１から放出される２次電子を検出する。具体的には、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には、反射電子及び２次電子が投影されても良いし、反射電子は途中で発散してしまい残った２次電子が投影されても良い。マルチ検出器２２２は、２次元センサを有する。そして、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子が２次元センサのそれぞれ対応する領域に衝突して、電子を発生し、２次電子画像データを画素毎に生成する。言い換えれば、マルチ検出器２２２には、マルチ１次電子ビーム２０の１次電子ビーム毎に、検出センサが配置される。そして、各１次電子ビームの照射によって放出された対応する２次電子ビームを検出する。よって、マルチ検出器２２２の複数の検出センサの各検出センサは、それぞれ担当する１次電子ビームの照射に起因する画像用の２次電子ビームの強度信号を検出することになる。マルチ検出器２２２にて検出された強度信号は、検出回路１０６に出力される。
図８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８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、スキャナ等）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の領域は、例えばｙ方向に向かって所定の幅で複数のストライプ領域３２に分割される。画像取得機構１５０によるスキャン動作は、例えば、ストライプ領域３２毎に実施される。例えば、－ｘ方向にステージ１０５を移動させながら、相対的にｘ方向にストライプ領域３２のスキャン動作を進めていく。各ストライプ領域３２は、長手方向に向かって複数の矩形領域３３に分割される。対象となる矩形領域３３へのビームの移動は、主偏向器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。
図９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９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。各ストライプ領域３２の幅は、照射領域３４のｙ方向サイズと同様、或いはスキャンマージン分狭くしたサイズに設定すると好適である。図８の例では、照射領域３４が矩形領域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が矩形領域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内に照射され、当該サブ照射領域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１次電子ビーム１０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１次電子ビーム１０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１次電子ビーム１０の移動は、副偏向器２０９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１次電子ビーム１０で１つのサブ照射領域２９内を順に照射していく。そして、１つのサブ照射領域２９のスキャンが終了したら、主偏向器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照射位置が同じストライプ領域３２内の隣接する矩形領域３３へと移動する。かかる動作を繰り返し、ストライプ領域３２内を順に照射していく。１つのストライプ領域３２のスキャンが終了したら、ステージ１０５の移動或いは／及び主偏向器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照射位置が次のストライプ領域３２へと移動する。以上のように各１次電子ビーム１０の照射によってサブ照射領域２９毎の２次電子画像が取得される。これらのサブ照射領域２９毎の２次電子画像を組み合わせることで、矩形領域３３の２次電子画像、ストライプ領域３２の２次電子画像、或いはチップ３３２の２次電子画像が構成される。
なお、図９に示すように、各サブ照射領域２９が矩形の複数のフレーム領域３０に分割され、フレーム領域３０単位の２次電子画像（被検査画像）が検査に使用される。図９の例では、１つのサブ照射領域２９が、例えば４つのフレーム領域３０に分割される場合を示している。但し、分割される数は４つに限るものではない。その他の数に分割されても構わない。
なお、例えばｘ方向に並ぶ複数のチップ３３２を同じグループとして、グループ毎に例えばｙ方向に向かって所定の幅で複数のストライプ領域３２に分割されるようにしても好適である。そして、ストライプ領域３２間の移動は、チップ３３２毎に限るものではなく、グループ毎に行っても好適である。
ここで、ステージ１０５が連続移動しながらマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１に照射する場合、マルチ１次電子ビーム２０の照射位置がステージ１０５の移動に追従するように主偏向器２０８によって一括偏向によるトラッキング動作が行われる。そのため、マルチ２次電子ビーム３００の放出位置がマルチ１次電子ビーム２０の軌道中心軸に対して刻々と変化する。同様に、サブ照射領域２９内をスキャンする場合に、各２次電子ビームの放出位置は、サブ照射領域２９内で刻々と変化する。このように放出位置が変化した各２次電子ビームをマルチ検出器２２２の対応する検出領域内に照射させるように、偏向器２１８は、マルチ２次電子ビーム３００を一括偏向する。
図１０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１０において、実施の形態１における検査方法は、θ調整工程（Ｓ１０１）と、スキャン工程（Ｓ１０２）と、参照画像作成工程（Ｓ１１０）と、位置合わせ量算出工程（Ｓ１３０）と、比較工程（Ｓ１３２）と、いう一連の工程を実施する。
θ調整工程（Ｓ１０１）として、図示しない搬送系により基板１０１が検査室１０３内のθステージ２３４上に搬送される。図示しない搬送系では、検査室１０３に基板１０１を搬送する前に基板１０１の配置角度のずれを測定しておく。配置角度のずれの情報は、ステージ制御回路１１４に出力される。ステージ制御回路１１４による制御のもと、駆動モータ６５は、配置角度のずれを補正するように、テーブル４２を回転方向に補正する角度θだけ移動させる。例えば、数度の角度範囲内で基板１０１の回転角を調整する。例えば、±０．１°の範囲内で基板１０１の回転方向の角度θを調整する。
スキャン工程（Ｓ１０２）として、画像取得機構１５０は、図形パターンが形成された基板１０１の画像を取得する。ここでは、複数の図形パターンが形成された基板１０１にマルチ１次電子ビーム２０を照射して、マルチ１次電子ビーム２０の照射に起因して基板１０１から放出されるマルチ２次電子ビーム３００を検出することにより、基板１０１の２次電子画像を取得する。上述したように、マルチ検出器２２２には、反射電子及び２次電子が投影されても良いし、反射電子は途中で発散してしまい残った２次電子（マルチ２次電子ビーム３００）が投影されても良い。
上述したように、マルチ１次電子ビーム２０の照射に起因して基板１０１から放出されるマルチ２次電子ビーム３００は、マルチ検出器２２２で検出される。マルチ検出器２２２によって検出された各サブ照射領域２９内の画素毎の２次電子の検出データ（測定画像データ：２次電子画像データ：被検査画像データ）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。そして、得られた測定画像データは、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。
図１１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１１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５２，５６、位置合わせ部５７、及び比較部５８が配置される。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、この処理回路には、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。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では、サブ照射領域２９毎の２次電子画像の少なくとも一部で構成される被検査画像と参照画像とを比較する。被検査画像として、例えばフレーム領域３０毎の２次電子画像を用いる。例えば、サブ照射領域２９を４つのフレーム領域３０に分割する。フレーム領域３０として、例えば、５１２×５１２画素の領域を用いる。具体的には、例えば、以下のように動作する。
参照画像作成工程（Ｓ１１０）として、参照画像作成回路１１２は、基板１０１に形成された複数の図形パターンの元になる設計データに基づいて、各フレーム領域の測定画像に対応する参照画像を作成する。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。
上述したように、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毎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作成する。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、演算された係数を適用したフィルタ関数Ｆを使ってフィルタ処理を施す。これにより、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をマルチ１次電子ビーム２０の照射によって得られる像生成特性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。
比較回路１０８内に入力された測定画像（補正被検査画像）は、記憶装置５６に格納される。比較回路１０８内に入力された参照画像は、記憶装置５２に格納される。
位置合わせ工程（Ｓ１３０）として、位置合わせ部５７は、フレーム領域３０毎に、対応するフレーム画像３１（２次電子画像）と参照画像をそれぞれ記憶装置から読み出し、画素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。画素サイズとして、例えば、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームサイズと同程度のサイズの領域に設定されると好適である。
比較工程（Ｓ１３２）として、比較部５８は、フレーム画像（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、或いは図示しないプリンタより出力されればよい。
上述した例では、ダイ－データベース検査を行う場合を説明したが、これに限るものではない。ダイ－ダイ検査を行う場合であっても構わない。ダイ－ダイ検査を行う場合には、以下のように動作する。
位置合わせ工程（Ｓ１３０）として、位置合わせ部５７は、ダイ１のフレーム画像３１（被検査画像）と、同じパターンが形成されたダイ２のフレーム画像３１（被検査画像）とを読み出し、画素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（Ｓ１３２）として、比較部５８は、ダイ１のフレーム画像３１（被検査画像）と、ダイ２のフレーム画像３１（被検査画像）との一方を参照画像として、両画像を比較する。比較部５８は、所定の判定条件に従って画素毎に両者を比較し、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、或いは図示しないプリンタより出力されればよい。
上述した例では、画素毎の階調値を用いて比較しているが、これに限るものではない。例えば、フレーム画像３１から内部の図形パターンの輪郭線を抽出する。一方で同じフレーム領域３０の参照画像或いは設計データから、フレーム領域３０内部の図形パターンの輪郭線を抽出する。そして、フレーム画像３１から抽出された図形パターンの輪郭線と、参照画像或いは設計データから抽出された図形パターンの輪郭線とを比較しても良い。例えば、輪郭線同士の距離が判定閾値よりも大きい場合には欠陥と判定する。
以上のように、実施の形態１によれば、テーブル４２上に載置される基板１０１面の最大変位量Ｒを小さくできる。
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、ステージ制御回路１１４、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、及びリターディング電位制御回路１３０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。図１の例では、１つの照射源となる電子銃２０１から照射された１本のビームから成形アパーチャアレイ基板２０３によりマルチ１次電子ビーム２０を形成する場合を示しているが、これに限るものではない。複数の照射源からそれぞれ１次電子ビームを照射することによってマルチ１次電子ビーム２０を形成する態様であっても構わない。
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θステージ機構及び電子ビーム検査装置は、本発明の範囲に包含される。
１０ １次電子ビーム
２０ マルチ１次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３０ フレーム領域
３１ フレーム画像
３２ ストライプ領域
３３ 矩形領域
３４ 照射領域
４０ 固定軸
４１ 軸受
４２ テーブル
４３，４４ 軸
４５ 固定具
４６ 軸受ホルダ
４７ 弾性体
４８ 電極
４９，６０ 支持ピン
５２，５６ 記憶装置
５７ 位置合わせ部
５８ 比較部
６１ アーム
６２ ローラ
６４ 配線
６５ 駆動モータ
６６ テーパブロックホルダ
６７ テーパブロック
６８ 弾性体
６９ 固定具
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０５ 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 参照輪郭位置抽出回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１２０ バス
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
１３０ リターディング電位制御回路
１４２ 駆動機構
１４４，１４６，１４８ ＤＡＣアンプ
１５０ 画像取得機構
１６０ 制御系回路
２０１ 電子銃
２０２ 電磁レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０５，２０６，２０７，２２４，２２６ 電磁レンズ
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１２ 一括ブランキング偏向器
２１３ 制限アパーチャ基板
２１４ ビームセパレーター
２１６ ミラー
２１８ 偏向器
２２２ マルチ検出器
２３４ θステージ
２３６ ＸＹステージ
３００ マルチ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ

Claims (5)

  1. 固定軸と、
    前記固定軸の外周面を外輪が転がる複数の軸受と、
    前記複数の軸受の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される複数の円筒部材と、
    前記複数の円筒部材上に配置され、前記複数の軸受が前記固定軸の外周面を転がることにより前記固定軸の中心を軸に回転方向に移動するテーブルと、
    を備えたことを特徴とするθステージ機構。
  2. 前記複数の軸受のうち１つ以上の軸受が前記内輪に差し込まれる円筒部材を介して前記テーブルに固定され、残りの軸受が前記内輪に差し込まれる円筒部材を介して前記固定軸の外周面側に与圧されることを特徴とする請求項１記載のθステージ機構。
  3. 前記固定軸は中空構造に形成され、
    前記テーブルは中央部に開口部が形成されることを特徴とする請求項１又は２記載のθステージ機構。
  4. 前記テーブル上に配置された電極をさらに備え、
    外部から前記固定軸の中空構造内および前記テーブルの前記開口部を通って配線が前記電極に接続されることを特徴とする請求項３記載のθステージ機構。
  5. 固定軸と、
    前記固定軸の外周面を外輪が転がる複数の軸受と、
    前記複数の軸受の内輪の内側に差し込まれた状態で支持される複数の円筒部材と、
    前記複数の円筒部材上に配置され、前記複数の軸受が前記固定軸の外周面を転がることにより前記固定軸の中心を軸に回転方向に移動するテーブルと、
    を有するθステージ機構と、
    前記θステージ機構上に配置される基板を電子ビームで照射する電子ビームカラムと、
    前記電子ビームの照射によって前記基板から放出される２次電子を検出する検出器と、
    検出されたデータに基づく２次電子画像を被検査画像として、前記被検査画像と参照画像とを比較する比較部と、
    を備えたことを特徴とする電子ビーム検査装置。
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