JP2023046921A - マルチ電子ビーム画像取得装置、マルチ電子ビーム検査装置、及びマルチ電子ビーム画像取得方法 - Google Patents

マルチ電子ビーム画像取得装置、マルチ電子ビーム検査装置、及びマルチ電子ビーム画像取得方法 Download PDF

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Abstract

【目的】ランディングエネルギーを可変に調整する場合でも、１次電子ビームを試料面に結像させると共に、ビーム同士間にクロストークを生じさせずにマルチ２次電子ビームを所望の位置に結像可能な装置を提供する。【構成】本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得装置は、マルチ１次電子ビームを基板面に結像する第１の電磁レンズと、マルチ１次電子ビームの照射に起因して基板から放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームから分離する分離器と、分離されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、磁場分布のピーク位置をマルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能であって、マルチ２次電子ビームを検出器の検出面若しくは検出面の共役位置に結像する第２の電磁レンズと、を備え、第１の電磁レンズは、マルチ１次電子ビームから分離される前の状態におけるマルチ２次電子ビームを結像し、第２の電磁レンズは、第１の電磁レンズによって結像されるマルチ２次電子ビームの結像点と分離器との間に配置されることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、マルチ電子ビーム画像取得装置、マルチ電子ビーム検査装置、及びマルチ電子ビーム画像取得方法に関し、例えば、マルチ１次電子ビームを基板に照射して、基板から放出されるマルチ２次電子ビームを検出して画像を取得する手法に関する。
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。
検査装置では、例えば、電子ビームを使ったマルチビームを検査対象基板に照射して、検査対象基板から放出される各ビームに対応する２次電子をマルチ検出器で個別に検出して、パターン画像を撮像する。そして撮像された測定画像と、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、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。
電子線を用いた画像取得では、検査対象の試料の収率に応じて最適なランディングエネルギーが存在する。そのため、画像を撮像するのにあたり、試料に合わせてランディングエネルギーを変化させることが求められる。この場合、Ｅ×Ｂ分離器と試料との間に２つのレンズを配置する光学系が開示されている（例えば、特許文献１参照）。かかる構成では、ランディングエネルギーを変化させた場合に、Ｅ×Ｂ分離器と試料との間の２つのレンズで１次電子ビームを試料面に結像させると共に所望の位置に２次電子ビームを結像させる必要がある。しかしながら、予め決められた位置に固定された光学系で１次電子ビームを試料面に結像させると共に所望の位置に２次電子ビームを結像させたい場合に、ランディングエネルギーの大きさによっては、その光学系では結像できない場合が生じ得るといった問題があった。また、ランディングエネルギーの大きさによっては、結像できたとしても、マルチ２次電子ビームのビーム同士間にクロストークを生じてしまう場合があるといった問題があった。
特開２００４－３６３００３号公報
本発明の実施形態では、ランディングエネルギーを可変に調整する場合でも、１次電子ビームを試料面に結像させると共に、ビーム同士間にクロストークを生じさせずにマルチ２次電子ビームを所望の位置に結像可能な装置および方法を提供する。
本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得装置は、
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームを放出する放出源と、
マルチ１次電子ビームを基板面に結像する第１の電磁レンズと、
マルチ１次電子ビームの照射に起因して基板から放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームから分離する分離器と、
分離されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
磁場分布のピーク位置をマルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能であって、マルチ２次電子ビームを検出器の検出面若しくは検出面の共役位置に結像する第２の電磁レンズと、
を備え、
第１の電磁レンズは、マルチ１次電子ビームから分離される前の状態におけるマルチ２次電子ビームを結像し、
第２の電磁レンズは、第１の電磁レンズによって結像されるマルチ２次電子ビームの結像点と分離器との間に配置されることを特徴とする。
また、第２の電磁レンズは、２以上のレンズ群によって構成されると好適である。
本発明の一態様のマルチ電子ビーム検査装置は、
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームを放出する放出源と、
マルチ１次電子ビームを基板面に結像する第１の電磁レンズと、
マルチ１次電子ビームの照射に起因して基板から放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームから分離する分離器と、
分離されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
磁場分布のピーク位置をマルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能であって、マルチ２次電子ビームを検出器の検出面若しくは検出面の共役位置に結像する第２の電磁レンズと、
検出器によってマルチ２次電子ビームが検出されることにより取得される取得画像と参照画像とを比較する比較部と、
を備え、
第１の電磁レンズは、マルチ１次電子ビームから分離される前の状態におけるマルチ２次電子ビームを結像し、
第２の電磁レンズは、第１の電磁レンズによって結像されるマルチ２次電子ビームの結像点と分離器との間に配置されることを特徴とする。
本発明の一態様のマルチ電子ビーム画像取得方法は、
マルチ１次電子ビームを放出する工程と、
第１の電磁レンズを用いて、マルチ１次電子ビームをステージ上に載置される基板面に結像する工程と、
分離器を用いて、マルチ１次電子ビームの照射に起因して基板から放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームから分離する工程と、
分離されたマルチ２次電子ビームを検出器で検出する工程と、
磁場分布のピーク位置をマルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能な第２の電磁レンズを用いて、マルチ２次電子ビームを検出器の検出面若しくは検出面の共役位置に結像する工程と、
を備え、
第１の電磁レンズは、マルチ１次電子ビームから分離される前の状態におけるマルチ２次電子ビームを結像し、
第２の電磁レンズは、第１の電磁レンズによって結像されるマルチ２次電子ビームの結像点と前記分離器との間に配置されることを特徴とする。
また、第２の電磁レンズは、２以上のレンズ群によって構成され、
２以上のレンズ群の強度比率を設定する工程と、
設定された強度比率を維持した状態で、２以上のレンズ群の強度を調整する工程と、
をさらに備えると好適である。
本発明の一態様によれば、ランディングエネルギーを可変に調整する場合でも、ビーム同士間にクロストークを生じさせずにマルチ２次電子ビームを所望の位置に結像できる。
実施の形態１における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の比較例における１次電子ビーム軌道と２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。 実施の形態１の比較例におけるビーム径に対するビームピッチの比の値の変化の一例を示す図である。 実施の形態１における１次電子ビーム軌道と２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。 実施の形態１における各レンズの磁場中心位置と合成磁場中心位置との一例を示す図である。 実施の形態１における各レンズの磁場中心位置と合成磁場中心位置との他の一例を示す図である。 実施の形態１における多段電磁レンズの構成の一例を示す図である。 実施の形態１における多段電磁レンズの構成の他の一例を示す図である。 実施の形態１における多段レンズ調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態１における検査方法の要部工程の一例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における検査処理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、マルチ電子ビームを用いた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。マルチ１次電子ビームを照射して、基板から放出されるマルチ２次電子ビームを用いて画像を取得する装置であればよい。
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）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、多段電磁レンズ２１７（プレ多段対物レンズ）、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、副偏向器２０９、Ｅ×Ｂ分離器２１４（ビームセパレーター）、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、偏向器２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。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、多段電磁レンズ２１７、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９によって１次電子光学系１５１（照明光学系）を構成する。また、電磁レンズ２０７、２段電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂ、Ｅ×Ｂ分離器２１４、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、及び偏向器２２６によって２次電子光学系１５２（検出光学系）を構成する。
なお、図１の例では、多段電磁レンズ２１７として、電磁レンズ２１５ａと電磁レンズ２１５ｂとの２段の電磁レンズを示しているが、３段以上の電磁レンズであっても良い。
検査室１０３内には、少なくとも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。
また、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。
マルチ検出器２２２は、アレイ状に配置される複数の検出エレメントを有する。
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、多段レンズ調整回路１３２、Ｅ×Ｂ制御回路１３３、リターディング制御回路１３４、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、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１４４，１４６，１４８，１４９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。ＤＡＣアンプ１４９は、偏向器２２６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及びリターディング制御回路１３４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、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、ＸＹθ方向にステージ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。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２０の光軸に直交する面に対して、１次座標系のＸ方向、Ｙ方向、θ方向が設定される。
リターディング制御回路１３４は、基板１０１にリターディング電位を印加する。ここでは、負のリターディング電位を印加する。
電磁レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７、多段電磁レンズ２１７、及び電磁レンズ２２４は、レンズ制御回路１２４により制御される。なお、電磁レンズ２０７及び、多段電磁レンズ２１７の調整に関して、レンズ制御回路１２４は、多段レンズ調整回路１３２により制御される。
Ｅ×Ｂ分離器２１４は、Ｅ×Ｂ制御回路１３３により制御される。また、一括偏向器２１２は、２極以上の電極により構成される静電型の偏向器であって、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る静電型の偏向器であって、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る静電型の偏向器であって、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る静電型の偏向器であって、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、偏向器２２６は、４極以上の電極により構成される静電型の偏向器であって、電極毎にＤＡＣアンプ１４９を介して偏向制御回路１２８により制御される。
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、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、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。成形アパーチャアレイ基板２０３は、マルチ１次電子ビームを放出する放出源の一例である。成形アパーチャアレイ基板２０３は、成形アパーチャアレイ基板２０３を形成し、放出する。具体的には、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１次電子ビーム２０が形成されることになる。次に、２次電子画像を取得する場合における画像取得機構１５０の動作について説明する。１次電子光学系１５１は、基板１０１をマルチ１次電子ビーム２０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、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の各ビームの中間像面に配置されたＥ×Ｂ分離器２１４を通過して多段電磁レンズ２１７及び電磁レンズ２０７（対物レンズ）に進む。
マルチ１次電子ビーム２０が電磁レンズ２０７（対物レンズ）に入射すると、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（結像）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（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によってマルチ１次電子ビーム２０全体が遮蔽される。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、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、中間像面を形成する。マルチ２次電子ビーム３００は、かかる中間像面位置を通過し、多段電磁レンズ２１７を通ってＥ×Ｂ分離器２１４に進む。そして、多段電磁レンズ２１７によって、Ｅ×Ｂ分離器２１４よりも２次電子光学系の２次軌道上の下流側に中間像面を形成する。
Ｅ×Ｂ分離器２１４は、コイルを用いた２極以上の複数の磁極と、２極以上の複数の電極とを有する。例えば、９０°ずつ位相をずらした４極の磁極（電磁偏向コイル）と、同じく９０°ずつ位相をずらした４極の電極（静電偏向電極）とを有する。そして、例えば対向する２極の磁極をＮ極とＳ極とに設定することで、かかる複数の磁極によって指向性の磁界を発生させる。同様に、例えば対向する２極の電極に符号が逆の電位Ｖを印加することで、かかる複数の電極によって指向性の電界を発生させる。具体的には、Ｅ×Ｂ分離器２１４は、マルチ１次電子ビーム２０の中心ビームが進む方向（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。Ｅ×Ｂ分離器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、Ｅ×Ｂ分離器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の軌道上から分離する。
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２１８に進み、偏向器２１８の中間位置に中間像面を形成する。言い換えれば、マルチ２次電子ビーム３００は、多段電磁レンズ２１７によって、偏向器２１８の中間位置に結像する。
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に進み、電磁レンズ２２４の中間位置にクロスオーバーを形成する。マルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ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１次電子ビーム２０の各ビームは、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームに対応する検出エレメントに衝突して、電子を増幅発生させ、２次電子画像データを画素毎に生成する。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。各１次電子ビームは、基板１０１上における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内に照射され、当該サブ照射領域内を走査（スキャン動作）する。
ここで、電子線を用いた画像取得では、検査対象の試料の１次電子の入射量に対する２次電子の放出量の比率を示す収率に応じて最適なランディングエネルギーが存在する。ランディングエネルギーＥｌは、以下の式（１）に示すように、加速電圧による１次電子のエネルギーＥａから試料面に印加するリターディング電位による１次電子を減速させるエネルギーＥｓを差し引いた値で定義できる。また、Ｅｓは試料面上に発生した２次電子の加速エネルギーとも言える。
（１） Ｅｌ＝Ｅａ－Ｅｓ
画像を撮像するのにあたり、試料の例えば材質に合わせてランディングエネルギーを変化させることが求められる。ランディングエネルギーを変える目的の一つに試料の帯電を抑制する目的がある。
収率＝（試料面に照射される１次電子の電子数）／（試料面から放出される２次電子の電子数）
と定義すると、収率１のとき照射される電子と放出される電子の個数が等しくなり電気的に０になるため帯電を抑制できる。この収率１の条件は試料の材質(仕事関数)に依存する。そのため、試料に印加するランディングエネルギーを変化させることが求められる。
なお、シングルビームを使った画像取得では、ランディングエネルギーの調整に対し、加速電圧とリターディング電位とのどちらで調整しても構わない。また、ビームが１本なのでクロストークの問題がそもそも生じない。
これに対して、マルチビームを用いた画像取得装置では、マルチビームの２次電子を決められたマルチ検出器の各検出エレメントにそれぞれ入力する必要がある。２次電子をそれぞれの検出エレメントまで運ぶためには、２次電子を加速させることが効果的である。
２次電子の放出エネルギーは１ｅＶ～５０ｅＶ程度、小さいエネルギーの電子では、検出エレメント面まで持ってくるのは困難である。そのため、リターディング電圧を印加することにより加速させる。具体的には、２次電子を加速させるために試料面に負の電圧を印加することにより、発生した２次電子には、試料面と鏡筒間の電位差により試料からリターディング分のエネルギーＥｓが与えられる。これにより、２次電子は、試料面上流へ進行する。以上より、マルチビーム画像取得装置では、１次電子のランディングエネルギーの調整にはリターディング電位を調整することが好適である。
その結果、２次電子の加速エネルギーＥｓが変化するので、２次電子の軌道が変化してしまう。これにより、以下に説明するように、ランディングエネルギーの大きさによっては所望の位置に結像できない場合が生じ得る。また、所望の位置に結像できたとしても、クロストークの問題が生じ得る。
図３は、実施の形態１の比較例における１次電子ビーム軌道と２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。図３の例では、マルチ１次電子ビームのうち中心１次電子ビームの軌道を点線で示す。また、マルチ２次電子ビームのうち中心２次電子ビームの軌道を実線で示す。また、比較例では、Ｅ×Ｂ分離器２１４と基板１０１との間に電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）と電磁レンズ２０７（対物レンズ）との２つのレンズを配置する光学系を構成する。また基板１０１にはリターディング電圧が印加されている。
中心１次電子ビームは、中間像面位置（Ｂ面）に配置されるＥ×Ｂ分離器２１４を通過して広がりながらＸ面に配置された電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）と電磁レンズ２０７（対物レンズ）とによって屈折させられ、基板１０１上に結像する。中心１次電子ビーム以外の各１次電子ビームも基板１０１上に結像する。負のリターディング電位が印加された基板からはマルチ２次電子ビームが放出される。２次電子ビームはリターディング電位によりエネルギーＥｓまで加速させられる。加速中、若しくは加速後に電磁レンズ２０７（対物レンズ）に進み、電磁レンズ２０７（対物レンズ）によってＤ面に中間像面１３を形成する。２次電子ビームは、中間像面１３を形成後、広がりながらＸ面に配置された電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）に進む。そして、２次電子ビームは、電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）によって偏向器２１８の中間位置となるＣ面の位置に中間像面を形成する。
かかる光学系を使って、ランディングエネルギーＥｌを小さくして、同様にＣ面の位置に各２次電子ビームの中間像面を形成すべく調整する。
図４は、実施の形態１の比較例におけるビーム径に対するビームピッチの比の値の変化の一例を示す図である。図４（ｂ）では、ランディングエネルギーが大きい状態でマルチ１次電子ビーム２０を基板（Ａ面）に結像させると共にマルチ２次電子ビーム３００をＣ面の位置に結像させた場合（中間像面を形成した場合）における結像位置とビーム径に対するビームピッチの比（Ｐ／Ｄ）を示す。Ｃ面の位置では、Ｐ／Ｄが１．８程度と十分なビームピッチを確保できる。これに対して、ランディングエネルギーを小さくした状態では、図４（ａ）に示すように、Ｃ面の位置が結像できない領域に入ってしまう場合がある。位置が固定された２つの電磁レンズを用いる場合、ランディングエネルギーの大きさに応じた結像できない領域が存在する。よって、図４（ａ）の例では、結像させるためにはＣ面の位置をＢ面からさらに遠くに離す必要がある。しかしながら、ランディングエネルギーを変化させるたびに、Ｃ面の偏向器２１８の位置を移動させることは困難である。また偏向器２１８をＣ面の位から遠ざけて設置した場合、分離光学系のスペースを大きく確保する必要があり設計上の制約となるため、Ｃ面はできる限りＢ面に近づけるのが好適である。
一方、図３の例において、電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）の位置を電磁レンズ２０７（対物レンズ）に近づけたＹ面位置に配置して、同様に、マルチ１次電子ビーム２０を基板（Ａ面）に結像させると共にマルチ２次電子ビーム３００を結像させる。その結果、図４（ｃ）に示すように、ランディングエネルギーを小さくした状態において、Ｃ面の位置が結像できない領域から外れた位置にできる。よって、ランディングエネルギーを小さくした状態において、マルチ１次電子ビーム２０を基板（Ａ面）に結像させると共にマルチ２次電子ビームをＣ面に結像できる。また、Ｃ面の位置でのビーム径に対するビームピッチの比（Ｐ／Ｄ）を２．３程度と大きくできる。
しかしながら、電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）の位置をＹ面の位置にすることで、図４（ｄ）に示すように、今後は、ランディングエネルギーが大きい状態において、Ｃ面の位置でのビーム径に対するビームピッチの比（Ｐ／Ｄ）が１．３程度と１に近づいてしまう。これは、ビーム径の変化に対して、ビームピッチの変化が大きく生じてしまうことによる。その結果、マルチ検出器２２２の各検出エレメントにおいて個別に２次電子ビームを検出することが困難となってしまう。そのためマルチ２次電子ビームのビーム同士間のクロストークが生じ得るといった問題がある。
このように、ランディングエネルギーが大きい状態では、電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）の位置を低くすれば良く、ランディングエネルギーが小さい状態では、電磁レンズ２１５（プレ対物レンズ）の位置を高くすれば良いことがわかる。そこで、実施の形態１では、プレ対物レンズとして、高さが異なる２段以上の多段電磁レンズ２１７を配置する。
図５は、実施の形態１における１次電子ビーム軌道と２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。図５（ａ）において、多段電磁レンズ２１７のうち、例えば、Ｙ面の位置に電磁レンズ２１５ａを配置し、例えば、Ｘ面の位置に電磁レンズ２１５ｂを配置する。そして、ランディングエネルギーが大きい状態では、図５（ａ）に示すように、電磁レンズ２１５ｂの中心高さ位置（Ｘ面）に多段電磁レンズ２１７のレンズ主面があるように励磁する。これに対して、ランディングエネルギーが小さい状態では、図５（ｂ）に示すように、
電磁レンズ２１５ａの中心高さ位置（Ｙ面）に多段電磁レンズ２１７のレンズ主面があるように励磁する。
図６は、実施の形態１における各レンズの磁場中心位置と合成磁場中心位置との一例を示す図である。図６（ａ）に示すように、多段電磁レンズ２１７として、例えば、２段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂを配置する。図６（ｂ）には、電磁レンズ２１５ａによる磁場分布と電磁レンズ２１５ｂによる磁場分布とこれらの合成磁場分布が示されている。２段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度を同じ大きさ（１：１）にした場合、合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置は、電磁レンズ２１５ａによる磁場分布の磁場中心１５ａと電磁レンズ２１５ｂによる磁場分布の磁場中心１５ｂとの中間位置になる。実施の形態１では、合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置を多段電磁レンズ２１７のレンズ主面の位置と想定する。
図７は、実施の形態１における各レンズの磁場中心位置と合成磁場中心位置との他の一例を示す図である。図７（ａ）では、電磁レンズ２１５ａのレンズ強度に対して、電磁レンズ２１５ｂのレンズ強度を小さくした場合の一例を示す。合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置を電磁レンズ２１５ａによる磁場分布の磁場中心１５ａ側に移動させることができる。逆に、図７（ｂ）では、電磁レンズ２１５ｂのレンズ強度に対して、電磁レンズ２１５ａのレンズ強度を小さくした場合の一例を示す。合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置を電磁レンズ２１５ｂによる磁場分布の磁場中心１５ｂ側に移動させることができる。図６及び図７の例では、電磁レンズ２１５ａによる磁場分布の磁場中心１５ａと電磁レンズ２１５ｂによる磁場分布の磁場中心１５ｂとの間で合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置を調整できる。このように、電磁レンズ２１５ａのレンズ強度と電磁レンズ２１５ｂのレンズ強度との比率に応じて、合成磁場分布の合成磁場中心１５ｃのｚ方向の位置を可変に調整できる。言い換えれば、多段電磁レンズ２１７のレンズ主面の位置を可変に調整できる。そこで、実施の形態１では、ランディングエネルギーの大きさに応じて、多段電磁レンズ２１７のレンズ主面の位置を可変に調整する。
図８は、実施の形態１における多段電磁レンズの構成の一例を示す図である。図８の例では、１つのポールピース５内に１段分のレンズを構成するためのコイル６が配置された電磁レンズを２段配置する。図８の例では、１段目の電磁レンズ２１５ａは、ポールピース５ａとコイル６ａとを有する。２段目の電磁レンズ２１５ｂは、ポールピース５ｂとコイル６ｂとを有する。このように、各コイル６に対して、それぞれ個別のポールピース５が配置される。
図９は、実施の形態１における多段電磁レンズの構成の他の一例を示す図である。図９の例では、共通のポールピース５内に、高さ位置が異なる２段のコイル６ａ，６ｂが配置される。そして、１段目の電磁レンズ２１５ａは、共通のポールピース５とコイル６ａとで構成される。２段目の電磁レンズ２１５ｂは、共通のポールピース５とコイル６ｂとで構成される。このように、各コイル６に対して、各コイル６を分離可能な共通のポールピース５が配置される場合であっても構わない。
図１０は、実施の形態１における多段レンズ調整回路の内部構成の一例を示すブロック図である。図１０において、多段レンズ調整回路１３２内には、磁気ディスク装置等の記憶装置６１、多段レンズ強度比率テーブル作成部６０、ランディングエネルギーＬＥ設定部６２、多段レンズ強度比率算出部６３、多段レンズ強度比率設定部６４、多段レンズ強度調整処理部６６、及び判定部６９が配置される。多段レンズ強度比率テーブル作成部６０、ランディングエネルギーＬＥ設定部６２、多段レンズ強度比率算出部６３、多段レンズ強度比率設定部６４、多段レンズ強度調整処理部６６、及び判定部６９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。多段レンズ強度比率テーブル作成部６０、ランディングエネルギーＬＥ設定部６２、多段レンズ強度比率算出部６３、多段レンズ強度比率設定部６４、多段レンズ強度調整処理部６６、及び判定部６９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。
図１１は、実施の形態１における検査方法の要部工程の一例を示すフローチャート図である。図１１において、実施の形態１における検査方法は、レンズ強度比率テーブル作成工程（Ｓ１０２）と、ランディングエネルギーＬＥ設定工程（Ｓ１０４）と、多段レンズ強度比率設定工程（Ｓ１０６）と、多段レンズ強度調整工程（Ｓ１０８）と、被検査画像取得工程（Ｓ１２０）と、参照画像作成工程（Ｓ１２２）と、比較工程（Ｓ１３０）と、いう一連の工程を実施する。多段レンズ強度調整工程（Ｓ１０８）は、内部工程として、多段レンズ強度設定工程（Ｓ１１０）と、１次ビーム結像工程（Ｓ１１２）と、判定工程（Ｓ１１４）と、を実施する。
レンズ強度比率テーブル作成工程（Ｓ１０２）として、まず、ステージ１０５に評価基板を配置する。評価基板には所望の評価パターンが配置される。例えば、ドットパターン或いは／及びラインアンドスペースパターンが配置される。そして、検査装置１００を用いて、ランディングエネルギーＬＥ毎に、マルチ１次電子ビーム２０を評価基板（Ａ面）に結像させると共にマルチ２次電子ビーム３００を所望の位置（Ｃ面）に結像できる電磁レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ強度と多段電磁レンズ２１７（プレ対物レンズ）の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度とを測定する。多段電磁レンズ２１７は、図６及び図７に示したように、合成磁場分布のピーク位置１５ｃをマルチ２次電子ビーム３００の軌道中心軸方向（ｚ方向）に可変に調整可能である。そこで、ランディングエネルギーＬＥに応じて結像可能な多段電磁レンズ２１７の合成磁場分布のピーク位置１５ｃになるように各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度を調整する。例えば、ランディングエネルギーが大きい場合には、多段電磁レンズ２１７の合成磁場分布のピーク位置１５ｃが高くなるようにｚ方向の高さ位置に調整する。例えば、ランディングエネルギーが小さい場合には、多段電磁レンズ２１７の合成磁場分布のピーク位置１５ｃが低くなるようにｚ方向の高さ位置に調整する。
その際、Ｃ面の位置でのビーム径に対するビームピッチの比（Ｐ／Ｄ）が閾値以上になる組み合わせを取得する。閾値として、例えば、１．５を用いる。図１の例では、偏向器２１８の中間位置をＣ面とする。なお、マルチ検出器２２２は、Ｃ面と共役位置にあるので、結像できているかどうかはマルチ検出器２２２で測定してもよい。或いは、偏向器２１８の中間位置に図示しない検出器を配置してもよい。ランディングエネルギーＬＥ毎の電磁レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ強度と多段電磁レンズ２１７（プレ対物レンズ）の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度とは、実験或いはシミュレーションにより求めることができる。ランディングエネルギーＬＥは、リターディング電位を変化させることにより調整する。得られたランディングエネルギーＬＥ毎の電磁レンズ２０７（対物レンズ）のレンズ強度と多段電磁レンズ２１７（プレ対物レンズ）の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度との各データは、多段レンズ調整回路１３２に出力される。多段レンズ調整回路１３２内において各データは例えば記憶装置６１に格納される。
そして、多段レンズ強度比率テーブル作成部６０は、ランディングエネルギーＬＥ毎に、多段電磁レンズ２１７（プレ対物レンズ）の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度の比率を算出する。そして、算出されたランディングエネルギーＬＥ毎の多段電磁レンズ２１７（プレ対物レンズ）の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度比率が定義されたレンズ強度比率テーブルを作成する。作成されたレンズ強度比率テーブルは、記憶装置６１に格納される。レンズ強度を示すパラメータとして励磁電流値を用いても良い。或いは基準となる励磁電流値に対する係数を用いても好適である。或いはその他の算出値を用いても構わない。
レンズ強度比率テーブルは、被検査対象の基板１０１の画像を取得する前に予め作成しておく。
次に、ステージ１０５に被検査対象の基板１０１を載置する。
ランディングエネルギーＬＥ設定工程（Ｓ１０４）として、ランディングエネルギーＬＥ設定部６２は、基板１０１に応じたランディングエネルギーＬＥを設定する。例えば、基板１０１の材質毎に、望ましい或いは最適なランディングエネルギーＬＥを予め決めておけばよい。最適なランディングエネルギーＬＥとして、例えば、所望の加速電圧でマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１に照射した場合に、放出されるマルチ２次電子ビームの検出強度が閾値以上得られるランディングエネルギーＬＥとすればよい。
レンズ強度比率設定工程（Ｓ１０６）として、まず、多段レンズ強度比率算出部６３は、レンズ強度比率テーブルを参照して、設定されたランディングエネルギーＬＥに対応する多段電磁レンズ２１７の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度比率を算出する。
そして、多段レンズ強度比率設定部６４は、算出された多段電磁レンズ２１７の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂのレンズ強度比率を設定する。
多段レンズ強度調整工程（Ｓ１０８）として、多段レンズ強度調整処理部６６は、設定されたレンズ強度比率を維持した状態で、多段電磁レンズ２１７の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂ（２以上のレンズ群）の強度を調整する。具体的には、例えば以下のように動作する。
多段レンズ強度設定工程（Ｓ１１０）として、多段レンズ強度調整処理部６６は、設定されたレンズ強度比率を維持した状態で、多段電磁レンズ２１７の各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂの仮の各レンズ強度をレンズ制御回路１２４に設定する。
１次ビーム結像工程（Ｓ１１２）として、レンズ制御回路１２４による制御のもと、電磁レンズ２０７（第１の電磁レンズ）は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１面に結像する。
判定工程（Ｓ１１４）として、判定部６９は、マルチ１次電子ビーム２０が基板１０１面に結像された状態で、マルチ２次電子ビーム３００が所望の位置（Ｃ面：偏向器２１８の中間位置）に結像されているかどうかを判定する。
マルチ２次電子ビーム３００が所望の位置（Ｃ面：偏向器２１８の中間位置）に結像されていない場合には、多段レンズ強度設定工程（Ｓ１１０）に戻る。そして、多段レンズ強度設定工程（Ｓ１１０）として、多段レンズ強度調整処理部６６は、設定されたレンズ強度比率を維持した状態で、各段の電磁レンズ２１５ａ，２１５ｂの各レンズ強度を変更した上でレンズ制御回路１２４に設定する。そして、１次ビーム結像工程（Ｓ１１２）と判定工程（Ｓ１１４）とを実施する。マルチ２次電子ビーム３００が所望の位置（Ｃ面：偏向器２１８の中間位置）に結像されるまで、多段レンズ強度設定工程（Ｓ１１０）から判定工程（Ｓ１１４）までの各工程を繰り返す。
マルチ２次電子ビーム３００が所望の位置（Ｃ面：偏向器２１８の中間位置）に結像されている場合にはレンズ調整を終了し、検査処理に進むことになる。
被検査画像取得工程（Ｓ１２０）として、画像取得機構１５０は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１に照射して、基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００による基板１０１の２次電子画像を取得する。上述したように、電磁レンズ２０７（対物レンズ）はマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１面に結像する。
そして、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が放出される。
そして、電磁レンズ２０７（第１の電磁レンズ）は、マルチ１次電子ビーム２０から分離される前の状態におけるマルチ２次電子ビーム３００を結像する。言い換えれば、電磁レンズ２０７のレンズ作用によって、マルチ１次電子ビーム２０から分離される前にマルチ２次電子ビーム３００は中間像面を形成する。多段電磁レンズ２１７（第２の電磁レンズ）は、電磁レンズ２０７によって結像されるマルチ２次電子ビームの結像点とＥ×Ｂ分離器２１４との間に配置されている。かかる多段電磁レンズ２１７は、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ検出器２２２の検出面の共役位置（Ｃ面）に結像する。図１の例では、マルチ２次電子ビーム３００はＣ面で中間像面を形成した後に、マルチ検出器２２２の検出面に結像されるがこれに限るものではない。多段電磁レンズ２１７は、マルチ２次電子ビーム３００をマルチ検出器２２２の検出面に結像しても良い。
なお、マルチ２次電子ビーム３００は、上述したように、Ｅ×Ｂ分離器２１４によってマルチ１次電子ビーム２０から分離された後で偏向器２１８の中間位置（Ｃ面）に結像する。
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に進む。マルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ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。
図１２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１２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。１チップ分のマスクパターンは、一般に、複数の図形パターンにより構成される。
図１３は、実施の形態１における検査処理を説明するための図である。図１３に示すように、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１３の例では、例えば、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。照射領域３４が、マルチ１次電子ビーム２０の視野となる。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム８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。各１次電子ビーム８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８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８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８で１つのサブ照射領域２９内を順に照射していく。
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４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を構成する各１次電子ビーム８は、自身のビームが位置するサブ照射領域２９内に照射され、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当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。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領域３４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８の照射によってサブ照射領域２９毎のスキャン動作および２次電子画像の取得が行われる。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。また、実際に画像比較を行う場合には、各矩形領域３３内のサブ照射領域２９をさらに複数のフレーム領域３０に分割して、フレーム領域３０毎のフレーム画像３１について比較することになる。図２１の例では、１つの１次電子ビーム８によってスキャンされるサブ照射領域２９を例えばｘ，ｙ方向にそれぞれ２分割することによって形成される４つのフレーム領域３０に分割する場合を示している。
以上のように、画像取得機構１５０は、ストライプ領域３２毎に、スキャン動作をすすめていく。上述したように、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は、マルチ検出器２２２で検出される。検出されるマルチ２次電子ビーム３００には、反射電子が含まれていても構わない。或いは、反射電子は、２次電子光学系１５２を移動中に分離され、マルチ検出器２２２まで到達しない場合であっても構わない。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。
ここで、マルチ１次電子ビーム２０は、サブ照射領域２９内をスキャンするので、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。よって、そのままでは、各２次電子ビームがマルチ検出器２２２の対応する検出エレメントからずれた位置に投影されてしまう。そこで、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２２６は、マルチ２次電子ビーム３００を一括偏向する必要がある。そのため、偏向器２２６は、放出位置の変化に起因するマルチ２次電子ビームの位置移動を振り戻す（相殺する）偏向を行う。
図１４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１４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、フレーム画像作成部５４、位置合わせ部５７、及び比較部５８が配置される。フレーム画像作成部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。フレーム画像作成部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内に転送された測定画像データ（ビーム画像）は、記憶装置５０に格納される。
そして、フレーム画像作成部５４は、各１次電子ビーム８のスキャン動作によって取得されたサブ照射領域２９の画像データをさらに分割した複数のフレーム領域３０のフレーム領域３０毎のフレーム画像３１を作成する。そして、フレーム領域３０を被検査画像の単位領域として使用する。なお、各フレーム領域３０は、画像の抜けが無いように、互いにマージン領域が重なり合うように構成されると好適である。作成されたフレーム画像３１は、記憶装置５６に格納される。
参照画像作成工程（Ｓ１２２）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、フレーム領域３０毎に、フレーム画像３１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、この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なる。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、所定のフィルタ関数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素毎の画像データは比較回路１０８に出力される。比較回路１０８内に転送された参照画像データは、記憶装置５２に格納される。
比較工程（Ｓ１３０）として、まず、位置合わせ部５７は、被検査画像となるフレーム画像３１と、当該フレーム画像３１に対応する参照画像とを読み出し、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。
そして、比較部５８は、マルチ検出器２２２によってマルチ２次電子ビームが検出されることにより取得される取得画像である２次電子画像と参照画像とを比較する。取得された２次電子画像の少なくとも一部と参照画像とを比較する。ここでは、ビーム毎に取得されたサブ照射領域２９の画像をさらに分割したフレーム画像を用いる。そこで、比較部５８は、フレーム画像３１と参照画像とを画素毎に比較する。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或いは欠陥候補と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、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、上述した例では、ダイ－データベース検査について説明したが、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良い。ダイ－ダイ検査を行う場合、対象となるフレーム画像３１（ダイ１）と、当該フレーム画像３１と同じパターンが形成されたフレーム画像３１（ダイ２）（参照画像の他の一例）との間で、上述した位置合わせと比較処理を行えばよい。
以上のように、実施の形態１によれば、ランディングエネルギーを可変に調整する場合でも、ビーム同士間にクロストークを生じさせずにマルチ２次電子ビーム３００を所望の位置に結像できる。
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、検出器ステージ制御回路１３０、立体形状取得回路１３４、及びビーム選択アパーチャ制御回路１３６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。例えば、これらの回路内での処理を制御計算機１１０で実施しても良い。
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マルチ電子ビーム画像取得装置、マルチ電子ビーム検査装置、及びマルチ電子ビーム画像取得方法は、本発明の範囲に包含される。
７ 中心１次電子ビーム
８ 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
５０，５２，５６ 記憶装置
５４ フレーム画像作成部
５７ 位置合わせ部
５８ 比較部
６０ 多段レンズ強度比率テーブル作成部
６１ 記憶装置
６２ ランディングエネルギー設定部
６３ 多段レンズ強度比率算出部
６４ 多段レンズ強度比率設定部
６６ 多段レンズ強度調整処理部
６９ 判定部
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
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
１３２ 多段レンズ調整回路
１３３ Ｅ×Ｂ制御回路
１３４ リターディング制御回路
１４２ 駆動機構
１４４，１４６，１４８，１４９ ＤＡＣアンプ
１５０ 画像取得機構
１５１ １次電子光学系
１５２ ２次電子光学系
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 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 Ｅ×Ｂ分離器
２１５ 電磁レンズ
２１６ ミラー
２１７ 多段電磁レンズ
２１８ 偏向器
２２２ マルチ検出器
２２６ 偏向器
３００ マルチ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ

Claims (5)

  1. 基板を載置するステージと、
    マルチ１次電子ビームを放出する放出源と、
    前記マルチ１次電子ビームを前記基板面に結像する第１の電磁レンズと、
    前記マルチ１次電子ビームの照射に起因して前記基板から放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームから分離する分離器と、
    分離された前記マルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
    磁場分布のピーク位置を前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能であって、前記マルチ２次電子ビームを前記検出器の検出面若しくは前記検出面の共役位置に結像する第２の電磁レンズと、
    を備え、
    前記第１の電磁レンズは、前記マルチ１次電子ビームから分離される前の状態における前記マルチ２次電子ビームを結像し、
    前記第２の電磁レンズは、前記第１の電磁レンズによって結像される前記マルチ２次電子ビームの結像点と前記分離器との間に配置されることを特徴とするマルチ電子ビーム画像取得装置。
  2. 前記第２の電磁レンズは、２以上のレンズ群によって構成されることを特徴とする請求項１記載のマルチ電子ビーム画像取得装置。
  3. 基板を載置するステージと、
    マルチ１次電子ビームを放出する放出源と、
    前記マルチ１次電子ビームを前記基板面に結像する第１の電磁レンズと、
    前記マルチ１次電子ビームの照射に起因して前記基板から放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームから分離する分離器と、
    分離された前記マルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
    磁場分布のピーク位置を前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能であって、前記マルチ２次電子ビームを前記検出器の検出面若しくは前記検出面の共役位置に結像する第２の電磁レンズと、
    前記検出器によって前記マルチ２次電子ビームが検出されることにより取得される取得画像と参照画像とを比較する比較部と、
    を備え、
    前記第１の電磁レンズは、前記マルチ１次電子ビームから分離される前の状態における前記マルチ２次電子ビームを結像し、
    前記第２の電磁レンズは、前記第１の電磁レンズによって結像される前記マルチ２次電子ビームの結像点と前記分離器との間に配置されることを特徴とするマルチ電子ビーム検査装置。
  4. マルチ１次電子ビームを放出する工程と、
    第１の電磁レンズを用いて、前記マルチ１次電子ビームをステージ上に載置される基板面に結像する工程と、
    分離器を用いて、前記マルチ１次電子ビームの照射に起因して前記基板から放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームから分離する工程と、
    分離された前記マルチ２次電子ビームを検出器で検出する工程と、
    磁場分布のピーク位置を前記マルチ２次電子ビームの軌道中心軸方向に可変に調整可能な第２の電磁レンズを用いて、前記マルチ２次電子ビームを前記検出器の検出面若しくは前記検出面の共役位置に結像する工程と、
    を備え、
    前記第１の電磁レンズは、前記マルチ１次電子ビームから分離される前の状態における前記マルチ２次電子ビームを結像し、
    前記第２の電磁レンズは、前記第１の電磁レンズによって結像される前記マルチ２次電子ビームの結像点と前記分離器との間に配置されることを特徴とするマルチ電子ビーム画像取得方法。
  5. 前記第２の電磁レンズは、２以上のレンズ群によって構成され、
    前記２以上のレンズ群の強度比率を設定する工程と、
    設定された前記強度比率を維持した状態で、前記２以上のレンズ群の強度を調整する工程と、
    をさらに備えたことを特徴とする請求項４記載のマルチ電子ビーム画像取得方法。
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