JP3400285B2

JP3400285B2 - 走査型荷電粒子ビーム装置

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Publication number: JP3400285B2
Application number: JP04805897A
Authority: JP
Inventors: 進高嶋
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1997-03-03
Filing date: 1997-03-03
Publication date: 2003-04-28
Anticipated expiration: 2017-03-03
Also published as: JPH10247465A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電磁視野移動装置を備
えた走査電子顕微鏡等の走査型荷電粒子ビーム装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】走査電子顕微鏡や電子プローブマイクロ
アナライザー、走査型オージェ分光装置、集束イオンビ
ーム装置などの走査型荷電粒子ビーム装置には、電磁視
野移動装置が組み込まれている。例えば、走査電子顕微
鏡において、電磁視野移動装置は対物レンズに入射する
電子ビームを対物レンズの上流に設けた偏向器で光軸に
対して傾けてやることで、走査の中心点（すなわち視野
中心）を光軸から任意の距離に移動するものである。

【０００３】図１に一般的な２段偏向による視野移動装
置を示す。図中１は光源であり、光源１からの電子ビー
ムＥＢは絞り２を通過する。この電子ビームの光軸に沿
って上段の視野移動偏向器３、上段の走査偏向器４、下
段の視野移動偏向器５、下段の走査偏向器６、対物レン
ズ７が配置され、対物レンズ７の下部に試料８が設けら
れる。

【０００４】このような構成で、上段の視野移動偏向器
３と下段の視野移動偏向器５に適宜な偏向信号を供給す
ることより、例えば、試料８上の視野Ｓ１は視野Ｓ２
に移動させられる。また、上段の走査偏向器４と下段
の走査偏向器６に適宜な走査信号を供給することによ
り、電子ビームは視野中心を中心として２次元的に走査
される。

【０００５】上記した電磁視野移動は、試料ステージを
移動させて機械的に視野を移動させる場合に比べて、動
きがスムーズであること、視野移動のスピードが早いこ
と、移動誤差が少ないことなどの利点を有している。こ
のような利点により、ステージの機械的な移動に比べ
て、特に高倍率において走査電子顕微鏡の操作性が著し
く向上する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１か
らも明瞭なように、電磁視野移動を行うと、対物レンズ
７を電子ビームＥＢが斜めに通過するので、レンズの軸
外収差によって、試料に照射される電子ビームのスポッ
ト径が増大し、最終的に得られる走査電子顕微鏡像など
の分解能の劣化を生じる。この現象により、電磁視野移
動が可能な距離は著しく狭く制限されており、また、最
高分解能を得ようとするときには、視野移動偏向器３，
５に供給する信号を０にする必要があった。

【０００７】近年、半導体ウェハの検査に走査電子顕微
鏡が多用されるようになった。周知のように、ウェハは
４インチ、６インチ、８インチと年々大形化している。
ウェハの直径をＤとすると、ウェハ全面を検査するため
には、検査装置（走査電子顕微鏡）のステージ移動量は
Ｄ必要となる。検査のスループットを上げるためには、
検査装置のステージの移動スピードを上げなければなら
ない。パルスモータを用いてステージの駆動を行う場合
を考えると、１パルス当たりの移動量を増し、かつ、パ
ルス周波数を上げれば、移動スピードを増すことができ
る。

【０００８】しかしながら、パルスモータの最高周波数
は３０ｋＨｚ程度が上限であり、それ以上の周波数で
は、駆動トルクが急激に減少する。一方、検査対象の半
導体素子のサイズは年ごとに小さくなっているため、ス
テージの移動分解能もそれに合わせて小さくしなければ
ならない。したがって、高速化と高分解能化は、相反す
る要求となっている。

【０００９】本発明は、このような点に鑑みてなされた
もので、その目的は、移動された視野の中心を照射する
荷電粒子ビームに対して、軸外収差を補正することによ
って、電気視野移動範囲を従来より少なくとも２倍以上
に拡大し、最高分解能を得る場合にも、電気視野移動を
オフにする必要がない、走査型荷電粒子ビーム装置を実
現するにある。

【００１０】本発明の他の目的は、大きな移動量を有す
る試料ステージの微動装置を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に基づく
走査型荷電粒子ビーム装置は、荷電粒子ビームを対物レ
ンズで試料上に細く集束すると共に、対物レンズの上段
の走査器で荷電粒子ビームを２次元的に走査し、更に、
対物レンズの上段に２段の偏向器を設け、２段の偏向器
により試料上の荷電粒子ビームの走査領域を移動させる
ようにした走査型荷電粒子ビーム装置において、走査領
域の中心を（Ｘｉ，Ｙｉ）の点に移動するとき、（Ｘ
ｉ，Ｙｉ）の関数として与えられる対物レンズの軸外収
差のうちのコマ収差を自動的に除去するように、２段の
偏向器の偏向角（β１ｘ，β１ｙ），（β２ｘ，β２
ｙ）を、次の関数で制御するようにしたことを特徴とし
ている。

【数５１】ｌ _i ：レンズ面と像面間距離、ｌ ₀ ：物面とレンズ面間距
離、ｐ：上段偏向器と下段偏向器間距離、ｑ：下段偏向器と
レンズ面間距離、Ｋｓ：球面収差係数、Ｋｒ，Ｋｉ：コマ収差係数の実数
成分，虚数成分

【００１２】請求項１の発明では、対物レンズの上段に
２段の偏向器により試料上の荷電粒子ビームの走査領域
を移動させるようにし、走査領域の中心を（Ｘｉ，Ｙ
ｉ）の点に移動するとき、（Ｘｉ，Ｙｉ）の関数として
与えられる対物レンズの軸外収差のうちのコマ収差を自
動的に除去するように、２段の偏向器の偏向角（β１
ｘ，β１ｙ），（β２ｘ，β２ｙ）を、次の関数で制御
する。

【数５２】ｌ _i ：レンズ面と像面間距離、ｌ ₀ ：物面とレンズ面間距
離、ｐ：上段偏向器と下段偏向器間距離、ｑ：下段偏向器と
レンズ面間距離、Ｋｓ：球面収差係数、Ｋｒ，Ｋｉ：コマ収差係数の実数
成分，虚数成分

【００１３】請求項２の発明では、対物レンズの軸外収
差のうち、コマ収差と非点収差を自動的に除去し、他の
軸外収差を手動で補正するようにした。

【００１４】請求項３の発明では、対物レンズの軸外収
差のうち、コマ収差，非点収差および像面湾曲収差を自
動的に除去するようにした。

【００１５】請求項４の発明では、試料をステッピング
モータによって駆動される試料ステージ上に載せ、試料
ステージの１パルス当たりの移動量を２μｍから１００
μｍとした。

【００１６】ここで、本発明の実施の形態を説明する前
に、その設計原理をなす軸外収差補正の理論について概
説する。走査型荷電粒子ビーム装置において、軸外収差
を補正する方法については、第９回ＳＥＭシンポジウム
プロシーディングＰ３７〜「A Theoretical Analys
is of Third-Order Aberration Correctin in the SEM
and STEM」によって公知である。

【００１７】ただし、この文献においては、走査される
電子ビームが各瞬間ごとに軸外収差補正される点、およ
び、これを実現するために２段の走査用偏向器を用いる
点で本発明と異なっている。すなわち、後に詳細に説明
するように、本発明では、移動した視野の中心ビームに
対して軸外収差の補正を行う。また、これを実現するた
めに、走査用偏向器とは別の２段の視野移動用偏向器を
用いる。

【００１８】そして、前者がダイナミック補正であるの
に対して、本発明の補正システムは、スタティックな補
正である。これにより、高速の補正信号を作成する問
題、コイル等を高速で駆動する問題が回避でき、実用上
の価値が高いシステムが提供される。

【００１９】さて、３次収差理論によれば、物面を（Ｗ
_O，Ｗ_O´）で出射する１本の電子ビームが、像面で持
つ収差ΔＷｉは、レンズ倍率をｍとして次のように書く
ことができる。なお、次式は回転座標系で表現されてい
る。

【００２０】

【数１】

【００２１】上記（１）式でＫ_SとＫ_Fは実数、他のＫ
は複素数である。（１）式を主光線とその回りの開き角
を有する”ビーム”に対する収差式に書き直すと、次の
（２）式となる。

【００２２】

【数２】

【００２３】上記（２）式の右辺の第１項は球面収差、
第２項はコマ収差、第３項は像面歪曲，非点収差、第４
項は歪収差である。ここで、新たに導入した変数、
α_O、φ、ｌ_O、θ_O、ｓと、Ｗ_O，Ｗ_O´との関係を
図２に示す。なお、複素変数Ｗ_O、Ｗ_n、Ｗ_r、Ｗ_i、
ΔＷ_iは位置ベクトルであり、複素変数α、ｓ、θ_O、
Ｗ _O´は角ベクトルである。この図から明らかなよう
に、次の関係が導かれる。

【００２４】

【数３】

【００２５】なお、Ｗ_nは主光線とレンズ面の交点の位
置、Ｗ_rは主光線から図った主光線の回りの粒子線の位
置、ｌ_Oは物点位置である。上記（２）式を用いると、
主光線がレンズの中心を斜めに通過しているときの収差
（図１のように従来方式の電磁視野移動を行ったとき、
視野中心を照らすビームの収差）を求めることができ
る。（２）式において、Ｗ_n＝０、すなわち、

【００２６】

【数４】

【００２７】図３はごく一般的な走査電子顕微鏡におい
て、Ｋ_s，Ｋ_n………等の収差係数を計算し、（４）式
に基づいてその収差図形を図示したものである。なお、
観察面はガウス像面から（３／４）Ｃ_sα_i ²上方に設
定してある。したがって、デフォーカス量ΔＺは次のよ
うになっている。

【００２８】ΔＺ＝−（３／４）Ｃ_sα_i ² 更に、この収差図形の大きさは、Ｃ_sα_i ³で規格化し
た。また、格子間隔は、３ｌ_iα_iにとった。なお、Ｃ
_sは像面側の球面収差係数であり、上記Ｋ_sとはＣ_s＝
ｍ⁴Ｋ_sの関係がある。また、α_iは試料入射ビームの
最大開き角であり、上記α_Omaxと、α_i＝（１／ｍ）α
_Omaxの関係がある。ここで、各変数の変化範囲を次のよ
うにしてある。

【００２９】α_O＝（０．２，０．４，０．６，０．
８，１）×α_Omax φ＝０〜２π θ_OX＝（３α_Omax）×ｍ_x （ｍ_x＝０〜３） θ_OY＝（３α_Omax）×ｍ_y （ｍ_y＝０〜３）なお、α_Omaxは光源から出射するビームの最大開き角で
ある。図３における格子は、上記θ_OX，θ_OYに対応す
る。ｍｘ＝ｍｙ＝０の時は、球面収差のみで決まる軸対
称な小スポットが得られるが、ｍｘあるいはｍｙを１と
すると、大きいα _Oに対応するリング状のビームは、中
心ビームに対して位置がずれてくる。ｍｘ，ｍｙを更に
大きくすると、このずれが更に大きくなると共に、楕円
形に歪んでくる。また、α_Oの小さいビームの位置も格
子点から離れていく。これらの現象は、（４）式の各項
の影響である。

【００３０】次に、（２）式における球面収差以外の軸
外収差（コマ，非点，像面湾曲）の補正を考える。最初
にコマ収差補正であるが、コマ収差＝０の条件を求める
と、次の（５）式となる。

【００３１】

【数５】

【００３２】よって、（５）式の２つの式は、互いに複
素共役な式となり、一方が成り立てば他方も成り立つ。
したがって、コマフリーの条件として知られる関係は、
次の（６）式となる。

【００３３】

【数６】

【００３４】（３）式におけるｓ，θ_Oの定義より次の
（７）式が得られ、この（７）式から（６）式は（８）
式のように書くことができる。

【００３５】

【数７】

【００３６】

【数８】

【００３７】なお、上記式におけるＷｉは電磁視野移動
距離である。（８）式はＷｉを与えたとき、主光線をレ
ンズ面上でＷｉに比例させてずらしてやれば、コマ収差
が除去されることを示している。ただし、比例定数は複
素数であるから、Ｗｉとは少し違った方向にずらさなけ
ればならない。

【００３８】（６）式または（８）式の関係は、２段の
アライメント用偏向器を用いて実現することができる。
図４において、光軸からＷｉの位置に視野の中心を移動
するとき、対物レンズに入射する主光線の傾きが（６）
式で表されるコマフリー条件を満たしているとする。移
動すべき距離Ｗｉを与えたとき、各段偏向器の偏向角β
₁，β₂を求める。

【００３９】図４より次の幾何学的関係が成り立つこと
が判る。

【００４０】

【数９】

【００４１】ここで、β₁，β₂はコマフリー条件を満
たしてＷｉの視野移動をさせるのに必要な各段の偏向
角、β₁₀，β₂₀は従来方式、すなわち、レンズ中心を通
してＷｉの視野移動をさせるのに必要な各段の偏向角、
Δβ₁，Δβ₂は上記２つの偏向角の差である。この
（７）式と（９）式を用いて次の関係式を導くことがで
きる。

【００４２】

【数１０】

【００４３】ここで、２種類の上下段偏向比τ₁＝Δβ
₂／Δβ₁、τ₂＝β₂₀／β₁₀を次のように定義する。

【００４４】

【数１１】

【００４５】τ₁、τ₂はいずれも装置定数である。ま
た、

【００４６】

【数１２】

【００４７】とおいて、（１０）式をマトリックス形に
書き直すと、次の通りとなる。

【００４８】

【数１３】

【００４９】η＝π／６、τ₁＝τ₂＝−２、Ｋ＝１、
ｐ＝ｑの場合、（１０）式の諸角度ベクトルの関係を図
示すると、図５のようになる。次に非点収差と像面湾曲
収差について述べる。コマフリー条件を満たしたとき、
残存収差は（２）式に（６）式を代入して次のように書
き表すことができる。

【００５０】

【数１４】

【００５１】上式の右辺の第１項は球面収差、第２項は
像面湾曲，非点収差、第３項は歪収差である。ただし、
新たに導入した収差係数は元の収差係数と次の関係があ
る。

【００５２】

【数１５】

【００５３】図６は図３と同じレンズに対して、各格子
点で（６）式を満たすように、レンズへの入射光線の位
置を制御したときの収差図形を示す。コマ収差が除去さ
れたことにより、中心ビームと外側ビームの相互のずれ
は解消されていることがわかる。また、残存する非点収
差によって、外側のリング状ビームが楕円に歪んでいる
こともわかる。

【００５４】図７は図６と同様に（６）式を満たすよう
にレンズへの入射電子ビームの位置を制御し、更に像面
をΔＺ＝−ｍＫ_s（α_Omax）³だけずらした時の収差図
形を示す。非点収差の影響は残っているものの、ｍ_x＝
ｍ_y＝３の近辺で、ビームが最もコンパクトにまとまっ
ていることがわかる。このことは、非点収差と像面湾曲
収差を補正することによって、電磁視野移動が可能な範
囲を著しく拡大できることを示している。

【００５５】（１４）式の非点収差項は、装置に付属す
る非点収差補正装置を視野移動の都度、手動で調整する
ことによって０にすることができる。また、像面湾曲収
差も、レンズ強度を手動で調整することによって０にす
ることができる。しかし、これらの収差は、コマ収差同
様、視野移動距離（Ｘｉ，Ｙｉ）と（７）式で表される
一定の関数関係があるので、非点収差補正装置に流す電
流、レンズフォーカス電流をＸｉ，Ｙｉの関数として作
り出すことによって自動的に補正がなされるようにすれ
ば、より操作性の良い電磁視野移動装置となる。

【００５６】非点補正装置は、図８（ａ）に示すよう
に、８極の磁極Ｍ₁〜Ｍ₈、あるいは、図８（ｂ）に示
すように、８極の電極Ｅ₁〜Ｅ₈の９０°をなす４極の
ペア２組にそれぞれ（Ｉ₁，Ｉ₂）または、（Ｖ₁，Ｖ
₂）を印加し、Ｉ₁とＩ₂またはＶ₁と１₂の大きさを
調整することによって非点収差を補正する。

【００５７】ここで、図８（ａ）に示す磁界型非点補正
装置を例として、（１４）式の第３項を補正するのに必
要なＩ₁，Ｉ₂を求める。図８（ａ）において。Ｉ₁，
Ｉ₂の電流が点Ｐ（ｒ，φ，ｚ）に作る磁気ポテンシャ
ルは、次の（１６）式のように表される。

【００５８】

【数１６】

【００５９】上式で、ａは軸と磁極間の距離、ｎは励磁
コイルの巻数（各磁極共通）、Φｚ（ｚ）は単位電流を
流したときの４極子場の軸上分布関数である。（１６）
式は、次の（１７）式のように書ける。

【００６０】

【数１７】

【００６１】この（１７）式から、Ｉ₁とＩ₂の比を変
えることにより、Φを空間的に回転できること、√（Ｉ
₂ ²＋Ｉ₂ ²）を変えることにより、Φの大きさを変え
ることができることがわかる。（１６）式または（１
７）式で表される磁気ポテンシャルは像に非点を作る。
これをΔＷｓと書くと、このΔＷｓは次のように表され
る。

【００６２】

【数１８】

【００６３】ここで、ｍはレンズの倍率、θ（ｚ）はレ
ンズによる軌道の回転角、

【００６４】

【数１９】

【００６５】ｈ（ｚ）は物面をｈ（ｚ_O）＝０，ｈ´
（ｚ_O）＝１の初期条件で出射する粒子線の軌道で近軸
軌道方程式を満たすものである。（１８）式の［］内は
複雑な形をしているが、一つの装置定数である（複素
数）。これをＣと書くと、

【００６６】

【数２０】

【００６７】となる。したがって、非点補正装置が像面
で作る非点の表式は、

【００６８】

【数２１】

【００６９】となる。電磁視野移動装置用偏向器より上
流に、この非点補正装置を設ければ、

【００７０】

【数２２】

【００７１】と簡単化される。これが（１４）式の非点
項を打ち消すようにＩ₁，Ｉ₂を定める。

【００７２】

【数２３】

【００７３】とおくと、

【００７４】

【数２４】

【００７５】となる。なお、上記では、図９を参考にし
て式を変更している。この結果、Ｉ₁，Ｉ₂は次のよう
に書き表される。

【００７６】

【数２５】

【００７７】ここで、像面湾曲収差は、対物レンズの焦
点距離を制御することで補正できる。この様子を図１０
に示す。湾曲収差をΔＷ_Fとすると、（７）式から、次
の関係が導かれる。

【００７８】

【数２６】

【００７９】したがって、Ｗｉの点の像面湾曲を補正す
るには、次の演算により求められた＋ΔＺだけ焦点距離
を長くしてやれば良いことがわかる。

【００８０】

【数２７】

【００８１】なお、次の関係が導かれる。

【００８２】

【数２８】

【００８３】一方、Ｉ_OLをΔＩ_OLだけ変化させると、レ
ンズの倍率色収差および回転色収差により、像点が移動
する。この移動量ΔＷｃは、回転座標系で次のように表
される。なお、Ｃ_Mは倍率色収差係数、Ｃ_Rは回転色収
差係数である。

【００８４】

【数２９】

【００８５】上式においては、（２８）式が代入されて
いる。ΔＷｃの

【００８６】

【数３０】

【００８７】の依存性は、歪収差と同じである。したが
って、これを一つにまとめて、

【００８８】

【数３１】

【００８９】とおく。

【００９０】

【数３２】

【００９１】は、像面湾曲収差補正後の歪収差の全体を
表す。次に歪収差補正について説明する。コマ収差補正
と非点収差と像面湾曲収差の補正が完了した後では、歪
収差が残る。歪収差はスポット系を増大させずスポット
位置のずれをもたらすのみであるので、像観察の目的に
は特に補正する必要はないのであるが、特殊目的、例え
ば、試料ステージの微動を電磁視野移動で肩代わりして
自動測定を行うときなど、位置精度が要求されるので補
正が必要となる。歪収差をΔＷ_Dとすると、（３１）式
から次の関係が導かれる。

【００９２】

【数３３】

【００９３】このΔＸ_D，ΔＹ_Dは、電磁視野移動装置
を用いて予め−ΔＸ_D，−ΔＹ_Dだけ余分に偏向してお
くことにより、補正することができる。すなわち、試料
上で（−ΔＸ_D，−ΔＹ_D）動かすには、上下段の偏向
器に次の角度を追加すれば良い。

【００９４】

【数３４】

【００９５】

【実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実施の形
態を詳細に説明する。図１１は、本発明に基づく走査電
子顕微鏡の要部を示しているが、図１と同一ないしは類
似の構成要素には同一番号を付しその詳細な説明は省略
する。

【００９６】図中１は光源であり、光源１からの電子ビ
ームＥＢは絞り２を通過する。この電子ビームの光軸に
沿って上段の視野移動偏向器３、上段の走査偏向器４、
下段の視野移動偏向器５、下段の走査偏向器６、対物レ
ンズ７が配置され、対物レンズ７の下部に試料８が設け
られる。なお、絞り２と上段の視野移動偏向器３との間
には、８極子の非点補正装置９が配置されている。

【００９７】上段の偏向器４、下段の走査偏向器６に
は、走査信号発生器１０からの走査信号が、倍率切換器
１１、増幅器１２を介して供給される。１３は視野の移
動距離データ発生器であり、この発生器１３は、トラッ
カーボール１４、アップ／ダウン弁別器１５、１／ｍ分
周器１６、アップ／ダウンカウンタ１７より構成されて
いる。

【００９８】視野の移動距離データ発生器１３からの移
動距離データは、演算器１８に供給される。演算器１８
では、移動距離データと光学系制御装置１９からのバイ
アスデータに基づいて必要な演算を行い、各光学要素の
データを出力する。

【００９９】各光学要素のデータのうち、非点補正用の
データは、非点補正装置９の制御回路２０，２１に供給
される。また、上段の視野移動偏向器３用のデータは、
制御回路２２，２３に供給される。また、下段の視野移
動偏向器５用のデータは、制御回路２４，２５に供給さ
れる。また、対物レンズ７用のデータは、制御回路２６
に供給される。なお、各制御回路２０〜２６は、それぞ
れＤＡ変換器と増幅器から構成されている。このような
構成の動作を次に説明する。

【０１００】まずトラッカーボール１４を用いて視野移
動の所望の距離を設定する。すなわち、、ｘ方向に
θ_x、ｙ方向にθ_y回転させると、θ_x，θ_yに比例し
たＮｘ，Ｎｙ個のパルスがトラッカーボール１４から出
力され、アップ／ダウン弁別器１５に供給される。各パ
ルスは、０位相パルス列（ａ）と９０°位相パルス列
（ｂ）より成る。

【０１０１】図１２はアップ／ダウン弁別器１５の構成
を示しており、弁別器１５はワンショットトリガー素子
２７，２８とＡＮＤゲート回路２９，３０より構成され
ている。図１３はこの弁別器１５の動作波形を示してお
り、図１３（ａ）はトラッカーボール１４を右回転させ
た時の動作波形、図１３（ｂ）はトラッカーボール１４
を左回転させたときの動作波形を示している。また、
ａ，ｂはトラッカーボール１４の出力、ｃはワンショッ
トトリガー素子２７の出力、ｄはワンショットトリガー
素子２８の出力、ｅはＡＮＤゲート回路２９の出力、ｆ
はＡＮＤゲート回路３０の出力を示している。

【０１０２】トラッカーボール１４を右回転させた時、
ワンショットトリガー素子２７の出力にＮｘ（またはＮ
ｙ）個のパルス列が発生し、トラッカーボール１４を左
回転させた時、ワンショットトリガー素子２８の出力に
Ｎｘ（またはＮｙ）個のパルス列が発生する。ワンショ
ットトリガー素子２７の出力パルスは、後段のアップ／
ダウンカウンタ１７の内容を増加させ、ワンショットト
リガー素子２８の出力パルスは、後段のアップ／ダウン
カウンタ１７の内容を減少させる。

【０１０３】１／ｍ分周器１６は、倍率切換器１１から
の観察倍率に比例した数値ｍを受け取り、入力パルス数
を１／ｍして出力する。これは、トラッカーボール１４
を一定量回転させたとき、観察倍率にかかわらず、画面
上で一定距離像が動くようにするためである。

【０１０４】アップダウンカウンタ１７は、カウンタの
現在値に新たに入力されたパルス数を加算あるいは減算
してラッチする。この数値を（ｎ_x，ｎ_y）とすると、
このデータは、移動すべき距離（Ｘ_i，Ｙ_i）に比例し
ている。

【０１０５】演算器１８は、電磁視野移動する距離（Ｘ
_i，Ｙ_i）に比例する数値の組（ｎ _x，ｎ_y）をアップ
／ダウンカウンタ１７から受け取り、更に、光学系制御
装置１９からアライメントのデータ（ｎ_TX，ｎ_TY），
（ｎ_SX，ｎ_SY）、軸上非点のデータ（ｎ_a1，ｎ_a2）、フ
ォーカスデータｎOL等のバイアスデータを受け取り、視
野移動装置の制御対象である８極子の非点補正装置９、
電磁視野移動用の２段偏向器３，５、対物レンズ７に対
するＤＡ変換データを生成する。このときの演算式は、
上記した（１３）式、（２５）式、（２８）式、（３
３）式、（３４）式に基づいており、下記のごとくな
る。

【０１０６】まず、２段の視野移動用偏向器３，５に対
するＤＡ変換データ、すなわち、制御回路２２，２３、
２４，２５に供給されるデータは、次の通りとなる。

【０１０７】

【数３５】

【０１０８】上式で、右辺の第１項はコマ補正付き視野
移動の成分であり、第２項は歪補正、第３項はアライメ
ントティルト、第４項はアライメントシフト成分であ
る。コマ補正付き視野移動の成分は次のように定義され
る。

【０１０９】

【数３６】

【０１１０】

【数３７】

【０１１１】歪補正成分は次のようになる。

【０１１２】

【数３８】

【０１１３】アライメントティルト成分は次のようにな
る。

【０１１４】

【数３９】

【０１１５】上記した式は、図１４に示す関係を参考に
している。なお、（ｔ_O）_maxは、補正すべき最大ビー
ム傾斜角である。また、アライメントシフト成分は次の
ようになる。

【０１１６】

【数４０】

【０１１７】上記した式は、図１５に示す関係を参考に
している。なお、（Ｓ_O）_maxは、補正すべき最大シフ
トである。ここで、Ｍβ_{1 ,2,}……等は、後段のＤＡ変
換器の最大値Ｎを（β₁, ₂）_max……等で比例配分し
た数値である。この関係を図１６に示す。この図でＮは
ＤＡ変換器の最大値、Ｍαは各機能に割り当てられた最
大値である。

【０１１８】次に、８極子の非点補正装置９に対するＤ
Ａ変換データの演算は、次の式に基づいて行われる。

【０１１９】

【数４１】

【０１２０】上記式の右辺の第１項は軸外非点補正成分
であり、第２項は軸上非点補正成分である。ここで、次
の関係が存在する。なお、（ΔＺ）ｍａｘは、補正すべ
き最大軸上非点隔差である。

【０１２１】

【数４２】

【０１２２】したがって、（４１）式の右辺の第２項は
次のように書くことができる。

【０１２３】

【数４３】

【０１２４】次に、軸上非点について説明する。軸上に
存在する磁気ポテンシャルをΦ（ｒ，φ，ｚ）とする
と、次の式が導かれる。 Φ₂＝Φ₂（ｚ）・ｒ²ｃｏｓ（２φ−δ）このポテンシャルが像面で作る非点収差ΔＷ_aは、次の
ように表される。

【０１２５】

【数４４】

【０１２６】像面をΔＺずらすと、

【０１２７】

【数４５】

【０１２８】となる。ΔＷ_a（Ｚ＋ΔＺ）は、ΔＺ＝±
ｍ²｜Ｃ_a｜で直交する２本の線分になる。この線間距
離ΔＺａ（＝２ｍ²｜Ｃ_a｜）は、軸上非点隔差であ
る。これを補正するために必要な８極子の非点補正装置
９に流す電流Ｉ_1a，Ｉ_2aは、 ΔＷ_s＋ΔＷ_a＝０に（２１）式を代入して次のように求めることができ
る。

【０１２９】

【数４６】

【０１３０】なお、η_aは空間的に任意の角度に分布す
るので、Ｉ_1a，Ｉ_2aの最大値は、Ａ´・ΔＺ_aとなる。
ここで、Ｍ_a，Ｍ_a´は、ＤＡ変換器の最大値Ｎを（Ｉ
_1a）max ，（Ｉ_2a）_maxに比例配分した値である。

【０１３１】対物レンズ７のＤＡ変換器データの演算
は、次の式によって行われる。

【０１３２】

【数４７】

【０１３３】上式は、図１７を参考にして次のようにし
て導かれる。

【０１３４】

【数４８】

【０１３５】上記した各演算式によりＤＡ変換器データ
が演算器１８によって求められ、演算された各データ
は、制御回路２０〜２６に供給される。ここで、各制御
回路２０〜２６内のＤＡ変換器は、乗算形のＤＡ変換器
であり、加速電圧をＶａとすると、√（Ｖａ）に比例す
る共通の電圧Ｖｒｅｆが印加されている。したがって、
各ＤＡ変換器の出力電圧は、ＤＡ変換器の入力データと
√（Ｖａ）に比例したものとなる。制御対象の光学素子
は、全て磁界型と仮定すると、ビームへの作用は、加速
電圧にかかわらず一定となり、ＤＡ変換器入力データの
みで決まることになる。

【０１３６】演算器１８からのデータＮ_X1は制御回路２
２に供給され、データＮ_Y1は制御回路２３に供給され、
データＮ_X2は制御回路２４に供給され、データＮ_Y2は制
御回路２５に供給される。各制御回路にはＤＡ変換器と
増幅器が設けられており、供給されたデータはＤＡ変換
器によってアナログ信号に変換された後に増幅され、Ｄ
Ａ変換器出力電圧に比例した電流が２段の視野移動偏向
器３，５に供給される。

【０１３７】偏向器に供給される電流は、アライメント
（シフトとティルト）成分を含んでいるので、対物レン
ズ７からｌ_Oの距離にある光源が、光軸からｓ_Oだけ離
れ、光軸とｔ_Oだけ傾いた方向に射出されたビームは、
対物レンズ７の中心を光軸に平行に入射するように補正
される。

【０１３８】また、偏向器に供給される電流には、電磁
視野移動成分を含んでいるので、上記アライメントされ
たビームが、試料８上で（Ｘ_i，Ｙ_i）点に移動され
る。更に、コマ収差補正成分により、対物レンズへの入
射点が、コマ収差がなくなるように移動される。更にま
た、歪収差補正成分により、歪収差による入射点の誤差
が補正されて、（ｎ_x，ｎ_y）に正確に比例した点に照
射点が移動する。

【０１３９】演算器１８からのデータＮ_a1は制御回路２
０に供給され、データＮ_a2は制御回路２１に供給され
る。制御回路２０，２１内では、データはＤＡ変換器に
よってアナログ信号に変換された後、増幅器によって増
幅され、増幅された信号は８極子の非点補正装置９に供
給されて非点補正装置を励起する。

【０１４０】この非点補正装置９に供給される電流に
は、対物レンズ７の非対称性によって生じる軸上非点収
差を補正する成分が含まれているので、Ｘ_i＝Ｙ_i＝０
のときのスポットは真円になる。また、Ｘ_i≠Ｙ_i≠０
のときは、軸外非点補正電流が生成され、軸外収差が補
正される。

【０１４１】演算器１８からのデータＮ_OLは制御回路２
６に供給され、制御回路２６内では、データはＤＡ変換
器によってアナログ信号に変換された後、増幅器によっ
て増幅され、増幅された信号は対物レンズ７に供給され
て対物レンズを励起する。この対物レンズ７に供給され
る電流は、Ｘ_i＝Ｙ_i＝０のとき、試料８面にちょうど
ビームをフォーカスする成分と、Ｘ_i≠Ｙ_i≠０のと
き、像面湾曲収差によって生じたデフォーカス量を補正
する成分を含んでいる。

【０１４２】このように、点（Ｘ_i，Ｙ_i）を照射する
ビームは、全ての軸外収差が補正され、Ｘ_i＝Ｙ_i＝０
のときと同じ直径の真円となる。点（Ｘ_i，Ｙ_i）が非
常に大きくなると、ここでは考慮しなかった色収差、偏
向器の収差、および、補正の誤差などにより、ビームは
再び真円ではなくなり、その位置も（Ｘ_i，Ｙ_i）から
ずれはじめる。

【０１４３】実験した結果、上記した方法では、何も補
正を加えない場合に比べて、少なくとも、５倍の電磁視
野移動距離が得られた。図１８には、走査系にラスター
回転装置を用いたとき、電磁視野移動の方向をラスター
の方向に合わせるための構成を示す。この図において、
図１１と同じ構成要素には同一番号が付されている。走
査信号発生回路１０からの走査信号は、ラスター回転装
置３０を介して倍率切換装置１１に供給される。ラスタ
ー回転装置３０の中では、像表示装置上で像をΘだけ時
計方向に回転させたいとき、走査信号Ｈ，Ｖを元にし
て、次の新たな走査信号を作りだす。

【０１４４】Ｈ´＝ＨｃｏｓΘ−ＶｓｉｎΘ Ｖ´＝ＨｓｉｎΘ＋ＶｃｏｓΘ この新たな走査信号は、走査偏向器４，６のＸ，Ｙコイ
ルに供給され、ビームのラスターを角度Θだけ反時計方
向に回転する。ここで作られるｓｉｎΘ，ｃｏｓΘの値
を演算器１８に供給し、Ｎ_X，Ｎ_Yの値をＮ_X´，Ｎ_Y
´とする。なお、Ｎ_X，Ｎ_YとＮ_X´，Ｎ_Y´との間に
は次の関係がある。

【０１４５】Ｎ_X´＝Ｎ_XｃｏｓΘ−Ｎ_YｓｉｎΘ Ｎ_Y´＝Ｎ_XｓｉｎΘ＋Ｎ_YｃｏｓΘ この（Ｎ_X´，Ｎ_Y´）を前述した補正計算に用いた
（Ｎ_X，Ｎ_Y）の代わりに用いれば、視野移動の方向は
Θだけ反時計方向に回転するので、像表示装置上では、
水平、垂直方向に動くことになる。

【０１４６】図１９に本発明の他の実施の形態を示す。
この実施の形態における拡大された移動距離を持つ電磁
視野移動装置は、大型で高速ではあるが、位置分解能の
悪い試料ステージ３１の微動装置として用いられる。こ
の試料ステージ３１の位置分解能の範囲は、例えば、２
μｍ〜１００μｍ／パルスの範囲である。

【０１４７】試料ステージ３１は、ステッピングモータ
を含む駆動機構３２によってｘ，ｙ方向に移動させられ
る。また、移動機構３２は、ステージ制御装置３３によ
って制御される。

【０１４８】ステージ制御装置３３に、図示していない
装置全体の制御装置から、次の観察点の座標値（Ｘ，
Ｙ）が入力されると、ステージ制御装置３３は、現在の
座標値Ｏ（ｍ_xo，ｍ_yo）から次の演算を行う。

【０１４９】

【数４９】

【０１５０】ここで、上記式で用いたｄはステッピング
モータの１パルス当たりのステージ移動量、Ｋ´は１デ
ィジット当たりの電磁視野移動距離、ｍ_x´，ｍ_xo，ｎ
_x´，ｍ_y´，ｍ_yo，ｎ_y´は整数、［］は整数化演算
を表す。なお、図２０にステージ３１の現在の座標値Ｏ
とステージ停止座標値Ｐと目標の座標値Ｑとの関係を示
す。

【０１５１】上記（４９）式から、（ｍ_x´ｄ，ｍ_y´
ｄ）はＱ点に最も近いステージ停止位置座標である。
（４９）式の（ｍ_x，ｍ_y）を駆動機構３２のステッピ
ングモータに加えると、Ｐ点が光軸下に移動する。（ｎ
_x´，ｎ_y´）をスイッチ３４を切り換えて図１１と同
じ機能を有する演算器１８の（ｎ_x，ｎ_y）の代わりに
入力すると、視野の中心がＱ点に一致する。歪収差が補
正されるので、精度はＫ´以内となる。

【０１５２】以上本発明の実施の形態を説明したが、本
発明はこれらの実施の形態に限定されない。例えば、電
磁視野移動は電磁偏向コイルで行っても良く、また、静
電偏向器で行っても良い。また、本発明は走査電子顕微
鏡や電子ビーム描画装置等の電子ビーム装置以外に、走
査型のイオンビーム装置にも適用することができる。

【０１５３】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明で
は、対物レンズの上段に２段の偏向器により試料上の荷
電粒子ビームの走査領域を移動させるようにし、走査領
域の中心を（Ｘｉ，Ｙｉ）の点に移動するとき、（Ｘ
ｉ，Ｙｉ）の関数として与えられる対物レンズの軸外収
差のうちのコマ収差を自動的に除去するように、２段の
偏向器の偏向角（β１ｘ，β１ｙ），（β２ｘ，β２
ｙ）を、次の関数で制御するように構成した。

【数５３】ｌ _i ：レンズ面と像面間距離、ｌ ₀ ：物面とレンズ面間距
離、ｐ：上段偏向器と下段偏向器間距離、ｑ：下段偏向器と
レンズ面間距離、Ｋｓ：球面収差係数、Ｋｒ，Ｋｉ：コマ収差係数の実数
成分，虚数成分

【０１５４】この結果、電気的に視野を移動させると
き、自動的に対物レンズの軸外収差が補正されるので、
少なくとも、従来の５倍の広い範囲で電気的な視野移動
が可能となり、試料ステージの微動の代わりに電磁視野
移動を用いることができ、ステージ精度を粗くしても良
く、コストダウンが可能となる。また、視野の選択がス
ムーズ、正確、かつ迅速化され、操作性が大幅に改良さ
れる。更に、収差の補正と準静的に行うことができるの
で、演算器、ＤＡ変換器、増幅器等の高速性を必要とせ
ず、安価で効果の大きい電磁視野移動装置が得られる。

【０１５５】

【０１５６】請求項２の発明では、対物レンズの軸外収
差のうち、コマ収差と非点収差を自動的に除去し、他の
軸外収差を手動で補正するようにしたので、請求項１の
発明と同様な効果が得られる。

【０１５７】請求項３の発明では、対物レンズの軸外収
差のうち、コマ収差，非点収差および像面湾曲収差を自
動的に除去するようにしたので、請求項１の発明と同様
な効果が得られる。

【０１５８】

【０１５９】請求項４の発明では、試料をステッピング
モータによって駆動される試料ステージ上に載せ、試料
ステージの１パルス当たりの移動量を２μｍから１００
μｍとしたので、ステッピングモータで駆動するステー
ジの場合、１パルス当たりの移動量を大きく設定でき、
ステージの高速駆動が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２段偏向による視野移動装置を組み込んだ電子
ビーム装置を示す図である。

【図２】各複素変数等の関係を示す図である。

【図３】従来方式で電磁視野移動を行ったときの視野中
心スポットの収差図形を示す図である。

【図４】各変数等の関係を示す図である。

【図５】諸角度ベクトルの関係を示す図である。

【図６】各格子点でコマ収差を除去したときの収差図形
を示す図である。

【図７】図４の関係でデフォーカス量をΔＺ＝−Ｃ_sｄ
_i ²としたときの収差図形を示す図である。

【図８】非点補正装置を示す図である。

【図９】ベクトルｒ_iを示す図である。

【図１０】湾曲収差を説明するための図である。

【図１１】本発明に基づく電子ビーム装置の一例を示す
図である。

【図１２】図１１の装置中のアップ／ダウンカウンタの
一例を示す図である。

【図１３】図１２のカウンタの動作波形を示す図であ
る。

【図１４】ビーム傾斜角を説明するための図である。

【図１５】シフト量を説明するための図である。

【図１６】ＤＡ変換器出力の比例配分の様子を示す図で
ある。

【図１７】対物レンズＤＡ変換器データの演算の様子を
示す図である。

【図１８】ラスター回転装置を用いたときの構成を示す
図である。

【図１９】ステージ移動誤差の補正を行う例を示す図で
ある。

【図２０】ステージ移動誤差の補正の様子を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光源２絞り３，５視野移動用偏向器４，６走査用偏向器７対物レンズ８試料１０走査信号発生器１１倍率切換器１２増幅器１３移動距離データ発生器１４トラッカーボール１５アップ／ダウン弁別器１６分周器１７アップ／ダウンカウンタ１８演算器１９光学系制御装置２０〜２６制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平２−152151（ＪＰ，Ａ) 特開平４−262353（ＪＰ，Ａ) 特開平３−257750（ＪＰ，Ａ) 特開平１−213948（ＪＰ，Ａ) 特開平７−335531（ＪＰ，Ａ) 特開平５−135727（ＪＰ，Ａ) 特開平６−310070（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−4146（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−83336（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−114170（ＪＰ，Ａ) 特開昭53−128280（ＪＰ，Ａ) 特開昭51−90558（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−5955（ＪＰ，Ａ) 特開昭55−151759（ＪＰ，Ａ) 特開昭50−31770（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01J 37/153 H01J 37/147

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】荷電粒子ビームを対物レンズで試料上に
細く集束すると共に、対物レンズの上段の走査器で荷電
粒子ビームを２次元的に走査し、更に、対物レンズの上
段に２段の偏向器を設け、２段の偏向器により試料上の
荷電粒子ビームの走査領域を移動させるようにした走査
型荷電粒子ビーム装置において、走査領域の中心を（Ｘ
ｉ，Ｙｉ）の点に移動するとき、（Ｘｉ，Ｙｉ）の関数
として与えられる対物レンズの軸外収差のうちのコマ収
差を自動的に除去するように、２段の偏向器の偏向角
（β１ｘ，β１ｙ），（β２ｘ，β２ｙ）を、次の関数
で制御するようにした走査型荷電粒子ビーム装置。【数５０】ｌ _i ：レンズ面と像面間距離、ｌ ₀ ：物面とレンズ面間距
離、ｐ：上段偏向器と下段偏向器間距離、ｑ：下段偏向器と
レンズ面間距離、Ｋｓ：球面収差係数、Ｋｒ，Ｋｉ：コマ収差係数の実数
成分，虚数成分
【請求項２】対物レンズの軸外収差のうち、コマ収差
と非点収差を自動的に除去し、他の軸外収差を手動で補
正するようにした請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム
装置。
【請求項３】対物レンズの軸外収差のうち、コマ収
差，非点収差および像面湾曲収差を自動的に除去するよ
うにした請求項１記載の走査型荷電粒子ビーム装置。
【請求項４】試料をステッピングモータによって駆動
される試料ステージ上に載せ、試料ステージの１パルス
当たりの移動量を２μｍから１００μｍとした請求項１
記載の走査型荷電粒子ビーム装置。