JP3896080B2 - 電子線装置及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法 - Google Patents

電子線装置及び該装置を用いた半導体デバイス製造方法 Download PDF

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発明の技術分野
本発明は、複数の電子ビームを用いて、ウエハ等の試料の表面の性状を検査する技術に関する。より詳細には、本発明は、半導体製造工程におけるウエハの欠陥検出及び線幅測定等のように、電子ビームを試料に照射し、その表面の性状に応じて変化する二次電子を捕捉して画像データを形成し、該画像データに基づいて試料表面に形成されたパターン等を高スループットで評価するための電子線装置、並びに、該装置を用いた半導体デバイスの評価システム及び半導体デバイス製造方法に関する。なお、本明細書において、試料の「評価」とは、試料の欠陥検出及び線幅測定等の「検査」を含むものとする。
背景技術
半導体プロセスにおいて、デザインルールは１００ｎｍの時代を迎えようとしており、また生産形態はＤＲＡＭに代表される少品種大量生産からＳＯＣ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｃｈｉｐ）のように多品種少量生産へ移行しつつある。それに伴い、製造工程数が増加し、各工程毎の歩留まり向上は必須となり、プロセス起因の欠陥検査が重要になる。
そして、半導体デバイスの高集積化及びパターンの微細化に伴い、高分解能、高スループットの検査装置が要求されている。１００ｎｍデザインルールのウエハの欠陥を調べるためには、１００ｎｍ以下の分解能が必要であり、デバイスの高集積化による製造工程の増加により、検査量が増大するため、高スループットが要求されている。また、デバイスの多層化が進むにつれて、層間の配線をつなぐビアのコンタクト不良（電気的欠陥）を検出する機能も、検査装置に要求されている。現在は主に光方式の欠陥検査装置が使用されているが、分解能及び、コンタクト不良検査の点では、光方式の欠陥検査装置に代わって電子ビームを用いた欠陥検査装置が、今後、主流になると予想される。但し、電子ビーム方式の欠陥検査装置にも弱点があり、それはスループットの点で光方式に劣ることである。このため、高分解能、高スループット、且つ電気的欠陥検出が可能な電子ビーム方式の検査装置の開発が要求されている。
光方式での分解能は、使用する光の波長の１／２が限界と言われており、実用化されている可視光の例では、０．２μｍ程度である。一方電子ビームを使用する方式では、通常、走査型電子ビーム方式（ＳＥＭ方式）が実用化されており、分解能は０．１μｍ、検査時間は８時間／枚（２０ｃｍウエハ）である。電子ビーム方式はまた、電気的欠陥（配線の断線、導通不良、ビアの導通不良等）も検査可能であることが大きな特徴である。しかし、上記したように、検査時間が非常に遅く、検査速度の速い欠陥検査装置の開発が期待されている。また、電子ビーム方式の検査装置は、高価でありまたスループットも他のプロセス装置に比べて低いことから、一般に、現状では重要な工程の後、例えばエッチング、成膜（銅メッキを含む）、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理後等に使用されている。
電子ビームを用いた走査（ＳＥＭ）方式の検査装置について説明する。ＳＥＭ方式の検査装置は、電子ビームを細く絞って（このビーム径が分解能に相当する）これを走査してライン状にウエハを照射する。一方、ステージを電子ビームの走査方向に直角の方向に移動させることにより、平面状に観察領域を電子ビームで照射する。電子ビームの走査幅は、一般に数１００μｍである。細く絞られた電子ビーム（一次電子線と呼ぶ）の照射により発生したウエハからの二次電子を検出器（シンチレータ＋フォトマルチプライヤ（光電子増倍管）又は半導体方式の検出器（ＰＩＮダイオード型）等）で検出する。照射位置の座標と二次電子の量（信号強度として得られる）を合成して画像化し、記憶装置に記憶し、あるいはＣＲＴ（ブラウン管）等のモニタ上に画像を出力する。以上がＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）の原理であり、この方式で得られた画像から、工程途中の半導体（通常はＳｉ）ウエハの欠陥を検出する。検査速度（スループットに相当する）は、一次電子線の量（電流値）、ビーム径、検出器の応答速度で決まる。ビーム径０．１μｍ（分解能と同じと考えてよい）、一次電子線の電流値１００ｎＡ、検出器の応答速度１００ＭＨｚが、現在の最高値であり、この場合で検査速度は、２０ｃｍ径のウエハ１枚あたり約８時間と言われている。このように、検査速度が光に比べてきわめて遅い（１／２０以下）ことが、大きな問題点（欠点）となっている。
また、高スループットにするためにビーム電流を大きくすると、絶縁膜が表面にあるウエハでは、帯電して良好なＳＥＭ画像が得られないという問題があった。
ＳＥＭ方式の欠点である検査速度を向上する別の方法として、複数の電子線を用いたＳＥＭ（マルチビームＳＥＭ）方式及び装置が開示されている。この従来例の方式及び装置では、複数の電子線の本数分だけ検査速度を向上できるが、複数の一次電子線を斜め入射し、ウエハからの複数の二次電子線を斜め方向に取り出すため、ウエハから放出される二次電子も、斜めの方向に放出されたもののみを検出器が拾うことになる。また、画像に影ができてしまったり、さらに、複数の電子線からのそれぞれの二次電子を分離することが困難であって、二次電子が互いに混入してしまうという問題が生じている。
さらに、マルチビーム方式の電子線装置を用いた評価システムにおいて、電子線装置と他のサブシステムとの間の相互作用等については、今までほとんど提案されておらず、結局、高スループットの評価システムの完成された全体システムが提案されていない。更に、検査すべきウエハ等の大型化が図られてきており、サブシステムもウエハの大型化に対処できるようにする必要があるが、この点についても、提案されていない。
発明の開示
本発明は、このような従来例の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、マルチビームを用いたＳＥＭ方式の電子線装置を用いた評価システムであって、検査処理のスループットを向上させることができる評価システムを提供することである。
本発明の別の目的は、マルチビームを用いたＳＥＭ方式の電子線装置であって、検査処理のスループットを向上させるとともに、検出精度を向上させることができる電子線装置を提供することである。
本発明の他の目的は、このような電子線装置又は評価システムを用いて、プロセス途中又はプロセス終了後の半導体ウエハの評価を行うことができる半導体デバイス製造方法を提供することである。
上記した目的を達成するために、本発明は、概略的に述べると、一次電子線を複数すなわちマルチビームとし、複数の電子線を一次元方向（Ｘ軸方向）に走査しながら、Ｅ×Ｂフィルタ（ウィーンフィルタ）を通して試料表面に電子線を垂直に入射させ、試料から放出された二次電子をＥ×Ｂフィルタにより一次電子線と分離して一次電子線の軸に対して斜め方向に取り出し、更に、レンズ系により検出系に結像あるいは集光させる。そして、一次電子線の走査方向（Ｘ軸方向）に対してステージを直角方向（Ｙ軸方向）に移動させ、連続した画像を取得する。
一次電子線がＥ×Ｂフィルタを通過するときは、電子線が電界から受ける力と磁界から受ける強さが逆向きで等しくなる条件（ウィーン条件）に設定され、一次電子線は直進する。一方、二次電子は、一次電子線とは方向が逆向きのために二次電子に作用する電界及び磁界の力の方向が同じになるために、一次電子線の軸方向から曲げられる。この結果、一次電子線と二次電子線は分離される。Ｅ×Ｂフィルタを電子線が通過するとき、直進のときよりも曲げられた場合の収差が大きくなるため、高い精度が必要とされる一次電子線を直進させ、比較的高い精度が要求されない二次電子線を曲げるように光学系が設計されている。
検出系としては、複数の一次電子線の一本一本に対応した検出器が備えられており、対応する一次電子線からの二次電子は、結像系により必ず対応する検出器に入射するよう設定されている。このため、信号の混入すなわちクロストークを低減することが可能となる。検出器としては、シンチレータ＋光電子増倍管（フォトマルチプライヤ）を使用し、又は、ＰＩＮダイオード（半導体検出器）等を使用することもできる。本発明の一実施例の電子線装置では、例えば、１６本の一次電子線でそれぞれビーム径０．１μｍ、１本当たりのビーム電流２０ｎＡが得られており、１６本の合計では、現在市販されている装置の３倍の電流値が得られている。
また、本発明に係る電子線装置に用いられる電子銃においては、電子線源として熱電子線源を使用している。電子放出（エミッタ）材は、ＬａＢ６である。高融点（高温での蒸気圧が低い）で仕事関数の小さい材料であれば、他の材料を使用することが可能である。複数の電子線を得るために、２通りの方法を用いている。一つは、一本のエミッタ（突起が一つ）から一本の電子線引き出し、複数の穴のあいた薄板（開口板）を通すことにより、複数の電子線を得る方法、もう一つの方法は、一本のエミッタに複数の突起を形成して、これら突起から直に複数の電子線を引き出す方法である。いずれの場合も、電子線が突起の先端から放出されやすい性質を利用している。他の方式の電子線源からの電子線、例えば熱電界放出型の電子線も、使用可能である。なお、熱電子線源は、電子放出材を加熱することにより電子を放出する方式であり、熱電界放出電子線源とは、電子放出材に高電界をかけることにより電子を放出させ、更に電子線放出部を加熱することにより、電子放出を安定させた方式である。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を参照して、本発明に係る評価システムの実施形態について、検査試料として表面にパターンが形成された半導体基板すなわちウエハを評価する場合について、説明する。なお、ウエハ以外の試料の評価に適用可能であることは、勿論である。
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る評価システム１の主要な構成要素を示す立面図及び平面図である。評価システム１は、複数枚のウエハを収納したカセットを保持するカセットホルダ１０と、ミニエンバイロメント装置２０と、主ハウジング３０と、ミニエンバイロメント装置２０と主ハウジング３０との間に配置されていて、二つのローディングチャンバを画成するローダハウジング４０と、ウエハをカセットホルダ１０から主ハウジング３０内に配置されたステージ装置５０上に装填するローダ６０と、主ハウジング３０内に配置され、ウエハであるウエハＷを載置して移動させるステージ装置５０と、主ハウジング３０に取り付けられた電子光学系７０とを備え、それらは、図１及び図２に示したような位置関係で配置されている。評価システム１は、更に、真空の主ハウジング３０内に配置されたプレチャージユニット８１と、ウエハに電位を印加する電位印加機構８３（図１１に図示）と、電子ビームキャリブレーション機構８５（図１２に図示）と、ステージ装置５０上でのウエハの位置決めを行うためのアライメント制御装置８７を構成する光学顕微鏡８７１とを備えている。
以下に、評価システム１の主要な要素（サブシステム）それぞれの構成について、詳細に説明する。
カセットホルダ１０
カセットホルダ１０は、複数枚（例えば２５枚）のウエハが上下方向に平行に並べられた状態で収納されたカセットｃ（例えば、アシスト社製のＳＭＩＦ、ＦＯＵＰのようなクローズドカセット）を複数個（この実施形態では２個のカセット）保持するようになっている。このカセットホルダとしては、カセットをロボット等により搬送して自動的にカセットホルダ１０に装填する場合には、それに適した構造のものを、また人手により装填する場合には、それに適したオープンカセット構造のものを、それぞれ任意に選択して設置できるようになっている。カセットホルダ１０は、この実施形態では、自動的にカセットｃが装填される形式であり、例えば昇降テーブル１１と、その昇降テール１１を上下移動させる昇降機構１２とを備えている。カセットｃは、昇降テーブル上に図２において鎖線で示した状態に自動的に装填可能であり、装填後、図２において実線で示した状態に自動的に回転され、ミニエンバイロメント装置２０内の第１の搬送ユニットの回動軸線に向けられる。また、昇降テーブル１１は、図１において鎖線で示した状態に降下される。このように、自動的に装填する場合に使用するカセットホルダ、或いは人手により装填する場合に使用するカセットホルダは、いずれも既知の構造のものを適宜選択して使用すれば良いので、その構造及び機能の詳細な説明は、ここでは省略する。
別の実施形態では、図３に示すように、複数の３００ｍｍウエハＷを箱本体５０１の内側に固定した溝型ポケット（不図示）に収納した状態で収容し、搬送、保管等を行うものである。この基板搬送箱２４は、角筒状の箱本体５０１と基板搬送出入り口ドアの自動開閉装置とに連結されて、箱本体５０１の側面の開口部を機械により開閉可能な基板搬送出入りドア５０２と、開口部と反対側に位置し、フィルタ類及びファンモータの着脱を行うための開口部を覆う蓋体５０３と、ウエハＷを保持するための溝型ポケット５０７とから構成されている。この実施形態では、ローダー６０のロボット式の搬送ユニット６１により、ウエハを出し入れする。
なお、カセットｃ内に収納されるウエハは、半導体製造工程中でウエハを処理するプロセスの後、若しくはプロセスの途中で行われる。具体的には、成膜工程、ＣＭＰ、イオン注入等を受けたウエハ、表面に配線パターンが形成されたウエハ、又は配線パターンが未だに形成されていないウエハが、検査のためにカセットｃ内に収納される。カセットｃ内に収容されるウエハは、多数枚上下方向に隔ててかつ平行に並べて配置されており、カセット中の任意の位置のウエハを、後述する第１の搬送ユニットで保持できるようにするために、第１の搬送ユニットのアームを上下移動できるようになっている。
ミニエンバイロメント装置２０
図４は、ミニエンバイロメント装置２０を図１とは異なる方向から見た立面図である。この図４並びに先の図１及び図２に示したように、ミニエンバイロメント装置２０は、雰囲気制御されるミニエンバイロメント空間２１を画成するハウジング２２と、ミニエンバイロメント空間２１内で清浄空気等の気体を循環して雰囲気制御するための気体循環装置２３と、ミニエンバイロメント空間２１内に供給された空気の一部を回収して排出する排出装置２４と、ミニエンバイロメント空間２１内に配設されていて試料であるウエハの粗位置決めを行うプリアライナ２５とを備えている。
ハウジング２２は、頂壁２２１、底壁２２２及び四周を囲む周壁２２３を有し、ミニエンバイロメント空間２１を外部から遮断する構造になっている。ミニエンバイロメント空間２１を雰囲気制御するために、気体循環装置２３は、図４に示されるように、ミニエンバイロメント空間２１内において、頂壁２２１に下向きに取り付けられていて、気体（この実施形態では空気）を清浄にして一つ又はそれ以上の気体吹き出し口（図示せず）を通して清浄空気を真下に向かって層流状に流す気体供給ユニット２３１と、底壁２２２の上に配置されていて、底に向かって流れ下った空気を回収する回収ダクト２３２と、回収ダクト２３２と気体供給ユニット２３１とを接続して回収された空気を気体供給ユニット２３１に戻す導管２３３とを備えている。
この実施形態では、気体供給ユニット２３１は、供給する空気の約２０％をハウジング２２の外部から取り入れて、ミニエンバイロメント空間２１の雰囲気を清浄にするよう構成されている。しかしながら、この外部から取り入れられる気体の割合は、任意に選択可能である。気体供給ユニット２３１は、清浄空気をつくりだすための既知の構造のＨＥＰＡ若しくはＵＬＰＡフィルタを備えている。清浄空気の層流状の下方向の流れすなわちダウンフローは、主に、ミニエンバイロメント空間２１内に配置された後述する第１の搬送ユニットによる搬送面を通して流れるように供給され、これにより、搬送ユニットにより発生する恐れのある塵埃がウエハに付着するのを防止する。したがって、ダウンフローの噴出口は、必ずしも図示のように頂壁に近い位置である必要はなく、搬送ユニットによる搬送面より上側にあればよい。また、ミニエンバイロメント空間全面に亘って流す必要もない。なお、場合によっては、清浄空気としてイオン風を使用することによって、清浄度を向上させることができる。また、ミニエンバイロメント空間内には清浄度を観察するためのセンサを設け、清浄度が悪化したときに、装置をシャットダウンすることもできる。ハウジング２２の周壁２２３のうち、カセットホルダ１０に隣接する部分には、出入り口２２５が形成されている。出入り口２２５近傍には公知の構造のシャッタ装置を設けて出入り口２２５をミニエンバイロメント装置側から閉じるようにしてもよい。ウエハ近傍でつくる層流のダウンフローは、例えば０．３〜０．４ｍ／ｓｅｃの流速でよい。気体供給ユニット２３１は、ミニエンバイロメント空間２１内でなく、その外側に設けてもよい。
排出装置２４は、後に説明する搬送ユニットのウエハ搬送面より下側の位置で搬送ユニットの下部に配置された吸入ダクト２４１と、ハウジング２２の外側に配置されたブロワー２４２と、吸入ダクト２４１とブロワー２４２とを接続する導管２４３と、を備えている。この排出装置２４は、搬送ユニットの周囲を流れ下り搬送ユニットにより発生する可能性のある塵埃を含んだ気体を、吸入ダクト２４１により吸引し、導管２４３、２４４及びブロワー２４２を介してハウジング２２の外側に排出する。この場合、ハウジング２２の近くに引かれた排気管（図示せず）内に排出してもよい。
ミニエンバイロメント空間２１内に配置されたプリアライナー２５は、ウエハに形成されたオリエンテーションフラット（円形のウエハの外周に形成された平坦部分を言い、以下においてオリフラと呼ぶ）や、ウエハの外周縁に形成された一つ又はそれ以上のＶ型の切欠きすなわちノッチを光学的に或いは機械的に検出し、それに基づいて、ウエハの軸線Ｏ１−Ｏ１の周りの回転方向の位置を、約±１度の精度で予め位置決めする。プリアライナー２５は、ウエハであるウエハの座標を決める機構の一部を構成し、ウエハの粗位置決めを担当する。このプリアライナー自体は既知の構造のものでよいので、その構造、動作の説明は、ここでは省略する。なお、図示しないが、プリアライナー２５の下部にも排出装置用の回収ダクトを設けて、プリアライナー２５から排出された塵埃を含んだ空気を外部に排出するようにしてもよい。
主ハウジング３０
図１及び図２に示したように、ワーキングチャンバ３１を画成する主ハウジング３０は、ハウジング本体３２を備え、そのハウジング本体３２は、台フレーム３６上に配置された振動遮断装置すなわち防振装置３７の上に載せられたハウジング支持装置３３によって支持されている。ハウジング支持装置３３は矩形に組まれたフレーム構造体３３１を備えている。ハウジング本体３２は、フレーム構造体３３１上に配設固定されており、フレーム構造体上に載せられた底壁３２１と、頂壁３２２と、底壁３２１及び頂壁３２２に接続されて四周を囲む周壁３２３とを備え、ワーキングチャンバ３１を外部から隔離している。底壁３２１は、この実施形態では、上に載置されるステージ装置５０等の機器による加重で歪みが発生しないように比較的肉厚の厚い鋼板で構成されているが、その他の適宜の構造にしてもよい。この実施形態においては、ハウジング３２本体及びハウジング支持装置３３は、剛構造に組み立てられていて、台フレーム３６が設置されている床からの振動がこの剛構造に伝達されるのを、防振装置３７で阻止している。ハウジング３２の周壁３２３の内、ローダハウジング４０に隣接する周壁には、ウエハ出し入れ用の出入り口３２５が形成されている。
防振装置３７は、空気バネ、磁気軸受け等を有するアクティブ式のものでも、或いはこれらを有するパッシブ式のものでもよい。いずれも汎用の構造のものでよいので、その構造及び機能の説明を省略する。ワーキングチャンバ３１は、汎用の真空装置（図示せず）により、真空雰囲気に保たれる。台フレーム３６の下には、評価システム１全体の動作を制御する制御装置２が配置されている。
なお、評価システム１においては、主ハウジング３０を含めて、種々のハウジングを真空排気しているが、そのための真空排気系は、真空ポンプ、真空バルブ、真空ゲージ、真空配管等から構成され、電子光学系、検出器部、ウエハ室、ロードロック室等を、所定のシーケンスに従って真空排気を行う。各部においては、必要な真空度を達成するように、真空バルブが制御される。そして、常時、真空度の監視を行い、異常時には、インターロック機能により隔離バルブ等によるチャンバ間又はチャンバと排気系との間の遮断緊急制御を行い、各部において必要な真空度を確保をする。真空ポンプとしては、主排気にターボ分子ポンプ、粗引き用としてルーツ式のドライポンプを使用する。検査場所（電子線照射部）の圧力は、１０−３〜１０−５Ｐａ、好ましくは、その１桁下の１０−４〜１０−６Ｐａが実用的である。
ローダハウジング４０
図５は、図１とは別の方向から見たローダハウジング４０の立面図を示している。図５並びに図１及び図２に示すように、ローダハウジング４０は、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを画成するハウジング本体４３を備えている。ハウジング本体４３は、底壁４３１と、頂壁４３２と、四周を囲む周壁４３３と、第１のローディングチャンバ４１と第２のローディングチャンバ４２とを仕切る仕切壁４３４とを有しており、２つのローディングチャンバを外部から隔離している。仕切壁４３４には、２つのローディングチャンバ間でウエハＷの受け渡しを行うための開口すなわち出入り口４３５が形成されている。また、周壁４３３のミニエンバイロメント装置２０及び主ハウジング３０に隣接した部分には、出入り口４３６及び４３７が形成されている。このローダハウジング４０のハウジング本体４３は、ハウジング支持装置３３のフレーム構造体３３１上に載置されて支持されている。したがって、このローダハウジング４０にも、床の振動が伝達されない。
ローダハウジング４０の出入り口４３６とミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２の出入り口２２６とは整合されているが、これら出入り口４３６、２２６の間には、ミニエンバイロメント空間２１とローディングチャンバ４１との連通を選択的に阻止するシャッタ装置２７が設けられている。シャッタ装置２７は、出入り口２２６及び４３６の周囲を囲んで側壁４３３と密に接触して固定されたシール材２７１と、シール材２７１と協働して出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉２７２と、その扉を動かす駆動装置２７３とを有している。同様に、ローダハウジング４０の出入り口４３７と主ハウジング３０のハウジング本体３２の出入り口３２５とは整合されているが、これら出入り口４３６、３２５の間には、ローディングチャンバ４２とワーキンググチャンバ３１との連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４５が設けられている。シャッタ装置４５は、出入り口４３７及び３２５の周囲を囲んで側壁４３３及び３２３と密に接触し、それら側壁に固定されたシール材４５１、シール材４５１と協働して、出入り口を介しての空気の流通を阻止する扉４５２と、その扉を動かす駆動装置４５３とを有している。更に、仕切壁４３４に形成された開口には、扉４６１により開口を閉じて、第１及び第２のローディングチャンバ間の連通を選択的に密封阻止するシャッタ装置４６が設けられている。これらのシャッタ装置２７、４５及び４６は、閉じ状態にあるとき、各チャンバを気密シールできるようになっている。これらのシャッタ装置は汎用のものでよいので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。
なお、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２の支持方法とローダハウジング４０の支持方法が異なり、ミニエンバイロメント装置２０を介して床からの振動がローダハウジング４０及び主ハウジング３０に伝達されるのを防止するために、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２とローダハウジング４０との間に、出入り口の周囲を気密に囲む防振用のクッション材を配置しておけば良い。
第１のローディングチャンバ４１内には、複数枚（この実施形態では２枚）のウエハＷを上下に隔てて水平に支持するウエハラック４７が配設されている。ウエハラック４７は、図６に示すように、矩形の基板４７１の四隅に互いに隔てて直立状態で固定された支柱４７２を備え、各支柱４７２には、それぞれ２段の支持部４７３及び４７４が形成され、その支持部の上に、ウエハＷの周縁を載せて保持する。このようにウエハＷを載置下状態で、後述する第１及び第２の搬送ユニットのアームの先端を隣接する支柱間からウエハＷに接近させ、該アームによりウエハを把持させ、そしてウエハを搬送させる。
第１及び第２のローディングチャンバ４１及び４２は、真空ポンプを含む汎用の真空排気装置（図示せず）によって、高真空状態（真空度としては、１０−５〜１０−６Ｐａ）に雰囲気制御される。この場合、第１のローディングチャンバ４１を低真空チャンバとして低真空雰囲気に保ち、第２のローディングチャンバ４２を高真空チャンバとして高真空雰囲気に保つことにより、ウエハの汚染防止を効果的に行うこともできる。このような２つのローディングチャンバを備えたローディングハウジング構造を採用することによって、ウエハＷをローディングチャンバからワーキングチャンバ内に遅滞なく搬送することができる。このようなローディングチャンバ構造を採用することによって、マルチビーム型の電子光学系と協働して欠陥等の検査のスループットを向上させ、更に、保管状態が高真空状態であることを要求される電子源周辺の真空度を、可能な限り高真空状態にすることができる。
第１及び第２のローディングチャンバ４１及び４２にはそれぞれ、真空排気配管と不活性ガス（例えば乾燥純窒素）用のベント配管（それぞれ図示せず）が接続されている。これによって、各ローディングチャンバ内の大気圧状態において、不活性ガスベント（不活性ガスを注入して、不活性ガス以外の酸素ガス等が表面に付着するのを防止する）が達成される。このような不活性ガスベントを行う装置自体は汎用の構造のものでよいので、その詳細な説明は省略する。
なお、電子線を使用する本発明の主ハウジング３０において、後述する電子光学系７０の電子源すなわち電子銃として使用される代表的な六硼化ランタン（ＬａＢ６）等は、一度熱電子を放出する程度まで高温状態に加熱された場合には、酸素等に可能な限り接触させないことがその寿命を縮めないために肝要である。本発明においては、主ハウジング３０の電子光学系７０が配置されているワーキングチャンバにウエハＷを搬入する前段階で、上記のような雰囲気制御を行うことにより、酸素に接触する可能性が低減されるため、電子源の寿命を縮めてしまう可能性が低くなる。
ステージ装置５０
ステージ装置５０は、主ハウジング３０の底壁３２１上に配置された固定テーブル５１と、固定テーブル上でＹ方向（図１において紙面に垂直の方向）に移動するＹテーブル５２と、Ｙテーブル上でＸ方向（図１において左右方向）に移動するＸテーブル５３と、Ｘテーブル上で回転可能な回転テーブル５４と、回転テーブル５４上に配置されたホルダ５５とを備えている。該ホルダ５５のウエハ載置面５５１上にウエハＷを解放可能に保持する。ホルダ５５は、ウエハＷを機械的に或いは静電チャック方式で解放可能に把持できる汎用の構造のものでよい。ステージ装置５０は、サーボモータ、エンコーダ及び各種のセンサ（図示せず）を用いて、上記した複数のテーブル５２〜５４を動作させることにより、載置面５５１上でホルダ５５に保持されたウエハＷを電子光学系７０から照射される電子ビームに対してＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向（図１において上下方向）に、更には、ウエハの支持面に鉛直な軸線の回り方向（θ方向）に、高い精度で位置決めすることができる。なお、Ｚ方向の位置決めは、例えばホルダ５５上の載置面の位置をＺ方向に微調整可能にしておけばよい。この場合、載置面の基準位置を微細径レーザによる位置測定装置（干渉計の原理を使用したレーザ干渉測距装置）によって検知し、その位置をフィードバック回路（不図示）によって制御したり、それと共に或いはそれに代えて、ウエハのノッチ或いはオリフラの位置を測定して、ウエハの電子ビームに対する平面位置及び回転位置を検知し、回転テーブル５４を微小角度制御可能なステッピングモータなどにより回転させて制御する。ホルダ５５を設けずに、回転テーブル５４上にウエハＷを直接載置してもよい。ワーキングチャンバ３１内での塵埃の発生を極力防止するために、ステージ装置５０用のサーボモータ５２１、５３１及びエンコーダ５２２、５３２は、主ハウジング３０の外側に配置されている。なお、ステージ装置５０は、例えばステッパー等で使用されている汎用構造のもので良いので、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。また、上記したレーザ干渉測距装置も汎用構造のものでよいので、その構造、動作の詳細な説明は省略する。
電子ビームに対するウエハＷの回転位置やＸ−Ｙ座標位置を、後述する信号検出系或いは画像処理系に予め入力することによって、信号の基準化を図ることもできる。更に、このホルダ５５に設けられたウエハチャック機構は、ウエハをチャックするための電圧を静電チャックの電極に印加するよう構成され、ウエハＷの外周部の３点（好ましくは、周方向に等隔に隔てられた３点）を押さえて位置決めするようになっている。ウエハチャック機構は、二つの固定位置決めピンと、一つの押圧式クランクピンとを備えている。クランプピンは、自動チャック及び自動リリースを実現できるよう構成され、かつ電圧印加用の導通部を構成している。
なお、この実施形態では図２で左右方向に移動するテーブルをＸテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＹテーブルとしたが、同図で左右方向に移動するテーブルをＹテーブルとし、上下方向に移動するテーブルをＸテーブルとしてもよい。
ローダ６０
ローダ６０は、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング２２内に配置されたロボット式の第１の搬送ユニット６１と、第２のローディングチャンバ４２内に配置されたロボット式の第２の搬送ユニット６３とを備えている。
第１の搬送ユニット６１は、駆動部６１１に関して軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回転可能になっている多節のアーム６１２を有している。多節のアームとして任意の構造のものを使用できるが、この実施形態では、互いに回動可能に取り付けられた三つの部分を有している。第１の搬送ユニット６１のアーム６１２の一つの部分すなわち最も駆動部６１１側の第１の部分は、駆動部６１１内に設けられた汎用構造の駆動機構（図示せず）により、回転可能な軸６１３に取り付けられている。アーム６１２は、軸６１３により軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動可能であると共に、部分間の相対回転により全体として軸線Ｏ１−Ｏ１に関して半径方向に伸縮可能である。アーム６１２の軸６１３から最も離れた第３の部分の先端には、汎用構造の機械式チャック又は静電チャック等のウエハ把持用の把持装置６１６が設けられている。駆動部６１１は、汎用構造の昇降機構６１５により上下方向に移動可能である。
この第１の搬送ユニット６１において、カセットホルダ１０中に保持された二つのカセットｃの内のいずれか一方の方向Ｍ１又はＭ２（図２）に向かって、アーム６１２が伸び、そして、カセットｃ内に収容されたウエハＷをアームの上に載せるか又はアームの先端に取り付けたチャック（図示せず）により把持して取り出す。その後、アームが縮み（図２に示した状態）、アームがプリアライナ２５の方向Ｍ３に向かって伸長できる位置まで回転して、その位置で停止する。するとアームが再び伸びてアームに保持されたウエハＷをプリアライナ２５に載せる。プリアライナ２５から前記と逆にしてウエハを受け取った後、アームは更に回転し、第１のローディングチャンバ４１に向かって伸長できる位置（向きＭ４）で停止し、第１のローディングチャンバ４１内のウエハ受け４７に、ウエハを受け渡す。なお、機械的にウエハを把持する場合には、ウエハの周縁部（周縁から約５ｍｍの範囲）を把持する。これは、ウエハには周縁部を除いて全面にデバイス（回路配線）が形成されており、周縁部以外の部分を把持すると、デバイスの破壊、欠陥の発生を生じさせるからである。
第２の搬送ユニット６３も、第１の搬送ユニット６１と構造が基本的に同じであり、ウエハＷの搬送を、ウエハラック４７とステージ装置５０の載置面上との間で行う点でのみ相違するだけであるから、詳細な説明は省略する。
第１及び第２の搬送ユニット６１及び６３は、カセットホルダに保持されたカセットｃからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０上への及びその逆のウエハの搬送を、ウエハをほぼ水平状態に保ったままで行う。そして、搬送ユニット６１、６３のアームが上下動するのは、単に、カセットｃからのウエハの取り出し及びそれへの挿入、ウエハラックへのウエハの載置及びそこからの取り出し、並びに、ステージ装置５０へのウエハの載置及びそこからの取り出しのときるだけである。したがって、例えば直径３０ｃｍ等の大型のウエハであっても、その移動をスムースに行うことができる。
ここで、上記構成を有する評価システム１において、カセットホルダ１０に支持されたカセットｃからワーキングチャンバ３１内に配置されたステージ装置５０までへのウエハの搬送を、順を追って説明する。
カセットホルダ１０は、前述のように人手によりカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが、また自動的にカセットをセットする場合にはそれに適した構造のものが使用される。この実施形態において、カセットｃがカセットホルダ１０の昇降テーブル１１の上にセットされると、昇降テーブル１１は昇降機構１２によって降下され、カセットｃが出入り口２２５に整合される。カセットが出入り口２２５に整合されると、カセットｃに設けられたカバー（不図示）が開き、また、カセットｃとミニエンバイロメント装置２０の出入り口２２５との間には、筒状の覆いが配置されて、カセット及びミニエンバイロメント空間２１を、外部から遮断する。これらの構造は汎用のものであるから、その構造及び動作の詳細な説明は省略する。なお、ミニエンバイロメント装置２０側に出入り口２２５を開閉するシャッタ装置が設けられている場合には、そのシャッタ装置が動作して、出入り口２２５を開く。
一方、第１の搬送ユニット６１のアーム６１２は、方向Ｍ１又はＭ２ののいずれかに向いた状態（この説明では、Ｍ１の方向）で停止しており、出入り口２２５が開くと、アームが伸びてその先端でカセットｃに収容されているウエハのうち１枚を受け取る。なお、アームと、カセットから取り出されるべきウエハとの上下方向の位置調整は、この実施形態では、第１の搬送ユニット６１の駆動部６１１及びアーム６１２の上下移動で行うが、カセットホルダ１０の昇降テーブルの上下動によって行っても、或いはその両者で行ってもよい。
アーム６１２によるウエハの受け取りが完了すると、該アームは縮み、シャッタ装置が動作して出入り口を閉じ（シャッタ装置がある場合）、次に、アーム６１２は軸線Ｏ１−Ｏ１の回りで回動し、方向Ｍ３に向けて伸長できる状態となる。そして、アームが伸びて先端に載せられ或いはチャックで把持されたウエハをプリアライナ２５の上に載せ、該プリアライナによって、ウエハの回転方向の向き（ウエハ平面に垂直な中心軸線の回りの向き）を、所定の範囲内に位置決めする。位置決めが完了すると、第１の搬送ユニット６１は、アーム６１２の先端にプリアライナ２５からウエハを受け取った後にアームを縮ませ、方向Ｍ４に向けてアームを伸長できる姿勢になる。すると、シャッタ装置２７の扉２７２が動いて出入り口２２６及び４３６を開き、アーム６１２が伸びてウエハを第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７の上段側又は下段側に載せる。なお、シャッタ装置２７が開いてウエハラック４７にウエハが受け渡される前に、仕切壁４３４に形成された開口４３５は、シャッタ装置４６の扉４６１により気密状態に閉じられている。
上記した第１の搬送ユニット６１によるウエハの搬送過程において、ミニエンバイロメント装置２０のハウジング本体２２に設けられた気体供給ユニット２３１からは清浄空気が層流状に流れ（ダウンフローとして）、搬送途中で塵埃がウエハの上面に付着するのを防止する。搬送ユニット周辺の空気の一部（この実施形態では、供給ユニットから供給される空気の約２０％で主に汚れた空気）は、排出装置２４の吸入ダクト２４１から吸引されて、ハウジング外に排出される。残りの空気は、ハウジング本体２２の底部に設けられた回収ダクト２３２を介して回収され、再び気体供給ユニット２３１に戻される。
ローダハウジング４０の第１のローディングチャンバ４１内のウエハラック４７に第１の搬送ユニット６１によりウエハが載せられると、シャッタ装置２７が閉じて、ローディングチャンバ４１を密閉する。すると、該ローディングチャンバ４１内には空気が追い出されて不活性ガスが充填された後、その不活性ガスも排出されて、ローディングチャンバ４１内は真空雰囲気となる。ローディングチャンバ４１の真空雰囲気は、低真空度でよい。ローディングチャンバ４１の真空度がある程度得られると、シャッタ装置４６が動作して、扉４６１で密閉していた出入り口４３４を開き、次いで、第２の搬送ユニット６３のアーム６３２が伸びて先端の把持装置でウエハ受け４７から１枚のウエハを受け取る（先端の上に載せて或いは先端に取り付けられたチャックで把持して）。ウエハの受け取りが完了するとアームが縮み、シャッタ装置４６が再び動作して扉４６１により出入り口４３５を閉じる。なお、シャッタ装置４６が開く前に、アーム６３２は予めウエハラック４７の方向Ｎ１に向けて伸長できる姿勢になる。また、前記のように、シャッタ装置４６が開く前に、シャッタ装置４５の扉４５２により出入り口４３７、３２５を閉じて、第２のローディングチャンバ４２内とワーキングチャンバ３１内との連通を阻止しており、かつ、第２のローディングチャンバ４２内は真空排気される。
シャッタ装置４６が出入り口４３５を閉じると、第２のローディングチャンバ４２は再度真空排気され、第１のローディングチャンバ４１よりも高真空度で真空にされる。その間に、第２の搬送ユニット６１のアームは、ワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０の方向に向いて伸長できる位置に回転される。一方ワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０では、Ｙテーブル５２が、Ｘテーブル５３の中心線Ｘ０−Ｘ０が第２の搬送ユニット６３の回動軸線Ｏ２−Ｏ２を通るＸ軸線Ｘ１−Ｘ１とほぼ一致する位置まで、図２で上方に移動し、また、Ｘテーブル５３が図２で最も左側の位置に接近する位置まで移動し、この状態で待機している。第２のローディングチャンバ４２がワーキングチャンバ３１の真空状態と略同じになると、シャッタ装置４５の扉４５２が動いて出入り口４３７、３２５を開き、アームが伸びて、ウエハを保持したアームの先端がワーキングチャンバ３１内のステージ装置５０に接近する。そして、ステージ装置５０の載置面５５１上にウエハＷを載置する。ウエハの載置が完了するとアームが縮み、シャッタ装置４５が出入り口４３７、３２５を閉じる。
以上は、カセットｃ内のウエハＷをステージ装置５０の載置面５５１上に搬送載置するまでの動作に付いて説明した。検査処理が完了したウエハＷをステージ装置５０からカセットｃに戻すには、前述と逆の動作を行う。また、ウエハラック４７に複数のウエハを載置しているため、第２の搬送ユニット６３がウエハラック４７とステージ装置５０との間でウエハの搬送を行っている間に、第１の搬送ユニットがカセットｃとウエハラック４７との間でウエハの搬送を行うことができる。したがって、検査処理を効率良く行うことができる。
具体的には、第２の搬送ユニットのウエハラック４７に、既に処理済みのウエハＡと未処理のウエハＢとがある場合、▲１▼まず、ステージ装置５０に未処理のウエハＢを移動し、処理を開始する。そして、▲２▼この処理中に、処理済みウエハＡを、アームによりステージ装置５０からウエハラック４７に移動し、未処理の別のウエハＣを同じくアームによりウエハラックから抜き出し、プリアライナで位置決めした後、ローディングチャンバ４１のウエハラック４７に移動する。このようにすることにより、ウエハラック４７の中では、ウエハＢの処理中に、処理済みのウエハＡを未処理のウエハＣに置き換えることができる。
また、検査や評価を行うこのような装置の利用の仕方によっては、ステージ装置５０を複数台並列に置き、各ステージ装置に１つのウエハラック４７からウエハを移動することにより、複数枚のウエハを同じに処理することができる。
図７の［Ａ］及び［Ｂ］は、主ハウジング３０の支持方法の変形例を示している。図７［Ａ］に示した変形例では、ハウジング支持装置３３ａを厚肉で矩形の鋼板３３１ａで構成し、その銅板の上にハウジング本体３２ａが載せられている。したがって、ハウジング本体３２ａの底壁３２１ａは、図１の実施形態の底壁に比較して、薄い構造になっている。図７［Ｂ］に示した変形例では、ハウジング支持装置３３ｂのフレーム構造体３３６ｂによりハウジング本体３２ｂ及びローダハウジング４０ｂを吊下状態で支持している。フレーム構造体３３６ｂに固定された複数の縦フレーム３３７ｂの下端は、ハウジング本体３２ｂの底壁３２１ｂの四隅に固定され、その底壁により周壁及び頂壁を支持している。そして、防振装置３７ｂは、フレーム構造体３３６ｂと台フレーム３６ｂとの間に配置されている。また、ローダハウジング４０も、フレーム構造体３３６に固定された吊り下げ部材４９ｂによって吊り下げられている。図７［Ｂ］に示した変形例では、吊り下げ式に支えているので、主ハウジング３０ｂ及びその中に設けられた各種機器全体の低重心化が可能である。主ハウジング及びローダハウジングをつり下げて支持する方法によれば、床からの振動がこれらに伝わらないため、好適である。
図示しない別の変形例では、主ハウジングのハウジング本体のみがハウジング支持装置によって下から支持され、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で、床上に配置される。また、図示しない更に別の変形例では、主ハウジングのハウジング本体のみがフレーム構造体に吊り下げ式で支持され、ローダハウジングは隣接するミニエンバイロメント装置と同じ方法で床上に配置される。
電子光学系７０
電子線装置に具備される電子光学系７０は、ハウジング本体３２に固定された鏡筒７１を備え、該鏡筒中には、一次電子光学系（以下、「一次光学系」）及び二次電子光学系（以下、「二次光学系」）と検出系とが配置されている。
図８は、このような電子光学系７０の実施形態を示した概略図であり、図において、７２は一次光学系、７４は二次光学系、７６は検出系である。なお、図８においては、ウエハＷを載置した状態のステージ装置５０、及び制御装置の一部である走査信号発生回路７６４も示している。一次光学系７２は、電子線を試料であるウエハＷの表面に照射する光学系であり、電子線を放出する電子銃７２１と、電子銃７２１から放出された一次電子線を集束する静電レンズすなわちコンデンサレンズ７２２と、該コンデンサレンズ７２２の下方に配置されかつ複数の開口が形成されていて、一次電子線を複数の一次電子ビームすなわちマルチビームに形成するマルチ開口板７２３と、一次電子ビームを縮小する静電レンズである縮小レンズ７２４と、ウイーンフィルタすなわちＥ×Ｂ分離器７２５と、対物レンズ７２６とを備えている。それらは、図８に示すように、電子銃７２１を最上部にして順に配置され、しかも、電子銃から放出される一次電子線の光軸がウエハＷの表面に直交して照射されるように設定される。
縮小レンズ７２４及び対物レンズ７２６の像面湾曲収差の影響をなくすため、マルチ開口板７２３に形成される複数（この実施形態では９個）の開口７２３ａが、図９の［Ａ］に示されるように、光軸を中心とした円の円周上に形成され、しかも、その開口のＸ軸上への投影像のＸ方向の間隔Ｌｘが同一となるように配置されている。
二次光学系７４は、Ｅ×Ｂ分離器７２５により一次光学系から分離された二次電子を通す２段の静電レンズである拡大レンズ７４１及び７４２と、マルチ開口検出板７４３とを備えている。マルチ開口検出板７４３に形成される開口７４３ａは、図９の［Ａ］に示すように、一次光学系のマルチ開口板７２３に形成されている開口７２３ａと一対一に対応するように配置されている。
検出系７６は、二次光学系７４のマルチ開口検出板７４３の複数の開口７４３ａに対応し、かつこれらに近接して配置された複数（この実施形態では９個）の検出器７６１と、各検出器７６１にＡ／Ｄ変換器７６２を介して電気的に接続された画像処理部７６３とを備えている。画像処理部７６３は、電子光学系７０内に物理的に位置する必要がない。
次に、上記構成の電子光学系７０の動作を説明する。電子銃７２１から放出された一次電子線は、一次光学系７２のコンデンサレンズ７２２によって集束されて点Ｐ１においてクロスオーバを形成する。コンデンサレンズ７２２によって集束された一次電子線がマルチ開口板７２３の複数の開口７２３ａを通過することにより、複数の一次電子線が形成され、これらの一次電子線は、縮小レンズ７２４によって縮小されて、位置Ｐ２に投影される。位置Ｐ２で合焦した後、更に対物レンズ７２６によってウエハＷの表面上に合焦される。このとき、一次電子線は、縮小レンズ７２４と対物レンズ７２６との間に配置された偏向器７２７によって、ウエハＷの表面上を走査するように偏向される。偏向器７２７には、走査信号が印加され、該信号に基づいて、一次電子線の偏向走査が実行される。
一次光学系７２による一次電子線の照射方法を、図９の［Ｂ］を用いて説明する。なお、この図の例では、説明を簡単にするために、４本の一次電子線１０１、１０２、１０３、１０４を用いる例について説明する。それぞれの電子線は、５０μｍ幅をスキャンするものとする。電子線１０１を例にとると、まず、電子線１０１は左端から右方向にスキャンし、右端に到着後、すみやかに左端にもどり、改めて、右方向にスキャンする。このように、４つの電子線により、同時にウエハ表面を走査しているので、スループットが向上する。
合焦された複数（図８の実施形態では９本）の一次電子線によってウエハＷ上の複数の点が照射され、照射されたこれらの複数の点から二次電子が放出される。この二次電子は、対物レンズ７２６の電界に引かれて細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器７２５によって偏向されて、二次光学系７４に投入される。二次電子による像は、Ｅ×Ｂ分離器７２５からみて、位置Ｐ２より近い位置Ｐ３において焦点を結ぶ。これは、一次電子ビームがウエハ面上で５００ｅＶ程度のエネルギを有しているのに対して、二次電子が数ｅｖ程度のエネルギしか有していないためである。
ここで、図１０を参照してＥ×Ｂ分離器７２５について説明する。図１０［Ａ］は、本発明の電子光学系７０に使用可能なＥ×Ｂ分離器の一例を示している。この分離器は、静電偏向器と電磁偏向器とにより構成されており、図１０においては、光軸ＯＡ１（図面に垂直な軸）に直交するＸ−Ｙ平面上の断面として示されている。Ｘ軸方向及びＹ軸方向は互いに直交している。
静電偏向器は、真空容器中に設けられた一対の電極（静電偏向電極）７２５１を備え、Ｘ軸方向に電界を生成する。これら静電偏向電極７２５１は、絶縁スペーサ７２５２を介して真空容器の真空壁７２５３に取り付けられており、これらの電極間距離Ｄｐは、静電偏向電極７２５１のＹ軸方向の長さ２Ｌｐよりも小さく設定されている。このような設定により、Ｚ軸すなわち光軸ＯＡ１の回りの形成される電界強度が一様な範囲を比較的大きくすることができるが、理想的には、Ｄｐ＜Ｌｐであれば、電界強度が一様な範囲をより大きくすることができる。
すなわち、電極の端部からＤｐ／２の範囲は、電界強度が一様でないため、電界強度がほぼ一様な領域は、一様でない端部領域を除いた中心部の２Ｌｐ−Ｄｐの領域となる。このため、電界強度が一様な領域が存在するためには、２Ｌｐ＞Ｄｐとする必要があり、更に、Ｌｐ＞Ｄｐと設定することにより、電界強度が一様な領域がより大きくなる。
真空壁７２５３の外側には、Ｙ軸方向に磁界を生成するための電磁偏向器が設けられている。この電磁偏向器は、電磁コイル７２５４及び電磁コイル７２５５を備え、これらコイルはそれぞれ、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に磁界を生成する。なお、コイル７２５５だけでもＹ軸方向の磁界を生成できるが、電界と磁界との直交度を向上させるために、Ｘ軸方向に磁界を生成するコイル７２５４を設けている。すなわち、コイル７２５４によって生成された−Ｘ軸方向の磁界成分によって、コイル７２５５によって生成された＋Ｘ軸方向を打ち消すことによって、電界と磁界との直交度を良好にすることができる。
これら磁界生成用のコイル７２５４及び７２５５は、真空容器の外に設けるため、それぞれを二分割して構成し、真空壁７２５３の両側から取り付け、部分７２５７においてねじ止め等によって締め付けて一体化すればよい。
Ｅ×Ｂ分離器の最外層７２５６は、パーマロイ或いはフェライト製のヨークとして構成する。この最外層７２５６は、コイル７２５４及び７２５５と同様に、２分割して両側からコイル７２５５の外周に取り付けて、部分７２５７においてねじ止め等により一体化してもよい。
図１０の［Ｂ］は、本発明の電子光学系７０に適用可能なＥ×Ｂ分離器の他の例を、光軸に直交する断面図として示している。このＥ×Ｂ分離器においては、静電偏向電極７２５１は６極設けられている点が、図１０の［Ａ］に示した形態と異なっている。図１０の［Ｂ］において、図１０［Ａ］に示されたＥ×Ｂ分離器の構成要素に対応する構成要素は同じ参照番号に「′」（ダッシュ）を付して示し、それらの説明は省略する。これらの静電偏向電極７２５１′には、それぞれの電極の中央と光軸とを結んだ線と、電界の方向（Ｘ軸方向）との角度θｉ（ｉ＝０、１、２、３、４、５）としたときに、ｃｏｓθｉに比例する電圧ｋ・ｃｏｓθｉ（ｋは定数）が供給される。ただし、θｉは、任意の角度である。
図１０の［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器においても、［Ａ］のＥ×Ｂ分離器と同様に、Ｘ軸方向の電界しか作れないので、Ｘ軸及びＹ軸方向の磁界を生成するコイル７２５４′及び７２５５′を設け、直交度の修正を行う。
図１０の［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器によれば、図１０の［Ａ］に示したＥ×Ｂ分離器に比べて、電界強度が一様な領域を更に大きくすることができる。
なお、図１０の［Ａ］及び［Ｂ］に示したＥ×Ｂ分離器において、磁界を生成するためのコイルはサドル型に形成しているが、トロイダル型のコイルを用いてもよい。また、図１０に示したＥ×Ｂ分離器の構成は、図８に示した電子線装置の電子光学系７０だけでなく、以降で説明する他の実施形態の電子線装置の電子光学系に適用可能である。
位置Ｐ３で合焦された二次電子の像は、２段の拡大レンズ７４１、７４２でマルチ開口検出板７４３の対応する開口７４３ａに合焦され、各開口７４３ａに対応して配置された検出器７６１で検出する。検出器７６１は、検出した電子線を、その強度を表す電気信号に変換する。各検出器７６１から出力された電気信号は、Ａ／Ｄ変換器７６２でデジタル信号に変換された後、画像処理部７６３に入力される。検出器７６１として、例えば電子線強度を直接検出するＰＮ接合ダイオード、或いは、電子により発光する蛍光板を介して発光強度を検出するＰＭＴ（光電子増倍管）などを用いることができる。
画像処理部７６３は、入力されたデジタル信号を画像データに変換する。画像処理部７６３には、一次電子線を偏向させるための走査信号が制御装置２（図１）から供給されており、したがって、画像処理部は、ウエハ表面上を走査される一次電子ビームの照射点の画像に対応する電気信号を受け取ることになり、よって、ウエハ表面を表すを表す画像を得ることができる。このようにして得られた画像を、予め設定された標準パターンと比較することによって、ウエハＷの被評価パターンの良否を判定することができる。
更に、レジストレーションによりウエハＷの被評価パターンを一次光学系の光軸の近くへ移動させ、ラインスキャンすることによって線幅評価信号を取り出し、これを適宜校正することによって、ウエハの表面に形成されたパターンの線幅を測定することができる。
なお、従来の電子線装置では、一次電子線をウエハに照射した時発生する二次電子を一次電子と共通の二段のレンズで集束させ、この集束位置にＥ×Ｂ分離器を設けて二次電子を一次電子より分離し、その後はレンズ無しでマルチ検出器に結像させる方式が用いられている。このため、一次及び二次光学系に共通の二段のレンズは、一次光学系のレンズ条件を優先して調節される必要があるので、二次光学系の合焦条件や拡大率の調整を行うことができないことから、これらの合焦条件や拡大率が設計値からズレた場合に、調整できないという欠点があった。
しかしながら、二次電子をＥ×Ｂ分離器７２５で分離後、これを二次光学系のレンズで拡大するようにしたので、一次光学系のレンズ条件とは独立して、二次光学系の合焦条件や拡大率を調整することができる。
また、一次光学系のマルチ開口板７２３の開口を通過した一次電子ビームをウエハＷの表面に合焦させ、ウエハから放出される二次電子を検出器７６１に結像させる際に、一次光学系で生じる歪み、軸上色収差及び視野非点という３つの収差による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。
特に、一次電子線と二次電子線が光路を共有する場合、共通の光路に一次電子流と二次電子流が流れるので、ほぼ２倍のビーム電流が流れ、その結果、空間電荷効果による一次電子線のボケや合焦条件の狂いがほぼ２倍になる。また、共通の光路では、一次電子線と二次電子線の軸合わせが困難である。一次電子線の軸合わせを行うと、二次電子線の軸が狂い易く、逆に二次電子線の軸合わせを行うと、一次電子線の軸が狂い易い。また、共通の光路では、レンズを一次電子線の合焦条件に合わせると、二次電子線の合焦条件が外れ易く、逆に二次電子線の合焦条件に合わせると、一次電子線の合焦条件が外れ易い。
したがって、共通の光路はできるだけ短くする必要があるが、そのために対物レンズ７２６の下方にＥ×Ｂ分離器７２５を設けると、対物レンズの像面距離が長くなり、収差が大きくなる問題を生ずる。そこで、本発明においては、対物レンズ７２６から見て電子銃７２１側にＥ×Ｂ分離器７２５を設けており、その結果、一次光学系と二次光学系とは、一つのレンズのみを共有する構成となっている。
また、複数の一次電子ビーム間の間隔と、二次光学系との関係については、一次電子ビーム間の間隔を二次光学系の収差（この場合は、対物レンズの二次電子に対する収差）よりも大きい距離だけ離すことにより、複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
さらに、静電偏向器７２７の偏向角度を、Ｅ×Ｂ分離器７２５のうち電磁偏向器による電磁偏向角度の−１／２倍に近い値にすることが好ましく、これによって、偏向の色収差を小さくできるので、Ｅ×Ｂ分離器を通してもビーム径があまり大きくならないようにすることができる。
プレチャージユニット８１
プレチャージユニット８１は、図１に示したように、ワーキングチャンバ３１内で電子光学系７０の鏡筒７１に隣接して配設されている。本発明の評価システム１では、ウエハに電子線を走査して照射することによってウエハ表面に形成されたデバイスパターン等を検査する形式の装置であるため、ウエハ材料、照射電子のエネルギ等の条件によって、ウエハ表面が帯電（チャージアップ）することがある。更に、ウエハ表面でも強く帯電する箇所、弱い帯電箇所が生じる可能性がある。そして、電子線の照射により生じる二次電子等の情報をウエハ表面の情報としているが、ウエハ表面の帯電量にむらがあると、二次電子の情報もむらを含み、正確な画像を得ることができない。そこで、この実施形態では、帯電むらを防止するために、プレチャージユニット８１が設けられている。該プレチャージユニット８１は荷電粒子照射部８１１を含み、ウエハ上に検査のために一次電子を照射する前に、荷電粒子照射部８１１から荷電粒子を照射することにより、帯電むらを無くす。なお、ウエハ表面の帯電状態は、電子光学系７０を用いて予めウエハ面の画像を形成し、その画像を評価することで検出することができ、そして、検出された帯電状態に基づいて、荷電粒子照射部８１１からの荷電粒子の照射を制御する。プレチャージユニット８１では、一次電子線をぼかして照射してもよい。
また、ウエハの電気的欠陥を検査する方法としては、本来電気的に絶縁されている部分とその部分が通電状態にある場合では、その部分の電圧が異なることを利用することもできる。それは、まず、ウエハに事前に電荷を付与することで、本来電気的に絶縁されている部分の電圧と、本来電気的に絶縁されている部分ではあるが、何らかの原因で通電状態にある部分の電圧とに電圧差を生じさせ、その後、電子ビームを照射することにより、電圧差のデータを取得し、この取得データを解析して、通電状態となっていることを検出することができる。
このような電気的欠陥の検出方法において、予めウエハに事前に電荷をチャージさせるために、プレチャージユニット８１を用いることもできる。
電圧印加機構８３
図１１は、電圧印加機構８３の構成を示すブロック図である。電位印加機構８３は、ウエハから放出される二次電子発生率が、ウエハの電位に依存すると言う事実に基づいて、ウエハを載置するステージの設置台に±数Ｖの電位を印加することにより、二次電子の発生が最適化するよう制御するものである。また、この電位印加機構８３は、照射される一次電子が当初有しているエネルギを減速し、ウエハ上の電子エネルギを１００〜５００ｅＶ程度に制御するためにも用いられる。
電位印加機構８３は、図１１に示されるように、ステージ装置５０の載置面５５１と電気的に接続された電圧印加装置８３１と、チャージアップ調査及び電圧決定システム（以下、「調査及び決定システム」）８３２とを備えている。調査及び決定システム８３２は、電子光学系７０の検出系７６の画像処理部７６３に電気的に接続されたモニタ８３３と、モニタ８３３に接続されたオペレーション入力部８３４と、該オペレーション入力部８３４に接続されたＣＰＵ８３５とを備えている。ＣＰＵ８３５は、制御装置２（図１）に含まれ、電圧印加装置８３１に電圧調整信号を供給する。なお、ＣＰＵ８３５はさらに、電子光学系７０の偏向器７２７（図８）に走査信号を供給する等、種々構成要素に制御信号を供給する。電位印加機構８３は、画像処理部７６３によって形成された画像をモニタ８３３に表示し、オペレーション入力部８３４及びＣＰＵ８３５によって、ウエハが帯電し難い電位を探し、得られた電位を、電圧印加装置８３１からステージ装置５０のホルダ５５に印加する。
電子ビームキャリブレーション機構８５
電子ビームキャリブレーション機構８５は、図１２の［Ａ］及び［Ｂ］に示すように、回転テーブル５４上でウエハ載置面５４１の側部の複数箇所に設置された、ビーム電流測定用の複数のファラデーカップ８５１及び８５２を備えている。ファラデーカップ８５１は細いビーム用（φ＝約２μｍ）で、ファラデーカップ８５２は太いビーム用（φ＝約３０μｍ）である。細いビーム用のファラデーカップ８５１では、回転テーブル５４をステップＳ送りすることにより、ビームプロフィルを測定し。太いビーム用のファラデーカップ８５２では、ビームの総電流量を計測する。ファラデーカップ８５１及び８５２は、上表面が載置面５４１上に載せられたウエハＷの上表面と同じレベルになるように配置される。このようにして、電子銃から放出される一次電子線を常時監視し、ウエハ表面に照射される電子線の強度がほぼ一定となるように、電子銃への電力供給を制御する。電子銃が常時一定の電子線を放出できるわけでなく、経年変化等によりその放出量が変化するため、このような機構により、電子線強度を較正する。
アライメント制御装置８７
アライメント制御装置８７は、ステージ装置５０を用いてウエハＷを電子光学系７０に対して位置決めさせる装置である。アライメント制御装置８７は、光学顕微鏡８７１（図１）を用いた広視野観察によるウエハの概略位置合わせである低倍率合わせ（電子光学系によるよりも倍率が低い位置合わせ）、電子光学系７０の電子光学系を用いたウエハの高倍率合わせ、焦点調整、検査領域設定、パターンアライメント等の制御を行うようになっている。なお、このように低倍率でウエハを検査するのは、ウエハのパターンの検査を自動的に行うためには、電子線を用いた狭視野でウエハのパターンを観察してウエハアライメントを行うときに、電子線によるアライメントマークを容易に検出する必要があるからである。
光学顕微鏡８７１は、主ハウジング３０内に設けられているが、主ハウジング３０内で移動可能に設けられていてもよい。光学顕微鏡８７１を動作させるための光源（不図示）も主ハウジング３０内に設けられている。また高倍率の観察を行う電子光学系は、電子光学系７０の電子光学系（一次光学系７２及び二次光学系７４）を共用するものである。
アライメント制御装置８７の構成を概略図示すれば、図１３に示すようになる。ウエハＷ上の被観察点を低倍率で観察するには、ステージ装置５０のＸステージ又はＹステージを動かすことによって、ウエハの被観察点を光学顕微鏡の視野内に移動させる。光学顕微鏡８７１を用いて広視野でウエハを視認し、そのウエハ上の観察すべき位置をＣＣＤ８７２を介してモニタ８７３に表示させ、観察位置すなわち被観察点の位置を、おおよそ決定する。この場合、光学顕微鏡８７１の倍率を低倍率から高倍率に徐々に変化させていってもよい。
次に、ステージ装置５０を電子光学系７０の光軸と光学顕微鏡８７１の光軸との間隔δｘに相当する距離だけ移動させることにより、光学顕微鏡８７１を用いて予め決めたウエハ上の被観察点を電子光学系７０の視野位置に移動させる。この場合、電子光学系７０の軸線Ｏ３−Ｏ３と光学顕微鏡８７１の光軸Ｏ４−Ｏ４との間の距離（この実施形態では、Ｘ軸方向にのみ両者は位置ずれしているものとするが、Ｙ軸方向に位置ずれしていてもよい）δｘは予めわかっているので、その値δｘだけ移動させれば、被観察点を視認位置に移動させることができる。電子光学系７０の視認位置への被観察点の移動が完了した後、電子光学系により高倍率で被観察点をＳＥＭ撮像して画像を記憶したり、モニタ７６５に表示させる。
このようにして、電子光学系によって高倍率でウエハの観察点をモニタに表示させた後、公知の方法により、ステージ装置５０の回転テーブル５４の回転中心に関するウエハの回転方向の位置ずれ、すなわち電子光学系の光軸Ｏ３−Ｏ３に対するウエハの回転方向のずれδθを検出し、また電子光学系７０に関する所定のパターのＸ軸及びＹ軸方向の位置ずれを検出する。そして、その検出値並びに別途得られたウエハに設けられた検査マークのデータ、或いはウエハのパターンの形状等に関するデータに基づいて、ステージ装置５０の動作を制御してウエハのアライメントを行う。
制御装置２
制御装置２の制御系は、主にメインコントローラ、制御コントローラ、ステージコントローラから構成されている。
メインコントローラには、マンーマシンインターフェースが備えられており、オペレータの操作は、ここを通して行われる（種々の指示／命令、レシピなどの入力、検査スタートの指示、自動と手動検査モードの切り替え、手動検査モード時等の必要な全てのコマンドの入力等）。その他、工場のホストコンピュータとのコミュニケーション、真空排気系の制御、ウエハの搬送、位置合わせの制御、制御コントローラやステージコントローラへのコマンドの伝達や情報の受け取り等も、メインコントローラで行われる。また、光学顕微鏡からの画像信号の取得、ステージの変動信号を電子光学系にフィードバックさせて像の悪化を補正するステージ振動補正機能、ウエハ観察位置のＺ軸方向（二次光学系の軸方向）の変位を検出して、電子光学系へフィードバツクし、自動的に焦点を補正する自動焦点補正機能を備えている。電子光学系へのフィードバック信号等の授受、及びステージ装置からの信号の授受は、それぞれ制御コントローラ及びステージコントローラを介して行われる。
制御コントローラは、主に電子光学系の制御、すなわち、電子銃、レンズ、アライナー、ウィーンフィルタ用等の高精度電源の制御等を担う。具体的には、照射領域に、倍率が変わったときにも常に一定の電子電流が照射されるように電源を制御すること、各倍率に対応した各レンズ系やアライナーへ自動的に電圧を設定すること等の、各オペレーションモードに対応した各レンズ系やアライナーへの自動電圧設定等の制御（連動制御）が行われる。
ステージコントローラは、主にステージの移動に関する制御を行い、精密なＸ軸方向およびＹ軸方向のμｍオーダーの移動（±０．５μｍ程度の許容誤差）を可能にしている。また、ステージの移動制御では、誤差精度±０．３秒程度以内で、回転方向の制御（θ制御）も行われる。
上記した本発明に係るこのような評価システムによれば、マルチビームを用いた電子線装置を評価システムの各構成機器を機能的に組み合わせることができたため、高いスループットで検査対象を処理することができる。また、エンバイロメント空間内に清浄度を観察するセンサを設けることにより、その空間内の塵埃を監視しながら検査対象の検査を行うことができる。さらに、プレチャージユニットを設けているので、絶縁物でできたウエハも帯電による影響を受けがたい。
次に、本発明に係る評価システム１に具備される電子線装置のステージ装置５０と電子光学系７０の荷電ビーム照射部との組合せについて、種々の実施形態を説明する。
半導体ウエハ等のように、超精密加工が施された試料を検査する場合には、ウエハを真空のワーキングチャンバ３１中で精度良く位置決め可能なステージ装置５０を使用する必要がある。このように非常に高精度な位置決めが要求される場合のステージ装置として、ＸＹステージを静圧軸受けによって非接触支持する構造が採用されている。この場合、静圧軸受けから供給される高圧ガスが直接真空チャンバすなわちワーキングチャンバ３１に排出されないように、高圧ガスを排気する差動排気機構を静圧軸受けの範囲に形成することによって、ワーキングチャンバ３１の真空度を維持している。なお、本明細書において、「真空」とは、等技術分野において呼ばれる真空状態であって、必ずしも絶対真空を指すものではない。
このようなステージ装置５０と電子光学系７０との組合せの従来例を、図１４に示している。図１４において、［Ａ］は正面図、［Ｂ］は側面図である。この従来例において、真空チャンバ３１を構成する主ハウジング３０に、荷電ビームを発生しウエハＷに照射する電子光学系装置の鏡筒７１の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２が取り付けられている。鏡筒７１の内部は、真空配管１０−１によって真空排気されており、真空チャンバ３１は真空配管１１−１ａによって真空排気されている。そして、荷電ビームは、鏡筒７１の先端部７から、その下に置かれたウエハＷ等のウエハに対して照射される。
ウエハＷは、ウエハ載置台すなわちホルダ５５に公知の方法により取り外し可能に保持されており、ホルダ５５は、ＸＹステージを構成するＹテーブル５２の上面に取り付けられている。Ｙテーブル５２には、Ｘテーブル５３のガイド面５３ａ−１と向かい合う面（図１４の［Ａ］において、左右両面及び下面）に、静圧軸受け９−１が複数取り付けられており、この静圧軸受け９−１の作用により、ガイド面との間に微小隙間を維持しながら、Ｙ方向（図１２の［Ｂ］において、左右方向）に移動できる。さらに静圧軸受け９−１の周りには、静圧軸受け９−１に供給される高圧ガスが真空チャンバ３１の内部にリークしないように、差動排気機構が設けられている。この様子を図１５に示す。
図１５に示すように、静圧軸受け９−１の周囲には、二重に溝１８−１と１７−１とが構成されており、これらの溝は、図示していない真空配管と真空ポンプにより、常時真空排気されている。このような構造により、Ｙテーブル５２は、真空中を非接触状態で支持され、Ｙ方向に自在に移動することが可能である。二重の溝１８−１と１７−１は、Ｙテーブル５２の静圧軸受け９−１が設けられている面に、その静圧軸受けを囲むように形成される。なお、静圧軸受け９−１の構造は公知のもので良いので、その詳細な説明は省略する。
Ｙテーブル５２を搭載しているＸテーブル５３は、図１４に示すように、上方に開口している凹形の形状を有し、そして、Ｘテーブル５３にも、上記と同様の静圧軸受け及び溝が設けられている。これにより、ステージ台すなわち固定テーブル５１に対して、非接触で支持されており、Ｘ方向に自在に移動することができる。
これらのＹテーブル５２及びＹテーブル５３の移動を組み合わせることによって、ウエハＷを鏡筒７１の先端部７２すなわち荷電ビーム照射部に関して水平方向任意の位置に移動させ、ウエハＷの所望の位置に荷電ビームを照射することができる。
図１４に示したステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せも、本発明の評価システム１に用いることができるものの、以下の問題点がある。
上記した静圧軸受け９−１と差動排気機構を組み合わせた従来例では、ＸＹステージが移動する際に、静圧軸受け９−１に対向するガイド面５３ａ及び５１ａは、静圧軸受け部の高圧ガス雰囲気とワーキングチャンバ３１内の真空環境の間を往復運動することになる。この時、これらガイド面には、高圧ガス雰囲気に曝されている間にガスが吸着し、その後真空環境に露出されると吸着していたガスが放出される、という状態が繰り返される。このため、ＸＹステージが移動する度に、ワーキングチャンバ３１内の真空度が悪化するという現象が起こり、上述した荷電ビームによる露光や検査や加工等の処理を安定して行うことができなかったり、ウエハが汚染されてしまうという問題がある。
したがって、真空度の低下を防止し、かつ荷電ビームによる検査や加工の処理を安定して行うことができる装置が必要となる。図１６は、このような作用効果を奏することができるステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の実施形態を示している。なお、図１６において、［Ａ］は正面図、［Ｂ］は側面図である。
図１６に示すように、この実施形態でのステージ装置５０は、Ｙテーブル５２の上面に、±Ｙ軸方向（図１６の［Ｂ］で左右方向）に大きくほぼ水平に張り出した仕切り板１４−１が取り付けられ、Ｘテーブル５３の上面との間に、コンダクタンスが常時小さい絞り部５０−１が生じるよう構成されている。また、Ｘテーブル５３の上面にも、同様の仕切り板１２−１が±Ｘ軸方向（図１４の［Ａ］で左右方向）に張り出すよう取り付けられており、固定テーブル５１の上面との間に常に絞り部５１−１が形成されるよう構成されている。固定テーブル５１は、主ハウジング３０内において、底壁の上に公知の方法で固定されている。
これにより、ウエハ台すなわちホルダ５５がどの位置に移動しても、常に絞り部５０−１及び５１−１が形成されるので、Ｙテーブル５２及びＸテーブル５３の移動時にガイド面５３ａ及び５１ａからガスが放出されても、絞り部５０−１及び５１−１によって放出ガスの移動が妨げられる。したがって、荷電ビームが照射されるウエハ近傍の空間２４−１の圧力上昇も、極めて低く押さえることができる。
ステージ装置５０の可動部であるＹテーブル５２の側面及び下面、並びにＸテーブル５３の下面には、静圧軸受け９−１の周囲に、図１５に示した差動排気用の溝が形成され、この溝によって真空排気されるため、絞り部５０−１、５１−１が形成されている場合は、ガイド面からの放出ガスはこれらの差動排気部によって主に排気されることになる。このため、ステージ装置５０内部の空間１３−１及び１５−１の圧力は、ワーキングチャンバ３１内の圧力よりも高い状態になっている。したがって、空間１３−１及び１５−１を差動排気溝１７−１や１８−１で排気するだけでなく、真空排気する箇所を別に設けることにより、これら空間の圧力を下げることができ、ウエハＷの近傍２４−１の圧力上昇を、更に小さくすることができる。このための排気通路１１−１ｂ及び１１−１ｃが設けられている。排気通路１１−１ｂは、固定テーブル５１及び主ハウジング３０を貫通し、主ハウジング３０の外部に通じている。また、排気通路１１−１ｃは、Ｘテーブル５３に形成され、該Ｘテーブルの下面に開口している。
また、仕切り板１２−１及び１４−１を設置すると、ワーキングチャンバ３１とこれら仕切り板が干渉しないように、ワーキングチャンバ３１を大きくする必要が生じるが、仕切り板を伸縮可能な材料や構造にすることによって、この点を改善することが可能である。この改善例として、仕切り板をゴムで構成したり蛇腹状に構成し、その移動方向の端部を、仕切り板１４−１の場合はＸテーブル５３に固定し、仕切り板１２−１の場合はハウジング８の内壁に固定することが好適である。
図１７は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の別の実施形態を示している。この実施態様では、鏡筒７１の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２の周囲に、試料であるウエハＷの上面との間に絞り部ができるように、円筒状の仕切り１６−１が構成されている。この構成によれば、ＸＹステージからガスが放出されてワーキングチャンバ３１内の圧力が上昇しても、仕切りの内部２４−１は仕切り１６−１で仕切られておりかつ真空配管１０−１により排気されているので、ワーキングチャンバ３１内と仕切りの内部２４−１との間に圧力差が生じ、仕切り内部２４−１の圧力上昇を低く抑えることができる。仕切り１６−１とウエハＷ面との隙間は、ワーキングチャンバ３１内とビーム照射部７２周辺の圧力をどの程度に維持するかによって調整すべきであるが、数十μｍ〜数ｍｍ程度が適当である。なお、仕切り１６−１内と真空配管１０−１とは公知の方法により連通されている。
また、電子光学系７０においては、ウエハＷに数ｋＶ程度の高電圧を印加することがあり、導電性の材料をウエハの近傍に設置すると、放電を起こす恐れがある。この場合には、仕切り１６−１の材質をセラミックス等の絶縁物で構成すれば、ウエハＷと仕切り１６−１との間で放電を起こすことがない。
なお、ウエハＷの周囲に配置したリング部材４−１は、ウエハ台すなわちホルダ５５に固定された板状の調整部品である。このリング部材４−１は、仕切り１６−１の先端部全周に亘って微小隙間５２−１が形成されるように、ウエハＷと同一の高さに設定されている。これによって、ウエハの端部を含む任意の位置に荷電ビームを照射しても、仕切り１６−１の先端部には常に一定の微小隙間５２−１が形成され、鏡筒７１の先端部周囲の仕切り内部空間２４−１の圧力を、安定に保つことができる。
図１８は、ステージ装置５０及び電子線装置の荷電ビーム照射部７２の組合せの他の実施態様を示している。この実施形態においては、鏡筒７１の荷電ビーム照射部２の周囲に、差動排気構造を内蔵した仕切り１９−１が設けられている。仕切り１９−１は円筒形状をしており、その内部に円周溝２０−１が形成され、その円周溝から上方に排気通路２１−１が延びている。該排気通路は、内部空間２２−１を経由して、真空配管２３−１に繋がれている。仕切り１９−１は、その下端とウエハＷの上面との間に数１０μｍ〜数ｍｍ程度の微小隙間を形成するよう配置される。
図１８の構成によれば、ＸＹステージの移動に伴ってステージ装置５０からガスが放出され、ワーキングチャンバ３１内の圧力が上昇して荷電ビーム照射部７２にガスが流入しようとしても、仕切り１９−１がウエハＷとの隙間を絞ってコンダクタンスを極めて小さくしているため、ガスは流入を邪魔され流入量は減少する。更に、流入したガスは、円周溝２０−１から真空配管２３−１へ排気されるため、荷電ビーム照射部７２の周囲の空間２４−１へ流入するガスはほとんどなくなり、荷電ビーム照射部７２の圧力を、所望の高真空のまま維持することができる。
図１９は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２のさらに別の実施態様を示している。この実施形態においては、ワーキングチャンバ３１内の荷電ビーム照射部７２の周囲には仕切り２６−１が設けられ、これにより、荷電ビーム照射部７２をワーキングチャンバ３１から隔てている。仕切り２６−１は、銅やアルミニュウム等の熱伝導性の良い材料からなる支持部材２９−１を介して冷凍機３０−１に連結されており、−１００℃〜−２００℃程度に冷却される。部材２７−１は、冷却されている仕切り２６−１と鏡筒７１との間の熱伝導を遮断するためのものであり、セラミックスや樹脂材等の熱伝導性の悪い材料で形成されている。また、部材２８−１は、セラミックス等の非絶縁体からなり、仕切り２６−１の下端に形成され、ウエハＷと仕切り２６−１との間で放電が生じることを防止するためのものである。
図１９の構成によれば、ワーキングチャンバ３１内から荷電ビーム照射部７２に流入しようとするガス分子は、仕切り２６−１で流入を阻害されるとともに、流入しても仕切り２６−１の表面に凍結捕集されてしまうため、荷電ビーム照射部７２の圧力を低く保つことができる。
なお、冷凍機３０−１として、液体窒素による冷却や、Ｈｅ冷凍機、パルスチューブ式冷凍機等の様々な冷凍機を使用することができる。
図２０は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せのさらに他の実施態様を示している。ＸＹステージの両可動部すなわちＹテーブル５２及びＸテーブル５３には、図１６の構成と同様に、仕切り板１２−１、１４−１が設けられており、ウエハ台すなわちホルダ５５が任意の位置に移動しても、これらの仕切りによって、ステージ装置内の空間１３−１とワーキングチャンバ３１内とが絞り５０−１、５１−１を介して仕切られる。更に、荷電ビーム照射部７２の周りには、図１７の構成と同様に仕切り１６−１が形成されており、ワーキングチャンバ３１内と荷電ビーム照射部７２のある空間２４−１とが絞り５２−１を介して仕切られている。このため、ＸＹステージの移動時に、該ステージに吸着しているガスが空間１３−１に放出されて該空間の圧力を上昇させたとしても、ワーキングチャンバ３１の圧力上昇は低く抑えられ、空間２４−１の圧力上昇は更に低く抑えられる。これにより、荷電ビーム照射部７２の空間２４−１の圧力を低い状態に保つことができる。また、仕切り１６−１を、差動排気機構を内蔵した仕切り１９−１としたり、図１８に示したように冷凍機で冷却された仕切り２６−１とすることによって、空間２４−１を更に低い圧力で安定に維持することができる。
上記した荷電ビーム照射部の構造によれば、ステージ装置を真空のワーキングチャンバ内で高精度に位置決めすることができ、また、照射部の圧力が上昇しにくいため、高精度の画像データを得ることができる。
図２１は、ステージ装置５０及び電子光学系７０の荷電ビーム照射部７２の組合せの他の実施形態を示している。この実施形態においては、電子光学系７０の先端部すなわち荷電ビーム照射部７２がワーキングチャンバ３１を画成する主ハウジング３０に取り付けられている。ステージ装置５０におけるＸＹステージの台座すなわち固定テーブル５１は、主ハウジング３０の底壁に固定され、Ｙテーブル５２が固定テーブル５１の上に載っている。Ｙテーブル５２の両側面（図１９において左右側面）には、固定テーブル５１に載置された一対のＹ方向ガイド７ａ−２及び７ｂ−２のＹテーブル５２に面した側に形成された凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝は、Ｙ方向ガイドのほぼ全長に亘ってＹ方向（図面と直交する方向）に伸びている。凹溝内に突出する突部の上、下面及び側面には、公知の構造の静圧軸受け１１ａ−２、９ａ−２、１１ｂ−２、９ｂ−２がそれぞれ設けられ、これらの静圧軸受けを介して高圧ガスを吹き出すことにより、Ｙテーブル５２は、Ｙ方向ガイド７ａ−２、７ｂ−２に対して非接触で支持され、Ｙ方向に円滑に往復運動できるようになっている。また、固定テーブル５１とＹテーブル５２との間には、Ｙ方向の駆動を行うための公知の構造のリニアモータ１２−２が配置されている。Ｙテーブル５２には、高圧ガス供給用のフレキシブル配管２２−２によって高圧ガスが供給され、Ｙテーブル内に形成されたガス通路（図示せず）を通じて、静圧軸受け９ａ−２〜１１ａ−２及び９ｂ−２〜１１ｂ−２に対して高圧ガスが供給される。静圧軸受けに供給された高圧ガスは、Ｙ方向ガイドの対向する案内面との間に形成された数ミクロンから数十ミクロンの隙間に噴出して、Ｙテーブル５２を案内面に対してＸ方向及びＺ方向（図２１において、図面の上下方向）に正確に位置決めする役割を果たす。
Ｙテーブル５２上にはＸテーブル５３がＸ方向（図２１において、図面の左右方向）に移動可能に載置されている。Ｙテーブル５２上には、Ｙテーブル用のＹ方向ガイド７ａ−２、７ｂ−２と同じ構造の一対のＸ方向ガイド８ａ−２、８ｂ−２（８ａ−２のみ図示）が、Ｘテーブル５３を間に挟んで設けられている。Ｘ方向ガイドのＸテーブル５３に面した側にも凹溝が形成され、Ｘテーブルの側部（Ｘ方向ガイドに面した側部）には、該凹溝内に突出する突部が形成されている。その凹溝は、Ｘ方向ガイドのほぼ全長に亘って伸びている。凹溝内に突出するＸ方向テーブル５３の突部の上、下面及び側面には、先に説明した静圧軸受け１１ａ−２、９ａ−２、１０ａ−２、１１ｂ−２、９ｂ−２、１０ｂ−２と同様の静圧軸受け（図示せず）が、同様の配置で設けられている。Ｙテーブル５２とＸテーブル５３との間には、Ｘテーブル５３の駆動を行うための公知の構造のリニアモータ１３−２が配置されている。Ｘテーブル５３にはフレキシブル配管２１−２によって高圧ガスが供給され、静圧軸受けに高圧ガスを供給する。この高圧ガスが静圧軸受けからＸ方向ガイドの案内面に対して噴出されることによって、Ｘテーブル５３がＹ方向ガイドに対して高精度に非接触で支持されている。真空のワーキングチャンバ３１は、公知の構造の真空ポンプ等に接続された真空配管１９−２、２０ａ−２、２０ｂ−２によって排気される。配管２０ａ−２、２０ｂ−２の入口側（ワーキングチャンバ内側）は、固定テーブル５１を貫通してその上面において、ＸＹステージから高圧ガスが排出される位置の近くで開口しており、ワーキングチャンバ３１内の圧力が静圧軸受けから噴出される高圧ガスにより上昇するのを極力防止している。
荷電ビーム照射部７２の周囲には、差動排気機構２５−２が設けられ、ワーキングチャンバ３１内の圧力が高くても、荷電ビーム照射空間３０−２の圧力が十分低くなるように構成されている。すなわち、荷電ビーム照射部７２の周囲に取り付けられた差動排気機構２５−２の環状部材２６−２は、その下面（ウエハＷ側の面）とウエハとの間で微少隙間（数ミクロン〜数百ミクロン）４０−２が形成されるように、主ハウジング３０に対して位置決めされており、その下面には、環状溝２７−２が形成されている。環状溝２７−２は排気管２８−２により図示しない真空ポンプ等に接続されている。したがって、微少隙間４０−２は、環状溝２７−２及び排気口２８−２を介して排気され、ワーキングチャンバ３１から環状部材２６−２によって囲まれた荷電ビーム照射空間３０−２内にガス分子が侵入しようとしても、排気されてしまう。これにより、空間３０内の圧力を低く保つことができ、荷電ビームを問題なく照射することができる。
環状溝２７−２は、チャンバ内の圧力、荷電ビーム照射空間３０内の圧力によっては、二重構造或いは三重構造にしてもよい。
静圧軸受けに供給する高圧ガスは、一般に、ドライ窒素が使用される。しかしながら、可能ならば、更に高純度の不活性ガスにすることが好ましい。これは、水分や油分等の不純物がガス中に含まれると、これらの不純物分子が主ハウジング３０の内面やステージ装置５０の構成部品の表面に付着して真空度を悪化させたり、ウエハ表面に付着して荷電ビーム照射空間の真空度を悪化させてしまうからである。
なお、試料であるウエハＷは、通常、Ｘテーブル５３上に直接載置されるのでなく、ウエハを取り外し可能に保持したりＸＹステージに対して微少な位置変更を行うなどの機能を持たせたウエハ台すなわちホルダの上に載置されているが、ホルダの有無及びその構造は本願発明の要旨には関係ないので、上記説明においては、説明を簡素化するために省略している。
以上に説明した荷電ビーム装置では、大気中で用いられる静圧軸受けのステージ機構をほぼそのまま使用できるので、露光装置等で用いられる大気用の高精度ステージと同等の高精度のＸＹステージを、ほぼ同等のコスト及び大きさで荷電ビーム装置用のＸＹステージとして実現できる。
以上説明した静圧ガイドの構造や配置及びアクチュエータ（リニアモータ）はあくまでも一実施例であり、大気中で使用可能な静圧ガイドやアクチュエータであるならば、任意のものを適用可能である。
図２２は、差動排気機構の環状部材２６−２及び該部材に形成される環状溝２７−２の大きさの数値例を示している。この例では、環状溝は、２つの環状溝２７−２ａ及び２７−２ｂの二重構造を有しており、それらは半径方向に隔てられている。
静圧軸受けに供給される高圧ガスの流量は、通常、約２０Ｌ／ｍｉｎ（大気圧換算）程度である。ワーキングチャンバ３１を、内径５０ｍｍで長さ２ｍの真空配管を介して２００００Ｌ／ｍｉｎの排気速度を有するドライポンプで排気すると仮定すると、該チャンバ３１内の圧力は、約１６０Ｐａ（約１．２Ｔｏｒｒ）となる。この時、差動排気機構の環状部材２６−２及び環状溝等の寸法を、図２２に示したように設定することにより、荷電ビーム照射空間３０−２内の圧力を１０−４Ｐａ（１０−６Ｔｏｒｒ）にすることができる。
図２３は、図２１に示した実施形態におけるワーキングチャンバ３１に対する排気機構を示している。ワーキングチャンバ３１には、真空配管７４−２、７５−２を介して、ドライ真空ポンプ５３−２が接続されている。また、差動排気機構２５−２の環状溝２７−２は、排気口２８−２に接続された真空配管７０−２を介して、超高真空ポンプであるターボ分子ポンプ５１−２に接続されている。更に、鏡筒７１の内部は、排気口１８−２に接続された真空配管７１−２を介して、ターボ分子ポンプ５２−２に接続されている。これらのターボ分子ポンプ５１−２、５２−２は、真空配管７２−２、７３−２によって、ドライ真空ポンプ５３−２に接続されている。（図２３では、ターボ分子ポンプの粗引きポンプと真空チャンバの真空排気用ポンプを１台のドライ真空ポンプで兼用したが、ＸＹステージの静圧軸受けに供給する高圧ガスの流量、真空チャンバの容積や内表面積、真空配管の内径や長さに応じて、それらを別系統のドライ真空ポンプで排気する場合もある。）
ＸＹステージの静圧軸受けには、フレキシブル配管２１−２、２２−２を通して、高純度の不活性ガス（Ｎ２ガス、Ａｒガス等）が供給される。静圧軸受けから噴出したこれらのガス分子は、ワーキングチャンバ３１内に拡散し、排気口１９−２、２０ａ−２、２０ｂ−２を通して、ドライ真空ポンプ５３−２によって排気される。また、差動排気機構や荷電ビーム照射空間に侵入したこれらのガス分子は、環状溝２７−２或いは鏡筒７１の先端部から吸引され、排気口２８−２、１８−２を通って、ターボ分子ポンプ５１−２、５２−２によって排気され、そしてその後、ドライ真空ポンプ５３−２によって排気される。このようにして、静圧軸受けに供給された高純度不活性ガスは、ドライ真空ポンプに集められて排出される。
一方、ドライ真空ポンプ５３−２の排気口は、配管７６−２を介して圧縮機５４−２に接続され、圧縮機５４−２の排気口は、配管７７−２、７８−２、７９−２及びレギュレータ６１−２、６２−２を介して、フレキシブル配管２１−２、２２−２に接続されている。このため、ドライ真空ポンプ５３−２から排出された高純度不活性ガスは、圧縮機５４−２によって再び加圧され、レギュレータ６１−２、６２−２で適正な圧力に調整された後、再びＸＹテーブルの静圧軸受けに供給される。
なお、静圧軸受けに供給されるガスは、上述したように、できるだけ高純度でかつ水分や油分が極力含まれないようにする必要があるため、ターボ分子ポンプ、ドライポンプ及び圧縮機は、ガス流路に水分や油分が混入しないような構造であることが求められる。また、圧縮機の排出側配管７７−２の途中にコールドトラップやフィルタ等（６０−２）を設け、循環するガス中に混入した水分や油分等の不純物質をトラップして、静圧軸受けに供給されないようにすることも有効である。
こうすることによって、高純度不活性ガスを循環させて再利用できるので、高純度不活性ガスを節約でき、また、本装置が設置された部屋に不活性ガスをたれ流さないので、不活性ガスによる窒息等の事故が発生する恐れもなくすことができる。
循環配管系には高純度不活性ガス供給系６３−２が接続されており、該不活性ガス供給系は、ガスの循環を始める際に、ワーキングチャンバ３１や真空配管７０−２〜７５−２及び加圧側配管７６−２〜８０−２を含む全ての循環系に高純度不活性ガスを満たす役割と、何らかの原因で循環するガスの流量が減少した際に不足分を供給する役割とを担っている。
また、ドライ真空ポンプ５３−２に大気圧以上まで圧縮する機能を持たせることによって、ドライ真空ポンプ５３−２と圧縮機５４−２を１台のポンプで兼ねさせることも可能である。更に、鏡筒７２の排気に用いる超高真空ポンプには、ターボ分子ポンプの代わりにイオンポンプやゲッタポンプ等のポンプを使用することも可能である。ただし、これらの溜込み式ポンプを用いた場合は、この部分には循環配管系を構築することはできないことになる。また、ドライ真空ポンプの代わりに、ダイヤフラム式ドライポンプ等、他方式のドライポンプを使用することももちろん可能である。
上記した荷電ビーム照射部の構造及び排気機構によれば、ステージ装置を真空のワーキングチャンバ内で高精度に位置決めすることができ、また、照射部の圧力が上昇しにくいため、高精度の画像データを得ることができる。また、これらの構造は、図８に示した電子線装置の実施形態だけではなく、以下に説明する実施形態及びそれらの変形にも適用できることは勿論である。
次に、本発明に係る電子線装置の、図８に示した実施形態以外の種々の実施形態について説明する。
図２４は、本発明に係る電子線装置に提要可能な電子光学系７０の実施形態を示している。この実施形態においては、電子銃がマルチビームを発生するために複数のエミッタ１−３、２−３、３−３、すなわちマルチエミッタを備えた構造であり、しかも、これらエミッタの１つが故障した場合でも、所望の検査を行うことができるようにしたものである。各エミッタから放出された電子線は、コンデンサレンズ４−３、６−３で集束され、クロスオーバを開口９−３に形成する。そして、マルチビームである一次電子線の像は、さらに対物レンズ８−３を介してウエハＷの面上に結像される。
ウエハＷから放出された二次電子線は、対物レンズ８−３が作る加速電界でそれぞれが細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器１０−３で偏向されて一次光学系から分離される。そして、拡大レンズ１１−３、１２−３によって拡大されて、同一円上に開口が設けられたマルチ開口板１３−３を通過し、検出器１４−３、１５−３、１６−３で検出され、電気信号が生成される。生成された電気信号は、画像処理部（不図示）において処理される。
図２５〜図２７を参照して、電子銃のエミッタチップすなわち電子線放出源３２−３の配列を説明する。
図２５に示す例では、これらエミッタチップ３２−３は、Ｙ軸方向に直線的に並べられて複数のエミッタチップ群３３−３を形成している。該エミッタチップ群３３−３は、光軸Ｃ−３を中心とした同一円３１−３上に配置されており、光軸Ｃ−３と直交するＸ軸方向（一次電子線がウエハＷ上で走査される方向）の線に投影したときに、その投影されたエミッタチップ群のＸ方向間隔がほぼ等間隔をなすように設定されている。この配置関係は、図９の［Ａ］を参照して説明した場合と同様である。図示しないが、これらエミッタチップ群３３−３のエミッタチップ３２−３は、それぞれ電源に並列に接続されており、１つのエミッタチップを任意に選択して該チップのみに電圧を印加することにより、選択されたエミッタチップのみから電子線を放出できる。エミッタチップ群３３−３は、相互の間隔が上記の通りであるので、各エミッタチップ群の上記選択されたエミッタチップから放出される電子線のＸ軸方向での間隔は等しくなり、従って、これら電子線をＸ軸方向に、当該電子線のウエハ面上での照射スポット間の間隔だけ走査することにより、（スポット間の間隔）×（エミッタチップの数）だけの幅の走査が行われることになる。各エミッタチップは、好ましくは、円錐、四角錐等の形状である。
図２６の例では、エミッタチップ群３３−３は、同一円周３１−３上に配置された複数エミッタチップチップ３２−３から構成されており、図２６の場合と同様に、各エミッタチップ群の任意の１つのエミッタチップに電圧を印加することができるようになっている。エミッタチップの選択によっては、電圧が印加されるエミッタチップのＸ軸方向での間隔が少々ばらつくので、走査幅は、図２５に関して述べたスポット間の間隔よりも余裕を持たせて大きくする必要がある。
図２７に示す別の例では、エミッタチップチップ群３３−３は３×３のマトリックス状に配置されたエミッタチップで構成されている。このようにすると、図２６のエミッタチップの配列に比べて、走査幅の余裕はあまり必要ではなく、像面湾曲も最小限にできる。
図２４〜図２７を参照して説明した電子光学系７０においては、電子銃が複数のエミッタチップ群を備え、かつ各エミッタチップ群から任意に選択された１つのエミッタチップに電圧を印加して電子線を発生するよう構成されているので、のいずれかのエミッタチップに故障が生じても、同一群の他のエミッタチップを用いて電子線を発生させることができる。したがって、エミッタチップの故障によるトラブルを回避することができる。
図２８は、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系７０のさらに別の実施形態を示している。この実施形態においては、一次電子ビームをマルチビーム化し、かつ、一次電子ビームの収差の内、最も大きい収差である像面湾曲収差を抑圧できるようにしたものである。該電子光学系７０においては、電子銃１−４の中心にはＬａＢ６単結晶がマルチビームエミッタとなるよう加工されたカソード２−４が配置されている。カソードから放出された電子線はコンデンサレンズ３−４で集束され、クロスオーバを形成する。レンズ３−４とクロスオーバの間に第１のマルチ開口板４−４が設けられ、カソード２−４からの各ビームの強度が強い場所に、開口がほぼ一致するように配置されている。マルチ開口板を通過したビームは、２段の縮小レンズ５−４、７−４で縮小され、さらに対物レンズ１０−４で縮小されて、ウエハＷに結像される。図２８において、６−４及び８−４は、第１及び第２の縮小像を示している。
ウエハＷから放出された電子線は、対物レンズ１０−４が作る加速電界で細く集束され、Ｅ×Ｂ分離器９−４で偏向されて一次光学系から分離され、拡大レンズ１２−４、１３−４で拡大されて、同一円上に開口が設けられた第２のマルチ開口板１４−４を通過して検出器１５−４で検出され、電気信号に変換される。得られた電気信号は、画像処理部（不図示）において信号処理される。
電子銃１−４は、熱電子放出型のＬａＢ６単結晶カソードで構成され、該カソード２−４の詳細な先端形状を、図２９（正面図）、及び、図３０（側面図）に示している。該カソードは、全体的には２ｍｍφの円柱形のＬａＢ６単結晶から作られており、図示のように、その先端を４５°の角度２２−４に削り、さらに先端面２４−４にその周縁に沿った三角形状断面の環状突起２３−４を残し、そして、該環状突起を切削して４５°の斜面２６−４を有する四角錐をなす突起すなわちエミッタ領域２５−４を複数形成している。これらエミッタ領域は、先端面２４−４の中心線（一次電子光学系の光軸に一致する）と直交するＸ軸方向（一次電子線がウエハ上で走査される方向）の線に投影したときに、その投影されたエミッタ領域のＸ軸方向間隔がほぼ等間隔をなすように設定されている。この配置関係は、図９の［Ａ］を参照して説明した場合と同様である。各エミッタ領域間の領域及びエミッタ領域より内側の先端面２４−４から電子が放出されないように、エミッタ領域先端とこれら領域との間の高さの差を十分にとってある。
図２９及び３０に示したカソード構造を有する電子銃は、図２８に示した第３の実施形態の電子光学系の電子銃として用いることができるだけでなく、図８に示した第１の実施形態の電子光学系の電子銃として用いることができ、さらには、以下に説明する電子光学系７０の他の実施形態の電子銃として用いることができる。
図２８〜図３０を参照して説明した電子線装置の電子光学系においては、単一の電子銃によってマルチビームを適正に発生させることができる。また、像面湾曲をほぼ補正することができるので同一収差で多くのビームを発生でき、検査装置のスループットを大幅に向上させることができる。
図３１〜図３３は、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０に適用可能な電子銃の別の実施形態を示した平面図及び側面図（一部断面図）であり、これら図においては、電子銃の電子線放出領域を構成するカソード及びウェーネルト近傍を拡大して示している。この実施形態の電子銃もまた、本発明に係る電子線装置の実施形態の電子銃として使用することができる。この実施形態の電子銃は、高性能のマルチビームを生成することができ、しかも、電子銃のカソードと制御電極との位置合わせを容易に行うことができるものである。
図３１及び図３２に示すように、この実施形態の電子銃１−５は、円柱形のカソード本体２−５と、そのカソード本体２−５の先端部を囲むように配置された制御電極すなわちウェーネルト５−５とを備えている。円柱状カソード２−５の先端には複数（本実施形態では６個）の電子線放出領域を形成するエミッタ３−５が形成されている。これらのエミッタ３−５は、カソード２−５の先端をテーパー状（角錐状）に加工して尖らせた尖端４−５を有し、該先端から電子線を放出する。エミッタ３−５のカソード先端上の位置は、各エミッタの尖端４−５をＸ軸上に投影した位置の、互いに隣接する位置間の距離Ｌｘが全て等しくなるように予め決められている。この関係は、図９の「Ａ］を参照して説明した場合と同様である。また、全てのエミッタ３−５の尖端は、図３２に示すように、同一平面Ｐ１−Ｐ１上に位置するように形成されている。二次元的なビーム間距離、すなわちエミッタ３−５の尖端間の二次元的な距離を互いに等しくすることはできないが、図３１に示すように、一つのエミッタ３ａ−５の尖端と電子銃１−５の光軸を成すカソード２−５の軸線０−０とを結ぶ線とＸ軸との成す角度θを最適に選ぶことによって、エミッタ３ａ−５の尖端と隣接するエミッタ３ｂ−５及び３ｆ−５の尖端との間の周方向の距離ｄ１及びｄ２を互いに等しくすることができる。制御電極すなわちウェーネルト電極５−５は、図３２から明らかなように、一端が端壁６−５により閉鎖された筒状になっており、その端壁６−５には、貫通する穴すなわち開口７−５が各エミッタ３に対応して形成されている。ウェーネルト電極の開口は、全てのエミッタを囲むような寸法の１個の開口であってもよい。
カソードの先端に形成する電子線放出領域すなわちエミッタの数は、２個以上の任意の複数にすることができる。また、エミッタの形状は、図３１及び図３２に示された角錐形状に限られず、尖端から電子線を放出できる形状であれば、例えば円錐形等の任意形状でよい。カソード及びウェーネルトは、従来の電子銃のそれらと同じ材料で形成することができる。更に、ウェーネルトに形成される開口７の大きさは、適宜決定可能である。
エミッタ３−５に関して穴７−５を正確に位置決めする必要があるが、該位置決めは、図３３に示した位置合わせ機構により実行される。図３３において、ウェーネルト電極５−５は、円筒状の支持体８−５の先端に取り付けられている。この支持体８−５内には、位置合わせ機構を構成するベースプレート１１−５が配置されている。ベースプレート１１−５は、絶縁材料でつくられていて、支持体８−５の底板９−５に螺合された複数（この実施形態では、Ｘ、Ｙ軸線上にそれぞれ２個ずつ配置されて４個であるが、Ｘ軸線上の２個のみ図示）の調整ねじ１２ａ−５、１２ｂ−５の上に載せられている。ベースプレート１１−５と支持体８−５に固定されたばね受け１５−５との間には、ばね（この実施形態では、板ばね）１４−５が配置され、ベースプレート１１−５は、そのばねにより、常時調整ねじ１２ａ−５、１２ｂ−５側に押圧されている。このばね及びばね受けは、調整ねじ１２ａ−５、１２ｂ−５に対応した位置に配置されていることが好ましい。支持体８−５には、複数個（この実施形態では、Ｘ、Ｙ軸線上にそれぞれ２個ずつ配置され４個であるが、Ｘ軸線上の２個のみを図示）の調整ねじ１３ａ−５−８ｂ−５が螺合されている。調整ねじ１２ａ−５、１２ｂ−５はベースプレート１１−５の上下方向の位置を調整し、調整ねじ１３ａ−５、１３ｂ−５はベースプレート１１−５のＸ、Ｙ軸方向位置を調整する。カソード２−５は、ベースプレート１１−５の上に複数の取り付け部材１７−５を介して固定されている。１８−５は、カソードを加熱するための加熱用のパイロリックグラファイトである。
なお、この実施形態では、ばねとして板ばねを採用しているが、コイルばねでも或いは弾性変形可能なその他の任意の弾性体でもよい。
図３３に示した位置合わせ機構において、全てのエミッタ３−５とウェーネルト電極５−５の全ての穴すなわち開口７−５とは、ウェーネルト電極５−５に関するカソード２−５の回転方向（図３３の軸線０−０を中心とする回転方向）、Ｘ軸方向（図３３で紙面の左右方向）、Ｙ軸方向（図３３で紙面の垂直方向）、及び傾きを合わせることにより、同時に位置合わせがされるように、予めウェーネルト及びカソードの加工が行われている。回転方向の位置合わせについて考えると、ウェーネルト電極５−５に関するカソード２−５の相対回転ができないように製造すれば、加工時の精度で決まる範囲内に誤差を押さえることができる。
Ｘ軸方向の調整は、Ｘ軸線上に配置された一対の調整ねじ１２ａ−５及び１２ｂ−５で行い、Ｙ軸方向の調整は、Ｙ軸線（図３３では、軸線０−０に交差し、かつ紙面に直交する軸線）上に配置された一対の調整ねじ（図示せず）で行う。平面Ｐ１−Ｐ１（図３２）と、開口のある平面（ここでは、端壁の上面が位置する面）平面Ｐ２−Ｐ２（図３２）との傾きが狂うと、カソードとウェーネルトとのＺ軸方向（図３３の紙面で上下方向）距離が変わるので、調整ねじ１２ａ−５、１２ｂ−５、及び図示しない二つの調整ねじ（紙面に垂直方向に配置された二つの調整ねじ）によって、調整される。
このような電子銃によれば、マルチエミッタの各エミッタとウェーネルトの開口との相対位置をシングルビームの場合と同じにできるので、マルチビームの各ビームの強度をシングルビームの場合とほぼ同様にすることができる。
図３４〜図３８は、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０に適用可能な電子銃のさらに別の実施形態を説明するための図である。この実施形態の電子銃もまた、先に説明した電子光学系７０の実施形態の他、以下に説明する電子光学系の実施形態の電子銃として適用可能である。この実施形態の電子銃は、時間的変動が小さい比較的大きいビーム電流のマルチビームを放出できる。
図３４の［Ａ］及び図３５は、電子銃に使用するカソード１−６の前端部の平面図及び側面図を示している。カソード１−６は、単結晶ＬａＢ６の（１００）面を端面とする外径ｄ１のＬａＢ６の円柱体１０−６を加工して形成される。この円柱体の端面を鏡面状に研磨すると共に、該端面と直角な面であってカーボンで押さえる二つの面も平行平面に研磨する。このＬａＢ６の円柱体１０−６をカソードとして加工する場合、ジグボーラを使用するが、そのジグボーラにドリルの代わりに図３６に示す構造を有する砥石で作った工具ａ−６を取り付け、この工具ａ−６により、所定数（この実施形態では、６個）の円錐形の突起すなわちエミッタ１２−６が光軸を中心とした円１５−６上に形成されるように、削り取る。このエミッタ１２−６の先端１３−６は、図３４の［Ｂ］に示すように、強い電子ビームを放出できる放出領域を形成している。また、この先端１３−６には、図３６に示しかつ後述する工具ａ−６の構造からわかるように、工具で切削されずに円筒体の研磨した端面で構成される極小さな平坦面（１０〜５０μｍφ）が残されていて、ここから電子ビームが放出される。エミッタ１２−６の数は、この実施形態では６本の電子ビームを発生できるように６個であり、また、エミッタ１２−６の位置は、各エミッタ１２−６の中心すなわち先端１３−６の位置をＸ軸上に投影した点の、隣接する点間の間隔Ｌｘが全て等しくなるように決められている。これは、図９の［Ａ］に関連して説明した場合と同様である。このエミッタの位置は、ジグボーラの精度を上限として正確に決めることができる。Ｘ軸と一つのエミッタ１２−６ａの先端１３−６及びカソードの軸線０−０（図３５）を通る線の成す角度θを最適化することにより、電子ピーム間の間隔の最大値Ｌ１と最良値Ｌ２との比を１．０に近づけるようにした。これは、光軸を中心とする円の直径を種々に変え、間隔Ｌｘの値を固定して作図を行うことにより、最適化することができる。
図３６に示した工具ａ−６は、円柱状の砥石の一端側（図３６の［Ｂ］において下端側）にジグボーラに取り付けるための小径の取り付け部ｄ−６を形成すると共に、他端側の端面ｂ−６には円錐形の穴ｃ−６が形成されている。端面ｂ−６及び円錐形の穴ｃ−６を形成する円錐面は、ＬａＢ６の円柱体１０−６の端面を切削する切削面を構成している。工具ａ−６には、更に、円錐形の穴ｃ−６の先端から工具の軸方向に貫通する軸方向孔ｅ−６が形成されている。この孔は、光を通して正しい位置にエミッタを構成する円錐状の突起が形成されているかを確認するためのものである。また、この孔から冷却剤や研磨剤を流入してもよい。この工具ａ−６で切削した場合、前述のように、円錐の先端は軸方向孔の存在により切削されずに小さな研磨された平面が残る。また、砥石の代わりに、金属にダイヤモンド粒子を埋め込んだ切削工具でもよい
図３７及び図３８は、図３４及び図３５に示したカソード１−６とウェーネルト２−６とを組み合わせた構造を示している。ウェーネルト２−６は、カソード１−６の円周を囲む円筒部２１−６と端面を囲む端壁２２−６とを備えている。端壁２２−６には、カソードのエミッタの先端１３−６の位置に整合された複数（この実施形態では６個）の貫通する穴２３−６が形成されている。ウェーネルト２−６の穴２３−６近傍の等電位面は、点線Ｅｖで示したように、穴２３−６の位置でエミッタ側に凹んでいるので、エミッタから放出された電子ビームが引き出される。カソード１−６の端部（エミッタの先端領域を除いて）をウェーネルト２−６の端壁２２−６で囲んでいるので、円筒体１０−６の端面に削り残し部分１６−６が存在していても、その位置に対応するウェーネルトの端壁に穴がないので、電子ビームが外に放出されることはなく、したがって、穴２３−６に面する以外の位置におけるカソードの形状は、どのようになっていてもかまわない。
要するに、エミッタとして円錐形のＬａＢ６が精度良く残り、そして、エミッタの先端に前述の極小さな研磨された平坦面（１０〜５０μｍφ）が残されていればよい。また、エミッタの円錐の斜面には、切削跡が残っていてもよい。さらに、各エミッタの先端の平坦面の面積にはバラツキがあってもよく、全て（この実施形態では６個）の平坦面の総面積が、１００μｍ２以下であればよい。
なお、電子銃の上記実施形態では、エミッタの形状を円錐形にした場合について説明したが、円錐形に限られず角錐（例えば四角錐）形にしてもよい。
上記した電子銃においては、目が細かい砥石で研磨して加工するので、ＬａＢ６のような硬くてもろい結晶体であっても、加工が可能である。また、エミッタの位置精度はジグボーラの精度で決定されるので、５０μｍ程度の精度を得ることができる。さらに、エミッタ先端の平坦面は、最初の鏡面加工時に加工されるのみであるから、光軸方向の位置及び面粗度が高精度に保たれる。さらにまた、ウェーネルトの開口に面する部分以外のカソード部分は、どのような形状でもよいので、カソードを製造しやすい。
図３９〜図４２は、本発明に具備される電子光学系７０に適用可能な電子銃のさらに別の実施形態を示している。この実施形態の電子銃もまた、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０の電子銃として用いることができる。また、この電子銃の実施形態は、マルチビームを放出するカソードの製造が容易となり、かつ、強度バラツキがないマルチビームを放出できるものである。
図３９は、この実施形態の電子銃のカソードの先端形状を示したものであり、［Ａ］はその上面図、［Ｂ］は［Ａ］における線Ｂ−Ｂの断面図、［Ｃ］は［Ａ］における線Ｃ−Ｃの断面図である。図３９に示したカソードの製造方法について説明する。まず、端面の結晶方位が＜３１０＞のＴａ（タンタル）単結晶を用い、その一面を鏡面研磨して鏡面２−７（図３９の［Ｂ］及び［Ｃ］）を形成する。そして、鏡面２−７と直交度のよい２つの面１−７（図４０）を形成し、該面１−７をグラファイトで挟んで加熱する。その後、鏡面２−７に、カソード用の突起を形成する位置に、放射方向（半径方向）に１０μｍの巾を有する円周を残して、鏡面２−７に対して約４５°の角度で両側を削り取る。これにより、図３９の［Ｂ］に示すように、半径方向幅が１０μｍの鏡面円周を有し、相対角度すなわち頂角が約９０°の対抗する２つの傾斜面３−７を有する畝状体が形成される。
次に、直交するＸ軸及びＹ軸を決め、これら２つの軸と角度φをなす方向Ｘ’及びＹ’を定める。Ｘ軸は電子ビームの走査方向であり、Ｙ軸はそれと直交する方向である。φは、例えば約５°である。そして、畝状体の円周上に、Ｘ’及びＹ’方向と交わる４つの点Ｐ１〜Ｐ４をマーキングし、かつ、さらに別の４つの点Ｐ５〜Ｐ８をマーキングする。このとき、これら８つの点Ｐ１〜Ｐ８をＸ軸上への投影した場合に等間隔となるように（図９の［Ａ］に示した場合と同様）、角度φの値及び点Ｐ５〜Ｐ８を位置決めする。そして、点Ｐ１〜Ｐ８を頂点とし、底面がほぼ矩形の４角錐台形状の突起を８個、畝状体（図３９の［Ａ］）を研削することにより形成する。このとき、形成される突起は、図３９の［Ｃ］に示すように、頂面は方位方向（円周方向）の幅が５０μｍであり、新たな研削により形成される２つの傾斜面４−７は、鏡面２−７に対して約４５°の角度を有し、したがって、２つの傾斜面の相対角度すなわち頂角は約９０°に設定されている。
以上のようにして、頂面が１０μｍｘ５０μｍの矩形形状を有する４角錐台形状の８個の突起であって、Ｘ軸上に投影した場合に、図４０に示すように、等間隔に配列された８個の突起が形成される。
Ｔａは、単結晶が比較的安価に入手できしかも加工が容易であるので、カソードの製造が容易である。また、仕事関数が４．１ｅＶと比較的高いが、カソード温度を高くすれば、使用可能である。
図４１は、図３９及び図４０に示したカソードを備えた電子銃の主要部を示しており、２４−７はグラファイト、２５−７は支持電極、２６−７はウエーネルト電極である。カソードは、グラファイト２４−７で挟み込まれ、支持電極２５−７で支持されている。カソード全面をカバーするウエーネルト電極２６−７には、カソードの突起に対応して８個の穴２６ａ−７〜２６ｈ−７が開けられ、支持電極２５−７をＸ及びＹ軸方向に調整することにより、各穴の中心に突起の中心が来るように位置合わせされる。
さらに、ウエーネルト電極２６−７の面とカソード先端を結んだ面との平行度は精度が必要であり、すなわち、ウエーネルト電極２６−７の穴の面とカソードの光軸方向の距離が８個の突起すべてについてほぼ同一である必要があるので、支持電極２５−７には、カソードの傾斜を調整する装置（不図示）を設けている。また、光軸方向の距離の絶対値を合わせるために、ウエーネルト電極２６−７を光軸方向に移動させる装置（不図示）を設けている。
図４２は、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０に適用可能な電子銃のさらに別の実施形態を説明するための図である。この実施形態の電子銃もまた、本発明に係る電子線装置の電子光学系７０の電子銃として用いることができる。また、この実施形態は、マルチビームを放出するカソードの製造が容易となり、かつ、強度バラツキがないマルチビームを放出できるものである。図４２は、この実施形態の電子銃のカソードのみを示しており、図４２において、［Ａ］はカソードの平面図、［Ｂ］は［Ａ］の線Ｂ−Ｂの断面図である。図４２の［Ａ］において、２１−７は単結晶Ｈｆ（ハフニウム）の円柱であり、端面の結晶方位が＜１００＞のものを用意し、４ｍｍ直径の円周上に、図３９の場合と同様に、８個の突起２２−７を残すように表面を加工した。ただし、この場合、各突起２２−７は、その頂上に図４２の［Ｂ］に示すように、約３０μｍ直径の平坦部を残し、また、約９０°の頂角の円錐台形とした。平坦部は、突起の加工を行う前に端を鏡面研磨しておき、これにより、８個の平坦部はすべて同一平面形状に保たれている。なお、Ｈｆの仕事関数は３．４ｅＶと低いので、Ｔａより低い温度で電子放出が可能である。
図４２に示した構造のカソードを、図４１に示した電子銃に組み入れ、支持電極２５−７をＸ及びＹ軸方向に調整することにより、各穴の中心に突起の中心が来るように位置合わせされる。また、図４１に関連して説明したように、支持電極２５−７によりカソードの傾斜を調整し、また、光軸方向の距離の絶対値を合わせるために、ウエーネルト電極２６−７を光軸方向に移動調整させる。
図３９〜図４２を参照して説明した２つの電子銃の実施形態においては、カソードに８個の突起を設けて８個の電子ビームを放出できるように構成されているが、８個に限らず任意数の突起を設けることが可能であることは言うまでもない。また、突起の先端の平面の大きさを上記した例に限定することなく、適宜の大きさに設定することができるが、直径が５０μｍ以下、又は放射方向の幅が１０μｍ以下で方位方向の幅が１００μｍ以下に設定することが好ましい。
上記した電子銃においては、マルチビーム放出用カソードを加工が容易な単結晶のＴａで形成した場合は、カソードの製造が容易となり、また単結晶のＨｆで形成した場合は、カソードの仕事関数を低くすることができ、単結晶を用いているので、材質のバラツキがなく、よってマルチビームの強度にバラツキが少ない。
これまで記載したマルチビーム放出用カソードの材料とその先端形状は、単一ビーム放出用のカソードにも適用可能である。
図４３は、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系７０の他の実施形態を、その制御装置であるＣＰＵ１５−８とともに示している。この実施例においては、電子銃１−８のショットキーシールド１ａ−８内に、Ｚｒ−Ｗの熱電界放出カソード２−８が配置される。このカソード２−８は、先端をショットキーシールド１ａ−８から少し突出させることにより、先端から光軸に平行の電子線を放出する。本発明においては、カソード２−８をショットキーシールド１ａ−８からより多く下方へ出すことにより、カソード上部の＜１００＞の４つの面からの電子線が放出されやすいようにする。
カソード上部の４つの面から放出される電子線は、加熱部に近いため、その輝度は、カソード先端から放出される電子線より大きい（強い）特徴を有する。カソード上部の４つの面びカソード先端から放出される５本の電子線をコンデンサレンズ３−８で集束させ、開口板５−８の開口５ａ−８においてクロスオーバーを結ばせる。コンデンサレンズ３−８の下方に隣接して、第１のマルチ開口板４−８を配置する。第１のマルチ開口板４−８は、図４４に示すように、光軸を中心とする円周を４等分した位置に５μｍφの小穴４ａ−８を有する。小穴４ａ−８は、カソード上部の４つの面から放出される４つの強い電子線をそれぞれ通過させる。第１のマルチ開口板４−８は、光軸上を進む電子線を遮断する。
第１のマルチ開口板４−８上の４個の小穴４ａ−８は、図４４に示すように、隣接する小穴４ａ−８の間隔Ｄが等しく、Ｘ軸方向へ投影すると隣接する小穴４ａ−８の３つの間隔Ｌｘは、同一であるように設定されている（図９の［Ａ］の場合と同様）。４個の小穴４ａ−８を通過した電子線は、縮小レンズ６−８及び対物レンズ８−８で縮小される。それにより、例えば１／５０の縮小率の場合は、１００ｎｍφの電子線がウエハＷの表面で得られる。またウエハの表面上で１００μｍの間隔の電子線にしたい場合は、開口４−８の小穴４ａ−８のＸ軸方向への投影した小穴間隔Ｌｘを５ｍｍにすればよい。
この１／５０の縮小率は、縮小レンズ６−８及び対物レンズ８−８の励起を僅かに変化させることにより、大きく変えることが可能である。一次電子線の照射によって発生した二次電子は、対物レンズ８−８で加速され、拡大レンズ１０−８及び１１−８により、検出用の第２マルチ開口板１２−８の小穴に拡大結像される。
第２マルチ開口板１２−８の近くへ来た二次電子は、検出器１３−８に印加された高電圧が小穴から漏れることによる凸レンズ作用により、ほとんど全て小穴を通過し、４個の検出器１３−８で検出され、画像形成装置１４−８で画像化される。異なるチップの対応する場所の画像を比較することにより、欠陥検出等を行うことができる。
図４３に示した電子線装置において、４つの一次電子の照射により発生される二次電子がクロストークしないためには、一次電子線の間隔Ｄ（図４４）を、二次光学系のウエハ位置換算でのビームボケＰと一次電子線の後方散乱電子の拡がりＱの和（Ｐ＋Ｑ）より大きく取れば良い。和（Ｐ＋Ｑ）は、一次電子線のエネルギに依存して変化するから、高エネルギの一次電子線を入射させる場合は、一次電子線の間隔Ｄを大きくすることが必要である。このための調整は、ＣＰＵ１５−８の指令により、縮小レンズ６−８の励起を焦点距離が長くなる方へ調整して、縮小率を１に近づける方向へ調整すればよい。これらの調整パラメーターは、ＣＰＵ１５−８に付属するメモリに記憶させ、指示のため必要に応じて取出して使用される。
なお、縮小レンズの調整によりクロストークを防止することは、図４３に示した電子線装置にかぎらず、本明細書において開示した他の実施形態の電子線装置の電子光学系及びそれらの変形例においても、適用可能である。
図４５及び図４６は、本発明に係る電子線装置を用いてウエハの画像情報を得る場合に、ウエハＷの表面２３−８より深い場所の情報が得られる原理を説明する図である。図４５の右方部分に示すように、一次電子線２４−８は、ウエハＷの表面２３−８の下方にタングステン等の異なる材質のパターン２５−８がある場所を走査するときは、表面２３−８への入射点から二次電子２７−８を放出させると共に、パターン２５−８により後方散乱された一次電子の反射電子２７−８がウエハの表面へ出るときに二次電子２６−８を発生させる。図４５の左方部分に示すように、一次電子線２１−８は、表面２３−８の下方にパターン等のない位置を走査するときは、表面２３−８から二次電子２２−８を放出させる。
図４６は、横軸に一次電子のエネルギを取り、縦軸に二次電子の発生量を示すグラフである。二次電子２２−８又は２７−８は、図４６のグラフの左方部分にピーク値を有する強度分布を示し、一方、二次電子２６−８は、右方部分にピーク値を有する強度分布を示す。したがって、二次電子２２−８、２７−８をオフセットとして除去すると、二次電子２６−８、即ちウエハＷの表面より下層の情報のみが得られる。
なお、ウエハの深部から放出される二次電子２６−８は、一次電子線のエネルギがある程度以上でないと発生しないため、一次電子線のエネルギは、１００ｋＶ程度に大きくすることが必要である。１００ｋＶ程度のエネルギは、一次電子線がウエハの深部のパターンで反射し表面に戻ったときにまだエネルギを持っている値に相当する。深くない位置のパターン情報を得たい場合は、一次電子線のエネルギは、より小さいもので良い。またウエハの表面の評価を行う場合は、０．５ｋｅＶ程度が良い。即ち、表面からの深さに依存して一次電子のエネルギを０．５ｋｅＶから１００ｋｅＶの範囲で適宜変えればよい。
図４３〜図４６を参照して説明した電子線装置においては、高スループットを実現することができるとともに、一次電子線のエネルギを目的に応じて設定することができるので、試料すなわちウエハの損傷を最小限とすることができる。
ところで、マルチビームを使用した従来の電子線装置の電子光学系では、マルチビームは、ウエハＷに対して斜め方向から入射されてしまうため、各ビームにより生成されるビーム・スポットは、ビームの入射方向すなわちビームをウエハ上に投影した方向に長い楕円形状となり、したがって、長手方向の分解能が劣化してしまうという問題があった。また、ステージを連続移動させる電子線装置においては、ステージを定速度で移動しようとしても、速度にムラが生じてしまう。ステージ速度にムラが生じると、ウエハ面の位置に適切に対応する画素データを得ることができないため、適切な評価を行うことができなかった。さらに、ステージは金属部品等を通常含んでいるが、このようなステージが移動する際、電子光学系の偏向器が作る磁場との相互作用により、金属部品内に渦電流が生成され、その渦電流が磁場を発生するため、電子ビームの偏向方向を変化させてしまうという問題があった。
図４７は、上記した従来例の問題点を解決することができる、本発明に係る電子線装置の実施形態を示している。この実施形態は、図８に示した電子線装置の電子光学系７０に、レーザミラー２０−９、レーザ干渉系２１−９、偏向量補正回路２２−９、及び二次電子偏向器２３−９を付加し、二次光学系の拡大レンズ７４２を取り除いたものである。したがって、図８の電子線装置と同一の構成要素及び動作については説明を省略し、新たに追加された構成要素に関連する動作について説明する。
図４７において、ウエハＷを載置したステージ装置５０のＹテーブルがＹ軸方向に連続移動されると、該移動速度及び現在位置は、レーザミラー２０−９及びレーザ干渉計２１−９によって検出される。ステージ装置５０は、その大部分がセラミックス等の絶縁材料で形成されるが、ベアリング等の金属部品や表面のコーティング等には金属材料が使われている。
一方、電磁偏向器を含むＥ×Ｂ偏向器７２５は、比較的大きい静磁場を発生させる。この静磁場はステージ装置５０上まで広がっているので、Ｙテーブルが高速で移動すると渦電流が発生する。そして、その渦電流により磁場が生成され、その結果、一次電子線及び二次電子線が不所望に偏向されてしまう。一次電子線が不所望に偏向されると、該電子線が目的とした位置から外れた位置に照射されてしまい、また、二次電子線が不所望に偏向されると、二次電子線が第２のマルチ開口板７４３の小開口から効率的に引き抜かれなくなってしまうか、あるいは、隣の開口へ混入してしまう。
上記した渦電流によって生じる磁場による一次電子ビーム及び二次電子ビームの偏向を補正するために、ステージの移動速度と一次電子ビーム及び二次電子ビームそれぞれの偏向量との関係を、実機テストにより予め測定し、それらの関係を偏向量補正回路２２−９中の補正偏向量テーブルに予め記憶している。偏向量補正回路２２−９は、制御装置２（図１）の一部として設けられ、レーザ干渉計２１−９で得られたＹテーブルの移動速度に基づいて、補正偏向量テーブルから一次電子線及び二次電子線の補正すべき偏向量を検索し、これに対応して、静電偏向器７２５及び２３−９を制御して、一次電子線及び二次電子線の偏向量を補正する。これにより、一次電子線及び二次電子線が本来の偏向値となるので、目的の照射位置及び検出位置に到達可能となる。
また、ステージ装置５０のＹテーブルが連続移動中で画像データを作成中に、偏向量補正回路２２−９がステージ速度にムラがあることを検出すると、該回路は、それを位置変動に換算し、かつ位置変動を補正する。位置変動は、速度ムラを時間で積分することによって得られる。また、位置変動の補正は、位置変動量を偏向感度で割り算することによって得られた電圧を、その符号を反転させて、一次光学系中の静電偏向器（Ｅ×Ｂ偏向器７２５中及び７２７）、及び静電偏向器２３−９に供給することによって、実行される。
なお、一次電子線の偏向量の補正のための静電偏向器は、縮小レンズ７２４より後方に位置するため、偏向量を変化させても縮小レンズ７２４迄の光路は変化せず、したがって、補正によって一次電子線の強度が変化することはない。同様に、二次電子線の偏向量の補正のための静電偏向器２３−９は、二次光学系の拡大レンズ７４１より後方に位置するので、補正を行っても、二次電子線のボケが増加することはない。
図４７に示した電子線装置においては、ステージの移動に伴う過電流による一次及び二次電子線の不所望の偏向を補正することができ、よって、試料の適切な位置に対応した画像データを得ることができる。また、ステージ速度にムラが生じても、補正を行うことができる。さらに、試料上に照射された一次電子線の間隔を、二次光学系の分解能よりも大きくなるように設定することにより、マルチビームを用いても、クロストークの発生を低減することができる。
図４８は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示している。この実施形態は、図８に示した電子光学系７０に、標準マーク４９−１０を用いてビーム径の調整を行う装置を追加したものである。したがって、図８の実施形態と同様な構成要素及び動作については、詳細な説明を省略する。
すなわち、従来例の電子線装置は、細かいパターンを検査したり、粗いパターンを検査したり、検査対象のパターン寸法が変化してもピクセル寸法を変えることがないため、検査対象によってはピクセル寸法が小さ過ぎて検査に長時間を要したり、逆にピクセル寸法が大き過ぎて解像度が十分得られないという欠点があった。さらに、従来例の電子線装置は、ビーム径を大きくする場合、ビームをわざとぼかしてビーム径を拡大していたため、ビーム径を大きくした際のビーム電流が大きくなる利点を全く利用しておらず、ビーム径を大きくした時のＳ／Ｎ比の損失が大きいという欠点があった。図４８に示した電子線装置は、これらの問題点を解決することができるものである。
図４８に示した電子線装置においては、検出器７６１で検出された信号は、画像処理部７６３で処理され、制御装置２（図１）内のＣＰＵ４１−１０の制御の下で画像記憶装置４３−１０に記憶される。そして、モニタ４５−１０に表示され、標準パターンあるいは異なるウエハの同じダイの画像データと比較することによって、欠陥検出等の評価がおこなわれる。
図８に示した電子線装置の電子光学系７０に関連して述べたように、第１のマルチ開口板７２３の開口を通過した一次電子線をウエハＷの面上に合焦させ、該ウエハから放出された二次電子線を検出器７６１に結像させる際、一次光学系および二次光学系で生じる歪みや像面湾曲による影響を最小にするよう特に配慮する必要がある。また、複数の一次電子線の間隔と二次光学系との関係については、上記したように、一次電子線の間隔を、二次光学系の収差よりも大きい距離だけ離せば複数のビーム間のクロストークを無くすことができる。
図４９は、ステージ装置５０上に搭載された複数のパターンサイズの標準マーク４９−１０のレイアウトを示している。図において４９−１０ａは０．０５μｍのＬ＆Ｓパターン（ｌｉｎｅ ａｎｄ ｓｐａｃｅ パターン）であり、４４９−１０ｂは０．１μｍのＬ＆Ｓパターンである。このように被評価パターンの線幅に対応する標準マークがＸＹステージ上に何種類か設置されている。図４９では、代表的に二種類の標準マークのみを示している。
検査等を行う前に、ステージ装置５０のＸＹステージを移動させて、ウエハＷの被検出パターンのサイズに合致する標準マーク４９−１０を選択して一次光学系の光軸に合わせ、そして、以下の手法によりビーム径を変更して、被検出パターンの寸法に応じた最適のビーム径またはビーム電流を選択する。
すなわち、電子銃７２１のウェーネルトに与えるバイアス電圧を変えることにより電子銃からのビーム輝度を変えることによって、ビーム径を変えることができる。ウェーネルトのバイアスを浅くすれば、電子銃の電流が増えて輝度が大きくなり、マルチビームの電流が大きくなる。マルチビームのビーム電流が大きくなると、空間電荷効果のためにビーム径は大きくなる。
また、ビーム径を変える他の方法として、ビーム縮小率を縮小レンズ７２４と対物レンズ７２６とをズームレンズとして動作させ、ビーム寸法を変化させることができる。この場合にも、ビーム電流を大きくするには縮小率を１に近づける方向に調整するため、ビーム径も大きくなる。しかし、この場合は、マルチビームのビーム間隔も同じ割合で変化するので、ビーム間隔を変えたくない場合は、ウェーネルトのバイアスを変える方法を採用するのが良い。
図５０は、標準マーク４９−１０ａ、４９−１０ｂをマルチビームで走査した時の一つの検出器で検出される信号をモニタ４５−１０で観測した波形を示す。［ａ−１］〜［ａ−３］は、標準マーク４９−１０ａをビーム寸法を種々変えて走査した時の信号を示し、［ｂ−１］〜［ｂ−３］は、標準マーク４９−１０ｂをビーム寸法を変えて走査した時の信号を示す。
［ａ−１］は、ビーム径を線幅よりも大きくした場合の信号であり、この場合はビーム電流が大きいにも拘わらず、線幅よりも大きい寸法のビームで走査しているため、信号のコントラストＳはあまり大きくなく、しかも、ビーム電流が大きいために雑音Ｎは大きい値になっており、Ｓ／Ｎ比はほぼ３．４である。
［ａ−３］は、ビーム径が小さ過ぎる場合の信号であり、この場合は忠実な波形（矩形波に近い）が出ているが、ビーム電流が小さいため信号のコントラストＳは大きくない。また、雑音Ｎはビーム電流が小さいことに対応して小さく、Ｓ／Ｎ比はほぼ６．２５である。
［ａ−２］は、ビーム径が丁度良い場合で、この場合はビームのボケが妥当な値であリビーム電流も比較的大きく、また、大きいコントラストＳの信号が得られおり、Ｓ／Ｎ比はほぼ１２．３である。
［ａ−２］と［ａ−３］のどちらが良いかは、（コントラスト／雑音）比の大きい方を選べばよい。図示の例では、４９−１０ａのマークの場合は、［ａ−２］のパターンが得られたビーム径を選択すればよい。
４９−１０ｂのマークでも同様の校正をおこない、この線幅に適したビーム寸法またはビーム径を選択する。図示の例では、［ｂ−２］のパターンが得られたビーム径を選択すればよい。
このようにして、評価すべきパターン寸法に応じて、検出器で検出した二次電子信号のＳ／Ｎ比が最大となるようにビーム径またはビーム電流を選択すればよい。より具体的には、ピッチが異なる規則的な標準パターンがＸＹステージ上に配置されており、その規則的な標準パターンを走査した時の信号波形を記憶する装置を有し、その信号波形から信号の振幅（Ｓ）を算出する装置と、雑音の振幅（Ｎ）を算出する装置と、Ｓ／Ｎ比を算出する装置とを有し、ビーム径を複数種類設定し、それらのビーム径で評価すべきパターンの最小線幅の２倍のピッチを有する規則的なパターンを走査し、Ｓ／Ｎ比を算出してＳ／Ｎ比が最大となるビーム径を選択すれば、評価すべきパターンの全てに対して高Ｓ／Ｎ比の評価をおこなうことができる。
なお、規則的な標準パターンとして、ＸＹステージ上のものを用いる代わりに、検査すべきウエハから標準的なパターンを探して用い、、それについて同様に（信号／雑音）比を調べてもよい。なお、上記本発明による方法はビームが必ずしもマルチビームである必要はなく、単一ビームを使用して走査する場合のパターン評価にも適用可能である。
図４８〜図５０を参照して説明した電子線装置においては、走査速度を大きくしても必要なＳ／Ｎ比を得ることができ、また、平均化処理を行わなくても、高いＳ／Ｎ比を得ることができる。また、被評価パターンに応じてＳ／Ｎ比が最大となるようにビーム径又はビーム電流を選択することができるので、被評価パターンの大きさに拘わらず、高分解能で高スループットを実現することができる。
図５１は、本発明に係る電子線装置のさらに別の実施形態を示している。この電子線装置は、図８に示した実施形態の電子光学系を用い、そして、過多の電子線照射を防止するための装置を付加したものである。したがって、図８の実施形態と同一の構成要素及び動作については説明を省略し、新たに付加した装置についてのみ詳細に説明する。
図５１において、２６−１１は、円周上の一次電子線の照射点から放出された二次電子のうち、直径上の２点のもので、ウエハＷ面に垂直方向に放出された二次電子の軌道を示す。これらの軌道が光軸と交わる位置に絞り２８−１１を設け、収差がウエハ面換算で一次電子線のビーム間隔の最小値より小さくなるようにした。また、図５１において、７３０は、ウエハＷ上のパターンの電位を測定すための軸対称電極である。
一次電子線の照射量の制御について説明する。走査のフライバック時に偏向器３５−１１でマルチビームを偏向し、ブランキング用のナイフエッジ３７−１１でビームを遮断すると同時に、このナイフエッジに吸収される電流を電流計３９−１１で測定し、照射量算出回路４１−１１で単位面積当りの照射量を算出する。この値は、ＣＰＵ４３−１１を通じて記憶装置４５−１１に記憶される。照射量算出回路４１−１１、ＣＰＵ４３−１１、及び記憶装置４５−１１は、制御装置２（図１）に含まれている。
さらに、得られた単位面積当りの照射量があらかじめ決められた値、例えば２μｃ／ｃｍ２以上になった場合、ＣＰＵ４３−１１からの指令により、電子銃制御電源４７−１１を制御して、ウェーネルト電極７２１ｂに印加する電圧を下げ、これにより、ビーム電流を小さくして照射量を低下させる。また、制御が追いつかず、単位面積当りの照射量が、例えば３μｃ／ｃｍ２を超えてしまった場合には、該当する照射領域に関する照射量データを出力装置４９−１１から出力するのみで、評価は続行する。この場合、図５２の上方に示すように、ウエハ全面をＣＲＴに表示し、照射量が過多の領域を色付けし、オペレータに対して表示する。さらに、単位面積当りの照射量がより大きい値、例えば５μｃ／ｃｍ２を超えた場合は、評価を一旦停止する。
図５２は、ウエハＷへの照射量の測定を説明した図である。ウエハＷは多数のチップ５３−１１に分割され、各チップは、ステージ連続移動方向（図示例ではＹ軸方向）に平行なストライプと呼ばれる領域５５−１１に分割され、ストライプ幅で移動しながら画像データを得る。ストライプの拡大図が図５２の下方に示されている。ストライプ５５−１１内には、一次光学系で形成された９個のマルチビーム５６−１１がＸ軸方向に、例えば１００μｍで等間隔で配置されており、これらのビームをＸ軸方向に１０２μｍ幅の走査を行う（図中、５８−１１で示した範囲）。１００μｍ両側の各１μｍ幅は、隣のビームあるいは隣のストライプとの重複する走査領域である。
画像データの取得中のある時間でみると、９本のマルチビーム５６−１１は、５７−１１で示された９００μｍ×９００μｍ角の領域にすべて入っている。この領域を単位面積とし、画像データの取得中に、単位面積当りのビーム電流が異常に大きくなったとき、５７−１１で示した９００μｍ×９００μｍの単位面積当りのビーム電流が通常の大きさの何倍に大きくなったかを、出力装置４９−１１で出力する。
ビーム電流は、上述したように、走査のフライバッグ時にナイフエッジ３７−１１に吸収される電流を測定することによって実行される。該測定は、例えば、１０μｓの間ビームを走査して画像データを得た後、１μｓの間電流を測定し、再び１０μｓの間画像データを得た後、１μｓの間電流を測定するという具合に、周期的に画像データ取得と電流測定とを繰り返す。そして、測定した電流があらかじめ決めた値より高くなった時間のみ、これを異常電流として出力する。例えば、図５２中、５９−１１で示したチップの黒く塗りつぶした領域の画像データを取得中に、ビーム電流が規定値を超えていれば、該当領域を色付けしてモニタに表示する。
上記したビーム電流の規定値は、実際の集積回路あるいはＴＥＧ（Ｔｅｓｔ Ｅｌｅｍｅｎｔ Ｇｒｏｕｐ）において、照射量とゲート酸化膜の破壊との実験データに基づき、かつ十分な安全係数をかけた値として決定することができる。
また、単位面積当りのビーム電流が、規定値よりは低く設定される通常値から増加し始めた場合、図５１の電子銃ウェーネルト電極７２１ｂに印加する電圧を増大し電子銃電流を小さくして、ビーム電流を下げるようにする。
上記した第７の実施形態の電子線装置においては、一次光学系のレンズ条件とは独立して二次光学系の合焦条件や拡大率を調整することができる。また、試料目への単位面積当たりの照射量に上限を設けているので、試料の性能や信頼性に影響を及ぼすことがない。さらに、簡単な操作でビーム電流を調整することができる。
図５３は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示している。この電子線装置においては、図８に示した電子線装置において、対物レンズとウエハとの間に減速電界を印加する装置を付加するとともに、ウエハの放電を防止する装置を付加したものである。したがって、図８の電子線装置と同様な構成要素及び動作についてはその説明は省略し、追加した装置について、詳細に説明する。
なお、一般に、対物レンズとウエハとの間に減速電界を印加して一次電子線の色収差、球面収差を小さくすることを利用し、また二次電子を加速することにより、二次電子の検出効率を上げることが知られている。しかしながら、試料がウエハであり、かつ、ウエハにビアが形成されている場合には、注意を要する。すなわち、対物レンズとウエハとの間に大きな減速電界を印加し、且つ、一次電子線をある一定値以上流すと、ビアと対物レンズの間で放電が生じてしまい、ウエハに形成されたデバイスパターンを破損してしまう恐れがある。このような放電を起こしやすいウエハと起こしにくいウエハとがあり、それぞれのウエハにおける放電が生じる条件（減速電界電圧値および一次電子線量）は異なっている。
図５３に示した電子線装置の電子光学系７０においては、対物レンズ７２６は静電レンズとして構成され、該レンズののいずれかの電極には正の高電圧が印加されている。一方、ウエハＷには負の高電圧が電圧源２０−１２によって印加されている。これにより、対物レンズ７２６とウエハウエハＷとの間には、減速電界が形成される。
ウエハＷがビア付きである場合、ビアに一次電子線が入射すると、ビアはタングステン等の高原子番号金属でできているので、多量の二次電子を放出することになる。また、ビアの近傍は、サブミクロン径の尖った金属パターンであるため、減速電界により局部的にさらに大きい電界が生じている。これらの理由で、ビア付きのウエハは放電が非常に起こりやすい状況にある。
しかしながら、このような条件がそろっても、直ちに放電が起こるわけではない。まず、電界の大きい部分の残留気体が局所的に発光する、コロナ放電が起こり、次いで火花放電という過渡状態を経て、アーク放電に移行する。本明細書では、このコロナ放電の時期から火花放電の始めにかけてを「放電の前駆現象」と呼ぶ。この放電の前駆現象の時期で、ビーム電流を下げて一次電子線を一定量以下にするか、または、対物レンズ７２６とウエハＷとの間の減速電界電圧を下げることにより、あるいは、これら双方の処置を行うことにより、アーク放電に至ることは避けられ、ウエハの破壊も防止できることが判明した。
また、放電を起こしやすいウエハと起こしにくいウエハとでは、どの程度の減速電界電圧および一次電子線量の場合に放電を起こさないかが異なるため、これらの値を低レベルに固定することなく、ウエハそれぞれについて、放電を起こさないための限界値を知ることが望ましい。
図５３に示した電子線装置においては、ウエハＷと対物レンズ７２６との間の放電あるいは放電の前駆現象を検出して信号を発生するための検出器として、光電子増倍管（ＰＭＴ）１９−１２およびウエハ電流計２１−１２が設けられている。ＰＭＴ１９−１２はコロナ放電およびアーク放電の発光を検出し、ウエハ電流計２１−１２はコロナ放電時およびアーク放電時の異常な電流を検出することができる。
放電前駆現象時に、ＰＭＴ１９−１２がコロナ放電の発光を検出するか、ウエハ電流計２１−１２が異常な電流を検出すると、これらの情報は、制御装置２（図１）中のＣＰＵ２２−１２に入力される。このときの減速電界の電圧および電子銃１のビーム電流値（一次電子線量に対応）が、放電を起こさない条件を判断する基礎データとなる。ＣＰＵ２２−１２は、発光または異常電流あるいはこれらの双方を示す入力に応答して、放電が生じないよう、減速電界の電圧２０−１２を下げるか、電子銃７２１にフィードバック信号を送ることにより、ビーム電流を下げて一次電子線を一定量以下にするなどの制御を行う。ＣＰＵ２２−２１は、これらの制御の双方を行ってもよい。
ＰＭＴ１９−１２およびウエハ電流計２１−１２は、双方が使用されることが好ましいが、その一方を省略することもできる。
図５４は、一枚のウエハＷ上におけるデバイスの配置を示す。円形のウエハＷから複数の長方形チップ３１−１２を取るのであるが、符号３２−１２、３３−１２で示すように、完全な１チップ分に満たない欠損チップが周辺の領域に存在する。これらの欠損チップ領域についてもまた、通常のリソグラフィを行い、各種プロセスも完全チップ３１−１２の領域と同様の処理が行われる。一方、これらの欠損チップは、製品として用いられることはないので、この領域が破壊されても問題はない。そこで、これらの欠損チップ３２−１２、３３−１２の領域を用いて、放電の前駆現象を検出するだけにとどまらず、破壊をおそれずに放電現象の検出まで行うようにすれば、放電を起さない条件をより正確に判断することができる。この場合、ＰＭＴ１９−１２はアーク放電の発光を検出し、ウエハ電流計２１−１２はアーク放電時の異常電流を検出してＣＰＵ２２−１２に信号を送ることになる。これにより、ＣＰＵ２２−１２は、放電を生じない限界値としての減速電界の電圧値およびビーム電流値（一次電子線量に対応）を正確に指示することができる。
図５３及び図５４を参照して説明した電子線装置においては、試料の放電特性に応じて放電を起こさない限界条件を設定することができるので、試料を破損から防止することができる。
図５５は、本発明に係る電子線装置のさらに他の実施形態を示している。この実施形態においては、図４３に示した電子線装置に、エネルギフィルタ装置を付加したものである。したがって、図４３の装置と同様の構成要素及び動作については、その説明を省略し、追加の装置に関連する事項ついてのみ、詳細に説明する。
図５５に示した電子線装置の電子光学系７０において、４本の一次電子線で照射されたウエハＷの表面の４個所から放出された二次電子は、対物レンズ８−８を構成する１つの電極１７−８に印加される正電圧によって引き出される。電極１７−８のウエハＷ側に軸対称に配置された電極１８−８にはウエハＷより低い電圧が印加され、引き出される二次電子にフィルタがかけられる。即ち、二次電子は、エネルギフィルタとして動作する電極１８−８が作る軸上のポテンシャルの障壁を越えられるか否かにより、対物レンズ８−８を通過するかウエハＷ側へ戻されるかが決まる。
ウエハＷの表面から放出される二次電子は、低電圧を持つパターンから放出されるものは、電極１８−８の作る障壁を通過するが、高電圧を持つパターンから放出されるものは、電極１８−８を通過できない。この違いにより、一次電子ビームが照射するウエハ上のパターンの電位が測定できる。
また、電子線照射によって電荷を付与する代わりに、電源１９−８によってコネクタ２０−８を通じてウエハＷに所定の電圧を印加し、ウエハＷの配線パターンの電圧又は電流を測定することにより、配線パターンの断線、短絡を判定することができる。この場合は、電荷を付与する時間を省略することができるので、高スループットを得ることができる。
図５５に示した電子線装置においては、試料であるウエハの配線パターンに対する電位を、コネクタから与えるか電子線から与えるかを選択することができるので、測定の自由度が増大する。また、エネルギーフィルタ（すなわち電極１８−８）が軸対称電極であり、光軸付近に大きい穴があるので、一次電子ビームを走査したとき、メッシュ電極を用いた場合の如き歪やボケの収差が生じない。
図５６は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示している。この実施形態においては、図８に示した電子線装置に、二次光学系の２つの拡大レンズ７４１、７４２の間に、静電偏向器２１−１４を設け、かつ該静電偏向器２１−１４により、該拡大レンズ７４２での軸合わせを行うことができるようにしたものである。
この図５６に示した電子線装置に関連して、ウエハＷの欠陥検査の処理について説明する。なお、以下に説明する本発明に係る欠陥検査処理は、本発明に係る任意の実施形態の電子光学系を用いた電子線装置においても適用可能であることは、言うまでもない。
まず、本発明にかかる欠陥検査処理を説明する前に、従来の欠陥検査処理を説明する。従来は、以下の方法が主流であった。
設計上同じダイが多数形成されたウエハにおいて、ダイ同士の二次電子画像を比較する。例えば、１番目に検出されたダイの二次電子画像及び２番目に検出された他のダイの二次電子画像が類似していない場合（即ち、二次電子画像同士の差分が基準値より大きい）、３番目に検出された別のダイの画像が１番目の画像と同じか又は類似（即ち、二次電子画像同士の差分が基準値より小さい）と判断されれば、２番目のダイが欠陥を有すると判定される。
同様の方法を、２以上のチップが形成されたマスク又はウエハにも適用することができる。この場合、これらチップで対応する同一箇所同士の二次電子画像を比較する。一方のチップと他方のチップとを比較して、同一箇所同士に差があれば、のいずれか一方に欠陥があると判定できる。また、残りのチップの同一箇所との比較で、最終的に、いずれのチップに欠陥があるかを高い確率で判定できる。
しかしながら、上記従来の欠陥検査装置では対応できない被検査対象が以下の通りに幾つか存在する。
（ｉ） マスクを検査対象とする場合、同一基板に２以上のチップが形成されたマスクでないと、欠陥の検査ができない。その一方で、そのような２個取りマスクは今後減少する傾向にある。
（ｉｉ） マスクからウエハへの転写時の近接効果の補正状況が適切であったか否かを検査したいとき、欠陥を検出することが困難となる。近接するダイ同士では、不適切な補正効果の場合でも同様な歪が再現性良く出てしまい、ダイ対ダイの相対比較では、欠陥の有無を判定できないからである。
（ｉｉｉ） マスクからウエハへの転写装置に固有の問題点の有無、例えば、ストライプつなぎが常にオーバーラップするとか、主視野間のつなぎに回転誤差が残っているとかの再現性のある問題点の有無を除去したいとき、このような欠陥を検出することが困難となる。（ｉｉ）の問題点と同様の理由からである。
本発明に係る欠陥検査所においては、以下に説明するように、理論上同一形態の異なる箇所同士の相対比較による欠陥検査を実行可能な欠陥検査方法及び装置において、このような相対比較では欠陥検査が不可能若しくは困難となるような被検査領域対象も欠陥検査できる。
図５６において、画像処理部７６３は、先に説明したように、検出器７６１からの電気信号に基づいて、ウエハＷ表面のパターン画像を生成するが、生成されたパターン画像は、欠陥検出部５０−１４に供給される。欠陥検出部５０−１４の機能ブロックを図５７に示す。図５７に示すように、欠陥検出部５０−１４は、各構成要素を制御・管理して、ウエハＷの欠陥を判定する制御回路５１−１４と、二次電子パターン画像に基づく比較処理を実行するパターン画像比較回路５２−１４と、二次電子パターン画像を記憶するパターン画像メモリ５３−１４と、ウエハＷに形成されたパターンの理論的データであるパターンデータを記憶するパターンデータメモリ５４−１４と、このパターンデータに基づいて、実際の二次電子パターン画像と比較されるべき理論的パターン画像を形成する理論的パターン画像形成回路５５−１４とを含む。
パターン画像比較回路５２−１４は、ウエハＷにおいて設計上同一である箇所（例えば、ウエハの場合のダイ）の二次電子パターン画像同士を比較する第１のモード、並びに、ウエハＷの特定箇所の実際の二次電子パターン画像と、当該箇所に相当する理論的パターン画像とを比較する第２のモードを有する。パターン画像比較回路５２−１４は、比較した両画像の差異を表す差分データ５９−１４を制御回路５１−１４に出力する。この差分データ５９−１４の値が小さいほど、比較した両画像が類似していることになるので、制御回路５１−１４は、この差分データ５９−１４によって両画像の一致、不一致を判定することができる。なお、パターン画像比較回路５２−１４が用いる二次電子パターン画像は、画像処理部１４−１４から直接送られてきたものでも、パターン画像メモリ５３−１４に記憶されているもののいずれでもよく、任意好適に切り替えることができる。
制御回路５１−１４には、比較判定結果等を表示するための表示部５７−１４が接続されている。表示部５７−１４は、ＣＲＴや液晶ディスプレイ等で構成することができ、欠陥パターン５８−１４、二次電子パターン画像、欠陥箇所の数などを表示することができる。
パターンデータメモリ５４−１４に記憶されたパターンデータは、例えばマスクパターン情報等であり、外部に設置された入力部５６−１４から得られる。この入力部５６−１４は、オペレータの指令を欠陥検出部５０−１４に入力したり、パターンデータを作成可能なソフトがインストールされたコンピュータ等で実現することができる。
次に、欠陥検出の処理の流れを図５８のフローチャートに従って説明する。最初に、ウエハＷのある被検査箇所の二次電子画像パターンが取得される（ステップＳ３００）。この工程の詳細は後述する。次に、ウエハＷがウエハ及びマスクのいずれであるかが判定される（ステップＳ３０２）。ウエハである場合、当該被検査箇所が、マスクからウエハへの転写時に転写光学系の歪、或いは、パターン形成時のチャージアップに起因して（第１の要因）パターン形成の歪が発生する可能性の高い箇所であるか否かが判定される（ステップＳ３０４）。このような箇所は、制御回路５１−１４のメモリに予めマップされているか、或いは入力部５６−１４からの情報から得られる。
当該被検査箇所が、上記第１の要因でパターン形成の歪が発生する可能性の高い箇所である場合（ステップＳ３０４の肯定判定）、パターン画像比較回路５２において、当該被検査箇所の二次電子画像パターンと、当該箇所に相当する理論的パターンとの比較演算（第２モード）が実行される（ステップＳ３１０）。比較演算後、両パターンの差分データ５９−１４が制御回路５１−１４に出力される。
当該被検査箇所が、上記第１の要因でパターン形成の歪が発生する可能性の高い箇所でない場合（ステップＳ３０４否定判定）、次の判定ステップＳ３０６に移行する。この工程では、当該被検査箇所が、マスクからウエハへの転写時の近接効果若しくは近接効果の補正が正しくないことに因るパターン形成の歪、或いは、ストライプつなぎ不良若しくは視野つなぎ不良（第２の要因）が発生する可能性の高い箇所であるか否かが判定される（ステップＳ３０６）。
当該被検査箇所が、上記第２の要因でパターン形成の歪が発生する可能性の高い箇所である場合（ステップＳ３０６肯定判定）、同様にして、パターン画像比較回路５２−１４において、当該被検査箇所の二次電子画像パターンと、当該箇所に相当する理論的パターンとの比較演算（第２モード）が実行される（ステップＳ３１０）。
当該被検査箇所が、上記第１及び第２の要因のいずれによるパターン形成の歪も発生する可能性が高くない箇所である場合（ステップＳ３０６否定判定）、理論上同一箇所同士の比較演算（第１モード）が実行される（ステップＳ３１２）。これは、前述したように、当該被検査箇所の二次電子画像パターンと、該箇所とは異なる領域であるが、理論上同じパターンが形成された箇所の二次電子画像パターンとを比較し、両者の差分データを出力する工程である。ウエハの場合、主としてダイ対ダイの比較となる場合が多い。
一方、ステップＳ３０２でウエハＷがマスクであると判定された場合、このマスクが、２個以上の同一チップが形成された２個取りマスクであるか否かが判定される（ステップＳ３０８）。２個取りマスクの場合（ステップＳ３０８での肯定判定）、２個以上の同形式チップに亘って理論上同一箇所同士の比較が行われる（ステップＳ３１２）。２個取りマスクでない場合（ステップＳ３０８での否定判定）、理論的パターン画像との比較が実行される（ステップＳ３１０）。
以上のような比較演算の後、制御回路５１−１４が、演算された差分データ５９−１４に基づいて欠陥の有無を判定する（ステップＳ３１４）。理論的パターン画像との比較の場合、差分データ５９−１４の値が所定の閾値以内に収まっている場合、「欠陥無し」と判定し、閾値を超えている場合、「欠陥有り」と判定する。
理論上同一箇所同士の比較の場合の判定方法は、以下の通りとなる。例えば、図５９も［Ａ］には、１番目に検出されたダイの画像３１−１４及び２番目に検出された他のダイの画像３２−１４が示されている。ダイ画像３１−１４とダイ画像３２−１４と非類似であり（即ち差分データ値が閾値を超える）、３番目に検出された別のダイの画像が１番目の画像３１−１４と同じか又は類似と判断されれば（即ち差分データ値が閾値以下）、２番目のダイ画像３２−１４が欠陥を有すると判定される。更に詳細な比較照合アルゴリズムを用いれば、２番目のダイ画像３２−１４の欠陥部分３３−１４を検出することも可能である。
欠陥判定の結果、欠陥有りと判定された場合（ステップＳ３１６肯定判定）、表示部５７−１４に、欠陥に関する情報を表示する（ステップＳ３１８）。例えば、欠陥の有無、欠陥数及び欠陥箇所に関する情報（位置）などがある。また、例えば図５９の［Ａ］の２番目のダイ画像３２−１４などの欠陥パターン画像を表示してもよい。この場合、欠陥部分をマーキング表示してもよい。
次に、ウエハＷの全被検査領域について検査終了したか否かが判定される（ステップＳ３２０）。検査が終了していない場合（ステップＳ３２０否定判定）、ステップＳ３００に戻り、残りの被検査領域について同様の処理を繰り返す。検査が終了した場合（ステップＳ３２０肯定判定）、本欠陥検査処理を終了する。
以上のように、本実施形態では、ウエハの欠陥検査を行う場合、先ず、ダイ対ダイで比較検査を行い（ステップＳ３１２）、このような比較検査ではダイ間で同様に欠陥が発生することに起因して欠陥が検出できないような箇所を、理論的パターン画像と比較する（ステップＳ３１０）。このような欠陥は、当該歪領域における全てのダイで再現性良く発生するので、ステップＳ３１０において、当該歪領域について１ダイ分、欠陥検出するだけで十分である。図５８のフローチャートでは、このように再現性のある欠陥が発生する箇所をステップＳ３０４及び３０６で判定している。
更に、本実施形態では、マスクに関しても、２個取りマスクであるか否かに関わりなく欠陥検出を実現することができる。
図５８のステップＳ３００の二次電子取得プロセスは、図８の第１の実施形態に関連して説明した通りであるので、説明を省略する。
欠陥検出部５０−１４は、以下のような欠陥検査を行うこともできる。
図５９の［Ｂ］には、ウエハ上に形成されたパターンの線幅を測定する例が示されている。ウエハ上の実際のパターン３４−１４を３５−１４の方向に走査したときの実際の二次電子の強度信号が３６−１４であり、この信号が予め較正して定められたスレッシホールドレベル（しきい値）３７−１４を連続的に超える部分の幅３８−１４をパターン３４−１４の線幅として測定することができる。このように測定された線幅が所定の範囲内にない場合、当該パターンが欠陥を有すると判定することができる。
図５９の［Ｃ］の線幅測定法は、ウエハＷが複数の層から形成されているときの各層間の合わせ精度の測定にも応用することができる。例えば、一層目のリソグラフィで形成される第１のアライメント用パターンの近傍に、２層目のリソグラフィで形成される第２のアライメント用パターンを予め形成しておく。これらの２本のパターン間隔を図５９の［Ｂ］の方法を応用して測定し、その測定値を設計値と比較することにより、２層間の合わせ精度を決定することができる。勿論、３層以上の場合にも適用することができる。この場合、第１及び第２のアライメント用パターンの間隔を、電子光学系７０の複数の一次電子線の隣接するビーム間間隔とほぼ等しい間隔に取っておけば、最小の走査量で合わせ精度を測定できる。
図５９の［Ｃ］には、ウエハ上に形成されたパターンの電位コントラストを測定する例が示されている。図５６に示した電子光学系７０において、対物レンズ７２６とウエハＷとの間に軸対称の電極４３０を設け、例えばウエハの電位０Ｖに対して電極７３０に−１０Ｖの電位を印加しておく。このときの−２Ｖの等電位面は、図５９の（ｃ）の４０−１４で示されるような形状とする。ここで、ウエハに形成されたパターン４１−１４及び４２−１４は、夫々−４Ｖと０Ｖの電位であるとする。この場合、パターン４１−１４から放出された二次電子は−２Ｖ等電位面４０−１４で２ｅＶの運動エネルギーに相当する上向きの速度を持っているので、このポテンシャル障壁４０−１４を越え、軌道４３−１４に示すように電極７３０から脱出し、検出器７６１で検出される。一方、パターン４２−１４から放出された二次電子は−２Ｖの電位障壁を越えられず、軌道４４−１４に示すようにウエハ面に追い戻されるので、検出されない。従って、パターン４１−１４の検出画像は明るく、パターン４２−１４の検出画像は暗くなる。かくして、ウエハＷの被検査領域の電位コントラストが得られる。検出画像の明るさと電位とを予め較正しておけば、検出画像からパターンの電位を測定することができる。そして、この電位分布を評価することにより、パターンの欠陥部分を検出することができる。
図５６において、ブランキング偏向器１７−１４を設け、この偏向器によって一次電子線をクロスオーバーＰ１近傍に設けられたナイフエッジ状ビームストッパー（図示せず）に所定周期で偏向させ、当該ビームを短時間のみ通して他の時間は遮断することを繰り返すことによって、短いパルス幅のビーム束を作ることが可能となる。このような短パルス幅ビームを用いて上記したようなウエハ上の電位測定等を行えば、高時間分解能でデバイス動作を解析可能となる。即ち、本欠陥検査を、いわゆるＥＢテスタとして使用することができる。
上記したように、試料における理論上同一形態の異なる箇所同士の画像を交互に比較するか、または、論理的な標準の画像と実施に得られた画像とを比較するかののいずれかを実行することができるので、再現性のある欠陥か否かに拘わらず、高精度及び高スループットで検査することができる。また、再現性のある欠陥と無い欠陥とを同一の装置で検査することができるので、クリーンルームのフットプリントを小さくすることができる。
図６０〜図６６を参照して、欠陥検査処理時に、一次電子線をウエハ表面の被検査領城を走査して取得した二次電子線の画像と、予め用意された基準画像との間に位置ずれが発生した場合でも、欠陥検出の精度の低下を防止するための処理について説明する。なお、このような位置ずれは、一次電子線の照射領域がウエハＷに対してずれ、検査パターンの一部が二次電子線の検出画像内から欠落するとき、特に大きな問題となり、単にマッチング領域を検出画像内で最適化する技術だけでは、対処できない。そして、これは、特に、高精細パターンの検査では致命的欠点となる。
図６０において、図８に示した電子線装置におけるマルチビーム型の電子光学系７０を用いた場合の欠陥検出装置について示している。この欠陥検査装置は、一次電子線を放出する電子銃１−１５、放出された一次電子線を偏向、成形させる静電レンズ２−１５、成形された一次電子線を電場Ｅ及び磁場Ｂの直交する場を通しウエハＷに略垂直に当たるようさせるＥ×Ｂ偏向器３−１５、一次電子線をウエハＷ上に結像させる対物レンズ１０−１５、ウエハＷを載置した状態で水平面内を移動可能なステージ装置５０、一次電子線の照射によりウエハＷから放出された二次電子線を拡大する静電レンズ６−１５、拡大された像をウエハＷの二次電子画像として検出する検出器７−１５、及び、装置全体を制御すると共に、検出器７により検出された二次電子信号から画像を形成し、該画像に基づいてウエハＷの欠陥を検出する処理を実行する制御部１６−１５を含んで構成される。制御部１６−１５は、制御装置２（図１）に含まれている。上記電子画像には、二次電子だけでなく散乱電子や反射電子による画像も取得できるが、ここでは二次電子画像を選択した場合を述べている。
また、対物レンズ１０−１５とウエハＷとの間には、軸対象電極１２−１５が介在されている。この軸対象電極１２−１５には、二次電子のフィルタ作用を制御する制御電源が接続されている。
検出器７−１５は、静電レンズ６−１５によって拡大された二次電子線を後処理可能な信号に変換することができる限り、任意の構成とすることができる。
制御部６−１５は、図６０に示したように、汎用的なパーソナルコンピュータ等から構成することができる。このコンピュータは、所定のプログラムに従って各種制御、演算処理を実行する制御部本体１４−１５と、本体１４−１５の処理結果を表示するモニタ１５−１５と、オペレータが命令を入力するためのキーボードやマウス等の入力部１８−１５とを備える、勿論、欠陥検査装置専用のハードウェア、或いは、ワークステーションなどによって制御部１６−１５を構成してもよい。
制御部本体１４−１５は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク、ビデオ基板等の各種制御基板等から構成される。ＲＡＭ若しくはハードディスクなどのメモリ上には、検出器７−１５から受信した電気信号即ちウエハＷの二次電子画像のデジタル画像データを記憶するための二次電子画像記憶領域８−１５が割り当てられている。また、ハードディスク上には、予め欠陥の存在しないウエハＷの基準画像データを記憶しておく基準画像記憶部１３−１５が存在する。更に、ハードディスク上には、欠陥検査装置全体を制御する制御プログラムの他、記憶領域８−１５から二次電子画像データを読み出し、該画像データに基づき所定のアルゴリズムに従ってウエハＷの欠陥を自動的に検出する欠陥検出プログラム９−１５が格納されている。この欠陥検出プログラム９−１５は、詳細を更に後述するように、基準画像記憶部１３−１５から読み出した基準画像と、実際に検出された二次電子線画像とをマッチングして、欠陥部分を自動的に検出し、欠陥有りと判定した場合、オペレータに警告表示する機能を有する。このとき、モニタ１５−１５に二次電子画像１７−１５を表示することにより警報してもよい。
欠陥検査処理において、先ず、図６１のメインルーチンの流れに示すように、検査対象となるウエハＷをステージ装置５０の上にセットする（ステップＳ４００）。これは、図１に示したように、ローダに多数格納されたウエハＷを、一枚毎に自動的にステージ装置５０にセットする形態であってもよい。
次に、ウエハＷ表面のＸＹ平面上で部分的に重なり合いながら互いから変位された複数の被検査領域の画像を各々取得する（ステップＳ４０４）。これら画像取得すべき複数の被検査領域とは、図６２に示すように、例えばウエハＷの検査表面３４−１５上に、参照番号３２−１５ａ、３２−１５ｂ、．．．３２−１５ｋ、．．．で示す矩形領域のことであり、これらは、ウエハの検査パターン３０−１５の回りで、部分的に重なり合いながら位置がずらされていることがわかる。例えば、図６３に示されたように、２５個の被検査領域の画像３２−１５（被検査画像）が取得されたとする。図６３に示す画像は、矩形の桝目が１画素（或いは、画素より大きいブロック単位でもよい）に相当し、このうち黒塗りの桝目がウエハ上のパターンの画像部分に相当する。このステップＳ４０４の詳細は、図６４のフローチャートで後述する。
次に、ステップＳ４０４で取得した複数の被検査領域の画像データを記憶部１３−１５に記憶された基準画像データと、各々比較照合し（図６１のステップＳ４０８）、上記複数の被検査領域により網羅されるウエハＷの検査面に欠陥が有るか否かが判定される。この工程では、いわゆる画像データ同士のマッチング処理を実行するが、その詳細については図６５のフローチャートで後述する。
ステップＳ４０８の比較結果より、上記複数の被検査領域により網羅されるウエハの検査面に欠陥が有ると判定された場合（ステップＳ４１２の肯定判定）、オペレータに欠陥の存在を警告する（ステップＳ４１８）。警告の方法として、例えば、モニタ１５−１５に欠陥の存在を知らせるメッセージを表示したり、これと同時に欠陥の存在するパターンの拡大画像１７−１５を表示してもよい。このような欠陥ウエハを直ちにウエハ室から取り出し、欠陥の無いウエハＷとは別の保管場所に格納してもよい（ステップＳ４１９）。
ステップＳ４０８の比較処理の結果、ウエハＷに欠陥が無いと判定された場合（ステップＳ４１２での否定判定）、現在検査対象となっているウエハＷについて、検査すべき領域が未だ残っているか否かが判定される（ステップＳ４１４）。検査すべき領域が残っている場合（ステップＳ４１４肯定判定）、ステージ５０駆動し、これから検査すべき他の領域が一次電子線の照射領域内に入るようにウエハＷを移動させる（ステップＳ４１６）。その後、ステップＳ４０４に戻って当該他の検査領域に関して同様の処理を繰り返す。
検査すべき領域が残っていない場合（ステップＳ４１４での否定判定）、或いは、欠陥ウエハの抜き取り工程（ステップＳ４１９）の後、現在検査対象となっているウエハＷが、最終のウエハであるか否か、即ちローダに未検査のウエハが残っていないか否かが判定される（ステップＳ４２０）。最終のウエハでない場合（ステップＳ４２０での否定判定）、検査済みウエハを所定の格納箇所に保管し、その代わりに新しい未検査のウエハをステージ装置５０にセットする（ステップＳ４２２）。その後、ステップＳ４０４に戻って当該ウエハに関して同様の処理を繰り返す。最終のウエハであった場合（ステップＳ４２０肯定判定）、検査済みウエハを所定の格納箇所に保管し、全工程を終了する。
次に、ステップＳ４０４の処理の流れを、図６４のフローチャートに従って説明する。図６４では、先ず、画像番号ｉを初期値１にセットする（ステップＳ４３０）。この画像番号は、複数の被検査領域画像の各々に順次付与された識別番号である。次に、セットされた画像番号ｉの被検査領域について画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）を決定する（ステップＳ４３２）。この画像位置は、被検査領域を画定させるための該領域内の特定位置、例えば該領域内の中心位置として定義される。現時点では、ｉ＝１であるから画像位置（Ｘ１，Ｙ１）となり、これは例えば図６２に示された被検査領域３２ａの中心位置に該当する。全ての被検査画像領域の画像位置は予め定められており、例えば制御部１６−１５のハードディスク上に記憶され、ステップＳ４３２で読み出される。
次に、図６０の偏向電極１３−１５を通過する一次電子線がステップＳ４３２で決定された画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の被検査画像領域に照射されるように、制御器１６−１５が偏向電極１９−１５及び３−１５に電位を加える（図６４のステップＳ４３４）。そして、電子銃１−１５から一次電子線を放出し、静電レンズ２−１５、Ｅ×Ｂ偏向器３−１５、対物レンズ１０−１５を通して、セットされたウエハＷの表面に照射する（ステップＳ４３６）。このとき、一次電子線は、偏向電極１９−１５及び３−１５の作り出す電場によって偏向され、ウエハＷの検査表面３４−１５（図６２）上の画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の被検査画像領域全体に亘って照射される。画像番号ｉ＝１の場合、被検査領域は３２ａ−１５となる。
一次電子線が照射された被検査領域からは二次電子及び／又は反射電子（以下、「二次電子」のみ称する）が放出される。そこで、発生した二次電子線を拡大投影系の静電レンズ６−１５により所定の倍率で検出器７−１５に結像させる。検出器７−１５は、結像された二次電子線を検出し、検出素子毎の電気信号即ちデジタル画像データに変換出力する（ステップＳ４３８）。そして、検出した画像番号ｉのデジタル画像データを二次電子画像記憶領域８−１５に転送する（ステップＳ４４０）。
次に、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップＳ４４２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉＭＡＸを越えているか否かを判定する（ステップＳ４４４）。このｉＭＡＸは、取得すべき被検査画像の数であり、図６３の上述した例では、「２５」である。
画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えていない場合（ステップＳ４４４での否定判定）、再びステップＳ３３２に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像位置（Ｘｉ＋１，Ｙｉ＋１）を再び決定する。この画像位置は、前のルーチンで決定した画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）からＸ方向及び／又はＹ方向に所定距離（ΔＸｉ，ΔＹｉ）だけ移動させた位置である。図６２の例では、被検査領域は、（Ｘ１，Ｙ１）からＹ方向にのみ移動した位置（Ｘ２，Ｙ２）となり、破線で示した矩形領域３２ｂ−１５となる。なお、（ΔＸｉ，ΔＹｉ）（ｉ＝１，２，．．． ｉＭＡＸ）の値は、ウエハＷの検査面３４−１５のパターン３０−１５が検出器７−１５の視野から実際に経験的にどれだけずれるかというデータと、被検査領域の数及び面積から適宜定めておくことができる。
そして、ステップＳ４３２〜４４２の処理をｉＭＡＸ個の被検査領域について順次繰り返し実行する。これらの被検査領域は、図６２に示すように、ｋ回移動した画像位置（Ｘｋ，Ｙｋ）では被検査画像領域３２ｋ−１５となるように、検査面３４−１５上で、部分的に重なり合いながら位置がずらされていく。このようにして、図６３に例示した２５個の被検査画像データが画像記憶領域８−１５に取得される。取得した複数の被検査領域の画像３２−１５（被検査画像）は、図６３に例示したように、ウエハＷの検査面３４−１５上のパターン３０−１５の画像３０ａ−１５を部分的若しくは完全に取り込んでいることがわかる。
インクリメントした画像番号ｉがｉＭＡＸを越えた場合（ステップＳ４４４の肯定判定）、このサブルーチンからリターンして図６１のメインルーチンの比較工程（ステップＳ４０８）に移行する。
なお、ステップＳ４４０でメモリ転送された画像データは、検出器７−１５により検出された各画素毎の二次電子の強度値（いわゆるベタデータ）からなるが、後段の比較工程（図６１のステップＳ４０８）で基準画像とマッチング演算を行うため、様々な演算処理を施した状態で記憶領域８−１５に格納しておくことができる。このような演算処理には、例えば、画像データのサイズ及び／又は濃度を基準画像データのサイズ及び／又は濃度に一致させるための正規化処理や、所定画素数以下の孤立した画素群をノイズとして除去する処理などがある。更には、単純なベタデータではなく、高精細パターンの検出精度を低下させない範囲で検出パターンの特徴を抽出した特徴マトリクスにデータ圧縮変換しておいてもよい。このような特徴マトリクスとして、例えば、Ｍ×Ｎ画素からなる二次元の被検査領域を、ｍ×ｎ（ｍ＜Ｍ，ｎ＜Ｎ）ブロックに分割し、各ブロックに含まれる画素の二次電子強度値の総和（若しくはこの総和値を被検査領域全体の総画素数で割った正規化値）を、各マトリックス成分としてなる、ｍ×ｎ特徴マトリックスなどがある。この場合、基準画像データもこれと同じ表現で記憶しておく。本発明の実施形態でいう画像データとは、単なるベタデータは勿論のこと、このように任意のアルゴリズムで特徴抽出された画像データを包含する。
次に、ステップＳ４０８の処理の流れを、図６５のフローチャートに従って説明する。先ず、制御部１６−１５のＣＰＵは、基準画像記憶部１３−１５から基準画像データをＲＡＭ等のワーキングメモリ上に読み出す（ステップＳ４５０）。この基準画像は、図６３では参照番号３６−１５で表される。そして、画像番号ｉを１にリセットし（ステップＳ４５２）、記憶領域８−１５から画像番号ｉの被検査画像データをワーキングメモリ上に読み出す（ステップＳ４５４）。
次に、読み出した基準画像データと、画像ｉのデータとをマッチングして、両者間の距離値Ｄｉを算出する（ステップＳ４５６）。この距離値Ｄｉは、基準画像と、被検査画像ｉとの間の類似度を表し、距離値が大きいほど基準画像と被検査画像との差異が大きいことを表している。この距離値Ｄｉとして類似度を表す量であれば任意のものを採用することができる。例えば、画像データがＭ×Ｎ画素からなる場合、各画素の二次電子強度（又は特徴量）をＭ×Ｎ次元空間の各位置ベクトル成分とみなし、このＭ×Ｎ次元空間上における基準画像ベクトル及び画像ｉベクトル間のユークリッド距離又は相関係数を演算してもよい。勿論、ユークリッド距離以外の距離、例えばいわゆる市街地距離等を演算することもできる。更には、画素数が大きい場合、演算量が膨大になるので、上記したようにｍ×ｎ特徴ベクトルで表した画像データ同士の距離値を演算してもよい。
次に、算出した距離値Ｄｉが所定の閾値Ｔｈより小さいか否かを判定する（ステップＳ４５８）。この閾値Ｔｈは、基準画像と被検査画像との間の十分な一致を判定する際の基準として実験的に求められる。距離値Ｄｉが所定の閾値Ｔｈより小さい場合（ステップＳ４５８での肯定判定）、当該ウエハＷの当該検査面３４−１５には「欠陥無し」と判定し（ステップＳ４６０）、本サブルーチンからリターンする。即ち、被検査画像のうち１つでも基準画像と略一致したものがあれば、「欠陥無し」と判定する。このように全ての被検査画像とのマッチングを行う必要が無いので、高速判定が可能となる。図６３の例の場合、３行３列目の被検査画像が、基準画像に対して位置ずれが無く略一致していることがわかる。
距離値Ｄｉが所定の閾値Ｔｈ以上の場合（ステップＳ４５８での否定判定）、画像番号ｉを１だけインクリメントし（ステップＳ４６２）、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）が一定値ｉＭＡＸを越えているか否かを判定する（ステップＳ４６４）。
画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えていない場合（ステップＳ４６４否定判定）、再びステップＳ３５４に戻り、インクリメントした画像番号（ｉ＋１）について画像データを読み出し、同様の処理を繰り返す。一方、画像番号ｉが一定値ｉＭＡＸを越えた場合（ステップＳ４６４肯定判定）、当該ウエハＷの当該検査面３４−１５には「欠陥有り」と判定し（ステップＳ４６６）、本サブルーチンからリターンする。即ち、被検査画像の全てが基準画像と略一致していなければ、「欠陥有り」と判定する。
図６０においては、第１の実施形態の電子光学系を用いて欠陥検査を行う例を示しているが、走査型の第１の実施形態のみならず、写像型の他の実施形態の電子線装置も利用可能であることは言うまでもない。この場合、図６４のステップＳ４３２の画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は、マルチビームを走査して得られる複数のライン画像を合成した二次元画像の中心位置に対応する。この画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）は、後の工程で順次変更されるが、これは、例えば偏向器７２７（図８）のオフセット電圧を変更することによって行う。偏向器７２７は、設定されたオフセット電圧の回りに電圧を変化させることによって、通常のライン走査を行う。勿論、偏向器７２７とは別体の偏向装置を設け、これにより画像位置（Ｘｉ，Ｙｉ）の変更を行ってもよい。
上記したように、試料上で部分的に重なり合いながら相互に変位された複数の検査領域の画像を取得し、これらの画像を基準の画像と比較することによって欠陥を検出するので、被検査画像と基準画像との位置による検査精度の低下を防止することができる。
検査されるウエハは、図１に関連して説明したように、大気搬送系及び真空搬送系を通して、超精密のＸＹステージ上に位置合わせ後、静電チャック機構等により固定され、以後、図６６の手順に従って欠陥検査等が行われる。図６６に示すように、まず、光学顕微鏡により、必要に応じて各ダイの位置確認や各場所の高さ検出が行われ、データが記憶される。光学顕微鏡は、この他に欠陥等を監視したい所の光学顕微鏡像を取得し、電子線像との比較等にも使用される。次にウエハの種類（どの工程後か、ウエハのサイズは２０ｃｍか３０ｃｍか等）に応じたレシピの情報を装置に入力し、以下、検査場所の指定、電子光学系の設定、検査条件の設定等を行なった後、画像取得を行ないながら、リアルタイムで欠陥検査を行なう。セル同士の比較、ダイ比較等が、アルゴリズムを備えた高速の情報処理システムにより検査が行なわれ、必要に応じて、検査結果をＣＲＴ等に出力したり、又は記憶装置に格納する。欠陥には、パーティクル欠陥、形状異常（パターン欠陥）、及び電気的（配線又はビア等の断線及び導通不良等）欠陥等が有り、これらを区別したり欠陥の大きさや、キラー欠陥（チップの使用が不可能になる重大な欠陥等）の分類を、自動的にリアルタイムで行うこともできる。電気的欠陥の検出は、コントラスト異状を検出することで達成される。例えば、導通不良の場所に電子線照射（５００ｅＶ程度）すると、通常正に帯電し、コントラストが低下するので、正常な場所と区別ができる。この場合の電子照射装置とは、通常、検査用の電子線照射装置以外に、電位差によるコントラストを際立たせるために別途設けた、低電位のエネルギの電子線発生装置（熱電子発生、ＵＶ／光電子）をいう。検査対象領域に検査用の電子線を照射する前に、この低電位エネルギの電子線を発生し照射している。検査用の電子線を照射すること自体で正に帯電させることができる写像投影方式の場合は、使用によっては、低電位の電子線発生装置を別途設ける必要はない場合もある。また、ウエハに、基準電位に対して正又は負の電位を印加すること等による（素子の順方向又は逆方向により流れ易さが異なるために生じる）コントラストの違いから、欠陥検出ができる。線幅測定装置及び合わせ制度装置にも利用できる。
なお、電子光学系７０が作動すると、近接相互作用（表面近くでの粒子の帯電）により、標的物質が浮遊して高圧領域に引きつけられるので、電子ビームの形成や偏向に使用される様々幅極には有機物質が堆積する。このように表面の帯電により徐々に堆積していく絶縁体は、電子ビームの形成や偏向機構に悪影響を及ぼすので、堆積した絶縁体は周期的に除去しなければならない。絶縁体の周期的な除去は、絶縁体の堆積する領域の近傍の電極を利用して、真空中で水素や酸素あるいはフッ素、及びそれらを含む化合物ＨＦ、Ｏ２、Ｈ２Ｏ、ＣＭＦＮなどのプラズマを作り出し、空間内のプラズマ電位を電極面にスパッタが生じる電位（数ｋＶ、例えば２０Ｖ〜５ｋＶ）に維持することにより、有機物質のみを酸化、水素化、フッ素化により除去することができる。
次に、本発明の電子線装置用いてプロセス途中又はプロセス後に半導体ウエハを評価する工程を含んだ半導体デバイスの製造方法について説明する。
図６７に示すように、半導体デバイス製造方法は、概略的に分けると、ウエハを製造するウエハ製造工程Ｓ５０１、ウエハに必要な加工処理を行うウエハ・プロセッシング工程Ｓ５０２、露光に必要なマスクを製造するマスク製造工程Ｓ５０３、ウエハ上に形成されたチップを１個づつに切り出し、動作可能な状態にするチップ組立工程Ｓ５０４、及び完成したチップを検査するチップ検査工程Ｓ５０５によって構成されている。各工程はそれぞれ、幾つかのサブ工程を含んでいる。
上記各工程の中で、半導体デバイスの製造に決定的な影響を及ぼす工程は、ウエハ・プロセッシング工程Ｓ５０２である。なぜなら、この工程において、ウエハ上に設計された回路パターンが形成され、かつ、メモリやＭＰＵとして動作するチップが多数形成されるからである。
このように半導体デバイスの製造に影響を及ぼすウエハ・プロセッシング工程のサブ工程において実行されたウエハの加工状態を評価することが重要であり、該サブ工程について、以下に説明する。
まず、絶縁層となる誘電体薄膜を形成するとともに、配線部及び電極部を形成する金属薄膜を形成する。薄膜は、ＣＶＤやスパッタリング等により形成される。次いで、形成された誘電体薄膜及び金属薄膜、並びにウエハ基板を酸化し、かつ、マスク製造工程Ｓ５０３によって作成されたマスク又はレチクルを用いて、リソグラフィ工程において、レジスト・パターンを形成する。そして、ドライ・エッチング技術等により、レジスト・パターンに従って基板を加工し、イオン及び不純物を注入する。その後、レジスト層を剥離し、ウエハを検査する。
このようなウエハ・プロセッシング工程は、必要な層数だけ繰り返し行われ、チップ組立工程Ｓ５０４においてチップ毎に分離される前のウエハが形成される。
図６８は、図６７のウエハ・プロセッシング工程のサブ工程であるリソグラフィ工程を示すフローチャートである。図６９に示したように、リソグラフィ工程は、レジスト塗布工程Ｓ５２１、露光工程Ｓ５２２、現像工程Ｓ５２３、及びアニール工程Ｓ５２４を含んでいる。
レジスト塗布工程Ｓ５２１において、ＣＶＤやスパッタリングを用いて回路パターンが形成されたウエハ上にレジストを塗布し、露光工程Ｓ５２２において、塗布されたレジストを露光する。そして、現像工程Ｓ５２３において、露光されたレジストを現像してレジスト・パターンを得、アニール工程Ｓ５２４において、現像されたレジスト・パターンをアニールして安定化させる。これら工程Ｓ５２１〜Ｓ５２４は、必要な層数だけ繰り返し実行される。
このような半導体デバイスの製造工程において、検査が必要な処理工程後に欠陥等の検査を行うが、一般に、電子線を用いた欠陥検査装置は高価であり、またスループットも他のプロセス装置に比べて低いために、最も検査が必要と考えられている重要な工程（例えば、エッチング、成膜（銅メッキを含む）、又はＣＭＰ（化学機械研磨）平坦化処理等）の後に使用することが好適である。
このように、本発明による処理が高スループットであるマルチビームの電子線装置を用いて、検査が必要な各工程が終了後に欠陥等の検査を行いつつ半導体デバイスを製造するので、半導体デバイスそのものの製造も、高スループットで行うことができる。したがって、製品の歩留まりの向上及び欠陥製品の出荷の防止を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に係る評価システムの主要構成要素を示す立面図である。
図２は、図１に示した評価システムの主要構成要素の平面図であって、図１の線Ｂ−Ｂに沿って見た図である。
図３は、ウエハ搬送箱とローダーとの関係を示す図である。
図４は、図１のミニエンバイロメント装置を示す断面図であって、図１の線Ｃ−Ｃに沿って見た図である。
図５は、図１のローダハウジングを示す図であって、図２の線Ｄ−Ｄに沿って見た図である。
図６は、ウエハラックの拡大図であって、［Ａ］は側面図であり、［Ｂ］は［Ａ］の線Ｅ−Ｅに沿って見た断面図である。
図７の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、主ハウジングの支持方法の変形例を示す図である。
図８は、図１に示した評価システムに適用可能な本発明に係る電子線装置の一実施形態を示す概略図である。
図９の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、図８に示した電子線装置の一次光学系及び二次光学系に使用されているマルチ開口板の開口の位置関係、及び一次電子線の走査方式を示す図である。
図１０の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、本発明に係る電子線装置に適用可能なＥ×Ｂ分離器の実施形態を示す図である。
図１１は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電位印加機構を示す図である。
図１２は、本発明に係る電子線装置に適用可能な電子ビームキャリブレーション機構を説明する図であって、［Ａ］は側面図であり、［Ｂ］は平面図である。
図１３は、本発明に係る電子線装置に適用可能なウエハのアライメント制御装置の概略説明図である。
図１４は、従来例の電子線装置におけるＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１５は、図１４に示したＸＹステージの底部の状態を示す図である。
図１６は、本発明に係る電子線装置に適用可能な一実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１７は、本発明に係る電子線装置に適用可能な別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１８は、本発明に係る電子線装置に適用可能なさらに別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図１９は、本発明に係る電子線装置に適用可能な他の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２０は、本発明に係る電子線装置に適用可能なさらに他の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２１は、本発明に係る電子線装置に適用可能な別の実施形態のＸＹステージと電子光学系の荷電ビーム照射部との関係を表す図である。
図２２は、図２１に示した実施形態に設けられる作動排出機構を示す図である。
図２３は、図２１に示した実施形態に設けられるガスの循環配管機構を示す図である。
図２４は、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系の一実施形態を示す概略図である。
図２５は、本発明に係る電子線装置の電子光学系において用いられる電子銃を構成するエミッタチップの配置例を示す図である。
図２６は、本発明に係る電子線装置の電子光学系において用いられる電子銃を構成するエミッタチップの他の配置例を示す図である。
図２７は、本発明に係る電子線装置の電子光学系において用いられる電子銃を構成するエミッタチップの他の配置例を示す図である。
図２８は、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系の別の実施形態を示す概略図である。
図２９は、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系に適用可能な電子銃のカソード先端部（エミッタ）の平面図である。
図３０は、図２９に示したカソードの側面図である。
図３１は、本発明の電子線装置に具備される電子光学系に適用可能な電子銃のカソード先端部の平面図である。
図３２は、図３１に示したカソードのエミッタとウェーネルトとの関係を示した側面図である。
図３３は、図３２に示したカソードのエミッタとウェーネルトの開口との位置合わせ機構を説明する断面図である。
図３４の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系に適用可能な電子銃のカソード先端部の平面図及びエミッタの側面図である。
図３５は、図３４に示したカソードの側面図である。
図３６の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、図３４及び図３５に示したカソードのエミッタを加工する工具の平面図及び側面図である。
図３７は、図３４に示したカソードとともに電子銃を構成するウェーネルトの平面図である。
図３８は、図３４に示したカソードと図３７に示したウェーネルトとを組み合わせた状態を示す断面図である。
図３９の［Ａ］−［Ｃ］はそれぞれ、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系に適用可能な電子銃のカソード先端部の平面図及びエミッタの側面図である。
図４０は、図４１に示した複数の突起からなるエミッタをＸ軸上へ投影した場合に等間隔になることを示す説明図である。
図４１は、図３９に示したカソードを組み込んだ電子銃の側面図である。
図４２の［Ａ］及び［Ｂ］はそれぞれ、本発明に係る電子線装置に具備される電子光学系に適用可能な電子銃のカソード先端部の平面図及びエミッタの側面図である。
図４３は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示す概略図である。
図４４は、図４３に示した電子線装置に具備される電子光学系の電子銃から放出されるマルチビームを、光軸に直交するＸ−Ｙ平面における断面で示す断面図である。
図４５は、本発明に係る、ウエハ等の試料の表面より深い位置の情報を得るための原理を説明するための説明図である。
図４６は、一次電子エネルギとそれにより発生する二次電子エネルギとの関係を示すグラフである。
図４７は、本発明に係る電子線装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図４８は、本発明に係る電子線装置の別の実施形態を示す概略図である。
図４９は、図４８に示した電子線装置のＸＹステージに載置された標準マークのレイアウトを示す説明図である。
図５０は、図４８に示した電子線装置を用いて標準マークを種々のビーム径で走査した場合の信号コントラストを示す波形図である。
図５１は、本発明に係る電子線装置のさらに別の実施形態を示す概略図である。
図５２は、本発明に係る電子線装置による照射量の測定を説明するための説明図である。
図５３は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示す概略図である。
図５４は、１枚のウエハ上におけるデバイスの配置を示す平面図である。
図５５は、本発明に係る電子線装置の他の実施形態を示す概略図である。
図５６は、本発明に係る電子線装置のさらに他の実施形態を示す概略図である。
図５７は、図５６に示した電子線装置の欠陥検出部（評価部）の機能ブロック図である。
図５８は、本発明に係る電子線装置において実行される欠陥検出処理のフローチャートである。
図５９の［Ａ］−［Ｃ］はそれぞれ、図５８に示した欠陥検出処理における、ダイ対ダイの比較による欠陥検出、線幅測定、及び電位コントラスト測定を説明するための説明図である。
図６０は、本発明に係る電子線装置の別の実施形態を示す概略図である。
図６１は、図６０に示した電子線装置を用いてウエハ検査を行う場合のメインルーチンを示すフローチャートである。
図６２は、ウエハ表面上で部分的に重なり合いながら総合に位置がずらされた複数の被検査領域を概念的に示す説明図である。
図６３は、図６０に示した電子線装置により取得される複数の被検査画像及び基準画像を例示する説明図である。
図６４は、図６１に示したメインルーチンのサブルーチンである被検査画像データ取得工程を示すフローチャートである。
図６５は、図６１に示したメインルーチンのサブルーチンである比較工程を示すフローチャートである。
図６６は、本発明に係る検査（評価）処理を示すフローチャートである。
図６７は、本発明に係る半導体デバイスの製造方法を示すフローチャートである。
図６８は、図６７に示した工程のうちのリソグラフィ工程の詳細を示すフローチャートである。

Claims (29)

  1. 一次電子線を試料に照射し、該照射によって試料面から発生する二次電子線を検出して試料面の評価を行うための電子線装置において、
    一次電子線を放出する電子銃のカソードは、一次電子電子光学系の光軸を中心とする１つの円上に間隔をあけて配置された、一次電子線を放出する複数のエミッタを備え、
    これら複数のエミッタは、一次電子線の走査方向と平行な直線上に投影した点が等間隔となるよう配置されている
    ことを特徴とする電子線装置。
  2. 請求項１記載の電子線装置において、各エミッタは、複数のエミッタチップを備え、その中の１つのエミッタチップから選択的に一次電子線を放出するよう構成されていることを特徴とする電子線装置。
  3. 請求項１又は２記載の電子線装置において、該装置はさらに、Ｅ×Ｂ分離器を備え、試料面から放出された二次電子を対物レンズで加速し、かつＥ×Ｂ分離器によって一次電子光学系から分離して二次電子光学系に入射させるよう構成されていることを特徴とする電子線装置。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の電子線装置において、電子銃は、
    カソードの端面に形成された、先端が同一平面複数のエミッタと、
    同一平面に形成された複数の開口を有する制御電極と、
    これら２つの平面の相対的な傾き、間隔、及び、カソードの複数のエミッタと制御電極の複数の開口との水平方向の位置合わせののいずれかを実行する機構と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の電子線装置において、各エミッタの先端近傍は、円錐状に形成されていることを特徴とする電子線装置。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子線装置において、カソードの材料がＬａＢ６、Ｔａ、又はＨｆであることを特徴とする電子線装置。
  7. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子線装置において、カソードは、表面の結晶方位が＜３１０＞の単結晶タンタルの表面を削って複数のエミッタを形成したことを特徴とする電子線装置。
  8. 請求項１〜５のいずれかに記載の電子線装置において、カソードは、表面の結晶方位が＜１００＞の単結晶ハフニウムの表面を削って複数のエミッタを形成したことを特徴とする電子線装置。
  9. 請求項７又は８記載の電子線装置において、各エミッタの先端部には、直径５０μｍ以下の平面、あるいは、光軸を中心とする円の半径方向の幅が１０μｍ以下で、半径方向と直交する方向の幅が１００μｍ以下の平面が残されていることを特徴とする電子線装置。
  10. 請求項１〜９のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
    試料を載置するステージの移動速度を検出する速度検出器と、
    一次電子光学系及び二次電子光学系の少なくとも一方に含まれ、速度検出器からのステージの移動速度に応じて、一次電子線及び二次電子線の少なくとも一方の偏向量を補正する偏向量補正装置と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  11. 請求項１〜１０記載の電子線装置において、該装置は、電子線のエネルギを０．５ｅＶ以上の範囲で任意に設定する装置を備えていることを特徴とする電子線装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載の電子線装置において、該装置は、
    試料表面から放出される低エネルギの電子を加速する対物レンズと、
    対物レンズを通過した電子を二次電子光学系の方向に偏向するＥ×Ｂ分離器と、
    二次電子光学系を介して収集された電子の強度を検出して、電気信号に変換する複数の検出器と
    を含み、
    複数の一次電子線の照射点の間隔は、試料上における後方錯乱電子の拡がり直径と二次電子光学系の試料における等価ボケ量の和より大きく設定されている
    ことを特徴とする電子線装置。
  13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の電子線装置において、一次電子線の間隔は、複数の電子線の発生部から試料までの電子光学系の倍率を変化させることにより、調整されるよう構成されていることを特徴とする電子線装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の電子線装置において、試料は半導体ウエハであり、電子線装置はさらに、
    半導体ウエハの配線パターンから放出される二次電子のうち、特定のエネルギを超える電子のみを選択的に通過させる電極で構成され、特定のエネルギ以上の電子のみを二次電子光学系に導くエネルギフィルタと、
    複数の検出器からの電気信号の変動状態を、正規の配線パターンの接続関係から期待される電気信号の変動状態と対比して、配線パターンの断線及び短絡等の欠陥を判定する判定装置と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  15. 請求項１４記載の電子線装置において、該装置はさらに、半導体ウエハの外部電極と接続されたコネクタに接地電圧と所定の電圧とを切り替えて印加する装置を備えていることを特徴とする電子線装置。
  16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
    試料と対物レンズとの間における放電又はその前駆現象を検出する放電現象検出装置と、
    放電現象検出装置からの出力に基づいて、放電が生じないように条件設定を行う条件設定装置と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  17. 請求項１６記載の電子線装置において、放電現象検出装置は、放電又は前駆現象時に発生する光を検出するＰＭＴ、又は放電又は前駆現象時に試料に発生する異常電流を検出する試料電流計であることを特徴とする電子線装置。
  18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
    二次電子光学系を介して収集された電子の強度を検出して電気信号に変換する複数の検出器と、
    複数の検出器からの電気信号を画像データに処理する画像処理部と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  19. 請求項請求項１８記載の電子線装置において、該装置はさらに、
    画像処理部によって得られた、試料における異なるチップの同一箇所同士の画像を比較する第１の比較装置と、
    試料の標準パターンの画像と、画像処理部によって得られた試料の実際の画像とを比較する第２の比較装置と、
    第１の比較装置と第２の比較装置の少なくとものいずれかを実行させる装置と、
    第１及び第２の比較装置の少なくとも一方の比較結果に基づいて、試料の欠陥を判定する装置と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の電子線装置において、該装置はさらに、
    試料上で部分的に互いに重なりあいながら変位された複数の被検査領域の画像をそれぞれ取得する画像取得装置と、
    基準の画像を記憶する記憶装置と、
    画像取得装置により取得された複数の被検査領域の画像と、記憶装置に記憶された基準の画像とを比較することによって、試料の欠陥を判定する欠陥判定装置と
    を備えていることを特徴とする電子線装置。
  21. 請求項１〜２０のいずれかに記載の電子線装置において、
    試料を載置するステージ装置は、静圧軸受けによる非接触支持機構と差動排気による真空シール機構とを備え、
    該試料面上の一次電子線が照射される箇所と、ステージ装置の静圧軸受け支持部との間にコンダクタンスが小さくなる仕切りを設け、
    電子線照射領域と静圧軸受け支持部との間に圧力差が生じるようにした
    ことを特徴とする電子線装置。
  22. 請求項１〜２１のいずれかに記載の電子線装置において、
    試料を載置するステージ装置は、ハウジング内に収容されかつ静圧軸受けによりハウジングに対して非接触で支持されており、
    ステージ装置が収容されたハウジングは、真空排気され、
    電子線装置の試料面上に一次電子線を照射する部分の周囲には、試料面上の該照射領域を排気する差動排気機構が設けられている
    ことを特徴とする電子線装置。
  23. 請求項２２記載の電子線装置において、ステージ装置の静圧軸受けに供給されるガスはドライ窒素もしくは高純度の不活性ガスであり、該ドライ窒素もしくは高純度不活性ガスは、該ステージ装置を収納するハウジングから排気された後加圧され、再び静圧軸受けに供給されることを特徴とする電子線装置。
  24. 試料を評価するための評価システムにおいて、
    請求項１〜２３のいずれかに記載の電子線装置と、
    電子線装置のステージ装置と一次電子線の照射部とを収容しておりかつ真空雰囲気に制御可能になっているワーキングチャンバと、
    ワーキングチャンバ内のステージ装置上に試料を供給するローダーと、
    ワーキングチャンバ内に配置され、試料に電位を印加する電位印加機構と、
    電子線装置の電子光学系に対する試料の位置決めのために、試料の表面を観察してアライメントを制御するアライメント制御装置と
    を備え、
    真空のワーキングチャンバは、床からの振動を遮断する振動遮断装置を介して支持されている
    ことを特徴とする評価システム。
  25. 請求項２４記載の評価システムにおいて、
    ローダーが、それぞれが独立して雰囲気制御可能になっている第１のローディングチャンバ及び第２のローディングチャンバと、試料を第１のローディングチャンバ内とその外部との間で搬送する第１の搬送ユニットと、第２のローディングチャンバに設けられていて試料を第１のローディングチャンバ内とステージ装置上との間で搬送する第２の搬送ユニットとを備え、
    評価システムはさらに、ローダーに試料を供給するための仕切られたミニエンバイロメント空間を備えている
    ことを特徴とする評価システム。
  26. 請求項２４又は２５記載の評価システムにおいて、該システムはさらに、ステージ装置上の検査対象の座標を検出するレーザ干渉測距装置を備え、アライメント制御装置により、試料に存在するパターンを利用して検査対象の座標を決めることを特徴とする評価システム。
  27. 試料の評価を行う方法において、一次電子線を試料に照射する一次電子光学系と、電子の強度を検出して電気信号に変換する検出系と、一次電子線の照射によって試料面から放出される二次電子線を検出系に指向させる二次電子光学系とを備えた電子線装置であって、一次電子光学系に具備される電子銃のカソードが、一次電子線を放出する複数のエミッタを備え、これらエミッタが、一次電子光学系の光軸を中心とする１つの円上に間隔をあけて配置され、かつ、一次電子線の走査方向と平行な直線上に投影した点が等間隔となるよう配置されている電子線装置を用いて、試料の評価を行うことを特徴とする試料評価方法。
  28. 請求項２７に記載の試料評価方法において、該方法はさらに、
    試料を載置するステージの移動速度を検出する速度検出ステップと、
    速度検出ステップにおいて検出されたステージの移動速度に応じて、一次電子線及び二次電子線の少なくとも一方の偏向量を補正する偏向量補正ステップと
    を備えていることを特徴とする試料評価方法。
  29. 請求項２７又は２８に記載の試料評価方法において、該方法はさらに、
    試料上で部分的に互いに重なりあいながら変位された複数の被検査領域の画像をそれぞれ取得する画像取得ステップと、
    基準の画像を記憶する記憶ステップと、
    画像取得ステップにおいて取得された複数の被検査領域の画像と、記憶ステップにおいて記憶された基準の画像とを比較することによって、試料の欠陥を判定するステップと
    を備えていることを特徴とする試料評価方法。
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