JP3926621B2 - 荷電粒子ビーム光学装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビーム光学装置、及び荷電粒子ビーム光学装置に用いられる絞り、ならびに荷電粒子ビーム制御方法に係り、さらに、これらを用い、特に、一方向に延在した長方形の照射領域において半導体基板や液晶基板等の物体面の観察や欠陥の検査を行うＴＤＩ方式等による物体検査装置ならびに物体検査方法、及びこれらを用いて検査された半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、半導体基板表面に微細なパターンを形成したものであるが、近年ＣＭＰ等のプレーナ技術を用いることにより、さらに、そのパターンは微細化されてきている。このような半導体素子の表面状態の観察及び欠陥検査に用いられる物体検査装置には、例えば０．１μｍの検出感度が要求される。かかる検出感度や検査速度の高速化の要求を満たすものとして、走査型電子顕微鏡等の荷電粒子ビームを用いた荷電粒子線顕微鏡が物体検査装置として用いられてきている。とりわけ、低エネルギー電子ビームは、半導体素子に入射時の損傷を与えず、また、絶縁体の帯電効果等が低減されるため、半導体素子のパターン検査等に広く利用され、電子ビーム検査（EBI; Electron Beam Inspection）として知られている。
【０００３】
従来、電子ビームを用いた物体検査装置として、例えば、特開平１１−１３５０５６号公報などに記載されたものが知られている。すなわち、荷電粒子ビームとしての電子ビームは、荷電粒子源である電子銃で生成され、一次の荷電粒子ビームとして、一次光学系により検査対象の物体としての半導体素子等の試料の表面に照射される。これにより、この試料から、二次電子、反射電子、後方散乱電子が得られる。二次電子の発生確率が物体表面の物性に依存することから、二次電子が表面検査用の二次の荷電粒子ビームとして移送され、二次光学系によって像面としての検出装置の検出面上に結像される。
【０００４】
また、検出装置には、近年、検査効率を上げ、スループットの向上を図る目的で、例えば、特開平１０−１９７４６２号公報などに記載されたＴＤＩ（Time-Delay-Integration；時間遅延積分型）アレイＣＣＤ（以後ＴＤＩセンサと称する）が用いられてきている。このＴＤＩセンサは、ラインスキャンＣＣＤに比べて高解度の画像を短時間で撮像することができるという特徴を有している。
ラインスキャンＣＣＤの場合、試料表面に電子ビームを集束させて輝度を高くして照射し、かつ、その照射位置をスキャンすることで撮像が行われる。短時間で撮像を行うためには電子ビームの電流を増加させてさらに輝度を増加させなければならないが、電子ビームのエネルギーが低いためクーロン力によりビームが発散して解像度が低下するという問題を生じる。このため、ラインスキャンＣＣＤを用いると、自ずと撮像時間の短縮には限界が伴い、しかも、試料の撮像領域への搬送、及び撮像領域からの取出しの途中の時間は撮像には用いられないという時間の無駄も存在している。
これに対して、ＴＤＩセンサの場合、後述するように、試料を搬送しながら撮像ができるため撮像時間に無駄がなく、試料表面を一様に電子ビームによって照射することから、試料表面を電子ビームでスキャンする時間を省くことができ、かつ、輝度も抑えられてクーロン力によるビームの発散等の問題が低減される。
【０００５】
ここで、検出装置とＴＤＩセンサによる撮像について図１４及び図１５を用いて説明する。
図１４は、検出装置６００を示す図である。像面としての検出面６００ａ上に結像される二次の荷電粒子ビームとしての電子ビームは、第１のＭＣＰ（Micro-Channel-Plate）６０１に入射され、第１のＭＣＰ６０１と第２のＭＣＰ６０２内を通過するうちにその電流量が増幅され、蛍光面６０３に衝突する。蛍光面６０３では、電子が光子に変換され、その出力画像はＦＯＰ（Fiber-Optic-Plate）６０４を介してＴＤＩセンサを搭載したカメラ６０５に照射される。ここで、ＦＯＰ６０４は、蛍光面６０３での画像サイズとカメラ６０５の撮像サイズを合わせるように画像を縮小するように構成されている。
図１５は、カメラ６０５におけるＴＤＩセンサのブロック図である。ＴＤＩセンサは、図中Ｘ方向にＣ（１），Ｃ（２）・・・Ｃ（Ｍ−１），Ｃ（Ｍ）のＭ個並んだライン状のＣＣＤ画素列が、図中Ｙ方向にＲＯＷ（１），ＲＯＷ（２）・・・ＲＯＷ（Ｎ−１），ＲＯＷ（Ｎ）のＮ個並べられて構成されている。各ＣＣＤ画素列上の蓄積電荷は、外部から供給される１垂直クロック信号により、一度にＹ方向へＣＣＤ１画素分だけ転送されるようになっている。
試料を移動させ、ある時点でＲＯＷ（１）上に結像された試料の画像が、試料の移動とともにＹ方向に１画素列分だけ移動すると、それと同期して垂直クロック信号が与えられ、ＲＯＷ（１）に撮像されたＭ個のライン画像は、ＲＯＷ（２）に転送される。そこで同じ画像を撮像し続けるので、蓄積される画像の電荷は２倍になる。続けて画像がＹ方向にさらに１画素分移動し、同期クロック信号が与えられると、蓄積画像はＲＯＷ（３）に転送され、そこで画像電荷を３倍になるまで蓄積する。以下順々に、画像の移動に追随してＲＯＷ（Ｎ）まで電荷の転送と撮像を繰り返し終わると、Ｎ倍の画像電荷を蓄積した結果が水平レジスタからシリアルに画像データとして取り出される。
以上説明した動作が、各画素列ＲＯＷ（１）〜ＲＯＷ（Ｎ）で同時に行われ、２次元の画像（Ｍ画素×Ｎ画素）を垂直方向に送りながら、１画素で蓄積される画像電荷のＮ倍になるまで蓄積された画像電荷が１ラインずつ同期して取り出される。
図１６には、上述のような方法で、試料４００上の或る一つの物点をＴＤＩセンサを用いて撮像する様子が示されている。すなわち、試料４００が図１６（ａ）中に矢印で示されるｙ方向に４００’の位置まで移動するのにともなって、図１６（ａ）に示す観察領域中の点Ｐ1に位置する試料４００上の物点が、観察領域中の点Ｐ2の位置まで移動すると、その一方で、点Ｐ1に位置する試料４００上の物点が図１６（ｂ）に示すようなＴＤＩセンサ上の点Ｐ1’に像点として検出され、この像点が、試料４００の４００’への移動とともに、点Ｐ1’よりＹ方向にｍ×ｐだけ移動した点Ｐ2’まで移動する。ここで、ｐは、ＴＤＩセンサ上におけるＹ方向の１画素に対応する幅とする。そして、ＲＯＷ（ｋ）からＲＯＷ（ｋ＋ｍ）の間の画素Ｃ（ｌ）において画像電荷が蓄積される。試料４００上の他の物点についても同様であり、ＴＤＩセンサの全域を用いながら、試料４００上の全ての物点の撮像が行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような構成とされたＴＤＩセンサは、Ｙ方向には、十分な電荷を蓄えるに足るだけの画素数があれば良いのに対し、Ｘ方向には、試料の幅に相当する画素数が必要とされるため、一般には、例えば、Ｘ方向とＹ方向の長さの比が４：１といったような、全体にＸ方向に長く延在した細長い長方形状を呈する。したがって、試料上の荷電粒子ビームによる照射領域、ならびに、この照射領域が結像される検出面上の像も、一方向に延在した細長い長方形状となる。荷電粒子ビームの単色収差によるビームの拡がりは、光軸から離れる程大きくなり、しかも、子午面方向（長方形状の面内の中心方向）の拡がりの方が、子午面方向と垂直なサジタル面方向の拡がりよりも大きくなるから、前記検出面上における前記照射領域の像が延在する方向における端部、すなわち、図１６（ｂ）に示されるＴＤＩセンサのＸ方向の端部の位置において、Ｘ方向の単色収差による像点の拡がりが最も大きく、この拡がりが物体検査装置全体の解像度を決定してしまうという問題が存在している。
また、物体検査装置にＴＤＩセンサが用いられる場合には、荷電粒子ビームが物体の照射領域全体に一度に照射されるため、ラインスキャンＣＣＤを用いる場合に比べて、荷電粒子ビームの電流密度が低減されるものの、それでもやはり、物体検査装置が、例えば５ｋｅＶ程度の低エネルギーの電子ビームといったように、依然として低エネルギーの荷電粒子ビームが用いられていることに変わりは無い。クーロン力による単色収差ならびに色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がりは、ビームのエネルギーの逆数に比例するから、低エネルギーの荷電粒子ビームを用いている限り、収差による解像度の低下の問題は避けられない。荷電粒子ビームに働くクーロン力の影響について詳しく考察すると、その影響は、荷電粒子ビーム内での荷電粒子の空間的な分布の統計的な変動により生じるBoersch効果により算出することができ、一に、ビームの進行方向に垂直な方向のクーロン力の成分によってビームの径方向への拡がりが発生し、二に、ビームの進行方向に平行な方向のクーロン力の成分によって荷電粒子ビームのエネルギー幅がそれぞれ発生するというものに分けられる。このうち、像面上でのクーロン力による径方向へのビームの拡がり、ないし像点の拡がりは、荷電粒子ビームの電流をＩとし、物面から像面までの距離をＬとし、荷電粒子ビーム径をｒとし、荷電粒子ビームが主荷電粒子線となす最大角度をα、荷電粒子ビームのエネルギーをΦとすると、
【数１】
によって表される。ここで、ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、０．５より大きく１．５より小さい値とされている。ＴＤＩセンサを用いた物体検査装置では、一般に、上式で表される径方向へのビーム拡がりよりはむしろ、Boersch効果により生じた荷電粒子ビームのエネルギー幅ΔΦにより、
δｘc＝Ｃ1・ΔΦ／Φ・αx＋Ｃ2・ΔΦ／Φ・Ｘ
δｙc＝Ｄ1・ΔΦ／Φ・αy＋Ｄ2・ΔΦ／Φ・Ｙ
で表される色収差による像点の拡がりδｘc，δｙcが生じる問題が大きい。ここで、光軸からのＸ方向及びＹ方向に関する距離Ｘ及びＹ、ならびにＣ1，Ｃ2及びＤ1，Ｄ2を係数として用いた。なお、添え字のｘ，ｙは、本明細書中でもそうだが、それぞれ上記Ｘ方向及びＹ方向に関する量であることを示す。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、色収差による像点の拡がり、すなわち像面上における色収差による荷電粒子ビームの拡がりを低減することができる荷電粒子ビーム光学装置、荷電粒子ビーム光学装置の絞り、荷電粒子ビーム制御方法、及びこれらを用いた物体検査装置ならびに物体検査方法、さらには、これらを用いた検査された半導体素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＴＤＩセンサを用いる場合のように、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させる際、前記領域の延在方向での前記領域の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが前記像面上において有する単色収差による拡がりを低減して解像度を向上することのできる荷電粒子ビーム光学装置、荷電粒子ビーム光学装置の絞り、荷電粒子ビーム制御方法、及びこれらを用いた物体検査装置ならびに物体検査方法、さらには、これらを用いた検査された半導体素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
係る目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。すなわち、本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビームの照射により物体（４）から得られる電子を二次の荷電粒子ビームとして検出する荷電粒子ビーム光学装置であって、荷電粒子ビーム光学装置（２）は、一方向（Ｘ軸方向）に延在した長方形状の検出面を有するセンサ（３０）と、荷電粒子ビーム光学系（２０）により導かれる荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口形状と、を有し、開口形状は、物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に形成され、且つ、一方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）に長軸を有する楕円形に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明者らは、Boersch効果に基づいて、荷電粒子ビーム内の荷電粒子同士によるクーロン力によって生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を数値計算から算定し、開口形状により荷電粒子ビームの一部を通過させる際、荷電粒子ビームの電流値が同じでも、ビームの断面形状が楕円であれば最終的に得られる荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができるという知見を得て本発明に至った。
一般に、荷電粒子ビームが非点収差を有して集束し、再び発散していく過程（以後、荷電粒子ビームが集束し、再び発散して行く過程をクロスオーバーと称する場合もある）では、非点収差が無い状態で荷電粒子ビームが集束し、発散していく過程よりもBoersch効果によるエネルギー幅の発生が少ないことが知られている（例えば Optik 57 (1980) No.3, 339-364 を参照）。そこで、荷電粒子ビームのクロスオーバーに非点収差を有するような荷電粒子ビーム光学系を構成しようとすると、ビーム光学系の調整が難しくなり、さらには、光軸の回りに対称な荷電粒子ビーム光学系によって全てを構成する場合に比べると、部品点数も多くなってしまう。これに比べて、本発明の第一の態様のように、荷電粒子ビームの軌道上に、従来は円形とされる開口形状の代わりに、楕円形の開口形状を設けて荷電粒子ビームを通過させると、概ね非点収差的なクロスオーバーを生じさせるのと同様の効果をもたらし、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。
このように、本発明の第一の態様により、荷電粒子ビーム光学系を構成する他の素子は一切変更することなく、楕円形に形成された開口形状を用いて荷電粒子ビームの断面形状を整えるだけで、荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。なお、前記開口形状は、物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に形成されていることが好ましい。
そして、色収差を低減することができることから、前記荷電粒子ビーム光学系が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減することができる。
【００１０】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）は、前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第二の態様により、荷電粒子ビームの軌道上に、従来は円形の開口形状を有する開口絞りの代わりに、楕円形の開口形状を有する開口絞りを設けて荷電粒子ビームを通過させると、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。
したがって、本発明の態様によれば、色収差を低減することができ、荷電粒子ビーム光学系が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減することができる。
【００１２】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）は、前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、前記領域（ＯＦ）が延在する方向の前記領域（ＯＦ）の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが、前記像面（ＩＭ）上において、前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するよう、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比が設定されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、荷電粒子ビーム光学系を構成する素子の内部の光軸から遠い領域における電磁場の歪等による影響を少なくするために、開口絞りによって、前記光軸に近い部分を荷電粒子ビームが通過するようにし、単色収差による荷電粒子ビームの前記像面上の拡がりを低減する。このとき、前記開口絞りの開口形状を楕円形にすることで、前記領域が延在する方向に直交する方向の開口に対して、前記領域が延在する方向の開口を狭くし、これにより、前記領域の像が延在する方向に直交する方向におけるビームの拡がりに対して、前記領域の像が延在する方向におけるビームの拡がりを低減する。
一般に、単色収差による荷電粒子ビームの子午面方向（像面内の像の中心方向）の拡がりは、子午面に垂直なサジタル面方向の拡がりよりも大きい。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスが解消される。このとき、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定し、前記領域の像が延在する方向ならびにこの方向に直交する方向の収差によるビームの拡がりが略等しい大きさとなるようにする。なお、開口形状を通過する荷電粒子ビームの強度が低下しないように、前記領域が延在する方向の開口を狭くする一方で、前記領域が延在する方向に直交する方向の開口を広げ、開口形状の面積が一定になるようにするのが好ましい。このようにして、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた荷電粒子ビーム光学装置の解像度が子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上する。
【００１４】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上の物面（ＯＢ）もしくは像面（ＩＭ）に対するフーリエ変換面に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、前記像面（ＩＭ）上における前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向をＸ軸方向として、前記像面（ＩＭ）上における前記荷電粒子ビーム光学系（２０）の光軸からのＸ軸方向の距離をＸとし、該Ｘ軸方向に直交する方向をＹ軸方向として、前記像面（ＩＭ）上における前記光軸からのＹ軸方向の距離をＹとし、前記光軸からの距離がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＸ及びＹとなる位置に集束される前記荷電粒子ビームが前記物面（ＯＢ）上において有するＸ軸方向及びＹ軸方向の開口角の半分の角度をそれぞれαx及びαyとし、Ａ1、Ａ2、Ａ11、Ａ12、Ａ13、Ａ14、Ａ15、Ａ16、Ａ17、Ａ18、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ11、Ｂ12、Ｂ13、Ｂ14、Ｂ15、Ｂ16、Ｂ17、Ｂ18を係数としたとき、集束される前記荷電粒子ビームが前記像面（ＩＭ）上で有する３次の単色収差によるＸ軸方向における拡がり、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
及び、Ｙ軸方向における拡がり、
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
のそれぞれの値が、前記領域（ＯＦ）の像のＸ軸方向における端部の位置において略等しくなるように、αxとαyの比を所定の値にする形状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置において、本発明者らは、Munroによる荷電粒子ビームの単色収差の理論に基づき、前記物面上の或る物点から放出された荷電粒子ビームが、前記荷電粒子ビーム光学系の光軸からの距離がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＸ及びＹとなる前記像面上の位置に集束されるとき、この荷電粒子ビームが前記像面上で有する３次の単色収差によるＸ軸方向及びＹ軸方向における拡がりが、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
で表されることから、ビームの拡がりが前記光軸からの距離Ｘ及びＹに依存して、荷電粒子ビームが前記光軸から離れた位置に集束されるほどビームの拡がりが大きくなること、そして、前記荷電粒子ビームがこの荷電粒子ビームの主荷電粒子線と物側でなすＸ軸方向及びＹ軸方向における最大角度αx及びαyに依存して、開口を大きくすればするほど、前記荷電粒子ビーム光学系内において光軸から遠い領域を通過する荷電粒子が増加し、ビームの拡がりが大きくなること、さらに、Ｘ軸上（Ｙ＝０）における前記像面上での３次の単色収差による荷電粒子ビームの拡がり、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ17Ｘ3δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ15αyＸ2
に着目して、Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ及びＢ13αyαxＸの項の存在により、αx＝αyの場合、Ｘ軸上のいかなる点においてもδｘ＞δｙとなることを見出し、したがって、前記領域が延在するＸ軸方向の前記領域の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが前記像面上のＸ＞Ｙなる位置に結像するとき、この位置でのＸ軸方向のビームの拡がりδｘが前記領域の像の範囲内で略最も大きな拡がりとなり、同時にこの値が荷電粒子ビーム光学装置の解像度の上限を決定するという見解に至り、このとき、αx及びαyの値を調整してαy＞αxとするように開口絞りの開口形状を変更すれば、δｙに対してδｘを低減することができ、これにより解像度の向上を図ることができるという知見を得て本発明に至った。このとき、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定してαxとαyの比が所定の値となる形状にし、前記像のＸ軸方向の端部において、ビームの拡がりδｘ及びδｙが略等しくなるようにする。なお、開口形状を通過する荷電粒子ビームの強度が低下しないように、Ｘ軸方向の開口を狭くする一方で、Ｙ軸方向の開口を広げ、開口形状の面積を一定に保つようにするのが好ましい。このように、本発明の態様によれば、前記領域の像が延在するＸ軸方向における前記像の端部でのＸ軸方向のビームの拡がりを減少させることで、像点の拡がりのうちで略最も大きいビームの拡がりを低減し、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上することができる。
【００１６】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、δｘ又はδｙの値の最大値が所定の解像度以下の値となるように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以下となる形状に形成されていることが好ましい。
【００１７】
あるいは、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、前記荷電粒子ビームが所定の強度以上で通過するように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以上となる形状に形成されていることが好ましい。
【００１８】
本発明による荷電粒子ビーム光学装置の絞り（ＡＳ）は、内部を荷電粒子ビームが導かれる荷電粒子ビーム光学装置（２）の前記荷電粒子ビームの軌道上に配置され、開口形状によって前記荷電粒子ビームの一部を通過させる荷電粒子ビーム光学装置の絞り（ＡＳ）において、前記開口形状は、楕円形に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の荷電粒子ビーム光学装置の絞りによれば、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。この結果、色収差が低減され、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりが低減される。
【００２０】
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法は、物面（ＯＢ）上の一方向（Ｘ軸方向）に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に絞り（ＡＳ）を配置し、該絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記開口形状を前記一方向に直交する方向に長軸を有する楕円形に変更して前記荷電粒子ビームの一部を通過させ、該荷電粒子ビームを前記一方向に延在した長方形状の検出面上で結像させることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状を楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を低減できる。この結果、色収差を低減でき、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減できる。
ここで、前記荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に、前記絞りを配置することが好ましい。
【００２２】
本発明の第二の態様による荷電粒子ビームの制御方法によれば、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、前記荷電粒子ビームの軌道上に開口絞り（ＡＳ）を配置し、該開口絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして前記荷電粒子ビームの一部を通過させることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状が楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を低減できる。この結果、色収差を低減でき、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減できる。
【００２４】
本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、前記荷電粒子ビームの軌道上に開口絞り（ＡＳ）を配置し、該開口絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形に変形して前記荷電粒子ビームの一部を通過させ、前記領域（ＯＦ）が延在する方向の前記領域（ＯＦ）の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが、前記像面（ＩＭ）上において、前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するように、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を調整することを特徴とする。
【００２５】
本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状を楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保つことができる。そして、前記領域の像が延在する方向に直交する方向における荷電粒子ビームの前記像面上の単色収差による拡がりに対して、前記領域の像が延在する方向における荷電粒子ビームの拡がりを低減できる。一般に、単色収差による荷電粒子ビームの子午面方向の拡がりは、サジタル面方向の拡がりよりも大きい。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスを解消できる。したがって、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた解像度を子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上させることができる。
【００２６】
本発明の第一の態様による物体検査装置は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）を物面（ＯＢ）上の物体（４）の所定領域（ＯＦ）に照射する一次光学系（１１）と、前記一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）の照射により前記物体（４）から放出される電子を二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）として検出面に集束させる二次光学系（２０）と、前記検出面に配置され、前記検出面に集束された前記二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）の電子を検出して前記物体（４）を撮像する撮像装置（３０）とを備えてなる物体検査装置であって、本発明の第一から第四の態様のいずれか一つの態様の荷電粒子ビーム光学装置（２）を備えていることを特徴とする。
このような構成としたことにより、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００２７】
本発明の第一の態様による物体検査方法は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）を物面（ＯＢ）上の物体（４）の所定領域（ＯＦ）に照射する荷電粒子ビーム照射工程と、前記一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）の照射により前記物体（４）から得られる電子を二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）として検出面に集束させる二次ビーム集束工程と、前記検出面に集束された前記二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）の電子を検出して前記物体（４）を撮像する撮像工程とを有する物体検査方法であって、第一から第三の態様のいずれか一つの態様の荷電粒子ビーム制御方法を用いることを特徴とする物体検査方法。
本発明により、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００２８】
また、本発明の第一の態様による半導体素子は、第一の態様による物体検査装置を用いて検査されることを特徴とする。
そして、本発明の第二の態様による半導体素子は、第一の態様による物体検査方法を用いて検査されることを特徴とする。
【００２９】
なお、この項では、理解の容易のため、本発明の発明特定事項に実施形態の図に示す代表的な参照符号を付して説明したが、本発明の構成又は各発明特定事項は、これら参照符号によって拘束されるものに限定されない。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による荷電粒子ビーム光学装置と、それを用いた物体検査装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による物体検査装置の構成を示す図である。なお、以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図１に示したＸＹＺ直交座標系では、試料の物体面内にＸＹ平面を設定し、試料の物体面の法線方向をＺ軸方向に設定してある。図１中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直下方向に設定される。
【００３１】
本実施形態の物体検査装置は、主として荷電粒子ビームとしての電子ビームを一次ビームＢ１（一次の荷電粒子ビーム）として試料４（物体）に導くための一次コラム１と、電子ビームを試料に照射した際に得られる二次電子を二次ビームＢ２（二次の荷電粒子ビーム）として検出装置３０の検出面に集束させるための本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置としての二次コラム２と、観測対象である試料４を収容するチャンバー３とから構成されている。一次コラム１の光軸は、Ｚ軸に対して斜方向に設定され、二次コラム２の光軸はＺ軸とほぼ平行に設定される。よって、一次コラム１から二次コラム２へは、一次ビームＢ１が斜方向から入射する。一次コラム１、二次コラム２、及びチャンバー３には、真空排気系（図示省略）が繋がっており、真空排気系が備えるターボポンプ等の真空ポンプにより排気されており、これらの内部は、真空状態に維持されるようになっている。
【００３２】
一次コラム１内部には、熱電子放出型の電子銃１０が設けられており、この電子銃１０から照射される電子ビームの光軸上に一次光学系１１が配置されている。ここで、電子銃１０のカソードとしては、例えば矩形陰極で大電流を取出すことができるランタンヘキサボライト（LaB6）を用いることが好ましい。一次光学系１１は、視野絞りＦＳ１、照射レンズ１２，１３，１４、アライナ１５，１６、アパーチャ１７等で構成されている。ここで、照射レンズ１２，１３，１４は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。一次光学系１１が備える照射レンズ１２，１３，１４の一次ビームＢ１に対する収束特性は、印加する電圧値により変化する。なお、照射レンズ１２，１３，１４は、ユニポテンシャルレンズ、またはアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズであってもよい。
【００３３】
二次コラム２内には、本発明に係る荷電粒子ビーム光学系としての二次光学系２０が配置されている。二次光学系２０は、試料４に一次ビームＢ１を照射した際に、物面としての試料表面から生じる二次電子を二次ビームＢ２として導き、像面としての検出装置３０の検出面に集束させる荷電粒子ビーム光学系からなり、試料４側から−Ｚ方向へ順に、カソードレンズ２１、アライナ２２、本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置の絞りとしての開口絞りＡＳ、ウィーンフィルタ２３、スチグメータ２４、結像レンズ前群２５、第２アライナ２６、スチグメータ２７、視野絞りＦＳ２、結像レンズ後群２８が配置されて構成されている。そして、二次ビームＢ２の最下流側の検出装置３０に臨む側には、二次ビームＢ２を偏向させるためのビーム偏向装置Ａが設けられている。
ここで、二次光学系２０が備える開口絞りＡＳは、物面としての試料４の表面に対するフーリエ変換面に開口形状を有しており、この開口形状は、Ｘ軸方向に短軸、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されている。一方、視野絞りＦＳ２は、カソードレンズ２１と結像レンズ前群２５に関して、試料４の表面と共役な位置関係に設定されている。また、二次光学系２０の主にカソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、及び結像レンズ後群２８は、ユニポテンシャルレンズ、またはアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズとされている。
【００３４】
これら一次光学系１０、二次光学系２０の各部に供給される電圧、電流値等の値は、主制御系５によって制御されるようになっている。すなわち、主制御系５は、一次光学系制御部５１、二次光学系制御部５２のそれぞれに制御信号を出力し、一次光学系１０と二次光学系２０の光学特性の制御等を行うものとされている。
【００３５】
二次光学系２０によって検出面上に結像された二次ビームＢ２を検出する検出装置３０は、電子を増幅するためのＭＣＰ３０ａと、電子を光に変換するための蛍光板３０ｂとを有し、さらに、蛍光板３０ｂによって変換された光の信号を伝達するオプティカルファイバからなるＦＯＰ３１が設けられ、このＦＯＰ３１を介して光の信号がＴＤＩセンサを搭載したカメラ３２に入射するように構成されている。また、カメラ３２には、主制御系５に制御されるコントロールユニット３３が接続されている。コントロールユニット３３は、ＴＤＩセンサに画像電荷を蓄積するためのクロック信号を与えるとともに、カメラ３２から画像信号をシリアルに読み出し、順次主制御系５へ出力し、記憶装置５３に画像データとして蓄積されるように構成されている。なお、コントロールユニット３３から主制御系５へ出力される画像信号をＣＲＴ（Cathod Ray Tube）等の表示装置へ表示させれば試料４の像は表示装置へ表示されることになる。主制御系５は、こうしてコントロールユニット３３から出力される画像信号に対して、例えばテンプレートマッチング等の画像処理を行って試料４の欠陥の有無を判断するように設けられている。
【００３６】
また、チャンバー３の内部には、試料４を載置した状態でＸＹ平面内で移動自在に構成されたＸＹステージ３８が配置されている。ＸＹステージ３８上の一端には、Ｌ字型の移動鏡３９が取り付けられ、移動鏡３９の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計４０が配置されている。レーザ干渉計４０は、 移動鏡３９からのレーザーの反射光を用いて、ＸＹステージ３８のＸ座標とＹ座標、ならびに、ＸＹ平面内における回転角を計測するように構成されており、この計測結果は、主制御系５に出力され、主制御系５は、この計測結果に基づいて駆動装置４１に対して制御信号を出力し、ＸＹステージ３８のＸＹ平面内における位置を制御する。主制御系５は、さらに、送光系３７ａ及び受光系３７ｂからなるＺセンサに制御信号を出力し、試料ＭのＺ軸方向における位置座標を計測する。図示は省略しているが、Ｚ軸方向における位置座標を計測に基づきＸＹステージ３８以外に試料ＭのＺ軸方向の位置を変化させるＺステージや、試料Ｍの物体面のＸＹ平面に対する傾斜を制御するチルトステージを設けることが好ましい。
【００３７】
また、図において４２は、試料４に対して負の電圧を設定する可変電源であり、試料４の設定電圧は、主制御系５によって制御される。ここで、試料４を負の電圧に設定するのは、一次ビームＢ１を試料４に照射したときに放出される二次電子を二次ビームＢ２として第１前段レンズ２１の方向、つまり、−Ｚ方向へ加速させるためである。
【００３８】
本実施の形態による物体検査装置は、上述の構成を備えており、次に、この物体検査装置を用いて試料４の欠陥検査をする本発明に係る物体検査方法を一次ビームＢ１と二次ビームＢ２の軌道、及び開口絞りＡＳを用いた本発明に係る荷電粒子ビーム制御方法とについて述べながら詳述する。
【００３９】
荷電粒子源としての電子銃１０からの電子ビームを一次ビームＢ１として物面上の試料（物体）の所定の照射領域（照明領域と称する場合もある）に照射するビーム照射工程（荷電粒子ビーム照射工程）を以下に述べる。まず、図２は、本発明の一実施形態による物体検査装置の一次ビームＢ１の軌道を示す図である。ここで、図では理解を容易にするため、一次光学系１１が備える部材の一部の図示を省略している。電子銃１０から放出された一次ビームＢ１は、図に示すように照射レンズ１２，１３，１４によって形成された電場の影響を受けて集束、あるいは発散される。ここで、電子銃１０が有する矩形形状のカソードの長軸方向をｘ軸方向に設定し、短軸方向をｙ軸方向に設定すると、矩形陰極のｘ軸方向断面に放出された電子の軌道は、図において符号Ｐｘを付して示した軌道となり、矩形陰極のｙ軸方向断面に放出された電子の軌道は図において符号Ｐｙと付して示した軌道となる。
【００４０】
照射レンズ１２，１３，１４による電場の影響を受けた後、一次ビームＢ１は、斜め方向からウィーンフィルタ２３に入射する。一次ビームＢ１がウィーンフィルタ２３に入射すると、その光路がＺ軸に対して略平行な方向に偏向される。ここで、ウィーンフィルタ２３は、荷電粒子の進行方向によって、荷電粒子を偏向させるか直進させるかするビームセパレータである。一次光学系１０から入射される一次ビームＢ１は、ウィーンフィルタ２３によって偏向される。一方、試料４から発生した二次ビームＢ２は、ウィーンフィルタ２３の中を直進する。こうして、ウィーンフィルタ２３によって偏向された一次ビームＢ１は、第１アライナ２２を通過した後、カソードレンズ２１によるレンズ作用を受けて、物面ＯＢとしての試料４の表面を照射する。このとき、試料４上の照明領域は、Ｘ軸方向に延在した細長い長方形状の領域であり、本実施形態においては、Ｘ軸方向の長辺ＬXとＹ軸方向の短辺ＬYとの比がＬX：ＬY＝４：１とされている。
【００４１】
一次ビームＢ１の照射により試料４から得られる二次電子を、二次ビームＢ２として本発明に係る荷電粒子ビーム制御方法を用いて検出装置３０の検出面に集束させるビーム写像工程（二次ビーム集束工程）を以下に述べる。まず、試料４に一次ビームＢ１が照射されると、試料４から、試料４の表面形状、材質分布、電位の変化等に応じた分布の二次電子が得られる。この二次電子を二次ビームＢ２として試料４の表面状態の検査を行う。図３は、本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームＢ２の軌道を示す図である。ここで、図では、理解を容易にするため、二次光学系２０が備える部材の一部の図示を省略している。試料４から発生した二次電子のエネルギーは低く、０．５〜２ｅＶ程度である。この二次電子を二次ビームＢ２としてカソードレンズ２１で加速する。二次ビームＢ２は、続いて第１アライナ２２、開口絞りＡＳ、ウィーンフィルタ２３を順に通過する。ウィーンフィルタ２３を通過した二次ビームＢ２は、結像レンズ前群２５によって収束され、試料４の像が視野絞りＦＳ２の位置に結像される。視野絞りＦＳ２を通過した二次ビームＢ２は、結像レンズ後群２８によって再度収束されて検出装置３０の検出面に試料４の照明領域のおよそ１００倍に近い拡大像が結像される。
【００４２】
二次ビームＢ２の電子を検出して検出面上に結像された試料４の拡大像を撮像する撮像工程は、以下のように行われる。まず、試料４は、その位置が随時レーザ干渉計４０により主制御系５に把握されながら、主制御系５が制御する駆動装置４１によりＹ軸正方向に移動させられる。試料４の位置の情報をもとに、主制御系５に制御された検出装置３０から試料４の画像データの収集が行われる。例えば、図３に示すように、図中Ｑ１で示される位置において試料４上の所定の物点から二次電子が放出され、二次ビームＢ２として検出装置３０の検出面上のＰ１で示される位置に結像されるとすると、この点は、試料４の移動とともに検出面上を移動し、試料４上で二次電子を放出する位置が図中Ｑ２で示される位置に到達したとき、検出面上のＰ２で示される位置まで移動する。この間、カメラ３２に搭載されたＴＤＩセンサは、図１５及び図１６に示す如く画像電荷を蓄積する。こうして蓄積された画像データが主制御系５に読み出され、記憶装置５３に蓄えられる。
【００４３】
ところで、本発明の実施形態による物体検査装置は、試料４上の照明領域が一方向（Ｘ軸方向）に延在しているため、像面上（検出面上）における像のＸ軸方向の端部での単色収差による二次ビームＢ２の拡がりが大きく、像点がぼける。このため、ビーム写像工程は、照明領域が延在する方向に直交する方向のＹ軸方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有した開口絞りＡＳを用いた荷電粒子ビーム制御方法を用いて行なわれる。
【００４４】
図４は、開口絞りＡＳを有した二次光学系２０による荷電粒子ビーム制御方法を説明するための概略図である。図において、符号ＯＢは物面としての試料４の表面、ＮＡは開口絞りＡＳの開口形状が形成される物面ＯＢのフーリエ変換面、ＩＭは像面としての検出面を示し、図中、物面ＯＢ、フーリエ変換面ＮＡ、像面ＩＭには、参考のために、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と同じ向きで、しかも同じスケールを有した固有の座標軸Ｘo−Ｙo、ＸNA−ＹNA、Ｘi−Ｙiが記載されている。図には、楕円形の開口形状を有した開口絞りＡＳに対して、比較のため、円形の開口形状を有した開口絞りＡＳ０が破線で示されている。なお、図中、二次光学系２０を構成する部材は簡略化のため概ね省かれて描かれており、例えば、カソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、結像レンズ後群２８は、それぞれ符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって示されている。
【００４５】
図４には、一次光学系１１からの一次ビームによって照明される物面ＯＢ上の照明領域ＯＦが、二次光学系２０によって像面ＩＭ上の像ＩＦに結像される様子が示されている。ここで、照明領域ＯＦが延在するＸ軸方向における照明領域ＯＦの端部の一点、すなわち物点Ａ（Ｘo−Ｙo座標の位置（Ａ，０））から放出された二次ビームは、像面ＩＭ上の像ＩＦが延在するＸ軸方向における像ＩＦの端部の位置Ａ’（Ｘi−Ｙi座標の位置（Ａ’，０））に集束される。また、照明領域ＯＦが延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向における照明領域ＯＦの端部の一点、すなわち物点Ｂ（Ｘo−Ｙo座標の位置（０，−Ｂ））から放出された二次ビームは、像面ＩＭ上の像ＩＦが延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向における像ＩＦの端部の位置Ｂ’（Ｘi−Ｙi座標の位置（０，−Ｂ’））に集束される。また、照明領域ＯＦの光軸上の一点、物点Ｏは、像ＩＦの光軸上の位置Ｏ’に集束される。この二次光学系２０において、フーリエ変換面ＮＡに位置する開口絞りＡＳは、物面ＯＢから放出される二次ビームＢ２の開口角を制限する。なお、この明細書中、開口絞りＡＳによって制限されるＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度をαx及びαyとして表すことにする。この明細書中、これらの角度αx及びαyは、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線、つまり光束を導く光学系における主光線に相当する線、に対して試料側（物側）でなすＸ軸方向及びＹ軸方向における最大角度と称される場合もある。
【００４６】
図５は、二次光学系２０の光軸上に位置する物面ＯＢ上の物点Ｏ、ならびに照明領域ＯＦのＸ軸方向の端部に位置する物点Ａから放出される二次ビームの伝播経路を主荷電粒子及び周辺の荷電粒子線によって概略的に示す図である。この図において、図４にそれぞれ対応する部分は、同一の符号を付す。図には、開口絞りＡＳによってＸ軸方向の開口角が制限される様子が示されており、このＸ軸方向の開口角の半分の角度がαxとして示されている。Ｙ軸方向の開口角については、Ｘ軸方向の開口角と同様に考えればよく、ここでは図示しない。
【００４７】
図６は、物面ＯＢ上の照射領域ＯＦを二次ビームの進行方向から見た図である。図に示すように、照射領域ＯＦは、Ｘ軸方向に延在しており、Ｘ軸方向の長さＬXとＹ軸方向の長さＬYの比ＬX：ＬYは、４：１とされている。この照射領域ＯＦが二次光学系２０によって像面ＩＭ上の像ＩＦに結像される際、像面ＩＭ上の像ＩＦの各位置における３次の単色収差による二次ビームの拡がり、すなわち像点の拡がりは、Ｘ軸方向に、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
と表され、また、Ｙ軸方向に、
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
と表される。ここで、Ｘ及びＹは、二次ビームが集束される像面ＩＭ上の位置における二次光学系２０の光軸からの距離であり、また、Ａ1、Ａ2、Ａ11、Ａ12、Ａ13、Ａ14、Ａ15、Ａ16、Ａ17、Ａ18、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ11、Ｂ12、Ｂ13、Ｂ14、Ｂ15、Ｂ16、Ｂ17、Ｂ18はそれぞれ二次光学系２０内の荷電粒子ビームに作用する電磁場の分布に依存する係数である。二次光学系２０が光軸の回りに概ね対称である本実施形態においては、これらの係数のうち、添え字の等しいものに関して（例えばＡ11とＢ11）は、ＸとＹの入れ替えに対してδｘとδｙが等しくなるという対称性の要請から略同じ値となる。
【００４８】
像面ＩＭ上における３次の単色収差による二次ビームのＸ軸方向及びＹ軸方向の拡がりδｘ及びδｙを表す式から分かるように、ビームの拡がりは、光軸からの距離Ｘ及びＹに依存していて、ビームが光軸から遠い位置に集束されるほどその値が大きくなる。したがって、像ＩＦが延在するＸ軸方向の像ＩＦの端部（例えば位置Ａ’）においては、単色収差によるビームの拡がりが最も大きい。
さらに、光軸回りに対称な二次光学系２０では、理解を容易にするため上記の式のうち、一般性を失う事なくＸ軸上（Ｙ＝０）における前記像面上での３次の単色収差による荷電粒子ビームの拡がりを示す項、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ17Ｘ3δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ15αyＸ2
に着目すれば、Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ及びＢ13αyαxＸの項の存在により、例えば、αx＝αyの場合、Ｘ軸上のいかなる点においてもδｘ＞δｙとなることが分かる。
以上の２点から、例えば、αx＝αyの場合、像ＩＦが延在するＸ軸方向の像ＩＦの端部（例えば位置Ａ’）におけるＸ軸方向へのビームの拡がりδｘが、像ＩＦ内の全ての位置における任意の方向へのビームの拡がりのうち、略最大の大きさを有しており、この値が二次光学系２０の解像度、ならびに物体検査装置全体の解像度を決定していることが分かる。
ところで、αx＝αyとなるのは、開口絞りが円形の開口形状を有する場合である。図８は、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳの代わりに、図７に示すような円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を図４の破線に示す如くフーリエ変換面ＮＡに挿入した際、像面ＩＭ上の像ＩＦの位置Ａ’、Ｂ’、Ｏ’に生じる二次ビームの拡がりを示すものである。図から分かるように、光軸から遠い、像ＩＦのＸ軸方向の端部の位置Ａ’における像点のＸ軸方向の拡がりが位置Ｂ’、位置Ｏ’における像点の拡がりよりも大きくなっていることが分かる。
【００４９】
そこで、再び、像面ＩＭ上における３次の単色収差による二次ビームの拡がりを表すδｘ及びδｙの式に着目して、これらのビームの拡がりδｘ及びδｙが、二次ビームが物側で有するＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度αx及びαyに依存しており、開口を大きくすればするほど、その値が大きくなることから、開口形状がＸ軸方向に短軸、Ｙ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されていれば、δｙに対するδｘの値が低減されることが分かる。したがって、長軸と短軸の比が適切に設定された楕円形の形状に開口形状を形成し、αx＜αyとなる所定のαxとαyの比を設定し、像ＩＦのＸ軸方向における端部の位置においてδｘ及びδｙの値が略等しくなるようにする。さらに、二次ビームＢ２全体の強度を一定に保つため、αxとαyの積の値を一定に保つことによって開口形状の面積を一定に保つようにして開口形状を形成する。こうして、δｘ＝δｙ、及びαx×αy一定という、αx及びαyの二つのパラメータに対する二つの条件から、開口形状の楕円形の形状が一義的に決定される。もっとも、二次ビームの強度に余裕がある場合、そして、解像度をさらに向上させる必要がある場合には、δｘ又はδｙの値の最大値が所定の解像度以下の値となるように、δｘ＝δｙの条件から求められたαxとαyの比の値を保ちながら、αx及びαyの値をさらに低下させて設定すればよい。逆に、解像度が十分高く、ビーム強度が求められる場合には、αxとαyの比の値を保ちながら、所定の強度が得られるまで、αx及びαyの値を増加させて設定してもよい。
【００５０】
このように決定された楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを図９に示す。図には、物面ＯＢ上の領域が延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向に長軸を有する楕円形の開口形状が示されている。図１０は、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを、図６に示す如くフーリエ変換面ＮＡに挿入した際、像面ＩＭ上の像ＩＦの位置Ａ’、Ｂ’、Ｏ’に生じる二次ビームの拡がりを示すものである。図から、像ＩＦのＸ軸方向の端部の位置Ａ’における二次ビームが、像ＩＦが延在するＸ軸方向と、この方向に直交する方向とに、それぞれ略等しい大きさの単色収差による拡がりを有していることが分かる。
【００５１】
図１１は、位置Ａ’に集束される二次ビーム内の各荷電粒子線が、一点に集束されず、二次ビームが位置Ａ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。図１１（ａ）は、Ｙi＝０のときのＸi＝Ａ’を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ａ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。なお、本実施形態においては、開口絞りによってＵ0の大きさが決定され、二次光学系２０内の他の個所では制限されないようになっている。
図中、δｘ（位置Ａ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ａ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１１（ｂ）は、Ｘi＝Ａ’のときのＹi＝０を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ａ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。本実施形態においては、開口絞りによってＵ0の大きさが決定され、二次光学系２０内の他の個所では制限されないようになっている。図中、δｙ（位置Ａ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ａ’の周りのＸi＝Ａ’におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
さて、図９に示すような楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用い、αxとαyの比を適切に設定してαx＜αyとすることにより、図１１に示すように、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を±Ｕ0x、Ｙ軸方向における最大角度を±Ｕ0yとすることができ、位置Ａ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりδｘ（位置Ａ’）ECAを位置Ａ’の周りのＸi＝Ａ’におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりδｙ（位置Ａ’）ECAに略等しくすることができる。ここで、Ｕ0yの大きさは開口絞りＡＳによって決定され、二次光学系２０内の他の個所では二次ビームは制限されないようになっている。このようにして、位置Ａ’におけるＹ軸方向のビームの拡がりは一方で確かに増加するものの、他方で二次光学系２０、ならびに物体検査装置全体の解像度の上限を決定していたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを低減することができ、二次光学系２０、ならびに物体検査装置全体の解像度を向上させることができる。
【００５２】
図１２及び図１３は、位置Ｏ’ならびに位置Ｂ’に集束される二次ビーム内の各荷電粒子線が、一点に集束されず、二次ビームが位置Ｏ’ならびに位置Ｂ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
図１２（ａ）は、Ｙi＝０のときのＸi＝０を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ｏ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｘ（位置Ｏ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合に位置Ｏ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１２（ｂ）は、Ｘi＝０のときのＹi＝０を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ｏ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｙ（位置Ｏ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｏ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
また、図１３（ａ）は、Ｙi＝−Ｂ’のときのＸi＝０を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ｂ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｘ（位置Ｂ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｂ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１３（ｂ）は、Ｘi＝０のときのＹi＝−Ｂ’を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ｂ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｙ（位置Ｂ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｂ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
図９に示すような楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用い、αxとαyの比を適切に設定してαx＜αyとすることにより、図１２及び図１３に示すように、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を±Ｕ0x、Ｙ軸方向における最大角度を±Ｕ0yとすることができ、位置Ｏ’や位置Ｂ’の周りのＹi＝０やＹi＝−Ｂ’におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりδｘ（位置Ｏ’）ECAやδｘ（位置Ｂ’）ECA、ならびに、位置Ｏ’やＢ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりδｙ（位置Ｏ’）ECAやδｙ（位置Ｂ’）ECAを変更することができる。この場合、図から分かるように、Ｙ軸方向の二次ビームの拡がりは、円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合よりも、むしろ大きくなってしまうのであるが、それでも、位置Ａ’における二次ビームの拡がりδｘ（位置Ａ’）ECAないしはδｙ（位置Ａ’）ECAよりは小さい値であって、物体検査装置全体の解像度を低下させることには至らない。
【００５３】
以上、単色収差によって二次ビームが像面ＩＭ上で有する拡がりについて述べたが、二次ビームは、単色収差以外にも、色収差によるビームの拡がりを有している。すなわち、これまで、二次ビームが単一のエネルギーΦを有しているものとしたが、実際には、二次ビームはエネルギー幅ΔΦを有していおり、二次ビームは、このエネルギー幅ΔΦによって生じる色収差によるビームの拡がり
δｘc＝Ｃ1・ΔΦ／Φ・αx＋Ｃ2・ΔΦ／Φ・Ｘ
δｙc＝Ｄ1・ΔΦ／Φ・αy＋Ｄ2・ΔΦ／Φ・Ｙ
をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ有している。
【００５４】
ところで、本実施形態のように、二次ビームの軌道上に、従来は円形とされる開口形状の代わりに、楕円形の開口形状を設けて二次ビームを通過させると、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。これは、楕円形の断面形状を有した荷電粒子ビームをクロスオーバーさせることによって、概ね非点収差的なクロスオーバーを生じさせるのと同様の効果がもたらされ、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減されるからである。実際、数値計算によれば、例えばαx及びαyを３０mradとして開口形状を円形にした場合に比較して、αxを２６mradとし、αyを３５mradとした場合に、エネルギー幅が２％狭くなることが実証された。
したがって、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用いることにより、単色収差によって生じる解像度の低下を改善できるだけでなく、色収差による解像度の低下も改善することができる。
【００５５】
上述のように、本実施の形態によれば、二次ビームのエネルギー幅を低減して、像面ＩＭ上における色収差による二次ビームの拡がりを低減することができ、さらに、像面ＩＭ上の像ＩＦのＸ軸方向の端部における単色収差による二次ビームの拡がりを低減して二次光学系２０、ならびに物体検査装置の解像度を向上することができる。したがって、本実施の形態による物体検査装置を用いた物体検査方法によれば、従来の半導体素子よりも線幅をさらに狭くした半導体素子を製造することができる。
【００５６】
なお、これまで、低エネルギーの電子ビームを用いて物体の表面を検査する物体検査装置について述べてきたが、電子ビームに限らず、荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム光学装置に楕円形の開口形状を有する絞りを用いれば、同じように荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くできるから、荷電粒子ビームは電子ビームに限られないことに留意すべきである。そして、荷電粒子ビームを導く荷電粒子ビーム光学系を有した荷電粒子ビーム光学装置において、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることが要求されるような荷電粒子ビーム光学装置であれば、本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置を用いることができ、その応用は、上述したような物体検査装置や、さらには、物面から放出された荷電粒子ビームを像面上に結像させる構成を備えた荷電粒子ビーム光学装置に限られるものではない。
荷電粒子ビーム光学装置が、上記の実施形態のように、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に物面上の領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系を有している場合にも、楕円形の開口形状を有する絞りを用いれば、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くでき、色収差を低減できる。この場合、絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、像面上における像が延在する方向と、この方向に直交する方向とに、それぞれ略等しい大きさの単色収差による拡がりを有するように開口形状の楕円形の長軸と短軸の比が設定されれば、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができるが、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くするためだけであれば、絞りの開口形状が楕円形に形成されるだけでよく、楕円形の形状に対する制限は必ずしも必要ではない。
【００５７】
また、光軸回りに対称な荷電粒子ビーム光学系に限らず、荷電粒子ビーム光学系一般において、像面上に集束される荷電粒子ビームの単色収差による子午面方向の拡がりは、サジタル面方向の拡がりよりも大きい。そして、像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在している方向の像の端部の位置が光軸から最も遠くなり、この位置での単色収差による拡がりが像内の他の位置での拡がりより最も大きくなる。したがって、像が延在している方向における像の端部の位置での、像が延在する方向へのビームの単色収差による拡がりが、物体検査装置の解像度を決定してしまう。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスが解消される。ここで、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定し、前記領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向の収差の拡がりが略等しい大きさとなるようにすれば、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた荷電粒子ビーム光学装置の解像度が子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上する。
このように、荷電粒子ビーム光学装置の絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有していれば、荷電粒子ビーム光学系が光軸回りに対称でなくとも、像面上に集束される荷電粒子ビームの単色収差による拡がりを低減することができる。さらに、この場合、一方向に延在する像の形状は、本実施形態のように長方形状に限られないことは言うまでもない。
【００５８】
さらに、上記の実施形態においては、予め楕円形の開口形状を決定して絞りを形成し、荷電粒子ビーム光学系内に挿入する構成としたが、絞りの開口形状は、可変とされていてもよく、その都度、必要な解像度、ビーム強度から、像面上でのビームの拡がりを観測しながら、開口形状を楕円形に調整する構成とされていてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、荷電粒子ビーム光学系により導かれる荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる楕円形に形成された開口形状を有しているので、荷電粒子ビームの電流値が同じでも、最終的に得られる荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができ、色収差を低減することができる。
【００６０】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有しているので、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができ、色収差を低減することができる。
【００６１】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、その楕円形の長軸と短軸の比は、荷電粒子ビームが、領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向に略等しい大きさの収差による拡がりを有するように設定されているので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６２】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りの開口形状は、集束される前記荷電粒子ビームが前記像面上で有する単色収差によるＸ軸方向における拡がりδｘ、及びＹ軸方向における拡がりδｙのそれぞれの値が、Ｘ軸方向における領域の像の端部の位置で略等しくなるように、αxとαyの比を所定の値にする形状に形成されているので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６３】
また、本発明による荷電粒子ビーム光学装置の絞りは、荷電粒子ビームの軌道上に配置され、開口形状によってこの荷電粒子ビームの一部を通過させ、この開口形状が楕円形に形成されているので、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６４】
また、本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に絞りを配置し、該絞りの開口形状の面積を一定に保ちながらこの開口形状を楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させるので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６５】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビームの制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に開口絞りを配置し、該開口絞りの開口形状の面積を一定に保ちながら物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させるので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６６】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に開口絞りを配置し、該開口絞りの開口形状の面積を一定に保ちながら物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させ、領域の像が延在する方向におけるこの像の端部に集束される前記荷電粒子ビームが、領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するように、開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を調整するので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６７】
また、本発明の第一の態様による物体検査装置によれば、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００６８】
また、本発明の第一の態様による物体検査方法によれば、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による物体検査装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の一実施形態による物体検査装置の一次ビームの軌道を示す図である。
【図３】 本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームの軌道を示す図である。
【図４】 本発明の一実施形態による荷電粒子ビーム光学装置の概略構成図であって、本発明の荷電粒子ビーム制御方法を説明するための図である。
【図５】 本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームの伝播経路を主荷電粒子及び周辺の荷電粒子線によって概略的に示す図である。
【図６】 物面上の照射領域を二次ビームの進行方向から見た図である。
【図７】 円形の開口形状を有する開口絞りの開口部分を示す図である。
【図８】 円形の開口形状を有する開口絞りを用いた場合の像面上の像の各位置に生じる二次ビームの拡がりを示す図である。
【図９】 楕円形の開口形状を有する開口絞りの開口部分を示す図である。
【図１０】 楕円形の開口形状を有する開口絞りを用いた場合の像面上の像の各位置に生じる二次ビームの拡がりを示す図である。
【図１１】 二次ビームが位置Ａ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１２】 二次ビームが位置Ｏ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１３】 二次ビームが位置Ｂ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１４】ＴＤＩセンサを備える検出装置を示す図である。
【図１５】ＴＤＩセンサの概略構成及び動作原理を説明するための図である。
【図１６】検出装置の検出面上に結像された試料像の所定箇所が試料の移動に伴って検出面上で移動する様子を示す図である。
【符号の説明】
１・・・一次コラム
２・・・二次コラム（荷電粒子ビーム光学装置）
１１・・・一次光学系
２０・・・二次光学系（荷電粒子ビーム光学系）
３０・・・検出装置
αx，αy・・・開口絞りによって制限されるＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度
δｘ，δｙ・・・像面上の像の単色収差による二次ビームの拡がり
δｘc，δｙc・・・像面上の像の色収差による二次ビームの拡がり
Ａ・・・物点
Ａ’・・・像が延在する方向における像の端部の位置
ＡＳ・・・開口絞り（絞り）
Ｂ１・・・一次ビーム（一次の荷電粒子ビーム）
Ｂ２・・・二次ビーム（二次の荷電粒子ビーム）
ＩＦ・・・像
ＩＭ・・・像面
ＯＢ・・・物面
ＯＦ・・・照明領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子ビーム光学装置、及び荷電粒子ビーム光学装置に用いられる絞り、ならびに荷電粒子ビーム制御方法に係り、さらに、これらを用い、特に、一方向に延在した長方形の照射領域において半導体基板や液晶基板等の物体面の観察や欠陥の検査を行うＴＤＩ方式等による物体検査装置ならびに物体検査方法、及びこれらを用いて検査された半導体素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体素子は、半導体基板表面に微細なパターンを形成したものであるが、近年ＣＭＰ等のプレーナ技術を用いることにより、さらに、そのパターンは微細化されてきている。このような半導体素子の表面状態の観察及び欠陥検査に用いられる物体検査装置には、例えば０．１μｍの検出感度が要求される。かかる検出感度や検査速度の高速化の要求を満たすものとして、走査型電子顕微鏡等の荷電粒子ビームを用いた荷電粒子線顕微鏡が物体検査装置として用いられてきている。とりわけ、低エネルギー電子ビームは、半導体素子に入射時の損傷を与えず、また、絶縁体の帯電効果等が低減されるため、半導体素子のパターン検査等に広く利用され、電子ビーム検査（EBI; Electron Beam Inspection）として知られている。
【０００３】
従来、電子ビームを用いた物体検査装置として、例えば、特開平１１−１３５０５６号公報などに記載されたものが知られている。すなわち、荷電粒子ビームとしての電子ビームは、荷電粒子源である電子銃で生成され、一次の荷電粒子ビームとして、一次光学系により検査対象の物体としての半導体素子等の試料の表面に照射される。これにより、この試料から、二次電子、反射電子、後方散乱電子が得られる。二次電子の発生確率が物体表面の物性に依存することから、二次電子が表面検査用の二次の荷電粒子ビームとして移送され、二次光学系によって像面としての検出装置の検出面上に結像される。
【０００４】
また、検出装置には、近年、検査効率を上げ、スループットの向上を図る目的で、例えば、特開平１０−１９７４６２号公報などに記載されたＴＤＩ（Time-Delay-Integration；時間遅延積分型）アレイＣＣＤ（以後ＴＤＩセンサと称する）が用いられてきている。このＴＤＩセンサは、ラインスキャンＣＣＤに比べて高解度の画像を短時間で撮像することができるという特徴を有している。
ラインスキャンＣＣＤの場合、試料表面に電子ビームを集束させて輝度を高くして照射し、かつ、その照射位置をスキャンすることで撮像が行われる。短時間で撮像を行うためには電子ビームの電流を増加させてさらに輝度を増加させなければならないが、電子ビームのエネルギーが低いためクーロン力によりビームが発散して解像度が低下するという問題を生じる。このため、ラインスキャンＣＣＤを用いると、自ずと撮像時間の短縮には限界が伴い、しかも、試料の撮像領域への搬送、及び撮像領域からの取出しの途中の時間は撮像には用いられないという時間の無駄も存在している。
これに対して、ＴＤＩセンサの場合、後述するように、試料を搬送しながら撮像ができるため撮像時間に無駄がなく、試料表面を一様に電子ビームによって照射することから、試料表面を電子ビームでスキャンする時間を省くことができ、かつ、輝度も抑えられてクーロン力によるビームの発散等の問題が低減される。
【０００５】
ここで、検出装置とＴＤＩセンサによる撮像について図１４及び図１５を用いて説明する。
図１４は、検出装置６００を示す図である。像面としての検出面６００ａ上に結像される二次の荷電粒子ビームとしての電子ビームは、第１のＭＣＰ（Micro-Channel-Plate）６０１に入射され、第１のＭＣＰ６０１と第２のＭＣＰ６０２内を通過するうちにその電流量が増幅され、蛍光面６０３に衝突する。蛍光面６０３では、電子が光子に変換され、その出力画像はＦＯＰ（Fiber-Optic-Plate）６０４を介してＴＤＩセンサを搭載したカメラ６０５に照射される。ここで、ＦＯＰ６０４は、蛍光面６０３での画像サイズとカメラ６０５の撮像サイズを合わせるように画像を縮小するように構成されている。
図１５は、カメラ６０５におけるＴＤＩセンサのブロック図である。ＴＤＩセンサは、図中Ｘ方向にＣ（１），Ｃ（２）・・・Ｃ（Ｍ−１），Ｃ（Ｍ）のＭ個並んだライン状のＣＣＤ画素列が、図中Ｙ方向にＲＯＷ（１），ＲＯＷ（２）・・・ＲＯＷ（Ｎ−１），ＲＯＷ（Ｎ）のＮ個並べられて構成されている。各ＣＣＤ画素列上の蓄積電荷は、外部から供給される１垂直クロック信号により、一度にＹ方向へＣＣＤ１画素分だけ転送されるようになっている。
試料を移動させ、ある時点でＲＯＷ（１）上に結像された試料の画像が、試料の移動とともにＹ方向に１画素列分だけ移動すると、それと同期して垂直クロック信号が与えられ、ＲＯＷ（１）に撮像されたＭ個のライン画像は、ＲＯＷ（２）に転送される。そこで同じ画像を撮像し続けるので、蓄積される画像の電荷は２倍になる。続けて画像がＹ方向にさらに１画素分移動し、同期クロック信号が与えられると、蓄積画像はＲＯＷ（３）に転送され、そこで画像電荷を３倍になるまで蓄積する。以下順々に、画像の移動に追随してＲＯＷ（Ｎ）まで電荷の転送と撮像を繰り返し終わると、Ｎ倍の画像電荷を蓄積した結果が水平レジスタからシリアルに画像データとして取り出される。
以上説明した動作が、各画素列ＲＯＷ（１）〜ＲＯＷ（Ｎ）で同時に行われ、２次元の画像（Ｍ画素×Ｎ画素）を垂直方向に送りながら、１画素で蓄積される画像電荷のＮ倍になるまで蓄積された画像電荷が１ラインずつ同期して取り出される。
図１６には、上述のような方法で、試料４００上の或る一つの物点をＴＤＩセンサを用いて撮像する様子が示されている。すなわち、試料４００が図１６（ａ）中に矢印で示されるｙ方向に４００’の位置まで移動するのにともなって、図１６（ａ）に示す観察領域中の点Ｐ1に位置する試料４００上の物点が、観察領域中の点Ｐ2の位置まで移動すると、その一方で、点Ｐ1に位置する試料４００上の物点が図１６（ｂ）に示すようなＴＤＩセンサ上の点Ｐ1’に像点として検出され、この像点が、試料４００の４００’への移動とともに、点Ｐ1’よりＹ方向にｍ×ｐだけ移動した点Ｐ2’まで移動する。ここで、ｐは、ＴＤＩセンサ上におけるＹ方向の１画素に対応する幅とする。そして、ＲＯＷ（ｋ）からＲＯＷ（ｋ＋ｍ）の間の画素Ｃ（ｌ）において画像電荷が蓄積される。試料４００上の他の物点についても同様であり、ＴＤＩセンサの全域を用いながら、試料４００上の全ての物点の撮像が行なわれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような構成とされたＴＤＩセンサは、Ｙ方向には、十分な電荷を蓄えるに足るだけの画素数があれば良いのに対し、Ｘ方向には、試料の幅に相当する画素数が必要とされるため、一般には、例えば、Ｘ方向とＹ方向の長さの比が４：１といったような、全体にＸ方向に長く延在した細長い長方形状を呈する。したがって、試料上の荷電粒子ビームによる照射領域、ならびに、この照射領域が結像される検出面上の像も、一方向に延在した細長い長方形状となる。荷電粒子ビームの単色収差によるビームの拡がりは、光軸から離れる程大きくなり、しかも、子午面方向（長方形状の面内の中心方向）の拡がりの方が、子午面方向と垂直なサジタル面方向の拡がりよりも大きくなるから、前記検出面上における前記照射領域の像が延在する方向における端部、すなわち、図１６（ｂ）に示されるＴＤＩセンサのＸ方向の端部の位置において、Ｘ方向の単色収差による像点の拡がりが最も大きく、この拡がりが物体検査装置全体の解像度を決定してしまうという問題が存在している。
また、物体検査装置にＴＤＩセンサが用いられる場合には、荷電粒子ビームが物体の照射領域全体に一度に照射されるため、ラインスキャンＣＣＤを用いる場合に比べて、荷電粒子ビームの電流密度が低減されるものの、それでもやはり、物体検査装置が、例えば５ｋｅＶ程度の低エネルギーの電子ビームといったように、依然として低エネルギーの荷電粒子ビームが用いられていることに変わりは無い。クーロン力による単色収差ならびに色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がりは、ビームのエネルギーの逆数に比例するから、低エネルギーの荷電粒子ビームを用いている限り、収差による解像度の低下の問題は避けられない。荷電粒子ビームに働くクーロン力の影響について詳しく考察すると、その影響は、荷電粒子ビーム内での荷電粒子の空間的な分布の統計的な変動により生じるBoersch効果により算出することができ、一に、ビームの進行方向に垂直な方向のクーロン力の成分によってビームの径方向への拡がりが発生し、二に、ビームの進行方向に平行な方向のクーロン力の成分によって荷電粒子ビームのエネルギー幅がそれぞれ発生するというものに分けられる。このうち、像面上でのクーロン力による径方向へのビームの拡がり、ないし像点の拡がりは、荷電粒子ビームの電流をＩとし、物面から像面までの距離をＬとし、荷電粒子ビーム径をｒとし、荷電粒子ビームが主荷電粒子線となす最大角度をα、荷電粒子ビームのエネルギーをΦとすると、
【数１】
δｘc＝Ｃ1・ΔΦ／Φ・αx＋Ｃ2・ΔΦ／Φ・Ｘ
δｙc＝Ｄ1・ΔΦ／Φ・αy＋Ｄ2・ΔΦ／Φ・Ｙ
で表される色収差による像点の拡がりδｘc，δｙcが生じる問題が大きい。ここで、光軸からのＸ方向及びＹ方向に関する距離Ｘ及びＹ、ならびにＣ1，Ｃ2及びＤ1，Ｄ2を係数として用いた。なお、添え字のｘ，ｙは、本明細書中でもそうだが、それぞれ上記Ｘ方向及びＹ方向に関する量であることを示す。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、色収差による像点の拡がり、すなわち像面上における色収差による荷電粒子ビームの拡がりを低減することができる荷電粒子ビーム光学装置、荷電粒子ビーム光学装置の絞り、荷電粒子ビーム制御方法、及びこれらを用いた物体検査装置ならびに物体検査方法、さらには、これらを用いた検査された半導体素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、ＴＤＩセンサを用いる場合のように、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させる際、前記領域の延在方向での前記領域の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが前記像面上において有する単色収差による拡がりを低減して解像度を向上することのできる荷電粒子ビーム光学装置、荷電粒子ビーム光学装置の絞り、荷電粒子ビーム制御方法、及びこれらを用いた物体検査装置ならびに物体検査方法、さらには、これらを用いた検査された半導体素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
係る目的を達成するために、本発明は、以下の構成を採用した。すなわち、本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビームの照射により物体（４）から得られる電子を二次の荷電粒子ビームとして検出する荷電粒子ビーム光学装置であって、荷電粒子ビーム光学装置（２）は、一方向（Ｘ軸方向）に延在した長方形状の検出面を有するセンサ（３０）と、荷電粒子ビーム光学系（２０）により導かれる荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口形状と、を有し、開口形状は、物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に形成され、且つ、一方向（Ｘ軸方向）に直交する方向（Ｙ軸方向）に長軸を有する楕円形に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
すなわち、本発明者らは、Boersch効果に基づいて、荷電粒子ビーム内の荷電粒子同士によるクーロン力によって生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を数値計算から算定し、開口形状により荷電粒子ビームの一部を通過させる際、荷電粒子ビームの電流値が同じでも、ビームの断面形状が楕円であれば最終的に得られる荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができるという知見を得て本発明に至った。
一般に、荷電粒子ビームが非点収差を有して集束し、再び発散していく過程（以後、荷電粒子ビームが集束し、再び発散して行く過程をクロスオーバーと称する場合もある）では、非点収差が無い状態で荷電粒子ビームが集束し、発散していく過程よりもBoersch効果によるエネルギー幅の発生が少ないことが知られている（例えば Optik 57 (1980) No.3, 339-364 を参照）。そこで、荷電粒子ビームのクロスオーバーに非点収差を有するような荷電粒子ビーム光学系を構成しようとすると、ビーム光学系の調整が難しくなり、さらには、光軸の回りに対称な荷電粒子ビーム光学系によって全てを構成する場合に比べると、部品点数も多くなってしまう。これに比べて、本発明の第一の態様のように、荷電粒子ビームの軌道上に、従来は円形とされる開口形状の代わりに、楕円形の開口形状を設けて荷電粒子ビームを通過させると、概ね非点収差的なクロスオーバーを生じさせるのと同様の効果をもたらし、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。
このように、本発明の第一の態様により、荷電粒子ビーム光学系を構成する他の素子は一切変更することなく、楕円形に形成された開口形状を用いて荷電粒子ビームの断面形状を整えるだけで、荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。なお、前記開口形状は、物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に形成されていることが好ましい。
そして、色収差を低減することができることから、前記荷電粒子ビーム光学系が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減することができる。
【００１０】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）は、前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有していることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第二の態様により、荷電粒子ビームの軌道上に、従来は円形の開口形状を有する開口絞りの代わりに、楕円形の開口形状を有する開口絞りを設けて荷電粒子ビームを通過させると、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。
したがって、本発明の態様によれば、色収差を低減することができ、荷電粒子ビーム光学系が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減することができる。
【００１２】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）は、前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、前記領域（ＯＦ）が延在する方向の前記領域（ＯＦ）の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが、前記像面（ＩＭ）上において、前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するよう、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比が設定されていることを特徴とする。
【００１３】
本発明においては、荷電粒子ビーム光学系を構成する素子の内部の光軸から遠い領域における電磁場の歪等による影響を少なくするために、開口絞りによって、前記光軸に近い部分を荷電粒子ビームが通過するようにし、単色収差による荷電粒子ビームの前記像面上の拡がりを低減する。このとき、前記開口絞りの開口形状を楕円形にすることで、前記領域が延在する方向に直交する方向の開口に対して、前記領域が延在する方向の開口を狭くし、これにより、前記領域の像が延在する方向に直交する方向におけるビームの拡がりに対して、前記領域の像が延在する方向におけるビームの拡がりを低減する。
一般に、単色収差による荷電粒子ビームの子午面方向（像面内の像の中心方向）の拡がりは、子午面に垂直なサジタル面方向の拡がりよりも大きい。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスが解消される。このとき、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定し、前記領域の像が延在する方向ならびにこの方向に直交する方向の収差によるビームの拡がりが略等しい大きさとなるようにする。なお、開口形状を通過する荷電粒子ビームの強度が低下しないように、前記領域が延在する方向の開口を狭くする一方で、前記領域が延在する方向に直交する方向の開口を広げ、開口形状の面積が一定になるようにするのが好ましい。このようにして、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた荷電粒子ビーム光学装置の解像度が子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上する。
【００１４】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム光学系（２０）を有し、該荷電粒子ビーム光学系（２０）は、前記荷電粒子ビームの軌道上の物面（ＯＢ）もしくは像面（ＩＭ）に対するフーリエ変換面に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞り（ＡＳ）を有している荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、前記像面（ＩＭ）上における前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向をＸ軸方向として、前記像面（ＩＭ）上における前記荷電粒子ビーム光学系（２０）の光軸からのＸ軸方向の距離をＸとし、該Ｘ軸方向に直交する方向をＹ軸方向として、前記像面（ＩＭ）上における前記光軸からのＹ軸方向の距離をＹとし、前記光軸からの距離がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＸ及びＹとなる位置に集束される前記荷電粒子ビームが前記物面（ＯＢ）上において有するＸ軸方向及びＹ軸方向の開口角の半分の角度をそれぞれαx及びαyとし、Ａ1、Ａ2、Ａ11、Ａ12、Ａ13、Ａ14、Ａ15、Ａ16、Ａ17、Ａ18、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ11、Ｂ12、Ｂ13、Ｂ14、Ｂ15、Ｂ16、Ｂ17、Ｂ18を係数としたとき、集束される前記荷電粒子ビームが前記像面（ＩＭ）上で有する３次の単色収差によるＸ軸方向における拡がり、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
及び、Ｙ軸方向における拡がり、
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
のそれぞれの値が、前記領域（ＯＦ）の像のＸ軸方向における端部の位置において略等しくなるように、αxとαyの比を所定の値にする形状に形成されていることを特徴とする。
【００１５】
すなわち、第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置において、本発明者らは、Munroによる荷電粒子ビームの単色収差の理論に基づき、前記物面上の或る物点から放出された荷電粒子ビームが、前記荷電粒子ビーム光学系の光軸からの距離がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＸ及びＹとなる前記像面上の位置に集束されるとき、この荷電粒子ビームが前記像面上で有する３次の単色収差によるＸ軸方向及びＹ軸方向における拡がりが、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
で表されることから、ビームの拡がりが前記光軸からの距離Ｘ及びＹに依存して、荷電粒子ビームが前記光軸から離れた位置に集束されるほどビームの拡がりが大きくなること、そして、前記荷電粒子ビームがこの荷電粒子ビームの主荷電粒子線と物側でなすＸ軸方向及びＹ軸方向における最大角度αx及びαyに依存して、開口を大きくすればするほど、前記荷電粒子ビーム光学系内において光軸から遠い領域を通過する荷電粒子が増加し、ビームの拡がりが大きくなること、さらに、Ｘ軸上（Ｙ＝０）における前記像面上での３次の単色収差による荷電粒子ビームの拡がり、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ17Ｘ3δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ15αyＸ2
に着目して、Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ及びＢ13αyαxＸの項の存在により、αx＝αyの場合、Ｘ軸上のいかなる点においてもδｘ＞δｙとなることを見出し、したがって、前記領域が延在するＸ軸方向の前記領域の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが前記像面上のＸ＞Ｙなる位置に結像するとき、この位置でのＸ軸方向のビームの拡がりδｘが前記領域の像の範囲内で略最も大きな拡がりとなり、同時にこの値が荷電粒子ビーム光学装置の解像度の上限を決定するという見解に至り、このとき、αx及びαyの値を調整してαy＞αxとするように開口絞りの開口形状を変更すれば、δｙに対してδｘを低減することができ、これにより解像度の向上を図ることができるという知見を得て本発明に至った。このとき、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定してαxとαyの比が所定の値となる形状にし、前記像のＸ軸方向の端部において、ビームの拡がりδｘ及びδｙが略等しくなるようにする。なお、開口形状を通過する荷電粒子ビームの強度が低下しないように、Ｘ軸方向の開口を狭くする一方で、Ｙ軸方向の開口を広げ、開口形状の面積を一定に保つようにするのが好ましい。このように、本発明の態様によれば、前記領域の像が延在するＸ軸方向における前記像の端部でのＸ軸方向のビームの拡がりを減少させることで、像点の拡がりのうちで略最も大きいビームの拡がりを低減し、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上することができる。
【００１６】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、δｘ又はδｙの値の最大値が所定の解像度以下の値となるように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以下となる形状に形成されていることが好ましい。
【００１７】
あるいは、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置（２）において、前記開口絞り（ＡＳ）の開口形状は、前記荷電粒子ビームが所定の強度以上で通過するように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以上となる形状に形成されていることが好ましい。
【００１８】
本発明による荷電粒子ビーム光学装置の絞り（ＡＳ）は、内部を荷電粒子ビームが導かれる荷電粒子ビーム光学装置（２）の前記荷電粒子ビームの軌道上に配置され、開口形状によって前記荷電粒子ビームの一部を通過させる荷電粒子ビーム光学装置の絞り（ＡＳ）において、前記開口形状は、楕円形に形成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の荷電粒子ビーム光学装置の絞りによれば、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。この結果、色収差が低減され、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりが低減される。
【００２０】
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法は、物面（ＯＢ）上の一方向（Ｘ軸方向）に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に絞り（ＡＳ）を配置し、該絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記開口形状を前記一方向に直交する方向に長軸を有する楕円形に変更して前記荷電粒子ビームの一部を通過させ、該荷電粒子ビームを前記一方向に延在した長方形状の検出面上で結像させることを特徴とする。
【００２１】
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状を楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を低減できる。この結果、色収差を低減でき、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減できる。
ここで、前記荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に、前記絞りを配置することが好ましい。
【００２２】
本発明の第二の態様による荷電粒子ビームの制御方法によれば、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、前記荷電粒子ビームの軌道上に開口絞り（ＡＳ）を配置し、該開口絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして前記荷電粒子ビームの一部を通過させることを特徴とする。
【００２３】
本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状が楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅を低減できる。この結果、色収差を低減でき、荷電粒子ビーム光学装置が、物面上の所定の領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させるように構成されている場合には、色収差による像面上での荷電粒子ビームの拡がり、ないしは像点の拡がりを低減できる。
【００２４】
本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法は、物面（ＯＢ）上の一方向に延在した領域（ＯＦ）から放出される荷電粒子ビームを導いて像面（ＩＭ）上に前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）を結像させる荷電粒子ビーム制御方法において、前記荷電粒子ビームの軌道上に開口絞り（ＡＳ）を配置し、該開口絞り（ＡＳ）の開口形状の面積を一定に保ちながら前記物面（ＯＢ）上の領域（ＯＦ）が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形に変形して前記荷電粒子ビームの一部を通過させ、前記領域（ＯＦ）が延在する方向の前記領域（ＯＦ）の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが、前記像面（ＩＭ）上において、前記領域（ＯＦ）の像（ＩＦ）が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するように、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を調整することを特徴とする。
【００２５】
本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、開口形状の面積を一定に保って開口形状を楕円形にするので、荷電粒子ビームの強度を一定に保つことができる。そして、前記領域の像が延在する方向に直交する方向における荷電粒子ビームの前記像面上の単色収差による拡がりに対して、前記領域の像が延在する方向における荷電粒子ビームの拡がりを低減できる。一般に、単色収差による荷電粒子ビームの子午面方向の拡がりは、サジタル面方向の拡がりよりも大きい。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスを解消できる。したがって、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた解像度を子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上させることができる。
【００２６】
本発明の第一の態様による物体検査装置は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）を物面（ＯＢ）上の物体（４）の所定領域（ＯＦ）に照射する一次光学系（１１）と、前記一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）の照射により前記物体（４）から放出される電子を二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）として検出面に集束させる二次光学系（２０）と、前記検出面に配置され、前記検出面に集束された前記二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）の電子を検出して前記物体（４）を撮像する撮像装置（３０）とを備えてなる物体検査装置であって、本発明の第一から第四の態様のいずれか一つの態様の荷電粒子ビーム光学装置（２）を備えていることを特徴とする。
このような構成としたことにより、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００２７】
本発明の第一の態様による物体検査方法は、荷電粒子源（１０）からの一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）を物面（ＯＢ）上の物体（４）の所定領域（ＯＦ）に照射する荷電粒子ビーム照射工程と、前記一次の荷電粒子ビーム（Ｂ１）の照射により前記物体（４）から得られる電子を二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）として検出面に集束させる二次ビーム集束工程と、前記検出面に集束された前記二次の荷電粒子ビーム（Ｂ２）の電子を検出して前記物体（４）を撮像する撮像工程とを有する物体検査方法であって、第一から第三の態様のいずれか一つの態様の荷電粒子ビーム制御方法を用いることを特徴とする物体検査方法。
本発明により、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００２８】
また、本発明の第一の態様による半導体素子は、第一の態様による物体検査装置を用いて検査されることを特徴とする。
そして、本発明の第二の態様による半導体素子は、第一の態様による物体検査方法を用いて検査されることを特徴とする。
【００２９】
なお、この項では、理解の容易のため、本発明の発明特定事項に実施形態の図に示す代表的な参照符号を付して説明したが、本発明の構成又は各発明特定事項は、これら参照符号によって拘束されるものに限定されない。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態による荷電粒子ビーム光学装置と、それを用いた物体検査装置について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による物体検査装置の構成を示す図である。なお、以下の説明においては、図１中に示されたＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。図１に示したＸＹＺ直交座標系では、試料の物体面内にＸＹ平面を設定し、試料の物体面の法線方向をＺ軸方向に設定してある。図１中のＸＹＺ座標系は、実際にはＸＹ平面が水平面に平行な面に設定され、Ｚ軸が鉛直下方向に設定される。
【００３１】
本実施形態の物体検査装置は、主として荷電粒子ビームとしての電子ビームを一次ビームＢ１（一次の荷電粒子ビーム）として試料４（物体）に導くための一次コラム１と、電子ビームを試料に照射した際に得られる二次電子を二次ビームＢ２（二次の荷電粒子ビーム）として検出装置３０の検出面に集束させるための本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置としての二次コラム２と、観測対象である試料４を収容するチャンバー３とから構成されている。一次コラム１の光軸は、Ｚ軸に対して斜方向に設定され、二次コラム２の光軸はＺ軸とほぼ平行に設定される。よって、一次コラム１から二次コラム２へは、一次ビームＢ１が斜方向から入射する。一次コラム１、二次コラム２、及びチャンバー３には、真空排気系（図示省略）が繋がっており、真空排気系が備えるターボポンプ等の真空ポンプにより排気されており、これらの内部は、真空状態に維持されるようになっている。
【００３２】
一次コラム１内部には、熱電子放出型の電子銃１０が設けられており、この電子銃１０から照射される電子ビームの光軸上に一次光学系１１が配置されている。ここで、電子銃１０のカソードとしては、例えば矩形陰極で大電流を取出すことができるランタンヘキサボライト（LaB6）を用いることが好ましい。一次光学系１１は、視野絞りＦＳ１、照射レンズ１２，１３，１４、アライナ１５，１６、アパーチャ１７等で構成されている。ここで、照射レンズ１２，１３，１４は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。一次光学系１１が備える照射レンズ１２，１３，１４の一次ビームＢ１に対する収束特性は、印加する電圧値により変化する。なお、照射レンズ１２，１３，１４は、ユニポテンシャルレンズ、またはアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズであってもよい。
【００３３】
二次コラム２内には、本発明に係る荷電粒子ビーム光学系としての二次光学系２０が配置されている。二次光学系２０は、試料４に一次ビームＢ１を照射した際に、物面としての試料表面から生じる二次電子を二次ビームＢ２として導き、像面としての検出装置３０の検出面に集束させる荷電粒子ビーム光学系からなり、試料４側から−Ｚ方向へ順に、カソードレンズ２１、アライナ２２、本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置の絞りとしての開口絞りＡＳ、ウィーンフィルタ２３、スチグメータ２４、結像レンズ前群２５、第２アライナ２６、スチグメータ２７、視野絞りＦＳ２、結像レンズ後群２８が配置されて構成されている。そして、二次ビームＢ２の最下流側の検出装置３０に臨む側には、二次ビームＢ２を偏向させるためのビーム偏向装置Ａが設けられている。
ここで、二次光学系２０が備える開口絞りＡＳは、物面としての試料４の表面に対するフーリエ変換面に開口形状を有しており、この開口形状は、Ｘ軸方向に短軸、Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されている。一方、視野絞りＦＳ２は、カソードレンズ２１と結像レンズ前群２５に関して、試料４の表面と共役な位置関係に設定されている。また、二次光学系２０の主にカソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、及び結像レンズ後群２８は、ユニポテンシャルレンズ、またはアインツェルレンズと称される回転軸対称型のレンズとされている。
【００３４】
これら一次光学系１０、二次光学系２０の各部に供給される電圧、電流値等の値は、主制御系５によって制御されるようになっている。すなわち、主制御系５は、一次光学系制御部５１、二次光学系制御部５２のそれぞれに制御信号を出力し、一次光学系１０と二次光学系２０の光学特性の制御等を行うものとされている。
【００３５】
二次光学系２０によって検出面上に結像された二次ビームＢ２を検出する検出装置３０は、電子を増幅するためのＭＣＰ３０ａと、電子を光に変換するための蛍光板３０ｂとを有し、さらに、蛍光板３０ｂによって変換された光の信号を伝達するオプティカルファイバからなるＦＯＰ３１が設けられ、このＦＯＰ３１を介して光の信号がＴＤＩセンサを搭載したカメラ３２に入射するように構成されている。また、カメラ３２には、主制御系５に制御されるコントロールユニット３３が接続されている。コントロールユニット３３は、ＴＤＩセンサに画像電荷を蓄積するためのクロック信号を与えるとともに、カメラ３２から画像信号をシリアルに読み出し、順次主制御系５へ出力し、記憶装置５３に画像データとして蓄積されるように構成されている。なお、コントロールユニット３３から主制御系５へ出力される画像信号をＣＲＴ（Cathod Ray Tube）等の表示装置へ表示させれば試料４の像は表示装置へ表示されることになる。主制御系５は、こうしてコントロールユニット３３から出力される画像信号に対して、例えばテンプレートマッチング等の画像処理を行って試料４の欠陥の有無を判断するように設けられている。
【００３６】
また、チャンバー３の内部には、試料４を載置した状態でＸＹ平面内で移動自在に構成されたＸＹステージ３８が配置されている。ＸＹステージ３８上の一端には、Ｌ字型の移動鏡３９が取り付けられ、移動鏡３９の鏡面に対向した位置にレーザ干渉計４０が配置されている。レーザ干渉計４０は、 移動鏡３９からのレーザーの反射光を用いて、ＸＹステージ３８のＸ座標とＹ座標、ならびに、ＸＹ平面内における回転角を計測するように構成されており、この計測結果は、主制御系５に出力され、主制御系５は、この計測結果に基づいて駆動装置４１に対して制御信号を出力し、ＸＹステージ３８のＸＹ平面内における位置を制御する。主制御系５は、さらに、送光系３７ａ及び受光系３７ｂからなるＺセンサに制御信号を出力し、試料ＭのＺ軸方向における位置座標を計測する。図示は省略しているが、Ｚ軸方向における位置座標を計測に基づきＸＹステージ３８以外に試料ＭのＺ軸方向の位置を変化させるＺステージや、試料Ｍの物体面のＸＹ平面に対する傾斜を制御するチルトステージを設けることが好ましい。
【００３７】
また、図において４２は、試料４に対して負の電圧を設定する可変電源であり、試料４の設定電圧は、主制御系５によって制御される。ここで、試料４を負の電圧に設定するのは、一次ビームＢ１を試料４に照射したときに放出される二次電子を二次ビームＢ２として第１前段レンズ２１の方向、つまり、−Ｚ方向へ加速させるためである。
【００３８】
本実施の形態による物体検査装置は、上述の構成を備えており、次に、この物体検査装置を用いて試料４の欠陥検査をする本発明に係る物体検査方法を一次ビームＢ１と二次ビームＢ２の軌道、及び開口絞りＡＳを用いた本発明に係る荷電粒子ビーム制御方法とについて述べながら詳述する。
【００３９】
荷電粒子源としての電子銃１０からの電子ビームを一次ビームＢ１として物面上の試料（物体）の所定の照射領域（照明領域と称する場合もある）に照射するビーム照射工程（荷電粒子ビーム照射工程）を以下に述べる。まず、図２は、本発明の一実施形態による物体検査装置の一次ビームＢ１の軌道を示す図である。ここで、図では理解を容易にするため、一次光学系１１が備える部材の一部の図示を省略している。電子銃１０から放出された一次ビームＢ１は、図に示すように照射レンズ１２，１３，１４によって形成された電場の影響を受けて集束、あるいは発散される。ここで、電子銃１０が有する矩形形状のカソードの長軸方向をｘ軸方向に設定し、短軸方向をｙ軸方向に設定すると、矩形陰極のｘ軸方向断面に放出された電子の軌道は、図において符号Ｐｘを付して示した軌道となり、矩形陰極のｙ軸方向断面に放出された電子の軌道は図において符号Ｐｙと付して示した軌道となる。
【００４０】
照射レンズ１２，１３，１４による電場の影響を受けた後、一次ビームＢ１は、斜め方向からウィーンフィルタ２３に入射する。一次ビームＢ１がウィーンフィルタ２３に入射すると、その光路がＺ軸に対して略平行な方向に偏向される。ここで、ウィーンフィルタ２３は、荷電粒子の進行方向によって、荷電粒子を偏向させるか直進させるかするビームセパレータである。一次光学系１０から入射される一次ビームＢ１は、ウィーンフィルタ２３によって偏向される。一方、試料４から発生した二次ビームＢ２は、ウィーンフィルタ２３の中を直進する。こうして、ウィーンフィルタ２３によって偏向された一次ビームＢ１は、第１アライナ２２を通過した後、カソードレンズ２１によるレンズ作用を受けて、物面ＯＢとしての試料４の表面を照射する。このとき、試料４上の照明領域は、Ｘ軸方向に延在した細長い長方形状の領域であり、本実施形態においては、Ｘ軸方向の長辺ＬXとＹ軸方向の短辺ＬYとの比がＬX：ＬY＝４：１とされている。
【００４１】
一次ビームＢ１の照射により試料４から得られる二次電子を、二次ビームＢ２として本発明に係る荷電粒子ビーム制御方法を用いて検出装置３０の検出面に集束させるビーム写像工程（二次ビーム集束工程）を以下に述べる。まず、試料４に一次ビームＢ１が照射されると、試料４から、試料４の表面形状、材質分布、電位の変化等に応じた分布の二次電子が得られる。この二次電子を二次ビームＢ２として試料４の表面状態の検査を行う。図３は、本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームＢ２の軌道を示す図である。ここで、図では、理解を容易にするため、二次光学系２０が備える部材の一部の図示を省略している。試料４から発生した二次電子のエネルギーは低く、０．５〜２ｅＶ程度である。この二次電子を二次ビームＢ２としてカソードレンズ２１で加速する。二次ビームＢ２は、続いて第１アライナ２２、開口絞りＡＳ、ウィーンフィルタ２３を順に通過する。ウィーンフィルタ２３を通過した二次ビームＢ２は、結像レンズ前群２５によって収束され、試料４の像が視野絞りＦＳ２の位置に結像される。視野絞りＦＳ２を通過した二次ビームＢ２は、結像レンズ後群２８によって再度収束されて検出装置３０の検出面に試料４の照明領域のおよそ１００倍に近い拡大像が結像される。
【００４２】
二次ビームＢ２の電子を検出して検出面上に結像された試料４の拡大像を撮像する撮像工程は、以下のように行われる。まず、試料４は、その位置が随時レーザ干渉計４０により主制御系５に把握されながら、主制御系５が制御する駆動装置４１によりＹ軸正方向に移動させられる。試料４の位置の情報をもとに、主制御系５に制御された検出装置３０から試料４の画像データの収集が行われる。例えば、図３に示すように、図中Ｑ１で示される位置において試料４上の所定の物点から二次電子が放出され、二次ビームＢ２として検出装置３０の検出面上のＰ１で示される位置に結像されるとすると、この点は、試料４の移動とともに検出面上を移動し、試料４上で二次電子を放出する位置が図中Ｑ２で示される位置に到達したとき、検出面上のＰ２で示される位置まで移動する。この間、カメラ３２に搭載されたＴＤＩセンサは、図１５及び図１６に示す如く画像電荷を蓄積する。こうして蓄積された画像データが主制御系５に読み出され、記憶装置５３に蓄えられる。
【００４３】
ところで、本発明の実施形態による物体検査装置は、試料４上の照明領域が一方向（Ｘ軸方向）に延在しているため、像面上（検出面上）における像のＸ軸方向の端部での単色収差による二次ビームＢ２の拡がりが大きく、像点がぼける。このため、ビーム写像工程は、照明領域が延在する方向に直交する方向のＹ軸方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有した開口絞りＡＳを用いた荷電粒子ビーム制御方法を用いて行なわれる。
【００４４】
図４は、開口絞りＡＳを有した二次光学系２０による荷電粒子ビーム制御方法を説明するための概略図である。図において、符号ＯＢは物面としての試料４の表面、ＮＡは開口絞りＡＳの開口形状が形成される物面ＯＢのフーリエ変換面、ＩＭは像面としての検出面を示し、図中、物面ＯＢ、フーリエ変換面ＮＡ、像面ＩＭには、参考のために、それぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向と同じ向きで、しかも同じスケールを有した固有の座標軸Ｘo−Ｙo、ＸNA−ＹNA、Ｘi−Ｙiが記載されている。図には、楕円形の開口形状を有した開口絞りＡＳに対して、比較のため、円形の開口形状を有した開口絞りＡＳ０が破線で示されている。なお、図中、二次光学系２０を構成する部材は簡略化のため概ね省かれて描かれており、例えば、カソードレンズ２１、結像レンズ前群２５、結像レンズ後群２８は、それぞれ符号Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３によって示されている。
【００４５】
図４には、一次光学系１１からの一次ビームによって照明される物面ＯＢ上の照明領域ＯＦが、二次光学系２０によって像面ＩＭ上の像ＩＦに結像される様子が示されている。ここで、照明領域ＯＦが延在するＸ軸方向における照明領域ＯＦの端部の一点、すなわち物点Ａ（Ｘo−Ｙo座標の位置（Ａ，０））から放出された二次ビームは、像面ＩＭ上の像ＩＦが延在するＸ軸方向における像ＩＦの端部の位置Ａ’（Ｘi−Ｙi座標の位置（Ａ’，０））に集束される。また、照明領域ＯＦが延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向における照明領域ＯＦの端部の一点、すなわち物点Ｂ（Ｘo−Ｙo座標の位置（０，−Ｂ））から放出された二次ビームは、像面ＩＭ上の像ＩＦが延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向における像ＩＦの端部の位置Ｂ’（Ｘi−Ｙi座標の位置（０，−Ｂ’））に集束される。また、照明領域ＯＦの光軸上の一点、物点Ｏは、像ＩＦの光軸上の位置Ｏ’に集束される。この二次光学系２０において、フーリエ変換面ＮＡに位置する開口絞りＡＳは、物面ＯＢから放出される二次ビームＢ２の開口角を制限する。なお、この明細書中、開口絞りＡＳによって制限されるＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度をαx及びαyとして表すことにする。この明細書中、これらの角度αx及びαyは、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線、つまり光束を導く光学系における主光線に相当する線、に対して試料側（物側）でなすＸ軸方向及びＹ軸方向における最大角度と称される場合もある。
【００４６】
図５は、二次光学系２０の光軸上に位置する物面ＯＢ上の物点Ｏ、ならびに照明領域ＯＦのＸ軸方向の端部に位置する物点Ａから放出される二次ビームの伝播経路を主荷電粒子及び周辺の荷電粒子線によって概略的に示す図である。この図において、図４にそれぞれ対応する部分は、同一の符号を付す。図には、開口絞りＡＳによってＸ軸方向の開口角が制限される様子が示されており、このＸ軸方向の開口角の半分の角度がαxとして示されている。Ｙ軸方向の開口角については、Ｘ軸方向の開口角と同様に考えればよく、ここでは図示しない。
【００４７】
図６は、物面ＯＢ上の照射領域ＯＦを二次ビームの進行方向から見た図である。図に示すように、照射領域ＯＦは、Ｘ軸方向に延在しており、Ｘ軸方向の長さＬXとＹ軸方向の長さＬYの比ＬX：ＬYは、４：１とされている。この照射領域ＯＦが二次光学系２０によって像面ＩＭ上の像ＩＦに結像される際、像面ＩＭ上の像ＩＦの各位置における３次の単色収差による二次ビームの拡がり、すなわち像点の拡がりは、Ｘ軸方向に、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2
と表され、また、Ｙ軸方向に、
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2
と表される。ここで、Ｘ及びＹは、二次ビームが集束される像面ＩＭ上の位置における二次光学系２０の光軸からの距離であり、また、Ａ1、Ａ2、Ａ11、Ａ12、Ａ13、Ａ14、Ａ15、Ａ16、Ａ17、Ａ18、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ11、Ｂ12、Ｂ13、Ｂ14、Ｂ15、Ｂ16、Ｂ17、Ｂ18はそれぞれ二次光学系２０内の荷電粒子ビームに作用する電磁場の分布に依存する係数である。二次光学系２０が光軸の回りに概ね対称である本実施形態においては、これらの係数のうち、添え字の等しいものに関して（例えばＡ11とＢ11）は、ＸとＹの入れ替えに対してδｘとδｙが等しくなるという対称性の要請から略同じ値となる。
【００４８】
像面ＩＭ上における３次の単色収差による二次ビームのＸ軸方向及びＹ軸方向の拡がりδｘ及びδｙを表す式から分かるように、ビームの拡がりは、光軸からの距離Ｘ及びＹに依存していて、ビームが光軸から遠い位置に集束されるほどその値が大きくなる。したがって、像ＩＦが延在するＸ軸方向の像ＩＦの端部（例えば位置Ａ’）においては、単色収差によるビームの拡がりが最も大きい。
さらに、光軸回りに対称な二次光学系２０では、理解を容易にするため上記の式のうち、一般性を失う事なくＸ軸上（Ｙ＝０）における前記像面上での３次の単色収差による荷電粒子ビームの拡がりを示す項、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ17Ｘ3δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ15αyＸ2
に着目すれば、Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ及びＢ13αyαxＸの項の存在により、例えば、αx＝αyの場合、Ｘ軸上のいかなる点においてもδｘ＞δｙとなることが分かる。
以上の２点から、例えば、αx＝αyの場合、像ＩＦが延在するＸ軸方向の像ＩＦの端部（例えば位置Ａ’）におけるＸ軸方向へのビームの拡がりδｘが、像ＩＦ内の全ての位置における任意の方向へのビームの拡がりのうち、略最大の大きさを有しており、この値が二次光学系２０の解像度、ならびに物体検査装置全体の解像度を決定していることが分かる。
ところで、αx＝αyとなるのは、開口絞りが円形の開口形状を有する場合である。図８は、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳの代わりに、図７に示すような円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を図４の破線に示す如くフーリエ変換面ＮＡに挿入した際、像面ＩＭ上の像ＩＦの位置Ａ’、Ｂ’、Ｏ’に生じる二次ビームの拡がりを示すものである。図から分かるように、光軸から遠い、像ＩＦのＸ軸方向の端部の位置Ａ’における像点のＸ軸方向の拡がりが位置Ｂ’、位置Ｏ’における像点の拡がりよりも大きくなっていることが分かる。
【００４９】
そこで、再び、像面ＩＭ上における３次の単色収差による二次ビームの拡がりを表すδｘ及びδｙの式に着目して、これらのビームの拡がりδｘ及びδｙが、二次ビームが物側で有するＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度αx及びαyに依存しており、開口を大きくすればするほど、その値が大きくなることから、開口形状がＸ軸方向に短軸、Ｙ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されていれば、δｙに対するδｘの値が低減されることが分かる。したがって、長軸と短軸の比が適切に設定された楕円形の形状に開口形状を形成し、αx＜αyとなる所定のαxとαyの比を設定し、像ＩＦのＸ軸方向における端部の位置においてδｘ及びδｙの値が略等しくなるようにする。さらに、二次ビームＢ２全体の強度を一定に保つため、αxとαyの積の値を一定に保つことによって開口形状の面積を一定に保つようにして開口形状を形成する。こうして、δｘ＝δｙ、及びαx×αy一定という、αx及びαyの二つのパラメータに対する二つの条件から、開口形状の楕円形の形状が一義的に決定される。もっとも、二次ビームの強度に余裕がある場合、そして、解像度をさらに向上させる必要がある場合には、δｘ又はδｙの値の最大値が所定の解像度以下の値となるように、δｘ＝δｙの条件から求められたαxとαyの比の値を保ちながら、αx及びαyの値をさらに低下させて設定すればよい。逆に、解像度が十分高く、ビーム強度が求められる場合には、αxとαyの比の値を保ちながら、所定の強度が得られるまで、αx及びαyの値を増加させて設定してもよい。
【００５０】
このように決定された楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを図９に示す。図には、物面ＯＢ上の領域が延在するＸ軸方向に直交するＹ軸方向に長軸を有する楕円形の開口形状が示されている。図１０は、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを、図６に示す如くフーリエ変換面ＮＡに挿入した際、像面ＩＭ上の像ＩＦの位置Ａ’、Ｂ’、Ｏ’に生じる二次ビームの拡がりを示すものである。図から、像ＩＦのＸ軸方向の端部の位置Ａ’における二次ビームが、像ＩＦが延在するＸ軸方向と、この方向に直交する方向とに、それぞれ略等しい大きさの単色収差による拡がりを有していることが分かる。
【００５１】
図１１は、位置Ａ’に集束される二次ビーム内の各荷電粒子線が、一点に集束されず、二次ビームが位置Ａ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。図１１（ａ）は、Ｙi＝０のときのＸi＝Ａ’を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ａ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。なお、本実施形態においては、開口絞りによってＵ0の大きさが決定され、二次光学系２０内の他の個所では制限されないようになっている。
図中、δｘ（位置Ａ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ａ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１１（ｂ）は、Ｘi＝Ａ’のときのＹi＝０を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ａ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。本実施形態においては、開口絞りによってＵ0の大きさが決定され、二次光学系２０内の他の個所では制限されないようになっている。図中、δｙ（位置Ａ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ａ’の周りのＸi＝Ａ’におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
さて、図９に示すような楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用い、αxとαyの比を適切に設定してαx＜αyとすることにより、図１１に示すように、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を±Ｕ0x、Ｙ軸方向における最大角度を±Ｕ0yとすることができ、位置Ａ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりδｘ（位置Ａ’）ECAを位置Ａ’の周りのＸi＝Ａ’におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりδｙ（位置Ａ’）ECAに略等しくすることができる。ここで、Ｕ0yの大きさは開口絞りＡＳによって決定され、二次光学系２０内の他の個所では二次ビームは制限されないようになっている。このようにして、位置Ａ’におけるＹ軸方向のビームの拡がりは一方で確かに増加するものの、他方で二次光学系２０、ならびに物体検査装置全体の解像度の上限を決定していたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを低減することができ、二次光学系２０、ならびに物体検査装置全体の解像度を向上させることができる。
【００５２】
図１２及び図１３は、位置Ｏ’ならびに位置Ｂ’に集束される二次ビーム内の各荷電粒子線が、一点に集束されず、二次ビームが位置Ｏ’ならびに位置Ｂ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
図１２（ａ）は、Ｙi＝０のときのＸi＝０を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ｏ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｘ（位置Ｏ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合に位置Ｏ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１２（ｂ）は、Ｘi＝０のときのＹi＝０を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ｏ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｙ（位置Ｏ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｏ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
また、図１３（ａ）は、Ｙi＝−Ｂ’のときのＸi＝０を中心としたＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＸi軸、横軸は位置Ｂ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｘ（位置Ｂ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｂ’の周りのＹi＝０におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。同様に、図１３（ｂ）は、Ｘi＝０のときのＹi＝−Ｂ’を中心としたＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示す図であり、縦軸はＹi軸、横軸は位置Ｂ’に入射する主荷電粒子線と二次ビーム内の各荷電粒子線とがなす角度を示す。±Ｕ0は、図４及び図７に示すようなαx＝αyとなる円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合に、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＹ軸方向における最大角度を示すものである。図中、δｙ（位置Ｂ’）CAと示された幅が、円形の開口形状を用いた場合の、位置Ｂ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりを示している。
図９に示すような楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用い、αxとαyの比を適切に設定してαx＜αyとすることにより、図１２及び図１３に示すように、二次ビームがこの二次ビームの主荷電粒子線と像側でなすＸ軸方向における最大角度を±Ｕ0x、Ｙ軸方向における最大角度を±Ｕ0yとすることができ、位置Ｏ’や位置Ｂ’の周りのＹi＝０やＹi＝−Ｂ’におけるＸ軸方向の二次ビームの拡がりδｘ（位置Ｏ’）ECAやδｘ（位置Ｂ’）ECA、ならびに、位置Ｏ’やＢ’の周りのＸi＝０におけるＹ軸方向の二次ビームの拡がりδｙ（位置Ｏ’）ECAやδｙ（位置Ｂ’）ECAを変更することができる。この場合、図から分かるように、Ｙ軸方向の二次ビームの拡がりは、円形の開口形状を有する開口絞りＡＳ０を用いた場合よりも、むしろ大きくなってしまうのであるが、それでも、位置Ａ’における二次ビームの拡がりδｘ（位置Ａ’）ECAないしはδｙ（位置Ａ’）ECAよりは小さい値であって、物体検査装置全体の解像度を低下させることには至らない。
【００５３】
以上、単色収差によって二次ビームが像面ＩＭ上で有する拡がりについて述べたが、二次ビームは、単色収差以外にも、色収差によるビームの拡がりを有している。すなわち、これまで、二次ビームが単一のエネルギーΦを有しているものとしたが、実際には、二次ビームはエネルギー幅ΔΦを有していおり、二次ビームは、このエネルギー幅ΔΦによって生じる色収差によるビームの拡がり
δｘc＝Ｃ1・ΔΦ／Φ・αx＋Ｃ2・ΔΦ／Φ・Ｘ
δｙc＝Ｄ1・ΔΦ／Φ・αy＋Ｄ2・ΔΦ／Φ・Ｙ
をＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ有している。
【００５４】
ところで、本実施形態のように、二次ビームの軌道上に、従来は円形とされる開口形状の代わりに、楕円形の開口形状を設けて二次ビームを通過させると、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減される。これは、楕円形の断面形状を有した荷電粒子ビームをクロスオーバーさせることによって、概ね非点収差的なクロスオーバーを生じさせるのと同様の効果がもたらされ、開口形状を通過させる荷電粒子ビームの電流値は同じでも、クーロン力により生じる荷電粒子ビームのエネルギー幅が低減されるからである。実際、数値計算によれば、例えばαx及びαyを３０mradとして開口形状を円形にした場合に比較して、αxを２６mradとし、αyを３５mradとした場合に、エネルギー幅が２％狭くなることが実証された。
したがって、楕円形の開口形状を有する開口絞りＡＳを用いることにより、単色収差によって生じる解像度の低下を改善できるだけでなく、色収差による解像度の低下も改善することができる。
【００５５】
上述のように、本実施の形態によれば、二次ビームのエネルギー幅を低減して、像面ＩＭ上における色収差による二次ビームの拡がりを低減することができ、さらに、像面ＩＭ上の像ＩＦのＸ軸方向の端部における単色収差による二次ビームの拡がりを低減して二次光学系２０、ならびに物体検査装置の解像度を向上することができる。したがって、本実施の形態による物体検査装置を用いた物体検査方法によれば、従来の半導体素子よりも線幅をさらに狭くした半導体素子を製造することができる。
【００５６】
なお、これまで、低エネルギーの電子ビームを用いて物体の表面を検査する物体検査装置について述べてきたが、電子ビームに限らず、荷電粒子ビームを用いた荷電粒子ビーム光学装置に楕円形の開口形状を有する絞りを用いれば、同じように荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くできるから、荷電粒子ビームは電子ビームに限られないことに留意すべきである。そして、荷電粒子ビームを導く荷電粒子ビーム光学系を有した荷電粒子ビーム光学装置において、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることが要求されるような荷電粒子ビーム光学装置であれば、本発明に係る荷電粒子ビーム光学装置を用いることができ、その応用は、上述したような物体検査装置や、さらには、物面から放出された荷電粒子ビームを像面上に結像させる構成を備えた荷電粒子ビーム光学装置に限られるものではない。
荷電粒子ビーム光学装置が、上記の実施形態のように、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に物面上の領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系を有している場合にも、楕円形の開口形状を有する絞りを用いれば、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くでき、色収差を低減できる。この場合、絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、像面上における像が延在する方向と、この方向に直交する方向とに、それぞれ略等しい大きさの単色収差による拡がりを有するように開口形状の楕円形の長軸と短軸の比が設定されれば、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができるが、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くするためだけであれば、絞りの開口形状が楕円形に形成されるだけでよく、楕円形の形状に対する制限は必ずしも必要ではない。
【００５７】
また、光軸回りに対称な荷電粒子ビーム光学系に限らず、荷電粒子ビーム光学系一般において、像面上に集束される荷電粒子ビームの単色収差による子午面方向の拡がりは、サジタル面方向の拡がりよりも大きい。そして、像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在している方向の像の端部の位置が光軸から最も遠くなり、この位置での単色収差による拡がりが像内の他の位置での拡がりより最も大きくなる。したがって、像が延在している方向における像の端部の位置での、像が延在する方向へのビームの単色収差による拡がりが、物体検査装置の解像度を決定してしまう。像面上での像が一方向に延在している場合には、像が延在する方向と子午面方向とは概ね一致するから、上記楕円形の開口形状によって、像が延在する方向の単色収差によるビームの拡がりを低減すれば、子午面方向のビームの拡がりも低減し、サジタル面方向のビームの拡がりとのアンバランスが解消される。ここで、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を適切に設定し、前記領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向の収差の拡がりが略等しい大きさとなるようにすれば、専ら子午面方向のビームの拡がりによって決定されていた荷電粒子ビーム光学装置の解像度が子午面方向のビームの拡がりの減少とともに向上する。
このように、荷電粒子ビーム光学装置の絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有していれば、荷電粒子ビーム光学系が光軸回りに対称でなくとも、像面上に集束される荷電粒子ビームの単色収差による拡がりを低減することができる。さらに、この場合、一方向に延在する像の形状は、本実施形態のように長方形状に限られないことは言うまでもない。
【００５８】
さらに、上記の実施形態においては、予め楕円形の開口形状を決定して絞りを形成し、荷電粒子ビーム光学系内に挿入する構成としたが、絞りの開口形状は、可変とされていてもよく、その都度、必要な解像度、ビーム強度から、像面上でのビームの拡がりを観測しながら、開口形状を楕円形に調整する構成とされていてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
本発明は、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、荷電粒子ビーム光学系により導かれる荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる楕円形に形成された開口形状を有しているので、荷電粒子ビームの電流値が同じでも、最終的に得られる荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができ、色収差を低減することができる。
【００６０】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有しているので、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができ、色収差を低減することができる。
【００６１】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りが、物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、その楕円形の長軸と短軸の比は、荷電粒子ビームが、領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向に略等しい大きさの収差による拡がりを有するように設定されているので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６２】
また、本発明の第四の態様による荷電粒子ビーム光学装置によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上にこの領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系が、荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に、荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有し、この開口絞りの開口形状は、集束される前記荷電粒子ビームが前記像面上で有する単色収差によるＸ軸方向における拡がりδｘ、及びＹ軸方向における拡がりδｙのそれぞれの値が、Ｘ軸方向における領域の像の端部の位置で略等しくなるように、αxとαyの比を所定の値にする形状に形成されているので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６３】
また、本発明による荷電粒子ビーム光学装置の絞りは、荷電粒子ビームの軌道上に配置され、開口形状によってこの荷電粒子ビームの一部を通過させ、この開口形状が楕円形に形成されているので、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６４】
また、本発明の第一の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に絞りを配置し、該絞りの開口形状の面積を一定に保ちながらこの開口形状を楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させるので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６５】
また、本発明の第二の態様による荷電粒子ビームの制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に開口絞りを配置し、該開口絞りの開口形状の面積を一定に保ちながら物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させるので、荷電粒子ビームの強度を一定に保ちながら、荷電粒子ビームのエネルギー幅を狭くすることができる。
【００６６】
また、本発明の第三の態様による荷電粒子ビーム制御方法によれば、物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させ、荷電粒子ビームの軌道上に開口絞りを配置し、該開口絞りの開口形状の面積を一定に保ちながら物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形にして荷電粒子ビームの一部を通過させ、領域の像が延在する方向におけるこの像の端部に集束される前記荷電粒子ビームが、領域の像が延在する方向とこの方向に直交する方向にそれぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するように、開口形状の楕円形の長軸と短軸の比を調整するので、荷電粒子ビーム光学装置の解像度を向上させることができる。
【００６７】
また、本発明の第一の態様による物体検査装置によれば、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【００６８】
また、本発明の第一の態様による物体検査方法によれば、物体を検査する際の解像度を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施形態による物体検査装置の構成を示す図である。
【図２】 本発明の一実施形態による物体検査装置の一次ビームの軌道を示す図である。
【図３】 本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームの軌道を示す図である。
【図４】 本発明の一実施形態による荷電粒子ビーム光学装置の概略構成図であって、本発明の荷電粒子ビーム制御方法を説明するための図である。
【図５】 本発明の一実施形態による物体検査装置の二次ビームの伝播経路を主荷電粒子及び周辺の荷電粒子線によって概略的に示す図である。
【図６】 物面上の照射領域を二次ビームの進行方向から見た図である。
【図７】 円形の開口形状を有する開口絞りの開口部分を示す図である。
【図８】 円形の開口形状を有する開口絞りを用いた場合の像面上の像の各位置に生じる二次ビームの拡がりを示す図である。
【図９】 楕円形の開口形状を有する開口絞りの開口部分を示す図である。
【図１０】 楕円形の開口形状を有する開口絞りを用いた場合の像面上の像の各位置に生じる二次ビームの拡がりを示す図である。
【図１１】 二次ビームが位置Ａ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１２】 二次ビームが位置Ｏ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１３】 二次ビームが位置Ｂ’の周りに拡がりを有している状態を示す図である。
【図１４】ＴＤＩセンサを備える検出装置を示す図である。
【図１５】ＴＤＩセンサの概略構成及び動作原理を説明するための図である。
【図１６】検出装置の検出面上に結像された試料像の所定箇所が試料の移動に伴って検出面上で移動する様子を示す図である。
【符号の説明】
１・・・一次コラム
２・・・二次コラム（荷電粒子ビーム光学装置）
１１・・・一次光学系
２０・・・二次光学系（荷電粒子ビーム光学系）
３０・・・検出装置
αx，αy・・・開口絞りによって制限されるＸ軸方向及びＹ軸方向における開口角の半分の角度
δｘ，δｙ・・・像面上の像の単色収差による二次ビームの拡がり
δｘc，δｙc・・・像面上の像の色収差による二次ビームの拡がり
Ａ・・・物点
Ａ’・・・像が延在する方向における像の端部の位置
ＡＳ・・・開口絞り（絞り）
Ｂ１・・・一次ビーム（一次の荷電粒子ビーム）
Ｂ２・・・二次ビーム（二次の荷電粒子ビーム）
ＩＦ・・・像
ＩＭ・・・像面
ＯＢ・・・物面
ＯＦ・・・照明領域
Claims (4)
- 物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系を有し、該荷電粒子ビーム光学系は、前記荷電粒子ビームの軌道上に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有している荷電粒子ビーム光学装置において、
前記開口絞りは、前記物面上の領域が延在する方向に直交する方向に長軸を有する楕円形の開口形状を有し、前記領域が延在する方向の前記領域の端部の一点から放出された前記荷電粒子ビームが、前記像面上において、前記領域の像が延在する方向と、この方向に直交する方向とに、それぞれ略等しい大きさの収差による拡がりを有するよう、前記開口形状の楕円形の長軸と短軸の比が設定されていることを特徴とする荷電粒子ビーム光学装置。 - 物面上の一方向に延在した領域から放出される荷電粒子ビームを導いて像面上に前記物面上の領域を結像させる荷電粒子ビーム光学系を有し、該荷電粒子ビーム光学系は、前記荷電粒子ビームの軌道上の物面もしくは像面に対するフーリエ変換面に、前記荷電粒子ビームの一部を通過させる開口絞りを有している荷電粒子ビーム光学装置において、
前記開口絞りの開口形状は、
前記像面上における前記領域の像が延在する方向をＸ軸方向として、前記像面上における前記荷電粒子ビーム光学系の光軸からのＸ軸方向の距離をＸとし、
該Ｘ軸方向に直交する方向をＹ軸方向として、前記像面上における前記光軸からのＹ軸方向の距離をＹとし、
前記光軸からの距離がＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれＸ及びＹとなる位置に集束される前記荷電粒子ビームが前記物面上において有するＸ軸方向及びＹ軸方向の開口角の半分の角度をそれぞれαx及びαyとし、
Ａ1、Ａ2、Ａ11、Ａ12、Ａ13、Ａ14、Ａ15、Ａ16、Ａ17、Ａ18、Ｂ1、Ｂ2、Ｂ11、Ｂ12、Ｂ13、Ｂ14、Ｂ15、Ｂ16、Ｂ17、Ｂ18を係数としたとき、
集束される前記荷電粒子ビームが前記像面上で有する３次の単色収差によるＸ軸方向における拡がり、
δｘ＝Ａ1αx 3＋Ａ2αxαy 2＋Ａ11αx 2Ｘ＋Ａ12αy 2Ｘ＋Ａ13αxαyＹ＋Ａ14αxＸ2＋Ａ15αxＹ2＋Ａ16αyＸＹ＋Ａ17Ｘ3＋Ａ18ＸＹ2及び、Ｙ軸方向における拡がり、
δｙ＝Ｂ1αy 3＋Ｂ2αyαx 2＋Ｂ11αy 2Ｙ＋Ｂ12αx 2Ｙ＋Ｂ13αyαxＸ＋Ｂ14αyＹ2＋Ｂ15αyＸ2＋Ｂ16αxＸＹ＋Ｂ17Ｙ3＋Ｂ18ＹＸ2のそれぞれの値が、前記領域の像のＸ軸方向における端部の位置において略等しくなるように、αxとαyの比を所定の値にする形状に形成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム光学装置。 - 請求項２に記載の荷電粒子ビーム光学装置において、
前記開口絞りの開口形状は、δｘ又はδｙの値の最大値が所定の解像度以下の値となるように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以下となる形状に形成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム光学装置。 - 請求項２に記載の荷電粒子ビーム光学装置において、
前記開口絞りの開口形状は、前記荷電粒子ビームが所定の強度以上で通過するように、αx及びαyの値が前記αxとαyの比の値を保ちながら所定の値以上となる形状に形成されていることを特徴とする荷電粒子ビーム光学装置。
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