JP4094042B2

JP4094042B2 - 荷電粒子線装置及び荷電粒子線照射方法

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Publication number: JP4094042B2
Application number: JP2006355604A
Authority: JP
Inventors: 洋一小瀬; 佐藤　　貢; 秀男戸所; 真江角; 紀明荒井; 隆土肥
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-09-11
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP2007087971A

Description

本発明は、電子線やイオン線等の荷電粒子線を用いる荷電粒子線装置に係り、特に、試料上で荷電粒子線を傾斜した場合にも分解能の劣化を抑えて高分解能像を得るのに好適な荷電粒子線装置に関する。

走査電子顕微鏡に代表される荷電粒子線装置では、細く集束された荷電粒子線を試料上で走査して試料から所望の情報（例えば試料像）を得る。このような荷電粒子線装置では、年々高分解能化が進むと同時に、近年では試料に対して荷電粒子線を傾斜させて試料の傾斜像を得ることが必要とされている。試料の傾斜像を得るには試料ステージを傾斜させるのが一般的であるが、高倍率での視野ずれを防止したり、より高速に試料傾斜像を得るには、試料ステージを機械的に傾斜するよりも荷電粒子線を試料に対して傾斜するほうが合理的であることがその理由である。

装置の高分解能条件を維持して荷電粒子線を傾斜させる技術として、実開昭55-48610号公報および特開平2-33843号公報に、荷電粒子線を対物レンズの軸外に入射させて、対物レンズの集束作用（振り戻し作用）を利用する方法が開示されている。また、特開2000-348658号公報には、荷電粒子線を対物レンズの集束磁界内で互いに逆向きに偏向させる２段の偏向手段を設け、荷電粒子線を対物レンズ軸外で傾斜したときに発生する軸外色収差を補正する技術が開示されている。特開2001-15055号公報には、荷電粒子線を対物レンズの軸外に通すための偏向手段を対物レンズよりも電子源側に設け、対物レンズの軸外で発生する色収差（軸外色収差）を対物レンズよりも電子源側に設けたウィーンフィルタで補正することにより、荷電粒子線を傾斜したときの分解能劣化を低減する技術が開示されている。さらに、WO 01/33603には、光軸と直交する任意の２次元方向に直交電磁界を発生させるウィーンフィルタを対物レンズよりも電子源側の光軸上に配置して、任意方向の軸外色収差を補正する技術が開示されている。
実開昭55-48610号公報特開平2-33843号公報特開2000-348658号公報特開2001-15055号公報 WO 01/33603

特開2000-348658号公報に記載されている、対物レンズの磁界内で荷電粒子線を２段偏向させる方法は、近年一般的になっている対物レンズ磁場を試料側に漏洩させて高分解能を得る方式に対しては、２段の偏向手段を配置すべき空間が対物レンズ磁極と試料との間になるため、対物レンズ磁極と試料との距離を大きくする必要が生じて高分解能が得られなくなる問題がある。このために、特開2000-348658号公報では、対物レンズの磁極を４個設けて、高分解能観察用と荷電粒子線傾斜用とで磁極の組み合わせを切り替える技術を示しているが、この方法においては、磁極の数が多くなる分だけ磁極間の軸ずれや切り替えたときの諸問題（倍率ずれ、軸ずれ、走査条件の変化など）を解決する必要があり、実用面での困難が伴う問題がある。

一般に、対物レンズの軸外の性質を利用して荷電粒子線を傾斜する場合には軸外色収差だけでなくコマ収差も発生し、低加速電圧時には軸外色収差が支配的であるが、比較的高い加速電圧を使用する場合には、軸外色収差よりもむしろコマ収差が問題となる。したがって、比較的高い加速電圧ではコマ収差を除去することが重要になる。また、低加速電圧であっても、荷電粒子線の傾斜角度を大きくするとコマ収差が大きくなるため、軸外色収差を補正しても高分解能が得られない。したがって、荷電粒子線を高角度に傾斜させて高分解能像を得るには、軸外色収差とコマ収差を同時に補正する必要があるが、特開2000-348658号公報に記載されている従来技術ではこの点の配慮がなされておらず、高角度傾斜時に分解能が低下する問題がある。

一方、特開2001-15055号公報に記載の技術では、荷電粒子線を対物レンズの軸外に入射させたときに発生する軸外色収差をウィーンフィルタで補正しているが、ウィーンフィルタではコマ収差の除去ができないため、高角度な荷電粒子線の傾斜、あるいは、比較的高加速電圧に対する荷電粒子線の傾斜においては、分解能が低下する問題がある。

対物レンズの振り戻し作用を利用して荷電粒子線（ビーム）を試料上で傾斜するときに発生する収差について、図２により説明する。ビーム４をビーム傾斜角制御コイル５１により対物レンズ７の物点で偏向して対物レンズ７の軸外に入射させると、対物レンズ７の集束作用によりビーム４が試料１０上で傾斜する。この場合、対物レンズ７から見た物点位置が移動していないため、ビームを傾斜しても視野が移動しない。ビームを傾斜したときの視野ずれを補正すると、ビームは原理的に図２に示す偏向条件を満たすことになる。

物点が光軸上にあるときに発生する対物レンズの収差は、球面収差と軸上色収差である。このとき、対物レンズで発生する収差（Δw_i）は、試料上での軌道勾配（w'_i）の関数として次の多項式(1)で表現される。なお、軌道勾配は、軌道関数w（w = x + j・y：jは複素数の虚数単位）の光軸ｚに関する微分で表し、本明細書ではｚに関する微分をダッシュ「'」で表す。

対物レンズの振り戻し作用によりビームを傾斜した場合、試料上での軌道勾配（w'_i）は、ビーム傾斜角度に対応する軌道勾配（w'_t）とビーム開き角に関連する軌道勾配（w'_f）の和として、次のように書ける。

試料上での軌道勾配座標系（w'_i -座標系）でビームの状況を表した模式図を図３に示す。図３の横軸は像面上におけるX方向の軌道の傾きを表し、縦軸はY方向の軌道の傾きを表す。軌道の勾配はｚに関する微分で表されるため、先に述べたようにダッシュ「'」をつけた記述になっている。図３に示す円形図形（ビーム領域）は、一次ビームがレンズの集束作用によって種々の勾配を持つ軌道の集合として表されるため、この集合の領域を表している。図３において、ビームの集束軌道の中心がビーム傾斜（w'_t）に対応するため、この分だけ円形図形が（x_i',y_i'）の座標系の中心からずれている。ビーム傾斜時の収差は、式(1)に式(3),(4)を代入して式(5)のように得られる。

式(5)を展開すると、式(6)となり、本来は軸上収差のみの系からビーム傾斜（軌道の離軸）によってザイデル収差（球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲収差、歪曲収差）と軸上色収差、軸外色収差が発生することがわかる。

これらの収差を以下に項目別に列挙する。

上記した項目の中で、w'_tを含む項がビーム傾斜で発生する収差であり、コマ収差、非点収差、像面湾曲収差、歪曲収差、軸外色収差が該当するが、ビーム集束角度（w'_f）、およびエネルギー幅ΔVの関数ε_iを含む収差のみ（コマ収差、非点収差、像面湾曲収差、軸外色収差）がビーム傾斜時の分解能低下を起こす。

ビーム傾斜時に分解能を低下させる収差のなかで、非点収差は通常用いられている非点補正コイルにより容易に補正できる。また、像面湾曲収差はビーム傾斜によるフォーカスずれのため、フォーカス条件（対物レンズ電流）を補正すれば消すことができる。さらに、歪曲収差は、ビーム傾斜による照射位置のずれのため、ビーム傾斜に連動して照射位置を補正すれば消すことができる。したがって、最終的に考慮すべき収差は軸外色収差とコマ収差であり、どちらもビーム傾斜角（w'_t）に比例して増大する。

本発明の目的は、上述した軸外色収差とコマ収差を実用的に容易な方法により除去して、分解能の低下を抑えた高角度ビーム傾斜が可能な荷電粒子線装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、対物レンズを含む少なくとも２段以上の集束レンズを配置し、各々のレンズ軸外にビームを入射させる偏向手段を設け、各レンズで発生した軸外収差（軸外色収差及び／又はコマ収差）が互いにキャンセルするように、すなわち各レンズで発生した軸外収差の総和がゼロ、或いはゼロに近くなるようにした。また、ビーム傾斜角度に連動して非点収差を制御する手段を設けて、ビーム傾斜角によって変化する非点収差の補正を可能にした。ビーム傾斜角に連動して対物レンズの焦点距離を制御するのも有効である。さらに、ビーム傾斜角に連動して照射位置のずれを補正することも可能にした。

更に他の構成として、偏向手段に換えて、絞り機構を設け、ビームの通過を制限することで、実質的にレンズ軸外にビームを入射させるようにした。

本発明によれば、対物レンズの集束作用を利用したビーム傾斜を行っても、軸外色収差やコマ収差、および非点収差の影響を受けず、高分解能な傾斜観察像を得ることが可能になる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。以下の図において、同じ機能部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図である。陰極１と第一陽極２の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により電圧が印加され、所定のエミッション電流で一次電子線４が陰極１から引き出される。陰極１と第二陽極３の間には、コンピュータ４０で制御される高圧制御電源２０により加速電圧が印加され、陰極１から放出された一次電子線４が加速されて後段のレンズ系に進行する。一次電子線４は、レンズ制御電源２１で制御された集束レンズ５で集束され、絞り板８で一次電子線の不要な領域が除去された後に、レンズ制御電源２２で制御された集束レンズ６、および対物レンズ制御電源２３で制御された対物レンズ７により、試料１０に微小スポットとして集束される。対物レンズ７は、インレンズ方式、アウトレンズ方式、およびシュノーケル方式（セミインレンズ方式）など、種々の形態をとることができる。また、試料に負の電圧を印加して一次電子線を減速させるリターディング方式も可能である。さらに、各々のレンズは、複数の電極で構成される静電型レンズで構成してもよい。

一次電子線４は、走査コイル制御電源２４によって制御される走査コイル９で試料１０上を二次元的に走査される。一次電子線の照射で試料１０から発生した二次電子等の二次信号１２は、対物レンズ７の上部に進行した後、二次信号分離用の直交電磁界発生装置１１により、一次電子と分離されて二次信号検出器１３に検出される。二次信号検出器１３で検出された信号は、信号増幅器１４で増幅された後、画像メモリ２５に転送されて像表示装置２６に試料像として表示される。

走査コイル９と同じ位置に２段の偏向コイル５１が配置されており、傾斜制御電源３１によって対物レンズの物点が偏向支点となるように、対物レンズに入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。こうして、対物レンズの光軸に対してビームを傾斜させることができる。集束レンズ６の付近に非点収差補正コイル５３が配置されており、ビーム傾斜条件に連動して非点補正電源３３で制御される。集束レンズ６と絞り板８の間には２段の偏向コイル５２が配置されており、集束レンズ６の物点が偏向の支点となるように、収差制御電源３２によって集束レンズ６に入射する一次電子線４の位置を二次元的に制御できる。偏向コイル５１には、対物レンズの物点が偏向支点となる一次電子線位置制御信号に加えて、一次電子線の試料上での照射位置を二次元的に制御できる制御信号も流すことができ、ビーム傾斜条件に連動して照射位置のずれを補正できる。

試料ステージ１５は、試料を少なくとも一次電子線と垂直な面内の２方向（Ｘ方向、Ｙ方向）に試料１０を移動することができる。入力装置４２からは、画像の取り込み条件（走査速度、加速電圧など）やビーム傾斜条件（傾斜方向や傾斜角度）の指定、および画像の出力や記憶装置４１への保存などを指定することができる。

〔実施例１〕
図１の構成を有する走査電子顕微鏡により、ビーム傾斜時に発生する軸外色収差を補正するための実施例について、その主要部分を抜粋した図４を用いて以下に詳細に説明する。
偏向コイル５２（以下、この偏向コイル５２を収差制御コイルという）により、集束レンズ６の物点が偏向支点となるように一次ビーム４を偏向すると、ビーム傾斜時と同じ性質の収差を集束レンズ６で発生させることができる。集束レンズ６の像点（クロスオーバ点）でのビームエネルギーをV₁とすると、式(2)に対応するエネルギー幅のパラメータは、次式(13)となる。

一方、対物レンズの角倍率をMaとすると、収差補正レンズ像点でのビームの集束角（w'_f1）は、式(14) で与えられる。

さらに、集束レンズ６のビーム傾斜角（収差補正用）をw'_t1とし、対物レンズ７によるビーム傾斜角w'_tとの比をｋで表すと、式(15) より、集束レンズ６で発生した収差が最終フォーカス点に現れる量Δw₁は、対物レンズの光学倍率をＭとするとき、式(16) となる。

C_s1:集束レンズ６の球面収差係数
C_c1:集束レンズ６の軸上色収差係数
これより、対物レンズ７が作る軸外色収差をキャンセルするための集束レンズ６のビーム傾斜条件（ｋの条件）は、式(17) より、式(18) となる。

ここで、式(18)の右辺にはマイナスの符号がついているが、図４の構成の場合には、光学倍率Mがマイナスの値となって式(18)のｋの値がプラスになる。例えば、式(18)の値が0.2になったとすると、対物レンズ７によるビーム傾斜角度の0.2倍の角度だけ、集束レンズ６でビームを傾斜させればよい。対物レンズ７によるビーム傾斜角度は、偏向コイル５１（以下、この偏向コイル５１をビーム傾斜角制御コイルという）の電流に比例するため、予めビーム傾斜角制御コイル５１の電流と対応する対物レンズ７によるビーム傾斜角度との関係を記憶装置４１に登録することでプリセットしておくことができる。また、集束レンズ６によるビーム傾斜角度は、収差制御コイル５２の電流に比例するため、収差制御コイル５２の電流と集束レンズ６によるビーム傾斜角度の関係を予め記憶装置４１に登録する等してプリセットしておくことができる。これらのプリセット条件と式(18)の値により、ビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２の電流の比例関係が式(18)のｋの値を満たすように、ビーム傾斜角制御電源３１と収差制御電源３２をコンピュータ４０により制御することができる。一方、式(18)のｋの符号がマイナスになる場合には、対物レンズでのビーム傾斜の方向と逆向きの方向で集束レンズ６によるビーム傾斜を行うことを意味するため、この場合には、ビーム傾斜角制御コイル５１に対する収差補正コイル５２の電流が逆極性になる。

一方、コマ収差をキャンセルする条件を求めると、式(19)より式(20)のようになる。

この場合のｋの値は、一般には式(18)のｋの値と異なるため、式(20)のｋの値を選択したときには、式(18)を満足しなくなり、ビーム傾斜に伴って色収差が発生する。これは、対物レンズ７と集束レンズ６の形状が異なるために、対物レンズ７でビームを傾斜したときに発生する色収差とコマ収差の大きさの比が、集束レンズ６でビームを傾斜したときに発生する色収差とコマ収差の大きさの比に一致しないことによる。

本実施例では、例えば、加速電圧５ｋＶ以下の低加速電圧において軸外色収差が支配的の場合には、式（18）の条件を満たすようにビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２を連動して制御する。また、加速電圧が５ｋＶを超える条件ではコマ収差が支配的となるため、式(20)を満たすようにビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２を連動して制御する。なお、色収差支配かコマ収差支配かの境界を決める加速電圧は対物レンズの球面収差係数と軸上色収差係数、および一次電子線のエネルギー幅に依存するため、この境となる加速電圧は５ｋＶに限定されるものではない。収差制御コイル５２の最適制御条件は、ビーム傾斜角度に比例するため、本実施例では、予め特定のビーム傾斜角度に対して適切な条件をプリセットし、この値から、任意のビーム傾斜角に対する制御条件を計算してビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２の連動条件を決めて、各コイルの制御を行う。

〔実施例２〕
ビーム傾斜時に軸外色収差とコマ収差が同程度に影響する場合、あるいは、ビーム傾斜角度が例えば５°以上と大きい場合には、軸外色収差とコマ収差とを同時に補正する必要がある。
軸外色収差とコマ収差とを同時に補正するには、式(18)と式(20)が同じｋの値になることが必要である。この条件を満たすには、対物レンズの光学倍率（横倍率）を含む条件の設定が必要となる。この条件は、電子光学理論で周知の関係式(21) を用いて、式(22) で与えられる。

式（22）は、集束レンズ６の焦点位置を所定の条件にすることで満足させることができる。すなわち、集束レンズ６の焦点位置を対物レンズ側に移動するとMの値が大きくなり、対物レンズから遠ざけるとMの値が小さくなる。したがって、図５に示すように、縦軸にA（=M²(C_ci/C_si)-(C_c1/C_s1)）を取り、横軸に集束レンズ６の焦点位置を取ると、A=0になる焦点位置を見出すことができる。A=0になる焦点位置は、すなわち、式(22)を満足する条件であるので、この焦点位置を、予めシミュレーションや実験により決定することができる。

式（21）の関係を用いると、収差制御コイル５２の最適制御条件を与える式(20)は、式(23)となる。

本実施例では、式(21)の関係を満たすように集束レンズ６の励磁条件を設定するとともに、式(23)の関係を満たすようにビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２を連動して制御する。

図６のフローチャートを用いて、色収差とコマ収差を同時に補正する制御フローを説明する。

最初、式(22)を満たすMの値を実現するための集束レンズ６の焦点位置を予めシミュレーションや実験で求めて記憶装置４１に登録する（ステップ１１）。次に、式(23)を満たすｋの値を予め計算して記憶装置４１に登録する。ｋの値は、予めシミュレーションや実験で決めた値を使うこともできる（ステップ１２）。

更に、対物レンズ７によるビーム傾斜角とビーム傾斜角制御コイル５１の電流の関係を予めシミュレーションや実験で求めて記憶装置４１に登録し（ステップ１３）、集束レンズ６によるビーム傾斜角と収差制御コイル５２の電流の関係を予めシミュレーションや実験で求めて記憶装置４１に登録する（ステップ１４）。次に、式(23)を満たすｋの値から、ビーム傾斜角制御コイル５１と収差制御コイル５２の電流の関係を求めて記憶装置４１に登録する（ステップ１５）。

次に、コンピュータ４０により、ステップ１３で登録した関係とビーム傾斜角からビーム傾斜角制御コイル５１の電流を設定し（ステップ１６）、ステップ１５で登録した関係から、ビーム傾斜角制御コイル５１に対応する収差制御コイル５２の電流を設定する（ステップ１７）。

〔実施例３〕
本実施例では、さらに、ビーム傾斜に連動して非点収差補正コイルと対物レンズ電流を制御する。ビーム傾斜で発生する非点収差は、式(9)から明らかなように、ビーム傾斜角（w'_t）の２乗に比例して増大する。ビーム傾斜角（w'_t）は、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流に比例するため、本実施例では、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流に対して予め定めた複数の条件に対して、図９に示すように非点収差が補正される非点収差補正コイル５３の動作条件を記憶装置４１に登録するなどしてプリセットしておく。ビーム傾斜によって発生する非点収差は、ビーム傾斜角が０（ビーム傾斜角制御コイル５１の電流が０）のときの非点補正量（Isx0, Isy0）と任意のビーム傾斜角での非点補正量の差で与えられる。よって、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流（Ix, Iy）が（0, 0）の条件と、予め定めた電流(Ix0, Iy0)の条件における非点収差補正電流を（Isx0, Isy0）at (Ix, Iy)=(0, 0), (Isx1, Isy1) at (Ix, Iy)=(Ix0, 0), (Isx2, Isy2) at (Ix, Iy)=(0, Iy0), (Isx3, Isy3) at (Ix, Iy)=(Ix0, Iy0)として記憶装置４１にプリセットしておき、コンピュータ４０は、これらのプリセット値から任意のビーム傾斜角制御コイル５１の電流（Ix, Iy）に対する非点収差補正コイル５３の電流（Isx, Isy）を、次のように連動して制御する。

この制御により、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流を設定してビーム傾斜角を制御しても非点収差が自動的に補正されるように非点収差補正コイル５３が設定される。

さらに、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流（Ix, Iy）を（0, 0）から（Ix0, 0）にしたときのフォーカス電流（対物レンズ電流）ずれをΔIo1、（Ix, Iy）を（0, 0）から（0, Iy0）にしたときのフォーカス電流のずれをΔIo2としてそれぞれ記憶装置４１に登録する。コンピュータ４０は、これらの登録値を用いて、任意のビーム傾斜角制御コイル５１の電流（Ix, Iy）に対してフォーカス電流の補正値ΔIoを次のように連動して制御する。

この制御により、ビーム傾斜角制御コイル５１の電流を設定してビーム傾斜角を制御しても、フォーカスのずれが自動的に補正される。

〔実施例４〕
図７に、集束レンズ６を２個のレンズで構成した実施例を示す。ビーム傾斜により対物レンズで発生したコマ収差をキャンセルする収差を、対物レンズより電子源側の集束レンズで発生させるには、集束レンズの球面収差を大きくする必要がある。何となれば、式(23)で示される通り、集束レンズの球面収差が最終フォーカス点に与える寄与（収差の補正量）が対物レンズの光学倍率（Ｍ＜１）の３乗に比例して小さくなるためである。そのため、ビーム傾斜時には大きな球面収差が得られるように、磁極孔径とギャップの小さい集束レンズが望ましい。一方で、球面収差が大きいレンズは、高分解能観察に対してはデメリットをもたらす。本実施例では、高分解能に特化した用途とビーム傾斜機能とを両立させるために、球面収差などの幾何収差が小さいレンズ６１と逆に幾何収差の大きなレンズ６２をペアにしている。

本実施例によれば、ビームを傾斜しない用途には高分解能用のレンズ（孔径の大きい磁極を有するレンズ）６１を用い、ビームを傾斜する用途には幾何収差の大きなレンズ（孔径とギャップの小さい磁極を有するレンズ）６２に切り替えて使用できる。つまり、高分解能観察時には、幾何収差の小さな高分解能用レンズ６１を使用し、幾何収差の大きなレンズ６２はオフにする。一方、ビーム傾斜時には、幾何収差の大きなレンズ６２を用い、高分解能用レンズ６１はオフにする。また、収差制御用コイル６３に軸ずれ補正用のアライメントコイルとしての機能を兼用させることで、磁極の切り替えに伴う軸ずれを解決できる。

以上述べた実施例では、ビーム傾斜で発生する対物レンズの収差を他の一個のレンズで補正する方法を開示したが、対物レンズの収差を補正するのに２個以上の複数のレンズを用いることも可能である。

例えば、ビーム傾斜時に発生する色収差を例に複数のレンズで対物レンズの収差を補正する原理について、図８を用いて説明する。対物レンズでビームを傾斜したときに発生する色収差は、ビーム傾斜方向に対応してＸ成分とＹ成分が発生する。この収差は、対物レンズに限らず、どのような集束レンズでもビームを傾斜すれば発生するが、その大きさはレンズの磁極形状や動作条件（焦点距離など）で異なる。そのため、複数のレンズを用いて、それぞれのレンズでビームを傾斜させたときに、それらが作る色収差のベクトルと対物レンズで作る色収差のベクトルの総和（ベクトル和）が図８に示すように０に戻るようにすれば、対物レンズの色収差が補正されることになる。したがって、補正に用いるレンズは何個でもよく、要は、色収差ベクトルの総和を０にすることが重要なのである。コマ収差についても同様に、ビーム傾斜に対応した方向と大きさで収差が発生するため、図８に示した図が、そのままコマ収差の補正原理としても当てはまる。

以下に、図１０から図１８を用いて本発明の他の実施例について説明する。図１０から図１８は、対物レンズでビームを傾斜させたときに、対物レンズを含む複数のレンズで発生する収差の総和を０にするための軌道制御の例を示す図である。

〔実施例５〕
図１０は、集束レンズ６と絞り８との間に偏向器を一個配置したときの軌道制御の例を示す図である。この例では、絞り８と集束レンズ５の間に配置した２段の偏向器からなる収差制御コイル５２によって、一次電子線４が絞り８の孔中心で傾斜して通過する条件を作り、絞り８と集束レンズ６の間に配置した偏向器５２１で、集束レンズ６から見た一次電子線４の偏向支点が、集束レンズ５の集束点Ａになるように軌道を制御する。また、集束レンズ６の集束点Ｂはビーム傾斜角制御コイル５１の偏向支点に一致しており、ビーム傾斜角制御コイル５１と対物レンズ７の動作で一次電子線４を傾斜させる。

〔実施例６〕
図１１は、集束レンズ６と絞り８の間に偏向器が配置できないときの軌道制御の例を示す図である。この例では、集束レンズ５と電子源の間に配置した２段の偏向器からなる収差制御コイル５２によって、一次電子線４の偏向支点が見かけ上、電子源位置と一致するように一次電子線４の軌道を制御する。このとき、集束レンズ５で発生した収差は、集束レンズ６でその向きが反転するため、対物レンズ７で発生する収差をキャンセルするためには、集束レンズ５を通過するときの一次電子線４の軌道のずれ方向が図１０の場合と逆向き（収差の向きが逆向き）になる。また、集束レンズ５の集束点Ａの位置は偏向器５２１の位置（偏向支点）と一致しており、集束点Ａを偏向支点として一次電子線４の軌道を再び光軸と一致させている。

〔実施例７〕
図１２は、絞り８を集束レンズ６と対物レンズ７との間に配置したときの軌道制御の例を示す図である。この例では、集束レンズ６で対物レンズ７の収差を補正することが困難なため、図１１と同様に集束レンズ５によって、一次電子線４を傾斜したときに発生する対物レンズの収差を補正するのに必要な収差を発生させる。

〔実施例８〕
図１３は、２段のレンズ系を用いて、レンズ間で一旦ビームを集束させて使用する光学系において、収差を補正してビームを傾斜するときの軌道制御の例を示す図である。図１３の例では、絞り８を集束レンズ５と電子源の間に配置し、絞り８と集束レンズ５の間に配置された２段の偏向器からなる収差制御コイル５２により、見かけ上、電子源位置が偏向支点となるようにビームを偏向する。また、集束レンズ５によるビーム集束点には、ビーム傾斜角制御コイル５１が配置され、このビーム傾斜角制御コイル５１により試料１０上でのビーム傾斜角を制御する。

〔実施例９〕
図１４は、２段のレンズ系を用い、レンズ間の途中でビームを集束させないで使用する光学系において、収差を補正してビームを傾斜するときの軌道制御の例を示す図である。レンズ間の途中でビームが集束しない場合には、集束レンズ５で発生した収差の方向が途中で反転しないため、集束レンズ５の収差と対物レンズ７の収差をキャンセルするために、ビーム傾斜角制御コイル５１で偏向する方向と収差制御コイル５２の偏向方向とが逆向きになる。

〔実施例１０〕
図１５は、図１４の光学系（途中でクロスオーバを作らない）に対して、絞り８の位置を集束レンズ５と対物レンズ７の途中に配置した実施例を示す図である。この例では、一次電子線４が絞り８の孔中心を通過するように、絞り８の前後にビーム傾斜角制御コイル５１を配置し、偏向された軌道が絞り８の中心を通るようにビーム傾斜角制御コイル５１を動作させる。

〔実施例１１〕
図１６は、試料１０に負の電圧（Ｖｒ）を印加した状態で、一次電子線４を対物レンズ７で傾斜したときの軌道制御の例を示す図である。試料１０に負電圧（Ｖｒ）を印加すると、一次電子線４は試料１０の直前で急激に減速するため、負電圧を印加しない場合に比べて試料上でのビーム傾斜角を大きくすることができる。

〔実施例１２〕
図１７は、薄膜の試料１０に対物レンズ７で傾斜させた一次電子線４を照射して、試料１０を透過した電子１２１を検出する実施例を示す図である。結晶構造を有する薄膜試料の走査透過像（ＳＴＥＭ像）を取得する場合、しばしば、一次電子線の照射方位を試料の結晶方位と対応させることが必要となる。試料の結晶方位は薄膜切片を切り出すときのばらつきで異なるため、結晶方位は任意の方向に数度から１０度程度のずれを生じる。そのため、試料を機械的に傾斜させて方位合わせを行う方法に比較して、本実施例のように、分解能の低下を抑えて一次電子線を任意に傾斜させることにより、結晶と電子線の方位合わせ操作が極めて簡単になる。薄膜試料１０より下方には、透過電子１２１を透過電子検出器１３１に対してアライメントするための偏向器５４が配置され、この偏向器５４は、一次電子線４の傾斜角に連動して制御される。また、図１7には図示していないが、薄膜試料１０と透過電子検出器１３１の間に、透過電子の検出角を制限する手段（レンズや絞りなど）を配置することも可能である。

〔実施例１３〕
図１８は、絞り８と対物レンズ７との間に２個の集束レンズ６ａ，６ｂを配置したときの軌道制御の例を示す図である。この例では、集束レンズ６ａと６ｂの間に一次電子線４の集束点を設け、この集束点の位置に収差制御コイル５２を配置して、集束レンズ６ｂで収差を発生させる。集束レンズ６ｂによる一次電子線の焦点位置には、ビーム傾斜角制御コイル５１が配置され、対物レンズ７の軸外に一次電子線４を入射させてビームを光軸に対して傾斜する。収差制御コイル５２は、対物レンズ７で発生した収差が集束レンズ６ｂの収差でキャンセルするように制御される。

〔実施例１４〕
図１９乃至図２５は荷電粒子線を集束するための複数のレンズ群に対して入射位置を制御する光軸制御手段として、絞り移動機構を採用した実施例を示している。特に図１９は半導体ウェーハ上に形成されたパターン寸法計測や形状観察のための走査電子顕微鏡の全体構成である。ここでは図１の概略構成図と違っている部分について説明する。

第一集束レンズ５と実質的に同じ高さに非点収差補正コイル５３と、非点収差補正コイル５３の動作に伴う照射位置ずれを補正するアライナコイル５５が配置され、それぞれ電源３３と３５を介してコンピュータ４０に接続されている。絞り板８は、駆動機構１８により、光軸に垂直な平面内を高精度に移動可能である。駆動機構１８はコンピュータ４０に接続されている。走査コイル９と同じ位置に二段のイメージシフトコイル５７とアライメントコイル５６が配置され、それぞれ電源３７と３６を介してコンピュータ４０に接続されている。

半導体ウェーハを観察する走査電子顕微鏡は一般的に試料のダメージ防止の観点から数１００Ｖ程度の低加速の一次電子線を利用する。低加速でかつ高分解能を実現するため、リターディング電源３８を接続して試料１０に負の電圧を印加して一次電子線４を減速させる。また、ブースティング電源３９を接続してブースティング電極１６に正の高電圧を印加して一次電子線を後段加速させることで、対物レンズ７の色収差を低減し高分解能化している。

リターディングおよびブースティングの電圧は、試料１０の表面近傍に、二次電子１２を反射板（変換電極）１７側に加速する電界分布を形成している。この結果、加速された二次電子１２は走査コイル９を通り抜けて反射板１７に衝突し、新たな二次電子６５に変換される。変換された二次電子６５は二次信号検出器１３で検出される。

図２０は本実施例での一次電子線４の軌道を詳細に示している。この例では第二集束レンズ６のクロスオーバ４ｃをアライナコイル５６の位置に一致させた。陰極１から引き出された放出電子４ａは絞り板８の絞り径に比べて十分に広がっている。放出電子４ａの照射範囲内で絞りを移動することで軸外の一次電子線４ｂを選択して利用することができる。第二集束レンズ６の傾斜角w'_t1と絞りの移動量δは比例関係にあり、式（18）を満足するようにアライナコイル５６でビーム傾斜角w'_tを制御することで軸外色収差のない傾斜像が得られる。

本方式の特長は、絞りを手動からコンピュータ制御された駆動機構に置換するだけで実現できる点である。また、一次電子線４ｂが陰極１から第二集束レンズ６のクロスオーバ４ｃまで軸外を通ることから、補正レンズの収差係数が、第二集束レンズのみの収差係数に比べて数倍大きくなることで、大きな傾斜角度までの軸外色収差補正が可能になる。

図２１は、クロスオーバ４ｃの位置を第二集束レンズ６側から対物レンズ７側に変化させていったときの補正条件ｋの変化を示している。クロスオーバ４ｃを対物レンズ７に近づけるとｋが小さくなり、軸外色収差とコマ収差が同時に補正できる条件、即ち式(22)を満足するクロスオーバ４ｃが１点存在することが確認できる。

また、図２２は、軸外色収差を補正した式(18)の条件下で、クロスオーバ４ｃの位置を第二集束レンズ６側から対物レンズ７側に変化させていったときの絞り８の移動量δの変化を示している。クロスオーバ４ｃを対物レンズ７に近づけると、移動量δが小さくなることが分かる。

図２３は、軸外色収差を補正した式(18)の条件下で、クロスオーバ４ｃの位置を第二集束レンズ側から対物レンズ側に変化させていったときの個別の収差量と最終的なビーム径（あるいは分解能）の変化を示している。クロスオーバ４ｃを対物レンズに近づけると、コマ収差は減少するが、逆に回折収差と光源サイズの映り込み（レンズによる電子源先端径の収縮率）が大きくなり、最適なクロスオーバ４ｃの位置が決まる。

図２４は、分解能を優先し、クロスオーバ４ｃの位置をアライナコイル５６の位置に一致させなかった場合の実施例を示している。この場合、対物レンズ７から見た仮想物点４ｄはクロスオーバ４ｃと一致しないので、試料１０上のビーム到達位置４ｅが中心軸上から位置ずれするが、イメージシフトコイル５７を制御して中心軸上に移動できる。あるいは、試料ステージ１５を移動し、視野ずれを回避することもできる。いずれの場合も、ビーム傾斜角度の関係を予め記憶装置４１に登録する等してプリセットしておくことでコンピュータ４０により制御することができる。

図２５に、上記視野ずれ補正を含めて、ビーム傾斜の実行フローチャートを示した。観察点に移動し（Ｓ２１）、ビーム傾斜のコマンドが発行されると（Ｓ２２）、要求されたビーム傾斜角度に応じて、プリセット値から絞り８の移動量とアライナコイル５６の電流量を計算し、ビーム傾斜と絞り移動を実行する（Ｓ２３）。同時に、要求されたビーム傾斜角度に応じて、プリセット値からフォーカス補正値および非点補正値を予測し、一次補正を実行する（Ｓ２４）。続いて、要求されたビーム傾斜角度に応じて、視野ずれ補正、歪み補正を実行する（Ｓ２５）。ステップ２４の一次補正でフォーカスおよび非点補正が大凡合っているので、通常の自動焦点・自動非点合わせに比べて狭い探索範囲で二次補正を完了でき（Ｓ２６）、高分解能の画像収得ができる（Ｓ２７）。画像を取得した後は、ビーム傾斜角度を０に戻し、ステップ２５の視野ずれ補正をキャンセルする（Ｓ２８）。

本発明の一例である走査電子顕微鏡の概略構成図。対物レンズの集束作用を利用したビーム傾斜法の原理図。ビーム傾斜時の軌道勾配の分布を示す図。ビーム傾斜時の収差を補正する原理図。色収差とコマ収差を同時に補正するための集束レンズ焦点位置の条件を表す図。色収差とコマ収差を同時に補正するビーム傾斜のフローチャート。４個の磁極で構成させる集束レンズの構成図。複数のレンズの作用でビーム傾斜時に発生する対物レンズの色収差を補正する原理を示す図。ビーム傾斜角制御コイル電流と、ビーム傾斜により発生する非点収差を補正するための非点収差補正コイル電流の関係を表す図。対物レンズの収差を補正するための軌道制御の例を示す図。対物レンズの収差を補正するための軌道制御の例を示す図。対物レンズの収差を補正するための軌道制御の例を示す図。２段のレンズ系において、途中にビームのクロスオーバ（集束点）を作ってビームを傾斜するときの軌道制御の例を示す図。２段のレンズ系において、途中にビームのクロスオーバ（集束点）を作らないでビームを傾斜するときの軌道制御の例を示す図。２段のレンズ系において、絞り板が２段レンズの間に配置され、途中にビームのクロスオーバ（集束点）を作らないでビームを傾斜するときの軌道制御の例を示す図。試料に負の電圧を印加して、対物レンズにより一次電子線を傾斜させるときの軌道制御の例を示す図。薄膜試料に対物レンズで傾斜させたビームを照射して、走査透過像（ＳＴＥＭ像）を得る実施例を示す図。絞りと対物レンズとの間に２個の集束レンズを配置したときの軌道制御の例を示す図。本発明の他の例である走査電子顕微鏡の全体構成図。一次電子線の軌道の詳細説明図。第二集束レンズのクロスオーバ位置を変化させた場合の補正条件ｋの変化を示す図。第二集束レンズのクロスオーバ位置を変化させた場合の絞り移動量δの変化を示す図。第二集束レンズのクロスオーバ位置を変化させた場合の個別の収差量と最終的なビーム径の変化を示す図。クロスオーバの位置をアライナコイルの位置に一致させなかった場合の実施例を示す図。ビーム傾斜の実行フローチャート。

符号の説明

１…陰極、２…第一陽極、３…第二陽極、４…一次電子線、５…第一集束レンズ、６…第二集束レンズ、７…対物レンズ、８…絞り板、９…走査コイル、１０…試料、１１…二次信号分離用直交電磁界（ＥｘＢ）発生器、１２…二次信号、１３…二次信号用検出器、１４…信号増幅器、１５…試料ステージ、２０…高圧制御電源、２１…第一集束レンズ制御電源、２２…第二集束レンズ制御電源、２３…対物レンズ制御電源、２４…走査コイル制御電源、２５…画像メモリ、２６…像表示装置、３１…ビーム傾斜角制御電源、３２…収差制御電源、３３…非点補正電源、４０…コンピュータ、４１…記憶装置、４２…入力装置、５１…ビーム傾斜角制御コイル、５２…収差制御コイル、５３…非点収差補正コイル、５４…偏向器、６１…高分解能用レンズ、６２…ビーム傾斜用（収差補正用）レンズ、６３…アライメント兼用収差制御用偏向器、１２１…透過電子、１３１…透過電子検出器、５２１…偏向器

Claims

荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子線を加速する陽極と、当該陽極によって加速された荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学系は、その軸外に荷電粒子線を通過させることによって前記荷電粒子線を軸外から傾斜して試料に照射する対物レンズと、前記陽極によって加速される荷電粒子線のうち、軸外の荷電粒子線を選択的に通過させる絞りとを備え、
前記荷電粒子線の傾斜角に応じて、前記対物レンズと他のレンズが発生するコマ収差がキャンセルされるように前記絞りの位置を制御する制御装置を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子線を加速する陽極と、当該陽極によって加速された荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学系は、その軸外に荷電粒子線を通過させることによって前記荷電粒子線を軸外から傾斜して試料に照射する対物レンズと、前記陽極によって加速される荷電粒子線のうち、軸外の荷電粒子線を選択的に通過させる絞りとを備え、
前記荷電粒子線の傾斜角に応じて、前記対物レンズと他のレンズが発生する軸外色収差がキャンセルされるように前記絞りの位置を制御する制御装置を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子線を加速する陽極と、当該陽極によって加速された荷電粒子線を集束して試料上で走査する荷電粒子光学系とを備えた荷電粒子線装置において、
前記荷電粒子光学系は、その軸外に荷電粒子線を通過させることによって前記荷電粒子線を軸外から傾斜して試料に照射する対物レンズと、前記陽極によって加速される荷電粒子線のうち、軸外の荷電粒子線を選択的に通過させる絞りとを備え、
前記荷電粒子線の傾斜角に応じて、前記対物レンズと他のレンズが発生する軸外色収差及びコマ収差がキャンセルされるように前記絞りの位置を制御する制御装置を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
荷電粒子源から放出され陽極によって加速された荷電粒子線を、対物レンズを含む荷電粒子光学系で集束して軸外から傾斜して試料に照射し、試料上で走査する荷電粒子線の照射方法において、
絞りによって前記荷電粒子源から放出され前記陽極によって加速された荷電粒子線の通過を制限し、前記荷電粒子線のうち軸外の荷電粒子線を選択的に通過させ、
前記荷電粒子光学系の前記対物レンズの軸外に前記荷電粒子線を通過させることによって、前記荷電粒子線を軸外から傾斜して試料に照射し、
前記荷電粒子線の傾斜角に応じて、前記対物レンズと他のレンズが発生する軸外色収差及び／又はコマ収差がキャンセルされるように前記絞りの位置を制御することを特徴とする荷電粒子線の照射方法。