JP5243912B2 - 荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法 - Google Patents

Description

本発明は走査電子顕微鏡や電子ビーム描画装置等の如き荷電粒子ビーム装置のビーム位置較正に関するものである。より具体的には、フォーカス補正に伴うビーム位置のずれを較正する方法に関する。

図３は荷電粒子ビーム装置の電子光学系の一例として示した電子ビーム描画装置用の電子光学系の一概略図である。

該電子光学系において、先ず第１のレンズ１により物体２の像３が形成される。前記物体２としては、電子ビームで照明された成形開口板（例．US4,151,422のＦｉｇ．1の4）、電子銃等の電子源、或いはそれらの像が考えられる。

次いで、第２のレンズ４により像３の像５が感光材料が塗布された材料面６上に形成される。この状態で偏向器７を働かせて電子ビーム８を偏向することにより、前記像５は前記材料面６上の所望の位置に照射され、その結果、所望のパターンが前記材料面６上の所望の位置に描画される。

尚、電子ビーム８の偏向範囲（偏向フィールド）の大きさは１ｍｍ角前後で、前記材料を装着した材料ステージ（図示せず）を水平方向に移動させることにより、前記偏向フィールドを超える範囲にもパターンを描画することが出来る。

又、前記第１のレンズ１、第２のレンズ４としては、一般的には電磁レンズが用いられ、前記偏向器７としては、偏向速度を速くするため、静電偏向器が用いられる。

該偏向器７によるビーム偏向に伴い、偏向収差、即ちコマ収差、像面湾曲収差（フォーカスずれ）、非点収差、歪収差（偏向フィールド歪）、色収差が発生する。

一方、前記材料面６の高さは一般的に一様ではなく分布がある。又、材料ステージがその水平方向の移動とともに上下動するなどの理由により前記像５に対して前記材料面６の高さが変化して、フォーカスずれや、前記材料面６上のビーム位置（前記材料面６へのビーム入射位置）のずれが発生する。このようなフォーカスずれやビーム位置ずれも、広義の収差として扱うことができる。

これらの収差のうち、電子ビーム描画装置では、一般に、像面湾曲収差（フォーカスずれ）、非点収差、歪収差（偏向フィールド歪、ビーム位置ずれ）を補正している。像面湾曲収差と非点収差は、静電型或いは電磁型の補正器により補正し、歪収差は、位置ずれに対する補正信号を、位置決めのための偏向信号に重畳することで、それぞれ、補正している。

前記図３の電子光学系においては、静電型のフォーカス補正器９を用いて（ここでは、非点補正器や、歪収差補正のための演算器等は図示していない）、偏向位置に応じて高速にフォーカス補正を行っている。該フォーカス補正器９は筒状の導体から成り、該フォーカス補正器９に、周囲の電位（通常は零）に対して電圧を印加すると、前記第１のレンズ１の磁場内の電位が変化して、該第１のレンズ１を通過する電子の速度が変化する。その結果、電子に対する該第１のレンズ１の強度が変化し、前記像３及び像５の高さ位置が変化する。即ち、前記材料面６に対してフォーカスの高さ位置が変化する。

特公平２−３４４２６号公報（第２頁右欄第２２行〜第３頁右欄第１４行、第１図〜第４図）

さて、上記の如き方法により収差は補正されるが、該収差と共に、補正残差（補正不足或いは補正過多）も発生している。その為、補正前の該収差は出来るだけ小さくすることが望まれる。

該補正残差の原因の一つは、収差の測定誤差である（尚、収差の測定方法は既知で、ナイフエッジや、メッシュ（重金属）等の微細パターンを電子ビーム８で走査することにより得られる信号（例、吸収電流に基づく信号、反射電子に基づく信号、二次電子に基づく信号）を演算処理することによって行われる）。

又、補正に伴って発生する新たな収差も補正残差の原因となる。例えば、歪収差は偏向電圧に関し非線形性を持つので、該歪収差の分だけ前記電子ビーム８を偏向してビーム位置を補正すると、その偏向が新たな歪収差及び新たな像面湾曲収差や非点収差を生む。

又、電子光学系の構成によっては、フォーカス補正を施すことにより偏向感度が変わる（これも広義の歪収差として扱える）こともある。

これらの補正残差は、測定と補正を繰り返すことで、ある一定値以下に収束させることができるが、補正前の収差が大きいと、該収差の収束が遅くなり、測定時間が長くなる。

この様な問題は、特に偏向フィールド歪測定において顕著である。該偏向フィールド歪補正は、１つの偏向フィールドについて、多数の点（例えば１０×１０＝１００箇所）にビームを偏向して行なわれ、多大な測定時間が掛かるからである。

所で、前記図３に示す装置では、物体２は第１のレンズ１の磁場中心軸上に位置している様に見えるが、実際には位置合わせ精度に限界があるため、前記物体２は第１のレンズ１の磁場中心軸からずれていることが多い。

又、レンズの加工・組み立て精度が良くなかったり、レンズが全体的に傾いていたりすれば、前記第１のレンズ１の磁場中心軸がずれたり、傾いたりする。この様な条件下においては、仮に、前記物体２が本来の前記磁場中心軸上に配置されていたとしても、実際には、該物体２が第１のレンズ１の磁場中心軸からずれることになる。尚、磁場中心軸とは、レンズ内における電子の速度を変えない（電子軌道がレンズの有無によらない）軸を指す。もし、レンズが軸対称に構成されていれば、磁場中心軸はその対称軸に一致する。

さて、フォーカス補正を施すと、投影倍率が変化する。この時、前記物体２が第１のレンズ１の磁場中心軸からずれていると、この投影倍率の変化のため、ビーム位置ずれが発生する（材料面６へのビーム入射位置が変化する）。このビーム位置ずれは歪収差に加算され、偏向フィールド歪が大きくなる。

この様な点から、予めフォーカス補正に伴うビーム位置ずれを測定し、フォーカス補正量に応じて該ビーム位置が補正されるようにしておき、偏向フィールド歪を、測定される前に小さくしておくことが望ましい。

しかしながら、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれをどのように測定すべきか、そしてそれに対する補正量をどのように決定すべきかについて、何も成されていない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、荷電粒子ビーム装置において、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを容易且つ精度よく測定し得、それに基づきビーム位置を補正出来る様にしたビーム位置較正方法を提供することを目的としている。

（１）請求項１記載の発明は、集束した荷電粒子ビームを偏向することにより該荷電粒子ビームが材料上の任意の位置に照射される様に成した荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法であって、以下のステップから成ることを特徴とする。
Ｓ１：偏向器に偏向電圧Ｖ_Dを印加することによるビーム偏向に伴う材料面に対するフォーカスずれを偏向フィールド内の各点について求め、そのフォーカスずれを打ち消すために必要なフォーカス補正電圧Ｖ_Fを決定する。
Ｓ２：ステップＳ１で得られた結果に基づき、偏向フィールド中心について点対称となる任意の２点
ｕ_i1＝ｄ_i・Ｖ_D1，ｕ_i2＝ｄ_i・Ｖ_D2
に対するフォーカス補正電圧Ｖ_F1，Ｖ_F2を決定して、ｕ_i1，ｕ_i2におけるビーム位置ずれｄＵ_i1，ｄＵ_i2をフォーカス補正された状態で測定する。
Ｓ３：ｄＵ_i1，ｄＵ_i2，Ｖ_F1，Ｖ_F2から単位フォーカス補正電圧当たりのビーム位置ずれｆ_iを求める。
Ｓ４：ステップＳ１で得られた偏向フィールド内の各点についてのＶ_Fに基づいてフォーカス補正しつつＶ_Fとｆ_iとの積ｆ_i・Ｖ_Fを打ち消すように偏向電圧を補正しながら偏向フィールド歪を測定する。
Ｓ５：ステップＳ１で得られたＶ_Fに基づいてフォーカス補正しつつ、ｆ_i・Ｖ_FとステップＳ４で測定した偏向フィールド歪との和を打ち消すように偏向電圧の補正をしながら偏向フィールド測定を繰り返して偏向フィールド歪を所定値以下に収める。

（２）請求項２記載の発明は、集束した荷電粒子ビームを偏向することにより該荷電粒子ビームが材料上の任意の位置に照射される様に成した荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法であって、高さの異なる２つのビーム測定面で測定されるビーム位置が相対的に較正できるものにおいて、以下のステップからなることを特徴とする。
Ｓ１：高さの異なる２つのビーム測定面に対してフォーカス補正電圧Ｖ_F1とＶ_F2を求める。
Ｓ２：前記２つのビーム測定面に対しフォーカス補正を施しつつ、各ビーム測定面において、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれｄＵ_i1，ｄＵ_i2を測定し、これより単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iを求める。
Ｓ３：前記２つのビーム測定面に対してフォーカスを補正しつつ、前記ｆ_iと各ビーム測定面に対するフォーカス補正電圧の差（Ｖ_F2−Ｖ_F1）との積ｆ_i・（Ｖ_F2−Ｖ_F1）を打ち消すように、偏向電圧を補正しながらビーム位置ずれ測定を繰り返してビーム位置ずれを所定値以下に収める。
Ｓ４：材料面の高さ分布を測定し、その高さ分布から材料面内の各点に対するフォーカス補正電圧を求める。
Ｓ５：前記単位フォーカス補正電圧当たりのビーム位置ずれｆ_iと、ステップ４で求めたフォーカス補正電圧Ｖ_Fとの積ｆ_i・Ｖ_Fが打ち消されるように材料面内の各点に対する偏向補正電圧を決定する。

（１）請求項１記載の発明によれば、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを精度よく測定し、それに基づきビーム位置を補正することができる。

（２）請求項２記載の発明によれば、前記２つの測定面とは高さの異なる目標面に対するフォーカス補正に伴うビーム位置ずれを精度よく求め、それに基づきビーム位置を補正することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明で提案する荷電粒子ビーム装置の電子光学系の基本構成は、図３に示すものと同じである。
［実施の形態１］
この例では、偏向フィールド歪の測定を行う前に、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを求め、該ビーム位置ずれに基づくビーム位置の補正を行い、前記偏向フィールド歪を小さくしておく。この状態で、該偏向フィールド歪を測定し、該歪が打ち消される様にビーム位置を補正する。

以下にこの例を詳述する。

（ステップＳ１）
偏向器７に偏向電圧Ｖ_D（複素数）を印加し、近軸像面上の平面座標ｕ_i＝ｄ_i・Ｖ_D（複素数）を目標に電子ビーム８を偏向することに伴う、材料面６に対するフォーカスずれを偏向フィールド内の各点について求め、そのフォーカスずれを打ち消すために必要なフォーカス補正電圧Ｖ_Fを決定する。

ここで、ｄ_iは単位偏向電圧に対する偏向軌道（収差を含まない単位偏向電圧当たりの軌道のずれ）ｄ（ｚ）の近軸像面における平面座標（複素数）、即ち偏向感度である。又、フォーカス補正電圧Ｖ_Fは、電子ビーム８を偏向しない時の電圧をオフセット成分として除去して定義する。即ち、Ｖ_D＝０の時、Ｖ_F＝０とする。

（ステップＳ２）
ステップＳ１で得られた結果に基づき、偏向フィールド中心について点対称となる任意の２点（目標ビーム位置）ｕ_i1＝ｄ_i・Ｖ_D1及びｕ_i2＝ｄ_i・Ｖ_D2に対するフォーカス補正電圧Ｖ_F1及びＶ_F2を決定する。そして、該２点ｕ_i1，ｕ_i2各々において決定したフォーカス補正電圧Ｖ_F1，Ｖ_F2を印加してフォーカス補正すると同時に、該フォーカス補正により発生したビーム位置ずれｄＵ_i1及びｄＵ_i2を測定する。

（ステップＳ３）
前記ビーム位置ずれｄＵ_i1及びｄＵ_i2と、前記フォーカス補正電圧Ｖ_F1及びＶ_F2とから、単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iを、ｆ_i≒（ｄＵ_i1＋ｄＵ_i2）／（Ｖ_F1＋Ｖ_F2）の関係から近似的に求める。

（ステップＳ４）
ステップＳ１で得られたフォーカス補正電圧Ｖ_FとステップＳ３で求められた単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iとから偏向フィールド内の各点におけるフォーカス補正に伴うビーム位置ずれに対応するｆ_i・Ｖ_F（以後、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれと称す）を求める。

そして、偏向フィールド内の各点について、フォーカス補正電圧Ｖ_Fに基づきフォーカスを補正しつつ、前記フォーカス補正に伴うビーム位置ずれｆ_i・Ｖ_Fを打ち消す（即ち、該ビーム位置ずれに基づくビーム位置の補正を行うことに対応する）様に偏向電圧を補正しながら電子ビーム８を偏向し、偏向フィールド歪を測定する（該歪は、既知で、ナイフエッジや、メッシュ（重金属）等の微細パターンを電子ビーム８で走査することにより得られる信号（例、吸収電流に基づく信号、反射電子に基づく信号、二次電子に基づく信号）値と所定値（基準値）との差分に基づいて求められる）。

（ステップＳ５）
偏向フィールド内の各点について、フォーカス補正電圧Ｖ_Fに基づきフォーカスを補正しつつ、ステップＳ４で得られた前記フォーカス補正に伴うビーム位置ずれｆ_i・Ｖ_Fと、ステップＳ４で測定した偏向フィールド歪との和を打ち消す様に、偏向電圧を補正しながら電子ビーム８を偏向する。

この際、偏向フィールド歪（フォーカス補正によって新たに生じた偏向フィールド歪）を測定し、該偏向フィールド歪が所定の基準値以下に収まっていることを確認する。必要なら、偏向フィールド歪測定・補正を繰り返し、該偏向フィールド歪を所定の基準値以下に収める。

この様にして、偏向フィールド歪が所定の基準値以下に収まった時の偏向補正電圧を最終的な偏向補正電圧として、装置のメモリ（図示せず）に記憶しておき、実際のパターン描画時に、電子ビームのショット位置を指定する偏向電圧に加算する。
この結果、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれが補正される。

このように、本発明によれば、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを簡単且つ精度よく測定することが出来る。そして、該測定したフォーカス補正に伴うビーム位置ずれに基づくビーム位置の補正を行っているので、測定される偏向フィールド歪は小さく、該偏向フィールド歪測定が短時間で行える。そして、該測定した偏向フィールド歪に基づくビーム位置ずれと前記フォーカス補正に伴うビーム位置ずれが基準値以下に収まる偏向補正電圧を実際のパターン描画時に、電子ビームのショット位置を指定する偏向電圧に加算しているので、精度の良いパターン描画が可能となる。

次に、フォーカス補正の原理と、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれの原理を数式を用いて説明する。

図３の光学系に対応する光線図を図１に、その材料面６付近の拡大図を図２に示す。これらの図において、図３と同一のものは、同一の符号を付して示す。

第１のレンズ１の磁場中心軸１４、第２のレンズ４の磁場中心軸１５、光学中心軸Ｚ軸はそれぞれ平行でないとする。理想的にはこれらの軸は互いに平行であり、かつ同一直線上にあるが、実際には加工・組み立て精度の限界のため平行にはならない。また、簡単のため、磁場中心軸はその磁場中において直線と見なす。但し、材料面６はＺ軸に垂直とする。

第２のレンズ４の物面（第１のレンズ１の像面）１２、第２のレンズ４の像面（近軸像面）１３は、それぞれ第２のレンズ４の磁場中心軸１５に対し垂直とし、近軸像面１３は材料面６に対してγだけ傾いているとする。フォーカスやビーム位置の測定は、材料面６ではなく、別に設けられた面で行う。この面を以下、ビーム測定面という。簡単のため、ビーム測定面は材料面６と平行とする。また、近軸軌道（偏向器７によるビームの偏向や、収差を含めない軌道）ｕ（ｚ）と近軸像面１３の交点は、Ｚ軸と材料面６との交点に一致させる。

図１，図２の系において発生するフォーカスずれ及び光線の位置ずれｄＵ_i（複素数）は、３次収差理論の範囲で次式で表される。

（１）式において、第１項は近軸像面１３で定義される球面収差、第２項は近軸像面１３で定義される像面湾曲収差、第３項は近軸像面１３で定義される歪収差、第４項は材料面６が近軸像面１３に一致していないことに起因する光線の位置ずれ及びビームぼけ、第５項はフォーカス補正に伴う、近軸像面１３で定義される光線の位置ずれ及びビームぼけを表す。実際には、像面湾曲収差及び歪収差以外にもコマ収差や非点収差などの偏向収差も存在するが、ここでは議論しない。Ｓは球面収差係数である。

は像面湾曲収差に関する関数であり、フォーカスの高さ位置のずれに相当する。

は歪収差を表す関数である。ｕ_iは物体（物点）２（第１のレンズ１の物面１１において平面座標ｕ₀）を起点とする近軸軌道ｕ（ｚ）の近軸像面１３（ｚ＝ｚ_i）における平面座標ｕ（ｚ_i）、ｕ_i’はｕ（ｚ）の近軸像面１３における傾きｕ（ｚ_i）’である。

ｕ（ｚ）は、第２のレンズ４の磁場中心軸１５を基準に定義されている。ｕ_iの位置は、上述のようにＺ軸と材料面６との交点に一致している。なお、第１，第２のレンズ１，４の磁場中心軸１４，１５は互いにずれているから、ｕ₀を第１のレンズ１の磁場中心軸１４を基準に定義するならば、ｕ_iは、ｕ₀と投影倍率の積に一致しない。また、物体２の大きさ（第１のレンズ１の物面１１におけるビーム寸法）は十分小さいものとし、その大きさは無視する。

Ｖ_Dは偏向電圧である。ｄ_iは単位偏向電圧に対する偏向軌道ｄ（ｚ）（近軸軌道ｕ（ｚ）からの単位偏向電圧当たりの軌道のずれで、図示せず）の近軸像面１３における平面座標ｄ（ｚ_i）、即ち偏向感度であり、ｄ_i’はｄ（ｚ）の近軸像面１３における傾きｄ’（ｚ_i）である。ｄ（ｚ）は、第２のレンズ４の磁場中心軸１５を基準に定義されている。Δｚは材料面６のＺ軸方向のずれ、Ｆ_A及びＦ_Bはフォーカス補正係数、Ｖ_Fはフォーカス補正電圧である。

ｗ_iは第１のレンズ１を磁場中心軸１４を通る電子の軌道ｗ（ｚ）（この軌道を通る電子は、第１のレンズ１によりレンズ作用を受けない。但し、第１，第２のレンズの磁場中心軸１４，１５は一直線上にないため、第２のレンズ４のレンズ作用は受けうる）の近軸像面１３における平面座標ｗ（ｚ_i）、ｗ_i’は、その交点におけるその軌道の傾きｗ’（ｚ_i）である。ｗ（ｚ_i）は、第２のレンズ４の磁場中心軸１５を基準に定義されている。なお、第１，第２のレンズ１，４の磁場中心軸や電子軌道がＺ軸に対し傾いていても、その傾きはせいぜい１０ｍｒａｄのオーダであるから、フォーカスの高さ位置の変化（Ｚ軸方向の変位）は、どの軸を基準にしても、その傾きによらず等しいと見なせる。

ここで、ｕ_i’＝α＋β・ｅ^iθと表わすと、

となる。ここで、αは近軸像面１３における第２のレンズの磁場中心軸１５に対する主光線（β＝０に相当する光線、即ちビーム中心に位置する光線）１６の傾き、βは近軸像面１３におけるビーム収束半角、θは主光線１６を回転軸として定義される角度である。

フォーカス補正を施し、フォーカスを材料面６に合わせることは、第１，第２，第４，第５項の中の、ビームぼけに関する項、即ちβ・ｅ^iθのかかった項の総和を零にすることに相当する。フォーカスが近軸像面１３或いは材料面６に合えば、光線の近軸像面１３或いは材料６面への入射位置は、その光線の傾きには依存しなくなる。この時、ｄＵ_iはビーム位置ずれを表すことになる。

しかしながら、βより小さい角度で収束する光線に関わる球面収差のため、ビームぼけは零にならず、ある最小値をとる。この最小のぼけに相当する円を最小錯乱円と呼ぶ。最小錯乱円が得られる条件は、

となる。即ち、

である。この条件が満たされる時、（２）式は

該（４）式の第１項

の中のＳ・（α²＋β²）・β・ｅ^iθ／４が最小錯乱円に相当する。

該（４）式から分かるように、｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fがフォーカス補正に伴うビーム位置ずれとなる。

この｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fが測定できれば、単位フォーカス補正電圧当たりのビーム位置ずれｆ_i＝Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’が求められる。これより、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれｆ_i・Ｖ_Fを任意のフォーカス補正Ｖ_Fに対して求めることが出来る。

前記（３），（４）式において、

や材料面６のｚ軸方向のずれΔｚに依存しない成分はオフセット成分として扱えるから、以降ではこれらを除いて議論を進める。即ち、以降、前記（３），（４）式は

及び

とする。

フォーカスが材料面６に合っている状態（Δｚ＝０）からビームを偏向し、それに伴うフォーカスずれに対してフォーカス補正を施す時は、前記（３’），（４’）式は

及び

となる。

一方、ビームを偏向しない（Ｖ_D＝０）で、Δｚを打ち消すようにフォーカス補正を施す時は、前記（３’），（４’）式は
Ｖ_F＝−Δｚ／Ｆ_A （７）
及び
ｄＵ_i＝Δｚ・γ＋｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_F
＝｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・（ｗ_i’＋γ）｝・Ｖ_F （８）
となる。

フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを測定する方法として最も簡単な方法は、Δｚ＝０かつＶ_D＝０のままフォーカス補正器９を働かせてビームをぼかし、それによるビーム位置ずれを近軸像面１３上（或いは材料面６上）で測定することである。フォーカス補正に伴うビーム位置ずれをそのように測定すると、観測されるビーム位置ずれは
｛Ｆ_A・（α−ｗ_i’）＋Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）｝・Ｖ_F
となる。これは、前記（２）式の第５項

の中のビーム位置ずれ成分（主光線の位置ずれ）である。一方、Ｆ_A・β・ｅ^iθ・Ｖ_Fはビームぼけ成分である。ナイフエッジや、メッシュ（重金属）などの微細パターンを電子ビームで走査する方法によれば、ビームぼけと位置ずれは独立に測定可能なため、ビームがぼけている状態でも、ビーム位置ずれを測定することができる。しかしながら、測定すべき対象は前述のように｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fである。即ち、両者の差Ｆ_A・α・Ｖ_Fが測定誤差となり、そしてそれが補正残差（補正不足或いは補正過多）となる。

若し、
│Ｆ_A・α・Ｖ_i│＜＜│｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_F│、
即ち│α│＜＜│Ｆ_B・（（ｕ_i−ｗ_i）／Ｆ_A）−ｗ_i’│
であれば、近似的に｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fが測定されると考えてよいが、実際には、αを測定したり調整したりすることは困難である。もとより第２のレンズ４の磁場中心軸１５を見つけることが困難である。なお、Ｖ_D＝０のとき、主光線１６の材料面６への入射角はα＋γである。

通常、αは、主光線１６が第２のレンズ４の電流軸に一致するようにアライメントされた結果、決まる。電流軸とは、レンズ励磁電流を変化させても主光線の近軸像面への入射位置が変わらないような軸である。その条件を式で表せば
｛Ｃ_A・α＋Ｃ_B・ｕ_i｝・２ΔＪ／Ｊ＝０
即ちα＝−Ｃ_B・ｕ_i／Ｃ_Aである。ここで、Ｃ_A及びＣ_Bは、第２のレンズ４の起磁力（励磁電流とコイル巻数の積）変化に関する色収差係数、Ｊは起磁力、ΔＪはその変化量である。なお、第２のレンズ４の磁場中心軸１５は、α＝０という特別な条件下における電流軸に相当する。

上記測定誤差Ｆ_A・α・Ｖ_Fは、フォーカスがずれている状態でビーム位置が測定されることに起因して発生する。従って、フォーカス補正をしながらビーム位置を測定すれば、目的のビーム位置ずれ｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fを測定することができるはずである。そのようなビーム位置ずれ測定法、そしてそれに基づいたビーム位置補正法について以下に説明する。

実施の形態１では、フォーカスが材料面６に合っている状態（Δｚ＝０）からビームを偏向し、それに伴うフォーカスずれに対してフォーカス補正を施す場合に適用する手法を扱う。

先ず、フィールド面内の任意の２点ｕ_i1＝ｄ_i・Ｖ_D１及びｕ_i2＝ｄ_i・Ｖ_D2に対するフォーカス補正電圧Ｖ_F1及びＶ_F2を決定し（ステップＳ１）、ｕ_i1及びｕ_i2に対するビーム位置ずれｄＵ_i1及びｄＵ_i2を、フォーカスが補正された状態で測定する（ステップＳ２）。そして、ｄＵ_i1及びｄＵ_i2と、Ｖ_F1及びＶ_F2とから、単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iを、
ｆ_i＝Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’≒（ｄＵ_i1＋ｄＵ_i2）／（Ｖ_F1＋Ｖ_F2）
の関係から近似的に求める（ステップＳ３）。この時、

であれば、近似精度がよくなる。ｆ_iが求まれば、これによりフォーカス補正に伴うビーム位置ずれｆ_i・Ｖ_F＝｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fを任意のＶ_Fに対して求めることができる。

偏向フィールド歪測定が偏向フィールド内の多数の点（例えば１０×１０＝１００箇所）にビームを偏向して行なわれるのに対し、この測定は偏向フィールド内の２点について実施すればよいため、その測定時間は短くてすむ。

更には、偏向フィールド内の任意の２点を結ぶに当たり、偏向フィールド中心について点対称となる２点を選べばＶ_D2＝−Ｖ_D1となり、

のｄＵ_i1＋ｄＵ_i2を求める際、偏向電圧に関して奇数次のビーム位置ずれ成分が打ち消され、近似精度が向上する。偏向電圧に関して１次のビーム位置ずれ成分としては、前記（６）式の第３項
ｄ_i・Ｖ_D・γ・（γ＋ｄ_i’Ｖ_D）＝ｄ_i・Ｖ_D・γ²＋ｄ_i・ｄ_i’・Ｖ_D2 ²・γ
のうちのｄ_i・Ｖ_D・γ²や、偏向感度ｄ_iが正しく求まっていないことに起因するビーム位置ずれがある。

偏向電圧に関して３次のビーム位置ずれ成分としては、（６）式の第１項

中の

の項がある。｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fの主成分は偏向電圧に関して２次のビーム位置ずれ成分である（Ｖ_Fは偏向電圧に関して２次特性を持つ）ので、打ち消されずに残る。また、｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_F以外にも、偏向電圧に関して２次のビーム位置ずれ成分が存在するが、それらは
｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fに加算された状態で測定される。従って、その測定結果に対してビーム位置ずれ補正を施せば、それらは
｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fとともに除去される。

つまり、
｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_F以外の２次のビーム位置ずれ成分の存在により、目的のビーム位置ずれ｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fのみを測定することができなくなるが、このことはむしろ偏向フィールド歪をその測定の前にできるだけ小さくしておきたいという要求にかなっている。なお、２次のビーム位置ずれ成分は光学系の不完全さから生じている。レンズ、材料、ビームが全てＺ軸に関して軸対称に構成・配置されており、かつ偏向器が完全な２ｎ極子（ｎは整数）であり、それがＺ軸上に配置されていれば、偏向電圧に関して２次のビーム位置ずれ成分は発生しない。

フォーカス補正に伴うビーム位置ずれ｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fに対する偏向補正電圧ΔＶ_Dは、補正条件
｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_F＋ｄ_i・ΔＶ_D＝０
から求まる。即ち、
ΔＶ_D＝｛Ｆ_A・ｗ_i’−Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）｝・Ｖ_F／ｄ_i
である。なお、ΔＶ_Dだけ偏向を補正することにより新たに歪成分が発生するが、これは以降のステップでその他の歪成分とともに除去される。

以上で、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれに対する偏向補正電圧が求まる。後は、偏向フィールド内各点において、フォーカス補正と、それに伴うビーム位置ずれに対するビーム位置補正を施した状態で偏向フィールド歪測定を実施すれば、ビーム位置ずれ補正により小さくなった偏向フィールド歪が測定される（ステップＳ４）。

次いで、偏向フィールド歪とｆ_i・Ｖ_Fの和を各点におけるビーム位置ずれとし、これに対してビーム位置を補正すればよい（ステップＳ５）。

尚、偏向補正に伴い新たに偏向フィールド歪が発生するため、偏向フィールド歪測定・補正は、測定値が所定の基準値以下に収まるまで繰り返す。また、厳密には、位置補正のためビームを偏向したことによりフォーカスがずれる。必要なら、フォーカス補正量も決定しなおす。

このように、実施の形態１によれば、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを精度よく測定することができ、それに対する補正量を決定し、それに基づきビーム位置を補正することができる。
［実施の形態２］
構成は実施の形態１と同じとする。但し、高さの異なる２つのビーム測定面を用いる。

実施の形態１では、偏向フィールド歪測定の前に、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれに対してビーム位置補正を施すことを第１の目的としていたが、実施の形態２では、材料面６の高さ変化に対するフォーカス補正に伴うビーム位置ずれに対してビーム位置補正を施すことを第１の目的にしている。

実施の形態２では、次のステップに従って実施する。但し、高さの異なる２つのビーム測定面で測定されるビーム位置が相対的に較正できることが条件となる。

（ステップＳ１）
高さの異なる２つのビーム測定面に対してフォーカス補正電圧を求める。この時、偏向電圧は零とする。２つのビーム測定面のうち一方のＺ軸方向のずれをΔｚ₁、他方のＺ軸方向のずれをΔｚ₂とすると、フォーカス補正電圧はそれぞれ
Ｖ_F1＝−Δｚ₁／Ｆ_A，Ｖ_F2＝−Δｚ₂／Ｆ_A
となる。

（ステップＳ２）
前記２つのビーム測定面に対してフォーカス補正を施しつつ、各ビーム測定面において、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれ
ｄＵ_i1＝｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・（ｗ_i’＋γ）｝・Ｖ_F1
及び、
ｄＵ_i2＝｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・（ｗ_i’＋γ）｝・Ｖ_F2
を測定する。

そして、前記ビーム位置ずれｄＵ_i1及びｄＵ_i2と、前記フォーカス補正電圧Ｖ_F1及びＶ_F2とから、単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれ

を求める。

（ステップＳ３）
前記２つのビーム測定面に対しフォーカスを補正しつつ、前記ｆ_iと、各ビーム測定面に対するフォーカス補正電圧の差（Ｖ_F2−Ｖ_F1）との積ｆ_i・（Ｖ_F2−Ｖ_F1）を求める。

そして、前記積を打ち消すように、偏向電圧を補正しながら電子ビームを偏向し、該補正の都度、ビーム位置ずれを測定し、該ビーム位置ずれが所定の基準値以下に収まっていることを確認する。必要なら、ビーム位置ずれ測定・偏向電圧補正を繰り返し、ビーム位置ずれを所定の基準値以下に収める。ビーム位置ずれが所定の基準値以下に収まった時の偏向電圧を最終的な偏向補正電圧とする。

（ステップＳ４）
材料面６の高さ分布（材料ステージの水平方向の移動に伴う、ビーム入射位置における材料面６の高さ変化）を測定し、その高さ分布から、材料面６内の各点に対するフォーカス補正電圧を求める。

（ステップＳ５）
前記単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iと、前記ステップ６で求めたフォーカス補正電圧Ｖ_Fとの積ｆ_i・Ｖ_Fが打ち消されるように材料面６内の各点に対する偏向補正電圧を決定する。

（８）式に示すように、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれは、実施の形態１と同様に実施の形態２においても｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fであるが、実施の形態２では、それとは別に同じく（８）式に示すようにγに起因するビーム位置ずれΔｚ・γ＝−Ｆ_A・Ｖ_F・γが発生する。しかしながら、Δｚ・γは、フォーカス補正によるビーム位置ずれ｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fとともに測定されるため、その測定結果に基づきビーム位置を補正すれば、｛Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）−Ｆ_A・ｗ_i’｝・Ｖ_Fともに除去される。

偏向補正電圧は、実施の形態１におけるそれと同様に、
ΔＶ_D＝｛Ｆ_A・ｗ_i’−Ｆ_B・（ｕ_i−ｗ_i）｝・Ｖ_F／ｄ_i
で求められる。なお、この偏向補正電圧が印加されることで、Δｚ・ｄ_i’・ΔＶ_Dだけビーム位置がずれるが、これは非常に小さいので無視できる。

実際には、材料面６面の高さ変化に対するフォーカス補正のみを施すことはなく、それに加え、ビームの偏向に伴うフォーカスずれに対するフォーカス補正も施す。ビームを偏向すると、Δｚのためビーム位置ずれΔｚ・ｄ_i’・Ｖ_Dが発生する。これは、（４’）式の第２項を展開した式

の第２項である。この位置ずれに対するビーム位置補正は、電子ビーム描画装置において従来より実施されている。Δｚ・ｄｉ’・Ｖ_Dは、高さの異なる２つのビーム測定面上でビームを偏向してビーム位置を測定することで求められる。異なる偏向電圧Ｖ_D1及びＶ_D2に対してビーム位置ｄ_i・Ｖ_D1及びｄ_i・Ｖ_D2とｄ_i・Ｖ_D1＋Δｚ・ｄ_i’・Ｖ_D1及びｄ_i・Ｖ_D2＋Δｚ・ｄ_i’・Ｖ_D2を測定し、それらよりΔｚ・ｄ_i’・（Ｖ_D2−Ｖ_D1）を計算すればｄ_i’が求められる。これから、任意のＶ_Dに対してΔｚ・ｄ_i’・Ｖ_Dが求められる。

このように、第２の実施の形態によれば、材料面６の高さ変化に対するフォーカス補正に伴うビーム位置ずれを精度よく測定し、それに基づきビーム位置を補正することができる。

上述の実施の形態では、荷電粒子ビームとして電子ビームを用いた場合を例にとったが、本発明はこれに限るものではなく、イオンビームであってもよい。
（本発明の効果）
本発明によれば、以下のような効果が得られる。

１）ビームの偏向によるフォーカスずれに対するフォーカス補正に伴うビーム位置ずれについて
・偏向に伴う像面湾曲収差を打ち消すようにフォーカスを補正しつつ、偏向フィールド内の２点にビームを偏向し、それらの点において、ビーム位置ずれ（収差を含まない偏向軌道から決まるビーム位置からのずれ）を測定する。
・特に、上記の任意の２点を選ぶ際、偏向フィールド中心について点対称となる２点を選ぶ。
ようにした結果、
・近軸像面に対する主光線の傾きαに起因する測定誤差Ｆ_A・α・Ｖ_Fに影響されずに、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを測定し、それに基づきビーム位置を補正することができるようになった。
・同時に、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれ以外の、偏向電圧に関して２次の歪成分も測定され、除去されるようになった。

偏向フィールド歪測定の前に、これらの位置ずれ成分を測定し、それに対するビーム位置補正を施すことで、偏向フィールド歪測定で測定されるフィールド歪が小さくなり、測定精度が向上する。また、測定に要する時間が短くなる。

２）材料面高さ変化に対するフォーカス補正に伴うビーム位置ずれについて
・高さの異なる２つのビーム測定面に対し、フォーカス補正を施しつつ、各ビーム測定面においてフォーカス補正に伴うビーム位置ずれを測定する。
ようにした結果、
・近軸像面に対する主光線の傾きαに起因する測定誤差Ｆ_A・α・Ｖ_Fに影響されずに、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれを測定し、それに基づきビーム位置を補正することができるようになった。
・同時に、近軸像面の材料面に対する傾きγに起因するビーム位置ずれΔｚ・γも測定され、除去されるようになった。

図３に示す電子光学系に対する光線図を示す。 図１に示す光線図における材料面付近の拡大図である。 荷電粒子ビーム装置の電子光学系の一例として示した電子ビーム描画装置の電子光学系の一概略図である。

符号の説明

１ 第１のレンズ
２ 物体
３ 像
４ 第２のレンズ
５ 像
６ 材料面
７ 偏向器
８ 電子ビーム
９ フォーカス補正器

Claims (2)

1. 集束した荷電粒子ビームを偏向することにより該荷電粒子ビームが材料上の任意の位置に照射される様に成した荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法であって、以下のステップから成ることを特徴とする荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法。
   Ｓ１：偏向器に偏向電圧Ｖ_Dを印加することによるビーム偏向に伴う材料面に対するフォーカスずれを偏向フィールド内の各点について求め、そのフォーカスずれを打ち消すために必要なフォーカス補正電圧Ｖ_Fを決定する。
   Ｓ２：ステップＳ１で得られた結果に基づき、偏向フィールド中心について点対称となる任意の２点
   ｕ_i1＝ｄ_i・Ｖ_D1，ｕ_i2＝ｄ_i・Ｖ_D2
   に対するフォーカス補正電圧Ｖ_F1，Ｖ_F2を決定して、該二点ｕ_i1，ｕ_i2におけるビーム位置ずれｄＵ_i1，ｄＵ_i2をフォーカス補正された状態で測定する。
   Ｓ３：前記ｄＵ_i1，ｄＵ_i2，Ｖ_F1，Ｖ_F2から単位フォーカス補正電圧当たりのビーム位置ずれｆ_iを求める。
   Ｓ４：ステップＳ１で得られた偏向フィールド内の各点についてのフォーカス補正電圧Ｖ_Fに基づいてフォーカス補正しつつＶ_Fと前記ビーム位置ずれｆ_iとの積ｆ_i・Ｖ_Fを打ち消すように偏向電圧を補正しながら偏向フィールド歪を測定する。
   Ｓ５：ステップＳ１で得られたフォーカス補正電圧Ｖ_Fに基づいてフォーカス補正しつつ、前記積ｆ_i・Ｖ_FとステップＳ４で測定した偏向フィールド歪との和を打ち消すように偏向電圧の補正をしながら偏向フィールド測定を繰り返して偏向フィールド歪を所定値以下に収める。
2. 集束した荷電粒子ビームを偏向することにより該荷電粒子ビームが材料上の任意の位置に照射される様に成した荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法であって、高さの異なる２つのビーム測定面で測定されるビーム位置が相対的に較正できるものにおいて、以下のステップからなることを特徴とする荷電粒子ビーム装置におけるビーム位置較正方法。
   Ｓ１：高さの異なる２つのビーム測定面に対してフォーカス補正電圧Ｖ_F1とＶ_F2を求める。
   Ｓ２：前記２つのビーム測定面に対しフォーカス補正を施しつつ、各ビーム測定面において、フォーカス補正に伴うビーム位置ずれｄＵ_i1，ｄＵ_i2を測定し、これより単位フォーカス補正電圧あたりのビーム位置ずれｆ_iを求める。
   Ｓ３：前記２つのビーム測定面に対してフォーカスを補正しつつ、前記ｆ_iと各ビーム測定面に対するフォーカス補正電圧の差（Ｖ_F2−Ｖ_F1）との積ｆ_i・（Ｖ_F2−Ｖ_F1）を打ち消すように、偏向電圧を補正しながらビーム位置ずれ測定を繰り返してビーム位置ずれを所定値以下に収める。
   Ｓ４：材料面の高さ分布を測定し、その高さ分布から材料面内の各点に対するフォーカス補正電圧を求める。
   Ｓ５：前記単位フォーカス補正電圧当たりのビーム位置ずれｆ_iと、ステップ４で求めたフォーカス補正電圧Ｖ_Fとの積ｆ_i・Ｖ_Fが打ち消されるように材料面内の各点に対する偏向補正電圧を決定する。

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