WO2006101116A1 - 電子線装置 - Google Patents

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WO2006101116A1
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electron beam
lens
chromatic aberration
axial chromatic
sample
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Mamoru Nakasuji
Nobuharu Noji
Tohru Satake
Toru Kaga
Hirosi Sobukawa
Takeshi Murakami
Tsutomu Karimata
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Ebara Corporation
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    • H01J2237/26—Electron or ion microscopes
    • H01J2237/28—Scanning microscopes

Definitions

  • the present invention relates to an electron beam apparatus, and more specifically, evaluation of a sample defect or the like by irradiating a sample with an electron beam and detecting electrons emitted by the sample force with a detector.
  • the present invention relates to an electron beam apparatus capable of performing high-throughput and high-reliability.
  • an electrostatic lens is used as an objective lens, and by applying a high voltage to the electrode of the electrostatic lens, axial chromatic aberration and spherical aberration are reduced. Some are in control.
  • an axial chromatic aberration correction lens composed of a four-stage quadrupole lens and a two-stage quadrupole magnetic lens is used to correct an axial chromatic aberration caused by an axially symmetric lens, thereby obtaining an ultra-high resolution image. A device that can be obtained has also been proposed.
  • electrons emitted from the electron gun are converted into a multi-beam through a plurality of apertures, the multi-beam is reduced and imaged on the sample, and the multi-beam of secondary electrons emitted from the sample force is expanded.
  • an electron beam apparatus that detects a plurality of detectors.
  • the axial chromatic aberration correction coefficient is relatively large, from several tens of mm to several m. It needs to be huge.
  • the bore diameter of the multipole lens must be extremely small, and the distance between the electrodes will be shortened, making it impossible to avoid discharge. There is also a problem.
  • the purpose of correcting the conventional longitudinal chromatic aberration is to obtain an ultrahigh resolution of lnm to 0.1 nm.
  • the force beam current which is sufficient if the resolution is about 20 nm to 100 nm.
  • the aperture angle (NA) must be increased.
  • NA the aperture angle
  • the NA is small, the axial chromatic aberration is mostly, but when the NA is increased, the axial chromatic aberration increases in proportion to it, and the spherical aberration increases in proportion to the cube of NA. Therefore, when NA is increased to increase the beam current, the spherical aberration becomes larger than the axial chromatic aberration, and it is essential to correct the spherical aberration.
  • the axial chromatic aberration correction level comprising a four-stage quadrupole lens and a two-stage quadrupole magnetic lens.
  • the present invention has been made in view of such problems of the conventional example, and the object thereof is generated by an axial chromatic aberration correction lens in an electron beam apparatus using the axial chromatic aberration correction lens. It is to be able to satisfactorily correct off-axis aberrations.
  • Another object of the present invention is to accurately and easily determine the beam interval and the angle formed by the beam arrangement direction and the reference coordinate axis in a multi-beam type electron beam apparatus using inexpensive means. To be able to evaluate.
  • Still another object of the present invention is to reduce aberration other than axial chromatic aberration and reduce the length of axial chromatic aberration correction means in an electron beam apparatus using a mapping projection type electron optical system. This is to make it possible to sufficiently reduce the longitudinal chromatic aberration even if the inner diameter is made smaller and larger.
  • Another object of the present invention is to prevent discharge between the lens and the sample even when a high voltage is applied to the electrostatic lens constituting the objective lens in order to reduce axial chromatic aberration and spherical aberration. Therefore, it is possible to prevent damage to the sample.
  • Still another object of the present invention is to enable adjustment so that the axial chromatic aberration of an electron optical system such as an objective lens is equal to the absolute value of the axial chromatic aberration of the correction lens for the axial chromatic aberration. It is.
  • the present invention provides an electron in which information on a sample is obtained by irradiating the sample with an electron beam and detecting the emitted electron force. line In the device
  • An auxiliary lens provided on an incident side of the multistage multipole lens, wherein an image surface is formed on an inner surface of the auxiliary lens;
  • the electron beam apparatus is configured to divide the field of view into a plurality of sub-fields and repeatedly execute irradiation of the primary electron beam and detection of the secondary electron beam for each sub-field of view.
  • the axial chromatic aberration correction lens is preferably included in the magnifying optical system included in the secondary optical system.
  • the electron beam apparatus is preferably included in a primary electron optical system, and includes means for shaping the primary electron beam into a rectangle.
  • the electron beam apparatus is further included in the primary electron optical system, and includes a means for irradiating the sample with a primary electron beam as a multi-beam and a plurality of electrons emitted from the sample force.
  • a plurality of detectors each for detecting the secondary electron beam of the sensor, evaluation of the rotation angle between the arrangement direction of the multi-beam and the reference coordinate system of the electron beam apparatus, and evaluation of the beam interval of the multi-beam It is preferable to provide a multi-beam evaluation means.
  • the axial chromatic aberration correction lens and the auxiliary lens are preferably included in the primary electron optical system.
  • the multi-beam evaluation means is based on the interval between signals obtained from multiple detectors when scanning a marker parallel to the y-axis of the reference coordinate system (where the y-axis is the stage continuous movement direction) in the X-axis direction. It is preferable that it is structured to be evaluated.
  • the auxiliary lens is provided on the incident-side image surface of the axial chromatic aberration correction lens, off-axis aberrations generated by the axial chromatic aberration correction lens can be reduced. Therefore, highly accurate image data with reduced aberration can be obtained.
  • the multi-beam electron beam apparatus uses a signal interval to obtain a beacon. Since it is possible to evaluate whether the angle between the direction of the array and the reference coordinate axis is appropriate and whether the beam interval is equal to the designed value, these can be adjusted accurately.
  • FIG. 1 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of a Wien filter included in the electron beam apparatus shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a graph showing aberration characteristics in the magnifying optical system.
  • FIG. 4 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a configuration of a Wien filter included in the electron beam apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing a means for extracting EBCCD force image data in the electron beam apparatus shown in FIG.
  • FIG. 9 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram for explaining the evaluation of each rotation of the multi-beam arrangement and the xy coordinate axes and the evaluation of the beam interval of the multi-beams in the electron beam apparatus shown in FIG. 9.
  • FIG. 11 is an explanatory view showing an electron beam apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a configuration of a Wien filter included in the electron beam apparatus shown in FIG. 11.
  • FIG. 1 shows the main part of an electron beam apparatus using a projection type electron optical system according to the first embodiment of the present invention.
  • the size of the irradiation area and the irradiation current density of the electron beam emitted from the electron gun 1 is adjusted by the two-stage condenser lenses 2 and 3, and the electron beam is formed by a rectangular opening 4 such as a square. Is done.
  • the shaped rectangular primary electron beam is adjusted in magnification by the two-stage illumination lenses 5 and 6, and further passed through the beam separator 7 and the objective lens 8 to one of the rectangular fields on the sample W. Irradiates to the subfield.
  • the upper field of view is divided into, for example, nine sub-fields arranged in the scanning direction of the primary electron beam, and selection of these sub-fields is performed by the electrostatic deflectors 25 and 26. Acquisition of image data by primary electron beam irradiation and secondary electron beam detection is performed in units of sub-fields of view.
  • the path of the primary electron beam is different from the path of the secondary electron beam even after the primary electron beam passes through the beam separator 7. Designed to be
  • CMOS image sensors are arranged in 3 rows and 3 columns, and are sequentially selected by the electrostatic deflector 27. Since nine CMOS image sensors are provided, a CMOS image sensor that requires a data read time within nine times the irradiation time of each sensor does not waste time due to data read.
  • Sub-field force away from optical axis force The emitted secondary electron beam is deflected by the electrostatic deflectors 28 and 29 so as to coincide with the optical axis.
  • FIG. 2 shows a cross-sectional structure of a Wien filter 13 for correcting longitudinal chromatic aberration and spherical aberration (however,
  • the Wien filter 13 is manufactured as follows.
  • the coil 21 for generating a magnetic field for correction is wound around the permalloy plates 18-20.
  • 'Permalloy plates 18-20 and permalloy cylinder 17 are machined with high precision by wire cutting.
  • 'Gold coating is applied to the insulating spacer 22 except for the surface that can be irradiated and other surfaces that are necessary to maintain insulation.
  • the auxiliary lens 12 and the Wien filter 13 as described above, the axial chromatic aberration coefficient of the objective lens can be significantly reduced.
  • the length of the Wien filter 13 can be shortened, the optical path length of the electron beam apparatus can be relatively shortened.
  • the inner diameter of the Wien filter 13 can be increased, the distance between the electrodes can be made relatively large, so that unnecessary interelectrode discharge can be prevented.
  • the negative axial chromatic aberration coefficient Cax (wl) generated by the Wien filter and the axial chromatic aberration coefficient Cax at the image point created by the objective lens (image) must have the same absolute value but the opposite sign.
  • the axial chromatic aberration coefficient Cax (object) at the object point (point on the sample) of the objective lens can be almost determined if the dimension of the optical system in the Z-axis (optical axis) direction is determined.
  • the axial chromatic aberration coefficient Cax (image) can be expressed as follows.
  • ⁇ (wl) is the energy of the electron beam when passing through the Wien filter
  • ⁇ (SE) is the initial energy of the secondary electron (energy at the sample surface). It is.
  • the Wien filter a 12-pole as shown in Fig. 2
  • a 2-pole electric field, 2-pole Magnetic field, quadrupole electric field, quadrupole magnetic field, hexapole electric field, and hexapole magnetic field can be generated.
  • the electric field of 2 poles' magnetic field satisfies the Wien condition (conditions for straightening the electron beam)
  • the axial chromatic aberration is corrected by the electric field / magnetic field of 4 poles
  • the spherical aberration is corrected by the electric field / magnetic field of 6 poles. be able to. Therefore, spherical aberration as well as longitudinal chromatic aberration can be corrected.
  • FIG. 3 shows a result of simulating the aberration characteristics of the objective lens 8 and the auxiliary lens 12 shown in FIG.
  • the NA aperture value is 310 mrad or less
  • the longitudinal chromatic aberration (Graph 31) is larger than the spherical error (Graph 32)
  • the NA aperture value is 310 mrad or more
  • the spherical aberration is larger.
  • the aberration characteristics are as shown in graph 38.
  • NA must be 190 mrad or less.
  • the residual aberration is as shown in graph 40, and can be increased to 590 mrad to obtain a blur of 1 OOnm.
  • graph 33 is fifth-order spherical aberration
  • graph 34 is coma aberration
  • 35 is third-order axial chromatic aberration
  • 36 is fourth-order axial chromatic aberration
  • 37 is lateral chromatic aberration
  • 39 is axial.
  • NA is the numerical aperture with which lOOnm or less is obtained when only upper chromatic aberration is corrected
  • 41 is the NA numerical aperture with which lOOnm or less is obtained when axial chromatic aberration and spherical aberration are corrected.
  • aberrations (particularly spherical aberration) other than axial chromatic aberration can be reduced. Even if the length of the axial chromatic aberration correcting means is reduced and the inner diameter is increased, the axial chromatic aberration can be sufficiently reduced and the length of the Wien filter can be shortened. The length can be made relatively short. In addition, since the inner diameter of the Wien filter can be increased, the distance between the electrodes can be made relatively large, so that unnecessary discharge between the electrodes can be prevented.
  • 30 is a CPU that controls the operation of the electron beam apparatus
  • 31 is a sub-field controller that is a variable voltage source.
  • the field of view can be divided into a plurality of sub-fields, and the irradiation of the primary electron beam and the detection of the secondary electron beam can be repeatedly executed for each sub-field.
  • This sub-field control will be described later with reference to FIGS. 7 and 8.
  • a variable voltage source that supplies a predetermined voltage to other predetermined elements of the electron beam apparatus based on the control of the CPU 30 is provided, but is omitted in FIG. 1 for simplicity. Such omission is the same in the illustrations of the embodiments described below.
  • FIG. 4 shows an electron beam apparatus according to a second embodiment of the present invention.
  • This electron beam apparatus is also composed of a projection-type electron optical system, forms an electron beam force rectangular beam emitted from the electron gun 51, focuses the rectangular beam on the sample W, and the sample W.
  • a secondary electron optical system 200 that enlarges the image of secondary electrons emitted from the surface, a detection device 300 that detects secondary electrons output from the secondary electron optical system, and a voltage-controlled power source that is a variable voltage source 400 and a control device 500 for controlling the entire device.
  • the primary electron optical system 100 includes an electron gun 51 having a LaB6 force sword that emits a primary electron beam, a condenser lens 53 that focuses the primary electron beam emitted from the electron gun 51, and a focused primary electron.
  • Shaped aperture 55 for shaping the line to form a rectangular beam
  • shaped lenses 56, 58 for fine adjustment of the reduction ratio of the rectangular beam
  • axial deflectors 52, 54, 57 for axial alignment of the primary electron beam
  • a primary electron beam trajectory control deflector 59 for passing the primary electron beam through a different trajectory from the secondary electron orbit
  • an objective lens 560 that focuses the primary electron beam and irradiates the sample W.
  • the objective lens 560 is supplied with a voltage from a voltage control power source 500.
  • the primary electron optical system forms a rectangular beam from the primary electrons emitted from the electron gun 51 having the LaB6 force sword, focuses the rectangular beam on the sample W, and deflects the primary electron beam trajectory control.
  • the device 59 is controlled so as to pass through a different orbit (dotted line 530) from the secondary electron orbit.
  • the secondary electron optical system 200 includes an electrostatic deflector 517.
  • the electrostatic deflector 517 separates the electrons emitted from the sample W and accelerated by the objective lens 560 from the primary electron optical system.
  • the deflection chromatic aberration generated by the deflector 10 is corrected.
  • the secondary electron optical system also includes a chromatic aberration correction lens 519 that generates negative axial chromatic aberration, and a chromatic aberration correction lens 519.
  • An auxiliary lens 520 provided at the enlarged image position of the secondary electrons, a magnifying lens 521 for further magnifying the secondary electron beam image, and an auxiliary lens 522 provided at the enlarged image position of the secondary electrons by the magnifying lens 521, And a final magnifying lens 523.
  • the secondary electron optical system enlarges the secondary electron beam emitted from the sample W and forms an image on the MCP (microchannel plate) 524 of the detection device 300.
  • the electromagnetic deflector 510 for the electron beam separator can be regarded as being included in the primary electron optical system 100, or can be regarded as being included in the secondary electron optical system 200. Further, it can be regarded as being included in both the primary electron optical system 100 and the secondary electron optical system 200.
  • the detection device 300 includes an MCP 524 and a TDI camera 504.
  • the TDI camera 504 converts the secondary electron image formed on the MCP 524 into an electrical signal and communicates the signal to the control device 500. .
  • the objective lens 560 includes a disk-shaped axially symmetric electrode 515, an electrode 514, an electrode 513, an NA opening 512, and an electrode 511 in order from the sample W side.
  • the electrode 514 and the electrode 513 have a conical optical axis vicinity electrode whose radius decreases toward the sample W side.
  • the axially symmetric electrode 515 has a disc shape, but may have a conical shape. Further, the electrode 511 may be omitted.
  • the voltage control power supply 400 applies a positive high voltage to the electrode 514 in order to focus the primary electron beam and reduce axial chromatic aberration and spherical aberration.
  • the voltage control power source 400 applies a voltage close to the ground voltage to the axisymmetric electrode 515. Therefore, since the high electric field generated by applying the positive high voltage to the electrode 514 is shielded by the electrode 515, the electric field strength on the sample W can be kept small. Therefore, dielectric breakdown does not occur on the sample surface, and discharge between the electrode 514 and the sample W is prevented. At this time, since a high voltage is applied to the electrode 514, the longitudinal chromatic aberration of the objective lens 560 can be kept small.
  • the absolute value of the positive axial chromatic aberration generated by the objective lens 560 is changed to the absolute value of the negative axial chromatic aberration generated by the chromatic aberration correcting lens 519.
  • the assembly accuracy of the electron optical system is set to a necessary value, and the voltage applied to the electrode 515 of the objective lens 560 is changed.
  • the value of axial chromatic aberration can be accurately adjusted by adjusting with the voltage control power supply 400 or by adjusting both the voltage applied to the electrode 515 and the voltage applied to the electrode 514.
  • the electric field strength between the electrode 515 and the electrode 514 must be kept constant in order to obtain the same lens action, so that the voltage applied to the electrode 514 at the same focal length is applied. As a result, the axial chromatic aberration is reduced. Conversely, if the voltage applied to the electrode 515 is lowered, the electric field strength between the electrode 515 and the electrode 514 must be kept constant in order to obtain the same lens action, so the voltage applied to the electrode 514 is also lowered. As a result, axial chromatic aberration increases.
  • the aperture angle of the NA aperture 512 can be set to a large value of about 400 mrad (milliradian) when it is normally 200 mrad (milliradian). Therefore, the transmittance of secondary electrons is increased, a large beam current can be obtained, and the sample can be evaluated with high throughput.
  • the electrode 513 is a voltage close to the ground, and by changing this potential by several tens of volts, it is possible to dynamically correct the focus shift due to the up and down movement of the sample W (deviation in the Z-axis direction). Since the electrode 513 has a conical shape corresponding to the shape of the electrode 514, a necessary focal length can be obtained without the electrodes being separated from each other near the optical axis.
  • the chromatic aberration correction lens 519 includes a two-stage Wien filter.
  • the two-stage Wien filter forms an image once in the middle of them, resulting in the trajectory shown in Fig. 4.
  • the cross section of the Wien filter is shown in Fig. 5 only for 1Z4.
  • the Wien filter includes a 12-pole electrode 526 made of permalloy, and has a structure that generates a magnetic field by passing a current through a coil 525 wound around the electrode.
  • These electrodes 526 are arranged twice (rotation) symmetrically, that is, when they are rotated while maintaining the potential relationship of each electrode 526, they are arranged symmetrically at twice (180 degrees and 360 degrees).
  • the Wien condition that is, the condition in which secondary electrons go straight ahead is satisfied. Furthermore, a voltage that generates a 4-fold symmetric electric field and a voltage that generates a 6-fold symmetric electric field are superimposed on these electrodes, and a 4-fold symmetric magnetic field and a 6-fold symmetric magnetic field are also generated in the coil. Give excitation current. Negative axial chromatic aberration is generated by a four-fold symmetric electric field and magnetic field, and negative spherical aberration is generated by a six-fold symmetric electric field.
  • This device In the objective lens 560, axial chromatic aberration occupies most of the aberration at the NA aperture of about 200 mrad, but the spherical aberration is not negligible at a large NA aperture of 400 mrad or more. Therefore, it is important to correct spherical aberration.
  • the electron gun 51 made of LaB force sword operates under space charge limited conditions and has low shot noise.
  • the primary electrons emitted from the electron gun 51 are focused by the condenser lens 53 and irradiate the opening of the molding opening 55 with uniform intensity.
  • the primary electron beam is shaped into a rectangular beam by the shaping aperture 55, reduced by the shaping lens 56 and the shaping lens 58, deflected by the electromagnetic deflector 510, and enters the objective lens 560.
  • the primary electron beam is aligned with alignment deflectors 52, 54, and 57.
  • the primary electron beam is further reduced by the objective lens 560 and focused on the sample W.
  • the axial chromatic aberration of the objective lens 560 is obtained by applying a positive high voltage to the electrode 514 and applying a voltage close to the ground voltage to the axially symmetric electrode 515.
  • the primary electron beam is controlled by the orbit control deflector 59 of the primary electron beam so that it passes through a different orbit from the secondary electron, so that the space charge of the primary electron does not affect the secondary electron.
  • the secondary electron beam emitted from the sample W is accelerated by an acceleration electric field generated between the positive voltage of the objective lens 560 and the sample W.
  • the secondary electron beam deflected by the electromagnetic deflector 510 that separates the primary electron beam and the secondary electron beam is deflected in the reverse direction by the electrostatic deflector 517, and an enlarged image is formed at the image point 518 of the chromatic aberration correction lens 519. create.
  • the distance between the electrostatic deflector 517 and the image point 518 is designed to be 1Z2 of the distance between the electromagnetic deflector 510 and the image point 518, and the deflection angle by the electromagnetic deflector 510 and the deflection angle by the electrostatic deflector 517 are The direction is reversed and the absolute values are set equal. Thereby, the deflection chromatic aberration generated by the electromagnetic deflector 510 is corrected by the electrostatic deflector 517 and becomes zero. An enlarged image of the secondary electron beam formed at the image point 518 is formed on the auxiliary lens 520 after passing through the chromatic aberration correction lens 519.
  • the chromatic aberration correction lens 519 generates negative axial chromatic aberration in order to correct the positive axial chromatic aberration generated in the objective lens 560.
  • the magnified image of the secondary electron beam formed on the auxiliary lens 520 is magnified by the magnifying lens 521, formed on the auxiliary lens 522, and further magnified by about 10 times by the final magnifying lens 523.
  • the image on the MCP524 of the detection device 300 is equal to the element size of the TDI camera 504.
  • An elementary image is formed. If you want to change the pixel size, place auxiliary lenses 526 and 527 for large pixels instead of auxiliary lens 522, create a magnified image with magnifying lens 521, and apply voltage to the electrode of auxiliary lens 526 or 527. By adjusting the magnification accordingly, it can be adjusted to the size of the pixel image in the TDI camera 504.
  • the secondary electron image output from the MCP 524 is formed on the TDI camera 504, and the TDI camera 504 converts the imaged secondary electron image into an electrical signal.
  • the control device 500 can be composed of a general-purpose personal computer.
  • This computer includes a control unit 570 that executes various controls and arithmetic processes according to a predetermined program, a storage device 571 that stores the predetermined program, and a CRT that displays processing results, secondary electronic images 572, and the like. It has a monitor 573 and an input unit 574 such as a keyboard and a mouse for the operator to input commands.
  • the force control device 500 such as hardware dedicated to the inspection device or a workstation may be configured.
  • the electrode 514 to which the high voltage of the objective lens 560 is applied has a conical shape, and a voltage substantially close to ground is applied to the sample W side. Therefore, the electric field generated by the electrode 514 to which a high voltage is applied is partially shielded by the axially symmetric electrode 515. As a result, the electric field strength on the sample surface is reduced, dielectric breakdown on the sample surface is prevented, and discharge between the lens and the sample can be prevented.
  • the objective lens 560 has a conical ground electrode 513 to be grounded in addition to the conical electrode 514 to which a high voltage is applied, so that the voltage applied to the conical electrode 514 required for a certain lens action is relatively small.
  • the axial chromatic aberration coefficient of the objective lens 560 is electrically controlled, and the absolute value of the positive axial chromatic aberration of the objective lens 560 is calculated on the negative axis of the axial chromatic aberration correction lens 519.
  • the residual chromatic aberration can be made extremely small by canceling it accurately according to the absolute value of the chromatic aberration. Also this Since the residual chromatic aberration is reduced by such correction, the beam current of each beam can be increased by increasing the aperture angle of the NA aperture 512, so that the sample can be evaluated with high throughput. .
  • This electron beam apparatus is a SEM type (scanning electron microscope), which forms a multi-beam of electron force radiated from the electron gun 631, and focuses and scans the multi-beam on the sample W.
  • a secondary electron optical system 200' that expands the distance between secondary electron beams emitted from the sample W, and a detection device 300 'that detects secondary electrons output from the secondary electron optical system,
  • a voltage control power supply 400 ′ and a control device 500 ′ are provided.
  • the control device 500 ′ is substantially the same as the control device 500 of the second embodiment shown in FIG.
  • the primary electron optical system 100 includes an electron gun 631 made of a LaB6 force sword that emits primary electrons, a condenser lens 632 that focuses the primary electron beam emitted from the electron gun 631, and a focused primary electron beam.
  • the primary electron optical system 100 is configured to form a primary electron force multi-beam radiated from an electron gun 631 of a LaB6 force sword, focus the multi-beam on the sample W, and scan it with an electrostatic deflector 640. Being! RU
  • the secondary electron optical system 200 includes an expanding lens 648, 650 that expands the secondary electron beam emitted from the sample W force and accelerated by the objective lens 642, and an electrostatic that aligns the secondary electron beam.
  • Polarizers 649 and 651 are provided.
  • the secondary electron optical system 200 ′ magnifies the secondary electron beam emitted from the sample W and forms an image on the detector 652.
  • the electromagnetic deflector 641 for electron beam separation can be excluded from being included in the primary electron optical system 100 ', and can also be excluded from being included in the secondary electron optical system 200'. You can also. In addition, it can be regarded as being included in both the primary electron optical system 100 'and the secondary electron optical system 200'.
  • the detection device 300 ' includes a detector 652 and a signal processing circuit 604 including an AZD converter.
  • the signal processing circuit 604 is a multi-channel SEM (scanning electron microscope) detected by the detector 652. The image is converted to an electronic signal and communicated as a digital signal to the control device 500 ′.
  • the molded lens 634 By disposing the molded lens 634 behind the multi-aperture 634, the molded lens 634 can also function as a rotation correction lens. Therefore, the correction lens 654 is provided, and the molded lens 634 and the correction lens 654 are provided. Generate a reverse axial magnetic field.
  • the chromatic aberration correction lens 637 is a quadrupole correction magnetic field generation lens for correcting aberrations, which is placed in a direction in which the position of the 45 ° azimuth direction is shifted from that of the four-stage quadrupole lens and these lens electrodes. It consists of 653.
  • the chromatic aberration correction lens 637 generates negative axial chromatic aberration.
  • the Wien filter shown in FIGS. 4 and 5 may be used as the chromatic aberration correction lens 637, and it is better to correct spherical aberrations that are not only axial chromatic aberrations.
  • the objective lens 642 includes a magnetic lens 680 having an annular coil centered on the optical axis, a pipe-shaped cylindrical electrode 644 disposed along the central axis of the magnetic lens, that is, the optical axis, and 8 It has a pole scanning deflector and dynamic focus electrode 643 and a conical earth potential magnetic pole 675 whose radius decreases toward the sample W. Magnetic gap 646 force It is formed on the sample W side between the outer magnetic pole 681 and the inner magnetic pole 675.
  • the voltage control power source 400 ′ applies a positive high voltage to the cylindrical electrode 644.
  • the magnetic poles 681 and 675 are always grounded. Therefore, the electric field strength on the sample W surface can be kept small even though a positive high voltage is applied to the cylindrical electrode 644.
  • a voltage control power supply 400 ' is applied to the objective lens 642.
  • the voltage to be adjusted is appropriately adjusted. That is, to increase the axial chromatic aberration of the objective lens 642, the voltage applied to the cylindrical electrode 644 from the voltage control power supply 400 ′ is decreased, and to reduce the axial chromatic aberration, the voltage applied to the cylindrical electrode 644 is set. Just raise it.
  • Compensation for the shift of the focusing condition by changing the voltage applied to the cylindrical electrode 644 is performed by adjusting the excitation current supplied to the objective lens 644 from the voltage control power supply 400 ′.
  • the spherical aberration of the objective lens 642 having a structure in which the magnetic gap 646 is formed on the sample side is small, the spherical aberration can be corrected even if the electromagnetic field applied to the Wien filter is small.
  • the electrode 643 is an eight-pole electrode, and a voltage approximate to the ground potential is applied to all eight poles. By applying the same voltage to the 8-pole electrode, the focal length of the lens can be adjusted at high speed, and dynamic focusing can be performed. Further, a multi-beam can be scanned on the sample W by applying a scanning signal to the electrostatic deflector 640 for beam deflection and the octupole electrode 643. Since the total residual aberration after correction is small, the aperture angle of NA aperture 635 can be set to a value larger than lOOmrad (milliradian) when it is usually several lOmrad (milliradian). Therefore, each beam can obtain a large beam current, and the sample can be evaluated with high throughput.
  • Focused at 32 irradiates all apertures of the multi-aperture 633 with uniform intensity.
  • the multi-beam formed by the multi-aperture 633 forms a reduced image at the focal point 638 with the shaping lens 634 and the reduction lens 636. Focus reduced to low off-axis aberrations by providing NA aperture 635
  • the reduced image created in 638 is formed at the focal point 639 by the axial chromatic aberration correction lens 637.
  • This image of the focal point 639 is an image having negative axial chromatic aberration.
  • the reduced image at the focal point 639 is further reduced by the objective lens 642 to form a multi-beam on the sample W.
  • the multi-beam is scanned on the sample W by the electrostatic deflector 640 and the electrode 643. Positive axial chromatic aberration caused by the objective lens 642 is canceled by negative axial chromatic aberration caused by the axial chromatic aberration correction lens 637.
  • the secondary electron beam emitted from the sample W is accelerated and focused by an accelerating electric field formed by the cylindrical electrode 644 provided inside the objective lens 642 and the sample W, and separated from the primary electron beam by the electromagnetic deflector 641. Then, it enters the secondary electron optical system 200 ′, and is magnified in two stages by the magnifying lenses 648 and 650.
  • the secondary electron beam is detected by the detector 652, and a multi-channel SEM image is formed.
  • the electrostatic deflectors 649 and 651 control so that the secondary electron signal from the same primary electron always enters the same detector 652 in synchronization with the scanning of the primary electron beam.
  • the secondary electron image output from the detector 652 is sent to a signal processing circuit 604 equipped with an AZD converter and converted into an electrical signal. This electrical signal is converted into a control device 500 ′ as in the second embodiment. Is processed.
  • the electron beam apparatus since a high voltage is applied to the cylindrical electrode 644 of the objective lens 642, axial chromatic aberration can be reduced, and Since the magnetic pole 675 is substantially grounded, discharge between the cylindrical electrode 644 and the sample W can be prevented despite the high voltage of the cylindrical electrode 644. Furthermore, since the voltage applied to the cylindrical electrode 644 can be adjusted by the voltage control power supply 400 ′, the absolute value of the positive axial chromatic aberration generated by the objective lens 642 is the negative axial chromatic aberration generated by the chromatic aberration correcting lens 37. The axial chromatic aberration can be reliably corrected. As a result, since residual chromatic aberration is small, the beam angle of each beam can be increased by setting the aperture angle to a large value, which makes it possible to evaluate the sample with high throughput.
  • FIG. 7 shows the main part of an electron beam apparatus according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the size of the irradiation area and the current density of the electron beam emitted from the electron gun 71 are adjusted by the two-stage condenser lenses 72 and 73, and a rectangular opening such as a square is formed. Molded in 74.
  • the shaped rectangular electron beam is irradiated onto the sample W through the two-stage shaping lenses 75 and 76, and further through the beam separator 77 and the objective lens 79.
  • the path of the primary electron beam should be different from the path of the secondary electron beam even after the primary electron beam passes through the beam separator 77. ing. Therefore, an opening 723 for the primary electron beam is provided.
  • the secondary electrons emitted from the sample W pass through the NA aperture 724 provided in the NA aperture plate 78, are deflected by the beam separator 77, are deflected in the vertical direction by the aberration correcting electrostatic deflector 711, and are supplemented.
  • An enlarged image is formed on the main surface of the lens 712.
  • the secondary electron beam diverging from the auxiliary lens 712 passes through the multistage multipole on-axis chromatic aberration correction lenses 714 to 717 and forms an image on the main surface of the auxiliary lens 718 for the magnifying lens 719.
  • the auxiliary lens 712 Since the magnified image formed on the main surface of the auxiliary lens 712 is also formed at a position away from the optical axis, the secondary electron beam diverged from the auxiliary lens 712 is directly corrected for axial chromatic aberration. When entering the lenses 714 to 717, a large off-axis aberration is generated. In order to solve this problem, the auxiliary lens 712 forms an image of the aperture 724 at approximately the center 718 of the axial chromatic aberration correction lenses 714 to 717 in the optical axis direction.
  • the secondary electron image whose axial chromatic aberration has been corrected is magnified by the magnifying lens 719, forms a magnified image on the main surface of the auxiliary lens 720, and the light-receiving surface of the EBCCD detection unit 722 by the final magnifying lens 721.
  • the final magnified image is formed on the image, and the final magnified image force is detected by BCCD722.
  • the normal CCD detects light and outputs an electric signal.
  • EBCCD is a detector that detects an electric wire instead of light and outputs an electric signal.
  • Reference numeral 713 denotes an axis alignment deflector for the axial chromatic aberration correction lenses 714 to 717.
  • the field of view on the sample W is divided into, for example, a plurality of square subfields of five, and image data is acquired by irradiation of the primary electron beam and detection of the secondary electron beam in units of subfields. Is called.
  • the selection of the subfield is based on the deflection control signal from the subfield controller 734 and the primary electron beam is deflected so as to take the trajectory 732 by the two-stage deflectors 726 and 727.
  • the orbit 732 is an orbit when irradiating the sub-field on the left side of the optical axis, and the secondary electrons emitted by the irradiation travel on the orbit 733.
  • the sub-field control unit 734 is controlled by the CPU 728.
  • the secondary electron beam passes through the NA aperture 724, and only the beam that passes through the trajectory 733 enters the secondary optical system.
  • a deflection control signal is supplied to the beam separator 77 and the aberration correction deflector 711, and the trajectory is corrected so that the secondary electron beam after passing through the aberration correction deflector 71 1 coincides with the optical axis of the secondary optical system. .
  • the EBCCD detection unit 722 includes four EBCCD detectors 7221 to 7224, and is deflected by the deflector 735 so that secondary electron images are formed in the order of the arrows. . Extraction of image data from each EBCCD is executed by switching the electronic switch 740 by the CPU 728. Since one EBCCD force can be exposed four times while the image data is extracted and stored in the corresponding memory, exposure can be performed without loss until the data extraction time is approximately four times the exposure time.
  • the time from the end of the exposure to the start of the next exposure is the sum of the exposure time X 3 and the settling time X 4 (exposure time X 4). It is necessary to retrieve data. Therefore, if the data retrieval time is less than about 4 times the time required for exposure, processing can be performed without time loss.
  • FIG. 9 shows the main part of the electron beam apparatus according to the fifth embodiment of the present invention.
  • the electron beam emitted from the electron gun 851 is focused by the condenser lens 852, and irradiates the multi-opening 853, thereby forming a multi-beam.
  • the multi-beam is applied to the sample W through the reduction lenses 854 and 855 and the objective lens 847. At this time, the multi-beam is deflected so as to scan on the sample W by the electrostatic deflectors 845 and 853.
  • an auxiliary lens 856 is provided at an image forming position by the reduction lens 855, and an axial chromatic aberration correction lens 858 to 861 including a four-stage quadrupole lens is provided downstream of the auxiliary lens 856. It is arranged.
  • the on-axis chromatic aberration correction lenses 858 to 861 generate off-axis aberrations. This off-axis aberration can be reduced by forming an image of the NA aperture 842 on the center 843 of the axial color difference correction lenses 814 to 817 by the auxiliary lens 856.
  • a multi-beam of 8 rows and 8 columns can be obtained with each beam having a beam intensity of 6.25 nA and a beam diameter of 25 nm. This is obtained by simulating the electron optical system configured as described above.
  • the secondary electrons emitted from the sample W are accelerated by the objective lens 847, separated from the primary electron beam by the beam separator 846, and directed to the secondary optical system.
  • the secondary electron beam is magnified by the two-stage magnifying lenses 849 and 850, projected onto the detection unit 862, and detected.
  • the detector 862 is composed of a plurality of detectors having the same number of primary electron beams as multi-beams. In order to make the arrangement pitch of these detectors coincide with the pitch of the secondary electron image on the main surface of the detector 862.
  • the lens 849 and 850 are zoomed.
  • reference numeral 863 denotes a CPU that controls the operation of the entire electron beam apparatus, and signals obtained by the detectors of the detector 862 are stored in a memory (not shown) under the control of the CPU 863.
  • the CPU 863 has a function of evaluating the beam interval of the primary electron beam, which is a multi-beam, and the angle (rotation angle) ⁇ between the beam arrangement and the xy coordinate axes. In the following, this function will be described by taking the case of four rows of multibeam power as an example.
  • a signal synthesis unit 864 for synthesizing signals from a plurality of detectors is provided, and a signal from the signal synthesis unit 864 is supplied to the CPU 863.
  • a pattern 865 parallel to the y-axis (direction of continuous movement of the stage) of the x-y coordinate system, which is the reference coordinate of the electron beam apparatus, is provided on the test sample, A multi-beam is irradiated on the sample, and the multi-beam is scanned in the X-axis direction, that is, perpendicular to the pattern 865.
  • the 1st to 4th signals are the signals obtained when the four electron beams in the first row of the multi-beam irradiate the pattern 865, and are the 5th to 8th, 9th to 12th, 13th to 16th
  • the second is a signal obtained when the electron beam in the second, third, and fourth rows of the multi-beam irradiates the pattern 865, respectively.
  • the CPU 863 first determines whether or not the rotation angle ⁇ is appropriate by detecting the time interval between these signals. That is, in the case of a 4-by-4 multi-beam, if the rotation angle ⁇ is inappropriate, the spacing force between the two signals obtained at the 4th and 5th positions is 1st and 2nd (or 2nd and 3rd) , Or the third and fourth) and the difference between the two signals obtained. If the 4th and 5th signal intervals are large compared to the other signal intervals, this indicates that the rotation angle ⁇ is too small. Conversely, if the signal interval is small, the rotation angle is too large. Represents that.
  • the CPU 863 detects the period of the signal output from each detector, that is, the time interval, and compares the time intervals of the signals. The interval between the fourth and fifth signals is greater than the interval between the other signals. Determine whether it is large or small. Based on the result, the CPU 863 generates an output indicating whether the rotation angle should be reduced or increased. Note that the rotation angle ⁇ can be adjusted so that the time intervals of the signals coincide with each other by the slight rotation of the multi-opening 853 or the slight rotation of the lenses 854 and 855 as the rotating lenses.
  • the CPU 863 determines whether the beam interval is as designed, that is, whether the raster interval is equal to the pixel size or an integral multiple thereof. Evaluate whether or not. This evaluation can be performed by detecting the interval between the 1st and 4th signals, dividing it by 3 and comparing it with the design value. If the evaluation is performed based on the interval between adjacent signals, there is a possibility that an error may be included. However, by performing the evaluation as described above, a highly accurate evaluation can be performed. It is also possible to detect the interval between the 1st and 16th signals, and compare the value divided by 15 with the design value. Thereby, more accurate evaluation can be performed.
  • the interval between the 2nd and 15th signals may be detected, and a value obtained by dividing the interval by 13 may be compared with the design value.
  • the distortion caused by the primary optical system is arranged in a matrix. Because it appears in the beam at the four corners of the multi-beam, it is possible to evaluate the beam spacing with high accuracy even when distortion is caused by the primary optical system.
  • the beam interval is different from the design value, it can be matched with the design value by adjusting the reduction ratio of the primary electron optical system.
  • FIG. 11 shows the main part of the electron beam apparatus according to the sixth embodiment of the present invention.
  • a Wien filter 870 is used instead of the auxiliary lens 858, the axis alignment lens 857, and the quadrupole lenses 858 to 861. It is. Also in the electron beam apparatus of the sixth embodiment, it is possible to prevent an increase in aberration caused by a wide field of view.
  • the Wien filter 870 can be made non-dispersive by focusing twice, as shown by trajectory 882.
  • the angle ⁇ and the beam interval between the multi-beam arrangement and the XY coordinate system can be adjusted by the method described in relation to FIG.
  • Fig. 12 shows 1Z4.
  • the Wien filter 870 insulates each electrode from a cylindrical yoke 871 that also has permalloy force, 812 pole electrodes (also magnetic poles) 872 to 874 that also have permalloy force, and coils 875 to 877 that generate a magnetic field for correction.
  • spacers 878-880 By adjusting the voltage applied to the 12-pole electrodes 872 to 874, the electric field, magnetic field, quadrupole electromagnetic field for correcting chromatic aberration, and hexapole electromagnetic field for correcting spherical aberration can be generated. Upper chromatic aberration and spherical aberration can be corrected.
  • the auxiliary lens is provided on the image surface on the incident side of the axial chromatic aberration correction lens, so that the off-axis aberration generated by the axial chromatic aberration correction lens is reduced. Can be reduced. Therefore, highly accurate image data with reduced aberration can be obtained.

Landscapes

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  • Testing Or Measuring Of Semiconductors Or The Like (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Description

明 細 書
電子線装置
技術分野
[0001] 本発明は、電子線装置に関し、より詳細には、電子線を試料に照射し、それによつ て試料力 放出される電子を検出器で検出することによって、試料の欠陥等の評価 を、高スループットかつ高信頼性で行うことができる電子線装置に関する。
背景技術
[0002] 電子線装置による試料の評価精度を制限する大きな要因は、軸上色収差及び球 面収差である。
[0003] 従来、 SEM型の電子線装置や透過型電子顕微鏡 (TEM)にお 、ては、ウィーンフ ィルタや 4極子レンズを用いて軸上色収差を補正できるようにした装置が実用化され ている。
[0004] また、電子線装置にお!、ては、対物レンズとして静電レンズを用い、該静電レンズ の電極に高電圧を印加することにより、軸上色収差及び球面収差を小さくなるように 制御しているものもある。さらに、電子線装置において、 4段の 4極子レンズ及び 2段 の 4極子磁気レンズからなる軸上色収差補正レンズを用いて、軸対称レンズによる軸 上色収差を補正することによって超高分解能の像を得るようにした装置も提案されて いる。
[0005] さらにまた、電子銃から放射される電子を複数の開口を介してマルチビームとし、該 マルチビームを試料上に縮小結像し、試料力 放出される二次電子のマルチビーム を拡大し、複数の検出器で検出するようにした電子線装置も知られて 、る。
[0006] また、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、長方形に成形され た電子線を試料に照射するようにした装置も知られて 、る。
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0007] 上記したように、 SEMや TEMにお ヽては、軸上色収差を補正する手段が提案さ れ実用化されている力 これは、軸上色収差係数が lmn！〜 100mm等の小さい値で あるため、比較的簡単に軸上色収差補正レンズを用いて軸上色収差を低減させるこ とが可能である力 である。
[0008] これに対して、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置においては、軸上色 収差補正係数が数 10mm〜数 mと比較的大き 、ため、軸上色収差補正レンズの長 さを巨大にする必要がある。また、軸上色収差補正用に多極子レンズを用いた場合、 多極子レンズのボーァ径を極端に小さくする必要もあり、電極間距離が短くなるため 放電を回避することが不可能なサイズになるという問題もある。
[0009] したがって、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、従来の SE M型の電子線装置における技術を適用して軸上色収差を補正することは必ずしも得 策ではない。一方、このような写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置におい て、電子光学系に生じる収差について十分に解析されておらず、したがってどのよう な収差を補正すれば効果的であるの力適切な方式提案されて 、な 、状態である。
[0010] さらに、従来の軸上色収差を補正する目的は、 lnm〜0. lnmの超高分解能を得 ることが目的である。これに対して、半導体ウェハを評価する場合、分解能は 20nm 〜100nm程度で十分である力 ビーム電流を大きくすることが求められている。ビー ム電流を大きくするには、開口角（NA)を大きくする必要がある。 NAが小さい場合、 軸上色収差が大部分であるが、 NAを大きくすると、軸上色収差がそれに比例して増 加し、かつ、球面収差が NAの 3乗に比例して大きくなる。そのため、ビーム電流を大 きくするために NAを大きくする場合、球面収差が軸上色収差に対比して大きくなり、 球面収差を補正することが必須となる。
[0011] また、対物レンズを構成する静電レンズに高電圧を印加することにより軸上色収差 及び球面収差を補正する方式においては、高電圧の印加により試料面上の電界強 度が大きくなるので、静電レンズと試料との間で放電が発生して試料に損傷を与えて しまう可能性がある。さらに、 4段の 4極子レンズによる軸上色収差補正手段を用いた 場合には、電子線装置の光学系の軸上色収差を設計通りに設定することが困難であ るため、軸上色収差補正手段における軸上色収差と他の光学系の軸上色収差補正 との絶対値が等しくならず、残留色収差が大きくなつてしまうという問題がある。
[0012] さらに、 4段の 4極子レンズ及び 2段の 4極子磁気レンズからなる軸上色収差補正レ ンズは、光軸近傍の軸外収差特性が良好であるが、光軸力も離れた領域での軸外 収差特性は良好ではないため、光軸力 離れた領域に軸外収差を生じてしまう、とい う問題がある。
[0013] また、超高分解能の像を得るためではなぐ軸上色収差を補正することによって大 き!ヽ NA開口を用い、大電流を得る使!、方は行われて ヽなかった。
[0014] また、マルチビーム方式の電子線装置にぉ 、ては、ビーム間隔、及び、ビーム配列 方向と電子線装置の基準座標軸とのなす角（回転角）を正確に調整する必要がある 1S これらを評価するための手法が提案されていないため、これらの調整を正確に行 うことができない、という問題がある。
[0015] 本発明は、このような従来例の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、軸 上色収差補正レンズを用いた電子線装置において、軸上色収差補正レンズにより発 生される軸外収差を良好に補正することができるようにすることである。
[0016] 本発明の他の目的は、マルチビーム方式の電子線装置において、ビーム間隔、及 び、ビーム配列方向と基準座標軸とのなす角を、安価な手段を用いて正確にかつ容 易に評価することができるようにすることである。
[0017] 本発明のさらに他の目的は、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置にお いて、軸上色収差以外の収差を低減し、かつ、軸上色収差補正手段の長さを小さく かつ内径を大きくしても、軸上色収差を十分に低減することができるようにすることで ある。
[0018] 本発明の別の目的は、軸上色収差及び球面収差を小さくするために対物レンズを 構成する静電レンズに高電圧を印加しても、該レンズと試料との間の放電を防止し、 もって試料の損傷を防止することができるようにすることである。
[0019] 本発明のさらに別の目的は、対物レンズ等の電子光学系の軸上色収差と該軸上色 収差の補正レンズの軸上色収差の絶対値とが等しくなるように調整可能にすることで ある。
課題を解決するための手段
[0020] 上記した目的を達成するために、本発明は、電子ビームを試料上に照射して、該試 料力 放出される電子を検出することにより、試料上の情報を得るようにした電子線 装置において、
多段の多極子レンズと、
該多段の多極子レンズの入射側に設けられた補助レンズであって、該補助レンズ の内面に像面が形成される、補助レンズと
を備えて!/、ることを特徴とする電子線装置を提供する。
[0021] 上記した本発明に係る電子線装置は、視野を複数の副視野に分割して、副視野毎 に、一次電子ビームの照射及び二次電子ビームの検出を反復実行するよう構成され ており、軸上色収差補正レンズは、二次光学系に含まれる拡大光学系に含まれてい ることが好ましい。また、電子線装置は、一次電子光学系に含まれ、一次電子ビーム を矩形に成形する手段を備えることが好まし 、。
[0022] さらにまた、本発明に係る電子線装置はさらに、一次電子光学系に含まれ、一次電 子ビームをマルチビームとして試料上に照射する手段と、試料力 放出された電子か らなる複数の二次電子ビームをそれぞれ検出する複数の検出器力 なる検出手段と 、マルチビームの配列方向と電子線装置の基準座標系との回転角の評価、及び、マ ルチビームのビーム間隔の評価を行うマルチビーム評価手段とを備えることが好まし い。
[0023] この場合、軸上色収差補正レンズ及び補助レンズは、一次電子光学系に含まれて いることが好ましい。また、マルチビーム評価手段は、基準座標系の y軸 (ただし、 y軸 はステージ連続移動方向）に平行なマーカを X軸方向に走査した時に複数の検出器 からそれぞれ得られる信号の間隔に基づいて評価するよう構成されていることが好ま しい。
発明の効果
[0024] 本発明は、上記したように構成されているので、以下のような作用効果を奏すること ができる。
[0025] 軸上色収差補正レンズの入射側の像面に補助レンズを設けているので、軸上色収 差補正レンズによって発生される軸外収差を低減することができる。したがって、収差 が低減された高精度の画像データを得ることができる。
[0026] また、マルチビーム方式の電子線装置にぉ 、て、得られる信号の間隔を用いて、ビ ーム配列方向と基準座標軸とのなす角が適切であるかどうか、及びビーム間隔が設 計値と等 U、かどうかを評価することができるので、これらを正確に調整することがで きる。
図面の簡単な説明
[0027] [図 1]本発明の第 1の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 2]図 1に示した電子線装置に具備されるウィーンフィルタの構成を示す断面図で ある。
[図 3]拡大光学系における収差特性を示すグラフである。
[図 4]本発明の第 2の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 5]図 4に示した電子線装置に具備されるウィーンフィルタの構成を示す断面図で ある。
[図 6]本発明の第 3の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 7]本発明の第 4の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 8]図 7に示した電子線装置において、 EBCCD力 画像データを取り出す手段を 示す説明図である。
[図 9]本発明の第 5の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 10]図 9に示した電子線装置にお 、て、マルチビーム配列と x-y座標軸との回転 各の評価及びマルチビームのビーム間隔の評価を説明するための説明図である。
[図 11]本発明の第 6の実施形態に係る電子線装置を示す説明図である。
[図 12]図 11に示した電子線装置に具備されるウィーンフィルタの構成を示す断面図 である。
発明を実施するための最良の形態
[0028] 図 1は、本発明の第 1の実施形態の写像投影型の電子光学系を用いた電子線装 置の主要部を示している。この電子線装置においては、電子銃 1から放出された電 子線は、 2段のコンデンサレンズ 2及び 3によって照射領域の大きさ及び照射電流密 度が調整され、正方形等の矩形開口 4で成形される。成形された矩形の一次電子ビ ームは、 2段の照射レンズ 5及び 6で倍率を調整され、さらにビーム分離器 7及び対物 レンズ 8を介して、試料 W上の長方形の視野内の 1つの副視野に照射される。試料 W 上の視野は、一次電子ビームの走査方向に例えば 9個並んだ副視野に分割され、こ れら副視野の選択は、静電偏向器 25及び 26により行われる。一次電子ビームの照 射及び二次電子ビーム検出による画像データの取得は、副視野単位で行われる。
[0029] 一次電子ビームが二次電子ビームに影響を与えないようにするために、一次電子 ビームがビーム分離器 7を通過後も、一次電子ビームの経路が二次電子ビームの経 路と異なるように設計されて 、る。
[0030] 試料 Wから放出された二次電子は、対物レンズ 8に印加された正電圧と試料 Wに印 加された負電圧とにより生成される加速電界で加速及び集束され、細 ヽ平行ビーム となってビーム分離器 7で図 1の左方向に偏向される。そして、 NA開口 10により開口 角が制限され、電磁偏向器 11により垂直方向に偏向され、補助レンズ 12により集束 されて縮小像を生成する。その後、ウィーンフィルタ 13により軸上色収差及び球面収 差が補正され、 2段の拡大レンズ 14、 15を介して、 CMOSイメージセンサ部 16を構 成する 9個の CMOSイメージセンサの 1つに結像され検出される。これにより、試料 上の情報を保持した電気信号が得られる。 9個の CMOSイメージセンサは、 3行 3列 に配置され、静電偏向器 27によって、順次選択される。 CMOSイメージセンサを 9個 備えているので、各センサを照射している時間の 9倍以内のデータ読み出し時間を 必要とする CMOSイメージセンサであれば、データ読み出しによる時間の無駄を生 じない。
[0031] 光軸力 離れた副視野力 放出された二次電子ビームは、静電偏向器 28及び 29 により、光軸と一致するように偏向される。
[0032] 図 2は、軸上色収差及び球面収差補正用のウィーンフィルタ 13の断面構造 (ただし
、 1Z4のみ）を示している。ウィーンフィルタ 13は以下のようにして製造される。
'電極を構成するパーマロイ板 18〜20とヨークを構成するパーマロイ円筒 17を準備 し、絶縁スぺーサ 22にネジ 23で固定する。
•これらパーマロイを熱処理してァニールする。
'補正用の磁場を発生させるためのコイル 21をパーマロイ板 18〜20に卷回する。 'パーマロイ板 18〜20及びパーマロイ円筒 17の先端をワイヤカットで高精度に加工 する。 '絶縁スぺーサ 22のうちの、ビーム照射可能な面、及び、その他の絶縁を保持するの に必要な面を除き、金コーティングを行う。
[0033] 軸対称レンズ系の軸上色収差を補正するために、該軸対称レンズ系の軸上色収差 とウィーンフィルタ 13の軸上色収差とを、符号が逆で絶対値を等しくする調整する必 要がある。これら絶対値を正確に合わせるために、補助レンズ 12への励起電圧を調 整する。そして、ウィーンフィルタ 13の軸上色収差が小さい場合は、補助レンズ 12の 励起電圧を調整して、二次電子ビームが図 1の点線の軌道を通るようにし、ウィーン フィルタ 13の軸上色収差と軸対称レンズ系の軸上色収差との絶対値を一致させる。
[0034] このような補助レンズ 12及びウィーンフィルタ 13を用いることにより、対物レンズの 軸上色収差係数を大幅に小さくすることができる。また、ウィーンフィルタ 13の長さを 短くすることができるので、電子線装置の光路長を比較的短くすることができる。また 、ウィーンフィルタ 13の内径を大きくすることができるので、電極間距離を比較的大き くすることができ、よって不要な電極間放電を防止することができる。
[0035] なお、対物レンズ 8の軸上色収差係数を大幅に小さくすることができる理由は、以下 の通りである。
[0036] 対物レンズの軸上色収差をウィーンフィルタで補正する場合、ウィーンフィルタによ り生成される負の軸上色収差係数 Cax(wl)と、対物レンズが作る像点での軸上色収差 係数 Cax(image)とは、絶対値が等しく符号を逆にする必要がある。対物レンズの物点 (試料上の点）での軸上色収差係数 Cax(object)は、光学系の Z軸 (光軸)方向の寸法 が決まれば、ほぼ決定することができる。そして、軸上色収差係数 Cax(image)は、以 下のように表すことができる。
[0037] Cax(image)
= Μ2 ( (wl)/ φ (SE)) 3/2Cax(object)
ただし、 Mは物点から像点への拡大率、 φ (wl)はウィーンフィルタを通過時の電子ビ ームのエネルギ、 φ (SE)は二次電子の初期エネルギ（試料面でのエネルギ）である。
[0038] 上記式から明らかなように、拡大率 Mを小さくすると Cax(image)を小さくすることがで き、したがって、対物レンズによる軸上色収差係数を小さくすることができる。
[0039] また、ウィーンフィルタを図 2に示すように 12極子にすることによって、 2極電場、 2極 磁場、 4極電場、 4極磁場、 6極電場、 6極磁場を発生させることができる。そして、 2 極の電場'磁場によって、ウィーン条件 (電子ビームを直進させる条件）を満たし、 4極 の電場 ·磁場によって軸上色収差を補正し、 6極の電場 ·磁場によって球面収差を補 正することができる。よって、軸上色収差とともに球面収差を補正することができる。
[0040] 図 1に示した電子線装置において、対物レンズ 8を静電レンズではなく電磁レンズと して MOL動作をさせることにより、副視野の移動時の収差を低減させることもできる。 その他、種々の変更が可能である。
[0041] 図 3は、図 1の対物レンズ 8及び補助レンズ 12での収差特性をシミュレーションした 結果である。 NA開口値が 310mrad以下の場合、軸上色収差 (グラフ 31)が球面収 差 (グラフ 32)より大きいが、 NA開口値が 310mrad以上では、球面収差の方が大き くなる。軸上色収差のみをウィーンフィルタで補正した場合、収差特性はグラフ 38の ようになり、 lOOnmのボケを得るためには、 NAを 190mrad以下にする必要がある。 軸上色収差と球面収差の両方を修正した場合、残存収差はグラフ 40のようになり、 1 OOnmのボケを得るためには 590mradまで大きくすることができる。
[0042] 190mradでは、 SE (二次電子）の透過率は 3. 57%しか得られないのに対して、 59 Omradでは、 30. 9%の透過率が得られ、 10倍近くの透過率が得られる。したがって 、写像投影型の電子光学系を用いた電子線装置において、軸上色収差のみではな ぐ球面収差も補正することにより、性能が大幅に向上することが分力る。
[0043] なお、図 3において、グラフ 33は 5次の球面収差、グラフ 34はコマ収差、 35は 3次 の軸上色収差、 36は 4次の軸上色収差、 37は倍率色収差、 39は軸上色収差のみを 補正した場合に lOOnm以下のボケが得られる NA開口値、 41は軸上色収差と球面 収差とを補正した場合の lOOnm以下のボケが得られる NA開口値である。
[0044] 上記した第 1の実施形態の電子線装置においては、軸上色収差以外の収差 (特に 、球面収差)を低減することができる。また、軸上色収差補正手段の長さを小さくかつ 内径を大きくしても、軸上色収差を十分に低減することができ、ウィーンフィルタの長 さを短くすることができるので、電子線装置の光路長を比較的短くすることができる。 また、ウィーンフィルタの内径を大きくすることができるので、電極間距離を比較的大 きくすることができ、よって不要な電極間の放電を防止することができる。 [0045] 図 1において、 30は電子線装置の動作を制御する CPUであり、 31は可変電圧源 である副視野制御部である。これにより、視野を複数の副視野に分割して、副視野毎 に、一次電子ビームの照射及び二次電子ビームの検出を反復実行するよう構成する こともできる。この副視野に関する制御については、図 7及び図 8を参照して以降で 説明する。また、 CPU30の制御に基づき、電子線装置の他の所定要素に所定の電 圧を供給する可変電圧源を備えているが、図 1においては、簡略ィ匕のために省略し ている。このような省略は、以降で説明する実施形態の図示においても同様である。
[0046] 図 4は、本発明の第 2の実施形態の電子線装置を示して 、る。この電子線装置も写 像投影型の電子光学系からなり、電子銃 51から放出された電子線力 矩形ビームを 形成し、矩形ビームを試料 W上に集束させる一次電子光学系 100と、試料 W表面か ら放出される二次電子の像を拡大する二次電子光学系 200と、二次電子光学系から 出力された二次電子を検出する検出装置 300と、可変電圧源である電圧制御電源 4 00と、装置全体を制御する制御装置 500とを備えて 、る。
[0047] 一次電子光学系 100は、一次電子線を放出する LaB6力ソードを有する電子銃 51 と、電子銃 51から放出された一次電子線を集束するコンデンサレンズ 53と、集束さ れた一次電子線を成形して矩形ビームを形成する成形開口 55と、矩形ビームの縮 小率を微調整する成形レンズ 56、 58と、一次電子線の軸合わせをする軸合わせ偏 向器 52、 54、 57と、一次電子線を二次電子軌道と異なる軌道を通すための一次電 子線軌道制御偏向器 59と、一次電子線の焦点を合わせて試料 Wに照射する対物レ ンズ 560とを備えている。対物レンズ 560には、電圧制御電源 500から電圧が供給さ れる。このようにして、一次電子光学系は、 LaB6力ソードを有する電子銃 51から放出 された一次電子から矩形ビームを形成し、該矩形ビームを試料 W上に集束させ、一 次電子線軌道制御偏向器 59により二次電子軌道と異なる軌道（点線 530)を通るよう に制御される。
[0048] 二次電子光学系 200は、静電偏向器 517を備え、該静電偏向器 517により、試料 Wから放出され、対物レンズ 560により加速された電子を一次電子光学系から分離 する電磁偏向器 10で発生した偏向色収差を補正する。二次電子光学系はまた、負 の軸上色収差を生じる色収差補正レンズ 519と、該色収差補正レンズ 519による二 次電子の拡大像位置に設けた補助レンズ 520と、該二次電子線の像を更に拡大す る拡大レンズ 521と、拡大レンズ 521による二次電子の拡大像位置に設けた補助レ ンズ 522と、最終拡大レンズ 523とを備える。このようにして、二次電子光学系は、試 料 Wから放出された二次電子線を拡大して、検出装置 300の MCP (マイクロチャンネ ルプレート） 524に結像される。
[0049] なお、電子線分離器用の電磁偏向器 510は、一次電子光学系 100に含まれるとと らえることもできるし、二次電子光学系 200に含まれるものととらえることもできる。また 、一次電子光学系 100及び二次電子光学系 200の両方に含まれるととらえることもで きる。
[0050] 検出装置 300は、 MCP524と TDIカメラ 504とからなり、 TDIカメラ 504は、 MCP5 24に結像された二次電子像を電気信号に変換し、該信号を制御装置 500に通信す る。
[0051] 対物レンズ 560は、試料 W側から順に、円板状の軸対称電極 515と、電極 514と、 電極 513と、 NA開口 512と、電極 511とを有して!/ヽる。電極 514及び電極 513は、 試料 W側に向うほど半径が小さくなる円錐形状の光軸近傍電極を有する。なお、本 実施例においては、軸対称電極 515を円板状としたが、円錐形状としてもよい。また 、電極 511を省略してもよい。
[0052] 電圧制御電源 400は、一次電子線を集束させるために、かつ軸上色収差や球面 収差を小さくするために、電極 514に正の高電圧を印加する。電圧制御電源 400は 、軸対称電極 515には接地電圧に近い電圧を印加する。そのため、正の高電圧の電 極 514への印加によって生成される高電界が電極 515でシールドされるため、試料 W上での電界強度は小さく抑えられる。従って、試料表面での絶縁破壊が起こらず、 電極 514と試料 Wとの間の放電は防止される。このとき、電極 514には高電圧が印加 されているため、対物レンズ 560の軸上色収差を小さく保つことができる。
[0053] ところで、電子線装置の基板評価精度を向上させるために、対物レンズ 560によつ て生じる正の軸上色収差の絶対値を、色収差補正レンズ 519によって生じる負の軸 上色収差の絶対値と等しくなるようにする必要がある。このためには、電子光学系の 組立精度を必要な値にするとともに、対物レンズ 560の電極 515に印加する電圧を 電圧制御電源 400で調節することにより、もしくは、電極 515に印加する電圧と電極 5 14とに印加する電圧との双方を調節することにより、軸上色収差の値を正確に調節 することができる。例えば、電極 515に印加する電圧を高くすると、同じレンズ作用を 得るには電極 515と電極 514との間の電界強度を一定に保つ必要があることから、 同じ焦点距離での電極 514に印加する電圧を高くすることになり、その結果、軸上色 収差は小さくなる。逆に電極 515に印加する電圧を低くすると、同じレンズ作用を得る には電極 515と電極 514との間の電界強度を一定に保つ必要があることから、電極 5 14に印加する電圧も低くすることになり、その結果、軸上色収差が大きくなる。
[0054] このようにして電子線装置の残留色収差を小さくすると、 NA開口 512の開口角を、 通常 200mrad (ミリラジアン）のところ、 400mrad (ミリラジアン)程度の大きな値にす ることができる。そのため、二次電子の透過率が大きくなり、大きいビーム電流を得る ことができ、高スループットで試料の評価をすることができる。
[0055] 電極 513はアースに近い電圧で、この電位を数 10V変えることによって試料 Wの上 下動 (Z軸方向の偏差）による焦点ズレをダイナミックに補正することができる。電極 5 13が電極 514の形状に合わせて円錐形状になっているので、光軸近くで電極同士 が離れることもなぐ必要な焦点距離を得ることができる。
[0056] 色収差補正レンズ 519は、 2段のウィーンフィルタで構成される。 2段のウィーンフィ ルタは、それらの中間で一度結像され、図 4に示した軌道となる。ウィーンフィルタの 断面を図 5に 1Z4だけ示した。図 5に示すように、ウィーンフィルタは、パーマロイから なる 12極の電極 526を備え、該電極に卷回されたコイル 525に電流を流すことにより 、磁場も発生させる構造になっている。これらの電極 526に 2回（回転)対称、すなわ ち、各電極 526の各極の電位関係を保持したまま回転させたときに、 2回（180度お よび 360度）の時に対称の配置を取る構成で電界を発生する電圧を印加し、 2回対 称磁界を発生させる励磁電流を流すことによって、ウィーン条件すなわち二次電子が 直進する条件が満たされる。さらに、これらの電極に 4回対称の電界を発生する電圧 と 6回対称の電界とを発生する電圧とを重畳し、コイルには同じく 4回対称の磁界と 6 回対称の磁界とを発生させる励磁電流を与える。 4回対称電界 ·磁界によって負の軸 上色収差を発生し、 6回対称電界 '磁界によって負の球面収差を発生する。本装置 の対物レンズ 560では、 200mrad程度の NA開口では軸上色収差が収差の大部分 を占めるが、 400mrad以上の大きい NA開口では球面収差は無視できない値になる 。そのため、球面収差を補正することは重要となる。
[0057] LaB力ソードからなる電子銃 51は空間電荷制限条件で動作し、ショット雑音が小さ
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い。電子銃 51から放射された一次電子は、コンデンサレンズ 53で集束され、成形開 口 55の開口を一様な強度で照射する。一次電子線は成形開口 55で矩形ビームに 成形され、成形レンズ 56と成形レンズ 58で縮小され、電磁偏向器 510で偏向され、 対物レンズ 560に入射する。一次電子線は、軸合わせ偏向器 52、 54、及び 57で、 軸合わせされる。一次電子線は、さらに対物レンズ 560でさらに縮小され、試料 W上 に合焦する。対物レンズ 560の軸上色収差は、上述したように、電極 514に正の高電 圧を印加し、軸対称電極 515に接地電圧に近い電圧を印加することにより、電極 51 4と試料 Wとの間の放電を防止しつつ、小さく保つことができる。一次電子線は、一次 電子線の軌道制御偏向器 59により、二次電子と異なる軌道を通るよう制御されるの で、一次電子の空間電荷が二次電子に影響を与えることがない。
[0058] 試料 Wから放出された二次電子線は、対物レンズ 560の正の電圧と試料 Wとの間 で生じる加速電界で加速される。一次電子線と二次電子線とを分離する電磁偏向器 510により偏向された二次電子線は、静電偏向器 517で逆方向に偏向され、色収差 補正レンズ 519の像点 518に拡大像を作る。静電偏向器 517と像点 518との距離は 、電磁偏向器 510と像点 518との距離の 1Z2に設計され、電磁偏向器 510による偏 向角と静電偏向器 517による偏向角との方向が逆で絶対値が等しく設定されている 。これにより、電磁偏向器 510で発生した偏向色収差は、静電偏向器 517で補正さ れてゼロになる。像点 518に形成された二次電子線の拡大像は、色収差補正レンズ 519を通過した後、補助レンズ 520に形成される。色収差補正レンズ 519は、対物レ ンズ 560で発生した正の軸上色収差を補正するために、負の軸上色収差を生じさせ る。補助レンズ 520に形成された二次電子線の拡大像は、拡大レンズ 521で拡大さ れ補助レンズ 522上に形成され、さらに最終拡大レンズ 523で 10倍程度拡大される
[0059] これ〖こより、検出装置 300の MCP524上〖こ、 TDIカメラ 504の素子寸法に等しい画 素の像が形成される。画素寸法を変えたいときは、補助レンズ 522の代わりに大きい 画素用の補助レンズ 526、 527を配置して、これらに拡大レンズ 521による拡大像を 作り、補助レンズ 526又は 527の電極に電圧を与えることによって倍率を調整するこ とにより、 TDIカメラ 504での画素像の大きさに合わせることができる。上記したように 、 MCP524から出力された二次電子像は、 TDIカメラ 504に結像され、 TDIカメラ 50 4は、この結像された二次電子像を電気信号に変換する。
[0060] 検出装置 300の TDIカメラ 504で電気信号に変換された二次電子像は、制御装置 500に通信される。制御装置 500は、汎用のパーソナルコンピュータで構成すること ができる。このコンピュータは、所定のプログラムに従って各種制御、演算処理を実 行する制御部 570と、該所定のプログラムなどを記憶している記憶装置 571と、処理 結果や二次電子画像 572等を表示する CRTモニタ 573と、オペレータが命令を入力 するためのキーボードやマウス等の入力部 574とを有している。勿論、検査装置専用 のハードウェア、或いは、ワークステーションなど力 制御装置 500を構成してもよい
[0061] このように、本発明の第 2の実施例による電子線装置は、対物レンズ 560の高電圧 が印加される電極 514を円錐形状にし、試料 Wの側にほぼ接地に近い電圧が印加 される軸対称電極 515を有するため、高電圧を印加された電極 514が作る電界がこ の軸対称電極 515で部分的にシールドされる形になる。その結果、試料面での電界 強度が小さくなり、試料表面での絶縁破壊が防止され、レンズと試料との間の放電を 防止することができる。また、対物レンズ 560は、高電圧が印加される円錐電極 514 に加え、接地される円錐形のアース電極 513を有するため、一定のレンズ作用に要 する円錐電極 514に印加する電圧を比較的小さくすることができ、レンズと試料との 間の放電を防止することができる。さらに、電圧制御電源 400により、試料面側のほ ぼ接地された軸対称電極 515に微調整した電圧を印加することにより、若しくは軸対 称電極 515と少なくとも 1つの円錐形状の電極との双方に調整した電圧を印加するこ とにより、対物レンズ 560の軸上色収差係数を電気的に制御して、対物レンズ 560の 正の軸上色収差の絶対値を軸上色収差補正レンズ 519の負の軸上色収差の絶対 値に正確に合わせて相殺し、残留色収差を極めて小さくすることができる。また、この ような補正により残留色収差が小さくなるため、 NA開口 512の開口角を大きな値に して個々のビームのビーム電流を大きくすることができ、よって、高スループットで試 料の評価をすることができる。
[0062] 次に、図 6を参照して、本発明の第 3の実施形態に係る電子線装置を説明する。こ の電子線装置は、 SEM型（走査電子顕微鏡)であり、電子銃 631から放射された電 子力 マルチビームを形成し、マルチビームを試料 W上に集束し走査させる一次電 子光学系 100'と、試料 Wから放出される二次電子線の互いの間隔を拡大する二次 電子光学系 200'と、二次電子光学系から出力された二次電子を検出する検出装置 300'と、電圧制御電源 400'と、制御装置 500'と備えている。制御装置 500'は、図 4に示した第 2の実施形態の制御装置 500と実質的に同一である。
[0063] 一次電子光学系 100'は、一次電子を放出する LaB6力ソードからなる電子銃 631 と、電子銃 631から放出された一次電子線を集束するコンデンサレンズ 632と、集束 された一次電子線力 マルチビームを形成するマルチ開口 633と、マルチビームを 縮小して焦点 638に結像させる成形レンズ 634と縮小レンズ 636と、軸上色収差を低 収差に抑える NA開口 635と、補正レンズ 654と、負の軸上色収差を生じる色収差補 正レンズ 637と、マルチビームを試料 W上で走査させ、かつ電磁偏向器 641で生じる 偏向色収差を補正する静電偏向器 640と、対物レンズ 642とを備えている。一次電 子光学系 100'は、 LaB6力ソードの電子銃 631から放射された一次電子力 マルチ ビームを形成して、マルチビームを試料 W上に集束させかつ静電偏向器 640により 走査するよう構成されて！、る。
[0064] 二次電子光学系 200'は、試料 W力 放出されて対物レンズ 642で加速された二 次電子線を拡大する拡大レンズ 648、 650と、二次電子線の軸合わせをする静電偏 向器 649、 651とを備えている。二次電子光学系 200'は、試料 Wから放出された二 次電子線を拡大して、検出器 652に結像される。
[0065] なお、電子線分離用用の電磁偏向器 641は、一次電子光学系 100'に含まれると とら免ることもできるし、二次電子光学系 200'に含まれるものととら免ることもできる。 また、一次電子光学系 100 '及び二次電子光学系 200 'の両方に含まれるととらえる ことちでさる。 [0066] 検出装置 300'は、検出器 652と、 AZDコンバータを含んだ信号処理回路 604と を備え、信号処理回路 604は、検出器 652で検出された複数チャンネルの SEM (走 查電子顕微鏡)画像を電子信号に変換し、デジタル信号として制御装置 500'に通 信する。
[0067] マルチビームを使用した SEM型の電子線装置においては、スループットの向上の ため、なるべく多くのマルチビームを試料 W上に形成したいという要求がある。そのた め、マルチ開口 633の前後に配置されたコンデンサレンズ 632と成形レンズ 634との ズーム作用、すなわち電子銃 631が作るクロスオーバ像を NA開口 635に作るという 合焦条件を変えないで、マルチ開口 633の照射領域を調整する。成形レンズ 634を 、マルチ開口 634の後方に配置することにより、該成型レンズ 634に回転補正レンズ としての機能も持たせることができるので、補正レンズ 654を設け、そして成形レンズ 634と補正レンズ 654に逆方向の軸上磁場を発生させる。
[0068] 色収差補正レンズ 637は、 4段の 4極子レンズとこれらのレンズ電極と 45° 方位角 方向の位置がずれた方向に置かれた、収差補正のための 4極の補正磁場発生レン ズ 653とで構成されている。色収差補正レンズ 637は、負の軸上色収差を発生させる 。この色収差補正レンズ 637として、図 4及び図 5に示したウィーンフィルタを用いても よぐさらに、軸上色収差のみではなぐ球面収差も補正した方がよい。
[0069] 対物レンズ 642は、光軸上に中心決めされた環状のコイルを有する磁界レンズ 680 と、該磁界レンズの中心軸線すなわち光軸に沿って配置されたパイプ状の円筒電極 644と、 8極の走査偏向器兼ダイナミックフォーカス電極 643と、試料 Wに向うほど半 径が小さくなる円錐形状のアース電位の磁極 675とを有している。磁気ギャップ 646 力 外側磁極 681と内側磁極 675との間の試料 W側に形成されている。一次電子線 を集束させるために、かつ軸上色収差や球面収差を小さくするために、電圧制御電 源 400'は、円筒電極 644に正の高電圧を印加する。また、磁極 681、 675は常に接 地されている。そのため、円筒電極 644に正の高電圧を印加するにもかかわらず、試 料 W面上での電界強度を小さく抑えることができる。
[0070] 例えば、円筒電極 644と試料 Wとの距離が 4mm、円筒電極 644の電圧が 8KVの 場合、外側 675にアース電位がな!、と 8KVZ4mm= 2KVZmmの電界が試料 W の表面に印加される力 外側電位がアース電位に設定されると、電界が 1. 5KV/m m程度に小さくなること力 シミュレーションで明らかになつている。従って、試料表面 の絶縁破壊が防止され、円筒電極 644と試料 Wとの間の放電が防止される。また、 円筒電極 644に高電圧を印加しているため、対物レンズ 642の軸上色収差は小さく 保たれている。
[0071] 対物レンズ 642により生じる正の軸上色収差の絶対値を色収差補正レンズ 637に より生じる負の色収差の絶対値と正確に一致させるために、対物レンズ 642へ電圧 制御電源 400'から印加される電圧を、適宜調整する。すなわち、対物レンズ 642の 軸上色収差を大きくするには、電圧制御電源 400 'から円筒電極 644に印加する電 圧を低くし、軸上色収差を小さくするには、円筒電極 644に印加する電圧を上げれ ばよい。円筒電極 644に印加する電圧を変化させたことによる合焦条件のズレの補 償は、電圧制御電源 400'から対物レンズ 644に供給される励起電流を調整すること によって行われる。本実施例においては、球面収差もウィーンフィルタを用いて補正 した方がよい。しかし、磁気ギャップ 646が試料側に形成されている構造の対物レン ズ 642の球面収差は小さいので、ウィーンフィルタに与える電磁界が小さくても、該球 面収差を補正することができる。
[0072] 電極 643は、 8極の電極であり、 8極すべてにアース電位に近似する電圧が与えら れる。 8極の電極に同じ電圧を与えることでレンズの焦点距離を高速で調整すること ができ、ダイナミックフォーカスを行うことができる。さらに、ビーム偏向用の静電偏向 器 640と該 8極電極 643とに走査信号を与えることにより、マルチビームを試料 W上 で走査させることができる。補正残留の全収差が小さいため、 NA開口 635による開 口角を、通常数 lOmrad (ミリラジアン）のところ、 lOOmrad (ミリラジアン）以上の大き な値にすることができる。そのため、個々のビームは大きいビーム電流を得ることがで き、高スループットで試料の評価をすることができる。
[0073] LaB力ソードを備えた電子銃 631から放射された一次電子は、コンデンサレンズ 6
6
32で集束され、マルチ開口 633の全ての開口を一様な強度で照射する。マルチ開 口 633で形成されたマルチビームは、成形レンズ 634と縮小レンズ 636とで焦点 638 に縮小像を作る。 NA開口 635を設けることによって低い軸外収差に抑えられた焦点 638に作られた縮小像は、軸上色収差補正レンズ 637で焦点 639の位置に結像さ れる。この焦点 639の像は、負の軸上色収差を持った像である。焦点 639の縮小像 は対物レンズ 642でさらに縮小され、試料 W上にマルチビームを形成する。マルチビ ームは、静電偏向器 640及び電極 643により、試料 W上を走査させられる。対物レン ズ 642で生じる正の軸上色収差は、軸上色収差補正レンズ 637で生じる負の軸上色 収差で打ち消される。
[0074] 試料 Wから放出された二次電子線は、対物レンズ 642内部に設けられた円筒電極 644と試料 Wとが作る加速電界によって加速され集束され、電磁偏向器 641で一次 電子線から分離されて二次電子光学系 200'に入り、拡大レンズ 648、 650で 2段階 に拡大される。二次電子線は、検出器 652で検出され、複数チャンネルの SEM像が 形成される。静電偏向器 649、 651は、一次電子線の走査に同期して、常に同じ一 次電子からの二次電子信号が同一の検出器 652に入射するよう制御する。検出器 6 52から出力された二次電子像は、 AZDコンバータを備えた信号処理回路 604に送 られ電気信号に変換され、この電気信号は、第 2の実施例と同様に、制御装置 500' で処理される。
[0075] このように、本発明の第 3の実施形態の電子線装置は、対物レンズ 642の円筒電極 644に高電圧の電圧が印加されるため、軸上色収差を小さくすることができ、また、 磁極 675は略接地状態であるため、円筒電極 644の高電圧にもかかわらず、円筒電 極 644と試料 Wとの間の放電を防止することができる。さらに、電圧制御電源 400'に より、円筒電極 644に印加する電圧を調整することができるため、対物レンズ 642で 生じる正の軸上色収差の絶対値を色収差補正レンズ 37で生じる負の軸上色収差の 絶対値に一致させることができ、よって、軸上色収差を確実に補正することができる。 また、その結果、残留色収差が小さいため、開口角を大きな値にして個々のビームの ビーム電流を大きくすることができ、これにより、高スループットで試料の評価ができる
[0076] 図 7は、本発明の第 4の実施形態の電子線装置の主要部を示して 、る。この電子 線装置においては、電子銃 71から放出された電子線は、 2段のコンデンサレンズ 72 及び 73によって照射領域の大きさ及び電流密度が調整され、正方形等の矩形開口 74で成形される。成形された矩形電子ビームは、 2段の整形レンズ 75及び 76を介し 、さらにビーム分離器 77及び対物レンズ 79を介して、試料 Wに照射される。一次電 子ビームが二次電子ビームに影響を与えないようにするために、一次電子ビームが ビーム分離器 77を通過後も、一次電子ビームの経路が二次電子ビームの経路と異 なるようにしている。そのため、一次電子ビーム用の開口 723を設けている。
[0077] 試料 Wから放出された二次電子は、 NA開口板 78に設けた NA開口 724を通って ビーム分離器 77で偏向され、収差補正静電偏向器 711により垂直方向に偏向され、 補助レンズ 712の主面に拡大像を形成する。補助レンズ 712から発散した二次電子 ビームは、多段の多極子の軸上色収差補正レンズ 714〜717を通り、拡大レンズ 71 9用の補助レンズ 718の主面に結像する。
[0078] 補助レンズ 712の主面に形成された拡大像は、光軸から離れた位置にも像が形成 されるため、補助レンズ 712から発散された二次電子ビームをそのまま軸上色収差補 正レンズ 714〜717に入射すると、大きな軸外収差が生じる。それを解消するために 、補助レンズ 712により、開口 724の像が軸上色収差補正レンズ 714〜717の光軸 方向のほぼ中央 718に形成されるようにする。
[0079] 軸上色収差が補正された二次電子像は、拡大レンズ 719で拡大され、補助レンズ 7 20の主面に拡大像を形成し、かつ最終拡大レンズ 721により EBCCD検出部 722の 受光面に最終拡大像を形成し、最終拡大像力 ¾BCCD722によって検出される。な お、通常の CCDは光を検出して電気信号を出力する力 EBCCDは光の代わりに電 子線を検出して電気信号を出力する検出器である。 713は、軸上色収差補正レンズ 714〜717のための軸合わせ偏向器である。
[0080] 試料 W上の視野は、例えば 5個である複数の正方形の副視野に分割されており、 副視野単位で、一次電子ビームの照射及び二次電子ビーム検出による画像データ の取得が行われる。副視野の選択は、副視野制御部 734からの偏向制御信号に基 づき、 2段の偏向器 726及び 727によって一次電子ビームが軌道 732をとるように偏 向される。なお、軌道 732は、光軸の左側にある副視野を照射するときの軌道であり 、該照射によって放出された二次電子は軌道 733を進行する。副視野制御部 734は CPU728によって制御される。 [0081] そして、副視野が光軸から遠!、場合、二次電子ビームは NA開口 724を通過し軌 道 733を通ったビームのみが二次光学系に入る力 副視野制御部 734から、ビーム 分離器 77と収差補正偏向器 711に偏向制御信号が供給され、収差補正偏向器 71 1を通過後の二次電子ビームが、二次光学系の光軸と一致するように軌道修正され る。
[0082] EBCCD検出部 722は、図 8に示すように、 4つの EBCCD検出器 7221〜7224で 構成され、偏向器 735によって、二次電子像が矢印の順に形成されるように、偏向さ れる。各 EBCCDからの画像データの取り出しは、 CPU728によって電子スィッチ 74 0を切り替えることにより実行される。 1つの EBCCD力も画像データを取り出して対応 するメモリに記憶している間に 4回露光を行うことができるので、データ取り出し時間 が露光時間の約 4倍迄はロス無く露光を行うことができる。
[0083] すなわち、 EBCCD検出部 722の 1つの EBCCD検出器 7221の露光が終了すると 、該検出器からメモリ 741に画像データの取り出しが開始され、それと同時に次の副 視野の画像力 ¾BCCD検出器 7222に結像されるように偏向される。次いで、整定時 間後に EBCCD検出器 7222への露光を開始し、所定の時間後に EBCCD検出器 7 222の露光が終了すると、該検出器からメモリ 744への画像の取り出しが開始され、 かつ EBCCD検出器 7223への露光が開始されるように偏向される。同様にして、図 8に矢印で示すような順番で、各 EBCCD検出器 7221〜7224に対して、偏向、整 定、露光が行われ、かつ、データの取り出しが行われる。したがって、各 EBCCD検 出器において、露光が終了して力も次の露光が開始されるまでの時間は、露光時間 X 3と整定時間 X 4との合計（ 露光時間 X 4)となり、また、この間にデータを取り出 す必要がある。よって、データ取り出し時間が露光に要する時間の約 4倍以下であれ ば、時間的にロス無く処理を行うことができる。
[0084] 図 9は、本発明の第 5の実施形態の電子線装置の主要部を示している。この実施 形態の電子線装置において、電子銃 851から放出された電子線は、コンデンサレン ズ 852で集束され、マルチ開口 853を照射し、これによりマルチビームとなる。マルチ ビームは、縮小レンズ 854及び 855と対物レンズ 847とを介して試料 W上に照射され る力 このとき、静電偏向器 845及び 853により試料 W上を走査するよう偏向される。 [0085] この第 5の実施形態の電子線装置は、縮小レンズ 855による結像位置に補助レン ズ 856を設け、その下流に 4段の 4極子レンズからなる軸上色収差補正レンズ 858〜 861を配置している。縮小レンズ 855の像位置では、マルチビームは光軸から 20 m程度の範囲に広がっているので、軸上色収差補正レンズ 858〜861が軸外収差を 発生させる。この軸外収差は、補助レンズ 856により、 NA開口 842の像を軸上色収 差補正レンズ 814〜817の中央 843に結像させることにより、低減することができる。 その結果、 8行 8列のマルチビームを、 6. 25nAのビーム強度及び 25nmのビーム径 の各ビームを用いて、得ることができる。これは、上記した構成の電子光学系をシミュ レーシヨンしたことにより得られたものである。
[0086] 試料 Wから放出された二次電子は、対物レンズ 847で加速され、ビーム分離器 84 6により一次電子ビームから分離されて二次光学系に向かう。二次光学系にお 、て、 二次電子ビームは、 2段の拡大レンズ 849及び 850で拡大され、検出部 862に投影 され検出される。検出部 862はマルチビームである一次電子ビームの数と同一の複 数の検出器で構成され、これら検出器の配列ピッチと検出部 862の主面の二次電子 像のピッチを一致させるために、レンズ 849及び 850にズーム作用を行わせる。
[0087] 図 9において、 863は電子線装置全体の動作を制御する CPUであり、検出部 862 の各検出器で得られた信号は、 CPU863の制御の下でメモリ（不図示）に記憶される
[0088] CPU863は、マルチビームである一次電子ビームのビーム間隔、及びビーム配列 と x—y座標軸との角（回転角） Θを評価する機能を備えている。以下、この機能につ いて、マルチビーム力 行 4列である場合を例として、説明する。
[0089] この機能を実行するために、複数の検出器からの信号を合成するための信号合成 部 864を備え、該信号合成部 864からの信号を CPU863に供給するようにしている 。そして、図 10の (A)に示すように、電子線装置の基準座標である x—y座標系の y 軸 (ステージの連続移動方向）と平行なパターン 865をテスト用の試料上に設け、マ ルチビームを試料に照射して、 X軸方向、すなわちパターン 865に直交するように、 マルチビームを走査する。
[0090] これにより、検出部 862を構成する複数の検出器から、図 10の（B)に示すような、 電子ビームがパターン 865を照射する毎に高レベルとなる信号が得られ、かつ、信号 合成部 864からこれらを合成した信号（図 10の（B)の最下端）が CPU863に供給さ れる。合成信号中、 1〜4番目の信号は、マルチビームの第 1列の 4つの電子ビーム がパターン 865を照射したときに得られる信号であり、 5〜8番目、 9〜12番目、 13〜 16番目はそれぞれ、マルチビームの第 2列、第 3列、第 4列の電子ビームがパターン 865を照射したときに得られる信号である。
[0091] CPU863は、まず、これら信号の時間間隔を検出することによって、回転角 Θが適 切であるか否かを判定する。すなわち、 4行 4列のマルチビームの場合、回転角 Θが 不適切であるとすると、 4番目及び 5番目に得られる 2つの信号の間隔力 1番目及 び 2番目（又は、 2及び 3番目、又は 3及び 4番目）に得られる 2つの信号の間隔と相 違する。 4及び 5番目の信号間隔が他の信号間隔と対比して大きい場合には、回転 角 Θが小さすぎることを表しており、逆に、信号間隔が小さい場合には、回転角が大 きすぎることを表している。
[0092] CPU863は、それぞれの検出器から出力される信号の周期すなわち時間間隔を 検出し、かつ信号の時間間隔を対比し、 4及び 5番目の信号の間隔が他の信号の間 隔よりも大きいか小さいかを判定する。そして、 CPU863は、その結果に基づき、回 転角を小さくすべきか大きくすべきかの出力を発生する。なお、マルチ開口 853を微 少回転させる力、又はレンズ 854及び 855を回転レンズとして微少回転させることに より、信号の時間間隔を一致させるように回転角 Θを調整することができる。
[0093] CPU863は、回転角 Θを調整して信号間隔を一致させた後、ビーム間隔が設計通 りであるか否か、すなわち、ラスタ間隔が画素寸法と等しいか又はその整数倍である か否かを評価する。この評価は、 1及び 4番目の信号の間隔を検出し、それを 3で除 算し、設計値と対比することによって実行することができる。隣接する信号の間隔で評 価すると誤差が含まれる恐れがあるが、上記のようにして評価することにより、高精度 の評価を行うことができる。 1及び 16番目の信号の間隔を検出し、それを 15で除算し た値と設計値とを対比してもよい。これにより、より高精度の評価を行うことができる。
[0094] また、 2及び 15番目の信号の間隔を検出し、それを 13で除算した値と設計値とを 対比してもよい。このようにして評価すると、一次光学系による歪みがマトリクス状配置 のマルチビームの 4隅のビームに大きく現れるので、一次光学系によって歪みが生じ る場合であっても、ビーム間隔の評価を高精度で行うことができる。
[0095] ビーム間隔が設計値と異なっている場合、一次電子光学系の縮小率を調整するこ とにより、設計値に一致させることができる。
[0096] 図 11は、本発明に係る第 6の実施形態の電子線装置の主要部を示して 、る。この 第 6の実施形態の電子線装置においては、図 9に示した第 5の実施形態において、 補助レンズ 858、軸合わせレンズ 857、 4極子レンズ 858〜861の代わりにウィーンフ ィルタ 870を用いたものである。第 6の実施形態の電子線装置においても、視野が広 いことにより生じる収差の増大を防止することができる。ウィーンフィルタ 870は、軌道 882で示したように、 2回集束させることによって非分散型とすることができる。
[0097] 第 6の実施形態の電子線装置においても、図 10に関連して説明したような手法で、 マルチビーム配列と X— y座標系との角度 Θ及びビーム間隔を調整することができる
[0098] 図 6の実施形態におけるウィーンフィルタ 870の光軸 881を中心とした断面形状の
1Z4を図 12に示す。該ウィーンフィルタ 870は、パーマロイ力もなる円筒形状のョー ク 871と、パーマロイ力もなる 812極子電極 (兼磁極） 872〜874と、補正用の磁場を 発生させるコイル 875〜877と、各電極を絶縁するスぺーサ 878〜880とを備えて!/ヽ る。 12極子電極 872〜874に印加する電圧を調整して、ウィーン条件を満たす電場 、磁場、色収差補正用の 4極子電磁場、球面収差補正用の 6極子電磁場が生成され るようにすることにより、軸上色収差及び球面収差を補正することができる。
[0099] 第 4〜6の実施形態の電子線装置においては、軸上色収差補正レンズの入射側の 像面に補助レンズを設けているので、軸上色収差補正レンズによって発生される軸 外収差を低減することができる。したがって、収差が低減された高精度の画像データ を得ることができる。
[0100] また、マルチビーム方式の電子線装置にぉ 、て、得られる信号の間隔を用いて、ビ ーム配列方向と基準座標軸とのなす角が適切であるかどうか、及びビーム間隔が設 計値と等し 、かどうかを評価することができるので、これらを正確に調整することがで きる。

Claims

請求の範囲
[1] 電子ビームを試料上に照射して、該試料力 放出される電子を検出することにより、 試料上の情報を得るようにした電子線装置において、
多段の多極子レンズと、
該多段の多極子レンズの入射側に設けられた補助レンズであって、該補助レンズ の内面に像面が形成される、補助レンズと
を備えて!/ヽることを特徴とする電子線装置。
[2] 請求項 1記載の電子線装置において、
該装置は、視野を複数の副視野に分割して、副視野毎に、一次電子ビームの照射 及び二次電子ビームの検出を反復実行するよう構成されており、
軸上色収差補正レンズは、二次光学系に含まれる拡大光学系に含まれて!/、る ことを特徴とする電子線装置。
[3] 請求項 1又は 2記載の電子線装置において、該装置はさらに、
一次電子光学系に含まれ、一次電子ビームを矩形に成形する手段
を備えて!/ヽることを特徴とする電子線装置。
[4] 請求項 1記載の電子線装置において、該装置はさらに、
一次電子光学系に含まれ、一次電子ビームをマルチビームとして試料上に照射す る手段と、
試料力 放出された電子力 なる複数の二次電子ビームをそれぞれ検出する複数 の検出器力 なる検出手段と、
マルチビームの配列方向と電子線装置の基準座標系との回転角の評価、及び、マ ルチビームのビーム間隔の評価を行うマルチビーム評価手段と
を備えて!/ヽることを特徴とする電子線装置。
[5] 請求項 4記載の電子線装置にぉ ヽて、軸上色収差補正レンズ及び補助レンズは、一 次電子光学系に含まれて ヽることを特徴とする電子線装置。
[6] 請求項 4又は 5記載の電子線装置にお 、て、マルチビーム評価手段は、基準座標系 の y軸 (ただし、 y軸はステージ連続移動方向）に平行なマーカを X軸方向に走査した 時に複数の検出器からそれぞれ得られる信号の間隔に基づいて評価するよう構成さ れて!ヽることを特徴とする電子線装置。
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