WO2014069271A1 - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

　任意の傾斜角度にて高分解能に試料の測定が可能な荷電粒子線装置を提供するために、試料１１４に一次荷電粒子線１１０を照射し、発生する二次荷電粒子１１５を検出する荷電粒子線装置において、一次荷電粒子線１１０を試料１１４上に集束するためのヨーク磁路部材１３２及びレンズコイル１３４と、一次荷電粒子線１１０を試料１１４上で任意に傾斜するために、ヨーク磁路部材１３２の側面にその上端が配置され、ヨーク磁路部材１３２のポールピース先端及び試料１１４の間にその下端が配置されるソレノイドコイル１３３と、を有するビームチルトレンズ１１３を備える。

Description

荷電粒子線装置

　本発明は、ビームチルト機能を有する対物レンズ（以下、ビームチルトレンズという）を備えた荷電粒子線装置に関する。

　ＬＳＩなどの微小回路形成における欠陥の検出・測長・形状評価は種々の手法が使われている。例えば、光学式の検査装置では微小回路の光学像を生成し、その画像を異常検出のために検査する。しかし、それら光学像では、ごく小さい形状特徴の特定を可能にするには解像度が不十分であり、回路形成上で有害な欠陥と無害な欠陥との区別が不十分である。そのような計測・検査装置の対象試料は、技術の進歩とともに益々微細化しており、例えば、最新のＤＲＡＭの製造工程では、メタル配線の配線幅が４０ｎｍ以下、ロジックＩＣでは、ゲート寸法が２０ｎｍにまで達している。

　電子ビーム利用による欠陥検査手法は、コンタクト孔、ゲートおよび配線などの微小な形状特徴と微小欠陥の形状特徴を画像化するのに十分な解像度を備え、さらに、欠陥形状の陰影像コントラストに基づく重度の欠陥の分類検出に利用できる。したがって、微小回路の計測・検査に対しては、荷電粒子線を応用した計測・検査手法は光学式検査手法に比べてはるかに有利である。

　荷電粒子線装置の一つである走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）は、加熱形又は電界放出形の電子源から放出された荷電粒子ビームを集束して細いビーム（プローブビーム）を形成し、当該プローブビームを試料上で走査する。当該走査により試料からは二次荷電粒子（二次電子あるいは反射電子）が発生し、この二次荷電粒子を一次荷電粒子線の走査と同期して画像データの輝度信号とすると走査像が得られる。一般の走査電子顕微鏡では、負電位を印加した電子源と接地電位間の引出し電極で電子源から放出された電子を加速し、試料に照射する。

　ＳＥＭなどの走査型荷電粒子顕微鏡の分解能と荷電粒子ビームのエネルギーには密接な関係がある。高いエネルギーの一次荷電粒子線が試料に到達すると（つまり一次荷電粒子線のランディングエネルギーが大きいと）、一次荷電粒子が試料内に深く進入するため、二次電子および反射電子の試料上の放出範囲が広がる。その結果、荷電粒子ビームのプローブサイズよりも前記放出範囲が広くなり、観察分解能が著しく劣化する。

　一方、ランディングエネルギーを低くするために一次荷電粒子線のエネルギーを小さくしすぎると、対物レンズの収差により荷電粒子ビームのプローブサイズが著しく増大し、観察分解能が劣化する。

　高分解能な観察を行うためには、一次荷電粒子線のエネルギー、特にランディングエネルギーを、観察対象にあわせて適切に制御する必要がある。

　ランディングエネルギーの制御技術としては、リターディング方式が多く使用されている。すなわち、リターディング方式においては、試料に対して一次荷電粒子線を減速させるような電位を印加し、荷電粒子線のエネルギーを試料に到達する直前で所望のエネルギーまで低下させる。しかし、荷電粒子ビームを観察試料に対して傾斜させた途端に、高分解能な観察をすることができなくなる。

　特許文献１では、装置の高分解能条件を維持して荷電粒子線を観察試料に対して傾斜させる技術として、荷電粒子線を対物レンズの軸外に入射させて、対物レンズの集束作用を利用する方法などの電子光学軌道のレイトレースが開示されている。

　また、特許文献２には、荷電粒子線を対物レンズの集束磁界内で互いに逆向きに偏向させる２段の偏向手段を設け、荷電粒子線を対物レンズ軸外で傾斜したときに発生する軸外色収差を補正する技術が開示されている。

　また、特許文献３には、荷電粒子線を対物レンズの軸外に通すための偏向手段を対物レンズよりも電子源側に設けたウィーンフィルタで補正することにより、荷電粒子線を傾斜したときの分解能劣化を低減する技術が開示されている。

　さらに、特許文献４では、対物レンズの集束磁界内の偏向手段に加えて、対物レンズと試料の間にビームを減速するカップ状の電極を設けてビーム傾斜角を増大する技術が開示されている。

　その他に、特許文献５には、複数のレンズに対して一次ビームの軌道を偏向器、或いは可動絞りによって、軸外に通し、その軸外軌道を制御することにより、ビーム傾斜時に対物レンズで発生する収差を他のレンズの収差でキャンセルする発明が開示されている。

特開昭５９－１７１４４５号公報 特開２０００－３４８６５８号公報 特開２００１－１５０５５号公報 特表２００３－５１７１９９号公報 特開２００７－２３４６２０号公報

　荷電粒子線像の分解能は荷電粒子ビームのプローブ径に影響され、分解能の高い走査像を取得するためには、プローブ径を小さくする必要がある。しかしながらプローブ径を小さくするには、対物レンズを短焦点化してビームを強く縮小しなければならない。短焦点でビームを試料上に集束させるためには、それだけレンズ作用の強い対物レンズが必要となる。一次荷電粒子線光軸へ磁界を漏洩させてビームを絞る磁界型の対物レンズの場合には、レンズ作用を強めるためには励磁量を大きくする必要がある。

　対物レンズの磁路に流れる磁束量は磁気飽和により制約を受ける。磁路の飽和磁束密度は磁路を構成する磁性材料によってほぼ決まる。従って、磁路を通る磁束量が増えても、磁路が許容できない磁束は磁路のどこかから漏洩し、結果的に、励磁量の増大ほどにはレンズ作用は大きくはならない。殊に、荷電粒子ビームの加速電圧を大きくして高エネルギーのプローブビームを形成した場合、ビームそのものを集束できないという事態も起こりえる。そのため、対物レンズの磁路に隣接して、特許文献１～３に記載のような従来技術を用いて荷電粒子線を対物レンズの集束磁界内で偏向させる偏向手段を設けることはできない。

　また、荷電粒子線装置の分解能はビームのプローブ径によって定まるが、荷電粒子線のエネルギーが小さくなると、上述のように色収差のためプローブ径が増大し分解能が劣化する。従ってリターディング法においては、荷電粒子ビームの減速位置を試料に近づけた方が収差の影響をより少なくできる。このため、装置設計の際には、対物レンズの作動距離（ワークディスタンス）はなるべく小さくなるように設計される。しかしながら、対物レンズと試料を物理的に接触させることは不可であるので、作動距離の低減により収差の影響を低減する手法には限界がある。特にリターディング方式の場合には、試料（あるいは試料ステージ）と対物レンズとの間に大きな電位差があり、作動距離を小さくしすぎると試料を放電で破壊する危険性がある。したがって、特許文献１～３に記載のような従来技術を用いて装置を作製することはできない。さらに、試料と対物レンズの間に、特許文献４に記載のようなカップ状の電極を設けることもできない。

　前述のように、対物レンズの収差抑制のための短焦点化が進展しており、軸上の収差に比べて、ビームを傾斜する際に生じる収差が増大している。そのため、ビームを傾斜する際に生じる収差を特許文献５に示す他のレンズの収差でキャンセルすることは難しくなる。例えば、ビーム傾斜を少し変更しただけでも、他のレンズの収差発生量を大きく変更しなければならい。さらに、ビームの軸も大きく変更しなければならない。収差や軸の調整作業はモニタと設定変更を繰り返す必要があり、時間を要してしまう。さらに、収差をキャンセルするために必要な収差を他のレンズでつくることができない場合もある。

　本発明の目的は、任意の傾斜角度にて高分解能に試料の測定が可能な荷電粒子線装置を提供することにある。

　本発明の目的を達成するための一実施形態として、ステージに搭載される試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該照射により発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線装置において、
  当該荷電粒子線装置は、前記一次荷電粒子線を前記試料上に集束させ、かつ前記試料上へ任意の角度にて前記一次荷電粒子線を傾斜させる機能を有するビームチルトレンズを備え、
  前記ビームチルトレンズは、
  前記一次荷電粒子線を囲む領域に沿って設けられ内部が中空の部材でかつ、前記試料の対向面側の下部開口端にポールピースの空隙を有し、さらに、前記内部にレンズコイルを有するヨーク磁路部材と、
  前記ヨーク磁路部材の中央開口端のポールピースを外側から取り囲むように配置されたソレノイドコイルと、
  前記レンズコイルに電流を供給して前記一次荷電粒子線の集束位置を制御するレンズコイル電源と、
  前記ソレノイドコイルに電流を供給して前記一次荷電粒子線の傾斜角度を制御するソレノイドコイル電源とを備え、
  前記ソレノイドコイルは、前記ヨーク磁路部材の側面に前記ソレノイドコイルの上端が配置され、前記ヨーク磁路部材のポールピース先端と前記試料との間に前記ソレノイドコイルの下端が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置とする。

　本発明によれば、任意の傾斜角度にて高分解能に試料の測定が可能な荷電粒子線装置を提供できる。

第１の実施例に係る荷電粒子線装置（走査電子顕微鏡）の基本構成を示す概略断面図である。 第１の実施例に係る荷電粒子線装置におけるビームチルトレンズ部の斜視図である。 図１Ｂに示すビームチルトレンズの軸上磁場分布を示す図であり、（ａ）は縦磁場、（ｂ）は横磁場を示す。 第２の実施例および比較例に係る荷電粒子線装置におけるビームチルトレンズの内部構成を説明するための斜視図であり、（ａ）は実施例、（ｂ）は比較例を示す。 軸上磁場分布のソレノイドコイル比較を示す図であり、（ａ）は図３（ａ）の場合、（ｂ）は図３（ｂ）の場合を示す。 第３の実施例に係る荷電粒子線装置におけるビームチルトレンズの内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）である。 第３の実施例に係る荷電粒子線装置における他のビームチルトレンズの内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）である。 第３の実施例に係る荷電粒子線装置における他のビームチルトレンズの内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）である。 第４の実施例に係る荷電粒子線装置の基本構成を示す概略断面図である。 チルト収差係数のワークディスタンス依存性を示す図である。 第５の実施例に係る荷電粒子線装置（偏向器追加）の基本構成を示す概略断面図である。 第５の実施例に係る他の荷電粒子線装置（収差補正器追加）の基本構成を示す概略断面図である。 第６の実施例に係る荷電粒子線装置（最小構成）の基本構成を示す概略斜視図（一部断面含む）である。 第６の実施例に係る他の荷電粒子線装置（スリム化）の基本構成を示す概略斜視図（一部断面含む）である。 第６の実施例に係る他の荷電粒子線装置（シールド電極を追加）の基本構成を示す概略斜視図（一部断面含む）である。 第６の実施例に係る他の荷電粒子線装置（制御磁路部材を追加）の基本構成を示す概略斜視図である。 従来法と本発明の各実施例における到達分解能のビームチルト角依存性を比較する図である。 従来法と本発明の各実施例における最適開き角のビームチルト角依存性を比較する図である。

　簡単のため、以下の実施例では、主として走査電子顕微鏡を用いた装置への適用例について説明するが、各実施例のビームチルトレンズは、電子ビームだけではなくイオンビーム装置も含めた荷電粒子線装置一般に対して適用可能である。また、以下の実施例では、試料として半導体ウェハを用いて説明を行うが、各種荷電粒子線装置で使用する試料としては、半導体ウェハの他、半導体基板、パターンが形成されたウェハの欠片、ウェハから切り出されたチップ、ハードディスク、液晶パネルなど、各種の試料を検査・計測対象とすることができる。

　実施例１では、走査電子顕微鏡への適用例について説明する。

　図１Ａは、走査電子顕微鏡の全体構成を示す模式図である。本実施例の走査電子顕微鏡は、真空筺体１０１内に形成された電子光学系１０２、その周囲に配置された電子光学系制御装置１０３、制御電源に含まれる個々の制御ユニットを制御し、装置全体を統括制御するホストコンピュータ１０４、制御装置に接続された操作卓１０５、取得画像を表示されるモニタを備える表示手段１０６などにより構成される。電子光学系制御装置１０３は、電子光学系１０２の各構成要素に電流、電圧を供給するための電源ユニットや、各構成要素に対して制御信号を伝送するための信号制御線などにより構成される。

　電子光学系１０２は、一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）１１０を生成する電子源１１１、電子ビームを偏向する偏向器１１２、電子ビームを集束し傾斜するビームチルトレンズ１１３、ステージ上に保持された試料１１４から放出される二次粒子（二次電子）１１５を集束発散するブースタ磁路部材１１６、二次粒子が衝突するための反射部材１１８、当該衝突により再放出される副次粒子（三次粒子）１１９を検出する中央検出器１２２などにより構成される。反射部材１１８は、一次ビームの通過開口が形成された円盤状の金属部材により構成され、その底面が二次粒子反射面１２６を形成している。符号１４８は中央検出器用の中央取り込み電源である。

　電子源１１１から放出された一次電子ビーム１１０は、引き出し電極１３０と加速電極１３１との間に形成される電位差により加速され、ビームチルトレンズ１１３に達する。ビームチルトレンズ１１３は、入射した一次電子ビームを試料１１４上にレンズコイル電源１４２で集束位置を制御し、ソレノイドコイル電源１４３で傾斜角度を制御する。

　次に、図１Ｂを用いて、本実施例のビームチルトレンズ１１３の内部構成を詳細に説明する。図１Ｂには、ビームチルトレンズ１１３の内部構成の他、被計測・検査試料１１４も合わせて示した。

　本実施例のビームチルトレンズ１１３は、一次電子線光軸（あるいは電子光学系１０２の中心軸）の周囲に配置されたヨーク磁路部材１３２、当該ヨーク磁路部材１３２と一次電子線光軸の間の空間内に設けられたブースタ磁路部材１１６、ブースタ磁路部材１１６とヨーク磁路部材１３２と試料１１４により構成されるドーナツ状の閉空間内に設けられた２つ以上の複数のソレノイドコイル１３３、およびレンズコイル１３４を少なくとも含んで構成される。一次電子線光軸あるいは電子光学系１０２の中心軸は、ビームチルトレンズ１１３あるいは真空筐体１０１の中心軸と一致するように構成される場合が多い。なお、該ソレノイドコイル１３３の下端はブースタ磁路部材１１６の先端部と試料１１４の間に配置され、該ソレノイドコイル１３３の上端は該ブースタ磁路部材１１６と該ヨーク磁路部材１３２の間に配置される。また、該ソレノイドコイル１３３は上記上端と上記下端の間を磁場が側面から漏洩しないように電線（絶縁導線）をらせん状に密巻にしたものを用いた。但し、らせん状に絶縁導線を空芯又は非磁性材の芯に密巻にしたソレノイドコイルに代えて、らせん状以外の巻き方で作製したコイルを用いてもよい。また、ソレノイドコイルは非磁性材料を用いてブースタ磁路部材やヨーク磁路部材に固定することができる。

　図１Ｂのヨーク磁路部材１３２は、内部が中空の円環部材により構成されており、その断面は、一次電子線光軸への対向面側が斜面になった台形形状をなす。本実施例のビームチルトレンズ１１３においては、ヨーク磁路部材１３２は、一次電子ビーム光軸が円環部材の中心を通るように配置される。円環部材のヨーク磁路部材１３２の内部にはレンズコイル１３４が保持されており、当該レンズコイル１３４により一次電子ビーム１１０を集束するための磁束が励磁される。当該台形形状の下底１３７の内面側（一次電子ビームへの対向面側）には空間が設けてあり、当該空間により、励磁された磁束がヨーク磁路部材１３２内で閉磁路を形成せずにブースタ磁路部材１１６へ流れるようになっている。また、ヨーク磁路部材１３２の上面側（一次電子線の入射方向）と底面側（一次電子線の出射方向）には、一次電子ビーム１１０の通過する開口を備える。また、ヨーク磁路部材１３２の材料としては軟磁性材料が用いられる。なお、図１Ｂに示したヨーク磁路部材１３２は、断面が台形形状の円環部材が用いられているが、励磁された磁束をブースタ磁路部材１１６に受け渡す機能が果たされる限り、ヨーク磁路部材１３２の形状は特に問わない。例えば、ヨーク磁路部材１３２の断面がコの字型であってもよい。

　ブースタ磁路部材１１６は、ヨーク磁路部材１３２を構成する円環部材の内面側（一次電子線１１０への対向領域）に沿って設けられた円筒（あるいは円錐）形状部材であり、ビームチルトレンズ１１３の内部で、円筒の中心軸が一次電子ビーム光軸（あるいは真空筐体１０１の中心軸）は一致するように配置される。ブースタ磁路部材１１６の材料としては、ヨーク磁路部材１３２と同様に軟磁性材料が使用される。円筒の下部側先端部（試料対向面側の先端部）１３６は、レンズコイル１３４により励磁された磁束が集中する磁極（ポールピース）を構成する。

　ヨーク磁路部材１３２の底面側にはソレノイドコイル１３３が配置される。ソレノイドコイル１３３は、中央部の前記ブースタ磁路部材１１６を取り囲むように配置された絶縁導線をらせん状に密巻にしたコイルである。ヨーク磁路部材１３２は、ビームチルトレンズ１１３の内部で、一次電子ビーム光軸に対して同軸となるように配置される。ヨーク磁路部材１３２の底面側の開口端部は、磁束が集中する磁極を構成し、ヨーク磁路部材１３２の磁極とブースタ磁路部材１１６の磁極の空隙（ギャップ）間に磁束が集中することにより、一次電子ビーム１１０に対する従来よりも強いレンズ効果が発生させることができる。ブースタ磁路部材１１６に属するポールピースを上部磁極、ヨーク磁路部材に属するポールピースを下部磁極と呼ぶ場合もある。ヨーク磁路部材１３２とブースタ磁路部材１１６は上面側の各々所定のギャップを介して空間的に分離されている。ただし、上記のヨーク磁路部材１３２とブースタ磁路部材１１６とは、磁気的には強く結合しており、レンズコイル１３４によって励起された磁束は、上記の各磁路部材中を貫流する。

　次に、ブースタ磁路部材１１６、ヨーク磁路部材１３２への印加電位について説明する。ヨーク磁路部材１３２とブースタ磁路部材１１６は、絶縁材料を介して互いに電気的に絶縁されている。ブースタ磁路部材１１６には、ヨーク磁路部材１３２の電位に対する電位が正になり、かつ上記加速電極１３１の電位に対する電位差が正になるような電位が供給される。この電位はブースタ電源１３５により供給される。また、ヨーク磁路部材１３２には接地電位に保たれる。このため、一次電子ビーム１１０は、加速電極１３１とブースタ磁路部材１１６との間の電位差によって一次電子ビーム１１０の軌道上で最も加速された状態で、上記ブースタ磁路部材１１６を通過する。

　本実施例の荷電粒子ビーム装置においても、リターディング方式を採用する。従って、ビームチルトレンズ１１３と試料１１４との間には減速電界を形成する必要がある。ソレノイドコイル１３３には、横磁場を励磁するために電流が供給されており、この電流はソレノイドコイル電源１４３、１４４、１４５により供給される。また、ステージ１４０には、ステージ電源１４１によって、ブースタ磁路部材１１６との電位差が負になる電位が印加される。このため、ブースタ磁路部材１１６を通過した一次電子ビーム１１０は、急激に減速され試料表面に到達する。ここで、一次ビームのランディングエネルギーは、電子源１１１とステージ１４０の電位差のみで決まるため、電子源１１１とステージ１４０への印加電位を所定値に制御すれば、ブースタ磁路部材１１６や加速電極１３１への印加電位がどうであってもランディングエネルギーを所望の値に制御可能である。従って、加速電極１３１とブースタ磁路部材１１６への印加電位を電子源１１１に対して正に設定することにより、一次電子ビーム１１０は電子光学系１０２を高速に通過させることができ、試料上での一次電子ビーム１１０のプローブサイズを小さくすることができる。

　図２は電子ビームの軸上での磁場分布を示す図であり、（a）は縦磁場、（ｂ）は横磁場を示す。図中に示すＺ軸は一次電子ビーム１１０の軌道に沿った中心軸であり、ビームチルトレンズ１１３(上側)から試料１１４(下側)に向かう矢印で示す。横軸はＺ軸上の磁場強度であり、縦磁場と横磁場に分離して２つの図に分けて示す。

　図２（ａ）はＺ軸に平行な縦方向の軸上磁場分布の高さ依存性を示す図である。縦磁場はビームチルトレンズ内のレンズコイル１３４により励磁されて、ブースタ磁路部材１１６とヨーク磁路部材１３２のポールピース先端に誘導される。そのため、ブースタ磁路部材１１６のポールピース先端の直下にピークがあり、ピーク形状は上下に非対称となる。

　図２（ｂ）はＺ軸に垂直な横方向の軸上磁場分布の高さ依存性を示す図である。横磁場はソレノイドコイル１３３により励磁される。ソレノイドコイル１３３は空芯または非磁性芯で構成し、縦磁場を乱さないようにすることが重要である。
  ソレノイドコイル１３３が励磁した横磁場のピーク位置は、縦磁場のピーク位置よりも図中の下側の試料側に形成される。

　ビームチルトレンズを図１Ｂに示す構成とし、図１Ａに示す走査電子顕微鏡を用いて縦型ゲートを有するＦＥＴのゲート側壁を観察した結果、高分解能の画像を得ることができた。
  以上本実施例によれば、任意の傾斜角度で高分解能に試料の観察、検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。

　本発明の第２の実施例について図３、図４を用いて説明する。なお、実施例１に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。本実施例２では、ビームチルトレンズの構成例と作用について説明する。
  図３は本実施例２および比較例に係る荷電粒子線装置におけるビームチルトレンズの内部構成であるブースタ磁路部材の下部側先端部のポールピースとソレノイドコイルを示す斜視図であり、（ａ）は本実施例、（ｂ）は比較例を示す。

　ブースタ磁路部材１１６は電子ビームの軌道を取り囲むように円筒（あるいは円錐）形状部材であり、材料としては軟磁性材料が使用されることが多い。図３（ａ）は本実施例のビームチルトレンズの１つの実施形態である。ソレノイドコイル２１０はブースタ磁路部材の下部側先端部のポールピース２１１の外側に配置され、Ｚ軸に沿って絶縁導線をらせん状に密巻したコイルである。ソレノイドコイル２１０は、その上端がポールピース２１１の下端よりも上側に、その下端がポールピース２１１の下端よりも下側となるように配置される。さらに、電子ビーム軌道の中心軸を挟み反対側にもう１つのソレノイドコイル２１２を配置する。ここで、２つのソレノイドコイル２１０、２１２に対して上下反対向きに磁束を励磁する場合の磁束の経路について述べる。ソレノイドコイル２１０の上端から上方に放出した磁束は、ポールピース２１１に吸い込まれて反対側のソレノイドコイル２１２の上端から下端を抜けて、試料側で電子ビームの軌道を横切りソレノイドコイル２１０の下端に戻る閉回路を形成する。

　ここで、ソレノイドコイル２１０、２１２の下端はビームチルトレンズの下端でもあり、Ｚ軸の原点Ｏとする。
  原点Ｏより下側と試料表面２１３までの領域にはビームチルトレンズの構成物は無く、ワークスペースとして試料の位置制御に利用することができる。本実施例との比較のために、横向きソレノイドコイル２１４、２１５を電子ビーム軌道の中心軸に向かって対向する位置に２つ配置した例を図３（ｂ）に示す。絶縁導線をらせん状に密巻にしたソレノイドコイル２１４、２１５の両端は水平に位置し、ソレノイドコイル２１４、２１５の下側面を原点Ｏとする。

　図４は図３のソレノイドコイルを励磁した時の軸上の横磁場分布のＺ軸依存性を示す図であり、（ａ）は図３（ａ）の場合、（ｂ）は図３（ｂ）の場合を示す。

　ポールピース２１１の先端外径はφ２ｍｍ、ソレノイドコイルの直径はφ２ｍｍ、コイル長は４ｍｍの場合の例である。２つのソレノイドコイルはポールピースに隣接して電子ビーム軌道の中心軸に対して対称に２ｍｍ離して設置する。２つのソレノイドコイルにはらせん状に密巻にした絶縁導線に電流を流して１０アンペアターンの磁場を励磁する。図４（ａ）は図３（ａ）のポールピース２１１とソレノイドコイル２１０、２１２による現実的なビームチルトレンズの構成の場合である。横磁場のピーク位置はソレノイドコイル２１０、２１２の下端である原点Ｏより正側、すなわち試料側である。このピーク位置により、原点Ｏより負側のポールピースとソレノイドコイルの下端間の横磁場を抑制し、ソレノイドコイルの下端と試料間のワークスペースの横磁場を増大することが可能となる。

　一方、図４（ｂ）は図３（ｂ）のポールピース２１１とソレノイドコイル２１４、２１５の構成の場合の横磁場分布のＺ軸依存性である。図４（ａ）に比べて、横磁場のピーク位置がＺ軸の負側に１ｍｍ以上、すなわち試料から離れてポールピース側に移動する。その結果、ポールピースとソレノイドコイルの下側側面間に横磁場が集中し、ワークスペースの横磁場は相対的に少なくなってしまうことが分かる。但し、図３（ａ）に示すソレノイドコイルの配置は偏向器の性能としては図（ｂ）に示すソレノイドコイルの配置に比べて劣っており、偏向器の用途としては適さない。

　ビームチルトレンズを図３（ａ）（ｂ）に示す構成とし、図１Ａに示す走査電子顕微鏡を用いて縦型ゲートを有するＦＥＴのゲート側壁を観察した結果、ビームチルトレンズの構成を図３（ｂ）とした場合に比し、図３（ａ）の構成とすることにより、高分解能の画像を得ることができた。
  以上本実施例によれば、任意の傾斜角度で高分解能に試料の観察、検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。特に、ソレノイドコイルをＺ軸（一次電子ビームの光軸）に沿って配置することにより、良好な結果を得ることができる。

　本発明の第３の実施例について図５、図６、図７を用いて説明する。なお、実施例１又は２に記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。本実施例３では、ソレノイドコイルの配置と形の例とその作用について説明する。
  図５は本実施例に係る荷電粒子線装置におけるビームチルトレンズ１１３の内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）であり、ブースタ磁路部材のポールピース２１１に対するソレノイドコイル３１０、３１２の配置例である。

　ソレノイドコイル３１０、３１２は、ブースタ磁路部材のポールピース２１１の外側の傾きに沿うようにＺ軸から傾斜して配置される。ポールピース２１１が円錐形状の場合、ソレノイドコイル３１０、３１２を傾斜させた方が隣接しやすい。この傾斜により、ソレノイドコイル３１０、３１２の下端は、ポールピース２１１の下側で電子ビーム軌道の中心軸に近づく。この構成においても、ソレノイドコイル３１０、３１２の上端はポールピース２１１の下端より上側に配置され、ソレノイドコイル３１０、３１２の下端はポールピース２１１の下端より下側に配置される。２つのソレノイドコイル３１０、３１２に上下反対向きに磁束を励磁すると、ソレノイドコイル３１０の上端から上方に放出する磁束は、ポールピース２１１に吸い込まれて反対側のソレノイドコイル３１２の上端から下端を抜けて、試料側で電子ビームの軌道を横切り、ソレノイドコイル３１０の下端に戻る。図５に示したように、絶縁導線でらせん状に密巻にしたソレノイドコイルの芯をＺ軸に対して曲げて、ポールピース２１１とソレノイドコイルの側面を密接させ、かつポールピース２１１の下端からソレノイドコイルの下端が飛び出すようにしても適切な横磁場を発生することができる。さらに、コイル長を延長して、ソレノイドコイル３１０、３１２の上端をポールピース２１１の側面でつないでも良い。

　絶縁導線でらせん状に密巻にしたソレノイドコイルの芯は、空芯又は非磁性材などで円形に形成することが多い。ソレノイドコイルが励磁する磁場は、中心軸以外では均一な横磁場とはならない。そのため、観察のためのビーム偏向やビームチルトレンズなどの光学系の軸ずれなどにより、電子ビームの軌道が中心軸からずれる時に、ソレノイドコイルの磁場により電子ビームの集束時の収差を発生してしまう。

　図６は本実施例に係る荷電粒子線装置における他のビームチルトレンズ１１３の内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）であり、ソレノイドコイル４１０、４１１の芯形状をアーチ型に変形した例である。本実施例ではソレノイドコイル４１０、４１１の芯をアーチ型とし、この芯形状の変更により、２つのアーチ型ソレノイドコイル４１０、４１１で励磁する均一な横磁場の領域を拡大することができる。その結果、電子ビームの集束時の収差を抑制することができる。

　図７は本実施例に係る荷電粒子線装置における他のビームチルトレンズ１１３の内部構成を説明するための斜視図（一部断面図）であり、ソレノイドコイル５１０の複数配置例である。本実施例ではポールピース２１１を取り囲むように複数のソレノイドコイル５１０を配置し、中心軸に対して方位ごとにＣＯＳ関数に比例するようにソレノイドコイル５１０を励磁することにより、均一な横磁場の領域を拡大することができる。方位ごとにＣＯＳ関数に比例するようにソレノイドコイル５１０を励磁する方法として、ソレノイドコイル５１０に流す電流を独立に制御する方法と、中心軸に対して垂直なＸとＹの２組にソレノイドコイル５１０を分けて結線して配置する方位ごとにターン数を変える方法がある。制御回路や電子ビーム制御に長所と短所があり相違点はあるものの、ソレノイドコイル５１０で励磁する均一な横磁場の領域を拡大することができ、電子ビームの集束時の収差を抑制することができる。

　図３（ａ）、図５、図６、図７に示すソレノイドコイルは、－１００℃以下に冷却し、かつ超伝導材料または高温超電導材料の円筒材で覆うと、らせん状に密巻にした絶縁導線の側面から漏洩する磁場をマイスナー効果により抑制して、ソレノイドコイルの下端である原点Ｏより正側、すなわち試料側に横磁場に鋭いピークを形成することができる。このピーク形状により、原点Ｏより負側のポールピースとソレノイドコイルの下端間の横磁場を抑制し、ソレノイドコイルの下端と試料間のワークスペースの横磁場を増大することが可能となる。その結果、ビームチルトレンズの分解能とチルト角のトレードオフを著しく改善し、走査電子顕微鏡（荷電粒子走査顕微鏡）において高精細な３次元観察が可能となる。

　ビームチルトレンズを図５に示す構成とし、図１Ａに示す走査電子顕微鏡を用いて縦型ゲートを有するＦＥＴのゲート側壁を観察した結果、高分解能の画像を得ることができた。
  以上本実施例によれば、任意の傾斜角度で高分解能に試料の観察、検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。また、ソレノイドコイルを－１００℃以下に冷却し、かつ超伝導材料または高温超電導材料の円筒材で覆うことにより、高精細な３次元観察が可能となる。

　本発明の第４の実施例について図８、図９を用いて説明する。なお、実施例１乃至３のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

　図８はビームチルトレンズを搭載した電子顕微鏡の最小構成図である。
  一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）７１０を生成する電子源７１１、電子ビームを集束し傾斜するビームチルトレンズ７１２、ステージ上に保持された試料７１３などにより構成される。ワークディスタンス（作動距離）７１４はソレノイドコイルの下端から試料７１３の直上までの距離である。本実施例では、ビームチルトレンズ７１２は図３（ａ）及び図４（ａ）の構成と同一とし、ビームチルトレンズ７１２のヨーク磁路部材の下端又はブースタ磁路部材の下端から試料７１３の直上までの距離７１５は２ｍｍとするが、変更してもこれから説明する作用効果が大きくかわるものではない。

　ビームチルトレンズ７１２で生じるザイデルの３次の幾何収差は、球面収差とコマ収差と軸上色収差と倍率・回転色収差などである。この時の電子ビームのプローブ径は、

である。ここで、Ｖは電子ビームのランディングエネルギー、αはビーム開き角、Ｃ_Ｓは球面収差係数、Ｃ_{Ｄ－ＣＯＭＡ}はコマ収差係数、Ｃ_Ｃは軸上色収差係数、Ｃ_{Ｄ－ＣＨＲＯＭＡＴＩＣ}は倍率・回転色収差係数、Ｄは電子ビームの偏向距離、ΔＥは電子ビームのエネルギー分散である。しかし、この表記方法ではチルト角に対する収差発生量がわからない。最小構成のビームチルトレンズの場合（図８）は、ビームチルト角は偏向距離に依存する。すなわち、偏向距離Ｄを引数とするビームチルト角関数をマクローリン展開すると、

となる。Ｄが十分小さければ高次の項は収束して第１項のみが残る。第１項目の係数であるビームチルト角の偏向感度を用いて、チルトコマ収差係数を

と定義し、チルト色収差係数を

と定義すると、電子ビームのプローブ径は、

となる。チルトコマ収差とチルト色収差の項はチルト角に比例して増大するため、プローブ径とチルト角の間にはトレードオフの関係がある。このとき、チルトコマ収差係数とチルト色収差係数を抑制することができれば、ビームチルトのトレードオフを改善してチルト時のプローブ径劣化を抑制することができる。

　図９はチルト収差係数のワークディスタンス（作動距離）依存性を示す図である。
  縦軸は電子光学シミュレーションで算出した収差係数であり、横軸はビームチルトレンズのワークディスタンスである。点線（Ｔ－ＣＯＭＡ）はチルトコマ収差係数で、実線（Ｔ－ＣＨＲＯＭＡＴＩＣ）はチルト色収差係数である。ワークディスタンス７１４が小さくなると、どちらの収差も抑制されることがわかる。ここでは、図８のビームチルトレンズ７１２のブースタ磁路部材下端と試料７１３との間の距離７１５を２ｍｍに固定し、コイル長変更によりソレノイドコイル下端の位置を変えることで制御する。例えば、ワークディスタンス７１４が２ｍｍの時、ソレノイドコイル下端とブースタ磁路部材の下端は一致し、横磁場と縦磁場のピーク位置はほぼ重なる。一方、ワークディスタンス７１４が０ｍｍの時、ソレノイドコイル下端と試料最表面は一致し、横磁場と縦磁場のピーク位置が最も離れた状態となる。すなわち、横磁場と縦磁場のピーク位置が離れるほど、チルトコマ収差とチルト色収差を抑制できることがわかる。さらに、本実施例によりチルトコマ収差とチルト色収差を抑制することで、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。

　ビームチルトレンズを図３（a）に示す構成とし、図１Ａに示す走査電子顕微鏡を用いてワークディスタンスを変えて縦型ゲートを有するＦＥＴのゲート側壁を観察した結果、高分解能の画像を得ることができた。特に、ワークディスタンスを１ｍｍ以下とすることにより、より高分解能の画像が得られた。
  以上本実施例によれば、任意の傾斜角度で高分解能に試料の観察、検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。また、ワークディスタンスを１ｍｍ以下とすることにより、より収差を低減でき、より高角度で且つ小さいプローブ径のチルト電子ビーム（荷電粒子線）を形成することができる。

　本発明の第５の実施例について図１０、図１１を用いて説明する。なお、実施例１乃至４のいずれかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

　図１０は、ビームチルトレンズに偏向器を組合せて搭載した本実施例に係る電子顕微鏡の基本構成を示す概略断面図である。
本電子顕微鏡は、一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）８１０を生成する電子源８１１、一次電子ビーム８１０を集束するコンデンサレンズ８１２、一次電子ビーム８１０を偏向する偏向器８１３、一次電子ビーム８１０を集束し傾斜するビームチルトレンズ８１４、試料８１５を保持するステージ（図示せず）などにより構成される。偏向器８１３は本実施例では２段設けることで、ビームチルトレンズ８１４に到達する際の一次電子ビーム８１０の傾斜角と離軸を制御できるようにした。これにより、ソレノイドコイル８１６に到達するまでの電子ビームの経路で生じた収差によりチルトコマ収差とチルト色収差を抑制することが可能である。

　本実施例のように偏向器８１３を２段搭載すると、ビームチルト角を維持ししたまま、ビームを偏向することができる。ただし、ビームチルトレンズ８１４と偏向器８１３のビーム偏向で生じる収差は独立ではなく、ビームチルト制御とビーム偏向制御を両立するためにはクロスタームを考慮しなければならない場合もある。以上のように、偏向器８１３と組み合わせることでビームチルトレンズ８１４の機能を強化することができる。ただし、本実施例は偏向器８１３の段数は２段に限定するものではなく、異なる段数でも同等の機能を有することができる。

　図１１はビームチルトレンズに収差補正器を組合せた本実施例に係る他の電子顕微鏡の概略断面図である。
  本電子顕微鏡は、一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）８２０を生成する電子源８２１、一次電子ビーム８２０を集束するコンデンサレンズ８２２、一次電子ビーム８２０を補正する収差補正器８２３、一次電子ビーム８２０を集束し傾斜するビームチルトレンズ８２４、試料８２５を保持するステージ（図示せず）などにより構成される。収差補正器８２３はチルトコマ収差やチルト色収差などを一次電子ビーム８２０に作りこむ。収差補正器８２３は電場と磁場の多極子とレンズで形成される。例えば、チルト色収差を生成する場合は、４極子と８極子と１２極子又は２０極子などの電極と磁極により任意の方位にウィーンフィルタを形成することができる収差補正器が有効である。すなわち、ビームチルトレンズ８２４でビーム集束とビームチルトを同時に制御する時に生じるチルトコマ収差とチルト色収差などと逆向きの収差を収差補正器８２３で発生して収差を打ち消す。これにより、ビームチルトレンズのチルトコマ収差とチルト色収差を抑制することができ、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。

　図１０に示した偏向器と図１１に示した収差補正器とを組合せると、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善するだけでなく、ビーム偏向とチルト角を独立に制御することが可能となる。

　ビームチルトレンズを図３（a）に示す構成とし、図１０や図１１に示す走査電子顕微鏡を用いて縦型ゲートを有するＦＥＴのゲート側壁を観察した結果、高分解能の画像を得ることができた。なお、他の構成を有するビームチルトレンズを用いることもできる。
  以上本実施例によれば、任意の傾斜角度で高分解能に試料の観察、検査が可能な荷電粒子線装置を提供することができる。また、ビームチルトレンズと偏向器とを組み合わせることによりチルトコマ収差とチルト色収差を抑制することができる。また、ビームチルトレンズと収差補正器とを組み合わせることにより、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。さらに、ビームチルトレンズ、偏向器および収差補正器を組み合わせることにより、ビーム偏向とチルト角を独立に制御することが可能となる。

　図１２～図１５を用いて、図１Ｂで示したビームチルトレンズ１１３の内部構成以外の例を詳細に説明する。図中には、ビームチルトレンズ１１３の内部構成の他、被計測・検査試料１１４も合わせて示した。なお、実施例１乃至５の何れかに記載され本実施例に未記載の事項は特段の事情が無い限り本実施例にも適用することができる。

　図１２は、最小構成のビームチルトレンズ１１３であり、図１Ｂよりもシンプルな例である。本ビームチルトレンズ１１３は、一次電子線光軸（あるいは電子光学系１０２の中心軸）の周囲に配置されたヨーク磁路部材１３２、該ヨーク磁路部材１３２と試料１１４により構成されるドーナツ状の閉空間内に設けられた２つ以上の複数のソレノイドコイル１３３、およびレンズコイル１３４とを少なくとも含んで構成される。一次電子線光軸あるいは電子光学系１０２の中心軸は、ビームチルトレンズ１１３あるいは真空筐体１０１の中心軸と一致するように構成される場合が多い。該ソレノイドコイル１３３の下端はヨーク磁路部材１３２のポールピース先端と試料１１４の間配置され、該ソレノイドコイル１３３の上端は該ヨーク磁路部材１３２の側面に配置される。該ソレノイドコイル１３３は上記上端と上記下端の間を磁場が側面から漏洩しないように絶縁導線をらせん状に密巻にしたものを用いた。但し、らせん状に絶縁導線を空芯又は非磁性材の芯に密巻にしたソレノイドコイルに代えて、らせん状以外の巻き方で作製したコイルを用いてもよい。また、ソレノイドコイルは非磁性材料を用いてヨーク磁路部材に固定することができる。

　ヨーク磁路部材１３２は、内部が中空の円環部材により構成されており、その断面は、一次電子線光軸への対向面側が斜面になった台形形状をなす。本実施例のビームチルトレンズ１１３においては、ヨーク磁路部材１３２は、一次電子ビーム光軸が円環部材の中心を通るように配置される。円環部材のヨーク磁路部材１３２の内部にはレンズコイル１３４が保持されており、当該レンズコイル１３４により一次電子ビーム１１０を集束するための磁束が励磁される。当該台形形状の下底の内面側（一次電子ビームへの対向面側）には空間が設けてあり、当該空間により、励磁された磁束がヨーク磁路部材１３２内で閉磁路を形成するようになっている。また、ヨーク磁路部材１３２の上面側（一次電子線の入射方向）と底面側（一次電子線の出射方向）には、一次電子ビームの通過する開口を備える。また、ヨーク磁路部材１３２の材料としては軟磁性材料が用いられる。なお、ヨーク磁路部材１３２は、断面が台形形状の円環部材が用いられているが、励磁された磁束をヨーク磁路部材１３２のポールピースのギャップ間で受け渡す機能が果たされる限り、ヨーク磁路部材１３２の形状は特に問わない。例えば、ヨーク磁路部材の断面がコの字型であってもよい。

　ヨーク磁路部材１３２は、内面側（一次電子線を囲む領域）に沿って設けられた円筒（あるいは円錐）形状を有し、ビームチルトレンズの内部で、円筒の中心軸が一次電子ビーム光軸（あるいは真空筐体１０１の中心軸）は一致するように配置される。材料としては、軟磁性材料が使用される。円筒の下部側先端部（試料対向面側の先端部）は、レンズコイル１３４により励磁された磁束が集中する磁極（ポールピース）を構成する。

　ヨーク磁路部材１３２の底面側にはソレノイドコイル１３３が配置される。ソレノイドコイル１３３は、中央部の前記ヨーク磁路部材のポールピースを取り囲むように配置した絶縁導線をらせん状に密巻にしたコイルである。ヨーク磁路部材１３２は、ビームチルトレンズの内部で、一次電子ビーム光軸に対して同軸となるように配置される。ヨーク磁路部材１３２の底面側の開口端部は、磁束が集中する磁極を構成し、ヨーク磁路部材１３２のポールピースの空隙（ギャップ）間に磁束が集中することにより、一次電子ビームに対する従来よりも強いレンズ効果が発生させることができる。ヨーク磁路部材１３２の中央部分に属するポールピースを上部磁極、ヨーク磁路部材の外側に属するポールピースを下部磁極と呼ぶ場合もある。ヨーク磁路部材１３２の２つのポールピース間は磁気的には強く結合しており、レンズコイル１３４によって励起された磁束は、上記ヨーク磁路部材中を貫流する。

　ヨーク磁路部材１３２を接地電位に保つ場合が多いが、ヨーク磁路部材１３２への印加電位について説明する。ヨーク磁路部材１３２と電子光学系１０２は、絶縁材料を介して互いに電気的に絶縁しても良い。この場合、ヨーク磁路部材１３２には、電子光学系１０２の電位に対する電位が正になり、かつ上記加速電極１３１の電位と同電位または電位差が正になるような電位が供給される。この電位はヨーク電源９１０により供給される。このため、一次電子ビーム１１０は、加速電極１３１とヨーク磁路部材１３２との間の電位差によって一次電子ビーム１１０の軌道上で最も加速された状態で、上記ヨーク磁路部材１３２を通過する。

　本実施例の荷電粒子ビーム装置においても、リターディング方式を採用しても良い。この場合、ビームチルトレンズと試料間には減速電界が形成される。ソレノイドコイル１３３には、横磁場を励磁するために電流が供給されており、この電流はソレノイドコイル電源１４３、１４４により供給される。また、ステージ１４０（図示せず）には、ステージ電源１４１によって、ヨーク磁路部材１３２との電位差が負になる電位が印加される。このため、ヨーク磁路部材１３２を通過した一次電子ビーム１１０は、急激に減速され試料１１４の表面に到達する。ここで、一次ビーム（電子ビーム１１０）のランディングエネルギーは、電子源１１１とステージ１４０の電位差のみで決まるため、電子源１１１とステージ１４０への印加電位を所定値に制御すれば、ヨーク磁路部材１３２や加速電極１３１への印加電位がどうであってもランディングエネルギーを所望の値に制御可能である。従って、加速電極１３１とヨーク磁路部材１３２への印加電位を電子源１１１に対して正に設定することにより、一次電子ビーム１１０は電子光学系１０２を高速に通過させることができ、試料上での一次電子ビーム１１０のプローブサイズを小さくすることができる。

　図１３は図１Ｂのブースタ磁路部材のポールピースとソレノイドコイルを変更してスリムなビームチルトレンズの構成とした例である。ブースタ磁路部材１１６は、ヨーク磁路部材１３２を構成する円環部材の内面側（一次電子線１１０への対向領域）に沿って設けられた円筒（あるいは円錐）形状部材であり、ビームチルトレンズ１１３の内部で、円筒の中心軸が一次電子ビーム光軸（あるいは真空筐体１０１の中心軸）は一致するように配置される。材料としては、ヨーク磁路部材１３２と同様に軟磁性材料が使用される。円筒の下部側先端部（試料対向面側の先端部）は、試料表面に向かって突き出て、レンズコイル１３４により励磁された磁束が集中する磁極（ポールピース）を構成する。ソレノイドコイル１３３は、一次電子線光軸の周囲に配置されたブースタ磁路部材１１６のポールピースの外側に２つ以上の複数個設けられる。該ソレノイドコイル１３３の下端はブースタ磁路部材１１６のポールピースの先端部と試料１１４の間に配置され、該ソレノイドコイル１３３の上端は該ブースタ磁路部材１１６の側面に配置される。該ソレノイドコイル１３３は上記上端と上記下端の間を磁場が側面から漏洩しないようにらせん状に電線を密巻にしたものを用いた。一次電子線光軸あるいは電子光学系１０２の中心軸は、ビームチルトレンズ１１３あるいは真空筐体１０１の中心軸と一致するように構成される場合が多い。ヨーク磁路部材１３２と試料１１４間のスペースが増大して、試料１１４を傾斜させることもできるようになる。その結果、試料の姿勢を変えて立体的な試料観察が可能となった。

　図１４は図１Ｂのブースタ磁路部材のポールピースの先端にシールド電極を追加した例である。ブースタ磁路部材１１６は、ヨーク磁路部材１３２を構成する円環部材の内面側（一次電子線１１０への対向領域）に沿って設けられた円筒（あるいは円錐）形状部材であり、ビームチルトレンズ１１３の内部で、円筒の中心軸が一次電子ビーム光軸（あるいは真空筐体１０１の中心軸）は一致するように配置される。材料としては、ヨーク磁路部材１３２と同様に軟磁性材料が使用される。該ヨーク磁路部材１３２の円筒部の下部側先端部（試料対向面側の先端部）は、レンズコイル１３４により励磁された磁束が集中する磁極（ポールピース）を構成し、該ヨーク磁路部材１３２のポールピースの先端部には試料１１４の表面に向かって突き出たシールド電極９２０を配置する。該シールド電極９２０は円筒（あるいは円錐）形状の非磁性金属の部材であり、円筒の中心軸が一次電子ビーム光軸（あるいは真空筐体１０１の中心軸）は一致するように配置される。ソレノイドコイル１３３は、一次電子線光軸の周囲に配置されたブースタ磁路部材１１６のポールピースの外側に２つ以上の複数個設けられる。該ソレノイドコイル１３３の下端はシールド電極９２０の側面に配置し、該ソレノイドコイル１３３の上端は該ブースタ磁路部材１１６の側面に配置する。該ソレノイドコイル１３３は上記上端と上記下端の間を磁場が側面から漏洩しないようにらせん状に電線を密巻にしたものを用いた。シールド電極９２０を設けることにより、試料１１４の座標制御時に試料１１４とソレノイドコイル１３３との衝突を回避できるとともに、試料１１４から放出される２次電子とソレノイドコイルとの衝突も回避できる。その結果、ビームチルトレンズの分解能とチルト角のトレードオフをさらに改善し、試料の高精細な傾斜観察が可能となった。

　図１５は図１Ｂのヨーク磁路部材に制御磁路部材を追加した例である。本ビームチルトレンズ１１３は、一次電子線光軸（あるいは電子光学系１０２の中心軸）の周囲に配置されたヨーク磁路部材１３２、当該ヨーク磁路部材１３２と一次電子線光軸の間の空間内に設けられたブースタ磁路部材１１６、ヨーク磁路部材１３２の底面と試料１１４により構成される閉空間内に配置された制御磁路部材９３０の３つの磁路部材と、レンズコイル１３４と、ブースタ磁路部材１１６と制御磁路部材９３０と試料１１４により構成されるドーナツ状の閉空間内に２つ以上設けられた複数のソレノイドコイル１３３とを少なくとも含んで構成される。一次電子線光軸あるいは電子光学系１０２の中心軸は、ビームチルトレンズ１１３あるいは真空筐体１０１の中心軸と一致するように構成される場合が多い。該ソレノイドコイル１３３の下端はブースタ磁路部材１１６の先端部と試料１１４の間に配置され、該ソレノイドコイル１３３の上端は該ブースタ磁路部材１１６と該制御磁路部材９３０の間に配置される。該ソレノイドコイル１３３は上記上端と上記下端の間を磁場が側面から漏洩しないように電線をらせん状に密巻にしたものを用いた。

　図１５のヨーク磁路部材１３２は、内部が中空の円環部材により構成されており、その断面は、一次電子線光軸への対向面側が斜面になった台形形状をなす。本ビームチルトレンズ１１３においては、ヨーク磁路部材１３２は、一次電子ビーム光軸が円環部材の中心を通るように配置される。円環部材のヨーク磁路部材１３２の内部にはレンズコイル１３４が配置されており、当該レンズコイル１３４により一次電子ビーム１１０を集束するための磁束が励磁される。当該台形形状の下底の内面側（一次電子ビームへの対向面側）には空間が設けてあり、当該空間により、励磁された磁束がヨーク磁路部材１３２内で閉磁路を形成せずにブースタ磁路部材１１６と制御磁路部材９３０へ流れるようになっている。また、ヨーク磁路部材１３２の上面側（一次電子線の入射方向）と底面側（一次電子線の出射方向）には、一次電子ビームの通過する開口を備える。また、ヨーク磁路部材の材料としては軟磁性材料が用いられる。なお、図１５に示したヨーク磁路部材１３２は、断面が台形形状の円環部材が用いられているが、励磁された磁束をブースタ磁路部材１１６および制御磁路部材９３０に受け渡す機能が果たされる限り、ヨーク磁路部材１３２の形状は特に問わない。例えば、ヨーク磁路部材１３２の断面がコの字型であってもよい。

　次に、ブースタ磁路部材１１６、ヨーク磁路部材１３２および制御磁路部材９３０への印加電位について説明する。ヨーク磁路部材１３２と制御磁路部材９３０とブースタ磁路部材１１６は、絶縁材料を介して互いに電気的に絶縁されている。ブースタ磁路部材１１６には、ヨーク磁路部材１３２の電位に対する電位が正になり、かつ上記加速電極１３１の電位に対する電位差が正になるような電位が供給される。この電位はブースタ電源１３５により供給される。また、ヨーク磁路部材１３２には接地電位に保たれる。このため、一次電子ビーム１１０は、加速電極１３１とブースタ磁路部材１１６との間の電位差によって一次電子ビーム１１０の軌道上で最も加速された状態で、上記ブースタ磁路部材１１６を通過する。

　本実施例の荷電粒子ビーム装置においても、リターディング方式を採用する。この場合、ビームチルトレンズと試料間には減速電界が形成される。制御磁路部材９３０には、ヨーク磁路部材１３２に対する電位差が負になるように電位が供給されており、この電位は制御磁路電源９３１により供給される。ソレノイドコイル１３３には、横磁場を励磁するために電流が供給されており、この電流はソレノイドコイル電源１４３、１４４により供給される。また、試料１１４を保持するステージ１４０（図示せず）には、ステージ電源１４１によって、ブースタ磁路部材１１６との電位差が負になる電位が印加される。このため、ブースタ磁路部材１１６を通過した一次電子ビーム１１０は、急激に減速され試料１１４の表面に到達する。ここで、一次電子ビーム１１０のランディングエネルギーは、電子源１１１とステージ１４０の電位差のみで決まるため、電子源１１１とステージ１４０への印加電位を所定値に制御すれば、ブースタ磁路部材１１６や加速電極１３１への印加電位がどうであってもランディングエネルギーを所望の値に制御可能である。従って、加速電極１３１とブースタ磁路部材１１６への印加電位を電子源１１１に対して正に設定することにより、一次電子ビーム１１０は電子光学系１０２を高速に通過させることができ、試料上での一次電子ビーム１１０のプローブサイズを小さくすることができる。

　図１６は従来法と本発明の各実施例における到達分解能のビームチルト角依存性を比較する図である。５ｋＶの電子ビームは偏向器と対物レンズを組み合わせた従来法に比べて、本発明の各実施例におけるビームチルトレンズでは、分解能劣化量が半減する。１０度のビームチルト角で分解能が２．５ｎｍから１．５ｎｍに改善し、１０ｎｍの配線を観察することが可能である。

　図１７は従来法と本発明の各実施例における最適開き角のビームチルト角依存性を比較する図である。従来法に比べて、チルトコマ収差係数とチルト色収差係数が小さいため、最適開き角を大きくすることができる。

　以上、本願発明を詳細に説明したが、以下に主な発明の形態を列挙する。  
（１）ステージに搭載した試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該照射により発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線装置において、
  当該荷電粒子線装置は、前記一次荷電粒子線を前記試料上に集束し、かつ
  前記一次荷電粒子線を前記試料上に任意に傾斜する機能を有するビームチルトレンズを備える。

　さらに、前記ビームチルトレンズは、
  前記一次荷電粒子線を囲む領域に沿って設けられた内部が中空の円環部材でかつ、
  試料対向面側の下部側先端部の開口端にポールピースの空隙を有し、
  さらに、内部にコイルを有することを特徴とするヨーク磁路部材と、
  前記ヨーク磁路部材の中央開口端のポールピースを外側から取り囲むように配置したソレノイドコイルと、
  前記一次荷電粒子線の集束位置を制御するレンズコイル電源と、
  前記一次荷電粒子線の傾斜角度を制御するソレノイドコイル電源とを備え、
  前記ソレノイドコイルは、前記ヨーク磁路部材の側面を上端とし、前記ヨーク磁路部材のポールピース先端と試料の間を下端として、らせん状に絶縁導線を空芯又は非磁性材の芯に密巻にしたソレノイドコイルである。
ビームチルトレンズと前記試料の間で、中心軸に沿った向きの磁力線を縦磁場、前記中心軸に垂直となる磁力線を横磁場とする。

　縦磁場はチルトレンズ内のレンズコイルにより励磁されて、ヨーク磁路部材のポールピース先端に誘導される。そのため、ポールピース先端の直下にピークがあり、ピーク形状は上下に非対称となる。一方、横磁場はソレノイドコイルにより励磁される。ソレノイドコイルは空芯または非磁性芯で構成し、縦磁場を乱さないようにすることが重要である。ソレノイドコイルが励磁した横磁場のピーク位置は、縦磁場のピーク位置よりも下側の試料側に形成される。そのため、前記ソレノイドコイルの下端を前記ポールピース先端より試料側に突き出すことにより、横磁場と縦磁場のピーク位置を離すことができる。

　横磁場と縦磁場のピーク位置を離すほど、チルトコマ収差とチルト色収差を抑制できるため、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。
（２）さらに、（１）記載の荷電粒子線装置において、
  前記ヨーク磁路部材を構成する円環部材の内面側に沿って設けられた円筒あるいは円錐の形状のブースタ磁路部材を有し、
  前記ヨーク磁路部材と前記ブースタ磁路部材の試料対向面側の下部側先端部でコイルにより励磁された磁束が集中するポールピースの空隙を構成し、
  前記ヨーク磁路部材は接地電位に保ち、前記ブースタ磁路部材に正電位を供給するブースタ電源を備え、
  前記ソレノイドコイルは、前記ブースタ磁路部材の外側面を上端とし、前記ブースタ磁路部材のポールピース先端と試料の間を下端とし、かつ前記ブースタ磁路部材のポールピースを取り囲むように配置すると、さらにプローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。
（３）さらに、（１）又は（２）に記載の荷電粒子線装置において、前記ヨーク磁路部材は接地電位に保ち、前記ステージに負電位を供給するステージ電源と、前記ステージへの印加電位によりランディングエネルギーを所望の値に制御する機能を備えると、飛躍的にプローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。

　以下、ソレノイドコイルの形状と配置について述べる。
（４）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  中央開口端の前記ポールピースを円錐形状とすると、軸上収差を抑制することができる。この場合は、前記ソレノイドコイルを下端が前記ポールピースの下側で中心軸に近づくように傾斜させて前記ポールピースに隣接させることで横磁場と縦磁場のピーク間距離を拡大することができ、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。
（５）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  絶縁導線でらせん状に密巻にしたソレノイドコイルの芯を曲げて延長して、２つのソレノイドコイル上端を前記ポールピースの側面でつなぎと、前記ポールピースの下端から前記試料側に飛び出した２つのソレノイドコイルを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
（６）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
前記ソレノイドコイルの空芯又は非磁性材の芯をアーチ型に変形する。
（７）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  前記ポールピースを取り囲むように複数のソレノイドコイルを配置し、中心軸に対して方位ごとにＣＯＳ関数に比例するように励磁するソレノイドコイル電源を有する。
（８）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  前記ポールピースを取り囲むように複数のソレノイドコイルを配置し、配置する方位ごとにＣＯＳ関数に比例するようにターン数を変えた中心軸に対して垂直なＸとＹの２組にわけて結線した前記ソレノイドコイルを有する。
（９）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  前記ソレノイドコイルを－１００℃以下に冷却し、かつ超伝導材料または高温超電導材料の円筒材で覆う。
（１０）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  前記ソレノイドコイルで励磁する横磁場と前記レンズコイルで励磁する縦磁場のピーク位置を効率的に離すことによりチルトコマ収差とチルト色収差を抑制するビームチルト技術を用いた荷電粒子線装置である。
  以上のようなソレノイドコイルをチルトレンズに採用することにより、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。

　以下、ビームチルトレンズの電子光学応用例である。
（１１）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  ビームチルトレンズとコンデンサレンズと偏向器を組合せると、傾斜の角度・方位に加えて偏向位置も独立に制御できるようになる。その結果、試料座標のステージ移動制御を簡便にし、偏向位置制御で高速に補正することが可能となる。
（１２）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  ビームチルトレンズとコンデンサレンズと収差補正器を組合せると、収差補正器で作った収差によりビームチルトレンズの収差をキャンセルすることができる。
（１３）さらに、（１）乃至（３）の何れかに記載の荷電粒子線装置において、
  ビームチルトレンズのポールピースの先端部に試料表面に向かって突き出た非磁性金属製のシールド電極を設けると、ソレノイドコイルへの２次電子の衝突を回避することができる。その結果、ソレノドコイルなどの帯電の影響を抑制し、一次電子線のドリフトや二次電子の収率変化を回避することができる。
（１４）さらに、（３）に記載の荷電粒子線装置において、
　ビームチルトレンズに前記ヨーク磁路部材の底面と前記試料により構成される閉空間内に制御磁路部材を設け、
  前記ヨーク磁路部材と前記制御磁路部材と前記ブースタ磁路部材は絶縁材料を介して互いに電気的に絶縁され、前記ヨーク磁路部材は接地電位に保ち、前記制御磁路部材に負の電位を印加する制御磁路電源を有する。
  以上のようなチルトレンズの構成を採用することにより、プローブ径とチルト角のトレードオフを改善して、より高角度でかつ小さいプローブ径のチルト電子ビームを形成することができる。
  本発明により、収差の影響が少なく、ビームチルト角を大きくかつ加速電圧の大きな一次荷電粒子線に対しても十分なレンズ作用を有し、かつ一次荷電粒子線を試料に照射する角度を制御する作用を有するビームチルトレンズが製造可能となり、よって、任意角度の傾斜観察、高分解能の荷電粒子線装置が実現可能となる。また、任意角度の傾斜観察、高分解能の荷電粒子線装置が実現可能となるとなる結果、３次元的で微細な欠陥観察や測長・形状評価を可能とする荷電粒子線応用装置を提供することができる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることも可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…真空筺体、１０２…電子光学系、１０３…電子光学系制御装置、１０４…ホストコンピュータ、１０５…操作卓、１０６…表示手段、１１０…一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）、１１１…電子源、１１２…偏向器、１１３…ビームチルトレンズ、１１４…試料（ウェハ）、１１５…二次粒子（二次電子）、１１６…ブースタ磁路部材、１１８…反射部材、１１９…副次粒子（三次粒子）、１２２…中央検出器、１２６…二次粒子反射面、１３０…引き出し電極、１３１…加速電極、１３２…ヨーク磁路部材、１３３…ソレノイドコイル、１３４…レンズコイル、１３５…ブースタ電源、１３６…ブースタ磁路部材下部側先端部、１４０…ステージ、１４１…ステージ電源、１４２…レンズコイル電源、１４３…ソレノイドコイル電源、１４４…ソレノイドコイル電源、１４５…ソレノイドコイル電源、１４８…中央取り込み電源、２１０…ソレノイドコイル、２１１…ポールピース、２１２…もう一つのソレノイドコイル、２１３…試料表面、２１４…横向きソレノイドコイル、２１５…もう一つの横向きソレノイドコイル、３１０…傾いたソレノイドコイル、３１２…もう一つの傾いたソレノイドコイル、４１０…アーチ型ソレノイドコイル、４１１…もう一つのアーチ型ソレノイドコイル、５１０…ソレノイドコイル、７１０…一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）、７１１…電子源、７１２…ビームチルトレンズ、７１３…試料、７１４…ワークディスタンス、７１５…ビームチルトレンズの下端から試料の直上までの距離、８１０…一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）、８１１…電子源、８１２…コンデンサレンズ、８１３…偏向器、８１４…ビームチルトレンズ、８１５…試料、８１６…ソレノイドコイル、８２０…一次電子ビーム（一次荷電粒子ビーム）、８２１…電子源、８２２…コンデンサレンズ、８２３…収差補正器、８２４…ビームチルトレンズ、８２５…試料、９１０…ヨーク電源、９２０…シールド電極、９３０…制御磁路部材、９３１…制御磁路電源。

Claims (15)

1. 　ステージに搭載される試料に対して一次荷電粒子線を照射し、当該照射により発生する二次荷電粒子を検出する荷電粒子線装置において、
     当該荷電粒子線装置は、前記一次荷電粒子線を前記試料上に集束させ、かつ前記試料上へ任意の角度にて前記一次荷電粒子線を傾斜させる機能を有するビームチルトレンズを備え、
     前記ビームチルトレンズは、
     前記一次荷電粒子線を囲む領域に沿って設けられ内部が中空の部材でかつ、前記試料の対向面側の下部開口端にポールピースの空隙を有し、さらに、前記内部にレンズコイルを有するヨーク磁路部材と、
     前記ヨーク磁路部材の中央開口端のポールピースを外側から取り囲むように配置されたソレノイドコイルと、
     前記レンズコイルに電流を供給して前記一次荷電粒子線の集束位置を制御するレンズコイル電源と、
     前記ソレノイドコイルに電流を供給して前記一次荷電粒子線の傾斜角度を制御するソレノイドコイル電源とを備え、
     前記ソレノイドコイルは、前記ヨーク磁路部材の側面に前記ソレノイドコイルの上端が配置され、前記ヨーク磁路部材のポールピース先端と前記試料との間に前記ソレノイドコイルの下端が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ソレノイドコイルは、空芯又は非磁性材を芯とし、らせん状に絶縁導線を密巻にしたソレノイドコイルであることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ビームチルトレンズは、前記部材の内面側に沿って設けられた円筒あるいは円錐の形状のブースタ磁路部材を有し、
     前記ヨーク磁路部材と前記ブースタ磁路部材の前記試料対向面側の下部開口端で前記レンズコイルにより励磁された磁束が集中するポールピースの空隙を構成し、
     前記ヨーク磁路部材は接地電位であり、前記ブースタ磁路部材に正電位を供給するブースタ電源を備え、
     前記ソレノイドコイルは前記ブースタ磁路部材のポールピースを取り囲むように複数設けられ、各々の前記ソレノイドコイルは、前記ブースタ磁路部材の外側面に前記各々の上端が配置され、前記ブースタ磁路部材のポールピース先端と前記試料の間に前記各々の下端が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 　請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ヨーク磁路部材は接地電位であり、前記ステージに負電位を供給することにより前記一次荷電粒子線の前記試料に対するランディングエネルギーを所望の値に制御するステージ電源を更に備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
     前記中央開口端の前記ポールピースを円錐形状とし、前記ソレノイドコイルを下端が前記ポールピースの下側で中心軸に近づくように傾斜させて前記ポールピースに隣接させることを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ソレノイドコイルは、らせん状に絶縁導線を密巻にしたものであり、
     前記ソレノイドコイルの芯を曲げて延長して、２つのソレノイドコイル上端を前記ポールピースの側面でつなぎ、前記ポールピースの下端から前記試料側に飛び出した２つのソレノイドコイルを有することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ソレノイドコイルは空芯又は非磁性材の芯を有し、
     前記空芯又は非磁性材の芯はアーチ型であることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ブースタ磁路部材の前記ポールピースを取り囲むように配置された複数のソレノイドコイルを、中心軸に対して方位ごとにＣＯＳ関数に比例するように励磁するソレノイドコイル電源を有することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
     前記ブースタ磁路部材の前記ポールピースを取り囲むように配置された複数のソレノイドコイルは、配置する方位ごとにＣＯＳ関数に比例するようにターン数を変え、中心軸に対して垂直なＸとＹの２組にわけて結線されることを特徴とした荷電粒子線装置。
10. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
      前記ソレノイドコイルは、－１００℃以下に冷却され、かつ超伝導材料または高温超電導材料の円筒材で覆われるものであることを特徴とした荷電粒子線装置。
11. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
      前記ソレノイドコイルで励磁する横磁場と前記レンズコイルで励磁する縦磁場のピーク位置を調整する手段を有し、チルトコマ収差とチルト色収差を抑制可能としたことを特徴とする荷電粒子線装置。
12. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
      コンデンサレンズと偏向器とを更に有することを特徴とする荷電粒子線装置。
13. 　請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
      コンデンサレンズと収差補正器とを更に有することを特徴とする荷電粒子線装置。
14. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
      前記ブースタ磁路部材の前記ポールピースの先端部には前記試料表面に向かって突き出た非磁性金属製のシールド電極が設けられていることを特徴とした荷電粒子線装置。
15. 　請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
      前記ヨーク磁路部材の底面と前記試料により構成される閉空間内に制御磁路部材を設け、
      前記ヨーク磁路部材と前記制御磁路部材と前記ブースタ磁路部材は絶縁材料を介して互いに電気的に絶縁され、前記ヨーク磁路部材は接地電位であり、前記制御磁路部材に負の電位を印加する制御磁路電源を有することを特徴とする荷電粒子線装置。

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