WO2017018432A1

WO2017018432A1 - 荷電粒子線装置

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Publication number: WO2017018432A1
Application number: PCT/JP2016/071942
Authority: WO
Inventors: 明池上; 雄太川本; 英登土肥; 学矢野; 裕丹代; 秀之数見
Original assignee: 株式会社日立ハイテクノロジーズ
Priority date: 2015-07-29
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2017-02-02
Also published as: DE112016002818T5; US10304654B2; US20180233320A1; JP2018174016A

Abstract

本発明は、収差発生の要因である視野移動時の離軸量を抑制しつつ、大きな視野移動を行うことが可能な荷電粒子線装置の提供を目的とする。上記目的を達成するために対物レンズ（１２）と、荷電粒子ビームを偏向する視野移動用偏向器（２３）を備えた荷電粒子線装置であって、前記視野移動用偏向器と前記対物レンズとの間に配置される加速管（１１）と、当該加速管に電圧を印加する電源と、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて、前記電源に印加する電圧を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。

Description

荷電粒子線装置

　本発明は、荷電粒子線装置に係り、特に視野位置の移動を行う偏向器を備えた荷電粒子線装置に関する。

　半導体デバイスの微細化、高集積化により、設計や製造プロセスの複雑化が進んでいる。一方、微細な半導体デバイスパターンの測定や検査のために、走査電子顕微鏡のような荷電粒子線装置が用いられている。走査電子顕微鏡は、集束した電子ビームを試料上で走査させることによって得られる画像等を用いた測定や検査を行う装置である。昨今の半導体デバイスの複雑化、微細化に伴い、短時間により多くの測定や検査の要望が強くなっている。

　短時間に多くの測定、或いは検査を行うためには、測定点や検査点を含む領域に高速に走査電子顕微鏡の視野（Ｆｉｅｌｄ　Ｏｆ　Ｖｉｅｗ：ＦＯＶ）を位置付ける必要がある。このような視野移動を行うように電子ビームを偏向する偏向器（以下、イメージシフト用偏向器と称することもある）が知られている。特許文献１には、イメージシフト用偏向器と、イメージシフトの移動量に応じて、イメージシフト時に発生する収差を補正する収差補正器を備えた荷電粒子線装置が開示されている。特許文献２には、イメージシフト量によらずランディング角（試料に対する電子ビームの入射角）が垂直になるように光学系を制御する制御装置と、その際に発生する非点等の収差を補正するための補正器を備えた荷電粒子線装置が開示されている。

特開２０１４－５３０７４号公報特許第５６７７６７７号（対応米国特許公開公報ＵＳ２０１２／０２８６１６０）

　特許文献１、２に説明されているように、イメージシフトを行う際に発生する収差を、収差補正器等を用いて補正することによって、イメージシフトのために電子ビームを理想光軸から離軸させた場合であっても、その際に発生する収差を抑制することが可能となる。しかしながら、イメージシフトによる偏向範囲が大きいと、対物レンズで発生する収差量が大きくなると同時に偏向器の高調波成分から発生する収差が顕在化する場合がある。このため、収差補正器ではその収差を補正することが難しい場合がある。

　また、偏向色収差と、偏向幾何収差は併せて補正を行うことが望ましい。収差補正器で視野移動時の偏向色収差と偏向幾何収差を同時に補正するためには、視野移動量・移動方向に応じて収差補正器に含まれる多極子、回転対称レンズ、偏向器に印加する電圧もしくは電流値や収差補正器への入射条件と出射条件を変える必要があり、複雑な制御が求められる。

　また、視野移動量が大きいと対物レンズの像面湾曲収差によるフォーカスずれが発生するため、いずれかのレンズでフォーカスを補正しなければならない。このとき対物レンズ物点よりも電子源側のレンズを用いると、対物レンズ物点位置が変動し、視野移動用偏向器の偏向感度(単位電流あたりの像移動量)が変化してしまう。視野移動用偏向器に電流を印加したとき電流が設定値に落ち着くまでの時間は対物レンズ物点位置によらず一定であるため、偏向感度が変化すると視野移動信号の入力から画像が取得可能になるまでの時間が変動する。すなわち視野移動量に応じて視野移動信号入力から画像取得までの待ち時間が異なるため、スループットが低下する。また、対物レンズでフォーカス調整を行った場合、対物レンズの電流量が変化することによるヒステリシスや発熱が課題となる。これらの影響は、画像取得までの待ち時間の増加や制御の複雑化につながる。

　更に、視野移動量が大きいと視野移動用偏向器位置での離軸量が増大することにより、偏向器の電磁場が持つ高調波成分から発生する収差が顕在化する場合がある。これは収差補正器やレンズで補正することが難しいため、収差を低減するための制御が必要である。

　以下に、収差発生の要因である視野移動時の離軸量を抑制しつつ、大きな視野移動を行うことを第１の目的とする荷電粒子線装置を提案する。更に、偏向色収差と、偏向幾何収差は併せて補正することを第２の目的とする荷電粒子線装置を提案する。

　上記第１の目的を達成するための一態様として、以下に荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームを偏向する視野移動用偏向器を備えた荷電粒子線装置であって、前記視野移動用偏向器と前記対物レンズとの間に配置される加速管と、当該加速管に電圧を印加する電源と、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて、前記電源に印加する電圧を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置を提案する。また、上記第２の目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームを偏向する視野移動用偏向器を備えた荷電粒子線装置であって、前記対物レンズ物点と前記対物レンズとの間に配置されるフォーカス調整用レンズと、前記荷電粒子源から試料の間に配置される加速管と、当該フォーカス調整用レンズおよび当該加速管に電圧もしくは電流を印加する電源を備え、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて、前記電源に印加する電圧もしくは電流を制御する荷電粒子線装置を提案する。

　上記第１の態様によれば、荷電粒子ビームの理想光軸からの離軸量の抑制と、大きな視野移動の両立を実現することが可能となる。また、上記第２の態様によれば、大領域の視野移動を行った際の、偏向色収差・偏向幾何収差の同時補正、画像取得までの待ち時間を一定に保つフォーカス補正、偏向器の高調波成分による収差を低減する視野移動時の離軸量の抑制を同時に行いつつ、高速高精度での大きな視野移動を実現することが可能となる。

視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の概要を説明する図。視野移動用偏向器を用いて視野移動を行ったときの電子ビームの軌道を示す図。視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の概要を説明する図。対物レンズ近傍に設置された加速管に電圧を印加したときの電子の軌道を説明する図。加速管より試料側に視野移動用偏向器を有する走査電子顕微鏡の概要を示す図。走査電子顕微鏡の光学条件設定工程を示すフローチャート。複数の加速管と視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図。視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の概要を説明する図。加速管、フォーカス用レンズ、及び視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の概要を説明する図。加速管、フォーカス用レンズ、及び視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の概要を説明する図。

　半導体デバイスの微細化、高集積化により、設計や製造プロセスの複雑化が進んでいる。歩留まり向上のために必要な計測点が増加している。このため、走査電子顕微鏡を用いた半導体デバイス計測／検査装置に対し、多点高速計測に対する要望が強くなっている。多点高速計測を行うためには各計測点への移動時間を短縮する事が有効である。異なる計測点への移動方式として、試料を載置するためのテーブルを備えたステージを駆動することで、試料上の目的の位置に視野を位置付ける方式と、ビームを偏向することで視野を移動（イメージシフト）する方式がある。

　ステージ移動は機械的動作を伴うことから、移動に相当の時間を要する。また、イメージシフトに対して、位置決め精度が低い。一方で、例えば１００ｍｍ以上の大きな移動を行っても高画質画像を取得することができる。それに対し、イメージシフトは、偏向器に供給する電流や印加する電圧によって、偏向量を制御するため、ステージ移動に比べ短時間で精度よく視野移動できる利点を持つが、例えば数十μｍ以上の視野移動を行うと、ビームを理想光軸から大きく離軸させることになるため、画質が低下する場合がある。

　以上の理由から、イメージシフト可能な数十μｍの範囲にステージで移動し、計測点への高精度な移動はイメージシフトを用いて行う事で高精度な位置決めを行うことが望ましい。

　ロジックデバイスのホットスポット解析等、計測点の密度が高い試料の計測を行う場合、数１００μｍのイメージシフトと高画質画像取得の両立が出来れば、イメージシフトの範囲内に複数の計測点を捉えることができる。このため、計測時のステージ移動の回数が減少し、多点計測に要する時間を大幅に短縮できる。イメージシフトを行うと偏向作用により一次電子の軌道が変動するため、ランディング角度や分解能が低下する。イメージシフト時の分解能劣化を抑制するには、偏向した一次電子を対物レンズの中心に通すことが考えられる。上記方法を用いると一次電子の軌道は対物レンズの中心を通るため、イメージシフト量に比例してランディング角度が変動する。一方、ランディング角度を垂直にするためには一次電子を対物レンズの前側焦点の位置を通せばよいが。上記軌道を選択すると一次電子が対物レンズ内を離軸して進むため、偏向色収差、偏向コマ収差、或いは偏向幾何収差が発生し分解能や視野移動精度が低下する。この現象はイメージシフト量が増加するとより顕在化する。

　高精度且つ高速の多点計測を行うためには、分解能低下の抑制と、ランディング角度変動の抑制の両立が求められる。更に、特定の軌道に放出された２次電子（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＳＥ）や後方散乱電子（Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒｅｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）の弁別検出等の要求がある。例えばＢＳＥを放出方向に応じて弁別検出を行う場合、４分割された検出面を持つ検出器を備えた走査電子顕微鏡を用いることが考えられる。また、対物レンズを短焦点化すると分解能が向上するため、装置の短焦点化の要求もある。

　図２は、イメージシフト偏向器（視野移動用偏向器）によって、偏向された電子ビームの軌道を例示する図である。垂直ランディング（試料に到達するビームが試料表面に対して垂直、或いは電子ビームの理想光軸に並行）のため、二段偏向器により一次電子（電子ビーム）が対物レンズの前側焦点を通過するように設定されている。このような光学条件において、対物レンズを短焦点化を実現しようとすると、前側焦点距離（対物レンズ主面と、対物レンズ直上の電子ビームと電子ビームの理想光軸の交点との距離）が短くなる。より具体的には、短焦点化により、前側焦点での一次電子の傾きが大きくなり、下段偏向器位置での離軸量（ｄｎ）が増加する。このため、中心から外れた位置を通る一次電子に対し大きな偏向角を正確に与えられる偏向器を設置する事が必要となり、偏向器の設計や電源仕様に厳しい制約を与える。また、イメージシフトによって光軸より離れた位置から放出された二次電子の焦点距離も短くなるため、対物レンズ通過後大きく離軸し収量が低下する。更に、大きなイメージシフトを行うため偏向器の偏向強度を増加すると、試料から放出された電子がイメージシフト用の偏向器によって偏向される。この偏向により、例えば数百μｍのイメージシフト実行時に信号電子の軌道が変動し、電子の検出効率が低下する。

　このように、高精度な高速多点計測を行うためには、イメージシフト時の分解能劣化と二次電子軌道の変動抑制と垂直ランディングを実現する必要がある。このようなビーム条件とするには、イメージシフト時に発生する収差の発生を抑制することが考えられるが、例えば、非点補正コイル等を用いて非点収差等を消そうとしても、電子ビームが対物レンズの軸外を通過することによって発生する軸外（偏向）色収差を消すことはできず、結果として分解能が低下する場合がある。また、多極子で構成される収差補正器を用いて、イメージシフト時に発生する収差抑制を試みても、イメージシフトを行った際に発生する電子検出効率の低下を抑制することはできず、更に、収差補正器を用いて収差を補正する場合、収差の補正条件を成立させるためには、収差補正器への入射条件と出射条件を固定する必要があり、光学モードの変更等の理由で対物レンズの焦点距離を変える必要がある場合、収差の補正条件が成立不能となるため、偏向色収差の補正ができない。

　以下に説明する実施例は、大きな視野移動を行う場合であっても、視野移動に伴うビームの離軸量を抑制することによって、大きな視野移動を可能とすることによる測定や検査の高速化と、離軸量の抑制による収差低減に基づく測定や検査の高精度化の両立を実現するものである。換言すれば、発生した収差を補正するのではなく、収差発生の要因となる理想光軸に対するビームの離軸量自体を抑制することで、収差を発生させない光学条件の設定が可能な荷電粒子線装置に関するものである。無論、本実施例は、収差補正器を併用して、更なる高精度化を実現することを否定するものではない。

　図１は、視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図である。第一の実施例として、図１に例示する走査電子顕微鏡には、２つの回転対称レンズ０７、０８、第１収差補正用偏向器２１、及び第２収差補正用偏向器２２を含む収差補正ユニット３０１が備えられている。また、磁界型偏向器２３と静電型偏向器２４から構成されるイメージシフト用偏向器、当該イメージシフト用偏向器と対物レンズ１２の主面との間に配置され、所定の電圧が印加される加速管１１が備えられている。加速管１１には、イメージシフト量（磁界型偏向器２３、静電型偏向器２４の信号量）に応じて、図示しない電源から正の電圧が印加される。また、加速管１１に印加される電圧に応じて変化するフォーカス条件を補償するように制御されるフォーカス調整用レンズ０９が備えられている。加速管１１の設定電位に応じてフォーカス調整用レンズ０９を調整することで、収差補正器内の一次電子軌道の変動を抑制し、収差の補正条件を成立させる。光学要素制御部３００は走査電子顕微鏡の各構成要素を制御する制御装置であり、図示しない入力装置等の入力条件に基づいて、走査電子顕微鏡を制御する。

　更に、イメージシフト用偏向器を構成する磁界型偏向器２３と静電型偏向器２４の強度比を、試料から放出された電子を、検出器、或いは検出器の近傍に配置され試料から放出された電子の衝突によって新たな２次電子を発生させる２次電子発生部材に向かうような条件に調整することで、１００μｍ以上のイメージシフトを行っても検出電子の収量の変動を抑制することができる。上述のような構成によれば、視野移動を伴う一次電子の離軸量を抑制することによって、偏向器信号に含まれる高周波成分におる収差を低減することができる。

　フォーカス調整用レンズ０９は偏向収差補正器３０１への入射条件および対物レンズ物点位置を変えないために、偏向収差補正器３０１および対物レンズ物点位置よりも試料１４側にあることが望ましい。加速管１１の設定電位に応じてフォーカス調整用レンズ０９を調整することで、収差補正器内の一次電子軌道の変動を抑制し、収差の補正条件を成立させる。

　また、視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の他の例を図３に例示する。図３に例示する光学系は、回転対称レンズ０７、０８と偏向器２１を含む偏向収差補正器３０１を備え、イメージシフト時に発生する偏向収差を補正する。また使用するイメージシフトの範囲によって決定される正の電圧を加速管１１に印加する事で偏向器２３の位置での一次電子の離軸量を減少させる事で、前記離軸量に依存して発生する収差を抑制すると同時に試料から放出された信号電子の低下も抑制することができる。

　次に、図２を用いて図１、図３に例示する光学系に共通して用いられている加速管１１がもたらす効果を説明する。図２に例示する光学系では、理想光軸２０１からＩ１分、離間した試料１３上の位置に、一次電子５１（電子ビーム）を垂直に到達させるために、イメージシフト用偏向器（磁界型偏向器２３、静電型偏向器２４）によるビーム偏向を行っている。一次電子５１は、試料１３への垂直ランディングのために、対物レンズ１２の前側焦点位置２０２を通過している。高分解能化や４方向検出器の設置のため対物レンズが短焦点化されると、前側焦点での一次電子の傾きが大きくなり、偏向器位置における離軸量（ｄｎ、理想光軸２０１からの離軸量）が増加する。離軸量の増加によって離軸量に依存する収差の影響が無視できない領域に入ると前記収差が顕在化し、分解能の低下や複雑な制御が必要となる。

　本実施例では、正の電圧の印加が可能な加速管１１を、対物レンズ１２の前焦点位置を覆うように配置することによって、上述のような一次電子５１の傾きを抑制する。より具体的には、電子ビームの理想光軸方向において、対物レンズの励磁条件の変化に伴って移動する前側焦点位置の移動範囲と、加速管１３の少なくとも一部が同じ高さとなるように、加速管１３を配置する。通常加速管１１はＯＦＦになっており、対物レンズ１２の前側焦点距離が短い状態に設定されている。大偏向時には加速管１１に、プラスの電位を印加することによって、前側焦点２０３から対物レンズ主面までの距離を伸ばすことができ、加速空間内の一次電子５１の傾きを緩和することができる。その結果、加速管ＯＦＦの場合に比べイメージシフトを実行したときにイメージシフト用偏向器の下段位置で発生させる離軸量が減少する（図２の例の場合、離軸量をｄｎからｄａとすることができる）。離軸量の減少は、イメージシフト偏向器の偏向角（イメージシフト偏向器に供給する偏向信号）の抑制と、偏向場の高調波成分の影響の抑制を意味する。以上の理由から、加速管に正の電圧を加える事で、大きなイメージシフト量を与えた時の制御性、分解能、使用電流（電圧）の面での効果が期待できる。また、対物レンズの前側焦点の距離が長くなるため、イメージシフトによって光軸から離れた位置より放出された信号電子が対物レンズ通過後に離軸する量も抑制する事が出来る。本実施例のように、加速管１１への電圧印加に連動して、当該電圧印加をしない場合と比較して、イメージシフト偏向器による離軸量（偏向信号）を小さくすることによって、視野移動量の大きさ（Ｉ１）を維持しつつ、収差の発生を抑制することができる。

　また、離軸量をｄｎからｄａとする際には、電子ビームを試料１３に垂直ランディングさせるために、対物レンズの励磁条件（集束条件）も併せて変化させる。対物レンズの励磁条件と加速管への印加電圧を関連付けて記憶したテーブル等を予め記憶しておき、電圧印加制御に用いることによって、イメージシフト条件に依らず垂直ランディング状態を維持することができる。

　図２に例示するような手法によれば、収差を補正するのではなく、収差の発生自体を抑制することができるため、光学条件に応じた複雑な制御等を行うことなく、高精度、且つ高速な測定や検査を行うことが可能となる。

　加速管に電圧を印加した際に発生する静電レンズ主面が対物レンズのレンズ主面よりも電子源側に発生する場合、加速管への電圧印加により対物レンズと加速管の合成レンズの主面位置が試料から離れ長焦点化するため、分解能が低下する。ここで、電子ビームを離軸（イメージシフト）させる、或いは大きな離軸（例えば所定値以上のイメージシフト）をさせるときに、選択的に加速管１１の電圧を印加することによって、イメージシフトをしないとき、或いは大きなイメージシフトをしないとき（所定値以下のイメージシフトを行うとき）は、焦点距離を短くする事で装置の高分解能化を実現し、イメージシフトするとき、或いは大きなイメージシフトをするときには、離軸量を抑制することによる高分解能化を実現する。

　以上のように、装置の使用条件に応じた適切な光学条件の選択を行うことによって、それぞれの使用条件における装置の高分解能化を実現することが可能となる。

　以下に、更に詳細に視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡について説明する。電子源０１から第一陽極０２によって引き出され、第二陽極０３によって加速された一次電子５１は、第一コンデンサレンズ０４によって集束された後、対物絞り０５を通過する。その後、第二コンデンサレンズ０６で集束される。第二コンデンサレンズ０６を通過した一次電子５１は偏向収差補正器３０１に突入し、偏向器２１によって、ビームの理想光軸に対し垂直な方向に偏向され、収差発生レンズ０７の軸外を通過して補正に必要な収差を発生させる。

　その後、第一収差補正レンズ０７の焦点位置に設置された偏向器２２によって、理想光軸に沿うように振り戻され、第二収差補正レンズ０８の主面に集束される。偏向収差補正器３０１を通過した一次電子５１は、偏向器２３によって対物レンズの前側焦点を通過するように偏向される。偏向された一次電子は加速管１１に電圧を印加する事によって作られた加速空間を通過した後、対物レンズ１２で試料上にフォーカスされる。

　図３に示す光学系では、対物レンズ１２に加えて、正の電圧が印加される加速電極１３、ウェハ１４に負の電圧を印加する負電圧印加電源１５を併用することによって、分解能を向上させている。図３に例示する走査電子顕微鏡では、使用するイメージシフトの範囲に応じて、加速電極１３とは別に設置された加速管１１に正の電圧を印加する。高分解能ＳＥＭに使用されているセミインレンズタイプの対物レンズの場合、試料近傍の磁場分布及び電位分布によって分解能が決定されている。従って、ブースタ電極と加速管を分離する事で光学モードを変更した際の分解能の変動が小さい利点がある。

　また、加速管１１に印加する電圧は、理論上、印加電圧が大きい程、離軸量を抑制することができるが、試料から放出される電子を検出するという観点からは、イメージシフト量に応じて調整することが望ましい。具体的には、イメージシフト偏向器による一次電子５１の偏向量が大きいと、その分、試料から放出される電子に対する偏向作用も大きくなる。よって、例えばイメージシフト量が大きい程、加速管１１に大きな電圧を印加することによって、試料から放出される電子の軌道を、検出器１０等に向かって、調整することが可能となる。なお、イメージシフト量が所定値以上となったとき、所定の電圧を印加するような制御を行うようにしても良い。また、後述するように、試料から放出される電子の内、特定方向の電子を検出するという観点からみれば、加速管１１に電圧を印加してしまうと、２次電子等の軌道を変えてしまうことになるため、大きなイメージシフトを行うモードと、２次電子等の角度弁別検出を行うモードを設け、前者のモードのときには、加速管１１に正電圧を印加し、後者の場合には、加速管１１に印加する電圧をオフにするような制御を行うことも考えられる。

　第二の実施例として、大きな仰角で試料から放出された後方散乱電子を検出する陰影（４方向）検出器を持つ光学系に加速管１１を適用した例を説明する。図４は、対物レンズ１２の近傍に、２つに分割された加速管１１ａ、１１ｂを設置した例を説明する図である。図４に例示する光学系には、更に、陰影検出器４１、４２が備えられている。なお、図４では２つの検出器しか示されていないが、陰影検出器は、ビームの理想光軸を中心として紙面垂直方向にも更に２つの検出器が配列された４つの検出器から構成されるものとして説明する。

　加速管１１ａ、１１ｂに電圧を印加していない場合、試料から放出された仰角の大きな反射電子の軌道を説明する。加速管の電圧が０Ｖの時の反射電子軌道５２を点線で示す。右（左）方向に放出された反射電子は対物レンズのレンズ作用により集束された後、検出器４１（４２）で検出される。一般的に対物レンズの前側焦点距離を短くすると左右に放出された反射電子の分離性が向上する。大きなイメージシフト量を与える場合には前側焦点の距離を長くすることが望ましいため、加速管１１ａ及び１１ｂに正の電圧を印加する。この時の反射電子軌道１３を実線で示す。加速管１１に印加された正の電圧の影響で引き上げられて検出器１０で検出される。本実施例に示すように、加速管１１ａ、１１ｂに印加する電圧を変える事で陰影（４方向）検出による陰影コントラストが強くなる光学モードと大きなイメージシフト量を与えられる高速多点計測を行う光学モードの切り替えが可能となる。

　より具体的には、陰影コントラスト像取得モード（第１の光学モード）と、高速多点計測モード（第２の光学モード）の２つを用意し、これら２つのモードを切り替え可能とすると共に、第２の光学モードが選択されたときに、選択的に加速管に電圧を印加するような制御を行うことが考えられる。また、第２の光学モードが選択されたときに、第１の光学モードより相対的に加速管に印加する電圧を大きくするようにしても良い。更に、イメージシフト量の大きさに応じて、加速管に印加する電圧を調整するようにしても良い。この場合、離軸量が大きい程、加速管に印加する電圧を大きくする。

　第三の実施例による光学系の概略図を図１に示す。本光学系では、フォーカス調整用のレンズ９が検出器１０と偏向収差補正器３０１の間に設置されている。

　本光学系の動作を以下に示す。大偏向のため、加速管１１に正の電圧を印加、若しくは対物レンズ１４を弱励磁化した際、第二収差補正レンズ１１の主面に設定されている対物レンズ物点がずれる。

　収差補正器の出射条件が変動すると補正条件が崩れてしまうため、収差補正ができなくなる。そこで、加速管１１や対物レンズ１４の励磁量に応じて物面Ｐ１の位置を固定するようフォーカス調整用レンズ０９を動作させる。以上の動作を行う事で数百μｍの大きなイメージシフトを行う際に加速管１１や対物レンズの励磁量を調整し一次電子および二次電子の離軸量を抑制する光学モードに変更しても収差補正器内の軌道を保持できるため、偏向した光学モードで収差補正が可能となり、イメージシフト時に発生する像質の劣化を抑制できる。

　第四の実施例を図５に示す。本実施例では一次電子５１の光路全体を加速するための加速管１１、１３、１３´を持ち、更にイメージシフト用の磁場型偏向器２３と静電型偏向器２４を対物レンズ１２の磁界中に設置している。本実施例では予備偏向器２５、磁場型偏向器２３、及び静電型偏向器２４を使ってイメージシフト（視野移動）を行っているが、先ほどまでの実施例と同様に加速管１１に他の加速電極よりも高い正の電圧を印加する事で、イメージシフト時の離軸量を抑制する事ができるため、これまでの実施例で示したものと同等の効果が期待できる。ここで、本実施例に示す光学系において試料から放出された電子は、検出器１５に到達するまでの間対物レンズの収束作用と偏向器２３、２４の偏向作用を受ける。

　対物内偏向を使った光学系では対物レンズ内の偏向器の偏向作用によって、検出信号の収量が変化するため、イメージシフト用偏向器として磁界型偏向器２３と静電偏向器２４を対物レンズ磁界中に設置すると共に、磁場型偏向器２３と静電型偏向器２４の偏向強度Ｂ１、Ｅ１を式１で表される比率で動作させる。

　　　Ｅ１＝ｑＢ１×ｖ０　　（１）
　ここで、ｑは素電荷、ｖ０は試料から放出された二次電子の速度を表す。このような構成によれば、試料から放出された電子を偏向させることなく、試料に到達する電子ビームを選択的に偏向することが可能となる。

　次に、上記動作を実行したときの一次電子の軌道と二次電子の軌道を説明する。偏向収差補正器３０１を通過した一次電子５１はイメージシフト用予備偏向器２５で予備偏向される。予備偏向された一次電子は対物レンズの軸外に突入し、レンズ界中の同位置（対物レンズの漏洩磁場内）に設置された磁場型偏向器２３及び静電型偏向器２４によって偏向され試料に垂直にランディングする。それぞれの偏向器の偏向強度Ｂ１及びＥ１は二次電子が直進する比率に設定されているため、一次電子にはイメージシフトに必要な偏向角を与えた状態で、試料から放出された信号電子が同偏向器２３、２４の位置を通過しても偏向作用を受けることなく検出器１０で検出できる。

　磁場型偏向器２３のみで偏向した場合の二次電子軌道を５２に示す。試料から放出された二次電子は偏向器２３の偏向作用を受けて点線５２の軌道を通り加速管１１に衝突するため、検出不能となる。

　図７に加速管１１を二分割（１１，１３）したものを示す。第一の実施例で述べたように理論では加速管の電圧は高い方がより大きな効果を得ることができるが、加速管１１に高い正の電圧を印加するとステージ１４に設置された試料表面の電界強度が上がるため、絶縁破壊や試料のチャージアップが発生する可能性がある。そこで加速管を１１、１３のように二分割し試料表面の電界強度を加速管１１、一次電子５１の光路の加速を１３で行う事で絶縁破壊やチャージアップを抑制する。

　なお、加速管１１に高い電圧を印加すると、加速管１１と加速管１３との間に大きな電位差が発生し、静電レンズ３１が形成される。電子顕微鏡にて高分解能化を実現するためには、試料表面と対物レンズ１２のレンズ主面３２を極力近接する必要があるが、加速管１１と１３の電位差によって静電レンズ３１が発生すると静電レンズ３１のレンズ作用により、静電レンズ３１と磁場レンズ３２の合成レンズが形成され、レンズ主面が試料から離れてしまう。分解能低下を抑制するためには、対物レンズ主面３２と静電レンズ３１の主面を一致させればよいが、加速管１１の漏れ電界の影響を小さくするために加速管１３を非常に小さく作る必要がある等、設計上の理由で実現が難しい。そこで、分解能の高い画像を取得したい場合には加速管１１と１３に同じ電圧を印加し、大きな視野移動（イメージシフト）を実行したい場合には加速管１３に、加速管１１に対して相対的に高い電圧を印加するように制御することで、レンズ主面を試料に近接することによる高分解能化と、イメージシフト時のビームの離軸量抑制による分解能低下抑制の両立を実現する。

　同様に加速管１３´、１３´´の電位を高くするとそれぞれの区間での偏向器及びレンズの収差を低減する事が出来るが、加速管１１と加速管１３´、１３´´との間に電位差があると、電位差の発生した空間でレンズ作用が発生し、分解能が低下する。そこで、イメージシフトを行わない状態で、分解能の高い画像を取得したい場合にはすべての加速管に同じ電圧を印加し、大きな視野移動を行いたい場合には偏向によって離軸が発生している区間（加速管１１、１３、１３´内部）の電位を高くするような制御を行うことが望ましい。

　第五の実施例として図１に示す光学系を用いて高速多点計測を実行する場合のフローチャートを図６に示す。ステップ００１で計測するデバイスの設計データから計測点の情報を読み込む。ステップ００２で計測に必要なイメージシフト範囲を決定する。

　光学モード決定部３０１ではユーザー若しくはＳ００１で読み込まれた設計データにある計測点密度にから必要なイメージシフト範囲を決定する。ステップ００２で決定されたイメージシフト範囲から加速管１１（１３、１３´、１３´´）及びフォーカス調整用レンズ０９の電圧及び電流を求め、求めた値を光学要素制御部３００に渡し、それぞれのレンズの電流値及び電圧値を設定する。なお、図１等の光学要素制御部３００には、図示しない入力装置が備えられており、計測モードの選択や、イメージシフト範囲、測定対象のアドレス等の入力が可能となっている。次に、ステップ００３で読み込んだ計測点のデータから計測点にステージ移動する。ステップ００４でイメージシフト量を０に設定し、フォーカス及びスティグマ調整を行い、数千倍の低倍率画像を取得する。この時のフォーカス、スティグマ量をフォーカス、スティグマ記録部３０２に記録する。記録したフォーカス値と設定している光学条件値よりウェハの高さを推定する。

　ステップ００５で計測位置演算部３０３で取得した低倍画像と設計データを照合し現在の視野位置から各計測点までの距離を算出する。ステップ００６で、イメージシフト条件演算部３０４で試料高さによって変動するイメージシフト倍率やイメージシフト方向の回転角度を求め、ステップ００６で算出した距離をイメージシフトするための収差補正部２０１の光学条件及びイメージシフト用偏向器２３、２４の条件を設定する。ここで、イメージシフト条件演算部ではシミュレーション若しくは実験で求められた収差補正条件とイメージシフト用偏向器の設定条件が関数化されており、この関数を用いて所望のイメージシフト量を与える光学要素の設定電流及び電圧を決める。

　ステップ００７ではフォーカススティグマ補正量演算部３０５で所望のイメージシフトを行った際に発生するフォーカス調整量及びスティグマ調整量を演算し、フォーカス、スティグマ記録部３０２に保存された値に足し合わせる事でフォーカス及びスティグマ量を調整する。ステップ００８では画像ひずみ補正部で所望のイメージシフト量で発生する画像ひずみ（縦倍率、横倍率、回転角、直交度）を演算し、スキャンコイル２７への入力信号にフィードバックをかける事で画像ひずみを補正する。

　ステップ００９で計測点の画像を取得する。ステップ０１０でイメージシフト可能範囲に未計測の計測点がないか確認する。イメージシフト可能範囲に未計測の計測点がある場合はステップ００６に戻る。未計測の計測点がない場合はステップ０１１に進む。ステップ０１１ではウェハ内に未計測の計測点がないか確認する。未計測の計測点がある場合にはステップ００２に戻りステージ移動する。未計測の計測点がない場合にはステップ０１２に進み計測を終了する。

　以上の手順を用いれば駆動するイメージシフトの範囲（距離）に応じて加速管１１の設定電圧を変更する事で高い分解能と広いイメージシフトを両立する事が出来る。また、ステージ移動後に計測点までの距離を求めるための画像取得時（ステップ００４）のフォーカス電流値から試料高さを算出し、イメージシフト倍率や回転方向及び歪収差による３次の位置ずれ量を求めイメージシフト条件にフィードバックを行う事でイメージシフトの位置精度上げる事が出来る。その結果、正確に計測点への視野移動が実行できる。

　上記実施例によれば、数百ミクロンのイメージシフトを実行しても分解能が劣化や二次電子収量及びランディング角度の変動が少ない画像を取得できるため、高速、高精度な多点計測を実行できる。

　高精度な高速多点計測を行うためには、偏向色収差・偏向幾何収差の同時補正、画像取得までの待ち時間を一定に保つフォーカス補正、偏向器の高調波成分による収差を低減する視野移動時の離軸量の抑制、二次電子軌道の変動の抑制を併せて行うことが望ましい。

　図８は、視野移動用偏向器を備えた走査電子顕微鏡の一例を示す図である。図８に例示する走査電子顕微鏡には、２つの回転対称レンズ０７、０８、第１収差補正用偏向器２１、及び第２収差補正用偏向器２２を含む収差補正ユニット３０１が備えられている。これによって視野移動時に発生する偏向色収差を補正する。また、磁界型偏向器２３と静電型偏向器２４から構成される視野移動用偏向器、当該視野移動用偏向器と視野移動時の仮想偏向支点２０４の間に配置され、所定の電圧もしくは電流が印加されるフォーカス調整用レンズ０９が備えられている。視野移動量に応じてフォーカス調整用レンズ０９に印加する電圧もしくは電流を制御することで、収差補正ユニット内の一次電子軌道の変動を抑制し収差の補正条件を成立させながらフォーカス調整を行う。

　以下、第六の実施例として、図８に示す光学系において画像取得までの待ち時間を一定に保ちながら高速高精度に垂直ランディングを維持した視野移動を行うため、視野移動用偏向器２３の偏向感度（単位電流あたりの像移動量）を一定に保つ制御と大きく視野移動した際に顕在化する対物レンズ１２の偏向幾何収差の補正を同時に行う制御について説明する。

　本光学系の動作を以下に示す。視野移動用偏向器によって視野移動を行う際に対物レンズ１２の像面湾曲収差によってフォーカスずれが発生するため、いずれかのレンズを用いてフォーカスを合わせる必要がある。視野移動用偏向器２３よりも電子源０１側のレンズを用いてフォーカスを合わせると対物レンズ物点位置が変化するため、視野移動量ごとに視野移動用偏向器２３の偏向感度が変化する。視野移動用偏向器２３の偏向感度が変化すると、偏向器に印加された電流の緩和時間は一定であるため画像が取得可能になるまでの時間が変化し、任意の視野移動量、移動方向において視野移動後に画像取得が可能になるまでの所要時間を一定に保つことができず、スループットが低下する。従って視野移動用偏向器２３よりも試料１４側にあるレンズでフォーカスを合わせなければならない。対物レンズ１２によってフォーカスを合わせた場合、対物レンズ物点位置は変化しないが対物レンズの電流量が変化することによって発熱やヒステリシスの影響による視野移動精度が低下する場合がある。そこでフォーカ調整用レンズ０９によって視野移動時のフォーカスを調整する。フォーカス調整用レンズ０９に発熱やヒステリシスの影響が少ない電磁レンズ、もしくは静電レンズを用いることで視野移動用偏向器２３の偏向感度を一定に維持しながらレンズの発熱やヒステリシスによる視野移動精度の低下を抑制できる。またフォーカス調整用レンズ０９と偏向収差補正器３０１を併用する場合、偏向収差補正器３０１よりも試料側にフォーカス調整用レンズ０９を配置することで、偏向収差補正器３０１への入射条件を変えずにフォーカス調整が可能である。

　また垂直ランディングを維持しながら大きく視野移動を行った場合、対物レンズの偏向幾何収差(偏向歪み収差・偏向コマ収差など)が顕在化し視野移動精度が悪化する。そこで垂直ランディング時の偏向軌道５１が視野移動時の仮想偏向支点２０４を通る光軸５０と垂直な面を対称面４０１として反対称となるよう視野移動用偏向器２３を制御する。この制御によって、異方的な偏向幾何収差(偏向歪み収差・偏向コマ収差など)の発生方向はフォーカス調整用レンズ０９と対物レンズ１２で逆になり打ち消しあう。フォーカス調整用レンズ０９と対物レンズ１２で発生する偏向幾何収差の大きさは各レンズ強度や垂直ランディング時の偏向軌道５１が各レンズを通過する位置によって異なるが、偏向幾何収差の発生方向は偏向軌道５１の対称性により決まるため対称面４０１の前後で必ず逆になる。従って本光学系の配置により視野移動時の偏向幾何収差の補正もしくは低減が可能となる。

　以上の制御により、画像取得までの待ち時間を一定に保ちながら高速高精度に垂直ランディングを維持した視野移動を行うことが可能になる。

　第七の実施例の光学系を図９に示す。本光学系では視野移動用偏向器２３と視野移動時の仮想偏向支点２０４の間にフォーカス調整用レンズ０９を備え、また視野移動用偏向器２３と対物レンズ１２の間に加速管１１を備える。本実施例ではフォーカス調整用レンズ０９と加速管１１を併用し、対物レンズ１２の偏向幾何収差と視野移動用偏向器２３の高調波成分による収差を同時に補正もしくは低減する方法ついて説明する。

　以下本光学系の動作について述べる。まず対物レンズ１２の偏向幾何収差は先の実施例１で述べたように、垂直ランディング時の偏向軌道５１が対称面４０１に対して反対称になるように視野移動用偏向器２３を制御することで補正もしくは低減が可能である。一方、視野移動用偏向器２３の高調波成分による収差はレンズによる補正が困難であるため、収差を発生させないように制御する必要がある。そこで、加速管１１に正の電圧を印加する。この場合、一次電子は視野移動用偏向器２３から加速管１１に入射する際に加速されるため、偏向軌道５４の傾きが加速管１１をＯＦＦにしたときの軌道５１に比べて小さくなる。その結果、視野移動用偏向器２３の位置における一次電子の離軸が低減され、高調波成分による収差の発生を抑制できる。加速管１１に入射した後の軌道は加速管１１をOFFにした場合の軌道５１と一致するように加速管１１および視野移動用偏向器２３を制御すれば対称面４０１に対する偏向軌道の対称性は維持できるため、この制御によって対物レンズ１２の偏向幾何収差の補正・低減には影響を及ぼさずに視野移動用偏向器２３の収差の低減を行うことが可能である。

　またフォーカス調整用レンズ０９と加速管との併用は、加速管の配置が前述の場合と異なる場合にも可能である。図１０に加速管１３、１３’が電子源から視野移動用偏向器２３までの間に配置された光学系を示す。加速管１３、１３’に正の電圧を印加すれば各区間にあるレンズや偏向器で発生する収差を低減できる。このときフォーカス調整用レンズ０９および対物レンズ１２に入射する一次電子のエネルギーが加速管をＯＦＦにした場合に比べて高くなるが、フォーカス調整用レンズ０９および対物レンズ１２に印加する電圧または電流量を適切に制御することで垂直ランディング時の偏向軌道５１を不変に保もつことが可能である。従って対物レンズ１２の偏向幾何収差補正に影響を与えることなく、フォーカス調整用レンズ０９と加速管１１、１３、１３’の併用が可能である。

１：電子源、２：第一陽極、３：第二陽極、４：第一コンデンサレンズ、５：対物絞り、６：第二コンデンサレンズ、7：第一収差補正レンズ、８：第二収差補正レンズ、９：フォーカス調整用レンズ、１０：検出器、１１：加速管、１２：対物レンズ、１３：ブースタ電極、１４：ステージ、１５：リターディング電圧印加部、２１：第一収差補正用偏向器、２２：第二収差補正用偏向器、２３：イメージシフト用磁場型偏向器、２４：イメージシフト用静電偏向器、２５：イメージシフト用予備偏向器、２７：スキャンコイル、４１：陰影若しくは４方向検出器１、４２：陰影若しくは４方向検出器２、５０：光軸、５１：一次電子、５２：加速管に電圧を印加しない場合の信号電子軌道、５３：加速管に電圧を印加した場合の信号電子軌道

Claims

　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームを偏向する視野移動用偏向器を備えた荷電粒子線装置において、
　前記視野移動用偏向器と前記対物レンズとの間に配置される加速管と、当該加速管に電圧を印加する電源と、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて、前記電源に印加する電圧を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記加速管は、前記荷電粒子ビームの理想光軸方向において、前記対物レンズの前側焦点位置と同じ高さに配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記制御装置は、前記視野移動用偏向器による視野移動を行わない、或いは所定値以下のイメージシフトを行う第１の光学モードと、前記視野移動用偏向器による視野移動を行う第２の光学モードとを備え、第２の光学モードが選択されたときに、第１の光学モードが選択されたときと比較して、前記加速管に大きな正の電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記加速管は、少なくとも前記荷電粒子源側に配置される第１電極と、前記試料側に配置される第２電極から構成され、前記制御装置は、前記第１電極に印加する電圧を、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて制御することを特徴とする荷電粒子線装。
　請求項４において、
　前記第２電極には、正の電圧が印加されることを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項５において、
　前記制御装置は、前記視野移動用偏向器による視野移動を行わない、或いは所定値以下のイメージシフトを行う第１の光学モードと、前記視野移動用偏向器による視野移動を行う第２の光学モードとを備え、前記第１の光学モードが選択されたときには、前記第１電極と前記第２電極に同じ正の電圧を印加することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記荷電粒子源と前記加速管との間に、前記荷電粒子ビームのフォーカスを調整するフォーカス調整用レンズを備え、前記制御装置は前記加速管に印加される電圧の変動、及び前記対物レンズの焦点距離の変動の少なくとも１つに応じて、前記フォーカス調整用レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項７において、
　前記制御装置は、前記対物レンズの物点位置を固定するように、前記フォーカス調整用レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１において、
　前記視野移動用偏向器は、磁場型偏向器と静電型偏向器から構成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項９において、
　前記制御装置は、前記試料から放出された電子を所定の方向に導く条件で、前記荷電粒子ビームの視野移動を行うように、前記磁場型偏向器と静電型偏向器の偏向比率を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項９において、
　前記前記磁場型偏向器と前記静電型偏向器は、前記対物レンズの漏洩磁場内に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
　荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームを偏向する視野移動用偏向器を備えた荷電粒子線装置において、
　前記対物レンズの物点位置よりも試料側に配置されるフォーカス調整用レンズと当該フォーカス調整用レンズに電圧もしくは電流を印加する電源と、前記視野移動偏向器による偏向条件に応じて、前記電源に印加する電圧もしくは電流を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１２において、
　前記フォーカス調整用レンズは、前記荷電粒子ビームの理想光軸方向において、前記視野移動用偏向器と視野移動時の仮想偏向支点の間に配置されることを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１２において、
　前記制御装置は、前記対物レンズの物点位置を固定するように、前記フォーカス調整用レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１２において、
　前記荷電粒子源と前記対物レンズとの間に、前記荷電粒子ビームを加速する加速管と、当該加速管に電圧を印加する電源を備え、前記制御装置は前記加速管に印加される電圧の変動、及び前記対物レンズの焦点距離の変動の少なくとも１つに応じて、前記フォーカス調整用レンズを制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１２において、
　前記視野移動用偏向器は、磁場型偏向器と静電型偏向器から構成されることを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１６において、
　前記制御装置は、前記試料から放出された電子を所定の方向に導く条件で、前記荷電粒子ビームの視野移動を行うように、前記磁場型偏向器と静電型偏向器の偏向比率を調整することを特徴とする荷電粒子線装置。
　請求項１６において、
　前記前記磁場型偏向器と前記静電型偏向器は、前記対物レンズの漏洩磁場内に配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。