特許 6971090 荷電粒子線装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6971090

(24)【登録日】2021年11月4日

(45)【発行日】2021年11月24日

(54)【発明の名称】荷電粒子線装置

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/147 20060101AFI20211111BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20211111BHJP

【ＦＩ】

   H01J37/147 B

   H01J37/28

【請求項の数】15

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-165432(P2017-165432)

(22)【出願日】2017年8月30日

(65)【公開番号】特開2019-46567(P2019-46567A)

(43)【公開日】2019年3月22日

【審査請求日】2019年12月2日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】備前 香織

(72)【発明者】

【氏名】早田 康成

(72)【発明者】

【氏名】榊原 慎

(72)【発明者】

【氏名】太田 洋也

(72)【発明者】

【氏名】谷本 憲史

(72)【発明者】

【氏名】安部 悠介

【審査官】 鳥居 祐樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−２３４７５４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｊ ３７／１４７

Ｈ０１Ｊ ３７／２６−３７／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
試料を載置する試料台と、
前記荷電粒子線を収束させて前記試料に照射するコンデンサレンズと対物レンズと、
前記荷電粒子線を偏向させる複数のイメージシフト偏向器と、
第１制御パラメータ及び第２制御パラメータを用いて、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する制御部とを有し、
前記第１制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記対物レンズの対物レンズ中心を通り前記試料の所定の位置に入射する第１の光軸に設定するパラメータであり、前記第２制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記第１の光軸から、前記第１の光軸とは異なる所定の入射角で前記試料の前記所定の位置に入射する第２の光軸に設定するよう前記第１制御パラメータを変換するパラメータであり、
前記第２制御パラメータは、固定値である、または前記対物レンズの励磁強度あるいは前記荷電粒子線の物点位置に基づく補正関数より算出される荷電粒子線装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで荷電粒子光学系を構成し、
前記第１制御パラメータにより、前記荷電粒子線の光軸が前記対物レンズの主面と前記荷電粒子光学系の中心軸との交点を通るよう設定される荷電粒子線装置。

【請求項3】

請求項２において、
前記第２の光軸は、前記荷電粒子線の光軸が前記荷電粒子光学系の中心軸に平行に前記試料に入射するよう設定される荷電粒子線装置。

【請求項4】

請求項２において、
前記第２制御パラメータは、前記荷電粒子光学系に設定される複数の光学条件について求めた、前記荷電粒子線の光軸を前記第１の光軸に設定する前記複数のイメージシフト偏向器の制御量と前記荷電粒子線の光軸を前記第２の光軸に設定するための前記複数のイメージシフト偏向器の制御量との差分の代表値として与えられ、
前記複数の光学条件として、少なくとも前記荷電粒子線の加速電圧の異なる光学条件を含む荷電粒子線装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか一項において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで構成される荷電粒子光学系は減速法を適用しない荷電粒子線装置。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか一項において、
画像を取得するために前記荷電粒子線を２次元に走査するための複数の偏向器を有し、
前記複数のイメージシフト偏向器は、前記対物レンズと前記荷電粒子源との間に配置され、前記複数の偏向器は、前記対物レンズと前記試料台との間に配置される荷電粒子線装置。

【請求項7】

荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
試料を載置する試料台と、
前記荷電粒子線を収束させて前記試料に照射するコンデンサレンズと対物レンズと、
前記荷電粒子線を偏向させる複数のイメージシフト偏向器と、
第１制御パラメータ及び第２制御パラメータを用いて、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する制御部とを有し、
前記第１制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記対物レンズの対物レンズ中心を通り前記試料の所定の位置に入射する第１の光軸に設定するパラメータであり、前記第２制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記第１の光軸から、前記第１の光軸とは異なる所定の入射角で前記試料の前記所定の位置に入射する第２の光軸に設定するよう前記第１制御パラメータを変換するパラメータであり、
前記第２制御パラメータは、固定値である、または前記対物レンズの励磁強度あるいは前記荷電粒子線の物点位置に基づく補正関数より算出され、
前記制御部は、前記第１制御パラメータにより設定される前記第１の光軸に対して軸調整を行って前記対物レンズの焦点距離を周期的に変動させた場合に像のシフトが生じない値に前記第１制御パラメータを更新し、更新された前記第１制御パラメータを前記第２制御パラメータにより変換した制御パラメータにより、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する荷電粒子線装置。

【請求項8】

請求項７において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで荷電粒子光学系を構成し、
前記第２の光軸は、前記荷電粒子線の光軸が前記荷電粒子光学系の中心軸に平行に前記試料に入射するよう設定される荷電粒子線装置。

【請求項9】

請求項７または８のいずれかにおいて、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで構成される荷電粒子光学系は減速法を適用しない荷電粒子線装置。

【請求項10】

荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、
試料を載置する試料台と、
前記荷電粒子線を収束させて前記試料に照射するコンデンサレンズと対物レンズと、
前記荷電粒子線を偏向させる複数のイメージシフト偏向器と、
第１制御パラメータ及び第２制御パラメータを用いて、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する制御部とを有し、
前記第１制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記対物レンズの対物レンズ中心を通り前記試料の所定の位置に入射する第１の光軸に設定するパラメータであり、前記第２制御パラメータは、前記荷電粒子線の光軸を前記第１の光軸から、前記第１の光軸とは異なる所定の入射角で前記試料の前記所定の位置に入射する第２の光軸に設定するよう前記第１制御パラメータを変換するパラメータであり、
前記第２制御パラメータは、固定値である、または前記対物レンズの励磁強度あるいは前記荷電粒子線の物点位置に基づく補正関数より算出され、
前記制御部は、前記第１制御パラメータにより設定される前記第１の光軸に対して焦点補正を行い、前記焦点補正後の前記対物レンズの励磁強度を算出し、算出した前記対物レンズの励磁強度及び前記対物レンズの励磁強度と前記第２の光軸の視野移動量との関係式に基づき前記焦点補正に伴う前記第２の光軸の視野移動量を算出し、前記視野移動量を相殺するように前記第１の光軸における前記荷電粒子線の前記試料への入射位置が補正された前記第１制御パラメータを前記第２制御パラメータにより変換した制御パラメータにより、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する荷電粒子線装置。

【請求項11】

請求項１０において、
前記複数のイメージシフト偏向器の偏向量に対応した前記視野移動量の補正係数を格納する記憶部を有し、
前記制御部は、前記対物レンズの励磁強度及び前記関係式に基づき算出された視野移動量を前記補正係数に基づき補正し、補正された前記視野移動量を相殺するように前記第１の光軸における前記荷電粒子線の前記試料への入射位置が補正された前記第１制御パラメータを前記第２制御パラメータにより変換した制御パラメータにより、前記複数のイメージシフト偏向器による前記荷電粒子線の偏向を制御する荷電粒子線装置。

【請求項12】

請求項１０において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで荷電粒子光学系を構成し、
前記第１制御パラメータにより、前記荷電粒子線の光軸が前記対物レンズの主面と前記荷電粒子光学系の中心軸との交点を通るよう設定される荷電粒子線装置。

【請求項13】

請求項１０において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで荷電粒子光学系を構成し、
前記第２の光軸は、前記荷電粒子線の光軸が前記荷電粒子光学系の中心軸に平行に前記試料に入射するよう設定される荷電粒子線装置。

【請求項14】

請求項１０〜１３のいずれか一項において、
前記荷電粒子源、前記コンデンサレンズ、前記対物レンズ及び前記複数のイメージシフト偏向器を含んで構成される荷電粒子光学系は減速法を適用しない荷電粒子線装置。

【請求項15】

請求項１、請求項７または請求項１０のいずれか一項において、
前記対物レンズの磁路の開口が光軸方向に向いている荷電粒子線装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料の微細パターンの寸法を計測する荷電粒子線装置に関するものであり、特に一次荷電粒子線の傾斜を制御するための機構および制御方法を搭載した荷電粒子線装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

荷電粒子線装置の一つである走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）は、電子源から放出された一次電子を加速し、静電または電磁レンズによって収束させて試料表面上に照射する。一次電子の照射によって試料からは二次電子（低エネルギー電子を「真の」二次電子、高エネルギーの電子を反射電子と分けて呼ぶ場合がある）が放出される。二次電子の発生量は、試料パターンのエッジ部分で大きくなるため、一次電子を電磁気的な偏向によって試料表面上で走査させ、各照射点から放出される二次電子を検出すると、試料の形状や組成分布を反映した電子顕微鏡画像（ＳＥＭ画像）が得られる。また、試料に吸収される電子を検出することで、吸収電流像を形成することも可能である。このようなＳＥＭは、一次電子を小さく収束させることにより微細なパターンを観察できるため、半導体製造プロセスにおける微細回路パターンの寸法計測に用いられている。

【0003】

ＳＥＭにおいては、通常、偏向を行わない場合の一次電子の試料に対する入射角はほぼ垂直である。一方、偏向させた場合は、一次電子の軌道が変わり入射角が変化する。入射角が異なれば、同一の試料パターンの画像を取得してもパターンの見え方が変化し、測長値も変化する。

【0004】

近年、半導体回路パターンの寸法計測では３次元構造の底部寸法計測のニーズが拡大している。特に、アスペクト比が５０近い深溝や深穴の底部の観察あるいは寸法計測が求められている。また、深溝や深穴の上面の中心と底面の中心位置のずれを計測するニーズもある。このような高アスペクト形状の計測においては一次電子の入射角が測長値に大きな影響を与える。このため、深溝や深穴に代表される３次元構造の高精度計測を実現するためには、一次電子を偏向させた場合でも一次電子を試料に対して垂直に入射する必要がある。

【0005】

この問題に対し、偏向領域内で入射角を等しくする方法が特許文献１に、また、補正項を用い入射角を制御する方法が特許文献２に開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００７−１８７５３８号公報

【特許文献2】特開２０１２−２３４７５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１では、入射角計測用の特殊なピラミットパターンを用いて入射角を計測し、光学条件毎に入射角度変化を抑制するための偏向器の制御テーブルを作成することにより、偏向に伴う入射角度変化を抑制している。光学条件ごとに調整値を持たなければならないことに加え、光学条件ごとにピラミッドパターンを用いて入射角を計測するために要する作業時間も大きい。特許文献２では、焦点位置を変えて、同じマークの画像を複数取得し、マークの位置ずれ量と補正係数に基づき、一次電子を試料に垂直に入射させる。補正係数は光学条件ごとに補正テーブルとして保持されている。このため、偏向器の制御テーブルの他に光学条件ごとの補正テーブルを作成する必要があり、制御が複雑になる。

【0008】

荷電粒子ビームの光軸は装置内外の環境により変化するものであり、入射角度の調整は定期的に行う必要がある。このため、一次電子の偏向による入射角の変化を簡便に調整できることが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施形態としての荷電粒子線装置は、荷電粒子線を生成する荷電粒子源と、試料を載置する試料台と、荷電粒子線を収束させて試料に照射するコンデンサレンズと対物レンズと、荷電粒子線を偏向させる複数のイメージシフト偏向器と、第１制御パラメータ及び第２制御パラメータを用いて、複数のイメージシフト偏向器による荷電粒子線の偏向を制御する制御部とを有し、第１制御パラメータは、荷電粒子線の光軸を対物レンズの対物レンズ中心を通り試料の所定の位置に入射する第１の光軸に設定するパラメータであり、第２制御パラメータは、荷電粒子線の光軸を第１の光軸から、第１の光軸とは異なる所定の入射角で試料の所定の位置に入射する第２の光軸に設定するよう第１制御パラメータを変換するパラメータであり、第２制御パラメータは、固定値である、または対物レンズの励磁強度あるいは荷電粒子線の物点位置に基づく補正関数より算出される。

【0010】

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

【発明の効果】

【0011】

一次電子の偏向による入射角の変化を簡便に調整できる荷電粒子線装置を提供する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施例１に係る走査電子顕微鏡の全体構成図である。

【図2A】イメージシフト偏向による一次電子の軌道（対物レンズ中心軸）を示す図である。

【図2B】イメージシフト偏向による一次電子の軌道（垂直入射軸）を示す図である。

【図3】対物レンズ中心軸と垂直入射軸のイメージシフト偏向器の制御量の違いを示す図である。

【図4】代表値を用いたイメージシフト偏向器の制御で得られる入射角を説明する図である。

【図5】代表値を用いて垂直入射軸に設定する調整シーケンスを示す図である。

【図6】実施例２に係る走査電子顕微鏡の全体構成図である。

【図7A】強度比の差分の対物励磁依存性を説明する図である。

【図7B】偏向方向の相対回転角の差分の対物励磁依存性を説明する図である。

【図8】補正関数を用いて垂直入射軸に設定する調整シーケンスを示す図である。

【図9】視野移動の無い焦点補正を実現する調整シーケンスを示す図である。

【図10】走査電子顕微鏡の光学系の構成を示す図である。

【図11】対物レンズの構成を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下に、本発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では荷電粒子線として電子を用いた場合について説明するが、荷電粒子線をイオンとしても同様の効果を得ることができる。

【実施例1】

【0014】

図１は、実施例１に係る走査電子顕微鏡の全体構成図である。電子源１０１から取り出された一次電子１０２はコンデンサレンズ１１４により収束され、上段イメージシフト偏向器１０３、上段偏向器１０４、下段イメージシフト偏向器１０５、下段偏向器１０６で偏向されたのち、対物レンズコイル１２０と対物レンズ磁路１２１とで構成される対物レンズ１０７により縮小され、試料１０８に照射される。一次電子１０２の試料１０８への照射に起因して発生する二次電子１０９は検出器１１０で検出される。試料１０８は試料台１１１の上に保持されており、試料台１１１は電子光学系の中心軸に対して水平方向および垂直方向に移動が可能である。また、電子源１０１、コンデンサレンズ１１４、上段イメージシフト偏向器１０３、上段偏向器１０４、下段イメージシフト偏向器１０５、下段偏向器１０６、検出器１１０、対物レンズ１０７、試料台１１１の動作は制御部１１２により制御される。記憶部１１３はこれらの走査電子顕微鏡の各構成要素を制御するためのパラメータを保持しており、制御部１１２は記憶部１１３に保持されているパラメータを読みだして制御を行う。

【0015】

試料１０８上の観察領域に対して、一次電子１０２を２次元に走査させることにより画像を取得する。このような２次元の走査は上段偏向器１０４および下段偏向器１０６によって行う。一方、±１０μｍ程度の視野の移動は上段イメージシフト偏向器１０３および下段イメージシフト偏向器１０５で行う。視野の移動は試料台１１１の移動でも行うことができるが、機械的な動作であるため高速に移動することは難しく、移動精度も低い。上段イメージシフト偏向器１０３および下段イメージシフト偏向器１０５によるイメージシフトは、広範囲の移動はできないが、±１０μｍ程度であれば試料台１１１よりも高速かつ高精度に視野を移動することができる。

【0016】

図２Ａに通常のイメージシフト偏向による一次電子の軌道２０２（以下、「対物レンズ中心軸」という）を示す。上段イメージシフト偏向器１０３および下段イメージシフト偏向器１０５で偏向された一次電子は対物レンズ中心２０１を通過して試料１０８の視野中心２０６に入射する。視野中心２０６は電子光学系の中心軸２０５と試料１０８の交点とは異なる位置にある。ここで、「対物レンズ中心」とは、対物レンズ１０７の主面と電子光学系の中心軸２０５との交点をいう。一次電子は、中心軸２０５に対して角度をもって対物レンズ中心２０１に入射されるため、イメージシフト偏向器による偏向量に応じて試料１０８への入射角が変化する。このため、アスペクト比の高い深孔や深溝に対する観察や計測等においては、この入射角の変化が無視できない。

【0017】

図２Ｂに垂直入射イメージシフト偏向による一次電子の軌道２０３（以下、「垂直入射軸」という）を示す。垂直入射軸２０３では試料１０８表面に対して垂直に入射するため、アスペクト比の高い深孔や深溝に対する観察や計測等に適している。垂直入射軸２０３は、対物レンズ中心２０１の外側を通すことで、上段イメージシフト偏向器１０３、下段イメージシフト偏向器１０５、対物レンズ１０７の偏向作用により、垂直入射を実現する。なお、対物レンズ１０７は磁場レンズであり一次電子１０２に回転作用を及ぼすため、偏向強度のみならず、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５における偏向方向も適切な値に変更する必要がある。

【0018】

発明者らは図２Ｂに示す垂直入射イメージシフト偏向を実現する制御方法について鋭意検討の結果、試料１０８に対して減速法が適用されていない、例えば負極性のリターディング電圧が実質的に印加されないという条件下において、対物レンズ中心軸２０２（図２Ａ）から垂直入射軸２０３（図２Ｂ）に移行するために加えるイメージシフト偏向器の制御量が、加速電圧に代表されるような光学条件の変更に対してわずかな違いしか生じないことを見出した。このことは、垂直入射イメージシフト偏向を、大幅に簡素化された制御により実現できることを意味する。

【0019】

減速法を適用する場合、例えばリターディング法では試料１０８に対して負極性のリターディング電圧を印加することにより、一次電子を対物レンズ１０７付近で減速させる。この場合、対物レンズ１０７は対物レンズコイル１２０と対物レンズ磁路１２１により形成される磁界とリターディング電圧によって形成される静電界とが重畳された電磁界重畳レンズとして作用する。このため、主要な光学条件の一つである加速電圧が変われば、静電界の大きさも変わり、その結果、対物レンズ１０７のレンズ主面の位置が移動する。このため、減速法が適用される電子光学系では本実施例によるイメージシフト偏向器の制御を適用することは原則できない。

【0020】

図３に、同じ視野中心２０６に対してそれぞれ異なった加速電圧により、対物レンズ中心軸２０２と垂直入射軸２０３に設定し、そのときのイメージシフト偏向器の制御量の差分を表３０１として示す。本実施例の走査電子顕微鏡では、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比および偏向方向の相対回転角により、対物レンズ１０７に入射する一次電子の偏向量が制御できる。表３０１は、対物レンズ中心軸２０２に設定するイメージシフト偏向器の制御量と垂直入射軸２０３に設定するイメージシフト偏向器の制御量の差分を、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比と偏向方向の相対回転角との、２つのパラメータについての差分として表示している。

【0021】

表３０１からは、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５間の強度比と偏向方向の相対回転角について、対物レンズ中心軸と垂直入射軸との差分は、加速電圧を変えてもほとんど変化していないことが分かる。これは、一旦、対物レンズ中心軸に設定するようイメージシフト偏向器を制御すれば、この後、加速電圧がどうであれ、図３に示した差分の代表値に基づきイメージシフト偏向器を制御することにより、対物レンズ中心軸から垂直入射軸に移行させることができる可能性を示すものである。

【0022】

図４に差分の代表値を用いてイメージシフト偏向器を制御した場合の入射角を計算した結果を表４０１として示す。図３と図４とは同じ条件でのイメージシフト偏向器の制御量を示しており、カラム４０２は対物レンズ中心軸２０２に設定するイメージシフト偏向器の制御量、カラム４０３は対物レンズ中心軸２０２に設定するイメージシフト偏向器の制御量と垂直入射軸２０３に設定するイメージシフト偏向器の制御量との差分（図３）の代表値、カラム４０４は差分の代表値（カラム４０４）に基づきイメージシフト偏向器を制御したときの一次電子の軌道の入射角を示している。なお、代表値としては単純平均を用いている。

【0023】

カラム４０４に示されるように差分の代表値による制御で得られる入射角は0.01°以下となっている。アスペクト比が５０の高アスペクト形状であっても見込み角は0.57°なので、差分の代表値を用いた制御で得られる入射角は計測対象とする高アスペクト形状の見込み角に対して十分小さい値となっている。以上の知見に基づき、本実施例においては、あらかじめ対物レンズ中心軸に設定するイメージシフト偏向器の制御量と垂直入射軸に設定するイメージシフト偏向器の制御量との差分を複数の光学条件において求め、その代表値を記憶しておく。観察、計測時には、所定の光学条件においてまず、対物レンズ中心軸を与えるイメージシフト偏向器の制御量を求め、これに差分の代表値に基づく制御を加えることにより、垂直入射軸を実現する。

【0024】

具体的な制御方法を説明する。対物レンズ中心軸２０２に設定するイメージシフト偏向器の制御量は第１制御パラメータ（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）を用いて（数１）のように表せる。

【0025】

【数1】

【0026】

（数１）において、ISM1X, ISM1Yは上段イメージシフト偏向器１０３に印加する電流のＬＳＢ（Least Significant Bit）値であり、ISM2X, ISM2Yは下段イメージシフト偏向器１０５に印加する電流のＬＳＢ値である。ＬＳＢ値によりそれぞれのイメージシフト偏向器の電流量が制御される。ここで、（数１）の第１制御パラメータは、対物レンズ中心軸２０２に設定する上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５間の強度比α_０と偏向方向の相対回転角θ_０を用いて（数２）のように表せる。

【0027】

【数2】

【0028】

具体的には、強度比α_０と偏向方向の相対回転角θ_０は、所定の光学条件における図４のカラム４０２の値となる。この対物レンズ中心軸２０２に対して、差分（代表値）に基づく制御を行って垂直入射軸２０３に設定する。垂直入射軸２０３に設定するイメージシフト偏向器の制御量は第２制御パラメータ（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）を用いて（数３）のように表せる。

【0029】

【数3】

【0030】

ここで、（数３）の第２制御パラメータは、対物レンズ中心軸の場合と垂直入射軸の場合との間における、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比の差分の代表値Δαと偏向方向の相対回転角の差分の代表値Δθを用いて（数４）のように表せる。

【0031】

【数4】

【0032】

具体的には、強度比の差分の代表値Δαと偏向方向の相対回転角の差分の代表値Δθは、図４のカラム４０３の値となる。したがって、走査電子顕微鏡の記憶部１１３に格納する第２制御パラメータとしては、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比の差分の代表値Δαと偏向方向の相対回転角の差分の代表値Δθとしてもよく、あるいは（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）の値としてもよい。この場合、
ａ＝（１＋Δα）ｃｏｓΔθ
ｂ＝−（１＋Δα）ｓｉｎΔθ
ｃ＝（１＋Δα）ｓｉｎΔθ
ｄ＝（１＋Δα）ｃｏｓΔθ
となる。

【0033】

なお、（数３）は上段イメージシフト偏向器１０３に印加する電流のＬＳＢ値（ISM1XおよびISM1Y）を基準にして、下段イメージシフト偏向器１０５に印加する電流のＬＳＢ値（ISM2XおよびISM2Y）を調整することで垂直入射軸に設定する制御を示している。これに対して、下段イメージシフト偏向器１０５に印加する電流のＬＳＢ値（ISM2XおよびISM2Y）を基準にして、上段イメージシフト偏向器１０３に印加する電流のＬＳＢ値（ISM1XおよびISM1Y）を調整することも同様に可能である。

【0034】

対物レンズ中心軸に設定する第１制御パラメータは電子光学系の光学条件に依存する。しかしながら、対物レンズ中心軸の場合、試料パターンの制約が少なく、例えば、対物レンズ１０７の励磁強度のワブリングのような一般的な軸調整手法で調整できる。第２制御パラメータは光学条件に関わらず固定とすることで、短時間での測定が可能になる。

【0035】

次に、代表値を用いた垂直入射軸に設定するための調整シーケンスについて図５を用いて説明する。本調整シーケンスは予備シーケンスと本シーケンスの２段階で構成される。予備シーケンスは主に装置出荷前や顧客先での装置据え付け時に実施され、本シーケンスは装置納入後にオペレータが装置を使用する際に実施される。

【0036】

まず、予備シーケンスについて説明する。ステップ５０２では複数の光学条件、例えば複数の加速電圧、モードにおいて、対物レンズ中心軸に設定する上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比と偏向方向の相対回転角とを求める。次に、ステップ５０３では、ステップ５０２と同じ光学条件において垂直入射軸に設定する上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比と偏向方向の相対回転角とを求める。ステップ５０４ではステップ５０２およびステップ５０３で得られる上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比と偏向方向の相対回転角の差分をそれぞれの光学条件に対して計算する。ステップ５０５ではステップ５０４で得られる差分値から代表値を計算する。ここで、代表値の計算方法としては、例えば平均値や中央値を用いても良いし、他の統計処理によって得られる値を用いても良い。図４に示したように、本実施例の制御により実現される垂直入射軸の入射角は十分小さい値となっているため、代表値の計算方法の相違による入射角の相違は無視できるレベルに抑えられる。最後に、ステップ５０６ではステップ５０５で得られた代表値を第２制御パラメータとして記憶部１１３に格納する。

【0037】

次に、本シーケンスについて説明する。ステップ５１１ではオペレータが光学条件を設定する。ステップ５１２では対物レンズ中心軸における上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５間の強度比と偏向方向の相対回転角、即ち第１制御パラメータを記憶部１１３より読み込む。ステップ５１３では対物レンズ中心軸の軸調整により第１制御パラメータを更新する。例えば、ワブラ（Wobbler）によりレンズの焦点距離を周期的に変動させた場合に像のシフトが生じないように光軸を調整したときの調整値により第１制御パラメータを更新する。ステップ５１４では予備シーケンスで求めた第２制御パラメータを記憶部１１３より読み込む。ステップ５１５では先に述べた（数３）に示したように、第２制御パラメータにより第１制御パラメータを変換し、上段イメージシフト偏向器１０３および下段イメージシフト偏向器１０５に印加する電流量を算出する。

【0038】

以上のシーケンスにより垂直入射軸の制御を実現することができる。なお、予備シーケンスにて調整に用いる光学条件（ステップ５０２，５０３）は装置がもつ全ての光学条件、即ち本シーケンスにおいてオペレータが選択し得る全ての光学条件、である必要はない。例えば、予備シーケンスで代表値を求めるために実施していない加速電圧を本シーケンスでの加速電圧としても垂直入射軸が得られる。

【0039】

また、光学条件としては例示した加速電圧のみならず、モード（例えば、分解能優先モード、焦点深度優先モード）の選択なども含まれる。分解能優先モード、焦点深度優先モードなどのモードの切り替えは、具体的にはコンデンサレンズ１１４の励磁量を変化させ、一次電子１０２の物点（物面）の位置を変化させることを意味するが、モードの選択に関わりなく、本実施例の代表値制御を適用して垂直入射軸に設定することができる。

【0040】

また、代表値制御により実現される軌道は垂直入射軸に限定されるものではなく、入射角が所望の値となるような軌道を形成することも可能である。この場合の上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５の制御量を（数５）に示す。

【0041】

【数5】

【0042】

すなわち、ベクトル項（ｅ，ｆ）で表されるオフセット電流を上段イメージシフト偏向器１０３及び下段イメージシフト偏向器１０５に加算する。このように、予め計測して求めたオフセットのベクトル項（ｅ，ｆ）を第２制御パラメータとして付加することで所望の入射角をもつ軌道を実現できる。これにより、例えばエッチングでの加工において深穴および溝の側面が斜めになった場合の計測に柔軟に対応できる。

【0043】

本実施例は、加速電圧、その他の光学条件を変えることで対物レンズの主面の位置を大きく変化させてしまう電子光学系、例えば減速法を適用する電子光学系以外において適用可能である。逆に、例えば５ｋＶ以上の高加速領域かつ、試料１０８に印加する負電圧が−１００Ｖ程度の弱リターディング条件であれば、リターディング法を適用しているといっても、その変化に伴う主面の動きは小さく、適用可能であると考えられる。また、本実施例では最初に対物レンズ中心軸の調整を行うが、対物レンズ中心から軌道のずれがあったとしても実用上問題ない程度のずれであれば許容されることはいうまでもない。また、偏向器が３段以上の構成であってもよく、制御パラメータの表現も種々変更可能である。

【実施例2】

【0044】

実施例１では代表値（固定値）を用いて垂直入射軸に設定する制御について説明した。実施例２として、補正関数を用いた制御について説明する。この機能があることで更に精度良く制御できる。図６は、実施例２に係る走査電子顕微鏡の全体構成図であり、図１の構成に対して補正関数計算部６０１が追加された構成となっている。

【0045】

図３に関して、光学条件が異なっても垂直入射軸を生成するために必要な補正量にはほとんど違いが無いことを述べたが、完全には同一ではない。所定の光学条件において、対物レンズ中心軸から垂直入射軸へ移行するためのイメージシフト偏向器の制御量が対物レンズの励磁強度によってどのように変化するかを図７Ａ，図７Ｂに示す。図７Ａには上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比の差分について、図７Ｂには上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の偏向方向の相対回転角の差分について示している。これらに示される通り、上段イメージシフト偏向器１０３と下段イメージシフト偏向器１０５との間の強度比および偏向方向の相対回転角は、励磁強度に対して適切な関数で補正できることが分かる。なお、このような励磁強度の変化は、観察する試料の高さに応じて焦点位置を変化させたり、コンデンサレンズ１１４の励磁強度を制御して一次電子１０２の物点の位置を変化させたりするときに生じるものである。

【0046】

補正関数を用いて垂直入射軸に設定するための調整シーケンスについて図８を用いて説明する。図５に示した調整シーケンスとの主な違いはステップ８０５およびステップ８１４である。予備シーケンスにおけるステップ８０５ではステップ８０４で得られる差分値を用いて補正関数計算部６０１にて補正関数を導出する。補正関数は多項式や指数関数などの関数であり、装置設計者が指定する。補正関数の各係数の導出は、例えば最小二乗法で求める。ステップ８０６では、導出した補正関数を第２制御パラメータとして記憶部１１３に格納する。本シーケンスのステップ８１４では対物レンズ１０７の励磁強度と補正関数より第２制御パラメータの値を算出する。

【0047】

図８に示す予備シーケンスも、図５の場合と同様にオペレータが選択し得る全光学条件で実施する必要は無い。また、補正関数を用いるために、代表値を用いる実施例１よりもさらに垂直に近い入射角を得ることができる。

【0048】

また、ここでは対物レンズ１０７の励磁強度を変数として差分を求める補正関数を用いる例について説明したが、他のパラメータを変数とすることもできる。たとえば、一次電子１０２の物点位置を補正関数の変数としてもよい。

【実施例3】

【0049】

垂直入射軸の場合、対物レンズ１０７の励磁強度を変えると視野中心位置が動く。これは、垂直入射軸２０３の一次電子は対物レンズ１０７の対物レンズ中心２０１を通らないためである。一方、対物レンズ中心軸２０２では一次電子が対物レンズ１０７の対物レンズ中心２０１を通るため、対物レンズ１０７の励磁強度を変えても視野中心位置は動かない。このような垂直入射軸で一次電子の位置が移動する現象は、対物レンズ１０７の励磁強度を変える動作を伴うとき、例えば画像の焦点調整を実施する際に問題となる。このため、本実施例では垂直入射軸における焦点補正時には、対物レンズ中心軸の状態で焦点補正を行い、視野移動量を相殺するように一次電子の入射位置を調整した上で、垂直入射軸となるよう偏向器の制御パラメータを変更する。偏向器の制御パラメータを変えることによるビーム位置の移動量は、あらかじめ計測しておくことによりフィードバックが可能となる。

【0050】

視野移動のない焦点補正を実現するための調整シーケンスについて図９を用いて説明する。ここで、視野移動量とは対物レンズ中心軸から垂直入射軸に移行する際に生じる視野中心の移動量のことである。本調整シーケンスは予備シーケンスと本シーケンスの２段階で構成される。

【0051】

まず、予備シーケンスについて説明する。ステップ９０２では複数の光学条件、例えば複数の加速電圧、において垂直入射軸の条件で、対物レンズ１０７の励磁強度を変えて視野移動量を計測する。ステップ９０３では励磁強度と視野移動量との関係式（視野移動量＝係数×励磁電流変化量）を導出する。また、視野移動量はイメージシフト偏向器が一次電子１０２を偏向させる偏向量（視野中心位置の中心軸２０５からの離軸量）にも依存する。制御精度を高めるため、ステップ９０４において、偏向量に応じて視野移動量を補正する補正係数を導出する。ステップ９０５ではステップ９０３で得られた関係式及びステップ９０４で得られた補正係数を記憶部１１３に格納する。

【0052】

次に、本シーケンスについて説明する。ステップ９１１ではオペレータが光学条件を設定する。ステップ９１２では対物レンズ中心軸に設定し、ステップ９１３では焦点補正を実行する。ステップ９１４では焦点補正後の励磁強度を算出する。ステップ９１５ではステップ９１４で算出した励磁強度を予備シーケンスで求めた関係式に挿入して視野移動量を求める。ステップ９１６では、対物レンズ中心軸から垂直入射軸に移行することにより生じる視野移動量を相殺するよう視野移動量を補正する。このとき、視野移動量は偏向位置にも依存するので、ステップ９１６で算出した視野移動量を偏向量に応じた補正係数により補正する。ステップ９１７では垂直入射軸に設定する。具体的には、視野移動量を補正した対物レンズ中心軸に設定する第１制御パラメータに対して第２制御パラメータを適用する。以上のシーケンスにより視野移動の無い焦点補正を実現することができる。また、補正係数を用いて視野移動量を補正することにより、偏向量に応じたフィードバックが行われる。

【0053】

以上の実施例で用いられる走査電子顕微鏡の電子光学系の構成は図１や図６に示した構成例には限られない。例えば、図１および図６の構成では、視野の移動に用いるイメージシフト偏向器１０３，１０５と撮像に用いる偏向器１０４，１０６の両方が対物レンズ１０７よりも電子源１０１側に設置されていたが、偏向器の位置はこれに限定されない。図１０に示すように上段偏向器１０４と下段偏向器１０６が対物レンズ１０７と試料１０８、試料台１１１との間に設置されていてもよい。撮像に用いる偏向器１０４，１０６が対物レンズ１０７よりも電子源１０１側に設置されている構成では、対物レンズ１０７と試料１０８との間の距離を容易に短くすることができるという利点がある。一方、撮像に用いる偏向器１０４，１０６が対物レンズ１０７と試料１０８との間に設置されている場合は、視野を広く取れるという利点がある。なお、撮像に用いる偏向器は２つである必要は無く、１つでも良いし、２つ以上あっても良い。

【0054】

また、対物レンズの構成も以上の構成に限定されるものではない。例えば、図１１に示す対物レンズは、対物レンズ磁路１１０３と対物レンズコイル１１０２を有する電磁レンズと電極１１０１とにより試料１１０６上に電子ビームを結像する。図１１の対物レンズでは、電磁レンズの磁路の開口は光軸方向に向いており、図１でのセミインレンズ方式とは異なってアウトレンズ方式となる。このような対物レンズにおいても本発明の適用は可能である。特に、アウトレンズ方式の対物レンズは、試料の高さ変動に対してレンズ主面の移動が実質的に無視できることにある。このことは、実施例１〜３の実施にあたり、試料の高さ変化に対するロバスト性を増大させることに寄与する。さらに、図１１の構成では、２段の偏向器（上段イメージシフト偏向器１１０４及び下段イメージシフト偏向器１１０５）は対物レンズの磁路開口を挟んで試料１１０６の反対側に位置している。この場合、２つの偏向器１１０４，１１０５に実施例１〜３の制御を適用することで、垂直入射軸に設定する偏向が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１０１・・・電子源、１０２・・・一次電子、１０３・・・上段イメージシフト偏向器、１０４・・・上段偏向器、１０５・・・下段イメージシフト偏向器、１０６・・・下段偏向器、１０７・・・対物レンズ、１２０・・・対物レンズコイル、１２１・・・対物レンズ磁路、１０８・・・試料、１０９・・・二次電子、１１０・・・検出器、１１１・・・試料台、１１２・・・制御部、１１３・・・記憶部、１１４・・・コンデンサレンズ、２０１・・・対物レンズ中心、６０１・・・補正関数計算部、１１０１・・・電極、１１０２・・・対物レンズコイル、１１０３・・・対物レンズ磁路、１１０４・・・上段イメージシフト偏向器、１１０５・・・下段イメージシフト偏向器、１１０６・・・試料。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】