特許 7547227 マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法

(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】

(24)【登録日】2024-08-30

(45)【発行日】2024-09-09

(54)【発明の名称】マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法

(51)【国際特許分類】

   H01J 37/153 20060101AFI20240902BHJP

   H01J 37/29 20060101ALI20240902BHJP

   H01J 37/28 20060101ALI20240902BHJP

   H01J 37/244 20060101ALI20240902BHJP

   H01J 37/141 20060101ALI20240902BHJP

【ＦＩ】

H01J37/153 B

H01J37/29

H01J37/28 B

H01J37/244

H01J37/141 Z

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021008258

(22)【出願日】2021-01-21

(65)【公開番号】P2022112409

(43)【公開日】2022-08-02

【審査請求日】2023-12-05

(73)【特許権者】

【識別番号】504162958

【氏名又は名称】株式会社ニューフレアテクノロジー

(74)【代理人】

【識別番号】100119035

【弁理士】

【氏名又は名称】池上 徹真

(74)【代理人】

【識別番号】100141036

【弁理士】

【氏名又は名称】須藤 章

(74)【代理人】

【識別番号】100178984

【弁理士】

【氏名又は名称】高下 雅弘

(72)【発明者】

【氏名】井上 和彦

(72)【発明者】

【氏名】小笠原 宗博

(72)【発明者】

【氏名】安藤 厚司

【審査官】後藤 慎平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００４－１７９１２９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｊ ３７／００－３７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームを用いて、前記基板に前記マルチ１次電子ビームを結像する対物レンズと、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、形成される前記電界と前記磁界とにより、前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、
分離された前記マルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、
前記対物レンズと前記偏向器との間に配置され、前記マルチ２次電子ビームを前記偏向器の偏向支点に結像するレンズと、
偏向された前記マルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
を備え、
前記偏向器の偏向支点は、前記基板面と前記検出器の検出面とに共役になることを特徴とするマルチビーム画像取得装置。

【請求項2】

前記レンズは、前記対物レンズと前記分離器との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のマルチビーム画像取得装置。

【請求項3】

前記レンズは、前記分離器と前記偏向器との間に配置されることを特徴とする請求項１記載のマルチビーム画像取得装置。

【請求項4】

対物レンズを用いて、ステージ上に載置される基板にマルチ１次電子ビームを結像する工程と、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有する分離器を用いて、形成される前記電界と前記磁界とにより、前記マルチ１次電子ビームで前記基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームを前記マルチ１次電子ビームの軌道上から分離する工程と、
偏向器を用いて分離された前記マルチ２次電子ビームを偏向する工程と、
前記対物レンズと前記偏向器との間に配置されるレンズを用いて、前記マルチ２次電子ビームを前記偏向器の偏向支点に結像する工程と、
偏向された前記マルチ２次電子ビームを検出器で検出し、検出された前記マルチ２次電子ビームの信号に基づく２次電子画像のデータを出力する工程と、
を備え、
前記偏向器の偏向支点は、前記基板面と前記検出器の検出面とに共役になることを特徴とするマルチビーム画像取得方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マルチビーム画像取得装置及びマルチビーム画像取得方法に関する。例えば、マルチ１次電子ビームの照射に起因した２次電子画像を用いてパターン検査するマルチビーム検査装置の画像取得手法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、大規模集積回路（ＬＳＩ）の高集積化及び大容量化に伴い、半導体素子に要求される回路線幅はますます狭くなってきている。そして、多大な製造コストのかかるＬＳＩの製造にとって、歩留まりの向上は欠かせない。しかし、１ギガビット級のＤＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）に代表されるように、ＬＳＩを構成するパターンは、サブミクロンからナノメータのオーダーになっている。近年、半導体ウェハ上に形成されるＬＳＩパターン寸法の微細化に伴って、パターン欠陥として検出しなければならない寸法も極めて小さいものとなっている。よって、半導体ウェハ上に転写された超微細パターンの欠陥を検査するパターン検査装置の高精度化が必要とされている。

【0003】

検査装置では、例えば、電子ビームを使ったマルチビームを検査対象基板に照射して、検査対象基板から放出される各ビームに対応する２次電子を検出して、パターン画像を撮像する。そして撮像された測定画像と、設計データ、あるいは基板上の同一パターンを撮像した測定画像と比較することにより検査を行う方法が知られている。例えば、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄｉｅ（ダイ－ダイ）検査」や、パターン設計された設計データをベースに設計画像データ（参照画像）を生成して、それとパターンを撮像した測定データとなる測定画像とを比較する「ｄｉｅ ｔｏ ｄａｔａｂａｓｅ（ダイ－データベース）検査」がある。撮像された画像は測定データとして比較回路へ送られる。比較回路では、画像同士の位置合わせの後、測定データと参照データとを適切なアルゴリズムに従って比較し、一致しない場合には、パターン欠陥有りと判定する。

【0004】

ここで、マルチ電子ビームを用いて検査画像を取得する場合、高分解能を実現するためにもビーム間ピッチを狭くすることが求められる。ビーム間ピッチを狭くすると検出系においてビーム間のクロストークが生じやすいといった問題があった。具体的には、マルチ電子ビームを用いて検査画像を取得する場合、１次電子ビームの軌道上に電磁界直交（Ｅ×Ｂ：Ｅ ｃｒｏｓｓ Ｂ）分離器を配置して、１次電子ビームから２次電子ビームを分離する。Ｅ×Ｂ分離器は、Ｅ×Ｂの影響が小さくなる１次電子ビームの像面共役位置に配置される。そして、対物レンズで１次電子ビームを試料面に結像する。１次電子ビームと２次電子ビームとでは、試料面に入射する照射電子のエネルギーと発生する２次電子のエネルギーとが異なるため、１次電子ビームをＥ×Ｂ分離器上で中間像面を形成させた場合、２次電子ビームは対物レンズ通過後にＥ×Ｂ分離器よりも手前で中間像面を形成してしまう。そのため、２次電子ビームは、Ｅ×Ｂ分離器上で中間像面を形成せずに広がってしまう。このため、Ｅ×Ｂ分離器により分離された２次電子は、検出光学系で広がり続ける。そのため、検出光学系で生じる収差が大きくなり、検出器上においてマルチ２次電子ビームがオーバーラップして個別に検出することが困難になってしまう場合があるといった問題があった。言い換えれば、ビーム間のクロストークが生じやすいといった問題があった。かかる問題は、検査装置に限るものではなく、マルチ電子ビームを用いて画像を取得する装置全般に対して同様に生じ得る。

【0005】

ここで、１次電子光学系から離れた２次電子光学系内に軸上色収差補正用の４段構成の多極子レンズからなるウィーンフィルタを配置して、分離された後の２次電子の軸上色収差を補正するといった技術が開示されている（例えば特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２００６－２４４８７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、本発明の一態様は、検出光学系で生じる収差を低減し、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離することが可能な装置および方法を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様のマルチビーム画像取得装置は、
基板を載置するステージと、
マルチ１次電子ビームを用いて、基板にマルチ１次電子ビームを結像する対物レンズと、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有し、形成される電界と磁界とにより、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離する分離器と、
分離されたマルチ２次電子ビームを偏向する偏向器と、
対物レンズと偏向器との間に配置され、マルチ２次電子ビームを偏向器の偏向支点に結像するレンズと、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出する検出器と、
を備えたことを特徴とする。

【0009】

また、偏向器の偏向支点は、基板面と検出器の検出面とに共役になる好適である。

【0010】

また、レンズは、対物レンズと分離器との間に配置されると好適である。

【0011】

或いは、レンズは、分離器と偏向器との間に配置されると好適である。

【0012】

本発明の一態様のマルチビーム画像取得方法は、
対物レンズを用いて、ステージ上に載置される基板にマルチ１次電子ビームを結像する工程と、
電界を形成する２極以上の電極と磁界を形成する２極以上の磁極とを有する分離器を用いて、形成される電界と磁界とにより、マルチ１次電子ビームで基板が照射されたことに起因して放出されるマルチ２次電子ビームをマルチ１次電子ビームの軌道上から分離する工程と、
偏向器を用いて分離されたマルチ２次電子ビームを偏向する工程と、
対物レンズと偏向器との間に配置されるレンズを用いて、マルチ２次電子ビームを偏向器の偏向支点に結像する工程と、
偏向されたマルチ２次電子ビームを検出器で検出し、検出されたマルチ２次電子ビームの信号に基づく２次電子画像のデータを出力する工程と、
を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の一態様によれば、検出光学系で生じる収差を低減し、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離できる。よって、ビーム間ピッチを狭くできる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。

【図2】実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。

【図3】実施の形態１の比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。

【図4】実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。

【図5】実施の形態１における２次電子量とエネルギーとの関係を示す図である。

【図6】実施の形態１における偏向支点と検出面との間の２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。

【図7】実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの４０°偏向の軌道を示す図である。

【図8】実施の形態１における４０°偏向で検出される２次電子の分布の一例を示す図である。

【図9】実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの５０°偏向の軌道を示す図である。

【図10】実施の形態１における５０°偏向で検出される２次電子の分布の一例を示す図である。

【図11】実施の形態１と比較例とにおけるマルチ検出器の検出面でのマルチ２次電子ビームのビーム径の一例を示す図である。

【図12】実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。

【図13】実施の形態１における画像取得処理を説明するための図である。

【図14】実施の形態１の変形例におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。

【図15】実施の形態１の変形例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、実施の形態では、マルチ電子ビーム画像取得装置の一例として、マルチ電子ビーム検査装置について説明する。但し、画像取得装置は、検査装置に限るものではなく、マルチビームを用いて画像を取得する装置であれば構わない。

【0016】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１において、基板に形成されたパターンを検査する検査装置１００は、マルチ電子ビーム検査装置の一例である。検査装置１００は、画像取得機構１５０、及び制御系回路１６０（制御部）を備えている。画像取得機構１５０は、電子ビームカラム１０２（電子鏡筒）、検査室１０３、検出回路１０６、チップパターンメモリ１２３、ステージ駆動機構１４２、及びレーザ測長システム１２２を備えている。電子ビームカラム１０２内には、電子銃２０１、照明レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６，２０７、主偏向器２０８、副偏向器２０９、ビームセパレーター２１４、電磁レンズ２１７、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、偏向器２２６、及びマルチ検出器２２２が配置されている。

【0017】

電子銃２０１、電磁レンズ２０２、成形アパーチャアレイ基板２０３、電磁レンズ２０５、一括偏向器２１２、制限アパーチャ基板２１３、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、主偏向器２０８、及び副偏向器２０９によって１次電子光学系１５１を構成する。また、電磁レンズ２０７（対物レンズ）、電磁レンズ２１７、ビームセパレーター２１４、偏向器２１８、電磁レンズ２２４、及び偏向器２２６によって２次電子光学系１５２を構成する。電磁レンズ２１７は、２次電子の軌道に対して、電磁レンズ２０７（対物レンズ）と偏向器２１８との間に配置される。図１の例では、電磁レンズ２１７は、電磁レンズ２０７（対物レンズ）とビームセパレーター２１４との間に配置される。

【0018】

検査室１０３内には、少なくともＸＹ方向に移動可能なステージ１０５が配置される。ステージ１０５上には、検査対象となる基板１０１（試料）が配置される。基板１０１には、露光用マスク基板、及びシリコンウェハ等の半導体基板が含まれる。基板１０１が半導体基板である場合、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されている。基板１０１が露光用マスク基板である場合、露光用マスク基板には、チップパターンが形成されている。チップパターンは、複数の図形パターンによって構成される。かかる露光用マスク基板に形成されたチップパターンが半導体基板上に複数回露光転写されることで、半導体基板には複数のチップパターン（ウェハダイ）が形成されることになる。以下、基板１０１が半導体基板である場合を主として説明する。基板１０１は、例えば、パターン形成面を上側に向けてステージ１０５に配置される。また、ステージ１０５上には、検査室１０３の外部に配置されたレーザ測長システム１２２から照射されるレーザ測長用のレーザ光を反射するミラー２１６が配置されている。

【0019】

また、マルチ検出器２２２は、電子ビームカラム１０２の外部で検出回路１０６に接続される。検出回路１０６は、チップパターンメモリ１２３に接続される。

【0020】

制御系回路１６０では、検査装置１００全体を制御する制御計算機１１０が、バス１２０を介して、位置回路１０７、比較回路１０８、参照画像作成回路１１２、ステージ制御回路１１４、レンズ制御回路１２４、ブランキング制御回路１２６、偏向制御回路１２８、リターディング制御回路１３０、磁気ディスク装置等の記憶装置１０９、モニタ１１７、メモリ１１８、及びプリンタ１１９に接続されている。また、偏向制御回路１２８は、ＤＡＣ（デジタルアナログ変換）アンプ１４４，１４６，１４８に接続される。ＤＡＣアンプ１４６は、主偏向器２０８に接続され、ＤＡＣアンプ１４４は、副偏向器２０９に接続される。ＤＡＣアンプ１４８は、偏向器２１８に接続される。

【0021】

また、チップパターンメモリ１２３は、比較回路１０８に接続されている。また、ステージ１０５は、ステージ制御回路１１４の制御の下に駆動機構１４２により駆動される。駆動機構１４２では、例えば、ステージ座標系におけるＸ方向、Ｙ方向、θ方向に駆動する３軸（Ｘ－Ｙ－θ）モータの様な駆動系が構成され、ＸＹθ方向にステージ１０５が移動可能となっている。これらの、図示しないＸモータ、Ｙモータ、θモータは、例えばステップモータを用いることができる。ステージ１０５は、ＸＹθ各軸のモータによって水平方向及び回転方向に移動可能である。そして、ステージ１０５の移動位置はレーザ測長システム１２２により測定され、位置回路１０７に供給される。レーザ測長システム１２２は、ミラー２１６からの反射光を受光することによって、レーザ干渉法の原理でステージ１０５の位置を測長する。ステージ座標系は、例えば、マルチ１次電子ビーム２０の光軸に直交する面に対して、１次座標系のＸ方向、Ｙ方向、θ方向が設定される。

【0022】

電磁レンズ２０２、電磁レンズ２０５、電磁レンズ２０６、電磁レンズ２０７、電磁レンズ２１７、電磁レンズ２２４、及びビームセパレーター２１４は、レンズ制御回路１２４により制御される。また、一括偏向器２１２は、２極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介してブランキング制御回路１２６により制御される。副偏向器２０９は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４４を介して偏向制御回路１２８により制御される。主偏向器２０８は、４極以上の電極により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４６を介して偏向制御回路１２８により制御される。偏向器２１８は、４極以上の電極により構成される２段の偏向器により構成され、電極毎にＤＡＣアンプ１４８を介して偏向制御回路１２８により制御される。また、偏向器２２６は、４極以上の電極により構成され、電極毎に図示しないＤＡＣアンプを介して偏向制御回路１２８により制御される。リターディング制御回路１３０は、基板１０１に所望のリターディング電位を印加して、基板１０１に照射されるマルチ１次電子ビーム２０のエネルギーを調整する。

【0023】

電子銃２０１には、図示しない高圧電源回路が接続され、電子銃２０１内の図示しないフィラメントと引出電極間への高圧電源回路からの加速電圧の印加と共に、所定の引出電極（ウェネルト）の電圧の印加と所定の温度のカソードの加熱によって、カソードから放出された電子群が加速させられ、電子ビーム２００となって放出される。

【0024】

ここで、図１では、実施の形態１を説明する上で必要な構成を記載している。検査装置１００にとって、通常、必要なその他の構成を備えていても構わない。

【0025】

図２は、実施の形態１における成形アパーチャアレイ基板の構成を示す概念図である。図２において、成形アパーチャアレイ基板２０３には、２次元状の横（ｘ方向）ｍ_１列×縦（ｙ方向）ｎ_１段（ｍ_１，ｎ_１は２以上の整数）の穴（開口部）２２がｘ，ｙ方向に所定の配列ピッチで形成されている。図２の例では、２３×２３の穴（開口部）２２が形成されている場合を示している。各穴２２は、共に同じ寸法形状の矩形で形成される。或いは、同じ外径の円形であっても構わない。これらの複数の穴２２を電子ビーム２００の一部がそれぞれ通過することで、マルチ１次電子ビーム２０が形成されることになる。成形アパーチャアレイ基板２０３には、マルチ１次電子ビームを形成するマルチビーム形成機構の一例となる。

【0026】

画像取得機構１５０は、電子ビームによるマルチビームを用いて、図形パターンが形成された基板１０１から図形パターンの被検査画像を取得する。以下、検査装置１００における画像取得機構１５０の動作について説明する。

【0027】

電子銃２０１（放出源）から放出された電子ビーム２００は、電磁レンズ２０２によって屈折させられ、成形アパーチャアレイ基板２０３全体を照明する。成形アパーチャアレイ基板２０３には、図２に示すように、複数の穴２２（開口部）が形成され、電子ビーム２００は、すべての複数の穴２２が含まれる領域を照明する。複数の穴２２の位置に照射された電子ビーム２００の各一部が、かかる成形アパーチャアレイ基板２０３の複数の穴２２をそれぞれ通過することによって、マルチ１次電子ビーム２０が形成される。

【0028】

形成されたマルチ１次電子ビーム２０は、電磁レンズ２０５、及び電磁レンズ２０６によってそれぞれ屈折させられ、中間像およびクロスオーバーを繰り返しながら、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームの中間像面（像面共役位置：Ｉ．Ｉ．Ｐ．）に配置されたビームセパレーター２１４を通過して電磁レンズ２０７に進む。また、マルチ１次電子ビーム２０のクロスオーバー位置付近に、通過孔が制限された制限アパーチャ基板２１３を配置することで、散乱ビームを遮蔽できる。また、一括偏向器２１２によりマルチ１次電子ビーム２０全体を一括して偏向して、マルチ１次電子ビーム２０全体を制限アパーチャ基板２１３で遮蔽することにより、マルチ１次電子ビーム２０全体をブランキングできる。

【0029】

マルチ１次電子ビーム２０が電磁レンズ２０７（対物レンズ）に入射すると、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０を基板１０１にフォーカスする。言い換えれば、電磁レンズ２０７は、マルチ１次電子ビーム２０で基板１０１を照射する。対物レンズ２０７により基板１０１（試料）面上に焦点が合わされ（合焦され）たマルチ１次電子ビーム２０は、主偏向器２０８及び副偏向器２０９によって一括して偏向され、各ビームの基板１０１上のそれぞれの照射位置に照射される。このように、１次電子光学系１５１は、マルチ１次電子ビームで基板１０１面を照射する。

【0030】

基板１０１の所望する位置にマルチ１次電子ビーム２０が照射されると、かかるマルチ１次電子ビーム２０が照射されたことに起因して基板１０１からマルチ１次電子ビーム２０の各ビームに対応する、反射電子を含む２次電子の束（マルチ２次電子ビーム３００）が放出される。

【0031】

基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００は、電磁レンズ２０７を通って、ビームセパレーター２１４に進む。

【0032】

ここで、ビームセパレーター２１４（Ｅ×Ｂ分離器）は、コイルを用いた２極以上の複数の磁極と、２極以上の複数の電極とを有する。そして、かかる複数の磁極によって指向性の磁界を発生させる。同様に、複数の電極によって指向性の電界を発生させる。具体的には、ビームセパレーター２１４は、マルチ１次電子ビーム２０の中心ビームが進む方向（軌道中心軸）に直交する面上において電界と磁界を直交する方向に発生させる。電界は電子の進行方向に関わりなく同じ方向に力を及ぼす。これに対して、磁界はフレミング左手の法則に従って力を及ぼす。そのため電子の侵入方向によって電子に作用する力の向きを変化させることができる。ビームセパレーター２１４に上側から侵入してくるマルチビーム２０には、電界による力と磁界による力が打ち消し合い、マルチ１次電子ビーム２０は下方に直進する。これに対して、ビームセパレーター２１４に下側から侵入してくるマルチ２次電子ビーム３００には、電界による力と磁界による力がどちらも同じ方向に働き、マルチ２次電子ビーム３００は斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から分離する。

【0033】

斜め上方に曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、２次電子光学系１５２によってマルチ検出器２２２に導かれる。具体的には、マルチ１次電子ビーム２０から分離したマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８によって偏向されることにより、さらに曲げられ、マルチ１次電子ビーム２０の軌道上から離れた位置で電磁レンズ２２４によって、集束方向に屈折させられながらマルチ検出器２２２に投影される。マルチ検出器２２２（マルチ２次電子ビーム検出器）は、屈折させられ、投影されたマルチ２次電子ビーム３００を検出する。マルチ検出器２２２は、複数の検出エレメント（例えば図示しないダイオード型の２次元センサ）を有する。そして、マルチ１次電子ビーム２０の各ビームは、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００の各２次電子ビームに対応する検出エレメントに衝突して、電子を発生し、２次電子画像データを画素毎に生成する。マルチ検出器２２２にて検出された強度信号は、検出回路１０６に出力される。

【0034】

図３は、実施の形態１の比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。図３（ａ）では、比較例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す。図３（ｂ）では、比較例におけるマルチ１次電子ビームの軌道の一例を示す。マルチ１次電子ビーム２０は、像面共役位置に配置されたビームセパレーター２１４を通過して広がり、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ基板１０１面に結像する。図３（ｂ）では、マルチ１次電子ビーム２０のうち中心の１次電子ビーム２１の軌道を示している。そして、基板１０１から放出されたマルチ２次電子ビーム３００のうち、中心の１次電子ビーム２１に対応する中心の２次電子ビーム３０１の放出時のエネルギーは、基板１０１への中心１次電子ビーム２１の入射エネルギーよりも小さい。そのため、１次電子ビームがビームセパレーター２１４面で結像し、磁気レンズ２０７がマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、図３（ａ）に示すように、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられるもののビームセパレーター２１４に届く手前の位置で中間像面６００（結像点）が形成される。その後、中心２次電子ビーム３０１は広がりながら、ビームセパレーター２１４へと進む。そして、比較例では、中心２次電子ビーム３０１がさらに広がりながら偏向器２１８へと進むことになる。そのため、偏向器２１８の位置において中心２次電子ビーム３０１のビーム径Ｄ１が広くなってしまう。他の各２次電子ビームについても同様にビーム径が広くなってしまう。各２次電子ビームのビーム径Ｄ１が大きくなるほど偏向器２１８で生じる収差が大きくなってしまう。そのため、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によって収束させようとしても、マルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞りきれず、各２次電子ビームが互いにオーバーラップしてしまい、２次電子ビーム間の分離が困難になる場合がある。その結果、各２次電子ビームを個別に検出することが困難になってしまう。なお、対物レンズが１次電子ビームのフォーカスを優先する場合、２次電子ビームのフォーカスを偏向器２１８の位置に合わせることは原理的に困難である。

【0035】

図４は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例とマルチ１次電子ビームの軌道の一例とを示す図である。図４（ａ）では、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す。図４（ｂ）では、実施の形態１におけるマルチ１次電子ビームの軌道の一例を示す。実施の形態１において、マルチ１次電子ビーム２０は、図４（ｂ）に示すように、像面共役位置に配置されたビームセパレーター２１４を通過して広がり、電磁レンズ２１７によって若干軌道が変化するものの磁気レンズ２０７（対物レンズ）に向かって広がり続け、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ基板１０１面に結像する。図４（ｂ）では、マルチ１次電子ビーム２０のうち中心の１次電子ビーム２１の軌道を示している。このような１次電子ビームがビームセパレーター２１４面で結像し、磁気レンズ２０７がマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１上にフォーカスする条件では、比較例と同様、中心２次電子ビーム３０１が、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられるもののビームセパレーター２１４に届く手前の位置で中間像面６００（結像点）が形成される。
ここで、実施の形態１では、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ、中間像面６００（結像点）が形成され、発散方向の軌道となったマルチ２次電子ビームを電磁レンズ２１７によって集束方向に軌道を曲げる。その際、電磁レンズ２１７は、マルチ２次電子ビームを偏向器２１８の偏向支点に中間像面６０１（結像点）を形成する。これにより、図４（ａ）に示すように、偏向器２１８内の偏向支点の位置において中心２次電子ビーム３０１のビーム径を小さくできる。そのため、偏向器２１８で生じる収差を抑制できる。よって、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によってマルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞ることができ、各２次電子ビームを分離した状態でマルチ検出器２２２の検出面に結像させることができる。その結果、各２次電子ビームを個別に検出できる。よって、偏向器２１８の偏向支点は、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる。

【0036】

なお、偏向器２１８は、２次電子軌道中心軸を含む平面で割った断面が円弧形状に形成されると好適である。但し、これに限るものではない。２次電子軌道中心軸を含む平面で割った断面が矩形状に形成されても構わない。実施の形態１において、中心２次電子ビーム３０１が通過する偏向器２１８内の中心軸の長さのちょうど中間点の位置を偏向支点（或いは偏向中心）とする。

【0037】

図５は、実施の形態１における２次電子量とエネルギーとの関係を示す図である。図５において、縦軸は２次電子の量、横軸はエネルギーの大きさを示す。基板１０１からは、異なるエネルギーを持った２次電子が放出される。２次電子のエネルギーは、図５の例において、０＜２次電子＜Ｅ０の幅を持つ。実施の形態１では、図５に示すエネルギー分布のうち、ピークを示すエネルギーＥの２次電子の結像点が偏向器２１８の偏向支点で形成されるように電磁レンズ２１７を制御する。

【0038】

図６は、実施の形態１における偏向支点と検出面との間の２次電子ビーム軌道の一例を示す図である。図６において、２次電子は、自身のエネルギーの大きさに応じて偏向器２１８による偏向量が変化する。図６の例に示すように、エネルギーの小さい２次電子３０１－２（実線）は、エネルギーの大きい２次電子３０１－１（点線）よりも大きく曲げられる。ここで、偏向器２１８の偏向支点と共役ではない位置では、図６に示すように、エネルギーの大きさに依存して２次電子の軌道がずれるので像がぼけてしまう。これに対して、実施の形態１では、偏向器２１８の偏向支点をマルチ検出器２２２の検出面に共役とすることで、マルチ検出器２２２の検出面において２次電子はエネルギーの大きさに依存せずに軌道中心に戻る。よって、マルチ検出器２２２の検出面において２次電子ビームのぼけを抑制できる。

【0039】

図７は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの４０°偏向の軌道を示す図である。図７の例では、偏向器２１８でマルチ２次電子ビーム３００を例えば４０°偏向する場合を示している。
図８は、実施の形態１における４０°偏向で検出される２次電子の分布の一例を示す図である。図８の例では、３×３のマルチ２次電子ビーム３００を検出する場合を示している。偏向器２１８の偏向支点が、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる位置に偏向器２１８を配置することで、マルチ２次電子ビーム３００を例えば４０°偏向する場合に、図８に示すように、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００を分離して検出できる。

【0040】

図９は、実施の形態１におけるマルチ２次電子ビームの５０°偏向の軌道を示す図である。図９の例では、偏向器２１８でマルチ２次電子ビーム３００を例えば５０°偏向する場合を示している。
図１０は、実施の形態１における５０°偏向で検出される２次電子の分布の一例を示す図である。図１０の例では、３×３のマルチ２次電子ビーム３００を検出する場合を示している。偏向器２１８の偏向支点が、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる位置に偏向器２１８を配置することで、マルチ２次電子ビーム３００を例えば５０°偏向する場合に、図１０に示すように、マルチ検出器２２２の検出面において、マルチ２次電子ビーム３００を分離して検出できる。

【0041】

以上のように、実施の形態１では、偏向器２１８の偏向支点が、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる位置に偏向器２１８を配置することで、偏向器２１８での偏向量を変化させた場合でも、マルチ２次電子ビーム３００を分離して検出できる。なお、図７及び図９では、偏向器２１８の長さを変えることで偏向角度を変化させる場合を示しているが、これに限るものではない。同じ長さの偏向器２１８を用いて印加する電圧を変化させても同様の効果を発揮できる。偏向器２１８に印加する電圧を変化させる場合でも、偏向器２１８の偏向支点が、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる位置に偏向器２１８を配置することで、マルチ２次電子ビーム３００を分離して検出できる。

【0042】

図１１は、実施の形態１と比較例とにおけるマルチ検出器の検出面でのマルチ２次電子ビームのビーム径の一例を示す図である。上述した比較例では、偏向器２１８での収差が大きくなってしまうため、マルチ検出器２２２の検出面でのマルチ２次電子ビーム３００の各ビーム１５のビーム径が大きくなってしまう。その結果、図１１に示すように、ビーム１５同士がオーバーラップしてしまうことが生じ得る。これに対して、実施の形態１によれば、偏向器２１８での収差を抑制できるので、マルチ検出器２２２の検出面でのマルチ２次電子ビーム３００の各ビーム１４のビーム径を小さくできる。その結果、図１１に示すように、ビーム１４同士がオーバーラップしてしまうことを回避できる。よって、マルチ検出器２２２の位置で２次系を高分解能にできる（検出面での分離ができる）。

【0043】

以上のように、電子光学系を調整した上で、被検査基板の検査処理を行う。

【0044】

図１２は、実施の形態１における半導体基板に形成される複数のチップ領域の一例を示す図である。図１２において、半導体基板（ウェハ）１０１の検査領域３３０には、複数のチップ（ウェハダイ）３３２が２次元のアレイ状に形成されている。各チップ３３２には、露光用マスク基板に形成された１チップ分のマスクパターンが図示しない露光装置（ステッパ）によって例えば１／４に縮小されて転写されている。

【0045】

図１３は、実施の形態１における画像取得処理を説明するための図である。図１３に示すように、各チップ３３２の領域は、例えばｙ方向に向かって所定の幅で複数のストライプ領域３２に分割される。画像取得機構１５０によるスキャン動作は、例えば、ストライプ領域３２毎に実施される。例えば、－ｘ方向にステージ１０５を移動させながら、相対的にｘ方向にストライプ領域３２のスキャン動作を進めていく。各ストライプ領域３２は、長手方向に向かって複数の矩形領域３３に分割される。対象となる矩形領域３３へのビームの移動は、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。

【0046】

図１３の例では、例えば、５×５列のマルチ１次電子ビーム２０の場合を示している。１回のマルチ１次電子ビーム２０の照射で照射可能な照射領域３４は、（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｘ方向のビーム間ピッチにｘ方向のビーム数を乗じたｘ方向サイズ）×（基板１０１面上におけるマルチ１次電子ビーム２０のｙ方向のビーム間ピッチにｙ方向のビーム数を乗じたｙ方向サイズ）で定義される。照射領域３４が、マルチ１次電子ビーム２０の視野となる。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するｘ方向のビーム間ピッチとｙ方向のビーム間ピッチとで囲まれるサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。各１次電子ビーム１０は、互いに異なるいずれかのサブ照射領域２９を担当することになる。そして、各１次電子ビーム１０は、担当サブ照射領域２９内の同じ位置を照射することになる。副偏向器２０９（第１の偏向器）は、マルチ１次電子ビーム２０を一括して偏向することにより、パターンが形成された基板１０１面上をマルチ１次電子ビーム２０で走査する。言い換えれば、サブ照射領域２９内の１次電子ビーム１０の移動は、副偏向器２０９によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって行われる。かかる動作を繰り返し、１つの１次電子ビーム１０で１つのサブ照射領域２９内を順に照射していく。

【0047】

各ストライプ領域３２の幅は、照射領域３４のｙ方向サイズと同様、或いはスキャンマージン分狭くしたサイズに設定すると好適である。図１３の例では、照射領域３４が矩形領域３３と同じサイズの場合を示している。但し、これに限るものではない。照射領域３４が矩形領域３３よりも小さくても良い。或いは大きくても構わない。そして、マルチ１次電子ビーム２０を構成する各１次電子ビーム１０は、自身のビームが位置するサブ照射領域２９内に照射され、当該サブ照射領域２９内を走査（スキャン動作）する。そして、１つのサブ照射領域２９のスキャンが終了したら、主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射位置が同じストライプ領域３２内の隣接する矩形領域３３へと移動する。かかる動作を繰り返し、ストライプ領域３２内を順に照射していく。１つのストライプ領域３２のスキャンが終了したら、ステージ１０５の移動或いは／及び主偏向器２０８によるマルチ１次電子ビーム２０全体での一括偏向によって照射領域３４が次のストライプ領域３２へと移動する。以上のように各１次電子ビーム１０の照射によってサブ照射領域２９毎のスキャン動作および２次電子画像の取得が行われる。これらのサブ照射領域２９毎の２次電子画像を組み合わせることで、矩形領域３３の２次電子画像、ストライプ領域３２の２次電子画像、或いはチップ３３２の２次電子画像が構成される。また、実際に画像比較を行う場合には、各矩形領域３３内のサブ照射領域２９をさらに複数のフレーム領域３０に分割して、フレーム領域３０毎の測定画像となるフレーム画像３１について比較することになる。図４の例では、１つの１次電子ビーム１０によってスキャンされるサブ照射領域２９を例えばｘ，ｙ方向にそれぞれ２分割することによって形成される４つのフレーム領域３０に分割する場合を示している。

【0048】

ここで、ステージ１０５が連続移動しながらマルチ１次電子ビーム２０を基板１０１に照射する場合、マルチ１次電子ビーム２０の照射位置がステージ１０５の移動に追従するように主偏向器２０８によって一括偏向によるトラッキング動作が行われる。そのため、マルチ２次電子ビーム３００の放出位置がマルチ１次電子ビーム２０の軌道中心軸に対して刻々と変化する。同様に、サブ照射領域２９内をスキャンする場合に、各２次電子ビームの放出位置は、サブ照射領域２９内で刻々と変化する。このように放出位置が変化した各２次電子ビームをマルチ検出器２２２の対応する検出領域内に照射させるように、例えば偏向器２２６は、マルチ２次電子ビーム３００を一括偏向する。偏向器２２６とは別に、アライメントコイル等を２次電子光学系内に配置して、かかる放出位置の変化を補正させても好適である。

【0049】

以上のように、画像取得機構１５０は、ストライプ領域３２毎に、スキャン動作をすすめていく。上述したように、マルチ１次電子ビーム２０を照射して、マルチ１次電子ビーム２０の照射に起因して基板１０１から放出されるマルチ２次電子ビーム３００は、偏向器２１８内で中間像面を形成すると共に、偏向器２１８で偏向され、それからマルチ検出器２２２で検出される。検出されるマルチ２次電子ビーム３００には、反射電子が含まれていても構わない。或いは、反射電子は、２次電子光学系を移動中に発散し、マルチ検出器２２２まで到達しない場合であっても構わない。そして。検出されたマルチ２次電子ビーム３００の信号に基づいた２次電子画像が取得される。具体的には、マルチ検出器２２２によって検出された各サブ照射領域２９内の画素毎の２次電子の検出データ（測定画像データ：２次電子画像データ：被検査画像データ）は、測定順に検出回路１０６に出力される。検出回路１０６内では、図示しないＡ／Ｄ変換器によって、アナログの検出データがデジタルデータに変換され、チップパターンメモリ１２３に格納される。そして、得られた測定画像データは、位置回路１０７からの各位置を示す情報と共に、比較回路１０８に転送される。

【0050】

一方、参照画像作成回路１１２は、基板１０１に形成された複数の図形パターンの元になる設計データに基づいて、フレーム領域３０毎に、フレーム画像３１に対応する参照画像を作成する。具体的には、以下のように動作する。まず、記憶装置１０９から制御計算機１１０を通して設計パターンデータを読み出し、この読み出された設計パターンデータに定義された各図形パターンを２値ないしは多値のイメージデータに変換する。

【0051】

上述したように、設計パターンデータに定義される図形は、例えば長方形や三角形を基本図形としたもので、例えば、図形の基準位置における座標（ｘ、ｙ）、辺の長さ、長方形や三角形等の図形種を区別する識別子となる図形コードといった情報で各パターン図形の形、大きさ、位置等を定義した図形データが格納されている。

【0052】

かかる図形データとなる設計パターンデータが参照画像作成回路１１２に入力されると図形ごとのデータにまで展開し、その図形データの図形形状を示す図形コード、図形寸法などを解釈する。そして、所定の量子化寸法のグリッドを単位とするマス目内に配置されるパターンとして２値ないしは多値の設計パターン画像データに展開し、出力する。言い換えれば、設計データを読み込み、検査領域を所定の寸法を単位とするマス目として仮想分割してできたマス目毎に設計パターンにおける図形が占める占有率を演算し、ｎビットの占有率データを出力する。例えば、１つのマス目を１画素として設定すると好適である。そして、１画素に１／２^８（＝１／２５６）の分解能を持たせるとすると、画素内に配置されている図形の領域分だけ１／２５６の小領域を割り付けて画素内の占有率を演算する。そして、８ビットの占有率データとなる。かかるマス目（検査画素）は、測定データの画素に合わせればよい。

【0053】

次に、参照画像作成回路１１２は、図形のイメージデータである設計パターンの設計画像データに、所定のフィルタ関数を使ってフィルタ処理を施す。これにより、画像強度（濃淡値）がデジタル値の設計側のイメージデータである設計画像データをマルチ１次電子ビーム２０の照射によって得られる像生成特性に合わせることができる。作成された参照画像の画素毎の画像データは比較回路１０８に出力される。

【0054】

比較回路１０８内では、フレーム領域３０毎に、被検査画像となるフレーム画像３１（第１の画像）と、当該フレーム画像に対応する参照画像（第２の画像）とを、サブ画素単位で、位置合わせする。例えば、最小２乗法で位置合わせを行えばよい。

【0055】

そして、比較回路１０８は、フレーム画像３１（第１の画像）と、参照画像（第２の画像）とを比較する。比較回路１０８は、所定の判定条件に従って画素３６毎に両者を比較し、例えば形状欠陥といった欠陥の有無を判定する。例えば、画素３６毎の階調値差が判定閾値Ｔｈよりも大きければ欠陥と判定する。そして、比較結果が出力される。比較結果は、記憶装置１０９、モニタ１１７、若しくはメモリ１１８に出力される、或いはプリンタ１１９より出力されればよい。

【0056】

なお、上述したダイ－データベース検査の他、同一基板上の異なる場所の同一パターンを撮像した測定画像データ同士を比較するダイ－ダイ検査を行っても好適である。或いは、自己の測定画像だけを用いて検査しても構わない。

【0057】

図１４は、実施の形態１の変形例におけるパターン検査装置の構成を示す構成図である。図１４において、電磁レンズ２１７が、２次電子軌道に対して、ビームセパレーター２１４と偏向器２１８との間に配置される点以外は、図１と同様である。

【0058】

図１５は、実施の形態１の変形例におけるマルチ２次電子ビームの軌道の一例を示す図である。図１５において、磁気レンズ２０７（対物レンズ）によって集束方向に軌道が曲げられ、中間像面６００（結像点）が形成されたマルチ２次電子ビーム３００は、広がりながらビームセパレーター２１４に進む。そして、マルチ２次電子ビーム３００は、ビームセパレーター２１４によってマルチ１次電子ビーム２０から分離され、広がりながら電磁レンズ２１７に進む。そして、発散方向の軌道となったマルチ２次電子ビームを電磁レンズ２１７によって集束方向に軌道を曲げる。その際、電磁レンズ２１７は、マルチ２次電子ビームを偏向器２１８の偏向支点に中間像面６０１（結像点）を形成する。これにより、図１５に示すように、偏向器２１８内の偏向支点の位置において各２次電子ビームのビーム径を小さくできる。図１５の例では、マルチ２次電子ビーム３００のうち中心２次電子ビーム３０１の軌道を示している。そのため、偏向器２１８で生じる収差を抑制できる。よって、偏向器２１８を通過後の磁気レンズ２２４のレンズ作業によってマルチ検出器２２２の検出面においてビーム径を絞ることができ、各２次電子ビームを分離した状態でマルチ検出器２２２の検出面に結像させることができる。その結果、各２次電子ビームを個別に検出できる。よって、偏向器２１８の偏向支点は、基板１０１面とマルチ検出器２２２の検出面とに共役になる。

【0059】

以上のように、実施の形態１によれば、検出光学系で生じる収差を低減し、検出面でマルチ２次電子ビームの各２次電子ビームを分離できる。よって、ビーム間ピッチを狭くできる。

【0060】

以上の説明において、一連の「～回路」は、処理回路を含み、その処理回路には、電気回路、コンピュータ、プロセッサ、回路基板、量子回路、或いは、半導体装置等が含まれる。また、各「～回路」は、共通する処理回路（同じ処理回路）を用いてもよい。或いは、異なる処理回路（別々の処理回路）を用いても良い。プロセッサ等を実行させるプログラムは、磁気ディスク装置、磁気テープ装置、ＦＤ、或いはＲＯＭ（リードオンリメモリ）等の記録媒体に記録されればよい。例えば、位置回路１０７、比較回路１０８、及び参照画像作成回路１１２等は、上述した少なくとも１つの処理回路で構成されても良い。

【0061】

以上、具体例を参照しつつ実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、電磁レンズ２１７は、静電レンズであっても構わない。

【0062】

また、装置構成や制御手法等、本発明の説明に直接必要しない部分等については記載を省略したが、必要とされる装置構成や制御手法を適宜選択して用いることができる。

【0063】

その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全てのマルチ電子ビーム画像取得装置及びマルチ電子ビーム画像取得方法は、本発明の範囲に包含される。

【符号の説明】

【0064】

１０ １次電子ビーム
２０ マルチ１次電子ビーム
２１ １次電子ビーム
２２ 穴
２９ サブ照射領域
３０ フレーム領域
３１ フレーム画像
３２ ストライプ領域
３３ 矩形領域
３４ 照射領域
１００ 検査装置
１０１ 基板
１０２ 電子ビームカラム
１０３ 検査室
１０６ 検出回路
１０７ 位置回路
１０８ 比較回路
１０９ 記憶装置
１１０ 制御計算機
１１２ 参照画像作成回路
１１４ ステージ制御回路
１１７ モニタ
１１８ メモリ
１１９ プリンタ
１２０ バス
１２２ レーザ測長システム
１２３ チップパターンメモリ
１２４ レンズ制御回路
１２６ ブランキング制御回路
１２８ 偏向制御回路
１３０ リターディング制御回路
１４２ ステージ駆動機構
１５０ 画像取得機構
１５１ １次電子光学系
１５２ ２次電子光学系
１６０ 制御系回路
２００ 電子ビーム
２０１ 電子銃
２０２，２０５，２０７ 磁気レンズ
２０３ 成形アパーチャアレイ基板
２０８ 主偏向器
２０９ 副偏向器
２１２ 一括偏向器
２１３ 制限アパーチャ基板
２１４ ビームセパレーター
２１６ ミラー
２１７ 電磁レンズ
２１８ 偏向器
２２２ マルチ検出器
２２４ 投影レンズ
２２６ 偏向器
３００ マルチ２次電子ビーム
３０１ ２次電子ビーム
３３０ 検査領域
３３２ チップ
６００，６０１ 中間像面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】