JP2003036808A

JP2003036808A - 荷電粒子ビーム装置

Info

Publication number: JP2003036808A
Application number: JP2001220685A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Okayama; 重夫岡山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2001-07-19
Filing date: 2001-07-19
Publication date: 2003-02-07
Anticipated expiration: 2021-07-19
Also published as: JP4032111B2

Abstract

(57)【要約】【課題】Ｘ軸、Ｙ軸方向の線形ビームを形成するだけ
でなく、任意の方向の線形ビームは形成して、高精度な
ラインパターン描画の自由度を増し、高精度なパターン
描画、欠陥検査、測長を可能する。【解決手段】荷電粒子ビーム源から放出された荷電粒
子ビームを荷電粒子用レンズによって試料上に集束し、
試料に照射した該電子ビームを偏向、走査する電子ビー
ム装置において、八極子または十二極子構造のレンズを
２段以上組み合わせ、個々の電極または磁極の励起条件
を制御することによりX方向、Ｙ方向、及びXＹ軸から任
意の角度に回転した方向に線形ビームを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体集積回路等の
製作プロセスにおける微細パターン等の描画、計測、製
造プロセスにおける欠陥等の検査に用いることのできる
荷電粒子ビーム装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、超LSIの高集積化、微細化に伴っ
て、走査電子顕微鏡を基礎とするスポットビームの偏
向、走査による微細パターン描画装置が研究開発、製造
ラインにおいて広く利用されている。特に、回折格子、
SAWフィルター、分布帰還型半導体レーザー等の製作に
必要なラインパターンの描画では、ピッチの正確さ、線
形パターンの揺らぎ等がその特性を左右するため、高精
度な描画が不可欠であるが、スポットビーム走査の欠点
は、偏向信号に重畳するノイズ、外部磁場、振動等によ
る擾乱を受け易いことである。また、スポットビームを
利用した電子ビーム測長、検査装置も広く利用され、半
導体製造ラインにおける検査、歩留まり管理等に不可欠
な装置となっている。特に、集積回路、配線等の微細化
に伴って、これらの検査装置においても高分解能化、高
スループット化が図られているが、ビームスポット径の
微細化、高電流密度化に伴い、試料上の電子ビーム走査
部のコンタミネーション（試料汚染）による測定寸法へ
の影響、高電流密度のビーム照射によるレジストの変形
等が課題となっている。

【０００３】図１３は、従来技術による電子ビーム測
長、検査装置の例を示したものである。９１は電子銃で
ある。電子銃としては、近年、輝度が高く、放出エネル
ギー幅が小さく、高安定なビーム電流を供給することが
できるショットキー型の熱電界放出電子銃が利用されて
いる。電子銃から放出された電子ビーム９２は磁界型コ
ンデンサーレンズ９３、９４、磁界型対物レンズ９５に
よって電子源の縮小像であるスポットビーム９６を試料
上に形成し、ビーム偏向器９７によって試料上の電子ビ
ームを走査し、試料から放出された二次電子、反射電子
を検出信号として利用して、試料上の位置決め、形状観
察、寸法計測、欠陥検出等を行っている。ここで、９９
は試料上に照射する電子ビームのオン／オフ制御を行う
ためのブランキング電極、９８は非点収差補正レンズ、
１００は二次電子検出器、１０１は反射電子検出器であ
る。１０２は試料、１０３は試料の位置決め、移動のた
めの試料ステージである。

【０００４】試料ステージ１０３は用途によりＸＹの２
軸移動可能なものからＸＹＺの３軸ステージ、ＸＹ平面
の回転、Ｚ軸に対する傾斜調整も可能な５軸ステージ
等、多様である。また、ステージ位置の計測にはレーザ
ー干渉測長系を備えた装置も多い。超LSI等の製造プロ
セスにおいては、微細加工の要となる電子ビーム描画、
ステッパ等のリソグラフィープロセスにおけるレジスト
パターンやエッチング加工パターンの寸法計測、顕微鏡
像等から設計ルールに対応した加工精度の評価およびリ
ソグラフィープロセスにおける欠陥検出、分類等が不可
欠であり、プロセス、歩留まり管理には、分解能の優れ
た走査電子顕微鏡をベースとした電子ビーム検査、測長
装置が利用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】リソグラフィー工程に
おいては、トランジスタのゲート部の加工のように特に
微細なラインパターンの描画と計測が重要である。スポ
ットビームによる線形パターンの計測では、同一箇所の
電子ビーム走査によるコンタミネーションの増大が計測
寸法の変動、局所的な形状変化等を引き起こす原因とな
っている。そこで、測定誤差やコンタミネーションを低
減するために、走査位置をずらす、数回から１０回程度
ビーム走査し、平均化処理する等の他、基準パターン計
測等から経験的にコンタミネーションによる計測値変動
分の補正を行い、計測寸法を算出している。図１４は、
従来技術による電子ビーム測長の例を示したものであ
る。電子ビーム走査時のコンタミネーションの影響を少
なくし、局所的なパターン歪み等のあるラインパターン
を計測するために、スポットビーム１１０の走査位置を
僅かにずらしながら複数回走査し、平均化処理によりラ
インパターン幅、ピッチ等を計測するものである。図中
のＢは、二次電子のラインプロファイル信号の模式図で
ある。ＣはＢのラインプロファイルのアナログ信号また
はディジタル信号処理によるエッジ検出信号の模式図で
ある。

【０００６】スポットビーム走査に伴うコンタミネーシ
ョンは、主に、試料近傍の真空環境に依存する。ハイド
ロカーボン等の原因となる残留ガス、残渣からアウトガ
ス等が電子線照射により重合反応を引き起こし、堆積膜
を形成するものであり、レジストパターン等の計測時に
はある程度避けられない現象である。これによる影響の
低減は、電子ビーム装置において大きな課題である。コ
ンタミネーションによるハイドロカーボンの堆積は、ビ
ーム電流が同じ場合は、スポット径ｄの二乗の逆数１／
ｄ^２、に比例することが経験的に知られている。本発明
では、スポット径の二乗の逆数、即ち試料上を照射する
ビームの断面積の逆数に比例するコンタミネーションを
低減するために、線形のビームを使用する。即ち、本発
明では、計測に直接影響する線幅方向の分解能は低下さ
せることなく、ビーム断面積を大きくすることでコンタ
ミネーションを大幅に低減することが可能である。

【０００７】さらに、線幅方向については、通常の軸対
称レンズでは結像位置が決まれば、縮小率は固定してし
まうが、多段の軸非対称な多極子レンズ系では、各段の
多極子の励起強度により、縮小率の調整、八極子レンズ
作用による開口収差補正等が実現できるため、通常の軸
対称な磁界レンズにより形成するスポットビーム以上
に、急峻な電流分布をもつ微細線形ビームを実現するこ
とが可能であり、ラインパターン等を高精度で、再現性
の高い計測が可能となる。線形ビーム形成では、電子ビ
ーム源の寸法、電子光学系の縮小率、収差等に依存する
が、本発明により、線幅と長さの比が1:10−1:1000とい
った範囲で線形ビームを形成することができる。

【０００８】図１４に示したように電子ビームによる線
幅測定、パターンの間隔測定では、二次電子信号、反射
電子信号の強度変化の微分によるパターンエッジの検出
を行うため、プローブとして使用する電子ビームは、測
定方向に対して、できる限り急峻な電流分布を有するこ
とが必要である。この点からも線幅方向に急峻な電流分
布を有する線形ビームがプローブとして最適である。ま
た、スポットビームの電流密度の向上は、微細レジスト
パターン走査時の局所的なパターン変形等を引き起こす
場合もあるが、この問題についても線形ビームの利用は
有効である。従って、線形ビームを利用できれは、パタ
ーンの線幅、ピッチ測定等では、電流分布の急峻な線形
ビームの利用により従来のように多数回の走査が不要と
なるため、製造ラインにおける測定の高速化を図ること
が可能である。即ち、急峻な電流分布を持つ線形ビーム
では、エッジ検出における再現性が高く、線形ビーム測
定では測定パターンの局所的な変形の影響を受けにく
く、スポットビーム走査におけるような異なる場所での
多数回走査による平均化処理を必要としない。本発明で
は、試料面（XＹ平面）上に半導体集積パターンに対応
して、X方向、Ｙ方向、及びX、Ｙ軸から22.5度、45度回
転した方向、あるいは任意の方向に線形ビームを形成す
ることが可能であり、汎用性の高いラインパターン計測
を実行することができる。

【０００９】任意方向の線形ビーム形成は後述するよう
に八極子または十二極子によって、通常のスポットビー
ム形成も以下に記述するようにレンズ制御によって可能
であるため、通常の回転対称な磁界レンズを用いた従来
技術による装置と同様にスポットビームによる二次電
子、反射電子を用いた像観察、欠陥検査、測長も可能で
ある。従来、四極子レンズを利用した線形ビーム描画に
ついては、特公昭５３−１１８２８号公報「パターン形
成装置」に記述されているが、Ｘ軸、Ｙ軸方向の線形ビ
ームは形成できるが、任意の方向の線形ビームは形成で
きなかった。特に、試料の基準マークに対して線形集束
方向を調整する回転補正等をビーム光学系で行うことが
できなかった。そこで、任意の方向の線形ビームが形成
できれば、高精度なラインパターン描画の自由度が増
し、回折光子、SAWフィルター、分布帰還型半導体レー
ザー、ロータリーエンコーダ等のラインパターン描画の
高精度化に寄与することができる。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、八極子または十二極子構造のレンズを２段以上組
み合わせ、個々の電極または磁極の励起条件を制御する
ことによりX方向、Ｙ方向、及びXＹ軸から任意の角度に
回転した方向に線形ビームを形成することにより高精度
なパターン描画、欠陥検査、測長を可能する。前記引用
公報にあるように四極子レンズ系を利用することによっ
て、線形ビームを形成することができるが、四極子だけ
では、X軸方向とＹ軸方向に線形ビームを形成すること
ができるだけで、レンズ系を機械的に回転することなし
ではX、Ｙ軸から任意の角度に回転した方向に線形ビー
ムを形成することができない。本発明では、四極子レン
ズを使用しないで、図３に示すような八極子または、図
９に示すような十二極子を利用する。八極子、十二極子
は電界型、磁界型があり、電界型と磁界型の組み合わせ
による使用も可能である。八極子は、個々の極子の励起
条件により双極子作用（偏向作用）、四極子レンズ作
用、八極子レンズ作用の励起が可能である。四極子は四
重極、八極子は八重極とも呼ばれているが、ここでは四
極子、八極子で統一する。

【００１１】図３は、電子ビームが紙面に垂直なＺ軸方
向に進む場合の電界型八極子のＸＹ平面の構造と八極子
レンズ作用を励起する励起電圧の例を示したものであ
る。電極はＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に適当な長さ有し
ている。図中の２４−３１は八極子電極である。八極子
構造は、円筒状の電極を八つに分割した構造であっても
同様なレンズ作用を励起することができる。一般的に電
界型多極子レンズの電位は通常、高次の項を無視すると
以下の式で表すことができる。 Φ_m(r) = {(-r)^m / m！} p_m(Z) cos mθ （１）ここでmの値は、双極子ではm = 1、四極子レンズではm
= 2、六極子レンズではm = 3、八極子レンズではm =
4、十極子レンズではm = 5、十二極子レンズではm = 6
である。p_m(Z)は電界型の電位分布を表し、開口半径、
電極長、印加電圧に依存する。磁界型場合もベクトルポ
テンシャルも同様に表現することができ、pm(Z)に相当
するポテンシャル分布は開口半径、磁極長、励磁強度
（アンペタ・ターン）に依存する。

【００１２】電界型八極子の場合の電位分布は（１）式
から次式で表わすことができる。 Φ₄(r) = {(-r)⁴ / 24} p₄(Z) cos 4θ （２）従って、ＸＹ平面の回転角であるθが０度のときcos 4
θは＋１、４５度で−１、９０度で＋１となり、１３５
度で−１、・・・となり、図３に示したように、Ｘ軸上
とＹ軸上およびそれから４５度の位置に電極配置し、八
極子電極２４−３１に+ Vo, -Vo を印加すれば良いこと
になる。これは、八極子レンズ作用の励起であり、２４
−３１の個々の八極子電極の励起強度を制御することに
よって、双極子、四極子レンズ作用の励起が可能であ
る。また、磁界型の場合には、電界型八極子レンズ作用
と同等のレンズ作用を励起するには八極子磁極の配置
は、電界型の場合から２２．５度回転した位置とすれば
良い。

【００１３】図４−図８は、電界型八極子の励起条件に
よって誘起される四極子レンズ作用を示した例である。
図４−図８の３６，３７，３８，３９，４０は各々の電
極の励起電圧、極性を変えることによる凸レンズ作用、
凹レンズ作用面に対応する線状集束の方向を図示したも
のである。図４の電界型八極子レンズにおいて、八極子
電極を図示したような電圧を印加すると、等価的に式
（１）のm = 2の四極子レンズ作用が励起されることが
分る。即ち、電界型八極子のＸＹ平面に対して垂直に電
子ビームが入射した場合、Ｘ軸方向に凸レンズ作用、Ｙ
軸方向に凹レンズ作用を受ける。３２−３５は誘起され
る四極子レンズ作用に対応する等価的な四極子レンズの
電極位置を示したものであり、３６は凸レンズ、凹レン
ズ作用による線状集束方向を表したものである。電界型
四極子レンズ作用の励起では、直交する凸レンズ作用と
凹レンズ作用方向の電極の励起電圧の極性は逆の関係に
あり、直交するレンズ面の中間の45度の面の電位はゼロ
となることが特徴である。

【００１４】図５の励起条件は、図４の励起条件を９０
度回転させた場合と同じであるため、Ｘ軸方向に凹レン
ズ作用、Ｙ軸方向に凸レンズ作用を受ける。図６は図４
の励起電圧を４５度回転した位置にある電極に印加させ
た場合、即ち八極子の励起条件を４５度回転させた場合
と同じである。また、図７は図５の励起を４５度回転さ
せた場合、または図６の励起条件を９０度回転させた場
合と同じである。

【００１５】図８は八極子の励起電圧制御によって誘起
される四極子レンズ作用の別の例を示したものである。
ここで、電極の対称性が理想的で、電極印加電圧が-Ｖ
_Q1＝-Ｖ_Q2＝-Ｖ_Q5＝-Ｖ_Q6、Ｖ_Q3＝Ｖ_Q4＝Ｖ_Q7＝Ｖ_Q8の
場合は、Ｘ軸から67.5度回転した方向で凸レンズ作用を
受け、その直角方向であるＸ軸から157.5度（-22.5度）
回転した方向で凹レンズ作用を受けることとなる。図８
の励起条件において、-Ｖ_Q1、+Ｖ_Q3、-Ｖ_Q5、+Ｖ_Q7から
構成される四極子と、-Ｖ_Q2、+Ｖ_Q4、-Ｖ_Q6、+Ｖ_Q8から
構成される四極子の励起強度と極性を変えることによっ
て任意方向に四極子レンズ作用面を形成することができ
る。従って、四極子レンズ作用を励起する条件を満たす
ようにして電圧値を任意に調整することで、四極子レン
ズ作用面を任意に回転させ、制御することが可能であ
る。これによって任意の方向に四極子レンズ作用面を誘
起することが可能となり、八極子を二段以上組み合わ
せ、各段の励起極性を調整することにより、線形ビーム
の集束条件を調整することができる。

【００１６】磁界型八極子においても、磁極の配置位置
は図３と同様である。但し、同じ四極子レンズ作用をさ
せるための等価的な磁極配置は、等価的な電極配置から
45度回転した位置となる点が電界型八極子と異なるが、
磁極の励磁コイルに流す電流の極性、電流値を制御する
ことにより、電界型と同様に制御することができる。八
極子レンズは、四極子レンズ作用と組み合わせること
で、理論的には四極子レンズ系の開口収差を補正した
り、負の開口収差を誘起することができる。開口収差
は、球面レンズ（軸対称レンズとも呼ばれる）における
球面収差に対応する収差であるが、レンズ作用面、例え
ばＸ軸方向とＹ軸方向の収差係数が異なる軸非対称な多
極子レンズ系では、開口収差として定義している。開口
収差補正用の四極子−八極子補正レンズ系では、極子
（電極や磁極）のアライメントを高精度で実現する必要
がある。八極子レンズにおいては、励起条件の調整によ
って四極子レンズ作用と八極子レンズ作用の重畳が可能
である。八極子から更に、極数を増やした十二極子を利
用すると、個々の極子の励起条件により双極子作用（偏
向作用）、四極子レンズ作用、六極子レンズ作用、八極
子レンズ作用の励起が可能である。

【００１７】図９は磁界型の十二極子の構造例を示した
ものである。４１−５２が十二極子を構成する磁極であ
る。磁極はＸＹ平面に垂直なＺ軸方向に適切な長さ有し
ている。磁界型十二極子の場合の磁界分布は次式で表さ
れる。 W₆ (r) = {(-r)⁶ / 720} q₆(Z) cos 6θ （３）従って、ＸＹ平面の回転角であるθが15度、45度、75
度、105度、135度、165度、195度、・・・となり、図９
に示したように、磁極４１−５２を30 度ごとに磁極配
置すればよいことが分る。ここで、磁極はＸＹ平面に垂
直なＺ軸方向に適切な長さ有している。図９のΨ₁−Ψ
₁₂は各々の磁極のポテンシャルであり、アンペタ・ター
ン、Z軸方向の磁界分布に依存する。

【００１８】図１０は磁界型十二極子の励起によって誘
起される四極子レンズ作用の例を示したものである。こ
こで、磁極の対称性が理想的で、磁極の励磁強度がΨ₂
＝Ψ₈＝−Ψ₅＝−Ψ₁₁、Ψ₁＝Ψ₃＝Ψ₇＝Ψ₉＝−Ψ₄＝
−Ψ₆＝−Ψ₁₀＝−Ψ₁₂の場合は、Ｘ軸、Ｙ軸方向で凸
レンズ作用、凹レンズ作用を受けることとなる。６１−
６４は誘起される四極子レンズ作用に対応する等価的な
磁界型四極子レンズの磁極位置を示したものである。図
１１は電界型の場合における十二極子の励起によって誘
起される八極子レンズ作用の例を示したものである。電
極印加電圧例としてＶ₁＝Ｖ₁₂＝Ｖ₃＝Ｖ₄＝Ｖ₆＝Ｖ₇＝
Ｖ₉＝Ｖ₁₀、Ｖ₂＝Ｖ₅＝Ｖ₈＝Ｖ₁₁＝−Ｖ₁とした場合、
八極子レンズ作用が誘起される。７１−７８は誘起され
る八極子レンズ作用に対応する等価的な八極子レンズの
電極位置を示したものである。図１2は電子ビームに与
える偏向作用を分りやすくするために、電界型十二極子
の励起によって誘起される六極子回転レンズ作用の例を
示したものである。電極の励起条件としてＶ₂＝Ｖ₈＝−
Ｖ₁＝−Ｖ₇、Ｖ₃＝Ｖ₉＝−Ｖ₆＝−Ｖ₁₂、Ｖ_４＝Ｖ₁₀＝
−Ｖ₅＝−Ｖ₁₁とした場合、回転レンズ作用が誘起され
る。８１−８６は誘起される六極子回転レンズ作用に対
応する等価的な六極子の電極位置を示したものである。
８７は誘起された六極子による線状ビームに対する回転
レンズ作用を示したものである。

【００１９】以上に説明したように、十二極子個々の励
起条件制御により、八極子の場合と同様に四極子レンズ
作用面を任意に制御することができる。また、線形ビー
ムの長さ、線幅方向の縮小率、集束位置を制御するため
には、２段以上の十二極子を組み合わせ、各段の励起を
制御することで、任意の方向の可変線形ビームを形成す
ることができる。十二極子では、八極子に比べて制御量
が増大するが、多段で使用した場合の各段間の回転誤差
（アジマスエラー）を、六極子作用の励起条件によつて
誘起される回転レンズ作用によって補正することができ
る。さらに、励起条件を変えることによって四極子レン
ズ作用による開口収差を補正する八極子作用、六極子の
誘起による偏向補正等も可能である。これらのレンズ作
用は、各々のレンズ作用を誘起する励起条件を各極子の
励起に重畳することにより制御することができる。上記
の説明から明らかなように、任意方向の可変線形ビーム
形成では、八極子と十二極子を組み合わせたレンズ系の
使用も可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る電子ビーム測
長装置の実施例について、添付の図面を参照しながら詳
細に説明する。図１は本発明による実施例として、線形
ビーム形成に十二極子を使用した電子ビーム装置の構成
例を示したものである。１は電子ビーム源となる電子
銃、２は電子ビーム、３はコンデンサーレンズ、４は電
子ビーム２の開き角を制限する絞り、５は絞り交換、位
置決めを行う絞り駆動機構、６は可変線形ビーム形成用
の３段十二極子レンズ系、７、８は十二極子レンズによ
るビーム軌道の模式図、９は線形ビームを試料上に投影
する対物レンズ、１０は試料上に結像した線形ビーム１
３を偏向・走査するためのビーム偏向器、１１は非点収
差補正レンズ、１２はビームブランキング電極、１４は
二次電子検出器、１５は反射電子検出器、１６は試料、
１７は試料移動ステージである。

【００２１】図１のビーム軌道７、８は四極子レンズ作
用の各段の励起条件による凹・凸・凹レンズ作用、凸・
凹・凸レンズによる軌道を表したものである。実施に当
たっては、２段の八極子または、十二極子によって励起
される四極子レンズ作用によって、凹・凸レンズ作用、
凸・凹レンズの条件制御によって任意長さの線形ビーム
を形成することができる。可変線形ビーム形成用の八極
子または十二極子レンズ系によってＸＺ面、ＹＺ面の焦
点位置、倍率が同一となるスティグマティック条件での
自由度を確保するには、３段以上の組み合わせが必要で
ある。また４段では、凹・凸・凹・凸レンズ作用と凸・
凹・凸・凹レンズ作用や凹・凸・凸・凹レンズ作用と凸
・凹・凹・凸レンズ作用を利用することにより可変線形
ビーム制御が可能である。また、八極子と十二極子を組
み合わせた利用法も有効である。３段、４段の四極子レ
ンズ作用を利用した、プローブ形成等については、すで
に多くの成果（岡山重夫：多極子レンズの原理と応用
(2)，(3)，電子顕微鏡ISSN0417-0326、Vol. 25, No3, 1
991, Vol. 26, No.1, 1991）が報告されており、八極
子、十二極子による四極子励起条件として有効である。
本発明では、線形ビームばかりでなく、スポットビーム
もレンズの励起条件を大きく変えることなく、形成可能
である。上記の直交する四極子レンズ作用面におけるビ
ーム集束位置が同一で、倍率が同じであれば、レンズ作
用としては軸対称レンズと等価である。八極子、十二極
子によって形成したスポットビームを利用したパターン
の観察、検査、測長等については、焦点特性上は軸対称
レンズと変わらないが、八極子レンズ作用によって球面
収差を補正でき、磁界型、電界型の四極子レンズ作用を
重畳することによって、色収差の補正も可能であるた
め、分解能等電子光学上の改善がなされることが大きな
利点である。

【００２２】図１において、電子銃１から放出された電
子ビーム２は、コンデンサーレンズ３によってビーム電
流の制御、電子源の縮小率等を調整された後、絞り４を
通過し、十二極子レンズ系６によって縮小率、線形ビー
ム長、線形集束方向（ＸＹ面における回転角）等を調整
され、対物レンズ９によって線形ビーム１３を試料１６
上に形成するものである。ここで、絞り４は線形ビーム
形成用の３段十二極子レンズ系６によって励起された四
極子レンズ作用面に対応するビーム開き角を規制するた
めに使われている。図中の１２は試料上に不必要なビー
ム照射を防ぐためのブランギング電極である。ビーム偏
向器１０は線形ビーム１３を試料上で走査して、試料上
のレジストに微細パターンを描画することができる。ま
た、微細なパターン計測においては、試料から放出され
た二次電子、反射電子は二次電子検出器１４や反射電子
検出器１５によって捕獲して検出信号として利用するこ
とで、試料上の形状観察、寸法計測、欠陥検出等を行う
ことができる。

【００２３】線形ビームの集束方向に対応したビーム開
き角を規制する絞り４は、八極子レンズ系や、十二極子
レンズ系によって励起される四極子レンズ作用面に対応
した矩形絞りを利用することができる。八極子レンズ系
や十二極子レンズ系によって励起される四極子レンズ作
用面を任意に制御できることを特徴とする本発明では、
回転角の異なった絞り板を絞り駆動機構５によって交換
することで四極子レンズ作用面と矩形の４辺の方向を一
致させることができる。また、矩形絞りを絞り駆動機構
５によって機械的に回転させることでも良い。パターン
計測において、線形ビームの長さ方向のエッジの精度が
厳しくない場合では、１つの矩形絞りと４５度回転した
矩形絞りの２種類で全方位の線形ビーム形成に対応する
ことも可能である。試料上に結像できる線形ビームの長
さ方向と線幅方向の寸法は、電子ビーム源の寸法、電子
光学系の縮小率、収差等に依存するが、従来の四極子レ
ンズ作用によるプローブ形成の実績から、線幅10nm以下
で長さ1μm（1：>100）といった線形ビーム形成が可能
である。

【００２４】図２は本発明による線形ビームを利用した
ラインパターンの幅、間隔（ピッチ）の測定例を示した
ものである。図中のＡは線形ビーム２１によるラインパ
ターンの走査例、Ｂは傾斜したラインパターンに対応し
た線形ビーム２２による走査例を示している。Ｃは検出
された二次電子のラインプロファイル、ＤはＣのライン
プロファイル信号処理によるエッジ検出信号である。電
子ビームによる線幅測定、パターンの間隔測定では、二
次電子信号、反射電子信号の強度変化の微分によるパタ
ーンエッジの検出を行うため、測定方向に対してできる
限り急峻な電流分布を有する線形ビームをプロープとし
て使用することが重要である。

【００２５】スポットビームの電流密度の向上は、測定
時間の高速化、信号対ノイズ比Ｓ／Ｎの向上にとって必
要であるが、微細レジストパターン走査時の局所的なパ
ターン変形等を引き起こす場合もある。線形ビームの利
用はスポットビームに比べ、電流密度が低く、線形ビー
ムによる走査は、スポットビーム走査におけるような測
定パターンの局所的な変形、局所的なパターン歪みの影
響を低減することができる。また、局所的な測定エラー
の影響が低減されるため、測定の再現性が大幅に改善さ
れ、従来のように多数回の走査による平均化処理が不要
となるため、製造ラインにおける測定の高速化にも寄与
することができる。従って、本発明により半導体集積回
路等の測長において微細な線形ビームによる高精度なラ
インパターン計測が可能となる。また、ビーム成形用の
八極子レンズ系または十二極子レンズ系の制御によっ
て、試料上にスポットビームの形成も可能であるため、
汎用性が高く、高精度な測長、欠陥検査装置を提供する
ことができる。八極子レンズ系や十二極子レンズ系では
各極子の励起制御により、球面収差、色収差補正ばかり
でなく、ビーム位置アライメントのための偏向、非点収
差補正等の補正電圧や補正電流を電極や磁極励磁コイル
に重畳させることができるため、高精度な電子光学系を
実現することができる。

【００２６】磁界型の八極子や十二極子の励磁では、双
極子レンズ作用励起用、四極子レンズ作用励起用、六極
子レンズ作用励起用、八極子レンズ作用励起用の電流を
制御装置で調整することも可能であるが、各磁極に対し
て上記のレンズ作用励磁コイルを用意し、個々のコイル
の励起を制御装置で調整することが可能である。特に、
本発明では、線形ビームの回転角の制御が自由にできる
ため、測定するウェーハ上のラインパターンと線形ビー
ムとの角度調整、装置内に導入したウェーハの回転エラ
ー等の調整をビーム系で吸収することができる。また、
計測パターンと線形ビーム方向の回転角誤差はビーム照
射によって得られる一次電子、二次電子、反射電子、吸
収電子等のラインプロファイルの急峻性、信号レベルの
変化等から容易に調整することができる。本発明による
多段多極子レンズ系の励起では、個々の電極に印加する
電圧制御系や磁極を励磁する電流制御系を調整する制御
量が多いが、機械的な固有のアライメント誤差等を予め
測定することにより、コンピュータ制御によって双極子
作用に対応するアライメント制御量、四極子レンズ作用
に対応する制御量、八極子レンズ作用に対応する制御量
等をプログラマブルに調整できる。

【００２７】

【発明の効果】以上に説明したように本発明に係わる八
極子レンズ系や十二極子レンズ系と、そのためのレンズ
励起制御系により半導体集積回路等のパターンに対応し
た微細な線形ビームを試料上に形成し、コンタミネーシ
ョンや試料変形等の影響を低減する電子ビーム検査、測
長が実現可能となり、今後ますます微細化、高集積化が
進むパターン計測評価等の高分解能化、高精度化、高速
化に寄与するものである。また、荷電ビームを利用した
レジストへのビーム描画では、任意方向の線形ビームを
利用することにより、自由度が高く、高精度なラインパ
ターンの描画が可能となる。

【００２８】本発明による八極子、十二極子は強集束レ
ンズであるため、イオンビーム装置にも適用可能であ
り、高精度なイオンビームエッチング、 WF₆ガス等の導
入による堆積パターン形成等にも利用可能である。但
し、質量の大きなイオンビームを扱う荷電粒子ビーム装
置においては、図１の実施例におけるコンデンサーレン
ズ３、対物レンズ９は電界レンズである三枚電極レンズ
等で置換えればよい。また、ビーム偏向器１０、非点収
差補正レンズ１１も電界型が制御性の面から有効であ
る。またイオンビームによる直接加工では、線形ビーム
による高精度なエッチング等が可能であり、回折格子状
のパターン形成、電子顕微鏡用の試料作製等への利用が
可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による実施例として線形ビーム形成に十
二極子を使用した電子ビーム測長装置の構成例を示した
ものである。

【図２】本発明による線形ビームを利用したラインパタ
ーンの幅、間隔（ピッチ）の測定例を示す図である。図
中のＡは線形ビーム２１によるラインパターンの走査
例、Ｂは傾斜したラインパターンに対応した線形ビーム
２２による走査例。Ｃは検出された二次電子のラインプ
ロファイル。ＤはＣのラインプロファイル信号処理によ
るエッジ検出信号である。

【図３】電界型八極子の電極構造の例と八極子レンズ作
用の励起を示す図である。

【図４】電界型八極子の励起条件による四極子レンズ作
用を示す図である。ＸＺ面で凸レンズ作用をうけ、ＹＺ
面で凹レンズ作用を受ける。

【図５】電界型八極子の励起条件による四極子レンズ作
用を示す図である。

【図６】電界型八極子の励起条件による四極子レンズ作
用を示す図である。

【図７】電界型八極子の励起条件による四極子レンズ作
用を示す図である。

【図８】電界型八極子の励起条件による四極子レンズ作
用を示す図である。

【図９】磁界型の十二極子構造例を示す図である。

【図１０】磁界型十二極子の励起によって誘起される四
極子レンズ作用の例を示す図である。

【図１１】電界型十二極子の励起によって誘起される八
極子レンズ作用の例を示す図である。

【図１２】電界型十二極子の励起によって誘起される六
極子回転レンズ作用の例を示す図である。

【図１３】従来技術による電子ビーム測長、検査装置の
例を示す図である。

【図１４】スポットビーム走査による微細ラインパター
ン幅、間隔の測定例を示す図である。Ａはスポットビー
ム１１０によるラインパターン上の走査。Ｂは検出され
た二次電子のラインプロファイル信号の模式図、ＣはＢ
の信号処理によるパターンエッジ検出信号の例である。

【符号の説明】

１電子ビーム源となる電子銃２電子ビーム３コンデンサーレンズ４電子ビーム２の開き角を制限する絞り５絞り交換、位置決めを行う絞り駆動機構６可変線形ビーム形成用の３段十二極子レンズ系７、８十二極子レンズによるビーム軌道の模式図９線形ビームを試料上に投影する対物レンズ１０ビーム偏向器１１非点収差補正レンズ１２ビームブランキング電極１３試料上に結像した線形ビーム１４二次電子検出器１５反射電子検出器１６試料１７試料移動ステージ２１，２２線形ビーム２４−３１八極子電極３２−３５誘起される四極子レンズ作用３６−４０凸レンズ、凹レンズ作用による線状集束方
向４１−５２十二極子磁極６１−６４誘起される四極子レンズ作用に対応する等
価的な磁界型四極子レンズの磁極位置７１−７８誘起される八極子レンズ作用に対応する等
価的な八極子レンズの電極位置８１−８６誘起される六極子回転レンズ作用に対応す
る等価的な六極子の電極位置８７誘起された六極子による線状ビームに対する回転
レンズ作用の例９１電子銃９２電子ビーム９３、９４磁界型コンデンサーレンズ９５磁界型対物レンズ９６試料２０上に集束されたスポットビーム９７ビーム偏向器９８非点収差補正レンズ９９ビームブランキング電極１００二次電子検出器１０１反射電子検出器１０２試料１０３試料移動ステージ１１０スポットビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｌ 21/027 Ｈ０１Ｌ 21/30 ５０２Ｖ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電子ビーム源から放出された電子ビーム
を荷電粒子用レンズによって試料上に集束し、試料に照
射した該電子ビームを偏向、走査する電子ビーム装置に
おいて、八極子から構成されるレンズ系と該レンズ系の
励起条件の制御により線形ビームを調整する制御系と、
前記線形ビームを試料上に結像する対物レンズから構成
され、試料上の線形ビームの偏向、走査によってパター
ン描画または、試料から放出される二次電子、反射電子
等を利用してパターン寸法の計測、欠陥等の検出を行う
ことを特徴とする電子ビーム装置。
【請求項２】電子ビーム源から放出された電子ビーム
を荷電粒子用レンズによって試料上に集束し、試料に照
射した該電子ビームを偏向、走査する電子ビーム装置に
おいて、十二極子または、八極子と十二極子から構成さ
れるレンズ系と該レンズ系の励起条件の制御により線形
ビームを調整する制御系と、前記線形ビームを試料上に
結像する対物レンズから構成され、試料上の線形ビーム
の偏向、走査によってパターン描画または、試料から放
出される二次電子、反射電子等を利用してパターン寸法
の計測、欠陥等の検出を行うことを特徴とする電子ビー
ム装置。
【請求項３】イオン源から放出されたイオンビームを
荷電粒子用レンズによって試料上に集束し、試料に照射
した該イオンビームを偏向、走査するイオンビーム装置
において、八極子から構成されるレンズ系と該レンズ系
の励起条件の制御により線形ビームを調整する制御系
と、前記線形ビームを試料上に結像する対物レンズから
構成され、試料上の線形ビームの偏向、走査によってエ
ッチングやガス導入による堆積加工、レジスト描画、パ
ターン寸法の計測、欠陥等の検出を行うことを特徴とす
るイオンビーム装置。
【請求項４】イオン源から放出されたイオンビームを
荷電粒子用レンズによって試料上に集束し、試料に照射
した該イオンビームを偏向、走査するイオンビーム装置
において、十二極子または、八極子と十二極子から構成
されるレンズ系と該レンズ系の励起条件の制御により線
形ビームを調整する制御系と、前記線形ビームを試料上
に結像する対物レンズから構成され、試料上の線形ビー
ムの偏向、走査によってエッチングやガス導入による堆
積加工、レジスト描画、パターン寸法の計測、欠陥等の
検出を行うことを特徴とするイオンビーム装置。