JP2004335193A - 電子線を用いた試料評価方法及び電子線装置 - Google Patents

電子線を用いた試料評価方法及び電子線装置 Download PDF

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雅規 畠山
Shinji Nomichi
伸治 野路
Takuji Sofugawa
拓司 曽布川
Toshifumi Kaneuma
利文 金馬
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Abstract

【課題】高スループットの電子線を用いた試料評価方法及び電子線装置を提供する。
【解決手段】電子銃11から放出された電子線を成形した長方形の電子ビームを試料Sに照射させ、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を検出する。長方形の電子ビームを、長方形の一辺に実質的に平行な一軸方向に、長方形ビームの一軸方向の一辺の長さより長い距離だけ電気的に走査し、一軸方向と実質的に直角な他軸方向に試料を連続的に移動させて試料の任意領域を電子ビームで照射し、更に、一軸方向に試料をステップ移動させて電子ビーム未照射の他の領域を電子ビームで照射し、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を写像光学系で拡大し、TDI検出器50で検出する。
【選択図】 図1

Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、最小線幅が0.1μm程度のパターンを有する試料の評価を、高い精度でかつ高いスループットで行う試料評価方法、そのような方法を実施する電子線装置及びその電子線装置を使用した半導体デバイスの製造方法に関する。
【0002】
【従来技術】
微小な欠陥を検出する等のパターン評価を行う場合に、現在ではSEM画像を取る方式が使用されている。このような方式のパターン評価方法において、スループットを向上させるため、線状のビームで走査する方式として、下記の特許文献1に示された方式及び下記の非特許文献1に示された方式等が提案されている。また、面状のビームを用いる方式として下記の特許文献2に記載された方式も提案されている。
上記特許文献2に示される方式では長方形のビームで試料を照射し、ビームの長手方向に試料台を移動させながら試料の評価を行う方法が取られていた。これらの三つの方式はいずれも写像投影光学系で二次電子像を拡大している特長がある。
【0003】
【特許文献1】特開平7−249393号公報
【特許文献2】特開平11−132975号公報
【非特許文献1】Lischke etal,JJPA
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の方式のうち前記特許文献1及び非特許文献1に記載の方式では、試料に照射されるビームが線状ビームであるので(前記特許文献1には矩形ビームを照射する旨が記載されているがその矩形ビームの形状は幅が1ピクセルで長さが数ピクセルの形状であるので実質的に線状と解せる。)、例えば100ピクセルの長さを有するビームを用いた場合、データ処理的には単ピクセルのビームを用いた場合に比べて100倍のスループットが期待できる。しかし現実にはスループットはS/N比で制限され、一つの画素に入射する二次電子の数が4000個程度得られないと必要なS/N比が得られない。
一方、写像光学系では二次電子透過率がSEMに比べて小さい。また、細長いビームを作る必要があるのでエミッタンスの大きい電子銃を使うので輝度が小さくピクセル当たりのビーム電流が小さい。以上の事から、ピクセル当たりの二次電子数が小さく、高いスループットで評価を行えない問題がある。
【0005】
また前記特許文献2の方式では、1回の試料台の連続移動で電子ビーム長の幅しか検査できないので、電子ビーム長、したがって視野の広い写像光学系を必要とする。例えば、200μm×50μmの大きさのビームを得ようとすると、200μmの長手方向で像面湾曲や、視野非点収差が無視できない値になり、収差を必要な値以下に制限するにはNA開口を小さくする必要があり、二次電子の透過率が小さくなる問題がある。更に、ビーム面積が200μm×50μmと大きいため、ピクセル当たりのビーム電流を大きくしようとすると全ビーム電流が大きくなり、E×B分離器と試料間では一次ビームと二次ビームが通路を共有しているため、一次ビームのビーム電流が大きいと、空間電荷効果によるビームボケが二次電子光学系に発生する問題がある。
【0006】
本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたもので、その目的は、写像投影光学系の収差を小さくして容易に1ピクセル当たりの大電流を流せて二次電子の透過率を大きくできる電子線装置を提供することである。
本発明の他の目的は、幅及び長さ方向が数ピクセルの矩形の電子ビームを一方向に電気的に走査すると同時にその方向と略直角の方向に試料を連続移動させるることにより高いスループットで試料の評価をできる評価方法及びそのような評価方法を行える電子線装置を提供することである。
本発明の他の目的は、前記電子線装置を使用してデバイスを製造する方法を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電子銃から放出された電子線を成形した長方形の電子ビームを試料に照射させ、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を検出して前記試料を評価する試料評価方法において、前記試料の被評価面を直交2軸方向に配列された複数のストライプに分け、前記長方形の電子ビームを、任意のストライプ内で前記長方形の一辺に実質的に平行な一軸方向に、前記長方形ビームの一軸方向の一辺の長さより長い距離だけ電気的に走査し、前記一軸方向と実質的に直角な他軸方向に試料を連続的に移動させて前記任意のストライプ内の領域を電子ビームで照射し、前記任意のストライプ内の領域の電子ビームの照射が完了した後、前記一軸方向に試料をステップ移動させて電子ビーム未照射のストライプ内の電子ビームの照射を行い、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を写像光学系で拡大してTDI検出器で検出する、ことに特徴を有する。
上記試料評価方法において、長方形ビームの走査に同期して、前記写像光学系の光学パラメータを補正しても良く、また、長方形ビームを10×5〜500×200ピクセルの範囲としても良い。
【0008】
本発明は、また、電子銃から放出された電子線を成形した長方形の電子ビームを試料に照射させ、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を検出する電子線装置において、前記長方形の電子ビームを、前記長方形の一辺に実質的に平行な一軸方向に、前記長方形ビームの一軸方向の一辺の長さより長い距離だけ電気的に走査し、前記一軸方向と実質的に直角な他軸方向に試料を連続的に移動させて試料の任意領域を電子ビームで照射し、更に、前記一軸方向に試料をステップ移動させて電子ビーム未照射の他の領域を電子ビームで照射し、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を写像光学系で拡大し、TDI検出器で検出することに特徴を有する。
【0009】
上記電子線装置において、前記長方形ビームの走査に同期して、前記写像光学系の光学パラメータを補正するようにしてもよく、また、前記長方形ビームは10×5〜500×200ピクセルの範囲であってもよい。
更に、上記電子線装置において、前記光学パラメータは前記写像光学系のレンズ強度、非点補正或いは偏向量であってもよく、また、TDI検出器は電気的走査方向の画素信号を遅延積算するようにしてもよい。
更にまた、長方形ビームは長方形開口、円形開口及び軸対称レンズで形成してもよく、試料に負の電圧を印加し、試料へのランディングエネルギーを5kv未満としてもよい。更に、ビームの開口角を制限する開口は対物レンズの主面近傍或いは主面近傍と共役面にあってもよい。
本発明は、更に、上記電子線装置を使用して半導体デバイスを製造することに特徴を有する。
本発明によれば、電子銃のカソードは軸対称のLaBでよいので、従来のSEMと同じ形状のものを使用できて、信頼性も高くなり、一次光学系は軸対称のレンズ系で構成できるので、光路長が短く安価に製造でき、照射ビームを小寸法とし、走査によって100〜200μmをカバーするので、1回の機械的走査で照射ビーム寸法よりはるかに広い領域の評価がで、照射ビームの電気的走査に同期してダイナミックに収差補正ができるので、二次光学系のNAを大きくして二次電子の透過率を大きくしても必要な解像度を得られ、収差の大きい光軸から遠い位置を照射しているときは一次電子線と二次電子線は離れた所を通るので、一次電子の空間電荷効果によって二次電子の像がボケることがなく、したがって、一次電子を大電流化でき、TDIの積算遅延時間が短時間であるので、Recombination−Generation雑音が小さくなり、更に、試料に負電圧を与えてランディングエネルギを1keV以下にするので、二次電子が対物レンズで収束され、収差が小さくなる。
【0010】
【実施例】
以下図面を参照して本発明の実施例について説明する。
図1において、本発明による電子線装置の一実施形態の概略構成が示されている。この実施形態の電子線装置1は、一次電子線すなわち電子ビームを試料に照射する一次電子光学系(以下単に一次光学系)10と、試料からの二次電子、反射電子又は透過電子(以下代表して二次電子で説明する)をとらえる二次電子光学系(以下単に二次光学系)30と、検出器50とを備える。一次光学系10は、その光軸OAが試料Sの表面の法線に対して所望の角度θとなるように傾斜されている。一次光学系は、電子線すなわち電子ビーム(一次電子ビーム)を放出する電子銃11と、電子銃11のクロスオーバをNA開口部材17により画定されるNA開口17′の位置に結像させるコンデンサレンズ15と、電子ビームを所望の寸法、例えば、直交2軸の一軸方向(この実施例でX軸方向)に複数ピクセル分の長さで、他軸方向(この実施例でY軸方向)に一軸方向より多い数のピクセル分の長さの長方形すなわち矩形(すなわち、この実施例ではY軸方向に長い長方形)に成形する開口16′を画成する開口部材16と、長方形ビームのボケを少なくするNA開口17′を画成するNA開口部材17と、長方形の開口の像を中間像面20に投影する照射レンズ18と、長方形に成形された電子ビームを試料S上で走査する2段の偏向器21、22と、を備えている。電子銃11はカソード12、ウェーネルト13及びアノード14を備え、軸対称カソードから電子線を放出するようになっている。本発明においては、長方形ビームの寸法を大きくても100×50ピクセルすなわち0.1μm角のピクセルとした場合、10μm×5μmの長方形でよいので、高輝度で低エミッタンスの電子銃を使用できる。実施例としては、カソードの先端部の曲率半径が20μmのLaB製のカソードを用いている。
【0011】
一次光学系10は、更に、二次光学系30との共用の構成要素として、一次電子ビームを試料Sの方向に偏向するE×B分離器24、25と、対物レンズ26とを備えている。対物レンズ26は中間像20の像を試料Sの表面(被検査面)上に結像させるようになっている。偏向器21、22はほぼ等しい偏向感度を有しており、長方形の電子ビームは、分離器24、25により、T、Tで示したように試料Sの表面に対する放線と実質的に平行な光軸OAにほぼ平行な軌道を取るように偏向され、対物レンズ26により曲げられて、光軸から遠い側から光軸に向かう方向に傾斜して試料Sの表面に入射する。
なお、透過電子を検出する場合は一次電子ビームは下側から照射される。
【0012】
二次光学系30は、試料から放出された二次電子を加速収束してE×B分離器24、25の偏向中心に像を結像させる前記対物レンズ26と、その像を拡大する2段のレンズ31、32と、二次電子像の分解能を制御するNA開口33′を画成するNA開口部材33と、一次電子ビームを試料上で走査したときに常に二次電子、反射電子或いは透過電子が検出器50に入射するように制御する偏向器34とを備えている。NA開口33′と対物レンズの直ぐ上の面35とは共役になっている。NA開口33′のレンズ31による像は37として形成される。検出器50としては、本実施形態では、複数の画素を有する公知の構造のTDI検出器を使用している。試料Sから放出された二次電子の像37の内側(像37により形成された開口部分)を通過する二次電子のみがNA開口33′内を通過し、TDI検出器50に入射する。
【0013】
対物レンズ26とNA開口像37のZ方向の距離は短いので、対物レンズ26の中心方向に放出された二次電子が効率よくNA開口像37を通過できる。一次電子ビームが光軸の外側から入射するため対物レンズの主面方向へ向かう二次電子は多くなる方向なので好都合である。
照射する一次電子ビームを偏向器21、22で偏向するのに同期させて対物レンズ26のレンズ励起電圧をダイナミックに変化させた。更にこの偏向に同期してNA開口像37と同じZ位置に設けた偏向コイル41でダイナミックに、電子線がレンズ31の中心を通るように偏向してもよい。更に非点補正コイル42を用いて、ダイナミックに非点補正を行うと更に低収差を期待できる。
上記一次及び二次光学系の各構成要素の構造、機能は公知のものでよいのでそれらの詳細な説明は省略する。
【0014】
次に図1ないし図3を参照して上記実施形態の電子線装置の動作を説明する。
電子銃11から放出された一次電子ビームは一次光学系10の開口16′により所定の大きさの長方形(光軸OAに直角の断面で見て)に成形され、E×B分離器24、25によって試料Sの被検査面の法線に平行な光軸OAに平行に偏向されると共に偏光器21、22の作用によりX軸に沿う方向(図1で左右方向)に走査して試料Sの被検査面に照射される。一次電子ビームの照射による試料からの二次電子、反射電子或いは透過電子は二次光学系30によりTDI検出器50に導かれ、その検出器で検出される。
本発明においては、長方形電子ビームの直交2軸の一軸方向(本実施例ではX軸に沿う方向(以下単にX方向))への走査と、試料の直交2軸の他軸方向(本実施例ではY軸に沿う方向(以下単にY方向))への連続移動とを同期させて行う点に特徴があり、以下においてそれについて詳細に説明する。
【0015】
図2は本発明の電子線装置による長方形ビームの照射動作及び試料台(従って試料S)の動きを示し、図3は、TDI検出器の信号の加算の状態を示したものである。図2において、aは長方形ビームによる長方形の照射範囲を示し、Layは照射する電子ビームの一様な強度を有する長方形の照射範囲aのY方向の長さを、かつLaxは一様な強度を有する電子ビームの長方形の照射範囲aのX方向の長さを示す。bは一つの画素を示し、図では長方形ビームで10×5画素(合計50画素)を同時に照射できるようになっている。試料の左端縁或いは試料上の任意の一つのストライプc(c)の左端縁をEclとすると、この長方形ビームは、その右端縁Earが前記照射領域cの左端縁Eclと重なる時点から矢印Uの方向(+X方向)へ偏向器21、22の作用によって走査され、長方形の電子ビームaの左端縁Ealがそのストライプcの右端縁Ecrに重なるまで走査される。本発明ではこの長方形ビームのX方向の走査の間、試料Sをそれが載置されている台と共に矢印Vの方向(X方向と略直角の+Y方向)に連続移動させている。このように長方形の電子ビームを+X方向に走査する間に試料をY方向に連続移動するので、X軸に平行な視野Fの領域を走査するために電子ビームaを+X方向に走査するのと同時に+Y方向にも少しずつ偏向させる必要がある。その偏向量は、照射領域cのX方向の長さをLcxとすると、Lay/Lcxとなる。電子ビームの照射範囲aが端まで達すると、電子ビームは−Y方向にそのY方向の長さLayだけ偏向して戻され、+Y方向に少しずつ偏向されながら矢印Wで示される−X方向へ走査され、視野Fの走査が行われる。このような電子ビームのX方向の走査と試料のY方向の連続移動を繰り返してストライプc全体の電子ビームによる評価が完了すると、ストライプcにX方向に隣接するストライプc或いは隣のダイの対応するストライプの走査を行えるように、試料Sが載せられている試料台を−X方向に距離Lcx、−Y方向に距離Lcyステップ移動させる。その後前述と同じようにしてストライプcの評価が行われる。
【0016】
一次電子ビームの走査領域から発生した二次電子等は、前述の二次光学系(写像光学系)によってTDI検出器50の各画素に結像される。そして検出面の画素51へ入った信号はピクセル当たりの走査時間だけ遅れたタイミングで52に示したように隣の画素に信号が順次加算され、端の素子から信号53が出力される。したがって、信号を遅らせるタイミングと走査の速度が同期しているので、試料面の同じ場所の信号が正確に加算される。
【0017】
次に、照射ビームがどの位のピクセル数の領域を走査するのが良いのかを検討する。スループットを大きくするにはY方向に並べるピクセル数が多ければ良く、X方向に並べるピクセル数が多いと信号のS/N比を向上できるが、スループットは向上しない。従来のSEM方式では二次電子の透過率をほぼ100%として、ピクセル周波数100MHzで動作している。この従来方式に比べて最低でも10倍のスループットを得たい。そのためには、高輝度電子銃を用いてビーム寸法を小さくして少ないピクセル数で装置を構成すれば良いことになる。したがって、10倍のスループットを確保するため、Y方向のピクセル数を10以上とし、20%の二次電子透過率を得て、5画素分の平均加算を行えば従来の100%透過のS/N比に対抗できる。従って照射エリアのピクセル数は10×5ピクセル以上が良い。
【0018】
次に最大値については、LaB電子銃が一様に照明を行い、しかも照明強度を大きくできる最大値から決めるのが良い。
高輝度が得られるLaB電子銃では100μmmrad程度のエミッタンスが得られている。(ビームエネルギ:5KeV)
照明ビームのエッジでのボケを1μm以下にするには、長方形開口251からNA開口を見たビーム開口半角は2mradであった。したがって、100μm、mradのエミッタンスを持つ電子銃で得られる最大ビーム寸法Lは、
L・2mrad≦100μm、mrad
したがって、Lの最大値は50μmとなる。現在主流の0.1μm角画素では500ピクセルが最大となる。X方向のビーム寸法は、ダイナミックフォーカスを行う単位を20μm以下とすると、X方向の左端のピクセルと右端のピクセルとで収差に差が無かった。したがって、X方向の最大ピクセルの数は同じく0.1μm角ピクセルでは200ピクセルとなる。
結局、長方形ビームの最適の寸法は10ピクセル×5ピクセルから500ピクセル×200ピクセルの範囲が良い。
【0019】
次に図4及び図5を参照して本発明による半導体デバイスの製造方法の実施例を説明する。
図4は、本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。この実施例の製造工程は以下の主工程を含んでいる。
(1)ウエハを製造するウエハ製造工程(又はウエハを準備するウエハ準備工程)
(2)露光に使用するマスクを製造するマスク製造工程(又はマスクを準備するマスク準備工程)
(3)ウエハに必要な加工処理を行うウエハプロセッシング工程
(4)ウエハ上に形成されたチップを1個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程
(5)できたチップを検査するチップ検査工程
なお、上記のそれぞれの主工程は更に幾つかのサブ工程からなっている。
これらの主工程中の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼすのが(3)のウエハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやMPUとして動作するチップを多数形成する。このウエハプロセッシング工程は以下の各工程を含んでいる。
(A)絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或いは電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成工程(CVDやスパッタリング等を用いる)
(B)この薄膜層やウエハ基板を酸化する酸化工程
(C)薄膜層やウエハ基板等を選択的に加工するためにマスク(レチクル)を用いてレジストパターンを形成するリソグラフィー工程
(D)レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエッチング工程(例えばドライエッチング技術を用いる)
(E)イオン・不純物注入拡散工程
(F)レジスト剥離工程
(G)更に、加工されたウエハを検査する工程
なお、ウエハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。
【0020】
図5は、図4のウエハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャートである。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
(a)前段の工程で回路パターンが形成されたウエハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程
(b)レジストを露光する露光工程
(c)露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得る現像工程
(d)現像されたレジストパターンを安定化するためのアニール工程
上記の半導体デバイス製造工程、ウエハプロセッシング工程、リソグラフィー工程については、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記(G)の検査工程又は上記(c)の露光工程に、本発明に係る欠陥検査装置及び欠陥検査方法、露光装置及び露光方法を用いると、微細なパターンを高精度で安定して検査又は露光ができるので、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能と成る。
【0021】
【発明の効果】
本発明によれば、評価のスループットを向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の電子線装置の概略説明図である。
【図2】本発明の電子線装置による長方形ビームの照射動作及び試料台(従って試料S)の動きを示す図である。
【図3】TDI検出器の信号の加算の状態を示す図である。
【図4】本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施例を示すフローチャートである。
【図5】図4のウエハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を示すフローチャートである。
【符号の説明】
1 電子線装置
10 一次光学系 11 電子銃
15、18 レンズ 16a、17a 開口
21、22 偏向器 24、25 E×B分離器
26 対物レンズ 31、32 レンズ
33a 開口 34 偏向器
a 電子ビームの照射範囲 b 画素
c ストライプ

Claims (12)

  1. 電子銃から放出された電子線を成形した長方形の電子ビームを試料に照射させ、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を検出して前記試料を評価する試料評価方法において、
    前記試料の被評価面を直交2軸方向に配列された複数のストライプに分け、
    前記長方形の電子ビームを、任意のストライプ内で前記長方形の一辺に実質的に平行な一軸方向に、前記長方形ビームの一軸方向の一辺の長さより長い距離だけ電気的に走査し、前記一軸方向と実質的に直角な他軸方向に試料を連続的に移動させて前記任意のストライプ内の領域を電子ビームで照射し、
    前記任意のストライプ内の領域の電子ビームの照射が完了した後、前記一軸方向に試料をステップ移動させて電子ビーム未照射の任意のストライプ内の電子ビームの照射を行い、
    試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を写像光学系で拡大し、TDI検出器で検出する、
    ことを特徴とする試料評価方法。
  2. 請求項1に記載の試料評価方法において、前記長方形ビームの走査に同期して、前記写像光学系の光学パラメータを補正することを特徴とする試料評価方法。
  3. 請求項1又は2に記載の試料評価方法において、前記長方形ビームは10×5〜500×200ピクセルの範囲であることを特徴とする試料評価方法。
  4. 電子銃から放出された電子線を成形した長方形の電子ビームを試料に照射させ、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を検出する電子線装置において、
    前記長方形の電子ビームを、前記長方形の一辺に実質的に平行な一軸方向に、前記長方形ビームの一軸方向の一辺の長さより長い距離だけ電気的に走査し、前記一軸方向と実質的に直角な他軸方向に試料を連続的に移動させて試料の任意領域を電子ビームで照射し、更に、前記一軸方向に試料をステップ移動させて電子ビーム未照射の他の領域を電子ビームで照射し、試料からの二次電子又は反射電子或いは透過電子を写像光学系で拡大し、TDI検出器で検出することを特徴とする電子線装置。
  5. 請求項4に記載の電子線装置において、前記長方形ビームの走査に同期して、前記写像光学系の光学パラメータを補正することを特徴とする電子線装置。
  6. 請求項4又は5に記載の電子線装置において、前記長方形ビームは10×5〜500×200ピクセルの範囲であることを特徴とする電子線装置。
  7. 請求項5に記載の電子線装置において、前記光学パラメータは前記写像光学系のレンズ強度、非点補正或いは偏向量であることを特徴とする電子線装置。
  8. 請求項4ないし7のいずれかに記載の電子線装置において、前記TDI検出器は電気的走査方向の画素信号を遅延積算することを特徴とする電子線装置。
  9. 請求項4ないし8のいずれかに記載の電子線装置において、前記長方形ビームは長方形開口、円形開口及び軸対称レンズで形成することを特徴とする電子線装置。
  10. 請求項4ないし9のいずれかに記載の電子線装置において、更に、試料に負の電圧を印加し、試料へのランディングエネルギーは5kev未満であることを特徴とする電子線装置。
  11. 請求項4ないし10のいずれかに記載の電子線装置において、ビームの開口角を制限する開口は対物レンズの主面近傍或いは主面近傍と共役面にあることを特徴とする電子線装置。
  12. 請求項4ないし11のいずれかに記載の電子線装置を使用して半導体デバイスを製造することを特徴とするデバイス製造方法。
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