JP2007141488A - 電子線装置及びパターン評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】空間電荷効果の影響を電子光学系の光路長を短くして、空間電荷の影響及び偏向収差の発生を低減する
【解決手段】電子銃１から放出された電子線は、マルチ開口２、縮小レンズ３、非分散のウィーンフィルタ５、タブレットレンズ１０、電磁偏向器１１、ビーム分離器１２及び対物レンズを構成するタブレットレンズ１７を介して試料１８上に縮小像を形成する。ビーム分離器１２は、２次電子ビームのビーム分離器１２内の通過距離が、１次電子ビームのビーム分離器１２内の通過距離の３倍程度となるよう構成されているため、ビーム分離器１２における磁界を、１次電子ビームを約１０度以下の小角度だけ偏向するように設定しても、２次電子ビームを約３０度以上偏向させることができ、１次及び２次電子ビームは十分に分離される。また、１次電子ビームを小角度だけ偏向することにより、１次電子ビームに生じる収差が小さい。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の試料上に形成された最小線幅０．１μｍ以下のパターンを高スループットで評価するための電子線装置及びパターン評価方法に関する。

電子線を細く絞って試料に照射し、それにより試料から放出される２次電子を検出して画像化することにより、試料上のパターンの評価を行う電子線装置が知られている。また、試料上に面ビームを照射し、それにより試料から放出される２次電子を写像投影光学系で検出面に拡大投影し画像化することにより、試料上のパターンを評価するようにした電子線装置も知られている。

今日、試料の高密度化が図られてきており、試料上のパターンがより微細化されてきている。このような微細化されたパターンを高スループットで評価するためには、空間電荷効果の問題を解決する必要がある。しかしながら、従来の電子線装置は、このような空間電荷効果の問題を解決することができるものではない。

また、電子線装置はビーム分離器を具備しているが、ビーム分離器による偏向収差の発生を避けるため、ビーム分離器を配置すべき場所を試料面と共役な位置に限定している。このため、電子線装置の光路長が長くなることから装置の小型化が困難であり、また、ビーム分離器によって生じる偏向収差により、得られた画像がぼやける等の問題がある。

本発明の目的は、このような従来例の問題を解決して、微細パターンを評価する際の空間電荷効果の影響を、電子線装置の光路長を短くすることによって低減させるとともに、偏向収差の発生を低減することができるようにした電子線装置及びパターン評価方法を提供することである。

上記した目的を達成するために、本発明に係る、１次電子ビームを試料に照射し、これにより試料から放出される２次電子をビーム分離器で１次電子ビームから分離し、分離された２次電子を２次電子光学系を介して検出するようにした電子線装置においては、
ビーム分離器は、磁気偏向器であって、１次電子ビーム及び２次電子の一方に対しては通過する領域が短く、他方に対しては通過する領域が前記した短い領域の２倍以上となるように構成されている
ことを特徴としている。

上記した本発明に係る電子線装置において、ビーム分離器は、２つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に巻回した励磁コイルとからなることが好ましい。また、２次電子光学系が写像投影光学系であり、ビーム分離器が、１次電子ビームを偏向させて試料面の法線から小角度傾いた角度で試料上に入射させ、２次電子を偏向する角度がゼロとなるよう構成されていることが好ましい。この場合、ビーム分離器は、２つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に巻回した励磁コイルとからなり、２次電子光学系は、その光軸の周囲に、ビーム分離器により生じる磁界が光軸に侵入するのを防止する軸対称シールドを備えていることが好ましい。

本発明はまた、電子線装置により、試料上に形成されたパターンを評価するための評価方法を提供し、該評価方法は、
１次電子線を小角度だけ偏向してビーム分離器に入射させるステップと、
ビーム分離器により、１次電子線を試料に対して垂直方向に偏向させて試料に照射するステップと、
ビーム分離器により、試料面から放出された２次電子を大きく偏向して２次電子光学系に導くステップと、
検出器により、２次電子光学系を介して受け取った２次電子を検出するステップと
を含んでいることを特徴としている。

本発明は、上記したように構成されており、１次電子ビームと２次電子ビームとを分離するビーム分離器が、低収差を必要とする１次電子光学系側の電子ビーム通過軌道が、２次電子ビーム通過軌道よりも短いため、ビーム分離器で発生する一次電子光学系の収差を小さくすることができる。

また、写像投影型の電子光学系を有する電子線装置においては、２次電子ビームがビーム分離器を通らないので、ビーム分離器で発生する収差を無くすことができる。

さらに、ビーム分離器１２を試料面と共役位置に配置する必要がないため、光路長を大幅に短くすることができ、よって、空間電荷効果を小さくすることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係るマルチビームＳＥＭ型の電子線装置の電子光学系を示している。該電子線装置においては、電子銃１から放出された電子線は、複数の開口２に照射され、縮小レンズ３により位置４に縮小像を形成する。そして、非分散のウィーンフィルタ５により位置８及び９に結像され、タブレットレンズ１０及び１７でさらに縮小されて試料１８上にマルチビームの縮小像を形成する。タブレットレンズ１７は、該レンズの試料１８の側に磁気ギャップ１９を設けた磁気レンズであり、対物レンズとして機能する。

より詳細に説明すると、ウィーンフィルタ５は、入射側及び出射側の２つの領域のボーア径６が小さく設定されていて該領域で集束作用を行い、中央領域のボーア径７が大きく設定されてフィルタ作用が行われないように構成されている。位置９の縮小像から発散したビームは、タブレットレンズ１０により平行ビーム１３となり、ビーム分離器１２の所定の位置から入射するように、電磁偏向器１１により偏向される。平行ビーム１３は、ビーム分離器１２により試料面１８に対して垂直となるように偏向される。ビーム分離器１３により偏向された平行ビームは、２段の静電偏向器１４及び１５によりラスタスキャンされ、かつ、軸対称電極１６により低収差化される。ラスタスキャンを行うための２段の静電偏向器１４及び１５は、偏向支点と２つの偏向方向とを最適化した条件で駆動され、また、偏向器４及び１５のｚ方向（光軸方向）の位置は、シミュレーションにより最適化することができる。軸対称電極１６に試料１８との間で放電を生じさせない程度の高電圧を印加することにより、低収差化を図ることができる。

１次電子ビームの照射により試料１８から放出された２次電子は、静電偏向器１５及び１４により光軸方向に偏向されながらビーム分離器１２に入射する。２次電子は、該ビーム分離器１２により、図において右側に偏向されて２次電子光学系の拡大レンズ２３に向かう。拡大レンズ２３で拡大された２次電子像は、次の拡大レンズ２４でさらに拡大され、そして、検出器２５においてマルチチャネルのＳＥＭ像が得られる。

ビーム分離器１２は、電磁偏向器で構成されており、図１に示すように、２次電子ビームがビーム分離器１２内を走行する距離が、１次電子ビームがビーム分離器１２内を走行する距離の３倍程度となるよう構成されている。したがって、ビーム分離器１２における磁界を、１次電子ビームを１０度程度の小角度だけ偏向するように設定した場合であっても、２次電子ビームは３１．８度（＝３×１０×√（４．５／４））程度偏向されるため、１次電子ビームと２次電子ビームとは十分に分離される。これは、ビーム分離器１２の位置での１次電子ビーム及び２次電子ビームのエネルギはそれぞれ４．５ＫｅＶ及び４．０ＫｅＶであり、ビーム分離器１２が電磁偏向器であるから、偏向角がエネルギの（１／２）乗に逆比例するためである。上記の式により２次電子ビームの偏向角度が求められる。

また、１次電子ビームを１０度程度以下の小角度だけ偏向可能なようにビーム分離器１２を設定することにより、１次電子ビームに比較的小さい収差しか生じないことになる。また、ビーム分離器１２により１次電子ビームに偏向色収差が生じたとしても、該収差の絶対値と、ビーム分離器１２による偏向方向と逆方向に偏向する電磁偏向器１１により生じる偏向色収差の絶対値とを等しく設定することにより、偏向色収差をうち消すことができる。また、他の偏向収差も小さい。なお、２次電子ビームは、偏向収差はあまり問題とならないので、ビーム分離器１２により大きく偏向しても問題が生じない。

さらに、ビーム分離器１２で発生する偏向色収差は偏向器１１でうち消されるので、ビーム分離器１２を試料面と共役の位置に配置する必要がない。そのため、電子光学系設計の自由度が増えて、光路長を大幅に短くすることができ、空間電荷効果を小さくすることができる。

図２の（Ａ）は、図１に示した電子線装置の電磁偏向器１１及びビーム分離器１２を、図１の矢印ａの方向であって、紙面に平行な方向から見た図を示している。ビーム分離器１２は、強磁性体であるパーマロイコア２１に２つの平行平板からなる磁極面で形成される磁気ギャップ２０が２カ所形成され、上側のギャップを１次電子ビームのみが通過し、下側のギャップを１次及び２次電子ビームの両方が通過する。２２及び２２’は励磁コイルである。

図２の（Ｂ）は、電磁偏向器１１及びビーム分離器１２を、図１の紙面に垂直な方向（手前側）から見た図である。電磁偏向器１１を構成する磁気コアは、図２の（Ｂ）の紙面の裏側から手前方向に出て右下方向へ曲げられ、紙面に垂直に向かう。ビーム分離器１２を構成する紙面の裏側の磁気コアは、紙面の裏側へ出て図の左上側に曲げられ、紙面の裏側から紙面方向に向かう。磁気コアの断面は、図１及び図２の（Ｂ）に示すような上に凸及び下に凸の形状を備えている。そして、電磁偏向器１１で紙面の裏側から表側に向かう磁力線が、ビーム分離器１２で紙面の表側から裏側へ向かうように、励磁コイル２２が巻かれている。なお、図２の（Ｂ）においては、励磁コイル２２’は、紙面の前面側のコイルのみを示している。図２の（Ｂ）は図１の紙面に直交する上側からみた図であるため、図１の矢印から見たときに左側のコイル、すなわち図２の（Ａ）のコイル２２’が図２の（Ｂ）に示されたコイルである。

ビーム分離器１２がこのような構成を備えることにより、１次電子ビームを小角度偏向して２次電子を大角度偏向することができ、問題となる１次電子ビームの偏向収差を比較的小さくすることができるとともに、１次電子光学系の光路長を短くすることができる。

上記したビーム分離器１２は、磁気コアに励磁コイルを巻回した構造を有しているが、励磁コイルを巻回する代わりに、永久磁石を用いても良い。図２の（Ｃ）は、永久磁石を用いたビーム分離器を示しており、ＮＳで表した薄い２枚の永久磁石を磁気コアの適宜の位置に配置している。図２の（Ｃ）に示したビーム分離器を用いれば、真空中にコイルを入れる必要がなく、磁場の強さも変動しないので、安定に動作することができる。また、図２の（Ａ）及び（Ｂ）に示したビーム分離器と同様に、１次電子ビームを小角度偏向して２次電子を大角度偏向することができ、１次電子ビームの偏向収差を小さくすることができるとともに、１次電子光学系の光路長を短くすることができる。

図３は、本発明の第２の実施形態の電子線装置であり、この電子線装置は、写像投影型の電子光学系で構成されている。この電子線装置において、電子銃３１から放出された電子線は、長方形開口３２を一様な強度で照射し、その結果得られた長方形の１次電子ビームは、２段のレンズ３３及び３４で縮小率が調整され、電磁偏向器３５で偏向される。そして、対物レンズ３６を介して、３８で示す軌道（例えば、４〜１５°の範囲）で試料３７上に入射される。

１次電子ビームの照射により試料３７から放出された２次電子は、対物レンズ３６を通過し、ＮＡ開口４０で適宜の解像度に制限され、タブレットレンズ４２で収束されて、軸上色収差補正レンズ４４の物点４３に拡大像を生成する。この像は、軸上色収差補正レンズ４４により点４７及び４８に像を形成し、非分散のウイーン条件を満たすことになる。次いで、点４８の像は拡大レンズ４９及び５０で２段に拡大され、検出器５２に拡大像を結像し、これにより、２次元像が形成される。

ＮＡ開口４０の上下には、電磁偏向器３５の偏向磁場が２次電子ビームの軌道に漏れないようにシールドするためのテーパ付きのパイプ３９及び４１が配置されている。該パイプに、レンズ側で径が大きくＮＡ開口側で径が小さいテーパを付けたことにより、２つの静電レンズの特性劣化を防止することができる。

図４は、図３に示した電子線装置の電磁偏向器３５を、図３の矢印ｂの方向から見た図を示している。電磁偏向器３５は、磁気ギャップ５３をつなぐパーマロイコア５４を有し、該パーマロイコアには励磁コイル５５が巻回されている。

電磁偏向器３５は、約２ｍｍの磁気ギャップの形状が図３に示すようにビームの入射点及びビームの出射点でビーム軌道に直角になっている。該磁気ギャップ５３をパーマロイコア５４で結んだ形状を有している。磁気ギャップから紙面の上側へ延びたパーマロイコア５４は、光軸を避けて図の右側へ回り、紙面の裏側へ延びている。そして、そこで左へ曲がり、紙面の裏側に位置するギャップに接続されている。

第２の実施形態は、図１に示した第１の実施形態と共通の言い方をすれば、ビーム分離器（すなわち電磁偏向器）３５を通るビームの光路長が、低収差を必要とする２次電子ビーム側で短く（この例ではゼロ）、低収差をさほど必要としない１次電子ビーム側で長いことを特徴としている。

図５は、図１に示した第１の実施形態における軸上色収差補正レンズ５及び図３に示した第２の実施形態における軸上色収差補正レンズ４４の断面図（光軸に直交する１／４断面図）を示している。軸上色収差補正レンズは、中央部で一度結像させることにより非分散の条件を満足している。該軸上色収差補正レンズにおいて、電極兼磁極（電磁極）５７は、光軸近傍の放射状の面５８と、励磁コイル５９が巻回される面６４とを備えている。面６４は、外方に向かうに連れて板厚が薄くなっているが、ただし、最外端は、ネジ締めをするために厚くなっている。各面が交差又は連接している部分はすべて曲面として、鋭いエッジが形成されないようにしている。例えば、電磁極５７の最も光軸に近い部分は０．５Ｒ程度、面５８と面６４との連接部分は１００Ｒ程度、電磁極５７の最外端の左右端は５Ｒ程度に設定されている。

軸上色収差補正レンズはさらに、各励磁コイル５９の外側には金属カバーが被覆され該コイルの被膜用絶縁物が光軸方向から見えないようにして、スペーサ５６の表面が帯電したとしてもその電荷による電界が光軸方向へ漏洩しないように、金属カバーによりシールドしている。隣接する金属カバーの間隔は、放電が回避できる最小の幅に設定されている。電磁極５７は、位置６３でコア５５に周方向で２カ所以上でネジ止めされている。

本発明の第１の実施形態に係る電子線装置の電子光学系を示す図である。 図１に示した電子光学系に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子線装置の電子光学系を示す図である。 図３に示した電子光学系に具備される電磁偏向器の構成を示す図である。 図１及び図２に示した電子光学系に具備される軸上色収差補正レンズの構成を示す断面図である。

Claims (5)

1. １次電子ビームを試料に照射し、これにより試料から放出される２次電子をビーム分離器で１次電子ビームから分離し、分離された２次電子を２次電子光学系を介して検出するようにした電子線装置において、
   ビーム分離器は、磁気偏向器であって、１次電子ビーム及び２次電子の一方に対しては通過する領域が短く、他方に対しては通過する領域が前記した短い領域の２倍以上となるように構成されている
   ことを特徴とする電子線装置。
2. 請求項１記載の電子線装置において、
   ビーム分離器は、２つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に巻回した励磁コイルとからなる
   ことを特徴とする電子線装置。
3. 請求項１記載の電子線装置において、
   ２次電子光学系は写像投影光学系であり、
   ビーム分離器は、１次電子ビームを偏向させて試料面の法線から小角度傾いた角度で試料上に入射させ、かつ２次電子を偏向する角度がゼロとなるよう構成されている
   ことを特徴とする電子線装置。
4. 請求項３記載の電子線装置において、
   ビーム分離器は、２つの磁極面を連接する強磁性体と、該強磁性体に巻回した励磁コイルとからなり、
   ２次電子光学系は、その光軸の周囲に、ビーム分離器により生じる磁界が光軸に侵入するのを防止する軸対称シールドを備えている
   ことを特徴とする電子線装置。
5. 電子線装置により、試料上に形成されたパターンを評価するための評価方法において、
   １次電子線を小角度だけ偏向してビーム分離器に入射させるステップと、
   ビーム分離器により、１次電子線を試料に対して垂直方向に偏向させて試料に照射するステップと、
   ビーム分離器により、試料面から放出された２次電子を大きく偏向して２次電子光学系に導くステップと、
   検出器により、２次電子光学系を介して受け取った２次電子を検出するステップと
   を含んでいることを特徴とする評価方法。

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