JP2007141689A - 荷電粒子ビーム照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビーム源の複数の縮小光学系から構成された荷電粒子ビーム源を備える荷電粒子ビーム照射装置であって、試料面上では、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができる荷電粒子ビーム照射装置を提供する。
【解決手段】荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源６と、複数の荷電粒子ビーム源６から発生された複数の荷電粒子ビームＢを試料５上に収束させるための電子光学系（２、３、４）とを備えた荷電粒子ビーム照射装置１０である。複数の荷電粒子ビーム源６から発生された複数の荷電粒子ビームＢが試料５上で１つの点状ビームになるように構成または設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウェハ等の試料に荷電粒子ビームを照射し、その試料から放出された２次荷電粒子ビームを検出し、これにより得られた２次電子画像に基づいて試料を観察評価する荷電粒子ビーム照射装置に関する。

従来から、先端ＴＩＰの半径Ｒが０．５〜数μｍの熱電解放射型（ＴＦＥ：Ｔｈｅｒｍａｌ Ｆｉｅｌｄ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の電子銃（荷電粒子ビーム源）が走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、半導体製造・検査装置などの荷電粒子ビーム照射装置に広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

図４は、従来の荷電粒子ビーム照射装置５０の一例を示す。荷電粒子ビーム照射装置５０では、電子ビームが使用されており、ＴＦＥの発生源５１の直径は０．２μｍ程度とされており、このような電子ビーム源（５１）から発生した電子ビームがレンズ系で縮小されて試料面５２に照射され、この照射個所では直径５（ｎｍ）とされ１０（ｎＡ）程度の電流が流れている。
特開２００３−１３２８３４号公報

しかしながら、従来の荷電粒子ビーム照射装置５０のように発生源５１の直径が０．２μｍ程度であると、電子ビーム電流を増加させようとすると、発生した電子同士のクーロン力により反発してしまい、電子ビーム径が増大してしまう。例えば、電流Ｉ、加速電圧Ｖ、電子ビーム源の径Ｄと、電子ビームのビームウェストΔとの関係は次式（１）で表わされ、１００（ｎｍ）のビーム径で１００（ｎＡ）が限界とされる。すなわち、１００（ｎＡ）の電子ビーム電流値を得るためには、１００（ｎｍ）のビーム径が必要となる。

Δ ∝ （Ｉ／Ｄ）Ｖ^２／３ （１）
そのため、図４に示すように、５ 〜 １０（ｎｍ）ビーム径で１００（ｎＡ）にするために、電子ビームのクロスオーバを作らないようにすること、磁場重畳させるようにすること等の方法が考えられているが、うまく行かず、極めて細く絞った電子ビームスポットを試料面５２上に照射することは極めて困難であった。

そこで、本発明では、荷電粒子ビーム源の複数の縮小光学系から構成された荷電粒子ビーム源を備える荷電粒子ビーム照射装置であって、試料面上では、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができる荷電粒子ビーム照射装置を提供することを目的とする。

上記した課題を解決するために、請求項１に記載の荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、前記複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームが前記試料上で１つの点状ビームになるように構成または設定したことを特徴とする。

請求項２の荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、前記複数の荷電粒子ビーム源の大きさおよび前記電子光学系の縮小倍率から決定される前記試料上で収束された荷電粒子ビームの理想的な大きさを、前記各荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの収差等によるボケの範囲以下となるように構成したことを特徴とする。

請求項３の荷電粒子ビーム照射装置は、荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、前記複数の荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの前記試料上の結像スポット径が、前記各荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの収差等によるボケの径よりも小さくなるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、複数の荷電粒子ビームが前記試料上で１つの点状ビームとされるので、従来の荷電粒子ビーム照射装置に比較して、小さなビーム径であっても大きな荷電粒子ビーム電流を得ることができる。

本発明によれば、試料面上では、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができ、荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームが試料上に結像する領域と、荷電粒子ビームの収差等によるボケとを略同等にすることができる。

数式で表すと、縮小光学系のトータル倍率（縮小系）をβ、光源における、複数の荷電粒子ビーム源を含めた大きさをＤ、収差などを含めた縮小光学系のスポット径（光源を１個の無限小の線源とした場合）をｄとすれば、ｄ＞β＊Ｄを満たすようにすれば、複数の荷電粒子ビーム源は、試料面上で重畳することになり、荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームが試料上に結像する領域と、荷電粒子ビームの収差等によるボケとを略同等にするように構成することができる。

また、複数の荷電粒子ビーム源による荷電粒子ビーム発生領域の直径と、荷電粒子ビームが試料上に収束されたときのスポット径との比が所望の割合であるように構成することができる。これにより、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができる。

さらに、試料面上では、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができ、複数の荷電粒子ビーム源からの複数の荷電粒子ビームが試料上に収束された理想的な大きさを、荷電粒子ビームの収差等によるボケの範囲以下とすることができる。

以上述べたように、本発明によれば、荷電粒子ビーム源の複数の縮小光学系から構成された荷電粒子ビーム源を備える荷電粒子ビーム照射装置であって、試料面上では、複数の荷電粒子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができる荷電粒子ビーム照射装置を提供することができる。

以下に、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。

図１は、本発明に係る荷電粒子ビーム照射装置の一例としての電子ビーム照射装置１０を模式的に示す。電子ビーム照射装置１０は、本実施例では、電子ビーム源１と、第１のコンデンサレンズ２と、第２のコンデンサレンズ３と、対物レンズ４とを備える。この第１のコンデンサレンズ２、第２のコンデンサレンズ３および対物レンズ４は、電子ビーム照射装置１０における電子光学系を構成している。なお、電子光学系は、本実施例に限定されるものではない。

電子ビーム照射装置１０では、電子ビーム源１が１次電子ビームを放出し、この１次電子ビームが電子光学系となる第１のコンデンサレンズ２、第２のコンデンサレンズ３および対物レンズ４を経てウェハ等の試料５に照射される。本実施例では、電子ビーム照射装置１０は、図示を略すが２次電子ビーム検出装置、画像表示装置等を備える走査型電子顕微鏡であり、照射された試料５から放出された２次電子ビームを２次電子ビーム検出装置等（図示せず。）が検出し、この検出した２次電子ビームに基づいて得られた２次電子画像を画像表示装置等（図示せず。）により表示し、この２次電子画像に基づいて試料を観察評価することができる。

電子ビーム照射装置１０の電子ビーム源１には、複数のフィールドエミッションアレイ（図２（ａ）参照。）が用いられている。図２（ａ）に示すように、フィールドエミッターアレイの各エミッター６は、本実施例では、３×３すなわち縦３列、横３列で正方形を描くように配置されている。なお、電子ビーム源１としてのフィールドエミッターアレイの各エミッター６は、１列でも任意の行列数でもよい。すなわち、フィールドエミッションアレイの複数の電子ビーム源（各エミッター６）は、縦横３個ずつの合計９個である必要はなく、縦横２個ずつ配置された電子線源でもよく、縦横４個、５個、・・・であってもよい。さらに、矩形状に配置される必要もなく、縦横２個×３個、３個×４個、・・・であってもよく、図２（ｂ）に示すように、円形に配置されていてもよい。ここで、電子ビーム源１は、その光軸（各エミッター６から放射される複数の電子ビームの中心位置）に対して垂直な面上において、光軸を中心とする点対称をなす配置関係となるように、各エミッター６が設けられていることが望ましい。

電子ビーム源１であるフィールドエミッションアレイは、Ｓｉ基板に配置された複数のＭｏエミッターと、Ｓｉ基板と略平行に配置され、且つ、各エミッターの先端用の開口を有するＡｕ引出し電極と、各エミッタ間を絶縁するＳｉ_３Ｎ_４絶縁膜とを備える（特許文献１参照）。

フィールドエミッションアレイは、Ｓｉテクノロジーで多数のエミッターを容易に作れる上に、電界放出電子銃であるからエネルギー幅の小さいビームを高輝度で発生させるので、小さいビーム径で大電流を得ることができる。

電子ビーム照射装置１０では、図１に示すように、第２のコンデンサレンズ３を透過した電子ビームは、円形の破線で囲まれた範囲を拡大して示しているように、複数の電子ビームが縮小され、ウェハ等の試料５の面上に１個のスポットを形成する。

電子ビーム源１のフィールドエミッションアレイの各エミッター６は、電子ビーム源１からの電子ビームが試料５の面上に結像する領域と、電子ビームの収差等によるボケとを略同等にするように構成または設定されている。

言い換えると、縮小光学系（電子光学系）のトータル倍率（縮小系）をβ、光源における、複数の電子ビーム源を含めた大きさをＤ、収差などを含めた縮小光学系のスポット径（光源を１個の無限小の線源とした場合）をｄとして、ｄ＞β＊Ｄを満たすように構成または設定されている。このようにすれば、複数の電子ビーム源は、試料５の面上で重畳する。

図３は、複数の電子ビームが重畳された様子を模式的に示す正面図である。電子ビーム照射装置１０では、電子ビーム源１からの電子ビームが第２のコンデンサレンズ３を透過されると、試料５の面上では、各エミッター６からの各電子ビームＢが照射されるが、上記した構成または設定により、前述したように３×３に設定された電子ビーム源１のフィールドエミッションアレイの各エミッター６（図２（ａ）参照。）からの各電子ビームＢのボケの範囲Ｓ（ボケの径またはボケのスポット径）により、各電子ビームＢ（の照射範囲）の間に生じる隙間が埋められることとなる。換言すると、針状の電子銃（電子ビーム源１のフィールドエミッションアレイの各エミッター６）から発生した各電子ビームＢが、試料５の面上でぼやけて、あたかも１つの点状のビームのように（図３の二点鎖線参照。）試料５の面に照射されることとなる。なお、図３の下方に示すグラフは、電子ビーム源１からの電子ビームの強度分布を模式的に示しており、小さな山は各電子ビームＢの強度分布を示し、大きな山は各電子ビームＢが重ねられて形成された電子ビーム源１からの電子ビームの強度分布、すなわち１つの点状のビーム（図３の二点鎖線参照。）として試料５の面に照射される電子ビームの強度分布を示している。

また、複数の電子ビーム源による電子ビーム発生領域の直径Ｒと、電子ビームが試料上に収束されたときのスポット径の大きさｒとの比が所望の割合であるように構成する。本実施例では、直径Ｒは、電子ビーム源１のフィールドエミッションアレイの各エミッター６の設置範囲の直径であり（図２（ａ）参照。）、スポット径ｒは、各電子ビームＢが重ねられた電子ビームの照射範囲（図３の二点鎖線参照。）である。

このように、電子ビーム照射装置１０では、複数の電子ビームが試料５の面上で１つの点状ビームとされるので、従来の電子ビーム照射装置に比較して、小さなビーム径であっても大きな電子ビーム電流を得ることができる。

したがって、本発明に係る電子ビーム照射装置では、電子ビーム源の複数の縮小光学系から構成された電子ビーム源を備える電子ビーム照射装置であって、試料面上では、複数の電子ビームが縮小され、かつ重畳されて、１個のスポットを形成することができる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく本発明の範囲内で任意好適に変更可能である。例えば、試料としてウェハを掲げたが、これに限定されず、電子ビームによって欠陥を検出可能なパターン等が形成されたマスク等の任意の試料であってもよい。

また、電子ビーム照射装置は、走査型電子顕微鏡に限定されず、半導体製造・検査装置などの電子ビーム照射装置であってもよい。

また、上記した実施例では、電子ビームが使用されていたが、イオンビームなどの荷電粒子ビームであっても適用可能であり、上記した実施例に限定されるものではない。

本発明に係る電子ビーム照射装置を模式的に示す概略構成図およびその部分拡大図である。 本発明に係る電子ビーム照射装置の電子ビーム源を示す模式的な正面図であり、（ａ）は本実施例の構成を表し、（ｂ）は他の例を表している。 本発明に係る電子ビーム照射装置により照射された試料の面上における各電子ビームおよびそのボケの範囲を示しており、下方に示したグラフは、エミッターの配列方向に沿う方向から見た電子ビームの強度分布を示している。 従来の電子ビーム照射装置を模式的に示す概略構成図である。

符号の説明

１ （フィールドエミッションアレイとしての）荷電粒子ビーム源
２ （電子光学系としての）第１のコンデンサレンズ
３ （電子光学系としての）第２のコンデンサレンズ
４ （電子光学系としての）対物レンズ
５ 試料
６ （複数の荷電粒子ビーム源としての）エミッタ−
１０ 荷電粒子ビーム照射装置
Ｂ （荷電粒子ビームとしての）電子ビーム
Ｓ ボケの範囲

Claims (6)

1. 荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームが前記試料上で１つの点状ビームになるように構成または設定したことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
2. 荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記複数の荷電粒子ビーム源の大きさおよび前記電子光学系の縮小倍率から決定される前記試料上で収束された荷電粒子ビームの理想的な大きさを、前記各荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの収差等によるボケの範囲以下となるように構成したことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
3. 荷電粒子ビームを発生させるための複数の荷電粒子ビーム源と、該複数の荷電粒子ビーム源から発生された複数の荷電粒子ビームを試料上に収束させるための電子光学系とを備えた荷電粒子ビーム照射装置であって、
   前記複数の荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの前記試料上の結像スポット径が、前記各荷電粒子ビーム源からの荷電粒子ビームの収差等によるボケの径よりも小さくなるように構成したことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
4. 前記複数の荷電粒子ビーム源は、光軸に対して垂直な面上において、光軸を中心とする点対称をなす配置関係とされていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照装置。
5. 複数の荷電粒子ビーム源は、複数の針状の電子光学系が近接して配置されたフィールドエミッションアレイであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
6. 前記電子光学系は、多段の縮小光学系から構成されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の荷電粒子ビーム照射装置。
   
   
   
   
   
   

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