JP4032111B2 - 荷電粒子ビーム装置 - Google Patents
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Description
【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／ｄ２、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。
Φm(r) = {(-r)m / m！} pm(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。pm(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 4θ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-ＶQ1＝-ＶQ2＝-ＶQ5＝-ＶQ6、ＶQ3＝ＶQ4＝ＶQ7＝ＶQ8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、-ＶQ1、+ＶQ3、-ＶQ5、+ＶQ7から構成される四極子と、-ＶQ2、+ＶQ4、-ＶQ6、+ＶQ8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−Ψ12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、Ｖ４＝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１３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, 1991, 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
【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／ｄ２、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。
Φm(r) = {(-r)m / m！} pm(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。pm(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 4θ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-ＶQ1＝-ＶQ2＝-ＶQ5＝-ＶQ6、ＶQ3＝ＶQ4＝ＶQ7＝ＶQ8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、-ＶQ1、+ＶQ3、-ＶQ5、+ＶQ7から構成される四極子と、-ＶQ2、+ＶQ4、-ＶQ6、+ＶQ8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−Ψ12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、Ｖ４＝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１３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, 1991, 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
Claims (4)
- 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、開き角を規制する絞りと２段以上の八極子レンズから構成されるレンズ系と該八極子レンズの励起条件の制御により線形ビームの集束方向、長さ、線幅及び開口収差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レンズ系から構成され、試料上の任意の方向に線形ビームを集束し、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１に記載の電子ビーム装置において、線形ビームを形成する２段以上の八極子レンズの代わりに２段以上の十二極子レンズまたは、八極子と十二極子から構成される電子ビーム装置。
- 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、２段以上の八極子レンズから構成されるレンズ系と該八極子レンズの励起条件の制御により線形ビームの集束方向、長さ、線幅及び開口収差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３に記載のイオンビーム装置において、線形ビームを形成する２段以上の八極子レンズの代わりに２段以上の十二極子レンズまたは、八極子と十二極子から構成されるイオンビーム装置。
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