JP4092257B2 - Electron beam apparatus and pattern evaluation method using the electron beam apparatus - Google Patents

Electron beam apparatus and pattern evaluation method using the electron beam apparatus Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最小線幅0.1μm以下のパターンを有する試料、例えば、基板のパターン評価を高スループットで行なう装置、及び該装置を用いたパターンの評価方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、基板上に形成されたパターンの評価を電子線を用いて行なう際に、スループットを向上させるためにマルチビームを用いる提案がなされている。これらの提案は、複数の光軸を有するマルチビームを使用する方法と、一本の光軸から等距離の位置にマルチビームを形成する方法の二つに大別できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の複数の光軸を有するマルチビームを使用する方法では、電子光学鏡筒を多数作る必要があるため高価格となり、また、単一の基板、例えば、一枚のウエハ上に配置できる光軸数をあまり多くすることができないという問題点があった。
【0004】
一方、後者の一本の光軸から等距離の位置にマルチビームを形成する方法では、光軸から離れた位置にビームを作るため、光学系の収差が大きくなり、また、ビームの輝度を大きくできないという問題がある。そこで光軸にごく近い場所に多くのビームを配置しようとするとマルチビームの各走査点から発生した2次電子が光学系の収差のために互いに重なってしまい、これを防止すべく独立に検出可能なビーム間隔を大きくすると、多くのマルチビームを作ることができないという問題があった。また、従来の電子線装置は、2次光学系の長さが長くなる欠点があった。
【0005】
これをさらに詳述すると、図5に示すように、従来の装置では縮小レンズ1通過後の1次電子線2を試料面3上に合焦させる対物レンズ4は一段であった。この際、1次電子のランディングエネルギーが大きい場合は、対物レンズ4の励起電圧が大きくなり、2次電子5は図示のように対物レンズ4のすぐ上に2次電子像6を作り,開口半角αiが大きく、2次光学系7のレンズ8の口径を大きくしないとレンズの外へ出てしまう。このためレンズ8の口径を大きくする必要があり、これによって収差が大きくなる欠点がある。また、2次光学系のレンズはあまり対物レンズに近づけられないから、このレンズの物点が遠いと、拡大レンズにするには像点をさらに遠くする必要があり、2次光学系7の長さが長くなる欠点がある。なお、図において8は2次電子を1次光学系から分離するE×B分離器である。
【0006】
本発明は上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、安価に製造することができ、かつ2次電子検出の光学系の収差を小さくして、一本の光軸の近くに多くのマルチビームを形成することができる電子線装置と該装置を利用したパターンの評価方法を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の参考例による第1の電子線装置は、電子銃から放出された電子線を複数の開口で分離し、該開口の像を2段に縮小してマルチビームを試料上に形成し、試料上を走査し、試料からの2次電子を対物レンズで2次電子間の間隔を拡大し、E×B分離器で1次ビームから分離し、2次電子検出器で検出する電子線装置であって、前記開口の像を縮小する2段目のレンズは2段のレンズからなり、この2段のレンズの中間に2次電子の拡大像を形成することを特徴とする。
【0008】
該参考例による電子線装置では、1次電子線を試料面に合焦させる対物レンズが2段のレンズからなり、対物レンズの励起電圧を小さくできるので、2次電子像を対物レンズから遠い位置、つまり2次光学系の第2レンズの手前に像点をつくることができるので2次光学系のレンズの口径が小さくてよく収差を小さくすることができる。また、2次電子像を2次光学系の第2レンズの手前に作ることにより、レンズの像点を長くする必要が無く2次光学系の長さを短くすることができる。
【0009】
また、上記課題を解決するため、本発明の参考例による第2の電子線装置は、複数の開口を通過した電子線を2段のレンズで縮小してマルチビームを形成し、試料上を走査し、試料から放出された2次電子を最初のレンズで2次電子間の間隔を拡大し、このレンズを通過後E×B分離器で1次光学系から分離し2次光学系に入射させ、さらに少なくとも1段のレンズで上記2次電子間の間隔を拡大し、2次電子検出器で複数のビーム毎に検出する電子線装置であって、前記試料上を走査する偏向器は静電偏向器であることを特徴とする。
【0010】
2次光学系の収差を小さくして、一本の光軸近くに多くのマルチビームを形成するためには、マルチビームを走査した時、走査視野の中央部でも周辺部でも光軸からあまり離れずに2次光学系の最初のレンズに入射する必要がある。試料上を走査する偏向器を電磁偏向器とすると、この偏向器で1次ビームを、例えば、左へ偏向する位相の時、戻ってきた2次電子は1次ビームと反対方向、即ち右へ偏向され、その結果2次電子は光軸から離れて行き、2次光学系の最初のレンズで光軸から離れた位置でレンズに入射するため収差が大きくなる。しかしながら、上記本願発明のように、走査偏向器が静電偏向器である場合は、2次電子は1次ビームと同じ方向へ偏向され、光軸方向へ戻るため、2次光学系の最初のレンズで光軸に近い位置でレンズに入射するため2次光学系の収差が小さくなる。
【0011】
また、上記課題を解決するため、本発明による電子線装置は、単一のエミッション領域をもつ電子銃から放出された電子線をマルチ開口に入射させてマルチビームを形成する電子線装置において、上記マルチビームが試料での収束半角αiと電子銃のエミッタンスEと、軸上輝度の90%以上の強度が得られる半径rmから求められる条件:
rm≦E/αi
の条件を満たす円の内部に配置されることを特徴とする。
【0012】
本発明の電子線装置では、従来のようにマルチビームを円周上に配置する必要は無く、ビームの最小間隔を2次光学系の分解能より大きくなるようにして上記円内に形成することができるのでビーム数を増やすことができる。
【0013】
また、上記課題を解決するため、本発明の参考例によるパターンの評価方法は、試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
a.電子銃から放出される電子線を複数の開口に照射するステップと、
b.前記開口で分離された電子線を2段以上のステップで縮小し試料上に合焦し、走査するステップと、
c.試料の走査点から放出された2次電子を対物レンズで2次電子間の距離を拡大し、E×B分離器で1次電子光学系から分離するステップと、
d.前記分離された2次電子を2次電子検出器で検出するステップとを有し、
前記開口像を縮小する2段目の縮小は対物レンズで行なわれ、2次電子の最初の拡大像はE×B分離器より後方に形成されることを特徴とする。
【0014】
また、上記課題を解決するため、本発明の参考例によるパターン評価方法は、試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
a.複数の開口を通過した電子線を2段のレンズで縮小して試料上を走査するステップと、
b.試料の走査点から放出された2次電子を最初のレンズで2次電子間の間隔を拡大するステップと、
c.前記レンズを通過後2次電子をE×B分離器で1次光学系から分離するステップと、
d.1次光学系から分離後少なくとも1段のレンズで前記2次電子間の間隔を拡大するステップと、
e.2次電子検出器で複数の2次電子群を独立に検出するステップと、
f.前記検出した信号で画像を形成し、パターン評価を行なうステップとを有し、
前記複数の電子線は、試料面でのビーム収束半角を定めた条件で1次電子線及び2次光学系の収差があらかじめ決められた値以下になる半径の円内に配置されることを特徴とする。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図に沿って説明する。
【0016】
図1は、本発明の実施の形態における電子光学系を示すもので、1次光学系10と2次光学系30と検出系40とからなる。
【0017】
1次光学系において、電子銃11はLaB6カソード12を空間電荷制限条件で作動させ、ショット雑音を低減させている。アノード13は3枚電極で構成し、レンズ動作を行なわせると同時に、第1アノードに与える電圧を変えることによって高輝度条件としたり、高エミッタンス条件とすることができる。このアノードへの軸合わせはカソードとウェーネルトを機械的にXY方向あるいはθ方向へ移動させることによって行なう。また、電子銃から発散されたビームの軸合わせは、軸合わせ偏向器14によって行なう。電子銃11から発散するビームの内、例えば、軸上輝度の90%以内に入る角度内にマルチ開口板15を設け、ビームを分けることによってマルチビームを形成する。マルチ開口板15を通過したマルチビームは、コンデンサ・レンズ16で集束され、NA開口17にクロスオーバを形成する。このクロスオーバの寸法はNA開口寸法より大きく、NA開口で一部カットされる。NA開口で収差が許容される開口角にカットされたマルチビームは、縮小レンズ18でまず縮小され、第1対物レンズ19と第2対物レンズ20とでさらに縮小されて試料面にマルチビームを合焦させる。この際、第1対物レンズ9と第2対物レンズ20との間では縮小像を作らず、マルチ開口板15の各点から発散したビームは、この2つの対物レンズの間では、22に示したように収束ビームにしたり、平行ビームにしたり、あるいはわずかに発散ビームにすることができる(図示例では収束ビーム)。例えば、わずかに収束ビームになるように調整すると、第2対物レンズ20の励起電圧が下がり、2次電子の像点が遠くになり、2次電子の軸上色収差は小さくなるが、励起電圧が下がった結果1次ビームのそれが大きくなり、逆にわずかに発散ビームに調整すると、第2対物レンズ20の励起電圧が上がり、上記と逆の関係となる。
【0018】
しかしながら、本発明では、従来のように、対物レンズを一段とするのではなく図示のように2段19,20とし、これによって第2対物レンズ20の励起電圧を小さくしたので、2次電子像31を対物レンズ20から遠い位置(図示例では、第1対物レンズ19の近くに)に形成し、これによりE×B分離器23による1次電子線から分離後の2次電子像32を2次光学系の第2レンズ33の手前につくるようにしたので、2次光学系のレンズの口径を小さくでき、これによって2次光学系の収差を小さくすることができる。また、このように、2次電子像を2次光学系の第2レンズの手前につくることにより、2次光学系を拡大レンズにした場合に像点を長くする必要は無く、2次光学系の長さを短くすることができる。
【0019】
1次ビームが上記のような結像関係をなす時、2次電子像32が第1対物レンズ19で2次光学系30の第2レンズ33の手前に結像されることはシュミレーションで明らかになっている。この場合、E×B分離器23は第1対物レンズ19のわずかに上に配置してある。縮小レンズ18のすぐ下にはプリEBと呼ばれる電磁偏向器29を設け、E×B分離器23で角度α偏向し、しかも1次ビームが対物レンズ19の中心を通るようにした。その結果、光軸上を進んできたビームの軌道は24で示したようになる。2つの対物レンズ19,20間には試料上で走査を行なう2段の偏向器25,26を有し、これらの偏向器に軸合わせ用の直流を重畳することによって1次ビームを第2対物レンズ20へ軸合わせを行なうことは可能であるが、後述するように2次ビームを1次ビームから分離する角度を大きくするために、図に示したように、1次ビームを試料21上で光軸からわずかに離れた位置27に入射するようにした。この結果、光軸から図で右側にわずかにずれた位置から放出された2次電子34は、第2対物レンズ20の電界に引かれて光軸と平行に進み、第2対物レンズ20で左へ曲げられ、35で示した軌道となり、さらに、第1対物レンズ19で右に曲げられ、E×B分離器23で3α以上右へ偏向され、2次光学系30に入射する。ここで1次ビームのE×B分離器23による偏向角αは、E×B分離器の電磁偏向器で左へ2α偏向され、さらに静電偏向器で右へα偏向された差から生じた値であり、偏向色収差はほぼゼロにすることができる。例えば、αを8°程度と小さくしても、第2対物レンズ20での屈折、第1対物レンズ19での屈折と、2次電子は1次電子よりかなりエネルギーが小さいので(例えば、1次電子線は試料面上で500eVにエネルギーを持っているのに対し、2次電子線は数eVのエネルギー)、30°以上2次電子36は曲げられるので、2次光学系を容易に設計することができる。また、図示例では2次電子像31は第2対物レンズ20と第1対物レンズ19との間に結像される。
【0020】
このように、本発明では対物レンズを2段19,20とし、それによってE×B分離器23が試料と共役点でない位置に置かれても、1次ビームがレンズの中心を通るようにしたので低収差とすることができる。また、2次ビームを1次ビームから分離する角度を大きくすることにより、2次電子の検出が容易となる。
【0021】
図2は、図1の紙面に直角の方向、すなわちX−Z平面を示した図である。2つの走査用偏向器25,26で実線のように走査している時の2次電子の軌道を点線で示している。すなわち、電気的な走査は、X方向へ行なわれるが、その時のビーム軌道は実線のようになり、常に対物レンズ20の中心を通るように偏向される。2次電子は偏向器26で図示の2本の点線の間のいずれかの軌道をとるように偏向される。
【0022】
本発明では、偏向器25,26を2つ共静電偏向器としたので、第2偏向器25で1次ビームが左へ曲げられる時には2次電子も左へ曲げられ、E×B分離器23の中央部へ入射するように光軸方向へ戻されるので好都合である。(もし、第2偏向器26が電磁偏向器である場合は、2次電子が光軸から外れる方向に偏向されるので都合が悪い。)また、第1偏向器25でも図に示したように2次電子は光軸方向または光軸と平行な方向に偏向されるので好都合である。2次電子が2次光学系に入った後は、2次電子用の偏向器(図示せず)により、1次ビームを走査するとき2次電子がレンズの中心を通るように調整できるので特に問題は無い。
【0023】
次に、必要な解像度をもったマルチビームを試料上で光軸からどれだけ離れた位置に配置できるかを検討してみる。
【0024】
試料面でのビーム収束半角αi(mrad)は、収差が仕様を満たす条件から決まる。すなわち、ビーム収束半角αiを大きくすると収差が大きくなり、逆にαiが小さいとビーム電流が小さくなり、両者のトレードオフでαiの最適値が決まる。収差の仕様値は、例えば、100nmのパターンを解像する条件では、110nmφ以下のビームボケ等と決めることができる。
【0025】
一方、電子銃が放出する電子線は、輝度と同時に重要な特性としてエミッタンスE(mrad・μm)の値がある。このエミッタンスEは、例えば上記実施例のようにマルチ開口板を軸上輝度の90%以内に入る角度内に設ける場合は、電子銃が作るクロスオーバ径d(半値幅、μm)と輝度が、軸上輝度の90%に落ちる放出方向θ(mrad)との積で表される。即ち
E=θ・d
このエミッタンスEの値は光軸上のどの位置でも保存される。したがって、試料面でのビーム収束半角をαiとすると、マルチビームを配置して軸上輝度の90%以上の強度が得られる半径をrmとすると
E=rm・αi
を満たすrmの半径の円内に配置すればよい。
【0026】
また、αiを決めた場合、ビーム位置rを大きくすると、コマ収差、像面湾曲、非点収差、倍率色収差等で1次電子線及び2次電子線の収差が大きくなる。これらの収差が仕様値を満たすrが決まるので、ビームはこのrより小さい円内に配置する必要がある。
【0027】
図2の右に、マルチビームの配置とその走査方向の例を示す。従来は、マルチビームを円周上に配置していたのでビーム数が少なかったが、本発明では1次ビームをrm≦E/αiの条件を満たす円の内部に配置するようにしたのでビーム数を増やすことができる。なお、当然ビームの最小間隔は、2次光学系の分解能より大きくする必要があるが、本発明では2次光学系の収差を小さくすることができるので、上記rm内でマルチビームを一本の光軸近くに多く形成することができる。
【0028】
図3は、上記実施形態で示した電子線装置を半導体デバイス製造工程におけるウェーハの評価に適用したものである。
【0029】
デバイス製造工程の一例を図3のフローチャートに従って説明する。
この製造工程例は以下の各主工程を含む。
▲1▼ ウェーハを製造するウェーハ製造工程(又はウェハを準備する準備工程)(ステップ10)
▲2▼ 露光に使用するマスクを製作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)(ステップ11)
▲3▼ ウェーハに必要な加工処理を行うウェーハプロセッシング工程(ステップ12)
▲4▼ ウェー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(ステップ13)
▲5▼ 組み立てられたチップを検査するチップ検査工程(ステップ14)
なお、各々の工程は、更に幾つかのサブ工程からなっている。
【0030】
これらの主工程の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程がウェー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ェーハ上に順次積層し、メモリやMPUとして動作するチップを多数形成する。このウェーハプロセッシング工程は以下の各工程を含む。
▲1▼ 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)
▲2▼ 形成された薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程
▲3▼ 薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するためにマスク(レチクル)を用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィー工程
▲4▼ 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)
▲5▼ イオン・不純物注入拡散工程
▲6▼ レジスト剥離工程
▲7▼ 加工されたウェーハを検査する検査工程
なお、ウェー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。
【0031】
上記ウェー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図4のフローチャートに示す。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
▲1▼ 前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程(ステップ20)
▲2▼ レジストを露光する露光工程(ステップ21)
▲3▼ 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(ステップ22)
▲4▼ 現像されたパターンを安定化させるためのアニール工程(ステップ23)以上の半導体デバイス製造工程、ウェーハプロセッシング工程、リソグラフィー工程には周知の工程が適用される。
【0032】
上記▲7▼のウェーハ検査工程において、本発明の上記各実施形態に係る欠陥検査装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、2次電子画像の像障害が無い状態で高精度に欠陥を検査できるので、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【0033】
なお、本発明によるパターン評価は、フォトマスクやレクチル、ウエハ等の試料の欠陥検査、線幅測定、合わせ精度、電位コントラスト測定等広く試料のパターン評価に適用することができる。。
【0034】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一本の光軸まわりに多くのマルチビームを形成することができるので、パターン評価を高スループットで行なうことができ、しかも、電子光学鏡筒は単数でよいので安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による電子線装置の光学系を示す図である。
【図2】本発明の走査方法ととの場合の2次電子の主光線の軌道を示す図であり、右上はマルチビームの配置例と走査方向を示す。
【図3】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
【図4】図3の半導体デバイス製造プロセスのうちリソグラフィープロセスを示すフローチャートである。
【図5】従来の電子線装置における光学系を示す図である。
【符号の説明】
10:1次光学系、 11:電子銃、 15:マルチ開口板
16:コンデンサ・レンズ、 17:NA開口、 18:縮小レンズ
19:第1対物レンズ、 20:第2対物レンズ、 21:試料
22:1次ビーム、 23:E×B分離器、 25:第1偏向器
26:第2偏向器、 30:2次光学系、 31,32:2次光学系
33:2次光学系のレンズ、 34,35:2次電子、 40:検出器
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an apparatus for performing pattern evaluation of a sample having a pattern with a minimum line width of 0.1 μm or less, for example, a substrate with high throughput, and a pattern evaluation method using the apparatus.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, when a pattern formed on a substrate is evaluated using an electron beam, proposals have been made to use a multi-beam in order to improve throughput. These proposals can be broadly divided into two methods: a method using a multi-beam having a plurality of optical axes and a method of forming a multi-beam at a position equidistant from one optical axis.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the former method using a multi-beam having a plurality of optical axes is expensive because it requires a large number of electron optical lens barrels, and can be arranged on a single substrate, for example, a single wafer. There was a problem that the number of optical axes could not be increased too much.
[0004]
On the other hand, in the latter method of forming a multi-beam at a position equidistant from one optical axis, the beam is formed at a position away from the optical axis, so the aberration of the optical system increases, and the brightness of the beam increases. There is a problem that you can not. Therefore, when trying to place many beams very close to the optical axis, secondary electrons generated from each scanning point of the multi-beam overlap each other due to aberration of the optical system, and can be detected independently to prevent this. If the beam interval is increased, many multi-beams cannot be produced. Further, the conventional electron beam apparatus has a drawback that the length of the secondary optical system becomes long.
[0005]
More specifically, as shown in FIG. 5, in the conventional apparatus, the objective lens 4 for focusing the primary electron beam 2 after passing through the reduction lens 1 on the sample surface 3 is one stage. At this time, when the landing energy of the primary electrons is large, the excitation voltage of the objective lens 4 becomes large, and the secondary electrons 5 form a secondary electron image 6 immediately above the objective lens 4 as shown in the figure, and the half angle of the aperture If αi is large and the aperture of the lens 8 of the secondary optical system 7 is not increased, the lens will go out of the lens. For this reason, it is necessary to increase the diameter of the lens 8, which causes a disadvantage that aberrations increase. In addition, since the lens of the secondary optical system cannot be very close to the objective lens, if the object point of this lens is far, it is necessary to further distant the image point in order to make it a magnifying lens. There is a disadvantage that lengthens. In the figure, reference numeral 8 denotes an E × B separator that separates secondary electrons from the primary optical system.
[0006]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and can be manufactured at a low cost, and can reduce many aberrations in the vicinity of one optical axis by reducing the aberration of the optical system for detecting secondary electrons. An object is to provide an electron beam apparatus capable of forming a multi-beam and a pattern evaluation method using the apparatus.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, a first electron beam apparatus according to a reference example of the present invention separates an electron beam emitted from an electron gun at a plurality of apertures, reduces the image of the aperture to two stages, and multibeams. Is formed on the sample, the sample is scanned, the secondary electrons from the sample are expanded by the objective lens, and the secondary electrons are separated from the primary beam by the E × B separator. The second stage lens for reducing the image of the aperture comprises a two-stage lens, and forms an enlarged image of secondary electrons in the middle of the two-stage lens. Features.
[0008]
In the electron beam apparatus according to the reference example, the objective lens for focusing the primary electron beam on the sample surface is composed of two stages of lenses, and the excitation voltage of the objective lens can be reduced, so that the secondary electron image is located far from the objective lens. In other words, since an image point can be formed in front of the second lens of the secondary optical system, the aperture of the lens of the secondary optical system can be small and the aberration can be reduced. In addition, by creating the secondary electron image in front of the second lens of the secondary optical system, it is not necessary to lengthen the image point of the lens, and the length of the secondary optical system can be shortened.
[0009]
In order to solve the above problem, the second electron beam apparatus according to the reference example of the present invention reduces the electron beam that has passed through the plurality of apertures with a two-stage lens to form a multi-beam, and scans the sample. Then, the secondary electrons emitted from the sample are enlarged by the first lens, and the distance between the secondary electrons is enlarged. After passing through this lens, the secondary electrons are separated from the primary optical system by the E × B separator and made incident on the secondary optical system. The electron beam apparatus further expands the interval between the secondary electrons with at least one stage lens and detects each of a plurality of beams with a secondary electron detector, and the deflector that scans the sample is electrostatic It is a deflector.
[0010]
In order to reduce the aberration of the secondary optical system and form many multi-beams near one optical axis, when scanning the multi-beams, the central part and the peripheral part of the scanning field of view are far away from the optical axis. Without incident on the first lens of the secondary optical system. When the deflector that scans the sample is an electromagnetic deflector, the secondary electron that has returned is, for example, in the phase of deflecting the primary beam to the left by this deflector. As a result, the secondary electrons move away from the optical axis and enter the lens at a position away from the optical axis by the first lens of the secondary optical system, so that the aberration becomes large. However, when the scanning deflector is an electrostatic deflector as in the present invention, the secondary electrons are deflected in the same direction as the primary beam and return to the optical axis direction. Since the lens is incident on the lens at a position close to the optical axis, the aberration of the secondary optical system is reduced.
[0011]
In order to solve the above problems, an electron beam apparatus according to the present invention is an electron beam apparatus in which an electron beam emitted from an electron gun having a single emission region is incident on a multi-aperture to form a multi-beam. Conditions required for the multi-beam from the convergence half angle αi at the sample, the emittance E of the electron gun, and the radius rm from which 90% or more of the on-axis luminance is obtained :
rm ≦ E / αi
It is arranged inside a circle that satisfies the following conditions .
[0012]
In the electron beam apparatus of the present invention, it is not necessary to arrange the multi-beams on the circumference as in the prior art, and the minimum distance between the beams can be formed in the circle so as to be larger than the resolution of the secondary optical system. This can increase the number of beams.
[0013]
Further, in order to solve the above problem, a pattern evaluation method according to a reference example of the present invention is a method for evaluating a pattern formed on a sample,
a. Irradiating a plurality of apertures with an electron beam emitted from an electron gun;
b. Reducing the electron beam separated by the aperture in two or more steps, focusing on the sample, and scanning;
c. A step of enlarging a distance between secondary electrons emitted from a scanning point of the sample by an objective lens and separating from a primary electron optical system by an E × B separator;
d. Detecting the separated secondary electrons with a secondary electron detector,
The second stage reduction for reducing the aperture image is performed by an objective lens, and the first enlarged image of secondary electrons is formed behind the E × B separator.
[0014]
Further, in order to solve the above problems, a pattern evaluation method according to a reference example of the present invention is a method for evaluating a pattern formed on a sample,
a. Scanning the sample by reducing the electron beam that has passed through the plurality of apertures with a two-stage lens;
b. Enlarging the distance between the secondary electrons emitted from the scanning point of the sample by the first lens;
c. Separating secondary electrons from the primary optical system with an E × B separator after passing through the lens;
d. Enlarging the space between the secondary electrons with at least one lens after separation from the primary optical system;
e. Independently detecting a plurality of secondary electron groups with a secondary electron detector;
f. Forming an image with the detected signal and performing pattern evaluation;
The plurality of electron beams are arranged in a circle having a radius at which the aberrations of the primary electron beam and the secondary optical system are not more than predetermined values under the condition that the beam convergence half angle on the sample surface is determined. And
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
[0016]
FIG. 1 shows an electron optical system according to an embodiment of the present invention, and includes a primary optical system 10, a secondary optical system 30, and a detection system 40.
[0017]
In the primary optical system, the electron gun 11 operates the LaB6 cathode 12 under space charge limiting conditions to reduce shot noise. The anode 13 is composed of three electrodes, and at the same time as performing the lens operation, it is possible to achieve a high luminance condition or a high emittance condition by changing the voltage applied to the first anode. The axial alignment with the anode is performed by mechanically moving the cathode and Wehnelt in the XY direction or the θ direction. The axis of the beam emitted from the electron gun is aligned by the axis alignment deflector 14. The multi-beam is formed by providing the multi-aperture plate 15 within an angle that falls within 90% of the on-axis luminance of the beam diverging from the electron gun 11, and dividing the beam. The multi-beams that have passed through the multi-aperture plate 15 are focused by the condenser lens 16 to form a crossover at the NA aperture 17. The size of the crossover is larger than the NA opening size and is partially cut at the NA opening. A multi-beam that has been cut to an aperture angle at which aberration is allowed at the NA aperture is first reduced by the reduction lens 18, and further reduced by the first objective lens 19 and the second objective lens 20, and the multi-beam is combined with the sample surface. To burn. At this time, a reduced image is not formed between the first objective lens 9 and the second objective lens 20, and the beam diverging from each point of the multi-aperture plate 15 is shown in 22 between the two objective lenses. Thus, it can be a convergent beam, a parallel beam, or a slightly divergent beam (in the illustrated example, a convergent beam). For example, when the adjustment is made so that the beam is slightly convergent, the excitation voltage of the second objective lens 20 decreases, the image point of the secondary electrons becomes far, and the axial chromatic aberration of the secondary electrons decreases, but the excitation voltage decreases. As a result of the lowering, that of the primary beam becomes larger, and conversely, if it is adjusted slightly to a diverging beam, the excitation voltage of the second objective lens 20 rises, and the relation is reversed.
[0018]
However, in the present invention, the objective lens is not made up of one stage as in the prior art, but is made up of two stages 19 and 20 as shown in the figure, thereby reducing the excitation voltage of the second objective lens 20, so that the secondary electron image 31 is obtained. Is formed at a position far from the objective lens 20 (near the first objective lens 19 in the illustrated example), whereby the secondary electron image 32 separated from the primary electron beam by the E × B separator 23 is secondary. Since it is made in front of the second lens 33 of the optical system, the diameter of the lens of the secondary optical system can be reduced, and thereby the aberration of the secondary optical system can be reduced. In addition, by creating a secondary electron image in front of the second lens of the secondary optical system in this way, there is no need to lengthen the image point when the secondary optical system is a magnifying lens. Can be shortened.
[0019]
It is clear from simulation that the secondary electron image 32 is formed in front of the second lens 33 of the secondary optical system 30 by the first objective lens 19 when the primary beam has the above-described imaging relationship. It has become. In this case, the E × B separator 23 is arranged slightly above the first objective lens 19. An electromagnetic deflector 29 called pre-EB is provided immediately below the reduction lens 18, and the angle α is deflected by the E × B separator 23, and the primary beam passes through the center of the objective lens 19. As a result, the trajectory of the beam that has traveled on the optical axis is as shown at 24. Between the two objective lenses 19 and 20, there are two-stage deflectors 25 and 26 for scanning on the sample, and by superimposing a direct current for axial alignment on these deflectors, the primary beam is made to be the second objective. Although it is possible to align the lens 20 with the axis, in order to increase the angle at which the secondary beam is separated from the primary beam as will be described later, the primary beam is placed on the sample 21 as shown in the figure. Incident light is incident at a position 27 slightly away from the optical axis. As a result, the secondary electrons 34 emitted from a position slightly shifted to the right side in the drawing from the optical axis are attracted by the electric field of the second objective lens 20 and travel in parallel with the optical axis, and left by the second objective lens 20. Is bent to the right by the first objective lens 19, deflected to the right by 3α or more by the E × B separator 23, and enters the secondary optical system 30. Here, the deflection angle α of the primary beam by the E × B separator 23 is caused by the difference of 2α deflected to the left by the electromagnetic deflector of the E × B separator and further α deflected to the right by the electrostatic deflector. The deflection chromatic aberration can be made almost zero. For example, even if α is as small as about 8 °, refraction at the second objective lens 20, refraction at the first objective lens 19, and secondary electrons have considerably lower energy than primary electrons (for example, primary While the electron beam has an energy of 500 eV on the sample surface, the secondary electron beam has an energy of several eV), and the secondary electron 36 is bent by 30 ° or more, so the secondary optical system can be designed easily. be able to. In the illustrated example, the secondary electron image 31 is formed between the second objective lens 20 and the first objective lens 19.
[0020]
As described above, in the present invention, the objective lens has two stages 19 and 20, so that the primary beam passes through the center of the lens even when the E × B separator 23 is placed at a position that is not a conjugate point with the sample. Therefore, low aberration can be achieved. Further, detection of secondary electrons is facilitated by increasing the angle at which the secondary beam is separated from the primary beam.
[0021]
FIG. 2 is a view showing a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1, that is, an XZ plane. The trajectory of secondary electrons when the two scanning deflectors 25 and 26 are scanning as indicated by solid lines is indicated by dotted lines. That is, electrical scanning is performed in the X direction, but the beam trajectory at that time becomes a solid line and is always deflected so as to pass through the center of the objective lens 20. The secondary electrons are deflected by the deflector 26 so as to take any trajectory between the two dotted lines shown.
[0022]
In the present invention, since the two deflectors 25 and 26 are both electrostatic deflectors, when the primary beam is bent to the left by the second deflector 25, the secondary electrons are also bent to the left, and the E × B separator. This is convenient because it is returned in the direction of the optical axis so as to be incident on the central portion of 23. (If the second deflector 26 is an electromagnetic deflector, it is inconvenient because the secondary electrons are deflected in a direction away from the optical axis.) Also, the first deflector 25 as shown in FIG. The secondary electrons are advantageously deflected in the direction of the optical axis or in a direction parallel to the optical axis. After the secondary electrons enter the secondary optical system, the secondary electrons can be adjusted so that they pass through the center of the lens when scanning the primary beam by a deflector for secondary electrons (not shown). There is no problem.
[0023]
Next, consider how far a multi-beam having the required resolution can be placed on the sample from the optical axis.
[0024]
The beam convergence half angle αi (mrad) on the sample surface is determined from the condition that the aberration satisfies the specification. That is, when the beam convergence half angle αi is increased, the aberration is increased. Conversely, when αi is decreased, the beam current is decreased, and the optimum value of αi is determined by a trade-off between the two. The specification value of the aberration can be determined as, for example, a beam blur of 110 nmφ or less under the condition for resolving a 100 nm pattern.
[0025]
On the other hand, the electron beam emitted from the electron gun has a value of emittance E (mrad · μm) as an important characteristic as well as luminance. For example, when the multi-aperture plate is provided within an angle that is within 90% of the on-axis luminance as in the above-described embodiment, the emittance E has a crossover diameter d (half-value width, μm) and luminance generated by the electron gun. It is represented by the product of the emission direction θ (mrad) falling to 90% of the on-axis luminance. That is, E = θ · d
The emittance E value is stored at any position on the optical axis. Therefore, if the beam convergence half-angle on the sample surface is αi, E = rm · αi where rm is the radius at which multibeams are arranged to obtain an intensity of 90% or more of the on-axis luminance.
What is necessary is just to arrange | position in the circle | round | yen of the radius of rm which satisfy | fills.
[0026]
When αi is determined, if the beam position r is increased, the aberrations of the primary electron beam and the secondary electron beam increase due to coma, curvature of field, astigmatism, lateral chromatic aberration, and the like. Since r satisfying the specification values of these aberrations is determined, the beam needs to be arranged in a circle smaller than this r.
[0027]
The right side of FIG. 2 shows an example of the arrangement of multi-beams and their scanning directions. Conventionally, the number of beams is small because multi-beams are arranged on the circumference, but in the present invention, the primary beam is arranged inside a circle that satisfies the condition of rm ≦ E / αi. Can be increased. Of course, the minimum beam interval needs to be larger than the resolution of the secondary optical system, but in the present invention, since the aberration of the secondary optical system can be reduced, a single multi-beam within the above rm. Many can be formed near the optical axis.
[0028]
FIG. 3 shows an application of the electron beam apparatus shown in the above embodiment to the evaluation of a wafer in a semiconductor device manufacturing process.
[0029]
An example of the device manufacturing process will be described with reference to the flowchart of FIG.
This manufacturing process example includes the following main processes.
(1) Wafer manufacturing process for manufacturing a wafer (or preparation process for preparing a wafer) (Step 10)
(2) Mask manufacturing process for manufacturing a mask used for exposure (or mask preparation process for preparing a mask) (Step 11)
(3) Wafer processing process (step 12) for performing necessary processing on wafers
(4) Chip assembly process for cutting chips formed on the wafer one by one and making them operable (Step 13)
(5) Chip inspection process for inspecting the assembled chip (step 14)
Each process is further composed of several sub-processes.
[0030]
Among these main processes, the main process that has a decisive influence on the performance of the semiconductor device is a wafer processing process. In this process, designed circuit patterns are sequentially stacked on a wafer to form a large number of chips that operate as memories and MPUs. This wafer processing step includes the following steps.
(1) A thin film forming process for forming a dielectric thin film to be an insulating layer, a metal thin film for forming a wiring portion or an electrode portion (using CVD, sputtering, etc.)
(2) Oxidation process for oxidizing the formed thin film layer and wafer substrate (3) Lithography process for forming a resist pattern using a mask (reticle) to selectively process the thin film layer and wafer substrate, etc. (4) ▼ Etching process to process thin film layer and substrate according to resist pattern (for example, using dry etching technology)
(5) Ion / impurity implantation diffusion process (6) Resist stripping process (7) Inspection process for inspecting the processed wafer The wafer processing process is repeated for the required number of layers to manufacture a semiconductor device that operates as designed. .
[0031]
The lithography process that forms the core of the wafer processing process is shown in the flowchart of FIG. This lithography process includes the following steps.
(1) Resist coating process for coating a resist on the wafer on which the circuit pattern is formed in the preceding process (Step 20)
(2) Exposure process for exposing resist (step 21)
(3) Development step for developing a resist pattern by developing the exposed resist (step 22)
(4) Annealing process for stabilizing the developed pattern (step 23) Well-known processes are applied to the semiconductor device manufacturing process, wafer processing process, and lithography process described above.
[0032]
When the defect inspection apparatus according to each of the above embodiments of the present invention is used in the wafer inspection process of (7) above, even with a semiconductor device having a fine pattern, it is highly accurate in a state where there is no image defect of the secondary electron image. Since defects can be inspected, product yield can be improved and shipment of defective products can be prevented.
[0033]
The pattern evaluation according to the present invention can be widely applied to the pattern evaluation of samples such as defect inspection, line width measurement, alignment accuracy, potential contrast measurement of samples such as photomasks, reticles, and wafers. .
[0034]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since many multi-beams can be formed around one optical axis, pattern evaluation can be performed with high throughput, and a single electron optical column is used. Since it is good, it can be manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an optical system of an electron beam apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the trajectory of the principal ray of secondary electrons in the case of the scanning method of the present invention, and the upper right shows an example of arrangement of multi-beams and the scanning direction.
FIG. 3 is a flowchart showing a semiconductor device manufacturing process.
4 is a flowchart showing a lithography process in the semiconductor device manufacturing process of FIG. 3;
FIG. 5 is a diagram showing an optical system in a conventional electron beam apparatus.
[Explanation of symbols]
10: primary optical system, 11: electron gun, 15: multi-aperture plate 16: condenser lens, 17: NA aperture, 18: reduction lens 19: first objective lens, 20: second objective lens, 21: sample 22 1: primary beam, 23: E × B separator, 25: first deflector 26: second deflector, 30: secondary optical system, 31, 32: secondary optical system 33: lens of secondary optical system, 34, 35: secondary electrons, 40: detector

Claims (1)

単一のエミッション領域をもつ電子銃から放出された電子線をマルチ開口に入射させてマルチビームを形成する電子線装置において、前記マルチビームが、試料での収束半角αiと電子銃のエミッタンスEと、軸上輝度の90%以上の強度が得られる半径rmから求められる条件:
rm≦E/αi
の条件を満たす円の内部に配置されることを特徴とする電子線装置。
In an electron beam apparatus in which an electron beam emitted from an electron gun having a single emission region is incident on a multi-aperture to form a multi-beam, the multi-beam includes a convergence half angle αi at the sample, an emittance E of the electron gun, and Conditions obtained from the radius rm at which an intensity of 90% or more of the on-axis luminance is obtained :
rm ≦ E / αi
An electron beam apparatus, wherein the electron beam apparatus is disposed inside a circle that satisfies the following conditions .
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