JP4366313B2 - 荷電粒子ビームを方向付けるための荷電粒子ビームカラムおよび方法 - Google Patents

Description

発明の分野

この発明は、電子、陽電子、または、イオン等の荷電粒子の集束されたビームを用いてサンプルを照射することによりサンプルを検査する際に使用される荷電粒子ビームカラムおよび方法に関する。

発明の背景

一般に、荷電粒子ビームカラムは、半導体デバイスの製造において幅広く使用される周知の技術である走査型電子顕微鏡法（ＳＥＭ）において使用されるものであり、ＣＤ測定ツール、所謂ＣＤ−ＳＥＭ（臨界寸法走査型電子顕微鏡法）および欠陥検査ＳＥＭで利用される。ＳＥＭにおいて、検査されるサンプルの領域は、通常は電子である荷電粒子の集束された一次ビームによって、二次元的に走査される。一次電子ビームを用いてサンプルを照射すると、二次（及び／又は後方散乱）電子が解放される。この二次電子は、一次電子ビームが入射するサンプルの側で解放され、元の方向に戻って、検出器により捕らえられる。これにより、そのようにして検出された電流に比例する出力電気信号が形成される。二次電子のエネルギ及び／又はエネルギ分布は、サンプルの性質および組成を示す。

一般に、ＳＥＭは、電子ビーム源（小型チップ、所謂電子銃が形成されている）、電子ビームカラム、検出ユニット等の主要な構成部品を有する。電子ビームカラムは、特に、銃アライメント系と、ビームブランク手段と、ビーム軸アライメント系（通常、「アパーチャアライメントコイル」と称される）と、ビーム整形系（一般に、１または複数の４倍レンズから成る「スチルマタ（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ）」）と、集束アセンブリ（対物レンズ配列を有する）と、１または複数のデフレクタとを有する。集束アセンブリへと伝搬する一次電子ビームは、アライメントコイルを通過している間にビーム軸が整列され、その後、スチグマタによって影響が及ぼされる。

一般に、一次ビーム軸の整列は、集束の様々な収差を補正することを目的としており、通常は対物レンズ配列の「中心」点と呼ばれる対物レンズ配列の特定の点をビーム軸が通過するように一次ビーム軸を偏向させることから構成される。この「特定の点」は、対物レンズ配列のこの点を通過するビームのエネルギが変化しても対物レンズ配列によるビーム偏向が生じない点のことである。一般に、サンプルの表面上にカソードチップを最小のスポットサイズで結像させるためには、ビーム軸を対物レンズ配列の光軸に対して整列しなければならない。また、一般に、スチグマタは、磁場または静電場を形成する。このような磁場または静電場は、一次ビームの断面に影響を与えることにより、対物レンズ配列の非点収差の影響によって引き起こされる集束の収差（例えば、対物レンズ配列の集束領域の軸非対称性）を補償するとともに、集束アセンブリによってサンプル上に集束される一次ビームの断面を略円形にする。

検出器ユニットは、カラムを貫く一次ビームの伝搬経路の外側に位置されている場合がある。この場合、二次電子を検出器へと方向付けるために、直交電磁場発生器（ウィーンフィルタとして知られている）が使用される（例えば、米国特許第５，８９４，１２４号；５，９００，６２９号）。ウィーンフィルタによって十分に変更されていない二次電子を検出するため、電子が衝突する時に二次電子を形成することができる材料から成るターゲットまたは抽出電極が別個に使用される。このようなターゲットにはアパーチャが形成されており、また、ターゲットは、集束アセンブリへと向かう一次ビーム伝搬の軸が上記アパーチャと交差し、それにより、上記アパーチャが一次ビーム孔として機能するように配置される。

本出願の譲受人に与えられた国際公開公報第０１／４５１３６号に開示されているように、検出器ユニットは、集束アセンブリへと向かう一次電子ビーム伝播経路中に配置された一次ビーム孔を有する検出器を備える。ここで、集束アセンブリに関連付けられた偏向系は、一次ビームの軌道に影響を与えて、サンプルの表面と特定の角度を成す軸に沿って一次電子ビームをサンプルに衝突させるべく作用する（所謂「チルトモード」）。通常、チルトモードは、表面に起伏があるサンプル、すなわち、複数の離間した溝の形態を成すパターンを有するサンプルを検査して、狭い溝の内側にある異物の存在を検出するために使用される。

一般に、チルト機構は、サンプルキャリアを荷電粒子ビームカラムに対して機械的に傾けることにより（例えば、米国特許第５，７３４，１６４号；５，８９４，１２４号；６，０３７，５８９号）、あるいは、カラムをサンプルのステージに対して機械的に傾けることにより（例えば、米国特許第５，３２９，１２５号）、実施することができる。前述した国際公開公報第０１／４５１３６号技術において、チルト機構は、単偏向または二重偏向を使用して一次電子ビームの軌道に影響を与えることにより達成される。サンプルの立体観察のために、二重偏向技術を使用すること、すなわち、プリレンズ偏向ステージおよびインレンズ偏向ステージを使用することは、周知であり、例えばＥＰ１０４５４２６に開示されている。

発明の概要

カラム（列）を通じて一次ビームを方向付ける新規な荷電粒子ビームカラムおよび方法を提供することによって、荷電粒子ビームによるサンプルの検査を容易にする技術が必要である。

ここで使用される用語「一次ビーム」または「一次荷電粒子ビーム」とは、ビーム源（カソード）によって生成される荷電粒子によって形成されるとともに、サンプルへと方向付けられることにより、検出される「二次ビーム」（「二次荷電粒子ビーム」とも称する）を形成する荷電粒子を叩き出す荷電粒子ビームのことを意味している。

カラム内において、一般に、一次ビームは、集束アセンブリへと向かうビーム伝搬の初期軸に沿って方向付けられる。集束アセンブリは、光軸を画成する対物レンズ配列を含む。本発明においては、一次ビームがビーム整形系（スチグマタ（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ））を通過した後、対物レンズ配列の光軸に対して一次ビーム軸を整列する。これは、以下に関連付けられる。

一般に、一次ビーム軸の整列は、集束の様々な収差を補正することが目的であり、ビーム軸が対物レンズ配列の特定の点を通過するように、ビーム伝搬の初期軸から一次ビームを偏向させることから成る。一次ビームをスチグマタに通過させる目的は、対物レンズ配列の非点収差の影響によって引き起こされる集束の収差を補償して、対物レンズ配列によってサンプルへと集束される一次ビームの所定の断面、好ましくは略円形の断面を確保するためである。スチグマタを効果的に作用させることができるように、一次ビームは、スチグマタの領域がゼロに等しくなるスチグマタの光軸上の部位を通過しなければならない。しかしながら、一次ビームが通過できる対物レンズ配列の特定の点は、集束アセンブリの所定の作用によって決定付けられるため、一次ビームがビーム軸アライメント系によって適切に整列された後、一次ビームがスチグマタの上記ゼロ領域部位を通過しない場合が多々ある。その結果、スチグマタの再較正が必要となる。本発明は、この問題を、サンプルへ向かう一次ビームの伝搬方向に対してスチグマタの下流側に一次ビーム軸アライメント系を配置することにより「解決する」。

本発明は、集束アセンブリによる一次ビームの偏向が必要とされる場合において更に不可欠となる。このような偏向は、一次ビームをサンプルに対して所望の入射角で入射させるため、すなわち、対物レンズ配列の光軸と略平行（カラムが「垂直」で、サンプルが「水平」であると考えると、サンプルの表面と垂直）な軸に沿って一次ビームがサンプルと衝突する垂直入射、または、対物レンズ配列の光軸と特定の角度を成す軸に沿って一次ビームがサンプルと衝突する斜め入射（「チルトモード」）を行なうために必要とされてもよい。

一次ビームを偏向させる必要性は、「インカラム検出器」、すなわち、一次ビームの経路中に設けられる検出器の使用に関連付けられてもよい。インカラム検出器には開口が形成されており、この開口は、カラムを貫通する一次ビーム伝搬軸と交差するように位置されており、したがって、一次ビーム孔としての機能を果たす。この場合、サンプルの近傍の高勾配電場によって特徴付けられる高アスペクト比（ＨＡＲ）モードで動作すると、二次電子は、比較的高速となって、一般に、一次電子ビームとサンプル表面との間の相互作用位置から、対物レンズ配列の光軸と平行な軸に沿って戻るように伝搬する。対物レンズ配列の光軸が検出器の一次ビーム孔と交差し且つ光軸の位置で一次ビームが二次電子を叩き出すような構成の場合には、殆どの二次電子が一次ビーム孔内で失われる。この問題は、集束アセンブリのデフレクタを適切に作用させて、一次および二次ビームの軌道に影響を与え、一次ビーム孔の外側にある検出領域へと二次ビームを伝搬させることにより解決することができる。

集束アセンブリによる一次ビームの所要の偏向を可能にするため、特に、チルトモード動作を行なうため、ビーム軸アライメント系は、一次ビーム軸を、初期ビーム伝搬軸から、このような偏向が必要とされない動作モードよりも大きく変位させなければならない。この大きな（stronger）変位は、ビーム軸アライメント系のコイルに高い電流を流すことにより達成される。従来の荷電粒子ビームカラムの場合と同様に、スチグマタがビーム軸アライメント系の下流側に位置されている場合には、ビーム軸の整列（アライメント）により、ビーム軸がスチグマタのゼロ領域部位から変位してしまい、それにより、スチグマタの効果的な作用が妨げられる可能性が高い。また、チルトモードを選択的に適用すること、すなわち、サンプルの選択的な位置に対してチルトモードを適用しつつ、垂直モードを用いたサンプルのこれらの位置および他の位置の検査を可能にすることが望ましい場合もある。この場合、スチグマタがビーム軸アライメント系の下流側に設けられていると、スチグマタのゼロ領域点でスチグマタの面に一次ビームを入射させるべくチルトモードに切り換える度に、スチグマタの領域の調整が必要となる。本発明は、この問題を、スチグマタの下流側に一次ビーム軸アライメント系を配置することによって「解決する」。

アライメント系は、インカラム検出器の下流側に配置されることが好ましい。また、このことは、集束アセンブリによって一次ビームを偏向させる必要があることに関連している。すなわち、アライメント系が検出器の上流側に配置されている場合には、一次ビーム軸の変位によって、ビームが一次ビーム孔の壁と接触し、シェーディング効果が引き起こされる虞がある。アライメント系を検出器の下流側に配置することにより、この問題を解消することができる。

したがって、本発明の一態様においては、一次荷電粒子ビームをサンプル上へと方向付ける方法であって、
（i）一次荷電粒子ビームを、光軸を画成する対物レンズ配列を備える集束アセンブリへと、初期ビーム伝搬軸に沿って方向付けるステップと、
（ii）上記初期軸に沿って伝搬する一次荷電粒子ビームをビーム整形器に通して、上記対物レンズ配列によって生じる収差を補償するステップと、
（iii）上記ビーム整形器を通って上記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの軸を、上記対物レンズ配列の光軸に対して整列するステップと、
を含む方法が提供される。

一次荷電粒子ビーム軸の整列するステップは、集束アセブリによって形成される少なくとも１つの偏向領域によって一次荷電粒子ビームの軌道に更なる影響を与えることができるように行なわれることが好ましい。この偏向領域は、一次荷電粒子ビームを偏向させ、例えば集束アセンブリの光軸と略平行な軸に沿って、あるいは、光軸と特定の角度を成す軸に沿って、一次荷電粒子ビームをサンプルに対して所望の入射角で入射させる。

また、方法は、ビーム整形器を通過した一次荷電粒子ビームをインカラム検出器の開口（一次ビーム孔）に通過させるステップを含むことが好ましい。

一次荷電粒子ビームの軸を整列する前に、一次荷電粒子ビームを検出器の一次ビーム孔に通過させることが好ましい。

本発明の他の態様においては、サンプルの検査で使用するための荷電粒子ビームカラムであって、
光軸を画成する対物レンズ配列を有し、一次荷電粒子ビームをサンプルへと集束させるための集束領域を形成する集束アセンブリと、
初期軸に沿って上記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中に設けられ、一次荷電粒子ビームの断面に影響を与え、上記対物レンズ配列によって生じる収差を補償するように作用するビーム整形器と、
上記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中の上記ビーム整形器の下流側に設けられ、上記対物レンズ配列の光軸に対して一次荷電粒子ビームの軸を整列するように作用するビーム軸アライメント系と、
を含む荷電粒子ビームカラムが提供される。

また、カラムは、一次ビームとサンプルとの相互作用の結果として形成される二次荷電粒子ビームのインカラム検出器、すなわち、開口とこの開口の外側にある検出領域とを有する検出器であって、初期軸が上記開口と交差するように設けられ、したがって、上記開口が一次ビーム孔としての機能を果たす検出器を備えることが好ましい。ビーム軸アライメント系は、サンプルへの一次ビームの伝搬方向に対してインカラム検出器の下流側に設けられていてもよい。

本発明は、任意の種類の荷電粒子ビームカラム、すなわち、電子、陽電子、イオンによって形成される一次荷電粒子ビームをサンプルの走査領域へと方向付けるためのカラムにおいて使用できることは言うまでもない。更に具体的には、本発明は、（例えばＳＥＭで使用される）電子ビームカラムと共に使用される。したがって、以下では、この用途に関して本発明を説明する。

発明の詳細な説明

本発明を理解するため、また、本発明を実際にどのようにして実施できるのかを理解するため、添付図面を参照しながら、非制限的な単なる一例として、好ましい実施形態を説明する。

図１を参照すると、被検査サンプル（例えば、ウエハ）Ｗに関連付けられた全体的に参照符号１０で表されるＳＥＭシステムの主要な構成部品が示されている。システム１０は、電子ビーム源１４（カソードチップ）と、電子ビームカラム１６と、一次ビーム孔１８ａ（例えば、直径が１ｍｍ）が設けられた所謂「インカラム検出器」であることが好ましい検出器１８とを備える。

電子ビームカラム１６は、初期軸ＯＡ’（アノードチューブの長軸と略一致する）に沿う一次ビーム伝搬のための一次ビームドリフト空間を画成するアノードチューブ２０と、ビーム整形器（スチグマタ（ｓｔｉｇｍａｔｏｒ））２２と、ビーム軸アライメント系２４（アライメントコイル）と、集束アセンブリ２６とを有する。前述したように、一般に、カラム１６は、具体的に図示しない銃アライメント系およびビームブランク手段を備える。また、ＳＥＭ１０には、随意的に、差動ポンプシステム（ＤＰＳ）２７が設けられている。このＤＰＳは、ＤＰＳの両側にある真空チャンバの上部および下部の内部で真空状態を維持するために使用される。通常、ＤＰＳは、真空チャンバの側壁に接続されており、また、ＤＰＳにはアパーチャ２７Ａ（例えば、直径が約１．３ｍｍ）が形成されている。一般に、アパーチャサイズは、このアパーチャを一次ビームが通過できるように設定されるとともに、ＤＰＳの下側にある真空チャンバ（高圧）の下部からＤＰＳの上側にある真空チャンバの上部への漏れを最小限に抑えられる程度に十分小さい。アパーチャ２７Ａの直径は、例えば約１．３ｍｍであってもよい。

集束アセンブリ２６は、光軸ＯＡを画成する対物レンズ配列と、検出器配列とを有する。この実施例において、対物レンズ配列は、その間に磁気レンズ隙間を有する２つの磁極片２８Ａ，２８Ｂによって形成される磁気対物レンズ２８以外に、遅延液浸静電レンズ２９も有する。検出器アセンブリに関しては、一対のデフレクタ３０，３２から成るように例示されている。なお、具体的に示されていないが、走査及び／又はビームシフトのために１つだけデフレクタを設けても良く、あるいは、２つのデフレクタを設け、一方を走査用に、他方をシフト用にしてもよい。この場合、一般に、走査／シフトデフレクタは、レンズ２８に隣接して配置される。

静電レンズ２９は、ウエハに最も近接して遅延電場を形成し、それにより、予め加速された一次ビームの電子を減速するのに役立つ。遅延電場の必要性は、以下に関連付けられてもよい。ＳＥＭにおいて、電子ビームの「スポット」サイズをナノメートルまで減少させるためには、一般に、数十キロボルト以上の加速電圧を使用して、大きく加速された電子ビームが生成される。具体的には、電子が高い運動エネルギまで加速される場合には、電子光成分（素子）がより効果的である（すなわち、より小さい収差を生じる）。一般に、一次電子ビームの到着エネルギ（ランディングエネルギ）は、カソード１４とウエハＷとの間の電位差によって画成される。電子の所望の加速度を得るためは、カソード１４とアノード２０との間に適切な電位差が与えられなければならない。例えば、カソード電圧Ｖｃが約（−１）ｋＶであっても良く、また、アノード電圧Ｖａが約（＋８）ｋＶであってもよい。この場合、電子は、磁気レンズ２８へ向かう途中で加速され、９ｋｅＶの速度を有するようになる。しかしながら、このような高く励起された電子ビームは、抵抗構造および集積回路にダメージを与え、また、誘電体サンプルの場合には、サンプルの望ましくない帯電を引き起こすことが分かった。これらの結果を避けるため、サンプルの近傍に遅延電場が形成される。

この実施例において、静電レンズ２９は、３つの電極、すなわち、アノードチューブ２０の下端に位置された電極２９Ａと、ウエハの表面である電極２９Ｂと、電極２９Ａ，２９Ｂ間に位置されたカップ状の電極２９Ｃとによって形成されている。遅延電場を形成するため、静電レンズ２９の第２の電極２９Ｂ（ウエハの表面）に印加される電圧は、一般に、アノードチューブ２０のそれよりも実質的に低い。例えば、ウエハが接地される（Ｖ_２＝０）とともに、電極にバイアスがかけられ、すなわち、以下の電圧、つまり、（−１）ｋＶ；（＋８）ｋＶ；（＋３）ｋＶが、カソード１４とアノードチューブ２０とカップ電極とにそれぞれ印加されるような場合であってもよい。減速された一次電子ビームは、走査領域内でウエハの表面上に衝突して、二次電子を叩き出す。静電レンズ２９によって形成された電場は、一次ビームの電子を減速させるが、二次電子のための加速電場としての機能を果たし、それにより、二次電子を検出器に向かって伝播する。

なお、遅延電場を形成すること、および、実際の物理的要素としての任意の静電レンズを設けることは、随意的なものである。一次電子の減速が必要な場合、この効果は、アノードチューブおよびサンプルに対して、あるいは、アノードチューブと対物レンズの磁極片とサンプルとに対して、適切な電圧を印加することによって得ることができる。以下は、電気パラメータの２つの考えられる例である。
（１）（−５）ｋＶのバイアス電圧がウエハにかけられ、アノード電圧がゼロに等しく、カソード電圧が（−６）ｋＶである。
（２）（−３）ｋＶのバイアス電圧がウエハにかけられ、磁極片電圧がゼロに等しく、アノード電圧およびカソード電圧がそれぞれ（＋５）ｋＶおよび（−４）ｋＶである。

この実施例において、デフレクタ３０，３２は、レンズ２８に対するデフレクタの位置に関して、所謂「インレンズ」デフレクタおよび「ポストレンズ」デフレクタである。インレンズデフレクタ３０は、磁気デフレクタであるとともに、レンズ２８の磁極片によって形成される磁気レンズ隙間内に配置されている。また、ポストレンズデフレクタ３２は、磁気デフレクタ（例えば本実施例の場合）または静電デフレクタであってもよい。なお、２つのデフレクタは、両方共にプレレンズデフレクタ（磁気または静電）であっても良く、あるいは、プレレンズデフレクタ（磁気または静電）およびインレンズデフレクタ（磁気）であってもよい。また、走査のために、同じ或いは異なるデフレクタを使用することもできる。

デフレクタ３０，３２は、協働して動作することにより、一次ビームを所望の入射角でウエハ上に集束させる。第１の上側デフレクタ３０は、一次ビームを傾けることにより、アセンブリ２６の光軸ＯＡと特定の角度を成す軸に沿って一次ビームを方向付ける。第２の下側デフレクタは、傾けられた一次ビームを適切に偏向させることにより、ウエハの表面と特定の角度を成す軸に沿って（「チルトモード」）、あるいは、ウエハの表面と略垂直な軸に沿って（「垂直モード」）、一次ビームをサンプル上へ方向付ける。これについては、図２Ａおよび図２Ｂを参照して更に具体的に説明する。本発明によって、ウエハを水平面内に保持できるとともに、軸ＯＡおよび軸ＯＡ’がウエハに対して略垂直となるようにカラムを保持できることは言うまでもない。すなわち、本発明は、一次ビームを所望の入射角でウエハ上に供給するために、サンプルを傾ける必要がなく、また、カラムを傾ける必要もない。

一般に、ビーム整形器２２は、１または複数の４倍レンズ（ｑｕａｄｒｕｐｌｅ ｌｅｎｓ）から構成されるとともに、対物レンズ配列の非点収差の影響によって引き起こされる集束の収差を補償する（例えば、軸方向の非点収差を補正する）ことを目的としている。更に具体的には、スチグマタ２２は、対物レンズ配列（この実施例では、レンズ２８，２９）の集束領域の軸方向非対称性と同じ軸方向非対称性を有するが符号が反対の領域を形成し、それにより、集束領域の軸方向非対称性を補償する。すなわち、スチグマタの作用が対物レンズ配列の作用に適合され、それにより、ウエハに衝突する集束一次ビームの所定の断面が確保される（一次ビームの断面は、略円形であることが好ましい）。スチグマタは、互いに対して４５°の方向に向けられた２つの４倍レンズから構成されることが好ましい。スチグマタのこの構成および他の考えられる構成は、それ自体周知であり、したがって、具体的に説明する必要がない。

一般に、ビーム軸アライメント系２４は、一次ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’に沿って離間した関係を成して配置された少なくとも２つのアライメントコイル３４，３６から構成される。スチグマタによって形成される磁場がゼロに等しい場合においては、スチグマタの軸上の位置を通過する既に較正された一次ビームの伝搬を乱さないように、アライメントコイル３４，３６は、集束アセンブリ２６に向かうビーム伝搬方向に対してスチグマタ２２よりも下流側に配置されている。

ここで、前述した垂直モードおよびチルトモードでそれぞれ作用するカラム１６内での一次および二次ビームの伝搬方式を例示する図２Ａおよび図２Ｂを参照する。なお、一次ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’は、対物レンズ配列の光軸ＯＡと平行であることが好ましい。この実施例においては、軸ＯＡ’と軸ＯＡとが互いに略一致している。また、この実施例において、アライメントコイル３４，３６は、インカラム検出器１８の上流側に配置されている。

一次ビームＢ_ｐｒｉｍは、スチグマタ２２と、アライメントコイル３４，３６と、集束アセンブリ２６とを順次に通過して、走査領域内のウエハＷと衝突することにより、二次電子Ｂ_ｓｅｃを叩き出す。この二次電子Ｂ_ｓｅｃは、集束／偏向アセンブリを通じて伝搬して、元の検出器１８へと戻る。スチグマタ２２は、（対物レンズの集束領域の軸方向非対称性に基づいて）一次ビームの断面に影響を与える。アライメントコイル３４，３６は、一次ビームを連続的に偏向することにより、ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’に対して僅かに（約０．１°の角度で）傾けられた軸ＯＡ’に沿って一次ビームを伝搬し、それにより、一次ビームは、対物レンズ配列の特定（所定）の点を通過する。デフレクタ３０，３２によって一次ビームの軌道に影響を与えて、ビームを所望の角度でサンプルに入射させることを容易にするため、上記特定の点は、対物レンズ配列の光軸上に位置していなくてもよい。

図２Ａは、一次ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’から平行に離間された軸ＯＡ”’に沿って一次ビームＢ_ｐｒｉｍをウエハへと伝搬する通常の入射を示す。これを達成するため、第１および第２のデフレクタ３０，３２に対して電流（例えば、それぞれ０．０５Ａおよび０．０７Ａが適切に供給され、これにより、第１および第２の異なる偏向領域が形成される。デフレクタ３０の第１の偏向領域は、一次ビームＢ_ｐｒｉｍを傾けて、初期軸ＯＡ’に対して（例えば約１°の角度で）傾けられた軸に沿って一次ビームを伝搬する。デフレクタ３２の第２の偏向領域は、傾けられた一次ビームを異なる方向に偏向させ、一次ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’から平行に約５０〜１００μｍの距離で離間された軸ＯＡ”’に沿って一次ビームをウエハに入射させる。

二次ビームの伝搬に関しては、以下の点を理解しなければならない。静電レンズのカップ電極に電圧が供給されない場合、すなわち、Ｖ_ｃｕｐ＝０の場合、静電レンズは、ウエハの近傍に低勾配電場を形成し、したがって、二次電子のためのショートフォーカスレンズとしての機能を果たす。そのため、二次電子は、ウエハの近傍で光軸を横断し、一次ビーム孔の両側にある検出器の領域へと方向付けられるようになる。

一般的な場合（例えば、Ｖ_ｃｕｐが約３ｋＶ）であるＨＡＲモードの時には、ウエハの近傍に高勾配電場が形成され、したがって、ウエハ表面と相互に作用する位置で一次電子により叩き出された二次電子は、比較的高速となって、一次ビームとサンプル表面との間の相互作用位置から、対物レンズの光軸と平行な軸に沿って伝搬する。これが図２Ａおよび図２Ｂに示されている。二次ビームＢ_ｓｅｃは、軸ＯＡ”’に沿ってデフレクタ３２へと伝搬するとともに、上記電流が供給される第２および第１のデフレクタ３２，３０によって順次に偏向される。その結果、二次ビームＢ_ｓｅｃは、一次ビーム孔１８Ａの外側の検出器領域１８Ｂへと方向付けられる。

このように、第１のデフレクタ３０によって一次ビームの必要な傾きを得ることができるためには、対物レンズ配列の「中心」点から離れた対物レンズ配列の特定の１つの点を一次ビームが通過しなければならない。これは、スチグマタの下流側に位置されたビーム軸アライメント系２４により一次ビームを初期軸から偏向させることによって達成される。したがって、スチグマタ２２は、ウエハに衝突する集束一次ビームの所定（例えば、略円形）の断面を協働して形成するために、対物レンズ配列によって形成された集束領域を用いて１回較正されても良く、また、スチグマタ作用の更なる調整は不要である。

図２Ｂは、チルドモードを用いたＳＥＭ動作を示す。この目的のため、一次ビームは、第１のデフレクタ３０によって（例えば、０．７Ａの電流をデフレクタ３０へ流すことにより）更に強く（大きな角度で、例えば最大で３〜４°まで）傾けられた後、第２のデフレクタ３２（例えば、０．６Ａの電流が供給される）によって偏向され、ウエハ表面に対して傾けられた軸ＯＡ_ｔｉｌｔに沿ってサンプルへと（例えば、約１５°の入射角で）入射される。ＨＡＲモードにおいて、二次ビームＢ_ｓｅｃは、軸ＯＡと平行に伝搬した後、デフレクタ３２，３０によって偏向され、検出器領域１８ｂへと方向付けられる。なお、チルトモードは、「軸上」チルト、すなわち、ウエハ表面上で光軸ＯＡと交差する軸ＯＡ_ｔｉｌｔに沿って一次ビームがウエハへ入射しても良く、あるいは、「軸外」チルト、すなわち、一次ビームが軸ＯＡ_ｔｉｌｔ’に沿って入射してもよい。

本発明の他の実施例に係る荷電粒子ビームカラム１１６を示す図３を参照する。理解を容易にするため、同じ参照符号を使用して、カラム１６とカラム１１６とに共通の構成要素を特定する。カラム１１６においては、カラム１６と対照的に、ビーム軸アライメント系１２４が検出器１８の下流側に位置されている。このような設計は、第１のデフレクタ３０によって一次ビームを大きな角度で傾ける必要がある場合に好ましいかもしれない。また、この実施例において、一次ビーム伝搬の初期軸ＯＡ’は、対物レンズ２８の光軸ＯＡと平行に離間している。対物レンズの光軸に対して一次ビーム伝搬の初期軸をこのように変位させる目的は、二次ビームを一次ビーム孔の外側にある検出器１８の領域１８Ｂへと伝搬させるためであり、また、このような軸の変位を前述したカラム１６に適用できることは理解される。すなわち、軸ＯＡ’とＯＡとの間の変位は、検出器１８に対するビーム軸アライメント系（図１の２４、あるいは、図３の１２４）の位置とは関係がない。

図４Ａおよび図４Ｂは、垂直モードおよびチルトモードのそれぞれにおけるカラム１１６での一次および二次ビーム伝搬方式を示す。一次ビームＢ_ｐｒｉｍは、ビーム断面に適切に影響を及ぼすスチグマタ２２を通過した後、検出器１８の一次ビーム孔１８ａを通過する。ビームＢ_ｐｒｉｍは、一次ビーム孔１８ａを通過した後、ビーム軸アライメント系１２４のコイル３４，３６を通過して、初期軸ＯＡ’に対して僅かに（例えば、約０．１〜０．２°の角度で）傾けられた軸ＯＡ”に沿って集束アセンブリ２６に入る。デフレクタ３０，３２は、前述したように作用して、対物レンズ２８の光軸ＯＡにほぼ沿って（図４Ａ）、あるいは、光軸ＯＡに対して傾けられた軸ＯＡ”’に沿って（図４Ｂ）、一次ビームをウエハＷへと入射させる。前述した理由により、二次電子ビームＢ_ｓｅｃは、光軸ＯＡと平行な方向で戻るように伝播した後、その軌道がデフレクタ３０，３２の偏向領域によって影響を受ける。その結果、二次電子ビームＢ_ｓｅｃは、一次ビーム孔１８Ａの外側にある検出器の領域１８Ｂへと方向付けられる。

図４Ｂに破線で示されるように、アライメントコイル３４，３６が検出器１８の上側に位置される場合には、コイル３４，３６によって適切に整列された一次ビームが一次ビーム孔１８ａの壁に接触するような状況（すなわち、偏向状態）になり得る。これは、ビーム軸アライメント系１２４を検出器１８の下流側に配置することによって避けられる。ビーム軸アライメント系をインカラム検出器の下流側に配置することにより、更に小さな一次ビーム孔および更に小さなＤＰＳアパーチャを使用することができる。

当業者であれば容易に分かるように、添付の請求項で規定された本発明の範囲から逸脱することなく、前述した本発明の実施形態に対して様々な改良および変更を行なうことができる。

本発明の一実施例に係る荷電粒子ビーム装置の主要部分の概略図である。 図１の荷電粒子ビーム装置における垂直モードでのビーム伝搬方式を示している。 図１の荷電粒子ビーム装置におけるチルトモードでのビーム伝搬方式を示している。 本発明の他の実施例に係る荷電粒子ビーム装置の主要部分の概略図である。 図３の荷電粒子ビーム装置における垂直モードでのビーム伝搬方式を示している。 図３の荷電粒子ビーム装置におけるチルトモードでのビーム伝搬方式を示している。

符号の説明

１０…ＳＥＭシステム、１４…電子ビーム源、１６…電子ビームカラム、１８…検出器、１８Ａ…一次ビーム孔、２２…ビーム整形器（スチグマタ）、２４…ビーム軸アライメント系、３０，３２…デフレクタ、３４，３６…コイル。

Claims (34)

1. 一次荷電粒子ビームをサンプル上へと方向付ける方法であって、
   （i）一次荷電粒子ビームを、光軸を画成する対物レンズ配列を備える集束アセンブリへと、ビーム伝搬初期軸に沿って方向付けるステップと、
   (ii）前記初期軸に沿って伝搬する一次荷電粒子ビームをビーム整形器に通して、前記対物レンズ配列によって生じる収差を補償するステップと、
   （iii）その後、前記ビーム整形器を通った一次荷電粒子ビームを検出器の開口に通過させるステップであって、前記検出器が、前記開口の外側に検出領域を有するとともに、前記初期軸が前記開口と交差するように設けられ、前記検出器が、一次荷電粒子ビームとサンプルとの相互作用によって生じる二次荷電粒子ビームを検出することができる、前記ステップと、
   (iv) 前記ビーム整形器を通過する一次荷電粒子ビームに対して少なくとも２つの偏向領域を適用することにより、一次荷電粒子ビームを前記初期軸から離間した前記対物レンズ配列の光軸に方向付けるステップであって、前記少なくとも２つの偏向領域が、前記対物レンズ配列の光軸に沿って配置されている、前記ステップと、
   を含む方法。
2. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の光軸と平行である、請求項１に記載の方法。
3. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の前記光軸から離間している、請求項２に記載の方法。
4. 一次荷電粒子ビームが集束アセンブリを通じて伝搬している間に、一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与えるステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記影響を与えるステップが、前記対物レンズ配列の光軸に沿う２つの離間された位置にある少なくとも２つの偏向領域によって一次荷電粒子ビームを順次に偏向させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記影響を与えるステップが、前記対物レンズ配列の光軸に対して一次ビームを偏向させ、それにより一次荷電粒子ビームをサンプルに対して所望の入射角度で入射させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
7. 一次ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と略平行な軸に沿ってサンプルへと入射する、請求項６に記載の方法。
8. 一次ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と特定の角度を成す軸に沿ってサンプルへと入射する、請求項６に記載の方法。
9. 一次荷電粒子ビームをサンプル上へと方向付ける方法であって、
   一次荷電粒子ビームを、光軸を画成する対物レンズ配列とデフレクタ配列とを備える集束アセンブリへと、ビーム伝搬初期軸に沿って方向付けるステップと、
   その後、前記ビーム整形器を通った一次荷電粒子ビームを検出器の開口に通過させるステップであって、前記検出器が、前記開口の外側に検出領域を有するとともに、前記初期軸が前記開口と交差するように設けられ、前記検出器が、一次荷電粒子ビームとサンプルとの相互作用によって生じる二次荷電粒子ビームを検出することができる、前記ステップと、
   前記検出器の前記開口に前記一次荷電粒子ビームを通過させた後、前記ビーム整形器を通って前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームを前記初期軸から離間した前記対物レンズ配列の光軸に方向付けるステップと、
   前記集束アセンブリによって一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与えるステップと、
   を含む方法。
10. 前記一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与えるステップが、前記対物レンズ配列の光軸に沿う互いに離間された位置にある少なくとも２つの偏向領域によって一次荷電粒子ビームを偏向させるステップを含む、請求項９に記載の方法。
11. 偏向された一次荷電粒子ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と略平行な軸に沿ってサンプルへと方向付けられる、請求項１０に記載の方法。
12. 偏向された一次荷電粒子ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と特定の角度を成す軸に沿ってサンプルへと方向付けられる、請求項１０に記載の方法。
13. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の光軸と平行である、請求項１０に記載の方法。
14. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の前記光軸から離間している、請求項１３に記載の方法。
15. 一次荷電粒子ビームをサンプル上へと方向付け、それによりサンプルと一次荷電粒子ビームとの相互作用の結果としてサンプルから戻される二次荷電粒子ビームを形成する方法であって、
    一次荷電粒子ビームを、光軸を画成する対物レンズ配列とデフレクタ配列とを備える集束アセンブリへと、初期軸に沿って方向付けるステップと、
    前記初期軸に沿って前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームをビーム整形器に通して、前記対物レンズ配列によって生じる集束領域の非点収差の影響によって引き起こされる集束の収差を補償するステップと、
    前記ビーム整形器を通った一次荷電粒子ビームを二次荷電粒子検出器の開口に通過させるステップであって、前記検出器が、前記開口の外側に検出領域を有するとともに、前記初期軸が前記開口と交差するように設けられる、前記ステップと、
    二次荷電粒子検出器の開口を通り前記集束アセンブリに向かって伝搬する前記一次荷電粒子ビームを前記初期軸から離間した前記対物レンズ配列の前記光軸に方向付けるステップと、
    一次荷電粒子ビームが集束アセンブリを通じて伝搬している間に、一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与え、それにより集束された一次荷電粒子ビームをサンプルに対して所望の入射角度で入射させるステップと、
    二次荷電粒子ビームが前記集束アセンブリを通じて伝搬している間に、二次荷電粒子ビームの軌道に影響を与え、それにより前記開口の外側にある検出器の前記検出領域へと二次荷電粒子ビームを伝搬させるステップと、
    を含む方法。
16. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の光軸と略平行である、請求項１５に記載の方法。
17. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の前記光軸から離間している、請求項１６に記載の方法。
18. 前記一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与えるステップが、前記対物レンズ配列の光軸に沿う互いに離間された位置にある少なくとも２つの偏向領域によって一次荷電粒子ビームを偏向させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
19. 偏向された一次荷電粒子ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と略平行な軸に沿ってサンプルへと方向付けられる、請求項１８に記載の方法。
20. 偏向された一次荷電粒子ビームが、前記対物レンズ配列の光軸と特定の角度を成す軸に沿ってサンプルへと方向付けられる、請求項１８に記載の方法。
21. サンプルの検査で使用するための荷電粒子ビームカラムであって、
    光軸を画成する対物レンズ配列を有し、一次荷電粒子ビームをサンプルへと集束させるための集束領域を形成する集束アセンブリと、
    初期軸に沿って前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中に設けられ、一次荷電粒子ビームの断面に影響を与え、それにより前記対物レンズ配列によって生じる集束領域の非点収差の影響によって引き起こされる集束の収差を補償するように作用するビーム整形器と、
    開口、前記開口の外側にある荷電粒子検出領域を有する検出器であって、前記初期軸が前記開口と交差するように前記ビーム整形器を通過される前記一次荷電粒子ビームの経路に設けられる、前記検出器と、
    前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中の前記ビーム整形器の下流側に設けられ、前記初期軸から離間した前記対物レンズ配列の光軸に一次荷電粒子ビームを方向付けるように作用するビーム軸アライメント系であって、前記初期軸に沿って離間して配置された少なくとも２つのコイルを備え、各コイルが偏向領域を生成するように作用し、前記検出器と前記対物レンズ配置との間に配置されている、前記ビーム軸アライメント系と、
    を含む荷電粒子ビームカラム。
22. 前記検出器が、サンプルへと向かう一次荷電粒子ビームの伝搬方向に対して前記ビーム軸アライメント系の上流側に設けられている、請求項２１に記載のカラム。
23. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の光軸と略平行である、請求項２１に記載のカラム。
24. 前記初期軸が前記対物レンズ配列の前記光軸から離間している、請求項２３に記載のカラム。
25. 前記集束アセンブリが、一次荷電粒子ビームの軌道に影響を与え、集束された一次荷電粒子ビームをサンプルに対して所望の入射角度で入射させるように作用するとともに、一次荷電粒子ビームとサンプルとの相互作用によって生じる二次荷電粒子ビームの軌道に影響を与えるように作用する、請求項２１に記載のカラム。
26. 前記集束アセンブリがデフレクタ配列を備える、請求項２１に記載のカラム。
27. 前記デフレクタアセンブリが、前記対物レンズ配列の光軸に沿って互いに離間した関係を成して配置された少なくとも２つのデフレクタを備える、請求項２６に記載のカラム。
28. 一次荷電粒子ビームをサンプルへと方向付けて、一次荷電粒子ビームとサンプルとの間の相互作用の結果としての二次荷電粒子ビームを形成することにより、サンプルを検査するとともに、一次荷電粒子ビームを形成する荷電粒子を生成するビーム源と、サンプルへと向かう一次荷電粒子ビーム伝搬のための空間を画成する荷電粒子ビームカラムと、二次荷電粒子ビームを検出するための検出ユニットと、を備えるシステムであって、前記荷電粒子ビームカラムが、
    光軸を画成する対物レンズ配列を有し、一次荷電粒子ビームをサンプルへと集束させるように作用する集束アセンブリと、
    ビーム伝搬の初期軸に沿って前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中に設けられ、一次荷電粒子ビームの断面に影響を与え、前記対物レンズ配列によって生じる集束領域の非収差の影響によって引き起こされる集束の収差を補償するように作用するビーム整形器と、
    開口、前記開口の外側にある荷電粒子検出領域を有する検出器であって、前記初期軸が前記開口と交差するように前記ビーム整形器を通過される前記一次荷電粒子ビームの経路に設けられる、前記検出器と、
    前記集束アセンブリへと伝搬する一次荷電粒子ビームの経路中の前記ビーム整形器の下流側に設けられ、前記初期軸から離間した前記対物レンズ配列の光軸に一次荷電粒子ビームを方向付けるように作用するビーム軸アライメント系であって、前記初期軸に沿って離間して配置された少なくとも２つのコイルを備え、各コイルが偏向領域を生成するように作用し、前記検出器と前記対物レンズ配置との間に配置されている、前記ビーム軸アライメント系と、
    を備えるシステム。
29. 前記検出器が、サンプルへと向かう一次荷電粒子ビームの伝搬方向に対して前記ビーム軸アライメント系の下流側に設けられている、請求項２８に記載のシステム。
30. 前記対物レンズ配列の光軸が前記初期軸と略平行である、請求項２８に記載のシステム。
31. 前記対物レンズ配列の光軸が前記初期軸から離間している、請求項３０に記載のシステム。
32. 前記ビーム軸アライメント系が、前記初期軸に沿って互いに離間した関係で配置された少なくとも２つのコイルを備え、各コイルが偏向領域を形成するように作用する、請求項２８に記載のシステム。
33. 前記集束アセンブリがデフレクタ配列を備える、請求項２８に記載のシステム。
34. 前記デフレクタアセンブリが、前記光軸に沿って互いに離間した関係を成して設けられた少なくとも２つのデフレクタを備え、各デフレクタが、一次および二次荷電粒子ビームの経路中に偏向を形成するように作用する、請求項３３に記載のシステム。