JP4632407B2

JP4632407B2 - 電子線装置

Info

Publication number: JP4632407B2
Application number: JP2004182378A
Authority: JP
Inventors: 小池紘民; 岡田真一
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2004-06-21
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2024-06-21
Also published as: US20090294665A1; JP2006004855A; US20050279937A1

Description

本発明は、試料の近傍に減速場を持つ対物レンズから構成され、試料から発生する２次電子または反射電子を検出する検出器を備えた走査電子顕微鏡、および半導体製造装置に用いられる露光装置、マスク検査装置、電子線描画装置等の電子線装置に関する。

半導体の微細化と共に、ＯＰＣなどの超解像技術が採用されるようになり、マスク検査とその転写レジストパターンの２次元画像での検査の重要性が増大している。このため、リソシミュレーターが使用されている。しかし、実際の転写パターンとシミュレーションの像には違いが発生し、最終的には転写レジストパターンの２次元画像での検査が必要になる。

このような場合、高分解能でのスループットを考えると、高精細のプローブで出来るだけ広い視野を検査する必要がある。広い視野を得るためには、偏向系のパワーも大きくなり、必然的に試料から発生した２次電子も大きく偏向され、２次電子の検出には広い面積のターゲットが必要になり、一つの検出器ではターゲット全面から発生する２次電子の検出が困難になってきた。

このため、光軸に対称な位置に複数、例えば２〜４本の検出器のみ配置して、できるだけ広いターゲットからの２次電子を集束させる方法が考えられている（特許文献１参照）が、このような工夫だけでは、以下の不都合が生じる。即ち、試料からの２次電子は２〜７ｅＶのエネルギーを持つため、光軸に対称に検出器を配置すると、光軸近傍での検出器からの電界がキャンセルされ、図５に示すように走査電子顕微鏡１０の電子光学軸Ｏの近くからの２次電子３，４はターゲット１で反射された後、検出器２に集束されず下方へ逃げてしまう場合があり、検出効率の劣化を招く。なお図に示した例では捕集率は約３０％であった。

また、従来の第１の例として、非特許文献１に示すように、[Ｅ×Ｂ]フィルターを用いた走査電子顕微鏡がある。この例では減速場とブースティング電極を持つが、検出器の前方にメッシュを配置している。

第２の例として、非特許文献２に示すものがある。本例において試料はアースポテンシャルとしているものであるが、試料の直上に加速電極があり、検出器も加速電極に近いプラスの電位になっている。

さらに、第３の例として、特許文献２示すものがある。本例では、試料の近傍に２次電子の加速場がある場合、試料から発生した２次電子は高いエネルギーで加速されるため、軸外に配置された検出器には集光され難く、検出器のほぼ上面に軸と垂直なターゲットを配置して、ターゲットに１回衝突させ、ターゲットから発生する２〜７ｅＶのエネルギーの２次電子を[Ｅ×Ｂ]フィルターを使い、検出器で検出している。即ち、検出器と反対方向のターゲット位置から発生した２次電子は、[Ｅ×Ｂ]フィルターの電界と磁界で検出器の方向に偏向され、一つの検出器で検出されている。

ところで、従来のＣＤ−ＳＥＭでは視野が２０〜５０μｍと狭かったため、ターゲットも直径２０ｍｍ程度で充分な性能を発揮することができた。しかしながら、検査のスループットを向上させるため視野を３００μｍ〜１ｍｍと大きくすると、ターゲットの直径も３０〜１００ｍｍと大きくしなければならず、一つの検出器では全視野から発生する２次電子を有効に検出できないという問題が発生した。

さらに、検出器は一般に＋１０ｋＶの電位を持っているため、検出器の電界により入射電子が影響を受け、軸の狂いや非点の発生をもたらすことがある。

そのため、非特許文献１や特許文献２に示されたように、検出器の前にメッシュを配置して検出器の電界を遮蔽すると共に、メッシュの開口部を通し、ターゲットから発生した２次電子を集光する工夫がされているが、このメッシュの存在のために検出効率が劣化する問題もあった。

また、非特許文献２で示されたように、ターゲットに半導体検出器やマルチチャンネルプレートを置く構成も考えられているが、前者では高速走査やノイズの問題があり、後者でも信号が１５００Ｖに浮いているため、高速像検出には問題があり、さらに２次電子倍増面のコンタミネーションによる劣化の問題から、長期間使用には耐えられない問題もあった。

さらに、特許文献２に示した例では、ターゲットにシンチレータを用いており、シンチレータによる発光も検出しているが、ターゲットの発光は加速電圧が１０ｋＶ以上で、試料も１０ｋＶ近くの電位になり、ターゲットにあたる電子のエネルギーが１０ｋＶ近くでないと効果がないため、使用条件が制限されてしまう問題もある。

すなわち、上述のいずれの従来例においても、広視野高速走査の目的には合致していないといえる。

そこで、本発明では、ターゲット全面で跳ね返された２次電子を高い効率で検出器に導き、検出することができる電子線装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１の発明は、試料に対して上流側に配置され、減速場を形成した対物レンズと、電子光学軸に軸対称に配置された２個以上の検出器と、前記検出器の上流側に配置され、２次電子、反射電子が衝突するアースまたは負の電位が印加され、直径が３０〜１００ｍｍであるターゲットと、前記ターゲットの下流側で、前記ターゲットとにより、前記検出器を挟むように配置され、ターゲット面の電位より負の電位が印加され、電子光学軸に対して軸対称に形成することにより、前記ターゲットで反射された荷電粒子を反発させる電極部材と、を備え、前記検出器は、試料から発生した２次電子を前記ターゲットで反射させ、この反射により生じた荷電粒子を前記ターゲット面の電位より負の電位が印加され前記電極部材で反発させて補集するように構成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡、半導体製造装置に用いられる露光装置、マスク検査装置および電子線描画装置のいずれか一つの電子線装置である。

請求項２の発明は、請求項１の電子線装置において、前記ターゲット面の電位も負の電位を保つように構成したことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１乃至請求項２のいずれかの電子線装置において、前記検出器は、２次電子、反射電子を取り込むキャップの直径を５〜２０ｍｍとしたこと特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれかの電子線装置において、前記軸対称に配置された検出器の上に他の検出器を設けたことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれかの電子線装置において、試料を負の電位に保ち、減速場である対物レンズを持つ静電磁界対物レンズを備えることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれかの電子線装置において、試料をアースポテンシャルで、該試料の上流側に２次電子を加速する電極を備えるように構成したことを特徴とする。

本発明によれば、ターゲット全面から発生した２次電子を電極部材の電場で検出器に導き、高い効率で２次電子を検出することができる。

以下本発明の最良な発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明に係る走査型顕微鏡の第１の実施の形態を示す断面図である。本例では、直径が３０〜１００ｍｍであるターゲット１１０の下に負の電位を持つ電極部材１５０を配置して、試料５に照射された電子線の光軸Ｏの近くから発生した２次電子１０３,１０４を追い返し検出器１２０に有効に導く。即ち、本例に係る走査電子顕微鏡１００は、２次電子等を反射するターゲット１１０と、２段に配置された２次電子等の検出器１２０，１８０と、減速場を形成した対物レンズ１３０と、二つの偏向コイル１４１，１４２とを備える。なお検出器１２０，１８０は、それぞれシンチレータ１２１，１８１、ライトガイド１２２，１７２および光電子増倍管（ＰＭＴ）１２３,１７３で構成されている。また検出器１２０,１８０の２次電子等が入射する開口部（キャップ）１２４の直径は５〜２０ｍｍが望ましい。そして、本例では、前記ターゲット１１０の下流側であって対物レンズ１３０と検出器１２０の間に電極部材１５０を配置している。この電極部材１５０はターゲット１１０の電位より負の電位が保持され、電子線の光軸Ｏの近傍に電子線通過部１１１を備えるとともに、電子光学軸Ｏに対してほぼ軸対称に形成された部材として構成されている。当然、この電極部材は複数個の電極から構成されていても良い。

この電極部材１５０には、例えば−５０Ｖ〜−１０Ｖの負電圧が印加されている。また、ターゲット１１０はアースされているか、あるいは−３Ｖ程度の負電圧を印加され、ターゲット１１０の入射ビーム通過穴１１１の上には、［Ｅ×Ｂ］フィルター１６０を配置し検出器１８０を配置し、さらに検出器１８０の電界を遮蔽するメッシュ１７０を配置している。

従って本例に係る走査電子顕微鏡では、試料から電子線の光軸Ｏに沿って発生した２次電子１０３，１０４はターゲット１１０で反射された後、電極部材１５０の負の電位で反発され検出器１２０に確実に捕集される。とくに、光軸Ｏ近くに発生した２次電子１０３であっても、ターゲット１１０に跳ね返された後、電極部材１５０により反発され検出器１２０により確実に捕集される。
すなわち、試料から発生した２次電子１０３,１０４はターゲット１１０と電極部材１５０により閉じ込められ、正の電位（例えば＋１０ｋＶ）に印加された検出器１２０に確実に捕集されることになり、高い効率で２次電子を検出することができる。
また、ターゲット１１０の入射ビーム通過穴１１１を通って電子線の光軸Ｏに沿って発生した２次電子は［Ｅ×Ｂ］フィルター１６０より確実に検出器１８０により確実に捕集される。

図２は、本発明に係る走査電子顕微鏡の第２の実施の形態例を示す断面図である。本例に係る走査電子顕微鏡２００は、ターゲット２１０、検出器２２０、対物レンズ２３０、偏向器２４１，２４２および、電極部材２５０から構成されている。上記第１の例との違いは、ターゲット２１０の入射ビーム通過穴２１１を充分小さく（例えば直径０.５ｍｍ〜１ｍｍ）し、上流側の検出器を設けていない点である。そして、ターゲット２１０の位置をより上流側に配置し、上流側の偏向器２４１をターゲットの下に配置するとともに下流側の偏向器１４２を対物レンズ２３０の内部に配置している。

なお、本例でも検出器２２０の前に検出器２２０の電界を遮蔽するメッシュがあっても良い。また、検出器は２本、３本以外に、４本等の複数であっても良い。本例では電極部材２５０の電位はターゲット２１０の電位より負の電位（絶対値が大）になるように構成され、ＬａｎｄｉｎｇＶｏｌｔａｇｅの影響が少なくなるものとして構成している。

なお、ＯＰＡＬ社製８回対称の半導体電子検出器は、ターゲットの存在で異なる構成になる。応答速度の問題があるため、シンチレータ検出器に制限するのが有効である。ターゲット面は入射電子が通過するため、通常直径１〜４ｍｍ穴を持つ必要がある。

また、［Ｅ×Ｂ］フィルターではＬａｎｄｉｎｇＶｏｌｔａｇｅの違いにより、２次電子のターゲットでのフォーカス条件が大幅に変化し、特定のＬａｎｄｉｎｇＶｏｌｔａｇｅでは試料からの２次電子が、この穴にフォーカスされ全ての２次電子が通過するため検出効率が大幅に減少する。しかし[Ｅ×Ｂ]フィルターを使用した場合でも、ターゲット２１０の入射ビーム通過穴２１１の径を１〜２ｍｍにすれば検出効率の減少を解決することができる。

上記第２の実施形態例によれば、検出器の配置を１段とした走査電子顕微鏡においても２次電子等の捕集率を高めることができる。

図３は、本発明に係る走査電子顕微鏡の第３の実施の形態例を示す平面図である。本例に係る走査電子顕微鏡４００は、それぞれ電子線の光軸Ｏを中心として９０°隔てて設けた４個の検出器４２０を有し、検出器４２０に対応して電極部材が配置される（図示せず）。

本例に係る走査電子顕微鏡４００にあっても、図中矢印に示したように、試料から電子光学軸Ｏに沿って発生した２次電子はターゲット（図示せず）で再び２次電子に変換された後、電極部材（図示せず）の負の電位で反発され検出器４２０に確実に捕集される。

図４は、本発明に係る走査電子顕微鏡の第４の実施の形態例を示す断面図である。本例に係る走査電子顕微鏡５００は、図５に示した従来の走査電子顕微鏡１０に２つの電極部材５５０、５５０を配置したものである。図中５１０，５１０はターゲット、５２０，５２０は検出器を示している。なお、図６の１，１はターゲット、２，２は検出器、３,４は２次電子を示す。

この電極部材５５０、５５０を設け、上流側のターゲット５１０，５１０に−１０Ｖ、下流側の電極部材５５０，５５０に−１００Ｖの電圧を印加することにより、ほぼ１００％の効率で２次電子５０３,５０４を捕集することができた。

なお、走査電子顕微鏡の構成は前記各例の具体例に限定されることはない。検出される粒子も２次電子に限定されることはなく、反射電子等の荷電粒子であってもよい。また、走査電子顕微鏡以外の半導体製造装置に用いられる露光装置、マスク検査装置、電子線描画装置等の電子線装置に、電子光学軸に軸対称に配置された２個以上の検出器と、前記検出器近傍に配置され、２次電子、反射電子等の荷電粒子が衝突するターゲットと、前記ターゲットの下流側に配置され、ターゲット面の電位より負の電位が印加され、電子光学軸に対してほぼ軸対称に形成された電極部材を設けることにより、ターゲット全面から発生した２次電子、反射電子等の荷電粒子を電極部材により反発させ、高い効率で検出器により確実に捕集することができる。

本発明に係る走査電子顕微鏡の第１の実施の形態例を示す断面図である。本発明に係る走査電子顕微鏡の第２の実施の形態例を示す断面図である。本発明に係る走査電子顕微鏡の第３の実施の形態例を示す断面図である。本発明に係る走査電子顕微鏡の第４の実施の形態例を示す断面図である。従来例に係る走査電子顕微鏡の２次電子の捕集の状態を示す断面図である。

符号の説明

１・・・ターゲット
３，４・・・２次電子
５・・・試料
１０・・・走査電子顕微鏡
１００・・・走査電子顕微鏡
１１０・・・ターゲット
１１１・・・入射ビーム通過穴
１２０，１８０・・・検出器
１２１，１７１・・・シンチレータ
１２２，１７２・・・ライトガイド
１２３，１７３・・・光電子増倍管
１２４・・・キャップ
１３０・・・対物レンズ
１４１，１４２・・・偏向器
１５０・・・電極部材
１７０・・・メッシュ
２００・・・走査電子顕微鏡
２１０・・・ターゲット
２１１・・・入射ビーム通過穴
２２０・・・検出器
２３０・・・対物レンズ
２４１，２４２・・・偏向器
２５０・・・電極部材
４００・・・走査電子顕微鏡
４１０・・・ターゲット
４２０・・・検出器
５００・・・走査電子顕微鏡
５１０・・・ターゲット
５２０・・・検出器
５５０・・・電極部材
Ｏ・・・電子光学軸

Claims

試料に対して上流側に配置され、減速場を形成した対物レンズと、
電子光学軸に軸対称に配置された２個以上の検出器と、
前記検出器の上流側に配置され、２次電子、反射電子が衝突するアースまたは負の電位が印加され、直径が３０〜１００ｍｍであるターゲットと、
前記ターゲットの下流側で、前記ターゲットとにより、前記検出器を挟むように配置され、ターゲット面の電位より負の電位が印加され、電子光学軸に対して軸対称に形成することにより、前記ターゲットで反射された荷電粒子を反発させる電極部材と、
を備え、
前記検出器は、試料から発生した２次電子を前記ターゲットで反射させ、この反射により生じた荷電粒子を前記ターゲット面の電位より負の電位が印加され前記電極部材で反発させて補集するように構成されていることを特徴とする走査電子顕微鏡、半導体製造装置に用いられる露光装置、マスク検査装置、および電子線描画装置のいずれか一つの電子線装置。
前記ターゲット面の電位も負の電位に保つように構成したことを特徴とする請求項１の電子線装置。
前記検出器は、前記ターゲットからの荷電粒子を取り込むキャップの直径を５〜２０ｍｍとしたこと特徴とする請求項１または請求項２の電子線装置。
前記軸対称に配置された検出器の上に他の検出器を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかの電子線装置。
試料を負の電位に保ち、減速場である対物レンズを持つ静電磁界対物レンズを備えることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかの電子線装置。
試料をアースポテンシャルで、該試料の上流側に２次電子を加速する電極を備えるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの電子線装置。