JP6310920B2 - 高ビーム電流および低ビーム電流の両方を用いた、高解像度イメージングのための二重レンズ銃電子ビーム装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子ビームイメージングのための装置および方法に関する。

従来の電子ビーム装置は、一般に、放出モジュール、ビーム電流選択モジュール、および解像度最適化モジュールなどのモジュールを備える。従来の放出モジュールは、通常、ソースエネルギーの広がりが比較的大きい熱電界放出（ＴＦＥ）エミッタ、またはソースエネルギーの広がりが比較的小さい冷電界放出（ＣＦＥ）エミッタのいずれかを使用する。従来のビーム電流選択モジュールは、通常、固定ビーム制限およびコラムアパーチャとともに構成された一つの集束レンズを備える。解像度最適化モジュールは、通常、集光および対物電子レンズを備える。集光レンズの焦点および対物レンズの焦点は、一般に、標的ウェハで電子ビームスポットサイズを最小化するのに最適な収束角を見つけるために変化する。

米国特許出願公開第２０１２／００９１３６０号

従来の電子ビーム装置は、電子間相互作用のため、共有電子ビームコラムにおける高ビームと低ビームとの電流イメージング両方に要求される解像度を満たすことは実質的に困難である。このため、例えば、電子ビームの検査および点検は、従来、別個の電子ビームコラムを使用して実行されてきた。例えば、電圧コントラスト感度を利用したウェハ検査は、高ビーム電流（例えば、２０〜５００ナノアンペア）で動作するように設計されたコラムを使用して実行できる。欠陥点検は、低ビーム電流（例えば、１ナノアンペア未満）で動作するように設計されたコラムを使用して実行できる。物理的感度を利用したウウェハ検査も、低ビーム電流（例えば、１〜２０ナノアンペア）で動作するように設計された別個のコラムを使用して実行できる。

本開示は、電子ビームイメージング解像度を実質的に改善する革新的な銃レンズ設計を、一つのコラムにおける低ビーム電流用途および高ビーム電流用途の両方に提供する。このため、本開示は、電子ビームの検査および点検ツール（または、他の高ビーム電流用途および低ビーム電流用途）を、一つのコラム装置に一体化することを実現可能にする。それによって、コストおよびスペース両方の節約だけでなく、光学性能を低下する悪夢となり得るコラム間のクロストークも回避できる。

一実施形態は、電子ビームを放出するための二重レンズ電子銃を備える電子ビーム装置に関する。電子ビームは、第一の動作モードにおいては高ビーム電流電子ビームであり、第二の動作モードにおいては低ビーム電流電子ビームである。装置は、第一の動作モードにおいては高ビーム電流電子ビームの経路から外れ、第二の動作モードにおいては電子ビーム装置の光軸を中心とするコラムアパーチャをさらに備える。

別の実施形態は、第一の銃レンズ、ビーム制限アパーチャ、および第二の銃レンズを備える電子銃に関する。第一の銃レンズは、ビーム制限アパーチャを通る前の電子を集束し、第二の銃レンズは、ビーム制限アパーチャを通った後の電子を集束する。

別の実施形態は、電子ビームコラム用の一つの電子銃を使用して、ビーム電流の異なる二種の電子ビームを生成するための方法に関する。電子銃は、電子銃の第一のレンズを作動させ、電子銃の第二のレンズを停止させることによって、第一の動作モードで動作する。電子銃は、電子銃の第一のレンズを停止させ、電子銃の第二のレンズを作動させることによって、第二の動作モードで動作する。

他の実施形態、態様および特徴も開示する。

本発明の実施形態に係る、二重レンズ電子銃の概略図および対応する電子線図を示す。 本発明の実施形態に係る、二重レンズ銃を備える電子ビームイメージング装置の電子線図である。 本発明の実施形態に係る、高ビーム電流イメージングモードにおける電子ビームイメージング装置の電子線図である。 本発明の実施形態に係る、低ビーム電流イメージングモードにおける電子ビームイメージング装置の電子線図である。 本発明の実施形態に従い達成された、同一のビーム電流における改善された解像度を示す、ビーム電流とスポットサイズとの関係グラフである。 本発明の実施形態に係る、ビーム電流対銃レンズ励起のグラフである。 本発明の代替的な実施形態に係る、二重レンズ電子銃の概略図および対応する電子線図を示す。 本発明の実施形態に係る、二重レンズ電子銃を有する電子ビームコラムを使用する例示の方法のフローチャートである。

図１は、本発明の実施形態に係る、二重レンズ電子銃１００の概略図および対応する電子線図を示す。図１の左側の断面図に示すように、電子銃１００用の電界放出ベースのエミッタが、エミッタ先端１０２、抽出装置１０４および陽極１０６によって形成される。エミッタは、熱電界放出（ＴＦＥ）ベースのものでもよいし、冷電界放出（ＣＦＥ）ベースのものでもよい。本発明の実施形態によれば、電子銃１００は、上部磁気レンズ（ＧＬ１）１１０、下部磁気レンズ（ＧＬ２）１２０、およびビーム制限アパーチャ（ＢＬＡ）１０８をさらに備える。

図に示すように、上部磁気レンズ１１０は、上部磁極片１１２および上部コイル１１４を備えてよい。さらに図に示すように、下部磁気レンズ１２０は、下部磁極片１２２および下部コイル１２４を備えてよい。一実施形態では、ビーム制限アパーチャ１０８は、固定サイズであり、上部および下部磁気レンズに対応する磁極片（１１２および１２２）の間に挟まれ得る。

本発明の実施形態によれば、二重レンズ電子銃１００は、二つの別個のモード、すなわち、高ビーム電流モードと低ビーム電流モードとで動作できる。これらの二つの動作モードを、図１の右側の電子線図１５０に図示する。電子線図１５０に、高ビーム電流モードにおける電子線（ｅ線）１５２、および低ビーム電流モードにおけるｅ線１５４を図示した。

高ビーム電流ｅ線１５２は、上部銃レンズ（ＧＬ１）１１０をオンにし、下部銃レンズ（ＧＬ２）１２０をオフにすることによって形成できる。この高ビーム電流モードにおいては、エミッタからのｅ線１５２は、ＢＬＡ１０８を通る前にＧＬ１ １１０によって集束され、ＧＬ２ １２０によっては集束されない。

低ビーム電流ｅ線１５４は、下部銃レンズ（ＧＬ２）１２０をオンにし、上部銃レンズ（ＧＬ１）１１０をオフにすることによって形成できる。この低ビーム電流モードにおいては、エミッタからのｅ線１５４は、ＧＬ１ １１０によっては集束されない。代わりに、ｅ線１５４は、まずＢＬＡ１０８を通り、その後、ＧＬ２ １２０によって集束される。

前述を考慮すれば、二重レンズ電子銃１００が二つのレンズのいずれかを提供すると考えられる。ＢＬＡ１０８の上方の第一のレンズＧＬ１ １１０は、高ビーム電流モードを実施し、ＢＬＡ１０８の下方の第二のレンズＧＬ２ １２０は、低ビーム電流モードを実施する。

好ましい実施では、ＧＬ１における磁極片およびコイルは、収差を最小化して磁極片の飽和およびコイルの過熱を回避するように構成できる。ＧＬ２における磁極片およびコイルは、比較的真っ直ぐな設計でもよい。この理由は、要求される励起が低く、低ビーム電流用途では、銃レンズ収差が解像度に実質的に影響を及ぼさないはずだからである。

図２は、本発明の実施形態に係る、二重レンズ銃１００を備える電子ビームイメージング装置の電子線図である。図に示すように、装置２００は、銃１００の下方に、コラムアパーチャ（ＡＰＴ）２０２、集光レンズ（ＣＬ）２０４、対物レンズ（ＯＬ）２０６、および可動ステージ２１０に保持される標的基板２０８を備えてよい。装置２００は、走査デフレクタ２６０、検出器２７０、ならびに制御およびデータ処理システム２８０をさらに備えてよい。

さらに図に示すように、電子ビームは、ｅビームコラムの真空チャンバ内に光軸ｚに沿って形成される。形成されるｅビームは、高ビーム電流モードにおける高ビーム電流ｅビーム１５２、または低ビーム電流モードにおける低ビーム電流１５４のいずれかであり得る。

高ビーム電流モードにおいては、コラムアパーチャ（ＡＰＴ）２０２は、高ビーム電流ｅ線１５２の経路から外れる（アウト）。例えば、ＡＰＴ２０２は、ｅ線１５２を遮断しないように、遥かに大きいアパーチャサイズに変化できる。換言すると、図２のＡＰＴ２０２は、ＢＬＡ１０８を通るｅ線１５２がＡＰＴ２０２によって遮断されないように離れる。ｅ線１５２は、ＣＬ２０４および標的基板２０８の表面の上のＯＬ２０６によって集束される。二次電子を検出器２７０によって検出できる。その後、走査デフレクタ２６０を使用して標的表面の範囲にわたってビームを走査することによって、画像データを取得できる。

（ＡＰＴ２０２のない）高ビーム電流モードにおけるコラムを図３に図示する。図に示すように、ＧＬ１ １１０を使用して形成された高ビーム電流（ハイＢＣ）ｅ線１５２は、ＣＬ２０４および標的基板２０８の上のＯＬ２０６によって集束される。さらに図に示すように、このモードにおいては、ＧＬ１ １１０の磁場強度を調節することによってビーム電流を調節できる。例えば、ＧＬ１ １１０の磁場強度を増大することによってｅ線１５３を形成できる。

有利にも、高ビーム電流モードにおいては、ＢＬＡ１０８の下方における残留電子が、実質的に減少または除外される。それによって、従来の装置では残留電子が原因で生じる、クーロン相互作用の影響を除去する。このＧＬ１動作モードは、電圧コントラスト感度、それに加えて多少の物理的感度を用いる検査用途に特に有用である。

低ビーム電流モードにおいては、コラムアパーチャ（ＡＰＴ）２０２が図２に図示した箇所に配置される。ＡＰＴ２０２を通る低ビーム電流ｅ線１５４は、ＣＬ２０４および標的基板２０８の表面の上のＯＬ２０６によって集束される。その結果、二次電子を検出器２７０によって検出できる。その後、標的表面の範囲にわたってビームを走査することによって、画像データを取得できる。

低ビーム電流モードの（ＡＰＴ２０２を含む）コラムを図４に図示した。図に示すように、ＧＬ２ １２０を使用して形成された低ビーム電流ｅ線１５４は、ＡＰＴ２０２を通り、ＣＬ２０４および標的基板２０８の上のＯＬ２０６によって集束される。低ビーム電流は、ＢＬＡ１０８の下方の全原電流の一部分のみ（ｅ線１５５）である。さらに図に示すように、このモードにおいては、全原電流が固定されていても、ＧＬ２ １２０の磁場強度を調節することによって低ビーム電流を調節できる。例えば、ＧＬ２ １２０の強度を増大することによって、コラムＡＰＴ２０２を通る電子の数が減少し、そして基板２０８に至る最終的なビーム電流が減少する。

有利にも、低ビーム電流モードにおいては、ＢＬＡ１０８とＡＰＴ２０２との間のビーム電流が、ナノアンペア程度と非常に低いレベルになり得る。この非常に低いレベルのビーム電流では、イメージング解像度における残留電子間のクーロン相互作用の影響が、無視できる程度に実質的に減少する。このＧＬ２動作モードは、物理的感度を用いた検査用途、またはナノアンペア以下のビーム電流を用いた欠陥点検用途のいずれかに特に有用である。

好ましい実施形態では、一つの電子ビームコラムは、二重レンズ銃１００を使用して高ビーム電流用途および低ビーム電流用途の両方において高解像度を達成する。このため、一つの電子ビーム二つの従来のコラム、すなわち、高ビーム電流における高解像度イメージング用に構成された第一のコラムと、低ビーム電流における高解像度イメージング用に設計された第二のコラムとの代わりに一つのコラムが使用されてよい。

図５は、本発明の実施形態に従い達成された、同一のビーム電流における改善された解像度を示す、ビーム電流とスポットサイズとの関係のグラフである。図５のデータは、電子ビームコラムのコンピュータシミュレーションによって生成されたものである。

グラフは、ＧＬ２を使用し、ＧＬ１がオフの低ビーム電流モード（三角形状）、およびＧＬ１を使用し、ＧＬ２がオフの高ビーム電流モード（円形状）両方のビーム電流とスポットサイズとの関係を示す。比較として、グラフは、ＢＬＡサイズが変化する従来の電子ビームコラムのビーム電流とスポットサイズとの関係を示す。特に、ビーム電流とスポットサイズとの関係を、四つの異なるＢＬＡサイズについて示す。第一のＢＬＡサイズは、１倍（１×）の基準ビーム電流レベル用である。第二のＢＬＡサイズは、４倍（４×）の基準ビーム電流レベル用である。第三のＢＬＡサイズは、１０倍（１０×）の基準ビーム電流レベル用である。第四のＢＬＡサイズは、２０倍（２０×）の基準ビーム電流レベル用である。

グラフからわかるように、本開示の二重レンズ銃を使用する高ビーム電流モードと低ビーム電流とモードは、ビーム電流の所与のレベルにおいて最小スポットサイズを提供する。最小スポットサイズは、より高い解像度に対応する。このため、二重レンズ銃は、従来の電子ビームコラムと比較して改善された解像度を提供するように図示される。図５に示す解像度の改善は、低ビーム電流において最も顕著である。

図６は、本発明の実施形態に係る、ビーム電流対銃レンズ励起のグラフである。図６のデータは、本明細書に開示する二重レンズ銃を有する電子ビームコラムのコンピュータシミュレーションによって生成されたものである。

図６に図に示すように、（ＧＬ１がオフ、ＧＬ２がオン、ＡＰＴがインの）低ビーム電流モードにおける低ビーム電流を選択するためには、ＧＬ２の励起を、比較的狭い範囲にわたって緩やかに変化させる。対照的に、（ＧＬ１がオン、ＧＬ２がオフ、ＡＰＴがオフの）高ビーム電流モードにおける高ビーム電流を選択するためには、ＧＬ１の励起を、比較的大きい範囲にわたって非線形に激しく変化させる。

図７は、本発明の代替的な実施形態に係る、二重レンズ電子銃７００の概略図および対応する電子線図を示す。図に示すように、この実施形態では、下部銃レンズ（ＧＬ２）７２０が静電レンズとして実施される。図示する特定の実施形態では、静電レンズは、集束電極７０４および接地電極７０２を使用してＥｉｎｚｏｌレンズとして構成され、実施される。この実施形態では、集束電極７０４にかかる電圧を変動させてＧＬ２ ７２０の励起を変化させる。

Ｅｉｎｚｏｌレンズの代わりに他の代替的な静電レンズも使用できる。例えば、加速静電レンズまたは減速静電レンズを使用してＧＬ２を実施できる。

他の代替的な実施形態では、ＧＬ１も、抽出装置および陽極を備える放出システムとともに構成できる静電レンズとして実施できる。

図８は、本発明の実施形態に係る、二重レンズ電子銃（１００または７００）を有する電子ビームコラムを使用する例示の方法８００のフローチャートである。この例では、高速検査および高解像度点検の両方が、同一の電子ビームコラムを使用して実行される。

最初に、ブロック８０２において、二重レンズ銃が高ビーム電流モードとなるように、ｅビームコラムが構成されてよい。これは、ＧＬ１をオンに、ＧＬ２をオフにし、ＡＰＴをアウトにすることによって行うことができる。次に、ブロック８０４において、標的基板の高速の検査にｅビームコラムが使用される。

次に、ブロック８０６において、二重レンズ銃が低ビーム電流モードとなるように、ｅビームコラムが構成されてよい。これは、ＧＬ１をオフに、ＧＬ２をオンに、ＡＰＴをインにすることによって行うことができる。次に、ブロック８０８において、標的基板の細かい部分の低速の点検にｅビームコラムが使用される。

有利にも、本明細書に開示する二重レンズ銃は、電子ビームイメージングコラムの性能を実質的に改善するための費用効率の高い方法を提供する。このことは、新規の電子エミッタの使用または他の変更を行うことにより、電子放出システムを修正する必要なく実現される。性能の改善は、ビームエネルギーを上げる、コラムの全長を短くする、または対物レンズを再設計するなどの他の従来の手法も不要である。

さらに、本明細書に開示した二重レンズ銃の使用により、コラムを高ビーム電流用途（例えば、ＳＥＭ点検など）と共用しつつ、低ビーム電流用途（例えば、ＳＥＭ検査など）における解像度を最適に維持できる。この結果は、性能を改善するための従来の手法では達成できない。さらに、二重レンズ銃を用いれば、残留電子が除去されるため、高ビーム電流用途における解像度も実質的に改善される。これは、困難な可変ＢＬＡを実施せずに実現される。

前述の二重レンズ銃を使用する電子ビーム装置は、さまざまな用途に使用できる。これらの用途としては、限定するものではないが、ウェハ上におけるｅビームの検査、点検および計測、マスク、テンプレートまたは発光ダイオードが上げられる。

上記記載において、本発明の実施形態の完全な理解を提供するために数々の具体的な詳細を記載した。しかしながら、本発明の図示する実施形態の上記記載は、包括的でありかつ開示する正確な形態に本発明を限定することは意図しない。当業者は、一以上の具体的な詳細がなくても、または他の方法、構成要素などを利用して本発明を実践できることを認識する。他の例では、本発明の態様を曖昧にしないために、周知の構造または動作は詳細には明示または記載しない。本発明の具体的な実施形態および実施例を例示目的として本明細書に記載したが、当業者が認識するように、さまざまな均等物による変更が本発明の範囲内において可能である。

これらの変更は、前述の詳細な説明に鑑みて本発明に行うことができる。以下の特許請求の範囲に使用する用語は、本明細書中に開示する具体的な実施形態および特許請求の範囲に本発明を限定するようには解釈されない。むしろ、本発明の範囲は、請求項の解釈における確立された理論に従い解釈される以下の請求項によって定義される。

Claims (4)

1. 電子ビームを生成するための電子銃であって、前記電子銃が、
   電子を放出するための電子放出システムと、
   前記電子放出システムからの前記電子を集束して電子ビームを形成するための第一の磁気銃レンズと、
   前記第一の磁気銃レンズによって集束された前記電子ビームを通すビーム制限アパーチャと、
   前記ビーム制限アパーチャを通った後の前記電子ビームを集束するための第二の磁気銃レンズと、
   前記第１の磁気銃レンズをオンし、前記第２の磁気銃レンズをオフする高ビーム電流モードと、前記第１の磁気銃レンズをオフし、前記第２の磁気銃レンズをオンする低ビーム電流モードに前記電子銃を切り替えるコントローラと、
   を備え、前記高ビーム電流モードでは前記第１の磁気銃レンズの励起を第一の範囲にわたって非線形に変化させ、前記低ビーム電流モードでは前記第２の磁気銃レンズの励起を前記第一の範囲よりも狭い第二の範囲にわたって線形に変化させる、電子銃。
2. 前記電子放出システムが、エミッタ先端、抽出電極および陽極を備える、請求項１に記載の電子銃。
3. 前記第一の銃レンズが第一の磁極片および少なくとも一つのコイルを備える、請求項１に記載の電子銃。
4. 前記第二の銃レンズが第二の磁極片および少なくとも一つのコイルを備える、請求項１に記載の電子銃。