JP6377920B2 - 高輝度電子銃、高輝度電子銃を用いるシステム及び高輝度電子銃の動作方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、例えば試験システム用途、リソグラフィシステム用途、集積回路試験用途、欠陥検査用途、限界寸法検査用途等のために構成された荷電粒子ビーム装置に関する。さらに、本発明の実施形態は、例えば欠陥検査用途、電子ビーム検査（ＥＢＩ）のための限界寸法検査用途のための二次粒子をもたらす高輝度電子銃を用いた用途に関する。

特に、本発明の実施形態は、荷電粒子ビーム又は電子ビームを発生させるための荷電粒子ビーム源装置又は電子ビーム装置に関する。これに加えて、本発明は、ウェーハ画像化システムのための電子ビーム装置を動作させる方法に関する。

荷電粒子ビーム装置は、複数の産業分野において多くの機能を有しており、かかる産業分野としては、製造中の電子回路の検査、リソグラフィ用露光システムの検査、検出装置の検査、欠陥検査ツールの検査及び集積回路の試験システムの検査が挙げられるが、これらには限定されない。マイクロメートル及びナノメートル範囲での空間分解能で動作する検査装置が要望されている。

マイクロメートル及びナノメートル尺度プロセス制御、検査又は構造観察は、荷電粒子ビーム、例えば電子ビームを用いて行われる場合が多く、かかるビームを荷電粒子ビーム装置、例えば電子顕微鏡又は電子ビームパターン発生器で生成して集束させる。荷電粒子ビームは、例えば光子ビームと比較して優れた空間分解能を提供する。というのは、荷電粒子ビームの波長は、光ビームの波長よりも短いからである。

電子光学系を利用した高分解の画像化装置は、小さな幅のエネルギースペクトルを提供するためには電子間相互作用が小さいことを必要としている。例えば電子顕微鏡では、電子ビームの電子電流が大きければ大きいほど、電子間相互作用がそれだけ一層大きくなる。かくして、エネルギー広がり具合が少なく且つブラー（ぼけ）が少ない検査目的用の電子ビームを提供することが課題である。

一実施形態によれば、ウェーハを画像化するよう構成されたウェーハ画像化システムが提供される。このウェーハ画像化システムは、ウェーハ画像化システムのための一次電子ビームを発生させるよう構成された電子ビーム源装置を含む。電子ビーム源装置は、ガン（電子銃）チャンバを有し、ガンチャンバを排気することができ、電子ビーム源装置は、電子をもたらすようになったエミッタチップを更に有し、エミッタチップは、ガンチャンバ内に冷電界エミッタ又は熱支援型冷電界エミッタとして設けられ、電子ビーム源装置は、アパーチュア型開口部を有していてエミッタチップから電子を引き出すようになったエクストラクタ電極を更に有し、エクストラクタ電極は、ガンチャンバ内に設けられ、電子ビーム源装置の開口角は、２°以下であり、開口角は、アパーチュア型開口部の幅及びエミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離によって定められ、エミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離は、０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲内にあり、電子ビーム源装置は、ガンチャンバ内でエミッタチップの周りに同心状に配置されたサプレッサ電極を更に有し、エミッタチップは、サプレッサ電極を貫通して突き出ている。ウェーハ画像化システムは、電子ビームをウェーハ上に集束するよう構成された対物レンズと、エミッタチップと対物レンズとの間に設けられた少なくとも１つの集束レンズと、電子ビームをウェーハ上で走査させてウェーハの画像を生成する走査型偏光器装置とを更に含む。

別の実施形態によれば、一次電子ビームを発生させると共にウェーハ画像化システムのためのアップグレードキットを提供するよう構成された電子ビーム源装置が提供される。電子ビーム源装置は、ガンチャンバを有し、ガンチャンバを排気することができ、電子ビーム源装置は、電子をもたらすようになったエミッタチップを更に有し、エミッタチップは、ガンチャンバ内に冷電界エミッタ又は熱支援型冷電界エミッタとして設けられ、電子ビーム源装置は、アパーチュア型開口部を有していてエミッタチップから電子を引き出すようになったエクストラクタ電極を更に有し、エクストラクタ電極は、ガンチャンバ内に設けられ、電子ビーム源装置の開口角は、２°以下であり、開口角は、アパーチュア型開口部の幅及びエミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離によって定められ、エミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離は、０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲内にあり、電子ビーム源装置は、ガンチャンバ内でエミッタチップの周りに同心状に配置されたサプレッサ電極を更に有し、エミッタチップは、サプレッサ電極を貫通して突き出ている。

さらに別の実施形態によれば、ウェーハ画像化システムのための電子ビーム源装置を動作させる方法が提供される。この方法は、エミッタチップから電子を放出させるステップを含み、エミッタチップは、冷電界エミッタ又は熱支援型冷電界エミッタとして設けられ、この方法は、電子をエミッタチップから引き出すステップを更に含み、エクストラクタ電極がアパーチュア型開口部を有し、電子ビーム源装置の開口角は、２°以下であり、開口角は、アパーチュア型開口部の幅及びエミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離によって定められ、エミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離は、０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲内にあり、この方法は、エミッタチップの周りに同心状に配置されたサプレッサ電極によって電子の放出を制御するステップを更に含み、エミッタチップは、サプレッサ電極を貫通して突き出ている。

本発明の上述の特徴を細部にわたって理解することができるように上記において概要説明した本発明の具体的な説明が実施形態を参照して行う。添付の図面は、本発明の実施形態に関しており、これらについて次のように簡単に説明する。

エミッタチップ及びアパーチュア型開口部を備えたエクストラクタ電極を有する電子ビーム源装置を概略的に示す図である。 図１に示された電子ビーム源装置のために提供された電極構造の断面側面図である。 荷電粒子ビーム源装置を動作させる方法を示す流れ図である。 本発明の実施形態としての荷電粒子ビーム装置又は電子ビーム装置を含むウェーハ画像化システムの概略側面図である。

次に、本発明の種々の実施形態を詳細に参照し、これら実施形態の１つ又は２つ以上の実施例が図示されている。図面の以下の説明の範囲内において、同一の参照符号は、同一のコンポーネントを示している。一般に、個々の実施形態に関する相違点のみを説明する。各実施例は、本発明の説明のために提供されており、本発明を限定するものではない。例えば、一実施形態の一部として図示され又は説明される特徴を他の実施形態に又はこれと関連して使用することができ、それにより更に別の実施形態が得られる。本発明は、かかる改造例及び変形例を含むものである。

本願の保護範囲を限定するものではなく、以下の説明において、荷電粒子ビーム装置又はそのコンポーネントは、例示として二次電子の検出を含む荷電粒子ビーム装置と称する。本発明は、更に、試料画像を得る目的で粒子、例えば電子若しくはイオン、光子、Ｘ線又は他の信号の形態をした二次及び／又は後方散乱荷電粒子を検出する装置及びコンポーネントに利用できる。一般に、粒子と言った場合、これは、粒子が光子である光信号並びに粒子がイオン、原子、電子又は他の粒子である粒子と理解されるべきである。

本明細書において用いられる「試料」又は「ウェーハ」という用語は、半導体ウェーハ、半導体ワーク及び他の加工物、例えばメモリディスク等を含むが、これらには限定されない。本発明の実施形態は、材料を蒸着させ又は構造観察される任意の加工物に利用できる。試料は、構造観察される表面又は層が蒸着される表面、エッジ及び代表的にはベベルを有する。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な幾つかの実施形態によれば、装置及び方法は、電子ビーム検査、限界寸法検査分野及び欠陥検査用途向きに構成され又は利用される。

以下において、幾つかの実施形態又は実施形態のコンポーネントとしての荷電粒子ビーム源装置又は電子ビーム装置について説明する。荷電粒子ビーム源装置は、荷電粒子ビームを発生させるようになっており、この荷電粒子ビーム源装置は、荷電粒子を提供するようになったエミッタチップ（先端部）を含む。さらに、アパーチュア型開口部を備えたエクストラクタ電極（引き出し電極）が設けられ、このエクストラクタ電極は、エミッタチップから荷電粒子を引き出すようになっている。アパーチュア型開口部は、ビーム電流要件に従って設定可能な指定された幅を有するのが良い。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、アパーチュア型開口部は、円形形状のものであるのが良く、この場合、アパーチュア型開口部の幅は、円形形状の直径によって定められる。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、荷電粒子ビームの開口角は、２°以下であるのが良く、例えば０．１°から１°までの範囲内にあり、代表的には約０．５°である。開口角は少なくとも円形アパーチュア型開口部に関し、アパーチュア直径及びエミッタチップとエクストラクタ電極との間の距離によって定められるのが良い。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、電子ビーム源装置の開口角を提供するステップは、エミッタチップによって放出される荷電粒子ビーム電流を１０倍超、代表的には１００倍超、特に１０００倍超減少させるようアパーチュア型開口部の面積を提供するステップを含む。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能ないくつかの実施形態によれば、本発明の器具、装置及び方法は、電子ビーム検査、限界寸法検査用途及び欠陥検査用途のために構成され又は利用される。一般に、「ビーム電流」と言った場合、理解されるように、荷電粒子のビームは、所定の電荷を運ぶ。荷電粒子ビーム源装置は、特に、高速走査及び検出、例えば電子ビーム検査システム（ＥＢＩ）のために使用できる。それにより、本明細書において説明する実施形態は、代表的には、例えばＥＢＩ中におけるウェーハ画像化に関する。

本明細書において説明する実施形態は、特に、高輝度エミッタ、例えばＣＦＥ及び熱支援型ＣＦＥに関する。したがって、工業規格に関し、自動化目的及び／又は長いシステム動作時間を得るための高い安定性が提供される必要があるということが考慮されるべきである。源の輝度は、電子ビーム利用検査システムにおいて高い分解能及び高いスループットの達成にとって重要なパラメータである。代表的な源は、電子を高電界（冷電界放出（cold field emission）：ＣＦＥ）、場合によっては、増大した温度で支援されるＣＦＥ（熱支援型電界放出）によって引き出す鋭利な導電性（金属製）チップを利用している。次に、電子を極めて狭い表面領域から放出させる。これにより、放出が放出面上への単一原子吸着に対して更に極めて敏感になる。放出面上に吸着する可能性のある原子は、主として周囲表面から発し、特に原子の脱離をエミッタチップから来た電子ビームによって刺激することができる引き出し電極から発する。

本明細書において説明する実施形態は、荷電粒子ビームを発生させるようになった荷電粒子ビーム源又は電子ビーム装置に関し、かかる荷電粒子ビーム源又は電子ビーム装置は、エミッタチップ及びエクストラクタ電極を含む。荷電粒子ビームの開口角は、所定範囲で調節可能であり又は提供可能である。さらに、本明細書において説明する実施形態は、荷電粒子ビーム源装置を動作させる方法であって、エミッタチップを用意するステップと、エミッタチップから所定の距離を置いたところに配置されたエクストラクタ電極を用意するステップと、エクストラクタ電極を用いてエミッタチップから荷電粒子を引き出すステップと、ビーム源装置の開口角を所定範囲で提供するステップとを含む方法に関する。

図１は、所定の電極構造を有する電子ビーム源装置１００の概略的な構成を示している。電極構造は、荷電粒子をもたらすエミッタチップ（先端部）２０１及びアパーチュア型開口部２０３を有するエクストラクタ電極２０２を含む。エクストラクタ電極２０２は、荷電粒子エミッタチップ２０１から引き出すようになっている。電子ビーム源装置は、マイクロメートル及びナノメートル尺度プロセス制御、検査又は構造観察を行うための電子ビームを提供することができ、従って、エミッタチップ２０１から放出された電子を発生させるため、エクストラクタ電極２０２には、エミッタチップ２０１に対して正の電圧が印加されるようになっている。

かくして、電子ビーム（一次電子ビーム）１０１は、エミッタチップ２０１から放出されてエクストラクタ電極２０２に向かって加速される電子によって生じる。一次電子ビーム１０１の一部分は、アパーチュア型開口部２０３を通って送出され、試料３００を検査すると共に／或いは構造観察するための送出電子ビーム１０３として提供される。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、アパーチュア型開口部２０３は、円形形状のものであるのが良く、アパーチュア型開口部２０３の幅は、その直径Ｄによって定められるのが良い。この場合、電極構造（図２に示されている）の開口角１０２は、アパーチュア型開口部２０３の面積とエミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の距離、即ち、エクストラクタ‐チップ距離１０４の比によって定められるのが良い。かくして、開口角１０２は、次の方程式によって決定できる。

上式において、Ａは、アパーチュア型開口部２０３の面積、ｒは、エクストラクタ‐チップ距離１０４、Ωは、ステラジアン（ｓｔｅｒ、ｓｒ）で表された開口角１０２である。

円形アパーチュア型開口部２０３に関し、開口角１０２は、次の方程式に従って開口角２０３の直径及びエクストラクタ‐チップ距離１０４で定められるのが良い。

このαは、ラジアンで表され、上式において、Ｄは円形アパーチュア型開口部２０３の直径、ｒは、エクストラクタ‐チップ間距離１０４である。ラジアンで表された開口角αを次の方程式に従って度（°）で表される開口角α′に変換することができる。

上式において、開口角は、これ又図示のように全角（full angle）である。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態としての電極構造２００では、エミッタチップ電極２０１は、エクストラクタ電極２０２と対向して配置され、エクストラクタ電極２０２は、エミッタチップ電極２０１に対して正に付勢されている。かくして、電子ビーム（一次電子ビーム）１０１を発生させてエクストラクタ電極２０２のアパーチュア型開口部２０３を通って送信し、その結果、送出電子ビーム１０３が試料３００の表面のところに提供できるようになっている。

代表的な実施形態によれば、開口角１０２が上記方程式（３）に従って度（°）で表される場合、荷電粒子ビームの開口角１０２を０．１°から２°までの範囲に調節し又は提供するのが良く、この開口角１０２は、代表的には約０．５°であるのが良い。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、エミッタチップ２０１は、冷電界エミッタとして設けられるのが良い。別の実施形態によれば、エミッタチップ２０１から放出される電子を熱的に発生させる熱支援型電界エミッタとして設けられるのが良い。エミッタチップ２０１の材料は、タングステン材料を含むものが良く、代表的な実施形態によれば、エミッタチップ２０１は、タングステン系Ｗ‐３１０結晶チップ又はタングステンＷ‐３１０結晶チップから成るのが良い。

代表的な実施形態によれば、エクストラクタ‐チップ間距離１０４、即ち、エミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の距離は、０．１ｍｍから２ｍｍの範囲内にあるのが良く、代表的には０．３ｍｍから２ｍｍの範囲内にあるのが良い。かかる距離は、２ｍｍ未満であっても良く、代表的には、１ｍｍ未満であっても良い。エミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間のこの短い距離により、クーロン相互作用を軽減するよう調節可能又は提供可能な平均自由経路が提供される。具体的に説明すると、ビーム源装置の開口角は、アパーチュア型開口部の面積によりエミッタチップによって放出された荷電粒子ビーム電流を１０倍超減少させ、代表的には１００倍超減少させ、特に１０００倍超減少させるよう提供されるのが良い。

かくして、短いエクストラクタ‐チップ間距離１０４を提供することによって、電子ビームのビーム電流をエミッタチップから考えられる限り最も短い距離で最小値に減少させることができ、その結果、クーロン相互作用が軽減される。かくして、ビームのブラー発生及び電子ビームのエネルギー広がりの増大を軽減させることができる。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、電子ビーム１０１のビーム電流を減少させるのにエミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の短い距離を提供する（図１）。

電子ビーム利用検査システムの高い分解能と高いスループットの両方を提供するため、電子ビーム源装置の輝度が高いことが望ましい。しかしながら、ビーム電流が大きいと、その結果として、望ましくないクーロン相互作用を生じる。電子顕微鏡のための代表的な輝度は、約３×１０⁸Ａ／ｍ²／ｓｒ／ｅＶ以上であり、代表的には約１×１０⁹Ａ／ｍ²／ｓｒ／ｅＶであるのが良い。図１に示された電子ビーム源装置１００は、場合によっては温度の増大によって支援される冷電界放出（ＣＦＥ）を利用するのが良く、その結果、熱電界放出（ＴＦＥ）も又提供されるようになる。電子は、エミッタチップ２０１の極めて僅かな表面領域から放出され、その結果、放出電流密度は極めて高くなる。クーロン相互作用は、主として、これらの経路の最初の１０μｍで生じる。

代表的な実施形態によれば、エミッタチップ２０１は、タングステン、モリブデン、タンタル、炭化物、例えばＨｆＣ、ＺｒＣ及びこれらの任意の組み合わせから成る群から選択された任意の材料から成るのが良い。熱支援型電界放出を用いてエミッタチップからの電子放出を可能にするため、エミッタチップを加熱するのが良い。代表的な実施形態によれば、エミッタチップ２０１を周囲温度を超える温度まで加熱するのが良い。

図２は、図１に示された電子ビーム源装置１００のために提供されるのが良い電極構造２００の断面側面図である。図２に示されているように、カップ形状エクストラクタ電極２０２がエミッタチップ２０１周りに同心状に配置されている。図１に既に示したように、エクストラクタ電極２０２は、送出電子ビーム１０３（図２には示されていない）を通すことができるアパーチュア型開口部２０３を有している。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、アパーチュア型開口部２０３の形状は、円形であっても良く、或いは、アパーチュア型開口部２０３は、任意の非円形の形状のものであっても良い。それにより、アパーチュア型開口部２０３の断面形状は、円形アパーチュア型開口部、正方形アパーチュア型開口部、三角形アパーチュア型開口部、長方形アパーチュア型開口部及び楕円形アパーチュア型開口部から成る群からされるのが良い。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、アパーチュア型開口部は、円形形状のものであるのが良く、この場合、アパーチュア型開口部の幅は、円形形状の直径によって定められるのが良い。

本明細書において説明する実施形態と組み合わせ可能な別の代表的な実施形態によれば、電子ビーム源装置１００（図１）は、サプレッサ電極２０４を含む電極構造２００（図２）を有するのが良い。別の代表的な実施形態によれば、サプレッサ電極２０４は、エミッタチップ２０１周りに配置されるのが良く、エミッタチップ２０１は、サプレッサ電極２０４を貫通して突き出る。サプレッサ電極２０４は、放出電流及び放出電子の伝搬具合を制御するようになっているのが良い。

図２に示されているように、開口角１０２は、アパーチュア型開口部２０３のサイズ又は面積及びエミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の距離によって定められる。

図３は、荷電粒子ビーム源装置を動作させる方法を示す流れ図である。図３に示されている手順は、ブロック１０００で始まる。次に、ブロック１００１では、エミッタチップ２０１を用意する。さらに、ブロック１００２では、エミッタチップ２０１から所定の距離を置いたところに配置されたエクストラクタ電極２０２を用意する。

ブロック１００３に進むと、エクストラクタ電極２０２を用いて荷電粒子をエミッタチップ２０１から引き出し、即ち、電子をエクストラクタ電極２０２とエミッタチップ２０１との電位差によって引き出すのが良く、エクストラクタ電極２０２は、エミッタチップ２０１に対して正の電位状態にある。これにより、エクストラクタ電極２０２とエミッタチップ２０１との間の電界は、１ｋＶ／ｍｍ〜２０ｋＶ／ｍｍの電界強度、代表的には５ｋＶ／ｍｍを超える電界強度、更により代表的には１０ｋＶ／ｍｍを超える電界強度を有するのが良い。

代表的な実施形態によれば、エクストラクタ電極とエミッタチップとの間に電位差を印加し、電位差は、３ｋＶ〜２０ｋＶの範囲内にあり、代表的には５ｋＶ以上である。別の追加の具体化例又は変形具体化例によれば、エミッタとエクストラクタとの間の電位差をチップ‐エクストラクタ間距離の１ｍｍ当たり６ｋＶ以上の電位差、特に０．５ｍｍ以下について３ｋＶ以上、１ｍｍについて６ｋＶ以上、２ｍｍについて１２ｋＶ以上の電位差として提供されるのが良い。

次に、ブロック１００４では、ビーム源装置の開口角１０２をこれが２°以下であり、例えば０．０１°から１°までの範囲内にあるよう調節し又は提供し、代表的には、この角度は、約０．５°である。開口角１０２をアパーチュア型開口部２０３の幅とエミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の距離の比によって定める。本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、ビーム源装置１００の開口角１０２を調節し又は提供するステップは、エミッタチップ２０１とエクストラクタ電極２０２との間の距離１０４を０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲、代表的には０．５ｍｍから２ｍｍまでの範囲、より代表的には２ｍｍ未満の値、更により代表的には１ｍｍ未満の値に調節し又は提供するステップを含むのが良い。

他の実施形態と組み合わせ可能な更に別の実施形態によれば、特に、マイクロコラム又はミニコラムを更に良好に識別するため、試料ステージまでのエミッタの距離は、１００ｍｍ以上である。ウェーハ検査システムのための更に特に有益な実施形態は、磁気レンズコンポーネント及び更により具体的には磁気レンズコンポーネント及び減速電界静電レンズコンポーネントを備えた対物レンズを含む。さらに、エミッタとエクストラクタとの間の加速電圧は、代表的には、４ｋＶ以上である。

電子ビーム及び電子ビーム源装置のそれぞれの開口角１０２を調節し又は提供する手順は、荷電粒子ビーム電流を従来型電子ビーム装置と比較して１０倍超、代表的には１００倍超、特に１０００倍超減少させるようエクストラクタ電極アパーチュア型開口部２０３の面積を調節し又は提供する手順に基づくのが良い。

図４は、本発明の実施形態を示している。一般に、電子ビーム装置の動作は、真空条件下で行われる。したがって、真空ポンプが装置の各チャンバのポートに連結される。図４を参照すると、電子銃チャンバ（以下、「ガンチャンバ」という）１０ａ、中間真空チャンバ１０ｂ及び試料チャンバ１０ｃが提供さている。代表的には、これらチャンバの各々は、真空ポンプ又は真空ポンプシステムの連結のための１つ又は２つ以上の真空ポート１１ａ，１１ｂ，１１ｃをそれぞれ有している。それにより、真空度に関する要件は、試料チャンバからガンチャンバに向かって厳しくなっており、即ち、ガンチャンバは、代表的には、コラム中で最も低い圧力状態にある。

電子ビームによりイオン化される場合のある気体分子が装置からポンプで送り出される。本発明の範囲は、数個のチャンバを備えたシステムに限定されず、通常、装置は、互いに異なるチャンバ１０ａ〜１０ｃに細分される。例えば、電子銃の動作に必要な真空は、試料の近くで必要な真空よりも低い圧力を有する。かくして、少なくとも、ガンチャンバ１０ａ、コラム中の他のビーム案内手段のためのチャンバ１０ｂ及び試料チャンバ１０ｃを設けることが通例である。真空ポンプの動作は、分子をポンプ送りするのに要する時間の大部分にわたって行われ、分子は、電子ビーム装置の組み立て中、製造中、チャンバからの新たな試料の漏れ又は新たな試料の導入によりチャンバのうちの１つに入る。装置の意図した使用の開始前に、チャンバは、所定の圧力レベルまでポンプで排気されなければならない。

意図した使用中、例えば試料２の画像化中、例えば検査若しくは試験中又はパターニング中、電子ビームエミッタ１５が電子ビームを光軸１に沿って放出する。したがって、「意図した使用」という用語は、電子ビーム装置の目的がどのようなものであれ、例えば画像化、検査、試験のための測定又はパターニングの実施、リソグラフィのためのパターニングの実施等と理解されるべきである。

冷電界エミッタは、ガンチャンバ１０ａの清浄さについて特に高い要求をもっている。したがって、１×１０^-11ｍｂａｒ以下の圧力が提供される。代表的には、ゲッタポンプ、サブリメーションポンプ、例えばチタンサブリメーションポンプ及びＮＥＧ（non evaporable getter：非蒸発性ゲッタ）から成る群から選択されたポンプが真空フランジ１１ａに連結される。

例えば電子の放出に関し、エミッタチップは、３ｋｅＶ〜２０ｋｅＶの電圧がエミッタ１５とエクストラクタ８との間に印加されるようエクストラクタと比較して負の電位に付勢される。かくして、サプレッサは、放出されたビームの発散度を調節するよう通常の動作中に用いられ、例えば、オプションとして、アノード６のところ又は別の最終アパーチュアのところでのビーム整形の結果として所望のビーム電流を得ることができるようになる。

本明細書において説明する実施形態によれば、クリーニングプロセスを実施するよう構成された制御器が提供される。制御器１１６は、放出されて一次電子ビームを形成する電子が例えば発散度及びビーム電流に関して制御されるようサプレッサ及びエクストラクタに接続されている。

通常の動作中、放出された電子ビームは、以下のコンポーネントによって更に案内される。電子は、引き出し電極８によって．引き出される。一次電子ビームを形成する電子は、光軸１に沿ってアノード６を通り又はアノード６の代わりに設けられたビームアパーチュアを通って試料に向かって加速される。

第１の集束レンズ４が電子ビームを集束させるために用いられる場合がある。かくして、電子は、光軸と比較して恣意的な方向には動かない。これとは異なり、電子は、光軸に沿って動き、そして集束される。エクストラクタ８及びアノード６は、エミッタに対して例えば５ｋＶの電位を有する。かくして、電子ビームエミッタの電子は、試料２に向かって加速される。集束レンズ４及びアパーチュア７は、電子ビームを一段と整形するために用いられる。加うるに、集束レンズ４の集束電界の強度に応じて、電子ビームは、アパーチュア７によって或る程度抑制される。かくして、試料に印加されるビーム電流を集束レンズの集束電界の強度によって調節することができる。

対物レンズ５が電子ビームを試料２上に集束させる。それにより、数ナノメートルの電子ビームスポットを達成することができる。このビームスポットを用いると、試料を画像化することができ又は試料上にパターンを書き込みことができる。

本明細書において説明する他の実施形態と組み合わせ可能な代表的な実施形態によれば、磁気レンズコンポーネント及び静電レンズコンポーネントを含む磁気‐静電型対物レンズが提供される。それにより、一次電子ビームをコラム中の高エネルギーから例えば１ｋｅＶ以下の低いランディングエネルギーに減速させるために静電レンズコンポーネントを減速レンズとして設けるのが良い。本明細書において説明する実施形態としてのエミッタと減速対物レンズの組み合わせは、試料又はウェーハ上に高い電流密度をもたらす上で特に有用である。したがって、この組み合わせは、高いスループットを得る上で特に有益である。

ビームを画像の１つの画素から画像の別の画素に偏向するための走査型偏向装置１２を用いるのが良い。ビーム位置を光軸１に対して調節するために別の偏向器（図示せず）を利用するのが良い。さらに、試料ステージ３上に置かれた試料を試料ステージを動かすことによって光軸に対して二次元的に動かすのが良い。

ビーム分離器１３を用いて信号電子をエミッタチップから発した一次電子から分離するのが良い。それにより、信号電子を検出器１４上に案内することができる。代表的な実施形態によれば、磁気偏向器、ウィーンフィルタ（Wien filter）セクタユニット、例えば半球形セクタユニット又はこれらの組み合わせを含むのが良い。

上記説明に照らして、一次電子ビームを発生させる複数の電子ビーム装置を説明した。それにより、電子ビーム源装置又としても説明できる電子ビーム装置は、ウェーハ画像化用途、例えば限界寸法検査、欠陥検査、ウェーハ検査（ＥＢＩ）等に有益であると言える高い輝度をもたらすことができる。特に図４を参照して説明したように、実施形態は又、ウェーハを画像化するよう構成されたウェーハ画像化システムに関する。それにより、電子ビーム源装置及び電子ビーム装置は、ウェーハ画像化システムのためのアップグレードキットとして役立ちうる。システムは、本明細書において説明した実施形態としての電子ビーム装置に加えて、以下のコンポーネント、即ち、ウェーハ上に電子ビームを集束させるよう構成された対物レンズ（この対物レンズは、磁気レンズコンポーネント及びオプションとして静電レンズコンポーネントを含む）、エミッタチップと対物レンズとの間に設けられた少なくとも１つの集束レンズ、電子ビームを試料上に走査させてウェーハの画像を生成する走査型偏向器装置及びエミッタチップから放出された電子を空間分離し、ウェーハから発する電子から一次電子ビームを形成すると共に信号電子ビームを形成するビーム分離器のうちの１つ又は２つ以上を含むのが良い。

上述の内容は、本発明の実施形態に関するが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく本発明の他の実施形態及び別の実施形態を想到でき、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。

１ 光軸
２，３００ 試料
３ ステージ
４ 集束レンズ
５ 対物レンズ
６ アノード
７ アパーチュア
８ エクストラクタ
９ サプレッサ
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ ガン（電子銃）チャンバ
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 真空ポート
１５ 電子ビームエミッタ
１６ 補助エミッタ電極
１００ 電子ビーム源装置
１０１ 一次電子ビーム
１０３ 送出電子ビーム
１１６ 制御器
２００ 電極構造
２０１ エミッタチップ（先端部）
２０２ エクストラクタ電極（引き出し電極）
２０３ アパーチュア型開口部
２０４ サプレッサ電極

Claims (13)

1. 一次電子ビームを発生させるよう構成された電子ビーム源装置であって、
   ガンチャンバを有し、前記ガンチャンバを排気することができ、
   電子をもたらすようになったエミッタチップを有し、前記エミッタチップは、前記ガンチャンバ内に冷電界エミッタとして設けられ、
   アパーチュア型開口部を有していて前記エミッタチップから前記電子を引き出すようになったエクストラクタ電極を有し、前記エクストラクタ電極は、前記ガンチャンバ内に設けられ、
   前記電子ビーム源装置の開口角は、２°以下であり、前記開口角は、前記アパーチュア型開口部の幅及び前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の距離によって定められ、前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の前記距離は、０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲内にあり、
   前記ガンチャンバ内で前記エミッタチップの周りに同心状に配置されたサプレッサ電極を更に有し、前記エミッタチップは、前記サプレッサ電極を貫通して突き出ており、
   前記エクストラクタ電極と前記エミッタチップとの間に電位差を印加するよう構成された１つ又は２つ以上の電圧供給源を更に有し、前記電位差は、３ｋＶ〜２０ｋＶの範囲内にある、電子ビーム源装置。
2. 前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の前記距離は、０．２ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲内にある、請求項１記載の電子ビーム源装置。
3. 前記エミッタチップは、タングステン、モリブデン、タンタル、炭化物、例えばＨｆＣ、ＺｒＣ及びこれらの任意の組み合わせから成る群から選択された材料で構成されている、請求項１又は２記載の電子ビーム源装置。
4. 前記アパーチュア型開口部の断面形状は、円形アパーチュア型開口部、正方形アパーチュア型開口部、三角形アパーチュア型開口部、長方形アパーチュア型開口部及び楕円形アパーチュア型開口部から成る群から選択されている、請求項１〜３のうちいずれか一に記載の電子ビーム源装置。
5. 前記エクストラクタ電極は、カップ状構造体を有し、前記カップ状構造体は、前記エミッタチップに対してほぼ同心状に配置されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載の電子ビーム源装置。
6. ウェーハを画像化するよう構成されたウェーハ画像化システムであって、
   請求項１〜５のうちいずれか一に記載の電子ビーム源装置と、
   前記電子ビームを前記ウェーハ上に集束するよう構成された対物レンズと、
   前記エミッタチップと前記対物レンズとの間に設けられた少なくとも１つの集束レンズと、
   前記電子ビームを前記ウェーハ上で走査させて前記ウェーハの画像を生成する走査型偏光器装置とを含む、ウェーハ画像化システム。
7. 前記対物レンズは、複合磁気‐静電減速対物レンズである、請求項６記載のウェーハ画像化システム。
8. 前記エミッタチップから放出された電子を空間分離し、前記ウェーハから発する電子から前記一次電子ビームを形成すると共に信号電子ビームを形成するビーム分離器を更に含む、請求項６又は７記載のウェーハ画像化システム。
9. ウェーハ画像化システムのための電子ビーム源装置を動作させる方法であって、前記方法は、
   エミッタチップから電子を放出させるステップを含み、前記エミッタチップは、冷電界エミッタとして設けられ、
   前記電子を前記エミッタチップから引き出すステップを含み、エクストラクタ電極がアパーチュア型開口部を有し、前記エクストラクタ電極と前記エミッタチップとの間の電位差は、３ｋＶ〜２０ｋＶの範囲内にあり、
   前記電子ビーム源装置の開口角は、２°以下であり、前記開口角は、前記アパーチュア型開口部の幅及び前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の距離によって定められ、前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の前記距離は、０．１ｍｍから２ｍｍまでの範囲内にあり、
   前記エミッタチップの周りに同心状に配置されたサプレッサ電極によって前記電子の放出を制御するステップを含み、前記エミッタチップは、前記サプレッサ電極を貫通して突き出ている、方法。
10. 前記エミッタチップと前記エクストラクタ電極との間の前記距離は、０．２ｍｍから１．５ｍｍまでの範囲内にある、請求項９記載の方法。
11. 前記エミッタチップは、周囲温度を超える温度まで加熱される、請求項９又は１０記載の方法。
12. 前記電子ビーム源装置の前記開口角を提供する前記ステップは、前記エミッタチップによって放出される荷電粒子ビーム電流を１０倍超減少させるよう前記アパーチュア型開口部の面積を提供するステップを含む、請求項９〜１１のうちいずれか一に記載の方法。
13. 前記エミッタチップから放出される前記電子は、３×１０⁸Ａ／ｍ²／ｓｒ／ｅＶ以上の輝度を有する一次電子ビームを形成する、請求項９〜１２のうちいずれか一に記載の方法。

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