JPH11312485A

JPH11312485A - 荷電粒子線写像投影光学系及びその調整方法

Info

Publication number: JPH11312485A
Application number: JP10134473A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Nishimura; 宏西村; Naoto Kihara; 直人木原
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-04-28
Filing date: 1998-04-28
Publication date: 1999-11-09
Anticipated expiration: 2018-04-28
Also published as: JP4192290B2

Abstract

(57)【要約】【課題】作業者の熟練の程度に関係なく、迅速且つ正確
な調整が可能な荷電粒子線写像投影光学系及びその対物
光学系と結像光学系の調整方法を提供する。【解決手段】照射線源１５から発した照射用荷電粒子線
Ｓを照射光学系を介して光路切換手段６に入射させ、光
路切換手段６を通過した照射用荷電粒子線Ｓを対物光学
系５を介して物体面３０に入射させ、物体面３０から放
出された観察用荷電粒子線Ｋを対物光学系５を介して光
路切換手段６に入射させ、光路切換手段６によって照射
線源１５に至る方向とは異なる方向に観察用荷電粒子線
Ｋを導き、光路切換手段６を通過した後の観察用荷電粒
子線Ｋを結像光学系を介して検出手段１４に入射させる
荷電粒子線写像投影光学系において、物体面３０の位置
に配置できるように、調整用荷電粒子線Ｔを発する調整
用線源１を設けたことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、荷電粒子線写像投
影光学系及びその調整方法に関し、特に電子ビームやイ
オンビーム等の荷電粒子線を用いて物体面の観察、検査
等を行うための荷電粒子線写像投影光学系及びその調整
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より微細化、高集積化した半導体素
子等の観察、検査をするために、電子ビーム（電子線）
等を用いた荷電粒子線顕微鏡が多く用いられている。荷
電粒子線顕微鏡の中には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）
の他に、写像型電子顕微鏡と呼ばれるものがあり、近
年、この写像型電子顕微鏡の荷電粒子線写像投影光学系
の開発が盛んに行われている。荷電粒子線写像投影光学
系の構成を、以下簡単に説明する。まず、電子銃より発
せられた１次電子ビーム（照射用電子線）は、１次光学
系（照射光学系）を通過して、イー・クロス・ビー（Ｅ
×Ｂ）と呼ばれる電磁プリズムに入射する。イー・クロ
ス・ビーを通過した後の１次電子ビームは、その断面形
状が線形状又は矩形状である電子ビームとなって、カソ
ードレンズ（対物光学系）を通過して、試料の物体面を
落射照明する。物体面に１次電子ビームが照射される
と、物体面で反射する比較的エネルギーの高い反射電子
ビームと、物体面から放出される低エネルギーの２次電
子ビームとが発生する。これらの電子ビームのうち、通
常、２次電子ビームが結像に用いられる。２次電子ビー
ム（観察用電子線）は、カソードレンズを通過して、イ
ー・クロス・ビーに入射する。イー・クロス・ビーを通
過した２次電子ビームは、２次光学系（結像光学系）を
通過して、電子ビーム検出器に入射する。この電子ビー
ム検出器に入射した２次電子ビームの情報を基に、物体
面の観察、検査等を行うことになる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】荷電粒子線写像投影光
学系において、試料の物体面を精度良く観察、検査する
ためには、事前に荷電粒子線写像投影光学系の調整を正
確に行う必要がある。具体的には、１次光学系の照明視
野と２次光学系の観察視野とを一致させるために、１次
光学系と２次光学系との電圧調整、イー・クロス・ビー
の電磁界調整を行い光軸調整や収差補正等をする。しか
しながら、上記従来の荷電粒子線写像投影光学系は、前
述した１次光学系、２次光学系、イー・クロス・ビーの
調整をそれぞれ単独で行うことはできず、調整作業に相
当の時間と労力を費やしていた。すなわち、電子銃から
１次電子ビームを発しながら、１次光学系の照明視野と
２次光学系の観察視野とを一致させていた。したがって
本発明は、作業者の熟練の程度に関係なく、迅速且つ正
確な調整が可能な荷電粒子線写像投影光学系及びその対
物光学系と結像光学系の調整方法を提供することを課題
とする。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するためになされたものであり、すなわち、添付図面に
付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、照射線
源（１５）から発した照射用荷電粒子線（Ｓ）を照射光
学系を介して光路切換手段（６）に入射させ、光路切換
手段（６）を通過した照射用荷電粒子線（Ｓ）を対物光
学系（５）を介して物体面（３０）に入射させ、物体面
（３０）から放出された観察用荷電粒子線（Ｋ）を対物
光学系（５）を介して光路切換手段（６）に入射させ、
光路切換手段（６）によって照射線源（１５）に至る方
向とは異なる方向に観察用荷電粒子線（Ｋ）を導き、光
路切換手段（６）を通過した後の観察用荷電粒子線
（Ｋ）を結像光学系を介して検出手段（１４）に入射さ
せる荷電粒子線写像投影光学系において、物体面（３
０）の位置に配置できるように、調整用荷電粒子線
（Ｔ）を発する調整用線源（１）を設けたことを特徴と
する荷電粒子線写像投影光学系である。

【０００５】また本発明は、照射線源（１５）から発し
た照射用荷電粒子線（Ｓ）を照射光学系を介して光路切
換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）を通過し
た照射用荷電粒子線（Ｓ）を対物光学系（５）を介して
物体面（３０）に入射させ、物体面（３０）から放出さ
れた観察用荷電粒子線（Ｋ）を対物光学系（５）を介し
て光路切換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）
によって照射線源（１５）に至る方向とは異なる方向に
観察用荷電粒子線（Ｋ）を導き、光路切換手段（６）を
通過した後の観察用荷電粒子線（Ｋ）を結像光学系を介
して検出手段（１４）に入射させる荷電粒子線写像投影
光学系の調整方法において、物体面（３０）の位置に調
整用荷電粒子線（Ｔ）を発する調整用線源（１）を配置
する工程と、対物光学系（５）のみに電圧を印加して対
物光学系（５）の光軸又は収差を調整する工程と、対物
光学系（５）に加えて結像光学系に電圧を印加して結像
光学系の光軸の調整若しくは収差の評価或は調整を行う
工程とを有することを特徴とする荷電粒子線写像投影光
学系の調整方法である。

【０００６】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面によっ
て説明する。図１は、本発明による荷電粒子線写像投影
光学系の一実施例を示す。荷電粒子線写像投影光学系の
外観部は、主に１次コラム２と２次コラム３とチャンバ
ー４とで構成されている。それらには、真空排気系（不
図示）が設置されている。そして、真空排気系のターボ
ポンプによる排気によって、荷電粒子線写像投影光学系
の内部は真空状態になっている。チャンバー４の内部に
は、Ｘステージ駆動部３５によってＸ方向に移動可能な
Ｘステージ３１と、Ｙステージ駆動部（不図示）によっ
てＹ方向に移動可能なＹステージ３２が設置されてい
る。Ｘステージ３１上には、冷陰極１（調整用線源）、
試料３０、Ｘ移動鏡３３、Ｙ移動鏡（不図示）が載置さ
れている。ここで、冷陰極１とは、初期エネルギーが低
い（０．５〜２ｅＶ程度である。）電子ビームを放出す
る、いわゆる自己発光型の線源である。この初期エネル
ギーの値は、前述した試料３０の物体面から放出される
２次電子ビームＫの初期エネルギーの値に近似してい
る。冷陰極１としては、例えばＭＯＳ型トンネル冷陰
極、Poly-Si/i-Si/n-Si陰極、シリコンフィールドエミ
ッター等がある。また、この冷陰極１は、リソグラフィ
ー工法による加工によって、点、ライン・アンド・スペ
ース・パターン、十字マーク、Ｌ字マーク等の自己発光
パターンを自在に形成することができる。

【０００７】図１に示すように、１次コラム２の内部に
設置された電子銃１５から照射される１次電子ビームＳ
は、１次光学系を通過して、イー・クロス・ビー６に入
射する。ここで、１次光学系は、視野絞りＦＳ１、照射
レンズ１７、１８、１９、アライナ２３、２４、スキャ
ン用アライナ２５、アパーチャ２６等で構成されてい
る。また、照射レンズ１７、１８、１９は電子レンズで
あり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ
等が用いられる。１次電子ビームＳは、イー・クロス・
ビー６によって、その光路が偏向された後、開口絞りＡ
Ｓに達し、この位置で電子銃１５のクロスオーバーの像
を形成する。開口絞りＡＳを通過した１次電子ビームＳ
は、第１アライナ９を通過した後、カソードレンズ５に
よるレンズ作用を受けて、試料３０をケーラー照明す
る。

【０００８】試料３０に１次電子ビームＳが照射される
と、試料３０からは、その表面形状、材質分布、電位の
変化等に応じた分布の２次電子ビームＫ及び反射電子ビ
ームが発生する。このうち、主に２次電子ビームＫが観
察用電子ビームとなる。前述したように、２次電子ビー
ムＫの初期エネルギーは低く、０．５〜２ｅＶ程度であ
る。試料３０から放出された２次電子ビームＫは、カソ
ードレンズ５、第１アライナ９、開口絞りＡＳ、イー・
クロス・ビー６、２次光学系の順に通過した後、電子ビ
ーム検出器１４に入射する。ここで２次光学系は、結像
レンズ前群７、結像レンズ後群８、スティグメータ１
２、１３、第２アライナ１０、第３アライナ１１、視野
絞りＦＳ２等で構成されている。また、視野絞りＦＳ２
は、カソードレンズ５と結像レンズ前群７に関して、試
料３０の物体面と共役な位置関係となっている。また、
２次光学系の結像レンズ前群７及び結像レンズ後群８は
電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、
８極子レンズ等が用いられる。

【０００９】電子ビーム検出器１４の検出面に入射した
２次電子ビームＫは、２次光学系によって、拡大された
試料３０の像を形成する。ここで、電子ビーム検出器１
４は、電子を増幅するためのＭＣＰ（Micro Channel Pl
ate）と、電子を光に変換するための蛍光板と、真空状
態に保たれた２次コラム３の外部に変換された光を放出
するための真空窓とから構成されている。電子ビーム検
出器１４から放出された光、すなわち試料３０の光学像
は、リレーレンズ４０を透過して、ＣＣＤ等の撮像素子
４１に入射される。そして、撮像素子４１に入射した光
は、光電信号に変換されて、コントロールユニット４２
に伝達される。更に、コントロールユニット４２に伝達
された光電信号は、画像信号に変換されて、ＣＰＵ４３
に伝達される。この画像信号がディスプレイ４４に伝達
され、試料３０の像はディスプレイ４４上に表示される
ことになる。

【００１０】またＣＰＵ４３は、その制御信号を第１電
圧制御部４５、第２電圧制御部４６、電磁界制御部（不
図示）に送る。ここで、第１電圧制御部４５は１次光学
系の電圧制御を行い、第２電圧制御部４６はカソードレ
ンズ５、第１アライナ９、２次光学系の電圧制御を行
い、電磁界制御部はイー・クロス・ビー６の電磁界制御
を行う。またＣＰＵ４３にて、その制御信号をＸステー
ジ駆動部３５、Ｙステージ駆動部に送信し、Ｘ干渉計３
４、Ｙ干渉計（不図示）からステージの位置情報を受信
することで、複数の試料の観察、検査を順次行うことが
できる。

【００１１】次に図２にて、イー・クロス・ビー６の構
成作用について説明する。同図（Ａ）に示すように、電
子銃１５から発せられた１次電子ビームＳは、１次光学
系によるレンズ作用を受けて収束し、イー・クロス・ビ
ー６に入射した後、イー・クロス・ビー６の偏向作用に
よりその軌道（光路）が曲げられる。これは、同図
（Ｂ）に示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの
中を、電荷ｑの電子（１次電子ビームＳ）が、＋Ｚ方向
に速度ｖにて進むとき、−Ｘ方向に働く電界による力Ｆ
_E（＝ｑＥ）と磁界による力Ｆ_B（＝ｑｖＢ）との合力を
受けるためである。これによって、１次電子ビームＳの
軌道は、ＸＺ平面内で曲げられる。

【００１２】一方、１次電子ビームＳが照射された試料
３０から発生した２次電子ビームＫは、カソードレンズ
５によるレンズ作用を受けて、カソードレンズ５の焦点
位置に配置される開口絞りＡＳを通過し、イー・クロス
・ビー６に入射した後、イー・クロス・ビー６をそのま
ま直進する。これは、以下の理由による。図２（Ｃ）に
示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの中を、電
荷ｑの電子（２次電子ビームＫ）が、−Ｚ方向に速度ｖ
にて進むとき、−Ｘ方向に働く電界による力Ｆ_Eと、＋
Ｘ方向に働く磁界による力Ｆ_Bとの合力を受ける。この
とき、電界による力Ｆ_Eと磁界による力Ｆ_Bとの絶対値
は、等しく（Ｅ＝ｖＢ）なるように、すなわちウィーン
条件を満たすように設定されている。したがって、電界
による力Ｆ_Eと磁界による力Ｆ_Bとは互いに相殺され、２
次電子ビームＫが受ける見かけ上の力はゼロになり、２
次電子ビームＫはイー・クロス・ビー６の中を直進する
ことになる。以上のように、イー・クロス・ビー６は、
そこを通過する電子ビームの光路を選択する、いわゆる
電磁プリズムとしての機能をもつ。

【００１３】次に図３にて、点パターンを形成した冷陰
極１を用いた本発明の一実施例による荷電粒子線写像投
影光学系の調整について説明する。全体の大まかな調整
手順としては、まず冷陰極１の点パターンを用いて２次
光学系の光軸調整を行い、その後イー・クロス・ビー６
の電磁界調整と１次光学系の光軸調整とを行うといった
ものである。詳細な調整手順を説明する。まず図３のよ
うに、冷陰極１をカソードレンズ５の下方に配置する。
次に、カソードレンズ５に電圧を印加した状態（電源オ
ン）とし、それ以外のレンズ系には電圧が印加されない
状態（電源オフ）とする。冷陰極１から放出された調整
用電子ビームＴは、カソードレンズ５に入射する。カソ
ードレンズ５にて、調整用電子ビームＴは、カソードレ
ンズ５の電界による力を受ける。カソードレンズ５を通
過した調整用電子ビームＴは、前述した２次電子ビーム
Ｋと同様に、第１アライナ９、開口絞りＡＳ、イー・ク
ロス・ビー６、２次光学系の順に通過した後、電子ビー
ム検出器１４に入射する。

【００１４】電子ビーム検出器１４に入射した調整用電
子ビームＴの情報は、２次電子ビームＫと同様に、リレ
ーレンズ４０、撮像素子４１、コントロールユニット４
２、ＣＰＵ４３の順に伝達された後に、ディスプレイ４
４に伝達され、ディスプレイ４４上に点パターンの像を
表示することになる。前述したように、カソードレンズ
５以外のレンズ系には、電圧が印加されていないため、
調整用電子ビームＴが、電子ビーム検出器１４に到達す
るまでに受ける力は、カソードレンズ５の電界による力
のみとなっている。この状態で、カソードレンズ５の電
圧を交流的に変動（ウオッブル）させると、電子ビーム
検出器１４の検出面上の点パターンの像はデフォーカス
する。このとき、点パターンがカソードレンズ５の光軸
上になければ、このデフォーカスに伴って、ディスプレ
イ４４上の点パターンの像は、光軸と直交する面内で移
動する。このディスプレイ４４上の点パターンの像が、
デフォーカスに関係なく移動しなくなるように、Ｘステ
ージ３１及びＹステージ３２を調整移動させる。このよ
うにして、ディスプレイ４４上の点パターンの像が移動
しなくなった点パターンの位置が、カソードレンズ５の
光軸上の位置ということになる。こうして、カソードレ
ンズ５の光軸は調整された。

【００１５】次に、カソードレンズ５に加えて、結像レ
ンズ前群７に電圧を印加する。その際、冷陰極１の点パ
ターンの像が、電子ビーム検出器１４上に結像されるよ
うに電圧条件を定め、カソードレンズ５の光軸調整と同
様に、その電圧を交流的に変動させながら、ディスプレ
イ４４上の点パターンの像が移動しなくなるように第１
アライナ９の電圧を調整する。これにより、結像レンズ
前群７の光軸を、前に調整したカソードレンズ５の光軸
に一致させることができる。次に、カソードレンズ５、
結像レンズ前群７に加えて、結像レンズ後群８に電圧を
印加する。その際、点パターンの像が電子ビーム検出器
１４上に結像されるように電圧条件を定め、その電圧を
交流的に変動させながら、ディスプレイ４４上の点パタ
ーンの像が移動しなくなるように第２アライナ１０の電
圧を調整する。これにより、結像レンズ後群８の光軸
を、前に調整したソードレンズ５と結像レンズ前群７と
の光軸に一致させることができる。

【００１６】最後に、第３アライナ１１の電圧調整をし
て、点パターンの像を電子ビーム検出器１４の中心に移
動させ、電子ビーム検出器１４の中心と光軸とを一致さ
せる。こうして、カソードレンズ５及び２次光学系の光
軸は調整された。なお、冷陰極１と、カソードレンズ５
の物体面側に位置する第１電極との間に、加速用電源４
７によって電位差を設けることにより、調整用電子ビー
ムＴを加速することができる。以上のように、カソード
レンズ５と２次光学系の光軸は、各々単体で調整された
ので、次工程として、１次光学系とイー・クロス・ビー
６の調整を行うことになる。このとき、イー・クロス・
ビー６の２次光学系に対するウィーン条件は、イー・ク
ロス・ビー６の電源をオン・オフさせても、ディスプレ
イ４４上の点パターンの像が動かなくなるようにして求
める。このように本実施例では、１次光学系の照明視野
と、２次光学系の観察視野とを迅速且つ正確に一致させ
て、荷電粒子線光学系の良好な画像を得ることができ
る。

【００１７】なお本実施例では、冷陰極１に点パターン
を形成して、２次光学系の光軸調整を行っているが、同
じように点パターンを用いて、電子ビーム検出器１４上
での点像強度分布やデフォーカスさせたときの画像を検
出することで、諸収差の解析を行うこともできる。ま
た、冷陰極１に形成するパターンに、点パターンの代わ
りに、ライン・アンド・スペース・パターンを用いれ
ば、２次光学系の球面収差を補正することができる。ま
た、十字マークやＬ字マークを用いれば、２次光学系の
歪曲収差を補正することができる。また本実施例では、
調整用線源として冷陰極１を用いたが、冷陰極１の代わ
りに、調整用の電子銃を用いても良い。そして、その物
体面における調整用線源の発光形状は、点形状、線形
状、十文字形状又はＬ字形状のうちの少なくとも１つの
形状を有すれば良い。

【００１８】また本実施例では、イー・クロス・ビー６
にて、１次電子ビームＳの軌道を曲げ、２次電子ビーム
Ｋを直進させているが、これとは逆に、１次電子ビーム
Ｓを直進させ、２次電子ビームＫの軌道を曲げる構成と
しても良い。また本実施例では、電子ビームを用いた荷
電粒子線写像投影光学系について示したが、電子ビーム
の代わりに、イオンビームを用いた荷電粒子線写像投影
光学系としても良い。また本実施例の荷電粒子線写像投
影光学系は、線源からの電子ビームにて物体面を照明し
像面ヘ結像する、いわゆる面から面への荷電粒子線写像
投影光学系であり、観察装置及び検査装置の単体装置と
してではなく、半導体露光装置等にも簡単に応用するこ
とができる。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明では、自己発光する
調整用線源を物体面にもち、対物光学系と結像光学系の
調整が各々単独で行えるため、迅速且つ正確な調整が可
能な荷電粒子線写像投影光学系及びその調整方法を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による荷電粒子線写像投影光
学系を示す概略図である。

【図２】荷電粒子線写像投影光学系のイー・クロス・ビ
ーの（Ａ）概略図と、（Ｂ）１次電子ビームに作用する
電界と磁界を示す概略図と、（Ｃ）２次電子ビームに作
用する電界と磁界を示す概略図である。

【図３】本発明の一実施例による調整時の荷電粒子線写
像投影光学系を示す概略図である。

【符号の説明】

１…冷陰極２…１次コラム３…２次コラム４…チャンバー５…カソードレンズ６…イー・クロス・ビー７…結像レンズ前群８…結像レンズ後群９…第１アライナ１０…第２アライナ１１…第３アライナ１２、１３…スティグメータ１４…電子ビーム検出器１５…電子銃１７、１８、１９…照射レンズ２３、２４…アライナ２５…スキャン用ア
ライナ２６…アパーチャ３０…試料３１…Ｘステージ３２…Ｙステージ３３…Ｘ移動鏡３４…Ｘ干渉計３５…Ｘステージ駆動部４０…リレーレンズ４１…撮像素子４２…コントロール
ユニット４３…ＣＰＵ４４…ディスプレイ４５…第１電圧制御部４６…第２電圧制御
部４７…加速用電源ＦＳ１、ＦＳ２…視野絞りＡＳ…開口絞りＴ…調整用電子ビームＳ…１次電子ビームＫ…２次電子ビーム

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】照射線源から発した照射用荷電粒子線を照
射光学系を介して光路切換手段に入射させ、該光路切換
手段を通過した前記照射用荷電粒子線を対物光学系を介
して物体面に入射させ、該物体面から放出された観察用
荷電粒子線を前記対物光学系を介して前記光路切換手段
に入射させ、該光路切換手段によって前記照射線源に至
る方向とは異なる方向に前記観察用荷電粒子線を導き、
前記光路切換手段を通過した後の前記観察用荷電粒子線
を結像光学系を介して検出手段に入射させる荷電粒子線
写像投影光学系において、前記物体面の位置に配置できるように、調整用荷電粒子
線を発する調整用線源を設けたことを特徴とする荷電粒
子線写像投影光学系。
【請求項２】前記調整用線源の前記物体面における発光
形状は、点形状、線形状、十文字形状又はＬ字形状のう
ちの少なくとも１つの形状を有することを特徴とする請
求項１記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項３】前記調整用荷電粒子線は、電子線であるこ
とを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子線写像投
影光学系。
【請求項４】前記調整用荷電粒子線の初期エネルギー
は、前記観察用荷電粒子線の初期エネルギーと同等であ
ることを特徴とする請求項１、２又は３記載の荷電粒子
線写像投影光学系。
【請求項５】前記調整用線源は、冷陰極で形成されたこ
とを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の荷電
粒子線写像投影光学系。
【請求項６】前記調整用線源と、前記対物光学系の物体
面側の面との間に、前記調整用荷電粒子線を加速する電
位差を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか
１項記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項７】照射線源から発した照射用荷電粒子線を照
射光学系を介して光路切換手段に入射させ、該光路切換
手段を通過した前記照射用荷電粒子線を対物光学系を介
して物体面に入射させ、該物体面から放出された観察用
荷電粒子線を前記対物光学系を介して前記光路切換手段
に入射させ、該光路切換手段によって前記照射線源に至
る方向とは異なる方向に前記観察用荷電粒子線を導き、
前記光路切換手段を通過した後の前記観察用荷電粒子線
を結像光学系を介して検出手段に入射させる荷電粒子線
写像投影光学系の調整方法において、前記物体面の位置に調整用荷電粒子線を発する調整用線
源を配置する工程と、前記対物光学系のみに電圧を印加して該対物光学系の光
軸又は収差を調整する工程と、前記対物光学系に加えて前記結像光学系に電圧を印加し
て該結像光学系の光軸の調整若しくは収差の評価或は調
整を行う工程とを有することを特徴とする荷電粒子線写
像投影光学系の調整方法。