KR101694239B1 - 하전 입자선 장치 - Google Patents
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Abstract
임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 측정이 가능한 하전 입자선 장치를 제공하기 위하여, 시료(114)에 일차 하전 입자선(110)을 조사하여, 발생하는 이차 하전 입자(115)를 검출하는 하전 입자선 장치에 있어서, 일차 하전 입자선(110)을 시료(114) 상에 집속하기 위한 요크 자로 부재(132) 및 렌즈 코일(134)과, 일차 하전 입자선(110)을 시료(114) 상에서 임의로 경사시키기 위하여, 요크 자로 부재(132)의 측면에 그 상단이 배치되고, 요크 자로 부재(132)의 폴 피스 선단 및 시료(114)의 사이에 그 하단이 배치되는 솔레노이드 코일(133)을 갖는 빔 틸트 렌즈(113)를 구비한다.
Description
본 발명은, 빔 틸트 기능을 갖는 대물렌즈(이하, 빔 틸트 렌즈라 함)를 구비한 하전 입자선 장치에 관한 것이다.
LSI 등의 미소(微小) 회로 형성에 있어서의 결함의 검출·측장(測長)·형상 평가는 각종 방법이 사용되고 있다. 예를 들면, 광학식의 검사 장치에서는 미소 회로의 광학상(光學像)을 생성하고, 그 화상을 이상 검출을 위하여 검사한다. 그러나, 그러한 광학상으로는 극히 작은 형상 특징의 특정을 가능하게 하기에는 해상도가 불충분하여, 회로 형성에 있어서 유해한 결함과 무해한 결함의 구별이 불충분하다. 그와 같은 계측·검사 장치의 대상 시료는 기술의 진보와 함께 점점 미세화되고 있으며, 예를 들면, 최신의 DRAM 제조 공정에서는 메탈 배선의 배선 폭이 40㎚ 이하, 로직 IC에서는 게이트 치수가 20㎚에까지 달하고 있다.
전자빔 이용에 의한 결함 검사 방법은, 콘택트 구멍, 게이트 및 배선 등의 미소한 형상 특징과 미소 결함의 형상 특징을 화상화하기에 충분한 해상도를 구비하며, 또한 결함 형상의 음영상(陰影像) 콘트라스트에 의거한 중대한 결함의 분류 검출에 이용할 수 있다. 따라서, 미소 회로의 계측·검사에 대해서는 하전 입자선을 응용한 계측·검사 방법은 광학식 검사 방법에 비해서 훨씬 유리하다.
하전 입자선 장치의 하나인 주사 전자 현미경(SEM)은, 가열형 또는 전계 방출형의 전자원(電子源)으로부터 방출된 하전 입자빔을 집속해서 미세한 빔(프로브 빔)을 형성하여, 당해 프로브 빔을 시료 상에서 주사한다. 당해 주사에 의해 시료로부터는 이차 하전 입자(이차 전자 혹은 반사 전자)가 발생하고, 이 이차 하전 입자를 일차 하전 입자선의 주사와 동기해서 화상 데이터의 휘도 신호로 하면 주사상이 얻어진다. 일반적인 주사 전자 현미경에서는, 음전위(陰電位)를 인가한 전자원과 접지 전위간의 인출 전극에서 전자원으로부터 방출된 전자를 가속하여 시료에 조사한다.
SEM 등의 주사형 하전 입자 현미경의 분해능과 하전 입자빔의 에너지에는 밀접한 관계가 있다. 높은 에너지의 일차 하전 입자선이 시료에 도달하면(즉 일차 하전 입자선의 랜딩 에너지(landing energy)가 크면), 일차 하전 입자가 시료 내에 깊게 진입하기 때문에, 이차 전자 및 반사 전자의 시료 상의 방출 범위가 넓어진다. 그 결과, 하전 입자빔의 프로브 사이즈보다도 상기 방출 범위가 넓어져 관찰 분해능이 현저하게 열화된다.
한편, 랜딩 에너지를 낮게 하기 위하여 일차 하전 입자선의 에너지를 지나치게 작게 하면, 대물렌즈의 수차(收差)에 의해 하전 입자빔의 프로브 사이즈가 현저하게 증대하여 관찰 분해능이 열화된다.
고분해능인 관찰을 행하기 위해서는, 일차 하전 입자선의 에너지, 특히 랜딩 에너지를 관찰 대상에 맞춰서 적절히 제어할 필요가 있다.
랜딩 에너지의 제어 기술로서는 리타딩 방식이 흔히 사용되고 있다. 즉, 리타딩 방식에 있어서는, 시료에 대해서 일차 하전 입자선을 감속시키는 바와 같은 전위를 인가하여, 하전 입자선의 에너지를 시료에 도달하기 직전에서 원하는 에너지까지 저하시킨다. 그러나, 하전 입자빔을 관찰 시료에 대해서 경사시킨 순간에, 고분해능인 관찰을 할 수 없게 된다.
특허문헌 1에서는, 장치의 고분해능 조건을 유지해서 하전 입자선을 관찰 시료에 대하여 경사시키는 기술로서, 하전 입자선을 대물렌즈의 축외(軸外)에 입사시켜서, 대물렌즈의 집속 작용을 이용하는 방법 등의 전자 광학 궤도의 레이 트레이싱이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 하전 입자선을 대물렌즈의 집속 자계 내에서 서로 역방향으로 편향시키는 2단의 편향 수단을 설치하여, 하전 입자선을 대물렌즈 축외에서 경사시켰을 때에 발생하는 축외 색 수차를 보정하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 3에는, 하전 입자선을 대물렌즈의 축외로 통과시키기 위한 편향 수단을 대물렌즈보다도 전자원측에 설치한 빈 필터(Wien filter)로 보정하는 것에 의해, 하전 입자선을 경사시켰을 때의 분해능 열화를 저감하는 기술이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 4에서는, 대물렌즈의 집속 자계 내의 편향 수단에 부가해서, 대물렌즈와 시료의 사이에 빔을 감속시키는 컵 형상의 전극을 설치해서 빔 경사각을 증대시키는 기술이 개시되어 있다.
그 밖에, 특허문헌 5에는, 복수의 렌즈에 대해서 일차 빔의 궤도를 편향기, 혹은 가동 조리개에 의하여 축외로 통과시키고, 그 축외 궤도를 제어하는 것에 의해, 빔 경사 시에 대물렌즈에서 발생하는 수차를 다른 렌즈의 수차로 캔슬하는 발명이 개시되어 있다.
하전 입자선상(粒子線像)의 분해능은 하전 입자빔의 프로브 직경에 영향받으며, 분해능이 높은 주사상을 취득하기 위해서는 프로브 직경을 작게 할 필요가 있다. 그러나 프로브 직경을 작게 하기 위해서는 대물렌즈를 단초점화(短焦点化)해서 빔을 강하게 축소해야만 한다. 단초점으로 빔을 시료 상에 집속시키기 위해서는 그만큼 렌즈 작용이 강한 대물렌즈가 필요해진다. 일차 하전 입자선 광축에 자계를 누설시켜서 빔을 좁히는 자계형의 대물렌즈의 경우에는, 렌즈 작용을 강하게 하기 위해서는 여자량(勵磁量)을 크게 할 필요가 있다.
대물렌즈의 자로(磁路)에 흐르는 자속량(磁束量)은 자기 포화에 의해 제약을 받는다. 자로의 포화 자속 밀도는 자로를 구성하는 자성 재료에 의하여 대략 결정된다. 따라서, 자로를 지나는 자속량이 증가해도 자로가 허용할 수 없는 자속은 자로의 어딘가로부터 누설되고, 결과적으로 여자량의 증대 정도로는 렌즈 작용은 커지지는 않는다. 특히, 하전 입자빔의 가속 전압을 크게 하여 고에너지의 프로브 빔을 형성했을 경우, 빔 그 자체를 집속할 수 없다는 사태도 일어날 수 있다. 그 때문에, 대물렌즈의 자로에 인접해서, 특허문헌 1∼3에 기재된 바와 같은 종래기술을 이용하여 하전 입자선을 대물렌즈의 집속 자계 내에서 편향시키는 편향 수단을 설치할 수는 없다.
또한, 하전 입자선 장치의 분해능은 빔의 프로브 직경에 따라서 정해지지만, 하전 입자선의 에너지가 작아지면, 전술한 바와 같이 색 수차 때문에 프로브 직경이 증대하여 분해능이 열화된다. 따라서 리타딩법에 있어서는, 하전 입자빔의 감속 위치를 시료에 접근시키는 편이 수차의 영향을 보다 작게 할 수 있다. 이 때문에, 장치 설계 시에는 대물렌즈의 작동 거리(워크 디스턴스)는 가능한 한 작아지도록 설계된다. 그러나, 대물렌즈와 시료를 물리적으로 접촉시키는 것은 불가하므로, 작동 거리의 저감에 의해 수차의 영향을 저감하는 방법에는 한계가 있다. 특히 리타딩 방식의 경우에는, 시료(혹은 시료 스테이지)와 대물렌즈 사이에 큰 전위차가 있어, 작동 거리를 지나치게 작게 하면 시료를 방전에 의해 파괴할 위험성이 있다. 따라서, 특허문헌 1∼3에 기재된 바와 같은 종래기술을 이용하여 장치를 제작할 수는 없다. 또한, 시료와 대물렌즈의 사이에 특허문헌 4에 기재된 바와 같은 컵 형상의 전극을 설치할 수도 없다.
전술한 바와 같이, 대물렌즈의 수차 억제를 위한 단초점화가 진전되고 있어, 축 상의 수차에 비해서 빔을 경사시킬 때에 발생하는 수차가 증대하고 있다. 그 때문에, 빔을 경사시킬 때에 발생하는 수차를 특허문헌 5에 나타내는 다른 렌즈의 수차로 캔슬하는 것은 어려워진다. 예를 들면, 빔 경사를 약간 변경한 것만으로도 다른 렌즈의 수차 발생량을 크게 변경해야만 한다. 또한, 빔의 축도 크게 변경해야만 한다. 수차나 축의 조정 작업은 모니터링과 설정 변경을 반복할 필요가 있어 시간을 요하게 된다. 또한, 수차를 캔슬하기 위하여 필요한 수차를 다른 렌즈로 만들 수 없는 경우도 있다.
본 발명의 목적은, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 측정이 가능한 하전 입자선 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일 실시형태로서, 스테이지에 탑재되는 시료에 대해서 일차 하전 입자선을 조사하여, 당해 조사에 의해 발생하는 이차 하전 입자를 검출하는 하전 입자선 장치에 있어서,
당해 하전 입자선 장치는, 상기 일차 하전 입자선을 상기 시료 상에 집속(集束)시키며, 또한 상기 시료 상에 임의의 각도로 상기 일차 하전 입자선을 경사시키는 기능을 갖는 빔 틸트 렌즈를 구비하고,
상기 빔 틸트 렌즈는,
상기 일차 하전 입자선을 둘러싸는 영역을 따라 설치되고 내부가 중공인 부재이며 또한, 상기 시료의 대향면측의 하부 개구단(開口端)에 폴 피스(pole piece)의 공극을 갖고, 또한 상기 내부에 렌즈 코일을 갖는 요크 자로(yoke magnetic path) 부재와,
상기 요크 자로 부재의 중앙 개구단의 폴 피스를 외측으로부터 둘러싸도록 배치된 솔레노이드 코일과,
상기 렌즈 코일에 전류를 공급해서 상기 일차 하전 입자선의 집속 위치를 제어하는 렌즈 코일 전원과,
상기 솔레노이드 코일에 전류를 공급해서 상기 일차 하전 입자선의 경사 각도를 제어하는 솔레노이드 코일 전원을 구비하고,
상기 솔레노이드 코일은, 상기 요크 자로 부재의 측면에 상기 솔레노이드 코일의 상단이 배치되고, 상기 요크 자로 부재의 폴 피스 선단(先端)과 상기 시료 사이에 상기 솔레노이드 코일의 하단이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치로 한다.
본 발명에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 측정이 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다.
도 1a는 제 1 실시예에 따른 하전 입자선 장치(주사 전자 현미경)의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 1b는 제 1 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈부의 사시도.
도 2는 도 1b에 나타내는 빔 틸트 렌즈의 축 상 자장 분포를 나타내는 도면이며, (a)는 세로 자장, (b)는 가로 자장을 나타내는 도면.
도 3은 제 2 실시예 및 비교예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도이며, (a)는 실시예, (b)는 비교예를 나타내는 도면.
도 4는 축 상 자장 분포의 솔레노이드 코일 비교를 나타내는 도면이며, (a)는 도 3의 (a)의 경우, (b)는 도 3의 (b)의 경우를 나타내는 도면.
도 5는 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 6은 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 7은 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 8은 제 4 실시예에 따른 하전 입자선 장치의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 9는 틸트 수차 계수의 워크 디스턴스 의존성을 나타내는 도면.
도 10은 제 5 실시예에 따른 하전 입자선 장치(편향기 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 11은 제 5 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(수차 보정기 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 12는 제 6 실시예에 따른 하전 입자선 장치(최소 구성)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 13은 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(슬림화)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 14는 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(실드 전극을 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 15는 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(제어 자로 부재를 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도.
도 16은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 도달 분해능의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면.
도 17은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 최적 개방각의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면.
도 1b는 제 1 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈부의 사시도.
도 2는 도 1b에 나타내는 빔 틸트 렌즈의 축 상 자장 분포를 나타내는 도면이며, (a)는 세로 자장, (b)는 가로 자장을 나타내는 도면.
도 3은 제 2 실시예 및 비교예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도이며, (a)는 실시예, (b)는 비교예를 나타내는 도면.
도 4는 축 상 자장 분포의 솔레노이드 코일 비교를 나타내는 도면이며, (a)는 도 3의 (a)의 경우, (b)는 도 3의 (b)의 경우를 나타내는 도면.
도 5는 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 6은 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 7은 제 3 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도).
도 8은 제 4 실시예에 따른 하전 입자선 장치의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 9는 틸트 수차 계수의 워크 디스턴스 의존성을 나타내는 도면.
도 10은 제 5 실시예에 따른 하전 입자선 장치(편향기 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 11은 제 5 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(수차 보정기 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도.
도 12는 제 6 실시예에 따른 하전 입자선 장치(최소 구성)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 13은 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(슬림화)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 14는 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(실드 전극을 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도(일부 단면 포함).
도 15는 제 6 실시예에 따른 다른 하전 입자선 장치(제어 자로 부재를 추가)의 기본 구성을 나타내는 개략 사시도.
도 16은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 도달 분해능의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면.
도 17은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 최적 개방각의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면.
간략화를 위해, 이하의 실시예에서는 주로 주사 전자 현미경을 이용한 장치에의 적용예에 대하여 설명하지만, 각 실시예의 빔 틸트 렌즈는 전자빔뿐만 아니라 이온빔 장치도 포함한 하전 입자선 장치 일반에 대해서 적용 가능하다. 또한, 이하의 실시예에서는, 시료로서 반도체 웨이퍼를 이용하여 설명을 행하지만, 각종 하전 입자선 장치에서 사용하는 시료로서는, 반도체 웨이퍼 외, 반도체 기판, 패턴이 형성된 웨이퍼 조각, 웨이퍼로부터 잘라낸 칩, 하드 디스크, 액정 패널 등 각종 시료를 검사·계측 대상으로 할 수 있다.
[실시예 1]
실시예 1에서는 주사 전자 현미경에의 적용예에 대하여 설명한다.
도 1a는 주사 전자 현미경의 전체 구성을 나타내는 모식도이다. 본 실시예의 주사 전자 현미경은, 진공 하우징(101) 내에 형성된 전자 광학계(102), 그 주위에 배치된 전자 광학계 제어 장치(103), 제어 전원에 포함되는 개개의 제어 유닛을 제어하여 장치 전체를 통괄 제어하는 호스트 컴퓨터(104), 제어 장치에 접속된 조작 콘솔(105), 취득 화상이 표시되는 모니터를 구비하는 표시 수단(106) 등에 의해 구성된다. 전자 광학계 제어 장치(103)는, 전자 광학계(102)의 각 구성 요소에 전류, 전압을 공급하기 위한 전원 유닛이나, 각 구성 요소에 대해서 제어 신호를 전송하기 위한 신호 제어선 등에 의해 구성된다.
전자 광학계(102)는, 일차 전자빔(일차 하전 입자빔)(110)을 생성하는 전자원(111), 전자빔을 편향시키는 편향기(112), 전자빔을 집속하여 경사시키는 빔 틸트 렌즈(113), 스테이지 상에 유지된 시료(114)로부터 방출되는 이차 입자(이차 전자)(115)를 집속 발산하는 부스터 자로(booster magnetic path) 부재(116), 이차 입자가 충돌하기 위한 반사 부재(118), 당해 충돌에 의해 재방출되는 부차(副次) 입자(삼차 입자)(119)를 검출하는 중앙 검출기(122) 등에 의해 구성된다. 반사 부재(118)는, 일차 빔의 통과 개구가 형성된 원반 형상의 금속 부재에 의해 구성되며, 그 저면이 이차 입자 반사면(126)을 형성하고 있다. 부호 148은 중앙 검출기용의 중앙 도입 전원이다.
전자원(111)으로부터 방출된 일차 전자빔(110)은, 인출 전극(130)과 가속 전극(131) 사이에 형성되는 전위차에 의해 가속되어 빔 틸트 렌즈(113)에 도달한다. 빔 틸트 렌즈(113)는, 입사된 일차 전자빔을 시료(114) 상에 렌즈 코일 전원(142)으로 집속 위치를 제어하고, 솔레노이드 코일 전원(143)으로 경사 각도를 제어한다.
다음으로, 도 1b를 이용하여, 본 실시예의 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성을 상세히 설명한다. 도 1b에는 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성 외, 피계측(被計測)·검사 시료(114)도 아울러서 나타냈다.
본 실시예의 빔 틸트 렌즈(113)는, 일차 전자선 광축(혹은 전자 광학계(102)의 중심축)의 주위에 배치된 요크 자로 부재(132), 당해 요크 자로 부재(132)와 일차 전자선 광축 사이의 공간 내에 설치된 부스터 자로 부재(116), 부스터 자로 부재(116)와 요크 자로 부재(132)와 시료(114)에 의해 구성되는 도너츠 형상의 폐쇄 공간 내에 설치된 2개 이상의 복수의 솔레노이드 코일(133), 및 렌즈 코일(134)을 적어도 포함해서 구성된다. 일차 전자선 광축 혹은 전자 광학계(102)의 중심축은 빔 틸트 렌즈(113) 혹은 진공 하우징(101)의 중심축과 일치하도록 구성되는 경우가 많다. 또, 당해 솔레노이드 코일(133)의 하단은 부스터 자로 부재(116)의 선단부와 시료(114)의 사이에 배치되고, 당해 솔레노이드 코일(133)의 상단은 당해 부스터 자로 부재(116)와 당해 요크 자로 부재(132)의 사이에 배치된다. 또한, 당해 솔레노이드 코일(133)은 상기 상단과 상기 하단의 사이에서 자장이 측면으로부터 누설되지 않도록 전선(절연 도선)을 나선 형상으로 조밀하게 감은 것을 이용했다. 단, 나선 형상으로 절연 도선을 공심(空芯) 또는 비자성재(非磁性材)의 심에 조밀하게 감은 솔레노이드 코일 대신에, 나선 형상 이외의 와인딩 방법으로 제작한 코일을 이용해도 된다. 또한, 솔레노이드 코일은 비자성 재료를 이용하여 부스터 자로 부재나 요크 자로 부재에 고정할 수 있다.
도 1b의 요크 자로 부재(132)는, 내부가 중공인 원환(圓環) 부재에 의해 구성되어 있으며, 그 단면은 일차 전자선 광축에의 대향면측이 경사면으로 이루어진 사다리꼴 형상을 이룬다. 본 실시예의 빔 틸트 렌즈(113)에 있어서는, 요크 자로 부재(132)는 일차 전자빔 광축이 원환 부재의 중심을 지나도록 배치된다. 원환 부재의 요크 자로 부재(132)의 내부에는 렌즈 코일(134)이 유지되어 있으며, 당해 렌즈 코일(134)에 의해 일차 전자빔(110)을 집속하기 위한 자속이 여자된다. 당해 사다리꼴 형상의 아랫변(137)의 내면측(일차 전자빔에의 대향면측)에는 공간이 설치되어 있으며, 당해 공간에 의해, 여자된 자속이 요크 자로 부재(132) 내에서 폐쇄 자로를 형성하지 않고 부스터 자로 부재(116)에 흐르게 되어 있다. 또한, 요크 자로 부재(132)의 상면측(일차 전자선의 입사 방향)과 저면측(일차 전자선의 출사 방향)에는 일차 전자빔(110)이 통과하는 개구를 구비한다. 또한, 요크 자로 부재(132)의 재료로서는 연자성(軟磁性) 재료가 이용된다. 또, 도 1b에 나타낸 요크 자로 부재(132)는 단면이 사다리꼴 형상인 원환 부재가 이용되어 있지만, 여자된 자속을 부스터 자로 부재(116)에 주고받는 기능이 수행되는 한, 요크 자로 부재(132)의 형상은 특별히 묻지 아니한다. 예를 들면, 요크 자로 부재(132)의 단면이 ㄷ자형이어도 된다.
부스터 자로 부재(116)는, 요크 자로 부재(132)를 구성하는 원환 부재의 내면측(일차 전자빔(110)에의 대향 영역)을 따라 설치된 원통(혹은 원추) 형상 부재이며, 빔 틸트 렌즈(113)의 내부에서 원통의 중심축이 일차 전자빔 광축(혹은 진공 하우징(101)의 중심축)과 일치하도록 배치된다. 부스터 자로 부재(116)의 재료로서는 요크 자로 부재(132)와 마찬가지로 연자성 재료가 사용된다. 원통의 하부측 선단부(시료 대향면측의 선단부)(136)는 렌즈 코일(134)에 의해 여자된 자속이 집중하는 자극(磁極)(폴 피스)을 구성한다.
요크 자로 부재(132)의 저면측에는 솔레노이드 코일(133)이 배치된다. 솔레노이드 코일(133)은 중앙부의 상기 부스터 자로 부재(116)를 둘러싸도록 배치된 절연 도선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 코일이다. 요크 자로 부재(132)는 빔 틸트 렌즈(113)의 내부에서 일차 전자빔 광축에 대하여 동축(同軸)이 되도록 배치된다. 요크 자로 부재(132)의 저면측의 개구 단부(端部)는 자속이 집중하는 자극을 구성하며, 요크 자로 부재(132)의 자극과 부스터 자로 부재(116)의 자극의 공극(갭)간에 자속이 집중하는 것에 의해, 일차 전자빔(110)에 대한 종래보다도 강한 렌즈 효과를 발생시킬 수 있다. 부스터 자로 부재(116)에 속하는 폴 피스를 상부 자극, 요크 자로 부재에 속하는 폴 피스를 하부 자극이라 부르는 경우도 있다. 요크 자로 부재(132)와 부스터 자로 부재(116)는 상면측의 각각 소정의 갭을 개재해서 공간적으로 분리되어 있다. 단, 상기한 요크 자로 부재(132)와 부스터 자로 부재(116)는 자기적으로는 강하게 결합되어 있으며, 렌즈 코일(134)에 의하여 여기된 자속은 상기한 각 자로 부재 중(中)을 관류(貫流)한다.
다음으로, 부스터 자로 부재(116), 요크 자로 부재(132)에의 인가 전위에 대하여 설명한다. 요크 자로 부재(132)와 부스터 자로 부재(116)는 절연 재료를 개재해서 서로 전기적으로 절연되어 있다. 부스터 자로 부재(116)에는, 요크 자로 부재(132)의 전위에 대한 전위가 양이 되며, 또한 상기 가속 전극(131)의 전위에 대한 전위차가 양이 되는 바와 같은 전위가 공급된다. 이 전위는 부스터 전원(135)에 의해 공급된다. 또한, 요크 자로 부재(132)에는 접지 전위로 유지된다. 이 때문에, 일차 전자빔(110)은, 가속 전극(131)과 부스터 자로 부재(116) 사이의 전위차에 의하여 일차 전자빔(110)의 궤도 상에서 가장 가속된 상태에서 상기 부스터 자로 부재(116)를 통과한다.
본 실시예의 하전 입자빔 장치에 있어서도 리타딩 방식을 채용한다. 따라서, 빔 틸트 렌즈(113)와 시료(114) 사이에는 감속 전계를 형성할 필요가 있다. 솔레노이드 코일(133)에는 가로 자장을 여자하기 위하여 전류가 공급되고 있으며, 이 전류는 솔레노이드 코일 전원(143, 144, 145)에 의해 공급된다. 또한, 스테이지(140)에는 스테이지 전원(141)에 의하여 부스터 자로 부재(116)와의 전위차가 음이 되는 전위가 인가된다. 이 때문에, 부스터 자로 부재(116)를 통과한 일차 전자빔(110)은 급격히 감속되어 시료 표면에 도달한다. 여기에서, 일차 빔의 랜딩 에너지는 전자원(111)과 스테이지(140)의 전위차만으로 결정되기 때문에, 전자원(111)과 스테이지(140)에의 인가 전위를 소정값으로 제어하면, 부스터 자로 부재(116)나 가속 전극(131)에의 인가 전위가 어떠해도 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어 가능하다. 따라서, 가속 전극(131)과 부스터 자로 부재(116)에의 인가 전위를 전자원(111)에 대해서 양으로 설정하는 것에 의해, 일차 전자빔(110)이 전자 광학계(102)를 고속으로 통과할 수 있어서, 시료 상에서의 일차 전자빔(110)의 프로브 사이즈를 작게 할 수 있다.
도 2는 전자빔의 축 상에서의 자장 분포를 나타내는 도면이며, (a)는 세로 자장, (b)는 가로 자장을 나타낸다. 도면 중에 나타내는 Z축은 일차 전자빔(110)의 궤도를 따른 중심축이며, 빔 틸트 렌즈(113)(상측)로부터 시료(114)(하측)를 향하는 화살표로 나타낸다. 가로 축은 Z축 상의 자장 강도이며, 세로 자장과 가로 자장으로 분리해서 2개의 도면에 나눠서 나타낸다.
도 2의 (a)는 Z축에 평행한 세로 방향의 축 상 자장 분포의 높음 의존성을 나타내는 도면이다. 세로 자장은 빔 틸트 렌즈 내의 렌즈 코일(134)에 의해 여자되어, 부스터 자로 부재(116)와 요크 자로 부재(132)의 폴 피스 선단에 유도된다. 그 때문에, 부스터 자로 부재(116)의 폴 피스 선단의 바로 아래에 피크가 있으며, 피크 형상은 상하로 비대칭이 된다.
도 2의 (b)는 Z축에 수직인 가로 방향의 축 상 자장 분포의 높음 의존성을 나타내는 도면이다. 가로 자장은 솔레노이드 코일(133)에 의해 여자된다. 솔레노이드 코일(133)은 공심 또는 비자성심으로 구성하며, 세로 자장을 흐트러뜨리지 않도록 하는 것이 중요하다.
솔레노이드 코일(133)이 여자한 가로 자장의 피크 위치는 세로 자장의 피크 위치보다도 도면 중의 하측의 시료측에 형성된다.
빔 틸트 렌즈를 도 1b에 나타내는 구성으로 하고, 도 1a에 나타내는 주사 전자 현미경을 이용하여 세로형 게이트를 갖는 FET의 게이트 측벽을 관찰한 결과, 고분해능의 화상을 얻을 수 있었다.
이상 본 실시예에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 관찰, 검사가 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다.
[실시예 2]
본 발명의 제 2 실시예에 대하여 도 3, 도 4를 이용하여 설명한다. 또, 실시예 1에 기재되고 본 실시예에 미기재된 사항은 특단의 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다. 본 실시예 2에서는 빔 틸트 렌즈의 구성예와 작용에 대하여 설명한다.
도 3은 본 실시예 2 및 비교예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈의 내부 구성인 부스터 자로 부재의 하부측 선단부의 폴 피스와 솔레노이드 코일을 나타내는 사시도이며, (a)는 본 실시예, (b)는 비교예를 나타낸다.
부스터 자로 부재(116)는 전자빔의 궤도를 둘러싸는 원통(혹은 원추) 형상 부재이며, 재료로서는 연자성 재료가 사용되는 경우가 많다. 도 3의 (a)는 본 실시예의 빔 틸트 렌즈의 하나의 실시형태이다. 솔레노이드 코일(210)은 부스터 자로 부재의 하부측 선단부의 폴 피스(211)의 외측에 배치되며, Z축을 따라 절연 도선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 코일이다. 솔레노이드 코일(210)은, 그 상단이 폴 피스(211)의 하단보다도 상측에, 그 하단이 폴 피스(211)의 하단보다도 하측이 되도록 배치된다. 또한, 전자빔 궤도의 중심축을 사이에 두는 반대측에 다른 1개의 솔레노이드 코일(212)을 배치한다. 여기에서, 2개의 솔레노이드 코일(210, 212)에 대해서 상하 반대 방향으로 자속을 여자할 경우의 자속의 경로에 대하여 기술한다. 솔레노이드 코일(210)의 상단으로부터 위쪽으로 방출된 자속은, 폴 피스(211)에 흡입되어 반대측의 솔레노이드 코일(212)의 상단으로부터 하단으로 빠져나가고, 시료측에서 전자빔의 궤도를 가로질러 솔레노이드 코일(210)의 하단으로 되돌아오는 폐쇄 회로를 형성한다.
여기에서, 솔레노이드 코일(210, 212)의 하단은 빔 틸트 렌즈의 하단이기도 하며, Z축의 원점(O)으로 한다.
원점(O)보다 하측과 시료 표면(213)까지의 영역에는 빔 틸트 렌즈의 구성물이 없어, 워크 스페이스로서 시료의 위치 제어에 이용할 수 있다. 본 실시예와의 비교를 위하여, 가로 방향 솔레노이드 코일(214, 215)을 전자빔 궤도의 중심축을 향하여 대향하는 위치에 2개 배치한 예를 도 3의 (b)에 나타낸다. 절연 도선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 솔레노이드 코일(214, 215)의 양단은 수평으로 위치하며, 솔레노이드 코일(214, 215)의 하측면을 원점(O)으로 한다.
도 4는 도 3의 솔레노이드 코일을 여자했을 때의 축 상의 가로 자장 분포의 Z축 의존성을 나타내는 도면이며, (a)는 도 3의 (a)의 경우를, (b)는 도 3의 (b)의 경우를 나타낸다.
폴 피스(211)의 선단 외경(外徑)은 φ2㎜, 솔레노이드 코일의 직경은 φ2㎜, 코일 길이는 4㎜인 경우의 예이다. 2개의 솔레노이드 코일은 폴 피스에 인접하여 전자빔 궤도의 중심축에 대해서 대칭으로 2㎜ 떨어뜨려 설치한다. 2개의 솔레노이드 코일에는 나선 형상으로 조밀하게 감은 절연 도선에 전류를 흘려보내어 10암페어 턴(ampere turn)의 자장을 여자한다. 도 4의 (a)는 도 3의 (a)의 폴 피스(211)와 솔레노이드 코일(210, 212)에 의한 현실적인 빔 틸트 렌즈의 구성인 경우이다. 가로 자장의 피크 위치는 솔레노이드 코일(210, 212)의 하단인 원점(O)보다 양측(陽側), 즉 시료측이다. 이 피크 위치에 따라, 원점(O)보다 음측의 폴 피스와 솔레노이드 코일의 하단간의 가로 자장을 억제하여, 솔레노이드 코일의 하단과 시료간의 워크 스페이스의 가로 자장을 증대하는 것이 가능해진다.
한편, 도 4의 (b)는 도 3의 (b)의 폴 피스(211)와 솔레노이드 코일(214, 215)의 구성인 경우의 가로 자장 분포의 Z축 의존성이다. 도 4의 (a)에 비해서, 가로 자장의 피크 위치가 Z축의 음측으로 1㎜ 이상, 즉 시료로부터 떨어져서 폴 피스측으로 이동한다. 그 결과, 폴 피스와 솔레노이드 코일의 하측 측면간에 가로 자장이 집중되어, 워크 스페이스의 가로 자장은 상대적으로 작아져 버리는 것을 알 수 있다. 단, 도 3의 (a)에 나타내는 솔레노이드 코일의 배치는 편향기의 성능으로서는 도 3의 (b)에 나타내는 솔레노이드 코일의 배치에 비해서 부족하여, 편향기의 용도로서는 적합하지 않다.
빔 틸트 렌즈를 도 3의 (a), (b)에 나타내는 구성으로 하고, 도 1a에 나타내는 주사 전자 현미경을 이용하여 세로형 게이트를 갖는 FET의 게이트 측벽을 관찰한 결과, 빔 틸트 렌즈의 구성을 도 3의 (b)로 한 경우에 비하여, 도 3의 (a)의 구성으로 하는 것에 의해, 고분해능의 화상을 얻을 수 있었다.
이상 본 실시예에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 관찰, 검사가 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다. 특히, 솔레노이드 코일을 Z축(일차 전자빔의 광축)을 따라 배치하는 것에 의해 양호한 결과를 얻을 수 있다.
[실시예 3]
본 발명의 제 3 실시예에 대하여 도 5, 도 6, 도 7을 이용하여 설명한다. 또, 실시예 1 또는 2에 기재되고 본 실시예에 미기재된 사항은 특단의 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다. 본 실시예 3에서는 솔레노이드 코일의 배치와 형태의 예와 그 작용에 대하여 설명한다.
도 5는 본 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도)이며, 부스터 자로 부재의 폴 피스(211)에 대한 솔레노이드 코일(310, 312)의 배치예이다.
솔레노이드 코일(310, 312)은 부스터 자로 부재의 폴 피스(211)의 외측의 기울기를 따르도록 Z축으로부터 경사시켜 배치된다. 폴 피스(211)가 원추 형상인 경우, 솔레노이드 코일(310, 312)을 경사시키는 편이 인접하기 쉽다. 이 경사에 의해 솔레노이드 코일(310, 312)의 하단은 폴 피스(211)의 하측에서 전자빔 궤도의 중심축에 접근한다. 이 구성에 있어서도, 솔레노이드 코일(310, 312)의 상단은 폴 피스(211)의 하단보다 상측에 배치되고, 솔레노이드 코일(310, 312)의 하단은 폴 피스(211)의 하단보다 하측에 배치된다. 2개의 솔레노이드 코일(310, 312)에 상하 반대 방향으로 자속을 여자하면, 솔레노이드 코일(310)의 상단으로부터 위쪽으로 방출되는 자속은, 폴 피스(211)에 흡입되어 반대측의 솔레노이드 코일(312)의 상단으로부터 하단으로 빠져나가고, 시료측에서 전자빔의 궤도를 가로질러 솔레노이드 코일(310)의 하단으로 되돌아온다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 절연 도선으로 나선 형상으로 조밀하게 감은 솔레노이드 코일의 심을 Z축에 대해서 굽혀서, 폴 피스(211)와 솔레노이드 코일의 측면을 밀접시키며, 또한 폴 피스(211)의 하단으로부터 솔레노이드 코일의 하단이 튀어나오도록 해도 적절한 가로 자장을 발생시킬 수 있다. 또한, 코일 길이를 연장하여, 솔레노이드 코일(310, 312)의 상단을 폴 피스(211)의 측면에서 연결해도 된다.
절연 도선으로 나선 형상으로 조밀하게 감은 솔레노이드 코일의 심은, 공심 또는 비자성재 등으로 원형으로 형성하는 경우가 많다. 솔레노이드 코일이 여자하는 자장은, 중심축 이외에서는 균일한 가로 자장으로는 되지 않는다. 그 때문에, 관찰을 위한 빔 편향이나 빔 틸트 렌즈 등의 광학계의 축 어긋남 등에 의해 전자빔의 궤도가 중심축으로부터 어긋났을 때에, 솔레노이드 코일의 자장에 의해 전자빔의 집속 시의 수차를 발생시켜 버린다.
도 6은 본 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도)이며, 솔레노이드 코일(410, 411)의 심 형상을 아치형으로 변형한 예이다. 본 실시예에서는 솔레노이드 코일(410, 411)의 심을 아치형으로 하고, 이 심 형상의 변경에 의해, 2개의 아치형 솔레노이드 코일(410, 411)로 여자하는 균일한 가로 자장의 영역을 확대할 수 있다. 그 결과, 전자빔의 집속 시의 수차를 억제할 수 있다.
도 7은 본 실시예에 따른 하전 입자선 장치에 있어서의 다른 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성을 설명하기 위한 사시도(일부 단면도)이며, 솔레노이드 코일(510)의 복수 배치예이다. 본 실시예에서는 폴 피스(211)를 둘러싸도록 복수의 솔레노이드 코일(510)을 배치하고, 중심축에 대해서 방위마다 COS 함수에 비례하도록 솔레노이드 코일(510)을 여자하는 것에 의해, 균일한 가로 자장의 영역을 확대할 수 있다. 방위마다 COS 함수에 비례하도록 솔레노이드 코일(510)을 여자하는 방법으로서, 솔레노이드 코일(510)에 흘려보내는 전류를 독립적으로 제어하는 방법과, 중심축에 대해서 수직인 X와 Y의 2조(組)로 솔레노이드 코일(510)을 나눠서 결선(結線)하여 배치하는 방위마다 턴수(turn number)를 변경하는 방법이 있다. 제어 회로나 전자빔 제어에 장점과 단점이 있어 상이점은 있지만, 솔레노이드 코일(510)로 여자하는 균일한 가로 자장의 영역을 확대할 수 있어, 전자빔의 집속 시의 수차를 억제할 수 있다.
도 3의 (a), 도 5, 도 6, 도 7에 나타내는 솔레노이드 코일은, -100℃ 이하로 냉각하며, 또한 초전도 재료 또는 고온 초전도 재료의 원통재로 덮으면, 나선 형상으로 조밀하게 감은 절연 도선의 측면으로부터 누설되는 자장을 마이스너 효과(Meissner effect)에 의해 억제해서, 솔레노이드 코일의 하단인 원점(O)보다 양측(陽側), 즉 시료측으로 가로 자장에 샤프한 피크를 형성할 수 있다. 이 피크 형상에 따라, 원점(O)보다 음측의 폴 피스와 솔레노이드 코일의 하단간의 가로 자장을 억제하여, 솔레노이드 코일의 하단과 시료간의 워크 스페이스의 가로 자장을 증대시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 빔 틸트 렌즈의 분해능과 틸트각의 트레이드 오프를 현저하게 개선하여, 주사 전자 현미경(하전 입자 주사 현미경)에 있어서 고선명한 3차원 관찰이 가능해진다.
빔 틸트 렌즈를 도 5에 나타내는 구성으로 하고, 도 1a에 나타내는 주사 전자 현미경을 이용하여 세로형 게이트를 갖는 FET의 게이트 측벽을 관찰한 결과, 고분해능의 화상을 얻을 수 있었다.
이상 본 실시예에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 관찰, 검사가 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다. 또한, 솔레노이드 코일을 -100℃ 이하로 냉각하며, 또한 초전도 재료 또는 고온 초전도 재료의 원통재로 덮는 것에 의해, 고선명한 3차원 관찰이 가능해진다.
[실시예 4]
본 발명의 제 4 실시예에 대하여 도 8, 도 9를 이용해서 설명한다. 또, 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 기재되고 본 실시예에 미기재된 사항은 특단의 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다.
도 8은 빔 틸트 렌즈를 탑재한 전자 현미경의 최소 구성도이다.
일차 전자빔(일차 하전 입자빔)(710)을 생성하는 전자원(711), 전자빔을 집속하여 경사시키는 빔 틸트 렌즈(712), 스테이지 상에 유지된 시료(713) 등에 의해 구성된다. 워크 디스턴스(작동 거리)(714)는 솔레노이드 코일의 하단에서부터 시료(713)의 바로 위까지의 거리이다. 본 실시예에서는, 빔 틸트 렌즈(712)는 도 3의 (a) 및 도 4의 (a)의 구성과 동일하게 하고, 빔 틸트 렌즈(712)의 요크 자로 부재의 하단 또는 부스터 자로 부재의 하단에서부터 시료(713)의 바로 위까지의 거리(715)는 2㎜로 하지만, 변경해도 앞으로 설명할 작용 효과가 크게 변하는 것은 아니다.
빔 틸트 렌즈(712)에서 발생하는 자이델(seidel)의 3차의 기하 수차는, 구면(球面) 수차와 코마 수차(coma aberration)와 축 상 색 수차와 배율·회전 색 수차 등이다. 이때의 전자빔의 프로브 직경은,
[수식 1]
이다. 여기에서, V는 전자빔의 랜딩 에너지, α는 빔 개방각, CS는 구면 수차 계수, CD - COMA는 코마 수차 계수, CC는 축 상 색 수차 계수, CD - CHROMATIC은 배율·회전 색 수차 계수, D는 전자빔의 편향 거리, ΔE는 전자빔의 에너지 분산이다. 그러나, 이 표기 방법에서는 틸트각에 대한 수차 발생량을 알 수 없다. 최소 구성의 빔 틸트 렌즈의 경우(도 8)는 빔 틸트각은 편향 거리에 의존한다. 즉, 편향 거리(D)를 인수(引數)로 하는 빔 틸트각 함수를 매클로린 전개(Maclaurin's expansion)하면,
[수식 2]
으로 된다. D가 충분히 작으면 고차의 항은 수렴하여 제 1 항만이 남는다. 제 1 항째의 계수인 빔 틸트각의 편향 감도를 이용하여 틸트 코마 수차 계수를
[수식 3]
로 정의하고, 틸트 색 수차 계수를
[수식 4]
로 정의하면, 전자빔의 프로브 직경은,
[수식 5]
로 된다. 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차의 항은 틸트각에 비례해서 증대하기 때문에, 프로브 직경과 틸트각의 사이에는 트레이드 오프의 관계가 있다. 이때, 틸트 코마 수차 계수와 틸트 색 수차 계수를 억제할 수 있으면, 빔 틸트의 트레이드 오프를 개선해서 틸트 시의 프로브 직경 열화를 억제할 수 있다.
도 9는 틸트 수차 계수의 워크 디스턴스(작동 거리) 의존성을 나타내는 도면이다.
세로 축은 전자 광학 시뮬레이션으로 산출한 수차 계수이고, 가로 축은 빔 틸트 렌즈의 워크 디스턴스이다. 점선(T-COMA)은 틸트 코마 수차 계수이고, 실선(T-CHROMATIC)은 틸트 색 수차 계수이다. 워크 디스턴스(714)가 작아지면 어느 쪽의 수차도 억제되는 것을 알 수 있다. 여기에서는, 도 8의 빔 틸트 렌즈(712)의 부스터 자로 부재 하단과 시료(713) 사이의 거리(715)를 2㎜로 고정하고, 코일 길이 변경에 의해 솔레노이드 코일 하단의 위치를 변경함으로써 제어한다. 예를 들면, 워크 디스턴스(714)가 2㎜일 때, 솔레노이드 코일 하단과 부스터 자로 부재의 하단이 일치하고, 가로 자장과 세로 자장의 피크 위치는 거의 겹친다. 한편, 워크 디스턴스(714)가 0㎜일 때, 솔레노이드 코일 하단과 시료 최표면이 일치하고, 가로 자장과 세로 자장의 피크 위치가 가장 떨어진 상태로 된다. 즉, 가로 자장과 세로 자장의 피크 위치가 떨어질수록, 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 본 실시예에 의해 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제함으로써, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
빔 틸트 렌즈를 도 3의 (a)에 나타내는 구성으로 하고, 도 1a에 나타내는 주사 전자 현미경을 이용해서 워크 디스턴스를 변경하여 세로형 게이트를 갖는 FET의 게이트 측벽을 관찰한 결과, 고분해능의 화상을 얻을 수 있었다. 특히, 워크 디스턴스를 1㎜ 이하로 하는 것에 의해 보다 고분해능의 화상이 얻어졌다.
이상 본 실시예에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 관찰, 검사가 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다. 또한, 워크 디스턴스를 1㎜ 이하로 하는 것에 의해 수차를 보다 저감할 수 있어, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔(하전 입자선)을 형성할 수 있다.
[실시예 5]
본 발명의 제 5 실시예에 대하여 도 10, 도 11을 이용하여 설명한다. 또, 실시예 1 내지 4 중 어느 하나에 기재되고 본 실시예에 미기재된 사항은 특단의 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다.
도 10은 빔 틸트 렌즈에 편향기를 조합시켜서 탑재한 본 실시예에 따른 전자 현미경의 기본 구성을 나타내는 개략 단면도이다.
본 전자 현미경은, 일차 전자빔(일차 하전 입자빔)(810)을 생성하는 전자원(811), 일차 전자빔(810)을 집속하는 콘덴서 렌즈(812), 일차 전자빔(810)을 편향시키는 편향기(813), 일차 전자빔(810)을 집속하여 경사시키는 빔 틸트 렌즈(814), 시료(815)를 유지하는 스테이지(도시하지 않음) 등에 의해 구성된다. 편향기(813)는 본 실시예에서는 2단 설치함으로써, 빔 틸트 렌즈(814)에 도달할 때의 일차 전자빔(810)의 경사각과 이축(離軸)을 제어할 수 있도록 했다. 이것에 의해, 솔레노이드 코일(816)에 도달할 때까지의 전자빔의 경로에서 발생한 수차에 의해 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제하는 것이 가능하다.
본 실시예와 같이 편향기(813)를 2단 탑재하면 빔 틸트각을 유지한 채로 빔을 편향시킬 수 있다. 단, 빔 틸트 렌즈(814)와 편향기(813)의 빔 편향으로 발생하는 수차는 독립적이지는 않으며, 빔 틸트 제어와 빔 편향 제어를 양립하기 위해서는 크로스 텀(cross term)을 고려하지 않으면 안 되는 경우도 있다. 이상과 같이, 편향기(813)와 조합시킴으로써 빔 틸트 렌즈(814)의 기능을 강화할 수 있다. 단, 본 실시예는 편향기(813)의 단수(段數)는 2단으로 한정하는 것은 아니며, 다른 단수여도 동등한 기능을 가질 수 있다.
도 11은 빔 틸트 렌즈에 수차 보정기를 조합한 본 실시예에 따른 다른 전자 현미경의 개략 단면도이다.
본 전자 현미경은, 일차 전자빔(일차 하전 입자빔)(820)을 생성하는 전자원(821), 일차 전자빔(820)을 집속하는 콘덴서 렌즈(822), 일차 전자빔(820)을 보정하는 수차 보정기(823), 일차 전자빔(820)을 집속하여 경사시키는 빔 틸트 렌즈(824), 시료(825)를 유지하는 스테이지(도시하지 않음) 등에 의해 구성된다. 수차 보정기(823)는 틸트 코마 수차나 틸트 색 수차 등을 일차 전자빔(820)에 만들어 넣는다. 수차 보정기(823)는 전장과 자장의 다극자(多極子)와 렌즈로 형성된다. 예를 들면, 틸트 색 수차를 생성하는 경우는, 4극자와 8극자와 12극자 또는 20극자 등의 전극과 자극에 의해 임의의 방위에 빈 필터를 형성할 수 있는 수차 보정기가 유효하다. 즉, 빔 틸트 렌즈(824)로 빔 집속과 빔 틸트를 동시에 제어할 때에 발생하는 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차 등과 역방향의 수차를 수차 보정기(823)에서 발생시켜 수차를 상쇄한다. 이것에 의해, 빔 틸트 렌즈의 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제할 수 있어, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
도 10에 나타낸 편향기와 도 11에 나타낸 수차 보정기를 조합시키면, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선할 뿐만 아니라, 빔 편향과 틸트각을 독립적으로 제어하는 것이 가능해진다.
빔 틸트 렌즈를 도 3의 (a)에 나타내는 구성으로 하고, 도 10이나 도 11에 나타내는 주사 전자 현미경을 이용하여 세로형 게이트를 갖는 FET의 게이트 측벽을 관찰한 결과, 고분해능의 화상을 얻을 수 있었다. 또, 다른 구성을 갖는 빔 틸트 렌즈를 이용할 수도 있다.
이상 본 실시예에 따르면, 임의의 경사 각도에서 고분해능으로 시료의 관찰, 검사가 가능한 하전 입자선 장치를 제공할 수 있다. 또한, 빔 틸트 렌즈와 편향기를 조합시키는 것에 의해 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제할 수 있다. 또한, 빔 틸트 렌즈와 수차 보정기를 조합시키는 것에 의해, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다. 또한, 빔 틸트 렌즈, 편향기 및 수차 보정기를 조합시키는 것에 의해, 빔 편향과 틸트각을 독립적으로 제어하는 것이 가능해진다.
[실시예 6]
도 12∼도 15를 이용하여, 도 1b에서 나타낸 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성 이외의 예를 상세히 설명한다. 도면 중에는 빔 틸트 렌즈(113)의 내부 구성 외, 피계측·검사 시료(114)도 아울러서 나타냈다. 또, 실시예 1 내지 5 중 어느 하나에 기재되고 본 실시예에 미기재된 사항은 특단의 사정이 없는 한 본 실시예에도 적용할 수 있다.
도 12는 최소 구성의 빔 틸트 렌즈(113)이며 도 1b보다도 심플한 예이다. 본 빔 틸트 렌즈(113)는, 일차 전자선 광축(혹은 전자 광학계(102)의 중심축)의 주위에 배치된 요크 자로 부재(132), 당해 요크 자로 부재(132)와 시료(114)에 의해 구성되는 도너츠 형상의 폐쇄 공간 내에 설치된 2개 이상의 복수의 솔레노이드 코일(133), 및 렌즈 코일(134)을 적어도 포함해서 구성된다. 일차 전자선 광축 혹은 전자 광학계(102)의 중심축은 빔 틸트 렌즈(113) 혹은 진공 하우징(101)의 중심축과 일치하도록 구성되는 경우가 많다. 당해 솔레노이드 코일(133)의 하단은 요크 자로 부재(132)의 폴 피스 선단과 시료(114)의 사이에 배치되고, 당해 솔레노이드 코일(133)의 상단은 당해 요크 자로 부재(132)의 측면에 배치된다. 당해 솔레노이드 코일(133)은 상기 상단과 상기 하단의 사이에서 자장이 측면으로부터 누설되지 않도록 절연 도선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 것을 이용했다. 단, 나선 형상으로 절연 도선을 공심 또는 비자성재의 심에 조밀하게 감은 솔레노이드 코일 대신에, 나선 형상 이외의 와인딩 방법으로 제작한 코일을 이용해도 된다. 또한, 솔레노이드 코일은 비자성 재료를 이용하여 요크 자로 부재에 고정할 수 있다.
요크 자로 부재(132)는, 내부가 중공인 원환 부재에 의해 구성되어 있으며, 그 단면은 일차 전자선 광축에의 대향면측이 경사면으로 이루어진 사다리꼴 형상을 이룬다. 본 실시예의 빔 틸트 렌즈(113)에 있어서는, 요크 자로 부재(132)는 일차 전자빔 광축이 원환 부재의 중심을 지나도록 배치된다. 원환 부재의 요크 자로 부재(132)의 내부에는 렌즈 코일(134)이 유지되어 있고, 당해 렌즈 코일(134)에 의해 일차 전자빔(110)을 집속하기 위한 자속이 여자된다. 당해 사다리꼴 형상의 아랫변의 내면측(일차 전자빔에의 대향면측)에는 공간이 설치되어 있으며, 당해 공간에 의해, 여자된 자속이 요크 자로 부재(132) 내에서 폐쇄 자로를 형성하게 되어 있다. 또한, 요크 자로 부재(132)의 상면측(일차 전자선의 입사 방향)과 저면측(일차 전자선의 출사 방향)에는 일차 전자빔이 통과하는 개구를 구비한다. 또한, 요크 자로 부재(132)의 재료로서는 연자성 재료가 이용된다. 또, 요크 자로 부재(132)는 단면이 사다리꼴 형상인 원환 부재가 이용되어 있지만, 여자된 자속을 요크 자로 부재(132)의 폴 피스의 갭 사이에서 주고받는 기능이 수행되는 한, 요크 자로 부재(132)의 형상은 특별히 묻지 아니한다. 예를 들면, 요크 자로 부재의 단면이 ㄷ자형이어도 된다.
요크 자로 부재(132)는, 내면측(일차 전자선을 둘러싸는 영역)을 따라 설치된 원통(혹은 원추) 형상을 갖고, 빔 틸트 렌즈의 내부에서 원통의 중심축이 일차 전자빔 광축(혹은 진공 하우징(101)의 중심축)과 일치하도록 배치된다. 재료로서는 연자성 재료가 사용된다. 원통의 하부측 선단부(시료 대향면측의 선단부)는 렌즈 코일(134)에 의해 여자된 자속이 집중하는 자극(폴 피스)을 구성한다.
요크 자로 부재(132)의 저면측에는 솔레노이드 코일(133)이 배치된다. 솔레노이드 코일(133)은 중앙부의 상기 요크 자로 부재의 폴 피스를 둘러싸도록 배치한 절연 도선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 코일이다. 요크 자로 부재(132)는 빔 틸트 렌즈의 내부에서 일차 전자빔 광축에 대하여 동축이 되도록 배치된다. 요크 자로 부재(132)의 저면측의 개구 단부는 자속이 집중하는 자극을 구성하며, 요크 자로 부재(132)의 폴 피스의 공극(갭)간에 자속이 집중하는 것에 의해, 일차 전자빔에 대한 종래보다도 강한 렌즈 효과를 발생시킬 수 있다. 요크 자로 부재(132)의 중앙 부분에 속하는 폴 피스를 상부 자극, 요크 자로 부재의 외측에 속하는 폴 피스를 하부 자극이라 부르는 경우도 있다. 요크 자로 부재(132)의 2개의 폴 피스간은 자기적으로는 강하게 결합되어 있으며, 렌즈 코일(134)에 의하여 여기된 자속은 상기 요크 자로 부재 중(中)을 관류한다.
요크 자로 부재(132)를 접지 전위로 유지하는 경우가 많지만, 요크 자로 부재(132)에의 인가 전위에 대하여 설명한다. 요크 자로 부재(132)와 전자 광학계(102)는 절연 재료를 개재해서 서로 전기적으로 절연해도 된다. 이 경우, 요크 자로 부재(132)에는, 전자 광학계(102)의 전위에 대한 전위가 양이 되며, 또한 상기 가속 전극(131)의 전위와 같은 전위 또는 전위차가 양이 되는 바와 같은 전위가 공급된다. 이 전위는 요크 전원(910)에 의해 공급된다. 이 때문에, 일차 전자빔(110)은, 가속 전극(131)과 요크 자로 부재(132) 사이의 전위차에 의하여 일차 전자빔(110)의 궤도 상에서 가장 가속된 상태에서 상기 요크 자로 부재(132)를 통과한다.
본 실시예의 하전 입자빔 장치에 있어서도 리타딩 방식을 채용해도 된다. 이 경우, 빔 틸트 렌즈와 시료간에는 감속 전계가 형성된다. 솔레노이드 코일(133)에는 가로 자장을 여자하기 위하여 전류가 공급되고 있으며, 이 전류는 솔레노이드 코일 전원(143, 144)에 의해 공급된다. 또한, 스테이지(140)(도시하지 않음)에는 스테이지 전원(141)에 의하여, 요크 자로 부재(132)와의 전위차가 음이 되는 전위가 인가된다. 이 때문에, 요크 자로 부재(132)를 통과한 일차 전자빔(110)은 급격히 감속되어 시료(114)의 표면에 도달한다. 여기에서, 일차 빔(전자빔(110))의 랜딩 에너지는 전자원(111)과 스테이지(140)의 전위차만으로 결정되기 때문에, 전자원(111)과 스테이지(140)에의 인가 전위를 소정값으로 제어하면, 요크 자로 부재(132)나 가속 전극(131)에의 인가 전위가 어떠해도 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어 가능하다. 따라서, 가속 전극(131)과 요크 자로 부재(132)에의 인가 전위를 전자원(111)에 대해서 양으로 설정하는 것에 의해, 일차 전자빔(110)이 전자 광학계(102)를 고속으로 통과할 수 있어, 시료 상에서의 일차 전자빔(110)의 프로브 사이즈를 작게 할 수 있다.
도 13은 도 1b의 부스터 자로 부재의 폴 피스와 솔레노이드 코일을 변경하여 슬림한 빔 틸트 렌즈의 구성으로 한 예이다. 부스터 자로 부재(116)는, 요크 자로 부재(132)를 구성하는 원환 부재의 내면측(일차 전자빔(110)에의 대향 영역)을 따라 설치된 원통(혹은 원추) 형상 부재이며, 빔 틸트 렌즈(113)의 내부에서 원통의 중심축이 일차 전자빔 광축(혹은 진공 하우징(101)의 중심축)과 일치하도록 배치된다. 재료로서는 요크 자로 부재(132)와 마찬가지로 연자성 재료가 사용된다. 원통의 하부측 선단부(시료 대향면측의 선단부)는 시료 표면을 향하여 돌출하여, 렌즈 코일(134)에 의해 여자된 자속이 집중하는 자극(폴 피스)을 구성한다. 솔레노이드 코일(133)은 일차 전자선 광축의 주위에 배치된 부스터 자로 부재(116)의 폴 피스의 외측에 2개 이상의 복수개 설치된다. 당해 솔레노이드 코일(133)의 하단은 부스터 자로 부재(116)의 폴 피스의 선단부와 시료(114)의 사이에 배치되고, 당해 솔레노이드 코일(133)의 상단은 당해 부스터 자로 부재(116)의 측면에 배치된다. 당해 솔레노이드 코일(133)은 상기 상단과 상기 하단의 사이에서 자장이 측면으로부터 누설되지 않도록 나선 형상으로 전선을 조밀하게 감은 것을 이용했다. 일차 전자선 광축 혹은 전자 광학계(102)의 중심축은 빔 틸트 렌즈(113) 혹은 진공 하우징(101)의 중심축과 일치하도록 구성되는 경우가 많다. 요크 자로 부재(132)와 시료(114)간의 스페이스가 증대해서, 시료(114)를 경사시킬 수도 있게 된다. 그 결과, 시료의 자세를 변경하여 입체적인 시료 관찰이 가능해졌다.
도 14는 도 1b의 부스터 자로 부재의 폴 피스의 선단에 실드 전극(shield electrode)을 추가한 예이다. 부스터 자로 부재(116)는, 요크 자로 부재(132)를 구성하는 원환 부재의 내면측(일차 전자빔(110)에의 대향 영역)을 따라 설치된 원통(혹은 원추) 형상 부재이며, 빔 틸트 렌즈(113)의 내부에서 원통의 중심축이 일차 전자빔 광축(혹은 진공 하우징(101)의 중심축)과 일치하도록 배치된다. 재료로서는 요크 자로 부재(132)와 마찬가지로 연자성 재료가 사용된다. 당해 요크 자로 부재(132)의 원통부의 하부측 선단부(시료 대향면측의 선단부)는 렌즈 코일(134)에 의해 여자된 자속이 집중하는 자극(폴 피스)을 구성하며, 당해 요크 자로 부재(132)의 폴 피스의 선단부에는 시료(114)의 표면을 향하여 돌출한 실드 전극(920)을 배치한다. 당해 실드 전극(920)은 원통(혹은 원추) 형상의 비자성 금속 부재이며, 원통의 중심축이 일차 전자빔 광축(혹은 진공 하우징(101)의 중심축)과 일치하도록 배치된다. 솔레노이드 코일(133)은 일차 전자선 광축의 주위에 배치된 부스터 자로 부재(116)의 폴 피스의 외측에 2개 이상의 복수개 설치된다. 당해 솔레노이드 코일(133)의 하단은 실드 전극(920)의 측면에 배치하고, 당해 솔레노이드 코일(133)의 상단은 당해 부스터 자로 부재(116)의 측면에 배치한다. 당해 솔레노이드 코일(133)은 상기 상단과 상기 하단의 사이에서 자장이 측면으로부터 누설되지 않도록 나선 형상으로 전선을 조밀하게 감은 것을 이용했다. 실드 전극(920)을 설치하는 것에 의해, 시료(114)의 좌표 제어 시에 시료(114)와 솔레노이드 코일(133)의 충돌을 회피할 수 있음과 함께, 시료(114)로부터 방출되는 2차 전자와 솔레노이드 코일의 충돌도 회피할 수 있다. 그 결과, 빔 틸트 렌즈의 분해능과 틸트각의 트레이드 오프를 더 개선하여 시료의 고선명한 경사 관찰이 가능해졌다.
도 15는 도 1b의 요크 자로 부재에 제어 자로(control magnetic path) 부재를 추가한 예이다. 본 빔 틸트 렌즈(113)는, 일차 전자선 광축(혹은 전자 광학계(102)의 중심축)의 주위에 배치된 요크 자로 부재(132), 당해 요크 자로 부재(132)와 일차 전자선 광축 사이의 공간 내에 설치된 부스터 자로 부재(116), 요크 자로 부재(132)의 저면과 시료(114)에 의해 구성되는 폐쇄 공간 내에 배치된 제어 자로 부재(930)의 3개의 자로 부재와, 렌즈 코일(134)과, 부스터 자로 부재(116)와 제어 자로 부재(930)와 시료(114)에 의해 구성되는 도너츠 형상의 폐쇄 공간 내에 2개 이상 설치된 복수의 솔레노이드 코일(133)을 적어도 포함해서 구성된다. 일차 전자선 광축 혹은 전자 광학계(102)의 중심축은 빔 틸트 렌즈(113) 혹은 진공 하우징(101)의 중심축과 일치하도록 구성되는 경우가 많다. 당해 솔레노이드 코일(133)의 하단은 부스터 자로 부재(116)의 선단부와 시료(114)의 사이에 배치되고, 당해 솔레노이드 코일(133)의 상단은 당해 부스터 자로 부재(116)와 당해 제어 자로 부재(930)의 사이에 배치된다. 당해 솔레노이드 코일(133)은 상기 상단과 상기 하단의 사이에서 자장이 측면으로부터 누설되지 않도록 전선을 나선 형상으로 조밀하게 감은 것을 이용했다.
도 15의 요크 자로 부재(132)는, 내부가 중공인 원환 부재에 의해 구성되어 있으며, 그 단면은 일차 전자선 광축에의 대향면측이 경사면으로 이루어진 사다리꼴 형상을 이룬다. 본 빔 틸트 렌즈(113)에 있어서는, 요크 자로 부재(132)는 일차 전자빔 광축이 원환 부재의 중심을 지나도록 배치된다. 원환 부재의 요크 자로 부재(132)의 내부에는 렌즈 코일(134)이 배치되어 있으며, 당해 렌즈 코일(134)에 의해 일차 전자빔(110)을 집속하기 위한 자속이 여자된다. 당해 사다리꼴 형상의 아랫변의 내면측(일차 전자빔에의 대향면측)에는 공간이 설치되어 있으며, 당해 공간에 의해, 여자된 자속이 요크 자로 부재(132) 내에서 폐쇄 자로를 형성하지 않고 부스터 자로 부재(116)와 제어 자로 부재(930)에 흐르게 되어 있다. 또한, 요크 자로 부재(132)의 상면측(일차 전자선의 입사 방향)과 저면측(일차 전자선의 출사 방향)에는 일차 전자빔이 통과하는 개구를 구비한다. 또한, 요크 자로 부재의 재료로서는 연자성 재료가 이용된다. 또, 도 15에 나타낸 요크 자로 부재(132)는 단면이 사다리꼴 형상인 원환 부재가 이용되어 있지만, 여자된 자속을 부스터 자로 부재(116) 및 제어 자로 부재(930)에 주고받는 기능이 수행되는 한, 요크 자로 부재(132)의 형상은 특별히 묻지 아니한다. 예를 들면, 요크 자로 부재(132)의 단면이 ㄷ자형이어도 된다.
다음으로, 부스터 자로 부재(116), 요크 자로 부재(132) 및 제어 자로 부재(930)에의 인가 전위에 대하여 설명한다. 요크 자로 부재(132)와 제어 자로 부재(930)와 부스터 자로 부재(116)는 절연 재료를 개재해서 서로 전기적으로 절연되어 있다. 부스터 자로 부재(116)에는, 요크 자로 부재(132)의 전위에 대한 전위가 양이 되며, 또한 상기 가속 전극(131)의 전위에 대한 전위차가 양이 되는 바와 같은 전위가 공급된다. 이 전위는 부스터 전원(135)에 의해 공급된다. 또한, 요크 자로 부재(132)에는 접지 전위로 유지된다. 이 때문에, 일차 전자빔(110)은, 가속 전극(131)과 부스터 자로 부재(116) 사이의 전위차에 의하여 일차 전자빔(110)의 궤도 상에서 가장 가속된 상태에서 상기 부스터 자로 부재(116)를 통과한다.
본 실시예의 하전 입자빔 장치에 있어서도 리타딩 방식을 채용한다. 이 경우, 빔 틸트 렌즈와 시료간에는 감속 전계가 형성된다. 제어 자로 부재(930)에는, 요크 자로 부재(132)에 대한 전위차가 음이 되도록 전위가 공급되고 있으며, 이 전위는 제어 자로 전원(931)에 의해 공급된다. 솔레노이드 코일(133)에는 가로 자장을 여자하기 위하여 전류가 공급되고 있으며, 이 전류는 솔레노이드 코일 전원(143, 144)에 의해 공급된다. 또한, 시료(114)를 유지하는 스테이지(140)(도시하지 않음)에는 스테이지 전원(141)에 의하여, 부스터 자로 부재(116)와의 전위차가 음이 되는 전위가 인가된다. 이 때문에, 부스터 자로 부재(116)를 통과한 일차 전자빔(110)은 급격히 감속되어 시료(114)의 표면에 도달한다. 여기에서, 일차 전자빔(110)의 랜딩 에너지는 전자원(111)과 스테이지(140)의 전위차만으로 결정되기 때문에, 전자원(111)과 스테이지(140)에의 인가 전위를 소정값으로 제어하면, 부스터 자로 부재(116)나 가속 전극(131)에의 인가 전위가 어떠해도 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어 가능하다. 따라서, 가속 전극(131)과 부스터 자로 부재(116)에의 인가 전위를 전자원(111)에 대해서 양으로 설정하는 것에 의해, 일차 전자빔(110)이 전자 광학계(102)를 고속으로 통과할 수 있어, 시료 상에서의 일차 전자빔(110)의 프로브 사이즈를 작게 할 수 있다.
도 16은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 도달 분해능의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면이다. 5㎸의 전자빔은 편향기와 대물렌즈를 조합시킨 종래법에 비하여, 본 발명의 각 실시예의 빔 틸트 렌즈에서는 분해능 열화량이 반감된다. 10도의 빔 틸트각에서 분해능이 2.5㎚에서 1.5㎚로 개선되어, 10㎚의 배선을 관찰하는 것이 가능하다.
도 17은 종래법과 본 발명의 각 실시예에 있어서의 최적 개방각의 빔 틸트각 의존성을 비교하는 도면이다. 종래법에 비하여 틸트 코마 수차 계수와 틸트 색 수차 계수가 작기 때문에, 최적 개방각을 크게 할 수 있다.
이상, 본원 발명을 상세히 설명했지만 이하에 주된 발명의 형태를 열거한다.
(1) 스테이지에 탑재한 시료에 대해서 일차 하전 입자선을 조사하여, 당해 조사에 의해 발생하는 이차 하전 입자를 검출하는 하전 입자선 장치에 있어서,
당해 하전 입자선 장치는, 상기 일차 하전 입자선을 상기 시료 상에 집속하며, 또한
상기 일차 하전 입자선을 상기 시료 상에 임의로 경사시키는 기능을 갖는 빔 틸트 렌즈를 구비한다.
또한, 상기 빔 틸트 렌즈는,
상기 일차 하전 입자선을 둘러싸는 영역을 따라 설치된 내부가 중공인 원환 부재이며 또한,
시료 대향면측의 하부측 선단부의 개구단에 폴 피스의 공극을 갖고,
또한, 내부에 코일을 갖는 것을 특징으로 하는 요크 자로 부재와,
상기 요크 자로 부재의 중앙 개구단의 폴 피스를 외측으로부터 둘러싸도록 배치한 솔레노이드 코일과,
상기 일차 하전 입자선의 집속 위치를 제어하는 렌즈 코일 전원과,
상기 일차 하전 입자선의 경사 각도를 제어하는 솔레노이드 코일 전원을 구비하고,
상기 솔레노이드 코일은, 상기 요크 자로 부재의 측면을 상단으로 하고, 상기 요크 자로 부재의 폴 피스 선단과 시료의 사이를 하단으로 해서, 나선 형상으로 절연 도선을 공심 또는 비자성재의 심에 조밀하게 감은 솔레노이드 코일이다.
빔 틸트 렌즈와 상기 시료의 사이에서, 중심축을 따른 방향의 자력선을 세로 자장, 상기 중심축에 수직으로 되는 자력선을 가로 자장으로 한다.
세로 자장은 틸트 렌즈 내의 렌즈 코일에 의해 여자되어, 요크 자로 부재의 폴 피스 선단에 유도된다. 그 때문에, 폴 피스 선단의 바로 아래에 피크가 있으며, 피크 형상은 상하로 비대칭이 된다. 한편, 가로 자장은 솔레노이드 코일에 의해 여자된다. 솔레노이드 코일은 공심 또는 비자성심으로 구성하며, 세로 자장을 흐트러뜨리지 않도록 하는 것이 중요하다. 솔레노이드 코일이 여자한 가로 자장의 피크 위치는 세로 자장의 피크 위치보다도 하측의 시료측에 형성된다. 그 때문에, 상기 솔레노이드 코일의 하단이 상기 폴 피스 선단보다 시료측으로 돌출하는 것에 의해, 가로 자장과 세로 자장의 피크 위치를 떨어뜨릴 수 있다.
가로 자장과 세로 자장의 피크 위치를 떨어뜨릴수록, 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제할 수 있기 때문에, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
(2) 또한, (1) 기재의 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 요크 자로 부재를 구성하는 원환 부재의 내면측을 따라 설치된 원통 혹은 원추 형상의 부스터 자로 부재를 갖고,
상기 요크 자로 부재와 상기 부스터 자로 부재의 시료 대향면측의 하부측 선단부에서 코일에 의해 여자된 자속이 집중하는 폴 피스의 공극을 구성하고,
상기 요크 자로 부재는 접지 전위로 유지하며, 상기 부스터 자로 부재에 양전위(陽電位)를 공급하는 부스터 전원을 구비하고,
상기 솔레노이드 코일은, 상기 부스터 자로 부재의 외측면을 상단으로 하고, 상기 부스터 자로 부재의 폴 피스 선단과 시료의 사이를 하단으로 하며, 또한 상기 부스터 자로 부재의 폴 피스를 둘러싸도록 배치하면, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 더 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
(3) 또한, (1) 또는 (2)에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서, 상기 요크 자로 부재는 접지 전위로 유지하며, 상기 스테이지에 음전위를 공급하는 스테이지 전원과, 상기 스테이지에의 인가 전위에 의해 랜딩 에너지를 원하는 값으로 제어하는 기능을 구비하면, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 비약적으로 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
이하, 솔레노이드 코일의 형상과 배치에 대하여 기술한다.
(4) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
중앙 개구단의 상기 폴 피스를 원추 형상으로 하면, 축 상 수차를 억제할 수 있다. 이 경우는, 상기 솔레노이드 코일을 하단이 상기 폴 피스의 하측에서 중심축에 접근하도록 경사시켜서 상기 폴 피스에 인접시킴으로써 가로 자장과 세로 자장의 피크간 거리를 확대할 수 있어서, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
(5) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
절연 도선으로 나선 형상으로 조밀하게 감은 솔레노이드 코일의 심을 굽혀서 연장하며, 2개의 솔레노이드 코일 상단을 상기 폴 피스의 측면에서 연결하여, 상기 폴 피스의 하단으로부터 상기 시료측으로 튀어나온 2개의 솔레노이드 코일을 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
(6) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 솔레노이드 코일의 공심 또는 비자성재의 심을 아치형으로 변형한다.
(7) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 폴 피스를 둘러싸도록 복수의 솔레노이드 코일을 배치하고, 중심축에 대해서 방위마다 COS 함수에 비례하도록 여자하는 솔레노이드 코일 전원을 갖는다.
(8) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 폴 피스를 둘러싸도록 복수의 솔레노이드 코일을 배치하고, 배치하는 방위마다 COS 함수에 비례하도록 턴수를 변경한 중심축에 대해서 수직인 X와 Y의 2조로 나눠서 결선한 상기 솔레노이드 코일을 갖는다.
(9) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 솔레노이드 코일을 -100℃ 이하로 냉각하며, 또한 초전도 재료 또는 고온 초전도 재료의 원통재로 덮는다.
(10) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
상기 솔레노이드 코일로 여자하는 가로 자장과 상기 렌즈 코일로 여자하는 세로 자장의 피크 위치를 효율적으로 떨어뜨리는 것에 의해 틸트 코마 수차와 틸트 색 수차를 억제하는 빔 틸트 기술을 이용한 하전 입자선 장치이다.
이상과 같은 솔레노이드 코일을 틸트 렌즈에 채용하는 것에 의해, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
이하, 빔 틸트 렌즈의 전자 광학 응용예이다.
(11) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
빔 틸트 렌즈와 콘덴서 렌즈와 편향기를 조합시키면, 경사의 각도·방위에 부가해서 편향 위치도 독립적으로 제어할 수 있게 된다. 그 결과, 시료 좌표의 스테이지 이동 제어를 간편하게 하여, 편향 위치 제어로 고속으로 보정하는 것이 가능해진다.
(12) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
빔 틸트 렌즈와 콘덴서 렌즈와 수차 보정기를 조합시키면, 수차 보정기에서 만든 수차에 의해 빔 틸트 렌즈의 수차를 캔슬할 수 있다.
(13) 또한, (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
빔 틸트 렌즈의 폴 피스의 선단부에 시료 표면을 향하여 돌출한 비자성 금속제의 실드 전극을 설치하면, 솔레노이드 코일에의 2차 전자의 충돌을 회피할 수 있다. 그 결과, 솔레노이드 코일 등의 대전(帶電)의 영향을 억제하여, 일차 전자선의 드리프트나 이차 전자의 수율 변화를 회피할 수 있다.
(14) 또한, (3)에 기재된 하전 입자선 장치에 있어서,
빔 틸트 렌즈에 상기 요크 자로 부재의 저면과 상기 시료에 의해 구성되는 폐쇄 공간 내에 제어 자로 부재를 설치하고,
상기 요크 자로 부재와 상기 제어 자로 부재와 상기 부스터 자로 부재는 절연 재료를 개재해서 서로 전기적으로 절연되고, 상기 요크 자로 부재는 접지 전위로 유지하며, 상기 제어 자로 부재에 음의 전위를 인가하는 제어 자로 전원을 갖는다.
이상과 같은 틸트 렌즈의 구성을 채용하는 것에 의해, 프로브 직경과 틸트각의 트레이드 오프를 개선하여, 보다 고각도이며 또한 작은 프로브 직경의 틸트 전자빔을 형성할 수 있다.
본 발명에 의해, 수차의 영향이 작고, 빔 틸트각이 크며 또한 가속 전압이 큰 일차 하전 입자선에 대해서도 충분한 렌즈 작용을 가지고, 또한 일차 하전 입자선을 시료에 조사하는 각도를 제어하는 작용을 갖는 빔 틸트 렌즈가 제조 가능해지며, 따라서, 임의 각도의 경사 관찰, 고분해능의 하전 입자선 장치가 실현 가능해진다. 또한, 임의 각도의 경사 관찰, 고분해능의 하전 입자선 장치가 실현 가능해지는 결과, 3차원적이며 미세한 결함 관찰이나 측장·형상 평가를 가능하게 하는 하전 입자선 응용 장치를 제공할 수 있다.
또, 본 발명은 상기한 실시예로 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들면, 상기한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위하여 상세히 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것으로 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것도 가능하며, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 부가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대하여, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
101 : 진공 하우징 102 : 전자 광학계
103 : 전자 광학계 제어 장치 104 : 호스트 컴퓨터
105 : 조작 콘솔 106 : 표시 수단
110 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 111 : 전자원
112 : 편향기 113 : 빔 틸트 렌즈
114 : 시료(웨이퍼) 115 : 이차 입자(이차 전자)
116 : 부스터 자로 부재 118 : 반사 부재
119 : 부차 입자(삼차 입자) 122 : 중앙 검출기
126 : 이차 입자 반사면 130 : 인출 전극
131 : 가속 전극 132 : 요크 자로 부재
133 : 솔레노이드 코일 134 : 렌즈 코일
135 : 부스터 전원
136 : 부스터 자로 부재 하부측 선단부 140 : 스테이지
141 : 스테이지 전원 142 : 렌즈 코일 전원
143 : 솔레노이드 코일 전원 144 : 솔레노이드 코일 전원
145 : 솔레노이드 코일 전원 148 : 중앙 도입 전원
210 : 솔레노이드 코일 211 : 폴 피스
212 : 다른 1개의 솔레노이드 코일 213 : 시료 표면
214 : 가로 방향 솔레노이드 코일
215 : 다른 1개의 가로 방향 솔레노이드 코일
310 : 경사진 솔레노이드 코일
312 : 다른 1개의 경사진 솔레노이드 코일
410 : 아치형 솔레노이드 코일
411 : 다른 1개의 아치형 솔레노이드 코일
510 : 솔레노이드 코일
710 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 711 : 전자원
712 : 빔 틸트 렌즈 713 : 시료
714 : 워크 디스턴스
715 : 빔 틸트 렌즈의 하단에서부터 시료의 바로 위까지의 거리
810 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 811 : 전자원
812 : 콘덴서 렌즈 813 : 편향기
814 : 빔 틸트 렌즈 815 : 시료
816 : 솔레노이드 코일
820 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 821 : 전자원
822 : 콘덴서 렌즈 823 : 수차 보정기
824 : 빔 틸트 렌즈 825 : 시료
910 : 요크 전원 920 : 실드 전극
930 : 제어 자로 부재 931 : 제어 자로 전원
103 : 전자 광학계 제어 장치 104 : 호스트 컴퓨터
105 : 조작 콘솔 106 : 표시 수단
110 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 111 : 전자원
112 : 편향기 113 : 빔 틸트 렌즈
114 : 시료(웨이퍼) 115 : 이차 입자(이차 전자)
116 : 부스터 자로 부재 118 : 반사 부재
119 : 부차 입자(삼차 입자) 122 : 중앙 검출기
126 : 이차 입자 반사면 130 : 인출 전극
131 : 가속 전극 132 : 요크 자로 부재
133 : 솔레노이드 코일 134 : 렌즈 코일
135 : 부스터 전원
136 : 부스터 자로 부재 하부측 선단부 140 : 스테이지
141 : 스테이지 전원 142 : 렌즈 코일 전원
143 : 솔레노이드 코일 전원 144 : 솔레노이드 코일 전원
145 : 솔레노이드 코일 전원 148 : 중앙 도입 전원
210 : 솔레노이드 코일 211 : 폴 피스
212 : 다른 1개의 솔레노이드 코일 213 : 시료 표면
214 : 가로 방향 솔레노이드 코일
215 : 다른 1개의 가로 방향 솔레노이드 코일
310 : 경사진 솔레노이드 코일
312 : 다른 1개의 경사진 솔레노이드 코일
410 : 아치형 솔레노이드 코일
411 : 다른 1개의 아치형 솔레노이드 코일
510 : 솔레노이드 코일
710 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 711 : 전자원
712 : 빔 틸트 렌즈 713 : 시료
714 : 워크 디스턴스
715 : 빔 틸트 렌즈의 하단에서부터 시료의 바로 위까지의 거리
810 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 811 : 전자원
812 : 콘덴서 렌즈 813 : 편향기
814 : 빔 틸트 렌즈 815 : 시료
816 : 솔레노이드 코일
820 : 일차 전자빔(일차 하전 입자빔) 821 : 전자원
822 : 콘덴서 렌즈 823 : 수차 보정기
824 : 빔 틸트 렌즈 825 : 시료
910 : 요크 전원 920 : 실드 전극
930 : 제어 자로 부재 931 : 제어 자로 전원
Claims (15)
- 스테이지에 탑재되는 시료에 대해서 일차 하전 입자선을 조사하여, 당해 조사에 의해 발생하는 이차 하전 입자를 검출하는 하전 입자선 장치에 있어서,
당해 하전 입자선 장치는, 상기 일차 하전 입자선을 상기 시료 상에 집속(集束)시키며, 또한 상기 시료 상에 임의의 각도로 상기 일차 하전 입자선을 경사시키는 기능을 갖는 빔 틸트 렌즈를 구비하고,
상기 빔 틸트 렌즈는,
상기 일차 하전 입자선을 둘러싸는 영역을 따라 설치되고 내부가 중공(中空)인 부재이며 또한, 상기 시료의 대향면측의 하부 개구단(開口端)에 폴 피스(pole piece)의 공극(空隙)을 갖고, 또한 상기 내부에 렌즈 코일을 갖는 요크 자로(yoke magnetic path) 부재와,
상기 요크 자로 부재의 중앙 개구단의 폴 피스를 외측으로부터 둘러싸도록 상기 요크 자로 부재와 상기 시료에 의해 구성되는 도너츠 형상의 폐쇄 공간 내에 설치된 복수의 솔레노이드 코일과,
상기 렌즈 코일에 전류를 공급해서 상기 일차 하전 입자선의 집속 위치를 제어하는 렌즈 코일 전원과,
상기 솔레노이드 코일에 전류를 공급해서 상기 일차 하전 입자선의 경사 각도를 제어하는 솔레노이드 코일 전원을 구비하고,
상기 솔레노이드 코일은, 상기 요크 자로 부재의 측면에 상기 솔레노이드 코일의 상단이 배치되고, 상기 요크 자로 부재의 폴 피스 선단(先端)과 상기 시료 사이에 상기 솔레노이드 코일의 하단이 배치되어 있고,
상기 솔레노이드 코일로 여자하는 가로 자장과 상기 렌즈 코일로 여자하는 세로 자장의 피크 위치를 조정하는 수단을 가지며, 틸트 코마 수차(coma aberration)와 틸트 색 수차를 억제 가능하게 한 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은, 공심(空芯) 또는 비자성재(非磁性材)를 심(芯)으로 하여, 나선 형상으로 절연 도선을 조밀하게 감은 솔레노이드 코일인 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 빔 틸트 렌즈는, 상기 부재의 내면측을 따라 설치된 원통 혹은 원추 형상의 부스터 자로(booster magnetic path) 부재를 갖고,
상기 요크 자로 부재와 상기 부스터 자로 부재의 상기 시료 대향면측의 하부 개구단에서 상기 렌즈 코일에 의해 여자(勵磁)된 자속(磁束)이 집중하는 폴 피스의 공극을 구성하고,
상기 요크 자로 부재는 접지 전위이며, 상기 부스터 자로 부재에 양전위(陽電位)를 공급하는 부스터 전원을 구비하고,
상기 솔레노이드 코일은 상기 부스터 자로 부재의 폴 피스를 둘러싸도록 복수 설치되며, 각각의 상기 솔레노이드 코일은, 상기 부스터 자로 부재의 외측면에 상기 각각의 상단이 배치되고, 상기 부스터 자로 부재의 폴 피스 선단과 상기 시료의 사이에 상기 각각의 하단이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 요크 자로 부재는 접지 전위이며, 상기 스테이지에 음전위(陰電位)를 공급하는 것에 의해 상기 일차 하전 입자선의 상기 시료에 대한 랜딩 에너지(landing energy)를 원하는 값으로 제어하는 스테이지 전원을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 중앙 개구단의 상기 폴 피스를 원추 형상으로 하고, 상기 솔레노이드 코일을 하단이 상기 폴 피스의 하측에서 중심축에 접근하도록 경사시켜서 상기 폴 피스에 인접시키는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은, 나선 형상으로 절연 도선을 조밀하게 감은 것이고,
상기 솔레노이드 코일의 심을 굽혀서 연장하고, 2개의 솔레노이드 코일 상단을 상기 폴 피스의 측면에서 연결하여, 상기 폴 피스의 하단으로부터 상기 시료측으로 튀어나온 2개의 솔레노이드 코일을 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은 공심 또는 비자성재의 심을 갖고,
상기 공심 또는 비자성재의 심은 아치형인 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 부스터 자로 부재의 상기 폴 피스를 둘러싸도록 배치된 복수의 솔레노이드 코일을, 중심축에 대해서 방위(方位)마다 COS 함수에 비례하도록 여자하는 솔레노이드 코일 전원을 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 부스터 자로 부재의 상기 폴 피스를 둘러싸도록 배치된 복수의 솔레노이드 코일은, 배치하는 방위마다 COS 함수에 비례하도록 턴수(turn number)를 변화시켜, 중심축에 대해서 수직인 X와 Y의 2조(組)로 나눠서 결선(結線)되는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 솔레노이드 코일은, -100℃ 이하로 냉각되며, 또한 초전도 재료 또는 고온 초전도 재료의 원통재로 덮이는 것임을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
콘덴서 렌즈와 편향기를 더 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 1 항에 있어서,
콘덴서 렌즈와 수차 보정기를 더 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 부스터 자로 부재의 상기 폴 피스의 선단부에는 상기 시료 표면을 향하여 돌출한 비자성 금속제의 실드 전극(shield electrode)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 요크 자로 부재의 저면(底面)과 상기 시료에 의해 구성되는 폐쇄 공간 내에 제어 자로(control magnetic path) 부재를 설치하고,
상기 요크 자로 부재와 상기 제어 자로 부재와 상기 부스터 자로 부재는 절연 재료를 개재해서 서로 전기적으로 절연되고, 상기 요크 자로 부재는 접지 전위이며, 상기 제어 자로 부재에 음의 전위를 인가하는 제어 자로 전원을 갖는 것을 특징으로 하는 하전 입자선 장치.
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