KR20070116260A

KR20070116260A - 전자선장치

Info

Publication number: KR20070116260A
Application number: KR1020077023974A
Authority: KR
Inventors: 마모루 나카스지; 노부하루 노지; 도루 사타케; 도루 가가; 히로시 소부카와; 다케시 무라카미; 츠토무 가리마타
Original assignee: 가부시키가이샤 에바라 세이사꾸쇼
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2006-03-22
Publication date: 2007-12-07
Also published as: WO2006101116A1; US20090014649A1; TW200700717A

Abstract

본 발명은, 축상 색수차 보정 렌즈에 의하여 발생되는 축외 수차를 양호하게 보정하는 것을 과제로 한다.

전자선의 조사에 의하여 시료(W)에서 방출된 2차 전자는, 빔 분리기(77)로 편향되고, 수차 보정 정전 편향기(711)에 의하여 다시 편향되며, 보조 렌즈(712)의 주면에 확대상을 형성한다. 보조렌즈(712)에서 2차 전자빔을 집속하여 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)에 입사시킴으로써, 축외 수차가 저감된다. 보조 렌즈(712)에 의하여 NA 개구(724)의 상이 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)의 광축방향의 대략 중앙(718)에 형성되도록 한다. 축상 색수차가 보정된 2차 전자상은, 확대 렌즈(719)로 확대되고, 최종 확대 렌즈(721)로 EBCCD 검출부(722)의 수광면에 최종 확대상을 형성한다.

Description

전자선장치{ELECTRON BEAM DEVICE}

본 발명은 전자선장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자선을 시료에 조사하고, 그것에 의하여 시료로부터 방출되는 전자를 검출기로 검출함으로써 시료의 결함 등의 평가를 높은 스루풋 또한 고신뢰성으로 행할 수 있는 전자선장치에 관한 것이다.

전자선장치에 의한 시료의 평가 정밀도를 제한하는 큰 요인은, 축상 색수차 및 구면수차이다.

종래, SEM형의 전자선장치나 투과형 전자현미경(TEM)에서는 비엔나 필터나 4극자 렌즈를 이용하여 축상 색수차를 보정할 수 있게 한 장치가 실용화되고 있다.

또, 전자선장치에서는 대물렌즈로서 정전렌즈를 이용하고, 상기 정전렌즈의 전극에 고전압을 인가함으로써, 축상 색수차 및 구면수차를 작아지도록 제어하고 있는 것도 있다. 또한 전자선장치에서 4단의 4극자 렌즈 및 2단의 4극자 자기렌즈로 이루어지는 축상 색수차 보정 렌즈를 이용하여 축대칭 렌즈에 의한 축상 색수차를 보정함으로써 초고분해능의 상을 얻도록 한 장치도 제안되어 있다.

또한, 전자총으로부터 방사되는 전자를 복수의 개구를 거쳐 멀티빔으로 하고, 상기 멀티빔을 시료상에 축소 결상하여 시료로부터 방출되는 2차 전자의 멀티 빔을 확대하여 복수의 검출기로 검출하도록 한 전자선장치도 알려져 있다.

또, 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서, 장방형으로 성형된 전자선을 시료에 조사하도록 한 장치도 알려져 있다.

상기한 바와 같이 SEM이나 TEM에서는 축상 색수차를 보정하는 수단이 제안되어 실용화되어 있으나, 이것은 축상 색수차 계수가 1 mm∼100 mm 등의 작은 값이기 때문에, 비교적 간단하게 축상 색수차 보정 렌즈를 이용하여 축상 색수차를 저감시키는 것이 가능하기 때문이다.

이것에 대하여 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서는, 축상 색수차 보정계수가 수 10 mm∼수 m로 비교적 크기 때문에, 축상 색수차 보정 렌즈의 길이를 거대하게 할 필요가 있다. 또 축상 색수차 보정용으로 다극자 렌즈를 이용한 경우, 다극자 렌즈의 보어 지름을 극단적으로 작게 할 필요도 있어, 전극간 거리가 짧아지기 때문에 방전을 회피하는 것이 불가능한 크기가 된다는 문제도 있다.

따라서 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서, 종래의 SEM형의 전자선장치에서의 기술을 적용하여 축상 색수차를 보정하는 것은 반드시 득책이 아니다. 한편, 이와 같은 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서 전자 광학계에 생기는 수차에 대하여 충분히 해석되어 있지 않고, 따라서 어떠한 수차를 보정하면 효과적인 것인지 적절한 방식이 제안되어 있지 않은 상태이다.

또한 종래의 축상 색수차를 보정하는 목적은, 1 nm∼0.1 nm의 초고분해능을 얻는 것이 목적이다. 이것에 대하여 반도체 웨이퍼를 평가하는 경우, 분해능은 20 nm∼100 nm 정도로 충분하나, 빔 전류를 크게 하는 것이 요구되고 있다. 빔 전류를 크게 하기 위해서는, 개구각(NA)을 크게 할 필요가 있다. NA가 작은 경우, 축상 색수차가 대부분이나, NA를 크게 하면 축상 색수차가 그것에 비례하여 증가하고, 또한 구면수차가 NA의 3승에 비례하여 커진다. 그 때문에 빔 전류를 크게 하기 위하여 NA를 크게 하는 경우, 구면수차가 축상 색수차에 대비하여 커져 구면수차를 보정하는 것이 필수가 된다.

또, 대물렌즈를 구성하는 정전렌즈에 고전압을 인가함으로써 축상 색수차 및 구면수차를 보정하는 방식에서는, 고전압의 인가에 의하여 시료면상의 전계강도가 커지기 때문에 정전렌즈와 시료와의 사이에서 방전이 발생하여 시료에 손상을 줄 가능성이 있다. 또한 4단의 4극자 렌즈에 의한 축상 색수차 보정수단을 이용한 경우에는 전자선장치의 광학계의 축상 색수차를 설계대로 설정하는 것이 곤란하기 때문에, 축상 색수차 보정수단에서의 축상 색수차와 다른 광학계의 축상 색수차 보정과의 절대값이 같아지지 않고, 잔류 색수차가 커진다는 문제가 있다.

또한 4단의 4극자 렌즈 및 2단의 4극자 자기렌즈로 이루어지는 축상 색수차 보정렌즈는, 광축 근방의 축외 수차 특성이 양호하나, 광축으로부터 떨어진 영역에서의 축외 수차 특성은 양호하지 않기 때문에, 광축으로부터 떨어진 영역에 축외 수차를 일으킨다는 문제가 있다.

또, 초고분해능의 상을 얻기 위함이 아니라, 축상 색수차를 보정함으로써 큰 NA 개구를 이용하고, 대전류를 얻는 이용방법은 행하여지고 있지 않았다.

또, 멀티빔 방식의 전자선장치에서는, 빔 간격 및 빔 배열방향과 전자선장치의 기준 좌표축이 이루는 각(회전각)을 정확하게 조정할 필요가 있으나, 이들을 평가하기 위한 방법이 제안되어 있지 않기 때문에, 이것들의 조정을 정확하게 행할 수 없다는 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래예의 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 축상 색수차 보정렌즈를 이용한 전자선장치에서, 축상 색수차 보정렌즈에 의하여 발생되는 축외 수차를 양호하게 보정할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 멀티빔 방식의 전자선장치에서 빔 간격 및 빔 배열방향과 기준 좌표축이 이루는 각을 저렴한 수단을 이용하여 정확하고 또한 용이하게 평가할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서 축상 색수차 이외의 수차를 저감하고, 또한 축상 색수차 보정수단의 길이를 작고 또한 내경을 크게 하여도 축상 색수차를 충분히 저감할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 축상 색수차 및 구면수차를 작게 하기 위하여 대물렌즈를 구성하는 정전렌즈에 고전압을 인가하여도 상기 렌즈와 시료 사이의 방전을 방지하고, 나아가 시료의 손상을 방지할 수 있게 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 대물렌즈 등의 전자 광학계의 축상 색수차와 상기 축상 색수차의 보정렌즈의 축상 색수차의 절대값이 같아지도록 조정 가능하게 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 전자빔을 시료상에 조사하여 상기 시료로부터 방출되는 전자를 검출함으로써 시료상의 정보를 얻도록 한 전자선장치에 있어서,

다단의 다극자 렌즈와,

상기 다단의 다극자 렌즈의 입사측에 설치된 보조렌즈로서, 상기 보조렌즈의 내면에 상면이 형성되는 보조렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자선장치를 제공한다.

상기한 본 발명에 관한 전자선장치는, 시야를 복수의 부시야로 분할하여 부시야마다, 1차 전자빔의 조사 및 2차 전자빔의 검출을 반복 실행하도록 구성되어 있고, 축상 색수차 보정렌즈는, 2차 광학계에 포함되는 확대 광학계에 포함되어 있는 것이 바람직하다. 또 전자선장치는 1차 전자광학계에 포함되고, 1차 전자빔을 직사각형으로 성형하는 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 관한 전자선장치는 또한 1차 전자 광학계에 포함되고, 1차 전자빔을 멀티빔으로서 시료상에 조사하는 수단과, 시료로부터 방출된 전자로 이루어지는 복수의 2차 전자빔을 각각 검출하는 복수의 검출기로 이루어지는 검출수단과, 멀티빔의 배열방향과 전자선장치의 기준 좌표계의 회전각의 평가 및 멀티빔의 빔 간격의 평가를 행하는 멀티빔 평가수단을 구비하는 것이 바람직하다.

이 경우, 축상 색수차 보정렌즈 및 보조렌즈는, 1차 전자 광학계에 포함되어 있는 것이 바람직하다. 또 멀티빔 평가수단은 기준 좌표계의 y축(단, y축은 스테이지 연속 이동방향)에 평행한 마커를 x축 방향으로 주사하였을 때에 복수의 검출기로부터 각각 얻어지는 신호의 간격에 의거하여 평가하도록 구성되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명은 상기한 바와 같이 구성되어 있기 때문에, 이하와 같은 작용효과를 가질 수 있다.

축상 색수차 보정렌즈의 입사측의 상면에 보조렌즈를 설치하고 있기 때문에, 축상 색수차 보정렌즈에 의하여 발생되는 축외 수차를 저감할 수 있다. 따라서 수차가 저감된 고정밀도의 화상 데이터를 얻을 수 있다.

또, 멀티빔 방식의 전자선장치에서 얻어지는 신호의 간격을 이용하여 빔 배열방향과 기준 좌표축이 이루는 각이 적절한지의 여부 및 빔 간격이 설계값과 같은지의 여부를 평가할 수 있기 때문에, 이들을 정확하게 조정할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 2는 도 1에 나타낸 전자선장치에 구비되는 비엔나 필터의 구성을 나타내는 단면도,

도 3은 확대 광학계에서의 수차 특성을 나타내는 그래프,

도 4는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 5는 도 4에 나타낸 전자선장치에 구비되는 비엔나 필터의 구성을 나타내는 단면도,

도 6은 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 7은 본 발명의 제 4 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 8은 도 7에 나타낸 전자선장치에서, EBCCD로부터 화상 데이터를 인출하는 수단을 나타내는 설명도,

도 9는 본 발명의 제 5 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 10은 도 9에 나타낸 전자선장치에서 멀티빔 배열과 x-y 좌표축의 회전각의 평가 및 멀티빔의 빔 간격의 평가를 설명하기 위한 설명도,

도 11은 본 발명의 제 6 실시형태에 관한 전자선장치를 나타내는 설명도,

도 12는 도 11에 나타낸 전자선장치에 구비되는 비엔나 필터의 구성을 나타내는 단면도이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태의 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치의 주요부를 나타내고 있다. 이 전자선장치에서는 전자총(1)으로부터 방출된 전자선은 2단의 콘덴서 렌즈(2 및 3)에 의하여 조사영역의 크기 및 조사 전류 밀도가 조정되고, 정방형 등의 직사각형 개구(4)로 성형된다. 성형된 직사각형의 1차 전자빔은, 2단의 조사렌즈(5 및 6)로 배율을 조정하고, 또한 빔 분리기(7) 및 대물렌즈(8)를 거쳐, 시료(W)상의 장방형의 시야 내의 하나의 부시야에 조사된다. 시료(W)상의 시야는, 1차 전자빔의 주사방향으로 예를 들면 9개 늘어선 부시야로 분할되고, 이들 부시야의 선택은 정전편향기(25 및 26)에 의하여 행하여진다. 1차 전자빔의 조사 및 2차 전자빔 검출에 의한 화상 데이터의 취득은, 부시야 단위로 행하여진다.

1차 전자빔이 2차 전자빔에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 1차 전자빔이 빔 분리기(7)를 통과한 후에도, 1차 전자빔의 경로가 2차 전자빔의 경로와 다르게 설계되어 있다.

시료(W)에서 방출된 2차 전자는, 대물렌즈(8)에 인가된 양전압과 시료(W)에 인가된 음전압에 의하여 생성되는 가속전계로 가속 및 집속되고, 가는 평행 빔이 되어 빔 분리기(7)로 도 1의 좌방향으로 편향된다. 그리고 NA 개구(10)에 의하여 개구각이 제한되고, 전자편향기(11)에 의하여 수직방향으로 편향되며, 보조렌즈(12)에 의하여 집속되어 축소상을 생성한다. 그 후, 비엔나 필터(13)에 의하여 축상 색수차 및 구면수차가 보정되고, 2단의 확대 렌즈(14, 15)를 거쳐 CMOS 이미지 센서부(16)를 구성하는 9개의 CMOS 이미지 센서의 하나에 결상되어 검출된다. 이에 의하여 시료상의 정보를 유지한 전기신호가 얻어진다. 9개의 CMOS 이미지 센서는, 3행 3열로 배치되고, 정전 편향기(27)에 의하여 차례로 선택된다. CMOS 이미지 센서를 9개 구비하고 있기 때문에, 각 센서를 조사하고 있는 시간의 9배 이내의 데이터 판독시간을 필요로 하는 CM0S 이미지 센서이면, 데이터 판독에 의한 시간의 낭비를 일으키지 않는다.

광축으로부터 떨어진 부시야에서 방출된 2차 전자빔은, 정전편향기(28 및 29)에 의하여 광축과 일치하도록 편향된다.

도 2는 축상 색수차 및 구면수차 보정용 비엔나 필터(13)의 단면구조(단, 1/4만)를 나타내고 있다. 비엔나 필터(13)는 이하와 같이 하여 제조된다.

. 전극을 구성하는 퍼멀로이판(18∼20)과 요크를 구성하는 퍼멀로이 원통(17)을 준비하여, 절연 스페이서(22)에 나사(23)로 고정한다.

. 이들 퍼멀로이를 열처리하여 어닐링한다.

. 보정용 자장을 발생시키기 위한 코일(21)을 퍼멀로이판(18∼20)에 권회한다.

. 퍼멀로이판(18∼20) 및 퍼멀로이 원통(17)의 선단을 와이어 커트로 고정밀도로 가공한다.

. 절연 스페이서(22) 중의 빔 조사 가능한 면 및 그 밖의 절연을 유지하는 데 필요한 면을 제외하고, 금 코팅을 행한다.

축대칭 렌즈계의 축상 색수차를 보정하기 위하여 상기 축대칭 렌즈계의 축상 색수차와 비엔나 필터(13)의 축상 색수차를, 부호가 반대이고 절대값을 같게 하는 조정을 할 필요가 있다. 이들 절대값을 정확하게 맞추기 위하여 보조렌즈(12)에의 여기전압을 조정한다. 그리고 비엔나 필터(13)의 축상 색수차가 작은 경우는, 보조 렌즈(12)의 여기전압을 조정하여 2차 전자빔이 도 1의 점선의 궤도를 지나도록 하고, 비엔나 필터(13)의 축상 색수차와 축대칭 렌즈계의 축상 색수차의 절대값을 일치시킨다.

이와 같은 보조렌즈(12) 및 비엔나 필터(13)를 이용함으로써, 대물렌즈의 축상 색수차 계수를 대폭으로 작게 할 수 있다. 또 비엔나 필터(13)의 길이를 짧게 할 수 있기 때문에, 전자선장치의 광로길이를 비교적 짧게 할 수 있다. 또 비엔나 필터(13)의 내경을 크게 할 수 있기 때문에, 전극간 거리를 비교적 크게 할 수 있고, 따라서 불필요한 전극간 방전을 방지할 수 있다.

또한 대물렌즈(8)의 축상 색수차 계수를 대폭으로 작게 할 수 있는 이유는, 이하와 같다.

대물렌즈의 축상 색수차를 비엔나 필터로 보정하는 경우, 비엔나 필터에 의하여 생성되는 음의 축상 색수차 계수(Cax)(wf)와, 대물렌즈가 만드는 상점에서의 축상 색수차 계수(Cax)(image)는, 절대값이 같고 부호를 반대로 할 필요가 있다. 대물렌즈의 물점(시료상의 점)에서의 축상 색수차 계수(Cax)(object)는, 광학계의 Z축(광축)방향의 치수가 결정되면 대략 결정할 수 있다. 그리고 축상 색수차 계수 (Cax)(image)는, 이하와 같이 나타낼 수 있다.

단, M은 물점에서 상점으로의 확대율, φ(wf)는 비엔나 필터를 통과할 때의 전자빔의 에너지, φ(SE)는 2차 전자의 초기 에너지(시료면에서의 에너지)이다.

상기 식에서 분명한 바와 같이 확대율(M)을 작게 하면 Cax(image)를 작게 할 수 있고, 따라서 대물렌즈에 의한 축상 색수차 계수를 작게 할 수 있다.

또, 비엔나 필터를 도 2에 나타내는 바와 같이 12극자로 함으로써, 2극 전장, 2극 자장, 4극 전장, 4극 자장, 6극 전장, 6극 자장을 발생시킬 수 있다. 그리고 2극의 전장/자장에 의하여 비엔나조건(전자빔을 직진시키는 조건)을 만족하고, 4극의 전장/자장에 의하여 축상 색수차를 보정하며, 6극의 전장/자장에 의하여 구면수차를 보정할 수 있다. 따라서 축상 색수차와 함께 구면수차를 보정할 수 있다.

도 1에 나타낸 전자선장치에서 대물렌즈(8)를 정전렌즈가 아니라 전자렌즈로하여 MOL동작을 시킴으로써, 부시야의 이동시의 수차를 저감시킬 수도 있다. 그외 여러가지의 변경이 가능하다.

도 3은 도 1의 대물렌즈(8) 및 보조렌즈(12)에서의 수차 특성을 시뮬레이션한 결과이다. NA 개구값이 310 mrad 이하인 경우, 축상 색수차(그래프 31)가 구면수차(그래프 32)보다 크나, NA 개구값이 310 mrad 이상에서는 구면수차의 쪽이 커진다. 축상 색수차만을 비엔나 필터로 보정한 경우, 수차 특성은 그래프 38과 같이 되고, 100 nm의 보케를 얻기 위해서는, NA를 190 mrad 이하로 할 필요가 있다. 축상 색수차와 구면수차의 양쪽을 수정한 경우, 잔존 수차는 그래프 40과 같이 되고, 100 nm의 보케를 얻기 위해서는 590 mrad까지 크게 할 수 있다.

190 mrad에서는 SE(2차 전자)의 투과율은 3.57% 밖에 얻어지지 않은 것에 대하여, 590 mrad에서는 30.9%의 투과율이 얻어져, 10배 가까운 투과율이 얻어진다. 따라서 사상투영형의 전자 광학계를 이용한 전자선장치에서 축상 색수차만이 아니라, 구면수차도 보정함으로써 성능이 대폭으로 향상하는 것을 알 수 있다.

또한, 도 3에서 그래프 33은 5차의 구면수차, 그래프 34는 코머수차, 35는 3차 축상 색수차, 36은 4차 축상 색수차, 37은 배율 색수차, 39는 축상 색수차만을 보정한 경우에 100 nm 이하의 보케가 얻어지는 NA 개구값, 41은 축상 색수차와 구면수차를 보정한 경우의 100 nm 이하의 보케가 얻어지는 NA 개구값이다.

상기한 제 1 실시형태의 전자선장치에서는, 축상 색수차 이외의 수차(특히, 구면수차)를 저감할 수 있다. 또 축상 색수차 보정수단의 길이를 작게 또한 내경을 크게 하여도 축상 색수차를 충분히 저감할 수 있고, 비엔나 필터의 길이를 짧게 할 수 있기 때문에, 전자선장치의 광로길이를 비교적 짧게 할 수 있다. 또 비엔나 필터의 내경을 크게 할 수 있기 때문에, 전극간 거리를 비교적 크게 할 수 있고, 따라서 불필요한 전극 사이의 방전을 방지할 수 있다.

도 1에서 30은 전자선장치의 동작을 제어하는 CPU이고, 31은 가변 전압원인 부시야 제어부이다. 이에 의하여 시야를 복수의 부시야로 분할하여 부시야마다 1차 전자빔의 조사 및 2차 전자빔의 검출을 반복 실행하도록 구성할 수도 있다. 이 부시야에 관한 제어에 대해서는 도 7 및 도 8을 참조하여 이후에서 설명한다. 또 CPU(30)의 제어에 의거하여, 전자선장치의 다른 소정 요소에 소정의 전압을 공급하는 가변 전압원을 구비하고 있으나, 도 1에서는 간략화를 위하여 생략하고 있다. 이와 같은 생략은 이후에서 설명하는 실시형태의 도시에서도 마찬가지이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시형태의 전자선장치를 나타내고 있다. 이 전자선장치도 사상투영형의 전자 광학계로 이루어지고, 전자총(51)에서 방출된 전자선으로부터 직사각형 빔을 형성하여, 직사각형 빔을 시료(W)상에 집속시키는 1차 전자 광학계(100)와, 시료(W) 표면에서 방출되는 2차 전자의 상을 확대하는 2차 전자 광학계(200)와, 2차 전자 광학계에서 출력된 2차 전자를 검출하는 검출장치(300)와, 가변 전압원인 전압 제어전원(400)과, 장치 전체를 제어하는 제어장치(500)를 구비하고 있다.

1차 전자 광학계(100)는, 1차 전자선을 방출하는 LaB6 캐소드를 가지는 전자총(51)과, 전자총(51)으로부터 방출된 1차 전자선을 집속하는 콘덴서 렌즈(53)와, 집속된 1차 전자선을 성형하여 직사각형 빔을 형성하는 성형 개구(55)와, 직사각형 빔의 축소율을 미세 조정하는 성형 렌즈(56, 58)와, 1차 전자선의 축 맞춤을 하는 축 맞춤 편향기(52, 54, 57)와, 1차 전자선을 2차 전자 궤도와 다른 궤도를 통과시키기 위한 1차 전자선 궤도 제어 편향기(59)와, 1차 전자선의 초점을 맞추어 시료(W)에 조사하는 대물렌즈(560)를 구비하고 있다. 대물렌즈(560)에는 전압제어전원(500)으로부터 전압이 공급된다. 이와 같이 하여 1차 전자 광학계는, LaB6 캐소드를 가지는 전자총(51)으로부터 방출된 1차 전자로부터 직사각형 빔을 형성하고, 그 직사각형 빔을 시료(W)상에 집속시키며, 1차 전자선 궤도 제어 편향기(59)에 의하여 2차 전자 궤도와 다른 궤도(점선 530)를 지나도록 제어된다.

2차 전자 광학계(200)는, 정전 편향기(517)를 구비하고, 그 정전 편향기(517)에 의하여 시료(W)에서 방출되고, 대물렌즈(560)에 의하여 가속된 전자를 1차 전자 광학계로부터 분리하는 전자 편향기(10)에서 발생한 편향 색수차를 보정한다. 2차 전자 광학계는 또, 음의 축상 색수차를 일으키는 색수차 보정렌즈(519)와, 그 색수차 보정렌즈(519)에 의한 2차 전자의 확대상 위치에 설치한 보조렌즈(520)와, 그 2차 전자선의 상을 더욱 확대하는 확대 렌즈(521)와, 확대 렌즈(521)에 의한 2차 전자의 확대상 위치에 설치한 보조 렌즈(522)와, 최종 확대 렌즈(523)를 구비한다. 이와 같이 하여 2차 전자 광학계는, 시료(W)에서 방출된 2차 전자선을 확대하여, 검출장치(300)의 MCP(마이크로 채널 플레이트)(524)에 결상된다.

또한 전자선 분리기용의 전자 편향기(510)는, 1차 전자 광학계(100)에 포함된다고 파악할 수도 있고, 2차 전자 광학계(200)에 포함되는 것으로 파악할 수도 있다. 또 1차 전자 광학계(100) 및 2차 전자 광학계(200)의 양쪽에 포함되는 것으 로 파악할 수도 있다.

검출장치(300)는, MCP(524)와 TDI 카메라(504)로 이루어지고, TDI 카메라(504)는, MCP(524)에 결상된 2차 전자상을 전기신호로 변환하고, 그 신호를 제어장치(500)에 통신한다.

대물렌즈(560)는 시료(W)측으로부터 순서대로 원판형상의 축대칭 전극(515)과, 전극(514)과, 전극(513)과, NA 개구(512)와, 전극(511)을 가지고 있다. 전극(514) 및 전극(513)은, 시료(W)측을 향할 수록 반경이 작아지는 원추형상의 광축 근방 전극을 가진다. 또한 본 실시예에서는 축대칭 전극(515)을 원판형상으로 하였으나, 원추형상으로 하여도 좋다. 또 전극(511)을 생략하여도 좋다.

전압제어전원(400)은, 1차 전자선을 집속시키기 위하여, 또한 축상 색수차나 구면수차를 작게 하기 위하여 전극(514)에 양의 고전압을 인가한다. 전압제어전원(400)은, 축대칭 전극(515)에는 접지전압에 가까운 전압을 인가한다. 그 때문에 양의 고전압 전극(514)에의 인가에 의하여 생성되는 고전계가 전극(515)으로 시일드되기 때문에 시료(W)상에서의 전계강도는 작게 억제된다. 따라서 시료 표면에서의 절연파괴가 일어나지 않고, 전극(514)과 시료(W) 사이의 방전은 방지된다. 이때 전극(514)에는 고전압이 인가되어 있기 때문에, 대물렌즈(560)의 축상 색수차를 작게 유지할 수 있다.

그런데 전자선장치의 기판 평가 정밀도를 향상시키기 위하여 대물렌즈(560)에 의하여 생기는 양의 축상 색수차의 절대값을, 색수차 보정렌즈(519)에 의하여 생기는 음의 축상 색수차의 절대값과 같아지도록 할 필요가 있다. 이것을 위해서 는 전자 광학계의 조립 정밀도를 필요한 값으로 함과 동시에, 대물렌즈(560)의 전극(515)에 인가하는 전압을 전압제어전원(400)으로 조절함으로써 또는 전극(515)에 인가하는 전압과 전극(514)에 인가하는 전압의 양쪽을 조절함으로써 축상 색수차의 값을 정확하게 조절할 수 있다. 예를 들면 전극(515)에 인가하는 전압을 높게 하면 동일 렌즈작용을 얻기 위해서는 전극(515)과 전극(514) 사이의 전계 강도를 일정하게 유지할 필요가 있기 때문에 동일 초점거리에서의 전극(514)에 인가하는 전압을 높게 하게 되고, 그 결과, 축상 색수차는 작아진다. 반대로 전극(515)에 인가하는 전압을 낮게 하면 동일 렌즈작용을 얻기 위해서는 전극(515)과 전극(514) 사이의 전계 강도를 일정하게 유지할 필요가 있기 때문에, 전극(514)에 인가하는 전압도 낮아지게 되고, 그 결과, 축상 색수차가 커진다.

이와 같이 하여 전자선장치의 잔류 색수차를 작게 하면 NA 개구(512)의 개구각을 통상 200 mrad(밀리라디안)인 곳, 400 mrad(밀리라디안)정도의 큰 값으로 할 수 있다. 그 때문에 2차 전자의 투과율이 커져, 큰 빔 전류를 얻을 수 있고, 높은 스루풋으로 시료의 평가를 할 수 있다.

전극(513)은 어스에 가까운 전압으로, 이 전위를 수 10V 바꿈으로써 시료(W)의 상하이동(Z축 방향의 편차)에 의한 초점 어긋남을 다이나믹하게 보정할 수 있다. 전극(513)이 전극(514)의 형상에 맞추어 원추형상으로 되어 있기 때문에, 광축 가까이에서 전극끼리가 떨어지는 일도 없어 필요한 초점거리를 얻을 수 있다.

색수차 보정렌즈(519)는 2단의 비엔나 필터로 구성된다. 2단의 비엔나 필터는 그것들의 중간에서 한번 결상되어 도 4에 나타낸 궤도가 된다. 비엔나 필터의 단면을 도 5에 1/4만 나타내었다. 도 5에 나타내는 바와 같이 비엔나 필터는 퍼멀로이로 이루어지는 12극의 전극(526)을 구비하고, 상기 전극에 권회된 코일(525)에 전류를 흘림으로써, 자장도 발생시키는 구조로 되어 있다. 이들 전극(526)에 2회(회전)대칭, 즉 각 전극(526)의 각 극의 전위관계를 유지한 채로 회전시켰을 때에 2회(180도 및 360도)일 때에 대칭의 배치를 취하는 구성으로 전계를 발생하는 전압을 인가하고, 2회 대칭 자계를 발생시키는 여자전류를 흘림으로써 비엔나조건, 즉 2차 전자가 직진하는 조건이 만족된다. 또한 이들 전극에 4회 대칭의 전계를 발생하는 전압과 6회 대칭의 전계를 발생하는 전압을 중첩하고, 코일에는 마찬가지로 4회 대칭의 자계와 6회 대칭의 자계를 발생시키는 여자전류를 준다. 4회 대칭 전계·자계에 의하여 음의 축상 색수차를 발생하고, 6회 대칭 전계·자계에 의하여 음의 구면수차를 발생한다. 본 장치의 대물렌즈(560)에서는 200 mrad 정도의 NA 개구에서는 축상 색수차가 수차의 대부분을 차지하나, 400 mrad 이상의 큰 NA 개구에서는 구면수차는 무시할 수 없는 값이 된다. 그 때문에 구면수차를 보정하는 것은 중요하게 된다.

LaB₆ 캐소드로 이루어지는 전자총(51)은 공간 전하 제한조건으로 동작하고, 쇼트 잡음이 작다. 전자총(51)으로부터 방사된 1차 전자는 콘덴서 렌즈(53)로 집속되고, 성형 개구(55)의 개구를 똑같은 강도로 조사한다. 1차 전자선은 성형 개구(55)에서 직사각형 빔으로 성형되고, 성형 렌즈(56)와 성형 렌즈(58)로 축소되며, 전자편향기(510)로 편향되어 대물렌즈(560)에 입사한다. 1차 전자선은 축 맞 춤 편향기(52, 54 및 57)로 축 맞춤된다. 1차 전자선은 또한 대물렌즈(560)로 더욱 축소되어 시료(W)상에 합초한다. 대물렌즈(560)의 축상 색수차는 상기한 바와 같이 전극(514)에 양의 고전압을 인가하여 축대칭 전극(515)에 접지 전압에 가까운 전압을 인가함으로써, 전극(514)과 시료(W) 사이의 방전을 방지하면서 작게 유지할 수 있다. 1차 전자선은 1차 전자선의 궤도 제어 편향기(59)에 의하여 2차 전자와 다른 궤도를 지나도록 제어되기 때문에, 1차 전자의 공간 전하가 2차 전자에 영향을 미치는 일이 없다.

시료(W)에서 방출된 2차 전자선은, 대물렌즈(560)의 양의 전압과 시료(W)의 사이에서 생기는 가속전계로 가속된다. 1차 전자선과 2차 전자선을 분리하는 전자 편향기(510)에 의하여 편향된 2차 전자선은, 정전 편향기(517)로 역방향으로 편향되고, 색수차 보정렌즈(519)의 상점(518)에 확대상을 만든다. 정전 편향기(517)와 상점(518)과의 거리는, 전자 편향기(510)와 상점(518)과의 거리의 1/2로 설계되고, 전자 편향기(510)에 의한 편향각과 정전 편향기(517)에 의한 편향각과의 방향이 반대이고 절대값이 같게 설정되어 있다. 이에 의하여 전자편향기(510)에서 발생한 편향 색수차는 정전 편향기(517)로 보정되어 제로가 된다. 상점(518)에 형성된 2차 전자선의 확대상은 색수차 보정렌즈(519)를 통과한 후, 보조 렌즈(520)에 형성된다. 색수차 보정렌즈(519)는 대물렌즈(560)에서 발생한 양의 축상 색수차를 보정하기 위하여 음의 축상 색수차를 일으키게 한다. 보조 렌즈(520)에 형성된 2차 전자선의 확대상은 확대 렌즈(521)로 확대되어 보조 렌즈(522) 위에 형성되고, 또한 최종 확대 렌즈(523)로 10배 정도 확대된다.

이것에 의하여 검출장치(300)의 MCP(524) 위에 TDI 카메라(504)의 소자치수와 같은 화소의 상이 형성된다. 화소 치수를 바꾸고 싶을 때는 보조 렌즈(522) 대신에 큰 화소용 보조 렌즈(526, 527)를 배치하여 이들에 확대 렌즈(521)에 의한 확대상을 만들어 보조 렌즈(526 또는 527)의 전극에 전압을 줌으로써 배율을 조정함에 의하여 TDI 카메라(504)에서의 화소상의 크기에 맞출 수 있다. 상기한 바와 같이 MCP(524)로부터 출력된 2차 전자상은 TDI 카메라(504)에 결상되고, TDI 카메라(504)는 이 결상된 2차 전자상을 전기신호로 변환한다.

검출장치(300)의 TDI 카메라(504)로 전기신호로 변환된 2차 전자상은, 제어장치(500)에 통신된다. 제어장치(500)는 범용의 퍼스널컴퓨터로 구성할 수 있다. 이 퍼스널컴퓨터는 소정의 프로그램에 따라 각종 제어, 연산처리를 실행하는 제어부(570)와, 그 소정의 프로그램 등을 기억하고 있는 기억장치(571)와, 처리결과나 2차 전자 화상(572) 등을 표시하는 CRT 모니터(573)와, 오퍼레이터가 명령을 입력하기 위한 키보드나 마우스 등의 입력부(574)를 가지고 있다. 물론 검사장치 전용의 하드웨어 또는 워크스테이션 등으로 제어장치(500)를 구성하여도 좋다.

이와 같이 본 발명의 제 2 실시예에 의한 전자선장치는, 대물렌즈(560)의 고전압이 인가되는 전극(514)을 원추형상으로 하고, 시료(W)의 옆에 대략 접지에 가까운 전압이 인가되는 축대칭 전극(515)을 가지기 때문에, 고전압이 인가된 전극(514)이 만드는 전계가 이 축대칭 전극(515)에서 부분적으로 시일드되는 모양이 된다. 그 결과, 시료면에서의 전계강도가 작아져 시료 표면에서의 절연파괴가 방지되고, 렌즈와 시료 사이의 방전을 방지할 수 있다. 또 대물렌즈(560)는 고전압 이 인가되는 원추전극(514)에 더하여 접지되는 원추형의 어스전극(513)을 가지기 때문에, 일정한 렌즈작용에 요하는 원추전극(514)에 인가하는 전압을 비교적 작게 할 수 있고, 렌즈와 시료 사이의 방전을 방지할 수 있다. 또한 전압제어전원(400)에 의하여 시료면측의 대략 접지된 축대칭 전극(515)에 미세 조정한 전압을 인가함으로써, 또는 축대칭 전극(515)과 적어도 하나의 원추형상의 전극과의 양쪽에 조정한 전압을 인가함으로써 대물렌즈(560)의 축상 색수차 계수를 전기적으로 제어하여, 대물렌즈(560)의 양의 축상 색수차의 절대값을 축상 색수차 보정 렌즈(519)의 음의 축상 색수차의 절대값에 정확하게 맞추어 상쇄하여 잔류 색수차를 아주 작게 할 수 있다. 또 이와 같은 보정에 의하여 잔류 색수차가 작아지기 때문에, NA 개구(512)의 개구각을 큰 값으로 하여 하나하나의 빔의 빔 전류를 크게 할 수 있고, 따라서 높은 스루풋으로 시료의 평가를 할 수 있다.

다음에 도 6을 참조하여 본 발명의 제 3 실시형태에 관한 전자선장치를 설명한다. 이 전자선장치는 SEM형(주사전자현미경)이고, 전자총(631)으로부터 방사된 전자로 멀티빔을 형성하며, 멀티빔을 시료(W)상에 집속하여 주사시키는 1차 전자 광학계(100')와, 시료(W)에서 방출되는 2차 전자선의 서로의 간격을 확대하는 2차 전자 광학계(200')와, 2차 전자 광학계에서 출력된 2차 전자를 검출하는 검출장치(300')와, 전압제어전원(400')과, 제어장치(500')를 구비하고 있다. 제어장치(500')는 도 4에 나타낸 제 2 실시형태의 제어장치(500)와 실질적으로 동일하다.

1차 전자 광학계(100')는 1차 전자를 방출하는 LaB₆ 캐소드로 이루어지는 전자총(631)과, 전자총(631)으로부터 방출된 1차 전자선을 집속하는 콘덴서 렌즈(632)와, 집속된 1차 전자선으로 멀티빔을 형성하는 멀티 개구(633)와, 멀티빔을 축소하여 초점(638)에 결상시키는 성형 렌즈(634)와 축소 렌즈(636)와, 축상 색수차를 저수차로 억제하는 NA 개구(635)와, 보정 렌즈(654)와, 음의 축상 색수차를 일으키는 색수차 보정 렌즈(637)와, 멀티빔을 시료(W)상에서 주사시키고, 또한 전자 편형기(41)에 의해 생기는 편향 색수차를 보정하는 정전 편향기(640)와, 대물렌즈(642)를 구비하고 있다. 1차 전자 광학계(100')는, LaB₆ 캐소드의 전자총(631)으로부터 방사된 1차 전자로 멀티빔을 형성하여 멀티빔을 시료(W)위에 집속시키고, 또한 정전편향기(640)에 의해 주사하도록 구성되어 있다.

2차 전자 광학계(200')는 시료(W)에서 방출되어 대물렌즈(642)로 가속된 2차 전자선을 확대하는 확대 렌즈(648, 650)와, 2차 전자선의 축 맞춤을 하는 정전편향기(649, 651)를 구비하고 있다. 2차 전자 광학계(200')는 시료(W)에서 방출된 2차 전자선을 확대하여 검출기(652)에 결상된다.

또한 전자선 분리용의 전자편향기(641)는, 1차 전자 광학계(100')에 포함된다고 파악할 수도 있고, 2차 전자 광학계(200')에 포함되는 것으로 파악할 수도 있다. 또 1차 전자 광학계(100') 및 2차 전자 광학계(200')의 양쪽에 포함된다고 파악할 수도 있다.

검출장치(300')는 검출기(652)와, A/D 컨버터를 포함한 신호처리회로(604)를 구비하고, 신호처리회로(604)는 검출기(652)로 검출된 복수채널의 SEM(주사전자현미경)화상을 전자신호로 변환하고, 디지털신호로서 제어장치(500')에 통신한다.

멀티빔을 사용한 SEM형의 전자선장치에서는 스루풋의 향상을 위하여 가능하면 많은 멀티빔을 시료(W) 위에 형성하고 싶다는 요구가 있다. 그 때문에 멀티 개구(633)의 전후에 배치된 콘덴서 렌즈(632)와 성형 렌즈(634)의 줌작용, 즉 전자총(631)이 만드는 크로스 오버상을 NA 개구(635)에 만든다는 합초조건을 바꾸지 않고, 멀티 개구(633)의 조사영역을 조정한다. 성형 렌즈(634)를 멀티 개구(634)의 뒤쪽에 배치함으로써 상기 성형 렌즈(634)에 회전 보정렌즈로서의 기능도 가지게 할 수 있기때문에 보정렌즈(654)를 설치하고, 그리고 성형 렌즈(634)와 보정 렌즈(654)에 역방향의 축상 자장을 발생시킨다.

색수차 보정렌즈(637)는, 4단의 4극자 렌즈와 이들 렌즈전극과 45°방위각 방향의 위치가 어긋난 방향으로 놓여진 수차보정을 위한 4극의 보정 자장 발생 렌즈(653)로 구성되어 있다. 색수차 보정 렌즈(637)는 음의 축상 색수차를 발생시킨다. 이 색수차 보정 렌즈(637)로서, 도 4 및 도 5에 나타낸 비엔나 필터를 이용하여도 좋고, 또한 축상 색수차뿐만 아니라, 구면수차도 보정한 쪽이 좋다.

대물렌즈(642)는, 광축 위에 중심 결정된 고리형상의 코일을 가지는 자계 렌즈(680)와, 그 자계 렌즈의 중심축선, 즉 광축을 따라 배치된 파이프형상의 원통 전극(644)과, 8극의 주사 편향기겸 다이나믹 포커스 전극(643)과, 시료(W)를 향할 수록 반경이 작아지는 원추형상의 어스전위의 자극(675)을 가지고 있다. 자기 갭(646)이, 바깥쪽 자극(681)과 안쪽 자극(675) 사이의 시료(W)측에 형성되어 있 다. 1차 전자선을 집속시키기 위하여, 또한 축상 색수차나 구면수차를 작게 하기 위하여 전압제어 전원(400')은, 원통 전극(644)에 양의 고전압을 인가한다. 또 자극(681, 675)은 항상 접지되어 있다. 그 때문에 원통 전극(644)에 양의 고전압을 인가함에도 불구하고 시료(W)면상에서의 전계강도를 작게 억제할 수 있다.

예를 들면 원통 전극(644)과 시료(W)와의 거리가 4 mm, 원통 전극(644)의 전압이 8 KV인 경우, 바깥쪽(675)에 어스전위가 없으면 8 KV/4 mm = 2 KV/mm의 전계가 시료(W)의 표면에 인가되나, 바깥쪽 전위가 어스전위로 설정되면 전계가 1.5 KV/mm 정도로 작아지는 것이 시뮬레이션으로 분명하게 되어 있다. 따라서 시료 표면의 절연파괴가 방지되고, 원통 전극(644)과 시료(W) 사이의 방전이 방지된다. 또 원통 전극(644)에 고전압을 인가하고 있기 때문에, 대물렌즈(642)의 축상 색수차는 작게 유지되고 있다.

대물렌즈(642)에 의하여 생기는 양의 축상 색수차의 절대값을 색수차 보정 렌즈(637)에 의하여 생기는 음의 색수차의 절대값과 정확하게 일치시키기 위하여 대물렌즈(642)에 전압제어 전원(400')으로부터 인가되는 전압을 적절하게 조정한다. 즉, 대물렌즈(642)의 축상 색수차를 크게 하기 위해서는, 전압제어 전원(400')으로부터 원통 전극(644)에 인가하는 전압을 낮게 하고, 축상 색수차를 작게 하기 위해서는 원통 전극(644)에 인가하는 전압을 올리면 좋다. 원통 전극(644)에 인가하는 전압을 변화시킨 것에 의한 합초조건의 어긋남의 보상은, 전압제어 전원(400')으로부터 대물렌즈(644)에 공급되는 여기전류를 조정함으로써 행하여진다. 본 실시예에서는 구면수차도 비엔나 필터를 이용하여 보정한 쪽이 좋다. 그러나 자기 갭(646)이 시료측에 형성되어 있는 구조의 대물렌즈(642)의 구면수차는 작기 때문에 비엔나 필터에 주는 전자계가 작아도 상기 구면수차를 보정할 수 있다.

전극(643)은, 8극의 전극이고, 8극 모두에게 어스전위에 근사하는 전압이 주어진다. 8극의 전극에 동일 전압을 줌으로써 렌즈의 초점거리를 고속으로 조정할 수 있고, 다이나믹 포커스를 행할 수 있다. 또한 빔 편향용 정전 편향기(640)와 상기 8극 전극(643)과 주사신호를 줌으로써, 멀티빔을 시료(W)상에서 주사시킬 수 있다. 보정 잔류의 전 수차가 작기 때문에, NA 개구(635)에 의한 개구각을, 통상 수 10 mrad(밀리라디안)인 곳, 100 mrad(밀리라디안) 이상의 큰 값으로 할 수 있다. 그 때문에 하나하나의 빔은 큰 빔 전류를 얻을 수 있고, 높은 스루풋으로 시료의 평가를 할 수 있다.

LaB₆ 캐소드를 구비한 전자총(631)에서 방사된 1차 전자는, 콘덴서 렌즈(632)로 집속되고, 멀티 개구(633)의 모든 개구를 똑같은 강도로 조사한다. 멀티 개구(633)로 형성된 멀티빔은, 성형 렌즈(634)와 축소 렌즈(636)로 초점(638)에 축소상을 만든다. NA 개구(635)를 설치함으로써 낮은 축외 수차로 억제된 초점(638)에 만들어진 축소상은, 축상 색수차 보정 렌즈(637)로 초점(639)의 위치에 결상된다. 이 초점(639)의 상은, 음의 축상 색수차를 가진 상이다. 초점(639)의 축소상은 대물렌즈(642)로 더욱 축소되고, 시료(W)상에 멀티빔을 형성한다. 멀티빔은 정전 편향기(640) 및 전극(643)에 의하여 시료(W)상을 주사한다. 대물렌 즈(642)에서 생기는 양의 축상 색수차는, 축상 색수차 보정 렌즈(637)에서 생기는 음의 축상 색수차로 상쇄된다.

시료(W)에서 방출된 2차 전자선은, 대물렌즈(642) 내부에 설치된 원통 전극(644)과 시료(W)가 만드는 가속전계에 의하여 가속되어 집속되고, 전자 편향기(641)로 1차 전자선으로부터 분리되어 2차 전자 광학계(200')에 들어가, 확대 렌즈(648, 650)로 2단계로 확대된다. 2차 전자선은 검출기(652)로 검출되고, 복수 채널의 SEM 상이 형성된다. 정전 편향기(649, 651)는 1차 전자선의 주사에 동기하여 항상 동일한 1차 전자로부터의 2차 전자 신호가 동일한 검출기(652)에 입사하도록 제어한다. 검출기(652)로부터 출력된 2차 전자상은, A/D 컨버터를 구비한 신호처리회로(604)에 보내져 전기신호로 변환되고, 이 전기신호는 제 2 실시예와 마찬가지로 제어장치(500')에서 처리된다.

이와 같이 본 발명의 제 3 실시형태의 전자선장치는, 대물렌즈(642)의 원통 전극(644)에 고전압의 전압이 인가되기 때문에, 축상 색수차를 작게 할 수 있고, 또 자극(675)은 대략 접지상태이기 때문에, 원통 전극(644)의 고전압에도 불구하고, 원통 전극(644)과 시료(W) 사이의 방전을 방지할 수 있다. 또한 전압제어 전원(400')에 의하여 원통 전극(644)에 인가하는 전압을 조정할 수 있기 때문에, 대물렌즈(642)에서 생기는 양의 축상 색수차의 절대값을 색수차 보정 렌즈(37)에서 생기는 음의 축상 색수차의 절대값에 일치시킬 수 있고, 따라서 축상 색수차를 확실하게 보정할 수 있다. 또 그 결과, 잔류 색수차가 작기 때문에 개구각을 큰 값으로 하여 하나하나의 빔의 빔 전류를 크게 할 수 있고, 이에 의하여 높은 스루풋 으로 시료의 평가를 할 수 있다.

도 7은 본 발명의 제 4 실시형태의 전자선장치의 주요부를 나타내고 있다. 이 전자선장치에서는 전자총(71)으로부터 방출된 전자선은, 2단의 콘덴서 렌즈(72 및 73)에 의하여 조사영역의 크기 및 전류밀도가 조정되고, 정방형 등의 직사각형 개구(74)로 성형된다. 성형된 직사각형 전자빔은, 2단의 정형 렌즈(75 및 76)를 거치고, 다시 빔 분리기(77) 및 대물렌즈(79)를 거쳐 시료(W)에 조사된다. 1차 전자빔이 2차 전자빔에 영향을 주지 않도록 하기 위하여 1차 전자빔이 빔 분리기(77)를 통과한 후에도, 1차 전자빔의 경로가 2차 전자빔의 경로와 다르게 하고 있다. 그 때문에 1차 전자빔용의 개구(723)를 설치하고 있다.

시료(W)에서 방출된 2차 전자는, NA 개구판(78)에 설치한 NA 개구(724)를 통하여 빔 분리기(77)로 편향되고, 수차 보정 정전 편향기(711)에 의하여 수직방향으로 편향되어 보조 렌즈(712)의 주면에 확대상을 형성한다. 보조 렌즈(712)에서 발산된 2차 전자빔은 다단의 다극자의 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)를 통하여 확대 렌즈(719)용의 보조 렌즈(718)의 주면에 결상한다.

보조 렌즈(712)의 주면에 형성된 확대상은, 광축으로부터 떨어진 위치에도 상이 형성되기 때문에, 보조 렌즈(712)에서 발산된 2차 전자빔을 그대로 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)에 입사하면, 큰 축외 수차가 생긴다. 그것을 해소하기 위하여 보조 렌즈(712)에 의하여 개구(724)의 상이 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)의 광축방향의 대략 중앙(718)에 형성되도록 한다.

축상 색수차가 보정된 2차 전자상은, 확대 렌즈(719)로 확대되고, 보조 렌 즈(720)의 주면에 확대상을 형성하며, 또한 최종 확대 렌즈(721)에 의하여 EBCCD 검출부(722)의 수광면에 최종 확대상을 형성하고, 최종 확대상이 EBCCD(722)에 의하여 검출된다. 또한 통상의 CCD는 빛을 검출하여 전기신호를 출력하나, EBCCD는 빛 대신에 전자선을 검출하여 전기신호를 출력하는 검출기이다. 713은 축상 색수차 보정 렌즈(714∼717)를 위한 축 맞춤 편향기이다.

시료(W)상의 시야는, 예를 들면 5개인 복수의 정방형의 부시야로 분할되어 있고, 부시야 단위로 1차 전자빔의 조사 및 2차 전자빔 검출에 의한 화상 데이터의 취득이 행하여진다. 부시야의 선택은 부시야 제어부(734)로부터의 편향제어신호에 의거하여 2단의 편향기(726 및 727)에 의하여 1차 전자빔이 궤도(732)를 취하도록 편향된다. 또한 궤도(732)는 광축의 좌측에 있는 부시야를 조사할 때의 궤도이고, 그 조사에 의하여 방출된 2차 전자는 궤도(733)를 진행한다. 부시야 제어부(734)는 CPU(728)에 의하여 제어된다.

그리고 부시야가 광축으로부터 먼 경우, 2차 전자빔은 NA 개구(724)를 통과하여 궤도(733)를 지난 빔만이 2차 광학계에 들어가나, 부시야 제어부(734)로부터 빔 분리기(77)와 수차 보정 편향기(711)에 편향제어신호가 공급되고, 수차 보정 편향기(711)를 통과한 후의 2차 전자빔이, 2차 광학계의 광축과 일치하도록 궤도 수정된다.

EBCCD 검출부(722)는 도 8에 나타내는 바와 같이 4개의 EBCCD 검출기(7221∼7224)로 구성되고, 편향기(735)에 의하여 2차 전자상이 화살표의 순으로 형성되도록 편향된다. 각 EBCCD로부터의 화상 데이터의 인출은, CPU(728)에 의하여 전자스 위치(740)를 변환함으로써 실행된다. 하나의 EBCCD로부터 화상 데이터를 인출하여 대응하는 메모리에 기억하고 있는 동안에 4회 노광을 행할 수 있기 때문에, 데이터 인출 시간이 노광시간의 약 4배까지는 손실없이 노광을 행할 수 있다.

즉, EBCCD 검출부(722)의 하나의 EBCCD 검출기(7221)의 노광이 종료하면, 상기 검출기로부터 메모리(741)에 화상 데이터의 인출이 개시되고, 그것과 동시에 다음의 부시야의 화상이 EBCCD 검출기(7222)에 결상되도록 편향된다. 이어서 정정시간 후에 EBCCD 검출기(7222)에의 노광을 개시하고, 소정의 시간후에 EBCCD 검출기(7222)의 노광이 종료하면 상기 검출기로부터 메모리(744)에의 화상의 인출이 개시되고, 또한 EBCCD 검출기(7223)에의 노광이 개시되도록 편향된다. 마찬가지로 하여 도 8에 화살표로 나타내는 바와 같은 순서로, 각 EBCCD 검출기(7221∼7224)에 대하여 편향, 정정, 노광이 행하여지고, 또한 데이터의 인출이 행하여진다. 따라서 각 EBCCD 검출기에서 노광이 종료되고 나서 다음 노광이 개시되기까지의 시간은, 노광시간 × 3과 정정시간 × 4와의 합계(≒ 노광시간 × 4)가 되고, 또 그 사이에 데이터를 인출할 필요가 있다. 따라서 데이터 인출시간이 노광에 요하는 시간의 약 4배 이하이면, 시간적으로 손실없이 처리를 행할 수 있다.

도 9는 본 발명의 제 5 실시형태의 전자선장치의 주요부를 나타내고 있다. 이 실시형태의 전자선장치에서 전자총(851)으로부터 방출된 전자선은, 콘덴서 렌즈(852)로 집속되고, 멀티개구(853)를 조사하여, 이것에 의하여 멀티빔이 된다. 멀티빔은 축소 렌즈(854 및 855)와 대물렌즈(847)를 거쳐 시료(W)상에 조사되나, 이 때 정전 편향기(845 및 853)에 의하여 시료(W)상을 주사하도록 편향된다.

이 제 5 실시형태의 전자선장치는, 축소 렌즈(855)에 의한 결상위치에 보조 렌즈(856)를 설치하고, 그 하류에 4단의 4극자 렌즈로 이루어지는 축상 색수차 보정 렌즈(858∼861)를 배치하고 있다. 축소 렌즈(855)의 상 위치에서는, 멀티빔은 광축으로부터 20 ㎛정도의 범위로 넓어져 있기 때문에, 축상 색수차 보정 렌즈(858∼861)가 축외 수차를 발생시킨다. 이 축외 수차는 보조 렌즈(856)에 의하여 NA 개구(842)의 상을 축상 색수차 보정 렌즈(814∼817)의 중앙(843)에 결상시킴으로써 저감할 수있다. 그 결과, 8행 8열의 멀티빔을 6.25 nA의 빔 강도 및 25 nm의 빔 지름의 각 빔을 이용하여 얻을 수 있다. 이것은 상기한 구성의 전자 광학계를 시뮬레이션한 것에 의하여 얻어진 것이다.

시료(W)에서 방출된 2차 전자는, 대물렌즈(847)로 가속되어 빔 분리기(846)에 의하여 1차 전자빔으로부터 분리되어 2차 광학계를 향한다. 2차 광학계에서 2차 전자 빔은 2단의 확대 렌즈(849 및 850)로 확대되고, 검출부(862)에 투영되어 검출된다. 검출부(862)는 멀티빔인 1차 전자빔의 수와 동일한 복수의 검출기로 구성되고, 이들 검출기의 배열 피치와 검출부(862) 주면의 2차 전자상의 피치를 일치시키기 위하여 렌즈(849 및 850)에 줌작용을 행하게 한다.

도 9에서 863은 전자선장치 전체의 동작을 제어하는 CPU이고, 검출부(862)의 각 검출기로 얻어진 신호는, CPU(863)의 제어하에서 메모리(도시 생략)에 기억된다.

CPU(863)는 멀티빔인 1차 전자빔의 빔 간격 및 빔 배열과 x-y 좌표축과의 각(회전각)(θ)을 평가하는 기능을 구비하고 있다. 이하, 이 기능에 대하여 멀티 빔이 4행 4열인 경우를 예로 하여 설명한다.

이 기능을 실행하기 위하여 복수의 검출기로부터의 신호를 합성하기 위한 신호합성부(864)를 구비하고, 그 신호합성부(864)로부터의 신호를 CPU(863)에 공급하도록 하고 있다. 그리고 도 10(a)에 나타내는 바와 같이 전자선장치의 기준 좌표인 x-y 좌표계의 y축(스테이지의 연속 이동방향)에 평행한 패턴(865)을 테스트용의 시료상에 설치하고, 멀티빔을 시료에 조사하여 x축 방향, 즉 패턴(865)에 직교하도록 멀티빔을 주사한다.

이에 의하여 검출부(862)를 구성하는 복수의 검출기로부터 도 10(b)에 나타내는 바와 같은 전자빔이 패턴(865)을 조사할 때마다 고레벨이 되는 신호가 얻어지고, 또한 신호합성부(864)로부터 이들을 합성한 신호[도 10(b)의 최하단]가 CPU(863)에 공급된다. 합성신호 중, 1∼4번째의 신호는 멀티빔의 제 1열의 4개의 전자빔이 패턴(865)을 조사하였을 때에 얻어지는 신호이고, 5∼8번째, 9∼12번째, 13∼16번째는 각각 멀티빔의 제 2열, 제 3열, 제 4열의 전자빔이 패턴(865)을 조사하였을 때에 얻어지는 신호이다.

CPU(863)는 먼저 이들 신호의 시간간격을 검출함으로써 회전각(θ)이 적절한지의 여부를 판정한다. 즉, 4행 4열의 멀티빔의 경우, 회전각(θ)이 부적절하다고 하면, 4번째 및 5번째에 얻어지는 2개의 신호의 간격이, 1번째 및 2번째(또는, 2 및 3번째, 또는 3번째 및 4번째)에 얻어지는 2개의 신호의 간격과 상위한다. 4번째 및 5번째의 신호간격이 다른 신호간격과 대비하여 큰 경우에는 회전각(θ)이 지나치게 작은 것을 나타내고 있고, 반대로 신호간격이 작은 경우에는 회전각이 지나 치게 큰 것을 나타내고 있다.

CPU(863)는 각각의 검출기로부터 출력되는 신호의 주기, 즉 시간간격을 검출하고, 또한 신호의 시간간격을 대비하여, 4번째 및 5번째 신호의 간격이 다른 신호의 간격보다 큰지, 작은 지를 판정한다. 그리고 CPU(863)는 그 결과에 의거하여 회전각을 작게 해야 할지, 크게 해야 할지의 출력을 발생한다. 또한 멀티 개구(853)를 미소 회전시키거나, 또는 렌즈(854 및 855)를 회전 렌즈로서 미소 회전시킴으로써 신호의 시간간격을 일치시키도록 회전각(θ)을 조정할 수 있다.

CPU(863)는 회전각(θ)을 조정하여 신호간격을 일치시킨 후, 빔 간격이 설계대로인지의 여부, 즉 라스터 간격이 화소치수와 같은 지 또는 그 정수배인 지의 여부를 평가한다. 이 평가는 1번째 및 4번째의 신호의 간격을 검출하고, 그것을 3으로 제산하여 설계값과 대비함으로써 실행할 수 있다. 인접하는 신호의 간격으로 평가하면 오차가 포함될 염려가 있으나, 상기한 바와 같이 하여 평가함으로써, 고정밀도의 평가를 행할 수 있다. 1번째 및 16번째의 신호의 간격을 검출하여 그것을 15로 제산한 값과 설계값을 대비하여도 좋다. 이에 의하여 더욱 고정밀도의 평가를 행할 수 있다.

또, 2번째 및 15번째의 신호의 간격을 검출하여 그것을 13으로 제산한 값과 설계값을 대비하여도 좋다. 이와 같이 하여 평가하면 1차 광학계에 의한 왜곡이 매트릭스형상 배치의 멀티빔의 4모서리의 빔에 크게 나타나기 때문에, 1차 광학계에 의하여 왜곡이 생기는 경우이어도 빔 간격의 평가를 고정밀도로 행할 수 있다.

빔 간격이 설계값과 다른 경우, 1차 전자 광학계의 축소율을 조정함으로써 설계값에 일치시킬 수 있다.

도 11은 본 발명에 관한 제 6 실시형태의 전자선장치의 주요부를 나타내고 있다. 이 제 6 실시형태의 전자선장치에서는 도 9에 나타낸 제 5 실시형태에서 보조 렌즈(858), 축 맞춤 렌즈(857), 4극자 렌즈(858∼861) 대신에 비엔나 필터(870)를 이용한 것이다. 제 6 실시형태의 전자선장치에서도 시야가 넓음으로써 생기는 수차의 증대를 방지할 수 있다. 비엔나 필터(870)는 궤도(882)로 나타낸 바와 같이 2회 집속시킴으로써 비분산형으로 할 수 있다.

제 6 실시형태의 전자선장치에서도 도 10에 관련되어 설명한 바와 같은 방법으로 멀티빔 배열과 x-y 좌표계와의 각도(θ) 및 빔 간격을 조정할 수 있다.

도 6의 실시형태에서의 비엔나 필터(870)의 광축(881)을 중심으로 한 단면형상의 1/4을 도 12에 나타낸다. 상기 비엔나 필터(870)는 퍼멀로이로 이루어지는 원통형상의 요크(871)와, 퍼멀로이로 이루어지는 812극자 전극(겸자극)(872∼874)과, 보정용 자장을 발생시키는 코일(875∼877)과, 각 전극을 절연하는 스페이서(878∼880)를 구비하고 있다. 12극자 전극(872∼874)에 인가하는 전압을 조정하여 비엔나 조건을 만족하는 전장, 자장, 색수차 보정용의 4극자 전자장, 구면수차 보정용의 6극자 전자장이 생성되도록 함으로써, 축상 색수차 및 구면수차를 보정할 수 있다.

제 4∼6 실시형태의 전자선장치에서는 축상 색수차 보정 렌즈의 입사측의 상면에 보조 렌즈를 설치하고 있기 때문에, 축상 색수차 보정 렌즈에 의하여 발생되 는 축외 수차를 저감할 수 있다. 따라서 수차가 저감된 고정밀도의 화상 데이터를 얻을 수 있다.

또, 멀티빔 방식의 전자선장치에서 얻어지는 신호의 간격을 이용하여 빔 배열방향과 기준 좌표축이 이루는 각이 적절한지의 여부 및 빔 간격이 설계값과 같은 지의 여부를 평가할 수 있기 때문에, 이들을 정확하게 조정할 수 있다.

Claims

전자빔을 시료상에 조사하여, 상기 시료로부터 방출되는 전자를 검출함으로써 시료상의 정보를 얻도록 한 전자선장치에 있어서,

다단의 다극자 렌즈와,

상기 다단의 다극자 렌즈의 입사측에 설치된 보조 렌즈로서, 상기 보조 렌즈의 내면에 상면(像面)이 형성되는 보조 렌즈를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.
제 1항에 있어서,

상기 장치는, 시야를 복수의 부시야로 분할하여, 부시야마다 1차 전자빔의 조사 및 2차 전자빔의 검출을 반복 실행하도록 구성되어 있고,

축상 색수차 보정 렌즈는, 2차 광학계에 포함되는 확대 광학계에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 장치는,

1차 전자 광학계에 포함되고, 1차 전자빔을 직사각형으로 성형하는 수단을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.
제 1항에 있어서,

상기 장치는,

1차 전자 광학계에 포함되고, 1차 전자빔을 멀티빔으로서 시료상에 조사하는 수단과,

시료로부터 방출된 전자로 이루어지는 복수의 2차 전자빔을 각각 검출하는 복수의 검출기로 이루어지는 검출수단과,

멀티빔의 배열방향과 전자선장치의 기준 좌표계와의 회전각의 평가 및 멀티빔의 빔 간격의 평가를 행하는 멀티빔 평가수단을 더 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.
제 4항에 있어서,

축상 색수차 보정 렌즈 및 보조 렌즈는, 1차 전자 광학계에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.
제 4항 또는 제 5항에 있어서,

멀티빔 평가수단은, 기준 좌표계의 y축(단, y축은 스테이지 연속 이동방향)으로 평행한 마커를 x축 방향으로 주사하였을 때에 복수의 검출기로부터 각각 얻어지는 신호의 간격에 의거하여 평가하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 전자선장치.