KR20200007726A - 고성능 검사용 주사 전자 현미경 디바이스, 및 그것을 동작시키는 방법 - Google Patents

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Abstract

하전 입자 빔 장치가 설명된다. 하전 입자 빔 장치는 콜드 필드 이미터를 포함하는 하전 입자 소스; 하전 입자 소스와 자기 컨덴서 렌즈 사이의 빔 제한 애퍼쳐; 제1 내부 자극편 및 제1 외부 자극편을 포함하는 자기 컨덴서 렌즈 - 하전 입자 소스와 제1 내부 자극편 사이의 제1 축 방향 거리는 대략 20mm 이하임 - ; 하전 입자 빔을 10 keV 이상의 에너지로 가속하기 위한 가속 섹션; 제2 내부 자극편 및 제2 외부 자극편을 포함하는 자기 대물 렌즈 - 제2 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 제3 축 방향 거리는 대략 20mm 이하임 - ; 및 감속 섹션을 포함한다.

Description

고성능 검사용 주사 전자 현미경 디바이스, 및 그것을 동작시키는 방법{HIGH PERFORMANCE INSPECTION SCANNING ELECTRON MICROSCOPE DEVICE AND METHOD OF OPERATING THE SAME}
본 출원의 실시예들은, 예를 들어 검사용 주사 전자 현미경들, 테스트 시스템 응용들, 리소그래피 시스템 응용들, 집적 회로 테스트, 결함 검토, 임계 치수 결정 응용들, 또는 이와 유사한 것을 위해 적응된 하전 입자 빔 장치들(charged particle beam arrangements)에 관한 것이다. 본 출원의 실시예들은 또한 하전 입자 빔 장치를 동작시키는 방법들에 관한 것이다. 또한, 본 출원의 실시예들은 하전 입자 빔 장치를 사용하는 검사용 주사 전자 디바이스들에 관한 것이다.
하전 입자 빔 장치들은 제조 동안의 반도체 디바이스들 및 전자 회로들의 검사, 리소그래피를 위한 노광 시스템들, 검출 디바이스들, 결함 검사 도구들, 및 집적 회로들을 위한 테스트 시스템들을 포함하지만 그에 한정되지 않는 복수의 산업 분야에서 널리 사용된다. 반도체 기술들은 나노미터 또는 심지어 서브-나노미터 규모로 표본들을 구조화하고 프로빙하기 위한 높은 수요를 창출했다. 프로세스 제어, 검사 및/또는 구조화는 종종, 전자 현미경들 또는 전자 빔 패턴 발생기들과 같은 하전 입자 빔 장치들에서 발생되고 집속되는 하전 입자 빔들, 예를 들어 전자 빔들을 제공하는 하전 입자 장치들의 사용에 기초한다.
주사 전자 현미경들(SEM)과 같은 하전 입자 빔들을 사용하는 고성능 검사 디바이스들의 프로빙 파장들은 광 빔들의 파장들보다 짧기 때문에, 그러한 디바이스들은 예를 들어 광자 빔 장치들에 비해 우수한 공간 해상도를 제공한다. 예를 들어, SEM의 경우, 1차 전자(PE) 빔은 표본을 이미징하고 분석하기 위해 사용될 수 있는 2차 전자들(SE) 및/또는 후방 산란 전자들(BSE)과 같은 입자들을 발생시킨다. 구체적으로, 주사 전자 현미경(SEM)은 웨이퍼들 상의 프로세스 결함들의 고수율 고해상도 이미징을 위해 사용될 수 있다.
종래 기술의 SEM 컬럼들은 고해상도의 표본 구조를 제공할 수 있다. 웨이퍼 검사용 SEM은 웨이퍼와 같은 표본 상의 프로세스 결함들의 고수율 고해상도 이미징을 위해 사용될 수 있다. 많은 기기는 표본 상에 1차 빔을 집속하기 위해 정전기 또는 복합 전기-자기 렌즈들을 사용한다. 낮은 랜딩 에너지들에서 나노미터 및 서브-나노미터 범위의 공간 해상도에서 동작하는 검사 디바이스들이 필요하다.
웨이퍼 상의 피쳐들이 작아짐에 따라, 해상도 및 수율의 요건들이 증가한다. 전자 광학 시스템들에 기초한 고해상도 이미징 디바이스들에 대해, 예를 들어 고해상도 대 고 프로브 전류, 및 큰 이미지 필드 대 작은 픽셀 크기는 각각 모순되는 고려사항들이다. 이러한 모순되는 요건들을 충족시킬 수 있는 주사 전자 현미경(SEM)의 전자 광학 시스템이 이롭다.
상술한 내용에 비추어, 청구항 1에 따른 하전 입자 빔 장치가 제공된다. 또한, 청구항 12에 따른 하전 입자 빔 장치를 동작시키는 방법이 제공된다. 또한, 청구항 18에 따른 하전 입자 빔 장치를 갖는 검사용 주사 전자 디바이스가 제공된다.
일 실시예에 따르면, 하전 입자 빔 장치가 제공된다. 하전 입자 빔 장치는 텅스텐 팁을 갖는 콜드 필드 이미터(cold field emitter)를 포함하는 하전 입자 소스; 하전 입자 소스로부터 하전 입자 빔을 추출하도록 구성된 추출 전극 어셈블리; 하전 입자 소스와 자기 컨덴서 렌즈 사이의 빔 제한 애퍼쳐; 하전 입자 빔을 시준하도록 적응되고, 제1 내부 자극편 및 제1 외부 자극편을 포함하는 자기 컨덴서 렌즈 - 하전 입자 소스와 제1 내부 자극편 사이의 제1 축 방향 거리는 대략 20mm 이하이고, 제1 축 방향 거리는 하전 입자 소스와 제1 외부 자극편 사이의 제2 축 방향 거리보다 큼 - ; 하전 입자 빔을 10 keV 이상의 에너지로 가속하기 위한 가속 섹션 - 자기 컨덴서 렌즈의 필드는 가속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩됨 - ; 제2 내부 자극편 및 제2 외부 자극편을 포함하는 자기 대물 렌즈 - 제2 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 제3 축 방향 거리는 대략 20mm 이하이고, 제3 축 방향 거리는 제2 외부 자극편과 표본의 표면 사이의 제4 축 방향 거리보다 크고, 자기 컨덴서 렌즈와 자기 대물 렌즈의 결합된 작용은 표본의 표면 상에 하전 입자 빔을 집속시킴 - ; 및 하전 입자 빔을 10 keV 이상의 에너지로부터 2 keV 이하의 랜딩 에너지로 감속시키는 감속 섹션 - 자기 대물 렌즈의 필드는 감속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩됨 - 을 포함한다.
다른 실시예에 따르면, 하전 입자 빔 장치를 동작시키는 방법이 제공된다. 방법은 텅스텐 팁을 갖는 콜드 필드 이미터로 하전 입자 빔을 형성하는 하전 입자들을 발생시키는 단계; 가속 섹션에서, 하전 입자들을 가속시키는 단계; 하전 입자 빔을 자기 컨덴서 렌즈에 의해 시준하는 단계; 자기 컨덴서 렌즈와 내부 자극편 및 외부 자극편을 갖는 자기 대물 렌즈의 결합된 작용에 의해, 표본의 표면 상에 하전 입자 빔을 집속하는 단계 - 자기 대물 렌즈의 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 축 방향 거리는 대략 20mm 미만에 달하고, 축 방향 거리는 외부 자극편과 표본의 표면 사이의 추가 축 방향 거리보다 큼 - ; 및 감속 섹션에서, 하전 입자들을 표본의 표면에서의 랜딩 에너지로 감속시키는 단계를 포함한다.
또 다른 실시예에 따르면, 검사용 주사 전자 디바이스가 제공된다. 검사용 주사 전자 디바이스는 본 개시내용의 실시예들에 따른 하전 입자 빔 장치를 포함한다.
추가적인 특징들 및 세부사항들은 종속 청구항들, 상세한 설명 및 도면으로부터 명백하다.
위에서 언급된 본 발명의 특징들이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에 간략하게 요약된 본 발명의 더 구체적인 설명은 실시예들을 참조할 수 있다. 첨부 도면들은 본 발명의 실시예들에 관련되며, 이하에 설명된다.
도 1은 실시예에 따른 하전 입자 빔 장치의 원리 셋업을 개략적으로 도시한다.
도 2는 도 1에 도시된 하전 입자 빔 장치에 의해 제공된 전자 에너지 프로파일을 예시한다.
도 3은 실시예에 따른 검사용 주사 전자 디바이스를 도시한다.
일 실시예의 구성요소들은 추가 언급 없이 다른 실시예들에서 유리하게 사용될 수 있는 것으로 고려된다.
이하에서는, 본 발명의 다양한 실시예들이 상세하게 참조될 것이며, 그것의 하나 이상의 예가 도면들에 예시된다. 도면들의 이하의 설명에서, 동일한 참조번호들은 동일한 컴포넌트들을 지칭한다. 일반적으로, 개별 실시예들에 대한 차이들만이 설명된다. 각각의 예는 본 발명의 설명으로서 제공되며, 본 발명의 제한을 의미하지 않는다. 또한, 일 실시예의 일부로서 예시되거나 설명된 특징들은 다른 실시예들에서 또는 다른 실시예와 함께 사용되어, 또 다른 실시예들을 만들어낼 수 있다. 설명은 그러한 수정 및 변형을 포함하는 것으로 의도된다.
이하에서는, 일부 실시예들 또는 그 컴포넌트들에 따른 하전 입자 빔 장치가 설명될 것이다. 본 명세서에 설명된 실시예들은 하전 입자들을 발생시키도록 적응된 하전 입자 소스를 포함하는 하전 입자 빔 장치에 관한 것이다. 또한, 하전 입자 소스로부터 하전 입자들을 추출하고 하전 입자 빔을 형성하도록 적응된 추출 전극이 제공된다. 하전 입자 빔은 컨덴서 렌즈에 의해 시준되고, 다음으로, 시준된 하전 입자 빔은 대물 렌즈에 의해 표본, 예를 들어 웨이퍼의 표면 상에 집속된다. 대물 렌즈는 내부 자극편 및 외부 자극편을 포함하며, 내부 자극편은 내부 자극편과 표본의 표면 사이에 최대 거리를 갖도록 설계된다. 빔 전류와 해상도의 모순되는 요건들은 내부 자극편의 이러한 배열로 유리하게 제공될 수 있음이 밝혀졌다. 또한, 예를 들면, 대물 렌즈는, 내부 자극편의 내부 직경이 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 거리 이상이도록 설계된 내부 자극편을 가질 수 있다. 주사 시야와 해상도의 모순되는 요건들은 내부 자극편의 이러한 배열로 유리하게 제공될 수 있음이 밝혀졌다.
본 명세서에 설명된 실시예들에 부가하여, 하전 입자 빔 장치를 동작시키는 방법이 관련된다. 방법은 하전 입자 소스에서 하전 입자들을 발생시키는 것을 포함한다. 하전 입자 빔 장치의 가속 섹션에서, 하전 입자 빔이 형성되고 하전 입자들이 가속된다. 다음으로, 하전 입자 빔은 내부 자극편 및 외부 자극편을 갖는 대물 렌즈에 의해 표본의 표면 상에 집속된다.
방법은 대물 렌즈의 내부 자극편의 내부 직경이 예를 들어 25mm 이하, 예를 들어 20mm 이하, 특히 10mm 이하이도록 대물 렌즈를 배열하는 것을 포함한다. 또한, 내부 직경은 대물 렌즈의 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 거리 이하일 수 있다. 빔 전파 경로와 하전 입자 빔의 축을 따라 하류에 위치된 감속 섹션에서, 하전 입자들은 표본의 표면에서 미리 정의된 랜딩 에너지로 감속된다.
또한, 본 명세서에 설명된 실시예들은 하전 입자 빔 장치를 포함하는 주사 전자 디바이스에 관한 것으로, 주사 전자 디바이스는 웨이퍼 검토, 임계 치수 결정, 또는 표본 검사 절차들을 수행하도록 적응된다.
본 명세서에 설명된 바와 같이, 하전 입자 빔의 발생에 관한 일부 논의들 및 설명들은 전자 현미경들 내의 전자들에 대하여 예시적으로 설명된다. 그러나, 다른 타입들의 하전 입자들, 예를 들어 양이온들은 여러 상이한 기기들 내에서 장치에 의해 제공될 수 있다. 다른 실시예들과 결합될 수 있는 본 명세서에 설명된 실시예들에 따르면, 하전 입자 빔은 전자 빔으로 지칭된다.
본 명세서에서 언급되는 "표본"은 반도체 웨이퍼들, 반도체 가공품들, 및 메모리 디스크들 등과 같은 다른 가공품들을 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 일반적으로, "표본의 표면"을 언급할 때, 이 표면은 집중된 하전 입자 빔과의 상호 작용이 발생하는 웨이퍼 표면인 것으로 이해된다. 이와 같이, 표본은 구조화될 표면, 또는 층들이 퇴적되는 표면을 포함한다. 본 명세서에서 언급되는 "표본 홀더"는 표본 스테이지와 같은 기계적으로 고정된 또는 이동가능한 장치를 포함하지만, 이에 한정되지는 않는다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 일부 실시예들에 따르면, 장치 및 방법들은 임계 치수 결정 프로세스들 및 결함 검토 모니터링을 위해, 전자 빔 검사를 위해 구성되거나 적용될 수 있다. 일반적으로, "빔 전류"를 언급 할 때, 하전 입자들의 빔은 미리 결정된 전하를 운반하는 것으로 이해된다. 특히, 하전 입자 빔 디바이스는 예를 들어 전자 빔 검사 시스템들(EBI)을 위해, 고속 주사 및 검출을 위해 사용될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 하전 입자 빔 장치(100)의 원리 셋업을 개략적으로 도시한다. 하전 입자 소스(101)는 하전 입자들을 발생시키기 위해 제공된다. 하전 입자들의 빔 경로(200)는 하전 입자 빔의 광학 축(106)에 의해 정의된다. 하전 입자 빔은 하전 입자 소스(101) 근방에 위치된 컨덴서 렌즈(104)에 의해 시준된다. 광학 축(106)을 따라 하류에 대물 렌즈(301)가 배열된다. 대물 렌즈(301)는 표본(300)의 근방에 위치된다. 표본(300)은 표본 홀더(303)에 의해 유지된다. 대물 렌즈(301)를 향하는 표본(302)의 표면은 대물 렌즈(301)에 대해 미리 결정된 거리에 위치된다. 본 명세서에 설명된 실시예들에 따르면, 대물 렌즈(301)는 내부 자극편(403) 및 외부 자극편(404)을 포함하며, 내부 자극편(403)의 내부 직경은 내부 자극편(403)과 표본(300)의 표면(302) 사이의 거리 이상이다.
일부 실시예들에 따르면, 자기 대물 렌즈, 및 임의로(optionally) 자기 컨덴서 렌즈는 축 방향 갭 렌즈이다. 자기 대물 렌즈의 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 축 방향 거리는 자기 대물 렌즈의 외부 자극편과 표본 사이의 축 방향 거리보다 크다. 예를 들어, 내부 자극편과 외부 자극편 사이의 갭은 대물 렌즈의 광학 축을 따라 연장될 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 일부 실시예들에 따라, 자기 대물 렌즈의 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 축 방향 거리는 대략 20mm 미만에 달한다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 하전 입자 소스(101)는 콜드 필드 이미터를 포함할 수 있다. 또 다른 수정예에 따르면, 콜드 필드 이미터는 예리한 팁과 같은 팁(105)을 가질 수 있는 텅스텐 단결정(102)을 포 할 수 있으며, 팁은 터널링에 의한 필드 방출을 위해 구성된다. 콜드 필드 방출 소스의 장점은 고밀도의 하전 입자 빔이 획득될 수 있다는 것이다. 그러한 소스의 가상 소스 크기는 작다. 후속하는 광학 시스템은 높은 빔 밀도로부터 이익을 얻을 수 있도록 신중하게 설계된다.
도 2는 도 1에 도시된 하전 입자 빔 장치(100)에 의해 제공되는 전자 에너지 프로파일(203)을 예시한다. 참조 번호(200)는 하전 입자 소스(101)로부터 표본(300)의 표면(302)으로의 하전 입자들의 빔 경로를 나타낸다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 하전 입자 빔 장치(100)는 하전 입자들을 미리 결정된 에너지로 가속시키도록 적응된 적어도 하나의 가속 섹션(201), 및 하전 입자들을 미리 결정된 랜딩 에너지로 감속시키도록 적응된 적어도 하나의 감속 섹션(202)을 포함한다. 전자들이 고려되는 경우, 가속 섹션(201)은 적어도 10keV, 특히 적어도 15keV의 에너지, 특히 적어도 30keV의 에너지로의 하전 입자들의 가속을 제공할 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 따르면, 추출 전극(307)이 제공될 수 있다. 추출 전극은 방출 메카니즘을 위한 추출 필드를 인가하기 위해 양(positive)의 전압을 가질 수 있다. 콜드 필드 이미터의 주된 추출 메커니즘은 팁 표면의 표면 전위 장벽을 통한 터널링 효과이다. 이는 추출 전극(307)의 추출 필드에 의해 제어될 수 있다. 또한, 일부 실시예들에 따르면, 추출 전극은 전자들을 가속시킨다. 추출 전극은 가속 섹션(201)의 일부를 제공할 수 있다. 가속 전극(308)은 가속 섹션의 일부로서 제공될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 일부 실시예들에 따르면, 가속 섹션은 이미터로부터 가속 전극(308)까지 연장될 수 있다. 가속 필드 강도는 약 3kV/mm이거나 그보다 약간 높을 수 있다. 가속은 예를 들어 최대 30kV일 수 있다. 전자들은 가속 전극(308)으로부터 전극(309)으로 높은 에너지로 이동할 수 있다. 전극은 감속 섹션(202)의 일부로서 제공될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 일부 실시예들에 따르면, 감속 섹션은 전극(309)으로부터 표본 또는 프록시 전극으로 연장될 수 있다. 감속 필드 강도는 약 3kV/mm이거나 그보다 약간 높을 수 있다. 전자들은 전극(309)과 다른 전극, 예를 들어 프록시 전극 사이의, 또는 전극(309)과 표본 사이의 전위차에 의해 감속될 수 있다. 예를 들어, 프록시 전극은 대물 렌즈와 표본 사이에 제공될 수 있다. 감속 섹션 및 가속 섹션은 대물 렌즈 및 컨덴서 렌즈의 각각의 필드와 중첩될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 컨덴서 렌즈(104)는 컨덴서 렌즈(104)의 필드가 하전 입자 빔 경로(200) 내의 가속 섹션(201)과 적어도 부분적으로 중첩되도록 배열될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 가속 섹션을 제공하기 위해, 전극, 예를 들어 추출 전극이 하전 입자 소스(101)와 컨덴서 렌즈 사이에 제공될 수 있다.
감속 섹션(202)은 고 에너지로부터 대략 3keV 이하에 달하는, 특히 대략 1keV 이하에 달하는 랜딩 에너지까지 하전 입자들의 감속을 제공할 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 대물 렌즈(301)는 대물 렌즈(301)의 필드가 적어도 부분적으로 하전 입자 빔 경로(200) 내의 감속 섹션(202)과 중첩되도록 배열될 수 있다. 일부 실시예들에 따르면, 감속 섹션을 제공하기 위해, 대물 렌즈와 표본 지지부 사이에 추가 전극이 제공될 수 있다. 추가 전극은 대물 렌즈의 정전 렌즈 부분으로서 작용할 수 있다.
가속 섹션(201)과 감속 섹션(202) 사이에서, 하전 입자들의 빔 경로(200)를 따른 하전 입자들의 에너지는 대략 일정할 수 있는데, 즉 이 경우에 전자인 하전 입자들의 에너지는 대략 10keV 이상, 예컨대 30keV 이상의 레벨일 수 있다. 본 개시내용의 맥락에서, 미리 결정된 랜딩 에너지는 웨이퍼 표면(302)에의 랜딩 전의 하전 입자들과 웨이퍼 구조물들, 즉 표면(302) 또는 표본(300)의 표면 영역들 상의 구조물들과의 상호작용에 적합한 에너지이다.
본 명세서에서 설명된 바와 같이, 하전 입자 빔의 발생에 관한 일부 논의들 및 설명들은 전자들에 대해 예시적으로 설명된다. 이러한 맥락에서, 도 2는 전자 에너지 프로파일(203)을 나타낸다. 가속 섹션(201)에서, 하전 입자들의 에너지는 저 레벨로부터 고 레벨로 증가되고, 여기서 감속 섹션(202)에서, 하전 입자들의 에너지는 고 레벨로부터, 표본(300)의 표면(302) 상의 하전 입자들, 예를 들어 전자들의 랜딩 에너지로 감소된다. 하전 입자들의 가속 및 감속은 광학 축(106), 즉 하전 입자 빔의 축과 대략 일치하는 빔 전파 경로(200)를 따라 발생한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 하전 입자 빔 장치(100)는 적어도 하나의 컨덴서 렌즈(104) 및 적어도 하나의 대물 렌즈(301)를 포함한다. 2개의 렌즈의 결합된 작용은 하전 입자 소스(101)로부터 유래하는 하전 입자들을 시준하는 것에 의한 전자 빔의 형성, 및 표본(300)의 표면(302) 상의 특정 위치로의 전자 빔의 집속 둘 다를 제공한다. 표면(302) 상의 특정 위치에서의 전자 빔의 스폿은 미리 정의된 크기를 가질 수 있다. 또한, 표본(300)의 표면(302)의 위치에서 전자 빔의 미리 정의된 프로브 전류가 제공될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 전자빔을 표본(300)의 표면(302) 상의 특정 위치에 집속시키는 것은, 컨덴서 렌즈(104)의 필드와 대물 렌즈(301)의 필드의 결합된 작용을 제공하는 것을 포함할 수 있다. 특히, 컨덴서 렌즈(104)와 대물 렌즈(301)는, 하전 입자 빔이 컨덴서 렌즈(104)의 필드와 대물 렌즈(301)의 필드의 결합된 작용에 의해 표본의 표면 상에 집속되도록 서로에 대해 배열될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 컨덴서 렌즈(104)는 자기 컨덴서 렌즈로서 제공될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 또 다른 실시예에 따르면, 대물 렌즈(301)는 자기 대물 렌즈로서 제공될 수 있다. 감속은 결합된 자기-정전 대물 렌즈를 갖도록 하는 추가의 정전 렌즈 컴포넌트로서 작용할 수 있다.
또 다른 대안에 따르면, 컨덴서 렌즈(104) 및 대물 렌즈(301)는 서로에 대해, 그리고 하전 입자 빔의 축(106)에 대해 대략 대칭적으로 배열될 수 있다. 컨덴서 렌즈(104)와 대물 렌즈(301)의 이러한 대칭 배열은 하전 입자 빔 장치(100)의 셋업이 단순화될 수 있다는 이점을 갖는다.
예를 들어, 본 명세서에 설명된 실시예들은 하전 입자 빔 장치를 제공한다. 장치는 텅스텐 팁을 갖는 콜드 필드 이미터를 포함하는 하전 입자 소스(101), 및 하전 입자 소스로부터 하전 입자 빔을 추출하도록 구성된 추출 전극 어셈블리 또는 추출 전극(307)을 포함한다. 자기 컨덴서 렌즈(104)는 하전 입자 빔을 시준하도록 적응된다. 컨덴서 렌즈는 제1 내부 자극편(401) 및 제1 외부 자극편(402)을 포함하고, 여기서 하전 입자 소스와 제1 내부 자극편 사이의 제1 축 방향 거리(601)는 대략 20mm 이하이고, 제1 축 방향 거리는 하전 입자 빔 소스와 제1 외부 자극편 사이의 제2 축 방향 거리(603)보다 크다. 자기 대물 렌즈(301)는 제2 내부 자극편(403) 및 제2 외부 자극편(404)을 포함한다. 제2 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 제3 축 방향 거리(602)는 대략 20mm 이하이고, 여기서 제3 축 방향 거리는 제2 외부 자극편과 표본의 표면 사이의 제4 축 방향 거리(605)보다 크다. 자기 컨덴서 렌즈와 자기 대물 렌즈의 결합된 작용은 표본의 표면 상에 하전 입자 빔을 집속시킨다.
제1 축 방향 거리(601)와 제3 축 방향 거리(603)는 실질적으로 동일할 수 있다. 또한, 제2 축 방향 거리(603)와 제4 축 방향 거리(605)는 실질적으로 동일할 수 있다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 또 다른 실시예들에 따르면, 컨덴서 렌즈는 내부 자극편 및 외부 자극편을 포함하며, 여기서 내부 자극편은 내부 자극편의 내부 직경이 내부 자극편과 이미터의 팁 사이의 거리 이상이도록 설계된다.
또한, 본 명세서에 설명된 실시예들은 하전 입자 빔 장치(100)를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 하전 입자 소스(101)에 의해 하전 입자들을 발생시키는 것을 제공한다. 가속 섹션(201)에서, 하전 입자 빔이 형성되고, 하전 입자들은 대략 10keV 이상의 미리 결정된 하전 입자 에너지로 가속된다. 하전 입자 빔은 컨덴서 렌즈(104)에 의해 시준된다. 실시예에 따르면, 컨덴서 렌즈(104)는 내부 자극편(401) 및 외부 자극편(402)을 포함한다. 하전 입자 빔은 하전 입자 빔의 광학 축(106)과 일치할 수 있는 빔 전파 경로(200)를 따라 전파한다. 대물 렌즈(301)의 위치에서, 하전 입자 빔은 대물 렌즈(301)에 의해 표본(300)의 표면(302) 상에 집속된다.
대물 렌즈(301)는 내부 직경(600)을 갖는 내부 자극편(403), 및 외부 자극편(404)을 포함하도록 설계되고, 여기서 내부 자극편(403)의 내부 직경(600)은 내부 자극편(403)과 표본(300)의 표면(302) 사이의 거리(602) 이상이다. 감속 섹션(202)에서, 하전 입자는 표본(300)의 표면(302)에서 미리 결정된 랜딩 에너지로 감속되고, 랜딩 에너지는 대략 2 keV 이하에 달하며, 특히 대략 1 keV 이하에 달한다.
도 3은 다른 실시예에 따른 검사용 주사 전자 디바이스를 도시한다. 검사용 주사 전자 디바이스는 적어도 하나의 컨덴서 렌즈(104) 및 적어도 하나의 대물 렌즈(301)를 갖는 하전 입자 빔 장치(100)를 포함한다. 하전 입자 빔 장치(100)는 하전 입자들, 예를 들어 전자들을 발생시키도록 적응되는 하전 입자 소스(101)를 포함한다. 전자들의 소스는 콜드 필드 방출 타입일 수 있고, 콜드 필드 방출 타입은 하전 입자 소스(101) 내에 위치된 방출 표면으로부터의 전자들의 필드 방출을 제공한다. 콜드 필드 방출 타입 전자 소스는 실온 가까이에서 또는 실온 미만에서 동작될 수 있다는 이점을 갖는다. 여기서, 주요 방출 메카니즘은 인가된 추출 필드에 의해 제어되는 표면 전위 장벽을 통한 터널링 효과이다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 하전 입자 소스(101)는 단결정(102)으로서 제공될 수 있다. 또 다른 수정예에 따르면, 단결정(102)의 재료는 텅스텐일 수 있다. 또한, 텅스텐 단결정(102)으로서 형성된 하전 입자 소스(101)에는 하전 입자들을 방출하도록 적응된 예리한 팁(105)이 제공할 수 있다. 예를 들어, 텅스텐 단결정(102)은 예리한 팁(105)의 형태로 에칭될 수 있다. 예를 들어, 단결정은 (3,1,0) 배향을 가질 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 컨덴서 렌즈(104)와 대물 렌즈(301) 사이에 추출 전극(307)이 제공된다. 추출 전극(307)은 하전 입자 소스(101)로부터 하전 입자들을 추출하고 하전 입자 빔을 형성하도록 적응된다. 전자들이 하전 입자를 표현하는 것으로 고려된다면, 소스(101)에 대한 양의 전압이 추출 전극(307)에 인가되는데, 즉 추출 전극은 하전 입자 소스(101) 내의 단결정(102)의 팁(105)에 대해 양의 전위를 갖는다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 추출 전극은 빔 제한 애퍼쳐를 포함할 수 있으며, 빔 제한 애퍼쳐는 하전 입자들, 예를 들어 전자들을 통과시키도록 적응된다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 다른 실시예들에 따르면, 도 3에 예시적으로 도시된 바와 같이, 컨덴서 렌즈(104)와 대물 렌즈(301) 사이에는 빔 제한 애퍼쳐(107)가 제공될 수 있다. 예를 들어, 빔 제한 애퍼쳐(107)는 빔 제한 애퍼쳐(107)의 중심이 하전 입자 빔의 광학 축(106)에 대략적으로 일치하도록 위치될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 하전 입자 빔을 표본(300)의 표면(302)에 집속시키도록 설계된 대물 렌즈(301)는 내부 자극편(403) 및 외부 자극편(404)을 포함한다. 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)은 도 3에서 참조 부호(600)로 표시되는 직경을 갖는다.
렌즈 장치의 실시예에 따르면, 대물 렌즈(301)의 설계는 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)의 직경(600)과, 표본(300)의 표면(302)으로부터의 거리, 즉 웨이퍼 평면으로부터의 거리(602)의 비가 1 이상이도록 하는 것일 수 있다. 즉, 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)의 내부 직경(600)은 내부 자극편(403)과 표본(300)의 표면(302) 사이의 거리(602) 이상일 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예들에 따르면, 렌즈 장치는 컨덴서 렌즈(104)의 내부 자극편(401)의 직경(604)과, 하전 입자 소스(101)의 팁(105)으로부터의 거리(601)가 1 이상이도록 하는 컨덴서 렌즈(104)의 설계를 갖는다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)과 표본(300)의 표면(302) 사이의 축 방향 거리(602)는 대략 25mm 미만, 특히 대략 10mm 미만에 달할 수 있다. 표본(300)의 표면(302)에 대한 대물 렌즈(301)의 이러한 배열의 이점은 대물 렌즈(301)의 집속 속성들이 개선될 수 있다는 것이다. 즉, 축 방향 거리(602), 즉 표본(300)의 표면(302), 즉 웨이퍼 평면에 대한 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)의 웨이퍼 측 거리가 대물 렌즈(301)의 집속 속성들의 품질을 결정할 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 컨덴서 렌즈(104)는 내부 자극편(401) 및 외부 자극편(402)을 포함할 수 있다. 또 다른 수정예에 따르면, 하전 입자 소스(101) 또는 하전 입자 소스(101)의 단결정(102)의 팁(105) 각각과 컨덴서 렌즈(104)의 내부 자극편(401) 사이의 축 방향 거리(601)는 대략 20mm 미만에 달할 수 있고, 특히 대략 10mm 미만에 달할 수 있다. 하전 입자 소스(101)의 이미터 팁(105)에 대한 컨덴서 렌즈(104)의 이러한 배열의 이점은 컨덴서 렌즈(104)의 시준 속성들이 개선될 수 있다는 것이다. 즉, 축 방향 거리(601), 즉 하전 입자 소스(101)의 팁(105)에 대한 컨덴서 렌즈(104)의 내부 자극편(401)의 소스 측 거리가 컨덴서 렌즈(104)의 시준 속성들의 품질을 결정할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 검사용 주사 전자 디바이스에서, 하전 입자 빔 장치(100)에는 주사 편향기 유닛(500)이 제공된다. 주사 편향기 유닛(500)은 광학 축(106)을 따라 전파하는 하전 입자 빔을 표본(300)의 표면(302)을 가로질러 주사하도록 적응된다. 주사 편향기 유닛(500)은 예를 들어 주사 코일, 또는 한 쌍의 편향기 플레이터로서 제공될 수 있다. 그에 의해, 하전 입자 빔은 표면(302)을 가로질러, 예를 들어 표본 표면(302)의 직사각형 영역에 걸쳐 래스터 방식으로 주사될 수 있다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 주사 편향기 유닛은 추출 전극(307)과 대물 렌즈(301) 사이에 위치될 수 있다. 다른 수정예에 따르면, 주사 편향기 유닛(500)은 대물 렌즈(301)의 필드 근방에 위치될 수 있다. 본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예에 따르면, 주사 편향기 유닛(500)에 의해 제공되는 달성가능한 주사 필드의 크기는 대물 렌즈(301)의 내부 자극편(403)의 직경(600)과, 웨이퍼 평면(302)으로부터의 거리(602)의 비에 의해 결정된다. 다른 수정예에 따르면, 도 3에 나타낸 직경(600)과 거리(602)의 비는 적어도 1, 특히 적어도 2이다.
본 명세서에 설명된 다른 실시예들과 결합될 수 있는 실시예들에 따르면, 장치 및 방법들은 임계 치수 결정 응용 및 결함 검토 응용을 위해, 전자 빔 검사 시스템들을 위해 구성되거나 적용될 수 있다. 특히, 본 명세서에 설명된 실시예들에 따른 하전 입자 빔 디바이스는 예를 들어 결함 검토 응용을 위해, 집적 회로를 테스트하기 위해, 임계 치수 결정 분석을 위해, 고속 주사 등을 위해 설계될 수 있는 하전 입자 빔 검사 디바이스로서 사용될 수 있다. 특히, 전자들이 하전 입자들로서 사용되는 경우, 하전 입자 빔 검사 디바이스는 전자 빔 검사(EBI) 디바이스로 설계될 수 있다.
상술한 것은 본 발명의 실시예들에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 추가의 실시예들은 그것의 기본 범위를 벗어나지 않고서 만들어질 수 있으며, 그 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (18)

  1. 하전 입자 빔 장치(charged particle beam arrangement)로서,
    텅스텐 팁을 갖는 콜드 필드 이미터(cold field emitter)를 포함하는 하전 입자 소스;
    상기 하전 입자 소스로부터 하전 입자 빔을 추출하도록 구성된 추출 전극 어셈블리;
    상기 하전 입자 소스와 자기 컨덴서 렌즈 사이의 빔 제한 애퍼쳐;
    상기 하전 입자 빔을 시준하도록 적응되고, 제1 내부 자극편 및 제1 외부 자극편을 포함하는 상기 자기 컨덴서 렌즈 - 상기 하전 입자 소스와 상기 제1 내부 자극편 사이의 제1 축 방향 거리는 대략 20mm 이하이고, 상기 제1 축 방향 거리는 상기 하전 입자 소스와 상기 제1 외부 자극편 사이의 제2 축 방향 거리보다 큼 - ;
    상기 하전 입자 빔을 10 keV 이상의 에너지로 가속시키기 위한 가속 섹션 - 상기 자기 컨덴서 렌즈의 필드는 상기 가속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩됨 - ;
    제2 내부 자극편 및 제2 외부 자극편을 포함하는 자기 대물 렌즈 - 상기 제2 내부 자극편과 표본의 표면 사이의 제3 축 방향 거리는 대략 20mm 이하이고, 상기 제3 축 방향 거리는 상기 제2 외부 자극편과 상기 표본의 표면 사이의 제4 축 방향 거리보다 크고, 상기 자기 컨덴서 렌즈와 상기 자기 대물 렌즈의 결합된 작용은 상기 표본의 표면 상에 상기 하전 입자 빔을 집속시킴 - ; 및
    상기 하전 입자 빔을 10 keV 이상의 에너지로부터 2 keV 이하의 랜딩 에너지로 감속시키기 위한 감속 섹션 - 상기 자기 대물 렌즈의 필드는 상기 감속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩됨 -
    을 포함하는 하전 입자 빔 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 내부 자극편은 제1 내부 직경을 가지며, 상기 제1 내부 직경은 상기 제1 축 방향 거리 이상인, 하전 입자 빔 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2 내부 자극편은 제2 내부 직경을 가지며, 상기 제2 내부 직경은 상기 제3 축 방향 거리 이상인, 하전 입자 빔 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 제한 애퍼쳐는 상기 추출 전극 어셈블리에 포함되는, 하전 입자 빔 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 대물 렌즈는 축 방향 갭 렌즈인, 하전 입자 빔 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하전 입자 소스와 상기 자기 컨덴서 렌즈의 상기 제1 내부 자극편 사이의 상기 제1 축 방향 거리는 대략 10mm 이하인, 하전 입자 빔 장치.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 컨덴서 렌즈 및 상기 자기 대물 렌즈는 상기 하전 입자 빔의 축을 따라 서로에 대해 대략 대칭으로 배열되는, 하전 입자 빔 장치.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 대물 렌즈의 상기 제2 내부 자극편과 상기 표본의 표면 사이의 상기 제3 축 방향 거리는 대략 10mm 미만에 달하는, 하전 입자 빔 장치.
  9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 제한 애퍼쳐는 상기 하전 입자 빔을 상기 빔 제한 애퍼쳐를 통해 축 방향으로 통과시키고 상기 하전 입자 빔의 빔 전류를 감소시키도록 구성되는, 하전 입자 빔 장치.
  10. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 텅스텐 팁은 (3,1,0) 배향을 갖는 텅스텐 단결정인, 하전 입자 빔 장치.
  11. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 표본의 표면을 가로질러 상기 하전 입자 빔을 주사하도록 적응되는 주사 편향기 유닛
    을 더 포함하고, 상기 주사 편향기 유닛은 상기 추출 전극과 상기 자기 대물 렌즈 사이에 위치되고, 특히 상기 자기 대물 렌즈의 필드 근방에 위치되는, 하전 입자 빔 장치.
  12. 하전 입자 빔 장치를 동작시키는 방법으로서,
    텅스텐 팁을 갖는 콜드 필드 이미터로 하전 입자 빔을 형성하는 하전 입자들을 발생시키는 단계;
    가속 섹션에서, 상기 하전 입자들을 가속시키는 단계;
    상기 하전 입자 빔을 자기 컨덴서 렌즈에 의해 시준하는 단계;
    상기 자기 컨덴서 렌즈와 내부 자극편 및 외부 자극편을 갖는 자기 대물 렌즈의 결합된 작용에 의해, 표본의 표면 상에 상기 하전 입자 빔을 집속시키는 단계 - 상기 자기 대물 렌즈의 상기 내부 자극편과 상기 표본의 표면 사이의 축 방향 거리는 대략 20mm 미만에 달하고, 상기 축 방향 거리는 상기 외부 자극편과 상기 표본의 표면 사이의 추가 축 방향 거리보다 큼 - ; 및
    감속 섹션에서, 상기 하전 입자들을 상기 표본의 표면에서의 랜딩 에너지로 감속시키는 단계
    를 포함하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 자기 대물 렌즈는 축 방향 갭 렌즈인, 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 자기 컨덴서 렌즈의 필드는 상기 가속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩되는, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자기 대물 렌즈의 필드는 상기 감속 섹션과 적어도 부분적으로 중첩되는, 방법.
  16. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가속 섹션에서, 상기 하전 입자들은 적어도 10keV의 에너지, 특히 적어도 15keV의 에너지, 특히 적어도 30keV의 에너지로 가속되는, 방법.
  17. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 감속 섹션에서, 상기 하전 입자들은 대략 3keV 이하, 특히 대략 1keV 이하의 랜딩 에너지로 감속되는, 방법.
  18. 주사 전자 디바이스로서,
    제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 하전 입자 빔 장치를 포함하는 주사 전자 디바이스.
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