KR20200027042A - 고해상도의 전자 빔 장치 - Google Patents

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Abstract

자기 건 렌즈 및 정전 건 렌즈는 전자 빔 장치에서 사용될 수 있고, 스캐닝 전자 현미경, 검수, 및/또는 검사 용도에서, 모두 사용가능한 전지 빔 전류에 대하여 높은 해상도를 제공하는 것을 도울 수 있다. 추출된 빔은 자기 건 렌즈를 사용하여 빔 제한 개구를 통해 웨이퍼 지향될 수 있다. 전자 빔은 또한, 전자 빔이 빔 제한 개구를 통과한 후에, 정전 건 렌즈를 통과할 수 있다.

Description

고해상도의 전자 빔 장치
본 개시는 전자 빔 장치에 관한 것이다.
반도체 제조 산업의 발전으로 수율 관리, 특히 계측 및 검사 시스템에 대한 요구가 더욱 높아지고 있다. 웨이퍼 사이즈가 증가하는 동안 임계 치수(critical dimension)는 줄어들고 있다. 경제는 고수익, 고부가가치 생산을 달성하는 데 소요되는 시간을 줄이기 위해 업계를 주도하고 있다. 따라서, 수율 문제를 검출하여 해결하는데 걸리는 전체 시간을 최소화하는 것이 반도체 제조사에 대한 투자 수익을 결정한다.
마이크로 미터 및 나노 미터 규모 프로세스 제어, 검사, 또는 구조화(structuring)는 종종 전자빔으로 수행되며, 전자빔은 전자 현미경 또는 전자빔 패턴 생성기와 같은 전자빔 장치에서 생성되고 집속된다. 전자 또는 다른 하전 입자 빔은 짧은 파장으로 인해 광자 빔에 비해 우수한 공간 해상도를 제공한다.
웨이퍼는 스캐닝 전자 현미경(scanning electron microscope; SEM)을 사용하여 검사될 수 있다. 도 1은 전자 소스(101), 전자 빔 광학 컬럼(102)(점선으로 도시됨), 및 샘플(103)을 갖는 SEM에서의 종래의 전자 빔 장치(100)를 도시한다. 전자 소스(101)는 열 전계 방출(thermal field emission; TFE) 소스일 수 있다. 샘플(103)은 반도체 웨이퍼일 수 있다. 전자 빔 광학 컬럼(102)은 일반적으로 다수의 정전기 및/또는 자기 렌즈, 및 다수의 개구를 갖는다. 전자 빔 장치(100)의 성능은 샘플(d)에서의 전자 빔 스팟 사이즈 대 샘플에 전달되는 빔 전류에 의해 가장 잘 특징지어지고, 이것은 전자가 해상도에 영향을 미치고 후자는 처리량에 영향을 미치기 때문이다. 성능(d 대 빔 전류 또는 d = f (빔 전류))은 전자 소스(101) 및 전자 빔 광학 컬럼(102) 둘 다(both)에 의해 결정된다.
SEM 검수 및 검사를 위한 광범위한 응용 분야를 다루기 위해, 빔 전류는 피코 암페어(pA)로부터 수백 나노 암페어(nA)까지 다양하다. 각각의 빔 전류에 대하여, 샘플에서의 광학 스팟 사이즈(d)는 최고 해상도에 도달하기 위해 최소화되어야 한다. 이러한 이유로, 도 1에서 빔 제한 개구(104)는 로 빔 전류(raw beam current)(예를 들어, 샘플 (103)에 대한 최대 가능 빔 전류)를 제공하기 위해 사용되고, 컬럼 개구(106)는 로 빔 전류로부터 빔 전류를 선택하는데 사용되고, 이것에 의해 건 렌즈 강도(gun lens strength)를 변경하여 제1 크로스 오버(109) (XO1) 위치를 이동시킨다. 빔 전류는 소스가 광학적으로 컬럼과 관련되는 소스의 방출 각도(α)에 의해 정의되거나 특징지어진다. 선택된 빔 전류가 주어지면, 집광 렌즈(107)는 샘플(103)에 빔을 집속시키는 대물 렌즈(108)를 통해 최적의 개구수(numeric aperture; NA)를 선택하는데 사용된다. 최적의 NA(또는 도 1의 β)를 사용하면, 전자들 사이의 컬럼 렌즈 수차 및 쿨롱 상호작용이 균형을 이루고 전체 스팟 사이즈가 최소화된다. 집광 렌즈(107)와 대물 렌즈(108) 사이에서의 전자 빔 프로파일은 크로스오버(crossover)(110)(XO2)을 갖거나 크로스오버가 없을 수 있다.
전자 빔을 방출하고 집속하기 위한 정전 건(electrostatic gun)은 전자 소스(101)(예를 들어, 방출 팁, 억제기, 및 추출기), 및 정전 건 렌즈(105)로 구성될 수 있다. 정전 건 렌즈(105)는 접지 전극들 및 접지 전극들 사이의 집속 전극을 포함할 수 있다. 집속 전압은 집속 전극 상에 인가된다. 접지될 수 있는 빔 제한 개구(104)가 포함될 수 있다.
응용 관점에서 볼 때, 전자 빔 장치는 서브 나노 암페어 미만의 낮은 빔 전류를 갖는 SEM 플랫폼, 서브 nA 내지 nA의 중간 빔 전류를 갖는 검수 플랫폼, 또는 nA 내지 수백 nA의 높은 빔 전류를 갖는 검사 플랫폼으로 사용될 수 있다. 이것은, 물리적 결함 검사, 핫 스팟 검사, 전압 대비 검사, 또는 다른 기술들을 커버할 수 있다.
종래의 전자 빔 장치의 단점은, 광학 성능이 좁은 빔 전류 범위를 갖는 애플리케이션들 중 하나에서 최적화되거나 한정된다는 것이다. 예를 들어, SEM 검수 툴은, 낮은 빔 전류 또는 중간 빔 전류에서 높은 해상도로 수용 가능한 성능을 제공할 수 있지만, 높은 빔 전류에서는 성능이 저하될 수 있다. 다른 실시예에서, 검사 툴은 높은 빔 전류에서 수용 가능한 성능을 제공할 수 있지만, 낮은 빔 전류 또는 중간 빔 전류에서 성능이 저하될 수 있다. 도 2는 스팟 사이즈가 전체 범위의 빔 전류에 따라 어떻게 변하는지를 나타내는 도 1의 전자 빔 장치(100)의 시뮬레이션 성능을 나타낸다. 도 1에서의 열 전계 방출(TFE) 전자 소스(101) 및 정전 건 렌즈(electrostatic gun lens; EGL)(105)는 도 2에 대한 시뮬레이션에 사용된다. SEM과 같은 낮은 빔 전류 전자 빔 플랫폼은 도 1의 전자 빔 장치(100)에서 우수한 성능을 가질 수 있지만, 검사와 같은 높은 빔 전류 전자 빔 플랫폼은 성능이 좋지 않을 수 있다.
피코 암페어로부터 수백 나노 암페어까지의 상이한 전자 빔 전류로, 전자 빔 장치는 반도체 웨이퍼 임계 치수 스캐닝 전자 현미경, 검수 및/또는 검사에 널리 사용될 수 있다. 전자 빔 계측기 개발자는 이러한 모든 애플리케이션을 각 용도에 맞는 고 해상도로 하나의 머신(machine)에 통합하려고 한다. 그러나, 전자 빔 해상도가 전자 빔 전류에 따라 변하기 때문에 이것은 도전적이다. 따라서, 개선된 전자 빔 장치가 필요하다.
제1 실시형태에서, 전자 빔 장치가 제공된다. 전자 빔 장치는, 전자 소스, 제1 정전 애노드, 상기 정전 애노드와 상기 전자 소스 사이에 배치된 빔 제한 개구, 복수의 폴 피스(pole piece)들 및 코일들을 포함하는 자기 건 렌즈, 상기 제1 정전 애노드와는 상기 빔 제한 개구의 반대 측 상에 배치된 정전 건 렌즈, 및 제2 정전 애노드를 포함한다. 전자 소스는 전자를 방출하도록 구성된 팁, 억제기, 및 추출기를 포함한다. 제1 정전 애노드는 접지된다. 자기 건 렌즈는 전자 소스, 제1 정전 애노드, 및 빔 제한 개구의 어느 한 측 상에 배치된다. 제2 정전 애노드는 접지되고 제1 정전 애노드와는 정전 건 렌즈의 반대 측 상에 배치된다. 스캐닝 전자 현미경은 이 전자 빔 장치를 포함할 수 있다.
전자 빔 장치는, 웨이퍼를 유지하도록 구성된 척, 집광 렌즈, 척과 집광 렌즈 사이에 배치된 대물 렌즈, 및 제2 정전 애노드와 집광 렌즈 사이에 배치된 컬럼 개구를 더 포함할 수 있다. 전자 빔 장치는, 정전 건 렌즈와 컬럼 개구 사이의 제1 크로스오버 및 집광 렌즈와 대물 렌즈 사이의 제2 크로스오버를 갖게, 전자 빔을 형성하도록 구성될 수 있다.
전자 소스는 냉 전계 방출 소스(cold field emission source) 또는 열 전계 방출 소스(thermal field emission source)일 수 있다.
제2 실시형태에서, 방법이 제공된다. 방법에서, 전자 빔은 전자 소스에 의해 생성된다. 전자 빔은 추출기에 의해 추출된다. 전자 빔은, 복수의 폴 피스들 및 코일들을 포함하며 빔 제한 개구의 어느 한 측 상에 배치된 자기 건 렌즈를 사용하여, 빔 제한 개구를 통해, 웨이퍼에 지향된다. 전자 빔은, 빔 제한 개구를 전자 빔이 통과한 후에, 정전 건 렌즈를 통과한다.
전자 빔은 웨이퍼의 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다.
실시형태에서, 자기 건 렌즈는 활성화되고 정전 건 렌즈는 활성화되지 않는다.
자기 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다.
전자 빔은, 전자 빔이 웨이퍼에 도달하기 전에, 컬럼 개구, 집광 렌즈, 및 대물 렌즈를 통과할 수 있다. 전자 빔은, 빔 제한 개구와 컬럼 개구 사이의 제1 크로스오버 및 집광 렌즈와 대물 렌즈 사이의 제2 크로스오버를 갖도록 구성될 수 있다.
정전 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다.
자기 건 렌즈 및 정전 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다. 전자 소스는 냉 전계 방출 소스일 수 있다.
전자 빔의 빔 전류는 0.001 nA 내지 500 nA일 수 있고, 전자 빔의 해상도는 20 nm 내지 80 nm일 수 있다. 스위칭 빔 전류는 1 초 이내에 발생할 수 있다.
본 개시의 특징 및 목적의 완전한 이해를 위해, 첨부 도면과 결합된 이하의 상세한 설명에 대한 참조가 이루어진다.
도 1은 전자 빔 장치에서의 광학부의 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 전자 건 및 열 전계 방출 전자 소스를 가진 전자 빔 장치에서의 스팟 사이즈 대 빔 전류의 차트이다.
도 3은, 본 개시에 따른, 전자 소스, 정전 애노드(접지 전극), 및 자기 건 렌즈를 가진 자기 건의 실시형태의 블록 다이어그램이다.
도 4는 도 3의 자기 건을 가진 전자 빔 장치의 실시형태의 블록 다이어그램이고, 자기 건 렌즈는 빔 전류를 선택하도록 구성된다.
도 5는 전자 빔 광학 컬럼에서의 자기 건 렌즈와 정전 건 렌즈를 개별적으로 사용하기 위한 스팟 사이즈 대 빔 전류의 차트이다.
도 6은 더 높은 밝기를 갖는 냉 전계 방출 소스가 자기 건 렌즈와 함께 사용되는 도 4의 전자 빔 장치의 실시형태의 광학 성능의 차트이다.
도 7은 냉 전계 방출 소스에 의해 전자들 사이의 쿨롱 상호작용의 영향의 감소를 나타내는 도 4의 전자 빔 장치의 실시형태의 블록 다이어그램이다.
도 8은 본 개시에 따른 자기 및 정전 렌즈들을 가진 냉 전계 방출 소스 장착 믹스된 건의 실시형태의 블록 다이어그램이다.
도 9는 도 8의 냉 전계 방출 소스 장착 믹스된 건을 가진 전자 빔 장치의 실시형태의 블록 다이어그램이다.
도 10은 도 8 및 도 9의 실시형태의 비교 및 스팟 사이즈 대 빔 전류 성능을 나타내는 차트이다.
도 11은 믹스된 광학 동작에 의한 도 8 및 도 9의 실시형태의 비교 및 스팟 사이즈 대 빔 전류 성능을 나타내는 차트이다.
도 12는 본 개시에 따른 방법의 실시형태의 플로우차트이다.
도 13은 본 개시에 따른 스캐닝 전자 현미경 시스템의 실시형태이다.
청구된 주제가 특정 실시형태에 의해 설명될 것이지만, 여기에 설명된 모든 장점 및 특징을 제공하지 않는 실시형태를 포함하는 다른 실시형태도 본 개시의 범위 내에 있다. 본 개시의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 구조적, 논리적, 프로세스 단계 및 전자적 변경이 이루어질 수 있다. 따라서, 본 개시의 범위는 청구범위의 참조에 의해서만 규정된다.
여기에 개시된 실시형태는 SEM, 검수 및/또는 검사 용도에서 사용 가능한 모든 빔 전류에 대해 높은 해상도를 달성할 수 있다. 여기에 개시된 실시형태의 광학 성능은 이전의 디자인보다 장점을 제공한다.
전자 빔 장치의 샘플에서의 스팟 사이즈(d)는 통상적으로 5개의 스팟 사이즈 성분을 포함한다. 이 성분들은, 식 1의 소스 이미지(dg), 식 2의 회절 수차 블러(blur)(dλ), 식 3의 색수차 블러(dc), 식 4의 구면수차 블러(ds), 및 전자들 사이의 쿨롱 상호작용의 블러(dCI)이다. 블러(dCI)는 본 개시 내에서 나중에 설명될 것이다.
Figure pct00001
[식 1]
Figure pct00002
[식 2]
Figure pct00003
[식 3]
Figure pct00004
[식 4]
식 1-4에서 BC는 빔 전류, β는 샘플에서의 빔 수렴 각도(즉, 개구수 NA), Br은 소스 밝기, ΔE는 소스 에너지 확산, 및 Cc 및 Cs는 각각 전체 색수차 계수 및 전체 구면수차 계수이다. 식 5 및 6에 정의된 바와 같이, Cc 및 Cs는 각각 건(gun) 및 대물 렌즈 색수차 계수 및 구면수차 계수를 포함한다.
Figure pct00005
[식 5]
Figure pct00006
[식 6]
식 5 및 6에서, CcOL-sp(CsOL-sp) 및 Ccgun-sp(Csgun-sp)는 각각 대물 렌즈 및 건 렌즈의 색수차(구면수차) 계수이다. 이 변수들은 최종 이미지(예를 들어, 샘플) 측에서 계산될 수 있다.
전자 건의 성능은 건 렌즈의 색수차 계수 및 구면수차 계수, 즉 Ccgun-objt 및 Csgun-objt로 각각 특징지어진다. 이 변수들은 건 렌즈의 대출 측(예를 들어, 소스 측)에서 계산될 수 있다. 따라서, 건 렌즈 수차 정보(Ccgun-objt 및 Csgun-objt)로부터 최종 이미지(샘플) 측으로의 변환은 식 7 및 8에서 컬럼 광학 배율, M에 의해 관련된다.
Figure pct00007
[식 7]
Figure pct00008
[식 8]
Figure pct00009
[식 9]
식 7-9에서, 광학 배율 M은 고정 각도 세기 Ja의 전자 소스 (또는 Br의 고정 소스 밝기)가 주어지면, 빔 전류(BC)에 따라 변한다. 빔 전류는 전자 빔 애플리케이션의 요구 사항에 의해 선택될 수 있음에 유의한다. 식 7-9를 사용하여 설명한 바와 같이, 빔 전류를 올리는(또는 기계 처리량을 올리는) 비용은 건 렌즈 수차를 최종 이미지로 확대하는 것(또는 기계 해상도를 잃는 것)이다. 이것은 여기에 개시된 실시형태에 적용될 수 있다.
TFE 기반 전자 소스에서, 식 9에서의 각도 세기(Ja)는 대략 0.3 내지 0.6 mA/sr일 수 있다. 도 1에서와 같이 TFE 소스를 갖는 컬럼에서의 광학 배율은, 서브 나노 암페어 미만의 빔 전류에 의한 SEM 사용을 위한 M << 0.05, 및 서브 나노 암페어로부터 나노 암페어까지의 빔 전류에 의한 검수 사용을 위한 0.01<M<0.2, 및 나노 암페어로부터 수백 나노 암페어까지의 빔 전류에 의한 검사 사용을 위한 0.1 <M <1.0이다.
전자 빔 광학 컬럼에서, 전체 스팟 사이즈(d)에 대한 각 스팟 사이즈 성분(dg, dλ, dc 및 ds)의 기여도는 상이한 빔 전류 범위에서 상당히 상이하다. 전자들 사이의 쿨롱 상호작용을 포함하지 않으면서, 전체 스팟 사이즈(d)는 식 10에서 정의될 수 있다.
Figure pct00010
[식 10]
도 2의 낮은 빔 전류(low beam current; LBC) 상황(regime)에서, 회절 블러(dλ) 및 색수차 블러(dc)는 다른 것들보다 우세하므로, 낮은 빔 전류 상황에서의 최소화된 전체 스팟 사이즈(dLB)는 식 11에 의해 주어진다.
Figure pct00011
[식 11]
식 11에서, ΔE는 에너지 확산이다. SEM에 대해 빔 전류가 낮다는 사실(sub-nA 미만)로 인해, 식 9에서의 광학 배율도 또한 작을 수 있다(M << 0.05). 따라서, 식 5 및 7에서 최종 이미지(샘플)에 대한 건 색수차 기여도는 무시할 수 있고, 식 5 및 11에서의 전체 색수차 계수(Cc)는 대물 렌즈(즉, Cc≒CcOL-sp)에 의해 좌우될 수 있다.
따라서, 낮은 빔 전류 상황에서, 스팟 사이즈는 빔 전류, 건 렌즈 수차, 및 전자 소스 밝기와 거의 독립적일 수 있다.
도 2의 중간 빔 전류(medium beam current; MBC) 상황에서, 소스 이미지(dg) 및 색수차 블러(dc)는 다른 것들보다 우세하므로, 중간 빔 전류 상황에서의 최소화된 전체 스팟 사이즈(dMB)는 식 12에 의해 주어질 수 있다.
Figure pct00012
[식 12]
따라서, 중간 빔 전류 상황에서의 최적의 스팟 사이즈는 빔 전류 및 에너지 확산 대 밝기의 소스 비(ΔE/√Br)와 동시에 증가할 수 있다. 전체 색수차 계수(Cc)는 건 및 대물 렌즈 기여도를 모두 포함할 수 있다. 빔 전류(또는 식 9에서의 광학 배율)가 증가함에 따라, 건 색수차(Ccgun-objt)는 무시할 수 있게 전체 Cc에 충격을 가하고 그리고/또는 무게를 낼 수 있도록(weigh) 충분히 확대되거나 확대되지 않을 수 있다. 이것은, 건 디자인과 건 렌즈 수차(Ccgun-objt)에 의존할 수 있다.
도 2의 높은 빔 전류(high beam current; HBC) 상황에서, 소스 이미지(dg) 및 구면수차 블러(ds)는 다른 것들보다 우세하므로, 높은 빔 전류 상황에서의 최소화된 전체 스팟 사이즈(dHB)는 식 13에 의해 주어진다.
Figure pct00013
[식 13]
따라서, 높은 빔 전류 상황에서 최적의 스팟 사이즈는 빔 전류에 따라 증가하고 동시에 밝기에 따라 감소할 수 있다. 전체 구면수차 계수(Cs)는 건 및 대물 렌즈 기여도를 모두 포함할 수 있다. 빔 전류(또는 식 9에서의 광학 배율)가 증가함에 따라, 건 색수차(Ccgun-objt)는 무시할 수 있게 전체 Cc에 충격을 가하고 그리고/또는 무게를 낼 수 있도록 충분히 확대되지 않거나 확대될 수 있다. 건 디자인과 건 렌즈 수차(Csgun-objt)에 의존할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전자 빔을 방출 및 집속하기 위한 자기 건(200)은 자기 건 렌즈(magnetic gun lens; MGL)(207) 및 방출 팁(202), 억제기(203), 및 추출기(204)를 가진 전자 소스(201)(점선으로 도시됨)를 포함할 수 있다. 너무 작은 보어(bore)에 의한 오염을 회피하기 위해, 빔 제한 개구(beam limiting aperture; BLA)(205)는 접지 전극(206)(즉, 애노드 전극) 상에 또는 근방에 배치될 수 있다. 자기 건 렌즈(207)는 폴 피스들(208) 및 코일들(209)을 포함할 수 있다. 팁(202)은 접지 전극(206)에 대하여 주어진 빔 에너지에 대해 음으로 바이어싱될 수 있다. 억제기(203)는 전자 방출 빔(210)을 성형하기 위해 팁(202)보다 더 음으로 바이어싱될 수 있다. 추출기(204)는 전자를 강하게 펌핑하기 위해 팁(202)보다 덜 음으로 바이어싱될 수 있다. 전자 소스(201)와 접지 전극(206)의 애노드 전극과의 사이의 갭 거리(L)는 높은 빔 에너지에서의 아크를 회피하기 위해 충분히 분리될 수 있다.
폴 피스(208)는, 광축을 따라 자속 분포를 좁히고 추출기(204)와 빔 제한 개구(205) 사이에 도 4에 나중에 도시된 바와 같은 자기 렌즈를 형성하도록 디자인될 수 있다. 추출기(204)와 빔 제한 개구(205) 사이의 가상 자기 건 렌즈 위치는, 자기 건 렌즈가 추출기(204)에 너무 근접한 경우에 자기 포화를 회피하고 건 렌즈 수차 계수(Ccgun-objt 및 Csgun-objt)를 최소화하도록, 최적화될 수 있다. 빔 제한 개구(205)에 가까울수록 계수는 더 클 수 있다. 여기 암페어 턴(excitation Ampere-turn)이 높은 빔 에너지에서 일어날 때 과열을 회피하기 위해, 냉각 플레이트 또는 냉각 링이 자기 코일들(209) 내에 샌드위치될 수 있다. 코일(209) 및 폴 피스(208)는 높은 진공의 오염을 회피하기 위해 공기 중에 밀봉될 수 있다. 빔을 집속할 때 자속의 사용 효율을 최대화하기 위해, 코일 링의 평균 직경은 진공 밀봉 시스템을 수용하도록 최소화될 수 있다.
도 4는, 빔 전류를 선택하기 위해 자기 건 렌즈(207)가 사용되는 도 3에 도시된 자기 건(200)을 가진 전자 빔 장치(211) 내의 광학 이미지 형성 관계(relation)를 도시한다. 전자 빔 장치(211)는 반도체 웨이퍼일 수 있는 샘플(103)을 포함할 수 있다. 샘플(103)은 척(221) 상에 유지될 수 있다. 전자 빔 장치(211)는 또한, 집광 렌즈(213), 샘플(103)을 가진 척(221)과 집광 렌즈(213) 사이에 배치된 대물 렌즈(214), 및 전자 소스(201)와 집광 렌즈(213) 사이에 배치된 컬럼 개구(212)를 포함할 수 있다. 전자 빔은 컬럼 개구(212)의 상류의 제1 크로스오버(215)(XO1) 및 집광 렌즈(213)와 대물 렌즈(214) 사이의 제2 크로스오버(216)(XO2)를 갖도록 형성될 수 있다.
전자 건의 광학 성능은 건 렌즈의 색수차 계수 및 구면수차 계수(즉 각각 Ccgun-objt 및 Csgun-objt)에 의해 특징지어질 수 있다. 건 렌즈의 색수차 계수 및 구면수차 계수는 건 렌즈의 대물 측(소스 측)에서 계산될 수 있다.
자기 건 성능은 일반적으로 정전 건 성능보다 우수하다. 도 3에 도시된 자기 건에서의 색수차 계수(Ccgun-objt) 및 구면수차 계수(Csgun-objt)는, 각각 정전 건에서의 색수차 계수 및 구면수차 계수보다 작은 대략 10배 내지 30배 및 대략 50배 내지 300배이다. 이러한 현저한 광학 성능 차이는 다음 두 가지 메커니즘 중 하나 이상에 의해 발생할 수 있지만, 다른 메커니즘도 가능하다.
첫번째로, 도 3에서의 추출기와 애노드 사이의 가속 영역 내에 자기 렌즈 내의 자기 집속 필드가 형성되고, 정전 렌즈 내의 정전 집속 필드가 애노드 후에 형성되기 때문에, 도 3 및 도 4의 자기 건 렌즈에서의 오브젝트 거리는 도 1의 정전 건 렌즈에서의 오브젝트 거리보다 짧다. 따라서, 자기 집속 필드는 가속 영역 위에 오버랩될 수 있지만, 정전 집속 필드는 다른 정전 필드(즉, 가속 필드) 위에 오버랩되지 않을 수 있다. 전자 광학 이론에 따르면, 물체 거리가 길수록 수차가 커진다.
두번째로, 자기 건 렌즈에서의 보어 사이즈는 정전 건 렌즈에서의 보어 사이즈보다 훨씬 크다. 따라서, 자기 집속 필드에서 이동하는 전자는 정전 집속 필드에서 이동하는 전자보다 상대적으로 근축(paraxial)이기 때문에, 전자 광학 이론에 따르면 전자의 3차 이상의 기하학적 수차가 후자의 3차 이상의 기하학적 수차보다 훨씬 작다.
도 5는 도 1에서의 전자 빔 광학 컬럼에 대한 정전 건 렌즈 및 도 4에서의 동일 컬럼에 대한 자기 건 렌즈를 사용한 스팟 사이즈 대 빔 전류 비교를 나타낸다. 동일한 TFE 소스에서, 소스 에너지 확산(ΔE), 밝기(Br), 및 각도 세기(Ja)는 도 1 및 도 4 광학 컬럼에서 모두 동일하다. 표 1에 나타낸 바와 같이, 도 4에서의 자기 건 렌즈에 의한 큰 해상도 향상은 건 렌즈 수차의 감소로 인한 것일 수 있다. 표 1은 동일한 TFE 소스를 보여 주지만 건 렌즈와 빔 전류는 전체 Cc와 Cs(해상도)를 다르게 만들 수 있다.
[표 1]
Figure pct00014
도 4의 컬럼에 자기 건 렌즈(MGL)가 있는 표 1에서, 전체 Cc 및 Cs는 무시할 수 있게 빔 전류에 따라 증가한다. 자성 렌즈에 의한 건 렌즈 수차(Ccgun-objt 및 Csgun-objt)가 크게 감소될 수 있기 때문에, 대물 렌즈 수차(CcOL-sp 및 CsOL-sp)는 모든 빔 전류(또는 모든 광학 배율 M)에 대해 건 렌즈 수차(Ccgun-sp 및 Csgun-sp)보다 우세할 수 있다. 전자 빔 장치에서의 광학 배율은 SEM, 검수, 및 검사의 모든 애플리케이션에서 M≒0.01 내지 1.0의 범위일 수 있다.
표 1의 컬럼에 정전 건 렌즈(EGL)가 있는 표 1에서, 낮은 빔 전류(LBC)에서의 경우에, 작은 배율(M<<0.05)로 인해 Ccgun-sp << CcOL-sp 및 Csgun-sp << CsOL-sp가 초래되어, 도 5에서의 스팟 사이즈는, 최종 전체 Cc 및 Cs가 각각 대물 렌즈(CcOL-sp 및 CsOL-sp)와 대략 동일하기 때문에, 정전 건 렌즈(EGL)와 자기 건 렌즈(MGL)를 사용하는 것 사이에는 큰 차이가 없다.
도 1의 컬럼에 정전 건 렌즈(EGL)가 있는 표 1에서, 중간 빔 전류(MBC)에서의 경우에, 증가된 배율(M=0.02~0.2)로 인해 Ccgun-sp ~ CcOL-sp 및 Csgun-sp ~ CsOL-sp, 또는 전체 Cc > CcOL-sp 및 Cs > CsOL-sp가 초래되어, 도 5에서의 스팟 사이즈는 정전 건 렌즈(EGL) 및 자기 건 렌즈(MGL)를 사용하는 것 사이에서 증가된 차이를 나타낸다.
도 1의 컬럼에 정전 건 렌즈(EGL)가 있는 표 1에서, 높은 빔 전류(HBC)에서의 경우에, 큰 배율(M=0.1~1.0)로 인해 Ccgun-sp >> CcOL-sp 및 Csgun-sp >> CsOL-sp, 또는 전체 Cc >> CcOL-sp 및 Cs >> CsOL-sp가 초래되어, 도 5에서의 스팟 사이즈는 정전 건 렌즈(EGL) 및 자기 건 렌즈(MGL)를 사용하는 것 사이에서 큰 차이를 나타낸다.
TFE 소스 기간 전자 빔 장치에서의 자기 건 렌즈(MGL)의 사용은, 도 5에서 볼 수 있는 바와 같이, 높은 빔 전류에서의 해상도를 향상시키지만, 낮은 빔 전류에서의 해상도 향상이 가능하지 않을 수 있다. SEM, 검수, 및 검사(예를 들어, 물리적 결함 검사, 핫 스팟 검사, 및 전압 대비 검사)의 모든 용도를 커버하는 전체 빔 전류 범위에서의 해상도 향상을 위해, 더 높은 밝기를 가진 새로운 전자 소스가 도 4에서의 자기 건 렌즈 기반 광학 컬럼에 의해 사용될 수 있다. 전자 소스는 냉 전계 방출(cold field emission; CFE) 소스일 수 있다.
도 3에서의 TFE 소스는 소위 쇼트키 방출 소스(Schottky emission source)라 불린다. 쇼트키 방출 캐소드는 대략 0.2 내지 1.0 μm의 팁 반경을 가진 ZrO/W (100) 타입일 수 있다. 전자가 1800K의 온도에서 워크 펑션을 극복하게 할 수 있는 W상의 ZrO 코팅에 의해 워크 펑션이 낮아질 수 있다. 추출기 전압이 팁에서 1.0E+7 V/mm 정도의 정전계 강도에 도달할 때, 전자가 방출되고 전자 빔 프로파일은 도 3의 억제기 전압에 의해 형성된다. 식 1에서의 소스 밝기 및/또는 식 9에서의 소스 각도 세기는 추출기 전압에 의해 조정될(modulated) 수 있다.
CFE 소스는 파동 기계적 터널링 효과(wave-mechanical tunneling effect)를 기반으로 한다. W 상의 ZrO 코팅이 필요하지 않고, 추출기 전압에 의해 팁 정전계 강도가 1.0E+8 V/mm보다 크게 증가될 때, 전자는 약 0.1 μm의 반경 의 날카로운 텅스텐 팁으로부터 방출될 수 있다. 이러한 높은 전계는, 페르미 레벨(Fermi level)로부터의 전자가 파동 기계적 터널링 효과에 의해 전위 장벽을 관통할 수 있도록, 캐소드의 전면의 전위 벽의 폭을 수 나노 미터로 감소시킨다. 다시 억제기 전압은 전자 빔 프로파일을 형성하는데 사용될 수 있고, 추출기 전압은 밝기 및/또는 각도 세기를 조정하는데 사용될 수 있다.
도 4는 전자 소스가 CFE 소스와 같은 높은 밝기 소스인 제1 실시형태를 나타내고, 자기 건 렌즈는 도 3에서 구성된다. TFE 소스에 비해, CFE 소스는, 표 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 더 좁은 소스 에너지 확산, 더 높은 밝기, 및 더 낮은 각도 세기를 가질 수 있다. CFE 소스에 의한 낮은 Ja로 인해, 광학 배율은, 식 9에 따른 동일한 빔 전류에서 대략 √5배 더 크게 될 수 있다. CFE 소스인 ΔE/√Br에 의한 밝기에 대한 소스 에너지 확산의 비(ratio)도 √2/8배 더 작다.
[표 2]
Figure pct00015
제1 실시형태에서의 CFE에 의한 낮은 각도 세기(ja)로 인해, 도 4에서의 광학 컬럼에서의 광학 배율은 대략 √5배 더 클 수 있고, 이것은 자기 건 렌즈 수차(CcOL-objt 및 CsOL-objt)가, 표 3에서 요약된 바와 같이, 샘플 측에 더 확대될 수 있다는 것을 의미한다.
[표 3]
Figure pct00016
자기 건 렌즈 기반 전자 빔 장치의 TFE 소스에 대해, 전체 Cc 및 Cs는 무시할 수 있게 빔 전류로 증가할 수 있다. 따라서, 대물 렌즈 수차(CcOL-sp 및 CsOL-sp)는, 표 1에서 요약된 바와 같이, 모든 빔 전류(또는 광학 배율 M)에 대해 건 렌즈 수차(Ccgun-sp 및 Csgun-sp)보다 우세할 수 있다.
자기 건 렌즈 기반 전자 빔 장치에서의 CFE 소스에 대해, 낮은 빔 전류(LBC)에서의 경우에, 작은 배율(M<<0.05)은 Ccgun-sp << CcOL-sp 및 Csgun-sp << CsOL-sp를 초래하여, 전체 Cc 및 Cs는 대물 렌즈(CcOL-sp 및 CsOL-sp)와 대략 동일할 수 있다. CFE 소스 기반 컬럼의 광학 배율도 각각 대략 √5배 더 클 수 있다.
자기 건 렌즈 기반 전자 빔 장치에서의 CFE 소스에 대해, 중간 빔 전류(MBC)에서의 경우에, 빔 전류 증가 및 각도 세기 감소로 인한 증가된 배율은 TFE 기반 컬럼에서보다 큰 Ccgun-sp 및 Csgun-sp를 초래할 수 있다. 그러나, 자기 건 렌즈 기반 컬럼에서의 Ccgun-objt 및 Csgun-objt가 이미 감소되었으므로, 이들은 여전히 CcOL-sp 및 CsOL-sp보다 작다. 이것은, 전체 Cc 및 Cs가 각각 CcOL-sp 및 CsOL-sp의 대략 1.05배 내지 1.15배보다 약간 큰 결과를 초래할 수 있다.
자기 건 렌즈 기반 전자 빔 장치에서의 CFE 소스에 대해, 높은 빔 전류(HBC)에서의 경우에, 빔 전류 증가 및 각도 세기로 인한 더 큰 배율은 TFE 기반 컬럼에서보다 큰 Ccgun-sp 및 Csgun-sp에서 결과를 감소시킬 수 있다. 그러나, 자기 건 렌즈 기반 컬럼에서의 Ccgun-objt 및 Csgun-objt가 이미 감소되었으므로, 이들은 여전히 CcOL-sp 및 CsOL-sp보다 작을 수 있다. 이것은, 전체 Cc 및 Cs가 각각 CcOL-sp 및 CsOL-sp의 대략 1.15배 내지 1.5배보다 현저히 큰 결과를 초래할 수 있다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 4에서의 제1 실시형태 광학 컬럼에서의 CFE 소스 및 자기 건 렌즈(MGL)에 있어서, 전체 빔 전류 범위에서의 해상도가 향상된다.
낮은 빔 전류(LBC)에서, 식 11에서 주어진 스팟 사이즈(dLB)는 전체 색수차 계수(Cc) 및 소스 에너지 확산(ΔE)에 의해 좌우된다. CFE 소스에 의한 ΔE는 TFE 소스에 의한 것보다 대략 0.25배 낮을 수 있다. CFE 소스에 의한 전체 Cc는 표 3에서의 대물 렌즈(CcOL-sp)와 대략 동일한 TFE 소스에 의해 것과 동일할 수 있다. 따라서, CFE 소스에 의한 해상도는 TFE 소스에 의한 것보다 더 우수할 수 있다.
중간 빔 전류(MBC)에서, 식 12에서 주어진 스팟 사이즈(dMB)는 전체 색수차 계수(Cc) 및 밝기에 대한 소스 에너지 확산의 비(ΔE/√Br)에 의해 좌우된다. 표 3에 따르면, Cc는 단지 CcOL-sp보다 무시할 수 있게 클 수 있다(TFE 소스에 의한 Cc와 거의 동일함). 그러나, CFE 소스에 의한 비(ΔE/√Br)는 TFE 소스에 의한 것보다 대략 √2/8배 작을 수 있다. 식 12에서의 결합 결과로서, CFE 소스에 의한 해상도는 TFE 소스에 의한 것보다 우수할 수 있다.
높은 빔 전류(HBC)에서, 식 13에서 주어진 스팟 사이즈(dHB)는 Cs1/4의 전체 색수차 계수(Cc) 및 1/Br3/8의 소스 밝기에 의해 좌우된다. 표 2 및 표 3에 따르면, CFE 소스에 의한 Cs는 TFE 소스에 의한 것보다 최대 1.5배 클 수 있지만, CFE 소스에 의한 Br은 TFE 소스에 의한 것보다 대략 2배 클 수 있다. 그러나, 식 13에서의 결합 결과로서, CFE 소스에 의한 Cs1/4 / Br3/8은 TFE 소스에 의한 것보다 여전히 대략 15% 작을 수 있다. 따라서, CFE 소스에 의한 해상도는 TFE 소스에 의한 것보다 더 우수할 수 있다.
CFE 기반 컬럼의 기하 수차가 도 4의 TFE 기반 컬럼의 수차보다 작다는 사실에 덧붙여, 전자(former)의 컬럼에서의 전자(electron)들 사이의 쿨롱 상호작용의 블러(dCI)는 후자(latter)의 컬럼에서보다 작은데, 이것은, 전자의 컬럼에서의 전자 빔 체적(electron beam volume)이 더 크거나, 전자 체적 밀도(electron volume density)가 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 후자의 컬럼에서보다 작기 때문이다. 동일한 빔 전류가 주어지면, CFE에 의한 방출 각도(αC)는 TFE에 의한 방출 각도(αT)보다 클 수 있는데, 이것은 전자(former)의 각도 세기가 후자(latter)의 각도 세기보다 약 5배 낮기 때문이다(표 2에 나타낸 바와 같음).
도 3 및 도 4의 제1 실시형태에서, CFE 기반 자기 건 렌즈에 의한 광학 성능은 전류 밀도(주어진 동일 스팟 사이즈, 빔 전류 차이) 및 해상도(주어진 동일 빔 전류, 스팟 사이즈 차이) 둘 다에 있어서 TFE 기반 자기 건 렌즈보다 향상된다. 그러나, 빔 전류를 선택 및/또는 변경하기 위한 빠른 스위칭이 개선될 수 있다.
예를 들어, 고 해상도 모드에서 고 처리량 모드로의 결함 검수 애플리케이션 또는 물리적 결함 검사로부터 전압 대비 검사로의 전자 빔 검사 애플리케이션에서, 빔 전류는 빠르게 변경 및/또는 상이하게 선택되어야 한다. 도 3 및 도 4의 제1 실시형태의 자기 건 렌즈는 빔 전류를 변경 및/또는 선택하는 고속 스위처(fast-switcher)로서 사용하기 어려울 수 있다.
도 8은 CFE 소스를 갖는 자기 렌즈 및 정전 렌즈를 갖는 혼합 건(mixed gun)(217)이 예시된 제2 실시형태를 나타낸다. CFE-MGL/EGL 혼합 건에 대한 이미지 형성 광학부가 도 9에 도시되어 있다.
도 8 및 도 9의 제2 실시형태 구성 및 광학부에서, 전자 빔을 텔레센트릭형 빔에 집속하고 자기 렌즈에서 낮은 건 수차를 이용하기 위해 자기 건 렌즈가 먼저 사용될 수 있다. 이어서, 빔 전류를 빠른 속도로 선택하도록 정전 건 렌즈가 사용될 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 전자 빔 장치(220)는 전자 소스(201), 제1 정전 애노드(206)(접지 전극), 빔 제한 개구(205), 자기 건 렌즈(207), 정전 건 렌즈(218), 및 제2 정전 애노드(219)(접지 전극)를 포함할 수 있다. 전자 소스(201)는 전자를 방출하도록 구성된 팁(202); 억제기(203); 및 추출기(204)를 포함할 수 있다. 전자 소스는 냉 전계 방출(CFE) 소스 또는 열 전계 방출(TFE) 소스일 수 있다. 제1 정전 애노드(206)는 접지될 수 있다. 빔 제한 개구(205)는 제1 정전 애노드(206)와 전자 소스(201) 사이에 배치될 수 있다. 자기 건 렌즈(207)는 복수의 폴 피스들(207) 및 코일들(209)을 포함할 수 있다. 자기 건 렌즈(207)는 도 3에서와 같은 디자인을 가질 수 있다. 자기 건 렌즈(207)는 전자 소스(201), 제1 정전 애노드(206), 및 빔 제한 개구(205)의 어느 한쪽 상에 배치될 수 있다. 정전 건 렌즈(218)는 제1 정전 애노드(206)와는 빔 제한 개구(205)의 반대편 측 상에 배치될 수 있다. 제2 정전 애노드(219)는 접지될 수 있고 제1 정전 애노드(206)와는 정전 건 렌즈(218)의 반대편 측 상에 배치될 수 있다.
정전 건 렌즈(218)는, 도 8에 도시된 바와 같은 Einzel 렌즈 또는 단일포텐셜 렌즈(unipotential lens)이거나, 가속 렌즈 또는 감속 렌즈(2 전위 렌즈)일 수 있다. 로 빔 전류를 제어하기 위해 자기 건 렌즈(207)와 정전 건 렌즈(218) 사이에 빔 제한 개구(205)가 샌드위치되도록, 정전 건 렌즈(218)는 전자 빔 경로에 대해 빔 제한 개구(205) 다음에 배치될 수 있다. 빔 제한 개구(205)는 접지에서 제1 정전 애노드(206)의 일부가 될 수 있다. 빔 제한 개구(205)는 높은 빔 에너지의 사용을 허용하기 위해 추출기(204)로부터 충분히 멀리 배치될 수 있다. 폴 피스들(208) 및 코일들(209)을 제외하고, 도 8의 팁(202)으로부터 제2 정전 애노드(219)로의 모든 정전 콤포넌트들은 높은 진공으로 밀봉될 수 있다.
전자 빔 장치(220)는, 반도체 웨이퍼와 같은 샘플(103)을 유지하도록 구성된 척(221); 집광 렌즈(213); 샘플(103)을 유지하는 척(221)과 집광 렌즈(213) 사이에 배치된 대물 렌즈(214); 및 제2 정전 애노드(219)와 집광 렌즈(213) 사이에 배치된 컬럼 개구(212)를 더 포함할 수 있다. 전자 빔 장치(220)는, 전자 빔이 정전 건 렌즈(218)와 컬럼 개구(212) 사이에서의 제1 크로스오버(215) (XO1) 및 집광 렌즈(213)와 대물 렌즈(214) 사이에서의 제2 크로스오버(216) (XO2)를 갖게, 전자 빔을 형성하도록 구성될 수 있다.
스캐닝 전자 현미경은 도 8 및 도 9에서와 같은 여기에 개시된 전자 빔 장치의 실시형태를 포함할 수 있다.
자기 건 렌즈(MGL) 및 정전 건 렌즈(EGL)[MGL/EGL]가 예시되었지만, 다른 듀얼 렌즈 혼합 건들도 가능하다. 예를 들어, MGL/MGL, EGL/MGL, 또는 EGL/EGL이다. 이러한 임의의 듀얼 렌즈 조합들은 도 9의 광학부 내에 통합될 수 있다. 이들 다른 듀얼 렌즈 조합들은 원하는 렌즈의 쌍으로 도 9에 도시된 바와 같은 MGL 및 EGL을 교체하는 것을 포함할 수 있다. 각각의 듀얼 렌즈 혼합 건 실시형태는, 하나 이상의 애플리케이션에 대해 수용 가능한 성능을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 10은 도 8 및 도 9의 제2 실시형태 광학부에서의 스팟 사이즈 대 빔 전류 성능 및 비교를 도시한다. 자기 건 렌즈/정전 건 렌즈 혼합 건에서의 CFE 소스에 의해, 큰 빔 전류 범위(핫 스팟에 대한 중간 빔 전류에서의 검수/높은 빔 전류의 낮은 단부에서의 물리적 결함 검사, 낮음 빔 전류에서의 SEM으로부터)에서의 광학 성능이 빠른 빔 전류 스위칭 능력과 함께 향상된다. 일반적으로 전압 대비 검사를 위한 매우 높은 빔 전류 상황에서, 해상도는 TFE-정전 건 렌즈 기반 광학부보다 우수할 수 있다.
도 11은 제3 실시형태를 나타낸다. 제3 실시형태에서의 광학 동작은 제1 및 제2 실시형태에서의 혼합 광학 동작이다. 전체 빔 전류 상황은 애플리케이션 요건에 따라 비교적 낮은 빔 전류 범위와 비교적 높은 빔 전류 범위로 분할될 수 있다. 비교적 낮은 빔 전류 범위에서는 빔 전류 빠른 스위칭이 필요할 수 있고, 비교적 높은 빔 전류 범위에서는 빔 전류 빠른 스위칭이 필요하지 않을 수 있다. 따라서, 제2 실시형태에서의 자기 건 렌즈/정전 건 렌즈 혼합 동작은 높은 해상도 및 빔 전류 빠른 스위칭 둘 다의 장점을 취하는 비교적 낮은 빔 전류에서 사용될 수 있다. 자기 건 렌즈만의 동작(정전 건 렌즈의 턴 오프)은, 높은 빔 전류에 의한 높은 해상도의 장점을 취하는 비교적 높은 빔 전류에서 사용될 수 있다.
도 11을 도 10에 비교하면, 제3 실시형태는 비교적 낮은 빔 전류의 큰 범위에서 빠른 빔 전류 스위칭 능력을 잃지 않고 빔 전류에서의 해상도를 향상시킨다.
도 12는 방법(300)의 실시형태의 플로우차트이다. 301에서, 전자 빔은 전자 소스에 의해 생성된다. 302에서, 전자 빔은 추출기에 의해 추출된다. 303에서, 전자 빔은 자기 건 렌즈를 사용하여 빔 제한 개구를 통해 웨이퍼에 지향된다. 자기 건 렌즈는 복수의 폴 피스들 및 코일들을 포함하고 빔 제한 개구의 어느 한 측 상에 배치된다. 304에서, 전자 빔은, 빔 제한 개구를 전자 빔이 통과한 후에, 정전 건 렌즈를 통과한다. 전자 빔은 웨이퍼의 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다.
전자 빔은, 전자 빔이 웨이퍼에 도달하기 전에, 컬럼 개구, 집광 렌즈, 및 대물 렌즈를 통과할 수 있다. 실시예에서, 전자 빔은, 빔 제한 개구와 컬럼 개구 사이의 제1 크로스오버 및 집광 렌즈와 대물 렌즈 사이의 제2 크로스오버를 갖도록 구성된다.
자기 건 렌즈와 정전 건 렌즈는 둘 다 동작 중에 활성화될 수 있지만, 전자 건 렌즈도 동작 중에 활성화되지 않을 수 있다(즉, 자기 건 렌즈만 동작 중에 활성화될 수 있음).
자기 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다. 정전 건 렌즈도 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다. 자기 건 렌즈 및 정전 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성될 수 있다. 자기 건 렌즈 및/또는 정전 건 렌즈가 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성되는지 여부에 상관없이, 전자 소스는 냉 전계 방출 소스일 수 있다.
전자 빔 장치는 서브 나노 암페어(예를 들어, 대략 0.001 nA 내지 0.1 nA) 미만의 낮은 빔 전류를 갖는 SEM 플랫폼, 서브 nA 내지 nA(예를 들어, 대략 0.05 nA 내지 5 nA)의 중간 빔 전류를 갖는 검수 플랫폼, 및 nA 내지 수백 nA(예를 들어, 대략 1 nA 내지 500 nA)의 높은 빔 전류를 갖는 검사 플랫폼으로 사용될 수 있다. 이것은, 물리적 결함 검사, 핫 스팟 검사, 전압 대비 검사, 또는 다른 기술들을 커버할 수 있다.
전자 빔의 빔 전류는 0.001 nA 내지 500 nA일 수 있다. SEM 애플리케이션에 대한 스팟 사이즈는 35 nm 내지 65 nm일 수 있다. 여기에 개시된 실시형태는 사용하면, 전자 빔의 해상도는 대략 20 nm 내지 80 nm이다.
예시적 검수 애플리케이션에서, 높은 해상도 모드는 대략 0.05 nA 내지 0.2 nA의 빔 전류를 사용할 수 있고, 높은 처리량 모드는 대략 0.5 nA 내지 5 nA의 빔 전류를 사용할 수 있다. 예시적 웨이퍼 검사 애플리케이션에서, 핫 스팟 또는 물리적 결함 검사는 대략 1 nA 내지 20 nA의 빔 전류를 사용할 수 있고, 전압 대비 검사는 때때로 50 nA 내지 500 nA의 빔 전류를 사용할 수 있다. 이러한 어플리케이션에서 빔 전류 스위칭은 초 단위 이하의 빠른 스위칭이 필요할 수 있다.
전자들 사이의 쿨롱 상호작용에 의해 유도된 블러는 주어진 빔 전류를 전달하는 전자 빔의 체적의 사이즈에 직접 관련될 수 있다. r(z)를 광축(z)을 따른 전자 빔의 반경으로 가정하면, 전자 부피 밀도n(z)는 식 14에 의해 주어진다.
Figure pct00017
[식 14]
전자의 평균 이격 거리(d(z))는 식 15에 의해 주어진다.
Figure pct00018
[식 15]
이격(d(z))의 제곱에 비례하기 때문에, 전자 이격 거리(d(z))가 클수록 전자들 사이의 쿨롱 힘은 약하게 될 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, CFE 기반 광학부에 의한 전자 이격 거리는 TFE 기반 광학부에 의한 것보다 크다. 따라서, CFE 기반 광학부에서의 쿨롱 상호작용 블러는 TFE 기반 광학부에 비해 감소된다. 감소 백분율은 빔 전류에 따라 변할 수 있다. 빔 전류가 높을수록 쿨롱 효과 블러가 더 줄어들 수 있다. 모든 스팟 사이즈 대 빔 전류 플롯(plot)에는, 전자들 사이의 쿨롱 상호작용이 포함된다.
여기 개시된 실시형태는 도 13의 시스템(400)과 같은 시스템을 포함하거나 시스템으로 수행될 수 있다. 시스템(400)은 적어도 에너지 소스 및 검출기를 포함하는 출력 취득 서브시스템을 포함한다. 출력 취득 서브시스템은 전자 빔 기반 출력 취득 서브시스템일 수 있다. 예를 들어, 일 실시형태에서, 웨이퍼(404)에 지향된 에너지는 전자를 포함하고, 웨이퍼(404)로부터 검출된 에너지는 전자를 포함한다. 이러한 방식으로, 에너지 소스는 전자 빔 소스(402)가 될 수 있다. 도 13에 도시된 이러한 일 실시형태에서, 출력 취득 서브시스템은 제어 유닛(407)에 커플링된 전자 광학 컬럼(electron optical column)(401)을 포함한다. 제어 유닛(407)은 하나 이상의 프로세서(408) 및 하나 이상의 메모리(409)를 포함할 수 있다. 각각의 프로세서(408)는 하나 이상의 메모리(409)와 전자 통신할 수 있다. 실시형태에서, 하나 이상의 프로세서(408)가 통신 가능하게 커플링된다. 이에 관하여, 하나 이상의 프로세서(408)는 웨이퍼(404)의 이미지를 수신할 수 있고 제어 유닛(407)의 메모리(409) 내에 이미지를 저장할 수 있다. 제어 유닛(407)은 또한 적어도 하나의 프로세서(408)와 전자 통신하는 통신 포트(410)를 포함할 수 있다.
또한 도 13에 도시된 바와 같이, 전자 광학 컬럼(401)은 하나 이상의 엘리먼트(403)에 의해 웨이퍼(404)에 집속되는 전자를 생성하도록 구성된 전자 빔 소스(402)를 포함한다. 전자 빔 소스(402)는 이미터를 포함할 수 있고, 하나 이상의 엘리먼트(403)는 예를 들어 건 렌즈(gun lens)(예를 들어, 자기 건 렌즈 및/또는 정전 건 렌즈), 애노드, 빔 제한 개구, 게이트 밸브, 빔 전류 선택 개구, 대물 렌즈, 및/또는 스캐닝 서브시스템을 포함할 수 있다. 전자 컬럼(401)은 공지된 임의의 다른 적합한 엘리먼트를 포함할 수 있다. 오직 하나의 전자 빔 소스(402)가 예시되었지만, 시스템(400)은 다수의 전자 빔 소스(402)를 포함할 수 있다.
전자 빔 소스(402) 및 엘리먼트들(403)은 도 3 및 도 4 또는 도 8 및 도 9에 도시된 실시형태의 콤포넌트들이거나 이 콤포넌트들을 포함할 수 있다.
웨이퍼(404)로부터 리턴된 전자(예를 들어, 2차 전자)는 하나 이상의 엘리먼트(405)에 의해 검출기(406)로 집속될 수 있다. 하나 이상의 엘리먼트(405)는, 예를 들어 엘리먼트(들)(403)에 포함된 동일한 스캐닝 서브시스템일 수 있는 스캐닝 서브시스템을 포함할 수 있다. 전자 컬럼(401)은 공지된 임의의 다른 적합한 엘리먼트를 포함할 수 있다.
전자 컬럼(401)은 전자가 경사 입사각으로 웨이퍼(404)로 지향되고, 다른 경사각으로 웨이퍼로부터 산란되도록 구성되는 것으로 도 13에 도시되어 있지만, 전자 빔은 임의의 적합한 각도로 웨이퍼로 지향되고 웨이퍼로부터 산란될 수 있다. 또한, 전자 빔 기반 출력 취득 서브시스템은 (예를 들어, 상이한 조명 각도, 집속 각도 등으로) 웨이퍼(404)의 이미지를 생성하기 위해 다수의 모드를 사용하도록 구성될 수 있다. 전자 빔 기반 출력 취득 서브시스템의 다수의 모드는 출력 취득 서브시스템의 임의의 이미지 생성 파라미터가 상이할 수 있다.
제어 유닛(407)은 검출기(406) 또는 시스템(400)의 다른 콤포넌트들과 전자 통신할 수 있다. 검출기(406)가 웨이퍼(404)의 표면으로부터 리턴되는 전자를 검출하여 웨이퍼(404)의 전자 빔 이미지를 형성할 수 있다. 전자 빔 이미지는 임의의 적합한 전자 빔 이미지를 포함할 수 있다. 제어 유닛(407)은 여기에 개시된 임의의 실시형태에 따라 구성될 수 있다. 제어 유닛(407)은 또한, 검출기(406)의 출력 및/또는 전자 빔 이미지를 사용하여 다른 기능 또는 추가 단계들을 수행하도록 구성될 수 있다.
제어 유닛(407)은 실제로 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어의 임의의 조합에 의해 구현될 수 있음을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에 기술된 바와 같은 기능은 하나의 유닛에 의해 수행되거나 상이한 콤포넌트로 분할될 수 있으며, 이들 각각은 하드웨어, 소프트웨어, 및 펌웨어의 임의의 조합으로 차례로 구현될 수 있다. 다수의 방법 및 기능을 구현하기 위한 제어 유닛(407)에 대한 프로그램 코드 또는 명령어는, 제어 유닛(407) 내부, 제어 유닛(407) 외부, 또는 이들의 조합에서의 메모리(409)와 같은 컨트롤러 판독가능 저장 매체에 저장될 수 있다.
도 13은 전자 빔 기반 출력 취득 서브시스템의 구성을 일반적으로 예시하기 위해 본 명세서에 제공된다는 점에 유의해야 한다. 여기에 설명된 전자 빔 기반 출력 취득 서브시스템 구성은 상용 출력 취득 시스템을 디자인할 때 정상적으로 수행되는 출력 취득 서브시스템의 성능을 최적화하도록 변경될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 시스템 또는 이 시스템의 콤포넌트들은 (예를 들어, 본 명세서에 기술된 기능을 기존 시스템에 추가함으로써) 기존 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 이러한 시스템들에 대해, 여기에 설명된 방법들은(예를 들어, 시스템의 다른 기능에 부가하여) 시스템의 선택적 기능으로서 제공될 수 있다.
결함 검출 시스템의 일부로서 개시되었지만, 여기에 개시된 제어 유닛(407) 또는 방법은 검사 시스템에 의한 사용을 위해 구성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 여기에 개시된 제어 유닛(407) 또는 방법은 계측 시스템에 의한 사용을 위해 구성될 수 있다. 따라서, 여기에 개시된 실시형태는 상이한 애플리케이션에 대해 다소 적합한 상이한 이미징 능력을 갖는 시스템에 대해 다수의 방식으로 맞춤화될(tailored) 수 있는 분류(classification)를 위한 일부 구성을 설명한다.
특히, 여기에 개시된 실시형태는, 검출기(406) 또는 결함 검수 툴, 마스크 검사기, 가상 검사기, 또는 다른 디바이스들의 콤포넌트들이거나 이것들에 커플링된 컴퓨터 노드 또는 컴퓨터 클러스터 상에 설치될 수 있다. 이러한 방식으로, 여기에 개시된 실시형태는, 웨이퍼 검사, 마스크 검사, 전자 빔 검사 및 검수, 계측, 또는 다른 애플리케이션들을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는 다양한 애플리케이션을 위해 사용될 수 있는 출력을 생성할 수 있다. 도 13에 도시된 시스템(400)의 특성은, 출력을 생성하기 위한 표본(specimen)에 기초하여 전술한 바와 같이 수정될 수 있다.
여기에 개시된 제어 유닛(407), 다른 시스템(들), 또는 다른 서브시스템(들)은, 퍼스널 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 이미지 컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터 시스템, 워크스테이션, 네트워크 어플라이언스, 인터넷 어플라이언스, 패러렐 프로세서, 또는 다른 디바이스를 포함하는 다수의 형태를 취할 수 있다. 일반적으로, 용어 “제어 유닛”은 메모리 매체로부터의 명령어들을 실행하는 하나 이상의 프로세서를 가진 임의의 디바이스를 포괄하도록 광범위하게 정의될 수 있다. 서브시스템(들) 또는 시스템(들)은 또한 병렬 프로세서와 같은 당해 기술분야에 공지된 임의의 적합한 프로세서를 포함할 수 있다. 또한, 서브시스템(들) 또는 시스템(들)은, 독립형 툴(tool) 또는 네트워크형 툴로서, 고속 프로세싱 및 소프트웨어를 갖는 플랫폼을 포함할 수 있다.
시스템이 하나보다 많은 서브시스템을 포함하면, 이미지, 데이터, 정보, 명령어 등이 서브시스템들 사이에서 전송될 수 있도록, 상이한 서브시스템들이 서로 커플링될 수 있다. 예를 들어, 하나의 서브시스템은, 당해 기술분야에 공지된 임의의 적합한 유선 및/또는 무선 송신 매체를 포함할 수 있는 임의의 적합한 송신 매체에 의해 추가 서브시스템(들)에 커플링될 수 있다. 이러한 2개 이상의 서브시스템들은 또한, 공유된 컴퓨터 판독가능 저장 매체(미도시)에 의해 효과적으로 커플링될 수 있다.
다른 실시형태에서, 제어 유닛(407)은 당업계에 공지된 임의의 방식으로 시스템(400)의 임의의 다수의 콤포넌트들 또는 서브시스템들에 통신 가능하게 커플링될 수 있다. 또한, 제어 유닛(407)은, 유선 및/또는 무선 부분을 포함할 수 있는 송신 매체에 의해 다른 시스템들로부터의 데이터 또는 정보(예를 들어, BBP(broad band plasma) 등의 검사 시스템으로부터의 검사 결과)를 수신 및/또는 획득하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 송신 매체는 시스템(400)의 다른 서브시스템 또는 시스템(400)의 외부 시스템들과 제어 유닛(407)과의 사이의 데이터 링크로서 기능할 수 있다.
제어 유닛(407)이 시스템(400)에 의해 생성된 출력을 수신할 수 있도록, 제어 유닛(407)은 임의의 적합한 방식으로(예를 들어, 유선 및/또는 무선 송신 매체를 포함할 수 있는 하나 이상의 송신 매체를 통해) 시스템(400)의 콤포넌트들에 커플링될 수 있다. 제어 유닛(407)은 출력을 사용하여 다수의 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 제어 유닛(407)은 출력에 대한 결함 검수를 수행하지 않고 출력을 메모리(409) 또는 다른 저장 매체에 출력을 전송하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛(407)은 또한, 여기에 개시된 바와 같이 구성될 수 있다.
추가 실시형태는, 컴퓨터 구현 방법을 수행하기 위한 제어기 상에서 실행 가능한 프로그램 명령어들을 저장하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체에 관한 것이다. 특히, 도 13에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(407)은, 제어 유닛(407) 상에서 실행 가능한 프로그램 명령어들을 포함하는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 가진 다른 전자 데이터 저장 매체 또는 메모리(409)를 포함할 수 있다. 컴퓨터 구현 방법은 여기에 개시된 임의의 방법(들)의 임의의 단계(들)을 포함할 수 있다. 메모리(409) 또는 다른 전자 데이터 저장 매체는 공지된 자기 또는 광학 디스크, 자기 테이프, 또는 임의의 다른 적합한 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체와 같은 저장 매체일 수 있다.
프로그램 명령어들은 다른 것들 중에서 절차 기반 기술, 콤포넌트 기반 기술 및/또는 객체 지향 기술을 포함하는 다양한 방법 중 임의의 방법으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로그램 명령어들은, 요구에 따라, ActiveX controls, C++ objects, JavaBeans, Microsoft Foundation Classes (MFC), SSE(Streaming SIMD Extension), 또는 다른 기술들이나 방법들을 사용하여 구현될 수 있다.
일부 실시형태에서, 여기에 개시된 시스템(400) 및 방법의 다수의 단계들, 기능들, 및/또는 동작들은, 전자 회로, 로직 게이트, 멀티플렉서, 프로그램가능 로직 디바이스, ASIC, 아날로그 또는 디지털 컨트롤/스위치, 마이크로컨트롤러, 또는 컴퓨팅 시스템 중 하나 이상에 의해 수행된다. 여기에 개시된 바와 같은 방법을 구현하는 프로그램 명령어들은 캐리어 매체를 통해 송신되거나 캐리어 매체에 저장될 수 있다. 캐리어 매체는 판독 전용 메모리, 랜덤 액세스 메모리, 자기 또는 광학 디스크, 비휘발성 메모리, 솔리드 스테이트 메모리, 자기 테이프 등과 같은 저장 매체를 포함할 수 있다. 캐리어 매체는 와이어, 케이블, 또는 무선 송신 링크 등의 송신 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서를 통해 개시된 다수의 단계들은, 단일 제어 유닛(407)(또는 컴퓨터 시스템), 또는 대안적으로 다수의 제어 유닛들(407)(또는 다수의 컴퓨터 시스템들)에 의해 수행될 수 있다. 또한, 시스템(400)의 상이한 서브시스템들은 하나 이상의 컴퓨팅 또는 시스템을 포함할 수 있다. 따라서, 상기 설명은 본 발명에 대한 한정이 아닌 단지 예시로서 해석되어야 한다.
방법의 각 단계들은 여기에 개시된 바와 같이 수행될 수 있다. 방법은 또한 여기에 개시된 제어기 및/또는 컴퓨터 서브시스템(들) 또는 시스템(들)에 의해 수행될 수 있는 임의의 다른 단계(들)을 포함할 수 있다. 단계들은 여기에 개시된 임의의 실시형태에 따라 구성될 수 있는 하나 이상의 컴퓨터 시스템에 의해 수행될 수 있다. 또한, 전술한 방법은 여기에 개시된 임의의 시스템 실시형태에 의해 수행될 수 있다.
본 개시가 하나 이상의 특정 실시형태에 관하여 설명되었지만, 본 개시의 다른 실시형태가 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있음이 이해될 것이다. 따라서, 본 개시는 첨부된 청구 범위 및 그것의 합리적인 해석에 의해서만 제한되는 것으로 간주된다.

Claims (18)

  1. 전자 빔 장치로서,
    전자 소스 - 상기 전자 소스는,
    전자들을 방출하도록 구성된 팁;
    억제기; 및
    추출기를 포함함 - ;
    접지되는 제1 정전 애노드(electrostatic anode);
    상기 정전 애노드와 상기 전자 소스 사이에 배치되는 빔 제한 개구;
    복수의 폴 피스(pole piece)들 및 코일(coil)들을 포함하는 자기 건 렌즈(magnetic gun lens) - 상기 자기 건 렌즈는 상기 전자 소스, 상기 제1 정전 애노드, 및 상기 빔 제한 개구의 어느 한 측 상에 배치됨 - ;
    상기 제1 정전 애노드와는 상기 빔 제한 개구의 반대편 측 상에 배치되는 정전 건 렌즈(electrostatic gun lens); 및
    제2 정전 애노드 - 상기 제2 정전 애노드는 접지되고 상기 제1 정전 애노드와는 상기 정전 건 렌즈의 반대편 측 상에 배치됨 -
    를 포함하는, 전자 빔 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    웨이퍼를 유지하도록 구성되는 척;
    집광 렌즈;
    상기 척과 상기 집광 렌즈 사이에 배치된 대물 렌즈; 및
    상기 제2 정전 애노드와 상기 집광 렌즈 사이에 배치되는 컬럼 개구
    를 더 포함하는, 전자 빔 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전자 빔 장치는, 상기 정전 건 렌즈와 상기 컬럼 개구 사이에서의 제1 크로스오버 및 상기 집광 렌즈와 상기 대물 렌즈 사이에서의 제2 크로스오버를 갖도록 상기 전자 빔을 형성하도록 구성되는 것인, 전자 빔 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자 소스는 냉 전계 방출 소스(cold field emission source)인 것인, 전자 빔 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전자 소스는 열 전계 방출 소스인 것인, 전자 빔 장치.
  6. 제1항에 기재된 전자 빔 장치를 포함하는 스캐닝 전자현미경.
  7. 방법으로서,
    전자 소스에 의해 전자를 생성하는 단계;
    추출기에 의해 상기 전자 빔을 추출하는 단계;
    복수의 폴 피스들 및 코일들을 포함하고 빔 제한 개구의 어느 한 측 상에 배치되는 자기 건 렌즈를 사용하여 상기 빔 제한 개구를 통해 웨이퍼에 상기 전자 빔을 지향시키는 단계; 및
    상기 전자 빔이 상기 빔 제한 개구를 통과한 후에, 상기 전자 빔을 정전 건 렌즈를 통과시키는 단계
    를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서
    상기 웨이퍼의 이미지를 생성하기 위해 상기 전자 빔을 사용하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 자기 건 렌즈는 활성화되고 상기 정전 건 렌즈는 활성화되지 않는 것인, 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 자기 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성되는 것인, 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 전자 빔이 상기 웨이퍼에 도달하기 전에, 상기 전자 빔을 컬럼 개구, 집광 렌즈, 및 대물 렌즈를 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 전자 빔은 상기 빔 제한 개구와 상기 컬럼 개구 사이에서의 제1 크로스오버 및 상기 집광 렌즈와 상기 대물 렌즈 사이에서의 제2 크로스오버를 갖도록 구성되는 것인, 방법.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 정전 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성되는 것인, 방법.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 자기 건 렌즈 및 상기 정전 건 렌즈는 빔 전류 스위칭 속도로 빔 전류를 선택하도록 구성되는 것인, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전자 소스는 냉 전계 방출 소스인 것인, 방법.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 전자 빔의 빔 전류는 0.001 nA 내지 500 nA인 것인, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 전자 빔의 해상도는 20 nm 내지 50 nm인 것인, 방법.
  18. 제7항에 있어서,
    빔 전류의 스위칭은 1초 이하에서 발생하는 것인, 방법.
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