JP2005174568A - 対物レンズ、電子線装置及びこれらを用いたデバイス製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡筒部で生じるイオンの影響を受けずカソードの寿命が長く、複数の電子線の光軸周りの配置が適切で、場合によっては１つ電子銃から５本以上の複数の電子線を形成することが可能な電子線装置を提供すること。
【解決手段】ＺｒＯ／Ｗ（タングステンジルコン酸）カソード又は遷移金属の炭化物カソードの電子銃から放出される光軸外方向への電子線を試料上に集束し走査する電子線装置であって、この電子線装置は、電子銃室側と試料側との真空コンダクタンスを小さくする板を備え、この板における光軸から離れた位置に電子線を通過させるための開口を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は電子線装置に係り、特に、最小線幅が0.1μｍ未満のパターンを有する基板（試料）の評価を高スループットで行う電子線装置に関する。また本発明は、ウェハ径が300ｍｍΦ以上に大型化した場合に、ウェハ上のパターンを高スループットで評価でき、ウェハ上にパターンを高スループットで形成することができる電子線装置に関する。更に、そのような電子線装置を用いてデバイスを製造する方法に関する。

近年、基板上のパターン評価や基板上へパターンを形成するために電子線が用いられるようになってきた。電子線を放出するものとしては、ＺｒＯ／Ｗ（タングステンジルコン酸）カソードの電子銃を用いた電子線装置がある。この電子線装置では、従来光軸上に所定の開口を形成し、この開口を通して電子線を基板に照射していた。このとき、開口を微小なものにすることで排気コンダクタンスを小さくし、電子銃室を超高真空に保つことができた。
また、パターン評価やパターン形成の際のスループット向上を目的として、ＺｒＯ／Ｗカソード電子銃から放出される電子線に基づいて、複数本の電子線を形成する場合があった。この場合、電子銃の特性から最高４本の電子線を形成する方法が提案されていた。

また、ＺｒＯ／Ｗカソード電子銃からの電子線は、その特性から全体のエネルギの10％程度の電子線だけが実際の走査などに利用され、残りの電子線は利用されていなかった。一方、ＴａＣ等の遷移金属の炭化物カソードからの電子線は光軸方向には放出されず、光軸外の四方向へのみ強い電子線が放出されることが知られていた。
更に、複数本の電子線を取り扱う電子線装置に用いられる磁気レンズとしては、円形の外形を有する板の中央領域に複数本の光軸が通る磁気レンズが用いられていた。

しかしながら、上記従来の各電子線装置等には以下のような問題があった。即ち、光軸上に電子線を通す微小開口を形成した場合、微小開口の下流側における鏡筒部で発生したイオンがこの微小開口を通過してしまい、カソードを損傷させてしまうという問題があった。なぜなら、イオンは正の電荷を有しており、カソードとアノードとで形成される電界によって加速されて光軸に沿ってカソードに衝突し、カソードがイオン衝撃を受けるからである。
また、電子線を複数本化する場合であっても、４本程度の電子線しか形成しない場合には、パターン評価やパターン形成の際のスループットがあまり向上しない、という問題があった。

また、ＺｒＯ／Ｗカソードについては、光軸方向に放出される電子線よりも強度がはるかに強い光軸外方向への４本の電子線が利用されていなかった。一方、ＴａＣカソードについては、強い電子線が放出されるにもかかわらず、これらの強い電子線が有効に利用されていなかった。
また、強度の強い電子線を細く集束させようとすると、空間電荷効果によって電子線がぼけてしまい、十分に細く集束させることができない、という問題があった。
更に、円形の外形を有する板の中央領域に複数個の光軸を有する磁気レンズを使用する場合、光軸は３行３列とか４行４列とか、更には５行５列のようにマトリック状に配置されている。このため、コイルから各光軸までの距離がそれぞれ異なり、その結果、磁気レンズのコイルに近い領域（周辺領域）の光軸でのレンズ強度が、コイルから遠い領域（中央領域）における光軸でのレンズ強度と若干異なる、という問題があった。更に、マトリックス状に配列された電子線を用い、試料台を連続移動させながらパターン評価を行う場合に、評価領域が重複してしまう、という問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、鏡筒部で生じるイオンの影響を受けずカソードの寿命が長く、複数の電子線の光軸周りの配置が適切で、場合によっては１つ電子銃から５本以上の複数の電子線を形成することが可能な電子線装置を提供することを目的とする。
また、４本の電子線を輝度を低下させないで試料まで到達させることが可能で、空間電荷効果をできるだけ抑制して大電流の電子線を小径に絞ることが可能な電子線装置を提供することを目的とする。

また本発明は、複数本の電子線を１枚のウェハ上に形成可能な対物レンズであって、評価領域重複の問題が無く、どの電子線に対するレンズ強度もほぼ等しい対物レンズを提供することを目的とする。
更に、このような電子線装置又は対物レンズを有する電子線装置を用いたデバイス製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出された電子線を試料上に集束し走査する電子光学系とを有する電子線装置であって、電子銃と試料との間に電磁レンズを設け、この電磁レンズを用いて電子線の光軸まわりの回転量を調整する、という構成をとっている。

請求項２の発明では、ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出された電子線を試料上に集束し走査する電子光学系とを有する電子線装置であって、５〜８個の電子線を形成する成形開口板を有する、という構成をとっている。

請求項３記載の発明では、ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出される電子線を集束させる静電レンズとを備え、この静電レンズをカソードに近接して設けると共に正の電圧を印加して、ＮＡ開口板のＮＡ開口に電子線を照射する、という構成を採っている。

請求項４記載の発明では、請求項３に記載の電子線装置において、静電レンズは３枚の電極を重ね合わせた構造を有し、これら３枚の電極のうち中央の電極は厚みが２ｍｍ以上である、という構成を採っている。
請求項５記載の発明では、請求項４に記載の電子線装置において、中央電極に形成された開口は、カソード側の内径がＮＡ開口板側の内径より小さくする、という構成を採っている。

請求項６記載の発明では、強磁性体からなり第１の方向に長手軸を有する薄板部とこの薄板部の周辺を取り囲むリブ構造の厚板部とを備え、薄板部における電子線の光軸に対応する位置に複数のパイプ状の突起を有する第１の部品と、強磁性体からなり第１の方向に長手軸を有する薄板部とこの薄板部の周辺を取り囲むリブ構造の厚板部とを備え、薄板部における電子線の光軸に対応する位置に複数の開口部が形成された第２の部品と、第１の部品と第２の部品とを各光軸に対応する部分を共通にして所定の隙間を空けて組合せた時に生じる各部品の各厚板部の間に設けられると共に、各光軸と直交する方向に沿って巻かれたコイルとを有する、という構成を採っている。

請求項７記載の発明では、請求項６に記載の対物レンズにおいて、コイルに電流を流した時発生する磁力線が、強磁性体外へ出るレンズギャップが試料側に向かって形成されるように、第１及び第２の部品の薄板部の間隔と上記パイプ状突起の光軸方向の長さとの関係を設計する、という構成を採っている。
請求項８記載の発明では、請求項６又は７に記載の対物レンズを用い、第１の方向に直角な第２の方向に試料台を連続移動させながら、第１の方向に電子線を走査させて試料のパターン評価又はパターン描画を行う、という構成を採っている。

請求項９記載の発明では、電子銃からの電子線を試料に集束させるための対物レンズであって、対物レンズは、励磁コイルが、電子線の光軸近傍の内側磁極と、この内側磁極の外側に配置された外側磁極と、内側磁極と外側磁極の間に接続された磁気回路とで囲まれた構造を有し、内側磁極と外側磁極との間に形成されるレンズギャップは試料側に開口すると共に、前記内側磁極と外側磁極は、試料側から電子銃側に向かって徐々に広がる円錐台状の形状を有している、という構成を採っている。
請求項１０記載の発明では、請求項９に記載の対物レンズにおいて、対物レンズと試料との間には、正の電圧が印加された軸対称の電極が設けられている、という構成を採っている。
請求項１１記載の発明では、請求項９又は１０に記載の対物レンズにおいて、内側磁極の内側にＥ×Ｂ分離器を設けた、という構成を採っている。

請求項１２記載の発明では、請求項１から５の何れかに記載の電子線装置を用いてパターン評価又はパターン形成を行う、という構成を採っている。
請求項１３記載の発明では、請求項６から１１の何れかに記載の対物レンズを備えた電子線装置を用いてパターン評価又はパターン形成を行うことを特徴とするデバイス製造方法。

電子銃室と鏡筒部の間の光軸上には開口が無いので、鏡筒部からのイオンがカソードに衝突してカソードを損傷させることが少ない、という効果を有する。また、本発明では、４つの開口を有する開口板と試料間に２段の電磁レンズを設けたので、これらの電磁レンズを短焦点距離にでき、この開口板と試料間の光路長を30ｃｍ以下にできる。このため、空間電荷効果を小さくでき、これにより大きい電流の電子線を小さい寸法で形成することができる、という効果を有する。
また、多数の電子線が形成されるので、試料上のパターンの評価あるいはパターン形成のスループットを向上させることができる、という効果を有する。

先ず、図１に基づいて、本発明の一実施形態に係る電子線装置１の構造を、光軸ＯＡの上流側から下流側に向かって順に説明する。図１は、電子線装置１の全体を示す概略図である。電子線装置１には電子銃２が設けられており、電子銃２は、電子線を放出するＺｒＯ／Ｗカソード２ａと、ＺｒＯ／Ｗカソード２ａを加熱するためのカソード加熱フィラメント２ｂとを備えている。そして、これらＺｒＯ／Ｗカソード２ａとカソード加熱フィラメント２ｂとはショットキーシールド２ｃで囲まれている。ショットキーシールド２ｃは、カソード加熱フィラメント２ｂからの熱電子を追い返して電子線に影響を及ぼさないようにするためのものである。また、ショットキーシールド２ｃには、ＺｒＯ／Ｗカソード２ａの近傍に所定の開口が形成されており、この開口を電子線が通過するようになっている。尚、カソードは遷移金属の炭化物カソードであってもよく、これについては後述する。

また、ショットキーシールド２ｃは電子銃室２ｄに囲まれており、更にこの電子銃室２ｄの外側表面であって光軸ＯＡに対応する位置には、オリフィスとして機能する平板状のアノード４が設けられている。そして、このアノード４には、光軸ＯＡから僅かにずれた位置に４つの微小開口４ａ（図では２つのみを示している）が形成されている。ここで、微小開口４ａは非常に小さいので、電子銃室２ｄ側と試料１５側の鏡筒部１７との間が仕切られ、真空コンダクタンスは小さく維持される。これと同時に、アノード４は、光軸ＯＡからはずれて光軸外方向へ放出される電子線のうち、強度が大きい電子線の部分が通過できるように、４つの微小開口４ａの位置や形状が適切に設計されている。

アノード４の下流側には、回転制御レンズ５が設けられている。回転制御レンズ５は、光軸ＯＡに沿って２段構造となっており、各段にはそれぞれ２つのコイル５ａ，５ｂが巻かれている。各コイル５ａ，５ｂは、作られる磁界の方向が互いに逆向きとなるように、相互に反対方向に電流が流れるように制御される。２段構造の回転制御レンズ５は、各段のボーア径も磁気ギャップも等しくなるように構成されており、各コイル５ａ，５ｂにそれぞれ等しい電流が流れている場合には、電子線の光軸まわりの回転は相互に打ち消される。一方、各コイル５ａ、５ｂに流れる電流の比率を相対的に変更することによって、光軸ＯＡまわりの右回転或いは左回転の量を増減させることができる。

具体的に説明すると、回転制御レンズ５の回転作用が実質的に機能していない状態で、例えば２本の電子線における強度が大きい中心同士を結んだ線が共にＹ軸上に存在していると仮定する。この状態から、各コイル５ａ，５ｂに相互に所定の割合の電流を流すと、回転制御レンズの回転作用により、図２に示すように、電子線の強度が大きい中心Ｏ₁，Ｏ₂を結んだ線とｙ軸との間に所定の回転角θが生じる。図２は、一例として、原点が光軸の位置であり、各電子線に光軸まわりの回転角θが生じている場合を示している。尚、上記のように電子線の光軸まわりの回転角を調整するのは、電子線の強度が最大となる部分が後述するビーム成形開口の位置に正確に一致するようにするためである。尚、当該回転制御レンズは、上記したような回転機能を有すると共に、電子線を集束させる機能をも併せ持っている。

また、回転制御レンズ５の下流側には、電子線を成形する成形板１９が設けられている。この成形板１９には、多数（図１及び図２では８個）のビーム成形開口が形成され、Ｙ軸方向の両端がビーム成形開口１９ａ，１９ｂとなっている。各ビーム成形開口は、図２に示すように、Ｙ軸へ投影したときの間隔がすべて等しくなり、しかもすべてのビーム成形開口が、アノード４を通って照射される電子線の強度80％以上の領域２０の内部に入るように配置されている。ここで、電子線強度80％とは、領域２０内のうちで最もビーム強度の強い位置（通常は中心部）の強度を100％として、これに対する強度が80％であることを意味する。

成形板１８の下流側には、ＮＡ開口６ａを有するＮＡ開口板６が設けられ、更にこのＮＡ開口板６の下流側には、縮小レンズ７が設けられている。そして、縮小レンズ７の更に下流側には、静電偏向器８，１１が設けられ、電子線を偏向できるようになっている。また、静電偏向器８の近傍には、磁気レンズ１２が設けられている。さらに、光軸ＯＡの最下流部には試料１５が配置されており、当該試料１５の表面に電子線が照射されるようになっている。
また、試料１５の表面の近傍には、試料１５から放出される二次電子を加速するために正の電圧が印加された軸対称電極１４が設けられている。そして、軸対称電極１４から更に光軸ＯＡを上流側へ戻る方向には、磁気レンズ１２及びＥ×Ｂ分離器９（静電偏向器９ａ及び電磁偏向器９ｂ）が設けられている。更に、Ｅ×Ｂ分離器９によって電子線が偏向される方向には、二次電子検出器２１が設けられている。

次に、上記電子線装置１の動作について説明する。ＺｒＯ／Ｗカソード２ａから放出された電子線の一部は、アノード４の方向に向かって進行する。そして、光軸ＯＡから僅かにずれた位置の４つの微小開口４ａを通過する。このとき、鏡筒部で生じたイオンは、カソード２ａとアノード４が作り出す電界によってカソード側に向かって加速されるが、微小開口４ａは光軸からずれているので、イオンが直接カソード２ａに衝突することが回避される。
アノード４の微小開口４ａを通過した４本の電子線は、回転制御レンズ５で光軸ＯＡ周りに回転すると共に集束されて、成形板１９のビーム成形開口を通過する。成形板１９の両端部のビーム成形開口１９ａ，１９ｂを含む８個のビーム成形開口は、上記したようにＹ軸へ投影したときの間隔がすべて等しくなっている（図２参照）。

ビーム成形開口で成形された電子線は、ＮＡ開口板６のＮＡ開口６ａにクロスオーバを形成する。そして、ＮＡ開口を通過した電子線は縮小レンズ７と磁気レンズ（対物レンズ）１２で縮小され、試料１５の表面に８本の電子線が照射される。このとき、電子線は静電偏向器８，１１によってＸ軸方向に走査されている。
試料１５の走査点から放出された二次電子は、正の軸対称電極１４で加速され、磁気レンズ１２で集束されると共に、Ｅ×Ｂ分離器９で二次電子検出器２１の方向に偏向される。二次電子検出器２１で二次電子を検出することにより、８チャンネルのＳＥＭ（走査電子顕微鏡）画像を得ることができる。

図３は、光軸方向が（１００）方位のＴａＣカソード（遷移金属の炭化物カソード）を電子銃として用いた場合の、電子線の放出方向の強度分布を示したものである。図中の領域３１は（３１０）方位、領域３２は（１００）方位からの放出電子線であって、強度が60％以上である領域をそれぞれ示している。（１００）方位からの電子線の強度は比較的弱く強度が60％以上の領域も狭いので、中央部の電子線を利用するように成形板にビーム成形開口３３をそれぞれ形成した。一方、（３１０）方位からの電子線の強度は強く、強度が60％以上の領域も広いので、中心からはずれた位置でも十分強い電子線が得られる。従って、Ｙ軸へ投影した電子線間隔が８個とも等しくなる位置にビーム成形開口３３を設けることができる。

次に、図４に基づいて本発明の第２の実施形態について説明する。図４は、本実施形態に係る電子線装置５１の全体図を示す。電子線装置５１には電子銃５２が設けられている。この電子銃５２は市販のものであり、ＺｒＯ／Ｗカソード５２ａがヒータ５２ｂに溶接され、ショットキーシールド５２ｃの開口に位置決めされている。また、電子銃５２の下流側には引出電極５５ａが設けられている。この引出電極５５ａには、従来は0.6ｍｍΦの穴が形成されていたが、本発明では従来よりも大きな0.8〜1.2ｍｍΦの穴を設け、光軸ＯＡ外へ放出される電子線がこの引出電極５５ａに遮蔽されないようになっている。

また、引出電極５５ａの下流側には中央電極５５ｂ及びアノード電極５５ｃが設けられ、これらが静電レンズ５５を構成している。そして、光軸外へ放出された電子線がＮＡ開口板５８のＮＡ開口５８ａにクロスオーバを形成するように、この静電レンズ５５が機能するようになっている。また、静電レンズ５５は、光軸ＯＡに対して大きな角度で放出された電子線を収差が少なく集束させるために、中央電極５５ｂに正の電圧が印加されており加速レンズとなっている。更に、放電が生じないように小さな電圧で必要な集束力が得られるようにするために、中央電極５５ａの光軸方向の厚みは３ｍｍ以上と厚くなっている。因みに、２ｍｍ以上の厚みがあれば電子線が十分集束することがシュミレーションで確認できた。また、正の電圧を与えた方が、負の電圧を与えた場合より収差が小さくなる。

上記中央電極５５ｂには電子線が通過する開口が形成されているが、ＮＡ開口５８ａにおいて球面収差の小さなクロスオーバを形成するために、中央電極５５ｂの開口の形状は、ＺｒＯ／Ｗカソード５２ａ側では内径が小さく、ＮＡ開口板５８側で内径が大きくなっている。因みに、中央電極５５ｂが接地されると共に中央電極５５ｂの電子銃５２側の開口内径が引出電極５５ａの開口の内径と同程度の場合に収差が小さいことが分かった。これは、電子の軌道がレンズで集束され光軸近くを通るようになった場所では電極も小さくなり、軌道と電極があまり接近しないから収差が小さくなるのである。
また、静電レンズ５５の直ぐ下流には、４つのビーム成形開口５７ａ（図では２つのみ表示）を有するビーム成形開口板５７が設けられている。この各ビーム成形開口５７ａは、50μｍの直径を有し、真空コンダクタンスが小さくオリフィスの役割も有している。

４つのビーム成形開口５７ａを通過した電子線は、縮小レンズ５９で縮小され、更に対物レンズ用電磁レンズ６２で縮小され、試料６５上において約1/2000の大きさに縮小される。試料６５上では、偏向器６０とＥ×Ｂ分離器６１の静電偏向器とで二次元的にラスタ走査されてＳＥＭ像が形成される。ここで、電子線の走査は走査制御部７４からの指令に基づいて行われる。そして、試料６５上の４つの走査点から放出される二次電子は、正の電圧を印加された電極６３と対物レンズ用電磁レンズ６２とで細く集束される。集束された二次電子は、Ｅ×Ｂ分離器６１を通過した位置で拡大像が形成され、静電レンズ６６，６８とで更に拡大され、４つの穴を有する開口板７０上に試料６５の像が形成される。このとき、二次電子は軸合せ偏向器６７，６９で偏向される。

また、開口板７０の後方には、シンチレータとフォトマルチプライヤの組合せの二次電子検出器７１が備えられ、４本の電子線からの二次電子信号が独立して検出され増幅される。増幅された二次電子の信号は、Ａ／Ｄコンバータ７２でデジタル信号に変換され、画像形成回路７３に送られる。画像形成回路７３には走査制御部７４からの走査信号も入力され、二次元画像が形成される。形成された二次元画像は、画像メモリ７５に保存され、比較回路７６でセル対セル或いはダイ対ダイの比較が行われ、試料６５上のパターンの欠陥検出等が行われる。

本発明では、縮小レンズ５９と対物レンズ用電磁レンズ６２として短焦点距離レンズを用いることにより、ビーム成形開口板５７と試料６５間の距離を30ｃｍ以下の28ｃｍとすることができた。このため、空間電荷効果を抑制することができる。また、電子銃５２に接近して静電レンズ５５を配置したので、光軸ＯＡ外へ放出された４本の電子線が光軸ＯＡから大きく離れる前に集束でき、低収差のクロスオーバをＮＡ開口５８ａに形成することができて、高輝度の４本の電子線を得ることができる。更に、対物レンズを、対物レンズ用電磁レンズ６２と正電圧を印加した電極６３との組合せで構成したので、一次電子線の収差を小さくすることができたため、25ｎｍΦのビーム径で29ｎＡの電子線電流を得ることができる。更に、二次電子が通過する初段の拡大レンズを低収差とすることができたので、試料から±９０°、即ち、試料から上側のすべての方向へ放出される二次電子を、クロストーク無しに二次電子の検出器７１に集めることができる。

次に、図５に基づいて、本発明の第３の実施形態について説明する。図５は、電子線装置に使用される対物レンズ１０１を示したものであり、図５（Ａ）は平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の切断線Ｐ−Ｐにおける断面図である。この対物レンズ１０１は、Ｙ軸方向（第２の方向）に試料台（図示略）を連続移動させて試料１１２上のパターン評価を行うためのものであり、Ｘ軸方向（第１の方向）に沿って長手軸を有する長方形状の薄板部１０７，１０８を備えている。図では、長手軸方向の長さを一部省略している。

第１の部品を構成する上側の薄板部１０７には、電子線の光軸ＯＡに対応する位置に、電子線が通る電子線通過穴１０２が形成されている。また、電子線通過穴１０２の周囲には、光軸ＯＡに対して軸対称で下方へ向かう円筒状の突起１０３が形成されている。一方、第２の部品である下側の薄板部１０８には、上記した突起１０３に対応する位置に所定の開口部が形成されている。この開口部の直径は突起１０３の外径よりも大きくなっており、突起１０３の外周面と開口部の内周面１０５との間にレンズギャップ１０４が形成されている。このとき、突起１０３の最下端部の位置が、下側の薄板部１０８の下面とＺ軸方向に所定の距離が生じるように、角薄板部１０７と１０８の間隔及び突起１０３の長さが設計されている。

また、これらの薄板部１０７，１０８の周辺部には、所定のリブとしての厚板部１０９，１１１が形成されており、Ｘ軸方向（長手軸方向である第１の方向）に薄板部１０７，１０８が撓むのを防止している。そして、これらの厚板部１０９，１１１の間には、光軸ＯＡに対して直角な方向に沿って、複数の光軸ＯＡの周りに電流を流すコイル１１０が設けられている。また、図中の符号１２０は、上側磁極と下側磁極とを固定するネジ位置である。
また、上側及び下側の各薄板部１０７，１０８の間には、非磁性の金属部品から形成され、Ｏリング１４を保持するＯリング保持部材１１３が設けられている。このＯリング保持部材１１３は円筒状若しくは円環状の形状をしており、その上下両端部に溝が形成されている。そして、この溝にＯリングが挿入されており、各薄板部１０７，１０８間に挟みこまれている。このため、光軸ＯＡ側とコイル１１０側との間が相互に密封され、光軸ＯＡ側の真空を維持すると共にコイル１１０と大部分の磁極面を大気圧のままにすることができる。

対物レンズ１０１の最下端部であって試料１１２に対向する側には、薄板１０６が設けられている。この薄板１０６は正の電圧が印加されるものであり、一次電子の収差を大幅に低減できると共に、試料１１２から放出される二次電子を引き出し易くするものでる。

ここで、対物レンズ１０１には複数の電子線が入射されるが、光軸ＯＡ相互間の間隔は電子銃の間隔で決定される。仮に、電子銃の間隔が25ｍｍであるとすると、光軸ＯＡをＸ軸方向に投影した時の間隔は25／√2＝17.7ｍｍである。これは、図５に示すように、２つの光軸同士を結んだ線Ｓを斜辺とし、Ｘ軸及びＹ軸にそれぞれ平行な方向の光軸間距離ＬｘとＬｙとによって形成される三角形が、直角二等辺三角形になるように、光軸位置が設定されている場合である。このＸ軸に投影された場合の光軸ＯＡの間隔の値17.7ｍｍに基づいて計算すると、直径300ｍｍのウェハ用では、300／17.7＝16.97となり、16本の電子線をＸ軸方向に沿って配置することができる。ここで、16本の電子線を用いて試料を走査する場合、1本の電子線を用いた場合と比較して、単純計算では16倍のスループット向上となる。しかし、試料が円形のウェハなどの場合、Ｘ軸方向の両端部における評価領域は中央部より狭いため、１本の電子線を用いる場合でも当該端の部分の評価時間は中央部と比べて短い。このため、試料全体を評価する場合で比較すると、16本の電子線を用いた場合は、1本の電子線を用いた場合に比べて評価速度の向上は約10倍程度である。また、端の光学系があると、ステージをＸ軸方向に沿って大きく移動させる必要がなくなるので、試料を収容する試料収容室のＸ軸方向の寸法を小さくすることができる。

試料１１２から放出された二次電子は、薄板１０６が作る正の電界で引かれ、対物レンズ１０１が作るＺ軸方向磁界で集束され、対物レンズ１０１の上に設けたＥ×Ｂ分離器（図示略）で、符号１１５で示すように、厚板部１０９の遠い側に設けた二次光学系に向かって偏向され、二次電子検出器（図示略）で検出される。尚、本実施形態では図５に示すように、各光軸ＯＡはＸ軸に投影したときの光軸間距離が全て等しいので、Ｙ軸方向に試料台を連続移動させて評価を行う場合、同じ評価領域を別の光軸の電子線で重複して評価してしまうという問題点が解消できる。

図６は、第３の実施形態で説明した対物レンズ１０１の変形例である。当該対物レンズ１５１は、強磁性体（スーパマロイ、パーマロイ、μ−メタル、電磁軟鉄等の低ヒステリシス材料）の薄板部１７３，１７４と、厚板部１７７，１７８と、厚板部１７７と厚板部１７８の間に設けたコイル１６０からなるマルチ光軸レンズと、偏向器群１７１，１８０，１８１及びレンズ強度補正用電極１７５から構成されている。電子線の偏向収差を低減するため、偏向器群１７１，１８０，１８１は三段構成で、これらの偏向量と相互の回転角をシュミレーションで最適化することによって、広い領域を収差を増加させないで偏向することができる。

また、対物レンズ１５１の開口１７９や１７２の加工精度等により、対物レンズ１５１では光軸ＯＡ毎に焦点距離の不揃いが生じるが、この不揃いを補正するため、レンズ強度補正用電極１７５はセラミックスで作り、光軸ＯＡ毎に独立の電圧を与えることが可能となっている。偏向コイル１７１、１８１は、約120°の角度範囲で巻かれたサドル型のコイルか、Ｘ軸方向偏向用コイル１８２とＹ軸方向偏向用コイル１８３をそれぞれ持っている。また、図中の符号１８４は、上側磁極と下側磁極とを固定するネジ位置である。

次に、図７に基づいて本発明の第４の実施形態について説明する。図７は、本実施形態の対物レンズ２０１を示しており、光軸ＯＡを含む面で対物レンズ２０１を切断した断面図である。図の上方には電子銃（図示略）が備えられ、この電子銃から放出される電子線を光軸を通して当該対物レンズ２０１によって試料２０２の表面に集束するようになっている。この対物レンズ２０１は、内側電極２０３、外側電極２０４と磁気回路２１１とで励磁コイル２１０を囲む構造を有し、レンズギャップ２０６が試料２０２側に向かって開口するように形成されている。

当該対物レンズ２０１は、従来の対物レンズと異なり、レンズギャップ２０６の断面形状は光軸ＯＡと平行ではなく、試料２０２側で半径が小さく且つ電子銃側で半径が大きい円錐台のような形状を有している。このような円錐台状にすることにより、合焦条件を得るための励磁電流のＡＴ(ampere-turn)数が、光軸に平行なレンズギャップの場合に比べて半分程度に減少することがシュミレーションにより確かめられた。

また、従来は、各磁極を通る磁束の密度が、内側磁極２０３と外側磁極２０４とで対向している部分（図のハッチングを施した部分）で大きくなり過ぎ、材料の飽和磁束密度に近くなるという問題があったが、次に示すように解決された。即ち、内側磁極２０３のハッチング部２０７では、電子銃側で大きい磁束密度となり、外側磁極２０４のハッチング部２０８では試料２０２側が大きい磁束密度となる。内側磁極２０３のハッチング部１０７は、光軸に直角な面で切断した場合に電子銃側では断面積が大きくなるため、上記飽和の問題は解決される。同時に、外側磁極２０４のハッチング部２０８では、ハッチング部２０９で示すように、少し厚みを増加させることにより磁束の飽和が回避された。この結果、電極２１５に高電圧を印加した場合も電子線を小さく絞れることをシュミレーションで確認できた。また、円錐の頂角の半分の値θ₁，θ₂は、それぞれ内側磁極と外側磁極に対応する値であるが、θ₁，θ₂共に45°より大きい場合、磁極の磁束密度が小さく、スーパマロイの如き低飽和磁束密度の材料も使用可能であった。
また、外側磁極２０４の下方には、電極２１５を外側磁極２０４からなる磁極の下面に固定するためのスペーサ２０５が設けられており、スペーサ２０５の材料としてＳｉＣ等の少し導電性のあるセラミックスを用い、電子ビームから絶縁物表面が直視できることによるチャージアップの問題も解決した。
また、対物レンズ２０１は、試料２０２から放出される二次電子を検出器（図示略）の方向へ曲げるＥ×Ｂ分離器２１２を備え、このＥ×Ｂ分離器２１２は電磁偏向器２１２ｂが静電偏向器２１２ａの外側に取り付けられる鞍形コイルで、外側の磁性体のコアは対物レンズ２０１の内側磁極２０３と共通にすることにより、対物レンズ２０１と各偏向器２１２ａ，２１２ｂの軸のずれを最小にしている。
レンズギャップ２０６の近傍は、パーメンジュール（Ｃｏ−Ｆｅ50％合金）を用い、磁気回路のその他の部分はパーマロイＢ（Ｆｅ−Ｎｉ(45％)合金）を用いれば、電子ビームのエネルギが大きい場合も必要な磁場を作ることができた。
次に図８及び図９を参照して本発明による電子線装置又は対物レンズを用いた半導体デバイスの製造方法の実施形態を説明する。

図８は、本発明による電子線装置を用いた半導体デバイスの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。この実施形態の製造ステップは以下の主ステップを含んでいる。
（１）ウェハを製造するウェハ製造ステップ（又はウェハを準備するウェハ準備ステップ）
（２）露光に使用するマスクを製造するマスク製造ステップ（又はマスクを準備するマスク準備ステップ）
（３）ウェハに必要な加工処理を行うウェハプロセッシングステップ
（４）ウェハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立ステップ
（５）できたチップを検査するチップ検査ステップ
なお、上記のそれぞれの主ステップは更に幾つかのサブステップからなっている。

これらの主ステップ中の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼすのが（３）のウェハプロセッシングステップである。このステップでは、設計された回路パターンをウェハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウェハプロセッシングステップは以下の各ステップを含んでいる。
（Ａ）絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或いは電極部を形成する金属薄膜等を形成する薄膜形成ステップ（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）
（Ｂ）この薄膜層やウェハ基板を酸化する酸化ステップ
（Ｃ）薄膜層やウェハ基板等を選択的に加工するためにマスク（レチクル）を用いてレジストパターンを形成するリソグラフィーステップ
（Ｄ）レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエッチングステップ（例えばドライエッチング技術を用いる）
（Ｅ）イオン・不純物注入拡散ステップ
（Ｆ）レジスト剥離ステップ
（Ｇ）更に、加工されたウェハを検査するステップ
なお、ウェハプロセッシングステップは必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。

図９は、図８のウェハプロセッシングステップの中核をなすリソグラフィーステップを示すフローチャートである。このリソグラフィーステップは以下の各ステップを含む。
（ａ）前段のステップで回路パターンが形成されたウェハ上にレジストをコートするレジスト塗布ステップ
（ｂ）レジストを露光する露光ステップ
（ｃ）露光されたレジストを現像してレジストのパターンを得る現像ステップ
（ｄ）現像されたレジストパターンを安定化するためのアニールステップ

上記の半導体デバイス製造ステップ、ウェハプロセッシングステップ、リソグラフィーステップについては、周知のものでありこれ以上の説明を要しないであろう。
上記（Ｇ）の検査ステップに、本発明に係るパターン検査方法を用いると、微細なパターンを高精度で安定して検査できるので、製品の歩留まりの向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。

本発明は、複数の電子線を用いることで、パターンの評価やパターンの形成を高スループットで行うことができる電子線装置に適用できる。

本発明の第１の実施形態に係る電子線装置を示す概略図である。 図１に開示したビーム成形開口と電子線照射領域を示す平面図である。 電子銃に遷移金属の炭化物カソードを用いた場合のビーム成形開口と電子線照射領域を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る電子線装置を示す概略図である。 本発明の第３の実施形態に係る対物レンズを示す図であり、図５（Ａ）は平面図を示し、図５（Ｂ）は断面図を示す。 本発明の第３の実施形態に係る対物レンズの変形例を示す図であり、図６（Ａ）は平面図を示し、図６（Ｂ）は断面図を示す。 本発明の第４の実施形態に係る対物レンズを示す断面図である。 本発明による半導体デバイスの製造方法の一実施形態を示すフローチャートである。 図８に開示したウェハプロセッシングステップの中核をなすリソグラフィーステップを示すフローチャートである。

符号の説明

１ 電子線装置
２ 電子銃
２ａ カソード
２ｄ 電子銃室
４ アノード
５ 回転制御レンズ
６ ＮＡ開口板
６ａ ＮＡ開口
７ 縮小レンズ
９ Ｅ×Ｂ分離器
１２ 磁気レンズ（対物レンズ）
１３ レンズギャップ
１４ 軸対称電極
１５ 試料
１９ 成形板
１９ａ，１９ｂ ビーム成形開口
２０ 電子線強度が所定以上の領域
３１ （１００）方位からの放出電子線であって、強度が60％以上である領域
３２ （３１０）方位からの放出電子線であって、強度が60％以上である領域
５１ 電子線装置
５２ 電子銃
５２ｂ カソード
５５ａ 引出電極
５５ｂ 中央電極
５５ｃ アノード電極
５７ ビーム成形開口板
５７ａ ビーム成形開口
５８ ＮＡ開口板
５８ａ ＮＡ開口
５９ 縮小レンズ
６１ Ｅ×Ｂ分離器
６２ 対物レンズ用電磁レンズ
６３ 電極
６５ 試料
６６，６８ 静電レンズ
６７，６９ 偏向器
７０ 開口板
７１ 二次電子検出器
７２ Ａ／Ｄコンバータ
７３ 画像形成回路
７５ 画像メモリ
７６ 比較回路
１０１ 対物レンズ
１０２ 電子線通過穴
１０３ 突起
１０４ レンズギャップ
１０５ 開口内壁面
１０６ 薄板
１０７，１０８ 薄板部
１０９，１１１ 厚板部
１１０ コイル
１１２ 試料
１１３ Ｏリング保持部材
１１４ Ｏリング
１５１ 対物レンズ
１６０ コイル
１７１，１８０，１８１ 偏向器
１７２，１７６，１７９ 開口
１７３，１７４ 薄板部
１７５ レンズ強度補正用電極
１７７，１７８ 厚板部
１８２ Ｘ軸方向偏向用コイル
１８３ Ｙ軸方向偏向用コイル
２０１ 対物レンズ
２０３ 内側電極
２０４ 外側電極
２０５ スペーサ
２０６ レンズギャップ
２０７，２８８，２０９ ハッチング部分
２１０ 励磁コイル
２１１ 磁気回路
２１２ Ｅ×Ｂ分離器
２１５ 電極
ＯＡ 光軸

Claims (13)

1. 電子線装置において、
   ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出された電子線を試料上に集束し走査する電子光学系とを有し、
   前記電子銃と試料との間に電磁レンズを設け、この電磁レンズを用いて前記電子線の前記光軸まわりの回転量を調整することを特徴とする電子線装置。
2. 電子線装置において、
   ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出された電子線を試料上に集束し走査する電子光学系とを有し、
   前記電子銃から光軸外方向へ放出される電子線に基づいて、５〜８個の電子線を形成する成形開口板を有することを特徴とする電子線装置。
3. 電子線装置において、
   ＺｒＯ／Ｗカソード又は遷移金属の炭化物カソードから電子線を放出する電子銃と、この電子銃から光軸外方向へ放出される電子線を集束させる静電レンズとを備え、この静電レンズを前記カソードに近接して設けると共に正の電圧を印加して、ＮＡ開口板のＮＡ開口に前記電子線を照射することを特徴とする電子線装置。
4. 前記静電レンズは３枚の電極を重ね合わせた構造を有し、これら３枚の電極のうち中央の電極は厚みが２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３に記載の電子線装置。
5. 前記中央電極に形成された開口は、前記カソード側の内径がＮＡ開口板側の内径より小さいことを特徴とする請求項４に記載の電子線装置。
6. 強磁性体からなり第１の方向に長手軸を有する薄板部とこの薄板部の周辺を取り囲むリブ構造の厚板部とを備え、前記薄板部における電子線の光軸に対応する位置に複数のパイプ状の突起を有する第１の部品と、
   強磁性体からなり第１の方向に長手軸を有する薄板部とこの薄板部の周辺を取り囲むリブ構造の厚板部とを備え、前記薄板部における前記電子線の光軸に対応する位置に複数の開口部が形成された第２の部品と、
   前記第１の部品と第２の部品とを各光軸に対応する部分を共通にして所定の隙間を空けて組合せた時に生じる各部品の各厚板部の間に設けられると共に、前記各光軸と直交する方向に沿って巻かれたコイルと、
   を有することを特徴とする対物レンズ。
7. 前記コイルに電流を流した時発生する磁力線が前記強磁性体外へ出るレンズギャップが試料側に向かって形成されるように、前記第１及び第２の部品の薄板部の間隔と上記パイプ状突起の光軸方向の長さとの関係が設計されていることを特徴とする請求項６に記載の対物レンズ。
8. 前記第１の方向に直角な第２の方向に試料台を連続移動させながら、前記第１の方向に電子線を走査させて試料のパターン評価又はパターン描画を行うことを特徴とする請求項６又は７に記載の対物レンズ。
9. 対物レンズにおいて、
   前記対物レンズは電子銃からの電子線を試料に集束させるためのものであり、
   前記対物レンズは、励磁コイルが、電子線の光軸近傍の内側磁極と、この内側磁極の外側に配置された外側磁極と、前記内側磁極と外側磁極の間に接続された磁気回路とで囲まれた構造を有し、
   前記内側磁極と外側磁極との間に形成されるレンズギャップは試料側に開口すると共に、前記内側磁極と外側磁極は、前記試料側から電子銃側に向かって徐々に広がる円錐台状の形状を有していることを特徴とする対物レンズ。
10. 前記対物レンズと試料との間には、正の電圧が印加された軸対称の電極が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の対物レンズ。
11. 前記内側磁極の内側にＥ×Ｂ分離器を設けたことを特徴とする請求項９又は１０に記載の対物レンズ。
12. 請求項１から５の何れかに記載の電子線装置を用いてパターン評価又はパターン形成を行うことを特徴とするデバイス製造方法。
13. 請求項６から１１の何れかに記載の対物レンズを備えた電子線装置を用いてパターン評価又はパターン形成を行うことを特徴とするデバイス製造方法。

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