JP2007095576A - 荷電粒子線装置および荷電粒子線フォーカス制御方法 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、正確かつ迅速なフォーカス制御を必要とする荷電粒子線装置、特に半導体ウェハやフォトマスク等の表面の観察、検査を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線フォーカス制御方法に関し、静電レンズの可変電圧を極めて小さくして正確にフォーカス制御することを目的とする。
【構成】 磁界型対物レンズのレンズ磁界内に配置した静電レンズと、静電レンズを構成する電極に電圧を印加し、磁界型対物レンズの磁界中を通過する荷電粒子線ビームを加速あるいは減速して磁界型レンズによるレンズ作用を弱めあるいは強めさせると共に、静電レンズで荷電粒子線ビームをフォーカスさせ、フォーカス制御するフォーカス制御手段とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、正確かつ迅速なフォーカス制御を必要とする荷電粒子線装置、特に半導体ウェハやフォトマスク等の表面の観察、検査を行う荷電粒子線装置および荷電粒子線フォーカス制御方法に関するものである。

従来、半導体ウェーハやフォトマスク表面の観察やパターン測長に、電界放出型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）が用いられている。この装置においては、ＺｒＯ／Ｗエミッタなどから電界放出された電子線ビームが対物レンズにより試料に集束され、偏向器により試料表面に２次元走査される。この際、１次電子ビームの照射により試料より放出された２次電子を２次電子検出器により検出し、ＳＥＭ像として表示する。

ＦＥ−ＳＥＭなどの対物レンズには、静電レンズよりも高分解能像を得ることが可能な磁界型レンズが通常、用いられている。磁界型レンズは、コイルと、それを取り囲む磁性体の磁気ヨークから構成されている。そして、焦点の合った像を得るため、磁界型対物レンズの強度、すなわちコイル電流の値を調整して、電子線ビームを試料にフォーカスさせる。例えば、測長ＳＥＭにおいては、ウェーハやマスク表面の各測長点において、当該コイル電流の大きさを自動的に微小変化させ、最も解像度の良い像を自動的に得るようにする。

より具体的には、フォーカス電流値を、小さい値から大きい値へ順次段階的に増加させ、各段階において２次電子信号を採取、評価し、最も解像度の良い像が得られるコイル電流値に設定する。この場合の問題点は、良く知られた磁性体（例えば鉄）のヒステリシスのため、コイルの電流値が同じでも、その電流値に設定する際の履歴により磁界レンズの強度が異なり、フォーカスが合わない場合があること、また、ヒステリシスの影響を小さくするようにコイル電流を制御すると、各点の測長時間が長くなり、スループットが低下するという問題がある。

しかし、これら不具合を解消するため、磁界型対物レンズの強度を一定とし、ヒステリシスを生じない静電レンズを可変してフォーカス制御することが考えられる。例えば、磁界型対物レンズより電子源側の位置に、磁界型対物レンズとは独立に静電レンズを設け、これによりフォーカス制御するようにする。このような構成を採用すると、以下に説明するような問題がある。

図７は、従来技術の説明図（その１）を示す。図７は従来技術の静電レンズの配置例である。静電レンズ７３は、磁界型対物レンズ７４のレンズ磁界７５と離れており、レンズ磁界とレンズ電界の重なりがほとんどないように位置している。例えば、磁界型対物レンズ７４の上極から電子源側１０ｍｍの位置に、静電レンズ７３が配置されている。電子源から出た電子線ビームは、対物レンズ７４のレンズ磁界７５により集束されると共に、図示していない偏向器により試料上に走査される。静電レンズ７３の電極には正電圧Ｖｅが印加されているので、試料７１から放出された２次電子７９は、静電レンズ７３を通過でき、２次電子検出器７２で検出される。

図９は、従来技術の説明図（その３）を示す。図９は、図７の構造例において、加速電圧Ｕ＝１．５ＫＶの場合の、試料面の高さの微小変位ΔＺと、静電レンズ７３のフォーカス電圧Ｖｅとの関係を示す（実線）。比較のために、Ｖｅが負の場合も示した（点線）。但し、試料のＺ方向の基準位置をΔＺ＝０とし、ΔＺ＜０は、フォーカス面が静電レンズに近づき、ΔＺ＞０は、フォーカス面が静電レンズから遠ざかるとした。

図９において、まず、ΔＺ＝１５μｍの位置に、磁界型対物レンズ７４にて、電子線ビームをフォーカスする。この状態から、磁界型対物レンズの強度を変化させずに、静電レンズの電圧｜Ｖｅ｜を増加すると、フォーカス位置は、静電レンズ側に近づく。図９より、ΔＺ＝１５μｍから、△Ｚ＝−１５μｍまで、静電レンズによりフォーカス制御する
ために必要なＶｅの最大値は、印加電圧Ｖｅが正の場合、２３０Ｖ程度、印加電圧Ｖｅが負の場合、２００Ｖ程度であることが分かる。

この場合の問題点は、フォーカス電圧Ｖｅが試料変位△Ｚに対し線形ではないので制御が複雑になること、より線形にするために｜Ｖｅ｜を１００Ｖ程に上げると、必要な｜Ｖｅ｜の最大値がより大きくなることである。更に、電子線ビームは、偏向器により磁界型レンズの中心を通るように走査されるが、磁界型レンズのレンズ中心と離れている静電レンズの偏向作用を受けるため、静電レンズの印加電圧Ｖｅを変化させると、倍率が変化する問題が発生してしまう。

図７の構成において、上述の倍率が変化する問題を解消するには、静電レンズを磁界型レンズとほぼ同一位置に移動させれば良いと考えられる。

図８は、従来技術の説明図（その２）を示す。図８は、静電レンズを磁界型レンズとほぼ同一位置に移動させ、磁界型レンズの強度は同じとし、加速電圧Ｕ＝１．５ＫＶ、Ｖｅを正とした場合の、試料面の高さの微小変位△Ｚと、静電レンズのフォーカス電圧Ｖｅとの関係を示す。後述するように、Ｖｅが０〜＋１４００Ｖまで、静電レンズのフォーカス作用が無く、１４００Ｖ付近からフォーカス作用が生じているように見える。図８より分かるように、△Ｚ＝１５μｍから、ΔＺ＝−１５μｍまで、静電レンズによりフォーカス制御するには、印加電圧Ｖｅは、＋１４００〜＋１５００Ｖ程度と極めて大きな値が必要であり、実用的ではない。

また、試料自体に電圧を印加して、当該電圧を可変とすることで、当該試料に入射する１次電子線ビームの実効的な加速電圧を小さくなどして調整し、結果的にフォーカス制御することも行われる。しかし、試料が、マスクやウェーハ上のレジスト等の、絶縁物あるいは絶縁物に近い場合には、フォーカス精度が劣化するという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するため、静電レンズを対物レンズの磁界内に配置して当該静電レンズの荷電粒子線ビームに対する加速あるいは減速の作用による当該対物レンズのレンズ作用を弱めあるいは強めさせると共に合わせて当該静電レンズによるレンズ作用も行わせ、静電レンズの可変電圧を極めて小さくして正確にフォーカス制御するようにしている。

本発明は、以下の効果がある。
（１） ヒステリシスがないので、フォーカスが正確で、解像度の高い像が得られる。

（２） ヒステリシスがないので、迅速なフォーカス合わせが可能で、スループットが向上する。

（３） 試料から放出された２次電子を対物レンズの磁極の孔を通過後に検出する場合、静電レンズの電極への比較的小さい印加電圧でフォーカス制御が可能なので、静電レンズにおいてしばしば生じる放電の問題がない。試料付近の真空が悪い場合でも、静電レンズにおける放電が抑制できる。

（４） 静電レンズと磁界レンズをほぼ同一位置に配置したので、静電レンズを変化させてフォーカスさせた時の倍率変化を小さく抑えられる。

本発明は、静電レンズを対物レンズの磁界内に配置して当該静電レンズの荷電粒子線ビームに対する加速あるいは減速の作用による当該対物レンズのレンズ作用を弱めあるいは強めさせると共に合わせて当該静電レンズのレンズ作用も行わせることにより、静電レンズの可変電圧を極めて小さくして正確にフォーカス制御し、測長ＳＥＭにおける測長精度およびスループットを大幅に向上させることを実現した。

図１は、本発明の１実施例構造図を示す。
図１において、磁界型対物レンズ１は、コイル２とそれを軸対称に取り囲む磁気ヨークとから構成されるものである。磁気ヨークの両端は、上極３と下極４からなる。コイル２に電流を流すと、上極３と下極４の間にレンズ磁界が生じ、光軸５における光軸方向の磁束密度分布（Ｂｚ）６が形成される。例えばフォトマスクよりなる試料７は、磁束密度分布内に設置されている（磁界型イマージョンレンズという）。さらに、対物レンズ磁界内に、光軸５を軸として、ここでは、３枚の電極からなる静電レンズ（静電アイシツケルレンズ）８が組み込まれている。

光軸５方向からの電子線ビームは、主に磁界レンズの作用により集束され、図示外の走査偏向器により、試料７面上を走査される。これにより発生した２次電子９は、対物レンズ磁界の作用により光軸上に集束され、対物レンズを通過後、静電レンズより電子源側に設けられた２次電子検出器１０（ここではＭＣＰ：マイクロチャンネルプレート）により検出される（ＴＴＬ検出という）。

静電レンズ８には、例えば中央の電極に数１０Ｖの正電圧が印加され、両側の電極はアース電位に設定されている。試料７からの２次電子のエネルギーは−５Ｖ前後であるので、静電レンズ８に数１０Ｖの負電圧が印加されると、２次電子は当該レンズを通過できず、当該２次電子検出器１０によって検出されないため、通常は、正電圧を印加し、磁界レンズの作用により２次電子は光軸の回りを回転しながら上方の２次電子検出器１０に向けて走行し、検出される。

電子線ビームが試料の高さ基準位置に磁界型対物レンズの作用により集束している状態で、試料面の高さに微小変位がある場合、磁界レンズの強度は一定とし、静電レンズ８の印加電圧を制御することにより、フォーカスを微調制御することができる。

図２は、本発明の説明図（その１）を示す。当該図２に、加速電圧Ｕ＝１．５ＫＶの場合の、試料面の高さの微小変位と、静電レンズのフォーカス電圧との関係の例を示す。両者の関係は、ほぼ線形である。図２の実線は、中央に電極の印加電圧が正の場合の例を示している。すなわち、試料の高さ基準位置△Ｚ＝０において、フォーカス電圧を＋３２Ｖとする。例えば、試料位置変位△Ｚ＝−１５μｍ、すなわち、基準位置から試料面が静電レンズ８に１５μｍ近づいた場合、フォーカス電圧を０Ｖにすることにより、電子ビームを試料７にフォーカスできる。

また、△Ｚ＝＋１５μｍ、すなわち、基準位置から試料７の面が静電レンズ８から１５μｍ遠ざかった場合、フォーカス電圧を＋６７Ｖにする。これにより、試料位置が、基準位置の前後に±１５μｍ変位した場合、静電レンズの印加電圧を制御することにより、フォーカスを制御できる。対応すべき試料位置の変位範囲を、±１５μｍより大きくする場合には、静電レンズ印加電圧の制御範囲を適宜大きく設定することで可能である。

図３は、本発明の他の実施例構造図を示す。
図３に示すように、磁界型対物レンズ３１は、コイル３２とそれを軸対称に取り囲む磁気ヨークから構成されるものである。磁気ヨークの両端は、上極３３と下極３４からなる。コイル３２に電流を流すと、上極３３と下極３４の間にレンズ磁界が生じ、光軸３５における光軸方向の磁束密度分布（Ｂｚ）３６が形成される。例えばフォトマスクよりなる試料３７は、磁束密度分布の外に設置されている。さらに、、対物レンズ磁界内に、光軸３５を軸として、３枚の電極からなる静電レンズ（静電アインツェルレンズ）３８が組み込まれている。

光軸３５の方向からの電子線ビームは、主に磁界レンズ３１の作用により集束され、図示外の走査偏向器により、試料３７面上を走査される。これにより発生した２次電子３９は、２次電子検出器４０（ここではシンチレーターと光電子増倍管）のシンチレーター面に印加された＋１０ｋＶ程度の高電圧により引き付けられ、検出される。

静電レンズ３８には、例えば中央の電極に数１０Ｖの負の電圧が印加され、両側の電極はアース電位に設定されている。試料からの２次電子は、ここでは、実施例１（図１）のように静電レンズ３８を通過させる必要がないため、静電レンズ３８には負電圧を印加することが可能であり、２次電子３９は、この負電圧により追い返され、２次電子検出器４０により効率良く検出される。図３の実施例において、静電レンズ３８に正電圧を印加した場合には、一部あるいはほとんどの２次電子は、静電レンズより電子源側に設けられた２次電子検出器４１（例えばＭＣＰ）により検出される。

試料面の高さに微小変位がある場合、磁界型対物レンズ３１の強度は一定とし、静電レンズ３８の印加電圧を制御することにより、フォーカス制御することができる。図２の点線は、加速電圧Ｕ＝１．５ｋＶにて中央の電極の印加電圧が負の場合の、試料面の高さの微小変位と、静電レンズのフォーカス電圧との関係の例を示している。すなわち、試料３７の高さ基準位置△Ｚ＝０において、フォーカス電圧を−３０Ｖとする。例えば、試料位置変位△Ｚ＝−１５μｍ、すなわち、基準位置から試料面が静電レンズ３８に１５μｍ近づいた場合、フォーカス電圧を−５７Ｖにすることにより、電子ビームを試料３７にフォーカスできる。

また、△Ｚ＝＋１５μｍ、すなわち、基準位置から試料面が静電レンズ３８から１５μｍ遠ざかった場合、フォーカス電圧を０Ｖにする。これらにより、試料位置が、基準位置の前後に±１５μｍ変位した場合、静電レンズの印加電圧を制御することにより、フォーカスを制御できる。対応すべき試料位置の変位範囲を、±１５μｍより大きくする場合には、静電レンズ印加電圧の制御範囲を大きくすることで可能である。図３の実施例において、静電レンズの印加電圧を正にした場合の、試料面の高さの微小変位ΔＺとフォーカス電圧Ｖｅとの関係は、図２の実線と同様である。

試料高さ変位に対するフォーカス電圧値の説明

実施例１、２及び図２で説明したように、試料変位に対するフォーカス電圧強度｜Ｖｅ｜の傾きが、静電レンズ印加電圧の極性により、逆となる理由を以下説明する。

（１）静電レンズの印加電圧が負の場合：実施例２（図３）の構造のもとで図２の点線で説明したように、静電レンズ電圧｜Ｖｅ｜を大きくすると、フォーカス位置は、静電レンズ３８に近づく。この主な理由は、静電レンズ３８の電極に負電位を印加すると、この付近で電子（荷電粒子）は減速され、相対的に磁場レンズの集束効果が大きくなり、現在の位置よりも、静電レンズ３８に近い位置にフォーカス点が移動すると考えられる。この
状況を図４の（ａ）に示す。

図４の（ａ）は、静電レンズに負の電圧を印加した例を示す。ここで、図示の静電レンズ電圧｜Ｖｅ｜を増した時、すなわち静電レンズ強度を増した時、フォーカス位置が静電レンズ３８に近づいているので直感的に分かり易い。

（２）静電レンズの印加電圧が正の場合：上記（１）に対し、実施例１（図１）の構造のもとで図２の実線で説明したように、静電レンズ印加電圧｜Ｖｅ｜を大きくすると、フォーカス位置は静電レンズ８から遠ざかる。この状況を図４の（ｂ）に示す。静電レンズ電圧Ｖｅを増した時、すなわち静電レンズ強度を増した時、フォーカス位置が静電レンズ８から遠ざかっているので直感的に分かりにくい。

これらの状況をさらに詳細に説明する。
図５は、本発明の説明図（その３）を示す。図５は、実施例１（図１と図２の実線）において、ある試料位置Ｚ０にフォーカスする静電レンズ強度Ｖｅ／Ｕと、磁界レンズ強度Ｊ／√Ｕ（ＡＴ／Ｖ^1/2）の組合わせを示す。ここで、Ｖｅは静電レンズの印加電圧、Ｕは加速電圧、Ｊは磁界レンズの起磁力ＡＴある。

点Ａにおいては、磁場レンズの強度は０で、負電圧を印加した静電レンズのみにより、Ｚ０にフォーカスする。

点Ｃでは、静電レンズの強度は０で、磁界レンズのみによりＺ０にフォーカスする。
点Ｂにおいては、磁場レンズの強度は０で、正電圧に印加した静電レンズのみにより、Ｚ０にフォーカスする。

点ＣからＪ／√Ｕの極大値の点Ｄ付近までの範囲、すなわちＪ／√Ｕの傾きが正の範囲においては、点Ｃにおける磁界レンズ強度を保ち、静電レンズに印加した正電位の値を増すと、静電レンズ付近で電子は加速され、相対的に磁場レンズの集束効果が小さくなり、この効果が、静電レンズとしての集束作用より大きいため、点Ｚ０よりも、静電レンズ８から遠ざかる方向に、フォーカス点が移動すると解釈される。

従って、図２の実線と図４の（ｂ）で示したようなフォーカス特性となると考えられる。

図５において、フォーカス点の移動についてさらに詳述する。磁界レンズ強度Ｊ／√Ｕを点Ｃに保ち、Ｃの位置からＤの位置まで、静電レンズ強度Ｖｅ／Ｕを増加させると、フォーカス点は、点Ｚ０より、静電レンズ８から遠ざかる方向に移動する。磁界レンズ強度Ｊ／√Ｕを、点Ｄから点Ｅまでさらに増加させると、フォーカス点は、点Ｚ０の方向に
戻り、点Ｅにて、フォーカス点はＺ０となる。すなわち、静電レンズ８の強度がゼロであるフォーカス位置Ｚ０（点Ｃ）と一致する、さらに、点ＥよりＶｅ／Ｕを増加させると、Ｖｅの増加と共に、フォーカス点は、点Ｚ０から静電レンズに近づく方向に移動する。点Ｅでは、静電レンズの強度Ｖｅ／Ｕを増した時に、フォーカス点が静電レンズに近づく方向に移動するので分かり易いが、図８において述べたように、フォーカス制御には、大きな静電レンズ印加電圧が必要となる。上述のように、静電レンズへの比較的小さな正の印加電圧でフォーカス制御するためには、Ｖｅ／Ｕの値は、点Ｃから点Ｄまでの範囲、すなわち、Ｖｅ／Ｕく０．４であることが必要である。

図６は、本発明の他の実施例構造図を示す。図６は、図１の静電アインツェルレンズの代わりに、２電極からなる静電イマージョンレンズを配置し、上電極１０８ａはアース電位、下電極１０８ｂには正電圧が印加されている。実施例１と同様、下電極１０８ｂに正電圧を印加して、これを可変することにより、フォーカス制御可能である。フォーカス電圧依存性は、図２の実線と同様になる。実施例１と異なる点は、試料面が下電極１０８ｂによる電界内に設置されることであるが、フォーカス制御のための下電極１０８ｂに印加される電圧は、１００Ｖ以下と比較的小さいので、２次電子も図１と同様に検出可能である。

また、上電極１０８ａに＋１ＫＶ程度の一定の高電圧を印加して、分解能を向上させることも可能である。

本発明は、静電レンズを対物レンズの磁界内に配置して当該静電レンズの荷電粒子線ビームに対する加速あるいは減速の作用による当該対物レンズのレンズ作用を弱めあるいは強めさせると共に合わせて当該静電レンズによるレンズ作用も行わせ、静電レンズの可変電圧を極めて小さくして正確にフォーカス制御する荷電粒子線装置および荷電粒子線フォーカス制御方法に関するものである。

本発明の１実施例構造図である。 本発明の説明図（その１）である。 本発明の他の実施例構造図である。 本発明の説明図（その２）である。 本発明の説明図（その３）である。 本発明の他の実施例構造図である。 従来技術の説明図（その１）である。 従来技術の説明図（その２）である。 従来技術の説明図（その３）である。

符号の説明

１、３１：磁界型対物レンズ
２、３２：コイル
３、３３：上極
４、３４：下極
５、３５：光軸
６、３６：磁束実度分布（ＢＺ）
７、３７：試料
８、３８：静電レンズ
９、３９：２次電子
１０、４０，４１：２電子検出器

Claims (10)

1. 磁界型対物レンズを用いて荷電粒子線ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子線装置において、
   磁界型対物レンズのレンズ磁界内に配置した静電レンズと、
   前記静電レンズを構成する電極に電圧を印加し、前記磁界型対物レンズの磁界中を通過する荷電粒子線ビームを加速あるいは減速して当該磁界型レンズによる集束作用を弱めあるいは強めさせると共に、当該静電レンズで荷電粒子線ビームをフォーカスさせ、フォーカス制御するフォーカス制御手段と
   を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 前記静電レンズに印加する電圧として、荷電粒子線ビームを加速する方向に調整してフォーカス制御することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線装置。
3. 前記静電レンズに印加する正の印加電圧Ｖｅは、加速電圧をＵとしたとき、Ｖｅ／Ｕ＜０．４であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の荷電粒子線装置。
4. 前記フォーカスされた荷電粒子線ビームを試料に照射して放出された２次電子について、前記磁界型対物レンズおよび前記静電レンズを通過した当該２次電子を検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
5. 前記静電レンズに印加する電圧として、荷電粒子線ビームを減速する方向に調整してフォーカス制御することを特徴とする請求項１に記載の荷電粒子線装置。
6. 前記フォーカスされた荷電粒子線ビームを試料に照射して放出された２次電子について、前記静電レンズの電極に印加した電圧で阻止し、試料と前記磁界型対物レンズあるいは前記静電レンズとの間で当該２次電子を検出することを特徴とする請求項５記載の荷電粒子線装置。
7. 前記磁界型レンズは、磁界型イマージョンレンズであることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
8. 前記静電レンズは、静電アインツェルレンズであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
9. 前記静電レンズは、静電イマージョンレンズであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の荷電粒子線装置。
10. 磁界型対物レンズを用いて荷電粒子線ビームをフォーカスして試料に照射する荷電粒子線フォーカス制御方法において、
    磁界型対物レンズのレンズ磁界内に静電レンズを設け、
    前記静電レンズを構成する電極に電圧を印加し、前記磁界型対物レンズの磁界中を通過する荷電粒子線ビームを加速あるいは減速して当該磁界型レンズによるレンズ作用を弱めあるいは強めさせると共に、当該静電レンズで荷電粒子線ビームをフォーカスさせ、フォーカス制御する
    ことを特徴とする荷電粒子線フォーカス制御方法。

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