JP2009505368A - 電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子カラムにおいて電子放出源と第１の電極との間で低電圧差の方法を使用しながら電子ビームエネルギーを自由に調節することができるように、試料上の最終電極（レンズ層またはフォーカスレンズ）をフローティングさせる方法を提供する。
【解決手段】本発明は、電子ビームを発生させる電子カラムにおいて電子ビームのエネルギーを効率よく変換させるための方法に関する。この方法は、電子ビームが試料に到達するときにエネルギーを自由に調節するために、試料に到達する最終電子ビームが所要のエネルギーを持つように、電圧を電極にさらに印加する段階を含む。

Description

本発明は、電子カラムにおいて電子ビームのエネルギーを効率よく変換させるための方法に関する。

電子ビームを発生させる電子カラムにおいて、電子ビームのエネルギー変換はその活用分野で非常に重要な機能である。例えば、電子カラムを用いてリソグラフィーを行う場合、ディスプレイのために電子ビームを使用する場合、または電子ビームを電子顕微鏡として使用する場合、試料に到達する電子ビームのエネルギーの大きさは、電子ビームが試料に入射する深さ、試料の破壊、および分解能などに影響している。

一般に、電子カラムにおいて、電子を放出する電子放出源に加える電圧によって、試料に到達する電子ビームのエネルギーが決定されている。ところが、非常に小さくて繊細な構造の電子カラム、例えばマイクロ電子カラムにおいて、電子ビームのエネルギーを高めるために電子放出源に高電圧を印加することは限界がある。マイクロカラムに関連し、シングルマイクロカラムの構造に関する一例が韓国特許出願第２００３−６６００３号に開示されており、また、論文としてはＣｒａｓｈｍｅｒらによって１９９５年（Ｊ．Ｖａｃ Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ（１３）６、第２４９８頁〜第２５０３頁）に発行された「An electron-beam microcolumn with improved resolution, beam current and stability」、および１９９６年（Ｊ．Ｖａｃ Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１４（６）、第３７９２頁〜第３７９６頁）に発行された「Experimental evaluation of a 20x20 mm footprint microcolumn」があり、関連外国特許としては米国特許第６，２９７，５８４号、同第６，２８１，５０８号および同第６，１９５，２１４号などがある。そして、マルチマイクロカラムは、多数のシングルマイクロカラムを直列または並列に配列して構築される単一マイクロカラムモジュール（ＳＣＭ、single column module）で構成でき、２つ以上に規格化された一体型カラムモジュール（ＭＣＭ、monolithic column module）（すなわち２×１または２×２などを１組として）で構成でき、或いは１枚のウエハーをカラムのレンズ部品となるようにするウエハーサイズのカラムモジュール（ＷＣＭ、Wafer-scale column module）を用いて構成できる。このような基本的概念は、Ｈ．Ｐ．Ｃｈｉｎｇらによって１９９６年（Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ、Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ１４、第３７７４頁〜第３７８１頁）に発行された「Electron-beam microcolumns for lithography and related applications」論文にある。また、別の方式は、混合型マルチ方式であって、１つ以上のカラムがＳＣＭ、ＭＣＭまたはＷＣＭと共に配列される場合と、一部のカラムレンズ部品がＳＣＭ、ＭＣＭまたはＷＣＭ方式で出来ている場合も可能である。これは Hosub Ｋｉｍらによって１９９４年（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｋｏｒｅａ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ，４５（５）、第１２１４頁〜第１２１７頁）に発行された「Multi-beam microcolumns based on arrayed SCM and WCM」論文と、 Hosub Ｋｉｍらによって１９９５年（Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、第７８頁〜第７９頁、第５５頁〜第６１頁）に発行された「Arrayed microcolumn operation with a wafer-scale Einzel lens」論文などに基礎的な実験結果が紹介されている。

一般に、電子カラムにおいて電子放出源と第１の電極、例えばエクストラクターとの距離が１００ｍｍ程度であって、電子放出源に数百〜１ｋｖ程度の負電圧を印加し、電極にはグランド電圧（０Ｖ）を印加する。また、印加電圧が高いほど多くの電子が放出されるが、全体電子ビームは不安定になり、最悪の場合には電子放出源が損傷してしまうという問題点を持っている。

このような電子放出源の損傷の問題点を解決するための方法として、電子放出源の付近は超高真空度を維持させる方法、或いは電子放出源と第１の電極（エクストラクターまたはレンズ層）との間に低い電圧差を印加する方法を使用する。ところが、超高真空を維持させることは費用的または構造的に困難さがあり、電圧差を用いることは印加する電圧の制限がある。
韓国特許出願第２００３−６６００３号 米国特許第６，２９７，５８４号 米国特許第６，２８１，５０８号 米国特許第６，１９５，２１４号

本発明は、上述した問題点を解決するためのもので、その目的は、電子カラムにおいて電子放出源と第１の電極との間で低電圧差の方法を使用しながら電子ビームエネルギーを自由に調節することができるように、試料上の最終電極（レンズ層またはフォーカスレンズ）をフローティングさせる方法を提供する。

上記目的を達成するために、電子ビームのエネルギー変換方法は、電子ビームが試料に到達するときにエネルギーを自由に調節するために、試料に到達する最終電子ビームが所要のエネルギーを持つように必要な電極に電圧をさらに印加することを特徴とする。

本発明に係る方法は、電子カラムにおいて電子放出源の電圧を安定な範囲で印加して電子ビームを放出するように誘導することにより一定の電子ビームエネルギーを維持させ、電子ビームが試料に到達するときにエネルギーを調節し得るようにするために、試料の真上にあるレンズ（通常、フォーカスレンズ）の第１レンズ層、第２レンズ層、第３レンズ層などに最終的に必要なエネルギーのための電圧を印加してエネルギーを調節し、第２レンズ層に印加するフォーカスのための電圧をさらに変更する方式である。

この方法では、フォーカスレンズの最終層と試料との間には別途の電極なしで使用可能であるが、必要に応じては追加してもよい。ところが、電子カラムの構造の複雑性および電子ビームの制御のため、フォーカスレンズをフローティングさせることが最も好ましい。

電子カラムを用いて試料を観察するためには、電子ビーム検出器が必要とされることもある。一般に、２次電池および／またはＢＳＥ(back-scattering electron)を検出するための検出器としてＳＥ検出器、ＭＣＰ、ＢＳＥ検出器、半導体検出器などが用いられている。このような検出器には高電圧を印加し、或いはグラウンド状態で電子を放出しており、電子ビームエネルギーに変化を加えることができる。電子検出器が電子カラムの側方で電子を検出すると、電子ビームエネルギーに僅かに影響を及ぼすだけであるが、電子カラムの非常に近くでまたは電子カラムと同じ軸線上で電子を検出すると、電子ビームエネルギーに大きく影響を及ぼす。リソグラフィーの場合、検出器は、電子カラムを用いて試料を観察し、電子カラムの軸線上で横に移動して電子ビームエネルギーに影響しないようにして、リソグラフィーパターニングを行うことができる。このような場合、検出器にもフォーカスレンズに印加した電圧に相当するだけの電圧を印加し、フォーカスレンズと検出器との電圧差を同一または類似にして、エネルギーの変化を最小化する方法もある。この場合には更なる電子制御装置（部品）を必要とすることもある。

本発明に係る電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法を使用すると、電子放出源に高電圧を印加することなく、必要な電子ビームのエネルギーを調節することができるため、電子放出源のチップに無理を与えず、超高真空を維持するための費用も節減される。

本発明に係る電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法を使用すると、フォーカスレンズに電圧を印加して電子ビームのエネルギーを増加させることにより、電子カラムの分解能を向上させることができる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。

図１は本発明に係る電子ビームを制御する方法の一実施例であって、一般な電子カラムの内部で電子ビームを制御することを示す断面図である。

電子放出源１に負電圧が数百〜１キロボルトの間で印加されると、ソースレンズ３のエクストラクターレンズ層３ａに電子放出源より高い電圧が印加されることにより、電子が電子放出源から放出されて高電圧のあるエクストラクターへ移動する。必要に応じて、電子放出源１に−５００ｅＶを印加する際、エクストラクター３ａにはそれ以上の電圧（例えば−２００ｅＶ〜＋２００ｅＶ）を印加する方式で、電子放出源１から電子が放出されるようにする。このように放出された電子がビーム（Ｂ）を形成してアクセラレータ３ｂで電子ビームが加速またはフォーカシングされ、限界開口(limiting aperture)３ｃを通過しながら電子ビームの形状が決定される。それぞれのレンズ層には必要ならば電圧を印加することができるが、一般にレンズ３ｂおよびレンズ３ｃにはグラウンド電圧を印加する。

限界開口３ｃを通過した電子ビームは、デフレクター４によって偏向され、フォーカスレンズ６によって試料上にフォーカシングされる。試料に到達した電子ビームから出てくる２次電子および反射された電子などを検出器（図示せず）で感知し、その結果を例えばイメージ等の形で視覚化することができる。ここで、検出器はレンズと同軸上に位置してもよく、別個に存在してもよく、その特性に応じて多様な方法で位置してもよい。

以下、本発明に関連して同軸上にある検出器について説明したが、ＭＣＰまたは他の検出器のように電子ビームがレンズを介して進行する経路の外部または側方に位置することも可能である。

試料に到達する電子ビームのエネルギーは、一般に電子放出源１と電子カラムの最終レンズ層６ｃまたは試料間の電圧差によって決定される。一般に、最終レンズ層６ｃはグラウンド電圧、すなわち０Ｖの電圧が印加される。ところが、図１では、さらにフォーカスレンズ６の下端に電圧を印加するために、別途のレンズ層または電極層１０は一つがさらに検出器と共にまたは別個に配置できる。勿論、この電極層１０は、レンズの最終層（例えば６ｃ）に印加される電圧と関連し、電子ビームにエネルギーをさらに加える必要がある場合、或いは試料にさらに接近してエネルギーを増加または変化させる必要がある場合に使用されるもので、必要に応じて使用有無を決定すればよい。

電子放出源には数百〜２ｋｅＶの範囲内の負電圧が印加されるので、最終レンズ層または電極には０Ｖまたはそれ以上の陽電圧が印加されると、電子ビームのエネルギーは増加する。

図１において、フォーカスレンズ６の３つのレンズ層６ａ、６ｂ、６ｃには個別的に電圧を印加することができる。電子ビームエネルギーは、図１の場合にはソースレンズ３またはフォーカスレンズ６の一つの電極層３ａ、３ｂ、３ｃ、６ａ、６ｂまたは６ｃのように電圧を印加することが可能な電子ビームエネルギー変換用電極層１０によって最終的に変化できる。前述したように、電子ビームエネルギー変換用電極層１０は、必要に応じて使用すればよく、所要のエネルギーを計算して前記電極層に電圧を印加すればよい。勿論、前記電極層を使用しない場合には、フォーカスレンズ６に所要の電圧を計算して印加すればよい。この場合、前述したようにフォーカスレンズ６のそれぞれのレンズ層６ａ、６ｂ、６ｃに電圧を印加してもよく、最終レンズ層６ｃにのみ電圧を別途に印加してもよいが、全フォーカスレンズに印加した方が電子ビームのエネルギーの変換にさらに好ましい。

図２では、電極層１０の位置において、前記電子ビームエネルギー変換用電極層を含む或いは含んでいない検出器２０がレンズの同軸上に位置する。電圧は前述した電子ビームエネルギー変換用電極層のように印加する。もし検出器２０に検出のための電圧が印加される場合には、フォーカスレンズ６での如く所要の電圧を計算してさらに印加（場合に応じて電圧を追加または減少させることが可能である）することができる。図２では、フォーカスレンズの最終層６ｃにのみ電圧を印加するようにすることができる（検出器２０を使用する場合）が、図１においてフォーカスレンズの各層に電圧を個別的または集合的に印加する方法のように検出器２０に電圧を印加することができる。

本発明の別の実施例として、図３は試料に別途の電圧を印加することができるようにした。電子ビームのエネルギーは最終的に試料に印加された電圧によって決定されるであろう。この場合にも、フォーカスレンズ６に電圧がさらに印加できるのは勿論のこと、電圧を印加せず、試料にのみ所要の電圧を印加することにより、試料に到達する電子ビームの最終エネルギーを変化させることができる。

本発明の最も簡単な別の実施例は、図４に示すように、フォーカスレンズ部分が別途に存在するのではなく、ソースレンズ部分でエクストラクターに所要の電圧を印加してフォーカスを行いながら、エネルギーの増加が必要であれば、ソースレンズ全部分３ａ、３ｂ、３ｃまたは必要な層３ｂおよび／または層３ｃに電圧を印加してエネルギーを変化させることができる。このような場合、デフレクターにも所要の電圧を増加させることができる。ところが、より容易な方法は、電子ビームエネルギー変換用電極層１０にソースレンズ層の電圧を印加することにより、最終的にエネルギーを変化させることができる。

以上、シングルタイプの電子カラムを主に説明したが、マルチタイプの電子カラムも同様の方式で電子ビームエネルギーを調節することができる。

マルチタイプの電子カラムの場合は、シングル電子カラムの構成に対応する各単位電子カラムがｎ×ｍのマトリクス状に配列されて使用できる。既存の制御方式に加えて、追加されるべき電極またはレンズ（層）に電圧を印加すればよく、電子ビームエネルギーを調節するために追加される電極は既存のマルチ電子カラムの制御方式で制御すればよい。

前記実施例の説明において、図３の試料は別途の電圧を印加するために電源に連結されているが、図１、図２および図４の例では、試料はグラウンドまたはフロートされる。試料がグラウンドされた場合、電子ビームのエネルギーは、電子放出源に印加された電圧と試料の電圧との電圧差、すなわち電子放出源に印加された電圧だけであるが一般的である。したがって、電極１０を使用する場合、前記電極と試料との間隔を最大限近接させ、例えば数マイクロメートルの間隔を持つようにして使用すれば、前記電極１０に印加された追加電圧によって、電子ビームエネルギーは変換でき、分解能も向上する。

本発明に係る電子ビームエネルギー変換方法は、電子カラムを用いた検査装置またはリソグラフィー装置で使用可能である。また、マルチ電子カラムとしてディスプレイまたは半導体などの電子カラムを用いた検査装置やリソグラフィー装置などで使用可能である。

本発明によって電子カラムにおいて電子ビームエネルギーを変換させる方法を示す概略断面図である。 本発明によって電子カラムにおいて電子ビームエネルギーを変換させる他の方法を示す概略断面図である。 本発明によって電子カラムにおいて電子ビームエネルギーを変換させる別の方法を示す概略断面図である。 本発明によって電子カラムにおいて電子ビームエネルギーを変換させる別の方法を示す概略断面図である。

符号の説明

１…電子放出源 ３…ソースレンズ
３ａ…レンズ層 ３ｂ…レンズ層 ３ｃ…レンズ層
４…デフレクター ６…フォーカスレンズ
６ａ…レンズ層 ６ｂ…レンズ層 ６ｃ…レンズ層
１０…レンズ層または電極層
２０…検出器

Claims (5)

1. 電子カラムによって発生した電子ビームのエネルギーを変換させる方法において、
   電子ビームが試料に到達するときにエネルギーを自由に調節するために、試料上に到達する最終電子ビームが所要のエネルギーを持つように、電極に電圧をさらに印加することを特徴とする、電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法。
2. 前記電極がフォーカスレンズであることを特徴とする、請求項１に記載の電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法。
3. 前記電極が、電子ビームのエネルギーを調節するための別途の専用電極または検出器であることを特徴とする、請求項１に記載の電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法。
4. 前記検出器に印加される電圧が、前記フォーカスレンズに印加される電圧と同一であり、或いはグランド電圧であることを特徴とする、請求項３に記載の電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法。
5. 試料に別途の電圧がさらに印加されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電子カラムの電子ビームエネルギー変換方法。

Images