JP2009518807A - 電子カラムの電子ビーム集束方法 - Google Patents

Abstract

【課題】二つ以上の層でなる集束レンズにおいて、すべての電極のそれぞれに電圧（またはフローティング電圧）を印加して、集束レンズを通過する電子ビームエネルギーを増大させながら集束することにより、集束をより精密にする方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は電子ビームを発生する電子カラムにおいて集束を補強するための方法に関するものである。本発明による電子カラムで電子ビームの集束を制御する方法は、電子ビームが試料に到逹するとき、電子ビームのサイズを小さくして解像度を高め、半導体リソグラフィー工程でパターンの線幅を小さくして電子カラムの性能を増大させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は電子ビームを発生させる電子カラムにおいて、電子ビームをより効率的に集束するための方法に係り、より詳しくは、電子カラムで電子ビームを集束しながら電子ビームエネルギーを増加させることにより、集束された電子ビームのサイズをより小さくして精密な集束を行い、電子ビームのエネルギーも共に調節するための方法に関するものである。

図１は超小型電子カラムの構造を示すもので、一般に、電子カラムは、電子を放出する電子放出源（ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｅｍｉｔｔｅｒ）１、エクストラクタ（ｅｘｔｒａｃｔｏｒ）電極層３ａ、アクセラレーター（ａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒ）電極層３ｂ、及び限界開口（ｌｉｍｉｔｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）電極層３ｃの３層でなり、前記電子放出源から電子が放出されるように誘導し、かつ放出された電子を有効なビームの形態に形成するソースレンズ（ｓｏｕｒｃｅ ｌｅｎｓｅ）３と、前記電子ビームを偏向させるためのデフレクター（ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）４と、試料に電子ビームを集束するための集束レンズ（ｆｏｃｕｓ ｌｅｎｓｅ）６とから構成される。もちろん、必要に応じてレンズ及びデフレクターの構成を多様に変形することもできるが、このような構成を有するものが一般的である。

前記の構造を有する電子カラムは、電子放出源１に陰電圧が印加される。ソースレンズ３の各電極層は接地されるか、あるいは前記電子放出源１から電子がうまく放出されるように、エクストラクタ電極層３ａに陽電圧が印加されるか、さらに電子ビームエネルギーを増大するために、電子放出源に高陰電圧を印加し、電子放出源１とエクストラクタ電極層３ａとの電圧差を適切に維持するために、エクストラクタ電極層に陰電圧を印加することもある。電子放出源１に印加された電圧とエクストラクタ電極層３ａに印加された電圧の差によって形成された電場によって電子が放出される。放出された電子はビーム強度分布（ａ）のように形成され、アクセラレーター電極層３ｂと限界開口電極層３ｃを通過しながら有効な電子ビームを形成する。通常、アクセラレーター電極層と限界開口電極は接地されて使用される。

ソースレンズ３で形成された電子ビームはデフレクター４によって偏向され、さらに試料に集束される。電子カラムにおいて代表的な集束レンズ６としてはアインツェルレンズが使用される。前記アインツェルレンズは、三つの電極層Ｅ１、Ｅ２及びＥ３の積層構造からなっている。

更に、レンズの最下の電極層が、一般に接地されて使用されるため、試料に到逹する電子ビームのエネルギーは主に電子放出源に印加された電圧によって決定される。すなわち、電子放出源に印加された電圧とレンズの最下電極層（集束レンズの最下電極層）との間の電圧差が電子カラムの電子ビームエネルギーに重要な影響を及ぼすことになる。

前記のような電子カラムの構成要素において、電子放出源１の材料としては、主にタングステンが利用され、電子ビームを得るために先の尖った半径数十ｎｍのチップが利用される。また、安定した電子ビームを得るだけではなく、チップの寿命を延長させるために、円筒状の細長いチップを利用する。また、レンズは、超小型電子カラムにおいて、ＭＥＭＳ工程によって製作される。

電子ビームを発生させる電子カラムにおいて、電子ビームが集束されたビームサイズ（ｓｐｏｔ ｓｉｚｅ）であるプローブビームサイズ（ｐｒｏｂｅ ｂｅａｍ ｓｉｚｅ）は、該当カラムの性能に非常に重要な要素である。一般の電子顕微鏡またはリソグラフィーにおいても、電子カラムからサンプルに集束されるビームのサイズは、電子顕微鏡においては解像度を、かつリソグラフィーにおいては電子ビームによって形成されるパターンの線幅を決定する重要な要素である。

図１は超小型電子カラムの光学的図式を示す。図１に示すように、チップから放出された電子ビームの強度はガウス分布で表し、セミコンバージェント角度（ｓｅｍｉｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔａｎｇｌｅ）α_ｅに広がる。プローブビームの直径を減らし、ビームを最適に制御するために、口径絞りを利用して、セミコンバージェント角度に含まれた電子のみを通過させる。α_０を実効セミコンバージェント角度という。これは、口径絞り（限界開口）を通過した電子は大部分が試料に到逹するからである。口径絞りを通過する電流はチップから放出された電流の１／１００００位である。これは、口径絞りの半径がおよそ数μｍと非常に小さいからである。口径絞りによって濾された電子は狭い空間の電子カラムを通過しながら電子同士の衝突が発生し、これによってエネルギー分散（ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）が発生することになる。

口径絞りを通過した電子は偏向板を通り、ここで偏向収差が発生する。偏向収差は、他の収差に比べて、比較的小さいため、たびたび計算から除かれることもある。電子は最後にアインツェル（Ｅｉｎｚｅｌ）レンズを通過することになる。アインツェルレンズは光学において光を集束する凸レンズの役目をすることになる。したがって、レンズを通過した電子ビームは、セミコンバージェント角度α_１の範囲内でサンプルに到逹する。レンズで電子ビームを集める過程で、光学系と同様に、色収差と球面収差が発生し、電子レンズが平行に配列されていないことにより生じるコマ（ｃｏｍａ）を有する。

したがって、電子カラムを設計することにおいて、色収差を最小化し、レンズによる各収縮によるプローブビームの直径を最小にすることが最も重要である。

電子ビームを利用して精密な工程を実行するために、プローブビームの直径を最大限に減らさなければならない。しかし、さまざまな要因のため、プローブビームの直径を減らすのには限界がある。最大要因として収差が挙げられ、その他に、電子間の衝突、偏向板による偏向、そして回折などがある。収差には、色収差、球面収差、及びコマ（ｃｏｍａ）がある。色収差と球面収差はレンズで発生し、プローブビームの特性を改善するために解決しなければならない最大の問題の一つである。

このようなプローブビームの特性に関連して、電子カラムのレンズが重要である。光学レンズが光の経路に影響を与えることと同様に、電子レンズは電子の移動軌跡に影響を与える。

図２（ａ）は光学凸レンズによって光が集束されることを示し、図２（ｂ）は電子レンズによって電子ビームが集束されることを示す。光学レンズの場合、光が屈折率の異なる媒質を通過しながら屈折または集束されるが、電子レンズの場合は、同じ媒質に生じた電位差によって電子ビームが屈折される。光学レンズは、一定の屈折率を有する単一物質からなって、レンズ内で光の速力が一定であるが、電子レンズは、等電位面の曲率が連続的に変わるので、電子がレンズを通過しながら連続的に速力が変化することになる。

一般に、電子レンズの構造は、二つ以上のシリンダー型電極板で構成されており、各電極に電圧を印加して、電極板の間に電場を形成することにより、電子ビームの運動を制御する。特に、図２（ｂ）に示すように、三つの電極で構成され、両端電極に同一電圧を印加して、レンズを通過する電子のエネルギーが入射の時と通過後に一様に維持されるように設計された電子レンズをアインツェルレンズという。アインツェルレンズの両端電極に印加される電圧をＶ１、中央電極に印加される電圧をＶ２とするとき、Ｖ１＞Ｖ２であれば減速モード（ｒｅｔａｒｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）、Ｖ１＜Ｖ２であれば加速モード（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ）という。

このような電子カラムの電子レンズにおいて、試料に照射される電子ビームのサイズに関連して、集束レンズが重要である。

一般の電子カラムにおいて、集束はアインツェルレンズのような集束レンズで行われ、アインツェルレンズにおいて、集束のために、減速モード（ｒｅｔａｒｄｉｎｇ ｍｏｄｅ）または加速モード（ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ）が主に使用される。このアインツェルレンズにおいて、上下電極層（Ｅ１、Ｅ３）はグラウンドに接地され、中間層Ｅ２にだけ電圧が印加され、減速モードまたは加速モードが形成される。したがって、減速モードにおいては、中間層Ｅ２電極に上下電極層Ｅ１、Ｅ３に印加される電圧より低い陰電圧が印加され、加速モードにおいては、中間層Ｅ２電極に上下電極層Ｅ１、Ｅ３に印加される電圧より高い陽電圧が印加される。

前記のような従来の電子カラムにおける集束方法は、上下電極層Ｅ１、Ｅ３を接地し、中間層Ｅ２電極に必要な電圧を印加するので、電子カラムの操作は便利であるが、試料に到逹する電子ビームのサイズが大きくて解像度またはリソグラフィーにおけるパターン作業に不便である。

前記のような問題点を解決するために、本発明は、二つ以上の層でなる集束レンズにおいて、すべての電極のそれぞれに電圧（またはフローティング電圧）を印加して、集束レンズを通過する電子ビームエネルギーを増大させながら集束することにより、集束をより精密にする方法を提供することを目的とする。

前記のような目的を達成するために、電子カラムから発生する電子ビームを集束する方法は、集束レンズの各電極層に陽電圧を印加し、減速モードまたは加速モードのための追加電圧を該当電極層に印加することを特徴とする。

本発明による方法は、電子カラムにおいて、電子放出源の電圧を安定した範囲で印加して電子ビームの放出を誘導して一定の電子ビームエネルギーを維持するようにし、集束レンズにおいて、それぞれの電極層にできるだけ高電圧を印加することで、ソースレンズを通過しながら形成された電子ビームが高エネルギーを有するようにする。そして、集束レンズにおいて、各層に同一の基本電圧が印加され、元々の集束レンズに必要な電圧または電流が加えられることにより、電子レンズとしての性能が向上することになる。すなわち、集束レンズの各層で陽電圧を同等に印加し、減速モードまたは加速モードのためのエネルギーを中間層の電極にさらに印加すれば、集束レンズ内に形成される電磁場の強度が一層増加して、より均一な電磁場を形成することができるので、レンズとしての性能が向上する。そして、集束レンズを通過する電子ビームは、そのエネルギーが増加して、集束レンズ内に形成されたより一定した電磁場の影響を受けることになり、また電磁場による動きが鈍くなるので、さらに精密に集束を調節することができることになる。集束レンズの各層に同一電圧を印加することにより、中間層の制御電圧による影響力が小さくなることができるので、一層細密な制御が可能であり、集束レンズで形成される電磁場がより一定になり、外部の影響はより小さくなる。また、電子ビームのエネルギーが増加して、中間層の電圧による影響力をより小さくすることができるので、中間層の電圧調整による屈折角度が減少して、それによって細密な集束がなされることができる。その結果、試料に到逹する電子ビームのサイズが減少するとともにエネルギーは増加する。

すなわち、試料に到逹するとき、エネルギーを調節自在にするために、集束レンズの第１レンズ層、第２レンズ層及び第３レンズ層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レンズ層に集束のための電圧をさらに変更する方式である。

この方法においては、電子カラムの構造の複雑性及び電子ビームの制御のために、集束レンズをフローティングさせることが好ましい。

電子カラムにおいて試料を観察するためには、電子ビーム検出器が必要になることがある。一般に、２次電子及び／または後方散乱電子（ｂａｃｋ−ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ：ＢＳＥ）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使用されている。このような検出器には高電圧を印加するか、グラウンド状態で電子を放出しているので、電子ビームエネルギーに変化を与えることができる。電子検出器が電子カラムの側（横）方向で電子を検出すれば、電子ビームエネルギーに影響が小さく現れるが、電子カラムに非常に近くに、または電子カラムと同じ軸上で電子を検出すれば、電子ビームエネルギーに影響を与えることになる。リソグラフィーの場合、検出器は電子カラムで試料を観察し、電子カラムの軸上で横に移動して、電子ビームエネルギーに影響がないようにすることにより、リソグラフィーパターニングが可能になる。このような場合、検出器にも集束レンズに印加した電圧と同等な電圧を印加して、集束レンズと検出器の電圧差を同一にあるいは類似にして、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、さらなる電子制御装置（部品）が必要になることもある。

本発明による電子カラムの集束制御方法を使用すれば、試料に到逹する電子ビームのサイズが小さくなるため、電子顕微鏡に使用する場合、解像度を向上させることができ、また作動距離（ｗｏｒｋｉｎｇ ｄｉｓｔａｎｃｅ）の幅が一層広くすることができる利点があり、また、リソグラフィーの場合、パターン幅を一層小さくするとともにパターンの深さを増大させることができるので、一層優れたパターニングが可能になる。

本発明による電子カラムの集束制御方法を使用すれば、電子放出源に高電圧を印加しないで必要な電子ビームエネルギーを調節することができるので、電子放出源のチップに無理な負荷を与えなく、さらに超高真空を維持するための費用も節減される。

以下、添付図面に基づいて本発明の実施例を説明する。

まず、図３は本発明による電子ビームを集束する方法が使用される一実施例を示すもので、一般的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に陰電圧が数百ないし数ＫｅＶで印加され、ソースレンズ３のエクストラクタ電極層３ａに電子放出源より高電圧が印加されれば、電子放出源から電子が放出され、高電圧のエクストラクタ電極層に移動する。例えば、電子放出源１に−５００ｅＶが印加されるとき、エクストラクタ電極層３ａにはそれ以上の電圧（例として−２００ｅＶまたは＋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。放出された電子はアクセラレーター電極層３ｂで加速されるかあるいは加速及び集束され、そして限界開口（ｌｉｍｉｔｉｎｇ ａｐｅｒｔｕｒｅ）電極層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に応じて電圧を印加することができるが、一般に、レンズ層３ｂ及びレンズ層３ｃにはグラウンド電圧が印加される。

限界開口電極層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、集束レンズ６によって試料に集束される。試料に到逹した電子ビームによって発生する２次電子及び反射された電子などを検出器で感知し、その結果として、例えば試料に関するイメージなどを得ることができる。ここで、検出器はレンズと同軸上に位置することもできるが、別に位置することもでき、検出器の特性によって多様な方式で位置することができる。すなわち、ＢＳＥ検出器のように同軸上に配置可能な検出器を使用することも可能であるが、ＭＣＰまたはその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向に位置することができる。

試料に到逹する電子ビームのエネルギーは、一般的に電子放出源１と電子カラムの最下レンズ層６ｃとの間の電圧差によって決定される。最下のレンズ層６ｃはグラウンドに接地、つまり０Ｖの電圧が印加される。図３では、集束レンズ６の下端にさらに電圧を印加するために、別のレンズ層または電極層１０がもう一つ設置された状態が示されている。もちろん、電極層１０は、レンズの最下層（たとえば、６ｃ）に印加される電圧に係わり、電子ビームにエネルギーをさらに加える必要があるか、試料にもっと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、必要に応じて使用可否を決定すれば良い。

試料に到達する電子ビームのエネルギーは電子放出源と電子カラムの最下レンズ層または付加電極との電圧差によって決定され、電子放出源には数百ないし２ｋｅＶの陰電圧が印加されるので、最下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れば、電子ビームのエネルギーは増加する。

本発明においては、集束レンズ６の三つのレンズ層６ａ、６ｂ、６ｃに個別に電圧を印加する。電子ビームのエネルギーは、図３の場合には、電極層１０に印加される電圧によって最終的に変化できる。前述したように、電極層１０は必要に応じて使用すればよく、必要なエネルギーを計算して電極層に電圧を印加すれば良い。電極層１０に電圧を印加して使用する検出器が図３の電極層１０の位置に置かれるならば、使用可能である。

本発明のさらに他の実施例において、図４は集束レンズ部分が別に存在するものではなく、ソースレンズ部分からエクストラクタに、集束に必要な電圧を印加して集束し、電子ビームのエネルギーの増加が必要であれば、ソースレンズの全層３ａ、３ｂ、３ｃに電圧を印加するか、または、３ｂ及び３ｃ、または３ｃのうち必要な層に対して選択的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、デフレクターにも必要な電圧を印加することができる。このような図４の実施例において、全体レンズ部分に一様に高電圧を加え、ソースレンズで必要な電圧及び集束のための電圧を各層に印加すれば、レンズを通過する電子ビームの総エネルギーは増加し、集束のための電場も外部の影響を多く受けなくて一定に維持できるので、図３の実施例のような効果を得ることができる。

すなわち、集束のためのレンズの位置にかかわらず、集束の役目をするレンズの各層に一様の陽電圧をさらに印加することにより、集束のための電場が形成され、より一定に維持され、電子ビームのエネルギーも共に高めることができる。もし、集束レンズの下に別のレンズ層または他の構成部分があり、電子ビームの総エネルギーを高めるために、別に陽電圧をさらに印加すれば、試料に到逹する電子ビームのエネルギーは高まり、リソグラフィーでのパターン形成の時より小さな線幅と大きな深さのパターンを得ることができる。
前記ではシングルタイプの電子カラムを主として説明したが、マルチタイプの電子カラムも同一方式で電子ビームの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行列式に配列されて使用できるもので、付け加えられるべき電極またはレンズ（層）に既存の制御方式のように電圧を印加すればよく、電子ビームのエネルギーを調節するために加えられる電極には、既存のマルチ電子カラムの制御方式で制御すれば良い。

本発明による電子カラムの電子ビーム集束方法によって、電子ビームリソグラフィーなどの工程で電子カラムを使用することができる。

一般的な電子カラムの構造を示す概略断面図である。 光学レンズによる光の集束、及び電子レンズによる電子ビームの集束、を示す概念図である。 本発明によって電子カラムで電子ビームを集束する一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で電子ビームを集束する他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…エクストラクタ電極層 ３ｂ…アクセラレーター電極層 ３ｃ…限界開口電極層
４…デフレクター ６…集束レンズ
６ａ…レンズ層 ６ｂ…レンズ層 ６ｃ…レンズ層
１０…電極層

Claims (3)

1. 集束レンズを備えた電子カラムで電子ビームを集束する方法において、
   電子カラムから発生する電子ビームのエネルギーに対応する所定の電圧を前記集束レンズの各電極層に同一に印加し、遅延モードまたは加速モードに必要な電圧をさらに印加することを特徴とする、電子カラムの集束方法。
2. 電子ビームが試料に到逹するとき、電子ビームのエネルギーを調節自在にするために、試料上に最終的に到逹する電子ビームが必要なエネルギーを有するように、前記電極層に電圧をさらに印加することを特徴とする、請求項１に記載の電子カラムの集束方法。
3. 前記電極層がソースレンズとしての役目を同時にするように、ソースレンズとして必要な電圧がさらに印加されることを特徴とする、請求項１または２に記載の電子カラムの集束方法。

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