KR20070118964A - 전자빔장치 및 수차보정광학장치 - Google Patents

전자빔장치 및 수차보정광학장치 Download PDF

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KR20070118964A
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츠토무 가리마타
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Abstract

본 발명에 따르면, 스루풋이 높으면서 0.1 ㎛ 보다 크지 않은 최소 선폭을 갖는 마이크로-패턴을 포함하는 반도체웨이퍼와 같은 샘플의 평가를 제공하기 위한 전자빔장치가 제공된다. 전자총에 의해 생성되는 1차전자빔은 샘플 상으로 조사되고, 상기 샘플로부터 방사되는 2차전자들은 이미지투영광학시스템에 의해 디텍터 상에 이미지로 형성된다. 전자총(61)은 캐소드(1) 및 드로잉 전극(3)을 구비하고, 상기 캐소드의 전자방출면(1a)은 오목면을 형성한다. 상기 드로잉 전극(3)은 상기 캐소드의 전자방출면(1a)을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면(3a) 및 전자들의 통과를 위해 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처(73)를 구비한다. 수차보정광학장치는 상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라, 그 중심들이 1/4 평면 위치 및 3/4 평면 위치와 각각 정렬되도록 배치된 동일한 크기의 2개의 다극 빈 필터, 및 상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면 위치, 중간 이미지-형성 평면 위치 및 이미지 평면 위치에 배치되는 양방향 초점을 갖는 광학요소를 포함하여 이루어진다.

Description

전자빔장치 및 수차보정광학장치{AN ELECTRON BEAM APPARATUS AND AN ABERRATION CORRECTION OPTICAL APPARATUS}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔장치의 개략적인 레이아웃;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전자총의 레이아웃의 확대도;
도 3은 전자기 사중극자의 평면도;
도 4는 전자기 사중극자의 단면도;
도 5는 본 발명의 전자총의 시뮬레이션 예시의 개략적인 다이어그램;
도 6은 정전기 사중극자의 평면도;
도 7은 본 발명의 전자총과 피어스식 전자총간의 특성을 비교한 그래프;
도 8은 단순히 2개의 다극 빈 필터를 구비한 보정광학장치를 도시한 도면;
도 9는 도 8의 보정광학장치에서의 참조 궤적을 도시한 도면;
도 10은 본 발명에 따른 수차보정광학장치의 제1실시예를 도시한 도면;
도 11은 도 10의 수차보정광학장치에서의 참조 궤적을 도시한 도면;
도 12는 도 10에 도시된 수차보정광학장치에 의한 효과를 도시한 도면;
도 13은 본 발명의 수차보정광학장치의 제2실시예를 도시한 도면;
도 14(A)는 종래 기술에 따른 통상적인 이미지투영광학시스템의 개략도;
도 14(B)는 도 13에 도시된 수차보정광학장치와 통합된 본 발명에 따른 이미 지투영광학시스템의 개략도;
도 15(A)는 종래 기술에 따른 통상적인 주사식광학시스템의 개략도;
도 15(B)는 도 13에 도시된 수차보정광학장치와 통합된 본 발명에 따른 주사식광학시스템의 개략도이다.
* 도면 부호의 설명 *
1 : 전자총 캐소드, 2 : Wehnelt 전극, 3 : 드로잉 전극, 4 : 콘덴서 렌즈(1), 5 : 콘덴서 렌즈(2), 6 : 크로스오버 이미지, 7 : FA 어퍼처, 8 : 투영 렌즈, 9 : 투영 렌즈(2), 10 : 대물 렌즈의 제3전극, 11 : 대물 렌즈의 중간 전극, 12 : 대물 렌즈의 하부 전극, 13 : 샘플, 14 : 빔디플렉터, 15 : 빔디플렉터용 여기 코일, 16 : NA 어퍼처, 17 : 차폐관, 18 : 보조 렌즈, 19 : 배율 렌즈, 21 : 최종 배율 렌즈, 22 : 신틸레이터, 23 : FOP, 24 : EB-TDI 카메라, 25 : 전원, 26 : 샘플 이미지-형성 라인, 27 : NA 어퍼처 이미지-형성 라인, 28 : 전자총 크로스오버 이미지-형성 라인, 29 : FA 어퍼처 이미지-형성 라인, 30 : 축정렬디플렉터, 31 : 축정렬디플렉터, 41 : 카본 히터, 42 : 지지 전극, 43 : 애노드, 44 : 정전기 사중극자, 46 : 광학축, 46 : 정전기 사중극자, 47 : 여기 코일, 48 : 빔부, 51 : 10 KeV 등전위 라인, 52 : 20 KeV 등전위 라인, 53 : 20 KeV 등전위 라인, 54 : 27 KeV 등전위 라인, 55 : 크로스오버 직경(대략 113 ㎛φ), 61 : 전자총, 62 : 전자빔, 63 : 투영 렌즈, 64 : 1차빔, 66 : 어퍼처, 67 : 2차광학시스템의 광학축, 68 : 스테이지, 69, 71 : 원뿔면, 72 : 수직 평면, 73 : 어퍼처, 200 : 최대 픽셀 모드용 보조 렌즈, 201 : 제2의 최대 픽셀 모드용 보조 렌즈, 202 : 제3의 최대 픽 셀 모드용 보조 렌즈, 204 : 최소 픽셀 모드용 보조 렌즈, 461, 462, 463, 464 : 자극, 101, 101a, 101b : 하전입자빔광학시스템, 102, 102' : 다극 빈 필터, 103a, 103b : 유니포텐셜 렌즈, 104a, 104b : 보정광학장치, 110 : 이미지투영광학시스템, 120a : 주사식광학시스템
본 발명은 스루풋이 높으면서 0.1 ㎛ 보다 크지 않은 최소 선폭을 갖는 패턴을 구비한 반도체웨이퍼와 같은 샘플의 평가를 제공하기 위한 전자빔장치에 관한 것이고, 또한 전류밀도가 큰 전자빔으로 반도체웨이퍼의 일부분과 같은 샘플(즉, 타겟)을 조사(irradiating)하기 위한 전자빔장치에 관한 것이다.
본 발명은 또한 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전자빔과 같은 하전입자빔을 이용하는 광학시스템에서의 수차를 보상하도록 작동가능한 복수의 다극 빈 필터(multi-polar Wien filters)를 포함하여 이루어지는 수차보정광학장치와, 상기 수차보정광학장치와 통합되어 있는 이미지투영광학시스템 및 주사식광학시스템에 관한 것이다.
이미지투영광학시스템을 이용하는 종래의 전자빔장치에서는, 전자빔 방출을 위해 평탄면으로 형성된 평탄한 캐소드 및 전자빔 방출을 위해 볼록형상면으로 형성된 볼록형상의 캐소드를 구비한 전자총으로부터의 빔이 샘플의 조사에 제공되었 다. 또한, X-레이를 생성시키는 종래의 전자총은 피어스식 전자총(Pierce type electron gun)(즉, 캐소드, Wehnelt 및 애노드로 이루어진 트라이오드(triode) 구성으로 제조된 특정 타입의 전자총)을 채택하여 설계 및 제조되었다.
후술하는 인용 문헌 1 내지 4에 개시된 바와 같이, 전자빔을 포함하는 하전입자빔이 사용되는 빈 필터를 이용하는 광학시스템에서의 수차를 보상하기 위한 기술은 이미 존재한다. 이들 가운데, 인용 문헌 1은 이중극자 및 사중극자 타입의 직각으로 교차하는 전기장과 자기장을 중첩시켜 양방향 포커싱 및 비분산성 조건 하에 빈 필터가 작동되고, 채택된 광학시스템에 의해 생성되는 것과 등가량이지만 부호는 반대인 구면수차 및 축상색수차를 유도하기 위하여 사중극 전기장 및 자기장의 휘도(brightness)가 제어될 수도 있어, 상기 채택된 광학시스템에 의해 도입되는 상기 수차들을 없앨 수 있는 방법을 개시하고 있다. 이러한 방법에 따르면, 여하한의 2차 기하학적 수차들이 보정장치(corrector)에 의해 새롭게 도입되는 것을 방지하기 위하여, H-궤적 및 G-궤적 양자 모두에 있어서 보정장치의 광학 궤적 길이의 1/2 평면에 대해 대칭 또는 반대칭(anti-symmetric) 궤적을 취하고, 또한 상기 보정장치의 광학 궤적 길이의 1/4, 3/4 평면에 대해 반대칭 또는 대칭 궤적을 취하는 것이 효과적이고, 이러한 이중 대칭을 형성하는 궤적을 취함으로써, 여하한의 3차의 채도(chroma) 또는 1차의 배율 스케일 색수차가 새롭게 도입되는 것을 억제할 수도 있다.
다른 한편으로, 인용 문헌 2 내지 4에 개시된 발명들은, 이중극 및 사중극 타입 이외에도, 육중극 및 팔중극 타입의 직각으로 교차하는 전기장 및 자기장을 중첩시켜, 방향들에 독립적으로 둥근 모양으로 나타나도록 색수차를 컨디셔닝하고, 또한 원형 모양으로 나타나도록 3차 수차의 모양을 컨디셔닝하는 것을 참조하는 방법에 관한 것이다.
[비특허 문헌 1]
H. Rose의 연구 논문, "Inhomogeneous Wien filter as a corrector compensating for the chromatic and spherical aberration of low-voltage electron microscope", Optic, 84, pp.91~107, (1990)
[비특허 문헌 2]
Tsuno의 연구 논문, "How to produce a negative aberration from the viewpoint of Wien-type multi-pole", Japan Society for the Promotion of Science(independent corporation), Industrial Application of Charged Particle Beam No. 132 Committee, No.169 Workshop Material, pp.39~46, (2005)
[비특허 문헌 3]
D. Ioanoviciu, K. Tsuno 및 G. Martinez의 연구 논문, "Third order aberration theory of double Wien filters" REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 75, pp.4434~4441
[비특허 문헌 4]
K. Tsuno, D. Ioanoviciu 및 G. Martinez의 연구 논문, "Third-order aberration theory of Wien filters for monochromators and aberration correctors", Journal of Microscopy, 217, pp.205~215, (2005)
이미지투영광학시스템을 이용한 전자빔장치는 대량의 1차전자빔 유동을 필요로 한다. 이러한 상황에서는, 1차전자빔이 공간 전하 효과로 인하여 현저하게 흐려진 초점을 초래할 수도 있다. 공간 전하 효과에 기인한 1차빔의 흐려진 초점을 최소화하기 위해서는, 보다 낮은 휘도 및 보다 높은 이미턴스를 특징으로 하는 전자총, 또는 (크로스오버 직경) x (빔 방출 각도)가 요구된다. 또한, 빔을 수렴시켜 500 A/cm2 이상의 전류밀도를 얻도록 X-레이를 생성하기 위한 피어스식 전자총으로 구성된 전자총이 어렵다. 본 발명은 상술된 문제점들을 해결하고자 고안되었으며, 본 발명의 목적은 대량의 흐름으로 좁게 수렴되는 1차전자빔을 생성하기 위한 전자총 뿐만 아니라, 저휘도 및 고이미턴스를 허용하는 전자총을 제공하는 것이다.
상술된 모든 종래의 기술들은 필터 길이(L1)가 대물 평면-이미지 평면 거리(즉, 대물 평면의 위치와 이미지 평면의 위치 사이의 거리)(L2)와 같은 조건을 기초로 한다. 하지만, 필터 길이가 대물 평면-이미지 평면 거리와 같다는 관계를 여러 상이한 요인들이 방해할 수도 있는 경우도 실제로 일부 존재한다.
이러한 문제에 대처하기 위해서는, 단순히 대물 평면 위치와 이미지 평면 위치가 필터를 벗어나 형성되는 경우, 궤적의 이중 대칭이 보장될 수 없고 2차 기하학적 수차가 상기 필터에 의해 새롭게 도입될 수도 있어, 수차보정광학장치를 포함하는 전체 광학시스템에 있어서 좋지 않게 증가된 비축 수차(off-axis aberration)를 초래할 수도 있는 문제가 발생할 수도 있다.
궤적의 이중 대칭을 보장하기 위해서는, 2개의 다극 타입의 빈 필터가 2개의 유닛으로 등가적으로 분할되어, 도 1에 도시된 바와 같이, 그 각각의 중심이 (대물 평면 위치와 이미지 평면 위치 사이의) 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라 1/4 평면 위치 또는 3/4 평면 위치와 정렬되도록 배치되어야 한다. 하지만, 이러한 형태가 채택되더라도, 비축 수차는 여전히 증가될 수 있다.
전자기장과 하전입자빔 궤적에 대해 행해지는 분석은 다음과 같은 사실을 보여준다. 구체적으로, 소정 각도의 어퍼처를 갖는 축을 따라 초기에 방출된 빔에 의해 생성되는 궤적(즉, H 궤적 또는 액셜 레이(Axial Ray))에 관해서는, 상기 궤적의 이중 대칭이 결과적으로 양방향 포커싱 및 투-타임 이미지-형성 조건(two-time image-formation condition) 하에 보장될 수 있다. 하지만, 적용된 동일한 조건에 의하면, 초기에 소정의 대물 높이로 방출된 빔에 의해 생성되는 궤적(즉, G 궤적 또는 필드 레이)은 이중 대칭을 보장할 수 없다.
G 궤적에 대한 이중 대칭을 보장하려는 여하한의 시도는 투-타임 이미지-형성 조건보다 더욱 강력한 다극 필드의 어플리케이션을 유발할 수도 있어 좋지 않고, 또한 H 궤적에 대한 이중 대칭을 보장하는 것도 실패하게 된다. 필터 길이(L1)가 대물 평면-이미지 평면 거리(L2)와 같지 않을 때, 이중 대칭을 보장하기 위한 H 궤적과 G 궤적 사이에 도입되는 이러한 상이한 필수 조건들의 현상을 도 2를 참조하여 후술할 수 있다.
구체적으로는, H 궤적에 있어서, 상기 빔은 소정의 각도로 진행(flying)되므로, 다극 필드로부터 자유로운 드리프트 공간에서의 빔의 일부 움직임만이 상기 빔을 수렴시키거나 발산시킬 수 있고, 축으로부터 멀리 떨어지는 조건으로 다극 필드 로 입사하기 위해 보다 샤프하게 휘어져, 이로부터 H 궤적에 대해서는 드리프트 공간의 존재만이 상기 빔의 초점에 영향을 미칠 수 있다고 말할 수 있다. 하지만, G 궤적에 있어서는, 상기 빔이 광학축과 평행하게 방출되기 때문에, 상기 빔의 초점이 다극 필드로 들어갈 때까지 어느 것에 의해서도 영향을 받지 않게 될 것이다. 또한, 중간 이미지-형성 평면 상의 축에 평행하도록 상기 빔이 그 궤적을 수정하지 않으면, 상기 평면 상의 궤적의 대칭이 보장되지 않을 것이다. 이로 인하여, 이중 대칭이 H 궤적에 대해서는 보장될 수 있을지라도, G 궤적에 대해서는 보장될 수 없으므로, 2차 기하학적 수차가 유도되어, 수차보정광학장치와 통합된 전체 광학시스템에 있어서 증가된 비축 수차를 유발시키게 되어 좋지 않다.
본 발명은 종래 기술과 연관된 상술된 문제점들의 관점에서 고안되었으며, 본 발명의 목적은 하전입자빔광학시스템에서의 수차를 보상할 수 있는 복수의 다극 빈 필터를 구비한 수차보정광학장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라 G 궤적 상에 주로 렌즈 효과를 제공할 수 있는 위치에 두 방향성 초점을 갖는 광학 요소(즉, 회전방향으로 대칭인 렌즈 효과를 유도할 수 있는 광학 요소)의 형태에 의하여 G 궤적 상의 렌즈 효과를 보상할 수 있는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 상기 수차보정광학장치와 통합되는 이미지투영광학시스템 및/또는 주사식광학시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 전자총에 의해 생성되는 1차전자빔이 샘플 상으로 조사되고, 상기 샘플로부터 방사되는 2차전자들은 이미지투영광학시스템에 의해 디텍터(detector) 상에 이미지로 형성되는 전자빔장치에 관한 것이다. 본 발명의 전자빔장치는 상기 전자총이 캐소드 및 드로잉 전극을 구비하되, 상기 캐소드의 전자방출면은 오목면을 형성하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 전자빔장치는 후술하는 구성예를 가질 수도 있다. (1) 캐소드의 전자방출면은 제1구의 부분내측면으로 이루어진다. (2) 드로잉 전극은 상기 캐소드의 상기 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비한다. (3) 상기 캐소드의 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 L 이 L0 보다 크다고 표현될 수도 있는데, 여기서 L0 는 상기 제1구 및 제2구가 동심구를 형성하는 경우에 있어서 상기 캐소드의 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 볼록면간의 거리이다. 즉, 상기 캐소드의 전자방출면과 드로잉 전극의 볼록면간의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 (Rc-Ra)<L 로 정의된 조건을 만족할 수도 있다.
(4) 상기 캐소드의 전자방출면은 제1구의 부분내측면으로 이루어지고, 상기 드로잉 전극은 상기 캐소드의 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비한다. (5) 상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록 면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 (Rc-Ra)<L<Rc 로 정의된 조건을 만족한다. (6) 상기 1차전자빔은 빔디플렉터(beam deflector)를 통해 상기 샘플 상으로 조사된다. (7) 상기 이미지투영광학시스템은 대물렌즈, NA 어퍼처, 상기 빔디플렉터의 자기장이 상기 2차전자들에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 차폐관, 배율렌즈, 및 축정렬디플렉터를 포함한다. (8) 상기 디텍터는 EB-CCD 디텍터(카메라) 또는 EB-TDI 디텍터(카메라)이다.
본 발명은 또한 전자총에 의해 생성되는 1차전자빔을 샘플 상으로 조사하도록 되어 있는 전자빔장치에 관한 것이다. 본 발명의 전자빔장치에 있어서, 상기 전자총은 캐소드 및 드로잉 전극을 구비하고, 상기 캐소드는 제1구의 부분내측면으로 이루어진 전자방출면을 구비하고, 상기 드로잉 전극은 상기 캐소드의 상기 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비하되, 상기 전자빔장치는 애노드와 샘플(타겟) 사이에, 다극 비점생성 렌즈(multi-polar astigmatizer lens), 또는 한 방향(X 방향)으로 빔을 수렴시키고 다른 방향(Y 방향)으로 빔을 발산시키도록 구성된 렌즈를 포함한다.
본 발명의 전자장치는 다음과 같은 구성을 포함하여 이루어질 수도 있다. (9) 상기 캐소드의 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 Rc 또는 Ra가 1/2 이하이다. 다시 말해, (10) 상기 캐소드의 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 2Rc<L+Ra 로 정의된 조건을 만족한다. 대안적으로는, (11) 상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 2Ra<Rc-L 로 정의된 조건을 만족할 수도 있다. (12) 상기 1차전자빔은 콘덴서렌즈, FA 어퍼처, 투영렌즈, 축정렬렌즈, 빔디플렉터 및 대물렌즈를 통해 상기 샘플 상으로 조사된다. (13) 상기 샘플로부터 방사되는 상기 2차전자들은 이미지투영광학시스템에 의해 디텍터 상에 이미지로 형성된다. (14) 상기 이미지투영광학시스템은 대물렌즈, NA 어퍼처, 상기 빔디플렉터의 자기장이 상기 2차전자들에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 차폐관, 배율렌즈, 및 축정렬디플렉터를 포함한다. (15) 상기 디텍터는 EB-CCD 디텍터(카메라) 또는 EB-TDI 디텍터(카메라)이다.
본 발명에 따르면,
상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라, 그 중심들이 1/4 평면 위치 및 3/4 평면 위치와 각각 정렬되도록 배치된 동일한 크기의 2개의 다극 빈 필터; 및
상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면 위치, 중간 이미지-형성 평면 위치 및 이미지 평면 위치에 배치되는 양방향 초점을 갖는 광학요소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면,
상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라, 그 중심들이 1/4 평면 위치 및 3/4 평면 위치와 각각 정렬되도록 배치된 동일한 크기의 2개의 다극 빈 필터; 및
상기 빈 필터의 중심들간의 거리가 대물 평면 위치 또는 이미지 평면 위치와 중간 이미지-형성 위치간의 거리보다 짧도록, 각각의 빈 필터의 중심에 대한 대칭 구성으로 상기 하전입자빔의 진행방향에 대하여 상기 각각의 빈 필터의 양 쪽에 배치된 양방향 초점을 갖는 복수의 광학요소를 포함하여 이루어지고, 상기 빈 필터들이 동일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치가 제공된다.
상술된 수차보정광학장치에 있어서, 상기 광학요소는 회전방향으로 대칭인 렌즈, 다극 렌즈, 빈 필터 및 전자기 프리즘 중 여하한의 것일 수도 있다.
본 발명에 따르면, 샘플면으로부터 최종 이미지-형성 평면으로 방사되는 하전입자빔을 안내하기 위한 이미지투영광학시스템이 제공되는데, 상기 이미지투영광학시스템은 상술된 수차보정광학장치가 상기 이미지투영광학시스템 내의 대물 렌즈와 중간 렌즈 사이의 제1의 이미지-형성 평면에 배치되어, 상기 제1의 이미지-형성 평면이 상기 수차보정광학장치 내의 이미지 평면 위치와 정렬되게 되는 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한 하전입자빔원으로부터 샘플면으로 방사되는 하전입자빔을 안내하기 위한 주사식광학시스템을 제공하는데, 상기 주사식광학시스템은 상술된 수차보정광학장치가 상기 주사식광학시스템 내의 대물 렌즈의 프론트 스테이지(front stage)의 중간 이미지-형성 평면에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전체로서 하전입자빔광학시스템에 의해 해상도(resolution)를 개선시킬 수 있게 된다. 또한, 종래의 기술들에 의해 달성되는 것과 거의 같은 레벨의 해상도를 유지하면서, 어퍼처 각도가 더욱 커질 수 있기 때문에, 빔전송율이 더욱 높아질 수 있으므로, 종래의 기술들에 따른 하전입자빔으로 인가되는 이미지투영광학시스템을 이용하는 결함검사장치에 비해, 일루미네이션 커런트(illumination current)를 증가시키지 않으면서도 신호량을 증가시켜 스루풋을 개선하는데 기여한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전자빔장치의 개략적인 레이아웃이다. 도 1을 참조하면, 전자빔장치(60)는 전자빔원(61), 투영렌즈(63), 빔디플렉터(14), 웨이퍼와 같은 샘플(13)이 배치된 스테이지(68), NA 어퍼처 플레이트(65), 차폐관(17) 및 EB-TDI 카메라(24)를 포함하여 이루어진다. 상기 전자총(61)은 캐소드(1), Wehnelt 전극(2) 및 드로잉 전극(3)을 포함한다. 상기 투영렌즈(63)는 제1투영렌즈(8) 및 제2투영렌즈(9)를 포함한다.
도 1의 전자빔장치(60)에 있어서, 전자총(61)으로부터의 전자빔(62)은 FA 어퍼처(필드 어퍼처 : 시야를 결정하기 위한 어퍼처) 상으로 조사되고, 상기 FA 어퍼처(7)의 이미지는 투영렌즈(8, 9)로 이루어진 2단 투영렌즈(63)에 의해 수정된 축소 비율을 가지고, 상기 샘플(13) 상으로 조사되도록 대물 렌즈(10, 11, 12)를 통과한다. 빔이 진행되는 동안, 상기 빔디플렉터(14)는 평행한 평판 자극에 의해 1차빔(64)을 편향시키고, 상기 빔(64)을 조사용 대물 렌즈(10, 11, 12)를 통해 광학 축(67) 상으로 약간 구부린다. 또한, 실선(28)으로 도시된 이미지 형성 상태로 도시된 바와 같이, 대물 렌즈(10)에 대해 상류에 상기 투영 렌즈(9)의 주된 평면 상에 광원의 이미지가 형성된다. 상기 투영 렌즈(9)의 주된 평면은 대부분 확장되는 이미지 형성 라인(29)을 구비한 렌즈의 주된 평면을 가리킬 수도 있다. 상기 투영 렌즈(9)는, 광원의 이미지가 상기 렌즈의 주된 평면 상에 형성되도록, 최대 수차를 생성할 수 있는 렌즈일 수도 있다.
샘플면(13)으로부터 방사되는 2차전자들은 대물 렌즈(12, 11, 10)에 의해 수렴되고, 비교적 낮은 수차를 갖는 중앙 영역에서의 빔만이 NA 어퍼처 플레이트(65)의 NA 어퍼처(16)를 통과하여 상방으로 진행되도록 허용된다. 1차빔의 통과를 허용하는 어퍼처(66)가 별도로 배치되어 있다. NA 어퍼처(16)를 통과한 2차전자들은 또한 보조 렌즈(18)의 주된 평면 상에 이미지로 형성되도록 차폐관(17)을 통과한다. 상기 차폐관(17)은 퍼멀로이(Permalloy)로 제조된 파이프를 나타내고, 상기 빔디플렉터(14)로부터의 자기장이 2차광학시스템의 광학축(67) 내로 누출되는 것을 방지하는 역할을 한다. 보조 렌즈(18)의 위치에 제1확대이미지를 형성한 2차전자들은 그 후에 최종 배율 렌즈(21) 유닛용 보조 렌즈(20) 유닛에서 4개의 렌즈(200, 201, 202 또는 203) 중 어느 것 위에 확대 이미지로 형성되도록 배율 렌즈(19)에 의해 배율된다.
상기 보조 렌즈(20) 유닛은 최대 픽셀 모드(200)용 보조 렌즈, 제2의 최대 픽셀 모드(201)용 보조 렌즈, 제3의 최대 픽셀 모드(202)용 보조 렌즈, 및 최소 픽셀 모드(204)용 보조 렌즈를 포함한다. 상기 NA 어퍼처 이미지는 점선(27)으로 표 시된 형성된 이미지로 도시된 바와 같이 배율 렌즈(19)의 주된 평면 상에 축소된 이미지로 형성되고, 또한 상기 보조 렌즈들 가운데 어느 하나, 즉 예시된 경우에는 200을 통해서도, 최종 배율 렌즈(21)의 주된 평면 상에 수축된 이미지로 형성된다. 본 발명은 상기 배율 렌즈(19, 20)를 통과하는 동안, 상기 빔의 광속(a flux of light)을 감소시켜 수차를 줄일 수 있게 된다.
도 1의 전자빔장치는 최종 배율 렌즈(21) 유닛의 역할을 하는 4개의 보조 렌즈(200, 201, 202, 203)를 포함하여 이루어진다. 이들 4개의 보조 렌즈는 4이상의 변하는 픽셀 크기도 소정의 디텍터 피치를 갖는 EB-CCD 디텍터 또는 EB-TDI 디텍터에 의해 검출되도록 한다. 상기 디텍터는 FOP(Fiber Optic Plate)(23)의 전방면에 걸쳐 가해지는 신틸레이터(형광 재료)(22)로 구성될 수도 있어, 상기 FOP에 일단 저장된 이미지로부터의 광학 신호가 광에 대해서 TDI 디텍터(24)에 의해 검출될 수 있게 된다. 이 경우, TDI 디텍터에 대한 신호가 낮으므로, 상기 신틸레이터(22)의 표면에 신틸레이터(22)로 들어가도록 2차전자들을 가속시켜 그에 따라 상기 2차전자들의 조명 효율(luminous efficiency)을 증가시키기 위하여 5KV 와 같은 양전압이 인가될 수도 있다.
수차에 임계적인 샘플(13)에 대한 투영 렌즈(9)간의 거리가 중요하기 때문에, 상기 샘플(13)에 대한 FA 어퍼처(7)간의 이미지-형성 시 구면 수차가 중요할 수도 있다. 특히, 샘플에 대한 랜딩 에너지(landing energy)가 500eV 로 높으면, 상기 빔의 피할 수 없는 블러(blur)가 공간 전하 효과에 의해 야기되어, 휘도가 보다 낮고 이미턴스가 높은 전자총을 필요로 한다. 전자총의 휘도를 감소시키기 위해 서는, 평탄 캐소드를 형성하도록 볼록 캐소드의 곡률 반경을 증가시키는 것이 효과적이다. 이를 상기 캐소드의 전자방출면이 볼록 프로파일을 가질 때, 상기 캐소드면에서의 전기장의 세기 및 그에 따른 휘도가 높다는 사실로부터 설명하기 위하여, 상기 휘도는 실질적으로 또는 완전히 평탄한 표면을 형성하도록 전자방출면의 프로파일에 대한 곡률 반경을 증가시킴으로써 감소될 수 있다. 오목 프로파일을 형성하는 전자방출면(1)과 함께 캐소드(1)를 이용하는 전자총은 훨씬 더 낮은 휘도와 높은 이미턴스를 제공하도록 할 수 있다.
도 2는 전자총(61)의 상세한 구조를 보여준다. 캐소드(1)의 전자방출면(1a)은 광학축(45)의 방향에서 볼 때 0.2 mm 내지 4 mmφ로 형성된 원형 구성체, 및 평탄하도록 처리된 히터(41)에 의하여 유지된 부분을 구비한다. 상기 캐소드(1) 및 히터(41)는 전류가 인가되어 캐소드(1)를 가열시키는 전극(42)에 의해 추가로 지지된다. 상기 캐소드의 오목한 형상의 전자방출면(1a)의 곡률반경(Rc)은 2 mm 내지 8 mm 사이에 있다. Wehnelt(2)는 광학축(45)을 둘러싸는 원뿔면(69)을 가지고, 상기 전자총의 성능은 원뿔면(69)과 광학축(45) 사이에 형성된 각도(θ)를 최적화하여 제어된다. 통상적인 각도의 값은 40도 내지 50도 사이에 있는 것으로 시뮬레이션이 보여준다. 상기 드로잉 전극(3)은 광학축(45)에 인접하여 형성된 빔의 통과를 위한 어퍼처(73)를 구비한, 곡률반경(Ra)으로 형성된 반구면으로 이루어진다. 하류측에 형성된 드로잉 전극(3)의 일부분은 광학축(45)으로 만들어진 각도(θ2)로 형성된 원뿔면(71)을 가진다. 상기 드로잉 전극(3)에 인접하여 배치된 애노드(43)는 광학 축(45)에 대해 수직방향으로 연장되는 평탄면(72)을 갖는 평탄 전극으로 이루어진다.
상기 빔의 타원 교차부(광학축(45)에 수직인 교차부)로 형성된 타원빔을 생성하기 위하여, 정전기 사중극자(44)는 한 축방향으로 빔 크기를 감소시키고, 다른 축방향으로 상기 빔 크기를 증가시키기 위해 상기 애노드(43)에 대해 하류에 배치되어야만 한다. 도 6은 광학축(45)에 수직인 교차부에서 정전기 사중극자(44)의 포지티브 및 네거티브 전기극의 물리적 형태를 보여주는 단면도이다. 만일 공간 전하 효과가 너무 강하다면, 상기 정전기 사중극자(44)는 상기 캐소드(1)에 보다 근접하여 배치되도록 요구된다. 자기 사중극자(46)는 드로잉 전극(3)의 뒷면 또는 외측면에 배치될 수도 있다.
자기 사중극자(46)의 상세한 설명은 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3은 광학축에 수직인 자기 사중극자(46)의 단면도이고, 도 4는 도 3의 D-D 선을 따라 취한 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각 반경방향으로 배치된 4개의 자석(461, 462, 463, 464)은 그 반경방향으로 외측면에 지지되어 고정되고, 각각의 자극은 여기를 제공하는 여기 코일(47)에 의해 감겨져, 서로 반경 방향으로 대향하는 각 쌍의 자극이 동일한 극성을 얻을 수 있도록 한다. 상기 빔의 교차부(48)(광학축에 수직인 교차부)는 각각의 자극의 축선에 대해 45도의 각도로 형성된 방향을 향해 변형된다(도 3의 반경 방향).
종래의 피어스식 전자총에 있어서, 캐소드의 전자방출면을 형성하는 만곡면(곡률 반경(Rc)를 가짐)과 상기 전자방출면에 대향하는 애노드의 만곡면(곡률 반 경(Ra)을 가짐)은 동심구를 형성할 수도 있다. 구체적으로는, L=Rc-Ra 의 관계를 만족한다. 상기 L은 캐소드의 전자방출면과 애노드의 만곡면간의 거리를 나타낸다. 이와는 대조적으로, 본 발명의 제1실시예(도 2)는 캐소드의 전자방출면을 형성하는 만곡면(제1구)(1a)의 곡률 반경(Rc), 드로잉 전극(3)의 볼록면(제2구)(3a)의 곡률 반경(Ra) 및 상기 캐소드의 전자방출면과 드로잉 전극의 볼록면(3a)간의 광학축을 따르는 거리(L)은 다음과 같은 관계식을 만족할 수 있다:
(Rc-Ra)<L<Rc (1)
본 발명의 제2실시예는 캐소드의 전자방출면을 형성하는 만곡면(제1구)(1a)과 상기 드로잉 전극의 볼록면(제2구)간의 광학축을 따르는 거리(L)와, 상기 만곡면(제1구)(1a)의 곡률 반경(Rc) 및 상기 볼록면(제2구)(3a)의 곡률 반경(Ra)간의 관계가 다음과 같이 정의되는 부등식을 만족하도록 구성된다:
2Rc<L+Ra (2)
본 발명의 제3실시예는 캐소드의 전자방출면을 형성하는 만곡면(제1구)(1a)과 상기 드로잉 전극의 볼록면(제2구)간의 광학축을 따르는 거리(L)와, 상기 만곡면(제1구)(1a)의 곡률 반경(Rc) 및 상기 볼록면(제2구)(3a)의 곡률 반경(Ra)간의 관계가 다음과 같이 정의되는 부등식을 만족하도록 구성된다:
2Ra<Rc-L (3)
L=Rc-Ra로 정의되는 방정식을 만족하는 피어스식 전자총에 있어서는, 곡률면(제1구)(1a)과 곡률면(제2구)(3a)이 동심구를 나타낸다. 그와 비교할 때 분명한 바와 같이, 상기 부등식 (1)로 정의된 캐소드-애노드 거리(L)는 동심구들의 반경간 의 차이보다 길다. 도 7은 상기 부등식 (1)을 만족시키기 위하여 Rc=5 mm, Ra=2 mm 및 L=4 mm 를 취하는 시뮬레이션으로부터 빔 특성을 그래프식으로 나타낸 것을 보여준다. 사용된 캐소드 직경은 0.28 mm 이다.
도 7의 그래프식 표현은 본 발명의 전자총 및 피어스식 전자총간의 특성 비교를 도시한다. 곡선 81은 본 발명, 즉 L=4 mm, Rc=5 mm 및 Ra=2 mm 를 채택하는 경우의 전자총의 특성을 나타내는 한편, 점선 82는 L=3 mm, Rc=5 mm 및 Ra=2 mm 를 채택하는 경우의 피어스식 전자총의 특성을 나타낸다. 파선 83은 L=5 mm, Rc=5 mm 및 Ra=2 mm 를 채택하는 경우의 특성을 나타낸다. 도 7의 곡선 81 또는 본 발명의 (Rc-Ra)<L<Rc 에서는, 이미턴스가 140A/cm2sr 이하의 휘도에 대해 압도적으로 크다. L=Rc를 나타내는 도 7의 파선 83에서는, 고레벨의 이미턴스가 200A/cm2sr 보다 낮지 않은 휘도에 대해서 얻어질 수 있지만, 이는 보다 낮은 휘도에서 보다 높은 이미턴스를 요구하는 이미지핑식(imageping type)의 전자광학시스템에 적합하지 않다. 본 발명에 의해 달성되는 관계 L<Rc 가 필요하다는 것은 상기로부터 명백하다.
도 7은 휘도가 낮은 경우(예컨대, 휘도가 100A/cm2sr 인 경우), 본 발명(곡선 81)의 전자총은 피어스식 전자총(곡선 82)보다 높은 이미턴스를 얻을 수 있다는 것을 보여준다. 특히, 본 발명(곡선 81)의 전자총은 휘도가 40A/cm2sr 과 70A/cm2sr 사이에 있을 때 보다 높은 이미턴스를 얻을 수 있다. 픽셀 크기가 100nm 정도인 2048x512 정도의 픽셀 이미지를 얻기 위해서, 상기 시뮬레이션은 50A/cm2sr 정도의 휘도가 사용되어야 하고, 이 경우에는 본 발명의 전자총이 매우 높은 성능을 나타내는 것이 바람직하다는 것을 보여준다.
도 5는 캐소드의 전자방출면(만곡면(1a))과 드로잉 전극(3)의 만곡면(3a)간의 거리가 피어스식 전자총에 비해 보다 긴 또다른 실시예를 보여준다. 도 5의 실시예에 있어서, 상기 드로잉 전극(3)은 또한 캐소드 직경=4 mm, Rc=5 mm, 애노드의 곡률반경 Ra=2 mm 및 L=5 mm 를 갖는 애노드(도 2의 애노드(43))로서의 역할도 한다. 도 5의 시뮬레이션 예시에 있어서, 곡선 51은 10kV 의 등전위선을 나타낸다. 곡선 52 및 53은 모두 20kV 의 등전위선이고, 곡선 54는 27kV 의 등전위선이다. 크로스오버 직경(55)은 대략 113 ㎛φ 이다. 도 5의 상기 시뮬레이션에서는, 10KA/cm2에 가까운 전류 밀도 또는 전류 밀도=0.995[π(113X10-4/2)2]=9.921KA/cm2 가 얻어졌다.
도 7의 시뮬레이션 예시에서는, 캐소드의 전자방출면(만곡면(1a))과 드로잉 전극(3)의 만곡면(3a)간의 크기(L)가 피어스식 전자총에 대해 3 mm 에서 L=5 mm 로 수정된 경우, 900A/cm2sr의 휘도 및 2000 ㎛·mrad 의 이미턴스가 4.5KV 의 가속 전압에서 얻어졌다. 또한, 1.2x104A/cm2sr 의 휘도 및 1000 ㎛·mrad 의 이미턴스가 7KV 의 가속 전압에서 얻어졌다. 이러한 성능을 갖는 전자총은 이미지투영광학시스템의 전자빔장치에 선호된다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장 치의 일 실시예가 대체로 도면 부호 101a로 표시된다. 도 10에서, 도면 부호 102 및 102'는 크기와 휘도가 동일한 복수(예시된 실시예에서는 2개)의 다극 빈 필터를 나타낸다. 본 명세서에 사용된 "크기와 휘도가 동일한"이란 어구는 2개의 다극 빈 필터가 동일한 치수 또는 크기를 가지므로, 그들에 인가될 전압이나 전류에 대해 동일한 조건을 가진다는 것을 의미한다. 상기 2개의 다극 빈 필터(102, 102')는 그 중심이 실질적으로 수차보정광학장치(101a)의 광학축 O-O 와 정렬되고, 상기 수차보정광학장치(1a) 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따르는 1/4 평면 위치(본 발명의 목적을 위해 "1/4 평면 위치"라는 용어는 상기 적용된 수차보정광학장치에서, 대물 평면 위치(C)로부터 측정된 대물 평면-이미지 평면 세그먼트에 대응하는 거리(L2)의 1/4의 위치를 말함)(이를 A 라고 함)에 놓이도록 배치되고, 그리고 3/4 평면 위치에서는(본 발명의 목적을 위해 "3/4 평면 위치"라는 용어는 상기 적용된 수차보정광학장치에 있어서, 대물 평면 위치(C)로부터 측정된 대물 평면-이미지 평면 세그먼트에 대응하는 거리(L2)의 3/4의 위치를 말함)(이를 B 라고 함). 본 실시예에 사용된 다극 빈 필터의 구조 및 기능은 공통으로 사용되는 것과 동일하기 때문에, 상기 구조 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
유니포텐셜 렌즈(103a)는 대물 평면 위치 C와, D로 도시된 1/2 평면(중간 이미지 평면) 위치(본 발명의 목적을 위한 용어 "1/2 평면 위치"란 적용된 수차보정광학장치에서의 대물 평면 위치로부터 측정된 대물 평면-이미지 평면 세그먼트에 대응하는 거리(L2)의 1/2의 위치를 말한다), 및 이미지 평면 위치 E에 각각 배치된다. 이들 각각의 유니포텐셜 렌즈(103a)는 상기 표시된 위치 C 내지 E에서 광학축 O-O와 실질적으로 정렬된 그 중심으로 배향되어, 양방향 초점을 갖는 광학 요소를 구성한다. 이와 관련하여, 대물 평면 위치 C 및 이미지 평면 위치 E에 특정적으로 배치되는 3개의 유니포텐셜 렌즈 가운데 2개는 같은 크기(치수) 및 같은 렌즈 휘도를 가질 수도 있는 반면, 중간 이미지 평면 위치 D에 배치된 하나는 다른 2개의 포텐셜 렌즈와 동일한 크기를 가지지만 그들로부터의 렌즈 휘도는 상이할 수도 있다(보다 높을 수 있다). 상술된 용어인 다극 빈 필터(102, 102') 및 유니포텐셜 렌즈(103a)의 "중심"은 광학 중심을 말한다는 점에 유의해야 한다. 각각의 유니포텐셜 렌즈(103a)는 축방향 조정을 제공하여 배율 스케일로부터 야기되는 갭을 보상하는 역할을 하도록 이중극자 또는 사중극자 필드를 중첩시켜 다극 구조로 구성될 수도 있다. 유니포텐셜 렌즈(103a) 대신에, 회전방향으로 대칭인 전자기 렌즈 또는 다극 구조의 전자기 렌즈가 채택될 수도 있지만, 이미지 상의 회전 효과를 고려할 때에는 정전기 타입을 채택하는 것이 보다 바람직할 수도 있다.
상기 수차보정광학장치(101a)는 2개의 다극 빈 필터 및 3개의 유니포텐셜 렌즈(103a)로 이루어지고, 동일한 수차보정광학장치가 통합된 하전입자빔광학시스템(예시되지 않음)에서의 수차를 보상하는 역할을 한다. 고에너지 빔의 수차 보정은 대물 평면 위치 C 및 이미지 평면 위치 E에 배치된 렌즈들에 대한 바이포텐셜 렌즈(bipotential lens)를 채택함으로써, 바람직하지 않게 수차보정광학장치의 크기를 증가시키지 않고도 상기 수차보정광학장치 내부의 전자들의 기준 에너지(reference energy)를 감소시키는 것이 가능하다는 점에 유의한다.
또한, 유니포텐셜 렌즈 중 어떠한 것도 반드시 회전방향으로 대칭인 렌즈일 필요는 없으며, 빈 필터 및 전자기 프리즘을 포함하는 양방향 초점을 갖는 여하한의 광학 요소일 수도 있다.
도 11은 상술된 구성예에서의 참조 궤적을 보여준다. 예시된 바와 같이, H 궤적 뿐만 아니라 G 궤적도 그 이중 대칭이 보장된다. 도 12는 단순히 2개의 다극 빈 필터를 포함하는 광학시스템에서 그리고 상술된 구성예에서의 대물 높이에 대한 이미지 블러링(image blurring)을 그래프식으로 표현한 도면이다. 이와 관련하여, "대물 높이"란 용어는 대물 평면 상의 해당 이미지점으로부터 해당 점으로부터 광학축 O-O 상으로 연장되는 법선으로 이루어진 교차점까지의 거리를 말한다. 각각의 수차보정광학장치의 대물 평면은 이미지투영광학시스템의 대물 렌즈로부터의 앞서 주어진 수차였고, 현재는 상기 수차보정광학장치를 보조하여 수차가 축 위에서 적절하게 보상된 조건에 있음을 유의한다. 예시로부터 자명한 바와 같이, 단순히 2개의 다극 빈 필터를 포함하는 광학시스템은 축방향 이미지 블러링을 성공적으로 보상하지만, 비축 이미지 블러링(off-axial image blurring)에 악영향을 끼쳐 이전보다 악화시키게 된다.
다른 한편으로, 본 발명의 수차보정광학장치에서는, 이미지 블러링이 시야의 범위 내에서 성공적으로 보정되었다. 본 예시에 사용된 이미지투영광학시스템의 대물 렌즈로부터의 수차는 축상색수차가 두드러지고, 본 발명의 보정광학장치와 연계하여 사용된다면, 전체 광학시스템에 의하여 해상도를 향상시킬 수 있다. 또한, 장점으로는 어퍼처 각도가 보다 커질 수 있으므로, 종래의 기술에 의해 달성되는 것과 실질적으로 같게 해상도를 유지하면서, 빔전송률이 더욱 높아질 수 있게 되어, 종래의 이미지투영광학시스템을 이용하는 결함검사장치의 경우에 비해 일루미네이션 커런트를 증가시키지 않고도 신호량을 증가시킴으로써 스루풋을 향상시키는 데 기여하게 된다.
지금까지는 이미지투영광학시스템에서의 수차 보정에 적용되는 본 발명의 예시에 대해서만 설명하였지만, 하전입자 및 전자와 상기 전자들의 에너지가 30keV 보다 크지 않다면, 크기에 관한 실제적인 조건 및 전자기 조건이 있어야 한다는 사실로부터, 본 발명의 보정광학장치는 상술된 에너지 범위 내에서 작동될 수 있는 모든 적용예들에 적용가능하다는 것이 자명하다. 구체적으로, 상기 적용예는 주사식 현미경과 저가속 전자빔 노광을 포함할 수도 있다. 또한, 하전입자가 이온이더라도, 상기 원리로부터 수차 보정이 가능하여야 한다. 하지만, 이온의 경우에는, 비전하(specific charge)가 전자에 비해 현저하게 작으므로, 플라잉(flying) 속도가 비례적으로 감소되어야 하고, 등가 효과(equivalent effect)를 목적으로 자기장을 현저하게 증가시켜야만 한다. 이는 본 발명의 보정광학장치에 의해 이온에 적용가능한 가속화 에너지를 2kV 이하로 제한시킨다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 수차보정광학장치의 또다른 실시예는 대체로 도면 부호 101b로 표시된다. 앞선 실시예에 사용된 2개의 다극 빈 필터의 동일한 크기 및 동일한 물리적 형태가 예시된 실시예에 채택되지만, 상기 예시된 실시예는 양방향 초점을 갖는 광학 요소의 역할을 하는 4개의 유니포텐셜 렌즈(103b)를 포함하여 이루어진다는 것이 다른 점이다. 유니포텐셜 렌즈(103b)는 각각의 빈 필터의 중심에 대하여 대칭 구성으로 하전입자빔의 진행 방향에 대해 빈 필터(2) 각각의 양 측(하전입자빔의 진행 방향을 따라 본 각각의 빈 필터에 대해 상류측과 하류측에)에 배치되어, 상기 중심들간의 거리가 상기 보정광학장치(1b) 내의 대물 평면 위치 또는 이미지 평면 위치와 중간 이미지-형성 위치 사이의 거리보다 짧게 되어 있다. 보다 상세히 설명하기 위하여, 유니포텔셜 렌즈(103b)는 각각의 중심을 광학축 O-O와 실질적으로 정렬시켜 배치되어, 각각의 중심이 하전입자빔광학시스템(101a)에서의 대물 평면 위치 C와 제1의 다극 빈 필터(102) 사이의 위치 F; 상기 제1의 다극 빈 필터(102)와 중간 이미지-형성 평면 위치(1/2 평면 위치) D 사이의 위치 G; 상기 중간 이미지-형성 평면 위치 D와 제2의 다극 빈 필터(102') 사이의 위치 H; 및 상기 제2의 다극 빈 필터(102')와 이미지 평면 위치 E 사이의 위치 I에 배치되게 된다. 상기 위치 F 및 위치 G는 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라 1/4 평면 위치 A에 대해 대칭인 위치들을 나타내고, 상기 위치 H 및 위치 I 또한 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라 3/4 평면 위치 B에 대해 대칭 관계로 배치된다.
상술된 수차보정광학장치(101b)는 상술된 물리적 관계로 배치된 4개의 유니포텔셜 렌즈(103b) 및 2개의 다극 빈 필터로 이루어지고, 동일한 장치가 통합된 하전입자빔광학시스템에서의 수차를 보상하는 역할을 한다.
이는 G 궤적으로 하여금 본 발명의 제1실시예에 비해 더욱 이상적인 이중 대칭을 갖도록 한다. 또한, 이러한 구성예에서는, 디플렉터가 중간 이미지-형성 평면에 배치될 수 있으므로, 전원에 대한 부하가 바람직하게 본 발명의 제1예시처럼 감소될 수 있다.
또한, 본 실시예는 각각의 유니포텔셜 렌즈(103a)가 축방향 조정을 제공하여 배율 스케일로부터 야기되는 갭을 보상하는 역할을 하도록 이중극자 또는 사중극자 필드를 중첩시켜 다극 구조로 구성될 수도 있다는 점에 유의한다. 유니포텐셜 렌즈(103a) 대신에, 회전방향으로 대칭인 렌즈 또는 다극 구조를 갖는 전자기 렌즈가 채택될 수도 있지만, 이미지 상의 회전 효과를 고려할 때에는 정전기 타입을 채택하는 것이 보다 바람직할 수도 있다. 앞선 실시예의 경우에서와 같이, 유니포텐셜 렌즈 중 어떠한 것도 반드시 회전방향으로 대칭인 렌즈일 필요는 없으며, 빈 필터 및 전자기 프리즘을 포함하는 양방향 초점을 갖는 여하한의 광학 요소일 수도 있다.
이하, 도 14를 참조하여, 상술된 수차보정광학장치들 가운데 제2실시예에 따른 수차보정광학장치(101b)가 한 타입의 하전입자빔광학시스템을 나타내는 이미지투영광학시스템에 적용되는 일 예시를 설명하기로 한다.
도 14에는, 비교를 위하여, 좌측에 있는 (A)는 개략도에 수차보정광학시스템을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 공통 이미지투영광학시스템(110)을 보여주고, 우측에 있는 (B)는 개략도에 수차보정광학장치(101b)를 포함하여 이루어지는 이미지투영광학시스템(110a)을 보여준다. 도 14에서, 참조 부호/번호 WS는 샘플면을 나타내고, 111은 제1대물렌즈, 112는 어퍼처 스톱, 113은 제2대물렌즈, IP1은 제1의 이미지-형성 평면, 114는 제1중간렌즈, 115는 제2크로스오버렌즈, 116은 제2중간렌즈, IP2는 제2의 이미지-형성 평면, 117은 투영렌즈, 118은 제3크로스오버렌즈 및 IP3은 최종 이미지-형성 평면을 각각 나타낸다.
도 14 (A)와 (B) 간의 차이로부터 알 수 있듯이, 상기 수차보정광학장치(101b)는, 대물 평면 위치 C가 제1의 이미지-형성 평면(IP1)의 위치와 정렬되고, 상기 수차보정광학장치의 이미지 평면 위치 E가 제2의 이미지-형성 평면(IP2')의 위치, 또는 종래의 이미지투영광학시스템(110) 내의 제1의 이미지-형성 평면(IP1)에 대응하는 위치와 정렬되는 방식으로, 상기 광학시스템의 제1의 이미지-형성 평면(IP1)에 대응하는 장소에서 분리된 종래의 이미지투영광학시스템(101) 내에 삽입시켜 통합된다. 상기 수차보정광학장치는 그 자체가 균등하게 스케일링된 이미지로 형성되기 때문에, 배율 스케일 또는 어퍼처 각도가 전혀 바뀌지 않을 수 있으므로, 종래의 이미지투영광학시스템이 이미지 형성 조건을 수정할 필요가 전혀 없게 된다. 종래의 이미지투영광학시스템의 제2의 이미지-형성 평면(IP2)은 본 발명의 이미지투영광학시스템 내의 제3의 이미지-형성 평면(IP3)에 대응한다는 점에 유의한다.
샘플면(WS)으로부터 방사되는 2차전자들의 이미지-형성 시 이미지투영광학시스템에서의 광학 수차는 전자들의 에너지 팽창에 기인하는 대물렌즈로부터의 축상색수차가 두드러지고, 따라서 수차보정광학시스템은 이러한 축상색수차를 등가량으로 생성하도록 컨디셔닝될 수도 있지만, 대물렌즈에 의해 도입될 축상색수차를 상쇄할 수 있는 반대 부호를 가진다.
이하, 도 15를 참조하여, 상술된 수차보정광학장치들 가운데 제2실시예에 따른 수차보정광학장치(101b)가 한 타입의 하전입자빔광학시스템을 나타내는 이미지투영광학시스템에 적용되는 일 예시를 설명하기로 한다.
도 15에는, 비교를 위하여, 좌측에 있는 (A)는 개략도에 수차보정광학시스템을 포함하지 않는 종래 기술에 따른 공통 이미지투영광학시스템(120)을 보여주고, 우측에 있는 (B)는 개략도에 수차보정광학장치(101b)를 포함하여 이루어지는 주사식광학시스템(120a)을 보여준다. 도 15에서, 참조 부호/번호 121은 전자총을 나타내고, 122은 콘덴서렌즈, IP5는 제1의 이미지-형성 평면, 123은 중간렌즈, IP6은 제2의 이미지-형성 평면, 124은 대물렌즈 및 WS는 샘플면을 각각 나타낸다.
도 15 (A)와 (B) 간의 차이로부터 알 수 있듯이, 상기 수차보정광학장치(101b)는, 대물 평면 위치 C가 제2의 이미지-형성 평면(IP5)과 정렬되고, 상기 수차보정광학장치의 이미지 평면 위치 E가 제3의 이미지-형성 평면(IP7), 또는 종래의 주사식광학시스템 내의 제2의 이미지-형성 평면(IP6)과 정렬되는 방식으로, 도면에서 제2의 이미지-형성 평면(IP5)의 위치 또는 대물렌즈의 프론트 스테이지의 중간 이미지-형성 평면에 대응하는 장소에서 분리된 종래의 광학시스템 내에 삽입시켜 통합된다. 상기 수차보정광학장치는 그 자체가 균등하게 스케일링된 이미지로 형성되기 때문에, 배율 스케일 또는 어퍼처 각도가 전혀 바뀌지 않을 수 있으므로, 종래의 주사식광학시스템이 이미지 형성 조건을 수정할 필요는 없게 된다.
상기 주사식광학시스템에서의 광학 수차는 대물렌즈로부터 구면수차, 축상색수차 및 회절수차가 두드러지고, 따라서 상기 수차를 보상하기 위해 제공되는 수차보정광학시스템은 이러한 구면수차 및 축상색수차를 등가량으로 생성하도록 컨디셔닝될 수도 있지만, 대물렌즈에 의해 도입될 구면수차 및 축상색수차를 상쇄할 수 있는 반대 부호를 가진다. 또한, 이를 통해 주사식광학시스템의 컨디셔닝이 수정될 수도 있어, 종래의 시스템에 비해 회절수차는 상대적으로 낮지만 구면수차와 축상색수차는 비교적 높으므로, 보정광학장치를 포함하는 전체 유닛에 대한 광학 수차를 더욱 개선하게 된다.
이와 관련하여, 상기 주사식광학시스템은 통상적으로 좁게 수렴된 하전입자빔으로 샘플면에 걸쳐 2차원 주사를 제공하고, 상기 주사를 위한 디플렉터부는 수차보정광학장치의 이미지 평면의 하류 위치와 대물렌즈의 주된 평면의 상류 위치에서의 광학 궤적에 상기 수차보정광학장치와 통합된 광학시스템에 배치될 수도 있다.
본 발명의 수차보정광학장치는 하전입자빔을 이용하는 전자현미경, 전자빔검사장치 등에 적용가능하다.
본 발명에 따르면, 대량의 흐름으로 좁게 수렴되는 1차전자빔을 생성하기 위한 전자총 뿐만 아니라, 저휘도 및 고이미턴스를 허용하는 전자총을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 하전입자빔광학시스템에서의 수차를 보상할 수 있는 복수의 다극 빈 필터를 구비한 수차보정광학장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라 G 궤적 상에 주로 렌즈 효과를 제공할 수 있는 위치에 두 방향성 초점을 갖는 광학 요소(즉, 회전방향으로 대칭인 렌즈 효과를 유도할 수 있는 광학 요소)의 형태에 의하여 G 궤적 상의 렌즈 효과를 보상할 수 있는 하전입자빔광학시 스템용 수차보정광학장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 수차보정광학장치와 통합되는 이미지투영광학시스템 및/또는 주사식광학시스템을 제공할 수 있다.

Claims (16)

  1. 전자빔장치에 있어서,
    전자총 및 이미지투영광학시스템을 포함하여 이루어지고,
    상기 전자총에 의해 생성되는 1차전자빔은 샘플 상으로 조사되고, 상기 샘플로부터 방사되는 2차전자들은 상기 이미지투영광학시스템에 의해 디텍터 상에 이미지로 형성되며, 상기 전자총은 캐소드 및 드로잉 전극을 포함하고, 상기 캐소드는 오목면으로 이루어진 전자방출면을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드의 상기 전자방출면은 제1구의 부분내측면을 포함하여 이루어지고, 상기 드로잉 전극은 상기 캐소드의 상기 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비하며, 상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 (Rc-Ra)<L 로 정의된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 캐소드의 상기 전자방출면은 제1구의 부분내측면을 포함하여 이루어지고, 상기 드로잉 전극은 상기 캐소드의 상기 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비하며, 상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 (Rc-Ra)<L<Rc 로 정의된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차전자빔은 빔디플렉터를 통해 상기 샘플 상으로 조사되고, 상기 이미지투영광학시스템은 대물렌즈, NA 어퍼처, 상기 빔디플렉터의 자기장이 상기 2차전자들에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 차폐관, 배율렌즈, 및 축정렬디플렉터를 포함하며, 상기 디텍터는 EB-CCD 디텍터 또는 EB-TDI 디텍터인 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  5. 전자빔장치에 있어서,
    샘플 상으로 조사되는 1차전자빔을 생성하는 전자총을 포함하여 이루어지고,
    상기 전자총은 캐소드 및 드로잉 전극을 포함하여 이루어지며, 상기 캐소드는 제1구의 부분내측면으로 이루어진 전자방출면을 구비하고, 상기 드로잉 전극은 상기 캐소드의 상기 전자방출면을 향하고 있는 제2구의 부분외측면으로 이루어진 볼록면 및 전자들의 통과를 위해 상기 볼록면을 관통하여 형성된 어퍼처를 구비하며,
    상기 전자빔장치는, 상기 드로잉 전극과 상기 샘플 사이에 다극 비점생성 렌즈(multi-polar astigmatizer lens)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 2Rc<L+Ra 로 정의된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 캐소드의 상기 전자방출면과 상기 드로잉 전극의 상기 볼록면 사이의 축선을 따르는 거리(L)와, 상기 제1구의 곡률반경(Rc) 및 상기 제2구의 곡률반경(Ra)간의 관계는 2Ra<Rc-L 로 정의된 조건을 만족하는 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 1차전자빔은 콘덴서렌즈, FA 어퍼처, 투영렌즈, 축정렬렌즈, 빔디플렉 터 및 대물렌즈를 통해 상기 샘플 상으로 조사되고, 상기 샘플로부터 방사되는 상기 2차전자들은 이미지투영광학시스템에 의해 디텍터 상에 이미지로 형성되며, 상기 이미지투영광학시스템은 대물렌즈, NA 어퍼처, 상기 빔디플렉터의 자기장이 상기 2차전자들에 영향을 주는 것을 방지하기 위한 차폐관, 배율렌즈, 및 축정렬디플렉터를 포함하고, 상기 디텍터는 EB-CCD 디텍터 또는 EB-TDI 디텍터인 것을 특징으로 하는 전자빔장치.
  9. 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치에 있어서,
    상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라, 그 중심들이 1/4 평면 위치 및 3/4 평면 위치와 각각 정렬되도록 배치된 동일한 크기의 2개의 다극 빈 필터; 및
    상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면 위치, 중간 이미지-형성 평면 위치 및 이미지 평면 위치에 배치되는 양방향 초점을 갖는 광학요소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  10. 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치에 있어서,
    상기 수차보정광학장치 내의 대물 평면-이미지 평면 세그먼트를 따라, 그 중심들이 1/4 평면 위치 및 3/4 평면 위치와 각각 정렬되도록 배치된 동일한 크기의 2개의 다극 빈 필터; 및
    상기 빈 필터의 중심들간의 거리가 대물 평면 위치 또는 이미지 평면 위치와 중간 이미지-형성 위치간의 거리보다 짧도록, 각각의 빈 필터의 중심에 대한 대칭 구성으로 상기 하전입자빔의 진행방향에 대하여 상기 각각의 빈 필터의 양 쪽에 배치된 양방향 초점을 갖는 복수의 광학요소를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광학요소는 회전방향으로 대칭인 렌즈인 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광학요소는 다극 렌즈인 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  13. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광학요소는 빈 필터인 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  14. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 광학요소는 전자기 프리즘인 것을 특징으로 하는 하전입자빔광학시스템용 수차보정광학장치.
  15. 샘플면으로부터 최종 이미지-형성 평면으로 방사되는 하전입자빔을 안내하기 위한 이미지투영광학시스템에 있어서,
    제9항 또는 제10항에 따른 수차보정광학장치가 상기 이미지투영광학시스템 내의 대물 렌즈와 중간 렌즈 사이의 제1의 이미지-형성 평면에 배치되어, 상기 제1의 이미지-형성 평면이 상기 수차보정광학장치 내의 이미지 평면 위치와 정렬되게 되는 것을 특징으로 하는 이미지투영광학시스템.
  16. 하전입자빔원으로부터 샘플면으로 방사되는 하전입자빔을 안내하기 위한 주사식광학시스템에 있어서,
    제9항 또는 제10항에 따른 수차보정광학장치는 상기 주사식광학시스템 내의 대물 렌즈의 프론트 스테이지(front stage)의 중간 이미지-형성 평면에 배치되는 것을 특징으로 하는 주사식광학시스템.
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