(57)【要約】【課題】温度上昇等によるカソードとアノードとの間の相対位置変化を調整することができ、カソード以外の真空部品の発熱を抑えることができる電子線装置及び該電子線装置を用いたデバイス製造方法を提供すること。【解決手段】カソード１及びアノード１０、１１を有する複数の電子銃ＥＧ１、ＥＧ２、・・と、各電子銃に設けられた電子光学系ＯＳ１、ＯＳ２、・・とを備えた電子線装置は、各電子銃においてカソード１とアノード１０、１１との間の相対位置を変化させるための調整機構を具備する。例えば、調整機構は、カソード１を支持する絶縁碍子４と、絶縁碍子４を支持し且つ電圧の印加に応じて伸縮する複数のピエゾ素子５とを備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード及びアノードを有する複数の電子銃と、それぞれの前記電子銃毎に設けられた電子光学系とを備えた電子線装置であって、
それぞれの前記電子銃において前記カソードと前記アノードとの間の相対位置を変化させるための調整機構を具備することを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
前記調整機構が、
前記カソードを支持する絶縁碍子と、
前記絶縁碍子を支持し且つ電圧の印加に応じて伸縮する複数のピエゾ素子と、を備えることを特徴とする、請求項１記載の電子線装置。
【請求項３】
前記カソードの近傍に、該カソードから放出された放射線を該カソードの先端近傍に反射させるための金属部品を設けたことを特徴とする、請求項１記載の電子線装置。
【請求項４】
前記金属部品が、前記絶縁碍子にウェーネルト又はカソードからの蒸発物が付着するのを防止する金具を兼用することを特徴とする、請求項３記載の電子線装置。
【請求項５】
前記カソードが熱電子放出カソードであり、それぞれの前記電子銃がラングミュア制限より大きい輝度の電子線を放出することができることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載の電子線装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一つに記載の電子線装置を用いて半導体部品の検査を行うことを特徴とするデバイス製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、最小線幅が０．１μｍ以下のパターンを有する試料の評価を高スループットで行うための電子線装置、及び該電子線装置を用いて歩留まりよくデバイスを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、０．１μｍ以下のパターンを有する試料の欠陥検査を行うには、ショットキー・カソードを用いた電子銃が使われてきた。例えば非特許文献１は、ショットキー電子源を用いてビア形成工程や配線工程のショート、オープン等の電気的欠陥がウェハの下層で発生したときにも有効に欠陥検査を行うことができるＳＥＭを開示している。
【０００３】
また、複数の電子ビームを発生させて試料の欠陥検査を行う装置や方法も公知であり、例えば特許文献１は、複数の一次電子線でマスク、レチクルその他の試料の表面を同時に照射し、試料から放出された複数の二次電子を用いて試料の欠陥を検査する装置を開示している。さらに、複数の電子銃によって複数の電子ビームを形成し、これに対応する複数の光学系で複数の電子ビームを試料に導くことにより試料の欠陥検査を行う装置も既に発表されている。
【０００４】
しかしながら、ショットキー・カソードを用いた電子銃はショット雑音が大きいという問題がある。これを解決して良好なＳ／Ｎ比の信号を得るには、大きい照射量の電子線を試料に照射する必要があるが、これによって試料に損傷を生じさせる恐れがある。
【０００５】
また、検査時間を短縮するために複数の電子銃を設けて複数の電子線を同時に形成する場合には、これら電子銃に熱電子放出カソードを用いると、電子銃での発熱量が大きくなり過ぎる危険性がある。システムの安定性が損なわれる程に電子銃の温度が上昇してしまうと、鏡筒の真空度の低下が問題になってくる。さらに、熱電子放出カソードが加熱されると、熱電子放出カソードとアノードとの間の相対位置が変化してしまうという問題もある。
【０００６】
【非特許文献１】
品田博之他「ウェハ検査用高速大電流ＳＥＭ光学系」、ＬＳＩテスティングシンポジウム／２０００会議録（Ｈ１２．１１．９−１０）、ｐ．１５１−１５６
【特許文献１】
米国特許第５８９２２２４号明細書
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の課題に鑑みて提案されたものであり、本発明の目的は、温度上昇等によってカソードとアノードとの間の相対位置に変化が生じても、そうした相対位置を調整することができ、また、カソードが加熱されてもカソード以外の真空部品の発熱を抑えることができる電子線装置及び該電子線装置を用いたデバイス製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、
カソード及びアノードを有する複数の電子銃と、それぞれの前記電子銃毎に設けられた電子光学系とを備えた電子線装置であって、
それぞれの前記電子銃において前記カソードと前記アノードとの間の相対位置を変化させるための調整機構を具備することを特徴とする電子線装置、
を提供する。
【０００９】
請求項２の発明は、前記調整機構が、
前記カソードを支持する絶縁碍子と、
前記絶縁碍子を支持し且つ電圧の印加に応じて伸縮する複数のピエゾ素子と、を備えるようにしたことを特徴とする。
【００１０】
請求項３の発明は、前記カソードの近傍に、該カソード及びそのヒータから放出された放射線を該カソードの先端近傍に反射させるための金属部品を設けるようにしたものである。
【００１１】
請求項４の発明は、前記金属部品に、前記絶縁碍子にウェーネルト又はカソードからの蒸発物が付着するのを防止する金具を兼用させるようにしたことを特徴とする。
【００１２】
請求項５の発明は、前記カソードを熱電子放出カソードとし、それぞれの前記電子銃がラングミュア制限より大きい輝度の電子線を放出することができることを特徴とする。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項〜５のいずれか一つに記載の電子線装置を用いて半導体部品の検査を行うことを特徴とする。
【００１４】
【作用】
温度上昇等によってカソードとアノードとの間の相対位置に変化が生じても、そうした相対位置を調整機構により調整することができ、また、カソードが加熱されてもカソード以外の真空部品の発熱を抑えることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１の（Ａ）は、本発明に係る電子線装置の一つの実施の形態における主要部を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、一つの電子銃ＥＧ２の拡大断面図である。図示のように、この電子線装置は、一枚のウェハやマスク等の試料Ｓを照射するために所定の数の電子銃ＥＧ１、ＥＧ２、ＥＧ３、・・・とそれに対応する数の光学系ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・・とを備え、高スループットでウェハ等の試料Ｓの評価を行うことができる。それぞれの電子銃ＥＧ１、ＥＧ２、ＥＧ３、・・・の構造は同一であり、また、それぞれの光学系ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・・も構造的に同一であるので、以下においては電子銃ＥＧ２及び光学系ＯＳ２を例にとって、それらの構成を説明する。なお、電子銃ＥＧ１、ＥＧ２、ＥＧ３、・・・はｘｙ平面内に配列され、光学系ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・・の光軸はｘｙ平面に垂直な方向にあるものとする。
【００１６】
電子銃ＥＧ２のカソード１はＬａＢ６製の熱電子放出型カソードであり、カソード１はタングステン・ヘアピン２の先端に溶接され、タングステン・ヘアピン２はステム３によってセラミック・ベース４に固定される。セラミック・ベース４は、セラミック基板Ｐに形成された貫通穴の中央に４本のピエゾ素子５によってｘｙ平面内にあるように支持され、個々のピエゾ素子５の対向する端面には電極６が設けられる。
【００１７】
カソード１とセラミック・ベース４との間には、カソード１やタングステン・ヘアピン２の材料が蒸発してセラミック・ベース４の表面にスパッタされて絶縁性を低下させるのを防止するための遮蔽板７が設けられる。この遮蔽板７は、カソード１やタングステン・ヘアピン２から放出された放射線がカソード１の方向へ反射されるようカソード１の側に凹に形成される。同様に、電子銃ＥＧ２に設けられたウェーネルト８のカソード１に面する側面９も、カソード１やタングステン・ヘアピン２から放出された放射線線がカソード１の先端近傍に反射される形状に、例えばカソード１の側に凹に形成されている。
【００１８】
電子銃ＥＧ２のアノードは第１のアノード１０と第２のアノード１１とからな。これらのアノード１０、１１には、カソード１から放出された電子線がこれらアノード１０、１１の凸レンズ作用によって成形開口１３にクロスオーバーを形成するように、電圧が印加される。
【００１９】
カソード１の先端は曲率半径が３０μｍの球の一部であり、電子銃電流を特定の値にすると、カソード１の輝度はラングミュア制限（４．５ｋＶで１．４×１０５Ａ／ｃｍ２ｓｒ）よりも一桁以上高い輝度を呈する可能性がある。このような高輝度を得るには、カソード１とウェーネルト８とアノード１０、１１との軸が正確に一致していることが必要である。これを実現するため、この実施の形態においては、図２に示すように、カソード１が固定されているセラミック・ベース４の前後左右を４本のピエゾ素子５によって支持するとともに、第２のアノード１１と成形開口１３との間に軸合わせ偏向器１２を配置する。
【００２０】
第１のアノード１０にはウォーブル（ｗｏｂｂｌｅ）を与えることができる。そこで、成形開口１３を通過した電子線のうちＮＡ開口１６に吸収された分を電流として検出し、軸合わせ偏向器１２によって電子線を２次元走査することによって陰極線管（図示せず）上に成形開口１３の像を表示した状態で、第１のアノードにウォーブルを与える。このとき、成形開口１３の像がｘ、ｙ方向に移動しないように、それぞれのピエゾ素子５に電極６から電圧を加える。これは、対向する一つの組のピエゾ素子５のうち、一方のピエゾ素子５には伸びる方向に、他方のピエゾ素子５には縮む方向にそれぞれ電圧を加えることによってセラミック・ベース４の位置を微小に変化させ、ウォーブルが加えられた時の成形開口１３の像の移動がゼロになるよう電圧を調整することによって実現可能である。さらに、第１のアノード１０と第２のアノード１１とに印加する電圧と電子銃電流とを適正に選択することにより、光学系ＯＳ２の各要素の光軸が正確に一致しているとき、ラングミュア制限を遙かに越える輝度が得られる。これらの制御は、電極電圧等を計算機制御とし、ＭＡ開口に吸収される電流をセンサとして自動制御することもできる。
【００２１】
成形開口１３で成形された電子線は、それぞれ３枚の電極を有する縮小レンズ１７と対物レンズ２０とで縮小され、試料Ｓ上に５０ｎｍ程度のプローブを作る。縮小レンズ１７と対物レンズ２０との間に配置された走査偏向器１８及びＥ×Ｂ分離器１９を用いて電子線に試料Ｓ上を２次元走査させると、試料Ｓから二次電子が放出される。この二次電子はＥ×Ｂ分離器１９で一次電子線から分離され、軌道２１を通って二次電子検出器２２で検出される。この検出結果を用いてＳＥＭ像を作ることができる。Ｅ×Ｂ分離器１９での偏向量が最小であっても、二次電子の検出を可能にするよう、二次電子検出器２２はセラミック基板Ｐの短手方向に設けられる。
【００２２】
なお、軸合わせ偏向器１４、１５を連動させることにより、ＮＡ開口１６と縮小レンズ１７との軸合わせを行うことができる。縮小レンズ１７とＥ×Ｂ分離器１９との間に配置された走査用偏向器１８には軸合わせ機能を合わせ持たせてもよい。Ｅ×Ｂ分離器１９には、その動作のための直流電源に加えて非点補正用電源も接続されることが好ましい。図１に示す実施の形態においては、Ｅ×Ｂ分離器１９の磁場を形成するために、配線が不要な永久磁石２３を対向する位置に配置しており、２つの永久磁石２６の間をパーマロイ製の一対の半リング２４によって結合して磁気回路を形成するようにしている。試料Ｓには負の電圧を印加して対物レンズ２０の球面及び軸上色収差を低減することが望ましい。
【００２３】
図１に示す電子銃ＥＧ１、ＥＧ２、ＥＧ３、・・・及び光学系ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・・の組み立ては、実際には、
（１）セラミック基板Ｐのような所要の長さ且つ所要の厚さのセラミック基板をカソード用に１枚、ウェーネルト用に１枚、アノード用に２枚、軸合わせ偏向器用に３枚、開口用に２枚、レンズ用に６枚、走査偏向器用に２枚用意し、
（２）それらのセラミック基板の各々に円形の穴を電子銃の数だけ形成し、
（３）各セラミック基板を、光軸が一致するように所要の加工を施してから所定の位置に配置し、
（４）各セラミック基板の所要の部分に必要十分な金属コーティングを施し、
（５）最後に、ノックピンを用いて高精度に組み立てる
手順を経て行われる。
【００２４】
なお、細長のセラミック基板が撓むのを防止するために、必要によっては、セラミック基板の長さ方向の側面をリブ構造２５として厚さを増すようにしてもよい。
【００２５】
実際には、図２のＡに示すように、各電子銃において、対向する一対のピエゾ素子はｘ軸上に、残りの一対のピエゾ素子はｙ軸上に配置され、セラミック基板Ｐの長軸はｘ軸及びｙ軸に対して４５度傾斜するよう配置される。この結果、光学系ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・・は、ｘ軸方向においては、隣り合う光学系の光軸間距離の１／√２だけ離れて互いに配置されることになる。したがって、セラミック基板Ｐを４５度以内で調整することにより、隣り合う光学系の光軸間距離のｘ方向の長さを試料Ｓの表面に配列されたチップと一致させることができる。例えば、１５インチのウェハに２０本の光学系を配列すると、１５倍程度のスループットを得ることができる。
【００２６】
以下、本発明に係る電子線装置を用いた半導体デバイス製造方法を説明する。図３は、こうした製造方法の一例を示すフロー図で、この例の製造工程は次の各主工程を含む。なお、各主工程は幾つかのサブ工程からなる。
【００２７】
（１）ウェハＰ１２を製造する（又はウエハを準備する）工程Ｐ１１、
（２）露光に使用するマスク（レチクル）Ｐ２２を製造するマスク製造工程（又は、マスクを準備するマスク準備工程）Ｐ２１、
（３）必要な加工処理をウェハＰ１２に対して行うウェハ・プロセッシング工程Ｐ１３、
（４）ウェハＰ１２に形成されたチップＰ１５を１個ずつ切り出して動作可能にするチップ組み立て工程Ｐ１４、
（５）チップ組み立て工程Ｐ１４で作られたチップＰ１５を検査するチップ検査工程Ｐ１６。
【００２８】
これらの主工程の中で、半導体デバイスの性能に決定的な影響を及ぼす主工程が、ウェハ・プロセッシング工程Ｐ１３である。この工程は、設計された回路パターンをウエハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。ウェハ・プロセッシング工程Ｐ１３は次の工程を含む。
【００２９】
（イ）絶縁層となる誘電体薄膜や、配線部又は電極部を形成する金属薄膜を形成する薄膜形成工程（ＣＶＤやスパッタリング等を用いる）
（ロ）薄膜層やウェハ基板を酸化する酸化工程、
（ハ）薄膜層やウェハ基板等を選択的に加工するためのマスク（レチクル）Ｐ２２を用いてレジストのパターンを形成するリソグラフィー工程Ｐ２３、
（ニ）イオン・不純物注入・拡散工程、
（ホ）レジスト剥離工程、
（ヘ）さらに加工されたウェハを検査する検査工程。
なお、ウェハ・プロセッシング工程Ｐ１３は必要な層数だけ繰り返し実施され、設計どおり動作する半導体デバイスＰ１７が製造される。
【００３０】
図３のウェハ・プロセシング工程Ｐ１３の中核をなすのはリソグラフィー工程Ｐ２３であり、図４はリソグラフィー工程Ｐ２３で実施される工程を示している。すなわち、リソグラフィー工程Ｐ２３は、
（ａ）前段の工程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ティングするレジスト塗布工程Ｐ３１、
（ｂ）レジストを露光する露光工程Ｐ３２、
（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工程Ｐ３３、
（ｄ）現像されたレジスト・パターンを安定化させるためのアニール工程Ｐ３４、
を含む。
【００３１】
以上説明した半導体デバイス製造工程、ウェハ・プロセッシング工程Ｐ１３、リソグラフィー工程Ｐ２３は周知のものであり、それらの工程についての説明は省略する。
【００３２】
本発明に係る電子線装置を上記（５）のチップ検査工程Ｐ１６に対して用いて欠陥検査を行うと、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、スループット良く検査を行うことができ、全数検査が可能となるばかりでなく、製品の歩留まりを向上させ、欠陥製品の出荷を防止することが可能になる。
【００３３】
以上、本発明に係る電子線装置の一つの実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではない。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、一つの実施の形態について説明したところから理解されるとおり、
（１）カソードとアノードとの軸合わせを調整機構によって高精度に行うことができるので、多数の光学系を用いたとき、少数の電子銃の製作精度が悪くても、調整することができる、
（２）カソードの近傍に、該カソードから放出された放射線を該カソードの先端近傍に反射させるための金属部品を設けると、カソード及び該カソードを加熱するフィラメントから放出される放射線の大部分を、ウェーネルトと金属部品とで囲まれた空間内に閉じ込めることができるので、こうした放射線によって光学系の構成部品や絶縁碍子、真空壁が加熱され難いばかりでなく、小さい電力で必要なカソード温度にできる、
（３）高真空を容易に得ることができるので、複数の光学系を密に配置しても、加熱電力を比較的小さくすることが可能である、
（４）カソードを空間電荷制限条件で使用することにより、ショット雑音を低減することができる、
（５）小さいビーム電流でも１００ＭＨｚ以上の高速走査を実現することができる、
（６）プロセス途中のウェハの評価を歩留まりよく行うことができる、
という格別の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は、本発明に係る電子線装置の一つの実施の形態を概略的に示す図であり、（Ｂ）は、電子線装置における一つの電子銃の拡大断面図である。
【図２】（Ａ）は、図１の電子線装置における電子銃の構成と配列を説明するための平面図であり、（Ｂ）は、図１の電子線装置におけるＥ×Ｂ分離器の構成を示す平面図である。
【図３】本発明に係る電子線装置を用いた半導体デバイス製造方法を説明するためのフローチャートである
【図４】図３におけるリソグラフィー工程で実施される工程を説明するためのフローチャートである
【符号の説明】
ＥＧ１、ＥＧ２、ＥＧ３、・・：電子銃、  Ｐ：セラミック基板、  １：カソード、  ２：タングステン・ヘアピン、  ３：ステム、  ４：セラミック・ベース、  ５：ピエゾ素子、  ６：ピエゾ素子用電極、  ７：曲面状の遮蔽板、  ８：ウェーネルト、  ９：ウェーネルトの側面、  １０：第１のアノード、  １１：第２のアノード、  ＯＳ１、ＯＳ２、ＯＳ３、・・：光学系、  １２、１４、１５：軸合わせ偏向器、  １３：成形開口、  １６：ＮＡ開口、  １７：縮小レンズ、  １８：走査偏向器、  １９：Ｅ×Ｂ分離器、  ２０：対物レンズ、  ２１：二次電子の軌道、  ２２：二次電子検出器、  Ｓ：試料、  ２３：永久磁石、  ２４：半リング、  ２５：リブ構造、
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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