(57)【要約】【課題】２次電子検出の光学系の収差を小さくして、なるべく多くのマルチビームを一本の光軸の近くに形成する。【解決手段】電子銃から放出された電子線を複数の開口で分離し、該開口の像を２段に縮小してマルチビームを試料上に形成し、試料上を走査し、試料からの２次電子を対物レンズで２次電子間の間隔を拡大し、Ｅ×Ｂ分離器で１次ビームから分離し、２次電子検出器で検出する装置であって、前記開口の像を縮小する２段目のレンズは２段のレンズからなり、この２段のレンズの中間に２次電子の拡大像を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃から放出された電子線を複数の開口で分離し、該開口の像を２段に縮小してマルチビームを試料上に形成し、試料上を走査し、試料からの２次電子を対物レンズで２次電子間の間隔を拡大し、Ｅ×Ｂ分離器で１次ビームから分離し、２次電子検出器で検出する装置であって、前記開口の像を縮小する２段目のレンズは２段のレンズからなり、この２段のレンズの中間に２次電子の拡大像を形成することを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
複数の開口を通過した電子線を２段のレンズで縮小してマルチビームを形成し、試料上を走査し、試料から放出された２次電子を最初のレンズで２次電子間の間隔を拡大し、このレンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で１次光学系から分離し２次光学系に入射させ、さらに少なくとも１段のレンズで前記２次電子間の間隔を拡大し、２次電子検出器で複数のビーム毎に検出する装置であって、前記試料上を走査する偏向器は静電偏向器であることを特徴とする電子線装置。
【請求項３】
単一のエミッション領域をもつ電子銃から放出された電子線をマルチ開口に入射させてマルチビームを形成する電子線装置において、前記マルチビームが、試料での収束半角と電子銃のエミッタンスとから決まる半径の円内に配置されることを特徴とする電子線装置。
【請求項４】
試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
ａ．電子銃から放出される電子線を複数の開口に照射するステップと、
ｂ．前記開口で分離された電子線を２段以上のステップで縮小し試料上に合焦し、走査するステップと、
ｃ．試料の走査点から放出された２次電子を対物レンズで２次電子間の距離を拡大し、Ｅ×Ｂ分離器で１次電子光学系から分離するステップと、
ｄ．前記分離された２次電子を２次電子検出器で検出するステップとを有し、
前記開口像を縮小する２段目の縮小は対物レンズで行なわれ、２次電子の最初の拡大像はＥ×Ｂ分離器より後方に形成されることを特徴とするパターン評価方法。
【請求項５】
試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
ａ．複数の開口を通過した電子線を２段のレンズで縮小して試料上を走査するステップと、
ｂ．試料の走査点から放出された２次電子を最初のレンズで２次電子間の間隔を拡大するステップと、
ｃ．前記レンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で１次光学系から分離するステップと、
ｄ．１次光学系から分離後少なくとも１段のレンズで前記２次電子間の間隔を拡大するステップと、
ｅ．２次電子検出器で複数の２次電子群を独立に検出するステップと、
ｆ．前記検出した信号で画像を形成し、パターン評価を行なうステップとを有し、
前記複数の電子線は１次電子線及び２次光学系の収差があらかじめ決められた値以下になる半径の円内に配置されることを特徴とするパターン評価方法。
【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０．１μｍ以下のパターンを有する試料、例えば、基板のパターン評価を高スループットで行なう装置、及び該装置を用いたパターンの評価方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、基板上に形成されたパターンの評価を電子線を用いて行なう際に、スループットを向上させるためにマルチビームを用いる提案がなされている。これらの提案は、複数の光軸を有するマルチビームを使用する方法と、一本の光軸から等距離の位置にマルチビームを形成する方法の二つに大別できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前者の複数の光軸を有するマルチビームを使用する方法では、電子光学鏡筒を多数作る必要があるため高価格となり、また、単一の基板、例えば、一枚のウエハ上に配置できる光軸数をあまり多くすることができないという問題点があった。
【０００４】
一方、後者の一本の光軸から等距離の位置にマルチビームを形成する方法では、光軸から離れた位置にビームを作るため、光学系の収差が大きくなり、また、ビームの輝度を大きくできないという問題がある。そこで光軸にごく近い場所に多くのビームを配置しようとするとマルチビームの各走査点から発生した２次電子が光学系の収差のために互いに重なってしまい、これを防止すべく独立に検出可能なビーム間隔を大きくすると、多くのマルチビームを作ることができないという問題があった。また、従来の電子線装置は、２次光学系の長さが長くなる欠点があった。
【０００５】
これをさらに詳述すると、図５に示すように、従来の装置では縮小レンズ１通過後の１次電子線２を試料面３上に合焦させる対物レンズ４は一段であった。この際、１次電子のランディングエネルギーが大きい場合は、対物レンズ４の励起電圧が大きくなり、２次電子５は図示のように対物レンズ４のすぐ上に２次電子像６を作り，開口半角αｉが大きく、２次光学系７のレンズ８の口径を大きくしないとレンズの外へ出てしまう。このためレンズ８の口径を大きくする必要があり、これによって収差が大きくなる欠点がある。また、２次光学系のレンズはあまり対物レンズに近づけられないから、このレンズの物点が遠いと、拡大レンズにするには像点をさらに遠くする必要があり、２次光学系７の長さが長くなる欠点がある。なお、図において８は２次電子を１次光学系から分離するＥ×Ｂ分離器である。
【０００６】
本発明は上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、安価に製造することができ、かつ２次電子検出の光学系の収差を小さくして、一本の光軸の近くに多くのマルチビームを形成することができる電子線装置と該装置を利用したパターンの評価方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明による第１の電子線装置は、電子銃から放出された電子線を複数の開口で分離し、該開口の像を２段に縮小してマルチビームを試料上に形成し、試料上を走査し、試料からの２次電子を対物レンズで２次電子間の間隔を拡大し、Ｅ×Ｂ分離器で１次ビームから分離し、２次電子検出器で検出する電子線装置であって、前記開口の像を縮小する２段目のレンズは２段のレンズからなり、この２段のレンズの中間に２次電子の拡大像を形成することを特徴とする。
【０００８】
本発明では、１次電子線を試料面に合焦させる対物レンズが２段のレンズからなり、対物レンズの励起電圧を小さくできるので、２次電子像を対物レンズから遠い位置、つまり２次光学系の第２レンズの手前に像点をつくることができるので２次光学系のレンズの口径が小さくてよく収差を小さくすることができる。また、２次電子像を２次光学系の第２レンズの手前に作ることにより、レンズの像点を長くする必要が無く２次光学系の長さを短くすることができる。
【０００９】
また、上記課題を解決するため、本発明による第２の電子線装置は、複数の開口を通過した電子線を２段のレンズで縮小してマルチビームを形成し、試料上を走査し、試料から放出された２次電子を最初のレンズで２次電子間の間隔を拡大し、このレンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で１次光学系から分離し２次光学系に入射させ、さらに少なくとも１段のレンズで上記２次電子間の間隔を拡大し、２次電子検出器で複数のビーム毎に検出する電子線装置であって、前記試料上を走査する偏向器は静電偏向器であることを特徴とする。
【００１０】
２次光学系の収差を小さくして、一本の光軸近くに多くのマルチビームを形成するためには、マルチビームを走査した時、走査視野の中央部でも周辺部でも光軸からあまり離れずに２次光学系の最初のレンズに入射する必要がある。試料上を走査する偏向器を電磁偏向器とすると、この偏向器で１次ビームを、例えば、左へ偏向する位相の時、戻ってきた２次電子は１次ビームと反対方向、即ち右へ偏向され、その結果２次電子は光軸から離れて行き、２次光学系の最初のレンズで光軸から離れた位置でレンズに入射するため収差が大きくなる。しかしながら、上記本願発明のように、走査偏向器が静電偏向器である場合は、２次電子は１次ビームと同じ方向へ偏向され、光軸方向へ戻るため、２次光学系の最初のレンズで光軸に近い位置でレンズに入射するため２次光学系の収差が小さくなる。
【００１１】
また、上記課題を解決するため、本発明による第３の電子線装置は、単一のエミッション領域をもつ電子銃から放出された電子線をマルチ開口に入射させてマルチビームを形成する電子線装置において、上記マルチビームが試料での収束半角と電子銃のエミッタンスとから決まる半径の円内に配置されることを特徴とする。
【００１２】
第３の電子線装置では、従来のようにマルチビームを円周上に配置する必要は無く、ビームの最小間隔を２次光学系の分解能より大きくなるようにして上記円内に形成することができるのでビーム数を増やすことができる。
【００１３】
また、上記課題を解決するため、本発明による第１のパターンの評価方法は、試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
ａ．電子銃から放出される電子線を複数の開口に照射するステップと、
ｂ．前記開口で分離された電子線を２段以上のステップで縮小し試料上に合焦し、走査するステップと、
ｃ．試料の走査点から放出された２次電子を対物レンズで２次電子間の距離を拡大し、Ｅ×Ｂ分離器で１次電子光学系から分離するステップと、
ｄ．前記分離された２次電子を２次電子検出器で検出するステップとを有し、
前記開口像を縮小する２段目の縮小は対物レンズで行なわれ、２次電子の最初の拡大像はＥ×Ｂ分離器より後方に形成されることを特徴とする。
【００１４】
また、上記課題を解決するため、本発明による第２のパターン評価方法は、試料上に形成されたパターンを評価する方法であって、
ａ．複数の開口を通過した電子線を２段のレンズで縮小して試料上を走査するステップと、
ｂ．試料の走査点から放出された２次電子を最初のレンズで２次電子間の間隔を拡大するステップと、
ｃ．前記レンズを通過後２次電子をＥ×Ｂ分離器で１次光学系から分離するステップと、
ｄ．Ｅ×Ｂ分離器で分離後少なくとも１段のレンズで前記２次電子間の間隔を拡大するステップと、
ｅ．２次電子検出器で複数の２次電子群を独立に検出するステップと、
ｆ．前記検出した信号で画像を形成し、パターン評価を行なうステップとを有し、
前記複数の電子線は１次電子線及び二次光学系の収差があらかじめ決められた値以下になる半径の円内に配置されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図に沿って説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態における電子光学系を示すもので、１次光学系１０と２次光学系３０と検出系４０とからなる。
【００１７】
１次光学系において、電子銃１１はＬａＢ６カソード１２を空間電荷制限条件で作動させ、ショット雑音を低減させている。アノード１３は３枚電極で構成し、レンズ動作を行なわせると同時に、第１アノードに与える電圧を変えることによって高輝度条件としたり、高エミッタンス条件とすることができる。このアノードへの軸合わせはカソードとウェーネルトを機械的にＸＹ方向あるいはθ方向へ移動させることによって行なう。また、電子銃から発散されたビームの軸合わせは、軸合わせ偏向器１４によって行なう。電子銃１１から発散するビームの内、例えば、軸上輝度の９０％以内に入る角度内にマルチ開口板１５を設け、ビームを分けることによってマルチビームを形成する。マルチ開口板１５を通過したマルチビームは、コンデンサ・レンズ１６で集束され、ＮＡ開口１７にクロスオーバを形成する。このクロスオーバの寸法はＮＡ開口寸法より大きく、ＮＡ開口で一部カットされる。ＮＡ開口で収差が許容される開口角にカットされたマルチビームは、縮小レンズ１８でまず縮小され、第１対物レンズ１９と第２対物レンズ２０とでさらに縮小されて試料面にマルチビームを合焦させる。この際、第１対物レンズ９と第２対物レンズ２０との間では縮小像を作らず、マルチ開口板１５の各点から発散したビームは、この２つの対物レンズの間では、２２に示したように収束ビームにしたり、平行ビームにしたり、あるいはわずかに発散ビームにすることができる（図示例では収束ビーム）。例えば、わずかに収束ビームになるように調整すると、第２対物レンズ２０の励起電圧が下がり、２次電子の像点が遠くになり、２次電子の軸上色収差は小さくなるが、励起電圧が下がった結果１次ビームのそれが大きくなり、逆にわずかに発散ビームに調整すると、第２対物レンズ２０の励起電圧が上がり、上記と逆の関係となる。
【００１８】
しかしながら、本発明では、従来のように、対物レンズを一段とするのではなく図示のように２段１９，２０とし、これによって第２対物レンズ２０の励起電圧を小さくしたので、２次電子像３１を対物レンズ２０から遠い位置（図示例では、第１対物レンズ１９の近くに）に形成し、これによりＥ×Ｂ分離器２３による１次電子線から分離後の２次電子像３２を２次光学系の第２レンズ３３の手前につくるようにしたので、２次光学系のレンズの口径を小さくでき、これによって２次光学系の収差を小さくすることができる。また、このように、２次電子像を２次光学系の第２レンズの手前につくることにより、２次光学系を拡大レンズにした場合に像点を長くする必要は無く、２次光学系の長さを短くすることができる。
【００１９】
１次ビームが上記のような結像関係をなす時、２次電子像３２が第１対物レンズ１９で２次光学系３０の第２レンズ３３の手前に結像されることはシュミレーションで明らかになっている。この場合、Ｅ×Ｂ分離器２３は第１対物レンズ１９のわずかに上に配置してある。縮小レンズ１８のすぐ下にはプリＥＢと呼ばれる電磁偏向器２９を設け、Ｅ×Ｂ分離器２３で角度α偏向し、しかも１次ビームが対物レンズ１９の中心を通るようにした。その結果、光軸上を進んできたビームの軌道は２４で示したようになる。２つの対物レンズ１９，２０間には試料上で走査を行なう２段の偏向器２５，２６を有し、これらの偏向器に軸合わせ用の直流を重畳することによって１次ビームを第２対物レンズ２０へ軸合わせを行なうことは可能であるが、後述するように２次ビームを１次ビームから分離する角度を大きくするために、図に示したように、１次ビームを試料２１上で光軸からわずかに離れた位置２７に入射するようにした。この結果、光軸から図で右側にわずかにずれた位置から放出された２次電子３４は、第２対物レンズ２０の電界に引かれて光軸と平行に進み、第２対物レンズ２０で左へ曲げられ、３５で示した軌道となり、さらに、第１対物レンズ１９で右に曲げられ、Ｅ×Ｂ分離器２３で３α以上右へ偏向され、２次光学系３０に入射する。ここで１次ビームのＥ×Ｂ分離器２３による偏向角αは、Ｅ×Ｂ分離器の電磁偏向器で左へ２α偏向され、さらに静電偏向器で右へα偏向された差から生じた値であり、偏向色収差はほぼゼロにすることができる。例えば、αを８°程度と小さくしても、第２対物レンズ２０での屈折、第１対物レンズ１９での屈折と、２次電子は１次電子よりかなりエネルギーが小さいので（例えば、１次電子線は試料面上で５００ｅＶにエネルギーを持っているのに対し、２次電子線は数ｅＶのエネルギー）、３０°以上２次電子３６は曲げられるので、２次光学系を容易に設計することができる。また、図示例では２次電子像３１は第２対物レンズ２０と第１対物レンズ１９との間に結像される。
【００２０】
このように、本発明では対物レンズを２段１９，２０とし、それによってＥ×Ｂ分離器２３が試料と共役点でない位置に置かれても、１次ビームがレンズの中心を通るようにしたので低収差とすることができる。また、２次ビームを１次ビームから分離する角度を大きくすることにより、２次電子の検出が容易となる。
【００２１】
図２は、図１の紙面に直角の方向、すなわちＸ−Ｚ平面を示した図である。２つの走査用偏向器２５，２６で実線のように走査している時の２次電子の軌道を点線で示している。すなわち、電気的な走査は、Ｘ方向へ行なわれるが、その時のビーム軌道は実線のようになり、常に対物レンズ２０の中心を通るように偏向される。２次電子は偏向器２６で図示の２本の点線の間のいずれかの軌道をとるように偏向される。
【００２２】
本発明では、偏向器２５，２６を２つ共静電偏向器としたので、第２偏向器２５で１次ビームが左へ曲げられる時には２次電子も左へ曲げられ、Ｅ×Ｂ分離器２３の中央部へ入射するように光軸方向へ戻されるので好都合である。（もし、第２偏向器２６が電磁偏向器である場合は、２次電子が光軸から外れる方向に偏向されるので都合が悪い。）また、第１偏向器２５でも図に示したように２次電子は光軸方向または光軸と平行な方向に偏向されるので好都合である。２次電子が２次光学系に入った後は、２次電子用の偏向器（図示せず）により、１次ビームを走査するとき２次電子がレンズの中心を通るように調整できるので特に問題は無い。
【００２３】
次に、必要な解像度をもったマルチビームを試料上で光軸からどれだけ離れた位置に配置できるかを検討してみる。
【００２４】
試料面でのビーム収束半角αｉ（ｍｒａｄ）は、収差が仕様を満たす条件から決まる。すなわち、ビーム収束半角αｉを大きくすると収差が大きくなり、逆にαｉが小さいとビーム電流が小さくなり、両者のトレードオフでαｉの最適値が決まる。収差の仕様値は、例えば、１００ｎｍのパターンを解像する条件では、１１０ｎｍφ以下のビームボケ等と決めることができる。
【００２５】
一方、電子銃が放出する電子線は、輝度と同時に重要な特性としてエミッタンスＥ（ｍｒａｄ・μｍ）の値がある。このエミッタンスＥは、例えば上記実施例のようにマルチ開口板を軸上輝度の９０％以内に入る角度内に設ける場合は、電子銃が作るクロスオーバ径ｄ（半値幅、μｍ）と輝度が、軸上輝度の９０％に落ちる放出方向θ（ｍｒａｄ）との積で表される。即ち
Ｅ＝θ・ｄ
このエミッタンスＥの値は光軸上のどの位置でも保存される。したがって、試料面でのビーム収束半角をαｉとすると、マルチビームを配置して軸上輝度の９０％以上の強度が得られる半径をｒｍとすると
Ｅ＝ｒｍ・αｉ
を満たすｒｍの半径の円内に配置すればよい。
【００２６】
また、αｉを決めた場合、ビーム位置ｒを大きくすると、コマ収差、像面湾曲、非点収差、倍率色収差等で１次電子線及び２次電子線の収差が大きくなる。これらの収差が仕様値を満たすｒが決まるので、ビームはこのｒより小さい円内に配置する必要がある。
【００２７】
図２の右に、マルチビームの配置とその走査方向の例を示す。従来は、マルチビームを円周上に配置していたのでビーム数が少なかったが、本発明では１次ビームをｒｍ≦Ｅ／αｉの条件を満たす円の内部に配置するようにしたのでビーム数を増やすことができる。なお、当然ビームの最小間隔は、２次光学系の分解能より大きくする必要があるが、本発明では２次光学系の収差を小さくすることができるので、上記ｒｍ内でマルチビームを一本の光軸近くに多く形成することができる。
【００２８】
図３は、上記実施形態で示した電子線装置を半導体デバイス製造工程におけるウェーハの評価に適用したものである。
【００２９】
デバイス製造工程の一例を図３のフローチャートに従って説明する。
この製造工程例は以下の各主工程を含む。
▲１▼  ウェーハを製造するウェーハ製造工程（又はウェハを準備する準備工程）（ステップ１０）
▲２▼  露光に使用するマスクを製作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）（ステップ１１）
▲３▼  ウェーハに必要な加工処理を行うウェーハプロセッシング工程（ステップ１２）
▲４▼  ウェーハ上に形成されたチップを１個ずつ切り出し、動作可能にならしめるチップ組立工程（ステップ１３）
▲５▼  組み立てられたチップを検査するチップ検査工程（ステップ１４）
なお、各々の工程は、更に幾つかのサブ工程からなっている。
【００３０】
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ーハプロセッシング工程である。この工程では、設計された回路パターンをウェーハ上に順次積層し、メモリやＭＰＵとして動作するチップを多数形成する。このウェーハプロセッシング工程は以下の各工程を含む。
▲１▼  絶縁層となる誘電体薄膜や配線部、或いは電極部を形成する金属薄膜等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）
▲２▼  形成された薄膜層やウェーハ基板を酸化する酸化工程
▲３▼  薄膜層やウェーハ基板等を選択的に加工するためにマスク（レチクル）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
▲４▼  レジストパターンに従って薄膜層や基板を加工するエッチング工程（例えばドライエッチング技術を用いる）
▲５▼  イオン・不純物注入拡散工程
▲６▼  レジスト剥離工程
▲７▼  加工されたウェーハを検査する検査工程
なお、ウェーハプロセッシング工程は必要な層数だけ繰り返し行い、設計通り動作する半導体デバイスを製造する。
【００３１】
上記ウェーハプロセッシング工程の中核をなすリソグラフィー工程を図４のフローチャートに示す。このリソグラフィー工程は以下の各工程を含む。
▲１▼  前段の工程で回路パターンが形成されたウェーハ上にレジストをコートするレジスト塗布工程（ステップ２０）
▲２▼  レジストを露光する露光工程（ステップ２１）
▲３▼  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（ステップ２２）
▲４▼  現像されたパターンを安定化させるためのアニール工程（ステップ２３）以上の半導体デバイス製造工程、ウェーハプロセッシング工程、リソグラフィー工程には周知の工程が適用される。
【００３２】
上記▲７▼のウェーハ検査工程において、本発明の上記各実施形態に係る欠陥検査装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、２次電子画像の像障害が無い状態で高精度に欠陥を検査できるので、製品の歩留向上、欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００３３】
なお、本発明によるパターン評価は、フォトマスクやレクチル、ウエハ等の試料の欠陥検査、線幅測定、合わせ精度、電位コントラスト測定等広く試料のパターン評価に適用することができる。。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、一本の光軸まわりに多くのマルチビームを形成することができるので、パターン評価を高スループットで行なうことができ、しかも、電子光学鏡筒は単数でよいので安価に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による電子線装置の光学系を示す図である。
【図２】本発明の走査方法ととの場合の２次電子の主光線の軌道を示す図であり、右上はマルチビームの配置例と走査方向を示す。
【図３】半導体デバイス製造プロセスを示すフローチャートである。
【図４】図３の半導体デバイス製造プロセスのうちリソグラフィープロセスを示すフローチャートである。
【図５】従来の電子線装置における光学系を示す図である。
【符号の説明】
１０：１次光学系、    １１：電子銃、    １５：マルチ開口板
１６：コンデンサ・レンズ、    １７：ＮＡ開口、    １８：縮小レンズ
１９：第１対物レンズ、    ２０：第２対物レンズ、    ２１：試料
２２：１次ビーム、    ２３：Ｅ×Ｂ分離器、    ２５：第１偏向器
２６：第２偏向器、    ３０：２次光学系、    ３１，３２：２次光学系
３３：２次光学系のレンズ、    ３４，３５：２次電子、    ４０：検出器
【図１】
2004363003.tif 000003
【図２】
2004363003.tif 000004
【図３】
2004363003.tif 000005
【図４】
2004363003.tif 000006
【図５】
2004363003.tif 000007