(57)【要約】【課題】ＭＣＰとシンチレータとの間の間隔及び空間電荷効果に起因したビームボケを防止する。【解決手段】電子線装置は、ＴａＣカソードを有する電子銃１と、１次電子線を長方形ビームに成形し（３，４，５）、Ｅ×Ｂ分離器１１により偏向させてから試料１５のターゲット上に照射する１次光学系（２、６、１２、１３）と、２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を、ＭＣＰを介在させないでシンチレータ板２１に拡大投影する２次光学系（１３、１２、１８、２０）と、投影された２次電子像を検出するＴＤＩセンサー２４と、を備える。角度α、β及びγを夫々９０度より小さい正の実数、且つ、α＞βとしたとき、１次電子線は、Ｅ×Ｂ分離器１１の近傍までは２次光学系の光軸２６に対して角度αで入射され、Ｅ×Ｂ分離器１１により角度（α−β）だけ偏向され、次にレンズ１２、１３により、試料１５の法線に対して角度γでターゲットに照射される。【選択図】  図１
2004335190.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電界放出型又はショットキーカソード型の高輝度電子銃と、
前記電子銃から放出された１次電子線を試料のターゲット上に照射する照射手段と、
前記ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、
前記写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を、電子増倍手段を介在させること無しに検出するための検出手段と、
を備える、電子線装置。
【請求項２】
電子銃と、
前記電子銃から放出された１次電子線を断面が線状又は長方形のビームに成形し、Ｅ×Ｂ分離器により偏向させてから試料のターゲット上に照射する照射手段と、
前記ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、
前記写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を検出するための検出手段と、
を備え、
前記１次電子線の主光線と前記写像光学系の主光線とは、前記ターゲットと前記Ｅ×Ｂ分離器の近傍とで交わり、それ以外の場所では、前記長方形ビーム又は視野の短辺方向にずれていることを特徴とする、電子線装置。
【請求項３】
電子銃と、
前記電子銃から放出された１次電子線を成形し、Ｅ×Ｂ分離器により偏向させてから試料のターゲット上に照射する照射手段と、
前記ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、
前記写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を検出するための検出手段と、
を備え、
角度α、β及びγを夫々９０度より小さい正の実数、且つ、α＞βとしたとき、
前記照射手段は、前記Ｅ×Ｂ分離器の近傍までは前記写像光学系の光軸に対して角度αで１次電子線を入射するように配置され、
前記Ｅ×Ｂ分離器は、入射してきた１次電子線を、前記写像光学系の光軸に対して角度（α−β）偏向させるように偏向量が設定され、
前記Ｅ×Ｂ分離器より前記試料側に近い前記照射手段の光学要素は、該Ｅ×Ｂ分離器により偏向された１次電子線を、該試料の法線に対して角度γで前記ターゲットに照射するように構成されていることを特徴とする、電子線装置。
【請求項４】
前記電子銃は、ＴａＣカソードを備えることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子線装置。
【請求項５】
前記電子銃は、先端が球の一部の形状を持つショットキーカソードを備え、空間電荷制限条件で動作されることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子線装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子線装置を用いて、半導体デバイスとしての試料を、プロセス途中又は少なくとも１つのプロセス終了後に評価することを特徴とする、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、例えば最小線幅０．１μｍ以下のパターンを有するウェーハ又はマスク等の試料の欠陥検査等の評価を、高スループット及び高解像度で行うための電子線装置、並びに、当該電子線装置を用いてプロセス途中又は終了後の試料を評価する、デバイス製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
写像投影光学系を用いてウェーハ等の試料の欠陥検査を行う電子線装置は公知となっている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。この装置は、電子銃から放出された電子線を、所謂Ｅ×Ｂ分離器で偏向させてウェーハ等の試料に照射し、該試料から放出された２次電子線を写像投影することにより画像を形成し、該画像から試料の欠陥検査等を行う。
【０００３】
従来のこの写像投影型の電子線装置では、写像投影される像のピクセル当たりの電子数が少ないため、マイクロチャンネルプレート（ＭＣＰ）で電子像の電子数を増倍させ、増倍させた像をシンチレータに入射させて光に変換し、その光の像をＣＣＤカメラ又はＴＤＩカメラで検出することにより試料の２次元像を得る方式が採用されていた。この方式では、ＭＣＰとシンチレータとの間には、電圧が印加されており、その電圧により放電が生じないように、その間隔は０．８ｍｍ程度に設定されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平４−２４２０６０号公報
【特許文献２】
特開２００２−２１６６９４号公報
【特許文献３】
国際特許公開ＷＯ０２／０１５９６Ａ１
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の写像投影光学系の電子線装置では、ＭＣＰとシンチレータとの間の間隔に起因して、ＭＣＰを出た直後では高解像度であってもシンチレータ像では４０μｍ程度のボケが生じてしまうという問題があった。
【０００６】
更にもう一つの問題点として、上記従来技術では、Ｅ×Ｂ分離器と、ターゲットとしての試料の間で１次電子線と２次電子線とが共通の光路上を互いに逆方向に進行するため、１次電子線による電流が１μＡを超えた場合、それが作る空間電荷が大きくなり２次電子線のボケが顕著に発生するという問題もあった。
【０００７】
本発明は、上記事実に鑑みてなされたもので、上記したＭＣＰとシンチレータとの間の間隔及び空間電荷効果の少なくともいずれかに起因したビームボケを防止した、電子線装置を提供することを目的とする。
【０００８】
更に、本発明は、上記電子線装置を用いてプロセス途中若しくはプロセス終了後の半導体デバイスを検査することによって、検査精度及びスループットの向上を図ったデバイス製造方法を提供することを別の目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の一態様は、熱電界放出型又はショットキーカソード型の高輝度電子銃と、該電子銃から放出された１次電子線を試料のターゲット上に照射する照射手段と、該ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、該写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を、電子増倍手段を介在させること無しに検出するための検出手段と、を備える。
【００１０】
本発明の上記態様によれば、熱電界放出型又はショットキーカソード型の高輝度電子銃を用いたので、高強度の１次電子線が試料のターゲット上に照射手段を介して照射される。１次電子線の高い強度によって、十分に多くの高強度の２次電子、後方散乱電子又は反射電子が試料のターゲットから放出され、それらの像は、写像光学系により拡大投影され、ＭＣＰ（電子増倍手段）を介在させること無しに検出手段により検出される。このように本態様では、十分に多くの高強度の２次電子等を発生させることができるため、Ｓ／Ｎ比の良い２次電子像が得られる。即ち、検出手段の好ましい態様はＣＣＤやＴＤＩ検出器であるが、それらのピクセル当たりの２次電子数をＭＣＰ等の電子増倍手段を用いずに十分確保できる。
【００１１】
かくして、本態様では、ＭＣＰ等の電子増倍手段を省略することができるので、電子増倍手段（ＭＣＰ）と電子像を光の像に変える面（シンチレータ）との間の間隔に起因した、２次電子像のボケの問題は必然的に消失する。また、２次電子を直接検出するＴＤＩやＣＣＤ検出器を使える可能性もあり、この場合にも同様の効果を奏する。
【００１２】
熱電界放出型の電子銃の好ましい態様は、ＴａＣカソードを備える。ショットキーカソード型の電子銃の好ましい態様は、ジルマニウムタングステンカソードであり、先端が球の一部の形状を持つＬａＢ６カソードを備え、空間電荷制限条件で動作されるものも好ましい。
【００１３】
本発明の別の態様は、電子銃と、該電子銃から放出された１次電子線を断面が線状又は長方形のビームに成形し、Ｅ×Ｂ分離器により偏向させてから試料のターゲット上に照射する照射手段と、該ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、該写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を検出するための検出手段と、を備え、該１次電子線の主光線と該写像光学系の主光線とは、該ターゲットと該Ｅ×Ｂ分離器の近傍とで交わり、それ以外の場所では、前記長方形ビーム又は視野の短辺方向にずれていることを特徴とする。
【００１４】
本発明のこの態様によれば、電子銃により放出された１次電子線は、照射手段により断面が線状又は長方形のビームに成形され、次にＥ×Ｂ分離器により偏向される。偏向された１次電子線は、例えば照射手段の光学要素により試料のターゲット上に照射される。１次電子照射によりターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像は、写像光学系により拡大投影され、検出手段により検出される。
【００１５】
このとき、２次電子等は、写像光学系の拡大投影の過程でＥ×Ｂ分離器を通過するが、本態様では、１次電子線の主光線と、写像光学系の主光線即ち２次電子の主光線とは、ターゲットとＥ×Ｂ分離器の近傍とでのみ交わり、それ以外の場所では、長方形の短辺方向にずれている。従って、空間電荷効果による２次電子像のボケを軽減でき、或いは、空間電荷効果によるボケを一定としてビーム電流を増加できる。
【００１６】
本発明の更に別の態様は、電子銃と、該電子銃から放出された１次電子線を成形し、Ｅ×Ｂ分離器により偏向させてから試料のターゲット上に照射する照射手段と、該ターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を拡大投影するための写像光学系と、該写像光学系により投影された２次電子、後方散乱電子又は反射電子の像を検出するための検出手段と、を備え、角度α、β及びγを夫々９０度より小さい正の実数、且つ、α＞βとしたとき、照射手段は、Ｅ×Ｂ分離器の近傍までは写像光学系の光軸に対して角度αで１次電子線を入射するように配置され、Ｅ×Ｂ分離器は、入射してきた１次電子線を、写像光学系の光軸に対して角度（α−β）偏向させるように偏向量が設定され、Ｅ×Ｂ分離器より試料側に近い照射手段の光学要素は、Ｅ×Ｂ分離器により偏向された１次電子線を、試料の法線に対して角度γでターゲットに照射するように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
更に別の態様によれば、電子銃により放出された１次電子線は、照射手段により成形された後、Ｅ×Ｂ分離器の近傍まで写像光学系の光軸に対して角度αで入射される。Ｅ×Ｂ分離器に入射してきた１次電子線は、写像光学系の光軸に対して角度（α−β）偏向される。偏向された１次電子線は、Ｅ×Ｂ分離器より試料側に近い照射手段の光学要素により、試料の法線に対して角度γでターゲットに照射される。１次電子照射によりターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子は、その主光線が写像光学系の光軸に沿って進行する間に、その像が拡大投影され、検出手段により検出される。
【００１８】
かくして、本態様においても、１次電子線の主光線と、２次電子等の主光線とは、ターゲットとＥ×Ｂ分離器の近傍とでのみ交わり、それ以外の場所では、離れた軌道を取ることになる。従って、空間電荷効果による２次電子像のボケをほとんど無視することができるように軽減できる。更に、１次電子線は、９０度より小さい角度γでターゲットに照射されるため、試料に段差パターンがある場合等には、この段差が凹であるか凸であるかによって画像の明暗のでき方が異なる。即ち、立体情報を含む２次電子像（立体的なＳＥＩ像）が得られる。
【００１９】
本発明のデバイス製造方法は、上記各態様の電子線装置を用いて、半導体デバイスとしての試料を、プロセス途中又は少なくとも１つのプロセス終了後に評価することを特徴とする。
【００２０】
本発明の他の利点及び作用効果は、以下の説明によって更に明らかとなる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の各実施形態を説明する。
【００２２】
（第１の実施形態；電子線装置）
図１には、本発明の実施形態に係る電子線装置の主要部が示されている。なお、本実施形態は、試料１５上の電子線のターゲット照射領域を長方形に設定しており、図１は、この長方形の長辺方向を視線方向として眺めた図である。即ち、図１の横方向は、該長方形の短辺方向に相当する。
【００２３】
第１の実施形態に係る電子線装置は、ＴａＣカソードを有する熱電界放出型の電子銃として構成された電子銃１を備えている。このＴａＣカソードは、空間電荷制限を避けて高輝度電子ビームを得るため、例えば陰極先端の曲率半径を小さくしたポイント型陰極として構成される場合、ヘアピン型フィラメントの先端にＴａ線を点溶接し、電界研磨によりチップ先端を点陰極化した後、炭化を行うことにより形成される。このＴａＣカソードは、高温で優れた安定性を示し、Ｗ点カソードよりも低い入力パワーで十分な試料電流が得られ、且つ、寿命も長いことが知られている。
【００２４】
電子銃１から放出された１次電子を試料１５の必要十分な領域（ターゲット）上に照射する１次光学系は、１次電子を集束させるコンデンサレンズ２と、集束された１次電子線の断面を長方形に成形するビーム成形開口４と、成形された１次電子ビームを開口像１７に結像させる照射レンズ６と、１次電子ビームを偏向させるＥ×Ｂ分離器１１と、偏向された１次電子ビームを試料１５上に縮小結像させる投影レンズ１２及び対物レンズ１３と、を備えている。
【００２５】
ビーム成形開口４は、開口板３に形成されているが、この開口板３には、長辺及び短辺のサイズの異なる複数の長方形開口４、５、．．．が形成されている。開口板３は、光学系の倍率の変更に応じて適切なサイズの長方形開口を選択できるように機械的に移動させることができる。また、照射ビームを断面が線状のビームとすることができる。ここで、「線状ビーム」とは、１ピクセル幅の細長い領域を照射可能なビームと定義する。
【００２６】
本電子線装置では、１次電子線の照射に起因して試料１５のターゲットから放出された２次電子、後方散乱電子又は反射電子（以下、単に「２次電子」と称する）を写像投影するための２次光学系（写像光学系）が設けられている。この２次光学系は、Ｅ×Ｂ分離器１１の主面上に拡大像を形成するための、１次光学系と共通の対物レンズ１３及び投影レンズ１２と、更なる拡大レンズ１８と、ＮＡ開口板１９と、シンチレータ板２１の表面に２次電子像を拡大結像させる拡大レンズ２０と、を備えている。なお、拡大レンズ２０と、シンチレータ板２１との間には、ＭＣＰは設けられていない。
【００２７】
シンチレータ板２１は、拡大された２次電子像を、直接、光に変換すると共に、本電子線装置の鏡筒の真空窓を兼ねている。このシンチレータ板２１の大気側に隣接して、光学レンズ２３を介して、好ましい検出素子としてＴＤＩセンサー（Ｔｉｍｅ  Ｄｅｌａｙ  ａｎｄ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）２４が配置されている。ＴＤＩセンサー２４は、多数の撮像素子を全体として長方形形状に配置してなるセンサー（例えば２０４８ピクセル×５１２ピクセル）である。試料がステージ（図示せず）によりその短辺方向に移動されるとき、ＴＤＩセンサーは、短辺方向のピクセルから出力された時間遅延信号を加算出力する。この加算処理によって、その長辺方向の各ライン撮像素子のノイズ成分が相殺され、画像データ信号のＳ／Ｎ比を大幅に向上させることができる。勿論、本実施形態の電子線装置では、ＴＤＩセンサー２４の代わりに通常のＣＣＤカメラを用いることもできる。
【００２８】
ＴＤＩセンサー２４には、該センサーにより出力された検出信号に基づく２次電子画像から試料１５のターゲット領域の欠陥候補を検出したり、その欠陥候補を分類するための計算機（図示せず）を接続することができる。
【００２９】
図示のように、１次光学系の光軸２５と２次光学系の光軸２６とは、角度α（α＜９０度）をなしている。従来のＥ×Ｂ分離器では、１次電子ビームを、その進行方向に対して角度αだけ曲げ、即ち１次電子ビームを２次光学系の光軸２６に平行となるように曲げて試料に垂直に入射させていた。これに対し、本実施形態に係るＥ×Ｂ分離器１１は、１次電子ビームを、角度αの約半分程度に相当する角度βしか曲げない（即ち、光軸２６に対しては角度（α−β）曲げる）ように偏向量が設定されている。一方、Ｅ×Ｂ分離器１１は、試料側から光軸２６に平行に入射する２次電子に対しては、従来と同様に、電場Ｅから受ける力と磁場Ｂから受ける力の影響が相殺される条件（ウィーン条件）を形成している。
【００３０】
電子線に対して入射方向に応じた上記偏向作用を及ぼすようにするため、Ｅ×Ｂ分離器１１は、静電偏向器７、ｘ方向電磁偏向器８、ｙ方向電磁偏向器９及びフェライトコア１０が同じｚ位置に設けられることにより構成されている。
【００３１】
次に、本実施形態の作用を説明する。
電子銃１から放出された電子は、コンデンサレンズ２によって集束されて１次電子ビームとなり、ビーム成形開口４でその断面が長方形に成形される。成形された１次電子ビームは、照射レンズ６で開口像１７に結像されてからＥ×Ｂ分離器１１に至り、２次光学系と交わる。このとき、１次電子ビームは、Ｅ×Ｂ分離器１１によって、２次光学系の光軸２６と平行になる角度α迄は曲げられず、その半分程度の角度βのみ曲げられる。このため、１次電子の主光線は、その偏向後において、図示のように、その逆方向に進む２次電子（２次光学系の主光線）に対して長方形ターゲット照射領域の短辺方向にずれることとなる。次に、１次電子線は、その主光線が２次光学系の主光線から短辺方向にずれた状態のまま、投影レンズ１２によりクロスオーバー１６を形成される。次に、１次電子線は、対物レンズ１３により屈折され、試料１５上のターゲット照射領域に、その法線に対して角度γ（γ＜９０度）で照射されて最後に２次光学系と再び交わる。ここで、参照番号２２は、ターゲット照射領域の短辺２２を表している。このように、１次電子及び２次電子が重複する領域は、Ｅ×Ｂ分離器の近傍とターゲットの近傍のみとなっている。
【００３２】
ターゲット照射領域（２２）から放出された２次電子は、対物レンズ１３によりクロスオーバー１４を形成され、更に投影レンズ１２により拡大されてからＥ×Ｂ分離器１１を略直進して通過する。その後、拡大レンズ１９によりＮＡ開口板１９の開口付近でクロスオーバーを形成してから、拡大レンズ２０により更に拡大されてシンチレータ板２１に投影され、２次電子像を形成する。シンチレータ板２１により光に変換された２次電子像は、光学レンズ２３を介してＴＤＩセンサー２４により検出される。
【００３３】
本実施形態によれば、電子銃１は、ＴａＣカソードの熱電界放出電子銃であるので、クロスオーバー１６は比較的小さくなり、しかも上述のように、１次電子及び２次電子が重複する領域がＥ×Ｂ分離器の近傍とターゲットの近傍のみであるため、空間電荷効果による２次電子像のボケが小さくなるので、１次電子ビーム電流を大きくすることができる。
【００３４】
更に、電子銃１のＴａＣカソードの輝度は、通常のＬａＢ６電子銃と比べて３桁程度大きいので、シンチレータ板２１を十分に発光させることができ、本実施形態のようにＭＣＰを省略することが可能となる。従って、ＭＣＰとシンチレータ板２１との間の空間に起因した問題が消失し、２次電子像のボケを電子光学系それ自体のボケのみに制限することができる。
【００３５】
また、Ｅ×Ｂ分離器１１で１次電子線を偏向する量は従来の半分程度でよいため、２次光学系での偏向収差も半分程度になる。更に、偏向量が小さくて済むため、Ｅ×Ｂ分離器１１を構成する偏向コイルに流す電流も小さくて済み、これにより、コイルの発熱量を減少させ、装置を安全に動作させることができる。
【００３６】
以上のようにＴＤＩセンサー２４により検出されたボケの少ない２次電子画像に基づいて、図示しない計算機は、試料１５のターゲット領域の欠陥候補を高精度に検出することができる。
【００３７】
この欠陥検出では、計算機は、例えば、そのメモリに予め蓄えられていた欠陥の存在しない試料１５の２次電子線基準画像と、実際に検出された２次電子線画像とを比較照合し、倍率補正、回転、平行移動補正を行った後、両者の類似度を算出する。例えば、類似度が閾値以下になった場合、「欠陥候補」と判定し、閾値を超える場合には「欠陥候補ではない」と判定する。
【００３８】
また、上記のように基準画像を用いる必要無しに、検出されたダイ同士の検出画像を比較することによっても欠陥部分を検出できる。この場合、パターンマッチングは平行移動補正のみを行えばよい。例えば、１番目に検出されたダイの画像及び２番目に検出された他のダイの画像が非類似であり、３番目に検出された別のダイの画像が１番目の画像と同じか又は類似と判断されれば、２番目のダイ画像が欠陥候補であると判定される。また、パターンを横切って走査したときの２次電子の強度信号が予め較正された所定のスレッショールドレベルを連続的に超える部分の幅を当該パターンの線幅として測定することができる。このように測定された線幅が所定の範囲内にない場合、当該パターンが欠陥候補であると判定することができる。
【００３９】
本実施形態に係る電子線装置は、１次電子を直角から外れた角度γで試料のターゲット領域に照射するので、段差のあるパターンでは影が形成されるため立体的な２次元画像が得られる。例えば図１に示すように１次電子線が図面に向かって右側斜めから照射される場合を考える。凸パターンの場合、右側壁に１次電子線が照射されるが左側壁には照射されないため、右側壁が明るく、左側壁で暗くなった２次電子画像が得られる。逆に、凹パターンの場合には、左壁のみに１次電子線が照射され、右側壁には照射されないため、凸パターンのものとは明暗パターンが左右反転した２次電子画像が得られる。図示しない計算機は、そのメモリに立体的なＳＥＭ画像を分類する上で必要となる分類情報（例えば、上記した凹凸パターンについての明暗分布）を記憶しており、該分類情報と、実際に得られた欠陥候補箇所の２次電子画像の明暗分布とを比較し、該当した分類情報から、該欠陥候補の分類を行う。この欠陥候補の分類結果に基づいてキラー欠陥かそうでないか等も評価することができる。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る電子線装置を再び図１を用いて説明する。
【００４１】
第２の実施形態の電子線装置の電子銃１は、ＴａＣカソードの代わりに、カソード先端が１５〜３０μｍＲ（半径）の球の一部として形成された単結晶ＬａＢ６の熱電子放出カソードを用いる。この電子銃は、後述する空間電荷制限条件で動作される。
【００４２】
加えて、本実施形態では、ＮＡ開口板１９の開口径を大きくすることにより、２次光学系の透過率を向上させるのが好ましい。ＮＡ開口板１９の開口径を大きくすることにより、ビームボケが大きくなるが、第２の実施形態では、そのボケ範囲をピクセル寸法と同程度か或いはそれより小さく抑えつつ、２次電子の透過率を４０％以上確保している。
【００４３】
第２の実施形態によれば、上述のように空間電荷制限条件で動作制御される上記形状のＬａＢ６カソードを用いたので、電子銃１のショット雑音を減少させつつ輝度を比較的高くすることができる。更には２次電子の透過率を４０％以上確保した。従って、第２の実施形態においても、ＭＣＰを省略しても十分にＳ／Ｎ比の良好な２次電子像を得ることができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４４】
次に、空間電荷制限条件でショット雑音が減少する理由及び電子銃を空間電荷制限条件に維持する方法について説明する。
【００４５】
電子銃の状態がカソード温度で決まっている状態、即ち温度制限領域で作動中の場合、電子銃が放出するショット雑音ｉｎは、次式で表される（電気通信学会編「通信工学ハンドブック」Ｐ．４７１（１９５７年）を参照）。
【００４６】
ｉｎ２＝２ｅ・Ｉｐ・Ｂｒ                  （１）
（１）式において、ｉｎ２は雑音電流の２乗平均値、ｅは電子の電荷、Ｉｐはアノード直流電流、Ｂｆは信号増幅器の周波数帯域である。
【００４７】
これに対し、電子銃が空間電荷制限領域の場合は、
ｉｎ２＝Γ２２ｅ・Ｉｐ・Ｂｒ                  （２）
となる。（２）式において、Γ２はショット雑音低減係数で、１より小さい値である。
【００４８】
このように電子銃が空間電荷制限条件で動作すると、カソード近傍にバーチャルカソードと呼ばれるポテンシャルの谷が形成される。熱電子は、このポテンシャルの谷（電子にとっては障壁）を越えるエネルギーを持つもののみが電子銃電流となる。何かのきっかけで電流が多く流れると、この谷は深くなり、電流が流れ難くなる。即ち、ネガティブフィードバックがかかることになる。これが、ショット雑音が小さくなる理由である。
【００４９】
Γ２は、カソード温度が十分大きい場合、最小０．０１８程度になり、雑音電流は、温度制限領域の場合の１３％まで小さくなる。この場合のＳ／Ｎ比は、２次電子≒１次電子であると仮定すると、
2004335190.tif 000003
となる。Γ＝０．１３とすると、（３）式から、以下のＳ／Ｎ比が得られる。
Ｓ／Ｎ＝７．５（ｎ／２）１／２            （４）
（ｎ：２次電子個数／ピクセル）
【００５０】
即ち、空間電荷制限領域で動作する電子銃は、温度制限領域での電子銃（ショットキーカソードやＴＦＥ）に比べて、ピクセル当たりの２次電子数を５５倍（＝１／Γ２＝１／０．１３２）多く検出したのと等価となる。後者が前者よりも輝度が２桁程度大きいので、同じビーム径を想定すると、後者は前者よりも２桁大きいビーム電流が得られるが、Ｓ／Ｎ比は前者比で１／５５となる。言い換えると、空間電荷制限領域の電子銃では、温度制限領域の電子銃に比べて、測定時間が１００／５５≒１．８倍必要となるが、ドーズは１／５５で済むことになる。
【００５１】
電子銃が空間電荷制限領域で動作中であるか否かは、図２を参照して以下に説明する方法で調べることができる。
【００５２】
図２（Ａ）は、電子銃電流とカソード加熱電流との関係を表している。同図において、領域Ｐは、カソード加熱電流を増大させたとき電子銃電流の増加が少ない領域であり、この領域Ｐが空間電荷制限領域である。
【００５３】
また、図２（Ｂ）は、電子銃電流とアノード電圧との関係を表している。同図において、領域Ｑは、アノード電圧を増加させると電子銃電流が急速に増加する領域であり、この領域Ｑも空間電荷制限領域である。
【００５４】
以上より、電子銃のカソード加熱電流を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流の増加が小さい領域Ｐであるか、又は、電子銃のアノード電圧を増大させて電子銃電流を測定し、該電子銃電流が急激に変化している領域Ｑであれば、電子銃が空間電荷制限領域で動作中であると判定することができる。従って、電子銃を空間電荷制限領域で動作させるための条件を設定することができる。
【００５５】
（第３の実施形態；半導体デバイスの製造方法）
本実施形態は、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欠陥検出、欠陥レビューに適用したものである。
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。
【００５６】
この製造工程例は以下の各主工程を含む。
▲１▼  ウェーハ２０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１００）
▲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１０１）
▲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１０２）
▲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１０３）
▲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１０４）
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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２００）
▲２▼  レジストを露光する露光工程（ステップ２０１）
▲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２０２）
▲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２０３）
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。
【００５９】
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電子線装置を用いた場合、微細なパターンを有する半導体デバイスでも、画像のボケが少ないため高スループットで高精度に評価でき、更には、欠陥候補の分類も可能となるため、製品の歩留向上及び欠陥製品の出荷防止が可能となる。
【００６０】
以上が上記各実施形態であるが、本発明は、上記例にのみ限定されるものではなく本発明の範囲内で任意好適に変更可能である。
【００６１】
例えば、試料として半導体ウェーハを例に掲げたが、これに限定されず、電子線によって欠陥を検出可能なパターン等が形成された任意の試料、例えばマスク等を評価対象とすることができる。
【００６２】
また、シンチレータ板２１の代わりに、電子線に感度を有するＣＣＤ又はＴＤＩ検出器を用い、直接電子線を測定することによってもＭＣＰを省略することができる。
【００６３】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように本発明によれば、以下のような優れた効果が得られる。
【００６４】
請求項１の発明によれば、熱電界放出型又はショットキーカソード型の高輝度電子銃を使用するようにしたので、ＭＣＰ等の電子増倍手段を省略できる。
【００６５】
請求項２の発明によれば、１次電子線の主光線と写像光学系の主光線とがターゲットとＥ×Ｂ分離器の近傍とで交わり、それ以外の場所では、１次電子ビームの長方形形状の短辺方向にずれるようにしたので、空間電荷効果によるビームボケを軽減することができる。
【００６６】
請求項３の発明によれば、Ｅ×Ｂ分離器の近傍までは写像光学系の光軸に対して角度αで１次電子線を入射し、入射してきた１次電子線を、写像光学系の光軸に対して角度（α−β）偏向させるようにしたので、空間電荷効果によるビームボケを軽減することができる。
【００６７】
請求項４の発明によれば、電子銃が高輝度のＴａＣカソードを備えるようにしたので、１次電子ビームのビーム電流を大きくすることができる。
【００６８】
請求項５の発明によれば、電子銃が、先端が球の一部の形状を持つショットキーカソードを備え、空間電荷制限条件で動作されるようにしたので、ショット雑音を少なくすることができる。
【００６９】
請求項６の発明によれば、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電子線装置を用いて、半導体デバイスとしての試料を、プロセス途中又は少なくとも１つのプロセス終了後に評価するようにしたので、欠陥製品の発生を少なくする可能性がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１及び第２の実施形態に係る電子線装置の概略構成図である。
【図２】電子線装置の空間電荷制限条件の領域を説明するための図であって、（Ａ）は電子銃電流とカソード加熱電流との関係、（Ｂ）は、電子銃電流とアノード電圧との関係を表している。
【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。
【符号の説明】
１    電子銃
２    コンデンサレンズ
３    ビーム成形開口板
４、５  成形開口
６    照射レンズ
７    静電偏向器
８    ｘ方向電磁偏向器
９    ｙ方向電磁偏向器
１０    フェライトコア
１１    Ｅ×Ｂ分離器
１２    投影レンズ
１３    対物レンズ
１４    クロスオーバー
１５    試料
１６    １次電子線のクロスオーバー
１７    開口像
１８    拡大レンズ
１９    ＮＡ開口板
２０    拡大レンズ
２１    シンチレータ板
２２    視野短辺（長方形短辺）
２３    光学レンズ
２４    ＴＤＩセンサー
２５    １次光学系光軸
２６    ２次光学系光軸
【図１】
2004335190.tif 000004
【図２】
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【図３】
2004335190.tif 000006
【図４】
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