(57)【要約】【課題】０．１μｍ以下の微細パターンを有する半導体ウエハ等の試料の評価を高スループットで行うための電子線装置を提供する。【解決手段】電子銃により発生させた一次電子ビームを試料に照射し、試料から放出される二次電子を写像投影光学系により検出器に結像させる電子線装置。電子銃６１は、カソード１及び引出電極３を有し、カソードの電子放出面１ａは、凹面である。引出電極３は、カソードの電子放出面１ａに向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面３ａ及び電子を通すための凸面を貫通する穴７３を有する。引出電極３と試料の間に多極子の非点発生レンズ４４を備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子銃により発生させた一次電子ビームを試料に照射し、試料から放出される二次電子を写像投影光学系により検出器に結像させる電子線装置において、前記電子銃は、カソード及び引出電極を有し、該カソードの電子放出面は、凹面であることを特徴とする電子線装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電子線装置において、前記カソードの電子放出面は、第１の球の部分内面からなり、前記引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有し、カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、
（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌであることを特徴とする電子線装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電子線装置において、前記カソードの電子放出面は、第１の球の部分内面からなり、前記引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有し、カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、
（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌ＜Ｒｃ
であることを特徴とする電子線装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電子線装置において、前記一次電子ビームは、ビーム偏向器を介して試料に照射され、前記写像投影光学系は、対物レンズ、ＮＡ開口、ビーム偏向器の磁界が二次電子へ作用するのを防止するためのシールド筒、拡大レンズ、及び軸合わせ偏向器を含み、前記検出器は、ＥＢＣＣＤ検出器又はＥＢＴＤＩ検出器であることを特徴とする電子線装置。
【請求項５】
電子銃により発生させた一次電子ビームを試料に照射する電子線装置において、前記電子銃は、カソード及び引出電極を有し、前記カソードは、第１の球の部分内面からなる電子放出面を有し、前記引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有し、前記引出電極と試料の間に多極子の非点発生レンズを含むことを特徴とする電子線装置。
【請求項６】
請求項５に記載の電子線装置において、カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、
２Ｒｃ＜Ｌ＋Ｒａであることを特徴とする電子線装置。
【請求項７】
請求項５に記載の電子線装置において、カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、
２Ｒａ＜Ｒｃ−Ｌであることを特徴とする電子線装置。
【請求項８】
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の電子線装置において、前記一次電子ビームは、コンデンサレンズ、ＦＡ開口、投影レンズ、軸合わせ偏向器、ビーム偏向器、及び対物レンズを介して試料に照射され、試料から放出される二次電子が写像投影光学系により検出器に結像され、該写像投影光学系は、対物レンズ、ＮＡ開口、ビーム偏向器の磁界が二次電子へ作用するのを防止するためのシールド筒、拡大レンズ、及び軸合わせ偏向器を含み、前記検出器は、ＥＢＣＣＤ検出器又はＥＢＴＤＩ検出器であることを特徴とする電子線装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、０．１μm以下のパターンを有する半導体ウエハ等の試料の評価を高スループットで行うための電子線装置に関し、更に大電流密度の電子線を半導体ウエハ部分等の試料（ターゲット）に照射する電子線装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
写像投影光学系を用いる従来の電子線装置においては、電子放出面が平面である平面カソードあるいは電子放出面が凸面形状である凸面形状カソードを有する電子銃からのビームを用いて試料の照射が行われていた。また、従来のX線発生用の電子銃では、ピアス型電子銃（Pierce type electron gun；陰極、ウェーネルト及び陽極の３極管の構成による電子銃）を用いて電子銃の設計製造が行われていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
写像投影光学系を使用する電子線装置では、一次電子ビームを多く流すことが必要である。その為、一次電子ビームは、空間電荷効果によりボケが大きくなる。空間電荷効果による一次ビームのボケを最小にするには、輝度が小さく、エミッタンス（emittance）即ち、（クロスオーバ直径）×（ビーム放出角）の大きい電子銃が要求される。またピアス型電子銃で作ったX線発生用の電子銃では500A／cm２以上電流密度に絞るのは困難であった。本発明は前記の問題点を解決しようとするのものであり、低輝度・高エミッタンスの電子銃、及び大電流で細く絞った一次電子ビームを作るための電子銃を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、電子銃により発生させた一次電子ビームを試料に照射し、試料から放出される二次電子を写像投影光学系により検出器に結像させる電子線装置に関する。本発明の電子線装置おいて、電子銃は、カソード及び引出電極を有し、このカソードの電子放出面は、凹面であることを特徴とする。
【０００５】
本発明の電子線装置は、次の構成を備えることができる。（１）カソードの電子放出面は、第１の球の部分内面からなる。（２）引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有する。（３）カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、第１の球と第２の球が同心球を形成する場合のカソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の距離をＬ０とすると、Ｌは、Ｌ０より大である。即ち、カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌである。
【０００６】
（４）前記カソードの電子放出面は、第１の球の部分内面からなり、前記引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有する。（５）カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌ＜Ｒｃである。（６）一次電子ビームは、ビーム偏向器を介して試料に照射される。（７）前記写像投影光学系は、対物レンズ、ＮＡ開口、ビーム偏向器の磁界が二次電子へ作用するのを防止するためのシールド筒、拡大レンズ、及び軸合わせ偏向器を含む。（８）前記検出器は、ＥＢＣＣＤ検出器（カメラ）又はＥＢＴＤＩ検出器（カメラ）である。
【０００７】
本発明は、また電子銃により発生させた一次電子ビームを試料に照射する電子線装置に関する。本発明の電子線装置において、電子銃は、カソード及び引出電極を有し、カソードは、第１の球の部分内面からなる電子放出面を有し、引出電極は、カソードの電子放出面に向かい合う第２の球の部分外面からなる凸面及び電子を通すための凸面を貫通する穴を有し、アノードと試料（ターゲット）の間に多極子の非点発生レンズ、即ち、１つの方向（Ｘ方向）においてビームを収束し、他の方向（Ｙ方向）においてビームを発散させるレンズを含む。
【０００８】
本発明の電子線装置は、次の構成を備えることができる。（９）カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌは、第１の球（カソードの電子放出面）の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球（引出電極の凸面）の曲率半径Ｒａの関係が、Ｒｃ又はＲａが１／２以下である。換言すれば、（１０）カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、２Ｒｃ＜Ｌ＋Ｒａである。又は（１１）カソードの電子放出面と引出電極の凸面との間の軸線方向の距離Ｌ、第１の球の曲率半径Ｒｃ、及び第２の球の曲率半径Ｒａの関係が、２Ｒａ＜Ｒｃ−Ｌである。（１２）一次電子ビームは、コンデンサレンズ、ＦＡ開口、投影レンズ、軸合わせ偏向器、ビーム偏向器、及び対物レンズを介して試料に照射される。（１３）試料から放出される二次電子が写像投影光学系により検出器に結像される。（１４）写像投影光学系は、対物レンズ、ＮＡ開口、ビーム偏向器の磁界が二次電子へ作用するのを防止するためのシールド筒、拡大レンズ、及び軸合わせ偏向器を含む。（１５）検出器は、ＥＢＣＣＤ検出器（カメラ）又はＥＢＴＤＩ検出器（カメラ）である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は本発明の実施の形態の電子線装置の配置図である。図１において、電子線装置６０は、電子線源６１、投影レンズ６３、ビーム偏向器１４、ウエハ等の試料１３を載せるステージ６８、ＮＡ開口板６５、シールド筒１７、ＥＢＴＤＩカメラ２４を備える。電子銃６１は、カソード１、ウェーネルト電極２、引出電極３を備える。投影レンズ６３は、第１投影レンズ８及び第２投影レンズ９を含む。
【００１０】
図１の電子線装置６０において、電子銃６１からの電子線６２をＦＡ開口（Field Aperture：視野を決める開口）７に照射し、ＦＡ開口７の像を投影レンズ８、９からなる２段投影レンズ６３で縮小倍率を変化させ、対物レンズ１０、１１、１２を通じて試料１３に照射する。この時、ビーム偏向器１４は、平行平板磁極で一次ビーム６４を偏向し、対物レンズ１０、１１、１２を通じて少し屈折させ、光軸６７上へ照射する。また光源像は、実線２８で結像状態を示す様に対物レンズ１０の前方の投影レンズ９の主面に結像させている。投影レンズ９の主面は、ＦＡ開口７の結像線２９が最も広くなっているレンズの主面である。投影レンズ９は、最大の収差を発生させるレンズであり、このレンズ主面に光源像を結像させればよい。
【００１１】
試料面１３から放出された二次電子は、対物レンズ１２、１１、１０で集束され、ＮＡ開口板６５のＮＡ開口１６により収差の小さい中央部のビームのみが上方へ通される。一次ビームの通る穴６６は別に設けられる。ＮＡ開口１６を通過した二次電子は、シールド筒１７を通り、補助レンズ１８の主面に結像される。シールド筒１７は、パーマロイのパイプであり、ビーム偏向器１４からの磁界が二次光学系の光軸６７へ漏れるのを防ぐ役割をする。補助レンズ１８の位置で第１拡大像を作った二次電子は、拡大レンズ１９で拡大され、最終拡大レンズ２１用の補助レンズ２０の４個のレンズ２００、２０１、２０２、２０３のどれかに拡大像を作る。
【００１２】
補助レンズ２０は、最大画素モード用補助レンズ２００、２番目に大きい画素モード用補助レンズ２０１、３番目に大きい画素モード用補助レンズ２０２、最小画素モード用補助レンズ２０４を含む。ＮＡ開口像は、点線２７で結像図を示した様に拡大レンズ１９の主面に縮小像が作られ、更に補助レンズのどれか、この場合は２００によって最終拡大レンズ２１の主面に縮小像が作られる。これらの拡大レンズ１９、２１を通る時のビームの光束を小さくする事によって低収差化を計っている。
【００１３】
図１の電子線装置６０は、最終拡大レンズ２１用に４個の補助レンズ２００、２０１、２０２、２０３を備える。この４個の補助レンズは、ピクセルサイズが４種類以上変化しても一定の検出器ピッチのＥＢＣＣＤ検出器又はＥＢＴＤＩ検出器で検出可能にする。検出器はＦＯＰ（Fiber Optic Plate）２３の前面にシンチレータ（蛍光体）２２を塗布し、ＦＯＰで画像を保存された光信号を光のＴＤＩ検出器２４で検出してもよい。この場合ＴＤＩ検出器の信号が小さいので、シンチレータ２２の表面に５ＫＶ程度の正の電圧を印可し二次電子を加速し発光効率を高くしてシンチレータ２２に入射するのが適当である。
【００１４】
収差を決める投影レンズ９から試料１３迄の距離が大きいので、ＦＡ開口７から試料１３への結像での球面収差が大きい。特に試料へのランディングエネルギーが５００ｅＶの場合は空間電荷効果によるビームのボケ（ｂｌｕｒ）が大きく、輝度が小さく、エミッタンスの大きい電子銃が必要となる。電子銃の輝度を小さくするには、凸形カソードの曲率半径を大きくし、平面カソードにすると効果的である。つまり、カソードの電子放出面の形状が凸形であるときにはカソード面の電界強度が大きくなるため、輝度が大きくなるが、電子放出面の形状について、曲率半径を大きくして平面に近づけ、または平面にすることにより、輝度を小さくすることが可能である。電子放出面１ａが凹面形状のカソード１を用いた電子銃では、更に低輝度・高エミッタンスにできる。
【００１５】
図２に電子銃６１の詳細構造を示す。カソード１の電子放出面１ａは、光軸４５の方向から見て、０．２〜４ｍｍφの円形であり、ヒータ４１で保持される部分は、平面に加工されている。カソード１及びヒータ４１を更に電極４２で支え、電流を流すことによってカソード１が加熱される。カソードの凹面形状の電子放出面１ａの曲率半径Ｒｃは、２ｍｍ〜８ｍｍである。ウェーネルト２は、光軸４５を囲む円錐面６９を有し、円錐面６９と光軸４５との角度θを最適化する事によって電子銃の性能が制御される。シミュレーションの結果、代表的な値として４０〜５０度であった。引出電極３は、光軸４５近くにおいて曲率半径Ｒａの半球面にビームが通る穴７３を設けた構造になっている。引出電極３の後方部分は、光軸４５との角がθ２の円錐面７１を有する。引出電極３に隣接して配置されるアノード４３は、光軸４５に垂直平面７２を有する平面電極により構成される。
【００１６】
ビームの断面（光軸４５に垂直な断面）が楕円形である楕円形ビームを作りたい場合は、アノード４３の後方に静電４極子４４を設け、一軸方向のビーム寸法を小さくし他軸方向のビーム寸法を広げればよい。図６は、静電４極子４４の光軸４５に垂直な断面における正負の電極の配置を示す断面図である。空間電荷効果が著しい場合は、静電４極子４４を更にカソード１に近付ける必要がある。引出電極３の後方又は外側に磁気４極子４６を設けてもよい。
【００１７】
磁気４極子４６の詳細を図３及び図４に示す。図３は、磁気４極子４６の光軸に垂直な断面図であり、図４は、図３の線Ｄ−Ｄで示す断面図である。図４に示すように、放射状に配置される４個の磁極４６１、４６２、４６３、４６４がそれぞれ半径方向外側で支持固定され、各磁極の周りには励磁コイル４７が巻かれ、半径方向に対向する極同志は同じ極性になる様に励磁される。ビームの断面４８（光軸に垂直の断面）は、各磁極の軸線（図３における半径方向）に対して４５度の方向に変形される。
【００１８】
従来のピアス型電子銃ではカソードの電子放出面を形成する曲面（曲率半径Ｒｃ）とそれに対向するアノードの曲面（曲率半径Ｒａ）は同心球を形成する。即ち、Ｌ＝Ｒｃ−Ｒａの関係を満たす。Ｌは、カソードの電子放出面とアノードの曲面との間の距離である。これに対し、本発明の第１の実施の形態（図２）では、カソードの電子放出面を形成する曲面（第１の球）１ａの曲率半径Ｒｃ、引出電極３の凸面（第２の球）３ａの曲率半径Ｒａ、カソードの電子放出面と引出電極の凸面３ａとの間の光軸方向の距離間距離Ｌが、
（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌ＜Ｒｃ          （１）
を満たす様にした。
【００１９】
本発明の第２の実施の形態において、カソードの電子放出面を形成する曲面（第１の球）１ａと引出電極の凸面（第２の球）３ａとの間の軸線方向の距離Ｌ、曲面（第１の球）１ａの曲率半径Ｒｃ、及び凸面（第２の球）３ａの曲率半径Ｒａの関係が、
２Ｒｃ＜Ｌ＋Ｒａ              （２）
を満たすようにした。
【００２０】
本発明の第３の実施の形態において、カソードの電子放出面を形成する曲面（第１の球）１ａと引出電極の凸面（第２の球）３ａとの間の軸線方向の距離Ｌ、曲面（第１の球）１ａの曲率半径Ｒｃ、及び凸面（第２の球）３ａの曲率半径Ｒａの関係が、
２Ｒａ＜Ｒｃ−Ｌ              （３）
を満たすようにした。
【００２１】
ピアス型電子銃、即ちＬ＝Ｒｃ−Ｒａである場合、曲面（第１の球）１ａと凸面（第２の球）３ａは、同心球である。これと比較すると明らかなように、上記の式（１）の場合におけるカソード・アノード間距離Ｌは、同心球の半径の差よりも長い。上記の式（１）を満足するように、Ｒｃ＝５ｍｍ、Ｒａ＝２ｍｍ、Ｌ＝４ｍｍとした場合のシミュレーション例のビーム特性のグラフを図７に示す。カソード直径は０．２８ｍｍである。
【００２２】
図７のグラフは、ピアス型電子銃と本発明の電子銃との比較を示したものである。曲線８１は、本発明の電子銃、即ち、Ｌ＝４ｍｍ、Ｒｃ＝５ｍｍ、Ｒａ＝２ｍｍの場合であり、点線８２は、ピアス型電子銃、即ち、Ｌ＝３ｍｍ、Ｒｃ＝５ｍｍ、Ｒａ＝２ｍｍの場合である。破線８３は、Ｌ＝５ｍｍ、Ｒｃ＝５ｍｍ、Ｒａ＝２ｍｍの場合である。図７の曲線８１、即ち本発明の（Ｒｃ−Ｒａ）＜Ｌ＜Ｒｃにおいて、輝度が１４０Ａ／ｃｍ２ｓｒ以下の場合、圧倒的にエミッタンスが大きい。図７の破線８３は、Ｌ＝Ｒｃであり、輝度が２００Ａ／ｃｍ２ｓｒ以上の場合は、大きいエミッタンスが得られるが、低輝度で高エミッタンスが必要な写像タイプの電子光学系には適さない。この事から本発明のＬ＜Ｒｃが必要なことがわかる。
【００２３】
図７によると、輝度の小さいとき（例えば、輝度が１００Ａ／ｃｍ２ｓｒのとき）、本発明の電子銃（曲線８１）がピアス型電子銃（点線８２）に比べて高エミッタンスが得られていることがわかる。特に、本発明の電子銃（曲線８１）は、輝度が４０〜７０Ａ／ｃｍ２ｓｒのとき、高エミッタンスが得られている。ピクセル寸法が１００ｎｍ前後の場合に２０４８×５１２ピクセル程度の画像を得たい場合には、輝度が５０Ａ／ｃｍ２ｓｒ前後であることが望ましいことがシミュレーションにより分かっており、この場合において曲線８１に示す本発明の電子銃は、きわめて高い性能を示すことになる。
【００２４】
図５は、ピアス型電子銃と比較してカソード電子放出面（曲面１ａ）と引出電極３の曲面３ａ間の距離を大きくした場合の別の実施の形態を示す。図５の実施の形態において、引出電極３は、アノード（図２のアノード４３）を兼ねており、カソード直径＝４ｍｍ、Ｒｃ＝５ｍｍ、アノード曲率半径Ｒａ＝２ｍｍ、Ｌ＝５ｍｍである。図５のシミュレーション例において、曲線５１は、１０ｋＶの等ポテンシャル線である。曲線５２及び５３は、共に２０ｋＶの等ポテンシャル線であり、曲線５４は、２７ｋＶの等ポテンシャル線である。クロスオーバ径５５は、約１１３μｍφであった。上記図５のシミュレーションにおいて、１０ＫＡ／ｃｍ２近い電流密度、即ち、電流密度＝０．９９５／［π（１１３×１０−４／２）２］＝９．９２１ＫＡ／ｃｍ２が得られた。
【００２５】
上記図７のシミュレーション例において、カソード電子放出面（曲面１ａ）と引出電極３の曲面３ａ間の寸法Ｌをピアス型の場合の３ｍｍから変更しＬ＝５ｍｍとすると、輝度９００Ａ／ｃｍ２ｓｒ、エミッタンス：２０００μｍ・ｍｒａｄを４．５ＫＶの加速電圧で得られた。また、７ＫＶの加速電圧では、輝度：１．２×１０４Ａ／ｃｍ２ｓｒ、エミッタンス：１０００μｍ・ｍｒａｄが得られた。このような性能の電子銃は、写像投影光学系電子線装置に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態の電子線装置の配置図。
【図２】本発明の実施の形態の電子銃の拡大配置図。
【図３】電磁型４極子の平面図。
【図４】電磁型４極子の断面図。
【図５】本発明の電子銃のシミュレーション例の概略図。
【図６】静電４極子の平面図である。
【図７】ピアス型電子銃と本発明の電子銃との比較を示したグラフである。
【符号の説明】
【００２７】
１：電子銃カソード、２：ウェーネルト電極、３：引出電極、４：コンデンサレンズ１、５：コンデンサレンズ２、６：クロスオーバ像、７：ＦＡ開口、８：投影レンズ、９：投影レンズ２、１０：対物レンズの第３電極、１１：対物レンズ中間電極、１２：対物レンズ下側電極、１３：試料、１４：ビーム偏向器、１５：ビーム偏向器用励磁コイル、１６：ＮＡ開口、１７：シールド筒、１８：補助レンズ、１９：拡大レンズ、２１：最終拡大レンズ、２２：シンチレータ、２３：ＦＯＰ、２４：ＥＢＴＤＩカメラ、２５：電源、２６：試料像結像線、２７：ＮＡ開口結像線、２８：電子銃クロスオーバ結像線、２９：ＦＡ開口結像線、３０：軸合せ偏向器、３１：軸合せ偏向器、４１：カーボンヒータ、４２：支持電極、４３：アノード、４４：静電４極子４６：光軸、４６：電磁４極子、４７：励磁コイル、４８：ビーム断面、５１：１０ＫｅＶの等ポテンシャル線、５２：２０ＫｅＶの等ポテンシャル線、５３：２０ＫｅＶの等ポテンシャル線、５４：２７ＫｅＶの等ポテンシャル線、５５：クロスオーバ径（約１１３μｍφ）、６１：電子銃、６２：電子線、６３：投影レンズ、６４：一次ビーム、６６：穴、６７：二次光学系の光軸、６８：ステージ、６９、７１：円錐面、７２：垂直平面、７３：穴、２００：最大画素モード用補助レンズ、２０１：２番目に大きい画素モード用補助レンズ、２０２：３番目に大きい画素モード用補助レンズ、２０４：最小画素モード用補助レンズ、４６１、４６２、４６３、４６４：磁極。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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