(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射線源から発した照射用荷電粒子線を照射光学系を介して光路切換手段に入射させ、該光路切換手段を通過した前記照射用荷電粒子線を対物光学系を介して物体面に入射させ、該物体面から放出された観察用荷電粒子線を前記対物光学系を介して前記光路切換手段に入射させ、該光路切換手段によって前記照射線源に至る方向とは異なる方向に前記観察用荷電粒子線を導き、前記光路切換手段を通過した後の前記観察用荷電粒子線を結像光学系を介して検出手段に入射させる荷電粒子線写像投影光学系において、
前記物体面の位置に配置できるように、調整用荷電粒子線を発する調整用線源を設けたことを特徴とする荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項２】
前記調整用線源の前記物体面における発光形状は、点形状、線形状、十文字形状又はＬ字形状のうちの少なくとも１つの形状を有することを特徴とする請求項１記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項３】
前記調整用荷電粒子線は、電子線であることを特徴とする請求項１又は２記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項４】
前記調整用荷電粒子線の初期エネルギーは、前記観察用荷電粒子線の初期エネルギーと同等であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項５】
前記調整用線源は、冷陰極で形成されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項６】
前記調整用線源と、前記対物光学系の物体面側の面との間に、前記調整用荷電粒子線を加速する電位差を設けたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の荷電粒子線写像投影光学系。
【請求項７】
照射線源から発した照射用荷電粒子線を照射光学系を介して光路切換手段に入射させ、該光路切換手段を通過した前記照射用荷電粒子線を対物光学系を介して物体面に入射させ、該物体面から放出された観察用荷電粒子線を前記対物光学系を介して前記光路切換手段に入射させ、該光路切換手段によって前記照射線源に至る方向とは異なる方向に前記観察用荷電粒子線を導き、前記光路切換手段を通過した後の前記観察用荷電粒子線を結像光学系を介して検出手段に入射させる荷電粒子線写像投影光学系の調整方法において、
前記物体面の位置に調整用荷電粒子線を発する調整用線源を配置する工程と、
前記対物光学系のみに電圧を印加して該対物光学系の光軸又は収差を調整する工程と、
前記対物光学系に加えて前記結像光学系に電圧を印加して該結像光学系の光軸の調整若しくは収差の評価或は調整を行う工程とを有することを特徴とする荷電粒子線写像投影光学系の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、荷電粒子線写像投影光学系及びその調整方法に関し、特に電子ビームやイオンビーム等の荷電粒子線を用いて物体面の観察、検査等を行うための荷電粒子線写像投影光学系及びその調整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より微細化、高集積化した半導体素子等の観察、検査をするために、電子ビーム（電子線）等を用いた荷電粒子線顕微鏡が多く用いられている。荷電粒子線顕微鏡の中には、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の他に、写像型電子顕微鏡と呼ばれるものがあり、近年、この写像型電子顕微鏡の荷電粒子線写像投影光学系の開発が盛んに行われている。
荷電粒子線写像投影光学系の構成を、以下簡単に説明する。まず、電子銃より発せられた１次電子ビーム（照射用電子線）は、１次光学系（照射光学系）を通過して、イー・クロス・ビー（Ｅ×Ｂ）と呼ばれる電磁プリズムに入射する。イー・クロス・ビーを通過した後の１次電子ビームは、その断面形状が線形状又は矩形状である電子ビームとなって、カソードレンズ（対物光学系）を通過して、試料の物体面を落射照明する。物体面に１次電子ビームが照射されると、物体面で反射する比較的エネルギーの高い反射電子ビームと、物体面から放出される低エネルギーの２次電子ビームとが発生する。これらの電子ビームのうち、通常、２次電子ビームが結像に用いられる。２次電子ビーム（観察用電子線）は、カソードレンズを通過して、イー・クロス・ビーに入射する。イー・クロス・ビーを通過した２次電子ビームは、２次光学系（結像光学系）を通過して、電子ビーム検出器に入射する。この電子ビーム検出器に入射した２次電子ビームの情報を基に、物体面の観察、検査等を行うことになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
荷電粒子線写像投影光学系において、試料の物体面を精度良く観察、検査するためには、事前に荷電粒子線写像投影光学系の調整を正確に行う必要がある。具体的には、１次光学系の照明視野と２次光学系の観察視野とを一致させるために、１次光学系と２次光学系との電圧調整、イー・クロス・ビーの電磁界調整を行い光軸調整や収差補正等をする。
しかしながら、上記従来の荷電粒子線写像投影光学系は、前述した１次光学系、２次光学系、イー・クロス・ビーの調整をそれぞれ単独で行うことはできず、調整作業に相当の時間と労力を費やしていた。すなわち、電子銃から１次電子ビームを発しながら、１次光学系の照明視野と２次光学系の観察視野とを一致させていた。
したがって本発明は、作業者の熟練の程度に関係なく、迅速且つ正確な調整が可能な荷電粒子線写像投影光学系及びその対物光学系と結像光学系の調整方法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、すなわち、添付図面に付した符号をカッコ内に付記すると、本発明は、照射線源（１５）から発した照射用荷電粒子線（Ｓ）を照射光学系を介して光路切換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）を通過した照射用荷電粒子線（Ｓ）を対物光学系（５）を介して物体面（３０）に入射させ、物体面（３０）から放出された観察用荷電粒子線（Ｋ）を対物光学系（５）を介して光路切換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）によって照射線源（１５）に至る方向とは異なる方向に観察用荷電粒子線（Ｋ）を導き、光路切換手段（６）を通過した後の観察用荷電粒子線（Ｋ）を結像光学系を介して検出手段（１４）に入射させる荷電粒子線写像投影光学系において、物体面（３０）の位置に配置できるように、調整用荷電粒子線（Ｔ）を発する調整用線源（１）を設けたことを特徴とする荷電粒子線写像投影光学系である。
【０００５】
また本発明は、照射線源（１５）から発した照射用荷電粒子線（Ｓ）を照射光学系を介して光路切換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）を通過した照射用荷電粒子線（Ｓ）を対物光学系（５）を介して物体面（３０）に入射させ、物体面（３０）から放出された観察用荷電粒子線（Ｋ）を対物光学系（５）を介して光路切換手段（６）に入射させ、光路切換手段（６）によって照射線源（１５）に至る方向とは異なる方向に観察用荷電粒子線（Ｋ）を導き、光路切換手段（６）を通過した後の観察用荷電粒子線（Ｋ）を結像光学系を介して検出手段（１４）に入射させる荷電粒子線写像投影光学系の調整方法において、物体面（３０）の位置に調整用荷電粒子線（Ｔ）を発する調整用線源（１）を配置する工程と、対物光学系（５）のみに電圧を印加して対物光学系（５）の光軸又は収差を調整する工程と、対物光学系（５）に加えて結像光学系に電圧を印加して結像光学系の光軸の調整若しくは収差の評価或は調整を行う工程とを有することを特徴とする荷電粒子線写像投影光学系の調整方法である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は、本発明による荷電粒子線写像投影光学系の一実施例を示す。荷電粒子線写像投影光学系の外観部は、主に１次コラム２と２次コラム３とチャンバー４とで構成されている。それらには、真空排気系（不図示）が設置されている。そして、真空排気系のターボポンプによる排気によって、荷電粒子線写像投影光学系の内部は真空状態になっている。チャンバー４の内部には、Ｘステージ駆動部３５によってＸ方向に移動可能なＸステージ３１と、Ｙステージ駆動部（不図示）によってＹ方向に移動可能なＹステージ３２が設置されている。Ｘステージ３１上には、冷陰極１（調整用線源）、試料３０、Ｘ移動鏡３３、Ｙ移動鏡（不図示）が載置されている。
ここで、冷陰極１とは、初期エネルギーが低い（０．５〜２ｅＶ程度である。）電子ビームを放出する、いわゆる自己発光型の線源である。この初期エネルギーの値は、前述した試料３０の物体面から放出される２次電子ビームＫの初期エネルギーの値に近似している。冷陰極１としては、例えばＭＯＳ型トンネル冷陰極、Poly-Si/i-Si/n-Si陰極、シリコンフィールドエミッター等がある。
また、この冷陰極１は、リソグラフィー工法による加工によって、点、ライン・アンド・スペース・パターン、十字マーク、Ｌ字マーク等の自己発光パターンを自在に形成することができる。
【０００７】
図１に示すように、１次コラム２の内部に設置された電子銃１５から照射される１次電子ビームＳは、１次光学系を通過して、イー・クロス・ビー６に入射する。ここで、１次光学系は、視野絞りＦＳ１、照射レンズ１７、１８、１９、アライナ２３、２４、スキャン用アライナ２５、アパーチャ２６等で構成されている。また、照射レンズ１７、１８、１９は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。
１次電子ビームＳは、イー・クロス・ビー６によって、その光路が偏向された後、開口絞りＡＳに達し、この位置で電子銃１５のクロスオーバーの像を形成する。開口絞りＡＳを通過した１次電子ビームＳは、第１アライナ９を通過した後、カソードレンズ５によるレンズ作用を受けて、試料３０をケーラー照明する。
【０００８】
試料３０に１次電子ビームＳが照射されると、試料３０からは、その表面形状、材質分布、電位の変化等に応じた分布の２次電子ビームＫ及び反射電子ビームが発生する。このうち、主に２次電子ビームＫが観察用電子ビームとなる。前述したように、２次電子ビームＫの初期エネルギーは低く、０．５〜２ｅＶ程度である。
試料３０から放出された２次電子ビームＫは、カソードレンズ５、第１アライナ９、開口絞りＡＳ、イー・クロス・ビー６、２次光学系の順に通過した後、電子ビーム検出器１４に入射する。ここで２次光学系は、結像レンズ前群７、結像レンズ後群８、スティグメータ１２、１３、第２アライナ１０、第３アライナ１１、視野絞りＦＳ２等で構成されている。また、視野絞りＦＳ２は、カソードレンズ５と結像レンズ前群７に関して、試料３０の物体面と共役な位置関係となっている。また、２次光学系の結像レンズ前群７及び結像レンズ後群８は電子レンズであり、例えば円形レンズ、４極子レンズ、８極子レンズ等が用いられる。
【０００９】
電子ビーム検出器１４の検出面に入射した２次電子ビームＫは、２次光学系によって、拡大された試料３０の像を形成する。ここで、電子ビーム検出器１４は、電子を増幅するためのＭＣＰ（Micro Channel Plate）と、電子を光に変換するための蛍光板と、真空状態に保たれた２次コラム３の外部に変換された光を放出するための真空窓とから構成されている。
電子ビーム検出器１４から放出された光、すなわち試料３０の光学像は、リレーレンズ４０を透過して、ＣＣＤ等の撮像素子４１に入射される。そして、撮像素子４１に入射した光は、光電信号に変換されて、コントロールユニット４２に伝達される。更に、コントロールユニット４２に伝達された光電信号は、画像信号に変換されて、ＣＰＵ４３に伝達される。この画像信号がディスプレイ４４に伝達され、試料３０の像はディスプレイ４４上に表示されることになる。
【００１０】
またＣＰＵ４３は、その制御信号を第１電圧制御部４５、第２電圧制御部４６、電磁界制御部（不図示）に送る。ここで、第１電圧制御部４５は１次光学系の電圧制御を行い、第２電圧制御部４６はカソードレンズ５、第１アライナ９、２次光学系の電圧制御を行い、電磁界制御部はイー・クロス・ビー６の電磁界制御を行う。
またＣＰＵ４３にて、その制御信号をＸステージ駆動部３５、Ｙステージ駆動部に送信し、Ｘ干渉計３４、Ｙ干渉計（不図示）からステージの位置情報を受信することで、複数の試料の観察、検査を順次行うことができる。
【００１１】
次に図２にて、イー・クロス・ビー６の構成作用について説明する。同図（Ａ）に示すように、電子銃１５から発せられた１次電子ビームＳは、１次光学系によるレンズ作用を受けて収束し、イー・クロス・ビー６に入射した後、イー・クロス・ビー６の偏向作用によりその軌道（光路）が曲げられる。
これは、同図（Ｂ）に示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの中を、電荷ｑの電子（１次電子ビームＳ）が、＋Ｚ方向に速度ｖにて進むとき、−Ｘ方向に働く電界による力ＦE（＝ｑＥ）と磁界による力ＦB（＝ｑｖＢ）との合力を受けるためである。これによって、１次電子ビームＳの軌道は、ＸＺ平面内で曲げられる。
【００１２】
一方、１次電子ビームＳが照射された試料３０から発生した２次電子ビームＫは、カソードレンズ５によるレンズ作用を受けて、カソードレンズ５の焦点位置に配置される開口絞りＡＳを通過し、イー・クロス・ビー６に入射した後、イー・クロス・ビー６をそのまま直進する。
これは、以下の理由による。図２（Ｃ）に示すように、互いに直交する電界Ｅと磁界Ｂの中を、電荷ｑの電子（２次電子ビームＫ）が、−Ｚ方向に速度ｖにて進むとき、−Ｘ方向に働く電界による力ＦEと、＋Ｘ方向に働く磁界による力ＦBとの合力を受ける。このとき、電界による力ＦEと磁界による力ＦBとの絶対値は、等しく（Ｅ＝ｖＢ）なるように、すなわちウィーン条件を満たすように設定されている。したがって、電界による力ＦEと磁界による力ＦBとは互いに相殺され、２次電子ビームＫが受ける見かけ上の力はゼロになり、２次電子ビームＫはイー・クロス・ビー６の中を直進することになる。
以上のように、イー・クロス・ビー６は、そこを通過する電子ビームの光路を選択する、いわゆる電磁プリズムとしての機能をもつ。
【００１３】
次に図３にて、点パターンを形成した冷陰極１を用いた本発明の一実施例による荷電粒子線写像投影光学系の調整について説明する。全体の大まかな調整手順としては、まず冷陰極１の点パターンを用いて２次光学系の光軸調整を行い、その後イー・クロス・ビー６の電磁界調整と１次光学系の光軸調整とを行うといったものである。
詳細な調整手順を説明する。まず図３のように、冷陰極１をカソードレンズ５の下方に配置する。次に、カソードレンズ５に電圧を印加した状態（電源オン）とし、それ以外のレンズ系には電圧が印加されない状態（電源オフ）とする。冷陰極１から放出された調整用電子ビームＴは、カソードレンズ５に入射する。カソードレンズ５にて、調整用電子ビームＴは、カソードレンズ５の電界による力を受ける。カソードレンズ５を通過した調整用電子ビームＴは、前述した２次電子ビームＫと同様に、第１アライナ９、開口絞りＡＳ、イー・クロス・ビー６、２次光学系の順に通過した後、電子ビーム検出器１４に入射する。
【００１４】
電子ビーム検出器１４に入射した調整用電子ビームＴの情報は、２次電子ビームＫと同様に、リレーレンズ４０、撮像素子４１、コントロールユニット４２、ＣＰＵ４３の順に伝達された後に、ディスプレイ４４に伝達され、ディスプレイ４４上に点パターンの像を表示することになる。
前述したように、カソードレンズ５以外のレンズ系には、電圧が印加されていないため、調整用電子ビームＴが、電子ビーム検出器１４に到達するまでに受ける力は、カソードレンズ５の電界による力のみとなっている。この状態で、カソードレンズ５の電圧を交流的に変動（ウオッブル）させると、電子ビーム検出器１４の検出面上の点パターンの像はデフォーカスする。このとき、点パターンがカソードレンズ５の光軸上になければ、このデフォーカスに伴って、ディスプレイ４４上の点パターンの像は、光軸と直交する面内で移動する。このディスプレイ４４上の点パターンの像が、デフォーカスに関係なく移動しなくなるように、Ｘステージ３１及びＹステージ３２を調整移動させる。このようにして、ディスプレイ４４上の点パターンの像が移動しなくなった点パターンの位置が、カソードレンズ５の光軸上の位置ということになる。こうして、カソードレンズ５の光軸は調整された。
【００１５】
次に、カソードレンズ５に加えて、結像レンズ前群７に電圧を印加する。その際、冷陰極１の点パターンの像が、電子ビーム検出器１４上に結像されるように電圧条件を定め、カソードレンズ５の光軸調整と同様に、その電圧を交流的に変動させながら、ディスプレイ４４上の点パターンの像が移動しなくなるように第１アライナ９の電圧を調整する。これにより、結像レンズ前群７の光軸を、前に調整したカソードレンズ５の光軸に一致させることができる。
次に、カソードレンズ５、結像レンズ前群７に加えて、結像レンズ後群８に電圧を印加する。その際、点パターンの像が電子ビーム検出器１４上に結像されるように電圧条件を定め、その電圧を交流的に変動させながら、ディスプレイ４４上の点パターンの像が移動しなくなるように第２アライナ１０の電圧を調整する。これにより、結像レンズ後群８の光軸を、前に調整したソードレンズ５と結像レンズ前群７との光軸に一致させることができる。
【００１６】
最後に、第３アライナ１１の電圧調整をして、点パターンの像を電子ビーム検出器１４の中心に移動させ、電子ビーム検出器１４の中心と光軸とを一致させる。こうして、カソードレンズ５及び２次光学系の光軸は調整された。
なお、冷陰極１と、カソードレンズ５の物体面側に位置する第１電極との間に、加速用電源４７によって電位差を設けることにより、調整用電子ビームＴを加速することができる。
以上のように、カソードレンズ５と２次光学系の光軸は、各々単体で調整されたので、次工程として、１次光学系とイー・クロス・ビー６の調整を行うことになる。このとき、イー・クロス・ビー６の２次光学系に対するウィーン条件は、イー・クロス・ビー６の電源をオン・オフさせても、ディスプレイ４４上の点パターンの像が動かなくなるようにして求める。
このように本実施例では、１次光学系の照明視野と、２次光学系の観察視野とを迅速且つ正確に一致させて、荷電粒子線光学系の良好な画像を得ることができる。
【００１７】
なお本実施例では、冷陰極１に点パターンを形成して、２次光学系の光軸調整を行っているが、同じように点パターンを用いて、電子ビーム検出器１４上での点像強度分布やデフォーカスさせたときの画像を検出することで、諸収差の解析を行うこともできる。
また、冷陰極１に形成するパターンに、点パターンの代わりに、ライン・アンド・スペース・パターンを用いれば、２次光学系の球面収差を補正することができる。また、十字マークやＬ字マークを用いれば、２次光学系の歪曲収差を補正することができる。
また本実施例では、調整用線源として冷陰極１を用いたが、冷陰極１の代わりに、調整用の電子銃を用いても良い。そして、その物体面における調整用線源の発光形状は、点形状、線形状、十文字形状又はＬ字形状のうちの少なくとも１つの形状を有すれば良い。
【００１８】
また本実施例では、イー・クロス・ビー６にて、１次電子ビームＳの軌道を曲げ、２次電子ビームＫを直進させているが、これとは逆に、１次電子ビームＳを直進させ、２次電子ビームＫの軌道を曲げる構成としても良い。
また本実施例では、電子ビームを用いた荷電粒子線写像投影光学系について示したが、電子ビームの代わりに、イオンビームを用いた荷電粒子線写像投影光学系としても良い。
また本実施例の荷電粒子線写像投影光学系は、線源からの電子ビームにて物体面を照明し像面ヘ結像する、いわゆる面から面への荷電粒子線写像投影光学系であり、観察装置及び検査装置の単体装置としてではなく、半導体露光装置等にも簡単に応用することができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように本発明では、自己発光する調整用線源を物体面にもち、対物光学系と結像光学系の調整が各々単独で行えるため、迅速且つ正確な調整が可能な荷電粒子線写像投影光学系及びその調整方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による荷電粒子線写像投影光学系を示す概略図である。
【図２】荷電粒子線写像投影光学系のイー・クロス・ビーの（Ａ）概略図と、（Ｂ）１次電子ビームに作用する電界と磁界を示す概略図と、（Ｃ）２次電子ビームに作用する電界と磁界を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施例による調整時の荷電粒子線写像投影光学系を示す概略図である。
【符号の説明】
１…冷陰極
２…１次コラム                  ３…２次コラム
４…チャンバー                  ５…カソードレンズ
６…イー・クロス・ビー
７…結像レンズ前群              ８…結像レンズ後群
９…第１アライナ                １０…第２アライナ
１１…第３アライナ
１２、１３…スティグメータ
１４…電子ビーム検出器          １５…電子銃
１７、１８、１９…照射レンズ
２３、２４…アライナ            ２５…スキャン用アライナ
２６…アパーチャ                ３０…試料
３１…Ｘステージ                ３２…Ｙステージ
３３…Ｘ移動鏡                  ３４…Ｘ干渉計
３５…Ｘステージ駆動部          ４０…リレーレンズ
４１…撮像素子                  ４２…コントロールユニット
４３…ＣＰＵ                    ４４…ディスプレイ
４５…第１電圧制御部            ４６…第２電圧制御部
４７…加速用電源
ＦＳ１、ＦＳ２…視野絞り        ＡＳ…開口絞り
Ｔ…調整用電子ビーム            Ｓ…１次電子ビーム
Ｋ…２次電子ビーム
【図１】
0004192290.tif 000002
【図２】
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【図３】
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