JP2005339960A - 対物レンズ、電子線装置及び欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電子線を試料上に結像させる対物レンズにおいてレンズ動作を行うのに必要なＡＴ数及び磁極内の磁束密度が大きくならないようにする。
【解決手段】対物レンズの内側磁極及び外側磁極が作る磁気ギャップが試料側に形成され、上記磁気ギャップを形成している内側磁極及び外側磁極のそれぞれ外側面及び内側面は光軸とのなす角が４５度以上の頂角を有する円錐の一部の形状を有し、且つ、これらの磁極の試料付近の断面形状が90゜以上の角度を有する事を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は最小線幅０.１μm以下のパターを有する試料、例えば、基板のパターン評価を高スループットで行う装置及び方法及びこれらに用いる対物レンズに関する。

従来の技術とその問題点

従来、基板上に形成されたパターンの評価を電子線装置を用いて行う際に、電子線を試料上に結像させる対物レンズであって、光軸側の内側電極とこれに対向する外側電極が作る磁気ギャップが試料側にある電磁レンズでは、レンズ動作を行うのに必要なＡＴ(アンペア・ターン)数が大きくなる問題があり、さらに磁気ギャップの場所とビームが通る場所が遠いことによって磁極内の磁束密度が大きくなり過ぎ、磁性材料の透磁率が飽和して、必要な軸上磁場分布が得られない問題があった。本願発明は、合焦条件を得るための励磁電流のＡＴ数が大きくならず、また、磁極の磁束密度も大きくならない対物レンズを提供することを目的とする。

さらに磁気レンズは静電レンズよりも収差係数が小さいにもかかわらず、対物レンズとして使う場合に、試料面で軸上磁場がゼロでない場合は、試料面から法線方向に放出された電子は対物レンズによって集束された時に、光軸と交わらず、このため、クロスオーバ位置でＮＡ開口を設けることができず高解像度の像を得られないという問題があった。すなわち、そこにＮＡ開口を設けると、光軸から離れた位置から来た電子が必要以上にＮＡ開口で遮られ、周辺部の像が暗くなる欠点がある。本願発明は、磁気レンズを使用し、しかも光軸上にクロスオーバを作りそこにＮＡ開口を設けて収差低減を図ることを目的とする。

また、スループットを向上させるためマルチビームを作り試料上を走査して試料から放出された２次電子を検出器上に投影する従来の光学系では、対物レンズに静電レンズを用いていたので、収差が大きく、ビームを小さく絞ったときに大きいビーム電流が得られないという問題があった。本願発明は、レンズギャップが試料側にある電磁レンズを用いてマルチビームを絞り、しかも大きいビーム電流が得られるようにすることを目的とする。

また、試料上に磁場があると、試料から垂直に出たビームが光軸と交わらないのでＮＡ開口を設けられず、２次ビームの隣のビームとのクロストークが大きい問題があった。本願発明は、かかる場合においても、隣のビームとのクロストークを小さくして高精度の画像が得られるようにすることを目的とする。

さらに、従来のマルチビームを用いる方法では、一次ビームのビーム寸法を小さく絞って解像度を良くしているが、ビーム径を小さくするとビーム電流がビーム径の４乗に比例して小さくなるので、Ｓ／Ｎ比のよい信号を得るには長時間を要する欠点がある。本願発明は、一次ビームの寸法を太いままで使用し、二次光学系の解像度を向上させることにより高解像度の画像が得られるようにすることを目的とする。

さらに、従来、電子線を試料に照射し、試料から放出あるいは反射される電子線を光学系で検出器面に結像させ又は集束させて試料の欠陥検出を行う検査においては、検査対象となるダイ全体を同一幅のストライプに分割し、ストライプごとに参照画像と被検査画像とを比較して欠陥検出を行っていたが、ダイ全体を同一幅のストライプに分割すると、一つのストライプ内の主視野内(ｘ方向の走査範囲内)にダイツウダイ比較で検査を行わねばならない領域と、セルツウセル比較で検査が行わねばならない領域とが混在する問題があった。このため、一つのストライプの走査中にダイツウダイ比較を行う回路と、セルツウセル比較を行う回路の切り替えを行わねばならす、切換え作業は非常に困難であった。本願発明は、一つのストライプの走査中にかかる切換え作業を必要としない検査方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１の発明では、電子線を試料上に結像させる対物レンズであって、光軸側の内側磁極及びこれに対向する外側磁極が作る磁気ギャップが試料側に形成され、上記磁気ギャップを形成している内側磁極及び外側磁極のそれぞれ外側面及び内側面は光軸とのなす角が４５度以上の頂角を有する円錐の一部の形状を有し、且つ、これらの磁極の試料付近の断面形状は90゜以上の角度を有する事を特徴とする。

請求項２の発明では、電子線装置であって、電子銃、照射光学系、電子線透過性試料、結像光学系を一本の光軸上に配置し、電子銃が作るクロスオーバ像を上記結像光学系の磁気レンズを含む対物レンズの主面近傍に結像させ、照視野を決める開口の像を上記試料に結像させ、試料を透過した電子を上記対物レンズで拡大し、後方の拡大レンズの手前に拡大像を作り、さらに上記拡大レンズで検出器に拡大像を形成する事を特徴とする。

請求項３の発明では、一本の光軸の近傍に複数のビームを形成し、対物レンズで試料面に結像させ、対物レンズの電子銃側に設けた２段の偏向器で試料面上を走査し、走査点から放出された２次電子を対物レンズを通過後、レンズ内部に設けたＥ×Ｂ分離器で一次光学系から分離し、少なくとも1段の拡大レンズで検出器面に結像させ検出する電子線装置に於て、上記２段の偏向器による偏向中心を上記対物レンズの主面より電子銃側で、且つ、偏向時のコマ収差が最小になる位置と、偏向色収差が最小になる位置との間になる様に上記２段の偏向器の偏向感度比を調整した事を特徴とする。

請求項４の発明は、電子銃から放出された電子線を成形開口で成形し試料面に結像させ、試料から放出された電子を対物レンズを通過後Ｅ×Ｂ分離器で一次ビームから分離後複数のレンズで拡大し検出器に結像させる電子線装置であって、電子銃が作るクロスオーバ像を１段の磁気レンズで対物レンズの主面に結像させ、且つ少なくともＥ×Ｂ分離器と試料面間は一次ビームと二次ビームの主光線が異る場所を通る事を特徴とする。

請求項５の発明は、電子線を試料に照射し、試料を通過し、試料から放出され、試料から反射し、あるいは試料に入射前に反射される電子を写像投影光学系で検出器面に結像又は集束させて検出することにより欠陥を検出する方法であって、試料面をダイツウダイで欠陥検出を行うべき領域とセルツウセルで欠陥検出を行う領域とを認識するステップと、
上記２つの領域間の境界のｘ座標を認識するステップと、
試料台をｙ方向に連続移動させながら試料像を取得するストライプにダイ全体を分割するステップと、
ストライプ単位で試料像を取得し欠陥検出を行うステップとを有し、
ストライプの端のｘ座標を上記２つの境界のｘ座標とを一致させる様に上記ストライプの分割を行う事を特徴とする。

請求項６の発明は、電子線装置であって、電子銃、コンデンサレンズ、偏向器が一つの光軸上にあり、対物レンズ、Ｅ×Ｂ分離器が上記光軸と離れた別の光軸上に配置し、上記偏向器で上記Ｅ×Ｂ分離の中心方向に電子線を偏向させる事を特徴とする。

請求項７の発明は、電子線装置であって、電子銃から放出された電子線をＥ×Ｂ分離器で偏向し、試料に垂直入射させ、試料から放出された２次的粒子をＥ×Ｂ分離器で、試料の法線方向と平行な別の光軸を有する偏向器の中心方向へ偏向し、該偏向器で上記別の光軸に合せる事を特徴とする。

請求項８の発明は、デバイスを製造する方法であって、
ウェーハを準備するステップと、
ウェーハプロセスを行うステップと、
請求項１〜４、６、７のいずれかにに示した電子線装置を用いてプロセス後のウェーハを評価するステップとからなり、
上記ステップを必要な数くり返すことによりデバイスに組み上げることを特徴とする。

発明実施の形態

(第１の実施例)
図１は本発明の電子線装置に使われる対物レンズ１００の断面形状を示したものである。光軸１０１の回りに回転したものが実際の構造である。
図の上方には電子銃(図示せず)が備えられ、この電子銃から放出される一次電子線を光軸を通して当該対物レンズによって試料１１３の表面に集束するようになっている。この対物レンズは、光軸側の内側磁極１０３と、これに対向する外側磁極１０５と、磁気回路１０７とで励磁コイル１０９を囲む構造を有し、レンズギャップ１１１が試料１１３側に向かって開口するように形成されている。１１５は、試料から放出される２次電子を検出器(図示せず)の方へ曲げるE×B分離器で静電偏向器１１７と電磁偏向器１１９とを含む。１２１は２次電子の主光線の軌道である。試料１１３には負の高電圧が印加される。

当該対物レンズ１００は、従来の対物レンズと異なり、レンズギャップの断面形状が光軸と平行ではなく、試料側で半径が小さく、電子銃側で半径が大きい円錐台のような形状を有する。このような円錐台形状とすることにより、合焦条件を得るための励起電流のＡＴ(アンペアターン)数が、光軸に平行なレンズギャップの場合に比べて半分程度に減少することがシュミレーションで確かめられている。

内側磁極１０３はＥ×Ｂ分離器１１５を配置するため、光軸と４５゜より大きい角度を持つ円錐の一部の構造となっている。外側磁極１０５も同様な円錐の内側の一部の構造を有する。内側磁極１０３及び外側磁極１０５の円錐面と光軸１０１とのなす角度を４５°以上とすると、磁極の磁束密度が小さく、低飽和磁束密度の材料も使用可能となる。しかし、磁極をこのような構造にすると、各磁極を通る磁束密度が、内側磁極１０３と外側磁極１０５の対抗部分で大きくなり、材料の飽和磁束密度に近くなるという問題を生ずる。とくに外側磁極１０５の内面がこのように円錐形状を有すると、１２３の部分で鋭角の断面を有する部分がレンズギャップの試料側に形成される。このままにしておくと、この鋭角部に磁束が集中し、磁束密度が大きくなり過ぎ強磁性材料の透磁率が飽和する。透磁率が飽和すると、磁束が本来の場所を通らなくなり、それに伴って軸上磁気密度が軸方向に広がり、収差特性を悪くすることになる。これを避けるため、１２３部分の角が鈍角になり、しかも円錐の内面形状を変えないようにするために１２５の部材を追加する様にした。このように、内側磁極及び外側磁極の試料付近の断面形状を９０°以上の角度を持たせることにより、磁性材料の透磁率が飽和する問題を回避することができる。

１０９の励磁コイルは、実際は外径をさらに大きくし、Ｚ方向の寸法も大きくして太い線を多く巻ける様にする。１２７は軸上磁場が大きい場所での電位を大きくするための正の高電圧を印加する軸対称円盤型の電極である。この電極は外側磁極１０５に絶縁スペーサー(図示せず)で固定され、内側磁極１０３の穴と本電極のボーアの同軸度が良くなる様、レンズ全体を組み立てた後電極部１２７の穴を最終加工し、一度分解、洗條後再組み立てを行っても良い。電極１２７に電圧を印加するリード線は両磁極の間にハーメチックシール１２９を設けて外部へ取り出しても良いし、あるいは外側磁極１０５の下から取り出しても良い。１３１はコイル部１０９を大気下に置くため、該コイル部を電子線装置の真空部分から分離するための真空壁部材であってＯ−リング１３３で真空シールが行われる。

Ｅ×Ｂ分離機１１５の電磁偏向器１１９のコアを内側磁極１０３と共通にする事により、対物レンズ１００とＥ×Ｂ分離器１１５の各偏向器との同軸度を向上させることができる。１１７はＥ×Ｂ分離機の静電偏向器でセラミックスの一体構造にすることによって小外径寸法にしている。なお、図示の実施例では外側磁極の円錐面１０５ａ、１０５ｂがそれぞれ光軸となす角度が異なっているが、たまたまシュミレーションでこの形状が良かったためであり、同じ円錐面であってもよい。

以上のように、本実施例によれば、合焦条件を得るための励起電流のＡＴ(アンペアターン)数を減少させることができ、また、磁性材料の透磁率が飽和する問題を回避できる対物レンズを提供することができる。

(第２の実施例)
図２は本発明の対物レンズを用いた透過マスクの検査装置の光学系を示したものである。ＬａＢ_６カソード電子銃２０１を空間電荷制限条件で動作させ、電子銃２０1から放出された電子をコンデンサレンズ２０３で集束し、長方形の整形開口２０５を一様な強度で照射し、照射レンズ２０７でステンシルマスク(試料)２０９に結像させる。そして電子銃が作るクロスオーバ像を対物レンズ２１１の主面に結像させる。対物レンズ２１１はその軸上磁場が試料２０９の位置でまだ大きい値になっている。従って試料２０９から法線方向に放出された電子はクロスオーバ２１３で光軸と交叉しない。

従来は、レンズ２０７による主光線の軌道をステンシルマスク２０９に垂直に入射させていた。このため、軸上磁場がゼロでない場所にあるステンシルマスク２０９から垂直に出たビームは、クロスオーバ２１３で光軸と交わらず、従って、ここにＮＡ開口を設けると、光軸から離れた位置から来たビームが必要以上にＮＡ開口で遮られ、周辺部の像が暗くなる欠点があった。

本発明では、レンズ２０７による主光線の軌道を２１５で示したように試料２０９に垂直に入射させるのではなく、対物レンズ２１１の主面でクロスするような角度で入射させるようにしたので、２１３にクロスオーバを作ることができ、従って、ここにＮＡ開口２１７を設けて収差低減を計ることができる。

これをさらに説明すると、磁気レンズは電子線を光軸まわりに回転させながら集束作用を行う。従って、図２Ｂに示すように、試料が軸上磁場分布がゼロの場所にあると、そこから垂直に出たビーム、例えば試料のＡ，Ｂ点から出たビームは点線で示す仮想面では図２Ｃに示すようにＡ’，Ｂ’点へ回転している。従って、Ａ’，Ｂ’点では軌道はＺ軸(光軸)に平行ではなく、「速度ベクトル」で示したように回転方向の成分を持つ。このような軌道のビームのみがＣ点でクロスオーバを作る(光軸と交わる)。もし仮想面の位置に試料があると、そこから垂直に出たビームは回転方向の速度ベクトルを持っていないのでＣ点で光軸と交わらない。Ａ，Ｂ点から出るビームが垂直ではなく、放射方向の成分のみを持っているビームであればレンズの軸上磁場がゼロになっている場所でフォーカスされる場合はクロスオーバを作る。一般に、軸上磁場がゼロの場所でクロスオーバを作っていたビームがレンズの軸上磁場がゼロの場所でフォーカスされる場合はクロスオーバを作る。

図示例では、ステンシルマスク２０９から出る電子線の主光線は放射方向は集束ビームであるが、方位角方向も法線と角度を有するビームで、回転しながら対物レンズ２１１の主面に向かい、そこでクロスオーバを作ると同時に光軸と交わる。従って拡大レンズ２１９が作るクロスオーバ２１３で光軸と交わるので２１３の位置にＮＡ開口２１７を設けることができ高解像度の像を得ることができる。

２１５はクロスオーバの結像線である。ステンシルマスク２０９はステージに固定されていて、長方形の照射領域の短辺方向に試料台２２１を連続移動させながら検査を行う。ステンシルマスク２０９から放出された透過電子は２２３で拡大像を作り、さらに拡大レンズ２１９でさらに拡大してシンチレータを塗布したＦＯＰ(ファイバ オプティックス プレート)窓２２５に像形成を行い、このシンチレータ面で光の像に変えられ、ＦＯＰ窓で真空外へ取り出され光学レンズでＴＤＩ又はＣＣＤ検出器(図示せず)の検出面で検出され電気信号に変換され画像が形成され、欠陥検出が行われる。

(第３実施例)
図３はマルチビームを照射する光学系で本発明の対物レンズを用いた本発明の第３の実施の形態を示したものである。電子銃３０１は図２の実施例と同様ＬａＢ_６カソード電子銃を空間電荷制限条件で動作させる。電子銃３０１から出た電子線はコンデンサレンズ３０３と回転調整可能な回転レンズ３０５とでＮＡ開口３０７にクロスオーバを作る。回転レンズ３０５の手前にマルチ開口３０９を設けマルチビームを形成する。コンデンサレンズ３０３は次のレンズ３０５との間にクロスオーバを作らないでＮＡ開口３０７でのクロスオーバ倍率を変えることによってマルチ開口でのビーム電流密度を調整する。この光学系ではレンズはすべて電磁レンズであるのでマルチビームの姿勢を試料上の座標に合せる必要がある。回転レンズ３０５は２つのレンズギャップを有し、各レンズギャップで発生する磁場の方向が逆になる様に設定されていて、両方のギャップで発生する磁場によるレンズ強度を変えないで回転量を調整することができる。マルチ開口３０９でマルチビームに成形されたビームは縮小レンズ３１１と対物レンズ３１３とで縮小され、試料３１５上に細く絞られたマルチビームを合焦させる。ここでＮＡ開口３０９の寸法を最適化することによって収差とビーム電流の値を最適化できる。対物レンズ３１３は磁気ギャップが試料３１５側にあり、試料との間に正の高電圧を印加する軸対称円盤型の穴あき電極３１７を設け、収差係数を小さくしている。

対物レンズ３１３の内部には静電偏向器３１９と電磁偏向器３２１とを含むＥ×Ｂ分離器３２３が設けられ、試料３１５から放出された２次電子を対物レンズ３１３で加速、集束し、Ｅ×Ｂ分離器３２３で図の右側に偏向し、２次光学系へ向かわせる。シュミレーションによると一次電子は１０３゜程度対物レンズ３１３で回転し、２次電子は１１５゜程度反対方向へ回転させる。

Ｅ×Ｂ分離器３２３には偏向のために直流電圧、直流電流が与えられ、走査には無関係に常時同じ値の電圧及び電流が与えられている。これに対して、走査のために三角波が与えられ、交流電圧が静電偏向器３２５とＥ×Ｂ分離器３２３の静電偏向器３１９とに与えられる。従って、Ｅ×Ｂ分離器３２３の静電偏向器３１９には２次電子の分離動作のための直流電圧と１次電子の走査のための三角波とが重畳して与えられることになる。

Ｅ×Ｂ分離器３１３は一次ビームを偏向させないが偏向色収差は発生させる。すなわち、Ｅ×Ｂ分離器は一定のビームエネルギーを持った一次ビームを直進させるが、そのエネルギーと若干異なるエネルギーを持った電子線は直進させずに、わずかに偏向させる、すなわち、色収差が発生する。Ｅ×Ｂ分離器３２３が発生させる偏向収差の方向と走査偏向器３２５が発生させる偏向収差の方向を９０゜変えると両者の偏向収差が加算される事がない。試料台をｙ方向に連続移動させながら検査を行う装置では、走査方向はｘ方向が大きいから、Ｅ×Ｂ分離器３２３の偏向方向は試料面でｙ方向とし、従って対物レンズ３１３を通過した後、２次光学系の方向をｙ方向から対物レンズで１１５゜回転した方向が良い。この事を説明する図を図３(ｂ)に示す。即ち、同図で３２７は試料上での走査方向(静電偏向器３２５とＥ×Ｂ分離器の静電偏向器３１９の三角波による)、３２９は試料上でのＥ×Ｂ分離器の偏向方向(静電偏向器３１９の直流電圧及び電磁偏向器３２１の電圧による)、３３１は２次光学系の方向、３３３は対物レンズ３１３による２次電子の回転である。

走査時の主光線の軌道は静電偏向器３２５で偏向され、Ｅ×Ｂ分離器３２３の静電偏向器３１９で振り戻され、偏向中心３３５を中心として偏向される。この偏向中心３３５の位置は２段の静電偏向器３２５及び３１９の偏向量比を変えることにより調整することができる。偏向中心３３５の位置はシュミレ−ションあるいは実測により、収差が最小になる値として求めればよい。すなわち、図３Ｂに示すように、偏向中心が対物レンズ３１３の主面より電子銃側で、且つ、偏向時のコマ収差が最小となる位置Ａと、偏向色収差が最小になる位置Ｂとの間Ｌに来るように、好ましくは収差が最小になる位置Ｃに来るように上記２段の偏向器の偏向感度比を調整すればよい。

試料から放出された２次電子は対物レンズ３１３で集束され、Ｅ×Ｂ分離器３２３の偏向主面の近傍に拡大像を作る様に設計した。これによってＥ×Ｂ分離器の偏向色収差が拡大像に発生させる偏向色収差をほぼゼロにできる。Ｅ×Ｂ分離器の主面近傍で像を作った２次電子像はＥ×Ｂ分離器の静電偏向器３１９によって光軸方向へ戻されるので、試料上で１００μｍ程度走査しても、Ｅ×Ｂ分離器を通過した後光軸近くを通るので、２段目の拡大レンズ３３７のボーア径を比較的小さくすることができる。ただし、レンズギャップ３３９から漏れた磁場が一次ビームの非点を発生させない様にレンズ３３７の下部磁極３４１の光軸方向の長さをボーア径の２倍以上にした。さらに一次ビームの真空壁をパーマロイとするとさらに確実に防止できる。すなわち、パーマロイは強磁性体であるためレンズギャップ３３９で発生して下部磁極３４１から漏れ出た磁束を磁気シールドすることができる。レンズ３３７はレンズ調整を行っても回転が生じない静電レンズとしてもよい。

３４３は長焦点距離のレンズで結像条件はほとんど変えずに回転量を変え、マルチビームの姿勢と検出器の並び方向を調整する電磁レンズである。３４５はＦＯＰ（ファイバーオプティックスプレート）を有する真空窓で真空側にシンチレータが塗布してある。３４７は光学レンズで市販のカメラのズーム機構とオートフォーカス機構がそのまま使える。３４９はＰＭＴアレーで８行８列のＰＭＴを１個にまとめたものが市販されている。３４９は光軸と直角方向に移動可能なＸ−Ｙステージに乗せ、マルチビームからの光信号の位置とＰＭＴの位置とを合せる。この代替案として、拡大レンズ３３７の後に８極の静電偏向器を設け、３４５の面のマルチビームの位置を合せる様にしてもよい。この８極の電極には、一次ビームの走査に同期した信号を与えることによって、走査位置に依存せず同じビームからの２次電子が常に同じ位置のシンチレータに入射する様にできる。さらに非点補正信号をこの電極に入れ、シンチレータ面で発生する非点も補正することができる。

図３の（ｂ）に２次光学系の方向を示す説明図がある。試料上を一次ビームが走査する方向はｘ軸に平行な走査３２７であり、Ｅ×Ｂ分離器３２３による偏向方向は試料上で３２９で示した様に静電偏向器３１９，電磁偏向器３２１共ｙ軸に平行である。Ｅ×Ｂ分離器３２３の偏向方向を試料上で３２９の方向にすると対物レンズ３１３による二次ビームの回転量３３３を考慮し、３３１の方向に一次ビームが偏向されることになる。この結果二次ビームは３３１の方向に偏向されるので二次光学系を３３１の方向に設ける。

レンズ３３７のシンチレータでの焦点深度は十分深いので、２次ビームの回転量を変えてもシンチレータ面でビームのボケが増えることはない。従ってレンズ３３７を回転調整レンズとし、電磁レンズ３４３を省くことも可能である。３５１はＰＭＴ３４９の前面に設けられた光量調整用のマルチ開口である。光軸近くでは一次ビームの強度も強く、２次電子像の収差も小さいので信号量が大きいが、光軸から離れた周辺部では一次ビームの強度が小さく、２次系の収差も大きく信号量が小さくなる。従って、マルチ開口３５１を光軸近くでは小面積しと、光軸から遠くでは大面積とするとよい。特に各行、列の端では隣に検出器が無いので外側の開口無しでもクロストークは小さい。

なお、図において３５３はダイナミック補正のための偏向器、３５５は対物レンズ３１３の励磁コイル、３５７は該励磁コイルを大気中に置くため電子線装置の真空部から分離するためのシールリング、３５７は該シールリングのためのＯ−リングである。

以上のように、本実施例では、電磁レンズ、しかもレンズギャップが試料側にあるレンズを用いてマルチビームを絞るので、ビームを小さく絞っても大きいビーム電流を得ることができる。また、試料上に磁場があるので試料から垂直に出たビームが光軸と交わらずＮＡ開口を設けられず、隣のビームとのクロストークが大きいという問題があったが、本実施例ではＮＡ開口を設ける代わりに、検出器の前に小開口を設けることにより、隣のビームとのクロストークを小さくして高精度の画像を得ることができる。

(第４実施例)
図４は一次ビームは大電流ではあるが低分解能のビームで試料上を走査し、２次電子像を拡大２次光学系で検出面に拡大して、この面に高解像にするための開口を設ける電子線装置に関する説明図である。一次ビーム（右側）は試料４０９の法線と約３０度傾いた方向から入射させる。電子銃４０１から放出されたビームは開口４０３を照射し、その縮小像がコンデンサレンズ４０５と対物レンズ４０７とで試料面４０９に結像させる。電子銃が作るクロスオーバ４１１は１段の磁気レンズ４０５で対物レンズ４０７の主面に形成させる。開口４０３は単一でも複数でもよい。Ｅ×Ｂ分離器４１３が一次ビームを偏向して試料４０９の方向へビームを向かわせ、４１５の軌道を通り、対物レンズ４０７の主面４１７にクロスオーバを作る。静電偏向器４１９とE×B分離器４１３の静電偏向器とで試料上をラスタ走査する。試料４０９には数ｋｖの負の電圧が印加されている。対物レンズ４０７は図１に示したレンズあるいは通常の電磁レンズと静電レンズとの組み合せレンズ、あるいは静電レンズから選ぶことができる。但し図１のレンズを選択した場合は二次光学系にＮＡ開口４２１を設けることができない。すなわち、この場合は磁気レンズ４０７の軸上磁場が試料面でゼロでないから、試料から法線方向に放出された２次電子がクロスオーバを作らず(光軸と交わらない)ＮＡ開口を設けることができない。

図１以外のいずれの対物レンズを選んだ場合でも試料４０９と対物レンズ４０７との間は２次電子に対する加速電界が形成されているため、試料面の法線と大きい角度で放出された２次電子も小さく収束されるためＮＡ開口４２１は小寸法の開口でよく２次電子の検出効率を落さないで良い解像度が得られる。図示のように、一次ビームと二次ビームとは、Ｅ×Ｂ分離器４１３と試料面４０９との間は少なくとも主光線が異なる場所を通る。これにより、二次ビームが一次ビームの空間電荷効果によってボケが増えることがない。また、２次電子像はＥ×Ｂ分離器４１３の偏向主面４２３に作られるため、偏向色収差はここでは発生せず、さらに電磁偏向量が静電偏向量の２倍であるので色収差は発生しない。これは、Ｅ×Ｂ分離器４１３の電磁偏向器による偏向色収差は静電偏向器(静電偏向器４１９とＥ×Ｂ分離器の静電偏向器)の色収差と絶対値が等しく、偏向方向が互いに逆であるためである。Ｅ×Ｂ分離器の偏向主面４２３で作られた２次電子像は拡大レンズ４２５でさらに拡大されＦＯＰ(ファイバオプティクスプレート)４２７が中心部に形成された真空窓の内面に塗られたシンチレータに拡大像を作る。４２９はダイナミック補正のための偏向器、４３１は光拡大レンズ、４３３はＰＭＴアレーである。この装置で図３の場合と大きく異るのは、図３の場合は一次ビームの解像度を良くする必要があるのに対して、図４の場合は二次ビームの解像度を良くする必要があり、このため二次電子像をＥ×Ｂ分離器の偏向主面に形成して２次ビームをＥ×Ｂ分離器で偏向する時の偏向色収差を消せる様にした。

以上のように、本実施例では、一次ビームの寸法は太いままにして、二次光学系の解像度をよくすることにより、試料上の小領域から放出された二次電子を検出器に入射するようにしたので、一次ビームのビーム寸法を大きくしたまま高解像度の画像を得ることができる。一次ビームの寸法を大きくしたまま一定のビーム径で走査すると、ピクセルに入射するビーム電流は(ピクセル寸法)^２に比例して小さくなるので、従来のビーム寸法を絞った場合の(ビーム径)^４に比例してビーム電流が小さくなる場合と比較して信号の弱くなり方が遅いので、高解像度でのスループットの低下が小さい。

(第５実施例)
図５は本発明の第５の実施の形態である。図４の実施例では一次光学系も二次光学系も試料面と垂直でないため、片方の光軸での偏向色収差は消せるが光学系を実際に製作するには精度を出すのが困難である。図５では一次光学系と二次光学系のいずれかを試料に対して直角に作り、高精度な鏡筒が製作可能な電子線装置である。図５は一次光学系が試料に直角な場合を示したものであるが、逆に電子銃を図の右側に配置し、矢印の逆の方向へ電子線が進む様にして二次光学系を試料に対して直角にしてもよい。以下、説明は図示のように、一次光学系が試料に対し直角の場合についてのみ行う。

図は、実施例による電子線装置の主要部を示すものであって、同図において、５０１は電子銃、５０３はコンデンサレンズ、５０５は軸合わせ偏向器、５０７は一次ビームの主光線の軌道、５０９は静電偏向器５１１と電磁偏向器５１３を含むＥ×Ｂ分離器、５１５は対物レンズ、５１７は試料、５１９は電磁偏向器５１３による偏向量、５２１は静電偏向器５１１による偏向量、５２３は二次ビームの主光線の軌道である。

電子銃５０１、コンデンサ・レンズ５０３、偏向器５０５が一つの光軸上にあり、対物レンズ５１５、Ｅ×Ｂ分離器５０９が上記光軸と離れた別の光軸上に配置されており、上記偏向器５０５でＥ×Ｂ分離器５０９の中心に電子線を偏向させる。

偏向器５０５とＥ×Ｂ分離器５０９間のＺ方向距離をＬとする。Ｅ×Ｂ分離器５０９で試料５１７からの反射電子を３α図の右側へ偏向したい場合、２つの光軸間のズレ量ＤはＤ＝Ｌαとなる。そして、偏向色収差を消す条件より次の式が導かれる。

（ｉ）偏向器５０５が静電偏向器である場合、
偏向器５１３による一次ビームの偏向量５１９−偏向器５１１
による一次ビームの偏向量５２１＝α （１）

２×（偏向器５１１による偏向量５２１+偏向器５０５による偏向量α×ｌ／Ｌ）＝偏向器５１３による偏向量５１９ (２）

上記（１）、（２）の連立方程式を解けば、偏向器５１１、５１３の偏向量が決定できる。

（ii）偏向器５０５が電磁偏向器の場合は、上記（１）式は同じで、（２）式は（２）′となる。即ち、

２×（偏向器５１１による偏向量５２１）＝偏向器５１３による偏向量５１９−偏向器５０５による偏向量α×ｌ／Ｌ （２）′

であり、（１）と（２）′から成る連立方程式を解けば偏向器５１１、５１３の偏向量が決定できる。

（２）又は（２）′は共に、電磁偏向器による偏向量＝２×静電偏向器による偏向量とする事で偏向色収差が消せる条件から与えられる。但し、偏向器５０５による偏向色収差は、Ｅ×Ｂ分離器による偏向色収差のl/Ｌの割合で小さくなる事が考慮されている。ここでは対物レンズ５１５による試料面５１７との共役点５２５と偏向器５０５との距離がｌである。

電子銃が図の右側にあり、矢印の逆方向へ電子線が進む場合は、電子銃から放出された電子線をＥ×Ｂ分離器５０９で偏向し、試料５１７に垂直に入射させ、試料から放出された二次電子をＥ×Ｂ分離器５０９で試料と法線方向と平行な別の光軸を有する偏向器５０５の中心方向へ偏向し、該偏向器で該別の光軸に合わせればよい。

以上のように、本実施例によれば、一次光学系と二次光学系のいずれかを試料に対して直角に作ることができ、これにより高精度な鏡筒の製作が可能となる。

(第６の実施例)
図６は本発明の第６の実施の形態の説明図である。
電子線を試料に照射し、試料を通過し、試料から放出され、試料から反射され、あるいは試料に入射する前に反射される電子線(例えば、ネガティブにバイアスされた電子ミラー表面を持つ試料に入射された電子線)を写像投影光学系で検出器面に結像させ又は集束させて試料の欠陥検出を行う方法においては、基準となる参照画像と被検査画像との比較をダイごとに行うダイツウダイ方法と、セルごとに行うセルツウセル方法とがあるが、試料面上のダイ６０１の中にはダイツウダイでしか検査できない領域６０３とセルツウセルでも検査が行える領域６０５とが混在している。欠陥検査はｙ軸方向にステージを連続移動させながら、ダイ又はセルの分割されたストライプごとに試料像を取得して行われる。この場合、画像処理部の回路はダイツウダイ比較を行う回路とセルツウセル比較行う回路は異なる場合があり、たとえ回路が同じであってもソフトウェアが異る場合が多く、取り込んだ画像をダイツウダイ比較用回路に入れたり、セルツウセル比較回路に入れたりする切換には多少時間がかかるので、ストライプをｘ方向に走査中にこの様な切換を行いたくない。すなわち、例えば、ピクセル周波数を１００ＭＨｚとすると、走査の途中にダイツウダイ用の回路へ画像信号を入れていたのをセルツウセル用の回路へ画像信号を入れるように切換えを行うには１０ｎｓ以内で行う必要があり、作業はきわめて困難である。本願発明では、このようなストライプ走査途中での切換えを行わないようにするために、ストライプの境界を両者の領域、すなわち、ダイツウダイで欠陥検出を行うべき領域Ｂ，Ｂ’とセルツウセルで欠陥検出を行う領域Ａとの境界と一致する様にストライプの分割を行った。そしてセルツウセル比較を行う領域Ａではストライプ６０７のｘ方向幅ａはセルのピッチの整数倍とし、ダイツウダイ比較を行う領域Ｂ及びＢ’でのストライプ６０９のｘ方向の幅ｂは電子光学系の視野寸法、すなわちビームの走査幅(写像投影方式の場合はビーム寸法)と等しいｘ方向寸法とした。これによって、従来のように一つのストライプの走査中における回路の切り替えが不要となり、切換え作業が容易となる。

(第７の実施例)
図７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。
デバイス製造工程の一例を図７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。

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。

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８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。

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。

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。

電磁レンズと静電レンズとを組み合せた本発明の対物レンズの一実施例を示す断面図である。 試料面上に磁場が存在する対物レンズを用いたステンシルマスク用欠陥検査装置の電子光学系を含む本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 磁気レンズの軸上磁場とビームとの関係を示す図である。 図２Ｂの仮想面におけるビームの速度ベクトルについての説明図である。 マルチビーム用の電子光学系を含む本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 図３の電子光学系における偏向中心位置と収差との関係を示す図である。 太いビームで走査し、検出面の寸法を小さくして解像度を出す電子光学系を含む本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 Ｅ×Ｂ分離器の偏向色収差を消す光学系を含む本発明の実施の形態を示す概略構成図である。 本発明の欠陥検査方法におけるストライプの分割方法を示す概略構成図である。 本発明の電子線装置を使用した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７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。

主要部分の符号の説明

１０１：光軸、１０３：内側磁極、１０５：外側磁極、１０５ａ：外側磁極の磁気ギャップ形成面、１０５ｂ：外側磁極の磁気ギャップ形成面の奥側、１０９：励磁コイル、１１３：試料、１１７同左用静電偏向器、１１９：Ｅ×Ｂ分離器用電磁偏向器、１２１：２次的ビーム軌道、１２３：鈍角の断面、１２５：磁気材料の鋭角部を無くす追加部材、１２７：軸対称電極、１２９：ハーメチックシ−ル、１３１：真空シール材、１３３：０リング、
２０１：電子銃、２０５：成形開口、２０７：照射レンズ、
２１１：対物レンズ、２１９：拡大レンズ、２２３：第１拡大像、
２２５：シンチレータ塗布したＦＯＰ窓
３０３：コンデンサレンズ、３０９：マルチ開口、３０５：回転レンズ
３０７：ＮＡ開口、３１１：縮小レンズ、３１３：対物レンズ、３１５：試料、３１７：軸対称電極、３２３：Ｅ×Ｂ分離器、３２５：走査偏向器、３２７：試料面でのＥ×Ｂの偏向方向、３２９：Ｅ×Ｂの偏向方向、３３１：２次光学系方向、３３３：対物レンズによる２次電子の回転、３３５：走査偏向支点、３３７：第２拡大レンズ、３３９：レンズギャップ、３４１：磁場もれを少くする磁気シールド、３４３：第３拡大レンズ、３４５：シンチレータ面、３４７：光学レンズ、３４９：ＰＭＴアレー、３５１：信号強度を調節する開口、３５３：ダイナミック補正のための偏向器、３５５：励磁コイル、３５９：０リング、３５７:真空シールリング
４０１：電子銃、４０３：マルチ開口、４０５：コンデンサレンズ、４０７：対物レンズ、４０９：試料、４１１：クロスオーバ、４１３：Ｅ×Ｂ分離器、４１５：一次ビーム主光線軌道、４１７：クロスオーバ像、４１９：走査偏向器、４２３：２次的ビームの像、４２７：ＭＣＰ、４２９：ダイナミック補正偏向器、４３１：光拡大レンズ、４３３：ＰＭＴアレー
５０１：電子銃、５０３：コンデンサレンズ、５０５：軸合せ偏向器
５０７：一次ビーム主光線軌道、５１１：Ｅ×Ｂ分離器用静電偏向器
５１３：同上用電磁偏向器、５１５：対物レンズ、５１７：試料
５１９：電磁偏向器による偏向量，５２１：静電偏向器による偏向量
５２３：２次的ビームの軌道。５２５：２次的ビームの第２拡大レンズ、
６０１：ダイ、６０３：ダイツウダイでの検査領域、６０５：セルツウセル検査可能領域、６０７：セルツウセル検査可能領域を含むストライプのストライプ幅、６０９：ダイツウダイの検査領域でのストライプ、

Claims (8)

1. 電子線を試料上に結像させる対物レンズであって、光軸側の内側磁極及びこれに対向する外側磁極が作る磁気ギャップが試料側に形成され、上記磁気ギャップを形成している内側磁極及び外側磁極のそれぞれ外側面及び内側面は光軸とのなす角が４５度以上の頂角を有する円錐の一部の形状を有し、且つ、これらの磁極の試料付近の断面形状が90゜以上の角度を有する事を特徴とする対物レンズ。
2. 電子銃、照射光学系、電子線透過性試料、結像光学系を一本の光軸上に配置し、電子銃が作るクロスオーバ像を上記結像光学系の磁気レンズを含む対物レンズの主面近傍に結像させ、照視野を決める開口の像を上記試料に結像させ、試料を透過した電子を上記対物レンズで拡大し、後方の拡大レンズの手前に拡大像を作り、さらに上記拡大レンズで検出器に拡大像を形成する事を特徴とする電子線装置。
3. 一本の光軸の近傍に複数のビームを形成し、対物レンズで試料面に結像させ、対物レンズの電子銃側に設けた２段の偏向器で試料面上を走査し、走査点から放出された２次電子を対物レンズを通過後、レンズ内部に設けたＥ×Ｂ分離器で一次光学系から分離し、少なくとも1段の拡大レンズで検出器面に結像させ検出する装置に於て、上記２段の偏向器による偏向中心を上記対物レンズの主面より電子銃側で、且つ、偏向時のコマ収差が最小になる位置と、偏向色収差が最小になる位置と間の間になる様に上記２段の偏向器の偏向感度比を調整した事を特徴とする電子線装置。
4. 電子銃から放出された電子線を成形開口で成形し試料面に結像させ、試料から放出された電子を対物レンズを通過した後Ｅ×Ｂ分離器で一次ビームから分離し、さらに複数のレンズで拡大し検出器に結像させる装置であって、電子銃が作るクロスオーバ像を１段の磁気レンズで対物レンズの主面に結像させ、かつ少なくともＥ×Ｂ分離器と試料面間は一次ビームと二次ビームの主光線が異る場所を通る事を特徴とする電子線装置。
5. 電子線を試料に照射し、試料を通過し、試料から放出され、試料から反射し、あるいは試料に入射前に反射される電子を写像投影光学系で検出器面に結像又は集束させて検出することによって欠陥を検出する方法であって、試料面をダイツウダイで欠陥検出を行うべき領域とセルツウセルで欠陥検出を行う領域とを認識するステップと、
   上記２つの領域間の境界のｘ座標を認識するステップと、
   試料台をｙ方向に連続移動させながら試料像を取得するストライプにダイ全体を分割するステップと、
   ストライプ単位で試料像を取得し欠陥検出を行うステップとを有し、
   ストライプの端のｘ座標を上記２つの境界のｘ座標とを一致させる様に上記ストライプ分割を行う事を特徴とする欠陥検査方法。
6. 電子銃、コンデンサレンズ、偏向器が一つの光軸上にあり、対物レンズ、Ｅ×Ｂ分離器が上記光軸と離れた別の光軸上に配置されており，上記偏向器で上記Ｅ×Ｂ分離器の中心方向に電子線を偏向させる事を特徴とする電子線装置。
7. 電子銃から放出された電子線をＥ×Ｂ分離器で偏向し、試料に垂直入射させ、試料から放出された２次的粒子をＥ×Ｂ分離器で試料の法線方向と平行な別の光軸を有する偏向器の中心方向へ偏向し、該偏向器で上記別の光軸に合せる事を特徴とする電子線装置。
8. デバイスを製造する方法であって、
   ウェーハを準備するステップと、
   ウェーハプロセスを行うステップと、
   請求項１〜４、６、７のいずれかに示した対物レンズ又は電子線装置を用いてプロセス後のウェーハを評価するステップとからなり、
   上記ステップを必要な数くり返すことによりデバイスに組み上げることを特徴とするデバイス製造方法。

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