KR20050050658A

KR20050050658A - 하전(荷電) 입자 빔 시스템

Info

Publication number: KR20050050658A
Application number: KR1020057004615A
Authority: KR
Inventors: 다이앤 케이. 스튜어트; 랄프 더블유. 놀스; 브라이언 티. 킴밸
Original assignee: 에프이아이 컴파니
Priority date: 2002-09-18
Filing date: 2003-09-18
Publication date: 2005-05-31
Also published as: AU2003275028A1; AU2003276900A8; EP1540693A4; EP1540692A4; EP1540693A2; KR101015116B1; AU2003276900A1; EP1540692B1; AU2003275028A8; EP1540692A2; WO2004027809A3; JP2005539360A; EP2372743A2; US6972412B2; WO2004027809A2; JP2005539359A; EP2372743B1; JP4616938B2; JP4520303B2; US20040124356A1

Abstract

하전 입자 빔 시스템은 전하 중성화를 위해 이온 발생기를 이용한다. 몇몇 구현예들에서, 이온 발생기는, 다른 칼럼이 챔버에서 동시에 또는 이온 발생기에서 요구되는 충분한 압력으로부터 챔버의 공기를 빼내는데 요구될 공정보다 훨씬 더 짧은 배기 공정 후에 작동할 수 있도록, 이온을 발생시키기 위해 이온 발생기에서 적절한 가스 압력을 유지하지만 진공 챔버의 잔여 부분에서는 감소된 압력을 유지하도록 구성된다. 본 발명은 듀얼 빔 시스템에서의 포토리소그래피 마스크들의 수리에 특히 유용하다.

Description

하전(荷電) 입자 빔 시스템{Charged particle beam system}

본 발명은 마이크로 구조물을 형성하고 변경하며 관찰하기 위한 하전 입자 빔 도구에 관한 것이다.

포토리소그래피는 집적 회로 및 마이크로 기계와 같은 작은 구조물을 만드는데 사용되는 공정이다. 포토리소그래피 공정은 포토리지스트(photoresist)라고 불리는 감광성(radiation-sensitive) 물질을 광 또는 다른 복사(輻射)(radiation)의 패턴에 노출하는 것을 필요로 한다. 그 패턴은 통상적으로 복사가 마스크, 즉 표면상에 패턴을 가진 기판을 통해 지나가도록 함으로써 형성된다. 그 패턴은 일부 복사를 차단하거나 그 위상을 변화시켜서 감광성 물질 상에 노광 된 영역과 노광 되지 않은 영역을 만든다. 제작되는 구조물의 크기는 사용된 복사의 파장에 의해 제한되는데, 파장이 짧을수록 더 작은 구조물을 제작할 수 있다.

포토리소그래피로 더 작은 구조물을 제작하는 것이 요구됨에 따라, 적외선 및 심지어 x-선 복사를 포함하는 더 작은 파장의 복사를 사용하는 리소그래피 시스템들이 개발되고 있다. ("광"과 "포토리소그래피"라는 용어는 일반적인 의미로 가시광선 이외의 복사도 포함하기 위해 사용된다.) 오늘날에는 70nm 및 그보다 더 작은 크기를 갖는 구조물들을 제작할 수 있는 포토리소그래피 시스템이 개발되고 있다. 그러한 구조물들은 193nm 또는 157nm의 파장을 갖는 광을 이용하여 제조될 수 있다. 그러한 단파장을 위한 몇몇 포토리소그래피 마스크는 마스크 기판이 그러한 작은 파장의 복사에 충분히 투명하지 않기 때문에, 마스크 상에 투명하기보다는 반사하는 패턴을 사용한다. 그러한 마스크들에서, 복사는 마스크로부터 포토리지스트 상으로 반사된다.

만일 포토리소그래피 마스크가 소정의 노광 패턴을 정확하게 만들어 내도록 되어 있다면, 그 마스크는 결함이 없어야만 한다. 최근 제조된 대부분의 마스크들은 패턴이 없거나 패턴이 과다한 것과 같은 결함들을 가지고 있다. 그러한 마스크들이 사용될 수 있기 전에 그 결함들은 교정되는데, 때때로 하전 입자 빔 시스템을 이용하여 교정된다. 이온 빔 및 전자 빔을 구비하는 듀얼 빔 시스템이 마스크 교정에 이용될 수 있다. 이온 빔은 마스크 상의 과다한 재료들을 식각하거나, 마스크 상에 재료들을 증착시키거나, 마스크의 이미지를 형성하는데 사용된다. 전자 빔 역시 마스크의 이미지를 형성하는데 사용되는데, 때때로 재료를 증착하거나 식각하는데 사용된다. 통상적으로 절연 기판상에 제조되는 마스크에 하전 입자 빔이 인가될 때, 전하(電荷)는 기판상에 축적되는 경향이 있다. 전하는 빔 스팟의 형상 및 위치 선정에 영향을 주어 역으로 하전 입자의 작용에 영향을 준다.

축적된 전하를 중성화하거나 감소시키는 한 방법은 전자들이 양으로 대전된 기판을 향하게 하기 위해 전자 플러드 총(electron flood gun)을 사용하는 것을 필요로 한다. 그러한 시스템은 예컨대 도허티 등에 허여된 미국 등록 특허 제 4,639,301에 개시되어 있다. 주사전자현미경 검사/1979/II의 "매우 낮은 에너지 이온을 이용한 전하 중성화"에 크로포드에 의해 개시된 다른 방법은 음전하의 집중을 중성화하기 위해 매우 낮은 에너지의 양이온 빔을 이용하는 것이다. 이온들은 이온 형성기 내에서 가스를 이온화하는 고전압에 의해 형성되는데, 그러므로 크로포드 시스템(Crawford's system)에서 발생된 이온들의 수는 작업편(제조공정에 있는 제품, work piece) 상의 전하 축적과 관련없는 인자에 의해 결정된다. 그러한 시스템은 조작 상의 조건의 어떤 변화에 대해 균형이 잡히도록 하는 것을 필요로 하기 때문에 사용하기가 용이하지 않다. 그러한 시스템의 사용은 저 진공 주사전자현미경(SEM: scanning electrode microscope) 및 주위주사전자현미경(ESEM: environmental scanning electron microscope)의 도입에 따라, 그리고 저전압에서도 만족할만한 영상화를 가능하게 하여 작업편이 대전되는 것을 감소시키는 전계 방출 총 주사전자현미경(field emission gun SEM)의 사용의 증가에 따라 감소했다.

작업편의 이미지를 형성하기 위해 하전 입자를 사용하는 것, 즉 1차 빔을 작업편 표면에 주사(走査)함에 따라 방출되는 2차 입자들 또는 후방 산란된 입자들을 수집하는 것은 일반적인 기술이다. 이미지상의 각 지점의 휘도는 빔이 기판의 각 지점에 충돌함에 따라 수집된 2차 입자들의 수에 대응한다. (여기서 "2차 입자"라는 용어는 후방 산란된 입자들을 포함하여 작업편으로부터 떨어져 나온 어떤 입자라도 포함하는 것으로 사용되었다.) 절연 기판의 전기적 대전은 2차 입자들의 경로에 영향을 줌으로써 영상화에 영향을 준다.

1차 전자 빔의 충돌에 의해 방출된 2차 입자들을 검출하기 위한 한 기술은 맨쿠소 등에게 허여된 미국 등록특허 제 4,785,182호에 개시되어 있는데, 이는 주위주사전자현미경(ESEM: environmental scanning electron microscope)에서의 사용을 위한 2차 전자 검출기를 개시하고 있다. 검출기 장치는 전기장을 형성하기 위해 전기 전위가 인가되는 전극을 구비한다. 기판에서 방출된 2차 입자들은 검출기를 향해서 가속되어 가스 분자들과 충돌하여 추가적인 하전 입자들을 발생시키는데, 이 추가적인 하전 입자들 또한 다른 가스 분자들과 충돌하여 더 많은 하전 입자들을 발생시킨다. 그러한 프로세스는 "폭포효과(cascade effect)"라고 불린다. 이러한 방식으로 발생된 하전 입자들의 궁극적인 수는 기판에서 방출된 2차 입자들의 수에 비례하는데, 그것에 의해 2차 입자들의 수에 상당하는 증폭된 신호를 만든다. 전자소스와 대부분의 1차 빔의 경로는, 1차 빔은 통과시키지만 대부분의 가스 분자들이 칼럼으로 들어가는 것을 방지하는 개구부에 의해 고진공에서 유지된다.

ESEM 검출기에서, 검출기 가스를 통과하는 2차 입자들의 경로 길이는 충분한 증폭을 제공하기 위해 가스 분자들과의 충분한 충돌이 가능하도록 충분히 길어야만 한다. 충돌의 가능성을 증가시키기 위해, 입자들이 작업편으로부터 검출기로 이동함에 따라 상대적으로 긴 경로 길이를 제공하도록, 검출기는 통상적으로 작업편으로부터 떨어져서 공급된다. 가스 압력을 증가시키는 것 역시 특정 경로의 이동 중 충돌의 가능성을 증가시킨다. ESEM에서의 가스 압력은 충분한 가스 분자들이 폭포효과를 만들도록 하기 위해 작업편과 검출기 사이에서 통상적으로 대략 0.5 내지 5 Torr로 유지된다.

증폭을 증가시키는 다른 방법은 입자들이 가스 내에서 굽은 경로 또는 폐경로로 움직이도록 하는 자기장을 인가하는 것이다. 반 데르 마스트에게 허여된 미국 등록특허 제 6,184,525호는 가스 분자와의 충돌 가능성을 증가시키기 위해 2차 전자들의 경로 길이를 증가시키는 정(靜)전기 다중극(多重極, multipole) 구조물의 이용을 개시하고 있다. 유사하게, 반 데르 마스트에게 허여된 미국 등록특허 제 6,365,896호는 더 높은 정도의 이온화를 만들어내기 위해 2차 전자들의 경로를 길게 하는 추가적인 자기장을 검출기와 재료 홀더 사이에 인가하는 것을 개시하고 있다. 반 데르 마스크의 두 개의 등록특허들은 본 출원의 양수인에게 양도되어 있다. 일본 특허공개공보 제 5-174768호 역시 증폭을 증가시키기 위해 전자 현미경의 대물렌즈의 자기장에 검출기가 위치한 ESEM을 개시하고 있다. 일본 특허공개공보 제 5-174768호 역시 주위주사전자현미경의 검출기에 의해 발생된 이온들이 작업편 상의 전하 집중을 중성화할 수 있는 것을 개시하고 있다.

대부분의 하전 입자 빔 시스템은 ESEM에 의해 요구되는 상대적으로 높은 가스 압력에서 작동할 수 없기 때문에, ESEM 검출기에 요구되는 상대적으로 높은 가스 압력은, 이온 빔 시스템 또는 비 ESEM SEM과 같은 다른 하전 입자 빔 시스템이 사용되는 진공 챔버와 동일한 진공 챔버에서 그러한 시스템을 사용하기에 적합하지 않게 한다. 가스 분자들은 빔의 이온들 또는 전자들과 간섭하여 해상도를 저하하거나 신호대 잡음비를 악화시킨다.

본 발명의 보다 완전한 이해를 위하여, 그리고 그것에 관한 이점들을 위하여, 첨부한 도면들과 관련하여 이루어진 후술하는 설명을 이제 참조하기로 한다.

도 1A는 두 개의 하전 입자 빔 광학 칼럼들이 대략 서로 평행하도록 향해진 본 발명의 듀얼 빔 시스템 구현예를 도시하는 개략도이다. 도 1B는 두 하전 입자 빔 광학 칼럼들이 서로 평행하게 향해지지 않은 본 발명의 듀얼 빔 시스템 구현예를 도시하는 개략도이다.

도 2는 이온들을 발생시키는 ESEM 검출기와 액침(液浸) 자기 대물 렌즈를 가진 전자 칼럼과 함께 사용될 때 듀얼 빔 시스템을 구비하는 본 발명의 구현예를 도시하는 개략도이다.

도 3은 비 액침 자기 대물 렌즈를 가진 전자 칼럼과 함께 사용될 때 전하 중성화를 위한 이온 발생기를 사용하는 본 발명의 구현예를 보여준다.

도 4a 및 도4b는 바이너리 마스크(binary mask)의 전자 빔 이미지들을 도시하는데, 도 4a는 마스크가 전기적으로 대전되었을 때 취해진 이미지를 보여주고, 도 4b는 ESEM형 중성화장치(neutralizer)에 따라 전하를 중성화한 이미지를 보여준다.

도 5 및 도 6은 자기 액침 렌즈와 함께 사용하기에 적합한 이온 발생기 또는 검출기의 자기장 및 전기장 구조와, 이 장(場) 구조에서의 전자의 궤적을 보여준다.

도 7은 액침 렌즈와 함께 ESEM 검출기를 사용하는 본 발명의 구현예를 보여준다.

도 8은 작업편을 검출기에 근접시켜놓은 채 가스 통로가 ESEM 검출기와 통합된 본 발명의 구현예를 보여준다.

도 9는 가스 통로가 ESEM 검출기의 양극을 통해 통합된 본 발명의 구현예를 보여준다.

본 발명의 목적은 마이크로 구조물을 영상화하거나 처리하기 위한 시스템을 제공하는 것이며, 비록 이에 한정되는 것은 아니지만 이온 발생기를 구비하는 적어도 하나의 칼럼이 있는 다중 빔 시스템을 이용하여 절연 기판상의 마이크로 구조물을 영상화하거나 처리하는데 특히 유용하다.

본 발명은 하전 입자 빔 시스템에서 석영 기반의 리소그래피 마스크와 같은 기판상에서 전하를 제어하기 위한 방법 및 장치를 제공한다. 바람직한 구현예는 1차 하전 입자 빔과 기판의 충돌에 의해 발생된 2차 하전 입자와 충돌함에 의해 바람직하게 이온화된 가스를 이용하는 이온 발생기를 구비한다. 몇몇 구현예들에서 이온 발생기는 주위주사전자현미경과 같은 것에서 2차 입자 신호를 증폭시키는 것을 제공하는데 사용될 수 있다. 몇몇 구현예들에서 이온 발생기는 화학 하전 입자 빔 식각 또는 증착을 위한 가스를 제공하는데 사용될 수도 있다. 본 발명의 다른 구현예들이 전하 중성화, 2차 입자 신호 증폭, 가스 하전 입자 빔 조작을 위한 가스의 공급, 그리고 다른 기능들을 수행할 수 있는 반면, 모든 구현예들이 모든 기능들을 제공하는 것은 아니다.

몇몇 구현예들에서, 이온 발생기는 이온 발생기로부터 떨어진 진공 챔버 내의 상대적으로 낮은 가스 압력을 유지하는 동안 작업편 상의 전하를 중성화하는 이온들을 발생시킨다. ESEM의 조작 압력으로부터 챔버로부터 공기를 제거하기 위해 필요한 시간에 비해 비 ESEM 하전 입자 빔 시스템을 작동시키는데 적합한 압력으로 그 시스템으로부터 공기를 제거하기 위해 필요한 시간이 대단히 감소되도록 하기 위해 진공 챔버의 나머지 부분에서 압력이 충분히 낮은 반면, 이온 발생기에서 압력은 2차 입자들의 가스 분자들과의 충돌에 의해 이온들을 형성하도록 충분히 높다.

전술한 것은 후술하는 본 발명의 상세한 설명이 더 잘 이해되도록 하기 위해 본 발명의 바람직한 시스템의 다양한 측면의 몇몇 특징들 및 기술적 이점들을 다소 넓게 개설하였다. 본 발명의 추가적인 특징들 및 이점들은 이하에서 기술된다. 여기서 개시된 개념과 구체적인 구현예들은 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조물들을 변경하거나 디자인하기 위한 기초로서 이용될 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 그러한 등가 구조물들은 첨부된 청구범위에서 공포됨에 따른 본 발명의 정신 및 범위와 다르지 않다는 것도 자명하다. 포토마스크들을 수리하기 위한 바람직한 시스템이 이하에서 기술될 많은 발명적 특징들을 이행할 수 있는 반면, 특정한 수행의 목적에 따라 많은 발명적 특징들이 독립적으로 적용되거나 어떤 조합으로 적용될 수 있다는 것 역시 이해되어야 한다.

본 발명의 바람직한 구현예는 하전 입자 빔 시스템에서 절연 샘플에서 음 전하를 중성화하기 위해 이온 발생기를 이용한다. 포토리소그래피 마스크는 통상적으로 석영과 같은 절연 기판 상에서 제조되기 때문에, 본 발명은 포토리소그래피 마스크 상에서의 하전 입자 빔 조작에 유용하다.

이온 발생기는 바람직하게는 검출기가 주위주사전자현미경(ESEM)에서 작동하는 방법과 유사한 방식으로, 가스를 이온화하기 위해 작업편으로부터 방출된 2차 전자 또는 후방 산란된 전자들을 이용한다. 이온화된 가스 분자들은 그리고 나서 다른 가스 분자들과 충돌하여 폭포 반응으로 다른 가스 분자들을 이온화시킨다. 이 이온 발생 공정은 절연 샘플을 안정화하기 위한 용도 또는 영상화를 위한 많은 양의 이온들을 발생시킬 수 있다.

이온들을 발생시키기 위해 작업편으로부터 2차 입자들을 이용함에 의해, 발생된 이온들의 수는 작업편 상의 충전양에 관련되어 있을 것이다. 축적된 전하에 따라 가변하는 작업편의 전기 전위는 그 작업편에 도달하는 이온들의 수를 자동적으로 조절하도록 작용한다. 그러므로 시스템은 하전 입자 빔 시스템에서 작업편 상의 전하를 중성화하기 위한 자기 안정화(self-stabilizing) 이온 발생기를 제공한다. 일단 전하를 제어하기 위한 가스 압력과 이온 발생기가 준비되면, 빔 에너지, 주사 속도 및 빔 전류와 같은 다른 현미경 파라미터들은 그 제어를 방해하지 않으면서 변경될 수 있다. 시스템은 자기 규제(self regulation)를 할 수 있다.

본 발명의 몇몇 구현예들은 주위주사전자현미경(ESEM)을 사용하는데, 이는 2차 전자 신호를 증폭하는 이온들을 발생시켜, 작업편 상의 전하를 중성화하기 위한 이온들도 제공한다. 본 발명의 다른 구현예들은 ESEM 검출기와 연결되어 있지 않은 독립된 장치인 이온 발생기를 이용한다.

비록 ESEM이 이온들을 발생시키고 그 이온들은 전하 중성화에 이용될 수 있을지라도, ESEM은 ESEM과 집속이온빔(FIB: focused ion beam) 칼럼을 구비한 듀얼 빔 시스템과 같은 다중 빔 시스템에서 사용하기에 적합하지 않았다. 집속이온빔이 통상적으로 대략 10^-5Torr의 압력에서 작동하는 반면, ESEM은 통상적으로 대략 0.5 내지 5Torr의 압력에서 작동한다. 따라서, ESEM과 집속이온빔 칼럼을 구비한 듀얼 빔 시스템에서, ESEM의 사용에서 집속이온빔의 사용으로 전환할 때 사용자는 샘플 진공 챔버에서의 압력을 0.5Torr로부터 10^-5Torr로 낮춰야만 했다. 진공 챔버를 0.5Torr로부터 10^-5Torr로 공기를 빼내는데 필요한 시간은 대부분의 상업적 적용예들에서 ESEM을 집속이온빔과 함께 사용하는 것에 있어서 중대한 손실이다. 비록 ESEM 검출기가 챔버를 검출기 가스로 가득차게 하기보다는 검출기 영역에 배치된 가스 제트를 이용한다고 하더라도 그 챔버는 여전히 검출기 가스로 가득차는데, 이 가스는 이온 빔을 사용하기 전에 제거돼야만 한다.

본 발명의 몇몇 구현예들은 동일한 진공 챔버에서의 ESEC과 전자집속빔 또는 주사전자현미경을 실질적으로 사용한다. 몇몇 구현예들에서, 시스템 디자인은 가스를 이온 발생기 근방의 상대적으로 작은 공간에 국한시키기 용이하다. 그러한 구현예들에 있어서, 이온들이 발생될 위치에서는 가스 압력이 더 높고 하전 입자 빔과의 간섭을 감소시키도록 시스템의 다른 부분에서는 가스 압력이 더 낮도록, 시스템에의 서로 다른 위치에서 서로 다른 압력을 유지한다. 예컨대 일 구현예에서, ESEM 검출기 근방의 작은 공간에서의 압력이 대략 0.5Torr일 때, 챔버의 나머지 부분의 압력은 대략 10^-4Torr의 압력으로 유지된다. 집속이온빔으로 전환할 때, 챔버는 0.5Torr로부터 10^-5Torr가 아니라 10^-4Torr로부터 10^-5Torr로 펌프되기만 하면 된다. 따라서, ESEM 작동에서 집속이온빔 작동으로의 전환이 훨씬 더 신속해지며, 듀얼 빔 ESEM-집속이온빔은 마스크의 수리 또는 다른 적용예에 실용적이게 된다. 몇몇 구현예들에서, ESEM 검출기 또는 다른 이온 발생기와 FIB를 동시에 작동시키는 것이 가능해질 수 있다.

전하를 중성화하기 위해 ESEM 검출기 또는 다른 이온 발생기에 의해 발생된 몇몇 이온들을 작업편으로 돌려보냄으로써, ESEM 또는 다른 영상화 시스템은 2nm보다 작은 해상도로 크롬 흡습제 상의 특징들을 보여주는 이미지를 만들 수 있다. 이온 발생기에 의해 제공된 전하 중성화는 가스 또는 가스 혼합물의 압력 및 성분을 조절함에 의해 부분적으로 조절될 수 있다. 이온 형성에 사용된 가스 또는 가스 혼합물들은 결함들을 교정하기 위해 하전입자 빔 식각 또는 증착에 사용될 수도 있다. 하전 입자 빔의 존재 하에 식각 또는 증착을 위한 가스의 사용은 "빔 화학(beam chemistry)"이라고 일컬어진다. 몇몇 구현예들에서, 전하 중성화를 위해 이온 발생기로부터 오는 가스들은 식각 또는 증착을 위한 다른 가스들로 교체될 수 있으며, 다른 구현예들에서는 가스 혼합물이 사용될 수도 있다.

서로 다른 전자 최종 렌즈 구성은 2차 입자 검출을 위한 중성화 및/또는 전하 중성화를 위한 이온들을 발생시키기 위해 통상적으로 서로 다른 디자인을 요구한다. 이하에서 기술될 몇몇 구현예들은 서로 다른 유형의 전자 렌즈들을 가지고 사용될 수 있는 디자인들의 예를 제공하며, 이 예들과 개시된 원리를 이용하여 당업자는 다른 유형의 렌즈들을 가지고 작동하는 검출/중화 구성을 디자인할 수 있다.

도 1a는 예컨대 진보된 마스크 수리 및 계측학에 사용될 수 있는, 그리고 본 발명과 부합하는 듀얼 빔 시스템(100)을 개략적으로 보여준다. 본 발명은 듀얼 빔 시스템에서의 사용에 한정되지 않고 싱글 빔 시스템 또는 다중 빔 시스템에서 사용될 수도 있다. 시스템(100)은 제 1 하전 입자 빔 칼럼(102)과 제 2 하전 입자 빔 칼럼(104)을 구비하는데, 칼럼들(102, 104)의 축들은 서로 대략 평행하고 작업편(106)의 표면에 대략 수직이 되도록 향해져 있다. 작업편 홀더 또는 스테이지(108)는 작업편(106)을 어느 한 쪽의 칼럼 아래에 정확하게 위치시키기 위해 이동시킬 수 있다. 칼럼들(102, 104)과 작업편(106)은 진공 챔버(110) 내에 있다.

본 발명은 어떤 특정한 유형의 칼럼들에 한정되지 않는다. 예컨대, 본 발명의 구현예는 집속 빔 킬럼들 또는 형상화된 빔(shaped beam) 칼럼들과 같은 이온 빔 칼럼들과, ESEM 칼럼들 및 비 ESEM 칼럼들과 같은 전자 빔 칼럼들의 어떤 조합이라도 구비할 수 있다. 여기서 사용된 것처럼 ESEM이라는 용어는 검출을 위한 이온들, 전하 중성화를 위한 이온들 또는 둘 다를 위한 이온들을 발생시키는 2차 전자들 또는 후방 산란된 전자들에 의한 가스의 이온화를 사용하는 어떤 전자 칼럼 조합에도 광범위하게 적용된다.

도 1a는 예컨대 전하 중성화를 위한 액침 렌즈 칼럼(104)에 사용된 ESEM 검출기(120)와 비 액침 렌즈 칼럼(102)에 사용된 독립된 이온 발생기(122)를 보여준다. 참조번호 102의 칼럼은 또한 신틸레이터 검출기 또는 채널 플레이트 검출기와 같은 비 ESEM 2차 입자 검출기(124)를 구비한다. 두 개의 전자 칼럼들은 샘플의 서로 다른 방향으로부터의 모습들을 제공한다. 비 액침 칼럼은 방향 성분을 이미지에 제공하는 검출장치들을 허용하는 반면, 액침 렌즈 칼럼은 대칭인 검출기를 가지고 고해상도의 이미지를 제공한다. 이온 발생기(122)는 전하 중성화 및 신호 검출 둘 다를 위한 ESEM 검출기로 대체될 수 있다. 다른 수단은 서로 다른 ESEM 검출기들, 비 ESEM 검출기들 및 이온 발생기들의 서로 다른 조합들을 이용할 수 있다.

도 1b는 제 1 하전 입자 빔 칼럼(152)과 제 2 하전 입자 빔 칼럼(154)이 그들의 빔들이 일치하거나 또는 거의 그러하도록 배치된 시스템(150)을 보여준다. 즉, 두 빔들이 동일 지점에서 또는 거의 동일한 지점에서 작업편에 충돌할 수 있도록, 한 칼럼이 다른 칼럼에 대해 기울어져 있다. 만일 충돌 지점들이 치우치면, 작업편 홀더(108)가 작업편(106)을 어느 한 쪽의 칼럼의 충돌 지점 아래에 정확하게 위치시키기 위해 이동시킬 수 있다. 비록 하나의 칼럼을 기울이는 것이 어떤 조합을 장착하는 것을 어렵게 할 수 있을지라도, 칼럼들(152, 154)은 ESEM 이온 발생기들과, 비 ESEM 이온 발생기와, 종래의 검출기들 및 전하 중성화장치들의 어떤 조합들을 이용할 수 있다. 도 1b는 전하 중성화를 제공하는 전하 발생기(156)를 보여준다. 전하 발생기(156)는 전자 플러드 건 또는 ESEM형 이온 발생기가 될 수 있다.

마스크 수리를 위해 사용되는 듀얼 빔 시스템에서의 두 칼럼들 중 적어도 하나는 작업편 표면에 대해 바람직하게 기울어져 있거나 기울어질 수 있다. 기울어진 빔을 사용하는 것은 작업편에 대한 3차원 정보를 제공할 수 있다. 예컨대 위상 변위 마스크 상의 석영 범프 결함의 수리에서 3차원 정보가 유용하다. 기판과 동일한 물질로 만들어진 그러한 결함은 이미지에서 기판과 많은 대조를 나타내지 않으며, 따라서 기판을 손상시키지 않고 수리하기가 어려울 수 있다. "주사 탐침 현미경으로부터의 지형 정보와 하전 입자 빔을 이용한 포토마스크 상의 결함 교정"이라는 제목의 미국 특허출원 제 10/636.309호는 위상 변위 마스크에서의 결함을 수리하기 위해 2차원 지형 정보를 이용하는 방법을 설명하고 있다. 기울어진 하전 입자 빔은 미국 특허출원 제 10/636,309호에서 설명된 주사 탐침 현미경 대신 3차원 이미지를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 만일 하전 입자 빔 시스템이 3차원 데이터를 제공하면, 정보를 얻기 위해 작업편을 진공 챔버로부터 제거할 필요가 없게 되어 생산성을 향상시킬 수 있다.

도 2는 진공 챔버(206) 내에 위치한 이온 빔 칼럼(202)과 주위주사전자현미경 칼럼(204)을 구비한 시스템(200)을 보여준다. 주위주사전자현미경 칼럼(204)은 자기 액침 대물렌즈(207)를 구비하는데, 이것은 작업편에 강한 자기장을 갖는다. 집속이온빔 칼럼(202)은 이온 소스(203)를 구비하는데, 바람직하게는 갈륨 액체 금속 이온 소스(LMIS: liquid metal ion source)이다. 본 발명은 어떤 특정한 유형의 이온 소스에 한정되는 것은 아니며, 규소/금 공융(共融)의 액체 금속 이온 소스 또는 플라즈마 이온 소스와 같은 다른 이온 소스들이 사용될 수도 있다. 이온 빔 칼럼(202)은 집속 빔 또는 형상화된 빔을 이용할 수 있다. 이온 빔 칼럼(202)은 스퍼터링 또는 화학 식각 중 어느 하나에 의해 작업편(208)의 표면으로부터 재료를 제거하기 위해 사용될 수 있고, 또는 표면에 증착물을 남기고 떠나는 이온 빔에 직면하여 선구 물질 가스가 분해되는 이온 빔 증착을 이용하여 작업편(208)의 표면상에 재료를 증착하는데 사용될 수 있다. 큰 평판 검출기(210)와 큰 평평한 작업편(208)의 조합은 검출 가스에 대한 어떤 봉쇄를 제공하는데, 이는 챔버(204)의 다른 부분에서의 일반적인 압력보다 몇 차수(次數) 더 큰 크기인 검출기(210)와 작업편(208) 사이의 압력을 진공 펌프(214)가 유지하도록 하는 것을 가능하게 한다.

ESEM 칼럼(204)은 증폭기(216)에 연결된 ESEM 유형 검출기(210)와, 작업편(208)으로부터 방출된 2차 입자들을 증폭시키는데 사용되는 가스를 제공하는 가스 주입기(218)를 구비한다. 가스는 또한 화학 전자 빔 식각 또는 증착에 사용될 수도 있다. 스테이지(220)는 작업편(208)을 참조번호 202의 칼럼과 참조번호 204의 칼럼 중 어느 하나 아래에 위치시킨다.

도 3은 전자 빔 칼럼과 비 액침 렌즈(즉, 작업편에 약한 자기장을 갖는 렌즈)의 조작에 의해 작업편 상에 축적된 전하를 중성화하기 위한 자기 안정화 이온 발생기를 이용하는 본 발명의 구현예를 보여준다. 도 3은 작업편(307) 상에 전자 빔(306)을 집속시키는 비 액침 대물렌즈(305)를 구비하는 전자 빔 칼럼(304)을 보여주는데, 이는 집속 이온 빔 시스템과 같은 제 2 하전 입자 빔 칼럼을 역시 포함할 수 있는 시스템 진공 챔버(308) 내에 있다.

이온 발생기(302)는 튜브(310)를 구비하는데, 이 튜브(310)는 이온들이 튜브(310)를 떠나 전자 빔(306)이 작업편(307)에 충돌하는 충돌 지점(316)에 도달하도록 개구부(312)를 갖는다. 고전압 전극(317)은 튜브(310) 내에서 2차 입자들을 가속시킨다. 파이프(318)는 화살표(319)로 나타나 있듯이 가스를 튜브(310)로 가져온다.

이온 발생기 튜브(310)는 일부 2차 전자들(320)을 튜브로 끌어들이기 위해 바람직하게는 작은 바이어스 양전압으로 유지되는데, 바람직하게는 대략 10V 내지 500V 사이, 통상적으로는 대략 200V로 유지된다. 바람직하게는 대략 300V 내지 2000V 사이의 전위로 유지되며 통상적으로는 500V로 유지되는 고전압 전극(317)은 튜브(310) 내에서 가스 이온화 폭포를 촉발시키기 위해 튜브(310) 내에서 2차 전자들(320)을 더욱 가속시킨다. 이온들(314)은 전극(317)으로부터 개구부 밖으로 흘러나간다. 튜브에의 양의 바이어스는 (그리고 어떤 샘플 전하라도) 샘플을 향해 이온들을 가속시킨다. 만일 과도한 이온들이 있다면, 샘플은 양으로 대전되는데, 이는 샘플로의 이온 흐름을 감소시키며 그 과도 이온들이 대물 렌즈 또는 역으로 튜브로 흐르는 것을 초래한다. 그러므로, 중성화는 자기 규제를 할 수 있다. 자기 규제는 전극(330)의 부가에 의해 증진될 수 있는데, 이 전극은 과도 이온들이 렌즈보다는 전극으로 흐르는 것을 유발하도록 접지되거나 바이어스될 수 있다.

영상화 및 분석을 위한 2차 입자들의 대다수의 수집 및 검출은 신틸레이터 검출기(scintillator detector) 또는 채널 플레이트 검출기(channel plate detector)와 같은 통상의 고 진공 검출기(322)를 이용하여 수행될 수 있다. 2차 입자들은 도 3에 도시된 것처럼 작업편 근처의 축을 벗어나서, 또는 렌즈를 통해 수집될 수 있다. 따라서, 이온 발생기(302)를 이용하여, 이온 발생기에 의해 전하 중성화를 제공하는 동안 비 ESEM 검출기를 사용할 수 있는 시스템을 이룰 수 있다. 진공 챔버는 비 ESEM 유형의 하전 입자 빔을 동시에 또는 상대적으로 간단한 공기 제거 후에 조작하는 것을 방해하는 가스로 뒤덮이지 않는다.

챔버(308) 내에서 전자 칼럼(304)의 사용으로부터 이온 빔 칼럼(미도시)의 사용으로 전환하는 것은 매우 신속하게 이루어질 수 있다. 시스템 진공 챔버(308) 내로의 가스 누출이 작도록, 그리고 챔버(308) 내의 가스 압력이 ESEM 검출기의 보다 개방된 이온 발생기 구조에서의 압력보다 더 낮은 레벨로 유지되도록 개구부(312)는 충분히 작다. 참조번호 304의 칼럼의 사용으로부터 이온 빔의 사용으로의 전환을 위해, 조작자는 통상적으로 이온 발생기로의 가스를 잠그고, 그 후 작은 이온 발생기 체적을 주 챔버로 개방한다. 선택적으로 개구부(312)에 밸브가 배치될 수 있다. 몇몇 구현예들에서, 이온 발생기 가스는 불활성 가스(아르곤, 헬륨 등)가 될 수 있으며, 그래서 그 가스는 집속이온빔 작동 중에도 흐르는 채 남아 있고, 그리고 집속이온빔 조작으로 변환할 때 유일한 변화는 이온 발생기로부터 고전압을 제거하는 것일 것이다. 몇몇 구현예들에서, 이온 발생기를 가스 주입기로 사용하는 것, 즉 식각 증진 가스 또는 재료를 증착하기 위해 하전 입자 빔에 직면하여 분해하는 가스를 작업편을 향하도록 하는 것이 가능할 수 있다. 그러한 가스들은 당해 기술분야예서 잘 알려져 있다.

ESEM의 결점은 상대적으로 느린 영상화 속도인데, 통상적으로 화소 당 대략 1 마이크로세컨드보다 작다. 참조번호 302로 표시된 이온 발생기와 같은 이온 발생기를 사용함으로써, 더 신속한 영상화 속도를 위해 비 ESEM 발생기를 사용할 수 있으면서도 이온 발생기 전하 중성화의 이점을 얻을 수 있다. 이 이점은 적어도 하나의 칼럼이 비 ESEM 검출기를 사용할 때 싱글 빔 시스템 또는 다중 빔 시스템에서도 달성될 수 있다.

이온 발생기의 증폭 효과 때문에, 상대적으로 작은 수의 2차 입자들만이 전하 중성화를 위한 충분한 이온을 발생시키는 이온 발생기에 의해 수집될 필요가 있으며, 그러므로 대부분의 2차 입자들은 영상화 시스템에 의한 수집에 이용될 수 있다. 이온 발생기가 전하 중성화를 위해서만 사용되고 2차 입자 신호 증폭기로서 사용되지 않을 때, 중요하게 더 낮은 증폭이 사용될 수 있다. 증폭은 튜브(310) 내의 가스 압력에 의존하기 때문에, 더 낮은 압력이 사용될 수 있고, 이는 챔버(308) 내의 압력을 감소시킬 것이다.

튜브(310) 내의 적절한 압력은 이온 발생기에서의 전압과 수집된 2차 입자들의 수 및 에너지에 의존할 것인데, 이 인자들은 적용예에 따라 변할 것이다. 특정한 구현예를 위한 적절한 압력을 결정하기 위해, 기판을 중성화시키는 충분한 이온들을 얻기 위한 가스 압력 또는 전압 조절과 이온 발생의 관찰을 위해 전극에서의 전자 신호를 측정할 수 있다. 이온들이 ESEM 유형의 신호 증폭에 사용되지 않는 구현예에서는 가스 압력이 감소될 수 있다.

이온 발생기(302)에서의 가스 압력은 바람직하게는 0.1Torr보다 크며 더욱 바람직하게는 대략 0.3Torr보다 크다. 대략 0.5Torr의 튜브에서의 바람직한 압력은 큰 이온 증가 인자를 가능하게 할 것이다. 압력은 바람직하게는 1.0Torr보다 작으며 더욱 바람직하게는 0.7Torr보다 작다. 대략 0.2mm의 개구부는 챔버를 10^-5Torr 범위로 유지하기 위해 가스 흐름을 제한할 것이다. 개구부의 크기는 시스템 파라미터에 따라 변할 것이다. 상당한 수의 2차 전자들이 튜브(310)로 들어가도록 하고 대부분의 이온들이 튜브(310) 개구부 밖으로 통과하도록 하기 위해서 개구부는 충분히 커야 한다. 당업자는 상술한 바에서 제공된 가이드에 기초하여 적절한 개구부 크기를 결정할 수 있다. 이온 발생기의 작동 중 챔버에서의 압력은 바람직하게는 10^-2Torr보다 작으며, 더욱 바람직하게는 10^-3Torr작고, 더욱 바람직하게는 10^-4Torr 작으며, 가장 바람직하게는 10^-5Torr이하이다.

ESEM 검출기에서의 사용에 적합한 것으로 알려진 가스들은 통상적으로 역시 이온 발생기(302)에서의 사용에 적합한 가스들이다. 적합한 가스들의 바람직한 특성들은 낮은 이온화 에너지, 산화성 및 비 부식성을 포함한다. 예컨대, 수증기는 2차 입자 신호를 증폭하기 위한 적합한 검출기 가스이다. 다른 적합한 가스들은 질소, 아르곤 및 일산화탄소를 포함한다. 검출기 가스는 하전 입자 빔 증착 또는 식각에 사용되는 다른 가스들과 혼합될 수도 있다. 예컨대 제논 디플루오라이드(xenon difluoride)는 규소를 포함하여 몇몇 재료들의 식각을 증진시킨다. 이온들은 작업편 표면으로 이끌어지고, 하전 입자 빔에 의해 활성화되었을 때 그 표면을 식각한다. 다른 예로서, 텅스텐 헥사플루오라이드(tungsten hexafluoride) 및 텅스텐 헥사카르보닐(tungsten hexacarbonyl)은 전자 빔에 직면하여 분해되어 텅스텐을 증착한다.

몇몇 구현예들에서, 도 3의 이온 발생기는 액침 렌즈와 함께 사용될 수 있다. 렌즈로부터의 자기장은 일반적으로 2차 전자들이 이온 발생기 튜브에 도달하는 것을 억제한다. 이 경우, 고 에너지의 후방 산란 전자들(자기장으로부터 탈출할 수 있는 전자들)이 튜브로 들어가서 이온 발생 프로세스를 유발하도록 하는 위치에 이온 발생기를 배치시키는 것이 가능하다. 자기장은 심각하게 이온 유출에 영향을 주지 않을 것이다. 이러한 이온 발생기의 구성은 고 진공에서 작동하고 액침 렌즈와 일체이거나 또는 액침 렌즈 상부에 배치되는 소위 "렌즈를 통한(through the lens)"검출기의 사용을 가능하게 할 것이다.

도 4a 및 도 4b는 바이너리 마스크의 전자 빔 이미지를 보여주는데, 도 4a는 (전하 중성화 없이) 전자 빔에 기인하여 마스크가 전기적으로 대전될 때 얻어진 이미지를 보여주고, 도 4b는 마스크 상의 전하가 본 발명의 구현예에 따라 중성화되었을 때 얻어진 이미지를 보여준다.

도 3의 구현예는 이온 발생을 위하여 튜브(310)에서의 국부화된 고압 영역을 사용하며, 그 때문에 진공 챔버는 훨씬 더 낮은 압력으로 유지될 수 있다. 이하에서 기술될 구현예들은 국부화된 고압의 개념과 액침 렌즈를 가진 ESEM 검출기의 사용을 결합시킨다. 이하에서 기술될 구현예들은 낮은 챔버 압력을 유지하는 동안 효과적인 전자 검출 및 전자 빔 전하 제어를 가능하게 하는데, 이는 고도로 절연된 샘플들과 이루어지는 듀얼 빔 작동 및 전자 빔 화학에 대해 바람직하다. 이온 발생 영역에서의 국지 압력과 이온 발생기로부터 떨어진 챔버 압력은 바람직하게는 이온 발생기(302)를 사용하는 시스템에 관하여 전술된 것과 유사하다.

도 3의 구현예가 검출기로부터 분리된 이온 발생기를 사용하는 반면, 아래의 구현예들은 2차 입자 검출에도 이용될 수 있는 이온 발생기를 이용한다. 이 구현예들은 전하 제어 및 화학적으로 증진된 하전 입자 빔 작동뿐만 아니라 ESEM과 같은 2차 입자 검출도 가능하게 하는데, 특히 자기 액침 대물 렌즈와 함께 사용될 때 그러하다. 보여진 몇몇 구현예들은 가스의 환경과 관련하여 자기장과 정전기장의 특정한 조합을 사용함으로써 증진된 신호 증폭 및 전하 제어를 제공한다. 그러한 몇몇 구성들은 숄츠 등에 의한 "입자-광학 장치 및 검출 수단"이라는 제목의 미국 특허출원에 더 상세히 기술되어 있는데, 이 출원은 본원의 양수인에 의해 본원과 함께 출원되었으며 본원에 참조로서 포함된다.

일본 특허공개공보 제 5-174768호는 대물렌즈로부터의 자기장이 전기장과 평행한 칼럼 구성을 보여주는데, 그 출원은 2차 전자들이 자기장 플럭스 라인 근방에서 포획되고 그에 의해 경로 길이 및 증폭을 증진시킨다는 것을 주장한다. 상기 "입자-광학 장치 및 검출 수단"은 더 긴 경로 길이는 소위 "자기 페닝 메카니즘(magnetic Penning mechanism)"이라고 불리는 것을 충족시키는 적절한 전기장 형상의 선택에 의해 제공될 수 있다는 것을 보여준다. 이 더 긴 경로 길이는 감쇠 진동의 모양이다. 물론 전기장이 자기장과 직교하는 성분을 갖도록 전극을 구성할 수도 있다. 그러한 구성은 "마그네트론(magnetron)"이라고 알려진 구조와 유사한데, 이 구조에서 전자들은 자기장에 수직인 방사상의 전기장 하에 원 궤도로 움직인다. 이 구성은 전자 경로 길이를 획기적으로 증가시킬 수 있으며 가스에 직면하여 큰 가스의 증폭을 제공할 수 있다.

원리를 설명하기위해, 도 5는 두개의 동축 실런더형 전극들인 내측 실린더(502)와 외측 실린더(504)를 구비한 마그네트론 구조(500)를 보여준다. 내측 실린더(502)는 접지되고, 외측 실린더(504)는 양의 전위이다. 이 전위차는 E로 표시된 화살표로 타나내어진 것처럼 두 전극들 사이에서 방사상의 전기장을 만들어낸다. 더욱이, X표시된 원에 의해 표시된 페이지 평면에 수직이면서 페이지 평면으로 향하는, 바람직하게는 실린더들 사이의 공간을 통해 균일한 B로 표시된 자기장도 있다. 두 전극들 사이의 위치에서 출발하는 전자는 도 6에 도시된 것과 유사한 경로를 따를 것이다.

고 진공에서, 올바른 값의 전기장(E)과 자기장(B) 하에서, 전자는 구조물 주위를 무기한으로 움직일 것이다. 그러나 만일 가스가 존재하면 전자는 가스 분자와 충돌할 것이다. 만일 전자의 에너지가 충분히 높다면 가스 분자는 이온화될 것이며, 그리고 나서 두개의 전자들이 존재한다. 이 두 전자들은 참조번호 504의 전극을 향해 더 움직일 것이고 도 6과 유사한 경로로 참조번호 502의 전극 근처에서 움직일 것이나, 더 큰 반경을 가지고 움직일 것이다. 이 두 전자들은 가스 분자들과 더 충돌하여 폭포 프로세스를 반복한다. 증가된 경로 길이는 큰 증폭을 발생시킬 수 있다. 그러나 최대 증폭은 자기장(B)과 정전기장(E)의 적합한 조합 하에서만 발생할 것이다.

두 효과, 즉 자기장에 평행한 전기장 성분으로부터의 자기 페닝 효과와 자기장에 수직인 전기장 성분으로부터의 마그네트론 효과의 결합은 매우 증진된 신호 증폭을 만든다. 하나의 구현예에서 두 방법들 모두를 사용하여 증폭을 동시에 달성하는 것은 세 개의 주요한 파라미터들의 특정한 조합을 요구하는데, 이 파라미터들은 가스 압력, 자기장 세기 및 전기장 세기이다.

도 7은 액침 렌즈의 제 2 폴(710) 상에 있는 스테이지(708) 상의 작업편(706) 위로 전자 빔(704)을 집속시키는 액침 렌즈(702)를 갖는 하전 입자 빔 시스템(700)을 구비하는 구현예를 보여준다. 시스템(700)은 검출기로서 증폭기(716)에 연결된 전극판(714)을 이용한다. 분리 격판(717)은 상부 칼럼으로의 가스 흐름을 감소시킴으로써 작업편(706)과 검출기(714) 사이의 검출 공간(718) 사이 압력 차를 유지한다. 전극판(714)은 바람직하게는 자기장(722)과 실질적으로 동축인 실질적으로 둥근 중심 개구부(719)를 갖는 단순한 얇은 도전성 판이다. 100V 내지 2000V의 범위의 양의 전압이 작동 중 전극판(714)에 인가될 수 있다. 전극판(714)에의 바이어스는 개구부(719) 때문에 액침 렌즈(702)에 의해 발생된 자기장(722)에 부분적으로는 평행하고 부분적으로는 수직인 전기장을 발생시키며, 그러므로 시스템(700)은 전술한 자기 페닝효과 및 마그네트론 효과에 의해 2차 입자 신호 증폭을 달성할 수 있다.

큰 직경의 개구부(719)는 자기장(722)에 수직인 전기장을 전극(714) 인근에 발생시키며, 그것에 의해 마그네트론 효과에 의한 증폭을 달성할 수 있는 영역을 제공한다. 그러나 구멍이 너무 작으면, 마그네트론 효과는 발생하지 않는다. 상응하는 특정한 자기장 값, 전기장 값 및 가스 압력값과 함께 특정한 구멍 직경은 증폭 메카니즘들 모두를 동시에 달성할 수 있다. 이 조건들이 만족되면 자기 페닝 메커니즘으로부터 증폭된 신호는 마그네트론 메커니즘에 의해 복합으로 증폭되어 상응하는 큰 전체적인 증폭을 이루어 낸다.

2차 전자 신호의 증폭 역시 샘플의 대전을 피하기 위해 필요한 양이온들도 발생시킨다. 그러나 상술한 두 메커니즘에 의한 매우 큰 증폭은 과도한 이온들을 발생시킬 수도 있다. 접지되거나 바이어스될 수 있는 추가 플레이트(730)가 그 과도한 이온들을 수집하기 위해 제공될 수 있다. 이 플레이트도 검출된 신호를 제공하기 위해 증폭기에 연결될 수도 있다.

복합 메커니즘을 달성할 수 있는 홀 직경, 자기장 세기, 전기장 세기 및 가스 압력의 다양한 조합이 있다. 그러나 어떤 특정한 홀 직경에 대해서, 오직 특정한 바이어스 전압과 자기장의 조합만이 복합 효과를 만들어낼 것이다.

자기 페닝 메커니즘에 기인한 증폭은 전자 빔의 축을 따라 피크 전기장이 가스의 이온화 포텐셜을 초과할 때만 발생할 것이다. 마그네트론 효과에 기인한 증폭은 전자의 질량을 m이라 하고 전자의 전하량을 q라 할 때 2*m*(E/M)^2/q가 가스의 이온화 에너지보다 더 크도록 하는 방사상의 전기장(E)과 자기장(B)일 때만 발생한다. 당업자는 특정한 응용예에 대한 적절한 직경을 결정하기 위해 이 가이드를 이용할 수 있다. 예컨대, 5000 이상의 고 증폭은 직경 3mm의 양극 홀, 400V의 양극 전압 및 0.3Torr의 압력의 수증기로 제공될 수 있다.

큰 대체적인 증폭을 달성함에 의해, 작업편으로부터 검출기까지의 거리가 짧아질 수 있는데, 이는 렌즈의 작동 거리를 감소시키고 해상도를 증가시킨다. 또한, 검출기에서의 가스 압력이 감소될 수 있는데, 이는 챔버 내에서의 전체적인 가스 압력을 감소시키며 그것에 의해 ESEM 작동으로부터 집속이온빔 또는 비 ESEM 빔 작동으로의 전환에 소요되는 시간을 감소시키거나 없앨 수 있다. 검출기 공간(718)에서의 압력은 0.5Torr로부터 0.3Torr 또는 그 이하로, 몇몇 구현예들에서는 0.1Torr 또는 그 이하로 낮춰질 수 있다. 수집기에서의 가스 압력을 감소시키는 것은 검출기로부터 떨어진 진공 챔버에서의 가스 압력을 더 감소시킨다.

작업편이 적합한 형상, 예컨대 포토리소그래피 마스크 또는 반도체 웨이퍼와 같은 크고 평평한 물체 형상을 갖고, 검출기가 작업편에 근접하게 배치될 때, 그 배열 구조는 증폭이 발생하는 영역에 가스를 국한시키는 것을 제공한다. 그러므로 가스압력은 검출기와 작업편 사이의 공간에서 더 크게 유지되고 검출기로부터 떨어진 진공 챔버에서는 더 낮게 유지되게 된다. 몇몇 구현예들은 일반적으로 진공 챔버에서 감소된 압력을 유지하는 반면, 증폭 존에서는 십분의 일 이상 또는 1Torr의 동작 압력을 제공한다. 증폭 존에서의 가스 압력과 진공 챔버의 잔여부분에서의 가스 압력은, 비록 ESEM 검출기를 사용할 경우에는 가스가 덜 국한되기 때문에 챔버 압력이 통상적으로 약간 더 높을지라도, 도 3의 시스템에 관하여 설명된 것과 비슷할 수 있다.

따라서, 본 발명의 몇몇 구현예들에서의 ESEM 검출기는 다른 하전 입자 빔 시스템을 구비하는 진공 챔버에서 작동할 수 있는데, 즉 검출기 가스가 다른 하전 입자 빔 칼럼을 최소한으로 간섭하거나 전혀 간섭하지 않도록 하면서, 또는 다른 칼럼을 작동하기 위해 상대적으로 신속하게 챔버의 공기가 빠져나가게 할 수 있는 정도까지 챔버에서의 가스 압력이 상승하게 하면서, 다른 하전 입자 빔 시스템을 구비하는 진공 챔버에서 작동할 수 있다.

도 8의 구현예는 자기 액침 렌즈(802)를 구비하고 상술한 2차 입자 신호 증폭 원리들을 사용하는 전자 빔 시스템(800)의 하측 부분을 보여준다. 시스템(800)은 가스를 한 곳에 모이게 하고 동일한 진공 챔버 내의 다른 하전 입자 빔 칼럼의 작동과의 간섭을 감소시키기 위해 향상된 가스 고립을 제공한다. 시스템(800)은 압력 제한 개구부(806)를 지지하는 절연체(804)와 환상의 검출기 전극(808)을 구비한다. 이온 트랩(810, trap)은 검출기 전극(808), 절연체(804), 액침 렌즈 팁(802) 및 압력 제한 개구부(806)를 구비하는 어셈블리를 둘러싼다. 작업편(814)은 이온 트랩의 하면 근방에 배치된다. 파이프(812)는 가스를 검출 영역에 공급하는데 사용된다. 작은 양의 가스가 압력 제한 개구부(806)를 통해 전자 칼럼으로 탈출하지만, 그 흐름은 충분히 낮아서 전자 칼럼은 필요한 고 진공 수준으로 유지될 수 있다. 작은 양의 가스가 또한 이온 트랩과 샘플 사이를 통과하지만, 그 흐름은 역시 충분히 낮아서 샘플 챔버 상의 진공 펌프가 챔버 내의 매우 낮은 가스 압력을 유지할 수 있다.

가스가 빠져나가게 하는 검출기(808)의 홀(820)은 바람직하게는 시스템 파라미터에 의존하는 밀리미터 오더 크기의 직경을 갖는다. 사용자는 이미지가 초점이 맞을 때 액침 렌즈의 자기장을 변경한다. 그리고 나서 필요한 전기장을 만들기 위해 그리고 검색기 이득(利得)을 최적화하기 위해, 자동 또는 수동으로 검출기 상의 포텐셜이 조절될 수 있다. 렌즈(802)는 검색 영역을 통해 필요한 자기장을 제공한다.

자기 액침 렌즈를 가지고 작동하는 통상의 가스 검출기는 챔버에서의 대략 0.5Torr의 가스 압력과 1차 빔 경로에서 최적으로 작동한다. 이 구현예는 전술한 개선된 신호 증폭과 대전 제어를 제공하지만, 또한 증폭이 일어나는 영역에 가스를 집중시킴으로써 훨씬 더 낮은 챔버 압력에서의 동작도 제공한다. 이 구현예는 특히 평평하고 큰 직경의 포토마스크나 다른 유사한 제품들의 영상화 또는 수정에 적합하다.

도 9의 구현예는 도 8에 도시된 것과 매우 유사한 전자 빔 시스템(900)의 하측 부분을 보여주며, 유사한 요소는 동일한 명칭을 갖는다. 시스템(900)은 작은 또는 불규칙한 형상의 샘플들을 영상화하거나 수정하는데 더욱 적합하다. 시스템(900)은 다른 방법으로 가스를 국한시킨다. 검출기 전극은 두 플레이트들(908)을 구비하는데, 가스는 파이프(912)를 통해 외부 소스로부터 두 플레이트들 사이로 흘러들어간다. 출원인은 주 신호 증폭 및 이온 발생은 검출기 전극에 근접한 강한 전기장의 영역에서 발생한다는 것을 발견했다. 이 구현예에서, 전극은 가스가 전극을 통해 검출 영역으로 지나가도록 속이 비어있다. 이는 전극 인근에 높은 가스 압력을 발생시키며, 고 증폭과 높은 이온 발생을 야기한다. 가스는 그리고 나서 영역의 잔여 부분으로 퍼져서 빔 축에서의 가스 압력이 훨씬 더 낮아진다. 빔 경로에서의 가스는 비 축상의(off-axis) 전자들의 "스커트(skirt)"를 형성하는데, (i) 비축상의 전자들은 전자 이미지에서 배경 신호를 만들며 이미지 콘트라스트를 저하시키며, (ii) 비축상의 전자들은 빔 화학에서 빔 충돌 영역 외측에서의 식각/증착을 야기할 수 있다는 몇몇 바람직하지 못한 결과들을 낳기 때문에, 이는 주요한 이점이다.

빔 경로에서의 가스를 줄임으로써, 이러한 바람직하지 못한 결과들은 감소되거나 제거된다.

불규칙한 형상의 샘플들에의 듀얼 빔 적용을 위한 이 디자인의 다른 주요한 이점은 전자 빔 작동과 이온 빔 작동 사이의 변경시간이 감소되도록 챔버 압력이 매우 더 낮다는 것이다.

몇몇 구현예들에서, 이온 트랩의 홀을 통한 샘플 상으로의 이온들의 흐름을 우선적으로 제어할 수 있도록 검출기 전극 또는 이온 트랩의 홀의 형체를 고안하거나 이온 트랩에 바이어스를 부가할 수 있다. 구현예들은 전하를 중성화하기 위해서 뿐만 아니라 마스크 또는 다른 작업편 상의 전기적 바이어스를 제어하기 위해 사용될 수 있다. 바이어스를 제어하는 것은 최적의 영상화를 제공할 수 있으며 빔 화학의 사용, 즉 재료를 증착하거나 식각을 증진시키기 위한 가스의 사용을 개선할 수 있다.

전술한 구현예들은 2차 입자들에 의한 적절한 이온화를 지지하도록 이온화 영역에서 충분한 압력의 가스를 유지하지만, 챔버의 잔여 부분에서의 압력을, 하전 입자 빔 증착 또는 화학적으로 증진된 하전 입자 빔 식각을 위한 작업편 방향으로 향해진 가스의 사용을 가능하게 하도록 충분히 낮거나 또는 신속하게 공기가 제거될 수 있는 압력으로 유지한다. 또한 1차 빔 칼럼들의 동작에 간섭하지 않도록 진공 챔버의 다른 부분에서 압력은 역시 충분히 낮다.

비록 본 발명이 어떤 특정한 적용예에 한정되는 것은 아니지만, 몇몇 구현예들은 리소그래피 마스크들을 수리하는데 특히 유용하며, 특히 광학 마스크, x선 마스크, 극자외선(EUV: extreme ultra violet) 마스크, 서로 다른 흡습 마스크 및 교번위상변위마스크(APSM: alternating phase shift mask) 기술들을 포함하여 70nm 리소그래피 노드와 그 이상의 리소그래피 노드에 사용되는 마스크들에 유용하다.

비록 본 발명과 그 장점들이 상세히 기술되었지만, 다양한 변경, 대체 및 개조가 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 정신과 영역으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있음은 자명하다. 더욱이, 본 출원의 영역은 상세한 설명에서 기술된 특정한 구현예의 공정, 기계, 생산, 물질의 합성, 수단, 방법 및 단계에 한정되도록 의도되지 않는다. 본 발명의 개시로부터 당업자가 즉각적으로 이해할 수 있듯이, 여기에 기술된 상응하는 구현예들과 실질적으로 동일한 결과를 얻거나 실질적으로 동일한 기능을 수행하는 현재 존재하거나 후에 개발될 공정, 기계, 생산, 물질의 합성, 수단 방법 또는 단계는 본 발명에 따라 이용될 수 있다. 따라서, 첨부된 청구범위는 그 범위 내에서 그러한 공정, 기계, 생산, 물질의 합성, 수단 방법 또는 단계를 포함하도록 의도되었다.

본 발명은 이온 발생기에서 요구되는 충분한 압력으로부터 챔버의 공기를 배기시키는데 소요되는 시간을 획기적으로 줄여 타 칼럼이 이온 발생기의 작동과 동시에 또는 그 직후에 작동할 수 있도록 함으로써, 더욱 신속하고 효율적인 하전 입자 빔 시스템의 제작 및 이를 이용한 포토리소그래피 마스크 등의 수리 및 영상화 등에 이용할 수 있다.

Claims

작업편을 담고 배경 챔버 압력을 갖기 위한 작업편 진공 챔버;

하전 입자 빔 소스;

입자 빔이 광축을 따라 상기 작업편을 향하게 하기 위한 하전 입자 빔 광학 칼럼; 및

하전 입자에 의해 이온화될 수 있는 검출기 가스를 포함하는 체적과 이온화된 가스를 검출하기 위한 검출기 플레이트를 구비하고, 상기 작업편 진공 챔버의 압력을 상당히 더 낮은 압력으로 유지하면서 검출기 주변의 검출기 가스의 압력을 검출기를 작동하기에 충분한 압력으로 유지하기 위해 검출기 가스의 전달을 위한 통로를 포함하는 하전 입자 검출기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 1항에 있어서,

상기 하전 입자 빔 칼럼은 주사전자현미경 칼럼을 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 1항에 있어서,

상기 하전 입자 검출기는 광축과 동축인 개구부를 각각 갖는 두 개의 플레이트들을 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 3항에 있어서,

상기 가스 통로는 상기 두 플레이트들 사이에 있는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 1항에 있어서,

상기 가스의 전달을 위한 통로는 가스를 상기 검출기 가스와 워크피스 위치 사이의 영역을 향하게 하는 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
작업편을 담고 배경 챔버 압력을 갖기 위한 작업편 진공 챔버;

하전 입자 빔 소스;

입자 빔이 광축을 따라 상기 작업편을 향하게 하기 위한 하전 입자 빔 광학 칼럼; 및

하전 입자 빔의 작업편 상의 충돌에 의해 발생된 2차 입자들 또는 상기 작업편에 의해 후방 산란된 1차 빔으로부터의 입자들이 이온 발생 가스를 이온화시키고, 적어도 몇몇 이온들이 상기 작업편 상의 전하를 중성화하기 위해 상기 작업편으로 이동하도록 배치되며, 가스를 포함하는 챔버를 구비하되, 상기 챔버는 상기 작업편 상의 전하를 중성화하기 위해 상기 작업편으로부터의 2차 입자들 또는 후방 산란된 입자들이 상기 챔버로 들어가도록 하고 이온들이 상기 챔버를 빠져나가도록 하는 개구부를 통해 상기 작업편 진공 챔버에 연결되는 챔버인 이온 발생기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 6항에 있어서,

상기 하전 입자 빔 광학 칼럼은 대물 렌즈와 광축을 구비하되, 이온 발생기는 상기 개구부의 중심으로부터 상기 광축과 상기 작업편의 교차점까지 연장된 선이 상기 광축에 평행하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 6항에 있어서,

상기 하전 입자 빔 칼럼은 주사전자현미경 칼럼을 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
작업편을 담고 배경 챔버 압력을 갖기 위한 작업편 진공 챔버;

하전 입자 빔 소스;

입자 빔이 광축을 따라 상기 작업편을 향하게 하기 위한 하전 입자 빔 광학 칼럼; 및

하전 입자 빔의 작업편 상의 충돌에 의해 발생된 2차 입자들 또는 상기 작업편에 의해 후방 산란된 1차 빔으로부터의 입자들이 이온 발생 가스를 이온화시키고, 적어도 몇몇 이온들이 상기 작업편 상의 전하를 중성화하기 위해 상기 작업편으로 이동하도록 배치되며, 상기 배경 챔버 압력이 상당히 더 낮은 압력으로 유지되는 반면 상기 이온 발생 가스는 상기 작업편 상의 전하 축적을 중성화하기 위한 충분한 이온을 상기 2차 입자들 또는 후방 산란된 입자들로부터 발생시키기 위해 충분히 고압으로 유지되도록 구성된 이온 발생기;를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생 가스는 대략 0.1Torr보다 큰 압력으로 유지되며, 상기 배경 챔버 압력은 대략 0.01Torr보다 낮은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생 가스는 대략 0.3Torr보다 큰 압력으로 유지되며, 상기 배경 챔버 압력은 대략 10^-3Torr보다 낮은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생 가스는 대략 0.4Torr보다 큰 압력으로 유지되며, 상기 배경 챔버 압력은 대략 10^-3Torr보다 낮은 압력으로 유지되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생기는 주위주사전자현미경 유형의 입자 검출기를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 13항에 있어서,

상기 주위주사전자현미경 유형의 입자 검출기는 상기 하전 입자 빔과 동축인 개구부를 갖는 플레이트를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 14항에 있어서,

상기 하전 입자 빔 칼럼은 자기 액침 대물 렌즈를 구비하며, 상기 검출기 플레이트는 작업편 위치 상부 및 상기 자기 액침 대물 렌즈의 폴의 하부에 배치되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 13항에 있어서,

상기 입자 검출기는 상기 이온 발생 가스를 이동시키기 위한 통로를 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 하전 입자 빔은 대물렌즈 및 광축을 구비하고, 이온 발생기는 상기 개구부의 중심으로부터 상기 광축과 상기 작업편의 교차점까지 연장된 선이 상기 광축에 평행하지 않도록 배치되는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생기는 가스를 포함하는 챔버를 구비하고, 상기 챔버는 상기 작업편 상의 전하를 중성화하기 위해 상기 작업편으로부터의 2차 입자들이 상기 챔버로 들어가도록 하고 이온들이 상기 챔버를 빠져나가도록 하는 개구부를 통해 상기 작업편 진공 챔버로 이어지는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

상기 이온 발생 가스는 상기 작업편 상에 재료를 증착하기 위해 하전 입자 빔에 직면하여 분해되거나 하전 입자 빔의 식각률을 증가시키는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 9항에 있어서,

제 2 하전 입자 빔 소스; 및

제 2의 하전 입자들의 빔을 상기 작업편 진공 챔버에 배치된 작업편으로 향하게 하기 위한 제 2 하전 입자 빔 칼럼;을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 하전 입자 빔 장치.
제 2 하전 입자 빔에서의 입자들의 충돌로 상기 작업편으로부터 방출된 하전 입자들을 검출하기 위한 검출기, 상기 작업편 진공 챔버에서의 압력은 제 2 하전 입자 빔 칼럼을 작동하도록 충분히 낮음.