JPH0215544A - 帯電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、粒子源と、帯電粒子光学系と、物体載置台と
、電流測定手段とが設けられた電子或いはイオンビーム
装置、すなわち帯電粒子ビーム装置に関するものである
。

（従来の技術） 電子ビーム監視装置の形態の上述した装置は欧州特許筒
ＥＰ１９６９５８号明細書に記載されており既知である
。

通常ガウスビーム断面電流分布を有する上述した種類の
装置を用いた場合、文献“ＩＥＥＥ　Ｊｏｕｒｎａｌｏ
ｆ　Ｓ、Ｓｔ、Ｃ１ｒｅ、Ｖｏｌ、８ｃ１５．ＮＯ，４
，Ａｕｇ、１９８０”の論文（Ｊ、Ｃ，Ｗｏｌｆｅ氏著
）に記載されているように、所定の精細度に対するスル
ープット（処理Ｎ）を改善するために高い強度の粒子源
を用いる必要がある。

従って、例えば、ＬａＢ、のような先端のとがった陰極
を用いるのが望ましい。このような陰極の放出面に亘る
放出パターンは不均一である為に、関連のパラメータを
最適にするのが困難である。スポットビーム流変化がい
かなる場合でも、分析装置の検出測定誤りやパターン発
生器或いは注入装置の書込み誤りを直接化せしめる為、
セットアツプを最適にするのが極めて望ましいことであ
る。

これらの製造機械では通常粒子源を直接監視することが
できない。光学列内の情報が得られる手段は、放出電流
と、ビーム電流と、スポット特性と、アライメントコイ
ルおよびレンズのセツティングとである。更に数個のレ
ンズに対し１つのみのアライメントユニットを用いる場
合には、アライメントに数個の位置的な最適状態が存在
しうる。

従って、相互に関連するパラメータの最適なものを得る
のは熟練者にとっても困難である。種々の装置では先端
が平坦な陰極を用いることにより上述した困難を回避し
ているが、ビーム強度が低くなるという欠点がある。

（発明が解決しようとする課題） このような装置の光学列全体に亘る粒子ビームや粒子源
を直接監視することはしばしば不可能である。このよう
な装置の種々の素子は、これらの素子によって生ぜしめ
られる動的効果を、ビーム電流やスポット寸法やスポッ
ト位置のような基板平面で測定しうるパラメータで解釈
することにより調整する必要がある。このような多素子
装置では、最適化すべきパラメータは互いに独立してお
らず（関連しており）、従って多くの位置的な最適値が
ある為に完全な最適化を手で達成するのは極めて困難で
あり、従ってこれを自動化で達成するのが適切な課題と
なる。

本発明の目的は、自動化した帯電ビーム粒子装置を提供
せんとするにある。

（課題を解決するための手段） 上述した目的は、スポット縮小値を帯電ビーム粒子装置
の幾何学的な或いは光学的な又はこれら双方の特性から
計算するようにした信号処理ユニットを設けることによ
り達成する。

実際、本発明により自動的な光学列のセットアツプを達
成するには、以下の２つの主な原理を用いるのが有効で
ある。すなわち、 ＊　光学列のアライメトに対しては放出（エミッション
）電流の角度分布の不均一性を用いることができる。

＊　電子光学素子の位置に関して良好に規定した平面は
縮小率や粒子源、従って所要のスポット寸法に関する信
顛的な指数を与える。

従って、種々のパラメータの動特性の知識を自動的に用
い、これらパラメータを最適化する必要がある多次元空
間を制限することにより、最適なセツティングを達成す
るソフトウェアを開発した。

この多次元空間の制限は、あらゆる可能なセツティング
全体を探索するには許容しえない量の計算機時間を必要
とする為に必要となるものである。

このソフトウェアは、特定のビーム強度に応じて（陰極
の先端を過熱することなく）陰極温度を調整し、ビーム
の正しい部分を選択し、所要のスポット寸法を設定する
。最適化時間は物理学や電子工学によって左右されるも
のであり、必要とするスポット寸法やアルゴリズムによ
っては左右されない。先端温度の調整時間は主として陰
極アセンブリ全体の熱容量によって決定され、正しい口
−ブやアライメントを見い出す時間はアライメントコイ
ルおよびそのドライバの時定数により決定され、スポッ
ト寸法のセツティング時間はレンズおよびそのドライバ
の時定数により決定される。

ソフトウェアは異なる時間依存性を有するパラメータを
別々に処理するモジュールに分割する。

例えば、レンズ特性の安定性は加速電圧およびドライバ
電流の安定性のみに依存する。従って、縮小率の表を一
旦形成した後は、高電圧或いはレンズ電流の校正値が変
化する場合のみこの表を更新する必要があるだけである
。

このことは、書込み前或いは書込み中の最適化時間が、
短時間の安定化パラメータのセンティングに必要とする
時間に制限されるというごとを意味する。

（実施例） 以下図面につき説明するに、第１図に示す電子ビーム書
込み装置は、 陰極４、例えばタングステン又はＬａＢ、陰極、つ工−
ネルト電極６および第１陽掻８を有する三極前電子銃２
と、 種々のピボット点を有する一組のアライメント（３周整
）コイル１０と、 第ルンズにより形成されるクロスオーバー１７の像１５
上を中心とする単一の静電気ブランカのプレート１４を
有するビーム消去システム１２と、縮小率に依存しない
最終レンズに対する固定物体平面２０にクロスオーバー
像１９を集束させる２つのレンズＣＩおよびＣ２より成
るズームレンズ１８と、ステイグメータ（ｓｔｉｇｍａ
ｔｏｒ）２４　、徴集束レンズ２６および交換自在のア
パチュア２８とを具えている。

電子ビーム書込み装置は更に物体平面３４に物体３２を
配置するための物体テーブル３０を有する。

電子源は物体を基板上に結像させる際の光学列の中で最
も重要な素子の１つである。通常の電子レンズの幾何学
的収差は除去できない為、レンズにおけるひとみを制限
することにより像の品質を改善しうるだけである。しか
し、このひとみの制限によりビーム電流、従ってスルー
プット（処理量）が制限されてしまう。ビーム電流は高
いビーム強度の電子銃を用いることによって増大せしめ
うるにすぎない。ビーム強度は立体角当りの電流密度の
指数であり、収差のない電子光学系全体に当てはまる。

最適にすべきものはこの指数である。

第２図に示すような三極前電子銃は陽極８、ウェーネル
ト電極６および陰極４を以って構成されている。陰極が
加熱され、エネルギーが仕事関数を越えると電子が陰極
表面から放出される。陽極と陰極との間の電界がこれら
電子を更に加速するゆウェーネルト電極上の負の電位は
放出電流を制限する。この負の電位は、放出電流が流れ
る抵抗にまたがる電圧降下である。

第２図には異なる陰極温度に対し成立つ３つのクロスオ
ーバー点３１．３３および３５を与えており、クロスオ
ーバー３５の平面に位置する絞り３６を透過するビーム
電流はクロスオーバー点に著しく依存するということを
示している。

陰極表面から出る電子の最大数は温度および仕事関数に
のみ依存するリチャードソンの式によって与えられ、従
って理論的な最大ビーム強度はこれらによって制限され
る。温度を高めることによりビーム強度を高めると、蒸
発によって陰極の寿命が短くなる為、大樹化ランタンの
ような仕事関数が小さい材料を選択する道のみが残され
ている。

陰極とウェーネルト電掘との間の電位差はレンズ作用を
生じる。温度が低いと、陰極表面かられずかな電子しか
放出しえない。この場合、放出（エミンション）電流が
低く、レンズ屈折力が小さく、クロスオーバーが形成さ
れない。このことは電子が放出される立体角が大きくな
るということを意味する。また陰極の大部分が放出電流
に寄与する。その理由は、電子が放出しうる零の等電位
面のファンネル状部が大きな包囲面積で陰極を交差する
為である（第３図）。

温度が増大すると、放出電流およびレンズ屈折力が増大
し、零の等電位面のファンネル状部が狭くなる。電流放
出領域が制限されることにより放出率の増大を平衡させ
、放出電流対陰極温度のグラフに周知のニーポイント、
すなわち飽和点を生ぜしめる。この温度では、放出電流
はしばしば間違って考えられているように放出電子の空
間電荷によって制限されるのではなく、放出面積が制限
されることによって制限されるものであり、陰極の温度
を規定することは適切な基準となるものではない。

ウェーネルト電極のレンズ作用を強くすることによって
もビーム中にクロスオーバーを形成する。

最初はこのクロスオーバーは陰極から離れて位置するも
、ウェーネルトレンズが一層強くなると陰極の方向に移
動する。クロスオーバーが光学列の制限アパーチュア、
すなわちひとみ内で結像される点でビーム電流中にピー
クが生じる。このピークのいずれかの側でしぼりにより
ビーム電流を遮断して電流を減少させる。温度が高くな
るとビーム強度が高くなることにより電流の遮断を相殺
し、透過する電流が増大する。温度が更に高くなると、
空間電荷によりエネルギーの広がりを高めることにより
ビーム強度を減少させる。この点は透過ビーム電流中の
ニーポイントと一致する。従って、この点を越えること
は、ビーム電流が依然としてわずかに増大するも無意味
なことである。

ウェーネルト電極と陰極との間の距離を増大させると、
放出電流およびビーム電流のニーポイントの位置とビー
ム強度の最大値とが一層一致するようになる。陰極をウ
ェーネルト電極の方向に移動させることにより上述した
ことが一層はっきりする。

先端がとがった単結晶ＬａＢ６陰極を用いると、この結
晶の先端の周りの領域の低い仕事関数が異なる為にタン
グステンフィラメントの場合よりも高い温度まで不均一
な角度放出分布が存在する。タングステンフィラメント
の場合の方が放出面積が大きい為、比較的低い先端温度
で角度の不均一が消滅する。

他の複雑性は、例えば２・１０−’　）ルよりも悪い真
空状態で種りの結晶面が異方性蒸発する為に先端形状が
変化するということである。新しい先端は明白な中央ロ
ーブを有するも、古い先端はこの先端の蒸発により強い
サイドローブを有するようになる（先端に不純物が被着
することにより中央部での放出も抑止される）。ローブ
は古い陰極に対しては高い温度で収縮されることも明ら
かである。

低い温度ではクロスオーバｉは１つではないが、高温度
で１つのくびれに収縮される為、１つのみのスポットが
物体平面上に結像される。この点では角度放出分布での
サイドローブが依然として存在する。くびれ部の寸法は
うエーネルト電極の球面収差によって決まり、従って古
い陰極では放出角が大きい為に大きな立体角を存する大
きなりロスオーバーが、従って低いビーム強度が生じる
。

温度およびアライメント設定アルゴリズムは一次収差論
を用いて説明しうる。

第３図に示すアライメントユニットは２組のコイル１０
を以って構成され、各組は独自のピボット点、この場合
ピボット点４０および４２をそれぞれ有する。チルトア
ライメントコイルはビーム軸をクロスオーバー位置を中
心として傾斜させ、シフトしたピボット点の位置はレン
ズのセツティングを変えることによりビーム軸に沿って
移動する。

新しいフィラメントで開始する場合、低放出値に達した
後の第１工程は物体におけるビーム電流を調査すること
である。この初期調査は、過熱を無くしまた双方のアラ
イメント機能を用いて調査する必要性を無くすために飽
和状態から離れた電子銃および低温度にある陰極を用い
て行なうのが好ましい。双方のアライメト機能を用いて
調査すると、完全な最適状態を見い出すのに必要とする
四次元調査に著しい調査時間がかかる。低い温度および
低い放出電流では放出角が広くなり、傾斜機能は臨界的
でなくなる為、透過ビーム電流４６の分布を意味するし
ぼり４４上でのシフト範囲を走査することによりのみビ
ーム電流を見い出すことができる。

ビーム電流が一旦見い出されると、このビーム電流は、
開始点を規定することのみに用いられる放出電流よりも
飽和処理に関する情報を多く与える。

傾斜およびシフト機能を交互に用いて連続的なアライメ
ントを行なう場合、ビーム電流におけるピークおよび谷
を陰極温度が増大する際に監視する。

数個のレンズに対し１つのみのアライメントユニントを
用いる為、存在するビームのアライメントは唯一ではな
い。最高のアライメントは、ビムができるだけまっすぐ
であり、ビームが種々の素子の軸線と、特に最終レンズ
および偏向コイルの軸線と整列されている場合であるこ
と勿論である。

これを達成するために、ビーム電流を特性曲線の谷の領
域に設定し、サイトローブをパイロットビームとして用
いる。正しいアライメントを達成する場合、サイトロー
ブのビーム電流への影響に平衡がとれており、４フアイ
ルド（ｆｉｌｄ）対称性を規則的とする必要がある。

次に傾斜領域に亘って走査を行なってサイドローブの加
重（重みづけ）影響を平均化することにより、シフト機
能をサイドローブ間の最良の平衡化のためのセツティン
グに収斂させ、シフトおよび傾斜調査を交互に行なうこ
とによりサイドローブの最適主要点を求め、傾斜および
シフトに対する最適状態を得る。

第４図には、アライメントシーケンスにおける３つの工
程を示しである。アライメントは古い劣化した陰極に対
して行なった。この場合、中央のローブが欠けており、
アライメントを達成するのが困難である。

光学列のアライメントが一旦達成されると、温度を特定
値まで高めることができる。この値は過熱を生じないよ
うに適切に特定する必要がある。

スポット寸法を完全に安定化させる必要はないが、ビー
ム電流を安定化させる必要がある場合には、寿命を長く
するために温度を特性曲線の谷に選択するのが適してい
る。ビーム強度を高くし、スポット寸法およびビーム電
流を安定化させるためには、ビーム電流のニーポイント
に達するまで温度を高める必要がある。このニーポイン
トを越えて加熱することにより陰極の寿命を短かくする
だけであり、いかなる利点も得られない。

校正時間は物理的な時定数によって決定される。

陰極温度のセンティングは使用する陰極の熱容量および
必要とする安定度に著しく依存する。フィラメントに被
着されたＬａＢ６結晶は他の調整のための最低の安定度
に達するのにほぼ２時間要し、フォーゲル型マウント６
、すなわちグラファイトブロック間に緊締された結晶は
ほぼ４時間必要とする。

完全な最適状態を探索するためのアライメント時間はコ
イルの自己誘導によって制限され、７〜１０分の校正時
間を要する。次にこのセツティングを最適なものにする
のに、例えばドリフトを補償するのに代表的に１〜５秒
のみ必要とする。

電子銃が一旦セッティングされると、最終的なスポット
寸法はクロスオーバーの寸法、縮小率および収差率のみ
から得られる。

従って、スポット寸法の自動セツティングにはこれらパ
ラメータの正確な測定を含める必要がある。しかし、こ
の場合も、光学列全体に亘ってビームを監視することは
、傍受したビーム電流等を測定する分離アパーチュアの
ような追加の手段を講じることなくしては不可能である
。

従って、ビーム電流や物体面でのスポット寸法およびス
ポット位置に対する、調整すべき素子の影響を監視する
調整アルゴリズムを開発した。これにより物体平面およ
び像平面を決定すると、縮小率およびクロスオーバーの
寸法を計算しうる。

この場合、以下の事象を用いることができる。

すなわち、 ＊　アパーチュアを透過するビーム電流はその前段のレ
ンズの屈折力を最大にした場合に最小となる。

＊　レンズの中心に集束（フォーカシング）させること
により、この集束をこのレンズに依存しないようにする
。

＊　屈折力の大きな投写レンズの後焦平面で結像させる
ことにより、遠い距離にある次のアパーチュアを最大の
ビーム電流が透過するようにする。

＊　クロスオーバーの像の位置における偏向装置は物体
平面における集束ビームの位置に影響を及ぼさない。

第ルンズによる集束がビームブランカの中心にあるかは
、このビームブランカのプレート間の偏向電界を変える
ことにより検査でき、これからズームレンズに対する物
体平面が分る。この物体平面は固定位置にある為、後の
スポットのセツティングに対してはこの物体平面におけ
る実際のクロスオーバーの寸法を知るだけで充分である
。

ズームレンズの第ルンズで第２レンズに集束させること
により最終レンズに対する物体平面を規定する。このセ
ツティングではすべてのレンズを“薄いレンズ”と考え
ることかできる為、縮小率を像平面および物体平面の既
知の位置から容易に計算しうる。

スポット寸法を正確に測定し、収差やマーカエツジ誤差
を補正した後、実際のクロスオーバー寸法を計算しうる
。

重金属マーカエツジ傾斜は、計算した収差誤差と、ビー
ム電流の二乗に比例する種々の縮小率でのスポット測定
値との相関により計算しうる。幾何学的なスポット寸法
自体はこれらの計算中で除去される。

マーカエツジ、スポット寸法およびビーム電流は収差デ
ィスクに依存する。

スポットセツティング用のソフトウェアは、アライメン
トのように、パラメータの時間依存性に応じて区分に分
割する。まず最初に縮小率と、対応するズームレンズの
エキサイチージョンとの表を構成する。これは１〜２時
間要するも、ルーチンの保守中にのみ行なう必要がある
。この表は電子銃のクロスオーバー寸法とアライメント
データとを含みスポット寸法の表を形成するように拡張
する。この拡張は新しい陰極の具現或いは古い陰極の再
始動後に行ない代表的に約１ｏ分要する。最後に、必要
とするスポットのセツティングにスポット寸法表からの
適切な選択とこれに続くフォーカシングに対する校正と
を含ませる。このスポットのセツティングは１分以内で
行なうことができる。１６個までの校正済スポットを表
に記憶でき、書込みジョブによりこの表から２秒以内に
正しいスポットを設定しうる。

その結果の一例としてこのソフトウェアを用いて“′ス
ポット直径を５０ｎｍにセットしろ”という要求を発し
たところ、マシンに依存しないスポット寸法測定を用い
て得られたスポット寸法は４８ｎｍであった。

測定中、必要とする真空状態および結晶純度に関する結
果が早期に確認された。結晶の劣化（ｆａｃｅｔｔｉｎ
ｇ）　は２　・１０−’　トルよりも小さな圧力で５０
０時間後に認められた。これに対し、上述した場合と同
じ温度１５００度および２・１０−”）ルでは１０００
時間後で上述した場合よりも劣化は少なかった。

しかし適切な真空状態であっても、不揮発性の不純物が
、蒸発中表面に残り、これら不純物がコーンの頂部に密
集するおそれがある。

結晶を装着する方法は、ウェーネルトアセンブリにおけ
る先端の調整、注意を要する温度処理、ウェーネルトギ
ャップ（例えばぼり）の状態、つ工−ネルト電極上への
蒸発材料の堆積、フラッジオーバー、（電子）放出領域
の状態、アセンブリの清浄程度等に比べて、安定化、高
ビーム強度化および長寿命化にとってそれ程重要でない
。

ソフトウェアは種々の状況の下で光学列を適切にセット
アツプする。３ケ月以上たった極めて古い陰極の場合で
も、ビーム強度Ｂｒは低いが（５０ＫＶでＢｒ＝２５Ａ
／Ｖ　−ｃ１１トステール）、マシンハ受容仕様を満足
しえた。陰極先端は書込みジョブに必要とするよりも高
い動作を決して行なわないという事実により、４０から
１５への減少ビーム強度の代表値を少なくとも１ケ月保
つことができる。原理的には新たなフィラメントを挿入
した後、ソフトウェアはカスタマの要求に応じてすべて
自動的にマシンを校正し、予め決定したスポット或いは
電流をセツティングし、書込みジョブを開始する。この
ソフトウェアの使用によりターンアラウンドタイムおよ
びアップタイムや一般に使用の適合性を優れたものとし
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、電子ビーム書込み装置の光学列を示す線図、 第２図は、種々の温度で陰極先端から放出される電子ビ
ームの通路を示す線図、 第３図は、マルチプルビームアライメントを示す線図、 第４図は、陰極チップからの放出パターンの像を示す線
図である。 ２・・・三極前電子銃　　４・・・陰極６・・・ウェー
ネルト電極 ８・・・第１陽極　　　　１０・・・アライメントコイ
ル１２・・・ビーム消去システム １４・・・静電ブランカのプレート １８・・・ズームレンズ　　２０・・・固定物体平面２
４・・・ステイグメータ ２６・・・徴集束レンズ　　２８・・・アパーチュア３
０・・・テーブル ３１．３３．３５・・・クロスオーバー点３２・・・物
体　　　　　　３４・・・物体平面ｆ　　続　　袖　　
正　　Ｍ（方式） 平成元年　６月２８日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、帯電粒子ビーム装置であって、この帯電粒子ビーム
   装置が粒子源と、帯電粒子光学系と、物体載置台と、ビ
   ーム流測定手段と、帯電粒子ビーム装置から得られる測
   定データを得る手段と、帯電粒子ビーム装置の関連の帯
   電粒子光学素子への給電をセッティングするのに用いる
   べき制御信号を前記のデータから計算する手段とを具え
   ている当該帯電粒子ビーム装置において、スポット縮小
   率に対する値を信号処理ユニットにおいて帯電粒子ビー
   ム装置の幾何学的特性および光学的特性の双方またはい
   ずれか一方から計算するようにしたことを特徴とする帯
   電粒子ビーム装置。 ２、請求項１に記載の帯電粒子ビーム装置において、ビ
   ーム絞り上で粒子ビームを走査するためのビーム偏向器
   と、ビーム絞りを透過するビーム流を測定するビーム流
   測定手段とが設けられていることを特徴とする帯電粒子
   ビーム装置。 ３、請求項１または２に記載の帯電粒子ビーム装置にお
   いて、信号処理ユニットで走査に依存するビーム流の測
   定から陰極面放出分布を計算するようになっていること
   を特徴とする帯電粒子ビーム装置。 ４、請求項１〜３のいずれか一項に記載の帯電粒子ビー
   ム装置において、陰極放出分布の不均一性を用いてビー
   ムセッティングの最適化を行なうようになっていること
   を特徴とする帯電粒子ビーム装置。