JP2024090094A - 荷電粒子銃、及び荷電粒子ビーム装置 - Google Patents

Abstract

【課題】荷電粒子ビームの量が大きくされたときの、放出荷電粒子量の不安定さや荷電粒子軌道のずれを抑制し得る荷電粒子銃、及び荷電粒子ビーム装置を提供する。
【解決手段】この荷電粒子銃は、荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子ビームを引き出す引出電極を含む電極部と、前記電極部に電圧を導入する電圧導入部と、前記電極部の温度を調整する温度調整部とを備える。前記温度調整部は、前記電極部の状態の変化に基づき、前記電極部の温度を調整するよう構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、荷電粒子銃、及び荷電粒子ビーム装置に関する。

半導体計測・検査装置市場において、ウエハの計測点数や観察面積が増加させる要請が高まっている。特に、極端紫外光を用いたＥＵＶリソグラフィでは、ウエハ全面の観察が必須であり、荷電粒子線装置を利用した検査計測装置では、欠陥や寸法の検査に一般に数日～数十日を要する。したがって、半導体計測・検査装置においては、装置のスループットを向上させると共に、長時間に亘り安定な動作（電流変動１％以下）が求められている。

検査計測装置のスループットの向上と長時間の安定動作の確保のためには、荷電粒子ビームを、大電流でかつ安定して放出することができる荷電粒子ビーム装置が求められる。このため、荷電粒子ビーム装置において、大電流の荷電粒子ビームを長時間に亘り安定的に放出することができる荷電粒子銃（電流変動１％以下）が求められる。このような観点から、特許文献１には、大電流の荷電粒子ビームを安定的に放出するために、引出電極の周辺を予め加熱し、これによって電子衝撃脱離（Electron Stimulated Desorption：以下ＥＳＤ）ガスを防止する技術が開示されている。

しかしながら、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームの量を大きくした場合、高電圧の引出電極や電流量を調節する電極に電子が照射されるため、電極に発熱が生じ、放出される荷電粒子ビームの量が不安定になるという問題がある。さらに、荷電粒子源から電極に向けて放出される荷電粒子ビームの量が変化することにより、発熱量は時々刻々と変化し、電極の熱膨張も時々刻々と変化する。このため、放出される荷電粒子の軌道がずれることが生じ得る。このように、荷電粒子ビームの量が大きくされた場合に、放出される荷電粒子量を安定とし、軌道のズレを抑制することは、従来の技術では容易ではなかった。

特開２０１４-１０７１４３号公報

本開示は、荷電粒子ビームの量が大きくされたときの、放出荷電粒子量の不安定さや荷電粒子軌道のずれを抑制し得る荷電粒子銃、及び荷電粒子ビーム装置を提供するものである。

本開示に係る荷電粒子銃は、荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、前記荷電粒子源から荷電粒子ビームを引き出す引出電極を含む電極部と、前記電極部に電圧を導入する電圧導入部と、前記電極部の温度を調整する温度調整部とを備える。前記温度調整部は、前記電極部の状態の変化に基づき、前記電極部の温度を調整するよう構成される。

本開示によれば、荷電粒子ビームの量が大きくされたときの、放出荷電粒子量の不安定さや荷電粒子軌道のずれを抑制し得る荷電粒子銃、及び荷電粒子ビーム装置を提供することができる。

第１の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す概略図である。 第１の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 引出電極１０２の電流量と印加電圧の積である出力［Ｗ］と、ヒータ１０８の温度との関係を示すテーブルの例を示す。 引出電極１０２と電子源１０１の間の距離ｄを可変した時の電界解析の結果を示すグラフである。 第１の実施の形態の変形例を示す。 第１の実施の形態の変形例を示す。 第１の実施の形態の変形例を示す。 第２の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第３の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第３の実施の形態の変形例の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第４の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第５の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第６の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第７の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第７の実施の形態の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。 第７の実施の形態の電子銃における引出電極１０２と絞り８２０の電圧比率と、電流変化率との関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

以下の実施の形態の説明では、電子ビームを使用した走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）とコンピュータシステムとで構成される荷電粒子ビームシステム（パターン計測システム）に、本開示の荷電粒子銃（電子銃ユニット）を適用した例を示す。しかし、この実施の形態は限定的に解釈されるべきではなく、例えば、ウエハの欠陥検査システム、イオンビーム等の荷電粒子ビームを使用する装置、一般的な観察装置、等に対しても、本開示は適用され得る。

［第１の実施の形態］
図１に、第１の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この例では、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される。測長ＳＥＭ９００は、筐体９２４中において高真空に維持され得る電子銃９０１（荷電粒子銃）を備える。なお、本実施の形態では荷電粒子の例として電子を用いるが、他の荷電粒子を放出する荷電粒子銃についても応用可能である。

測長ＳＥＭ９００は、筐体９２４内に、電子銃９０１に加え、一次電子加速電極９２６、電子レンズ９２７、絞り９２８、走査コイル９２９、電子対物レンズ９３０、二次電子検出器９３２等を備えて構成される。なお、図１では、筐体９２４とその内部構造を横方向から見た断面図で記述している。

高真空に維持された筐体９２４内に保持された電子銃９０１から、荷電粒子として電子が放出されると、放出された電子は、高圧電源９２５により高電圧が印加された一次電子加速電極９２６で加速される。電子ビーム９０６（荷電粒子ビーム）は、収束用の電子レンズ９２７で収束される。その後、電子ビーム９０６のビーム電流量が絞り９２８で調節される。その後、電子ビーム９０６は走査コイル９２９で偏向され、試料であるウエハ９０５（半導体ウエハ）上を二次元的に走査する。

電子対物レンズ９３０は、ウエハ９０５が載置される静電チャック９０７の直上に配置される。電子ビーム９０６が電子対物レンズ９３０で絞られ、焦点合わせがなされ、ウエハ９０５に入射する。一次電子（電子ビーム９０６）が入射した結果ウエハ９０５で発生する二次電子９３１は、二次電子検出器９３２により検出される。検出される二次電子の量は、試料表面の形状を反映するので、二次電子の情報に基づき表面の形状を画像化することができる。

ウエハ９０５は、静電チャック９０７上に一定の平坦度を確保しながら保持されており、Ｘ－Ｙステージ９０４上に固定される。ウエハ９０５は、Ｘ－Ｙステージ９０４が駆動することにより、Ｘ方向及びＹ方向いずれも自由に移動可能であり、ウエハ９０５の表面内の任意の位置を電子ビームにより計測することができるようになっている。

Ｘ－Ｙステージ９０４は、ウエハ搬送用リフト機構９３３を備えている。ウエハ搬送用リフト機構９３３には、上下動作可能な弾性体が組み込まれている。この弾性体を用いて、ウエハ９０５を静電チャック９０７に対して着脱することができる。ウエハ搬送用リフト機構９３３と搬送ロボット９３４との連携動作により、ロード室９３５（予備排気室）との間でウエハ９０５の受け渡しを行うことができる。

測定対象であるウエハ９０５を静電チャック９０７まで搬送する際の動作を以下に説明する。まず、ウエハカセット９３６にセットされたウエハ９０５を、ミニエン９３７（ミニエンバイロメント）の搬送ロボット９３８でロード室９３５に搬入する。ロード室９３５内は、図示しない真空排気系により真空引きおよび大気解放することができる。バルブ（図示無し）の開閉と、搬送ロボット９３４の動作とにより、筐体９２４内の真空度を実用上問題ないレベルに維持しながら、ウエハ９０５を静電チャック９０７上に搬送する。

筐体９２４には、表面電位計９３９が取り付けられている。表面電位計９３９は、プローブ先端から静電チャック９０７またはウエハ９０５までの距離が適切になるように、高さ方向の位置が調節されて固定されており、静電チャック９０７またはウエハ９０５の表面電位を非接触で測定することができるようになっている。

測長ＳＥＭ９００は、電子銃９０１を制御するコンピュータシステム９２０を備えてもよい。上述した測長ＳＥＭ９００の各構成要素は、汎用のコンピュータを用いて実現することができる。各構成要素は、コンピュータ上で実行されるプログラムの機能として実現されてもよい。図１の例では、制御系の構成をコンピュータシステム９２０によって実現する。コンピュータシステム９２０は、少なくとも、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサと、メモリなどの記憶部と、ハードディスク（画像保存部を含む）などの記憶装置とを備える。さらに、例えば、コンピュータシステム９２０をマルチプロセッサシステムとして構成してもよい。そして、筐体９２４内の電子光学系の各構成要素に係る制御をメインプロセッサで実現してもよい。また、Ｘ－Ｙステージ９０４、搬送ロボット９３４、搬送ロボット９３８、および表面電位計９３９に係る制御をサブプロセッサで実現してもよい。また、二次電子検出器９３２によって検出した信号に基づいてＳＥＭ像を生成するための画像処理をサブプロセッサで実現してもよい。

また、コンピュータシステム９２０は、ユーザーが指示等を入力するための入力デバイスと、これらを入力するためのＧＵＩ画面及びＳＥＭ画像などを表示する表示デバイスと、を有したものとすることができる。入力デバイスは、ユーザーによりデータや指示を入力できるものであり、例えばマウス、キーボード、音声入力装置などである。表示デバイスは、例えばディスプレイ装置である。このような入出力デバイス（ユーザーインターフェース）は、データの入力及び表示が可能なタッチパネルであってもよい。

図２は、図１の電子銃９０１の構成例を示す断面図である。この電子銃９０１は、チャンバ１０６内に載置されるショットキ電子源１０１（荷電粒子源）を備える。チャンバ１０６は、その上部にフランジ１０５を有する。フランジ１０５は、チャンバ１０６の上部及び絶縁ガイシ１０４に固定され、絶縁ガイシ１０４とチャンバ１０６との間の空間を封止するよう構成されている。これにより、チャンバ１０６は、複数台のイオンポンプ１１２によって１×１０^－８～１×１０^－９Ｐａの超高真空に排気される。

ショットキ電子源１０１は、熱電子放出と電界放出によって電子を放出する電子源である。ショットキ電子源１０１には、一例として、タングステンヘアピンの先端に取り付けた、＜００１＞結晶方位のタングステン単結晶を用いることができる。単結晶の先端は、直径数百ｎｍに先鋭化し、先端中央には（００１）結晶面が配置され得る。タングステン単結晶の円柱中央部付近には、ジルコニウム拡散供給源が設けられる。ジルコニウム拡散供給源からのジルコニウム原子と酸素原子がタングステン単結晶先端まで表面拡散することによって、タングステン単結晶先端の（００１）面の仕事関数が２．８ｅＶに低下する。この状態で、タングステン単結晶を１６００Ｋ～１９００Ｋ程度に加熱することで、タングステン単結晶先端に電界を与えて電子線１０３を放出させることができる。

電子線１０３は、タングステン単結晶先端の（００１）面からだけではなく、（１００）面からも放出される、これらの４つの面から放出される電子は、サイドエミッションとも呼ばれる。電子源１０１には、熱電子放出を抑制するための、一般にサプレッサと呼ばれる電極が取付けられている。

電子源１０１は、電流電圧端子１１１を用いて絶縁ガイシ１０４に固定される。絶縁ガイシ１０４は、前述の通りフランジ１０５に固定され、フランジ１０５はチャンバ１０６に固定されている。絶縁ガイシ１０４には、引出電極１０２が取り付けられている。引出電極１０２は、例えばステンレス材の円筒形状の電極である。引出電極１０２には、高圧電源１０９から電流電圧端子１１１を介して電圧が印加され、これによって電子源１０１に対して例えば数ｋＶの電圧が印加される。

引出電極１０２の側面には、引出電極１０２の温度を所定の温度範囲に維持するためのヒータ１０８が設置されている。ヒータ１０８は、チャンバ１０６に取り付けられたヒータ信号用端子１１０を通じてコンピュータシステム１０７に接続される。コンピュータシステム１０７からの制御信号が、ヒータ信号用端子１１０を介してヒータ１０８に送信され、ヒータ１０８は、この制御信号に従い、発熱量を変化させることができるよう構成される。コンピュータシステム１０７は、電流電圧端子１１１を通して引出電極１０２にも接続され、引出電極１０２の電流値及び電圧値をモニタリングすることが可能にされている。

電子源１０１から電子線１０３が放出されると、高電圧の引出電極１０２や、電流量を調節する電極（図示せず）に電子線１０３が照射される。この高電圧と大電流により電力が生じ、これらの電極（電極部）が発熱する。この発熱により電極が熱膨張し、電子源１０１先端や周辺にかかる電界が変化するため、放出電子量が不安定化することが生じ得る。なお、本明細書において、引出電極１０２、電流量の調節用の電極、サプレッサ等を一括して「電極部」と称することがある。

コンピュータシステム１０７は、引出電極１０２に流れる電流、及び、引出電極１０２に印加されている電圧に基づき、ヒータ１０８を制御して、引出電極１０２の温度を所定の温度範囲に維持するよう制御する。一例として、コンピュータシステム１０７は、図３に示すようなテーブルを保持しており、このテーブルに従ってヒータ１０８を制御する。このテーブルは、横軸に上述の電流量と印加電圧の積である出力［Ｗ］を表し、縦軸はヒータ１０８の温度を示している。得られた電流量と印加電圧の積を求めることで、ヒータ１０８の目標温度を特定し、ヒータ１０８を制御することができる。ヒータ１０８の温度の制御により、引出電極１０２の温度が所定の温度範囲に収まり、熱膨張による引出電極１０２の変位に伴う、電子源１０１先端やその周辺の電界の変化を抑えることができる。この結果、放出電流の不安定さや電子ビーム軌道のずれを抑制することが可能になる。引出電極１０２の変動温度ΔＴは、引出電極１０２の材質の線膨張係数をα、引出電極の高さをＬ、引出電極１０２と電子源１０１の距離をｄとした場合、ΔＴ≦０．００８ｄ/Ｌα℃以内で一定になるように制御するのが好適である。

図４には、引出電極１０２と電子源１０１の間の距離ｄを可変した時の電界解析の結果を示している。電流変動を１％以下にするためには、引出電極１０２と電子源１０１との間の距離ｄの変化Δｄを０．８％以下にする必要がある。引出電極１０２と電子源１０１の距離ｄの変化を０．８％以内にするためには、引出電極１０２の高さの変化ΔＬが距離ｄに対して０．８％以下である必要がある。これは、温度が変化する引出電極１０２が、電子源１０１を囲う形で配置される必要があることから、高さＬの円筒形状をしているためである。例えば、引出電極１０２にステンレス材（ＳＵＳ材）を用いた場合、ＳＵＳ材の線膨張係数は１６×１０^－６（℃^－１）であることから、Ｌ＝１０（ｍｍ）、ｄ＝０．５（ｍｍ）であった場合、電流変動を１％以下にするためには、引出電極１０２の温度変動を２５℃以内で一定にする必要がある。

ヒータ１０８は、引出電極１０２のなかで、温度勾配が最も大きい場所に配置すると最も効果が得られる。ヒータ１０８には、セラミックヒータや巻き線ヒータを用いることができる。巻き線ヒータを用いることにより、ヒータ１０８に流れる信号電流によって発生する磁場が、放出電子の軌道を曲げることを防ぐことができる。巻線ヒータは、例えばパーマロイなどの高透磁率材料で囲うようにするのが好適である。

引出電極１０２の中で温度勾配が最も大きくなり得る場所は、熱の伝熱方向に垂直で、断面積が小さく、表面積が小さく、かつ、熱源に近いという条件を満たす場所であり得る。例えば、図２に示す引出電極のように、断面積が略均一であり、局所的な表面積も略同一である引出電極では、熱源である電子源１０１に近い場所が、最も温度勾配が大きくなる場所であると考えられる。従って、図２では、電子源１０１に近い位置にヒータ１０８を設置している。

また、変形例として、ヒータ１０８を複数に分割して配置する方法も有効である。図５Ａ、図５Ｂに、ヒータ１０８を分割して配置した場合（Ａ～Ｄ）の構成例を示す。ヒータ１０８を分割することによって、各位置での熱をさらに詳細に制御することが可能となる。さらに、図５Ｂに示すように、引出電極１０２自体も複数部分に分割することで、分割された電極に照射される電流量をモニタリングしつつ、個別に温度調整をすることも可能となる。軸ずれなどによってビーム拡がりが楕円になっている場合には不均一な熱膨張が生じ、ビーム軌道が電子源１０１の中心軸からずれることがあるが、分割型の電極およびヒータを用いることで、より詳細に熱膨張を均一に保つことができ、ビーム軌道のずれ補正が可能となる。

上記の例では、図３に示した引出電極１０２の温度と出力との関係に基づきヒータ１０８を制御することを説明したが、これに代えて、又はこれに加えて、制御テーブルや、モニタリングした電流値等の微分結果に基づきヒータ１０８を制御するようにすることも可能である。

また、引出電極１０２の電流や電圧に代えて、又はこれに加えて、ショットキ電子源１０１のサプレッサ等の他の電極の電流値、電圧値を検出し、その検出結果に応じて、ヒータ１０８の温度を制御してもよい。

以上の第１の実施の形態では、ヒータ１０８を用いて、引出電極１０２を加熱したが、ヒータ１０８は加熱機構に代えて、又はこれに加えて冷却機構を有していても良い。冷却機構の場合は、引出電極１０２の最も温度が高くなる部分の近くに冷却機構を配置するのが好適である。冷却機構の場合においても（加熱機構のみを有する）ヒータ１０８と同様に、熱の伝熱方向に垂直な断面積が小さく、表面積が小さく、かつ、熱源である電子源１０１に近いという条件を満たす場所に冷却機構を配置するのが好適である。図１の測長ＳＥＭ９００において、ヒータ（加熱機構）と冷却機構を同時に使用する構成を採用することも可能であり、全体として電極部の温度が調整可能とされていればよい。例えば、熱耐性が低い部品が組み込まれた場合には、該当部品周辺に冷却装置を配置することが好ましい場合があり得る。

また、別の変形例として、ヒータ１０８による温度の制御を、図５Ｃに示すようなＧＵＩ（Graphical User Interface）画面を用いて実行してもよい。図５Ｃに示すように、ＧＵＩ画面は、一例として、検知された引出電極１０２の印加電圧の値１０２４、引出電極１０２を流れる電流の量１０２５、引出電極１０２の温度の時間微分値（ｄＡ／ｄｔ）１０２６、ヒータ１０８の温度１０２７、動作状態の判定結果（ＯＫ、ＮＧ等）１０２８等を表示するものとすることができる。また、引出電極１０２の温度の変化を示すグラフ１０２０を表示するようにしてもよい。グラフ１０２０は、ヒータ１０８の温度を所定の時間間隔でコンピュータシステム１０７に記録した結果に従ったものとすることができる。

また、引出電極１０２の温度を推定するテーブル１０１９を表示することもできる。そして、このテーブル１０１９を微調整するために、電力量と電極温度の関係を示すテーブルの傾き１０２１と切片（シフト量）１０２２をＧＵＩ画面上で入力することも可能である。入力は、例えばコンピュータシステム９２０に設けられたマウスやキーボード等の入力デバイスにより行うことができる。

また、引出電極１０２の温度の時間微分値１０２６がある閾値を超えた場合等において、電子源の放出電流が不安定であることを警告する警告表示１０２３をＧＵＩ画面上に表示することもできる。微分値のみならず、例えば、規定された時間内に一定回数以上の温度制御があった場合にも、警告表示１０２３を出して、ユーザーへ電子銃９０１の状態が不安定なことを知らせることができる。これにより、電子銃の状態が不安定なまま半導体パターンの検査や測長を行い、後工程にてエラーがでることを防ぐことができる。

［第２の実施の形態］
次に、図６を参照して、第２の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第２の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第２の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図６に示すように、この第２の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

この第２の実施の形態の電子銃９０１では、引出電極１０２は、引出電極１０２に電圧を導入するための電圧導入電極３１２にネジ３１３等により固定されて、電圧導入電極３１２と電気的に接続されている。電圧導入電極３１２は、絶縁ガイシ１０４の下端に固定されており、電流電圧端子１１１に接続されて、高圧電源１０９から高電圧を印加される。すなわち、この第２の実施の形態では、引出電極１０２は、電流電圧端子１１１及び電圧導入電極３１２を介して高電圧を印加される構造を有している。

このように、この第２の実施の形態では、引出電極１０２は、電流電圧端子１１１との間に電圧導入電極３１２を有しており、いわば、電圧の印加部が、引出電極１０２及び電圧導入電極３１２に分割された構造とされている。このような分割構造が採用されることで、部品の製作や、組立てを容易にすることができる。

引出電極１０２には、高圧電源１０９から引出電圧が印加される。引出電極１０２と電圧導入電極３１２とは、ネジ３１３で固定されており、両者間の接触面積は小さくされている。このため、引出電極１０２の温度が高くなりやすく、熱膨張しやすい。これを解決するため、この第２の実施の形態では、引出電極１０２を保持する電圧導入電極３１２にヒータ１０８が設置されている。これにより、電圧導入電極３１２が加熱され、引出電極１０２と電圧導入電極３１２の温度差を小さくするよう温度制御することができる。

この第２の実施の形態においても、ヒータ１０８は、引出電極１０２及び電圧導入電極３１２の中で、温度勾配が最も大きい場所に配置することが好適である。例えば、引出電極１０２及び電圧導入電極３１２を接続するネジ３１３の近傍や、電極の材質が変化する境界などの近くに配置することが好適である。ヒータ１０８は、第１の実施の形態と同様に、チャンバ１０６に取り付けられた端子１１０を介してコンピュータシステム１０７に接続される。コンピュータシステム１０７は、引出電極１０２を保持する電圧導入電極３１２にも図示しない電流／電圧検知用配線により接続され、電圧導入電極３１２の電流値及び電圧値をモニタリングすることができる。

この第２の実施の形態の測長ＳＥＭ９００では、電子源１０１から電子を放出させている間において、引出電極１０２及び電圧導入電極３１２に流れる電流、及び、引出電極１０２に印加されている電圧値により引出電極１０２が膨張し、位置ズレが生じることがあり得る。そこで、例えば図３のように、引出電極１０２の温度と、電流及び電圧値の積との関係を予め求めておき、この関係に基づいて、得られた電流値及び電圧値に基づいて、ヒータ１０８温度を制御する。ヒータ１０８の温度制御により、引出電極１０２と電圧導入電極３１２の間の温度差を小さくすることができ、これにより、熱膨張による引出電極１０２の変位を抑制することができる。更に、電子源１０１先端やその周辺の電界の変化を抑えることができ、放出電流の不安定さや電子ビーム軌道のずれを抑制することができる。

［第３の実施の形態］
次に、図７Ａを参照して、第３の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第３の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第３の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図７Ａに示すように、この第３の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

図７Ａに示すように、第３の実施の形態の電子銃９０１は、ヒータ１０８を直接引出電極１０２に接触させない構造とされている点で、前述の実施の形態と異なっている。具体的には、ヒータ１０８は、チャンバ１０６の内壁であって、引出電極１０２に非接触で近接して設けられたヒータホルダ４１４（温度調整部保持部）に搭載されている。ヒータ１０８は、引出電極１０２を含む各種電極には直接接触せず（非接触であり）、チャンバ１０６の内壁に固定されたヒータホルダ４１４に搭載される。ヒータ１０８は、前述の実施の形態と同様に、巻き線ヒータを用いたものとすることができる。

ヒータ１０８の巻き線ヒータに電流を流れることによって、磁場が発生し、電子源１０１から放出される電子ビームの軌道を曲げる可能性がある。このため、ヒータホルダ４１４には、パーマロイなどの透磁率の高い金属部材を用いるのが好適である。また、チャンバ１０６の温度が上昇するのを防止するため、ヒータホルダ４１４とチャンバ１０６の間には、断熱材を介在させることもできる。

図７Ｂに、第３の実施の形態の変形例に係る電子銃９０１を示す。この変形例は、チャンバ１０６の内壁から引出電極１０２の下方に延びる平板形状のヒータホルダ４１４を備えており、このヒータホルダ４１４の表面に、ヒータ１０８が、引出電極１０２と直接接触せずに配置されている。この変形例でも、ヒータ１０８と引出電極１０２との間に断熱材を介在させてもよい。

［第４の実施の形態］
次に、図８を参照して、第４の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第４の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第４の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図８に示すように、この第４の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

この第５の実施の形態の電子銃９０１は、引出電極１０２の温度計測を、サーモカメラ５１５で行うよう構成されている点で、前述の実施の形態と異なっている。チャンバ１０６に引出電極１０２を外部から観察するためのビューポート５１６が取付けられている。このビューポート５１６の後方にサーモカメラ５１５が設置され、ビューポート５１６を介して引出電極１０２を光学的に撮像し、引出電極１０２の温度を監視することができる。例えば、サーモカメラ５１５は、引出電極１０２の温度分布を光学的に検出するための装置の一例であり、これに限定されるものではない。例えば、サーモカメラに代えて、通常の光検出器等を用いてもよい。

［第５の実施の形態］
次に、図９を参照して、第５の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第５の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第５の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図９に示すように、この第５の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

図９に示すように、第５の実施の形態の電子銃９０１は、引出電極１０２の一部、例えば底面に接続された歪みゲージ６１７を備えている。この歪みゲージ６１７により、電子線１０３の照射に起因する引出電極１０２の歪み量を計測し、歪みが一定となるようにヒータ１０８の温度を制御することができる。歪みゲージ６１７の計測結果に加えて、前述の実施の形態と同様に、引出電極１０２の電流や電圧を併せて計測し、ヒータ１０８の温度の制御に利用することも可能である。

［第６の実施の形態］
図１０を参照して、第６の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第６の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第６の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図１０に示すように、この第６の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

図１０（ａ）に示すように、この第６の実施の形態の電子銃９０１の横方向から見た形状は、第２の実施の形態と略同一であるが、図１０（ｂ）、（ｃ）に示すように、引出電極１０２の底面の形状が第２の実施の形態とは異なっている。ショットキ電子源１０１の先端部分７１８は、拡大図である図１０（ｃ）に示すように、八角形の形状を有している。この八角形の八面のうちの四つの面から電子が放出される。これらの４つの面から放出される電子は、サイドエミッション７１９とも呼ばれる。電子源１０１から放出される電子線のうち、引出電極１０２に照射されるのは、このサイドエミッション７１９が主である。よって、第６の実施の形態では、このサイドエミッション７１９が到達する引出電極１０２の部分Ａｈｐ（図１０（ｂ））を、他の部分に比べ熱伝導率が高くなるよう構成している。これにより、引出電極１０２の温度を均一に保つことが容易になる。

一例として、部分Ａｈｐにおいて、引出電極１０２の他の部分よりも熱伝導率が高い金属膜を形成することができる。一例として、引出電極１０２がステンレス鋼で構成されている場合、部分Ａｈｐの金属膜を、例えばアルミニウム合金とすることができる。または、この部分Ａｈｐに穴又は切り欠きを形成することで、熱伝導率を他の部分に比べ高くすることも可能である。穴を設けることによって、引出電極１０２付近のコンダクタンスが大きくなるので、効率的に真空排気が可能となり、より電子の放出を安定化することができる。

［第７の実施の形態］
図１１を参照して、第７の実施の形態に係る荷電粒子ビームシステムの構成例を示す。この第７の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、荷電粒子ビームシステムは測長ＳＥＭ９００として構成される場合を例として説明する。第７の実施の形態の測長ＳＥＭ９００の全体構成は第１の実施の形態（図１）と同一で良いので、重複する説明は省略する。図１１に示すように、この第７の実施の形態は、電子銃９０１の構成が第１の実施の形態と異なっている。

この第７の実施の形態の電子銃９０１は、引出電極１０２の下方に絞り８２０を備えている。この絞り８２０は、不要なサイドエミッションが試料（ウエハ９０５等）に到達しないようにするものである。絞り８２０が設けられることにより、引出電極１０２の穴径が大きくされたとしても、不要な電子線が試料に到達することを抑止することができる。引出電極１０２の穴径を大きくすることができるので、引出電極１０２に照射される電子線の量が小さくなり、引出電極１０２の温度上昇を抑えることができる。

なお、引出電極１０２の穴径が大きくなると、電子源１０１先端に印加される電界が小さくなる。このため、同じ電流量を得るためには、引出電極１０２に印加する電圧を大きくしなければならない。この時、絞り８２０で反射した電子が引出電極１０２に当たらないようにするとよい。

引出電極１０２に電子線が当たらないように電子ビームを成形した場合、サイドエミッションはエネルギーのばらつきが大きく、得られる電子ビームは、フレアなどを含んだ質の悪い電子ビームとなる。このため、サイドエミッションは、試料に到達する前にカットする必要がある。ただし、電子源１０１から離れた位置に絞り８２０を配置して電子線をカットした場合、電子ビームは放射状に広がっていることから、絞り８２０の穴径が引出電極１０２の穴径と同じだった場合、電子ビームの中心軸付近のごく一部の電子ビームしか試料に到達させることができなくなり、高スループットで試料を観察することは困難となってしまう。

一方で、絞りの穴径を大きくした場合には、コンダクタンスが良くなるので、電子銃下流のガスが吹き上がりにより、電子源１０１付近の圧力が高くなってしまい、電流が安定しないことに加え、電子源１０１から絞り８２０までの距離を長くしなければならず、装置の大型化につながる。

上記の問題の解消のためには、絞り８２０の穴部の穴径を前記引出電極１０２の穴の穴径よりも小さくしつつ、絞り８２０を引出電極１０２に近付けて配置することが好適である。絞り８２０と引出電極１０２の電位差が大きい場合には、引出電極１０２と絞り８２０の間で放電が起きるため、電子源１０１が破損する場合がある。したがって、図１３に示すように、引出電極１０２の電圧と同一か、又は±１０％以下の差異（比率１±０．１以内）を有する電圧を絞り８２０に印加し、放電を防ぎつつ電子ビームを形成することが好適である。

上記の構成の場合、絞り８２０の温度が高くなり、輻射によって引出電極１０２も加熱されるため、図１１に示すように、絞り８２０にヒータ１０８を搭載し、絞り８２０の温度を調整することが好適である。ヒータ１０８は、引出電極１０２とは非接触に配置が可能であり、温度調節機構の配置の自由度が高くなる。したがって、他の実施の形態よりも効率の良い温度調整が可能であり、環境負荷を小さくすることができる。なお、ヒータ１０８を、絞り８２０に搭載することに代えて、前述の実施の形態と同様に、引出電極１０２に搭載することも可能である（図１２参照）。

上記のように、絞り８２０への印加電圧の、引出電極１０２の印加電圧に対する比率を１±０．１（±１０％以下）としているのは、電子線の安定化のためである。引出電極１０２の直下に絞り８２０を配置し、電圧を印加すると、絞り８２０により静電レンズが形成される。この静電レンズにより電子線のビーム軌道が変化してしまい、試料に照射されるプローブ電流の制御が困難になってしまう。図１３には、絞り８２０を配置し、引出電極１０２の印加電圧と絞り８２０の印加電圧との電圧比を横軸にプロットした際の電流変動率を示す。図１３より引出電極１０２と絞り８２０の電圧比率が１±０．１の場合には、プローブ電流の変化率が０％付近であることがわかる。したがって、電子線のビーム軌道の変化が小さく、プローブ電流を安定に保つことができる絞り８２０の電圧は、引出電極１０２の印加電圧との比率が１±０．１となるような電圧とするのが好適である。電圧比率が０．１以上となった場合にはプローブ電流の変化率は二次曲線的に増加していくため、放電のリスクが高くなりつつ、本来の電流量とは異なる電流量での制御となり、正確な検査や観察結果が得られない。

また、このような電圧比率とすることにより、フィードバックをなくすことも可能であるため、制御性の観点からもメリットが大きい。フィードバックをなくす例としては、電子ビーム照射によって発生する電力よりも高い電力にて絞りを加熱、もしくは、冷却し、絞り８２０の温度変化をなくすことが挙げられる。本実施の形態は、図４の実施の形態と組み合わせて用いてもよい。

本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０１…電子源、 １０２…引出電極、 １０３…電子線、 １０４…絶縁ガイシ、 １０５…フランジ、 １０６…チャンバ、 １０７…コンピュータシステム、 １０８…ヒータ、 １０９…高圧電源、 １１０…ヒータ信号用端子、 １１１…電流電圧端子、 １１２…イオンポンプ、 ３１２…電圧導入電極、 ３１３…ネジ、 ４１４…ヒータホルダ、 ５１５…サーモカメラ、 ５１６…ビューポート、 ６１７…歪みゲージ、 ７１８…電子源先端、 ７１９…サイドエミッション、 ８２０…絞り、 ９００…測長ＳＥＭ、 ９０１…電子銃、 ９０４…Ｘ－Ｙステージ、 ９０５…ウエハ、 ９０６…電子ビーム、 ９０７…静電チャック、 ９２０…コンピュータシステム、 ９２４…筐体
９２５…高圧電源、 ９２６…一次電子加速電極、 ９２７…電子レンズ、 ９２８…絞り、 ９２９…走査コイル、 ９３０…電子対物レンズ、 ９３１…二次電子、 ９３２…二次電子検出器、 ９３３…ウエハ搬送用リフト機構、 ９３４…搬送ロボット、 ９３５…ロード室、 ９３６…ウエハカセット、 ９３７…ミニエン、 ９３８…搬送ロボット、 ９３９…表面電位計。

Claims (11)

1. 荷電粒子を発生させる荷電粒子源と、
   前記荷電粒子源から荷電粒子ビームを引き出す引出電極を含む電極部と、
   前記電極部に電圧を導入する電圧導入部と、
   前記電極部の温度を調整する温度調整部と
   を備え、
   前記温度調整部は、前記電極部の状態の変化に基づき、前記電極部の温度を調整するよう構成された
   ことを特徴とする荷電粒子銃。
2. 前記温度調整部は、前記電極部の電流及び電圧に基づき、前記電極部の温度を調整する、請求項１に記載の荷電粒子銃。
3. 前記温度調整部は、前記電極部の電流及び電圧と、前記電極部の温度との関係を予めテーブルとして取得し、得られた前記電極部の電流及び電圧に従い、前記電極部の温度を推定して、前記電極部の温度を調整する、請求項２に記載の荷電粒子銃。
4. 前記引出電極は複数の分割電極を備え、
   前記温度調整部は、前記複数の分割電極の各々に接続される温度調整部を含む、請求項１に記載の荷電粒子銃。
5. 前記電極部は、前記引出電極と、前記引出電極に電圧を導入するために前記引出電極に接続される電圧導入電極とを含み、
   前記温度調整部は、前記電圧導入電極に接続される、請求項１に記載の荷電粒子銃。
6. 前記引出電極の周囲に配置され、前記温度調整部を保持する温度調整部保持部を更に備え、
   前記温度調整部は、前記引出電極と非接触な状態で前記温度調整部保持部に配置される、請求項１に記載の荷電粒子銃。
7. 前記温度調整部は、前記電極部の温度分布を光学的に検出するための検出部を備え、
   前記検出部の検出結果に従い、前記電極部の温度を調整する、請求項１に記載の荷電粒子銃。
8. 前記引出電極の歪み量を計測する歪みゲージを更に備え、
   前記温度調整部は、前記歪み量に従って、前記引出電極の温度を調整する、請求項１に記載の荷電粒子銃。
9. 前記引出電極の下方に配置される絞りを更に備え、
   前記絞りの穴の穴径は、前記引出電極の穴の穴径よりも小さくされている、請求項１に記載の荷電粒子銃。
10. 前記絞りに印加される第１電圧と、前記引出電極に印加される第２電圧との比率は１±０．１の範囲に設定される、請求項９に記載の荷電粒子銃。
11. 請求項１～１０のいずれか１項に記載の荷電粒子銃を備えた、荷電粒子ビーム装置。

Images