JP2008010269A - 低真空電子光学系画像生成装置および低真空電子光学系画像生成方法 - Google Patents

Abstract

【目的】本発明は、低真空電子光学系画像生成装置および低真空電子光学系画像生成方法に関し、試料の近傍を低真空にして当該試料への電子線ビームの照射によるチャージを中和および汚染の発生を低減する共に、高真空側に配置した高検出効率の２次電子検出器で高Ｓ／Ｎ比で検出し良質な画像を生成し、測長対象の測長精度を大幅に向上させることを目的とする。
【構成】低真空に保持して試料を試料移動台上に配置すると共に試料を前記ビームを細く絞る対物レンズの磁界あるいは対物レンズから漏洩した磁界の中に配置した構造を持つ試料室と、ビームを試料に照射しつつ平面走査したときに放出された２次電子を磁界の軸中心の近傍を２次電子検出器の方向に向かって通過する部分に配置する、低真空側と高真空側との間に設けた小さな絞りと、絞りを通過した高真空側に配置した２次電子検出器とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子光学系で生成したビームを低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査して画像を生成する低真空電子光学系画像生成装置および低真空電子光学系画像生成方法に関するものである。

従来、電子光学系を有する例えば走査型電子顕微鏡を用いてマスクやＬＳＩ上の微細なパターンの寸法を測長する場合、細く絞った電子線ビームをパターンに照射しつつ平面走査してそのときに発生した２次電子や反射電子を検出器（２次電子検出器、反射電子検出器）で検出して増幅しメモリに当該画像（２次電子画像、反射電子画像）を格納したり、表示装置上に表示したりした後、画像上のパターンを測長している。

この際、電子線ビームが荷電粒子線であるためパターンの存在する試料室内の残留ガスによって汚染が発生して当該パターンの寸法が時間や測長回数に従い肥大したり、ホールの場合には穴が小さくなったりする現象が知られている。

また、パターンが非絶縁性のマスク上に生成などされた場合や、パターンに非絶縁性の汚染が発生したりするとチャージアップ現象が発生し、パターンの測長時に誤差（３σ、特に、再現性誤差）が大きくなってしまうので、紫外線などを照射してチャージを中和することが行われている。

しかし、上述したマスク上に生成されたパターンである測長対象に対して、電子線ビームを照射しつつ平面走査したことで当該測長対象に汚染が発生すると共にチャージが発生し、これらの影響を低減するために紫外線を照射してチャージを除去したとしても充分な汚染を防止できないという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するため、パターンなどの測長対象を生成した試料を配置する試料室の真空を低真空にしかつ対物レンズの磁界あるいは漏洩した磁界中に当該試料を配置して対物レンズの軸上に小さな絞りを配置して当該小さな絞りを通過した部分を高真空に排気および高検出効率の２次電子検出器を配置するようにしている。

本発明は、パターンなどの測長対象を生成した試料を配置する試料室の真空を低真空にしかつ対物レンズの磁界あるいは漏洩した磁界中に当該試料を配置して対物レンズの軸上に小さな絞りを配置して当該小さな絞りを通過した部分を高真空に排気および高検出効率の２次電子検出器を配置することにより、試料の近傍を低真空にして当該試料への電子線ビームの照射によるチャージを中和および汚染の発生を低減する共に、試料から放出された２次電子を対物レンズの磁界あるいは漏洩した磁界の軸上を螺旋状に小さな絞りを通過させて高真空側に誘導し当該高真空側に配置した高検出効率の２次電子検出器で高Ｓ／Ｎ比で検出し良質な画像を生成し、測長対象の測長精度を大幅に向上させることが可能となる。

本発明は、試料の近傍を低真空にして当該試料への電子線ビームの照射によるチャージを中和および汚染の発生を低減する共に、試料から放出された２次電子を対物レンズの磁界あるいは漏洩した磁界の軸上を螺旋状に小さな絞りを通過させて高真空側に誘導し当該高真空側に配置した高検出効率の２次電子検出器で高Ｓ／Ｎ比で検出し良質な画像を生成し、測長対象の測長精度を大幅に向上させることを実現した。

図１は、本発明のシステム構造図を示す。
図１において、電子銃１は、電子線ビームを発生して放出する公知のものである。

コンデンサレンズ２は、電子銃１から放出された電子線ビームを集束する公知のものである。

対物レンズ３は、コンデンサレンズ２で集束された電子線ビームを、試料であるマスク５の上に細く絞るものであって、ここでは、当該対物レンズ２の磁界がマスク５の上まで及んでいるものである。これにより、マスク５の上に細く絞った電子線ビームを照射しつつ平面走査したときに当該マスク５から放出された２次電子が、当該対物レンズ３の磁界あるいは当該対物レンズ３から漏洩した磁界により軸上を螺旋を描きなら、ここでは、上方向に細い絞り２１を通過して２次電子検出器４の前部あるいは前方のリングに印加した直流の正の高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）に高効率に吸引され、更に、２次電子検出器４の検出面に衝突してロスなく、マスク５から放出された２次電子をほぼ全量を集束して検出・増幅することが可能となる。この際、試料室１０は、低真空に保持するため、２次電子検出器４に印加する高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）を印加が困難であるが、絞り２１を通過した上部では高真空に保持されるために、充分な高電圧を印加し、２次電子検出器４で高効率に２次電子を検出・増幅することが可能となる。また、対物レンズ３の内側には、図示外の公知の２段偏向系を設け、当該２段偏向系で細く絞った電子線ビームをマスク５上に照射しつつ平面走査する。

２次電子検出器４は、前部あるいは前方に正の直流の高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）を印加し、マスク５から放出された２次電子を吸引して前部の検出面に衝突させ、検出・増幅するものであって、ＭＣＰ（マルチチャンネルプレート）、シンチレータなどである。２次電子検出器４に印加する高電圧（数ＫＶから十数ＫＶあるいは更に高電圧）は、試料室１０に当該２次電子検出器４を配置した場合には印加困難である。その理由は、低真空の試料室１０に配置すると、当該低真空により高電圧が放電したり、更に、放電はしないまでも、電子線ビームを照射しつつ平面走査したときにマスク５から放出された２次電子を当該高電圧により加速したことで試料室１０内の残留気体が当該加速された２次電子によりイオン化（正、負のイオン）され、当該イオン（特に負イオン）が２次電子検出器、特にＭＣＰの検出面に衝突して当該検出面を劣化させてしまい、極めて寿命が短くなってしまうという深刻な問題が発生している。本願発明は、この深刻な問題を解決するため、試料室１０は低真空にするが、マスク５から放出された２次電子を、対物レンズ３の磁界あるいは対物レンズ３の漏洩磁界を有効活用して高効率に絞り２１を通過して高真空側に引き出した２次電子を充分な高電圧で加速し、２次電子検出器４（特にＭＣＰ）に衝突させて検出することで、高効率かつ高Ｓ／Ｎ比で２次電子を検出・増幅可能に工夫している。

試料室１０は、低真空（例えば１０−２〜３０パスカル）に保持し、かつステージ６上に試料であるマスク５を配置して任意の個所に移動させるものであって、図示外のレーザ干渉計（Ｘ方向とＹ方向）により極めて高精度に位置制御している。試料室１０内の低真空は、試料室１０に連結（あるいは挿入）した図示外の真空測定器で測定している。

ノズル７は、ガス源９からバルブ８を経由して所定のガス（例えば乾燥空気、酸素、窒素、不活性ガスなど）をマスク５の、電子線ビームを照射しつつ平面走査する部分に吹き付けるものである。これにより、電子線ビームを照射しつつ平面走査するマスク５の部分は、常にクリーンな（新しい）ガスが吹き付けられ、汚染の原因となる物質が電子線ビームを照射しつつ平面走査する部分に混入する割合を決めて低減し、汚染（コンタミ）の発生を防止している。試料室１０内の低真空は、バルブ８の開閉度合いを制御し、所定の低真空（１０−２〜３０パスカルの範囲の所定の低真空）に保持している（図２から図５参照）。

絞り２１，２２，２３は、試料室１０と対物レンズ３の部分、対物レンズ３の部分とコンデンサレンズ２の部分、コンデンサレンズ２の部分と電子銃１の部分との間にそれぞれ設けた小さな絞りであって、ポンプ１１、１２，１３でそれぞれ図示のように真空排気（差動真空排気）するためのものである。ここでは、
・試料室１０は、１０−２〜３０パスカル（バルブ８で低真空を調整）
・対物レンズ３の部分は、１０−２パスカル
・コンデンサレンズ２の部分は、１０−４パスカル
・電子銃１の部分は、１０−６パスカル
程度にそれぞれ保持するように、ポンプ１１，１２，１３で図示のように差動排気している。

ポンプ１１は、オイルフリーのポンプであって、例えば公知のスパッタイオンポンプ（ＳＩＰ１，２，３）である。

ポンプ１２は、オイルフリーのポンプであって、例えば公知のターボモレキュラーポンプ（ＴＭＰ）である。

ポンプ１３は、ドライポンプである。
次に、図２のフローチャートの順番に従い、図１の構造のもとでその動作を詳細に説明する。

図２は、本発明の動作説明フローチャートを示す。
図２において、Ｓ１は、試料を入れる。これは、図１の試料室１０内のステージ６に測長対象の試料であるマスク５を入れる（例えば図示外の予備排気室にロボットによって搬送したマスク５を真空排気した後、当該予備排気室と試料室１０との間の弁を開き、当該マスク５を搬送してステージ６の所定位置に固定した後、弁を閉にする。

Ｓ２は、ガス圧を０．５〜３０Ｐａに調整する。これは、Ｓ１でマスク５をセットし、図１のポンプ１２，１３が連続して試料室１０を真空排気している状態で、当該試料室１０の真空を測定し、バルブ８の開閉度合いを制御して０．５〜３０Ｐａ（パスカル）範囲内の所定（デフォルトあるいは前回の観察時に調整した値）の低真空に調整する。

Ｓ３は、ビーム照射する。これは、Ｓ２で試料室１０内を所定の低真空に調整した状態で、電子銃１から電子線ビームを発生させ、マスク５の上に細く絞った電子線ビームを照射しつつ平面走査する。

Ｓ４は、画像を表示する。これは、Ｓ３でビーム照射し、マスク５から放出された２次電子を対物レンズ３の内側の高真空側に配置した２次電子検出器４で検出・増幅し、図示外の表示装置の画面上に画像（２次電子画像）を表示する。

Ｓ５は、画像の確認を行う。これは、Ｓ４で表示された画像の確認（ここでは、画像中のパターンのチャージの有無、分解能の良否、汚染の度合いなどの確認）を行う。

Ｓ６は、ＯＫか判別する。ＹＥＳの場合には、Ｓ７に進む。ＮＯの場合には、Ｓ９に進む。

Ｓ９は、Ｓ６のＮＯで、画像の確認として、ここでは、ＮＯとなったものが、チャージか分解能（あるいは汚染（後述する））か判別する。チャージの場合（Ｓ５の画像の確認で、画像中のパターンにチャージがありの場合）には、ガス圧を上げる（即ち、図１のバルブ８を調整し試料室１０の低真空のガス圧を所定量上げてチャージが減少するように調整し、Ｓ２に戻り繰り返す。一方、分解能の場合（Ｓ５の画像の確認で、画像中のパターンの分解能が悪い場合）には、ガス圧を下げる（即ち、図１のバルブ８を調整し試料室１０の低真空のガス圧を所定量下げて分解能が良くなるように調整し、Ｓ２に戻り繰り返す。

以上のＳ２からＳ６を繰り返し、図１の試料室１０内にセットしたマスク５の画像を表示し、当該画像中のパターンについてチャージしているときは試料室１０の圧力を所定量上げることを繰り返してチャージがなくなる（所定量以下になる）ように低真空を調整し、一方、当該画像中のパターンについて分解能が悪いとき（所定分解能以下のとき）は試料室１０の圧力を所定量下げることを繰り返して分解能が良くなる（所定分解能以上になる）ように低真空を調整することにより、最適な低真空に調整し、高Ｓ／Ｎ比かつパターン測長を繰り返したときの再現精度（例えば３σ）を良好に調整することが可能となる（図３から図５を用いて後述する）。

Ｓ７は、画像を所得する。
Ｓ８は、測長する。これらＳ７、Ｓ８は、Ｓ６のＯＫで試料室１０内の低真空を最適に調整完了したので（Ｓ２からＳ６）、マスク５の画像をメモリに格納し、ＣＡＤデータと比較して該当パターンの測長を行う。

尚、図２では、画像中のパターンのチャージの有無、および分解能の良否で低真空を上げたり、下げたりして最適な低真空に調整したが、これに限られることなく、更に、画像中のパターンの汚染（パターンの幅が時間（測長回数）に伴い太くなる、ホールの穴径が時間（測長回数）に伴い小さくなる）による影響で、時間（測長回数）の経過に従い同じパターンを測定したときの値が変動したときは、更に、バルブ８を調整して当該汚染によるパターンの時間に伴う変動を所定量以下に減らす（例えばガス圧を上げて汚染量を所定量以下に減少）させるように試料室１０の低真空を調整するようにしてもよい。

図３は、本発明のチャージの中和メカニズム説明図を示す。
図３の（ａ）は、高真空の場合を示す。試料室１０内が高真空の場合には、電子線ビームがマスク５に照射する際に、試料室１０内の残留分子に衝突してイオン（正）にする割合が極めて少なく、マスク５の上に照射した電子線ビームによる電子の方が多く、図示のように、非導電性の水晶のマスク５の上に電子がたまり、チャージ現象が発生してしまう。図示の状態で、２次電子像を取得して表示すると、画像中のパターンの寸法が太くなったり、画像のコントラストが低下したりし、正確に測長不可となる（特に測長再現性が悪くなる）。

図３の（ｂ）は、低真空の場合を示す。試料室１０内が低真空の場合には、電子線ビームがマスク５に照射する際に、試料室１０内の残留分子に衝突してイオン（正）にする割合が充分に多く、マスク５の上に照射した電子線ビームによる電子との割合をほぼ等しくし、図示のように、非導電性の水晶のマスク５の上の電子と中和し、チャージ現象を抑止できる（既述した図２のＳ９のチャージの時はガス圧を上げて当該チャージを抑止できる）。図示の状態で、２次電子像を取得して表示すると、画像中のパターンの寸法が正確かつ繰り返し測長してもほぼ同じ寸法で測長可能となる。

図４は、本発明の説明図を示す。
図４の（ａ）は、繰返再現性の例を示す。

・左側の（ａ−１），（ａ−２）は、従来の高真空（ここでは、３．７Ｅー０４（３．７×１０−４パスカル）の場合の例を示す（図３の（ａ）の高真空に相当する例を示す）。そして、上側のグラフは、時間（測定回数）の経過を含めたパターンの測長値の分散（公知の３σ）を縦軸として表す。下側のグラフは、時間（測長回数）の経過に伴う変動を無しに（キャンセル）したときのパターンの測長値の分散（公知の３σ）を縦軸として表す。また、４本のグラフは、４種類のパターンの測長の違いによるものを表す（図５で後述する）。

・右側の（ａ−３）、（ａ−４）は、本願発明の低真空（ここでは、４．５パスカル）の場合の例を示す（図３の（ｂ）の低真空に相当する例を示す）。そして、上側のグラフは、時間（測定回数）の経過を含めたパターンの測長値の分散（公知の３σ）を縦軸として表す。下側のグラフは、時間（測長回数）の経過に伴う変動を無しに（キャンセル）したときのパターンの測長値の分散（公知の３σ）を縦軸として表す。また、４本のグラフは、４種類のパターンの測長の違いによるものを表す（図５で後述する）。

以上の従来（高真空）と本願発明（低真空）とを比較すると、従来の（ａ−１）から本願発明の（ａ−３）にしたときに繰返再現性が大幅に改善し、従来の（ａ−２）から本願発明の（ａ−４）の時間（測長回数）の経過に伴う変動を無しにしたときにはほぼ同じであることが判明した。即ち、時間（測長回数）の経過に伴う繰返再現性を、本願発明の図１の構造のもとで試料室１０を低真空に保持するときに大幅に向上できることが判明した。

図４の（ｂ）は、従来の繰返測定例を示す。これは、既述した図４の従来の（ａ−１）の繰返再現性の測定例を模式的に示す。ここでは、パターンの端面の汚染（コンタミネーション）が時間の経過に伴い増加し、測定再現精度（３σ）が大きくなる様子を模式的に示す。この例では、従来の高真空の場合には、１０回の測定で、図示のように、約０．０４ｎｍづつ再現精度の劣化が生じた。本願発明では、試料室１０内のマスク５に新生なガスを吹き付けて当該汚染を低減することが可能となる（合わせて、パターンのチャージも低減することが可能となる）。

図５は、本発明の説明図（図４）を示す。これは、既述した図４の（ａ−１）から（ａ−４）中の棒グラフの測定例をそれぞれ示す。

図５の（ａ），（ｂ）は、ＤＥＮＳ ＬＩＮＥ測定、ＤＥＮＳ ＳＰＡＣＥ測定を模式的に示す。図５の（ａ）は石英基板（マスク５）の上にクロム（又はモリブデンシリサイド）のパターンを生成した様子を示す。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）のパターンの部分（クロムの部分）の幅を測長したものがＤＥＮＳ ＬＩＮＥ測定であり、スペースの部分（クロムの無い部分）の幅を測長したものがＤＥＮＳ ＳＰＡＣＥ測定である。

図５の（ｃ）と（ｄ）、（ｅ）と（ｆ）は、ＩＳＯ ＳＰＡＣＥ測定とＩＳＯ ＬＩＮＥ測定を模式的にそれぞれ示す。

・図５の（ｃ）は石英基板（マスク５）の上にクロム（又はモリブデンシリサイド）のパターンを広い面積に生成し、その間に１つのスペースを生成した様子を示す。図５の（ｄ）は、図５の（ｃ）のスペースの部分（クロムの無い部分）の幅を測長したものがＩＳＯ ＳＰＡＣＥ測定である。

・図５の（ｅ）は石英基板（マスク５）の上にクロム（又はモリブデンシリサイド）のパターンの１ラインを生成た様子を示す。図５の（ｆ）は、図５の（ｅ）のクロム（又はモリブデンシリサイド）の部分の幅を測長したものがＩＳＯ ＬＩＮＥ測定である。

本発明は、試料の近傍を低真空にして当該試料への電子線ビームの照射によるチャージを中和および汚染の発生を低減する共に、試料から放出された２次電子を対物レンズの磁界あるいは漏洩した磁界の軸上を螺旋状に小さな絞りを通過させて高真空側に誘導し当該高真空側に配置した高検出効率の２次電子検出器で高Ｓ／Ｎ比で検出し良質な画像を生成し、測長対象の測長精度を大幅に向上させる低真空電子光学系画像生成装置および低真空電子光学系画像生成方法に関するものである。

本発明のシステム構造図である。 本発明の動作説明フローチャートである。 本発明のチャージの中和メカニズム説明図である。 本発明の説明図である。 本発明の説明図（図４）である。

符号の説明

１：電子銃
２：コンデンサレンズ
３：対物レンズ
４：２次電子検出器
５：マスク
６：ステージ
７：ノズル
８：バルブ
９：ガス源
１０：試料室
１１，１２，１３：ポンプ
２１，２２，２３：絞り

Claims (10)

1. 電子光学系で生成したビームを低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査して画像を生成する低真空電子光学系画像生成装置において、
   低真空に保持して試料を試料移動台上に配置すると共に当該試料を前記ビームを細く絞る対物レンズの磁界あるいは対物レンズから漏洩した磁界の中に配置した構造を持つ試料室と、
   前記ビームを前記試料に照射しつつ平面走査したときに放出された２次電子を前記磁界の軸中心の近傍を２次電子検出器の方向に向かって通過する部分に配置する、低真空側と高真空側との間に設けた小さな絞りと、
   前記絞りを通過した高真空側に配置した２次電子検出器と
   を備えたことを特徴とする低真空電子光学系画像生成装置。
2. 前記低真空を、前記ビームが試料を照射しつつ平面走査したときに生成された画像上で、チャージが発生したときには圧力を上げて当該チャージを所定閾値以下に調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の低真空電子光学系画像生成装置。
3. 前記低真空を、前記ビームが試料を照射しつつ平面走査したときに生成された画像上で、汚染が発生したときには圧力を上げて当該汚染を所定閾値以下に調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の低真空電子光学系画像生成装置。
4. 前記低真空を、前記ビームが試料を照射しつつ平面走査したときに生成された画像の分解能が悪いときには圧力を下げて当該分解能を良くなる圧力に調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の低真空電子光学系画像生成装置。
5. 前記低真空について、前記試料から放出された２次電子を、当該試料室内に配置した２次電子検出器に直接に吸引するときに印加する数ＫＶから十数ＫＶあるいはそれ以上の直流電圧の印加が困難である、１０−２パスカルから３０パスカルの範囲に調整する手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の低真空電子光学系画像生成装置。
6. 前記高真空側に配置した２次電子検出器をＭＣＰ（マイクロチャネルプレート）として当該高真空側で所定の高電圧を印加し、高Ｓ／Ｎ比の検出・増幅を可にしたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の低真空電子光学系画像生成装置。
7. 前記生成した画像をもとに、当該画像上のパターンの測長を行うことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の低真空電子光学系画像生成装置。
8. 前記試料室を低真空に保持する手段として、真空排気系で当該試料室を排気すると共に所定のガスを導入して所定の低真空に保持する手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の低真空電子光学系画像生成装置。
9. 前記ガスとして、乾燥空気、窒素、酸素、不活性ガスのいずれか１つあるいは複数としたことを特徴とする請求項８記載の低真空電子光学系画像生成装置。
10. 電子光学系で生成したビームを低真空中に配置した試料に照射しつつ平面走査して画像を生成する低真空電子光学系画像生成方法において、
    低真空に保持して試料を試料移動台上に配置すると共に当該試料を前記ビームを細く絞る対物レンズの磁界あるいは対物レンズから漏洩した磁界の中に配置した構造を持つ試料室と、
    前記ビームを前記試料に照射しつつ平面走査したときに放出された２次電子を前記磁界の軸中心の近傍を２次電子検出器の方向に向かって通過する部分に配置する、低真空側と高真空側との間に設けた小さな絞りと、
    前記絞りを通過した高真空側に配置した２次電子検出器と
    を設け、
    前記細く絞ったビームを前記試料に照射しつつ平面走査し、そのときに当該試料から放出された２次電子を、前記対物レンズからの磁界あるいは対物レンズから漏洩した磁界の軸上を螺旋しながら前記細い絞りを通過して前記２次電子検出器の前部あるいは前方に印加された高電圧に向かって吸引し、当該吸引して加速した２次電子を当該２次電子検出器の検出面に衝突させて検出・増幅し、検出・増幅した出力信号を出力して画像を生成する
    ことを特徴とする低真空電子光学系画像生成方法。

Images