JP2008130361A - 荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、画像精度を確保すると共に、試料を載置したステージの制定時間の短縮を可能にして大幅なスループット向上を図った荷電粒子線装置を提供する。
【解決手段】本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を照射して試料を撮像する荷電粒子線装置において、位置制御部に測長器で計測したステージの状態の情報に基づいて荷電粒子線を照射する目標位置からの偏差値を算出する偏差処理部と、試料の撮像時間の間はステージの状態が試料の撮像に可能であるか否かを判断する判定部とを夫々備えさせ、この偏差処理部で演算した偏差値に基づいて荷電粒子線の偏向量を調節する偏向器に指令する偏向制御部を備えて、試料の撮影を行なうように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子顕微鏡、イオンビーム加工／観察装置等の荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法に関する。

近年、半導体製品の集積度は益々向上し、その回路パターンの更なる高精細化が要求されている。そして、半導体ウエハに代表される回路パターンが形成される試料において、品質管理、歩留まり向上を目的に様々な検査手段が用いられている。

例えば、検査手段として荷電粒子線を照射し回路パターンの寸法精度を測定する走査型電子顕微鏡（以下、測長ＳＥＭと呼ぶ）や、同じく荷電粒子線を照射し回路パターンの欠陥、或いは付着異物を評価する走査型電子顕微鏡（以下、レビューＳＥＭと呼ぶ）などが挙げられる。

また、回路パターンの高精細化要求に対応するため、例えば、回路パターンの線幅ルールとして３５ｎｍノードのデザインルールに対応させるためには、３０万倍以上の観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要な課題となっている。

また、高精細な回路パターンを描画するには、像を何枚も重ね合わせてコントラストを向上させるために、試料のウエハを搭載保持しているステージはｎｍオーダの振動やドリフトを抑える必要がある。

現状、ウェーハサイズは３００ｍｍが主流になっており、そのためのステージはかなりの大型になる。同時にスループット向上の観点からステージの高速化のための高出力駆動機構が必要となり、モータや駆動軸の発熱による温度上昇が発生する。

従来、これらの熱膨張収縮によるステージのドリフトを回避する技術として、特開２００２−１２６９６４号公報には、ウエハを搭載保持しているステージの位置をリアルタイムにモニタし、そのテーブルの挙動に追従してモータの制御量や電子線の偏向量にフィードバックする、いわゆるサーボ制御技術が開示されている。

また、特開２０００−５７９８５号公報にも、試料のウエハを載置するステージの位置を測長して、この測長結果に基づいて偏向器による試料に照射する荷電粒子線の偏向量を調節するように構成した技術が開示されている。

一方、特開２００４−１３４１５５号公報には、試料を載置する移動ステージと駆動軸との間に２０μｍから１００μｍのギャップを設けて、移動ステージの停止時は駆動軸を切り離すように構成したパルスモータを用いたオープンループによる制御を行なう技術が開示されている。

また、特開２０００−５７９８５号公報には、加電粒子を発生するカラムと、荷電粒子の偏向器と、試料を移動させるステージと、ステージの位置を計測する測長器と、カラムと偏向器とステージを制御する制御部を備えて、センサーで検出したステージの位置ずれに基づいて偏向器を操作して荷電粒子の照射方向を補正し、試料に荷電粒子を照射して撮像する荷電粒子線装置の技術が開示されている。

特開２００２−１２６９６４号公報 特開２００４−１３４１５５号公報 特開２０００−５７９８５号公報

試料の撮像のスループットを向上させる為には、試料であるウエハを搭載保持しているステージの移動にかかる時間を短縮することが有効であるが、ステージの移動時間の短縮はステージを移動させるステージ速度、及びステージ加速度の増加を意味する。

当然ながら、前述した特開２００２−１２６９６４号公報、特開２００４−１３４１５５号公報及び特開２０００−５７９８５号公報に記載された荷電粒子線装置の技術においては、ステージ速度、及びステージ加速度を増加させるとステージ移動時間は短縮されるが、ステージ速度及びステージ加速度の増加に起因して移動したステージ２１が電子線の偏向可能領域の範囲内に収斂するのに要する時間である制定時間Ｔｓは長くなり、結果的には全体測定時間の短縮としてはあまり効果が上がらなくなる。

このことは、全体測定時間の短縮を優先させると撮像された画像精度（歪み、ボケ等）が悪化することを意味する。

本発明の目的は、試料の撮像で得られる画像精度を確保すると共に試料を載置したステージの移動に伴う制定時間の短縮を可能にして、試料の撮像の大幅なスループット向上を図った荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法を提供することにある。

本発明の荷電粒子線装置は、荷電粒子線を発生する電子銃及びこの電子銃から発生した荷電粒子線を所望の位置に偏向可能な偏向器を備えたカラムと、電子銃から発生した荷電粒子線が照射される試料を載置して移動可能に構成されたステージを内部に配置した試料室と、試料室内のステージの位置を計測可能な測長器と、カラムの偏向器の偏向量を制御するカラム制御部と、試料室のステージの位置を制御する位置制御部とを備えて荷電粒子線を照射して試料を撮像する荷電粒子線装置において、測長器で計測したステージの状態の情報に基づいて荷電粒子線を照射する試料の目標位置からの偏差値を算出する偏差処理部と、試料の撮像時間の間はステージの状態が試料の撮像に可能であるか否かを判断する判定部とを備え、この偏差処理部で演算した偏差値に基づいて荷電粒子線の偏向量を調節する偏向器に指令する偏向制御部を備えて、荷電粒子線を照射して試料の撮影を行なうように構成したことを特徴とする。

また、本発明の荷電粒子線装置の撮像方法は、カラムに備えた電子銃から荷電粒子線を発生させて発生した荷電粒子線をカラムに備えた偏向器によって所望の位置に偏向させ、この偏向した荷電粒子線を試料室の内部に移動可能に設置したステージに載置された試料に照射して試料を撮像する荷電粒子線装置の撮像方法において、試料を載置したステージの位置を測長器で計測したステージの状態の情報に基づいて照射された荷電粒子線が試料の目標位置からの偏差値を算出し、この偏差値に基づいて試料を撮像する撮像時間の間はステージの状態が試料の撮像に可能であるか否かを判断し、試料の撮像が可能と判断された場合にはこの偏差値に基づいて荷電粒子線の偏向量を目標位置に近付くように制御して試料の撮影を行なうことを特徴とする。

本発明によれば、試料の撮像で得られる画像精度を確保すると共に試料を載置したステージの移動に伴う制定時間の短縮を可能にして、試料の撮像の大幅なスループット向上を図った荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法が実現できる。

本発明の実施例である荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法として、走査電子顕微鏡について図面を用いて説明する。

本発明の実施例である荷電粒子線装置としての走査電子顕微鏡について図１を用いて説明する。

図１において、床に設置される複数の架台６の上部には床振動を除振するマウント４が取付けられており、このマウント４を介して架台６によって試料室２を支持する構造となっている。

試料室２の上部には電子線を生成、制御するカラム１が設けられ、試料室２の側方には試料を搬送する搬送ロボット３１が内包されるロードロック３が取付けられている。

試料室２の内部は資料室２の下方側に設置した真空ポンプ５によって常時真空排気されて真空状態を維持しており、カラム１の内部も図示しない真空ポンプによって真空排気されて高真空度に保たれている。

この試料室２の内部には試料１０を搭載保持するステージ２１が試料室２の内部を移動可能に設置されている。そしてステージ２１の上部には静電チャック２４が取付けられていて試料１０はこの静電チャック２４により静電吸着されてステージ２１上に強力に保持される。

また、ステージ２１の上部にはバーミラー２２も取付けられており、試料室２に取付けられている干渉計２３とバーミラー２２との相対的な距離変化をレーザ測長することでステージ２１の位置を計測して、ステージ２１上に搭載保持された試料１０の位置を管理している。

一方、ロードロック３の大気側には試料１０を出し入れする開口を通じて大気との隔離を行なう大気側ゲートバルブ３３が取付けられ、ロードロック３の試料室側には同様に試料１０を出し入れする開口を通じて試料室２との隔離を行なう真空側ゲートバルブ３２が取付けられている。

次に本実施例の走査電子顕微鏡における試料１０の搬送経路について以下に簡単に説明する。まず、ロードロック３の大気側ゲートバルブ３３をオープンし、搬送ロボット３１を操作して大気側から開口を通じて試料１０をロードロック３の内部に導入する。

次にロードロック３の大気側ゲートバルブ３３をクローズし、ロードロック３の内部を図示しない真空ポンプによって真空排気して真空状態とする。

そして、ロードロック３の内部の真空度が試料室２の内部の真空度と同程度になったら、ロードロック３の真空側ゲートバルブ３２をオープンし、搬送ロボット３１の操作によってロードロック３から開口を通じて試料室２の内部に内包されるステージ２１上に試料１０を搬送する。

試料室２の内部で試料１０が処理された後は、逆の流れで試料１０は試料室２からロードロック３に搬送され、更にロードロック３から大気へと戻される。

試料室２の内部では試料１０はステージ２１に取付けられている静電チャック２４により静電吸着されてステージ２１上に強力に保持される。また、このステージ２１上にはバーミラー２２が取付けられており、試料室２に取付けられている干渉計２３との相対的な距離変化をレーザ測長してステージ２１の位置を計測することにより、ステージ２１上の試料１０の位置を管理することが可能となる。

干渉計２３によってレーザ測長されたステージ２１の位置情報は位置制御部７１で位置データ信号に作成されるが、この位置データ信号は試料室２の内部で試料１０を搭載保持するステージ２１の移動を制御するステージ制御部７２に入力される。

ステージ制御部７２では位置制御部７１から入力されたステージ２１の現在の位置データ信号と予め設定された目的座標となる目標位置データとを比較して両者の偏差信号を演算し、この演算した偏差信号である目標位置データとの偏差値が無くなるようにステージ２１の位置を移動制御させるフィードバック制御を行っている。

ステージ２１を移動制御させるフィードバック制御には単純な位置フィードバックのみで行なう制御や、ステージ２１の速度情報、ステージ２１の位置偏差の積分情報を加えて応答速度と位置決め精度を向上させるＰＩＤ制御などが考えられる。

一方、本実施例の走査電子顕微鏡のカラム１については、カラム１内に設置した電子銃１１から電子線１２が発生されるが、この電子線１２は電子銃１１の下方となるカラム１内に設置された収束作用を有する電子レンズ１３及び電子レンズ１６を通過する。

カラム１内の電子レンズ１３及び電子レンズ１６との間には偏向器１４が設けられており、この偏向器１４によってカラム１内を進行する電子線１２は所望の軌道に偏向させられ、カラム１と連通した試料室２の内部のステージ２１に搭載保持されている試料１０に照射される。

カラム１内に設置した電子銃１１から試料室２のステージ２１上の試料１０に電子線１２を照射することによって発生する反射電子、或いは２次電子は、カラム１内に設置した検出器１５によって検出される。

検出器１５で検出された反射電子、或いは２次電子の検出信号は、偏向器１４による電子線１２の制御情報と共に画像制御部７３に入力される。

画像制御部７３では偏向器１４による電子線１２の制御情報と、検出器１５によって検出された反射電子、或いは２次電子の検出信号を基に試料１０の画像、例えば試料１０としてのウエハに描かれた回路パターンの拡大画像等の画像データを生成し、その画像データをモニタ７４に画像として映し出す。

本実施例の走査電子顕微鏡では、カラム１と連通した試料室２の上方に試料１０の高さの検出を行なう光学式のＺセンサー２５が取付けられており、常時、試料１０の高さをモニタ可能である。

そしてＺセンサー２５で得られた試料１０の高さ信号は位置制御部７１に入力されて信号変換された後に、カラム制御部７０に伝達される。

カラム制御部７０では位置制御部７１から入力する試料１０の高さの情報に基づいて必要に応じて電子レンズ１３及び電子レンズ１６の光学条件を変更し、試料１０の高さが変化しても試料１０に照射する電子線１２のフォーカスがずれないように制御を行っている。

試料１０を搭載保持する前述したステージ２１の位置情報はカラム１に設置された各種機器の制御を行なうカラム制御部７０にも伝達され、電子線１２の偏向制御信号を補正している。

偏向器１４は、試料１０の位置に照射する電子線１２の偏向中心を位置決めする位置偏向器１４Ａと、撮像するために電子線を高速で目的視野内を走査させる走査偏向器１４Ｂとに分かれており、これらの位置偏向器１４Ａと走査偏向器１４Ｂの制御はカラム制御部７０からの指令信号に基づいて偏向制御部１７を操作することにより行われる。

例えば、ステージ２１の現在位置である位置データ信号が目標座標となる目標位置から偏向範囲内（例えば１０μｍ以内）で位置ずれしていた場合、干渉計２３で検出したステージ２１の現在位置の位置データ信号と目標座標の目標位置データとの偏差信号を位置制御部７１で算出し、この偏差信号を位置制御部７１からカラム制御部７０に入力信号として伝達させる。

そしてカラム制御部７０では位置制御部７１で演算され入力されたこの偏差信号の偏差値に基づいて、偏差信号の偏差値が無くなるように位置偏向器１４Ａと走査偏向器１４Ｂとの制御を行ない、ステージ２１に載置された試料１０に照射される電子線１２のビームの偏向量を調節する。

即ち、カラム制御部７０では偏向制御部１７に対する偏向指令値に偏差値分を補正量として加えた偏向補正指令値を演算し、この偏向補正指令値を偏向制御部１７に指令して位置偏向器１４Ａと走査偏向器１４Ｂとの制御を行ない、電子線１２のビームの偏向量を調節するものである。

この場合、補正する対象としては、電子線１２の偏向中心の位置情報のみに基づく補正の制御にすると比較的容易に制御系が構成できる。

その理由は位置偏向器１４Ａの制御速度が、走査偏向器１４Ｂに必要な制御速度よりも遅いためである。走査偏向器１４Ｂには高速な偏向動作が必要であり（例えば２０ＫＨｚ以上）、偏向指令値をフィードバックさせる制御とするにはハードウエアとして高速に演算可能な補正回路を追加しなければならず、コストも大幅に増加する。

一方、位置偏向器１４Ａには、本実施例ではステージの目標座標と現在のステージ２１の位置の偏差分を常時フィードバックさせる構成としたので、例えステージ２１に残留振動、或いはドリフトが生じても、これらの現象が制定するまで待つことなく試料１０の撮像が開始可能となる。

この時、ステージ２１の機械振動、或いはステージ２１の制御振動によって生じる偏差は、あまり早い周波数ではないため（例えば５００Ｈｚ以下）、ソフトによる偏向指令値への補正も十分可能であり、非常に安価に実現可能となる。

また、ハードウエアとして回路を追加しても高速演算は全く必要ないので一般的なトランジスタによる回路で十分機能を満足できるため、小額なコストで実現可能となる。

図２は本実施例の走査電子顕微鏡において、ステージ制御部７２によって試料１０を搭載保持するステージ２１を移動制御させた場合のステージ２１の移動速度の一例である速度プロファイルを示したものである。

図２において、縦軸はステージ２１の移動速度を、横軸は時間を示している。図２に示したステージ２１の移動では、ステージ制御部７２によって停止状態から一定の速度増加率でステージ２１を移動させて速度を増加させ、所定の速度に到達するとこの所定の速度を暫くの間維持させ、その後に所定の速度から一定の速度減速率でステージ２１を減速させていく制御の状況を表わしている。

図２において、Ｔｍはステージ２１を移動させるのに要するステージ移動時間、Ｔｓは移動したステージ２１が偏向可能領域の範囲に収斂するのに要する制定時間、Ｔｃは試料の撮像に必要な撮像時間、Ｔは全体測定時間（Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｓ＋Ｔｃ）、Ｗは偏向可能領域、Ｘは偏向可能領域から外れたオーバーシュート量、を夫々示している。

上記したような実施例による制御を適用した場合、図２の速度プロファイルに示したようにステージ２１にはステージ停止後の残留振動が発生するものの、ステージ制定時間Ｔｓを経てステージ２１の位置が偏向可能領域Ｗ内となる電子線１２のビームの偏向範囲内（例えば目標座標±１０μｍ以内）にステージ２１の位置が収まれば、試料１０に電子線１２を照射する撮像時間Ｔｃの撮像に移行できるため、全体測定時間Ｔは大幅に短縮することが可能となる。

また、本実施例によるステージ２１の移動制御では、ステージ２１の位置が偏向可能領域Ｗの範囲内に入っていれば試料１０の撮影に障害とはならないのでステージ２１を完全に停止させる必要は特に無い。

図３には本実施例によるステージ２１の移動制御の他の例として、所定の速度を維持した状態から一定の速度減速率でステージ２１を減速させていく場合に、最初は急激な速度減速率で、その後は緩やかな速度減速率で減速させる２段階の速度減速率による速度プロファイルの例を表わしたものである。この場合、ステージ制定時間Ｔｓを無くすことが可能となる。

図３に示したステージ２１の速度プロファイルの例のように、ステージ停止時の位置決め動作を２段階の速度減速率を採用して遅くした場合であっても、ステージ制定時間Ｔｓを無くせるのでステージ２１が偏向可能領域Ｗ内となる偏向器１４による電子線１２のビームの偏向範囲内に収まる時点からステージ２１に載置した試料１０の撮像が可能となる。

よって図３に示したステージ２１の速度プロファイルの例では、ステージ２１の移動制御を図２の速度プロファイルとほぼ同じ時間となる全体測定時間Ｔに収めることができる。

図３に示したステージ２１の本速度プロファイルの例の場合における利点は、ステージ２１の減速時の加速度を小さく抑えることができるため、カラム１等の振動励起を低減できることである。つまり、ステージ２１の位置情報には含まれないカラム１の振動に起因した像質への悪影響を低減することで、更に高精度な画像を得ることが可能となる。

また、ステ−ジ２１を移動させる行動装置として、通常、採用されているボールネジや、超音波モータなど摩擦を伴うアクチュエータは、ステージが目標位置付近になると制御を止めて摩擦力による制動力を用いて止まり続けることが可能であるが、リニアモータの場合には制動力が働かないため、振動やドリフトが生じてしまう。

前記した構成の本実施例では、ステージ２１が完全に止まらなくてもステージ２１の位置が偏向可能領域Ｗ内に入れば撮像可能なことにより、摩擦を伴わないアクチュエータであるリニアモータが比較的容易に適用できる。

次に図１に示した本実施例の走査電子顕微鏡における位置制御部７１の詳細構造について図４を用いて説明する。

図４において、位置制御部７１では干渉計２３によって検出したステージ２１の現在位置の検出信号を位置変換器８０によって位置情報データに変換すると同時に、速度変換器８１によって時間で微分して速度情報データにも変換し、これらの位置変換器８０によって変換したステージ２１の位置情報データと速度変換器８１によって変換したステージ２１の速度情報データの両者を判定部８２に入力する。

この判定部８２では、入力したステージ２１の位置情報データ及び速度情報データと、メモリ８３に格納された判定基準との比較を行ない、所定の撮像時間Ｔｃの時間内にステージ２１に載置した試料１０の位置、即ちステージ２１の位置が照射する電子線１２の偏向可能領域Ｗの範囲内となる試料への電子線の照射が可能か否かを判定する。

位置制御部７１のメモリ８３にはステージ２１のステージ位置とステージ速度との判断基準となる図５に示す判定基準値が格納されており、判定部８２から随時読み出し可能な状態となっている。

そして、判定部８２では図５に示されたステージ位置の「閾値偏差」とステージ速度である「速度」との双方からなる判定基準値を両方とも満たした場合にのみ判定部８２によって偏向可能領域Ｗの範囲内の試料１０への電子線１２の照射が可能なものと判断される。

つまり、ステージ位置が１５μｍ以上２０μｍ未満で、ステージ速度が０．０２ｍｍ／ｓ以下の場合、また、ステージ位置が１０μｍ以上１５μｍ未満で、ステージ速度が０．０１５ｍｍ／ｓ以下の場合、また、ステージ位置が５μｍ以上１０μｍ未満で、ステージ速度が０．０１ｍｍ／ｓ以下の場合、また、ステージ位置が０μｍ以上５μｍ未満で、ステージ速度が０．００５ｍｍ／ｓ以下の場合、の夫々の条件を満たした場合にのみ、試料１０への電子線１２の照射が可能なものと判断される。

位置変換器８０により変換されたステージ２１の位置情報データは、位置制御部７１の偏差処理部８５に入力され、検出したステージ２１の位置情報データと目標値との偏差信号を演算する。

そしてこの偏差処理部８５で演算した偏差信号はローパスフィルタ８４に入力し、このローパスフィルタ８４を通過した偏差信号がカラム制御部７０に入力データとして伝達されるように構成されている。

偏差信号はこのローパスフィルタ８４を通過させることで変換した偏差信号に含まれている高周波ノイズ成分が除去されるので、よってステージ２１の機械振動、或いはステージ２１を移動制御することが起因の振動に絞って正しく補正することが可能となる。

ここで位置制御部７１の判定部８２が随時読み出しするメモリ８３に格納されたステージ位置とステージ速度とからなる判定基準とは、ステージ２１の位置のずれがステージ２１に載置した試料１０に照射する電子線１２のビームの偏向可能領域Ｗ内にある時、少なくても試料１０の撮像時間Ｔｃ以上の時間、ステージ２１の位置ずれがこの偏向可能領域Ｗ内に留まっていることが可能か否かを判断する基準値となる閾値であり、その具体例は図５に示したとおりである。

尚、判定部８２の判定によってステージ２１の位置と速度が図５に示す判定基準から外れて試料１０への電子線１２の照射が可能でないと判断された場合は、再度、ステージ２１の位置と速度を計測して、これらの計測値が判定基準を満たす値になるまで判定部８２による判定を繰り返す。

メモリ８３に格納された判定基準の格納の形態については、図５に示すような表以外でもステージ位置とステージ速度の関数式としてメモリ８３に格納しても同じ作用である。また、判定基準となるステージ位置とステージ速度の具体的な数値については、ステージ停止時の速度と位置を収集する事前評価を行なうことで決定して格納するようにすればよい。

ステージ２１を移動させる駆動用のアクチュエータの出力や、ステージ２１の可動質量、ステージ２１の抵抗によっても異なることが予想されるので、ステージ２１の移動軸毎（水平２軸）に設定することが望ましい。

次に図６に示すステージ２１の位置決め時の位置偏差を参照して、本実施例におけるステージの位置及び移動速度と判定結果との関係について以下に説明する。

図６の縦軸はステージ２１のステージ位置を、横軸はステージ位置の時間の経過を夫々示している。そして縦軸のＡはステージ位置の上限値を、Ｂはステージ位置の下限値を夫々示す。

図６には、試料１０のウエハを搭載保持しているステージ２１の代表的な移動方法の例として、ステージ移動、ステージ停止、試料撮像とからなるステージの移動プロファイルを繰り返すステップアンドリピートと呼ばれる方法で制御した場合のステージ移動速度を示している。

即ち、ステージ移動に要するステージ移動時間Ｔｍの後、ステージ停止してステージの残留振動やドリフトが許容される偏向可能領域Ｗの範囲に収まるまでの制定時間Ｔｓを経て、電子線を照射して試料１０の撮像（撮像時間：Ｔｃ）を行なう。よって、試料１０の１箇所の全体測定時間はＴ（Ｔ＝Ｔｍ＋Ｔｓ＋Ｔｃ）となり、試料処理速度（以下、スループットと呼ぶ）に関わる大きな要因となっている。

ステージ２１がステージ位置Ｐ１の手前からステージ位置Ｐ６を通過するに至る移動プロファイルでは、ステージ位置偏差の＋側から徐々に偏差０に近づく過程で、ステージ位置Ｐ１でのステージ位置偏差は偏向可能領域Ｗの範囲の上限値Ａ（＋２０μｍ）を通過して偏向可能領域Ｗの範囲内に進入する。

ステージ位置Ｐ１を通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が２０μｍで移動速度が０．０３ｍｍ／ｓであるので、図５に示したメモリ８３に格納されている判定基準を参照すると、ステージ位置が１５μｍ以上２０μｍ未満で、ステージ速度が０．０２ｍｍ／ｓ以下との基準値から特に速度が大きく外れており、よってステージに載置された試料１０の撮像としてはＮＧの状態と判断される。

次のステージ位置Ｐ２を通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が０μｍ近傍で移動速度が０．０２ｍｍ／ｓであるので、メモリ８３に格納されている判定基準を参照すると、ステージ位置が０μｍ以上５μｍ未満で、ステージ速度が０．００５ｍｍ／ｓ以下との基準値から特に速度が大きく外れており、よってステージに載置された試料１０の撮像としてはＮＧの状態と判断される。

次のステージ位置Ｐ３を通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が１５μｍ近傍で移動速度が０．０１８ｍｍ／ｓであるので、メモリ８３に格納されている判定基準を参照すると、ステージ位置がステージ位置が１０μｍ以上１５μｍ未満で、ステージ速度が０．０１５ｍｍ／ｓ以下との基準値から特に速度が外れており、よってステージに載置された試料１０の撮像としてはＮＧの状態と判断される。

そしてステージ２１はステージ位置Ｐ２及びステージ位置Ｐ３を通過してステージ位置Ｐ４に到達するが、ステージ位置Ｐ４を通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が偏向可能領域Ｗの範囲の下限値Ｂ（−２０μｍ）を超過するのでステージ位置が基準値の上限の２０μｍを外れ、試料１０の撮像はＮＧの状態と判断される。

その後、ステージ２１はステージ位置Ｐ５に到達するが、このステージ位置Ｐ５を通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が再度、下限値Ｂ（−２０μｍ）の範囲内に進入する。また、ステージ速度も０．０１ｍｍ／ｓまで減速しており、メモリ８３に格納されている判定基準を参照すると、ステージ位置が１５μｍ以上２０μｍ未満で、ステージ速度が０．０２ｍｍ／ｓ以下の判定基準を何れも満たしているので、試料１０の撮像としてはＯＫの状態と判断される。

同様にステージ位置Ｐ６通過直後のステージの状態の情報は、ステージ位置が０μｍ近傍でステージ速度も０．００５ｍｍ／ｓまで減速しており、メモリ８３に格納されている判定基準を参照すると、ステージ位置が０μｍ以上５μｍ未満で、ステージ速度が０．００５ｍｍ／ｓ以下の判定基準を満たしているので、このステージ位置Ｐ６通過以降も、試料１０の撮像としてはＯＫの状態と判断される。

上記した本実施例の判断方法は判定時間を極力少なくし、試料１０の撮像開始時刻の早期開始を実行することで、試料１０の処理時間を短縮できる有効な手法である。

尚、より確実に試料への電子線の照射が可能か否かを判定したい場合は、前記した判定を連続的に行ない、ある一定の回数（または時間）、いずれの判定結果もＯＫの場合ならば試料１０の撮像が可能となるようにしても良い。

また、今回の試料への電子線の照射が可能か否かの判定にはステージ２１の目標値に対する位置偏差と速度を指標にしてきたが、ステージ２１の絶対座標（位置）や、加速度をパラメータとしても利用可能である。

例えば、ステージ２１の絶対座標が異なる時にステージ２１の固有振動数が変化することで偏向範囲に収まる時間が変化する場合や、本体の揺れ量が変化することで偏向範囲に収まる時間が変化する場合などに有効である。

加速度については、ブレーキ機構を用いたステージ２１などで、使用時間、ステージ位置、使用温度などの原因で加速度が一定でない場合にパラメータとして利用すると更に確度の高い判定が可能となる。ここで、各ステージ位置での速度上限値には実際の速度上限値にある程度の尤度を持たせた値を設定して、安定した装置稼動状態を目指した方が良い。

図７は本実施例によるステージ２１に搭載保持された試料１０の画像取得シーケンスについて示しており、１ヶ所の処理に大別してステップＳ１〜ステップＳ７の各ステップを実施する。

ステップＳ１の目標座標移動開始ではステージ２１の目標座標移動を開始し、次のステップＳ２の目標位置設定ではステージ２１の目標位置を設定することで、速度、加速度等の駆動パラメータに従った駆動プロファイルを生成する。

ステップＳ３の移動開始では生成した駆動プロファイルに沿ってステージ２１の移動を開始する。

ステップ４の判定可能範囲ではステージ２１の移動によってステージ２１の位置が目標位置付近で判定可能範囲に入ると、位置制御部７１の位置変換器８０及び速度変換器８１によって判定パラメータであるステージ２１のステージ現在座標位置の情報とステージ２１が移動するステージ現在速度の情報とを夫々読み込む。

次の判定パラメータ許容範囲内のステップＳ５では、位置制御部７１の判定部８２によってステップＳ４で読み込んだステージ現在座標位置及びステージ現在速度の情報と、予め位置制御部７１のメモリ８３に記憶している判定基準値のステージ座標位置及びステージ速度との比較を夫々行なう。

そして、この位置制御部７１の判定部８２によって撮像可能と判断された場合は、ステップＳ６の画像取得開始に進んでカラム制御部７０からの指令で画像制御部７３を操作して試料１０の撮像を開始する。

そして、試料１０の撮像結果に特に問題が無ければステップＳ７の画像取得終了に進んで試料１０の撮像を終了する。

また、判定パラメータ許容範囲内のステップＳ５において、位置制御部７１の判定部８２によって撮像不可と判断された場合には、再びステップＳ４に戻って現在のステージ位置情報とステージ速度を再度読込み、判定部８２で撮像可能と判断されるまで同様のシーケンスで撮像判断を行なう。

勿論、判断基準値の設定間違いや、ステージの動作不良で長時間撮像不可になる可能性があるので、このシーケンスに判定回数の上限、或いは判定時間の上限を定めても良い。

ステップＳ５による位置制御部７１の判定部８２によって撮像可能と判断されると、ステップＳ６の画像取得開始に進んでレーザ計測されたステージの現在位置情報を位置制御部７１に取込み、カラム制御部７０を介して偏向制御部１７によって電子線１２の目標位置からの偏差値に基づいて演算し、偏向器１４を操作する電子線１２のビームの偏向指令値にフィードバックしながら試料１０の撮像を行なう。

そして所望の時間、試料１０の撮像が終るとステップＳ７の画像取得終了に進んで、画像を取得する次の目標位置に向けてステージ２１を移動させて、同様のシーケンスで試料１０の画像取得を行なう。

図８は図６と同じくステージ２１の位置決め時の位置偏差についてステージ２１の移動プロファイルを示したものであるが、図６との大きな違いは、目標に対するオーバーシュート量が偏向範囲（上限値Ａ〜下限値Ｂの範囲）を超えずに、偏差０に向かって収束することである。

即ち、図８において予めオーバーシュート量とステージ位置Ｐ１での速度の関係を調べておき、オーバーシュート量が下限値Ｂを超えないステージ位置Ｐ１での限界速度Ｖｍを求めておくと、実使用状態におけるステージ位置Ｐ１での速度ｖに対してｖ≦Ｖｍの関係であれば撮像可能と判断できる。

つまり、常にＰ１地点でのステージ２１の移動速度をＶｍ以下に抑えるようなステージ２１の移動プロファイル、或いはステージ２１のゲイン係数を決定することで、ステージ移動毎の試料１０の撮像判断動作が不要となり、装置の制御システムを簡単にすることが可能となる。

一般的に前記したステージ２１の移動プロファイルではステージ２１の設定ゲインが低くなり、応答速度が遅くなりがちであるが、次の測定位置に移動する際の立上りのゲインは高く設定し、位置決め時のゲインを低いゲインに設定することで、効率的にスループット向上を図ることができる。

また、勿論安定した装置稼動を目的として、Ｐ１でのステージ２１の移動速度ｖがＶｍに対してある程度余裕を持った閾値に設定されている方が望ましい。

ここで、ステージ２１に振動が生じている時にも、正しく試料１０の位置管理を行なう為には、ステージ２１上の試料１０の位置とバーミラー２２の設置位置との関係を一定に保つ試料の保持手段が必要となる。

保持力の弱い機械的な試料の保持手段では、ステージ２１に加速度が加わった状態では試料１０の位置ずれや、試料１０の変形が生じてしまう可能性が高い。

このような状態では、ステージ２１上のバーミラー２２と試料１０との距離に、数ｎｍ程度の僅かながらの変動が生じて試料位置の測長誤差が生じ、この誤差を含んだレーザ計測値を基にビーム偏向の補正を行ってしまうと試料１０の画像にボケや歪みなどが生じて像質低下に繋がってしまう。

よって、本実施例では図１及び図４に示したように、試料１０をステージ２１上に保持させる保持手段として静電チャック２４を用いることで上記のような問題点を解決している。

機械的な試料１０の保持手段では、試料１０の周辺を数箇所抑えることが一般的であるが、本実施例の静電チャック２４を採用した試料１０の保持手段では試料１０の裏面をほぼ全面に亘って保持手段に吸着することで強力に試料保持が可能となり、よって測長誤差が生じ難い装置構成が実現できる。

即ち、ステージ２１の移動に伴って起こるステージ振動によってステージ２１に載置した資料１０がステージ２１の表面からずれて生じるずれ量が、例えば通常は１０μｍ程度生じる場合でも、試料１０の保持手段として静電チャック２４を採用すれば１μｍ以下のずれ量に抑制することが出来る。

この結果、電子線を照射して試料を撮影する画像の画質を一段と高精度に向上させることが可能となる。

また、通常、試料１０としてウエハの撮像を行なう前にウエハ高さを検出して、その値を基にカラム１の光学条件を変化させるフォーカス動作を介して、最適な像状態になるようなシーケンスとなっている。

このフォーカス動作はウエハの反りや曲がり（例えば１００μｍ）を吸収可能にするため、フォーカスの振り幅を２００μｍ程度まで確保する必要があるが、振り幅が大きいほど時間がかかる為、なるべく狭い振り幅であることが望ましい。

そこで本実施例の静電チャック２４を試料１０のウエハの保持に使用することでウエハの反りや曲がり（例えば１００μｍ）を矯正し、より平らな処理平面を形成できることでフォーカス動作を狭い振り幅（例えば５０μｍ）で設定することが可能となり、副次的な効果としてもスループットの向上に繋がる。

静電チャック２４のメンテナンスを容易にするには、ステージ２１から図示していないが着脱可能なホルダタイプに構成した静電チャック２４が望ましい。この場合、着脱可能なホルダと試料１０、着脱可能なホルダとステージ２１の固定は各々静電チャック２４による吸着で行なうことで、試料１０の高い保持力が実現でき、ステージ２１とホルダを介した試料１０の相対変位が殆どない状態になる。

ホルダは搬送ロボット３１により自動的に試料室から排出されることで、装置から取り出してクリーニング等のメンテナンスが可能である。これにより、精度の高い計測とメンテナンスの容易性を共に確保できる構成となる。

以上述べてきたように本発明の実施例によれば、試料の撮像で得られる画像精度を確保すると共に試料を載置したステージの移動に伴う制定時間の短縮を可能にして、試料の撮像の大幅なスループット向上を図った荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法が実現できる。

本発明は、電子顕微鏡、及びイオンビーム加工／観察装置等の荷電粒子線装置及び荷電粒子線装置の撮像方法に適用可能である。

本発明の一実施例である走査電子顕微鏡の全体構成を示す平面図。 図１の走査電子顕微鏡の実施例におけるステージの移動速度の一例を示す説明図。 図１の走査電子顕微鏡の実施例におけるステージの移動速度の他の例を示す説明図。 図１の走査電子顕微鏡の実施例における位置制御部の構成を示す詳細構成図。 図４の位置制御部の判定部における判定基準の一例を示す閾値を表すデータテーブル。 図１の走査電子顕微鏡の実施例におけるステージの位置及び移動速度と判定基準による判定結果を示す説明図。 図１の走査電子顕微鏡の実施例における試料の撮像シーケンスを表すブロック図。 図１の走査電子顕微鏡の実施例におけるステージ位置Ｐ１でのステージの位置及び移動速度と判定基準による判定結果の一例を示す説明図。

符号の説明

１：カラム、２：試料室、３：ロードロック、４：マウント、５：真空ポンプ、６：架台、１０：試料、１１：電子銃、１２：電子線、１３：電子レンズ、１４：偏向器、１４Ａ：位置偏向器、１４Ｂ：走査偏向器、１５：検出器、１６：電子レンズ、１７：偏向制御部、２１：ステージ、２２：バーミラー、２３：干渉計、２４：静電チャック、２５：Ｚセンサー、３１：搬送ロボット、３２：真空側ゲートバルブ、３３：真空側ゲートバルブ、７０：カラム制御部、７１：位置制御部、７２：ステージ制御部、７３：画像制御部、７４：モニタ、８０：位置変換機、８１：速度変換機、８２：判定部、８３：メモリ、８４：ローパスフィルタ。

Claims (8)

1. 荷電粒子線を発生する電子銃及びこの電子銃から発生した荷電粒子線を所望の位置に偏向可能な偏向器を備えたカラムと、電子銃から発生した荷電粒子線が照射される試料を載置して移動可能に構成されたステージを内部に配置した試料室と、試料室内のステージの位置を計測可能な測長器と、カラムの偏向器の偏向量を制御するカラム制御部と、試料室のステージの位置を制御する位置制御部とを備えて荷電粒子線を照射して試料を撮像する荷電粒子線装置において、測長器で計測したステージの状態の情報に基づいて荷電粒子線を照射する試料の目標位置からの偏差値を算出する偏差処理部と、試料の撮像時間の間はステージの状態が試料の撮像に可能であるか否かを判断する判定部とを備え、この偏差処理部で演算した偏差値に基づいて荷電粒子線の偏向量を調節する偏向器に指令する偏向制御部を備えて、荷電粒子線を照射して試料の撮影を行なうように構成したことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、判定部ではステージの状態の情報としてステージの現在の位置情報と速度情報とを判定パラメータとして試料の撮像が可能であるか否かを判断することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、判定部はステージの状態の情報と予め位置制御部に記憶されている判定基準情報との比較に基づいて試料の撮像が可能であるか否かを判断することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、荷電粒子線の偏向量を調節する偏向器は試料の所望の位置に荷電粒子線の偏向中心を位置決めする位置偏向器と、撮像するために荷電粒子線を目的視野内で走査させる走査偏向器とから構成されており、偏差処理部で演算した偏差値は位置偏向器の指令値に使用されることを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、試料をステージに保持する静電吸着可能な静電チャックをステージに備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、偏差処理部で演算した偏差値はローパスフィルタを通過させた後に荷電粒子線の偏向量を偏向器に指令する偏向制御部に入力するようにしたことを特徴とする荷電粒子線装置。
7. カラムに備えた電子銃から荷電粒子線を発生させて発生した荷電粒子線をカラムに備えた偏向器によって所望の位置に偏向させ、この偏向した荷電粒子線を試料室の内部に移動可能に設置したステージに載置された試料に照射して試料を撮像する荷電粒子線装置の撮像方法において、試料を載置したステージの位置を測長器で計測したステージの状態の情報に基づいて照射された荷電粒子線が試料の目標位置からの偏差値を算出し、この偏差値に基づいて試料を撮像する撮像時間の間はステージの状態が試料の撮像に可能であるか否かを判断し、試料の撮像が可能と判断された場合にはこの偏差値に基づいて荷電粒子線の偏向量を目標位置に近付くように制御して試料の撮影を行なうことを特徴とする荷電粒子線装置の撮像方法。
8. 請求項７に記載の荷電粒子線装置の撮像方法において、試料は静電吸着可能な静電チャックによってステージに保持するようにして試料の撮影を行なうようにしたことを特徴とする荷電粒子線装置の撮像方法。

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