JP2009037804A

JP2009037804A - 荷電粒子ビーム照射装置

Info

Publication number: JP2009037804A
Application number: JP2007199933A
Authority: JP
Inventors: Ritsuo Fukaya; 律雄深谷; Shiko O; 志剛王
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-07-31
Filing date: 2007-07-31
Publication date: 2009-02-19
Anticipated expiration: 2027-07-31
Also published as: US20090032723A1; US7851756B2; JP5147327B2; US20110073760A1

Abstract

【課題】絶縁材を含む試料を観察する場合に、試料が帯電することにより像ドリフトが発生することを防止する。
【解決手段】所定の走査線方向と所定の走査線の順次方向による第１の走査と、前記所定の走査線方向と異なる走査線方向と前記所定の走査線の順次方向と異なる走査線の順次方向による第２の走査と、を実行する。第１の走査を実行した後に前記第２の走査を実行することを繰返し、第２の走査によって得られたフレームの相加平均を求めることによって画像を生成してもよい。第１の走査によって得られた少なくとも１つのフレームと、第２の走査によって得られた少なくとも１つのフレームの相加平均を求めることによって画像を生成してもよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に電子等の荷電粒子を照射する荷電粒子ビーム照射装置に関し、特に、二次的に放出される信号を用いて試料表面の性状を分析する荷電粒子ビーム照射装置に関する。

半導体製造産業では、半導体素子の検査装置として、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）、寸法検査を行う測長ＳＥＭ、形状検査を行う検査ＳＥＭ等が広く用いられている。

近年、半導体製造産業では、半導体素子の高集積化が急速に進んでいる。それに伴い、半導体素子上には、種々の電気的絶縁性材料の薄膜が形成される。絶縁材料に電子線を照射すると、二次電子放出によって電荷が蓄積し、帯電する。試料の帯電によって電場が生成されると、試料に入射する電子ビームが曲げられ、電子線の照射位置が変位する。

試料の帯電量は、入射電子ビームの量、絶縁材料の物性、電荷が拡散する経路の有無およびその抵抗などにより定まる。

電子ビームの走査は、通常矩形の走査領域内を一端から順次走査する。従って、走査領域内の蓄積電荷は、空間的に非対称である。また、電荷は、走査領域内および近傍に存在する導電性材料を介して拡散する。従って、蓄積電荷は、時定数の大きな時間的変動を伴う。蓄積電荷の空間的非対称性と時間的変動によって、電界は空間的及び時間的に変動する。それによって、電子線の照射位置は、空間的及び時間的に変動する。

走査電子顕微鏡の場合、試料の帯電によって、像が移動する。以下に、このような現象を「像ドリフト」と呼ぶ。一般的に走査電子顕微鏡では、同一領域の走査（各回の走査を「フレーム」と呼ぶ）を複数回行い、得られた複数の像を平均化してＳ／Ｎ比の向上をはかる。したがって、各フレーム間に像の位置が変位している場合、平均化の結果得られる像は著しく精細度を欠くものとなる。荷電粒子線を照射する荷電粒子ビーム照射装置でも同様な問題が起きる。

特開２００５−１４２０３８公報ＤａｖｉｄＪｏｙ著「ＣｈａｒｇｅＣｏｎｔｒｏｌＤｕｒｉｎｇＰｈｏｔｏｍａｓｋＣｒｉｔｉｃａｌＤｉｍｅｎｓｉｏｎ（ＣＤ）Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ」ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳＥＭＡＴＥＣＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴｒａｎｓｆｅｒ＃３１１４５２Ｂ-ＥＮＧ（２００４）ＪｏｈｎＣ．Ｒｕｓｓ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＰｌｅｎｕｍＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｒｐ．ＮｅｗＹｏｒｋ１９９０：ｐｐ４５−４６

従来から、試料の帯電を回避する様々な方法が知られている。例えば、試料を観察するとき、試料に金属等の導電体を付着させる方法がある。この方法を実行するために、コーティング装置などが実用に供されている。しかしながら、この方法では、試料解析は破壊検査となり、半導体産業における製品検査には適用できない。

特許文献１に記載された方法では、走査領域内において走査順序を変更する。この方法は、各走査によって蓄積する電荷は、走査線周期時間と同程度の時定数で拡散することを前提とする。しかしながら、この方法は、電荷の拡散時定数が走査周期の数百倍程度に長くなると有効でなくなるという欠点がある。これは、例えば、液晶光学素子やフォトマスクなどを観察する場合に起きる。

非特許文献１に記載された方法では、電子線照射時に試料周囲を不活性ガス分子で取り囲む。この方法は、電子ビームで電離した不活性ガスイオンが試料の蓄積電荷を中和する作用を利用する。この方法では、蓄積電荷そのものを除去することができる。しかしながら、この方法は、二次電子の検出効率が試料周囲の不活性ガス圧力に大きく依存する。そのため、安定した像を得るためにはガス圧力の精密な制御が必要であり、実装上大きな困難がある。

本発明の目的は、荷電粒子ビーム装置によって、絶縁材を含む試料を観察する場合に、試料が帯電することにより像ドリフトが発生することを防止することにある。

本発明によると、荷電粒子ビーム照射装置は、粒子線ビームを偏向走査する偏向走査器と、試料上に照射する粒子線ビームを集束する対物レンズと、試料からの２次信号を検出する２次信号検出器と、を有し、該２次信号検出器からの信号より画像を生成する。

本発明によると、所定の走査線方向と所定の走査線の順次方向による第１の走査と、前記所定の走査線方向と異なる走査線方向と前記所定の走査線の順次方向と異なる走査線の順次方向による第２の走査と、を実行する。

第１の走査を実行した後に前記第２の走査を実行することを繰返し、第２の走査によって得られたフレームの相加平均を求めることによって画像を生成してもよい。第１の走査によって得られた少なくとも１つのフレームと、第２の走査によって得られた少なくとも１つのフレームの相加平均を求めることによって画像を生成してもよい。

本発明によると、絶縁材を含む試料を観察する場合に、試料が帯電することにより像ドリフトが発生することを防止することができる。

図１を参照して、本発明による荷電粒子ビーム照射装置の例を説明する。本例では、荷電粒子ビーム照射装置は、走査電子顕微鏡である。本例の走査電子顕微鏡は、電子源陰極２０５、第一陽極２０６、第二陽極２０７、第一集束レンズ２０８、絞り板２０９、第二集束レンズ２１０、直交電磁界発生器２１４、走査コイル２１２、対物レンズ２１１及び試料台２０３を有する。試料台２０３は、試料室２０１に配置される。試料室２０１は真空排気装置２２２により１×１０^−４Ｐａ程度の高真空に保持されている。

走査電子顕微鏡は、更に、電子源陰極２０５、第一陽極２０６、第二陽極２０７、第一集束レンズ２０８、第二集束レンズ２１０、及び、対物レンズ２１１に印加する電圧を供給する電源２１７、２１８，２１９、２２０を有する。走査電子顕微鏡は、更に、走査コイル２１２に鋸歯状電流を供給する走査信号電源２２１を有する。

走査電子顕微鏡は、二次信号検出器２１５、信号増幅器２１６、制御装置２２３、描画装置２２４、画像表示装置２２５、画像記憶装置２２６、及び、画像処理装置２２７、を有する。

走査電子顕微鏡によって試料の像を得る方法を簡単に説明する。先ず、試料２０２が、試料室２０１内の試料台２０３上に配置される。電子源陰極２０５から放出された電子ビーム２０４は、第一陽極２０６、及び、第二陽極２０７によって加速され、第一集束レンズ２０８によって集束され、絞り板２０９を経由し、第二集束レンズ２１０によって集束され、走査コイル２１２によって偏向走査される。電子ビーム２０４は、更に、対物レンズ２１１によって、集束され、微小な断面径の収束ビームとなって、試料２０２の表面に到達する。

本例の走査機構は、走査コイルによって発生する磁界を用いる磁場方式であるが、対向電極に電圧を印加して発生する電界を用いる電場方式も可能である。試料２０２から発生した二次信号（この場合二次電子）２１３は、試料２０２と対物レンズ２１１の間に印加された電圧により引き上げられ、対物レンズ２１１の上方に進行する。二次信号２１３は、直交電磁界発生器２１４によって一次電子ビーム２０４と分離されて二次信号検出器２１５に到達する。二次信号２１３は、二次信号検出器２１５によって電気信号に変換され、信号増幅器２１６によって増幅され、描画装置２２４に送られる。描画装置２２４は、二次信号２１３を画像信号に変換し、画像表示装置２２５に送る。こうして、試料像は、画像表示装置２２５によって表示される。画像信号は、更に、画像記憶装置２２６に転送される。画像処理装置２２７は、画像記憶装置２２６に取り込まれた画像情報の加算平均、特定形状の検出、像移動の検出、特定形状寸法の測定などの処理を実行する。即ち、画像処理装置２２７は、図２〜図５を参照して説明する画像処理を実行する。これらすべての要素が制御装置２２３により逐次制御される。

図２を参照して本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第１の例を説明する。一般に試料１０１上の対象領域１０３を観察する場合には、対象領域１０３を探す視野探しを行う。視野探しでは、対象領域１０３を含む相対的に広い領域１０２を比較的低倍率にて観察する。即ち、通常の走査線方向１０５ａで走査し、広い領域１０２の像を得る。このとき、広い領域１０２には二次電子放出に伴う正電荷が蓄積する。広い領域１０２の像から対象領域１０３を見つけたら、次に、対象領域１０３を比較的高倍率にて観察する。

従来の技術では、対象領域１０３を観察するとき、走査線方向１０５ｂの走査を行い、その結果得られるフレーム１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃを相加平均することによって、対象領域１０３の画像を得る。このとき、走査線の走査方向１０５ｂおよび走査線の順次方向１０８は常に一定であるので、対象領域１０３を観察するための走査領域１０９には、周期的に変化する電荷の分布の非対称性１１１が生ずる。この電荷の分布の非対称性１１１は、走査領域１０９の上方に非対称な電場を生成し、入射する電子ビームを偏向させる効果がある。これが像ドリフトを引き起こす原因の一つである。

本発明によると、対象領域１０３を観察するとき、予備走査を行ってから、本走査を行う。先ず、第１の予備走査を行う。予備走査と本走査は同一回数実行してよい。

予備走査では、本走査の走査線方向１０５ｂに対して反転した走査方向１０４、及び、本走査の順次方向１０８に対して反転した順次方向１０７にて、走査を行う。それによって、第１の予備フレーム１０３ａが得られる。次に、第１の本走査を行う。本走査は、従来の技術と同様に、通常の走査線方向１０５ｂおよび走査線の順次方向１０８にて、走査を行う。それによって、第１の本フレーム１０６ａが得られる。次に、第２の予備走査を行い、第２の予備フレーム１０３ｂを得る。第２の本走査を行い、第２の本フレーム１０６ｂを得る。同様に、第３の予備走査を行い、第３の予備フレーム１０３ｃを得る。第３の本走査を行い、第３の本フレーム１０６ｃを得る。こうして得られた本フレーム１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの相加平均を求めることによって、像を得る。

予備走査によって、走査領域１０９には、周期的に変化する電荷の分布の非対称性１１０が生ずる。予備走査の後に実行する本走査によって、走査領域１０９には、周期的に変化する電荷の分布の非対称性１１１が生ずる。しかしながら、予備走査によって生じる電荷の分布の非対称性１１０の方向は、本走査によって生じる電荷の分布の非対称性１１１の方向とは逆である。従って、２つの非対称性１１０、１１１は相殺される。

従って、予備走査を行った後に行う本走査によって得られたフレーム１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃの相加平均を求めると、２つの非対称性１１０、１１１は相殺されているため、像ドリフトは生じない。そのため、試料の帯電に起因した像ドリフトを除去することができる。電荷の分布の非対称性１１０、１１１の方向は、電界ベクトルの方向の意味である。

試料が絶縁物の場合、蓄積電荷の減衰時定数はフレーム形成時間と同等のオーダーである。従って、互いに反対方向の走査を重ね合わせることによって、蓄積電荷の非対称性を相殺することができる。走査方向の変更は、図１の走査コイル２１２に印加される鋸歯状電流の極性を反転するだけで可能である。即ち、図１に示したＳＥＭ本来の構成になにも付け加えることなく、制御装置２２３に搭載されている制御手順の変更だけで可能である。きわめて安価に絶縁物観察時の像ドリフトを低減する装置を提供するものである。

図３を参照して本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第２の例を説明する。先ず、反転した走査方向３０２および反転した順次方向３０８にて第１の走査を行い、第１群のフレーム３０１ａ、３０１ｂを得る。次に、通常の走査方向３０４および順次方向３０９にて第２の走査を行い、第２群のフレーム３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃを得る。次に、反転した走査方向３０２および反転した順次方向３０８にて第３の走査を行い、第３群のフレーム３０１ｃ、３０１ｄを得る。次に、通常の走査方向３０４および順次方向３０９にて第４の走査を行い、第４群のフレーム３０３ｄ、３０３ｅ、３０３ｆを得る。

本例では、全てのフレーム３０１ａ、３０１ｂ、３０３ａ、３０３ｂ、３０３ｃ、３０１ｃ、３０１ｄ、３０３ｄ、３０３ｅ、３０３ｆの相加平均を求めることによって、像を得る。通常の走査方向３０４および順次方向３０９による走査と、反転した走査方向３０２および反転した順次方向３０８による走査は、同一回数実行してよい。

第１、第３の走査によって、走査領域３０５に生じる電荷の分布の非対称性３０６と第２、第４の走査によって、走査領域３０５に生じる電荷の分布の非対称性３０７の方向は互いに反対方向である。従って、第１、第３の走査によって、生じる電荷の分布の非対称性３０６と、第２、第４の走査によって、生じる電荷の分布の非対称性３０７は相殺される。そのため、像ドリフトは生じない。

図３の例は、試料上の蓄積電荷が拡散する経路、たとえば高抵抗の導電性材料による膜などが存在し、蓄積電荷の減衰時定数が小さい場合に特に有効である。本例においても、反転フレームの挿入間隔および枚数は、図１の制御装置２２３にあらかじめ設定することが可能であり、制御手順の変更のみで実現できる。

図４を参照して本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第３の例を説明する。本例によると、通常の走査方向４０２および順次方向４０３にて複数の走査を行い、フレーム４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃを得る。複数の走査は、所定の時間間隔にて実行される。そのため、各フレーム４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに含まれる画像要素４０５の位置はシフトしている。従って、複数のフレーム４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃに含まれる画像の間のシフト量を検出する。これが像ドリフト量である。画像の間のシフト量を検出する方法は、既知である。たとえばＪｏｈｎＣ．Ｒｕｓｓ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ＡｓｓｉｓｔｅｄＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；ＰｌｅｎｕｍＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏｒｐ．ＮｅｗＹｏｒｋ１９９０：ｐｐ４５−４６を参照されたい。像ドリフト量が所定の値を超えた場合には、図２又は図３に示した方法を実行する。

図５は本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第３の例を実行するアルゴリズムの例である。先ず、ステップＳ１にて、像ドリフト量、即ち、画像の移動量が所定の閾値以上であるか否かを判定する。画像の移動量が所定の閾値以上である場合には、ステップＳ２に進み、図２又は図３に示した例のように、反転した走査方向および順次方向の走査を導入する。画像の移動量が所定の閾値以上でない場合には、ステップＳ３に進み、そのまま画像生成処理を行う。

ステップＳ１にて用いる閾値は、例えば、像倍率１０万倍の場合に、像移動量が１ナノメータ／秒程度である。

上述の例では、走査方向および順次方向のいずれも１８０度反転させて走査を行う。しかしながら、走査方向又は順次方向のいずれか片方のみを反転させてもよい。例えば、像ドリフトが画面に対し円運動を描くような場合には、走査方向のみの反転が有効であると考えられる。また、反転させる角度は、１８０度以外の角度でもよい。更に、複数の異なる角度をもつフレームを逐次挿入することも可能であり、試料にもっとも適した方法を探索することができる。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者によって容易に理解されよう。

上述の例では、主に走査電子顕微鏡の例を示したが、本発明は、電子線以外の荷電粒子、たとえばガリウムイオンを用いた照射装置にも適用できる。また広く絶縁物を対象とした分析に応用できることから、特に液晶光学素子、表面弾性波素子、半導体産業用フォトマスクの観察ならびに検査装置に適用することが可能である。

本発明による荷電粒子ビーム照射装置の構成例を示す図である。本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第１の例を説明する図である。本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第２の例を説明する図である。本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第３の例を説明する図である。本発明による走査電子顕微鏡によって画像を生成する方法の第３の例の処理の流れを説明する図である。

符号の説明

１０１…試料、１０３…対象領域、１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ…フレーム（反転）、１０４…走査線方向（反転）、１０５ａ、１０５ｂ…走査線方向（通常）、１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ…フレーム（通常）、１０７…順次方向（反転）、１０８…順次方向（通常）、１０９…走査領域、１１０…電荷分布の非対称性（反転）、１１１…電荷分布の非対称性（通常）

Claims

粒子線ビームを偏向走査する偏向走査器と、試料上に照射する粒子線ビームを集束する対物レンズと、試料からの２次信号を検出する２次信号検出器と、を有し、該２次信号検出器からの信号により画像を生成する荷電粒子ビーム照射装置において、
前記偏向走査器による粒子線ビームの走査は、所定の走査線方向と所定の走査線の順次方向による第１の走査と、前記所定の走査線方向と異なる走査線方向と前記所定の走査線の順次方向と異なる走査線の順次方向による第２の走査と、を含むことを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置において、前記第１の走査を実行した後に前記第２の走査を実行することを繰返し、前記第２の走査によって得られたフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置において、前記第１の走査によって得られた少なくとも１つのフレームと、前記第２の走査によって得られた少なくとも１つのフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置において、前記第２の走査における走査線の走査線方向と走査線の順次方向は、前記第１の走査における走査線の走査線方向と走査線の順次方向に対してそれぞれ反対方向であることを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置において、前記第１の走査と前記第２の走査は同一回数実行することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
請求項１記載の荷電粒子ビーム照射装置において、像ドリフトが所定の閾値未満のときは前記第１の走査のみを行い、像ドリフトが所定の閾値より大きくなったときに、前記第１の走査と前記第２の走査を実行することを特徴とする荷電粒子ビーム照射装置。
電子線ビームを試料上に偏向走査することと、
試料上に照射する電子線ビームを集束することと、
試料からの２次電子信号を検出することと、
該２次電子信号から画像を生成することと、
を有する電子線走査像生成方法において、
前記偏向走査は、所定の走査線方向と所定の走査線の順次方向による第１の走査と、前記所定の走査線方向に対して反転した走査線方向と前記所定の走査線の順次方向に対して反転した走査線の順次方向による第２の走査と、を含むことを特徴とする電子線走査像生成方法。
請求項７記載の電子線走査像生成方法において、前記第１の走査を実行した後に前記第２の走査を実行することを繰返し、前記第２の走査によって得られたフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする電子線走査像生成方法。
請求項７記載の電子線走査像生成方法において、前記第１の走査によって得られた少なくとも１つのフレームと、前記第２の走査によって得られた少なくとも１つのフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする電子線走査像生成方法。
請求項７記載の電子線走査像生成方法において、前記第１の走査と前記第２の走査は同一回数実行することを特徴とする電子線走査像生成方法。
請求項７記載の電子線走査像生成方法において、像ドリフトが所定の閾値未満のときは前記第１の走査のみを行い、像ドリフトが所定の閾値より大きくなったときに、前記第１の走査と前記第２の走査を実行することを特徴とする電子線走査像生成方法。
電子線ビームを偏向走査する偏向走査器と、試料上に照射する電子線ビームを集束する対物レンズと、試料からの２次電子信号を検出する２次電子信号検出器と、該２次電子信号検出器からの信号により生成された画像信号を処理する画像処理装置と、を有する走査電子顕微鏡装置において、
前記偏向走査器による電子線ビームの走査は、所定の走査線方向と所定の走査線の順次方向による第１の走査と、前記所定の走査線方向に対して反転した走査線方向と前記所定の走査線の順次方向に対して反転した走査線の順次方向による第２の走査と、を含むことを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
請求項１２記載の走査電子顕微鏡装置において、前記第１の走査を実行した後に前記第２の走査を実行することを繰返し、前記第２の走査によって得られたフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
請求項１２記載の走査電子顕微鏡装置において、前記第１の走査によって得られた少なくとも１つのフレームと、前記第２の走査によって得られた少なくとも１つのフレームの相加平均を求めることによって画像を生成することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。
請求項１２記載の走査電子顕微鏡装置において、像ドリフトが所定の閾値未満のときは前記第１の走査のみを行い、像ドリフトが所定の閾値より大きくなったときに、前記第１の走査と前記第２の走査を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡装置。