JP2009146791A - 電子ビーム検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ビーム検査装置において、観察試料の汚染に起因した、形状観察、寸法精度等の観察分解能の低下を防止する。
【解決手段】試料室に置かれた試料に電子銃室の電子銃から電子線を照射し、試料から発生する二次電子および反射電子を検出する電子ビーム検査装置において、試料交換室に酸素の活性種を生成する手段を設け、試料の特定箇所を選択的に酸素の活性種に暴露し、観察試料に残留しているハイドロカーボン系ガスを低減し、その後、試料室に観察試料を導入することによって、汚染影響による観察分解能の低下が少ない形状観察や寸法測定が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は電子ビーム検査装置に関わり、特に半導体装置等の検査を行うのに好適な電子ビーム検査装置に関する。

電子ビームを観察試料上に走査して、観察した試料から発生する二次電子または反射電子により、試料上に形成したパターン形状、あるいは寸法を測定・観察する電子ビーム検査装置は、半導体素子の微細化が進むにつれて、その役割の重要性が増している。

一般的に良く知られた現象として、電子顕微鏡を用いて観察を行った際には、電子線を照射した部分、すなわち観察部分に汚染物質が付着する。文献SpecimenProtection in the Electron Microscope（HEYWOOD J A,Pract Metallogr 19（1982）465）に示されているように、試料汚染の原因となるのは、試料上や装置内雰囲気中に存在する、例えばハイドロカーボン系ガス分子等が考えられている。この様な汚染物質は、電子線エネルギーを受けることにより固体化することが報告されている。

試料表面に汚染物質が付着した場合、観察試料表面は真の形状を表しているわけではなく、汚染物質付着後の表面形状を表している。観察中に寸法，形状が変化することは致命的な問題となってしまうが、現実に半導体のパターン寸法計測を行う電子ビーム検査装置では、測定誤差の問題だけではなく、観察時の汚染物質の堆積により、コンタクトホール径が小さくなり、場合によってはコンタクトホールが塞がってしまうという問題や、配線幅の増加により素子短絡も起こるため、製品の不良の原因にもなる。

近年半導体の微細化が進み、サブミクロンオーダーのパターンやコンタクトホールの寸法計測，形状観察が行われるようになり、倍率を数万〜十数万倍の高倍率で観察する場合が多い。高倍率で観察した場合、汚染物の付着量はパターンの１０％程度に、例えば、０.５ μｍのパターンに対して数十ｎｍというレベルになることもある。

上述したような走査型電子顕微鏡における試料汚染の防止に関する従来技術としては、特開平5−82062号公報や、特開平10−64467号公報に開示されたものがある。

特開平5−82062号公報では、試料汚染防止装置の冷却板を断熱体とバネを介して対物レンズに取り付け、対物レンズ下面および試料自体から放出されたガスを冷却板で吸着しトラップするものである。冷却により試料汚染を防止するという方法は現在最も一般的な方法であり、試料近傍のガスをトラップする、すなわち試料近傍に存在するガス分子の数を減少させることによって、試料汚染を防止するというものである。

また、特開平10−64467 号公報では、電子ビーム照射によって試料から発生したハイドロカーボン系のガス等が鏡体内に蓄積して、試料汚染の原因となるので、鏡体と試料室の間を真空的に隔絶するような隔離膜を設けて試料汚染を防止している。

特開平5−82062号公報 特開平10−64467号公報 SpecimenProtection in the Electron Microscope（HEYWOOD J A,Pract Metallogr 19（1982）465）

上記特開平5−82062号公報に開示された技術では、冷却トラップされるのは主に水（Ｈ2Ｏ）や窒素（Ｎ2）であり、ハイドロカーボンをトラップする効率は良くない。試料汚染はハイドロカーボンを主体とするガス成分が、電子線からエネルギーを受けることにより重合して膜となり試料表面上に付着する現象であり、ハイドロカーボンを効率良くトラップできるものでなければ、試料汚染を効果的に防止することはできない。

また、特開平10−64467 号公報に開示された技術では、鏡体と試料室とを真空的に隔絶するだけであるので、試料汚染防止の十分な効果を期待することはできない。試料汚染の原因となる残留ガスは鏡体の中だけでなく、むしろ試料室内や、観察室に持ち込む試料に存在していることが多く、測定試料については十分な対策がなされないため、汚染物資防止の十分な効果を期待できない。

本発明の目的は、分解能の低下を生じさせることがなく、簡単な構造で効果的に試料汚染を限りなく低減可能な電子ビーム検査装置を提案することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電子ビーム検査装置においては、観察対象である試料を搬入するための試料交換室に、予め試料の汚染を除去する試料清浄化手段を設け、さらに前記試料清浄化手段は、酸素の活性種を試料の特定の部位に暴露することにより達成される。

また前記酸素の活性化種はプラズマ発生源を用いることによって発生させることにより達成される。

また前記試料交換室は、観察対象である試料の特定部位を選択的に清浄化する構造を有することにより達成される。

さらに前記特定部位を選択的に清浄化する手段は、前記試料の全面、または試料裏面のみを選択的に清浄化することによって達成される。

また前記試料交換室を、少なくとも隔壁によって２室以上に分離することによって実施することにより達成される。

また前記試料交換室の隔壁には、気体分子が自在に通過できるシャッターが設けられており、かつ該シャッターを可変バルブとすることによって、酸素活性種の密度を制御することにより達成される。

本発明によれば、分解能の低下を生じさせることがなく、簡単な構造で効果的に試料汚染を限りなく低減可能な電子ビーム検査装置を提案することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は本発明に関わる、電子ビーム検査装置の概略構成を示している。図１において、電子銃室１、コンデンサレンズ室２、試料室３が縦方向に配置され、コンデンサレンズ室２と試料室３の間には中間室４が設けられている。また、試料室３に隣接して予備排気室５が配置され、この予備排気室５の上部には試料交換室６が設けられている。

電子銃室１には、電子銃７、引出電極８、加速電極９および固定絞り１０が、コンデンサレンズ室２にはコンデンサレンズ１１が、中間室４には偏向コイル１２、対物レンズ１３および対物レンズ固定絞り１４が各々設けられている。また、試料室３には試料ホルダ１５が設けられ、この試料ホルダ１５の上に試料１６が設置される。試料室３と予備排気室５との間にはゲートバルブ１７を設置し、このゲートバルブ１７の開閉によって、試料室３と予備排気室５間を試料ホルダが移動する（図２）。予備排気室５と試料交換室６との間にはゲートバルブ１８を設置し、このゲートバルブ１８の開閉によって、試料交換室６と予備排気室５間を試料ホルダが移動する（図３）。

電子銃室１には真空ポンプ１９，２０が、コンデンサレンズ室２には真空ポンプ２１がそれぞれ接続され、鏡体が電子源７から安定した電子線を得るために真空ポンプ１９，２０，２１で差動排気され、これによって、電子銃室１およびコンデンサレンズ室２は１０-7Ｐａ以下の圧力に減圧されている。

試料室３には真空ポンプ２２が接続され、１０-3Ｐａ以下に真空排気されている。さらに予備排気室５には真空ポンプ２３が接続され、予備排気室５は１０-2Ｐａ以下に真空排気されている。

また、中間室４には、電子銃７からの電子ビームＢ１を試料１６に照射したときに、試料１６表面からの二次電子または反射電子Ｂ２を検出する反射電子・二次電子検出器２４が取り付けられている。試料交換室６には、本実施の形態の特徴部分である酸素活性種生成装置２５が取り付けられている。また、２６は試料室３と中間室４とを連結する排気バイパスである。

上記構成の電子ビーム検査装置において、試料ホルダ１５上に試料１６をセットする場合、試料ホルダ１５は予備排気室５内に存在し、開口部１８の下にある、ゲートバルブ１７、及びゲートバルブ１８は閉じた状態である。予備排気室５および試料交換室６は真空排気されており、開口部１８の真下にある試料ホルダ１５は上昇し開口部１８をふさぐ。この時隔壁６１は試料交換室６の底に位置している。次に、隔壁６１を試料交換室の中間部まで上昇させる。次に試料交換室６のみを大気開放し隔壁６１上に試料１６を設置する。

試料１６を観察するため試料室３まで搬送する場合は、以下の手順によって行う。まず隔壁６１上に観察試料を設置する。この時隔壁６１は試料交換室の中間位置まで上昇した状態となっている。試料交換室６を粗引きポンプで排気し、その後、隔壁６１を試料交換室６の底部まで下降させる。次に隔壁６１上の試料を試料ホルダ１５に設置する。次に試料ホルダ１５を下降と共に下降させ、予備排気室５まで搬送される。予備排気室５内が１０-2Ｐａ以下に真空排気された後、ゲートバルブ１７を開けて、試料１６を上面に載せた状態で試料ホルダ１５を、ゲートバルブ１７を介して、試料室３に搬送する。試料室３内では試料ホルダ１５は電子銃７のほぼ真下に位置させる。その後、ゲートバルブ１７を閉じ、真空ポンプ２２によって試料室３内を１０-3Ｐａ以下に真空排気する。

試料室３内が１０-3Ｐａ以下に真空排気されたら、電子銃７から電子ビームＢ１が、引出電極８に印加された電圧により引き出され、その引き出された電子ビームＢ１は加速電極９に印加された加速電圧により所望のエネルギーに調整される。さらに、電子ビームＢ１は固定絞り１０を通過した後、コンデンサレンズ１１，対物レンズ１３により試料１６上に収束される。収束された電子ビームＢ１は変更コイル１２により試料１６上を走査する。このとき、試料１６表面からは二次電子および反射電子Ｂ２が発生し、これら二次電子および反射電子Ｂ２は反射電子・二次電子検出器２４によって検出され、試料像を得ることができる。

電子線Ｂ１を照射することにより、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス成分が、電子線からエネルギーを受け、試料１６の表面に徐々に堆積する。堆積量は与える電子線の照射量によっても異なるが、いずれにしても、実際に観察しようとする表面とは異なる形状を観察することになり、特に高倍率で観察する場合にはその堆積量が増大する。さらに高倍率で観察している場合には、測定寸法に対し堆積による寸法増加率が大きく、測定誤差が大きくなってしまう。

前述したように電子ビーム検査装置より試料を観察した場合には、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス分子が、電子線からエネルギーを受けて重合し、試料上に堆積することによって起こる。

従って、この試料表面の汚染をあらかじめ防止するには、ハイドロカーボンを主体とする残留ガス分子を観察する前に低減しておくことが必要である。

なお残留ガスは様々な形態で存在するが、試料室３内の残留ガスが存在することが問題となる。試料室３に存在するガスには、試料室３の内壁に付着していることが原因で放出するガスや、試料室を構成する部品からの放出ガス、さらには、持ち込んだ試料表面、あるいは裏面からの放出ガスがある。当然、測定試料が増加するに従い、試料から発生したガスは試料室に蓄積することになる。従って、試料室に試料を導入する前に試料交換室で清浄化しておけば、試料室への汚染持ち込みを限りなく低減することができる。

本発明の実施例の電子ビーム検査装置には試料交換室６に酸素活性種生成装置２５が取り付けられている。バルブの開閉によって酸素活性種の導入を行うが、酸素活性種を生成する手段はどのような方法でもよく、たとえば酸素ガスをプラズマによって解離させる方法がある。

酸素活性種を導入することによって、試料交換室６内のハイドロカーボン系ガスは以下のように分解される。ハイドロカーボン系ガスはいくつかの炭素（Ｃ）といくつかの水素（Ｈ）が化合したものであり、それぞれをｘ個、ｙ個とするとＣxＨyの形で表される。このハイドロカーボン系ガスに酸素活性種が加わると、酸化作用、すなわち、ＣxＨy＋Ｏ＊→ＣＯ2＋Ｈ2Ｏの反応が起こり二酸化炭素（ＣＯ2）および水（Ｈ2Ｏ）への分解が起こる。この分解反応により、試料室３内のハイドロカーボン系ガスを除去することが可能となる。

また観察試料の表面は必ずしも、酸素活性種に暴露されることが好ましくない形態も存在する。例えば、観察試料の表面がフォトレジストの様な有機薄膜で覆われている場合、酸素活性種を暴露すると、表面の有機膜がエッチング作用によって消滅してしまう恐れがある。あるいは、観察試料の表面は電子デバイス特性を直接決定する各素子が実装されている場合には、試料の裏面と同等の条件で酸素活性種に暴露することが好ましくない場合もある。

そこで本実施例では、試料の特定箇所を選択的に清浄化するために、試料交換室６内に隔壁６１、及び可変バルブ（シャッター）を設けている。

試料交換室６を図４、５を用いて説明する。

まず試料交換室６に導入した試料１６は、穴形状を有する隔壁６１上に設置する。酸素活性種生成装置２５の取り付け口は、隔壁６１の下部に配置してある。従ってこの段階では試料１３は、試料交換室内６で中空に浮いた上体となり、試料の下面のみが、酸素活性種に暴露されることになる。なお本実施例では穴形状を有する隔壁を設けてあるが、試料の下面が選択的に酸素活性種に暴露される構造であれば、その形状はどの様な形状でもよい。

またこの隔壁６１にはシャッター（可変バルブ）６２が設けられており、隔壁６１の上部、下部を気体分子が通過する構造とすることが可能なシャッター（可変バルブ）６２を開いた状態では、酸素活性種を上部、下部両側に供給することが可能であり、試料の両側を清浄化することが可能である。

さらに状況に応じてシャッター（可変バルブ）６２によって、酸素活性種の流量コントロールを行う。この流量コントロールにより、上部、下部の酸素活性種密度を変化させることが可能であるため。上部、下部の清浄化条件を変化させることが可能である。なおシャッター（可変バルブ）６２は隔壁上に複数個設置してあり、任意の隔壁を個別に制御することによって、試料交換室内の気体分子密度状態を精密に設定することが可能である。

上記した手段を講じることによって、観察試料を試料室に持ち込む前に、効果的に汚染を低減することが可能となる。

本発明の実施例による電子ビーム検査装置の構成図である。 本発明の実施例による電子ビーム検査装置の構成図である。 本発明の実施例による電子ビーム検査装置の構成図である。 本発明の実施例による電子ビーム検査装置の試料交換室の側面図である。 本発明の実施例による電子ビーム検査装置の試料交換室の平面図である。

符号の説明

１…電子銃室、２…コンデンサレンズ室、３…試料室、４…中間室、５…予備排気室、６…試料交換室、７…電子銃、８…引出電極、９…加速電極、１０…固定絞り、１１…コンデンサレンズ、１２…偏向コイル、１３…対物レンズ、１４…対物レンズ可動絞り、１５…試料ホルダ、１６…試料、１７，１８…ゲートバルブ、１９〜２３…真空ポンプ、２４…反射電子・二次電子検出器、２５…酸素活性種生成装置、２６…排気バイパス、６１…試料交換室隔壁、６２…試料交換室シャッター（可変バルブ）。

Claims (8)

1. 試料観察室に設置した試料に電子銃室の電子銃から電子線を照射し、前記試料から発生する反射電子、及び二次電子を検出することにより、前記試料の形状観察または寸法測定を行う電子ビーム検査装置において、
   前記電子ビーム検査装置は、電子銃室、試料観察室、試料交換室、電子銃及び、試料制御装置によって構成され、前記試料交換室は、観察試料を搬入、及び搬出する手段と、酸素の活性種を導入する手段と、酸素の活性種によって観察試料の特定部位を選択的に清浄化する試料前処理手段を有することを特徴とした電子ビーム検査装置。
2. 請求項１に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記観察試料の特定部位を選択的に清浄化する手段は、前記試料を酸素の活性種に暴露することによって行うことを特徴とする電子ビーム検査装置。
3. 請求項１、２記載の電子ビーム検査装置において、
   前記酸素の活性種はプラズマ発生源を用いて発生させることを特徴とする電子ビーム検査装置。
4. 請求項１、２、３に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記観察試料の特定部位の選択的清浄化は、試料全面、または試料裏面のみを選択的に清浄化する手段であることを特徴とする電子ビーム検査装置。
5. 請求項４に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記観察試料の清浄化は、隔壁によって少なくとも２室以上に分離された試料交換室で実施されることを特徴とする電子ビーム検査装置。
6. 請求項５に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記試料交換室内の隔壁には、各室間を気体分子が通過可能な開閉可能なシャッターが設けられていることを特徴とする電子ビーム検査装置。
7. 請求項６に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記シャッターは気体流量を制御できる可変バルブであることを特徴とする電子ビーム検査装置。
8. 請求項７に記載の電子ビーム検査装置において、
   前記可変バルブにより、隔壁間で分割された各室の前記酸素活性種の密度制御を行うことを特徴とする電子ビーム検査装置。

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