JP2010102984A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低価格でありながら、検査対象のパターン微細化に対応した検査精度が向上された荷電粒子線装置を実現する。
【解決手段】被検査試料の検査位置（ウェハー座標系）を検査機構の配置位置（ステージ座標系（極座標系））に変換し、回転アーム１０２を回転させると共に、回転ステージ１０３を回転させて、検査機構の配置位置に、被検査試料の検査位置を移動させる。このとき、回転ステージ１０３の中心のずれ量等を算出して、補正することを可能としたので、２軸回転ステージ機構を有する荷電粒子線装置において、検査対象のパターン微細化に対応して、検査精度を向上することができる。また、回転アーム１０２の回転により描かれる回転ステージ１０３の中心の移動軌跡上に、複数の検査装置を配置する構成としたので、小型でありながら、複数種類の検査が可能な荷電粒子線装置を実現することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検査体の検査等を行なう荷電粒子線装置に関する。

近年、半導体プロセスの微細化、半導体ウェーハの大口径化により荷電粒子線を用いてウェーハ上の微細パターンの寸法検査や微細欠陥の検査が多用されている。

半導体ウェーハサイズは現在、半径３００［ｍｍ］であるが、近い将来４５０［ｍｍ］へと大口径化が検討されている。

また、パターン寸法も３５［ｎｍ］以下となり、これらの寸法検査やパターンの欠陥検査も、より高精度計測が必要となり、荷電粒子線装置の分解能も高くすることが望まれている。

一方、こうした各種の荷電粒子線装置の半導体ウェーハのパターン位置決めには、Ｘ、Ｙの直交する２軸の座標系で行われている。そのため、装置が大型化し高コストになるばかりでなく、荷電粒子線装置の像分解能を更に向上させる上で、試料ステージの微振動による像劣化も問題となっている。

更に、荷電粒子線装置を設置するクリーンルームは、一層のクリーン化や床振動防止などのために非常に高価になっており、荷電粒子線装置のローコスト化が望まれる。

こうした問題に対して、特許文献１に記載された技術においては、試料ステージの移動範囲に排気予備室を設け、排気予備室と試料室と間の試料移動手段を、別途設ける必要性を無くすことにより、小型化を図っている。

また、特許文献２に記載された技術によれば、試料ステージを回転可能とするとともに、試料ステージを支持するアームにより、試料ステージ全体を回動可能とすることにより、試料ステージを小型化し、荷電粒子線装置の小型化を図っている。

特許第３３８９７８８号明細書 特開平８−１６２０５７号公報

しかしながら、特許文献２に記載された技術によれば、試料ステージの小型化は可能であるが、半導体ウェーハのパターン微細化に応じた検査精度の向上化については考慮されておらず、小型でありながら、半導体ウェーハ等の被検査対象の寸法、欠陥等の検査精度の向上は困難であった。

本発明の目的は、小型で低価格でありながら、検査対象のパターン微細化に対応した検査精度が向上された荷電粒子線装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は以下のように構成される。

本発明による荷電粒子線装置は、被検査物を回転させる回転ステージと、この回転ステージを回転駆動する手段と、回転ステージを円弧状に移動させる回転アームと、この回転アームを駆動する手段と、回転ステージに配置された被検査物に荷電粒子を照射して、被検査物を検査する荷電粒子線検査手段と、記回転ステージに配置された被検査物の被検査位置を、荷電粒子線検査手段からの荷電粒子線が照射される位置に移動させるために、回転アームの回転角度と回転ステージの回転角度とを演算し、演算した回転角度に基づいて、上記回転アーム駆動手段と上記ステージ回転駆動手段とを駆動する制御手段とを備える。

小型で低価格でありながら、検査対象のパターン微細化に対応した検査精度が向上された荷電粒子線装置を実現することができる。

以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である荷電粒子線装置の全体システム概略構成図であり、この荷電粒子線装置は、大口径ウェーハ対応型であり、回転アーム機構と回転ステージ機構とから形成される２軸回転ステージ機構を有する。

荷電粒子線装置においては、試料室１０１を高真空に保ち、荷電粒子線を上方から照射することによって発生する２次信号を検出、解析することで、試料表面の様々な特徴量を検出する。試料室１０１は、回転アーム１０２と回転ステージ１０３で構成される２軸回転ステージ機構を内蔵しており、これらは制御コンピュータ１０４によって制御される。

回転アーム１０２は、真空内ベアリングで支持された回転軸を有し、回転可能となっており、回転アーム１０２の回転軸が形成された端部とは反対側の端部が、圧電素子によって構成された駆動モータ（図示せず）で駆動され、回転されるように構成される。この回転軸には、回転角度検出器（図示せず）が備えられている。また、回転アーム１０２の回転軸が形成された端部とは反対側の端部は、この端部を支持するガイド機構により、ガイドされる構成となっており、回転アーム１０２は、片持ち支持ではなく、両持ち支持となっており、外部振動に強く、ガタツキなく円弧状に回転駆動される。

回転アームに支持された回転ステージ１０３は、圧電素子によって構成された駆動モータ（図示せず）により回転駆動される。

オペレータはマンマシンインターフェース１０５から検査すべき試料ウェーハを指定すると、ロードポート１１１上に載置されたポッド１１２から指定されたウェーハがウェーハ搬送ロボット１０９によって取り出される。

ウェーハ搬送ロボット１０９が設置されているウェーハ搬送ユニット１０８は、試料ウェーハに異物が付着すること避けるために高クリーン度状態を維持する典型的な試料ウェーハ搬送機構である。試料室１０１を大気パージした後にゲートバルブ１１０を開け、回転ステージ１０３上に直接載置する。その後、ゲートバルブ１１０を閉じ、再び試料室１０１を真空排気することによって高真空状態を形成し、荷電粒子を照射することで検査、計測を行う。

マンマシンインターフェース１０５は入力機構１０７若しくはそれに順ずる通信機能を有し、試料ウェーハに形成した半導体チップの設計情報やショット配列情報を入力することが可能であり、これら情報は記憶装置１０６に保持される。

以上のような構成において、一例として、図２に、４５０［ｍｍ］のウェーハを想定したウェーハ座標系２０１（図２の（Ｂ））からの２軸回転ステージ機構のステージ座標系２０２への変換についての説明図を示す。なお、以下の座標変換等の演算は、制御コンピュータ１０４が実行する。

図２の（Ａ）、（Ｂ）において、回転アーム回転中心２０４から回転ステージ１０３の回転中心までの距離、つまり回転半径をＲ１とし、回転ステージ回転中心２０５に対する回転半径（回転ステージの半径）をＲ２とした場合、理想的な回転アーム１０２の最小必要回転角度Ｓ_１ｍｉｎは次式（１）となる。

Ｓ_１ｍｉｎ＝２・ｓｉｎ^−１｛Ｒ_２／（２Ｒ_１）｝ ・・・（１）
検査機構設置位置２０３を回転アーム回転量が０のときの回転ステージ回転中心２０５に一致するように設置したとして、ウェーハ座標系２０１にて指定した任意の検査点（ｗｘ，ｗｙ）を検査機構設置位置２０３に移動するための回転アーム回転角度Ｓ_１と回転ステージ回転角度Ｓ_２は以下のように決定することができる。

つまり、ウェーハ座標系２０１の座標をウェーハ中心からの極座標に変換する。試料ウェーハの半径は４５０［ｍｍ］であるので、変換された極座標（ｗｒ，ｗｓ）は、次式（２−１）〜（２−４）となる。

ｗｘ−２５５＝ｗｒ・ｃｏｓ（ｗｓ） ・・・(２−１）
ｗｒ−２５５＝ｗｒ・ｓｉｎ（ｗｓ） ・・・（２−２）
ｗｒ＝√｛（ｗｘ−２５５）^２＋（ｗｙ−２５５）^２｝ ・・・（２−３）
ｗｓ＝ｔａｎ^−１｛（ｗｙ−２５５）／（ｗｘ−２５５）｝ ・・・（２−４）
回転アーム回転角度Ｓ_１はｗｒによってのみ決定するので、次式（３）となる。

Ｓ_１＝２・ｓｉｎ^−１｛ｗｒ／（２Ｒ_１）｝ ・・・（３）
回転アーム回転角度Ｓ_１を駆動したことによって生じた視野ずれ角度をＳ_ｃｏｒとすると、このＳ_ｃｏｒは次式（４）で表される。

Ｓ_ｃｏｒ＝Ｓ_１−ｃｏｓ^−１｛Ｒ_１・ｓｉｎ（Ｓ_１）／ｗｒ｝ ・・・（４）
以上の結果より、回転ステージ回転角度Ｓ_２はウェーハ座標から算出した角度成分ｗｓとＳ_ｃｏｒとから、次式（５）で表すことができる。

Ｓ_２＝−ｗｓ＋Ｓ_ｃｏｒ ・・・（５）
２回転軸ステージでは指定した検査点（ｗｘ，ｗｙ）を、後述する検査機構の取り付け位置２０３直下に移動した際、試料角度が変化してしまっている。このため、荷電粒子線装置を検査機構取り付け位置２０３に設置している場合などは、よく知られているラスターローテーション機能を使用して、次式（６）に示す、Ｓ_ｒだけ視野回転補正を行うことで正方向の画像を得ることができる。

Ｓ_ｒ＝Ｓ_１−Ｓ_２ ・・・（６）
ウェーハ座標系２０１と２軸回転ステージの座標系２０２における位置ずれの要因として最も明瞭なものは、ウェーハ中心と回転ステージ回転中心２０５のずれを挙げることができる。

上記に示したようにプリアライメント処理を介さずに回転ステージ１０３に被検査試料（ウェーハ）を直接載置した場合に想定されるずれ量は数［ｍｍ］オーダーで発生すると考えてよい。

回転アーム１０２の最小必要回転角度Ｓ_１ｍｉｎを式（１）に示した通りで構築すると、このずれ量は試料ウェーハの外側に観察が不可能な領域を生じさせることになる。これは、最小必要回転角度Ｓ_１ｍｉｎに対して、許容されるずれ量を考慮した回転角度余裕Ｓ_１ｍｒｇを設けることで改善することが可能となる。

許容されるずれ量をＤｗｒ_ｍａｘとした場合、次式（７）で示される回転角度余裕Ｓ_１ｍｒｇ以上の回転角度余裕を設けることで、ウェーハ中心と回転ステージ回転中心２０５のずれによる外側不感帯の発生を防止することが可能となる。

Ｓ_１ｍｒｇ＝（Ｄｗｒ_ｍａｘ／Ｒ_１） ［ｒａｄ］ ・・・（７）
逆に、ウェーハ中心と回転ステージ回転中心２０５とのずれが、ほぼ０であるという場合、回転角度余裕Ｓ_１ｍｒｇよって検査機構設置位置余裕２０６を設けることができる。検査機構取り付け位置２０３の観察中心に対する回転ステージ回転中心２０５のずれは、観察中心近傍に試料ウェーハ内側の観察不可能領域を生じさせることになる。

回転角度余裕Ｓ_１ｍｒｇによって検査機構設置位置余裕２０６を設けるということは、回転アーム回転中心２０４に対する、回転ステージ回転中心２０５の円周上に検査機構を設置するに当って、円周方向に対する、ずれ量をどのくらい認めるかということである。

つまり、検査機構設置位置余裕２０６の範囲内であれば検査機構はどの位置に設置されても内側の観察不可能領域は発生させなくすることが可能である。図２に示す２軸回転ステージ機構では、もう１点別に検査機構取り付け位置２０８を設けることが可能である。

検査機構取り付け位置２０８は、検査機構取り付け位置２０３に対して、回転アーム円周方向にＳ_１ｍｉｎ＋Ｓ_１ｍｒｇ以上回転した位置に設ける。検査機構取り付け位置２０８は回転アーム１０２の制御を、検査機構取り付け位置２０３とは逆にする必要があるため、設置位置をＳ_１ｍｉｎ＋Ｓ_１ｍｒｇ以上にすることによって、外側観察不可能領域の発生を防止することができる。

図３に、更に構成を拡張して、検査機構設置余裕２０６を大きく設定し（余裕３０４）、Ｓ_１ｍｒｇ＝Ｓ_１ｍｉｎとした構成を示す。Ｓ_１ｍｒｇ＝Ｓ_１ｍｉｎとすることで、３点の代表的な検査機構取り付け位置（１）３０１から検査機構取り付け位置（３）３０３を結ぶ円周上が全て検査機構設置余裕となる。

図３に示した例は、Ｒ１＝３００［ｍｍ］、Ｒ２＝２２５［ｍｍ］とした場合の例であり、この場合、Ｓ_１ｍｉｎ＝４４．０４８６２６°、Ｓ_１ｍａｘ＊２は８８．０９７３°となる構成である。この例は、チャンバーが出来るだけ正方形になるようにＲ１を選んだ例であり、Ｘ＝Ｙ＝７５０［ｍｍ］を最小値として試料室１０１内部を構成し、約７．５［ｍｍ］の余裕を設けることができる。この余裕は検査機構取り付け位置（２）３０２に対して有効な検査機構設置余裕（２）３０５であり、その他の取り付け位置についてはＳ_１ｍｒｇ＝４４．０４８６２６°分の余裕３０１、３０３を設ける構成となる。

検査機構取り付け位置（２）３０２は、検査機構取り付け位置（１）３０１、もしくは検査機構取り付け位置（３）３０３における、試料ウェーハ中心観察時に試料ウェーハ端面を観察する位置に対応する。検査機構取り付け位置（１）３０１に対応するステージ位置を試料搬出入位置とすると、検査機構取り付け位置（２）３０２は試料搬入時にウェーハ端面を観察していることになる。

荷電粒子線装置では低倍率像観察のために光学顕微鏡を搭載している構成が良く見られるが、それを検査機構取り付け位置（２）３０２に配置することでプリアライメントに用いることが可能となる。試料ウェーハ搬入の位置ずれ量が数［ｍｍ］あるとして、これを包含する程度の低倍率光学顕微鏡を設置、もしくは回転ステージ１０３の回転動作と組み合わせることで、試料搬入後、ゲートバルブ１１０の閉鎖、真空排気待ち時間中に並行して位置ずれ補正量算出（プリアライメント）を行うことが可能となる。ここでのプリアライメントとは、回転ステージ回転中心２０５と試料ウェーハ中心の位置ずれに対する補正量算出である。

図３における検査機構取り付け位置（１）から（３）を結ぶ円周上は、どこに検査機構を取り付けても試料ウェーハ全面を網羅することが可能であることになる。そこで、この円周上に半導体デバイスの検査に特有の補助装置、たとえば試料ウェーハ表面の帯電電界を測定する装置を位置３０７に取り付け、同電界を除去する装置を位置３０８に取り付けることで、検査性能の向上を図ることが期待できる。また、外周専用検査機構を位置３０９に取り付けることで、検査性能の向上を図ることが期待できる。

各検査機構取り付け位置３０１〜３０３、３０７〜３０９に対する、補助装置の取り付け位置は、回転アーム１０２の駆動のみで移動可能であり、試料ウェーハ上の検査点についてダイナミックに帯電計測や帯電除去操作を行うことが可能であり、従来の全面に対する処理に比べ、精度を上げることが可能となる。また全面に対する処理が必要な場合は、回転アーム１０２の駆動と回転ステージ１０３の駆動を組み合わせることによって、試料面上の直線走査、渦巻き走査などのメカニカルスキャンを適用することで、試料ウェーハ全面に対する処理を行うことが可能である。

図４は、更に構成を拡張して、Ｒ_１＝Ｒ_２とする場合の構成説明図である。図４に示した例は、Ｒ_１＝２２５［ｍｍ］、Ｒ_２＝２２５［ｍｍ］とした場合であり、この場合、Ｓ_１ｍｉｎ＝６０．０°、Ｓ_１ｍａｘ＊２は１２０．０°となる構成である。この構成とすることで回転アーム回転中心２０４は、回転アーム角度Ｓ_１に関わらず、常に試料ウェーハ外周と一致することになる。この位置を、試料ウェーハの外周専用検査機構取り付け位置４０４として活用することが可能となる。例えば、低倍率の光学顕微鏡を、外周専用検査機構取り付け位置４０４に取り付けることで、回転ステージ回転中心２０５と試料ウェーハ中心との位置ずれに対する補正量算出、プリアライメントが可能になる。

更に、回転アーム回転中心のブレなどにより、各検査機構取り付け位置に対するプリアライメントが必要な場合においても、外周専用検査機構取り付け位置４０４に取り付けた低倍率の光学顕微鏡でのプリアライメントが可能となる。

また、近年注目されている試料ウェーハ外周の品質管理を行うための専用検査機構を取り付け、試料ウェーハ側面の異物検査、膜はがれなどの観察を専門的に行うことが可能となる。また、外周専用検査機構取り付け位置４０４は、全く理想的にずれの無い状態にある場合は、唯一メカニカルローテーションによる試料回転が可能であり、斜め配置した検査機構と組み合わせることで、検査用途は多いに拡大する。

なお、４０１、４０２、４０３は、検査機構取り付け位置である。

以上、説明した２軸回転ステージ機構を用いて位置決め制御を行うには、回転ステージ１０３の回転中心軸のぶれがどの程度あるのかを正確に計測しておく必要がある。そこで、回転ステージ１０３の中央に刻印した方向性を持つ目印を用いてこれを計測する。各検査機構において、制御コンピュータ１０４は回転ステージ１０３中央に刻印した目印を画像処理技法によって検出し、その状態で回転ステージ１０３を回転原点から３６０°回転する。

図５は、回転中心軸ぶれの説明図である。図５に示すように、回転すると同時にその目印を画像処理的に連続抽出し、回転に伴う目印の軌跡５０１を作成する。この情報から回転ステージ回転角度Ｓ_２に対するＸ方向ぶれ量５０２、およびＹ方向ぶれ量５０３を算出し記憶装置１０６に記録する。また、このとき同時に、指定した回転ステージ回転角度に対する回転量のずれ量５０４を目印の方向から計測し、記憶装置１０６に記憶し、回転ステージ制御の補正量として使用する。

上述のようにして記憶した軌跡データが各検査機構位置における回転ステージ回転中心２０５のぶれ量であり、この内側は観察不可能領域である。このぶれ量は回転ステージ１０３の回転角度Ｓ_２によって決定する。回転角度Ｓ_２は上記（５）式によって決定するが、これによって生じる軸ぶれ量をウェーハ座標系に加算し、再度、上記式（２）を用いて回転アーム回転角度Ｓ_１から計算を行う。

この演算は回転角度検出分解能程度で振動することになるので、計算結果の差異が設定閾値以下となったことを検出して処理を終了とするか、もしくは経験的に収束する計算回数が自明である場合は固定回数演算を繰り返して、Ｓ_１、Ｓ_２を決定する。

観察不可能領域の観察には荷電粒子線装置による照射位置調整（イメージシフト）が行われる。照射位置調整で補正できる上限値は、およそ±１５［マイクロｍ］程度と、荷電粒子線装置によって決定しているため、回転軸ぶれ量がその範囲内に収まるよう調整されなくてはならない。また、検査機構の観察中心に対して回転ステージ回転中心の位置ずれがどの程度あるのかを正確に計測する必要がある。

そこで、回転ステージ回転中心２０５のぶれ量を示す軌跡の重心が、その視野における観察中心からどの程度ずれているのかを計測する。観察中心の決定については各取り付け位置に設置される荷電粒子線検査機構の特性に従う。ここで検出した各検査機構に対する観察中心に対する回転中心の位置ずれ量は記憶装置１０６に記録する。

回転アーム１０２の回転角度Ｓ_１方向円周上のずれは、回転アーム１０２の制御量Ｓ_１に対する調整量として位置決め演算に使用する。

図６に示すように、調整前の回転ステージ回転中心６０１に対して、Ｓ_１調整後の回転中心６０２に生じている回転アーム軸方向のずれ量６０３は、即ち、内側観察不可能領域である。このずれ量は荷電粒子線装置による照射位置調整（イメージシフト）による補正量に使用する。照射位置調整で補正できる上限値は荷電粒子線装置によって決定しているため、観察中心ずれ量がその範囲内に収まるよう調整されなくてはならない。

以上、回転ステージ回転中心２０５の軸ぶれ、および観察中心に対する回転ステージ回転中心２０５のずれ量は、装置メンテナンス時に測定作業を行い、ぶれ量、ずれ量の径時変化に追従する。

更に、回転ステージ回転中心２０５に対して、ウェーハ中心の位置ずれがどの程度あるのかを正確に計測する必要がある。これは、図３に示す外周専用検査機構取り付け位置３０９に設けた極低倍率の観察装置、光学顕微鏡やＣＣＤカメラ等を用いて行う。本発明の一実施形態では、ある一定の尤度をもって任意に方向、任意位置に試料ウェーハを回転ステージ１０３上に配置している。計測は試料ウェーハを回転ステージ１０３上に設置後、制御コンピュータ１０４は、一定速度で回転ステージ１０３を一定速度で回転する。

制御コンピュータ１０４は観察装置から得られる動画像データを解析し、試料ウェーハ端面が曲線でない部分、つまりＶ字型ノッチ部を検出する。検出したら一旦、回転ステージ１０３を停止し、停止した位置におけるＶ字型ノッチ部を試料室１０１の２７０°方向、つまりゲートバルブ１１０と反対側の方向へあわせるように回転ステージ１０３を回転し停止する。

その時の回転ステージ角度情報を、記憶装置１０６に保存しておく。制御コンピュータ１０４は、図７に示すように、２７０°方向にあわせたＶ字型ノッチの画面内位置７０１から、ウェーハ中心の位置ずれ量７０２を算出し、この際の回転ステージ角度から、回転ステージ軸ぶれ量を加減算して、記憶装置１０６に保存しておく。

このとき、試料ウェーハが搬入されたときの回転ステージ１０３の角度を合わせて保存しておくこととする。およそ回転原点とするのが一般的である。試料ウェーハ搬出時は記憶しておいた回転ステージ角度にすることで、搬入位置の復元を行う。ウェーハ搬送ロボット１０９やロードポート１１１の位置調整の劣化に伴い、試料ウェーハ中心の位置ずれが大きくなってしまった場合など、回転ステージ１０３の回転角度によってポッド１１２に対する試料ウェーハのＸ、Ｙ位置関係がずれてしまい、これに起因してポッド１１２への試料ウェーハの干渉、衝突の原因となる。試料ウェーハ搬入位置を復元することで、このような事故発生の可能性を軽減することが可能となる。

図８は、図３に示した検査機構等の取り付け位置と、検査機構等との対応関係の説明図である。図８において、検査機構９０１〜９０３、帯電計測機器９０４、除電装置９０５、外周専用検査機構９０６は、試料室１０１の上面部に配置されている。光学検査装置９０１は、取り付け位置３０１に対応する位置に取り付けられ、光学顕微鏡９０２は、取り付け位置３０２に対応する位置に取り付けられ、荷電粒子線検査装置９０３は、取り付け位置３０３に対応する位置に取り付けられている。

また、帯電計測機器９０４は、取り付け位置３０７に対応する位置に取り付けられ、除電装置９０５は、取り付け位置３０８に対応する位置に取り付けられ、外周専用検査機構９０６は、取り付け位置３０９に対応する位置に取り付けられている。

図９は、上述のようにして取得した各補正量を基に２軸回転ステージの位置決め処理を行う処理部のブロック図である。図９において、位置決め処理は大きく分けて、ウェーハ座標系→極座標変換処理部８０１と、極座標→２軸回転ステージ座標変換処理部８０２との２つで構成されている。

ウェーハ座標系→極座標変換処理８０１は、上記式（２）の演算を実行し、極座標→２軸回転ステージ座標変換処理部８０２は、上記式（３）〜（５）の演算を実行する。作業者が入力したウェーハ座標８０８は、極座標変換処理を行う前にウェーハ中心のずれ量を考慮しなくてはならない、そこで、入力座標８０８に対して算出しておいたウェーハ中心のずれ量（Ｘ，Ｙ）データ８０３を加減算する。ウェーハ中心のずれ量（Ｓ）データ８０４は、Ｖ字型ノッチ部を試料室１０１の２７０°方向へ合わせるために回転した回転ステージ角度であるので、これは極座標→２軸回転ステージ座標変換処理部８０２が算出した回転ステージ回転角度に加減算する。

一方、各検査機構取り付け位置８１０は、回転アーム回転角度情報のオフセットとして記憶装置１０６に記憶されており、作業者が指定した検査機構指定８０９に応じて選択する。

各検査機構９０１〜９０６の観察中心に対して、回転ステージ回転中心の位置ずれを持つので、回転アーム回転方向に対して補正可能な視野中心に対する回転ステージ回転中心ずれ量のデータ８０５を加減算することで視野中心ずれ補正を行う。回転アーム軸方向のずれについては、２軸回転ステージによる補正は不可能であるので、別途、照射位置調整（イメージシフト）による補正によって吸収する。

このように決定した各検査機構９０１〜９０６に対する回転アーム回転角度に、２軸回転ステージ座標変換処理部８０２によって算出した回転アーム回転角度を加算して回転アーム制御角度を決定する。

また、２軸回転ステージ座標変換処理部８０２によって算出した回転ステージ角度データはウェーハ中心のずれ量（Ｓ）データ８０４を加減算した後、計測しておいた回転量のずれ量のデータ８０６分の補正を行い、回転ステージ制御角度を決定する。

更に、ここで決定した回転ステージ制御角度に対してステージ中心ぶれが発生するので、そのぶれ量を計測した回転に伴うステージ中心ぶれ（Ｘ，Ｙ）のデータ８０７から算出し、ウェーハ座標系に対してフィードバックを行うことで平衡する制御量を決定することが可能となる。

さらに、半導体設計パターンの位置を正確に計測することによって位置決めを高精度化する必要がある。回転アーム１０２および回転ステージ１０３が最大限動作するように試料ウェーハ上のパターンを決定する。２軸回転機構ステージにおいては、試料ウェーハの中心近傍を通る直径上の両端に並んだ任意の３点を選ぶことで満足する。

そこで、制御コンピュータ１０４はマンマシンインターフェースを介して作業者が作成したデータ、もしくは入力機構１０７もしくはそれに順ずる通信機能によって入手した半導体設計データから、中心近傍を通る直径上の両端に並んだ任意の３点のチップ内パターンを自動的に決定し、各検査機構における検査工程開始前に、チップ内パターンを画像処理によって検出し、その検出位置に基づいてウェーハ中心の位置ずれ量を微小補正することで行う。

この補正は試料ウェーハ上での半導体の配列情報に補正をかけることでも可能である。さらに半導体配列に歪があるような場合は、さらに試料ウェーハの端の円周上にチップを決定することで、さらに高精度化を期待できる。

以上の手順にて作成した試料ウェーハ上の半導体配列情報補正データは、近年の半導体の微細化に伴う高精度化技術の発達において、同一製品、同一工程の試料ウェーハに対して再利用可能性が非常に高いと考えてよい。

そこで、半導体配列情報補正データを、その半導体製品および工程を識別できるコードに関連付けて記憶装置１０６に記憶し、次回以降、その製品、工程の検査を行う際にはそれを利用することとして、位置決め工程を省略することで、荷電粒子検査装置のスループット向上を可能にする。

ただし、この半導体配列情報補正データは検査工程における処理、たとえば測長位置の検出や欠陥パターンの検出によって認識した位置情報に基づいて随時修正、学習することで、位置合わせ精度を均一に維持することが可能となる。また、半導体配列情報補正データは定期メンテナンスによるメカ調整などを実施した際に、マンマシンインターフェース１０５から指示をすることによって学習情報を消去し、位置決め工程による半導体配列情報補正データの再作成を実施することが可能となる。この回転アームの移動量は、ウェーハ径の約半分のストロークで回転ステージとの併用により、ウェーハの全範囲をカバーすることができる。

以上のように、本発明によれば、被検査試料の検査位置（ウェハー座標系）を検査機構の配置位置（ステージ座標系（極座標系））に変換し、回転アーム１０２を回転させると共に、回転ステージ１０３を回転させて、検査機構の配置位置に、被検査試料の検査位置を移動させる。このとき、回転ステージ１０３の中心のずれ量等を算出して、補正することを可能としたので、２軸回転ステージ機構を有する荷電粒子線装置において、検査対象のパターン微細化に対応して、検査精度を向上することができる。

また、回転アーム１０２の回転により描かれる回転ステージ１０３の中心の移動軌跡上に、複数の検査装置を配置する構成としたので、小型でありながら、複数種類の検査が可能な荷電粒子線装置を実現することができる。

更には、ステージが小型化されるので、これを囲む試料室も小型化でき、合成の向上による外部振動防止のほか、真空容積の小型化による高速真空排気、ローコスト化が実現できる。

具体的に説明すると、位置決めしたとき、ウェーハの回転方向の角度は、荷電粒子線装置の走査方向とずれるので、演算された角度分を回転角度補正として走査粒子線に補正を与え、常にウェーハのノッチ側などに決められた方向に対して正立像を得ることができる。

本発明においては、回転アーム１０２の回転量Ｓ_１の必要動作量を回転アーム１０２の旋回半径Ｒ_１と回転ステージ１０３の回転半径Ｒ_２から規定し、それを拡張することで、検査装置の設置余裕を設けている。この設置余裕をさらに大きくすることで、代表的な検査機構の取り付け可能位置を拡張すると共に、位置ずれ補正を回転アームの回転量Ｓ_１で補正することができる。

さらに、各検査装置における位置ずれの原因となる特徴量として、回転ステージ１０３の中心軸ぶれ量、観察中心に対する回転ステージ１０３の中心のズレ量、回転ステージ１０３の中心に対する試料ウェーハ中心のずれ量、試料ウェーハに対する加工された微細パターンのずれ量を、制御コンピュータ１０４により演算し、演算した情報から２つの回転座標系に変換して位置決めする際の補正を行っている。

本発明の一実施形態である荷電粒子線装置の全体システム概略構成図である。 ウェーハ座標系からの２軸回転ステージ機構のステージ座標系への変換説明図である。 検査機構設置余裕を大きく設定した場合の例の説明図である。 構成を拡張して、Ｒ_１＝Ｒ_２とする場合の構成説明図である。 回転中心軸ぶれの説明図である。 観察中心に対する回転ステージ回転中心ずれ計測の説明図である。 回転ステージ回転中心に対するウェーハ中心ずれ計測の説明図である。 図３に示した検査機構等の取り付け位置と、検査機構等との対応関係の説明図である。 本発明の一実施形態における２軸回転ステージの位置決め処理を行う処理部のブロック図である。

符号の説明

１０１・・・試料室、１０２・・・回転アーム、１０３・・・回転ステージ、１０４・・・制御コンピュータ、１０５・・・マンマシンインターフェース、１０６・・・記憶装置、１０７・・・入力装置、１０８・・・ウェーハ搬送ユニット、１０９・・・ウェーハ搬送ロボット、１１０・・・ゲートバルブ、１１１・・・ロードポート、１１２・・・ポッド、２０１・・・ウェーハ座標系、２０２・・・ステージ座標系、２０３・・・検査機構設置位置、２０４・・・回転アーム回転中心、２０５・・・回転ステージ回転中心、２０６・・・検査機構取り付け位置余裕、２０７・・・外側観察不可能領域、２０８、３０１〜３０３、４０１〜４０３・・・検査機構設置位置、３０４〜３０６・・・余裕、３０７・・・帯電計測機器取り付け位置、３０８・・・除電装置取り付け位置、３０９、４０４・・・外周専用検査機構取り付け位置、５０１・・・回転に伴うステージ中心目印の軌跡、５０２、５０３・・・回転に伴うステージ中心ぶれ（Ｘ、Ｙ）、５０４・・・回転量のずれ量、６０１・・・視野中心に対する回転ステージ回転中心、６０２・・・Ｓ_１調整後の回転ステージ回転中心、６０３・・・回転アーム軸方向のずれ量、７０１・・・Ｖ字型ノッチの画面内位置、７０２・・・ウェーハ中心のずれ量、８０１・・・ウェーハ座標系→極座標変換処理部、８０２・・・極座標→２軸回転ステージ座標変処理部、８０３・・・ウェーハ中心のずれ量のデータ、８０４・・・ウェーハ中心のずれ量のデータ、８０５・・・視野中心に対する回転ステージ回転中心ずれ量のデータ、８０６・・・回転量のずれ量のデータ、８０７・・・回転に伴うステージ中心ぶれ（Ｘ、Ｙ）のデータ、８０８・・・入力座標、８０９・・・検査機構指定、８１０・・・各検査機構取り付け位置（回転アーム角度）、９０１・・・光学検査装置、９０２・・・光学顕微鏡、９０３・・・荷電粒子線検査装置、９０４・・・帯電計測機器、９０５・・・除電装置、９０６・・・外周専用検査機構

Claims (11)

1. 荷電粒子線を被検査物に照射して、被検査物を検査する荷電粒子線装置において、
   被検査物が配置され、この被検査物を回転させる回転ステージと、
   上記回転ステージを回転駆動する手段と、
   上記回転ステージを支持し、円弧状に移動させる回転アームと、
   上記回転アームを駆動する手段と、
   上記回転ステージに配置された被検査物に荷電粒子を照射して、被検査物を検査する荷電粒子線検査手段と、
   上記回転ステージに配置された被検査物の被検査位置を、上記荷電粒子線検査手段からの荷電粒子線が照射される位置に移動させるために、上記回転アームの回転角度と上記回転ステージの回転角度とを演算し、演算した回転角度に基づいて、上記回転アーム駆動手段と上記ステージ回転駆動手段とを駆動する制御手段と、
   を備えることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１記載の荷電粒子線装置において、上記被検査物の被検査位置は、上記被検査物を基準とした直交座標で示され、上記制御手段は、直交座標で示された被検査位置を上記回転アームを基準とする極座標位置に変換し、変換した被検査位置を上記荷電粒子線手段からの荷電粒子線が照射される位置に移動させるための上記回転アームの回転角度と上記回転ステージの回転角度とを演算することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２記載の荷電粒子線装置において、上記回転アームの回転半径Ｒ_１、上記回転ステージの回転半径Ｒ_２から得られる回転アームの最小必要回転角度に対して、２倍以上の回転角度余裕が設けられ、上記回転ステージに対する被検査物の配置位置余裕、検査機構の設置位置余裕が設けられ、上記回転アームの移動軌跡に沿った概略円周上に、上記被検査物を検査する、上記荷電粒子線検査手段を含む少なくとも３つの検査手段が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項３記載の荷電粒子線装置において、上記検査手段のうちの一つは、低倍率の光学顕微鏡であり、この光学顕微鏡を上記回転アームの移動軌跡に沿った概略円周上の中央に配置し、上記被検査物の外周部を検査することを特徴とした荷電粒子線装置。
5. 請求項３記載の荷電粒子線装置において、概略円周上の任意の検査手段取り付け位置余裕位置に、表面電界計測機器、除電機器を配置することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項３記載の荷電粒子線装置において、上記回転アームの回転半径Ｒ_１と上記回転ステージの回転半径Ｒ_２とは略等しく、上記回転アームの移動軌跡に沿った概略円周上に外周検査手段が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項３記載の荷電粒子線装置において、上記回転ステージの回転中心を示す目印が回転ステージ上に表示され、上記被検査物は、半導体ウェーハであり、この半導体ウェーハの設計データを記憶する記憶手段を備え、上記制御手段は、回転ステージの回転と同時に中心目印を追跡検知することで回転ステージ機構の軸ブレを検出し、上記各検査手段の配置位置における観察中心と回転ステージの回転中心に対するズレ量を検出し、検査手段取り付け位置に設置した低倍の光学顕微鏡を用いて半導体ウェーハが配置された方向と回転ステージの回転中心と半導体の中心のズレ量を検出し、上記半導体ウェーハ設計データから、半導体ウェーハ中心近傍を含む直径上の３点に含まれるアライメントマークを決定し、そのマークを用いて高倍率で追跡、検知することで半導体ウェーハに対するパターンのズレ量を検出し、各検査手段に対する観察指定位置の情報に応じて上記回転アーム及び回転ステージの動作を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項７記載の荷電粒子線装置において、上記回転ステージ及び回転アームが配置された試料室と、この試料室内の回転ステージに被検査物である半導体ウェーハを試料室外から搬入し、試料室外へ搬出する手段とを備え、上記制御手段は、上記回転ステージに半導体ウェーハが搬入されたときの位置情報を記憶手段に記憶させ、半導体ウェーハの搬出時に、上記記憶手段に記憶された位置情報に基づいて、上記半導体ウェーハの位置を再現させることを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項７記載の荷電粒子線装置において、上記制御手段は、上記半導体ウェーハに対するパターンのズレ量を上記半導体ウェーハの設計データに関連付けて記憶手段に記憶させ、同一設計情報による半導体ウェーハの検査時にはそれを再利用することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 荷電粒子線装置を用いた被検査物の検査方法において、
    回転ステージに被検査物を配置し、
    上記回転ステージを円弧状に移動させる回転アームに上記回転ステージを支持し、
    上記回転ステージに配置された被検査物に荷電粒子を照射して、被検査物を検査する荷電粒子線検査手段を配置し、
    上記回転ステージに配置された被検査物の被検査位置を、上記荷電粒子線検査手段からの荷電粒子線が照射される位置に移動させるために、上記回転アームの回転角度と上記回転ステージの回転角度とを演算し、演算した回転角度に基づいて、上記回転アーム駆動手段と上記ステージ回転駆動手段とを駆動することを特徴とする荷電粒子線装置を用いた被検査物の検査方法。
11. コンピュータによって荷電粒子線装置の観察位置決めを制御するためのプログラムを記録した記録媒体であって、
    上記制御プログラムはコンピュータに回転ステージ上の回転中心目印を検出させ、回転ステージの回転と同時に中心目印を追跡検知させ、その結果から回転ステージ機構の軸ブレ量を記憶させ、各検査機構取り付け位置において回転中心目印を検出させ、その結果から観察中心と回転ステージ機構のズレ量を記憶させ、検査機構取り付け位置もしくは外周検査機構取り付け位置に設置した低倍の光学顕微鏡を用いて試料のノッチ位置と外周位置を検出させ、その結果から試料の載置された方向と回転ステージ機構の回転中心と試料中心のズレ量を記憶させ、記憶されたデータ群から、各検査機構に対する観察指定位置の情報を２軸回転ステージ機構の回転アーム機能および回転ステージ機構による制御量に変更させることを特徴とする荷電粒子線装置観察位置決め制御プログラムを記録した記録媒体。

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