JP2010123354A

JP2010123354A - 荷電粒子線装置

Info

Publication number: JP2010123354A
Application number: JP2008294972A
Authority: JP
Inventors: Maki Mizuochi; 真樹水落
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2010-06-03

Abstract

【課題】荷電粒子線の偏向量を抑えて観察像の像質を向上させることができる荷電粒子線装置及びその観察位置合わせ方法を提供する。
【解決手段】ベース４０上を水平移動可能な粗動機構と、粗動機構上を水平移動可能な微動機構と、微動機構上に設けたトップテーブル４３と、ビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲を記憶した記憶部７３Ｂと、撮像対象が観察領域に入るように粗動機構を制御する粗動機構制御部７２Ａと、撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出するずれ量算出部７３Ｄと、座標ずれ量が許容範囲内か否かを判断する判断部７３Ｅと、座標ずれ量が小さくなるように微動機構を制御する微動機構制御部７２Ｂと、座標ずれ量が許容範囲内の場合に座標ずれ量だけビーム偏向量を補正する偏向補正制御部７０Ａとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体ウエハ等を観察する電子顕微鏡等の荷電粒子線装置及びその観察位置合わせ方法に関する。

近年、半導体製品は益々高集積化してきており、品質管理、歩留まり向上等を目的に、回路パターンが形成される半導体ウエハ等の試料の検査に様々な手段が用いられている。例えば、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）、同じく荷電粒子線を照射し回路パターンの欠陥や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）等が挙げられる。

一般的にレビューＳＥＭや測長ＳＥＭ等のＳＥＭ式検査装置では、撮像倍率が高く画角が狭いため、試料ステージの位置決め誤差（移動誤差）、欠陥や異物の座標情報誤差を考慮すると最初から所望の倍率（撮像範囲）で撮像することが難しい。例えば撮像対象が５０ｎｍの異物であった場合、その状態を把握することができる撮像範囲として５００ｎｍを選択すると、上記の位置決め誤差と座標情報誤差の合計が５００ｎｍ以下でなければ撮像対象が撮像範囲内に入らない。しかし、撮像対象の座標情報を作成する光学式検査装置の座標精度は数μｍ程度に及ぶことがあるため、ＳＥＭ式検査装置で最初に撮像するときの倍率は撮像対象の状態が把握できる所望の倍率に対して下げる必要がある。従って、ＳＥＭ式検査装置に試料を渡したら、始めに広い撮像範囲で撮像し画像処理によって撮像対象を抽出し、抽出された撮像対象と撮像中心の座標ずれ量だけ荷電粒子線（以下ビームと呼ぶ）の偏向量を補正することで高倍率の撮像範囲の位置を合わせていた。

しかし、ビームを偏向させるとビームが電子レンズの光軸から外れてしまうため、ビーム偏向量が大きいほど、歪みや収差、フォーカスぼけ、分解能劣化等の様々な弊害が生じ易くなる。それに対し、ビーム偏向量に応じた補正手段を講じて像質劣化を低減する手段が提案されている（特許文献１等参照）
特公昭５８−５９５４公報

撮像対象となる異物、欠陥、或いはパターンが微細になるほど撮像倍率を向上させる必要があるが、光学検査装置の座標誤差をカバーするだけのビーム偏向範囲を保ちつつ高倍率での像質劣化を抑えることは難しい。電子光学系の補正を行っても補正しきれず、ビームを大きく偏向させた場合には歪みや分解能劣化が顕著となる。

一方、ビームの偏向量をできるだけ小さくするには撮像対象の座標精度を向上させる必要があるが、現状では光学検査装置による座標情報の誤差はＳＥＭの撮像倍率に対して十分小さいとは言えない。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、荷電粒子線の偏向量を抑えて観察像の像質を向上させることができる荷電粒子線装置及びその観察位置合わせ方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の本発明は、ベースと、前記ベース上を少なくとも水平面に沿って移動可能な粗動機構と、前記粗動機構上を少なくとも水平面に沿って移動可能な微動機構と、前記微動機構上に設けた試料ステージと、前記試料ステージの位置を計測する測長器と、荷電粒子線を出射する荷電粒子銃と、前記荷電粒子銃からの荷電粒子線を偏向させる偏向器と、前記試料ステージ上の試料からの放出粒子を検出する粒子検出器と、前記粒子検出器の信号を基に観察像を生成する画像生成部と、前記偏向器によるビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲を記憶した記憶部と、前記試料ステージ上の試料内の撮像対象が観察領域に入るように前記測長器の信号を基に前記粗動機構を制御する粗動機構制御部と、前記撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出するずれ量算出部と、前記座標ずれ量が前記許容範囲内か否かを判断する判断部と、前記座標ずれ量が小さくなるように前記測長器の信号を基に前記微動機構を制御する微動機構制御部と、前記座標ずれ量が前記許容範囲内と判定された場合に、前記偏向器を制御して前記座標ずれ量だけビーム偏向量を補正する偏向補正制御部とを備えたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記撮像対象のサイズ情報に応じて前記許容範囲が変化することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明において、前記粗動機構の制動手段を備えたことを特徴とする。

第４の発明は、第１の発明において、前記微動機構は、前記試料ステージを弾性的に支持する弾性ヒンジと、前記弾性ヒンジに対して水平面に沿った方向に歪を与える駆動装置とを備えていることを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前駆駆動装置は圧電素子であることを特徴とする。

第６の発明は、第１の発明において、前記微動機構のストロークは最大撮領域の幅寸法以上であることを特徴とする。

第７の発明は、試料内の撮像対象が観察領域に入るように試料ステージを粗動制御する手順と、前記撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出する手順と、前記座標ずれ量がビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲内か否かを判断する手順と、前記座標ずれ量が前記許容範囲より大きい場合、前記座標ずれ量が小さくなるように前記試料ステージを微動制御する手順と、前記座標ずれ量が前記許容範囲内の場合、当該座標ずれ量だけビーム偏向量を補正する手順とを有することを特徴とする。

第８の発明は、第７の発明において、前記撮像対象のサイズ情報に応じて前記許容範囲を変更する手順を有することを特徴とする。

本発明によれば、荷電粒子線の偏向量を抑えて観察像の像質を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。

本発明は、例えば、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（測長ＳＥＭ）、同じく荷電粒子線を照射し回路パターンの欠陥や付着異物を評価する走査型電子顕微鏡（レビューＳＥＭ）等を含むＳＥＭ式検査装置、イオンビームを試料に照射して試料を加工したりＳＩＭ像を取得したりする集束イオンビーム装置（ＦＩＢ装置）、ＳＥＭカラムとＦＩＢカラムを有しＳＥＭ像の取得と試料の加工を行うことができるＦＩＢ−ＳＥＭ装置等の種々の荷電粒子線装置に適用可能である。ここでは、本発明をレビューＳＥＭに適用した場合を例に挙げて説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置の全体構成を表す概念図である。

図１に示した荷電粒子線装置は、試料１０を搭載するステージ２１（後述）を収容する試料室２と、電子線（荷電粒子線）１２を出射するビームカラム１と、試料室２に対して試料１０を搬入・搬出するためのロードロック室３と、ビームカラム１を制御するカラム制御部７０と、ステージ２１の位置を監視する位置制御部７１と、ステージ２１を制御するステージ制御部７２と、ＳＥＭ像を生成する画像制御部７３と、ＳＥＭ像等を表示するモニタ７４とを備えている。

試料室２は、床面に接地する架台６上に床振動を除去する除振用のマウント４を介して支持されており、上部には上記ビームカラム１が、側部には上記ロードロック室３が取り付けられている。この試料室２は真空ポンプ５によって常時真空排気されており、ビームカラム１内も図示しない真空ポンプによって高真空度に保たれている。また、試料室２には、ステージ２１の高さ位置を検出する光学式のＺセンサ２５と、ステージ２１のトップテーブル４３（後述）のＸＹ座標（水平座標）すなわち試料１０のＸＹ座標を計測（レーザ測長）する干渉計（測長器）２３とを備えている。

ビームカラム１は、ステージ２１の鉛直上方に位置し電子線１２を出射する電子銃１１、電子銃１１から出射された電子線１２を集束させる電子レンズ１３，１６、電子線１２を偏向させる偏向器１４と、ステージ２１上の試料１０からの放出粒子（二次電子、反射電子等）を検出する検出器１５とを備えている。偏向器１４は、電子線１２の偏向中心を決める位置偏向器１４Ａと、電子線１２を観察目的の視野内を高速で走査する走査偏向器１４Ｂとを備えている。これら位置偏光器１４Ａ及び走査偏向器１４Ｂは偏向制御部１７によって制御される。

ロードロック室３は、試料１０を搬送する搬送ロボット３１を内部に備えており、試料室２の内部空間及び外界にそれぞれ連通する開口を除いて密閉されている。試料室２側の開口はロードロック室３を試料室２と隔離する真空側ゲートバルブ３２によって、外界側の開口はロードロック室３を大気と隔離する大気側ゲートバルブ３３によってそれぞれ開閉される。

画像制御部７３は、検出器１５の信号を基にＳＥＭ観察像データを生成しモニタ７４に出力する画像生成部７３Ａと、偏向器１４によるビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲を記憶した記憶部７３Ｂと、光学式検査装置で予め取得された試料１０上の観察対象のサイズ情報に応じて許容範囲を変更する閾値制御部７３Ｃと、撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出するずれ量算出部７３Ｄと、その座標ずれ量が先の許容範囲内か否かを判断する判断部７３Ｅとを備えている。ここで、ビーム偏向で観察像位置をシフト補正する場合に偏向量（シフト量）の増大とともに収差等の影響を受けて画質が低下するが、上記の「許容範囲」とは、観察対象の状態を見るのに所望される画質を確保する上で偏向量（シフト量）に対して設定した制限値を指す。また、この許容範囲の値は最終的に所望する観察像の大きさにより異なり、観察像が大きいほど許容範囲は大きくなり、観察像が小さくなるほど許容範囲も小さくなる。上記記憶部７３Ｂには、観察像の大きさと要求画質に応じた許容範囲が記憶されており、上記閾値制御部７３Ｃは、光学式検査装置等で前もって得られた観察対象のサイズ情報を基に最終的な観察像の大きさを決定し、それに応じて記憶部７３Ｂの記憶情報から好適な許容範囲を決定する。例えば、観察対象が１００μｍである場合、ＳＥＭ像が□２００μｍ、ビーム偏向によるＳＥＭ像シフト量の許容範囲が２０μｍに設定され、観察対象が５０μｍである場合、ＳＥＭ像を□１００μｍ、ビーム偏向によるＳＥＭ像シフト量の許容範囲が１０μｍに設定されるといった要領である。

位置制御部７１は、Ｚセンサ２５からの検出信号を基に試料１０の高さ位置（Ｚ座標）を算出し、また干渉計２３からの検出信号を基に試料１０のＸＹ座標を算出する。算出した試料１０のＸＹＺ系の位置情報はカラム制御部７０及びステージ制御部７２に出力される。

カラム制御部７０は、設定された観察条件に従ってビームカラム１及び偏向制御部１７に指令信号を出力し、電子銃１１の出力、集束の度合い、焦点高さ、偏向中心、偏向範囲等を制御する。また、観察中には位置制御部７１から入力される試料１０の高さ情報を基に電子レンズ１３，１６の光学条件を変更し、試料１０の高さの変化にフォーカス位置を追従させる。さらには、上記判断部７３Ｅによって座標ずれ量が許容範囲内と判定された場合に、偏向制御部１７を介して偏向器１４を制御し座標ずれ量だけ偏向中心及び偏向範囲を補正制御して高倍率の観察領域に電子線１２を走査する偏向補正制御部７０Ａを備えている。

ステージ制御部７２は、光学式検査装置で予め取得された試料１０上の観察対象の位置情報を基に、ステージ２１上の試料１０内の撮像対象が観察領域に入るように干渉計２３の信号を基に粗動機構（後述）を制御する粗動機構制御部７２Ａと、座標ずれ量が小さくなるように干渉計２３の検出信号に基づくＸＹ座標情報を位置制御部７１から受け取って微動機構（後述）を制御する微動機構制御部７２Ｂとを備えている。

図６はステージ２１の構成を表す側面図である。

図６に示したステージ２１は、ベース４０と、ベース４０上を少なくとも水平面に沿って移動可能な粗動機構と、粗動機構上を少なくとも水平面に沿って移動可能な微動機構と、微動機構上に設けたトップテーブル（試料ステージ）４３とを備えている。トップテーブル４３上には試料１０を保持するための静電チャック２４や自己のＸＹ座標系上の位置をレーザ計測するためのバーミラー２２が配置されている。

粗動機構は、ベース４０上に取り付けたＸ軸方向への動きをガイドするＸガイド４４と、Ｘガイド４４上に搭載されてＸ軸方向にスライドするＸテーブル４１と、Ｘテーブル４１をＸ軸方向に移動させるＸアクチュエータ（図示せず）と、Ｘテーブル４１上に取り付けたＹ軸方向への動きをガイドするＹガイド４５と、Ｙガイド４５上に搭載されてＹ軸方向にスライドするＹテーブル４２と、Ｙテーブル４２をＹ軸方向に移動させるＹアクチュエータ（図示せず）と、ベース４０に設けたＸブレーキレール４７と、Ｘテーブル４１に設けられＸブレーキレール４７に押し付けられてＸテーブル４１を制動するＸブレーキ機構４９と、Ｘテーブル４１に設けたＹブレーキレール４８と、Ｙテーブル４２に設けられＹブレーキレール４８に押し付けられてＹテーブル４２を制動するＹブレーキ機構５０とを備えており、ブレーキ機構４９，５０によって粗動停止時のドリフトや振動が抑制される構成となっている。ブレーキ機構４９，５０は、板バネ又はコイルバネによってブレーキレール４７，４８に常時加圧するパッシブブレーキ構造、或いは圧電素子を用いた加圧によってブレーキ動作をＯＮ／ＯＦＦ制御するアクティブブレーキ機構等が適用可能である。いずれのブレーキ方式でも、粗動した際に生ずるドリフトや振動を低減することで像質劣化を回避することができる。Ｘアクチュエータ及びＹアクチュエータには、ボールネジ、リニアモータ等が適用可能である。粗動機構は粗動制御部７２Ａによって駆動制御される。

図７は微動機構の構成を表す平面図である。

図７に示すように、微動機構は、トップテーブル４３を弾性的に支持する弾性ヒンジと、弾性ヒンジに対して水平面に沿った方向に歪を与える圧電素子６２，６３とを備えている。弾性ヒンジは、Ｙテーブル４２上に設けた複数の溝からなり、Ｘ軸方向に延びる溝とＹ軸方向に延びる溝を組み合わせることで構成した、Ｙ方向に剛性が高くＸ方向に柔軟なＸヒンジ部６０と、Ｘ方向に剛性が高くＹ方向に柔軟なＹヒンジ部６１とを有している。Ｘヒンジ部６０やＹヒンジ部６１の内側の微動領域６４（Ｙテーブル４２の中央領域領域）には固定タップ６５が３箇所設けられており、この固定タップ６５を利用してＹテーブル４２上に締結した３つのスペーサ４６（図６参照）を介してトップテーブル４３が搭載されている。トップテーブル４３を３点支持とすることで、微動領域６４の変形がトップテーブル４３に伝わり難い構成となっている。Ｘ圧電素子６２は、本実施の形態では２個実装され、Ｘヒンジ部６０を構成しＹ軸方向に延びる溝の壁面をＸ軸方向に押引きすることでＸヒンジ部６０に歪を与え、微動領域６４とともにトップテーブル４３をＸ方向に微小移動させる。Ｙ圧電素子６３も、本実施の形態では２個実装され、Ｙヒンジ部６１を構成しＸ軸方向に延びる溝の壁面をＹ軸方向に押引きすることでＹヒンジ部６１に歪を与え、微動領域６４とともにトップテーブル４３をＹ方向に微小移動させる。圧電素子６２，６３は微動制御部７２Ｂによって制御される。

なお、本実施の形態では微動機構にガイドとして弾性ヒンジ構造を採用しているが、一般的な転がり方式のガイドでも機能は果たす。しかし、転がり方式のガイドでは構造上ガタや摩擦が内在するため、微小な移動距離で且つ精密な位置決め動作の場合には、弾性ヒンジ構造の方が適している。また、微動機構用のアクチュータには超音波モータやリニアモータも構造次第で適用可能であるが、圧電素子６２，６３には、非磁性が故に磁場の影響を受け易い電子線１２に近い位置でも使用可能である、応答性が良く微小なストロークを短時間に精度良く位置決めすることに適している等の特徴がある。本実施の形態の微動機構（弾性ヒンジ構造と圧電素子６２，３６の組合せ）の場合、干渉計２３によるレーザ測長の分解能が十分小さければ（例えば１０ｎｍ以下）、トップテーブル４３の位置決め誤差を十分に小さな程度（例えば１００ｎｍ以下）に抑えられる。更に、弾性ヒンジ構造と圧電素子の組合せの場合、制御周波数を上げることができるため、振動振幅の低減、振動減衰時間の短縮も見込まれる。弾性ヒンジの構造、圧電素子の構造及び数量は実装するステージの大きさや構造によって適宜設計変更可能である。

次に上記構成の荷電粒子線装置の動作を説明する。

まず試料１０を搬入する場合には、大気側ゲートバルブ３３を開放し、搬送ロボット３１によって大気側から試料１０をロードロック室３内に導入する。その後、大気側ゲートバルブ３３を閉じ、ロードロック室３内を図示しない真空ポンプによって真空排気し、真空度が試料室２内と同程度になったら真空側ゲートバルブ３２を開放して、搬送ロボット３１によって試料室２のステージ２１上に試料１０を搬送する。試料１０の搬出は、以上と逆の手順で行われる。

試料室２に搬入された試料１０は、静電チャック２４によって静電吸着され、トップテーブル４３上に強力に保持される。トップテーブル４３のＸＹ座標はバーミラー２２と干渉計２３との相対的な距離変化をレーザ測長することで計測され、試料１０のＸＹ座標が管理される。

一方、ビームカラム１内の電子銃１１から発生した電子線１２は、電子レンズ１３で収束作用を受け、偏光器１４によって所望の軌道に偏向、走査され、電子レンズ１６によって焦点位置に導かれる。電子線１２の照射によって試料１０の表面から発生する反射電子や二次電子は検出器１５によって検出され、偏向器１４の制御情報と共に画像制御部７３に伝達される。ここで偏向器１４の制御情報と検出器１５で検出された情報を基に画像データが生成され、モニタ７４に画像として映し出される。

また、試料１０の高さはＺセンサ２５によって常時モニタされている。Ｚセンサ２５で得られた信号は、位置制御部７１で位置情報に変換された後、カラム制御部７０に伝達され、カラム制御部７０では位置制御部７１からの高さ情報に基づいて電子レンズ１３，１６の光学条件を変更し、試料１０の高さに焦点高さを追従させる。カラム制御部７０は、電子線１２の偏向制御信号の補正制御も併せて実行し、偏向制御部１７を介して位置偏向器１４Ａと走査偏向器１４Ｂを制御する。例えば、電子線１２の光軸中心が設計値からずれている場合、位置偏向器１４Ａによってオフセット調整が行われる。

ここで、レビューＳＥＭを例にして本実施の形態の荷電粒子線装置による撮像シーケンスについて説明する。

ステージ２１上にチャックされた試料１０は、試料１０上の登録された特定パターンを検出してアライメントがなされる。この動作によりステージ座標系と試料１０の座標系（ウエハ座標系）のオフセット係数、回転係数、スケール係数が算出され、ステージ座標値からウエハ座標値が管理できるようになる。次に、多くの場合、本実施の形態の荷電粒子線装置で試料１０を検査する前に、試料１０上の欠陥や異物等の撮像対象物の座標やサイズの情報が光学式検査装置等によって取得される。この座標情報は本荷電粒子線装置に転送され、撮像すべき座標情報として登録される。光学式検査装置で得られる座標値の測定誤差は、本荷電粒子線装置での撮像範囲に大きく影響する。すなわち、座標誤差が大きければ、それだけ撮像範囲を大きくして観察した後、観察対象物を抽出して初めて本荷電粒子線装置における正確な測定対象物の座標値を得ることができる。

次に、図２−図５を参照しつつ測定対象物、例えば異物（欠陥）を抽出して所望の倍率で撮像するまでの流れを説明する。

図２は撮像対象を抽出するための参照画像の一例である。

図２の参照画像は、実際に撮像した画像又は既知の回路パターンのＣＡＤデータから生成した画像である。実際に撮像した画像の場合、試料１０に形成される複数のチップのうちの正常なチップ内で、撮像対象となる欠陥や異物の存在するチップ内座標と同じ座標を撮像し、これを参照画像とする。撮像範囲ｆｘ１×ｆｙ１は前述した通り光学検査装置の座標精度によって決定される。

図３は欠陥を含む画像の一例である。

先の図２の参照画像と図３の欠陥９０を含む画像を比較することで、輝度差等によって欠陥抽出画像（図４）が得られる。これにより、欠陥９０の中心の撮像中心からのずれ量Δｘ，Δｙがずれ量算出部７３Ｄで算出され、異物９０の正確な座標が算出可能となる。

図５は欠陥９０の高倍率観察の一例である。

図５に示すように所望の倍率（撮像範囲ｆｘ２×ｆｙ２）にて異物を撮像するが、このとき撮像中心に欠陥９０が来るようにビーム偏向によって観察像をシフト補正する場合、シフト量（√（Δｘ^２＋Δｙ^２））が大きい場合は、ビーム偏向量の増大から像質の劣化が避けられなかった。本実施の形態では、ビーム偏向によるシフト量過大に起因する像質劣化を低減するため、ビーム偏向による画像のシフト量を許容範囲に収め像質の劣化が所望の範囲に抑えられるように、観察対象のサイズ（観察像の所望サイズ）に応じて観察像の画像中心からのずれ量が上記の許容範囲か否かを判定し、許容範囲を外れている場合には試料１０を水平面方向に微動制御した上で所望の倍率の観察像を取得する。

次にステージ２１の位置決め制御について説明する。

ステージ制御部７２では、トップテーブル４３の位置情報を位置制御部７１から受け取り、粗動制御部７２Ａと微動制御部７２Ｂを連動させてステージ２１を駆動する。各粗動制御部７２Ａ及び微動制御部７２Ｂは、位置制御部７１から入力される現在位置座標と目標位置座標との偏差が小さくなるように各々粗動機構及び微動機構をフィードバック制御する。このフィードバック制御には、単純な位置フィードバックの他、ステージ２１の速度情報、現在位置と目標位置の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制御等が考えられる。

図８はステージ制御部７２によるステージ駆動シーケンスを表したフローチャートである。

（ステップＳ１０１）
図８において、ステージ移動開始後、ステージ制御部７２は、例えば全体制御部（図示せず）から駆動開始の指示を受けた場合に、その時点で微動機構の圧電素子６２，６３に与えている電圧をＯＦＦにし、圧電素子６２，６３の負荷すなわち微動領域６４の移動量を０（ゼロ）の状態に戻す（リセット動作）。

（ステップＳ１０２）
このステップでは、位置制御部７１から受け取った現在位置の情報を基に、撮像エリアまでの距離を算出する。撮像エリアの位置情報は、欠陥や異物等の抽出用の画像を撮像する場合、光学式検査装置等で予め取得された撮像対象の位置情報であり、参照画像を取得する場合、正常チップ内の撮像対象に対応した位置の情報である。また、高倍率の観察像を撮像する場合には、画像制御部７３のずれ量算出部７３Ｄで算出されたずれ量である。

（ステップＳ１０３）
ステップＳ１０２で算出された移動量が微動範囲内か否かを判定し、微動範囲内であればステップＳ１０５に手順を移し、微動範囲を超えていればステップＳ１０４に手順を移す。ここで、微動範囲とは、微動機構によるストロークからビーム偏向の上記許容範囲を差し引いた値である。

（ステップＳ１０４）
粗動制御部７２Ａによって粗動機構を制御し、ステップＳ１０３に手順を戻す。

（ステップＳ１０５）
欠陥や異物等の抽出用の画像や参照画像を撮像する場合、撮像エリアの現在位置と目標位置とのずれ量が許容範囲（高倍率の観察像を撮像する場合の上記の許容範囲より大きな値で足りる）内に納まっているかどうかを判定する。ずれ量が許容範囲であれば位置決めを終了し、許容範囲を超えていればステップＳ１０６に手順を移す。また、高倍率の観察像を撮像する場合には、撮像対象の現在位置と撮像中心とのずれ量が上記の許容範囲内に納まっているかどうかの判定結果を画像制御部７３の判断部７３Ｅから入力し、ずれ量が許容範囲であれば位置決めを終了し、許容範囲を超えていればステップＳ１０６に手順を移す。いずれの場合も、ずれ量が許容範囲内であれば、残るずれ量分だけビームカラム制御部７０でビーム偏向による撮像領域のシフト補正が行われ、撮像対象を中心に据えた高倍率観察像が取得される。撮像対象の高倍率観察像を撮像する場合、許容範囲は前述したように撮像対象のサイズ情報に応じて適宜選択、変更される。

（ステップＳ１０６）
微動制御部７２Ｂによって微動機構を制御し、ステップＳ１０５に手順を戻す。

図８のシーケンスでは、粗動機構及び微動機構が各々フィードバック制御されるが、最終的な位置決め精度の決定には微動機構のフィードバック制御が支配的であるため、粗動機構に関してはオープンループ制御としても良い。この場合、粗動機構のアクチュエータとして、パルスモータ等の比較的安価なアクチュエータを適用することができるため、装置コストの低減に繋がる。また、撮像対象の抽出用の画像や参照画像等の低倍率画像を取得するときは撮像対象の高倍率画像を取得する場合に比べて位置決めの要求精度が低いので、粗動機構の位置決め精度がそれに見合うものであれば、低倍率画像の取得のための位置決めの際の微動制御を省略しても良い。

図９はビームの偏向範囲Ｌｂ、微動機構の駆動範囲Ｌ、微動範囲（ステージ微動に割り当てられた動作範囲）Ｌｓの関係示している。

撮像範囲（撮像倍率）により決定されるビームの偏向範囲（最大撮領域の幅寸法）Ｌｂに対して、少なくとも微動機構の駆動範囲（ストローク）Ｌが大きい必要がある。これにより、撮像された欠陥画像から抽出された欠陥座標位置の全てに微動機構による位置決めが可能となる。図８のステップＳ１０３では、この微動範囲Ｌｓと移動距離を比較することで粗動制御の要否を判断している。例えば、撮像範囲が最大□５０μｍ、微動機構のストロークが□１００μｍであった場合、±２５μｍが前述した微動範囲になる。また、図８のステップＳ１０５では、例えば画像中心と撮像対象の中心位置とのずれ量（ビーム偏向による画像領域のシフト補正量）Ｌａを前述した許容範囲と比較することで、微動制御の要否を判断している。

図１０は参照画像と欠陥画像を比較して欠陥抽出し所望の倍率での欠陥を撮像する一連の手順を示すフローチャートである。ここでは、フォーカス合せ動作や画像転送動作等の手順については省略している。

（ステップＳ２０１）
始めに参照画像を取得するため、チップ内の欠陥座標と同じチップ座標の正常なパターン像を取得するため、ステージを移動させる。この手順は図８のステップＳ１０１−Ｓ１０４に相当する。

（ステップＳ２０２，Ｓ２０３）
ステージ位置決め後、停止誤差を測定し（Ｓ２０２）、必要であれば微動ステージを駆動し正確な位置決めを行う（Ｓ２０３）。この手順は図８のステップＳ１０５，Ｓ１０６に相当する。

（ステップＳ２０４）
比較的低い所定の倍率で参照画像を撮像する。

（ステップＳ２０５）
次に欠陥画像を取得すべく、欠陥座標にステージを移動させる。この手順は図８のステップＳ１０１−Ｓ１０４に相当する。

（ステップＳ２０６，Ｓ２０７）
ステージ位置決め後、停止誤差を測定し（Ｓ２０６）、必要であれば微動ステージを駆動し正確な位置決めを行う（Ｓ２０７）。この手順は図８のステップＳ１０５，Ｓ１０６に相当する。

（ステップＳ２０８）
参照画像と同じ所定の倍率で欠陥画像を取得する。

（ステップＳ２０９）
得られた参照画像と欠陥画像を基に、画像処理により欠陥抽出を行う。

（ステップＳ２１０）
抽出された欠陥の座標を算出する。

（ステップＳ２１１）
欠陥が観察中心に配置されるようステージの微動機構部を駆動させる。この手順は図８のステップＳ１０５，Ｓ１０６に相当する。ステップＳ１０５における許容範囲は、撮像対象のサイズ情報に応じて適宜選択、変更される。

（ステップＳ２１２）
高倍率の欠陥画像を取得し、次に観察する欠陥があれば次の撮像手順に移行する。

図１１は欠陥画像同士を比較して欠陥を抽出し所望の倍率での欠陥を撮像する一連の手順を示すフローチャートである。ここでは、フォーカス合せ動作や画像転送動作等の手順については省略している。

撮像する欠陥画像に規則性がある場合、欠陥画像同士を画像処理（輝度差の比較等）することで周期性から外れた信号が欠陥として検出される。この場合、参照画像を取得しなくても１枚の欠陥画像内の周期的信号から外れた信号を検出することで欠陥を抽出することができる。このような機能を用いた撮像シーケンスでは、参照画像の撮像手順を省略し、初めから欠陥画像の取得を行い、欠陥抽出、座標計算、微動機構部の駆動を経て、高倍率の欠陥画像を得ることになる。

（ステップＳ３０１）
欠陥画像を取得すべく、欠陥座標にステージを移動させる。この手順は図８のステップＳ１０１−Ｓ１０４に相当する。

（ステップＳ３０２，Ｓ３０３）
ステージ位置決め後、停止誤差を測定し（Ｓ３０２）、必要であれば微動ステージを駆動し正確な位置決めを行う（Ｓ３０３）。この手順は図８のステップＳ１０５，Ｓ１０６に相当する。

（ステップＳ３０４）
欠陥画像を取得する。

（ステップＳ３０５）
撮像した欠陥画像を撮像済みの欠陥画像とを画像処理することで欠陥を抽出する。

（ステップＳ３０６）
抽出された欠陥の座標を算出する。

（ステップＳ３０７）
欠陥が観察中心に配置されるようステージの微動機構部を駆動させる。この手順は図８のステップＳ１０５，Ｓ１０６に相当する。ステップＳ１０５における許容範囲は、撮像対象のサイズ情報に応じて適宜選択、変更される。

（ステップＳ３０８）
高倍率の欠陥画像を取得し、次に観察する欠陥があれば次の撮像手順に移行する。

以上のような一連の流れで得られた高倍率の欠陥画像は撮像時のビーム中心のシフト量が僅か（許容範囲内）であって観察範囲をスキャンする程度の偏向量に抑えられるため、像質劣化が非常に小さい良好な画像を取得することができる。また、完全にステージの微動制御で撮像対象を画面中心に移動させる構成とするとフィードバック制御が故に位置決めに時間を要するが、最終的な所望の撮像倍率（撮像範囲）で撮像した場合に所望の像質を確保する上で許容される程度の位置ずれ量の範囲（許容範囲）に収めるところまでにステージ制御動作を止め、厳密な画像中心の位置合わせはビームシフトによって行うことで、撮像効率も向上する。また、図４のような欠陥抽出画像において撮像対象と画像中心との距離が初めから許容範囲にある場合にはステージの微動制御をスキップさせることができるので更なるスループットの向上も期待できる。

また、微動機構を持たないステージ構造で微小距離の位置決めを行う場合、微小距離とはいえ短時間に位置決めを行うためには加速度を落とせないため、Ｘテーブルに搭載される全ての質量が加振力の要因となり得る。質量を抑えるためにＸテーブルやＹテーブルを安易に軽量化すると剛性が低下し、位置決め精度の劣化、ステージ停止時の振動振幅増加等、種々の弊害を招く恐れがある。それに対し、本実施の形態では、微動機構によって位置制御される質量はトップテーブル４３及びその実装品のみであるため、微動制御時の移動体の質量が軽量であるとともに駆動力を小さくすることもでき、ビームカラム１を含む本体への加振力を抑えることができる。

位置決め時間に関しては、例えば加速度を２ｍ／ｓ^２、移動距離を２０μｍとした場合、３．２ｍｓと計算される。この時間は撮像に必要なパラメータの設定時間等のオーバヘッド時間を考慮すればスループットへの影響は小さいが、ステージ停止後の残留振動が像質に影響しない程度（例えば分解能以下）まで収束するまでに要する時間の方が長くスループットへの影響も大きい。つまり、加振による振動を小さくできる点も微動機構を併用するメリットの１つである。

本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置の全体構成を表す概念図である。撮像対象を抽出するための参照画像の一例である。欠陥を含む画像の一例である。参照画像と欠陥画像から画像処理により求めた欠陥抽出画像の一例である。所望の倍率で撮像した欠陥画像の一例である。本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置に備えられたステージの構成を表す側面図である。本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置に備えられた微動機構の構成を表す平面図である。本発明の第１の実施の形態に係る荷電粒子線装置に備えられたステージ制御部によるステージ駆動シーケンスを表したフローチャートである。ビームの偏向範囲と微動機構のストロークを示す説明図である。参照画像と欠陥画像を比較して欠陥抽出し所望の倍率での欠陥を撮像する一連の手順を示すフローチャートである。欠陥画像同士を比較して欠陥を抽出し所望の倍率での欠陥を撮像する一連の手順を示すフローチャートである。

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
２５Ｚセンサ
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
４０ベース
４１Ｘテーブル
４２Ｙテーブル
４３トップテーブル
４４Ｘガイド
４５Ｙガイド
４６スペーサ
４７Ｘブレーキレール
４８Ｙブレーキレール
４９Ｘブレーキ機構
５０Ｙブレーキ機構
６０Ｘ弾性ヒンジ
６１Ｙ弾性ヒンジ
６２Ｘ圧電素子
６３Ｙ圧電素子
６４微動領域
６５固定タップ
７０カラム制御部
７０Ａ偏向補正制御部
７１位置制御部
７２ステージ制御部
７２Ａ粗動制御部
７２Ｂ微動制御部
７３画像制御部
７３Ａ画像生成部
７３Ｂ記憶部
７３Ｃ閾値制御部
７３Ｄずれ量算出部
７３Ｅ判断部
７４モニタ
９０異物
９１撮像範囲

Claims

ベースと、
前記ベース上を少なくとも水平面に沿って移動可能な粗動機構と、
前記粗動機構上を少なくとも水平面に沿って移動可能な微動機構と、
前記微動機構上に設けた試料ステージと、
前記試料ステージの位置を計測する測長器と、
荷電粒子線を出射する荷電粒子銃と、
前記荷電粒子銃からの荷電粒子線を偏向させる偏向器と、
前記試料ステージ上の試料からの放出粒子を検出する粒子検出器と、
前記粒子検出器の信号を基に観察像を生成する画像生成部と、
前記偏向器によるビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲を記憶した記憶部と、
前記試料ステージ上の試料内の撮像対象が観察領域に入るように前記測長器の信号を基に前記粗動機構を制御する粗動機構制御部と、
前記撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出するずれ量算出部と、
前記座標ずれ量が前記許容範囲内か否かを判断する判断部と、
前記座標ずれ量が小さくなるように前記測長器の信号を基に前記微動機構を制御する微動機構制御部と、
前記座標ずれ量が前記許容範囲内と判定された場合に、前記偏向器を制御して前記座標ずれ量だけビーム偏向量を補正する偏向補正制御部と
を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１の荷電粒子線装置において、前記撮像対象のサイズ情報に応じて前記許容範囲が変化することを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１の荷電粒子線装置において、前記粗動機構の制動手段を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１の荷電粒子線装置において、前記微動機構は、前記試料ステージを弾性的に支持する弾性ヒンジと、前記弾性ヒンジに対して水平面に沿った方向に歪を与える駆動装置とを備えていることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項４の荷電粒子線装置において、前駆駆動装置は圧電素子であることを特徴とする荷電粒子線装置。
請求項１の荷電粒子線装置において、前記微動機構のストロークは最大撮領域の幅寸法以上であることを特徴とする荷電粒子線装置。
試料内の撮像対象が観察領域に入るように試料ステージを粗動制御する手順と、
前記撮像対象を含む低倍率の観察像の中心と撮像対象との座標ずれ量を算出する手順と、
前記座標ずれ量がビーム偏向量に対して観察像の要求画質に応じて設定された許容範囲内か否かを判断する手順と、
前記座標ずれ量が前記許容範囲より大きい場合、前記座標ずれ量が小さくなるように前記試料ステージを微動制御する手順と、
前記座標ずれ量が前記許容範囲内の場合、当該座標ずれ量だけビーム偏向量を補正する手順と
を有することを特徴とする荷電粒子線装置の観察位置合わせ方法。
請求項７の荷電粒子線装置の観察位置合わせ方法において、前記撮像対象のサイズ情報に応じて前記許容範囲を変更する手順を有することを特徴とする荷電粒子線装置の観察位置合わせ方法。