JP2010129246A - 電子線観察装置及びその汚染評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
電子線を利用して試料を観察する電子線観察装置において、試料表面への炭化水素系分子の堆積量を評価する。
【解決手段】
試料室内の汚染度合を評価するための評価用基板を試料室に出し入れ可能な機構部を設け、電子線を評価用基板上に一点集中照射させることによって形成させた堆積物の形状から汚染度合を推測する。そして、この形状を表すパラメータ（高さ、底面の幅、体積）が所定の範囲を超えたとき、既存のクリーニング方法を併用して試料室内の清浄化を図ることにより、観察用試料のパターン幅を精度良く、安定的に計測可能にする。
【選択図】図１

Description

本発明は，電子線を利用して試料を観察する電子線観察装置を対象とし、特に装置内における雰囲気の汚染状況を評価するための機構を備えた電子線観察装置に関する。

試料表面に電子線を照射し、その表面から放出される２次電子または反射電子を検出して試料の形状を観察する電子線観察装置、例えば半導体メモリに代表される配線パターンの寸法を計測するための側長ＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）において、配線パターンの真の寸法とその実測値とが異なることがある。特に、電子線観察装置を継続的に使用した場合、使用直後における配線パターン寸法誤差に比較して長時間使用した段階での配線パターン寸法誤差が大きいということが知られている。

この原因のひとつは、電子線観察装置内の真空排気に使用されている真空ポンプの油分子や電子線観察装置を構成する機構部品（試料ホルダ、ゲートバルブなど）の可動部分に使用されている潤滑油分子などが試料室内に放出され、これらが試料の観察時に配線パターンに付着し、成長すると考えられている。非特許文献１には試料室内が炭化水素分子で汚染され、その状態で試料に電子線が照射されると、その試料表面に炭化水素分子が堆積することが開示されている。

電子線観察装置内における汚染物質（炭化水素分子など）を活性酸素等を用いて除去する方法は特許文献１で開示されている。また，試料室のクリーニングを効率よく実施するために，質量分析計を用いて試料室内の炭化水素分子をモニタする技術は特許文献２に開示されている。

A.E.Ennos,"The sources of electron-induced contamination in kinetic vacuum systems,"Brit.J.Appl.Phys.5,p.27- p.31 (1953). 特開２００１−３２５９１２号公報 特開平１０−１２１７３号公報

非特許文献１で述べられている炭化水素分子の堆積現象は，観察試料である配線パターンの寸法増大を引き起こす原因となり、電子線を利用して試料を観察する装置にとって分解能低下および再現性低下の大きな要因となる。特に、試料表面に形成された微細なパターンを観察し，その寸法を自動計測する測長ＳＥＭにとっては，真の形状が計測できなくなるため，その汚染物質を除去するとともに、試料を観察するための試料室内の雰囲気の状態を的確に評価することが重要である。

試料室内の雰囲気を評価する方法は前述の特許文献２に開示されているように、試料室に接続した質量分析計を用いて炭化水素分子分圧をモニタすることで可能である。一般的に，真空雰囲気の質量分析には四重極質量分析法等が用いられることが多い半面、装置価格も高額となって使い勝手が悪いという欠点を有する。

本発明の目的は，簡便な方法で炭化水素分子による試料室内の汚染状況を把握し、その結果として既存のクリーニング方法と併用することで観察試料を再現性よく観察することを可能とする電子線観察装置及びその内部の汚染状態を評価する方法を提供する。

上記した目的を達成させるために、電子線観察装置を下記に示す構成とした。即ち、電子線観察装置は観察用試料を搭載するための試料ホルダを配置した試料室と観察用試料の表面に電子線を照射するための電子光学系と観察用試料の表面から発生する２次電子または反射電子を用いて試料の表面形状を観察するための撮像系とを備えた構成とした。そして、試料室内の汚染状態を評価するための試料室雰囲気評価部を上記の試料室に隣接して配置し、試料室雰囲気評価部に設置した評価用基板上に電子線を一点集中照射することによって形成された堆積物を上記の撮像系を用いて観察可能にした。

ここで、試料室雰囲気評価部は次の構成とした。即ち、シャフトの一方の先端に評価用基板を設置し、シャフトの他方の先端が第１フランジを介して評価用基板とともにシャフトが回転可能なように回転機構部に取り付けられ、更には評価用基板を含むシャフトを包むように配置した直線機構部をその内部が真空に保たれるように第１フランジと第２フランジとに接続し、そして第２フランジを上記の試料室に接続するようにした。

試料室雰囲気評価部を構成する直線機構部はシャフトの軸方向に収縮可能な構造、具体的には金属製の蛇腹状の筒形状とし、試料室雰囲気評価部の内部の真空の維持とシャフトの可動とを可能にしている。尚、第２フランジはゲートバルブの機能を持たせて、例えば試料表面の観察時には試料室雰囲気評価部と試料室とを分離しても構わない。

次に、試料室内の汚染状況は次の方法によって評価される。即ち、電子銃から放出される電子線を所定の時間だけ評価用基板上の一点に集中させて照射し、評価用基板上に形成された堆積物の形状を上記した撮像系を用いて観察し、観察された堆積物の形状、具体的には堆積物の高さや底面の径を用いて試料室内における真空雰囲気の汚染状態を把握する。

後述で詳細に説明するが、仮に試料室内が炭化水素分子で満たされている場合、試料の形状を測定するために電子線を高速で走査しても炭化水素系の分子による堆積物が試料状に微量形成される（試料の形状測定にとっては大きな影響を及ぼす）が、所定時間だけ一点に集中させて電子線を照射することによって極めて短時間に堆積物を形成させることが可能になるため、その結果として短時間に試料室内の汚染の状況を把握することができる。

本発明によれば、試料室内の汚染度合を簡便な機構で短時間に把握することが可能であるため、既存の試料室内クリーニング方法を併用することによって常に再現性良く試料の形状を計測することができる。

以下、本発明である装置内における雰囲気の汚染状況を評価するための機構を備えた電子線観察装置について、その最良な実施形態を図面を用いて詳細に説明する。
尚，以下に示す実施例は測長ＳＥＭをひとつの例として説明するが、本発明が実施可能な形態はこれに限定されない。試料表面の観察や分析の用途に用いられる汎用ＳＥＭ、半導体基板の検査用ＳＥＭ、半導体パターン欠陥自動分類用途のレビューＳＥＭなど電子線を利用して試料を観察する電子線観察装置全般を含むものである。

本発明に係る測長ＳＥＭの構成を図１に示す。試料室１０には観察用試料９を搭載するための試料ホルダ８が配置され、この観察用試料９の表面に電子線５０を照射するための電子光学系１０１と観察用試料９の表面から発生する２次電子または反射電子を用いて観察用試料９の表面形状を観察するための撮像系１０２とが試料室１０に接続されている。電子光学系１０１は電子銃１、電子銃１から放出された電子線５０を観察用試料９の表面に収束させるためのコンデンサレンズ２及び対物レンズ３、電子線５０を所定の方向に偏向させるための偏向部４を備えている。また、撮像系１０２は観察用試料９の表面から発生した２次電子５１または反射電子５１を検出するための電子検出部５、電子検出部５で検出した信号を増幅するための信号増幅部６、増幅された信号を電子像として表示するための表示装置７を備えている。

電子光学系１０１及び試料室１０は図示しないが真空排気系を用いて所定の真空度に保持され、また、試料ホルダ８は観察用試料９の任意に位置に電子線５０が照射されるようにＸＹ方向に可動可能になっている。（後述）そして、電子光学系１０１、撮像系１０２、試料ホルダ８等は制御部５３によって制御されている。

試料室１０内の汚染状態を評価するため、試料室雰囲気評価部１１を上記の試料室１０に隣接して配置した。図２は試料室雰囲気評価部１１の詳細を説明するための図であって、図２（ａ）から明らかのようにシャフト１４の一方の先端に試料室１０内部の汚染状況を評価するための評価用基板１５が設置され、シャフト１４の他方の先端が第１フランジ１６を介して評価用基板１５とともにシャフト１４が回転可能なように回転機構部１２に取り付けられている。そして、評価用基板１５を含むシャフト１４を包むように配置した直線機構部１３をその内部が真空に保たれるように第１フランジ１６と第２フランジ１７とに接続し、そして第２フランジ１７が上記した試料室１０に接続されている。

試料室雰囲気評価部１１を構成する直線機構部１３はシャフト１４の軸方向に収縮可能な構造、具体的には金属製の蛇腹状の筒形状（通称ベローズ）とし、試料室雰囲気評価部１１の内部の真空の維持とシャフト１４の可動とを可能にしている。尚、第２フランジ１７はゲートバルブの機能を持たせて、例えば試料９の表面を観察している時には試料室雰囲気評価部１１と試料室１０とを分離しても構わない。

図２（ａ）は観察用試料９の観察が行われているときの試料室雰囲気評価部１１の状態を表し、図２（ｂ）は試料室１０の汚染状態を評価するためにシャフト１４が試料室１０の内部に挿入された状態を表している。回転機構部１２を所定の角度だけ回転させることによってシャフト１４の先端に配置した評価用基板１５を電子線５０の照射方向に対して傾けることができる。

図３は試料室１０の内部を電子銃１の方向から眺めた図であって、図３（ａ）は観察用試料９の観察が行われているときの様子を表しており、シャフト１４は試料室１０から退避している状態であり、また、観察用試料９を搭載した試料ホルダ８は電子線５０に対して所定の位置に設置されている。そして、図３（ｂ）は試料室１０の内部の汚染状態を調べるために電子線５０が評価用基板１５の表面に照射される位置まで評価用基板１５を備えたシャフト１４が試料室１０の内部に挿入された様子を表している。

ここで、評価用基板１５の表面に電子線５０を一点集中照射することによって試料室１０の内の汚染物質（炭化水素系分子）からなる堆積物を形成することができるが、堆積物の形成時には上記した評価用基板１５の表面に対して電子線５０が垂直に入射する位置に評価用基板１５を設定し、堆積物の形状を観察する時には電子線５０の入射方向に対して所定の角度だけ評価用基板１５の表面を傾けるように調整した。

図３において、電子線５０の照射位置（または試料の観察位置）はＹレール２０４を介してＹベース２０３上に搭載した試料ホルダ８、更にはＸベース２０２上にＸレール２０１を介して搭載したＹベース２０３を動かして決める。

図２または図３における直線機構部１３について、本実施例では金属製の蛇腹状の筒形状（通称ベローズ）を用いたがこれに限定されるものではなく、また、試料室雰囲気評価部１１と試料室１０とを連結するための第１フランジ１６は磁気カップリング方式またはベローズ方式であってもよい。

更に、評価用基板１５上に堆積させた堆積物を観察する場合、本実施例では回転機構部１２を用いて評価用基板１５を傾斜させたが、電子光学系１０１の偏向部４を用いて電子線５０が堆積物に対して斜方に入射させてもよい。

次に、試料室１０の内部における汚染度合を評価する方法について説明する。
観察用試料９、具体的には所定の幅を有するパターンが形成されたシリコンウエーハ９を試料ホルダ８上に設置してシリコンウエーハ９の表面に電子線５０を照射し、放出された２次電子５１あるいは反射電子５１を電子検出部５で検出し、その検出された信号を信号増幅部６を介して表示装置７に電子像として表示する場合、表示装置７上で観察される電子像から算出されるパターンの幅が真のパターン幅よりも大きい場合がある。この原因は前述のように試料室１０内に浮遊して存在する汚染物質、具体的には真空ポンプの油分子や試料ホルダ、ゲートバルブなどの可動部分に使用されている潤滑油分子などがシリコンウエーハ９の表面に付着し、それが照射された電子線５０によって成長するためである。従って、シリコンウエーハ９上に形成されたパターンを観察する前に試料室１０内の汚染度合を簡便な方法で評価することが望ましい。

図４は評価用基板１５（観察用試料９と同一の材料であるシリコンウエーハ）上に電子線５０を一点に集中させて所定の時間照射させた時、評価用基板１５上に形成された堆積物の一例を表している。図４（ａ）は表示装置１７で観察された堆積物の２次電子像であり、図４（ｂ）は堆積物の概念図である。堆積物の形状は円錐形であり、その高さｈは約１４０ｎｍ、底面における直径ｒは５０ｎｍ〜６０ｎｍである。

ところで、評価用基板１５上に堆積物を成長させる場合、評価用基板１５の表面に対して電子線５０を垂直に照射させるが、その堆積物の形状を観察する時には評価用基板１５を傾斜させた状態で電子線５０を照射する、または堆積物に対して電子線５０を斜方から照射することになる。

このとき、観察された堆積物高さｈ_tiltと実際の堆積物の高さｈとの関係は評価用基板１５の傾斜角度あるいは電子線入射角度θを用いて（数１）で与えられる。
ｈ＝ｈ_tilt／sinθ （数１）
また、堆積物の体積Ｖは堆積物を円錐形で近似し、その高さｈ及び底面における幅（直径）ｒを用いて（数２）で与えられる。
Ｖ＝（π／１２）ｒ^２・ｈ （数２）
図５〜図７は汚染物質として炭化水素系ガスを想定し、このガスを試料室１０の内部に一定量を供給して試料室１０の内部が汚染された状態を模擬し、そのときの堆積物が成長する様子を示した図である。炭化水素系分圧は試料室１０に四重極質量分析器を測定した。堆積物を成長させるための電子線５０の条件は、それぞれ加速電圧１５ｋＶ、電流量１０ｐＡ、照射時間１分間とし、電子線５０の照射後、評価用基板１５を電子線５０の照射方向に対して３０度傾斜させた状態で堆積物の形状を測定した。炭化水素系ガスの導入量に対して、単位時間当たりの堆積物の高さ変化量、底面における幅（直径）の変化量、体積の変化量を夫々図５、図６、図７に示した。

これらの図から明らかのように、試料室１０の内部に存在する炭化水素系ガス量が多くなるに伴って、極めて短時間に堆積物が成長する様子が分かる。例えば、炭化水素分子分圧が２．５(相対強度)の場合、高さにして１秒あたり４ｎｍ成長することになる。これは１分間で２４０ｎｍに相当する。そして、シリコンウエーハ９上のパターン幅を観察する前に評価用基板１５に電子線５０を一点集中させて照射することにより、試料室１０内部の汚染度合（炭化水素系分子の残留量）を定量的に把握することが可能になる。

ところで、堆積物の観察結果を試料室１０内部の汚染度合を表すパラメータとして用い、既存のクリーニング方法と併用して試料室１０内部を清浄化する場合、堆積物の変化量と観察すべきパターン幅の変化量との関係を明確にしておく必要がある。

図８は上記した手法を用いて評価用基板１５上に形成させた単位時間当たりにおける堆積物の変化量と実際のパターン幅を観察したときの側長幅変化量との関係を示した図である。ここで、側長幅変化量は（１）電子線照射時間が同じ場合、一点集中照射時における堆積物の高さと通常のパターン観察時における堆積物の高さは同じである、（２）通常のパターン観察時に生じる堆積物の膜厚は観察領域面内で均一である、（３）測長幅変化量と堆積物膜厚は等価であると仮定した。

例えば、観察すべきパターンの測長幅変化量の許容値が１ｎｍ以内に抑制するためには観察領域の面積が1×10^-14ｍ²であるとすれば（パターンの観察倍率に依存する）、評価用基板１５上に形成させた堆積物の体積が約1×10^-23ｍ³以下であるように試料室１０内部を清浄に保たなければならないことになる。言い換えれば、評価用基板１５上に形成させた堆積物の体積が約1×10^-23ｍ³以上になった時、観察用試料９のパターン計測を行わず、既存のクリーニング方法を用いて試料室１０内部をクリーニングすることになる。

また、パターン幅が微細になるに従って、言い換えればパターン幅を計測すべき電子線観察領域が小さくなるほど僅かな堆積物の形成であってもパターン幅の側長結果に大きな影響を及ぼすことになる。

以上に述べたように、試料室１０に隣接して配置した試料室雰囲気評価部１１を用いて試料室１０内の汚染度合を評価したが、汚染度合を評価するための評価用基板１５を試料室雰囲気評価部１１以外に設けても構わない。例えば、観察用試料９を搭載させた試料ホルダ８の一角に評価用基板１５を搭載してもよい。この場合、評価用基板１５上に形成させた堆積物の形状を観察するときに試料ホルダ８を傾斜させる代わりに電子電５０を堆積物に対して斜方から照射させるように偏向部４を制御することになるが、上記した試料室雰囲気評価部１１を用いた場合と同様の結果が得られた。

本発明の実施例であって、試料室内の汚染度を評価するための試料室雰囲気評価部を備えた電子線観察装置の構成説明図である。 試料室雰囲気評価部の具体的な構成を表す説明図である。 図１に示した電子線観察装置の試料室の内部及び試料室雰囲気評価部との関係を説明するために、電子銃側から眺めた説明図である。 評価用基板上に形成した堆積物を説明するための図である。 単位時間当たりの堆積物の高さと汚染ガス（炭化水素系ガス）量との関係を表す説明図である。 単位時間当たりの堆積物の底面における幅（直径）と汚染ガス（炭化水素系ガス）量との関係を表す説明図である。 単位時間当たりの堆積物の堆積と汚染ガス（炭化水素系ガス）量との関係を表す説明図である。 単位時間当たりにおける堆積物の体積と観察用試料上に形成された配線パターン幅の変化量との関係を説明するための図である。

符号の説明

１：電子銃、２：コンデンサレンズ、３：対物レンズ、４：偏向部、５：電子検出部、６：増幅部、７：表示装置、８：試料ホルダ、９：観察用試料、１０：試料室、１１：試料室雰囲気評価部、１２：回転部、１３：直線機構部、１４：シャフト、１５：評価用基板、１６：第１フランジ、１７：第２フランジ、５０：電子線、５１：２次電子線または反射電子線、１０１：電子光学系、１０２：撮像系、２０１：Ｘ軸レール、２０２：Ｘ軸ベース部、２０３：Ｙ軸レール、２０４：Ｙ軸ベース部、２０５：ボールねじ

Claims (6)

1. 観察用試料を搭載するための試料ホルダを配置した試料室と、前記観察用試料の表面に電子線を照射するための電子光学系と、前記観察用試料の表面から発生する２次電子または反射電子を用いて前記試料の表面形状を観察するための撮像系とを備えた電子線観察装置であって、前記試料室内の汚染状態を評価するための試料室雰囲気評価部が前記試料室に隣接して配置され、前記試料室雰囲気評価部に設置された評価用基板上に前記電子線を一点集中照射することによって形成された堆積物を、前記撮像系を用いて観察可能にしたことを特徴とする電子線観察装置。
2. 前記試料室雰囲気評価部は、シャフトの一方の先端に評価用基板を設置し、シャフトの他方の先端が第１フランジを介して回転機構部に取り付けられ、前記評価用基板を含む前記シャフトを包むように配置された直線機構部はその内部が真空に保たれるように前記第１フランジと第２フランジとに接続され、該第２フランジが前記試料室に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電子線観察装置。
3. 前記直線機構部は前記シャフトの軸方向に収縮可能な構造を備えていることを特徴とする請求項２に記載の電子線観察装置。
4. 前記電子光学系は前記観察用試料または前記評価用基板に電子線を照射するための電子銃、前記電子線の束を細径化するためのレンズ、前記電子線の進行方向を変えるための偏向部を備えてなり、前記評価用基板上に形成した堆積物に斜方から電子線を照射するように前記偏向部が制御されることを特徴とする請求項１に記載の電子線観察装置。
5. 電子銃から放出される電子線を所定の時間だけ評価用基板上の一点に集中させて照射し、該評価用基板上に形成された堆積物の形状を用いて前記評価用基板の設置された真空雰囲気の汚染状態を評価することを特徴とする電子線観察装置の評価方法。
6. 前記堆積物の形状が円錐形であって、該円錐の高さまたは底面の径を用いて真空雰囲気の汚染状態を評価することを特徴とする請求項５に記載の電子線観察装置の評価方法。

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