JP2011014299A - Scanning electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、絞り穴を通過する一次電子線の開き角を絞り穴径によって制御し、フォーカス精度の向上を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to control the opening angle of a primary electron beam passing through a diaphragm hole by the diameter of the diaphragm hole, thereby realizing improvement in focus accuracy.
走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microsope:以下、「SEM」という)は、電界放出形の電子源から放出された一次電子線を加速し、静電または磁界レンズを用いて試料上に集束したスポットビームを、試料上で二次元状に走査し、試料から二次的に発生する二次電子または反射電子等の二次信号を検出し、検出信号強度を一次電子線の走査と同期して走査されるモニターの輝度変調入力とすることで二次元の走査像(SEM像)を得ている。 A scanning electron microscope (hereinafter referred to as “SEM”) accelerates a primary electron beam emitted from a field emission electron source, and a spot beam focused on a sample using an electrostatic or magnetic lens. , Scans two-dimensionally on the sample, detects secondary signals such as secondary electrons or reflected electrons generated secondary from the sample, and scans the detected signal intensity in synchronization with the scanning of the primary electron beam A two-dimensional scanning image (SEM image) is obtained by using the luminance modulation input of the monitor.
近年、半導体デバイスの微細化が進んだことから、走査電子顕微鏡が光学顕微鏡に代わって、半導体デバイスの検査(例えば電子ビームによる寸法測定や電気的動作の検査)に使われるようになった。特に、パターンの寸法測定のために使用されるCD−SEMはデバイスの寸法管理として使われ、半導体製造プロセスの管理の目的で高精度に安定した倍率精度、測長性能が求められる。また、デバイスの微細化が進んだことで、それを検査、測定する装置に対しても高分解能化が求められているが、同時に3次元的なデバイス構造や高アスペクトのコンタクトホールなどに対しては高焦点深度のSEM条件においても高精度で安定した倍率精度、測長性能が求められている。 In recent years, as the miniaturization of semiconductor devices has progressed, scanning electron microscopes have been used for inspection of semiconductor devices (for example, dimension measurement using an electron beam and inspection of electrical operation) instead of optical microscopes. In particular, a CD-SEM used for pattern dimension measurement is used for device dimension management, and high precision and stable magnification accuracy and length measurement performance are required for the purpose of semiconductor manufacturing process management. In addition, as device miniaturization has progressed, higher resolution is also demanded for devices that inspect and measure the device. At the same time, for three-dimensional device structures and high aspect contact holes, etc. Therefore, high precision and stable magnification accuracy and length measurement performance are required even under SEM conditions with a high focal depth.
例えば、特許文献1は、高焦点深度の分解能の最適化手法について開示し、特許文献2は、高焦点深度のSEM条件におけるプローブ電流制御について開示している。
For example, Patent Document 1 discloses a technique for optimizing resolution at a high focal depth, and
図1は、走査電子顕微鏡において試料にフォーカスする一次電子線のビーム開き角に対する分解能と焦点深度の関係を示す図である。分解能Rは、陰極から出るビームの光源径rssが複数段の集束レンズ(各レンズの光学倍率:M1、M2、M3)で試料面上に縮小される光源サイズRssと、球面収差Rsと、色収差Rcと、回折収差Rdとの合成で決定される。つまり、分解能Rは、理論的に以下の式によって表される。 FIG. 1 is a diagram showing a relationship between resolution and depth of focus with respect to a beam opening angle of a primary electron beam focused on a sample in a scanning electron microscope. The resolution R includes a light source size Rss that is reduced on the sample surface by a focusing lens (optical magnification of each lens: M 1 , M 2 , M 3 ) having a plurality of light source diameters rss of the beam emitted from the cathode, and a spherical aberration Rs. And chromatic aberration Rc and diffraction aberration Rd. That is, the resolution R is theoretically expressed by the following equation.
一方、開き角と焦点深度は、図1に示すように、試料に入射する開き角を大きくすれば焦点深度が浅くなり、開き角を小さくすれば焦点深度は深くなるという関係にある。このような特性の電子光学系においては、最高分解能となる最適開き角は図1の開き角αi1で示す角度となる。開き角がαi1より大きくなると収差等の影響により、分解能が低下してしまう。 On the other hand, as shown in FIG. 1, the opening angle and the focal depth are in a relationship such that if the opening angle incident on the sample is increased, the focal depth becomes shallower, and if the opening angle is decreased, the focal depth becomes deeper. In the electron optical system having such characteristics, the optimum opening angle that provides the highest resolution is the angle indicated by the opening angle α i1 in FIG. If the opening angle is larger than α i1 , the resolution is lowered due to the influence of aberration or the like.
また、図1に示すように、試料に入射する一次電子線の開き角をαi2に設定することで分解能は劣化するが、焦点深度の深いレンズ条件にすることができる。試料に一次電子線をフォーカスさせる場合、対物レンズによって一次電子線の焦点位置を変化させて、像が最もシャープになる焦点位置が試料に一次電子線がフォーカスした位置であるとする。これは分解能と焦点深度に依存したばらつきを持ち、分解能が良いほどまた焦点深度が浅いほど、フォーカスの合わせ精度は良い。従って、図1の開き角αi1と開き角αi2のレンズ条件を比べた場合、開き角αi2ではフォーカスの合わせ精度の劣化が起きる。 Further, as shown in FIG. 1, the resolution is deteriorated by setting the opening angle of the primary electron beam incident on the sample to α i2 , but the lens condition with a deep focal depth can be obtained. When the primary electron beam is focused on the sample, the focal position of the primary electron beam is changed by the objective lens, and the focal position where the image becomes sharpest is the position where the primary electron beam is focused on the sample. This has variations depending on the resolution and the depth of focus. The better the resolution and the shallower the depth of focus, the better the focusing accuracy. Accordingly, when the lens conditions of the opening angle α i1 and the opening angle α i2 in FIG. 1 are compared, at the opening angle α i2 , the focusing accuracy deteriorates.
図2は、走査電子顕微鏡の観察倍率について模式的に表したものである。観察倍率は一次電子線4が偏向コイル9によって試料10の試料面上を走査される領域(図中Ls1、Ls2、Ls3)と、像表示装置42で表示される画面(図中Ld1、Ld2)の比率で決定される。図2(a)では、対物レンズ7の物点をクロスオーバ点22になるように一次電子線4が制御されているレンズ条件401の場合に、偏向コイル9を使って一次電子線4が走査された時のビーム軌道を模式的に表している。偏向コイル9の走査領域Ls1は予め既知の寸法のパターンを使って、観察倍率に合わせて校正される。この校正時の光学倍率は対物レンズ7によって一次電子線4が試料10にフォーカスした時の高さb3を使って、M1=b3/a3で表される。
FIG. 2 schematically shows the observation magnification of the scanning electron microscope. The observation magnification is such that the primary electron beam 4 is scanned on the sample surface of the
ところが、図2(b)に示すように高さの異なる試料10や試料ステージの高さ精度の問題で、高さb3が高さb3’に変化した場合、試料10における一次電子線4の走査領域は走査領域Ls1から走査領域Ls2に変化し、観察倍率が変わる。そこで、一次電子線4が試料10にフォーカスするレンズ条件402の対物レンズ7の制御値から求められる光学倍率M2=b3’/a3の変動をフィードバックすることで、観察倍率が一定となるように偏向コイル9の走査領域を走査領域Ls1と同じ走査領域に設定するように制御する。シミュレーションなどを用いて試料10の高さに対するフォーカス制御値を計算し、制御テーブルとして予めCPUあるいは記憶装置に持つことで、光学倍率変化が生じた時の走査コイル9の走査領域を速やかに制御することができる。
However, as shown in FIG. 2B, when the height b3 is changed to the height b3 ′ due to the height accuracy of the
一方、対物レンズの物点がクロスオーバ点23に制御されたレンズ条件403においても、上記と同様に光学倍率M3=b3/a3’の変化から、走査領域が一定となるように制御することが可能である。このように制御されているSEMの観察倍率は、光学倍率を決定する対物レンズのフォーカスの合わせ精度に大きく依存する。
On the other hand, even in the
従って、倍率制御を高精度に行うためには対物レンズ7によるフォーカスの合わせ精度を高精度に制御することが重要である。ところが、特に寸法測定の高精度化と安定性が求められるCD−SEMなどにおいては、このフォーカスの合わせ精度の劣化が光学倍率のばらつきを発生させ、結果的にデバイスの寸法測定値の変動につながることになる。 Therefore, in order to perform magnification control with high accuracy, it is important to control focusing accuracy with the objective lens 7 with high accuracy. However, particularly in a CD-SEM or the like that requires high accuracy and stability in dimension measurement, this deterioration in focusing accuracy causes variations in optical magnification, resulting in fluctuations in device dimension measurement values. It will be.
また、特許文献1及び2には、集束レンズ郡の制御により光学系の開き角を変化させて分解能と焦点深度を変える手段、あるいはプローブ電流を一定にする制御について述べられているが、焦点深度の深い光学系におけるフォーカスの合わせ精度の劣化については考慮されていない。
Further,
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、焦点深度の深いレンズ条件においても高精度なフォーカス制御を可能にする技術を提供するものである。 The present invention has been made in view of such a situation, and provides a technique that enables high-precision focus control even under lens conditions with a deep focal depth.
上記課題を解決するために、本発明では、一次電子線の不要な領域を除去する絞り板に複数の穴径の絞り穴を配置し、絞り穴を変更することで絞り穴を通過する一次電子線の開き角を制御し、集束レンズ、対物レンズのレンズ条件を変化させずに、高分解能と焦点深度の浅い条件に設定することで、フォーカスの合わせ精度を向上させ、高精度なフォーカス調整ができることを特徴としている。フォーカスが調整できたら、元のサイズの絞り穴(観察用絞り穴)に戻して観察する。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a primary electron that passes through a throttle hole by arranging a throttle hole having a plurality of hole diameters on the diaphragm plate that removes an unnecessary region of the primary electron beam and changing the throttle hole. By controlling the opening angle of the line and changing the focusing lens and objective lens conditions without changing the lens conditions, high resolution and shallow depth of focus can be set to improve focusing accuracy and achieve high-precision focus adjustment. It is characterized by being able to do it. After adjusting the focus, return to the original size aperture (observation aperture) and observe.
また、本発明では、絞り穴径の変更によって、観察時よりも焦点深度の深い条件に設定することで、粗フォーカス調整を実行する。そして、粗めのフォーカス調整の後、焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行するようにしている。 Further, in the present invention, coarse focus adjustment is performed by setting a condition with a deeper focal depth than during observation by changing the aperture diameter. Then, after coarse focus adjustment, the focus depth is controlled to be shallower than the focus depth at the time of observation, and fine focus adjustment is executed.
さらに、絞り穴径の面積比で増大するプローブ電流を用いて、絞り穴の変更によって試料の予備帯電できるようにしている。 Furthermore, the probe current that increases with the area ratio of the aperture diameter can be used to precharge the sample by changing the aperture.
さらなる本発明の特徴は、以下本発明を実施するための最良の形態および添付図面によって明らかになるものである。 Further features of the present invention will become apparent from the best mode for carrying out the present invention and the accompanying drawings.
本発明によれば、焦点深度の深いレンズ条件あっても高精度にフォーカス調整ができ、倍率の高精度化を実現することができる。 According to the present invention, focus adjustment can be performed with high accuracy even under lens conditions with a deep focal depth, and higher magnification can be achieved.
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに注意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that this embodiment is merely an example for realizing the present invention and does not limit the technical scope of the present invention. In each drawing, the same reference numerals are assigned to common configurations.
<比較例としての走査電子顕微鏡の構成>
本実施形態の走査電子顕微鏡の構成について説明する前に、本発明理解の補助のため、まず比較例として従来の走査電子顕微鏡の構成例について説明する。
<Configuration of Scanning Electron Microscope as Comparative Example>
Before describing the configuration of the scanning electron microscope of the present embodiment, a configuration example of a conventional scanning electron microscope will be described as a comparative example first to assist in understanding the present invention.
図3は、従来の走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。陰極1と第一陽極2の間には、制御演算装置40(制御プロセッサ)で制御される高電圧制御電源30により電圧が印加され、所定のエミッション電流が陰極1から引き出される。陰極1と第二陽極3の間には制御演算装置40で制御される高電圧制御電源30により加速電圧が印加されるため、陰極1から放出された一次電子線4は加速されて後段レンズ系に進行する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a conventional scanning electron microscope. A voltage is applied between the cathode 1 and the
一次電子線4は、集束レンズ制御電源31で制御された集束レンズ5で集束され、固定の絞り板50で一次電子線4の不要な領域が除去された後に、集束レンズ制御電源32で制御された集束レンズ6および対物レンズ制御電源36で制御された対物レンズ7により、試料10に微小スポットとして集束される。集束レンズ6は対物レンズ7の物点を任意の位置に制御することができ、対物レンズ7の入射開き角の制御が可能である。
The primary electron beam 4 is focused by the focusing lens 5 controlled by the focusing lens control power source 31, and after the unnecessary area of the primary electron beam 4 is removed by the fixed
試料10には試料台11を介して試料印加電源37により負の電圧を印加して一次電子線4を減速させるリターディング方式も可能である。また、対物レンズ7に直接あるいは近傍に収差低減のための加速電極を配置したブースティング方式も可能である。
A retarding method is also possible in which a negative voltage is applied to the
一次電子線4は、走査コイル制御電源33によって制御される走査コイル9で試料10を二次元的に走査される。一次電子線4の照射で試料10から発生した二次電子、反射電子等の二次信号12は、対物レンズ7による引上げ磁界あるいは引上げ電界の作用により対物レンズ7の上部に進行し、二次信号分離用直交電磁界発生器(EXB)16が形成する偏向電界によって信号検出器17側に偏向される。信号検出器17で検出された信号は、信号増幅器18で増幅された後、画像メモリ41に転送されて像表示装置42にSEM像として表示される。
The primary electron beam 4 is scanned two-dimensionally on the
また、図3において、集束レンズ6の焦点位置をクロスオーバ点22に制御することにより、試料10に入射する一次電子線4の開き角が最適開き角αi1に制御されているとする(図3の実線)。この電子光学系において、焦点深度の深いレンズ条件に設定する場合は、試料10に入射する一次電子線4でビーム開き角が小さくなるように、図1の開き角αi2で示す角度に設定すれば良い。これは、図3において集束レンズ6の焦点位置がクロスオーバ点23になるように制御することにより実現される(図3の点線)。
In FIG. 3, it is assumed that the opening angle of the primary electron beam 4 incident on the
しかしながら、従来(図3)のようにクロスオーバ点を変更することにより開き角を調整すると、集束レンズ6の条件(磁場等)を変更することになり、コイルのヒステリシスの影響を受けてしまう。これでは、高精度なフォーカス調整及び高精度な倍率調整を実現するのは困難である。
However, if the opening angle is adjusted by changing the crossover point as in the prior art (FIG. 3), the condition (magnetic field or the like) of the focusing
そこで、本実施形態では以下のような構成を採用している。 Therefore, in the present embodiment, the following configuration is adopted.
<本発明の走査電子顕微鏡の構成>
図4は、本発明の実施形態による走査電子顕微鏡の構成例を示す図である。本発明の実施形態による走査電子顕微鏡では、一次電子線4の開き角を絞り板8の絞り穴によって制御し、フォーカス精度を向上する手段を採用している点が特徴となっている。絞り板8は複数の穴径の異なる絞り穴を有し、絞り可動ユニット38によって任意の絞り穴に変更できるようになっている。
<Configuration of Scanning Electron Microscope of the Present Invention>
FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the scanning electron microscope according to the embodiment of the present invention. The scanning electron microscope according to the embodiment of the present invention is characterized in that means for controlling the opening angle of the primary electron beam 4 by the aperture hole of the
まず、図3で示した絞り穴径において焦点深度が深くなるように集束レンズ6の焦点位置がクロスオーバ点23に制御されているとする。この時、ビーム軌道は実線24で示す軌道を通り、試料10での一次電子線4の開き角がαi2に制御されている(図4の実線)。この状態から、フォーカス調整時に絞り可動ユニット38で絞り板8を移動し、穴径の大きい絞りに変更する。ビーム軌道は点線25となり、集束レンズ6のクロスオーバ点23を変えることなく、試料10におけるビーム開き角をαi1にすることができる(図4の点線)。
First, it is assumed that the focal position of the focusing
従って、図1に示すように高分解能で焦点深度の浅い条件でのフォーカス調整が可能になる。穴径の異なる絞りに変更する場合、予め軸調整しておいた位置(絞り8の座標)を記憶装置43に登録しておき、絞り可動ユニット38に登録座標に移動するように制御信号を送り移動させることで、速やかな絞り穴の変更が実現できる。
Therefore, as shown in FIG. 1, it is possible to perform focus adjustment under a condition of high resolution and shallow depth of focus. When changing to a diaphragm with a different hole diameter, the position (coordinate of the diaphragm 8) adjusted in advance is registered in the storage device 43, and a control signal is sent to the diaphragm
<開き角制御によって得られる各特性>
図5は、開き角制御を実施した場合のプローブ電流特性、分解能特性、焦点深度特性、及びフォーカス特性の詳細を示す図である。図5(a)は、絞り穴径によって開き角を制御した場合(本発明)の特性を示している。図5(b)は集束レンズ6によってクロスオーバを変化させて開き角を制御した場合(比較例)の特性を示している。
<Characteristics obtained by opening angle control>
FIG. 5 is a diagram showing details of probe current characteristics, resolution characteristics, depth of focus characteristics, and focus characteristics when opening angle control is performed. FIG. 5A shows the characteristics when the opening angle is controlled by the diameter of the throttle hole (the present invention). FIG. 5B shows characteristics when the opening angle is controlled by changing the crossover by the focusing lens 6 (comparative example).
図5(a)に示すように、絞り穴径の変更によって試料10における一次電子線4の開き角がαi2からαi1に変わった場合、分解能は良好な状態で焦点深度も浅い状態となる。理想的には光学倍率は変化しないためフォーカス制御値は一定となる。ただし、フォーカス精度は分解能と焦点深度に依存するためレンズ条件に応じた誤差を持つが、開き角αi2で制御した場合のフォーカス制御値の誤差△f2に対し、開き角αi1で制御した場合のフォーカス制御値の誤差は△f1と小さくすることができ、フォーカス精度が向上する。つまり、焦点深度が浅くなる分、焦点のばらつきが抑えられるからである(図6参照)。なお、フォーカス精度を最良にするためには一次電子線4の開き角を最適開き角αi1になるような絞り穴径を選択することが望ましいが、最適開き角の条件に限らず、開き角αi2よりも開き角が大きくなる絞り穴径であれば、本実施形態は適用可能である。また、絞り穴径があまりに大きすぎると、色収差、球面収差の増大により分解能の劣化が激しくなりフォーカス精度が下がる。このため、フォーカスの合わせ精度が向上する範囲での絞り穴径の設定が必要である。
As shown in FIG. 5A, when the opening angle of the primary electron beam 4 in the
本実施形態では、絞り穴径を大きくするとプローブ電流は絞り穴の面積比で増大し、プローブ電流が大きくなる。これにより走査電子顕微鏡の画像S/Nが向上することが期待できる。従って、絞り穴径を大きくし、画像S/Nの高い状態でフォーカス調整を実施することが可能になる。当然、プローブ電流の増加させる方法としては陰極1から引き出す第一陽極2の電圧値を高く設定することでも可能であるが、陰極1の特性として引出電界が強くなるとエネルギー幅△Eの増大に繋がり、色収差の増加による分解能劣化が懸念される。また、集束レンズ5のクロスオーバを絞り板8に近づけてプローブ電流を増加することも可能であるが、集束レンズ5の光学倍率を大きくする傾向となるため、光源径の縮小率への影響や各レンズの収差の増大に繋がり、分解能劣化が懸念される。本発明では、電流増加に伴うレンズ収差の影響は無視できるため、最良な分解能でのフォーカス調整が実現できる。
In the present embodiment, when the diameter of the throttle hole is increased, the probe current increases with the area ratio of the throttle hole, and the probe current increases. This can be expected to improve the image S / N of the scanning electron microscope. Accordingly, it is possible to increase the aperture diameter and perform focus adjustment with a high image S / N. Naturally, as a method of increasing the probe current, it is possible to set the voltage value of the
一方、図5(b)に示される比較例では、開き角を変更するとフォーカス制御値も変化してしまう。つまり、開き角αi2のときにフォーカス調整して得られたフォーカス制御値を、開き角αi1のときのフォーカス制御値に用いることができない。従って、比較例では、分解能の良否がフォーカス調整に直接影響してしまう。 On the other hand, in the comparative example shown in FIG. 5B, when the opening angle is changed, the focus control value also changes. That is, the focus control value obtained by adjusting the focus at the opening angle α i2 cannot be used as the focus control value at the opening angle α i1 . Therefore, in the comparative example, the quality of the resolution directly affects the focus adjustment.
本発明では、上述のように、開き角が大きい場合に得られたフォーカス制御値が開き角の小さい場合のフォーカス制御値に適用することができるので、分解能が良い状態でフォーカス調整が可能となる。よって、高精度なフォーカス調整を実現することができる。 In the present invention, as described above, since the focus control value obtained when the opening angle is large can be applied to the focus control value when the opening angle is small, focus adjustment can be performed with good resolution. . Therefore, highly accurate focus adjustment can be realized.
<オートフォーカス機能における精度向上>
図6は、本発明を適用した自動焦点調整、いわゆるオートフォーカス機能の精度向上について説明するための図である。
<Accuracy improvement in autofocus function>
FIG. 6 is a diagram for explaining the improvement in accuracy of the automatic focus adjustment, that is, the so-called autofocus function to which the present invention is applied.
オートフォーカス機能は、対物レンズ制御電源36によって対物レンズ7を制御し、所定の制御値の範囲で一次電子線4の焦点位置をずらしながらSEM像を取得し、各焦点位置のSEM像において画像処理によって像シャープネス602を抽出した後、近似関数603を求め、近似関数603の最大値を焦点位置601であるとする機能である。各焦点位置における像シャープネス602を取得する場合、画像S/Nが低いと像シャープネス602がばらつくことで近似関数から求める焦点位置と実際の焦点位置にずれが生じてしまう(図6(a)参照)。一方、画像S/Nが高い状態では像シャープネス602のばらつきを少なくすることができ、評価関数603が高精度に求まる(図6(b)参照)。
The autofocus function controls the objective lens 7 by the objective lens
従って、高S/N画像取得によってオートフォーカスの画像取得時間の短縮ができるため、オートフォーカス処理の高速化が可能になる。また、分解能と焦点深度から決定されるフォーカスの合わせ精度を△f2から△f1のよう向上させることができ、最適なフォーカス位置が容易に見つかるため、スムーズで高精度な焦点調整が実現できる。 Therefore, since the acquisition time of autofocus can be shortened by acquiring a high S / N image, the autofocus process can be speeded up. Further, the focusing accuracy determined from the resolution and the depth of focus can be improved from Δf 2 to Δf 1 , and the optimum focus position can be easily found, so that smooth and highly accurate focus adjustment can be realized. .
本実施形態では、通常使用する穴径よりも小さい穴に設定することで、焦点深度の深い状態を設定し、オートフォーカスの粗調整の制御も可能である。例えば、最適開き角αi1で焦点深度の浅い状態でのレンズ条件において、試料10の高さが大きく異なってしまった場合、所定の制御値の範囲内に焦点位置がないと、焦点位置の推定ができなくなる。もしくは再度フォーカス制御値を所定のオフセット量でずらし、オートフォーカスのリトライを実施する必要があり、倍以上の時間が必要となる。この時、絞り穴径を変更して、開き角を小さくし焦点深度を深く設定することで、焦点位置の探索を容易にすることが可能である。この場合分解能の劣化が生じるが、オートフォーカス機能に影響を与えない程度の劣化であれば問題ない。
In the present embodiment, by setting a hole smaller than a hole diameter that is normally used, a deep focus state can be set and rough adjustment of autofocus can be controlled. For example, when the height of the
また、プローブ電流は絞り穴の面積比で減少するが、粗調整としての合わせであることから、画像処理ができるような画像S/Nレベルであれば問題ない。 Further, the probe current decreases with the area ratio of the aperture hole. However, since the adjustment is performed as a rough adjustment, there is no problem if the image S / N level allows image processing.
さらに、高精度なフォーカス精度は求めていないため、色収差の影響が無視できる程度で、陰極1から引き出す第一陽極2の電圧値を高く設定することでプローブ電流を増加しても良い。この場合、オートフォーカス機能に影響を与えない画像S/Nになるように、絞り穴径と第一陽極2の電圧値を記憶装置43に予め登録しておき、絞り穴径を変更する命令の実行時に、高電圧制御電源30により登録された電圧値を設定しプローブ電流を増加するように制御することで実現できる。
Furthermore, since high-precision focus accuracy is not required, the probe current may be increased by setting the voltage value of the
また、本実施形態の方法を予備帯電のためのプローブ電流制御に用いれば、レンズ条件を変更することなく絞り穴径を変更させることにより電流増加が実現できる。例えば、高アスペクトのコンタンクトホールのようなパターンにおいて、コンタクトホール穴底の形状観察、寸法測定が求められているが、通常の低プローブのSEM像においては試料穴底で発生した二次信号12は穴底から脱出できず信号として検出できない。このため、SEM像取得の前処理として1次電子線4を試料に照射させて試料表面あるいはコンタクトホールの側壁を帯電させ、二次信号12を引上げるようにする。この時通常のSEM使用条件のプローブ電流よりも大電流で照射させるため、本実施例を適用すれば、レンズ条件を変えることなく、プローブ電流を増加させることができるため、磁場レンズのヒステリシス等による光学倍率の再現性を懸念しなくて良い。
If the method of the present embodiment is used for probe current control for preliminary charging, an increase in current can be realized by changing the aperture diameter without changing the lens conditions. For example, in a pattern such as a high aspect constant hole, shape observation and dimension measurement of the contact hole hole bottom are required, but in a normal low probe SEM image, a
<フォーカス制御処理の内容>
図7は、上述した原理に基づくフォーカス制御処理(例)の詳細を説明するためのフローチャートである。当該フローチャートによる制御プログラムは例えば記憶装置43に記憶されており、制御演算装置40と協働することによって各ステップの処理が実行される。なお、ここで、絞り板8には複数の穴(Φ1、Φ2、Φ3、Φ4)が設けられており、通常SEM像取得時に使用する絞り穴はΦ1で調整されているとする。それぞれの絞り穴径は、Φ2が予備帯電用の大きな絞り穴径、Φ3が粗フォーカス用のΦ1よりも小さな穴径、Φ4は精オートフォーカス用としてΦ1よりも大きな穴径となっている。Φ2は予備帯電の電流条件に合わせて、またΦ3、Φ4は必要なフォーカス合わせ精度に必要な分解能と焦点深度の条件に合わせて最適化されているものとする。また、それぞれの絞り穴は予め軸調整されており、軸調整された位置が座標として記憶装置34に登録され、絞り穴変更時には絞り可動ユニット38に制御命令を送り速やかに位置が再現できるようになっている。
<Contents of focus control processing>
FIG. 7 is a flowchart for explaining the details of the focus control process (example) based on the principle described above. The control program according to the flowchart is stored in, for example, the storage device 43, and the processing of each step is executed in cooperation with the control
まず、制御演算装置40は、観察点にビームの照射位置を移動させた後(S001)、電流を増加させて予備帯電を実施する場合(例えば、レシピによって予備帯電をするか否か判断(S002))には、絞り穴Φ2に絞り可動ユニット38によって絞り穴を変更し、大電流条件とする(S003)。この時、必要とされる帯電量に応じて照射時間の設定が可能で、オペレータが待ち時間として任意に設定できる(S004)。
First, the control
予備帯電処理が終了後、粗フォーカス調整が必要な場合には、制御演算装置40は、絞り可動ユニット38に制御信号を送り、絞り穴Φ3に変更する(S006)。絞り穴Φ3はΦ1よりも開き角の小さい条件に設定されており、焦点深度の深い観察条件でオートフォーカスが実行される(S007)。
After pre-charging process ends, if the coarse focus adjustment is necessary, the
次に、制御演算装置40は、絞り穴Φ4に変更し(S008)、精オートフォーカスを実行する(S009)。この時、粗フォーカス時のフォーカス精度(ばらつき)の範囲内に一次電子線4が試料10に真にフォーカスする焦点位置があるので、精オートフォーカス時の焦点ずらし量は精オートフォーカスのばらつき範囲程度で良い。
Next, the control
そして、精オートフォーカスが終了後、制御演算装置40は、通常使用する絞り穴Φ1に戻し(S010)、SEM像の取得、あるいはSEM像を使って寸法測定等の処理を実行する(S011)。
After spinning autofocus completed, the control
<絞り穴を変更するための手段>
図8は、本実施形態で使用可能な絞り板8および絞り可動ユニット38の概略構成を示す図である。絞り板8はXYステージの可動機構に取付けられており、一次電子線4の通過位置に平面上に移動することができるようになっている。絞りの穴径を変更させる場合、XYステージを予め軸調整された座標の情報を記憶装置43から読み出し、制御演算装置40で制御信号を可動ユニット38に送り、XYステージの位置を制御することで実施できる。なお、絞り板8は穴径の異なるものが構成されているものであればどのような形状でもよく、例えば図8に示すような四角形状の絞りでも、円形、台形、長方形、三角形等の絞り形状で、絞り穴径の異なるものを配置しても良い。穴径については使用するレンズ条件に応じて開き角制御とプローブ電流増加量を考慮して、複数の穴径を準備しておくことが望ましいが、特に規定するものではない。
<Means for changing the aperture hole>
FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the
また、図9は、絞り板8を昇降機構で移動制御し、開き角を変化させる構成を示す図である。この構成の場合、絞りの穴径を変更せずに、任意に開き角を制御することができる。例えば、図9に示すように集束レンズ6の物点26からL2の位置で絞り板8の絞り穴によって焦点レンズ6の入射開き角がαc2に調整されているとする。開き角をαC1に変更するために絞り可動ユニット38で絞り位置をL1の位置に移動させる。絞りの穴径を50[μm]、L2を50[mm]とすると、αc2は0.5[mrad]であるから、開き角を2倍変えたい場合にはL2を25[mm]に設定するように絞り可動ユニット38動かせば良い。レンズやコイル等の構造物によって物理的に昇降できる範囲が決まるので、更に大きく開き角を変更したい場合には図8の構成と合わせてXYZ軸で制御する絞り可動ユニットを搭載することで実現できる。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration in which the
また、図9に構成するZ軸の絞り可動ユニットを用いることで、絞り穴径のばらつきに応じた開き角の調整が実現できる。絞り穴の穴径はエッチングによって加工されるものが一般的であるが、安価な絞りの場合には製造上のばらつきが大きく、5〜10%程度の穴径のばらつきが発生する。また、電子線を照射することによって絞りにはコンタミネーションがつき、これがチャージアップすることで分解能等の性能劣化を引き起こすため、絞り板8は定期的に交換されることが一般的である。絞りの穴径がばらつくと、図1に示すように絞り穴径のばらつきによって試料10における一次電子線4の開き角が変化し、分解能や焦点深度に影響する。精度の良い絞り穴を製造できたとしても穴径のばらつきは存在することから、絞り穴径のばらつきに応じた開き角の調整が必要となる。所定の開き角で一次電子線が絞り穴から出射されているかは、出射された電子線のプローブ電流値を計測し、その電流値が予め記憶装置43に登録された電流値(複数の開き角に対応した電流値が登録されている)となっているかをチェックし、所定の電流値になるように絞り板8の高さを調整することにより制御可能である。また、複数台の装置が存在する場合、この絞り穴径のばらつきによって分解能等の光学性能のばらつきが生じてしまう。このような場合に、図9による構成を適用することで、開き角が一定の角度になるように絞り位置の高さを調整し、絞り板8による光学性能のばらつきを抑えることができるようになる。
Further, by using the Z-axis diaphragm movable unit shown in FIG. 9, the opening angle can be adjusted according to variations in the diameter of the diaphragm hole. The diameter of the aperture hole is generally processed by etching. However, in the case of an inexpensive aperture, the manufacturing variation is large, and the hole diameter varies about 5 to 10%. In addition, the diaphragm is contaminated by irradiating the electron beam, and the charged up causes performance degradation such as resolution, so that the
図10は、絞りの移動を行わずに、一次電子線4を偏向して穴径の異なる絞り穴を通過させて開き角を制御する構成を示す図である。絞り板8は複数の穴径の異なる絞りを有し、絞り板8の前後には、偏向器制御電源34によって制御される4段の偏向器19が配置されている。通常使う状態では光軸上に配置した絞り穴を通過するように一次電子線4が調整されているが、フォーカス調整時に絞り板8の面内にある穴径の異なる絞り穴を通過させるようにする。この電子線制御は電気的に実現可能であるので、図10による構成は高速化を図る場合に望ましい。
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration in which the opening angle is controlled by deflecting the primary electron beam 4 and passing the aperture holes having different hole diameters without moving the aperture. The
一次電子線4を偏向器によって偏向するために偏向収差が発生するが、図10に示すように、前段の偏向器と後段の偏向器で偏向する偏向角を、例えばθ1=θ4=θ2=θ3にするような構成すれば、収差の影響は無視することができる。また、少なからず収差が発生したとしても、集束レンズ6の上段に絞り板8を配置する構成であれば、対物レンズ8の縮小によって収差の影響は軽減できる。このような構成であれば、機械的な移動もなく、電気的に高速に処理が実施できるので、オートフォーカスの高精度化と高速化が実現できる。
Deflection aberration occurs because the primary electron beam 4 is deflected by the deflector. As shown in FIG. 10, the deflection angle deflected by the former stage deflector and the latter stage deflector is, for example, θ 1 = θ 4 = θ. by configuring such that the 2 = θ 3, the influence of the aberration can be neglected. Further, even if aberrations occur, the influence of the aberrations can be reduced by reducing the
<まとめ>
本実施形態では、荷電粒子線の不要な領域を除去するための穴を有する絞り板を用いて、荷電粒子光学系のレンズ条件を変えずに、荷電粒子線の開き角を変更する。そして、制御演算装置は、荷電粒子線の開き角を変えることにより、対物レンズに最も近い集束レンズの焦点位置を同一位置に保持したまま荷電粒子線の分解能と焦点深度を制御し、荷電粒子線のフォーカス調整を実行している。これにより、荷電粒子光学系のレンズ条件を変更せずに、高精度なフォーカス調整を実現することができるようになる。
<Summary>
In the present embodiment, the aperture angle of the charged particle beam is changed without changing the lens condition of the charged particle optical system by using a diaphragm having a hole for removing an unnecessary region of the charged particle beam. The control arithmetic device controls the resolution and depth of the charged particle beam while changing the opening angle of the charged particle beam while keeping the focal position of the focusing lens closest to the objective lens at the same position. The focus is being adjusted. Thereby, it is possible to realize highly accurate focus adjustment without changing the lens conditions of the charged particle optical system.
本実施形態では、制御演算装置が、焦点深度が観察時の焦点深度より深い状態に制御し、粗めのフォーカス調整を実行することが選択可能となっている。また、制御演算装置が、粗めのフォーカス調整の後、或いは、粗めのフォーカス制御をせずに、焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行する。これにより、その時々の状況に合わせて高精度なフォーカス調整を実現することができる。 In this embodiment, it is possible to select that the control arithmetic device performs control so that the depth of focus is deeper than the depth of focus at the time of observation and performs coarse focus adjustment. Further, the control arithmetic unit performs fine focus adjustment by controlling the depth of focus to be shallower than the focus depth at the time of observation after coarse focus adjustment or without coarse focus control. Thereby, highly accurate focus adjustment can be realized according to the situation at that time.
また、制御演算装置は、予備帯電時の開き角に制御し、観察時よりも大電流条件で試料の予備帯電を実行するが選択可能になっている。これにより、試料の種類に応じて予備帯電を実行した状態で、高精度なフォーカス調整を実現することができる。 Further, the control arithmetic unit controls the opening angle at the time of preliminary charging, and can perform selection of performing preliminary charging of the sample under a larger current condition than at the time of observation. Thereby, highly accurate focus adjustment can be realized in a state where preliminary charging is executed according to the type of sample.
荷電粒子線の開き角は、絞り穴のサイズを変更することにより制御することができる。例えば、複数種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をXYステージ上で移動させるための絞り板可動ユニットと、を設ける。このとき、制御演算装置は、絞り板可動ユニットを制御し、絞り板をXYステージのXY平面上の予め登録された座標に移動させ、前記複数種類のサイズの絞り穴から1つを選択することで開き角を変更する。絞り穴のサイズ変更の別の態様として、複数種類のサイズの絞り穴を有する固定の絞り板と、当該絞り板の前段及び後段に配置した偏向器と、を設ける。このとき、制御演算装置は、偏向器を制御して複数種類のサイズの絞り穴の何れかに荷電粒子線を通過させることで開き角を変更する。 The opening angle of the charged particle beam can be controlled by changing the size of the aperture hole. For example, a diaphragm plate having a plurality of sizes of diaphragm holes and a diaphragm plate movable unit for moving the diaphragm plate on the XY stage are provided. At this time, the control arithmetic unit controls the diaphragm plate movable unit, moves the diaphragm plate to the coordinates registered in advance on the XY plane of the XY stage, and selects one of the plurality of sizes of the diaphragm holes. Change the opening angle with. As another aspect of changing the size of the aperture hole, a fixed aperture plate having a plurality of types of aperture holes and deflectors arranged at the front and rear stages of the aperture plate are provided. At this time, the control arithmetic device changes the opening angle by controlling the deflector to allow the charged particle beam to pass through any of a plurality of types of aperture holes.
また、荷電粒子線の開き角は、1つの絞り穴を有する絞り板を上下させることにより変更することも可能である。この場合、制御演算装置は、絞り板可動ユニットを制御し、絞り板から出射される荷電粒子線の電流値を予め登録した値に調整することにより、所定の開き角に調整する。電流値が所定の値になることによって開き角を制御するので、複数の走査電子顕微鏡における絞り穴のばらつきがある場合、適正に開き角を調整することができる。 Further, the opening angle of the charged particle beam can be changed by moving the diaphragm plate having one diaphragm hole up and down. In this case, the control arithmetic device controls the diaphragm plate movable unit, and adjusts the current value of the charged particle beam emitted from the diaphragm plate to a value registered in advance, thereby adjusting to a predetermined opening angle. Since the opening angle is controlled by setting the current value to a predetermined value, the opening angle can be appropriately adjusted when there are variations in aperture holes in a plurality of scanning electron microscopes.
1…陰極、2…第一陽極、3…第二陽極、4…一次電子線、5…集束レンズ、6…集束レンズ、7…対物レンズ、8…絞り板、9…走査コイル、10…試料、11…試料台、12…二次信号、16…二次信号分離用直交電磁界発生器(EXB)、17…信号検出器、18…信号増幅器、19…偏向器、22…クロスオーバ点、23…クロスオーバ点、24…ビーム軌道、25…ビーム軌道、26…クロスオーバ点、30…高電圧制御電源、31…集束レンズ制御電源、32…集束レンズ制御電源、33…走査コイル制御電源、34…偏向器制御電源、36…対物レンズ制御電源、37…試料印加電源、40…制御演算装置、41…画像メモリ、42…像表示装置、43…記憶装置、50…固定の絞り板(単一径) DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Cathode, 2 ... 1st anode, 3 ... 2nd anode, 4 ... Primary electron beam, 5 ... Condensing lens, 6 ... Condensing lens, 7 ... Objective lens, 8 ... Diaphragm plate, 9 ... Scanning coil, 10 ... Sample , 11 ... Sample stage, 12 ... Secondary signal, 16 ... Orthogonal electromagnetic field generator (EXB) for secondary signal separation, 17 ... Signal detector, 18 ... Signal amplifier, 19 ... Deflector, 22 ... Crossover point, 23 ... crossover point, 24 ... beam trajectory, 25 ... beam trajectory, 26 ... crossover point, 30 ... high voltage control power supply, 31 ... focusing lens control power supply, 32 ... focusing lens control power supply, 33 ... scanning coil control power supply, 34 ... Deflector control power supply, 36 ... Objective lens control power supply, 37 ... Sample application power supply, 40 ... Control arithmetic device, 41 ... Image memory, 42 ... Image display device, 43 ... Storage device, 50 ... Fixed diaphragm (single Diameter)
Claims (9)
前記荷電粒子源から放出される荷電粒子線を複数の集束レンズ群によって集束して試料上で走査する荷電粒子光学系と、
前記荷電粒子線の不要な領域を除去するための穴を有する絞り板を用いて、前記荷電粒子光学系のレンズ条件を変えずに、前記荷電粒子線の開き角を変更する開き角変更手段と、
前記開き角変更手段を用いて前記荷電粒子線の開き角を変えることにより、対物レンズに最も近い集束レンズの焦点位置を同一位置に保持したまま前記荷電粒子線の分解能と焦点深度を制御し、前記荷電粒子線のフォーカス調整を実行するフォーカス制御部と、
前記荷電粒子線の走査によって試料から発生する二次信号粒子を検出する検出器と、を備え、
前記検出器の出力された前記二次信号粒子を用いて試料像を形成することを特徴とする走査電子顕微鏡。 A charged particle source;
A charged particle optical system that scans a sample by focusing a charged particle beam emitted from the charged particle source by a plurality of focusing lens groups;
An opening angle changing means for changing an opening angle of the charged particle beam without changing a lens condition of the charged particle optical system, using a diaphragm having a hole for removing an unnecessary region of the charged particle beam; ,
By changing the opening angle of the charged particle beam using the opening angle changing means, the resolution and the focal depth of the charged particle beam are controlled while maintaining the focal position of the focusing lens closest to the objective lens at the same position, A focus control unit for performing focus adjustment of the charged particle beam;
A detector for detecting secondary signal particles generated from the sample by scanning the charged particle beam,
A scanning electron microscope, wherein a sample image is formed using the secondary signal particles output from the detector.
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より深い状態に制御し、粗めのフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The scanning electron microscope, wherein the focus control unit controls the depth of focus to be deeper than the depth of focus at the time of observation by using the opening angle changing unit, and performs coarse focus adjustment.
前記フォーカス制御部は、前記粗めのフォーカス調整の後、前記開き角変更手段を再度用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 2,
The focus control unit performs fine focus adjustment by using the opening angle changing unit again after the coarse focus adjustment to control the focus depth to be shallower than the focus depth at the time of observation. Scanning electron microscope.
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて前記焦点深度が観察時の焦点深度より浅い状態に制御し、精細なフォーカス調整を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The scanning electron microscope, wherein the focus control unit performs fine focus adjustment by controlling the depth of focus to be shallower than the depth of focus at the time of observation using the opening angle changing unit.
前記フォーカス制御部は、前記開き角変更手段を用いて予備帯電時の開き角に制御し、観察時よりも大電流条件で前記試料の予備帯電を実行することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The scanning control microscope, wherein the focus control unit controls the opening angle at the time of preliminary charging using the opening angle changing unit, and executes the preliminary charging of the sample under a larger current condition than at the time of observation.
前記開き角変更手段は、複数種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をXYステージ上で移動させるための絞り板可動ユニットと、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御して前記絞り板を前記XYステージのXY平面上の予め登録された座標に移動させ、前記複数種類のサイズの絞り穴から1つを選択することで開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The opening angle changing means includes a diaphragm plate having a plurality of sizes of diaphragm holes, and a diaphragm plate movable unit for moving the diaphragm plate on the XY stage,
The focus control unit controls the diaphragm plate movable unit to move the diaphragm plate to pre-registered coordinates on the XY plane of the XY stage, and selects one from the plurality of types of diaphragm holes. A scanning electron microscope characterized in that the opening angle is changed.
前記開き角変更手段は、1種類のサイズの絞り穴を有する絞り板と、当該絞り板をZ軸に沿って昇降させるための絞り板可動ユニットと、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御して前記絞り板をZ軸上で昇降させることで前記開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The opening angle changing means includes a diaphragm plate having a diaphragm hole of one type of size, and a diaphragm plate movable unit for moving the diaphragm plate up and down along the Z axis.
The focus control unit controls the diaphragm plate movable unit to change the opening angle by moving the diaphragm plate up and down on the Z axis.
前記フォーカス制御部は、前記絞り板可動ユニットを制御し、前記絞り板から出射される荷電粒子線の電流値を予め登録した値に調整することにより、所定の開き角に調整することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 7,
The focus control unit controls the diaphragm plate movable unit and adjusts a current value of a charged particle beam emitted from the diaphragm plate to a pre-registered value, thereby adjusting to a predetermined opening angle. Scanning electron microscope.
前記開き角変更手段は、複数種類のサイズの絞り穴を有する固定の絞り板と、当該絞り板の前段及び後段に配置した偏向器と、を備え、
前記フォーカス制御部は、前記偏向器を制御して前記複数種類のサイズの絞り穴の何れかに前記荷電粒子線を通過させることで前記開き角を変更することを特徴とする走査電子顕微鏡。 In claim 1,
The opening angle changing means includes a fixed diaphragm plate having a plurality of sizes of aperture holes, and deflectors arranged at the front and rear stages of the diaphragm plate,
The focus control unit controls the deflector to change the opening angle by allowing the charged particle beam to pass through any of the plurality of sizes of aperture holes.
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