JP2012146581A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、荷電粒子線装置に搭載される光学式顕微鏡のフォーカス合わせを精度良く行うことが可能な装置を提供する。
【解決手段】予め測定された光学式顕微鏡のフォーカスマップを基に多項式近似式を作成し、その時のウエハ高さ情報と、実際の観察時におけるウエハ高さ情報との差分を前記多項式近似式に加算した制御量を光学式顕微鏡のフォーカス制御値として入力する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学式顕微鏡を有する電子顕微鏡，イオンビーム加工／観察装置等の荷電粒子線装置に関する。
近年、半導体製品の集積度は益々向上し、その回路パターンの更なる高精細化が要求されてきている。半導体ウエハに代表される回路パターンが形成される試料において、品質管理，歩留まり向上を目的に様々な検査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）や、同じく荷電粒子線を照射し回路パターンの欠陥、或いは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）などが挙げられる。
ウエハを電子顕微鏡で観察する際、光学式顕微鏡を用いてウエハアライメントを行うことは従来から行われている。これは、試料台上でのウエハの保持位置は、ウエハがロードされる度にばらつくため、初めから観察倍率が高い荷電粒子線を用いた観察が困難であるためである。ウエハアライメントの際には、観察倍率の低い光学式顕微鏡を用いて、位置の既知なウエハ上の特定パターンを複数個検出して、その時のパターン位置を計測することで、ウエハの回転，シフト，スケールなどの補正を行い、ステージ制御の座標系とウエハ上の物理的な座標系とを一致させる。これにより、荷電粒子線の観察範囲に所望のパターンを移動させて、観察が可能となる。
一方、回路パターンの形成されていないノンパターンウエハ（ベアウエハなど）についても、小さい異物や、欠陥を電子線にて高倍率で観察したい要求があり、その際には以下のような流れで処理されることが多い。
（１）光学式異物・欠陥検査装置により異物・欠陥の検出とその時のウエハ座標情報を取得する。
（２）取得されたウエハ座標情報を基に、光学式顕微鏡にて異物・欠陥の検出を行い、その時の座標情報を取得する。
（３）上記（２）で取得された座標情報を基に、ウエハを移動させて電子線にて観察する。ここで、（２）で光学式顕微鏡により座標情報を再度取得する理由は、（１）での光学式異物・欠陥検査装置と、電子線装置とでは装置間の座標誤差があり、そのままでは高倍率な電子線の観察視野に観察目的の異物や欠陥が入らないためである。（２）にて広い視野の光学式顕微鏡にて異物・欠陥を検出し、電子線装置における正確な座標を取得することで、装置間の座標誤差を吸収することができる。
光学式顕微鏡で撮像を行う際にも焦点調整が必要であり、自動撮像を行おうとすれば、焦点調整も自動化する必要がある。このような焦点の自動調整、すなわちオートフォーカス手法として、例えば、特開２０００−０９８０６９号公報（特許文献１）には、スリット状のパターンを試料表面に投影して得られるスリット状の反射パターンの画像信号から光学式顕微鏡の合焦点状態を判定し、光学式顕微鏡のオートフォーカスを行う発明が開示されている。
また、特開２００９−２５９８７８号公報（特許文献２）には、ウエハ上に形成された仮想メッシュ中心位置の高さを高さセンサ（Ｚセンサ）で計測し、計測された高さ情報によって、同じエリア内に存在する観察位置の高さはほぼ同じ高さとみなし、フォーカス制御を行う発明が開示されている。当発明によれば、光学式顕微鏡のフォーカス調整を行う際に、光学式顕微鏡の撮像箇所を毎回測定する必要はなく、１回のＺセンサ計測値で複数の撮像箇所のフォーカス合わせが可能となり、観察スループットが向上する。
特開２０００−０９０８６９号公報 特開２００９−２５９８７８号公報
観察対象が小さくなるほど、光学式顕微鏡の分解能を高くすることが必要とされる。これにより、ある程度広い観察範囲を維持しながら、大きいＮ／Ａを光学レンズに求めることとなり、必然的に大型化する。よって、従来カラムの内部に納まっていた光学式顕微鏡をカラムの外側に設置せざるを得ない状況となる。一方、ＳＥＭのフォーカス制御に必要なウエハ高さ情報を取得するＺセンサはできるだけカラム直下に配置した方が、検出誤差を小さくすることができ、より精度良いＳＥＭのフォーカスが可能となる。よって、Ｚセンサのウエハ高さ情報を光学式顕微鏡に使用するためには、観察したウエハ位置を一度カラム直下にあるＺセンサにて高さ情報を測定してから、光学式顕微鏡にそのウエハ座標を移動させて観察する必要が生ずる。これは、従来よりもウエハの移動距離が長くなることを意味しており、その分スループットを低下させてしまう。
光学式顕微鏡の直下にもＺセンサを実装する方法も考えられるが、Ｚセンサを２台実装することとなり、装置コストの増加に繋がる。
特許文献２に記載された方法でも、メッシュ分割を粗くするほどＺセンサでの高さ計測を省略できる回数は増えるが、その分実際の高さとの誤差が大きくなり、フォーカス合わせ誤差（ぼけ）が増大する。よって、メッシュ分割をある程度細かくすることになるが、その分Ｚセンサでの測定点が増えるため、スループットが増大する。
本発明は、光学式顕微鏡と荷電粒子線顕微鏡とを供える荷電粒子線装置において、装置コストの上昇を抑えつつ、従来よりもフォーカス調整時間を短縮可能な荷電粒子線装置を実現することを目的とする。
本発明では、ウエハ上の適当な基準位置の高さと、ウエハ面内の複数位置での光学式顕微鏡のフォーカス値を予め測定しておき、メモリやハードディスクといった記憶手段に補正データとして格納しておく。得られたフォーカス値のウエハ面内の位置に対する依存性情報を用いて、光学式顕微鏡の撮像位置におけるフォーカス値を推定し、この値を光学式顕微鏡のフォーカス値として使用する。この際、上記基準位置の高さを高さセンサ（Ｚセンサ）により計測し、補正データの高さの計測値との差分をオフセット値として推定したフォーカス値に加算し、フォーカス値を校正する。この校正後のフォーカス値を実際の光学式顕微鏡のフォーカス調整に使用する。ここで、フォーカス値のウエハ面内の位置に対する依存性情報とは、例えば、ウエハ面内の複数位置でのフォーカス値を、適当な座標系で表される位置情報でフィッティングした近似関数である。
光学式顕微鏡のオートフォーカスの際、オートフォーカス実行の都度、Ｚセンサで撮像位置の高さ計測を行う必要がなく、かつ合焦判定のための撮像を行う必要もなくなるため、ウエハ１枚あたりのスループットが従来よりも格段に向上する。
本発明の装置全体を示す平面図。 試料室の平面図。 実施例１のレビュー装置の全体動作図。 本発明のアライメント機能を示す説明図。 光学式顕微鏡によるフォーカスマップ。 フォーカスマップを基に演算された多項式近似式を用いた近似曲線。 ウエハの傾きによる誤差を示す概念図。 異物が挟まれた状態で作成された多項式近似式を用いた近似曲線。 フォーカスずれを示す近似曲線。 異物の影響を除外する多項式近似式の作成フロー。 ステージの平面図。
以下、図面を用いて実施例を説明する。なお、以下の説明では、荷電粒子線装置の一例として、走査電子顕微鏡を用いた欠陥レビューＳＥＭの構成について説明するが、測長ＳＥＭ或いは電子線式外観検査装置といった電子線応用装置の他、イオン顕微鏡といった荷電粒子線装置一般に適用可能である。
本実施例のレビューＳＥＭの構成に付いて、図１，図２及び図３を参照して説明する。
始めに図１に示す装置構成から説明する。
床に設置される架台６には、床振動を除振するマウント４が取付けられており、更にマウント５は試料室２を支持している。試料室２には一次荷電粒子線（本実施例の場合は、一次電子線）を生成し、試料上に集束させる荷電粒子光学カラム１（以下、カラムと略）と、試料を搬送する搬送ロボット３１が内包されるロードロック室３が取付けられている。荷電粒子光学カラム１には二次電子検出器および反射電子検出器が取付けられており、一次電子線照射により発生する二次電子或いは後方散乱される反射電子を検出し、検出信号として出力する。試料室は真空ポンプ５により常時真空排気されており、カラム１内も図示しない真空ポンプにより高真空度に保たれている。一方、ロードロック室３には大気との隔離を行う大気側ゲートバルブ３３と、試料室２との隔離を行う真空側ゲートバルブ３２が取付けられている。
カラム１内の電子銃１１により発生した電子線１２は収束作用を有する電子レンズ１３、及び電子レンズ１６を通過し、偏向器１４によって所望の軌道に偏向させられた後にウエハ１０に照射される。電子線の照射により発生する反射電子、或いは２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。ここで偏向器の制御情報と得られた検出器からの情報を基に画像が生成されて、制御用コンピュータ７４に備えられたモニタに画像として映し出される。
試料室２の上方にはウエハの高さ検出を行う光学式のＺセンサ２５が取付けられており、常時ウエハの高さをモニタ可能である。Ｚセンサ２５で得られた信号は位置制御部７１で高さ情報に変換された後、カラム制御部に伝達される。カラム制御部ではＺセンサ２５の計測値を用いて電子レンズの光学条件を変更し、ウエハの高さが変化してもフォーカスがずれないよう処理する。
試料室２の天井面にカラム１に隣接して光学式顕微鏡２６が設けられている。図２は、カラム１と光学式顕微鏡２６の配置を試料室２の上から見た上面図である。図２中の一点鎖線は、ステージ２１のＸＹ方向の移動軸を示し、同時にカラム１と光学式顕微鏡２６のＸＹ方向の中心軸にも対応する。カラム１と光学式顕微鏡２６は、試料室２上にＸ方向に並べて配置されており、Ｚ方向の中心軸は距離Ｌだけ離間されて配置されている。Ｚセンサ２５の発光部２５−１と受光部２５−２とは、ステージの移動軸からは傾斜した向きに、互いに対向するように配置される。ＳＥＭで高倍率観察を行う場合、電子線は焦点深度が小さくなるため、Ｚセンサの測定誤差を小さくする必要がある。そのためには、Ｚセンサは、図２に示すようにカラム直下に配置することが望ましい。これにより、カラム直下の一次電子線照射位置の高さ測定が可能となる。なお、光学式顕微鏡２６は、明視野式光学式顕微鏡であっても暗視野式光学式顕微鏡であってもよく、明視野式光学式顕微鏡と暗視野式光学式顕微鏡の両方を備えていてもよい。
ここで、試料（以下、ウエハとする）の搬送経路を簡単に説明する。
大気側ゲートバルブ３３をオープンし、搬送ロボット３１によって大気側からウエハ１０をロードロック室３内に導入する。大気側ゲートバルブ３３をクローズし、ロードロック室３内を図示しない真空ポンプにより真空排気して、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をオープンし、試料室２に内包されるステージ２１上にウエハ１０を搬送ロボット３１により搬送する。ウエハ１０が処理された後は、逆の流れでウエハはロードロック室３を通り、大気へと戻される。
ウエハ１０はステージ２１に取付けられている静電チャック２４により静電吸着され、ステージ２１上に強力に保持されると共に、反りなどの変形についても矯正されて、静電チャック上面の平面度程度に改善される。また、ステージ２１上にはバーミラー２２が取付けられており、試料室２に取付けられている干渉計２３との相対的な距離変化をレーザ測長することで、ステージ上のウエハ位置を管理することが可能となる。ステージの位置情報は位置制御部７１で生成された後、ステージ駆動を行うステージ制御部７２に伝達される。
ウエハがロードされると、初めにウエハアライメントと呼ばれる座標補正を行うため、視野の広い光学式顕微鏡２６によって、特定パターンの観測を行う。通常光学式顕微鏡にはフォーカス制御を行うアクチュエータ７８が搭載されており、主に対物レンズの高さ方向の制御を行う。アクチュエータ７８としては、例えば、ステッピングモータとボールネジの組合せや、ステッピングモータとカム、或いは、微小な制御可能なピエゾ素子などを用いたアクチュエータがある。アクチュエータ７８の駆動量は、画像制御部７３内に設けられた光学式顕微鏡制御部７５により制御される。光学式顕微鏡制御部７５は、メモリ７６とプロセッサ７７を備えており、Ｚセンサ２５の計測値とメモリ７６内に格納されたフォーカスマップの情報をもとにウエハ上の任意の位置での光学式顕微鏡２６のフォーカス値を計算する。プロセッサ７７により計算されたフォーカス値は、アクチュエータ７８に伝送する。光学式顕微鏡制御部７５により算出されるフォーカス値はディジタル値であるが、アクチュエータ７８の駆動量はアナログ量である。従って、図示は省略しているが、アクチュエータ７８と画像制御部７３の間にはＤＡ変換器が設けられており、計算されたフォーカス値をアナログデータに変換する。アクチュエータ７８には変換後のフォーカス値が伝送される。なお、フォーカスマップについての詳細は後述する。
ウエハの座標の設計値は既知であるが、ウエハがステージ上に運ばれた時の搬送誤差や、パターンの製作誤差を含んでいるため、少なくても光学式顕微鏡の視野はそれらの誤差よりも広い方が望ましい。例えば、上記誤差が５０μｍ程度の場合、光学式顕微鏡の視野は１００μｍ程度に設定していれば、ほぼパターンが視野に入る。もし視野に入らない場合は、視野の周辺を観察する（サーチアラウンド）ことで、スループットは遅くなるものの、パターン検出は可能である。サーチアラウンドは装置オペレータがマニュアル実行する場合もあれば、検出するパターンをテンプレート画像として登録しておき、ステージ移動ないし電子線の偏向制御により視野を変えて最初の視野の周囲を撮像し、撮像画像とテンプレート画像のパターンマッチングを行うことで自動実行することも可能である。特定パターンが複数個検出されると、試料位置のオフセット，回転，スケールなどの情報が計算できるため、その後の電子線を用いた狭視野でのウエハアライメントも可能となる。
前述したステージ位置情報はカラム１の制御を行うカラム制御部７０にも伝達され、電子線の偏向制御信号を補正している。偏向器１４は、試料位置に電子線の偏向中心を位置決めする位置偏向器１４Ａと、撮像するために荷電粒子線を高速で目的視野内を走査する走査偏向器１４Ｂとに分かれており、これらの偏向器の制御は偏向制御部１７によって各々制御される。例えば、ステージの現在位置が目標座標より偏向範囲内（例えば１０μｍ以内）にずれていた場合、その偏差を位置制御部７１からカラム制御部７０に伝達し、偏差が無い状態の偏向指令値に偏差分を補正量として加える。
次に、図３を用いて、本実施例の欠陥レビューＳＥＭの全体フローについて説明するが、以下のフローは、基本的には制御用コンピュータ７４により指示・制御される。
レビューＳＥＭのオペレータが、モニタに表示されるユーザインタフェースを介して自動欠陥レビュー（ＡＤＲ）の開始を指示すると、ロードロック室３からウエハが試料室２に搬入される（ステップ３０１）。その後、外部の外観検査装置で取得されたウエハ上の欠陥位置が記録された検査データが、制御用コンピュータ７４により読み込まれる（ステップ３０２）。検査データには欠陥に付された欠陥ＩＤと欠陥の位置情報とが格納されており、読み込まれた検査データに含まれる欠陥の位置情報は、カラム制御部７０，位置制御部７１，ステージ制御部７２に伝送され、ステージの移動や電子ビームの照射タイミングの制御に用いられる。ステップ３０３では、光学式顕微鏡によるウエハアライメント（グローバルアライメント）が実行され、当該アライメントの終了後、欠陥位置の撮像が開始される。
まずステージ移動（ステップ３０４）により、最初の欠陥位置に視野を移動し、光学式顕微のフォーカス調整を行う（ステップ３０５）。調整後、欠陥位置を撮像し、制御用コンピュータ７４内の記憶手段（ハードディスクなど）に、欠陥ＩＤおよび撮像位置の位置情報と共に画像データを保存する。撮像後、全欠陥の撮像が終了したかどうかの判定を行い（ステップ３０７）、未撮像の欠陥ＩＤが存在していれば、視野を移動して次の欠陥位置を撮像する。
全ての欠陥に対して光学式顕微鏡による撮像が終了している場合は、ステージ移動（ステップ３０８）により最初の欠陥ＩＤの欠陥位置に視野を移動し、ＳＥＭ像の撮像（ステップ３０９）を行う。実際には、ステップ３０８での視野移動時には、光学式顕微鏡画像に含まれる欠陥をアライメントマークとして用い、欠陥の中心座標を算出するファインアライメントを行い、欠陥の中心座標がＳＥＭ画像の視野中心となるようステージ移動制御を行っている。その後、全欠陥のＳＥＭ像取得が終了したかどうかの判定を行い（ステップ３１０）、未撮像の欠陥ＩＤが存在していれば、視野を移動して次の欠陥位置をＳＥＭで撮像する。以下、全ての欠陥を撮像するまでステップ３０８〜３１０を繰り返し、全欠陥ＩＤについてのＳＥＭによる撮像が終了すると、ウエハが試料室２からロードロック室３へ搬出される。取得されたＳＥＭの画像データは、光学式顕微鏡画像と同様、制御用コンピュータ７４内の記憶手段に、欠陥ＩＤおよび撮像位置の位置情報と共に保存されており、全欠陥の撮像が完了すると、撮像された全画像データは、制御用コンピュータ７４からより上位のサーバ（図示せず）へアップロードされる。
なお、図２に示した全体フローは、ベアウエハに対するＡＤＲフローであり、パターン付きウエハの場合は、ファインアライメントは視野サイズを広げたＳＥＭ画像を用いて行われる。パターン付きウエハの場合には、ウエハ上に回路パターンが形成されており、適当なパターンがファインアライメント用のアライメントパターンとして使用できるためである。
次に、ウエハアライメントについて説明する。図４には、ウエハ座標系とステージ座標系の関係を示す。ステージ座標系は装置固有の座標系であり、この例ではステージ座標系の座標軸Ｘ８０，座標軸Ｙ８１はステージの原点Ｏを基準としている。ステージ座標系はウエハの位置や形状によらず常に一定である。一方、ウエハ座標系は形成されたパターンの位置によって決定される。ウエハの座標系はウエハ毎に異なっており、パターンの形成されている精度により決定される。また、ウエハ座標系とステージ座標系の関係は、ステージに対するウエハの搬送精度により異なる。このため、ステージ座標系を基準にウエハ座標系を形成すると図のような、原点同士の位置関係，座標軸同士の角度関係に表せる。
ｘ＝ｍ（cosβ＋sinβtanα）・ｘ１−（ｎsinβ／cosα）ｙ１＋ａ （式１）
ｙ＝ｍ（sinβ＋cosβtanα）・ｘ１＋（ｎcosβ／cosα）ｙ１＋ｂ （式２）
ここで、
ｘ，ｙ：ステージ座標系の座標値
ｘ１，ｙ１：ウエハ座標系の座標値
ａ，ｂ：ステージ座標系とウエハ座標系の原点シフト量（ｘ／ｙ方向）
ｍ：ウエハ座標系のｘ方向スケール補正値
ｎ：ウエハ座標系のｙ方向スケール補正値
α：ウエハ座標系の直交誤差
β：ウエハ座標系とステージ座標系の角度誤差
上記のようにウエハ座標系自体がウエハ毎に異なり、更にはウエハ搭載毎に２つの座標系の関係が変化するため、検査では実際の観察を実行する前にアライメント動作を行う。
荷電粒子線装置における一般的なアライメントの例を以下に示す。ウエハアライメントは、大まかに、グローバルアライメント，ファインアライメントの２つからなる。
＊グローバルアライメント
（１）ウエハをステージに搭載
（２）光学式顕微鏡を用いて、広範囲の視野（低倍率）でウエハのアライメントパターン（予め形状，ウエハ座標系での座標を登録済み）を複数個撮像し、ステージ座標に対する観察パターンの座標を収集する。
（３）得られた情報を基にステージ座標系に対するウエハ座標系の位置を算出する（たとえば原点同士の距離（オフセット）、各座標軸の角度（回転））。
＊ファインアライメント
（１）電子線による狭範囲の視野（高倍率）でウエハのアライメントパターン（予め形状、ウエハ座標系での座標を登録済み）を複数個撮像し、ステージ座標に対する観察パターンの座標を収集する。
（２）観察した複数のパターン座標より距離を算出し、設計値と比較することで、ステージ座標系を基準としたウエハの伸縮状態をスケール補正値として算出する（ステージ座標系の距離が絶対的に正しいわけではなく、あくまで相対的なスケール値である）。
（３）ステージ座標系に対するウエハ座標系の位置、及びスケール補正値により、ウエハの座標をステージ座標系に変換する座標補正データを算出する（逆にステージ座標をウエハ座標系に変換することでも同様の効果が得られる）。
本シーケンスを実行することにより、ステージ座標系に対するウエハ座標系基準の観察対象となる位置が、ステージ座標系へと変換され、所望の撮像位置への視野移動が可能となる。また、ウエハの座標系を精度良くステージ座標系に変換させるために、アライメントパターンは、通常少なくとも２個以上を設定している。例えば、図中で示すアライメントパターン１０１のように、ウエハ座標系のＸ座標軸，Ｙ座標軸の角度差，スケール補正値が測定できるよう、四方に配置される。
以上説明してきたように、レビューＳＥＭの動作には必ず光学式顕微鏡による撮像が伴い、その都度光学式顕微鏡のフォーカス調整を行う必要がある。ここで、光学式顕微鏡のフォーカス制御は従来、ウエハの厚み誤差や、ステージ移動時の高さ変動が吸収可能な程度の範囲を複数枚撮像しながら画像処理を行うことで、ジャストフォーカス値を推定するオートフォーカスを実行する場合が多かった。例えば、一度表面を研磨した厚さの薄い再生ウエハなども評価できるようにするには、本方式では、フォーカス範囲がかなり広い設定にする必要があるため、時間が掛かり、大幅なスループットの低下を招く。例えば、光学式顕微鏡の焦点深度が５μｍであった場合、ウエハ厚みばらつきを１００μｍとすると、フォーカス範囲は少なくても１００μｍとなり、また、１枚辺りの画像取得ピッチを５μｍとすると、２０枚となる。１枚辺りの画像取得時間を０.０５secとすると、２０枚×０.０５ｓ＝１ｓのフォーカス時間を費やす必要がある。
他方、カラム１直下のＺセンサを利用しようとして、ステージを一旦カラム直下まで移動されて、Ｚセンサ値を取得して、その値を基に光学式顕微鏡のフォーカスを制御すると、ステージ移動分の時間がかかる。図４に示すように移動距離はカラム−光学式顕微鏡の距離：Ｌであり、仮にＬ＝２００mmとする。ステージの加速度を１ｍ／ｓ2、最高速度を１００mm／ｓとした場合、２００mm移動するためには、単純計算で１.２ｓかかってしまい、やはりスループットの低下が避けられない。そこで、本実施例のレビューＳＥＭでは以下のような手段で、光学式顕微鏡のフォーカス値を制御する。なお、本実施例で「フォーカス値」とは、アクチュエータ７８によって駆動される光学式顕微鏡２６の対物レンズの移動量のことであり、アクチュエータ７８は、光学式顕微鏡制御部７５が指定するフォーカス値に従って対物レンズを移動し光学式顕微鏡２６のフォーカス制御を行う。
１）図３のフローの実行前に、予め、基準となるパターン付きウエハをロードし、光学式顕微鏡によりウエハ全面における画像を用いたオートフォーカスを実行し、そのジャストフォーカス値と、その時のＸＹ座標値を取得する。ジャストフォーカス値の取得位置は、ウエハ上に適当に設定された１００〜１５０点程度の格子点であり、光学式顕微鏡制御部７５内のメモリ７６内に予め格納されている。格子点の数は、モニタ上に表示されるユーザインタフェースを介して自由に設定できる。例えば、フォーカス値を取得するウエハチップの全数で１箇所ずつ取得する指定や、チップ数を間引きして測定点数を減らすこともできる。設定した任意の格子点の位置情報をｘｉ，ｙｉと、位置（ｘｉ，ｙｉ）で取得したジャストフォーカス値をＦｉと表現すれば、（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）で表されるデータは、任意の格子点位置（ｘｉ，ｙｉ）での光学式顕微鏡２６のジャストフォーカス値を示すデータであり、以降、（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）で表されるデータ集合をフォーカスマップと呼ぶ。作成されたフォーカスマップは、メモリ７６に格納され、光学式顕微鏡のフォーカス調整を行う際の基準フォーカスマップとなる。
図５はフォーカスマップを表した概念図であり、ウエハのほぼ全面において、フォーカス値がどのように変化しているかを棒で表現した図である。本実施例では、ウエハ中央部において凸型になっていることが分かる。
２）次に、プロセッサ７７がメモリ７６に格納されたフォーカスマップを読み出し、ジャストフォーカス値Ｆｉを適当なフィッティングカーブでフィッティングすることにより、フォーカス値の曲面形状を表現できる近似式を作成する。すなわち、フォーカス値のウエハ面内の位置に対する依存性を求める。フィッティングカーブとしては、ステージ制御の座標系としてＸＹ座標系を用いた場合には、例えば、ｘ，ｙに関する４次ないし６次などの多項式を用いることができる。このような近似多項式は、例えば最小二乗法などを用いれば算出することができる。
なお、ステージ制御の座標系として、Ｒθ座標系など、ＸＹ座標系以外の座標系を使用することもでき、その場合のフィッティングカーブとしては、例えばＲとθの多項式やＲcosθとＲsinθの多項式（フーリエ展開式）などを用いることができる。
図６には、フォーカスマップのＦｉをｘとｙの４次式で近似した場合の近似曲面を図示した。以降の説明では、得られたフィッティングカーブの数式をＦ(ｘ，ｙ)で表す。また、式Ｆ(ｘ，ｙ)に含まれる係数は、フォーカスマップと同様に、メモリ７６に格納される。
３）次に、基準ウエハの任意の基準位置の高さをＺセンサで計測すると共に、基準位置の座標値（Ｘ０，Ｙ０）を取得する。この制御は、光学式顕微鏡制御部７５が、位置制御部７１とステージ制御部７２に位置（Ｘ０，Ｙ０）での高さ計測を指示することにより実行される。基準位置の点数は、少なくとも１点は必要である。位置（Ｘ０，Ｙ０）でのＺセンサの計測値Ｚ０はメモリ７６に格納され、以降のフォーカス調整において基準オフセットとして使用される。
４）実際に観察したいウエハをロードし、基準オフセットの取得座標（Ｘ０，Ｙ０）にてＺセンサによる高さ測定を行う。その時の取得された高さをＺ１とする。Ｚ１の計測は、図３のステップ３０３もしくはステップ３０３の実行前のいずれかのステップで実行される。
５）光学式顕微鏡を用いたウエハアライメントを実行する際、撮像位置への視野移動後、メモリ７６に格納されたフィッティングカーブを用いて、撮像位置座標でのフォーカス値を算出し、更に基準オフセット値と目的ウエハに対する高さ計測値Ｚ１の値から以下の式３に従って算出されるオフセット値を加算して、フォーカス値を校正する。
Ｆ′＝Ｆ(ｘ，ｙ)＋（Ｚ１−Ｚ０） （式３）
ここで、Ｆ′は、光学式顕微鏡のフォーカス制御用アクチュエータへの指令値を意味する。
以上の制御フローにより、短時間での光学式顕微鏡のフォーカス制御が可能となる。
上記方法では、ロード直後に基準座標（Ｘ０，Ｙ０）１点についての高さ計測を行えば、以降の光学式顕微鏡の撮像位置に関しては、移動座標が決定されると即座にフォーカス値を算出することが可能となる。これにより、フォーカス調整に要する時間は、フォーカス制御用アクチュエータが対物レンズを移動させるための実時間（位置決め動作時間）のみとなり、スループットの向上が見込まれる。この効果は、光学式顕微鏡の観察点が多いほど高く、より顕著に現れる。
ここで注意しなければならないことは、以上のフォーカス制御フローは、システム全体の再現性が良いことが前提である点である。つまり、基準フォーカスマップ（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）と基準オフセット値Ｚ０を取得したウエハのジャストフォーカス値と、現在対象としているウエハのフォーカス値がかけ離れすぎていると、本実施例のフローは成立しない。通常、ウエハの面形状やそり具合はウエハ毎に違うため、静電チャックによりウエハを保持して上記の面形状やそりを矯正することは、本発明のフォーカス制御フローにとっては非常に有効である。もちろん、プロセスによっては、真空チャックなしでも本実施例の制御方法を使用できるウエハもあることは言うまでもない。
また、フォーカス値を校正するためのオフセット値をウエハの位置の関数として表現することもできる。ウエハの研磨精度により、ウエハ単体の厚みに傾きがある場合があり、そのような場合には、フォーカス値を校正するオフセット値にも傾きを持たせる必要がある。
この場合、ステップ３）の実行時に、複数の基準座標（Ｘ０ｉ，ｙ０ｉ）の高さ計測を行い、これらの計測値Ｚ０ｉを１次関数で近似すれば、基準オフセット値Ｚ０をウエハ上の位置の１次関数Ｚ０(ｘ，ｙ)として表現することができる。
一方、ステップ４）で基準座標（Ｘ０ｉ，ｙ０ｉ）と同じ座標位置で高さ計測を実行し、これら複数の計測値を用いてＺ０と同じ要領で近似式を求める。そして、ステップ５）で、メモリ７６に格納された関数Ｚ０(ｘ，ｙ)と関数Ｚ１(ｘ，ｙ)を読み出して、以下の式４に従って、フォーカス値を校正する。
Ｆ′＝Ｆ(ｘｉ，ｙｉ)＋｛Ｚ１(ｘ，ｙ)−Ｚ０(ｘ，ｙ)｝ （式４）
図７を用いて、（式４）によるフォーカス値の校正が（式３）に比べて有効な理由を説明する。図７は、フォーカスマップ作成時に使用したウエハに対し、観察用ウエハに傾きが発生していた場合に生ずる誤差を２次元的に示す模式図である。フォーカスマップから得られる近似曲線６０を点線で示し、観察用ウエハの面形状６１を実線で示す。オフセット測定位置６２で計測された高さから得られるオフセット値（Ｚ１−Ｚ０）を近似曲線６０に加算すると点線で示す補正式６３となる。補正式６３と観察用ウエハの面形状６１はオフセット測定位置６２では一致し、精度の良いフォーカス制御が可能であるが、その位置から離れると傾き成分により偏差が増大する。観察用ウエハの面形状６１が近似曲線６０に対して傾いていることを示すため、図７では、傾きを示すベースライン６４を一点鎖線で示した。（式３）は単純なオフセットのみを除去しているが、（式４）は、その傾き成分も除去し、ウエハ全面で良好なフォーカス制御を可能とする。ウエハ搬送の際にホルダを利用する装置は、ステージ上に搭載された時にホルダの高さ方向の再現性が比較的ばらつき易いため、このような傾き補正すると効果的である。
以上は、オフセット値を１次関数で近似した例について説明したが、他の近似関数も使用できることは言うまでも無い。なお、以上説明した演算処理は、全てプロセッサ７７により実行される。
また、極僅かなフォーカスずれも許容できない場合は、前述してきたフォーカスマップを利用したフォーカス制御に加えて、狭い範囲で複数枚撮像しながら画像処理を行うことでジャストフォーカス値を推定するオートフォーカスを併用する方法も有効である。元々、補正データによりある程度の精度でフォーカス値を予想できているため、画像を用いたオートフォーカスでも撮像枚数の低減できるため、比較的短時間で精度の高いフォーカス合わせが可能となり、高精細な画像取得と比較的早いスループットの両立が実現できる。
以上説明してきた実施例では、アライメント用の光学式顕微鏡を例に説明していたが、短波長レーザを利用した暗視野光学顕微鏡のフォーカス合わせについても同様の効果を得ることができる。特に、回路パターンの形成されていないベアウエハの微小異物観測では、画像処理を利用したオートフォーカス自体が困難であるため、フォーカス値の推定が可能な本実施例の効果が更に高い。
また、本実施例では１個の光学式顕微鏡を搭載した荷電粒子線装置について説明してきたが、複数個の光学式顕微鏡を搭載した装置においても同様に適用できる。荷電粒子線、及び複数の光学式顕微鏡のフォーカス制御が１個のＺセンサで実現可能になるため、コストメリットはより高くなる。
以上、本実施例のフォーカス制御方法によれば、装置コストの上昇、及びスループットの低下を抑えつつ、光学式顕微鏡のフォーカス合わせを精度良く実現できる。
本実施例では、異常点を除去してフォーカスマップを作成する機能を備えた欠陥レビューＳＥＭの構成について説明する。装置の全体構成や大まかな動作フローは、実施例１と同じなので、以下の説明では同じ説明は省略し、相違点についてのみ説明する。また、実施例１で使用した図面を適宜流用する。
図８に示すように、基準フォーカスマップを作成する際、基準ウエハ裏面、或いは静電チャックに異物が付着していると、局所的に盛り上がった形状が取得される。この結果を基に、最小二乗法による多項式近似式を作成すると、局所的な変化にその座標周辺であたかもフォーカスマップが持ち上げられるような誤差を含んでしまう。（極大値は逆に押えられるような誤差となる）この異物は、ウエハを変える、ロードを繰り返す、或いは静電チャックをクリーニングするといった手法で除去される場合が多いため、その後の光学式顕微鏡のフォーカス調整では、図９に示すように異物のあった位置が逆に落ち込むような傾向のフォーカス合わせ誤差が発生する。
そこで本実施例では、フォーカスマップ作成時には取得されたデータが異物の影響を受けてないか確認するために、取得したフォーカスマップ（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）と、フォーカスマップの近似式によるフォーカスマップＦ(ｘ，ｙ)を引算し、その差分が閾値を越えてないかで判定を行う。実験式から乖離しているということは、その場所に局所的な高さ変化が存在していることを示す。通常、ステージの走り精度に起因する高さ変動は、１次的、或いは２次的な変化が多く、多項式近似式を４次程度まで設定していれば、ほぼ再現が可能である。しかしながら、異物の挟み込みがあった場合、非常に狭い範囲において急峻な変化が生じるため、４次程度の多項式近似式ではその変化が再現できず、結果的に実測値との比較をした場合、偏差が大きくなる。本現象を利用し、異物の無い状態での補正式が作成できたか判定することが可能となった。
補正式が適当かどうかの判定の閾値としては、例えば光学式顕微鏡２６の焦点深度の値を設定すれば、少なくてもフォーカスずれによるボケが無い状態を確保できる。上記のような判定でＯＫならば登録、ＮＧならば異物の除去を促すメッセージを出力するようなソフトを光学式顕微鏡制御部７５に組み込み、プロセッサ７７で実行させることにより、フォーカスマップ作成作業の良否が判断できるようになる。一方、静電チャックへの異物付着など、装置をリークしないと除去できない場合、ユーザのインライン使用装置では容易に対策ができない。
このような状況を考え以下のような方法で、異物の影響を除去する。
実際の作業フローを図１０に示す。
取得した基準フォーカスマップ（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）と、基準フォーカスマップのフィッティングカーブであるＦ0(ｘ，ｙ)を引算し、その差分が閾値を越えていた場合、その最大値の座標に異物があると考え、フォーカスマップからその座標のフォーカス値を除外して再度近似式（Ｆ1(ｘ，ｙ)とする）を作成する。次に、再作成した近似式Ｆ1(ｘ，ｙ)から、フォーカスマップ（ｘｉ，ｙｉ，Ｆｉ）を引算する。この際に用いるフォーカスマップとしては、基準フォーカスマップから上記最大値の座標でのフォーカス値を除いたデータ集合を用いる。引算した結果が閾値に入れば、異物の影響を除外できた近似式として登録する。閾値に入らない座標があれば、同じくその最大値を除外して次の近似式Ｆ2(ｘ，ｙ)を作成する。以上、全ての座標での引算結果が閾値に入るまで上記演算を繰り返せば、異物の影響を除外できた近似式を得ることができる。
ただし、演算回数の上限を決めた方が、巨大な異物による広い範囲のデータ除外や、著しい数の異物によるデータ除外の結果を反映することを回避できる。このような場合は、作成された近似式の信頼性は低いため、根本的な対策を促すメッセージをモニタ上のユーザインタフェースに出力した方良い。例えば、“補正式の信頼性が低くなっております。静電チャック上面、或いはウエハ裏面の異物付着の可能性がありますので、クリーニングの実施、或いはウエハの交換を推奨します”等のメッセ−ジが考えられる。
以上のように、異常点を除去してフォーカス値の近似式を作成する機能を装置が持つことにより、実施例１に比べて、より精度の良いフォーカス制御が可能となる。
本実施例では、フォーカス調整精度の経時劣化をモニタする機能を備えた欠陥レビューＳＥＭの構成について説明する。実施例２と同様、実施例１と同じ構成や機能の説明は省略し、相違点についてのみ説明する。また、実施例１で使用した図面を適宜流用する。
前述したように、実施例１で説明したフォーカス制御手法の拠り所は高さ方向に関する再現性が良いことであり、Ｚセンサと光学式顕微鏡の高さに関する相対変動が無いことが前提である。しかしながら、レビューＳＥＭやその他の半導体検査・計測装置が設置されるクリーンルームは、現実的には温度変動があり、少なからずフォーカス精度に影響を及ぼす。例えば、両者が実装される試料室の熱膨張により、各々の取付け位置が相対変位したり、各々の内部光学光路が伸び縮みにより焦点がずれたりする。これらにより、補正データ作成時の相対関係が変化して、フォーカスずれが生じる可能性がある。
また、試料室は真空容器であるため、気圧の変動が生じると試料室が変形し、Ｚセンサと光学式顕微鏡の取付け位置が相対変位することも同様の理由でフォーカス精度劣化に繋がる。
上記のような環境変化によるＺセンサと光学式顕微鏡の高さに関する相対変位の影響を除去する目的として、本実施例では以下のようなシーケンスを実行する。
（１）ステージ上（ホルダ使用の場合ではホルダ上でも可）に、図１１に示すような、パターンが形成された基準マーク部材を取付けておく。
（２）補正データ作成時に、同時に上記基準マークのＺセンサによる高さＺｓと、光学式顕微鏡のフォーカス値Ｆｓを測定し、装置に記憶する。
（３）実際の運用時に定期的に、再度上記基準マークの上記基準マークのＺセンサによる高さＺｓ′と、光学式顕微鏡のフォーカス値Ｆｓ′を測定する。
（４）各々の相対変位の和を補正データとして加算する。補正式（式４）を用いると下記のように表現できる。
Ｆ′＝Ｆ(ｘ，ｙ)＋｛Ｚ１(ｘ，ｙ)−Ｚ０(ｘ，ｙ)｝＋｛（Ｚｓ′−Ｚｓ）
＋（Ｆｓ′−Ｆｓ）｝ （式５）
なお、上記シーケンス（１）〜（４）は、光学式顕微鏡制御部７５が、位置制御部７１とステージ制御部７２に位置（Ｘ０，Ｙ０）および基準マーク部材の配置位置での高さ計測を指示することにより実行される。また、式５の演算処理はプロセッサ７７により実行される。光学式顕微鏡制御部７５が定期的にＺセンサの高さ計測とフォーカス値の測定を自動実行するため、モニタ上のユーザインタフェースには、高さ計測とフォーカス値測定を行う時間間隔或いは単位時間あたり実行回数を設定するための設定画面が表示される。
上記シーケンスを実行することにより、たとえ環境変化によってフォーカス精度が劣化していても、フォーカス制御の精度劣化を低減することが可能となり、なお、以上の説明では、定期的な実行と記しているが、ユーザ判断でも即座に実行できようなインターフェースを構成しても良い。以上、本実施例により、常に一定水準以上の精度でフォーカス制御を行うことが可能な荷電粒子線装置を実現できる。
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 ウエハ
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
２５ Ｚセンサ
２６ 光学式顕微鏡
３１ 搬送ロボット
３２ 真空側ゲートバルブ
３３ 大気側ゲートバルブ
４０ 基準マーク
５０ フォーカスマップ
５１ 多項式近似
５２ 特異点
５３ フォーカスずれ曲線
６０ 多項式近似曲線
６１ 観察時のウエハ面形状
６２ オフセット測定位置
６３ 補正式
６４ ベースライン
７０ カラム制御部
７１ 位置制御部
７２ ステージ制御部
７３ 画像制御部
７４ 制御用コンピュータ
７５ 光学式顕微鏡制御部
７６ メモリ
７７ プロセッサ
８０ ステージ座標軸Ｘ
８１ ステージ座標軸Ｙ
８２ ウエハ座標軸Ｘ
８３ ウエハ座標軸Ｙ
９０ 観察対象パターン
９１ 観察範囲
９５ 現在の観察パターン
９６ 現在の参照パターン
９７ 過去の観察パターン
９８ 過去の参照パターン
１００ ウエハ座標系の概念形状
１０１ 参照パターンのウエハ座標系の概念形状

Claims (11)

  1. ステージ上に載置されたウエハに対して一次荷電粒子ビームを照射し、発生する二次電子ないし反射電子を検出して検出信号を出力する荷電粒子光学カラムと、
    前記ウエハの高さを計測するＺセンサと、
    前記ステージの面内方向の移動量を計測する位置計測手段と、
    前記ウエハに光を照射して得られる反射光または散乱光を検出することにより、前記ウエハの画像を撮像する光学式顕微鏡と、
    当該光学式顕微鏡の焦点調整を行う制御部とを備え、
    当該制御部は、
    前記光学式顕微鏡のフォーカス値の前記ウエハ面内の位置に対する依存性と、前記位置計測手段の計測値との関係から、前記ウエハ表面上の前記光学式顕微鏡の撮像位置における該光学式顕微鏡のフォーカス値を求め、
    前記ウエハの所定基準位置における前記Ｚセンサの計測値を用いて前記求めたフォーカス値を校正することを特徴とする荷電粒子線装置。
  2. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    前記制御部は、
    前記基準位置でのＺセンサの計測値と、前記光学式顕微鏡の撮像予定位置でのＺセンサの計測値との差分をオフセットデータとして記憶し、当該オフセットデータを前記校正前のフォーカス値に加算することにより、前記光学式顕微鏡のフォーカス値を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
  3. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    前記制御部は、
    前記光学式顕微鏡のフォーカス値の前記ウエハ面内の位置に対する依存性を多項式で近似し、当該多項式を計算することにより前記フォーカス値を求めることを特徴とする荷電粒子線装置。
  4. 請求項３に記載の荷電粒子線装置において、
    前記制御部は、
    前記ウエハ上に複数の格子点を設定し、当該複数の格子点に対して前記光学式顕微鏡の合焦点条件を求めることにより前記フォーカス値を定め、当該フォーカス値を前記格子点の位置情報でフィッティングすることにより前記近似多項式を生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
  5. 請求項２に記載の荷電粒子線装置において、
    前記オフセットデータとして、前記ウエハ上の複数の位置で取得されたＺセンサの計測値を用いることを特徴とする荷電粒子線装置。
  6. 請求項５に記載の荷電粒子線装置において、
    前記複数の位置で取得されたＺセンサの計測値を前記ウエハ上の位置に関する近似式で近似し、当該近似式を用いて前記オフセットデータを算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
  7. 請求項４に記載の荷電粒子線装置において、
    前記光学式顕微鏡により撮像された画像が表示される画面表示手段を備え、
    前記多項式により計算される前記フォーカス値と、前記複数の格子点でのフォーカス値との差分が所定の閾値を超えていた場合には、当該閾値を越えていることを示す情報が前記画面表示手段に表示されることを特徴とする荷電粒子線装置。
  8. 請求項７に記載の荷電粒子線装置において、
    前記制御部は、
    前記閾値を超えている格子点のフォーカス値を除外して、前記近似多項式を再計算することを特徴とする荷電粒子線装置。
  9. 請求項１に記載の荷電粒子線装置において、
    基準マークを有し、前記ステージ上に保持された基準マーク部材と、
    当該基準マークに対する前記Ｚセンサの計測値および前記光学式顕微鏡のフォーカス値が格納された記憶手段とを備え、
    装置運用中に、前記Ｚセンサによる前記基準マークの高さ計測と、前記光学式顕微鏡による前記基準マークに対するフォーカス値の測定とを実行し、
    前記記憶手段に格納された前記Ｚセンサの計測値および前記フォーカス値との差分を前記ウエハ上での前記フォーカス値に加算することを特徴とする荷電粒子線装置。
  10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の荷電粒子線装置において、
    前記ステージ上に設けられた静電チャックを備え、当該静電チャックにより前記ウエハを保持することを特徴とする荷電粒子線装置。
  11. ステージ上に載置されたウエハに対して一次荷電粒子ビームを照射し、発生する二次電子ないし反射電子を検出して検出信号を出力する荷電粒子光学カラムと、
    前記ウエハの高さを計測するＺセンサと、
    前記ステージの面内方向の移動量を計測するレーザー干渉計と、
    前記ウエハに光を照射して得られる反射光または散乱光を検出することにより、前記ウエハの画像を撮像する光学式顕微鏡と、
    前記ウエハ表面の位置の情報と当該位置における前記光学式顕微鏡のフォーカス値とがフォーカスマップとして格納された記憶手段と、
    前記フォーカスマップを近似式でフィッティングすることにより前記ウエハ上の任意位置での前記光学式顕微鏡のフォーカス値を求め、更に、前記Ｚセンサで計測された前記ウエハ表面上の所定基準位置の高さ情報を用いて前記求めたフォーカス値を校正するプロセッサとを備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
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