JP2013254673A - 荷電粒子線装置および荷電粒子線の偏向制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ブランキング時にビームが視野以外に照射されることによる電界の偏りを抑制する荷電粒子線装置の提供を目的とする。
【解決手段】上記目的を達成するために本発明では、荷電粒子源から放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線をブランキングするブランキング偏向器と、当該ブランキング偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記走査偏向器による走査線単位で、前記ブランキング偏向器５によるブランキング方向を変化させる荷電粒子線装置を提案する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、荷電粒子線を走査する荷電粒子線装置、及び荷電粒子線の偏向制御装置に係り、特に視野（Field Of View：ＦＯＶ）へのビームの走査前後に付着する帯電の影響を緩和し得る荷電粒子線装置、及び荷電粒子線の偏向制御装置に関する。

荷電粒子線装置の例として、電子線を試料表面上で走査することによって試料の観察や測長、検査、分析等を行う走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope：ＳＥＭ）や、電子線の走査によって試料の加工を行う電子線描画装置（ＥＢ）等が挙げられる。また、イオン線の走査を用いた装置としては、走査イオン顕微鏡（Scanning Ion Microscope：ＳＩＭ）や収束イオンビーム（Focused Ion Beam：ＦＩＢ）加工観測装置等が挙げられる。

ＳＥＭ等では、試料への荷電粒子線照射を遮断する際に、電場もしくは磁場で荷電粒子線を大きく偏向し、装置内部の絞り板等に照射する。この機能をブランキングと呼ぶ。以下、ブランキング用の偏向器をブランキング偏向器、ブランキング用の絞りをブランキング絞りと記す。ブランキングは、荷電粒子線の走査中に、ピクセル間やライン間、ショット間等において荷電粒子線を高速遮断する際に用いられる。

特許文献１には、電子線描画装置のショット間にて、不要な露光を抑制すべく、描画パターンの位置に応じてブランキング方向を変更することが説明されている。

特許文献２には、走査方向に対して垂直な方向に、ブランキングを行うことによって、ビームの非軸対称性を抑制することが説明されている。

特許文献３には、ブランキング絞りのコンタミネーション付着を抑制すべく、複数方向へのブランキングを行うことが説明されている。

特開平５−２８９４２号公報 特開２００６−１９４３９号公報（対応米国特許USP7,173,262） 特開２０００−２８５８４２号公報

ブランキングを行う場合、ビームの走査領域（視野（Field Of View：ＦＯＶ））と、ブランキング用の絞りとの間で不要なビーム照射を行うことになる。特許文献１では不要な照射を抑制すべく、ビームの照射位置に最も近いブランキング絞り端部に向かってビームを偏向しているが、照射位置と最も近いブランキング絞り端部との間に、ビーム照射による帯電が蓄積することになる。この帯電は、ビームの照射位置のずれや非点等の要因となる場合がある。また、特許文献２も同様であり、一定のブランキング方向にビームを偏向することになるため、やはり帯電が部分的に発生することになる。このような視野外への帯電の部分的な付着によって、軸ずれの発生や、非点発生の要因になる可能性がある。

また、特許文献３は、ブランキング用の絞りの局所的な帯電を抑制すべく、複数方向へのブランキングを行っているが、試料に対する帯電の部分的な付着（視野を中心とした帯電付着の偏り）については配慮されていない。

以下に、ブランキング時にビームが視野以外に照射されることによる電界の偏りを抑制することを目的とする荷電粒子線装置および荷電粒子線の偏向制御装置について説明する。

上記目的を達成するための一態様として、荷電粒子源から放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線をブランキングするブランキング偏向器と、当該ブランキング偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置であって、当該制御装置は、前記走査偏向器による走査線単位で、前記ブランキング偏向器によるブランキング方向を変化させる荷電粒子線装置を提案する。また、上記のようなブランキングを実現する荷電粒子線の偏向制御装置を提案する。

更に、ブランキングする際のビームの偏向方向と、ブランキングを解除するときのビームの偏向方向を変化させる荷電粒子線装置、及び荷電粒子線の偏向制御装置を提案する。

上記構成によれば、ブランキングによって形成される帯電の偏りを抑制することが可能となる。

荷電粒子線のブランキング偏向制御装置を備えた荷電粒子線装置の構成概略図。 ブランキング偏向器と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）と、一方向のブランキング照射領域の位置関係図。 ブランキング偏向器と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）と、四方向のブランキング照射領域の位置関係を示す図。 ブランキング偏向器と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）と、八方向のブランキング照射領域の位置関係を示す図。 ブランキング偏向器と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）と、リターディングブランキングの照射領域の位置関係を示す図。 ビームの走査領域、ブランキングによるビームの照射位置、及びブランキング解除時のビームの照射位置の位置関係を示す図。 ビームの走査領域、ブランキングによるビームの照射位置、及びブランキング解除時のビームの照射位置の位置関係を示す図。

荷電粒子線は、ブランキング偏向器によって偏向され始めてからブランキング絞りで遮断されるまでの間、視野以外の部分に照射される。これが集束イオンビーム加工装置であれば、非加工領域、電子線露光装置であれば、パターン形成領域外にビームが照射されることになる。以下、ブランキング動作時における試料上の荷電粒子線照射領域をブランキング照射領域と記す。

発明者らは、例えば半導体製造過程で使用されるレジスト等の帯電し易い試料をＳＥＭで観察した際に、一方向にできたブランキング照射領域における帯電がつくる電場によって、電子線の位置ずれや非点が発生し、画像歪みや画像ぼけ等の像障害を引き起こすことを新たに見出した。特に、半導体製造ラインで使用される測長ＳＥＭでは、隣接する領域で連続観察するために、撮影枚数の増加に伴い前記帯電量が増加して像障害が悪化する。電子線の位置ずれはオートオペレーションにおけるパターン検出率の低下を引き起こし、画像ぼけは測長精度の低下を引き起こすため、本課題が測長ＳＥＭの性能に与える影響は大きい。

本実施例では、主に荷電粒子線をブランキングする際の、ブランキング照射領域における帯電に起因する荷電粒子線の位置ずれや非点を抑制し、安定で高精度な観察や測長、検査、分析、加工等を可能とする荷電粒子線装置および荷電粒子線の偏向制御装置について説明する。

本実施例では、荷電粒子源と、前記荷電粒子源から放出された荷電粒子線を試料上で走査する偏向器と、前記荷電粒子線を前記試料上で収束させる対物レンズと、前記荷電粒子線を前記試料に照射した際に発生する二次信号を検出する検出器と、前記試料への前記荷電粒子線照射を遮断（ブランキング）するための偏向を行う複数のブランキング偏向器と、前記ブランキング時において前記荷電粒子線を装置内部で遮蔽するためのブランキング絞りを備える荷電粒子線装置において、前記荷電粒子線の走査ライン単位で異なる複数の方向への前記ブランキング偏向を実施するための信号を前記ブランキング偏向器に供給するブランキング偏向制御装置及び、前記ブランキング偏向制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置について、図面を用いて説明する。

荷電粒子線をブランキングする際に、走査ライン単位で異なる複数の方向にブランキングすることにより、各ブランキング方向の帯電量を低減できる。さらに、各ブランキング方向の帯電による電場が、荷電粒子線の光軸上で打ち消し合うように、ブランキング照射領域を分布させることによって、ブランキング照射領域の帯電に起因する荷電粒子線の位置ずれと非点を抑制し、安定で高精度な観察や測長、検査、分析、加工等が可能となる。

なお、本実施例では、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の構成概略を基に記述するが、電子線描画装置（ＥＢ）や走査イオン顕微鏡（ＳＩＭ）、収束イオンビーム加工観測装置（ＦＩＢ）等、その他の荷電粒子線装置に関しても、後述するようなブランキング法の適用が可能である。

本実施例では、荷電粒子線を走査ライン単位で複数の異なる方向へブランキングする荷電粒子線装置の例を説明する。

図１は、荷電粒子線のブランキング偏向制御装置を備えた荷電粒子線装置の構成概略を示す例である。図１において、荷電粒子源１から放出された荷電粒子線２は、収束レンズ３の磁場による収束作用によって、絞り４を通過する電流量を制御される。絞り４を通過した荷電粒子線２は、偏向駆動回路１４が接続された偏向器７の電場もしくは磁場によって、試料９上を走査され、対物レンズ８の磁場による収束作用によって、試料９上で収束される。荷電粒子線２の照射によって試料９から発生した二次電子１１を検出器１２で検出して、試料９上における荷電粒子線２走査領域の拡大像を得る。ここで、試料９への荷電粒子線２照射を遮断（以下、ブランキング）する際は、ブランキング偏向器５による電場もしくは磁場によって、荷電粒子線２を偏向してブランキング絞り６で遮蔽する。

図１の実施例では、ブランキング偏向器５としての四つの電極を、それぞれ独立のブランキング偏向器駆動回路１３より制御することによって、任意の大きさと方向の電場を形成できる。以下、この電場をブランキング電場と記す。ブランキングの際に、荷電粒子線２はこの電場の方向に偏向されてブランキング絞り６で遮蔽される。ブランキング制御用ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）１６は、走査制御用ＦＰＧＡ１７から走査に関する制御信号を受けて、走査の方向とタイミングを踏まえてブランキングの方向とタイミングを決定し、ブランキング制御信号をブランキング偏向器駆動回路１３へ送る。

ブランキング偏向器駆動回路１３では、ＦＥＴトランジスタやオペアンプを用いて、ブランキング制御信号を増幅してブランキング偏向器５に電圧を印加する。当該構成により、走査ライン単位で複数の異なる方向へのブランキングが可能となる。本実施例では制御装置に含まれるビームの走査、及びブランキングを行う回路等を主に説明するが、走査電子顕微鏡の制御装置には、レンズの集束条件やビームの加速電圧を調整するための回路や、検出器１２によって検出された二次電子等に基づいて、画像を形成するための回路が含まれている。

尚、本実施例は、対向する電極対の片方の電極を接地し、もう片方の電極に正負の両極性の電圧を印加することでも実施可能である。また、ブランキング偏向器は偏向用コイルを用いても実施可能である。

図２は最も簡単なブランキング方向と、その際のビームの照射軌跡を示す図である。この図では、ブランキング偏向器５と、電子線の走査領域（画像取得領域、或いは視野）１８と、一方向のブランキング照射領域１９の位置関係を示している。この方式では、一方向に分布する前記ブランキング照射領域１９の帯電がつくる電場によって、電子線の位置ずれや非点が発生する。その結果、画像歪みや画像ぼけ等の像障害が生じる。この帯電が正帯電である場合、負の荷電粒子ビームである電子ビームは正帯電に引き寄せられるため、走査電子顕微鏡の場合、軸ずれや非点発生の要因となる場合がある。また、ブランキング方向が固定されるため、像取得の走査方向によっては、ブランキング時に次の走査ライン上を照射帯電させることも危惧される。

これに対して、図３は本実施例におけるブランキング偏向器５と、電子線の走査領域（画像取得領域）１８と、ブランキング照射領域１９との位置関係を示す例である。本実施例では、四方向にブランキングすることにより、各方向のブランキング照射領域１９における帯電量を減少させる。さらに、各ブランキング方向の帯電による電場が、電子線の光軸上で打ち消し合うように、走査領域１８の対角線延長上の四方向にブランキングする。本実施例により、ブランキング照射領域の帯電による電場に起因する電子線の位置ずれと非点を抑制し、画像歪みや画像ぼけ等の像障害を低減することができる。

本実施例では、電子線の走査ラインの奇数番目と偶数番目でブランキング方向を交互に変える。奇数番目の場合は、走査方向を時計回りに４５度回転させた方向にブランキングするのに対し、偶数番目の場合は、走査方向を時計回りに−４５度回転させた方向にブランキングする。続いて、ブランキング中にブランキング電場を回転させ、電子線をブランキング絞り上で回転させる。奇数番目の場合はさらに９０度回転させ、偶数番目の場合はさらに−９０度回転させる。この状態でブランキングを解除すると、ブランキングＯＮ時とＯＦＦ時の照射帯電領域が直交し、図３に示すような四方向のブランキング照射領域が形成される。

本実施例では走査方向によってブランキング方向を変えるため、ブランキング時に次の走査ライン上を照射帯電させることはない。さらに、レシピ設定によって、画像調整（フォーカス、非点、軸調整等）と画像取得を異なる位置で行う際や、画像を連続取得する際は、次の画像取得領域を避けてブランキング方向を決定することも可能である。

図６は、視野６０１を走査する場合の走査線と、当該走査線を走査する際のブランキング方向（ビームが視野を走査した後にブランキング絞りに向かう方向）と、ブランキング解除方向（ビームがブランキング絞りから絞りに向かう方向）との位置関係を示す図である。なお、本例では説明を簡単にするために８本の走査線による走査を行うケースを説明する。まず、一番上の走査位置６０２を走査するために、ブランキング絞りから、（１）の方向に向かってブランキングが解除される。次に走査位置６０２をＸ方向に走査した後、（２）の方向に向かって、ブランキングする。次に２番目の走査位置６０３を走査するために、（３）の方向からブランキングが解除される。この場合、（２）の方向にブランキングをした後、ブランキング絞り上にビームを照射しつつ、ビームを偏向して、（３）の方向からブランキングが解除できるようにする。走査位置６０３の走査を行った後、（４）の方向にブランキングする。

以上のような処理を繰り返すことによって、視野６０１内の走査を完了する。本例の場合、視野６０１の中心を基準した場合の、ブランキング、及びブランキング解除時に試料に照射されたビーム照射によって形成される帯電量の偏りを抑制することができる。具体的には、視野６０１を中心に（１）（５）（９）（１３）の照射によって付着した帯電の影響と、（４）（８）（１２）（１６）の照射によって付着した帯電の影響が相殺し、（３）（７）（１１）（１５）の照射によって付着した帯電の影響と、（２）（６）（１０）（１４）の照射によって付着した帯電の影響が相殺するため、ブランキングによる視野外の帯電付着の影響を排除することが可能となる。

このように１フレーム単位で複数の方向にブランキング方向とブランキング解除方向を設定し、複数方向の帯電のバランスをとることで、軸ずれ等の発生を抑制することが可能となる。

本実施例では、荷電粒子線のブランキング方向を、多数の方向からランダムに決定し、ブランキング時の試料上の照射帯電を分散させる荷電粒子線装置の例を説明する。基本的な装置構成とブランキングの制御方法に関しては実施例１と同様である。図４は本実施例によるブランキング偏向器５と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）１８と、ブランキングの照射領域１９の位置関係図を示す。本実施例では、ブランキング偏向器を八方向に配置し、走査ライン毎に駆動するブランキング偏向器をランダムに決定する。統計学的には、ブランキング回数が増加するほど、ブランキング照射領域は等方的に分布するため、荷電粒子線の光軸上に合成される電場は打ち消される。もちろん、八つ以上のブランキング偏向器を用いた場合や、八つ以下のブランキング偏向器を用いた場合にも同時に二つ以上の偏向器を駆動して偏向方向を決定することによっても実施可能である。なお、ブランキングの偏向方向が多いほど各方向における帯電量を低減できる。

本実施例では、荷電粒子線のブランキングと同時に試料台に電圧を印加することによって、ブランキング時の試料上の照射帯電を低減する荷電粒子線装置の例を説明する。基本的な装置構成とブランキングの制御方法に関しては実施例１と同様である。図１において、ブランキング制御用ＦＰＧＡ１６から、ブランキングと同期してリターディング電圧印加回路１５を制御し、荷電粒子線２を反射する極性の電圧を試料台１０に印加して、ブランキング時の試料９への荷電粒子線の照射量を低減する。図５は、本実施例によるブランキング偏向器５と、荷電粒子線の走査領域（画像取得領域）１８と、ブランキングの照射領域１９の位置関係図を示す。リターディング電圧を印加した際に、まず、リターディング電圧の上昇に伴い試料上の荷電粒子線はデフォーカスされていくため、照射領域は広がるが帯電量は低減される。荷電粒子線を反射するのに十分なリターディング電圧に到達すると、荷電粒子線２は試料に到達しないため帯電は無くなる。

図７は、ブランキング方向とブランキング解除方向をより多数の方向に設定することによって、帯電の局所的な蓄積の可能性をより緩和する例を示す図である。なお、本例も説明を簡単にするために、８本の走査線が存在する例を示しているが、実際は５１２本や１０２４本のような数の走査線が走査される。なお、ビームが試料に照射された場合、その照射によって生じる帯電は時間の経過と共に、徐々に緩和する。また、既照射位置の近くにすぐに新たな照射を行うと、既照射位置に蓄積する帯電と、新たな照射位置に蓄積する帯電の影響が加算され、より帯電の影響が大きくなる可能性がある。

本実施例では、ブランキング及びブランキング解除によるビーム照射位置に近接する新たな位置へのビーム照射が、ある程度の緩和時間後に行われるように、既照射位置から最も離れた位置に新たな照射位置を設定する例を説明する。図７に例示するように、視野７０１に対する一番目のブランキング解除によるビーム照射軌道（１）に対し、最も離間した位置は視野７０１を中心として反対側に位置するビーム照射軌道（２）であるため、照射軌道（２）をブランキングのためのビーム照射軌道とする。次に既照射位置である照射軌道（１）（２）に対し、最も離間した位置は、（１）と（２）の間の（３）であるため、照射軌道（３）をブランキング解除のためのビーム軌道とする。このように新たなビームの照射軌道が、既照射位置の中心を通過するようにブランキング照射位置、及びブランキング解除のための照射位置を設定することによって、近接した個所を連続してビーム照射することによる帯電の偏りを抑制することが可能となる。

また、視野中心をＺ方向に通過する仮想軸（ビームの理想光軸）に軸対称な電場を形成することができるため、軸ずれや非点の発生を抑制することが可能となる。

１ 荷電粒子源
２ 荷電粒子線
３ 収束レンズ
４ 絞り
５ ブランキング偏向器
６ ブランキング絞り
７ 偏向器
８ 対物レンズ
９ 試料
１０ 試料台（ステージ）
１１ 二次電子
１２ 検出器
１３ ブランキング偏向器駆動回路
１４ 偏向器駆動回路
１５ リターディング電圧印加回路
１６ ブランキング制御用ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）
１７ 走査制御用ＦＰＧＡ
１８ 走査領域（画像取得領域）
１９ ブランキング照射領域
２０ 走査方向、ブランキング方向

Claims (11)

1. 荷電粒子源から放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線をブランキングするブランキング偏向器と、当該ブランキング偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
   当該制御装置は、前記走査偏向器による走査線単位で、前記ブランキング偏向器によるブランキング方向を変化させることを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記ブランキング偏向器によるブランキングの後、当該ブランキング時の荷電粒子線の照射位置とは、異なる位置に荷電粒子線が照射されるように、ブランキングを解除することを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記ブランキングによる荷電粒子線の照射軌跡と、ブランキング解除による荷電粒子線の照射軌跡が、前記走査領域中心を通過する仮想軸に対して、軸対称となるように前記ブランキング偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項１において、
   前記ブランキング時に前記荷電粒子線が照射されるブランキング絞りを備え、前記制御装置は、当該ブランキング絞り上に照射される荷電粒子線の位置を移動させた後に、ブランキングを解除するように前記ブランキング偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項１において、
   前記制御装置は、前記ブランキング偏向器による前記ブランキングをＯＮにする時に前記荷電粒子線を第一の方向に偏向し、前記ブランキングをＯＦＦにする時は前記第一の方向とは異なる第二の方向から前記荷電粒子線を走査領域に戻すように、前記ブランキング偏向器に信号を供給することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項１において、
   前記制御装置は、ブランキング中に前記荷電粒子線が照射されるブランキング絞り上の前記荷電粒子線の照射位置を、前記ブランキング中に移動できるように、前記ブランキング偏向器に信号を供給することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項１において、
   前記制御装置は、走査ライン毎にブランキング方向を変化するように、前記ブランキング偏向器に信号を供給することを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 請求項１において、
   前記制御装置は、ブランキング方向をランダムに決定し、前記ブランキング偏向器に信号を供給することを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項１において、
   前記試料に負電圧を印加する負電圧印加電源を備え、前記制御装置は、前記ブランキングと同期して前記荷電粒子線を前記試料上でデフォーカスするように、もしくは前記試料から反射させるように、前記負電圧印加電源を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。
10. 試料に対して荷電粒子線を走査する走査偏向器と、当該荷電粒子線をブランキングするブランキング偏向器を備えた荷電粒子線装置を制御する制御信号を供給する荷電粒子線の偏向制御装置において、
    前記走査偏向器による走査線単位で、前記ブランキング偏向器によるブランキング方向を変化させるような信号を前記荷電粒子線装置に供給することを特徴とする荷電粒子線の偏向制御装置。
11. 荷電粒子源から放出される荷電粒子線を走査する走査偏向器と、前記荷電粒子線をブランキングするブランキング偏向器と、当該ブランキング偏向器を制御する制御装置を備えた荷電粒子線装置において、
    当該制御装置は、前記走査偏向器による走査線単位で、前記ブランキング偏向器によるブランキングの方向を変化させ、ブランキング時の試料に対する荷電粒子線の照射位置と、ブランキング解除時の荷電粒子線の照射位置が異なるように、前記ブランキング偏向器を制御することを特徴とする荷電粒子線装置。

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