JP2017050047A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光学鏡筒の振動に起因する対物レンズの振動と試料ステージの振動による荷電粒子線の照射位置の変動を低減し、高精度に観察画像を取得する荷電粒子線装置の提供を目的とする。【解決手段】上記問題を解決するために本発明では、対物レンズの支持力を調整することで光学鏡筒の振動に起因する像ゆれを低減し、ステージ停止時のステージ振動に同調する対物レンズ加振制御を行うことでステージ振動に起因する像ゆれを低減することで高精度に観察画像の取得を実現する。【選択図】 図１

Description

本発明は、走査電子顕微鏡などの荷電粒子線装置に係り、特に像ゆれの原因となる振動の影響を抑制する機構を備えた荷電粒子線装置に関する。

近年の半導体素子の微細化に伴い、製造装置、半導体素子を測定、検査、或いは評価する装置にもそれに対応した高精度化が要求されている。通常、半導体ウェハ上に形成したパターンの形状寸法を評価したり、形成されたウェハの欠陥を検査するために、荷電粒子線装置のひとつである走査型電子顕微鏡（以下、ＳＥＭと称す）が用いられる。

ＳＥＭは、高い倍率で観察画像を取得する装置であり、僅かな振動であっても、視野ずれや像ずれの要因となる可能性がある。特許文献１には、高速かつ高精度に振動の影響を抑制すべく、ビームを照射する光学鏡筒（ビーム源と当該ビーム源から放出されるビームを調整する光学素子を備えたカラム）に加速度センサと加振アクチュエータを搭載し、加速度センサにより取得した振動情報に基づいて加振アクチュエータを駆動し、光学鏡筒振動を低減する振動抑制技術が開示されている。

特許第５１６２４１７号公報（対応米国特許ＵＳＰ８，５５３，１１９）

特許文献１に開示された加振アクチュエータによる加振によって、光学鏡体を押圧すると光学鏡体の振動を抑制することができる。しかしながら、ビーム源と、当該ビーム源から放出されたビームを集束するレンズ等が高さ方向に複数配置された構造を持つ光学鏡体の高次振動の抑制は困難である。

以下に、荷電粒子線装置に備えられている試料ステージの移動に伴う振動等に起因するビームの照射位置変動を、高精度に抑制することを目的とする荷電粒子線装置を提案する。

上記目的を達成するための一態様として以下に、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームが照射される試料の雰囲気を真空に維持するための試料室を備えた荷電粒子線装置であって、前記試料室に支持されると共に、前記対物レンズを支持する振動抑制機構を備えた荷電粒子線装置を提案する。

また、上記目的を達成するための他の一態様として以下に、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームが照射される試料の雰囲気を真空に維持するための試料室を備えた荷電粒子線装置であって、前記対物レンズの第１の磁極に支持されると共に、当該第１の磁極とは異なる前記対物レンズの第２の磁極を支持する振動抑制機構を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、試料ステージの移動に伴う振動等に起因するビームの照射位置変動を、高精度に抑制することが可能となる。

荷電粒子線装置の一例を示す図。 調整機構の概要を示す図。 加振手段と調整機構の配置例を示す図。 調整時の工程を示すフローチャート。 稼働時の工程を示すフローチャート。 荷電粒子線装置の他の一例を示す図。

ＳＥＭによるウェハの検査では、荷電粒子光学鏡筒の内部で、超高真空環境下で発生させた荷電粒子線をウェハ上に照射し、ウェハから放出された二次電子を検出することによって観察画像を取得し、その明暗の変化からパターンエッジを判断して寸法を導き出したり、欠陥を観察したりする。
前記した半導体の微細化に対応するためには、高い観察倍率において、よりノイズの少ない二次電子像を得ることが重要である。検査対象であるウェハに対して光学鏡筒が振動すると、荷電粒子線の照射位置が変動し、観察画像に歪みが生じたり、パターンエッジが振動して見えたりする（以下、像ゆれと称す）。

荷電粒子線は光学鏡筒内部に構成されるコンデンサレンズ、対物レンズにより粒子線径を縮小されながら目的位置に収束される。そのため、コンデンサレンズ、対物レンズの位置ずれは、荷電粒子線を変動させる。光学鏡筒の最下端にある対物レンズは試料に最も近く、その位置ずれによる像ゆれに及ぼす影響も大きい。
上記のように、光学鏡筒の振動は、観察画像の画質低下を招き、さらにはＳＥＭの分解能低下の一因となる。

振動を相殺するようにカラムを加振することによって、外乱振動による光学鏡筒の振動抑制は可能であるが、光学鏡筒の主要振動（振幅が大きい周波数成分）を抑制してもビームの照射位置の変動が低減されない。

また、ビームの照射位置の変動を抑制するためには、低次の光学鏡筒振動の影響だけではなく、高次振動の影響をも考慮する必要がある。特に、ナノメートルオーダの変動は、高次振動の正確な評価と適正なフィードバックが必要となる。また、振動を検出するために加速度センサを用いた場合、加速度センサの配置位置によっては、光学鏡筒振動の節を検出する可能性があり、光学鏡筒の主要振動を検出できない恐れがある。それを回避するために多くの加速度センサを配置することはコストが増大し、制御が煩雑になるため現実的ではない。

以下に説明する実施例では、光学鏡筒の最下端にある対物レンズの変動が荷電粒子線装置の変動に与える影響に着目し、以下に光学鏡筒の振動に起因する対物レンズの振動低減と試料ステージの振動による荷電粒子線の照射位置の変動を低減できる荷電粒子線装置について説明する。

以下に説明する実施例では、主に、荷電粒子源から放出される荷電粒子ビームを試料に照射するための光学素子を備えた光学鏡筒と、当該光学鏡筒内部を通過した前記荷電粒子ビームを試料上に集束させる対物レンズと、振動を検知する振動検出手段と、当該振動検出手段の検出信号に基づいて、前記対物レンズを加振する加振手段と前記対物レンズの支持力を調整する調整機構を備えた荷電粒子線装置であって、前記光学鏡筒は試料室に搭載され、前記対物レンズは前記光学鏡筒と試料室との固定エリアより内部で前記調整機構と前記加振手段で試料室に支持され、前記振動検出手段は、試料室内のステージに固定され、調整時、前記荷電粒子ビームの照射によって得られる信号に基づいて、前記対物レンズの支持力を前記加振装置により調整し、ステージ停止時（ステージ移動後）、前記検出信号に基づいて前記加振手段を制御する制御手段を備えた荷電粒子線装置について説明する。

このような構成によれば、対物レンズへの装置振動の伝播を低減でき、ステージ振動に同調した対物レンズの加振制御が可能となり像ゆれを低減できる。

光学鏡筒及び試料ステージの振動がＳＥＭに与える影響について説明する。前記した半導体の微細化に伴い、ウェハの検出すべき欠陥サイズも小さくしなければならない状況にあり、荷電粒子線照射時の光学鏡筒にはナノメートルオーダの振動抑制が求められる。

ＳＥＭによるウェハの検査では、ウェハを搭載保持する試料ステージを観察位置に移動させる必要がある。試料ステージを停止する際の反力により試料室が加振されて光学鏡筒が振動してしまう。

試料ステージの移動時間は、装置全体のスループットに大きく影響するため、さらなるスループット向上のためには、試料ステージには高速移動が要求される。高速移動に伴い、試料ステージを停止する際の反力はさらに大きくなるなか、光学鏡筒の振動を速やかに減衰させ、荷電粒子線の照射位置の変動を抑制する必要がある。また、試料ステージが停止する際に試料ステージ自身の機械共振も励起され、検査対象である試料が振動することによる荷電粒子線照射位置の変動も抑制する必要がある。

以上のように、ＳＥＭによるウェハ検査は、高分解能化と高スループット化を実現しなければならない。

以下に説明する本実施例では、対物レンズの支持力を調整することで光学鏡筒の振動に起因する像ゆれを低減し、ステージ停止時のステージ振動に同調する対物レンズ加振制御を行うことでステージ振動に起因する像ゆれを低減することができる荷電粒子線装置に関するものである。

具体的には、対物レンズと試料室の間に、調整機構と加振手段を介在させ、試料ステージの振動を検出する振動検出手段と調整制御手段と加振制御手段を備えた、荷電粒子線装置を提案する。光学鏡筒や試料室から対物レンズへの振動伝播を低減するため、調整機構と加振手段を用いて、調整制御手段により対物レンズの支持力を調整する。また、ステージ停止時の微小振動に対して、加振手段を用いて、加振制御手段により対物レンズを同調させることを目的とする。

以下に説明する実施例によれば、光学鏡筒の剛性化や高出力の制振装置を取り付けることなく、光学鏡筒の振動による像ゆれを低減し、さらに試料ステージが高速移動しても、試料ステージ振動起因の像ゆれを素早く低減する荷電粒子線装置を提供することができる。

主にＳＥＭや集束イオンビーム装置等の他の荷電粒子線装置、或いは他の測定、検査装置であって、特に半導体の測定、検査、或いは評価を目的とした装置に適用可能な対物レンズ支持方法であって、像ゆれを高精度に抑制することが可能な振動制御機構について、以下、図面を用いて説明する。

図１に荷電粒子線装置全体の一実施例を示す。本実施例では代表的な荷電粒子線装置であるＳＥＭを用いた半導体検査装置を例に説明するが、本発明は半導体検査装置に限定されるものではない。

試料１１５（図示せず）は、試料室１０３に取り付けられるロードロック室から挿入される。ロードロック室は大気状態からターボ分子ポンプとドライポンプで真空排気され真空状態となる。その後、試料１１５は試料室１０３内部のＸ方向移動可能なＸテーブル１１１とＹ方向移動可能なＹテーブル１１２を備えた試料ステージ１１６に載せられる。試料室１０３は、ターボ分子ポンプ（図示せず）とドライポンプ（図示せず）により常に真空状態に維持されている。試料１１５は試料ステージ１１６により、一次電子線１０５（電子ビーム）の照射可能な位置に移動し検査を開始する。

光学鏡筒１０２の内部は、イオンポンプにより超高真空状態に維持されている。光学鏡筒１０２内部の電子銃１０４から発生した一次電子線１０５はコンデンサレンズ１０６で絞られ、試料室１０３に支持されている対物レンズ１０７により試料１１５に焦点を合わせた状態で走査偏向器１０８により偏向され、試料１１５表面を二次元状に走査される。一次電子線１０５を照射された試料１１５から放出された二次電子１０９は二次電子検出器１１０により検出され、像ゆれ検出手段１２１に入力される。像ゆれ検出手段１２１は、検出された二次電子量をもとに試料１１５のパターン形状を画像として表示する機能を有し、また、表示された画像情報から例えばパターンエッジの振動振幅を計測し、ＦＦＴ処理により周波数軸に対する振動振幅として取得し、その情報を像ゆれと決定する機能を有している。

Ｘテーブル１１１とＹテーブル１１２にはそれぞれ振動の検出できる振動検出手段１１３（振動検出素子）が配置され、Ｘテーブル１１１とＹテーブル１１２の振動情報を検出できる。なお、振動検出手段１１３は、例えばレーザー変位計であって移動方向と同じ水平２軸方向（Ｘ，Ｙ方向）の振動情報を取得することを可能とする。

加振手段１１４（加振機構）は、試料室１０３に固定され、もう一方を調整手段１２５（調整機構）に固定し、加振制御手段１２３により水平方向（電子ビーム光軸に垂直な方向）に伸縮することが可能である。調整機構１２５は、加振手段１１４に固定され、もう一方を対物レンズ１０７に固定し、加振手段１１４に押し引きされることで剛性が変化するよう工夫され、結果的に対物レンズ１０７の支持力を変化させることが可能である。

より具体的には、例えば振動検出素子によって、検出された振動の周波数が、対物レンズの共振周波数に近く、対物レンズに振動を直接的に伝播させてしまうと、振動が長時間に及ぶことが懸念されるような場合には支持力を低下させ、それ以外の場合には、対物レンズを高剛性部材で支持すべく、支持力を維持、或いは高めるように制御することが考えられる。

制御器１４５は、像ゆれ検出手段１２１と調整制御手段１２０と加振制御手段１２３で構成される。調整制御手段１２０は、前記像ゆれ検出手段１２１の像ゆれ情報に基づいて、対物レンズ１０７の支持力を変更するか判断する。支持力の変更が必要な場合、加振制御手段１２３より加振手段１１４は調整機構１２５の剛性を変化させ対物レンズ１０７への振動伝播を低減することで一次電子線１０５の照射位置の変動が低減でき、結果として像ゆれ量が低減できる。加振制御手段１２３には２つの働きがあり、一つは、上記で述べた対物レンズ１０７の支持力変更であり、もう一つは試料ステージ１１６の微小振動に合わせた対物レンズ１０７の同調加振である。試料ステージ１１６の移動後の停止直後は残留振動があり、振動検出手段１１３から得られた振動情報に基づき、加振手段１１４を駆動し、対物レンズ１０７と試料ステージ１１６の動きを同調させ、相対変位を低減することで、結果として像ゆれが低減できる。

なお、本実施例では像ゆれ検出手段と、各制御対象を制御するための制御手段が一体となった演算装置である制御器１４５（制御装置）と、電子顕微鏡本体が一体となった荷電粒子線装置１０１について説明するが、これに限られることはなく、画像処理装置と、画像処理結果に基づく適正な制御信号を出力する制御装置を別に設け、例えば、複数のＳＥＭを統括管理する統括制御装置とするようにしても良い。

図２に調整機構１２５の構成例について述べる。調整機構１２５は外周部に減衰材１３０をＸ軸上に沿って配置することで試料室１０３からの水平振動の減衰効果を持たせる。調整機構１２５の内部には、剛性可変機構１３１をＸ軸上に沿って配置し、加振手段１１４により剛性可変機構１３１は伸縮され、水平方向の剛性を変化させる。剛性を変化させることで対物レンズ１０７の支持力を柔軟に可変できる。

図３に対物レンズ１０７に対する加振手段１１４と調整機構１２５の配置例について述べる。本図は、装置上面から試料室１０３と対物レンズ１０７と加振手段１１４と調整機構１２５のみ記載している。対物レンズ１０７水平方向（Ｘ，Ｙ方向）の支持力と加振力を制御するために、少なくとも図に示すように３か所に配置することが望ましい。各加振手段１１４の加振力を分配させることで対物レンズ１０７の加振方向を任意に決定することが可能である。また、支持力を変化させる際、各加振手段１１４を同時に制御することで対物レンズ１０７の変位を極力小さくできる。

なお、本実施例のように、試料室１０３と対物レンズ１０７との間に、対物レンズ１０７を支持するように、加振手段１１４と調整手段１２５からなる振動抑制機構を設置することによって、対物レンズに対する選択的な加振、及び調整の少なくとも一方を行うことが可能となる。このように対物レンズに対する選択的な加振等を行うことによって、光学鏡体（カラム）全体を加振する場合と比較して、高次の振動への追従性を高めることが可能となる。また、対物レンズを除振機構によって選択的に支持させる構造とすることによって、他の振動伝達媒体と対物レンズとの接触を抑制、或いはなくすことができるので、振動要因（他部材と対物レンズの接触）を制限でき、結果として高精度な照射位置補正を行うことが可能となる。

図４は、対物レンズ１０７の支持力を調整するフローチャートであり、装置設置環境や振動源を持つ周辺機器駆動時に実施する。Ｓ４００では、像ゆれ量検出手段１２１により、像ゆれが検査に影響がないレベルであるかを確認する。操作者が予め像ゆれ許容レベルの設定を行う。検査への影響が大きい場合、Ｓ４０１で加振手段１１４を駆動させ、Ｓ４０２で再度像ゆれ量を確認する。Ｓ４０１で支持力を変化させ、像ゆれが検査に影響がないレベルになるまでこれを繰り返し、決定した保持力を維持する。

図５は、実稼働時のフローチャートであり、試料１１５の検査工程で実施する。Ｓ５００で試料ステージ１１６が停止する。Ｓ５０１で試料ステージ１１６の停止直後の振動情報を振動検出手段１１３より取得する。Ｓ５０２では、上記振動情報に基づいて各加振手段１１４を駆動させ、試料ステージ１１６と相対変位が小さくなるように対物レンズ１０７を加振する。

図６は、前記加振手段１１４、前記調整機構１２５の配置の態様の変形例を示す図である。なお、制御方法については図１と同様であり、図示していない。また、一次電子線、二次電子も図示していないが、図１と同様の照射、検出方法である。対物レンズ１０７の上磁極片１５０（第１の磁極）と対物レンズ１０７（第２の磁極を含むヨークと励磁用コイルを備えたレンズ）の間に加振手段１１４、調整機構１２５を配置する。上磁極片１５０の制振制御を行うことで、応答性の向上、加振力の低減が可能となり、光学鏡筒１０２の大型化や高分解能化による高次周波数成分の振動に対しても対応が容易となる。

１０１ 荷電粒子線装置
１０２ 光学鏡筒
１０３ 試料室
１０４ 電子銃
１０５ 一次電子線
１０６ コンデンサレンズ
１０７ 対物レンズ
１０８ 走査偏光器
１０９ 二次電子
１１０ 二次電子検出器
１１１ Ｘテーブル
１１２ Ｙテーブル
１１３ 振動検出手段
１１４ 加振手段
１１５ 試料
１１６ 試料ステージ
１２０ 調整制御手段
１２１ 像ゆれ検出手段
１２３ 加振制御手段
１２５ 調整機構
１３０ 減衰材
１３１ 剛性可変機構
１４５ 制御器
１５０ 上磁極片

Claims (9)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームが照射される試料の雰囲気を真空に維持するための試料室を備えた荷電粒子線装置において、
   前記試料室に支持されると共に、前記対物レンズを支持する振動抑制機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
2. 請求項１において、
   前記振動制御機構は、前記対物レンズを加振する加振機構を含んでいることを特徴とする荷電粒子線装置。
3. 請求項２において、
   前記試料に対する荷電粒子ビームの照射に基づいて得られる荷電粒子を検出する検出器と、当該検出器によって得られた検出信号に基づいて画像を生成すると共に、当該画像のずれの検出に基づいて、前記加振機構を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項２において、
   前記試料ステージに設置されると共に、当該試料ステージの振動を検出する振動検出素子と、当該振動検出素子による振動検出に基づいて、前記加振機構を制御する制御装置を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
5. 請求項２において、
   振動に応じて前記加振機構を制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記試料室内に配置された試料ステージと、前記対物レンズの相対変位を低減するように、前記加振機構を制御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、
   前記振動制御機構は、荷電粒子ビームの光軸に垂直な方向に伸縮する伸縮部材を含んでいることを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 請求項６において、
   前記試料室と前記対物レンズの間には、前記伸縮部材と前記対物レンズを加振する加振機構が配置されていることを特徴とする荷電粒子線装置。
8. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを集束して試料に照射する対物レンズと、前記荷電粒子ビームが照射される試料の雰囲気を真空に維持するための試料室を備えた荷電粒子線装置において、
   前記対物レンズの第１の磁極に支持されると共に、当該第１の磁極とは異なる前記対物レンズの第２の磁極を支持する振動抑制機構を備えたことを特徴とする荷電粒子線装置。
9. 請求項８において、
   前記第１の磁極は、前記対物レンズの上磁極であることを特徴とする荷電粒子線装置。

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