JP2019012766A - 検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 凹み部の開口部のエッジ形状に依らず、短時間で、高アスペクト比の凹み部であっても高精度で深さを検査する検査装置を提供すること。【解決手段】 検査対象物の凹み部の深さを検査する検査装置であって、検査対象物の凹み部が含まれた検査対象領域に向けて電子線を照射する電子線照射部と、検査対象領域から放射された２次電子を検出して、当該検査対象領域の検査画像を取得する検査画像取得部と、検査画像における凹み部の基底部の輝度情報を当該凹み部の幅と深さの比率に紐付けられた深さ推定相関情報として予め登録しておく深さ推定相関情報登録部と、検査画像取得部で取得した検査画像内の凹み部の幅と、当該凹み部の基底部の輝度情報と、深さ推定相関情報登録部に登録された深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部の深さを算出する凹み部深さ演算部を備えたことを特徴とする。【選択図】 図２

Description

本発明は、電子顕微鏡等を用いて検査対象物（例えば、ウエハー，基板等）の凹み部が含まれた検査画像を取得し、取得した検査画像に基づいて、凹み部（穴や溝など）の深さを算出する検査装置に関する。

半導体などの微細な回路パターンやＭＥＭＳなどの微細な構造物が所定の寸法や形状で形成されているかどうかについての検査は、電子顕微鏡を用いてＳＥＭ画像と呼ばれる画像を取得し、当該画像に含まれる形状に基づいて人手（作業者）により行われてきた。

そして、検査対象物の穴や溝の深さを正確に把握するために、検査対象部位を割断して形状を測定するほか、電子顕微鏡を用いて非破壊で深さを測定する技術が種々提案されている。（例えば、特許文献１〜３）。

特許文献１には、走査型電子顕微鏡像による試料表面溝の深さ測定するために、放出電子と散乱電子の表面形状による遮蔽の効果によって生じる影を観測し、理論値あるいは集積された実測によりあらかじめ求められている影と溝の深さとの関係式にもとづいて、観測した影から溝の深さを測定する技術が開示されている。

特許文献２には、検査対象物の傾斜角を零にして取得したＳＥＭ画像から凹み部の底部寸法を算出し、第１，第２の傾斜角で取得したＳＥＭ画像から凹み部のテーパ角度と深さを演算する技術が開示されている。

特許文献３には、走査型電子顕微鏡で試料上の凹み部の段差の深さを測定するために、２次電子αの強度に基づいて検出信号プロファイルを検出し、所定深さの段差における検出信号プロファイルと比較する技術が開示されている。

特開昭６１−２３９１０７号公報 特開平３−２３３３０９号公報 特開平１１−２４８４４２号公報

特許文献１の技術では、ＳＥＭ画像から半導体表面の穴や溝（つまり、凹み部）の中央部と壁面付近の輝度差から当該凹み部の深さを測定している。そのため、凹み部が開口幅に対して深い（いわゆる、高アスペクト比の）場合、所望の測定精度を得るためには２次電子を検出する検出器に対してより一層の高感度／高分解能特性が求められ、高精度な測定を実現することが難しかった。

特許文献２

一方、特許文献２の技術では、検査対象物を傾けて検査する特性上、基板の可動領域を確保するために真空チャンバの寸法を大きくする必要があり、真空チャンバの容量が大きくなるとＳＥＭ画像を取得するために必要な所望の真空度に到達するまで又は大気解放するまでの時間は待機時間となり（つまり、検査ができず）、所定時間当たりの検査処理枚数を増やせないという課題があった。

一方、特許文献３の技術では、凹み部の開口部の幅に比べて段差が浅い場合の計測には有効であるが、開口部の幅に対して比較的深い段差（いわゆる、高アスペクト比の溝や孔など）の計測には適さないという課題があった。なぜなら、検出される輝度強度から当該発明に適合するための信号プロファイルを生成する処理や深さを算出するための比較処理に時間がかかることと、開口部のエッジ部の形状（直角状、テーパ状、ラウンド状など）に依って検出される輝度が異なるため、所望の信号プロファイルが生成できず、正確な段差の深さが算出できなくなるからである。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、凹み部の開口部のエッジ形状に依らず、短時間で、高アスペクト比の凹み部であっても高精度で深さを検査する検査装置を提供することを目的としている。

以上の課題を解決するために、本発明に係る一態様は、
検査対象物の凹み部の深さを検査する検査装置であって、
前記検査対象物の凹み部が含まれた検査対象領域に向けて電子線を照射する電子線照射部と、
前記検査対象領域から放射された２次電子を検出して、当該検査対象領域の検査画像を取得する検査画像取得部と、
前記検査画像における前記凹み部の基底部の輝度情報を当該凹み部の幅と深さの比率に紐付けられた深さ推定相関情報として予め登録しておく深さ推定相関情報登録部と、
前記検査画像取得部で取得した前記検査画像内の凹み部の幅と、当該凹み部の基底部の輝度情報と、前記深さ推定相関情報登録部に登録された前記深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部の深さを算出する凹み部深さ演算部を備えたことを特徴とする、検査装置である。
上記態様によれば、ＳＥＭ画像等の検査画像を取得し、検査画像中の凹み部の開口幅と基底部の輝度情報から当該凹み部の深さを算出できる。さらに、検査画像中に複数の凹み部があっても、一度にこれら凹み部の深さを算出できる。

本発明により、凹み部の開口部のエッジ形状に依らず、短時間で、高アスペクト比の凹み部であっても高精度で深さを検査することができる。

本発明を適用した検査に用いられる検査対象物の一例を示す概略図。 本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図。 本発明に適用される深さ推定相関情報を定義するための一例を示す散布図。 本発明を具現化する形態の変形例の全体構成を示す概略図。 本発明を具現化する形態の別の一例の全体構成を示す概略図。 本発明に適用される深さ推定相関情報を定義するための別の一例を示す散布図。

以下に、本発明を実施するための形態について、図を用いながら説明する。

図１は、本発明を適用した検査に用いられる検査対象物の一例を示す概略図である。図１には、検査対象物の一類型として、半導体デバイスやＭＥＭＳ、チップ部品等を形成するためのシリコンウエーハ（単に、基板Ｗと呼ぶ）を例示し、検査対象領域Ｒを撮像した検査画像ＩＭと、検査対象部位の断面画像ＤＭが組み合わせて示されている。図１には、検査対象部位の一類型として基板Ｗ上に形成された成膜に凹み部Ｈ（ビアホール、トレンチなどと呼ばれる、孔や溝など）が設けられたものが示されており、凹み部Ｈの各部（開口部Ｈｍ、基底部Ｈｂ、幅ｗ、深さｄ）が断面画像ＤＭを用いて示されている。なお以下の説明では、直交座標系の３軸をＸ、Ｙ、Ｚとし、基板Ｗの表面に沿うＸＹ平面を水平方向と呼び、Ｚ方向を鉛直方向と呼ぶ。また、Ｚ方向は矢印の方向を上、その逆方向を下と呼ぶ。

図２は、本発明を具現化する形態の一例の全体構成を示す概略図である。図２には、本発明に係る検査装置１の概略図が示されている。

検査装置１は、基板Ｗの凹み部Ｈの深さを検査するものであり、電子線照射部２、検査画像取得部３、深さ推定相関情報登録部４、凹み部深さ演算部５を備えている。さらに検査装置１は、真空チャンバ１０、基板ホルダ１１、コンピュータＣＮ等を備えている。

真空チャンバ１０は、検査中の基板Ｗを所定の真空度の雰囲気に保つものである。真空チャンバ１０は、切替弁を介して真空ポンプ（共に不図示）と接続されており、検査終了後は大気解放して基板Ｗの入れ替えができる構成をしている。

基板ホルダ１１は、真空チャンバ１０内に収容されており、基板Ｗを所定の姿勢で保持するものである。具体的には、基板ホルダ１１は、上面が平坦な板状の部材と、チャック機構等を備え、基板Ｗを把持する構成をしている。また、基板ホルダ１１は、真空チャンバ１０内に配置されたＸＹステージ機構１２に取り付けられており、真空チャンバ１０内で所定の位置決め移動ができる構成をしている。

電子線照射部２は、基板Ｗの凹み部Ｈが含まれた検査対象領域Ｒに向けて電子線Ｅ１を照射するものである。
具体的には、電子線照射部２は、電子銃２０、コイル２１等を備えて構成されている。

電子銃２０は、検査対象領域Ｒに向けて電子線Ｅ１を照射するものである。電子銃２０は、照射される電子線Ｅ１の電流量が一定になる様に内部電極に所定の電圧が印加される。

コイル２１は、電子線Ｅ１の走査方向や焦点を調節するものである。
電子線Ｅ１を走査しつつ焦点調節することで、検査対象領域Ｒ内全体に亘って均一に電子線Ｅ１が照射される。

検査画像取得部３は、検査対象領域Ｒから放射された２次電子Ｅ２を検出して、当該検査対象領域Ｒの検査画像ＩＭを取得するものである。
具体的には、検査画像取得部３は、検出器３０、画像処理部３１等を備えて構成されている。

検出器３０は、２次電子Ｅ２を検出するものである。具体的には、検出器３０は、シンチレータおよび光電子倍増管を備えている。

画像処理部３１は、検出器３０から出力された検出信号を検査画像に変換するものである。具体的には、画像処理部３１は、スキャン照射される電子線Ｅ１の照射位置（具体的には、走査信号）と、検出器３０から出力された検出信号とを同時に取得し、データ処理して検査画像ＩＭを生成し、取得するものである。
より具体的には、画像処理部３１は、コンピュータＣＮに搭載された画像処理ボードと画像処理を行うプログラムで構成されている。

深さ推定相関情報登録部４は、検査画像ＩＭにおける凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度情報を当該凹み部Ｈの幅ｗと深さｄの比率Ｂに紐付けられた深さ推定相関情報として予め登録しておくものである。なお、凹み部Ｈの幅ｗと深さｄの比率Ｂは、深さｄ÷幅ｗで定義され、アスペクト比とも言う。

深さ推定相関情報は、検査画像ＩＭにおける凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度Ｉと、当該凹み部Ｈの幅ｗと深さｄの比率Ｂとの相関関係を紐付けたものである。
具体的には、深さ推定相関情報は、以下の様な手順で定義し、登録する。
（１）予め検査対象と同じ基板Ｗを準備し、アスペクト比の異なる凹み部Ｈを複数設けておく。
（２）当該基板Ｗの各凹み部Ｈの検査画像ＩＭを取得し、それぞれの凹み部Ｈの開口部Ｈｍの幅ｗと、基底部Ｈｂの輝度Ｉを測定する。
（３）当該基板Ｗを割断し、各凹み部Ｈの断面を観察し、深さｄを測定する。
（４）各凹み部Ｈについて、幅ｗと深さｄの比率Ｂを算出し、基底部Ｈｂの輝度Ｉの散布図を作成する（図３参照）。
（５）散布図にプロットされた各点から最小二乗法などを用いて近似式を算出し、幅ｗと深さｄの比率Ｂに対する基底部Ｈｂの輝度Ｉの関数：Ｉ＝ｆ（Ｂ）または、この逆関数：Ｂ＝ｆ^−１（Ｉ）を定義する。
（６）定義された関数（又は逆関数）を深さ推定相関情報として、深さ推定相関情報登録部４に登録する。
より具体的には、深さ推定相関情報登録部４は、コンピュータＣＮの記憶部または記憶装置（いわゆる、半導体メモリー、磁気記録媒体など）の一部で構成されている。

凹み部深さ演算部５は、検査画像取得部３で取得した検査画像ＩＭ内の凹み部Ｈの幅ｗと、当該凹み部Ｈの基底部Ｂの輝度情報と、深さ推定相関情報登録部に登録された深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部Ｈの深さｄを算出するものである。
具体的には、凹み部深さ演算部５は、以下の様な手順で凹み部Ｈの深さｄを算出する。
（１）検査画像ＩＭ内の凹み部Ｈについて、開口部Ｈｍの幅ｗと、基底部Ｈｂの輝度Ｉを測定する。
（２）深さ推定相関情報登録部４に登録された深さ推定相関情報に基づいて、基底部Ｈｂの輝度Ｉから、当該凹み部Ｈの幅ｗと深さｄの比率Ｂを算出する。
（３）この比率Ｂと、上記（１）で測定した開口部Ｈｍの幅ｗから、凹み部Ｈの深さｂを算出する。
より具体的には、凹み部深さ演算部５は、コンピュータＣＮの演算処理部と演算処理を行うプログラムで構成されている。

なお上述では、深さ推定相関情報として、関数や逆関数で定義されている例を示したが、本発明を具現化する上ではこれらに限定されず、ルックアップテーブルと呼ばれる変換テーブルで定義しても良い。

なお、上述では説明を簡素に行うために、検査画像ＩＭ内の１つの凹み部Ｈに着目して深さｄを算出する手順を説明した。しかし、実際の検査画像ＩＭ内に計測対象となる凹み部Ｈが複数（或いは、多数）ある場合は、それぞれについて同様の処理を行う。そうすることで、検査画像ＩＭ内に凹み部Ｈが複数（多数）存在する場合であっても、それぞれの凹み部Ｈの深さｄを一度に算出することができる。

この様な構成をしているため、本発明に係る検査装置１は、基板Ｗに設けられた各凹み部ＨについてＳＥＭ画像を取得し、ＳＥＭ画像から短時間かつ高精度に、凹み部が所定の深さで加工されているかどうかを検査することができる。

［変形例］
なお上述では、基板Ｗに照射される電子線Ｅ１の電流量が一定な場合、或いは、基板Ｗが帯電していない（又は帯電量が一定な）場合を前提として、詳細な説明をした。基板Ｗの検査が短時間で済む場合、適宜除電等される場合など、検査時に検査対象領域Ｒから放出される２次電子の量が、当初に深さ推定相関情報を定義した状態と同じであれば、本発明に係る上述の検査装置１を用いて、凹み部Ｈの深さｄを算出することができる。つまり、所望の検査結果を得ることができる。

しかし、基板Ｗの検査が長時間にわたる場合や、適宜除電等されない場合など、基板Ｗに照射される電子線Ｅ１の電流量や基板Ｗの帯電量が変動することがある。この様な変動があると、検査対象領域Ｒから放出される２次電子の量が、当初に深さ推定相関情報を定義した状態と相違するため、凹み部Ｈの深さｄを正しく算出できない（所望の検査結果を得ることができない）事態が生じ兼ねない。

この様な事態が生じるのを避けるため、以下の様な構成の検査装置１Ｂを適用して本発明を具現化することが好ましい。

図４は、本発明を具現化する形態の変形例の全体構成を示す概略図である。図４には、本発明に係る検査装置１Ｂの概略図が示されている。

検査装置１Ｂは、上述の検査装置１と同様の電子線照射部２、検査画像取得部３、深さ推定相関情報登録部４、凹み部深さ演算部５に加え、輝度補正部６を備えている。
なお、検査装置１Ｂにおける電子線照射部２、検査画像取得部３、凹み部深さ演算部５は、検査装置１におけるこれらと同様の構成をしているため、詳細な説明は省略する。

さらに、深さ推定相関情報登録部４は、上述の構成に加え、検査対象領域Ｒの凹み部Ｈがない領域（例えば、凹み部Ｈが設けられている最上層の成膜など）の少なくとも一部が輝度基準部Ｆとしてさらに登録されている（図１参照）。

輝度補正部６は、検査画像取得部３で取得した検査画像ＩＭ内の輝度基準部Ｆの輝度情報に基づいて、当該検査画像ＩＭ内にある凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度情報を補正するものである。具体的には、輝度補正部６は、検査画像ＩＭ内の輝度基準部Ｆの輝度が予め定めた基準値よりも低い（つまり、暗い）場合は、当該検査画像ＩＭ内にある凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度情報が高く（明るく）なるように補正する。逆に、検査画像ＩＭ内の輝度基準部Ｆの輝度が予め定めた基準値よりも高い（つまり、明るい）場合、輝度補正部６は、当該検査画像ＩＭ内にある凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度情報が低く（暗く）なるように補正する。なお、輝度補正部６における、基底部Ｈｂの輝度情報の補正は、検査画像ＩＭ内の輝度基準部Ｆの輝度と予め定めた基準値との差に基づいて行い。補正の程度（オフセットの量、乗率など）は、適宜規定しておく。

検査装置１Ｂにおいて、凹み部深さ演算部５は、検査画像ＩＭ内の凹み部Ｈの幅ｗと、輝度補正された検査画像ＩＭ内にある凹み部Ｈの基底部Ｂの輝度情報と、深さ推定相関情報登録部４に登録された深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部Ｈの深さｄを算出する。

この様な構成をしているため、本発明に係る検査装置１Ｂは、基板Ｗに照射される電子線Ｅ１の電流量や基板Ｗの帯電量が変動しても、検出された輝度情報をオフセット補正して、凹み部Ｈの深さｄを正しく算出すること（つまり、所望の検査結果を得ること）ができる。

［変形例］
上述では、基板Ｗに設けられた凹み部Ｈが、ある条件（つまり、１品種）で形成された成膜に加工されている場合を前提として、詳細な説明をした。

しかし、基板Ｗの品種が変わると、凹み部Ｈが形成されている成膜の材質や凹み部Ｈの側壁や基底部Ｈｂの粗度、丙込み部Ｈのテーパ角度等が異なるため、凹み部Ｈのアスペクト比（開口部Ｈｍの幅ｗに対する深さｄ）は同じでも、検査画像ＩＭにおける基底部Ｈｂの輝度情報が相違する。

そのため、多品種の基板Ｗ１〜Ｗｎ（ｎは品種数）を取り扱う場合、これら基板Ｗ１〜Ｗｎに対し、適切な深さ推定相関情報を品種毎に定義して登録し、これらを用いて凹み部Ｈの深さｄを算出する構成の（多品種対応が可能な）検査装置１Ｃを適用して本発明を具現化することが好ましい。

図５は、本発明を具現化する形態の別の一例の全体構成を示す概略図である。図５には、本発明に係る検査装置１Ｃの概略図が示されている。

検査装置１Ｃは、電子線照射部２、検査画像取得部３、深さ推定相関情報登録部４Ｂ、凹み部深さ演算部５Ｂ、輝度補正部６、品種切替部７、コンピュータＣＮ等を備えている。なお、検査装置１Ｃにおける電子線照射部２、検査画像取得部３は、検査装置１におけるこれらと同様の構成をしているため、詳細な説明は省略する。

深さ推定相関情報登録部４Ｂは、検査画像ＩＭにおける凹み部Ｈの基底部Ｈｂの輝度情報を当該凹み部Ｈの幅ｗと深さｄの比率Ｂに紐付けられた深さ推定相関情報として予め登録しておくものであり、取り扱う基板Ｗ１〜Ｗｎの品種毎に深さ推定相関情報が予め登録されている。なお、各品種に応じた深さ推定相関情報の定義・登録手順については、上述の深さ推定相関情報登録部４における手順と同様であるため、詳細な説明は省略する。

図６は、本発明に適用される深さ推定相関情報を定義するための別の一例を示す散布図である。図６には、品種Ａ〜Ｄの凹み部に関する深さ推定相関情報の一例が示されている。

凹み部深さ演算部５Ｂは、検査画像取得部３で取得した検査画像ＩＭ内の凹み部Ｈの幅ｗと、当該凹み部Ｈの基底部Ｂの輝度情報と、深さ推定相関情報登録部に登録された、検査対象となる品種に対応した深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部Ｈの深さｄを算出するものである。つまり、凹み部深さ演算部５Ｂでは、品種に対応した前記深さ推定相関情報を用いて、凹み部Ｈの深さｄを算出する。なお、各品種に応じた凹み部Ｈの深さｄの算出手順については、上述の凹み部深さ演算部５における手順と同様であるため、詳細な説明は省略する。

品種切替部７は、検査対象となる凹み部Ｈの品種を切り替えるものである。
具体的には、品種切替部７は、作業者からの指示や基板Ｗの移載装置から送信された信号やデータを受け取り、深さ推定相関情報登録部４Ｂに登録されている深さ推定相関情報のいずれを用いるかを指示（つまり、切替指示）するものである。より具体的には、品種切替部７は、コンピュータＣＮの入出力装置や演算処理部と切替処理を行うプログラム等で構成されている。

この様な構成をしているため、本発明に係る検査装置１Ｃは、多品種の凹み部Ｈの深さｄを正しく算出すること（つまり、所望の検査結果を得ること）ができる。

［変形例］
また、検査装置１Ｃは、上述の構成に加えて、検査装置１Ｂと同様に輝度補正部６を備え、深さ推定相関情報登録部４Ｂに検査対象領域Ｒの凹み部Ｈがない領域の少なくとも一部が輝度基準部Ｆとしてさらに登録する構成としても良い。

そうすることで、検出された輝度情報のオフセット補正をして、多品種凹み部Ｈの深さｄを正しく算出すること（つまり、所望の検査結果を得ること）ができる。

［別の形態］
なお上述では、検査対象物の一類型として、半導体デバイスやＭＥＭＳ、チップ部品等を形成するためのシリコンウエーハ（基板Ｗ）を例示し、検査対象部位の一類型として基板Ｗ上に形成された成膜に設けた凹み部Ｈ（ビアホール、トレンチなどと呼ばれる、孔や溝など）の深さｄを算出する例を示した。
しかし、本発明は、シリコンに限らず、二次電子の一部を遮蔽するような壁面を持つ立体構造体の高さもしくは深さ計測、例えば水晶振動子、マイクロ流路、DNAチップの突起構造体などにも適用することが出来る。

１ 検査装置
２ 電子線照射部
３ 検査画像取得部
４ 深さ推定相関情報登録部
４Ｂ 深さ推定相関情報登録部
５ 凹み部深さ演算部
５Ｂ 凹み部深さ演算部
６ 輝度補正部
７ 品種切替部
１０ 真空チャンバ
１１ 基板ホルダ
１２ ＸＹステージ機構
２０ 電子銃
２１ コイル（電子線走査、集束レンズ、対物レンズ等）
３０ 検出器
３１ 画像処理部
ＣＮ コンピュータ部
Ｗ ウエーハ（検査対象物の一類型）
Ｒ 検査対象領域
Ｅ１ 電子線（１次電子ビーム）
Ｅ２ ２次電子（放出電子）
ＩＭ 検査画像
ＤＭ 断面画像（断面形状）
Ｈ 凹み部
Ｈｍ 開口部
Ｈｂ 基底部
Ｆ 輝度基準部
ｗ 幅
ｄ 深さ
Ｂ 幅と深さの比率（アスペクト比）
Ｉ 基底部の輝度

Claims (3)

1. 検査対象物の凹み部の深さを検査する検査装置であって、
   前記検査対象物の凹み部が含まれた検査対象領域に向けて電子線を照射する電子線照射部と、
   前記検査対象領域から放射された２次電子を検出して、当該検査対象領域の検査画像を取得する検査画像取得部と、
   前記検査画像における前記凹み部の基底部の輝度情報を当該凹み部の幅と深さの比率に紐付けられた深さ推定相関情報として予め登録しておく深さ推定相関情報登録部と、
   前記検査画像取得部で取得した前記検査画像内の凹み部の幅と、当該凹み部の基底部の輝度情報と、前記深さ推定相関情報登録部に登録された前記深さ推定相関情報とに基づいて、当該凹み部の深さを算出する凹み部深さ演算部を備えたことを特徴とする、検査装置。
2. 前記深さ推定相関情報登録部には、前記検査対象領域の前記凹み部がない領域の少なくとも一部が輝度基準部としてさらに登録されており、
   前記検査画像取得部で取得した前記検査画像内の前記輝度基準部の輝度情報に基づいて、当該検査画像内にある前記凹み部の基底部の輝度情報を補正する、輝度補正部を備えたことを特徴とする、請求項１に記載の検査装置。
3. 検査対象となる前記凹み部の品種を切り替える品種切替部を備え、
   前記深さ推定相関情報登録部には、前記品種に対応した前記深さ推定相関情報が予め登録されており、
   前記凹み部深さ演算部では、前記品種に対応した前記深さ推定相関情報を用いて、前記凹み部の深さを算出することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載の検査装置。