JP2019027841A - 荷電粒子線装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ビーム走査によって得られる信号に基づいて焦点調整と測定や検査を行う際のビーム走査の効率化が可能な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、荷電粒子ビームを試料上に集束するレンズを備えた荷電粒子線装置であって、レンズによる異なる集束条件にて得られる複数の画像の焦点評価値を算出し、集束条件が異なるビームの照射によって得られ、且つ所定の条件を満たす画像について、前記焦点評価値に応じた処理を施し、当該焦点評価値に応じた処理が施された処理画像を積算して積算画像を生成する荷電粒子線装置を提案する。【選択図】 図３

Description

本開示は荷電粒子線装置に係り、特に自動焦点調節（オートフォーカス）機能を備えた荷電粒子線装置に関する。

半導体プロセス工程管理に使用される装置の一つに、電子ビームをウエハ面上で走査させてパターンの寸法を測定する走査型電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＥＭ）がある。現在、微細パターンを精度良く測れるという観点から寸法管理に利用されている。一方、昨今、半導体デバイスを測定、検査する走査電子顕微鏡には更なる高スループット化が求められている。特許文献１には、視野全体ではなく、狭領域で焦点評価を行うことによって、測定対象となるパターンに適した焦点調整条件を、少ない焦点評価用画像取得に基づいて見出す手法が説明されている。特許文献１に開示の手法によれば、取得画像が少ない分、高スループット化が期待できる。

特開２００２−２４４０２９号公報

特許文献１に開示の手法に限らず、これまでの走査電子顕微鏡を用いたパターン計測装置は、焦点評価を行うために複数の画像を取得すると共に、複数の画像の評価に基づいて、適正な焦点位置を見出した後、測定や検査のためのビーム走査を行っている。即ち、焦点調整のためのビーム走査と、測定や検査のためのビーム走査の少なくとも２回のビーム走査が必要となる。発明者らは、このビーム走査の効率化を行うことによって、測定や検査に要する時間を抑制することを新たに想起した。

以下に、ビーム走査によって得られる信号に基づいて焦点調整と測定や検査を行う際のビーム走査の効率化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、荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料上に集束するレンズを備えた荷電粒子線装置であって、前記レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記レンズによる異なる集束条件にて得られる複数の画像の焦点評価値を算出し、集束条件が異なるビームの照射によって得られ、且つ所定の条件を満たす画像について、前記焦点評価値に応じた処理を施し、当該焦点評価値に応じた処理が施された処理画像を積算して積算画像を生成する荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、焦点状態を評価するための画像から、測定や検査に用いる画像を生成することができるため、測定や検査に要するビーム走査数を減らすことができ、結果として測定や検査の高速化を実現することが可能となる。

走査電子顕微鏡の概要を示す図。 自動焦点調整を行ったときのビームのプローブ径、焦点位置、及び焦点評価値（Ｆ）の関係を示す図。 高速重み付け画像積算処理工程を示すフローチャート。 高精度重み付け画像積算処理工程を示すフローチャート。 焦点評価用画像から測長用画像を生成する工程を示すフローチャート。 焦点評価値とレンズ条件との関係を示す図。

以下に説明する実施例では、自動焦点調整機能を備えた荷電粒子線装置を説明する。また、以下に説明する荷電粒子線装置は、コンピュータプロセッサと、非一時的なコンピュータ可読媒体とを備えた制御装置によって制御される。非一時的なコンピュータ可読媒体は、コンピュータプロセッサによって実行されると、システムコントローラに所定の処理を実行させるコンピュータ命令で符号化され、後述するような処理工程に沿って、荷電粒子線装置を制御する。

荷電粒子線装置に搭載された焦点自動調整機能は、通常、測長対象パターンにビームを照射することによって得られる画像を用いて、合焦状態（焦点評価値）を評価する。この焦点評価値の算出を異なる焦点位置で得られる画像について行うことによって、焦点位置（レンズ条件）に対する焦点評価値の変化をモニタし、焦点評価値が最も大きくなるレンズ条件を求める。このようにして求められた条件となるように改めてレンズを調整した上で、測長対象パターンにビームを照射することによって、測長用の画像を取得する。このような工程を経て、測長を行うことによって、焦点が適正に設定された画像を用いた測長を行うことができるが、焦点評価値を求めるためのビーム走査と、測長用画像を取得するためのビーム走査の少なくとも２回のビーム走査が必要である。

上記のような状況の考察の結果、発明者らは測定や検査に用いる画像取得時間を短縮することによって、測定や検査に要する時間を抑制することができるという考えに至った。

以下に、測定や検査に用いる画像の取得時間を抑制することによるスループットの高速化を実現する荷電粒子線装置を、図面を用いて説明する。更に高精度化を実現し得る荷電粒子線装置についても併せて説明する。

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た荷電粒子ビームを試料上に集束させるレンズを備えた荷電粒子線装置において、前記レンズの条件を段階的に変化させ、合焦条件を判定できる制御装置と、前記荷電粒子ビームを試料上に照射することによって得られる画像信号を検出する検出器を備え、前記画像信号をもとに画像を生成し、前記生成した画像の焦点評価値を算出し、前記焦点評価値に基づいた重み付け画像を生成し、前記重み付けされた画像を積算して積算画像を生成し、測長する画像処理機を備えた荷電粒子線装置を提案する。

上記構成によれば、荷電粒子線装置を用いた測長や検査の高速化及び、高精度化を実現できる。

以下に、荷電粒子線装置の一態様である走査電子顕微鏡に関する実施例を説明するが、これに限られる事はなく、他の荷電粒子線装置である集束イオンビーム（Ｆｏｃｕｓｅｄ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ：ＦＩＢ）装置、走査透過電子顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：ＳＴＥＭ）への適用も可能である。更に光を照射して得られる信号から画像を生成する光学式装置にも適用が可能である。すなわち、取得した画像から焦点調整を行う装置全般に適応が可能である。

図１は、走査電子顕微鏡の構成概略図である。１０１は走査電子顕微鏡の鏡体部であり、電子銃１０２から放出された電子線（電子ビーム）１０３は図に示されていない電子レンズにより収束され、更に対物レンズ１０４によって、試料面上１０５に集束して照射される。ビームの照射によって試料から発生した画像信号１０６（二次電子や後方散乱電子）は検出器１０７で検出され、増幅器１０８で増幅される。増幅された画像信号は制御装置１１３内の画像処理プロセッサ１０９でアナログ／デジタル変換され、走査信号と同期させてフレームメモリ内に記憶させることで、デジタル画像が生成される。前記デジタル画像を生成するとき、画像処理プロセッサ内で画像処理・画像評価を行う。１１０は画像プロセッサで生成されたデジタル画像を表示する表示装置である。

自動焦点調整は、対物レンズ１０４を用いて行う。また、自動焦点調整は、試料に負電圧を印加することによって形成される静電レンズを用いて行っても良く、本実施例では、リターディング電圧の印加が可能なステージ１１２を採用している。静電レンズを用いた焦点調整（リターディングフォーカス）は、電磁レンズを用いた焦点調整と比較して相対的に焦点位置の微調整が可能である。本実施例では、対物レンズ１０４に供給する励磁電流、或いはステージ１１２への印加電圧の少なくとも一方を制御ユニット１１１によって制御することで、焦点位置を段階的に変化させて自動焦点調整を実行する。

自動焦点調整時の電子ビームのビーム径、焦点位置、及び焦点評価値（Ｆ）の関係を図２に示す。電子ビーム（１０３）は対物レンズ（１０４）で収束され、ある位置で焦点を結ぶ。この焦点の位置が試料表面より奥にあれば、表面上のビームスポット径は広くなる（アンダーフォーカス）。アンダーフォーカスの状態から焦点が表面に近づく程、スポット径が小さくなり、表面上ではスポット径は最小になり、合焦点の画像が取得できる（ジャストフォーカス）。焦点位置が試料表面より上にある場合、レンズ条件が強すぎるいわゆるオーバーフォーカスの状態となる。

焦点位置が合焦点からずれ、スポット径が広く成る程、その時の画像の焦点評価値は低く、スポット径が小さいときに撮像した画像は焦点評価値が高くなる。自動焦点調整は、焦点位置を振りながら画像を取得し、画像の焦点評価値が最高になる焦点位置とその時の対物レンズ励磁電流値（或いはステージへの印加電圧）を決定している。

図３は、制御ユニット１１１による自動焦点調整中に生成した画像を用いて測長する方法を具体的に説明する。まず、条件として自動焦点調整を行う場所は測長するパターンの場所に設定し、倍率も測長時のものに指定されている状態とする。制御ユニット１１１は対物レンズ１０４を通る電子ビームの焦点位置を所定のスッテプ幅毎に振り焦点評価画像を撮影する。焦点位置を振って撮影された画像全ての焦点評価値（Ｆｉ）を算出し、最高焦点評価値（Ｆ０）を示す合焦画像（Ｇ０）を決定する。最高焦点評価値のある一定の割合（Ｘ％）以上の評価値をもつ画像に対して、それぞれの評価値比率（Ｐｉ）分の重み付けをし、画像（Ｇｉ´）を生成する。この評価比率（Ｐｉ）は以下の式を用いて、算出する。

Ｐｉ＝Ｆｉ÷（ΣＦ０＋Ｆ１＋・・・＋Ｆｉ）・・・・式（１）
図３の右側に例示するように、Ｘ％以上（演算によって求められる閾値以上）の評価値を持つ画像が三枚である場合、それぞれの評価比率（Ｐｉ）は、
Ｐ０＝Ｆ０÷（Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ２）・・・・式（２）
Ｐ１＝Ｆ１÷（Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ２）・・・・式（３）
Ｐ２＝Ｆ２÷（Ｆ０＋Ｆ１＋Ｆ２）・・・・式（４）
となる。

次に、重み付けされた画像（Ｇｉ´）全てを積算させ、積算画像（Ｇｆ）を生成する。これにより、合焦画像だけではＳ／Ｎが足りなくなり、測長時のパターン認識エラーを回避できる。積算画像（Ｇｆ）に対し、パターン認識し、認識されたパターンを測長する。

以上のように、焦点位置は異なるものの、所定の条件を満たす（例えば焦点評価値がＸ％以上）複数の画像について、焦点評価値に応じた処理（例えば焦点評価値に応じた重み付け）を施した上で積算を行うことによって、焦点評価に用いた画像を測長にも用いることができる。焦点評価に用いた画像を測長にも用いることで、ビーム照射工程の効率化を実現でき、結果として測定、検査に要する処理時間を抑制することが可能となる。

なお、焦点評価値は、例えば画像の先鋭度を示す指標値であり、先鋭度が高いほど焦点評価値が高くなる。画像処理プロセッサ１０９は、各焦点位置（レンズ条件）における焦点評価値を算出し、図２に例示するような焦点評価値と焦点位置の関係情報を生成することによって、焦点評価値が最大となるような焦点位置を求める。

さらに、高精度な計測をするために、重み付け積算方法の応用例について説明する。測長画像は、自動焦点調整で得られた焦点位置(対物レンズの励磁電流値、及びステージへの印加電圧)に合わせて撮像される。しかし、この焦点位置を常に再現できるわけではなく、バラツキが発生してしまう場合がある。換言すれば、焦点自動調整機能は毎回同じ焦点位置を再現することは難しく、合焦点位置からずれてしまうことがある。つまり、焦点自動調整によって合わせられた焦点位置が真の合焦位置でない可能性もある。よって、測長の精度を高めるためには、再現よく合焦位置で画像を取得し測長することが望ましい。そこで、高精度計測を実現するため、焦点位置をずらしながら撮像した複数の画像を用いて画像を生成することによって、単一の焦点位置で画像を取得することによる、異なる測定処理間の焦点位置のばらつきを抑制することができる。そこで、高精度測長を保つために、重み付け積算方法の応用を提案する。

図４は高精度測長を可能にする重み付け画像積算処理を説明するフローチャートとその一実施例である。まず、自動焦点調整を実施し最高焦点評価値（Ｆ０）を求める。その最高焦点評価値（Ｆ０）を基準として、撮像時の焦点振り幅を設定する。この振り幅は、焦点位置のバラツキを考慮して適切な値を設定することとする。その振り幅を必要な積算フレーム枚数分に分割し、それぞれの焦点位置（レンズ条件）で測長画像を1フレームで撮像する。必要なフレーム数や振り幅（レンズの調整範囲）は、例えば図示しない入力装置等から予め入力しておき、そこから分割幅（分割数）を予め求めておくようにしても良い。

それぞれ取得した画像の焦点評価値（Ｆｉ）を求める。その評価値をもとに、評価値比率（Ｐｉ）を、式（１）を用いて算出し、それぞれの画像にＰｉ分の重み付けをし、重み付けされた画像（Ｇｉ´）を生成する。最後に、生成された画像（Ｇｉ´）を積算し積算画像（Ｇｆ）を用いてパターン認識、測長をする。

以上のように、焦点位置は異なるものの、所定の条件を満たす（例えば最高焦点評価値を中心としたレンズ条件の所定の振幅内のレンズ条件によって取得されている）複数の画像について、焦点評価値に応じた処理（例えば焦点評価値に応じた重み付け）を施した上で積算を行うことによって、最高焦点位置がずれたとしても、焦点位置をずらして取得した画像の焦点が合うことになり、合焦画像の比重を高くすることで、より高精度な測長が可能になる。

次に、積算画像を生成するためのフレーム数が予め決まっている場合に、そのフレーム数分の走査を行いつつ、画像取得処理を効率化する他の例を説明する。画像積算は複数回（複数フレーム）の走査によって得られた画像を積算（加算平均）することによって、Ｓ／Ｎを向上させるための技術である。積算回数が増える程、Ｓ／Ｎは向上するが、処理時間が増大し、試料帯電も大きくなるため、これらの影響を抑制しつつ、高精度測定を行うためには適切なフレーム数を設定する必要がある。また、半導体デバイスのプロセス条件の変動をモニタするために、多数の半導体ウエハの特定のパターンを定点観測する場合、測定毎に装置条件が変わってしまうと、プロセス変動を適正に評価することができなくなることが考えられるため、フレーム数等の条件は常に固定しておくことが望ましい。

そこで、以下に所定のフレーム数（以下の説明では４枚）の画像を取得する場合に、画像取得処理の効率化を実現する例を、図５を用いて説明する。制御ユニット１１１は、図５に例示するような工程に沿って、走査電子顕微鏡の各構成要素を制御する。

まず、対物レンズ１０４を初期条件に設定する（Ｓ５０１）。初期条件とは例えば図示しないＺセンサ（ウエハ表面の高さ計測装置）を用いたウエハの高さ計測に基づいて設定されるレンズ条件であり、焦点位置が大よそアンダーフォーカス気味になる位置に焦点位置が位置づけられるように、レンズに供給する制御信号（励磁電流等）を制御する。次にこの状態でビーム走査を行い、画像を生成する（Ｓ５０２、５０３）。生成された画像は、後の重み付け処理、及び積算処理を行うためにフレームメモリに記憶される。

次に、生成された画像について先鋭度評価等を行うことによって、焦点評価値を算出する（Ｓ５０４）。ここで得られた焦点評価値を図６に例示するような焦点評価値とレンズ条件の関係を示すグラフにプロット（点６０１）する。Ｓ５０１からＳ５０５までの処理を、レンズ条件を所定値ずつ変化させながら行うことで、点６０２（ピーク）を抽出する。焦点評価値がピークを迎えたか否かは、焦点評価値が下降を始めた後でないとわからないので、本実施例の場合、仮想ピーク点から連続して２回、仮想ピーク点より焦点評価値が下回った点が現れたとき（例えば点６０３が現れたとき）、仮想ピークとして定義した点６０２が真のピークであると決定して、次の工程に進む。

画像処理プロセッサ１０９は、ピーク６０２の焦点評価値Ｆ０にＸ（Ｘは１より小さい数）を乗算することによって、画像取得許容焦点範囲ΔＦの下限値（閾値）Ｆｔｈを求める（Ｓ５０６）。ここで、ΔＦの範囲内で所定フレーム数分の画像信号が取得できているか否かを判断し、取得できている場合には、ステップ５０７に進み、取得できていない場合は、ステップ５１１に進む。本例の場合、必要フレーム数が４と設定され、ΔＦ内には６０２〜６０５の４つの点が存在するため、必要な画像が取得できているものとして、画像生成ステップに移行する。

一方、必要フレーム数ｎと設定したのにも関わらず、ΔＦに含まれる点がｎ未満である場合は、例えば点６０２に対応するレンズ条件となるようレンズ条件を設定して、ビーム走査、画像生成を行うことによって、必要なｎ枚のフレーム数の信号を取得する（Ｓ５１１〜５１３）。なお、ΔＦ内にｎより多くの点が含まれている場合には、その中で焦点評価値が高いｎ枚のフレームを選択して後述する画像積算を行うようにしても良い。

このようにリアルタイムで取得済みのフレーム数と必要数の比較判断に基づいて、焦点評価のための画像取得工程を終了させるような処理を行うことによって、画像取得処理を必要最小限とすることができ（図６の点線部分への焦点調整の必要がない）、結果として測定、検査装置のスループットを向上させることができる。

画像処理プロセッサ１０９は、このようにして得られたｎフレーム分の信号を、図３に例示したような重み付け演算（Ｓ５０７）を行った上で積算して積算画像を生成する（Ｓ５０８）。このようにして焦点評価のために取得された信号から計測、検査に用いるための画像を生成し、当該画像から輝度プロファイルを形成し、当該輝度プロファイルを用いて積算画像に含まれるパターンの測長を実行する（Ｓ５０９、５１０）。輝度プロファイルは画像の一次元方向の輝度の変化を示す波形信号であり、当該波形信号の高輝度部分（ピーク）間の寸法を測定することによって、パターン幅の寸法測定を実行する。

以上のように、測定処理の画像取得や、焦点評価のための画像取得の効率化を行うことによって、焦点調整を含めた測定、検査処理の処理時間を抑制でき、結果として装置の高スループット化を実現することが可能となる。

１０１…走査型電子顕微鏡の鏡体部、１０２…電子銃、１０３…電子線、１０４…対物レンズ、１０５…試料、１０６…画像信号、１０７…検出器、１０８…増幅器、１０９…画像処理プロセッサ、１１０…表示装置、１１１…制御ユニット、１１２…ステージ、１１３…制御装置

Claims (7)

1. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料上に集束するレンズを備えた荷電粒子線装置において、
   前記レンズを制御する制御装置を備え、当該制御装置は、前記レンズによる異なる集束条件にて得られる複数の画像の焦点評価値を算出し、集束条件が異なるビームの照射によって得られ、且つ所定の条件を満たす画像について、前記焦点評価値に応じた処理を施し、当該焦点評価値に応じた処理が施された処理画像を積算して積算画像を生成す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、
   前記所定の条件とは、画像を取得したときの焦点評価値が所定の閾値以上であ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、
   前記制御装置は、前記異なる集束条件にて得られる複数の画像の焦点評価値の算出に基づいて、焦点評価値の最大値を求め、当該最大値に所定の係数を乗算することによって、前記閾値を算出することを特徴とする荷電粒子線装置。
4. 請求項２において、
   前記制御装置は、前記所定の条件を満たす画像について、焦点評価値に応じた重み付けを行った上で積算画像を生成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、前記異なる集束条件にて得られる複数の画像の焦点評価値の算出に基づいて、焦点評価値の最大値を求め、当該最大値を示すレンズ条件を基準とした所定範囲内のレンズ条件の設定に基づいて得られる前記画像を積算して、積算画像を生成することを特徴とする荷電粒子線装置。
6. 請求項５において、
   前記制御装置は、予め設定された必要フレーム数で前記所定範囲を分割することによって、前記積算画像形成に供する画像形成時のレンズ条件を設定することを特徴とする荷電粒子線装置。
7. 荷電粒子源から放出された荷電粒子ビームを試料上に集束させるレンズを備えた荷電粒子線装置において、
   前記レンズの条件を段階的に変化させ、合焦条件を判定できる制御装置と、前記荷電粒子ビームを試料上に照射することによって得られる荷電粒子を検出する検出器を備え、前記画像信号をもとに画像を生成し、前記生成した画像の焦点評価値を算出し、前記焦点評価値に基づいた重み付け画像を生成し、前記重み付けされた画像を積算して積算画像を生成し、当該積算画像に含まれるパターンの寸法を測定することを特徴とする荷電粒子線装置。

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