JP2020119665A - Scanning electron microscope - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、走査電子顕微鏡に関し、特に試料テーブル上の試料表面の高さ測定の分解能を向上させ、電子ビームの焦点位置を補正するための技術に関する。 The present invention relates to a scanning electron microscope, and more particularly to a technique for improving the resolution of height measurement of a sample surface on a sample table and correcting the focal position of an electron beam.
半導体集積回路装置のパターンを鮮明に撮像するためには、ウェーハの表面高さを高精度に測定することが重要である。そこで、走査電子顕微鏡には、試料表面の高さを非接触で測定する光学式高さ測定システムが搭載されている。一般に、走査電子顕微鏡の対物レンズと試料表面との距離は、数ミリメートルと非常に短い。このため、レーザー光線を試料表面に斜めに入射させ、その反射光をCCDやPSD等の光センサで検出し、対物レンズから試料表面までの高さを算出する方式が採られてきた。 In order to clearly image the pattern of the semiconductor integrated circuit device, it is important to measure the surface height of the wafer with high accuracy. Therefore, the scanning electron microscope is equipped with an optical height measuring system that measures the height of the sample surface in a non-contact manner. Generally, the distance between the objective lens of a scanning electron microscope and the sample surface is very short, such as several millimeters. Therefore, a method has been adopted in which a laser beam is obliquely incident on the sample surface, the reflected light is detected by an optical sensor such as CCD or PSD, and the height from the objective lens to the sample surface is calculated.
図14は、従来の高さ測定システムを説明する模式図である。対物レンズ200の一方側に光源202および投光レンズ203が配置され、対物レンズ200の反対側に光センサ210および受光レンズ211が配置されている。試料220は、試料テーブル230上に置かれる。試料220の表面の高さZは、三角測量の原理により与えられる次式から求めることができる。
Z=2L・(sinα・sinβ)/sin(α+β)
ここで、2Lは、投光レンズ203と受光レンズ211との間の距離を表す。
FIG. 14 is a schematic diagram illustrating a conventional height measuring system. The
Z=2L・(sinα・sinβ)/sin(α+β)
Here, 2L represents the distance between the
α=βの場合、高さZはL・tanβとなる。ここで光センサ210の検出面上の像の位置が微小変化(ΔX)した時の角度変化(Δβ)に対応する高さの変化量(ΔZ)は、
ΔZ=(∂Z/∂β)・Δβ=(∂Z/∂β)・(∂β/∂X)ΔX=(L・sec2β)γΔX
Δβ=(∂β/∂X)・ΔX=γΔX
(γ:光センサ210の検出面上の1ピクセル当たりの角度変化量、rad/pixel)
と与えられる。
When α=β, the height Z is L·tan β. Here, the amount of change in height (ΔZ) corresponding to the change in angle (Δβ) when the position of the image on the detection surface of the
ΔZ=(∂Z/∂β)・Δβ=(∂Z/∂β)・(∂β/∂X) ΔX=(L・sec 2 β)γΔX
Δβ=(∂β/∂X)・ΔX=γΔX
(Γ: angle change amount per pixel on the detection surface of the
Is given.
入射角度(α=β)が1度のように小さくなると、光源202や光センサ210の取付空間を確保するために基準距離Lを長くする必要がある。このため、基準距離Lは、光センサ210と受光レンズ211との距離fよりもかなり長くなる。基準距離Lが長くなると、光センサ210の検出面上での位置分解能(検出可能な最小変化量)ΔXに対応する角度変化(Δβ=γΔX)に応じた試料220の表面高さの変化量、すなわち高さ分解能ΔZは粗くなる(低下する)。
When the incident angle (α=β) becomes small like 1 degree, it is necessary to lengthen the reference distance L in order to secure a mounting space for the
光の入射角度と高さ測定分解能にはこのような関係があるため、対物レンズ200の先端と試料220の表面との間が数ミリメートルの隙間しかなく、しかも光の入射角度が1度のように小さくなると、必要とする高さ測定の分解能が得られないという問題がある。
Since there is such a relationship between the incident angle of light and the height measurement resolution, there is only a gap of several millimeters between the tip of the
さらに、光源202と光センサ210との間の光路長は数十センチ〜1メートルと長くなるため、環境変化に起因して光路長変動および入射角度変動が起こりやすい。特に走査電子顕微鏡は真空チャンバを構成要素に持つため、圧力変化で生じる壁部の変形が光路に影響を与えやすい。このような背景から、高さ測定の分解能は1μm程度と低く、精度のよい高さ測定ができなかった。さらに、光源202と光センサ210などの光学系は、試料が置かれる真空チャンバ内に設置されるため、保守作業が容易でないといった問題があった。
Furthermore, since the optical path length between the
そこで、本発明は、高さ測定の分解能を向上させることができる表面高さ測定システムと、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備えた走査電子顕微鏡を提供する。 Therefore, the present invention provides a scanning electron microscope including a surface height measuring system capable of improving the resolution of height measurement and an objective lens control unit for correcting the focal position of an electron beam.
一態様では、電子ビーム照射システムと、真空チャンバと、前記真空チャンバ内に配置された試料テーブルと、前記試料テーブルを移動させるテーブルステージと、前記試料テーブル上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システムと、電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備え、前記表面高さ測定システムは、前記試料テーブルのテーブル面を向いて配置されたセンサヘッドを有する分光干渉変位計と、前記センサヘッドと前記テーブル面との間に配置されたビームスプリッターと、前記ビームスプリッターで分岐された光路上に配置された反射体と、前記試料テーブルに固定された基準構造体と、前記試料の表面高さの測定値からオフセット値を減算し、かつ予め定められた補正値を前記測定値に加算することで、前記電子ビーム照射システムの下端と前記試料の表面との距離を算出する演算装置を備え、前記補正値は、前記電子ビーム照射システムの下端と前記基準構造体との距離と、予め定められた基準高さと前記電子ビーム照射システムの下端との距離の合計から、前記表面高さ測定システムによって取得された前記基準構造体の高さの測定値を減算することで得られた数値である、走査電子顕微鏡が提供される。 In one aspect, an electron beam irradiation system, a vacuum chamber, a sample table arranged in the vacuum chamber, a table stage for moving the sample table, and a surface for measuring the surface height of the sample on the sample table. A height measuring system; and an objective lens control unit for correcting the focal position of the electron beam, wherein the surface height measuring system has a spectral interference displacement meter having a sensor head arranged facing the table surface of the sample table. A beam splitter arranged between the sensor head and the table surface, a reflector arranged on an optical path branched by the beam splitter, a reference structure fixed to the sample table, and the sample Calculation for calculating the distance between the lower end of the electron beam irradiation system and the surface of the sample by subtracting the offset value from the measured value of the surface height and adding a predetermined correction value to the measured value. And a correction value, wherein the correction value is the sum of the distance between the lower end of the electron beam irradiation system and the reference structure, the predetermined reference height and the distance between the lower end of the electron beam irradiation system, and the surface height. There is provided a scanning electron microscope, which is a numerical value obtained by subtracting the measurement value of the height of the reference structure obtained by the size measurement system.
一態様では、前記センサヘッドは、前記テーブル面に対して垂直である。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記真空チャンバの外に配置されている。
一態様では、前記センサヘッドは、前記真空チャンバを構成する上壁に固定されたハウジング内に配置されている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターおよび前記反射体が固定された透明ブロックをさらに備えている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記センサヘッドと前記ビームスプリッターとの間に配置された凹レンズをさらに備えている。
一態様では、前記表面高さ測定システムは、前記ビームスプリッターと前記テーブル面との間に配置された円偏光板をさらに備えている。
In one aspect, the sensor head is perpendicular to the table surface.
In one aspect, the surface height measurement system is located outside the vacuum chamber.
In one aspect, the sensor head is arranged in a housing fixed to an upper wall forming the vacuum chamber.
In one aspect, the surface height measurement system further comprises a transparent block to which the beam splitter and the reflector are fixed.
In one aspect, the surface height measurement system further comprises a concave lens disposed between the sensor head and the beam splitter.
In one aspect, the surface height measurement system further comprises a circular polarizer disposed between the beam splitter and the table surface.
表面高さ測定システムによれば、高さ測定の分解能を約0.1μmまで向上させることができる。表面高さ測定システムを用いた高さ測定を電子ビームのフォーカスサーチの前に実施し、表面高さ測定システムに接続された対物レンズ制御ユニットで電子ビームの焦点位置を補正すると、電子ビームを試料の表面に実質的にフォーカスさせることができる。したがって、走査電子顕微鏡は、フォーカスサーチに生成する画像の枚数を大幅に低減することができ、フォーカスサーチを高速に実行することができる。結果として、走査電子顕微鏡は、明瞭なパターン像を迅速に生成することができる。 According to the surface height measuring system, the resolution of height measurement can be improved to about 0.1 μm. When the height measurement using the surface height measurement system is performed before the electron beam focus search and the electron beam focus position is corrected by the objective lens control unit connected to the surface height measurement system, the electron beam is sampled. The surface of the can be focused substantially. Therefore, the scanning electron microscope can significantly reduce the number of images generated in the focus search, and can perform the focus search at high speed. As a result, scanning electron microscopes can quickly produce clear pattern images.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図1は、走査電子顕微鏡の一実施形態を示す模式図である。図1に示すように、走査電子顕微鏡100は、電子ビーム照射システム101と、真空チャンバ120と、真空チャンバ120内に配置された試料テーブル121と、試料テーブル121を移動させるテーブルステージ123と、試料テーブル121上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システム140と、試料の表面高さに基づいてフォーカス値を調節する対物レンズ制御ユニット135を備えている。真空チャンバ120は、図示しない真空ポンプに接続されており、真空チャンバ120内に真空が形成されるようになっている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of a scanning electron microscope. As shown in FIG. 1, the
電子ビーム照射システム101は、一次電子(荷電粒子)からなる電子ビームを発する電子銃111と、電子銃111から放出された電子ビームを集束する集束レンズ112、電子ビームをX方向に偏向するX偏向器113、電子ビームをY方向に偏向するY偏向器114、電子ビームを試料であるウェーハ124にフォーカスさせる対物レンズ115を有する。対物レンズ115は対物レンズ制御ユニット135に接続されており、対物レンズ115のフォーカス値は対物レンズ制御ユニット135により制御される。表面高さ測定システム140は、対物レンズ制御ユニット135に接続されている。
The electron
真空チャンバ120内の試料テーブル121の位置および高さは、テーブルステージ123によって調節される。テーブルステージ123は、試料テーブル121のテーブル面121aに平行なX方向およびY方向に試料テーブル121移動させることができ、さらにテーブル面121aに垂直なZ方向に試料テーブル121を移動させることが可能に構成されたXYZステージである。試料であるウェーハ124は、試料テーブル121のテーブル面121a上に置かれる。試料テーブル121は、ウェーハ124の下面を保持できるように構成されている。試料テーブル121の一例として、静電チャックテーブルが挙げられる。
The position and height of the sample table 121 in the
走査電子顕微鏡100は、二次電子検出器130、反射電子検出器131、および画像取得装置118をさらに備えている。二次電子検出器130および反射電子検出器131は、画像取得装置118に接続されている。画像取得装置118は二次電子検出器130と反射電子検出器131の出力信号を画像に変換するように構成される。
The
走査電子顕微鏡100の動作は次のようになる。電子銃111から放出された電子ビームは集束レンズ112で集束された後に、X偏向器113、Y偏向器114で偏向されつつ対物レンズ115により集束されてウェーハ124の表面に照射される。ウェーハ124に電子ビームの一次電子が照射されると、ウェーハ124からは二次電子および反射電子が放出される。二次電子は二次電子検出器130により検出され、反射電子は反射電子検出器131により検出される。二次電子の検出信号および反射電子の検出信号は、画像取得装置118に入力され画像に変換される。本実施形態では、試料の例としてウェーハ124が使用されるが、本発明は本実施形態に限定されない。例えば、試料は、ガラス基板であってもよい。
The operation of the
表面高さ測定システム140は、真空チャンバ120の外に配置されている。表面高さ測定システム140は、走査電子顕微鏡100がオートフォーカス動作を実行する前に、試料テーブル121上のウェーハ124の表面高さを測定する。以下、表面高さ測定システム140について説明する。
The surface
図2は、表面高さ測定システム140の詳細な構造を示す図である。表面高さ測定システム140は、試料テーブル121のテーブル面121aを向いて配置されたセンサヘッド142を有する分光干渉変位計144と、センサヘッド142とテーブル面121aとの間に配置されたビームスプリッター146と、ビームスプリッター146で分岐された光路上に配置された反射体148を備えている。センサヘッド142から放出される光の方向に対するビームスプリッター146の角度は、45度である。反射体148の反射面は、センサヘッド142から放出される光の方向と平行である。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed structure of the surface
分光干渉変位計144は、光を発する光源150と、光を波長に従って分解し、光の強度を波長ごとに測定する分光器151と、分光器151によって得られた光の強度データから分光波形を生成し、分光波形を解析してウェーハ124の表面の高さを決定する波形分析装置155をさらに備えている。分光器151は、CCDなどの光センサ(図示せず)を備えている。光源150および分光器151は、センサヘッド142に接続されている。
The spectral
センサヘッド142は、光源150によって発せられた光をビームスプリッター146に導き、かつウェーハ124および反射体148からの反射光を受けるためのレンズおよび光ファイバ(図示せず)を有している。ウェーハ124の表面からの反射光と、反射体148からの反射光は、互いに干渉しながら、センサヘッド142に入射する。互いに干渉した2つの反射光は、センサヘッド142を通じて分光器151に伝送される。分光器151は、互いに干渉した2つの反射光を波長に従って分解し、光の強度を波長ごとに測定する。波形分析装置155は、分光器151によって得られた光の強度データから分光波形を生成する。
The
ウェーハ124の表面からの反射光と、反射体148からの反射光の干渉の仕方は、センサヘッド142からビームスプリッター146を経由した反射体148までの距離L1と、センサヘッド142からウェーハ124の表面までの距離L2との差に依存して変わる。センサヘッド142と、ビームスプリッター146と、反射体148との相対位置は、固定されている。したがって、距離L1は常に一定である。一方、距離L2は、ウェーハ124の表面高さに依存して変わる。したがって、ウェーハ124の表面からの反射光と、反射体148からの反射光の干渉の仕方は、ウェーハ124の表面高さに依存して変わる。波形分析装置155によって生成された分光波形は、このような2つの反射光の波の干渉の仕方に従って変化する。したがって、波形分析装置155は、分光波形を解析することで、ウェーハ124の表面の高さを決定することができる。
The manner in which the reflected light from the surface of the
反射体148は、センサヘッド142からテーブル面121aまでの距離と、距離L1との差が設定範囲内に収まるような位置に配置される。設定範囲は、分光干渉変位計144の有効測定範囲に基づいて予め定められる。設定範囲は0を含んでもよい。
The
表面高さ測定システム140は、センサヘッド142とビームスプリッター146との間に配置された凹レンズ156をさらに備えている。この凹レンズ156は、センサヘッド142から放出された光(集束光)の焦点をウェーハ124の表面上に位置させるために設けられている。凹レンズ156がなくても、光の焦点がウェーハ124の表面上に位置することができるのであれば、凹レンズ156は設けなくてもよい。
The surface
センサヘッド142、ビームスプリッター146、凹レンズ156、および反射体148は、ハウジング158内に収容されており、かつハウジング158に固定されている。ハウジング158は、真空チャンバ120を構成する上壁137に固定されている。センサヘッド142は、テーブル面121aに対して垂直である。このように配置されたセンサヘッド142は、ウェーハ124の表面に垂直に光を導き、かつウェーハ124の表面からの反射光を受けることができる。センサヘッド142は、対物レンズ115の横に配置されている。センサヘッド142と対物レンズ115との距離は、できるだけ短いことが好ましい。
The
本実施形態では、センサヘッド142とウェーハ124の表面との距離L2は、50mm〜100mmである。この距離は、図14に示す従来の表面高さ測定システムの光路長(数十センチ〜1メートル)に比べて、非常に短い。したがって、真空チャンバ120内の圧力変動に起因して上壁137が変形したときでも、表面高さ測定システム140はそのような環境変化にほとんど影響されずに、ウェーハ124の表面高さを高精度に測定することができる。
In the present embodiment, the distance L2 between the
図3は、センサヘッド142からビームスプリッター146を経由した反射体148までの距離L1と、センサヘッド142からウェーハ124の表面までの距離L2との差を、表面高さ測定システム140で測定した検証実験の結果を示すグラフである。この検証実験では、距離L1と距離L2との差を同じ条件下で1000回測定した。センサヘッド142からウェーハ124の表面までの距離L2は70mmであった。得られた測定データの3σは、0.05μmであった。これは、測定値のばらつきが0.1μmの範囲内に収まっていることを示している。したがって、検証実験の結果から、本実施形態の表面高さ測定システム140は、0.1μm未満の分解能が得られることが分かる。
FIG. 3 is a verification in which the difference between the distance L1 from the
表面高さ測定システム140によって測定されるウェーハ124の表面高さは、ある基準高さからウェーハ124の表面までの距離である。本実施形態では、基準高さを、真空チャンバ120の上壁137の下面の高さとする。基準高さは、表面高さ測定システム140に予め設定される。図2に示すように、表面高さ測定システム140の測定値は、Mnsで表される。測定値Mnsは、基準高さからウェーハ124の表面までの距離として表される。対物レンズ115とウェーハ124の表面との距離Znoは、次の式(1)から求めることができる。
Zno=Mns−Zoff (1)
ただし、Zoffは、基準高さである真空チャンバ120の上壁137の下面から対物レンズ115の下端までの距離を表すオフセット値である。このオフセット値Zoffは、走査電子顕微鏡100に固有の固定値である。
The surface height of the
Zno=Mns-Zoff (1)
However, Zoff is an offset value that represents the distance from the lower surface of the
表面高さ測定システム140は、分光干渉変位計144の波形分析装置155に接続された演算装置160をさらに備えている。演算装置160は、処理装置160A(例えばCPU)などの処理装置160Aと、記憶装置160Bと、測定結果を表示する表示装置160Cを備えている。上記式(1)およびオフセット値Zoffは、記憶装置160B内に予め格納されている。ウェーハ124の表面高さの測定値Mnsは波形分析装置155から演算装置160に送られ、演算装置160は上記式(1)を用いて対物レンズ115とウェーハ124の表面との距離Znoを算出する。演算装置160は、汎用のコンピュータまたは専用のコンピュータから構成されてもよい。演算装置160は、対物レンズ制御ユニット135に接続されている。
The surface
図4および図5は、表面高さ測定システム140の他の実施形態を示す図である。図4に示す実施形態では、センサヘッド142から放出される光の方向に対するビームスプリッター146の角度は、45度以外の角度である。反射体148は、全体として、ビームスプリッター146よりも高い位置にある。図5に示す実施形態は、センサヘッド142から放出される光の方向に対するビームスプリッター146の角度が45度である点で図2に示す実施形態と同じであるが、2つの反射体、すなわち第1反射体148Aと第2反射体148Bが設けられている点で異なっている。第2反射体148Bは、第1反射体148Aの上方に配置される。図5に示す実施形態は、第1反射体148Aとビームスプリッター146との距離を短くし、必要とする設置スペースの幅を小さくできるという利点がある。
4 and 5 are views showing another embodiment of the surface
図6は、表面高さ測定システム140のさらに他の実施形態を示す図である。図6に示す実施形態に係る表面高さ測定システム140は、ビームスプリッター146および反射体148が固定された透明ブロック170を備えている。透明ブロック170は、ガラスまたは水晶などの透明な材料から構成されている。ビームスプリッター146は、透明ブロック170内に位置している。このような構成は、三角プリズムの側面に膜状のビームスプリッター146を形成し、この三角プリズムと他の三角プリズムでビームスプリッター146を挟むことで製作することができる。反射体148は、透明ブロック170の端面に固定されている。一例では、反射体148は、アルミニウムなどの金属や誘電多層膜を透明ブロック170の端面に蒸着させることで形成することができる。
FIG. 6 is a diagram showing still another embodiment of the surface
ビームスプリッター146と反射体148の相対位置および相対角度は、透明ブロック170によって固定される。したがって、ビームスプリッター146および反射体148の角度調整が不要であり、かつ測定精度が安定する。さらに、ビームスプリッター146および反射体148をそれぞれ固定するための部材の数が少なくなる。
The relative position and relative angle between the
図7は、表面高さ測定システム140のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図6に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。図7に示す実施形態は、第1反射体148Aおよび第2反射体148Bを備えている。これら2つの反射体148は、透明ブロック170の端面に固定されている。本実施形態は、図6に示す実施形態で得られる利点に加え、必要とする設置スペースの幅を小さくできるという利点がある。
FIG. 7 is a diagram showing still another embodiment of the surface
図8は、表面高さ測定システム140のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図2に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。表面高さ測定システム140は、ビームスプリッター146とテーブル面121aとの間に配置された円偏光板175をさらに備えている。センサヘッド142から放出された光は、円偏光板175を通過してテーブル面121a上のウェーハ124に向かう。円偏光板175は、直線偏光を円偏光に変換する機能を有する。光源150にレーザーを使用する場合は、センサヘッド142から放出される光は直線偏光である。センサヘッド142から放出された直線偏光は、円偏光板175を通過するときに円偏光に変換される。
FIG. 8 is a view showing still another embodiment of the surface
ウェーハ124の表面に形成されているパターンが、ある一方向に延びる規則的なパターンである場合、ウェーハ124の表面での光の反射率はパターンの方向に影響されることがある。そこで、本実施形態では、円偏光がウェーハ124の表面に照射される。円偏光の反射率は、パターンの方向に依存しにくく、結果として、表面高さの測定精度が安定する。
When the pattern formed on the surface of the
図9は、表面高さ測定システム140のさらに他の実施形態を示す図である。特に説明しない本実施形態の構成は、図2に示す実施形態と同じであるので、その重複する説明を省略する。表面高さ測定システム140は、試料テーブル121に固定された基準構造体180を備えている。本実施形態では基準構造体180は試料テーブル121の側面に固定されているが、基準構造体180は試料テーブル121の上面に固定されてもよい。
FIG. 9 is a view showing still another embodiment of the surface
基準構造体180は、テーブル面121aと平行な平坦な上面を有している。基準構造体180の材料は特に限定されないが、光を反射しやすい材料(例えば金属)から構成される。本実施形態では、基準構造体180の上面の高さは、テーブル面121a上のウェーハ124の表面と同じ高さであるが、ウェーハ124の表面の高さと異なってもよい。
The
このような基準構造体180を設ける理由は、対物レンズ115とウェーハ124の表面との距離Znoを補正するためである。すなわち、図9に示すように、試料テーブル121の全体が傾いていたり、あるいはセンサヘッド142の高さ方向の位置が正しくない場合は、上記式(1)で得られた距離Znoは、対物レンズ115とウェーハ124の表面との正しい距離を示さない。そこで、本実施形態では、表面高さ測定システム140は、次の式(2)用いて距離Znoを算出する。
Zno=Mns−Zoff+補正値 (2)
The reason why the
Zno=Mns-Zoff+correction value (2)
補正値は、次の式(3)で求められる。
補正値=ΔZns+ΔZnt=Zoff+Zre−Mre (3)
ただし、ΔZnsは、図10に示すように、表面高さ測定システム140に設定された基準高さと、実際の基準高さ(上壁137の下面の高さ)との差を表し、ΔZntは、試料テーブル121の傾きに起因する基準構造体180の高さの差、すなわち基準構造体180が対物レンズ115の真下に位置しているときの基準構造体180の高さと、基準構造体180がセンサヘッド142の真下に位置しているときの基準構造体180の高さとの差を表し、Zreは、基準構造体180が対物レンズ115の真下に位置しているときの対物レンズ115の下端と基準構造体180との距離を表し、Mreは、図10の点線で示すように、基準構造体180がセンサヘッド142の真下に位置しているときの基準構造体180の高さの測定値を表している。
The correction value is obtained by the following equation (3).
Correction value=ΔZns+ΔZnt=Zoff+Zre−Mre (3)
However, as shown in FIG. 10, ΔZns represents the difference between the reference height set in the surface
距離Zreは、次のようにして測定される。走査電子顕微鏡100は、焦点を変えながら、基準構造体180の多数の画像を生成する。焦点は、対物レンズ115に流す電流値に従って変わる。走査電子顕微鏡100は、得られた画像のうち、最も鮮明な1つの画像を選択し、その選択した画像に対応する焦点(すなわち、対物レンズ115に流した電流値)を決定する。対物レンズ115の下端と基準構造体180との間の距離Zreは、上記決定された焦点から算出することができる。
The distance Zre is measured as follows.
演算装置160は、上記式(3)で補正値を算出し、得られた補正値を記憶装置160B内に格納する。ウェーハ124の表面高さを測定した後、演算装置160は、上記式(2)を用いて対物レンズ115とウェーハ124の表面との距離Znoを算出する。本実施形態によれば、試料テーブル121の傾き、およびセンサヘッド142の高さ方向の位置ずれの影響が排除された距離Znoが得られる。
The
上記式(2)によって得られた距離Znoの情報は、演算装置160から対物レンズ制御ユニット135に送られる。対物レンズ制御ユニット135は、対物レンズ115を操作して、電子ビームの焦点位置を距離Znoに基づいて補正する。
The information on the distance Zno obtained by the above equation (2) is sent from the
図11は、ウェーハ124の表面上の測定点の位置と、対物レンズ115の下端からウェーハ124の表面上の測定点までの距離Znoの関係を示す高さマップを示す図である。図11において、X軸は、ウェーハ124の表面上のX方向に沿った位置を表し、Y軸はウェーハ124の表面上のY方向に沿った位置を表し、Z軸は距離Znoを表している。高さマップは、演算装置160の表示装置160C(図2参照)に表示される。ユーザーは、表示装置160Cに現れた高さマップから、ウェーハ124の表面の高さ分布を知ることができる。
FIG. 11 is a diagram showing a height map showing the relationship between the position of the measurement point on the surface of the
この高さマップ上の任意の目標測定点での距離Znoは、その周囲の既知の値を用いて求めることができる。以下、目標測定点での距離Znoを求める実施例の1つを示す。
演算装置160は、座標(X',Y')で表される目標測定点の周囲にある4点の実測データ列(x0,y0,z0)、(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)、(x3,y3,z3)を決定し、これら4点に最も近い平面Zno=ax+by+cを求める。さらに、演算装置160は、平面を表す上記式のxにX'を代入し、かつyにY'を代入することで、目標測定点での距離Znoを、Zno=aX'+bY'+cとして求めることができる。
The distance Zno at an arbitrary target measurement point on this height map can be obtained by using a known value around it. Hereinafter, one example of obtaining the distance Zno at the target measurement point will be described.
The
ここで、平面を表す式のパラメータa,b,cは、すべての点列と平面との距離の二乗和Q=Σ(axi+byi+ci−zi)2を最小にする値であり、次式で求められる。
a=[C(GH-nE)+F(EG-BH)+D(nB-G2)]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
b=[A(GH-nE)+F(-CH-DG)+EF2+nCD]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
c=[A(EG-BH)+C2H-CDG+(BD-CD)F]/[A(G2-nB)-2CFG+BF2+nC2]
ただし、A=Σxi2,B=Σyi2,C=Σxiyi,D=Σxizi,E=Σyizi,F=Σxi,G=Σyi,H=Σzi
Here, the parameters a, b, and c of the equation expressing the plane are values that minimize the sum of squares Q=Σ(axi+byi+ci−zi) 2 of the distance between all the point sequences and the plane, and are calculated by the following equation. ..
a=[C(GH-nE)+F(EG-BH)+D(nB-G 2 )]/[A(G 2 -nB)-2CFG+BF 2 +nC 2 ]
b=[A(GH-nE)+F(-CH-DG)+EF 2 +nCD]/[A(G 2 -nB)-2CFG+BF 2 +nC 2 ]
c=[A(EG-BH)+C 2 H-CDG+(BD-CD)F]/[A(G 2 -nB)-2CFG+BF 2 +nC 2 ]
However, A=Σxi 2 , B=Σyi 2 , C=Σxiyi, D=Σxizi, E=Σyizi, F=Σxi, G=Σyi, H=Σzi
図12は、ウェーハ124の高さ測定を実行するフローチャートである。ステップ1−1では、ウェーハ124を試料テーブル121のテーブル面121a上に置く。ステップ1−2では、ウェーハ124の表面上の測定点がセンサヘッド142の真下に位置するまで、テーブルステージ123は試料テーブル121およびウェーハ124を移動させる。ステップ1−3では、表面高さ測定システム140はウェーハ124の表面高さを測定する。ステップ1−4では、演算装置160は、上記式(2)または式(3)を用いて、上記測定点での対物レンズ115の下端とウェーハ124の表面との距離Znoを算出する。上記ステップ1−2からステップ1−4の動作は、予め指定されたすべての測定点で距離Znoが算出されるまで繰り返される。ステップ1−5では、演算装置160は、距離Znoの値と、対応する測定点の関係を示す高さマップを作成し、表示装置160C上に表示させる。
FIG. 12 is a flowchart for performing the height measurement of the
図13は、走査電子顕微鏡100のオートフォーカス動作を説明するフローチャートである。ステップ2−1では、テーブルステージ123は、ウェーハ124の表面上の目標測定点が対物レンズ115の真下に位置するまで試料テーブル121およびウェーハ124を移動させる。ステップ2−2では、演算装置160は、目標測定点での距離Znoを高さマップから算出する。ステップ2−3では、走査電子顕微鏡100は、対物レンズ115の焦点を、算出された距離Znoに設定する。ステップ2−4は、走査電子顕微鏡100は、電子ビームのフォーカスサーチを実行する。このフォーカスサーチでは、走査電子顕微鏡100は、目標測定点でのウェーハ124の表面の複数枚の画像を生成し、生成した複数の画像のなかで、最も鮮明な画像を決定し、決定された画像を生成したときの焦点(すなわち、対物レンズ115に流した電流値)を決定する。ステップ2−5では、走査電子顕微鏡100は、決定された焦点でウェーハ124の表面の画像を生成する。
FIG. 13 is a flowchart illustrating the autofocus operation of the
上述した実施形態は、適宜変更することができる。例えば、2セットのセンサヘッド142、ビームスプリッター146、および反射体148を、対物レンズ115の両側に配置してもよく、または複数セットのセンサヘッド142、ビームスプリッター146、および反射体148を、対物レンズ115の周囲に等間隔に配置してもよい。
The embodiment described above can be modified as appropriate. For example, two sets of sensor heads 142,
上述した各実施形態は、適宜組み合わせることができる。例えば、図6および図7に示す透明ブロック170は、図8および図9に示す実施形態に適用することが可能である。
The respective embodiments described above can be combined as appropriate. For example, the
上述した実施形態は、本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が本発明を実施できることを目的として記載されたものである。上記実施形態の種々の変形例は、当業者であれば当然になしうることであり、本発明の技術的思想は他の実施形態にも適用しうる。したがって、本発明は、記載された実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲によって定義される技術的思想に従った最も広い範囲に解釈されるものである。 The above-described embodiments are described for the purpose of enabling a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs to implement the present invention. Various modifications of the above-described embodiment can be naturally made by those skilled in the art, and the technical idea of the present invention can be applied to other embodiments. Therefore, the present invention is not limited to the described embodiments, but is to be construed in the broadest scope according to the technical idea defined by the claims.
100 走査電子顕微鏡
101 電子ビーム照射システム
111 電子銃
112 集束レンズ
113 X偏向器
114 Y偏向器
115 対物レンズ
118 画像取得装置
120 真空チャンバ
121 試料テーブル
121a テーブル面
123 テーブルステージ
130 二次電子検出器
131 反射電子検出器
135 対物レンズ制御ユニット
137 上壁
140 表面高さ測定システム
142 センサヘッド
144 分光干渉変位計
146 ビームスプリッター
148 反射体
148A 第1反射体
148B 第2反射体
150 光源
151 分光器
155 波形分析装置
156 凹レンズ
158 ハウジング
160 演算装置
160A 処理装置
160B 記憶装置
160C 表示装置
170 透明ブロック
175 円偏光板
180 基準構造体
100
Claims (7)
真空チャンバと、
前記真空チャンバ内に配置された試料テーブルと、
前記試料テーブルを移動させるテーブルステージと、
前記試料テーブル上の試料の表面高さを測定する表面高さ測定システムと、
電子ビームの焦点位置を補正する対物レンズ制御ユニットを備え、
前記表面高さ測定システムは、
前記試料テーブルのテーブル面を向いて配置されたセンサヘッドを有する分光干渉変位計と、
前記センサヘッドと前記テーブル面との間に配置されたビームスプリッターと、
前記ビームスプリッターで分岐された光路上に配置された反射体と、
前記試料テーブルに固定された基準構造体と、
前記試料の表面高さの測定値からオフセット値を減算し、かつ予め定められた補正値を前記測定値に加算することで、前記電子ビーム照射システムの下端と前記試料の表面との距離を算出する演算装置を備え、
前記補正値は、前記電子ビーム照射システムの下端と前記基準構造体との距離と、予め定められた基準高さと前記電子ビーム照射システムの下端との距離の合計から、前記表面高さ測定システムによって取得された前記基準構造体の高さの測定値を減算することで得られた数値である、走査電子顕微鏡。 An electron beam irradiation system,
A vacuum chamber,
A sample table arranged in the vacuum chamber,
A table stage for moving the sample table,
A surface height measuring system for measuring the surface height of the sample on the sample table;
Equipped with an objective lens control unit that corrects the focal position of the electron beam,
The surface height measuring system,
A spectral interference displacement meter having a sensor head arranged facing the table surface of the sample table;
A beam splitter disposed between the sensor head and the table surface,
A reflector arranged on the optical path branched by the beam splitter,
A reference structure fixed to the sample table,
The offset value is subtracted from the measured value of the surface height of the sample, and a predetermined correction value is added to the measured value to calculate the distance between the lower end of the electron beam irradiation system and the surface of the sample. Equipped with a computing device that
The correction value is a distance between the lower end of the electron beam irradiation system and the reference structure, a predetermined reference height and a distance between the lower end of the electron beam irradiation system and the surface height measurement system. A scanning electron microscope, which is a numerical value obtained by subtracting the obtained measurement value of the height of the reference structure.
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